JP2011185648A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、組み付けが容易な電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１３は、基板２１を有し、基板２１の一方の面２１Ａに電流検出素子２２が実装されている。基板２１の他方の面２１Ｂには、配線バスバー２３が取り付けられている。電流検出素子２２と配線バスバー２３のそれぞれを挟むように、基板２１に一対の貫通孔２４が形成されており、電流検出素子２２、配線バスバー２３及び貫通孔２４を覆うように高透磁率の樹脂材２５が設けられている。樹脂材２５は、例えば強磁性材料であるフェライトの粒子と樹脂材料を混合させたフェライト樹脂が用いられており、貫通孔２４内にも充填されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電流センサに関する。

車両に搭載されたモータを制御する場合には、パワーモジュールと呼ばれるインバータ回路で直流電流を３相の交流電流に変換している。この際、パワーモジュールからモータに出力される電流を電流センサで検出することで、モータに供給する電流の切り替えのタイミングを制御している。

従来の電流センサは、フェライトからなる磁性コアを有し、磁性コアには、パワーモジュールから出力される電流が流れるバスバーが水平に貫通させられている。さらに、磁性コアには、ギャップが形成されており、このギャップにホール素子が設けられている（例えば、特許文献１参照）。バスバーに電流が流れると、バスバーの周囲に磁界が発生する。この磁界を磁性コアで増幅しつつ、磁性コアのギャップに配置されているホール素子で検出する。これにより、ホール素子の出力からバスバーに流れる電流量を測定できる。

また、従来の電流センサには、略Ｃ字状の磁性コアを覆う樹脂製のカバーを設け、このカバーにアンプを搭載したセンサ基板を実装したものがある（例えば、特許文献２参照）。略Ｃ字状の磁性コアの中心には、バスバーを挿通させるバスバー挿入部が設けられている。この電流センサでは、バスバーに電流が流れると、磁性コアのギャップに挿入されたホール素子から信号が出力され、この信号がセンサ基板上のアンプで増幅される。

特開平１１−１２７５８３号公報 特開２００６―８１３１１号公報

しかしながら、従来の電流センサでは、バスバーの周囲に生じる磁界に合わせて磁性コアを配置する必要があったので、磁性コアはバスバーが貫通できる形状に予め成形する必要があった。さらに、磁性コアは、磁性コア内の磁束がホール素子を貫通するようにホール素子を配置する必要があった。
このため、従来の磁性コアは、Ｕ字形又はＣ字形に製造する必要があり、製造コストを増大させる原因になっていた。また、磁性コア内にバスバーを貫通させたり、磁性コアのギャップにホール素子を固定したりする必要があったので、電流センサの組み付けに手間がかかった。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、組み付けが容易な電流センサを提供することを目的とする。

本願の一観点によれば、導電性部材を流れる電流によって発生する磁界を検出することで、前記導電性部材を流れる電流を検出する電流検出素子を基板に実装し、導電性部材の前記電流検出素子に対向して配置される部分と前記電流検出素子とを高透磁率の樹脂材で覆った電流センサが提供される。

また、本発明の別の観点によれば、前記基板の一方の面に前記電流検出素子を実装し、
前記基板の他方の面側に前記導電性部材が配置され、前記基板には前記電流検出素子を挟む一対の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサが提供される。

また、本発明の別の観点によれば、前記高透磁率の樹脂材の少なくとも一部を収容すると共に、前記導電性部材を支持する支持部材を有する請求項１又は請求項２に記載の電流センサが提供される。

また、本発明の別の観点によれば、前記高透磁率の樹脂材は、絶縁性を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電流センサが提供される。

さらに、本発明の別の観点によれば、前記高透磁率の樹脂材として、フェライトを含む樹脂を用いる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電流センサが提供される。

本発明によれば、配線部材に電流を流したときに発生する磁界が高透磁率の樹脂材を通って電流検出素子に流れ込むことで、配線部材を流れる電流を検出することが可能になる。従来のような磁性コアの構造体を製造する必要がなくなり、簡単な構成になると共に、組み付けが容易になる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電流センサが搭載される車両の駆動系の制御装置の概略構成を示す図である。 図２は、第１の実施の形態に係る電流センサの平面図である。 図３は、電流センサの底面図である。 図４は、図２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図５は、第２の実施の形態に係る電流センサの構造を示す分解斜視図である。 図６は、電流センサの構成を示す断面図である。 図７は、第３の実施の形態に係る電流センサの構造を示す分解斜視図である。 図８は、電流センサの構成を示す断面図である。 図９は、第４の実施の形態に係る電流センサの断面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
最初に、図１を参照して、本実施の形態に係る電流センサを搭載した装置の一例として、車両の駆動系の制御装置の概略構成について説明する。
車両は、バッテリ１を有する。バッテリ１は、例えば、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池等を直列接続した構成を有する。バッテリ１の出力は、電流検出用のセンサ２を介してパワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵという）３に接続されている。電流検出用のセンサ２は、ＰＣＵ３に入力される電流をモニタするために設けられている。ＰＣＵ３の出力は、モータ４に接続されている。モータ４は、エンジン５の駆動軸６に連結されており、ＰＣＵ３からの交流電流の供給を受けて駆動軸６に連結された車輪７を回転させることができる。エンジン５は、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）８により運転が制御される。なお、モータ４は、車輪７を回転させる発動機として機能すると共に、車輪７の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機として機能させることもできる。

ＰＣＵ３は、バッテリ１からの直流電力が平滑コンデンサ１１を介してパワーモジュー
ル１２に入力されるように構成されている。パワーモジュール１２は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いた３相のインバータ回路からなり、バッテリ１１からの直流電流を３相の交流電流に変換することができる。
パワーモジュール１２から出力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流電流は、モータ４に入力される。ＰＣＵ３には、各相の電流を測定する電流センサ１３，１４，１５が設けられている。これら電流センサ１３〜１５が、この実施の形態に係る電流センサであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに１つずつ設けられている。これら電流センサ１３〜１５の出力は、モータ制御回路の動作を制御するモータＥＣＵ（Electronic Control Unit）１６に接続されている。モータＥＣＵには、エンジンＥＣＵ８にも接続されている。
なお、ＰＣＵ３は、モータ４で回生した電気エネルギーを外部機器に供給するように構成することも可能である。

次に、図２から図４を参照して電流センサ１３〜１５の構成について説明する。なお、Ｕ相の電流センサ１３と、Ｖ相の電流センサ１４と、Ｗ相の電流センサ１５は、構成が同じである。したがって、以下においては、電流センサ１３の構成について説明する。

電流センサ１３は、非磁性材料からなる基板２１を有し、基板２１の一方の面２１Ａに電流検出素子２２が実装されている。電流検出素子２２は、電流によって発生する磁界を検出する素子、例えば、ホール素子が用いられ、モータＥＣＵ１６の図示を省略する電源回路から電力の供給を受けて動作する。また、電流検出素子２２の出力は、モータＥＣＵ１６に接続されている。

さらに、基板２１の他方の面２１Ｂには、電流検出素子２２の実装位置の裏側に相当する位置に、導電性部材である配線バスバー２３が配置されている。この実施の形態で配線バスバー２３は、一端がパワーモジュール１２に電気的に接続され、他方がモータ４に電気的に接続され、パワーモジュール１２からＵ相の電流をモータ４に供給するために用いられる。ここで、配線バスバー２３は、基板２１の他方の面２１Ｂにパターニングすることで形成されても良いし、他方の面２１Ｂに貼り付けられても良い。配線バスバー２３が基板２１に貼り付けられる場合、配線バスバー２３は、基板２１の他方の面２１Ｂから突出させても良い。

また、基板２１には、電流検出素子２２及び配線バスバー２３のそれぞれの両側に相当する位置に、貫通孔２４が１つずつ形成されている。貫通孔２４は、配線バスバー２３の設置位置を避けて形成されている。このため、基板２１の一方の面２１Ａでは、貫通孔２４、電流検出素子２２、貫通孔２４がこの順番に並んでいる。基板２１の他方の面２１Ｂでは、貫通孔２４、配線バスバー２３、貫通孔２４がこの順番に並んでいる。貫通孔２４の長さは、配線バスバー２３の長さ方向において、電流検出素子２２より長くなっている。

さらに、電流検出素子２２と配線バスバー２３は、高透磁率の樹脂材２５で覆われている。樹脂材２５は、一対の貫通孔２４も覆うと共に、貫通孔２４を埋めるように充填されている。この樹脂材２５には、例えば、強磁性材料であるフェライトの粒子と樹脂材料を混合させたフェライト樹脂など、絶縁性を有する材料が用いられ、基板２１に塗布した後に硬化させることで使用される。なお、樹脂材２５を粘度の高い樹脂材料を用いて形成すると、樹脂材２５で電流検出素子２２を覆い易くなる。
樹脂材２５は、基板２１の一方の面２１Ａ側、他方の面２１Ｂ側のそれぞれにおいて、電流検出素子２２の実装位置、及び配線バスバー２３の配設位置が最も高くなっている。さらに、図４に示す電流検出素子２２の近傍における断面視では、電流検出素子２２の実装位置及び配線バスバー２３の配設位置を中心に略楕円形状になっている。しかしながら
、高透磁率の樹脂材２５の外形は、図４に示す形状に限定されない。

次に、電流センサ１３〜１５の動作について説明する。
図１に示すモータＥＣＵ１６からの指令信号を受けてパワーモジュール１２のＩＧＢＴが開閉動作を行うと、バッテリ１から供給される直流電流から、擬似的な３相の交流電流が形成される。この交流電流は、パワーモジュール１２からモータ４に出力される。パワーモジュール１２からモータ４に出力される電流は、図２から図４に示す配線バスバー２３を通る。

配線バスバー２３に電流が流れると、配線バスバー２３の周囲には配線バスバー２３の磁界が発生する。この磁界内で、磁束は、配線バスバー２３の周囲を囲むように流れる。そして、磁界中の磁束が電流検出素子２２を貫通することで、電流検出素子２２にホール効果による電圧が発生する。ここで、磁界の強さは、配線バスバー２３を流れる電流に比例する。そして、配線バスバー２３の電流検出素子２２に対向して配置される部分２３Ａの周囲と、電流検出素子２２の周囲は、高透磁率の樹脂材２５で覆われているので、磁束密度が高くなる。さらに、電流検出素子２２を貫通する磁束の通り道となる基板２１部分に貫通孔２４を設けられており、さらに貫通孔２４に樹脂材２５が充填されているので、基板２１で磁界が弱められることはない。このため、電流検出素子２２を貫通する磁束が高透磁率の樹脂材２５が無い場合に比べて増大するので、配線バスバー２３を流れる電流が高精度に検出される。

ここで、電流センサ１３〜１５の出力信号は、モータＥＣＵ１６に入力される。モータＥＣＵ１６には、出力信号を増幅するアンプや、その他の制御装置が設けられており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの配線バスバー２３を流れる電流を検出することで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電流をモータ４に流すタイミングを算出し、制御する。

以上、説明したように、この実施の形態では、電流検出素子２２及び配線バスバー２３を覆うように高透磁率の樹脂材２５を配置したので、従来のように磁性コアを用いることなく、簡単な構成で電流測定を行える。従来の磁性コアのように、予めＣ字形やＵ字形に成型して電流検出素子を配置するギャップを設けたり、配線バスバーを通す空間を形成したりする必要がないので、製造コストを低減できる。また、従来のように、磁性コアに配線バスバーを通したり、電流検出素子を支持させたりする必要がないので、電流センサの製造や組み付けが容易になる。

さらに、基板２１に、電流検出素子２２と配線バスバー２３を挟んで一対の貫通孔２４を設け、貫通孔２４に樹脂材２５を充填したので、配線バスバー２３の周囲から電流検出素子２２まで、高透磁率の樹脂材２５を途切れることなく覆うことが可能になる。これにより、配線バスバー２３を中心に発生する磁界の磁束密度を高めることができ、電流の検出精度を向上できる。

（第２の実施の形態）
図５及び図６を参照して第２の実施の形態について説明する。
電流センサ３１は、非磁性材料からなる基板２１を有し、基板２１の一方の面２１Ａには電流検出素子２２が実装されている。さらに、基板２１には、電流検出素子２２を挟むように一対の貫通孔２４が細長に形成されている。そして、基板２１の一方の面２１Ａ上には、電流検出素子２２と一対の貫通孔２４を覆うように高透磁率の樹脂材２５が設けられている。高透磁率の樹脂材２５は、電流検出素子２２の実装位置が最も高くなった曲面形状を有する。

さらに、基板２１の他方の面２１Ｂ側には、配線バスバー３２を支持する支持部材３３
が配置されている。配線バスバー３２は、図示を省略するパワーモジュール１２やモータ４に電気的に接続されている。なお、この実施の形態で、配線バスバー３２は、基板２１には固定されていない。
支持部材３３は、側壁部３４と底面３５とで区画される凹部が高透磁率の樹脂材２５を溜め置ける溜め部３３Ａになっている。対向する１組の側壁部３４の上端部分には、配線バスバー３２を支持する載置部３３Ｂが１つずつ凹設されている。

高透磁率の樹脂材２５は、第１の実施の形態と同様の樹脂材、例えば、強磁性材料であるフェライトの粒子と樹脂材料を混合させたフェライト樹脂が用いられている。溜め部３３Ａに溜め置かれた樹脂材２５の量は、支持部材３３内の配線バスバー３２を確実に覆い、かつ基板２１の一方の面２１Ａ側の樹脂材２５との間にギャップが形成されない量であることが好ましい。

電流センサ３１を製造するときは、支持部材３３に樹脂材２５を充填する。この後、支持部材３３の載置部３３Ｂに配線バスバー３２を支持させる。または、支持部材３３の載置部３３Ｂに配線バスバー３２を支持させた後、支持部材３３に樹脂材２５を充填する。いずれの場合でも、電流検出素子２２に対向して配置される配線バスバー３２の部分３２Ａが樹脂材２５で覆われる。
基板２１には、電流検出素子２２を実装した後、樹脂材２５を塗布して電流検出素子２２と貫通孔２４を覆う。次に、基板２１を支持部材３３の上に載置し、固定する。これにより、基板２１側の樹脂材２５と、支持部材３３側の樹脂材２５とが密着する。この後に、樹脂材２５を硬化させると、電流センサ３１が完成する。

なお、配線バスバー３２を支持部材３３に支持させた後、電流検出素子２２を実装した基板２１を支持部材３３に取り付け、その後から樹脂材２５で電流検出素子２２を封止しても良い。このような製造方向では、基板２１を配置した後に、樹脂材２５を貫通孔２４から支持部材３３内に流れ込ませることが可能になるので、配線バスバー３２を確実に樹脂材２５で覆うことができる。

この電流センサ３１では、配線バスバー３２に電流が流れると、配線バスバー３２の周囲に磁界が発生する。磁界中の磁束が電流検出素子２２を貫通することで、電流検出素子２２にホール効果による電圧が発生する。ここで、配線バスバー３２の電流検出素子２２に対向して配置される部分３２Ａの周囲は、溜め部３３Ａ内の樹脂材２５で覆われている。また、電流検出素子２２は、基板２１上の樹脂材２５で覆われている。そして、貫通孔２４にも樹脂材２５が充填されている。このため、配線バスバー３２によって生じた磁界の磁束密度が樹脂材２５によって高められる。このため、電流検出素子２２を貫通する磁束が高透磁率の樹脂材２５が無い場合に比べて増大するので、配線バスバー３２を流れる電流が高精度に検出される。

この実施の形態によれば、支持部材３３に配線バスバー３２を載置するように構成したので、基板２１に配線バスバー３２を予め固定する構成に比べて、設計や製造の自由度が高まる。
支持部材３３に高透磁率の樹脂材２５を溜め置くことができるので、配線バスバー３２の周囲を樹脂材２５で確実に覆うことができる。これにより、電流検出素子２２を通過する磁束の量を確実に増加させることができる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。

なお、電流センサ３１は、図１に示すそれぞれの電流センサ１３〜１５の代わりに用いることができる。

（第３の実施の形態）
図７及び図８を参照して第３の実施の形態について説明する。
電流センサ４１は、基板２１を有し、基板２１の他方の面２１Ｂに電流検出素子２２が固定されている。基板２１の他方の面２１Ｂ側には、配線バスバー３２を支持する支持部材３３が設けられている。

配線バスバー３２は、その途中で凹形に屈曲させられている。この屈曲させられた配線バスバー３２の凹部４２は、電流検出素子２２の配設位置に対応する位置、つまり電流検出素子２２を避けるように形成されている。
支持部材３３は、高透磁率の樹脂材２５を溜め置ける凹部からなる溜め部３３Ａを有する。さらに、支持部材３の対向する１組の側壁部３４には、配線バスバー３２の形状に合わせて載置部３３Ｂが凹設されている。ここで、溜め部３３Ａの深さは、配線バスバー３２の凹部４２の底部４２Ａと、溜め部３３Ａの底部とが接触しない大きさで、かつ必要な量の樹脂材２５を充填できる隙間を有するようになっている。

高透磁率の樹脂材２５は、第１の実施の形態と同様の樹脂材、例えば、強磁性材料であるフェライトの粒子と樹脂材料を混合させたフェライト樹脂が用いられている。溜め部３３Ａに溜め置かれた樹脂材２５の量は、支持部材３３内の配線バスバー３２を確実に覆い、かつ基板２１の他方の面２１Ｂに実装された電流検出素子２２を覆う量である。

電流センサ３１を製造するときは、支持部材３３に樹脂材２５を充填する。この後、支持部材３３の載置部３３Ｂに配線バスバー３２を支持させる。樹脂材２５は、配線バスバー３２を載置部３３Ｂに支持させた後から充填しても良い。いずれの場合でも、電流検出素子２２に対向して配置される配線バスバー３２の部分（凹部４２）が樹脂材２５で覆われる。
基板２１の他方の面２１Ｂには、電流検出素子２２が実装される。この後に、基板２１を支持部材３３の上に載置し、固定する。これにより、基板２１側の樹脂材２５と、支持部材３３側の樹脂材２５とが密着する。このとき、基板２１に実装された電流検出素子２２が、溜め部３３Ａ内の樹脂材２５で覆われる。この後に、樹脂材２５を硬化させると、電流センサ３１が完成する。

なお、基板２１に貫通孔を少なくとも１つ設け、支持部材３３に基板２１を取り付けた後に、貫通孔を通して樹脂材２５を注入しても良い。このような製造方向では、基板２１を配置した後に、樹脂材２５を貫通孔から支持部材３３内に流れ込ませることが可能になるので、配線バスバー３２及び電流検出素子２２を確実に樹脂材２５で覆うことができる。

この電流センサ４１では、配線バスバー３２に電流が流れると、配線バスバー３２の周囲には磁界が発生する。主に配線バスバー３２の凹部４２の底部４２Ａで発生した磁束が電流検出素子２２を貫通することで、電流検出素子２２にホール効果による電圧が発生する。配線バスバー３２の凹部４２及び電流検出素子２２のそれぞれの周囲が樹脂材２５で覆われているので、電流検出素子２２を貫通する磁束が高透磁率の樹脂材２５が無い場合に比べて増大する。これにより、配線バスバー３２を流れる電流が高精度に検出される。

この実施の形態によれば、基板２１の他方の面２１Ｂ側に電流検出素子２２と、配線バスバー３２とを配置したので、基板２１に貫通孔を形成する必要がなくなって、装置構成を簡略化できる。その他の構成は、第２の実施の形態と同様である。

ここで、電流センサ４１は、図１に示すそれぞれの電流センサ１３〜１５の代わりに用いることができる。

（第４の実施の形態）
図９を参照して第４の実施の形態について説明する。
図９に示すように、基板２１には電流検出素子２２が実装されている。電流検出素子２２には、信号や電力の入出力に用いられる端子５１が設けられており、端子５１は絶縁性の樹脂５２で覆われている。絶縁性の樹脂５２には、例えば、シリコーン樹脂が用いられる。電流センサの製造時には、基板２１に電流検出素子２２を実装した後に、端子５１を絶縁性の樹脂５２で覆ってから、高透磁率の樹脂材２５を塗布する。
この電流センサは、前記の各実施の形態に適用することができる。
なお、端子５１は、基板２１上に形成した導電性のパターンであっても良い。また、端子５１の位置は、図９に限定されない。

なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用できる。
例えば、図４、図６及び図８に示すそれぞれの電流センサ１３〜１５、３１、４１において、高透磁率の樹脂材２５と電流検出素子２２とが接触しない部分を少なくとも一部に有しても良い。
基板２１に樹脂材２５で充填された空間が形成されれば良いので、貫通孔２４の形状及び数は、図４及び図５に限定されない。貫通孔２４の代わりに基板２１にスリットを形成しても良い。
図６に示す、電流センサ３１は、支持部材３３側の樹脂材２５と、基板２１の一方の面２１Ａ側の樹脂材２５との間に、微小のギャップを有しても良い。

１３，１４，１５，３１，４１ 電流センサ
２１ 基板
２２ 電流検出素子
２３ 配線バスバー（導電性部材）
２３Ａ 対向して配置される部分
２４ 貫通孔
２５ 樹脂材
３３ 支持部材
４２ 底部（対向して配置される部分）

Claims (5)

1. 導電性部材を流れる電流によって発生する磁界を検出することで、前記導電性部材を流れる電流を検出する電流検出素子を基板に実装し、導電性部材の前記電流検出素子に対向して配置される部分と前記電流検出素子とを高透磁率の樹脂材で覆った電流センサ。
2. 前記基板の一方の面に前記電流検出素子を実装し、前記基板の他方の面側に前記導電性部材が配置され、前記基板には前記電流検出素子を挟む一対の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記高透磁率の樹脂材の少なくとも一部を収容すると共に、前記導電性部材を支持する支持部材を有する請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記高透磁率の樹脂材は、絶縁性を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記高透磁率の樹脂材として、フェライトを含む樹脂を用いる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電流センサ。

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