(57)【要約】【課題】大型化を回避しつつ大きな電流を検出することができる電流検出装置を提供する。【解決手段】断面が扁平な形状をなし、電流が流れるバスバー４４と、バスバー４４の少なくとも一部が貫通する状態で挿入される切欠部４１ａが形成された基板４１と、基板４１に搭載され、バスバー４４を流れる電流によりバスバー４４のまわりに発生する磁束を検出する磁気検出用ＩＣ４２，４３と、を有する。磁気検出用ＩＣ４２，４３は、バスバー４４の断面長手方向における中央からずらして配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が扁平な形状をなし、電流が流れる導線と、
前記導線の少なくとも一部が貫通する状態で挿入される挿入部が形成された基板と、
前記基板に搭載され、前記導線を流れる電流により前記導線のまわりに発生する磁束を検出する磁気検出素子と、
を有し、
前記磁気検出素子は、前記導線の断面長手方向における中央からずらして配置されていることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記磁気検出素子は、一対よりなり、前記挿入部を挟むように前記基板に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記導線は、断面長手方向における前記挿入部に挿入される部位から一部が前記挿入部の外部に突出していることを特徴とする請求項１または２に記載の電流検出装置。
【請求項４】
突出する量は電流値に応じて決められることを特徴とする請求項３に記載の電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
導線およびセンサチップを同一基板に搭載して磁電変換回路の出力を飽和させることなく大電流を検出する方式として、特許文献１においては、被検出電流を二等分に分流させ、センサチップを二等分された中央に配置することにより、磁界が減衰される。二等分に分流した電流をさらに分流させ、その電流値を磁気抵抗効果素子にて検出する。検出した電流値から、おのおのの分流比に応じて乗算して被検出電流値が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−３８８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、導線および磁気検出素子を同一基板上に配置して導線を分流させると基板が大型化する。
そこで、磁気検出素子だけを基板に搭載して導線および磁気検出素子を切り離し、導線と磁気検出素子との間の距離を小さくすることが望まれている。また、大電流化すると磁気検出素子が大型化するとともに磁気検出素子を搭載する基板も大型化する。
【０００５】
本発明の目的は、大型化を回避しつつ大きな電流を検出することができる電流検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、断面が扁平な形状をなし、電流が流れる導線と、前記導線の少なくとも一部が貫通する状態で挿入される挿入部が形成された基板と、前記基板に搭載され、前記導線を流れる電流により前記導線のまわりに発生する磁束を検出する磁気検出素子と、を有し、前記磁気検出素子は、前記導線の断面長手方向における中央からずらして配置されていることを要旨とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、基板に形成された挿入部に、導線の少なくとも一部が貫通する状態で挿入され、基板に搭載された磁気検出素子により、導線を流れる電流により導線のまわりに発生する磁束が検出されるので、導線と磁気検出素子との間の距離を小さくでき、コンパクト化できる。また、導線は断面が扁平な形状をなし、磁気検出素子は、導線の断面長手方向における中央からずらして配置されるので、磁気検出素子が、導線の断面長手方向における中央に配置される場合に比べて、大電流を流して検出することができる。よって、大型化を回避しつつ大きな電流を検出することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電流検出装置において、前記磁気検出素子は、一対よりなり、前記挿入部を挟むように前記基板に配置されることを要旨とする。
請求項２に記載の発明によれば、一対の磁気検出素子が挿入部を挟むように基板に配置される。よって、それぞれ逆方向の磁束を検出するので外部ノイズをキャンセルすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の電流検出装置において、前記導線は、断面長手方向における前記挿入部に挿入される部位から一部が前記挿入部の外部に突出していることを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、突出する量と磁気検出素子との位置関係を調整することで導線に流す電流の自由度が増す。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の電流検出装置において、突出する量は電流値に応じて決められることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、突出する量を電流値に応じて調整して電流を検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、大型化を回避しつつ大きな電流を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は電流検出装置の平面図、（ｂ）は電流検出装置の正面図。
【図２】（ａ）は電流検出装置の平面図、（ｂ）は電流検出装置の正面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線での断面図。
【図３】電流検出装置の正面図。
【図４】インバータの回路構成図。
【図５】インバータの一部回路構成図。
【図６】扁平率と磁束密度の関係を示す特性図。
【図７】電流検出装置の正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図１，２，３，７において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
【００１５】
図４に示すように、車載用インバータ（三相インバータ）１０は、インバータ回路２０と制御部３０を備えている。インバータ回路２０の入力側には直流電源としてのバッテリ（高電圧バッテリ）５０が接続されるとともに、出力側にはモータ（走行モータ等）６０が接続されている。モータ６０には３相交流モータが使用されている。インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が設けられている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）が使用されている。なお、スイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。
【００１６】
インバータ回路２０において、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、第３および第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、第５および第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がそれぞれ直列に接続されている。そして、第１、第３および第５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５が、直流電源としてのバッテリ５０のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６が、バッテリ５０のマイナス端子側に接続されている。
【００１７】
Ｕ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間の接続点はモータ６０のＵ相端子に、Ｖ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間の接続点はモータ６０のＶ相端子に、Ｗ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接続点はモータ６０のＷ相端子に、それぞれ接続されている。そして、インバータ１０により、モータ６０の各相の巻線に交流電流が供給されてモータ６０が駆動される。
【００１８】
インバータ回路２０とモータ６０との間には３つの電流検出装置（電流センサ）４０が設けられている。各電流検出装置４０はモータ６０に供給されるＵ，Ｖ，Ｗの各相の電流値を検出する。
【００１９】
制御部３０には各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートが接続されている。制御部３０は駆動信号を各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに出力する。これにより、インバータ回路２０はバッテリ５０から供給される直流を適宜の周波数の３相交流に変換してモータ６０に出力する。また、制御部３０には各電流検出装置４０が接続されている。そして、制御部３０は、各電流検出装置４０の検出信号に基づいて、モータ６０への目標電流となるように各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する。
【００２０】
各電流検出装置４０は図２に示す構成となっている。図２において、電流検出装置４０（電流センサ）は、箱型のケース４５を備えている。ケース４５の内部において、基板４１と、磁気検出素子としての磁気検出用ＩＣ４２，４３が配置されている。図１にはケース４５内の基板４１と磁気検出用ＩＣ４２，４３を示す。つまり、ケース４５の内部構成を図１に示す。
【００２１】
図１において基板４１は全体形状として長方形をなしている。基板４１は、立設した状態、即ち、Ｘ−Ｚ平面において配置された状態で使用される。基板４１には、挿入部としての切欠部４１ａが形成されている。切欠部４１ａは、図１（ｂ）に示すように長方形状をなしている。切欠部４１ａは、長方形の基板４１における一方の辺、具体的には、図１（ｂ）における左の辺において開口している。基板４１の切欠部４１ａに導線としてのバスバー４４が通っている。バスバー４４は断面形状が長方形状をなしている。即ち、バスバー４４は断面が扁平な形状をなし、電流が流れる。バスバー４４は水平面（Ｘ−Ｙ面）に配置され、Ｙ方向に延設されている。ここで、バスバー４４は、図１（ｂ）に示すように、断面長手方向の寸法がａであり、断面短手方向の寸法がｂである。具体的には、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝２ｍｍである。バスバー４４には約３００アンペアが流れる。このように、基板４１は、バスバー４４の少なくとも一部が貫通する状態で挿入される挿入部としての切欠部４１ａが形成されている。
【００２２】
基板４１における一方の面には磁気検出用ＩＣ４２，４３が実装されている。磁気検出用ＩＣ４２，４３は、ＧＭＲ素子（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；巨体磁気抵抗素子）を信号処理回路と共にパッケージして構成されている。このように、磁気検出素子としての磁気検出用ＩＣ４２，４３が基板４１に搭載され、バスバー４４を流れる電流によりバスバー４４のまわりに発生する磁束を検出する。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、磁気検出用ＩＣ４２，４３は、一対よりなり、切欠部４１ａを挟むように基板４１に配置される。具体的には、基板４１の切欠部４１ａの上側に磁気検出用ＩＣ４２が配置されているとともに基板４１の切欠部４１ａの下側に磁気検出用ＩＣ４３が配置されている。つまり、バスバー４４を挟んで上側に磁気検出用ＩＣ４２が、下側に磁気検出用ＩＣ４３が等距離に配置され、バスバー４４に流れる電流に応じてバスバー４４のまわりに発生する磁束（磁束密度Ｂ）が磁気検出用ＩＣ４２，４３において検出され、磁気検出用ＩＣ４２，４３から磁束（磁束密度Ｂ）の大きさに応じたレベルの電気信号が出力される。
【００２４】
ここで、磁気検出用ＩＣ４２は図１（ｂ）において右向きの磁束を検出し、磁気検出用ＩＣ４３は図１（ｂ）において左向きの磁束を検出する。
図５に示すように、２つの磁気検出用ＩＣ４２，４３は、制御部３０の差動回路７０に接続されている。差動回路７０において、磁気検出用ＩＣ４２，４３による磁気検出信号の差動が取られる（引き算される）。よって、外来ノイズが入ってきたときに差動処理することによりノイズ分をキャンセルすることができる。
【００２５】
図５において差動回路７０にはＣＰＵ７１が接続され、磁気検出用ＩＣ４２，４３による磁気検出信号の差動信号がＣＰＵ７１に送られる。制御部３０のＣＰＵ７１は当該差動信号に基づいて所定の電流がモータ６０に流れるように各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する。
【００２６】
図２において、ケース４５は絶縁性を有する。ケース４５はケース本体４６と蓋材４７により構成されている。ケース本体４６は一方の面が開口する箱型をなし、ケース本体４６の開口部を蓋材４７により塞いでいる。ケース４５を、導線としてのバスバー４４が貫通している。ケース４５における基板４１の切欠部４１ａに対応する部位も切り欠かれており、ケース本体４６の底面における当該部位には図２（ｂ），（ｃ）に示すように突条４６ａが蓋材４７に向かって延びるように形成されている。バスバー４４と基板４１（磁気検出用ＩＣ４２，４３）との間にケース本体４６の突条４６ａが位置し、ケース本体４６の突条４６ａによりバスバー４４と基板４１（磁気検出用ＩＣ４２，４３）とが絶縁されている。
【００２７】
図１に示す電流検出装置は、インバータ１０の出力仕様（モータ６０の仕様）が３００アンペアの場合であり、図３に示す電流検出装置は、インバータ１０の出力仕様（モータ６０の仕様）が６００アンペアの場合である。図１に示す電流検出装置のバスバー４４は、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝２ｍｍであり、図３に示す電流検出装置のバスバー４４は、ａ＝２０ｍｍ、ｂ＝２ｍｍである。図１に示す電流検出装置においては基板４１の切欠部４１ａにバスバー４４が全て入っている。これに対し、図３に示す電流検出装置においては基板４１の切欠部４１ａにバスバー４４の３／５程度が入っているが残り２／５程度は基板４１の切欠部４１ａから出ている。
【００２８】
また、図３の磁気検出用ＩＣ４２，４３は、バスバー４４の断面長手方向における中央からずらして配置されている。具体的には、図３において磁気検出用ＩＣ４２，４３がバスバー４４の断面長手方向における中央から右側にずらして配置されている。このとき、バスバー４４は、断面長手方向における切欠部４１ａに挿入される部位から一部が切欠部４１ａの外部に突出するが、突出する量は電流値に応じて決められる。
【００２９】
図６には、バスバーの扁平率ｆと磁束密度の関係を示す。図６の横軸にバスバーの扁平率ｆをとり、縦軸に磁束密度をとっている。バスバーの扁平率ｆは、バスバー４４の断面長手方向の寸法が「ａ」、断面短手方向の寸法が「ｂ」であるとき、（ａ−ｂ）／ａで定義している。図６において、磁気検出用ＩＣ４２，４３を用いたときの磁束密度が２０ｍＴ以下の領域が、磁束密度に応じて出力がリニアに変化する磁気検出領域（磁気検出可能領域）である。また、図６において、点Ｐ１が図１の場合であり、点Ｐ２が図３の場合である。
【００３０】
次に、このように構成した電流検出装置の作用について説明する。
図１，２において、バスバー４４に３００アンペア程度の電流Ｉが流れ、バスバー４４の周囲に磁束が発生する。磁気検出用ＩＣ４２，４３がバスバー４４の上下両側に配置されており、磁気検出用ＩＣ４２，４３により磁束（磁束密度Ｂ）が検出される。これにより、電流Ｉに応じたレベルの電気信号が磁気検出用ＩＣ４２，４３から出力される。このように、図１，２の電流検出装置においては、小電流用の電流検出装置となっている。
【００３１】
一方、図３において、バスバー４４に６００アンペア程度の電流Ｉが流れ、バスバー４４の周囲に磁束が発生する。磁気検出用ＩＣ４２，４３がバスバー４４の上下両側に配置されており、磁気検出用ＩＣ４２，４３により磁束（磁束密度Ｂ）が検出される。これにより、電流Ｉに応じたレベルの電気信号が磁気検出用ＩＣ４２，４３から出力される。このように、図３の電流検出装置においては、大電流用の電流検出装置となっている。
【００３２】
ここで、大電流においては、バスバー４４の断面積が大きくなり、磁束も増大することから、電流検出装置の形状や磁気検出用ＩＣ（ＧＭＲ素子）４２，４３の大型化が避けられない。そのため、図３に示すようにバスバー４４をより扁平な形状に変更する。このような形状に変更することにより、磁気検出用ＩＣ４２，４３を通る磁束（磁気検出用ＩＣ４２，４３に鎖交する磁束）が減少し、図１に示す電流が小さい場合の電流検出装置と共通化が図れる。
【００３３】
図７は比較のための図であり、図１に示す３００アンペア仕様のバスバー４４と同じ扁平率のバスバー８０で６００アンペア仕様にした場合を示す。図７とした場合を図６において点Ｐ３で示している。図７の場合、バスバー８０に大きな電流が流れると、大きな磁束密度となり、これを、磁気検出用ＩＣ４２，４３で検出することになるが、磁気検出用ＩＣ４２，４３の許容範囲外となってしまい（所定レベル以下しか測定できないので、そのレベルを超えて測定が必要となってくるので）、そのままでは使用できない。
【００３４】
つまり、図６における磁束密度について磁気検出領域が広くなり、図６の点Ｐ３で示すように、磁気検出用ＩＣ４２，４３での出力が飽和する可能性が出てくる。そのため、図７では磁気検出領域が広い大型の磁気検出用ＩＣ９０，９１を用いることになる。
【００３５】
これに対し本実施形態では、６００アンペア仕様の電流検出装置として図３に示すものを用いてバスバーの形状を変えている。具体的には、バスバーの断面積を増やすときにバスバーの縦横の比率（ａ対ｂ）を変えて横長にしてバスバーの断面積を増やす。すると、磁束が通る１周の経路が長くなり、その結果、磁束が少なくなる。これを、図６においてバスバーに流す電流が３００アンペアの場合のライン（３００Ａライン）と、バスバーに流す電流が６００アンペアの場合のライン（６００Ａライン）で示す。これを考慮して、図１に対し図７に示すようにバスバーの断面を相似的に大きくするのではなく図３に示すようにバスバーの扁平率を大きくして断面積が同じでも磁束が通る長さを増やす。
【００３６】
つまり、３００アンペア仕様から６００アンペア仕様に変更する際に、バスバーの扁平率を大きくして、バスバーの１周の長さ、即ち、周囲長（＝２×ａ＋２×ｂ）を大きくする。このようにバスバーの１周の長さ（周囲長）を大きくして磁気検出用ＩＣ４２，４３において受ける磁束密度を小さくすることにより、３００アンペア仕様時の磁気検出領域を広げることなく６００アンペア仕様に対応可能となる。
【００３７】
このようにして、コアレス電流センサにおいて、バスバーの断面積が同じでも周囲長を長くする。即ち、より扁平にすることにより、磁束密度を小さくすることができる。よって、小電流用の電流センサと大電流用の電流センサをバスバー４４の形状を工夫することにより、磁気検出用ＩＣ４２，４３を共通化できるとともに磁気検出用ＩＣ４２，４３の出力が飽和することなく使用可能となる。また、磁気検出素子の大型化が避けられる。さらに、共通化によるコストメリットがある。
【００３８】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電流検出装置の構成として、バスバー４４と、切欠部４１ａが形成された基板４１と、磁気検出用ＩＣ４２，４３と、を有し、磁気検出用ＩＣ４２，４３は、バスバー４４の断面長手方向における中央からずらして配置されている。基板４１に形成された切欠部４１ａに、バスバー４４の少なくとも一部が貫通する状態で挿入され、基板４１に搭載された磁気検出用ＩＣ４２，４３により、バスバー４４を流れる電流によりバスバー４４のまわりに発生する磁束が検出されるので、バスバー４４と磁気検出用ＩＣ４２，４３との間の距離を小さくでき、コンパクト化できる。また、バスバー４４は断面が扁平な形状をなし、磁気検出用ＩＣ４２，４３は、バスバー４４の断面長手方向における中央からずらして配置されるので、磁気検出用ＩＣ４２，４３が、バスバー４４の断面長手方向における中央に配置される場合に比べて、大電流を流して検出することができる。よって、大型化を回避しつつ大きな電流を検出することができる。即ち、磁気検出用ＩＣ４２，４３の大きさおよび磁気検出用ＩＣ４２，４３が搭載される基板４１の大きさを大型化することなく、磁気検出用ＩＣ４２，４３の検出可能範囲よりも大きい電流をバスバー４４に流すことができる。
【００３９】
詳しく説明する。特許文献１においては、分流比をちょうど二等分にする等の調整が難しく、誤差が増大する。また、二等分にする電流経路を銅バー等にて構成することになるが、部品のコストアップにつながる。これに対し本実施形態においては、特性として、バスバーの周囲長が長くなればなるほどバスバーからの距離の磁束密度が下がるので、磁気抵抗素子における磁束に応じてリニアに抵抗値が変化するリニア領域に入るまでバスバーの扁平率を大きくした。分流方式では分流させた箇所での電流しか検出できず、正確に電流を測定する上で好ましくない。本実施形態では、分流しておらず正確に測定できる（精度がよくなる）。
【００４０】
また、ハイブリッド車（ＨＶ）や電気自動車（ＥＶ）など、高電圧にて動作するインバータの電流を検出しようとした場合、電流経路は高電圧である。そのため、特許文献１においては、周囲部品との絶縁が必要となるが、電流経路を分流させることにより、絶縁しなければならない部位が増大し、サイズアップ、コストアップを招く。これに対し本実施形態では、電流検出装置における制御部（基板）の最も高額部品となる磁気検出用ＩＣを、電流定格毎に変更する必要がなくなり、共通化が図れ、コストダウンとなる。
【００４１】
（２）磁気検出用ＩＣ４２，４３は、一対よりなり、挿入部としての切欠部４１ａを挟むように基板４１に配置される。よって、一対の磁気検出用ＩＣ４２，４３が切欠部４１ａを挟むように基板４１に配置されるので、それぞれ逆方向の磁束（磁束線）を検出することにより外部ノイズをキャンセルすることができる。
【００４２】
（３）導線としてのバスバー４４は、断面長手方向における切欠部４１ａに挿入される部位から一部が切欠部４１ａの外部に突出している。よって、突出する量と磁気検出用ＩＣ４２，４３との位置関係を調整することでバスバー４４に流す電流の自由度が増す。
【００４３】
（４）突出する量は電流値に応じて決められる。よって、突出する量を電流値に応じて調整して電流を検出することができる。
（５）大電流でも基板４１が大型化しない。つまり、図３に示すようにバスバー４４を基板４１から突出させることにより、左側には基板が不要となる（基板の占有面積を小さくできる）。
【００４４】
（６）大電流でも磁気検出素子（磁気検出用ＩＣ４２，４３）が大型化しない。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・磁気検出用ＩＣ４２，４３は、ＧＭＲ素子（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；巨体磁気抵抗素子）を信号処理回路と共にパッケージして構成したが、これに限らない。例えば、ＩＣ化してなくてもよく、素子のみでもよい。また、ＧＭＲ素子の代わりに、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型、弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型などの各種の磁気抵抗効果素子を用いることができる。
【００４５】
・ホール素子を用いた電流検出装置にも適用可能である。
・磁気検出用ＩＣ（素子）は１つみでもよい。
次に、上記実施形態および別例から把握できる技術的思想について、効果とともに以下に追記する。
【００４６】
（イ）断面が扁平な形状をなし、電流が流れる導線と、
前記導線の少なくとも一部が貫通する状態で挿入される挿入部が形成された基板と、
前記基板に搭載され、前記導線を流れる電流により前記導線のまわりに発生する磁束を検出する磁気検出素子と、
を有し、
前記導線の断面積を大きくして流れる電流を大きくするとき前記導線の扁平率を大きくするようにしたことを特徴とする電流検出装置。
【００４７】
従って、この（イ）に記載の技術的思想によれば、基板に形成された挿入部に、導線の少なくとも一部が貫通する状態で挿入され、基板に搭載された磁気検出素子により、導線を流れる電流により導線のまわりに発生する磁束が検出される。ここで、導線は断面が扁平な形状をなし、導線の断面積を大きくして流れる電流を大きくするとき導線の扁平率を大きくするようにしたので、導線の扁平率が同じである場合に比べて、磁気検出素子を通る磁束が減少する。これにより、電流が小さい場合の磁気検出素子を用いて磁束を検出することが可能となる。その結果、磁気検出素子の共通化を図ることが可能となり、設計の自由度が向上する。
【符号の説明】
【００４８】
４０…電流検出装置、４１…基板、４１ａ…切欠部、４２…磁気検出用ＩＣ、４３…磁気検出用ＩＣ、４４…バスバー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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