JP2017102029A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度の高いコンパクトな電流センサを提供する。【解決手段】平行に設けられた複数の導体２０を各別に挿通する溝部４０を形成した複数の腕部１１を有する磁性体のコア１０を備え、複数の腕部１１のうち互いに隣り合う少なくとも何れか一組において、溝部４０の内部であって、導体２０の位置よりも腕部１１の先端側に偏倚した位置に配置され、導体４０への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子３０を有し、一組の腕部の互いに対向する面１２には、素子３０を挟む方向視において素子３０の輪郭を取り囲む第一領域１２ａと、第一領域１２ａから導体２０の長手方向に沿って拡大した第二領域１２ｂとが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、導体が挿通される磁性体のコアと、コアの内部に配置され、導体への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子とを備える電流センサに関する。

従来の電流センサとして、１つの導体（文献では、被測定電流路）が内孔に挿通された切れ目の入った円環状のコア（文献では、磁気コア）を備え、コアには、切れ目となる２つの端部から垂直に延出した２つの突設部が形成されている技術が開示されている（例えば、特許文献１の第２実施形態参照）。この２つの突設部の間に形成されたギャップには、素子（文献では、磁電変換素子）が配置されている。この電流センサは、導体を流れる電流に応じて発生する磁束が、コアの突設部を介してギャップに磁界の変化を生じさせ、ギャップに生じる磁束の変化を素子によって検出する。つまり、コアに形成された２つの突設部は、素子に磁束を流すための領域となっている。

特開２０１３−８３５８５号公報

しかしながら、従来の電流センサにあっては、１つの導体を対象としているので、例えば非常に多くの導体が存在する自動車などの場合、導体の数に応じて電流センサを用意する必要があり、装置の大型化や製造コストの増大を招いてしまう。しかも、円環状のコアを用いているので、導体ごとにコアを並列配置した場合、搭載スペースが非常に大きくなってしまう。

ところで、突設部の端部には磁束が集中し、突設部に対する相対位置が変化すると磁場の強度変化量が大きくなるため、ギャップにおける素子の設置位置は、検出誤差を生じさせないように厳しく制限される。さらに、複数の導体が密集する環境下においては、検出対象となる導体以外の他の導体から発生する磁束の影響を受けて、素子の検出精度が低下するおそれがある。

そこで、検出精度の高いコンパクトな電流センサが望まれている。

電流センサの特徴構成は、平行に設けられた複数の導体が各別に挿通される溝部を形成した複数の腕部を有する磁性体のコアを備え、前記複数の腕部のうち互いに隣り合う少なくとも何れか一組において、前記溝部の内部であって、前記導体の位置よりも前記腕部の先端側に偏倚した位置に配置され、前記導体への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子を有し、前記一組の腕部の互いに対向する面には、前記素子を挟む方向視において前記素子の輪郭を取り囲む第一領域と、当該第一領域から前記導体の長手方向に沿って拡大した第二領域とが形成されている点にある。

本構成によれば、コアに複数の腕部を設け、これら腕部の間に夫々溝部を形成している。このため、複数の溝部の内部に導体を挿通すると共に素子を配置すれば、１つのコアで複数の導体に流れる電流値を検出することができる。よって、電流センサをコンパクトなものとすることができる。

一方、導体どうしが腕部を挟んで平行配置されている場合、一方の導体の電流値を検出すべき第一領域に、他方の導体に流れる電流から発生する磁束が侵入して、一方の素子が誤検出してしまうおそれがある。また、自動車のように電気機器が密集している環境下のおいては、周辺の磁界の変化を受けて素子の検出精度が低下するおそれがある。

そこで、本構成では、一組の腕部の互いに対向する面において、第一領域とは別に、第一領域から導体の長手方向に沿って拡大した第二領域を設けている。この第二領域は、他方の導体から発生する磁束を受け止めて第一領域に侵入させないシールド機能を発揮するもので、素子の誤検出を防止することができる。また、他の電気機器から発生した磁束も第二領域によってシールドされるので、検出精度を高めることができる。しかも、第二領域によって、第一領域の中央位置からコアの端部が遠ざかり、腕部の端部どうしの対向面積が広がる。よって、溝部の中央領域における磁場の強度変化量がより小さくなり、素子が適正位置からずれた場合でも検出誤差を小さくすることができる。

他の特徴構成は、前記第二領域は、前記長手方向に沿った両側に形成されている点にある。

本構成のように第二領域を腕部の両側に設ければ、第二領域の面積が増大し、シールド効果を高めることができる。また、第二領域の中央位置からコアの端部が対称に遠ざかるので、素子が位置ずれした場合でも検出誤差を一層小さくすることができる。

他の特徴構成は、平板状に形成された前記導体の断面における短辺が前記溝部の並列方向に沿うように、前記溝部の前記並列方向の幅が前記腕部の長さより小さく設定されている点にある。

本構成のように導体の短辺方向を溝部の並列方向に沿わせて配置するように溝部の幅を小さく設定すれば、多くの導体を溝部に配置した場合でも、コアの並列方向の長さが過大にならない。その結果、電流センサをコンパクトなものにできる。

他の特徴構成は、前記コアは複数の積層鋼板で構成され、前記第二領域は、前記第一領域の前記長手方向に沿った端部に配置される前記積層鋼板を折り曲げて形成されている点にある。

本構成のように積層鋼板を折り曲げて第二領域を形成すれば、加工が容易で、製造コストを低減できる。

他の特徴構成は、前記コアは複数の積層鋼板で構成され、前記一組の腕部の前記第二領域は、夫々異なる前記積層鋼板を折り曲げて形成されている点にある。

例えば、互いに隣り合う一組の腕部の第二領域を同じ積層鋼板で折り曲げ形成した場合、第二領域は、溝部の中心で二分される。一方、本構成のように、一組の腕部の第二領域を異なる積層鋼板で折り曲げ形成した場合、第二領域として溝部の幅全体を活用することが可能となる。その結果、第二領域の面積が増大し、シールド効果を一層高めることができる。また、第一領域の中央位置からコアの端部がより遠ざかるので、素子が位置ずれした場合でも検出誤差を一層小さくすることができる。

他の特徴構成は、前記導体の前記長手方向に沿う方向視において、前記第一領域の両端部と前記第二領域の両端部とが同じ位置に設定されている点にある。

本構成のように、第一領域の両端部と第二領域の両端部とを同じ位置に設定すれば、第一領域の全てに第二領域が存在することとなる。その結果、他の導体から発生する磁束や他の電気機器から発生した磁束が、第二領域によって確実にシールドされる。よって、電流センサの検出精度を高めることができる。

第１実施形態に係る電流センサの斜視図である。 第１実施形態に係る電流センサの正面図である。 第１実施形態に係る第二領域を有する積層鋼板の平面図である。 突出領域部の長さと検出誤差との関係を示すグラフである。 突出領域部の長さと検出誤差との関係を示すグラフである。 導体に通電した時の位置ずれと検出誤差との関係を示すグラフである。 他の導体に通電した時の位置ずれと検出誤差との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る第二領域を有する積層鋼板の平面図である。 第２実施形態に係る電流センサの拡大斜視図である。 第１実施形態の変形例を示す電流センサの拡大斜視図である。 第１実施形態の変形例を示す電流センサの拡大斜視図である。 第１実施形態の変形例を示す第二領域を有する積層鋼板の平面図である。

〔第１実施形態〕
〔全体構成〕
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

導体２０に電流が流れると、電流の大きさに応じて導体２０の周りに磁界が発生する（アンペールの右手の法則）。本実施形態における電流センサ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）を測定するものである。

図１には電流センサ１００の斜視図が示される。導体２０は平板状を呈している。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（長手方向）をＹ方向とし、導体２０の幅方向をＺ方向として説明する。これらＸＹＺ方向は、夫々、互いに直交する。図２は、導体２０のＹ方向視における電流センサ１００の模式図である。

電流センサ１００は、複数の導体２０が各別に挿通されるギャップ４０（溝部の一例）を形成した複数の腕部１１を有するコア１０と、導体２０への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子３０とを備えている。コア１０は、Ｕ字状等のギャップ４０を複数備えた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複数の積層鋼板１０ｂで構成される。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。積層鋼板１０ｂは、このような金属磁性体を打ち抜き加工して形成される。この電流センサ１００は、コア１０と導体２０と素子３０とが所定の位置となるように、電気絶縁性の樹脂（不図示）で一体化される。

コア１０は、基部１０ａと基部１０ａからＺ方向に延出して互いに離間する複数の腕部１１とを有し、一対の対向する腕部１１の間には、延出方向（Ｚ方向）の端部に開口を有するギャップ４０が形成されている。本実施形態では、腕部１１の突出長さは全て等しく設定しているが、同じ強度の磁場を有する強度線の分布がＸ方向で左右均等となるように、腕部１１の突出長さを適宜異ならせても良い。

導体２０は、コア１０に形成されたギャップ４０の内部に挿通されており、被測定電流が流される。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。また、導体２０は、所定の幅を有する長尺状に構成されており、導体２０の挿通方向（Ｙ方向）と垂直な断面（ＸＺ平面）が矩形状に形成されている。導体２０の断面の短辺方向は、ギャップ４０の並列方向（Ｘ方向）に沿って配置されている。つまり、ギャップ４０の並列方向の幅が、腕部１１の延出長さより小さく設定されている。これによって、多くの導体２０をギャップ４０に配置した場合でも、コア１０の並列方向の長さが過大とならず、コンパクト化が図られる。

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、複数の導体２０のＹＺ面が、夫々コア１０の内壁１２と平行になるように挿通される。コア１０と導体２０とは離間しており、樹脂によって互いに絶縁されている。このような導体２０は、例えば、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で構成されたり、バスバーに直列接続される導電部材で構成されたりするものである。

素子３０は、ギャップ４０の内部であって、導体２０よりもギャップ４０の開口に近い側（腕部１１の先端側に偏倚した位置）に配置される。つまり、素子３０は、腕部１１の延出方向（Ｚ方向）に向かって導体２０から離間しており、樹脂によって互いに絶縁されている。導体２０に通電されると、コア１０に磁界が発生する。当該磁界は、素子３０の近傍ではＸ方向に沿ったものとなる。

素子３０は検出方向をＸ方向に一致させており、腕部１１の内壁１２が、素子３０の外面と平行になるように配置されている。つまり、互いに隣り合う一組の腕部１１の内壁１２（一組の腕部１１の互いに対向する面）には、素子３０と対向して素子３０に磁束を流す領域となる検出領域部１２ａ（第一領域）が形成されている。この検出領域部１２ａは、素子３０を挟む方向視（Ｘ方向視）において素子３０の輪郭を取り囲んでいる。これにより、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の強さを効果的に検出することができる。

上述したように複数の導体２０どうしが腕部１１を挟んで平行配置されている場合、一方の導体２０の被測定電流値を検出すべき検出領域部１２ａに、他方の導体２０に流れる電流から発生する磁束が侵入して、一方の素子３０が誤検出してしまうおそれがある。また、例えば自動車のように電気機器が密集している環境下においては、周辺の磁束の変化を受けて素子３０の検出精度が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態における腕部１１は、検出領域部１２ａとは別に、検出領域部１２ａから導体２０の長手方向（Ｙ方向）に沿って拡大した突出領域部１２ｂ（第二領域）を有している（図１及び図２参照）。この突出領域部１２ｂは、他方の導体２０から発生する磁束を受け止めて検出領域部１２ａに侵入させないシールドとして機能するので、一方の素子３０の誤検出を防止することができる。つまり、突出領域部１２ｂで受け止めた磁束は、対向する突出領域部１２ｂの間のギャップ４０に主として流れるので、素子３０では検出され難い。同様に、他の電気機器から発生した磁束も突出領域部１２ｂによってシールドされるので、検出精度を高めることができる。

図３には、検出領域部１２ａのＹ方向に沿った端部に配置される積層鋼板１０ｃ（板状部材の一例）の展開図が示される。突出領域部１２ｂは、積層鋼板１０ｃを折り曲げて形成される。つまり、積層鋼板１０ｃが折曲部１１ａを介して手前側又は奥側に折り曲げられることで、突出領域部１２ｂが、Ｙ方向に沿った両側に形成されると共に検出領域部１２ａと同一平面上（ＹＺ平面）に形成される。このように突出領域部１２ｂを腕部１１の両側に設ければ、突出領域部１２ｂの面積が増大し、シールド効果を高めることができる。

この突出領域部１２ｂは、ギャップ４０のＸ方向の幅の半分より若干小さい幅を有している。これによって、積層鋼板１０ｃを単独で、又は積層鋼板１０ｃをコア１０に一体化させた状態で、突出領域部１２ｂどうしの間に工具を挿入して折り曲げることが可能となる。このように突出領域部１２ｂを形成すれば、加工が容易で製造コストを低減できる。

また、本実施形態における突出領域部１２ｂは、ギャップ４０の開口から導体２０の開口側の端部に至るまで形成されている。換言すると、図２に示すように、導体２０の長手方向（Ｙ方向）に沿う方向視において、検出領域部１２ａのＺ方向の両端部と突出領域部１２ｂのＺ方向の両端部とが同じ位置に設定されている。これによって、突出領域部１２ｂは、検出領域部１２ａの全てに存在して大きな面積を有しているので、他の導体２０から発生する磁束や他の電気機器から発生した磁束が、突出領域部１２ｂによって確実にシールドされる。

図４及び図５には、突出領域部１２ｂのＺ方向の長さを変更した場合における素子３０の検出誤差が示される。図４は、ギャップ４０の開口側を基準（零点）とした例であり、図５は、導体２０の開口側の端部から若干、導体２０側に入り込んだ位置を基準（零点）とした例である。

図４では、突出領域部１２ｂの長さが導体２０の端部に近付くに連れて、素子３０の検出誤差が徐々に小さくなり、突出領域部１２ｂの端部が導体２０の端部と一致した時点で検出誤差が最小となった。さらに突出領域部１２ｂの長さを導体２０側に延長した場合でも、検出誤差は変わらなかった。また、図５では、導体２０に対向して突出領域部１２ｂを設けても検出誤差は減少せず、突出領域部１２ｂの長さが導体２０の開口側の端部からギャップ４０の開口に近付くに連れて、検出誤差が徐々に小さくなった。そして、突出領域部１２ｂの端部が開口位置となった時点で検出誤差が最小となった。

このように、検出領域部１２ａのＺ方向の両端部と突出領域部１２ｂのＺ方向の両端部とを同じ位置に設定すれば、素子３０の検出誤差の最小化を図りつつ突出領域部１２ｂの長さの最適化を図ることができる。

図１に示すように、本実施形態における電流センサ１００は、複数の積層鋼板１０ｂ，１０ｃを一体化した状態で、素子３０が嵌められた樹脂ケース（不図示）をコア１０のＸ方向の端面に形成された係止突起１１ｂに係止して、素子３０がギャップ４０の内部で位置決めされる。このとき、樹脂ケースの成形精度などによっては、素子３０がギャップ４０の中央位置から若干位置ずれすることがある。以下、素子３０が位置ずれした場合の影響について説明する。

図６及び図７には、素子３０がＸ方向に位置ずれした場合における素子３０の検出誤差が示される。点線は突出領域部１２ｂを有しない従来例であり、実線は本実施形態における電流センサ１００を示している。図６は、素子３０が検出すべき導体２０に通電した場合（３相モータの自相通電）であり、図７は、素子３０が検出すべき導体２０ではない他の導体２０（３相モータの他相通電）した場合である。

従来のように検出領域部１２ａのみの場合、検出領域部１２ａの端部には磁束が集中して磁場の強度変化量が大きい。その結果、図６の自相通電の場合、素子３０がギャップ４０の中央位置からＸ方向に位置ずれしたとき、つまり検出領域部１２ａの端部に近付くに連れて、磁場の強度変化量の影響を受けて左右対称に検出誤差が増大する。同様に、図７の他相通電の場合も、通電された他の導体２０の側にある検出領域部１２ａに素子３０が位置ずれするに連れて検出誤差が増大している。なお、他相通電では、検出誤差を測定した素子３０に対して互いにＸ方向の反対側にある他の導体２０に通電した場合、発生する磁界方向が逆方向となるので、図７ではプラス方向とマイナス方向とで区別している。

しかしながら、本実施形態のように突出領域部１２ｂを設けることで、検出領域部１２ａの中央位置からコア１０の端部が遠ざかるので、ギャップ４０の中央位置における磁場の強度変化量が小さくなり、素子３０が位置ずれした場合でも検出誤差を小さくなっていることが分かる（図６の実線参照）。また、図７の場合は、他相通電で発生した磁束が、突出領域部１２ｂによってシールドされ、突出領域部１２ｂで受け止めた磁束は、対向する突出領域部１２ｂの間のギャップ４０に主として流れる。その結果、素子３０では他相通電による磁界の影響が小さく、素子３０が位置ずれした場合でも検出誤差が小さくなっている。

以下、別実施形態について説明する。基本構成は、上述した第１実施形態と同様であるため、異なる構成についてのみ図面を用いて説明する。なお、図面の理解を容易にするため、第１実施形態と同じ部材名称及び符号を用いて説明する。

〔第２実施形態〕
第２実施形態について図８及び図９を用いて説明する。本実施形態では、一組の腕部１１の突出領域部１２ｂは、夫々異なる積層鋼板１０ｃを折り曲げて形成されている。具体的には、突出領域部１２ｂを形成するのに使用される積層鋼板１０ｃは、コア１０を形成する最外層となる１層目と、１層目に隣接する２層目である。積層鋼板１０ｃの１層目と２層目とを折曲部１１ａで同じ方向に折り曲げることで、突出領域部１２ｂが形成される。

第１実施形態では、突出領域部１２ｂがギャップ４０の中心で二分されるが、本実施形態ではギャップ４０のＸ方向の幅全体を活用することが可能となる。その結果、突出領域部１２ｂの面積が増大し、シールド効果を一層高めることができる。また、検出領域部１２ａの中央位置からコア１０の端部がより遠ざかるので、素子３０が位置ずれした場合でも検出誤差を一層小さくすることができる。

〔第１実施形態の変形例〕
図１０に示すように、検出領域部１２ａと突出領域部１２ｂとを有する平板状の磁性体を腕部１１の内壁１２に固定しても良い。固定方法は、接着や加締め固定などどのような形態であっても良い。この場合、コア１０の積層鋼板１０ｂ，１０ｃを共通化できるので、積層鋼板１０ｂ，１０ｃの製造コストを低減できる。

図１１に示すように、突出領域部１２ｂを、検出領域部１２ａのＹ方向の端部に個別に固定しても良い。固定方法は、接着や加締め固定などどのような形態であっても良い。この場合、コア１０の積層鋼板１０ｂ，１０ｃを共通化できるので、積層鋼板１０ｂ，１０ｃの製造コストを低減できる。

図１２に示すように、１つの積層鋼板１０ｃで突出領域部１２ｂを折り曲げ形成する際、互いに離間した複数の折曲部１１ａを設け、短冊状の突出領域部１２ｂを複数形成しても良い。この場合、検出領域部１２ａの中央位置からコア１０のＹ方向の端部が大きく遠ざかるので、ギャップ４０の中央位置における磁場の強度変化量が小さくなり、素子３０が位置ずれした場合でも検出誤差を小さくできる。

〔その他の実施形態〕
（１）上述した実施形態では、突出領域部１２ｂをＹ方向に沿った両側に形成したが、片側に形成しても良い。また、一対の対向する突出領域部１２ｂの何れか一方に突出領域部１２ｂを形成しても良い。
（２）上述した実施形態では、導体２０の長手方向に沿う方向視において検出領域部１２ａの両端部と突出領域部１２ｂの両端部とを一致させた。これに代えて、突出領域部１２ｂの端部を導体２０と重なる領域まで延長しても良い。一方、図４及び図５に示すように、突出領域部１２ｂの端部を導体２０と重なる領域まで延長しても、素子３０の検出誤差は変化しない。このため、検出領域部１２ａを突出領域部１２ｂの両端部の間における任意の位置に設定して、検出誤差を減少させつつ検出領域部１２ａの長さを節約しても良い。
（３）上述した実施形態では、突出領域部１２ｂと検出領域部１２ａとを面一で構成したが、突出領域部１２ｂを検出領域部１２ａよりＸ方向に引退又は突出させても良い。突出領域部１２ｂを引退させた場合は、突出領域部１２ｂの面積を大きく確保してシールド効果を向上させることができる。一方、突出領域部１２ｂを突出させた場合は、対向する突出領域部１２ｂどうしのギャップ４０が小さくなるので、突出領域部１２ｂに侵入した磁束を突出領域部１２ｂどうしのギャップ４０に円滑に流して、素子３０の側に侵入するのを効果的に防止できる。
（４）上述した実施形態では、コア１０を複数の積層鋼板１０ｂ，１０ｃで構成したが、例えば、検出領域部１２ａを単一の磁性体で構成し、突出領域部１２ｂのみ積層鋼板１０ｃで構成しても良い。つまり、検出領域部１２ａより導体２０の挿通方向に沿って突出した突出領域部１２ｂを形成できるものであれば、どのような形態であっても良い。
（５）上述した実施形態では、複数の素子３０を設けたが、複数のギャップ４０のうち１つのギャップ４０のみを用いて、１つの素子３０を配置しても良い。

本発明に係る電流センサは、各種の電気機器に広く利用することができる。

１０ コア
１０ｃ 積層鋼板
１１ 腕部
１２ 内壁（一組の腕部の互いに対向する面）
１２ａ 検出領域部（第一領域）
１２ｂ 突出領域部（第二領域）
２０ 導体
３０ 素子
４０ ギャップ（溝部）
１００ 電流センサ

Claims (6)

1. 平行に設けられた複数の導体が各別に挿通される溝部を形成した複数の腕部を有する磁性体のコアを備え、
   前記複数の腕部のうち互いに隣り合う少なくとも何れか一組において、
   前記溝部の内部であって、前記導体の位置よりも前記腕部の先端側に偏倚した位置に配置され、前記導体への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子を有し、
   前記一組の腕部の互いに対向する面には、前記素子を挟む方向視において前記素子の輪郭を取り囲む第一領域と、当該第一領域から前記導体の長手方向に沿って拡大した第二領域とが形成されている電流センサ。
2. 前記第二領域は、前記長手方向に沿った両側に形成されている請求項１に記載の電流センサ。
3. 平板状に形成された前記導体の断面における短辺が前記溝部の並列方向に沿うように、前記溝部の前記並列方向の幅が前記腕部の長さより小さく設定されている請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記コアは複数の積層鋼板で構成され、
   前記第二領域は、前記第一領域の前記長手方向に沿った端部に配置される前記積層鋼板を折り曲げて形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の電流センサ。
5. 前記コアは複数の積層鋼板で構成され、
   前記一組の腕部の前記第二領域は、夫々異なる前記積層鋼板を折り曲げて形成されている請求項１から４の何れか一項に記載の電流センサ。
6. 前記導体の前記長手方向に沿う方向視において、前記第一領域の両端部と前記第二領域の両端部とが同じ位置に設定されている請求項１から５の何れか一項に記載の電流センサ。

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