JP2021135186A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体材料からなる磁性体コアを備えた電流センサであって、磁性体コアの残留磁化による電流の計測精度の低下を抑えることのできる電流センサを提供する。【解決手段】本発明の一態様において、所定の方向に延伸し、前記所定の方向に電流が流れる導電体１０と、導電体１０を流れる電流により生じる磁場を検知する検知素子１１と、導電体１０と検知素子１１を前記検知素子の感磁方向の両側から挟み込む２枚の板状の磁性体１２１、１２２を有し、前記磁場を集磁する磁性体コア１２と、を備えた、電流センサ１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

従来、所定の方向に延伸し、その方向に電流を流す導電部と、導電部に流れる電流によって生じる磁場を検出する検出部と、導電部および前記検出部を囲う強磁性体材料からなるシールドとを備えた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に記載の電流センサにおけるシールドは、導電部に対向する底部と、導電部および検出部を間に挟んで底部から延伸する２つの側部とを有し、導電部および検出部に外部から入力する磁場を遮蔽して、検出部に対する外乱の影響を低減させる。

特開２０１７−１８１４１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような電流センサにおいては、シールドにより外部の磁場の影響を抑えることができるものの、導電部に流れる電流により生じた磁場がシールドに印加されると残留磁化が生じるため、そのシールドの残留磁化により生じる磁場の影響により、電流の計測精度が低下するという問題がある。

したがって、本発明の目的は、磁性体材料からなる磁性体コアを備えた電流センサであって、磁性体コアの残留磁化による電流の計測精度の低下を抑えることのできる電流センサを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、所定の方向に延伸し、前記所定の方向に電流が流れる導電体と、前記導電体を流れる電流により生じる磁場を検知する検知素子と、前記導電体と前記検知素子を前記検知素子の感磁方向の両側から挟み込む２枚の板状の磁性体を有し、前記磁場を集磁する磁性体コアと、を備えた、電流センサを提供する。

本発明によれば、磁性体材料からなる磁性体コアを備えた電流センサであって、磁性体コアの残留磁化による電流の計測精度の低下を抑えることのできる電流センサを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電流センサの斜視図である。 図２は、図１に記載の切断線Ａ−Ａで切断された電流センサの垂直断面図である。 図３は、図２に示される電流センサの垂直断面図に、磁性体コアの残留磁化により生じる磁場の磁束密度のベクトルを加えた図である。 図４は、比較例としての、１枚の湾曲した板状の磁性体からなる磁性体コアを有する電流センサの垂直断面図に、磁性体コアの残留磁化により生じる磁場の磁束密度のベクトルを加えた図である。 図５は、図３に示される本実施の形態に係る電流センサと、図４に示される比較例に係る電流センサにおける、磁性体コアの残留磁化により生じる磁場の磁束密度分布の例を示すグラフである。 図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサの変形例の垂直断面図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る電流センサの変形例の垂直断面図である。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る電流センサ１の斜視図である。図２は、図１に記載の切断線Ａ−Ａで切断された電流センサ１の垂直断面図である。

電流センサ１は、所定の方向Ｘに延伸し、所定の方向Ｘに電流が流れる電流測定部１０１を有するバスバー１０と、電流測定部１０１を流れる電流により生じる磁場を検知する検知素子１１と、バスバー１０の電流測定部１０１と検知素子１１を両側から挟み込む２枚の板状の磁性体１２１、１２２を有し、上記の磁場を集磁する磁性体コア１２とを備える。

電流センサ１は、検知素子１１が検知する電流測定部１０１を流れる電流により生じる磁場の大きさに基づいて、バスバー１０を流れる電流の大きさを測定することができる。

バスバー１０は、例えば、インバータ装置、電動モータ、電池セルなどの端子に接続される平板状の配線部材であり、図２に示されるように、方向Ｘに垂直な電流測定部１０１の断面の形状は長方形である。

バスバー１０の代わりに、所定の方向Ｘに電流が流れるバスバー１０以外の導電体を用いてもよい。この場合、方向Ｘに垂直な電流測定部の断面の形状は、バスバー１０の電流測定部１０１と同様に長方形であってもよいし、他の形状であってもよい。

検知素子１１は、上述のように、電流測定部１０１を流れる電流により生じる磁場を検知する素子である。このため、検知素子１１は、電流測定部１０１を流れる電流により電流測定部１０１の周りに形成される磁場が通過する位置、すなわち電流測定部１０１に対向する位置に設置される。検知素子１１は、磁場を感知する感磁部を有し、その感磁部の感磁方向は、水平方向（図１、２に示されるＺ方向に平行な方向）である。図１、２に示されるように電流測定部１０１が平板状である場合は、電流測定部１０１の幅方向はＺ方向に平行であるため、検知素子１１の（感磁部の）感磁方向は、電流測定部１０１の幅方向に平行である。

検知素子１１は、例えば、ＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子から構成される感磁部を有し、電流センサ１は、検知素子１１の感磁部が印加された磁場の大きさに応じて出力する電圧に基づいて、バスバー１０に流れる電流値を取得する。

磁性体コア１２は、電流測定部１０１を流れる電流により生じる磁場を集磁して検知素子１１を通過する磁束密度を大きくする機能を有する。磁性体コア１２は、例えば、ケイ素鋼板などの軟磁性体からなる。

図１、２に示されるように、磁性体１２１と磁性体１２２は、バスバー１０の電流測定部１０１と検知素子１１をＺ方向に平行な検知素子１１の感磁方向の両側から挟み込む。

磁性体コア１２は、例えば、スリット１２３により２枚の磁性体１２１、１２２に分離された、湾曲した板状の磁性体である。この場合、磁性体１２１と磁性体１２２は、１枚の湾曲した板状の磁性体を分割することにより形成され、通常、スリット１２３を構成する磁性体１２１の端面１２１ａと磁性体１２２の端面１２２ａが互いに対向する。

図１、２に示される磁性体コア１２は、例えば、板状の底部とその両側に連続する板状の側部からなる、断面がＵ字型の１枚の湾曲した板状の磁性体の底部を分割することにより形成される。図１、２に示される磁性体１２１と磁性体１２２の下側の端部近傍は、１枚の湾曲した板状の磁性体の底部の一部であるため、互いの方向を向くように湾曲している。ここで、磁性体１２１と磁性体１２２の湾曲した部分をそれぞれ湾曲部１２１ｃ、湾曲部１２２ｃとする。

なお、磁性体１２１と磁性体１２２における湾曲部１２１ｃ、１２２ｃの上側の平面部分の傾斜角度が小さくなる（水平に近くなる）ほど磁気飽和しやすくなり、電流センサ１により検知できる電流の最大値が小さくなる。

図３は、図２に示される電流センサ１の垂直断面図に、磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場の磁束密度のベクトルを加えた図である。図３は、バスバー１０に電流を流して磁性体コア１２に磁場を加えた後の、バスバー１０に電流を流していない状態を示している。すなわち、図３にはバスバー１０に流れる電流による磁場は示されていない。

電流センサ１においては、磁性体１２１の上側の端面１２１ｂ近傍と磁性体１２２の上側の端面１２２ｂ近傍の間の残留磁化によって生じる磁場は磁性体１２２から磁性体１２１へ向かい、磁性体１２１の下側の端面１２１ａ近傍と磁性体１２２の下側の端面１２２ａ近傍の間の残留磁化によって生じる磁場は磁性体１２１から磁性体１２２へ向かう（バスバー１０を流れる電流の方向を逆にするとこれらの磁場の向きは逆になる）。

そのため、磁性体１２１と磁性体１２２の間の空間において、磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁性体１２１から磁性体１２２へ向かう磁場と磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁性体１２２から磁性体１２１へ向かう磁場が打ち消し合って磁場の大きさが低減される。これによって、磁性体コア１２の残留磁化に起因する電流の計測精度の低下を抑えることができる。

磁性体コア１２の残留磁化に起因する電流の計測精度の低下をより効果的に抑えるためには、磁性体１２１と磁性体１２２の間の空間における、磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場の大きさ（強度の絶対値）が最小になる点（以下、点Ｐとする）に重なるように検知素子１１を設置することが好ましい。

さらに、磁性体１２１と磁性体１２２の間の空間に、磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁性体１２１から磁性体１２２へ向かう磁場と磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁性体１２２から磁性体１２１へ向かう磁場が打ち消し合って、磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁場の大きさがゼロになる点が存在すること、すなわち点Ｐにおける磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場の大きさがゼロであることが好ましい。

点Ｐにおける磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場の大きさがゼロである場合、点Ｐに重なるように検知素子１１を設置することにより、磁性体コア１２の残留磁化による電流の計測精度の低下を最小限に抑えることができる。

例えば、磁性体１２１と磁性体１２２が面対称の関係にあり、その対称面に関して電流測定部１０１が面対称性を有する場合、その対称面上に磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁場の大きさがゼロになる点Ｐが存在し得る。

図３に示される例では、磁性体１２１と磁性体１２２が対称面πに関して面対称の関係にあり、電流測定部１０１が対称面πに関して面対称性を有するため、磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁場の大きさがゼロになる点Ｐが対称面π上に存在する。図３中の点線の矢印は、点Ｐ近傍を通って点Ｐ近傍で打ち消し合う磁性体１２１から磁性体１２２へ向かう磁場と磁性体１２２から磁性体１２１へ向かう磁場を大まかに示したものである。そして、点Ｐに重なるように検知素子１１が設置されているため、磁性体コア１２の残留磁化に起因する電流の計測精度の低下が最小限に抑えられている。

図４は、比較例としての、１枚の湾曲した板状の磁性体からなる磁性体コア５２を有する電流センサ５の垂直断面図に、磁性体コア５２の残留磁化により生じる磁場の磁束密度のベクトルを加えた図である。磁性体コア５２は、スリット１２３を含まない磁性体コア１２の形状に相当する形状を有し、電流測定部１０１の下面に対向する板状の底部５２３と、その両側に連続する板状の側部５２１、５２２から構成される。

図４に示されるように、電流センサ５においては、磁性体コア５２の側部５２１と側部５２２の間の空間の全領域において、磁性体コア５２の残留磁化により生じる磁場は側部５２２から側部５２１へ向かう。このため、残留磁化により生じる磁場が打ち消し合って低減することはほとんどなく（少なくとも水平方向（図１〜３のＺ方向に平行な方向）のベクトルが打ち消し合って低減することはない）、電流センサ５においては、電流センサ１と比較して、検知素子１１が残留磁化により生じる磁場から受ける影響が大きくなる。

図５は、図３に示される本実施の形態に係る電流センサ１と、図４に示される比較例に係る電流センサ５における、磁性体コアの残留磁化により生じる磁場の磁束密度分布の例を示すグラフである。図５の縦軸は、電流測定部１０１の幅方向（Ｚ方向に平行な方向）の中心を通る面π上の磁束密度を表し、横軸は、電流測定部１０１の表面（図３の上側の面）からの距離を表す。図５における電流センサ１、５の磁束密度は、電流センサ５のバスバー１０の表面上の磁束密度を１として規格化されている。

図５は、電流センサ１の磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場が、電流センサ５の磁性体コア５２の残留磁化により生じる磁場よりも格段に小さいことを示している。また、図５によれば、電流センサ１の磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場の磁束密度がゼロになる点Ｐが、図５中に矢印で示される点（電流測定部１０１の表面からの距離がおよそ０．６ｍｍである点）に存在する。

電流センサ１においては、スリット１２３の幅（端面１２１ａと端面１２２ａの間隔）を調整することにより、端面１２１ａと端面１２２ａの間の磁場の分布を変化させて、磁性体コア１２の残留磁化により生じる磁場の大きさが最小になる点Ｐの高さ方向（図１〜３のＹ方向に平行な方向）の位置を変えることができる。具体的には、点Ｐの位置が、スリット１２３の幅を狭めると下がり、広げると上がる。

検知素子１１を磁性体１２２と磁性体１２１との間の空間における中心近くに設置することにより、磁性体コア１２の外側の磁場から受ける影響をより低減することができる。また、検知素子１１を電流測定部１０１からある程度離して設置することにより、電流が流れることにより発熱する電流測定部１０１から受ける熱の影響を抑えることができる。これらの事情に基づいて設定される検知素子１１の設置位置に応じて、スリット１２３の幅を調整して点Ｐの位置を設定することができる。

（変形例１）
磁性体コア１２は、電流測定部１０１と検知素子１１を両側から挟み込む磁性体１２１と磁性体１２２を有していて、磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁性体１２１から磁性体１２２へ向かう磁場と磁性体コア１２の残留磁化によって生じる磁性体１２２から磁性体１２１へ向かう磁場が打ち消し合って、磁性体１２１と磁性体１２２の間の空間の磁場が低減されるのであれば、その形状は特に限定されない。

図６（ａ）は、電流センサ１の変形例である電流センサ２の垂直断面図である。電流センサ２は、電流センサ１の磁性体コア１２と異なる形状の磁性体コア２２を有する。磁性体コア２２は、例えば、スリット２２３により２枚の磁性体２２１、２２２に分離された、湾曲した板状の磁性体であり、スリット２２３を構成する磁性体２２１の端面２２１ａと磁性体２２２の端面２２２ａが互いに対向する。

磁性体コア２２を構成する磁性体２２１、２２２は、電流測定部１０１と検知素子１１を挟み込む部分が垂直（Ｙ方向に平行）である点において磁性体コア１２を構成する磁性体１２１、１２２と異なるが、磁性体コア２２の残留磁化によって生じる磁性体２２１から磁性体２２２へ向かう磁場と磁性体コア２２の残留磁化によって生じる磁性体２２２から磁性体２２１へ向かう磁場が打ち消し合って磁場の大きさが低減される領域が存在する。

図６（ｂ）は、電流センサ１の変形例である電流センサ３の垂直断面図である。電流センサ３も、電流センサ１の磁性体コア１２と異なる形状の磁性体コア３２を有する。磁性体コア３２は、例えば、スリット３２３により２枚の磁性体３２１、３２２に分離された、湾曲した板状の磁性体であり、スリット３２３を構成する磁性体３２１の端面３２１ａと磁性体３２２の端面３２２ａが互いに対向する。

磁性体コア３２を構成する磁性体３２１、３２２は、それらの上側の端部が互いの方向を向くように湾曲している点において磁性体コア１２を構成する磁性体１２１、１２２と異なるが、磁性体コア３２の残留磁化によって生じる磁性体３２１から磁性体３２２へ向かう磁場と磁性体コア３２の残留磁化によって生じる磁性体３２２から磁性体３２１へ向かう磁場が打ち消し合って磁場の大きさが低減される領域が存在する。

電流センサ２、３のような、電流センサ１と２枚の磁性体の形状が異なる変形例においては、磁性体コアの残留磁化により生じる磁場の大きさが最小になる点ＰのＹＺ面内の位置が電流センサ１と異なり得る。また、電流センサ１と同様に、スリットの位置や形状によって、点ＰのＹＺ面内の位置が変化する。

（変形例２）
電流センサ１においては、例えば、電流測定部１０１、検知素子１１、磁性体コア１２をハウジングに収容したり、モールドで封止したりすることにより、電流測定部１０１の位置に対する検知素子１１と磁性体コア１２の位置を固定することができる。そのとき、磁性体コア１２の磁性体１２１と磁性体１２２は分離しているため、磁性体コア５２のような１つの部品からなる従来の磁性体コアと比較して、磁性体１２１と磁性体１２２の相対位置のずれが生じやすい場合がある。

図７は、電流センサ１の変形例である電流センサ４の垂直断面図である。電流センサ４においては、磁性体コア１２の磁性体１２１と磁性体１２２が、これらの相対的な位置が固定されるように、樹脂などからなる絶縁性の保持部材４０により保持されている。磁性体１２１と磁性体１２２が保持部材４０により固定されているため、磁性体コア１２をハウジングへの収容やモールドでの封止を行う際の磁性体１２１と磁性体１２２の相対位置のずれを防ぐことができる。

（実施の形態の効果）
以上説明した実施の形態に係る電流センサによれば、バスバーを両側から挟み込む２つの磁性体で磁性体コアを構成することにより、磁性体コアの内側の磁場の大きさを低減し、磁性体コアの残留磁化による電流の計測精度の低下を抑えることができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］所定の方向に延伸し、前記所定の方向に電流が流れる導電体（１０）と、前記導電体（１０）を流れる電流により生じる磁場を検知する検知素子（１１）と、前記導電体（１０）と前記検知素子（１１）を前記検知素子（１１）の感磁方向の両側から挟み込む２枚の板状の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）を有し、前記磁場を集磁する磁性体コア（１２、２２、３２）と、を備えた、電流センサ（１〜４）。

［２］前記２枚の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）の間の空間における、前記磁性体コア（１２、２２、３２）の残留磁化により生じる磁場の強さの絶対値が最小になる点に重なるように前記検知素子が設置された、上記［１］に記載の電流センサ（１〜４）。

［３］前記２枚の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）の間の空間に、前記磁性体コア（１２、２２、３２）の残留磁化によって生じる磁場の大きさがゼロになる点が存在する、上記［２］に記載の電流センサ（１〜４）。

［４］前記磁性体コア（１２、２２、３２）が、スリット（１２３、２２３、３２３）により前記２枚の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）に分離された、湾曲した板状の磁性体である、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の電流センサ（１〜４）。

［５］前記スリット（１２３、２２３、３２３）を構成する前記２枚の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）の端面（１２１ａ、１２２ａ、２２１ａ、２２２ａ、３２１ａ、３２２ａ）が互いに対向する、上記［４］に記載の電流センサ（１〜４）。

［６］前記導電体（１０）がバスバーであり、前記２枚の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）が、前記導電体（１０）を幅方向の両側から挟み込む、上記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の電流センサ（１〜４）。

［７］前記２枚の磁性体（１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２）が、相対的な位置が固定されるように絶縁性の保持部材（１４）により保持された、上記［１］〜［６］のいずれか１項に記載の電流センサ（１〜４）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変形して実施することが可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが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。

１、２、３、４…電流センサ
１０…バスバー
１０１…電流測定部
１１…検知素子
１２、２２、３２…磁性体コア
１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２…磁性体
１２１ａ、１２２ａ、２２１ａ、２２２ａ、３２１ａ、３２２ａ…端面
１２３、２２３、３２３…スリット

Claims (7)

1. 所定の方向に延伸し、前記所定の方向に電流が流れる導電体と、
   前記導電体を流れる電流により生じる磁場を検知する検知素子と、
   前記導電体と前記検知素子を前記検知素子の感磁方向の両側から挟み込む２枚の板状の磁性体を有し、前記磁場を集磁する磁性体コアと、
   を備えた、電流センサ。
2. 前記２枚の磁性体の間の空間における、前記磁性体コアの残留磁化により生じる磁場の強さの絶対値が最小になる点に重なるように前記検知素子が設置された、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記２枚の磁性体の間の空間に、前記磁性体コアの残留磁化によって生じる磁場の大きさがゼロになる点が存在する、
   請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記磁性体コアが、スリットにより前記２枚の磁性体に分離された、湾曲した板状の磁性体である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 前記スリットを構成する前記２枚の磁性体の端面が互いに対向する、
   請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記導電体がバスバーであり、
   前記２枚の磁性体が、前記導電体を幅方向の両側から挟み込む、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の電流センサ。
7. 前記２枚の磁性体が、相対的な位置が固定されるように絶縁性の保持部材により保持された、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の電流センサ。
   

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