JP2015137892A - 電流検出構造 - Google Patents

Abstract

【課題】バスバに大電流が流れる場合でも感度の高い磁気検出素子を使用可能となり、精度の高い測定が可能な電流検出構造を提供する。
【解決手段】電流が流れるバスバ２と、バスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子３と、磁気検出素子３が測定した磁界に基づきバスバ２に流れる電流を検出する電流検出部７と、を備えた電流検出構造であって、バスバ２には、バスバ２を貫通する貫通孔４を形成して貫通孔４の両側に電流路５，６が形成され、磁気検出素子３は、貫通孔４に配置され、電流検出部７は、磁気検出素子３が検出した貫通孔４の両側の電流路５，６を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度に基づき、バスバ２に流れる電流を検出するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出構造に関するものである。

従来より、バスバに流れる電流を検出する際に、検出対象となる電流により発生する磁界の強度を磁気検出素子で検出することが行われている。磁気検出素子により磁界の強度を検出することで、その磁界の強度を基に、バスバに流れる電流を演算により求めることが可能になる。

磁気検出素子としては、ＭＲ（Magneto Resistance）センサや、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサが知られている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特許第５１５３４８１号公報 特開２０１３−１７０８７８号公報

ところで、精度の高い測定を行うためには、より感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子を用いることが望まれる。

しかしながら、例えば３相モータの各相に流れる電流を検出する場合など、バスバに大電流が流れる場合には、バスバを流れる電流により形成される磁界の強度が大きすぎるために、感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子を用いることが困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、バスバに大電流が流れる場合でも感度の高い磁気検出素子を使用可能となり、精度の高い測定が可能な電流検出構造を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、電流が流れるバスバと、該バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子と、該磁気検出素子が測定した磁界に基づき前記バスバに流れる電流を検出する電流検出部と、を備えた電流検出構造であって、前記バスバには、該バスバを貫通する貫通孔を形成して該貫通孔の両側に電流路が形成され、前記磁気検出素子は、前記貫通孔に配置され、前記電流検出部は、前記磁気検出素子が検出した前記貫通孔の両側の電流路を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度に基づき、前記バスバに流れる電流を検出する電流検出構造である。

前記磁気検出素子は、その検出軸が前記バスバの厚さ方向に沿うように配置されてもよい。

前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサであってもよい。

前記磁気検出素子は、前記合成磁界の磁束密度が０より大きく５ｍＴ以下となる位置に配置されてもよい。

前記磁気検出素子は、前記合成磁界の磁束密度が０より大きく２ｍＴ以下となる位置に配置されてもよい。

前記貫通孔は、前記バスバの中心軸に対して対称形状に形成され、前記貫通孔の両側の電流路が対称形状に形成されており、前記磁気検出素子は、前記バスバの中心軸からずれた位置に配置されてもよい。

前記磁気検出素子は、前記バスバの長手方向における前記貫通孔の中央部に配置されてもよい。

前記貫通孔の両側の電流路が、前記バスバの長手方向に沿った直線状に形成されてもよい。

前記バスバを流れる電流の周波数が１００ｋＨｚ以下であり、前記バスバが銅または銅合金からなり、前記貫通孔の両側の電流路それぞれの幅が、０．５ｍｍ以下であってもよい。

前記磁気検出素子の前記バスバの厚さ方向における中心が、前記バスバの厚さ方向の中心と一致してもよい。

本発明によれば、バスバに大電流が流れる場合でも感度の高い磁気検出素子を使用可能となり、精度の高い測定が可能な電流検出構造を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電流検出構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図１（ｂ）における２Ａ−２Ａ線断面図および当該断面における磁束密度の分布を示す図である。 本発明の一変形例に係る電流検出構造の断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の一変形例に係る電流検出構造の平面図である。 本発明において、検出する磁束密度の周波数依存特性を示すグラフ図である。 本発明の他の実施形態に係る電流検出構造の斜視図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施形態に係る電流検出構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。また、図２は、図１（ｂ）における２Ａ−２Ａ線断面図および当該断面における磁束密度の分布を示す図である。

図１，２に示すように、電流検出構造１は、長手方向に沿って電流を流すバスバ２と、バスバ２を流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子３と、を備えている。電流検出構造１は、例えば、自動車のインバータに設けられたバスバ２に流れる電流を検出するものである。

バスバ２は、板状の導体であり、電流を流す電流路となるものである。バスバ２を流れる電流は、例えば、定常時で最大２００Ａ程度、異常時等の突入電流で最大８００Ａ程度であり、周波数は、例えば最大１００ｋＨｚ程度である。

磁気検出素子３は、検出軸Ｄに沿った方向の磁界の強度（磁束密度）に応じた電圧の出力信号を出力するように構成されている。本実施形態では、磁気検出素子３として、高い感度を有するＧＭＲセンサを用いる。

さて、本実施形態に係る電流検出構造１では、バスバ２に、バスバ２を貫通する貫通孔４を形成し、貫通孔４に磁気検出素子３を配置している。磁気検出素子３は、その検出軸Ｄがバスバ２の厚さ方向に沿うように配置される。すなわち、磁気検出素子３は、その検出軸Ｄがバスバ２の表面に対して直交するように配置される。ここで、磁気検出素子３がＧＭＲセンサである場合、検出軸が２軸以上となるので、この場合、ある特定の１軸がバスバ２の表面に対して垂直となる。なお、磁気検出素子３の検出軸Ｄは、バスバ２の表面に対する直交方向に対して−１０°〜１０°程度傾いてもよい。

貫通孔４は、バスバ２の中央部を貫通するように形成され、貫通孔４の周囲はバスバ２で囲まれている。つまり、貫通孔４は、その一部がバスバ２の側方に開口する切欠き状に形成されるものではない。このように貫通孔４を形成することで、貫通孔４の両側に電流路５，６が形成されることになる。

貫通孔４の両側に電流路５，６が形成されることにより、貫通孔４内では、両電流路５，６で発生した磁界の厚さ方向の成分が互いに相殺し合うようになる。貫通孔４内に配置された磁気検出素子３は、貫通孔４の両側の電流路５，６を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度、すなわち両電流路５，６で発生し互いに相殺し合った磁界の強度を検出することになるため、磁気検出素子３を配置する位置を調整することで、相殺の程度を調整し、検出する磁界の強度を最適な大きさとすることが可能になる。

また、電流検出構造１は、電流検出部７を備えている。電流検出部７は、磁気検出素子３が検出した貫通孔４の両側の電流路５，６を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度に基づき、バスバ２に流れる電流を検出するものである。電流検出部７は、例えば、自動車のＥＣＵ（電子制御ユニット）に設けられる。

つまり、電流検出構造１では、バスバ２に流れる電流が大きく、電流路５，６それぞれで発生する磁界の強度が大きい場合であっても、それらを相殺して適切な強度の磁界を磁気検出素子３で検出させることが可能であり、磁気検出素子３として感度の高いＧＭＲセンサ等を用い、測定を行うことが可能になる。

磁気検出素子３としてＧＭＲセンサを用いる場合、磁気検出素子３は、電流路５，６で発生した磁界を合成した合成磁界の磁束密度が０より大きく５ｍＴ以下となる位置に配置されることが望ましい。これは、一般的なＧＭＲセンサでは、５ｍＴを超える磁束密度のもとでは出力が飽和してしまい、測定が困難となってしまうためである。なお、ここでいう磁束密度の大きさとは定常状態におけるものであり、異常時や過渡状態において一時的に５ｍＴを超えてしまうような場合は除外するものとする。

また、ＧＭＲセンサでは、精度良く磁束密度を検出可能な領域（磁束密度と出力電圧が線形となる領域）が通常２ｍＴ以下であるため、より好ましくは、電流路５，６で発生した磁界を合成した合成磁界の磁束密度（定常状態における磁束密度）が０より大きく２ｍＴ以下となる位置に磁気検出素子３を配置することが望ましい。

なお、本明細書において、貫通孔４に磁気検出素子３を配置するということは、磁気検出素子３の少なくとも一部が貫通孔４内に収容されていること、換言すれば、横断面視（あるいは側面視）で磁気検出素子３の少なくとも一部がバスバ２に重なっていることを意味している。電流検出構造１では、磁気検出素子３の中心（バスバ２の厚さ方向（図２の上下方向）における中心）が、バスバ２の厚さ方向の中心と一致するように磁気検出素子３を配置している。これにより、磁気検出素子３としてＧＭＲセンサを用いる場合、磁気検出素子３に入ってくる磁界の方向が磁気検出素子３の検出軸Ｄに平行な方向のみとなるので、容易に精度の高い電流検出が可能となる。

貫通孔４の長手方向の端部の近傍では幅方向の成分を有する電流が流れて誤差の原因となるため、この幅方向の成分を有する電流の影響を受けない程度に、貫通孔４の長手方向の端部から離れた位置に磁気検出素子３を配置することが望ましく、バスバ２の長手方向における貫通孔４の中央部に磁気検出素子３を配置することが好ましい。貫通孔４の長さＬｈは、バスバ２を流れる電流の大きさ等を考慮し、貫通孔４の長手方向の端部近傍で発生する磁界の影響を受けない位置に磁気検出素子３を配置可能な長さとすればよい。

本実施形態では、貫通孔４をバスバ２の中心軸Ｏに対して対称形状に形成し、貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成している。このように構成することで、両電流路５，６で対称な磁界が発生することになる。

図２に示すように、電流路５により発生する磁束密度Ｂ１と、電流路６により発生する磁束密度Ｂ２の貫通孔４内での分布は、ほぼ電流路５，６からの距離に反比例したものとなり、かつ、両電流路５，６で発生する磁束密度Ｂ１，Ｂ２の向きは逆方向となる。貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成することで、バスバ２の中心軸Ｏ上では両電流路５，６で発生した磁界が完全に相殺し合い、磁束密度（Ｂ１＋Ｂ２）は０となる。図２のグラフでは、図示左側の電流路５で発生する磁束密度Ｂ１の分布を細線破線、図示右側の電流路６で発生する磁束密度Ｂ２の分布を細線一点鎖線、両電流路５，６で発生する磁束密度を合成した磁束密度（Ｂ１＋Ｂ２）の分布を太線実線で示している。

したがって、磁気検出素子３を、バスバ２の中心軸Ｏからずれた適宜な位置に配置することで、最適な大きさの磁束密度（Ｂ１＋Ｂ２）を磁気検出素子３で検出させ、精度の高い測定を行うことが可能になる。なお、磁気検出素子３をバスバ２の中心軸Ｏからずれた位置に配置するとは、バスバ３の幅方向における磁気検出素子３の中心と中心軸Ｏの位置が幅方向にずれていることを意味し、磁気検出素子３の一部が中心軸Ｏに重なっていても構わない。

また、電流検出構造１では、バスバ２の中心軸Ｏの近傍において、両電流路５，６で発生する磁束密度を合成した磁束密度（Ｂ１＋Ｂ２）の分布が比較的フラットに近くなるため、外乱による誤差を小さくすることが可能であり、ロバスト性に優れている。貫通孔４の幅Ｗｈが大きいほど、中心軸Ｏの近傍の磁束密度（Ｂ１＋Ｂ２）の分布がフラットに近づくため、ロバスト性を向上させる観点からは、貫通孔４の幅Ｗｈはなるべく大きくすることが望ましい。

また、電流路５，６の幅Ｗは、バスバ２を流れる電流の周波数を考慮して表皮効果の影響を抑制できる厚さにすることが好ましい。バスバ２として銅または銅合金を用いる場合、周波数１００ｋＨｚでの表皮厚は０．２ｍｍ程度となるので、本実施形態においては、電流路５，６の幅Ｗは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。なお、周波数１０ｋＨｚでの表皮厚は１ｍｍ程度となるので、この場合、電流路５，６の幅Ｗは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

ただし、電流路５，６の幅Ｗを極端に小さくすると、電流路５，６の断面積が減少して抵抗が増加し損失が大きくなり、発熱も大きくなってしまう。よって、表皮効果による影響と許容される損失や発熱等を考慮して、電流路５，６の幅Ｗと貫通孔４の幅Ｗｈを適宜設定するとよい。

電流路５，６の厚さについても、バスバ２を流れる電流の周波数を考慮して表皮効果の影響を抑制できる厚さにすることが好ましく、バスバ２として銅または銅合金を用い、バスバ２を流れる電流の周波数が１００ｋＨｚ以下である場合には、電流路５，６の厚さは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。また、バスバ２を流れる電流の周波数１０ｋＨｚ以下である場合には、電流路５，６の幅Ｗは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

なお、本実施形態では、貫通孔４をバスバ２の中心軸Ｏに対して対称形状に形成し、貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成したが、図３に示すように、貫通孔４の両側の電流路５，６を非対称形状としたり、貫通孔４の形状を非対称形状としてもよい。図３では、一例として、図示左側の電流路５の幅Ｗ１を、図示右側の電流路６の幅Ｗ２よりも大きくした場合を示しているが、このような場合、バスバ２の中心軸Ｏ上に磁気検出素子３を配置したり、貫通孔４の幅方向の中心に磁気検出素子３を配置することも可能である。

ただし、電流路５の幅Ｗ１と電流路６の幅Ｗ２の差が大きくなると、電流の逆流等の現象が発生し誤差の原因となるため、幅Ｗ１，Ｗ２が極端に異ならないように調整する必要がある。

また、電流路５，６を非対称形状としたり貫通孔４の形状を非対称形状とした場合には、両電流路５，６に流れる電流に差が生じ、両電流路５，６で発生する磁界の強度に差が生じることになるので、磁束密度の分布が図２に示したような均一な分布とはならず偏った分布となり、特定の方向からの外乱の影響を受けやすくなるおそれがある。よって、ロバスト性を高めるという観点からは、貫通孔４をバスバ２の中心軸Ｏに対して対称形状に形成し、貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成することがより望ましい。

また、本実施形態では、貫通孔４を平面視で矩形状に形成しているが、貫通孔４の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図４（ａ）に示すように貫通孔４を楕円形状としたり、図４（ｂ）に示すように貫通孔４を多角形状としてもよい。ただし、図４（ａ），（ｂ）のような形状とした場合、電流路５，６にて幅方向の成分を有する電流が発生し誤差の原因となるので、より好ましくは、貫通孔４の両側の電流路５，６は、バスバ２の長手方向に沿った直線状に形成されるとよい。

以上説明したように、本実施形態に係る電流検出構造１では、バスバ２には、バスバ２を貫通する貫通孔４を形成して貫通孔４の両側に電流路５，６が形成され、磁気検出素子３は、貫通孔４に配置され、電流検出部７は、磁気検出素子３が検出した貫通孔４の両側の電流路５，６を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度に基づき、バスバ３に流れる電流を検出している。

このように構成することで、磁気検出素子３にて電流路５，６で発生し互いに相殺し合った磁界の強度を検出することが可能となり、磁気検出素子３を配置する位置を調整することで、検出する磁界の強度を最適な大きさとすることが可能になる。その結果、バスバ２に大電流が流れる場合でも、感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子３を使用可能となり、精度の高い測定が可能になる。

また、電流検出構造１では、バスバ２を流れる電流の周波数に応じて電流路５，６の幅Ｗや厚さを調整することで、表皮効果の影響を抑制して周波数依存性を小さくすることが可能になる。

図５に示すように、バスバ２に貫通孔４を形成せずバスバ２の近傍に磁気検出素子３を配置した従来例では、周波数が高くなるほど磁束密度が大きくなり、周波数依存性が大きい。これに対して、本実施形態に係る電流検出構造１（本発明）では、周波数による磁束密度の変動が非常に小さく、図示の例では１Ｈｚから１００ｋＨｚの周波数範囲において磁束密度の変動が約１．４％と小さくなっている。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図６に示す電流検出構造６１は、図１の電流検出構造１において、電流路５，６に、バスバ２の側方に突出する（幅方向の外方に突出する）突出部６２を一体に形成したものである。突出部６２を形成することで、電流路５，６の断面積を増加させ、貫通孔４を形成することによる抵抗の増加を抑制し、損失や発熱の増加を抑制することが可能になる。

電流路５，６の断面積の合計値は、バスバ２を流れる電流１Ａあたり１０ｍｍ²以上とすればよい。これは、電流路５，６の断面積の合計値が、バスバ２を流れる電流１Ａあたり１０ｍｍ²未満であると、損失が無視できない程度に大きくなり発熱も大きくなってしまうためである。

突出部６２を形成することで、電流路５，６の幅Ｗが大きくなり周波数依存性が劣化するおそれがあるが、バスバ２を流れる電流の周波数が小さい場合には問題とはならない。つまり、電流検出構造６１は、バスバ２を流れる電流の周波数が表皮効果を考慮する必要がない程度に小さく、かつ、大電流で発熱が問題となるような場合に特に有効である。

なお、電流検出構造６１では、突出部６２を形成することで電流路５，６の断面積を増加させたが、これに限らず、電流路５，６の厚さを増加させることで、電流路５，６の断面積を増加させるようにしてもよい。

このように、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ 電流検出構造
２ バスバ
３ 磁気検出素子
４ 貫通孔
５，６ 電流路
７ 電流検出部

Claims (10)

1. 電流が流れるバスバと、該バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を測定する磁気検出素子と、該磁気検出素子が測定した磁界に基づき前記バスバに流れる電流を検出する電流検出部と、を備えた電流検出構造であって、
   前記バスバには、該バスバを貫通する貫通孔を形成して該貫通孔の両側に電流路が形成され、
   前記磁気検出素子は、前記貫通孔に配置され、
   前記電流検出部は、前記磁気検出素子が検出した前記貫通孔の両側の電流路を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度に基づき、前記バスバに流れる電流を検出する
   ことを特徴とする電流検出構造。
2. 前記磁気検出素子は、その検出軸が前記バスバの厚さ方向に沿うように配置される
   請求項１記載の電流検出構造。
3. 前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサである
   請求項１または２記載の電流検出構造。
4. 前記磁気検出素子は、前記合成磁界の磁束密度が０より大きく５ｍＴ以下となる位置に配置される
   請求項３記載の電流検出構造。
5. 前記磁気検出素子は、前記合成磁界の磁束密度が０より大きく２ｍＴ以下となる位置に配置される
   請求項３または４記載の電流検出構造。
6. 前記貫通孔は、前記バスバの中心軸に対して対称形状に形成され、前記貫通孔の両側の電流路が対称形状に形成されており、
   前記磁気検出素子は、前記バスバの中心軸からずれた位置に配置される
   請求項１〜５いずれかに記載の電流検出構造。
7. 前記磁気検出素子は、前記バスバの長手方向における前記貫通孔の中央部に配置される
   請求項１〜６いずれかに記載の電流検出構造。
8. 前記貫通孔の両側の電流路が、前記バスバの長手方向に沿った直線状に形成される
   請求項１〜７いずれかに記載の電流検出構造。
9. 前記バスバを流れる電流の周波数が１００ｋＨｚ以下であり、
   前記バスバが銅または銅合金からなり、
   前記貫通孔の両側の電流路それぞれの幅が、０．５ｍｍ以下である
   請求項８記載の電流検出構造。
10. 前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサであり、
    前記磁気検出素子の前記バスバの厚さ方向における中心が、前記バスバの厚さ方向の中心と一致する
    請求項１〜９いずれかに記載の電流検出構造。