WO2016047292A1

WO2016047292A1 - 電流センサ

Info

Publication number: WO2016047292A1
Application number: PCT/JP2015/072472
Authority: WO
Inventors: 達之山口
Original assignee: 株式会社東海理化電機製作所
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2016-03-31
Also published as: JP2016065736A

Abstract

　体格の小型化を図ることができる電流センサを提供する。電流センサ１０は、板状の導体１１と、導体１１に流れる電流を検出する磁気検出素子１２と、磁気検出素子１２を実装する回路基板１３と、導体１１の表裏両面側に配置された一対の面の間に磁気検出素子１２及び回路基板１３を囲む磁気シールド１４とを有する。回路基板１３は、導体１１の幅方向端面に対向して縦に配置されている。

Description

電流センサ

本発明は、導体に流れる電流を検出する電流センサに関する。

導体に流れる電流により発生する磁束（磁界）を計測することで、導体の通電電流を検出する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に記載された電流センサは、平板状のバスバーの幅方向両側端面を周回するコ字形状のコア部とコア部から平行に延びる二つのシールド部とを有する磁気シールドコアを備えている。

コア部の対向面には、所定間隔のギャップ部を隔てて一対の突出部が突出して形成されている。ギャップ部には、回路基板に実装された磁気検出素子が配置されている。

特開２０１４－１０９５１８号公報

特許文献１記載の電流センサは、磁気検出素子をギャップ部に配置する構成が必要になり、回路基板、磁気検出素子やバスバー等の構成部品の配置の自由度が限られる。そのため、電流センサの体格を小さくすることには限界がある。

本発明の目的は、体格の小型化を図ることができる電流センサを提供することにある。

［１］本発明の一実施形態による電流センサは、板状の導体と、前記導体に流れる電流を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子を実装する回路基板と、前記導体の表裏両面側に配置された一対の面の間に前記磁気検出素子及び前記回路基板を囲む磁気シールドと、を備えており、前記回路基板は、前記導体の幅方向端面に対向して縦に配置される。

［２］［１］記載の前記磁気検出素子の感磁面は、前記電流により発生する磁界の方向（即ち、感磁面を横切る磁力線の方向）と平行、かつ、前記導体の幅方向と平行になるように配置される。

［３］［１］記載の前記磁気検出素子の感磁面は、前記電流により発生する磁界の方向（即ち、感磁面を横切る磁力線の方向）と平行であり、前記導体の幅方向端面に対向して配置される。

［４］［１］記載の磁気検出素子は、前記磁気シールドと一体形成されたハウジングを更に有し、前記ハウジングは、連結壁部を介して対向配置した第１及び第２の側壁部を有するとともに、前記第１及び第２の側壁部の間に前記導体を収容する保持空間、及び前記第２の側壁部の内面から所定の高さだけ上がった段差面をもつ側壁端部を介して前記保持空間に向けて前記導体を導入する導入開口を有しており、前記側壁端部の内部には、前記磁気検出素子及び前記回路基板が設けられ、前記側壁端部の前記段差面とは反対側の面には、前記導入開口を開閉するクランプ部材が支持されている。

［５］［４］記載の前記クランプ部材のハウジング対向面には、前記第１の側壁部の端部を嵌め込み固定する第１及び第２のクランプ片が突出して形成されており、前記第２のクランプ片は、前記導入開口内に嵌め込み固定される。
［６］［１］記載の前記磁気検出素子は、前記磁気検出素子の感磁面を規定する法線が、前記導体を流れる電流の流れ方向と平行になるように配置される。
［７］［１］記載の前記磁気検出素子は、前記磁気検出素子の感磁面を規定する法線が、前記導体を流れる電流の流れ方向と直交するように配置される。
［８］［１］記載の前記磁気シールドは、前記導体の幅方向端面に対向して開口する開口部を有し、前記磁気検出素子は、前記導体と前記開口部との間に配置される。
［９］［８］記載の前記開口部は、開口間隔Ｇを有し、前記磁気検出素子は、（Ｌ／Ｇ）≧１を満たすように配置される（但し、前記開口部の開口端から前記磁気検出素子の感磁面の中心までの距離をＬとする）。

本発明の一実施形態によると、体格の小型化を図ることができる電流センサが得られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電流センサを示す部分断面図である。図２は、第１の実施形態に係る電流センサの構成部品の配置を示す部分断面図である。図３は、本発明の第２の実施形態に係る電流センサの構成部品の配置を示す部分断面図である。図４Ａは、本発明の第３の実施形態に係る電流センサを示す部分断面図であって、バスバーを組み付ける前の状態が示されている。図４Ｂは、本発明の第３の実施形態に係る電流センサを示す部分断面図であって、バスバーを組み付けた状態が示されている。

以下、本発明の実施形態が添付図面を参照して詳細に説明される。

［第１の実施形態］
（電流センサの構成）
図１において、第１の実施形態における典型的な非接触式の電流センサが模式的に示されている。電流センサ１０は、例えばハイブリッド車や電気自動車における駆動モータとバッテリー等の外部装置とに流れる電流の大きさを検出するために用いられる。

電流センサ１０は、図１に示されるように、電流が流れる電流路となる導体である平板状のバスバー１１と、バスバー１１に流れる電流により発生する磁界を検出する磁気検出素子１２と、磁気検出素子１２を実装する回路基板１３と、バスバー１１の表裏両面側に対向して配置された一対のシールド面の間に磁気検出素子１２及び回路基板１３を囲む磁気シールド１４とを備えている。

バスバー１１、磁気検出素子１２、回路基板１３及び磁気シールド１４は、図１に示されるように、ハウジング２０の内部に固定されて一体化している。ハウジング２０には、制御ユニット等の外部装置（図示されず）に電気的に接続されるコネクタハウジング２１が形成されている。ハウジング２０の材料としては、絶縁性及び耐湿性に優れる材料が好ましく、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂などが用いられる。

磁気検出素子１２は、図１及び２に示されるように、回路基板１３に表面実装する表面実装タイプであり、磁気検出素子１２の磁気検出方向は、回路基板１３の実装面に対して平行である。磁気検出素子１２としては、例えば増幅器等の電子部品が集積回路としてパッケージ化されたホールＩＣが用いられる。

回路基板１３には、磁気検出素子１２からの出力を処理する処理回路（図示されず）が形成されており、コネクタハウジング２１の内部には、処理回路に電気的に接続された４本の接続端子１５，…，１５が突出している。

磁気シールド１４は、図１及び２に示されるように、電流による磁界以外の外乱磁界の影響を低減させるために用いられるものであり、相対する長尺帯状の平板部１４ａ，１４ａの一側端同士が連結板部１４ｂをもって折り曲げ形成された略Ｕ字状のシールド部を有している。一対の平板部１４ａの開口部であるギャップ１６は、バスバー１１に流れる電流に対して交差する方向に開放している。

磁気シールド１４の素材としては、例えば珪素鋼板からなる方向性電磁鋼板や無方向性電磁鋼板等の磁性板材が用いられる。磁気シールド１４は、２枚以上の電磁鋼板を積層して折り曲げ形成されたものであっても構わない。

（磁気シールド内の部品配置構造）
本実施形態の電流センサ１０は、バスバー１１、磁気検出素子１２、及び回路基板１３が磁気シールド１４の一対の平板部１４ａ間に配置される構造を有する。

磁気シールド１４の底部側には、図１及び２に示されるように、バスバー１１の幅方向の一端面を連結板部１４ｂに対向させた状態でバスバー１１が貫通して配置されている。バスバー１１は、例えば銅や銅合金等の金属材料からなる。

一方、磁気シールド１４の端部側には、図１及び２に示されるように、回路基板１３の実装面がバスバー１１の長さ方向に対して直交するように、回路基板１３が縦に配置されている。回路基板１３の一部がギャップ１６から外部に向けて延在している。磁気シールド１４内のバスバー１１及び回路基板１３の位置関係により、磁気検出素子１２をギャップ１６から離間させることができるとともに、バスバー１１に近づけることができる。

磁気検出素子１２の感磁面は、図２に示されるように、バスバー１１に流れる電流Ａにより発生する磁界の（即ち、磁気検出素子１２を横切る磁束Ｂの）方向と平行、かつ、バスバー１１の幅方向Ｗと平行になるように配置されている。換言すれば、感磁面を規定する法線ベクトル１２ａがバスバー１１に流れる電流Ａの流れ方向に平行になるように配置されている。磁気検出素子１２の磁気検出方向は、バスバー１１の長さ方向に対して略垂直（バスバー板厚方向と略平行）な方向であり、ギャップ１６の開口間隔Ｇの方向に実質的に一致している。

ギャップ１６の開口間隔Ｇと、ギャップ１６の開口端から磁気検出素子１２の感磁面の中心までのシールド端長さＬとの関係は、図２に示されるように、開口間隔Ｇとシールド端長さＬとを同じ寸法に設定するか、あるいは開口間隔Ｇをシールド端長さＬよりも小さく設定することが好適である(（Ｌ／Ｇ）≧１)。この寸法関係を満たすように磁気検出素子１２を配置することで、隣接するバスバーから発生する磁界の影響を最小限に抑えることができるようになり、バスバー１１に流れる電流を高感度で測定することができる。

（第１の実施形態の効果）
以上のように構成された電流センサ１０は、上記効果に加えて以下の効果を有することができる。

（１）隣接するバスバーから発生する磁界の影響が最小限に抑えられることから、磁気検出素子１２を通過する磁界を弱めることなく、出力を大きくして測定範囲を拡げることができる。
（２）バスバーの平面上に回路基板を平行に配置する従来の構成と比較して、磁気シールド１４のギャップ１６の開口間隔Ｇを小さくすることができるとともに、シールド端長さＬを小さくすることができる。
（３）シールド端長さＬは、例えばコネクタハウジング２１の開口最大長さ（４本の接続端子１５の配列ピッチ方向の最大長さ）の設計許容範囲内に収めることが可能であり、電流センサ１０の小型化を図ることができる。

［第２の実施形態］
図３には、第２の実施形態に係る電流センサ１０の構成部品の配置例が模式的に示されている。

第１の実施形態との相違点は、第１の実施形態では、回路基板１３の実装面がバスバー１１の長手方向に対して直交するように配置されているのに対して、第２の実施形態では、回路基板１３の実装面がバスバー１１の幅方向に対して直交するように配置されている点にある。従って、上記第１の実施形態で用いた部材符号と同じ部材符号を用いることで、その部材に関する詳細な説明は省略する。

回路基板１３がバスバー１１の幅方向端面に対向して縦に配置された構成については、この第２の実施形態においても、上記第１の実施形態と同様の構成を備えている。

磁気検出素子１２の感磁面は、図３に示されるように、バスバー１１に流れる電流Ａにより発生する磁界の（即ち、磁気検出素子１２を横切る磁束Ｂの）方向と平行、かつ、バスバー１１の幅方向端面に対向して配置されている。換言すれば、磁気検出素子１２の感磁面を規定する法線ベクトル１２ａは、バスバー１１に流れる電流Ａの流れ方向に対して垂直になるように配置されている。磁気検出素子１２の磁気検出方向は、バスバー１１の長さ方向に対して略垂直（バスバー板厚方向と略平行）な方向であり、ギャップ１６の開口間隔Ｇの方向に実質的に一致している。バスバー１１に流れる電流Ａにより発生する磁界の磁束Ｂは、磁気検出素子１２の感磁面を平行に通過する。

（第２の実施形態の効果）
第２の実施形態に係る電流センサ１０にあっても、上記第１の実施形態と同様に、磁気検出素子１２をギャップ部に配置する構成が不要になり、磁気検出素子１２、回路基板１３およびバスバー１１の配置の自由度を向上させることができる。

［第３の実施形態］
図４Ａ及び４Ｂには、第３の実施形態に係る電流センサ１０の一構成例が模式的に例示されている。

第３の実施形態は、ハウジング２０の構成を除いて、第１の実施形態と同様の構成を備えている。従って、第１の実施形態で用いた部材符号と同じ部材符号を用いることで、その部材に関する詳細な説明は省略する。

図４Ａ及び４Ｂに示されるように、磁気検出素子１２、回路基板１３、及び磁気シールド１４がハウジング２０にインサート成形されている。ハウジング２０は、連結壁部２２を介して対向配置した第１及び第２の側壁部２３ａ，２３ｂを有しており、縦断面形状が略Ｕ字形状に形成されている。

ハウジング２０の底部側には、図４Ａ及び４Ｂに示されるように、バスバー１１を収容する保持空間２０ａが形成されている。ハウジング２０の底部側とは反対側から保持空間２０ａに向けてバスバー１１を導入する導入開口２０ｂが形成されている。導入開口２０ｂは、第２の側壁部２３ｂの内面から所定の高さだけ上がった段差面２３ｄをもつ側壁端部２３ｃを介して保持空間２０ａよりも小さく形成されている。

ハウジング２０の側壁端部２３ｃの内部には、図４Ａ及び４Ｂに示されるように、バスバー１１の幅方向端面に対向して縦に配置される回路基板１３と、感磁面の平面を規定する法線ベクトル１２ａがバスバー１１に流れる電流の流れ方向に対して平行な方向となるように配置される磁気検出素子１２とがインサート成形されている。

なお、磁気検出素子１２及び回路基板１３の配置形態は、図示例に限定されるものではなく、回路基板１３がバスバー１１の幅方向端面に対向して縦に配置される構成であれば、磁気検出素子１４の感磁面をバスバー１１の幅方向端面に対向して配置する構成であっても構わない。また、バスバー１１及びハウジング２０は、締め付けることにより互いにクランプ固定される。

ハウジング２０の側壁端部２３ｃの段差面２３ｄとは反対側には、図４Ａ及び４Ｂに示されるように、導入開口２０ｂを開閉するクランプ部材２４が回転軸２５を回転中心として回転可能に支持されている。クランプ部材２４のハウジング対向面には、上下一対の第１及び第２のクランプ片２４ａ，２４ｂが突出して形成されている。

ハウジング２０の第１の側壁部２３ａの端部は、図４Ａ及び４Ｂに示されるように、第１のクランプ片２４ａと第２のクランプ片２４ｂとにより嵌め込み固定されるとともに、導入開口２０ｂ内には、第２のクランプ片２４ｂが嵌め込み固定される。第２のクランプ片２４ｂを嵌め込み固定する位置は、磁気シールド１４のギャップ１６の開口間隔の変動を防止する位置である。

（第３の実施形態の効果）
以上のように構成された電流センサ１０は、上記効果に加えて以下の効果を有することができる。

（１）既設のバスバー１１に後付けすることができる。
（２）バスバー１１に容易に着脱自在であり、バスバー１１に対する取付け位置を調整することができる。

［変形例］
本発明における電流センサ１０は、次に示すような変形例も可能である。

磁気シールド１４としては、バスバー１１を流れる電流により発生した磁束を集磁するコアを使用することができる。

磁気シールド１４の板厚、磁気シールド１４のギャップ間隔やバスバー１１の板厚などは、磁気検出素子１２の仕様に応じて適宜に選択すればよい。

車両のモータやバッテリーに接続される電路以外の他の電路に適用することができる。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な各実施形態、変形例及び図示例を例示したが、上記各実施形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記各実施形態、変形例及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが本発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、ハイブリッド車や電気自動車で使用される駆動モータ、バッテリーに流れる電流を検出するための磁気検出素子を有する電流センサに適用できる。

１０　電流センサ
１１　バスバー
１２　磁気検出素子
１３　回路基板
１４　磁気シールド
２０　ハウジング
２０ｂ　導入開口
２１　コネクタハウジング
２４　クランプ部材

Claims

板状の導体と、
前記導体に流れる電流を検出する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子を実装する回路基板と、
前記導体の表裏両面側に配置された一対の面の間に前記磁気検出素子及び前記回路基板を囲む磁気シールドと、を有し、
前記回路基板は、前記導体の幅方向端面に対向して縦に配置される電流センサ。
前記磁気検出素子の感磁面は、前記電流により発生する磁界の方向と平行、かつ、前記導体の幅方向と平行になるように配置される、請求項１に記載の電流センサ。
前記磁気検出素子の感磁面は、前記電流により発生する磁界の方向と平行であり、前記導体の幅方向端面に対向して配置される、請求項１に記載の電流センサ。
前記磁気シールドと一体形成されたハウジングを更に有し、
前記ハウジングは、連結壁部を介して対向配置した第１及び第２の側壁部を有するとともに、前記第１及び第２の側壁部の間に前記導体を収容する保持空間、及び前記第２の側壁部の内面から所定の高さだけ上がった段差面をもつ側壁端部を介して前記保持空間に向けて前記導体を導入する導入開口を有しており、
前記側壁端部の内部には、前記磁気検出素子及び前記回路基板が設けられ、
前記側壁端部の前記段差面とは反対側の面には、前記導入開口を開閉するクランプ部材が支持されている、請求項１に記載の電流センサ。
前記クランプ部材のハウジング対向面には、前記第１の側壁部の端部を嵌め込み固定する第１及び第２のクランプ片が突出して形成されており、
前記第２のクランプ片は、前記導入開口内に嵌め込み固定される、請求項４に記載の電流センサ。
前記磁気検出素子は、前記磁気検出素子の感磁面を規定する法線が、前記導体を流れる電流の流れ方向と平行になるように配置される、請求項１に記載の電流センサ。
前記磁気検出素子は、前記磁気検出素子の感磁面を規定する法線が、前記導体を流れる電流の流れ方向と直交するように配置される、請求項１に記載の電流センサ。
前記磁気シールドは、前記導体の幅方向端面に対向して開口する開口部を有し、
前記磁気検出素子は、前記導体と前記開口部との間に配置される、請求項１に記載の電流センサ。
前記開口部は、開口間隔Ｇを有し、
前記磁気検出素子は、（Ｌ／Ｇ）≧１を満たすように配置される（但し、前記開口部の開口端から前記磁気検出素子の感磁面の中心までの距離をＬとする）、請求項８に記載の電流センサ。