JP2019100922A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外乱の影響による検出精度の低下を抑制でき、かつ、電流検出対象でないバスバを流れる電流の影響を抑制可能な電流センサを提供する。【解決手段】板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されている２本のバスバ２と、バスバ２の板厚方向において２本のバスバ２とそれぞれ対向して配置され、対応するバスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する２つの磁気検出素子３と、を備え、両磁気検出素子３は、２つの感磁位置Ａ，Ｂでそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、その検出軸方向が、バスバ２の長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、板厚方向に対して傾くように配置されている。【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１では、２本のバスバ（導体）を流れる電流を２つの磁気検出素子を用いてそれぞれ検出する電流センサが記載されている。この電流センサでは、感磁方向直線（検出軸方向に沿った直線）が電流検出対象でないバスバを向くように、より好ましくは電流検出対象でないバスバを流れる電流に起因する磁界の方向と直交するように磁気検出素子を配置することで、電流検出対象でないバスバを流れる電流の影響を抑制する点が記載されている。

特開２０１６−２００４３８号公報

ところで、磁気検出素子によって検知される磁界は、バスバを流れる電流により生じる磁界の他に、隣接機器から生じる磁界、地磁気等の外乱がある。これらの外乱は磁気シールドを設けることで低減可能であるが、小型化や軽量化等のために十分なシールド性能が確保できない場合等も考えられる。特許文献１に記載の電流センサでは、このような外乱の影響が無視できない場合に、十分な精度を確保することが困難であるという課題がある。

そこで、本発明は、外乱の影響による検出精度の低下を抑制でき、かつ、電流検出対象でないバスバを流れる電流の影響を抑制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、板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されている２本のバスバと、前記バスバの板厚方向において前記２本のバスバとそれぞれ対向して配置され、対応する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２つの磁気検出素子と、を備え、前記磁気検出素子は、２つの感磁位置でそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、その検出軸方向が、前記バスバの長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、前記板厚方向に対して傾くように配置されている、電流センサを提供する。

本発明によれば、外乱の影響による検出精度の低下を抑制でき、かつ、電流検出対象でないバスバを流れる電流の影響を抑制可能な電流センサを提供する。

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）はバスバの長さ方向に垂直な断面を示す断面図、（ｂ）はその側面図である。 （ａ）は、第１バスバに直流電流を流した際に、第１磁気検出素子の両感磁素子で検出される磁界強度の角度φによる変化を示すグラフ図であり、（ｂ）は、第１バスバに直流電流を流した際に、第２磁気検出素子の両感磁素子で検出される磁界強度の角度φによる変化を示すグラフ図である。 第１バスバに直流電流を流した際における、第２磁気検出素子の出力の角度φによる変化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）はバスバの長さ方向に垂直な断面を示す断面図、（ｂ）はその側面図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、電流センサ１は、２本のバスバ２と、２つの磁気検出素子３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。本実施の形態では、２本のバスバ２には、それぞれ独立した単相の電流が導通されている。２本のバスバ２は、その板幅方向に離間して整列配置されており、その長さ方向に沿って電流を流すようになっている。両バスバ２の厚さは、例えば３ｍｍである。以下、図１（ａ）の右側のバスバ２を第１バスバ２ａ、図１（ａ）の左側のバスバ２を第２バスバ２ｂと呼称する。

磁気検出素子３は、対応するバスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を検出するものである。磁気検出素子３は、バスバ２の板厚方向において２本のバスバ２ａ，２ｂとそれぞれ対向して配置されると共に、対応するバスバ２からの前記板厚方向に沿った距離ｄ１が略等しくなるように配置されている。以下、図１（ａ）の左右方向を幅方向、上下方向を厚さ方向、紙面方向を長さ方向という。長さ方向は図示Ｘ軸方向、厚さ方向は図示Ｙ軸方向、幅方向は図示Ｚ軸方向に対応する。また、バスバ２の板幅方向は幅方向に、板厚方向は厚さ方向にそれぞれ対応する。このように、電流センサ１では、２つの磁気検出素子３が、幅方向（Ｚ方向）に並んで配置されている。

ここで、バスバ２と磁気検出素子３との距離ｄ１とは、より詳細には、バスバ２の磁気検出素子３側の面から、磁気検出素子３の中心位置（幅方向、長さ方向、及び厚さ方向における中心位置）までの距離である。磁気検出素子３は、その中心位置が、対応するバスバ２の幅方向中心位置と厚さ方向に対向するように配置されている。以下、第１バスバ２ａと厚さ方向に対向して配置された磁気検出素子３を第１磁気検出素子３ａ、第２バスバ２ｂと厚さ方向に対向して配置された磁気検出素子３を第２磁気検出素子３ｂと呼称する。なお、バスバ２ｂと磁気検出素子３ｂとの距離が、バスバ２ａと磁気検出素子３ａとの距離と等しくなることが望ましいが、例えば、製造誤差等の理由により０．９９〜１．０１倍（略等しい場合）であってもよい。

本実施の形態に係る電流センサ１では、両磁気検出素子３ａ，３ｂとして、２つの感磁位置Ａ，Ｂを有し、両感磁位置でそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子を用いる。磁気検出素子３ａ，３ｂとしては、例えば、勾配検知タイプのＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子を用いることができる。

勾配検知タイプの磁気検出素子３では、感磁位置Ａ，Ｂで検出した磁界強度の差分を出力するため、空間に対して一様な分布とみなせる外乱（十分に離れた位置に配置された機器からの磁界や地磁気など）はキャンセルされる。つまり、勾配検知タイプの磁気検出素子３を用いることによって、外乱の影響による検出精度の低下を抑制することが可能になる。

しかし、勾配検知タイプの磁気検出素子３では、２つの感磁位置Ａ，Ｂが離間しているため、磁界の発生位置が近く磁気検出素子３の位置で磁場勾配が大きい外乱に対しては、感磁位置Ａ，Ｂで同じ磁界強度が検出されないため検出誤差の要因となってしまう。そのため、電流検出対象でないバスバ２（以下、隣接バスバ２と呼称する）で発生する磁界は、検出誤差の要因となってしまう。

そこで、本実施の形態では、両磁気検出素子３を、その検出軸方向が、長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、厚さ方向（バスバ２の板厚方向）に対して傾くように配置した。これにより、磁気検出素子３の両感磁位置Ａ，Ｂで検出される隣接バスバ２からの磁界を同等に調整することが可能になり、隣接バスバ２で発生する磁界の影響を抑制することが可能になる。図１（ａ），（ｂ）では、検出軸を符号Ｄで表している。

さらに、本実施の形態では、両磁気検出素子３ａ，３ｂにおける検出軸方向の厚さ方向に対する傾き角度θ（絶対値）を略同じ角度とし、かつ厚さ方向に対する傾き方向を逆方向とした。図１（ａ）の例では、図示左側に配置された第１磁気検出素子３ａの検出軸方向を反時計回り方向に傾け、図示右側に配置された第２磁気検出素子３ｂの検出軸方向を時計回り方向に傾けた場合を示している。ただし、これに限らず、第１磁気検出素子３ａの検出軸方向を時計回り方向に傾けると共に、第２磁気検出素子３ｂの検出軸方向を反時計回り方向に傾けてもよい。

両磁気検出素子３ａ，３ｂは、幅方向を法線方向とする面（厚さ方向及び長さ方向に平行な面、ＸＹ平面）に対して対称となるように配置されている。なお、ここでいう対称は、両磁気検出素子３ａ，３ｂの感磁位置Ａ，Ｂが対称に配置されていることも含んでいる。つまり、両磁気検出素子３ａ，３ｂは、感磁位置Ａ，Ｂが長さ方向に垂直な断面視で左右対称となるように配置される。両磁気検出素子３ａ，３ｂを対称配置することにより、両磁気検出素子３ａ，３ｂで検出される磁束密度の振幅を同等とすることが可能になり、電流センサ１の取り扱い（検出精度の管理等）が容易になる。

（磁気検出素子３ａ，３ｂの傾き角度θについて）
感磁位置Ａ，Ｂ間の距離ｄが１．２ｍｍである磁気検出素子３を用いた場合に、傾き角度θを変化させた際の両磁気検出素子３ａ，３ｂの感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁界強度をシミュレーションにより求めた。シミュレーションでは、バスバ２と磁気検出素子３との距離ｄ１を１０ｍｍとし、バスバ２及び磁気検出素子３の幅方向配置ピッチ（バスバ２及び磁気検出素子３の幅方向中心位置同士の間隔）ｄ２を２０．５ｍｍ、両バスバ２の幅を１５ｍｍ、両バスバ２の厚さを３ｍｍとした。

第１バスバ２ａに直流電流を流した際に、第１磁気検出素子３ａの両感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁界強度（磁束密度）の角度φによる変化を図２（ａ）に示す。また、第１バスバ２ａに直流電流を流した際に、第２磁気検出素子３ｂの両感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁界強度（磁束密度）の角度φによる変化を図２（ｂ）に示す。さらに、第１バスバ２ａに直流電流を流した際における、第２磁気検出素子３ｂの出力（感磁位置Ａ，Ｂの磁束密度の差分）の角度φによる変化を図３に示す。なお、角度φは、検出軸方向と垂直な方向と厚さ方向とのなす角度であり、φ＝９０−θで表される（図１（ａ）参照）。

図２（ａ），（ｂ）では、縦軸の磁束密度については、φ＝０度としたときの第１磁気検出素子３ａの感磁位置Ｂで検出される磁束密度を基準として規格化している。また、図３では、縦軸の磁束密度の差分について、絶対値が最大となる値（角度φが約１２０度における磁束密度の差分）にて規格化している。

図２（ａ）に示されるように、対応する第１バスバ２ａに電流が流れている場合、第１磁気検出素子３ａの角度φ（傾き角度θ）を変化させると、両感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束は周期的に変化する。なお、図２（ａ）では、第１バスバ２ａに電流を流した場合に第１磁気検出素子３ａの感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束密度を示しているが、第２バスバ２ｂに電流を流した場合に第２磁気検出素子３ｂの感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束密度も同様の特性となる。

他方、図２（ｂ）に示されるように、対応しない第１バスバ２ａに電流が流れている場合であっても、第２磁気検出素子３ｂの感磁位置Ａ，Ｂでは磁束密度が検出される。この場合も、第２磁気検出素子３ｂの角度φ（傾き角度θ）を変化させると、図２（ａ）と同様に、両感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束は周期的に変化する。図３に示されるように、第２磁気検出素子３ｂの出力、すなわち両感磁位置Ａ，Ｂで検出した磁束密度の差分についても、第２磁気検出素子３ｂの角度φ（傾き角度θ）を変化させると、周期的に変化する。なお、図２（ｂ）及び図３では、第１バスバ２ａに電流を流した場合に第２磁気検出素子３ｂの感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束密度及びその差分を示しているが、第２バスバ２ｂに電流を流した場合に第１磁気検出素子３ａの感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束密度及びその差分も同様の特性となる。

ここで、図２（ｂ）および図３に白抜き矢印で示されるように、この例では、角度φが約７０度及び約１７０度（傾き角度θが約２０度及び約−８０度）にて、両感磁位置Ａ，Ｂで検出される磁束密度が同等の値となり、出力（両感磁位置Ａ，Ｂで検出した磁束密度の差分）が略ゼロになる。つまり、角度φを約７０度あるいは約１７０度とすることで、隣接バスバ２からの磁界の影響を抑制することが可能になる。

なお、検出軸方向が隣接バスバ２からの磁界の方向と直交するように磁気検出素子を配置する従来技術では、図２（ｂ）に塗り潰し矢印で示されるように、検出される磁界強度が０となる角度に角度φ（傾き角度θ）を設定することになる。この例では、角度φが約３０度あるいは約２１０度に設定されることになる。しかし、図３に塗り潰し矢印で示されるように、この角度においては、両感磁位置Ａ，Ｂで検出した磁束密度の差分がゼロとはならず、隣接バスバ２からの磁界の影響を抑制することはできない。この例では、従来技術に従って角度φを設定した場合、第２磁気検出素子３ｂの出力が略極大値となり、隣接バスバ２からの磁界の影響が非常に大きくなってしまうことになる。

図２、３に示した特性は、磁気検出素子３の感磁位置Ａ，Ｂ間の距離ｄ、バスバ２と磁気検出素子３との距離ｄ１、バスバ２及び磁気検出素子３の幅方向配置ピッチｄ２等によって変化し、それに伴って、最適な傾き角度θ（角度φ）も変化する。よって、バスバ２と磁気検出素子３の配置等を考慮し、隣接バスバ２からの磁界の影響が最も小さくなる傾き角度θ（角度φ）に設定するとよい。

対応するバスバ２を流れる電流により両感磁位置Ａ，Ｂで検出された磁界強度の差分Ｄａに対する、対応しないバスバ２（隣接バスバ２）を流れる電流により両感磁位置Ａ，Ｂで検出された磁界強度の差分Ｄｂの比率Ｄｂ／Ｄａ×１００は、０．５％以下とされることが望ましく、より望ましくは０．１％以下とされるとよい。つまり、傾き角度θは、比率Ｄｂ／Ｄａ×１００が０．５％以下、より好ましくは０．１％以下となる角度に設定されるとよい。

（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、両磁気検出素子３ａ，３ｂは、２つの感磁位置Ａ，Ｂでそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、その検出軸方向が、バスバ２の長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、バスバ２の板厚方向に対して傾くように配置されている。

勾配検知タイプの磁気検出素子３ａ，３ｂを用いることで、空間に対して一様な分布とみなせる外乱の影響を抑制できる。さらに、磁気検出素子３ａ，３ｂを、検出軸方向が厚さ方向に対して傾くように配置することで、隣接バスバ２で発生した磁界の影響を両感磁位置Ａ，Ｂで同等とし、これをキャンセルすることが可能になる。つまり、本実施の形態によれば、外乱の影響による検出精度の低下を抑制でき、かつ、電流検出対象でないバスバ２を流れる電流の影響を抑制可能な電流センサ１を実現でき、電流センサ１の検出精度の向上に寄与する。

また、磁気検出素子３ａ，３ｂの検出軸方向を厚さ方向に対して傾けることによって、磁気検出素子３ａ，３ｂの感磁位置Ａ，Ｂでの検知感度を抑制できるので、よりバスバ２の近傍に磁気検出素子３ａ，３ｂを配置することが可能となり、電流センサ１の小型化に寄与する。

（変形例）
上記実施の形態では、第１バスバ２ａと第１磁気検出素子３ａとの距離が、第２バスバ２ｂと第２磁気検出素子３ｂとの距離が等しくなる場合について説明したが、これに限らず、これらの距離が異なっていても良い。この場合も、両磁気検出素子３ａ，３ｂは、上記実施の形態と同様に、比率Ｄｂ／Ｄａ×１００が０．５％以下となるように配置されることが望ましく、より望ましくは０．１％以下となるように配置されるとよい。つまり、この場合は、第１磁気検出素子３ａの傾き角度は、第２磁気検出素子３ｂの傾き角度と違う角度となる。なお、両磁気検出素子３の厚さ方向に対する傾き方向は、上記実施の形態と同様に、逆方向となるように配置される。

また、上記実施の形態では、２本のバスバ２と、２つの磁気検出素子３を用いる場合について説明したが、これに限らず、１本のバスバと１つの磁気検出素子３のみを有する場合にも、本発明の効果は得られる。つまり、磁気検出素子３の近傍に磁界の発生源が存在する場合に、勾配検知タイプの磁気検出素子３をバスバ２の厚さ方向に対して傾けて配置することで、上記磁界の発生源からの影響を感磁位置Ａ，Ｂで同等としてキャンセルして、上記磁界の発生源からの影響を抑制することが可能である。

また、上記実施の形態では言及しなかったが、外乱による影響をより抑制するために、バスバ２と磁気検出素子３とを厚さ方向から挟み込むように、一対のシールド板を設けてもよい。また、バスバ２と磁気検出素子３とをモールド樹脂で覆うようにしてもよい。

（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］板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されている２本のバスバ（２）と、前記バスバ（２）の板厚方向において前記２本のバスバ（２）とそれぞれ対向して配置され、対応する前記バスバ（２）を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する２つの磁気検出素子（３）と、を備え、前記両磁気検出素子（３）は、２つの感磁位置（Ａ，Ｂ）でそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、その検出軸方向が、前記バスバ（２）の長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、前記板厚方向に対して傾くように配置されている、電流センサ（１）。

［２］前記両磁気検出素子（３）は、それぞれ対応する前記バスバ（２）からの前記板厚方向に沿った距離が略等しくなるように配置されている、［１］に記載の電流センサ（１）。

［３］前記両磁気検出素子（３）は、前記板幅方向を法線方向とする面に対して略対称に配置されている、［１］または［２］に記載の電流センサ（１）。

［４］前記両磁気検出素子（３）の傾き角度は、対応する前記バスバ（２）を流れる電流により両感磁位置（Ａ，Ｂ）で検出された磁界強度の差分Ｄａに対する、対応しない前記バスバを流れる電流により両感磁位置で検出された磁界強度の差分Ｄｂの比率Ｄｂ／Ｄａ×１００が、０．５％以下となる角度である、［１］から［３］いずれかに記載の電流センサ（１）。

［５］板状に形成されたバスバ（２）と、前記バスバ（２）の板厚方向において前記バスバ（２）と対向して配置されており、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、を備え、前記磁気検出素子（３）は、２つの感磁位置（Ａ，Ｂ）でそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、その検出軸方向が、前記バスバ（２）の長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、前記板厚方向に対して傾くように配置されている、電流センサ。

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。また、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。

１…電流センサ
２…バスバ
２ａ…第１バスバ
２ｂ…第２バスバ
３…磁気検出素子
３ａ…第１磁気検出素子
３ｂ…第２磁気検出素子
Ａ，Ｂ…感磁位置
Ｄ…検出軸

Claims (5)

1. 板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されている２本のバスバと、
   前記バスバの板厚方向において前記２本のバスバとそれぞれ対向して配置され、対応する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２つの磁気検出素子と、を備え、
   前記両磁気検出素子は、
   ２つの感磁位置でそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、
   その検出軸方向が、前記バスバの長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、前記板厚方向に対して傾くように配置されている、
   電流センサ。
2. 前記両磁気検出素子は、それぞれ対応する前記バスバからの前記板厚方向に沿った距離が略等しくなるように配置されている、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記両磁気検出素子は、前記板幅方向を法線方向とする面に対して略対称に配置されている、
   請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記両磁気検出素子の傾き角度は、対応する前記バスバを流れる電流により両感磁位置で検出された磁界強度の差分Ｄａに対する、対応しない前記バスバを流れる電流により両感磁位置で検出された磁界強度の差分Ｄｂの比率Ｄｂ／Ｄａ×１００が、０．５％以下となる角度である、
   請求項１から３いずれかに記載の電流センサ。
5. 板状に形成されたバスバと、
   前記バスバの板厚方向において前記バスバと対向して配置されており、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、
   前記磁気検出素子は、
   ２つの感磁位置でそれぞれ検出した磁界強度の差分を出力する勾配検知タイプの磁気検出素子であり、
   その検出軸方向が、前記バスバの長さ方向に対して垂直な方向となり、かつ、前記板厚方向に対して傾くように配置されている、
   電流センサ。

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