JP2022170628A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コアを回路基板のＧＮＤに追加部品無く簡易に接続して接地することが出来、なおかつコアと磁電変換素子との位置決めを精度よく行うことが出来る電流検出装置を得る。【解決手段】貫通穴３を貫通する導体に流れる電流によって発生する磁束を集磁するコア１と、コア１のエアギャップ１ｂに生じるＸ方向の磁束を検出する磁電変換素子２と、磁電変換素子２を実装した回路基板４から構成された電流検出装置１００において、回路基板４は、コア１に設けた突起部１ａをスルーホール４ｂに挿入して圧入接触し、コア１と接地されている。【選択図】図１

Description

この発明は、コア板を積層することにより構成された環状のコアに設けたエアギャップ内に配置された磁電変換素子を用いて導体の電流を検出する電流検出装置に関するものである。

従来の電流検出装置では、一般的に絶縁性樹脂により成形されたケースの内部に、コアとホール素子などの磁電変換素子を配置して構成される。近年ＳｉＣ、ＧａＮなどの高耐圧や高速スイッチング可能な半導体の普及により、高耐圧・高速スイッチングに対応した電流検出装置の要望が高くなっている。被測定電流の流れる導体に高電圧・高周波の電圧が印加された際、導体とコアの浮遊容量結合により高電圧がコアに誘導される。さらに、高電圧が誘導されたコアと回路基板（磁電変換素子などの電子部品含む）との浮遊容量結合により電圧が回路基板に誘導され、不要ノイズとして出力される。また、磁電変換素子はコアに設けたエアギャップ内に配置されるため、高電圧が誘導されたコアと近接することから、コアから磁電変換素子（リード部分）に放電して磁電変換素子が破損するという問題がある。この対策として、コアを回路基板の例えばＧＮＤ電位（回路基板内の制御電源の基準電位、以降ＧＮＤと称す）へ接続してコアの電位を固定する（以降、ＧＮＤに接続することを接地と称す。）方法がある。コアと回路基板との接地方法としては、一般的にコア周囲に銅テープなどを貼り付け、銅テープと回路基板のＧＮＤを接続することで、コアを接地させる方法や、ＧＮＤと接続されたシートメタルのシールド板をコア側面と接触させることでコアを接地させる方法が知られている。（たとえば、特許文献１参照。）

また、コアと磁電変換素子の相対位置が衝撃や振動などで変化した場合、磁電変換素子に鎖交する検出すべき磁束が変化することにより検出値が変化し測定誤差となるため、コアと磁電変換素子の相対位置を固定して動かないようにする必要がある。上記シートメタルのシールド板を用いて接地させる構成においては、シールド板にコアと磁電変換素子の相対位置を固定する機能を持たせて、コアと磁電変換素子の位置決めを行う方法が知られている。（たとえば、特許文献１参照。）

特許５８９４７３５ 図１

上記のように従来のコアの接地方法として、銅テープによって接地させる場合、銅テープをコアに貼り付ける作業と、銅テープと回路基板をはんだ付け等で接続する必要がある。また、コアにケイ素鋼板コアを用いた場合、表面に絶縁性の酸化被膜が形成されているため、直接接地するためには研磨等で酸化被膜を除去する必要があり、多くの工数が必要となる問題があった。
また、特許文献１に記載されている様なシールド板によって接地させる場合においても、構成部品が増えるため組立工数やコストが増加したりする問題があった。

また、特許文献１に記載されている様なシールド板によってコアと磁電変換素子の位置決めを行う場合、シールド板は通常銅合金の薄板で構成されているため、固定強度が十分ではなく、振動や衝撃によるたわみ、変形等で位置が動き、磁電変換素子に鎖交する磁束が変化することにより検出値が変化し測定誤差となる問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コアを回路基板のＧＮＤに追加部品無く簡易に接続して接地することが出来、なおかつコアと磁電変換素子との位置決めを精度よく行うことが出来る電流検出装置を提供することを目的とするものである。

この発明の電流検出装置においては、被測定電流により生じる磁束を集めるエアギャップを有する略Ｃ形状の積層コアと、エアギャップ内に配置される磁電変換素子と、磁電変換素子を実装する回路基板を備える電流検出装置であって、コアを構成するコアシートに設けられたコア突起部を、回路基板に設けられ、回路基板に供給される制御用電源の所定の基準電位に接続された第１の導電部を有するスルーホールに圧入して、第１の導電部に接触させることにより、コアを回路基板に電気的に接続するものである。

この発明によれば、磁気コアに設けた突起部を回路基板に圧入することで、シールド等の別部品の追加無しで、コアを回路基板のＧＮＤ電位に接続し、電流検出装置の部品点数削減および組立性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における電流検出装置の斜視図である。 図２は、図１の電流検出装置のコアを示す斜視図である。 図３は図２の積層コアを構成する第１コアシートの斜視図である。 図４は図２の積層コアを構成する第２コアシートの斜視図である。 本発明の実施の形態１における電流検出装置を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態２における電流検出装置の斜視図である。 本発明の実施の形態３における電流検出装置の斜視図である。 本発明の実施の形態４における電流検出装置の斜視図である。 図９は図８の積層コアを構成する第１コアシートの斜視図である。

実施の形態１
図１はこの発明の実施の形態１における電流検出装置１００を示す斜視図、図２は電流検出装置１００のコア１の斜視図、図３および図４はコア１を構成する第１及び第２コアシートのそれぞれ一枚の形状を示す斜視図、図５は電流検出装置１００を示す分解斜視図である。また、電流検出装置１００は、図示しない樹脂製のケース・カバーに収納されている。

図１において、電流検出装置１００は、被測定電流を流すための導体（図示せず）を貫通させる貫通穴３と、導体に流れる電流によって発生する磁束を集磁するコア１と、コア１のエアギャップ１ｂに生じる磁束を検出する磁電変換素子２と、制御電源の供給および検出信号を出力するためのコネクタ端子５と、磁電変換素子２、コネクタ端子５および図示しないコンデンサ等の電子部品を実装した回路基板４から構成されており、被測定電流に応じた磁束密度を磁電変換素子２で検出することにより、導体を流れる電流の計測を行う。

回路基板４は、ＧＮＤ電位となる導電部を有するパッド４ａと、穴壁面にＧＮＤ電位となる導電部を有するスルーホール４ｂを備えている。スルーホール４ｂは、例えば１ｍｍ×３．４ｍｍの略長方形状で、回路基板４の周辺部分に例えば４個あり、パッド４ａは例えば１．５ｍｍ×１．７５ｍｍの略長方形状で回路基板４の周辺部分に例えば４個ある。

図２に示すように、コア１は複数枚の電磁鋼板（ケイ素鋼板）、パーマロイ等の軟磁性体のコアシートを積層した物であり、回路基板４へ圧入する突起部１ａおよび回路基板４に接触させる台座形状１ｃを設けた第１コアシート（図３に１ｄとして図示する）と、回路基板４へ圧入および接触させる部分を持たない第２コアシート（図４に１ｅとして図示する）を組み合わせて構成されている。第１及び第２のコアシートの板厚は例えば０．５ｍｍである。

第１コアシート１ｄは、複数枚の第２コアシート１ｅを挟むように表裏各一枚ずつ取り付けられており、図示しないがそれぞれのシートはカシメもしくはレーザー溶接などで剥がれないように固定されている。
本発明では、特に説明をしない場合は第１及び第２コアシートの積層方向をＺ方向、突起部１ａを圧入する方向をＹ方向、エアギャップ１ｂのギャップ幅方向をＸ方向とし、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向はそれぞれ９０度の角度を有する。

図３に示すように、第１コアシート１ｄには、回路基板４へ圧入する突起部１ａが有り、突起部１ａは、スルーホール４ｂと弾性接触させるため、そのＸ方向外幅はスルーホール４ｂの長辺より長い３．６ｍｍで、打ち抜き穴１ｆおよびそれに沿った膨らみ形状１ｇを備えている。打ち抜き穴１ｆは例えば１．６ｍｍ×４．８ｍｍの略楕円形状で、第１コアシート１ｄの周辺部分に例えば２個あり、膨らみ形状１ｇは例えば打ち抜き穴１ｆの外周に沿った幅１ｍｍの略楕円形状である。
また、第１コアシート１ｄには、貫通穴３の周囲を取り囲むコア部分と、コア１のエアギャップ１ｂを構成するギャップと、回路基板４へ圧入した際にパッド４ａに接触させる台座形状１ｃを備えている。台座形状１ｃは例えば１．２ｍｍ×３．５ｍｍの略長方形状で、コアシート１ｄの周辺部分に例えば２個ある。
図４に示すように、第２コアシート１ｅには、貫通穴３の周囲を取り囲むコア部分と、コア１のエアギャップ１ｂを構成するギャップを備えている。
図５に示すように、突起部１ａをスルーホール４ｂに圧入する際に、コア１に設けた台座形状１ｃが、回路基板４に設けたパッド４ａに接触するまで圧入することで、回路基板４に実装された磁電変換素子２を、コア１のエアギャップ１ｂ内の任意の位置に配置するとともに、コア１の台座形状１ｃとパッド４ａ、もしくは突起部１ａとスルーホール４ｂが接触している。また、パッド４ａの表面を半田めっきや金めっきなどの表面処理（図示せず）を行うことにより、台座形状１ｃとの接触を担保させる。

このように構成された電流検出装置１００においては、コア１に設けた突起部１ａを回路基板４のスルーホール４ｂに圧入し、スルーホール４ｂの穴壁面の導電部（ＧＮＤ）に突起部１ａの膨らみ形状１ｇを接触させることで、シールド等の別部品を用いることなく、コア１を接地することができるので、部品点数の削減およびコストを低減することができる。

また、突起部１ａに設けた打ち抜き穴１ｆおよびそれに沿った膨らみ形状１ｇが、スルーホール４ｂへ圧入時に弾性変形しながら回路基板上のスルーホール４ｂと接触することで、回路基板４の固定およびコアのエアギャップ１ｂと磁電変換素子２とのＸ方向、Ｚ方向の位置決めを行い、組み立て後の振動や衝撃による耐性を向上させることができる。同時に、スルーホール４ｂと突起部１ａの電気的接続の信頼性を向上させるとことができる。打ち抜き穴１ｆおよびそれに沿った膨らみ形状１ｇは、コア１の板厚あるいはスルーホール４ｂの大きさに応じて、変更しても良い。または、打ち抜き穴１ｆを完全な穴とせず、Ｚ方向に凹ませたり折り曲げたりして、スルーホール４ｂと接触させてもよい。

また、第１及び第２コアシートを積層することで構成されたコア１は、順送プレスにより同一金型で連続して打ち抜きおよびカシメを行うことで製造出来るため、シールド等の別部品の金型および組付け工程が不要であり、生産性が向上しコストを低減できる。ただし、順送プレスを用いず第２コアシート１ｅのみを別工程で生産し、後ほど第１コアシート１ｄのみレーザー溶接とすることも可能である。

また、突起部１ａの形状に加えて、位置決め用の基準となる台座形状１ｃを設けることで、台座形状１ｃに接触するまで基板を圧入することで、磁電変換素子２をエアギャップ１ｂ内のＹ方向任意の位置に固定することができるため、組み立て作業性が向上しコストを低減できる。

また、台座形状１ｃと回路基板４が接触する箇所にＧＮＤ電位のパッド４ａを設けることで、スルーホール４ｂ以外にも接地箇所を増加させ、電気的接続の信頼性を向上させることが出来る。

また、一般的に電磁鋼板（ケイ素鋼板）のコアの表面は絶縁性の酸化膜が形成されているが、本発明では第１コアシート１ｄのプレス断面部を回路基板４のスルーホール４ｂまたはパッド４ａと接触させることで、あらかじめ酸化膜を削って除去する作業が必要なく、電気的接続の信頼性が向上するとともに、組み立て作業性に優れる。

なお、前記実施の形態１では、突起部１ａを設けた第１コアシート１ｄは、複数枚の第２コアシート１ｅをＺ方向で挟むように表裏各一枚ずつ取り付けるように構成したが、前記の実施形態に限定せず、本発明を達成できるものであれば第１コアシート１ｄの枚数や積層順序を変更したり、あるいは全部を第１コアシート１ｄで構成したりしても良い。また、回路基板４との固定および接地をより強固なものにするために、スルーホール４ｂに適当なランドを設け突起部１ａを半田付けしてもよい。

実施の形態２
図６は突起部１ａを設けた第１コアシート１ｄを一枚とし、回路基板４０（磁電変換素子２を１個と、それらに対応した電子部品（図示せず）とコネクタ端子５を実装し、スルーホール４ｂを２個備えた）をネジ６で樹脂製のケース（図示しない）に固定した場合の他の実施の形態を示すもので、このような構成によっても同様の効果を得ることが出来るとともに、突起部１ａをスルーホール４ｂに圧入接触させる際に、ネジ６の締結時の軸力を圧入力として利用することで、圧入時に回路基板４０を押し込むような治具が不要になり、組み立て作業性が向上しコストを削減することが出来る。

実施の形態３
図７は突起部１ａを設けた第１コアシート１ｄを一枚とし、突起部１ａを、折り曲げ位置１ｈ（図３参照）で略９０°－Ｚ方向に折り曲げて、コア１を－Ｚ方向に回路基板４１（磁電変換素子２を２個と、それらに対応した電子部品（図示せず）とコネクタ端子５０を実装し、スルーホール４ｂを４個備えた）に圧入固定した場合の他の実施の形態を示すもので、コア１を２個対向させて配置し、２つの貫通穴３を貫通した２つ（２相）の導体（図示せず）の電流を計測する電流検出装置としている。このような構成によっても同様の効果を得ることが出来る。

実施の形態４
前記実施の形態１では、突起部１ａに設けた打ち抜き穴１ｆおよびそれに沿った膨らみ形状１ｇを回路基板４のスルーホール４ｂに圧入接触させるように構成したが、前記の実施形態に限定せず、本発明を達成できるものであれば、突起部１ａと回路基板４との間に必要な接触圧力に応じて、突起部１ａの先端を変形させて回路基板４のスルーホール４ｂもしくはパッド４ａに接触するような、異なった形状であってもよい。
たとえば、図８は第１コアシート１ｄの突起部１ａの先端形状を図９に示すように例えば寸法ａ＝３．４５ｍｍ、寸法ｂ＝３．１ｍｍ、寸法ｃ＝１．５ｍｍ、寸法ｄ＝１．５ｍｍの略コの字形状７とし、複数枚の第２コアシート１ｅをＺ方向で挟むように表裏各一枚ずつ取り付けられるように構成した場合の他の実施形態を示すのもので、略コの字形状７を回路基板４のスルーホール４ｂに挿入した後に、略コの字形状７の先端７ａを後曲げして回路基板４とＹ方向で接触させ圧入固定している。このとき、略コの字形状７の先端７ａと、スルーホール４ｂに設けた適当なランド（図示せず）か、台座形状１ｃと回路基板４に設けたパッド４ａを接触させて接地させている。本実施例の回路基板４の板厚は例えば１．６ｍｍであり、寸法ａおよび寸法ｃは回路基板４の板厚によって回路基板４に設けたパッド４ａと接触するような寸法に変更してもよい。また、スルーホール４ｂの寸法は例えば１ｍｍ×３．６ｍｍの略長方形状で、寸法ｂおよび寸法ｄは、より大きなあるいは小さなスルーホール４ｂの寸法に応じて、回路基板４を保持出来るような寸法に変更しても良い。このような構成によっても同様の効果を得ることが出来ることは言うまでもない。

１ コア
１ａ 突起部
１ｂ エアギャップ
１ｃ 台座形状
１ｄ 第１コアシート
１ｅ 第２コアシート
１ｆ 打ち抜き穴
１ｇ 膨らみ形状
１ｈ 折り曲げ位置
２ 磁電変換素子
３ 貫通穴
４ 回路基板
４ａ パッド
４ｂ スルーホール
５ コネクタ端子
６ ネジ
７ 略コの字形状
７ａ 先端
４０ 回路基板
４１ 回路基板
５０ コネクタ端子
１００電流検出装置

Claims (6)

1. 被測定電流により生じる磁束を集めるエアギャップを有する略Ｃ形状の積層コアと、前記エアギャップ内に配置される磁電変換素子と、前記磁電変換素子を実装する回路基板を備える電流検出装置であって、前記コアを構成するコアシートに設けられたコア突起部を、前記回路基板に設けられ、前記回路基板に供給される制御用電源の所定の基準電位に接続された第１の導電部を有するスルーホールに圧入して、前記第１の導電部に接触させることにより、前記コアを前記回路基板に電気的に接続することを特徴とする電流検出装置。
2. 前記コア突起部に、前記スルーホールの穴径よりも大きな幅もしくは厚みを持たせつつ、その一部に穴または膨出部または屈曲部を設けて、前記スルーホール圧入時に弾性接触させることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記コアシートは、前記エアギャップのギャップ幅方向及び前記コアの積層方向からなる平面に前記回路基板との接触面を持つ台座部を有し、前記磁電変換素子が前記ギャップ幅方向に感磁軸をもつように半田付け固定された前記回路基板を、前記コア突起部の圧入部で前記ギャップ幅方向と前記積層方向で固定しつつ、前記台座部で、前記突起部の圧入方向の位置を固定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流検出装置。
4. 前記回路基板に、前記台座部と接触する箇所に前記回路基板に供給される制御用電源の所定の基準電位に接続された第２の導電部を有するパッドを設けて、前記コアと前記回路基板を電気的に接続することを特徴とする請求項３に記載の電流検出装置。
5. 被測定電流により生じる磁束を集めるエアギャップを有する略Ｃ形状の積層コアと、前記エアギャップ内に配置される磁電変換素子と、前記磁電変換素子を実装する回路基板を備える電流検出装置であって、前記コアを構成するコアシートは、略コの字形状のコア突起部と、前記エアギャップのギャップ幅方向及び前記コアの積層方向からなる平面に前記回路基板との接触面を持つ台座部を有し、前記回路基板は、前記コア突起部を挿入するスルーホールと、前記台座部と接触する箇所に前記回路基板に供給される制御用電源の所定の基準電位に接続された第３の導電部を有するパッドを有し、前記磁電変換素子を前記ギャップ幅方向に感磁軸をもつように半田付け固定し、前記コアは、前記コア突起部を前記スルーホールに挿入した後に、前記略コの字形状の先端を曲げ、前記回路基板を前記台座部とで挟み込み固定することを特徴とする電流検出装置。
6. 前記コアは、前記コア突起部を備えたコアシートと、前記コア突起部を備えないコアシートを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流検出装置。

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