JP2018169305A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】大電流を測定する用途においても、シールド板における磁気飽和を抑制し十分なシールド性能を得ること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３と、バスバ２と一方のシールド板３との間に配置され、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４と、を備え、シールド板３は、そのバスバ２の長さ方向に沿った長さＬが２０ｍｍ以上であり、かつ、長さ方向と垂直な幅方向における幅Ｗが２４ｍｍ以上３８ｍｍ以下である。【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。

特許文献２では、測定対象となる電流が流れる被測定導体及び磁気検出素子の周囲をシールド板（磁気シールド部）で囲むことで、外部からの磁界が磁気検出素子の検出結果に影響を及ぼさないようにした電流センサが記載されている。

特許第４６１２５５４号公報 特開２０１３−１１４６９号公報

ところで、測定対象となる電流が大きい場合には、シールド板における磁気飽和が課題となる。例えば、シールド板のサイズを大きくすると、シールド性能は向上するものの、測定対象となる電流によって生じる磁界がシールド板に集磁されやすくなり磁気飽和が発生しやすくなる。

そこで、本発明は、大電流を測定する用途においても、シールド板における磁気飽和を抑制し十分なシールド性能を得ること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、前記バスバと一方の前記シールド板との間に配置され、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、を備え、前記シールド板は、その前記バスバの長さ方向に沿った長さが２０ｍｍ以上であり、かつ、長さ方向と垂直な幅方向における幅が２４ｍｍ以上３８ｍｍ以下である、電流センサを提供する。

本発明によれば、大電流を測定する用途においても、シールド板における磁気飽和を抑制し十分なシールド性能を得ること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。 シールド板の長さＬと幅Ｗをパラメータとし、シールド板のシールド効果をシミュレーションした結果を示すグラフ図である。 シールド板の長さＬと幅Ｗをパラメータとし、シールド板中の磁束密度の飽和磁束密度に対する比率をシミュレーションした結果を示すグラフ図である。

［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３と、バスバ２と一方のシールド板３との間に配置され、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。本実施の形態において、バスバ２を流れる電流は直流電流であり、その電流値は６００Ａ以上である。電流センサ１では、バスバ２の長手方向に沿って電流が流れている。ここでは、厚さ３ｍｍのバスバ２を用いた。

磁気検出素子４は、検出した磁界の強度（磁束密度）に応じた電圧の出力信号を出力する。磁気検出素子４としては、例えば、ホール素子やＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive）素子、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive）素子等を用いることができる。

シールド板３は、外部からの磁界が磁気検出素子４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３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３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３の厚さ方向とバスバ２の厚さ方向とが一致するように）配置されている。

シールド板３としては、導電性あるいは非導電性の強磁性体を用いることができる。シールド板３としては、少なくとも比透磁率が１０００以上のものを用いるとよい。

以下、図１（ａ）における上下方向を厚さ方向、左奥から右手前方向を長さ方向、左手前から右奥方向を幅方向と呼称する。シールド板３は、幅方向に対向する２つの辺と、長さ方向に対向する２つの辺とを有する矩形の板状に形成されている。

電流センサ１では、両シールド板３のバスバ２からの距離ｄ（厚さ方向に沿った距離）が等しくされている。つまり、両シールド板３からの距離ｄが等しくなる位置（両シールド板３の中間の位置）に、バスバ２が配置されている。両シールド板３は、その幅方向の中心位置が、バスバ２の幅方向の中心位置と厚さ方向に対向するように配置されている。

磁気検出素子４は、シールド板３の長さ方向及び幅方向における中央部と厚さ方向に対向する位置に配置されている。ここでは、バスバ２と磁気検出素子４との厚さ方向に沿った距離ｄｘを１ｍｍとした。

また、図示していないが、磁気検出素子４は基板に搭載されている。この基板は、幅方向に延びる帯状に形成されており、その先端部がバスバ２とシールド板３との間に挿入されている。この基板の先端部でかつバスバ２側の面に、磁気検出素子４が搭載されている。

さらに、図示していないが、両シールド板３の間には、モールド樹脂が充填され、両シールド板３と磁気検出素子４とバスバ２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４、バスバ２、および両シールド板３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３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。

（シールド板３の詳細の説明）
本実施の形態に係る電流センサ１では、シールド板３は、そのバスバ２の長さ方向に沿った長さＬが２０ｍｍ以上とされる。これは、シールド板３の長さＬを２０ｍｍ未満と短くすると、外部からの磁界が磁気検出素子４に影響を与えやすくなり、比較的大きな磁界が外部から与えられた際に電流の検出精度が低下してしまうおそれがあるためである。シールド板３の長さＬを４０ｍｍを超えて長くしてもシールド性能にそれほど寄与せず電流センサ１が大型化してしまうことから、シールド板３の長さＬは、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とすることが望ましく、より好ましくは、長さＬを２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とするとよい。

また、シールド板３の厚さＴが０．５ｍｍ未満と薄いと、バスバ２に６００Ａ以上の大電流を流した際に、シールド板３に磁気飽和が発生し易くなる。よって、シールド板３の厚さＴは０．５ｍｍ以上とすることが望ましく、より磁気飽和を抑えるためには厚さＴを１ｍｍ以上とすることが望ましい。本実施の形態では、シールド板３の厚さを１ｍｍとした。

さらに、バスバ２とシールド板３との厚さ方向に沿った距離ｄが１ｍｍ未満と短すぎると、シールド板３で磁気飽和が発生し易くなる。他方、距離ｄが５ｍｍを超えると、シールド板３とバスバ２とが離れすぎて十分なシールド効果が得られなくなる場合がある。よって、バスバ２とシールド板３との厚さ方向に沿った距離ｄは１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが望ましく、より確実に磁気飽和を抑えかつシールド効果を得るためには、距離ｄを２ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることが望ましい。本実施の形態では、バスバ２とシールド板３との厚さ方向に沿った距離ｄを３．５ｍｍとし、両シールド板３の厚さ方向に沿った距離Ｄを１０ｍｍとした。

以下、最適なシールド板３の幅Ｗについて検討する。シールド板３の長さＬを２０ｍｍ，２５ｍｍ、３０ｍｍとし、幅Ｗを２０ｍｍ，３０ｍｍ，４０ｍｍとして組み合わせたそれぞれの場合について、シールド板３のシールド効果についてシミュレーションを行った。シールド板３の比透磁率は５０００とし、バスバ２に電流を流さない状態で外部から磁界を印加し、印加した磁束密度と磁気検出素子４を配置する位置での磁束密度（シールドされずに磁気検出素子４に到達した磁束の磁束密度）との比を基にシールド効果を演算した。シミュレーション結果を図２に示す。

また、上述のそれぞれの場合について、バスバ２に所定の電流を流した際のシールド板３中の磁束密度（シールド板３の長さ方向、幅方向、及び厚さ方向の中心位置での磁束密度）をシミュレーションにより求め、この磁束密度の飽和磁束密度に対する比率（以下、単に磁気飽和比率という）を求めた。磁気飽和比率は、バスバ２に流れる電流１Ａ当たりの値として求めた。シミュレーション結果を図３に示す。

図２に示すように、シールド板３の幅Ｗが大きくなるほど、シールド性能（シールド効果）は大きくなる。他方、図３に示すように、バスバ２の通電時にはその電流によって生じる磁場がシールド板３によって集磁されるため、シールド板３の幅Ｗが大きくなるほど、その集磁効果が大きくなり磁気飽和しやすくなる。つまり、シールド性能を高くするという観点からはシールド板３の幅Ｗを大きくすることが望まれるが、磁気飽和を抑制するという観点からはシールド板３の幅Ｗを小さくすることが望まれ、シールド性能の向上と磁気飽和の抑制とはトレードオフの関係となる。よって、十分なシールド性能が得られ、かつ大電流を測定する際にも磁気飽和しにくくなるように、シールド板３の幅Ｗを適宜な値に調整する必要がある。

本実施の形態では、シールド性能に関しては、シールド効果を２５ｄＢ以上とすることを目標とした。図２より、２５ｄＢ以上のシールド効果を得るためには、少なくとも、シールド板３の幅Ｗを２４ｍｍ以上とすればよいことが分かる。また、シールド板３の長さＬを２０ｍｍ，２５ｍｍ，及び３０ｍｍとしたそれぞれの場合において、確実に２５ｄＢ以上のシールド効果を得るためには、シールド板３の幅Ｗを２７ｍｍ以上とすればよいことが分かる。

他方、本実施の形態では、バスバ２に１０００Ａの電流（直流電流）を流したときの磁気飽和比率を７０％以下とすることを目標とした。この場合、１Ａあたりの磁気飽和比率を０．０７％以下とすればよいことになる。図３より、１Ａあたりの磁気飽和比率を０．０７％以下とするためには、少なくとも、シールド板３の幅Ｗを３８ｍｍ以下とすればよいことが分かる。また、シールド板３の長さＬを２０ｍｍ，２５ｍｍ，及び３０ｍｍとしたそれぞれの場合において、確実に１Ａあたりの磁気飽和比率を０．０７％以下とするためには、シールド板３の幅Ｗを３３ｍｍ以下とすればよいことが分かる。

したがって、図２及び図３のシミュレーション結果より、２５ｄＢ以上のシールド効果が得られ、かつ、バスバ２に１０００Ａの電流を流したときの磁気飽和比率を７０％以下とするためには、シールド板３の幅Ｗを２４ｍｍ以上３８ｍｍ以下とするとよく、より好ましくは２７ｍｍ以上３３ｍｍ以下とすればよいことが分かる。

なお、図２の傾向から、シールド板３の長さＬを３０ｍｍを超えて大きくしても、シールド性能の改善効果は小さいと考えられる。同様に、図３の傾向から、シールド板３の長さＬを３０ｍｍを超えて大きくしても、磁気飽和抑制の改善効果は小さいと考えられる。よって、電流センサ１の大型化を抑制しつつ、十分なシールド効果と磁気飽和抑制効果を得るという観点から、シールド板３の長さＬについては、上述のように、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とするとよいといえる。

例えば、シールド板３の長さＬを２５ｍｍ、幅Ｗを３０ｍｍとした場合、３０ｄＢ程度のシールド効果が得られ、かつ、バスバ２に１０００Ａの電流を流したときの磁気飽和比率は６０％程度となり、シールド性能の向上と磁気飽和の抑制とを両立できる。

（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、シールド板３のバスバ２の長さ方向に沿った長さＬを２０ｍｍ以上とし、かつ、その長さ方向と垂直な幅方向における幅Ｗを２４ｍｍ以上３８ｍｍ以下としている。

これにより、直流６００Ａ以上の大電流を計測する場合であっても、磁気飽和を十分に抑制し、かつ十分なシールド効果を得ることが可能になり、外来の磁界による影響を抑えて電流の測定精度を向上できる。

（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（３）と、前記バスバ（２）と一方の前記シールド板（３）との間に配置され、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（４）と、を備え、前記シールド板（３）は、その前記バスバ（２）の長さ方向に沿った長さが２０ｍｍ以上であり、かつ、長さ方向と垂直な幅方向における幅が２４ｍｍ以上３８ｍｍ以下である、電流センサ（１）。

［２］前記シールド板（３）の幅が２７ｍｍ以上３３ｍｍ以下である、［１］に記載の電流センサ（１）。

［３］前記シールド板（３）の長さが２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である、［１］または［２］に記載の電流センサ（１）。

［４］前記シールド板（３）の厚さが、０．５ｍｍ以上である、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の電流センサ（１）。

［５］前記磁気検出素子（４）は、前記シールド板（３）の長さ方向及び幅方向における中央部と対向する位置に配置されている、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の電流センサ（１）。

［６］前記バスバ（２）と前記シールド板（３）との厚さ方向に沿った距離が、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の電流センサ（１）。

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、バスバ２が１本である場合を説明したが、複数のバスバ２（例えば、電源ラインとグランドラインに対応する２本のバスバ２）が平行して配置され、各バスバ２と対応するように２枚のシールド板３と磁気検出素子４とがそれぞれ設けられていてもよい。

１…電流センサ
２…バスバ
３…シールド板
４…磁気検出素子

Claims (6)

1. 測定対象となる電流が流れるバスバと、
   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、
   前記バスバと一方の前記シールド板との間に配置され、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、を備え、
   前記シールド板は、その前記バスバの長さ方向に沿った長さが２０ｍｍ以上であり、かつ、長さ方向と垂直な幅方向における幅が２４ｍｍ以上３８ｍｍ以下である、
   電流センサ。
2. 前記シールド板の幅が２７ｍｍ以上３３ｍｍ以下である、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記シールド板の長さが２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である、
   請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記シールド板の厚さが、０．５ｍｍ以上である、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電流センサ。
5. 前記磁気検出素子は、前記シールド板の長さ方向及び幅方向における中央部と対向する位置に配置されている、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の電流センサ。
6. 前記バスバと前記シールド板との厚さ方向に沿った距離が、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の電流センサ。

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