JP7314732B2

JP7314732B2 - 電流センサ

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Publication number: JP7314732B2
Application number: JP2019166015A
Authority: JP
Inventors: 望小泉
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: US11313884B2; US20210080489A1; JP2021043091A; CN112485495A; DE102020122262A1

Description

本発明は、導体を流れる電流を検出する電流センサに関する。

従来、導体を流れる電流を測定する際に、導体を流れる電流に応じて当該導体の周囲に生じる磁界の磁束密度を磁気検出素子で検出し、その検出された磁束密度に基づいて導体に印加された電流を演算して求める技術が利用されてきた。このような技術を利用した電流センサとして、例えば下記に出典を示す特許文献１－３に記載のものがある。

特許文献１には、導体に流れる電流を測定する電流センサが開示されている。この電流センサは、磁性体であるＵ字状のコアと、コアのスリットに挿通される導体と、コアのスリット内に配設され、磁界を検出する検出素子とを備えて構成される。

特許文献２には、電流経路から発生する磁界を検知して電気信号に変換し、電流経路に流れる電流を検出する、集磁コアを必要としないコアレス電流センサが開示されている。この電流センサは、三つのバスバーを備えて、夫々のバスバーには磁気検出素子が対向配置される。この磁気検出素子に対して外部からの磁界を遮蔽するために、バスバーと磁気検出素子とを挟み込むように一対の第１磁気シールドと第２磁気シールドとが設けられる。互いに隣り合う第１磁気シールドどうしの距離と、互いに隣り合う第２磁気シールドどうしの距離との少なくとも一方を調整して、互いに隣り合う２つの磁気検出素子のうち、一方の磁気検出素子が設けられるバスバーから他方の磁気検出素子に対する漏れ磁界の影響を低減している。

特許文献３には、被測定電流による誘導磁界に基づいて被測定電流値を測定する電流センサが開示されている。この電流センサは、被測定電流が通流する被測定電流路と、被測定電流路に配設され、被測定電流による誘導磁界の方向に沿う主感度軸と当該主感度軸に直交する感度影響軸とを有する感磁素子と、被測定電流路に平行であって、主感度軸の延長線上に配設された近隣電流路と、を備えて構成される。感磁素子は、主感度軸の方向及び感度影響軸の方向が近隣電流路を通流する近隣電流による誘導磁界の方向とそれぞれ直交するように設けられる。

特開２０１６－９９３２０号公報特開２０１８－９６７９４号公報特開２０１３－１４２５６９号公報

特許文献１に記載の技術は、導体を取り囲むように磁性体からなるコアが配置されているため、電流センサのサイズがコアのサイズに律速し、電流センサの小型化が困難である。また、特許文献２に記載の技術は、集磁コアを設けずに構成することで、第１磁気シールドと磁気検出素子とバスバーと第２磁気シールドとの積層方向に沿う方向の長さが低減されている。しかしながら、磁気検出素子とバスバーとを、第１磁気シールドと第２磁気シールドとで挟むように構成されているため、装置の小型化に対して改良の余地がある。更に、特許文献２に記載の技術は、第１磁気シールド及び第２磁気シールドが磁気飽和しないようにするために、検出する電流（電流値）が大きい程、第１磁気シールド及び第２磁気シールドのサイズを大きくしたり、バスバーから離れた場所に第１磁気シールド及び第２磁気シールドを配置したりする必要がある。このため、この点においても、装置の小型化に対して改良の余地がある。また、特許文献３に記載の技術は、被測定電流路の配置により、近隣電流路からの磁界の影響を低減するように構成されているが、例えば近隣電流路を流れる電流値の測定をすることまで想定されていない。

そこで、複数の導体の夫々を流れる電流を検出する小型化が可能な電流センサが求められる。

本発明に係る電流センサの特徴構成は、少なくとも２本の導体と、前記導体に対して、互いに同じ方向を向く検出面を有し、当該検出面に入力される磁束の磁束密度を検出する少なくとも２つの磁気検出素子が設けられ、当該少なくとも２つの磁気検出素子の夫々の前記検出面に入力される前記磁束の前記検出面に直交する直交成分の前記磁束密度の差分に応じた信号を出力する少なくとも２つの磁電変換ユニットと、を備え、前記少なくとも２本の導体の夫々は、互いに隣接する２本の導体の隣接方向である第１方向に直交する第２方向に沿って延出する延出部と、前記第１方向及び前記第２方向の双方に直交する第３方向に沿って延出する直交部分を有し前記延出部に対して前記第３方向に凹んだ凹状部とが設けられ、前記少なくとも２つの磁電変換ユニットの夫々は、前記検出面が前記凹状部の夫々の前記直交部分に対向した状態で、且つ、前記検出面が前記凹状部における前記第２方向に沿う方向の中央部よりも前記直交部分の側にオフセットした状態で設けられている点にある。

このような特徴構成とすれば、集磁コア及びシールドコアを不要とし、導体と磁電変換ユニットとで電流センサを構成できるので、複数の導体の夫々を流れる電流を検出する電流センサの小型化が可能となる。

また、前記互いに隣接する２本の導体の一方の前記凹状部に設けられる前記磁電変換ユニットは、前記２本の導体の他方の前記凹状部の前記中央部から前記第１方向に沿う延長線上の位置に設けられていると好適である。

このような構成とすれば、検出対象である導体に隣接する他の導体に起因する外乱をキャンセルすることが可能となる。したがって、精度良く磁束密度を検出することが可能となる。

また、前記互いに隣接する２本の導体の前記凹状部の夫々に設けられる２つの前記磁電変換ユニットは、１枚の基板において互いに異なる面に実装されていると好適である。

このような構成とすれば、複数の凹状部の夫々に対して１枚の基板の一方の面と他方の面とを基準に磁電変換ユニットの位置決めを行うことができる。したがって、基板の使用枚数を最小にしつつ複数の凹状部の夫々の所期の位置に磁電変換ユニットを容易に配置することが可能となる。

また、前記少なくとも２本の導体は、三相モータに接続される３本のバスバーであって、前記３本のバスバーは、前記延出部が前記第１方向に沿って一列に並んでいると好適である。

このような構成とすれば、三相モータに流れる三相の電流を小型の電流センサで検出することが可能となる。

電流センサの展開図である。電流センサの平面図である。電流センサの側面図である。磁電変換ユニットの検出面を示す図である。検出面に入力される磁束密度の一例を示す図である。磁電変換ユニットのブロック図である。

本発明に係る電流センサは、コアを用いることなくコンパクトに構成される。以下、本実施形態の電流センサ１について説明する。ここで、導体に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体を軸心として磁界が発生する（アンペールの右ネジの法則）。本電流センサ１は、このような磁界における磁束の磁束密度を検出し、検出された磁束密度に基づいて導体に流れる電流（電流値）を測定する。

図１は電流センサ１の展開図であり、図２は電流センサ１の平面図であり、図３は電流センサ１の側面図である。電流センサ１は、少なくとも２本の導体１０と、少なくとも２つの磁電変換ユニット２０とを備えて構成される。

本実施形態では、少なくとも２本の導体１０が、三相モータに接続される３本のバスバーであるとして説明する。より具体的には、導体１０は、三相モータの３つの端子の夫々と当該三相モータを流れる電流を制御するインバータの３つの端子の夫々とを電気的に接続する。このため、以下では少なくとも２本の導体１０は、３本の導体１０として説明し、３つの導体１０の夫々を区別する場合には、導体１１、導体１２、導体１３として説明する。

３本の導体１０の夫々は、延出部３０と凹状部４０とが設けられる。延出部３０は、互いに隣接する２本の導体１０の隣接方向である第１方向に直交する第２方向に沿って延出する。互いに隣接する２本の導体１０とは、互いに隣接する導体１１と導体１２との２つの導体１０、及び互いに隣接する導体１２と導体１３との２つの導体１０である。導体１１と導体１２とが隣接する方向、及び導体１１と導体１２とが隣接する方向が隣接方向にあたり、図１－図３におけるＸ方向が相当する。

本実施形態では、このような隣接方向は第１方向と称される。第２方向は、この第１方向に直交する方向であり、本実施形態では図１－図３におけるＹ方向が相当する。したがって、延出部３０は、導体１０の夫々のうち、Ｙ方向に沿う部分が相当する。

凹状部４０は、第１方向及び第２方向の双方に直交する第３方向に沿って延出する直交部分４１を有し延出部３０に対して第３方向に凹んだ状態で構成される。本実施形態では、第１方向はＸ方向であって、第２方向はＹ方向である。このため、第１方向及び第２方向の双方に直交する第３方向は、図１－図３におけるＺ方向が相当する。凹状部４０は、このようなＺ方向に沿って延出するように直交部分４１が設けられる。したがって、延出部３０と直交部分４１とは、図３に示されるように互いに直交した状態で構成され、凹状部４０は、直交部分４１を介して延出部３０からＺ方向に凹んだ形状を呈するように構成される。

ここで、本実施形態では、凹状部４０はＸ方向視が図３に示されるようにＵ字状（本実施形態ではＵ字状の開口部分とは反対側の底部側に２つの角部を有する形状）で形成される。したがって、本実施形態では、１つの凹状部４０は、互いに対向する２つ直交部分４１と、２つの直交部分４１で挟まれる１つの底部４２とを有して構成される。

ここで、本実施形態では、導体１１、導体１２、導体１３は、図１－図３に示されるように、夫々の延出部３０が第１方向に沿って一列に並んで設けられる。第１方向に沿って一列に並んでいるとは、夫々の延出部３０が、互いに平行であって、Ｘ方向視において互いに重複する部分を有するように並んでいることをいう。

少なくとも２つの磁電変換ユニット２０は、導体１０の夫々に設けられる。本実施形態では、導体１０は導体１１、導体１２、導体１３の３本で構成される。磁電変換ユニット２０は、導体１０の夫々、すなわち、導体１１、導体１２、導体１３に各別に設けられることから、電流センサ１において３つの磁電変換ユニット２０が備えられる。このため、少なくとも２つの磁電変換ユニット２０は、３つの磁電変換ユニット２０として説明し、３つの磁電変換ユニット２０の夫々を区別する場合には、導体１１に対応する磁電変換ユニット２１、導体１２に対応する磁電変換ユニット２２、導体１３に対応する磁電変換ユニット２３として説明する。

本実施形態では、磁電変換ユニット２０には、２つの磁気検出素子５２が設けられている。磁気検出素子５２とは、磁束の磁束密度を検出する機能を有するデバイスであって、例えばホール素子が相当する。本実施形態では、磁電変換ユニット２０は図４に示されるような、複数の電極５０を有する樹脂パッケージ５１内に２つの磁気検出素子５２を内包して構成される。

２つの磁気検出素子５２の夫々は、上述した検出対象である磁束密度に応じた磁束が入力される検出面５３を有する。２つの磁気検出素子５２は、夫々の検出面５３が互いに同じ方向を向くように配置される。なお、本実施形態における検出面５３は、空間上の面を示すものではなく、単に磁束密度を検出する機能部、すなわち検出部分を示すものである。したがって、検出面５３は、検出部分と読み替えても良い。

ここで、導体１０に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体１０を中心に磁界が発生する。磁気検出素子５２は、このような磁界における磁束の磁束密度を検出する。また、３つの磁電変換ユニット２０の夫々は、図１－図３に示されるように、検出面５３が凹状部４０の夫々の直交部分４１に対向した状態で設けられる。具体的には、３つの磁電変換ユニット２０の夫々は、２つの検出面５３が第１方向に沿って並んだ状態であって、２つの検出面５３の夫々から、当該検出面５３が対向する直交部分４１までの距離が互いに等しくなるように配置される。例えば、導体１０に図５の矢印で示される向きの電流が流れると、磁電変換ユニット２０に対向する直交部分４１では、破線で示すような向きの磁束が生じる。このため、２つの磁気検出素子５２のうちの一方の磁気検出素子５２の検出面５３には、直交部分４１から当該検出面５３に向かう方向の磁束が入力され、２つの磁気検出素子５２のうちの他方の磁気検出素子５２の検出面５３には、当該検出面５３から直交部分４１に向かう方向の磁束が入力される。

２つの磁気検出素子５２は、２つの磁気検出素子５２の夫々の検出面５３に入力される磁束のうち、検出面５３に直交する直交成分の磁束密度を検出する。すなわち、２つの磁気検出素子５２は、図５におけるＹ方向に沿う方向の磁束の磁束密度を検出する。

ここで、本実施形態では図５に示されるように、２つの磁気検出素子５２の夫々の検出面５３に入力される磁束の直交成分の向きは互いに逆方向である。そこで、磁電変換ユニット２０は、２つの検出面５３に入力される磁束の直交成分の磁束密度の差分に応じた信号を出力するように構成される。具体的には、磁電変換ユニット２０は、図６に示されるように、２つの磁気検出素子５２が配線される。すなわち、２つの磁気検出素子５２の検出結果の夫々は、増幅器ＡＭＰ１の反転端子と非反転端子とに入力され、差動磁束が検出される。更に、この差動磁束は後段の増幅器ＡＭＰ２により増幅され、磁電変換ユニット２０の信号として出力される。これにより、磁電変換ユニット２０が直交部分４１に流れる電流に起因して生じる磁束の磁束密度を検出することが可能となる。

また、本実施形態では、磁電変換ユニット２０の夫々は、検出面５３が凹状部４０における第２方向に沿う方向の中央部よりも直交部分４１の側にオフセットした状態で設けられる。検出面５３とは、磁電変換ユニット２０に備えられる磁気検出素子５２の検出対象の磁束密度に応じた磁束が入力される面である。凹状部４０における第２方向に沿う方向の中央部とは、凹状部４０のＹ方向中央部であって、凹状部４０が有する互いに対向する一対の直交部分４１の間における中央部に相当する。本実施形態では、１つの凹状部４０は一対の直交部分４１を有することから、直交部分４１の側にオフセットした状態とは、一対の直交部分４１のうちの一方側に近づいている状態を意味する。

本実施形態では、図２に示される３つの凹状部４０における紙面上側の直交部分４１を一方側とし、紙面下側の直交部分４１を他方側とすると、導体１１にあっては磁電変換ユニット２１（２つの検出面５３）が一方側の直交部分４１側にオフセットした状態で当該一方側の直交部分４１に対向して設けられる。また、導体１２にあっては磁電変換ユニット２２（２つの検出面５３）が他方側の直交部分４１側にオフセットした状態で当該他方側の直交部分４１に対向して設けられ、導体１３にあっては磁電変換ユニット２３（２つの検出面５３）が一方側の直交部分４１側にオフセットした状態で当該一方側の直交部分４１に対向して設けられる。

また、互いに隣接する２本の導体１０の一方の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２０は、２本の導体１０の他方の凹状部４０の中央部から第１方向に沿う延長線上の位置に設けられる。また、互いに隣接する２本の導体１０の他方の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２０は、２本の導体１０の一方の凹状部４０の中央部から第１方向に沿う延長線上の位置に設けられる。互いに隣接する２本の導体１０とは、導体１１と導体１２との２本の導体１０、及び導体１２と導体１３との２本の導体１０である。

したがって、互いに隣接する２本の導体１０を、導体１１と導体１２とすると、図２に示されるように、導体１１の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２１は、導体１２の凹状部４０のＹ方向に沿う中央部からＸ方向に沿う延長線Ｃ２上の位置に設けられ、導体１２の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２２は、導体１１の凹状部４０のＹ方向に沿う中央部からＸ方向に沿う延長線Ｃ１上の位置に設けられる。

同様に、互いに隣接する２本の導体１０を、導体１２と導体１３とすると、導体１２の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２２は、導体１３の凹状部４０のＹ方向に沿う中央部からＸ方向に沿う延長線Ｃ３上の位置に設けられ、導体１３の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２３は、導体１２の凹状部４０のＹ方向に沿う中央部からＸ方向に沿う延長線Ｃ２上の位置に設けられる。

したがって、本実施形態では、図２に示されるように、導体１１及び導体１３をＹ方向に沿って平行に並べた状態において、導体１１の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２１と導体１３の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２３とはＸ方向に沿って一列に並んだ状態で設けられる。この結果、図３に示されるように、導体１３の凹状部４０と導体１２の凹状部４０とは第１方向視で第２方向にずれており、導体１３の凹状部４０と導体１１の凹状部４０とは第１方向視で重なっている。

本実施形態では、例えば、導体１１の互いに対向する２つの直交部分４１の夫々で発生した磁界が相殺される延長線Ｃ１上に、導体１２の磁電変換ユニット２２の２つの磁気検出素子５２の夫々の検出面５３が位置するので、磁電変換ユニット２２が導体１２を流れる電流の電流値を測定する際に、導体１１から発生する磁界の影響を受けない。同様に、磁電変換ユニット２１は、導体１２から発生する磁界の影響を受けない。また、同様に、磁電変換ユニット２３は、導体１２から発生する磁界の影響を受けず、磁電変換ユニット２２は、導体１３から発生する磁界の影響を受けない。

そこで、互いに隣接する２本の導体１０の凹状部４０の夫々に設けられる２つの磁電変換ユニット２０は、１枚の基板６０において互いに異なる面に実装されていると好適である。

すなわち、互いに隣接する２本の導体１０を、導体１１と導体１２とすると、導体１１の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２１は基板６０における一方の面６１に実装され、導体１２の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２２は基板６０における他方の面６２に実装される。同様に、互いに隣接する２本の導体１０を、導体１２と導体１３とすると、導体１３の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２３は基板６０における一方の面６１に実装され、導体１２の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２２は基板６０における他方の面６２に実装される。

以上のように本電流センサ１によれば、３本の導体１０の凹状部４０の夫々に設ける磁電変換ユニット２０を１枚の基板６０に実装することで、容易に凹状部４０に対する磁電変換ユニット２０の位置決めを行うことができ、所期の位置に配置することが可能となる。また、導体１０と磁電変換ユニット２０とから電流センサ１を構成できるので、小型化することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、導体１０が３本である場合の例を挙げて説明したが、導体１０は２本であっても良いし、４本以上であっても良い。いずれの場合であっても、磁性体コアを備えることなく、導体１０を流れる電流を検出することが可能である。

上記実施形態では、磁電変換ユニット２０の夫々は、検出面５３が凹状部４０における第２方向に沿う方向の中央部よりも直交部分４１の側にオフセットした状態で設けられるとして説明したが、磁電変換ユニット２０の夫々は、検出面５３が凹状部４０における第２方向に沿う方向の中央部に設けることも可能である。

上記実施形態では、互いに隣接する２本の導体１０の一方の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２０は、２本の導体１０の他方の凹状部４０の中央部から第１方向に沿う延長線上の位置に設けられているとして説明したが、互いに隣接する２本の導体１０の一方の凹状部４０に設けられる磁電変換ユニット２０は、２本の導体１０の他方の凹状部４０の中央部から第１方向に沿う延長線上の位置に設けずに構成することも可能である。

上記実施形態では、互いに隣接する２本の導体１０の凹状部４０の夫々に設けられる２つの磁電変換ユニット２０は、１枚の基板６０において互いに異なる面に実装されているとして説明したが、互いに隣接する２本の導体１０の凹状部４０の夫々に設けられる２つの磁電変換ユニット２０は、互いに異なる基板に実装されて設けることも可能であるし、１枚の基板６０において同一面に実装されて設けることも可能である。

上記実施形態では、少なくとも２本の導体１０は、三相モータに接続される３本のバスバーである場合の例を挙げて説明したが、少なくとも２本の導体１０は、三相モータに接続される３本のバスバー以外であっても良い。また、少なくとも２本の導体１０が三相モータに接続される３本のバスバーである場合には、３本のバスバーは延出部３０が第１方向に沿って一列に並んでいなくても良い。

上記実施形態では、磁電変換ユニット２０が基板６０に実装される場合の例を挙げたが、この基板６０は三相モータの駆動を制御する制御ＩＣが実装される基板と併用することも可能である。

上記実施形態では、凹状部４０は、Ｘ方向視がＵ字状の開口部分とは反対側の底部側に２つの角部を有する形状であるとして説明したが、凹状部４０はＸ方向視が前記底部側が湾曲したＵ字状であっても良い。

上記実施形態では、磁電変換ユニット２０に２つの磁気検出素子５２が設けられているとして説明したが、磁電変換ユニット２０には少なくとも２つの磁気検出素子５２が設けられていると良い。すなわち、磁電変換ユニット２０には３つ以上の磁気検出素子５２が設けられていても良く、係る場合、磁電変換ユニット２０の夫々は、少なくとも２つの磁気検出素子５２の夫々（すなわち、磁電変換ユニット２０の夫々に設けられる全ての磁気検出素子５２の夫々）の検出面５３に入力される磁束の検出面５３に直交する直交成分の磁束密度の差分に応じた信号を出力すると良い。

本発明は、導体を流れる電流を検出する電流センサに用いることが可能である。

１：電流センサ
１０：導体
２０：磁電変換ユニット
３０：延出部
４０：凹状部
４１：直交部分
５２：磁気検出素子
５３：検出面
６０：基板

Claims

少なくとも２本の導体と、
前記導体に対して、互いに同じ方向を向く検出面を有し、当該検出面に入力される磁束の磁束密度を検出する少なくとも２つの磁気検出素子が設けられ、当該少なくとも２つの磁気検出素子の夫々の前記検出面に入力される前記磁束の前記検出面に直交する直交成分の前記磁束密度の差分に応じた信号を出力する少なくとも２つの磁電変換ユニットと、を備え、
前記少なくとも２本の導体の夫々は、互いに隣接する２本の導体の隣接方向である第１方向に直交する第２方向に沿って延出する延出部と、前記第１方向及び前記第２方向の双方に直交する第３方向に沿って延出する直交部分を有し前記延出部に対して前記第３方向に凹んだ凹状部とが設けられ、
前記少なくとも２つの磁電変換ユニットの夫々は、前記検出面が前記凹状部の夫々の前記直交部分に対向した状態で、且つ、前記検出面が前記凹状部における前記第２方向に沿う方向の中央部よりも前記直交部分の側にオフセットした状態で設けられている電流センサ。
前記互いに隣接する２本の導体の一方の前記凹状部に設けられる前記磁電変換ユニットは、前記２本の導体の他方の前記凹状部の前記中央部から前記第１方向に沿う延長線上の位置に設けられている請求項１に記載の電流センサ。
前記互いに隣接する２本の導体の前記凹状部の夫々に設けられる２つの前記磁電変換ユニットは、１枚の基板において互いに異なる面に実装されている請求項１又は２に記載の電流センサ。
前記少なくとも２本の導体は、三相モータに接続される３本のバスバーであって、前記３本のバスバーは、前記延出部が前記第１方向に沿って一列に並んでいる請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。