JP4833111B2

JP4833111B2 - 電流検出器

Info

Publication number: JP4833111B2
Application number: JP2007040750A
Authority: JP
Inventors: 均至村木; 賢次田中
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: CN101149402B; CN101149402A; JP2008102116A; US7626376B2; US20080094060A1

Description

本発明は、導体に流れる電流の大きさを磁界から検出する電流検出器に関する。

従来より、電線、バスバー等の導体の途中に電流計や、電流を電圧として検出するための抵抗を挿入することなく、電線、バスバー等の導体に流れる電流を測定可能な電流検出器が用いられている。

例えば、特許文献１に示されるように、バスバーを取り巻くようにギャップを有する強磁性体コアを介在させ、前記ギャップ内に感磁素子を配置した電流検出器が知られている。
特開平８−１５３３０号公報

しかし、従来の電流検出器によると、スペースを占めるコアが必要であるため、大型化する。また、複数のバスバーが隣接して配設された場合、隣接のバスバーによる磁場が感磁素子に印加されるため、検出精度が低下する原因になる。

従って、本発明の目的は、省スペース化が図れ、高精度な電流検出が可能な電流検出器を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、直角に変形させた一対の平行部と前記一対の平行部を連結する連結部を含む電流の方向を変える電流方向変換部を有するバスバーと、前記バスバーの前記電流方向変換部の前記一対の平行部間に配置された磁気検出器を備え、前記磁気検出器は、基板上に搭載された磁気検出素子と、前記基板を包囲するとともに前記磁気検出素子を両端部間に位置させるヨークを含むことを特徴とする電流検出器を提供する。

本発明の電流検出器によれば、省スペース化が図れ、かつ高精度な電流検出が可能になる。

（電流検出器の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る電流検出器を示す斜視図である。

図２は、図１の電流検出器の分解斜視図である。

電流検出器１０は、配線パターンが形成された基板１と、基板１の所定位置に実装された磁気検出器２と、磁気検出器２を嵌入可能な凹部３及び電源ケーブル等の端子のねじ止めに用いられる端子取付穴４０を有したバスバー４Ａ〜４Ｃと、磁気検出器２及び凹部３の外側を周回するように装着されたシールド部材５と、を備えて構成されている。なお、実際には、基板１及びバスバー４Ａ〜４Ｃを保持する部材等が必要になるが、図１及び図２では主要部品のみを図示している。

基板１は、例えば、ガラスエポキシ樹脂等の材料を用いて、一辺に突出部１１が設けられた形状に加工されており、突出部１１に磁気検出器２が搭載される。図示を省略しているが、突出部１１には、磁気検出器２のリード端子が挿入されるスルーホールが設けられている。

磁気検出器２は、例えば、ＧＭＲ（Giant magnetoresistive effect：巨大磁気抵抗効果）素子、ＭＲ（Magnetoresistive effect）素子（磁気抵抗効果素子）、ホール素子、ホールＩＣ等を磁気検出素子に用いて構成されている。これらの中で、ＧＭＲ素子は、最も検出感度が高いので、高感度な磁気検出器２を構成することができる。磁気検出器２は、ＧＭＲ素子、ＭＲ素子を用いた場合、バイアス磁石を備えた構成になる。ホール素子の場合、バイアス磁石を必要としない。なお、本実施の形態においては、磁気検出器２をバスバー４Ｂにのみ設けているが、バスバー４Ａ，４Ｃにも設けることができる。

バスバー４Ａ〜４Ｃは同一形状であり、例えば、銅または銅合金からなる金属材料を帯状にし、その中間部に電流方向変換部、すなわち、バスバーを直角に変形させた一対の平行部と、一対の平行部を連結する連結部を含む形状に形成された、“コ”の字形の曲げ加工により作られた凹部３を設けたものである。

凹部３は、磁気検出器２の上下面に対面する平行部４１Ａ,４１Ｂと、これらを連結する連結部４２とからなる。平行部４１Ａ,４１Ｂに対し、図２の上下方向に平板状の端子部４３Ａ，４３Ｂを延伸させることにより、バスバー４Ａ〜４Ｃが構成される。なお、バスバー４Ａ〜４Ｃは、例えば、最大４００Ａを流すことが可能な厚み及び幅を有している。

シールド部材５は、角筒状を成し、例えば、厚みが１〜３ｍｍ程度の磁気シールド性に優れる磁性体を用いて構成されている。

（磁気検出器の構成）
図３は、磁気検出器の構成を示す斜視図である。図３は、リニア出力タイプのＧＭＲ素子を磁気検出素子２２に用いて構成された磁気検出器２である。この磁気検出器２は、基板２１と、基板２１の一方の面の所定位置に実装された磁気検出素子２２と、磁気検出素子２２に隣接させて基板２１の両側に装着されたＮ極及びＳ極からなる一対のバイアス（bias）磁石２３Ａ，２３Ｂと、基板２１の他方の面に設けられると共に磁気検出素子２２の電極(図示せず)に配線パターンを介して接続されたリード端子２４Ａ〜２４Ｃと、両側に磁石２３Ａ，２３Ｂを装着した状態で基板２１に取り付けられる磁性金属材料によるヨーク２５と、リード端子２４Ａ〜２４Ｃの先端部以外の部分を封止する樹脂パッケージ２６と、を備えて構成されている。

磁気検出素子２２は、例えば、反強磁性層、強磁性層（ピン止め層）、非磁性層及び強磁性層（フリー層）を積層して構成されている。フリー層は、磁化の向きが外部磁界によって変化する層である。ピン止め層は、磁化の向きがフリー層と平行の時に電気抵抗が高くなり、逆の時に電気抵抗が低くなる特性を有する。この電気抵抗の変化から、バスバーによる磁界の大きさ及び向きを検出することができる。

ヨーク２５は、例えば、鉄または鉄を含む金属からなる帯板状の材料を“コ”の字形に加工して構成されており、バイアス磁石２３Ａ，２３Ｂによるバイアス磁束Ｂを磁気検出素子２２に付与するための磁気回路の一部を担っている。

（磁気検出素子の特性）
図４は、ＧＭＲ素子の特性を示す特性図である。ＧＭＲ素子（磁気検出素子２２）は、図４に示すように、成膜面に平行に印加された磁場に対して、磁束密度Ｂ（ｍＴ）の０ポイントを中心に左右、即ち、＋側及び−側に抵抗変化率ＭＲ（％）が生じる。

図４に示す特性は、電流の方向が変わると磁場が逆方向になることを示しているが、磁場が逆になっても、図中のＡ，Ｂのポイントの電流の向きが＋、−のいずれであるかが分からない。そこで、本実施の形態では、バイアス磁石２３Ａ，２３Ｂをヨーク２５を介して磁気検出器２の両側に配置し、図５に示すように、一方向（バスバー４Ｂによる磁界に平行する方向）に磁気バイアスを付与している。

（バイアス磁石による磁気バイアス）
図５は、バイアス磁石による磁気バイアスの形成を示す説明図である。なお、図５においては、平板状のバスバーを用いて模式的に示している。なお、図５の（ｄ）における図中の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図５の（ａ）〜（ｃ）の状態に対応する動作点を示している。

図５の（ａ）に示すように、電流がバスバー４Ｂに流れていないときに、図５の（ｄ）に示すＢ１の値のバイアス磁束、つまり、傾斜特性の中間の大きさの磁束をバイアス磁石２３Ａからバイアス磁石２３Ｂに向けて磁気検出素子２２に付与し、図４に示す磁束密度０（ｍＴ）の位置から図５の（ｄ）に示すＢ１の位置にオフセットさせている。

図５の（ａ）に示す状態において、バスバー４Ｂに図５の（ｂ）に示す手前方向へ電流が流れた場合、バスバー４Ｂによる磁束密度はＢ１に対して−Ｂ２であり、（Ｂ１−Ｂ２）の磁束密度に対応する抵抗変化率ＭＲ（％）が検出される。

また、図５の（ａ）に示す状態において、バスバー４Ｂに図５の（ｃ）に示すように奥方向の電流が流れた場合、図５の（ｃ）に示すように、バスバー４Ｂによる磁束密度は＋Ｂ２であり、この磁束密度は、図５の（ｂ）の場合とは逆方向に形成され、（Ｂ１＋Ｂ２）の磁束密度に対応する抵抗変化率ＭＲ（％）が検出される。

以上の様に、バイアス磁石２３Ａ，２３Ｂにより最適なバイアス磁界を磁気検出素子２２に付与することで、図４に示す特性の右側部分（図５の（ｄ）に示す特性）で検出動作を行わせることができ、電流方向の検知が可能になる。

（電流検出器の組み立て）
まず、図３のように構成された磁気検出器２を用意し、この磁気検出器２を図２に示す基板１の突出部１１の所定位置に実装し、リード端子２４Ａ〜２４Ｃを基板１上の配線パターンに半田付けする。次に、突出部１１及び磁気検出器２をバスバー４Ｂの凹部３に図１のように嵌入する。更に、シールド部材５を、バスバー４Ｂの凹部３が形成された部分に外嵌する。

次に、以上の様にして組み立てた磁気検出器２及びバスバー４Ｂ、基板１及びバスバー４Ａ，４Ｃを所定の位置決めしたまま樹脂モールド（図示せず）することにより、図１に示す電流検出器１０が完成する。

（電流検出器の動作）
次に、電流検出器の動作について説明する。電流検出器１０は、例えば、ハイブリッド自動車のインバータユニットに搭載され、バスバー４Ａ〜４Ｃには３相モータに供給する電流が流れている。ここでは、バスバー４Ａ〜４Ｃのそれぞれに電流が流れているが、電流検出はバスバー４Ｂでのみ行っているものとする。磁気検出器２は、図示しない増幅器等が接続されることにより電流測定が行われ、その結果は図示しない表示器等に表示され、或いは図示しない制御装置で利用される。

バスバー４Ｂに電流が流れると、通過電流の大きさ及び方向に応じて、図５の（ｂ），（ｃ）で説明した様に磁界が発生する。バスバー４Ｂに対して図５の（ｂ）に示す向きに電流が流れた場合、図５の（ｄ）のＢ１より左側にシフトした検出値となり、バスバー４Ｂに対して図５の（ｃ）に示す向きに電流が流れた場合、図５の（ｄ）のＢ１より右側にシフトした検出値となる。

本実施の形態は、通電時のバスバー４Ｂからの磁束を捕捉するためのコアを有していないが、コアレス構造でありながら、発生磁束を増大させている。その動作について説明する。

（バスバーの凹部における通電時の磁束の発生）
図６は、バスバーの凹部における通電時の磁束発生状況を示している。図６においては、バスバー４Ｂの上下の平行部４１Ａ，４１Ｂのみを図示し、連結部４２、端子部４３Ａ，４３Ｂは図示を省略している。

図６の（ａ）に示すように、磁気検出器２は、上下面が平行部４１Ａ，４１Ｂの間になるように配置されている。このため、バスバー４Ｂの平行部４１Ａ，４１Ｂのそれぞれに流れる電流による磁界は、共に磁気検出器２内を経由する。この上下２つの磁界は、図６の（ｂ）に示すように、電流の向きが変わった場合でも、同様に磁気検出器２内を経由する。

したがって、バスバーが平板な従来の電流検出器に比べ、本実施の形態に係る電流検出器１０では、２倍の磁束がバスバー４Ｂから付与されるため、コアレスの構成にしても電流検出が可能になる。また、部品点数は、ホール素子を用いた電流検出器と同程度にできるため、コストアップを招くことがない。

バスバー４Ａ〜４Ｃのそれぞれに電流が流れているとき、バスバー４Ａ，４Ｃに流れる電流により、バスバー４Ａ，４Ｃのそれぞれには磁界が発生している。この磁界は、バスバー４Ａ〜４Ｃが近接しているため、磁界の一部が隣接するバスバー４Ｂ及び磁気検出器２に影響を与える。しかし、シールド部材５が、バスバー４Ｂの凹部３に外嵌されているため、磁気検出器２に及ぼす影響を低減することができる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）バスバー４Ｂに形成した凹部３の平行部４１Ａ，４１Ｂ間に磁気検出素子２２を配設したことにより、通電時に平行部４１Ａ，４１Ｂのそれぞれから磁束が磁気検出素子２２に付与されるため、コアレスの構成にしても十分な検出感度が得られるため、コアレスによる小型化が可能になる。
（２）シールド部材５及びバスバー４Ｂの凹部３によって磁気検出素子２２が外部磁界からシールドされるため、隣接のバスバー４Ａ，４Ｃからの磁束の影響を低減でき、検出精度を改善することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図７は、バスバーの電流と磁気検出器に付与される磁束密度との関係を示す特性図である。図１及び図２に示した構成の磁気検出器２において、バスバー４Ｂに０〜３５０Ａの電流を流したときの磁束密度を測定（図中の左側の縦軸）した。

その結果、図７に示すように、約３０（ｍＴ）を境界にして、リニアな特性域で電流方向に応じた磁束密度を測定することができた。すなわち、電流方向を検出することができた。

また、バスバー４Ｂに隣接するバスバー４Ａ，４Ｃからの影響度（％）も測定した。この測定は、バスバー４Ｂに０〜３５０Ａまで電流を段階的に流し、バスバー４Ａ，４Ｃには３５０Ａ（固定）の電流を流して行った。

その結果、図７に示すように、影響度（図中の右側の縦軸）は０．２％以内に収まり、ほぼ影響無しの状態にできることが分かった。これは、シールド部材５を設けたことによるものである。比較のために、図１及び図２の構成において、シールド部材５を設けずに影響度を測定したところ、バスバー４Ａ，４Ｃからの磁束により、磁気検出器２は２．７〜３％の影響を受けることが確かめられた。また、従来のコアを備えた電流検出器により、実施例と同様の条件で隣接のバスバーからの影響度を測定したところ、０．８％程度の影響度が測定された。以上から、本実施例は、隣接のバスバーからの影響を極めて受け難い構造であることが分かった。

［実施例２］
図８は、シールド部材５を設けた場合の磁気検出器２の電流−磁束密度の特性図である。また、図９は比較例であり、シールド部材５を設けない場合の磁気検出器２の電流−磁束密度の特性図である。

図８に示す実施例２では、バスバー４Ｂに流れる電流が３００Ａのときの磁束密度は２２ｍＴである。これに対し、図９の比較例は、バスバー４Ｂに流れる電流が３００Ａのときの磁束密度は１４．５ｍＴである。従って、実施例２は、磁束密度が比較例の約１．５２倍になる。これは、シールド部材５を設けたことにより、磁束密度が増加、すなわち感度が増加したことを示している。また、磁束密度の増加により、磁気検出器２が外部磁界から受ける影響を小さくすることが可能になる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の実施の形態に係る電流検出器を示す斜視図である。図１の電流検出器の分解斜視図である。磁気検出器の構成を示す斜視図である。ＧＭＲ素子の特性を示す特性図である。バイアス磁石による磁気バイアスの形成を示す説明図である。バスバーの凹部における通電時の磁束発生状況を示している。バスバーの電流と磁気検出器に付与される磁束密度との関係を示す実施例１の特性図である。シールド部材が設けられた磁気検出器（実施例２）の電流−磁束密度の特性図である。シールド部材を有しない磁気検出器（比較例）の電流−磁束密度の特性図である。

符号の説明

１基板
２磁気検出器
３凹部
４Ａ〜４Ｃバスバー
５シールド部材
１０電流検出器
１１突出部
２１基板
２２磁気検出素子
２３Ａ，２３Ｂバイアス磁石
２４Ａ〜２４Ｃリード端子
２５ヨーク
２６樹脂パッケージ
４０端子取付穴
４１Ａ，４１Ｂ平行部
４２連結部
４３Ａ，４３Ｂ端子部

Claims

直角に変形させた一対の平行部と前記一対の平行部を連結する連結部を含む電流の方向を変える電流方向変換部を有するバスバーと、
前記バスバーの前記電流方向変換部の前記一対の平行部間に配置された磁気検出器を備え、
前記磁気検出器は、基板上に搭載された磁気検出素子と、前記基板を包囲するとともに前記磁気検出素子を両端部間に位置させるヨークを含むことを特徴とする電流検出器。
前記電流方向変換部は、前記電流方向変換部に外嵌されたシールド部材を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
前記基板は、一辺に突出部を有し、前記突出部に前記磁気検出器が搭載されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
前記ヨークは、前記両端部に一対のバイアス磁石を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
前記磁気検出素子は、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子であることを特徴とする請求項４に記載の電流検出器。
前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
前記磁気検出器は、前記基板上に出力端子を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
前記磁気検出器は、前記基板、前記磁気検出素子、及び前記ヨークを備えて複数のバスバーに対応するようにされた複数の磁気検出器を含み、共通の絶縁性基板に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。