JP2017040591A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、一対の磁気シールド板を備える電流センサにおいて、磁気シールド板から漏れる磁束が磁電変換素子の線形性に与える影響を低減する技術を提供する。
【解決手段】電流センサ２は、バスバ３の一側面と対向するように配置されている磁電変換素子４と、磁電変換素子４をバスバ３との間で挟んで、一側面と対向するように配置されている上シールド板５と、磁電変換素子４とバスバ３を挟んで上シールド板６と対向している下シールド板６と、を備えている。下シールド板６の上シールド板５と対向する面は平坦である。上シールド板５のバスバ３と対向する面に一対の突起５ａ、５ｂが設けられている。一対の突起５ａ、５ｂは、バスバ３の延びる方向から見たときに、磁電変換素子４の両側で上シールド板５から延びている。各突起の上シールド板５の平坦面５ｃからの長さが、上シールド板の平坦面５ｃと磁電変換素子４の間の距離以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流センサに関する。

磁電変換素子を使った電流センサが知られている。磁電変換素子は、導体を流れる電流に起因して発生する磁界の強度を計測する。導体を流れる電流の大きさと発生する磁界の強度には一意の関係がある。電流センサは、その関係を使って、磁電変換素子が計測した磁界の強度から導体を流れる電流の大きさを特定する。電流センサとして高い電流計測精度を得るには、磁電変換素子の出力特性が計測対象の導体に流れる電流に対して良好な線形性を有していることが望まれる。以下、説明の便宜上、磁電変換素子の出力特性の計測対象電流に対する線形性を、単純に「磁電変換素子の線形性」と称する場合がある。

電流センサは、計測対象の導体が発する磁界以外の磁界から磁電変換素子を遮断するために、磁気シールドを備える場合がある。磁気シールドは、導体と磁電変換素子を囲む。しかしながら、この磁気シールド自体の存在により、磁電変換素子の線形性が低下することが特許文献１にて指摘されている。特許文献１の電流センサは、導体と磁電変換素子を囲む磁気シールドを備える。特許文献１では、磁電変換素子の線形性の低下を抑えるべく、導体の延設方向に交差する断面であって磁電変換素子を通る断面において、磁気シールドの少なくとも１か所に空隙を設けることが提唱されている。空隙は、特に、導体と磁電変換素子の並び方向において磁電変換素子と同じ位置に設けることが好ましいとされている。特許文献２にも、特許文献１が開示する磁気シールド付電流センサと同様の構造を有する電流センサが開示されている。

特開２０１０−００２２７７号公報 特開２０１３−１１７４４７号公報

特許文献１には、なぜ磁電変換素子の線形性が低下するのか理由が示されていないが、次の理由であると推測する。即ち、導体が発生する磁界の一部は磁気シールドを通る。磁気シールドが磁気飽和状態になると、磁気シールド自体から磁束が漏れる。磁電変換素子は、導体が発する直接の磁界だけでなく、磁気シールドから漏れた磁束の一部も計測する。磁気シールドから漏れる磁束がノイズとなって、磁電変換素子の線形性が低下する。磁気シールドに設けた隙間は、磁気シールドの磁気飽和を生じ難くする。

本明細書は、特許文献１が開示する技術とは全く異なるアプローチによって磁気シールド板から漏れる磁束が磁電変換素子の線形性に与える影響を低減する技術を提供する。

本明細書が開示する電流センサは、一方向に延びる導体に流れる電流を計測する電流センサである。電流センサは、導体の一側面と対向するように配置されている磁電変換素子と、磁電変換素子を導体との間で挟んで、一側面と対向するように配置されている第１磁気シールド板と、磁電変換素子と導体を挟んで第１磁気シールド板と対向している第２磁気シールド板と、を備えている。第２磁気シールド板の前記第１磁気シールド板と対向する面は平坦である。第１磁気シールド板の導体と対向する面に一対の突起が設けられている。一対の突起は、導体の延びる方向に直交する断面であって磁電変換素子と交差する断面において磁電変換素子の両側で第１磁気シールド板から延びており、各突起の第１磁気シールド板の平坦面からの長さが、第１磁気シールド板の平坦面と磁電変換素子の間の距離以下である。

発明者の検討によると、第２磁気シールド板から漏れる磁束は第１磁気シールド板の一方の突起へ集中し、また、第１磁気シールド板から漏れる磁束は他方の突起から集中的に漏れる現象が確認された。この現象により、漏れる磁束は、磁電変換素子の両側に集中し、磁電変換素子を貫通する磁束が減少する。よって、磁気シールドから漏れる磁束が磁電変換素子の線形性に与える影響を低減することができる。なお、この現象は、第１磁気シールド板に設けられた突起の平坦面からの長さが長すぎると漏れ磁束が突起へ集中するという効果が低減する。そこで、本明細書が開示する電流センサでは、各突起の第１磁気シールド板の平坦面からの長さを、第１磁気シールド板の平坦面と磁電変換素子の間の距離以下に制限する。その根拠、及び、本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電流センサの模式的斜視図である。 図１のII−II線に沿った電流センサの断面図である。 電流センサの磁気シールド板から漏れる磁束を示す図である。 第１比較例の電流センサの磁気シールド板から漏れる磁束を示す図である。 第２比較例の電流センサの磁気シールド板から漏れる磁束を示す図である。

図面を参照して実施例の電流センサ２を説明する。図１に、電流センサ２の模式的斜視図を示す。電流センサ２は、平行に延びるバスバ３を流れる電流を計測することができるセンサである。「バスバ」は、金属棒等で作られている導体であり、ワイヤケーブルなどと比較して抵抗が小さい。バスバは、大電流を伝送するのに適している。電流センサ２は、例えば、電気自動車において、交流モータを駆動するインバータ内で用いられる。

電流センサ２は、バスバ３に隣接配置されている磁電変換素子４と、磁電変換素子４を固定するセンサ基板７と、一対のシールド板５、６と、樹脂パッケージ８を備える。磁電変換素子４は、素子パッケージ１４に収容されており、磁電変換素子４は素子パッケージ１４を介してセンサ基板７に固定される。ここで、説明の便宜のため、ＸＹＺ座標系を定義する。バスバ３の延びる方向をＹ方向とし、一対のシールド板５、６の並び方向をＺ方向とし、Ｙ方向とＺ方向の双方と直交する方向をＸ方向とする。さらに、説明の便宜のため、Ｚ軸の正方向を「上」と表現し、Ｚ軸の負方向を「下」と表現する。

磁電変換素子４は、バスバ３の上側の側面と対向するように配置されている。磁電変換素子４は、その中心のＸ方向の位置が、バスバ３の中心のＸ方向の位置と一致するように配置されている。磁電変換素子４は、磁電変換素子を貫通する磁界の強度を計測する。計測対象であるバスバ３を流れる電流に起因して発生する磁界であって、シールド板５又はシールド板６を通過しない磁界（以下、「対象磁界」という）は、バスバ３を中心として円状、又は、楕円状に拡がる。磁電変換素子４は、対象磁界が磁電変換素子４を貫通するように、バスバ３に隣接して配置される。バスバ３を流れる電流と、その電流に起因して発生する磁界の強度の間には一意の関係がある。電流センサ２は、その関係を使ってバスバ３を流れる電流の大きさを特定する。

センサ基板７には、磁電変換素子４に供給する電力を中継するとともに、磁電変換素子４の計測信号を上位の制御回路に送信するための回路が搭載されている。センサ基板７からは、上位の制御回路と通信するための信号線と、電力供給線が延びているが、それら信号線は図示を省略した。

一対のシールド板５、６は、バスバ３と磁電変換素子４とセンサ基板７をＺ方向で両側から挟みこんでいる。一対のシールド板５、６は、磁気シールドの一種であり、磁界をよく吸収する材料で作られている。一対のシールド板５、６は、電流計測対象のバスバ３の電流に起因する磁界以外の磁界から磁電変換素子４を遮断するために備えられている。一対のシールド板５、６は、例えば、鉄、あるいは、パーマロイ等で作られている。なお、以下では、シールド板５を「上シールド板５」と表記し、シールド板６を「下シールド板６」と表記する。

磁電変換素子４、センサ基板７、及び、一対のシールド板５、６は、バスバ３の一部とともに、樹脂パッケージ８に封止されている。

図２を参照して一対のシールド板５、６についてさらに説明する。図２に、図１のII−II線に沿った電流センサ２の断面図を示す。II−II線に沿った断面は、Ｙ方向と直交する断面であって、磁電変換素子４と交差する断面である。上シールド板５は、磁電変換素子４に対向するバスバ３の上側の側面と対向するように配置されている。上シールド板５のバスバ３と対向する下面５ｃには、一対の突起５ａ、５ｂが設けられている。図２に示すように、一対の突起５ａ、５ｂは、図１のII−II線に沿った断面において、磁電変換素子４の両側で、上シールド板５から延びている。一対の突起５ａ、５ｂの上シールド板５の下面５ｃからの長さｈ１は、下面５ｃと磁電変換素子４との間の距離ｈ２以下である。一対の突起５ａ、５ｂのそれぞれは、センサ基板７に設けられている一対の貫通孔のそれぞれに収容される。一方、下シールド板６は、磁電変換素子４とバスバ３を挟んで、上シールド板５と対向するように配置されている。下シールド板６の上シールド板５と対向する上面６ａは平坦である。

図３を参照して、電流センサ２の効果を説明する。図３は、一対のシールド板５、６から漏れる磁束を示す図である。図３は、図面の見易さのために、センサ基板７と、樹脂パッケージ８の図示を省略しており、各部材３、４、５、６のハッチングを省略している。以下に示す図４、５も、図３と同様に、各部材３、４、５、６のハッチングを省略している。また、バスバ３の中心の記号は、バスバ３に流れる電流がＹ軸負方向に流れていることを示す。なお、図３（及び、後に参照する図４、図５）では、バスバ３を流れる電流に起因する磁界のうち、シールド板５とシールド板６のいずれも通過しない磁界（すなわち、電流計測のために磁電変換素子４が本来計測すべき磁界であり、以下、「対象磁界」と称する）は図示を省略した。

バスバ３を流れる電流に起因して発生する磁界の一部はシールド板５、６を通過する。計測対象であるバスバに大きな電流が流れると、磁気シールド板は磁気飽和状態となる場合がある。この場合、磁気シールド板自体から、磁束が漏れる。発明者は、電流センサ２を対象として、一対のシールド板５、６が磁気飽和状態となる場合に、一対のシールド板５、６自体から漏れる磁束（以下、「漏れ磁束」という）をシミュレーションした。その結果、発明者は、図３に示すように、漏れ磁束の一部Ｍ１は、磁電変換素子４の両側で上シールド板５の下面５ｃから延びる一対の突起５ａ、５ｂに集中することを確認した。なお、図３では、全ての漏れ磁束のうち、その一部Ｍ１を、２本の磁束線で表現している。

上述したように、磁電変換素子４は、磁電変換素子４を貫通する磁束を計測する。一対のシールド板５、６自体から漏れる磁束が、磁電変換素子４を貫通すると、この磁束がノイズとなり、磁電変換素子の線形性が低下する。特に、磁気シールド板自体から発生する磁界の強度は、磁気シールド板の磁気飽和に関係するので、計測対象の導体に流れる電流と一意の関係を示さない。そのため、漏れ磁束は、磁電変換素子の線形性が低下する要因となる。電流センサ２では、漏れ磁束の一部Ｍ１が一対の突起５ａ、５ｂに集中することにより、磁電変換素子４を貫通する漏れ磁束が減少する。これにより、電流センサ２では、漏れ磁束が磁電変換素子の線形性に与える影響を低減することができる。

図４に示す第１比較例と、図５に示す第２比較例を参照して、電流センサ２の効果をさらに説明する。図４に示す第１比較例の電流センサ２０では、上シールド板２５が、実施例の電流センサ２の上シールド板５と異なる。上シールド板２５以外の構成は、電流センサ２と同じである。電流センサ２０の上シールド板２５の下面２５ｃは、平坦であり、上シールド板５と異なり突起が設けられていない。図４に示すように、一対のシールド板２５、６自体から漏れる磁束の一部Ｍ２（２本の磁束線）は、磁電変換素子４の両側に集中することなく、磁電変換素子４を貫通する。一方、実施例の電流センサ２は、漏れ磁束の一部Ｍ１が一対の突起５ａ、５ｂに集中し、磁電変換素子４を貫通する漏れ磁束が減少する。したがって、実施例の電流センサ２は、第１比較例の電流センサ２０と比較して、漏れ磁束が磁電変換素子４の線形性に与える影響を低減することができる。

また、図５に示す第２比較例の電流センサ３０では、上シールド板３５が、実施例の電流センサ２の上シールド板５と異なる。上シールド板３５以外の構成は、電流センサ２と同じである。電流センサ２０の上シールド板２５の下面３５ｃにも、磁電変換素子４の両側で、上シールド板３５の下面３５ｃから延びている一対の突起３５ａ、３５ｂが設けられている。一対の突起３５ａ、３５ｂの上シールド板３５の下面３５ｃからの長さｈ３は、電流センサ２の一対の突起５ａ、５ｂと異なり、下面３５ｃと磁電変換素子４との間の距離ｈ２より大きい。発明者は、一対の突起３５ａ、３５ｂを設ける場合、一対のシールド板２５、６自体から漏れる磁束の一部Ｍ３（２本の磁束線のうちの１本）は、一対の突起３５ａ、３５ｂを通過するが、残りの漏れ磁束（２本の磁束線のうちの残り１本）は磁電変換素子４の両側に集中することなく、磁電変換素子４を貫通することをシミュレーションにより確認した。突起の上シールド板の下面からの長さが長いほど、漏れ磁束の突起への集中の度合いが下がる。発明者の検討によると、実施例の電流センサ２のように、一対の突起５ａ、５ｂの上シールド板５の下面５ｃからの長さｈ１を下面５ｃと磁電変換素子４との間の距離ｈ２以下とすれば、一対のシールド板５、６自体から漏れる磁束の多くが一対の突起５ａ、５ｂに集中することをシミュレーションにより確認した。即ち、シールド板が発する漏れ磁束の磁電変換素子４の線形性に与える影響を低減するには、一対の突起５ａ、５ｂの上シールド板５の下面５ｃからの長さｈ１が下面５ｃと磁電変換素子４との間の距離ｈ２以下であるのがよい。その条件を満す実施例の電流センサ２は、第２比較例の電流センサ３０と比較して、漏れ磁束が磁電変換素子４の線形性に与える影響を低減することができる。

また、本実施例では、一対の突起５ａ、５ｂは、上シールド板５の下面５ｃに設けられ、電流センサ２の内側に向かって突出している。したがって、電流センサ２のＺ軸方向の体格を大型化することなく、漏れ磁束が磁電変換素子４の線形性に与える影響を低減することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の説明において、「磁電変換素子は磁界の強度を計測する」と説明した。磁界の強度と磁束密度は比例関係にあるので、「磁電変換素子は磁界の磁束密度を計測する」と表現してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電流センサ
３：バスバ
４：磁電変換素子
５：上シールド板
５ａ、５ｂ：突起
６：下シールド板
７：センサ基板
８：樹脂パッケージ

Claims (1)

1. 一方向に延びる導体に流れる電流を計測する電流センサであって、
   前記導体の一側面と対向するように配置されている磁電変換素子と、
   前記磁電変換素子を前記導体との間で挟んで、前記一側面と対向するように配置されている第１磁気シールド板と、
   前記磁電変換素子と前記導体を挟んで前記第１磁気シールド板と対向している第２磁気シールド板と、
   を備えており、
   前記第２磁気シールド板の前記第１磁気シールド板と対向する面が平坦であり、
   前記第１磁気シールド板の前記導体と対向する面に一対の突起が設けられており、
   前記一対の突起は、前記導体の延びる方向に直交する断面であって前記磁電変換素子と交差する断面において前記磁電変換素子の両側で前記第１磁気シールド板から延びており、
   各突起の前記第１磁気シールド板の平坦面からの長さが、前記第１磁気シールド板の平坦面と前記磁電変換素子の間の距離以下である、
   ことを特徴とする電流センサ。
   

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