JP2020012671A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高周波の交流磁界が外乱として印加された場合であっても、外乱の影響を受けにくい電流センサを提供する。【解決手段】検出対象の電流が流れる板状のバスバ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、一対のシールド板３の間に配置された磁性材料からなるコア６と、一部がコア６に巻き回され、かつ、他の一部がシールド板３に巻き回されている巻線７と、を備えた。【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、検出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。

特開２０１６−１６４５２３号公報

磁気検出素子を用いた電流センサでは、外乱となる外部の磁界の影響をなるべく小さくすることが望まれる。磁気検出素子をシールドで覆うことも考えられるが、この場合であっても、高周波の交流磁界が外乱として印加された場合には、外乱の影響を十分に抑えることができない場合があった。

そこで、本発明は、高周波の交流磁界が外乱として印加された場合であっても、外乱の影響を受けにくい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、検出対象の電流が流れる板状のバスバと、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、前記一対のシールド板の間に配置された磁性材料からなるコアと、一部が前記コアに巻き回され、かつ、他の一部が前記シールド板に巻き回されている巻線と、を備えた、電流センサを提供する。

本発明によれば、高周波の交流磁界が外乱として印加された場合であっても、外乱の影響を受けにくい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），（ｂ）は、シールド板とコアと巻線とを示す斜視図である。 電流センサにおける外乱を抑制する原理を説明する説明図である。 従来例のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は磁界のベクトル図、（ｂ）は外乱磁界の各位相毎に磁束検知量と周波数との関係を示すグラフ図である。 比較例のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は磁界のベクトル図、（ｂ）は外乱磁界の各位相毎に磁束検知量と周波数との関係を示すグラフ図である。 実施例のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は磁界のベクトル図、（ｂ）は外乱磁界の各位相毎に磁束検知量と周波数との関係を示すグラフ図である。 図４（ｂ），図５（ｂ），及び図６（ｂ）において、各周波数での磁束検知量の最大値をまとめたグラフ図である。 本発明の一変形例に係る電流センサの断面図である。

［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、検出対象の電流が流れる板状のバスバ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。バスバ２の厚さは、例えば３ｍｍである。本実施の形態では、バスバ２の長さ方向に沿って電流が流れる。

磁気検出素子４は、検出軸Ｄに沿った方向の磁界の強度（磁束密度）を検出するものであり、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。磁気検出素子４は、バスバ２の厚さ方向において、バスバ２と対向するように配置されている。磁気検出素子４は、その検出軸Ｄが、バスバ２の幅方向（長さ方向及び厚さ方向に垂直な方向）と一致するように配置されている。

シールド板３は、外部からの磁界（外乱）を遮蔽するためのものである。シールド板３は、バスバ２及び磁気検出素子４を、バスバ２の厚さ方向において挟み込むように配置されている。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）配置されており、バスバ２と離間して配置されている。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。ここでは、厚さ１．０ｍｍのケイ素鋼板からなるシールド板３を用いた。以下、磁気検出素子４側のシールド板３を第１シールド板３ａとし、バスバ２側のシールド板３を第２シールド板３ｂとする。

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。

磁気検出素子４は、厚さ方向において、両シールド板３ａ，３ｂの中間の位置に配置されている。これは、磁気検出素子４を両シールド板３ａ，３ｂの中間の位置（あるいは中間に近い位置）に配置することで、電流と磁気検出素子４で検出される磁束密度との関係におけるヒステリシスを低減し、電流の検出精度を向上できるためである。磁気検出素子４は、基板５に搭載されている。基板５は、磁気検出素子４を搭載した側の面をバスバ２側として、バスバ２と第１シールド板３ａとの間に配置されている。

図示していないが、両シールド板３ａ，３ｂの間にはモールド樹脂が充填され、両シールド板３ａ，３ｂ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３ａ，３ｂ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。

（高周波の外乱を抑えるための構成）
図２（ａ），（ｂ）は、シールド板３（第２シールド板３ｂ）とコアと巻線とを示す斜視図である。図１及び図２に示すように、電流センサ１は、一対のシールド板３の間に配置された磁性材料からなるコア６と、一部がコア６に巻き回され、かつ、他の一部がシールド板３に巻き回されている巻線７と、をさらに備えている。

コア６は、強磁性体からなる板状の部材であり、ここでは、厚さ０．５ｍｍのケイ素鋼板からなるものを用いた。コア６は、シールド板３と同様に、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。コア６は、その長さ及び幅が、シールド板３の長さ及び幅よりも小さく形成されており、その全体が、一対のシールド板３で挟み込まれるように配置されている。つまり、厚さ方向から見た平面視において、コア６は、その全体がシールド板３に覆われている。これにより、外部からの磁界がコア６に入力されにくくなる。

なお、コア６としては、例えば円柱状など柱状のものを用いることもできる。ただし、シールド板３の間隔は例えば１０ｍｍ程度と狭く、コア６の配置スペースは限られているため、本実施の形態では板状のコア６を用いている。

本実施の形態では、磁気検出素子４と一方のシールド板３（第１シールド板３ａ）との間、及び磁気検出素子４と他方のシールド板３（第２シールド板３ｂ）との間の両方に、コア６が配置されている。一対のコア６は、磁気検出素子４とバスバ２とを厚さ方向に挟み込むように配置されている。また、コア６は、シールド板３と離間して配置されており、シールド板３に対して非接触に設けられている。一対のシールド板３は、これら一対のコア６、磁気検出素子４、及びバスバ２を厚さ方向に一括して挟み込むように配置されている。以下、第１シールド板３ａ側のコア６を第１コア６ａと呼称し、第２シールド板３ｂ側のコア６を第２コア６ｂと呼称する。第１コア６ａは、基板５と、第１シールド板３ａとの間に配置されている。第２コア６ｂは、第２シールド板３ｂと、バスバ２との間に配置されている。

巻線７は、線状の導体に絶縁体を被覆したものであり、例えばエナメル線等のマグネットワイヤからなる。本実施の形態では、巻線７として、導体の断面形状が略矩形状の平角線を用いたが、これに限らず、導体の断面形状が略円形状のものを用いてもよい。

本実施の形態では、巻線７は、一部が第２コア６ｂに巻き回され、かつ、他の一部が第２シールド板３ｂに巻き回されている。また、第１コア６ｂと第１シールド板３ａには、巻線７が巻き回されていない。これは、シミュレーションの結果、一方のコア６とシールド板３（第２コア６ｂと第２シールド板３ｂ）に巻線７を巻付けるのみで十分な外乱の抑制効果が得られたためである（シミュレーション結果については後述する）。以下、巻線７の第２コア６ｂに巻き回された部分をコア巻付け部７ａと呼称し、第２シールド板３ｂに巻き回された部分をシールド板巻付け部７ｂと呼称する。

本実施の形態では、第２コア６ｂ及び第２シールド板３ｂのみに巻線７を巻き回したが、第１コア６ａ及び第１シールド板３ａのみに巻線７が巻き回されていてもよい。また、一方のコア６とシールド板３のみでは十分な外乱の抑制効果が得られない場合には、第１コア６ａ及び第１シールド板３ａと、第２コア６ｂ及び第２シールド板３ｂの両方にそれぞれ巻線７が巻き回されていてもよい。

なお、巻線７を設けていない方のコア６を省略することも可能であるが、この場合、磁気検出素子４を中心とした厚さ方向の対称性が崩れ、ヒステリシス（電流と磁気検出素子４で検出される磁束密度との関係におけるヒステリシス）が増大するおそれがある。一対のコア６を用いることで、磁気検出素子４を中心として対称に磁性体であるコア６を配置することが可能になり、ヒステリシスを低減することができる。

ここで、図２（ｂ）及び図３を用いて、電流センサ１で外乱が抑制される原理について説明する。図３における左右方向に外乱の磁界が発生したとすると、外乱による磁束が磁性体である第２シールド板３ｂ中を通り、巻線７のシールド板巻付け部７ｂ中を通る（白抜き矢印）。ここで、外乱として交流磁界が印加された場合には、シールド板巻付け部７ｂ中の磁界が時間的に変化することになり、巻線７のシールド板巻付け部７ｂに誘導電流が生じる（実線矢印）。

シールド板巻付け部７ｂで生じた誘導電流は、コア巻付け部７ａを流れ、このコア巻付け部７ａを流れる誘導電流により、第２コア６ｂに誘導磁界が発生する（黒塗りつぶし矢印）。ここでは、第２コア６ｂに生じる誘導磁界は、外乱の磁界と同じ向きとなっている。この第２コア６ｂに発生した誘導磁界が回り込むことによって、磁気検出素子４の位置にて、外乱の磁界と反対方向の磁界が発生し（破線矢印）、外乱の影響が抑えられる。このように、コア６と巻線７を追加することにより、外乱の交流磁界に反応して、外乱を打ち消す方向の磁界を発生するパッシブな外乱抑制機構が実現される。

磁気検出素子４では、検出軸Ｄに沿った方向の磁界しか検出しないため、この検出軸Ｄに沿った方向の外乱磁界を打ち消すことができるように、第２コア６ｂの配置（磁気検出素子４からの距離）と向き（コア巻付け部７ａの軸方向）を適宜設定すればよい。より具体的には、第２コア６ｂは、コア巻付け部７ａを流れる電流により生じる誘導磁界が、磁気検出素子４の検出軸Ｄに沿った成分を有するように配置されているとよい。

なお、コア巻付け部７ａを流れる電流により第２コア６ｂに生じる誘導磁界が、磁気検出素子４の検出軸Ｄに沿った成分を有していない場合には、例えば誘導磁界による磁束をヨーク等の磁路形成部材で導くことにより、磁気検出素子４の位置で検出軸Ｄに沿った方向の磁界を発生させることも可能である。ただし、この場合ヨーク等の磁路形成部材が必要となり部品点数が増加してしまうため、特に理由がない場合には、誘導磁界が検出軸Ｄに沿った成分を有するように、第２コア６ｂを配置することが望ましい。

また、コア巻付け部７ａの巻き数は、シールド板巻付け部７ｂの巻き数よりも多いとよい。これにより、第２シールド板３ｂを通る外乱の磁界を増幅して、第２コア６ｂ側で大きな誘導磁界を得ることができ、外乱の抑制効果が向上する。また、バスバ２を流れる電流の影響等で第２コア６ｂに生じた磁界が、第２シールド板３ｂ側に伝わりにくくなる。コア巻付け部７ａの具体的な巻き数、及びシールド板巻付け部７ｂの具体的な巻き数は、使用状況等を考慮し、想定される外乱の磁界の大きさ等に応じて、適宜設定すればよい。

（シミュレーション）
コア６と巻線７を有さない従来例、コア６のみ有する比較例、及び図１〜３で説明した本発明の実施例について、シミュレーションを行い、磁場（外乱による磁界）のベクトル図と、磁気検出素子４での外乱による磁束検知量を求めた。磁束検知量については、外乱磁界の位相によって値が変化するために、外乱磁界の位相毎にシミュレーションを行った。ここでは、バスバ２を流れる電流により磁気検出素子４で検出される磁束密度に対する、外乱により磁気検出素子４で検出される磁束密度の割合を、磁束検知量とした。従来例のシミュレーション結果を図４に、比較例のシミュレーション結果を図５に、実施例のシミュレーション結果を図６にそれぞれ示す。

図４（ａ）に従来例（コア６も巻線７もない）の場合の１０ｋＨｚにおける磁束密度ベクトル図を示す。図４（ｂ）に示すように、従来例では、特に外乱の磁界の周波数が１ｋＨｚ以上となると、外乱の磁束検知量が大きくなり、磁気検出素子４での検出精度の低下につながってしまう。なお、図４（ａ）では参考のためコア６と巻線７を示しているが、シミュレーションではコア６と巻線７の部分を空気と設定した。

図５（ａ）に示すように、比較例では、コア６を設けることにより、磁気検出素子４の位置で外乱が抑制されている。そのため、図５（ｂ）に示すように、比較例では、外乱の磁界の周波数が１ｋＨｚ以上の領域において、従来例と比較して、若干外乱の磁束検知量が抑えられている。なお、図５（ａ）では参考のため巻線７を示しているが、シミュレーションでは巻線７の部分を空気と設定した。

これに対して、図６（ａ）に示すように、本発明による実施例では、コア６に誘導磁界が発生することによって、磁気検出素子４の位置で外乱が大幅に抑制されている。その結果、図６（ｂ）に示すように、特に外乱の磁界の周波数が１ｋＨｚ以上の領域において、従来例や比較例と比べて外乱の磁束検知量が小さくなっている。

図４（ｂ），図５（ｂ），及び図６（ｂ）において、各周波数での磁束検知量の最大値（全ての位相のうち最も磁束検知量が大きくなる値）をまとめたグラフを図７に示す。図７に示すように、本発明による実施例では、従来例や比較例と比べて、外乱の磁束検知量が大幅に抑えられている。例えば、外乱の磁界の周波数が１０ｋＨｚである場合、本発明による実施例によれば、従来例と比べて、外乱の磁束検知量を７０％以上低減することができる。このように、電流センサ１によれば、例えば１ｋＨｚ以上の高周波の交流磁界が外乱として印加された場合であっても、外乱の影響を抑制でき、高精度な電流検出を行うことが可能になる。

（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、一対のシールド板３の間に配置された磁性材料からなるコア６と、一部がコア６に巻き回され、かつ、他の一部がシールド板３に巻き回されている巻線７と、を備えている。このように構成することで、高周波の交流磁界が外乱として印加された場合であっても、コア６に生じる誘導磁界によって、磁気検出素子４の位置での外乱磁界を打ち消して、外乱の影響を受けにくい電流センサ１を実現できる。

（変形例）
図８は、３相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）の電流を測定可能とした電流センサ１ａを示す。この電流センサ１ａでは、３相交流の各相の電流を流す３本のバスバ２ａ〜２ｃを有している。各バスバ２ａ〜２ｃは、幅方向に並んで配置されており、これら３本のバスバ２ａ〜２ｃを厚さ方向において一括して挟み込むように、一対のシールド板３ａ，３ｂが設けられている。また、各バスバ２ａ〜２ｃと厚さ方向に対向するように、磁気検出素子４ａ〜４ｃがそれぞれ設けられている。各磁気検出素子４ａ〜４ｃは、共通の基板５に搭載されている。

電流センサ１ａのように、複数のバスバ２を有する場合には、コア６及び巻線７は、各バスバ２に対応するように、個別に設けられることが望ましい。これは、コア６で生じた誘導磁界はコア６の端部からより多く空間内に放射されるため、各相のコア６を連結して一体とした場合に、端部から離れた位置（例えば中央に配置される磁気検出素子の位置）で外乱が十分に打ち消されない場合が考えられるためである。また、各バスバ２に個別にコア６と巻線７を設けることで、他のバスバ２からの影響でコア６に誘導される誘導磁界が変化し、電流の検出精度が低下してしまうことも抑制可能になり、他相からの干渉を抑制することも可能になる。

（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］検出対象の電流が流れる板状のバスバ（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、前記一対のシールド板（３）の間に配置された磁性材料からなるコア（６）と、一部が前記コア（６）に巻き回され、かつ、他の一部が前記シールド板（３）に巻き回されている巻線（７）と、を備えた、電流センサ（１）。

［２］前記コア（６）は、板状に形成されており、前記磁気検出素子と一方の前記シールド板（３）との間、及び前記磁気検出素子（４）と他方の前記シールド板（４）との間の両方に前記コア（６）がそれぞれ配置されており、前記２つのコア（６）の少なくとも一方に、前記巻線（７）が設けられている、［１］に記載の電流センサ。

［３］前記巻線（７）の前記コア（６）への巻き数は、前記シールド板（３）への巻き数よりも多い、［１］または［２］に記載の電流センサ（１）。

［４］前記コア（６）は、その全体が、前記一対のシールド板（３）で挟み込まれるように配置されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の電流センサ（１）。

［５］前記コア（６）は、前記巻線（７）を流れる電流により生じる磁界の向きが、前記磁気検出素子（４）の検出軸（Ｄ）に沿った成分を有する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。

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。例えば、上記実施の形態では、厚さ方向において磁気検出素子４と重なる位置にコア６（巻線７を巻き付けるコア６）を配置したが、コア６を設ける位置はこれに限定されない。例えば、幅方向において磁気検出素子４と隣あうようにコア６（巻線７を巻き付けるコア６）を配置することも可能である。

１…電流センサ
２…バスバ
３…シールド板
４…磁気検出素子
６…コア
７…巻線
Ｄ…検出軸

Claims (5)

1. 検出対象の電流が流れる板状のバスバと、
   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、
   前記一対のシールド板の間に配置された磁性材料からなるコアと、
   一部が前記コアに巻き回され、かつ、他の一部が前記シールド板に巻き回されている巻線と、
   を備えた、
   電流センサ。
2. 前記コアは、板状に形成されており、
   前記磁気検出素子と一方の前記シールド板との間、及び前記磁気検出素子と他方の前記シールド板との間の両方に前記コアがそれぞれ配置されており、
   前記２つのコアの少なくとも一方に、前記巻線が設けられている、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記巻線の前記コアへの巻き数は、前記シールド板への巻き数よりも多い、
   請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記コアは、その全体が、前記一対のシールド板で挟み込まれるように配置されている、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電流センサ。
5. 前記コアは、前記巻線を流れる電流により生じる磁界の向きが、前記磁気検出素子の検出軸に沿った成分を有する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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