JP2007212307A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電流分流式の電流センサにおいて、バスバー及びサブバスバーについて寸法精度を確保して、良好な電流検知精度を得て、量産に際して実際に採用できる電流センサの歩留りを高め、コストダウンを図ることができる電流センサを提供する。
【解決手段】バスバー２とサブバスバー５とを有する電流分流式の電流センサ１において、磁性体コア１０内に配設されている磁気センサが検出したサブバスバー５の回りに生じる磁界と、バスバー２に流れる電流とサブバスバー５に分流して流れる電流との分流比とに基づいて、全電流が算出される。バスバー２及びサブバスバー５は、レーザー加工等の機械加工によって切除部分３０，３１が切除されることによって、高い寸法精度で幅Ｗ１，Ｗ２が寸法出しされる。電流センサ１の電流検知精度に影響を及ぼす寸法のバラツキが、一定範囲に抑えられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電流によって発生する磁界を測定することによって電流を測定する電流センサに関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車、電動４ＷＤ等においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動している。モータ駆動用の電流は、ピーク時には、およそ１０００Ａにも達する。この電流の大きさを検出してモータの制御を行っている。

このときの電流センサは、現状では磁気比例式動作原理に基づいたものが主流である。磁気比例式動作原理は、測定すべき電流が導体に流れると、その導体の周囲において、電流の向きを右ねじを回すときの進む方向に一致させるときにその右回りの方向の磁界が生じ、その磁界を測定することにより電流の大きさを間接的に測定するものである。導体の周囲に磁性体コアを配置すると、その磁性体コアの中に磁力線が生じる。磁性体コアの一部に切り欠きとしてのコアギャップを形成し、そのコアギャップ内にホール素子を配置すると、そのコアギャップには被測定電流に比例した磁界が通り、ホール素子はこの磁界を電圧信号に変換する。このホール素子からの出力電圧を増幅回路にて増幅し、被測定電流に比例した出力電圧を発生する。

このような磁気比例式電電流センサは、高範囲まで電流測定が可能であり、小型軽量であり、交流・直流・パルス電流のいずれも測定が可能であり、更に、低消費電力である、等の特長が挙げられる。

磁気検出素子の感度のばらつきや温度依存性による出力変動を抑制することができるようにした電流センサ装置が提案されている（特許文献１）。電流センサ装置として、被測定電流が通過する導電部を囲うように設けられ、一部にギャップを有する磁気ヨークと、この磁気ヨークの一部の周囲に設けられ、一端が接地された基準磁界印加用のコイルと、このコイルの他端に接続され、所定の交流信号を発生して、コイルに微小な交流電流を供給する交流電源とを備えている。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を用いたＧＭＲ素子は、磁気ヨークのギャップ内に配置されている。

車両の電源線（バスバー）に流れる負荷電流を検出する場合に、金属板からなるバスバーに矩形状の切欠部を形成し、この切欠部によりバスバーに２つの電流分流路を形成した電流センサが提案されている（特許文献２）。この電流センサは、バスバーに磁性体コアとホール素子とを組み付けて構成されており、バスバーに流れる電流を２つの電流分流路により分流し、分流した一部の電流、すなわち電流分流路に流れる電流をホール素子からの出力により検出し、検出出力とバスバーの幅とに基づいてバスバーに流れる総電流値を算出している。この電流センサによれば、バスバーを流れる電流が大きくても、ホール素子の線形領域を利用することでホール素子の検出精度を改善し、また、組み立てやレイアウトの自由度についても改善を図っている。

しかしながら、昨今の電気駆動式の車両においては、自動車の大出力化・高性能化に伴って大電流化が進んでおり、電流センサにおいてもその影響から免れることはなく、以下のような問題点がある。即ち、大電流時の磁気飽和を回避する対策として、上記のようにバスバーに流れる電流の一部を分流し、分流された電流についてその大きさを磁気的に検出し、検出された電流値と分流比とに基づいてバスバー全体に流れる全電流値を求める電流分流式の電流センサにおいては、分流比はバスバー及びサブバスバーのメカ的な寸法精度で決定される。電流センサの感度のバラツキとメカ的な寸法精度のバラツキとが相乗して、実際に採用できる電流センサの歩留りが悪いというという問題がある。
特開２０００−５５９９９号公報 特開２００２−２６７６９２号公報（段落［０００２］〜［０００４］、図１６、図１７）

そこで、上記電流分流式の電流センサにおいて、メイン電流が流れるバスバー及び分流電流が流れるサブバスバーについて寸法精度を確保することで、電流検知精度についても良好な精度を得る点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、上記電流分流式の電流センサにおいて、バスバー及びサブバスバーについて寸法精度を確保して、良好な電流検知精度を得て、量産に際して実際に採用できる電流センサの歩留りを高め、コストダウンを図ることができる電流センサを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明による電流センサは、幹流プレートであるバスバー、前記バスバー上に固定されているサブバスバー、及び前記サブバスバーを囲んで配置され且つ前記サブバスバーを流れる電流に起因した磁界を測定する磁気センサが組み込まれている磁性体コアを備えた電流センサにおいて、前記バスバー及び前記サブバスバーは機械加工による寸法精度で寸法出しされていることを特徴とする。

この電流センサによれば、バスバーとサブバスバーとを有する電流分流式の電流センサであるので、磁気センサが検出したサブバスバーの回りに生じる磁界と、バスバーに流れる電流とサブバスバーに分流して流れる電流との分流比とに基づいて、バスバーとサブバスバーとに流れる全電流が算出される。バスバー及びサブバスバーは機械加工による寸法精度で寸法出しされているので、電流センサの電流検知精度に影響を及ぼす寸法のバラツキが一定範囲に抑えられる。

この電流センサにおいて、前記機械加工はレーザー加工であるとすることができる。バスバーとサブバスバーに対して、電流が流れる断面形状の寸法をレーザー加工で精度良く定めることができる。

この電流センサにおいて、前記機械加工はドリル等の加工具による切削又は孔穿け加工であるとすることができる。バスバーとサブバスバーに対して、ドリル等の加工具によって切削や孔穿けを施すことによって、電流が流れる断面形状の寸法をレーザー加工で精度良く定めることができる。

上記の電流センサにおいて、前記機械加工は、前記バスバー及び前記サブバスバーの幅又は厚さについて行うことができる。バスバー及びサブバスバーの分流比を決定する要素は、電流の流れ難さである抵抗値を定めるそれぞれの断面隘路であるので、バスバー及びサブバスバーの幅又は厚さについて機器加工を施すことによって、隘路の寸法出しをすることができる。

上記の電流センサにおいて、前記サブバスバーは、前記バスバーに対して、スポット溶接又は２箇所の接続箇所で固定することができる。サブバスバーをバスバーに対してスポット溶接で固定することで固着の信頼性が確保でき、２箇所の接続箇所で固定することで１箇所が破損しても残る箇所での接続が確保され、フェールセーフ対応の構造が得られる。このように、サブバスバーをバスバーに対して確実に接続することができる。

この発明による電流センサは、上記のように構成されているので、機械加工による良好な寸法精度を持つ寸法出しによって、バスバーからサブバスバーへ電流を分流する分流比を精度良く定めることができる。即ち、バスバーに対するサブバスバーの電流分流比は幅、厚さ、又は長さ等の幾何学的な特性値に基づく設計によって任意に設定可能であり、機械加工による精度の良い寸法出しを行えば、分流比の精度も高められる。このように、電流センサの感度バラツキは存在していても分流比の精度を確保することができるので、全体として電流センサの歩留りを向上させることができ、量産するときのコストダウンを図ることができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明による電流センサの実施例を説明する。図１はこの発明による電流センサを複数個並べて配置したセンサ組立体の組上がり平面図、図２は図１に示す電流センサの側面図、図３は図１に示すセンサ組立体の正面図である。

図１〜図３に示す電流センサによれば、センサ組立体２０は、４個の電流センサ１を並べて組み立てられている。個々の電流センサ１は、メイン電流が流れる幹流プレートとしてのバスバー２、バスバー２上に両端部７，７が固定されるとともに両端部７，７に繋がり且つバスバー２から隔間して延びる中間部８を有する分流バーとしてのサブバスバー５、及びサブバスバー５を中間部８において囲んで配置されている磁性体コア１０を備えている。磁性体コア１０には、サブバスバー５を流れる分流電流に起因した磁界を測定する磁気センサ２１（ホール素子のような磁気センサ）が組み込まれている。バスバー２、サブバスバー５は、高い導電性を持つ材料、例えば、銅製の板から形成することが好ましい。

図２に特に示すように、サブバスバー５は、両端部７，７がそれぞれリベット６，６によって固着されている。中間部８は、両端部７，７から湾曲部９，９によって接続されてバスバー２と並行に配置されており、バスバー２との間に、中間部８を取り囲むように置かれる磁性体コア１０を収容可能なスペース１２が形成されている。サブバスバー５を流れる電流に起因して中間部８の回りには磁界が発生するが、その磁界は磁性体コア１０が存在しているところでは磁性体コア１０内に生じる。磁性体コア１０内に組み込まれている磁気センサ２１は、サブバスバー５を流れる電流に起因した磁界の強さを検出することができる。

センサ組立体２０は、各バスバー２の両端部１３，１３がベース１１に対して複数の支柱（ポスト）１４によって取り付けられることにより、ベース１１に支持されている。各サブバスバー５は、支柱１４，１４の内側の位置でリベット６，６によってバスバー２に取り付けられている。図示しない導電線が、各バスバー２の両端部１３，１３に形成されている接続孔１６，１６に接続される。即ち、バスバー２に、直接接続ケーブルのねじ止め接続が可能になる。

センサ組立体２０においては、複数の電流センサ１の各バスバー２は、各サブバスバー５を同じ側に向けた姿勢に置いて、共通の平面内において互いに横に平行に並ぶように配置され、各サブバスバー５を囲む磁性体コア１０についても、共通の基板３に一列に整然と並ぶように配置し支持されている。基板３はその両端部において、アングル材１５，１５ベース１１に取り付けられている。磁気センサ２１からの信号等は、基板３の一端部に設けられるコネクタ４によって、外部との間で信号の遣り取りが可能である。

こうした配置により、センサ組立体２０は、各電流センサ１が全体として整然と単純化して配置され、全体としてもコンパクトに小型化され、保管・組立等の取扱いが向上するとともに、例えば、配線のレイアウトや他の制御回路との配置関係等、車両の運転を司るコントローラへの搭載性が向上する。

本発明における電流センサ１の原理について図４を用いて説明する。図４は、図１〜図３に示す電流センサの一つを取り出して示す平面図である。バスバー２の幅をＷ１、バスバー２のうちサブバスバー５が設けられている部分に対応するメイン電流バーの長さをＬ１、メイン電流バーの断面積をＡ１とする。また、サブバスバー５について、幅をＷ２、長さをＬ２、断面積をＡ２とする。バスバー２とサブバスバー５は同じ材料とし比抵抗をρとする。
バスバー２のメイン電流バーの抵抗Ｒ１＝ρ×Ｌ１／Ａ１＝ρ×Ｌ１／（ｔ×Ｗ１）
サブバスバー５の抵抗＝ρ×Ｌ２／Ａ２＝ρ×Ｌ２／（ｔ×Ｗ２）
となる。
したがって、分流比α＝Ｒ２／Ｒ１＝（Ｌ２／Ｌ１）×（Ｗ１／Ｗ２）となる。
分流比αを決定つけるパラメータは、バスバー２及びサブバスバー５の幾何学的な特性値であり、事前に計算にて求められる数値である。分流比αを知ることで、磁気センサの測定値から、電流センサ１の全体に流れる電流値を算出することができる。

分流比αを規定値に調整するに際して、幅Ｗ１，Ｗ２の寸法出しをレーザー加工によって行う。即ち、図４に示すように、レーザー加工によって各バスバー２，５をその側部から一部である切除部分３０，３１を切除することで、幅Ｗ１，Ｗ２の寸法を変更することができ、幅Ｗ１，Ｗ２によって電流が通ることのできる隘路が定められ、各バスバー２及びサブバスバー５の抵抗値が変えられる。幅Ｗ１，Ｗ２に代えて、バスバー２及びサブバスバー５の厚さｔを、精度の出せる機械加工によって変更してもよい。機械加工は、レーザー加工であっても良く、或いはドリル、放電ワイヤ等の加工具による切削又は孔穿け加工であってもよい。バスバー２とサブバスバー５に対して、電流が流れる断面形状の寸法を機器加工で精度良く定めることができる。

サブバスバー５は、その両端７，７がそれぞれ２つのリベット３２，３２及び３３，３３によって行われているように、２箇所の接続箇所で固定することができる。２箇所の接続箇所で固定することで、１箇所が破損しても残る箇所での接続が確保され、フェールセーフ対応の構造が得られる。また、サブバスバー５のバスバー２への固定は、リベットに代えてスポット溶接によることもでき、この場合には固着の信頼性が確保できる。いずれの場合も、こうした固定構造を採用することによって、サブバスバー５をバスバー２に対して確実に接続することができる。

図５は、図４に示す電流センサ１によって実際に計測される分流電流の値を示すグラフである。５Ｖのバイアスが掛けられているので、出力電圧０〜５Ｖの間で電流が−１００Ａから＋１００Ａまでの検出出力を得ることができる。

この発明による電流センサを複数個並べて配置したセンサ組立体の組上がり平面図である。 図１に示す電流センサの側面図である。 図１に示すセンサ組立体の正面図である。 図１に示す電流センサの一つを取り出してその原理を説明する図である。 この発明による電流センサを用いたて測定される電圧−電流対応図である。

符号の説明

１ 電流センサ ２ バスバー
３ 基板 ４ コネクタ
５ サブバスバー ６，６ リベット
７，７ 端部 ８ 中間部
９，９湾曲部
１０ 磁性体コア １１ ベース
１２ スペース
１３ 端部 １４ 支柱（ポスト）
１５ アングル材 １６ 接続孔
２０ センサ組立体 ２１ 磁気センサ
３０，３１ 切除部分
３２，３２、３３，３３ リベット

Claims (5)

1. 幹流プレートであるバスバー、前記バスバー上に固定されているサブバスバー、及び前記サブバスバーを囲んで配置され且つ前記サブバスバーを流れる電流に起因した磁界を測定する磁気センサが組み込まれている磁性体コアを備えた電流センサにおいて、前記バスバー及び前記サブバスバーは機械加工による寸法精度で寸法出しされていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記機械加工はレーザー加工であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記機械加工はドリル等の加工具による切削又は孔穿け加工であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
4. 前記機械加工は、前記バスバー及び前記サブバスバーの幅、又は厚さについて行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 前記サブバスバーは、前記バスバーに対して、スポット溶接又は２箇所の接続箇所で固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電流センサ。

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