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JP6372969B2 - 電流センサ - Google Patents

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Description

本発明は、電流路に流れる電流を測定する際に用いられる電流センサ及びその電流センサを製造する製造方法に関する。
車両に搭載されたバッテリの電流やモータへ供給する電流を測定するために、ホール素子等の磁気検出素子と磁気シールドコアとを備え、バスバなどの電流路から放射される磁気を検出して電流路に流れる電流を測定する電流センサが用いられている(例えば、特許文献1〜3参照)。
特開2010−223868号公報 特開2010−2277号公報 特許第4515855号公報
ところで、近年、電気自動車等の普及に伴い、バスバなどの電流路には、大電流(例えば600A)を流すことが検討されている。
しかし、図10(a)及び図10(b)に示すように、電流路600を周回する磁気シールドコア500を用いて磁気検出素子400で磁気を検出する構造の電流センサによって、大電流が流される電流路600の電流を測定しようとすると、例えば、電流センサが測定する電流値が実際の電流値よりも小さくなり、電流センサが測定する電流値と実際の電流値との関係が線形性を保てないことがある。これは、電流路600から放射される磁束を磁気シールドコア500が十分にギャップ部510に収束させきれていない、いわゆる、コア部の磁気飽和の状態が発生しているためである。
このコア部の磁気飽和に対する対策として、次の2つが考えられる。
(1)コア部の幅を大きくしてギャップ部において対向するコア部端面の面積を大きくし、コア部が収束する磁束密度(単位面積当たりの磁束)を低下させる。
(2)コア部のギャップ部を大きくしてギャップ部において対向する2つのコア部端面の間隔を大きくし、ギャップ部における抵抗を大きくすることで、コア部が収束する磁束密度を低下させる。
しかし、上記(1)の対策では、磁気シールドコアが大型化する、という課題があり、また、上記(2)の対策では、外部から電流センサへ飛来する、検出対象外の磁界ノイズの影響を受け易くなる、という課題がある。
このような課題に対し、図11に示すように、コ字状に形成した磁気シールドコア500を備える電流センサがある。この電流センサでは、電流路600を流れる電流が電流路600であるバスバの幅方向の両側に集中する。すると、磁気検出素子400が検出する磁束は、電流路600の両側を流れる電流が発生源となって放射されたものが支配的になるが、その発生源と磁気検出素子400との距離が離れると、その発生源から放射される磁界と、磁気検出素子400に到達した磁界とに位相差が生まれる。このため、磁気検出素子400が検出する磁束は、電流路600を流れる電流に対して遅延し、よって、この電流センサでは応答性が低くなってしまう。
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、コア部の磁気飽和を抑制するためにコア部の大型化または磁界ノイズの引き込みを誘因することなく、高速応答性を実現する電流センサを提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明に係る電流センサは、下記(1)特徴としている。
(1) ハウジングと、
前記ハウジング内に配置される互いに平行に延在する複数の電流路と、
前記電流路から放射される磁気を検出する、前記電流路毎に1つだけ配置された磁気検出素子と、
前記電流路を周回するよう配置されるコア部と、前記コア部の一部を切り欠くことで形成されて前記磁気検出素子が配置されるギャップ部と、を有する、前記電流路毎に配置された磁気シールドコアと、
を備え、
各前記電流路は、前記電流路の延在方向に直交する上下方向の寸法が前記延在方向及び前記上下方向に直交する幅方向の寸法より小さい平板状の形状を有し、
各前記コア部は、前記上下方向に延びる一対の側壁と、前記幅方向に延びる上壁及び下壁と、からなり上下方向の寸法が幅方向の寸法より小さい矩形状を有し、
各前記ギャップ部は、前記コア部の前記上壁における前記幅方向の中央部に形成され、
各前記磁気検出素子は、前記ギャップ部に臨むと共に前記幅方向に対向する前記上壁の一対の端面の間の空間を遮るように配置され、
前記磁気シールドコアとして、第1の磁気シールドコアと、該第1の磁気シールドコアに隣り合うように配置される第2の磁気シールドコアと、を有し、
前記第1の磁気シールドコアと前記第2の磁気シールドコアの少なくとも一方は、前記コア部の前記上壁前記幅方向の両端部における前記電流路の延在方向の全域から上側に向けて互いに平行に立ち上がる一対のシールド部を有し、前記一対のシールド部のうちの一方が、前記第1の磁気シールドコアの前記コア部が周回する第1の電流路と前記第2の磁気シールドコアの前記コア部が周回する前記第1の電流路に隣り合う第2の電流路との間に配置される、
こと
上記(1)の構成の電流センサでは、磁気シールドコアのコア部にシールド部を設けている。これにより、ギャップ部の間隔を拡大することによってコア部の磁気飽和の影響を抑制しても外部からの磁界ノイズの影響を受けにくく、また、電流路がコア部によって周回され、電流路を流れる電流が電流路の断面に均一に分布するため、応答性の低下を招くこともない。
つまり、コア部の磁気飽和を抑制するためにコア部の大型化または磁界ノイズの引き込みを誘因することなく、高速応答性を実現することができる
本発明によれば、コア部の磁気飽和を抑制するためにコア部の大型化または磁界ノイズの引き込みを誘因することなく、高速応答性を実現する電流センサを提供できる。
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。
図1は、第1実施形態に係る電流センサを示す分解斜視図である。 図2は、図1における電流センサの組み付け途中の斜視図である。 図3は、電流センサの磁気シールドコアの斜視図である。 図4は、電流センサの磁気シールドコアの正面図である。 図5は、シールド部の長さ寸法と外部磁界減衰率との関係を示すグラフである。 図6は、電流路に300A及び600Aの電流を流した際のギャップ部の間隔と発生磁界(磁束密度)との関係を示すグラフ図である。 図7は、異なる間隔のギャップ部を備えた磁気シールドコアを示す図であって、図7(a)及び図7(b)は、それぞれ磁気シールドコアの正面図である。 図8は、第2実施形態に係る電流センサの磁気シールドコアの正面図である。 図9は、コア部の最厚み部分の厚み毎の電流量と磁束密度との関係を示すグラフである。 図10は、電流路を周回する磁気シールドコアを示す図であって、図10(a)は斜視図、図10(b)は正面図である。 図11は、コ字状の磁気シールドコアを示す正面図である。
以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1実施形態)
まず、第1実施形態に係る電流センサについて説明する。
図1は、第1実施形態に係る電流センサを示す分解斜視図、図2は、図1における電流センサの組み付け途中の斜視図、図3は、電流センサの磁気シールドコアの斜視図、図4は、電流センサの磁気シールドコアの正面図である。
図1及び図2に示すように、電流センサ10は、ハウジング20と、ハウジング20に収納される基板30と、基板30に実装される磁気検出素子40と、ハウジング20に収納される磁気シールドコア50と、から成り、磁気検出素子40と磁気シールドコア50との間に電流路60を配置して、電流路60に流れる電流を検出する。電流センサ10は、例えば、電気自動車やハイブリッドカーの三相交流のモータ駆動電流や三相交流の経路に接続されるコネクタ電流を測定する。
ハウジング20は、略箱状を成し、絶縁性の合成樹脂等から成形される。ハウジング20に基板30と磁気シールドコア50を開口側から所定の位置に収納保持し、カバー21を開口側に係合固定させて電流センサ10が完成する。ハウジング20とカバー21には、それぞれ複数の貫通孔22が設けられ、貫通孔22に電流路60を挿通することにより、電流路60に流れる電流を検出できる。回路等と共に基板30に実装される磁気検出素子40は、電流路60で生じる磁界を測定する素子であり、例えば、磁場の中のキャリアが受けるローレンツ力により生じるホール効果を利用した半導体ホール素子やアモルファス磁性体による磁気インピーダンス効果を利用した磁気インピーダンス素子、等である。電流センサ10は、基板30に実装された増幅回路等を介して、磁気検出素子40で検出された磁界に比例した値の電圧値を出力する。磁気シールドコア50は、略薄板形状を成し、例えば、パーマロイやケイ素鋼板などの高透磁率の材料からなる。電流路60は、交流電流等が流れる平板状に形成されたバスバや導体などである。
本発明の電流センサ10は、三相交流に設置されるため、以下の構成を成している。
電流路60は、三相交流用(図面右側からU相、V相、W相)の3本から成り、この電流路60に流れる電流を検出するための磁気検出素子40も電流路60の各相に配置されている。また、各磁気検出素子40は、1枚の基板30上に一体で実装されている。各磁気検出素子40に対応して、磁気シールドコア50が磁気検出素子40と電流路60とをそれぞれ取り囲むように配置されている。各電流路60は、ハウジング20とカバー21に設けられたそれぞれの貫通孔22内に配置される。本発明の一実施形態において、電流路60は、磁気検出素子40と磁気シールドコア50との間に配置される(図3及び図4参照)。
基板30に実装される磁気検出素子40は、貫通孔22の中心部に位置づけられるようにハウジング20内に収納保持される。この結果、磁気検出素子40は、貫通孔22を挿通する電流路60の中心部に配置されることになる。各磁気シールドコア50は、ハウジング20内に収納されることで、ハウジング20の貫通孔22を取り囲むように配置される。
図3及び図4に示すように、磁気シールドコア50は、電流路60を周回するコア部51を有している。このコア部51は、磁気検出素子40側の一部を切り欠くことで形成されたギャップ部52と、ギャップ部52の両側にそれぞれ位置する、コア部51の一部を形成する突出部54と、を有しており、このギャップ部52に向かって延設された突出部54の、該ギャップ部52に臨む端面(以下、コア部端面51aと称する。)の間に磁気検出素子40が配置される。ギャップ部52の間隔Gは、突出部54の突出長さ寸法Qを適宜変更することにより調整することができる。尚、突出部54の突出長さ寸法Qとは、後述するシールド部53の内面からコア部端面51aまでの長さを指す。この磁気検出素子40は、ギャップ部52に配置するのが好ましいが、ギャップ部52に対して、電流路60に近接する方向または電流路60から離間する方向に多少ずらして配置しても良い。
また、磁気シールドコア50は、コア部51から電流路60が位置する内側とは反対の外側に向けて延びる二つのシールド部53を有している。これらのシールド部53は、互いに平行に配置されており、これらのシールド部53の間に磁気検出素子40が配置される。上述した構成を有する磁気シールドコア50は、顆粒状のフェライトが型によって成形され、焼き固められ、さらに切削機などの加工装置によって整形されることにより形成される。コア部51、ギャップ部52及びシールド部53は、型による成形または加工装置による整形によって形作られる。
ここで、電流路を周回する磁気シールドコア(図10参照)において、電流路に大電流(例えば、600A)を流した場合、電流路から放射される磁束がギャップ部で収束しきれず、磁気飽和状態が生じ、電流センサが測定する電流値と実際の電流値との関係が線形性を保てないことがある。
この場合の対策として、コア部の幅を大きくしたり、ギャップ部の間隔を大きくしてコア部が収束する磁束密度を低下させることが考えられるが、コア部の幅を大きくすると磁気シールドコアの大型化を招き、また、ギャップ部の間隔を大きくすると、外部からの磁界ノイズの影響を受け易くなる。
また、コ字状の磁気シールドコア(図11参照)では、電流路を流れる電流が電流路の幅方向の両側に集中し、磁気検出素子が検出する磁束が、電流路の両サイドを流れる電流が発生源となって放射されたものが支配的になる。このため、その発生源と磁気検出素子との距離が離れると、その発生源から放射された磁界と、磁気検出素子に到達した磁界とに位相差が生じ、応答性の低下を招く。
これに対して、第1実施形態に係る図2の電流センサ10では、磁気シールドコア50のコア部51に二つのシールド部53を設けている。これにより、ギャップ部52の間隔Gを拡大することによってコア部51の磁気飽和の影響を抑制しても外部からの磁界ノイズの影響を受けにくい。また、電流路60がコア部51によって周回され、電流路60を流れる電流が電流路60の断面に均一に分布するため、応答性の低下を招くこともない。
つまり、コア部51の磁気飽和を抑制するためにコア部51の大型化または磁界ノイズの引き込みを誘因することなく、高速応答性を実現することができる。
図5は、シールド部53の長さ寸法L(L寸法)と耐外部磁界性である外部磁界減衰率(減衰率=(内部磁界/外部磁界)×100)との関係を示している。
図5に示すように、シールド部53の長さ寸法Lは、耐外部磁界性に影響する。したがって、磁気シールドコア50のシールド部53の長さ寸法Lは、この耐外部磁界性との関係から容易に設定することができる。つまり、シールド部53の長さ寸法Lと外部磁界減衰率との関係に基づいて、狙いとする外部磁界減衰率からシールド部53の長さ寸法Lを容易に設定することができる。
ここで、磁気検出素子40の出力は、増幅回路等によって所定の増幅率で増幅され、狙いとする入出力特性を得ている。しかし、要求される電流の測定レンジは、使用するアプリケーション毎に異なる。出力のダイナミックレンジ(出力電圧の下限値から上限値)は、各アプリケーションで共通であるため、測定レンジ毎に増幅回路等の増幅率を変更する必要がある。つまり、電流センサ10では、一般的に、測定レンジ毎(アプリケーション毎)に、増幅率を決めるための回路部品を変更しなければならない。
しかし、本実施形態に係る電流センサでは、コア部51にギャップ部52を設け、ギャップ部52に磁気検出素子40を配置した構造において、突出部54の突出長さ寸法Qを変更してギャップ部52の間隔Gを調整することで、増幅回路等の増幅率を変更することなく、容易に測定する電流の測定レンジを調整することが可能である。そして、突出部54の突出長さ寸法Qを変更してギャップ部52の間隔Gを調整することで、各測定レンジにおいても、磁気検出素子40に発生する磁界を共通化させることが可能である。
このように、電流路60に電流を通電することで磁気検出素子40に発生する磁界は、ギャップ部52の間隔Gにより変化する。したがって、測定レンジに応じて、突出部54の突出長さ寸法Qを変更してギャップ部52の間隔Gを調整することで、異なる電流値においても、発生する磁界を同一にすることが可能となる。
図6は、電流路60に300A及び600Aの電流を流した際のギャップ部52の間隔(ギャップ寸法)Gと発生磁界(磁気検出素子における磁束密度)との関係を示している。
図6に示すように、磁気検出素子40における磁束密度である発生磁界は、ギャップ部52の間隔Gが大きくなると小さくなるという関係がある。
例えば、測定レンジ300Aでは、ギャップ部52の間隔Gを5mmとし、測定レンジ600Aでは、ギャップ部52の間隔Gを9.8mmとすることで、同一の発生磁界(磁束密度)60mTを得ることができる。
しがたって、測定レンジを小さくする場合は、図7(a)のように、突出部54の突出長さ寸法Qを長く設定してギャップ部52の間隔Gを狭くし、測定レンジを大きくする場合は、図7(b)のように、突出部54の突出長さ寸法Qを短く設定してギャップ部52の間隔Gを広くすることで、各測定レンジの最大電流通電時における磁気検出素子40に発生する磁界を同一にすることができる。
これにより、全測定レンジにおいて増幅回路等での増幅率を共通化して信号処理回路の回路部品の共通化を図ることができ、電流センサ10を容易に製造して安価に提供することができる。
なお、シールド部53のない磁気シールドコア(図10参照)の場合、ギャップ部の間隔を広げると、耐外部磁界性が低下するが、本実施形態に係る磁気シールドコア50では、シールド部53を備えているので、ギャップ部52の間隔Gの拡大による耐外部磁界性の低下を極力抑えることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る電流センサについて説明する。
なお、第1実施形態と同一構成部分は同一符号を付して説明を省略する。
図8に示すように、第2実施形態に係る電流センサ10を構成する磁気シールドコア50は、内側シールド50aと外側シールド50bとを有している。
内側シールド50aは、電流路60を周回する環状に形成されている。そして、この内側シールド50aの磁気検出素子40側に、一部を切り欠くことでギャップ部52が形成され、ギャップ部52の両側にそれぞれ位置する突出部54が形成されている。
外側シールド50bは、略コ字状に形成されており、内側シールド50aの外周に沿うように配置されて内側シールド50aとともにコア部51を構成し、両端部分が、コア部51から電流路60が位置する内側とは反対の外側に向けて延びるシールド部53とされている。
このように、別体である内側シールド50aと外側シールド50bとから構成した磁気シールドコア50を備える第2実施形態に係る電流センサ10の場合も、外側シールド50bのシールド部53を備えているので、ギャップ部52の間隔Gを拡大することによってコア部51の磁気飽和の影響を抑制しても外部からの磁界ノイズの影響を受けにくく、また、電流路60がコア部51によって周回され、電流路60を流れる電流が電流路60の断面に均一に分布するため、応答性の低下を招くこともない。
つまり、コア部51の磁気飽和を抑制するためにコア部51の大型化または磁界ノイズの引き込みを誘因することなく、高速応答性を実現することができる。
特に、第2実施形態に係る電流センサでは、別体の内側シールド50aと外側シールド50bとから磁気シールドコア50を構成することで、それぞれの形状の簡略化を図り、プレス成形等によって安価に製造が可能となる。また、外側シールド50bは、主な機能が外部磁界遮蔽であるため、内側シールド50aに対して薄型化が可能であり、よって、磁気シールドコア50の小型・軽量化及び低コスト化も実現できる。
しかも、第2実施形態では、磁気シールドコア50が、内側シールド50aと外側シールド50bとが重ね合わされる底部及び両側部が厚くなるため、コア部51で収束する単位面積当たりの磁束である磁束密度を低下させることができる。
なお、内側シールド50aと外側シールド50bとの底部及び両側部での重ね合わせ部分は、必ずしも全面が接触している必要はないが、全面が接触していれば、コア部51での磁気飽和の発生をより抑制することができる。
また、内側シールド50a及び外側シールド50bの2部品からなる磁気シールドコア50では、コア部51における内側シールド50aと外側シールド50bとの重ね合わせ部分の板厚の厚みdを、電流路60に流す電流量に応じて調整することで、電流路60に大電流が流れたとしても磁気飽和の発生を抑制して良好な電流の測定が可能である。
図9は、コア部51の最大厚み部分の厚みdごとの電流量とコア部51(シールド板内)の最大磁束密度との関係を示すものである。なお、図9では、突出部54の突出長さ寸法Qが4mm及び3mmの磁気シールドコア50の値を示している。
図9に示すように、磁気シールドコア50のコア部51における板厚の厚みdが大きいと磁束密度が低下する。
このことから、大電流(例えば、600A)に対応させるためには、磁気シールドコア50における内側シールド50aと外側シールド50bとの重ね合わせ部分の板厚の厚みdを磁気飽和しない最適値(例えば、2mm以上)とすれば良いことがわかる。
このように、内側シールド50aと外側シールド50bとの重ね合わせ部分の厚みdを、電流路60に流される電流とコア部51における最大磁束密度との関係に基づいて容易に設定することができる。
以上、説明したように、第2実施形態に係る電流センサは、内側シールド50aと外側シールド50bとの2部品構造であり、内側シールド50aは、高速応答及び電流路60に電流を流した際の磁気検出素子40に与える磁界を増強する効果がある。
ここで、電流路60に流れる交流の電流の周波数及び電流値が高くなると、発生した磁束密度及び変動率も高くなる。電流路60では、この激しく変動する交流磁界の中心に位置するため、電磁誘導の原理によって、この磁界の変動を阻止しようと電流路60の表面及び内部に渦電流が発生する。さらに、周波数や電流値が高くなれば、より高い対抗磁束を放出するため、電流路60の内部の渦電流は段々表面へ集中していき、電流密度の分布は不均一になる。
これに対して、内側シールド50aを備える磁気シールドコア50では、コア部51から漏れ出す磁束が渦電流に伴う磁束と打ち消されることで、渦電流が抑制され、電流路60の断面の電流密度が均一になる。また、電流のオフセット時に、磁気検出素子40の残留磁束も解消することができるため、磁気回路による遅延が解消され、磁気検出素子40は中心に置いても高速な応答特性を得られる。また、コア部51の板厚d、ギャップ部52の間隔G、コア部51の奥行き寸法Wの3つを最大電流値に対して最適化することで、磁気飽和することなく大電流を検出することができる。また、ギャップ部52の間隔G、コア部51の奥行き寸法Wを調整することで、磁気検出素子40に与える磁束密度を、最大電流値が大きくても小さくても同じ位に合わせることが可能である。
また、磁気シールドコア50は、外側シールド50bが外部磁界に対して高い遮蔽効果を発揮する。したがって、例えば、ギャップ部の間隔が大きく、コア部が磁気検出素子を覆うことで外部磁界を遮断する構造と比較し、外側シールド50bによって、磁気検出素子40に外部から与える磁束を確実に遮蔽することができる。
このように、第2実施形態に係る電流センサでは、位相ずれを解消して高速応答性を得ることができ、板厚の厚みd、ギャップ部52の間隔G及びコア部51の奥行き寸法Wを調整することで大電流検出ができ、さらには、外側シールド50bのシールド部53によってあらゆる方向からの強磁界を遮蔽して磁気検出素子40への影響を殆ど与えないという良好な耐外部磁界性を得ることができる。
また、一般的に磁気シールドコアは、薄肉の磁性材を積層して接着したコア部の一部を切断してギャップ部を形成し、その後、磁気焼鈍するため、加工費が高くなる。したがって、磁気シールドコアを3個用いる3相交流の電流センサでは、コストが嵩んでしまう。
これに対して、第2実施形態に係る電流センサでは、製造が容易なプレス加工等で磁気材料を曲げ、その後、磁気焼鈍するだけで磁気シールドコア50を製造することができ、しかも、小型・軽量化も図ることができるので、加工費を大幅に低減させることができる。これにより、磁気シールドコアを3個用いる3相交流の電流センサのコストも抑えることができる。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
10 電流センサ
40 磁気検出素子
50 磁気シールドコア
50a 内側シールド
50b 外側シールド
51 コア部
52 ギャップ部
53 シールド部
60 電流路
d 厚み
G 間隔
L 長さ寸法

Claims (1)

  1. ハウジングと、
    前記ハウジング内に配置される互いに平行に延在する複数の電流路と、
    前記電流路から放射される磁気を検出する、前記電流路毎に1つだけ配置された磁気検出素子と、
    前記電流路を周回するよう配置されるコア部と、前記コア部の一部を切り欠くことで形成されて前記磁気検出素子が配置されるギャップ部と、を有する、前記電流路毎に配置された磁気シールドコアと、
    を備え、
    各前記電流路は、前記電流路の延在方向に直交する上下方向の寸法が前記延在方向及び前記上下方向に直交する幅方向の寸法より小さい平板状の形状を有し、
    各前記コア部は、前記上下方向に延びる一対の側壁と、前記幅方向に延びる上壁及び下壁と、からなり上下方向の寸法が幅方向の寸法より小さい矩形状を有し、
    各前記ギャップ部は、前記コア部の前記上壁における前記幅方向の中央部に形成され、
    各前記磁気検出素子は、前記ギャップ部に臨むと共に前記幅方向に対向する前記上壁の一対の端面の間の空間を遮るように配置され、
    前記磁気シールドコアとして、第1の磁気シールドコアと、該第1の磁気シールドコアに隣り合うように配置される第2の磁気シールドコアと、を有し、
    前記第1の磁気シールドコアと前記第2の磁気シールドコアの少なくとも一方は、前記コア部の前記上壁前記幅方向の両端部における前記電流路の延在方向の全域から上側に向けて互いに平行に立ち上がる一対のシールド部を有し、前記一対のシールド部のうちの一方が、前記第1の磁気シールドコアの前記コア部が周回する第1の電流路と前記第2の磁気シールドコアの前記コア部が周回する前記第1の電流路に隣り合う第2の電流路との間に配置される、
    ことを特徴とする電流センサ。
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