JP2020165762A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーの外部領域から発生する磁界が磁気コアに与える影響を低減する。【解決手段】本発明による電流センサは、磁気センサ４０と、磁気センサ４０を囲む環状の磁気コア２０と、測定対象電流Ｉが流れるバスバー１０とを備える。バスバー１０は、磁気コア２０に囲まれた領域内に位置する内部領域と、磁気コア２０に囲まれた領域外に位置する外部領域とを有し、外部領域には、ｚ方向から見て磁気コア２０と重なる位置にスリットＳＬ１，ＳＬ２が設けられている。本発明によれば、測定対象電流ＩがスリットＳＬ１，ＳＬ２によって分流することから、スリットＳＬ１，ＳＬ２及びその近傍においては、測定対象電流Ｉによって生じる磁界が打ち消される。このため、磁気コア２０と重なる位置にスリットＳＬ１，ＳＬ２を設けることにより、外部領域から発生する磁界が磁気コア２０に与える影響を低減させることが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は電流センサに関し、特に、大電流の測定に適した電流センサに関する。

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、測定対象電流が互いに逆方向に流れるようバスバーをＵ字型に折り返し、平面視で、測定対象電流が一方向に流れる部分と測定対象電流が逆方向に流れる部分の間に磁気センサを配置した構成を有する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においては、バスバーと磁気センサが環状の磁気コアによって囲まれている。これにより、外乱磁界が磁気コアをバイパスすることから、外乱磁界に起因する測定誤差を低減することが可能となる。

特許文献１に記載された電流センサにおいて、バスバーは、磁気コアに囲まれた領域内に位置する内部領域と、磁気コアに囲まれた領域外に位置する外部領域とを有している。そして、バスバーの内部領域から発生する磁界が磁気センサ及び磁気コアに印加される。

特許第５６８０２８７号公報

しかしながら、磁界はバスバーの外部領域からも発生することから、バスバーの外部領域のうち磁気コアに近い部分から発生する磁界によって、磁気コアが飽和しやすくなるという問題があった。

したがって、本発明は、磁気センサを環状の磁気コアで囲んだ構成を有する電流センサにおいて、バスバーの外部領域から発生する磁界が磁気コアに与える影響を低減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、磁気センサを囲む環状の磁気コアと、測定対象電流が流れるバスバーとを備え、バスバーは、磁気コアに囲まれた領域内に位置する内部領域と、磁気コアに囲まれた領域外に位置する外部領域とを有し、外部領域には、磁気コアの開口軸方向から見て磁気コアと重なる位置に、測定対象電流を分流させるスリットが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、バスバーの外部領域に流れる測定対象電流がスリットによって分流することから、スリット及びその近傍においては、測定対象電流によって生じる磁界が打ち消される。このため、磁気コアと重なる位置にスリットを設けることにより、外部領域から発生する磁界が磁気コアに与える影響を低減させることが可能となる。

本発明において、バスバーの内部領域は、測定対象電流が互いに逆方向に流れる第１及び第２の部分を含み、磁気センサは、第１の部分と第２の部分の間に配置されていても構わない。これによれば、第１の部分から発生する磁界と第２の部分から発生する磁界が磁気センサの配置された領域において強め合うことから、測定対象電流をより高感度に検出することが可能となる。

本発明において、バスバーの内部領域は、第１の部分から見て磁気センサとは反対側に設けられ、第１の部分とは逆方向に測定対象電流が流れる第３の部分と、第２の部分から見て磁気センサとは反対側に設けられ、第２の部分とは逆方向に測定対象電流が流れる第４の部分とをさらに含んでいても構わない。これによれば、バスバーの第１及び第３の部分から発生する磁束の一部が互いに打ち消し合い、バスバーの第２及び第４の部分から発生する磁束の一部が互いに打ち消し合うことから、磁気センサ及び磁気コアに印加される磁界が低減される。これにより磁気センサ及び磁気コアの飽和が抑えられることから、より大電流を測定することが可能となる。

本発明において、スリットは、バスバーの外部領域から内部領域に亘って延在するものであっても構わない。これによれば、バスバーの内部領域から発生する磁界も低減されることから、より大電流を測定することが可能となる。

このように、本発明によれば、磁気センサを環状の磁気コアで囲んだ構成を有する電流センサにおいて、バスバーの外部領域から発生する磁界が磁気コアに与える影響を低減することが可能となる。また、磁気コアを大型化することなく、大電流測定時において磁気コアの飽和を避けることができることから、測定対象電流が大電流であっても、測定精度を維持しつつ小型化と低消費電流化を図ることができる。

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、本発明の好ましい実施形態による電流センサの略分解斜視図である。 図３は、本発明の好ましい実施形態による電流センサの模式的なｙｚ断面図であり、図１に示す矢印Ａから見た状態を示している。 図４は、第１の変形例によるバスバー１０Ａの構造を示す略斜視図である。 図５は、第２の変形例によるバスバー１０Ｂの構造を示す略斜視図である。 図６は、第３の変形例によるバスバー１０Ｃの構造を示す略斜視図である。 図７は、第４の変形例によるバスバー１０Ｄの構造を示す略斜視図である。 図８は、第５の変形例によるバスバー１０Ｅの構造を示す略斜視図である。 図９は、第６の変形例によるバスバー１０Ｆの構造を示す略斜視図である。 図１０は、バスバー１０Ｆをｙ方向から見た略側面図である。 図１１は、バスバー１０Ｆの模式的なｘｙ断面図である。

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。また、図２は、本実施形態による電流センサの略分解斜視図である。

図１及び図２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を取り囲む環状の磁気コア２０と、磁気コア２０内に収容された回路基板３０と、回路基板３０に搭載された磁気センサ４０とを備えている。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することができる。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。図２に示す例では、磁気センサ４０が可飽和磁性体Ｍ、検出コイルＣ１及び補償コイルＣ２によって構成されている。

磁気コア２０は、フェライトやパーマロイなどの高透磁率材料からなり、ｚ方向を開口軸方向とする環状構造を有している。磁気コア２０は、バスバー１０に流れる測定対象電流Ｉによって生じる磁界の磁路として機能するとともに、外乱磁界をバイパスさせる役割を果たす。

バスバー１０は、測定対象電流Ｉがｘ方向に流れる入力配線部１５及び出力配線部１６と、測定対象電流Ｉがｚ方向に流れる第１及び第２の部分１１，１２と、第１の部分１１と第２の部分１２を繋ぐ折り返し部１９を有している。そして、磁気コア２０は、バスバー１０の第１及び第２の部分１１，１２を収容するように配置される。バスバー１０の折り返し部１９は、磁気コア２０の外部に位置していても構わない。バスバー１０の第１及び第２の部分１１，１２は、磁気コア２０に囲まれた領域内に位置する内部領域を構成する。これに対し、入力配線部１５及び出力配線部１６は、磁気コア２０に囲まれた領域外に位置する外部領域を構成する。

入力配線部１５及び出力配線部１６には、ｚ方向から見て磁気コア２０と重なる位置にスリットＳＬ１，ＳＬ２がそれぞれ設けられている。このため、入力配線部１５及び出力配線部１６に流れる測定対象電流Ｉは、スリットＳＬ１，ＳＬ２によって分流される。スリットＳＬ１，ＳＬ２の開口軸方向は、磁気コア２０と同じくｚ方向である。特に限定されるものではないが、図２に示す例ではスリットＳＬ１，ＳＬ２の平面形状が矩形であり、ｙ方向を長手方向としている。

図３は、本実施形態による電流センサの模式的なｙｚ断面図であり、図１に示す矢印Ａから見た状態を示している。

図３に示す断面は、出力配線部１６に設けられたスリットＳＬ２を横断しており、この断面において出力配線部１６は２つの電流パス１６ａ，１６ｂに分離される。ここで、電流パス１６ａ，１６ｂの断面積が等しければ、電流パス１６ａ，１６ｂにはそれぞれ測定対象電流Ｉの半分がｘ方向に流れる。このため、電流パス１６ａからは図３に示す磁界φａが発生し、電流パス１６ｂからは図３に示す磁界φｂが発生する。磁界φａと磁界φｂはいずれも左回り（反時計回り）であることから、スリットＳＬ２の内部においては磁界φａと磁界φｂが打ち消される。また、スリットＳＬ２の外部においても、スリットＳＬ２に近い領域、特にスリットＳＬ２のｚ方向においては、磁界φａと磁界φｂが部分的に打ち消されることによって磁界強度が低減する。そして、本実施形態においては、ｚ方向から見てスリットＳＬ２が磁気コア２０と重なっていることから、磁気コア２０に印加される磁界が図３に示す領域Ｂにおいて低減することになる。

当然ながら、入力配線部１５に設けられたスリットＳＬ１についても同様の効果をもたらす。

このように、本実施形態による電流センサは、入力配線部１５及び出力配線部１６にそれぞれスリットＳＬ１，ＳＬ２が設けられていることから、バスバーの外部領域を構成する入力配線部１５及び出力配線部１６から発生する磁界が磁気コア２０に与える影響を大幅に低減することが可能となる。これにより、スリットＳＬ１，ＳＬ２を設けない場合と比べて磁気コア２０が飽和しにくくなることから、より大電流の測定が可能となる。

入力配線部１５及び出力配線部１６の形状や、スリットＳＬ１，ＳＬ２の形状については特に限定されない。例えば、図４に示す第１の変形例によるバスバー１０Ａのように、スリットＳＬ１，ＳＬ２の平面形状に丸みを持たせても構わない。これによれば、測定対象電流Ｉの流れがよりスムーズとなる。また、図５に示す第２の変形例によるバスバー１０Ｂのように、スリットＳＬ１，ＳＬ２のｘ方向における幅を拡大し、磁気コア２０の厚み以上としても構わない。これによれば、バスバー１０に対する磁気コア２０の取り付け位置がｘ方向にずれたとしても、磁気コア２０とスリットＳＬ１，ＳＬ２との重なりを確保することができる。さらに、図６に示す第３の変形例によるバスバー１０Ｃのように、入力配線部１５及び出力配線部１６のｙ方向における幅が第１及び第２の部分１１，１２に向かって徐々に狭くなるテーパー形状を有していても構わない。これによれば、測定対象電流Ｉの流れがよりスムーズとなる。

さらには、図７に示す第４の変形例によるバスバー１０Ｄのように、スリットＳＬ１，ＳＬ２のｘ方向における幅を中央部において狭くし、両端部において広くしても構わない。これによれば、入力配線部１５及び出力配線部１６から発生する磁界が磁気コア２０に与える影響を低減しつつ、入力配線部１５及び出力配線部１６の面積が十分に確保されることから、放熱性を高めることが可能となる。また、図８に示す第５の変形例によるバスバー１０Ｅのように、スリットＳＬ１，ＳＬ２を第１及び第２の部分１１，１２まで延在させても構わない。図８に示す例では、スリットＳＬ１，ＳＬ２のｙ方向における幅を第１及び第２の部分１１，１２において狭くしている。第１及び第２の部分１１，１２に設けられたスリットＳＬ１，ＳＬ２は、磁気センサ４０が配置されるｚ方向位置よりも低い位置で終端する。これによれば、バスバー１０Ｅの内部領域から発生する磁界のうち、磁気センサ４０に寄与しない成分が低減されることから、磁気センサ４０及び磁気コア２０がより飽和しにくくなる。

図９は、第６の変形例によるバスバー１０Ｆの構造を示す略斜視図である。第６の変形例によるバスバー１０Ｆは、Ｕ字型に折り返された部分を２箇所有しており、第１〜第４の部分１１〜１４において測定対象電流Ｉがｚ方向に流れる。ここで、第１の部分１１と第２の部分１２のｘ方向における間隔は、第１の部分１１と第３の部分１３のｘ方向における間隔や、第２の部分１２と第４の部分１４のｘ方向における間隔よりも広く、この部分に磁気センサ４０が配置される。第１の部分１１と第３の部分１３は折り返し部１７にてｘ方向に接続され、第２の部分１２と第４の部分１４は折り返し部１８にてｘ方向に接続され、第１の部分１１と第２の部分１２は折り返し部１９にてｘ方向に接続される。そして、磁気コア２０は、バスバー１０の第１〜第４の部分１１〜１４を収容するように配置される。バスバー１０の折り返し部１７〜１９は、磁気コア２０の外部に位置していても構わない。

図１０は、バスバー１０Ｆをｙ方向から見た略側面図である。

図１０に示すように、バスバー１０Ｆの入力配線部１５から出力配線部１６に向かって測定対象電流Ｉが流れると、第３の部分１３、第１の部分１１、第２の部分１２及び第４の部分１４の順に測定対象電流Ｉが流れる。この時、第１及び第４の部分１１，１４には図３に示す下方向（−ｚ方向）に測定対象電流Ｉが流れ、第２及び第３の部分１２，１３には図３に示す上方向（＋ｚ方向）に測定対象電流Ｉが流れる。つまり、第１及び第４の部分１１，１４と第２及び第３の部分１２，１３には、互いに逆方向に測定対象電流Ｉが流れることになる。

これにより、バスバー１０Ｆの模式的なｘｙ断面図である図１１に示すように、第１の部分１１から発生する磁束φ１と、第２の部分１２から発生する磁束φ２は、磁気センサ４０が配置される領域Ｃにおいて同じ向き（−ｙ方向）となる。これに対し、第３の部分１３から発生する磁束φ３と、第４の部分１４から発生する磁束φ４は、領域Ｃにおいて磁束φ１，φ２とは逆向き（＋ｙ方向）となることから、領域Ｃにおける磁界のｙ方向成分が磁束φ３，φ４によって減少する。これにより、第３及び第４の部分１３，１４が存在しない場合と比べ、磁気センサ４０に印加される磁界が弱められることから、測定対象電流Ｉが大電流であっても磁気センサ４０が飽和しにくくなる。同様な理由で、磁気コア２０の飽和も防ぐことができ、大電流でも測定精度を維持しつつ、小型化及び低消費電流化を図ることができる。

磁束φ３，φ４が磁気センサ４０に与える影響は、第１の部分１１と第３の部分１３のｘ方向におけるギャップＧ、並びに、第２の部分１２と第４の部分１４のｘ方向におけるギャップＧによって調整することが可能である。つまり、ギャップＧを大きくすると、第３及び第４の部分１３，１４と磁気センサ４０との距離が離れることから、磁束φ３，φ４が磁気センサ４０に与える影響が小さくなる。このため、磁気センサ４０に印加される磁界を弱める効果は小さくなる。これに対し、ギャップＧを小さくすると、第３及び第４の部分１３，１４と磁気センサ４０との距離が縮まることから、磁束φ３，φ４が磁気センサ４０に与える影響が大きくなる。このため、磁気センサ４０に印加される磁界を弱める効果は大きくなる。但し、ギャップＧが小さすぎると、第１の部分１１と第３の部分１３が接触したり、第２の部分１２と第４の部分１４が接触したりするおそれが生じることから、これを防止するために、ギャップＧに非磁性の絶縁材料を介在させても構わない。

磁気センサ４０のｚ方向における高さ位置は、折り返し部１７，１８と折り返し部１９の中間位置に配置することが好ましい。これによれば、折り返し部１７〜１９から発生する磁束が磁気センサ４０に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、入力配線部１５及び出力配線部１６にそれぞれスリットＳＬ１，ＳＬ２が設けられ、これらがｚ方向から見て磁気コア２０と重なっていることから、バスバー１０の外部領域から発生する磁界が磁気コア２０に与える影響を低減することが可能となる。これにより、測定対象電流Ｉが大電流であっても磁気コア２０が容易に飽和しないことから、より大電流を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、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できることから、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も可能となる。

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。

１０，１０Ａ〜１０Ｆ バスバー
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 入力配線部
１６ 出力配線部
１６ａ，１６ｂ 電流パス
１７〜１９ 折り返し部
２０ 磁気コア
３０ 回路基板
４０ 磁気センサ
Ｃ１ 検出コイル
Ｃ２ 補償コイル
Ｉ 測定対象電流
Ｍ 可飽和磁性体
ＳＬ１，ＳＬ２ スリット

Claims (4)

1. 磁気センサと、
   前記磁気センサを囲む環状の磁気コアと、
   測定対象電流が流れるバスバーと、を備え、
   前記バスバーは、前記磁気コアに囲まれた領域内に位置する内部領域と、前記磁気コアに囲まれた領域外に位置する外部領域とを有し、
   前記外部領域には、前記磁気コアの開口軸方向から見て前記磁気コアと重なる位置に、前記測定対象電流を分流させるスリットが設けられていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記バスバーの前記内部領域は、測定対象電流が互いに逆方向に流れる第１及び第２の部分を含み、
   前記磁気センサは、前記第１の部分と前記第２の部分の間に配置さ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。
3. 前記バスバーの前記内部領域は、前記第１の部分から見て前記磁気センサとは反対側に設けられ、前記第１の部分とは逆方向に前記測定対象電流が流れる第３の部分と、前記第２の部分から見て前記磁気センサとは反対側に設けられ、前記第２の部分とは逆方向に前記測定対象電流が流れる第４の部分とをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記スリットは、前記バスバーの前記外部領域から前記内部領域に亘って延在する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。

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