JP2014025718A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電流路に流れる電流により発生する磁界を検出する高速応答性を向上させ信頼性の高い電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１は、センサ本体２とセンサ本体２に固定されるシールド３とから構成され、センサ本体２とシールド３との間に電流路４を配置して、電流路４に流れる電流を検出する。シールド３は、センサ本体２の側部にそれぞれ嵌合する嵌合部３１と、嵌合部３１に対して略直角方向に延在する平坦部３２と、を備え、シールド３の平坦部３２の各端部３３同士は、対向してかつ離間してセンサ本体２の下部に配置固定される。従って、平坦部３２により電流路４の一部を覆い隠している。これにより、電流路に発生する渦電流を抑制して磁気検出素子が検出する磁界位相の遅れを解消している。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールドを備えた電流センサに関する。

自動車の車載バッテリと車両電装品とを接続する電流路（例えば、バスバー、等）に流れる電流を検出する電流センサは知られている。この種の電流センサの一例を図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す（特許文献１参照）。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、従来の電流センサを示し、図７（ａ）は分解斜視図、図７（ｂ）は要部の拡大縦断面図である。電流センサ１００は、センサ本体２００とセンサ本体２００に固定されるシールド３００とから構成され、センサ本体２００とシールド３００との間に電流路４００を配置して、電流路４００に流れる電流を検出している。電流は、センサ本体２００に取り付けられた基板２１０に実装される磁気検出素子２２０により磁気強度を検出し、それに相当する電圧を出力することにより測定される。シールド３００は略「コ」字状を成し、電流路４００の裏面を完全に包囲している（図７（ｂ）参照）。この構成により、磁気歪み発生が無く信頼度の高い電流センサが実現できることが開示されている。

特開２０１０−２２３８６８号公報

特許文献１に記載される電流センサ１００においては、特にシールド３００が、電流センサ１００の取り付け部分において、電流路４００を裏面から完全に覆っている。このため、電流路４００に流れる電流により生じる渦電流が発生し、磁気検出素子２２０で検出する磁界の位相が電流の位相より遅れる欠点がある。特に高い周波数の大電流ではそれが顕著となり、高速応答性に対する要求に合致しない問題を生じていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流路に流れる電流により発生する磁界を検出する高速応答性を向上させ信頼性の高い電流センサを提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電流センサは、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１） 電流が流れる電流路に設置される電流センサであって、
基板と、前記基板に実装される磁気検出素子と、を有するセンサ本体と、
一対のシールドと、
を備え、
前記一対のシールドは、前記センサ本体の両側に前記電流路を取り囲むようにそれぞれ固定され、該シールドの各端部は離間して配置されていること。
（２） 上記（１）の構成の電流センサであって、
前記シールドは、平板状の嵌合部と、前記嵌合部に対して略直角方向に該嵌合部に延在された平板状の平坦部と、から成り、
前記嵌合部は、前記センサ本体に固定され、
前記平坦部は、前記電流路の一部を覆い、且つ、該平坦部の各端部が離間して配置されていること。
（３） 上記（２）の構成の電流センサであって、
前記平坦部のそれぞれが前記嵌合部から延在される長さが同じであること。

上記（１）の電流センサによれば、電流路に発生する渦電流を抑制して磁気検出素子が検出する磁界位相に発生する遅れが抑制される。これにより、特に、高速応答性の良い電流センサを提供できる。
上記（２）の電流センサによれば、電流路の断面における均一な電流密度分布が得られ磁気検出素子の応答性が向上する。
上記（３）の電流センサによれば、残留磁界が抑制されオフセット誤差を低減できる。

本発明によれば、シールドを一対とし該シールドの各端部を離間させたことにより、従来技術で発生する渦電流を抑制して磁気検出素子の検出する磁界の位相遅れを解消し、応答性の向上を図り、特に高速応答性に優れた電流センサを提供できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明に係る電流センサの一実施形態を示す分解斜視図である。 図２は、図１に係る電流センサの横断面図である。 図３（ａ）は図１に係る電流センサの縦断面図、図３（ｂ）はシールドの平坦部の長さと位相差との関係を示したグラフである。 図４（ａ）はシールドのない場合の電流路に発生する磁界を示す説明図、図４（ｂ）は本発明のシールドを備えた場合の磁界を示す説明図である。 図５（ａ）は従来技術の構成と本発明の実施形態による９０％―９０％応答時間の比較グラフ、図５（ｂ）は９０％―９０％応答時間を説明するためのグラフである。 図６は、電流値と磁束密度における性能を示すグラフである。 図７は、従来技術の電流センサを示し、図７（ａ）は分解斜視図、図７（ｂ）は縦断面図である。

以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２を参照して、本発明の一実施形態である電流センサを説明する。

図１は電流センサ１の分解斜視図であり、図２は電流センサ１の横断面図である。電流センサ１は、センサ本体２と、センサ本体２に固定されるシールド３とから構成され、センサ本体２とシールド３との間に電流路４を配置して、電流路４に流れる電流を検出する。電流センサ１は、例えば、自動車の車載バッテリと車両電装品とを接続する電流路に取り付けられる。

センサ本体２は、絶縁性の合成樹脂等によって成形された筺体に、回路等が実装される基板２１が収容されている。基板２１には、磁気検出素子２２が実装されている。磁気検出素子２２は、電流路４で生じる磁界を測定する素子であり、例えば、磁場の中のキャリアが受けるローレンツ力による生じるホール効果を利用した半導体ホール素子やアモルファス磁性体による磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子、等である。電流センサ１は、基板２１に実装された増幅回路等を介して、磁気検出素子２２で検出された磁界に比例した値の電圧値を出力する。

シールド３は、例えば、パーマロイやケイ素鋼板などの高透磁率の材料からなり、略Ｌ字状の薄板で形成されている。また、シールド３は、左右一対であり、センサ本体２の両側にそれぞれ固定されている。シールド３の組み付け手順は、電流路４をセンサ本体２の下部に取り付けた後、電流路４を取り囲むようにシールド３をセンサ本体２の下部に取り付けるものである。また、シールド３は、センサ本体２を形作る筐体の側部にそれぞれ嵌合する嵌合部３１と、嵌合部３１に対して略直角方向に延在する平坦部３２と、を備えている。そして、シールド３の各平坦部３２は、同一平面上に配置され、平坦部３２の各端部３３同士は、対向してかつ離間してセンサ本体２の下部（図２参照。）に配置固定される。従って、平坦部３２により電流路４の一部を覆い隠している。換言すれば、シールド３は電流路４を裏面から完全に包囲しておらず、開口部分（スリット）を備えていると言える。

電流路４は、交流電流等が流れる平板状に形成されたバスバーや導体などであり、センサ本体２下部（図２参照。）に取り付けられる。

図３（ａ）は、電流センサ１の要部を拡大した縦断面図である。図３（ｂ）は、平坦部３２の長さＬと位相差との関係を示したグラフである。図３（ａ）左側のシールド３を第１シールド３Ａ、図面右側のシールド３を第２シールド３Ｂとして説明する。

第１シールド３Ａの平坦部３２Ａの長さをＬＡとし、第２シールド３Ｂの平坦部３２Ｂの長さをＬＢとする。また、第１シールド３Ａの端面と第２シールド３Ｂの端面との距離をＷとする。本実施形態では、ＬＡ＝ＬＢである。この平坦部３２の長さＬ（ＬＡ、ＬＢ）を変更することにより位相差の最適状態を見いだすことができる。交流電流を流すと電流路４に渦電流が発生し、磁気検出素子２２の検出する磁界の位相が、電流路４に流れる電流の位相より遅れるが、平坦部３２の長さＬを調整してこの位相の遅れを解消することが可能である。

図３（ｂ）に示されるグラフは、縦方向に位相差を取り、横方向に平坦部３２の長さＬを取り、長さＬによる中心磁場位相の変化（曲線グラフ参照）の測定結果をグラフ化したものである。位相差の遅れがない点を０°（磁気検出素子２２の応答性が良い）とし、曲線と位相差０°の直線との交点における平坦部３２の長さＬを最適値、曲線の最大値における平坦部３２の長さＬをＭＡＸとしている。このグラフから、平坦部３２の長さＬを最適値からＭＡＸまでの範囲とすることが適切（可能範囲）であることが理解される。またグラフから、平坦部３２の長さＬと応答性の改善効果との間には、強い相関関係が存在していると言える。従って、使用する周波数と最大ピーク電流に基づいて、長さＬを調整すれば、最適な位相制御設計を行うことが可能である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明のシールド３により磁界がどのように変化しているかを示す説明図である。

電流路４に正弦交流の電流Ａが矢印方向（図面手前から後方へ）に進行すると、時間に対する電流の大きさの変化率に応じた強さの磁界Ｍが発生し、磁界Ｍの周りに渦電流Ｑが発生する。磁界Ｍは、電流Ａが交流の場合は時間と共に大きさと方向とが変化を繰り返す交番磁界となる。図４（ａ）に示されるように電流路４の周囲にシールド３が無いと残留磁界が発生し、磁気検出素子２２の検出に遅れを生じる原因となる。一方、電流路４の周辺にシールド３Ａ、３Ｂを設け（図４（ｂ）参照）、シールド３Ａ、３Ｂの平坦部３２Ａ、３２Ｂを電流路４の中心方向に延在させると、平坦部３２Ａの端部３３Ａから他方の平坦部３２Ｂの端部３３Ｂに磁界Ｎが発生する。この磁界Ｎが電流路４を横切るとき、電流路４で発生した磁界Ｍとの間で磁界の打ち消し合いが生じる結果、残留磁界を抑制して渦電流の発生を防止することができる。また、電流路４の断面における電流密度分布も均一にすることが可能となり、磁気検出素子２２の検出応答の遅延が解消される。尚、一方向のみの説明をしたが、交流の場合は、短時間に磁界の向きが交互に入れ替わる。

図５（ａ）は、従来技術の構成と本発明の実施形態による、電流が１００Ａ／μｓのスルーレートで変動する時の９０％―９０％応答時間（μｓ）の比較グラフである。９０％―９０％応答時間とは、図５（ｂ）に示す通り、電流路４に流れる電流（入力電流）出力９０％に対して、それに対応する磁界に比例した電圧値（出力電圧９０％）が磁気検出素子２２で測定される応答時間のことである。図５（ａ）に基づく実測結果では、従来技術の応答時間６０μｓから本発明の応答時間６μｓ（応答時間６μｓは、実測に用いた磁気検出素子の理論値。）に改善（約９０％改善）され、シールド３の構成による効果が明らかに現れており、電流の変動が速くなっても磁気検出素子２２の応答性が向上し、特に高速応答性を確保できている。

図６は、電流値と磁束密度における性能を示すグラフである。

図６のグラフでは、縦軸に磁束密度（ｍＴ）を取り、横軸に電流（Ａ）を取っている。このグラフから理解されると通り、電流（Ａ）が大きくなると磁気飽和が発生しやすくなる（曲線参照）が、本発明では高い周波数の大電流が流れても磁気飽和の発生を抑え、線形性が維持される区間（線形区間）を拡張することができる。図６における磁束密度（ｍＴ）と電流（Ａ）の間で線形性が認められる区間は、図３（ｂ）を参照して説明した平坦部３２の長さＬに左右される。平坦部３２の長さがＭＡＸに近づくほど、拡張された線形区間は０まで縮まる。このように、図６においても、本発明のシールド構成の効果が顕著であることがわかる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１ 電流センサ
２ センサ本体
３ シールド
４ 電流路
２１ 基板
２２ 磁気検出素子
３１ 嵌合部
３２ 平坦部
３３ 端部

Claims (3)

1. 電流が流れる電流路に設置される電流センサであって、
   基板と、前記基板に実装される磁気検出素子と、を有するセンサ本体と、
   一対のシールドと、
   を備え、
   前記一対のシールドは、前記センサ本体の両側に前記電流路を取り囲むようにそれぞれ固定され、該シールドの各端部は離間して配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記シールドは、平板状の嵌合部と、前記嵌合部に対して略直角方向に該嵌合部に延在された平板状の平坦部と、から成り、
   前記嵌合部は、前記センサ本体に固定され、
   前記平坦部は、前記電流路の一部を覆い、且つ、該平坦部の各端部が離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載した電流センサ。
3. 前記平坦部のそれぞれが前記嵌合部から延在される長さが同じであることを特徴とする請求項２に記載した電流センサ。
   

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