JP2016161529A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、磁電変換素子を使った電流センサに関し、電流計測対象の導電部材と磁電変換素子の間に充分な沿面距離を確保しつつ、磁電変換素子を導電部材と近い距離で正確に位置決めすることのできる技術を提供する。
【解決手段】電流センサ２は、バスバ２０と、樹脂キャップ１０と、磁電変換素子３と樹脂パッケージ７を備えている。バスバ２０には切欠が設けられている。樹脂キャップ１０は、切欠の底の縁を覆っている底縁カバー部と、切欠の両方の側縁を覆っている一対の側縁カバー部を有する。磁電変換素子３は、樹脂キャップ１０の底縁カバー部の上に接しているとともに、一対の側縁カバー部の間に配置されている。樹脂パッケージ７は、樹脂キャップ１０と磁電変換素子３を封止している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。特に、電流計測対象の導電部材を囲む磁気コアを有さないコアレスの電流センサに関する。

電流センサの一つに、磁電変換素子を使ったものがある。磁電変換素子は、電流計測対象の導電部材を流れる電流に起因して導電部材の周囲に発生する磁束を感知する。導電部材を流れる電流の大きさと発生する磁束の大きさに一意の関係がある。電流センサは、その関係を使って磁電変換素子が計測した磁束の大きさから、導電部材を流れる電流の大きさを特定する。

磁電変換素子が計測する磁束を高めるために、従来は導電部材を囲むＣ字状の磁気コア（誘電体）を備え、Ｃ字の隙間に磁電変換素子を配置する態様が採用されていた。近年、磁電変換素子の感度が高まり、磁気コアを備えずとも導電部材の周囲の磁界（即ち導電部材を流れる電流）を充分に計測できるようになってきている。ただし、磁電変換素子の計測値は、磁電変換素子と導電部材との間の距離に大きく依存する。それゆえ、精度の高い電流センサを得るには、導電部材の近くに磁電変換素子を正確に位置決めしなければならない。

特許文献１に、導電部材に対する磁電変換素子の位置を正確に定めることのできる電流センサの一例が開示されている。その電流センサは、導電部材（特許文献１ではバスバと称している）と、磁電変換素子（特許文献１では磁気検出素子と称している）と、非磁性ケースと、保持体を備える。非磁性ケースは、環状の外殻部を有し、その内側に導電部材が挿通される。保持体は、磁電変換素子を保持する。その保持体は非磁性ケースの内部に収容される。非磁性ケースには、保持体を導電部材に向けて押圧する押圧手段を有している。押圧手段により、保持体に保持された磁電変換素子と導電部材の距離が一定に保たれ、磁電変換素子の正確な相対位置が維持される。

特開２０１０−１４４７７号公報

ところで、磁電変換素子と導電部材の間は絶縁されている必要がある。電気的設計において、２つの物体間の絶縁確保には、空間距離と沿面距離を考慮しなければならない。本明細書は、磁電変換素子と導電部材の間に充分な沿面距離を確保しつつ、磁電変換素子を導電部材と近い距離で正確に位置決めすることのできる技術を提供する。なお、沿面距離とは、２つの物体の間の、絶縁物の表面に沿った最短距離のことである。

本明細書が開示する電流センサは、導電部材と、磁電変換素子と、樹脂キャップと、樹脂パッケージを備える。導電部材には切欠が設けられている。樹脂キャップは、切欠の底の縁を覆っている底縁カバー部と、切欠の両方の側縁（両側の縁）を覆っている一対の側縁カバー部を有している。磁電変換素子は、樹脂キャップの底縁カバー部の上に接しているとともに、一対の側縁カバー部に配置されている。樹脂パッケージは、樹脂キャップと磁電変換素子を封止している。

本明細書が開示する電流センサでは、樹脂キャップの底縁カバー部を挟んで磁電変換素子と導電部材が対向する。磁電変換素子と導電部材の間の距離は、底縁カバー部の切欠底縁の直上の厚みで定められる。即ち、底縁カバー部が、導電部材に近い位置で、導電部材に対する磁電変換素子の正確な位置を定める。また、底縁カバー部と一対の側縁カバー部が導電部材と磁電変換素子との間の沿面距離を確保する。本明細書が開示する電流センサは、磁電変換素子と導電部材の間に充分な沿面距離を確保しつつ、磁電変換素子を導電部材と近い距離で正確に位置決めすることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電流センサの斜視図である。 実施例の電流センサの斜視図である（樹脂パッケージとシールド板とセンサ基板は除外）。 電流センサの分解斜視図である（樹脂モールドは除外）。 樹脂キャップの三面図である。図４（Ａ）は上面断面図であり、図４（Ｂ）は側面図であり、図４（Ｃ）は正面断面図である。 電流センサ（樹脂パッケージとシールド板とセンサ基板を除外）の側面図である。 電流センサの製造方法を説明する図である（１）。 電流センサの製造方法を説明する図である（２）。 電流センサの製造方法を説明する図である（３）。

図面を参照して実施例の電流センサを説明する。図１に、電流センサ２の斜視図を示す。電流センサ２は、例えば、３相交流モータに電力を供給するバスバに設けられている。バスバとは、大電流を流すための導電部材であり、内部抵抗が小さい細長金属板である。本実施例の電流センサ２は、バスバ２０に切欠２１を設け、その切欠部分に組み込まれているため、バスバ２０も電流センサの一部を構成する。

電流センサ２は、切欠２１が設けられたバスバ２０、樹脂キャップ１０、磁電変換素子３、センサ基板４、一対のシールド板５ａ、５ｂ、樹脂パッケージ７で構成されている。樹脂パッケージ７は、センサ基板４と一対のシールド板５ａ、５ｂの一部を覆い、樹脂キャップ１０と磁電変換素子３を完全に覆っている。図１では、樹脂パッケージ７の内部の構造を示すために、樹脂パッケージ７は仮想線で示し、内部は実線で描いてある。

理解を助けるため、図２に、樹脂パッケージ７とセンサ基板４と一対のシールド板５ａ、５ｂを除いた電流センサ２の斜視図を示す。図２では、樹脂キャップ１０の形状と磁電変換素子３の相対位置がよく理解できるように、磁電変換素子３を仮想線で描いてある。また、図３に、電流センサ２の分解斜視図を示す（樹脂パッケージ７は除く）。さらに、図４に、樹脂キャップ１０の三面図を示す。図４（Ａ）は、樹脂キャップ１０の上面断面図であり、図４（Ｂ）は側面図であり、図４（Ｃ）は正面断面図である。これら図１−図４を参照しつつ、電流センサ２を説明する。図４（Ａ）は、図４（Ｂ）に示したＡ−Ａ線における断面を示しており、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）のＣ−Ｃ断面における断面を示している。

バスバ２０は、断面が矩形の金属板である。本実施例の電流センサ２におけるバスバ２０は、途中に切欠２１、２５が設けられている（図３参照）。切欠２１、２５は、バスバ２０の横断面における両方の短辺側に設けられている。２個の切欠２１、２５によって、バスバ２０の断面積が小さくなっている。断面積が小さくなっている部位を以下では狭窄部２６と称する（図３参照）。

バスバ２０の一方の切欠２１に磁電変換素子３が配置される（図２参照）。磁電変換素子３は、具体的には磁界を計測するホール素子である。磁電変換素子３は、バスバ２０を流れる電流によって生じる磁界を計測する。電流と磁界には特定の関係があり、磁電変換素子３が計測した磁界の大きさから、バスバ２０を流れる電流の大きさが解る。バスバ２０の周囲に発生する磁界は、バスバ２０を流れる電流密度が高いほど大きい。切欠２１、２５によってバスバ２０の断面積を小さくすることが、発生する磁界を大きくする。また、切欠２５の内側に磁電変換素子３を配置することで、断面積が小さくなった狭窄部２６に磁電変換素子３を近づけることができる。バスバを流れる電流に起因する磁界は、バスバに近いほど大きい。バスバ２０に切欠２５を設け、その内側に磁電変換素子３を配置することで、電流計測精度が高まる。なお、磁電変換素子３には、磁界を感じる方向（感磁方向）が存在する。図中の座標系におけるＹ軸方向（電流が流れる方向と交差する方向）が、感磁方向に相当する。

切欠２５には、樹脂キャップ１０が嵌められる。樹脂キャップ１０は、絶縁性と耐熱性の高い樹脂材料で作られている。樹脂キャップ１０は、切欠２５の底の縁２２を覆う底縁カバー部１２と、切欠２５の両方の側縁２４ａ、２４ｂを夫々覆う一対の側縁カバー部１３ａ、１３ｂを有しており、全体がＵ字形状を成している（図３参照）。底縁カバー部１２には、溝１５が設けられている（図４（Ｃ）参照）。溝１５が、切欠２５の底の縁２２に嵌合する（図２−図４参照）。また、側縁カバー部１３ａには溝１４ａが設けられており、その溝１４ａが、切欠２５の一方の側縁２４ａに嵌合する（図２、図３参照）。側縁カバー部１３ｂには溝１４ｂが設けられており、その溝１４ｂが、切欠２５の他方の側縁２４ｂに嵌合する（図２、図３参照）。

磁電変換素子３は、樹脂キャップ１０の底縁カバー部１２の上に接するように配置される。バスバ２０の狭窄部２６に嵌合する底縁カバー部１２の上に接するように磁電変換素子３を配置することで、バスバ２０（狭窄部２６）と磁電変換素子３との間の距離を正確に定めることができる。バスバ２０（狭窄部２６）と磁電変換素子３との間の距離は、狭窄部２６の直上における底縁カバー部１２の厚みＤｃ（図４（Ｃ）参照）で定まる。詳しくは後述するが、磁電変換素子３は、樹脂パッケージ７を作る際、樹脂の射出成形によりその周囲を完全に樹脂で覆われる。射出成形に先立って樹脂キャップ１０を切欠２１に配置し、その上に磁電変換素子３を接触させることで、射出成形後のバスバ２０（狭窄部２６）と磁電変換素子３の間の距離を正確に保持することができる。

また、磁電変換素子３は、一対の側縁カバー部１３ａ、１３ｂの間に配置される（図２参照）。磁電変換素子３の上に、センサ基板４が配置される。なお、図３では、磁電変換素子３とセンサ基板４は、離れて描かれているが、磁電変換素子３はセンサ基板４に予め固定されている。磁電変換素子３とセンサ基板４は、不図示の信号線で接続されている。センサ基板４には、磁電変換素子３に供給する電力を伝送するケーブルや、磁電変換素子３のセンサ信号を不図示のコントローラに送る信号線などが配線されている。

センサ基板４の上に一方のシールド板５ａが配置される。センサ基板４とシールド板５ａも、切欠２１の内側に配置される。他方のシールド板５ｂは、切欠２１とは反対側の切欠２５を通るように配置される。別言すれば、一対のシールド板５ａ、５ｂは、バスバ２０の狭窄部２６と磁電変換素子３を挟み込むように配置される。

一対のシールド板５ａ、５ｂは、例えば導電性の金属板である。一対のシールド板５ａ、５ｂは、狭窄部２６を流れる電流が発生する磁界以外の磁界から磁電変換素子３を遮断する。別言すれば、一対のシールド板５ａ、５ｂは、磁電変換素子３を、外界のノイズ磁界から遮断する。一対のシールド板５ａ、５ｂには絶縁コーティングが施されており、バスバ２０やセンサ基板４から絶縁される。

磁電変換素子３は、樹脂キャップ１０の底縁カバー部１２の上に接しているとともに、一対の側縁カバー部１３ａ、１３ｂの間に配置されている。別言すれば、磁電変換素子３は、Ｕ字形状の樹脂キャップ１０のＵ字の内側に配置されている。樹脂キャップ１０の形状と磁電変換素子３の上記配置は、バスバ２０と磁電変換素子３との間の沿面距離を確保することに貢献する。このことを、図５を参照して説明する。

図５は、樹脂パッケージ７と一対のシールド板５ａ、５ｂとセンサ基板４を除く電流センサ２の側面図である。沿面距離とは、２つの物体の間の、絶縁物の表面に沿った最短距離のことである。図５の場合は、磁電変換素子３と側縁２４ａ（２４ｂ）までの間の樹脂キャップ１０の表面における長さＬｓが沿面距離に相当する。図５に示すように、樹脂キャップ１０の底縁カバー部１２の上面からの側縁カバー部１３ａ（１３ｂ）の高さＨ２は、樹脂キャップ１０の底縁カバー部１２の上面からの磁電変換素子３の高さＨ１よりも高い。この樹脂キャップ１０が、磁電変換素子３とバスバ２０の間の充分な沿面距離を確保する。なお、磁電変換素子３と樹脂キャップ１０は、樹脂パッケージ７で覆われるが、射出成形される樹脂パッケージ７と、樹脂パッケージ７の射出成形前に取り付けられている樹脂キャップ１０との境界は、沿面距離の対象となることに留意されたい。

次に、図６−図８を参照しつつ、電流センサ２の製造方法を説明する。

（第１工程）第１工程では、まず、断面が矩形であり、切欠２１が設けられたバスバ２０を準備する。そして、バスバ２０に設けられた切欠２１の底の縁２２と両方の側縁２４ａ、２４ｂを覆うように、Ｕ字形状の樹脂キャップ１０を取り付ける（図６）。

（第２工程）第２工程では、切欠２１の底の縁２２を覆っている底縁カバー部１２の上に接するとともに、切欠２１の両方の側縁２４ａ、２４ｂを覆っている側縁カバー部１３ａ、１３ｂに挟まれるように磁電変換素子３を配置する。磁電変換素子３は、センサ基板４に予め取り付けられているので、磁電変換素子３とともにセンサ基板４も側縁カバー部１３ａ、１３ｂに挟まれるように配置される。次いで、磁電変換素子３と狭窄部２６を挟み込むように、一対のシールド板５ａ、５ｂを配置する（図７）。なお、図７は、磁電変換素子３と樹脂キャップ１０よりも紙面手前側でシールド板５ａ、５ｂとセンサ基板４を横断する断面でカットした図である。それゆえ、シールド板５ａ、５ｂとセンサ基板４には断面を示すハッチングを施してある。

（第３工程）第３工程では、バスバ２０と一対のシールド板５ａ、５ｂと樹脂キャップ１０と磁電変換素子３とセンサ基板４のアセンブリに樹脂パッケージ７を成形する（図８）。樹脂パッケージ７の射出成形により、樹脂キャップ１０と磁電変換素子３が樹脂で完全に封止される。具体的には、上記アセンブリを金型３０に入れ、金型内部に溶融樹脂を射出する。金型３０は、上型３１と下型３２に分かれており、それらが上下から上記アセンブリを挟み込む。図８は、金型３０の断面を描いてある。一対のシールド板５ａ、５ｂとセンサ基板４の両端は金型３０の外側へ突出するので、図８ではそれらの断面が表れる、それゆえ、図８では、一対のシールド板５ａ、５ｂとセンサ基板４に、断面を表すハッチングを施してある。図８ではグレーで塗りつぶした部分が樹脂パッケージ７を示している。樹脂パッケージ７で覆われる部品は破線で示している。一対のシールド板５ａ、５ｂとセンサ基板４の両端は金型３０の外壁に保持され、樹脂射出成形の際の位置が固定される。

電流センサ２では、樹脂パッケージ７の射出成形前に樹脂キャップ１０によってバスバ２０と磁電変換素子３との間の距離が正確に定められる。また、Ｕ字形状の樹脂キャップ１０のＵ字の内側に磁電変換素子３を配置することで、磁電変換素子３とバスバ２０（側縁２４ａ、２４ｂ）との間に充分な長さの沿面距離を確保することができる。

また、樹脂パッケージ７の射出成形の前に樹脂キャップ１０を断面積の小さい狭窄部２６に取り付けておくことで、樹脂キャップ１０が緩衝材となり、高圧の樹脂によって狭窄部２６が変形することが防止される。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。樹脂キャップ１０の底縁カバー部１２の上面からの側縁カバー部１３ａ（１３ｂ）の高さＨ２は、樹脂キャップ１０の底縁カバー部１２の上面からの磁電変換素子３の高さＨ１よりも高い（図５参照）。このことが、磁電変換素子３とバスバ２０の間の充分な沿面距離の確保に特に貢献している。

電流センサ２の製造工程の特徴は次の通りである。バスバ２０に設けられた切欠２１の底の縁２２と両方の側縁２４ａ、２４ｂを覆うように樹脂キャップ１０が取り付けられる（第１工程）。底の縁２２を覆っている部位（底縁カバー部１２）の上に接するとともに、両方の側縁２４ａ，２４ｂを覆っている部位（側縁カバー部１３ａ、１３ｂ）に挟まれるように磁電変換素子３が配置される（第２工程）。樹脂キャップ１０と磁電変換素子３を樹脂が封止される（第３工程）。磁電変換素子３を樹脂で封止するのに先立って樹脂キャップ１０により磁電変換素子３とバスバ２０（狭窄部２６）との間の正確な距離が保持される。このことが、電流センサ２の完成時の磁電変換素子３とバスバ２０（狭窄部２６）との間の正確な距離の保持に貢献する。

本明細書が開示する技術は、切欠を有する複数のバスバが平行に配置されており、それぞれの切欠に磁電変換素子を配置した電流センサに適用することも好適である。その場合、センサ基板は、平行に並んだ複数のバスバ２０の切欠を通過するように延びており、各バスバの切欠に対応する位置でセンサ基板に磁電変換素子が配置されている構造が好ましい。各バスバの切欠には、実施例の樹脂キャップが嵌め込まれている。各磁電変換素子は、対応する樹脂キャップの底縁カバー部の上に接するように、センサ基板が配置される。なお、実施例のバスバ２０が「導電部材」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電流センサ
３：磁電変換素子
４：センサ基板
５ａ、５ｂ：シールド板
７：樹脂パッケージ
１０：樹脂キャップ
１２：底縁カバー部
１３ａ、１３ｂ：側縁カバー部
１４ａ、１４ｂ、１５：溝
２０：バスバ
２１、２５：切欠
２２：底の縁
２４ａ、２４ｂ：側縁
２６：狭窄部
３０：金型
３１：上型
３２：下型

Claims (1)

1. 切欠が設けられている導電部材と、
   前記切欠の底の縁を覆っている底縁カバー部と、前記切欠の両方の側縁を覆っている一対の側縁カバー部を有するＵ字形状の樹脂キャップと、
   前記樹脂キャップの前記底縁カバー部の上に接しているとともに、前記一対の側縁カバー部の間に配置されている磁電変換素子と、
   前記樹脂キャップと前記磁電変換素子を封止している樹脂パッケージと、
   を備えることを特徴とする電流センサ。