JP6973021B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流センサに関する。

従来、電流センサとして、測定対象となる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。磁気検出素子により磁界の強度を検出することで、その磁界の強度を基に、電流を演算により求めることが可能である。

特開２０１０−１４４７７号公報

ところで、インバータとモータ間では三相交流が伝送される。ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うインバータでは、各相にパルス状の電流が出力される。よって、例えばＰＷＭ制御を行うインバータとモータ間で伝送される三相交流の各相の電流を測定する電流センサにおいては、電流に対する応答性、すなわちパルス応答性が良好であることが求められる。

そこで、本発明は、パルス応答性が良好な電流センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されており、三相交流における各相の電流が流れる３本のバスバと、前記３本のバスバを、前記板幅方向と垂直な厚さ方向に一括して挟み込むように配置されている磁性材料からなる第１シールド板及び第２シールド板と、前記各バスバと前記第１シールド板との間にそれぞれ配置され、対応する前記バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を検出する３つの磁気検出素子と、前記各磁気検出素子と前記第１シールド板との間に配置されると共に、前記第２シールド板との間で前記３本のバスバを一括して挟み込むように配置されており、非磁性の導電材料からなる導電板と、を備えた、電流センサを提供する。

本発明によれば、パルス応答性が良好な電流センサを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は第２シールド板を透視した斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施例及び従来例におけるパルス応答特性を示すグラフ図である。 （ａ）は本発明の比較対象となる比較例の電流センサの断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施例、従来例、及び比較例におけるパルス応答特性を示すグラフ図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は第２シールド板を透視した斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。

電流センサ１は、３本のバスバ２と、第１シールド板３と、第２シールド板４と、３つの磁気検出素子５と、導電板６と、を備えている。

バスバ２は、銅やアルミニウム等の電気良導体からなる板状の導体であり、電流を流す電流路となるものである。バスバ２は、例えば電気自動車やハイブリッド車におけるモータとインバータ間の電源ラインとして用いられるものである。本実施の形態では、三相交流に対応した３本のバスバ２ａ〜２ｃを用いる場合を説明する。３本のバスバ２ａ〜２ｃは、その板幅方向に離間して整列配置されている。

以下、図１（ｂ）の左右方向を幅方向、上下方向を厚さ方向、紙面方向を長さ方向という。電流センサ１では、幅方向の一方から他方にかけて（図１（ｂ）の右側から左側にかけて）、バスバ２ａ，バスバ２ｂ、バスバ２ｃが順次配置されている。各バスバ２ａ〜２ｃには、三相交流における各相の電流が流れている。本実施の形態では、バスバ２ａにはＵ相、バスバ２ｂにはＶ相、バスバ２ｃにはＷ相の電流が流れている。バスバ２ａ〜２ｃの厚さは、３ｍｍとした。

各バスバ２ａ〜２ｃには、それぞれ２つの切欠き２１が形成されている。２つの切欠き２１は、各バスバ２ａ〜２ｃの幅方向における両側方へとそれぞれ開口するように形成されると共に、長さ方向における略同じ位置で幅方向に対向するように形成されている。各バスバ２ａ〜２ｃに２つの切欠き２１を形成することにより、バスバ２ａ〜２ｃの長手方向の一部が幅狭となった狭幅部２２が形成されている。本実施の形態では、この狭幅部２２と厚さ方向に対向するように、磁気検出素子５が配置される。

狭幅部２２は、高周波における表皮効果の影響を抑制する役割を果たし、検出精度の向上に寄与する。より詳細には、バスバ２に高周波の電流が流れると、表皮効果により電流分布がバスバ２の表面に偏る。周波数によって表皮厚さが異なり、バスバ２内部の電流分布が変わるため、磁気検出素子５の位置における磁束密度が変化してしまう。バスバ２の幅方向における中央部と対向するように磁気検出素子５を配置する場合、磁気検出素子５側から見て、バスバ２の通電面の断面形状のアスペクト比が小さい方が電流分布の広がり（すなわち電流分布の周波数依存性）が小さくなり、表皮効果の影響が小さくなると考えられる。

磁気検出素子５は、各バスバ２ａ〜２ｃと第１シールド板３との間にそれぞれ配置され、対応するバスバ２ａ〜２ｃを流れる電流により発生する磁界の強度を検出するものである。磁気検出素子５としては、例えば、ホール素子やＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive）素子、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive）素子等を用いることができる。

磁気検出素子５は、検出軸に沿った方向の磁界の強度（磁束密度）に応じた電圧の出力信号を出力するように構成されている。本実施の形態では、各磁気検出素子５は、検出軸がバスバ２の幅方向（図１（ｂ）の左右方向）と一致するように配置されている。

第１シールド板３及び第２シールド板４は、外部からの磁界が磁気検出素子５の検出結果に影響を及ぼさないように、外部からの磁界を遮蔽するためのものである。第１シールド板３及び第２シールド板４は、磁性材料からなる。第１シールド板３及び第２シールド板４は、幅方向に対向する２つの辺と、長さ方向に対向する２つの辺とを有する矩形の板状に形成されている。

第１シールド板３及び第２シールド板４は、３本のバスバ２ａ〜２ｃを厚さ方向に一括して挟み込むようにバスバ２と離間して配置されている。また、第１シールド板３及び第２シールド板４は、その表面がバスバ２の表面に対して平行となるように（第１シールド板３及び第２シールド板４の厚さ方向とバスバ２の厚さ方向とが一致するように）配置されている。

この電流センサ１では、第１シールド板３及び第２シールド板４の磁気検出素子５からの距離（厚さ方向に沿った距離）が略等しくなっている。つまり、電流センサ１では、第１シールド板３と第２シールド板４間の略中間の位置（第１シールド板３及び第２シールド板４との距離が略等しくなる位置）に、磁気検出素子５が配置されている。

導電板６は、自身に生じる渦電流の影響により、磁気検出素子５で検出される磁界の強度の周波数特性を変化させ、それによりパルス応答性の改善を図るためのものである。導電板６は、銅やアルミニウム等の非磁性の導電材料からなる。導電板６は、幅方向に対向する２つの辺と、長さ方向に対向する２つの辺とを有する矩形の板状に形成されている。また、導電板６は、その表面がバスバ２の表面に対して平行となるように配置されている。

なお、導電板６として磁性材料を用いた場合には、導電板６がシールドとして機能することになり、シールド板３，４を含めたシールド構造の再設計が必要になる。導電板６として非磁性材料を用いることで、シールド構造を既存のものから変更することなく、導電板６を追加するのみで、パルス応答性の改善を図ることが可能になる。

導電板６は、各磁気検出素子５と第１シールド板３との間に配置されている。また、導電板６は、第２シールド板４との間で３本のバスバ２を一括して挟み込むように配置されている。導電板６の幅方向における両端部は、バスバ２ａ，２ｃの幅方向における外側の端部と一致しているか、あるいはそれよりも外側に突出するようにされる。導電板６の幅方向における端部が、バスバ２ａまたは２ｃの幅方向外側の端部よりも内側に位置していると、導電板６に生じる渦電流の分布が変化してしまい、十分なパルス応答性が得られない場合がある。

導電板６は１枚でも効果が得られるが、複数の導電板６を用いることで、パルス応答性をより向上することができる。本実施の形態では、３枚（３層）の導電板６を用いる場合を示している。複数の導電板６を用いる場合、各導電板６を厚さ方向に離間して配置し、かつ互いに電気的に絶縁するとよい。例えば、各導電板６の間にフィルム状あるいは板状の絶縁体を配置してもよいし、各導電板６を空気層を介して離間して配置してもよい。

本実施の形態では、導電板６として、厚さ０．１ｍｍの銅板を用いた。ただし、導電板６は、これに限定されず、例えば、基板に形成された導体パターンであってもよい。磁気検出素子５を搭載する基板（不図示）として多層基板を用い、この多層基板の１つ以上の層に形成された導体パターンを導電板６として用いることもできる。これにより、組立が容易となり、部品点数の削減、及び低コスト化に寄与する。

図示していないが、両シールド板３，４の間には、モールド樹脂が充填され、両シールド板３，４、バスバ２、磁気検出素子５、及び導電板６が、モールド樹脂により一体に構成されている。モールド樹脂は、両シールド板３，４、バスバ２、磁気検出素子５、及び導電板６の位置関係を一定に保ち振動等による検出誤差を抑制する役割と、シールド板３，４間に異物が侵入することによる検出誤差を抑制する役割とを兼ねている。

（シミュレーション結果の説明）
幅方向における中央に配置されたバスバ２ｂにパルス状の電流を流した際に、幅方向中央に配置された磁気検出素子５で検出される磁界の強度（磁束密度）の波形をシミュレーションにより求めた。なお、ここでは、各バスバ２の厚さを３ｍｍ、各バスバ２の幅を１５ｍｍ、隣り合うバスバの間隔を５．５ｍｍとした。また、シールド板３，４の厚さを１ｍｍ、シールド板３，４の幅を７６ｍｍ、両シールド３，４の間隔を１０ｍｍとした。バスバ２と第２シールド板４との距離は１ｍｍとした。また、導電板６は厚さ０．１ｍｍの銅板とした。

銅板からなる導電板６を１層用い、バスバ２と導電板６との距離ｄを３．５ｍｍとした実施例１、銅板からなる導電板６を１層用い距離ｄを２．０ｍｍとした実施例２、銅板からなる導電板６を２層とし距離ｄを３．５ｍｍとした実施例３、銅板からなる導電板６を３層とし距離ｄを３．５ｍｍとした実施例４、及び、導電板６を省略した従来例について、それぞれ同様にシミュレーションを行った。結果をまとめて図２に示す。図２では、立ち上がり時間が０．０１ｍｓｅｃのパルス状電流波形を示し、縦軸は最大値で規格化している。また、この電流波形に対する、磁気検出素子５の位置における磁束密度の時間変化を同図に併記している。磁束密度においては、０．０５ｍｓｅｃ時の値を基準に規格化して示している。また、導電板６を複数層とする場合、距離ｄは、最もバスバ２に近い導電板６とバスバ２との距離とした。

図２に示すように、導電板６を有さない従来例では、太線実線で示される電流の波形に対して十分に追従しておらず、反応が遅れている。この従来例と比較して、１層の導電板６を用いた実施例１，２では、多少のオーバーシュートが発生するものの、電流への追従性が良好となっており、パルス応答性が改善されている。また、この実施例１，２と比較して、導電板６を２層とした実施例３のパルス応答性が良好となっている。さらに、この実施例３よりも、導電板６を３層とした実施例４のパルス応答性が良好となっている。

図２の結果から、導電板６を多層とするとパルス応答性が改善するといえる。ただし、導電板６を３層とした実施例４においてほぼ電流の挙動に追従していることから、４層以上としてもパルス応答性改善の効果は小さくなると考えられる。よって、パルス応答性改善の観点からは、導電板６は３層（３枚）以上とするのが望ましく、さらにコスト低減を考慮すると、導電板６は３層（３枚）とするのがより望ましいといえる。

また、実施例１と実施例２との比較より、導電板６の位置（距離ｄ）を変化させることによっても、パルス応答性を改善できることがわかる。導電板６の位置については、シールド板３，４の材質や板厚、バスバ２の材質や板厚、シールド板３，４とバスバ２との位置関係等により、パルス応答性が良好となる位置が変わる。よって、他部材の材質や位置関係等を考慮し、適宜な位置に導電板６の位置を決定するとよい。なお、ここでは言及しなかったが、導電板６の板厚を変えることでも、パルス応答性の改善が可能と考えられる。

より詳細には、渦電流の大きさは、導電板６の導電率が高い程大きい。そのため、導電板６の材質によって渦電流の大きさは異なる。したがって、導電率によって、導電板６の適切な位置（距離ｄ）が異なる。また、導電率が高い程表皮厚さが小さくなるため、導電板６内に生じる渦電流は、導電板６の表面（厚さ方向における上下の面）、かつ、エッジに偏ろうとする。そのため、導電板６における渦電流の分布は、導電板の外形形状にも依存したものとなる。このことから、導電板６の付与においては、導電板６の導電率を考慮した上で、導電板６の設置位置、厚さ、形状の適正化が重要となる。例えば、導電板６の厚さに着目すると、厚さが小さい（薄い）場合に比べて、厚さが大きい（厚い）場合には、低周波において磁束が通る体積が大きくなるため、低周波での渦電流による効果が大きいと考えられ、電流波形がフラットな部分（例えば図２における０．０１ｍｓ以降の部分）における追従性の向上に寄与する。導電板６を多層にすることで、低周波では厚さを大きくした場合と同様の効果（すなわち体積が増えることによる効果）が得られる。さらに、導電板６を多層にすることで、高周波成分に対しては、表皮厚相当の渦電流発生箇所が増え、その効果（渦電流による影響の大きさ）を高めることができ、電流波形の立ち上がり部分における追従性の向上に寄与する。

次に、図３（ａ）に示すように、図１の電流センサ１において、導電板６を３分割して、バスバ２毎に個別に導電板６を設けた比較例の電流センサ１０について、同様にシミュレーションを行った。結果を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ｂ）では、参考のため、図２における実施例４と従来例もあわせて示している。

図３（ｂ）に示すように、比較例の電流センサ１０では、従来例よりもパルス応答性が向上しているものの、本発明の実施例４と比較するとパルス応答性が劣っていることが確認された。これは、導電板６を分割することにより、渦電流の電流分布（特に表皮効果の影響を受けやすい高周波成分の分布）が変化してしまい、その結果周波数特性が劣化して、パルス応答性が劣化したためと考えられる。このように、各バスバ２に共通の導電板６を用いることで、バスバ２毎に個別に導電板６を設けた場合と比較して、パルス応答性が改善する。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように本実施の形態に係る電流センサ１では各磁気検出素子５と第１シールド板３との間に配置されると共に、第２シールド板４との間で３本のバスバ２を一括して挟み込むように配置されており、非磁性の導電材料からなる導電板６を備えている。

磁気検出素子５によって検知される磁界は、バスバ２を通過電流により生じる磁界だけではなく、シールド板３，４中の渦電流により生じる磁界や、バスバ２中の渦電流による磁界が含まれる。そのため、磁気検出素子５によって検知される磁界の強度の周波数特性（周波数依存性）には、バスバ２を流れる電流の表皮効果による影響のほか、渦電流による影響があると考えられる。

導電板６を備えることで、導電板６中の渦電流による磁界を発生させ、この発生させる磁界を適宜調整することによって、磁気検出素子５を設けた位置における他部材で生じた渦電流による磁界の影響を抑制し、周波数依存性（特に高周波における感度の劣化）を抑制することが可能になる。その結果、パルス応答性を改善することが可能になる。

また、各バスバ２に共通の導電板６を備えることで、バスバ２毎に個別に導電板６を設ける場合と比較して、パルス応答性を改善することが可能になり、検出精度の高い電流センサ１を実現できる。本発明の電流センサ１を用いることで、インバータ出力波形を精度よくモニタすることが可能になる。

（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］板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されており、三相交流における各相の電流が流れる３本のバスバ（２）と、前記３本のバスバ（２）を、前記板幅方向と垂直な厚さ方向に一括して挟み込むように配置されている磁性材料からなる第１シールド板（３）及び第２シールド板（４）と、前記各バスバ（２）と前記第１シールド板（３）との間にそれぞれ配置され、対応する前記バスバ（２）を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する３つの磁気検出素子（５）と、前記各磁気検出素子（５）と前記第１シールド板（３）との間に配置されると共に、前記第２シールド板（４）との間で前記３本のバスバ（２）を一括して挟み込むように配置されており、非磁性の導電材料からなる導電板（６）と、を備えた、電流センサ（１）。

［２］複数の前記導電板（６）を備え、複数の前記導電板（６）が厚さ方向に離間して配置されており、かつ互いに電気的に絶縁されている、［１］に記載の電流センサ（１）。

［３］３枚以上の前記導電板（６）を備える、［２］に記載の電流センサ。

［４］前記導電板（６）が、基板に形成された導体パターンからなる、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の電流センサ（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、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。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

１…電流センサ
２…バスバ
３…第１シールド板
４…第２シールド板
５…磁気検出素子
６…導電板

Claims (3)

1. 板状に形成されると共に、その板幅方向に離間して整列配置されており、三相交流における各相の電流が流れる３本のバスバと、
   前記３本のバスバを、前記板幅方向と垂直な厚さ方向に一括して挟み込むように配置されている磁性材料からなる第１シールド板及び第２シールド板と、
   前記各バスバと前記第１シールド板との間にそれぞれ配置され、対応する前記バスバを流れる電流により発生する磁界の強度を検出する３つの磁気検出素子と、
   前記各磁気検出素子と前記第１シールド板との間に配置されると共に、前記第２シールド板との間で前記３本のバスバを一括して挟み込むように配置されており、非磁性の導電材料からなる複数の導電板と、を備え、
   前記複数の導電板が厚さ方向に離間して配置されており、かつ互いに電気的に絶縁されている、
   電流センサ。
2. ３枚以上の前記導電板を備える、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記導電板が、基板に形成された導体パターンからなる、
   請求項１または２に記載の電流センサ。

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