JP2017187300A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度でかつ大電流の検出が可能な電流センサを提供する。【解決手段】測定対象となる電流が流れるバスバ２と、バスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子３と、バスバ２をバスバ２の厚さ方向に挟み込むように配置されている磁性材料からなる一対のシールド板４と、を備え、バスバ２には、バスバ２を貫通する貫通孔５が形成され貫通孔５の両側に電流路６が形成されており、磁気検出素子３は、バスバ２の厚さ方向において貫通孔５と重なる位置に配置されており、バスバ２は、その厚さ方向の中心位置が、一対のシールド板４間の空間における厚さ方向の中心位置からずれた位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

従来、電流センサとして、測定対象となる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子を備えたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。磁気検出素子により磁界の強度を検出することで、その磁界の強度を基に、電流を演算により求めることが可能である。

特許第４６１２５５４号公報 特開２０１５−１３７８９２号公報

ところで、より高い精度で電流を検出するためには、磁気検出素子としてより感度の高いもの、例えばＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサ等を用いることが望まれる。

しかしながら、ＧＭＲセンサ等の感度の高い磁気検出素子は、一般に、検出可能な磁界の強度の範囲が狭い。そのため、例えば３相モータの各相に流れる電流など大電流を検出する場合には、測定対象となる電流により発生する磁界が大きくなりすぎ、ＧＭＲセンサ等の感度の高い磁気検出素子を用いることが困難となる場合があった。

そこで、本発明は、高精度でかつ大電流の検出が可能な電流センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、測定対象となる電流が流れるバスバと、前記バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子と、前記バスバを前記バスバの厚さ方向に挟み込むように配置されている磁性材料からなる一対のシールド板と、を備え、前記バスバには、前記バスバを貫通する貫通孔が形成され前記貫通孔の両側に電流路が形成されており、前記磁気検出素子は、前記バスバの厚さ方向において前記貫通孔と重なる位置に配置されており、前記バスバは、その厚さ方向の中心位置が、前記一対のシールド板間の空間における厚さ方向の中心位置からずれた位置に配置されている、電流センサを提供する。

本発明によれば、高精度でかつ大電流の検出が可能な電流センサを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）はバスバ中心からの位置ｘを説明する説明図、（ｂ）はバスバ中心からの位置ｘと磁束密度との関係を示すグラフ図である。 本発明の一変形例に係る電流センサを示す斜視図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、電流センサ１は、測定対象となる電流が流れるバスバ２と、バスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子３と、バスバ２をバスバ２の厚さ方向に挟み込むように配置されている磁性材料からなる一対のシールド板４と、を備えている。

バスバ２は、銅やアルミニウム等の電気良導体からなる板状の導体であり、電流を流す電流路となるものである。バスバ２は、例えば電気自動車やハイブリッド車におけるモータとインバータ間の電源ラインとして用いられるものである。バスバ２を流れる電流は、例えば、定常時で２００Ａ、異常時等の突入電流で最大８００Ａ程度であり、その周波数は、例えば最大１００ｋＨｚである。本実施の形態では、バスバ２の長手方向に沿って電流が流れている。

磁気検出素子３は、検出軸Ｄに沿った方向の磁界の強度（磁束密度）に応じた電圧の出力信号を出力するように構成されている。本実施の形態では、磁気検出素子３として、高い感度を有するＧＭＲセンサを用いた。

シールド板４は、外部からの磁界が磁気検出素子３の検出結果に影響を及ぼさないように、外部からの磁界を遮蔽するためのものである。シールド板４は、例えばケイ素鋼、パーマロイ、フェライト等の磁性材料からなる板状の部材からなる。

シールド板４は、バスバ２を厚さ方向から挟み込むようにバスバ２と離間して配置されている。また、シールド板４は、その表面がバスバ２の表面に対して平行となるように（シールド板４の表面の法線方向がバスバ２の厚さ方向と一致するように）配置されている。

本実施の形態では、バスバ２には、貫通孔５が形成されている。貫通孔５は、バスバ２を貫通するように形成されており、貫通孔５の周囲はバスバ２で囲まれている。つまり、貫通孔５は、その一部がバスバ２の側方に開口する切欠き状に形成されるものではない。貫通孔５を形成することで、貫通孔５の両側に電流路６が形成されることになる。

本実施の形態では、貫通孔５は、バスバ２の幅方向における中央部に形成されている。貫通孔５の両側に形成される電流路６は、同じ幅に形成されている。

貫通孔５内では、両電流路６で発生した磁界が互いに打ち消し合う。つまり、貫通孔５を形成することで、貫通孔５内や貫通孔５の近傍における磁界の強度を小さくすることができる。

本実施の形態では、磁気検出素子３は、バスバ２の厚さ方向において貫通孔５と重なる位置に配置されている。換言すれば、磁気検出素子３は、バスバ２の厚さ方向の一方から見た平面視において、貫通孔５と重なる位置に配置されている。なお、「磁気検出素子３はバスバ２の厚さ方向において貫通孔５と重なる位置に配置されている」とは、図１（ｂ）における上方（または下方）から見た平面視において、磁気検出素子３の少なくとも一部が貫通孔５と重なる位置に配置されていることを意味しており、例えば磁気検出素子３の一部のみが平面視で貫通孔５と重なる位置に配置されている場合も含まれる。また、磁気検出素子３は、図１（ｂ）の断面視において、その一部が貫通孔５内に配置されていてもよいし、磁気検出素子３の全体が貫通孔５の外部（貫通孔５の上下）に配置されていてもよい。なお、本実施の形態では、磁気検出素子３は、両シールド板４の間に、両シールド板４と離間して配置されている。

バスバ２に貫通孔５を形成し、かつ、バスバ２の厚さ方向において貫通孔５と重なる位置に磁気検出素子３を配置することによって、バスバ２に大電流が流れる場合であっても、磁気検出素子３で検出される磁界を小さくすることが可能になる。

磁気検出素子３は、基板７に搭載されている。磁気検出素子３は、基板７をバスバ２とシールド板４の間に挿し込むことで、平面視で貫通孔５と重なる位置に配置されている。基板７は、ガラスエポキシ等の樹脂から構成されている。

磁気検出素子３として用いるＧＭＲセンサは、その検出軸Ｄが搭載される基板７の表面に沿った方向となる。そこで、本実施の形態では、磁気検出素子３は、その検出軸Ｄがバスバ２の幅方向に沿うように配置されている。なお、検出軸Ｄがバスバ２の厚さ方向に沿うように磁気検出素子３を配置してもよいが、この場合、基板７の先端部を９０度折り曲げ、その折り曲げた部分に磁気検出素子３を搭載する必要が生じ、電流センサ１の構造が複雑になる。

図示していないが、両シールド板４の間には、モールド樹脂が充填され、両シールド板４と磁気検出素子３とバスバ２と基板７とが、モールド樹脂により一体に構成されている。モールド樹脂は、磁気検出素子３、バスバ２、および両シールド板４の位置関係を一定に保ち振動等による検出誤差を抑制する役割と、シールド板４間に異物が侵入することによる検出誤差を抑制する役割とを兼ねている。

さて、本実施の形態に係る電流センサ１では、バスバ２は、その厚さ方向の中心位置が、一対のシールド板４間の空間における厚さ方向の中心位置からずれた位置に配置されている。

換言すれば、電流センサ１では、バスバ２と一方のシールド板４間の厚さ方向に沿った距離ａと、バスバ２と他方のシールド板４間の厚さ方向に沿った距離ｂとが異なっている。以下、シールド板４の一方を第１シールド板４ａと呼称し、シールド板４の他方を第２シールド板４ｂと呼称する。第１シールド板４ｂとバスバ２との距離ａは、第２シールド板４ｂとバスバ２との距離ｂよりも大きい。つまり、第２シールド板４ｂは、第１シールド板４ａよりもバスバ２に近接して配置されている。

両シールド板４とバスバ２の距離ａ，ｂの差は、バスバ２に流れる電流の大きさ、磁気検出素子３の位置等に応じて適宜設定可能であるが、両シールド板４間の距離の１０％以上とすること（例えば両シールド板４間の距離が１０ｍｍである場合には距離ａ，ｂの差を１ｍｍ以上とすること）が望ましい。

図２（ａ）に示すように、バスバ２の貫通孔５における中心位置（幅方向、長さ方向、及び厚さ方向の中心位置、以下バスバ中心と呼称する）Ｏから、第２シールド板４ｂ側への幅方向に沿った距離（バスバ中心からの位置）をｘとする。バスバ２に流れる電流を一定とした場合において、距離（バスバ中心からの位置）ｘと距離ｘの位置で検出される磁界の強度（磁束密度）との関係を図２（ｂ）に示す。

図２（ｂ）に実線で示されるように、シールド板４を非対称配置した（両シールド板４とバスバ２との距離ａ，ｂを異ならせた（ａ＞ｂ））本実施の形態においては、検出される磁束密度は、貫通孔５の中心位置（バスバ中心）Ｏよりも第２シールド板４ｂ側にずれた位置でゼロとなり、さらに第２シールド板４ｂ側へと近づくに従って、徐々に磁束密度が上昇していく。

これに対して、シールド板４を対称配置した（両シールド板４とバスバ２との距離ａ，ｂを等しくした）比較例においては、図２（ｂ）に破線で示されるように、検出される磁束密度は、貫通孔５の中心位置（バスバ中心）Ｏでゼロとなり、第２シールド板４ｂ側へと近づくに従って、徐々に磁束密度が上昇していく。

図２（ｂ）における実線と破線とを比較すれば分かるように、本実施の形態のように両シールド板４とバスバ２との距離ａ，ｂを異ならせることによって、シールド板４を対称配置した比較例と比較して、バスバ２の近傍（貫通孔５内及び貫通孔５の近傍）の磁界の強度が減少する。

図２（ｂ）では図示を省略しているが、本実施の形態においては、貫通孔５の中心位置Ｏから第１シールド板４ａ側にずれた位置では、比較例よりも検出される磁界の強度が大きくなってしまうため、磁気検出素子３は、バスバ２の厚さ方向の中心位置よりも、第２シールド板４ｂ側にずれた位置（よりバスバ２に近接して配置されたシールド板４側にずれた位置）に配置されることが望ましいといえる。本実施の形態では、磁気検出素子３を搭載した基板７は、バスバ２と第２シールド板４ｂとの間に挿入されている。

磁気検出素子３を配置する位置は、磁気検出素子３が検出可能な磁界の強度の範囲と、バスバ２を流れる電流の大きさを考慮し、適宜な大きさの磁界の強度が検出可能な位置に配置するとよい。なお、磁気検出素子３を配置する位置は、貫通孔５の長さ方向及び幅方向における中心に配置されている必要はなく、平面視で貫通孔５と重なる位置に配置されていればよい。

本実施の形態では、貫通孔５を形成することによる磁界の強度の減衰に加え、さらにバスバ２と両シールド板４との距離ａ，ｂを異ならせることにより磁気検出素子３で検出される磁界の強度を減衰させており、これにより、バスバ２に流れる電流が大電流である場合であっても、ＧＭＲセンサ等の磁気検出素子３を用いた高精度な電流検出が可能になる。つまり、本実施の形態では、シールド板４が、外部からの磁界を遮蔽する役割と、磁気検出素子３で検出される磁界の強度を減衰させる役割とを兼ねているといえる。

本実施の形態では、電流の検出対象となるバスバ２が１本である場合を説明したが、電流の検出対象となるバスバ２が複数存在する場合にも、本発明は適用可能である。

例えば、図３に示す電流センサ３１のように、電流の検出対象となるバスバ２が３本である場合、各バスバ２を同一平面上に整列配置した状態とし、各バスバ２を一括して挟み込むように共通のシールド板４を設けるとよい。この際、第２シールド板４ｂを第１シールド板４ａよりも近接して配置する。また、平面視で各バスバ２の貫通孔５と重なる位置で、かつ、バスバ２の厚さ方向の中心よりも第２シールド板４ｂ側にずれた位置に、各バスバ２に対応した磁気検出素子３をそれぞれ配置する。各バスバ２の貫通孔５を幅方向に一直線状に整列して配置することで、共通の基板７に各バスバ２に対応した複数（ここでは３つ）の磁気検出素子３を搭載することが可能であり、簡単な構成で複数のバスバ２に流れる電流を検出することが可能になる。各バスバ２に流れる電流は、例えば、インバータとモータ間を伝送される三相交流であってもよい。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る電流センサ１では、バスバ２には、バスバ２を貫通する貫通孔５が形成され貫通孔５の両側に電流路６が形成されており、磁気検出素子３は、バスバ２の厚さ方向において貫通孔５と重なる位置に配置されており、バスバ２は、その厚さ方向の中心位置が、一対のシールド板４間の空間における厚さ方向の中心位置からずれた位置に配置されている。

バスバ２に貫通孔５を形成し、バスバ２の厚さ方向において貫通孔５と重なる位置に磁気検出素子３を配置することで、磁気検出素子３で検出される磁界の強度を小さくすることが可能になる。しかし、磁気検出素子３は基板７に搭載される必要があるため、実際には貫通孔５の中心（厚さ方向の中心）から離れた位置に磁気検出素子３が配置されてしまい、磁気検出素子３で検出される磁界の強度が十分に小さくならずに、大電流の測定が困難となるおそれもあった。

そこで、本実施の形態では、さらにバスバ２を両シールド板４間の中心からずれた位置に配置し、バスバ２と両シールド板４との距離ａ，ｂを異ならせることで、磁気検出素子３で検出される磁界の強度をより小さくした。これにより、測定対象となる電流が、例えばモータとインバータ間で伝送される電流など大電流であっても、ＧＭＲセンサ等の磁気検出素子３を用いることが可能となり、高精度に電流検出が可能となる。すなわち、本実施の形態によれば、高精度でかつ大電流の検出が可能な電流センサ１を実現できる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］測定対象となる電流が流れるバスバ（２）と、前記バスバ（２）を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子（３）と、前記バスバ（２）を前記バスバ（２）の厚さ方向に挟み込むように配置されている磁性材料からなる一対のシールド板（４）と、を備え、前記バスバ（２）には、前記バスバ（２）を貫通する貫通孔（５）が形成され前記貫通孔（５）の両側に電流路（６）が形成されており、前記磁気検出素子（３）は、前記バスバ（２）の厚さ方向において前記貫通孔（５）と重なる位置に配置されており、前記バスバ（２）は、その厚さ方向の中心位置が、前記一対のシールド板（４）間の空間における厚さ方向の中心位置からずれた位置に配置されている、電流センサ（１）。

［２］前記一対のシールド板（４）は、第１シールド板（４ａ）と、前記第１シールド板（４ａ）よりも前記バスバ（２）に近接して配置された第２シールド板（４ｂ）と、からなり、前記磁気検出素子（３）は、前記バスバ（２）の厚さ方向の中心位置よりも、前記第２シールド板（４ｂ）側にずれた位置に配置されている、［１］に記載の電流センサ（１）。

［３］前記磁気検出素子（３）が、ＧＭＲセンサである、［１］または［２］に記載の電流センサ（１）。

［４］前記磁気検出素子（３）は、その検出軸（Ｄ）が前記バスバ（２）の幅方向に沿うように配置されている、［３］に記載の電流センサ（１）。

［５］複数の前記バスバ（２）と、複数の前記バスバ（２）に対応した複数の磁気検出素子（３）と、を備え、複数の前記バスバ（２）は、同一平面上に整列して配置されており、前記一対のシールド板（４）は、複数の前記バスバ（４）を一括して挟み込むように配置されている、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の電流センサ（３１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、磁気検出素子３としてＧＭＲセンサを用いる場合を説明したが、これに限らず、磁気検出素子３として、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive）センサ、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive）センサ、ホールＩＣ等の他の素子を用いることも可能である。ただし、高精度な電流検出を実現するため、なるべく精度の高い磁気検出素子３を用いることが望ましいといえる。

また、上記実施の形態では、磁気検出素子３を１つ用いる場合を説明したが、これに限らず、平面視で貫通孔５と重なる位置に複数（例えば２つ）の磁気検出素子３を配置し、複数の磁気検出素子３の出力を基に電流検出を行うようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、バスバ２の幅方向における中央部に貫通孔５を形成したが、貫通孔５はバスバ２の幅方向における中央からずれた位置に形成されていてもよい。つまり、貫通孔５の両側の電流路６の幅が互いに異なっていてもよい。

１…電流センサ
２…バスバ
３…磁気検出素子
４…シールド板
４ａ…第１シールド板
４ｂ…第２シールド板
５…貫通孔
６…電流路
７…基板

Claims (5)

1. 測定対象となる電流が流れるバスバと、
   前記バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子と、
   前記バスバを前記バスバの厚さ方向に挟み込むように配置されている磁性材料からなる一対のシールド板と、を備え、
   前記バスバには、前記バスバを貫通する貫通孔が形成され前記貫通孔の両側に電流路が形成されており、
   前記磁気検出素子は、前記バスバの厚さ方向において前記貫通孔と重なる位置に配置されており、
   前記バスバは、その厚さ方向の中心位置が、前記一対のシールド板間の空間における厚さ方向の中心位置からずれた位置に配置されている、
   電流センサ。
2. 前記一対のシールド板は、第１シールド板と、前記第１シールド板よりも前記バスバに近接して配置された第２シールド板と、からなり、
   前記磁気検出素子は、前記バスバの厚さ方向の中心位置よりも、前記第２シールド板側にずれた位置に配置されている、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサである、
   請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記磁気検出素子は、その検出軸が前記バスバの幅方向に沿うように配置されている、
   請求項３に記載の電流センサ。
5. 複数の前記バスバと、複数の前記バスバに対応した複数の磁気検出素子と、を備え、
   複数の前記バスバは、同一平面上に整列して配置されており、
   前記一対のシールド板は、複数の前記バスバを一括して挟み込むように配置されている、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の電流センサ。

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