JP2021001832A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供する。【解決手段】電流センサ１は、測定対象となる電流Ｉが流れるバスバー１０と、バスバー１０に流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサ２０とを備える。バスバー１０は、センシング部１３Ａと、センシング部を＋ｙ方向から覆うドーム状のバイパス部１１と、センシング部１３Ａを−ｙ方向から覆うドーム状のバイパス部１２とを含み、磁気センサ２０は、バイパス部１１，１２に囲まれた囲繞空間に配置されている。このように、ゼロ磁界となる囲繞空間に磁気センサ２０が配置されることから、バスバー１０に流れる電流が大電流であっても、磁気センサ２０が飽和することなく正しく測定することが可能となる。しかも、バイパス部１１，１２がドーム状であることから、バスバー１０のｚ方向におけるサイズを短くすることも可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は電流センサに関し、特に、磁気センサを用い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に記載された電流センサは、バスバーに測定対象となる電流が一方向に流れる電流経路と逆方向に流れる電流経路を設け、これらの間に磁気センサを配置した構成が開示されている。また、特許文献２には、バスバーを２分岐させ、それぞれの電流経路に磁気センサを割り当てた電流センサが開示されている。

特許第５９７１３９８号公報 国際公開第２０１７／０１８３０６号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載された電流センサは、一方の電流経路から生じる磁界と他方の電流経路から生じる磁界が互いに強め合うことから、測定対象となる電流の電流量が大きいと磁気センサが飽和してしまうという問題があった。また、特許文献２に記載された電流センサは、バスバーを２分岐させていることから、それぞれの磁気センサに印加される磁界の強度は１／２に抑えられる。しかしながら、この場合であっても、測定対象となる電流の電流量が非常に大きい場合には、磁気センサが容易に飽和してしまう。

したがって、本発明は、バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサ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界を検出する磁気センサとを備え、バスバーは、電流が第１の方向に流れるセンシング部と、センシング部を第１の方向と直交する第２の方向における一方側から覆うドーム状の第１のバイパス部と、センシング部を第２の方向における他方側から覆うドーム状の第２のバイパス部とを含み、磁気センサは、第１及び第２のバイパス部に囲まれた囲繞空間に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２のバイパス部に囲まれた囲繞空間にはゼロ磁界となる領域が形成される。そして、センシング部及び磁気センサは、この囲繞空間に配置されることから、バスバーに流れる電流が大電流であっても、磁気センサが飽和することなく正しく測定することが可能となる。しかも、第１及び第２のバイパス部がドーム状であることから、バスバーの第１の方向におけるサイズを短くすることも可能となる。

本発明において、囲繞空間の第１の方向と直交する断面は、磁気センサが配置された位置から第１の方向に離れるにしたがって狭くなるものであっても構わない。これによれば、囲繞空間内の最も断面の広い領域に磁気センサが配置されることから、磁気センサと第１及び第２のバイパス部との干渉を防止することが可能となる。

本発明において、囲繞空間は略球状であっても構わない。これによれば、第１及び第２のバイパス部に流れる電流によって囲繞空間に生じる磁界をほぼゼロとすることが可能となる。

このように、本発明によれば、バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供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の外観を示す略分解斜視図である。 図２は、本体部１３の略平面図である。 図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図である。 図５は、図２に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。 図６は、組み合わせ加工前におけるバスバー１０の略斜視図である。 図７は、図６に示すＤ−Ｄ線に沿った略断面図である。 図８は、第１の変形例によるバスバー１０ａの外観を示す略分解斜視図である。 図９は、第２の変形例によるバスバー１０ｂの外観を示す略分解斜視図である。 図１０は、組み合わせ加工前におけるバスバー１０ｂの略斜視図である。 図１１は、第３の変形例によるバスバー１０ｃの外観を示す略分解斜視図である。

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。

図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の外観を示す略分解斜視図である。

図１に示すように、第１の実施形態による電流センサ１は、測定対象となる電流Ｉが流れるバスバー１０と磁気センサ２０とを有している。バスバー１０は、センシング部１３Ａを有する本体部１３と、センシング部１３Ａを＋ｙ方向から覆うドーム状のバイパス部１１と、センシング部１３Ａを−ｙ方向から覆うドーム状のバイパス部１２とを含んでいる。バイパス部１１，１２は、外表面及び内表面がいずれも半球状であり、内表面に囲まれた空間１１ａ，１２ａをそれぞれ有している。本体部１３は、センシング部１３Ａの他に、バイパス部１３Ｂ及び板状部１３Ｃを有しており、センシング部１３Ａとバイパス部１３Ｂの間に空間１３ａを有している。そして、バイパス部１１，１２と本体部１３を組み合わせると、バイパス部１１，１２，１３Ｂによって球体が構成され、センシング部１３Ａは、この球体の内表面に囲まれる囲繞空間に配置される。囲繞空間は、空間１１ａ，１２ａ，１３ａによって構成され、その内表面も球状である。

バスバー１０の本体部１３は、銅やアルミニウムなどの良導体とその表面を覆う絶縁膜からなり、絶縁膜の表面には複数の配線３０が形成されている。バイパス部１１，１２についても、銅やアルミニウムなどの良導体からなる。バイパス部１１，１２については、配線３０との短絡が生じない限り、その表面が絶縁膜で覆われている必要はない。そして、測定対象となる電流Ｉが板状部１３Ｃに流れると、電流Ｉは、球体を構成するバイパス部１１，１２，１３Ｂとセンシング部１３Ａに分流する。本実施形態においては、センシング部１３Ａの断面積よりもバイパス部１１，１２，１３Ｂの断面積の方が十分に大きく、これにより、バスバー１０に流れる電流Ｉの大部分がバイパス部１１，１２，１３Ｂを流れる。

図２は、本体部１３の略平面図である。また、図３は図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図であり、図４は図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、図５は図２に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。

図２〜図５に示すように、センシング部１３Ａには、ｘ方向に延在するスリット１３ｂが設けられており、スリット１３ｂと重なるように磁気センサ２０が搭載されている。磁気センサ２０の種類については特に限定されないが、ホール素子や磁気抵抗素子などを用いることができる。また、センシング部１３Ａ及び板状部１３Ｃには、絶縁膜を介して複数（本例では４本）の配線３０が設けられており、各配線３０は磁気センサ２０に接続されている。一例として、４本の配線３０のうち２本は電源用の配線であり、残りの２本は信号用の配線である。

センシング部１３Ａのｘ方向における幅は、スリット１３ｂが設けられた部分において狭くなり、この幅狭部１３ｃに流れる電流によって生じる磁界が磁気センサ２０に印加される。つまり、測定対象となる電流Ｉの一部が幅狭部１３ｃにｚ方向に流れると、幅狭部１３ｃの周囲には、右ネジの法則にしたがって磁界φが発生する。磁界φは、磁気センサ２０に対してｙ方向成分を持つことから、磁気センサ２０の感磁方向をｙ方向に設定すれば、磁界φの強度を検出することができる。磁界φを検出することによって得られた信号は、配線３０を介して外部に出力され、電流Ｉの電流値に換算される。ここで、測定対象となる電流Ｉのうち、幅狭部１３ｃに流れる割合は、スリット１３ｂのｘ方向における幅によって調整することが可能である。

本実施形態においては、バイパス部１１，１２，１３Ｂによって構成される球体の内表面及び外表面がいずれもほぼ真球状であり、その肉厚も周方向にほぼ一定である。このため、バイパス部１１，１２，１３Ｂからなる球体に電流を流しても、空間１１ａ，１２ａ，１３ａによって構成される囲繞空間Ｓにおいては、磁界がほぼ完全に打ち消される。つまり、囲繞空間Ｓは、バイパス部１１，１２，１３Ｂに流れる電流に起因する磁界がほぼ存在しないゼロ磁界領域となる。

そして、本実施形態による電流センサ１においては、このような囲繞空間Ｓにセンシング部１３Ａ及び磁気センサ２０が配置されていることから、磁気センサ２０に印加される磁界は、実質的に、センシング部１３Ａに流れる電流に起因する磁界のみとなる。これにより、磁気センサ２０は、センシング部１３Ａに流れる電流によって生じる磁界を選択的に検出することが可能となる。また、図３〜図５に示すように、囲繞空間Ｓのｘｙ断面は、磁気センサ２０が配置された位置からｚ方向に離れるにしたがって狭くなる。つまり、磁気センサ２０は、囲繞空間Ｓのｚ方向における略中央部に配置されている。これにより、磁気センサ２０とバイパス部１１，１２との干渉を防止することが可能となる。

図６は組み合わせ加工前におけるバスバー１０の略斜視図であり、図７は図６に示すＤ−Ｄ線に沿った略断面図である。

図６及び図７に示すように、組み合わせ加工前におけるバスバー１０は、本体部１３とバイパス部１１，１２が一体化されている。本体部１３は、平板状である金属板１４とその表面に形成された絶縁膜１５によって構成されている。絶縁膜１５の表面には、複数の配線３０が形成されている。このような構造を有するバスバー１０は、金属板１４の表面に絶縁膜１５と金属膜１６が積層された構造を有する板状体を加工することによって作製することができる。例えば、金属膜１６に対してパターニングを行うことによって複数の配線３０を形成した後、打抜き加工によってバスバー１０を図６に示す平面形状に加工し、さらに、金型などを用いてバイパス部１１，１２を半球状に変形させることによって作製することができる。そして、半球状のバイパス部１１，１２を切り出した後、溶接などの方法を用いてバイパス部１１，１２を本体部１３に接続すれば、図１に示した本実施形態による電流センサ１が完成する。

また、図８に示す第１の変形例によるバスバー１０ａのように、バイパス部１１，１２の半球状部分のみを切り出すのではなく、半球状に繋がる板状部分が残るように切り出し、この状体で本体部１３と接続しても構わない。この場合、図６に示す切り出し前の状態でバスバー１０に電流を流し、バイパス部１１，１２，１３Ｂに流れる電流とセンシング部１３Ａに流れる電流をあらかじめ測定しておけば、分流比を正確に把握することが可能となる。

さらに、図９に示す第２の変形例によるバスバー１０ｂのように、バイパス部１１，１２のｚ方向における長さが本体部１３のｚ方向における長さと同じであっても構わない。このようなバスバー１０ｂは、図１０に示す板状のバスバー１０ｂを切断した後、重ね合わせることによって作製することができる。

以上説明したように、本実施形態による電流センサ１においては、センシング部１３Ａ及び磁気センサ２０がバイパス部１１，１２，１３Ｂからなる球状の囲繞空間Ｓに配置されていることから、磁気センサ２０は、センシング部１３Ａによって生じる磁界だけを選択的に検出することが可能となる。これにより、バスバー１０に流れる電流Ｉが大電流であっても、磁気センサ２０に印加される磁界強度が大幅に抑えられることから、磁気センサ２０の飽和を防止することが可能となる。

しかも、本実施形態においては、囲繞空間Ｓが球状であることから、バイパス部が筒状である場合と比べ、バスバー１０のｚ方向におけるサイズを短くすることも可能となる。

図１１は、第３の変形例によるバスバー１０ｃの外観を示す略分解斜視図である。

図１１に示すように、第３の変形例によるバスバー１０ｃは、バイパス部１１，１２が半球状ではなく、ｘｚ断面が六角形である点において、上述したバスバー１０，１０ａ，１０ｂと相違している。図１１が例示するように、本発明においてバイパス部１１，１２が半球状である点は必須でなく、多面体であっても構わない。つまり、バイパス部によって構成される囲繞空間Ｓがセンシング部１３Ａ及び磁気センサ２０を全方面から囲む構成であれば、どのような構成であっても構わない。

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、上記実施形態による電流センサ１においては、センシング部１３Ａを２つのバイパス部１１，１２で覆うことによって囲繞空間Ｓを形成しているが、バイパス部の数がこれに限定されるものではない。また、囲繞空間Ｓが完全に閉塞されている必要はなく、部分的に開放されていても構わない。

１ 電流センサ
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ バスバー
１１，１２ バイパス部
１１ａ，１２ａ 空間
１３ 本体部
１３Ａ センシング部
１３Ｂ バイパス部
１３Ｃ 板状部
１３ａ 空間
１３ｂ スリット
１３ｃ 幅狭部
１４ 金属板
１５ 絶縁膜
１６ 金属膜
２０ 磁気センサ
３０ 配線
Ｉ 電流
Ｓ 囲繞空間
φ 磁界

Claims (3)

1. 測定対象となる電流が流れるバスバーと、
   前記バスバーに流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサと、を備え、
   前記バスバーは、前記電流が第１の方向に流れるセンシング部と、前記センシング部を前記第１の方向と直交する第２の方向における一方側から覆うドーム状の第１のバイパス部と、前記センシング部を前記第２の方向における他方側から覆うドーム状の第２のバイパス部とを含み、
   前記磁気センサは、前記第１及び第２のバイパス部に囲まれた囲繞空間に配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記囲繞空間の前記第１の方向と直交する断面は、前記磁気センサが配置された位置から前記第１の方向に離れるにしたがって狭くなることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記囲繞空間が略球状であ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。

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