JP2003232814A - 電流検出装置及びインバータ用電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車等に搭載されるモータを、低電圧バッ
テリーを電源として駆動するインバータ装置に使用する
電流検出装置の検出精度を向上させる。 【解決手段】 プリント基板上に取り付け、または設け
たシャント抵抗両端の電位差を取り出すための電位差取
り出し用配線パターンを、シャント抵抗取付け用ランド
部にあって被検出電流が殆ど流れない個所から引き出
す。又はシャント抵抗両端の電位差を取り出すための配
線パターンを、前記シャント抵抗取付け用ランドにつな
がれた被検出電流用配線パターンの延長線上に位置する
ランド外縁部から引き出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電流検出装置、特に
自動車等に搭載されたモータを、低電圧バッテリーを電
源として駆動するインバータ装置に適した電流検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等に搭載されて使用される
モータの制御には、可変速性、耐環境性、メンテナンス
の容易性等の要求から、永久磁石モータを回転子位置セ
ンサを用いることなく、電圧形ＰＷＭインバータ回路に
よりベクトル制御する位置センサレスベクトル制御方式
が採用される例が増えてきている。この位置センサレス
ベクトル制御方式にはさまざまな方式が提案されている
が多くは、固定子座標系または回転子座標系でモータを
モデル化し、電圧や電流の推定誤差を用いて回転子位置
を推定するものである。その回転子位置の推定計算には
モータの電流と電圧が必要とされ、モータ電流としては
実測値が、モータ電圧としては実測値又は電圧形インバ
ータへの指令電圧が用いられることが多い。このモータ
電流の検出精度はモータの制御性に大きく影響し、また
その精度が悪い場合にはモータに振動や騒音が発生する
原因となるため、高精度に検出することが望まれる。

【０００３】図５は、電圧形インバータの主回路構成の
一例である。図におけるインバータ回路１００は、永久
磁石モータ１１６に３相交流を供給する回路であり、ス
イッチング素子１０１〜１０６、フリーホイールダイオ
ード１０７〜１１２で主回路が構成されている。本回路
では、モータ１１６の各相に流れる電流は、インバータ
１００から各コイルへの配線途中にホール素子や変流器
を設けて検出するのではなく、下アームのスイッチング
素子１０４〜１０６とバッテリー電源１１７の負側直流
母線１１８との間にシャント抵抗１１３〜１１５を接続
し、これら各シャント抵抗両端の電位差を検出すること
により、モータの各相電流を算出する方式を採用してい
る。この算出方法については、例えば特開昭６１−２６
２０８４に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなシャント抵
抗を用いる電流検出装置は、従来のホール電流検出器や
変流器を用いる装置に比べて検出器が小型で安価になる
利点がある。反面、装置を小型化するためにシャント抵
抗をプリント基板に取り付けた場合、シャント抵抗を流
れる大きなモータ電流のために、シャント抵抗の発熱に
よる抵抗値の変化、被検出電流が流れる配線パターン部
での電圧降下の増大等の問題が生じて、正確な電流値の
検出に困難が生ずるようになる。特に自動車等に搭載さ
れ、低電圧バッテリーを電源としてモータを駆動するイ
ンバータ装置の場合には、低電圧大電流出力となるため
正確な電流検出には一層の困難が伴う。本発明はかかる
場合の問題を軽減するために考案されたもので、その目
的は、大きな電流がシャント抵抗に流れる場合において
も、正確に電流検出できる装置を提供しようとするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電流検出
装置は、プリント基板上に配線パターンにより形成した
被検出電流通路の途中にシャント抵抗を取付け、該シャ
ント抵抗両端の電位差を検出することにより前記電流通
路を流れる電流の大きさを検出する電流検出装置におい
て、前記シャント抵抗両端の電位差を取り出すための配
線パターンを、シャント抵抗取付け用ランド部にあって
被検出電流が殆ど流れない外縁部から引き出すようにし
たものである。このような引き出し方をしたことによ
り、シャント抵抗に接続された配線パターンの抵抗や、
ランド部の抵抗に起因して発生する電位差の影響を最小
限に抑えてシャント抵抗両端の電位差を正確に検出する
ことができ、被検出電流の検出精度を向上させることが
できる。

【０００６】請求項２記載の電流検出装置は、前記シャ
ント抵抗両端の電位差を取り出すための配線パターン
を、前記シャント抵抗取付け用ランドにつながれた被検
出電流用配線パターンの延長線上に位置するランド外縁
部から引き出すようにしたものである。このようなラン
ド外縁部は、ランドから流れ出る被検出電流がランドや
配線パターンの抵抗に起因して発生する電位差の影響を
受けにくい個所であるため、それらの影響を殆ど受けず
にシャント抵抗両端の電位差を検出でき、被検出電流の
検出精度を向上させることができる。

【０００７】請求項３記載の電流検出装置は、シャント
抵抗取付け用ランド及び被検出電流用配線パターンを、
金属ベースプリント基板または熱伝導性の良いセラミッ
クスベース基板上に設けたものである。放熱性が改善さ
れることによりシャント抵抗の温度上昇が少なくなり、
温度上昇に伴う抵抗値の変化が少なくなって電流検出精
度が向上する。

【０００８】請求項４記載の電流検出装置はシャント抵
抗を、プリント基板上に設けたつづら折れ形配線パター
ンにより形成したものである。このようにすれば、シャ
ント抵抗用に特別の部品を必要とせず、部品取付けの手
間も省ける。

【０００９】請求項５記載の電流検出装置は、前記シャ
ント抵抗を平板状のチップ形状にしたものである。この
ようにすることで、実装密度が上がりプリント基板の高
さも低くなって装置を小型化できる。

【００１０】請求項６記載の電流検出装置は、前記シャ
ント抵抗の近くに温度検出素子を取り付けて温度を検出
し、前記シャント抵抗の抵抗値の温度補正を行うように
したものである。シャント抵抗には大きな電流が流れる
ため、抵抗値を低くしてもかなり発熱して温度が上昇す
るが、抵抗値を温度補正して補正後の抵抗値を使用して
電流計算することより、電流の検出精度を向上させるこ
とができる。

【００１１】請求項７記載の電流検出装置は、前記つづ
ら折れ形配線パターンにより形成したシャント抵抗の近
くに温度検出素子を取り付けて温度を検出し、前記シャ
ント抵抗の抵抗値の温度補正を行うようにしたものであ
る。この場合も温度補正後の抵抗値を使用することによ
り電流検出精度を向上させることができる。

【００１２】請求項８記載の電流検出装置は、請求項１
ないし７の何れかに記載の電流検出装置を用いたインバ
ータ装置であって、電流検出精度の向上により負荷電流
の制御精度を向上させることができる。

【００１３】請求項９記載の電流検出装置は、請求１項
ないし７の何れかに記載の電流検出装置を用いたモータ
のベクトル制御用インバータ装置であって、電流検出精
度が向上することにより、モータの速度制御、トルク制
御の精度を向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、プリント基板上に形成した
被検出電流通路の途中にシャント抵抗を取付け、そのシ
ャント抵抗両端の電位差を取り出す本発明の電流検出装
置のプリント基板上の配線パターンの第１の実施形態を
示すものである。図中、１は被検出電流を電圧に変換す
るためのシャント抵抗である。被検出電流が低電圧バッ
テリーを電源とするモータに流れる電流のような場合、
電流値が大きく発熱が多くなるため、例えばＡｌ製で抵
抗値が数十ｍΩ以下と低く、平板なチップ形状をしたシ
ャント抵抗を用いる。このシャント抵抗１は、プリント
基板上に設けた２つのランド（端子領域）２ａ、２ｂに
端子部をハンダ付けして固定される。図中、シャント抵
抗１の両端部の斜線で示した部分３ａ、３ｂは、シャン
ト抵抗１の端子部分とランド２ａ、２ｂの接触面であっ
てハンダ付けされる部分を表している。

【００１５】このランド２ａ、２ｂには、被検出電流を
シャント抵抗１に導く電流通路としての配線パターン４
ａ、４ｂが接続されている。配線パターン４ａ、４ｂ内
およびシャント抵抗１内に印した矢印は、後の説明のた
めに電流の流れる方向を便宜的に決めて示したものであ
る。本図は、配線パターン４ａ、４ｂが、シャント抵抗
１内を流れる電流の流れ方向の延長線方向にランド２
ａ、２ｂから引き出されているレイアウトの場合であ
る。ランド２ａ、２ｂと配線パターン４ａ、４ｂの境界
に印した破線は、ランドと呼ぶ部分と配線パターンと呼
ぶ部分との境界を明らかにしておくために仮に引いたも
ので、この境界部分に特別の構造がある訳ではない。

【００１６】モータ等の被検出電流は、配線ケーブルに
よりプリント基板上の図示しない入出力用ランドに流れ
込み、次いで配線パターン４ａ、４ｂを通ってシャント
抵抗１が接続されたランド２ａ、２ｂに導かれる。そし
てシャント抵抗１を流れることによって、その両端に電
流の大きさに比例した電位差を生じさせる。

【００１７】発生した電位差は、ランド２ａ、２ｂより
引き出された電位差取り出し用の配線パターン５ａ、５
ｂを経由して電位差出力用ランド６ａ、６ｂに現れる。
電位差出力用ランド６ａ、６ｂに現れた電位差は、配線
ケーブルにより差動増幅器に導かれて増幅され、その後
ＡＤ変換されてディジタル量となり、その値をシャント
抵抗１の抵抗値で除算することにより被検出電流値が求
められる。差動増幅器が、シャント抵抗１が取り付けら
れたプリント基板上に取り付けられる場合には、電位差
取り出し用配線パターン５ａ、５ｂが、そのまま差動増
幅器の入力端子に接続される。

【００１８】ここで、配線パターン４ａ、４ｂおよびラ
ンド２ａ、２ｂ上を流れる被検出電流の電流経路につい
て考えると、図１に示したように配線パターン４ａ、４
ｂがシャント抵抗１上の電流の流れ方向の延長線方向に
ランド２ａ、２ｂから伸びている場合には、およそ図２
中に細線のついた矢印線７ａ〜７ｅ等で示したような電
流流路を通って、シャント抵抗端子部のプリント基板へ
のハンダ付け面３ａ、３ｂに流れ込む。この場合におい
て、配線パターン４ａ、４ｂやランド２ａ、２ｂを形成
している導体は抵抗を有するため、モータ電流のような
大電流が流れる場合にはその電流流路に沿って電界、す
なわち電位の勾配が生ずる。

【００１９】この配線パターン４ａ、４ｂを形成する導
体の抵抗は、例えば３５μｍ厚さの銅箔の場合には、幅
１mm、長さ１mmで約０．５ｍΩとなり、シャント抵抗１
の抵抗値が数十ｍΩ以下の低い値である場合には無視で
きない数値となる。従って、大きな被検出電流を低抵抗
値のシャント抵抗に流してその両端の電位差を検出する
場合には、電位差を検出するための電位差取り出し用配
線パターン５ａ、５ｂは、被検出電流が流れる配線パタ
ーン４ａ、４ｂおよびランド２ａ、２ｂ内の電流流路に
沿って生する電位差の影響を受けずに、シャント抵抗１
の両端の電位差のみを正確に取り出すことができる位置
から引き出すことが重要である。

【００２０】図２は、シャント抵抗１と被検出電流用配
線パターン４ａ、４ｂとが図１のようなレイアウト関係
にある場合の、シャント抵抗１の端子付近における代表
的な電流流路を表したものである。被検出電流がシャン
ト抵抗１に流れ込む上側端子部３ａ付近について言え
ば、配線パターン４ａからそのまま直線的にシャント抵
抗１の端子部３ａに流れ込む流路７ａ、端子部３ａを迂
回して方向を約９０°変えて端子部３ａに横方向から流
れこむ流路７ｂ、７ｃ、大きく迂回して背面部分からほ
ぼ逆向きに端子部３ａに流れる流路７ｄ、７ｅが代表的
である。これらの流路に沿っては、前述したように電位
差が存在しているため、それら流路の途中から電位差取
り出し用配線パターン５ａ、５ｂを引き出すのは好まし
くない。

【００２１】これに対して図２中、電位差引き出し用配
線パターン５ａが接続されているランド２ａの外縁部
分、すなわち被検出電流を流す配線パターン４ａの延長
線上に位置するランド外縁部８ａ付近は、レイアウトの
対称性から、配線パターン４ａ中に太い矢印で示した被
検出電流の流れ方向と直角な向きの電流成分はゼロであ
る。またこの外縁部８ａよりシャント抵抗１の端子部３
ａに向かって流れる電流成分は、ゼロではないものの、
その電流密度は他の流路を通る電流よりも遥かに低い。
すなわち前記ランド外縁部８ａ付近は、ランド２ａを流
れる電流によって発生し、シャント抵抗１の両端の電位
差に対して誤差電圧として作用する電位差が最も少なく
検出される個所である。

【００２２】同様に電流がシャント抵抗１から流出する
図２の下側端子部３ｂ付近について言えば、この場合も
被検出電流を流出させる配線パターン４ｂの延長線上に
位置するランド外縁部８ｂ付近が、誤差電圧の影響を最
も受けにくい個所である。このように本実施形態では、
シャント抵抗１を取り付けるランド２ａ、２ｂのパター
ンにあって、被検出電流が殆ど流れない個所から、シャ
ント抵抗１の両端電位差を検出するための電位差取り出
し用配線パターン５ａ、５ｂを引き出しているので、シ
ャント抵抗１の両端電位差を正確に検出することができ
る。従ってその値から計算される被検出電流の値の精度
も向上する効果がある。

【００２３】次に図３により第２の実施形態を説明す
る。本図は、被検出電流を流す配線パターン４ａ、４ｂ
がシャント抵抗１内を流れる電流の流路に対し直角で、
且つ同じ方向にランド２ａ、２ｂから引き出されている
レイアウトの場合である。この場合、ランド２ａ、２ｂ
上で被検出電流が殆ど流れない個所は、被検出電流を流
す配線パターン４ａ、４ｂの延長線上に位置するランド
外縁部９ａ、９ｂ付近であるので、この部分から電位差
を検出するための電位差取り出し用配線パターン５ａ、
５ｂを引き出している。このような個所から引き出すこ
とより、第１の実施形態の場合と同様に、ランド２ａ、
２ｂ内を流れる電流による誤差電圧の影響を最小限に抑
えることができ、被検出電流の値を精度良く検出するこ
とができる。

【００２４】図４は、第３の実施形態を示したものであ
る。この実施形態は、シャント抵抗として、チップ形状
等のシャント抵抗をプリント基板にハンダ付けするので
はなく、プリント基板の銅箔等の積層導体で図のような
つづら折れ形配線パターン１０を形成し、この配線パタ
ーンが有する抵抗をシャント抵抗として利用するもので
ある。配線パターンを形成する導体の抵抗値は高くない
が、つづら折れ配線パターン１０の長さをある程度長く
形成することにより、被検出電流が大きい場合にはその
両端に十分な電位差を得ることができる。このように、
配線パターンでもってシャント抵抗を形成すれば、チッ
プ形状シャント抵抗等の部品が必要でなくなり、またそ
れらをプリント基板に取り付ける手間も省略できる効果
がある。

【００２５】なお、これまで述べてきたシャント抵抗取
り付け用ランドや配線パターンを形成するプリント基板
には、金属ベースのプリント基板や熱電導性の良いセラ
ミックベース基板を採用することが好ましい。このよう
な基板は放熱性が良いため、シャント抵抗の温度上昇が
少なくなり、温度上昇によるシャント抵抗の抵抗値変化
が少なく、電流検出精度を向上させることができる。

【００２６】更に、プリント基板上のシャント抵抗の近
くに測温抵抗体、その他の温度検出素子を取り付けて温
度検出し、検出した温度を基にシャント抵抗の抵抗値の
温度補正を行うことが好ましい。このようにすれば、被
検出電流の検出精度を一層高めることができる。

【００２７】更に、第１〜第３の実施形態に示した電流
検出装置は、図５に示したようなインバータ回路の電流
検出用シャント抵抗１１３〜１１５部分に採用すること
ができる。そして、そのような電流検出装置を採用した
インバータ装置を用いてモータをベクトル制御すれば、
電流検出精度の向上により、モータの速度制御、トルク
制御の精度を向上させることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電流検出
装置は、プリント基板上に取り付け、または設けたシャ
ント抵抗両端の電位差を取り出すための配線パターン
を、シャント抵抗取付け用ランド部にあって被検出電流
が殆ど流れない個所から引き出すようにしたので、シャ
ント抵抗に配線される配線パターンの抵抗やランド部の
抵抗により発生する電位差の影響を回避してシャント抵
抗両端の電位差を正確に検出でき、被検出電流の検出精
度を向上させることができる。

【００２９】そしてこのような電流検出装置をモータの
ベクトル制御用インバータ装置に採用すれば、電流検出
精度が向上することにより、モータの速度制御、トルク
制御の精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すプリント基板上
の配線パターン図

【図２】本発明の第１の実施形態における電流流路を示
す図

【図３】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図

【図４】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図

【図５】インバータ装置の主回路の構成例

【符号の説明】

図中、１はシャント抵抗、２ａ、２ｂはランド、３ａ、
３ｂはシャント抵抗端子部とプリント基板との接触部、
４ａ、４ｂは被検出電流を流す配線パターン、５ａ、５
ｂは電位差取り出し用配線パターン、６ａ、６ｂは電位
差出力用ランド、７ａ〜７ｅは代表的な電流流路、８
ａ、８ｂは被検出電流の影響が少ないランド外縁部、９
ａ、９ｂは被検出電流の影響が少ないランド外縁部、１
０はつづら折れ形配線パターン、１００はインバータ回
路、１０１〜１０６はスイッチング素子、１０７〜１１
２はフリーホイールダイオード、１１３〜１１５はシャ
ント抵抗、１１６は永久磁石モータ、１１７はバッテリ
ー、１１８は負側直流母線を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 治彦 神奈川県横浜市磯子区新磯子33番地株式会 社東芝生産技術センター内 Ｆターム(参考） 2G025 AA07 AA09 AB05 AC04 2G035 AA03 AA08 AC02 AD10 AD54

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリント基板上に配線パターンにより形
   成した被検出電流通路の途中にシャント抵抗を取付け、
   該シャント抵抗両端の電位差を検出することにより前記
   電流通路を流れる電流の大きさ検出する電流検出装置に
   おいて、前記シャント抵抗両端の電位差を取り出すため
   の配線パターンを、シャント抵抗取付け用ランド部にあ
   って被検出電流が殆ど流れない外縁部から引き出すこと
   を特徴とする電流検出装置。
2. 【請求項２】 前記シャント抵抗両端の電位差を取り出
   すための配線パターンを、前記シャント抵抗取付け用ラ
   ンドにつながれた被検出電流用配線パターンの延長線上
   に位置するランド外縁部から引き出すことを特徴とする
   請求項１記載の電流検出装置。
3. 【請求項３】 前記シャント抵抗取付け用ランド及び被
   検出電流用配線パターンを、金属ベースプリント基板ま
   たは熱伝導性の良いセラミックスベース基板上に設けた
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出装
   置。
4. 【請求項４】 前記シャント抵抗を、プリント基板上に
   設けたつづら折れ形配線パターンにより形成したことを
   特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の電流検出
   装置。
5. 【請求項５】 前記シャント抵抗を、平板状のチップ形
   状にしたことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに
   記載の電流検出装置。
6. 【請求項６】 前記シャント抵抗の近くに温度検出素子
   を取り付けて温度を検出し、前記シャント抵抗の抵抗値
   の温度補正を行うことを特徴とする請求項１ないし５の
   何れかに記載の電流検出装置。
7. 【請求項７】 前記つづら折れ形配線パターンにより形
   成したシャント抵抗の近くに温度検出素子を取り付けて
   温度を検出し、前記シャント抵抗の抵抗値の温度補正を
   行うことを特徴とする請求項４記載の電流検出装置。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７の何れかに記載の電流
   検出装置を用いたインバータ装置。
9. 【請求項９】 請求項１ないし７の何れかに記載の電流
   検出装置を用いたモータのベクトル制御用インバータ装
   置。