JP2017044486A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型の電流センサを提供する。【解決手段】電流センサ１は、複数の溝部１１が形成され、かつ隣接する溝部１１の間を隔てる隔壁部１２を有する磁性体のコア１０であって、各溝部１１には対応する導体が挿通され、コア１０は露出面を有することと、各溝部１１の開口部分１４に生じる磁束密度を検出する検出素子２０と、コア１０の露出面が露出された状態でコア１０を収容し、且つ底部３４が備えられた収容部３１が形成されたハウジング３０であって、当該ハウジング３０は、少なくとも導体とコア１０との間の絶縁性を確保するように導体を囲む第１突出部３２と、収容部３１の底部３４の外面３５から導体の挿通方向に沿って少なくとも導体とコア１０との間の絶縁性を確保するように導体の部分を囲む第２突出部３３と、を備える。【選択図】図４

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きた。これらの車両にはモータの回転を適切に制御する上で、モータに流れる電流を測定することが重要である。そこで、このような電流を測定すべく、モータとインバータとを接続するバスバー（本願「導体」に相当）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界の磁束密度を検出素子で検出し、その検出された磁束密度に基づいてバスバーに印加された電流を演算して求められてきた。このような電流は精度良く測定する必要があることから、前記磁束密度を精度良く検出する技術が検討されてきた（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の電流センサは、モータ制御用のインバータの３相電流を測定するために、周方向の一部に開口部を有するコアを少なくとも複数設けて構成され、夫々のコアの開口部にバスバーに流れる電流により発生する磁界の磁束密度を検出する検出素子が設けられる。

特開２０１４−１３９５５６号公報

この種の電流センサでは、検出精度を高めるために、コアとバスバーとの位置関係がずれないようにすることが重要である。このため、バスバーに対して位置決めされたハウジングにコアを強固に固定する必要がある。例えば、ハウジングに複数のコアを接着剤で固定する場合には夫々のコアの周囲に接着剤を注入するスペースが必要となり、インサート成形で固定する場合には夫々のコアの周囲に樹脂が流入するスペースが必要となる。

このため、特許文献１に記載の技術では、複数のコアが並ぶ方向にハウジングを大きくする必要があることから、電流センサがサイズアップし、電流センサの搭載スペースが大きくなっていた。また、バスバーには数百Ａオーダの電流が流れることがあることから、バスバーとコアとの間の絶縁性を十分に確保する必要があるが、一般的にはバスバーとコアとの間の樹脂の厚みを厚くして絶縁性を確保する手段がとられていることが多く、この点からもハウジングのサイズアップの要因となっていた。

そこで、小型の電流センサが求められる。

本発明に係る電流センサの特徴構成は、複数の溝部が形成され、かつ隣接する溝部の間を隔てる隔壁部を有する磁性体のコアであって、各溝部には対応する導体が挿通され、前記コアは、前記導体の挿通方向に直交する面の一方が露出する露出面を有することと、各溝部の開口部分に設けられ、対応する開口部分に生じる磁束密度を検出する検出素子と、前記コアの露出面が露出された状態で前記コアを収容し、且つ底部が備えられた収容部が形成されたハウジングであって、前記ハウジングは、前記導体が前記コアを挿通する方向に関して、少なくとも前記導体と前記コアとの間の絶縁性を確保するように前記導体を囲み、且つ、前記コアの露出面から所定の第１の高さ以上に突出する第１突出部と、前記収容部の底部の外面から前記導体の挿通方向に沿って少なくとも前記導体と前記コアとの間の絶縁性を確保するように前記導体の部分を囲み、且つ、前記収容部の底部の外面から前記第１の高さとは異なる第２の高さ以上に突出する第２突出部と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、複数の導体に流れる電流の電流値を測定するのに必要なコアを一体で構成できるので、別体で構成されたコアを複数設ける場合に比べて、電流センサのサイズを小型化できる。また、ハウジングの収容部に収容されたコアの露出の有無に拘らず、夫々に適した高さを有して導体を囲む突出部が設けられるので、コアと導体との絶縁性を確保することができる。また、導体に沿って設けた第１突出部及び第２突出部によりコアと導体との間の絶縁性を確保するので、絶縁性を導体に沿って確保しない場合に比べて、ハウジングが有する面のうち導体の挿通方向に直交する面の大きさを小さくすることができる。したがって、本構成によれば小型の電流センサを実現することができる。

また、前記コアは、前記コアの厚みよりも薄い厚みを有し且つ前記コアの外周面から突出する耳部を備え、前記耳部が前記ハウジングに固定されると好適である。

このような構成とすれば、コアは上述したように一体的に形成されているので、コアをハウジングに固定する際に使用される固定具（例えばネジ）の使用数を低減できる。したがって、ハウジングへのコアの固定におけるコアの圧縮歪みを低減できるので、磁気特性の悪化を抑制できる。また、コアに設けられる耳部も別体でコアを形成された場合に比べて少なくて良いので、コアを小型化できる。更には、例えば樹脂成形設備や接着設備などのコアをハウジングに固定する設備も不要となるので、製造コストも低減できる。

また、前記検出素子が基板に実装され、前記耳部が接続導体を介して前記基板の接地部と接続されていると好適である。

このような構成とすれば、コアに集磁された磁束に含まれるノイズを基板の接地部を介して逃がすことができるので、磁気特性を高めることが可能となる。

また、前記耳部は、前記コアの幅方向に関する前記コアの重心位置に設けられると好適である。

このような構成とすれば、コアをハウジングに固定後、何らかの理由でコアが収容部で位置ずれした場合でも、収容部の内壁部と当接し難くでき、コアに応力が生じないようにすることができ、磁気特性の悪化を防止できる。

電流センサの斜視図である。 電流センサの正面図である。 電流センサの側面図である。 電流センサの展開図である。 図２のV−V線における断面図である。 その他の実施形態のコアを示す図である。

本発明に係る電流センサ１は、導体に流れる被測定電流を測定することが可能なように構成されている。ここで、導体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を軸心として磁界が発生し、当該磁界により磁束が発生する。本電流センサ１は、このような磁束の磁束密度を検出し、検出された磁束密度に基づいて導体に流れる電流（電流値）を測定する。

図１には電流センサ１の斜視図が示される。理解を容易にするために、電流センサ１を貫通する導体２が延出する方向を方向Ａとし、複数の導体２が並ぶ方向を方向Ｂとし、方向Ａ及び方向Ｂの双方に直交する方向を方向Ｃとする。図２には電流センサ１をＡ方向から見た図（正面図）が示され、図３には電流センサ１をＣ方向から見た図（側面図）が示される。また、図４には電流センサ１の各部を展開した図が示される。以下、図１−図４を用いて説明する。

本電流センサ１は、コア１０、検出素子２０、ハウジング３０を備えて構成される。ここで、電流センサ１は導体２が貫通挿入され、当該導体２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のに利用される。３相モータは、ハイブリッド車両や電気自動車等の動力源に用いられる。インバータは、バッテリ等から出力される直流電力を交流電力に変換する。導体２は、このようなインバータにより交流電力に変換された電圧及び電流を３相モータに供給する。したがって、本実施形態では導体２は、図１−図３に示されるように、３つから構成される。電流センサ１は、このような複数の導体２に流れる電流を被測定対象とする。

コア１０は、複数の溝部１１、かつ隣接する溝部１１の間を隔てる隔壁部１２を有して構成される。また、複数の溝部１１の両外側には外壁部１３を有する。本実施形態では、図１−図４に示されるように、コア１０は３つの溝部１１を有して構成される。したがって、本実施形態のコア１０は、２つの隔壁部１２を有する。このようなコア１０は、磁性体から構成される。本実施形態に係るコア１０は、溝部１１を有する金属磁性体よりなる平板を図１−図４のＡ方向に積層して形成される。上記金属磁性体は、軟磁性の金属であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイ等が相当する。このような磁性体として、例えば無方向電磁鋼板を用いることが可能である。もちろん、その他の電磁鋼板を用いることも可能である。コア１０は、このような金属磁性体を打ち抜いて構成される。

図１−図４に示されるように、各溝部１１には対応する導体２が挿通され、コア１０は、導体２の挿通方向に直交する面の一方が露出する露出面を有する。本実施形態では、導体２の挿通方向とは、Ａ方向である。このため、「導体２の挿通方向に直交する面」とは、コア１０が有する面のうち、ＢＣ面に平行な２つの面が相当し、当該２つの面のうちの少なくとも一方が露出される。これら２つの面は、理解を容易にするために、第１面２１及び第２面２２とする。本実施形態では、第１面２１が上述した露出面とされる。

このようにコア１０が、導体２の夫々を囲むことにより、導体２の周囲に生じる磁束を集磁し易くなる。なお、溝部１１に挿通された導体２は、少なくとも溝部１１や隔壁部１２や外壁部１３の内面との間に後述するハウジング３０の一部が介在される。

検出素子２０は、各溝部１１の開口部分１４に設けられ、対応する開口部分１４に生じる磁束密度を検出する。上述したように、本実施形態のコア１０は３つの溝部１１を有し、開口部分１４も３つ有する。導体２に流れる電流により、導体２の周囲に磁界が生じ、コア１０が集磁する。この時、開口部分１４の夫々には、夫々の開口部分１４を有する隔壁部１２や外壁部１３等で集磁された磁束が生じる。検出素子２０は、このような磁束の磁束密度を検出するために、夫々の開口部分１４に配置される。このような検出素子２０は、公知のホールＩＣや磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いると良い。また、夫々の検出素子２０は、磁束密度の検出結果に含まれる検出誤差を小さくするために、同じプロセスで製造されたもの、好ましくは同じロットで製造されたものを用いると良い。

ハウジング３０は、収容部３１、第１突出部３２、第２突出部３３を有する。収容部３１は、コア１０の露出面が露出された状態でコア１０を収容し、且つ底部３４が備えられる。本実施形態では、コア１０は、第１面２１が露出された状態で収容部３１に収容される。底部３４とは、収容部３１にコア１０を収容した際に、ハウジング３０においてコア１０の第２面２２が対向する面である。

第１突出部３２は、導体２がコア１０を挿通する方向に関して、少なくとも導体２とコア１０との間の絶縁性を確保するように導体２を囲み、且つ、コア１０の露出面から所定の第１の高さＨ１以上に突出して設けられる。コア１０を挿通する方向とは、コア１０を導体２が貫通する方向と一致するＡ方向である。したがって、第１突出部３２は、ハウジング３０においてコア１０の第２面２２が対向する面からＡ方向に沿って設けられる。また、第１突出部３２は、導体２とコア１０との間の絶縁性を確保するために、導体２を囲むように形成される。

ここで、図５には、図２のV−V線における断面図が示される。コア１０の露出面から所定の第１の高さＨ１とは、ハウジング３０の上端からの突出高さを意味するのもではなく、図５に示されるようにＡ方向に沿ったコア１０の第１面２１からの高さである。この第１突出部３２のコア１０の露出面からの高さ（上述した「第１の高さＨ１」）は、導体２とコア１０との沿面距離に応じて設定される。沿面距離は、公知の規格により導体２とコア１０との間に介在されるハウジングの材料に応じて設定されたものである。第１の高さＨ１は、例えば５ｍｍ以上に設定すると好適である。

第２突出部３３は、収容部３１の底部３４の外面３５から導体２の挿通方向に沿って少なくとも導体２とコア１０との間の絶縁性を確保するように導体２の部分を囲み、且つ、収容部３１の底部３４の外面３５から第１の高さＨ１とは異なる第２の高さＨ２以上に突出して設けられる。収容部３１の底部３４の外面３５とは、ハウジング３０が有する面のうち、ＢＣ面に平行な外面である。導体２の挿通方向とはＡ方向である。したがって、第２突出部３３は、ハウジング３０が有する面のうち、ＢＣ面に平行な外面からＡ方向に沿って設けられる。また、第２突出部３３は、導体２とコア１０との間の絶縁性を確保するために、導体２の一部を囲むように形成される。

底部３４の外面３５から所定の第２の高さＨ２とは、図５に示されるように、Ａ方向に沿った外面３５からの高さである。この「第２の高さ」は、上述した導体２とコア１０との沿面距離に応じて設定され、例えば０．５ｍｍ以上に設定すると好適である。

このようなハウジング３０は、例えば樹脂成形により構成される。この時、ハウジング３０には、コア１０及び検出素子２０が実装される基板４０の夫々をネジで締結固定するための複数のネジ孔３６、ネジ孔３７、及び電流センサ１を固定する際に利用される貫通孔３８が設けられる。また、検出素子２０が、挿入されるスペース３９も設けられる。

このようなハウジング３０に対して、コア１０は耳部１５を介して固定される。耳部１５は、コア１０の厚みよりも薄い厚みを有し且つコア１０の外周面１７からＢ方向に突出して設けられる。上述したように、本実施形態では、コア１０は金属磁性体からなる単層平板を積層して構成される（好ましくは、７枚以上の単層平板を積層して構成される）。この時、耳部１５を有する金属磁性体の平板と、耳部１５を有さない金属磁性体の平板との２種類を形成し、これらを積層することで少なくとも耳部１５の厚みはコア１０の厚みよりも薄くすることができる。また、耳部１５は、コア１０の厚み方向に中央部に構成すると良い。すなわち、コア１０におけるＡ方向の中央部に構成すると良い。上述した７枚の単層平板を積層して構成する場合には、中央に位置する３〜５枚目の単層平板に耳部１５を設けると良い。これにより、コア１０をハウジング３０に固定する際にネジ７０による圧縮歪みを低減することができる。

更に、耳部１５は、コア１０の幅方向（すなわちＣ方向）に関するコア１０の重心位置、好ましくはコア１０におけるＣ方向に沿った中央位置に構成すると良い。これにより、コア１０をハウジング３０に固定後、何らかの理由でコア１０が収容部３１で位置ずれした場合でも、収容部３１の内壁部と当接し難くでき、コア１０に応力が生じないようにすることができ、磁気特性の悪化を防止できる。耳部１５には、夫々の中央部に孔部１６が設けられ、当該孔部１６とネジ孔３６とを一致させた状態でネジ７０を介してコア１０がハウジング３０に締結固定される。

また、検出素子２０が実装される基板４０にも孔部４１が設けられ、孔部４１とネジ孔３７とを一致させた状態でネジ７１を介して基板４０がハウジング３０に締結固定される。この時、耳部１５が、接続導体８０を介して基板４０の接地部と接続すると好適である。これにより、コア１０に集磁された磁束に含まれるノイズを基板４０の接地部を介して逃がすことができるので、磁気特性を高めることが可能となる。本実施形態のコア１０は、上述したように一体的に構成されているので、少なくとも１か所で基板４０の接地部と接続すれば良いので、別体で構成されたコアに比べて使用する接続導体８０の数を削減できる。したがって、コンパクトで且つ部材費のコストダウンを図ることができる。

電流センサ１は、ハウジング３０にコア１０を収容した状態でネジ７０で固定し、更に検出素子２０が実装された基板４０をハウジング３０にネジ７１で固定して構成される。この際、ネジ７０とネジ７１とに亘って、接続導体８０を設けておくと良い。このように電流センサ１は１方向から組み付けることができるので、専用の設備を導入する必要がなく、製造コストを低減できる。また、各部の固定はネジで行うことができるので、手組み工程で構成することができる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、コア１０は３つのＣ字状のもの有する例に挙げて説明したが、コア１０は図６に示されるようにＵ字状のものを用いて構成することも可能である。この時も、耳部１５は厚み方向の中央部に構成すると良い。また、耳部１５は、コア１０の外周面１７からＢ方向に沿って設けると好適である。

上記実施形態では、ハウジング３０の収容部３１に収容されたコア１０は、第１面２１が露出されているとして説明したが、コア１０は第２面２２のみが露出された状態で収容部３１に収容するように構成することも可能であるし、第１面２１及び第２面２２の双方が露出された状態で収容部３１に収容するように構成することも可能である。この時は、第１突出部３２の第１の高さＨ１及び第２突出部３３の第２の高さＨ２は、夫々、コア１０と導体２との沿面距離に応じて設定すると良い。

上記実施形態では、コア１０は、溝部１１を有する金属磁性体よりなる平板を図１−図４のＡ方向に積層して形成されるとして説明したが、コア１０は例えば磁性体粉末を焼結して構成することも可能である。

上記実施形態ではコア１０は、当該コア１０の厚みよりも薄い厚みを有し且つコア１０の外周面１７からＢ方向に突出する耳部１５を介してハウジング３０に固定されるとして説明したが、耳部１５はＢ方向とは異なる方向に突出して設けることも可能である。また、コア１０に耳部１５を設けずに構成することも可能である。この場合には、例えばハウジング３０の収容部３１にコア１０を収容した際に、コア１０と係止する係止部をハウジング３０に設けておき、当該係止部によりコア１０を固定するように構成することも可能であるし、その他の方法により固定することも可能である。

上記実施形態では、検出素子２０が基板４０に実装され、耳部１５が接続導体８０を介して基板４０の接地部と接続されているとして説明したが、耳部１５が基板４０の接地部にされないように構成することも可能である。

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに用いることが可能である。

１：電流センサ
２：導体
１０：コア
１１：溝部
１２：隔壁部
１４：開口部分
１５：耳部
２０：検出素子
３０：ハウジング
３１：収容部
３２：第１突出部
３３：第２突出部
３４：底部
３５：外面
４０：基板
８０：接続導体
Ｈ１：第１の高さ
Ｈ２：第２の高さ

Claims (4)

1. 複数の溝部が形成され、かつ隣接する溝部の間を隔てる隔壁部を有する磁性体のコアであって、各溝部には対応する導体が挿通され、前記コアは、前記導体の挿通方向に直交する面の一方が露出する露出面を有することと、
   各溝部の開口部分に設けられ、対応する開口部分に生じる磁束密度を検出する検出素子と、
   前記コアの露出面が露出された状態で前記コアを収容し、且つ底部が備えられた収容部が形成されたハウジングであって、
   前記ハウジングは、
   前記導体が前記コアを挿通する方向に関して、少なくとも前記導体と前記コアとの間 の絶縁性を確保するように前記導体を囲み、且つ、前記コアの露出面から所定の第１の 高さ以上に突出する第１突出部と、
   前記収容部の底部の外面から前記導体の挿通方向に沿って少なくとも前記導体と前記 コアとの間の絶縁性を確保するように前記導体の部分を囲み、且つ、前記収容部の底部 の外面から前記第１の高さとは異なる第２の高さ以上に突出する第２突出部と、
   を備える電流センサ。
2. 前記コアは、前記コアの厚みよりも薄い厚みを有し且つ前記コアの外周面から突出する耳部を備え、前記耳部が前記ハウジングに固定される請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記検出素子が基板に実装され、
   前記耳部が接続導体を介して前記基板の接地部と接続されている請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記耳部は、前記コアの幅方向に関する前記コアの重心位置に設けられる請求項２又は３に記載の電流センサ。

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