(57)【要約】【課題】筒状の導電体を流れる電流値を精度よく検出することができる電流検出装置および電流検出方法の提供。【解決手段】電流センサ１のバスバー１１の周壁１１１には、周壁１１１を貫通するように、バスバー１１の長手方向に延びた螺旋状のスリット１１２が形成されている。バスバー１１の上端部から内部空間ＳＩに向けて回路基板１３が挿入されており、回路基板１３の下端にはホール素子１２が取り付けられている。バスバー１１の長手方向に電流が流されると、電流がスリット１１２の周縁に沿って流れ、電流に応じた磁束密度を発生させる。ホール素子１２が、発生した磁束密度のうち長手方向を向いた成分を検出することによってバスバー１１に流れる電流値を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に電流が流される筒状の導電体と、
前記導電体の内部空間に配置された磁気検出素子と、
を備え、
前記導電体には、前記長手方向に対して所定の傾斜角度を有するとともに、内外を貫通する開口部が形成されており、
前記導電体に流された電流に応じて前記長手方向に発生する磁束を前記磁気検出素子によって検出することにより、前記導電体に流れる電流を検出する電流検出装置。
【請求項２】
前記導電体における前記開口部内には、合成樹脂材料が充填されている請求項１記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記磁気検出素子が取り付けられた回路基板を備え、
前記回路基板は、前記導電体の前記内部空間を前記長手方向に延びており、
前記開口部内に充填された前記合成樹脂材料は、前記回路基板に対して固着している請求項２記載の電流検出装置。
【請求項４】
前記導電体は円筒形である請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の電流検出装置。
【請求項５】
前記開口部は、
前記導電体の前記長手方向に延びる螺旋状に形成されている請求項４記載の電流検出装置。
【請求項６】
前記開口部は複数個形成され、前記導電体の円周方向において同様の形態が反復するように配置されている請求項４記載の電流検出装置。
【請求項７】
前記導電体の端部のうちの少なくとも一方において、内周面または外周面に螺子部が形成されている請求項４乃至６のうちのいずれか一項に記載の電流検出装置。
【請求項８】
長手方向に電流が流される筒状の導電体の内部空間に磁気検出素子を配置し、
前記導電体には、前記長手方向に対して所定の傾斜角度を有するとともに、内外を貫通する開口部が形成されており、
前記導電体に流された電流に応じて前記長手方向に発生する磁束を前記磁気検出素子によって検出することにより、前記導電体に流れる電流を検出する電流検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状の導電体を流れる電流値を検出する電流検出装置および電流検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１か所を破断させてギャップ部を形成した環状磁性体に、配電線を貫通するように配置し、環状磁性体のギャップ部内にホール素子を配した電流検出装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。これは、配電線に被測定電流を流した時に、ギャップ部内に発生する磁束密度をホール素子によって電圧に変換し、配電線に流れる電流を検出している。
また、特許文献２には、円筒状のバスバーに内外を貫通するスリットを設け、バスバーの内部空間におけるスリットの近傍に磁気検出素子を配置した電流検出装置に関する従来技術が開示されている。これは、バスバーの長手方向に電流を流すことにより、スリット内に進入するように形成される磁束を磁気検出素子によって検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５１９９５号公報
【特許文献２】特開２００６−５８１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された電流検出装置においては、電流検出のための磁気回路が磁性体を用いて形成されているため、配電線電流と出力電圧との間の関係においてヒステリシスが発生し、双方の間の直線性が損なわれる。特に、配電線電流の大きい領域においては、磁性体の磁束飽和が発生し、直線性の悪化が著しくなる。
また、特許文献２に開示された電流検出装置においては、スリットの形状あるいはスリットに対する磁気検出素子の位置により、検出値がばらつくという問題がある。また、外部からの電磁ノイズを遮蔽するために、磁気検出素子をスリットに対してバスバーの軸方向にずらして配置しているため、磁気検出素子が、さほど磁束を検出することができず、この点においても検出値の精度がばらつくことになる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筒状の導電体を流れる電流値を精度よく検出することができる電流検出装置および電流検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、請求項１に係る電流検出装置の発明の構成は、長手方向に電流が流される筒状の導電体と、導電体の内部空間に配置された磁気検出素子と、を備え、導電体には、長手方向に対して所定の傾斜角度を有するとともに、内外を貫通する開口部が形成されており、導電体に流された電流に応じて長手方向に発生する磁束を磁気検出素子によって検出することにより、導電体に流れる電流を検出することである。
【０００６】
請求項２に係る発明の構成は、請求項１の電流検出装置において、導電体における開口部内には、合成樹脂材料が充填されていることである。
【０００７】
請求項３に係る発明の構成は、請求項２の電流検出装置において、磁気検出素子が取り付けられた回路基板を備え、回路基板は導電体の内部空間を長手方向に延びており、開口部内に充填された合成樹脂材料は、回路基板に対して固着していることである。
【０００８】
請求項４に係る発明の構成は、請求項１乃至３のうちのいずれかの電流検出装置において、導電体は円筒形を呈することである。
【０００９】
請求項５に係る発明の構成は、請求項４の電流検出装置において、開口部は導電体の長手方向に延びる螺旋状に形成されていることである。
【００１０】
請求項６に係る発明の構成は、請求項４の電流検出装置において、開口部は複数個形成され、導電体の円周方向において同様の形態が反復するように配置されていることである。
【００１１】
請求項７に係る発明の構成は、請求項４乃至６のうちのいずれかの電流検出装置において、導電体の端部のうちの少なくとも一方において、内周面または外周面に螺子部が形成されていることである。
【００１２】
請求項８に係る電流検出方法の発明の構成は、長手方向に電流が流される筒状の導電体の内部空間に磁気検出素子を配置し、導電体には、長手方向に対して所定の傾斜角度を有するとともに、内外を貫通する開口部が形成されており、導電体に流された電流に応じて長手方向に発生する磁束を磁気検出素子によって検出することにより、導電体に流れる電流を検出することである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る電流検出装置によれば、導電体には、長手方向に対して所定の傾斜角度を有する開口部が形成されているため、導電体に供給された電流が開口部の周縁に沿ってななめ方向に流れる。したがって、導電体の内部空間に配置された磁気検出素子に対して働く導電体の長手方向の磁束成分が増大するため、磁気検出素子による長手方向の磁束の検出によって、導電体に流れる電流を精度よく検出することができる。
また、電流検出装置の磁気回路として磁性体を用いずに形成できるため、ヒステリシスがなく直線性のよい電流検出装置にすることができ、検出精度を向上させることができる。
【００１４】
請求項２に係る電流検出装置によれば、導電体における開口部内には、合成樹脂材料が充填されていることにより、導電体の変形が抑制され、電流検出の精度を向上させることができるとともに、経時変化の少ない電流検出装置にすることができる。
【００１５】
請求項３に係る電流検出装置によれば、開口部内に充填された合成樹脂材料が回路基板に対して固着していることにより、磁気検出素子が取り付けられた回路基板を、導電体に対して容易に固定することができる。
【００１６】
請求項４に係る電流検出装置によれば、導電体は円筒形を呈することにより、導電体の周面上において長手方向の磁束成分がバランスよく発生するため、電流検出の精度をいっそう向上させることができる。
【００１７】
請求項５に係る電流検出装置によれば、開口部は導電体の長手方向に延びる螺旋状に形成されていることにより、導電体の周面上において長手方向の磁束成分が重畳的に発生するため、電流検出の精度をいっそう向上させることができる。
【００１８】
請求項６に係る電流検出装置によれば、開口部は複数個形成され、導電体の円周方向において同様の形態が反復するように配置されている（導電体が、いわゆる長手方向を軸とする回転対称形を呈する）ことにより、導電体の周面上において長手方向の磁束成分の分布が均一化されるため、導電体の長手方向に直交する面内における磁気検出素子の位置ずれによる感度変化を低減し、電流検出の精度を安定させることができる。
【００１９】
請求項７に係る電流検出装置によれば、導電体の端部のうちの少なくとも一方において、内周面または外周面に螺子部が形成されていることにより、導電体と他部材との接続を容易にすることができる。
【００２０】
請求項８に係る電流検出方法によれば、導電体には、長手方向に対して所定の傾斜角度を有する開口部が形成されているため、導電体に供給された電流が開口部の周縁に沿ってななめ方向に流れる。したがって、導電体の内部空間に配置された磁気検出素子に対して働く、導電体の長手方向の磁束成分が増大するため、磁気検出素子による長手方向の磁束の検出によって、導電体に流れる電流を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態１による電流検出装置の斜視図
【図２】図１に示した電流検出装置を軸方向にカットした場合の断面図
【図３】図１に示した電流検出装置による電流検出原理を示した簡略図
【図４】図３を補助するための簡略図
【図５】実施形態２による電流検出装置の斜視図
【図６】実施形態３による電流検出装置の斜視図
【図７】図６に示した電流検出装置を軸方向にカットした場合の断面図
【図８】実施形態４による電流検出装置の簡略した斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜実施形態１＞
図１乃至図４に基づき、本発明の実施形態１による電流センサ１（電流検出装置に該当する）について説明する。
尚、説明中において図１および図２の上方を電流センサ１の上方とし、図１および図２の下方を電流センサ１の下方として説明することがあるが、電流センサ１の実際の使用時の姿勢とは無関係である。また、図２において、固定部材１４は省略されている。
【００２３】
電流センサ１は、所定の長さを有する円筒形のバスバー１１（導電体に該当する）を備えている。バスバー１１は導電性を有する金属材料にて形成され、その周壁１１１には、内周面１１１ａと外周面１１１ｂとを連通するスリット１１２（開口部に該当する）が貫通している。スリット１１２は、周壁１１１上において長手方向（図１における中心軸Ｃに沿った方向で、以下、中心軸Ｃ方向という）に延びる連続した螺旋状に形成されている。したがって、スリット１１２の各部位は、中心軸Ｃ方向に対して０°より大きく９０°未満である所定の傾斜角度を有している（図１示）。
【００２４】
バスバー１１の下端部においては、外周面１１１ｂに雄螺子部１１３（螺子部に該当する）が形成されている。また、バスバー１１の上端部においては、内周面１１１ａに雌螺子部１１４（螺子部に該当する）が形成されている（図２示）。雄螺子部１１３は、他のバスバーあるいはターミナル等の回路部材に形成された雌螺子部と螺合し接続される。また、雌螺子部１１４は、他のバスバーあるいはターミナル等の回路部材に形成された雄螺子部と螺合し接続される。
【００２５】
バスバー１１の端部からは、内部空間ＳＩ（内周面１１１ａによって囲まれた空間）に向けて、ホール素子１２（磁気検出素子に該当する）が取り付けられた回路基板１３が挿入されている。ホール素子１２は、バスバー１１の中心軸Ｃ方向の磁束密度を検出する素子であって（図２示）、回路基板１３の下端部に形成されている。本実施形態においては、ホール素子１２に代えて、ＭＲ素子(Magneto Resistive、磁気抵抗素子)、ＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistive、巨大磁気抵抗素子）、ＴＭＲ素子(Tunnel Magneto Resistive、トンネル磁気抵抗素子)等を用いてもよい。
【００２６】
回路基板１３は、ホール素子１２が検出した磁束密度を電圧信号に変換する回路パターンを含んでいる。回路基板１３は、バスバー１１の内部空間ＳＩを長手方向に延びてバスバー１１の端部から突出しており、その上端部において固定部材１４に固着されている。これによって回路基板１３は固定され、ホール素子１２が内部空間ＳＩ中において、周壁１１１のスリット１１２が形成された範囲において、上下方向のほぼ中央部に配置される。すなわち、図２において、Ｌは周壁１１１においてスリット１１２が形成された範囲を示し、ｍはホール素子１２の位置について、スリット１１２が形成された部位の端部からの距離を示しており、Ｌ≒２ｍとなるように形成されている。
また、ホール素子１２は内部空間ＳＩ中において、ほぼ中心軸Ｃ上に配置されている。
【００２７】
次に、図３および図４に基づいて、電流センサ１によるバスバー１１に流れる電流値の検出原理を説明する。説明に先立って、バスバー１１の周壁１１１に形成されたスリット１１２は、中心軸Ｃに対する垂直な面Ｔに対し角度θ（０°＜θ＜９０°）だけ傾いているとする（図３示）。
バスバー１１の長手方向に電流が流されると、周壁１１１にスリット１１２が形成されているため、スリット１１２近傍においては、スリット１１２の周縁に沿って電流Ｉが流れる（図３示）。このため右ネジの法則により、スリット１１２に沿って流れる電流の周囲には、電流に応じた磁束φｔが発生して、内部空間ＳＩ中にあるホール素子１２に働く。
【００２８】
スリット１１２の傾斜によって、ホール素子１２に働く磁束φｔも中心軸Ｃに対し角度θだけ傾いている。図４に示すように、磁束φｔは、中心軸Ｃ方向を向いた軸方向磁束φｚの成分と、周壁１１１の円周方向を向いた周方向磁束φｒの成分とに分解でき、ホール素子１２は軸方向磁束φｚによる磁束密度を検出することにより、バスバー１１の長手方向に流される電流を検出することができる。スリット１１２が周壁１１１の全周に渡って形成されているため、ホール素子１２は、周壁１１１の全周から働く軸方向磁束φｚによる磁束密度を検出することができる。
【００２９】
因みに、θ＝０°の時、すなわち、スリット１１２が周壁１１１の円周方向に延びている場合、スリット１１２の周縁に沿って電流が円周上を両方向に流れるため、軸方向磁束φｚがキャンセルされてしまう。したがって、θは０°より大きいことが必要条件となっている。θは、０°＜θ＜９０°の条件を満足する任意の値にすることが可能である。
【００３０】
本実施形態によれば、バスバー１１には、長手方向に対して所定の傾斜角度を有するスリット１１２が形成されているため、バスバー１１に供給された電流がスリット１１２の周縁に沿ってななめ方向に流れる。したがって、バスバー１１の内部空間ＳＩに配置されたホール素子１２に対して周壁１１１の全周から働くバスバー１１の長手方向の軸方向磁束φｚが増大するため、ホール素子１２による磁束密度の検出によって、バスバー１１に流れる電流を精度よく検出することができる。
【００３１】
また、電流センサ１の磁気回路として磁性体を用いずに形成できるため、ヒステリシスがなく直線性のよい電流センサ１にすることができ、検出精度を向上させることができる。
また、バスバー１１は円筒形を呈することにより、バスバー１１の周面上において長手方向の軸方向磁束φｚがバランスよく発生するため、電流検出の精度をいっそう向上させることができる。
また、スリット１１２はバスバー１１の長手方向に延びる螺旋状に形成されていることにより、バスバー１１の周面上において長手方向の軸方向磁束φｚが重畳的に発生するため、電流検出の精度をいっそう向上させることができる。
【００３２】
また、ホール素子１２が内部空間ＳＩ中において、周壁１１１のスリット１１２が形成された範囲において、上下方向のほぼ中央部に配置されているため、ホール素子１２が内部空間ＳＩ中において磁束密度が最大となる部位に位置し、電流センサ１の感度を向上させることができる。
また、円筒状のバスバー１１の外部では磁束密度が低下するため、スリット１１２を備えた複数のバスバー１１を並設した場合でも、互いの間のクロストークが抑制される。
また、バスバー１１の端部において、内周面１１１ａと外周面１１１ｂに雌螺子部１１４および雄螺子部１１３が形成されていることにより、バスバー１１と他のバスバーあるいは回路部材との接続を容易にすることができる。
【００３３】
また、螺旋状のスリット１１２が形成された円筒形のバスバー１１の内部空間ＳＩ内にホール素子１２を配置したため、コイルの内部にホール素子１２を配置した電流センサに比べて、バスバー１１に大電流を流すことができ、大きな電流の検出を可能にする電流センサ１にすることができる。
また、バスバー１１はコイルに比べて剛性が高く、径方向の精度もよく、製造が容易という利点を有する。
【００３４】
＜実施形態２＞
図５に基づき、本発明の実施形態２による電流センサ２について、実施形態１との相違点を中心に説明する。尚、図５において、バスバー２１に形成される雄螺子部および雌螺子部は省略されている。
電流センサ２のバスバー２１の周壁２１１には、内周面２１１ａと外周面２１１ｂとを連通するスリット２１２が貫通している。スリット２１２は複数個形成され、周壁２１１上において円周方向に同様の形態が反復する（バスバー２１が、いわゆる長手方向を軸とする回転対称形を呈する）ように配置されている。各々のスリット２１２は、中心軸Ｃ方向に対して０度より大きく９０度未満である所定の傾斜角度を有している（図５示）。
電流センサ２による電流値の検出方法は実施形態１の場合と同様であるため、説明は省略する。
【００３５】
本実施形態によれば、スリット２１２は複数個形成され、バスバー２１の周壁２１１上において円周方向に同様の形態が反復するように配置されていることにより、周壁２１１の円周上において長手方向の軸方向磁束φｚの分布が均一化されるため、バスバー２１の長手方向に直交する面内におけるホール素子の位置ずれによる感度低下を低減し、電流検出の精度を安定させることができる。
【００３６】
＜実施形態３＞
図６および図７に基づき、本発明の実施形態３による電流センサ３について、実施形態１との相違点を中心に説明する。尚、説明中において図６および図７の上方を電流センサ３の上方とし、図６および図７の下方を電流センサ３の下方として説明することがあるが、電流センサ３の実際の使用時の姿勢とは無関係である。尚、図６および図７において、バスバー３１に形成される雄螺子部および雌螺子部は省略されている。
【００３７】
電流センサ３のバスバー３１は、実施形態１によるバスバー１１と同様に、周壁３１１上に長手方向に延びる連続した螺旋状のスリット３１２が形成されている（図７示）。バスバー３１には、絶縁性を有する合成樹脂材料にて一体に形成された補強メンバ３２が固着されている。補強メンバ３２は、バスバー３１の外周面３１１ｂ上のスリット３１２が形成された範囲を覆う被覆部３２１と、スリット３１２内に充填された挿入部３２２と、バスバー３１の内周面３１１ａに固着された延在部３２３とにより形成されている。補強メンバ３２は、インサート成形によりバスバー３１上に形成される。
【００３８】
延在部３２３は、バスバー３１の内周面３１１ａ上を長手方向に延びて、バスバー３１の端部から突出した回路基板１３の上端に対して固着されている。これにより、回路基板１３は固定され、ホール素子１２は実施形態１と同様に、内部空間ＳＩ中において、周壁３１１のスリット３１２が形成された範囲において、上下方向のほぼ中央部に配置される。
また、延在部３２３の下端には、内部空間ＳＩを遮断するように底部３２３ａが形成され、補強メンバ３２の剛性を増大させている。
電流センサ３による電流値の検出方法は実施形態１の場合と同様であるため、説明は省略する。
【００３９】
本実施形態によれば、バスバー３１のスリット３１２内に、合成樹脂材料が充填されて挿入部３２２が形成されていることにより、スリット３１２によるバスバー３１の変形が抑制され、電流検出の精度を向上させることができるとともに、経時変化の少ない電流センサ３にすることができる。
また、延在部３２３がバスバー３１の内周面３１１ａ上を長手方向に延びて、バスバー３１の端部から突出した回路基板１３の上端に対して固着されていることにより、ホール素子１２が取り付けられた回路基板１３を、バスバー３１に対して容易に固定することができる。
また、延在部３２３によって、ホール素子１２が取り付けられた回路基板１３がバスバー３１の内周面３１１ａから絶縁されているため、バスバー３１から回路基板１３への大電流の流入を防ぐことができ、ホール素子１２および回路基板１３の破損を防止することができる。
【００４０】
＜実施形態４＞
図８に基づき、本発明の実施形態４による電流センサ４について、実施形態３との相違点を中心に説明する。尚、説明中において図８の上方を電流センサ４の上方とし、図８の下方を電流センサ４の下方として説明することがあるが、電流センサ４の実際の使用時の姿勢とは無関係である。尚、図８において、バスバー４１に形成される雄螺子部および雌螺子部は省略されている。
【００４１】
本実施形態による電流センサ４においては、実施形態３によるバスバー３１と同様のバスバー４１が、３本並列となるように配置されている。それぞれのバスバー４１には実施形態３の場合と同様に、合成樹脂材料による補強メンバ４２が固着されている。
補強メンバ４２は実施形態３の場合と同様に、バスバー４１の周壁４１１のうち、外周面４１１ｂ上においてスリット（図示せず）が形成された範囲を覆うとともにスリット内に充填され、バスバー４１の内部空間ＳＩ内を長手方向に延びている。図８に示すように、３本のバスバー４１に固着された補強メンバ４２は、外周面４１１ｂ上に固着された部位を介して一体化されており、これによりバスバー４１の互いの位置が決定される。
【００４２】
各々のバスバー４１の内部空間ＳＩには、回路基板４３の３分岐した素子取付部４３１が挿入されている。それぞれの素子取付部４３１の下端には、ホール素子（図示せず）が設けられており、ホール素子は実施形態３の場合と同様に、バスバー４１の内部空間ＳＩ内に配置される。
電流センサ４の各々のバスバー４１には、これに限定されるべきものではないが、交流モータを駆動する３相交流電流の各相電流が供給され、電流センサ４は交流モータの駆動制御に利用される。
【００４３】
＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
実施形態３において、補強メンバ３２の延在部３２３は、バスバー３１の外周面３１１ｂ上を上方に延びて、回路基板１３に固着されていてもよい。
また、バスバー１１、２１、３１、４１の周壁１１１、２１１、３１１、４１１は、中心軸Ｃに対して垂直な断面形状が、３角形、４角形、多角形といった筒状の形態であれば、必ずしも円筒形でなくてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
図面中、１，２，３，４は電流センサ（電流検出装置）、１１，２１，３１，４１はバスバー（導電体）、１２はホール素子（磁気検出素子）、１３，４３は回路基板、３２，４２は補強メンバ（合成樹脂材料）、１１１ａ，２１１ａ，３１１ａは内周面、１１１ｂ，２１１ｂ，３１１ｂ，４１１ｂは外周面、１１２，２１２，３１２はスリット（開口部）、１１３は雄螺子部（螺子部）、１１４は雌螺子部（螺子部）、ＳＩは内部空間を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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