JP2015017862A - 電流センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、出力誤差を低減することが可能な電流センサを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の電流センサ(10)は、バスバー(12)と、バスバー(12)に対向して配置された磁気センサ素子(31)と、磁気センサ素子(31)が設置された配線基板(20)と、磁気センサ素子(31)に電気的に接続された信号線(33)とを有し、配線基板(20)は、バスバー(12)に対向する基部(21)と、基部(21)から延出する延出部(22)とを有し、信号線(33)は、延出部(22)に結合されるとともに配線基板(20)に交差する方向に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は電流センサに関し、特に、検出された信号を外部に伝達する信号線を有する電流センサに関する。
各種電子機器の制御や監視のために、バスバー(被測定電流路)に流れる電流を測定する電流センサが用いられる。このような電流センサとして、電流の周りに発生する磁界を検出する磁気センサ素子を用いたものが知られている。下記特許文献1には、磁気センサ素子としてホール素子を用いた電流センサについて開示されている。
図8は、特許文献1に記載されている従来例の電流センサの斜視図である。図8に示すように、従来例の電流センサ110は、導電体からなる平板長尺状のバスバー111と、バスバー111を囲むコア112と、ホールIC(Integrated Circute)113とを有して構成される。
従来例の電流センサ110において、ホールIC113は、1つのパッケージにホール素子とICを収容して構成されており、ホールIC113の感磁面113aを通過する磁束を検出することができる。図8に示すように、コア112にはギャップ112aが設けられており、ホールIC113はギャップ112aに挿入されてバスバー111の上に配置される。
バスバー111に被測定電流が流れた際に、バスバー111の周りに磁界が発生してコア112に磁路が形成される。ギャップ112aは、この磁路に直交して設けられており、磁路を通る磁束がホールIC113の感磁面113aを通過する。これにより、バスバー111を流れる電流を検出することができる。また、図8に示すように、ホールIC113には複数の端子120a〜120dが設けられている。複数の端子120a〜120dには、図示しない複数のターミナルや信号線が接続されて、ホールIC113の出力信号が外部へ伝達される。
特開2012−122793号公報
しかしながら、複数の端子120a〜120dは、感磁面113aに対して平行方向に、かつバスバー111と平行に延在している。このため、複数の端子120a〜120dとバスバー111との間に静電容量が形成され、複数の端子120a〜120dとバスバー111とが静電容量結合する。
よって、バスバー111に印加される電圧が変動した場合に、複数の端子120a〜120dから外部に伝達される信号が変化して出力誤差が生じるという課題がある。また、複数の端子120a〜120dに信号線等(図示しない)が接続される場合には、バスバー111と信号線等との静電容量結合が生じて、複数の端子120a〜120d及び信号線等の全体としての静電容量結合が増大するため、バスバー111の電圧変動によって出力信号の変動が生じ易くなる。
さらに、複数の端子120a〜120d及び信号線等がバスバー111の近くに配置されるため、バスバー111を流れる電流により発生する電磁ノイズが複数の端子120a〜120dや信号線等に重畳して、出力誤差が増大するという課題が生じる。
本発明は、上記課題を解決して、出力誤差を低減することが可能な電流センサを提供することを目的をする。
本発明の電流センサは、バスバーと、前記バスバーに対向して配置された磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子が設置された配線基板と、前記磁気センサ素子に電気的に接続された信号線とを有し、前記配線基板は、前記バスバーに対向する基部と、前記基部から延出する延出部とを有し、前記信号線は、前記延出部に結合されるとともに前記配線基板に交差する方向に設けられていることを特徴とする。
これによれば、配線基板の延出部に信号線を結合することにより、信号線はバスバーに対して交差する方向に設けられるとともにバスバーから離れた位置に配置される。よって、信号線とバスバーとの実効的な対向面積が小さくなり、また、信号線とバスバーとの距離が大きくなるため、バスバーと信号線との間の静電容量結合が抑制される。したがってバスバーの電圧変動が生じた場合においても出力信号の変化が低減される。また、信号線とバスバーとの距離を大きくすることにより、バスバーからの電磁ノイズが信号線に重畳することを抑制できる。
したがって、本発明の電流センサによれば、出力誤差を低減することが可能である。
本発明の電流センサは、前記延出部において、前記バスバーと前記信号線との間に貫通孔が形成されていることが好適である。これによれば、貫通孔を設けることでバスバーと信号線との間の誘電率が小さくすることができ、バスバーと信号線との静電容量結合が効果的に抑制される。したがって、バスバーの電圧変動による出力誤差を低減することができる。
本発明の電流センサは、さらにシールドを有し、前記シールドは、前記貫通孔を通過して前記バスバーと前記信号線との間に設けられていることが好ましい。これによれば、バスバーからの電磁ノイズがシールドによって遮蔽されるため、電磁ノイズが信号線に重畳することが抑制される。
前記バスバーは、前記磁気センサ素子に対向する第1の面と、前記第1の面の反対側の第2の面と、前記第1の面と第2の面とを接続する1対の側面とを有し、前記シールドは、前記バスバーの前記第2の面及び前記1対の側面に対向して連なって設けられていることが好ましい。これによれば、外部からの磁気ノイズや電磁ノイズが、バスバー及び磁気センサ素子に侵入することを抑制して出力誤差が低減される。
前記シールドは、前記バスバーの前記第1の面を覆う折り返し部を有することが好ましい。これによれば、第1の面側から侵入する外部からの磁気ノイズや電磁ノイズを効果的に遮蔽して、出力誤差を低減することができる。
前記シールドは軟磁性体であることが好ましい。これによれば、信号線を流れる電流により発生する磁界がシールドに吸収されて、磁気センサ素子が誤検出することを防止できる。
前記シールドは導電体であることが好ましい。これによれば、バスバーを流れる電流による発生する電磁ノイズがシールドによって遮蔽されるため、バスバーからの電磁ノイズが信号線に重畳することを抑制できる。
本発明の電流センサにおいて、複数の前記信号線及び接地されたグラウンド線が前記延出部に結合されており、複数の前記信号線及び前記グラウンド線は、前記バスバーの延在方向おいて配列されていることが好ましい。これによれば、ノイズが侵入した場合においても、全ての信号線及びグラウンド線に同様にノイズが重畳するため、容易にノイズの影響を相殺することができる。よって、信号線から取り出される出力信号の誤差を低減することができる。
前記バスバーの幅方向における前記基部の長さは、前記バスバーの幅寸法よりも短いことが好ましい。これによれば、前記基部と前記バスバーとの対向面積を小さくすることができるため、配線基板の配線とバスバーとの間に形成される静電容量結合を抑制して、バスバーの電圧変動等により出力信号の誤差が生じることを抑制できる。
本発明の電流センサによれば、出力誤差を低減することが可能である。
本発明の第1の実施形態における電流センサの斜視図である。 第1の実施形態における電流センサの平面図である。 図2のIII−III線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。 第1の変形例の電流センサの断面図である。 第2の変形例の電流センサの断面図である。 本発明の第2の実施形態における電流センサの斜視図である。 図6のVII−VII線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。 従来例の電流センサの斜視図である。
以下、本発明の実施形態の電流センサについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態における電流センサの斜視図である。図2は、電流センサの平面図である。また、図3は、図2のIII−III線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。
図1に示すように、本実施形態の電流センサ10は、バスバー12と、バスバー12に対向して配置された磁気センサ素子31と、磁気センサ素子31が設置された配線基板20と、磁気センサ素子31に電気的に接続された信号線33とを有して構成される。さらに、バスバー12及び磁気センサ素子31を囲むシールド36を有して構成される。
図1及び図2に示すように、バスバー12は長尺平板状に形成されており、Y1−Y2方向に延在し、X1−X2方向に幅方向を有する。バスバー12は金属材料、合金材料等の導電材料から形成される。電流センサ10の使用時において、バスバー12のY1−Y2方向の両端部が、測定対象である外部の機器(例えば自動車のモータやバッテリー等)に接続されて、バスバー12のY1−Y2方向に被測定電流が通流される。
図1及び図3に示すように、バスバー12の第1の面12a(Z1方向の面)に対向して磁気センサ素子31が設けられている。本実施形態において、磁気センサ素子31として、磁気抵抗効果(GMR、Giant Magneto Resistance)素子を用いることができ、例えば、複数の磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成したものが用いられる。
各図の磁気センサ素子31に付した矢印は磁気センサ素子31の感度軸方向を示しており、磁気センサ素子31は、感度軸方向における磁界の強度を検出することができる。本実施形態において、バスバー12の幅方向(X1−X2方向)に対して平行方向に感度軸が設けられており、バスバー12に流れる被測定電流により発生する磁界を、磁気センサ素子31によって検出することができる。
図1から図3に示すように、磁気センサ素子31は配線基板20に設置されており、配線基板20を介してバスバー12に対向配置されている。図1から図3に示すように、配線基板20は、バスバー12に対向する基部21と、基部21から延出する延出部22とを有している。図3に示すように、配線基板20はバスバー12の第1の面12aに設置されており、Z1−Z2方向においてバスバー12と重なる部分が基部21であり、第1の面12aの外縁よりも外方(X1方向)に延びる部分が延出部22である。
本実施形態において、配線基板20として、ガラスエポキシ材料等により形成されたプリント配線基板(PWB、Printed Wiring Board)が用いられる。または、アルミナ基板等のセラミック基板を用いることもできる。
図2に示すように、配線基板20の延出部22には、第1の貫通孔23と第2の貫通孔24が設けられている。第1の貫通孔23は、バスバー12の延在方向(Y1−Y2方向)に長軸を有する長穴形状に形成され、第2の貫通孔24は、第1の貫通孔23よりも外方の延出部22に複数設けられている。
図2及び図3に示すように、複数の信号線33が、第2の貫通孔24を通して配置されて配線基板20の延出部22に結合されている。そして、信号線33は配線基板20と交差する方向(Z1−Z2方向)に延在して設けられている。すなわち、信号線33は、バスバー12の第1の面12aに対して重ならない位置に設けられ、かつ、第1の面12aに対して交差する方向に設けられている。
そして、図2に示すように、信号線33と磁気センサ素子31とは、配線基板20に引き回された配線25によって電気的に接続されている。磁気センサ素子31で検出された出力信号は、信号線33を介して外部の制御回路(図示しない)等に出力される。なお、図1及び図2では省略して示しているが、配線基板20には、磁気センサ素子31の他に、抵抗器やコンデンサなどの部品が搭載されて回路が構成されており、各部品を接続する図示しない配線が多数設けられている。
本実施形態の電流センサ10によれば、配線基板20に設けられた延出部22に信号線33を結合することにより、信号線33はバスバー12の延在方向に対して交差する方向に設けられ、かつバスバー12から離れた位置に設けられる。よって、バスバー12と信号線33との実効的な対向面積を小さくし、バスバー12と信号線33との距離を大きくすることができる。したがって、バスバー12と信号線33との静電容量結合が抑制されるため、バスバー12の電圧変動が生じた場合においても、バスバー12の電圧変動に伴って信号線33の出力信号が変化することを抑制できる。また、信号線33とバスバー12との間隔を大きくすることにより、バスバー12を流れる被測定電流により生じる電磁ノイズが信号線33に重畳することを抑制できる。
したがって、本実施形態の電流センサ10によれば、出力誤差を低減することが可能である。
図2及び図3に示すように、延出部22には、信号線33の他に、接地されたグラウンド線34が結合されている。グラウンド線34は、磁気センサ素子31や、図示しない抵抗器等から構成される回路に電気的に接続される。図3に示すように、グラウンド線34は、信号線33と同様に、第2の貫通孔24の一つを通して延出部22に結合されており、信号線33及びグラウンド線34は、互いに平行に配列されて、バスバー12の延在方向(Y1−Y2方向)に沿って間隔を設けて配列されている。
このように信号線33及びグラウンド線34を配列することにより、外部から電磁ノイズが侵入した場合や、バスバー12を流れる被測定電流により生じた電磁ノイズが侵入した場合において、全ての信号線33とグラウンド線34とに同様にノイズが重畳する。したがって、接地されたグラウンド線34の信号を基準として、各信号線33におけるノイズの影響を容易に相殺することができるため、信号線33から取り出される出力信号の誤差を低減することができる。
また、図2及び図3に示すように、第1の貫通孔23を通過してバスバー12と信号線33との間にシールド36が設けられている。
図3に示すように、バスバー12は断面矩形状に形成されており、バスバー12は、磁気センサ素子31に対向する第1の面12aと、第1の面12aの反対側の第2の面12bと、第1の面12aと第2の面12bとを接続する1対の側面12c、12dとを有する。シールド36は、第2の面12bに対向する底部36aと、1対の側面12c、12dに対向する1対の側部36b、36cとを有して構成され、底部36aと1対の側部36bとが連なって設けられている。また、シールド36の側部36b、36cは、磁気センサ31よりも上方に延在して形成されている。
本実施形態において、シールド36は、パーマロイ、珪素鋼板、Co系アモルファス等の軟磁性材料により形成することができる。この場合、シールド36は磁気シールドとして用いられ、また、これらの材料は導電性を有する材料であるため電磁シールドとしての機能をも兼ねている。または、Cu、Fe等を含む金属材料、合金材料等の導電体からなるシールド36を用いて、電磁シールドとして用いることも可能である。
図1から図3に示すように、バスバー12と信号線33との間にシールド36が設けられているため、バスバー12からのスイッチングノイズ等がシールド36により遮蔽されて、信号線33にノイズが侵入することが抑制される。
また、バスバー12を囲むようにシールド36が設けられており、シールド36の側部36b、36cは、磁気センサ31よりも上方まで延出して設けられている。このため、バスバー12に対向配置された磁気センサ素子31についても、図3に示すように、磁気センサ素子31の下方(Z2方向)及び感度軸方向(X1−X2方向)において、シールド36に囲まれている。よって、信号線33を流れる電流によって発生する磁気ノイズが、磁気センサ素子31に侵入することを遮蔽することができ、また、外部の機器からの電磁ノイズ等もシールド36により遮蔽される。よって、磁気センサ素子31の誤検出や出力誤差の発生を防止することができる。さらに、シールド36により、バスバー12等からのノイズが外部に放射されることを遮蔽する効果も有する。
図1及び図3に示すように、バスバー12の幅方向(X1−X2方向)における基部21の長さは、バスバー12の幅寸法よりも短く形成されている。すなわち、基部21は、バスバー12の幅方向の一部に対向して配置されている。これにより、バスバー12の幅方向の全部に対向して基部21を配置した場合と比較すると、配線基板20に設けられた配線25とバスバー12との対向面積を小さくすることができる。よって、配線25とバスバー12との静電容量結合を低減できるため、配線25を通る出力信号がバスバー12の電圧変動等により変化することを抑制して、出力誤差を抑制できる。
なお、本実施形態の電流センサ10において、磁気センサ素子31として、磁気抵抗効果(GMR(Giant Magneto Resistance))素子を用いていているが、これに限定されない。例えば、AMR(Anisotropic Magneto Resistance)素子、TMR(Tunnel Magneto Resistance)素子、ホール素子等であっても良い。
図4は、第1の実施形態における第1の変形例の電流センサの断面図である。第1の変形例の電流センサ10は、シールド36の構成が異なっている。なお、図1から図3に示す電流センサ10と同じ構成要素については、同じ符号を付して示しており、詳細な説明は省略する。
図4に示すように、本変形例の電流センサ10において、シールド36は折り返し部36dを有して構成され、折り返し部36dは側部36cの上部からバスバー12側に延びて形成される。すなわち、折り返し部36dは、磁気センサ素子31よりも上方に位置して、バスバー12の第1の面12aの一部を覆って設けられている。これにより、外部からのノイズが磁気センサ素子31に侵入することをより効果的に抑制して、出力誤差が低減される。または、バスバー12を流れる電流により発生する電磁ノイズが外部に放射されることを低減することができる。
図5は、第1の実施形態における第2の変形例の電流センサの断面図である。図1から図4に示した電流センサ10において、配線基板20はバスバー12の上に配置され、磁気センサ素子31は配線基板20を介してバスバー12に対向配置されているが、このような構成に限られない。図5に示すように、本変形例の電流センサ10において、配線基板20はバスバー12に対して間隔を設けて対向配置されており、磁気センサ素子31は、配線基板20の下面、すなわちバスバー12と対向する面に設けられている。なお、配線基板20及びバスバー12は、図示しない筐体によってそれぞれ支持固定されている。
図5に示すように、磁気センサ素子31は、バスバー12に対して間隔を設けて対向配置されており、磁気センサ素子31とバスバー12との間に配線基板20が介在していない。よって、バスバー12を流れる被測定電流により生じる磁界を精度良く測定可能である。
また、このような構成であっても、図1〜図3に示す第1の実施形態と同様に、配線基板20の延出部22に信号線33を結合させて、バスバー12と信号線33との間の静電容量結合を抑制して、出力誤差を低減させることができる。
<第2の実施形態>
図6は、第2の実施形態の電流センサの斜視図である。また、図7は、図6のVII−VII線で切断して矢印方向から見たときの電流センサの断面図である。図6及び図7に示すように、本実施形態の電流センサ11は、シールド36が設けられていない点が異なっており、その他の構成は図1から図3に示す第1の実施形態と同様である。
図6及び図7に示すように、本実施形態の電流センサ11においても、配線基板20は、バスバー12に対向する基部21と、基部21から延出する延出部22とを有しており、延出部22において信号線33が結合されている。つまり、信号線33は、バスバー12の延在方向に対して交差する方向に設けられ、かつバスバー12から離れた位置に設けられる。よって、バスバー12と信号線33との間の静電容量結合が抑制されるため、バスバー12の電圧変動が生じた場合においても、バスバー12の電圧変動に伴って信号線33の出力信号が変化することを抑制できる。また、信号線33とバスバー12との間隔を大きくすることにより、バスバー12を流れる被測定電流により生じる電磁ノイズが信号線33に重畳することを抑制できる。
したがって、本実施形態の電流センサ11によれば、出力誤差を低減することが可能である。
また、磁気センサ素子31は磁界を検出する感度軸を有しており、図6及び図7において磁気センサ素子31に矢印を付して感度軸を示す。図7に示すように、バスバー12の断面中心を中心とし、バスバー12の幅方向(X1−X2方向)に長軸を有する仮想楕円を第1の仮想円13とする。磁気センサ素子31の感度軸は、第1の仮想円13の円周方向に設けられている。また、図6に示すように、信号線33(例えば信号線33a)の断面中心を中心とする仮想円を第2の仮想円35としたときに、磁気センサ素子31の感度軸は第2の仮想円35に交差する方向に設けられている。
これにより、バスバー12を流れる被測定電流により発生する磁束は、磁気センサ素子31を感度軸方向に通過するとともに、信号線33を流れる電流により発生する磁束は、感度軸方向と交差する方向に磁気センサ素子31を通過する。よって、被測定電流により発生する磁束は感度良く検出され、信号線33を流れる電流により発生する磁束はほとんど検出されない。よって、信号線33を流れる電流により生じる出力誤差を低減できる。
図6及び図7に示すように、本実施形態においても、信号線33に加えて、接地されたグラウンド線34が設けられている。グラウンド線34は、磁気センサ素子31や、図示しない抵抗器等から構成される回路に電気的に接続される。図6に示すように、信号線33及びグラウンド線34は、互いに平行に配列されて、バスバー12の延在方向(Y1−Y2方向)に沿って間隔を設けて配列されている。
そして、延出部22において、バスバー12と信号線33との間、及びグラウンド線34との間に第1の貫通孔23が形成されている。第1の貫通孔23は、バスバー12の延在方向(Y1−Y2方向)に長軸を有する長穴形状に形成されている。
第1の貫通孔23を設けることで、信号線33とバスバー12との間、及びグラウンド線34とバスバー12との間に存在する樹脂材料(配線基板20を構成するエポキシ樹脂)の体積が減少する。よって、バスバー12と信号線33との間の誘電率を低減させることができ、バスバー12と信号線33との静電容量結合が抑制される。したがって、バスバー12の電圧変動による出力誤差を低減することができる。
10、11 電流センサ
12 バスバー
12a 第1の面
12b 第2の面
12c、12d 側面
20 配線基板
21 基部
22 延出部
23 第1の貫通孔
24 第2の貫通孔
25 配線
31 磁気センサ素子
33 信号線
34 グラウンド線
36 シールド
36a 底部
36b、36c 側部
36d 折り返し部

Claims (9)

  1. バスバーと、前記バスバーに対向して配置された磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子が設置された配線基板と、前記磁気センサ素子に電気的に接続された信号線とを有し、
    前記配線基板は、前記バスバーに対向する基部と、前記基部から延出する延出部とを有し、
    前記信号線は、前記延出部に結合されるとともに前記配線基板に交差する方向に設けられていることを特徴とする電流センサ。
  2. 前記延出部において、前記バスバーと前記信号線との間に貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
  3. さらにシールドを有し、
    前記シールドは、前記貫通孔を通過して前記バスバーと前記信号線との間に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の電流センサ。
  4. 前記バスバーは、前記磁気センサ素子に対向する第1の面と、前記第1の面の反対側の第2の面と、前記第1の面と第2の面とを接続する1対の側面とを有し、
    前記シールドは、前記バスバーの前記第2の面及び前記1対の側面に対向して連なって設けられていることを特徴とする請求項3に記載の電流センサ。
  5. 前記シールドは、前記バスバーの前記第1の面を覆う折り返し部を有することを特徴とする請求項4に記載の電流センサ。
  6. 前記シールドは軟磁性体であることを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の電流センサ。
  7. 前記シールドは導電体であることを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の電流センサ。
  8. 複数の前記信号線及び接地されたグラウンド線が前記延出部に結合されており、複数の前記信号線及び前記グラウンド線は、前記バスバーの延在方向おいて配列されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電流センサ。
  9. 前記バスバーの幅方向における前記基部の長さは、前記バスバーの幅寸法よりも短いことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電流センサ。
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