JP2015137893A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感度の高い磁気検出素子が使用可能であり、精度の高い測定が可能な電流センサを提供する。
【解決手段】並列配置された複数のバスバ２と、少なくともバスバ２の本数以上の磁気検出素子３と、磁気検出素子３が出力した電圧に基づき各バスバ２に流れる電流を演算する演算部７と、を備え、演算部７は、磁気検出素子３が出力した電圧から磁束密度を演算する磁束密度演算部９と、各磁気検出素子３の磁束密度をＢ₁〜Ｂ_m、各バスバ２に流れる電流をＩ₁〜Ｉ_nとしたとき、

の関係式に基づき、各バスバ２に流れる電流を演算する電流演算部１０と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関するものである。

従来より、バスバに流れる電流により発生する磁界の強度を磁気検出素子で検出し、その検出した磁界の強度を基に、バスバに流れる電流を演算により求める電流センサが知られている。

磁気検出素子としては、ＭＲ（Magneto Resistance）センサや、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサが知られている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特許第５１５３４８１号公報 特開２０１３−１７０８７８号公報

ところで、精度の高い測定を行うためには、より感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子を用いることが望まれる。

しかしながら、例えば３相モータの各相に流れる電流を検出する場合には、感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子を用いると、検出対象のバスバで発生した磁界だけでなく、当該バスバに隣接したバスバを流れる電流で発生した磁界も検出してしまい、十分な検出精度が得られない場合がある、という問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、感度の高い磁気検出素子が使用可能であり、精度の高い測定が可能な電流センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、並列配置された複数のバスバと、少なくとも前記バスバの本数以上備えられ、前記バスバに流れる電流により発生する磁界の強度を検出すると共に、検出した磁界の強度に応じた電圧を出力する複数の磁気検出素子と、前記複数の磁気検出素子が出力した電圧に基づき前記各バスバに流れる電流を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記複数の磁気検出素子が出力した電圧から磁束密度を演算する磁束密度演算部と、前記磁束密度演算部が求めた前記各磁気検出素子の磁束密度をＢ₁〜Ｂ_m、前記各バスバに流れる電流をＩ₁〜Ｉ_nとしたとき、［数１］に示す式（１）の関係式に基づき、前記各バスバに流れる電流Ｉ₁〜Ｉ_mを演算する電流演算部と、を備えた電流センサである。

少なくとも１つの前記バスバには、該バスバを貫通する貫通孔が形成され該貫通孔の両側に電流路が形成され、少なくとも１つの前記磁気検出素子は、前記貫通孔に配置され、前記貫通孔の両側の前記電流路を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度を検出するようにされてもよい。

前記貫通孔に配置される前記磁気検出素子は、前記合成磁界の強度が０となる位置に配置されてもよい。

３相交流の各相の電流を流す３本の前記バスバを備え、前記バスバは、その長手方向が互いに平行となるように幅方向に離間して整列配置され、整列方向の両側に配置される前記バスバに前記貫通孔を形成すると共に、該貫通孔にそれぞれ前記磁気検出素子を配置し、さらに、前記３本のバスバの少なくとも一側に前記磁気検出素子を配置してもよい。

前記複数のバスバは、その長手方向が互いに平行となるように厚さ方向に離間して整列配置され、前記複数のバスバのそれぞれに前記貫通孔を形成すると共に、当該貫通孔のそれぞれに前記磁気検出素子を配置してもよい。

前記複数の磁気検出素子が、１枚の回路基板に搭載されていてもよい。

前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサであってもよい。

前記磁気検出素子を搭載する回路基板の温度を測定する温度センサを備え、前記演算部の前記磁束密度演算部は、前記複数の磁気検出素子が出力した電圧から磁束密度を演算する際に、前記温度センサで測定した温度により補正を行うよう構成されてもよい。

前記演算部は、前記各磁気検出素子が出力した電圧を監視し、該電圧が予め設定した上限閾値以上または下限閾値以下であるとき、異常信号を出力する素子異常判定部をさらに備えてもよい。

３相交流の各相の電流を流す３本の前記バスバを備え、前記演算部は、前記電流演算部が求めた前記各バスバを流れる電流を監視し、前記各バスバを流れる電流が３相交流となっていない場合に、異常信号を出力する電流異常判定部をさらに備えてもよい。

本発明によれば、感度の高い磁気検出素子が使用可能であり、精度の高い測定が可能な電流センサを提供できる。

本発明の電流センサの原理を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る電流センサの斜視図である。 図２の電流センサにおける演算部の入出力構成を示すブロック図である。 図２の電流センサにおけるバスバと磁気検出素子の位置関係を説明する平面図である。 図４における５Ａ−５Ａ線断面図および当該断面における磁束密度の分布を示す図である。 図２の電流センサにおける演算部の制御フローを示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る電流センサの斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る電流センサの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、本発明の電流センサの原理について説明する。

図１は、本発明の電流センサの原理を説明する図である。

図１に示すように、電流センサ１は、並列配置された複数のバスバ２と、少なくともバスバ２の本数以上備えられ、バスバ２に流れる電流により発生する磁界の強度を検出すると共に、検出した磁界の強度に応じた電圧を出力する複数の磁気検出素子３と、複数の磁気検出素子３が出力した電圧に基づき各バスバ２に流れる電流を演算する演算部７と、を備えている。

ここでは、ｎ本のバスバ２それぞれを流れる電流を検出する場合を説明する。この場合、ｎ個以上の磁気検出素子３が必要になる。ここではｍ個（ｍ≧ｎ）の磁気検出素子３を用いることとする。図１では、便宜上、３つの磁気検出素子３のみを代表して示している。

各磁気検出素子３は、各バスバ２を流れる電流によりそれぞれ発生した磁界を合成した磁界を検出することになる。このとき、各磁気検出素子３で検出される磁界の強度、すなわち磁束密度Ｂ₁〜Ｂ_mは、各バスバ２を流れる電流の大きさＩ₁〜Ｉ_nと、各バスバ２からの距離や周波数等により変化する。バスバ２からの距離や周波数等による影響を係数ａ₁₁〜ａ_mnで表すと、［数２］に示す式（１）の関係式が得られる。

磁束密度Ｂ₁〜Ｂ₃は磁気検出素子３の出力値より演算でき、係数ａ₁₁〜ａ_mnは、各磁気検出素子３とバスバ２の位置関係や電流の周波数により決定できるものであり、実測により予め設定可能である。よって、式（１）の連立方程式を解くことで、各バスバ２を流れる電流Ｉ₁〜Ｉ_nを求めることができる。

そこで、本発明の電流センサ１では、演算部７に、複数の磁気検出素子３が出力した電圧から磁束密度Ｂ₁〜Ｂ_mを演算する磁束密度演算部９と、上述の式（１）の関係式に基づき、各バスバ２に流れる電流Ｉ₁〜Ｉ_nを演算する電流演算部１０と、を備えるようにしている。

このように構成することで、感度の高いＧＭＲセンサ等の磁気検出素子３を用いた場合であっても、各バスバ２で発生した磁界の干渉に関係なく電流Ｉ₁〜Ｉ_mを検出することが可能になると考えられ、検出精度を高めることが可能になる。また、バスバ２の間隔を比較的狭くし磁界の干渉が大きくなった場合でも精度良く電流Ｉ₁〜Ｉ_mを検出可能となるため、電流センサ１の小型化にも寄与する。

次に、本発明の第１の実施形態を説明する。

図２，３に示すように、第１の実施形態に係る電流センサ２１は、３相交流の各相の電流を流す３本のバスバ２と、３本のバスバ２に対応した３つの磁気検出素子３と、を備えている。バスバ２は、例えば、自動車のインバータとモータ間の電流路である。

バスバ２は、板状の導体であり、電流を流す電流路となるものである。バスバ２を流れる電流は、例えば、定常時で最大２００Ａ程度、異常時等の突入電流で最大８００Ａ程度であり、周波数は、例えば最大１００ｋＨｚ程度である。３本のバスバ２は、同一平面上に配置され、その長手方向が平行となるように、幅方向に等間隔に整列配置されている。

磁気検出素子３は、検出軸Ｄに沿った方向の磁界の強度（磁束密度）に応じた電圧の出力信号を出力するように構成されている。第１の実施形態では、磁気検出素子３として、高い感度を有するＧＭＲセンサを用いる。

図２，４，５に示すように、電流センサ２１では、バスバ２に、バスバ２を貫通する貫通孔４を形成し、貫通孔４に磁気検出素子３を配置している。磁気検出素子３は、その検出軸Ｄがバスバ２の厚さ方向に沿うように配置される。すなわち、磁気検出素子３は、その検出軸Ｄがバスバ２の表面に対して直交するように配置される。ここで、磁気検出素子３がＧＭＲセンサである場合、検出軸が２軸以上となるので、この場合、ある特定の１軸がバスバ２の表面に対して垂直となる。なお、磁気検出素子３の検出軸Ｄは、バスバ２の表面に対する直交方向に対して−１０°〜１０°程度傾いてもよい。

貫通孔４は、バスバ２の中央部を貫通するように形成され、貫通孔４の周囲はバスバ２で囲まれている。つまり、貫通孔４は、その一部がバスバ２の側方に開口する切欠き状に形成されるものではない。このように貫通孔４を形成することで、貫通孔４の両側に電流路５，６が形成されることになる。

貫通孔４の両側に電流路５，６が形成されることにより、貫通孔４内では、両電流路５，６で発生した磁界の厚さ方向の成分が互いに相殺し合うようになる。貫通孔４内に配置された磁気検出素子３は、貫通孔４の両側の電流路５，６を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度、すなわち両電流路５，６で発生し互いに相殺し合った磁界の強度を検出することになるため、磁気検出素子３を配置する位置を調整することで、相殺の程度を調整し、磁気検出素子３が配置されたバスバ２で発生した磁界の強度をどの程度検出させるかを調整可能になる。

つまり、電流センサ１では、バスバ２に流れる電流が大きく、電流路５，６それぞれで発生する磁界の強度が大きい場合であっても、それらを相殺して適切な強度の磁界を磁気検出素子３で検出させることが可能であり、磁気検出素子３として感度の高いＧＭＲセンサ等を用いた場合でも、測定を行うことが可能になる。

磁気検出素子３としてＧＭＲセンサを用いる場合、磁気検出素子３は、検出する磁界（３本のバスバ２で発生する磁界を合成した磁界）の磁束密度が０より大きく５ｍＴ以下となる位置に配置されることが望ましい。これは、一般的なＧＭＲセンサでは、５ｍＴを超える磁束密度のもとでは出力が飽和してしまい、測定が困難となってしまうためである。なお、ここでいう磁束密度の大きさとは定常状態におけるものであり、異常時や過渡状態において一時的に５ｍＴを超えてしまうような場合は除外するものとする。

また、ＧＭＲセンサでは、精度良く磁束密度を検出可能な領域（磁束密度と出力電圧が線形となる領域）が通常２ｍＴ以下であるため、より好ましくは、検出する磁界の磁束密度（定常状態における磁束密度）が０より大きく２ｍＴ以下となる位置に磁気検出素子３を配置することが望ましい。

なお、本明細書において、貫通孔４に磁気検出素子３を配置するということは、磁気検出素子３の少なくとも一部が貫通孔４内に収容されていること、換言すれば、横断面視（あるいは側面視）で磁気検出素子３の少なくとも一部がバスバ２に重なっていることを意味している。電流センサ１では、磁気検出素子３の中心（バスバ２の厚さ方向（図２の上下方向）における中心）が、バスバ２の厚さ方向の中心と一致するように磁気検出素子３を配置している。これにより、磁気検出素子３としてＧＭＲセンサを用いる場合、磁気検出素子３に入ってくる磁界の方向が磁気検出素子３の検出軸Ｄに平行な方向のみとなるので、容易に精度の高い電流検出が可能となる。

貫通孔４の長手方向の端部の近傍では幅方向の成分を有する電流が流れて誤差の原因となるため、この幅方向の成分を有する電流の影響を受けない程度に、貫通孔４の長手方向の端部から離れた位置に磁気検出素子３を配置することが望ましく、バスバ２の長手方向における貫通孔４の中央部に磁気検出素子３を配置することが好ましい。貫通孔４の長さＬｈは、バスバ２を流れる電流の大きさ等を考慮し、貫通孔４の長手方向の端部近傍で発生する磁界の影響を受けない位置に磁気検出素子３を配置可能な長さとすればよい。

第１の実施形態では、貫通孔４をバスバ２の中心軸Ｏに対して対称形状に形成し、貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成している。このように構成することで、両電流路５，６で対称な磁界が発生することになる。

図５に示すように、電流路５により発生する磁束密度Ｂａと、電流路６により発生する磁束密度Ｂｂの貫通孔４内での分布は、ほぼ電流路５，６からの距離に反比例したものとなり、かつ、両電流路５，６で発生する磁束密度Ｂａ，Ｂｂの向きは逆方向となる。貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成することで、バスバ２の中心軸Ｏ上では両電流路５，６で発生した磁界が完全に相殺し合い、磁束密度（Ｂａ＋Ｂｂ）は０となる。図５のグラフでは、図示左側の電流路５で発生する磁束密度Ｂａの分布を細線破線、図示右側の電流路６で発生する磁束密度Ｂｂの分布を細線一点鎖線、両電流路５，６で発生する磁束密度を合成した磁束密度（Ｂａ＋Ｂｂ）の分布を太線実線で示している。

したがって、磁気検出素子３を、その幅方向の中心がバスバ２の中心軸Ｏからずれた適宜な位置に配置することで、最適な大きさの磁束密度（Ｂａ＋Ｂｂ）を磁気検出素子３で検出させ、精度の高い測定を行うことが可能になる。さらに、磁気検出素子３を、その幅方向の中心がバスバ２の中心軸Ｏと重なる位置に配置することで、磁気検出素子３を配置したバスバ２で発生した磁界を検出しないようにすることができる。

第１の実施形態に係る電流センサ１では、各磁気検出素子３は、その幅方向の中心がバスバ２の中心軸Ｏと重なる位置、すなわち、両電流路５，６を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度が０となる位置に配置されている。これにより、各磁気検出素子３は、自身が配置されたバスバ２以外の２本のバスバ２で発生した磁界の強度のみを検出することになる。

その結果、各磁気検出素子３で検出対象となるのは自身が配置されたバスバ２以外のバスバ２となるため、検出対象のバスバ２からの距離が遠くなり、バスバ２に流れる電流が大きい場合であっても、感度の高いＧＭＲセンサ等を磁気検出素子３として使用可能となる。また、検出対象のバスバ２からの距離が遠くなることで、表皮効果による電流密度の偏りの影響も小さくすることが可能になる。

また、電流センサ２１では、バスバ２の中心軸Ｏの近傍において、両電流路５，６で発生する磁束密度を合成した磁束密度（Ｂａ＋Ｂｂ）の分布が比較的フラットに近くなるため、外乱による誤差を小さくすることが可能であり、ロバスト性に優れている。貫通孔４の幅Ｗｈが大きいほど、中心軸Ｏの近傍の磁束密度（Ｂａ＋Ｂｂ）の分布がフラットに近づくため、ロバスト性を向上させる観点からは、貫通孔４の幅Ｗｈはなるべく大きくすることが望ましい。

また、電流路５，６の幅Ｗは、バスバ２を流れる電流の周波数を考慮して表皮効果の影響を抑制できる厚さにすることが好ましい。バスバ２として銅または銅合金を用いる場合、周波数１００ｋＨｚでの表皮厚は０．２ｍｍ程度となるので、第１の実施形態においては、電流路５，６の幅Ｗは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。なお、周波数１０ｋＨｚでの表皮厚は１ｍｍ程度となるので、この場合、電流路５，６の幅Ｗは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

ただし、電流路５，６の幅Ｗを極端に小さくすると、電流路５，６の断面積が減少して抵抗が増加し損失が大きくなり、発熱も大きくなってしまう。よって、表皮効果による影響と許容される損失や発熱等を考慮して、電流路５，６の幅Ｗと貫通孔４の幅Ｗｈを適宜設定するとよい。

電流路５，６の厚さ（バスバ２の厚さ）についても、バスバ２を流れる電流の周波数を考慮して表皮効果の影響を抑制できる厚さにすることが好ましく、バスバ２として銅または銅合金を用い、バスバ２を流れる電流の周波数が１００ｋＨｚ以下である場合には、電流路５，６の厚さは０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。また、バスバ２を流れる電流の周波数１０ｋＨｚ以下である場合には、電流路５，６の厚さは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

なお、第１の実施形態では、貫通孔４をバスバ２の中心軸Ｏに対して対称形状に形成し、貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成したが、貫通孔４の両側の電流路５，６を非対称形状としたり、貫通孔４の形状を非対称形状としてもよい。例えば、電流路５、６の一方の幅Ｗを、電流路５，６の他方の幅Ｗよりも大きくした場合、バスバ２の中心軸Ｏ上に磁気検出素子３を配置したり、貫通孔４の幅方向の中心に磁気検出素子３を配置することも可能である。ただし、電流路５，６の幅Ｗの差が大きくなると、電流の逆流等の現象が発生し誤差の原因となるため、電流路５，６の幅Ｗが極端に異ならないように調整する必要がある。

また、電流路５，６を非対称形状としたり貫通孔４の形状を非対称形状とした場合には、両電流路５，６に流れる電流に差が生じ、両電流路５，６で発生する磁界の強度に差が生じることになるので、磁束密度の分布が図５に示したような均一な分布とはならず偏った分布となり、特定の方向からの外乱の影響を受けやすくなるおそれがある。よって、ロバスト性を高めるという観点からは、貫通孔４をバスバ２の中心軸Ｏに対して対称形状に形成し、貫通孔４の両側の電流路５，６を対称形状に形成することがより望ましい。

また、第１の実施形態では、貫通孔４を平面視で矩形状に形成しているが、貫通孔４の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、貫通孔４を楕円形状としたり、貫通孔４を多角形状としてもよい。ただし、貫通孔４を楕円形状や多角形状とした場合、電流路５，６にて幅方向の成分を有する電流が発生し誤差の原因となるので、より好ましくは、貫通孔４の両側の電流路５，６は、バスバ２の長手方向に沿った直線状に形成されるとよい。

また、第１の実施形態に係る電流センサ２１では、複数（ここでは３つ）の磁気検出素子３が、１枚の回路基板８に搭載されている。図１では、便宜上、磁気検出素子３と演算部７とが直接接続されているように記載しているが、実際には、両者は回路基板８に形成された配線パターンを介して接続される。演算部７は、回路基板８に搭載されていてもよい。

１枚の回路基板８に全ての磁気検出素子３を搭載することで、各磁気検出素子３を別の回路基板に搭載した場合と比較して組み付けが容易になる。また、例えば、予め各バスバ２の相対的な位置を固定した状態とすれば、１枚の回路基板８の位置合わせを行うのみで全ての磁気検出素子３のバスバ２に対する位置合わせが可能であり、位置合わせの作業も容易に行うことが可能になる。

磁気検出素子３は、回路基板８の同じ面に搭載されることが望ましい。これは、回路基板８の両面それぞれに磁気検出素子３を搭載する場合、一方の面に磁気検出素子３を搭載した後、他方の面に磁気検出素子３を搭載する必要があり、磁気検出素子３の搭載作業に手間と時間がかかってしまうためである。

磁気検出素子３は、回路基板８に一直線状に等間隔に整列して配置される。ここでは、回路基板８を細長い形状とし、回路基板８の長手方向とバスバ２の長手方向とが直交するように回路基板８を配置すると共に、回路基板８に、その長手方向に沿って一直線状かつ等間隔に磁気検出素子３を配置している。磁気検出素子３は、その検出軸Ｄが回路基板８の表面に対して垂直方向となるように配置される。なお、回路基板８の形状はこれに限定されるものではなく、磁気検出素子３の間隔は等間隔でなくともよい。

なお、電流センサ２１では、貫通孔４に磁気検出素子３を配置することで、回路基板８の磁気検出素子３を搭載した側の面にバスバ２を配置しているため、回路基板８の一方の面側にバスバ２と磁気検出素子３をまとめて配置することが可能になり、電流センサ１の小型化（薄型化）が可能になる。

次に、演算部７について説明する。

図３に示すように、演算部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭからなるメモリ、およびソフトウェアを組み合わせて実現される。演算部７には、各磁気検出素子３から出力される電圧Ｖ₁〜Ｖ₃の信号が入力される。また、第１の実施形態では、回路基板８の温度を測定する温度センサ１１を備えており、この温度センサ１１が出力する温度Ｔの信号が演算部７に入力される。

演算部７の磁束密度演算部９は、磁気検出素子３が検出する磁束密度と出力電圧が線形となる領域（磁気検出素子３がＧＭＲセンサである場合には検出する磁束密度Ｂが−０．５ｍＴ以上０．５ｍＴ以下の領域）である場合には、下式（２）
Ｖ＝ａＢ＋ｂ ・・・（２）
但し、ａ，ｂ：係数
Ｖ：磁気検出素子の出力電圧
Ｂ：磁束密度
を用いて、磁束密度Ｂを求める。また、磁気検出素子３が検出する磁束密度と出力電圧が線形とならない領域（磁気検出素子３がＧＭＲセンサである場合には検出する磁束密度Ｂが−０．５ｍＴ未満あるいは０．５ｍＴを超える領域）である場合には、下式（３）
Ｖ＝ａｓｉｎ²（ｃＢ＋ｄ）＋ｅ ・・・（３）
但し、ａ〜ｅ：係数
Ｖ：磁気検出素子の出力電圧
Ｂ：磁束密度
を用いて磁束密度Ｂを求める。

磁気検出素子３における磁束密度と出力電圧との関係は、温度依存性を有するため、ここでは、式（２），（３）における係数ａ〜ｅを温度Ｔにより変化させることで、補正を行うように構成されている。すなわち、磁束密度演算部９は、磁気検出素子３が出力した電圧から磁束密度を演算する際に、温度センサ１１で測定した温度により補正を行うよう構成されている。

また、上述のように、電流センサ２１では、自身が配置されたバスバ２の磁界を検出しないので、バスバ２それぞれに流れる電流をＩ₁〜Ｉ₃、対応する磁気検出素子３で検出される磁束密度をＢ₁〜Ｂ₃とすると、電流演算部１０は、［数３］に示す式（４）を用いて、バスバ２それぞれに流れる電流Ｉ₁〜Ｉ₃を演算するように構成されている。

このように、磁気検出素子３を、自身が配置されたバスバ２で発生する磁界の強度が０となる位置に配置することによって、電流演算部１０で演算を行う際の関係式を式（４）のように簡単化することが可能であり、演算の高速化に寄与する。

電流演算部１０は、演算により求めた電流Ｉ₁〜Ｉ₃を出力する。ここでは、自動車のＥＣＵ（電子制御ユニット）１４に、求めた電流Ｉ₁〜Ｉ₃に応じた電圧のアナログ信号を出力するように構成した。なお、電流演算部１０が出力する信号はデジタル信号であっても構わない。

また、演算部７は、各磁気検出素子３が出力した電圧を監視し、該電圧が予め設定した上限閾値以上または下限閾値以下であるとき、磁気検出素子３に異常が発生したと判定して、異常信号を出力する素子異常判定部１２をさらに備えている。素子異常判定部１２が磁気検出素子３の判定に用いる上限閾値と下限閾値は、磁気検出素子３が通常出力することが無く明らかに異常と判断できる値に設定される。

さらに、演算部７は、電流演算部１０が求めた各バスバ２を流れる電流Ｉ₁〜Ｉ₃を監視し、各バスバ２を流れる電流が３相交流となっていない場合に、バスバ２を流れる電流または磁気検出素子３に異常が発生したと判定して、異常信号を出力する電流異常判定部１３をさらに備えている。電流異常判定部１３は、所定時間の電流Ｉ₁〜Ｉ₃の傾向を判定し、例えば、１相のみ明らかに位相がずれていたり、１相のみ電流値が明らかに異なる場合等に、異常信号を出力するように構成される。

素子異常判定部１２および電流異常判定部１３が出力する異常信号は、ＥＣＵ１４に入力される。ＥＣＵ１４には、異常報知部１５が搭載されており、異常報知部１５は、異常信号が入力されると、例えば、ＭＩＬ（Malfunction Indicator Lamp）等の故障ランプ１６を点灯させたり、ブザー１７を鳴らす等して、光や音で運転者等に異常を通知する。

次に、演算部７における制御フローを図６を用いて説明する。

図６に示すように、まず、ステップＳ１にて、演算部７が、各磁気検出素子３から出力された電圧Ｖ₁〜Ｖ₃、および温度センサ１１から出力された温度Ｔの信号を検出する。

その後、ステップＳ２にて、素子異常判定部１２が、電圧Ｖ₁〜Ｖ₃のいずれかが上限閾値以上または下限閾値以下かを判定する。なお、ステップＳ２では、電圧Ｖ₁〜Ｖ₃のいずれかが上限閾値以上または下限閾値以下である時間が所定時間以上となったかを判定するように構成してもよい。

ステップＳ２にてＹＥＳと判定された場合、ステップＳ３にて、素子異常判定部１２は、磁気検出素子３に異常があると判定し、ステップＳ１１にてＥＣＵ１４に異常信号を出力した後、処理を中断する。

ステップＳ２にてＮＯと判定された場合、ステップＳ４にて、素子異常判定部１２が、温度Ｔが予め設定した上限閾値以上または下限閾値以下かを判定する。なお、ステップＳ４では、温度Ｔが上限閾値以上または下限閾値以下である時間が所定時間以上となったかを判定するように構成してもよい。

ステップＳ４でＹＥＳと判定された場合、ステップＳ５にて、素子異常判定部１２は、温度センサ１１に異常があると判定し、ステップＳ１１にてＥＣＵ１４に異常信号を出力した後、処理を中断する。

ステップＳ４にてＮＯと判定された場合、ステップＳ６にて、磁束密度演算部９が、電圧Ｖ₁〜Ｖ₃と温度Ｔに基づき、磁束密度Ｂ₁〜Ｂ₃を演算する。つまり、温度Ｔによる補正を加えつつ、磁気検出素子３の出力電圧Ｖ₁〜Ｖ₃を磁束密度Ｂ₁〜Ｂ₃に換算する。

その後、ステップＳ７にて、電流演算部１０が、ステップＳ６で求めた磁束密度Ｂ₁〜Ｂ₃からバスバ２に流れる電流Ｉ₁〜Ｉ₃を演算し、ステップＳ８にて、求めた電流Ｉ₁〜Ｉ₃をＥＣＵ１４に出力する。

その後、ステップＳ９にて、電流異常判定部１３が、電流Ｉ₁〜Ｉ₃が三相交流となっているかを判定する。ステップＳ９にてＮＯと判定された場合、ステップＳ１０にて、電流異常判定部１３が、バスバ２を流れる電流または磁気検出素子３に異常があると判定し、ステップＳ１１にてＥＣＵ１４に異常信号を出力した後、処理を中断する。

ステップＳ９にてＹＥＳと判定された場合は、ステップＳ１に戻り、電流の検出を継続する。

なお、図６の制御フローでは、磁気検出素子３の１つに異常があると判定した場合に処理を中断したが、磁気検出素子３をバスバ２の本数よりも多く備えている場合には、磁気検出素子３の数がバスバ２の本数よりも少なくなるまでは電流の検出を継続することが可能である。

さらには、磁気検出素子３の数がバスバ２の本数よりも少なくなった場合であっても、電流Ｉ₁〜Ｉ₃が三相交流となっていると仮定して（例えば、電流Ｉ₂は電流Ｉ₁の位相が１２０度ずれたものであると仮定するなどして式（４）中の未知数を減じて）、電流Ｉ₁〜Ｉ₃の推定値を演算するように電流演算部１０を構成してもよい。

また、図６の制御フローでは、温度センサ１１が異常と判定したときに処理を中断するようにしたが、この場合、温度を任意の設定値として、電流Ｉ₁〜Ｉ₃の演算を継続するように電流演算部１０を構成してもよい。なお、電流Ｉ₁〜Ｉ₃が三相交流となっていない場合には、バスバ２を流れる電流自体に異常が発生しているのか、磁気検出素子３に異常が発生しているのか判断がつかないため、処理を中断することが望ましい。

なお、第１の実施形態に係る電流センサ１では、対称性がよい場合に上述の式（４）（すなわち式（１））の解が不定形となる可能性もある。この場合、例えばバスバ２の間隔を異ならせる等して対称性を意図的に悪くしたり、あるいは、磁気検出素子３を追加し、追加した磁気検出素子３も加えて演算を行うことで解決可能である。

次に、第２の実施形態を説明する。

図７に示すように、第２の実施形態に係る電流センサ７１は、３相交流の各相の電流を流す３本のバスバ２を備え、バスバ２は、その長手方向が互いに平行となるように幅方向に離間して整列配置され、整列方向の両側に配置されるバスバ２に貫通孔４を形成すると共に、該貫通孔４にそれぞれ磁気検出素子３を配置し、さらに、３本のバスバ２の少なくとも一側（ここでは両側にそれぞれ）に磁気検出素子３を配置したものである。

つまり、電流センサ７１は、図２の電流センサ２１において、中央に配置されるバスバ２の貫通孔４と該貫通孔４に配置される磁気検出素子３を省略し、バスバ２の両側に新たに磁気検出素子３を追加したものである。全ての磁気検出素子３は、共通の１枚の回路基板８に搭載されている。なお、図７では、演算部７を省略している。

図２の電流センサ２１では、両側に配置された磁気検出素子３と比較して、中央に配置された磁気検出素子３で検出される磁界が大きくなり、特にバスバ２に大電流が流れる場合には、当該磁気検出素子３で検出する磁界の強度が大きくなりすぎるおそれがあり、３つの磁気検出素子３で一律に感度調整を行いにくい、という課題があった。

第２の実施形態に係る電流センサ７１では、この課題を解決すべく、検出される磁界が大きくなりすぎる中央の磁気検出素子３を省略して、両側のバスバ２のさらに側方に磁気検出素子３を配置するように構成している。すなわち、第２の実施形態に係る電流センサ７１によれば、バスバ２に大電流が流れる場合であっても、磁気検出素子３で検出される磁界の強度を小さくでき、また、全ての磁気検出素子３で検出される磁界の強度を同程度とし、一律に感度調整を行いやすくなる。

電流センサ７１では、電流演算部１０は、バスバ２それぞれに流れる電流をＩ₁〜Ｉ₃、バスバ２の貫通孔４に配置された磁気検出素子３が検出する磁束密度をＢ₁，Ｂ₃、バスバ２の側方に配置された磁気検出素子３の磁束密度をＢ₄，Ｂ₅とすると、［数４］に示す式（５）の関係式に基づき、各バスバ２に流れる電流Ｉ₁〜Ｉ₃を演算するように構成される。

なお、電流センサ７１では、バスバ２の両側に磁気検出素子３を配置し合計４つの磁気検出素子３を用いているが、磁気検出素子３は最低３個あればよいので、そのいずれか一方を省略しても構わない。ただし、磁気検出素子３を４個用いることで、磁気検出素子３が１個故障した際にも検出が続行できるというメリットもある。

次に、第３の実施形態を説明する。

図８に示すように、第３の実施形態に係る電流センサ８１では、複数のバスバ２は、その長手方向が互いに平行となるように厚さ方向に離間して整列配置され、複数のバスバ２のそれぞれに貫通孔４を形成すると共に、当該貫通孔４の少なくとも１つに磁気検出素子３を配置したものである。なお、図８では、演算部７を省略している。

電流センサ８１では、図７の電流センサ７１と同様に、整列方向の両側に配置されるバスバ２の貫通孔４にそれぞれ磁気検出素子３を配置すると共に、両側に配置されるバスバ２のさらに側方にそれぞれ磁気検出素子３を配置している。各磁気検出素子３は、一枚の回路基板８に搭載され、その回路基板８は、各バスバ２の貫通孔４を貫くように配置される。

電流センサ８１の電流演算部１０は、図７の電流センサ７１と同様に、上述の式（５）の関係式に基づき、各バスバ２に流れる電流Ｉ₁〜Ｉ₃を演算するように構成される。

図８では、幅方向に整列配置されているバスバ２それぞれの一部を９０度捻ることで、当該捻った部分のバスバ２が厚さ方向に整列配置されるように構成されているが、そもそもバスバ２が厚さ方向に整列配置されている場合は、捻りを加える必要はない。

図２や図７の電流センサ２１，７１のようにバスバ２を幅方向に整列配置した場合、バスバ２を流れる電流の周波数が高くなると、電流分布が表面部分に集中する表皮効果と、近接する電流同士が反発し合うという近接効果があらわれ、複雑な挙動を示し誤差の原因となる。

第３の実施形態に係る電流センサ８１では、電流を検出する部分にてバスバ２を厚さ方向に整列配置させているので、バスバ２間の距離を大きく保ち、近接効果を抑制することが可能になる。その結果、バスバ２に流れる電流の周波数が高い場合であっても、検出精度を高く維持することが可能になる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ 電流センサ
２ バスバ
３ 磁気検出素子
４ 貫通孔
５，６ 電流路
７ 演算部
８ 回路基板
９ 磁束密度演算部
１０ 電流演算部

Claims (10)

1. 並列配置された複数のバスバと、
   少なくとも前記バスバの本数以上備えられ、前記バスバに流れる電流により発生する磁界の強度を検出すると共に、検出した磁界の強度に応じた電圧を出力する複数の磁気検出素子と、
   前記複数の磁気検出素子が出力した電圧に基づき前記各バスバに流れる電流を演算する演算部と、を備え、
   前記演算部は、
   前記複数の磁気検出素子が出力した電圧から磁束密度を演算する磁束密度演算部と、
   前記磁束密度演算部が求めた前記各磁気検出素子の磁束密度をＢ₁〜Ｂ_m、前記各バスバに流れる電流をＩ₁〜Ｉ_nとしたとき、［数１］に示す式（１）
   の関係式に基づき、前記各バスバに流れる電流Ｉ₁〜Ｉ_mを演算する電流演算部と、
   を備えたことを特徴とする電流センサ。
2. 少なくとも１つの前記バスバには、該バスバを貫通する貫通孔が形成され該貫通孔の両側に電流路が形成され、
   少なくとも１つの前記磁気検出素子は、前記貫通孔に配置され、前記貫通孔の両側の前記電流路を流れる電流によりそれぞれ発生する磁界を合成した合成磁界の強度を検出するようにされる
   請求項１記載の電流センサ。
3. 前記貫通孔に配置される前記磁気検出素子は、前記合成磁界の強度が０となる位置に配置される
   請求項２記載の電流センサ。
4. ３相交流の各相の電流を流す３本の前記バスバを備え、
   前記バスバは、その長手方向が互いに平行となるように幅方向に離間して整列配置され、
   整列方向の両側に配置される前記バスバに前記貫通孔を形成すると共に、該貫通孔にそれぞれ前記磁気検出素子を配置し、
   さらに、前記３本のバスバの少なくとも一側に前記磁気検出素子を配置した
   請求項２または３記載の電流センサ。
5. 前記複数のバスバは、その長手方向が互いに平行となるように厚さ方向に離間して整列配置され、
   前記複数のバスバのそれぞれに前記貫通孔を形成すると共に、当該貫通孔のそれぞれに前記磁気検出素子を配置した
   請求項２または３記載の電流センサ。
6. 前記複数の磁気検出素子が、１枚の回路基板に搭載されている
   請求項４または５記載の電流センサ。
7. 前記磁気検出素子が、ＧＭＲセンサである
   請求項１〜６いずれかに記載の電流センサ。
8. 前記磁気検出素子を搭載する回路基板の温度を測定する温度センサを備え、
   前記演算部の前記磁束密度演算部は、前記複数の磁気検出素子が出力した電圧から磁束密度を演算する際に、前記温度センサで測定した温度により補正を行うよう構成される
   請求項１〜７いずれかに記載の電流センサ。
9. 前記演算部は、前記各磁気検出素子が出力した電圧を監視し、該電圧が予め設定した上限閾値以上または下限閾値以下であるとき、異常信号を出力する素子異常判定部をさらに備える
   請求項１〜８いずれかに記載の電流センサ。
10. ３相交流の各相の電流を流す３本の前記バスバを備え、
    前記演算部は、前記電流演算部が求めた前記各バスバを流れる電流を監視し、前記各バスバを流れる電流が３相交流となっていない場合に、異常信号を出力する電流異常判定部をさらに備える
    請求項１〜９いずれかに記載の電流センサ。