JP2016148620A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】大電流の測定に対応した上で、外乱磁界の影響を低減することができる電流センサを提供する。【解決手段】電流が通電されるブスバー１１と、ブスバー１１の厚み方向の片側に配置され、ブスバーの幅方向に感磁方向を有する磁気センサ１０と、ブスバー１１との間に磁気センサ１０が介在するように配置されたシールド部材１２と、を備える電流センサ２０であって、シールド部材１２は、ブスバー１１と平行に配置されたシールド本体部１２ａと、シールド本体部１２ａのうちブスバー１１の長手方向側の端部からブスバー１１に対して非平行に連続して突出したシールド突出部１２ｂとを有し、シールド本体部１２ａとシールド突出部１２ｂとが磁気センサ１０を内包するように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ブスバーに流れる電流の作る磁界を磁気センサにより計測することで、電流を測定する電流センサに関する。

特許文献１（特に請求項９、段落０００４、００３０、００３１、００４１）には、リング状の磁気コアを用いない「コアレス電流センサ」として、コの字型（換言すれば、半四角筒状ないし半方形環状）のシールド部材をブスバーの上側及び下側に配置し、上下のシールド部材間にギャップを設ける構造が提案されている。

特開２０１０−１４４７７号公報

従来のようにコアレスの電流センサを構成する場合、外乱磁界の影響を低減するためにシールドを配置する必要があるが、シールドの磁気飽和を避けるためにギャップを設ける必要がある。

また、ブスバーの厚み方向からの外乱磁界が入ったときに、磁気センサの実装時のずれや基板の反り等の要因により感磁方向がブスバー厚み方向から傾斜した場合、感磁方向から直交する方向に感度を持つようになるため、ブスバー垂直方向からの外乱磁界によって出力が変動することがある。この変動を避けるために、ブスバー垂直方向からの外乱磁界に耐性を持たせるようにシールド構造を設計すると、ブスバー厚み方向のシールドの長さを確保する必要があり、シールド構造及び電流センサのサイズが大きくなるという問題がある。言うまでもなく、電流センサの筐体を小型化するためには、シールドの大型化は望ましくない。

また、測定電流を大きくしようとした場合、ブスバーの断面積を確保する必要があるため、ブスバーの厚みを厚くする必要がある。また、ブスバーから発生する磁界は、ブスバー表面に近いほど強くなるため、シールドがブスバーに近づくほど、シールドに印加される磁界が大きくなり、シールドにおける磁束密度が飽和しやすくなる。このため、シールドがブスバーに近づくと、測定電流を大きくしようとした場合、磁気センサの出力が非線形になるという問題がある。非線形になると、電流センサの感度がずれやすくなり、電流測定誤差が大きくなる。

これらの事情により、測定電流を大きくするには、シールドとブスバーの距離を確保する必要があるが、シールド間隔も広がるため、外乱磁界の影響が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大電流の測定に対応した上で、シールドの大型化を抑制しつつ、外乱磁界の影響を低減することができる電流センサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、電流が通電されるブスバーと、前記ブスバーの厚み方向の片側に配置され、前記ブスバーの幅方向に感磁方向を有する磁気センサと、前記ブスバーとの間に前記磁気センサが介在するように配置されたシールド部材と、を備える電流センサであって、前記シールド部材は、前記ブスバーと平行に配置されたシールド本体部と、前記シールド本体部のうち前記ブスバーの長手方向側の端部から前記ブスバーに対して非平行に連続して突出したシールド突出部とを有し、前記シールド本体部と前記シールド突出部とが前記磁気センサを内包するように配置されていることを特徴とする電流センサを提供する。

前記シールド部材の前記シールド本体部のうち前記ブスバーの幅方向側の端部は、前記磁気センサに対向する側に突出部を有することなく平坦であることが好ましい。
前記電流センサは、前記ブスバーとの間に前記磁気センサが介在するように配置された前記シールド部材を第一シールド部材として備え、さらに、前記ブスバーの厚み方向において、前記ブスバーに対して前記磁気センサの反対側又は前記ブスバーに対して前記第一シールド部材の反対側に配置された第二シールド部材を備えることが好ましい。

前記第二シールド部材は、前記ブスバーと平行に配置された第二シールド本体部と、前記第二シールド本体部のうち前記ブスバーの幅方向側の端部から前記ブスバーに対して非平行に連続して突出した第二シールド突出部とを有し、前記第二シールド本体部と前記第二シールド突出部とが前記ブスバーを内包するように配置されていることが好ましい。
前記ブスバーの幅方向に沿った前記シールド部材の前記シールド突出部の幅は、前記ブスバーの幅方向に沿った前記シールド部材の前記シールド本体部の幅よりも小さいことが好ましい。

本発明によれば、シールド部材においてブスバー長手方向側の端部からブスバーに対して非平行に連続して突出したシールド突出部を設けることにより、シールドの大型化を抑制しつつ、大電流の測定に対応した上で、外乱磁界の影響を低減することができる。

実施形態に係る電流センサの（ａ）斜視図、及び（ｂ）正面図である。 実施例１及び比較例１，２に係る電流センサの（ａ）感度、及び（ｂ）出力変動を示すグラフである。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。図１に、本実施形態の電流センサ２０を示す。図１（ａ）は筐体２１を省略した斜視図であり、図１（ｂ）はブスバー１１の長手方向に沿った正面図である。

図１に示す電流センサ２０は、磁気センサ１０と、電流が通電されるブスバー１１と、シールド部材１２，１３を備える。ブスバー１１は、長手方向に沿って電流が通電される。磁気センサ１０は、ブスバー１１の厚み方向の片側に配置され、ブスバー１１の幅方向に感磁方向を有する。本実施形態では、シールド部材１２，１３は、第一シールド部材１２及び第二シールド部材１３の２つである。第一シールド部材１２は、ブスバー１１との間に磁気センサ１０が介在するように配置されている。さらに、ブスバー１１の厚み方向において、第二シールド部材１３は、ブスバー１１に対して磁気センサ１０の反対側又はブスバー１１に対して第一シールド部材１２の反対側に配置されている。

すなわち、各部材の配列は、磁気センサ１０を通り、ブスバー１１の厚み方向の線上において、図１の上から下の向きで、第一シールド部材１２、磁気センサ１０、ブスバー１１、第二シールド部材１３の順である。ブスバー１１は、厚み方向の両側に、それぞれ磁気センサ１０側の面１１ａと、第二シールド部材１３側の面１１ｂを有する。第二シールド部材１３側の面１１ｂは、磁気センサ１０側の面１１ａとは反対側に存在する。

電流センサ２０は、図１（ｂ）の仮想線で示すように筐体２１を備える。ブスバー１１と磁気センサ１０との間には、隙間１６が設けられている。また、ブスバー１１と第二シールド部材１３との間には、隙間１７が設けられている。第一シールド部材１２、磁気センサ１０、ブスバー１１、第二シールド部材１３が筐体２１により相互に固定されることにより、電流センサ２０として一体化される。隙間１６，１７に存在する材質は、非磁性体であれば特に限定されず、固体、液体、気体、流体のいずれでもよい。第一シールド部材１２、磁気センサ１０、ブスバー１１、第二シールド部材１３等の各部材の間を、樹脂等で充填してもよい。

第一シールド部材１２は、ブスバー１１と平行に配置された第一シールド本体部１２ａと、第一シールド本体部１２ａのうちブスバー１１の長手方向側の端部からブスバー１１に対して非平行に連続して突出した第一シールド突出部１２ｂとを有する。第一シールド本体部１２ａと第一シールド突出部１２ｂとが磁気センサ１０を内包するように配置されている。これにより、第一シールド部材１２の幅を大きくしたことと同等な効果が得られる。第一シールド突出部１２ｂが第一シールド本体部１２ａに対して成す角度は、直角でもよく、鋭角でもよく、鈍角でもよい。第一シールド本体部１２ａ及び第一シールド突出部１２ｂは、一枚のシールド板の折り曲げにより形成することが可能である。

磁気センサ１０は、第一シールド部材１２（詳しくは第一シールド本体部１２ａ）に重ねて配置された基板１４に実装されている。基板１４は、非磁性基板から構成されている。基板１４は、磁気センサ１０が実装された面がブスバー１１を向くように配置されている。第一シールド部材１２は、基板１４と接するように設けられている。基板１４は、少なくとも磁気センサ１０が実装された部分を、第一シールド部材１２と重ね合うように配置されている。

本実施形態の第一シールド部材１２は、第一シールド本体部１２ａのうちブスバー１１の長手方向側の両端部にそれぞれ第一シールド突出部１２ｂ，１２ｂを有し、第一シールド突出部１２ｂ，１２ｂの間隔は、基板１４を収容できる程度の長さである。これにより、ブスバー１１との干渉もしくは接触がなく、外乱磁界の影響を小さくする構成が可能になる。第一シールド突出部１２ｂが第一シールド本体部１２ａから突出する長さ（突出長）は、基板１４の厚みと同程度でもよく、基板１４の厚みより長くてもよい。第一シールド突出部１２ｂの突出長を短くすることにより、電流センサ２０全体の厚みを小さくすることができる。

磁気センサ１０の第一シールド部材１２側に減磁体（図示せず）を積層することができる。例えば磁気センサ１０と基板１４との間に減磁体が設けられ、磁気センサ１０は減磁体よりもブスバー１１側に配置される。これにより、第一シールド部材１２から発生する残留磁化に起因する磁界を減磁体が吸収するので、磁気センサ１０と第一シールド部材１２との距離が近くても、残留磁化によるヒステリシスの影響を低減することができる。

第一シールド突出部１２ｂは、第一シールド本体部１２ａに対してブスバー１１の長手方向の端部から突出して形成されている。このため、電流によって発生する磁束と直交する方向の寸法を大きくすることができる。形状に起因した反磁界が大きくなるため、磁束密度が飽和しにくく、大電流を精度よく測定しやすいシールド構造とすることができる。
この点について、次のように補足する。まず、定義として、シールド本体部に対して、シールド突出部をブスバーの長手方向の端部に設けた場合は、シールド部材の幅をａ、シールド本体部の長さとシールド突出部の突出長とを合計した寸法をｂとする。また、シールド本体部に対して、シールド突出部をブスバーの幅方向の端部に設けた場合、シールド本体部の幅とシールド突出部の突出長とを合計した寸法をｃ、シールド部材の長さをｄとする。なお、「長さ」とは、ブスバー長手方向に沿った寸法であり、「幅」とは、ブスバー幅方向に沿った寸法であり、「突出長」とは、シールド突出部がシールド本体部から突出する寸法である。１のシールド部材が、複数（例えば一対）のシールド突出部を有する場合、寸法ｂ及びｄの定義における「シールド突出部の突出長」とは、各シールド突出部の突出長の合計である。
シールド部材の縦横比ｂ／ａもしくは、ｄ／ｃの値が大きくなるほど、ブスバーの幅方向に沿った反磁界が大きくなる。反磁界が大きくなった場合、シールド部材に対して、ブスバーから発生する磁場が侵入しにくくなる。つまり、磁気飽和がしにくくなり、大電流を精度よく測定しやすくなる。このため、シールド部材の構造上、シールド本体部に対して、シールド突出部をブスバーの長手方向の端部に設けた場合の縦横比ｂ／ａが、シールド突出部をブスバーの幅方向の端部に設けた場合の縦横比ｄ／ｃよりも大きいため、前者の方が、ブスバーの幅方向に沿った反磁界が大きくなる。従って、前者の方がブスバーから発生する磁場が侵入しにくくなり、より磁気飽和がしにくくなり、大電流を精度よく測定しやすくなる。
このため、本発明の効果が得られる条件として、シールド部材の縦横比の関係としては、以下の式（１）が成立する。
ｂ／ａ ＞ ｄ／ｃ・・（１）
そこで、シールド本体部の幅ａ及び長さｄが両者で等しい条件では、ｂ＞ｄ及びｃ＞ａが成立する。すると、ｂ／ａ＞ｄ／ａ及びｄ／ａ＞ｄ／ｃが成り立つので、（１）が成立することが判る。

第一シールド部材１２において、第一シールド本体部１２ａのうちブスバー１１の幅方向側の端部１２ｃは、磁気センサ１０に対向する側に突出部を有することなく平坦であることが好ましい。これにより、第一シールド部材１２に内包される基板１４をブスバー１１の幅方向に伸長させることができるため、コネクタピン１５をブスバー１１の幅方向外側に配置し、基板１４のスルーホールに直接半田付けすることができる。この場合、ブスバー１１とコネクタピン１５との距離を離すことができるため、基板１４の面に沿った距離（沿面距離）を確保して、ブスバー１１とコネクタピン１５との間の電気絶縁性を保ったまま、電流センサ２０を小型化することができる。コネクタピン１５は、一端１５ａ側が基板１４に固定され、他端１５ｂ側が筐体２１の外部に突出している。筐体２１は、コネクタピン１５の他端１５ｂ側の接続部を覆うコネクタ構造２１ａを有してもよい。

第二シールド部材１３は、ブスバー１１と平行に配置された第二シールド本体部１３ａと、第二シールド本体部１３ａのうちブスバー１１の幅方向側の端部からブスバー１１に対して非平行に連続して突出した第二シールド突出部１３ｂとを有する。第二シールド本体部１３ａと第二シールド突出部１３ｂとがブスバー１１を内包するように配置されている。これにより、第二シールド部材１３の全長を長くすることができる。また、第一シールド部材１２と第二シールド部材１３との隙間１８を小さくすることができるので、磁気センサ１０が配置された部分における外乱磁界の影響を低減することができる。第二シールド突出部１３ｂが第二シールド本体部１３ａに対して成す角度は、直角でもよく、鋭角でもよく、鈍角でもよい。第二シールド本体部１３ａ及び第二シールド突出部１３ｂは、一枚のシールド板の折り曲げにより形成することが可能である。第二シールド部材１３において、第二シールド本体部１３ａのうちブスバー１１の長手方向側の端部１３ｃは、ブスバー１１に対向する側に突出部を有することなく平坦であることが好ましい。これにより、ブスバー１１との干渉もしくは接触をなくすことができる。

磁気センサ１０の感磁方向は、ブスバー１１に平行な面内にあることから、磁気センサ１０の感度の点で、感磁方向の延長線上は、両シールド部材１２，１３の隙間１８を通って外部に開放されていることが好ましい。外乱磁界の影響を抑制する観点から、第二シールド突出部１３ｂ，１３ｂは、ブスバー１１の幅方向の両端１１ｃ，１１ｃを覆うことが好ましい。

第一シールド部材１２において、ブスバー１１の幅方向に沿った第一シールド突出部１２ｂの幅Ｗ２は、ブスバー１１の幅方向に沿った第一シールド本体部１２ａの幅Ｗ１よりも小さいことが好ましい。これにより、第一シールド突出部１２ｂと、第二シールド突出部１３ｂとの干渉もしくは接触をなくすことができる。したがって、第一シールド部材１２及び第二シールド部材１３の間の距離を小さくすることができ、その結果、電流センサを小型化することができる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
磁気センサ１０の構成は、特に限定されないが、例えば励磁コイルとピックアップコイルと軟磁性体コアを同一基板上に形成した薄層フラックスゲートセンサ素子を含むことができる。磁気センサは、薄層フラックスゲートセンサ素子等の磁気素子と共に、軟磁性体からなる減磁体をパッケージ内で積層した構造であってもよい。磁気センサが磁気素子と減磁体とを有する場合、磁気素子がブスバー１１側、減磁体が第一シールド部材１２側に配置される。これにより、上述したように、第一シールド部材１２の残留磁化によるヒステリシスの影響を低減することができる。減磁体の材料としては、ＰＣパーマロイ、ＰＢパーマロイ、フェライト、珪素鋼板、アモルファス薄帯等、一般的な軟磁性体が挙げられる。軟磁性体の比透磁率は、１００００以上が好ましい。

シールド部材１２，１３は、磁気センサ１０に印加される外乱磁界を低減するための磁気シールドである。シールド突出部１２ｂ，１３ｂは、シールド本体部１２ａ，１３ａに連続して（つながって）いる。シールド部材１２，１３の材料としては、ＰＣパーマロイ、ＰＢパーマロイ、珪素鋼板、電磁軟鉄等、軟磁性体の金属が好ましい。折り曲げが可能な塑性（展延性）を有する金属を板金加工により加工してシールド本体部１２ａ，１３ａとシールド突出部１２ｂ，１３ｂを形成し、その後、磁性焼鈍をすることにより、シールド部材１２，１３を得ることができる。

基板１４には、センサを駆動するためのＩＣ（集積回路）やＥＳＤ（静電気）保護回路等、センサ基板に一般的に搭載される回路部品（図示せず）を搭載することができる。
磁気センサ１０は、例えば基板上に軟磁性体からなる減磁体と磁気素子が積層され、磁気素子がリードフレームとワイヤ等で接続された構成とすることができる。磁気素子としては、上述した薄層フラックスゲートセンサ素子に限らず、軟磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子、軟磁性体からなるマグネチックコンセントレータ（磁気収束板）を用いたホール素子等も挙げられる。減磁体は必須の要素ではなく、減磁体がない場合においても、本発明によれば、センサの感磁方向と同一方向の外乱磁界による影響を低減することができる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。図２は、実施例１と、比較例１，２の電流センサについて、シールド部材の長さを変化させた場合の感度（図２（ａ））と、外部磁界に対する出力変動（図２（ｂ））をプロットしたグラフである。感度（Ｖ／Ａ）は、ブスバーを流れる電流（Ａ）に対する磁気センサの出力電圧（Ｖ）の比率である。シールド部材の長さ（シールド長さ）は、第一シールド部材及び第二シールド部材のブスバー長手方向に沿った寸法とした。外部磁界に対する出力変動は、シールドの外側から１ｍＴの一様磁界を印加したときの出力変動量（誤差）とした。シールド長さは、１４ｍｍ、１８ｍｍ、２２ｍｍ、３０ｍｍの４点とした。
なお、本実施例・比較例では、電流センサのセンサ出力特性を確認する都合上、電流センサのセンサ出力が飽和するブスバーの電流値（±１０００Ａ）まで電流を流して確認した。このため、実施例・比較例で通電した電流値として、実際に通電した電流値は−１０００Ａ以上＋１０００Ａ以下であるが、電流センサの電流測定値の限界値がスケール上±５００Ａであるため、電流測定値としては−５００Ａ以上＋５００Ａ以下を示していた。したがって、本実施例・比較例において、感度については−５００Ａ以上＋５００Ａ以下の電流値を印加した場合のセンサ出力値を用いて算出した。したがって、実際に通電した電流値および実際に測定された電流測定値については、電流センサのセンサ出力の感度がずれたことにより変動したわけではない。

実施例１の電流センサでは、図１に示すように、第一シールド部材が、ブスバーの長手方向側の両端部に突出した第一シールド突出部を有する「コの字」状であり、第二シールド部材が、ブスバーの幅方向側の両端部に突出した第二シールド突出部を有する「コの字」状である。
比較例１の電流センサでは、第一シールド部材が、ブスバーの長手方向側の両端部に突出した第一シールド突出部を有する「コの字」状であるが、第二シールド部材が、ブスバーの幅方向側の両端部に突出した第二シールド突出部を有しない平板状である。
比較例２の電流センサでは、第一シールド部材及び第二シールド部材がいずれも平板状である。

電流センサの外形寸法及びブスバーに組み付けたときの投影面積を小さくするためには、ブスバー長手方向に沿った電流センサの寸法を小さくすることが望ましいが、その場合はシールド効果が低減し、外乱磁界の影響が大きくなる。
実施例１の電流センサによれば、比較例２の電流センサでシールド長さを３０ｍｍとした場合の出力変動（外部磁界による誤差）を、１４ｍｍ以下のシールド長さで実現できることが判る。また、実施例１と比較例２でシールド長さが同一の場合を比較すると、実施例１では、出力変動を比較例２の半分程度に低減することができる。感度については、実施例１と比較例２とで同程度になっており、同等の測定電流範囲を得ることができる。
実施例１と比較例１を比べると、シールド長さが１４〜２２ｍｍの間の場合に、実施例１の出力変動が比較例１よりも低減され、シールド効果が大きくなっていることが判る。

Ｗ１…第一シールド本体部の幅、Ｗ２…第一シールド突出部の幅、１０…磁気センサ、１１…ブスバー、１２…第一シールド部材、１２ａ…第一シールド本体部、１２ｂ…第一シールド突出部、１３…第二シールド部材、１３ａ…第二シールド本体部、１３ｂ…第二シールド突出部、２０…電流センサ。

Claims (5)

1. 電流が通電されるブスバーと、
   前記ブスバーの厚み方向の片側に配置され、前記ブスバーの幅方向に感磁方向を有する磁気センサと、
   前記ブスバーとの間に前記磁気センサが介在するように配置されたシールド部材と、
   を備える電流センサであって、
   前記シールド部材は、前記ブスバーと平行に配置されたシールド本体部と、前記シールド本体部のうち前記ブスバーの長手方向側の端部から前記ブスバーに対して非平行に連続して突出したシールド突出部とを有し、前記シールド本体部と前記シールド突出部とが前記磁気センサを内包するように配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記シールド部材の前記シールド本体部のうち前記ブスバーの幅方向側の端部は、前記磁気センサに対向する側に突出部を有することなく平坦であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記電流センサは、前記ブスバーとの間に前記磁気センサが介在するように配置された前記シールド部材を第一シールド部材として備え、さらに、前記ブスバーの厚み方向において、前記ブスバーに対して前記磁気センサの反対側又は前記ブスバーに対して前記第一シールド部材の反対側に配置された第二シールド部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記第二シールド部材は、前記ブスバーと平行に配置された第二シールド本体部と、前記第二シールド本体部のうち前記ブスバーの幅方向側の端部から前記ブスバーに対して非平行に連続して突出した第二シールド突出部とを有し、前記第二シールド本体部と前記第二シールド突出部とが前記ブスバーを内包するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記ブスバーの幅方向に沿った前記シールド部材の前記シールド突出部の幅は、前記ブスバーの幅方向に沿った前記シールド部材の前記シールド本体部の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電流センサ。

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