JP2014160035A

JP2014160035A - 電流センサ

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Publication number: JP2014160035A
Application number: JP2013031386A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Yasui; 彰広安井; Manabu Kato; 加藤　　学
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: EP2770333A2; EP2770333A3; US20140232376A1; JP6119296B2; CN104007305A; EP2770333B1

Abstract

【課題】大電流に対応できる小型で検出精度の良い電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１００は、被測定電流が流れる平板状の導体１０が板幅方向を深さ方向に一致させて挿通される溝部２１を有する磁性体のコア２０と、溝部２１における導体１０よりも溝部２１の開口部２６の側に、検出方向を溝部２１の間隔方向Ｂに沿うように配置され、磁界の強さを検出する検出素子３０と、を備え、コア２０は、導体１０に対向する面５１が導体１０の板幅を規定する面と平行に形成されているＵ字状部５０と、当該Ｕ字状部５０の開口部２６側の端部から開口部２６の側に向けて、溝部２１の間隔方向Ｂに沿う溝幅が次第に広くなると共に溝部２１の間隔方向Ｂに沿うコア幅が次第に狭くなるように延在する幅狭部６０と、を有し、Ｕ字状部５０と幅狭部６０との境界部５５が、導体１０に対向する位置に設けられてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車が有するモータを駆動するための電流や、工作機械のモータ等に流れる電流は、非常に大きなものである。ただし、このような電流を検知する電流センサは小型化、軽量化、複数電流センサのモジュール化が求められている。しかしながら、このような要求を満たすべく電流センサを小型化すると、様々なセンサ性能を悪化させる要因が生じる。

例えば、この種の小型の電流センサとして磁性体コアを用いたものがある。このような電流センサにあっては、大電流を流した場合、磁性体内部の磁束密度が飽和磁束密度に近づくので磁性体の磁気特性の被測定電流に対する線形性が失われる。その結果、電流が大きくなると、電流センサの検出精度が悪化する。また、このような電流センサは、上記のような大電流を流した場合におけるセンサ性能の悪化以外にも検出素子が拾う外部磁界や、被測定電流を流した後の残留磁気による磁性体のヒステリシスによっても検出精度が悪化する。

電流センサを小型化することにより磁性体の断面積が小さくなると、磁気飽和し易くなり、ヒステリシス特性が悪化し、コアによる外部磁界のシールド効果も低下する。また、３相モータ等では、小型化、複数電流センサのモジュール化により他のバスバーとの間隔が近くなるので、被測定対象の電流以外の他のバスバーに流れる電流に起因する磁界の影響が大きくなる。そこで、以下に記載するような対策が検討されてきた（例えば特許文献１及び２）。

特許文献１に記載の電流センサは、被測定電流が流れる導体と、前記導体を囲うように配され、ギャップを有する環状の磁性シールド板と、前記環状の磁性シールド板の内側に配された磁電変換素子とを有して構成される。磁電変換素子は電流による磁界の磁束密度を検知する。当該磁電変換素子は、前記環状の磁性シールド板のギャップと前記導体との間において、導体に流れる電流に応じて発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近に配置される。

特許文献２に記載の電流計測装置は、磁性体コアと、第１及び第２磁気センサと、電流検出回路とを備えて構成される。磁性体コアは電流が流れる電流路を囲むように配置され、複数のギャップを備えて構成される。第１及び第２磁気センサは各々異なるギャップに配置される。電流検出回路は電流路に流れる電流を検出する際、第１磁気センサの出力と第２磁気センサの出力とから磁性体コアの残留磁束密度を補正して、ヒステリシスによる誤差を取り除く。

特開２００８−１５１７４３号公報特開２００６−７１４５７号公報

特許文献１に記載の技術では、磁性シールド板のギャップ外に磁電変換素子を配置して磁性シールド板の磁気飽和の影響を低減している。磁気飽和の影響を無視できるほど低減するためには、磁性シールド板を磁電変換素子から大きく離す必要があるので、磁気センサが大型化してしまう。

特許文献２に記載の技術では、磁性体コアは、２つの略コの字状の磁性体を互いに向き合わせて２つのギャップを構成する。このような構成の場合、例えば、向かい合う磁性体の一方から他方へ向う方向の外部磁界を受けると、磁性体により集磁された外部磁界が第１及び第２磁気センサに達し、本来の測定に対して影響を与えてしまう。また、２つの磁気センサと被測定電流路との絶縁距離を確保するために、磁気センサが１つの場合に比べて大型化する。

また、大電流の通電時に直線性を確保するためにコアの断面積を大きくすることが考えられるが、係る場合、コアが大型化してしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、大電流に対応できる小型で検出精度の良い電流センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る電流センサの特徴構成は、
被測定電流が流れる平板状の導体が板幅方向を深さ方向に一致させて挿通される溝部を有する磁性体のコアと、
前記溝部における前記導体よりも前記溝部の開口部の側に、検出方向を前記溝部の間隔方向に沿うように配置され、磁界の強さを検出する検出素子と、を備え、
前記コアは、前記導体に対向する面が前記導体の板幅を規定する面と平行に形成されているＵ字状部と、前記Ｕ字状部の前記開口部側の端部から前記開口部の側に向けて、前記溝部の間隔方向に沿う溝幅が次第に広くなると共に前記溝部の間隔方向に沿うコア幅が次第に狭くなるように延在する幅狭部と、を有し、
前記Ｕ字状部と前記幅狭部との境界部が、前記導体に対向する位置に設けられてある点にある。

このような特徴構成とすれば、Ｕ字状部においては溝幅を小さくできるため、深さ方向に直交する断面積を大きくして磁束密度を小さくすることができる。一方、幅狭部においては、溝幅を広げて溝部の磁気抵抗を大きくすることにより磁束密度を小さくすることができる。したがって、磁気飽和がし難いコアを構成することができるので、大電流を流しても検出精度が悪化し難い小型の電流センサを実現することが可能となる。

また、前記幅狭部の前記開口部の側の端部に互いに対向するように前記間隔方向に磁性体コアが突出する突出部が設けられ、前記突出部の互いに対向する面が平行であり、前記突出部の間に前記検出素子が配置されると好適である。

このような構成とすれば、突出部により、外部磁界の影響を低減できる。したがって、例えば、電流センサを複数並べて配置した場合であっても、複数のうちの一つの電流センサの被測定電流以外の電流により生じる磁界の影響を低減することができるので、検出精度の高い電流センサを実現することが可能となる。

また、前記幅狭部が前記導体の前記開口部の側の端部の位置よりも前記開口部の側まで延在していると好適である。

このような構成とすれば、突出部を導体より開口部の側に設けることができるので、突出部の溝幅が導体の厚さに制限されず、突出部の溝幅を狭めて、更に外部磁界の影響を低減することが可能となる。

また、前記境界部が、前記溝部を深さ方向に３等分したうちの開口奥側で前記導体に対向するように設けられていると好適である。

このような構成とすれば、コア内の磁束密度が大きい箇所でコアの断面積を大きく維持するＵ字状部を確保しつつ、溝部の磁気抵抗を大きくする幅狭部を確保することができる。このため、Ｕ字状部及び幅狭部に亘って磁束密度を小さくすることができるので、導体に流れる電流と磁束との関係においてリニアリティのある領域で使用することができる。したがって、検出精度の良い電流センサを実現することができる。

電流センサを模式的に示した斜視図である。電流センサを模式的に示した正面図である。磁束密度のシミュレーション結果である。感度特性を示した図である。その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した図である。その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した図である。その他の実施形態に係る電流センサを模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。本発明に係る電流センサ１００は、導体に流れる被測定電流を測定することが可能なように構成されている。ここで、導体に電流が流れる場合には、当該電流の大きさに応じて導体を軸心として磁界が発生する（アンペールの右手の法則）。本電流センサ１００は、このような磁界の強さを検出し、検出された磁界の強さに基づいて導体に流れる電流（電流値）を測定する。

図１には本実施形態に係る電流センサ１００の斜視図が示される。図１には、平板状の導体からなる導体１０が示されるが、当該導体１０が延在する方向を延在方向Ａとし、導体１０の厚さ方向をＢ、導体１０の幅方向（板幅方向）をＣとする。図２には、導体１０の延在方向Ａ視における電流センサ１００を模式的に示した図が示される。ただし、検出素子３０が有するリード線は省略している。以下、図１及び図２を用いて説明する。

本電流センサ１００は、コア２０及び検出素子３０を備えて構成される。コア２０は、被測定電流が流れる平板状の導体１０が板幅方向を深さ方向に一致させて挿通される溝部２１を有する磁性体から構成される。導体１０は、上述のように平板状で構成される。例えば、この導体１０は、図示しない３相モータと当該３相モータに通電するインバータとを接続するのに利用されるバスバーが相当する。導体１０には、Ａ方向に沿って被測定電流が流れ、本電流センサ１００はこの電流を測定する。

導体１０の板幅方向とは、導体１０を構成する平板の幅に沿った方向であり、図１におけるＣ方向が相当する。本実施形態に係るコア２０は、溝部２１を有する金属磁性体よりなる平板を図１及び図２のＡ方向に積層して形成される。上記金属磁性体は、軟磁性の金属であり、電磁鋼板（珪素鋼板）やパーマロイ、パーメンジュール等が相当する。

コア２０は、図１及び図２のＡ方向視において、溝部２１が一様な形状を形成するように構成される。コア２０には、溝底部２２の側にＡＣ面に平行な導体１０の面が、溝部２１の深さ方向（Ｃ方向）に一致し、且つコア２０の積層方向（Ａ方向）と被測定電流の流れ方向を一致させて挿通される。コア２０に挿通された導体１０は、少なくともコア２０の内壁面２４と空隙を有して構成される。これにより、コア２０と導体１０とを絶縁することが可能となる。したがって、前記空隙は、導体１０に流れる電流の大きさに応じて設定すると好適である。

検出素子３０は、溝部２１における導体１０よりも溝部２１の開口部２６の側に、検出方向を溝部２１の間隔方向（Ｂ方向）に沿うように配置される。溝部２１の開口部２６とは、溝部２１の開口端部である。このため、検出素子３０は、導体１０よりも溝部２１の開口端部に近い側に配置される。また、コア２０の溝部２１に配置された検出素子３０と導体１０との間は、空隙を有して構成される。これにより、検出素子３０と導体１０とを絶縁することが可能となる。ここで、コア２０には、導体１０に流れる電流に応じて生じた磁界が集磁される。集磁された磁界は、検出素子３０の配された近傍ではコア２０の溝部２１の間隔方向（Ｂ方向）の磁界となる。

検出素子３０は、検出方向をＢ方向に一致させて配置される。したがって、導体１０に流れる被測定電流により形成される磁界の強さを効果的に検出することが可能となる。

本実施形態に係るコア２０は、Ｕ字状部５０、幅狭部６０、突出部７０から構成される。Ｕ字状部５０は、導体１０に対向する面が導体１０の板幅を規定する面と平行に形成される。Ｕ字状部５０は、Ａ方向視がＵ字状に構成される。Ｕ字状とは、溝底部２２が円弧状に形成されているものに限定されず、図１及び図２に示されるように溝底部２２が円弧状の一部に直線部分を有する形状に形成されているものも含まれる。また、導体１０に対向する面とは、導体１０が有する面のうちＡＣ面に平行な面であり、図２において符合５１が付された面である。導体１０の板幅を規定する面とは、導体１０が有する面のうちＡＣ面に平行な面である。Ａ方向視におけるＵ字状部５０のコア２０の幅（以下「コア幅」とする）は、一様であっても良いし、溝底部２２の側の幅が面５１の側の幅よりも広くても良い。

このように、Ｕ字状部５０を構成することにより、コア２０と導体１０との空隙を小さく保つことができ、Ｕ字状部５０の図３（ａ）の領域Iのコア断面積を大きくすることができるので、コア２０内を通る磁束密度を小さくすることが可能となる。したがって、コア２０のサイズを大きくすることなく、コア内部の磁束密度を少なくすることができ、磁束飽和を抑制できる。

幅狭部６０は、Ｕ字状部５０の開口部２６側の端部から開口部２６の側に向けて、溝部２１の間隔方向に沿う溝幅が次第に広くなると共に溝部２１の間隔方向に沿うコア幅が次第に狭くなるように延在するように形成される。Ｕ字状部５０の開口部２６側の端部とはＵ字状部５０のうち最も開口部２６に近い側の部分である。幅狭部６０は、このような部分から開口部２６の側に向けて延在する。したがって、当該部分は、Ｕ字状部５０と幅狭部６０との境界部５５に相当する。

ここで、本実施形態では、上述のようにＵ字状部５０は導体１０に対向する面が導体１０の板幅を規定する面と平行に形成される。したがって、境界部５５は、導体１０に対向する位置に設けられる。本実施形態では、境界部５５は、例えば溝部２１を深さ方向に３等分したうちの開口奥側で導体１０に対向するように設けられる。

溝幅とは、溝部２１のＢ方向の幅が相当する。幅狭部６０は、開口奥側から突出部７０まで溝幅が次第に広くなるように構成される。開口奥側とは、溝部２１を開口部２６の側から見て溝底部２２の側である。

本実施形態では、幅狭部６０が導体１０の開口部２６の側の端部の位置よりも開口部２６の側まで延在して設けられる。導体１０の開口部２６の側の端部とは、導体１０の構成部位のうち、最も開口部２６に近い部位である。本実施形態では、図２において符号Ｕで示した、導体１０の上端面１１が相当する。したがって、幅狭部６０は、溝幅が、境界部５５から少なくとも導体１０の上端面１１の位置（Ｕの位置）までＢ方向の幅が次第に広くなるように構成される。

ここで、本実施形態に係るコア２０は、幅狭部６０で溝幅が開口部２６の側に向けて次第に広くなると共に、溝部２１における間隔方向外側の外壁面２３が互いに平行に構成される。間隔方向外側とは、Ｂ方向に直交する方向におけるコア２０の外側である。このように、外壁面２３が互いに平行になるように構成することで、コア２０のＣ方向に垂直に切断した時の断面積を変えずに溝幅を広げた場合と比べて、コア２０を小型化できる。なお、幅狭部６０の溝幅が開口部２６に向けて拡がるため、コア２０のＣ方向に垂直に切断した時の断面積が開口部２６に向けて縮小する。コア２０の開口部２６に向かうほど、コア内の磁束が少ないため、幅狭部６０の開口部２６側の断面積が小さくてもセンサ性能が悪化しにくい。ここで、幅狭部６０のＢ方向に沿うコア幅とは、幅狭部６０をＣ方向に垂直に切断した際に生じる面のＡＣ面に垂直な方向の長さをいう。

突出部７０は、幅狭部６０の開口部２６の側の端部に互いに対向するように間隔方向Ｂに突出するように設けられる。幅狭部６０の開口部２６の側の端部とは、少なくとも導体１０の上端面１１の位置（Ｕの位置）までＢ方向の幅が次第に広くなるように構成されている端部である。図２において突出部７０は、この端部の溝幅を狭くするようにＢ方向に突出して設けられる。符合Ｖを付した位置が相当する。これにより、突出部７０によって外部磁界の影響を低減できる。したがって、例えば、電流センサ１００を複数並べて配置した場合であっても、複数のうちの一つの電流センサ１００の被測定電流以外の電流により生じる磁界の影響を低減することができるので、検出精度の高い電流センサ１００を実現することが可能となる。

突出部７０は、互いに対向する面７１が平行に構成される。本実施形態では、面７１は、夫々Ｂ方向に直交するように構成される。このような突出部７０の間、すなわち互いに対向する面７１の間に、検出素子３０が配置される。このような構成とすれば、検出素子３０付近のＢ方向の磁束密度勾配を緩やかにすることができる。したがって、検出素子３０の位置変動による精度悪化を抑制することができる。

このように構成された電流センサ１００のコア２０に作用する磁束のシミュレーション結果が図３（ａ）に示される。また、比較例として、従来用いられている幅狭部６０を有さないコア２０のシミュレーション結果も図３（ｂ）に示される。なお、理解を容易にするために、図３は磁束密度の大小で示し、矢印の太さが太くなる程、磁束密度が大きくなるように表している。なお、実際にはコア２０内にも磁束が生じているが図３においては省略している。

以下では、Ｕ字状部５０のうち互いに対向する部分を領域Iとし、幅狭部６０に対応する部分を領域IIとし、突出部７０に対応する部分を領域IIIとして説明する。また、幅狭部６０を有さないコア２０の各部も、本実施形態に係るコア２０に対応するように領域Ｉ−IIIとして説明する。

図３（ｂ）に示されるように、領域Iは、領域II及び領域IIIに比べてコア２０に出入する磁束の磁束密度が小さい。これにより、領域Iにおいて、図３（ａ）の領域IIのように幅狭部６０の溝幅を拡げて、溝部２１の磁気抵抗を大きくするよりも、コアの断面積を拡げた方が磁気飽和の抑制に効果がある。本実施形態に係るコア２０では、図３（ａ）に示されるように、領域IIの磁束密度が小さくなっている。これにより、上記構成により磁気飽和を抑制できることがわかった。

図４には、感度特性が示される。本実施形態に係る電流センサ１００の特性は（ａ）を付して示される。比較例として、従来用いられている幅狭部６０を有さないコア２０を有する電流センサの感度特性も（ｂ）を付して示される。図４に示されるように、本実施形態に係るコア２０を有する電流センサ１００の方が従来の電流センサよりも被測定電流が増加しても、感度の直線性を確保できていることがわかった。これにより、本実施形態の電流センサ１００は、従来の電流センサに比べて大電流において精度良く測定することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、図２において幅狭部６０の導体１０の側の面が、境界部５５から直線状に構成されているように示した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。幅狭部６０の導体１０の側の面を、図５に示されるように凹状に形成しても良いし、図６に示されるように凸状に形成しても良い。このような場合であっても、幅狭部６０を、溝幅が次第に広くなるように構成することは当然に可能である。

上記実施形態では、幅狭部６０が、導体１０の開口部２６の側の端部（上端面１１）の位置よりも開口部２６の側まで延在しているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。幅狭部６０が、導体１０の開口部２６の側の端部（上端面１１）の位置よりも溝底部２２の側で終端しているように構成することも当然に可能である。

上記実施形態では、幅狭部６０の開口部２６の側の端部に突出部７０が設けられているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。図７に示されるように、突出部７０を設けずにコア２０を構成することも当然に可能である。係る場合、図７に示されるように、コア２０の開口部２６の側は幅狭部６０で終端することが可能である。

上記実施形態では、突出部７０の互いに対向する面７１が平行であるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、突出部７０の開口部２６の側の面が、開口端部の側ほど、溝幅が狭くなるように構成することも当然に可能である。このような構成であっても、電流センサ１００の外部からの外部磁界の影響を低減することができる。

上記実施形態では、境界部５５は、溝部２１を深さ方向に３等分したうちの開口奥側で導体１０に対向するように設けられるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。境界部５５を、溝部２１を深さ方向に３等分したうちの開口側の部分に設けることも可能であるし、溝部２１を深さ方向に３等分したうちの中央部に設けることも可能である。

本発明は、導体に流れる電流を測定する電流センサに用いることが可能である。

１０：導体
２０：コア
２１：溝部
２６：開口部
３０：検出素子
５０：Ｕ字状部
５１：面
５５：境界部
６０：幅狭部
７０：突出部
７１：面
１００：電流センサ
Ｂ：間隔方向

Claims

被測定電流が流れる平板状の導体が板幅方向を深さ方向に一致させて挿通される溝部を有する磁性体のコアと、
前記溝部における前記導体よりも前記溝部の開口部の側に、検出方向を前記溝部の間隔方向に沿うように配置され、磁界の強さを検出する検出素子と、を備え、
前記コアは、前記導体に対向する面が前記導体の板幅を規定する面と平行に形成されているＵ字状部と、前記Ｕ字状部の前記開口部側の端部から前記開口部の側に向けて、前記溝部の間隔方向に沿う溝幅が次第に広くなると共に前記溝部の間隔方向に沿うコア幅が次第に狭くなるように延在する幅狭部と、を有し、
前記Ｕ字状部と前記幅狭部との境界部が、前記導体に対向する位置に設けられてある電流センサ。
前記幅狭部の前記開口部の側の端部に互いに対向するように前記間隔方向に前記コアが突出する突出部が設けられ、前記突出部の互いに対向する面が平行であり、前記突出部の間に前記検出素子が配置される請求項１に記載の電流センサ。
前記幅狭部が前記導体の前記開口部の側の端部の位置よりも前記開口部の側まで延在している請求項１又は２に記載の電流センサ。
前記境界部が、前記溝部を深さ方向に３等分したうちの開口奥側で前記導体に対向するように設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサ。