(57)【要約】【課題】コアが磁気飽和しない、小型の電流センサを提供する。【解決手段】電流センサ１０は、底部１２０と該底部１２０から間隔を開けて立設する複数の腕部１３０を有する磁性体の平板１１０、１１２を複数枚積層してなるコア１００と、底部１２０及び隣接する一対の腕部１３０により囲まれた空間であるギャップ１４０と、ギャップ１４０内に配設されギャップ１４０に挿通された導体８０に通電したときに発生する磁束を検出する検出素子９０と、を備える。電流センサ１０においては、コア１００の積層方向の少なくとも両端の平板１１０が、ギャップ１４０と反対側に突出する突起部１５０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部と、該底部から間隔を開けて立設する複数の腕部を有する磁性体の平板を複数枚積層してなるコアと、
前記底部、及び、隣接する一対の前記腕部により囲まれた空間であるギャップと、
前記ギャップ内に配設され、前記ギャップに挿通された導体に通電したときに発生する磁束を検出する検出素子と、を備え、
前記コアの積層方向の少なくとも両端の前記平板が、前記ギャップと反対側に突出する突起部を有する、電流センサ。
【請求項２】
前記突起部は前記底部に形成されている、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記突起部の突出方向に垂直な方向の長さは、前記ギャップの短手方向の長さよりも大きい、請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記ギャップは複数あり、前記突起部の少なくとも一部が隣接する前記ギャップの間にある前記腕部をその延在方向に延長した箇所で重なっている、請求項２又は３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記突起部が複数形成されている、請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記突起部は前記腕部に形成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記腕部に形成された前記突起部は、前記底部と前記ギャップとの境界位置の近傍から前記腕部の延在方向に沿って形成されている、請求項６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】
近年、モータとインバータとを備えるハイブリッド車両や電気自動車が普及しているが、モータの回転を適切に制御するには、モータに流れる電流を測定することが重要である。このような電流測定装置としては、モータとインバータとを接続する導体（バスバー）を流れる電流の大きさに応じて当該バスバーの周囲に生じる磁束を検出素子（磁気センサ）で検出し、検出された磁束に基づいてバスバーを流れる電流の大きさを演算して求める電流センサがある。バスバーから発生した磁束を効率的に磁気センサで検出するため、電流センサにおいては、ギャップを設け環状に形成された磁性材を積層して環状磁性体コアを形成し、コアの内部空間にバスバーを挿通し、ギャップ内の磁束を磁気センサにより検出する。
【０００３】
電流センサにおいて測定が必要な電流値が増加すると、バスバーの周囲に生じる磁束も増加する。磁束の増加により環状磁性体コアが磁気飽和すると、ギャップ内に発生する磁束と電流センサで演算した電流値との間の直線性が維持できなくなる。そこで、特許文献１に開示された電流センサにおいては、磁束の増加に応じて環状磁性体コアの幅寸法を大きくすることにより、ギャップ内に発生する磁束が増えても電流値との間で直線性を維持できるように構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０５４０１６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に開示された電流センサにおいては、磁気飽和しないために環状磁性体コアの幅寸法を大きくしている。しかし、環状磁性体コアの幅寸法が大きくなると、環状磁性体コアの体積が増加する。このため、電流センサが大型化し、重くなってしまうおそれがあった。
【０００６】
そのため、通電電流が大きくなってもコアが磁気飽和しない、小型の電流センサが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電流センサの１つの実施形態は、底部と、該底部から間隔を開けて立設する複数の腕部を有する磁性体の平板を複数枚積層してなるコアと、前記底部、及び、隣接する一対の前記腕部により囲まれた空間であるギャップと、前記ギャップ内に配設され、前記ギャップに挿通された導体に通電したときに発生する磁束を検出する検出素子と、を備え、前記コアの積層方向の少なくとも両端の前記平板が、前記ギャップと反対側に突出する突起部を有する。
【０００８】
コア内を流れる磁束の磁束密度は、積層方向の両外側が最も大きく、内側に向かうほど小さくなる。導体に電流が流れたときには、導体のうち、コアと交差した箇所で発生した磁束だけではなく、コアの近傍で、且つ、コアと交差していない箇所で発生した磁束も磁気抵抗の小さいコアに集磁される。コアに集磁された磁束は積層方向の少なくとも両端にある平板から内側の平板へと順次伝わるのであるが、各平板の間には多少の磁気抵抗が存在するので、コアの積層方向の外側と内側とでは、外側ほど磁束密度が大きく、内側に向かうにつれて、磁束密度が小さくなる。そこで、積層方向の少なくとも両端にある２枚の平板が突起部を有することにより、その平板が磁気飽和を起こす電流値を大きくすることができるので、電流センサのコア全体としても磁気飽和を起こしにくくすることができる。
【０００９】
また、突起部は積層方向の少なくとも両端にある平板にのみ設けられるので、電流センサとしての大幅な体積増加を抑制することができる。換言すれば、電流値の上限を変更しないのであれば、積層方向の内側にある平板の体積を小さくすることができるので、コアの体積を小さくし、電流センサを小型化、軽量化することが可能になる。
【００１０】
電流センサの１つの実施形態において、前記突起部は前記底部に形成されている。
【００１１】
電流センサの磁束密度の大きな箇所は、ギャップと対向しているコアの底部から腕部にかけてである。そこで、磁束密度の大きな箇所である底部に突起部を形成することにより、電流センサのコアの磁気飽和を起こしにくくすることができる。
【００１２】
電流センサの１つの実施形態において、前記突起部の突出方向に垂直な方向の長さは、前記ギャップの短手方向の長さよりも大きい。
【００１３】
底部の突起部の突出方向に垂直な方向の長さをギャップの短手方向の長さよりも大きくして、ギャップと対向している端部の磁束密度の大きい箇所に相当する位置まで突起部を延ばすことにより、電流センサのコアの磁気飽和をさらに起こしにくくすることができる。
【００１４】
電流センサの１つの実施形態において、前記ギャップは複数あり、前記突起部の少なくとも一部が隣接する前記ギャップの間にある前記腕部をその延在方向に延長した箇所で重なっている。
【００１５】
ギャップが複数あり、導体が複数あったとしても、磁束密度の大きな箇所は、ギャップと対向しているコアの底部から腕部にかけてである。そこで磁束密度の大きい箇所である底部に突起部を形成することにより、電流センサのコアの磁気飽和を起こしにくくすることができる。
【００１６】
電流センサの１つの実施形態において、前記突起部が複数形成されている。
【００１７】
ギャップが複数あり、導体が複数あった場合に、導体を流れる電流が同時に逆向きに流れると、それぞれの導体で発生した磁界は互いに打ち消される。そのため、磁束密度が大きくなる箇所が限定されることになるので、その箇所だけに突起部を形成することにより、電流センサの体積の増加を最小限にしつつ、電流センサのコアの磁気飽和を起こしにくくすることができる。
【００１８】
電流センサの１つの実施形態において、前記突起部は前記腕部に形成されている。
【００１９】
前述のように、電流センサの磁束密度の大きな箇所は、ギャップと対向しているコアの底部から腕部にかけてである。そこで、磁束密度の大きな箇所である腕部に突起部を形成することにより、電流センサのコアの磁気飽和を起こしにくくすることができる。
【００２０】
電流センサの１つの実施形態において、前記腕部に形成された前記突起部は、前記底部と前記ギャップとの境界位置の近傍から前記腕部の延在方向に沿って形成されている。
【００２１】
腕部であって、底部とギャップとの境界位置の近傍から腕部の延在方向に沿って突起部を形成することにより、電流センサのコアの磁気飽和をさらに起こしにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係る電流センサの構成を表す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る電流センサの構成を表す正面図である。
【図３】第１実施形態に係る電流センサのコアの磁束密度分布を表すコンター図である。
【図４】図３のIV-IV線断面図である。
【図５】第１実施形態の変形例（１）に係る電流センサの構成を表す正面図である。
【図６】第１実施形態の変形例（２）に係る電流センサの構成を表す正面図である。
【図７】第１実施形態の変形例（３）に係る電流センサの構成を表す正面図である。
【図８】第１実施形態の変形例（３）に係る電流センサの構成を表す正面図である。
【図９】第２実施形態に係る電流センサの構成を表す正面図である。
【図１０】従来の電流センサの構成を表す斜視図である。
【図１１】従来の電流センサのコアの磁束密度分布を表すコンター図である。
【図１２】図１１のXII-XII線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
１．第１実施形態
第１実施形態に係る電流センサ１０は、図１、図２に示すように、コア１００と、磁気センサ９０とを備える。コア１００は、磁性体からなり、底部１２０と、底部１２０から間隔を開けて垂直方向に立設する２つの腕部１３０を有するＵ字状の平板１１０、１１２を積層して構成されている。なお、「立設する」とは、本実施形態のように、２つの腕部１３０が底部１２０の延在方向に対して垂直方向に延在する場合だけではなく、底部１２０の延在方向と非平行なあらゆる方向に延在する場合を含む意味である。また、「立設する」には、例えば、２つの腕部１３０が円弧状である場合も含む。
【００２５】
平板１１０はコア１００の積層方向の最も外側にある２枚であり、平板１１２は、２枚の平板１１０の間に複数枚ある。平板１１０と平板１１２とは、平板１１０が後述する突起部１５０を有しているのに対し、平板１１２は突起部１５０を有していない点で異なり、それ以外の形状や板厚は同じである。平板１１０、１１２の底部１２０と２つの腕部１３０により囲まれた空間にギャップ１４０が形成されている。以下、底部１２０は、平板１１０、１１２に対してだけでなく、平板１１０、１１２が積層されてコア１００になった状態の底部に対しても用いるものとする。同様に、腕部１３０は、コア１００になった状態の腕部に対しても用いる。ギャップ１４０は、コア１００になった状態での底部と２つの腕部に囲まれた空間に対しても用いるものとする。
【００２６】
磁気センサ９０は、ホール素子等の磁束の大きさに応じた電圧（信号）が出力される素子である。磁気センサ９０は、コア１００の開口近傍のギャップ１４０内であって、積層方向の中央付近に配設されている。磁気センサ９０は検出素子の一例である。
【００２７】
コア１００のギャップ１４０内で、且つ、磁気センサ９０よりも底部１２０に近い側にコア１００の積層方向に沿って延在するバスバー８０が挿通されている。バスバー８０は導体の一例である。
【００２８】
電流センサ１０は、バスバー８０に流れる被測定電流を測定することが可能なように構成されている。通電されてバスバー８０に電流が流れたときには、当該電流の大きさに応じてバスバー８０の中心を軸心として磁界（磁束）が発生する（アンペールの右手の法則）。発生した磁束はループを構成して閉じているので、磁束は空気よりも磁気抵抗の低いコア１００の内部と２つの腕部１３０の先端（コア１００の開口近傍）の対向するギャップ１４０間を流れる。磁気センサ９０はこのギャップ１４０に配設されており、発生した磁束の大きさを検出し、検出された磁束の大きさに基づいてバスバー８０に流れる電流（電流値）を演算する。
【００２９】
電流センサ１０においては、平板１１０に突起部１５０が形成されている。本実施形態において、突起部１５０は底部１２０に形成されており、コア１００から外方、すなわち、ギャップ１４０と反対側に突出している。また、突起部１５０の底部１２０の延在方向に平行方向の長さＸは、２つの腕部１３０の内寸（ギャップ１４０の短手方向の長さ）Ｙよりも長くなっている。
【００３０】
このように突起部１５０を備えると、突起部１５０のないコア１００と比較して、コア１００の飽和磁束密度が大きくなる。
【００３１】
図３、図４は、バスバー８０に電流を流したときにコア１００を流れる磁束の大きさ（磁束密度）の分布を表すコンター図である。図４は図３のコンター図を積層方向中央で切断した断面図である。図３、図４においては、太い破線に囲まれたドット模様の領域（領域Ａ）が最も磁束密度が大きく、破線の太さが細くなるにつれて、すなわち、領域Ｂから領域Ｇにかけて、この順で破線に囲まれる領域の磁束密度が小さくなることを表す。
【００３２】
図３に示すように、コア１００の表面の磁束密度は、積層方向の両外側が最も大きく、内側に向かうほど小さくなる。バスバー８０に電流が流れたときには、バスバー８０のうち、コア１００と交差した箇所で発生した磁束だけではなく、コア１００の近傍で、且つ、コア１００と交差していない箇所で発生した磁束も磁気抵抗の小さいコア１００に集磁される。コア１００に集磁された磁束は平板１１０から積層方向内側の平板１１２へと順次伝わるのであるが、平板１１０と平板１１２の間、及び、隣接する平板１１２同士の間には多少の磁気抵抗が存在するので、コア１００の積層方向の外側と内側とでは、外側ほど磁束密度が大きく、内側に向かうにつれて、磁束密度が小さくなる。
【００３３】
図４に示すように、電流センサ１０の積層方向中央における磁束密度の分布においては、ギャップ１４０に対向する底部１２０から腕部１３０にかけての領域Ａが最も磁束密度が大きく、領域Ｂから領域Ｇにかけて、この順で磁束密度が小さくなる。図３の領域Ａと図４の領域Ａとは同じ磁束密度範囲であることを表している。また、図３の領域Ｂから領域Ｇと図４の領域Ｂから領域Ｇとは、それぞれ同じアルファベットの領域が同じ磁束密度範囲であることを表している。
【００３４】
ここで、比較のために、突起部１５０を有さず、平板１１２のみの積層で構成されているコア１００Ｐを有する従来の電流センサ１０Ｐ（図１０参照）に同じ大きさの電流を流したときの磁束密度の分布を表すコンター図を図１１、図１２に示す。図１１、図１２の領域Ａから領域Ｇと図３、図４の領域Ａから領域Ｇとは、それぞれ同じアルファベットの領域が同じ磁束密度範囲であることを表している。図１１においては、コア１００Ｐの積層方向の外側ほど磁束密度が大きく、内側に向かうにつれて、磁束密度が小さくなっており、図３の分布と同傾向を示している。図１２においても、ギャップ１４０に対向する底部１２０から腕部１３０にかけての領域Ａが最も磁束密度が大きく、領域Ｂから領域Ｇにかけて、この順で磁束密度が小さくなっており、図４と同傾向を示している。
【００３５】
しかし、図１２と図４を比較すると、図１２に示すコア１００Ｐの方が、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃといった磁束密度の大きい領域の占める面積が大きいこと等から、コア１００Ｐ全体として磁束密度が大きくなっていることが分かる。従って、電流センサ１０Ｐのコア１００Ｐの方が、電流センサ１０のコア１００より低い電流値で磁気飽和してしまう。コア１００Ｐが磁気飽和すると、電流センサ１０Ｐにおける発生磁束と測定電流の直線性が損なわれてしまう。
【００３６】
そこで、コア１００の積層方向の最も外側にある平板１１０に突起部１５０を設けるだけで、電流センサ１０を大型化せずに、コア１００が磁気飽和する電流値を大きく設定することができる。換言すれば、通電電流の上限値を変更しないのであれば、積層方向内側にある平板１１２の体積を小さくすることができるので、コア１００の体積を小さくし、電流センサ１０を小型化、軽量化することが可能になる。
【００３７】
図２の長さＸは、図４における領域Ａの底部１２０の延在方向の大きさ（幅）に対応している。このように、磁束密度の大きな箇所である底部１２０に領域Ａに相当する幅を有する突起部１５０を形成することにより、電流センサ１０のコア１００の磁気飽和を起こしにくくすることができる。
【００３８】
２．第１実施形態の変形例
次に、第１実施形態の変形例に係る電流センサ２０、３０、４０について、図面を用いて詳細に説明する。
【００３９】
（１）図５に示すように、本変形例に係る電流センサ２０は、積層方向の両外側にある２枚の平板２１０において、底部２２０だけでなく、腕部２３０にも突起部２５０が形成されている点で第１実施形態に係る電流センサ１０と異なる。腕部２３０に形成された突起部２５０は、底部２２０とギャップ２４０の境界位置（図５の２点鎖線参照）の近傍から腕部２３０の延在方向に沿って形成されている。これは、当該箇所が、図４における領域Ａに対応する磁束密度の大きい箇所だからである。このように、積層方向の両外側にある２枚の平板２１０が底部２２０と２つの腕部２３０に突起部２５０を有する構成であっても、大型化せずに、コア２００が磁気飽和する電流値を大きく設定できる電流センサ２０を得ることができる。
【００４０】
なお、本変形例においては、突起部２５０は底部２２０と腕部２３０の両方に形成されているが、これに限られるものではない。突起部２５０が、底部２２０に形成されておらず、２つの腕部２３０のみに形成されていてもよい。または、底部２２０に形成されておらず、いずれか一方の腕部２３０のみに形成されていてもよい。あるいは、底部２２０といずれか一方の腕部２３０に形成されていてもよい。底部２２０に突起部２５０が形成されていない場合、腕部２３０における突起部２５０の底部２２０側の端部を、底部２２０とギャップ２４０の境界位置から底部２２０の側に延在させるとよい。
【００４１】
（２）図６に示すように、本変形例に係る電流センサ３０は、積層方向の両外側にある２枚の平板３１０において、１つの底部３２０に対して４つの腕部３３０が形成されており、これにより３つのギャップ３４０が形成されている点で第１実施形態に係る電流センサ１０と異なる。そして、底部３２０には中央の２つの腕部３３０を延在方向に延長した箇所で重なっている１つの突起部３５０が形成されている。このように、積層方向の両外側にある２枚の平板３１０が隣接する２つの腕部３３０の最外寸と同程度の幅を有する１つの突起部３５０を有する構成であっても、大型化せずに、コア３００が磁気飽和する電流値を大きく設定できる電流センサ３０を得ることができる。なお、突起部３５０は、その一部が腕部３３０を延長した箇所で重なっていればよく、突起部３５０の全体が重なっていなくてもよい。
【００４２】
（３）図７に示すように、本変形例に係る電流センサ４０は、積層方向の両外側にある２枚の平板４１０において、中央の２つの腕部４３０を延在方向に延長した箇所でそれぞれ重なるように、底部４２０に２つの突起部４５０が形成されている点で変形例（２）に係る電流センサ３０と異なる。例えば、電流センサ４０の３本のバスバー８０が３相交番電流を流して駆動させるモータに接続されている場合、隣接するバスバー８０の通電方向は常に逆になるため、それぞれのバスバー８０で発生した磁界は互いに打ち消される。そのため、積層方向の両外側にある２枚の平板４１０の中央の２つの腕部４３０を延長した箇所にそれぞれ突起部４５０を設けるだけで、大型化せずに、コア４００が磁気飽和する電流値を大きく設定できる電流センサ４０を得ることができる。なお、突起部４５０は、その一部が腕部４３０を延長した箇所で重なっていればよく、突起部４５０の全体が重なっていなくてもよい。また、２個のモータを使用する場合には、図８のように、６本のバスバー８０について電流測定が可能な構成にしてもよい。
【００４３】
なお、本変形例の平板４１０においては、両端の２つの腕部４３０の除く他の全ての腕部４３０を延長した箇所に突起部４５０を設けているが、これに限られるものではない。バスバー８０に通電される電流の大きさによっては、両端の２つの腕部４３０の除く他の腕部４３０のいくつかだけに突起部４５０が形成されていてもよい。
【００４４】
３．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る電流センサ５０について、図面を用いて詳細に説明する。
【００４５】
本実施形態に係る電流センサ５０は、図９に示すように、積層方向の両外側にある２枚の平板５１０において、平板５１０の積層方向の内側にある平板１１２に対して底部５２０と２つの腕部５３０の全体に亘って連続的に突起部５５０が形成されている点で第１実施形態と異なる。このように、積層方向の両外側にある２枚の平板５１０が底部５２０から両側の腕部５３０に至る連続した突起部５５０を有する構成であっても、大型化せずに、コア５００が磁気飽和する電流値を大きく設定できる電流センサ５０を得ることができる。
【００４６】
上記各実施形態及び変形例においては、突起部１５０、２５０、３５０、４５０、５５０を平板１１０、２１０、３１０、４１０、５１０の外方に形成したが、これに限られるものではない。突起部１５０、２５０、３５０、４５０、５５０を平板１１０、２１０、３１０、４１０、５１０の内方、すなわち、ギャップ１４０に向けて突出させてもよい。
【００４７】
上記各実施形態及び変形例においては、突起部１５０、２５０、３５０、４５０、５５０を平板１１０、２１０、３１０、４１０、５１０の積層方向の両外側にある２枚だけに形成したが、これに限られるものではない。突起部１５０、２５０、３５０、４５０、５５０を平板１１０、２１０、３１０、４１０、５１０の積層方向の両外側にある２枚に加えて、その内側にある単数又は複数枚の平板１１０、２１０、３１０、４１０、５１０に形成してもよい。
【００４８】
上記各実施形態及び変形例において、２つの腕部１３０、２３０、３３０、４３０、５３０は、底部１２０、２２０、３２０、４２０、５２０から直線状且つ平行に延在していたがこれに限られるものではない。２つの腕部１３０、２３０、３３０、４３０、５３０が直線状且つ非平行に延在していてもよい。また、２つの腕部１３０、２３０、３３０、４３０、５３０が直線状ではなく弧状に延在していてもよい。
【００４９】
上記各実施形態及び変形例における突起部の位置は可能な限り組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、電流センサに利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０、２０、３０、４０、５０        電流センサ
８０        バスバー（導体）
９０        磁気センサ（検出素子）
１００、１００Ｐ、２００、３００、４００、５００        コア
１１０、１１２、２１０、３１０、４１０、５１０        平板
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０        底部
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０        腕部
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０        ギャップ
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０        突起部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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