JP2008170244A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーに予め形成した組み付け先に磁性体コアを組み付け可能にすることにより、磁性体コアのバスバーへの組み付け作業を改善することができる構造電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１の組立てに際しては、磁性体コア１０が、バスバー２上に一端部で繋がっているサブバスバー本体３０の中間部８に対して、その未だ連結されていない自由端側から中間部８を囲むように配置される。磁性体コア１０のサブバスバー本体３０への組み付け後に、サブバスバー接続部３３が、サブバスバー本体３０に対して中間部の自由端側の接続端部８ａにリベット６止めにて連結される。サブバスバー接続部３３は、バスバー２上に切り起こした屈曲部３２に対してもリベット６止めにて連結することで、バスバー２から分流し且つ磁性体コア１０が組み付けられたサブバスバー５が簡単に構成することができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、電流によって発生する磁界を測定することによって電流を測定する電流センサに関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車、電動４ＷＤ等においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動している。昨今の電気駆動式の車両においては、大電流化が進んでおり、モータ駆動用の電流はピーク時には略１０００Ａにも達する。この電流の大きさを検出してモータの制御を行っている。

このときの電流センサは、現状では磁気比例式動作原理に基づいたものが主流である。磁気比例式動作原理は、測定すべき電流が導体に流れると、その導体の周囲において、電流の向きを右ねじを回すときの進む方向に一致させるときにその右回りの方向の磁界が生じ、その磁界を測定することにより電流の大きさを間接的に測定するものである。導体の周囲に磁性体コアを配置すると、その磁性体コアの中に磁力線が生じる。磁性体コアの一部に切り欠きとしてのコアギャップを形成し、そのコアギャップ内にホール素子を配置すると、そのコアギャップには被測定電流に比例した磁界が生じ、ホール素子はこの磁界を電圧信号に変換する。このホール素子からの出力電圧を増幅回路にて増幅し、被測定電流に比例した出力電圧を発生する。

このような磁気比例式電電流センサは、高範囲まで電流測定が可能であり、小型軽量であり、交流・直流・パルス電流のいずれも測定が可能であり、更に、低消費電力である、等の特長が挙げられる。

磁気検出素子の感度のばらつきや温度依存性による出力変動を抑制することができるようにした電流センサ装置が提案されている（特許文献１）。電流センサ装置として、被測定電流が通過する導電部を囲うように設けられ、一部にギャップを有する磁気ヨークと、この磁気ヨークの一部の周囲に設けられ、一端が接地された基準磁界印加用のコイルと、このコイルの他端に接続され、所定の交流信号を発生して、コイルに微小な交流電流を供給する交流電源とを備えている。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を用いたＧＭＲ素子は、磁気ヨークのギャップ内に配置されている。

車両の電源線（バスバー）に流れる負荷電流を検出する場合に、金属板からなるバスバーに矩形状の切欠部を形成し、この切欠部によりバスバーに２つの電流分流路を形成した電流センサが提案されている（特許文献２）。この電流センサは、バスバーに磁性体コアとホール素子とを組み付けて構成されており、バスバーに流れる電流を２つの電流分流路により分流し、分流した一部の電流、すなわち電流分流路に流れる電流をホール素子からの出力により検出し、検出出力とバスバーの幅とに基づいてバスバーに流れる総電流値を算出している。この電流センサによれば、バスバーを流れる電流が大きくても、ホール素子の線形領域を利用することでホール素子の検出精度を改善し、また、組み立てやレイアウトの自由度についても改善を図っている。

しかしながら、電気駆動式の自動車においては、大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、そのため大電流時の磁気飽和を回避する必要がある。そうした対策の一つとして磁性体コアを大きくすることが考えられるが、そうした対策では、電流センサ自体が大型化する、大電流を流す銅製電流バスバーの幅が電流コアの形状にて制約されバスバーに直接にねじ止めする幅を確保することができない、更に、磁性コアが大きくなると、価格が高価になり、例えば大量に生産されているために価格が低下している電動パワーステアリング用電流センサの流用ができなくなるという問題がある。

そこで、本発明者らは、バスバーから一部を取り出して分流電流について磁気比例式電流センサを適用して、電流値を測定しバスバー全体に流れる電流を測定する電流センサをコンパクトに構成することを提案している（特願２００６−３２８５２）。この電流センサによれば、幹流プレートであるバスバー上に両端部を固定し当該両端部に繋がる中間部をバスバーから隔間した状態にサブバスバーを設けておき、サブバスバーを流れる電流に起因した磁界を測定するための磁性体コアを当該サブバーの中間部を囲むように配置して組み込んでいる。

このような電流センサによれば、銅製電流バスバーから電流を分流する分流比率を設定することにより、１種類のセンサ（１種類の磁気比例式電流センサ）でいろいろな大電流センサが設計可能になり、且つ１種類の磁気比例式電流センサを使用するのみであるので、メイン電流バーを電流センサ電磁コアの大きさに合わせる必要がなくなる。また、バスバーに対するサブバスバーの電流分流比は幅、厚さ、又は長さ等の幾何学的な特性値に基づく設計によって任意に設定可能であるので、使用する電流センサは１種類の磁気比例式電流センサでありながら、種々の大きさの電流測定用に対応可能となる。更にまた、その磁気比例式電流センサは１種類だけであるので、量産することでコストダウンを図ることができるというメリットがある。

しかしながら、バスバーから分流した小電流を計測するという構造であるために、電流センサをバスバーに取り付けるに当たっては予め磁性体コアにサブバスバー（分流バスバー）を通しておく必要があり、そのために組み付け辛さがあって手間を要している。この組み付け工程の一例が、図７に示されている。

図７には、電流センサ１の製造過程が流れ図として示されている。まず、（ａ）に示すように、４個の磁性体コア１０と１枚の基板３とが用意され、基板３に４個の磁性体コア１０が組み付けられる。磁性体コア１０が組み付けられた基板３の様子が（ｂ）に示されている。（ｂ）に示す電流センサアッセンブリの各磁性体コア１０にサブバスバー５を組み付けていく。各サブバスバー５は磁性体コア１０の中央孔１０ａに通されて、両側に取り付け用の端部７，７が延びている。各サブバスバー５は、リベット６，６によってバスバー２に取り付けられる。幹流プレートであるバスバー２に、分流プレートであるサブバスバー５が取り付けられる。各電流センサ１について出力のトリミングを行うことにより、検査を行って、出荷される。
特開２０００−５５９９９号公報 特開２００２−２６７６９２号公報（段落［０００２］〜［０００４］、図１６、図１７）

このように、バスバーから一部を取り出して分流電流について磁気比例式電流センサを適用して電流値を測定しバスバー全体に流れる電流を測定する電流センサにおいては、バスバーにおける電流センサの組立について改善の余地がある。そこで、バスバーに予め形成した組み付け先に磁性体コアを組み付けていくことを可能にする構造を案出する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、バスバーに予め形成した組み付け先に磁性体コアを組み付けていくことで、磁性体コアのバスバーへの組み付け作業を改善することができる構造を備えた電流センサを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による電流センサは、幹流プレートであるバスバー、前記バスバーから分流されたサブバスバー、及び前記サブバスバーを囲んで配置され当該サブバスバーに流れる電流に起因した磁界を測定する磁性体コアを備えており、前記サブバスバーは、前記バスバー上に接続された一端部と当該一端部に繋がるとともに前記バスバーから隔間して延びており且つ前記磁性体コアが囲んで配置される中間部とを有するサブバスバー本体、及び前記サブバスバー本体に対して前記中間部の自由端側の接続端部に連結されて前記サブバスバー本体を前記バスバーに接続するサブバスバー接続部を備えていることを特徴としている。

この電流センサによれば、幹流プレートであるバスバー上に接続されるサブバスバーは、その中間部がバスバーから距離を置いて配置されており、磁性体コアを中間部のみを取り囲むように配置することができる。サブバスバーを流れる電流に起因して中間部の回りには磁界が発生するが、その磁界は磁性体コアがあるところでは磁性体コア内に生じるので、磁性体コア内に組み込まれている磁気センサはサブバスバーを流れる電流に起因した磁界の強さを検出することができる。電流センサの組立てに際しては、磁性体コアは、バスバー上に一端部で繋がっているサブバスバー本体の、未だ連結されていない自由端側から中間部に対して当該中間部を囲むように配置することができる。磁性体コアの組み付け後に、サブバスバー接続部を、サブバスバー本体に対して一端部と反対側の他端部となる中間部の自由端側の接続端部に連結することで、バスバーから分流し且つ磁性体コアが組み付けられたサブバスバーを完成させることができる。

この電流センサにおいて、前記サブバスバー接続部は、前記中間部の前記接続端部と、前記バスバーから前記サブバスバー本体の前記中間部と対向する位置にまで屈曲して起こされている屈曲部の前記バスバー側の接続端部とに連結される実質平坦な接続プレートとすることができる。また、前記サブバスバー接続部は、前記中間部の前記接続端部と、前記バスバーから当該バスバーと同じ平面内で延びる舌状の延長部に形成されている接続端部とに連結される屈曲された接続プレートとすることもできる。これらの場合、前記サブバスバー接続部は前記中間部と前記バスバー側との前記両接続端部にリベットにて取り付けることができ、リベットのような固着具によることによってサブバスバー接続部の固着は安価に且つ簡単に行われる。

この電流センサにおいて、前記サブバスバー本体は、前記一端部が前記バスバーに一体的に接続された状態で前記バスバーから屈曲して起こされて形成されており、前記中間部は前記バスバーに平行に延びる形態に形成することができる。また、電流センサにおいて、中間部を、各一端部に対して屈曲部（或いは湾曲部）を介して接続させ、バスバーに平行に延びる形態とすることが好ましい。サブバスバーは、バスバーの切り起こしと曲げ加工によって形成し、特に、一端部に対して屈曲部（或いは湾曲部）を介して接続された中間部をバスバーに平行に形成することができる。

上記電流センサにおいて、複数個の前記電流センサを、前記サブバスバーを同じ側に向けた姿勢に置いて互いに平行に並べて配置し、前記各サブバスバーを囲む前記各磁性体コアを共通する基板に支持することができる。複数本の電流センサを並べて構成する場合には、サブバスバーを囲むように設けられる複数の磁性体コアを整然と共通の基板に支持することが好ましい。そこで、サブバスバーを各バスバーの同じ側に並行に並べ、サブバスバーの中間部を囲んで設けられる各磁性体コアを共通基板上に一列に並べて保持する。このような構造と配置とによって、複数の電流センサを整然としてコンパクトに配置することができ、自動車等の制御回路における配置が単純化され改善される。

この発明による電流センサは、上記のように構成されているので、既に提案されている形態の電流センサのように、バスバーからサブバスバーを別個のものとして形成しておき、磁性体コアにこのサブバスバーに通して中間組立体とし、更にその中間組立体をその両端部でバスバーに組み付けるという構造に比べて、磁性体コアをバスバーに予め形成されているサブバスバー本体に直接に組み付けることができ、その後に、サブバスバー接続部をサブバスバー本体とバスバー側とに連結することができる。したがって、磁性体コアの組み付け性が簡単になり、組立てが行い易いセンサ構造が得られる。また、分流センサの組付けについては、既存の提案のものでは、磁性体コアにサブバスバーに通した中間組立体をバスバー上で位置決めした上で行う必要があるので位置決めを精度良く行う必要があったが、この発明による電流センサでは、バスバーに予め形成されているサブバスバー本体に磁性体コアを組み付けるので、磁性体コアの位置決めは予め決められているため、誤りがなく極めて簡単になり、一度に複数の電流センサを組み付けるのも何ら困難なく行うことができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による電流センサの実施例を説明する。図１はこの発明による電流センサを複数個並べて配置したセンサ組立体の組上がり平面図、図２は図１に示す電流センサの側面図、図３は図１に示すセンサ組立体の正面図である。

図１〜図３に示す電流センサによれば、センサ組立体２０は、４個の電流センサ１を並べて組み立てられている。個々の電流センサ１は、幹流プレートであるバスバー２、バスバー２上にスリットを入れて形成した細長片を起こして形成されておりその一端部７ａがバスバー２と一体的に繋がる分流バーとしてのサブバスバー５、及びサブバスバー５をその一部である中間部８において囲んで配置されている磁性体コア１０を備えている。中間部８は、一端部７ａに繋がり且つバスバー２から隔間してバスバー２と並行に延びるように配置されており、バスバー２との間に、中間部８を取り囲むように置かれる磁性体コア１０を収容可能なスペース１２が形成されている。

サブバスバー５を流れる電流に起因して、中間部８を含むサブバスバーの回りには、その電流の大きさに応じた強さの磁界が発生するが、磁性体コア１０には磁界を測定する磁気センサ２１（ホール素子のような磁気センサ，図３参照）が組み込まれている。その磁界は磁性体コア１０が存在しているところでは磁性体コア１０内に生じる。磁性体コア１０内に組み込まれている磁気センサ２１は、サブバスバー５を流れる電流に起因した磁界の強さを検出することができる。バスバー２、サブバスバー５は、高い導電性を持つ材料、例えば、銅製の板から形成することが好ましい。

図２に示すように、サブバスバー５は、一端部７ａが一体的にバスバー２に接続されており、屈曲（或いは湾曲）された屈曲部（湾曲部）３１を介して中間部８に接続されているサブバスバー本体３０と、一端部７ａ側とは反対側の中間部８の自由（組付け前の状態で）な端部８ａとバスバー２から延びる屈曲部（湾曲部）３２とを備えている。サブバスバー５は、更に、中間部８の端部８ａと屈曲部（湾曲部）３２の接続端部３２ａとを連結するサブバスバー接続部３３を備えている。サブバスバー接続部３３の両端部３３ａ，３３ｂはそれぞれリベット６，６によって固着されている。

センサ組立体２０は、各バスバー２の両端部１３，１３がベース１１に対して複数の支柱（ポスト）１４によって取り付けられることにより、ベース１１に支持されている。各サブバスバー５は、支柱１４，１４の内側の位置でバスバー２に繋げられている。図示しない導電線が、各バスバー２の両端部１３，１３に形成されている接続孔１６，１６に接続される。即ち、バスバー２に、直接接続ケーブルのねじ止め接続が可能になる。

図３に示すように、センサ組立体２０においては、複数の電流センサ１の各バスバー２は、各サブバスバー５を同じ側に向けた姿勢に置いて、共通の平面内において互いに横に平行に並ぶように配置され、各サブバスバー５を囲む磁性体コア１０についても、共通の基板３に一列に整然と並ぶように配置し支持されている。基板３はその両端部において、アングル材１５，１５を介してベース１１に取り付けられている。磁気センサ２１からの信号等は、基板３の一端部に設けられるコネクタ４によって、外部との間で信号の遣り取りが可能である。

こうした配置により、センサ組立体２０は、各電流センサ１が全体として整然と単純化して配置され、全体としてもコンパクトに小型化され、保管・組立等の取扱いが向上するとともに、例えば、配線のレイアウトや他の制御回路との配置関係等、車両の運転を司るコントローラへの搭載性が向上する。

本発明における電流センサ１の原理について図４を用いて説明する。バスバー２の幅をＷ１、バスバー２のうちサブバスバー５が設けられている部分に対応するメイン電流バーの長さをＬ１、メイン電流バーの断面積をＡ１とする。また、サブバスバー５について、幅をＷ２、長さをＬ２、断面積をＡ２とする。バスバー２とサブバスバー５は同じ材料とし比抵抗をρとする。
バスバー２のメイン電流バーの抵抗Ｒ１＝ρ×Ｌ１／Ａ１＝ρ×Ｌ１／（ｔ×Ｗ１）
サブバスバー５の抵抗Ｒ２＝ρ×Ｌ２／Ａ２＝ρ×Ｌ２／（ｔ×Ｗ２）
となる。
したがって、分流比α＝Ｒ２／Ｒ１＝（Ｌ２／Ｌ１）×（Ｗ１／Ｗ２）となる。
分流比αを決定つけるパラメータは、バスバー２及びサブバスバー５の幾何学的な特性値であり、事前に計算にて求められる数値である。分流比αを知ることで、磁気センサの測定値に基づいて、電流センサ１の全体に流れる電流値を算出することができる。

図５に、本発明による電流センサの第１実施例が組立途中図として示されている。図５（ａ）は電流センサ１の平面図、同（ｂ）は側面図である。図５に示す電流センサ１において、バスバー２には、その一部に切り込みを入れて長手方向両側に分けて切り起こすことによって、サブバスバー５のサブバスバー本体３０、即ち屈曲部３１とそれと一体の中間部８が形成されている。サブバスバー５には、サブバスバー本体３０と対向して屈曲部３２が形成されている。中間部８の接続端部８ａと屈曲部３２の接続端部３２ａとには、それぞれリベット６を装着するための複数のリベット孔３４，３４が形成されている。また、中間部８と屈曲部３２とを接続するサブバスバー接続部３３においても、両端部３３ａ，３３ｂにはリベット孔３４，３４に対応したリベット孔３５，３５が形成されている。磁性体コア１０は、中間部８のこの段階では自由端となっている接続端部８ａ側から図中Ａの方向に向けて中間部８に装着される。磁性体コア１０の装着後、サブバスバー接続部３３を中間部８の接続端部８ａと屈曲部３２の接続端部３２ａとに掛け渡し、整列したリベット孔３４，３４とリベット孔３５，３５とにリベット６，６を挿通してかしめることにより、サブバスバー接続部３３がサブバスバー本体３０と屈曲部３２に接続されて、バスバー２に対して電流が分流されるサブバスバー（分流バスバー）５が形成される。

図６に、本発明による電流センサの第２実施例が組立途中図として示されている。図６（ａ）は電流センサ４０の平面図、同（ｂ）は一部の側面図である。図６に示す電流センサ４０において、屈曲部３１とそれと一体の中間部８とについては、屈曲部３１と中間部８とがサブバスバー本体４１を構成していること及びバスバー2 の一方側部に寄せて分流バスバーが形成されていること以外、第１実施例と同様であるので、同様の部材及び部位については同じ符号を付しているので、それらについての再度の説明を省略する。第２実施例については、中間部８の端部８ａには複数のリベット孔３４が形成されているが、バスバー２には、第１実施例の場合のように切り起こしで形成される屈曲部３２と異なり、形成された同じ平面上に延びる舌状の延長部４２が形成されており、延長部４２に複数のリベット孔４４が形成されている。更に、サブバスバー本体４１をバスバー２に接続する部品として、屈曲（又は湾曲）されたサブバスバー接続部４３を用いている。サブバスバー接続部４３の両端部４３ａ，４３ｂには、リベット孔３４，４４に対応してリベット孔４５，４５が形成されている。この例においても、磁性体コア１０を中間部８に装着した後、サブバスバー接続部４３を中間部８とバスバー２の延長部４２とに掛け渡し、中間部８の接続端部８ａのリベット孔３４及び延長部４２のリベット孔４４とそれらのリベット孔３４，４４に整列したサブバスバー接続部４３のリベット孔４５，４５にそれぞれリベット６を挿通してかしめることにより、サブバスバー接続部４３がバスバー2 とサブバスバー本体４１とに接続されて、バスバー２に対して電流が分流されるサブバスバー（分流バスバー）５が形成される。

上記のように、この電流センサ１，４０によれば、幹流プレートであるバスバー２上に接続されるサブバスバー５は、その中間部８がバスバー２から距離を置いて配置されており、磁性体コア１０を中間部８のみを取り囲むように配置される。サブバスバー５を流れる電流に起因して中間部８の回りには磁界が発生するが、その磁界は磁性体コア１０があるところでは磁性体コア１０内に生じるので、磁性体コア１０内に組み込まれている磁気センサ２１はサブバスバー５に流れる電流に起因した磁界の強さを検出することができる。電流センサ１，４０の組立てに際しては、磁性体コア１０は、バスバー２上に一端部で繋がっているサブバスバー本体３０，４１の、未だ連結されていない中間部８の自由端側から中間部８を囲むように通して配置される。磁性体コア１０の組み付け後に、サブバスバー接続部３３，４３を、サブバスバー本体３０，４１の接続端部８ａとバスバー２側（とサブバスバー本体４１との接続端部に連結することで、バスバー2 から分流し且つ磁性体コアが組み付けられたサブバスバーを完成させることができる。

この発明による電流センサを複数個並べて配置したセンサ組立体の組上がり平面図である。 図１に示す電流センサの側面図である。 図１に示すセンサ組立体の正面図である。 図１に示す電流センサの原理を説明する図である。 この発明による組立て途中の電流センサの一実施例を示す図である。 この発明による組立て途中の電流センサの別の実施例を示す図である。 この発明による電流センサを用いたセンサ組立体の組み立て工程図である。

符号の説明

１ 電流センサ ２ バスバー
３ 基板 ４ コネクタ
５ サブバスバー ６ リベット
７，７ 端部 ７ａ 一端部
８ 中間部 ８ａ 接続端部
９，９湾曲部 １０ 磁性体コア
１１ ベース １２ スペース
１３ 端部 １４ 支柱（ポスト）
１５ アングル材 １６ 接続孔
２０ センサ組立体 ２１ 磁気センサ
３０ サブバスバー本体 ３１ 屈曲部（湾曲部）
３２ 屈曲部（湾曲部） ３２ａ 接続端部
３３ サブバスバー接続部 ３３ａ，３３ｂ 端部
３４ リベット孔 ３５ リベット孔
４０ 電流センサ ４１ サブバスバー本体
４２ 延長部 ４３ サブバスバー接続部
４４ リベット孔 ４５ リベット孔

Claims (6)

1. 幹流プレートであるバスバー、前記バスバーから分流されたサブバスバー、及び前記サブバスバーを囲んで配置され当該サブバスバーに流れる電流に起因した磁界を測定する磁性体コアを備えた磁気センサにおいて、
   前記サブバスバーは、前記バスバー上に接続された一端部と当該一端部に繋がるとともに前記バスバーから隔間して延びており且つ前記磁性体コアが囲んで配置される中間部とを有するサブバスバー本体、及び前記サブバスバー本体に対して前記中間部の自由端側の接続端部に連結されて前記サブバスバー本体を前記バスバーに接続するサブバスバー接続部を備えていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記サブバスバーは前記バスバーから前記サブバスバー本体の前記中間部と対向する位置にまで屈曲して起こされている屈曲部を有しており、前記サブバスバー接続部は前記中間部の前記接続端部と前記屈曲部に形成されている接続端部とに連結される実質平坦な接続プレートであることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記サブバスバーは前記バスバーから当該バスバーと同じ平面内で延びる舌状の延長部を有しており、前記サブバスバー接続部は、前記中間部の前記接続端部と、前記延長部に形成されている接続端部とに連結される屈曲された接続プレートであることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
4. 前記サブバスバー接続部は、前記中間部と前記バスバー側との前記両接続端部にリベットにて取り付けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電流センサ。
5. 前記サブバスバー本体は、前記一端部が前記バスバーに一体的に接続された状態で前記バスバーから屈曲して起こされて形成されており、前記中間部は前記バスバーに平行に延びていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 複数個の前記電流センサが、前記サブバスバーを同じ側に向けた姿勢に置いて互いに平行に並べて配置されており、前記各サブバスバーを囲む前記各磁性体コアが共通する基板に支持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流センサ。

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