JP2020160033A - コアの位置決め保持機構とこれを備えた電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ケースにコアを収容して組み付ける際，コアの外形寸法に変化があっても，感磁素子とコアのエアギャップとの相対位置にずれを生じることなく製造できるようにする。【解決手段】ケースに収容されたコアは，摺動駒がケースの斜辺形成部に沿って挿入される際の押圧力により位置決めがなされると共に，摺動駒とケース斜辺との界面を溶融させ固定することにより，コアにかかる摺動駒組み付けの際の応力も解消することができる。【選択図】図３

Description

本発明は，本体に設けた貫通孔を通る導体に流れる電流の大きさを，感磁素子を用いて検出する電流センサの製造方法に関する。

従来，電流センサとして，図７に示すようにケース（２）の収容室にコア（３）及び，基板部（５）を収容させ，ケース収容室内に合成樹脂（８）を充填することにより，ケース（２）内にコア（３）を固定することが行われている。（特許文献１参照）

このような電流センサによれば，コアが周囲の合成樹脂からの外力を受けることによって，保持力（Ｈｃ）と残留磁束密度（Ｂｒ）の関係（ＢＨカーブ）に大きなヒステリシスが発生するという問題に対応している。

また別には，図８に示すように，電流センサのコア（３）をケース内壁に接し当てることでコアの位置決めを行い，コアのエアギャップ部分と感磁素子（４）との位置ずれを起こすことなく組み立て，コアの位置ずれによる電流センサの特性変動を低減することが考案されている。（特許文献２参照）

特開２００６−７８２５５号公報 特開２００８−２１６０４８号公報

電流センサの組立てにおいて，例えば磁性帯板をループ状に巻回してなる巻きコアを採用した場合，該コアは通常帯板の厚みには製造上のばらつきを有するため，これを巻回して積層された際の厚みの累積によるコア外形寸法のばらつきや，巻回端部における帯板の終点位置と終点位置前層との段差からなるコア外形寸法のばらつき，巻回数の累積に伴うコア外周湾曲率が均一とならないことや，巻回時の帯板鋼板に蓄積される曲げ応力によるコア外形寸法のばらつき，このように巻きコアの外形寸法にあっては，同一の板厚材料であっても製造される際の材料ロットや製造工程に起因する複合的なばらつき要素を有するという素性がある。

また，電流センサの生産においては，電流センサ本体の外形寸法上の制約であったり，種々の定格電流に対応するため，外形寸法が大小さまざまなサイズとなるコアを揃えるが，それぞれの電流センサに組み込む上で最適とするコアの外形寸法の差が僅差となるものもある。

電流センサを生産する上で電気的特性を良好なものにするため，コア外形寸法のばらつき要素が多い巻きコアであっても，コア外形寸法の差が僅差となるコアであっても，単一のケース内で精度よく位置決めする必要がある。
そのため，合成樹脂などによる接着をコアの主たる位置決めとしない製造工程においては，コアとケース樹脂間とのクリアランスを可能な限り狭くしてコアの位置的な自由度を抑制しておきたい。

しかし，例えば巻きコア寸法のばらつき要素によりコアの外形寸法が大きめに変化して，ケースとのクリアランスが十分に無い場合，コアがケース樹脂に圧入される形で組み込まれることになり，ケースとコアの干渉により発生したコアへの応力がヒステリシスの発生につながる。
そのため，想定されるコアの寸法ばらつきに備えて，コアとこれを組込むケースとのクリアランスについては十分に余裕を取らざるを得ず，そのため感磁素子とコアのエアギャップとの相対位置の変化代が増し，電流センサの電気的特性のばらつき要因となり，電流センサの外形寸法の小型化も阻害される。
一方，コアの外形寸法に精度を求めると，コア外形を形成する工程で形を整える作業を要し，これもコストアップの要因となる。

また逆に，コア寸法のばらつき要素により，コアの外形寸法が想定する寸法よりも小さめに変化してしまった場合であったり，コアの外形寸法とケース樹脂とのクリアランスを適したものした構成において，ここに別の外形寸法の差が僅差なコアであって，外形寸法のより小さいコアを選択し組込む場合にあっては，ケース樹脂間とのクリアランスは大きくならざるを得ない。

コアとケース樹脂間のクリアランスにおいては，そのクリアランスが大きいとコアの位置や姿勢の自由度が増し，ケース内におけるコアの位置決め精度が悪くなる。これにより，コアのエアギャップ間に挿入された感磁素子と，コアのエアギャップとの相対位置が変化し電流センサの電気的特性のばらつき要因となる。
また，磁性帯板を巻回された巻きコアのように外形寸法の変化が大きなコアにあっては，コアの外周と接するケースの内周壁をコアの位置決め基準とした場合，コアの位置決め基準とするケース内の側壁面からコアのエアギャップに至るまでの相対距離は，コアの外形寸法のばらつきに影響されるため，コアのエアギャップ間に挿入された感磁素子と，コアのエアギャップとの相対位置を精度よく位置決めする構造とはならない。

そこで本発明の目的は，コアのケース内での固定化に伴う応力を低減しヒステリシスの増大を抑制するとともに，コアの外形寸法の変化にも柔軟に対応できる構造を有する電流センサを提供することである。

請求項１に記載の発明によれば，ケースにコアを配置し，その状態でケースに設けられた斜辺形成部と，コアのエアギャップとの間に絶縁体からなる摺動駒をのぞませた状態に置き，ケース斜辺形成部の傾きに沿って係合し摺動するよう斜辺部が形成された摺動駒とを，それぞれの斜辺面を対面させるように組込み斜辺に沿って平行に摺動降下させることで，摺動駒に与えたＺ（−）方向の挿入力でコアをケースに押圧させるＹ（−）方向の移動量と分力を発生させると同時に，コアのエアギャップ間にのぞませるように，かつエアギャップの両端間に対称形で接するように形成された摺動駒のコアのエアギャップ端との接触部分により，エアギャップの中央にある仮想Ｙ軸線を摺動駒中央の仮想Ｙ軸線上に合致するように誘導し組み付けることができる。

摺動駒をケース斜辺に沿ってＺ（−）方向に挿入降下させてゆくと，やがて摺動駒はケースの斜辺面と，ケースの内壁面に接しＹ（−）方向への動き代を失ったコアとの間で，クサビを打ち込んだようにもうこれ以上Ｚ（−）方向への挿入降下が出来ない状態に置かれる。この状態から，摺動駒の斜辺形成部及び，ケースの斜辺面の界面を超音波溶着などの手法により溶融させる。

界面が溶融した際，摺動駒へのＺ（−）方向への挿入力により，摺動駒はケース斜辺面及び，摺動駒の斜辺面のそれぞれの界面の溶融代の分だけ更にＺ（−）方向に降下させることで溶着作業は完了する。この溶融時の摺動駒の降下動態としては，ケース及び摺動駒の斜辺界面が溶融することで，摺動駒に与えた挿入力をコアに至るまでのＹ（−）方向への移動代及び分力として伝達していた硬質な部材が軟化溶融した状態となり，摺動駒においては溶融される前に存在していたケースの斜辺形成部に沿ってコアを押圧していたＹ（−）方向の分力が消滅し，その時点でＹ（−）方向への移動を伴うことなく，摺動駒に与えた挿入力の方向に沿ってＺ（−）方向のみに垂直降下をなすこととなる。

なお，ケース及び摺動駒の斜辺界面の溶融時において，Ｙ（−）方向に垂直降下させる摺動駒の押し込み移動量については，コアの外形寸法にばらつきや差異があれば，溶融開始前の摺動駒の高さにはばらつきを生じることとなるが，溶着完了時の摺動駒のＺ軸方向の高さが常に一定となるよう，例えば超音波溶着にあっては溶着する際の振動の印加時間軸の長短により斜辺界面の溶融代を制御する。

溶着が完了した時点においては，摺動駒とコアとの間で発生していた摺動駒の圧入によるコアへのＹ（−）方向への応力が消滅するとともに，摺動駒とコアは，摺動駒がコアのエアギャップと接するＺ軸線上に沿ってなすその境界線部分に隙間のない状態で固定される。これによりコアの外形寸法がばらつく巻きコアであったり，僅差の外形寸法差を有する類似サイズのコアであっても，その外形の寸法変化を吸収して単一ケースに組込みが可能となると共に， 組立て時のコアにかかる応力を解消し，なおかつコアのエアギャップの中央にある仮想Ｙ軸線を摺動駒中央の仮想Ｙ軸線上に合致するように誘導し組み付けることができる。

請求項２の発明によれば，上記発明において，摺動駒挿入時の押圧面側面に，コアを係止するための該突起形状を設けたものであり，例えばケースの斜辺形成部と摺動駒との界面を超音波溶着させる際に，Ｚ（−）方向への押圧力と振動を印加されたまま摺動面を溶融中の摺動駒にあっては，押圧力と超音波溶着による振動が継続されている間は更に沈み込むことになり，やがてコアを係止するための摺動駒側面の突起はコアに接触する時点で溶着作業を停止させることにより，コアは摺動駒によりその外形のＹ軸線上に沿った側面，並びに，この側面におよそ直行する一平面も同時に拘束されるため，振動や衝撃などの外因によりコアがケースから浮き上がり移動するＺ（＋）方向への動きを抑止することができる。

請求項３の発明によれば，摺動駒に基板部を保持するための係止部を設け，摺動駒と基板部とを一体にすることで，感磁素子とコアのエアギャップとの相対位置のばらつきをなくし，電流センサの電気的特性の変動を抑制し得るものである。

請求項４の発明によれば，コアのエアギャップ端と摺動駒の接触面に非磁性の金属材からなる接点を設け，この接点を介してコアと電流センサ回路のグランドとを接続することにより，コアの容量性結合に起因する部分放電の発生を抑制することができる。

この発明によれば，コアに外形寸法のばらつきがあるもの，また，電流センサの仕様上からコア外形寸法に大小の差異があるものであっても，ケースの種類を増やすことなく，コアはがたつくことなく収容が可能であり，ケースにコアと基板部を組み込んだ際の基板部に搭載される感磁素子とコアのエアギャップとの相対位置のずれであったり，コアの固定に伴うコアにかかる応力を解消することで，安価で性能に優れる電流センサを製造できる。

第一実施形態による電流センサの平面図。 第一実施形態による電流センサの部分断面図。 第一実施形態による電流センサの分解斜視図。 第二実施形態による電流センサの分解斜視図。 第三実施形態による電流センサの分解斜視図。 第四実施形態による電流センサの斜視図。 従来の電流センサの製法を示す概略図。 従来の電流センサのコア位置ずれ抑制方法を示す概略図。

（第一の実施形態）
以下，本発明の第一実施例について図（１）ないし図（２）を参照しながら説明する。
図（１）及び図（２）には，電流センサの平面図及び，部分断面図が示されている。これら図（１）及び，図（２）において，電流センサ１は，上面が開口した矩形容器状のケース２に，コア３及び，感磁素子４を搭載した基板部５を収容し，ケース２内には，摺動駒６を斜辺に平行に沿わせ摺動降下させることでコアを位置決めするための斜辺２ａが形成されている。

ケース２は，外周壁２ｂで囲われた形状に形成されており，中心部には検出対象の電流線を挿通させるための貫通孔７が形成されており，その貫通孔７を囲うように内周壁２ｃが形成されている。コア３は，エアギャップ３ａとして一定距離だけ離間した部分を有し環状をなすもので，エアギャップ３ａを介して閉磁路を形成する。コア３は，パーマロイなどの磁性材製の板材料からなる帯状板を複数回巻き付けて積層されたものである。

コア３の中心部には，被測定電流が流れる電流線が貫通するように配置され，その電流線を流れる電流によりコア３及び，エアギャップ３ａを介した閉磁路に磁束が交差するようになり，その磁束密度をエアギャップ３ａ部分に配置する感磁素子４を搭載した基板部５により検知し，検知した磁束密度に比例する電流の大きさを検出するのである。感磁素子４は，コア３のエアギャップ３ａ部分の中央部に位置するように配置される。

次に上記の電流センサ１の組み立て工程について，図（１）及び図（３）を参照して説明する。
まず，第一に，図（３）に示すように，ケース２内にコア３を組み付ける。続いて摺動駒６のコア接触部６ａをコアのエアギャップにのぞませつつ，挿入力Ｐ１を与えられた摺動駒６は，斜辺６ｂをケース２の斜辺２ａに沿ってＺ（−）方向に降下していくことにより，摺動駒及びコアは斜辺に生じた分力Ｐ２によってＹ（−）方向に付勢されるとともに，摺動駒の仮想中央軸６ｆに合致するように，コアのエアギャップ中央軸３ｂを誘導し位置決めされる。

摺動駒を更にＺ（−）方向に降下させると，図（１）に示すように，コアはＹ（−）方向に付勢されてケース２の内壁に当たり止まり，摺動駒もそれ以上は降下できない状態になる。この時点では，コアには摺動駒を降下させる応力Ｐ１によって，斜辺界面に発生したＹ（−）方向への分力Ｐ２による応力が付加されている。この状態から摺動駒６の斜辺６ｂとケース２の斜辺２ａの接触界面を超音波溶着などの工法により溶融させることで，接触界面が軟化溶融する瞬間に，斜辺に発生していたコアに応力を与えていた摺動駒からのＹ（−）方向への分力Ｐ２が消失し，コアは摺動駒と隙間なく，かつ分力として受けていた応力が解消された状態で固定される。

（第二の実施形態）
図（４）は本発明の第二実施例を示すもので，第一の実施例と異なるところは，摺動駒６とケース２との溶着後，コアのＺ（＋）方向への浮き上がりを抑制する目的で摺動駒の側面にコア係止部６ｃを設けたものである。

他の構成及び，組み立て方法も同じであるが，この実施形態によれば，ケース２に摺動駒６を用い，コア３を固定させた後の電流センサ本体の使用環境下で受ける振動や衝撃などの外因で発生するコアの浮き上がりによる位置ずれを解消し得るものである。

（第三の実施形態）
図（５）は本発明の第三実施例を示すもので，第一の実施例と異なるところは，摺動駒６に基板部５を保持するための基板係止部６ｄを設けたものである。
他の構成及び，組み立て方法も同じであるが，この実施形態によれば，コアの外形寸法がばらつきをもって変化しても，摺動駒６及び，その係止部６ｄで保持された基板部５の感磁素子４とコアのエアギャップとの相対位置は一定となり，位置ずれによる電流センサの特性変動を抑制するものである。

（第四の実施形態）
図（６）は本発明の第四実施例を示すもので，第一の実施例と異なるところは，摺動駒６のコアのエアギャップ端との接触面６ａをおよそ覆う形状に形成された非磁性金属材６ｅを組み付け，コアのエアギャップ端間との電気的な接触点を設けることにより，コアと電流センサ回路のグランドとを接続可能とし，コアの容量性結合に起因する部分放電の発生を抑制するものである。

１ 電流センサ１
２ ケース
２ａ （ケースの）斜辺形成部
２ｂ ケースの外周壁
２ｃ ケースの内周壁
３ コア
３ａ （コアの）エアギャップ
３ｂ コアのエアギャップの仮想中央軸
４ 感磁素子
５ 基板部
６ 摺動駒
６ａ （摺動駒の）コアのエアギャップ端との接触面
６ｂ （摺動駒の）斜辺
６ｃ （摺動駒の）コア係止部
６ｄ （摺動駒の）基板係止部
６ｅ 摺動駒に組み付けた非磁性金属材の接点
６ｆ 摺動駒の仮想中央軸
７ （ケースの）貫通孔
８ 合成樹脂
Ｐ１ 摺動駒の挿入力
Ｐ２ 斜辺に平行な分力

Claims (4)

1. エアギャップを含む閉磁路を形成するように設けられたコアと，前記エアギャップ間に配置された感磁素子と，前記コア及び前記感磁素子を収容するもので，電流線を貫通させるための貫通孔を有するケースとを備え，被測定電流が流れる前記電流線が前記コアを貫通する形態で配置される構成の電流センサの製造方法において，
   コアのエアギャップ端間にのぞむように挿入された摺動駒が，ケース斜辺形成部に沿ってコアを押し動かことによりコアを位置決め固定させるとともに，摺動駒斜辺とケース斜辺形成部との界面を溶融固着させることにより，摺動駒によるコアの位置決め固定時のコアにかかる押圧力を解消することを特徴とした電流センサの製造方法。
2. 請求項１に記載の電流センサの製造方法において，
   前記摺動駒のコアに接触するＺ軸上側面に，コアを係止するための該突起形状を設け，コアがケースから外れてＺ（＋）方向に浮き上がる自由度を抑止することを特徴とした電流センサの製造方法。
3. 請求項１並びに請求項２に記載の電流センサの製造方法において，
   前記摺動駒に基板部を保持するための基板係止部を設け，基板部に搭載された感磁素子とコアのエアギャップとの相対位置を一定になし，これらの位置ずれによる電流センサの特性変動を抑制することを特徴とした電流センサの製造方法。
4. 請求項１から請求項３に至り記載の電流センサの製造方法において，
   前記摺動駒のコアへの接触部に非磁性金属材を組み付け，コアのエアギャップ端間との電気的な接触点を設けることにより，コアと電流センサ回路のグランドとを接続し，コアの容量性結合に起因する部分放電の発生を抑制することを特徴とした電流センサの製造方法。

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