JP2005337722A - 電流検出装置、車両用電流検出装置及びコイル - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性体のヒステリシスの影響を受けず、低コストで小型化・薄型化が可能で、少ない部品点数で構成可能な非接触の電流検出装置等を提供する。
【解決手段】 本発明の電流検出装置１は、被検出電流を非接触で検出する電流検出装置であって、絶縁材料で被覆された長尺かつ可撓性を有する平角導体１１を複数箇所で順次折り曲げることにより１層又は複数層のループ状のコイルを構成する電流路と、この電流路のループ内側の内部空間１１ａに配置され、被検出電流によって内部空間に発生する磁界を検出する磁気検出素子１２とを備え、被検出電流を電流路に流した状態で磁気検出素子の検出出力に基づいて被検出電流を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被接触で導体を流れる電流値の検出が可能な電流検出装置に関し、特に、車両に搭載される車両用モジュールの一部として用いるのに適した電流検出装置に関するものである。

従来から、電流を検出する電流検出装置として、ホール素子を用いた非接触の電流検出装置が広く知られている。図７は、この種の電流検出装置の構造を示す図である。図７に示す電流検出装置は、被検出電流が流れる電流バー２０１を筒状の磁性体であるコア２０２の内部空間に挿入し（矢印Ａ方向）、コア２０２のギャップ部に磁気検出素子であるホール素子２０３を配置する（矢印Ｂ方向）。このように構成された電流検出装置においては、電流バー２０１を流れる被検出電流の大きさに応じてアンペアの右ねじの法則により磁界が発生し、この磁界がコア２０２によって集磁され、コア２０２のギャップ部に磁束密度を生じる。そして、ホール素子２０３は、ギャップ部の磁束密度に応じた電圧を出力し、この電圧により被検出電流の大きさに比例した出力を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２５７８６７号公報

上記従来の電流検出装置によれば、コア２０２を形成する磁性体がヒステリシス特性を持つため、電流バー２０１に流れる電流によって一旦発生した磁界が消える状況であっても、コア２０２のギャップ部に残留磁束密度が残ることになる。よって、図８に示すように、被検出電流が流れた後にゼロになったとしても、ホール素子２０３の出力電圧には残留磁束密度に対応する誤差成分ｅが現れることになり、正確な電流検出に支障を来たすという問題がある。また、電流検出装置により比較的大きな電流を検出するには、電流バー２０１及びコア２０２のサイズを大きくする必要があるため、電流検出装置の小型化が困難であるという問題がある。

一方、上述したような磁性体のヒステリシス特性の影響を回避するため、コアを用いずにエッジワイス巻線を用いて電路を形成し、ホール素子をエッジワイスの内孔部に配置した電流検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、エッジワイス巻線は高価な部品であり、電流検出装置のコスト上昇が避けられない。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、磁性体のヒステリシス特性の影響を受けることなく、低コストで小型化・薄型化が可能で、少ない部品点数で構成することが可能な非接触の電流検出装置等を提供することを目的としている。
特開２００２−２４３７６９号公報

上記課題を解決するために、請求項１に記載の電流検出装置は、被検出電流を非接触で検出する電流検出装置であって、絶縁材料で被覆された長尺かつ可撓性を有する平角導体を複数箇所で順次折り曲げることにより１層又は複数層のループ状のコイルを構成する電流路と、前記電流路のループ内側の内部空間に配置され、前記被検出電流によって前記内部空間に発生する磁界を検出する磁気検出素子とを備え、前記被検出電流を前記電流路に流した状態で前記磁気検出素子の検出出力に基づいて前記被検出電流を検出することを特徴とする。

この発明によれば、平角導体からなる電流路に被検出電流を流すと、ループ状のコイルの内部空間に磁界が発生し、磁気検出素子にて磁界に応じた検出出力が得られるので、この検出出力を読み取って被検出電流を検出することができる。そして、コアを用いることなく平角導体で形成したコイルを用いるため、磁性体のヒステリシス特性の影響を抑えることができ、検出誤差を低減することができる。また、電流路は平角導体を順次折り曲げて形成されるので、安価かつ小型・薄型の装置を構成でき、部品点数の削減も可能となる。

請求項２に記載の電流検出装置は、請求項１に記載の電流検出装置において、前記磁気検出素子と周辺回路を内蔵するＩＣを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、磁気検出素子とその周辺回路がＩＣに内蔵され、ＩＣを電流路の内部空間に配置するので、電流検出のさらなる低コスト化、小型化が可能となる。

請求項３に記載の電流検出装置は、請求項２に記載の電流検出装置において、前記磁気検出素子としてホール素子を用いることを特徴とする。

この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、ホール素子により内部空間に発生した磁界に比例した電圧が得られ、簡単な構成で確実に被検出電流を検出することができる。

請求項４に記載の電流検出装置は、請求項２及び３に記載の電流検出装置において、前記電流路は、前記平角導体の複数箇所を略９０°で順次折り曲げることにより四角形のループ状のコイルを構成し、前記内部空間の形状が前記ＩＣの外形形状より若干大きい四角形となることを特徴とする。

この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、長尺で可撓性を有する平角導体を用いて、折れ角を略９０°として四角形のループ状に折り曲げるので、内部空間の形状も四角形となる。よって、平角導体により適度な大きさのループを構成すれば、一般的に四角形の外形を持つＩＣをループ内側に近接配置して、検出効率を高めることができる。

請求項５に記載の電流検出装置は、請求項２及び３に記載の電流検出装置において、前記ＩＣを外部接続するための接続用平角導体が設けられ、前記ＩＣのリードと前記接続用平角導体をピアス端子により接続することを特徴とする。

この発明によれば、上述の発明の作用に加えて、ＩＣを外部接続するために接続用平角導体とピアス端子を利用するので、ループ状のコイルを構成する平角導体と併せて外部との接続を全て平角導体で統一的に行うとともに、ピアス端子で簡単に電気的接続をとることができ、装置の配線への組み込みが容易な電流検出装置を構成することができる。

請求項６に記載の車両用電流検出装置は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流検出装置を、車両の電装システムを構成するモジュールに組み込み、前記モジュールに供給される電流が前記電流路に前記被検出電流として流れるように構成されたことを特徴とする。

この発明によれば、車両の電装システムのモジュールに上述の電流検出装置を組み込み、バッテリー等から負荷に供給される電流を検出できるようにしたので、車両内部の狭い配線スペースに薄型の電流検出装置を一体的に設置でき、車両内の無駄なスペースを取ることがない優れた車両用電流検出装置を実現することができる。

請求項７に記載のコイルは、絶縁材料で被覆された長尺かつ可撓性を有する平角導体を複数箇所で順次折り曲げることにより１層又は複数層のループ状に形成し、ループ内側に所定形状の内部空間を有することを特徴とする。

この発明によれば、平角導体を順次折り曲げてループ状のコイルを構成できるので、小型化・薄型化に好適で実装性に優れ、折り曲げパターンを変えることにより調整が容易なコイルを実現することができる。

本発明によれば、平角導体を複数箇所で順次折り曲げることにより１層又は複数層のループ状のコイルを構成して電流路とし、その内部空間に磁気検出素子を配置するようにしたので、コアを用いずに平角導体でコイルを構成したことにより磁性体のヒステリシス特性の影響による誤差を抑えるとともに、低コストで小型化・薄型化が可能であって、少ない部品点数で構成することが可能な非接触の電流検出装置等を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図６を参照しつつ説明する。本実施形態では、車両の電装システム等の分野で電流を検出する用途に応用可能な電流検出装置に対して本発明を適用する場合を説明する。

図１は、本実施形態に係る電流検出装置１の構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る電流検出装置１は、被検出電流が流れる電流路としてのＦＦＣ（Flexible Flat Cable）１１と、磁界検出素子としてのホールＩＣ１２とから構成されている。

ＦＦＣ１１は、一般に車両内部の電気配線のためのワイヤーハーネスの厚みを極力薄くするために平角導体を用いて形成されており、薄い導体を絶縁材料で被覆した構造を有し、折り曲げ可能な程度に可撓性を有する材料からなる。例えば、厚さ０．２〜０．３ｍｍ程度の長尺かつ扁平状の導体を厚さ０．１ｍｍ程度の樹脂で被覆することにより、ＦＦＣ１１を形成することができる。そして、車両のバッテリーからルーフやドアパネル等の負荷に電流を供給するための電流路としてＦＦＣ１１を挿入すれば、車両の負荷に供給される電流を電流検出装置１により検出することができる。

本実施形態では、ＦＦＣ１１を複数箇所で順次折り曲げることによりループ状のコイルとして動作させる。図１の例では、複数箇所でＦＦＣ１１を略９０°で順次折り曲げることにより四角形のループ状のコイルを構成している。そして、ＦＦＣ１１のループ内側には内部空間１１ａが形成され、被検出電流がＦＦＣ１１からなる電流路を流れたときに内部空間１１ａを貫く磁界が発生する。

ホールＩＣ１２は、ＦＦＣ１１の内部空間１１ａに発生する磁界を検出するホール素子とその周辺回路を含んで構成されている。ホールＩＣ１２を磁界中に置いたときに、ホール素子からホール効果に基づく電圧が出力される。ホールＩＣ１２は３つのリードを設けた３端子構造であり、各リードが外部に延伸されている。それぞれ、ホールＩＣ１２の３つのリードは、電源用、接地用、検出出力用の役割を有する。ホールＩＣ１２を使用する場合、２つのリードを電源とグラウンドに接続した状態で、ホール素子の出力電圧が内部の増幅回路で適当なレベルに増幅された後、被検出電流の検出出力が所定のリードから出力される。なお、ホールＩＣ１２に設けられた各リードは、多様な接続構造を用いて外部と接続することができるが、具体例については後述する。

ホールＩＣ１２による磁界の検出効率を高めるには、図１に示すように、ホールＩＣ１２とＦＦＣ１１の距離が近接するように、内部空間１１ａの中心にホールＩＣ１２を配置することが望ましい。この場合、ホールＩＣ１２は一般に四角形の外形形状であるため、内部空間１１ａの形状がホールＩＣ１２より若干大きい四角形となるようにＦＦＣ１１を折り曲げることが望ましい。そして、内部空間１１ａにホールＩＣ１２を配置した状態で、ＦＦＣ１１とホールＩＣ１２が樹脂等を用いて一体的に封止される。このように封止することにより、ＦＦＣ１１とホールＩＣの位置関係を固定できることに加えて、電流検出装置１の防水及び防塵の特性を向上させて信頼性を高めることができる。

本実施形態に係る電流検出装置１においては、従来のようにコアと電流バーを用いた構成を採用せず、ＦＦＣ１１を用いて構成されたコイルを用いている。そのため、コアに生じる残留磁束密度に起因するヒステリシス特性の影響を受けることがなく、検出誤差を低減することができる。図２は、本実施形態に係る電流検出装置１の電流検出特性を示す図である。図２に示されるように、従来の図８の場合に見られるヒステリシスによる誤差成分ｅが現れない。すなわち、被検出電流が一旦流れた後にゼロとなったとしても、残留磁束密度が生じないため出力電圧がゼロとなり、常に電流レベルに正確に比例した出力レベルを得ることができるので、信頼性の高い電流検出を行うことができる。

また、本実施形態に係る電流検出装置１の構成としてコアをＦＦＣ１１に置き換えたので、サイズが大きいコアを設置するスペースが不要となる。特に、ＦＦＣ１１を用いて薄く構成できるので、電流検出装置１全体の薄型化が可能となり、特に車両内のモジュールに組み込む場合には、狭い配線スペースに電流検出装置１を設置できる。さらに、本実施形態に係る電流検出装置１は、コアや電流バーを不要となることに加え、これらの部材の固定及び移動させるための部材やケースも不要となるので、部品点数を削減することができる。

次に、本実施形態に係る電流検出装置１において、ホールＩＣ１２を接続するための接続構造について説明する。図３は、上述したように３端子構造のホールＩＣ１２の３つのリード１２ａ、１２ｂ、１２ｃを接続するために、接続用ＦＦＣ１３と３つのピアス端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃを使った接続構造の例を示す図である。

図３において、接続用ＦＦＣ１３は、被検出電流を流すＦＦＣ１１と同様、平角導体を用いて形成されるが、ホールＩＣ１２の３つのリード１２ａ〜１２ｃを接続するための３本の導体パターンが並列した３線タイプのものを用いる。そして、接続用ＦＦＣ１３の一端にて、リード１２ａをピアス端子１４ａにより接続し、リード１２ｂをピアス端子１４ｂにより接続し、リード１２ｃをピアス端子１４ｃにより接続し、接続用ＦＰＣ１３の他端にて他の部材と任意の方法で接続すればよい。

ここで、図４は、図３に示す接続構造のうちホールＩＣ１２のリード１２ａ〜１２ｃをピアス端子１４ａ〜１４ｃにより接続用ＦＦＣ１３に接続する部分の拡大断面図である。図４に示すように、接続用ＦＦＣ１３の所定の導体部Ｐのある部分において、ホールＩＣ１２のリード１２ａ〜１２ｃを挟んだ状態でピアス端子１４ａ〜１４ｃにより接続用ＦＦＣ１３を貫通させる。そして、ピアス端子１４ａ〜１４ｃの下部を接続用ＦＦＣ１３に圧接すると、リード１２ａ〜１２ｃと接続用ＦＦＣ１３の導体部Ｐがピアス端子１４ａ〜１４ｃによって電気的に接続され、その状態で一体的に固定されることになる。このように、ホールＩＣ１２の接合構造にピアス端子１４ａ〜１４ｃを用いることにより、接続用ＦＦＣ１３の被覆を除去することなくホールＩＣ１２との電気的接続を行うことができる。

なお、本実子形態では、ホールＩＣ１２が電源、接地、検出出力の３端子を設けた構成を説明したが、ホールＩＣ１２に４端子を設ける構成としてもよい。すなわち、電源、接地、検出出力の各端子に加えて、外部入力可能な調整用の端子を設けてもよい。このような調整用の端子は、例えば、ホールＩＣ内部の増幅回路におけるゲインやオフセットを入力レベルに応じて調整するために用いることができる。

次に、本実施形態において、ＦＦＣ１１によるコイルの形成方法について説明する。図５は、直線状のＦＦＣ１１から、図１に示すループ状のコイルとしての電流路を形成する手順を説明する図である。図５（ａ）に示すように、直線状のＦＦＣ１１は、例えば電源と負荷を接続するワイヤーハーネスの一部であってもよいが、予め両端にコネクタを取り付けた着脱自在の構造であってもよい。図５（ａ）において、横幅ａの長尺のＦＦＣ１１に対し、一端から複数の折り目Ｆ（図５においては、破線にてＦ１、Ｆ２の２つのみを示している）が順に設定されている。このとき、ＦＦＣ１１の長尺方向に対し折り目Ｆが４５°の角度をなすようにし、さらに隣接する折り目Ｆが両者の近端側で間隔ｂで配列されるものとする。このような構成により、ＦＦＣ１１により形成されるループ状のコイルは、内部空間１１ａが一辺ｂの正方形となり、外形が一辺２ａ＋ｂの正方形となる。

まず、図５（ａ）のＦＦＣ１１を第１の折り目Ｆ１で表側が重なるように折り曲げると、図５（ｂ）の状態になる。次いで、図５（ｂ）のＦＦＣ１１を第２の折り目Ｆ２で表側が重なるように折り曲げると、図５（ｃ）の状態になる。これ以降は同様の手順を繰り返し、設定された全ての折り目Ｆを順に折り曲げていくことにより、正方形のループ状のコイルを構成することができる。なお、図５の例ではＦＦＣ１１により形成されるコイルが正方形の外形を持つ場合を示したが、これに限られず、例えば、長方形、三角形、五角形などの多様な外形を持たせることができる。この場合、ＦＦＣ１１に設定される折り目Ｆの角度及び間隔を外形に合致するように適切に設定する必要がある。

ここで、ＦＦＣ１１によるコイルの巻き数を増加させて多層のループ状の電流路を形成することにより内部空間１１ａを貫く磁界を強くできるため、電流検出装置１の検出感度を向上させることができる。例えば、ＦＦＣ１１により巻き数ｎのコイルを構成するためには、少なくともＦＦＣ１１に４ｎ個の折り目Ｆを設定して折り曲げる必要がある。電流検出装置１にて確保すべき検出感度に応じて、ＦＦＣ１１の適切な巻き数を決定すればよい。

以上のように、図５に示す手順でＦＦＣ１１によるコイルを構成するには、手作業によっても可能であるが、予め設定された手順に従って順次ＦＦＣ１１を折り曲げるような機能を備えた装置を用いることもできる。この場合、ＦＦＣ１１における複数の折り目Ｆに関するデータを予め設定し、外部指令により所望の形状と巻き数のコイルを適宜に形成できるように装置を構成することが望ましい。

次に、本実施形態に係る電流検出装置１の適用例として、車両用モジュールの一部に組み込む場合の構成を説明する。図６は、車両の電装システムを構成する車両用モジュール１００であって、本実施形態に係る電流検出装置１が配線の一部に組み込まれた車両用モジュール１００の全体構成を示すブロック図である。図６に示す車両用モジュール１００は、例えば、エンジン、ドア、ルーフ等を電子的に制御するために車両に設置されるものである。一般に、車両用モジュール１００で消費される電流は、数１０Ａ程度であるため、電流検出装置１は比較的大きな範囲の電流を検出できるように調整することが望ましい。

図６に示すように、車両用モジュール１００は、この車両モジュール１００の中核をなすＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０１の制御によって負荷１０２の動作を制御するとともに、この負荷１０２に流れる電流を本実施形態に係る電流検出装置１により検出する構成を備えている。なお、図６においては２つの負荷１０２を示しているが、負荷１０２は任意の個数を設けることができる。

車両用モジュール１００には、車両に搭載される電圧Ｖｂのバッテリー１０３により電流が供給され、バッテリー１０３の出力側の上流においてＦＦＣ１１の一端が接続されるとともに、ＦＦＣ１１の他端がＥＣＵ１０１の電源端子と負荷１０２に接続されている。このように接続することにより、電流検出装置１により車両用モジュール１００全体の消費電流を検出することができる。なお、ＥＣＵ１０１は、バッテリー１０３の電圧Ｖｂに基づいて電源電圧Ｖｃｃを生成し、ホールＩＣ１２に供給している。

電流検出装置１においては、被検出電流がＦＦＣ１１に流れた際、上述の作用によってホールＩＣ１２から検出出力Ｖoutが出力され、ＥＣＵ１０１に入力される。ＥＣＵ１０１では、検出出力Ｖoutを読み取って、車両用モジュール１００に流れる被検出電流が適正な値であるか否かを監視する。例えば、被検出電力が所定値を超えたときに、車両用モジュール１００の消費電流を低減するために、ＥＣＵ１０１が省電力の動作モードに切り替え制御をするような使い方が考えられる。

以上説明したように本実施形態に係る電流検出装置１によれば、平角導体を用いたＦＦＣ１１により電流路を形成し、ＦＦＣ１１を複数箇所で順次折り曲げることによりループ状のコイルを構成したので、従来のコアを用いることなく電流検出装置１を構成することができる。よって、磁性体のヒステリシス特性の影響による検出出力の誤差を抑えて信頼性を向上させることができるとともに、コアに比べてＦＦＣ１１に必要なスペースが小さくて済むため、電流検出装置１の小型化・薄型化を実現することができる。特に、車両内に設置するモジュールに組み込む用途では、ＦＦＣ１１を用いた構成を採用したため、コイルの巻き数が多くなる場合であっても、サイズが大きくならず、車両内の狭いスペースに容易に設置可能な車両用電流検出装置を実現することができる。また、少ない部品点数で電流検出装置１を構成できるとともに、車両内配線と一体化することが容易であるため、低コスト化を図ることができる。さらに、ＦＦＣ１１の折り曲げパターンを変更すれば、簡単に検出感度等を調整できるので、特性の自由度が大きく設計変更が容易で、短い納期で電流検出装置１を製造することができる。

本実施形態に係る電流検出装置の構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る電流検出装置の電流検出特性を示す図である。 ホールＩＣの３端子を接続するために、接続用ＦＦＣと３つのピアス端子を使った接続構造の例を示す図である。 図３に示す接続構造のうちホールＩＣのリードをピアス端子により接続用ＦＦＣに接続する部分の拡大断面図である。 直線状のＦＦＣから、図１に示すループ状のコイルとしての電流路を形成する手順を説明する図である。 車両の電装システムの一部として設置される車両用モジュールであって、本実施形態に係る電流検出装置が組み込まれた車両用モジュールの全体構成を示すブロック図である。 従来の電流検出装置の構造を示す図である。 従来の電流検出装置における被検出電流とホール素子の出力電圧の関係を示す図である。

符号の説明

１…電流検出装置
１１…ＦＦＣ
１１ａ…内部空間
１２…ホールＩＣ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…ホールＩＣのリード
１３…接続用ＦＦＣ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…ピアス端子
１００…車両用モジュール
１０１…ＥＣＵ
１０２…負荷
１０３…バッテリー

Claims (7)

1. 被検出電流を非接触で検出する電流検出装置であって、
   絶縁材料で被覆された長尺かつ可撓性を有する平角導体を複数箇所で順次折り曲げることにより１層又は複数層のループ状のコイルを構成する電流路と、
   前記電流路のループ内側の内部空間に配置され、前記被検出電流によって前記内部空間に発生する磁界を検出する磁気検出素子と、
   を備え、前記被検出電流を前記電流路に流した状態で前記磁気検出素子の検出出力に基づいて前記被検出電流を検出することを特徴とする電流検出装置。
2. 前記磁気検出素子と周辺回路を内蔵するＩＣを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記磁気検出素子としてホール素子を用いることを特徴とする請求項２に記載の電流検出装置。
4. 前記電流路は、前記平角導体の複数箇所を略９０°で順次折り曲げることにより四角形のループ状のコイルを構成し、前記内部空間の形状が前記ＩＣの外形形状より若干大きい四角形となることを特徴とする請求項２及び３に記載の電流検出装置。
5. 前記ＩＣを外部接続するための接続用平角導体が設けられ、前記ＩＣのリードと前記接続用平角導体をピアス端子により接続することを特徴とする請求項２及び３に記載の電流検出装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流検出装置を、車両の電装システムを構成するモジュールに組み込み、前記モジュールに供給される電流が前記電流路に前記被検出電流として流れるように構成されたことを特徴とする車両用電流検出装置。
7. 絶縁材料で被覆された長尺かつ可撓性を有する平角導体を複数箇所で順次折り曲げることにより１層又は複数層のループ状に形成し、ループ内側に所定形状の内部空間を有することを特徴とするコイル。
   

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