(57)【要約】【課題】バッテリーやインバータ等の回路に流れた異常な過大電流を、比較的簡単な構成により従来のヒューズの溶断特性と同等に検知し、過電流検出信号を出力可能で、とくに小型化、コストダウンを図ることのできる過電流センサを提供する。【解決手段】閉磁路の一部にギャップＧを形成してなる鉄芯１の内側を貫通するバスバー７を通る被測定電流の過電流を検知する場合に、ギャップＧに配置されたホール素子２と、そのホール出力電圧ＶＨを増幅する増幅回路３と、電源に接続されていて前記増幅回路３により前記被測定電流と略比例関係となるように電流制御した電流を流す小電流容量のヒューズ４とを備え、電流制御された前記ヒューズ４を流れる電流が過大になると当該ヒューズ４が溶断して前記被測定電流の過電流を検出する構成である。【選択図】　　　　図１
2004037147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉磁路の一部にギャップを形成してなる磁性体の内側を貫通する電流路を通る被測定電流の過電流を検知する過電流センサにおいて、
前記磁性体のギャップに配置されたホール素子と、該ホール素子のホール出力電圧を増幅する増幅手段と、電源に接続されていて前記増幅手段により前記被測定電流と略比例関係となるように電流制御した電流を流す小電流容量のヒューズとを備え、
電流制御された前記ヒューズを流れる電流が過大になると当該ヒューズが溶断して前記被測定電流の過電流を検出することを特徴とする過電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車や電気自動車のバッテリーに異常な過大電流が流れたとき、回路を遮断する大電流用の大型ヒューズの代替品に用いられ、特に１００Ａ〜１０００Ａ以上の大電流用の大型ヒューズの機能を、小型、軽量、安価に提供する過電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド車や電気自動車のバッテリーに異常な過大電流が流れたときに回路を遮断する大型ヒューズとして、特開２００１−５４２２３のヒューズ装置がある。これは、図４（Ａ）のように２つのバスバー回路とバッテリー接続端子３１と負荷接続用コネクタ端子３２とを備える回路板を形成し、ケース３０に収納するヒューズ装置であり、バスバー回路とヒューズ回路との取り付け不良による接触不良が生じることがなく、また装置を小型化できるとしている。
【０００３】
図５（Ａ）は従来の大電流用ヒューズの溶断特性であり、従来のヒューズは合金（亜鉛、錫、鉛、ニッケル等）の溶断部分に電流によって生じるジュール熱が発生し、溶けて切断する。発生するジュール熱は次式（１）で表される。
Ｐ＝Ｒ・Ｉｓ２　　　　　　…（１）
但し、Ｐ：電力（Ｗ）、Ｒ：ヒューズ溶断部分の抵抗（Ω）、Ｉｓ：ヒューズの電流（Ａ）
従って、標準的なヒューズでは溶断時間は電流の２乗に反比例する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ハイブリッド車や電気自動車では、数１００Ａ〜１０００Ａ以上の大電流が流れるため、現行のガソリン車より大電流のヒューズ装置が必要となり、そのため装置外形が図４（Ａ）のように大きく高価になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑み、バッテリーやインバータ等の回路に流れた異常な過大電流を、比較的簡単な構成により従来のヒューズの溶断特性と同等に検知し、過電流検出信号を出力可能で、とくに小型化、コストダウンを図ることのできる過電流センサを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、閉磁路の一部にギャップを形成してなる磁性体の内側を貫通する電流路を通る被測定電流の過電流を検知する過電流センサにおいて、
前記磁性体のギャップに配置されたホール素子と、該ホール素子のホール出力電圧を増幅する増幅手段と、電源に接続されていて前記増幅手段により前記被測定電流と略比例関係となるように電流制御した電流を流す小電流容量のヒューズとを備え、
電流制御された前記ヒューズを流れる電流が過大になると当該ヒューズが溶断して前記被測定電流の過電流を検出することを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る過電流センサの実施の形態を図面に従って説明する。
【０００９】
図１は本発明に係る過電流センサの第１の実施の形態を示すブロック図である。この図のように、過電流センサは、磁性体としての鉄芯１、１個のホール素子２、増幅手段としての増幅回路３、小電流容量（例えば０．１Ａ用）のヒューズ４、該小電流容量のヒューズ４に直列に挿入されて当該ヒューズ４に流れる電流を制御する電流制御回路５、及びヒューズ４が溶断したときに過電流検出信号を出力端子Ｖｏｕｔに出力する過電流検出回路６を備えている。
【００１０】
前記磁性体としての鉄芯１は、閉磁路の一部にギャップＧを形成した略Ｃ字形状であり、ギャップＧに１個のホール素子２が配置され、また鉄芯１の内側中心を電流路としてのバスバー７（又は電線）が貫通配置されている。バスバー７には被測定電流Ｉｓが流れており、例えば正常時には１００Ａより少ない電流が、異常時には１０００Ａにも達する電流が流れる。
【００１１】
ホール素子２はホール効果を利用した磁電変換素子であり、Ｉｎ−Ｓｂ，Ｇａ−Ａｓ等を用いたものが知られている。図２（Ａ）はホール素子２に加わる磁束密度Ｂの磁束の向き、制御電流Ｉｃを流す方向、及びホール出力電圧ＶＨの取り出し方向を示し、同図（Ｂ）はそのホール素子の等価回路を示し、抵抗のブリッジ接続で等価的に表される。
【００１２】
図１においてバスバー７に被測定電流Ｉｓが流れると、電流Ｉｓに正比例する関係にある磁束密度Ｂの磁束がギャップＧに挿入されたホール素子２を貫通する。ホール素子が発生するホール出力電圧ＶＨは次式（２）で示される。
ＶＨ　＝Ｋ・Ｉｃ・Ｂ　　　　　　…（２）
但し、Ｋ：定数（素子の物性による）
Ｉｃ：制御電流
Ｂ：磁束密度
式（２）で制御電流Ｉｃを一定にすれば、被測定電流Ｉｓに磁束密度Ｂが実質的に正比例し、磁束密度Ｂにホール出力電圧ＶＨが正比例する関係となる。
【００１３】
前記小電流容量のヒューズ４と電流制御回路５の直列回路には電源の電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）が印加されている。前記増幅回路３はホール出力電圧ＶＨを一定の増幅率で増幅して電流制御回路５に印加し、電流制御回路５は電圧ＶＨに比例した入力電圧に実質的に比例する小電流Ｉｓ’が小電流容量のヒューズ４に流れるように制御する（ヒューズ４に直列に挿入された電流制御回路５の内部抵抗が変化する）。つまり、電流制御回路５は電圧−電流変成器としての機能を有する。ここで、小電流容量のヒューズ４は被測定電流の過電流値に対して１／１００〜１／１００００程度の溶断電流値を持つものを使用すればよい。例えば、バスバー７に流れる被測定電流が１００Ａ以上で小電流容量のヒューズ４が溶断する設定とする場合、小電流容量のヒューズ４として溶断電流値０．１Ａ用を使用したとき、ヒューズ４の電流Ｉｓ’は被測定電流Ｉｓの１／１０００に設定すればよい。
【００１４】
この第１の実施の形態において、バスバー７に流れる被測定電流が定常範囲であれは、ホール素子２のホール出力電圧ＶＨは小さく、増幅回路３の出力電圧も小さい。この結果、電流制御回路５により小電流容量のヒューズ４の電流Ｉｓ’は小さな値にとどまり、ヒューズ４は溶断せず、過電流検出回路６は作動しないため過電流検出信号は出ない。
【００１５】
一方、バスバー７に過電流が流れれば、ホール素子２のホール出力電圧ＶＨは定常時の数倍以上大きくなり、増幅回路３の出力電圧もそれに比例して大きな値となる。この結果、電流制御回路５により小電流容量のヒューズ４の電流Ｉｓ’は増幅回路３の出力電圧に実質的に比例した大きな値となり、ヒューズ４が溶断し、過電流検出回路６が作動して過電流検出信号を出力端子Ｖｏｕｔに出力する。そして、この過電流検出信号によりバスバー７の被測定電流を遮断する遮断器等を作動させる。
【００１６】
この第１の実施の形態によれば、被測定電流の異常大電流を非接触型の過電流センサにより被測定電流に略比例する小電流に変換し（例えば１／１００〜１／１００００の電流に変換）、安価な小電流用ヒューズを過電流により溶断させて、過電流検出信号を出力することで、従来の大電流用ヒューズの溶断特性と同等に検知できる。つまり、従来の大電流用ヒューズと小電流用ヒューズ４は共にジュール熱で溶断するため、溶断時間は被測定電流の２乗にほぼ反比例することになり、図５（Ｂ）のように大電流用ヒューズと殆ど同じ溶断特性が得られる（大電流用ヒューズの溶断のタイミングで過電流検出信号を発生できる。）。小電流用ヒューズ４は溶断電流値１０Ａ以下であることが、ガラス管封入タイプとして安価に入手できることから好ましい。また、過電流検出を小電流で行うことができるため、電流制御回路５等の回路構成部品も安価となり、高価な大電流用ヒューズに比較してコスト低減を図ることができる。
【００１７】
図３は本発明に係る過電流センサの第２の実施の形態を示す具体的な回路図である。この図において、過電流センサには電源より正側ラインとグランド（ＧＮＤ）間に直流電圧＋Ｖｃｃが供給され、また演算増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３に電源用正電圧＋Ｖｃｃが供給されている。また、抵抗Ｒ２、トランジスタＱ１、ホール素子２の端子▲１▼−▲３▼、及び演算増幅器Ａ１の出力端の経路で、ホール素子２に制御電流Ｉｃを供給している。ここで、正側ラインとＧＮＤ間に定電圧ダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ１の直列回路を接続し、定電圧ダイオードＺＤ１のツエナー電圧（＋Ｖｃｃが変動しても一定）を正側ラインとトランジスタＱ１のベース間に印加することで、ホール素子２の制御電流Ｉｃを一定とする定電流回路を構成している。ホール素子２を貫通する磁束により端子▲４▼−▲２▼間にホール出力電圧ＶＨが発生する。演算増幅器Ａ１の反転入力端はホール素子２の端子▲２▼に接続され、非反転入力端はＧＮＤに接続されている。これにより、ホール素子２の端子▲２▼はＧＮＤと同電位とされる。
【００１８】
なお、閉磁路の一部にギャップを形成してなる磁性体の内側に被測定電流が通る電流路を貫通させ、前記ギャップにホール素子２を配置する構成は図１及び図２の第１の実施の形態の説明と同様でよい。
【００１９】
前記ホール素子２のホール出力電圧ＶＨを一定の増幅率で増幅する増幅回路３は演算増幅器Ａ２と抵抗Ｒ３，Ｒ４とで構成され、ホール素子２の端子▲４▼のホール出力電圧ＶＨが非反転入力端に印加されているため、増幅回路３は非反転増幅器として動作する。
【００２０】
電圧＋Ｖｃｃの電源に対して小電流用ヒューズ４と電流制御回路５と抵抗Ｒ７の直列回路が接続されており、その電流制御回路５は演算増幅器Ａ３、トランジスタＱ２、及び抵抗Ｒ５，Ｒ６で構成されている。この電流制御回路５のトランジスタＱ２のコレクタ−エミッタが小電流用ヒューズ４と抵抗Ｒ７との間に直列に挿入されてドロッパーとして機能する。抵抗Ｒ７に並列に抵抗Ｒ５，Ｒ６が接続されてその接続点の電圧が演算増幅器Ａ３の反転入力端に印加されている。前記増幅回路３の出力電圧は演算増幅器Ａ３の非反転入力端に基準電圧Ｖｒｅｆ（ホール出力電圧に比例した値）として印加され、演算増幅器Ａ３の出力端の電圧はトランジスタＱ２のベースに印加されている。この演算増幅器Ａ３は基準電圧Ｖｒｅｆと非反転入力端の電位が一致するようにトランジスタＱ２のコレクタ−エミッタ間抵抗を可変してエミッタの電圧Ｖ０を制御する。また、
Ｖ０　＝Ｒ７×Ｉｓ’　　　　…（３）
但し、Ｉｓ’：小電流用ヒューズ４に流れる電流（Ｒ７に流れる電流は小電流用ヒューズ４の電流に実質的に一致する）
であるから、エミッタの電圧Ｖｏを変化させることで、小電流用ヒューズ４の電流Ｉｓ’を制御することが可能である。また、電圧Ｖｏを抵抗Ｒ５，Ｒ６で分圧した電圧と増幅回路３の出力電圧であるＶｒｅｆとが一致するように演算増幅器Ａ３及びトランジスタＱ２が動作するから、基準電圧Ｖｒｅｆと電圧Ｖｏとは正比例関係を保持し、上記式（３）から小電流用ヒューズ４の電流Ｉｓ’は電圧Ｖｏに比例する。従って、被測定電流Ｉｓに実質的に比例したホール出力電圧ＶＨに比例した電流Ｉｓ’を小電流用ヒューズ４に流すことができるようになっている。仮に、被測定電流が１００Ａ以上で０．１Ａ用ヒューズ４が溶断する設定とする場合、ヒューズの電流Ｉｓ’は被測定電流Ｉｓの１／１０００に設定すればよく、被測定電流が１００Ａ以上の過大電流となったときに小電流用ヒューズ４は溶断する。
【００２１】
図３では過電流検出回路としては特別な回路構成は使用せず、小電流用ヒューズ４とトランジスタＱ２のコレクタの接続点から過電流検出信号を出すための出力端子Ｖｏｕｔを引き出している。但し、小電流用ヒューズ４が溶断したときにローレベルの過電流検出信号となるように抵抗Ｒ８を出力端子ＶｏｕｔとＧＮＤ間に設けている。
【００２２】
この第２の実施の形態において、バスバーに流れる被測定電流が定常範囲であれば、ホール素子２のホール出力電圧（端子▲４▼−▲２▼間電圧）は小さく、これを一定増幅率で増幅する増幅回路３の出力電圧（基準電圧Ｖｒｅｆ）も小さい。この結果、電流制御回路５のトランジスタＱ２のエミッタ電圧Ｖｏも基準電圧Ｖｒｅｆに比例した低い電圧値にとどまり、小電流容量のヒューズ４の電流Ｉｓ’は小さな電流値となり、ヒューズ４は溶断せず、出力端子Ｖｏｕｔはハイレベル（＋Ｖｃｃ）のままである（過電流検出信号は出ない）。
【００２３】
一方、バスバーに過電流が流れれば、ホール素子２のホール出力電圧は定常時の数倍以上大きくなり、増幅回路３の出力電圧（基準電圧Ｖｒｅｆ）もそれに比例して大きな値となる。このため、電流制御回路５のトランジスタＱ２のエミッタ電圧Ｖｏも基準電圧Ｖｒｅｆに比例した大きな電圧値となり（換言すればトランジスタＱ２の内部抵抗が小さくなり）、小電流容量のヒューズ４の電流Ｉｓ’が溶断する電流値を超え、ヒューズ４は溶断に至り、出力端子Ｖｏｕｔにはローレベルの過電流検出信号が出される。この過電流検出信号によりバスバー７の被測定電流を遮断する遮断器等を作動させる。
【００２４】
この第２の実施の形態によっても、被測定電流の異常大電流を非接触型の過電流センサにより被測定電流に略比例する小電流に変換し（好ましくは１／１００〜１／１００００の電流に変換し）、安価な小電流用ヒューズを過電流により溶断させて、過電流検出信号を出力することで、従来の大電流用ヒューズの溶断特性と同等に検知できる。また、小電流用ヒューズやこれに付随する回路構成も安価であり小型化できる。ここで、小電流用ヒューズ４は溶断電流値１０Ａ以下であることが、ガラス管封入タイプとして安価に入手できることから好ましい。さらに、前記小電流用ヒューズ４として溶断電流値１Ａ以下のものを使用すれば、図３のトランジスタＱ２の電流容量も少なくて済み、いっそう好ましい。
【００２５】
また、本実施の形態の外形寸法を従来品と対比した場合、図３の回路構成では、１００Ａ用ヒューズ装置の図４（Ａ）の従来品の外形（縦５０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）に比較して図４（Ｂ）の外形（縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）のように体積比で４０％程度に小型化できた。また、高価な大電流用ヒューズに比較してコストも安くできる（約５０％コストダウン）利点がある。なお、図４（Ｂ）の外形において、１０は本体ケース、１１は被測定電流の流れるバスバー通過孔、１２は本体ケースに一体の取り付け用保持部、１３は電源供給やセンサ出力用のコネクタである。
【００２６】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る過電流センサによれば、バッテリーやインバータ等の回路に流れた異常な過大電流を、比較的簡単な構成により従来のヒューズの溶断特性と同等に検知し、過電流検出信号を出力可能である。とくに、小型化、コストダウンを図る上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る過電流センサの第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態で用いるホール素子であって、（Ａ）はホール素子に加わる磁束密度Ｂの磁束の向き、制御電流Ｉｃを流す方向、及びホール出力電圧ＶＨの取り出し方向を示す斜視図、（Ｂ）はそのホール素子の等価回路図である。
【図３】本発明に係る過電流センサの第２の実施の形態を示す回路図である。
【図４】大電流用ヒューズを用いた従来品と本発明の第２の実施の形態の回路構成による過電流センサの外観をそれぞれ示し、（Ａ）は従来品の外観斜視図、（Ｂ）は第２の実施の形態の場合の外観斜視図である。
【図５】従来の大電流用ヒューズの溶断特性及び本発明の過電流検出信号発生時間特性を対比したものであり、（Ａ）は従来の大電流用ヒューズの溶断特性のグラフ、（Ｂ）は本発明の過電流検出信号発生時間特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１　鉄芯
２　ホール素子
３　増幅回路
４　ヒューズ
５　電流制御回路
６　過電流検出回路
７　バスバー
Ａ１，Ａ２，Ａ３　演算増幅器
Ｑ１，Ｑ２　トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ７　抵抗
ＺＤ１　定電圧ダイオード
【図１】
2004037147.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004037147.tif 000006
【図５】
2004037147.tif 000007