JP7257510B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出装置に関する。

導体の近傍に配置され、導体に流れる電流に応じて発生される磁場を検出して、導体に流れる電流量を検出する電流検出装置がある。電流検出装置は、例えば、直流を３相交流に変換するインバータから導出される３相の導体の近傍にそれぞれ配置される。
特許文献１には、電流を流す導電部と、導電部に流れる電流によって生じる磁場を検出する検出部と、導電部および検出部を囲うシールドと、を備えた電流センサが開示されている。

特開２０１７－１８１４１５号公報

特許文献１に記載の技術は、隣接する導体に流れる電流による影響を受けて、電流検出精度が悪化する課題がある。

本発明による電流検出装置は、第１電流検出素子と、第２電流検出素子と、第１導体の一部と前記第１電流検出素子とを収納する第１収納空間を形成し、かつ前記第１収納空間と外部とを繋げる第１開口部を形成する第１遮蔽部と、前記第１遮蔽部に隣接し、第２導体の一部と前記第２電流検出素子を収納する第２収納空間を形成し、かつ前記第２収納空間と外部とを繋げる第２開口部を形成する第２遮蔽部と、を備え、前記第１遮蔽部は、前記第２遮蔽部と対向して配置され、かつ前記第２遮蔽部との間隔が一定である第１接続部と、前記第１開口部を形成する一対の端部のうち前記第２遮蔽部に近い側の前記端部を含む部分において、前記第１接続部よりも前記第２遮蔽部との間隔が短く、かつ前記端部に近づくにつれて前記第２遮蔽部との間隔が狭まるように形成された第１屈曲部と、を有し、前記第２遮蔽部は、前記第１遮蔽部と対向して配置され、かつ前記第１遮蔽部との間隔が一定である第２接続部と、前記第２開口部を形成する一対の端部のうち前記第１遮蔽部に近い側の前記端部を含む部分において、前記第２接続部よりも前記第１遮蔽部との間隔が短く、かつ前記端部に近づくにつれて前記第１遮蔽部との間隔が狭まるように形成された第２屈曲部と、を有する。

本発明によれば、隣接する導体に流れる電流による影響を抑えて、電流検出精度の悪化を軽減することができる。

電流検出装置の斜視図である。 電流検出装置の断面図である。 （Ａ）（Ｂ）磁気遮蔽部の形状の違いによる外部からの磁場を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）磁気遮蔽部の形状の違いによる隣相からの磁場を示す図である。

図１は、本実施形態に係る電流検出装置１００の斜視図である。
電流検出装置１００は、本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗに、図示直交する３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向）のうちＺ軸方向に流れる電流の値を非接触で検出する。

電流検出装置１００は、Ｕ相の電流検出装置１００ｕ、Ｖ相の電流検出装置１００ｖ、およびＷ相の電流検出装置１００ｗを、図示直交する３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向）のうちＸ軸方向に並列的に設置して構成される。

電流検出装置１００ｕは、Ｕ相の導体Ｂｕに流れる電流の値を非接触で検出する。電流検出装置１００ｖは、Ｖ相の導体Ｂｖに流れる電流の値を非接触で検出する。電流検出装置１００ｗは、Ｗ相の導体Ｂｗに流れる電流の値を非接触で検出する。

Ｕ相の電流検出装置１００ｕの構成を説明する。Ｕ相の導体Ｂｕの図示上部の近傍には、基板１ｕに載置された磁気検出素子２ｕが設けられる。導体Ｂｕの所定の長さ部分と、基板１ｕおよび磁気検出素子２ｕは、断面が略Ｕ字状の磁気遮蔽部３ｕに収納される。すなわち、磁気遮蔽部３ｕは、導体Ｂｕの一部分と、基板１ｕおよび磁気検出素子２ｕとを収納する収納空間４ｕを形成し、収納空間４ｕと外部を繋げる開口部５ｕを形成する。そして、磁気遮蔽部３ｕは、開口部５ｕを形成する端部６ｕ近傍が、端部６ｕに近づくにつれて、開口部５ｕの開口面積が大きくなるように形成される。

Ｖ相の電流検出装置１００ｖの構成、およびＷ相の電流検出装置１００ｗの構成は、Ｕ相の電流検出装置１００ｕの構成と同様である。

導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗは、Ｚ軸方向に延伸し、Ｚ軸方向に電流を流す電流導体である。
導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗは、電流を流す導電性の材料よりなる。導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗは、電流が流れる値に応じて、周囲に磁場を発生させる。

磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗは、導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗに流れる電流によって生じる磁場を検出する。磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗは、例えば、図１におけるＸ軸方向と略平行な磁場を検出する。磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗは、例えば、Si、GaAsなどの半導体が用いられ、検知した磁場（磁界）を電圧に変換し、変換された電圧はモータの制御に用いられる。

磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗは、Ｘ軸方向の幅をＷ、Ｙ軸方向の高さをＨ、Ｚ軸方向の奥行きをＬ（図示省略）とする。磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗは、珪素鋼板で構成され、電流による磁束の集磁と外部からの磁界の遮蔽機能をもつ。例えば、Si-Fe,Ni-Feなどの高飽和磁束密度を持つ磁性材料から構成される。磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗは、内側に磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗ、および導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗの一部を配置させ、磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗに外部から入力する磁場を遮蔽して、外乱の影響を低減させる。

図２は、本実施形態に係る電流検出装置１００の断面図である。この断面図は、図１のＸ軸Ｙ軸により形成される面と平行な面の断面である。図１と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。Ｕ相の電流検出装置１００ｕ、Ｖ相の電流検出装置１００ｖ、およびＷ相の電流検出装置１００ｗが、図示直交する３方向（Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向）のうちＸ軸方向に並列的に設置される。そして、磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗは、開口部５ｕ、５ｖ、５ｗを形成する端部６ｕ、６ｖ、６ｗ近傍が、端部６ｕ、６ｖ、６ｗに近づくにつれて、開口部５ｕ、５ｖ、５ｗの開口面積が大きくなるように形成される。

本実施形態では、電流検出装置１００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相分の導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗに流れる電流をそれぞれ検出する。電流検出装置１００は、磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗと磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗを備えた所謂、コアレス電流センサである。コアレス電流センサは、導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗが電流の通電により発生する磁場を磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗにより集磁して磁束密度を高め、磁気検出素子２ｕ、２ｖ、２ｗで検出して、電圧出力する。なお、コアレス電流センサではコア式と比較して小型である一方、磁気遮蔽部３ｕ、３ｖ、３ｗによる磁気遮蔽効果が弱いため、検出対象である導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗに発生する磁界以外の外乱磁場（クロストークなど）の影響による検出誤差が発生しやすく、電流検出精度が悪化してしまう問題がある。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、磁気遮蔽部３の形状の違いによる外部からの磁場を示す図である。図３（Ａ）は本実施形態の比較例を、図３（Ｂ）は本実施形態を示す。図３（Ａ）、図３（Ｂ）ではＵ相の電流検出装置１００ｕの例で説明する。図１、図２と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。

図３（Ａ）に示す比較例における磁気遮蔽部３’ｕは略Ｕ字状に形成され、開口部を形成する端部を含めてその開口面積は変わらない。一方、図３（Ｂ）に示す本実施形態における磁気遮蔽部３ｕは、開口部を形成する端部近傍が端部６ｕに近づくにつれて開口部の開口面積が大きくなるように、屈曲部３０ｕが形成されている。屈曲部３０ｕの屈曲角度θは、２０度～６０度が好ましい。

図３（Ａ）に示すように、磁気遮蔽部３’ｕの外部Ｘ軸方向から磁場Ｂが作用した場合、磁気遮蔽部３’ｕを透過した磁場Ｂ’はＸ軸方向に向けて誘導され、その後Ｙ軸方向へ向かう。一方、本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、磁気遮蔽部３ｕの外部Ｘ軸方向から磁場Ｂが作用した場合、磁気遮蔽部３ｕを透過した磁場Ｂ’は屈曲部３０ｕにより、Ｙ軸方向に誘導される。すなわち、本実施形態では、磁気検出素子２ｕは外部からの磁場の影響を低減できる。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、磁気遮蔽部３の形状の違いによる隣相からの磁場を示す図である。図４（Ａ）は本実施形態の比較例を、図４（Ｂ）は本実施形態を示す。図１、図２と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。

図４（Ａ）に示す比較例における磁気遮蔽部３’ｕは略Ｕ字状に形成され、開口部を形成する端部を含めてその開口面積は変わらない。Ｕ相とその隣相であるＶ相に着目すると、Ｖ相の導体Ｂｖに流れる電流の影響により、Ｖ相からＵ相へ磁場Ｂ’ｖｕが－Ｘ軸方向に磁気遮蔽部３’ｕに入力される。磁場Ｂ’ｖｕは、磁気遮蔽部３’ｕの側面の全面に入力される。すなわち、磁気抵抗が均一のため隣相からの磁束がほぼ均一に流れ込む。このため、比較例では、磁気検出素子２ｕは外部からの磁場の影響を受けやすい。

一方、図４（Ｂ）に示す本実施形態における磁気遮蔽部３ｕ、３ｖは、開口部５ｕを形成する端部６ｕ近傍が端部６ｕに近づくにつれて開口部５ｕの開口面積が大きくなるように、屈曲部３０ｕ、３０ｖが形成されている。Ｕ相とその隣相であるＶ相に着目すると、Ｖ相の導体Ｂｖに流れる電流の影響により、Ｖ相からＵ相へ磁場Ｂｖｕが磁気遮蔽部３ｕに入力されるが、磁場Ｂｖｕは屈曲部３０ｕ、３０ｖに誘導されて、磁気遮蔽部３ｕの開口部５ｕの端部６ｕに集中する。すなわち、隣接する屈曲部３０ｕ、３０ｖの空隙が狭いため、部分的に磁気抵抗が小さくなり隣接する屈曲部３０ｕ、３０ｖに磁束を集中させることができ、磁気遮蔽部３ｕ内部に流入する磁束を低減できる。このため、本実施形態では、磁気検出素子２ｕは隣相からの磁場の影響を受けにくくなる。

電流検出装置１００は、例えば、直流を３相交流に変換するインバータから導出される３相の導体の近傍に配置され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗに流れる電流の値を非接触で検出する。導体Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗに流れる電流はモータへ供給されるが、本実施形態による電流検出装置１００により、検出誤差を低減できるので、検出した電流値に基づいてモータのトルク精度を向上させることができる。また、磁気遮蔽部３の磁気遮蔽能力は透磁率に依存するが、磁気遮蔽部３として透磁率が低い材料を採用することも可能である。

本実施形態によれば、磁気遮蔽部３の端部の開口面積を広げ、隣接するＸ軸成分の外乱磁場をＹ軸方向に誘導することで、磁気検出素子２が検出する外乱磁場の強度を下げ、検出誤差を低減することができる。換言すれば、磁気遮蔽部３の端部において隣相との磁気結合を高めることで磁気検出素子２の設置位置における隣相からの磁束の流れ込みを低減する。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電流検出装置１００は、第１電流検出素子２ｕと、第２電流検出素子２ｖと、第１導体Ｂｕの一部と第１電流検出素子２ｕとを収納する第１収納空間４ｕを形成し、かつ第１収納空間４ｕと外部とを繋げる第１開口部５ｕを形成する第１遮蔽部３ｕと、第１遮蔽部３ｕに隣接し、第２導体Ｂｖの一部と第２電流検出素子２ｖを収納する第２収納空間４ｖを形成し、かつ第２収納空間４ｖと外部とを繋げる第２開口部５ｖを形成する第２遮蔽部３ｖと、を備え、第１遮蔽部３ｕは、第１開口部５ｕを形成する端部６ｕ近傍が端部６ｕに近づくにつれて第１開口部５ｕの開口面積が大きくなるように形成され、第２遮蔽部３ｖは、第２開口部５ｖを形成する端部６ｖ近傍が端部６ｖに近づくにつれて第２開口部５ｖの開口面積が大きくなるように形成される。これにより、隣接する導体に流れる電流による影響を抑えて、電流検出精度の悪化を軽減することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態を次のように変形して実施することができる。
（１）磁気遮蔽部３は、開口部を形成する端部近傍が端部６に近づくにつれて開口部の開口面積が大きくなるように、屈曲部３０の屈曲角度θを定めて、直線的に屈曲する例を示した。しかし、曲線的に屈曲してもよく、端部６に近づくにつれて開口部の開口面積が大きくなれば良い。

（２）磁気遮蔽部３は、開口部を形成する両端部近傍が端部６に近づくにつれて開口部の開口面積が大きくなるように、両端部が屈曲する例を示した。しかし、少なくとも隣相と隣接する側の端部近傍が端部６に近づくにつれて開口部の開口面積が大きくなるように形成すれば良い。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１ｕ、１ｖ、１ｗ 基板
２ｕ、２ｖ、２ｗ 磁気検出素子
３ｕ、３ｖ、３ｗ 磁気遮蔽部
４ｕ、４ｖ、４ｗ 収納空間
５ｕ、５ｖ、５ｗ 開口部
６ｕ、６ｖ、６ｗ 端部
Ｂｕ、Ｂｖ、Ｂｗ 導体
１００ 電流検出装置
１００ｕ Ｕ相の電流検出装置
１００ｖ Ｖ相の電流検出装置
１００ｗ Ｗ相の電流検出装置

Claims (3)

1. 第１電流検出素子と、
   第２電流検出素子と、
   第１導体の一部と前記第１電流検出素子とを収納する第１収納空間を形成し、かつ前記第１収納空間と外部とを繋げる第１開口部を形成する第１遮蔽部と、
   前記第１遮蔽部に隣接し、第２導体の一部と前記第２電流検出素子を収納する第２収納空間を形成し、かつ前記第２収納空間と外部とを繋げる第２開口部を形成する第２遮蔽部と、を備え、
   前記第１遮蔽部は、前記第２遮蔽部と対向して配置され、かつ前記第２遮蔽部との間隔が一定である第１接続部と、前記第１開口部を形成する一対の端部のうち前記第２遮蔽部に近い側の前記端部を含む部分において、前記第１接続部よりも前記第２遮蔽部との間隔が短く、かつ前記端部に近づくにつれて前記第２遮蔽部との間隔が狭まるように形成された第１屈曲部と、を有し、
   前記第２遮蔽部は、前記第１遮蔽部と対向して配置され、かつ前記第１遮蔽部との間隔が一定である第２接続部と、前記第２開口部を形成する一対の端部のうち前記第１遮蔽部に近い側の前記端部を含む部分において、前記第２接続部よりも前記第１遮蔽部との間隔が短く、かつ前記端部に近づくにつれて前記第１遮蔽部との間隔が狭まるように形成された第２屈曲部と、を有する電流検出装置。
2. 請求項１に記載の電流検出装置において、
   前記第１屈曲部および前記第２屈曲部は、前記第１接続部および前記第２接続部に対してそれぞれ所定の角度屈曲して形成される電流検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電流検出装置において、
   第３電流検出素子と、
   前記第２遮蔽部に隣接し、第３導体の一部と前記第３電流検出素子とを収納する第３収納空間を形成し、かつ前記第３収納空間と外部とを繋げる第３開口部を形成する第３遮蔽部と、を備え、
   前記第３遮蔽部は、前記第２遮蔽部と対向して配置され、かつ前記第２遮蔽部との間隔が一定である第３接続部と、前記第３開口部を形成する一対の端部のうち前記第２遮蔽部に近い側の前記端部を含む部分において、前記第３接続部よりも前記第２遮蔽部との間隔が短く、かつ前記端部に近づくにつれて前記第２遮蔽部との間隔が狭まるように形成された第３屈曲部と、を有し、
   前記第２遮蔽部は、前記第３遮蔽部と対向して配置され、かつ前記第３遮蔽部との間隔が一定である第４接続部と、前記第２開口部を形成する一対の端部のうち前記第３遮蔽部に近い側の前記端部を含む部分において、前記第４接続部よりも前記第３遮蔽部との間隔が短く、かつ前記端部に近づくにつれて前記第３遮蔽部との間隔が狭まるように形成された第４屈曲部と、を有する電流検出装置。

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