JP2013228315A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バスバー非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上を図り得る電流センサを提供する。
【解決手段】バスバー１１と、メインコア１２と、サブコア１３と、感磁素子１４とを備える構成であり、メインコア１２からの漏洩磁束の一部がサブコア１３に流れ、メインコア１２の残留磁化により発生する磁界とサブコア１３の残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に感磁素子１４を配置する。バスバー１１に流れる電流に比例する出力電圧が感磁素子１４から得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばハイブリッドカーや電気自動車のバッテリー電流やモータ駆動電流を測定する電流センサに関し、特に、ホール素子等の感磁素子を用いてバスバーに流れる電流を測定する電流センサに関する。

ホール素子等の感磁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、空隙を有するリング状の磁気コアと、空隙に配置された感磁素子とを有する磁気比例式のものが従来から知られている。下記特許文献１は、磁気比例式の電流センサにおいて、磁束密度がゼロとなってもホール素子が発生する不均一な残留電圧を小とすることを課題とし、ホール素子の近傍に永久磁石の小片を取り付けることを開示する。

実開昭６１−５２２７２号公報

磁気コアの材料である磁性体は少なからずヒステリシス特性を有しているため、磁気比例式の電流センサにおいて感磁素子は、磁性体のヒステリシス特性に起因する残留磁界（残留磁化により発生する磁界）も検出してしまう。すなわち、バスバーに被測定電流が流れた後、バスバーの電流が０アンペアになっても、磁性体による残留磁界が残り、バスバー非通電時（０アンペア時）の測定精度が低下するという問題があった。

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、バスバー非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上を図り得る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、
バスバーと、
前記バスバーが貫通する、ギャップを有する環状のメインコアと、
前記ギャップ又はその近傍に位置する感磁素子と、
前記メインコアからの漏洩磁束の一部が流れるサブコアとを備え、
前記メインコアの残留磁化により発生する磁界と前記サブコアの残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に前記感磁素子が存在する。

前記サブコアはギャップを有する環状であり、前記メインコアと前記サブコアのギャップ同士が近接していてもよい。

前記サブコアの径方向の厚さが前記メインコアの径方向の厚さよりも薄くてもよい。

前記メインコアのギャップを渡す方向と前記サブコアのギャップを渡す方向とが略平行であり、
前記サブコアは、前記ギャップを渡す方向に関する外径が前記メインコアの同方向の外径よりも小さくてもよい。

前記サブコアの少なくとも一方の端部は、端面が前記メインコアの前記ギャップ内に臨むように折り曲げられた形状であってもよい。

前記メインコア及び前記サブコアの少なくとも一方は、いずれか又は両方の端面部の角部のうち前記メインコア及び前記サブコアの他方のギャップとは反対側に位置する部分が面取りされた形状であってもよい。

前記メインコア及び前記サブコアが軟磁性材からなってもよい。

前記サブコアは前記メインコアよりも残留磁化が大きくてもよい。

前記サブコアは前記メインコアよりも残留磁化が大きい材質であってもよい。

前記サブコアは前記メインコアよりも体積が小さくてもよい。

前記サブコアの磁路長が前記メインコアの磁路長よりも短くてもよい。

前記サブコアの磁路断面積が前記メインコアの磁路断面積よりも小さくてもよい。

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、メインコアからの漏洩磁束の一部が流れるサブコアを備え、前記メインコアの残留磁化により発生する磁界と前記サブコアの残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に感磁素子が存在するため、サブコアが無い場合と比較してバスバー非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上を図り得る電流センサを実現できる。

本発明の実施の形態１に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態２に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態３に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態４に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態５に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態６に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態７に係る電流センサの概略断面図。 本発明の実施の形態８に係る電流センサの概略断面図。 バスバー１１通電時と非通電時の各々における、サブコア１３が無い場合（比較例）と図１に示すようなＵ型のサブコア１３を設けた場合の磁界シミュレーション結果を示す対比特性図。 バスバー１１通電時と非通電時の各々における、図１に示すようなＵ型のサブコア１３を設けた場合（図９と同じ）と図３に示すようなＣ型のサブコア１３を設けた場合の磁界シミュレーション結果を示す対比特性図。 バスバー１１通電時と非通電時の各々における、図３に示すようなＣ型のサブコア１３を設けた場合（図１０と同じ）と図７に示すように端部を折り曲げたサブコア１３を設けた場合の磁界シミュレーション結果を示す対比特性図。

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。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、磁気比例式であり、バスバー１１と、メインコア１２と、サブコア１３と、感磁素子１４とを備える。本図において、直交する３方向であるＸＹＺ方向を定義する（Ｘ方向：メインコア１２のギャップＧ１を渡す方向、Ｙ方向：メインコア１２の軸方向（バスバー１１の貫通方向）、Ｚ方向：ギャップＧ１をメインコア１２の内側から外側に横切る方向）。方向の定義は他の実施の形態においても共通とする。図１においてメインコア１２及びサブコア１３の内部に示される矢印は、バスバー１１にＹ方向の正側から負側（図面奥側から手前側）に電流を流した後にバスバー１１の電流をゼロにしたときの残留磁化方向を示す。

バスバー１１は、被測定電流の経路となる銅等の導体である。メインコア１２は、ギャップＧ１を有する環状（Ｃ型）であり、バスバー１１が貫通する。メインコア１２の材質としては、珪素鋼板や純鉄（ＳＵＹ）、パーマロイ等の軟磁性材が挙げられるが、低コスト化の観点から珪素鋼板か純鉄が好ましい。

サブコア１３は、Ｕ型（半環状）であって端面がメインコア１２のギャップＧ１の近傍に位置し、メインコア１２と非接触でメインコア１２と同一平面内にあり、メインコア１２の漏洩磁束の一部が流れる。サブコア１３の径方向の厚さは、メインコア１２の径方向の厚さと略等しい。サブコア１３のＹ方向の長さは、メインコア１２のＹ方向の長さと略等しい。サブコア１３の材質としては、メインコア１２と同様に珪素鋼板や純鉄、パーマロイ等の軟磁性材が挙げられるが、低コスト化の観点から珪素鋼板か純鉄が好ましい。また、サブコア１３は、メインコア１２と同材質であってもよいが、好ましくはメインコア１２よりも磁化しやすく、かつ残留磁化も大きい材質とする（例：メインコア１２は珪素鋼板、サブコア１３は純鉄）。

感磁素子１４は、例えばホール素子であり、メインコア１２のギャップＧ１内であってメインコア１２の残留磁化により発生する磁界とサブコア１３の残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置（好ましくは打ち消し合ってＸ方向についてゼロになる位置：残留磁界相殺位置）に存在する（固定される）。感磁素子１４は、バスバー１１に流れる電流（被測定電流）の変化に伴って感磁面への印加磁界が変化する配置であり、メインコア１２の端面（ギャップＧ１に臨む面）同士を結ぶ方向（Ｘ方向）が感磁方向であり、ホール素子であれば感磁面はメインコア１２の端面と略平行（ＹＺ平面と略平行）とする。バスバー１１に流れる電流に比例する出力電圧が感磁素子１４から得られる。

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) メインコア１２からの漏洩磁束の一部が流れるサブコア１３を備え、メインコア１２の残留磁化により発生する磁界とサブコア１３の残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に感磁素子１４を配置しているため、サブコア１３が無い場合と比較してバスバー１１非通電時の測定誤差を低減し、測定精度の向上を図り得る電流センサを実現できる。

(2) サブコア１３をメインコア１２よりも磁化しやすく残留磁化も大きい材質とすることにより、サブコア１３をメインコア１２と同材質にした場合と比較して、バスバー１１非通電時のサブコア１３の残留磁化を大きくすることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を大きくすることができて好ましい。

(3) バスバー１１に流れる電流の正負に関わらず、感磁素子１４の位置においてメインコア１２の残留磁化により発生する磁界をサブコア１３の残留磁化により発生する磁界により弱めることができる。なお、特許文献１のようにホール素子の近傍に永久磁石の小片を取り付ける技術では、仮に永久磁石の小片によりメインコア１２の残留磁化により発生する磁界を打ち消そうとしても、バスバー１１に流れる電流の正負いずれかのみにしか対応できない。

(4) サブコア１３を設けたことで、サブコア１３が無い場合と比較して磁気シールド効果が高く、電流センサとして耐ノイズ性が高められる。

図２は、本発明の実施の形態２に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図１に示した実施の形態１のものと比較して、サブコア１３がギャップＧ２を有する環状（Ｃ型）である点で相違し、その他の点で一致する。メインコア１２のギャップＧ１とサブコア１３のギャップＧ２とが相互に近接する。メインコア１２及びサブコア１３のＸ方向の外径は略等しい。ギャップＧ１,Ｇ２は図示のように略同一の長さとしてもよいし、異なる長さとしてもよい。ギャップＧ１,Ｇ２間の距離とギャップＧ１,Ｇ２の長さは、設計上の要求に合わせて適宜設定すればよい。メインコア１２の軸方向とサブコア１３の軸方向は略平行である。本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果を奏するとともに、サブコア１３をＣ型としたことで磁路が環状となり磁界が流れ易くなるため、実施の形態１と比較してサブコア１３の残留磁化（感磁素子１４の位置におけるメインコア１２の磁界を打ち消す逆磁界）を更に大きくすることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができる。また、残留磁界相殺位置において被測定電流により発生する磁界（感磁素子を駆動させる磁界）を強めることができ、測定精度を高めることができる。

図３は、本発明の実施の形態３に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図２に示した実施の形態２のものと比較して、サブコア１３のＸ方向の外径が小さくなった点で相違し、その他の点で一致する。サブコア１３のＸ方向の外径が小さくなったことで、サブコア１３の体積及び磁路長も実施の形態２のものと比較して小さくなっている。本実施の形態によれば、サブコア１３のＸ方向の外径を小さくしたことで、実施の形態２と比較してサブコア１３の残留磁化を更に大きくすることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができ、また残留磁界相殺位置において被測定電流により発生する磁界（感磁素子を駆動させる磁界）を更に強めることができ、測定精度を高めることができる。

図４は、本発明の実施の形態４に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図２に示した実施の形態２のものと比較して、メインコア１２の端面部の角部のうちサブコア１３のギャップＧ２とは反対側に位置する部分が面取りされた形状（面取り形状部１２１）であり、サブコア１３の端面部の角部のうちメインコア１２のギャップＧ１とは反対側に位置する部分が面取りされた形状（面取り形状部１３１）である点で相違し、その他の点で一致する。本実施の形態によれば、面取り形状部１２１,１３１を設けたことにより、実施の形態２と比較して磁界をメインコア１２のギャップＧ１のうちサブコア１３のギャップＧ２に近い部分（面取りの分だけ小さくなった対向面間）に集中させることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができ、また残留磁界相殺位置において被測定電流により発生する磁界（感磁素子を駆動させる磁界）を更に強めることができ、測定精度を高めることができる。

図５は、本発明の実施の形態５に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図２に示した実施の形態２のものと比較して、サブコア１３の径方向の厚さがメインコア１２の径方向の厚さよりも薄い点で相違し、その他の点で一致する。サブコア１３の径方向の厚さがメインコア１２の径方向の厚さよりも薄くなったことで、サブコア１３の体積及び磁路断面積も実施の形態２のものと比較して小さくなっている。本実施の形態によれば、サブコア１３の径方向の厚さをメインコア１２の径方向の厚さよりも薄くしたことで、実施の形態２と比較してサブコア１３の残留磁化を更に大きくすることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができ、残留磁界相殺位置において被測定電流により発生する磁界（感磁素子を駆動させる磁界）を更に強めることができ、測定精度を高めることができる。

図６は、本発明の実施の形態６に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図５に示した実施の形態５のものと比較して、サブコア１３の端部は、端面がメインコア１２のギャップＧ１内に臨むように折り曲げられ形状（折曲げ部１２２）である点で相違し、その他の点で一致する。サブコア１３の端面は、メインコア１２のギャップＧ１内にあってもよいし、ギャップＧ１の手前にあってもよい。本実施の形態によれば、折曲げ部１２２を設けたことにより、実施の形態５と比較してサブコア１３を感磁素子１４に近づけることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができ、また感磁素子１４の位置近傍における位置変化に対する磁界変化を平坦にする（感磁素子１４の位置ずれに対する測定値変動を小さくする）ことができる。また、残留磁界相殺位置において被測定電流により発生する磁界（感磁素子を駆動させる磁界）を更に強めることができ、測定精度を高めることができる。

図７は、本発明の実施の形態７に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図６に示した実施の形態６のものと比較して、サブコア１３のＸ,Ｚ方向の外径が小さくなった点で相違し、その他の点で一致する。サブコア１３の外径が小さくなったことで、サブコア１３の体積及び磁路長も実施の形態６のものと比較して小さくなっている。本実施の形態によれば、サブコア１３の外径を小さくしたことで、実施の形態６の磁界変化を平坦にする効果に加え、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができ、残留磁界相殺位置において被測定電流により発生する磁界（感磁素子を駆動させる磁界）を更に強めることができ、測定精度を高めることができる。

図８は、本発明の実施の形態８に係る電流センサの概略断面図である。この電流センサは、図３に示した実施の形態３のものと比較して、感磁素子１４がメインコア１２のギャップＧ１の近傍であってメインコア１２のギャップＧ１とサブコア１３のギャップＧ２との間に位置する点で相違し、その他の点で一致する。メインコア１２のギャップＧ１内よりもギャップＧ１,Ｇ２間の領域の方がメインコア１２の残留磁化により発生する磁界とサブコア１３の残留磁化により発生する磁界との打ち消し効果が高い場合には、本実施の形態のような感磁素子１４の配置とすることでバスバー１１非通電時の測定誤差を好適に低減できる。

図９は、バスバー１１通電時と非通電時の各々における、サブコア１３が無い場合（比較例）と図１に示すようなＵ型のサブコア１３を設けた場合の磁界シミュレーション結果を示す対比特性図である。本図における横軸はＺ方向位置であり、バスバー１１の上面をＺ＝０としている。縦軸はＸ方向の磁界強度であり、Ｘ方向の負側から正側（図１の左側から右側）に向かう方向を正としている。磁界の測定位置（Ｘ方向位置）は、メインコア１２のギャップＧ１の中央である。バスバー１１の通電方向はＹ方向の正側から負側（図１の奥側から手前側）に向かう方向とし、同方向への通電後に電流を止めた場合を非通電時とする（残留磁化方向は図１に示すとおり）。これらの定義は後述の図１０,１１においても共通とする。また、本シミュレーションにおいてメインコア１２とサブコア１３の材質は同じとしている（図１０,１１においても同様）。

図９に示すように、サブコア１３を設けない場合、シミュレーション範囲においてバスバー１１非通電時にＸ方向の磁界がゼロになる位置が存在しない。一方、Ｕ型のサブコア１３を設けた場合は、シミュレーション範囲においてバスバー１１非通電時にＸ方向の磁界がゼロになる位置（残留磁界相殺位置）が存在する。したがって、当該位置に感磁素子１４を配置することで、バスバー１１非通電時の測定誤差を低減することができる。但し、Ｕ型のサブコア１３を設けた場合、残留磁界相殺位置におけるバスバー１１通電時の磁界が小さいため、電流センサとしての感度の面では改善の余地がある。

図１０は、バスバー１１通電時と非通電時の各々における、図１に示すようなＵ型のサブコア１３を設けた場合（図９と同じ）と図３に示すようなＣ型のサブコア１３を設けた場合の磁界シミュレーション結果を示す対比特性図である。本図に示すように、Ｃ型のサブコア１３を設けた場合は、Ｕ型のサブコア１３を設けた場合と比較して、残留磁界相殺位置におけるバスバー１１通電時の磁界が大きくなり、感度が改善されている。但し、Ｃ型のサブコア１３を設けた場合、残留磁界相殺位置においてＺ方向位置の変動に対するＸ方向の磁界変動が急峻であるため、感磁素子１４の位置ずれによる測定結果への影響が大きい点では改善の余地がある。

図１１は、バスバー１１通電時と非通電時の各々における、図３に示すようなＣ型のサブコア１３を設けた場合（図１０と同じ）と図７に示すように端部を折り曲げたサブコア１３（先端折曲げサブコア１３）を設けた場合の磁界シミュレーション結果を示す対比特性図である。本図に示すように、先端折曲げサブコア１３を設けた場合は、バスバー１１非通電時にＸ方向の磁界が略ゼロになる範囲（残留磁界相殺範囲）が長く、残留磁界相殺範囲におけるバスバー１１通電時の磁界も大きい。このため、電流センサとしての感度も高く、かつ感磁素子１４の位置ずれによる測定結果への影響も小さい（感磁素子１４の位置ずれに強い）。

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、組合せ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。

感磁素子１４の位置は、バスバー１１に流れる電流の変化に伴って感磁面への印加磁界が変化し、かつメインコア１２の残留磁化により発生する磁界とサブコア１３の残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置であれば、メインコア１２のギャップＧ１内に限定されず、ギャップＧ１の近傍であってもよい。

サブコア１３のＹ方向の長さをメインコア１２の同方向の長さよりも短くしてもよい。この場合、両者が同じ長さである場合と比較してサブコア１３の体積が小さくなるため、サブコア１３の残留磁化を更に大きくすることができ、サブコア１３の残留磁化により発生する磁界による打ち消し効果を更に大きくすることができる。

１１ バスバー
１２ メインコア
１２１ 面取り形状部
１２２ 折曲げ部
１３ サブコア
１３１ 面取り形状部
１４ 感磁素子
Ｇ１,Ｇ２ ギャップ

Claims (12)

1. バスバーと、
   前記バスバーが貫通する、ギャップを有する環状のメインコアと、
   前記ギャップ又はその近傍に位置する感磁素子と、
   前記メインコアからの漏洩磁束の一部が流れるサブコアとを備え、
   前記メインコアの残留磁化により発生する磁界と前記サブコアの残留磁化により発生する磁界とが弱め合う位置に前記感磁素子が存在する、電流センサ。
2. 前記サブコアはギャップを有する環状であり、前記メインコアと前記サブコアのギャップ同士が近接している、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記サブコアの径方向の厚さが前記メインコアの径方向の厚さよりも薄い請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記メインコアのギャップを渡す方向と前記サブコアのギャップを渡す方向とが略平行であり、
   前記サブコアは、前記ギャップを渡す方向に関する外径が前記メインコアの同方向の外径よりも小さい、請求項２又は３に記載の電流センサ。
5. 前記サブコアの少なくとも一方の端部は、端面が前記メインコアの前記ギャップ内に臨むように折り曲げられた形状である、請求項２から４のいずれか一項に記載の電流センサ。
6. 前記メインコア及び前記サブコアの少なくとも一方は、いずれか又は両方の端面部の角部のうち前記メインコア及び前記サブコアの他方のギャップとは反対側に位置する部分が面取りされた形状である、請求項２から４のいずれか一項に記載の電流センサ。
7. 前記メインコア及び前記サブコアが軟磁性材からなる請求項１から６のいずれか一項に記載の電流センサ。
8. 前記サブコアは前記メインコアよりも残留磁化が大きい請求項１から７のいずれか一項に記載の電流センサ。
9. 前記サブコアは前記メインコアよりも残留磁化が大きい材質である請求項１から８のいずれか一項に記載の電流センサ。
10. 前記サブコアは前記メインコアよりも体積が小さい請求項１から９のいずれか一項に記載の電流センサ。
11. 前記サブコアの磁路長が前記メインコアの磁路長よりも短い請求項１から１０のいずれか一項に記載の電流センサ。
12. 前記サブコアの磁路断面積が前記メインコアの磁路断面積よりも小さい請求項１から１１のいずれか一項に記載の電流センサ。