(57)【要約】【課題】本明細書は、平行に伸びる複数のバスバの一つの電流を計測する技術に関し、磁電変換素子のＳＮ比を向上する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電流センサ１００は、電流計測対象の第１バスバ３ａと、第１バスバと平行に伸びており、細長い断面を有する電流非計測対象の第２バスバ２ａと磁電変換素子５を備えている。磁電変換素子５の感磁面５ａは第２バスバ２ａの幅広の側面と対向するとともに、感磁面５ａを含む平面が第１バスバ３ａの側面と交差するように配置されている。そして、第２バスバ２ａは、短手方向の幅が、長手方向の中央よりも両端で大きい。【選択図】図２
2015132499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流計測対象の第１バスバと、
前記第１バスバと平行に伸びており、細長い断面を有する電流非計測対象の第２バスバと、
感磁面が前記第２バスバの幅広の側面と対向するとともに、当該感磁面が前記第１バスバの側面と直交するように配置されている磁電変換素子と、
を備えており、
前記第２バスバは、短手方向の幅が、長手方向の中央よりも両端で大きいことを特徴とする電流センサ。
【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】
３相交流モータを電流フィードバック制御するシステムでは、３相の出力電流をモニタする電流センサを備える。モータの出力が大きい場合、３相交流出力の伝達にはバスバと呼ばれる細長い金属棒あるいは金属板が使われる。３相交流は、平行に伸びるバスバで伝達される。電流センサは少なくとも１本のバスバに備えられる。電流センサは、典型的には磁電変換素子であり、バスバを流れる電流に起因する磁界を検知する。検知した磁界の大きさでバスバを流れる電流の大きさが解る。
【０００３】
従来はバスバをＣ字型の集磁コアで囲み、Ｃ字の切れ目に磁電変換素子を配置していたが、磁電変換素子の感度が向上し、集磁コアなしで磁電変換素子だけで電流を計測する電流センサが登場している。集磁コアを要しないため、小型で低コストである。しかし、集磁コアを備えないため、磁電変換素子は、計測対象以外のバスバを流れる電流に起因する磁界を検知してしまう。すなわち、ＳＮ比が高くはない。
【０００４】
以下、説明の便宜のため、電流計測対象のバスバを「計測対象バスバ」と称し、計測対象バスバ以外のバスバを「ノイズ源バスバ」と称する。また、磁電変換素子は、厳密には、バスバを流れる電流に起因して発生する磁界を計測（検出）するのであるが、このことを単純にバスバの磁界を計測（検出）する、と表現する。磁電変換素子が計測する磁界におけるノイズ源バスバの磁界の比率を下げることが、ＳＮ比向上に繋がる。
【０００５】
ＳＮ比を高めるための技術が例えば特許文献１、２に開示されている。特許文献１に開示された電流センサは次の通りである。複数のノイズ源バスバの断面中心を通る直線（共通中心線）上に磁電変換素子を配置する。磁電変換素子は、その感磁面が共通中心線と直交する向きで配置される。さらに、計測対象バスバは、共通中心線からオフセットした位置で、その幅広面が磁電変換素子の感磁面と直交するように配置される。計測対象バスバの磁束は感磁面を直交して貫く。一方、ノイズ源バスバの磁束は共通中心線と直交するので、感磁面と平行となり、感磁面を貫かない。従って高いＳＮ比が得られる。なお、本明細書における「断面」は、バスバの延伸方向に直交する断面を意味する。そのような断面は、「横断面」と呼ばれることもある。
【０００６】
さらに、特許文献２では、断面が矩形のノイズ源バスバを用意し、磁電変換素子がその幅広面と対向するように配置される。バスバに直交する断面において、ノイズ源バスバの磁界は幅広面に平行となる。従って、ノイズ源バスバの断面長手方向における磁電変換素子の位置のばらつきに対するＳＮ比の変動が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０７４７８３号公報
【特許文献２】国際特許公報ＷＯ２０１３／００５５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本明細書が開示する技術も、平行に伸びる複数のバスバの一つの電流を計測する技術に関し、磁電変換素子のＳＮ比の向上を目的とする。特に、磁電変換素子の位置のばらつきに対するＳＮ比の変動を低減する技術を提供する。なお、本明細書が開示する技術は、バスバの形状の工夫と磁電変換素子のレイアウトでＳＮ比の感度変化低減を実現する。それゆえ、本明細書が開示する電流センサは、バスバから独立して存在するものではなく、特定の形状を有するバスバの一部も電流センサを構成する要素となる点に留意されたい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
特許文献２に関して説明したように、ノイズ源バスバとして断面形状が細長い金属板を採用すると、断面における磁束は幅広面に沿って平行となる。ただし、完全に平行ではなく、厳密には楕円である。従って、わずかながら、磁電変換素子の感磁面を貫く磁束が存在する。また、ノイズ源バスバの断面において、断面長手方向の端に近づくほど楕円の曲率が大きくなり感磁面を貫く磁束が増える。即ち、ノイズ源バスバの断面長手方向における磁電変換素子の位置変化に対するＳＮ比変動が大きくなる。
【００１０】
本明細書が開示する技術は、ノイズ源バスバの断面形状を工夫し、磁電変換素子を貫く磁束を低減する。本明細書が開示する電流センサは次の構造を備える。電流センサは、電流計測対象の第１バスバ（計測対象バスバ）と、第１バスバと平行に伸びており、細長い断面を有する電流非計測対象の第２バスバ（ノイズ源バスバ）と、磁電変換素子で構成される。磁電変換素子は、その感磁面が第２バスバの幅広の側面と対向するとともに、感磁面が第１バスバ（計測対象バスバ）の側面と直交するように配置されている。なお、磁電変換素子自体も第１バスバの上記側面と対向する。別言すれば、磁電変換素子は、その感磁面が第１バスバを流れる電流に起因して発生する磁界と直交するように配置される。
【００１１】
他方、上記の電流センサでは、第２バスバ（ノイズ源バスバ）は、断面短手方向の幅が、断面長手方向の中央よりも両端で大きい。より具体的には、第２バスバ（ノイズ源バスバ）の断面形状は、長手方向の中央で細く長手方向の両端に向けてその幅（短手方向の幅）が拡がっている。
【００１２】
ノイズ源バスバの上記形状は、断面において、ノイズ源バスバの幅広面に対向する領域で磁束の形状を楕円から直線に近づける。従って、ノイズ源バスバの断面長手方向の中心付近では、磁電変換素子の感磁面を貫くノイズ源バスバの磁束が減少する。その結果ＳＮ比が向上する。また、ノイズ源バスバの断面長手方向の端部付近では、磁束の曲率が小さくなる。すなわち、磁束線のカーブがゆるやかになる。従って、ノイズ源バスバの断面長手方向に沿った磁電変換素子の位置のばらつきに対するＳＮ比の変動が小さくなる。ノイズ源バスバの上記形状に対する磁束の形状は発明の実施形態の欄にて具体的に説明する。
【発明の効果】
【００１３】
本明細書が開示する技術は、平行に伸びる複数のバスバの一つの電流を計測する技術に関し、磁電変換素子のＳＮ比を向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例の電流センサにおける平行に伸びる２本のバスバと磁電変換素子を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１のII−II線におけるバスバと磁電変換素子の断面図及び非計測対象のバスバ周囲に発生する磁束を模式的に表した図である。
【図３】図２と比較する従来のバスバ及び磁電変換素子の断面図及び非計測対象のバスバ周囲に発生する磁束を模式的に表した図である。
【図４】変形例のバスバと磁電変換素子の断面図及び非計測対象のバスバ周囲に発生する磁束を模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照して実施例の電流センサを説明する。図１に、３相交流モータに３相交流電力を伝達するバスバが示されている。３相交流電力を伝達するためには、３本のバスバが必要になるが、図１ではその内の２本が代表して示されている。図１に示すように、２本のバスバ２、３は互いに平行に並んでおり、バスバ２、３には電流を計測する電流センサ１００、２００が備えられている。なお、実際には、バスバ２、３はＺ軸方向に長く延伸しているが、図１では、電流センサ１００、２００が備えられている部分のみを示している。夫々の電流センサ１００、２００には、バスバ２、３に流れる電流に起因する磁界を検知する磁電変換素子４、５が備えられている。電流センサ１００、２００は、検知した磁界の大きさでバスバ２、３に流れる電流の大きさをモニタする。なお、磁電変換素子４、５の形状は、説明の便宜上、模式的に直方体で描かれていることに留意されたい。
【００１６】
また、本明細書で開示する技術は、非計測対象のバスバの形状の工夫と磁電変換素子のレイアウトでＳＮ比の感度変化低減を実現する。このため、特定の形状を有する非計測対象のバスバの一部も電流センサを構成する要素となる。実施例における電流センサ１００には、計測対象となるバスバ２の一部（計測バスバ２ａ）と非計測対象となるバスバ３の一部が含まれる。非計測対象となるバスバ３の一部から発生する磁界は磁電変換素子４のノイズ源となる。説明のため、非計測対象となるバスバ３の一部をノイズ源バスバ３ａと称する。また同様に、電流センサ２００には、計測対象となるバスバ３の一部（計測バスバ３ｂ）と非計測対象となるバスバ２の一部（ノイズ源バスバ２ｂ）が含まれる。
【００１７】
図１によく表されているように、バスバ２の近傍に備えられる磁電変換素子４とバスバ３の近傍に備えられる磁電変換素子５は、バスバ２、３の延伸方向（Ｚ軸方向）において斜向かいに配置されている。別言すれば、バスバ２、３の並び方向（Ｘ軸方向）から視た場合、バスバ２に備えられる磁電変換素子４とバスバ３に備えられる磁電変換素子５とが互いに重ならないように配置されている。バスバに流れる電流に起因する磁界は、バスバの延伸方向と直交する平面（図中のＸＹ平面）と、ほぼ平行となる。そのため、電流センサ１００の位置する範囲で発生する磁界は、電流センサ２００の位置する範囲にほとんど影響を及ぼさない。したがって、電流センサ１００、２００は互いに独立して、バスバ２、３の電流をモニタすることができる。電流センサ１００、２００は、計測対象と非計測対象が入れ替わっている以外の構成は同一である。以下では、電流センサ１００について説明する。
【００１８】
図２を用いて電流センサ１００について説明する。先ず、計測バスバ２ａの形状について説明する。図２に示すように計測バスバ２ａの断面（バスバ２の延伸方向に直交する断面）の形状は矩形である。その厚み（Ｘ軸方向の幅）は、後述するノイズ源バスバ３ａの高さ方向（Ｙ軸方向）における下端（上端）の厚みと同じであり、その高さ（Ｙ軸方向の長さ）は、ノイズ源バスバ３ａの高さよりも低い。
【００１９】
ノイズ源バスバ３ａの形状について説明する。図２に示すようにノイズ源バスバ３ａは、高さ方向（Ｙ軸方向）に細長い断面形状を有しており、計測バスバ２ａの断面形状と異なっている。ノイズ源バスバ３ａの断面形状は、断面短手方向（Ｘ軸方向）の幅が、断面長手方向の中央よりも両端で大きい。別言すれば、断面長手方向（Ｙ軸方向）の中央におけるノイズ源バスバ３ａの厚みＷ１が、断面長手方向の両端におけるノイズ源バスバ３ａの厚みＷ２よりも小さい。つまり、ノイズ源バスバ３ａの厚み方向（Ｘ軸方向）の両面が高さ方向（Ｙ軸方向）の中央において湾曲して凹んだ形状をしている。ノイズ源バスバ３ａは、少なくとも磁電変換素子４と対向する範囲において延伸方向に沿って上記の断面形状を維持している。
【００２０】
バスバ２、３の材料には、導電性の高い金属、典型的には銅が、用いられる。導電性の高い材料を用いた方が、バスバの内部抵抗を抑えると共に、３相モータに伝達する電力の損失を低く抑えることができる。
【００２１】
図２を参照して、計測バスバ２ａとノイズ源バスバ３ａと磁電変換素子４の位置関係について説明する。磁電変換素子４は、計測バスバ２ａの上面に位置している。そして、磁電変換素子４は、計測バスバ２ａの厚み方向（Ｘ軸方向）の中央に位置している。また、磁電変換素子４は、ノイズ源バスバ３ａの断面長手方向（Ｙ軸方向）の中心線ＣＬ上に位置している。
【００２２】
磁電変換素子は、一般的に磁束を検出する方向が決まっている。具体的には、磁電変換素子は、素子を貫く磁束のうち、感磁面と呼ばれる側面に直交する磁束成分を検知する。このことは、磁電変換素子は、素子を貫く磁束のうち、感磁面と平行な磁束成分は検知しないことを意味する。図２では、符号４ａが感磁面を示す。感磁面４ａが磁束と直交する場合が最も磁束を検出する感度が高い。なお、感磁面４ａと直交する方向を感磁方向と称する。磁電変換素子４は、感磁面４ａがノイズ源バスバ３ａの幅広の側面３１と対向するように配置されている。別言すれば、感磁面４ａは、ノイズ源バスバ３ａの厚み方向（Ｘ軸方向）を向く側面（幅広の側面３１）と対向するように配置されている。そして、磁電変換素子４は、感磁面４ａが計測バスバ２ａの上面２１と直交するとともに、感磁面４ａが計測バスバ２ａの延伸方向（Ｚ軸方向）と平行になるように配置されている。したがって、磁電変換素子４の感磁方向は、計測バスバ２ａの側面（上面２１）と平行で計測バスバ２ａの延伸方向と直交する方向（Ｘ軸方向）と一致している。
【００２３】
計測バスバ２ａを流れる電流は、計測バスバ２ａの延伸方向（Ｚ軸方向）に沿って流れる。よって、計測バスバ２ａを流れる電流により発生する磁束は、計測バスバ２ａの延伸方向と直交する平面（ＸＹ平面）上で、計測バスバ２ａの断面中心を中心とした楕円形状となる。したがって、磁電変換素子４を上記のように配置することで、磁電変換素子４が配置されている位置における磁束の方向と感磁方向が一致する。つまり、計測バスバ２ａから発生する磁束は、感磁面４ａを直交する。したがって、計測バスバ２ａから発生する磁束を高い感度で検出することができる。このことは、別言すれば、磁電変換素子４は、計測バスバ２ａを流れる電流に起因して発生する磁界の方向と感磁方向が一致するように配置されている、ということになる。
【００２４】
ノイズ源バスバ３ａから発生する磁束により磁電変換素子４が受ける影響について説明する。先ず、比較例として、ノイズ源バスバの断面形状が矩形である場合について、図３を参照して説明する。図３に示すように、比較例のノイズ源バスバ１３ａの断面形状は高さ方向（Ｙ軸方向）に細長い矩形である。ノイズ源バスバ１３ａの断面の高さと幅は、実施例のノイズ源バスバ３ａの断面と同じである。比較例は、ノイズ源バスバ３ａをノイズ源バスバ１３ａに変更した以外、他の構成は実施例と同じである。ノイズ源バスバ１３ａから発生する磁束Ｍ２は、図３に示すように、ノイズ源バスバ１３ａの断面中心を中心とした楕円形状である。磁電変換素子４がノイズ源バスバ１３ａの断面長手方向の中心線ＣＬ上に位置する場合、磁束Ｍ２は磁電変換素子４を、感磁面４ａと平行な方向で通過する。したがって、磁束Ｍ２は感磁面４ａに直交しないため、計測バスバ２ａの磁束の検出に影響を及ぼさない。しかし、磁電変換素子４の位置が断面長手方向において少しでもずれた場合、磁束Ｍ２の方向は、楕円の曲率により傾いていく。さらに、断面長手方向の端に近づくほど楕円の曲率は大きくなる。例えば、磁電変換素子４の位置が断面長手方向において図３の破線で示す箇所までずれた場合、図３に示すように磁束Ｍ２の方向は、感磁面４ａと平行ではない。つまり、磁束Ｍ２が感磁方向（Ｘ軸方向）の成分を持つことになる。したがって、磁電変換素子４が、中央線ＣＬからずれると、感磁面４ａを貫く方向の磁束が増える。その増えた磁束は、計測対象である計測バスバ２ａにより発生した磁束に対してノイズとなる。即ち、ノイズ源バスバの断面長手方向における磁電変換素子４の位置変化に対するＳＮ比変動が大きくなる。
【００２５】
一方、実施例のノイズ源バスバ３ａから発生する磁束Ｍ１の形状は、その断面形状の作用により、比較例の楕円形に対して、図２に示すように、楕円長軸に平行な範囲が長くなる。長軸に平行な範囲は、ノイズ源バスバ３ａの幅広の側面に対向する領域にあり、断面長手方向（Ｙ軸方向）と平行に伸びている。つまり、図３の比較例と比べて、ノイズ源バスバ３ａの幅広の側面に対向する領域で磁束の形状を断面長手方向に伸びる直線に近づける。別言すれば、ノイズ源バスバ３ａの幅広の側面に対向する領域で磁束Ｍ１の曲率は、楕円よりも小さくなり（曲率半径は大きくなる）、直線に近づく。その直線は、感磁面４ａと平行である。比較のため、図３の比較例と同じ位置まで磁電変換素子４をずらした場合（図２の破線で示す位置）、図２に示すように、磁束Ｍ１の方向は感磁面４ａと平行となる。したがって、磁電変換素子４の位置が断面長手方向で移動しても、その移動した位置での磁束Ｍ１の感磁方向（Ｘ軸方向）の成分は、磁束が楕円形である比較例と比べて小さくなる。したがって、ノイズ源バスバの断面長手方向における磁電変換素子４の位置変化に対するＳＮ比変動が小さくなる。
【００２６】
電流センサ１００において、ノイズ源バスバ３ａの断面形状を上記のような形状とすることで、磁電変換素子４の取付位置のＹ軸方向誤差に対して、磁電変換素子４により検知される計測バスバ２ａの磁束誤差の変動を低く抑えることができる。したがって、電流センサ１００の磁電変換素子４の取付位置に対するＳＮ比の変動を小さく抑えることができる。これにより、３相交流モータに伝達される電流値を高い精度で計測することが可能となる。
【００２７】
繰り返しになるが、電流センサ２００は、計測対象と非計測対象が入れ替わっている以外の構成は、電流センサ１００と同一である。図１に示すように、電流センサ２００は、計測バスバ３ｂとノイズ源バスバ２ｂと磁電変換素子５により構成されている。電流センサ２００のノイズ源バスバ２ｂは、電流センサ１００のノイズ源バスバ３ａと同様の形状を有している。また、磁電変換素子５と計測バスバ３ｂ及びノイズ源バスバ２ｂとの位置関係も電流センサ１００と同様である。したがって、電流センサ２００は電流センサ１００と同様の効果を得ることができる。電流センサ２００の詳しい説明は省略する。
【００２８】
図４に示す変形例について説明する。図４に示す変形例は、ノイズ源バスバ２３ａの断面形状が、上記の実施例と異なる。それ以外の構成については、上記の実施例と同様である。ノイズ源バスバ２３ａの断面形状は、断面長手方向（Ｙ軸方向）の中央から両端に向かって同じ幅で伸び、両端において幅が広がる形状である。断面長手方向の両端の形状は略四角形である。ノイズ源バスバ２３ａの断面形状を直観的に表現すれば、大文字アルファベットの「Ｉ」に似た形状となる。つまり、上記の実施例と同様に、断面短手方向（Ｘ軸方向）の幅が、断面長手方向の中央よりも両端で大きい。このような断面形状においても、実施例と同様に、ノイズ源バスバ２３ａから発生する磁束Ｍ３の形状は、ノイズ源バスバの幅広の側面３１に対向する領域で曲率が小さくなる。即ち、変形例の断面形状もノイズ源バスバ２３ａの幅広の側面３１に対向する領域で磁束Ｍ３の形状を直線に近づける。したがって、ノイズ源バスバ２３ａの断面長手方向における磁電変換素子５の位置変化に対するＳＮ比変動を小さくすることができる。
【００２９】
以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。図１では３相交流用バスバの内２本のバスバについて電流センサを設けていたが、３相交流用バスバの３本に実施例の電流センサを設けてもよい。例えば、図１においてバスバ２のＸ軸正方向にもう一本のバスバが存在する場合、そのバスバの電流をモニタする磁電変換素子は、ノイズ源バスバ２ｂの幅広面と対向する位置に配置される。つまり、３本のバスバを上方から（Ｙ軸方向から）視て平面視した場合、各バスバに備えられる磁電変換素子は三角形状の各頂点に位置している。ノイズ源バスバ２ｂの磁束は、その断面形状により実施例と同様に、ノイズ源バスバ２ｂの幅広面に対向する領域で直線に矯正されている。よって、この磁電変換素子の断面長手方向（Ｙ軸方向）における位置変化に対するＳＮ比変動は小さく抑えられる。
【００３０】
また、図２及び図３で示したノイズ源バスバの断面形状は、一例に過ぎない。図２における、ノイズ源バスバの幅広の側面の断面形状が、図２に示すような湾曲形状でなく、Ｖ字形状であってもよい。また、図４における、ノイズ源バスバの断面長手方向の両端の形状が略四角形状ではなく、円形状若しくは多角形状であってもよい。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
２、３： バスバ
２ａ、３ｂ：ノイズ源バスバ
２ｂ、３ａ：計測バスバ
４、５： 磁電変換素子
４ａ、５ａ：感磁面
１００、２００：電流センサ
【図１】
2015132499.tif 000003
【図２】
2015132499.tif 000004
【図３】
2015132499.tif 000005
【図４】
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