JP2010112767A

JP2010112767A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2010112767A
Application number: JP2008283678A
Authority: JP
Inventors: Takashi Urano; 高志浦野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】リング状磁気コアがバスバーの幅方向外側にはみ出す量を減らすことにより小型化を図ることの可能な電流センサを提供する。
【解決手段】バスバー１２の長手方向の中間部に前記長手方向に沿う所定長の開口５７が形成され、開口５７によってバスバー１２が長手方向の中間部で部分的に高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２とに分岐している。高抵抗電流路５１にはバスバー１２の幅方向の端部側の一部に切欠５５が形成され、低抵抗電流路５２にはバスバー１２の長さ方向に関して切欠５５と同じ位置に切欠５８が形成されている。切欠５８により、開口５７はバスバー１２の長さ方向に関して一部がリング状磁気コア１５の径方向の厚みよりも幅広となっている。なお、開口５７は、切欠５８によって幅広となっている前記一部以外の部分はリング状磁気コア１５の径方向の厚みよりも幅狭となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばハイブリットカーや電気自動車のバッテリー電流やモータ駆動電流、工作機械のモータに流れる電流をホール素子等の磁気検出素子を用いて測定する電流センサに関する。

ホール素子等の磁気検出素子を用いてバスバーに流れる電流(被測定電流)を非接触状態で検出する電流センサとして、以下に示す磁気比例式や磁気平衡式のものが従来から知られている。

磁気比例式電流センサは、図５に例示のように、ギャップＧを有するリング状の磁気コア８２０（高透磁率で残留磁気が少ない珪素鋼板やパーマロイコア等）と、ギャップＧに配置されたホール素子８１６（磁気検出素子の例示）とを有する。磁気コア８２０は、被測定電流Ｉ_inの流れるバスバー８１０が貫通する配置である。したがって、被測定電流Ｉ_inによってギャップＧ内に磁界が発生し、これがホール素子８１６の感磁面に印加される。磁界の強さは被測定電流Ｉ_inに比例するので、ホール素子８１６の出力電圧から被測定電流Ｉ_inが求められる。なお、磁気比例式電流センサの回路構成は、例えば図６に示されるものである。この回路では、定電流駆動されるホール素子８１６の出力電圧を差動増幅回路で増幅してセンサ出力としている。

磁気平衡式電流センサは、磁気比例式電流センサの構成に加えて、図７に例示のように、磁気コア８２０に巻線を設けてなる負帰還用コイルＬ_FBを有する。この構成においては、被測定電流Ｉ_inによってギャップＧ内に第１の磁界が発生してこれがホール素子８１６の感磁面に印加される一方、ホール素子８１６の感磁面に印加される前記第１の磁界を相殺する（ゼロにする）第２の磁界を発生するように負帰還用コイルＬ_FBに電流が供給される。この供給した電流から被測定電流Ｉ_inが求められる。なお、磁気平衡式電流センサの回路構成は、例えば図８に示されるものである。この回路では、負帰還電流を検出抵抗で電圧に変換し、これを差動増幅回路で増幅してセンサ出力としている。

ハイブリッドカーやＥＶ（電気自動車）のバッテリに流れる充放電電流をモニタする電流センサや、インバータ用の三相モータ駆動電流をモニタする電流センサ等は、バスバーに流れる電流（被測定電流）が例えば２００Ａ〜６００Ａあるいはそれ以上と非常に大きい。このため、バスバーの形状が必然的に大きくなるとともにバスバーを囲うコアが大型化し、電流センサ本体が大きくなり、コストアップの原因となっている。その改善策として、下記特許文献１では、被測定電流を分流し、小電流の方を検出する電流センサが提案されている。
特開平１０−７３６１９号公報

特許文献１の図１及び図２に示される構成では、磁性体コアの厚み部分がそのままバスバーの幅方向外側にはみ出すため、電流センサの幅が大きくなりやすいという問題がある。また、同文献の図６、図９、図１０及び図１３等は、バスバーに形成された切欠部を通る折り曲げラインに沿ってバスバーをほぼ直角に折り曲げた構造であるが、この構造であってもコア厚み部分がそのままバスバーの幅方向外側にはみ出し、電流センサの幅が大きくなりやすいという問題がある。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、リング状磁気コアがバスバーの幅方向外側にはみ出す量を減らすことにより小型化を図ることの可能な電流センサを提供することにある。

本発明のある態様は、電流センサである。この電流センサは、
被測定電流を所定の比率で分流するように中間部で部分的に高抵抗電流路と低抵抗電流路とに分岐している、一体形成されたバスバーと、
前記高抵抗電流路を囲む、ギャップ部を有するリング状磁気コアと、
前記ギャップ部に位置する磁気検出素子とを備え、
前記バスバーは、中間部に形成された開口によって前記高抵抗電流路と前記低抵抗電流路とに分岐し、
前記高抵抗電流路は、前記バスバーの幅方向の端部側に切欠が形成されていて、
前記リング状磁気コアは、前記ギャップ部を含むリング形状が前記開口と前記切欠とを通るように配置されている。

ある態様の電流センサにおいて、
前記開口は、前記被測定電流の流れる方向に関して一部が前記リング状磁気コアの厚みよりも幅広であり、かつ、当該一部以外の部分は前記リング状磁気コアの厚みよりも幅狭であり、
前記リング状磁気コアは、前記ギャップ部を含むリング形状が前記開口のうち前記幅広の部分を通るように配置されているとよい。

ある態様の電流センサにおいて、前記ギャップ部が前記開口よりも前記切欠に近い位置に存在するとよい。

ある態様の電流センサにおいて、前記ギャップ部の長さが前記高抵抗電流路の厚み又は前記高抵抗電流路の前記切欠のある位置における幅よりも長いとよい。

ある態様の電流センサにおいて、
前記バスバー上に絶縁されて固定配置されたプリント基板をさらに備え、
前記リング状磁気コアの前記ギャップ部は、前記切欠又は前記開口の上方の近接する位置に存在し、
前記プリント基板は、前記高抵抗電流路と前記低抵抗電流路とを跨ぐように前記バスバーの幅方向に広がった基部と、前記基部の幅方向の一部から前記リング状磁気コアの前記ギャップ部に延びる延在部とを有し、前記基部は前記被測定電流の流れる方向の一端が前記リング状磁気コアに当接し、前記ギャップ部に位置する前記延在部に前記磁気検出素子が表面実装されているとよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、バスバーは中間部に形成された開口によって高抵抗電流路と低抵抗電流路とに分岐し、前記高抵抗電流路はバスバーの幅方向の端部側に切欠が形成され、リング状磁気コアはギャップ部を含むリング形状が前記開口と前記切欠とを通るように配置されているので、前記リング状磁気コアのリング形状の前記切欠を通る部分の厚みの分だけ前記リング状磁気コアが前記バスバーの幅方向外側にはみ出す量を減らすことができ、電流センサの小型化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

(第１の実施の形態)
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電流センサ１００の構成を示す、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は同平面図のB-B'断面図である。

電流センサ１００（磁気比例式）は、被測定電流の経路としてのバスバー１２と、リング状磁路を成すリング状磁気コア１５と、磁気検出素子としてのホール素子２５とを備える。

バスバー１２は、一体形成された平板形状（例えば銅板）であり、長手方向の両端部に位置する取付け孔９１，９２を介して例えばネジやリベットによって被測定電流Ｉ_inの経路を成すように取り付けられる。バスバー１２の長手方向（被測定電流Ｉ_inの流れる方向）の中間部に前記長手方向に沿う所定長の開口５７(スリット)が形成され、開口５７によってバスバー１２が長手方向の中間部で部分的に高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２とに分岐している。換言すれば、被測定電流Ｉ_inの全てが流れる未分岐電流路（バスバー１２の両端部の分岐していない電流路）の間に高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２とが挟まれている。したがって、被測定電流Ｉ_inは所定の比率(例えば１：２)で高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２とに分流される。なお、分流比は高抵抗電流路５１及び低抵抗電流路５２の抵抗の逆数比に等しい。

高抵抗電流路５１にはバスバー１２の幅方向の端部側の一部に切欠５５が形成され、低抵抗電流路５２にはバスバー１２の長さ方向に関して切欠５５と同じ位置に切欠５８が形成されている。切欠５８により、開口５７はバスバー１２の長さ方向に関して一部（切欠５８の存在位置）がリング状磁気コア１５の径方向(リング形状の内側と外側とを結ぶ方向)の厚みよりも幅広となっている(図１(Ａ)でＷ_D＞Ｗ_C)。なお、開口５７は、切欠５８によって幅広となっている前記一部以外の部分はリング状磁気コア１５の径方向の厚みよりも幅狭となっている(図１(Ａ)でＷ_B＜Ｗ_C)。開口５７の前記一部以外の部分の幅Ｗ_Bはなるべく狭く(例えばバスバー１２の厚み程度に)したほうが、高抵抗電流路５１及び低抵抗電流路５２の抵抗を小さくできて望ましい。

好ましくは分割されていない方形のリング状磁気コア１５は、ギャップ部Ｇを含むリング形状が開口５７のうち切欠５８によって幅広となっている部分と切欠５５とを通るように配置されて高抵抗電流路５１を囲んでいる。リング状磁気コア１５のギャップ部Ｇにホール素子２５が位置する。ホール素子２５は不図示のプリント基板に実装されて例えば図６に示す回路を成すように接続され、ホール素子２５の出力電圧から被測定電流Ｉ_inが求められる。ギャップ部Ｇは好ましくは開口５７よりも切欠５５に近い位置に存在するとよく、図１(Ｂ)ではギャップ部Ｇは切欠５５の上方に切欠５５と近接して存在する。ギャップ部Ｇの長さＬ_Gはバスバー１２の厚みＬ_B(高抵抗電流路５１の厚み)よりも大きい(Ｌ_G＞Ｌ_B)ため、バスバー１２が一体形成されかつリング状磁気コア１５が分割されていなくても、高抵抗電流路５１をギャップ部Ｇに通すことで、高抵抗電流路５１を囲むようにリング状磁気コア１５を配置することができる。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) バスバー１２は長さ方向の中間部に形成された開口５７によって高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２とに分岐し、高抵抗電流路５１はバスバー１２の幅方向の端部側の一部に切欠５５が形成され、リング状磁気コア１５はギャップ部Ｇを含むリング形状が開口５７と切欠５５とを通るように配置されているので、リング状磁気コア１５のリング形状の切欠５５を通る部分の厚みの分だけリング状磁気コア１５がバスバー１２の幅方向外側にはみ出す量を減らすことができ、電流センサ１００の小型化を図ることが可能となる。特に、図１に示すようにリング状磁気コア１５の径方向の厚みが切欠５５内に収まるようにした場合、バスバー１２の幅Ｗ_Aからリング状磁気コア１５がはみ出さなくなり、小型化の効果が顕著である。

(2) バスバー１２に形成された開口５７は、リング状磁気コア１５のギャップ部Ｇを含むリング形状が通れるように切欠５８によって長さ方向の一部がリング状磁気コア１５の径方向の厚みよりも幅広となっている一方、当該一部以外の部分はリング状磁気コア１５の径方向の厚みよりも幅狭となっているため、開口５７が長さ方向の全域に渡ってリング状磁気コア１５の径方向の厚みよりも幅広となっている場合と比較して高抵抗電流路５１及び低抵抗電流路５２の抵抗を小さくできて好ましい。

(3) リング状磁気コア１５のギャップ部Ｇは切欠５５の上方に切欠５５と近接して存在する(開口５７よりも切欠５５に近い位置に存在する)ため、ギャップ部Ｇが切欠５５よりも開口５７に近い位置に存在する場合と比較して低抵抗電流路５２に流れる電流による磁気的影響を受けにくく、信頼性の高い電流検出が可能となる。

(4) 被測定電流Ｉ_inよりも小さな電流が流れる高抵抗電流路５１をリング状磁気コア１５で囲む構成としているので、被測定電流Ｉ_inの全てが流れる電流路を囲む場合と比較してリング状磁気コア１５が小型で済みコスト安である。

(5) バスバー１２が一体形成されているため、すなわち高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２、及びそれらの両側の分岐していない部分がネジやリベット等による結合ではなく一体形成されているため、分岐箇所をネジやリベット等で結合する分離構造のバスバーを用いる場合と比較して、分岐箇所の接触抵抗の変化による分流割合への影響がないので、分流割合の変化による電流検出精度の悪化を防止して高精度に電流検出することが可能となる。

(第２の実施の形態)
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る電流センサ２００の構成を示す、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は同平面図のB-B'断面図である。図３は、同電流センサ２００のプリント基板３１の構成を示す、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は同平面図の部分的な拡大図、(Ｃ)は同拡大図のC-C'断面図である。本実施の形態の電流センサ２００は、第１の実施の形態の電流センサ１００と比較して、バスバー１２上に絶縁板２９を介してプリント基板３１が固定配置されている点と、ホール素子２５がプリント基板３１に表面実装されている点とにおいて相違し、その他の点で一致する。以下、相違点を中心に説明する。

好ましくは略コの字型であるプリント基板３１は、図３(Ａ)のように、基部３２と、第１及び第２の延在部３３，３４とを有する。基部３２は、高抵抗電流路５１と低抵抗電流路５２とを跨ぐようにバスバー１２の幅方向に広がった部分である。第１の延在部３３は、基部３２の幅方向の一部（高抵抗電流路５１側の一部）からリング状磁気コア１５のギャップ部Ｇに延びる部分である。第２の延在部３４は、基部３２の幅方向の一部（低抵抗電流路５２側の一部）から第１の延在部３３と同方向に延びる部分である。なお、絶縁板２９もプリント基板３１と同様の形状である。

基部３２は、バスバー１２の長さ方向の一端３２ａ(第１及び第２の延在部３３，３４の延びる側の端部)がリング状磁気コア１５に当接し、これによりプリント基板３１がバスバー１２の長さ方向に関してリング状磁気コア１５に対して位置決めされる。なお、リング状磁気コア１５は、図２(Ｂ)に示すようにホルダ８０に保持されてバスバー１２との相対位置が固定されている。リング状磁気コア１５のギャップ部Ｇに位置する第１の延在部３３にホール素子２５が表面実装されてプリント基板３１上の導電パターン３９と例えば半田付けにより電気的に接続される。ホール素子２５は好ましくは、図３(Ｃ)のように、プリント基板３１に形成された開口３７に落とし込んで表面実装される。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、リング状磁気コア１５のギャップ部Ｇに位置する第１の延在部３３にホール素子２５を表面実装しているため、リード線タイプのホール素子をプリント基板のスルーホールに挿通実装する場合と比較して、ホール素子のリード線の変形や曲がり等によってリード線同士がショートする事故をなくすことができて信頼性が高い。また、プリント基板３１に形成された開口３７にホール素子２５を落とし込んで表面実装することにより、プリント基板３１及びホール素子２５のトータル厚みｈを薄くすることができ、ひいてはリング状磁気コア１５のギャップ部Ｇの長さを短くでき、外部磁界の影響を受けにくくなって有利である。また、プリント基板３１を略コの字型としているので、バスバー１２の幅方向に関するプリント基板３１の長さを抑えつつ十分な基板面積を確保でき、簡単な構成の１枚基板にホール素子２５及び電子部品を全て配置することができて好都合である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素には請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態ではリング状磁気コア１５のギャップ部Ｇの長さＬ_Gがバスバー１２の厚みＬ_B(高抵抗電流路５１の厚み)よりも大きい場合(Ｌ_G＞Ｌ_B)を説明したが、ギャップ部Ｇの長さＬ_Gが高抵抗電流路５１の切欠５５のある位置における幅よりも大きい場合も、高抵抗電流路５１をギャップ部Ｇに通すことで、高抵抗電流路５１を囲むようにリング状磁気コア１５を配置することができる。

実施の形態では開口５７の幅を広げるための切欠５８が低抵抗電流路５２に形成される場合を説明したが、変形例では切欠５８は高抵抗電流路５１に形成されてもよく、高抵抗電流路５１及び低抵抗電流路５２の双方に形成されてもよい。

実施の形態では電流検出の方式が磁気比例式である場合を説明したが、変形例では、リング状磁気コアに巻線を施して負帰還用コイルを構成し、図８に例示の回路を用いることで電流検出の方式を磁気平衡式としてもよい。

実施の形態ではリング状磁気コア１５のギャップ部Ｇが切欠５５の上方に切欠５５と近接して存在する場合を説明したが、変形例ではギャップ部Ｇは図４に示すようにリング状磁気コア１５の上辺の切欠５５寄りに存在してもよい。この場合、プリント基板３１をリング状磁気コア１５の上方に配置し、ホール素子２５のリード線をプリント基板３１の貫通孔(図には現れず)に挿通してプリント基板３１上の導電パターンと例えば半田付けにより電気的に接続してもよい。バスバー１２とリング状磁気コア１５とプリント基板３１はホルダ８０により保持される。

本発明の第１の実施の形態に係る電流センサの構成を示す、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は同平面図のB-B'断面図。本発明の第２の実施の形態に係る電流センサの構成を示す、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は同平面図のB-B'断面図。同電流センサのプリント基板の構成を示す、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は同平面図の部分的な拡大図、(Ｃ)は同拡大図のC-C'断面図。変形例に係る電流センサの構成を示す正断面図。磁気比例式電流センサの基本的構成図。磁気比例式電流センサの基本的回路図。磁気平衡式電流センサの基本的構成図。磁気平衡式電流センサの基本的回路図。

符号の説明

１２バスバー
１５リング状磁気コア
２５ホール素子
２９絶縁板
３１プリント基板
３２基部
３３第１の延在部
３４第２の延在部
５５，５８切欠
５７開口
１００，２００電流センサ

Claims

被測定電流を所定の比率で分流するように中間部で部分的に高抵抗電流路と低抵抗電流路とに分岐している、一体形成されたバスバーと、
前記高抵抗電流路を囲む、ギャップ部を有するリング状磁気コアと、
前記ギャップ部に位置する磁気検出素子とを備え、
前記バスバーは、中間部に形成された開口によって前記高抵抗電流路と前記低抵抗電流路とに分岐し、
前記高抵抗電流路は、前記バスバーの幅方向の端部側に切欠が形成されていて、
前記リング状磁気コアは、前記ギャップ部を含むリング形状が前記開口と前記切欠とを通るように配置されている、電流センサ。
請求項１に記載の電流センサにおいて、
前記開口は、前記被測定電流の流れる方向に関して一部が前記リング状磁気コアの厚みよりも幅広であり、かつ、当該一部以外の部分は前記リング状磁気コアの厚みよりも幅狭であり、
前記リング状磁気コアは、前記ギャップ部を含むリング形状が前記開口のうち前記幅広の部分を通るように配置されている、電流センサ。
請求項１又は２に記載の電流センサにおいて、前記ギャップ部が前記開口よりも前記切欠に近い位置に存在する、電流センサ。
請求項１から３のいずれかに記載の電流センサにおいて、前記ギャップ部の長さが前記高抵抗電流路の厚み又は前記高抵抗電流路の前記切欠のある位置における幅よりも長い、電流センサ。
請求項１から４のいずれかに記載の電流センサにおいて、
前記バスバー上に絶縁されて固定配置されたプリント基板をさらに備え、
前記リング状磁気コアの前記ギャップ部は、前記切欠又は前記開口の上方の近接する位置に存在し、
前記プリント基板は、前記高抵抗電流路と前記低抵抗電流路とを跨ぐように前記バスバーの幅方向に広がった基部と、前記基部の幅方向の一部から前記リング状磁気コアの前記ギャップ部に延びる延在部とを有し、前記基部は前記被測定電流の流れる方向の一端が前記リング状磁気コアに当接し、前記ギャップ部に位置する前記延在部に前記磁気検出素子が表面実装されている、電流センサ。