JP4652988B2

JP4652988B2 - 電流センサ

Info

Publication number: JP4652988B2
Application number: JP2006032851A
Authority: JP
Inventors: 敬国見; 誠一吉原; 喜徳杉田; 友昭百瀬
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP2007212306A

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、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、まず、自動車の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきている。そのため大電流時の磁気飽和を回避する必要があるが、その対策として磁性体コアを大きくすると電流センサ自体が大型化するという問題がある。次に、大電流を流す銅製電流バスバーの幅が、電流コアの形状にて制約され、バスバーに直接にねじ止めする幅を確保することができないという問題が生じる。更に、磁性コアが大きくなると、価格が高価になり、例えば、大量に生産されているために価格が低下している電動パワーステアリング用電流センサの流用ができなくなるという問題がある。
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、バスバーから一部を取り出して分流電流について磁気比例式電流センサを適用して電流値を測定しバスバー全体に流れる電流を測定する電流センサを、融通性を備え且つコンパクトに構成する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、銅製電流バスバーから電流を分流する分流比率を設定することにより、１種類のセンサ（１種類の磁気比例式電流センサ）で、いろいろな大電流センサを設計可能にする電流センサを提供することである。また、１種類の磁気比例式電流センサを使用するのみであるので、その磁気比例式電流センサを量産することで、コストダウンを図ることである。

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、共通の平面内において互いに横に平行に並ぶように複数配置され幹流プレートであり両端部に接続孔を有するバスバーと、前記各バスバー上に両端部が固定されるとともに前記両端部に繋がり且つ前記バスバーから隔間して延びる中間部を有する複数のサブバスバーと、前記各サブバスバーを前記各中間部において囲んで配置され且つ前記各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複数の磁性体コアと、ベースとを備え、前記中間部は、前記各端部に対して湾曲部を介して接続されており、前記バスバーに平行に延びており、前記各磁性体コアは、共通する基板に支持されて同じ側に向けた姿勢に置いて互いに平行に並べて配置され、前記各バスバーは、前記接続孔より内側の両端部が前記ベースに対して複数の支柱によって取り付けられ、前記各サブバスバーは、前記支柱より内側の位置でリベットによって前記バスバーに取り付けられ、前記基板は、その両端部においてアングル材によって前記ベースに取り付けられ、前記各磁気センサが検出した前記磁界、及び前記各バスバーに流れる電流と前記各サブバスバーに分流して流れる前記電流との分流比に基づいて、前記各バスバーと前記各サブバスバーとに流れる各全電流が算出される。

この電流センサによれば、幹流プレートであるバスバー上に両端部が固定されるサブバスバーは、その中間部がバスバーから距離を置いて配置されているので、磁性体コアを中間部のみを取り囲むように配置することができる。サブバスバーを流れる電流に起因して中間部の回りには磁界が発生するが、その磁界は磁性体コアがあるところでは磁性体コア内に生じる。磁性体コア内に組み込まれている磁気センサは、サブバスバー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。

上記電流センサにおいて、前記サブバスバーはリベットにて前記バスバーに取り付けられることができる。サブバスバーのバスバーへの固着は、リベットのような固着具によって安価に且つ簡単に行うことができる。また、上位電流センサにおいて、前記中間部を、前記各端部に対して湾曲部を介して接続させ、前記バスバーに平行に延びる形態とすることが好ましい。サブバスバーは、導電性の板材を折り曲げによって、各端部に対して湾曲部を介して接続された中間部をバスバーに平行に形成することができる。

上記電流センサにおいて、前記磁気センサが検出した前記磁界、及び前記バスバーに流れる電流と前記サブバスバーに分流して流れる前記電流との分流比に基づいて、前記バスバーと前記サブバスバーとに流れる全電流が算出される。バスバーを流れる電流を含む全電流のうちサブバスバーを流れる電流の分流比は、バスバーとサブバスバーの幾何学的な特性値に基づいて既知であるので、磁気センサが測定した磁界の強さに基づいて全電流の大きさを知ることができる。

上記電流センサにおいて、複数個の前記電流センサを、前記サブバスバーを同じ側に向けた姿勢に置いて互いに平行に並べて配置し、前記各サブバスバーを囲む前記各磁性体コアを共通する基板に支持することができる。複数本の電流センサを並べて構成する場合には、サブバスバーを囲むように設けられる複数の磁性体コアを整然と共通の基板に支持することが好ましい。そこで、サブバスバーを各バスバーの同じ側に並行に並べ、サブバスバーの中間部を囲んで設けられる各磁性体コアを共通基板上に一列に並べて保持する。このような構造と配置とによって、複数の電流センサを整然としてコンパクトに配置することができ、自動車等の制御回路における配置が単純化され改善される。

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、バスバーから電流を分流する分流比率を設定することにより、１種類のセンサ（１種類の磁気比例式電流センサ）で、いろいろな大電流センサを設計可能にする電流センサを提供することができる。即ち、この発明のような構成を採ることにより、メイン電流バーを電流センサ電磁コアの大きさに合わせる必要がなくなり、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るので、使用する電流センサは１種類の磁気比例式電流センサでありながら、種々の大きさの電流測定用に対応可能となる。また、その磁気比例式電流センサは１種類だけであるので、量産することで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、幹流プレートであるバスバー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によってベース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。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Ｒ２＝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。

図５に、本発明による電流センサ１の製造過程が流れ図として示されている。まず、（ａ）に示すように、４個の磁性体コア１０と１枚の基板３とが用意され、基板３に４個の磁性体コア１０が組み付けられる。磁性体コア１０が組み付けられた基板３の様子が（ｂ）に示されている。（ｂ）に示す電流センサアッセンブリの各磁性体コア１０にサブバスバー５を組み付けていく。各サブバスバー５は磁性体コア１０の中央孔１０ａに通されて、両側に取り付け用の端部７，７が延びている。各サブバスバー５は、リベット６，６によってバスバー２に取り付けられる。幹流プレートであるバスバー２に、分流プレートであるサブバスバー５が取り付けられる。各電流センサ１について出力のトリミングを行うことにより、検査を行って、出荷される。

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センサ組立体の組み立て工程図である。

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

Claims

共通の平面内において互いに横に平行に並ぶように複数配置され幹流プレートであり両端部に接続孔を有するバスバーと、前記各バスバー上に両端部が固定されるとともに前記両端部に繋がり且つ前記バスバーから隔間して延びる中間部を有する複数のサブバスバーと、前記各サブバスバーを前記各中間部において囲んで配置され且つ前記各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複数の磁性体コアと、ベースとを備え、
前記中間部は、前記各端部に対して湾曲部を介して接続されており、前記バスバーに平行に延びており、
前記各磁性体コアは、共通する基板に支持されて同じ側に向けた姿勢に置いて互いに平行に並べて配置され、
前記各バスバーは、前記接続孔より内側の両端部が前記ベースに対して複数の支柱によって取り付けられ、前記各サブバスバーは、前記支柱より内側の位置でリベットによって前記バスバーに取り付けられ、前記基板は、その両端部においてアングル材によって前記ベースに取り付けられ、
前記各磁気センサが検出した前記磁界、及び前記各バスバーに流れる電流と前記各サブバスバーに分流して流れる前記電流との分流比に基づいて、前記各バスバーと前記各サブバスバーとに流れる各全電流が算出される電流センサ。