JP2014066589A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コアレス型電流検出装置における検出信号中のノイズを低減する。
【解決手段】電流検出装置１は、グランド被膜１７が形成されている基板２と、基板２の一面側に結合してバスバー１８が内周側において貫通する磁気シールド体３と、磁気シールド体３の内周側に臨んで基板２に取り付けられているホール素子１５と、基板２のグランド被膜１７と磁気シールド体３の両端部との間に介在して基板２と磁気シールド体３とを機械的に結合するとともに磁気シールド体３の両端部をグランド被膜１７に接続する嵌着式クリップ４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、導体に流れる電流の値を磁束に基づいて検出する電流検出装置に関する。

電流値を磁束から検出する一般的な電流検出装置では、環状の磁気コアが、電流測定対象の導体を外側から包囲し、磁電変換素子としてのホール素子が、該磁気コアの周方向の１箇所に形成された間隙に配置され、該間隙における磁束から電流を検出するようになっている。

磁気コアの存在は、電流検出装置を小型化する場合の障害となるので、コアレス型電流検出装置が存在する。該コアレス型電流検出装置では、ホール素子が導体からの磁束以外の外部からの磁束の影響を受け易いので、ホール素子は導体と共に磁気シールド体の内部に配備される（例：特許文献１）。

特許文献１のコアレス型電流検出装置では、ホール素子が取付けられた基板は、電流測定対象としてのバスバーに載置され、正方形枠の磁気シールド体が、基板及びバスバーを外側から包囲している。

一方、特許文献２，３は、コア型電流検出装置における磁気コアの接地構造を開示する。特許文献２における磁気コアの接地構造では、静電シールド体が、基板から起立して、上端部において磁気コアの間隙に圧入されるとともに、下端部において基板のグランドパッドに接続されている。ホール素子は、該シールド体の上端部の内面側に配置され、両側において該上端部によりシールドされる（特許文献２／図２）。

特許文献３における磁気コアの接地構造では、静電シールド用の金属材が、平板部とそれに連なるＵ字状断面部とを有し、該Ｕ字状断面部が、環状の磁気コアの間隙内に圧入される。一方、該平板部は、内面側において磁気コアの側面に当てられ、外面側において突起を介して基板のスルーホールに差し込まれてはんだ付けされ、該突起は、スルーホールの接地線に接続される（特許文献３／段落００３０及び００３２）。

特開２０１０−２２７７号公報 特許第４８１４２８３号公報 特開２０１１−７５９６号公報

特許文献１の電流検出装置では、ホール素子が取付けられている基板は、バスバーに載置されて、バスバーと共に、正方形枠のホール素子の内側空間のほぼ中央に配置されるのみであり、磁気シールド体の接地は行われていない。したがって、ホール素子の検出信号のノイズが増大する。

特許文献２，３の電流検出装置は、磁気コア型であり、かつ磁気コアと静電シールド体とを接続するものの、電磁シールド体の接地については示唆していない。

本発明は、コアレス型電流検出装置における検出信号中のノイズを低減することを目的とする。

第１発明の電流検出装置は、グランドパターンが一面側に形成されている基板と、電流測定対象の導体が貫通する貫通空間を内周側に画成して両端部において前記基板の前記一面側に結合する磁気シールド体と、前記貫通空間に臨むように前記基板の前記一面側に取り付けられている磁電変換素子と、前記基板のグランドパターンと前記磁気シールド体の両端部との間に介在して前記基板と前記磁気シールド体とを機械的に結合するとともに、前記磁気シールド体の両端部を前記基板のグランドパターンに接続する接地手段とを備えることを特徴とする。

第１発明によれば、基板への磁気シールド体の結合に伴い、接地手段が磁気シールド体の両端部を基板のグランドパターンに接続して、磁気シールド体をグランド電位に保持するので、磁気シールド体と磁電変換素子との静電結合が抑制され、静電結合に起因して発生する磁電変換素子の出力中のノイズを低減することができる。

第２発明の電流検出装置は、第１発明において、前記接地手段は、前記グランドパターンにはんだ付けされ、かつ前記磁気シールド体の両端部に装着される金属製クリップであることを特徴とする。

第２発明によれば、金属製クリップにより基板のグランドパターンへの磁気シールド体の接続を円滑かつ確実に行うことができる。

第３発明の電流検出装置は、第１発明において、前記接地手段は、前記磁気シールド体の両端部が前記基板の前記一面側から圧入されるように前記基板に穿設され、かつ前記グランドパターンの端が縁に形成されている圧入孔であることを特徴とする。

第３発明によれば、基板の圧入孔により基板のグランドパターンへの磁気シールド体の接続を円滑かつ確実に行うことができる。

第４発明の電流検出装置は、第１発明において、前記接地手段は、前記磁気シールド体の両端部と前記グランドパターンとを相互に結合するはんだであることを特徴とする。

第４発明によれば、はんだにより基板のグランドパターンへの磁気シールド体の接続を円滑かつ確実に行うことができる。

組立て前の状態で電流検出装置の構造を示す図。 基板の磁気シールド体側の面の主要部を示す図。 組立て後の状態で電流検出装置の構造を示す斜視図。 図３の電流検出装置を正面側から見た図。 図３の電流検出装置を底面側から見た図。 嵌着式クリップの効果についての検証実験における波形図。 基板への磁気シールド体の別の接地構造の斜視図。 基板への磁気シールド体のさらに別の接地構造の斜視図。 図１の実施形態において磁気シールド体への嵌着式クリップの接合を強化した構造図。 図７の実施形態において基板への磁気シールド体の接合を強化した構造図。

図１の組立て前の状態の電流検出装置１において、電流検出装置１は、基板２、磁気シールド体３及び嵌着式クリップ４を構成要素として含む。磁気シールド体３は、高透磁率材料から成り、底壁部５と、底壁部５の両端から起立する２つの側壁部６とを有している。各嵌着式クリップ４は、導電性の金属材料から成り、各側壁部６の先端部に嵌着（本発明の装着に相当）して、留められる。

底壁部５は、３つの間隙１０により相互にかつ側壁部６の基端部から分離された２つの壁部分９から成る。間隙１０を設けた理由は、磁気シールド体３の磁気抵抗を高くすることにより、磁気シールド体３が飽和磁束に達する時の電流測定導体（後述のバスバー１８）の電流値を高くして、後述のホール素子１５により測定する電流測定導体の最高電流値を引き上げるためである。側壁部６ではなく、底壁部５に間隙１０を形成した理由は、底壁部５の外面側より側壁部６の外面側からの磁気ノイズ源の対策を重視したためである。

磁気シールド体３が飽和磁束に達する時の電流測定導体の電流値を高くするための磁気シールド体３の構造としては、間隙１０以外に、間隙１０に代えて、底付きの溝としたり、周縁部を残した窓状の孔としたりしてもよい（参考例：本出願人の出願による特願２０１２−６６０１７／図４）。

次に図２を参照して、基板２の構造について説明する。図２は基板２の中心範囲を磁気シールド体３側から見たものである。ホール素子１５は、磁電変換素子として基板２の磁気シールド体３側の面に取り付けられる。基板２の磁気シールド体３側の面は、露出部１６とグランド被膜１７とになっている。

露出部１６は、基板２において絶縁性材の本体の表面が露出している領域であり、ホール素子１５の周囲、及び該周囲を基板２の縁につなぐ範囲となっている。グランド被膜１７は、金属被膜から成り、露出部１６を除く全範囲を占めている。給電線１５ａ及び出力線１５ｂは、露出部１６に形成され、ホール素子１５から延び出して、基板２の縁に達している。基板２には、給電線１５ａ用と、出力線１５ｂ用と、グランド被膜１７用の計３つの端子が配備され、それら端子は、基板２が装備される装置の対応端子に接続される。

次に図３〜図５を参照して、組立後の電流検出装置１について説明する。図３は電流検出装置１の斜視図、図４は電流検出装置１の正面図、図５は電流検出装置１の底面図となっている。なお、図５の底面図では板状カバー２０が外されている。

各嵌着式クリップ４は、各側壁部６の先端部に装着されてから、基板２の磁気シールド体３側の面にはんだ付けされ、これにより、各側壁部６の先端部と基板２とを相互に機械的に結合する。嵌着式クリップ４が基板２にはんだ付けされる箇所は、図２のグランド被膜１７の箇所になっている。したがって、側壁部６は、嵌着式クリップ４を介してグランド被膜１７に接地される。

基板２と磁気シールド体３とは、内周側に矩形輪郭の貫通空間を画成する。バスバー１８は、底壁部５との間に所定の空隙を確保しつつ、底壁部５に十分に接近してかつ底壁部５に対して平行にされて該貫通空間を貫通している。バスバー１８の横断面の長辺両端は、図４に示すように、側壁部６との間に僅かの空隙を残しつつ、側壁部６の内面に十分に接近している。

バスバー１８は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車の三相モータのＵ，Ｖ，Ｗ相の内の１相の給電流を通すものとなっている。三相モータのＵ，Ｖ，Ｗ相の３つの給電流を全部、測定する場合には、図４の電流検出装置１が図４の左右方向に３個並べられる。

絶縁材料の板状カバー２０は、両端を側壁部６の基端部に固定される。壁部分９は、板状カバー２０の内面側に固着されて、板状カバー２０により支持される。

電流検出装置１がバスバー１８の電流の値を検出する作用について説明する。電流がバスバー１８をその長手方向へ流れることに伴い、バスバー１８の周囲に磁束が生成される。磁気シールド体３は、バスバー１８の近傍に配置されていて、収磁機能により、バスバー１８の電流に起因する磁束線の主要磁路となる。

磁気シールド体３は上側壁部を省略されているので、磁気シールド体３内の磁束線の主要部は、側壁部６の上端間においてほぼ基板２に沿って延在し、ホール素子１５の感磁面を貫通する。なお、ホール素子１５の２つの感磁面は、それぞれ各側壁部６の方へ向けられている。ホール素子１５は、バスバー１８の電流にほぼ比例する磁束を高感知度で感知して、該磁束にほぼ比例する電流を出力する。この結果、バスバー１８の出力電流はバスバー１８の電流にほぼ比例する。

磁気シールド体３の磁束の値は、磁気シールド体３の磁束が飽和磁束以下であるときは、バスバー１８の電流の値にほぼ比例する。一方、バスバー１８の電流の値の増大に伴い、磁気シールド体３の磁束が飽和磁束に到達した後は、磁気シールド体３の磁束値とバスバー１８の電流の値との１：１の対応関係が失われるので、ホール素子１５がバスバー１８の電流の値を検出することは不可能になる。

電流検出装置１は、磁気シールド体３の磁束が飽和する時のバスバー１８の電流値が高くなるようにして、電流値検出範囲の上限を高めている。すなわち、間隙１０が、底壁部５に形成されることにより、磁気シールド体３の磁気抵抗を増大させている。

嵌着式クリップ４は側壁部６の先端部を基板２のグランド被膜１７に接地させる。この結果、グランド被膜１７に対する磁気シールド体３の電位は０となり、ホール素子１５の検出電流に含まれるノイズは低減する。

図６は、ノイズ発生用パルス信号とホール素子１５の検出電流との関係を調べたオシロスコープの波形をスケッチしたものである。（ａ）は、嵌着式クリップ４が基板２と磁気シールド体３との間に介在する時、すなわち磁気シールド体３が接地している時の関係であり、（ｂ）は、嵌着式クリップ４が基板２と磁気シールド体３との間に介在しない時、すなわち磁気シールド体３が接地していない時の関係である。

図６（ａ）及び（ｂ）において、上段がノイズ発生用パルス信号、下段がホール素子１５の出力電流である。ノイズ発生用パルス信号は一定周波数のパルス信号に設定している。ノイズ発生用パルス信号は、磁気シールド体３の側壁部６の外面側にバスバー１８と同一形状でかつバスバー１８に対して平行に別のバスバーを配設して、該別のバスバーに流したものであり、デューティ比５０％のパルス信号となっている。

（ａ）では、ホール素子１５の出力電流のレベルは、パルス期間において非パルス期間より増大している。これに対し、嵌着式クリップ４により接地対策された（ｂ）では、ホール素子１５の出力電流のレベルは、パルス期間において非パルス期間と同一の低レベルに維持されている。このことにより、嵌着式クリップ４による磁気シールド体３の接地の効果が高いことが判明した。

次に図７を参照して基板２への別の接地構造について説明する。なお、図７において、図２の要素と同一の要素について、図２の要素に付けた符号と同一の符号を付して、説明は省略する。

図７において、基板２には、側壁部６の先端部が当る箇所に長孔２３が圧入孔として穿設されている。長孔２３の幅は側壁部６の厚さより僅かに小さくなっている。グランド被膜１７は長孔２３の縁に達している。この結果、側壁部６の先端部は、基板２の弾力変形性を利用して長孔２３に矢印Ａの方向に圧入されて、基板２に機械的に結合するとともに、グランド被膜１７に接地される。

次に図８を参照して基板２へのさらに別の接地構造について説明する。なお、図８において、図２の要素と同一の要素について、図２の要素に付けた符号と同一の符号を付して、説明は省略する。

図８において、側壁部６の先端は、基板２の長孔２３の所定位置に当てられて、はんだ２６によりはんだ付けされ、基板２に機械的に結合される。この結果、側壁部６は、基板２に固定されるとともに、側壁部６の先端の端面はグランド被膜１７に直接接地され、側壁部６の先端部の側面ははんだ２６を介してグランド被膜１７に接地される。

次に図９を参照して、図１の嵌着式クリップ４と磁気シールド体３の側壁部６との接合を強化した構造について説明する。なお、図９の磁気シールド体及び嵌着式クリップは、図１の磁気シールド体３及び嵌着式クリップ４とは構造が僅かであるが相違しているので、図９では、磁気シールド体及び嵌着式クリップに別の符号として４８及び４１に付けている。

図９において、（ａ）は嵌着式クリップ４１の側面図、（ｂ）は磁気シールド体４８の側壁部４９の先端部の斜視図、（ｃ）は嵌着式クリップ４１が磁気シールド体４８に嵌着した状態の断面図である。

図９（ａ）において、金属製の嵌着式クリップ４１は、挿入部４２と、挿入部４２の奥側のばね部４３と、基端部が挿入部４２の１対の対峙部分の一方に結合し先端部が１対の対峙部分の他方に向かって突出するボス部４４とを有している。

挿入部４２は、開口方向へ開口幅を広げるテーパ状の横断面で形成されている。ばね部４３は、両端において挿入部４２の奥側に連設され、挿入部４２を縮閉する付勢力を発生する。ボス部４４は、図９（ａ）では、２つあるボス部４４の内、紙面の奥側のボス部４４が隠れている。

図９（ｂ）において、円形の挿通孔５０は、磁気シールド体４８の側壁部４９の先端部に２つ穿設されている。各ボス部４４は各挿通孔５０に挿通するようになっている。

図９（ｃ）において、嵌着式クリップ４１は、磁気シールド体４８の先端部への嵌着時において、ばね部４３からの付勢力に抗して挿入部４２を拡開して、ボス部４４の先端面と挿入部４２の対峙部分との間の間隙を介して、ばね部４３内へ磁気シールド体４８の先端部を受け入れる。その後、ばね部４３の弾性的な形状復元力に因る付勢力により挿入部４２が縮閉する。その際、各ボス部４４が挿通孔５０を通過して、ボス部４４の先端面が対峙する挿入部４２の部分に当接する。

磁気シールド体４８への嵌着式クリップ４１の嵌着状態において、ボス部４４が挿通孔５０に挿通されているので、磁気シールド体４８からの嵌着式クリップ４１の離脱が確実に阻止される。嵌着式クリップ４１は、嵌着式クリップ４と同じく、ばね部４３の頂面において基板２のグランド被膜１７に、はんだ付けにより固定される。

次に図１０を参照して、図７の磁気シールド体３と基板２との接合を強化した構造について説明する。ケース５５は、左右の側柱部５６と、左右の側柱部５６を底部側において連結するカバー部５７とを有し、絶縁性材料から成る。

左右の側柱部５６とカバー部５７とは、内周側に磁気シールド体３の外面側輪郭に一致する内面側輪郭の凹所を形成する。連結板部５９は、左右ケース５５をそれらの頂部側部分において連結し、開口６０は、カバー部５７と連結板部５９との間に形成される。開口６０には、バスバー１８（図３）が貫通する。

磁気シールド体３の底壁部５及び側壁部６は、それぞれカバー部５７及び側柱部５６の内面に固着される。各側壁部６の先端は、各側柱部５６の頂面から所定寸法、突出し、基板２の長孔２３に圧入される。

基板２は、幅方向（図１０の左右方向）へ各長孔２３の外側の箇所に挿通孔６１を有する。一方、ケース５５には、幅方向両側の端部頂面にねじ孔５８が形成されている。

基板２への磁気シールド体３の組付けは、相互に固定されている磁気シールド体３とケース５５とが側壁部６の先端部が長孔２３に圧入される。次に、各ねじ６２は、挿通孔６１を挿通後に、ケース５５のねじ孔５８に螺着して、基板２をケース５５に締め付ける。ねじ６２による基板２への嵌着式クリップ４の固定により、基板２と磁気シールド体３との接合が強化される。

本発明を実施形態について説明したが、本発明は実施形態に限定されることなく、要旨の範囲内で、種々に変形して実施される。

例えば、実施形態におけるグランド被膜１７は、面的なパターンになっているが、本発明のグランドパターンは、グランド被膜１７以外として、例えば基板２の面に線状のパターンを採用することもできる。

実施形態における磁気シールド体３は、飽和磁束時のバスバー１８の測定電流値を高めるために、底壁部５に間隙１０が意図的に形成されて、磁気シールド体３の磁気抵抗を高めているが、本発明の磁気シールド体は、間隙１０無しの磁気シールド体であってもよい。

１・・・電流検出装置、２・・・基板、３・・・磁気シールド体、４・・・嵌着式クリップ（電気接続手段）、５・・・底壁部、６・・・側壁部、１５・・・ホール素子（磁電変換素子）、１７・・・グランド被膜（グランドパターン）、１８・・・バスバー（被測定対象の導体）、２３・・・長孔（電気接続手段、圧入孔）、２６・・・はんだ（電気接続手段）、４１・・・嵌着式クリップ（電気接続手段）、４８・・・磁気シールド体。

Claims (4)

1. グランドパターンが一面側に形成されている基板と、
   電流測定対象の導体が貫通する貫通空間を内周側に画成して両端部において前記基板の前記一面側に結合する磁気シールド体と、
   前記貫通空間に臨むように前記基板の前記一面側に取り付けられている磁電変換素子と、
   前記基板のグランドパターンと前記磁気シールド体の両端部との間に介在して前記基板と前記磁気シールド体とを機械的に結合するとともに、前記磁気シールド体の両端部を前記基板のグランドパターンに接続する接地手段とを備えることを特徴とする電流検出装置。
2. 請求項１の電流検出装置において、
   前記接地手段は、前記グランドパターンにはんだ付けされ、かつ前記磁気シールド体の両端部に装着される金属製クリップであることを特徴とする電流検出装置。
3. 請求項１の電流検出装置において、
   前記接地手段は、前記磁気シールド体の両端部が前記基板の前記一面側から圧入されるように前記基板に穿設され、かつ前記グランドパターンの端が縁に形成されている圧入孔であることを特徴とする電流検出装置。
4. 請求項１の電流検出装置において、
   前記接地手段は、前記磁気シールド体の両端部と前記グランドパターンとを相互に結合するはんだであることを特徴とする電流検出装置。