JP2008020403A - 電流センサの電流検出機構 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路用に用意された既存のプリント配線基板上の配線パターンを有効活用し、少ない部品点数で信頼性を高め、小型で高感度な電流検出を電力ロスを伴わず実現させること。
【解決手段】プリント配線基板１の表面（もしくは内層面）に被測定電流パターン３がエッチングされる。被測定電流により発生される磁束を磁気検出手段７により検出する。磁性体２はプリント配線基板１を覆う。磁性体２の内面の磁気検出手段７との対向位置に、凸部２ａが配設される。磁性体２の外側もしくは内側の左右両側面に凹状のスリットが配設され、該凹がプリント配線基板１と係合して基板１を把持する。
【選択図】図１

Description

本発明は電流センサの電流検出機構に関する。特に詳細には、プリント配線基板上の配線パターンに流れる電流を、外部磁気ノイズの影響を最小限に抑えることのできる磁気回路を用い、構成部品数を可能な限り少なくして電流検出機能の小型・薄型・軽量化を図るとともに、容易な機構実現と電流検出の高精度・高感度化を実現させる電流センサの電流検出機構に関する。

エネルギの使用の合理化に関する法律（省エネ法）平成１１年改正法以降、モータやコンプレッサの制御に省エネ化に有効なベクトル制御技術が広く用いられるようになってきている。特に数量の多い家電分野において省エネ化の波及効果は絶大であり、エアコンや冷蔵庫を中心に比較的消費電流の大きな家電製品からベクトル制御が浸透し始めている。このベクトル制御を実現するためには、モータやコンプレッサの電流検出が不可欠であり、小型で信頼性の高く、ＤＣ領域までカバーできる安価な電流検出手段が求められている。

現段階では、電流検出手段として、工場や事務所向け等に採用されている大型エアコンでは、ホール素子を利用した従来タイプのスタンドアローン型電流センサが用いられており、比較的消費電流の小さい一般家庭用の小型エアコンや冷蔵庫では、シャント抵抗が用いられている。

特許文献１に、膜状に形成されたプリントコイルと磁束を検出する検出基板とが共に積層され磁性体コアがこれらの積層体を挟み込むようにして取り付けられた電流検出器が紹介されている。この電流検出器は、検出基板に切り欠きを儲けることで磁性体コアの半分を検出基板の背面から挿入し、位置決め後にもう片側の磁性体を位置決めし接着する構造となっている。

特許第３０５２７７４号明細書

このように、従来タイプのスタンドアローン型電流センサでは構成部品の点数が多く、製造工程が複雑なことにより、高価で大きくなるため、比較的高価な機種への波及に留まっている。

一方、一般家庭用の小型エアコン等の電流検出に使われているシャント抵抗方式は、安価に実現可能ではあるものの、自身の抵抗による電力ロスが無視できず、省エネ効果に限界があった。また性能的にも制御電源とモータ駆動電源の絶縁が原理的に出来ないことや、先に記載した電力ロスを低く抑える目的で抵抗値を大きく出来ないことから、得られる信号レベルが小さく、充分なＳ／Ｎを確保することが難しいため、実現に際してはレイアウトやフィルタ回路等に関して多大な設計時間が必要である。

また一方、特許文献１の電流検出器が採用している構造においては、コア同士の正確な位置決めと接着・硬化工程が必要となる上、電流検出器を実現させる上で、専用のプリント基板を用いるスタンドアロンなモジュール構造が不可欠である。

本発明は、このような問題に鑑みて考案されたもので、その目的は、インバータ回路用に用意された既存のプリント配線基板上の配線パターンを有効活用し、少ない部品点数で信頼性を高め、しかも小型で高感度な電流検出を電力ロスを伴わず実現させることのできる電流センサの電流検出機構を提供することである。

このような目的を達成するためになされた本発明の一態様は、プリント配線基板上にパターニングされた被測定電流パターンを、少なくとも１つ以上の凸部を備えた磁性体コアで覆い、凸部に対局したプリント配線基板部位に、磁気センサを配置することで被測定電流に比例した出力電気信号を得るもので、上記磁性体コアの左右側面に凹型の溝加工を施すことにより、上記磁性体コアを分割することなく一体形状を保ったままプリント配線基板に容易かつ正確な位置に装着できるため、磁性体コア同士の位置決めや接着・硬化工程が不要となる。また上記磁気検出手段は周囲を磁性体コアで覆われているため、外部磁気ノイズから完全に磁気シールドされた高精度でかつ高感度な磁気検出機構を実現するものである。

また、上記態様において、上記被測定電流パターンは、上記磁性体の内面に作られた上記凸部を覆うようにパターニングされ、プリント配線基板に実装された上記磁気検出手段を上記凸部で挟む形態の電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、多層プリント配線基板の機能を利用し、上記被測定電流配線パターンのターン数を稼ぐことで電流に対する発生磁束密度を高める発明で、スルーホールアレーやビアアレーを利用して層方向にターン数を増やすことで、電流感度を高めることを目的とした電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、上記凸部の上記磁気検出手段に対する対向面と上記磁気検出手段の感磁部は略平行に配置され、上記感磁部の面積は上記対向面の面積よりも小さい形態の電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、外部磁界の影響を受けない特徴を生かし、２箇所以上の電流を検出する場合に上記磁性体の側面を共通化し該磁性体を一体にした電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、上記磁気検出手段はホール効果を利用したホールセンサである形態の電流検出機構を実施することもできる。

また、上記磁気検出手段の検出出力を上記被測定電流の電流量に換算する換算手段を有する形態の電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、上記磁性体の凸部に対局する上記プリント配線基板部位に貫通穴を設け、上記磁気検出手段を有する素子封止パッケージを落とし込み実装することで、該プリント配線基板を含む該磁気検出手段部位の厚みを最小限にし、該磁性体の凸部と凸部に対局する該磁性体との空隙を狭めた形態の高感度な電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、上記磁気検出手段を有する素子封止パッケージ内部の感磁部方向に磁性材料を配置し、上記磁性体の凸部と凸部と対局した該磁性体との間に発生した磁束を該感磁部に収束させた電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、上記プリント配線基板のエッジ部から該プリント配線基板を挟むように取り付けた保持部材により、該磁性体を保持する形状の電流検出機構を実施することもできる。

また、上記態様において、上記保持部材に弾性変形する材料を選択し、把持する先端の空隙がプリント配線基板の板厚より狭まった凹形状をしたレール状に加工し、プリント配線基板のエッジに挿入した後は、振動等で容易には外れない構造の電流検出機構を実施することもできる。

上記態様の本発明によれば、従来電流検出で一般的に使われていたような「電流センサ」や「シャント抵抗」が不要となり電流検出機構の組み立てをユーザが容易に実現することが可能となり、温暖化等地球レベルの環境維持に多大な貢献をもたらすことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１、本発明における電流センサの電流検出機構の実施形態１の形状例である。

磁性体コア２を当該プリント配線基板１に挿入するため、プリント配線基板１には２本の切り欠き加工１ａが施されている。また、磁性体コア２の左右両外側面には凹状の溝加工がスリット様に施されており、この凹部が基板１に係合して支持される構造となっている。銅箔で形成された被測定電流パターン３は、スルーホールアレーもしくはビアアレー４により他層に跨って磁性体コア２の凸部２ａを囲むようにパターニングされている。

磁性体コア２の凸部２ａに対局するプリント配線基板１には貫通した穴６が施されており、その部分に例えばホールセンサからなる磁気検出手段７が落とし込み実装されている。挿入された磁性体コアは凹加工されたレール状の弾性樹脂８をストッパとしてプリント配線基板１にはめ込むことにより固定できるようになっている。被測定電流パターン３に囲まれた磁気検出手段７の接続用パターン５は基板１の内層を通して被測定電流パターン３の外部に配線される。

本実施形態はプリント配線基板１の切り欠き加工部にストッパとして弾性樹脂８を挿入した例である。

本実施形態の電流検出機構によれば、インバータ回路用に用意された既存のプリント配線基板上の配線パターンを有効活用し、少ない部品点数で信頼性を高め、しかも小型で高感度な電流検出を電力ロスを伴うことなく、簡単に組み立てできる構造によって実現させることができる。

（実施形態２）
図２は、本発明における電流検出機構の実施形態２の形状例である。

磁性体コア１０を当該プリント配線基板９に挿入するため、プリント配線基板９には２本の切り欠き加工９ａが施されている。また、磁性体コア１０の左右両外側面には凹状の溝加工がスリット様に施されており、この凹部が基板９に係合して支持される構造となっている。銅箔で形成された被測定電流パターン１１は、スルーホールアレーもしくはビアアレー１２により他層に跨って磁性体コア１０の凸部１０ａを囲むようにパターニングされている。

磁性体コア１０の凸部１０ａに対局するプリント配線基板９には貫通した穴１４が施されており、その部分に例えばホールセンサからなる磁気検出手段１５が落とし込み実装されている。挿入された磁性体コアは凹加工されたレール状の弾性樹脂１６をストッパとしてプリント配線基板９にはめ込むことにより固定できるようになっている。被測定電流パターン１１に囲まれた磁気検出手段１５の接続用パターン１３は基板９の内層を通して被測定電流パターン１１の外部に配線される。

本実施形態はプリント配線基板９の下端にストッパとして弾性樹脂１６を挿入した例である。

上記実施形態とストッパの位置が異なる本実施形態においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

（実施形態３）
図３は、独立した２回路分の電流を検出することを目的とした電流検出機構の形状例である。

磁性体コア１８の左右両外側面には凹状の溝加工がスリット様に施されており、この凹部が基板１７に係合して支持される構造となっている。磁性体コア１８の左右の凸部には、それぞれ独立した系の被測定電流パターン１９、２０で外周を覆い、磁性体コア１８の左右の凸部１８ａに対向したプリント配線基板部位にそれぞれ独立した例えばホールセンサからなる磁気検出手段７、２４を設けることで、凸部１８ａで発生する磁束を相互に磁気干渉することなく良好に検出することが可能である。

プリント配線基板１７に３つの切り欠き１７ａを設け、磁性体コア１８の左右両外側面２７，２８に凹状の溝加工を施すことにより、磁性体コア１８はプリント配線基板１７に挿入・把持され、凹加工されたレール状の弾性樹脂２５、２６をストッパとしてプリント配線基板１７にはめ込むことにより接着剤を用いることなく、容易に固定できるようになっている。

本実施形態においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができ、かつ、独立した２回路分の電流を検出することが可能である。

本発明における電流検出機構のプリント配線基板の切り欠き加工部にストッパを挿入した実施形態１の形状例を示す二面図である。 本発明における電流検出機構のプリント配線基板端にストッパを挿入した実施形態２の形状例を示す二面図である。 本発明における、独立した２回路分の電流を検出することを目的とした電流検出機構の実施形態３の形状例を示す二面図である。

符号の説明

１，９，１７ プリント配線基板
２，１０，１８ 磁性体
２ａ，１０ａ，１８ａ 凸部
３，１１，１９，２０ 被測定電流パターン
７，１５，２４ 磁気検出手段
８，１６，２５，２６ 弾性樹脂（ストッパ）

Claims (11)

1. プリント配線基板の表面もしくは内層面にエッチングされたパターンであって被測定電流が流れる被測定電流パターンと該被測定電流により発生される磁束を検出するための磁気検出手段とを備えた電流センサの電流検出機構であって、
   前記被測定電流パターンを含んだ前記プリント配線基板を覆う磁性体、
   該磁性体の内面の前記磁気検出手段との対向位置に配設された凸部、および、
   該磁性体の外側もしくは内側の左右両側面に配設された凹状のスリットであって、該凹が前記プリント配線基板と係合して該基板を把持する構造を有するスリット
   を備えることを特徴とする電流検出機構。
2. 前記被測定電流パターンは前記磁性体の前記少なくとも１つの凸部に対向した前記プリント配線基板上の位置に該凸部を覆うように配置され、前記磁性体の前記少なくとも１つの凸部で前記磁気検出手段を挟む構造を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出機構。
3. 前記被測定電流パターンは多層基板のスルーホールまたはビアを利用して積層され、該積層によって前記磁性体に交差する電流パターン数を増やすことで、前記磁性体の前記少なくとも１つの凸部で発生する磁束密度を高めたことを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の電流検出機構。
4. 前記磁性体の前記少なくとも１つの凸部の前記磁気検出手段に対する対向面と前記磁気検出手段の感磁部は略平行に配置され、該感磁部の面積は前記対向面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流検出機構。
5. ２箇所以上の独立した電流検出において、前記磁性体の一側面を共通にして、一体化したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電流検出機構。
6. 前記磁気検出手段は、ホール効果を利用したホールセンサであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流検出機構。
7. 前記磁気検出手段の検出出力を前記被測定電流に換算する換算手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電流検出機構。
8. 前記磁性体の凸部に対向したプリント配線基板部に貫通穴を設け、前記磁気検出手段を有する素子封止パッケージを前記貫通穴に落とし込み、プリント配線基板を含む感磁部位の厚みを最小限にすることで前記磁性体で挟まれた少なくとも１つ以上の凸部の空隙を狭めることを可能にし、前記感磁部位の磁束密度を高めることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電流検出機構。
9. 前記磁気検出手段を有する素子封止パッケージ内部の感磁部方向に磁性材料を配置し、前記磁性体の凸部で発生した磁束を感磁部位に効率的に収束させ、記感磁部位の磁束密度を高めることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電流検出機構。
10. 前記プリント配線基板のエッジ部から該プリント配線基板を挟むように取り付けた保持部材により、前記磁性体を保持することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の電流検出機構。
11. 前記保持部材は、弾性変形する材料から成型されており、把持する先端の空隙が前記プリント配線基板の板厚より狭まった凹形状をしたレールで、前記プリント配線基板の前記エッジ部に挿入した後は容易に外れないことを特徴とする請求項１０に記載の電流検出機構。
    

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