JP7322442B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は電流センサに関し、特に、磁気センサを用いた電流センサに関する。

磁気センサを用いた電流センサとしては、特許文献１及び２に記載された電流センサが知られている。特許文献１に記載された電流センサは、バスバーに測定対象となる電流が一方向に流れる電流経路と逆方向に流れる電流経路を設け、これらの間に磁気センサを配置した構成が開示されている。また、特許文献２には、バスバーを２分岐させ、それぞれの電流経路に磁気センサを割り当てた電流センサが開示されている。

特許第５９７１３９８号公報 国際公開第２０１７／０１８３０６号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載された電流センサは、一方の電流経路から生じる磁界と他方の電流経路から生じる磁界が互いに強め合うことから、測定対象となる電流の電流量が大きいと磁気センサが飽和してしまうという問題があった。また、特許文献２に記載された電流センサは、バスバーを２分岐させていることから、それぞれの磁気センサに印加される磁界の強度は１／２に抑えられる。しかしながら、この場合であっても、測定対象となる電流の電流量が非常に大きい場合には、磁気センサが容易に飽和してしまう。

したがって、本発明は、バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供することを目的とする。

本発明による電流センサは、測定対象となる電流が流れるバスバーと、バスバーに流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサとを備え、バスバーは、筒状構造を有するバイパスバスバーと、バイパスバスバーに囲まれた中空領域に配置されたセンシングバスバーとを含み、磁気センサが中空領域に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、バイパスバスバーが筒状構造を有していることから、中空領域にはゼロ磁界となる領域が形成される。このため、センシングバスバーをゼロ磁界となる領域に配置すれば、バスバーに流れる電流が大電流であっても、磁気センサが飽和することなく正しく測定することが可能となる。

本発明において、バイパスバスバーの内壁の断面形状は、円形であっても構わない。これによれば、中空領域のほぼ全領域をゼロ磁界とすることが可能となる。

本発明において、中空領域に絶縁材料が充填されていても構わない。これによれば、バイパスバスバーとセンシングバスバーの位置関係を固定することが可能となる。

本発明において、バイパスバスバーの一端にスリットが設けられており、センシングバスバーはスリットに嵌合していても構わない。これによれば、バイパスバスバーとセンシングバスバーを確実に短絡しつつ、両者の位置関係を固定することが可能となる。

本発明において、センシングバスバーは、バイパスバスバーに流れる電流の方向と異なる方向に電流を流す区間を有していても構わない。これによれば、バイパスバスバーに流れる電流によって生じる磁界の影響をより効果的に排除することが可能となる。

このように、本発明によれば、バスバーに流れる電流の電流量が非常に大きい場合であっても磁気センサが飽和しにくい構造を有する電流センサを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の外観を示す略斜視図である。 図２は、電流センサ１の略分解斜視図である。 図３は、測定ユニットＵの構造を説明するための略斜視図である。 図４は、電流センサ１のｘｙ断面図である。 図５は、磁気検出素子２１，２２が磁気抵抗素子である場合の接続関係を説明するための回路図である。 図６は、センシングバスバー１２及び磁気センサ２０を中心からオフセットさせた第１の例を示すｘｙ断面図である。 図７は、センシングバスバー１２及び磁気センサ２０を中心からオフセットさせた第２の例を示すｘｙ断面図である。 図８は、センシングバスバー１２の一部を円弧状に湾曲させた例を示すカットモデルである。 バイパスバスバー１１の断面形状のバリエーションを示す図である。 図１０は、２つのバイパスバスバー１１，１５を同心円状に配置した例を示す図である。 図１１は、第１の変形例による電流センサの略斜視図である。 図１２（ａ）は、第２の変形例による電流センサの略分解斜視図であり、図１２（ｂ）は、第２の変形例による電流センサの略斜視図である。 図１３は、第３の変形例による電流センサの略分解斜視図である。 図１４は、第３の変形例による電流センサのｘｙ断面図である。 図１５は、本発明の第２の実施形態による電流センサ２の外観を示す略斜視図である。 図１６は、本発明の第３の実施形態による電流センサ３の外観を示す略斜視図である。 図１７は、本発明の第４の実施形態による電流センサ４の外観を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の外観を示す略斜視図である。また、図２は電流センサ１の略分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による電流センサ１は、測定対象となる電流Ｉが流れる電流ケーブル４１，４２に取り付けられたバスバー１０を有している。電流ケーブル４１はクランプ部材５１を用いてバスバー１０の一端に固定され、電流ケーブル４２はクランプ部材５２を用いてバスバー１０の他端に固定されている。クランプ部材５１，５２には複数のネジ穴Ｓが設けられており、ネジ穴Ｓに図示しないボルトを挿入し、ボルトにナットを螺着することによって、クランプ部材５１と電流ケーブル４１及びバスバー１０の一端が締結され、クランプ部材５２と電流ケーブル４２及びバスバー１０の他端が締結される。これにより、電流ケーブル４１，４２に電流Ｉを流すと、バスバー１０にはｚ方向の電流が流れることになる。

バスバー１０は、筒状構造を有するバイパスバスバー１１と、バイパスバスバー１１に囲まれた中空領域１３に配置されたセンシングバスバー１２とを含んでいる。バイパスバスバー１１及びセンシングバスバー１２は、いずれも銅やアルミニウムなどの良導体からなる。本実施形態においては、バイパスバスバー１１の内径及び外径がほぼ真円である。バイパスバスバー１１とセンシングバスバー１２は並列に接続されており、これにより、バスバー１０に流れる電流Ｉの一部がバイパスバスバー１１を流れ、電流Ｉの残りの部分がセンシングバスバー１２を流れる。本実施形態においては、センシングバスバー１２の断面積よりもバイパスバスバー１１の断面積の方が十分に大きく、これにより、バスバー１０に流れる電流Ｉの大部分がバイパスバスバー１１を流れ、センシングバスバー１２に流れる電流量は電流Ｉの数分の１、好ましくは１／１０以下となる。

バイパスバスバー１１の中空領域１３には、上述したセンシングバスバー１２を含む測定ユニットが配置される。

図３は、測定ユニットＵの構造を説明するための略斜視図である。

図３に示すように、測定ユニットＵは、回路基板３０と、回路基板３０の裏面側に固定されたセンシングバスバー１２と、回路基板３０の表面側に搭載された磁気センサ２０とを備えている。センシングバスバー１２は、ｙ方向における厚みが一定である板状金属板を加工してなる部材であり、ｘ方向における幅の狭い測定区間１２ａと、測定区間１２ａの両端に位置する端部区間１２ｂ，１２ｃを有している。磁気センサ２０は、センシングバスバー１２の測定区間１２ａに流れる電流によって生じる磁界を検出するデバイスであり、ｚ方向から見て測定区間１２ａと重なる位置に搭載されている。

磁気センサ２０には、ｚ方向位置の異なる２つの磁気検出素子２１，２２が設けられている。磁気検出素子２１の感磁方向は＋ｘ方向、磁気検出素子２２の感磁方向は－ｘ方向であり、互いに１８０°相違している。磁気検出素子２１，２２の種類については特に限定されないが、ホール素子や磁気抵抗素子などを用いることができる。

センシングバスバー１２の端部区間１２ｂは、ｘ方向における幅がバイパスバスバー１１の外径とほぼ同じサイズを有しており、バイパスバスバー１１の端部に設けられたスリット１１ｓに嵌合することにより、バイパスバスバー１１の一端と短絡される。一方、センシングバスバー１２の端部区間１２ｃは、ｘ方向における幅がバイパスバスバー１１の内径とほぼ同じサイズを有している。これにより、センシングバスバー１２をバイパスバスバー１１に挿入すると、バイパスバスバー１１の他端とセンシングバスバー１２の端部区間１２ｃが短絡される。その結果、バイパスバスバー１１とセンシングバスバー１２は、並列に接続されることになる。

回路基板３０のｚ方向における一端には、磁気センサ２０に接続された端子３１が設けられている。端子３１は、配線３２を介してコネクタ３３に接続されている。コネクタ３３は、外部の制御回路や電源回路などに接続される。

図４は、本実施形態による電流センサ１のｘｙ断面図である。

本実施形態においては、バイパスバスバー１１の内径及び外径がほぼ真円であり、その肉厚Ｔも周方向にほぼ一定である。このため、バイパスバスバー１１に流れるｚ方向の電流の電流密度は、周方向にほぼ均等となる。その結果、バイパスバスバー１１の中空領域１３においては、バイパスバスバー１１に流れる電流によって生じる磁界がほぼ完全に打ち消される。つまり、中空領域１３は、バイパスバスバー１１に流れる電流に起因する磁界がほぼ存在しないゼロ磁界領域となる。

そして、本実施形態による電流センサ１においては、このような中空領域１３にセンシングバスバー１２及び磁気センサ２０が配置されていることから、磁気センサ２０に印加される磁界は、実質的に、センシングバスバー１２に流れる電流に起因する磁界のみとなる。これにより、磁気センサ２０は、センシングバスバー１２に流れる電流によって生じる磁界を選択的に検出することが可能となる。そして、磁気センサ２０に設けられた磁気検出素子２１，２２の感磁方向は互いに１８０°相違していることから、磁気検出素子２１の出力と磁気検出素子２２の出力には、センシングバスバー１２に流れる電流に応じた差が生じる。尚、中空領域１３が空洞のままであることは必須でなく、中空領域１３に絶縁材料を充填しても構わない。

図５は、磁気検出素子２１，２２が磁気抵抗素子である場合の接続関係を説明するための回路図である。

磁気検出素子２１，２２が磁気抵抗素子である場合、これらは電源ＶｃｃとグランドＧＮＤの間に直列に接続される。そして、磁気検出素子２１と磁気検出素子２２の接続点の電位Ｖｏｕｔがコネクタ３３を介して外部に出力される。上述の通り、磁気検出素子２１，２２の感磁方向は互いに１８０°相違していることから、センシングバスバー１２に電流が流れると、磁気検出素子２１，２２の抵抗値が変化し、これにより出力電位Ｖｏｕｔが変化する。出力電位Ｖｏｕｔのレベルは、センシングバスバー１２に流れる電流に比例することから、これに基づいて電流Ｉの電流量を算出することが可能となる。磁気検出素子２１，２２に対しては、補償コイルを用いてキャンセル磁界を印加することによりクローズドループ制御を行うことも可能である。

このように、本実施形態においては、バスバー１０を筒状構造のバイパスバスバー１１とセンシングバスバー１２に分岐するとともに、センシングバスバー１２をバイパスバスバー１１の中空領域１３に配置していることから、磁気センサ２０は、センシングバスバー１２によって生じる磁界だけを選択的に検出することが可能となる。これにより、バスバー１０に流れる電流Ｉが大電流であっても、磁気センサ２０に印加される磁界強度が大幅に抑えられることから、磁気センサ２０の飽和を防止することが可能となる。

しかも、本実施形態においては、バイパスバスバー１１の内径及び外径がほぼ真円であることから、バイパスバスバー１１に流れる電流によって生じる磁界は、中空領域１３のほぼ全領域において打ち消される。つまり、中空領域１３のほぼ全領域がゼロ磁界となることから、センシングバスバー１２及び磁気センサ２０を中空領域１３内の任意の位置に配置することが可能となる。例えば、図６に示すように、センシングバスバー１２及び磁気センサ２０を＋ｙ方向にオフセットして配置しても構わないし、図７に示すように、センシングバスバー１２を－ｘ方向にオフセットして配置し、磁気センサ２０を＋ｘ方向にオフセットして配置しても構わない。図７に示す配置は、バイパスバスバー１１のカットモデルである図８に示すように、センシングバスバー１２の一部を円弧状に湾曲させることによって得ることができる。図８に示す例では、センシングバスバー１２の一部がｙ軸を中心に円弧状に湾曲している。これにより、磁気センサ２０には磁界のｙ方向成分が印加されることから、感磁方向がｙ方向である磁気センサ２０を使用すればよい。

但し、本発明において、バイパスバスバー１１の内径及び外径を真円とすることは必須でなく、筒状構造を有している限り、種々の形状とすることが可能である。いくつかの具体例を挙げれば、図９（ａ）～（ｈ）に示すように、バイパスバスバー１１のｘｙ断面が三角形であっても構わないし、正方形であっても構わないし、長方形であっても構わないし、台形であっても構わないし、五角形であっても構わないし、六角形であっても構わないし、楕円形であっても構わないし、一部が平坦に凹んだ形状を有する円形であっても構わない。また、図９（ｉ）～（ｋ）に示すように、バイパスバスバー１１の内表面または外表面が平坦ではなく、凹凸を有していても構わない。

但し、バイパスバスバー１１の内径及び外径が真円ではない場合、バイパスバスバー１１に流れる電流によって生じる磁界は、中空領域１３の一部領域においては完全には打ち消されずに残る。例えば、図９（ａ）に示すようにバイパスバスバー１１の断面が三角形である場合、角部に近い領域においては、バイパスバスバー１１に流れる電流によって生じる磁界が残存するため、このような領域に磁気センサ２０を配置すると、測定誤差が生じてしまう。しかしながら、バイパスバスバー１１の内径及び外径が真円ではない場合であっても、中空領域１３の一部には、磁界がほぼ完全に打ち消されるゼロ磁界領域１４が存在するため、ゼロ磁界領域１４に磁気センサ２０を配置すれば良い。この場合、中空領域１３に絶縁材料を充填することによって、中空領域１３における磁気センサ２０の位置を固定すれば、磁気センサ２０を確実にゼロ磁界領域１４に配置することが可能となる。

ゼロ磁界領域１４は、バイパスバスバー１１の断面形状にも依るが、主に中空領域１３の中心部に存在する。中空領域１３に占めるゼロ磁界領域１４の割合は、バイパスバスバー１１の断面形状が真円に近いほど大きくなる。例えば、図９（ｉ）に示すように、バイパスバスバー１１の外表面にのみ凹凸がある場合、バイパスバスバー１１に流れる電流の電流密度は、周方向において肉厚に応じた多少の差が生じるが、バイパスバスバー１１の内表面については平坦であることから、このような場合、中空領域１３のほぼ全領域がゼロ磁界領域１４となる。

また、バイパスバスバー１１が一つである必要はなく、図１０に示すように、２つのバイパスバスバー１１，１５を用いても構わない。バイパスバスバー１５は、より径の大きな筒状体であり、その中空領域にバイパスバスバー１１が配置されている。つまり、２つのバイパスバスバー１１，１５が同心円状に配置されている。このように、バイパスバスバー１１，１５を二重構造とすれば、センシングバスバー１２に流れる電流の割合をより低減することができるとともに、中空領域１３のほぼ全領域をゼロ磁界領域とすることが可能となる。この場合、バイパスバスバー１１とバイパスバスバー１５の隙間に位置する領域１６に絶縁材料を充填すれば、バイパスバスバー１１とバイパスバスバー１５の位置関係を固定することも可能である。

また、クランプ部材５１，５２の形状についても特に限定されず、図１１に示す第１の変形例のように、バスバー１０に締結されるクランプ部材５１ａ，５２ａと、電流ケーブル４１，４２に接続される端子部材５１ｂ，５２ｂを別部材とし、ボルト及びナットを用いて両者を締結しても構わない。

また、バイパスバスバー１１が単一部材である点も必須でなく、図１２（ａ），（ｂ）に示す第２の変形例のように、バイパスバスバー１１を２つのバイパス部材１１Ａ，１１Ｂによって構成し、両者を組み合わせることによって筒状構造を有するバイパスバスバー１１を構成しても構わない。図１２（ａ），（ｂ）に示す例では、回路基板３０がＴ字型を有しており、ｘ方向に延在する部分３４の端部がバイパスバスバー１１から突出している。バイパスバスバー１１から突出した部分３４には、磁気センサ２０に接続される端子電極又はコネクタを配置することができる。

さらには、図１３に示す第３の変形例のように、バイパスバスバー１１を３つのバイパス部材１１Ｃ～１１Ｅによって構成し、筒状体を半分に切断した形状を有する２つのバイパス部材１１Ｄ，１１Ｅによって板状のバイパス部材１１Ｃを挟み込むことにより、筒状構造を有するバイパスバスバー１１を構成しても構わない。板状のバイパス部材１１Ｃにはｚ方向に延在する２本のスリットＳＬ１，ＳＬ２が設けられており、これらスリットＳＬ１，ＳＬ２によって挟まれた領域がセンシングバスバー１２となる。そして、バイパス部材１１Ｃをバイパス部材１１Ｄ，１１Ｅによって挟み込むと、ｘｙ断面図である図１４に示すように、センシングバスバー１２がバイパス部材１１Ｃ～１１Ｅからなるバイパスバスバー１１によって囲まれた状態となる。そして、バイパスバスバー１１によって囲まれた中空領域１３に図示しない磁気センサ２０を配置すれば、センシングバスバー１２に流れる電流だけを選択的に測定することが可能となる。

図１５は、本発明の第２の実施形態による電流センサ２の外観を示す略斜視図である。

図１５に示すように、本実施形態による電流センサ２は、センシングバスバー１２がｚ方向に直線的に延在するのではなく、測定区間１２ａがｚ方向に対して斜め延在している。つまり、測定区間１２ａのｘ方向位置は、ｚ方向位置によって変化する。これにより、センシングバスバー１２の測定区間１２ａに電流が流れると、これによって生じる磁界にｚ方向成分が含まれることになる。本実施形態においては、磁界のｚ方向成分を磁気センサ２０によって検出することによって、バスバー１０に流れる電流量を測定することができる。

このように、センシングバスバー１２は、バイパスバスバー１１に流れる電流の方向（ｚ方向）と異なる方向に電流を流す区間を有していても構わない。このような構成によれば、測定誤差をより低減することが可能となる。これは、バイパスバスバー１１にはｚ方向に電流が流れるため、これによって生じる磁界には実質的にｚ方向成分が含まれないからである。

図１６は、本発明の第３の実施形態による電流センサ３の外観を示す略斜視図である。

図１６に示すように、本実施形態による電流センサ３は、センシングバスバー１２の測定区間１２ａがｚ軸を中心とした円弧形状を有している。これにより、センシングバスバー１２の測定区間１２ａに電流が流れると、これによって生じる磁界にｚ方向成分が含まれることになる。本実施形態においても、磁界のｚ方向成分を磁気センサ２０によって検出することによって、バスバー１０に流れる電流量を測定することができる。

図１７は、本発明の第４の実施形態による電流センサ４の外観を示す略斜視図である。

図１７に示すように、本実施形態による電流センサ４は、センシングバスバー１２の測定区間１２ａがｚ軸を中心とした螺旋形状を有している。これにより、センシングバスバー１２の測定区間１２ａに電流が流れると、これによって生じる磁界にｚ方向成分が含まれることになる。本実施形態においても、磁界のｚ方向成分を磁気センサ２０によって検出することによって、バスバー１０に流れる電流量を測定することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１～４ 電流センサ
１０ バスバー
１１，１５ バイパスバスバー
１１Ａ～１１Ｅ バイパス部材
１１ｓ スリット
１２ センシングバスバー
１２ａ 測定区間
１２ｂ，１２ｃ 端部区間
１３，１６ 中空領域
１４ ゼロ磁界領域
２０ 磁気センサ
２１，２２ 磁気検出素子
３０ 回路基板
３１ 端子
３２ 配線
３３ コネクタ
３４ 突出部分
４１，４２ 電流ケーブル
５１，５２，５１ａ，５２ａ クランプ部材
５１ｂ，５２ｂ 端子部材
Ｓ ネジ穴
ＳＬ１，ＳＬ２ スリット
Ｕ 測定ユニット

Claims (5)

1. 測定対象となる電流が流れるバスバーと、
   前記バスバーに流れる電流によって生じる磁界を検出する磁気検出素子を含む磁気センサと、
   前記磁気センサが搭載された回路基板と、を備え、
   前記バスバーは、筒状構造を有するバイパスバスバーと、前記バイパスバスバーに囲まれた中空領域に配置されたセンシングバスバーとを含み、
   前記磁気センサは前記回路基板の表面側に搭載され、前記センシングバスバーは前記回路基板の裏面側に固定され、これにより、前記回路基板、前記磁気センサ及び前記センシングバスバーは、測定ユニットを構成し、
   前記測定ユニットは、前記中空領域に配置され、
   前記センシングバスバーは、前記バイパスバスバーの軸方向に延在し、前記回路基板を介して前記磁気センサと重なる部分を有する測定区間と、前記測定区間の前記軸方向における一端に位置し、前記バイパスバスバーの前記軸方向における一端と短絡される第１の端部区間と、前記測定区間の前記軸方向における他端に位置し、前記バイパスバスバーの前記軸方向における他端と短絡される第２の端部区間とを有し、
   前記バイパスバスバーの径方向における前記測定区間の幅は、前記バイパスバスバーの前記径方向における前記回路基板の幅よりも狭く、
   前記バイパスバスバーの前記径方向における前記第１及び第２の端部区間の幅は、前記バイパスバスバーの前記径方向における前記回路基板の幅よりも広く、
   前記回路基板の前記軸方向における一端には、前記磁気センサに接続された端子が設けられており、
   前記端子は、配線を介してコネクタに接続されており、
   前記端子は前記中空領域内に位置し、前記コネクタは前記中空領域外に位置することを特徴とする電流センサ。
2. 前記バイパスバスバーの内壁の断面形状が円形であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記中空領域に絶縁材料が充填されてい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. 前記バイパスバスバーの前記一端にスリットが設けられており、前記センシングバスバーの前記第１の端部区間は前記スリットに嵌合していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記センシングバスバーは、前記バイパスバスバーに流れる電流の方向と異なる方向に電流を流す区間を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電流センサ。

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