JP2018189547A - 電流測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサに含まれる検出素子に異常が生じているか否かを低コストにて判定可能な電流測定システムを提供すること。
【解決手段】電流測定システム１００は、測定対象の電流を通電可能な導体２、所定の検出方向に沿う方向の第１磁界の強度を検出可能な検出素子４、導体及び検出素子を囲む磁界シールド部材１０、及び、検出方向に沿う方向の第２磁界を発生可能なコイル７、を有する電流センサ１と、電流センサを制御する制御装置８を備える。制御装置８は、導体への通電時に検出素子によって検出された第１磁界の強度に基づき、導体を流れる電流の大きさを測定し、導体への通電とは別にコイルから第２磁界を発生させることにより、磁界シールド部材１０の残留磁気を除去する消磁制御を行う、ように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電流センサ及びその電流センサの制御装置を備えた電流測定システムに関する。

従来から、自動車のバッテリに繋がる電流路などを流れる電流の大きさを測定するための電流センサが提案されている。例えば、従来の電流センサの一つは、そのような電流路に繋がるバスバーと、バスバーの近傍に配置されると共にバスバーを通過する電流に起因して生じる磁界の強度（換言すると、磁束密度の大きさ）を検出可能な検出素子と、を備えている。この従来の電流センサは、電流路への通電時における検出素子の検出値に基づき、電流路を流れる電流の大きさを測定するようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１３−０６８５７７号公報

上述した従来の電流センサには、検出素子を外部磁界から隔離するための磁界シールド部材が内蔵されている。この磁界シールド部材は、一般に、残留磁束密度が小さい軟磁性材料から構成されており、残留磁化が生じ難い。しかし、場合によっては、磁界シールド部材を構成する材料の磁気ヒステリシス特性に起因し、僅かな残留磁化が生じることがある。この残留磁化は、電流センサの測定精度を低下させる原因となり得る。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流センサに含まれる磁界シールド部材の残留磁化を解消可能な電流測定システム、を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電流測定システムは、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１）
測定対象の電流を通電可能な導体、所定の検出方向に沿う方向の第１磁界の強度を検出可能な検出素子、前記導体及び前記検出素子を囲む磁界シールド部材、及び、前記磁界シールド部材に向けて第２磁界を発生可能なコイル、を有する電流センサと、
前記電流センサを制御する制御装置であって、前記導体への通電時に前記検出素子によって検出された前記第１磁界の強度に基づき、前記導体を流れる電流の大きさを測定し、前記導体への通電とは別に前記コイルから前記第２磁界を発生させることにより、前記磁界シールド部材の残留磁気を除去する消磁制御を行う、ように構成された制御装置と、を備えた、
電流測定システムであること。
（２）
上記（１）に記載の電流測定システムにおいて、
前記コイルは、
前記磁界シールド部材を第１の向きに磁化させるように磁界を発生させるモードと、前記磁界シールド部材を前記第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように磁界を発生させるモードと、を切り替え可能に構成されている、
又は、
前記磁界シールド部材を前記第１の向きに磁化させるように磁界を発生させる第１コイルと、前記磁界シールド部材を前記第２の向きに磁化させるように磁界を発生させる第２コイルと、を含む、
電流測定システムであること。
（３）
上記（１）又は上記（２）に記載の電流測定システムにおいて、
前記制御装置は、
前記第１磁界による前記検出素子の検出値が所定の閾値以下であるとき、前記コイルから前記磁界シールド部材を第１の向きに磁化させるように前記第２磁界を発生させる第１処理、及び、前記コイルから前記磁界シールド部材を前記第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように前記第２磁界を発生させる第２処理を、前記第２磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら繰り返す前記消磁制御を行う、ように構成された、
電流測定システムであること。

上記（１）の構成の電流検出システムによれば、電流センサに設けられたコイルを用いて発生させた磁界（第２磁界）を利用し、磁界シールド部材の磁化を解消できる。例えば、導体に電流が流れていないとき（即ち、第１磁界が生じていないとき）、コイルから磁界シールド部材を第１の向きに磁化させるように磁界を発生させる処理、及び、コイルから磁界シールド部材を第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように磁界を発生させる処理を、磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら交互に繰り返すことにより、磁界シールド部材を消磁できる。

したがって、本構成の電流検出システムは、電流センサに含まれる磁界シールド部材の残留磁化を解消可能である。

上記（２）の構成の電流検出システムによれば、上述したように消磁制御を実際に実行できるように、コイルが構成されることになる。

上記（３）の構成の電流測定システムによれば、上述したように消磁制御を実際に実行できるように、制御装置が構成されることになる。なお、第１磁界による検出素子の検出値の閾値は、このような消磁制御を行う観点から適正な値に定められればよく、特に制限されない。この閾値は、ゼロであっても、ゼロよりも大きな値であってもよい。

本発明によれば、電流センサに含まれる磁界シールド部材の残留磁化を解消可能な電流測定システム、を提供できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る電流センサの斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１に示す電流センサにおける、図２のＢ−Ｂ断面に対応する断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る電流測定システムの回路ブロック図である。 図５は、消磁制御時におけるコイルへの通電パターンの一例を示すグラフである。

＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電流センサ１、及び、電流センサ１を用いた本発明の実施形態に係る電流測定システム１００について説明する。

図１〜図３に示すように、電流センサ１は、電流が流れる導体であるバスバー２と、バスバー２を流れる電流の大きさ（電流値）を測定するセンサ本体３と、センサ本体３を収容する樹脂ケース６と、樹脂ケース６に固定されると共にバスバー２及びセンサ本体３を外側から囲む磁界シールド部材１０と、センサ本体３に設けられると共に磁界（第２磁界）を発生可能なコイル７と、を備えている。

以下、説明の便宜上、図１に示すように、「ｘ方向」、「ｙ方向」及び「ｚ方向」を定義する。ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向は、互いに直交している。以下、電流センサ１を構成する各部材について順に説明していく。

バスバー２は、ｘ方向に延びるストレート状の金属プレートである。バスバー２は、その中央箇所が樹脂ケース６内を貫通し、その両端部が樹脂ケース６より露出している。

樹脂ケース６は、バスバー２、及びセンサ本体３をインサート部品としてインサート樹脂成形により形成されている。樹脂ケース６は、外部出力用コネクタ部６ａを一体に有している。外部出力用コネクタ部６ａには、外部機器に接続された相手方コネクタ（図示省略）が接続される。外部出力用コネクタ部６ａに相手方コネクタが接続されることで、電流センサ１の検出値（算出された電流値）が外部機器に出力されるようになっている。

磁界シールド部材１０は、ｚ方向に延びる底面部１１と、底面部１１の両端より上方（ｙ方向）に突出する一対の側面壁１２と、からなり、略コ字形状に形成されている。底面部１１の直上位置に、バスバー２が配置されている。

磁界シールド部材１０は、樹脂ケース６に、例えば、下方（ｙ方向）からの圧入によって固定されている。磁界シールド部材１０は、電流センサ１の周囲の外部磁界に起因する電流センサ１の測定精度の低下を抑制するために設けられている。

磁界シールド部材１０は、例えば、パーマロイやケイ素銅などの残留磁束密度が小さい軟磁性材料で構成される。磁界シールド部材１０が軟磁性材料で構成されることで、磁界シールド部材１０の残留磁化に起因する電流センサ１の測定精度の低下を抑制することができる。

センサ本体３は、磁界強度（磁束密度）を検出する検出素子であるホール素子４と、ホール素子４が固定された回路基板５と、を備える。なお、回路基板５に設けられた複数の開口５ａ（図３を参照）は、上述した相手方コネクタとの接続に用いる端子を設けるためのスルーホールである。

ホール素子４は、バスバー２の上方位置、且つ、磁界シールド部材１０に囲まれた位置に配置されている。ホール素子４は、一方向（ｚ方向）に沿う向き（磁束密度検知方向）の磁界（磁束密度）のみを検出可能になっている。

ホール素子４は、本例では、バスバー２を流れる電流に起因して生じる磁界（第１磁界）の向きが磁束密度検知方向（ｚ方向）と一致し、且つ、外部磁界に起因して生じる磁界の向きが磁束密度検知方向に直交する方向（具体的には、ｙ方向）となる位置に配置されている。具体的には、図２及び図３に示すように、ホール素子４は、回路基板５においてｚ方向の一方側に寄った位置に配置されている。これにより、ホール素子４は、外部磁界の影響を受けることなく、バスバー２を流れる電流に起因して生じる第１磁界の強度（換言すると、第１磁界の強度に比例するバスバー２を流れる電流の電流値）を精度良く検出し得るようになっている。

回路基板５には、図２及び図３に示すように、コイル７が実装されている。コイル７は、磁界シールド部材１０の残留磁化を解消する消磁制御を行う際に必要な第２磁界を発生させるために設けられている（詳細は後述される）。

コイル７は、例えば、回路基板５の表面に実装可能なチップインダクタと同様の構造を有している。コイル７の中心にコアが用いられる場合、コアは、パーマロイや磁性アモルファスなどの残留磁束密度が小さい軟磁性材料で構成されることが好適である。

コイル７は、通電により発生する第２磁界の向きがホール素子４の位置にて磁束密度検知方向（ｚ方向）と一致するように、配置されている。本例では、図２及び図３に示すように、同形の３つのコイル７が、回路基板５においてｚ方向の中央位置にてｘ方向に沿って間隔を空けて配置されている。３つのコイル７が配置されているのは、ホール素子４の周囲にて磁束密度検知方向に沿った均一な第２磁界を広範囲に亘って発生させるためである。

回路基板５には、ホール素子４が検出した磁界の強度（磁束密度）に基づいて電流値を算出する制御装置８（図１〜３では図示省略。図４を参照）が設けられている。図４に示すように、この制御装置８には、電流制御回路８ａ、タイミング調整回路８ｂ、及び、感度調整回路８ｃが含まれている。電流制御回路８ａは、コイル７へ通電する電流の大きさを制御するための回路である。タイミング調整回路８ｂは、ホール素子４の駆動タイミング、及び、コイル７への通電タイミングを制御するための回路である。感度調整回路８ｃは、ホール素子４からの検出値の増幅率（ゲイン）を調整する回路である。即ち、感度調整回路８ｃを制御して検出値の増幅率を調整することで、ホール素子４の検出値（算出された電流値）の感度調整を行うことができるようになっている。

更に、電流制御回路８ａは、コイル７への通電により発生する第２磁界の強度が、バスバー２を流れる電流に起因する第１磁界の強度の最大値以下となるように、コイル７への通電を制御するようになっている。これにより、ホール素子４の異常の有無を判定するために発生させる第２磁界により、センサ本体３を構成する各構成部品が磁化してしまうことを防止できる。なお、センサ本体３は、バスバー２を流れる電流に起因する第１磁界によっては、異常な磁化が生じないように構成されている。

電流制御回路８ａは、３つのコイル７への通電方向（電流の正負の向き）を切り替え可能となっている。即ち、電流制御回路８ａは、磁界シールド部材１０を第１の向きに磁化させるように第２磁界を発生させるモードと、磁界シールド部材１０を第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように第２磁界を発生させるモードと、を切り替え可能に構成されている。

なお、電流制御回路８ａが各コイル７への通電方向（電流の正負の向き）を切り替え不能である場合、コイル７が、磁界シールド部材１０を第１の向きに磁化させるように第２磁界を発生させる第１コイルと、磁界シールド部材を第２の向きに磁化させるように第２磁界を発生させる第２コイルと、を含むように構成されてもよい。この場合、第１、第２コイルの個数は同数であることが好適である。

上記のように構成された電流センサ１と、上述した制御装置８（電流制御回路８ａ、タイミング調整回路８ｂ及び感度調整回路８ｃ）と、により、本発明の実施形態に係る電流測定システム１００が構成される。

次いで、上記のように構成された電流センサ１（電流測定システム１００）の作動について説明する。電流測定システム１００は、通常の稼働状態において、バスバー２に電流が流れると、このバスバー２を流れる電流に起因して発生する第１磁界の強度（磁束密度）を検出し、この検出結果に基づいて電流値（検出値）を算出する。この検出値は、樹脂ケース６の外部出力用コネクタ部６ａに接続された相手方コネクタを介して外部機器に出力される。

ところで、磁界シールド部材１０は、上述したように、残留磁束密度が小さい軟磁性材料から構成されており、残留磁化が生じ難い。しかし、場合によっては、磁気ヒステリシスに起因して、磁界シールド部材１０において僅かな残留磁化が生じることがある。この残留磁化は、ホール素子４の検出値の誤差の原因となり、電流センサ１の測定精度を低下させる原因となり得る。

この電流検出システムでは、コイル７を利用して消磁用の第２磁界を発生させる消磁制御を行うことで、磁界シールド部材１０の残留磁化を解消することができる。以下、この点について説明する。

この消磁制御は、バスバー２に流れる電流の電流値の検出時と次の検出時との間のバスバー２に電流が流れていないときに行われる。具体的には、例えば、ホール素子４の検出値が所定値（ゼロ、又は微小値）以下のときに、消磁制御が開始される。

消磁制御では、例えば、図５に示す通電パターンでコイル７への通電が行われる。即ち、コイル７から磁界シールド部材１０を第１の向きに磁化させるように第２磁界を発生させる第１処理、及び、コイル７から磁界シールド部材１０を第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように第２磁界を発生させる第２処理が、第２磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら交互に繰り返される。

図５に示すコイル７への通電パターンでは、時刻ａにて値Ｉａ（＞０）の電流が瞬間的に付与され、その後、時刻ｂにて値Ｉｂ（＜０）の電流が瞬間的に付与され、その後、時刻ｃにて値Ｉｃ（＞０）の電流が瞬間的に付与され、その後、時刻ｄにて値Ｉｄ（＜０）の電流が瞬間的に付与される。ここで、｜Ｉａ｜＞｜Ｉｂ｜＞｜Ｉｃ｜＞｜Ｉｄ｜という関係がある。少なくとも｜Ｉａ｜は、磁界シールド部材１０の保磁力より大きい第２磁界を発生させることができる程度に大きい値となっている。

このように、互いに逆向きの第２磁界を発生させる処理を第２磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら交互に繰り返すことにより、周知のように、磁界シールド部材１０を消磁することができる。なお、この消磁処理により、センサ本体３を構成する磁性体からなる構成部品についても消磁することができる。

以上、本発明の実施形態に係る電流センサ１及び電流検出システムによれば、磁界シールド部材１０に残留磁化が生じた場合、コイル７から消磁用の磁界を発生させ、磁界シールド部材１０の残留磁化を解消することができる。

具体的には、コイル７から磁界シールド部材１０を第１の向きに磁化させるように第２磁界を発生させる処理、及び、コイル７から磁界シールド部材１０を第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように第２磁界を発生させる処理を、行うことができる。これら処理を第２磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら交互に繰り返すことにより、磁界シールド部材１０を消磁できる。

したがって、本構成の電流検出システムは、電流センサ１に内蔵される磁界シールド部材１０の残留磁化を解消可能である。

＜他の態様＞
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用できる。例えば、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

例えば、例えば、上記実施形態では、コイル７が３つ配置されている。しかし、コイル７は、１つのみ配置されていても、３つ以外の複数個配置されていてもよい。更に、回路基板５において、ホール素子４がｚ方向の一方側に寄った位置に配置され、コイル７がｚ方向の中央位置に配置されている。しかし、ホール素子４がｚ方向の中央位置に配置され、コイル７がｚ方向の一方側に寄った位置に配置されていてもよい。

更に、上記実施形態では、コイル７は、通電により発生する第２磁界の向きがホール素子４の位置にて磁束密度検知方向（ｚ方向）と一致するように配置されているが、コイル７は、通電により発生する第２磁界の向きがホール素子４の位置にて磁束密度検知方向とは異なる方向と一致するように配置されてもよい。このようにコイル７の配置を変更することで、第２磁界により磁界シールド部材１０が磁化される上記「第１の向き」及び「第２の向き」も変化することになる。

更に、上記実施形態では、消磁制御は、バスバー２に電流が流れていないとき（具体的には、ホール素子４の検出値が所定値以下のとき）に行われている。しかし、消磁制御に影響を与えない程度の微小な電流であれば、バスバー２に電流が流れていてもよい。

ここで、上述した本発明に係る電流測定システムの特徴をそれぞれ以下（１）〜（３）に簡潔に纏めて列記する。
（１）
測定対象の電流を通電可能な導体（２）、所定の検出方向に沿う方向の第１磁界の強度を検出可能な検出素子（４）、前記導体及び前記検出素子を囲む磁界シールド部材（１０）、及び、前記磁界シールド部材に向けて第２磁界を発生可能なコイル（７）、を有する電流センサ（１）と、
前記電流センサを制御する制御装置（８）であって、前記導体への通電時に前記検出素子によって検出された前記第１磁界の強度に基づき、前記導体を流れる電流の大きさを測定し、前記導体への通電とは別に前記コイルから前記第２磁界を発生させることにより、前記磁界シールド部材（１０）の残留磁気を除去する消磁制御を行う、ように構成された制御装置と、を備えた、
電流測定システム。
（２）
上記（１）に記載の電流測定システムにおいて、
前記コイル（７）は、
前記磁界シールド部材（１０）を第１の向きに磁化させるように磁界を発生させるモードと、前記磁界シールド部材（１０）を前記第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように磁界を発生させるモードと、を切り替え可能に構成されている、
又は、
前記磁界シールド部材を前記第１の向きに磁化させるように磁界を発生させる第１コイルと、前記磁界シールド部材を前記第２の向きに磁化させるように磁界を発生させる第２コイルと、を含む、
電流測定システム。
（３）
上記（１）又は上記（２）に記載の電流測定システムにおいて、
前記制御装置（８）は、
前記第１磁界による前記検出素子の検出値が所定の閾値以下であるとき、前記コイルから前記磁界シールド部材を第１の向きに磁化させるように前記第２磁界を発生させる第１処理、及び、前記コイルから前記磁界シールド部材を前記第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように前記第２磁界を発生させる第２処理を、前記第２磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら繰り返す前記消磁制御を行う、ように構成された、
電流測定システム。

１ 電流センサ
２ バスバー（導体）
３ センサ本体
４ ホール素子（検出素子）
７ コイル
８ 制御装置
８ａ 電流制御回路
８ｂ タイミング制御回路
８ｃ 感度調整回路
１０ 磁界シールド部材
１００ 電流測定システム

Claims (3)

1. 測定対象の電流を通電可能な導体、所定の検出方向に沿う方向の第１磁界の強度を検出可能な検出素子、前記導体及び前記検出素子を囲む磁界シールド部材、及び、前記磁界シールド部材に向けて第２磁界を発生可能なコイル、を有する電流センサと、
   前記電流センサを制御する制御装置であって、前記導体への通電時に前記検出素子によって検出された前記第１磁界の強度に基づき、前記導体を流れる電流の大きさを測定し、前記導体への通電とは別に前記コイルから前記第２磁界を発生させることにより、前記磁界シールド部材の残留磁気を除去する消磁制御を行う、ように構成された制御装置と、を備えた、
   電流測定システム。
2. 請求項１に記載の電流測定システムにおいて、
   前記コイルは、
   前記磁界シールド部材を第１の向きに磁化させるように磁界を発生させるモードと、前記磁界シールド部材を前記第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように磁界を発生させるモードと、を切り替え可能に構成されている、
   又は、
   前記磁界シールド部材を前記第１の向きに磁化させるように磁界を発生させる第１コイルと、前記磁界シールド部材を前記第２の向きに磁化させるように磁界を発生させる第２コイルと、を含む、
   電流測定システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電流測定システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記第１磁界による前記検出素子の検出値が所定の閾値以下であるとき、前記コイルから前記磁界シールド部材を第１の向きに磁化させるように前記第２磁界を発生させる第１処理、及び、前記コイルから前記磁界シールド部材を前記第１の向きとは逆の第２の向きに磁化させるように前記第２磁界を発生させる第２処理を、前記第２磁界の大きさの絶対値を徐々に小さくしながら繰り返す前記消磁制御を行う、ように構成された、
   電流測定システム。
   
   

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