JP2012163401A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気検出素子の高精度な位置合わせを行うことができる電流センサを提供すること。
【解決手段】本発明は、金属の磁性体から構成されギャップ２２を備える環状コア１０とギャップ２２の内部に設けたホールＩＣ１２とを有する電流センサ１において、ホールＩＣ１２を実装した樹脂基板１６と、樹脂基板１６を固定した金属製の磁性板１８と、を有し、磁性板１８は、ギャップ２２にて環状コア１０に係合して固定されていること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体の内部を流れる電流を測定するための電流センサに関するものである。

ＨＶ（ハイブリッドカー）やＥＶ（電気自動車）のモータやバッテリにおいて充電時や放電時に、導体の内部を流れる電流の値を測定する電流センサが存在する。このような電流センサは、外部（例えば、近接している他相のバスバなどの導体）からの大きな磁界ノイズが絶えず印加される環境下で使用される。そのため、電流センサに備わる磁気検出素子の位置合わせの精度が低く磁気検出素子が所定の位置に配置されていないと、磁気検出素子は外部の磁界ノイズを感知し、電流センサは測定精度の低下により測定誤差を生じ易くなってしまう。

ここで、特許文献１には、磁気検出素子をリング状磁気コアのギャップ部において前記リング状磁気コアの両端面間の中央の位置に安定かつ正確に配置するため、磁気検出素子を樹脂のホルダに挿入して、このホルダをリング状磁気コアのギャップ部に嵌め込んだ構造の電流センサが開示されている。

特開２０１０−７１８２２号公報

しかしながら、特許文献１の電流センサのように磁気検出素子をホルダに挿入するためには、磁気検出素子を挿入するための挿入穴を磁気検出素子よりも大きく形成し、挿入穴と磁気検出素子の間にクリアランスを設ける必要がある。このように挿入穴と磁気検出素子の間にクリアランスを設けると、磁気検出素子の位置決めを正確に行うことが出来ず、磁気検出素子の位置合わせの精度が低下してしまう。一方、挿入穴と磁気検出素子の間にクリアランスを設けずに磁気検出素子をホルダに圧入とすると、磁気検出素子に応力が作用して、電流センサの測定精度に影響を及ぼしてしまう。また、リング状磁気コアのギャップ部が広い場合には、ホルダを大きくする必要があるため、無駄な樹脂材料が多くなって製造コストが増大してしまう。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、磁気検出素子の高精度な位置合わせを行うことができる電流センサを提供すること、を課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、金属の磁性体から構成されギャップを備える環状コアと前記ギャップの内部に設けた磁気検出素子とを有する電流センサにおいて、前記磁気検出素子を実装した樹脂基板と、前記樹脂基板を固定した金属製の磁性部材と、を有し、前記磁性部材は、前記ギャップにて前記環状コアに係合して固定されていること、を特徴とする。

この態様によれば、環状コアと磁性部材はともに金属で形成されており加工精度を高めることができるので、環状コアと磁性部材との位置合わせの精度を高めることができる。そして、磁気検出素子を実装した樹脂基板は磁性部材に固定しているので、環状コアと磁気検出素子との位置合わせの精度も高めることができる。そしてこれにより、電流センサの測定精度が向上する。

また、環状コアに磁性部材を係合するので、外部磁界は磁性部材を通るため磁気検出素子に達し難くなる。そのため、電流センサは外部磁界のノイズに強くなり、電流センサへの外部磁界の影響が低減する。

上記の態様においては、前記環状コアは、前記磁性部材が係合する凹部を備えること、が好ましい。

この態様によれば、磁性部材を環状コアの凹部に嵌め込んで係合させることにより、環状コアと磁性部材との位置合わせを容易に行うことができる。そしてこれにより、磁性部材に固定された樹脂基板に実装した磁気検出素子は、環状コアとの位置合わせを精度よく、かつ容易に行うことができる。

上記の態様においては、前記凹部は、前記環状コアの外周面の位置から内径方向に凹むように形成されていること、が好ましい。

この態様によれば、環状コアの外周面の近傍で磁性部材を環状コアに固定することができるので、外部磁界は磁性部材を通り易くなるため、さらに磁気検出素子に達し難くなる。そのため、電流センサへの外部磁界の影響がさらに低減するため、電流センサの測定精度が向上する。

上記の態様においては、前記磁性部材は、前記環状コアに係合する凸部を備えること、が好ましい。

この態様によれば、磁性部材の凸部を環状コアのギャップの内部に挿入するようにして環状コアに係合させることにより、環状コアと磁性部材との位置合わせを容易に行うことができる。そしてこれにより、磁性部材に固定された樹脂基板に実装した磁気検出素子は、環状コアとの位置合わせを精度よく、かつ容易に行うことができる。

上記の態様においては、前記凸部は、前記環状コアの外周面の位置から内径方向に突出した状態で係合していること、が好ましい。

この態様によれば、環状コアの外周面の近傍で磁性部材を環状コアに固定することができるので、外部磁界は磁性部材を通り易くなるため、磁気検出素子にさらに達し難くなる。そのため、電流センサへの外部磁界の影響がさらに低減するため、電流センサの測定精度が向上する。

上記の態様においては、前記磁性部材は中央に開口部を備え、前記開口部の位置に前記磁気検出素子が前記樹脂基板に実装される箇所が位置するようにして前記樹脂基板が前記磁性部材に固定されていること、が好ましい。

この態様によれば、磁気検出素子の検出信号を取り込むために樹脂基板に接続するハーネスなどの回路部品の配線が行い易くなり、樹脂基板と磁性部材との固定が容易となる。

本発明に係る電流センサによれば、磁気検出素子の高精度な位置合わせを行うことができる。

実施の形態に係る電流センサの正断面図である。 実施の形態に係る電流センサの側面図である。 樹脂基板と磁性板とを接合する様子を示す図である。 磁性板サブアッセンブリの正断面図である。 環状コアに磁性板サブアッセンブリを固定する様子を示す正断面図である。 環状コアに磁性板サブアッセンブリを固定する様子を示す側面図である。 環状コアに磁性板サブアッセンブリを固定する変形例を示す側面図である。 第１の変形例に係る電流センサの正断面図である。 第２の変形例に係る電流センサの正断面図である。 第３の変形例に係る電流センサの正断面図である。 第４の変形例に係る電流センサの正断面図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

〔電流センサの構成〕
図１，図２に示すように、本実施例の電流センサ１は、環状コア１０、ホールＩＣ１２、コンデンサ１４、樹脂基板１６、磁性板１８、ハーネス２０などを有する。なお、図１は電流センサ１の正断面図であり、図２は電流センサ１の側面図（図１を下から見たときの図）である。

環状コア１０は、例えば、積層鋼板や、パーマロイや、圧粉磁心等のフェライト系磁性材料などの金属の磁性体から構成され、環状に形成されている。環状コア１０は、図１で図示されたような四角形状に限定されず、円形状に形成されていてもよい。環状コア１０は、間隙としてギャップ２２を備え、このギャップ２２の内部にホールＩＣ１２が配置されている。この環状コア１０は、内周面の内側に不図示の測定対象の導体を貫通させたときに、当該導体を流れる電流によって発生する磁束を通過させる磁路を形成する。

ホールＩＣ１２は、ホール素子と信号変換回路を組み込んだ磁気検出素子である。このホールＩＣ１２は、ホール効果を利用して磁界を検出する磁気検出素子であり、不図示の測定対象の導体の内部を流れる電流によってギャップ２２の内部に発生する磁界の強さを出力電圧として検出する。そして、磁界の強さは測定対象の導体の内部を流れる電流の大きさに比例するので、ホールＩＣ１２の出力電圧から測定対象の導体の内部を流れる電流の値を求めることができる。本実施例では、ホールＩＣ１２は、はんだ付けなどにより樹脂基板１６に実装されている。なお、ホールＩＣ１２を複数搭載することも考えられる。

樹脂基板１６は、平板状の基板であって、ホールＩＣ１２やコンデンサ１４などを搭載し、ハーネス２０が接続されている。そして、樹脂基板１６は磁性板１８と接合している。樹脂基板１６と磁性板１８との接合方法は、粘着テープによる接合、接着材による接合、ねじによる接合、かしめによる接合、圧入による接合、溶接による接合、溶着による接合のいずれでもよい。

磁性板１８は、平板状の金属の磁性体から構成されている。磁性板１８は、開口部２４を備え、この開口部２４の両側の部分２６，２８において磁束流れ方向（図２の左右方向）に繋がっている。この磁性板１８は、環状コア１０のギャップ２２の部分に設けた凹部３０に嵌め込まれるようにして、環状コア１０に係合して固定されている。凹部３０は、環状コア１０の外周面５２の位置から内径方向に凹むように形成されている（図５参照）。また、開口部２４の位置にホールＩＣ１２を樹脂基板１６に実装する箇所が位置するようにして、樹脂基板１６と磁性板１８とを固定している。

ここで、環状コア１０と磁性板１８は、ともに金属であるため、加工精度を高めることができるので、環状コア１０と磁性板１８との位置合わせの精度を高めることができる。そして、ホールＩＣ１２は、樹脂基板１６を介して磁性板１８と一体化しているため、環状コア１０と磁性板１８との位置合わせの精度を高めることにより、環状コア１０とホールＩＣ１２との位置合わせの精度も高めることができる。

また、環状コアが高透磁率であると、環状コアは外部磁界も集束してしまい、集束した外部磁界の影響を受けて電流センサは測定精度の低下により電流の測定値に誤差を生じるおそれがある。しかし、本実施の形態においては、図１と図２に示すように、ギャップ２２に磁性板１８を嵌め込んでいる。そして、磁性板１８は、開口部２４の両側の部分２６，２８において磁束流れ方向（図２の左右方向）に繋がっている。そのため、外部磁界は磁性板１８を通るので、ホールＩＣ１２には達しない。これにより、電流センサ１は、外部磁界の影響を受け難くなり、測定精度が低下せず、電流の測定値に誤差を生じない。

〔電流センサの製造方法〕
次に、このような構成の電流センサ１の製造方法について説明する。まず、図３と図４に示すように、ホールＩＣ１２やコンデンサ１４などを搭載した樹脂基板１６と磁性板１８とについて、磁性板１８の側面３２からホールＩＣ１２までの距離が所定の距離Ｌ（図４参照）となるように不図示の治具等で位置決めを行いながら、樹脂基板１６の面３４と磁性板１８の面３６とを接合する。このように、磁性板１８とホールＩＣ１２との位置合わせを行って樹脂基板１６と磁性板１８とを接合することにより、図４に示す磁性板サブアッセンブリ３８を形成する。

次に、図５に示すように、環状コア１０と磁性板サブアッセンブリ３８を接合する。このとき、予め凹部３０の面４０とギャップ２２の中心線との間の距離が所定の距離Ｌとなるように、環状コア１０を加工しておく。そして、環状コア１０の凹部３０に磁性板サブアッセンブリ３８を嵌合させて接合する。これにより、前記の図１に示すように、ホールＩＣ１２をギャップ２２の中心線上に配置した電流センサ１を製造することができる。

このとき、環状コア１０の中心軸方向（図６の上下方向）における磁性板サブアッセンブリ３８の位置決めとして、図６に示すように、環状コア１０の面４２と磁性板サブアッセンブリ３８の面４４が一致するように不図示の治具等で位置合わせを行う。これにより、前記の図２に示すような電流センサ１を製造することができる。

なお、図７に示すように、環状コア１０のギャップ２２の部分にギャップ２２の内側に向って突出した突起部４６を形成し、かつ、磁性板サブアッセンブリ３８の磁性板１８に嵌合部４８を形成しておく例も考えられる。そして、突起部４６と嵌合部４８とを嵌合させることにより、環状コア１０の面４２と磁性板サブアッセンブリ３８の面４４が一致するように位置合わせを行うことも考えられる。なお、図７に示す例では、突起部４６と嵌合部４８は２箇所形成しているが、これに限定されず、３箇所や４箇所形成してもよい。

〔変形例〕
その他、変形例として以下の実施例も考えられる。まず、第１の変形例の電流センサ１Ａは、図８に示すように、磁性板１８に凸部５０を設けている。そして、凸部５０が樹脂基板１６とは反対側に位置するようにして、樹脂基板１６と磁性板１８を接合して磁性板サブアッセンブリ３８を形成する。そして、凸部５０が環状コア１０の外周面５２の位置から内径方向に突出した状態で凸部５０をギャップ２２に嵌め込むようにして、磁性板１８を環状コア１０に係合させて固定する。このようにして、環状コア１０に磁性板サブアッセンブリ３８を固定する。

このように第１の変形例によれば、環状コア１０に前記の凹部３０を形成する必要がなくなるので、製造コストを低減できる。また、磁性板１８が環状コア１０の外周面５２よりも外径側まで設けられているので、外部磁界は磁性板１８を通り易くなるため、ホールＩＣ１２には達しない。そのため、電流センサ１Ａは、外部磁界の影響を受け難くなり、測定精度が低下せず、電流の測定値に誤差を生じない。

次に、第２の変形例の電流センサ１Ｂは、図９に示すように、磁性板１８の厚みを大きくして、磁性板１８が環状コア１０の外周面５２よりも外径側に突出している。このような第２の変形例によれば、外部磁界は磁性板１８を通り易くなるため、ホールＩＣ１２には達しなくなる。そのため、電流センサ１Ｂは、外部磁界の影響を受け難くなり、測定精度が低下せず、電流の測定値に誤差を生じない。

次に、第３の変形例の電流センサ１Ｃは、図１０に示すように、磁性板１８を凹形状として、樹脂基板１６を磁性板１８の中に嵌め込んでいる。このように第３の変形例によれば、樹脂基板１６と磁性板１８の接合状態がより強固になり、磁性板１８および環状コア１０とホールＩＣ１２との位置合わせの精度を高く維持することができる。

次に、第４の変形例の電流センサ１Ｄは、図１１に示すように、図１に示す例とは樹脂基板１６と磁性板１８の配置を逆にして、環状コア１０の内径側に磁性板１８を配置し、環状コア１０の外径側に樹脂基板１６を配置している。

その他、ハーネス２０を環状コア１０の内側から樹脂基板１６に実装してもよい。また、磁性板１８を嵌め込む位置を、環状コア１０の内径側にしてもよい。

〔本実施例の効果〕
前記の実施例によれば、環状コア１０と磁性板１８はともに金属で形成されており加工精度を高めることができるので、環状コア１０と磁性板１８との位置合わせの精度を高めることができる。そして、ホールＩＣ１２をはんだ付けなどで実装した樹脂基板１６は磁性板１８に固定しているので、環状コア１０とホールＩＣ１２との位置合わせの精度も高めることができる。そしてこれにより、電流センサ１の測定精度が向上する。

また、環状コア１０に磁性板１８を係合するので、外部磁界は磁性板１８を通るため、ホールＩＣ１２に達し難くなる。そのため、電流センサ１は外部磁界のノイズに強くなり、電流センサ１への外部磁界の影響が低減する。

また、磁性板１８を環状コア１０の凹部３０に嵌め込んで係合させることにより、環状コア１０と磁性板１８との位置合わせを容易に行うことができる。そしてこれにより、磁性板１８に固定された樹脂基板１６に実装したホールＩＣ１２は、環状コア１０との位置合わせを精度よく、かつ容易に行うことができる。

また、凹部３０は、環状コア１０の外周面５２の位置から内径方向に凹むように形成されているので、環状コア１０の外周面５２の近傍で磁性板１８を環状コア１０に固定することができる。そのため、外部磁界は磁性板１８を通り易くなるため、さらにホールＩＣ１２に達し難くなる。したがって、電流センサ１への外部磁界の影響がさらに低減するため、電流センサ１の測定精度が向上する。

また、磁性板１８の凸部５０を環状コア１０のギャップ２２の内部に挿入するようにして環状コア１０に係合させることにより、環状コア１０と磁性板１８との位置合わせを容易に行うことができる。そしてこれにより、磁性板１８に固定された樹脂基板１６に実装したホールＩＣ１２は、環状コア１０との位置合わせを精度よく、かつ容易に行うことができる。

また、磁性板１８の凸部５０は、環状コア１０の外周面５２の位置から内径方向に突出した状態で係合しているので、環状コア１０の外周面５２の近傍で磁性板１８を環状コア１０に固定することができる。そのため、外部磁界は磁性板１８を通り易くなるため、ホールＩＣ１２にさらに達し難くなる。そのため、電流センサ１への外部磁界の影響がさらに低減するため、電流センサ１の測定精度が向上する。

また、磁性板１８は中央に開口部２４を備え、開口部２４にホールＩＣ１２を樹脂基板１６に実装させる箇所が位置するようにして樹脂基板１６が磁性板１８に固定されている。そのため、ホールＩＣ１２の検出信号を取り込むために樹脂基板１６に接続するハーネス２０などの回路部品の配線が行い易くなり、樹脂基板１６と磁性板１８との固定が容易となる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、ホールＩＣ１２が実装された樹脂基板１６を環状コア１０に直接固定することも考えられる。これにより、ケーシングやホルダ等を介さずに直接的に環状コア１０に対し位置決め、固定でき、ホールＩＣ１２の高精度な位置合わせを行うことができる。

１ 電流センサ
１０ 環状コア
１２ ホールＩＣ
１６ 樹脂基板
１８ 磁性板
２２ ギャップ
２４ 開口部
３０ 凹部
３８ 磁性板サブアッセンブリ

Claims (6)

1. 金属の磁性体から構成されギャップを備える環状コアと前記ギャップの内部に設けた磁気検出素子とを有する電流センサにおいて、
   前記磁気検出素子を実装した樹脂基板と、
   前記樹脂基板を固定した金属製の磁性部材と、を有し、
   前記磁性部材は、前記ギャップにて前記環状コアに係合して固定されていること、
   を特徴とする電流センサ。
2. 請求項１の電流センサにおいて、
   前記環状コアは、前記磁性部材が係合する凹部を備えること、
   を特徴とする電流センサ。
3. 請求項２の電流センサにおいて、
   前記凹部は、前記環状コアの外周面の位置から内径方向に凹むように形成されていること、
   を特徴とする電流センサ。
4. 請求項１の電流センサにおいて、
   前記磁性部材は、前記環状コアに係合する凸部を備えること、
   を特徴とする電流センサ。
5. 請求項４の電流センサにおいて、
   前記凸部は、前記環状コアの外周面の位置から内径方向に突出した状態で係合していること、
   を特徴とする電流センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つの電流センサにおいて、
   前記磁性部材は中央に開口部を備え、前記開口部の位置に前記磁気検出素子が前記樹脂基板に実装される箇所が位置するようにして前記樹脂基板が前記磁性部材に固定されていること、
   を特徴とする電流センサ。

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