JP2019128252A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサ、バスバー及びコアを備えた電流センサをより小型化する。【解決手段】測定対象電流Ｉによって磁気センサＳの感度軸方向に磁束を発生させるバスバーＢと、磁束の磁路となるコア１０とを備える。バスバーＢは、測定対象電流Ｉが互いに逆方向に流れる電流経路Ｂ１，Ｂ２を含む。コア１０は、磁気センサＳの感度軸方向における両側に位置する第１及び第２の部分１１，１２と、互いに独立して設けられ、バスバーの電流経路Ｂ１，Ｂ２を覆うことなく、第１の部分１１と第２の部分１２を接続する第３及び第４の部分１３，１４とを含む環状構造を有する。本発明によれば、コア１０の第３及び第４の部分１３，１４がバスバーＢの電流経路Ｂ１，Ｂ２を覆わない位置に設けられていることから、電流センサの外形を小型化することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は電流センサに関し、特に、測定対象電流によって発生する磁束の磁路となるコアと磁気センサを備えた電流センサに関する。

磁気センサを用いた電流センサとしては、特許文献１及び２に記載された電流センサが知られている。特許文献１及び２に記載された電流センサは、計測対象となる電流が流れるバスバーと、バスバーに流れる電流によって生じる磁束を受ける磁気センサと、磁束の磁路となるコアを備えている。

特許文献１及び２に記載された電流センサにおいては、バスバーが１８０°折り返されており、これにより、バスバーの第１の電流経路と第２の電流経路には、測定対象電流が互いに逆方向に流れる。そして、特許文献１及び２に記載された電流センサにおいては、バスバーの第１の電流経路と第２の電流経路を覆うようにコアが配置されている。

特開平１１−２５８２７５号公報 特開２０１０−２７６４２２号公報

しかしながら、バスバーの第１の電流経路と第２の電流経路を覆うようにコアを設けると、電流センサの外形が大型化するという問題があった。

したがって、本発明は、磁気センサ、バスバー及びコアを備えた電流センサをより小型化することを目的とする。

本発明による電流センサは、磁気センサと、測定対象電流によって磁気センサの感度軸方向に磁束を発生させるバスバーと、磁束の磁路となるコアと、を備え、バスバーは、測定対象電流が互いに逆方向に流れる第１及び第２の電流経路を含み、コアは、磁気センサの感度軸方向における両側に位置する第１及び第２の部分と、互いに独立して設けられ、バスバーの第１及び第２の電流経路を覆うことなく、第１の部分と第２の部分を接続する第３及び第４の部分とを含む環状構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、コアの第３及び第４の部分がバスバーの第１及び第２の電流経路を覆わない位置に設けられていることから、電流センサの外形を小型化することが可能となる。しかも、コアが環状構造を有していることから、特許文献２に記載された電流センサのように、環状のコアによってバスバーの第１及び第２の電流経路を囲んだ構造とした場合と同等の検出感度を確保することが可能となる。

本発明において、コアの第３の部分は、感度軸方向及びバスバーの第１の電流経路の延在方向と平行な第１のサイドウォールを含み、バスバーの第１の電流経路は、第１のサイドウォールに設けられた切り欠き部から露出しており、コアの第４の部分は、感度軸方向及びバスバーの第２の電流経路の延在方向と平行な第２のサイドウォールを含み、バスバーの第２の電流経路は、第２のサイドウォールに設けられた切り欠き部から露出していても構わない。これによれば、バスバーとコアの第３及び第４の部分との干渉を防止しつつ、コアの体積を増大させることが可能となる。

本発明において、バスバーは、第１の電流経路と第２の電流経路を接続する第３の電流経路をさらに含み、コアの第３及び第４の部分は、バスバーの第３の電流経路を覆う位置に設けられていても構わないし、コアの第３及び第４の部分は、バスバーの第１乃至第３の電流経路に囲まれる位置に設けられていても構わない。これによれば、バスバーの第１〜第３の電流経路と干渉することなく、コアの第３及び第４の部分を配置することが可能となる。

本発明において、コアは、互いに独立して設けられ、バスバーの第１及び第２の電流経路を覆うことなく、第１の部分と第２の部分を接続する第５及び第６の部分をさらに含むものであっても構わない。これによれば、コアの磁気抵抗をより低減することが可能となる。

本発明において、コアの第５及び第６の部分は、コアの第１乃至第３の電流経路に囲まれる位置に設けられていても構わない。これによれば、バスバーの第１〜第３の電流経路と干渉することなく、コアの第３〜第６の部分を配置することが可能となる。

本発明において、コアの第３及び第４の部分とコアの第５及び第６の部分は、互いに異なるブロックに属していても構わないし、コアの第１の部分とコアの第２の部分は、互いに異なるブロックに属していても構わない。これよれば、２つのブロックを組み合わせることによってコアを形成できることから、電流センサの作製が容易となる。

本発明において、コアは、感度軸を中心として折り曲げた枠状平板からなるものであっても構わない。これによれば、コアの材料としてパーマロイなどの磁性金属材料を用いることが可能となる。

本発明による電流センサは、補償電流によって磁気センサの感度軸方向に磁束を発生させる補償コイルをさらに備えていても構わない。これによれば、いわゆるクローズドループ型の磁気センサを構成することが可能となる。

このように、本発明によれば、磁気センサ、バスバー及びコアを備えた電流センサをより小型化することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の構成を説明するための略斜視図である。 図２は、電流センサ１をｘ方向から見た正面図である。 図３は、電流センサ１をｙ方向から見た側面図である。 図４は、電流センサ１をｚ方向から見た上面図である。 図５は、磁気センサＳの構造を説明するための模式的な斜視図である。 図６は、本発明の第２の実施形態による電流センサ２の構成を説明するための略斜視図である。 図７は、電流センサ２をｘ方向から見た正面図である。 図８は、電流センサ２をｙ方向から見た側面図である。 図９は、電流センサ２をｚ方向から見た上面図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態による電流センサ３の構成を説明するための略斜視図である。 図１１は、電流センサ３をｘ方向から見た正面図である。 図１２は、電流センサ３をｙ方向から見た側面図である。 図１３は、電流センサ３をｚ方向から見た上面図である。 図１４は、本発明の第４の実施形態による電流センサ４の構成を説明するための略斜視図である。 図１５は、電流センサ４をｘ方向から見た正面図である。 図１６は、電流センサ４をｙ方向から見た側面図である。 図１７は、電流センサ４をｚ方向から見た上面図である。 図１８は、本発明の第５の実施形態による電流センサ５の構成を説明するための略斜視図である。 図１９は、電流センサ５をｘ方向から見た正面図である。 図２０は、電流センサ５をｙ方向から見た側面図である。 図２１は、電流センサ５をｚ方向から見た上面図である。 図２２は、本発明の第６の実施形態による電流センサ６の構成を説明するための略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の構成を説明するための略斜視図である。また、図２は電流センサ１をｘ方向から見た正面図、図３は電流センサ１をｙ方向から見た側面図、図４は電流センサ１をｚ方向から見た上面図である。

図１〜図４に示すように、本実施形態による電流センサ１は、ｘ方向を感度軸方向とする磁気センサＳと、磁気センサＳの周囲に設けられた補償コイルＣと、測定対象電流Ｉによって磁気センサＳにｘ方向の磁束φを与えるバスバーＢと、磁束φの磁路となるコア１０とを備えている。

図５に示すように、磁気センサＳは、ｘ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍと、可飽和磁性体Ｍに巻回された検出コイルＬｐを備えている。検出コイルＬｐは、可飽和磁性体Ｍに直接巻回しても構わないし、可飽和磁性体Ｍを収容するボビンに巻回しても構わない。可飽和磁性体Ｍの材料については特に限定されないが、アモルファス磁性金属を用いることが好ましい。アモルファス磁性金属は、単層構造であっても構わないし、複数のアモルファス磁性金属膜を厚み方向に積層した構造であっても構わない。

磁気センサＳは、ｘ方向を長手方向とする可飽和磁性体Ｍに検出コイルＬｐが巻回された構成を有していることから、ｘ方向の磁界に応じて検出コイルＬｐのインダクタンスが変化する。検出コイルＬｐは、基板２０に実装された図示しない検出回路に接続される。検出回路は、基板２０に設けられた端子２１を介して電流センサ１の外部に接続される。

補償コイルＣは、補償電流によって磁気センサＳにｘ方向の磁束を与えることにより、クローズドループ制御を行うために設けられる。補償コイルＣについても、基板２０に実装された図示しない検出回路に接続される。本発明において、補償コイルＣを用いたクローズドループ制御を行うことは必須でないが、クローズドループ制御を行うことにより、測定可能な電流範囲が拡大するとともに、より正確な電流測定が可能となる。尚、検出回路については、基板２０に設けても構わないし、一部又は全部を電流センサ１の外部に設けても構わない。

バスバーＢは、測定対象電流Ｉが流れる電流経路であり、ｚ方向に延在する第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２と、ｙ方向に延在し、電流経路Ｂ１と電流経路Ｂ２を接続する第３の電流経路Ｂ３とを有している。これにより、第１の電流経路Ｂ１と第２の電流経路Ｂ２には、測定対象電流Ｉが互いに逆方向に流れる。バスバーＢは、第１〜第３の電流経路Ｂ１〜Ｂ３によって磁気センサＳを囲むように配置されていることから、バスバーＢに測定対象電流Ｉが流れると、磁気センサＳにはｘ方向の磁束φが印加される。そして、クローズドループ制御により磁束φを打ち消す電流が補償コイルＣに流れ、その電流値を基板２０等に設けられた検出回路を用いて測定することにより、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉの電流量を測定することが可能となる。

コア１０は、フェライトなどの高透磁率材料からなり、測定対象電流Ｉによって発生する磁束φの磁路として機能する。図１〜図４に示すように、コア１０は、磁気センサＳのｘ方向における両側に位置する第１及び第２の部分１１，１２と、第１の部分１１と第２の部分１２を接続するようｙ方向に延在する第３及び第４の部分１３，１４とを含む環状構造を有している。コア１０の第１及び第２の部分１１，１２は、磁気センサＳをｘ方向から覆うｙｚ面を有している。このため、磁気センサＳは、コア１０の第１及び第２の部分１１，１２によってｘ方向から挟まれることになる。また、コア１０の第３の部分１３と第４の部分１４は互いに独立して設けられており、いずれも、バスバーＢの第３の電流経路Ｂ３をｚ方向から覆う位置に設けられている。これに対し、バスバーＢの第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２は、コア１０によってｙ方向から覆われることなく露出している。

かかる構成により、図１〜図３に示す方向に測定対象電流Ｉが流れると、コア１０には図２〜図４に示す方向に磁束φが流れる。つまり、コア１０の第３の部分１３と第４の部分１４には、いずれもｘプラス方向に磁束φが流れ、この磁束φはコア１０の第１の部分１１にてぶつかり、磁気センサＳに対してｘマイナス方向の磁束φを与える。そして、磁気センサＳを通過した磁束φは、コア１０の第２の部分１２に印加され、第３の部分１３と第４の部分１４に分配される。これにより、測定対象電流Ｉにより発生した磁束φが効率よく磁気センサＳに印加されることから、バスバーＢに流れる測定対象電流Ｉを感度良く測定することが可能となる。

しかも、本実施形態においては、コア１０の第３及び第４の部分１３，１４がバスバーＢの第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２をｙ方向から覆うことなく、第３の電流経路Ｂ３をｚ方向から覆う位置に設けられていることから、電流センサ１のｙ方向における幅を縮小することが可能となる。これにより、環状構造を有するコアを用いた従来の電流センサに比べて、実質的に同じ特性を確保しつつ、ｙ方向における幅をより縮小することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態による電流センサ２の構成を説明するための略斜視図である。また、図７は電流センサ２をｘ方向から見た正面図、図８は電流センサ２をｙ方向から見た側面図、図９は電流センサ２をｚ方向から見た上面図である。

図６〜図９に示すように、本実施形態による電流センサ２は、コア１０の形状が異なる点を除き、第１の実施形態による電流センサ１と同じ構造を有している。したがって、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態による電流センサ２では、コア１０の第３及び第４の部分１３，１４がそれぞれサイドウォール１３ｓ，１４ｓを有している。サイドウォール１３ｓ，１４ｓはｘｚ面を有し、磁気センサＳの一部及び補償コイルＣの一部をｙ方向から覆っている。しかしながら、バスバーＢと干渉する部分においてはサイドウォール１３ｓ，１４ｓに切り欠き部１３ａ，１４ａが設けられている。これにより、バスバーＢの第１の電流経路Ｂ１は、サイドウォール１３ｓに設けられた切り欠き部１３ａから露出し、バスバーＢの第２の電流経路Ｂ２は、サイドウォール１４ｓに設けられた切り欠き部１４ａから露出している。したがって、本実施形態においても、バスバーＢの第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２は、コア１０によってｙ方向から覆われることなく露出している。

本実施形態による電流センサ２は、第１の実施形態による電流センサ１と同じ効果を得ることができるとともに、コア１０の体積がより増大することから、コア１０の磁気抵抗をより低減することが可能となる。しかも、サイドウォール１３ｓ，１４ｓは、ｙ方向の外乱磁界に対するシールドとしても機能することから、電流Ｉの測定誤差を低減することも可能となる。

＜第３の実施形態＞
図１０は、本発明の第３の実施形態による電流センサ３の構成を説明するための略斜視図である。また、図１１は電流センサ３をｘ方向から見た正面図、図１２は電流センサ３をｙ方向から見た側面図、図１３は電流センサ３をｚ方向から見た上面図である。

図１０〜図１３に示すように、本実施形態による電流センサ３は、磁気センサＳの感度軸を中心にコア１０が１８０°回転してレイアウトされている点において、第１の実施形態による電流センサ１と相違する。その他の構成は、第１の実施形態による電流センサ１と同じであることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態による電流センサ３では、コア１０の第３及び第４の部分１３，１４がバスバーＢの第１〜第３の電流経路Ｂ１〜Ｂ３に囲まれている。このような構成であっても、第１の実施形態による電流センサ１とほぼ同じ効果を得ることができる。しかも、本実施形態においては、バスバーＢの第３の電流経路Ｂ３がコア１０によって覆われないことから、電流センサ３のｚ方向における高さをより低くすることが可能となる。

＜第４の実施形態＞
図１４は、本発明の第４の実施形態による電流センサ４の構成を説明するための略斜視図である。また、図１５は電流センサ４をｘ方向から見た正面図、図１６は電流センサ４をｙ方向から見た側面図、図１７は電流センサ４をｚ方向から見た上面図である。

図１４〜図１７に示すように、本実施形態による電流センサ４は、コア１０が第５及び第６の部分１５，１６をさらに含む点において、第２の実施形態による電流センサ２と相違する。その他の基本的な構成は、第２の実施形態による電流センサ２と同じであることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

コア１０の第５及び第６の部分１５，１６は、第３及び第４の部分１３，１４と同様、互いに独立して設けられ、ｘ方向に延在することによって第１の部分１１と第２の部分１２を接続する。コア１０の第５及び第６の部分１５，１６は、第３の実施形態と同様、バスバーＢの第１〜第３の電流経路Ｂ１〜Ｂ３に囲まれる位置に設けられている。

また、第５及び第６の部分１５，１６は、それぞれサイドウォール１５ｓ，１６ｓを有している。サイドウォール１５ｓ，１６ｓはｘｚ面を有し、磁気センサＳの一部及び補償コイルＣの一部をｙ方向から覆っている。しかしながら、バスバーＢと干渉する部分においてはサイドウォール１５ｓ，１６ｓに切り欠き部１５ａ，１６ａが設けられている。これにより、バスバーＢの第１の電流経路Ｂ１は、サイドウォール１３ｓ，１５ｓに設けられた切り欠き部１３ａ，１５ａから露出し、バスバーＢの第２の電流経路Ｂ２は、サイドウォール１４ｓ，１６ｓに設けられた切り欠き部１４ａ，１６ａから露出している。したがって、本実施形態においても、バスバーＢの第１及び第２の電流経路Ｂ１，Ｂ２は、コア１０によってｙ方向から覆われることなく露出している。

本実施形態による電流センサ４は、第２の実施形態による電流センサ２と同じ効果を得ることができるとともに、コア１０の体積がよりいっそう増大することから、コア１０の磁気抵抗をよりいっそう低減することが可能となる。しかも、磁気センサＳの周囲の大部分がコア１０によって覆われることから、外乱磁界に対するシールド効果もより高められる。

また、本実施形態においては、コア１０がｚ方向に分割された２つのブロック１０Ａ，１０Ｂによって構成されている。具体的には、第１及び第２の部分１１，１２の上側半分と、第３及び第４の部分１３，１４がブロック１０Ａによって構成され、第１及び第２の部分１１，１２の下側半分と、第５及び第６の部分１５，１６がブロック１０Ｂによって構成されている。このように、コア１０を２つのブロック１０Ａ，１０Ｂによって構成すれば、２つのブロック１０Ａ，１０Ｂを組み合わせることによってコア１０が形成されることから、電流センサ４の作製が容易となる。しかも、本実施形態においては、ブロック１０Ａ，１０Ｂがｚ方向に分割されていることから、コア１０の内部をｘ方向に流れる磁束に対してブロック１０Ａ，１０Ｂの界面が磁気ギャップとなることがない。尚、本実施形態においては、２つのブロック１０Ａ，１０Ｂをｚ方向に分割しているが、これらをｙ方向に分割しても同様の効果を得ることが可能である。

＜第５の実施形態＞
図１８は、本発明の第５の実施形態による電流センサ５の構成を説明するための略斜視図である。また、図１９は電流センサ５をｘ方向から見た正面図、図２０は電流センサ５をｙ方向から見た側面図、図２１は電流センサ５をｚ方向から見た上面図である。

図１８〜図２１に示すように、本実施形態による電流センサ５は、コア１０がｘ方向に分割された２つのブロック１０Ｃ，１０Ｄからなる点において、第４の実施形態による電流センサ４と相違する。その他の基本的な構成は、第４の実施形態による電流センサ４と同じであることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、第１の部分１１と、第３〜第６の部分１３〜１６のｘ方向における半分がブロック１０Ｃによって構成され、第２の部分１２と、第３〜第６の部分１３〜１６のｘ方向における残りの半分がブロック１０Ｄによって構成されている。本実施形態においても、２つのブロック１０Ｃ，１０Ｄを組み合わせることによってコア１０が形成されることから、電流センサ５の作製が容易となる。しかも、本実施形態においては、コア１０の第１及び第２の部分１１，１２にブロック１０Ｃ，１０Ｄの界面が現れないことから、磁気センサＳと第１及び第２の部分１１，１２の磁気結合を高めることが可能である。

＜第６の実施形態＞
図２２は、本発明の第６の実施形態による電流センサ６の構成を説明するための略斜視図である。

図２２に示すように、本実施形態による電流センサ６は、コア１０が枠状平板からなり、磁気センサＳの感度軸を中心として折り曲げている点において、第１の実施形態による電流センサ１と相違する。その他の基本的な構成は、第１の実施形態による電流センサ１と同じであることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、コア１０の材料としてパーマロイなどの磁性金属材料を用いることができ、これを折り曲げることによってコア１０を作製することができる。折り曲げ角度θは、電流センサ６の特性に大きく影響しないため、バスバーＢの第３の電流経路Ｂ３をｚ方向から覆う範囲で任意に設定が可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１〜６ 電流センサ
１０ コア
１０Ａ〜１０Ｄ ブロック
１１ 第１の部分
１２ 第２の部分
１３ 第３の部分
１４ 第４の部分
１５ 第５の部分
１６ 第６の部分
１３ａ〜１６ａ 切り欠き部
１３ｓ〜１６ｓ サイドウォール
２０ 基板
２１ 端子
Ｂ バスバー
Ｂ１ 電流経路
Ｂ２ 第２の電流経路
Ｂ３ 第３の電流経路
Ｃ 補償コイル
Ｉ 測定対象電流
Ｌｐ 検出コイル
Ｍ 可飽和磁性体
Ｓ 磁気センサ
φ 磁束

Claims (10)

1. 磁気センサと、
   測定対象電流によって前記磁気センサの感度軸方向に磁束を発生させるバスバーと、
   前記磁束の磁路となるコアと、を備え、
   前記バスバーは、前記測定対象電流が互いに逆方向に流れる第１及び第２の電流経路を含み、
   前記コアは、前記磁気センサの前記感度軸方向における両側に位置する第１及び第２の部分と、互いに独立して設けられ、前記バスバーの前記第１及び第２の電流経路を覆うことなく、前記第１の部分と前記第２の部分を接続する第３及び第４の部分とを含む環状構造を有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記コアの前記第３の部分は、前記感度軸方向及び前記バスバーの前記第１の電流経路の延在方向と平行な第１のサイドウォールを含み、
   前記バスバーの前記第１の電流経路は、前記第１のサイドウォールに設けられた切り欠き部から露出しており、
   前記コアの前記第４の部分は、前記感度軸方向及び前記バスバーの前記第２の電流経路の延在方向と平行な第２のサイドウォールを含み、
   前記バスバーの前記第２の電流経路は、前記第２のサイドウォールに設けられた切り欠き部から露出していることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記バスバーは、前記第１の電流経路と前記第２の電流経路を接続する第３の電流経路をさらに含み、
   前記コアの前記第３及び第４の部分は、前記バスバーの前記第３の電流経路を覆う位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記バスバーは、前記第１の電流経路と前記第２の電流経路を接続する第３の電流経路をさらに含み、
   前記コアの前記第３及び第４の部分は、前記バスバーの前記第１乃至第３の電流経路に囲まれる位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
5. 前記コアは、互いに独立して設けられ、前記バスバーの前記第１及び第２の電流経路を覆うことなく、前記第１の部分と前記第２の部分を接続する第５及び第６の部分をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
6. 前記コアの前記第５及び第６の部分は、前記コアの前記第１乃至第３の電流経路に囲まれる位置に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記コアの前記第３及び第４の部分と前記コアの前記第５及び第６の部分は、互いに異なるブロックに属することを特徴とする請求項５又は６に記載の電流センサ。
8. 前記コアの前記第１の部分と前記コアの前記第２の部分は、互いに異なるブロックに属することを特徴とする請求項５又は６に記載の電流センサ。
9. 前記コアは、前記感度軸を中心として折り曲げた枠状平板からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電流センサ。
10. 補償電流によって前記感度軸方向に磁束を発生させる補償コイルをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電流センサ。

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