JP5872758B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の電装品等、例えばモータの電流路に流れる電流の値を、該電流路近傍に設けられた磁気検出器を用いて検出する電流検出装置に係り、特に自身に生じ得る故障検出が可能な電流検出装置に関する。

自動車の車載バッテリと車両電装品とを接続する電流路（例えば、バスバー）に流れる電流を検出するために、電流検出装置が用いられている。この電流検出装置は、例えば特許文献１に示すように、リング状のコアと、このコアの一部分が開放されて形成された磁気ギャップと、この磁気ギャップ内に配置されたホール素子とを備え、リング状のコアに挿通された電流路に流れる電流値を、磁気ギャップ内に配置されたホール素子によって検出するという構成である。

従って、この電流検出装置では、電流路に流れる電流によって前記リング状のコア内に磁界が生じた場合、磁気ギャップ内のホール素子がその磁界に応じたホール効果による電圧（ホール電圧）を発生する。このとき、前記コアは電流路に流れる電流によって発生する磁界を強めるように機能する。前記ホール素子が発生するホール電圧は、前記コア内の磁界の強さに対応するとともに、この磁界を発生させる電流路に流れる電流値にも対応するため、電流値検出を可能にする。

ところで、このような電流検出装置にあっては、電流検出性能を落とさないように、つまり十分なレベルの検出電流を得るために、コアの磁気ギャップ内に２個のホール素子を介在することが行われている。これにより、ホール素子１個の場合に比べて２倍近いレベルの電流を検出することができる。この２個のホール素子は、前記コアの厚み方向または磁気ギャップを通過する磁力線方向に並置される。
このように、従来の電流検出装置では、２個のホール素子をコアの磁気ギャップ内に介在することで、所望レベルの電流検出を可能としている。

特開２００７−１５５４００号公報 特願２００８−３０６３６０号公報

しかしながら、従来の電流検出装置は、２個のホール素子を磁気ギャップに介在するリング状のコアが必要であるため、装置全体のサイズが大きくなるほか、コアの内側に電流路を通すことによってコアの電流路に対する取り付け構造に制約を伴うという不都合があった。また、特許文献２に開示される電流検出装置は、リング状のコアを不要とするが、同一平面上に二つの磁気検出器を配置しなければならず、この場合も装置全体の小型化に不利となった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化を可能にしながら、外部磁界の影響を受けることなく、ホール素子の故障判定を高精度に実施することができる電流検出装置を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） バスバーから成る電流路に対して平行に配置された基板と、
前記電流路を流れる電流によって発生する磁界の強さを検出するため、該電流路上方に位置した前記基板の表裏面に対向して配置される二つの磁気検出器と、
前記二つの磁気検出器と、該二つの磁気検出器が配置された部位の電流路を内部に収容するようにして、該電流路に装着される電磁シールド枠部材と、
前記二つの磁気検出器のそれぞれが検出した磁界に応じて出力される電流値の差からいずれか一方に生じ得る故障の有無を判別する制御回路と、を備え、
前記二つの磁気検出器は、前記電流路からの距離が異なる箇所に位置し、正常状態において検出する磁界に応じて出力される電流値が一致するように感度調整されていることを特徴とする電流検出装置。

この電流検出装置によれば、従来のようにコアを構成に含む必要がなく、しかも、同一平面に一つの磁気検出器を配置すればよいので、電流検出装置の簡素化および小型化が可能であり、また、外部磁界の影響を受けることなく、磁気検出器（ホール素子）の故障判定を容易に実施することができる。

（２） 前記二つの磁気検出器はそれぞれが、前記電流路の幅方向の中心に位置するように配置されていることを特徴とする（１）の電流検出装置。

この電流検出装置によれば、電流路から発生する磁界の強さが最も大きくなり易い箇所に磁気検出器が配置されるため、精度良く電流路を流れる電流の大きさを測定することができる。

本発明に係る電流検出装置によれば、従来のようにコアを構成に含む必要がなく、同一平面上に一つの磁気検出器を配置すればよいので、電流検出装置の簡素化および小型化が可能であり、また、外部磁界の影響を受けることなく、磁気検出器（ホール素子）の故障判定を容易に実施することができる。

本発明に係る電流検出装置の側面図である。 図１に示す電流検出装置の上面図である。 図２に示す電流検出装置のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の断面図である。 図２に示したホールＩＣを構成する磁気検出器の電磁シールド枠内における設置位置を概念的に説明するための上面図である。 図４に示す電磁シールド枠内のＶ−Ｖ方向の断面図である。 電磁シールド枠部材内で電流路が発生するバスバー幅方向の磁束の分布状況を示す説明図である。 電磁シールド枠部材内で電流路が発生するバスバー長手方向の磁束の分布状況を示す説明図である。 電流検出装置の故障検出回路を示すブロック図である。 Ｙ中心位置でのＹ方向の距離と磁束密度との相関を表したグラフである。 感度調整可能な二つのホールＩＣを用いた場合の故障検知領域を表すグラフである。

以下に、本発明に係る電流検出装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、電流路を流れる電流によって発生する磁界の強さを検出する磁気検出器として、本実施形態ではホールＩＣを採用している。

ここで、図１は、本発明に係る電流検出装置の側面図である。図２は、図１に示す電流検出装置の上面図である。図３は、図２に示す電流検出装置のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の断面図である。図４は、図２に示したホールＩＣを構成する磁気検出器の電磁シールド枠内における設置位置を概念的に説明するための上面図である。図５は、図４に示す電磁シールド枠内のＶ−Ｖ方向の断面図である。図６は、電磁シールド枠部材内で電流路が発生するバスバー幅方向の磁束の分布状況を示す説明図である。図７は、電磁シールド枠部材内で電流路が発生するバスバー長手方向の磁束の分布状況を示す説明図である。図８は、電流検出装置の故障検出回路を示すブロック図である。図９は、Ｙ中心位置でのＹ方向の距離と磁束密度との相関を表したグラフである。図１０は、感度調整可能な二つのホールＩＣを用いた場合の故障検知領域を表すグラフである。

本実施形態の電流検出装置は、該電流検出装置の外形を形成する筐体としての基部ブロック１２および端子ブロック１３と、基部ブロック１２および端子ブロック１３の側面を覆う電磁シールド枠部材１４と、端子ブロック１３上に取り付けられた２つのホールＩＣ１５、１６と、を含んで構成される。基部ブロック１２は、バスバー１１の下側（図１、図３の紙面下側）に位置する筐体であり、バスバー１１に固定される。一方、端子ブロック１３は、バスバー１１の上側に位置する筐体であり、基部ブロック１２の上面に位置する状態で固定される。電磁シールド枠部材１４は、２つのホールＩＣ１５、１６と、そのホールＩＣ１５、１６が近傍に配置されたバスバー１１の一部と、を内部に含むようにして、該バスバー１１に装着される。

バスバー１１に電流が流れると、そのバスバー１１の回りに磁界が発生する。この磁界は端子ブロック１３上に設置したホールＩＣ１５、１６中の各ホール素子（磁気検出素子）によって検出され、各ホール素子が検出する電圧をホールＩＣ１５、１６内の増幅回路が増幅し、検出した磁界に比例した値の電圧値を出力する。つまり、ホール素子からの出力に基づいて、バスバー１１に流れる電流値の検出が行われる。

基部ブロック１２は、プラスチック等の絶縁材によって成形され、該基部ブロック１２の上面には、バスバー１１を所定長に亘って収容し、該バスバー１１に嵌合する嵌合切欠（凹溝）１７が形成されている。また、この基部ブロック１２の長さ方向（図２に示すＸ方向）の両端部付近には、上下面に貫通するネジ孔１８が設けられている。これらのネジ孔１８はバスバー１１を基部ブロック１２上にネジ止めするために使用される。更に、基部ブロック１２の底面には、この底面とともに基部ブロック１２および端子ブロック１３の側面（Ｙ方向の側面）を、前記長さ方向（Ｘ方向）の所定幅に亘って覆う電磁シールド枠部材１４用の嵌合切欠（凹溝）１９が形成されており、基部ブロック１２および端子ブロック１３に電磁シールド枠部材１４を装着する際には、この嵌合切欠（凹溝）１９に電磁シールド枠部材１４が収容される。

バスバー１１は、幅方向（Ｙ方向）の寸法が一定の導電板であり、前記基部ブロック１２に形成されたネジ孔１８の対応部位に、取付孔２０が貫通するように設けられている。従って、基部ブロック１２上の嵌合切欠１７にバスバー１１を装着し、バスバー１１の上面から止めネジ１２ａを取付孔２０を通してネジ孔１８にねじ込むことにより、バスバー１１を基部ブロック１２に堅固に取り付けることができる。これにより、バスバー１１は基部ブロック１２に安定的に支持される。

端子ブロック１３は、絶縁性のプラスチック材料によって成形され、基部ブロック１２上に載置されている。この端子ブロック１３は、ホールＩＣを収納するためのＩＣ収納凹部２１、および相手方コネクタ（図示しない）を収容するためのコネクタ挿入筒２２を一体に有する。これらのうちＩＣ収納凹部２１には絶縁基板２３が固定され、この絶縁基板２３の表裏面２３ａ，２３ｂには２個のホールＩＣ１５、１６および導電回路パターン（図示しない）が配設されている。ホールＩＣ１５、１６は磁気検出器としてのホール素子と増幅回路を集積化したチップであり、検出した磁界の強さに比例した電圧を出力するアナログタイプのものが用いられる。増幅回路は、この電圧出力を増幅し、電流値に変換して出力する。ホールＩＣ１５、１６のＩＣ収納凹部２１への配置箇所については後述する。

一方、コネクタ挿入筒２２は、底部に複数本のコネクタピン２４の各一端部が突設され、これらのコネクタピン２４の他端部は端子ブロック１３内に埋設されている。この端子ブロック１３内に埋設されたコネクタピン２４の他端は、絶縁基板２３内に埋設されたリード２５を介してホールＩＣ１５、１６の各接続端子に接続されている。なお、このコネクタ挿入筒２２内には、雌型コネクタ（図示しない）が嵌合されて、この雌型コネクタ側のコネクタ端子が前記コネクタピン２４に差し込まれることで、ホールＩＣ１５、１６の出力信号が外部回路に取り出し可能になる。

電磁シールド枠部材１４は、基部ブロック１２および端子ブロック１３の各側面（特に、基部ブロック１２および端子ブロック１３の各側面のうちの、ホールＩＣ１５、１６を収容するＩＣ収納凹部２１の側面に臨む部分）を覆うようなＵ字形状をなし、前述のように基部ブロック１２の嵌合切欠１９に嵌め込まれる。電磁シールド枠部材１４における、基部ブロック１２および端子ブロック１３の各側面を覆う部位の端部には、高さ方向（Ｚ軸方向）に突設された加締め爪片２６が形成されており、その加締め爪片２６が前記ＩＣ収納凹部２１の上部開口縁２１ａに加締め付けされる。バスバー１１、およびバスバー１１に取り付けられた基部ブロック１２をＵ字状の内部に収めた状態で、電磁シールド枠部材１４の加締め爪片２６をＩＣ収納凹部２１の上部開口縁２１ａに加締め付けることによって、基部ブロック１２の上側に載置された端子ブロック１３が、この基部ブロック１２上に堅く保持される。このため、各ブロック１２、１３間に介在されたバスバー１１の保持も確実となる。また、電磁シールド枠部材１４がＩＣ収納凹部２１の側面を覆うことによって、ＩＣ収納凹部２１の内部に該ＩＣ収納凹部２１の外側から電磁波が伝搬することを防止することができる。

基部ブロック１２の中心部に形成された嵌合切欠１７内には、前述のように長尺のバスバー１１が嵌め込まれている。このとき、バスバー１１の中心線（バスバー１１の幅方向中央を通る直線）と基部ブロック１２の中心線（基部ブロック１２上面の幅方向中央を通る直線）が、該基部ブロック１２を上面視した際に一致するように、基部ブロック１２の形状および嵌合切欠１７の切り込み長さを調整することが好ましい。図４は、バスバー１１の中心線と基部ブロック１２の中心線が中心線Ｂにて一致している場合を示している。また、基部ブロック１２とこの上に載置される端子ブロック１３は幅方向（Ｙ方向）の各寸法が等しくなるようにすることで、基部ブロック１２および端子ブロック１３を覆う電磁シールド枠部材１４の幅方向（Ｙ方向）の中心も、各中心線に一致する。

また、電磁シールド枠部材１４は、ＩＣ収納凹部２１の内部への電磁波の伝搬を防止するとともに、該電磁シールド枠部材１４をバスバー１１に装着した際の該電磁シールド枠部材１４の内部において、該バスバー１１から発生する磁界の強さが平面Ａに対し対称な分布になるよう形成されている。平面Ａは、図４に示すように、電磁シールド枠部材１４の長さ方向（Ｘ方向）に直交する平面であり、電磁シールド枠部材１４の長さ方向の両端部の中央に位置する平面である。本実施形態では、電磁シールド枠部材１４内部において、該バスバー１１から発生する磁界の強さを平面Ａに対し対称な分布にするために、該電磁シールド枠部材１４の形状を直方体にし、且つその直方体を二つ同一形状の直方体に分割する平面Ａを設定することによって、その内部の磁界の強さの分布を対象とする。このとき、バスバー１１が電磁シールド枠部材１４内で発生する磁束の分布は、ホールＩＣ１５、１６の中央を通過し、且つ電磁シールド枠部材１４内の底壁からＺ方向の高さ方向Ｃに位置する中心線Ｂにおいて、図６に示すようになる。図６の分布の横幅は平面Ａの位置を０とするＸ方向の位置（電磁シールド枠部材１４の長さ方向の長さが１２ｍｍの場合であるため、Ｘ幅の最大値は６ｍｍであり、最小値は−６ｍｍとなる。）を表し、縦軸は磁界の強さを表している。電磁シールド枠部材１４内では、電磁シールド枠部材１４の長さ方向の中心０付近で磁界の強さが最も大きくなり（図６では、略５ｍＴ）、電磁シールド枠部材１４の長さ方向の両端部に向かうにつれて低くなる（図６では、略１．４ｍＴ）ように分布する。すなわち、平面Ａから電磁シールド枠部材１４の長さ方向（Ｘ方向）の両端部（図６では、中心０から長さ方向に各６ｍｍの位置）に向かって対称的に低くなるように分布する。電磁シールド枠部材１４内においてこのような磁界の強度の分布、つまり、電磁シールド枠部材１４の長さ方向の中心０付近で磁界の強さが最も大きくなるのは、バスバー１１から発生した磁界が電磁シールド枠部材１４の内壁表面の任意の箇所にて反射する結果（電磁シールド枠部材１４は、あくまでも、電磁シールド枠部材１４の外部から内部への電波の伝搬を防ぐために設けられているが、同時に、電磁シールド枠部材１４の内部の電波を外部に伝搬させない機能も果たしている。）、その反射した磁界が電磁シールド枠部材１４内の長さ方向の中心０付近を通過するよう伝搬することによる。

なお、電磁シールド枠部材１４の形状は、直方体に限られるものではなく、バスバー１１の長さ方向に直交する平面によって該電磁シールド枠部材１４の内部を分割した場合に、二つの同一形状の空間になるものであればよい。また、電磁シールド枠部材１４の内部に誘電材料を封入して、バスバー１１の長さ方向に直交する平面によって該電磁シールド枠部材１４の内部の誘電材料を分割した場合に、二つの空間の内部の磁界の強さの分布が対称なものになるようにしてもよい。要は、該電流路から発生する磁界の強さが、バスバー１１の長さ方向に直交する平面Ａに対して、対称な分布になりさえすればよい。

そして２つのホールＩＣ１５、１６は、図４に示すように、平面Ａに対してバスバー長手方向の前後が対称に配置される。これらのホールＩＣ１５、１６は、図５に示すように、電磁シールド枠部材１４内の異なる高さ（Ｚ方向）Ｃ，Ｄに位置する。なお、ここでは、２つのホールＩＣ１５、１６を中心線Ｂに沿った位置にそれぞれ配置するように説明した。これにより、バスバー１１から発生する磁界の強さが最も大きくなり易い箇所にホールＩＣ１５、１６が配置されるため、精度良くバスバー１１を流れる電流の大きさを測定することができるという効果を奏する。

従って、２つのホールＩＣ１５、１６は、前述のように平面Ａに対しバスバー長手方向の前後が対称に配置され、電磁シールド枠部材１４内の異なる高さ（Ｚ方向）Ｃ，Ｄに位置されているため、磁界の強さが異なる箇所に晒されることになる。このため、二つのホールＩＣ１５、１６は、後述するように、正常状態において検出する磁界に応じて出力される電流値が一致するように感度調整されている。つまり、異なる特性のホールＩＣ１５、１６が用いられている。従って、正常状態において各ホールＩＣ１５、１６は共に同一レベルの電流値を出力することとなる。

一方、上述のように配置されたホールＩＣ１５、１６の出力電流値が異なる場合には、ホールＩＣ１５、１６のいずれかが故障であると判定できる。図８は、ホールＩＣ１５、１６の故障検出回路である。この故障検出回路では、ホールＩＣ１５、１６の出力電流を電流比較器３１により比較し、この比較結果に基づき故障判定回路３２がホールＩＣ１５、１６のいずれが故障であるかあるいは両方とも正常であるかを判定し、この判定結果を表示器３３に表示する。

また、ホールＩＣ１５、１６は、バスバー１１の幅方向の中心線Ｂを通過し、バスバー１１に直交する図５に示す平面Ａ’に対しバスバー幅方向の左右が対称となるように配置されている。

電磁シールド枠部材１４は、ＩＣ収納凹部２１の内部への電磁波の伝搬を防止するとともに、該電磁シールド枠部材１４をバスバー１１に装着した際の該電磁シールド枠部材１４の内部において、該バスバー１１から発生する磁界の強さが平面Ａ’に対し対称な分布になるよう形成されている。平面Ａ’は、図５に示すように、電磁シールド枠部材１４の長さ方向（Ｘ方向）に延びるバスバー１１の幅方向の中心線Ｂ（図４参照）を通過し、バスバー１１に直交する平面である。電磁シールド枠部材１４内部において、該バスバー１１から発生する磁界の強さを平面Ａに対し対称な分布にするために、該電磁シールド枠部材１４の形状を直方体にし、且つその直方体を二つ同一形状の直方体に分割する平面Ａ’を設定することによって、その内部の磁界の強さの分布を対称とする。このとき、バスバー１１が電磁シールド枠部材１４内で発生する磁束の分布は、ホールＩＣ１５、１６の中央が通過する、電磁シールド枠部材１４内の底壁からＺ方向の高さ方向Ｃに位置する幅方向（Ｙ方向）においては、図７に示すようになる。図７の分布の横幅は平面Ａ’の位置を０とするＹ方向の位置を表し、縦軸は磁界の強さを表している。電磁シールド枠部材１４内では、バスバー１１の幅方向中央０寸近で磁界の強さが最も小さくなり、バスバー１１の幅方向の両端部に向かうにつれて高くなるように分布する。すなわち、平面Ａ’からバスバー１１の幅方向（Ｙ方向）の両端部に向かって対称的に高くなるように分布する。電磁シールド枠部材１４内においてこのような磁界の強度の分布になるのは、バスバー１１の断面が幅方向に対称であることによる。

従って、２つのホールＩＣ１５、１６は、平面Ａ’に対しバスバー幅方向の左右が対称に配置され、前述のように電磁シールド枠部材１４内の異なる高さ（Ｚ方向）Ｃ，Ｄに位置されているため、磁界の強さが異なる箇所に晒されることなる。このため、上述したように、二つのホールＩＣ１５、１６は、正常状態において検出する磁界に応じて出力される電流値が一致するように感度調整されている。従って、各ホールＩＣ１５、１６は共に同一レベルの電流値を出力することとなる。一方、上述のように配置されたホールＩＣ１５、１６の出力電流値が異なる場合には、ホールＩＣ１５、１６のいずれかが故障であると判定できる。

ホールＩＣ１５、１６は、バスバー幅方向であるＹ方向の中心（Ａ’）と、バスバー長手方向であるＸ方向の中心（Ａ）を狙いとし、高さ方向であるＺ軸方向に沿って（離間して）配置されている。バスバー１１をある形状を仮定した場合、バスバー１１に流れる電流によってＹ方向に発生する磁束密度は、例えば図９に示すグラフのようになる。すなわち、バスバー１１の表面からの距離が長くなれば、磁束密度は小さくなる。例えば、図５に示すＣ位置のホールＩＣ１６の磁束密度は、０．０７ｍＴ／Ａとなり、Ｄ位置のホールＩＣ１５の磁束密度は、０．０５９ｍＴ／Ａとなる。このように位置Ｃ，Ｄで発生する磁束密度が異なるため、同じ出力を得るためにホールＩＣ１５、１６は感度が調整されている。

また、図１０には、０．０５〜０．３Ｖ／ｍＴの範囲で感度調整が出来るホールＩＣ１５、１６を２個用いた場合、最大電流で１、５Ｖの電圧出力が可能な電流検出範囲を示している。これは、Ｃ、Ｄ位置の磁束密度（図９参照）とホールＩＣの感度から計算で求めることができる。図１０のグラフから分かるように、２個のホールＩＣの出力を同じにする場合、オーバーラップする範囲（８５〜４２８Ａ）が故障検知可能範囲となる。また、より広い電流範囲を測定するには別々の感度で対応すればよいことになる。すなわち、図１０に示すように、２個のホールＩＣの出力を変えることで、広範囲の電流測定が可能となる。０．０５〜０．３Ｖ／ｍＴの範囲で感度調整が出来るホールＩＣ１５、１６を２個用いた場合、故障検知可能範囲は８５〜４２８Ａとなり、広範囲の電流測定時には７２〜５０８Ａの範囲となる。

以上説明してきたように、本実施形態によれば、従来のようにコアを構成に含む必要がない。また、従来例のようにセンサ出力を比較し電流センサの故障を判定可能にするため、ホールＩＣを２個並べた構造とする必要もない。このため、同一平面上に一つの磁気検出器を配置して、電流検出装置の簡素化および小型化を実現できる。

また、ホールＩＣ１５、１６の感度を変えることで、同じ出力が得られ、出力を比較することで故障診断を行うことができる。これにより、外部磁界の影響を受けることなく、磁気検出器（ホール素子）の故障判定を容易に実施できる。

また、ホールＩＣ１５、１６に別々の感度を設定すれば、大きさを犠牲にすることなく、広い電流範囲を精度良く検出することができる。

なお、本実施形態では、バスバー１１に流れる電流が発生する磁界を検出する場合について説明したが、バスバー以外の電流路、例えば通常の電線に流れる電流を、前記同様の電磁シールド枠部材やホールＩＣを用いて検出することができ、また各ホール素子の故障検出も前記同様にして行うことができる。

１１ バスバー（電流路）
１４ 電磁シールド枠部材
１５，１６ ホールＩＣ（磁気検出器）
２３ 絶縁基板（基板）
２３ａ，２３ｂ 表裏面
３２ 故障判定回路（制御回路）

Claims (2)

1. バスバーから成る電流路に対して平行に配置された基板と、
   前記電流路を流れる電流によって発生する磁界の強さを検出するため、該電流路上方に位置した前記基板の表裏面に対向して配置される二つの磁気検出器と、
   前記二つの磁気検出器と、該二つの磁気検出器が配置された部位の電流路を内部に収容するようにして、該電流路に装着される電磁シールド枠部材と、
   前記二つの磁気検出器のそれぞれが検出した磁界に応じて出力される電流値の差からいずれか一方に生じ得る故障の有無を判別する制御回路と、を備え、
   前記二つの磁気検出器は、前記電流路からの距離が異なる箇所に位置し、正常状態において検出する磁界に応じて出力される電流値が一致するように感度調整されていることを特徴とする電流検出装置。
2. 前記二つの磁気検出器はそれぞれが、前記電流路の幅方向の中心に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。

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