JP2016121960A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造により外乱磁界を容易にキャンセルでき、小型化及び低コスト化に適した電流センサを提供する。【解決手段】本発明の電流センサ１は、負荷に供給される電流が流れる電流経路を構成して電流の大きさに応じた磁界を発生する平板状のバスバー２０と、磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなるブリッジ回路部が平板状の実装基板２１に実装された素子部１４を備えている。素子部１４はバスバー２０の貫通孔２０ｃに挿入され、実装基板２１とバスバー２０が互いに交差する位置関係にあり、第１の磁界が印加される第１の領域に配置される第１及び第２の感磁素子と、第１の磁界とは逆方向の第２の磁界が印加される第２の領域に配置される第３及び第４の感磁素子とは、特性変化が互いに逆向きとなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、負荷に供給される電流を検出する電流センサに関し、特に、電流経路を構成するバスバーから発生する磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子を用いた電流センサに関するものである。

従来から、交流電源により駆動される負荷に供給される電流を非接触で検出可能な電流センサが知られている。従来の電流センサとして、電流経路を構成するバスバーから発生する磁界の変化を磁気抵抗素子等の感磁素子により検知する構成の電流センサが提案されている。このような構成の電流センサを用いる場合、バスバーから発生する磁界だけではなく、外部からの外乱磁界に対して磁気抵抗素子の抵抗変化が生じるため、磁気抵抗素子に加わる外乱磁界を抑制することが必要となる。例えば、特許文献１には、磁気抵抗素子からなる２つのブリッジ回路をバスバー（電流線）の表面と裏面を挟み込むように配置した電流センサが開示されている。また例えば、特許文献２には、磁気抵抗素子からなるブリッジ回路をＵ字型のバスバー（設置基板）の中心点に対して対称に配置した電流センサが開示されている。また、特許文献３及び特許文献４には、貫通孔を有するバスバーの近傍に２つのハーフブリッジ回路を対称的に配置した電流センサが開示されている。これらの特許文献１〜４の電流センサの構造を採用すれば、磁気抵抗素子への同相ノイズとなる外乱磁界をキャンセルし得る構造を実現することができる。

特開２０１２−２２５８７２号公報 特開２００７−１８７５３０号公報 特表２００２−５２３７５１号公報 特開２００８−３９７３４号公報

しかしながら、上記従来の電流センサを採用することは、外乱磁界をキャンセルするための構造により製品の小型化や低コスト化の面で不利益がある。具体的には、特許文献１の構造によれば、バスバーの上下の面に２つの磁気センサを配置する必要があるので、コスト上昇は避けられない。また、特許文献２の構造によれば、バスバーに対応する１つの磁気センサを設ければよいが、バスバーの面積を大きくしなければならないとともに、バスバーの設置側の基板面への実装が制限されるため、製品の小型化が難しくなる。また、特許文献３、４の構造によれば、バスバーの左右に配置した２つのハーフブリッジ回路が互いに逆相の磁界を受けるように、磁気抵抗素子を傾けて配置するか、あるいはバスバーを３次元的な特殊形状に加工する必要があるので、実装性が低下し、バスバー加工のコスト上昇が避けられない。以上のように、上記従来の電流センサにおいては、バスバーの近傍に磁気抵抗素子を配置した構造により外乱磁界をキャンセルしつつ、製品の小型化及び低コスト化を実現可能な構造は提案されていなかった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、バスバーの近傍に複数の感磁素子を配置した簡単な構造により外乱磁界をキャンセルし、実装性が高く、小型化及び低コスト化に適した電流センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電流センサの第１の態様（図１及び図２参照）は、負荷に供給される電流を検出する電流センサであって、前記電流が流れる電流経路を構成し、前記電流の大きさに応じた磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状のバスバーと、前記磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなるブリッジ回路部と、平板状の実装基板に、前記ブリッジ回路部が実装されている素子部と、を備え、前記素子部は前記バスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記実装基板と前記バスバーは互いに交差する位置関係にあること、前記複数の感磁素子は、第１乃至第４の感磁素子を含み、前記素子部が、前記第１及び第２の感磁素子が配置される第１の領域と、前記第３及び第４の感磁素子が配置される第２の領域と、を有すること、所定方向の第１の磁界が前記第１の領域に印加されたとき、前記第１及び第２の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなること、及び、前記所定方向と逆方向の第２の磁界が前記第２の領域に印加されたとき、前記第３及び第４の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなることを特徴としている。

本発明の第１の態様によれば、平板状のバスバーと平板状の実装基板とを交差させつつ、実装基板に配置される素子部をバスバーの貫通孔に配置することにより、バスバーに流れる電流が貫通孔の両側に分流する結果として、バスバーの平面に対して両側の第１及び第２の領域には互いに逆方向の第１及び第２の磁界が発生し、複数の感磁素子の特性変化の設定に応じて素子部のブリッジ回路部から負荷の電流に比例する非平衡電圧を取り出すことができる。このとき、第１及び第２の磁界に加えて、素子部に外乱磁界が印加されたとしても、第１及び第２の領域で同一方向となる外乱磁界のみを確実にキャンセルすることができる。このように、バスバーに複数の磁気センサ（ブリッジ回路部）を設けることなく、特殊な加工が不要で、小型化及び低コスト化に適した構成により外乱磁界の影響を抑制可能な電流センサを実現することができる。

本発明のブリッジ回路部に用いる感磁素子の例としては、磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を挙げることができる。例えば、第１の磁界が印加される第１の領域に、抵抗値が減少する第１の磁気抵抗素子及び抵抗値が増加する第２の磁気抵抗素子を配置するとともに、第２の磁界が印加される第２の領域に、抵抗値が減少する第４の磁気抵抗素子及び抵抗値が増加する第３の磁気抵抗素子を配置することができる。

本発明の素子部は、例えば、バスバーの表面に近い側の第１の領域とバスバーの裏面に近い側の第２の領域とに区分することができる。また、例えば、バスバーの電流経路を、貫通孔を挟んで対向する第１の分流路及び第２の分流路により形成し、素子部は、第１の分流路に近い側の第１の領域と第２の分流路に近い側の第２の領域とに区分することができる。このような配置により、バスバーには、貫通孔を挟んで対向する第１及び第２の分流路に同一方向の電流が流れ、第１及び第２の領域で互いに逆方向の第１及び第２の磁界を確実に発生させることができる。

本発明の実装基板には、素子部の複数の構成部品を両面に実装することができる。すなわち、素子部のブリッジ回路部の複数の感磁素子やそれ以外の多様な回路部品を実装基板の両面に実装することにより、電流センサの小型化が可能となる。

また、上記課題を解決するために、本発明の電流センサの第２の態様（図９及び図１０参照）は、負荷に供給される三相交流のそれぞれの電流を検出する電流センサであって、第１相の電流が流れる電流経路を構成し、前記第１相の電流の大きさに応じた第１の磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状の第１のバスバーと、第２相の電流が流れる電流経路を構成し、前記第２相の電流の大きさに応じた第２の磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状の第２のバスバーと、第３相の電流が流れる電流経路を構成し、前記第３相の電流の大きさに応じた第３の磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状の第３のバスバーと、前記第１の磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなる第１のブリッジ回路部と、平板状の第１の実装基板に前記第１のブリッジ回路部が実装されている第１の素子部と、前記第２の磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなる第２のブリッジ回路部と、平板状の第２の実装基板に前記第２のブリッジ回路部が実装されている第２の素子部と、前記第３の磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなる第３のブリッジ回路部と、平板状の第３の実装基板に前記第３のブリッジ回路部が実装されている第３の素子部と、を備え、前記第１の素子部は前記第１のバスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記第１の実装基板と前記第１のバスバーが互いに交差する位置関係にあること、前記第２の素子部は前記第２のバスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記第２の実装基板と前記第２のバスバーが互いに交差する位置関係にあること、前記第３の素子部は前記第３のバスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記第３の実装基板と前記第３のバスバーが互いに交差する位置関係にあること、前記第１乃至第３のブリッジ回路部の各々の前記複数の感磁素子は、第１乃至第４の感磁素子を含み、前記素子部が、前記第１及び第２の感磁素子が配置される第１の領域と、前記第３及び第４の感磁素子が配置される第２の領域と、を有すること、所定方向の第４の磁界が前記第１の領域に印加されたとき、前記第１及び第２の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなること、及び、前記所定方向と逆方向の第５の磁界が前記第２の領域に印加されたとき、前記第３及び第４の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなることを特徴としている。

本発明の第２の態様によれば、既に説明した第１の態様の基本構成に加えて、三相交流により負荷を駆動する際、各相の電流を個別に検出する三相交流用の電流センサを実現することができる。この場合も、三相交流の各相に対応して平板状のバスバーと平板状の実装基板とを交差させつつ、実装基板に配置される素子部をバスバーの貫通孔に配置する構造を容易に実現できるので、第１の態様と同様の作用、効果に基づいて三相交流用の電流センサのコスト低減と小型化が可能となる。なお、ブリッジ回路部に用いる感磁素子の例としては、第１の態様と同様、磁気抵抗素子を挙げることができる。

本発明において、第１〜第３の実装基板は、第１〜第３の素子部が同一平面上に配置される位置関係を持たせることができる。この場合、第１〜第３の実装基板の隣接箇所を連結し、一体化された１つの実装基板を構成してもよい。このような実装基板を用いることにより、部品点数を削減して製造時の作業性を高めることができる。

本発明の負荷の例としては、三相交流によって駆動される大電流用途のモータを挙げることができる。この場合、本発明のバスバーの構造によって磁界の強度を抑制することができるので、感磁素子として、検出レンジが比較的狭い磁気抵抗素子を用いる構成が有用である。

本発明によれば、電流経路を構成するバスバーの貫通孔に、ブリッジ回路部を含む素子部を実装する実装基板をバスバーと交差するように配置することで、複数の感磁素子への同相ノイズとなる外乱磁界を確実にキャンセルすることを可能とし、複雑な構造や特殊な加工が不要で、小型化及び低コスト化に適した電流センサを実現することができる。

第１実施形態の電流センサの機能ブロックを示す図である。 第１実施形態において、バスバー、素子部、実装基板を配置した構造を模式的に示す斜視図である。 図２の構造をＡＡ断面から見た断面構造に、ブリッジ回路部の構成を重ねて示す図である。 第１実施形態の構造のバスバーの周囲に生じる磁界分布をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 平面視でストレート状のバスバーの周囲に生じる磁界分布をシミュレーションにより求めた比較例を示す図である。 平面視でＵ字型のバスバーの周囲に生じる磁界分布をシミュレーションにより求めた比較例を示す図である。 第１実施形態の変形例において、バスバー、素子部、実装基板を配置した構造を模式的に示す斜視図である。 図７の構造をＡＡ断面から見た断面構造に、ブリッジ回路部の構成を重ねて示す図である。 第２実施形態の電流センサの機能ブロックを示す図である。 第２実施形態において、バスバー、素子部、実装基板を配置した構造を模式的に示す斜視図である。 図１０の構造をＹ方向及びＸ方向に沿って見た各側面図である。 第２実施形態の変形例において、バスバー、素子部、実装基板を配置した構造を模式的に示す斜視図である。 図１２の構造をＹ方向及びＸ方向に沿って見た各側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

［第１実施形態］
本発明を適用した第１実施形態に係る電流センサについて説明する。図１は、第１実施形態の電流センサ１の機能ブロックを示す図である。第１実施形態の電流センサ１は、交流電源１０から負荷１１に供給される電流ｉを検出するために、交流電源１０と負荷１１との間の電流経路に挿入された磁界発生部１２と、電源電圧Ｖｃｃを供給する電源部１３と、複数の感磁素子を含む素子部１４と、素子部１４の出力側に接続された出力回路１５とを備えて構成される。

図１において、交流電源１０は、所定の基本周波数の交流電力を供給し、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータが用いられる。磁界発生部１２は、電流経路を構成する後述のバスバーであり、負荷１１に流れる交流の電流ｉの大きさに応じた磁界を発生する。素子部１４は、磁界発生部１２の磁界の強度に応じて抵抗値が変化する４個の磁気抵抗素子Ｅ（複数の感磁素子）からなるブリッジ回路部Ｂを含んで構成され、後述するように実装基板に実装されている。なお、磁界発生部１２が発生する磁界は前述のバスバーと各々の磁気抵抗素子Ｅの位置関係に依存した方向性を有するが、この点については後述する。ブリッジ回路部Ｂの入力側は電源部１３に接続され、ブリッジ回路部Ｂの出力側は出力回路１５に接続されている。具体的には、磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（２）の間の入力ノードｎ１が電源電圧Ｖｃｃに接続され、磁気抵抗素子Ｅ（３）、Ｅ（４）の間の入力ノードｎ２がグランド電位ＧＮＤに接続されている。また、磁気抵抗素子Ｅ（２）、Ｅ（４）の間の出力ノードｎ３と、磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（３）の間の出力ノードｎ４から、差動電圧Ｖａが出力回路１５に出力される。出力回路１５は、素子部１４から出力される差動電圧Ｖａを増幅するアンプや不要成分を除去するフィルタ等を含み、電流ｉの値に比例する検出信号Ｓａを出力する。なお、磁気抵抗素子Ｅ（１）〜Ｅ（４）は、本発明の第１〜第４の磁気抵抗素子（感磁素子）に対応する。

図１に示す電源部１３及び出力回路１５は、第１実施形態の電流センサ１の内部に設けてもよいが、電流センサ１の外部に設けることも可能である。すなわち、第１実施形態の電流センサ１は、少なくとも磁界発生部１２としてのバスバーと、後述の実装基板に実装される素子部１４を備えていれば、本発明の適用が可能である。また、図１では、素子部１４がブリッジ回路部Ｂを含む例を示しているが、素子部１４がブリッジ回路部Ｂに加えて、それ以外の回路部を含んでいてもよいし、素子部１４に出力回路１５の全部又は一部を取り込むように構成してもよい。また、図１では、ブリッジ回路部Ｂは、磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子（例えば、ホール素子）を用いていれば、磁気抵抗素子Ｅには限られない。また、ブリッジ回路部Ｂを構成する磁気抵抗素子Ｅ（感磁素子）の素子数は４個に限られず、各々の磁気抵抗素子Ｅに他の磁気抵抗素子を直列に挿入して素子数を増やしてもよい。

次に、図２及び図３を参照して、図１における磁界発生部１２及び素子部１４を含む電流センサ１の主要部について基本的な構成及び動作を説明する。図２は、磁界発生部１２であるバスバー２０と、図１のブリッジ回路部Ｂが構成された素子部１４と、この素子部１４を実装した実装基板２１とをそれぞれ配置した構造を模式的に示す斜視図である。また、図３は、図２の構造をＡＡ断面から見た断面構造に、ブリッジ回路部Ｂの構成を重ねて示す図である。なお、図２及び図３においては、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を表記している。

図２に示すように、バスバー２０は、表面２０ａ及び裏面２０ｂを有する平板状の金属部材である。図２の例では、平板状のバスバー２０がＸＹ平面に延在する場合を示している。バスバー２０の長手方向の両端は、前述の電流ｉが入出力される端子Ｔａ、Ｔｂとなっている。また、バスバー２０の略中央には、表面２０ａ及び裏面２０ｂを矩形状に貫通する貫通孔２０ｃが形成されている。このような構造により、バスバー２０における電流ｉの経路は、貫通孔２０ｃの両側で対称的に形成される分流路２０ｄ（本発明の第１の分流路）及び分流路２０ｅ（本発明の第２の分流路）に分岐し、それぞれの分流路２０ｄ、２０ｅに略同一の大きさの電流ｉａ（図３）が同一方向に流れることになる。

また、図２では理解の容易のため、実装基板２１の一部のみを示しているが、実際の実装基板２１はバスバー２０に一体的に取り付けるための構造部分を備えている。図２に示すように、素子部１４を表面に実装した平板状の実装基板２１はＸＺ平面に延在し、バスバー２０の貫通孔２０ｃに挿入された状態で配置されている。第１実施形態では、実装基板２１とバスバー２０が互いに交差する位置関係にある点が特徴的である。すなわち、バスバー２０の貫通孔２０ｃ内に配置される実装基板２１の平面方向は、バスバー２０の平面方向に対し、電流ｉが流れるＹ方向に略９０度だけ傾いた配置となっている。なお、図２の例では、バスバー２０及び実装基板２１の互いに平面方向が直交しているが、実際には、９０度ではなく所定の角度で交差していれば、本発明の適用が可能である。さらに、図２には示されないが、素子部１４の複数の構成部品を実装基板２１の両面に実装する構造を採用してもよい。これにより、実装基板２１のサイズを小さくでき、電流センサ１の小型化に適している。

ここで、図３を用いて、図２におけるバスバー２０、実装基板２１、素子部１４の配置に基づいて得られる作用効果について説明する。図３においては、図２のＡＡ断面が素子部１４を通る位置であるため、バスバー２０の貫通孔２０ｃに配置された状態の素子部１４の構造が示されるとともに、ブリッジ回路部Ｂを構成する４個の磁気抵抗素子Ｅの位置がそれぞれ示されている。ここでは、バスバー２０のＺ方向の中心位置を基準に上下を区分し、表面２０ａに近い側を領域Ａ１(本発明の第１の領域）と定め、裏面２０ｂに近い側を領域Ａ２(本発明の第２の領域）と定めるものとする。この場合、ブリッジ回路部Ｂにおいては、２個の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（２）及び一方の入力ノードｎ１が上側の領域Ａ１に配置され、２個の磁気抵抗素子Ｅ（３）、Ｅ（４）及び他方の入力ノードｎ２が下側の領域Ａ２に配置されることになる。また、１対の出力ノードｎ３、ｎ４は上下の領域Ａ１、Ａ２の境界部付近に配置されることになる。

一方、バスバー２０の電流ｉが図２の端子Ｔａから端子Ｔｂに流れると仮定したとき、バスバー２０の貫通孔２０ｃの両側の分流路２０ｄ、２０ｅから発生する磁界を考慮する必要がある。左右の分流路２０ｄ、２０ｅで逆向きとなる。すなわち、図３に示すように、バスバー２０の貫通孔２０ｃの両側の対称的な分流路２０ｄ、２０ｅのそれぞれに紙面手前側に向かう前述の電流ｉａが流れるので、貫通孔２０ｃから見て両側の分流路２０ｄ、２０ｅの周囲の磁界はいずれも図３で左回りとなり、上側の領域Ａ１にＸ方向に沿った左向きの印加磁界Ｈ１（本発明の第１の磁界）と、下側の領域Ａ２にＸ方向に沿った右向きの印加磁界Ｈ２（本発明の第２の磁界）とを想定することができる。従って、領域Ａ１の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（２）に印加される印加磁界Ｈ１と、領域Ａ２の磁気抵抗素子Ｅ（３）、Ｅ（４）に印加される印加磁界Ｈ２とは互いに逆向きになる。

ここで、図３のブリッジ回路部Ｂにおいて、左側の２個の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（３）は同一方向の印加磁界に対して抵抗値の変化の極性（増加又は減少）が互いに同一となるように設定される。また、右側の２個の磁気抵抗素子Ｅ（２）、Ｅ（４）は同一方向の印加磁界に対して抵抗値の変化の極性（増加又は減少）が互いに同一であって、左側の２個の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（３）とは逆向きとなるように設定される。なお、４個の磁気抵抗素子Ｅが同一の素子であれば、それぞれの配置方向を変えることにより、抵抗値の変化の所望の極性を調整することができる。

図３に示すように、上下の領域Ａ１、Ａ２では互いに印加磁界Ｈ１、Ｈ２の方向が逆向きであることを考慮したとき、バスバー２０の電流ｉにより発生する印加磁界Ｈ１、Ｈ２に依存して変化する磁気抵抗素子Ｅの各抵抗値に関し、２通りの変化方向Ｒａ、Ｒｂが定められる。すなわち、ブリッジ回路部Ｂにおいて、１対の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（４）の各抵抗値が共通の変化方向Ｒａで表され、１対の磁気抵抗素子Ｅ（２）、Ｅ（３）の各抵抗値が共通の変化方向Ｒｂ（変化方向Ｒａとは逆極性）で表される。電流ｉが交流であるため、印加磁界Ｈ１、Ｈ２の方向性は交流の周期に連動して反転するので、例えば、磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（４）の変化方向Ｒａが増加方向で、磁気抵抗素子Ｅ（２）、Ｅ（３）の変化方向Ｒｂが減少方向となる時間帯と、磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（４）の変化方向Ｒａが減少方向で、磁気抵抗素子Ｅ（２）、Ｅ（３）の変化方向Ｒｂが増加方向となる時間帯とが周期的に繰り返すことになる。

上述のように４個の磁気抵抗素子Ｅ（１）〜Ｅ（４）の各抵抗値が変化することにより、１対の出力ノードｎ３、ｎ４の間には非平衡電圧が発生し、それがブリッジ回路部Ｂの差動電圧Ｖａ（図１）として出力される。この場合、バスバー２０に交流の電流ｉを流したとき、印加磁界Ｈ１、Ｈ２の方向が周期的に反転するので、それに連動して非平衡電圧である差動電圧Ｖａの極性も反転し、差動電圧Ｖａに基づき電流ｉの検出が可能である。なお、図３の断面図では、バスバー２０と素子部１４のそれぞれのＺ方向の中心が一致している場合を示したが、素子部１４が貫通孔２０ｃ内に配置されている限り、バスバー２０と素子部１４のそれぞれのＺ方向の中心が正確に一致せずに若干ずれていたとしても、差動電圧Ｖａは電流ｉの変化を反映して変化する。

第１実施形態では、バスバー２０からの印加磁界Ｈ１、Ｈ２に加えて、外部からの外乱磁界が素子部１４に印加されたとしても、同相ノイズとなる外乱磁界のみを確実にキャンセルすることができる。すなわち、図３において、外部からの外乱磁界は上下の領域Ａ１、Ａ２で同一方向となるので、左側の１対の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（３）の抵抗値の変化は互いに同一となり、右側の１対の磁気抵抗素子Ｅ（２）、Ｅ（４）の抵抗値の変化は互いに同一となる。従って、１対のノードｎ３、ｎ４には、いずれも電圧値Ｖｃｃ／２が生じるので、差動電圧Ｖａはゼロとなる。

以上のように、第１実施形態の構造を採用することにより、外乱磁界を選択的にキャンセルし得る電流センサ１において、素子部１４が１つのブリッジ回路部Ｂを含む構成により実現できるので、従来の構造（例えば、特許文献１）のように複数の磁気センサ（ブリッジ回路部）を設ける必要はない。また、従来のＵ字型のバスバーを用いる構造（例えば、特許文献２）のように大きいバスバー面積を確保する必要がなく、電流センサ１の小型化が可能となる。さらに、従来のＯ字型のバスバーを用いる構造（例えば、特許文献３、４）のように、磁気抵抗素子を傾けて配置したり、バスバー形状の特殊な加工は不要となるので、電流センサ１の実装性の向上とコスト低下が可能となる。

上記の効果に加えて、第１実施形態の構造に基づく付加的な効果として、バスバー２０近傍に発生する磁界の強度を抑制し、大電流用途に適した電流センサ１を実現可能であることを挙げることができる。この点を検証するために、図４〜図６を用いて、第１実施形態の構造を有するバスバー２０の近傍に生じる磁界分布をシミュレーションにより求めた結果について、比較例と対比しつつ説明する。

図４は、第１実施形態において、平面視でＯ字型のバスバー２０の周囲に生じる磁界分布を示している。図４（Ａ）は、ＸＹ面内における磁界分布を、図４（Ｂ）は貫通孔２０ｃの近傍のＸＺ面内における磁界分布を示し、それぞれ磁界の強度を濃淡で表している。なお、磁界の強度の意味は、図４〜図６において共通である。第１実施形態のバスバー２０は、図４（Ｂ）に示すように、貫通孔２０ｃ内の位置Ｐで特に磁界の強度が小さくなっていることがわかる。これに対し、図５の比較例は、平面視でストレート状のバスバー３０の周囲に生じる磁界分布を示し、図６の比較例は、平面視でＵ字型のバスバー３１の周囲に生じる磁界分布を示している。図５及び図６に示すように、いずれも図４と比べると磁界の強度が大きいことがわかる。特に、図５（Ｂ）のバスバー３０の近傍と図６（Ｂ）のバスバー３１の両側に挟まれた空間内では、磁界の強度が非常に大きく、図４（Ｂ）の位置Ｐとは対象的である。

一般に、電流センサとして、モータ駆動などの大電流用途への適用が重要となっている。一方、磁気抵抗素子Ｅの磁界に対する検出レンジは比較的狭いことが知られており、磁界が大きくなり過ぎると抵抗変化の特性が飽和する恐れがある。電流センサの小型化のためには、磁気抵抗素子Ｅをバスバー２０の近傍に配置せざるを得ないので、大電流用途の電流センサに適用するには磁界の大きさを抑制することが望ましい。従って、第１実施形態の構造を採用することにより、特に素子部１４の近傍で磁界を非常に小さくすることができるので、従来の構造に比べて大電流用途の電流センサへの適用に有利である。

第１実施形態の電流センサ１は、図１〜図３に示す構成には限られず、多様な変形例がある。例えば、図７及び図８は、図１の構成を有する電流センサ１において、バスバー２０に対する素子部１４の位置関係が異なる場合の変形例を示している。図７の斜視図に示すように、本変形例においては、バスバー２０は図２と同一の構造であるが、バスバー２０と、貫通孔２０ｃ内に配置される素子部１４とが、ＸＺ面内で相対的に９０度回転した状態となっている。すなわち、図８の断面構造に示すように、ブリッジ回路部Ｂの各磁気抵抗素子Ｅ自体の配置と抵抗値の変化の極性は図３と同様であるが、素子部１４のＺ方向の中心位置を基準として、一方の分流路２０ｄの側の領域Ａ１に１対の磁気抵抗素子Ｅ（１）、Ｅ（２）が配置され、他方の分流路２０ｅの側の領域Ａ２に１対の磁気抵抗素子Ｅ（３）、Ｅ（４）が配置されることになる。

図８においては、図３とは異なり、Ｚ方向に沿った逆向きの印加磁界Ｈ３、Ｈ４を想定することができる。すなわち、バスバー２０のそれぞれの分流路２０ｄ、２０ｅとの距離に応じて、印加磁界Ｈ３、Ｈ４の方向が逆向きとなっている。本変形例においても、図３と同様の変化方向Ｒａ、Ｒｂの設定により、印加磁界Ｈ３、Ｈ４の変化に連動する非平衡電圧としての差動電圧Ｖａを得ることができる。また、外部からの外乱磁界が素子部１４に印加される場合は、図３と同様、１対のノードｎ３、ｎ４には、いずれも電圧値Ｖｃｃ／２が生じるので、差動電圧Ｖａはゼロとなる。以上のように、本変形例の構成を採用する場合であっても、第１実施形態で説明した作用効果を得ることができる。

［第２実施形態］
本発明を適用した第２実施形態に係る電流センサについて説明する。第２実施形態は、三相交流により駆動される負荷に流れる電流を検出する電流センサに対して本発明を適用する場合の形態である。図９は、第２実施形態の電流センサ１ａの機能ブロックを示す図である。図９においては、三相交流の電力を生成するインバータ４０が設けられ、インバータ４０からＵ相、Ｖ相、Ｗ相（本発明の第１相、第２相、第３相）として表される三相交流の電力によって負荷４１が駆動される。負荷４１としては、例えば、大電流で動作する三相モータなどが想定される。インバータ４０と負荷４１との間に接続されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電流経路に挿入された３つの磁界発生部１２ｕ、１２ｖ、１２ｗが設けられている。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗと、出力回路１５ｕ、１５ｖ、１５ｗが設けられている。なお、図９では、電源電圧Ｖｃｃを供給する電源部１３（図１)は省略している。

図９において、各々の磁界発生部１２ｕ、１２ｖ、１２ｗは、第１実施形態と同様のバスバーであり、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに応じた磁界を発生する。また、各々の素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗの構成も図１と同様であり、いずれも４個の磁気抵抗素子Ｅからなるブリッジ回路部Ｂを含み、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の磁界が印加される。また、各々の出力回路１５ｕ、１５ｖ、１５ｗは、図１の場合と同様、アンプやフィルタ等を含み、素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗからそれぞれの差動電圧Ｖａを入力するとともに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値にそれぞれ比例する検出信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを出力する。

次に、図１０及び図１１を参照して、第２実施形態の図９における磁界発生部１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ及び素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを含む電流センサ１ａの主要部について基本的な構成及び動作を説明する。図１０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相に対応した構造として、それぞれの磁界発生部１２ｕ、１２ｖ、１２ｗであるバスバー２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ（本発明の第１、第２、第３のバスバー）と、それぞれの素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ（本発明の第１、第２、第３の素子部）と、素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを実装した実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗ（本発明の第１、第２、第３の実装基板）とをそれぞれ配置した構造を模式的に示す斜視図である。また、図１１（Ａ）は、図１０の構造をＹ方向に沿って見た側面図であり、図１１（Ｂ）は、図１０の構造をＸ方向に沿って見た側面図である。なお、図１０及び図１１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の表記については第１実施形態と同様である。

図１０に示すように、各々のバスバー２０ｕ、２０ｖ、２０ｗは、平面視で長方形の形状を有しているが、それ以外の基本的な構造については図２のバスバー２０と共通である。３個のバスバー２０ｕ、２０ｖ、２０ｗはＸ方向に一定の間隔を置いて並んで配置されている。一方、各々の実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗは、図２の実装基板２１では具体的に示さなかったバスバー２０ｕ、２０ｖ、２０ｗへの取り付けのための構造を有している。すなわち、図１０に示すように、実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗには、貫通孔２０ｃの両側の分流路２０ｄ、２０ｅに差し込むための切り欠き２１ａ、２１ｂが形成されている。よって、切り欠き２１ａ、２１ｂの幅は分流路２０ｄ、２０ｅの幅に略一致し、切り欠き２１ａ、２１ｂの下端がバスバー２０ｕ、２０ｖ、２０ｗの裏面２０ｂに当接される構造となっている。また、実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗのそれぞれの表面に実装される各々の素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、図２の素子部１４と同様に構成される。なお、３つの実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗは、同一平面上に配置される位置関係を有する。

ここで、第２実施形態において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの任意の相のバスバー２０、実装基板２１、素子部１４の配置及び動作については、第１実施形態の図３と同様に考えることができる。すなわち、第２実施形態においても、領域Ａ１、Ａ２の区分と、ブリッジ回路部Ｂを構成する４個の磁気抵抗素子Ｅの配置及び特性（抵抗値の変化方向Ｒａ、Ｒｂ）は図３と共通である。一方、図３に示す磁界Ｈ１、Ｈ２については、各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが互いに異なることから、Ｕ相のバスバー２０ｕの磁界Ｈｕ１、Ｈｕ２と、Ｖ相のバスバー２０ｖの磁界Ｈｖ１、Ｈｖ２と、Ｗ相のバスバー２０ｗの磁界Ｈｗ１、Ｈｗ２のそれぞれに置き換えて考えればよい。このように、三相交流に適用される第２実施形態の電流センサ１ａによっても、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各々の構成部分により第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

第２実施形態の電流センサ１ａは、図１０及び図１１に示す基本構成には限られず、多様な変形例がある。例えば、図１２及び図１３は、第２実施形態の電流センサ１ａにおいて、前述の３つの実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗを一体化した１つの実装基板２２を配置する場合の変形例を示している。図１２は、図１０に対応する斜視図であり、図１３は、図１１に対応する各側面図である。図１３（Ａ）に示すように、本変形例の実装基板２２は、Ｘ方向に隣接する３つの実装基板２１ｕ、２１ｖ、２１ｗが同一平面上に配置される位置関係を有しつつ、互いの隣接箇所を連結した構造を有するが、それぞれの切り欠き２１ａ、２１ｂの位置は保たれているので、３つのバスバー２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ及び３つの素子部１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、図１０及び図１１の構造と同様である。よって、本変形例の構造を採用する場合、部品点数を削減して製造時の作業性を高めつつ、前述の第１及び第２実施形態で説明した作用効果を得ることができる。

以上、第１及び第２実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。本実施形態において、バスバー２０、素子部１４、実装基板２１の具体的な構成については、図１〜図１３で開示した構成により限定されることはなく、本発明の機能を実現し得る限り、適宜に変更して広く本発明を適用することができる。

１、１ａ…電流センサ
１０…交流電源
１１、４１…負荷
１２…磁界発生部
１３…電源部
１４…素子部
１５…出力回路
２０…バスバー
２１、２２…実装基板
４０…インバータ
Ｂ…ブリッジ回路部
Ｅ…磁気抵抗素子

Claims (9)

1. 負荷に供給される電流を検出する電流センサであって、
   前記電流が流れる電流経路を構成し、前記電流の大きさに応じた磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状のバスバーと、
   前記磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなるブリッジ回路部と、
   平板状の実装基板に、前記ブリッジ回路部が実装されている素子部と、
   を備え、
   前記素子部は前記バスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記実装基板と前記バスバーは互いに交差する位置関係にあること、
   前記複数の感磁素子は、第１乃至第４の感磁素子を含み、前記素子部が、前記第１及び第２の感磁素子が配置される第１の領域と、前記第３及び第４の感磁素子が配置される第２の領域と、を有すること、
   所定方向の第１の磁界が前記第１の領域に印加されたとき、前記第１及び第２の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなること、及び、
   前記所定方向と逆方向の第２の磁界が前記第２の領域に印加されたとき、前記第３及び第４の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなること、
   を特徴とする電流センサ。
2. 前記第１乃至第４の感磁素子は、磁界の強度に応じて抵抗値が変化する第１乃至第４の磁気抵抗素子であり、
   前記第１の磁界が前記第１の領域に印加されたとき、前記第１の磁気抵抗素子の抵抗値が減少し、前記第２の磁気抵抗素子の抵抗値が増加し、
   前記第２の磁界が前記第２の領域に印加されたとき、前記第４の磁気抵抗素子の抵抗値が減少し、前記第３の磁気抵抗素子の抵抗値が増加すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記素子部は、前記バスバーの表面に近い側の前記第１の領域及び前記バスバーの裏面に近い側の前記第２の領域に区分されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記バスバーの電流経路は、前記貫通孔を挟んで対向する第１の分流路及び第２の分流路を含み、前記素子部は、前記第１の分流路に近い側の前記第１の領域と前記第２の分流路に近い側の前記第２の領域とに区分されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
5. 前記実装基板には、前記素子部の複数の構成部品が両面に実装されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 負荷に供給される三相交流のそれぞれの電流を検出する電流センサであって、
   第１相の電流が流れる電流経路を構成し、前記第１相の電流の大きさに応じた第１の磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状の第１のバスバーと、
   第２相の電流が流れる電流経路を構成し、前記第２相の電流の大きさに応じた第２の磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状の第２のバスバーと、
   第３相の電流が流れる電流経路を構成し、前記第３相の電流の大きさに応じた第３の磁界を発生し、表面及び裏面を有する平板状の第３のバスバーと、
   前記第１の磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなる第１のブリッジ回路部と、
   平板状の第１の実装基板に前記第１のブリッジ回路部が実装されている第１の素子部と、
   前記第２の磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなる第２のブリッジ回路部と、
   平板状の第２の実装基板に前記第２のブリッジ回路部が実装されている第２の素子部と、
   前記第３の磁界の強度に応じて特性が変化する複数の感磁素子からなる第３のブリッジ回路部と、
   平板状の第３の実装基板に前記第３のブリッジ回路部が実装されている第３の素子部と、を備え、
   前記第１の素子部は前記第１のバスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記第１の実装基板と前記第１のバスバーが互いに交差する位置関係にあること、
   前記第２の素子部は前記第２のバスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記第２の実装基板と前記第２のバスバーが互いに交差する位置関係にあること、
   前記第３の素子部は前記第３のバスバーの表面から裏面を貫通する貫通孔に挿入され、前記第３の実装基板と前記第３のバスバーが互いに交差する位置関係にあること、
   前記第１乃至第３のブリッジ回路部の各々の前記複数の感磁素子は、第１乃至第４の感磁素子を含み、前記素子部が、前記第１及び第２の感磁素子が配置される第１の領域と、前記第３及び第４の感磁素子が配置される第２の領域と、を有すること、
   所定方向の第４の磁界が前記第１の領域に印加されたとき、前記第１及び第２の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなること、及び、
   前記所定方向と逆方向の第５の磁界が前記第２の領域に印加されたとき、前記第３及び第４の感磁素子の特性変化が互いに逆向きとなること、
   を特徴とする電流センサ。
7. 前記第１乃至第３の実装基板は、前記第１乃至第３の素子部が同一平面上に配置される位置関係にあることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記第１乃至第４の感磁素子は、前記第１乃至第３の磁界の各々の強度に応じて抵抗値が変化する第１乃至第４の磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項６又は７に記載の電流センサ。
9. 前記負荷は、前記三相交流によって駆動される大電流用途のモータであることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の電流センサ。
   

Images