JP6691264B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定電流によって生じる磁界に基づいて電流値を算出する電流センサ、特に隣に位置するバスバからの影響を低減させる電流センサに関する。

被測定電流によって生じる磁界に基づいて電流値を算出する電流センサとしては、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の電流センサは、３相交流モータに３相交流電力を伝達するバスバの近傍に設けられ、これらの各バスバの電流を磁電変換素子によって計測している。

この種のバスバにおける電流センサは、複数の金属板を、その板厚面を上下に配置して縦に並列に配置し、板厚の端面の一方（上方）から矩形状に切り欠きを設け、その切り欠き部分に磁電変換素子を配置してバスバに流れる電流を計測している。

磁電変換素子は、感磁面がバスバの板厚面に向くように配置され、その配置される高さは、隣に位置するバスバの磁界中心の高さに合わせている。これは、隣に位置するバスバからの磁界中心を磁電変換素子の感磁面と直交させて、隣のバスバからのノイズの影響を磁電変換素子が受けないようにするためである。

特許文献１では、その図１に記載されているように、磁電変換素子の設置の構成として、バスバの延伸方向にずらして設けられた切り欠きの形状に合わせてクランク状に基板を形成し、その基板を水平方向に配置し、その基板の表面に磁電変換素子を設けている。

特開２０１５−１５２４１８号公報

特許文献１に記載の電流センサは、バスバに形成された矩形状の切り欠きによって、隣に位置するバスバの電流中心がバスバの高さ方向の中心から移動している点に鑑み、磁電変換素子の設置位置を、隣に位置するバスバの電流中心となるように配置している。

一方、この種のバスバは、ハイブリッド車等の車両に用いられることが多い。車両に用いられるバスバは、他の機器との関係や小型化の要請等の問題から、複数箇所で直角に曲げる必要があり、さらに直線部分を長くすることができない。

このような状況において、特許文献１に記載のように磁電変換素子を配置すると、磁電変換素子を設置するための切り欠きを直角のコーナ部の近傍に配置しなければならない。本願発明者等が検証したところによると、バスバのコーナ部近傍に切り欠き部を設ける場合、磁電変換素子に対して隣に位置するバスバの磁界の影響が大きくなり、磁電変換素子に対するノイズの増大が避けられず、ＳＮ比が低下することが判明した。

本発明は、上記課題を解決するために、バスバのコーナ部近傍に切り欠き部及び磁電変換素子を配置した場合であっても、隣に位置するバスバの磁界の影響を低減させ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。

上記目的を達成するために、本発明の電流センサは、平行に配置された複数のバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる誘導磁界を検出する磁電変換素子と、前記磁電変換素子が実装される絶縁性の基板と、を備える電流センサであって、前記バスバは、水平面を基準面としたときに、前記基準面から上方に立ち上がる立ち上がり部と、前記立ち上がり部から前記基準面と平行な方向に延びる延伸部と、前記延伸部の上端から下方に向けて凹む切り欠き部と、前記切り欠き部の下方を含むように設けられ前記延伸部の下端から下方に向けて突出する段差部とを備え、前記複数のバスバは、少なくとも第１バスバと、前記第１バスバの隣に位置する第２バスバを有し、前記第１バスバは、前記立ち上がり部である第１立ち上がり部と、前記延伸部である第１延伸部と、前記切り欠き部である第１切り欠き部と、前記段差部である第１段差部とを有し、前記第２バスバは、前記立ち上がり部である第２立ち上がり部と、前記延伸部である第２延伸部と、前記切り欠き部である第２切り欠き部と、前記段差部である第２段差部とを有し、前記磁電変換素子は、実装面が前記切り欠き部内においてその底面に対向するとともに、隣に位置するバスバの側面と感度軸とが直交するように配置され、前記第１バスバに設置される第１磁電変換素子と、前記第２バスバに設置される第２磁電変換素子とを有し、前記第１段差部は、前記第１立ち上がり部から前記第１延伸部の延伸方向に離間して設けられ、前記第２電磁変換素子は、前記第１立ち上がり部と前記第１切り欠き部との間に位置する前記第１延伸部の側面に対面するように配置され、前記第２段差部は、前記第２立ち上がり部から前記第２延伸部の延伸方向に連続して設けられ、前記第１電磁変換素子は、延伸方向で前記第２切り欠き部に連続して位置する前記第２延伸部の側面に対面するように配置され、前記第２磁電変換素子は、前記第１磁電変換素子よりも下方に配置されていることを特徴とする。

本発明の電流センサによれば、第２バスバは、第１バスバと比較して、磁電変換素子が立ち上がり部に近い位置に配置されている。第２切り欠き部内に位置する第２磁電変換素子は、第１バスバの第１立ち上がり部と第１段差部との間の第１延伸部の側面に対面している。近年におけるバスバの小型化の要請に伴い、第１バスバにおける第１延伸部の延伸方向の長さを短くする必要が生じている。本願発明者等の種々の実験によれば、当該第１延伸部の長さが短い場合、この第１延伸部内を通る電流の中心は、第１延伸部の下方に移動することが確認されている。

本発明の電流センサでは、第２磁電変換素子を、第１磁電変換素子よりも下方に配置している。このため、第２磁電変換素子の側面に隣に位置する第１バスバの第１延伸部で生じる磁界の影響を受けないようにすることができる。

また、本発明の電流センサでは、磁電変換素子が、切り欠き部内においてその底面に対向するとともに、隣に位置するバスバの側面と感度軸とが直交するように配置されている。感度軸は、磁電変換素子における誘導磁界の検出に適した方向を示す軸であり、この感度軸を隣に位置するバスバの側面と直交させることにより、当該バスバからの誘導磁界の影響を受けないようにしている。

また、本発明の電流センサにおいては、前記第１磁電変換素子が前記基板の上面に実装され、前記第２磁電変換素子が前記基板の下面に実装されていることが好ましい。当該構成によれば、基板の上面（表面）と下面（裏面）に第１磁電変換素子と第２磁電変換素子を実装すればよいので、容易に第２磁電変換素子を第１磁電変換素子に対して下方の位置に配置することができる。

また、当該構成において、前記第１立ち上がり部と前記第１段差部との間に位置する前記第１延伸部の下端縁が、前記第１段差部より延伸方向に位置する前記第１延伸部の下端縁よりも下方に位置してもよい。上述のように、基板の上面と下面に磁電変換素子を実装する場合、第１バスバの形状や基板の厚さによっては、第１バスバの第１延伸部で生じる磁界の中心と第２磁電変換素子の上下方向の位置がずれる場合がある。このような場合であっても、当該第１延伸部の下端縁の位置を変更することにより、第１延伸部を流れる電流により生じる磁界の中心と第２磁電変換素子の上下方向の位置を調整することができる。

また、本発明の電流センサにおいては、前記第２延伸部における前記第２段差部に連続する部分に、前記第２延伸部の下端から上方に設けられた調整用切り欠き部を有していてもよい。調整用切り欠き部の切り欠き深さを変更することにより、第２延伸部を流れる電流により生じる磁界の中心と第１磁電変換素子の上下方向の位置を調整することができる。

本発明によれば、電流センサにおいて、バスバの立ち上がり部近傍に切り欠き部及び磁電変換素子を配置した場合であっても、隣に位置するバスバの磁界の影響を低減させることができる。

本発明の実施形態の一例である電流センサの概要を示す斜視図。 （Ａ）は本実施形態における第１バスバを側面から見た状態を示す説明図、（Ｂ）は本実施形態における第２バスバを側面から見た状態を示す説明図。 図１の電流センサの平面図。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図。 図１のＶ−Ｖ線断面図。 （Ａ）は本実施形態の一変形例に係る第１バスバを側面から見た状態を示す説明図、（Ｂ）は本実施形態の一変形例に係る第２バスバを側面から見た状態を示す説明図。

次に、本発明の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態の電流センサ１は、図１に示すように、平行に３本のバスバが配置され、各バスバに切り欠き部が設けられ、当該切り欠き部に対して磁電変換素子を実装した基板を配置したものとなっている。磁電変換素子としては、例えば、磁気抵抗効果素子を用いることができる。

図１において、各バスバは、手前側と奥側に第１バスバ１０が配置され、その間に第２バスバ２０が配置されている。この第１バスバ１０及び第２バスバ２０は、図１及び図２に示すように、金属板をプレス加工等することにより形成したものであり、板厚方向を上下方向（図１におけるＺ方向）及び延伸方向（図１におけるＹ方向）に向けて設置されている。また、これらのバスバの側面は、図１においてＸ方向に向いた状態となる。

また、これらのバスバは、それぞれ他の機器等に接続される端子部（第１端子部１１，第２端子部２１）を有している。本実施形態においては、この端子部の裏面を基準面（水平面）Ｂとする。

第１バスバ１０は、基準面Ｂの第１端子部１１から上方に立ち上がる第１立ち上がり部１２と、第１立ち上がり部１２の上端に位置する第１コーナ部１３と、第１コーナ部１３から延伸方向に延びる第１延伸部１４を有している。

また、第１延伸部１４には、上方から下方に向けて角Ｕ字状（矩形状）に切り欠かれた第１切り欠き部１５が設けられている。この第１切り欠き部１５内に後述する第１磁電変換素子１８が配置される。また、第１切り欠き部１５の下方（具体的には第１切り欠き部１５の底面である第１底面１６の下方）を含むように、第１延伸部１４の下端部から下方に向けて突出する第１段差部１７が設けられている。

本実施形態においては、第１バスバ１０の第１延伸部１４は、第１立ち上がり部１２に近い位置に位置する近位第１延伸部１４ａと、第１切り欠き部１５よりも延伸方向に位置する遠位第１延伸部１４ｂに分かれている。

本実施形態では、近位第１延伸部１４ａの上下方向の幅は、遠位第１延伸部１４ｂの上下方向の幅よりも広くなっている。即ち、図２（Ａ）に示すように、近位第１延伸部１４ａの下端縁が遠位第１延伸部１４ｂの下端縁よりも長さΔＬだけ下方に配置されている。

第２バスバ２０は、基準面Ｂの第２端子部２１から立ち上がる第２立ち上がり部２２と、第２立ち上がり部２２の上端に位置する第２コーナ部２３と、延伸方向に延びる第２延伸部２４を有している。また、第２延伸部２４には、上方から下方に向けて角Ｕ字状に切り欠かれた第２切り欠き部２５と、第２切り欠き部２５と、第２切り欠き部２５の底面である第２底面２６から下方に向けて突出する第２段差部２７が設けられている。第２切り欠き部２５内に後述する第２磁電変換素子２８が配置される。本実施形態においては、第２段差部２７は第２立ち上がり部２２と連続して設けられており、第２立ち上がり部２２と第２段差部２７との間には第２延伸部２４は設けられていない。

基板２は、図１及び図２に示すように、２本の第１バスバ１０及び１本の第２バスバ２０に亘って水平方向に配置されている。基板２の上面には２個の第１磁電変換素子１８が実装されており、下面には１個の第２磁電変換素子２８が実装されている。なお、基板２のその他の構成については図示を省略している。

第１磁電変換素子１８は、図１及び図２に示すように、第１バスバ１０の第１切り欠き部１５内において第１底面１６の上方に配置されている。第１磁電変換素子１８は、基板２の上面に実装されているので、第１実装面１８ａが基板２を介して第１底面１６に対面するように固定されている。また、第１磁電変換素子１８は、図３に示すように、感度軸である第１感度軸１８ｂ（図３における第１磁電変換素子１８の内部の矢印）が、隣接する第２バスバ２０の第２延伸部２４の側面と直交するように設けられている。

第２磁電変換素子２８は、図１及び図２に示すように、第２バスバ２０の第２切り欠き部２５内において第２底面２６の上方に配置されている。第２磁電変換素子２８は、基板２の下面に実装されているので、第２実装面２８ａが第２底面２６に直接対面するように固定されている。また、第２磁電変換素子２８は、図３に示すように、感度軸である第２感度軸２８ｂ（図３における第２磁電変換素子２８の内部の矢印）が両方の側面に隣接する第１バスバ１０の近位第１延伸部１４ａの側面と直交するように設けられている。

このように、本実施形態では、第１感度軸１８ｂ及び第２感度軸２８ｂが、基板２の表面又は裏面に平行な面（Ｘ−Ｙ方向）において、Ｘ方向に向けて配置されている。これにより、第１感度軸１８ｂは、第１バスバ１０の第１切り欠き部１５内において、第１延伸部１４の延伸方向（Ｙ方向）と直交する方向に配置される。第２感度軸２８ｂも同様に、第２延伸部２４の延伸方向と直交する方向に配置される。

次に、本実施形態の電流センサ１において、第１バスバ１０及び第２バスバ２０の電流を検出する際の作動について説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）において、符号Ａで示す点線は、第１バスバ１０及び第２バスバ２０内の電流の流れの中心を示している。

第１バスバ１０に電流が流れると、図２（Ａ）に示すように、電流は第１立ち上がり部１２を上方に進み、第１コーナ部１３、近位第１延伸部１４ａを進み、第１切り欠き部１５の個所で第１段差部１７側に迂回し、第１段差部１７から遠位第１延伸部１４ｂに流れる。

図２（Ａ）に示すように、近位第１延伸部１４ａにおいては、電流は第１立ち上がり部１２から第１コーナ部１３で湾曲されて近位第１延伸部１４ａに流れるが、近位第１延伸部１４ａの後端部分に第１切り欠き部１５があるため、近位第１延伸部１４ａの中心位置（図２（Ａ）における一点鎖線Ｃ’）よりも下方の位置を流れる（図２（Ａ）における点Ｃ）。

本実施形態では、図４に示すように、第２磁電変換素子２８の上下方向の位置を、この近位第１延伸部１４ａにおける電流中心の位置Ｃに合わせて配置している。これにより、第２磁電変換素子２８において、隣に位置する第１バスバ１０からの磁界Ｍ_１の影響を低減している。また、本実施形態では、近位第１延伸部１４ａの上下方向の幅が遠位第１延伸部１４ｂの上下方向の幅よりも広くなっているので、第１バスバ１０の電気抵抗を低減させることができる。

第２バスバ２０においては、図２（Ｂ）に示すように、第２立ち上がり部２２と第２段差部２７とが連続して形成されているため、電流は第２立ち上がり部２２を上方に進み、第２段差部２７を通って第２延伸部２４に流れる。その際、電流の中心は第２段差部２７を斜め方向に上昇するとともに、第２延伸部２４の上下方向のほぼ中心位置を通る（図２（Ｂ）における点Ｄ及び一点鎖線Ｄ’）。

本実施形態では、図５に示すように、第１磁電変換素子１８の上下方向の位置を、この第２延伸部２４における電流中心の位置Ｄに合わせて配置している。これにより、第１磁電変換素子１８において、隣に位置する第２バスバ２０からの磁界Ｍ_２の影響を低減している。

本実施形態の電流センサ１は、上述のように、基板２の表面に第１磁電変換素子１８を実装し、基板２の裏面に第２磁電変換素子２８を実装することにより、第２磁電変換素子２８を第１磁電変換素子１８よりも下方位置に配置している。よって、第２磁電変換素子２８の上下方向の位置を第１磁電変換素子１８と異ならせるために、基板の形状を変更したり、他の部材を追加したりする等の手段を必要としないので、簡易な構成で第２磁電変換素子２８の位置の調整を行うことができる。

上述のように、第１バスバ１０と第２バスバ２０との形状は異なるため、これらのバスバの抵抗が異なる場合がある。具体的には、第１バスバ１０の方が第２バスバ２０よりも電流路が長くなるため、抵抗が相対的に大きくなりやすい。そのような場合には、近位第１延伸部１４ａの下端を遠位第１延伸部１４ｂの下端よりも下方になるようにすることにより、近位第１延伸部１４ａと第１段差部との連結部分における断面積を大きくすることができ、第１バスバ１０の抵抗を低下させることができる。

また、基板２の厚さが異なるものを使用する場合、第１磁電変換素子１８の上下方向の位置と第２磁電変換素子２８の上下方向の相対位置が異なることになる。その場合には、基板２の上下に設けられた第１磁電変換素子１８および第２磁電変換素子２８の磁気的な位置が適切になるように、第１バスバ１０および第２バスバ２０の形状を変更すればよい。

図６（Ａ）は、本実施形態の一変形例に係る第１バスバを側面から見た状態を示す説明図である。図６（Ｂ）は、本実施形態の一変形例に係る第２バスバを側面から見た状態を示す説明図である。図６（Ａ）に示されるように、近位第１延伸部１４ａの下端縁１４ａＬの位置を調整することにより、第１延伸部１４に流れる電流の中心位置を上下方向に変更することが可能である。図６（Ａ）では、近位第１延伸部１４ａの下端縁１４ａＬの位置が二点鎖線の位置であった場合における電流路が符号Ａ１０で表され、近位第１延伸部１４ａの下端縁１４ａＬの位置が実線の位置であった場合における電流路が符号Ａ１で表されている。

このように、近位第１延伸部１４ａの下端縁１４ａＬの位置を下方に変更することにより、電流路を下方に移動させることができる。その結果、第２磁電変換素子２８の位置が下方に変更された場合であっても、第１バスバ１０を流れる電流による誘導磁界を、第２磁電変換素子２８の第２実装面２８ａ及び第２感度軸２８ｂに対してより直交に近い状態で交差させることができる。

あるいは、図６（Ｂ）に示されるように、第２延伸部２４における第２段差部２７に連続する部分に第２延伸部２４の下端縁２４Ｌから上方に凹む調整用切り欠き部２９を設けて、その切り欠き深さを調整することにより、第２段差部２７から第２延伸部２４へと流れる電流の中心位置を上下方向に変更することが可能である。図６（Ｂ）では、第２延伸部２４の下端縁２４Ｌの位置が二点鎖線の位置であった場合における電流路が符号Ａ２０で表され、調整用切り欠き部２９が設けられて、第２延伸部２４の下端縁２４Ｌの位置が実線の位置となった場合における電流路が符号Ａ２で表されている。

このように、調整用切り欠き部２９を設けて第２延伸部２４の下端縁２４Ｌの位置を上方に変更することにより、電流路を上方に移動させることができる。その結果、第１磁電変換素子１８の位置が上方に変更された場合であっても、第２バスバ２０を流れる電流による誘導磁界を、第１磁電変換素子１８の第１実装面１８ａ及び第１感度軸１８ｂに対してより直交に近い状態で交差させることができる。

なお、上記実施形態では、第１バスバ１０を２本、第２バスバ２０を１本としているが、第２バスバ２０を２本、第１バスバ１０を１本としてもよい。また、各バスバの本数は、３本に限らず、任意の本数とすることができる。

また、第１バスバ１０及び第２バスバ２０の形状を、図１乃至図６で示す形状としているが、これに限らず、異なる形状としてもよい。例えば、各バスバの角部を直角に形成しているが、角部を直線状又は円弧状に面取りしてもよい。

また、第１バスバ１０において、第１端子部１１から第１立ち上がり部１２を垂直に立ち上げているが、異なる角度に形成してもよい。また、第１立ち上がり部１２と第１延伸部１４も角度が直角になっているが、異なる角度としてもよい。これは、第２バスバ２０も同様である。

また、第１バスバ１０において、第１段差部１７を流れる電流は、その上方（第１切り欠き部１５側）を主として流れる。したがって、第１段差部１７の下端の延伸方向長さを上端の延伸方向の長さよりも短くする、すなわち、下底が短い台形のようにしてもよい。そのようにすることで、第１バスバ１０を軽量化することができる。

また、磁電変換素子としては、磁気抵抗効果素子の他、ホール素子等、他の種類の素子を用いてもよい。ホール素子の場合、本発明においては、感磁面の法線方向を感度軸方向と定義する。

１…電流センサ
２…基板
１０…第１バスバ
１１…第１端子部
１２…第１立ち上がり部
１３…第１コーナ部
１４…第１延伸部
１４ａ…近位第１延伸部
１４ａＬ…近位第１延伸部の下端縁
１４ｂ…遠位第１延伸部
１５…第１切り欠き部
１６…第１底面
１７…第１段差部
１８…第１磁電変換素子
１８ａ…第１実装面
１８ｂ…第１感度軸
２０…第２バスバ
２１…第２端子部
２２…第２立ち上がり部
２３…第２コーナ部
２４…第２延伸部
２４Ｌ…第２延伸部の下端縁
２５…第２切り欠き部
２６…第２底面
２７…第２段差部
２８…第２磁電変換素子
２８ａ…第２実装面
２８ｂ…第２感度軸
２９…調整用切り欠き部
Ｂ…基準面

Claims (4)

1. 平行に配置された複数のバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる誘導磁界を検出する磁電変換素子と、前記磁電変換素子が実装される絶縁性の基板と、を備える電流センサであって、
   前記バスバは、水平面を基準面としたときに、前記基準面から上方に立ち上がる立ち上がり部と、前記立ち上がり部から前記基準面と平行な方向に延びる延伸部と、前記延伸部の上端から下方に向けて凹む切り欠き部と、前記切り欠き部の下方を含むように設けられ前記延伸部の下端から下方に向けて突出する段差部とを備え、
   前記複数のバスバは、少なくとも第１バスバと、前記第１バスバの隣に位置する第２バスバを有し、
   前記第１バスバは、前記立ち上がり部である第１立ち上がり部と、前記延伸部である第１延伸部と、前記切り欠き部である第１切り欠き部と、前記段差部である第１段差部とを有し、
   前記第２バスバは、前記立ち上がり部である第２立ち上がり部と、前記延伸部である第２延伸部と、前記切り欠き部である第２切り欠き部と、前記段差部である第２段差部とを有し、
   前記磁電変換素子は、実装面が前記切り欠き部内においてその底面に対向するとともに、隣に位置するバスバの側面と感度軸とが直交するように配置され、前記第１バスバに設置される第１磁電変換素子と、前記第２バスバに設置される第２磁電変換素子とを有し、
   前記第１段差部は、前記第１立ち上がり部から前記第１延伸部の延伸方向に離間して設けられ、前記第２磁電変換素子は、前記第１立ち上がり部と前記第１切り欠き部との間に位置する前記第１延伸部の側面に対面するように配置され、
   前記第２段差部は、前記第２立ち上がり部から前記第２延伸部の延伸方向に連続して設けられ、前記第１磁電変換素子は、延伸方向で前記第２切り欠き部に連続して位置する前記第２延伸部の側面に対面するように配置され、
   前記第２磁電変換素子は、前記第１磁電変換素子よりも下方に配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１磁電変換素子が前記基板の上面に実装され、前記第２磁電変換素子が前記基板の下面に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１立ち上がり部と前記第１段差部との間に位置する前記第１延伸部の下端縁が、前記第１段差部より延伸方向に位置する前記第１延伸部の下端縁よりも下方に位置す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。
4. 前記第２延伸部における前記第２段差部に連続する部分に、前記第２延伸部の下端から上方に設けられた調整用切り欠き部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。