JP6625588B2 - 透磁部材および電流検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、帯板状のバスバと複数の磁界検出素子とを備えた電流検出装置に設けられる透磁部材、及び、この電流検出装置に関するものである。
一般に、バッテリ等の電源と、モータ等の電装品と、が車両に設けられるとともに、電源から電装品に電力が供給されることがある。そこで、電源と電装品との間に流れる電流を検出するための電流検出装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された電流検出装置では、電源と電装品とを電気的に接続するバスバの周囲に電磁シールド枠部材(透磁部材)が設けられており、バスバに電流が流れてその周囲に磁界が発生した際に、磁束が電磁シールド枠部材を通過しやすくなっている。さらに、ホール素子(磁界検出素子)が電磁シールド枠部材に対して適宜な位置に配置され、ホール効果を利用して磁界を検出することにより、ホール素子の位置と検出した磁界の強さとによって、バスバの電流を検出するようになっている。
特開2010−127896号公報
しかしながら、特許文献1に記載されたようなホール素子は、検出可能な磁界の範囲が限られている。即ち、バスバと電磁シールド枠部材とホール素子との相対位置が決まっている状態においては、バスバに流れる電流が所定の範囲内である場合に磁界が検出され、その結果として電流が検出される。従って、バスバを流れる電流の値が大きく変動する場合、発生する磁界の強さも大きく変動し、電流を検出するためには複数のホール素子を用いる必要があった。
このとき、検出可能な磁界の範囲が異なる複数のホール素子を用いれば、広範囲な電流を検出することができる。しかしながら、性能の異なる複数のホール素子を用いると、電流検出装置の構成部品の種類が増加して高コスト化してしまう。そこで、共通の複数のホール素子を用いるとともに、これらを磁界の強さが異なる位置に配置する構成が考えられる。即ち、磁束が通過しにくい位置(例えば断面U字状の電磁シールド枠部材の底板部から離れた位置)にホール素子を配置することにより、大電流を検出しやすくし、磁束が通過しやすい位置(例えば電磁シールド枠部材の底板部の近傍)にホール素子を配置することにより、小電流を検出しやすくする構成が考えられる。しかしながら、ホール素子の底板部からの距離を単に調節するだけでは、充分に広範囲な電流を検出することは困難である。
本発明の目的は、磁界検出素子によって広範囲な電流を低コストで検出することができるようにする透磁部材および電流検出装置を提供することにある。
本願発明の透磁部材は、帯板状のバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる磁界を検出する2つの磁界検出素子と、を備えた電流検出装置に設けられる透磁部材であって、前記バスバに対向するように配置される底板部と、前記バスバの幅方向両側に位置するように前記底板部から立設された一対の立設壁部と、前記一対の立設壁部の上端のうち前記バスバの長手方向における一部から互いに近づくように延びて前記底板部に対向する一対の対向板部と、を有し、前記底板部、前記一対の立設壁部および前記一対の対向板部によって構成される断面C字状またはO字状の閉塞部と、前記底板部および前記一対の立設壁部によって構成される断面U字状の開放部と、が前記長手方向に沿って並んでおり、前記閉塞部が前記2つの磁界検出素子のうち一方に対応して設けられ、前記開放部が他方に対応して設けられることを特徴とする。
このような本願発明の透磁部材によれば、断面C字状またはO字状の閉塞部は、電流の通過方向(バスバの長手方向)を軸とする環状(閉環状および開環状を含む)となっており、バスバに電流が流れた際に、磁束が通過しやすい。従って、閉塞部には磁束が集中しやすく、その内側において磁界が強くなりやすい。一方、U字状の開放部においては、一対の立設壁部同士が離れておりこれらの間の磁気抵抗が大きいため、閉塞部と比較して磁束が通過しにくい。従って、開放部では、閉塞部と比較して、特に底板部から離れた位置において磁束が集中しにくく、磁界が強くなりにくい。
これにより、バスバに大電流が流れた場合に、開放部において磁界が強くなりにくく、開放部に配置した磁界検出素子によって大電流を検出しやすい。また、バスバに小電流が流れた場合に、閉塞部において磁界が強くなりやすく、閉塞部に配置した磁界検出素子によって小電流を検出しやすい。このとき、閉塞部および開放部のそれぞれに配置した磁界検出素子を共通化しても広範囲な電流を検出することができ、低コスト化することができる。
本発明の実施形態に係る電流検出装置を示す斜視図である。 前記電流検出装置を示す分解斜視図である。 前記電流検出装置の透磁部材を示す斜視図である。 前記電流検出装置の要部を示す上面図である。 前記電流検出装置の要部を示す正面図である。 前記透磁部材の閉塞部に磁束が通過する様子を示す正面図である。 前記透磁部材の開放部に磁束が通過する様子を示す正面図である。 前記透磁部材における磁束密度の位置依存性を示すグラフである。 前記透磁部材における磁束密度の他の位置依存性を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施形態に係る電流検出装置1を示す斜視図であり、図2は、電流検出装置1を示す分解斜視図であり、図3は、電流検出装置1の透磁部材4を示す斜視図であり、図4は、電流検出装置1の要部を示す上面図であり、図5は、電流検出装置1の要部を示す正面図であり、図6は、透磁部材4の閉塞部4Aに磁束が通過する様子を示す正面図であり、図7は、透磁部材4の開放部4Bに磁束が通過する様子を示す正面図であり、図8は、透磁部材4における磁束密度の位置依存性を示すグラフであり、図9は、透磁部材4における磁束密度の他の位置依存性を示すグラフである。
本実施形態の電流検出装置1は、車載された電源と電装品(例えばモータ)と間に流れる電流を検出するためのものであって、帯板状のバスバ2と、2つの磁界検出素子3A、3Bが設けられたプリント基板30と、透磁部材4と、ハウジング5と、を備え、電源と電装品とがバスバ2によって電気的に接続され、バスバ2に流れる電流を検出するようになっている。本実施形態では、バスバ2の長辺方向をX方向とし、短辺方向をY方向とし、板厚方向をZ方向とする。また、バスバ2とプリント基板30とがZ方向に対向しており、Z方向におけるプリント基板30側を上側とし、バスバ2側を下側とする。
バスバ2は、例えば銅やアルミニウム等の導電性金属によって構成され、長手方向の両端に接続部21、22を有する。接続部21、22のそれぞれが電源および電装品に対して電気的に接続される。バスバ2は、透磁部材4の後述する底板部41に対してZ方向において対向するように配置される。尚、バスバ2と底板部41とは、適宜な寸法だけ離隔して互いに絶縁されている。
プリント基板30は、XY平面に沿うとともにX方向を長辺方向とする長方形板状に形成されている。2つの磁界検出素子3A、3Bは、プリント基板30の同一の面(本実施形態では上面)に設けられるとともに、X方向において所定の間隔をあけて並設されている。尚、2つの磁界検出素子3A、3Bは、プリント基板30の下面に設けられていてもよい。
磁界検出素子3A、3Bは、例えばホールICであって、自身が配置された位置における磁界の強さを検出する。即ち、バスバ2に電流が流れることにより発生した磁界のもとで半導体に電圧を印加することにより、ホール効果を利用して磁界の強さを検出する。磁界検出素子3A、3Bは、それぞれ同一の性能を有するものであり、所定範囲の磁束密度(磁界の強さ)を検出可能に構成されている。このように同一性能の磁界検出素子3A、3Bを用いることにより、部品の種類が増加することによる高コスト化を抑制している。
透磁部材4は、例えば強磁性体金属によって構成されており、電流検出装置1における他の構成部品よりも透磁率が高く、磁束が優先的に通過するようになっている。透磁部材4は、例えば1枚の板状部材を打ち抜き加工および曲げ加工することにより形成され、底板部41と、一対の立設壁部42、43と、一対の対向板部44、45と、一体に有する。
底板部41は、XY平面に沿うとともにX方向を長辺方向とする長方形板状に形成され、その上面が、バスバ2の下面に対向するように配置される。一対の立設壁部42、43は、底板部41のY方向両端に連続しつつZ方向上側に向かって立設されている。即ち、一対の立設壁部42、43は、ZX平面に沿って延びるとともに、バスバ2のY方向両側に位置する。
立設壁部42、43は、それぞれ、X方向の一方側(後述するコネクタ接続部51側)に形成された高壁部421、431と、他方側に形成された低壁部422、432と、高壁部421、431と低壁部422、432との間に形成された切欠き部423、433と、を有する。切欠き部423、433は、後述するように閉塞部4Aを通過する磁束によって生じる磁界と、開放部4Bを通過する磁束によって生じる磁界と、の干渉を抑制するものであって、Z方向上側(底板部41の反対側)に開口した形状を有している。立設壁部42、43において、高壁部421、431が低壁部422、432よりも壁高さが高く(Z方向寸法が大きく)、低壁部422、432が切欠き部423、433よりも壁高さが高くなっている。
本実施形態では、高壁部421、431が低壁部422、432の1.5倍程度のZ方向寸法を有しており、低壁部422、432が切欠き部423、433の1.5倍程度のZ方向寸法を有している。尚、これらのZ方向寸法は適宜に設定されていればよく、高壁部421、431が低壁部422、432の1.3〜1.7倍程度のZ方向寸法を有していることが好ましく、低壁部422、432が切欠き部423、433の1.3〜1.7倍程度のZ方向寸法を有していることが好ましい。
本実施形態では、高壁部421、431と低壁部422、432と切欠き部423、433とがそれぞれ略等しいX方向寸法を有している。尚、高壁部421、431、低壁部422、432及び切欠き部423、433のX方向寸法は、適宜な大きさであればよく、例えば立設壁部42、43全体のX方向寸法に対し、それぞれ20〜40%程度であることが好ましい。
一対の対向板部44、45は、それぞれ低壁部422、432の上端に連続しつつ、Y方向において互いに近づくように延びている。即ち、一対の対向板部44、45は、XY平面に沿って延びるとともに、底板部41に対して所定の間隔をあけつつZ方向において対向する。本実施形態では、一対の対向板部44、45の先端同士がY方向において互いに離隔している。また、対向板部44、45は、長方形板状に形成されるとともに、先端側の角部には面取り部441、451が形成されている。
このような透磁部材4において、底板部41と一対の低壁部422、432と一対の対向板部44、45とによって断面C字状(X方向から見てC字状)の閉塞部4Aが構成されるとともに、底板部41と一対の高壁部421、431とによって断面U字状(X方向から見てU字状)の開放部4Bが構成されている。閉塞部4Aと開放部4BとはX方向に沿って並んでいる。閉塞部4Aが低壁部422、432を有し、開放部4Bが高壁部421、431を有することから、立設壁部42、43は、開放部4Bにおいて閉塞部4Aよりも壁高さが高い。
ハウジング5は、絶縁性の合成樹脂によって形成され、コネクタ接続部51と、基板収容部52と、バスバ保持手段53と、透磁部材保持手段54と、を備え、バスバ2とプリント基板30と透磁部材4とを互いに絶縁しつつ保持するものである。即ち、バスバ2とプリント基板30と透磁部材4との相対位置が、ハウジング5によって維持されるようになっている。
コネクタ接続部51は筒状に形成され、適宜なコネクタが接続されることにより、磁界検出素子3A、3Bの測定値が外部出力されるようになっている。基板収容部52は、Z方向下側に開口した凹状となっており、プリント基板30を収容した状態でモールド材が充填されることにより、プリント基板30が保持されるようになっている。
バスバ保持手段53は、バスバ2の下面及び側端面を押圧するリブと、バスバ2の側端面に形成された切欠きに係合する係合部と、を有し、バスバ2をハウジング5に対してX方向、Y方向およびZ方向のいずれにも移動しないようにするものである。透磁部材保持手段54は、透磁部材4を切欠き部423、433において係止する係止アーム541と、対向板部44、45をZ方向から挟み込んで押圧する挟持部542と、を有し、透磁部材4をハウジング5に対してX方向、Y方向およびZ方向のいずれにも移動しないようにするものである。尚、バスバ保持手段および透磁部材保持手段は、ハウジングを構成する樹脂の溶着によってバスバや透磁部材を保持するものであってもよい。
ここで、バスバ2とプリント基板30と透磁部材4との詳細な位置関係について、図4、5に基づいて説明する。まず、バスバ2およびプリント基板30は、Z方向においてバスバ2と対向板部44、45との間に配置されており、即ち閉塞部4Aの内側を通過するようになっている。底板部41を基準としたバスバ2の配置高さは、低壁部422、432の壁高さの20〜40%程度となっており、底板部41を基準としたプリント基板30における磁界検出素子3A、3Bの配置高さは、低壁部422、432の壁高さの60〜80%程度となっている。
上記のような配置においてバスバ2に電流が流れて磁界が発生する際、図6、7に示すように磁束が通過する。図示の例では、紙面奥側から手前側に向かうようにバスバ2に電流が流れ、磁束が反時計回りの向きに進行しようとする。まず、透磁部材4は他の部分よりも透磁率が高いことから、磁束は透磁部材4を優先的に通過しようとする。このとき、閉塞部4Aにおいては、対向板部44、45の先端同士が離れているものの、これらの間を通過する経路が他の経路と比較して低い磁気抵抗を有している。従って、C字状の閉塞部4Aを含む仮想的な閉環に沿って多くの磁束が通過する。即ち、一方の低壁部432から底板部41を通過して他方の低壁部422に到達した磁束が、再び一方の低壁部432に戻ろうとする際、対向板部44、45を優先して通過し、磁束が集中する。
一方、開放部4Bにおいては、一対の高壁部421、431同士の間隔がZ方向位置によらず略一定であることから、一方の高壁部431から底板部41を通過して他方の高壁部421に到達した磁束が、再び一方の高壁部431に戻ろうとする際、優先して通過する経路がなく、磁束が集中しにくい。
このように、閉塞部4Aにおいては磁束が集中しやすく、開放部4Bにおいては集中しにくいことから、閉塞部4Aの内側においては磁界が強くなりやすく、開放部4Bの内側においては磁界が強くなりにくい。尚、開放部4Bの内側とは、一対の高壁部421、431及び底板部41によって三方から囲まれた領域を指す。
ここで、バスバ2に電流が流れた際の磁束密度の位置依存性について図8に基づいて説明する。本測定は、閉塞部4Aおよび開放部4Bのそれぞれにおいて、X方向およびY方向の測定位置を固定し、Z方向の測定位置(バスバ2からの高さ)を変化させたものである。バスバに小電流I1が流れた際の閉塞部4Aにおける磁束密度を実線で示し、バスバに大電流I2が流れた際の開放部4Bにおける磁束密度を破線で示す。
閉塞部4Aにおいて、バスバ2に近い位置においては、底板部41を通過する磁束の影響を受けやすく、バスバ2から離れていくにしたがって、底板部41を通過する磁束の影響を受けにくくなる一方、対向板部44、45を通過する磁束の影響を受けやすくなる。その結果、閉塞部4Aにおける磁束密度は、バスバ2から所定の距離だけ離れた位置において極大となる。
ここで、閉塞部を有しておらず開放部のみを有する透磁部材を用いた場合には、バスバから離れた(底板部から離れた)位置ほど磁束密度が低くなるが、本実施形態の透磁部材4は閉塞部4Aおよび開放部4Bの両方を有するため、開放部4Bにおいて閉塞部4Aの磁束の影響を受ける。このため、開放部4Bにおける磁束密度の曲線は、閉塞部4Aにおける磁束密度の曲線と同様の傾向を示す。
磁界検出素子3A、3Bは、所定範囲の磁束密度(本実施形態では11〜45mT、一点鎖線で図示)を検出可能に構成されている。このとき、小電流I1が流れた際の閉塞部4Aにおける磁束密度と、大電流I2が流れた際の開放部4Bにおける磁束密度と、のいずれもが上記範囲に含まれる(図8において両曲線が一点鎖線で示す範囲に含まれる)ように磁界検出素子3A、3BのZ方向位置を設定する(ハッチングで示した範囲の位置とする)ことにより、共通の磁界検出素子3A、3Bをプリント基板30の同一面に配置しつつ、小電流I1によって生じる磁界の強さを、閉塞部4Aに配置した磁界検出素子3Aによって検出するとともに、大電流I2によって生じる磁界の強さを、開放部4Bに配置した磁界検出素子3Bによって検出することができる。
次に、磁束密度のX方向位置依存性について図9に基づいて説明する。図9の横軸である「奥行」は、立設壁部42、43のX方向他方側端部を0とし、一方側に向かうにしたがって大きくなるものとする。本実施形態の電流検出装置1においてバスバ2に電流が流れた際の磁束密度を実線で示す。ここで、閉塞部および開放部を有するとともに切欠き部が形成されていない透磁部材を用いた電流検出装置を、本発明の第2実施形態に係る電流検出装置とする。第2実施形態の電流検出装置において、バスバに電流が流れた際の磁束密度を破線で示す。
本実施形態においては、透磁部材4の立設壁部42、43に切欠き部423、433が形成されていることから、閉塞部4Aを通過する磁束によって生じる磁界と、開放部4Bを通過する磁束によって生じる磁界と、が互いに干渉しにくい。従って、閉塞部4Aに対応する領域と、開放部4Bに対応する領域と、のそれぞれにおいて、奥行の変化量に対する磁束密度の変化量が小さく(即ちグラフの傾きの絶対値が小さく)なっている。
一方、第2実施形態においては、透磁部材の立設壁部に切欠き部が形成されていないことから、閉塞部を通過する磁束によって生じる磁界と、開放部を通過する磁束によって生じる磁界と、が互いに干渉しやすい。従って、開放部に対応する領域において、奥行の変化量に対する磁束密度の変化量が大きい(即ちグラフの傾きの絶対値が大きい)位置が生じる。
以上のような電流検出装置1では、磁界検出素子3A、3Bのそれぞれが配置される位置において、バスバ2を流れる電流と磁界の強さ(磁束密度)との関係を、測定により予め把握しておくとともに、この関係を適宜な記憶部に記憶しておき、磁界検出素子3A、3Bにより検出した磁界の強さと、記憶した電流と磁界との関係と、に基づいてバスバ2を流れる電流を検出する。
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。即ち、透磁部材4が閉塞部4Aと開放部4Bとを有していることで、バスバ2に大電流が流れた場合に、開放部4Bにおいて磁界が強くなりにくく、開放部4Bに配置した磁界検出素子3Bによって大電流を検出しやすい。また、バスバ2に小電流が流れた場合に、閉塞部4Aにおいて磁界が強くなりやすく、閉塞部4Aに配置した磁界検出素子3Aによって小電流を検出しやすい。これにより、磁界検出素子3A、3Bを共通化して低コスト化するとともに、広範囲な電流を検出することができる。
また、立設壁部42、43において閉塞部4Aと開放部4Bとの間に切欠き部423、433が形成されていることで、磁界同士が干渉しにくく、閉塞部4Aに対応する領域と、開放部4Bに対応する領域と、のそれぞれにおいて、X方向位置の変化量に対する磁束密度の変化量が小さくなる。これにより、電流検出装置1の組み立て時に、透磁部材4と磁界検出素子3A、3Bとの間にX方向の位置ずれが生じても磁界の検出値が変化しにくく、位置ずれによる電流の検出誤差を小さくすることができる。
また、立設壁部42、43が開放部4Bにおいて閉塞部4Aよりも壁高さが高いことで、一対の高壁部421、431同士の対向面積を大きくすることができる。一対の高壁部421、431では、対向する部分において磁束が行き来することができ、対向面積を大きくすることにより開放部4Bにおける磁束の集中を抑制し、大電流を検出しやすくすることができる。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、立設壁部42、43が開放部4Bにおいて閉塞部4Aよりも壁高さが高いものとしたが、これらの壁高さは、検出する電流の大きさや範囲に応じて適宜に設定されればよく、開放部において閉塞部よりも壁高さが低くてもよいし、同程度であってもよい。また、開放部における壁高さを低くすれば、透磁部材を小型化することができる。
また、前記実施形態では、立設壁部42、43において閉塞部4Aと開放部4Bとの間に切欠き部423、433が形成されているものとしたが、切欠き部423、433の幅(X方向寸法)や深さ(Z方向寸法)は適宜に設定されていればよい。例えば、切欠き部が底板部まで到達し、閉塞部と開放部とで立設壁部が完全に分断される構成としてもよい。また、磁界検出素子と透磁部材とがX方向において位置ずれしにくい場合には、切欠き部が形成されていなくてもよい。
また、前記実施形態では、一対の対向板部44、45の先端同士がY方向において互いに離隔し、断面C字状の閉塞部4Aが形成されるものとしたが、一対の対向板部の先端同士の離隔寸法は、検出する電流の大きさや範囲に応じて適宜に設定されればよく、離隔寸法を0とし、一対の対向板部の先端同士を当接させて断面O字状の閉塞部を形成してもよい。
また、前記実施形態では、2つの磁界検出素子3A、3Bが1枚のプリント基板30の同一の面に配置されるものとしたが、2つの磁界検出素子は、1枚のプリント基板における互いに異なる面に配置されてもよいし、2枚のプリント基板のそれぞれに配置されてもよい。2つの磁界検出素子が異なるプリント基板に配置される場合、これらのプリント基板は、Z方向位置が同じであってもよいし異なっていてもよい。
また、前記実施形態では、2つの磁界検出素子3A、3Bがそれぞれ閉塞部4Aと開放部4Bとに配置されるものとしたが、磁界検出素子は、閉塞部4Aと開放部4Bとの境界部分(切欠き部423、433が形成された領域)に配置されてもよい。また、3つ以上の磁界検出素子がそれぞれ適宜な位置に配置されてもよい。
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
1 電流検出装置
2 バスバ
3A、3B 磁界検出素子
4 透磁部材
41 底板部
42、43 立設壁部
423、433 切欠き部
44、45 対向板部
4A 閉塞部
4B 開放部

Claims (4)

  1. 帯板状のバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる磁界を検出する2つの磁界検出素子と、を備えた電流検出装置に設けられる透磁部材であって、
    前記バスバに対向するように配置される底板部と、
    前記バスバの幅方向両側に位置するように前記底板部から立設された一対の立設壁部と、
    前記一対の立設壁部の上端のうち前記バスバの長手方向における一部から互いに近づくように延びて前記底板部に対向する一対の対向板部と、を有し、
    前記底板部、前記一対の立設壁部および前記一対の対向板部によって構成される断面C字状またはO字状の閉塞部と、前記底板部および前記一対の立設壁部によって構成される断面U字状の開放部と、が前記長手方向に沿って並んでおり、
    前記閉塞部が前記2つの磁界検出素子のうち一方に対応して設けられ、前記開放部が他方に対応して設けられることを特徴とする透磁部材。
  2. 前記立設壁部には、前記閉塞部と前記開放部との間に、前記底板部の反対側に開口した切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の透磁部材。
  3. 前記立設壁部は、前記開放部において、前記閉塞部よりも壁高さが高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の透磁部材。
  4. 帯板状のバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる磁界を検出する2つの磁界検出素子と、請求項1〜3のいずれか1項に記載の透磁部材と、を備えることを特徴とする電流検出装置。
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