(57)【要約】【課題】  小型軽量な電流測定装置を提供する。【解決手段】  電流測定装置は、分流電流を電圧に変換する変換装置と、変換装置により分流電流が変換された電圧によって歪が発生する電歪素子１２６と、歪を検出する歪検出装置１３０と、歪検出装置によって検出された歪量を被速定電流に変換する変換表を保持する保持部１３２とを含む。変換装置は、被測定電流が流れる経路に一方端が接続される抵抗素子１２２と、抵抗素子の他方端と電歪素子との間に接続されるコンデンサ１２４とを含む。電歪素子１２６は電極間に電圧が印加されるとこれによる電界を受けて歪や変位が発生する素子である。電歪素子１２６には、歪検出装置１３０が接着されている。保持部１３２には、歪検出装置１３０から出力される電圧とインバータとモータとの間に流れる被測定電流ＩＷとの相関関係を示す電圧−電流変換マップが保持されている。【選択図】        図１
2006337054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流を分流することにより電流を測定する電流測定装置であって、
前記分流電流を電圧に変換する変換装置と、
前記変換装置により前記分流電流が変換された電圧によって歪が発生する電歪素子と、
前記歪を検出する歪検出装置とを備える電流測定装置。
【請求項２】
前記歪検出装置によって検出された歪量を前記被速定電流に変換する変換表を保持する保持部をさらに備える、請求項１に記載の電流測定装置。
【請求項３】
前記変換装置は、被測定電流が流れる経路に一方端が接続される抵抗素子と、
前記抵抗素子の他方端と前記電歪素子との間に接続されるコンデンサとを含む、請求項１に記載の電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電流測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車等の車両に搭載される車両推進用のモータとして、小型で効率のよいものが求められている。一般に、これらの車両においては、直流電源から電源供給を受けてモータに三相交流電力を与えるインバータが搭載されている。
【０００３】
効率よくモータを動作させるためには、インバータとモータとの間に流れる電流を観測して制御を行なう必要がある。このため、車両には電流センサが搭載される。車両に搭載するためこのような電流センサにも損失低減および小型化の要求がある。
【０００４】
図５は、従来の電流を検出する構成を説明するための図である。
図５においては、三相インバータの１相あたりの構成が示されている。上アームは電源電圧ＶＰにコレクタが接続されるＩＧＢＴ素子５０２と、ＩＧＢＴ素子５０２のコレクタエミッタ間に接続されるダイオード５０４とを含む。
【０００５】
下アームには、ＩＧＢＴとしてセンス端子付きのＩＧＢＴ素子（センスＩＧＢＴ素子）５０３が用いられている。この場合、各センスＩＧＢＴの主エミッタに流れる主電流とセンスエミッタに流れるセンス電流の比（分流比）は例えば１０００：１になるようにサイズが設定されている。
【０００６】
そして、センスＩＧＢＴ素子５０３の主エミッタは接地端子に接続されており、センスエミッタと接地端子との間に電流／電圧変換用の抵抗値が低いシャント抵抗５１０が接続されている。
【０００７】
また、下アームを構成するセンスＩＧＢＴ素子５０３の主エミッタとコレクタとの間には回生電流の大部分を流すためのダイオード５０８が並列に接続され、センスエミッタとコレクタとの間には回生電流の一部を流すためのダイオード５０６が並列に接続されている。
【０００８】
シャント抵抗５１０は抵抗値が低く、電流が流れることにより発生する電圧降下は微小であるので、これを増幅する増幅器５１２がシャント抵抗５１０に対応して設けられている。
【０００９】
特開２００３−２７４６６７号公報（特許文献１）には、三相モータ駆動システムにおいて電流センサのシャント抵抗を低減させる上記図５に示した技術が開示されている。
【００１０】
また、国際公開ＷＯ９９／４０４４６パンフレット（特許文献２）は、測定する電流を電圧信号に変換し、変換した電圧信号を用いて光に位相変調を与え、この位相変調された光の干渉強度を電気信号に変換することにより電流の値を求める技術を開示している。
【００１１】
特開昭６３−１３４９６２号公報（特許文献３）は、電歪または磁歪材料の電磁界による変形をファイバに作用させることにより、ファイバ上の複数点で電磁界の検出を可能とした技術について開示している。
【特許文献１】特開２００３−２７４６６７号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ９９／４０４４６パンフレット
【特許文献３】特開昭６３−１３４９６２号公報
【特許文献４】特開平１−２１０８６８号公報
【特許文献５】特開２０００−８８９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記特開２００３−２７４６６７号公報（特許文献１）に開示された技術では、電流を分流してシャント抵抗に生じた電圧を増幅することにより検査対象の電流を算出する。しかしながら、シャント抵抗による分流は非絶縁状態になるため、高圧を扱うインバータと低圧電源で動作する制御装置との間の絶縁を確保するために、たとえばフォトカプラなどの高価な部品が必要となる。
【００１３】
また、特開平１−２１０８６８号公報（特許文献４）には、電歪素子に歪ゲージを貼着した電圧センサを用いる技術について開示し、これにより小型化、簡易化を実現している。しかしながら、この文献には、電極と並列に接続して電圧値を測定する旨しか開示がない。
【００１４】
また、特開２０００−８８９３７号公報（特許文献５）には、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませて電圧に変換する磁界センサについて開示があり、またこの電圧を用いて電流検出を行なう旨についても開示がある。しかしながら、このような方法は送電所等で適用されるものであり、車両用モータの電流検出には向かない。
【００１５】
たとえば、通常のホール素子によるコア集磁式電流センサを用いるのではコアが重くまたコアのコストも高いものであり、小型化および低コスト化に改善の余地がある。車両用モータ等の磁気ノイズが多い環境下では電流が流れて磁界が発生する部分は１点ではなく、複数の電流が流れる線が交錯することも考えられる。このようなばあい、重量およびコストを削減するために単にコアを用いずに電流検知するのでは、磁気干渉の問題が発生する。
【００１６】
この発明の目的は、小型軽量な電流測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、要約すると、被測定電流を分流することにより電流を測定する電流測定装置であって、分流電流を電圧に変換する変換装置と、変換装置により分流電流が変換された電圧によって歪が発生する電歪素子と、歪を検出する歪検出装置とを備える。
【００１８】
好ましくは、電流測定装置は、歪検出装置によって検出された歪量を被速定電流に変換する変換表を保持する保持部をさらに備える。
【００１９】
好ましくは、変換装置は、被測定電流が流れる経路に一方端が接続される抵抗素子と、抵抗素子の他方端と電歪素子との間に接続されるコンデンサとを含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電流測定装置が絶縁構造をとるので被測定電流に対して測定結果出力の信号経路において絶縁を行なう必要がない。さらに、コアをなくすことにより生じる問題点である磁気干渉についても影響を受けることなく高精度な電流測定が可能となる。また、電流測定装置およびそれを用いるシステムの小型化、省スペース化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る電流測定装置とこれが適用されたモータ駆動装置を示す回路図である。
【００２３】
図１に示されるモータ駆動装置は、バッテリ１０１と、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡと、モータ１４０とを含む。
【００２４】
Ｕ相アームＵＡ，Ｖ相アームＶＡ，Ｗ相アームＷＡはバッテリ１０１の正極とバッテリ１０１の負極との間に並列に接続されている。なお、バッテリ１０１とＵ相アームＵＡ，Ｖ相アームＶＡ，Ｗ相アームＷＡとの間にバッテリ１０１の電圧を昇圧する昇圧コンバータを含む構成であってもよい。
【００２５】
Ｕ相アームＵＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子１０４，１０５と、ＩＧＢＴ素子１０４，１０５とそれぞれ並列に接続されるダイオード１１０，１１１とを含む。ダイオード１１０のカソードはＩＧＢＴ素子１０４のコレクタと接続され、ダイオード１１０のアノードはＩＧＢＴ素子１０４のエミッタに接続される。ダイオード１１１のアソートはＩＧＢＴ素子１０５のコレクタと接続され、ダイオード１１１のアノードはＩＧＢＴ素子１０５のエミッタと接続される。
【００２６】
Ｖ相アームＶＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子１０６，１０７と、ＩＧＢＴ素子１０６，１０７とそれぞれ並列に接続されるダイオード１１２，１１３とを含む。ダイオード１１２のカソードはＩＧＢＴ素子１０６のコレクタと接続され、ダイオード１１２のアノードはＩＧＢＴ素子１０６のエミッタと接続される。ダイオード１１３のカソードはＩＧＢＴ素子１０７のコレクタと接続され、ダイオード１１３のアノードはＩＧＢＴ素子１０７のエミッタと接続される。
【００２７】
Ｗ相アームＷＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子１０８，１０９と、ＩＧＢＴ素子１０８，１０９とそれぞれ並列に接続されるダイオード１１４，１１５とを含む。ダイオード１１４のカソードはＩＧＢＴ素子１０８のコレクタと接続され、ダイオード１１４のアノードはＩＧＢＴ素子１０８のエミッタと接続される。ダイオード１１５のカソードはＩＧＢＴ素子１０９のコレクタと接続され、ダイオード１１５のアノードはＩＧＢＴ素子１０９のエミッタと接続される。
【００２８】
各相アームの中間点は、モータ１４０の各相コイルに接続されている。モータ１４０はＵ相コイルＵＬ、Ｖ相コイルＶＬ、Ｗ相コイルＷＬを含む。図１には、等価回路としてＵ相コイルＵＬ、Ｖ相コイルＶＬ、Ｗ相コイルＷＬとそれぞれ直列にコイルの巻線抵抗ＵＲ，ＶＲ，ＷＲを記載している。
【００２９】
以上説明した構成を有するモータ駆動装置は、さらに電流測定装置を含む。
電流測定装置は、被測定電流であるＷ相電流ＩＷを分流することにより電流を測定する。電流測定装置は、分流電流を電圧に変換する変換装置と、変換装置により分流電流が変換された電圧によって歪が発生する電歪素子１２６と、歪を検出する歪検出装置１３０と、歪検出装置によって検出された歪量を被速定電流に変換する変換表を保持する保持部１３２とを含む。
【００３０】
変換装置は、被測定電流が流れる経路に一方端が接続される抵抗素子１２２と、抵抗素子の他方端と電歪素子との間に接続されるコンデンサ１２４とを含む。
【００３１】
電歪素子１２６は電極間に挟まれた構造を有しており、電極間に電圧が印加されるとこれによる電界を受けて歪や変位が発生する素子である。電歪素子１２６は、圧電素子、ピエゾ素子などを用いることができる。電歪素子１２６は、例えば電極間に分極したセラミクスを挟んだ構造を有しているので、電気的にはコンデンサと同様な性質を示す。電歪素子１２６は、一般に過電圧に弱く、耐圧を超えてはならない。たとえば、ハイブリッド車両用のインバータの電源電圧は５００Ｖを越える場合がある。したがって、コンデンサ１２４と直列接続することにより電歪素子１２６の耐圧を超えないようにしている。なお、耐圧の高い電歪素子を用いれば、コンデンサ１２４を設けずに電歪素子を抵抗と接地ノードとの間に直接接続しても良い。
【００３２】
電歪素子１２６には、歪検出装置１３０が接着されており、電歪素子１２６が電圧変化に応じて生じる歪が歪検出装置１３０によって検出される。歪検出装置１３０としては、たとえば、金属線歪ゲージや、半導体歪ゲージ、圧電素子等を用いることができる。
【００３３】
保持部１３２には、歪検出装置１３０から出力される電圧とインバータとモータとの間に流れる被測定電流ＩＷとの相関関係を示す電圧−電流変換マップが保持されている。歪検出装置１３０から出力される信号が電流である場合は、マップは電流−電流変換マップとなる。
【００３４】
図２は、電歪素子１２６の構成の一例を示す図である。
図２を参照して、電歪素子１２６は、セラミックの薄板を積層した構造を有する。セラミックの薄板は、厚み方向（Ｚ方向）の分極が交互に逆になるように積層されている。このように積層することにより、変位量Δｄ＝一枚の変位量×積層枚数となり、電圧あたりの変位量を稼いでいる。
【００３５】
図３は、電歪素子の印加電圧に対する変位量を示す図である。
図３に示すように、多少のヒステリシスは伴うが、１００Ｖに対して約８μｍの変位が電歪素子に発生する。この変位を歪検出装置１３０で検出する。図１の歪検出装置１３０は、積層したセラミック薄板の側面に接着され、図２のＺ方向変位を検出することができる。
【００３６】
図４は、図１のモータ−インバータ間に流れる電流と歪検出装置の出力との関係を示す波形図である。
【００３７】
図１、図４を参照して、搬送波（キャリア）Ｃは、ＩＧＢＴ素子１０４〜１０９を制御する図示しない制御装置に与えられ、目標とするＷ相電流ＷＩが流れるようにＷ相上アーム（ＩＧＢＴ素子１０８）とＷ相下アーム（ＩＧＢＴ素子１０９）の導通と非導通とを切り替えるゲート信号が制御装置からＩＧＢＴ素子１０８，１０９の各ゲートに与えられる。時刻ｔ０〜ｔ１の間は、ＩＧＢＴ素子１０８の導通する割合がＩＧＢＴ素子１０９の導通する割合よりも多いので、インバータからモータ１４０に向けてＷ相コイル電流が流れる期間である。したがって、Ｗ相電流ＷＩは正の値である。
【００３８】
逆に時刻ｔ１〜ｔ２の間は、ＩＧＢＴ素子１０９の導通する割合がＩＧＢＴ素子１０８の導通する割合よりも多いので、モータ１４０からインバータに向けてＷ相コイル電流が流れる期間である。したがって、Ｗ相電流ＷＩは負の値である。
【００３９】
時刻ｔ０〜ｔ１の間において、実際に流れるＷ相電流ＷＩに伴い、コンデンサ１２４に蓄積される電荷量は０から増加し実際に流れるＷ相電流ＷＩと同様に増加した後に０に戻る。
【００４０】
時刻ｔ１〜ｔ２の間において、Ｗ相電流ＷＩの流れる向きは時刻ｔ０〜ｔ１の場合とは反転するが、やはり実際に流れるＷ相電流ＷＩに伴い、コンデンサ１２４に蓄積される電荷量は０から増加し実際に流れるＷ相電流ＷＩの絶対値と同様に増加した後に０に戻る。
【００４１】
多少のずれはあるが、電歪素子１２６への印加電圧および歪検出装置１３０の出力電圧も同様に変化する。したがって、実験において実際に流れるＷ相電流ＷＩを別の電流センサで測定しながら歪検出装置１３０の出力との相関関係を調べ、これをマップ化しておくことにより、歪検出装置１３０の出力から実際に流れるＷ相電流ＷＩを求めることができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、通常のホール素子型電流センサ等と異なり磁気測定を利用していないので、集磁するコアが必要なく、システムの小型軽量化を実現できる。
【００４３】
また、磁気測定を利用しないので他からの磁気干渉の影響を受けない。このため、磁気遮蔽等の対策が不要でシステムを簡素な構成にできる。
【００４４】
また、高圧電源系における被測定電流を分流してシャント抵抗に流す方式と比べ、被測定電流に対して絶縁されている構造をとっているので、低圧電源系に属する制御装置に信号出力する際に絶縁する必要が無く、フォトカプラ等の高価な部品も用いないで済む。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、自動車モータの電流測定を行なう例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明は電流測定を行なう電流測定装置に広く適用可能である。
【００４６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る電流測定装置とこれが適用されたモータ駆動装置を示す回路図である。
【図２】電歪素子１２６の構成の一例を示す図である。
【図３】電歪素子の印加電圧に対する変位量を示す図である。
【図４】図１のモータ−インバータ間に流れる電流と歪検出装置の出力との関係を示す波形図である。
【図５】従来の電流を検出する構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０１  バッテリ、１０４〜１０９  ＩＧＢＴ素子、１１０〜１１５  ダイオード、１２２  抵抗素子、１２４  コンデンサ、１２６  電歪素子、１３０  歪検出装置、１３２  保持部、１４０  モータ、ＵＡ  Ｕ相アーム、ＵＬ  Ｕ相コイル、ＶＡ  Ｖ相アーム、ＶＬ  Ｖ相コイル、ＷＡ  Ｗ相アーム、ＷＬ  Ｗ相コイル、ＵＲ，ＶＲ，ＷＲ  巻線抵抗。
【図１】
2006337054.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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