JP2023080456A - 電流センサ及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサの磁性コアと磁気センサの位置精度を向上させ、同時に実装面積を小さくし、耐振動性を向上させた電流センサを得る。【解決手段】開口部を有し、導体９に流れる被測定電流による磁界を集磁する磁性コア１０に上記開口部に対向する部分から上記開口部に向けて延びるコア足部１０ｂと、コア足部１０ｂの先端部で開口を形成するコアツメ部１０ｃを設け、磁気センサ１１を搭載したステージ基板１３にコアツメ部１０ｃが篏合するくびれ部１３ａと、コア足部１０ｂとの間で接触面を形成する基板ツメ部１３ｂを設け、コア足部１０ｂの基板ツメ部１３ｂとの接触面に、コア足部１０ｂの延長方向に幅が減少するテーパ部を形成した。【選択図】図３

Description

本願は、電流センサ及びそれを用いた電力変換装置に関するものである。

電力変換装置には、一般的に、出力電流を検出するための電流センサが備えられる。電力変換装置は、電流センサが検出した値を元に出力電流を制御するため、高い精度が求められる。同時に、小型であることも求められる。例えば特許文献１には、電流が流れる導体と、溝が設けられた基板と、この基板の上に実装されて磁界強度を検出する磁気センサと、溝に一部が挿入されて基板に固定される磁性体部材と、を備えた電流センサが開示されている。

特開２０１８－１１９９９４号公報

近年は電気自動車の開発が盛んであり、より高精度で小型化された高耐久の電流センサの要求が高まっている。高精度な電流センサであるために、電流が作り出す磁界を集磁し、かつ外部から流入する磁界を遮蔽する磁性コアと、上記磁性コアによって集磁された磁界を検出して信号電圧を出力する磁気センサとを備え、この磁性コアと磁気センサの位置関係を高精度に製造できる実装構造が必要となる。同時に、実装面積を小さく、振動によって破損しないような構造が求められる。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電流センサの磁性コアと磁気センサの位置精度を向上させ、同時に実装面積を小さくし、耐振動性を向上させる電流センサ及びそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電流センサは、開口部を有し、導体に流れる被測定電流による磁界を集磁する磁性コアと、上記開口部に配置されて上記磁性コアによって集磁された磁束を検出し、電気信号へ変換して出力する磁気センサと、上記磁気センサを搭載したプリント基板で構成されるステージ基板と、上記磁気センサが出力する電気信号を受信して上記被測定電流を計測し、制御する制御回路部を搭載したメイン基板と、非磁性体で構成され、上記磁性コアを上記メイン基板へ押し当てるコア抑え板と、を備え、
上記磁性コアには、上記開口部に対向する部分から上記開口部に向けて延びるコア足部と、上記コア足部の先端部で開口を形成するコアツメ部を設けると共に、上記ステージ基板には、上記コアツメ部が篏合するくびれ部と、上記コア足部との間で接触面を形成する基板ツメ部を設け、上記コア足部の上記基板ツメ部との接触面に、上記コア足部の延長方向に幅が減少するテーパ部を形成したことを特徴とする。

本願に開示される電流センサによれば、電流センサの磁性コアと磁気センサの位置精度を向上させ、同時に実装面積を小さくし、耐振動性を向上させることができる。

実施の形態１に係る電流センサを搭載した電力変換装置の回路図の一例を示す図である。 実施の形態１に係る電流センサの斜視図である。 実施の形態１に係る電流センサの上面図である。 実施の形態１に係る電流センサの側面断面図である。 実施の形態１に係るステージ基板の配線パターンの一例を示す図である。 実施の形態１に係るステージ基板とメイン基板の接続例を示す図である。 実施の形態１に係るスペーサの形状例を示す図である。 実施の形態１に係るコア抑え板の形状例を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の上面図である。 実施の形態１に係るステージ基板と磁性コアの篏合方法を示す図である。 実施の形態２に係る電流センサの側面断面図である。 実施の形態２に係るステージ基板の配線パターンの一例を示す図である。 実施の形態２に係るステージ基板の配線パターンの他の例を示す図である。 実施の形態３に係る電流センサの上面図である。 実施の形態３に係る電流センサの側面断面図である。 実施の形態４に係る電流センサの上面図である。 実施の形態４に係る電流センサの側面断面図である。 実施の形態５に係る電力変換装置の内部上面図である。 実施の形態５に係る電力変換装置の側面断面図である。 実施の形態５に係る電力変換装置の正面断面図である。

以下、本願に係る電流センサ及びそれを用いた電力変換装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電流センサを搭載した電力変換装置の回路図の一例を示す図である。
図１において、電力変換装置１００は、例えば電気自動車に搭載されるインバータ回路である。インバータ回路は、スイッチング素子を備えたパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃで構成され、モータ１を駆動またはモータ１で回生発電するための電力変換を行う電力変換部２、電力変換部２の入力段に備えられ、数十Ｖ～数百Ｖのリチウムイオンからなるバッテリ３の入力電圧を平滑する電力平滑部４、バッテリ３と電力変換部２、及び電力平滑部４とを電気的に繋ぐ配線５、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃのスイッチングを制御する制御回路部６を備えて構成されている。

電力変換部２を構成するパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃは、スイッチング素子をスイッチングすることにより直流電流を交流電流へと変換し、交流配線７を通してモータ１を駆動させる。また、回生ブレーキなどでモータ１に生じた交流電流を交流配線７を通してパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃで整流し、電力平滑部４を構成する平滑コンデンサにて平滑してバッテリ３に蓄える。交流配線７を通ってモータ１へ、またはモータ１から流れる交流電流を測定するのが電流センサ８である。電気自動車を駆動するモータ１は、三相交流型のフルブリッジ回路によって駆動されることが多いため、図１のように計３個のパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃと、Ｕ相電流センサ８ａ、Ｖ相電流センサ８ｂ、Ｗ相電流センサ８ｃの計３個の電流センサ８でしばしば構成される。なお、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃが有するスイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅａｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

制御回路部６は、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃへ適切な信号を出力し、目標のモータ駆動周波数あるいはトルクが得られるように制御する。また、モータ１が破損した場合など、電流の異常を検出した後、すぐさま適正な順序でパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃの駆動、並びに電力供給を停止させるように制御する。これらのような制御は、電流センサ８で検出した電流値及びこれを変換した信号電圧を基に行われる。また、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃとモータ１とを電気的に接続する導体である交流配線７は、大電流が流れ高温になる場合が多いため、断面積の大きなバスバーあるいはハーネスで構成されている。

次に、電流センサ８の具体的な構成について説明する。
図２は、電流センサ８の斜視図であり、図３は、電流センサ８の上面図で、（ａ）はコア抑え板を取り付けた図、（ｂ）はコア抑え板を取り除いた図である。また、図４は、電流センサ８の側面断面図で、図３（ａ）の矢印Ａ－Ａ方向の側面断面図である。
ここで、メイン基板が制御回路あるいはステージ基板を搭載した平面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面の内、磁性コアの開口面が存在する方向をＸ方向、磁性コアの開口面に垂直な方向をＹ方向とする。また、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向とする。メイン基板の部品搭載面の内、ステージ基板あるいは磁性コアが搭載される側の面をＣ面、裏面をＳ面とし、メイン基板の厚み中央部をＺ方向の原点と定めた場合に、Ｚ方向が正の側を上とし、かつ、ここではＣ面側をＺ方向が正の側とする。

電流センサ８は、交流配線７の一部でありパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃから延びる導体９と、導体９が貫通するＺ方向とは別に、Ｙ方向に開口部を有する磁性コア１０、磁性コア１０の開口部に配置される磁気センサ１１、磁気センサ１１を搭載し、Ｚ方向に延びる導体のピン１２を複数本備えるステージ基板１３、及び制御回路部６を搭載したメイン基板１４の一部分によって構成されている。

導体９はいわゆるバスバーの形状をしており、その材質として、例えば銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、スズ、スズ合金、ニッケル合金、金、金合金、銀、銀合金、鉄、鉄合金などの金属が用いられる。導体９はバスバーではなく、ケーブルあるいはハーネスであっても良い。実施の形態１では、上面から見た場合に導体９がメイン基板１４の外側を通るように配置されている。

磁性コア１０は、導体９に流れる被測定電流が作る磁界を集磁し、磁気センサ１１に磁束を与える役割を持つと同時に、他相の導体９、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃ、あるいは他の回路によって生じる外部の磁束を遮蔽する役割も持つ。磁性コア１０は上面から見るとＣ字形のような形状をしている。ただし、磁性コア１０はＣ字形のように丸みしかない形状である必要はなく、図１から図３に示すように角形状でも良い。磁性コア１０の外形サイズについては、測定対象とする電流の大きさ、または磁性コア１０の材質によるが、おおよそＸ軸方向幅(横幅)１０ｍｍ以上、Ｙ軸方向幅(縦幅)１０ｍｍ以上、Ｚ軸方向幅(高さ)５ｍｍ以上である。磁性コア１０の材質は電磁鋼板、ケイ素鋼板、Ｍｎ-Ｚｎ系フェライトコア、Ｎｉ-Ｚｎ系フェライトコア、アモルファスコア、アイアンダストコア、パーマロイなどである。

磁性コア１０の内、開口部と対向する辺をコア背部１０ａ、コア背部１０ａからＹ軸方向に延びる部分をコア足部１０ｂ、そしてコア足部１０ｂの先端部で開口を形成する部分をコアツメ部１０ｃとする。コア足部１０ｂの内側は、コア背部１０ａからコアツメ部１０ｃにかけてＸ方向幅(足厚さ)が減少していくテーパ部を形成したテーパ構造となっている。なお、コア足部１０ｂの内側だけでなく、外側もテーパ構造になっていても良い。コアツメ部１０ｃは、両側のコア足部１０ｂの内側壁面から０．５ｍｍ程度以上、内側へ突出するように形成される。

磁気センサ１１は、被測定電流によって生成されて磁性コア１０によって集磁された磁束を検出して電気信号へ変換するセンサであり、例えばホール素子、磁気抵抗素子、あるいはフラックスゲートセンサなどである。センサのパッケージとして、ＳＯＰ型のような表面実装型でも良いし、ＴＯ型のようなリード部品型でも良い。

ステージ基板１３は、メイン基板１４の上に搭載される、メイン基板１４より小さな単層または多層のプリント基板である。ステージ基板１３の上には磁気センサ１１が搭載され、磁気センサ１１をメイン基板１４の制御回路部６に電気的に接続するための配線パターンが形成される。同時に、ステージ基板１３にはメイン基板１４と接続するための電気接続部が設けられる。
実施の形態１では、電気接続部として導体のピン１２が複数本備えられ、これらのピン１２が磁気センサ１１と制御回路部６を電気的に接続する電流経路となる。ただし、必ずしも全てのピン１２が電流経路とならなくてもよく、ステージ基板１３をメイン基板１４に機械的に接続し固定するためのピンがあっても良い。ステージ基板１３にピン１２を通すためのスルーホールが形成されていても良いし、表面実装型のピンを使用しても良い。ピン１２の代わりにねじを使用しても良い。また、ステージ基板１３には、磁気センサ１１以外の電子部品が搭載されていても良い。

図５にステージ基板１３の配線パターンの一例を示す。配線パターンＰあるいはピン１２の材質は、例えば銅、銀、金、スズ、ニッケルなどである。また配線パターンＰ以外のステージ基板１３の材質は、例えば紙フェノール、紙エポキシガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ポリイミドなどである。

ステージ基板１３は上面から見るとＨ字形のような形状をしていることが特徴である。ステージ基板１３を上面から見た時の凹部によって形成されるくびれ部１３ａの形状は、磁性コア１０のコアツメ部１０ｃの外形と一致する。この時、くびれ部１３ａの寸法はくびれ部面積が減少する方向の公差で製造されることが好ましい。上記凹部の端に形成される凸部の内、磁性コア１０で囲まれた内側に配置される部分を基板ツメ部１３ｂとする。
基板ツメ部１３ｂのＸ方向幅（基板ツメ幅)は、コア足部１０ｂの内側のテーパによって連続的に変化する幅と同寸法で変化していく。この時、基板ツメ幅は、幅が広がる方向の公差で製造されることが好ましい。基板ツメ部１３ｂではない側の凸部は、テーパ状の基板ツメ幅の最大幅以上の幅とする。より好ましくは、磁性コア１０の横幅以上の基板ツメ幅とする。ステージ基板１３のくびれ部１３ａと磁性コア１０のコアツメ部１０ｃが篏合することによって、ステージ基板１３と磁性コア１０が位置決めされる。従って、ステージ基板１３の上に搭載された磁気センサ１１と磁性コア１０のＸ方向、Ｙ方向の位置関係が決定される。なお、ステージ基板１３にはスルーホール１３ｃが形成されている。

メイン基板１４は、ステージ基板１３の他に、磁気センサ１１の信号を受信しパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃを制御する制御回路部６を備える、単層または多層のプリント基板である。制御回路部６はマイコンあるいはコンパレータ、その周辺回路などで構成される。制御回路部６には、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃを駆動する駆動回路、異常時に制御系の動作を停止させる保護回路、車両と通信する通信回路、及びこれらの回路に電力を供給する電源回路などが含まれていても良い。メイン基板１４には各電子部品Ｅを電気的に接続する配線パターン（図示せず）が形成される。この配線パターンの材質は、例えば銅、銀、金、スズ、ニッケルなどである。また、配線パターン以外のメイン基板１４の材質は、例えば紙フェノール、紙エポキシガラスコンポジット、ガラスエポキシ、あるいはポリイミドなどである。

メイン基板１４にはステージ基板１３を電気的または機械的に接続するスルーホール（図示せず）が形成される。ただし、スルーホールの代わりに、図６（ａ）に示すソケット１５、図６（ｂ）に示すねじ端子台１６が実装されていても良い。

図６に示すように、ステージ基板１３とメイン基板１４の間にスペーサ１７を使用し、メイン基板１４に対するステージ基板１３の高さを決定する。スペーサ１７が直方体のブロック形状であって磁気センサ１１の直下に配置されていても良い。この場合、スペーサ１７の固定方法として、スペーサ１７にざぐりのある貫通穴を形成すると共に、メイン基板１４に通し穴を形成し、スペーサ１７の貫通穴とメイン基板１４の通し穴にねじを通して筐体に固定する方法が考えられる。あるいは図７に示すように、スペーサ１７が円筒形であってステージ基板１３の各ピン１２を囲うように配置されていても良い。この場合、スペーサ１７を固定する必要はない。スペーサ１７は絶縁材料であることが好ましく、例えばＰＥＥＫのようなスーパーエンプラ、ＰＯＭのようなエンプラ、ＡＢＳのような汎用プラスチック、アルミナなどのセラミックなどである。ただし、絶縁が担保できているのであればアルミなどの金属でも良い。なお、図６（ｂ）に示すように、ピン１２の代わりにねじ１８とねじ１８を固定するねじ端子台１６を使用する場合、ねじ端子台１６がスペーサ１７の役割を果たすようにしても良い。

磁性コア１０は、磁性コア１０の下面がメイン基板１４の上面側に接するように配置する。これにより、磁気センサ１１と磁性コア１０のＺ方向の位置関係が決定される。このＺ方向の位置関係はスペーサ１７の高さによって決定され、最小高さはスペーサ１７がない状態である磁性コア１０の下面からステージ基板１３の厚さと磁気センサ１１の内部の感磁部がある箇所までの高さを足し合わせた高さで、最大高さは任意にできる。

上記のように決定される磁気センサ１１と磁性コア１０のＺ方向の位置関係が変化しないように、磁性コア１０をコア抑え板１９によってメイン基板１４へ押し当てる。コア抑え板１９は非磁性体であり、例えばアルミ、アルミ合金、銅、銅合金などの金属、ＰＥＥＫのようなスーパーエンプラ、ＰＯＭのようなエンプラ、ＡＢＳのような汎用プラスチック、アルミナなどのセラミックなどである。実施の形態１では、コア抑え板１９が磁性コア１０の開口部方向から見て図８（ａ）のような形状をしている。

図８（ａ）に示すように、コア抑え板１９の両端にあるコア抑え板両端部１９ａにて、メイン基板１４ないしその下にある筐体固定部２１ａと締め付け部材２０で機械的に固定する。この時の固定方法としてねじ止めが考えられるが、メイン基板１４に接着する形でも良い。または、図８（ｂ）から図８（ｄ）に示すように、メイン基板１４にスリット１４ａを形成し、コア抑え板１９の両端に段付きのテーパ加工部１９ｂ、くさび型加工部１９ｃ、あるいは板ばねとして機能する折り曲げ加工部１９ｄを形成することにより、スリット１４ａにコア抑え板両端部１９ａを差し込んで固定する構造、方法でも良い。これらコア抑え板両端部１９ａを差し込んで固定する構造の場合、コア抑え板１９の内、メイン基板１４の上側に位置する箇所(ストッパ部１９ｅ)がスリット１４ａの幅より大きいことが好ましい。更には図８（ｅ）に示すように、コア抑え板１９の内、磁性コア１０の上面と接する部分がＺ方向下側へ湾曲した湾曲ばね部１９ｆを備えていても良い。

上述したような電流センサ８が搭載される、直流を３相交流に変換する電力変換装置１００の一例を図９を示す。この電力変換装置１００は、共通のメイン基板１４の上に３個の電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃ、及びメイン基板１４の下面側に３個のパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃが載置され、その他の部品がねじまたは溶接によって固定される筐体２１によって構成される。必要に応じて、平滑コンデンサなど別の構成要素を搭載しても良く、筐体２１との間には必要に応じてＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）、放熱グリスまたは熱伝導性の高い接着剤を用いる。パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃは、押しばね、または直接あるいは間接的にねじ止めされて筐体２１に固定される。パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃから延びた導体９がモータ１と電気的に接続され、この導体９に流れる電流を電流センサ８で検出する。パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃを駆動させるための信号を受信するため、またパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃの状態を電気信号にして送信するための信号端子２２がパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃからメイン基板１４へと延びて接続される。図９では上面から見てメイン基板１４の下方にパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃの大部分が配置されるようなレイアウトであるが、上面から見てメイン基板１４の外側にパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃがあっても良い。

次に、電流センサ８及び電流センサ８を搭載した電力変換装置１００の組立て方法の一例を説明する。
始めに、筐体２１に対してパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃを載置する。次に、平滑コンデンサ４をパワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃの適切な端子に電気接続しつつ筐体２１に固定する。次に、あらかじめ磁気センサ１１、ピン１２が実装されたステージ基板１３と制御回路部６などが実装されたメイン基板１４を筐体２１に固定する。次に、メイン基板１４のＣ面側から導体９を囲うように磁性コア１０に通しつつ、磁性コア１０をステージ基板１３に篏合させる。そして、磁性コア１０の上面からコア抑え板１９を実装し、メイン基板１４に磁性コア１０を抑えつける。最後に、導体９をモータ１と接続するための端子台などに組み付けて必要に応じてカバーを取り付ける。

ここでは、電流センサ８をメイン基板１４の上側に搭載するイメージで組み立て方法を記載したが、図９における下側に電流センサ８を搭載することも可能である。その場合、メイン基板１４を筐体２１に固定する前に、磁性コア１０とコア抑え板１９をステージ基板１３またはメイン基板１４に固定する工程が入る。その後、磁性コア１０の中に導体９が通るようメイン基板１４を筐体２１に配置、固定する。

ステージ基板１３に形成される基板ツメ部１３ｂの基板ツメ幅と磁性コア１０の開口部の幅次第では、磁性コア１０を上面側からではなくＹ方向からステージ基板１３へ挿入するように組み立てることも可能である。この場合、例えば筐体２１が磁性コア１０を一時的に保持する機構または治具を設け、メイン基板１４を筐体２１に固定する際にＹ方向からスライドさせて磁性コア１０とステージ基板１３をはめ込み、メイン基板１４を固定するような組立てが可能となる。これらステージ基板１３と磁性コア１０の篏合方法を図１０に示す。図１０において、（ａ）はステージ基板１３の上面から磁性コア１０を篏合する図を示し、（ｂ）はステージ基板１３のＹ方向から磁性コア１０を篏合する図を示している。

次に、実施の形態１に係る電流センサ８の効果を説明する。
ステージ基板１３と磁性コア１０が、基板ツメ部１３ｂ、コアツメ部１０ｃ、スペーサ１７、及びコア抑え板１９によって固定されることにより、磁気センサ１１と磁性コア１０のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置関係が優先的に決定される。従って、磁気センサ１１に対する磁性コア１０の位置のばらつきを抑制することが可能であり、製造上のばらつきが小さい高精度な電流センサ８を設計することが可能となる。特に、コア足部１０ｂと基板ツメ部１３ｂが互いにテーパ形状となっていることにより、Ｙ方向の位置変化が生じにくく、Ｙ方向位置精度を非常に高くできる。

また、基板ツメ部１３ｂとはくびれ部１３ａを挟んで反対側にある凸部が基板ツメ幅より大きな幅を有することで、ステージ基板１３が磁性コア１０に対し、ＸＹ平面で回転しにくい。この点でも回転による位置精度の悪化を防止することによる高精度化が可能である。適切な製造公差を選択することで、ステージ基板１３と磁性コア１０の篏合による固定が強くなり、ＸＹ平面における位置精度をさらに向上させることが出来る。

実施の形態１における電流センサ８は、メイン基板１４の端部に搭載することが可能である。そのため、メイン基板１４を占有する面積は、ステージ基板１３を矩形に囲んだ面積とコア抑え板１９の両端部に必要な面積程度で済む。その結果、磁性コア１０を全てメイン基板１４の上に搭載する必要がある場合と比べて小面積で実装が可能である。

コア抑え板１９によって、磁性コア１０がＺ方向にずれることを抑制できる。従って、車載電源のような耐振動性が要求される機器に搭載しても、磁気センサ１１と磁性コア１０のＺ方向の位置精度を担保できる。コア抑え板１９の両端部が段付きのテーパ加工部１９ｂあるいは板ばねとして機能する折り曲げ加工部１９ｄが形成されていて、メイン基板１４のスリット１４ａに挿入することで固定されるような構造であれば、コア抑え板１９を簡便に固定することが可能となり、組立て時間を短縮できる。
また、コア抑え板１９の内、磁性コア１０の上面と接する部分をＺ方向下側へ湾曲させることにより、上記湾曲部がばねの役割を果たし、磁性コア１０を抑えつける効果が向上する。

加えて、磁性コア１０に対する磁気センサ１１の位置を、任意の高さに設計することが可能となる。これにより、外部磁束の影響を小さくできる磁性コア１０の高さ方向中心部に磁気センサ１１を配置することが可能となり、磁性コア１０の高さに依存せず、より高精度化が可能な位置へ配置できる。あるいは、電力変換装置１００のレイアウトによって導体が複雑な形状をしており、開口部をＸ方向に流れる磁束が磁性コア１０の上面または下面に集中するような構成となっていた場合でも、磁気センサ１１にとって都合の良い位置で設計することが可能となる。従って、電流センサ８の設計時の自由度が向上する。
上記の観点から、Ｚ方向に調整が困難な表面実装型の磁気センサ１１を使用しやすく、あるいは磁性コア１０に対するＸ方向、Ｙ方向の位置決めが困難なリード型の磁気センサ１１も使用しやすい。サイズあるいはコスト、性能に応じて両者を使い分けることが可能となる。

適切な基板ツメ部１３ｂの基板ツメ幅と磁性コア１０の開口部の幅で設計することで、磁性コア１０をＹ方向からステージ基板１３へ篏合させることが可能となると、組立て方法の自由度が上がる。別の観点では、上面から磁性コア１０をステージ基板１３に篏合させる組立て方法の場合、磁性コア１０がメイン基板１４に接するまでおよそ数ｍｍ押し込む必要がある。しかし、磁性コア１０とステージ基板１３の位置精度を向上させるために両者の篏合による固定を強くしたいため、押し込むには力が必要となる。結果、上記の方法では組立てにくく、本工程での作業時間の長期化あるいは組立て時のステージ基板１３の破損、ピン１２の屈曲などに繋がり得る。これに対し、磁性コア１０をＹ方向からステージ基板１３へ篏合させる方法であれば、上面から押し込むより簡便に組み立てられ、かつ組立後の固定も担保できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る電流センサについて説明する。
図１１は、実施の形態２に係る電流センサの側面断面図である。なお、上面図については実施の形態１で示した図３とほぼ同等である。
実施の形態２に係る電流センサ８は、実施の形態１に対し、ステージ基板１３の構造と、ステージ基板１３とメイン基板１４を電気的、機械的に接続する構造が異なる。具体的には、ステージ基板１３がプリント基板を複数枚重ねた構造となっている。これらのステージ基板１３を、磁気センサ１１が実装される最上面に位置するものからステージ基板１３ｋ、ステージ基板１３ｌ・・・ステージ基板１３ｎとする。ステージ基板１３ｎはメイン基板１４と接するステージ基板である。

ステージ基板１３ｋの上面側の配線パターンＰは、実施の形態１のステージ基板１３と同等であるが、実施の形態１では、ピン１２を通していたスルーホール１３ｃが磁気センサ１１を実装していない基板下面側とつながり、基板下面側の配線パターンＰと電気的に接続される。ステージ基板１３ｌ・・・ステージ基板１３ｎの基板上面、基板下面の配線パターンＰは、ステージ基板１３ｋの下面側の配線パターンＰを投影したものとなる。また、メイン基板１４のＣ面も同様にステージ基板１３ｎの基板下面の配線パターンＰを投影したような配線パターンＰとなる。これらのステージ基板１３間を接続する配線パターンＰが、実施の形態２における電気接続部となる。ステージ基板１３ｋの上面、下面の配線パターンＰの例を図１２、図１３に示す。図１２、図１３のそれぞれの図において、（ａ）は上面の配線パターンＰを示し、（ｂ）は下面の配線パターンＰを示している。

上記のような複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎは、例えば基板上面側の配線パターンＰの上に半田ペーストを塗布し、メイン基板１４の上に積み重ねていって、リフロー工程で半田を溶かし電気的、機械的に接続する。複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎを積み重ねる際に位置がずれていくことが想定されるため、リフローが終わるまで複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎを仮固定する治具などがあることが好ましい。なお、その他の構成については実施の形態１で説明した電流センサ８と同様であり、説明を省略する。

次に、実施の形態２に係る電流センサ８の効果を説明する。
実施の形態２では、実施の形態１にてステージ基板１３とメイン基板１４を接続するのに用いていたピン構造の代わりに、複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎの積み重ねによって構成している。
実施の形態１のようなピン構造では、ステージ基板１３と磁性コア１０が接触する面積がステージ基板１３の厚さ１枚分である。これに対し、実施の形態２では、積み重ねた複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎの厚み分、ステージ基板１３と磁性コア１０が接触する面積が増加するため、よりずれにくくなり位置精度が向上する。

また、実施の形態１のようなピン構造では、磁性コア１０の組付け時あるいは車両搭載後の振動発生時にピン１２が折れ曲がり、最悪の場合ピン１２が破断するような可能性がある。一方で、実施の形態２のような複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎを用いる構造、構成であれば、ある程度広い半田面で固定されるので、組付け時の応力あるいは車両の振動に対し、より強くすることが可能となる。

ピン１２をメイン基板１４に差し込むような構造である実施の形態１では、ピン１２の浮き上がりあるいは差し損ないによる磁気センサ１１の高さのばらつきが生じる可能性がある。しかし、実施の形態２では、ステージ基板１３ｌ・・・１３ｎ毎の厚み寸法公差があるものの、上記のピン１２によるばらつきほどの影響が出にくい。そのため、Ｚ方向の位置精度をより向上させることが出来る。

各ステージ基板１３ｌ・・・１３ｎ、あるいはステージ基板１３ｌ・・・１３ｎとメイン基板１４をリフロー工程で一括して半田付けすることが出来れば、ピン構造のようにメイン基板１４へステージ基板１３を差し込む工程を必要としなくなる。従って、組立工程を省略できる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る電流センサについて説明する。
図１４は、実施の形態３に係る電流センサの上面図で、（ａ）はコア抑え板を取り付けた図、（ｂ）はコア抑え板を取り除いた図である。また、図１５は、実施の形態３に係る電流センサの側面断面図で、図１４（ａ）の矢印Ｂ－Ｂ方向の側面断面図である。
実施の形態３は、ステージ基板１３に形成される基板ツメ部１３ｂに磁性コア１０の内側全面に拡大した面積拡大部１３ｄを設け、かつ基板ツメ部１３ｂの面積拡大部１３ｄに導体９を通す導体貫通孔１３ｅが設けられている点で実施の形態１と異なる。
基板ツメ部１３ｂの面積拡大部１３ｄの外形は、磁性コア１０の内壁面と接するまで拡大している。ただし、導体９と磁性コア１０の沿面距離の観点から、面積拡大部１３ｄと磁性コア１０の間に０．２ｍｍ以上の空隙を設けても良い。磁気センサ１１は、面積拡大部１３ｄに搭載されていても良い。

導体貫通孔１３ｅは、面積拡大部１３ｄのどの位置に形成されていても良い。必要に応じ、導体９を通しやすくするためのガイド部品を導体貫通孔１３ｅに取り付けても良い。
なお、実施の形態２で説明した、複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎで構成された電流センサ構造を用いて実施の形態３を実施しても良い。なお、その他の構成については実施の形態１で説明した電流センサ８と同様であり、説明を省略する。

次に、実施の形態３に係る電流センサ８の効果を説明する。
ステージ基板１３と磁性コア１０が接触する面積は、広ければ広いほど固定の観点で良い。従って、実施の形態３のような構造にすることでＸ方向、Ｙ方向の位置精度が実施の形態１以上に得られる。
被測定電流が磁性コア１０に生じさせる磁束密度は、電流と磁性コア１０の距離に反比例する。従って、被測定電流が流れる導体９と磁性コア１０の位置関係も、発生磁束あるいは磁気飽和の観点で重要となる。実施の形態３の構造であれば、ステージ基板１３の導体貫通孔１３ｅによって、導体９と磁性コア１０の位置関係のばらつきを抑制できる。従って、製造上のばらつきを抑制することが可能となる。

また、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃから延びる導体９は、電流センサ通過後に溶接あるいはねじ止めなど、他の導体部と固定されることが多い。その際、面積拡大部１３ｄの導体貫通孔１３ｅがガイドの役割を果たし、後工程が組立てやすくなる効果が得られる。

実施の形態４．
次に、実施の形態４に係る電流センサについて説明する。
図１６は、実施の形態４に係る電流センサの上面図で、（ａ）はコア抑え板を取り付けた図、（ｂ）はコア抑え板を取り除いた図である。また、図１７は、電流センサ８の側面断面図で、図１６（ａ）の矢印Ｃ－Ｃ方向の側面断面図である。
実施の形態４では、実施の形態１に対し、メイン基板１４に導体貫通孔１４ｂが形成されており、上面から見た場合に導体９が導体貫通孔１４ｂを通してメイン基板１４の内側に配置される点で異なる。導体貫通孔１４ｂには、必要に応じて導体９を通しやすくするためのガイド部品を設けても良い。

なお、実施の形態２で説明した、複数のステージ基板１３ｌ・・・１３ｎで構成された電流センサ８の構造、あるいは実施の形態３で説明したステージ基板１３の面積拡大部１３ｄを備える構造を用いて、実施の形態４を実施しても良い。なお、その他の構成については実施の形態１で説明した電流センサ８と同様であり、説明を省略する。

次に、実施の形態４に係る電流センサ８の効果を説明する。
実施の形態１から３がメイン基板１４の外側に導体９を配置しているのと異なり、実施の形態４ではメイン基板１４の内側にも導体９を配置することができる。従って、パワーモジュール２ａ、２ｂ、２ｃの位置あるいは電流センサ８の配置、電流センサ８を通過した後の導体９の形状など考慮した自由度の高い設計が可能となる。例えば、実施の形態１では、導体９がメイン基板１４の外側に配置されているために、磁性コア１０もＹ方向に数ｍｍ程度、メイン基板１４の外側にはみ出るような形で実装されることとなる。その結果、メイン基板１４と磁性コア１０が接触する面積が小さく、コア抑え板１９による抑えつけが不十分となり、磁性コア１０がＹＺ平面上を回転するように位置ずれする可能性がある。これに対し、実施の形態４では磁性コア１０の下面全面をメイン基板１４へ接触させることが可能となるため、ＹＺ平面上で回転する心配がなく、磁気センサ１１と磁性コア１０の位置精度をより向上させることが出来る。

実施の形態５．
次に、実施の形態５に係る電流センサを搭載した電力変換装置について説明する。
図１８は、実施の形態５に係る電力変換装置のカバーがない状態での上面図、図１９は、実施の形態５に係る電力変換装置の側面断面図で、図１８の矢印Ｄ－Ｄ方向の側面断面図である。また、図２０は、実施の形態５に係る電力変換装置の正面断面図で、図１８の矢印Ｅ－Ｅ方向の正面断面図である。
実施の形態５に係る電力変換装置１００では、実施の形態１で説明したような構成要素に加え、筐体２１に固定され筐体２１以外の構成要素を覆うカバー２３を備えており、カバー２３にはコア抑え板１９が取り付けられている。また、電力変換装置１００に備わる３つの電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃがＸ方向に整列した構造となっている。これら３つの電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃの磁性コア１０ｘ、１０ｙ、１０ｚをカバー２３に取り付けられたコア抑え板１９が、カバー２３を筐体２１に固定すると共に、磁性コア１０ｘ、１０ｙ、１０ｚをメイン基板１４へ抑え付ける点で異なる。

カバー２３は、電力変換装置１００の防塵、防水、装置内部品の飛散防止などの機能を持つ。カバー２３の材質はアルミ、アルミ合金、銅、銅合金、スズ、スズ合金、ニッケル合金、金、金合金、銀、銀合金、鉄、鉄合金などの金属、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミック、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＴＦＥ、ＰＣ、ＰＯＭ、ＰＡ、ＰＥＴなどのプラスチックである。周囲の電子機器から、または装置自身から周囲へのノイズ遮蔽を考慮すると、鉄系の磁性材料が好ましい。

カバー２３にはコア抑え板１９が、ねじ止め、接着、溶接といった方法で固定される。実施の形態５では、３つの電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃで共通した１つのコア抑え板１９を使用するように構成している。ただし、電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃごとにコア抑え板１９を用意しても良い。カバー２３を筐体２１に固定した際、コア抑え板１９と磁性コア１０ｘ、１０ｙ、１０ｚが接触するような構造とする。コア抑え板１９が、磁性コア１０ｘ、１０ｙ、１０ｚと接触する部分とその周辺で湾曲し、ばねのような弾力性を有する図８で示すような構造であっても良い。なお、その他の構成については実施の形態１で説明した電流センサ８と同様であり、説明を省略する。

次に、実施の形態５に係る電力変換装置１００の効果を説明する。
３相交流の電力変換装置１００には、およそ３つの電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃが搭載される。実施の形態１から４のように電流センサ８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれにコア抑え板１９を取り付けるのは手間である。実施の形態５であれば、メイン基板１４に対する加工の必要なく、比較的単純な構造のコア抑え板１９で磁性コア１０ｘ、１０ｙ、１０ｚを手間なく抑えつけることが可能である。従って、製造、組立ての工程を簡略ないし省略することが出来る。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ モータ、２ 電力変換部、２ａ、２ｂ、２ｃ パワーモジュール、３ バッテリ、
４ 電力平滑部、５ 配線、６ 制御回路部、７ 交流配線、８ 電流センサ、
８ａ Ｕ相電流センサ、８ｂ Ｖ相電流センサ、８ｃ Ｗ相電流センサ、９ 導体、
１０ 磁性コア、１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ 磁性コア、１０ａ コア背部、
１０ｂ コア足部、１０ｃ コアツメ部、１１ 磁気センサ、１２ ピン、
１３ ステージ基板、１３ｋ ステージ基板、１３ｌ ステージ基板、
１３ｎ ステージ基板、１３ａ くびれ部、１３ｂ 基板ツメ部、
１３ｃ スルーホール、１３ｄ 面積拡大部、１３ｅ 導体貫通孔、１４ メイン基板、１４ａ スリット、１４ｂ 導体貫通孔、１５ ソケット、１６ ねじ端子台、
１７ スペーサ、１８ ねじ、１９ コア抑え板、１９ａ コア抑え板両端部、
１９ｂ テーパ加工部、１９ｃ くさび型加工部、１９ｄ 折り曲げ加工部、
１９ｅ ストッパ部、１９ｆ 湾曲ばね部、２０ 締め付け部材、２１ 筐体、
２１ａ 筐体固定部、２２ 信号端子、２３ カバー、１００ 電力変換装置、
Ｐ 配線パターン、Ｅ 電子部品。

Claims (9)

1. 開口部を有し、導体に流れる被測定電流による磁界を集磁する磁性コアと、
   上記開口部に配置されて上記磁性コアによって集磁された磁束を検出し、電気信号へ変換して出力する磁気センサと、
   上記磁気センサを搭載したプリント基板で構成されるステージ基板と、
   上記磁気センサが出力する電気信号を受信して上記被測定電流を計測し、制御する制御回路部を搭載したメイン基板と、
   非磁性体で構成され、上記磁性コアを上記メイン基板へ押し当てるコア抑え板と、を備え、
   上記磁性コアには、上記開口部に対向する部分から上記開口部に向けて延びるコア足部と、上記コア足部の先端部で開口を形成するコアツメ部を設けると共に、上記ステージ基板には、上記コアツメ部が篏合するくびれ部と、上記コア足部との間で接触面を形成する基板ツメ部を設け、上記コア足部の上記基板ツメ部との接触面に、上記コア足部の延長方向に幅が減少するテーパ部を形成したことを特徴とする電流センサ。
2. 上記導体は、上記メイン基板を垂直方向から見た場合に上記メイン基板の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 上記ステージ基板は、上記磁気センサが有する複数の端子と電気的に接続する配線パターンを備えると共に、上記ステージ基板と上記メイン基板を電気的に接続する電気接続部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 上記電気接続部をピンで構成すると共に、上記ステージ基板と上記メイン基板の間にスペーサを設けたことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 上記メイン基板に１つ以上の上記ステージ基板を積層して配置し、上記メイン基板と接する上記ステージ基板の面に上記磁気センサが有する複数の端子と電気的に接続する複数の配線パターンを備え、上記配線パターンと上記メイン基板を半田で固定して電気接続部とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
6. 上記基板ツメ部に上記磁性コアの内側に拡大する面積拡大部を設けると共に、上記面積拡大部に上記導体を通す導体貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電流センサ。
7. 上記メイン基板に導体貫通孔を形成し、上記導体を上記メイン基板の導体貫通孔に配置したことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電流センサ。
8. 複数のパワーモジュールと、上記複数のパワーモジュールが出力する電流を検出する請求項１から７の何れか一項に記載の電流センサと、上記複数のパワーモジュールと上記電流センサを搭載する筐体と、上記筐体を覆うカバーと、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
9. 上記カバーの内側に上記コア抑え板が取り付けられ、上記カバーが上記筐体に固定される時に、上記コア抑え板が上記磁性コアを上記メイン基板へ押し当てる構成であることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。

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