JP2021047147A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】シールド部によって磁気シールドを図る構成において、バスバーに電流が流れていない状態でセンサ出力に含まれるオフセット誤差を低減することができる電流センサを提供する。【解決手段】第１シールド部１０は、バスバー３０に電流が流れていない状態で、第１ヒステリシス特性に基づく第１磁界を発生させる。第２シールド部２０は、バスバー３０に電流が流れていない状態で、第２ヒステリシス特性に基づくと共に第１磁界に対して逆向きの第２磁界を発生させる。第１シールド部１０及び第２シールド部２０は、バスバー３０に電流が流れていない状態で、センサチップ４０の検出面４１において第１磁界と第２磁界とが打ち消されるように配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

従来より、バスバーに流れる電流を検出するように構成された電流センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、電流センサは、バスバーから発生する磁界を検知して電気信号に変換するセンサチップと、センサ外部から侵入する外乱磁界を遮蔽するシールド部と、を含む。

特開２０１８−１７５５４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、シールド部は磁性体材料で構成されるので、シールド部はヒステリシス特性を有する。このため、電流がバスバーに流れている状態から流れてない状態に移行したとしても、シールド部はヒステリシス特性に基づいて磁界を発生させてしまう。その結果、シールド部から発生する磁界の影響によってセンサチップのセンサ出力にオフセット誤差が含まれてしまう。

本発明は上記点に鑑み、シールド部によって磁気シールドを図る構成において、バスバーに電流が流れていない状態でセンサ出力に含まれるオフセット誤差を低減することができる電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１シールド部（１０）、第２シールド部（２０）、バスバー（３０）、及びセンサチップ（４０）を含む。

第１シールド部は、第１ヒステリシス特性を有する第１磁性体材料で構成され、第１平面部（１１）を有する。第２シールド部は、第２ヒステリシス特性を有する第２磁性体材料で構成され、第１平面部に対して対向配置された第２平面部（２１）を有する。

バスバーは、一端部（３１）と他端部（３２）との間の一部が第１シールド部の第１平面部と第２シールド部の第２平面部との間に配置される。センサチップは、バスバーに流れる電流を検出するための検出面（４１）を有し、検出面が第１平面部に向けられた状態で第１平面部とバスバーとの間に配置される。

第１シールド部は、バスバーに電流が流れていない状態で、第１ヒステリシス特性に基づく第１磁界を発生させる。第２シールド部は、バスバーに電流が流れていない状態で、第２ヒステリシス特性に基づくと共に第１磁界に対して逆向きの第２磁界を発生させる。

第１シールド部及び第２シールド部は、バスバーに電流が流れていない状態で、センサチップの検出面において第１磁界と第２磁界とが打ち消されるように配置される。

これによると、センサチップの検出面に印加される磁界が相殺されるので、センサチップが各シールド部から磁界の影響を受けにくくなる。したがって、バスバーに電流が流れていない状態でセンサ出力に含まれるオフセット誤差を低減することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る電流センサの斜視図である。 図１のII−II断面図である。 センサチップの検出面に対する第１シールド部の第１磁界の影響と第２シールド部の第２磁界の影響とが同等になる内容を示した断面図である。 第１実施形態に係る電流センサの変形例を示した断面図である。 第２実施形態に係る電流センサの断面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した断面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した断面図である。 第２実施形態に係る電流センサの変形例を示した断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る電流センサは、例えば、車載バッテリの残容量を示すＳＯＣ（State of Charge）の推定や、車載モータのインバータ制御に適用される。

図１及び図２に示されるように、電流センサ１は、第１シールド部１０、第２シールド部２０、バスバー３０、及びセンサチップ４０を備える。

各シールド部１０、２０は、センサ外部からの外乱磁界を遮蔽する。第１シールド部１０は、第１平面部１１を有する第１平板部材１２によって構成される。

第１平板部材１２は、第１ヒステリシス特性を有する第１磁性体材料で構成される。このため、第１シールド部１０は、バスバー３０に電流が流れていない状態で、第１ヒステリシス特性に基づく第１磁界を発生させる。第１磁界は、第１シールド部１０の残留磁化によって発生する磁界である。

第２シールド部２０は、第２平面部２１を有する第２平板部材２２によって構成される。第２平面部２１は、第１シールド部１０の第１平面部１１に対して対向配置される。これにより、各シールド部１０、２０は、収容空間５０を構成する。

第２平板部材２２は、第２ヒステリシス特性を有する第２磁性体材料で構成される。このため、第２シールド部２０は、バスバー３０に電流が流れていない状態で、第２ヒステリシス特性に基づく第２磁界を発生させる。第２磁界は、第２シールド部２０の残留磁化によって発生する磁界である。第２シールド部２０は、第１シールド部１０に対してバスバー３０から印加される磁界の向きが逆向きである。よって、第２磁界は、第１磁界に対して逆向きの磁界である。

本実施形態では、第１シールド部１０の第１磁性体材料と第２シールド部２０の第２磁性体材料とは同じ材料である。磁性体材料として、例えば方向性電磁鋼板が採用される。各シールド部１０、２０は、１枚の方向性電磁鋼板によって構成されていても良いし、複数の方向性電磁鋼板が積層されて構成されていても良い。各シールド部１０、２０のサイズは同じであるとする。

バスバー３０は、被測定電流が流れる導体部品である。バスバー３０は、銅板等の板材がプレス加工されることで形成される。バスバー３０は、一端部３１と他端部３２とを有する直線状の形状である。バスバー３０は、一端部３１と他端部３２との間の一部が第１シールド部１０の第１平面部１１と第２シールド部２０の第２平面部２１との間の収容空間５０に位置するように配置される。

センサチップ４０は、バスバー３０に流れる被測定電流を検出する。センサチップ４０は、バスバー３０に流れる被測定電流を検出するための検出面４１を有する。検出面４１は、磁界の影響を受けたときに抵抗値が変化するセンシング部の表面である。そして、センサチップ４０は、検出面４１が第１平面部１１に向けられた状態で第１平面部１１とバスバー３０との間に配置される。

センサチップ４０は、磁気抵抗素子あるいはホール素子を用いた磁気検出方式を採用している。このため、センサチップ４０は、センシング部として磁気抵抗素子を含む。センサチップ４０は、バスバー３０に被測定電流が流れることによってバスバー３０の周方向に発生する信号磁界を検出する。センサチップ４０は、例えば、信号磁界の強度に比例するセンサ出力を行う。

なお、磁気抵抗素子には、ＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance；ＧＭＲ）、ＴＭＲ素子（Tunneling Magneto Resistance；ＴＭＲ）、ＡＭＲ素子（Anisotropic Magneto Resistance；ＡＭＲ）が含まれる。本実施形態では、ＴＭＲ素子を採用している。

各シールド部１０、２０、バスバー３０の一部、及びセンサチップ４０は、樹脂材料によって形成された図示しない筐体に収容される。以上が、本実施形態に係る電流センサ１の構成である。

続いて、各シールド部１０、２０の配置位置について説明する。各シールド部１０、２０は、バスバー３０に電流が流れていない状態で、センサチップ４０の検出面４１において第１磁界と第２磁界とが打ち消されるように配置される。すなわち、第１磁界がセンサチップ４０の検出面４１に与える影響と、第２磁界がセンサチップ４０の検出面４１に与える影響と、が同等になるように、各シールド部１０、２０がセンサチップ４０の検出面４１に対して配置される。

上述のように、各シールド部１０、２０のサイズが同じ場合、例えば、センサチップ４０の検出面４１を基準として、第１シールド部１０の第１平面部１１までの第１距離と、第２シールド部２０の第２平面部２１までの第２距離と、を同じ距離に設定する。これにより、図３に示されるように、センサチップ４０の検出面４１に対する第１シールド部１０の第１磁界の影響と第２シールド部２０の第２磁界の影響とを同等にすることができる。

なお、各シールド部１０、２０のサイズの微妙な違いや、センサチップ４０や筐体等の他の部品の存在等の他の要因によって、必ずしも第１距離と第２距離が同じにならない場合がある。各シールド部１０、２０をセンサチップ４０の検出面４１から遠ざけることで各シールド部１０、２０が検出面４１に与える磁界の影響が低減する。したがって、各シールド部１０、２０がセンサチップ４０の検出面４１に与える磁界の総和が０になるように、各シールド部１０、２０の磁界の影響、すなわち第１距離と第２距離とを調整すれば良い。

以上説明したように、バスバー３０に電流が流れていない状態で、各シールド部１０、２０からセンサチップ４０の検出面４１に印加される磁界が相殺される。このため、センサチップ４０の検出面４１が各シールド部１０、２０から受ける磁界の影響が低減される。したがって、バスバー３０に電流が流れていない状態で、センサチップ４０のセンサ出力に含まれるオフセット誤差を低減することができる。

変形例として、第１シールド部１０及び第２シールド部２０は、センサチップ４０の検出面４１に垂直な垂直方向の厚みが異なっていても良い。ここで、第１シールド部１０の厚みは第１平板部材１２の厚みであり、第２シールド部２０の厚みは第２平板部材２２の厚みである。

例えば、図４に示されるように、第２シールド部２０は、センサチップ４０の検出面４１に垂直な垂直方向の厚みが第１シールド部１０よりも厚くなっていても良い。第２シールド部２０は、バスバー３０との距離関係から、第１シールド部１０よりもセンサチップ４０の検出面４１から遠い位置に配置される。そのため、第２シールド部２０の第２磁界が第１シールド部１０の第１磁界よりもセンサチップ４０の検出面４１において飽和しやすい。よって、第２シールド部２０を厚くすることで第２磁界がセンサチップ４０の検出面４１において飽和しにくくすることができる。図示しないが、第１シールド部１０は、センサチップ４０の検出面４１に垂直な垂直方向の厚みが第２シールド部２０よりも厚くなっていても良い。

変形例として、第１シールド部１０を構成する第１磁性体材料と、第２シールド部２０を構成する第２磁性体材料と、は異なる材料であっても良い。また、第１磁性体材料の保持力と第２磁性体材料の保持力とは異なっていても良い。例えば、第１磁性体材料は第２磁性体材料よりも保持力が弱い材料である。あるいは、第２磁性体材料は第１磁性体材料よりも保持力が弱い材料である。磁性体材料としては、上述の方向性電磁鋼板の他に、パーマロイを採用することができる。これによると、第１シールド部１０から発生する第１磁界を低減することができる。すなわち、磁性体材料の違いによって、第１磁界を第２磁界と同等にすることで、センサチップ４０の検出面４１における磁界をキャンセルすることができる。

変形例として、第１磁性体材料と第２磁性体材料とが異なる材料である場合、第１磁性体材料の透磁率と第２磁性体材料の透磁率とは異なっていても良い。例えば、第１磁性体材料は第２磁性体材料よりも透磁率が高い材料であっても良い。あるいは、第２磁性体材料は第１磁性体材料よりも透磁率が高い材料であっても良い。これによると、第２シールド部２０で発生する第２磁界を第１シールド部１０で吸収することができるので、センサチップ４０の検出面４１における磁界をキャンセルすることができる。検出面４１に対する第２シールド部２０の第２磁界の影響が第１シールド部１０の第１磁界の影響に比べて大きい場合に有効である。

また、第２シールド部２０の第２磁界の影響が大きくなるので、第１シールド部１０をセンサチップ４０から遠ざける必要がない。したがって、垂直方向における電流センサ１の大型化を回避することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。図５に示されるように、第２シールド部２０は、一組の爪部２３、２４を有する。一組の爪部２３、２４は、第２平板部材２２の両端が第１シールド部１０の側に折り曲げられたことによって対向する部分である。

ここで、対向とは、各爪部２３、２４が平行に配置される場合だけでなく、非平行の場合も含まれる。本実施形態では、第２平面部２１と各爪部２３、２４の側面２５、２６とが直角になるように、第２平板部材２２の両端が折り曲げられている。また、各爪部２３、２４のうち第１シールド部１０の第１平面部１１に対向する各端面２７、２８は、垂直方向において、センサチップ４０の検出面４１よりもバスバー３０の側に位置する。

上記の構成によると、第２シールド部２０とセンサチップ４０の検出面４１との間隔が近づくので、センサチップ４０の検出面４１に対する第２シールド部２０の第２磁界の寄与を大きくすることができる。このように、センサチップ４０の検出面４１に対する第２シールド部２０の第２磁界の寄与を調整することにより、検出面４１に対する第２シールド部２０の第２磁界の影響を、第１シールド部１０の第１磁界の影響と同等にすることができる。

変形例として、図６に示されるように、第２シールド部２０において、各爪部２３、２４の端面２７、２８が、垂直方向において、センサチップ４０の検出面４１よりも第２平面部２１側に位置していても良い。

変形例として、図７に示されるように、第２シールド部２０において、第２平面部２１と各爪部２３、２４の各側面２５、２６との成す角度θ１が鋭角になるように、各爪部２３、２４が傾斜していても良い。同様に、図８に示されるように、第２シールド部２０において、第２平面部２１と各爪部２３、２４の各側面２５、２６との成す角度θ２が鈍角になるように、各爪部２３、２４が傾斜していても良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された電流センサ１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、第２シールド部２０が爪部２３、２４を有していたとしても、第２シールド部２０の厚みや第２平面部２１のサイズは第１シールド部１０と異なっていても構わない。

また、上記各実施形態の内容は可能な限り組合せが可能である。例えば、第２実施形態に係る爪部２３、２４は、各シールド部１０、２０の磁性体材料が異なる場合にも当然に適用可能である。

１０ 第１シールド部
１１ 第１平面部
２０ 第２シールド部
２１ 第２平面部
３０ バスバー
３１ 一端部
３２ 他端部
４０ センサチップ
４１ 検出面

Claims (6)

1. 第１ヒステリシス特性を有する第１磁性体材料で構成され、第１平面部（１１）を有する第１シールド部（１０）と、
   第２ヒステリシス特性を有する第２磁性体材料で構成され、前記第１平面部に対して対向配置された第２平面部（２１）を有する第２シールド部（２０）と、
   一端部（３１）と他端部（３２）との間の一部が前記第１シールド部の前記第１平面部と前記第２シールド部の前記第２平面部との間に配置されたバスバー（３０）と、
   前記バスバーに流れる電流を検出するための検出面（４１）を有し、前記検出面が前記第１平面部に向けられた状態で前記第１平面部と前記バスバーとの間に配置されたセンサチップ（４０）と、
   を含み、
   前記第１シールド部は、前記バスバーに電流が流れていない状態で、前記第１ヒステリシス特性に基づく第１磁界を発生させ、
   前記第２シールド部は、前記バスバーに電流が流れていない状態で、前記第２ヒステリシス特性に基づくと共に前記第１磁界に対して逆向きの第２磁界を発生させ、
   前記第１シールド部及び前記第２シールド部は、前記バスバーに電流が流れていない状態で、前記センサチップの前記検出面において前記第１磁界と前記第２磁界とが打ち消されるように配置される電流センサ。
2. 前記第１シールド部は、第１平板部材（１２）によって構成され、
   前記第２シールド部は、第２平板部材（２２）によって構成されると共に、前記第２平板部材の両端が前記第１シールド部の側に折り曲げられたことによって対向する一組の爪部（２３、２４）を有する請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１磁性体材料と前記第２磁性体材料とは同じ材料である請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記第１シールド部及び前記第２シールド部は、前記センサチップの前記検出面に垂直な垂直方向の厚みが異なる請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記第１磁性体材料と前記第２磁性体材料とは異なる材料であり、前記第１磁性体材料の保持力と前記第２磁性体材料の保持力とが異なる請求項１または２に記載の電流センサ。
6. 前記第１磁性体材料と前記第２磁性体材料とは異なる材料であり、前記第１磁性体材料の透磁率と前記第２磁性体材料の透磁率とは異なる請求項１または２に記載の電流センサ。

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