JP2010203910A - 電流センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度が良好で製造コストが安価な電流センサ及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】ギャップ２を有する環状の磁気コア３とシールド板となる金属プレート６を直接接触もしくは近接した状態で成形樹脂８によってインサート一体成形し、この成形品に磁電変換素子４が搭載され且つグランドパターンが形成されたプリント基板５を、磁電変換素子４が磁気コア３のギャップ２領域に位置すると共にグランドパターンが金属プレート６に直接接触もしくは近接するように取り付けた。
【選択図】図１

Description

本発明は電流センサ及びその製造方法に関するものであり、詳しくは、環状の一部にギャップを設けた磁気コアで囲まれた空間を貫く導体に流れる被検出電流によって発生した磁界の磁束密度を、前記ギャップ内に配置されたホール素子で検出して電圧変換する方式の電流センサ（磁気比例式電流センサ）及びその製造方法に関する。

従来この種の電流センサには、例えば、ケース内に収容した磁気コアを該磁気コアに接する金属板によって押圧固定し、金属板とその上方に配設した回路基板のグランドパターンを電気的に接続した構造のもの（例えば、特許文献１参照。）、磁気コアとプリント基板をシールド板で抱持してプリント基板のグランドパターンとシールド板を電気的に接続し、これをケース内に収容した構造のもの（例えば、特許文献２参照。）等がある。

このような構造を有する従来の電流センサはいずれも、耐ノイズ性を高めて電流検出の際の外部ノイズの影響を低減し、それによって精度の高い電流検出を実現しようとするものである。

特許第３４０１３２０号公報 特開昭６３−３０２３７１号公報

ところで、上記従来の電流センサのうち、特許文献１に記載されたものは、磁気コア、金属板及び回路基板といった個別の部材がねじ止めによってケースに固定される。そのため、固定部材等の部品点数の増加や製造工数の増加による製造コストの上昇、及び組立精度のバラツキに起因する検出精度の低下が問題となる。一方、製品の組立精度を高めるためには個々の部材の寸法管理や組立の際の作業管理等といった部品管理や工程管理等の管理業務が必要となり、歩留まりを含めたコストアップの要因となる。

特許文献２に記載されたものは、シールド板で磁気コアとプリント基板を抱持する際に要する工数が製造コストを上昇させると共に、上記特許文献１のものと同様に、組立精度のバラツキに起因する検出精度の低下が問題となる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、検出精度が良好で製造コストが安価な電流センサ及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、
中空部を有し環状でその一部に間隙部が設けられた磁気コアと、
前記磁気コアに直接接触もしくは近接した状態に配置されシールド効果を有する金属プレートと、
前記磁気コアと前記金属プレートを成形樹脂によりインサート一体成形してなるインサート一体成形部と、
前記インサート一体成形部に取り付けられ、磁電変換素子が搭載されると共にグランドパターンが形成されたプリント基板と、を備えた電流センサであって、
前記中空部及び前記間隙部の夫々は前記インサート一体成形部において少なくともその一部が開放空間として確保されると共に前記金属プレートは前記インサート一体成形部においてその一部が前記成形樹脂から露出しており、
前記間隙部の開放空間に前記磁電変換素子が位置し、且つ前記金属プレートの前記成形樹脂から露出した部分を介して該金属プレートと前記プリント基板のグランドパターンが電気的に接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記インサート一体成形部に対する前記プリント基板の取り付け及び前記金属プレートと前記プリント基板のグランドパターンとの電気的接続は、前記金属プレートの前記成形樹脂から露出した部分と前記プリント基板との前記成形樹脂に対するねじ止めによる共締めによって一括行われていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記磁電変換素子はホール素子であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、
第1の金型に金属プレートをセットする工程と、
前記第1の金型に前記金属プレートに重ねて直接接触もしくは近接するように磁気コアをセットする工程と、
前記第１の金型と第２の金型を型締めする工程と、
前記第１の金型と前記第２の金型で形成されたキャビティ内に成形樹脂を射出することにより、前記磁気コアに前記成形樹脂の射出成形圧力を加えて前記磁気コアを前記金属プレート側に押圧しながらインサート一体成形を行う工程と、
第１の金型及び第２の金型を型開きしてインサート一体成形品を取り出す工程と、
前記インサート一体成形品に磁電変換素子が搭載されたプリント基板を取り付ける工程と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項４において、
第1の金型に金属プレートをセットする工程と、前記第1の金型に前記金属プレートに重ねて直接接触もしくは近接するように磁気コアをセットする工程との替わりに、予め接触もしくは近接固定させた金属プレートと磁気コアを第１の金型にセットする工程を備えたことを特徴とするものである。

本発明の電流センサは、間隙を有する環状の磁気コアとシールド効果を有する金属プレートを直接接触もしくは近接した状態で成形樹脂によってインサート一体成形し、このインサート一体成形品に磁電変換素子が搭載され且つグランドパターンが形成されたプリント基板を、磁電変換素子が磁気コアの間隙に位置し且つグランドパターンが金属プレートに直接接触もしくは近接するように取り付けた。

その結果、従来の電流センサに比べて部品点数や製造工数が削減されて製造コストの低減が可能となり、組立精度が向上して検出精度の高精度化が可能となった。また、製品の組立精度を高めるための個々の部材の寸法管理や組立の際の作業管理等といった部品管理や工程管理等の管理業務が低減され、歩留まりを含めたコストダウンが実現できた。

また、磁気コアとシールド板となる金属プレートを成形樹脂でインサート一体成形することにより、接着や溶着、あるいはねじ止めに比べて振動や熱による離脱、剥がれ或いはガタツキ等の不具合が防止され、高い信頼性を確保することができた。

本発明の実施形態に係る説明図である。 本発明の実施形態に係る部分説明図である。 本発明の製造工程を示す説明図である。 本発明の製造工程を示す説明図である。 本発明の組立工程を示す説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図４を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明の実施形態の説明図である。但し、カバーを取り外した状態を示している。

本発明の電流センサ１は、一部に間隙（以下、ギャップと呼称する）２を有する磁気コア３、磁気コア３内に発生する磁界の磁束密度を検出して電圧に変換する磁電変換素子（例えば、ホール素子）４が搭載されたプリント基板５、磁気コア３に対する各種電磁波ノイズや静電誘導ノイズ等のノイズの影響を阻止するためのアース（以下、グランドと呼称する）機能を持たせる金属プレート６を基本構成としている。

このうち、磁気コア３はフェライト、アモルファスあるいは珪素鋼等の磁性部材からなり、その形状は断面略矩形で中空部７を有する環状を呈しており、環状の一部にギャップ２が設けられている。また、中空部７の内周面３ａと交差する一対の面３ｂ、３ｃのうち少なくとも一面３ｂは平面状に形成されている。

金属プレート６は電導性が良好な金属部材からなり、Ｌ字状の平板の一方の端部が略直角に折曲されて折曲部６ａが形成され、該折曲部６ａに、後述するプリント基板５とでねじ止めするためのねじ孔６ａａが設けられている。

金属プレート６はＬ字状部６ｂが磁気コア３の平面状の面（平面状部）３ｂに沿って配置されており、金属プレート６のＬ字状部６ｂと磁気コア３の平面状部３ｂが面接触もしくは近接した状態で位置している。つまり、金属プレート６と磁気コア３は直接面接触もしくは近接している。

そして磁気コア３と金属プレート６が上記位置関係を保持した状態で成形樹脂８によって一体的にインサート成形されている。

このとき、磁気コア３の中空部７及びギャップ２は少なくともその一部がそのまま保持され、金属プレート６の折曲部６ａの一方の面６ａｂは成形樹脂８外に露出している。

プリント基板５は所定の位置にホール素子４が搭載されていると共にねじ止め用のねじ孔５ａが設けられ、ねじ孔５ａの周囲近傍には該プリント基板５に形成されたグランドパターンに接続されたグランドパッドが形成されている。プリント基板５上に形成された、ホール素子４の電極端子が接続された配線パターン及びグランドパターンは内部コネクタに接続されている。但し、この説明の部分は図示されていない。

このプリント基板５は、その一部がホール素子４が磁気コア３のギャップ２領域に位置するように成形樹脂８のスリット部８ａからギャップ２内に挿入され、同時に一部が金属プレート６の折曲部６ａ上に位置している。金属プレート６のねじ孔６ａａとプリント基板５のねじ孔５ａは重なる位置に位置し、両ねじ孔６ａａ、５ａを挿通するねじ９を成形樹脂８内に螺挿することによりプリント基板５と金属プレート６が共締めされて成形樹脂８に固定されている。

このとき、上述したプリント基板５のグランドパッド５ｂは図２のように、金属プレート６の折曲部６ａと対向する側の面に形成されており、ねじ９によるねじ止め固定によってプリント基板５のグランドパッド５ｂと金属プレート６が直接接触もしくは近接状態に保持されている。

このような構成からなる電流センサ１は、被測定電流が流れる導体が電流センサ１の中空部７を貫くように配置されると共に内部コネクタ（図示せず）が外部コネクタに接続されて使用される。そして、導体に被測定電流が流れるとその電流値に比例した強さの磁界が磁気コア３内に発生し、磁気コア３のギャップ２領域に位置するホール素子４で磁束が検出される。

磁束を検出したホール素子４からは磁束密度に比例した電圧が出力され、電流センサ１のプリント基板５に形成された配線パターン、内部コネクタ及び内部コネクタに接続された外部コネクタを介して外部に設けられた増幅回路等の信号処理回路に伝送され、信号処理回路によって被測定電流の電流値を該電流値に比例した電圧値として得ることができる。

この測定の際、磁束の通路である磁気コア３には金属プレート６が直接接触もしくは近接し、金属プレート６はプリント基板５のランドパターンに接触もしくは近接して内部コネクタに導通され、外部コネクタを介して外部のグランドレベルに保持されている。

そのため、金属プレート６のシールド効果によって磁気コア３内の磁界に対する各種電磁波ノイズや静電誘導ノイズ等のノイズの影響が阻止され、被測定電流の電流値を正確に検知することが可能となる。

次に、本発明の電流センサの製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。図３は成形樹脂による磁気コアと金属プレートのインサート一体成形品の製造工程、図４は図３の製造工程を経て作製された成形品にプリント基板等の部材を取り付けて電流センサとする組立工程を示している。

まず、図３（ａ）の工程において、電導性が良好な金属部材からなる平板をＬ字状に成形してその一方の端部を略直角に折曲した金属プレート６を準備する。

次に、（ｂ）の工程において、金属プレート６を第１の金型２０にセットする。金属プレート６の第１の金型２０に対する位置決めは、金属プレート６に設けられた位置決め用孔６ｂａに第１の金型２０に設けられた金属プレート位置決め突起部２０ａを挿通することで行われる。

また、フェライト、アモルファスあるいは珪素鋼等の磁性部材からなりその形状が断面略矩形で中空部を有する環状を呈し、環状の一部にギャップ２が設けられた磁気コア３を準備する。この磁気コアは、中空部の内周面と交差する一対の面のうち少なくとも一面３ｂは平面状に形成されている。

次に、（ｃ）の工程において、磁気コア３を第１の金型２０にセットする。磁気コア３の第１の金型２０に対する位置決めは、磁気コア３の中空部（図示せず）及びギャップ２の夫々に第１の金型２０に設けられた中空部形状突起部（図示せず）及びギャップ形状突起部２０ｂを嵌合することで行われる。

このとき、磁気コア３は先に第１の金型２０にセットされた金属プレート６に重なる位置に配置され、磁気コア３の平面状の面（平面状部）３ｂと金属プレート６のＬ字状部６ｂが直接面接触もしくは近接した状態で位置している。

また、第２の金型３０を第１の金型２０に対向する位置に配置する。

次に、（ｄ）の工程において、第２の金型３０を第１の金型２０の方向に向けて移動し、両金型２０、３０の型合わせ及び型締めを行う。

次に、（ｅ）の工程において、第１の金型２０と第２の金型３０で形成されたキャビティ１５内に第２の金型３０に設けられたゲート３０ａを介して成形樹脂８が注入され、磁気コア３と金属プレート６を一体化するインサート成形が行われる。

このインサート一体成形の際に、金属プレート６に重なるように位置する磁気コア３に成形樹脂８の射出成形圧力が加わって金属プレート６側に押圧され、これにより金属プレート６と磁気コア３の面接触による直接接触もしくは近接される。

次に、（ｆ）の工程において、第２の金型３０を型開き方向に移動する。

最後に、（ｇ）の工程において、第１の金型２０からインサート一体成形品（以下、成形品と略称する）３５を離型して取り出す。

すると（ｈ）のような、成形樹脂８による磁気コア３と金属プレート６の成形品３５が完成する。

次に、この成形品から電流センサの完成品に至る組み立て方法について、図４を参照して説明する。

まず、図４（ａ）の工程において、成形品３５は磁気コア３の中空部（図示せず）及びギャップ２はそのまま保持され、金属プレート６の折曲部６ａの一方の面６ａｂは成形樹脂８外に露出している。そこで、所定の位置にホール素子４が搭載されていると共にねじ止め用のねじ孔５ａが設けられ、ねじ孔５ａの周囲近傍にグランドパターンに接続されたグランドパッドが形成され、ホール素子４の電極端子が接続された配線パターン及びグランドパターンが内部コネクタに接続されてなるプリント基板５を、その一部がホール素子４が磁気コア３のギャップ２領域に位置するように成形樹脂８のスリット部からギャップ２内に挿入し、同時に一部が金属プレート６の折曲部６ａ上に位置するように配置する。

次に、（ｂ）の工程において、互いに重なる位置に位置する金属プレート６のねじ孔６ａａとプリント基板５のねじ孔５ａにねじ９を挿通し、成形樹脂８内にねじ９を螺挿することによりプリント基板５と金属プレート６がねじ９による共締めによって成形樹脂８に固定される。

このとき、プリント基板５のグランドパッドは金属プレート６の折曲部６ａと対向する側の面に形成されており、ねじ止め固定によってプリント基板５のグランドパッドと金属プレート６が接触もしくは近接状態に保持される。

次に（ｃ）の工程において、ホール素子４が搭載されたプリント基板５が取り付けられた成形品３５にカバー４０を取り付ける。

すると（ｄ）のような、電流センサ１が完成する。

以上説明したように、電流センサに係る本発明の製造方法は、成形樹脂による磁気コアと金属プレートのインサート一体成形品を作製し、これに磁電変換素子が搭載されたプリント基板を取り付けて電流センサを完成するものである。

その結果、従来の電流センサに比べて部品点数や製造工数が削減されて製造コストの低減が可能となり、且つ組立精度が向上して検出精度の高精度化が可能となる。また、製品の組立精度を高めるための個々の部材の寸法管理や組立の際の作業管理等といった部品管理や工程管理等の管理業務が低減され、歩留まりを含めたコストダウンが実現できる。

また、磁気コアとシールド板となる金属プレートを成形樹脂でインサート一体成形することにより、接着や溶着、あるいはねじ止めに比べて振動や熱による離脱、剥がれ或いはガタツキ等の不具合が防止され、高い信頼性を確保することができる。

なお、上記製造工程において、成形樹脂によるインサート成形の前に予め磁気コアと金属プレートを互いに接触固定させておくことも可能である。

上述の実施形態においては、磁気コア１個による電流センサについての説明であったが、複数の磁気コアを並設することも可能である。その場合、金属プレートは個々の磁気コアに対して１枚ずつ設けてもよいし、複数個の磁気コアに対して１枚の金属プレートを供用してもよいし、全ての磁気コアに対して１枚の金属プレートを供用してもよい。

いずれの場合も、全ての磁気コアと全ての金属プレートは成形樹脂によって一体的にインサート成形される。

プリント基板についても同様であり、個々の磁気コアに対して１枚ずつ設けてもよいし、複数個の磁気コアに対して１枚のプリント基板を供用してもよいし、全ての磁気コアに対して１枚のプリント基板を供用してもよい。

但し、プリント基板の枚数は金属プレートの枚数以下とすることが部品の利用効率の点からも有利である。

１ 電流センサ
２ 間隙（ギャップ）
３ 磁気コア
３ａ 内周面
３ｂ、３ｃ 面
４ 磁電変換素子（ホール素子）
５ プリント基板
５ａ ねじ孔
５ｂ グランドパッド
６ 金属プレート
６ａ 折曲部
６ａａ ねじ孔
６ａｂ 面
６ｂ Ｌ字状部
６ｂａ 位置決め用孔
７ 中空部
８ 成形樹脂
８ａ スリット部
９ ねじ
２０ 第１の金型
２０ａ 金属プレート位置決め突起部
２０ｂ ギャップ形状突起部
１５ キャビティ
３０ 第２の金型
３０ａ ゲート
３５ インサート一体成形品
４０ カバー

Claims (5)

1. 中空部を有し環状でその一部に間隙部が設けられた磁気コアと、
   前記磁気コアに直接接触もしくは近接した状態に配置されシールド効果を有する金属プレートと、
   前記磁気コアと前記金属プレートを成形樹脂によりインサート一体成形してなるインサート一体成形部と、
   前記インサート一体成形部に取り付けられ、磁電変換素子が搭載されると共にグランドパターンが形成されたプリント基板と、を備えた電流センサであって、
   前記中空部及び前記間隙部の夫々は前記インサート一体成形部において少なくともその一部が開放空間として確保されると共に前記金属プレートは前記インサート一体成形部においてその一部が前記成形樹脂から露出しており、
   前記間隙部の開放空間に前記磁電変換素子が位置し、且つ前記金属プレートの前記成形樹脂から露出した部分を介して該金属プレートと前記プリント基板のグランドパターンが電気的に接続されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記インサート一体成形部に対する前記プリント基板の取り付け及び前記金属プレートと前記プリント基板のグランドパターンとの電気的接続は、前記金属プレートの前記成形樹脂から露出した部分と前記プリント基板との前記成形樹脂に対するねじ止めによる共締めによって一括行われていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁電変換素子はホール素子であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の電流センサ。
4. 第1の金型に金属プレートをセットする工程と、
   前記第1の金型に前記金属プレートに重ねて直接接触もしくは近接するように磁気コアをセットする工程と、
   前記第１の金型と第２の金型を型締めする工程と、
   前記第１の金型と前記第２の金型で形成されたキャビティ内に成形樹脂を射出することにより、前記磁気コアに前記成形樹脂の射出成形圧力を加えて前記磁気コアを前記金属プレート側に押圧しながらインサート一体成形を行う工程と、
   第１の金型及び第２の金型を型開きしてインサート一体成形品を取り出す工程と、
   前記インサート一体成形品に磁電変換素子が搭載されたプリント基板を取り付ける工程と、を備えたことを特徴とする電流センサの製造方法。
5. 請求項４において、第1の金型に金属プレートをセットする工程と、前記第1の金型に前記金属プレートに重ねて直接接触もしくは近接するように磁気コアをセットする工程との替わりに、予め接触固定させた金属プレートと磁気コアを第１の金型にセットする工程を備えたことを特徴とする電流センサの製造方法。

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