JP2020115104A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小電流から大電流までの広い検出範囲において、小電流の検出精度を向上させることができる電流センサを提供する。【解決手段】検出部１４０は、第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２を有する。第１検出素子１４１は、一面１２１を有する平板状のバスバー１２０に流れる電流のうち第１検出範囲の電流を検出する。第２検出素子１４２は、第１検出範囲とは異なる第２検出範囲の電流であって第１検出範囲の電流よりも大きな電流を検出する。集磁部１５０は、バスバー１２０に一方向に電流が流れることによってバスバー１２０の周方向に発生する信号磁界を集磁する。集磁部１５０は、一面１２１に平行であると共に一方向に垂直な垂直方向において、第１検出素子１４１の一端側に離間して配置された第１磁性体１５１と、第１検出素子１４１の他端側に離間して配置された第２磁性体１５２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

従来より、小電流から大電流までの広い検出範囲を持った電流センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、電流センサは、第１検出素子及び第２検出素子を備える。第１検出素子は、小電流に対応する検出範囲の電流を検出する。第２検出素子は、第１検出素子の検出範囲よりも大きな電流に対応する検出範囲の電流を検出する。各検出素子の出力は、電流値と閾値との比較結果に応じて切り替えられる。

各検出素子の出力は、電流値に比例する。よって、第１検出素子の出力は、第２検出素子の出力よりも小さい。そこで、電流センサは、第１検出素子の出力を回路ゲインの調整によって増幅させる。これにより、第１検出素子の感度が向上する。

特開２００７−７８４１７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、小電流検出用の第１検出素子の出力が回路ゲインによって増幅されるので、感度が向上するだけでなく、第１検出素子の出力に含まれるノイズ成分も増幅されてしまう。このため、第１検出素子の出力のＳ／Ｎ比が低くなり、小電流の検出精度が得られない可能性がある。

本発明は上記点に鑑み、小電流から大電流までの広い検出範囲において、小電流の検出精度を向上させることができる電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電流センサは、一面（１２１）を有する平板状であると共に一面に平行な一方向に沿った直線状であり、一方向に沿って電流が流れるバスバー（１２０）を含む。

電流センサは、バスバーの一面の上方に配置され、バスバーに流れる電流を検出する検出部（１４０）と、バスバーに一方向に電流が流れることによってバスバーの周方向に発生する信号磁界を集磁する集磁部（１５０）と、を含む。

検出部は、バスバーに流れる電流のうち第１検出範囲の電流を検出する第１検出素子（１４１）と、バスバーに流れる電流のうち第１検出範囲とは異なる第２検出範囲の電流であって第１検出範囲の電流よりも大きな電流を検出する第２検出素子（１４２）と、を有する。

集磁部は、一面に平行であると共に一方向に垂直な垂直方向において、第１検出素子の一端側に離間して配置された第１磁性体（１５１）と、第１検出素子の他端側に離間して配置された第２磁性体（１５２）と、を有する。

これによると、集磁部の第１磁性体及び第２磁性体によって第１検出素子の近傍の信号磁界を局所的に集磁させることができる。このため、第１検出素子を通過する信号磁界の経路が形成されるので、第１検出素子を貫く信号磁界の強度を向上させることができる。すなわち、第１検出素子の検出感度を向上させることができる。したがって、小電流から大電流までの広い検出範囲において、小電流を検出する第１検出素子の検出精度を向上させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る電流センサの平面図である。 図１のII−II断面図である。 各磁性体の変形例を示した斜視図である。 第２実施形態に係る電流センサの平面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した平面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した平面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した平面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る電流センサは、小電流から大電流までの広い検出範囲において、バスバーに流れる電流を検出するセンサである。例えば、電流センサは、電気自動車等の車両や産業用機械等の幅広い電流値を扱う装置に用いられる。

電流センサは、バスバーが一体化された構成を備えている。具体的には、図１及び図２に示されるように、電流センサ１００は、磁気シールド部１１０、バスバー１２０、基板１３０、検出部１４０、及び集磁部１５０を備える。

磁気シールド部１１０は、各バスバー１２０から発生する磁界や外部からの外乱磁界を遮蔽するための部品である。図２に示されるように、磁気シールド部１１０は、第１シールド部１１１及び第２シールド部１１２を有する。

第１シールド部１１１は、例えば、平板状部材が折り曲げられたことによって第１平板部１１３の両側に平行に対向する図示しない一対の第２平板部が形成された部品である。第２シールド部１１２は、第１シールド部１１１と同様に、平板状部材が折り曲げられたことによって第３平板部１１４の両側に平行に対向する一対の第４平板部１１５が形成された部品である。

各シールド部１１１、１１２は電磁鋼板によって形成されている。各シールド部１１１、１１２は、１枚の電磁鋼板によって構成されていても良いし、複数の電磁鋼板が積層されていても良い。

また、各シールド部１１１、１１２は、一方と他方とで挟んだ収容空間１１６を構成する。具体的には、第１シールド部１１１の第１平板部１１３と第２シールド部１１２の第３平板部１１４とが平行に対向するように、各シールド部１１１、１１２が組み合わされる。さらに、第１シールド部１１１の一対の第２平板部と第２シールド部１１２の一対の第４平板部１１５とが９０°になるように、各シールド部１１１、１１２が組み合わされる。これにより、磁気シールド部１１０が立方体状あるいは直方体状の外形を構成すると共に、第１シールド部１１１と第２シールド部１１２との間に収容空間１１６が形成される。

磁気シールド部１１０は、収容空間１１６にバスバー１２０の一部、基板１３０、検出部１４０、及び集磁部１５０を収容する。なお、磁気シールド部１１０は、図示しない樹脂部品等の保持部品で保持される。これにより、２枚のシールド部１１１、１１２の間に収容空間１１６が構成される。

バスバー１２０は、電流が流れる導体部品である。バスバー１２０は、一面１２１を有する平板状である。また、バスバー１２０は、一面１２１に平行な一方向に沿った直線状である。バスバー１２０には、一方向に沿って電流が流れる。バスバー１２０の一端部１２２は、例えばインバータ装置に接続される。また、バスバー１２０の他端部１２３は例えばモータ等の負荷装置に接続される。

基板１３０は、検出部１４０の出力を信号処理して外部装置に出力するための回路が形成された回路基板である。基板１３０は、例えばプリント基板である。基板１３０は、バスバー１２０に向けられた実装面１３１を有する。実装面１３１には、検出部１４０、集磁部１５０、図示しない電子部品等が実装されている。

検出部１４０は、バスバー１２０に流れる電流を検出する部品である。検出部１４０は、収容空間１１６において、バスバー１２０の一面１２１の上方に配置されている。

検出部１４０は、磁気抵抗素子あるいはホール素子を用いた磁気検出方式を採用している。検出部１４０は、バスバー１２０に電流が流れることによってバスバー１２０の周方向に発生する信号磁界を検出する。検出部１４０は、信号磁界の強度に比例する信号を出力する。

なお、磁気抵抗素子には、ＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance；ＧＭＲ）、ＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）、ＡＭＲ素子（Anisotropic Magneto Resistance；ＡＭＲ）が含まれる。

具体的には、検出部１４０は、第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２を有する。第１検出素子１４１は、バスバー１２０に流れる電流のうち第１検出範囲の電流を検出する。第２検出素子１４２は、バスバー１２０に流れる電流のうち第１検出範囲とは異なる第２検出範囲の電流であって第１検出範囲の電流よりも大きな電流を検出する。

例えば、電流センサ１００が０Ａから１０００Ａまでの検出範囲を持つ場合、第１検出範囲は０Ａ〜１００Ａの電流の範囲である。また、第２検出範囲は、１０１Ａ〜１０００Ａの電流の範囲である。

各検出素子１４１、１４２は、それぞれＩＣチップとして構成されている。各検出素子１４１、１４２は、リード１４３、１４４が基板１３０に実装固定されている。また、各検出素子１４１、１４２は、バスバー１２０の一方向に一列に並べられている。

集磁部１５０は、バスバー１２０に一方向に電流が流れることによってバスバー１２０の周方向に発生する信号磁界を集磁する部品である。集磁部１５０は、第１磁性体１５１及び第２磁性体１５２を有する。

各磁性体１５１、１５２は、バスバー１２０の一面１２１に平行であると共に一方向に垂直な垂直方向に配置されている。具体的には、第１磁性体１５１は、第１検出素子１４１の一端側に離間して配置されている。第２磁性体１５２は、第１検出素子１４１の他端側に離間して配置されている。

すなわち、第１検出素子１４１のセンシング部分が垂直方向において第１磁性体１５１と第２磁性体１５２との間に位置する。各磁性体１５１、１５２は第１検出素子１４１のセンシング部分よりも大きなサイズである。したがって、第１検出素子１４１のセンシング部分の全体が、垂直方向において、各磁性体１５１、１５２に覆われていると言える。

各磁性体１５１、１５２は、例えば、パーマロイや電磁鋼板によって形成されている。本実施形態では、各磁性体１５１、１５２は同じ形状である。また、各磁性体１５１、１５２は、基板１３０の実装面１３１を基準とした高さが第１検出素子１４１と同じである。これにより、各磁性体１５１、１５２の間の集磁パスの中に第１検出素子１４１を位置させることができる。

各磁性体１５１、１５２と第１検出素子１４１との間隔は狭いほど良い。これにより、各磁性体１５１、１５２と第１検出素子１４１との高さを同じにしたことと同じ効果が得られる。さらに、各磁性体１５１、１５２は、垂直方向の厚みが大きいほど良い。これにより、信号磁界が局所的に集磁しやすくなる。

以上の構成によると、図１において、バスバー１２０の周方向に発生する信号磁界の一部を、信号磁界の矢印に対して傾斜した斜めの矢印に示されるように曲げることができる。すなわち、集磁部１５０の各磁性体１５１、１５２によって第１検出素子１４１の近傍の信号磁界を局所的に集磁させることができる。

また、各磁性体１５１、１５２の間に第１検出素子１４１が配置されるので、第１検出素子１４１を通過する信号磁界の経路が形成される。よって、第１検出素子１４１を貫く信号磁界の強度を向上させることができると共に、第１検出素子１４１の検出感度を向上させることができる。したがって、小電流用の第１検出素子１４１のＳ／Ｎ比を高めることができ、第１検出素子１４１の検出精度を向上させることができる。

変形例として、図３に示されるように、各磁性体１５１、１５２は、上面１５３、底面１５４、側面１５５、及び傾斜面１５６を有する台形柱でも良い。上面１５３及び底面１５４は四角形状の面である。底面１５４は、上面１５３よりも面積が大きい面である。２つの側面１５５は、上面１５３と底面１５４とを接続する台形状の面である。２つの傾斜面１５６は、上面１５３と底面１５４とを接続する四角形状の面である。そして、上面１５３が検出部１４０の第１検出素子１４１に向けられる。これにより、集磁した信号磁界を集磁パスに集中させることができる。なお、各磁性体１５１、１５２は、上面１５３、底面１５４、及び複数の傾斜面１５６を有する角錐でも良い。

（第２実施形態）
本実施形態では、主に、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４に示されるように、検出部１４０は、さらに第３検出素子１４５を有する。第３検出素子１４５の構成は第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２と同じである。第３検出素子１４５は、基板１３０の実装面１３１に実装されている。各検出素子１４１、１４２、１４５は、バスバー１２０の一方向に一列に並べられている。

第３検出素子１４５は、第１検出範囲及び第２検出範囲とは異なる第３検出範囲の電流であって第１検出範囲及び第２検出範囲の電流よりも大きな電流を検出する。例えば、電流センサ１００が０Ａから１０００Ａまでの検出範囲を持つ場合、第１検出範囲は０Ａ〜１００Ａ、第２検出範囲は１０１Ａ〜５００Ａ、第３検出範囲は５０１Ａ〜１０００Ａの電流の範囲である。第２検出素子１４２が中電流検出用として機能し、第３検出素子１４５が大電流検出用として機能する。

そして、集磁部１５０は、第１検出素子１４１に対応して配置される。すなわち、各磁性体１５１、１５２は、第１検出素子１４１に対応して配置され、第２検出素子１４２及び第３検出素子１４５には配置されない。

以上のように、電流センサ１００が３個の検出素子１４１、１４２、１４５を備える場合においても、小電流検出用の第１検出素子１４１に対して集磁部１５０を配置することができる。

変形例として、集磁部１５０は、第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２の両方に対応して配置されても良い。例えば、図５に示されるように、同じサイズの各磁性体１５１、１５２を第１検出素子１４１に対応して配置すると共に、第２検出素子１４２に対応して配置することができる。すなわち、二組の各磁性体１５１、１５２を用いても良い。

あるいは、図６に示されるように、第２検出素子１４２に対応する各磁性体１５１、１５２のサイズが第１検出素子１４１に対応する各磁性体１５１、１５２よりも小さくても良い。電流が大きくなると、信号磁界も大きくなるので、集磁の効果を抑えても構わない。あるいは、図７に示されるように、一組の各磁性体１５１、１５２を第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２の両方に対応して配置しても良い。すなわち、一組の各磁性体１５１、１５２を第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２に共通の部品として用いても良い。

変形例として、図８に示されるように、検出部１４０は二組の第１検出素子１４１及び第２検出素子１４２を有していても良い。これは、冗長性の向上を図ったものである。この場合、各磁性体１５１、１５２は２つの第１検出素子１４１に対応してそれぞれ配置される。図７に示されるように、一組の各磁性体１５１、１５２を２つの第１検出素子１４１に共通の部品として用いても良い。また、検出部１４０は４個以上の素子を有していても良い。さらに、小電流用の素子だけでなく、別の小電流用の素子や中電流用の素子に集磁部１５０を配置することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された電流センサ１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、集磁部１５０は基板１３０に実装されていなくても良い。この場合、例えば、基板１３０を収容するケースに保持される。

また、各検出素子１４１、１４２、１４５は、バスバー１２０の一方向に一列に並べられているが、これは配置の一例である。各検出素子１４１、１４２、１４５は、バスバー１２０の一方向に沿って配置されていれば良く、垂直方向にずれていても構わない。つまり、各検出素子１４１、１４２、１４５は、バスバー１２０の一方向に沿って垂直方向に互い違いに配置されていても構わない。

さらに、第１検出範囲、第２検出範囲、第３検出範囲等の検出範囲は、範囲が重なっていても良い。例えば、第１検出範囲のうち電流値の上限近傍の範囲と、第２検出範囲のうち電流値の下限近傍の範囲と、が重複していても良い。

１００ 電流センサ
１２０ バスバー
１２１ 一面
１４０ 検出部
１４１ 第１検出素子
１４２ 第２検出素子
１５０ 集磁部
１５１ 第１磁性体
１５２ 第２磁性体

Claims (4)

1. 一面（１２１）を有する平板状であると共に前記一面に平行な一方向に沿った直線状であり、前記一方向に沿って電流が流れるバスバー（１２０）と、
   前記バスバーの前記一面の上方に配置され、前記バスバーに流れる電流を検出する検出部（１４０）と、
   前記バスバーに前記一方向に電流が流れることによって前記バスバーの周方向に発生する信号磁界を集磁する集磁部（１５０）と、
   を含み、
   前記検出部は、前記バスバーに流れる電流のうち第１検出範囲の電流を検出する第１検出素子（１４１）と、前記バスバーに流れる電流のうち前記第１検出範囲とは異なる第２検出範囲の電流であって前記第１検出範囲の電流よりも大きな電流を検出する第２検出素子（１４２）と、を有し、
   前記集磁部は、前記一面に平行であると共に前記一方向に垂直な垂直方向において、前記第１検出素子の一端側に離間して配置された第１磁性体（１５１）と、前記第１検出素子の他端側に離間して配置された第２磁性体（１５２）と、を有する電流センサ。
2. 前記検出部は、前記第１検出範囲及び前記第２検出範囲とは異なる第３検出範囲の電流であって前記第１検出範囲及び前記第２検出範囲の電流よりも大きな電流を検出する第３検出素子（１４５）を有し、
   前記集磁部は、前記第１検出素子に対応して配置されるか、または、前記第１検出素子及び前記第２検出素子の両方に対応して配置される請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１磁性体及び前記第２磁性体は、四角形状の上面（１５３）と、前記上面よりも面積が大きい四角形状の底面（１５４）と、前記上面と前記底面とを接続する台形状の側面（１５５）と、前記上面と前記底面とを接続する四角形状の傾斜面（１５６）と、を有する台形柱であり、前記上面が前記検出部に向けられる請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 実装面（１３１）を有し、前記実装面に前記検出部が実装された基板（１３０）を含み、
   前記集磁部は、前記基板の前記実装面に実装されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電流センサ。

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