JP2021076468A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】シールドの物量を抑え、磁界検出素子の検出感度を高める。【解決手段】電流センサ１は、電流線２の近傍に設置される磁界検出素子３とシールド４とを有している。磁界検出素子３は電流線２を流れる電流により誘起される磁界を検出する。シールド４は、磁界検出素子３を覆うとともに電流線２を周方向に覆う外側シールド５と、外側シールド５の内側に設けられた一対の内側シールド６Ａ，６Ｂと、を有している。外側シールド５は電流線２が通る両側側面が開口７とされている。電流線２と磁界検出素子３は一対の内側シールド６Ａ，６Ｂに挟まれている。【選択図】図２

Description

本発明は電流センサに関し、特にシールドの構成に関する。

電流線を流れる電流により誘起される磁界を検出するために、磁界検出素子を備えた電流センサが用いられる。電流センサは、電流線から誘起される磁界以外の磁界を遮へいするため、磁界検出素子を覆うシールドを備えることがある。特許文献１には二重箱体からなるシールドケースを有する電流検出器が開示されている。検出コアは、外部磁界を検出しないように、六面体の内側磁気シールドケースと、六面体の外側磁気シールドケースとによって包囲されている。シールドケースは、外部磁界の影響による測定値のばらつきを抑制する。

特開２００１−２８１２７０号公報

特許文献１に開示された電流検出器は外部磁界の遮へい性能に優れているが、検出コアが二重箱体で完全に取り囲まれているため、シールドの物量が増加する。一般に磁界検出素子は磁界検出感度の高い特定の方向（磁界検出方向という）を有していることから、磁界検出方向と平行な方向以外の方向を向いた磁束を遮へいする必要性は小さい。このため、電流線が通る側面のシールドを省略し、この側面を開口とすることが可能である。しかしながら、磁束はシールドの周辺で曲げられ、開口からシールドの内部に侵入する。シールドの内部に侵入した磁束は、磁界検出方向に無視できない成分を有する可能性があり、電流センサの感度に影響を与える可能性がある。

本発明は、シールドの物量を抑え、磁界検出素子の検出感度を高め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。

本発明の電流センサは、電流線の近傍に設置される磁界検出素子とシールドとを有している。磁界検出素子は電流線を流れる電流により誘起される磁界を検出する。シールドは、磁界検出素子を覆うとともに電流線を周方向に覆う外側シールドと、外側シールドの内側に設けられた一対の内側シールドと、を有している。外側シールドは電流線が通る両側側面が開口とされている。電流線と磁界検出素子は一対の内側シールドに挟まれている。

外側シールドは電流線が通る両側側面が開口とされているため、シールドの物量が低減される。内側シールドは磁界検出素子の近傍に侵入する磁束の磁界検出方向の成分を弱める。従って、本発明によれば、電流の検出精度が高くかつ消費電力が抑えられた電流センサを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電流センサの概略斜視図である。 図１に示す電流センサの断面図と上面図である。 比較例の電流センサの磁束線と磁束密度を示す図である。 図１に示す電流センサの磁束線と磁束密度を示す図である。 比較例の電流センサの磁束密度を示す図である。 様々な構成のシールドと磁束密度を示す図である。 様々な構成のシールドと磁束線を示す図である。 内側シールドの幅と磁束密度の関係を示す図である。 様々な構成のシールドと磁束密度を示す図である。 他の実施形態の電流センサの上面図である。 他の実施形態の電流センサの磁束密度を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の電流センサ１のいくつかの実施形態について説明する。以下の説明及び図面において、Ｘ方向は電流線２の延びる方向である。Ｙ方向は電流線２の幅方向であり、磁界検出素子３の磁界検出方向に対応する。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交する方向であり、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂの電流線２と対向する面と垂直な方向に対応する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る電流センサ１の斜視図を、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った電流センサ１の断面図を、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿った電流センサ１の断面図を、図２（ｃ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す。電流センサ１は、電流線２の近傍に設置された磁界検出素子３とシールド４とを有している。シールド４は電流線２の周囲に配置され、電流線２の磁界検出素子３の近傍の部分と、磁界検出素子３とを覆っている。電流線２の構成は限定されないが、本実施形態においては、Ｚ方向からみて帯状の形状を有するバスバーである。電流線２は２つの主面２Ａ，２Ｂ（Ｚ軸と平行な法線を有する面）を有し、主面２Ａは後述する第１の内側シールド６Ａと対向し、主面２Ｂは後述する第２の内側シールド６Ｂと対向している。電流線２をＸ方向に流れる電流によって、Ｙ−Ｚ面内に電流線２を囲む磁界が誘起される。磁界検出素子３は電流線２の主面２Ａと対向して設けられているが、主面２Ｂと対向して設けられてもよい。磁界検出素子３はＹ軸方向に磁界検出方向を有し、Ｙ軸方向の磁界を検出する。磁界検出素子３はＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子を有している。磁界検出素子３は磁界が検出できる限り限定されず、例えばホール素子を有していてもよい。

シールド４は、外側シールド５と、第１の内側シールド６Ａと、第２の内側シールド６Ｂと、を有している。外側シールド５と、第１の内側シールド６Ａと、第２の内側シールド６Ｂはそれぞれ、電流線２の中心線に関し対称である。外側シールド５はＮｉＦｅなどの軟磁性体からなり、磁界検出素子３を覆うとともに電流線２を周方向に覆っている。外側シールド５は、電流線２を上下方向に覆うために、上半部５Ａと下半部５Ｂとからなる上下２分割構成を有している。上半部５Ａと下半部５Ｂは同じ形状である。上半部５Ａと下半部５Ｂは概ねＵ字型の断面形状を有し、外側シールド５全体として概ね長方形の断面形状を有している。外側シールド５は電流線２が通る両側側面が開口７とされている。すなわち、外側シールド５はＸ−Ｙ面とＸ−Ｚ面で電流線２の周囲を覆っており、Ｙ−Ｚ面には設けられていない。このため、外側シールド５の物量を削減することが可能である。

第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは外側シールド５の内側に設けられた平板状のシールドである。Ｚ方向からみて、第１の内側シールド６Ａと第２の内側シールド６Ｂは概ね長方形の形状を有し、且つ完全に重なり合っている（すなわち、同一の形状を有している）。第１の内側シールド６Ａと第２の内側シールド６ＢはＸ−Ｙ面と平行に配置されている。第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは外側シールド５と同様、ＮｉＦｅなどの軟磁性体から形成されている。第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは外側シールド５から磁気的に離隔されており、例えば非磁性層や非磁性接着剤を介して外側シールド５に固定されている。第１の内側シールド６Ａと第２の内側シールド６Ｂの間に磁界検出素子３と電流線２が設けられ、第１の内側シールド６Ａと電流線２の間に磁界検出素子３が設けられている。第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは、電流線２と平行で且つＺ軸と平行な法線を有する主面を有している。第１の内側シールド６Ａの一方の主面が磁界検出素子３と対向し、第２の内側シールド６Ｂの一方の主面が電流線２と対向している。磁界検出素子３はＺ方向からみて第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂのほぼ中央、すなわちＸ方向及びＹ方向における中心に設けられるのが好ましく、Ｚ方向においては電流線２と第１の内側シールド６Ａのほぼ中間に設けられているのが好ましい。磁界検出素子３は第２の内側シールド６Ｂと電流線２との間に配置されてもよい。Ｚ方向からみて、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６ＢのＸ方向に延びる中心線は電流線２の中心線と一致しているのが好ましく、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６ＢのＹ方向幅は電流線２のＹ方向幅より大きいことが好ましい。すなわち、Ｚ方向からみて、電流線２は第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂで覆われていることが好ましい。

第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは、両側の開口７から開口７の外方に突き出す突出し部９を有している。Ｚ方向からみて、各突出し部９は概ね長方形であり、電流線２の中心線に関し対称であることが好ましい。また、Ｚ方向からみて、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂの両側の開口７の間の区間を延びる部分も長方形であり、且つ電流線２の中心線に関し対称であることが好ましい。以下の説明で、突出し部９の開口７からのＸ方向長さを突出し長さＬという。両側の突出し部９の突出し長さＬは好ましくは同一であり、本実施形態では５ｍｍである。

次に、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂの効果について説明する。まず、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂが設けられていない比較例１について説明する。比較例１のシールド４は上述の第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂが省略され、外側シールド５だけで構成されている。図３（ａ）は比較例１の電流センサ１の図２（ｃ）と同様の図面である。外部磁界が磁界検出素子３の磁界検出方向（Ｙ方向）に印加されている。図３（ａ）には、この外部磁界によって発生する磁束線を矢印で表示している。矢印の長さは概略の磁束密度を示している。外側シールド５は外部磁界を遮へいし、磁界検出素子３に印加される外部磁界を減衰させる。

磁束線は外側シールド５の近傍でＸ方向に曲がり、開口７から外側シールド５の内部空間に侵入する。磁束線は次にＸ方向に反対向きに向きを変え、外側シールド５の内部空間を抜け、再びＹ方向に向きを変える。磁界検出素子３が配置される内部空間の中央領域では磁束密度は最も弱められているが、磁束線はほぼＹ方向を向いている。この磁束線が磁界検出素子３に印加され、電流センサ１のＳＮ比を低下させる。特に、磁界検出素子３がＴＭＲ素子のような高感度の素子である場合、微弱な外部磁界も検出するため、外部磁界による影響が相対的に増大する。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すモデルにおいて、シミュレーションで求めた、電流線２の上方３ｍｍ（電流線２と第１の内側シールド６Ａのほぼ中間位置）でのＸ−Ｙ面内の磁束線を示している。図３（ｃ）は、外側シールド５の内部空間のＸ及びＹ方向における中心（以下、中心位置という）での、Ｚ方向距離とＹ方向磁束密度との関係を示している。Ｚ方向距離は電流線２からＺ方向上向きに測った距離である。

図４（ａ）〜４（ｃ）はそれぞれ、本実施形態（図２）における図３（ａ）〜３（ｃ）と同様の図である。磁束線の形状は基本的に比較例１と同じである。磁束線はＸ方向に曲がりながら外側シールド５の内部空間に侵入し、Ｘ方向に反対向きに向きを変え、内部空間から抜ける。図３（ｂ），４（ｂ）から分かる通り、内部空間の中央領域の磁束線は外側シールド５の両側開口７から侵入する磁束線に由来する。第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは外側シールド５の開口７から侵入する磁束線が中央領域に侵入することを防止し、中央領域の磁束密度を低下させる。図３（ｃ），４（ｃ）の比較より、実施形態における中央領域の磁束密度は、比較例１における中央領域の磁束密度の１／１０以下に低減している。実施形態では、Ｚ方向距離のどの位置においても磁束密度が低減しており、磁界検出素子３のＺ方向における配置位置の自由度が高められている。

図５には比較例２−１〜２−３の電流センサと、内部空間におけるＹ方向磁束密度とＺ方向距離との関係を示している。グラフの横軸は電流線２からのＺ方向距離であり、縦軸はＹ方向磁束密度であり、いずれも図３（ｃ），４（ｃ）のグラフと同様に定義している。比較例２−１では、第１の内側シールド６Ａは実施形態と同様に設けられているが、第２の内側シールド６Ｂは省略されている。比較例２−２では、第２の内側シールド６Ｂは実施形態と同様に設けられているが、第１の内側シールド６Ａは省略されている。比較例２−１では比較例１よりＹ方向磁束密度が低下しているが、比較例１と大差はない。比較例２−２では第１の内側シールド６Ａが省略されているため、Ｚ方向距離の増加に従いＹ方向磁束密度は増加している。しかし、Ｙ方向磁束密度の大きさは比較例１，２−１と大差ない。比較例２−３では、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂがなく、外側シールド５は実施形態の外側シールド５に対して５ｍｍ突き出している。しかし、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂがないため、Ｙ方向磁束密度は比較例２−１と同程度である。以上より、Ｙ方向磁束密度を抑えるためには、第１の内側シールド６Ａと第２の内側シールド６Ｂからなる一対の内部シールド６Ａ、６Ｂを設けることが望ましい。

図６にはシールド４の様々な構成と、内部空間におけるＹ方向磁束密度とＺ方向距離との関係を示している。グラフの横軸は電流線２からのＺ方向距離であり、縦軸はＹ方向磁束密度であり、いずれも図３（ｃ），４（ｃ）のグラフと同様に定義している。図７には図６に示す各シールド４に対する、電流線２の上方３ｍｍ位置でのＸ−Ｙ面内の磁束線を示している。図７では、磁束密度の小さい領域を破線で表示している。実施例１−１〜１−５はすべて一対の内側シールド６Ａ，６Ｂを有している。実施例１−１では、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂが外側シールド５の両側開口７の間を延びており、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂと外側シールド５のＸ方向長さは同じである。実施例１−２，１−３では、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂが外側シールド５の両側開口７から突き出している。突出し長さＬは実施例１−２で５ｍｍ、実施例１−３で１０ｍｍである。実施例１−４では、第１の内側シールド６Ａが外側シールド５の両側開口７から５ｍｍ突き出しており、第２の内側シールド６Ｂは外側シールド５の両側開口７の間を延びている。実施例１−５では、第２の内側シールド６Ｂが外側シールド５の両側開口７から５ｍｍ突き出しており、第１の内側シールド６Ａは外側シールド５の両側開口７の間を延びている。実施例１−２は第１の実施形態と同じであるが、比較のために示している。

最もＹ方向磁束密度が低いのは実施例１−３であり、次にＹ方向磁束密度が低いのは実施例１−２である。これより、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂの突出し部９が中央領域における磁束密度を下げていることが分かる。上述のように、中央領域の磁束線は主に外側シールド５の両側開口７のＹ方向中央部から侵入する磁束線に由来する。実施例１−２，１−３では第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂが外側シールド５に対し突き出しているため、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６ＢのＸ方向縁部と中央領域との距離が増加している。このため、中央領域におけるＹ方向磁束密度が減少する。実施例１−１，１−４，１−５も、実施例１−２，１−３と比べると効果は限定的であるが、中央領域におけるＹ方向磁束密度を下げる効果が得られる。Ｙ方向磁束密度を抑えるためには、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂに突出し部９を設けることがより好ましい。

図８には、図２（ｃ）に示す突出し部９の幅Ｗ１（Ｙ方向寸法）と、中心位置のＹ方向磁束密度との関係を示している。実施例２−１〜２−４は第１の実施形態と同じ構成を有し、突出し部９の幅Ｗ１が実施形態より小さくされている。突出し部９は電流線２の中心線に関し対称形である。実施例２−１〜２−４の中では、実施例２−１の幅Ｗ１が最も小さく、実施例２−４の幅Ｗ１が最も大きい。実施例２−４の幅Ｗ１は電流線２の幅（３０ｍｍ）より大きく、実施例２−１〜２−３の幅Ｗ１は電流線２の幅より小さい。幅Ｗ１が大きいほど中央領域のＹ方向磁束密度が低下している。以上より、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６ＢのＹ方向幅Ｗ１は電流線２のＹ方向幅より大きいことが望ましい。

（第２の実施形態）
図９（ａ）〜９（ｄ）は第２の実施形態に係る電流センサ１の図２（ｃ）と同様の図である。Ｚ方向からみて、第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂの突出し部９は電流線２の幅方向に分割されている。各内側シールド６Ａ，６Ｂの分割された一対の部分１０は、電流線２の中心線に関し対称に配置されており、図９（ａ）〜９（ｄ）に示す実施例３−１〜３−４では、中央部の凹部１１の幅Ｗ２が異なっている。図９（ｅ）に実施例３−１〜３−４のＹ方向磁束密度を示す。幅Ｗ２が小さい実施例ではＹ方向磁束密度が小さくなっており、幅Ｗ２は小さいほうが好ましい。図９（ａ）〜９（ｃ）に示すように、各突出し部９が電流線２と重なっていることがより好ましい。

（第３の実施形態）
図１０は第３の実施形態に係る電流センサ１の図２（ｃ）と同様の図である。Ｚ方向からみて、内側シールド４の突出し部９は、外側シールド５の開口７を通る線１２を底辺とする二等辺三角形の形状を有している。前述のように、磁束線は外側シールド５の開口７のＹ方向中央部から内部領域に侵入するため、内側シールド４のＸ方向寸法をＹ方向中央部で大きくすることで、内部領域に侵入する磁束を減らすことができる。形状は二等辺三角形に限らず円弧状の形状であってもよいが、Ｚ方向からみて、突出し長さＬはＸ方向と平行で且つ磁界検出素子３を通る線１３上で最大となっていることが望ましい。

（第４の実施形態）
図１１は第４の実施形態に係る電流センサ１の図２（ｃ）と同様の図である。グラフの横軸は電流線２からのＺ方向距離であり、縦軸はＹ方向磁束密度であり、いずれも図３（ｃ），４（ｃ）のグラフと同様に定義している。第４の実施形態に係る電流センサ１の内側シールド６Ａ，６Ｂは外側シールド５と一体化されている。第１の内側シールド６Ａ（または第２の内側シールド６Ｂ）と外側シールド５の厚さの合計は第１の実施形態と同じである。第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂの突出し長さＬは実施例４−１で５ｍｍ、実施例４−２で０ｍｍである。第１の内側シールド６Ａ（または第２の内側シールド６Ｂ）と電流線２とのＹ方向距離が増加しているため他の実施例と比べてＹ方向磁束密度は大きいが、各比較例と比べるとＹ方向磁束密度は大幅に低減されている。

以上本発明をいくつかの実施形態によって説明したが、本発明は一対の内側シールドを備える限り、これらの実施形態に限定されない。外側シールド５はシールドとしての機能を奏する限り、形状や構成は限定されない。例えば、外側シールド５は電流線２の中心線に関し非対称であってよいし、コーナー部が曲面でなく、互いに交差する（例えば直交する）平板で形成されてもよい。外側シールド５は上半部５Ａと下半部５Ｂとからなる上下２分割構成を有しているが、一体構成としてもよい。第１の内側シールド６Ａと第２の内側シールド６Ｂはそれぞれ、電流線２の中心線に関し非対称であってよい。上述の多くの実施形態及び実施例では第１及び第２の内側シールド６Ａ，６Ｂは、Ｚ方向からみて概ね長方形の形状を有し、且つ完全に重なり合っているが、長方形の形状以外の形状であってもよく、完全に重なり合っていなくてもよい。第１の内側シールド６Ａと、第２の内側シールド６Ｂは平板状であり、厚さは一定であるが、部分的に厚さが異なっていてもよく、厚さが連続的または非連続的に変化していてもよい。これらの場合も本発明の効果を奏することができる。

１ 電流センサ
２ 電流線
３ 磁界検出素子
４ シールド
５ 外側シールド
６Ａ 第１の内側シールド
６Ｂ 第２の内側シールド
９ 突出し部

Claims (12)

1. 電流線の近傍に設置される磁界検出素子とシールドとを有し、
   前記磁界検出素子は前記電流線を流れる電流により誘起される磁界を検出し、
   前記シールドは、前記磁界検出素子を覆うとともに前記電流線を周方向に覆う外側シールドと、前記外側シールドの内側に設けられた一対の内側シールドと、を有し、前記外側シールドは前記電流線が通る両側側面が開口とされ、前記電流線と前記磁界検出素子は前記一対の内側シールドに挟まれている、電流センサ。
2. 前記少なくとも一つの内側シールドは、少なくとも両側の前記開口の間の区間を延びている、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記一対の内側シールドは平板状である、請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記内側シールドの前記電流線と対向する面と垂直な方向からみて、前記内側シールドの前記区間を延びる部分は長方形である、請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記少なくとも一つの内側シールドは、少なくとも一方の前記開口から前記開口の外方に突き出した突出し部を有している、請求項３または４に記載の電流センサ。
6. 前記内側シールドの前記電流線と対向する面と垂直な方向からみて、前記内側シールドは長方形である、請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記内側シールドの前記電流線と対向する面と垂直な方向からみて、前記突出し部の突出し長さは、前記電流線が延びる方向と平行で且つ前記磁界検出素子を通る線上で最大である、請求項５に記載の電流センサ。
8. 前記内側シールドの前記電流線と対向する面と垂直な方向からみて、前記突出し部は前記電流線の延びる方向と直交する方向に分割されている、請求項５に記載の電流センサ。
9. 分割された各突出し部は前記電流線と重なっている、請求項８に記載の電流センサ。
10. 前記内側シールドの前記電流線と対向する面と垂直な方向からみて、前記電流線の延びる方向と直交する方向における前記内側シールドの幅は前記電流線の幅より大きい、請求項３から９のいずれか１項に記載の電流センサ。
11. 前記内側シールドの前記電流線と対向する面と垂直な方向からみて、前記内側シールドは前記電流線の中心線に関し対称である、請求項３から１０のいずれか１項に記載の電流センサ。
12. 前記内側シールドは前記外側シールドと一体化されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電流センサ。

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