JP2020067305A

JP2020067305A - 電流センサ及びこれに用いるバスバーの製造方法

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Publication number: JP2020067305A
Application number: JP2018198715A
Authority: JP
Inventors: 竜麿堀; Tatsumaro Hori
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-10-22
Also published as: JP6471826B1

Abstract

【課題】バスバーに流れる測定対象電流を分流させることによって大電流の測定を可能とした電流センサにおいて、部品点数を削減するとともに、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減する。【解決手段】本発明による電流センサは、測定対象電流Ｉが流れるバスバー１０と、バスバー１０から発生する磁界を検出する磁気センサとを備える。バスバー１０は、電流ＩｄＡ，ＩｄＢが流れる検出配線部１１Ａ，１１Ｂと、電流ＩｂＡ，ＩｂＢが流れる分岐配線部１２Ａ，１２Ｂとを有する金属板からなる。バスバー１０を構成する金属板は、検出配線部１１Ａと検出配線部１１Ｂが互いに向かい合っている。本発明によれば、バスバー１０が金属板からなることから、部品点数が削減されるとともに、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減することが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は電流センサ及びこれに用いるバスバーの製造方法に関し、特に、大電流の測定に適した電流センサ及びこれに用いるバスバーの製造方法に関する。

電流センサは、測定対象電流によって発生する磁界を磁気センサによって検出するタイプが一般的である。例えば、特許文献１には、測定対象電流が流れるバスバーにサブバスバーを並列接続し、サブバスバーに流れる電流によって発生する磁界を磁気センサによって検出するタイプの電流センサが開示されている。

特許文献１に記載された電流センサは、バスバーにサブバスバーを並列接続し、サブバスバーに磁気センサを割り当てていることから、バスバーに流れる測定対象電流が大電流であっても、サブバスバーに流れる電流の電流量が抑えられることから、大電流の測定に適している。

特開２００７−２１２３０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電流センサは、バスバーとサブバスバーが別部品であり、リベットを用いて両者を固定する構成を有していることから、部品点数が増大するだけでなく、製造ばらつきに起因する測定誤差も大きいという問題があった。

したがって、本発明は、バスバーに流れる測定対象電流を分流させることによって大電流の測定を可能とした電流センサにおいて、部品点数を削減するとともに、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減することを目的とする。また、本発明は、このような電流センサに用いるバスバーの製造方法を提供することを目的とする。

本発明による電流センサは、測定対象電流が流れるバスバーと、バスバーから発生する磁界を検出する磁気センサとを備え、バスバーは、測定対象電流の一部が流れる第１の検出配線部と、測定対象電流の別の一部が流れる第２の検出配線部と、測定対象電流の残りの部分が流れる分岐配線部とを有する金属板からなり、磁気センサは、第１の検出配線部に流れる測定対象電流の一部及び第２の検出配線部に流れる測定対象電流の別の一部によって発生する磁界を検出し、第１の検出配線部は、測定対象電流の一部が互いに逆方向に流れる第１及び第２の部分と、第１の部分と第２の部分を繋ぐ第３の部分を有し、第２の検出配線部は、測定対象電流の別の一部が互いに逆方向に流れる第４及び第５の部分と、第４の部分と第５の部分を繋ぐ第６の部分を有し、バスバーを構成する金属板は、第１の部分と第４の部分が互いに向かい合い、第２の部分と第５の部分が互いに向かい合い、第３の部分と第６の部分が互いに向かい合っていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の検出配線部が第１〜第３の部分からなる迂回構造を有し、第２の検出配線部が第４〜第６の部分からなる迂回構造を有していることから、第１及び第２の検出配線部に流れる電流の電流量が低減される。これにより、大電流の測定が可能となる。しかも、バスバーが金属板からなることから、部品点数が削減されるとともに、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減することが可能となる。

本発明において、バスバーは単一の金属板からなり、バスバーを構成する単一の金属板は、第１の部分と第４の部分が互いに向かい合い、第２の部分と第５の部分が互いに向かい合い、第３の部分と第６の部分が互いに向かい合うよう折り曲げられていても構わない。これによれば、バスバーは単一の金属板からなることから、部品点数がより削減されるとともに、製造ばらつきに起因する測定誤差をより低減することが可能となる。

本発明において、バスバーは、第１の検出配線部の一端、第２の検出配線部の一端及び分岐配線部の一端に接続された入力配線部と、第１の検出配線部の他端、第２の検出配線部の他端及び分岐配線部の他端に接続された出力配線部とをさらに有し、第１及び第２の検出配線部は、入力配線部及び出力配線部の主面に対して垂直に折り曲げられていても構わない。これによれば、単一の金属板を２箇所で折り曲げ加工することにより、バスバーを簡単に作製することが可能となる。

本実施形態において、第１及び第２の検出配線部は、分岐配線部よりも電流経路が長くても構わない。これによれば、第１及び第２の検出配線部に流れる電流の電流量をより低減することが可能となる。この場合、第１の検出配線部、第２の検出配線部及び分岐配線部は、測定対象電流の流れる方向と垂直な断面の形状が互いに等しくても構わない。これによれば、電流経路の長さの差に起因する発熱量の差が熱容量の差によって相殺されることから、バスバーの温度差に起因する測定誤差を低減することが可能となる。

本発明によるバスバーの製造方法は、電流センサに用いるバスバーの製造方法であって、金属板を加工することにより、入力配線部と、出力配線部と、一端が入力配線部に接続され、他端が出力配線部に接続された第１及び第２の検出配線部と、一端が入力配線部に接続され、他端が出力配線部に接続された分岐配線部とを有する前駆体を作製し、第１の検出配線部と第２の検出配線部が互いに向かい合うよう、前駆体を折り曲げ加工することを特徴とする。

本発明によれば、一枚の金属板から前駆体を切り出し、これを折り曲げ加工することによってバスバーを作製していることから、部品点数が削減されるとともに、製造ばらつきも低減される。これにより、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減することが可能となる。

このように、本発明によれば、バスバーに流れる測定対象電流を分流させることによって大電流の測定を可能とした電流センサにおいて、部品点数を削減するとともに、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減することが可能となる。また、本発明によれば、このような電流センサに用いるバスバーの製造方法を提供することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による電流センサの外観を示す略斜視図である。図２は、バスバー１０の形状を説明するための略斜視図である。図３は、バスバー１０を折り曲げ加工する前の前駆体１０Ａの外観を示す略斜視図である。図４は、バスバー１０をｙ方向から見た略側面図である。図５は、領域Ａに印加される磁束の方向を説明するための模式図である。図６は、磁気コア４１を有する磁気センサ４０を領域Ａに配置した例を示す模式図である。

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。

図１は、本発明の好ましい実施形態による電流センサの外観を示す略斜視図である。

図１に示すように、本実施形態による電流センサは、測定対象電流Ｉが流れるバスバー１０と、バスバー１０に取り付けられたケース２０と、ケース２０に収容された磁気センサ４０とを有している。バスバー１０は、銅（Ｃｕ）などの良導体からなる金属板であり、厚みが一定の金属板を折り曲げ加工することによって作製される。磁気センサ４０の種類については特に限定されないが、フラックスゲートセンサ、ＭＩ（磁気インピーダンス）センサ、ホールセンサ、ＡＭＲセンサ、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサなどを用いることができる。ケース２０は、それ自体が磁気コアであっても構わない。

図２は、バスバー１０の形状を説明するための略斜視図である。

図２に示すように、バスバー１０は単一の金属板からなり、ｘｙ面を主面とする入力配線部１３及び出力配線部１４と、入力配線部１３と出力配線部１４の間に設けられた検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂとを有している。検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂは並列に接続されており、このため、入力配線部１３から出力配線部１４に測定対象電流Ｉが流れると、測定対象電流Ｉの一部である電流Ｉｄ_Ａが検出配線部１１Ａに流れ、測定対象電流Ｉの別の一部である電流Ｉｄ_Ｂが検出配線部１１Ｂに流れ、測定対象電流Ｉの残りの部分である電流Ｉｂ_Ａ，Ｉｂ_Ｂがそれぞれ分岐配線部１２Ａ，１２Ｂに流れる。したがって、Ｉ＝Ｉｄ_Ａ＋Ｉｄ_Ｂ＋Ｉｂ_Ａ＋Ｉｂ_Ｂである。

検出配線部１１Ａは、ｚ方向に延在する第１及び第２の部分１１_１，１１_２と、ｘ方向に延在する第３の部分１１_３からなり、電流Ｉｄ_Ａは、第１の部分１１_１、第３の部分１１_３及び第２の部分１１_２の順に流れる。したがって、第１の部分１１_１に流れる電流Ｉｄ_Ａの向きと、第２の部分１１_２に流れる電流Ｉｄ_Ａの向きは互いに逆である。同様に、検出配線部１１Ｂは、ｚ方向に延在する第４及び第５の部分１１_４，１１_５と、ｘ方向に延在する第６の部分１１_６からなり、電流Ｉｄ_Ｂは、第４の部分１１_４、第６の部分１１_６及び第５の部分１１_５の順に流れる。したがって、第４の部分１１_４に流れる電流Ｉｄ_Ｂの向きと、第５の部分１１_５に流れる電流Ｉｄ_Ｂの向きは互いに逆である。そして、検出配線部１１Ａ，１１Ｂは、第１の部分１１_１と第４の部分１１_４が互いに向かい合い、第２の部分１１_２と第５の部分１１_５が互いに向かい合い、第３の部分１１_３と第６の部分１１_６が互いに向かい合うよう、ｘｙ面に対して垂直に折り曲げられている。

一方、２つの分岐配線部１２Ａ，１２Ｂは、いずれもｘ方向に延在する直線的な形状を有している。したがって、電流経路の長さとしては、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂよりも検出配線部１１Ａ，１１Ｂの方が長い。これにより、検出配線部１１Ａ，１１Ｂに流れる電流Ｉｄ_Ａ＋Ｉｄ_Ｂがより低減される。本実施形態においては、２つの分岐配線部１２Ａ，１２Ｂを並列に設けているが、分岐配線部の本数については２本に限定されず、３以上の分岐配線部を並列に設けても構わない。

特に限定されるものではないが、本実施形態においては、検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの厚み及び導体幅が一定である。このため、検出配線部１１Ａ，１１Ｂと分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの電流方向と垂直な断面形状は互いに等しい。

図３は、バスバー１０を折り曲げ加工する前の前駆体１０Ａの外観を示す略斜視図である。

図３に示すように、バスバー１０を折り曲げ加工する前の前駆体１０Ａは、ｚ方向における厚さが一定の金属板から切り出されたものである。例えば、銅（Ｃｕ）などからなる厚さが一定の金属板を用意し、この金属板に対してパンチング加工を施すことにより、検出配線部１１Ａ，１１Ｂ、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂ、入力配線部１３、出力配線部１４、共通配線部１５，１６、接続部１７，１８からなる前駆体１０Ａを一工程で作製することができる。金属板に対するパンチング加工においては、平面位置によって金属板の厚みや加工幅が異なっていると、平面位置によってパンチング条件に差が生じることから、設計通りの形状に加工することが困難である。これに対し、図３に示す前駆体１０Ａは、使用する金属板の厚みが一定であり、且つ、検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの加工幅が一定であることから、高い加工精度を確保することが可能となる。これにより、加工精度のばらつきに起因する測定誤差を低減することが可能となる。

このような前駆体１０Ａを作製した後、図３に示す折り曲げ位置Ｂ１で検出配線部１１Ａを約９０°折り曲げ、折り曲げ位置Ｂ２で検出配線部１１Ｂを約９０°折り曲げることにより、図２に示すバスバー１０が完成する。折り曲げ位置Ｂ１，Ｂ２はいずれも共通配線部１５，１６に位置し、折り曲げ位置Ｂ１については接続部１７，１８から見て一方側、折り曲げ位置Ｂ２については接続部１７，１８から見て他方側に位置する。特に限定されるものではないが、加工精度を高めるためには、共通配線部１５，１６、接続部１７，１８の導体幅についても、検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂと同じとすることが好ましい。

図４は、バスバー１０をｙ方向から見た略側面図である。

図４に示すように、バスバー１０をｙ方向から見ると、検出配線部１１Ａと検出配線部１１Ｂが完全に重なり、且つ、分岐配線部１２Ａと分岐配線部１２Ｂが完全に重なる。そして、図１に示した磁気センサ４０は、検出配線部１１Ａ，１１Ｂと分岐配線部１２Ａ，１２Ｂに囲まれた領域Ａに配置される。

領域Ａに磁気センサ４０を配置すると、模式図である図５に示すように、検出配線部１１Ａ，１１Ｂに流れる電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂによって領域Ａには同方向の磁束が印加される。図５に示す例では、検出配線部１１Ａの第１の部分１１_１及び検出配線部１１Ｂの第４の部分１１_４に流れる電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂによって反時計回りの磁束φ１が発生し、検出配線部１１Ａの第２の部分１１_２及び検出配線部１１Ｂの第５の部分１１_５に流れる電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂによって時計回りの磁束φ２が発生するため、領域Ａに印加される磁束の向きはいずれもｙ方向となる。したがって、領域Ａに磁気センサ４０を配置し、磁気センサ４０によってｙ方向における磁界の強度を検出すれば、検出配線部１１Ａ，１１Ｂに流れる電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂの合計値を検出することが可能となる。そして、検出配線部１１Ａ，１１Ｂに流れる電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂと、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂに流れる電流Ｉｂ_Ａ，Ｉｂ_Ｂの分流比は既知であることから、電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂの検出値に基づいて測定対象電流Ｉを算出することが可能となる。

図６に示すように、磁気センサ４０は磁気コア４１を備えていても構わない。図６に示す例では、ｚ方向に開口した環状の磁気コア４１を用い、磁気コア４１に囲まれた領域に検出配線部１１Ａ，１１Ｂ、可飽和磁性体Ｍ及びその周囲に巻回された検出コイルＣを配置している。つまり、図１に示すケース２０自体が磁気コア４１である場合にこのような構成を得ることができる。このような磁気コア４１を用いれば、外乱磁界が磁気コア４１をバイパスすることから、外乱磁界の影響を低減することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態においては、測定対象電流Ｉが流れるバスバー１０が単一の金属板からなり、これを折り曲げ加工することによって作製していることから、部品点数を削減することができるとともに、製造ばらつきがほとんど生じない。このため、製造ばらつきに起因する測定誤差を低減することが可能となる。また、検出配線部１１Ａ，１１Ｂは、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂよりも電流経路が長いことから、検出配線部１１Ａ，１１Ｂに流れる電流Ｉｄ_Ａ，Ｉｄ_Ｂを低減することが可能となる。

ここで、本実施形態によるバスバー１０は、大電流が流れることを想定して、２つの検出配線部１１Ａ，１１Ｂと２つの分岐配線部１２Ａ，１２Ｂを用いることによって抵抗値を低減している。本実施形態と同じ抵抗値は、２倍の厚みを有する金属板を用いて１つの検出配線部及び１つの分岐配線部からなるバスバーを切り出すことによっても得られるが、この場合、金属板の厚みが厚くなることからパンチング加工時における加工精度が低下する。これに比べ、本実施形態においては金属板の厚みが半分となることから、パンチング加工時における加工精度を高めることが可能となる。しかも、金属板の厚みが薄いことから、高周波電流が流れた場合の表皮効果に起因する測定誤差も抑制される。また、本実施形態と抵抗値は、同じ厚みを有する金属板を用いて１つの検出配線部及び１つの分岐配線部からなるバスバーを２枚切り出し、これらを重ねることによっても得られるが、この場合、部品点数が増大するとともに、接触抵抗が発生するため、製品の信頼性が低下する。

これに対し、本実施形態においては、金属板から前駆体１０Ａを切り出し、これを折り曲げ加工することによってバスバー１０を作製していることから、抵抗値の低いバスバー１０を高い加工精度で作製することが可能となる。これにより、加工精度のばらつきに起因する測定誤差が低減されるとともに、部品点数も削減される。さらに、検出配線部１１Ａ，１１Ｂと分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの断面形状を互いに一致させれば、加工精度がよりいっそう向上する。

しかも、検出配線部１１Ａ，１１Ｂと分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの断面形状が一定である場合、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂのそれぞれの長さをＬとし、検出配線部１１Ａ，１１Ｂのそれぞれ長さをｋＬとすると、検出配線部１１Ａ、検出配線部１１Ｂ、分岐配線部１２Ａ及び分岐配線部１２Ｂの抵抗値の比は、ｋ：ｋ：１：１となり、したがって、検出配線部１１Ａに流れる電流Ｉｄ_Ａ、検出配線部１１Ｂに流れる電流Ｉｄ_Ｂ、分岐配線部１２Ａに流れる電流Ｉｂ_Ａ、分岐配線部１２Ａに流れる電流Ｉｂ_Ａの比は、１：１：ｋ：ｋとなる。そして、検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂは互いに同じ断面積を有していることから、検出配線部１１Ａ、検出配線部１１Ｂ、分岐配線部１２Ａ及び分岐配線部１２Ｂにおける発熱量の比も、１：１：ｋ：ｋとなる。

ここで、検出配線部１１Ａ，１１Ｂは、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂに対してｋ倍の長さを有しており、且つ、検出配線部１１Ａ，１１Ｂ及び分岐配線部１２Ａ，１２Ｂは互いに同じ断面積を有していることから、検出配線部１１Ａ、検出配線部１１Ｂ、分岐配線部１２Ａ及び分岐配線部１２Ｂの体積、つまり熱容量の比は、ｋ：ｋ：１：１となる。このことは、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの方が検出配線部１１Ａ，１１Ｂよりもｋ倍速く熱を放出することを意味する。つまり、分岐配線部１２Ａ，１２Ｂは、それぞれ検出配線部１１Ａ，１１Ｂよりもｋ倍の熱を発生する代わりに、ｋ倍速く熱を放出することから、検出配線部１１Ａ，１１Ｂと分岐配線部１２Ａ，１２Ｂの間で温度差が生じにくい。その結果、温度差に起因する抵抗値の変化が抑えられることから、測定対象電流Ｉを設計通りに分流させることが可能となり、温度差に起因する測定誤差を低減することが可能となる。

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。

例えば、上記実施形態では、単一の金属板から前駆体１０Ａを切り出し、これを折り曲げ加工することによってバスバー１０を作製しているが、バスバー１０の一部については、同一の又は別の金属板から切り出された別部材とし、これを前駆体１０Ａに接合することによってバスバー１０を作製しても構わない。単一の金属板からバスバー１０の一部を構成する別部材を作成する場合、一度に打ち抜きができ、厚みも同じ厚みになるので、好適である。

１０バスバー
１０Ａ前駆体
１１Ａ，１１Ｂ検出配線部
１１_１第１の部分
１１_２第２の部分
１１_３第３の部分
１１_４第４の部分
１１_５第５の部分
１１_６第６の部分
１２Ａ，１２Ｂ分岐配線部
１３入力配線部
１４出力配線部
１５，１６共通配線部
１７，１８接続部
２０ケース
４０磁気センサ
４１磁気コア
Ａ領域
Ｂ１，Ｂ２折り曲げ位置
Ｃ検出コイル
Ｉ測定対象電流
Ｍ可飽和磁性体
φ１，φ２磁束

Claims

測定対象電流が流れるバスバーと、
前記バスバーから発生する磁界を検出する磁気センサと、を備え、
前記バスバーは、前記測定対象電流の一部が流れる第１の検出配線部と、前記測定対象電流の別の一部が流れる第２の検出配線部と、前記測定対象電流の残りの部分が流れる分岐配線部とを有する金属板からなり、
前記磁気センサは、前記第１の検出配線部に流れる前記測定対象電流の前記一部及び前記第２の検出配線部に流れる前記測定対象電流の前記別の一部によって発生する磁界を検出し、
前記第１の検出配線部は、前記測定対象電流の前記一部が互いに逆方向に流れる第１及び第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分を繋ぐ第３の部分を有し、
前記第２の検出配線部は、前記測定対象電流の前記別の一部が互いに逆方向に流れる第４及び第５の部分と、前記第４の部分と前記第５の部分を繋ぐ第６の部分を有し、
前記バスバーを構成する金属板は、前記第１の部分と前記第４の部分が互いに向かい合い、前記第２の部分と前記第５の部分が互いに向かい合い、前記第３の部分と前記第６の部分が互いに向かい合っていることを特徴とする電流センサ。
前記バスバーは単一の金属板からなり、前記バスバーを構成する前記単一の金属板は、前記第１の部分と前記第４の部分が互いに向かい合い、前記第２の部分と前記第５の部分が互いに向かい合い、前記第３の部分と前記第６の部分が互いに向かい合うよう折り曲げられていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記バスバーは、前記第１の検出配線部の一端、前記第２の検出配線部の一端及び前記分岐配線部の一端に接続された入力配線部と、前記第１の検出配線部の他端、前記第２の検出配線部の他端及び前記分岐配線部の他端に接続された出力配線部とをさらに有し、
前記第１及び第２の検出配線部は、前記入力配線部及び前記出力配線部の主面に対して垂直に折り曲げられていることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
前記第１及び第２の検出配線部は、前記分岐配線部よりも電流経路が長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流センサ。
前記第１の検出配線部、前記第２の検出配線部及び前記分岐配線部は、前記測定対象電流の流れる方向と垂直な断面の形状が互いに等しいことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
電流センサに用いるバスバーの製造方法であって、金属板を加工することにより、入力配線部と、出力配線部と、一端が前記入力配線部に接続され、他端が前記出力配線部に接続された第１及び第２の検出配線部と、一端が前記入力配線部に接続され、他端が前記出力配線部に接続された分岐配線部とを有する前駆体を作製し、前記第１の検出配線部と前記第２の検出配線部が互いに向かい合うよう、前記前駆体を折り曲げ加工することを特徴とするバスバーの製造方法。