(57)【要約】【課題】設置スペース及び部品点数の削減に適した電圧降下式電流計測装置を提供する。【解決手段】この電圧降下式電流計測装置１は、電気接続箱内に組み込まれるものであり、バスバー１３がシャント抵抗としての機能と、回路基板１５の基台としての機能とを担っている。電気接続箱には、電流計測装置１がヒューズ部材（ヒュージブルリンク）３及びスイッチング回路部（リレー）５と共にケース体７内に組み込まれている。電流計測装置１とヒューズ部材３との接続はボルト締め等によって行われる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測電流が流れる経路に介装され、前記被計測電流を計測する電圧降下式電流計測装置であって、
前記経路に介装される導電性の配線材と、
前記配線材上に配設され、前記配線材の所定の２点間に生じる電圧降下量に基づいて前記被計測電流を計測する回路の少なくとも一部が設けられた回路基板と、
を備え、
前記経路に電気接続される他の電装品に組み込まれた、電圧降下式電流計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧降下式電流計測装置において、
前記電装品は、
前記経路に介装されるヒューズ部材と、
前記ヒューズ部材を収容するケース体と、
を備え、
前記電圧降下式電流計測装置が、前記電装品の前記ケース体内に収容される、電圧降下式電流計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電圧降下式電流計測装置において、
前記電装品は、
前記経路に介装され、その経路を流れる電流を制御するスイッチング回路部と、
前記スイッチング回路部を収容するケース体と、
を備え、
前記電圧降下式電流計測装置が、前記電装品の前記ケース体内に収容される、電圧降下式電流計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電圧降下式電流計測装置において、
前記被計測電流を計測する回路は、
前記配線材と、
前記配線材と同じ抵抗温度係数の材料で構成されて前記配線材に対して所定の接続点で電気的に接続されるセンス導体と、
前記配線材において前記接続点から前記被計測電流の流れる方向に一定距離離れた第１の点と前記センス導体において前記接続点から所定の距離離れた第２の点との電位差を比較する電位差比較回路と、
前記電位差比較回路からの信号に基づいて、前記第１の点と前記第２の点の電位が等しくなるまで前記センス導体に前記接続点から前記第２の点に向かって計測用電流を流す電流制御回路と、
前記計測用電流に基づいて前記被計測電流を計測する電流計測回路と、
を備えて構成され、
前記回路基板には、前記配線材を除いた前記被計測電流を計測するための回路の構成要素のうちの前記センス導体が少なくとも設けられる、電圧降下式電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧降下式電流計測装置及びそれに関連する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等に搭載されて様々な負荷を駆動するに際して、電流センサで電流を計測し、発電機の制御パラメータ等に使用されている。
【０００３】
この場合に使用される電流センサとしては、ホール素子を用いたものもあるが、大電流を流す導体の大きさに準じて部品サイズが比較的大きくなり、このため小型化の要請に合致しない場合がある。そこで、電流経路内にシャント抵抗を配置し、このシャント抵抗に流れる電流を計測することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のシャント抵抗を用いた電流センサでは、所定の回路基板上にシャント抵抗を設ける構成が採用される場合が多い。このような構成では、シャント抵抗を専用部品として必要とする分だけ、部品点数が嵩み、装置構成の大型化等を招く。また、電圧降下式電流計測装置を他のリレーボックス等の電装品と別構成とすると、設置スペース及び部品点数の増大等が生じる。
【０００５】
そこで、本発明が解決すべき第１の課題は、設置スペース及び部品点数の削減に適した電圧降下式電流計測装置を提供することである。
【０００６】
本発明が解決すべき第２の課題は、温度変化に対する抵抗値の変化率を演算等によって考慮しなくても、シャント抵抗に流れる電流を温度変化に影響されずに容易に計測することができる電圧降下式電流計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段は、被計測電流が流れる経路に介装され、前記被計測電流を計測する電圧降下式電流計測装置であって、前記経路に介装される導電性の配線材と、前記配線材上に配設され、前記配線材の所定の２点間に生じる電圧降下量に基づいて前記被計測電流を計測する回路の少なくとも一部が設けられた回路基板と、を備え、前記経路に電気接続される他の電装品に組み込まれている。
【０００８】
好ましくは、前記電装品は、前記経路に介装されるヒューズ部材と、前記ヒューズ部材を収容するケース体と、を備え、前記電圧降下式電流計測装置が、前記電装品の前記ケース体内に収容されるのがよい。
【０００９】
また、好ましくは、前記電装品は、前記経路に介装され、その経路を流れる電流を制御するスイッチング回路部と、前記スイッチング回路部を収容するケース体と、を備え、前記電圧降下式電流計測装置が、前記電装品の前記ケース体内に収容されるのがよい。
【００１０】
さらに、好ましくは、前記被計測電流を計測する回路は、前記配線材と、前記配線材と同じ抵抗温度係数の材料で構成されて前記配線材に対して所定の接続点で電気的に接続されるセンス導体と、前記配線材において前記接続点から前記被計測電流の流れる方向に一定距離離れた第１の点と前記センス導体において前記接続点から所定の距離離れた第２の点との電位差を比較する電位差比較回路と、前記電位差比較回路からの信号に基づいて、前記第１の点と前記第２の点の電位が等しくなるまで前記センス導体に前記接続点から前記第２の点に向かって計測用電流を流す電流制御回路と、前記計測用電流に基づいて前記被計測電流を計測する電流計測回路と、を備えて構成され、前記回路基板には、前記配線材を除いた前記被計測電流を計測するための回路の構成要素のうちの前記センス導体が少なくとも設けられるのがよい。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、配線材がシャント抵抗として利用されるとともに、電流計測用の回路の少なくとも一部が設けられる回路基板の基台としても利用される構成であるため、専用のシャント抵抗や回路基板の基台を設ける構成に比して、部品点数の削減及び小型化により適した構成とすることができる。
【００１２】
また、電圧降下式電流計測装置を他の電装品に組み込む構成であるため、電圧降下式電流計測装置を電装品と別個に設ける構成に比して、設置スペース及び部品点数を削減することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、電圧降下式電流計測装置とヒューズ部材とは電流の経路に直列に介装される場合が多いため、電圧降下式電流計測装置をヒューズ部材と共にケース体内に容易に組み込むことにより、接続回路等の構成を削減できる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、電圧降下式電流計測装置とスイッチング回路部とは電流の経路に直列に介装される場合が多いため、電圧降下式電流計測装置をスイッチング回路部と共にケース体内に容易に組み込むことにより、接続回路等の構成を削減できる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、配線材における電圧降下と、この配線材と同一の抵抗温度係数を有する材料のセンス導体の電圧降下とが、同一の温度変化による抵抗値変化を受けることを利用して、センス導体から流れ出る計測用電流を計測することで、配線材に流れる被計測電流を計測するので、温度変化に対する抵抗値の変化率を演算等によって考慮しなくても、配線材から流れ出るメイン電流を容易に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る電圧降下式電流計測装置（以下、単に「電流計測装置」という）が組み込まれた電気接続箱の斜視図である。この電気接続箱（電装品）は、図１に示すように、電流計測装置１が、ヒューズ部材３及びスイッチング回路部５と共に樹脂製のケース体７内に組み込まれて構成されており、図示しないバッテリのプラス端子に電気的に接続される。なお、変形例として、ヒューズ部材３及びスイッチング回路部５のうちのいずれか一方を省略した構成としてもよい。
【００１７】
＜電流計測装置＞
電流計測装置１は、図２及び図３に示すように、金属製のバスバー（配線材）１３と、回路基板１５とを備えて構成される。
【００１８】
＜回路構成等について＞
一般に、自動車など小電流〜大電流までを扱う環境においては、ジャンクション・ボックスと称される配線部品等での配電に、バスバーと呼ばれる銅や銅合金もしくはアルミなどで作られた板状の金属片が使用されることがあり、このバスバーを、負荷に与える電流計測のためのシャント抵抗として利用することが可能である。そこで、本実施形態では、被計測電流の経路に介装するバスバー１３をシャント抵抗として利用するとともに、回路基板１５の基台等としても用いている。
【００１９】
また、例えばバスバーの金属材料として銅を使用する場合、この銅の抵抗温度係数は、およそ０．００４／℃である。そして、自動車内の回路でシャント抵抗を使用する場合、雰囲気温度が−４０℃〜＋８５℃または＋１２５℃と温度変化の幅が１００℃以上と大きい。このように雰囲気温度の温度差が１００℃あれば、その抵抗値は１．４倍となる。よって、シャント抵抗としてバスバー１３を用いて正確な電流値を知るためには、何らかの手段により抵抗値を補正する必要がある。
【００２０】
そこで、本実施形態では、回路基板１５に、シャント抵抗して用いるバスバー１３と同じ抵抗温度係数を有する材料（同じ材料を含む）で構成された温度補償用抵抗体としてのセンス導体２１（図４及び図５参照）を設け、このセンス導体２１をバスバー１３に近接して配置し、バスバー１３とセンス導体２１との温度変化が互いに同等となることを利用して、バスバー１３の抵抗値の温度変化の補正を行うようにしている。
【００２１】
具体的には、この電流計測装置１には、電流計測用の回路構成として、図４及び図５に示すように、メイン電流（被計測電流）Ｉ１が流れる経路に介装されるシャント抵抗としてのバスバー１３と、このバスバー１３内の所定の接続点Ｐｃｎに接続する温度補償用抵抗体としてのセンス導体２１と、バスバー１３内において上記の接続点Ｐｃｎからメイン電流Ｉ１の流れる方向に一定距離だけ離れた点Ａ（第１の点）の電位とセンス導体２１内において上記接続点Ｐｃｎから所定の距離だけ離れた点Ｂ（第２の点）の電位とを比較する電位差比較回路２３と、点Ｂの電位と点Ａの電位が等しくなるまでセンス導体２１に上記の接続点Ｐｃｎから点Ｂに向かって計測用電流Ｉ２を流す電流制御回路２５と、この計測用電流Ｉ２に基づいてメイン電流Ｉ１を計測する電流計測回路２７とが備えられている。このバスバー１３を除く電流計測用の回路構成のうち、少なくともセンス導体２１が回路基板１５上に設けられるようになっている。本実施形態では、回路基板１５には、センス導体２１、電位差比較回路２３、電流制御回路２５及び電流計測回路２７が設けられている。
【００２２】
次に、各回路要素の電気的構成及び機能について簡単に説明する。バスバー１３は、詳しくは後に説明するが、金属材料（ここでは、銅）で形成された板状体であり、シャント抵抗及び回路基板１５の基台等として機能している。
【００２３】
センス導体２１は、例えばその端部が所定接続用の導体を介してバスバー１３中の所定の接続点Ｐｃｎに接続されるもので、バスバー１３と同じ抵抗温度係数を持つ金属材料（例えば、銅）が使用される。センス導体２１の抵抗値は、バスバー１３の抵抗値と異なって設定していても差し支えなく、例えば１０，０００：１等の所定の比率に設定される。
【００２４】
そして、バスバー１３とセンス導体２１の温度に対する変化をほぼ同等とするために、回路基板１５上のセンス導体２１がバスバー１３に近接するように配置される。これにより、センス導体２１の電流を計測すれば、バスバー１３の温度変化に対する抵抗値の変化率を考慮した計測を行うことができることから、計測時にバスバー１３とセンス導体２１の温度係数をキャンセルすることができる。
【００２５】
電位差比較回路２３は例えば演算増幅器（オペアンプ）であり、図５に示した非反転入力端子が、図４のようにバスバー１３における上記接続点Ｐｃｎよりも負荷Ｍ側の中間点である接続点Ａに接続され、図５に示した反転入力端子が、図４のようにセンス導体２１の点Ｂに接続され、図５に示すように、両入力端子に与えられる電圧の差分が出力端子から出力される。
【００２６】
そして、図４において、接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離は、この間を流れる電流に対する抵抗値を規定することになるが、通電時に接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの間で所定の電圧降下が生じて電位差比較回路２３での電圧検知精度に適応するような抵抗値を有するように、接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離が設定される。このように、バスバー１３の中間位置を接続点Ｐｃｎ及び接続点Ａとしているので、電位差比較回路２３での電圧検知精度に適応するような電圧降下を実現する場合に、その抵抗値を決定するための接続点Ｐｃｎと接続点Ａとの離間距離の設定を極めて容易に行うことができ便利である。
【００２７】
電流制御回路２５は、例えばＰチャネルＦＥＴであって、ソースがセンス導体２１の点Ｂに接続され、ドレインが電流計測回路２７に接続される。そして、電流制御回路２５のゲートは電位差比較回路２３の出力端子に接続されている。すなわち、点Ｂからは、電位差比較回路２３の反転入力端子への経路と、電流制御回路２５への経路の２経路に分岐した回路が構成されていることになる。
【００２８】
これにより、図４及び図５中のバスバー１３にメイン電流Ｉ１が流れた際に生じるバスバー１３での電圧降下によって電位差比較回路２３が電流制御回路２５のゲート入力を制御し、Ａ点とＢ点の電圧降下が等しくなるようにＢ点に電流Ｉ２が流れることになる。
【００２９】
電流計測回路２７は、例えば図５に示すように、計測用電流Ｉ２を電圧に変換するための抵抗器３１と、この抵抗器３１の一端の電位を計測するＡ／Ｄ変換器（検出回路）３３とを備える。抵抗器３１の他端は、Ａ／Ｄ変換器３３の基準電位（接地レベル）に接続される。抵抗器３１は、その抵抗温度係数がバスバー１３の抵抗温度係数よりも十分に小さなものが用いられる。このため、本実施形態のように抵抗器３１を回路基板１５上に配設しても、温度変化が生じた際の抵抗器３１の抵抗値の変化が、バスバー１３の抵抗値の変化に比して十分に小さく抑えられる。
【００３０】
次に上記回路構成の動作を説明する。
【００３１】
図４及び図５中の元電源（＋Ｂ）からの電源電圧が供給されると、バスバー１３にメイン電流Ｉ１が流れ、このメイン電流Ｉ１が負荷Ｍに供給される。
【００３２】
ここで、バスバー１３にメイン電流Ｉ１が流れると、バスバー１３での電圧降下によって、図５に示すように、電位差比較回路２３の非反転入力端子がローとなる。そうすると、電位差比較回路２３の出力端子がローとなり、これがＰチャネルＦＥＴである電流制御回路２５のゲートに与えられ、このゲート入力が制御されることで、電位差比較回路２３の動作に基づき図５中のＡ点とＢ点の電圧降下が等しくなるようにセンス導体２１に計測用電流Ｉ２が流れる。
【００３３】
この場合、バスバー１３の抵抗値をＲ１とし、センス導体２１の抵抗値をＲ２として、「Ｒ１×Ｉ１＝Ｒ２×Ｉ２」となるように、電位差比較回路２３が電流制御回路２５を制御する。かかる動作において、電位差比較回路２３の各入力端子には電流が流れ込まないので、分流電流としての計測用電流Ｉ２は全て電流制御回路２５のドレイン電流として電流計測回路２７に出力される。
【００３４】
電流計測回路２７の抵抗器３１に計測用電流Ｉ２が流れると、この抵抗器３１の一端に生じる電圧がＡ／Ｄ変換器３３に与えられ、これにより計測用電流Ｉ２を計測することで、メイン電流Ｉ１を計測する。
【００３５】
この場合、抵抗器３１の抵抗値をＲｏｕｔ、抵抗器３１の両端電圧をＶｏｕｔとすると、「Ｖｏｕｔ＝Ｒｏｕｔ×Ｉ２」であり、また「Ｉ２＝（Ｒ１／Ｒ２）×Ｉ１」であるため、「Ｖｏｕｔ＝Ｒｏｕｔ×（Ｒ１／Ｒ２）×Ｉ１」である。したがって、メイン電流Ｉ１は、Ａ／Ｄ変換器３３で計測されたＶｏｕｔに基づいて、「Ｉ１＝Ｖｏｕｔ×（Ｒ２／Ｒ１）／Ｒｏｕｔ」という式により演算で求めることができる。
【００３６】
＜構造等について＞
電流計測装置１のバスバー１３は、図２及び図３に示すように、所定の金属材料（ここでは、銅）によって形成された所定厚み（例えば、１〜２mm）を有する板状体であり、上述のようにシャント抵抗としての機能と、回路基板１５の基台等としての機能とを担っている。このバスバー１３は、被検出電流であるメイン電流Ｉ１の流れる方向に沿ってやや細長い略矩形板状の形態を有し、その中間部分の片面に回路基板１５が配設される。バスバー１３の長手方向の両端部には、電気接続用及び固定用のボルト４１が挿通される貫通孔４３が必要に応じて設けられている。
【００３７】
回路基板１５は、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）、ＦＰＣ(Flexible Printed Circuit）等の基板（本実施形態では、ＰＣＢ）が用いられ、上述のように、電流計測用の上記回路構成のうちの、バスバー１３を除く少なくともセンス導体２１（本実施形態では、センス導体２１、電位差比較回路２３、電流制御回路２５及び電流計測回路２７）が設けられている。回路基板１５とバスバー１３との固定は、回路基板１５の接点のバスバー１３への電気接続を兼ねた半田付け等により行われる。
【００３８】
＜電気接続箱の他の構成＞
図１に示されるヒューズ部材３は、バッテリのプラス端子に接続される電流経路に介装され、その電流経路の過電流に対する保護を行うものであり、例えばヒュージブルリンク（ヒューズであってもよい）が用いられる。また、スイッチング回路部５は、バッテリのプラス端子に接続される電流経路に介装され、その電流経路を流れる電流の制御（オン、オフ等）を行うものであり、例えばリレーが用いられるが、半導体スイッチング素子を用いた回路ユニットを用いてもよい。
【００３９】
ケース体７は、図１に示すように、ケース本体５１と、それに装着されるカバー５３とを備えている。ケース本体５１内には、仕切部により仕切られて複数（例えば、４つ）の収容部５１ａ〜５１ｄが設けられている。収容部５１ａ，５１ｂにはヒューズ部材３と電流計測装置１が収容され、収容部５１ｃ，５１ｄにはスイッチング回路部５及び電流計測装置１が収容される。カバー５３には、ケース本体５１に装着されて各収容部５１ａ〜５１ｄを覆う本体部５３ａと、後述する導電金具５５及びバッテリのプラス端子を覆う端子カバー部５３ｂとが設けられている。
【００４０】
また、電気接続箱とバッテリのプラス端子との接続は、導電金具５５を用いて行われる。導電金具５５の一端部５５ａは、略リング状の構造を有し、バッテリのプラス端子に外嵌されてボルト及びナット（図示せず）により締結固定及び電気接続される。導電金具５５の他端部は、ケース本体５１内に挿入されて複数（例えば、４つ）に分岐している。その分岐した各他端部には、ヒューズ部材３又はスイッチング回路部５の一方と電流計測装置１とを介して電線５７がそれぞれ接続されている。すなわち、本実施形態では、導電金具５５によって複数に分岐された電流経路には、ヒューズ部材３又はスイッチング回路部５の一方と電流計測装置１とが直列に介装されている。
【００４１】
電流計測装置１とヒューズ部材３等との接続は、例えば次のようにして行われる。すなわち、図３に示すように、ヒュージブルリンク３の接続部３ａにはボルト４１の挿通用の貫通孔が設けられており、電流計測装置１のバスバー１３の上側（又は下側）にセットされた状態で、その貫通孔を介してボルト４１がバスバー１３の貫通孔４３内に挿入されてナット５９に螺着、締結され、これによって電流計測装置１のバスバー１３と電気接続及び固定される。
【００４２】
また、電線５７の末端部には圧着等により端子６１が接続されており、その端子は例えばリング状の接続端６１ａを有しており、電流計測装置１のバスバー１３の上側（又は下側）にセットされた状態で、その接続端６１ａの貫通孔を介してボルト４１がバスバー１３の貫通孔４３内に挿入されてナット５９に螺着、締結され、これによって電流計測装置１のバスバー１３と電気接続及び固定される。
【００４３】
なお、このボルト４１を用いた接続形態は例示に過ぎず、雄雌嵌合する端子構造を用いた形態や、溶接等も採用可能である。
【００４４】
以上のように、本実施形態によれば、電流計測装置１におけるバスバー１３がシャント抵抗として利用されるとともに、電流計測用の回路の少なくとも一部が設けられる回路基板１５の基台としても利用される構成であるため、専用のシャント抵抗や回路基板の基台を設ける構成に比して、部品点数の削減及び小型化により適した構成とすることができる。
【００４５】
また、電流計測装置１を他の電装品である電気接続箱に組み込む構成であるため、電流計測装置１を電気接続箱と別個に設ける構成に比して、設置スペース及び部品点数を削減することができる。
【００４６】
さらに、電流計測装置１とヒューズ部材３とは電流の経路に直列に介装されるため、電流計測装置１をヒューズ部材３と共に容易に電気接続箱のケース体７内に組み込むことにより、接続回路等の構成を削減できる。
【００４７】
また、電流計測装置１とスイッチング回路部５とは電流の経路に直列に介装されるため、電流計測装置１をスイッチング回路部５と共に電気接続箱のケース体７内に容易に組み込むことにより、接続回路等の構成を削減できる。
【００４８】
さらに、電流計測装置１におけるバスバー１３における電圧降下と、このバスバー１３と同一の抵抗温度係数を有する材料のセンス導体２１の電圧降下とが、同一の温度変化による抵抗値変化を受けることを利用して、センス導体２１から流れ出る計測用電流を計測することで、バスバー１３に流れるメイン電流を計測するので、温度変化に対する抵抗値の変化率を演算等によって考慮しなくても、バスバー１３から流れ出るメイン電流を容易に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る電圧降下式電流計測装置が組み込まれた電気接続箱の斜視図である。
【図２】電圧降下式電流計測装置の平面図である。
【図３】図１の電圧降下式電流計測装置が組み込まれた部分の断面図である。
【図４】電圧降下式電流計測装置の模式ブロック図である。
【図５】電圧降下式電流計測装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  電圧降下式電流計測装置
３  ヒューズ部材
５  スイッチング回路部
７  ケース体
１３  バスバー
１５  回路基板
２１  センス導体
２３  電位差比較回路
２５  電流制御回路
２７  電流計測回路
【図１】
2005188932.tif 000003
【図２】
2005188932.tif 000004
【図３】
2005188932.tif 000005
【図４】
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【図５】
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