JP6286219B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流路を流れる電流の値を、電流によって生じる磁気を検出することで検出する電流センサに関するものである。

近年、磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性層、及び磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の積層構造を備える磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）を用いたセンサが提案されている。例えば、電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では比較的大きな電流が取り扱われるため、これらの用途向けに大電流を非接触で測定可能な電流センサが求められている。

このような電流センサとして、被測定電流によって生じる磁界の変化を、磁気検出素子を用いて検出するものがある。
従来の電流センサは、１種類の測定領域での電流値の検出を行う構成のものが一般的であり、車載バッテリに用いる電流センサのように、例えば大電流と小電流との２種類（２レンジ）の電流値を同じ装置で高感度に検出するといったことは困難であった。

このような問題を解決するために、引用文献１には、電流路が内側に位置するＵ型の磁気シールド内に、電流路を囲むように２つのＬ型の磁気シールドを設けた電流センサが開示されている。この電流センサは、電流路が延びる方向に直交する方向（Ｚ軸方向）に磁界強度差（Ｌ型シールドのギャップからの距離に応じた磁界強度差）をつくり、Ｚ方向の異なる位置に同種の磁気センサを配置することで、２レンジの電流値を高感度に検出することを可能にしている。

また、引用文献２では、Ｃ型の磁気シールドの開口部（上部）のギャップに磁束を集め、ギャップからのＺ方向の距離が異なる位置に２つの磁気センサを配置することで、２レンジの電流値を高感度に検出することを可能にしている。

上述した引用文献１，２に開示された電流センサでは、レンジを２つに分けることで、測定レンジを広げたり、微少電流の測定精度を改善することができる。

しかしながら、上述した従来の電流センサでは、厚さ（Ｚ方向）の薄い磁性材料に挟まれたギャップで発生する磁界を用いて、厚さ方向の距離で磁界強度差を設けているため、磁界強度勾配が大きく、電流センサに設置に非常に高い位置精度を要求される。そのため、製造が非常に困難で、高価格化するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、大電流用と小電流用など測定電流値が広範囲の場合に、電流値を高感度で測定することが可能で、且つ、小型化及び低コスト化を図ることも可能となる電流センサを提供することにある。

上述した従来技術の問題を解決し、上述した目的を達成するために、第１の発明の電流センサは、電流が流れる方向に沿って延びる平らな表面を持った電流路と、前記電流路の周囲を囲み、前記表面と対向する領域の少なくとも一部に開口部を有する磁性板と、前記磁性板によって囲まれた空間内であって、前記表面と垂直な方向から見て前記開口部の一部を覆う位置に設けられた磁気調整手段と、前記表面と垂直な方向から見て前記磁気調整手段と重なる位置に設けられた第１の磁気検出手段と、前記表面と垂直な方向から見て前記開口部における前記磁気調整手段と前記磁性板との隙間の領域に設けられた第２の磁気検出手段とを有する。

第１の発明の電流センサでは、電流路に電流が流れ、その周囲に磁界が発生する。当該発生した磁界は、磁性板で囲まれた内側領域のうち電流路の表面と垂直な方向から見て磁気調整手段と重なる領域では弱くなり、当該方向から見て前記磁気調整手段と前記磁性板との隙間の領域では強くなる。
そして、当該磁性板で囲まれた内側領域内の上記磁界が弱い領域で第１の磁気検出手段による磁気検出が行われ、上記磁界が強い領域で第２の磁気検出手段による磁気検出が行われる。

好適には、第１の発明の電流センサでは、前記第１の磁気検出手段と前記第２の磁気検出手段とは、前記電流路から略同距離の位置に設けられている。
このようにすることで、電流路の表面と直交する方向における厚みを薄くでき、薄型化が図れる。また、当該方向における前記第１の磁気検出手段と前記第２の磁気検出手段の位置決めが容易になる。

好適には、第１の発明の電流センサの前記第１の磁気検出手段は、前記磁気調整手段と前記電流路とで挟まれる領域に設けられている。
前記磁気調整手段と前記電流路とで挟まれる領域の磁界は低く、前記第１の磁気検出手段を配置するのに適している。

好適には、第１の発明の電流センサの前記磁気調整手段は、前記電流路の平面に平行し、前記電流が流れる向きと直交する線上で、前記磁気調整手段に対向する位置に谷の変曲点を有し、前記隙間の領域に山の変曲点を有する磁界強度分布を発生し、前記第１の磁気検出手段は前記線上の前記谷の変曲点が生じる位置付近に設けられ、前記第２の磁気検出手段は前記線上の前記山の変曲点が生じる位置付近に設けられている。
変曲点付近では、磁界の変化が小さいため、このように変曲点付近に前記第１の磁気検出手段と前記第２の磁気検出手段を配置することで、位置決め精度の要求を緩和できる。

好適には、第１の発明の電流センサの前記磁気調整手段は、前記電流路の表面と略平行して延びる第１の調整板と、前記第１の調整板から前記電流路に向けて延びる第２の調整板とを有する。

好適には、第１の発明の電流センサの前記第１の磁気検出手段及び前記第２の磁気検出手段は、同一基板上に配置されている

第２の発明の電流センサは、電流路を流れる電流によって生じる磁界の強さを検出する電流センサであって、前記電流路の電流方向と直交する横断面において、前記電流路を囲む周方向の一部の第１の領域を取り囲む磁性体と、前記電流路を囲む周方向の領域のうち前記磁性体で囲まれていない第２の領域に、前記横断面において前記電流路から略同距離の第１の位置と第２の位置とに前記電流によって相互に異なる強さの磁界を生じさせる磁気調整手段と、前記第１の位置に設けられた第１の磁気検出手段と、前記第２の位置に設けられた第２の磁気検出手段とを有する。

第２の発明の電流センサでは、電流路に電流が流れ、その周囲に磁界が発生する。
そして、前記電流路を囲む周方向の領域のうち前記磁性体で囲まれていない第２の領域において、磁気調整手段により、前記横断面において前記電流路から略同距離の第１の位置と第２の位置とに前記電流によって相互に異なる強さの磁界を生じる。
そして、上記第１の位置で第１の磁気検出手段による磁気検出が行われ、上記第２の位置で第２の磁気検出手段による磁気検出が行われる。

本発明によれば、大電流用と小電流用など測定電流値が広範囲の場合に、電流値を高感度で測定することが可能で、且つ、小型化及び低コスト化を図ることも可能となる電流センサを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態の電流センサの外観斜視図である。 図２は、図１に示す電流センサの図１に示す断面線Ａ−Ａにおける断面構造を説明するための図である。 図３は図１に示す電流センサの図１に示す断面線Ａ−Ａにおける断面での磁束密度を示す図である。 図４は、第１の磁気検出部及び第２の磁気検出部が設けられた基板が位置する図３に示すラインＬＸ上の磁束密度を示す図である。 図５は、バスバーの電流値と第１の磁気検出部及び第２の磁気検出部の位置に生じる磁界の強度との関係を示す図である。 図６Ａは図２に示す点Ｐ１とＰ２とを結ぶ直線上の磁界強度を示す図であり、図６Ｂは図２に示す点Ｐ１１とＰ１２とを結ぶ直線上の磁界強度を示す図である。 図７は、従来の電流センサの構造を説明するための図である 図８は、図７に示す電流センサの断面線Ａ−Ａにおける断面での磁束密度の高さ方向（Ｚ方向）に沿った分布を示す図である。 図９Ａは図１に示す磁気調整板の第１の変形例の断面図である。図９Ｂは図１に示す磁気調整板の第２の変形例の断面図である。図９Ｃは図１に示す磁気調整板の第３の変形例の断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る電流センサについて説明する。
図１は、本発明の実施形態の電流センサ１の外観斜視図である。
図２は、図１に示す電流センサ１の図１に示す断面線Ａ−Ａにおける断面構造を説明するための図である。

電流センサ１は、電流路となる導体部材で構成されるバスバー４を流れる電流の電流値を検出する。本実施例では、バスバー４の断面は、幅（Ｘ方向）が厚み（Ｚ方向）より長い、略長方形をしている。バスバー４に流れる電流が、被測定電流となる。

図１に示すように、電流センサ１では、例えば、磁性材料で形成された、所定の筐体（図示せず）の上面に磁性板１５が配設されている。
磁性板１５の内側には、バスバー４の平面４ａに対向した面を備えた磁気調整板１７が設けられている。

また、磁性板１５の内側には、第１の磁気検出部２３と第２の磁気検出部２５とが基板３３上に設けられている。
第１の磁気検出部２３は、バスバー４と磁気調整板１７との隙間に配設されている。
第２の磁気検出部２５は、バスバー４の平面４ａと垂直な方向から見て磁性板１５の開口部１５Ｄにおける磁性板１５と磁気調整板１７との隙間の位置（磁気調整板１７と重なり合わない位置）に設けられている。

［磁性板１５］
磁性板１５は、例えば、磁性板１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃからなる断面略コ字形に磁性材で一体的に成形されており、所定の筐体のベース部材上に、上方（Ｚ方向プラス側）に開口部１５Ｄを向けた状態で設置されている。
磁性板１５は、磁性板１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃで囲まれた領域に磁束を誘導すると共に、外乱をもたらす外部磁界に対して耐性を備えている。このため、隣接電流路などの存在による外部磁界影響が懸念される設置環境下でも、良好な検出精度での使用が可能となる。

磁性板１５の磁性板１５Ｂは、バスバー４の平面４ａに対向し、且つ近接して位置している。そして、磁性板１５Ａと１５Ｂとによって、バスバー４を厚み方向（Ｘ方向）の両側から所定の距離を隔てて挟み込んでいる。磁性板１５は、バスバー４と非接触である。

［磁気調整板１７］ 磁気調整板１７は、例えば、遮蔽板１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃからなる断面略コ字形に磁性材で一体的に成形されており、下方（Ｚ軸マイナス方向、バスバー４に対向する方向）が開口する状態で設置されている。 磁気調整板１７は、平面４ａと直交するＺ方向から見て、磁性板１５の開口部１５Ｄを一部を覆うように配置されている。 磁気調整板１７の遮蔽板１７Ｂは、バスバー４の平面４ａに対向して位置している。また、遮蔽板１７Ａ，１７Ｃは、バスバー４の平面に４ａ向けて延びており、遮蔽板１７Ｂと直交している。磁気調整板１７は、バスバー４および磁性板１５と非接触である。
なお、磁気調整板１７は、本発明の「磁気調整手段」の一例である。
遮蔽板１７Ｂは、本発明の「第１の調整板」の一例である。 遮蔽板１７Ａ，１７Ｃは、それぞれ本発明の「第２の調整板」の一例である。

磁気調整板１７によって、バスバー４を流れる電流によって生じる磁界（磁束密度分布）が影響を受ける。
以下、磁性板１５内の磁束密度を説明する。
図３は図１に示す電流センサ１の図１に示す断面線Ａ−Ａにおける断面での磁束密度を示す図である。
図４は、第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５が搭載された基板３３が位置する図３に示すラインＬＸ上の磁束密度を示す図である。
図５は、バスバー４の電流値と第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５の位置に生じる磁界の強度との関係を示す図である。
図６Ａは図２に示す点Ｐ１とＰ２とを結ぶ直線上の磁界強度を示す図であり、図６Ｂは図２に示す点Ｐ３とＰ４とを結ぶ直線上の磁界強度を示す図である。

バスバ−４に電流が流れると、そのバスバー４の回りに磁界が発生し、その磁界の強さに対応する磁束密度Ｂが生じる。
このとき、磁性板１５内には、磁性板１５と磁気調整板１７との影響を受けた図３に示す磁束密度が生じる。図３において、磁束密度は色が薄くなるに従って強くなる。

図３に示すように、磁性板１５内の磁気調整板１７と開口部１５Ｄとが重なり合わない領域（Ｘ方向において磁気調整板１７が存在しない領域）では、バスバー４から開口部１５Ｄに近づくに従って磁束密度が高く（磁界が強く）なっている。 一方、磁性板１５内の磁気調整板１７と開口部１５Ｄとが重なり合う領域（Ｘ方向において磁気調整板１７が存在する領域）では、バスバー４と磁気調整板１７とで挟まれる領域の磁束密度が非常に低くなっている。 特に、磁気調整板１７の遮蔽板１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃで囲まれた領域内では、当該領域とＺ方向の座標が同じで磁気調整板１７が存在しない領域に比べて、磁束密度が大幅に低くなっている。 また、磁気調整板１７の外側周囲の遮蔽板１７Ａ，１７Ｃの付近では、磁束密度が非常に高くなっている。 このように、磁気調整板１７の遮蔽板１７Ａ，１７Ｃは、その外側の領域で磁束密度を高める機能を果たし、その内側で磁束密度を低減する機能を果たしている。

図２に示す基板３３に沿ったラインＬＸ上の磁束密度（Ｘ成分）は図４に示すようにＸ座標に応じて変化する
図４において、Ｘ＝−７ｍｍは磁性板１５の磁性板１５Ａ付近の位置を示しており、Ｘ＝７ｍｍは磁性板１５の磁性板１５Ｃ付近の位置を示している。

図４に示すように、図１に示すＸ方向における、Ｘ＝−３ｍｍ付近に磁束密度の谷の変曲点があり、Ｘ＝３ｍｍ付近に磁束密度の山の変曲点がある。また、Ｘ＝−３ｍｍ付近とＸ＝３ｍｍ付近では、磁束密度の変化勾配が小さい。
また、Ｘ＝−３ｍｍ付近と、Ｘ＝３ｍｍ付近では、バスバー４に流れる電流（一次電流）に大きさに応じて、磁束密度が図５に示すように変化する。
また、図６Ａ，図６Ｂに示すように、図２に示す点Ｐ１とＰ２とを結ぶ直線上の磁束密度、並びに点Ｐ１１とＰ１２とを結ぶ直線上の磁束密度は変化する。 図６Ａ，図６Ｂに示すＺ座標は、バスバー４からの距離を示している。

［第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５］
第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５は、Ｚ方向におけるバスバー４と磁気調整板１７との間の位置に設けられ、Ｚ方向と直交する基板３３上に配置されている。
このようにすることで、電流センサ１のＺ方向の厚みを小さくでき薄型化、小規模化を図ることができる。

第１の磁気検出部２３は、図１に示すＸ方向におけるＸ＝−３ｍｍ付近に配設され、第２の磁気検出部２５はＸ＝３ｍｍ付近に配設されている。
第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５が配置されるＸ座標周辺では、図４に示すように、磁束密度の変化勾配が小さく、Ｘ方向において高い位置決め精度が要求されない。そのため、製造コストを抑えることができる。
また、電流センサ１では、基板３３は、Ｚ方向においてＺ＝４ｍｍ付近に配置されている。

図６Ａ，図６Ｂに示すように、Ｚ＝４ｍｍ付近では、第１の磁気検出部２３が位置する座標（Ｘ＝−３ｍｍ）と、第２の磁気検出部２５が位置する座標（Ｘ＝３ｍｍ）との双方において、磁束密度の変化勾配は小さい。そのため、Ｚ方向においても高い位置決め精度が要求されない。

第１の磁気検出部２３は、大電流に対応する磁束密度Ｂの大きさ（若しくは磁界の強さ）を検出可能な対象とする。
第１の磁気検出部２３は、例えば、第２の磁気検出部２５と同じものを用いる。
第２の磁気検出部２５は、小電流に対応する磁束密度Ｂの大きさ（若しくは磁界の強さ）を検出可能な対象とする。
なお、磁束密度Ｂと磁界の強さＨについては、周知のマクスウェル方程式の補助式である、Ｂ＝μＨ（但し、μ；透磁率）の関係により、どちらを使用してもよい。

第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５としては、例えば、磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性層、及び磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の積層構造を備える磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）や、ホール素子が用いられる。第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５は、バスバー４に流れる電流を、周囲の磁界の変化を介して検出する。
なお、これらは、図示しない制御部配線で接続される。これにより、第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５から制御部に入力する検出信号に応じて所定の演算処理がなされることで、バスバ−４に流れる所望の電流値の検出が行われるようになっている。

以下、電流センサ１の作用を説明する。
バスバー４に電流が流れると、そのバスバー４の回りに磁界が発生し、その磁界の強さに対応する磁束密度Ｂが生じる。
このとき、磁性板１５内には、磁性板１５と磁気調整板１７との影響を受けた図２に示す磁束密度が生じる。
そして、第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５で検出した磁束に応じた検出信号が制御部に出力される。
制御部では、検出信号が増幅回路で増幅され、検出した磁界の強さに比例した値の電圧値を出力する。
そして、磁気検出部からの出力に基づいて、バスバー４に流れる電流値の検出が行われる。

ここで、バスバー４に流れる電流値Ｉが大電流である場合には、第１の磁気検出部２３が、その大電流値に対応した磁界の強さを高感度で検出する。
一方、バスバー４に流れる電流値が小電流である場合には、第２の磁気検出部２５が、その小電流値に対応した磁界の強さを高感度で検出する。

以上説明したように、電流センサ１によれば、磁気調整板１７を設けることで、磁性板１５内のバスバー４から等距離（Ｚ座標が同じ）の位置において、Ｙ方向に沿って磁界強度が高い領域と低い領域とを形成する。そのため、従来のように電流センサ１のＺ方向（厚み方向）の異なる位置ではなく、Ｚ座標が同じでＹ座標が異なる位置に第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５を配置し、大電流と小電流の双方を同種の２つの磁気センサを用いて検出できる。そのため、電流センサ１のＺ方向の厚みを小さくでき薄型化、小規模化を図れる。
また、電流センサ１によれば、第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５が同一の基板３３上に設置されるため、相対的な位置精度を確保しやすくなる。

電流センサ１によれば、磁気調整板１７によって磁束密度が低くなる領域に、大電流用の第１の磁気検出部２３を配置するため、第１の磁気検出部２３として、比較的、小さな磁束密度を検出する安価なセンサ（例えば、第２の磁気検出部２５と同じセンサ）を用いることができる。

また、電流センサ１によれば、第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５が配置されるＸ座標周辺では、図４に示すように、磁束密度の変化勾配が小さく、高い位置決め精度が要求されない。すなわち、設置誤差による特性劣化を抑制できる。そのため、Ｘ方向での高い位置精度が求められず、製造コストを抑えることができる。
すなわち、従来のように図７に示す形状の磁性板１１５を用いて、ギャップ部分に磁束を集中させると、Ｚ方向の磁束密度の変化勾配は図８に示すように大きくなる。このような構成で従来のように異なるＺ方向に２つの磁気センサを配置すると、磁気センサの設置に非常に高い位置精度が要求されることになる。電流センサ１では、このような問題を解決できる。

また、電流センサ１によれば、磁気調整板１７が外部磁場に対するシールドとしても機能し、第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５の測定精度を向上できる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
例えば、上述した実施形態では、磁気調整板１７により、磁性板１５内に低磁束領域と高磁束領域とを設け、それらに第１の磁気検出部２３及び第２の磁気検出部２５をそれぞれ配置した場合を例示したが、磁気調整板１７により、磁性板１５内に３つ以上のレベルの磁束領域を設け、それぞれに磁気センサを配置してもよい。

また、本実施形態で示した磁気調整板１７の形状は一例であり、請求項に記載の範囲において改変可能である。
例えば、電流センサ１では、磁性板１５と磁気調整板１７とを別体として設けたが、これらを一体的に形成してもよい。
また、 例えば、磁気調整板１７として、図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃに示す形状のものを用いてもよい。
また、遮蔽板１７Ａ，１７Ｃは、遮蔽板１７Ｂに対して９０度以外の角度で傾斜していてもよい。
磁気調整板１７は、バスバー４の横断面方向において、開口部を備えてバスバー４の周囲を囲むものであれば特に限定されない。

また、バスバー４の断面形状は、特に限定されないが、磁気調整板１７側が扁平であることが望ましい。

本発明は、車載用の電流センサ等に適用可能である。

１…電流センサ
４…バスバー
１５…外部遮蔽板
１７…磁気調整板
２３…第１の磁気検出部
２５…第２の磁気検出部
３３…基板

Claims (6)

1. 電流が流れる方向に沿って延びる平らな表面を持った電流路と、
   前記電流路の周囲を囲み、前記表面と対向する領域の少なくとも一部に開口部を有する磁性板と、
   前記磁性板によって囲まれた空間内であって、前記表面と垂直な方向から見て前記開口部の一部を覆う位置に設けられた磁気調整手段と、
   前記表面と垂直な方向から見て前記磁気調整手段と重なる位置に設けられた第１の磁気検出手段と、
   前記表面と垂直な方向から見て前記開口部における前記磁気調整手段と前記磁性板との隙間の領域に設けられた第２の磁気検出手段とを有し、
   前記第１の磁気検出手段は、前記磁気調整手段と前記電流路とで挟まれる領域に設けられ、
   前記磁気調整手段は、前記電流路の平面に平行であり、前記電流が流れる向きと直交する線上で、前記磁気調整手段に対向する位置に谷の変曲点を有し、前記隙間の領域に山の変曲点を有する磁界強度分布を発生し、
   前記第１の磁気検出手段は、前記線上の前記谷の変曲点が生じる位置付近に設けられ、
   前記第２の磁気検出手段は、前記線上の前記山の変曲点が生じる位置付近に設けられている、
   電流センサ。
2. 電流が流れる方向に沿って延びる平らな表面を持った電流路と、
   前記電流路の周囲を囲み、前記表面と対向する領域の少なくとも一部に開口部を有する磁性板と、
   前記磁性板によって囲まれた空間内であって、前記表面と垂直な方向から見て前記開口部の一部を覆う位置に設けられた磁気調整手段と、
   前記表面と垂直な方向から見て前記磁気調整手段と重なる位置に設けられた第１の磁気検出手段と、
   前記表面と垂直な方向から見て前記開口部における前記磁気調整手段と前記磁性板との隙間の領域に設けられた第２の磁気検出手段とを有し、
   前記磁気調整手段は、前記電流路の表面と略平行して延びる第１の調整板と、前記第１の調整板から前記電流路に向けて延びる第２の調整板とを有する、
   電流センサ。
3. 前記第１の磁気検出手段は、前記磁気調整手段と前記電流路とで挟まれる領域に設けられている
   請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１の磁気検出手段と前記第２の磁気検出手段とは、前記電流路から略同距離の位置に設けられている
   請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記第１の磁気検出手段及び前記第２の磁気検出手段は、同一基板上に配置されている
   請求項１〜４のいずれかに記載の電流センサ。
6. 前記電流路は、横断面が長方形であり、厚みより長い幅を有している
   請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサ。