JP2016099320A

JP2016099320A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2016099320A
Application number: JP2014238941A
Authority: JP
Inventors: 高明宮腰; Takaaki Miyakoshi; 範章藤田; Noriaki Fujita; 慎祐伏見; Shinsuke Fushimi
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-05-30
Also published as: US9784769B2; US20160146858A1; CN205280791U

Abstract

【課題】検出素子の位置がずれた場合でも精度良く電流の大きさを測定することが可能な電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１００は、磁性体であるＵ字状のコア１０と、当該コア１０のスリット１１に挿通される導体２０と、コア１０のスリット１１内に配設され、磁界を検出する検出素子３０と、を備え、コア１０は、検出素子３０と対向する面の両側に凹部５０を有し、当該凹部５０は少なくとも導体２０の挿通方向と交差する壁部５９を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに関する。

従来、モータとインバータとを備えるハイブリッド車両や電気自動車が普及しているが、モータの回転を適切に制御するには、モータに流れる電流を測定することが重要である。このような電流の測定方法として、モータとインバータとを接続するバスバーに印加される電流に応じて当該バスバーの周囲に生じる磁束を検出素子（磁気センサ）で検出し、その検出された磁束に基づいてバスバーに印加された電流を演算して求める電流センサがある（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の電流センサは、コアの溝部（本願発明に係る「スリット」に相当）における底部側に挿通される被測定電流が流れる導体と、当該導体よりも溝部の開口部側に配置された検出素子磁気センサ（本願発明に係る「検出素子」に相当）とを、互いに嵌合し合う樹脂製の第１嵌合部と第２嵌合部とで挟み込んで構成される。これにより、磁気センサ全体をモールドする必要がないので、磁気センサやコアに加わる応力を最小限に抑え、組み立て後のオフセット変動や温度ドリフトが少ない電流センサを実現している。

特開２０１１−１１２６０４号公報

特許文献１に記載の技術では、導体に電流を流した際に生じる磁界のギャップ方向の成分の磁界強度が導体の挿通方向に沿って著しく変化するため、磁気センサの位置ずれした場合に電流の検出結果に含まれる誤差が大きくなってしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、検出素子の位置がずれた場合でも精度良く電流の大きさを測定することが可能な電流センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電流センサの特徴構成は、磁性体であるＵ字状のコアと、前記コアのスリットに挿通される導体と、前記コアのスリット内に配設され、磁界を検出する検出素子と、を備え、前記コアは、前記検出素子と対向する面の両側に凹部を有し、当該凹部は少なくとも前記導体の挿通方向と交差する壁部を有する点にある。

このような特徴構成とすれば、検出素子の近傍の磁界の強度の変化量を小さくすることができる。特に、検出素子がスリットの深さ方向に位置ずれした場合であっても、検出素子に作用する凹部の深さ方向に沿った磁束のムラによる影響を抑制することができる。したがって、検出素子の位置が所期の位置からずれた場合でも、検出素子による検出に与える影響を低減できるので、精度良く電流を測定することが可能となる。

また、前記凹部は、前記コアの前記導体の挿通方向における中央部に設けられると好適である。

このような特徴構成とすれば、検出素子がスリットにおいて導体の挿通方向に沿って位置ずれした場合でも、検出素子に作用するスリットの間隔方向に沿った磁束のムラによる影響を抑制することができる。したがって、精度良く電流を測定することが可能となる。

また、前記コアは、平板を積層して形成されていると好適である。

このような構成とすれば、金属磁性体の平板から打ち抜き加工によりＵ字状に打ち抜き、これらを積層してコアを形成することができる。したがって、凹部を有するコアを容易に、且つ、低コストで作製することができる。

また、前記検出素子の検出面は、前記両側の凹部の前記スリットの開口端側の端部同士を結ぶ第１直線と、前記両側の凹部の前記スリットの底側の端部同士を結ぶ第２直線とで挟まれる領域内に配設されると好適である。

このような構成とすれば、検出素子がスリットの深さ方向に位置ずれした場合であっても、検出素子に作用するスリットの間隔方向に沿った磁束のムラによる影響を抑制することができる。したがって、精度良く電流を測定することが可能となる。

また、前記検出素子の検出面は、前記両側の凹部の前記挿通方向の一方の壁部同士を結ぶ第３直線と、前記両側の凹部の前記挿通方向の他方の壁部同士を結ぶ第４直線とで挟まれる領域内に配設されると好適である。

このような構成とすれば、検出素子がスリットにおいて導体の挿通方向に位置ずれした場合であっても、検出素子に作用するスリットの間隔方向に沿った磁束のムラによる影響を抑制することができる。したがって、精度良く電流を測定することが可能となる。

また、前記スリットにおける前記検出素子に対向する面が、互いに非平行であると好適である。

このような構成とすれば、スリットにおいて互いに対向する面が、スリットの深さ方向に対して傾斜させることができる。このため、検出素子がスリットにおいて導体の挿通方向に位置ずれした場合であっても、検出素子に作用するスリットの間隔方向に沿った磁束のムラによる影響を抑制することができる。したがって、精度良く電流を測定することが可能となる。

電流センサを模式的に示した斜視図である。電流センサを模式的に示した正面図である。第１の平板を模式的に示す斜視図である。第２の平板を模式的に示す斜視図である。検出素子の配置について示す図である。検出素子の配置について示す図である。図１のV−V線断面におけるコアの周囲に生じる磁界の強度分布を示した図である。図１のVI−VI線断面におけるコアの周囲に生じる磁界の強度分布を示した図である。凹部を有さないコアの周囲に生じる磁界の強度分布を示した図である。凹部を有さないコアの周囲に生じる磁界の強度分布を示した図である。その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した斜視図である。その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した正面図である。

本発明に係る電流センサは、検出素子が所期の位置に対して位置ずれした場合であっても導体に流れる被測定電流を精度良く測定することが可能に構成される。以下、本実施形態の電流センサ１００について説明する。ここで、導体２０に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体２０を軸心として磁界が発生する（アンペールの右手の法則）。本電流センサ１００は、このような磁界において磁束密度を検出し、検出された磁束密度に基づいて導体２０に流れる電流（電流値）を測定する。

図１には本実施形態に係る電流センサ１００の斜視図が示される。図１には平板状の導体２０が示されるが、以下では理解を容易にするために、導体２０の厚さ方向をＸ方向とし、導体２０が延在する方向（延在方向）をＹ方向とし、導体２０の幅方向をＺ方向として説明する。本実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、夫々、互いに直交しているものとする。図２には導体２０のＹ方向視における電流センサ１００を模式的に示した図が示される。

本電流センサ１００は、コア１０、導体２０、検出素子３０を備えて構成される。コア１０は、Ｕ字状の磁性体で形成される。本実施形態では、コア１０は金属磁性体からなるスリット１１を有する平板を積層して形成される。金属磁性体とは、軟磁性の金属であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイ、パーメンジュール等が相当する。コア１０は、このような金属磁性体の平板から打ち抜き加工によりＵ字状に打ち抜き、これらを積層して形成される。

本実施形態では、コア１０は、第１の平板１５と第２の平板１６とを積層して構成される。第１の平板１５は、図３に示されるように、Ｕ字状部１５Ａと、当該Ｕ字状部１５Ａの側面からＸ方向に沿って突出する突出部１５Ｂとを有して構成される。Ｕ字状部１５Ａとは、第１の平板１５のうちＹ方向視がＵ字状に形成される部分である。Ｕ字状部１５Ａの側面とは、Ｕ字状部１５Ａの側面１５Ｃである。特に、本実施形態では、突出部１５Ｂは、Ｕ字状部１５Ａの側面１５Ｃのうち、Ｘ方向に直交する面（ＹＺ面に平行な面）に設けられる。このような第１の平板１５は、Ｕ字状部１５Ａと突出部１５Ｂとが一体的に金属磁性体からの打ち抜き加工により形成される。

第２の平板１６は、図４に示されるように、Ｕ字状部１５Ａと同形状のＵ字状部１６Ａを有して構成される。Ｕ字状部１５Ａと同形状とは、外形寸法が一致していることを意味し、第１の平板１５と第２の平板１６とを積層した場合に、第１の平板１５のＵ字状部１５Ａと第２の平板１６のＵ字状部１６ＡとがＹ方向視において一致することをいう。また、第１の平板１５と第２の平板１６とを積層した場合に第１の平板１５の突出部１５Ｂにおける肩部１５ＥとＹ方向に一致するように、第２の平板１６のＵ字状部の側面１６Ｂにも肩部１６Ｃが設けられる。このような第１の平板１５の肩部１５Ｅ及び第２の平板１６の肩部１６Ｃには、図示しないハウジングの支持部が当接され、支持される。

本実施形態では、第１の平板１５と第２の平板１６とは、互いのＵ字状部１５Ａ、１６Ａを一致させて第１の平板１５がＹ方向中央側に配置されるように積層される。第１の平板１５及び第２の平板１６の積層面は、ＸＺ面に平行な面となる。したがって、第１の平板１５がＹ方向中央側に配置されるように積層されるとは、第１の平板１５のＹ方向両側に第２の平板１６を配置して積層されることを意味する。すなわち、図１に示されるように、第２の平板１６が第１の平板１５よりもＹ方向中央側には配置されず、コア１０全体を見た場合に、第２の平板１６／第１の平板１５／第２の平板１６の形態で積層される。

図１に戻り、導体２０は被測定電流が流され、平板状に構成される。被測定電流とは、電流センサ１００で検出する検出対象としての電流である。導体２０は、所定の幅を有する長尺状に構成される。このような導体２０は、コア１０のスリット１１に挿通される。本実施形態に係る導体２０は、図１及び図２に示されるように、スリット１１において、導体２０のＹＺ面と平行な一対の面と、コア１０の側壁１３の面とが互いに平行に挿通される。スリット１１に挿通された導体２０は、少なくともコア１０の内面（側壁１３）から離間して配設される。これにより、コア１０と導体２０とを絶縁することが可能となる。このような導体２０は、図示しない３相モータと当該３相モータに通電するインバータとを接続するバスバーに直列接続される。

検出素子３０は、コア１０のスリット１１内に配設される。検出素子３０は導体２０よりもスリット１１の開口端部に近い側に配置される。また、コア１０のスリット１１に配置された検出素子３０と導体２０との間は、空隙を有して構成される。すなわち、検出素子３０と導体２０とは離間して設けられる。これにより、検出素子３０と導体２０とを絶縁することが可能となる。ここで、コア１０には、導体２０に流れる電流に応じて生じた磁界が集磁される。集磁された磁界は、検出素子３０の配された近傍ではＸ方向に沿った磁界となる。

そこで、検出素子３０は、検出方向をＸ方向に一致させて配置される。したがって、検出素子３０は、導体２０に流れる被測定電流により形成される磁界による磁界を効果的に検出することが可能となる。

本実施形態に係るコア１０は、検出素子３０と対向する面に凹部５０を有し、当該凹部５０は少なくともＹ方向と交差する壁部５９を有して形成される。検出素子３０と対向する面とは、上述した側壁１３である。このため、検出素子３０と一対の側壁１３とが、一方の側壁１３、検出素子３０、他方の側壁１３の順に並ぶように構成される。「少なくともＹ方向と交差す壁部５９を有する」とは、凹部５０が少なくともＹ方向には貫通していないことを意味する。

また、本実施形態では、凹部５０は、コア１０のＹ方向における中央部に設けられる。これにより、検出素子３０の位置が、スリット１１においてＹ方向に沿って位置ずれした場合でも、検出素子３０に作用するＸ方向成分の磁束のムラを抑制できる。

更に、本実施形態では、図５（図１のV−V線の断面）に示されるように、検出素子３０の検出面３０Ａは、両側の凹部５０のスリット１１の開口端側の端部６１同士を結ぶ第１直線７１と、両側の凹部５０のスリット１１の底側の端部６２同士を結ぶ第２直線７２とで挟まれる領域８１内に配設される。これにより、検出素子３０がＺ方向に位置ずれした場合であっても、検出素子３０に作用するＸ方向成分の磁束のムラを抑制できる。

また、本実施形態では、図６（図１のVI−VI線の断面）に示されるように、検出素子３０の検出面３０Ａは、両側の凹部５０のＹ方向の一方の壁部６３同士を結ぶ第３直線７３と、両側の凹部５０のＹ方向の他方の壁部６４同士を結ぶ第４直線７４とで挟まれる領域８２内に配設される。これにより、検出素子３０がＹ方向に位置ずれした場合であっても、検出素子３０に作用するＸ方向成分の磁束のムラを抑制できる。

図７及び図８には、導体２０に所定の電流を流した際に、コア１０の周囲に生じる電界の強度が示される。図７は図１のV−V線の断面が示され、図８は図１のVI−VI線の断面が示される。図７及び図８の例では、所謂「等高線」のように同じ電界の強度は線（以下「強度線」とする）で繋いで示される。したがって、図７及び図８において、強度線同士の間隔が広い部位は電界の強度の変化量が小さく、強度線同士の間隔が狭い部位は電界の強度の変化量が大きいことを示している。

図７及び図８において、領域Ａとして示されるように、一対の凹部５０が対向する部分には強度線の間隔が広い部位が存在する。本実施形態では、このような部位に検出素子３０が配置される。これにより、検出素子３０の位置が所期の位置に対してずれた場合であっても、検出素子３０を通る磁束密度が大きく変化しないので、位置ずれに対するロバスト性を向上することができる。したがって、精度良く電流を検出することが可能となる。

一方、図９及び図１０には、比較のために凹部５０を有さないコア１０の周囲に生じる電界の強度が示される。また、図９及び図１０には、夫々図７及び図８の領域Ａと同サイズの領域Ａが示される。図９及び図１０に示されるようにコア１０に凹部５０を形成しない場合には、検出素子３０の周囲は図７及び図８の場合に比べて強度線の間隔が狭くなっている。このため、検出素子３０が所期の位置からずれた場合には、例え領域Ａ内であっても、検出素子３０を通る磁束が変位し、検出結果に誤差が生じ得る。このように本願実施形態によれば、位置ずれに対してロバスト性が高い電流センサ１００を構成することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、導体２０が平板状であるとして説明したが、導体２０は平板状以外の形状であっても良い。

上記実施形態では、凹部５０は、コア１０のＹ方向における中央部に設けられるとして説明したが、Ｙ方向の中央部からずれた位置に凹部５０を設けることも可能である。

上記実施形態では、コア１０は、平板を積層して形成されるとして説明したが、コア１０は、磁性体材料を焼結することにより形成することも可能である。

上記実施形態では、検出素子３０の検出面３０Ａは、第１直線７１と第２直線７２とで挟まれる領域８１内であって、且つ、第３直線７３と第４直線７４とで挟まれる領域８２内に配設されるとして説明したが、検出素子３０の検出面３０Ａを、前記領域８１内、及び前記領域８２内の少なくとも一方を具備するように配設することも可能であるし、前記領域８１内、及び前記領域８２の双方から外れた位置に配設することも可能である。

上記実施形態では、スリット１１の側壁１３が互いに平行に図示したが、図１１及び図１２に示すように、スリット１１における検出素子３０に対向する面が、互いに非平行に形成することも可能である。すなわち、コア１０においてスリット１１の一対の側壁１３をＺ方向に対して傾斜した姿勢で形成して形成することも可能である。このように傾斜姿勢で形成することにより、検出素子３０がスリット１１においてＹ方向に位置ずれした場合であっても、検出素子３０に作用するＸ方向成分の磁束のムラを抑制することができる。

１０：コア
１１：スリット
２０：導体
３０：検出素子
３０Ａ：検出面
５０：凹部
５９：壁部
６１：端部（開口端側の端部）
６２：端部（底側の端部）
６３：壁部（一方の壁部）
６４：壁部（他方の壁部）
７１：第１直線
７２：第２直線
７３：第３直線
７４：第４直線
８１：領域
８２：領域
１００：電流センサ

Claims

磁性体であるＵ字状のコアと、
前記コアのスリットに挿通される導体と、
前記コアのスリット内に配設され、磁界を検出する検出素子と、
を備え、
前記コアは、前記検出素子と対向する面の両側に凹部を有し、当該凹部は少なくとも前記導体の挿通方向と交差する壁部を有する電流センサ。
前記凹部は、前記コアの前記導体の挿通方向における中央部に設けられる請求項１に記載の電流センサ。
前記コアは、平板を積層して形成されている請求項１又は２に記載の電流センサ。
前記検出素子の検出面は、前記両側の凹部の前記スリットの開口端側の端部同士を結ぶ第１直線と、前記両側の凹部の前記スリットの底側の端部同士を結ぶ第２直線とで挟まれる領域内に配設される請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。
前記検出素子の検出面は、前記両側の凹部の前記挿通方向の一方の壁部同士を結ぶ第３直線と、前記両側の凹部の前記挿通方向の他方の壁部同士を結ぶ第４直線とで挟まれる領域内に配設される請求項４に記載の電流センサ。
前記スリットにおける前記検出素子に対向する面が、互いに非平行である請求項１から５のいずれか一項に記載の電流センサ。