JP5098855B2

JP5098855B2 - 電流センサ

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Publication number: JP5098855B2
Application number: JP2008173359A
Authority: JP
Inventors: 高志浦野; 勉小谷
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: JP2010014477A

Description

本発明は、例えばハイブリッドカーや電気自動車に用いられる電動機に供給される電流を検出する電流センサに関し、特に大電流を検出するためにバスバーに取り付けられる電流センサに関する。

ホール素子等の磁気検出素子を用いてバスバーに流れる電流（被測定電流）を非接触状態で検出する電流センサとして、磁気比例式のものが従来から知られている。磁気比例式電流センサは、図１０に例示のように、ギャップＧを有するリング状の磁気コア２（高透磁率で残留磁気が少ない珪素鋼板やパーマロイコア等）と、ギャップＧに配置されたホール素子１４（磁気検出素子の例示）とを有する。磁気コア２は、被測定電流Ｉ_Sの流れるバスバー１０が貫通する配置である。したがって、被測定電流Ｉ_SによってギャップＧ内に磁界が発生し、これがホール素子１４の感磁面に印加される。磁界の強さは被測定電流Ｉ_Sに比例するので、ホール素子１４の出力電圧から被測定電流Ｉ_Sが求められる。なお、磁気比例式電流センサの回路構成は、例えば図１１に示されるものである。この回路では、定電流駆動されるホール素子１４の出力電圧を差動増幅回路で増幅してセンサ出力としている。

電流センサのバスバーへの取付構造として、三相モータの駆動電流が流れる３本のバスバーを１つのセンサケース内に収納したタイプのもの（下記特許文献１）、あるいは１本のバスバーを対象とするクランプタイプのもの（下記特許文献２）が従来から知られている。
特開平１１−１２７５８３号公報特開２００５−３７２８４号公報

近年では、電流センサの小型化のため、従来のようなリング状の磁気コアを用いたものに替えて、リング状の磁気コアを用いない「コアレス電流センサ」（図１２参照）が採用されている。コアレス電流センサの場合、リング状の磁気コアを用いる場合（図１０）と比較して、バスバーとホール素子との間の距離が電流検出精度に大きく影響する。すなわち、リング状の磁気コアを用いる場合は、バスバーとホール素子との間の距離が多少ずれてもホール素子への印加磁界にさほど影響しないが、コアレス電流センサの場合は例えば図１３に示すように被測定電流Ｉ_Sが流れる電線としてのバスバーとホール素子との間の距離が１０μｍずれただけでホール素子への印加磁界が１％程度と大きく変動する（但しＲ＝１ｍｍ基準時）。つまり、センサ出力にも１％程度の誤差が生じる。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、ホール素子等の磁気検出素子とバスバーとの間の距離を安定させることにより、コアレス構造であっても高精度の電流検出が可能な電流センサを提供することにある。

本発明のある態様は、電流センサである。この電流センサは、
磁気検出素子と、
前記磁気検出素子を保持する非磁性保持体と、
環状外殻部を有し、内部に所定の空間を形成する非磁性ケースと、
前記非磁性ケースを貫通する、被測定電流の経路を成すバスバーとを備え、
前記非磁性ケースは、前記環状外殻部の内側に、
前記非磁性保持体を収容する収容部と、
前記収容部と前記バスバーの貫通する部分とを隔てる隔壁と、
前記非磁性保持体を前記隔壁に対して押圧する第１の押圧手段とを有する。

本発明の別の態様も、電流センサである。この電流センサは、
磁気検出素子と、
環状外殻部を有し、内部に所定の空間を形成する非磁性ケースとを備え、
前記非磁性ケースは、前記環状外殻部の内側に、
被測定電流の経路を成すバスバーを挿通するための挿通部と、
前記挿通部を隔てる隔壁と、
前記挿通部に挿通されたバスバーを前記隔壁に対して押圧するための第２の押圧手段とを有する。

別の態様の電流センサにおいて、
前記磁気検出素子を保持する非磁性保持体を備え、
前記非磁性ケースは、前記環状外殻部の内側に、
前記非磁性保持体を収容する収容部と、前記非磁性保持体を前記隔壁に対して押圧する第１の押圧手段とを有してもよい。

前記第１の押圧手段は、前記環状外殻部の内側に前記隔壁と対向するように形成された突起部であってもよい。
前記第２の押圧手段は、前記環状外殻部の内側の所定の面から前記隔壁に近づくように伸びた弾性片であってもよい。

前記隔壁は、前記環状外殻部の内側の対向面間を渡すように形成され、前記対向面間の中間が少なくとも部分的に凹部又は切欠となっていて、
前記隔壁の前記凹部又は前記切欠に前記磁気検出素子が位置してもよい。

前記非磁性保持体は、前記磁気検出素子が接続固定された回路基板であってもよい。

前記非磁性保持体は、前記収容部に位置して第１の押圧手段によって前記隔壁に対して押圧される平板状部と、前記平板状部から前記隔壁の前記凹部又は前記切欠に位置するように突出した凸部とを有し、前記凸部の内側が空間となっていて前記磁気検出素子を収容していてもよい。
また、前記磁気検出素子が接続固定された回路基板をさらに備え、前記回路基板が前記非磁性保持体の前記平板状部の上に載置されてもよい。

前記環状外殻部の外側を囲む環状囲み部を有する磁気シールド体をさらに備えてもよい。

この場合、前記磁気シールド体は、第１及び第２の磁気シールド部材によって前記環状外殻部の外側を囲むものであり、その囲っている状態で前記第１及び第２の磁気シールド部材間に空隙が形成されてもよい。

前記非磁性ケースは、樹脂成形体又は非磁性金属製であってもよい。

前記環状外殻部の内側又は前記隔壁に、前記バスバーの貫通する部分に突出する係合凸部がバスバーの貫通方向の一部に形成され、係合凹部を有するバスバーと嵌合構造を取ることを可能としてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、非磁性ケースの環状外殻部の内側において、磁気検出素子を保持する非磁性保持体を隔壁に対して押圧し、又は被測定電流の経路を成すバスバーを前記隔壁に対して押圧するため、磁気検出素子とバスバーとの間の距離を安定させることができ、コアレス構造であっても高精度の電流検出が可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電流センサ１００の分解斜視図である。図２は、電流センサ１００の分解状態の正断面図（磁気シールド体６５は取付済み）である。図３は、電流センサ１００の組立状態の正断面図である。この電流センサ１００は、被測定電流の経路を成す例えば平板形状のバスバー１２（具体例：銅板で幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ程度）に取り付けられ、磁気比例式の原理に基づいて電流検出を行うものである。

電流センサ１００は、回路基板１３と、ホール素子１４と、非磁性保持体１５と、非磁性ケース２０と、磁気シールド体６５とを備える。

非磁性保持体１５は、好ましくは絶縁性の例えば樹脂成形体あるいは非磁性金属製であり、平板状部１５２と、平板状部１５２から突出した凸部１５７とを有する。凸部１５７の内側は空間１５９（例えば角柱状の空間）となっていて、空間１５９にホール素子１４が収容され固定的に保持される。例えば、ホール素子１４の頭部端面が空間１５９の底面に突き当たることで、空間１５９内にホール素子１４が非磁性保持体１５に対して一定位置関係で固定される。非磁性保持体１５に保持された状態でホール素子１４の４本の端子１４２は空間１５９から上方に突出する。非磁性保持体１５の平板状部１５２の上に回路基板１３が重ねて載置され、回路基板１３のスルーホール１３５にはホール素子１４の端子１４２が挿通されて例えば半田付けによって接続固定される。

非磁性ケース２０は、好ましくは絶縁性の例えば樹脂成形体あるいは非磁性金属製であり、筒状（例えば角筒状）の環状外殻部２１を有し、内部に所定の空間を形成するものである。すなわち、非磁性ケース２０は、環状外殻部２１の内側に、収容部２２と、挿通部２５と、隔壁２７と、第１の押圧手段としての突起部３１ａ，３１ｂと、第２の押圧手段としての弾性片３２ａ，３２ｂとを有する。

隔壁２７は、環状外殻部２１の内側の対向面間（図１乃至３では左側面の内側と右側面の内側との間）を渡すように形成され、前記対向面間の中間が好ましくは一定幅の直線状の切欠２９となっている。すなわち、隔壁２７は、環状外殻部２１の左側面の内側に右側面に向かうように形成された左隔壁２７ａと、環状外殻部２１の右側面の内側に左側面に向かうように形成された右隔壁２７ｂとを有し、左隔壁２７ａと右隔壁２７ｂとの間が前記切欠２９となっている。

収容部２２及び挿通部２５は隔壁２７によって隔てられ、収容部２２に非磁性保持体１５が収容され、挿通部２５にバスバー１２が挿通される。非磁性保持体１５が収容部２２に保持された状態で、非磁性保持体１５の凸部１５７は切欠２９に位置する。すなわち、凸部１５７は平板状部１５２から隔壁２７の切欠２９に位置するように突出したものであり、凸部１５７の内側の空間１５９に収容されたホール素子１４は切欠２９に位置する。

第１の押圧手段としての突起部３１ａ，３１ｂは、環状外殻部２１の内側（図１乃至３では上側面の内側）に隔壁２７と対向するように形成されている。図２に示されるように、突起部３１ａ，３１ｂと隔壁２７との間の距離ｔ₁は、非磁性保持体１５の平板状部１５２と回路基板１３との厚み合計Ｔ₁よりも僅かに小さい。したがって、収容部２２に保持された状態で非磁性保持体１５は、回路基板１３を介して突起部３１ａ，３１ｂによって隔壁２７に対して押圧されることとなる。押圧の強さは突起部３１ａ，３１ｂのサイズや材質等によって設定可能である。なお、図示は省略したが、回路基板１３及び非磁性保持体１５の重ね合わせ体を挿入しやすいように、突起部３１ａ，３１ｂの挿入側端部に徐々に高さが高くなるようなテーパーを設けてもよい。

第２の押圧手段としての弾性片３２ａ，３２ｂは、環状外殻部２１の左側面の内側及び右側面の内側の各々に形成され、隔壁２７に近づくように伸びている。図２に示されるように、弾性片３２ａ，３２ｂと隔壁２７との間の距離ｔ₂は、バスバー１２の厚みＴ₂よりも小さい。したがって、挿通部２５に挿通された状態でバスバー１２は、弾性片３２ａ，３２ｂによって隔壁２７に対して押圧されることとなる。押圧の強さは弾性片３２ａ，３２ｂのサイズや材質等によって設定可能である。なお、図示は省略したが、バスバー１２の挿入を容易にするために、弾性片３２ａ，３２ｂの挿入側端部に徐々に高さが高くなるようなテーパーを設けてもよい。

このように、収容部２２に保持された非磁性保持体１５と、挿通部に挿通されたバスバー１２とは隔壁２７を挟んで上下に位置し、非磁性保持体１５は突起部３１ａ，３１ｂによって隔壁２７の上面に押しつけられ、バスバー１２は弾性片３２ａ，３２ｂによって隔壁２７の下面に押しつけられる。したがって、非磁性保持体１５に保持されたホール素子１４とバスバー１２との間の距離は一定値に規制され安定する。

非磁性ケース２０の左右側面の外側には高さ方向中間位置に一定幅の凸条１２１が形成され、凸条１２１を挟んで上下に係止凸部１２２が形成されている。これらは後述のように磁気シールド体６５の取付けに関するものである。

磁気シールド体６５は、第１磁気シールド部材としての上側磁気シールド部材６２及び第２の磁気シールド部材としての下側磁気シールド部材６３によって環状外殻部２１の外側を囲む環状囲み部を構成することで外部磁界から磁気遮蔽するものである。磁気シールド体６５を構成する上側磁気シールド部材６２及び下側磁気シールド部材６３としては、例えば、コの字型（換言すれば、半四角筒状ないし半方形環状）の高透磁率磁性材である珪素鋼板あるいはパーマロイ（低周波の磁気的干渉に好適）、フェライト（高周波の磁気的干渉に好適）を用いることができる。

上側磁気シールド部材６２の縁が非磁性ケース２０の凸条１２１の上向きの側面に、下側磁気シールド部材６３の縁が凸条１２１の下側の側面に隙間無く当接することで、上側及び下側磁気シールド部材６２，６３間に正確な間隔の空隙６７が形成される。また、上側及び下側磁気シールド部材６２，６３の係止窓部１２９が非磁性ケース２０の前記係止凸部１２２に嵌ることで、上側及び下側磁気シールド部材６２，６３の脱落が阻止される。

ここで、バスバー１２の長さ方向と垂直かつホール素子１４の存在位置を含む仮想平面上でバスバー１２及びホール素子１４の位置同士（例えば中心位置同士）を結ぶ方向を高さ方向としたとき、空隙６７の高さ方向の位置は、バスバー１２の高さ方向の位置と同じ又は近傍である。本実施の形態では特に、バスバー１２の側面と対向する部分に空隙６７が位置する。つまり、空隙６７はバスバー１２の厚み寸法内又はその近傍に位置する。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 非磁性ケース２０の環状外殻部２１の内側において、ホール素子１４を保持する非磁性保持体１５を隔壁２７に対して押圧し、また被測定電流の経路を成すバスバー１２を隔壁２７に対して押圧するため、ホール素子１４とバスバー１２との間の距離を安定させることができる。したがって、コアレス構造であっても高精度の電流検出が可能となる。また、バスバー１２の板厚のばらつきに影響されにくく、特性の安定化、歩留まりの向上を図ることができる。

(2) 隔壁２７は環状外殻部２１の内側の対向面間の中間が切欠２９となっていて、この切欠２９にホール素子１４が位置するため、バスバー１２とホール素子１４とを隔壁２７で隔てる構成としても、隔壁２７の厚みに関係なくホール素子１４をバスバー１２に対して近づけることができ、感度を高めやすい。

(3) ホール素子１４の回路基板１３への半田付けの際に非磁性保持体１５の空間１５９の底部にホール素子１４の頭部を接触させることで、バスバー１２とホール素子１４との間の距離は隔壁２７の厚みと空間１５９の深さとで定まることとなり、高さ方向の位置決めが容易で作業性がよい。

(4) 特許文献１及び２の電流センサと異なり、コアレス構造を採用しているため、小型化と低コスト化に有利である。

(5) 特許文献１の三相一体型の構造と比較して取付位置等の自由度が高く、汎用性に優れている。

(6) 特許文献２のようなクランプタイプと異なり、コアの合わせ部を研磨する等の必要がなく、コスト安である。

(7) 環状外殻部２１の外側を囲む環状囲み部を有する磁気シールド体６５を設けているため、コアレス構造の場合でも隣接するバスバー又は外部からの磁界による干渉の影響を受けにくく、信頼性が高い。

(8) 磁気シールド体６５の前記環状囲み部に空隙６７が形成され、空隙６７の高さ方向の位置をバスバー１２の高さ方向の位置と同じ又は近傍としているため、磁気シールド体６５を小型なものとしても空隙６７の作用により出力特性のリニアリティを良好に保つことができる。

(9) 非磁性ケース２０の凸条１２１にて上側及び下側磁気シールド部材６２，６３の空隙６７の間隔を一定に規制でき、検出特性のばらつきの解消や検出精度の安定化が図れる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素には請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

図４は、変形例に係る非磁性ケース２０の、(Ａ)は平断面図、(Ｂ)は正断面図である。ここでは、バスバー１２と非磁性ケース２０とで嵌合構造を取ることによりバスバー１２の長手方向の位置決めを行う場合を説明する。この場合、図４(Ａ)，(Ｂ)に示すように非磁性ケース２０の内側に挿通部２５に突出する係合凸部２５５をバスバー１２の挿通方向の一部に形成しておき、図５に示すように係合凹部１２５を有するバスバー１２と嵌合構造を取る。つまり、非磁性ケース２０の係合凸部２５５とバスバー１２の係合凹部１２５とを嵌合することで、バスバー１２の長手方向の位置決めが可能となる。なお、係合凸部２５５は隔壁２７に形成されてもよい。この場合は、バスバー１２の上面に係合凹部１２５が位置する。

図６は、第２の押圧手段としての弾性片３２ａ，３２ｂの別の例を示す、非磁性ケース２０の正断面図である。実施の形態では第２の押圧手段としての弾性片３２ａ，３２ｂが環状外殻部２１の左側面の内側及び右側面の内側の各々に形成された場合を説明したが、変形例では図６に示すように弾性片３２ａ，３２ｂは環状外殻部２１の下面の内側に形成されて隔壁２７に近づくように伸びてもよい。この場合も、弾性片３２ａ，３２ｂと隔壁２７との間の距離ｔ₂をバスバー１２の厚みＴ₂よりも小さくし、挿通部２５に挿通されたバスバー１２を隔壁２７に対して押圧する。

図７は、実施の形態で示した弾性片３２ａ，３２ｂに替えて、非磁性ねじを第２の押圧手段とする場合の非磁性ケース２０の正断面図である。非磁性ねじを第２の押圧手段とする場合、図７に示すように、環状外殻部２１の下面の例えば略中央位置に貫通した雌ねじ孔２０３を形成しておき、雌ねじ孔２０３に非磁性ねじ２０５（例えば樹脂又は非磁性金属のビス）を螺合し、非磁性ねじ２０５の先端でバスバー１２を押圧する。ここで、雌ねじ孔２０３の近傍に接着剤を塗布して非磁性ねじ２０５の緩み止めとしてもよい。

実施の形態では隔壁２７は環状外殻部２１の内側の対向面間の中間がバスバー１２の挿通方向に関して全体的に一定幅の直線状の切欠２９となっている場合を説明したが、切欠２９は図８(Ａ)，(Ｂ)に示すようにバスバー１２の挿通方向の一部のみに好ましくは一定幅で直線状に存在してもよい。さらに、図９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、切欠２９に替えて、バスバー１２の挿通方向に関して全体的又は部分的に好ましくは一定幅で直線状の凹部２６９を形成してもよい。

実施の形態では回路基板１３を非磁性保持体１５の平板状部１５２の上に載置する場合を説明したが、変形例では回路基板１３を非磁性ケース２０の外に配置し、ホール素子１４の端子とリード線で接続してもよい。また、ホール素子を含む必要な回路要素を一体化したＩＣを用いる場合は回路基板１３が不要となる。あるいは、ホール素子１４を半田付けした回路基板１３を非磁性保持体とすれば、実施の形態で示した非磁性保持体１５は不要となる。

第１の押圧手段と第２の押圧手段とは相互に交換可能であり、例えば、突起部によってバスバーを押圧し、弾性片によって非磁性保持体を押圧する構成としてもよい。また、第１及び第２の押圧手段の双方を突起部としてもよいし、弾性片としてもよい。

本発明の実施の形態に係る電流センサの分解斜視図。同電流センサの分解状態の正断面図（磁気シールド体６５は取付済み）。同電流センサの組立状態の正断面図。変形例に係る非磁性ケースの、(Ａ)は平断面図、(Ｂ)は正断面図。変形例におけるバスバーと非磁性ケースとの嵌合構造の説明図(平断面図)。第２の押圧手段としての弾性片の別の例を示す、非磁性ケースの正断面図。弾性片に替えて非磁性ねじを第２の押圧手段とする場合の非磁性ケースの正断面図。隔壁の切欠がバスバーの挿通方向の一部のみに存在する場合の非磁性保持体の、(Ａ)は平断面図、(Ｂ)は正断面図。。切欠に替えて凹部が隔壁に存在する場合の非磁性ケースの正断面図。磁気比例式電流センサの基本的構成図。磁気比例式電流センサの基本的回路図。リング状の磁気コアを用いないコアレス電流センサの模式図。コアレス電流センサにおける、バスバーとホール素子との間の距離と、ホール素子への印加磁界の誤差との関係を示す特性図。

符号の説明

１２バスバー
１３回路基板
１４ホール素子
１５非磁性保持体
２０非磁性ケース
２２収容部
２５挿通部
２７隔壁
３１ａ，３１ｂ突起部
３２ａ，３２ｂ弾性片
６２上側磁気シールド部材
６３下側磁気シールド部材
６５磁気シールド体
６７空隙
１００電流センサ

Claims

磁気検出素子と、
前記磁気検出素子を保持する非磁性保持体と、
環状外殻部を有し、内部に所定の空間を形成する非磁性ケースと、
前記非磁性ケースを貫通する、被測定電流の経路を成すバスバーとを備え、
前記非磁性ケースは、前記環状外殻部の内側に、
前記非磁性保持体を収容する収容部と、
前記収容部と前記バスバーの貫通する部分とを隔てる隔壁と、
前記非磁性保持体を前記隔壁に対して押圧する第１の押圧手段とを有する、電流センサ。
磁気検出素子と、
環状外殻部を有し、内部に所定の空間を形成する非磁性ケースとを備え、
前記非磁性ケースは、前記環状外殻部の内側に、
被測定電流の経路を成すバスバーを挿通するための挿通部と、
前記挿通部を隔てる隔壁と、
前記挿通部に挿通されたバスバーを前記隔壁に対して押圧するための第２の押圧手段とを有する、電流センサ。
請求項２に記載の電流センサにおいて、
前記磁気検出素子を保持する非磁性保持体を備え、
前記非磁性ケースは、前記環状外殻部の内側に、
前記非磁性保持体を収容する収容部と、前記非磁性保持体を前記隔壁に対して押圧する第１の押圧手段とを有する、電流センサ。
請求項１又は３に記載の電流センサにおいて、前記第１の押圧手段は、前記環状外殻部の内側に前記隔壁と対向するように形成された突起部である、電流センサ。
請求項２又は３に記載の電流センサにおいて、前記第２の押圧手段は、前記環状外殻部の内側の所定の面から前記隔壁に近づくように伸びた弾性片である、電流センサ。
請求項１，３，又は４のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、
前記隔壁は、前記環状外殻部の内側の対向面間を渡すように形成され、前記対向面間の中間が少なくとも部分的に凹部又は切欠となっていて、
前記隔壁の前記凹部又は前記切欠に前記磁気検出素子が位置する、電流センサ。
請求項１，３，４，又は６のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記非磁性保持体は、前記磁気検出素子が接続固定された回路基板である、電流センサ。
請求項６に記載の電流センサにおいて、前記非磁性保持体は、前記収容部に位置して第１の押圧手段によって前記隔壁に対して押圧される平板状部と、前記平板状部から前記隔壁の前記凹部又は前記切欠に位置するように突出した凸部とを有し、前記凸部の内側が空間となっていて前記磁気検出素子を収容している、電流センサ。
請求項８に記載の電流センサにおいて、前記磁気検出素子が接続固定された回路基板をさらに備え、前記回路基板が前記非磁性保持体の前記平板状部の上に載置されている、電流センサ。
請求項１から９のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記環状外殻部の外側を囲む環状囲み部を有する磁気シールド体をさらに備える、電流センサ。
請求項１０に記載の電流センサにおいて、前記磁気シールド体は、第１及び第２の磁気シールド部材によって前記環状外殻部の外側を囲むものであり、その囲っている状態で前記第１及び第２の磁気シールド部材間に空隙が形成されている、電流センサ。
請求項１から１１のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記非磁性ケースは、樹脂成形体又は非磁性金属製である、電流センサ。
請求項１から１２のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記環状外殻部の内側又は前記隔壁に、前記バスバーの貫通する部分に突出する係合凸部がバスバーの貫通方向の一部に形成され、係合凹部を有するバスバーと嵌合構造を取ることを可能とした、電流センサ。