JP6790774B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、導体が挿通される磁性体のコアと、コアの内部に配置され、導体への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子とを備える電流センサに関する。

従来、３相モータに流れる電流を測定する装置として、３相モータとインバータとを接続する複数の導体が各別に挿通されるＵ字状のコアを備えた電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の電流センサは、導体の板幅方向の面と平行となる内壁を有する複数のコアを備え、該複数のコアが平面視において千鳥状に配置されている。また、コアと該コアに隣接する他の導体との距離を所定の値に設定して、小型化を図っている。このとき、隣接する他の導体から受ける外部磁界の影響を低減するために、コアの開口部から素子の位置を離間させる技術が開示されている。

特開２０１３−１４８５１２号公報

しかしながら、従来の電流センサにあっては、複数のコアを用いているので、夫々のコアを千鳥状に配置したとしても、電流センサを小型化する上で限界がある。また、導体と素子との離隔は所定の範囲に規定されるため、従来のようにコアの開口部から素子の位置を離間させると、電流センサの高さ方向の寸法が無駄に大型化してしまう。

さらに、外部磁界を低減するために素子の配置を工夫したとしても、複数の導体が密集する環境下においては、他の導体から発生する磁束の影響を受けて、素子の検出精度の低下を招きやすい。

そこで、他の導体から発生する磁束の影響を受け難いコンパクトな電流センサが望まれている。

電流センサの特徴構成は、基部から互いに間隔を空けて同方向に立設する３本以上の腕部を有し、隣り合う前記腕部の間に互いに平行である複数の導体を各別に配置可能な磁性体のコアと、隣り合う前記腕部の間において前記導体が配置される位置よりも前記腕部の先端面の側に配置され、前記導体への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子と、を備え、前記腕部は、前記素子の検出面に対向する対向面と、前記対向面に対して前記導体の延在方向の側方にあって、隣り合う前記腕部の間隔を小さくする方向に突出させた突出部とを有し、前記対向面と前記突出部とは、夫々が前記先端面まで延在している点にある。

本構成によれば、コアに基部から互いに間隔を空けて同方向に立設する３本以上の腕部を設け、これら腕部の間に各別に導体が挿通され、この導体よりも腕部の先端面の側に素子を配置している。つまり、１つのコアで複数の導体に流れる電流値を検出するので、電流センサのコンパクト化を図ることができる。

また、本構成では、腕部のうち、素子の検出面に対する側方を隣り合う腕部の間隔を小さくする方向に突出させた突出部を有しており、隣り合う腕部どうしのギャップが側方のみ小さく構成されている。その結果、他の導体から発生する磁束が腕部の側方にある突出部に優先的に流れるので、腕部の対向面を介して素子の検出面に流れ込む他の導体から発生する磁束が抑制され、素子の誤検出を防止することができる。しかも、対向面や突出部が腕部の先端面まで延在しているので、他の導体から発生する磁束を突出部に確実に流すことが可能となり、対向面を介して素子の検出面に流れ込む他の導体から発生する磁束を抑制することができる。よって、他の導体から発生する磁束の影響を受け難いコンパクトな電流センサを提供できた。

他の特徴構成は、前記対向面は、前記腕部の前記導体に対向する面と同一平面上で形成されている点にある。

本構成のように、腕部のうち、素子の検出面に対向する対向面を、導体に対向する面と同一平面上で構成すれば、自身の導体から発生する磁束は、導体に対向する面から素子の検出面に対向する対向面へと円滑に流れるので、素子の検出精度を高めることができる。

他の特徴構成は、前記突出部は、前記腕部の両側に設けられている点にある。

本構成のように、突出部を腕部の両側に設ければ、腕部の両側のギャップを小さく構成し易い。その結果、他の導体から発生する磁束が素子に侵入することを、一層抑制することができる。

他の特徴構成は、前記コアは、磁性体の平板を複数枚積層して構成されている点にある。

本構成のように、コアを積層平板で構成すれば、側方にある平板にのみ突出部を形成すれば良いので、加工が容易である。

本実施形態に係る電流センサの斜視図である。 本実施形態に係る電流センサの側面図である。 図２のIII−III断面図である。 他の導体に通電した時の位置ずれと検出誤差との関係を示すグラフである。 本実施形態の変形例を示す電流センサの断面図である。 本実施形態の変形例を示す電流センサの断面図である。 本実施形態の変形例を示す電流センサの断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

図１には電流センサ１００の斜視図が示される。導体２０は平板状を呈している。以下では理解を容易にするために、導体２０の厚さ方向をＸ方向とし、導体２０が延在する方向（長手方向）をＹ方向とし、導体２０の幅方向をＺ方向として説明する。これらＸＹＺ方向は、夫々、互いに直交する。

図２は、導体２０のＹ方向視における電流センサ１００の模式図である。導体２０に電流が流れると、電流の大きさに応じて導体２０の周りに磁界が発生する（アンペールの右手の法則）。本実施形態における電流センサ１００は、このような磁界において磁束密度を検出し、検出された磁束密度に基づいて導体２０に流れる電流（電流値）を測定するものである。

図１〜図３に示すように、電流センサ１００は、ギャップ４０が複数形成された磁性体のコア１０と、導体２０への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子３０とを備えている。本実施形態のコア１０は、金属磁性体からなる複数の積層鋼板１０ｂ（平板の一例）で構成される。金属磁性体とは、軟磁性の金属であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイ、パーメンジュール等が相当する。積層鋼板１０ｂは、このような金属磁性体を打ち抜き加工して形成される。この電流センサ１００は、コア１０と導体２０と素子３０とが所定の位置となるように、電気絶縁性の樹脂（不図示）で一体化される。

コア１０は、基部１０ａと、基部１０ａから互いに間隔を空けて同方向（Ｚ方向）に立設する３本以上（本実施形態では９本）の腕部１１とを有している。隣り合う一対の腕部１１の間には、腕部１１の立設方向（Ｚ方向）の端部に開口を有するギャップ４０が形成されている。本実施形態では、腕部１１の突出長さは全て等しく設定しているが、同じ強度の磁場を有する強度線の分布がＸ方向で左右均等となるように、腕部１１の突出長さを適宜異ならせても良い。

複数の導体２０は、夫々が平行に配置された状態でコア１０に形成されたギャップ４０の内部（隣り合う腕部１１の間）に各別に配置（挿通）されており、被測定電流が流れるように構成されている。被測定電流とは、電流センサ１００で検出する検出対象としての電流である。また、導体２０は所定の幅を有する長尺状に構成されており、導体２０の延在方向（Ｙ方向）と垂直な断面（ＸＺ平面）が矩形状に形成されている。導体２０の断面の短辺方向は、ギャップ４０の並列方向（Ｘ方向）に沿って配置されている。また、ギャップ４０の並列方向の幅が、腕部１１の延出長さより小さく設定されている。これによって、多くの導体２０をギャップ４０に配置した場合でも、コア１０の並列方向の長さが過大とならず、コンパクト化が図られる。

複数の導体２０は、導体２０のＹＺ面が、夫々コア１０の内壁１２と平行になるように挿通されている。コア１０と導体２０とは離間しており、樹脂によって互いに絶縁されている。このような導体２０は、例えば、図示しない３相モータと当該３相モータに通電するインバータとを接続するバスバーで構成されたり、バスバーに直列接続される導電部材で構成されたりするものである。

素子３０は、ギャップ４０の内部（隣り合う腕部１１の間）であって、導体２０が配置される位置よりも腕部１１の先端面１１ｂの側（ギャップ４０の開口に近い側）に配置されている。この素子３０は、腕部１１の立設方向（Ｚ方向）に向かって導体２０から離間しており、樹脂によって互いに絶縁されている。導体２０に通電されると、コア１０に磁界が発生する。この磁界は、素子３０の近傍ではＸ方向に沿ったものとなる。

素子３０は検出方向をＸ方向に一致させており、腕部１１の内壁１２が、素子３０の外面と平行になるように配置されている。つまり、互いに隣り合う一組の腕部１１の内壁１２（隣り合う腕部１１の互いに対向する面）には、素子３０と対向して素子３０に磁束を流す領域となる検出領域部１２ａ（対向面の一例）が形成されている。この検出領域部１２ａは、素子３０を挟む方向視（Ｘ方向視）において素子３０の輪郭を取り囲んでいる。これにより、素子３０は、導体２０に流れる被測定電流により形成される磁界の強さを効果的に検出することができる。

上述したように複数の導体２０どうしが腕部１１を挟んで平行配置されている場合、一の導体２０の被測定電流値を検出すべき検出領域部１２ａに、他の導体２０に流れる電流から発生する磁束が侵入して、素子３０が誤検出してしまうおそれがある。また、例えば自動車のように電気機器が密集している環境下においては、周辺の磁束の変化を受けて素子３０の検出精度が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態における腕部１１は、検出領域部１２ａに対して導体２０の延在方向（Ｙ方向）の側方にある内壁１２の最外層を含む両側部を内側（隣り合う腕部１１の間隔を小さくする方向）に突出させた突出部１２ｂを有している。この突出部１２ｂは、腕部１１の内壁１２のうち導体２０と対向する導体対向面１２ｃ（腕部１１の導体２０に対向する面）には形成していない。その結果、３相モータの他相通電によって他の導体２０から発生する磁束は、対向する突出部１２ｂの間の小さいギャップ４０ａに主として流れ、検出領域部１２ａへの侵入が抑制される（図３参照）。このため、素子３０の検出面に流れる磁束が抑制され、素子３０の誤検出を防止することができる。同様に、他の電気機器から発生した磁束も対向する突出部１２ｂの間の小さいギャップ４０ａに主として流れるので、素子３０の検出精度を高めることができる。

本実施形態における検出領域部１２ａは、腕部１１の先端面１１ｂまで延在している。同様に、突出部１２ｂは、腕部１１の先端面１１ｂまで延在している。つまり、平面視（Ｚ方向視）において、腕部１１の先端面１１ｂの端部がＵ字状に形成されている（図３参照）。その結果、他の導体２０から発生する磁束は、対向する突出部１２ｂの間のギャップ４０ａに確実に流すことが可能となり、検出領域部１２ａへの侵入が一層抑制される。

また、図１に示すように、検出領域部１２ａは、腕部１１の内壁１２のうち導体２０に対向する導体対向面１２ｃと同一平面上（面一）に形成されている。このため、３相モータの自相通電によって導体対向面１２ｃに対向する導体２０から発生する磁束は、導体対向面１２ｃから検出領域部１２ａへと円滑に流れるので、素子３０の検出精度を高めることができる。これは、導体対向面１２ｃと検出領域部１２ａとの間に段差なく連なっているので、磁束の流れが安定し、素子３０が位置ずれした場合でも、素子３０に流れる磁束密度の変動を小さくすることができるためである。

さらに、本実施形態では、突出部１２ｂを腕部１１の両側部を内側に突出させているので、隣り合う腕部１１の突出部１２ｂがＸ方向で左右対称に配置され、対向する突出部１２ｂのギャップ４０ａを小さく構成し易い（図３参照）。その結果、他の導体２０から発生する磁束が素子３０に侵入することを、一層抑制することができる。しかも、コア１０は、磁性体からなる積層鋼板１０ｂを複数枚積層して構成されているので、両側部にある積層鋼板１０ｂ（本実施形態では４枚）にのみ突出部１２ｂを形成すれば良いので、加工が容易である。

図４には、素子３０がＸ方向に位置ずれした場合における素子３０の検出誤差が示される。点線は突出部１２ｂを有しない従来例であり、実線は本実施形態における電流センサ１００を示している。なお、図４は、素子３０が検出すべき導体２０には通電せずに、素子３０が検出すべき導体２０ではない他の導体２０に通電（３相モータの他相通電）した場合である。

従来のように検出領域部１２ａのみの場合、検出領域部１２ａに磁束が集中して磁場の強度変化量が大きくなる。その結果、図４の点線で示すように、Ｘ方向に素子３０が位置ずれするに連れて検出誤差が増大している。しかしながら、本実施形態のように突出部１２ｂを設けることで、他相通電で発生した磁束が対向する突出部１２ｂの間の小さいギャップ４０ａに主として流れる。つまり、ギャップ４０の小さい領域である対向する突出部１２ｂの間のギャップ４０ａが検出領域部１２ａから遠ざかるので、ギャップ４０の中央位置における磁場の影響が小さくなり、素子３０が位置ずれした場合でも検出誤差が小さくなっていることが分かる（図４の実線参照）。

以下、本実施形態の変形例について説明する。基本構成は、上述した実施形態と同様であるため、異なる構成についてのみ図面を用いて説明する。なお、図面の理解を容易にするため、上述した実施形態と同じ部材名称及び符号を用いて説明する。

図５に示すように、突出部１２ｂ１を腕部１１Ａの内壁１２Ａの片方の側部に設けて、腕部１１Ａを平面視Ｌ字状に構成しても良い。この場合、対向する腕部１１Ａのうち、一方の腕部１１Ａに形成した突出部１２ｂ１と、他方の腕部１１Ａに形成した突出部１２ｂ１とは、夫々が反対の側部に位置させるのが好ましい。この変形例においても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏する。

図６に示すように、腕部１１Ｂの突出部１２ｂ２の先端を円弧状に構成しても良い。この場合、コア１０を積層鋼板１０ｂで構成すると歩留まりが悪くなるので、磁性粉を焼結加工するなど単一の磁性体でコア１０を構成するのが好ましい。この変形例においても、上述した実施形態と同様の作用効果を奏する。

図７に示すように、腕部１１Ｃの突出部１２ｂ３の部分の最外層のさらに側方に、磁性体の固定部材１３を固定して突出部１２ｂ３の体積を拡大しても良い。固定方法は、接着や加締め固定等どのような形態であっても良い。この場合、突出部１２ｂ３に流れる磁束量を増大させることが可能となるので、３相モータの他相通電によって他の導体２０から発生する磁束が検出領域部１２ａ３に侵入することを一層抑制することができる。

〔その他の実施形態〕
（１）上述した実施形態における突出部１２ｂ，１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３におけるＺ方向の高さやＹ方向の幅は、他の導体２０から発生する磁束を優先的に流すことができるように、電流センサ１００の用途に応じて適宜設定すれば良い。
（２）上述した実施形態では、突出部１２ｂ，１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３を腕部１１の最外層を含む両側部に設けたが、腕部１１の検出領域部１２ａの側方にあって検出領域部１２ａを除く領域であれば特に限定されない。例えば、腕部１１の最外層を突出させずに、最外層と検出領域部１２ａとの間に突出部１２ｂ，１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３を設けても良い。
（３）上述した実施形態における検出領域部１２ａは、腕部１１の内壁１２のうち導体２０に対向する導体対向面１２ｃと同一平面上で構成したが、導体対向面１２ｃに対してＸ方向に突出又は引退させても良い。
（４）上述した実施形態では、コア１０を複数の積層鋼板１０ｂで構成したが、例えば、検出領域部１２ａを単一の磁性体で構成し、突出部１２ｂが形成される部分のみ積層鋼板１０ｂで構成しても良い。つまり、検出領域部１２ａよりも内側に突出した突出部１２ｂを形成できるものであれば、どのような形態であっても良い。
（５）上述した実施形態では、複数の素子３０を設けたが、複数のギャップ４０のうち１つのギャップ４０のみを用いて、１つの素子３０を配置しても良い。

本発明に係る電流センサは、各種の電気機器に広く利用することができる。

１０ コア
１０ａ 基部
１０ｂ 積層鋼板（平板）
１１ 腕部
１１ｂ 先端面
１２ａ 検出領域部（対向面）
１２ｂ 突出部
１２ｃ 導体対向面
２０ 導体
３０ 素子
１００ 電流センサ

Claims (4)

1. 基部から互いに間隔を空けて同方向に立設する３本以上の腕部を有し、隣り合う前記腕部の間に互いに平行である複数の導体を各別に配置可能な磁性体のコアと、
   隣り合う前記腕部の間において前記導体が配置される位置よりも前記腕部の先端面の側に配置され、前記導体への通電時に生じる磁界の強さを検出する素子と、を備え、
   前記腕部は、前記素子の検出面に対向する対向面と、前記対向面に対して前記導体の延在方向の側方にあって、隣り合う前記腕部の間隔を小さくする方向に突出させた突出部とを有し、
   前記対向面と前記突出部とは、夫々が前記先端面まで延在している電流センサ。
2. 前記対向面は、前記腕部の前記導体に対向する面と同一平面上に形成されている請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記突出部は、前記腕部の両側に設けられている請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記コアは、磁性体の平板を複数枚積層して構成されている請求項１から３の何れか一項に記載の電流センサ。

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