(57)【要約】【課題】ヒステリシスを低減し精度よく電流を検出可能な電流センサを提供する。【解決手段】測定対象となる電流が流れるバスバ２と、バスバ２をバスバ２の厚さ方向に挟み込むように配置されている第１シールド板４１及び第２シールド板４２と、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磁気検出素子３と、を備え、第１シールド板４１及び第２シールド板４２のバスバ２からの距離が等しく、磁気検出素子３は、その感磁位置がバスバ２の厚さ方向における中心位置よりも第１シールド板４１側にずれるように配置されており、第２シールド板４２は、単層の磁性体層４２ａ、あるいは絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、第１シールド板４１は、絶縁体４１ｂを介して複数の磁性体層４１ａ，４１ｃを積層した積層体からなり、かつ、当該積層体の層数が第２シールド板４２よりも多い。【選択図】図１
2019007935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる電流が流れるバスバと、
前記バスバを前記バスバの厚さ方向に挟み込むように配置されている第１シールド板及び第２シールド板と、
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磁気検出素子と、を備え、
前記第１シールド板及び前記第２シールド板は、前記バスバからの距離が等しくなるように配置されており、
前記磁気検出素子は、その感磁位置が前記バスバの厚さ方向における中心位置よりも前記第１シールド板側にずれるように配置されており、
前記第２シールド板は、単層の磁性体層、あるいは絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、
前記第１シールド板は、絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、かつ、当該積層体の層数が前記第２シールド板よりも多い、
電流センサ。
【請求項２】
前記第１シールド板の磁性体層の合計厚さが、前記第２シールド板の磁性体層の合計厚さよりも厚い、
請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記第２シールド板は、単層の磁性体層からなり、
前記第１シールド板は、絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなる、
請求項１または２に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
特許文献１では、ノイズとなる磁界を遮蔽するために、測定対象となる電流が流れるバスバを厚さ方向に挟み込むようにシールド板を配置した電流センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２００４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のようにシールド板を配置した場合、測定対象の電流に起因してシールド板が着磁されてしまい、この着磁の影響により、電流と磁気検出素子で検出される磁束密度との関係にヒステリシスが発生してしまう場合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ヒステリシスを低減し精度よく電流を検出可能な電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決することを目的として、測定対象となる電流が流れるバスバと、前記バスバを前記バスバの厚さ方向に挟み込むように配置されている第１シールド板及び第２シールド板と、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磁気検出素子と、を備え、前記第１シールド板及び前記第２シールド板は、前記バスバからの距離が等しくなるように配置されており、前記磁気検出素子は、その感磁位置が前記バスバの厚さ方向における中心位置よりも前記第１シールド板側にずれるように配置されており、前記第２シールド板は、単層の磁性体層、あるいは絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、前記第１シールド板は、絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、かつ、当該積層体の層数が前記第２シールド板よりも多い、電流センサを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ヒステリシスを低減し精度よく電流を検出可能な電流センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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）は斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図２】図１の電流センサにおいて、電流と磁気検出素子で検出される磁束密度との関係を示すグラフ図である。
【図３】（ａ）は従来例の電流センサの断面図、（ｂ）はその電流と磁気検出素子で検出される磁束密度との関係を示すグラフ図である。
【図４】（ａ）は比較例の電流センサの断面図、（ｂ）はその電流と磁気検出素子で検出される磁束密度との関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明の一変形例に係る電流センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［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。
【００１１】
（電流センサの全体構成）
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）は斜視図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【００１２】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、電流センサ１は、測定対象となる電流が流れるバスバ２と、バスバ２をバスバ２の厚さ方向に挟み込むように配置されている第１シールド板４１及び第２シールド板４２と、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磁気検出素子３と、を備えている。
【００１３】
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、三相交流のＵ相、Ｖ相、及びＷ相に対応した３本のバスバ２ａ〜２ｃを用いる場合を説明する。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。ここでは、厚さ３ｍｍのバスバ２ａ〜２ｃを用いた。
【００１４】
各バスバ２ａ〜２ｃの幅方向の中央部には、各バスバ２ａ〜２ｃを厚さ方向に貫通する貫通孔５がそれぞれ形成されている。ここでは、矩形状の貫通孔５を形成する場合を示しているが、貫通孔５の形状は特に限定されない。貫通孔５を形成することで、貫通孔５の両側に電流路６が形成されることになる。貫通孔５内では、両電流路６で発生した磁界が互いに打ち消し合うので、貫通孔５内や貫通孔５の近傍における磁界の強度を小さくすることができる。その結果、大電流を検出する用途においても、磁気検出素子３で検出される磁界の強度を小さくして高感度の磁気検出素子３を使用することが可能になり、電流検出精度の向上に寄与する。
【００１５】
以下、図１（ａ）における上下方向を厚さ方向、左奥から右手前方向を長さ方向、左手前から右奥方向を幅方向と呼称する。各バスバ２ａ〜２ｃは、幅方向に並ぶように等間隔に整列配置されており、互いに平行に配置されている。
【００１６】
磁気検出素子３は、検出軸Ｄ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。磁気検出素子３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。本実施の形態では、磁気検出素子３として、高い感度を有するＧＭＲ素子を用いた。
【００１７】
電流センサ１では、各バスバ２ａ〜２ｃに対応するように合計３つの磁気検出素子３ａ〜３ｃが設けられている。各磁気検出素子３ａ〜３ｃは、厚さ方向から見た平面視で貫通孔５と重なる位置に配置される。これら各磁気検出素子３ａ〜３ｃは、図示しない基板に搭載されており、基板を第１シールド板４１とバスバ２との間に挿入することで、所定の位置に配置されている。
【００１８】
本実施の形態では、各磁気検出素子３ａ〜３ｃは、その感磁位置（磁界の強度の検出位置）がバスバ２の厚さ方向における中心位置Ｏよりも第１シールド板４１側にずれるように配置されている。つまり、各磁気検出素子３ａ〜３ｃは、第２シールド板４２よりも第１シールド板４１に近付くように配置されている。
【００１９】
第１シールド板４１及び第２シールド板４２は、外部からの磁界が磁気検出素子３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４１及び第２シールド板４２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。
【００２０】
第１シールド板４１及び第２シールド板４２は、バスバ２を厚さ方向から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４１及び第２シールド板４２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４１及び第２シールド板４２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。
【００２１】
この電流センサ１では、第１シールド板４１及び第２シールド板４２のバスバ２からの距離（厚さ方向に沿った距離）ａ，ｂが等しくなっている。つまり、電流センサ１では、第１シールド板４１と第２シールド板４２間の中間位置（第１シールド板４１及び第２シールド板４２との距離が等しくなる位置）と、バスバ２の厚さ方向における中心位置Ｏとが一致している。
【００２２】
図示していないが、両シールド板４１，４２の間には、モールド樹脂が充填され、両シールド板４１，４２と磁気検出素子３とバスバ２とが、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、磁気検出素子３、バスバ２、および両シールド板４１，４２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４１，４２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。
【００２３】
（ヒステリシスを低減するための構造）
バスバ２を流れる電流により生じる磁場中にシールド板４１，４２が曝されると、シールド板４１，４２はその磁気特性に応じて着磁される。シールド板４１，４２が着磁されると、バスバ２を流れる電流が０となった場合でも、その着磁量に応じて磁気検出素子で磁束が検知されてしまうことになる。バスバ２を流れる電流が交流である場合には、電流増加時と電流減少時でシールド板４１，４２の着磁の向き（極性）が逆になるので、バスバ２を流れる電流が電流０となった場合であっても、電流増加時と減少時とで検知される磁束密度が逆極性になる。これにより、ヒステリシスが発生すると考えられる。
【００２４】
この電流センサ１では、バスバ２を流れる電流による両シールド板４１，４２の着磁方向が反対方向となるため、例えば両シールド板４１，４２が全く同じ構成である場合には、両シールド板４１，４２からの距離が等しい中心位置Ｏでは、両シールド板４１，４２での着磁の影響がキャンセル（相殺）される。よって、この中心位置Ｏに感磁位置がくるように磁気検出素子３を配置すれば、ヒステリシスを低減できることになる。
【００２５】
しかし、中心位置Ｏにはバスバ２が配置されているため、磁気検出素子３を中心位置Ｏに配置することは困難である。磁気検出素子３が中心位置Ｏからずれた位置に配置されると、磁気検出素子３が受ける両シールド板４１，４２からの着磁の影響がキャンセルできず、ヒステリシスが大きくなってしまうと考えられる。電流センサ１のように磁気検出素子３が中心位置Ｏよりも第１シールド板４１側に配置されている場合、磁気検出素子３は、第１シールド板４１での着磁の影響をより多く受けてしまうことになる。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、磁気検出素子３により近い第１シールド板４１での着磁の影響を抑えることにより、磁気検出素子３の感磁位置で両シールド板４１，４２からの着磁の影響をキャンセルさせ、これによりヒステリシスの低減を図っている。
【００２７】
具体的には、本実施の形態に係る電流センサ１では、第２シールド板４２を単層の磁性体層４２ａとし、かつ、第１シールド板４１を、絶縁体４１ｂを介して複数の磁性体層４１ａ，４１ｃを積層した積層体としている。本実施の形態では、各磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａは、ケイ素鋼等の導電性の磁性体からなる。各磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａの板厚は、それぞれ１ｍｍとした。絶縁体４１ｂは、例えばフィルム状の樹脂である。
【００２８】
バスバ２を流れる電流の周波数が例えば１０ｋＨｚ以上と高いと、当該電流で生じた磁界によりシールド板４１，４２に流れる誘導電流（渦電流）は、表皮効果により導体の表面付近に集中する。第２シールド板４２は単層であるから、その表面に誘導電流が集中する。これに対して、第１シールド板４１は積層体からなるため、誘導電流が磁性体層４１ａ，４１ｃの表面に分散されることになる。そのため、磁気検出素子３に最も近い第１シールド板４１の磁気検出素子３側の表面を流れる誘導電流が、第２シールド板４２の磁気検出素子３側の表面を流れる誘導電流よりも小さくなる。その結果、磁気検出素子３が受ける第１シールド板４１での着磁の影響が抑えられ、ヒステリシスを低減することが可能になる。なお、第１シールド板４１での着磁の影響は、第１シールド板４１の磁性体層４１ａ，４１ｃの層数、磁性体層４１ａ，４１ｃの材質及び厚さ、磁性体層４１ａ，４１ｃの間隔（絶縁体４１ｂの厚さ）等により適宜調整可能である。
【００２９】
図２は、図１の電流センサ１において、バスバ２を流れる電流と磁気検出素子３ａ，３ｂで検出される磁束密度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフ図である。図２では、磁気検出素子３ａで検出されるＵ相の電流による磁束密度を実線で示し、磁気検出素子３ｂで検出されるＶ相の電流による磁束密度を破線にて示している。なお、磁気検出素子３ｃで検出されるＷ相の電流による磁束密度は、実線で示すＵ相の電流による磁束密度と略同じであるため、省略している。また、シミュレーションの際には、バスバ２を流れる電流の最大値を５０Ａ、周波数を２０ｋＨｚとし、磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａの残留磁束密度Ｂｒを０．５Ｔとした。
【００３０】
図２に示すように、電流センサ１では、Ｕ相（及びＷ相）においてヒステリシスが若干残っているものの、Ｖ相では電流と磁束密度との関係が略直線状となっており、ヒステリシスを低減できていることが分かる。
【００３１】
本実施の形態に係る電流センサ１との比較のため、図３（ａ）に示すように、電流センサ１において絶縁体４１ｂと磁性体層４１ｃを省略し、第１シールド板４１を単層の磁性体層４１ａとした従来例の電流センサ１０について、同様にシミュレーションを行った。この従来例の電流センサ１０では、両シールド板４１，４２の厚さ、及び層数が同じとなっている。シミュレーション結果を図３（ｂ）に示す。
【００３２】
図３（ｂ）に示すように、従来例の電流センサ１０では、両シールド板４１，４２が同じ構成となっているために、磁気検出素子３が両シールド板４１，４２から受ける着磁の影響がアンバランスとなり、ヒステリシスが大きくなっている。図２と図３（ｂ）とを比較すれば分かるように、本実施の形態に係る電流センサ１では、従来例の電流センサ１０よりも、ヒステリシスを低減できている。
【００３３】
さらに、本実施の形態の電流センサ１との比較のため、図４（ａ）に示すように、電流センサ１０において第１シールド板４１を厚さ２ｍｍの磁性体層４１ｄとした比較例の電流センサ１１について、同様にシミュレーションを行った。この比較例の電流センサ１１では、両シールド板４１，４２の層数が同じであるが、厚さが異なっている。つまり、第２シールド板４２よりも第１シールド板４１の方が厚い。また、比較例の電流センサ１１の第１シールド板４１における誘電体層の合計厚さは、図１の電流センサ１と同じである。シミュレーション結果を図４（ｂ）に示す。
【００３４】
図４（ｂ）に示すように、バスバ２を流れる電流の周波数が高い場合には、シールド板４１，４２の表面に誘導電流が集中するため、第１シールド板４１を厚くしてもヒステリシスを低減する効果は十分に得られない。ただし、本発明者らが検討を行ったところ、バスバ２を流れる電流の周波数が例えば１ｋＨｚ未満と低い場合には、表皮効果が抑えられるため、第１シールド板４１を厚くすることによりヒステリシスを低減できることが確認できた。
【００３５】
よって、バスバ２を流れる電流の周波数が低い場合でもヒステリシスを十分に低減できるように、第１シールド板４１の磁性体層４１ａ，４１ｃの合計厚さは、第２シールド板４２の磁性体層４２ａの厚さよりも厚いことが望ましい。
【００３６】
（変形例）
本実施の形態では、第２シールド板４２を単層としたが、第２シールド板４２が、絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなってもよい。この場合、第１シールド板４１の磁性体層の層数を第２シールド板４２よりも多くすることで、第１シールド板４１で着磁の影響を抑えて、ヒステリシスを低減することが可能になる。ただし、両シールド板４１，４２を積層体とするのは製造に手間がかかるため、製造を容易とし量産性を高める観点からは、第２シールド板４２を単層とし、第１シールド板４１を積層体とすることがより望ましいといえる。なお、第１シールド板４１の磁性体層４１ａ，４１ｃの層数は２層に限定されず、３層以上であってもよい。
【００３７】
また、本実施の形態では、シールド板４１，４２の各磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａの厚さを同じとしたが、各磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａの厚さは異なっていてもよい。例えば、第２シールド板４２の磁性体層４２ａと同じ磁性体層４１ａに、樹脂フィルムの一方の面に銅などからなる金属箔を設けた金属テープを貼付することで、樹脂フィルムを絶縁体４１ｂ、金属箔を磁性体層４１ｃとして第１シールド板４１を形成してもよい。
【００３８】
また、図２に示したように、電流センサ１では、幅方向の両側に配置されたバスバ２ａ，２ｃを流れる電流（Ｕ相及びＷ相の電流）による磁界を検出する磁気検出素子３ａ，３ｃにおいて、比較的ヒステリシスが大きくなりやすいという傾向がある。そこで、磁気検出素子３ａ，３ｃでのヒステリシスを低減するために、図５に示す電流センサ１ａのように、バスバ２ａ，２ｃと対向する部分の磁性体層４１ｃの外面に金属テープを貼付する等して、バスバ２ａ，２ｃと対向する部分にそれぞれ絶縁体４１ｅと磁性体層４１ｆとを追加してもよい。つまり、幅方向（バスバ２の配列方向）の両側に配置されたバスバ２ａ，２ｃと厚さ方向に対向する部分の第１シールド板４１の磁性体層の層数を、幅方向の中央に配置されたバスバ２ｂと厚さ方向に対向する部分の第１シールド板４１の磁性体層の層数よりも多くしてもよい。これにより、３相全てのヒステリシス特性を略同じに調整し、各相での電流検出精度のばらつきを低減することが可能になる。
【００３９】
さらに、本実施の形態では、磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａが導電性の磁性体からなる場合について説明したが、磁性体層４１ａ，４１ｃ，４２ａがフェライト等の非導電性の磁性体であってもよい。
【００４０】
（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態では、両シールド板４１，４２のバスバ２からの距離ａ，ｂが等しく、磁気検出素子３は、その感磁位置がバスバ２の厚さ方向における中心位置よりも第１シールド板４１側にずれるように配置された電流センサ１において、第２シールド板４２は、単層の磁性体層４２ａ、あるいは絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、第１シールド板４１は、絶縁体４１ｂを介して複数の磁性体層４１ａ，４１ｃを積層した積層体からなり、かつ、当該積層体の層数が第２シールド板４２よりも多い。
【００４１】
これにより、特にバスバ２を流れる電流の周波数が比較的高い場合において、磁気検出素子３に近い第１シールド板４１による着磁の影響を低減して、両シールド板４１，４２による着磁の影響のバランスをとることが可能になり、シールド板４１，４２の着磁に起因するヒステリシスを低減でき、精度よく電流を検出可能な電流センサ１を実現できる。
【００４２】
また、第１シールド板４１の磁性体層４１ａ，４１ｃの合計厚さを、第２シールド板４２の磁性体層４２ａの合計厚さよりも厚くすることによって、バスバ２を流れる電流の周波数が比較的低い場合においても、ヒステリシスを低減でき、電流検出精度を向上できる。
【００４３】
（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。
【００４４】
［１］測定対象となる電流が流れるバスバ（２）と、前記バスバ（２）を前記バスバ（２）の厚さ方向に挟み込むように配置されている第１シールド板（４１）及び第２シールド板（４２）と、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磁気検出素子（３）と、を備え、前記第１シールド板（４１）及び前記第２シールド板（４２）は、前記バスバ（２）からの距離が等しくなるように配置されており、前記磁気検出素子（３）は、その感磁位置が前記バスバ（２）の厚さ方向における中心位置よりも前記第１シールド板（４１）側にずれるように配置されており、前記第２シールド板（４２）は、単層の磁性体層（４２ａ）、あるいは絶縁体を介して複数の磁性体層を積層した積層体からなり、前記第１シールド板（４１）は、絶縁体（４１ｂ）を介して複数の磁性体層（４１ａ，４１ｃ）を積層した積層体からなり、かつ、当該積層体の層数が前記第２シールド板（４２）よりも多い、電流センサ（１）。
【００４５】
［２］前記第１シールド板（４１）の磁性体層（４１ａ，４１ｃ）の合計厚さが、前記第２シールド板（４２）の磁性体層（４２ａ）の合計厚さよりも厚い、［１］に記載の電流センサ（１）。
【００４６】
［３］前記第２シールド板（４２）は、単層の磁性体層（４２ａ）からなり、前記第１シールド板（４１）は、絶縁体（４１ｂ）を介して複数の磁性体層（４１ａ，４１ｃ）を積層した積層体からなる、［１］または［２］に記載の電流センサ（１）。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
１…電流センサ
２…バスバ
３…磁気検出素子
４１…第１シールド板
４１ａ，４１ｃ…磁性体層
４１ｂ…絶縁体
４２…第２シールド板
４２ａ…磁性体層
【図１】
2019007935.tif 000003
【図２】
2019007935.tif 000004
【図３】
2019007935.tif 000005
【図４】
2019007935.tif 000006
【図５】
2019007935.tif 000007