JP2015083941A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】コアに対して外部から圧力が作用する状況で使用されても検出精度を維持する電流センサを構成する。
【解決手段】導体１が配置される切込部Ｄが形成されたコアＣと、この切込部Ｄに配置され被供給電流が供給される導体１と、切込部Ｄの外縁部に設けられたギャップ部Ｄｂに配置される磁気センサ２とを備えている。このコアＣの内部で導体１と平行に延出する領域に空隙Ｖを形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関し、詳しくは、磁性体で成るコアの内部に導体を配置し、コアのギャップ部に磁気センサを備えている電流センサに関する。

上記のように構成された電流センサとして、特許文献１には、コアにＵ字状の磁性体を用い、このコアのＵ字状溝内部に導体（文献では導電部材）を配置し、コアのギャップ部に磁気センサ（引例ではホール素子）を配置した構成が示されている。更に、コアと磁気センサとが封止樹脂体により封止された構成が示されている。

磁気センサではないが、特許文献２には、電磁鋼板で構成されるコアに圧縮応力が作用する状況では磁気特性の劣化（ヒステリシス損の劣化）が認められることが記載されている。

特開２００４‐１５２７８９号公報 特開２０１１‐７２１７０号公報

特許文献１に記載されるように、コアや磁気センサ等を樹脂で封止したものは水滴等の直接的な付着を抑制し、コアの酸化を防ぎ、コアと磁気センサの相対位置の経時変化を防止し、耐久性の向上に繋がるものである。

しかしながら、コアや磁気センサを樹脂で封止する場合に、例えば、インジェクションのように樹脂に大きい圧力を作用させるものや、固化または硬化時の体積収縮率が大きい樹脂を用いた場合には、樹脂の封止によりコアに大きい圧力が作用することが考えられる。

このようにコアに対して大きい圧力が作用する場合には、特許文献２の記載と同様にコアに作用する圧縮応力により、ヒステリシス損が劣化し、ひいては電流センサの性能の低下を招くことも考えられ改善の余地がある。

本発明の目的は、コアに対して外部から圧力が作用する状況であっても検出精度を維持する電流センサを構成する点にある。

本発明の特徴は、中央部に切込部を備えて略Ｃ形状または略Ｕ字状を呈し磁性体によって形成されたコアと、前記切込部に配設され被測定電流が供給される導体と、前記切込部のうち、前記コアの周縁部に設けられたギャップ部に配置され、前記導体を流れる被測定電流による磁界の強さを測定する磁気センサと、を備え、前記コアの内部に、前記導体と平行に延出する空隙を備えている点にある。

この構成によると、コアを樹脂に埋め込んだ場合のように、コアに対して樹脂から圧力が作用する状況では、空隙より外方のコアに作用する圧力を、空隙の部位で遮断できるため、空隙より内側のコアに作用する圧縮応力を低減できる。これにより、導体が配設された領域に近接する領域のコアに作用する圧縮応力を低減し、コアのうち磁気回路を構成する部位のヒステリシス損の劣化を抑制することが可能となる。
また、ヒステリシス損の劣化によりコアの磁界と磁束密度との関係におけるヒステリシスカーブの残留磁束密度または保持力の少なくとも一方が大きくなり、電流センサのヒステリシスが大きくなる。
従って、コアに対して外部から圧力が作用する状況であっても検出精度を維持する電流センサが構成された。

本発明は、前記コアが複数の電磁鋼板を積層して構成され、前記空隙が、前記複数の電磁鋼板のうち積層方向における両端の表面鋼板を除く内部鋼板に設けたスリットで形成されても良い。

これによると、複数の電磁鋼板のうち、積層方向での両端に配置される表面鋼板を除いた内部鋼板だけにスリットを形成し、この内部鋼板を表面鋼板で覆うことにより、スリットがコアの内部に空隙を作り出すことが可能になる。このようにスリットで形成された空隙は外部と連通しない状態にあるため、コアが樹脂に埋め込まれた場合でも、樹脂の浸入がなく空隙を有効に機能させることが可能となる。

本発明は、前記空隙が前記コアの外表面に近い側に形成されても良い。

これによると、コアのうち、空隙を基準にして、この空隙より外側の断面積に対して内側の断面積を大きくすることが可能となる。従って、導体からギャップ部に配置される磁気センサに磁気を作用させる磁気回路の断面積の減少を抑制して電流センサの性能を高く維持できる。

本発明は、前記空隙が前記コアの内部において複数形成されても良い。

コアに形成される空隙は、例えば、コアの外周近くに沿う領域において長く形成されるほど圧力を有効に低減する。しかしながら、空隙を長い領域に亘って形成した場合には、空隙より外側（導体挿通空間より外側）の支持強度が低下し、コアのうち空隙より外側の領域の強度が不足し外部応力により空隙より外側が変形し、空隙より内側に応力が加わりヒステリシス損が劣化することも考えられる。これに対して、この構成のようにコアに対して複数箇所に空隙を形成することにより、空隙より外側のコアの強度低下を抑制し、樹脂から圧力が作用した場合にも、この圧力を適正に受け止めることが可能となる。

本発明は、前記導体の延出方向と平行な空隙に加え、前記導体の延出方向に交差する空隙が前記コアの内部に形成されても良い。

これにより、導体の延出方向に対して直交する方向から作用する圧力に対しても、コアの内部に伝える不都合が解消される。

電流センサの断面図である。 図１のII−II線断面図である。 コアの分解斜視図である。 別実施形態（ａ）の電流センサの断面図である。 別実施形態（ｂ）の電流センサの断面図である。 別実施形態（ｃ）の電流センサの断面図である。 別実施形態（ｄ）の電流センサの断面図である。 別実施形態（ｅ）の電流センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１及び図２に示すように、中央部に切込部Ｄを備えることにより略Ｃ形状を呈し磁性体によって形成されるコアＣと、切込部Ｄに配設され被測定電流が供給されるバスバー１（導体の具体例）と、切込部ＤのうちコアＣの外縁部に設けられたギャップ部Ｄｂに配置されバスバー１に流れる被測定電流による磁界の強さを測定するホール素子２（磁気センサの一例）とを備えて電流センサが構成されている。

コアＣの外形は、バスバー１の延出方向に沿う方向視において全体的に矩形に成形されている。切込部Ｄのうちバスバー１が配置される空間を導体挿通部Ｄａと称し、この導体挿通部Ｄａの外縁部に連なる領域をギャップ部Ｄｂと称している。このような構成からコアＣのうち導体挿通部Ｄａを取り囲む領域と、切込部Ｄのギャップ部Ｄｂとで磁気回路が構成される。尚、図１では導体挿通部Ｄａは、ギャップ部Ｄｂより幅広でバスバー１を取り囲む領域に孔状に形成されているが、導体挿通部Ｄａとギャップ部Ｄｂとは同じ幅でも良い。

この電流センサは、樹脂３のオーバーモールドによりコアＣとバスバー１とを樹脂に埋め込んでおり、この樹脂３のうちホール素子２が配置される位置（ギャップ部Ｄｂ）にはホール素子２が挿入される凹部３ａが形成されている。ホール素子２のリード線２ａは、プリント基板５のプリント配線に対してハンダにより固定されている。

この電流センサは、樹脂３のオーバーモールドによりコアＣとバスバー１とを一体化した一体物に対して、プリント基板５を固定した構成を有している。

本発明の電流センサでは、樹脂３のオーバーモールドを行う際に、ホール素子２（磁気センサの具体例）を樹脂３に封入しても良く、バスバー１を樹脂３に封入せず、樹脂３によるオーバーモールドの後にバスバー１をセットするための導体挿通部Ｄａに対応した開口部を樹脂３に形成しても良い。

このような構造から、バスバー１に電流（被測定電流）が供給された場合は、被測定電流により発生する磁界により磁束が磁気回路を流れ、この磁束がギャップ部Ｄｂにおいてホール素子２を貫くことになる。このとき発生する磁界はギャップ部Ｄｂに集中し、かつ、ギャップ部Ｄｂの磁界の強さは被測定電流に比例し、ギャップ部Ｄｂを流れる磁束の磁束密度はギャップ部Ｄｂの磁界の強さに比例する。ホール素子２は、ホール素子２を貫く磁束の磁束密度に比例した電圧を出力する。

この電流センサは、バスバー１に流れる電流に比例した電圧信号をホール素子２より得て、この電圧信号に基づいてバスバー１に流れる電流の電流値を計測するように機能する。従って、プリント基板５には被測定電流に比例したホール素子２の出力電圧を所望の出力特性（感度、０点出力など）にしたり、温度特性を補正したり、ホール素子２に電流を供給するための電装部品が実装される。なお、プリント基板５に実装された電装部品の一部または全てをホール素子のパッケージ内に配しても良い。

この実施形態では単一の電流センサを示しているが、被測定電流の数に対応して複数のの電流センサが備えられた形態でも本発明の適用は可能である。

〔コア〕
前述したよう電流センサは樹脂３がオーバーモールドされている。この樹脂３のオーバーモールドの一形態として、コアＣとバスバー１とをモールド型内にセットし、射出成形と同様にモールド型内に加熱により液状化した樹脂を加圧供給し、この後に、放熱による固形化が行われる。このときコアＣには加圧供給による圧縮応力に加え、樹脂の固化に伴う収縮及び固化した樹脂の冷却に伴う収縮によりコアＣに大きい圧縮応力が作用するため、ヒステリシス損の劣化を招き電流センサの性能を低下させるものであった。

尚、樹脂のオーバーモールドとして化学反応により硬化する樹脂や、熱硬化性の樹脂を用いても良い。通常樹脂は硬化時に体積が収縮し、オーバーモールドの後には、コアＣに対して圧縮圧力が作用し、前述と同様にヒステリシス損の劣化を招くことになる。

本発明の電流センサでは、コアＣの外表面から圧力が作用した場合には、その圧力がコア内部へ伝達する現象を阻止するための空隙ＶがコアＣの内部に形成されている。つまり、バスバー１の長手方向に平行する方向に延出する領域（コアＣの積層方向でコアＣの外表面に沿う領域）で、外表面に近い側に形成されている。これにより、外部から圧力が作用した場合でも、空隙Ｖより内側において磁気回路を構成する部位に作用する圧縮応力を低減するように構成されている。

具体的な構成として図３に示すように、コアＣは、複数の無方向性電磁鋼板１０（以下、電磁鋼板１０と略称する）を積層して構成されている。各々の電磁鋼板１０は、外形が矩形に形成されると共に、中央部に切込部Ｄを形成することで全体的に略Ｃ形状を呈している。電磁鋼板１０は、コアＣの形状に対応して切込部Ｄと、導体挿通部Ｄａと、ギャップ部Ｄｂとが形成されている。

複数の電磁鋼板１０のうち積層方向での表面（両側）に配置される表面鋼板１０Ａを除いた中央部の第１内部鋼板１０Ｂ及び第２内部鋼板１０Ｃに形成されるスリット１１により空隙Ｖが形成される。第１内部鋼板１０Ｂと第２内部鋼板１０Ｃとで内部鋼板が構成され、第２内部鋼板１０Ｃは第１内部鋼板１０Ｂより外縁側に配置され、この第２内部鋼板１０Ｃの外側に表面鋼板１０Ａが配置されることになる。

同図では、表面鋼板１０Ａとして２枚の電磁鋼板１０を重ね合わせたものが用いられ、第２内部鋼板１０Ｃとして１枚の電磁鋼板１０が用いられている。また、同図には一方の表面鋼板１０Ａと、第２内部鋼板１０Ｃとだけを示しているが、この表面鋼板１０Ａと、第２内部鋼板１０Ｃとは第１内部鋼板１０Ｂを挟むように両側に配置される。

第１内部鋼板１０Ｂに形成されるスリット１１の幅が第１幅Ｗ１に設定され、第２内部鋼板１０Ｃに形成されるスリットの幅が、第１幅Ｗ２より広い第２幅Ｗ２に設定されている。表面鋼板１０Ａにはスリットが形成されないものが使用される。

特に、第１内部鋼板１０Ｂに多数の電磁鋼板１０が用いられるため、この第１内部鋼板１０Ｂのスリット１１により形成される空隙Ｖは、コアＣの外表面に近い領域でバスバー１（導体の一例）と平行に延出する方向に形成される。また、第２内部鋼板１０Ｃが用いられるため、この第２内部鋼板１０Ｃのスリット１１により形成される空隙Ｖはバスバー１（導体の一例）の延出方向に交差する方向（第２幅Ｗ２の方向）に形成される。

各々の電磁鋼板１０（表面鋼板１０Ａ、第１内部鋼板１０Ｂ、第２内部鋼板１０Ｃの上位概念）は、表面には絶縁性の皮膜が形成され、アニール等の所定の熱処理が行われる。そして、これらの電磁鋼板１０を積層し、接合して一体化することでコアＣが構成されるのである。この接合を行うために絶縁性の皮膜を兼ねて絶縁性の接着剤を用いて良く、積層方向に加圧することにより各々の電磁鋼板１０の接合面にダボを形成し、これらのダボの嵌合により接合するものであっても良い。この電磁鋼板１０の積層、接合した後にコアＣをアニール等の所定の熱処理を行っても良い。

このように樹脂３をオーバーモールドする際には、液状の樹脂３が用いられるが、各々の電磁鋼板１０間の隙間が狭く空隙Ｖの内部に樹脂３が流れ込むことはない。

〔電流センサの製造〕
このような構成のため、電流センサを製造する場合には、電磁鋼板１０を積層して一体化し、コアＣを形成する。この後にコアＣをモールド型等の内部にセットし、導体挿通部Ｄａにバスバー１を挿通する形態でセットする。この状態でモールド型等の内部に液状の樹脂３（熱可塑性の樹脂）を加圧充填し、この充填の後に放熱により固形化させることでコアＣとバスバー１とに樹脂３オーバーモールドが行われる。また、樹脂３によりオーバーモールドを行う場合にギャップ部Ｄｂにおいてホール素子２が挿通される空間を凹部３ａが形成される。

このような製造工程では、樹脂３が充填されたモールド型等は、樹脂３が固形化した後に取り外すことになるが、例えば、樹脂３を封入するケースにコアＣを収容する形態で備え、このケースの内部に液状の樹脂３を加圧充填し、ケースを分離しないで電流センサを製造するように製造工程を形成しても良い。

また、この製造工程では、プリント基板５に対してホール素子２のリード線２ａをハンダ固定する形態で、このホール素子２をプリント基板５に支持しておくことになる。前述したようにプリント基板５にはホール素子２からの信号に基づいてバスバー１に流れる電流値を求める電装部品が実装されている。

この後に、プリント基板５と、樹脂３がオーバーモールドされたコアＣとを図１に示すように組み合わせ、樹脂３に形成された凹部３ａにホール素子２を嵌め込むことにより電流センサが完成する。

〔検出形態〕
このように電流センサが構成されることにより、バスバー１に電流が供給された場合には、コアＣのうちバスバー１に近い領域（空隙Ｖよりバスバー１に近い領域）の磁気回路に磁束の多くが流れることになる。

また、コアＣに流れる磁束は、コアＣのうちギャップ部Ｄｂにおいて対向する面を飛び越え、ホール素子２を貫く形態でこのホール素子２に作用する。これにより、ホール素子２に作用する磁束を電圧信号に変換し、この変換結果に基づいて電流値が検出されるのである。

特に、バスバー１に流れる電流によりコアＣに発生する磁束は、空隙Ｖより導体挿通部Ｄａに近い領域に形成される磁気回路を流れ、ホール素子２に作用することになる。また、この磁気回路が空隙Ｖより内側に形成されているので、圧縮応力を低減し磁気回路のヒステリシス損の劣化が抑制されている。これにより、磁束をホール素子２に作用させ、高感度の検知を実現している。更に、この構成では、樹脂３からの圧力が電磁鋼板１０の積層方向に作用した場合には、第２内部鋼板１０Ｃによって第２幅Ｗ２で形成される空隙Ｖが、この空隙Ｖより内側の電磁鋼板１０への圧力の作用を低減するため、コアＣのうち磁気回路を構成する領域の圧縮応力を一層低減して、より高感度の電流センサとして機能する。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い。

（ａ）図４に示すように、コアＣに対して単一の幅の空隙Ｖを形成する。この別実施形態（ａ）では、電磁鋼板１０に対して決まった幅のスリット１１を形成するため、実施形態のように３種類の電磁鋼板１０を用いなくて済み、製造が容易となる。具体的には、前述した実施形態の表面鋼板１０Ａと第１内部鋼板１０Ｂと使用し、第２内部鋼板１０Ｃを使用しない構成となる。

（ｂ）図５に示すように、バスバー１の延出方向に沿う方向視において、コアＣのギャップ部Ｄｂが形成される部位の近傍を除く領域に空隙Ｖを形成する。この別実施形態（ｂ）では、前述した実施形態においてギャップ部Ｄｂを挟む位置に形成される空隙Ｖが省略される形態であるため、コアＣの小型化が可能となる。この別実施形態（ｂ）では、前述した実施形態の第２内部鋼板１０Ｃに相当する電磁鋼板１０を使用する構成と、使用しない構成との何れでの構成であっても良い。

（ｃ）図６に示すように、コアＣの複数箇所に空隙Ｖを形成する。この別実施形態（ｃ）では、電磁鋼板１０の複数箇所に単一の幅のスリット１１を形成することになる。この複数の空隙Ｖは、実施形態に示される第１内部鋼板１０Ｂのスリット１１を４つに分割した構成であり、スリット１１が複数に分割されることにより、コアＣのうち空隙Ｖより外側の外壁部位の強度低下を抑制できる。この別実施形態（ｃ）では、前述した実施形態の第２内部鋼板１０Ｃに相当する電磁鋼板１０を使用する構成と、使用しない構成との何れの構成であっても良い。

（ｄ）図７に示すように、バスバー１の延出方向に沿う方向視において、コアＣの断面形状を円形や、長円のように外周が円弧状に成形されたものを用い、この外周（外表面）に沿って空隙Ｖを形成しても良い。この別実施形態（ｄ）では、前述した実施形態の第２内部鋼板１０Ｃに相当する電磁鋼板１０を使用する構成と、使用しない構成との何れの構成であっても良い。

（ｅ）図８に示すように、バスバー１の延出方向に沿う方向視において、コアＣの断面形状を円形や、長円のように外周が円弧状に成形されたものを用い、この外周（外表面）に沿って複数箇所に空隙Ｖを形成しても良い。この別実施形態（ｅ）では、前述した実施形態の第２内部鋼板１０Ｃに相当する電磁鋼板１０を使用する構成と、使用しない構成との何れの構成であっても良い。

（ｆ）コアＣに形成される切込部Ｄを、導体挿通空間Ｃａとギャップ部Ｄｂとを同じ幅の溝状に形成する。実施形態や別実施形態（ａ）〜（ｅ）では、ギャップ部Ｄｂの幅と比較して、導体挿通空間Ｃａの幅を大きくした構成であるが、この別実施形態（ｆ）では、これに代えて同じ幅に形成することになる。このように構成することにより、コアＣの形状が単純化し製造が容易となる。

本発明は、バスバーに流れる電流をコアから磁気センサに導き、この磁気センサの計測に基づいて電流値を計測する電流センサに利用することができる。

１ 導体（バスバー）
２ 磁気センサ（ホール素子）
１０ 電磁鋼板
１０Ａ 表面鋼板
１０Ｂ 内部鋼板（第１内部鋼板）
１０Ｃ 内部鋼板（第２内部鋼板）
１１ スリット
Ｃ コア
Ｄ 切込部
Ｄｂ ギャップ部
Ｖ 空隙

Claims (5)

1. 中央部に切込部を備えて略Ｃ形状または略Ｕ字状を呈し磁性体によって形成されたコアと、
   前記切込部に配設され被測定電流が供給される導体と、
   前記切込部のうち、前記コアの周縁部に設けられたギャップ部に配置され、前記導体を流れる被測定電流による磁界の強さを測定する磁気センサと、を備え、
   前記コアの内部に、前記導体と平行に延出する空隙を備えた電流センサ。
2. 前記コアが複数の電磁鋼板を積層して構成され、
   前記空隙が、前記複数の電磁鋼板のうち積層方向における両端の表面鋼板を除く内部鋼板に設けたスリットで形成されている請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記空隙が前記コアの外表面に近い側に形成されている請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記空隙が前記コアの内部において複数形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の電流センサ。
5. 前記導体の延出方向と平行な空隙に加え、前記導体の延出方向に交差する空隙が前記コアの内部に形成されている請求項１から４の何れか一項に記載の電流センサ。

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