JP3161531U - 電流センサー - Google Patents

Abstract

【課題】自己支持形巻線によって形成されたコイルを有する電流センサーであって、経済的に製造でき、コイルの巻線間において所望の最小絶縁を保証する電流センサーを提供する。【解決手段】電流センサーは、導電コイル部４及び絶縁体部を備える。導電コイル部は、一本以上の螺旋状の巻線を有するコイル部を備え、当該巻線は線状導体によって形成され、中心空洞２２を取り囲んでいる。隣接する巻線同士が誘電効果を有するギャップによって分離されており、絶縁体部は、ギャップを維持する螺旋状の突出部を有する誘電性スペーサー２８を備える。当該突出部は、ギャップを維持する突出部が巻線間のギャップ内に少なくとも部分的に挿入されるように、巻線の中心空洞２２内への挿入を行うように構成される。【選択図】図３ａ

Description

本考案は、巻線導体によって形成されたコイルを備える電流センサーに関する。本考案は、特に、０．３ｍｍ²を超える断面積を有する導体により構成された自己支持形巻線で形成されたコイルを有する電流センサーに関する。

電流検知の用途において、その内部を測定対象の一次電流が流れる一つ以上のターンを有するコイルを備え、このコイルを流れる一次電流によって生じた磁界をこの一次電流の測定値として検出し使用する電流センサーを提供することは公知である。
コイルの巻線の数が、このコイルによって生じた又は拾い上げられた磁界の振幅に影響を与えるため、コイルの巻線間において良好な電気絶縁を保証することは重要である。また電流検知の用途において、測定対象のパラメーターの正確且つ効率的な測定を保証するには、コイルの寸法精度も重要となりうる。

コイルの巻線間において絶縁を保証する一般的な技術の一つとして、コイルを形成する線状導体を誘電性の外側被膜層によって被膜するものがある。コイルを形成する導体の両端は、電気回路と電気的に相互接続される必要があるため、導体の両接続端から絶縁を除去する必要がある。特に、比較的大きい接続面を要する接続端、又は回路基板への表面実装はんだ付け用に構成された接続端の場合、これを自動化された製造工程において実施することは困難且つ高価となる。

比較的太い自己支持形導体によって構成された、例えば１から１０の少ない本数の巻線によって形成された電流センサーのコイルに関しては、被膜されていない導電棒又は導線によってコイルの巻線を形成し、その結果コイルの巻線同士をエアギャップにより分離する螺旋形状が巻線によって形成されるようにすることが公知である。次いで、螺旋状コイル部は、絶縁材料によってオーバーモールドされ、その結果絶縁材料が巻線間のエアギャップを埋めるようになっている。あるいは、ある一定の用途においては、螺旋状コイルの巻線を単に筐体内に収容することで、コイルを形成する導電棒又は導線の剛性により維持されることが意図されたエアギャップのみによって、コイルの巻線間の電気絶縁が提供される。一旦コイルの螺旋状巻線が形成されると、コイルの輸送中又は保管中や、オーバーモールド中又は組立工程中において、巻線間のエアギャップ又はより一般的に巻線の形状が変化してしまい、その結果隣接する巻線同士を分離している距離では使用目的中におけるコイルの所望の精度及び性能に適した電気絶縁を十分保証できなくなる可能性がある。一旦形成されたコイルの巻線の取扱いに対しては配慮が必要なため、これによっても製造コストが増大する。

本考案の目的は、０．３ｍｍ²を超える断面積を有する導体によって構成された自己支持形巻線によって形成されたコイルを有する電流センサーであって、経済的に製造でき、コイルの巻線間において所望の最小絶縁を保証する電流センサーを提供することである。

頑強で寸法の正確な電流センサーを提供することは、有利であろう。

本考案の目的は、請求項１記載の電流センサー及び実施形態に記載の電流センサーの製造工程を提供することによって達成された。

本願において開示されるのは、導電コイル部及び絶縁体部を備える電流センサーであって、導電コイル部は、一本以上の巻線を有するコイル部を備え、当該巻線は線状導体によって形成され、中心空洞を囲んでおり、隣接する巻線同士が誘電効果を有するギャップにより分離されており、絶縁体部は、ギャップを維持する突出部を有する誘電性スペーサーを備え、当該ギャップを維持する突出部は、ギャップを維持する突出部が巻線間のギャップ内に少なくとも部分的に挿入されるように、巻線の中心空洞内に又は巻線の周囲に挿入を行うように構成される。

導電コイル部は、０．３ｍｍ²を超える断面を有する線状導体を備え、コイル導電部は、１０本未満の巻線を有する。一実施形態において、絶縁体部は、螺旋ねじ山が巻線間のギャップ内に少なくとも部分的に挿入されるように、導電コイル部の螺旋状巻線によって形成された中心空洞内に挿入を行うように構成された外側螺旋ねじ山を有する誘電性スペーサーを備える。

この構成により、コイル導電部の隣接する巻線間又はターン間において、正確な誘電効果を有する間隔を維持することが保証される。裸（即ち、誘電的に被膜されていない）導線を、コイル導電部の形成に使用してもよく、これにより電流センサーの接続が意図された電子回路又は電気回路に直接接続される可能性のあるコイルの両末端の被膜を除去する必要がなくなる。

導電コイル部は、有利には、略長方形の断面形状を有する導線によって形成されてもよい。導電コイル部の両末端の接続端は、巻線の中心空洞を貫通して延在する螺旋状巻線の中心軸と略平行な面状に曲げられていてもよい。

絶縁体部は、好ましくは、導電コイル部の少なくとも外周領域を封入し、コイル部の隣接する巻線間のギャップ内に少なくとも部分的に突出する、誘電性オーバーモールドを更に備える。オーバーモールドは、有利には、射出成形されたポリマーの形状でよく、当該ポリマーは、導電コイル部を封入し、挿入されたスペーサーに至るまで且つ当該スペーサーの周囲においてコイル間のギャップを埋めており、スペーサー及び封入によって、導体部の巻線を完全に囲む一体ボディ部が形成され、これにより巻線同士が正確且つ頑強に誘電的に分離されることが保証される。スペーサー及びオーバーモールドは、有利には、同一の射出成形可能なプラスチック材料によって形成されてもよいが、スペーサー及びオーバーモールドを二つの異なる材料によって形成することも可能である。

他の実施形態において、絶縁体部は、一つ以上の要素から形成されてコイル導電部の周囲に組み付けられた筐体を、オーバーモールドの代わりに備えてもよい。筐体は、隣接する巻線間の螺旋状巻線のギャップ内に巻線の外周部周囲において挿入されるように構成された突出部を任意で備えてもよく、これによりコイルの巻線はこれ自体の外周部において支持され、またスペーサーの螺旋ねじ山を使用して任意で内周部においても支持される。

本考案の更なる目的及び有利な特徴は、請求項、実施形態の以下の詳細な説明、並びに添付図面からも明らかになるであろう。

図１ａは、本考案の実施形態に係る電流センサーの斜視図を示す。 図１ｂは、図１ａの斜視図の部分断面図である。 図１ｃは、図１ａの斜視図の断面図である。 図２ａは、本考案の実施形態に係る電流センサーの平面図である。 図２ｂは、図２ａの２ｂ−２ｂ断面図である。 図３ａは、本考案の実施形態に係る電流センサーのコイル導電部及びスペーサーの組立前の状態の斜視図である。 図３ｂは、図３ａの構成部品の組立後の状態の斜視図である。 図４ａは、射出成形用金型の一部に装着された図３ｂに係る組立品のオーバーモールド前の斜視図である。 図４ｂは、図４ａの組立品の他の斜視図である。 図５ａは、本考案の他の実施形態に係る電流センサーのコイル導電部及びスペーサーの組立前の状態の斜視図である。 図５ｂは、図５ａの構成部品の組立後の状態の斜視図である。 図５ｃは、図５ｂの構成部品の組立後の平面図である。 図５ｄは、図５ｃのＡ−Ａ断面図である。

図面を参照すると、電流センサー２が、導電コイル部４及び絶縁体部６を備えている。このコイルは、導電コイル部及び絶縁体部を横切る中央通路８を形成する中央部を有しており、導電コイル部及び絶縁体部は、このコイルによって生じた磁束を伝搬する磁気回路を導電コイル部及び絶縁体部にわたって収容することが意図されている。あるいは、磁気回路の一部が、中央通路を貫通して挿入されることで電流センサー２に事前に組み付けられ、絶縁体部６によってオーバーモールドされていても良い。他の実施形態（図示せず）において、中央部は、絶縁体部の誘電性材料又は他の材料や部材によって埋められていてもよく、これにより、導電コイル部によって生じた磁界は中央部の絶縁体部上又は絶縁体部の外に配置された磁界センサーが拾い上げることになる。更なる他の実施形態（図示せず）においては、磁界センサーを中央部内の絶縁体部内に配置又埋設することが可能である。

図示する本実施形態における導電コイル部４は、高さＨ、幅Ｗの、好ましくはＨ×Ｗの面積が０．３ｍｍ²を超える長方形の断面を有する金属導線１０によって形成されており、これにより、導電コイル部は一旦形成されると安定し自己支持形となり、更には、０．１アンペアを超える、好ましくは１〜５０アンペアの範囲内である、通常は２００アンペアを超えない電流を検知する用途に使用することが可能となる。導線１０の断面輪郭は、好ましくはコイルの巻線の高さＨの長面１２が略半径方向Ｒを向いており、コイルの巻線の幅Ｗの短面１４が導電コイル部の略軸方向Ａを向いている、略長方形である。

導電コイル部は、接続端１６ａ、１６ｂ及び螺旋状コイル部１８を備え、この螺旋状コイル部１８は、軸方向Ａに定められたギャップＧにより互いに分離された一本以上の巻線２０によって形成されている。螺旋状巻線１８は、半径方向外周部２３及び半径方向内周部２５を有し、この半径方向内周部２５により、半径方向内周部２５を軸方向に貫通する中心空洞２２が定められている。空洞２２内には、磁気回路の分岐部（図示せず）又は磁界検出器（図示せず）が装着されてもよいし（実施形態による）、空洞は単に空いたままであっても誘電性材料によって埋められていてもよい。電流が線状導体１０内を流れると、巻線によって中心空洞２２内に磁界が生じる。コイル部１８の巻線２０（ターンとも呼ばれる）の数によって、中心空洞２２内に生じる磁界の強さが、線状導体内を流れる電流の振幅の関数として定まる。より高い測定感度又はより小さい電流振幅のためには、多数の巻線が必要であるのに対し、大きい振幅の電流又は低い測定感度のためには、一つ又は少数のターンのみが必要となる。本考案において意図された電流検知の用途のためには、導電コイル部のターンの数が１〜１０ターンの範囲内であり、好ましくは２〜６ターンの範囲内である。

十分な安定性とコンパクトさと成形のし易さとを有する導電コイル部を形成するには、導線の略長方形又は本質的に長方形の断面における幅Ｗ対高さＨの比率（Ｗ／Ｈ）が、好ましくは０．１〜３の範囲内であり、より好ましくは０．２〜０．８の範囲内である。隣接する巻線間のギャップＧの長さが、好ましくは導体の幅Ｗの１．０倍未満であり、より好ましくは導体の幅Ｗの０．６倍未満であり、例えば導体の幅Ｗの約０．２倍であってもよい。意図された電流検知の用途のためには、螺旋状コイル部１８の外周部２３の半径Ｒｏが２０ｍｍよりも小さく、これにより巻線外側の半径Ｒｏに対する導線の高さＨの比率（Ｈ／Ｒｏ）は、好ましくは０．１〜０．５の範囲内となり、意図された電流検知の用途及び範囲のために良好な機械的安定性及び寸法精度をコイルに提供するには、好ましくは０．２〜０．４の範囲内となる。

導電コイル部の接続端１６ａ、１６ｂは、有利には、相補的なメス端子へのプラグ接続が可能となるように、あるいは電流センサーの接続が意図された電気回路又は電子回路の回路基板又は基板への表面実装はんだ付け用又は溶接用に、平らなタブとして構成されてもよい。好ましい実施形態との関係で導線が上述のような長方形形状を有する場合、特別な追加の成形作業を一切行うことなく、それにもかかわらず外部回路への最適な接続を可能にしつつ、導線の単なる延長部として接続端１６ａ、１６ｂを設けることができる。

絶縁体部６は、ギャップを維持する突出部３０を有するスペーサー２８を備え、このギャップを維持する突出部３０は、コイルの螺旋状巻線間に形成された螺旋状ギャップＧと相補的になるように、支持部３２から半径方向外側に延在して螺旋状に支持体の周囲に分配されており、その結果突出部３０が隣接する巻線間のギャップ内に半径方向に突出して、巻線２０間の誘電効果を有するギャップ距離を維持するようになっている。支持体３２は、好ましくは巻線２０の半径方向内周部２５に当接するように、円筒状又は略円筒状の外側面を少なくとも支持体３２の外周の複数の部分に沿って有する。図３ａ、３ｂにおいて説明する本実施形態において、スペーサー２８は、このスペーサーを螺旋状コイル部１８内にねじ込む（Ｓ）（即ち、スペーサーを回転させる）ことによって、この螺旋状コイル部に組み付けられる。

なお、ギャップを維持する突出部を、螺旋ねじ山と同様の連続する螺旋ねじ山３０として、又は支持体の周囲に螺旋状に分配された別個の部分からなる突出部（即ち、連続しないねじ山）として設けることが可能である。他の実施形態において、その周囲に線状導体を巻きつけて螺旋状コイル部を形成する金型の一部分としてスペーサーを使用して、スペーサーをコイルに組み付けることが可能であり、その結果コイルの形成中にスペーサーはコイルに直接組み付けられる。

図５ａ〜５ｄを参照すると、他の実施形態において、絶縁体部は、ギャップを維持する突出部３０’を有するスペーサー２８’を備え、このギャップを維持する突出部３０’は、コイルの螺旋状巻線間に形成された螺旋状ギャップＧと相補的になるように、支持部３２’から半径方向内側に延在しており、その結果突出部３０’が隣接する巻線間のギャップ内に突出して、巻線２０間の誘電効果を有するギャップ距離を維持するようになっている。支持体３２’は、好ましくは巻線２０の半径方向外周部２３の一部に当接するように、一部円筒状の内側面を有する。本実施形態の変形例においては、対向する両側からコイル部の周囲に装着された一より多くの、例えば二つの、スペーサーを有することが可能である。二つ以上のスペーサーは、例えば相互係合クリップのような機械的手段によって巻線の周囲に装着された後に互いに固定されてもよいし、例えば溶接によって互いに接合されてもよい。

本考案に係る電流センサーは、スペーサー２８、２８’及び導電コイル部４のみによって（図３ｂ又は５ｂに示すように）形成されてもよいし、誘電性の筐体内部に装着され、電流センサーの外部接続用にこの筐体から接続端１６ａ、１６ｂを突出して延在させてもよい。

好ましい実施形態において、図１及び２に示すように、絶縁体部６は、導電コイル部及びスペーサー２８を封入するオーバーモールド３６を更に備える。オーバーモールドは、接続端１６ａ、１６ｂを除く導電コイル部を全て覆っており、コイルの巻線２０間のギャップＧ内に外周部から延在し、スペーサーのギャップを維持する突出部３０、３０’に至るまでの空間を埋めている。これにより、スペーサー及びオーバーモールドによって、コイルの寸法精度及び良好な誘電特性が確実且つ安定的に保証される。図４ａ、４ｂに示すのは、成形用金型３８の一部が、この金型の相補的な空洞４０内でコイルの接続端を保持している様子である。金型３８の距離設定延長部４２、４３により、最外の巻線とコイル部１８の軸方向端との正しい間隔を維持することが保証される。

好ましい実施形態において、コイル部は、螺旋状巻線を有する略円筒形状であるが、本考案の範囲内において、略正方形形状（中心空洞２２の軸Ａの方向に見た場合）、略多角形形状、略長方形形状、又は略楕円形形状の巻線を設けることが可能である。後者の変形例においても、なおスペーサー２８の螺入は可能であろうが、ギャップを維持する突出部は、ある一定の部分のみに沿って巻線間に挿入されることになる。巻線の周囲にスペーサー２８’を装着する場合、スペーサーは、コイル部の外周部の形状に略合致させることが可能である。

なお、本考案に係る電流センサーの各実施形態は上記の如く構成されるが、これらは例えば以下に列挙するような製造方法によって製造される。
１）本考案に係る電流センサー製造方法は、請求項１〜９のいずれかに記載の電流センサーの製造方法において、０．３ｍｍ²を超える断面積を有する導線から、一本以上の巻線を有する導電コイル部を形成するステップと、 連続する又は連続しない螺旋ねじ山形状のギャップを維持する突出部を備える誘電性スペーサー（２８、２８’）を、前記スペーサーの前記螺旋状のギャップを維持する突出部が前記巻線間のギャップ（Ｇ）内に挿入されるように、前記螺旋状巻線の中心空洞内に又は前記巻線（２０）の周囲に挿入するステップとを備える。

２）上記１）の方法において、一つ以上の前記誘電性スペーサーは、前記スペーサーの前記ギャップを維持する突出部が前記コイル導電部の螺旋状の前記巻線（２０）間の前記ギャップ（Ｇ）内に螺入するように、前記スペーサーを前記コイル内で回転させることによって前記コイルに取り付けられる。

３）上記１）の方法において、一つ以上の前記誘電性スペーサーは、前記コイルの外周側から前記コイル部の周囲に装着されることによって前記コイルに取り付けられる。

４）上記１）〜３）の方法において、前記巻線（２０）の周囲及び前記誘電性スペーサーの少なくとも一部の周囲に誘電性材料をオーバーモールドすることによって、これらをオーバーモールドされたボディ部内に封入するステップを更に備える。

上記各方法によれば、前述の電流センサーを経済的で信頼性の高い製造工程により製造可能となる。

コイルを備える電流センサーと、その製造工程であって、製造工程中に当該電流センサーを形成する構成部品の取扱いを可能にし、コイルが歪む危険性を低減する製造工程とを提供することは、有利であろう。

コイルを備える電流センサーと、その製造工程であって、当該電流センサーの実装が意図された電気回路又は電子回路へのセンサーの容易で応用のきく接続を可能にする製造工程とを提供することは、有利であろう。

具体的には、本考案に係る検知の用途に用いられるコイルの製造方法は、０．３ｍｍ²を超える断面積を有する導線から、一本以上の巻線を有する導電コイル部を形成するステップと、ギャップを維持する突出部を備える誘電性スペーサーを、スペーサーのギャップを維持する突出部が巻線間のギャップ（Ｇ）内に挿入されるように、巻線の中心空洞内に又は巻線の周囲に挿入するステップとを備える。
一実施形態において、スペーサーは、スペーサーの螺旋ねじ山がコイル導電部の螺旋状巻線間のギャップ内に螺入するように、スペーサーをコイル内で回転させることによってコイルの空洞内に挿入されてもよい。

この製造工程は、巻線の周囲に誘電性材料をオーバーモールドすることによって、これらをオーバーモールドされたボディ部内に封入するステップを更に備えてもよい。

Claims (9)

1. 導電コイル部（４）及び絶縁体部（６）を備える電流センサーであって、
   前記導電コイル部は、一本以上の巻線（２０）を有するコイル部を備え、当該巻線は線状導体（１０）によって形成され、中心空洞（２２）を囲んでおり、隣接する前記巻線同士が誘電効果を有するギャップ（Ｇ）によって分離されており、
   前記絶縁体部は、連続する又は連続しない螺旋ねじ山形状のギャップを維持する突出部（３０、３０’）を有する誘電性スペーサー（２８、２８’）を備え、当該螺旋ねじ山は、前記ギャップを維持する突出部が前記巻線間の前記ギャップ（Ｇ）内に少なくとも部分的に挿入されるように、前記巻線（２０）の前記中心空洞（２２）内に又は前記巻線（２０）の周囲にねじ挿入を行うように構成される電流センサー。
2. 前記線状導体は、裸導線である請求項１記載の電流センサー。
3. 前記線状導体は、０．３ｍｍ²を超える断面積を有し、前記コイル導電部は、１０本未満の巻線を有する請求項１又は２記載の電流センサー。
4. 前記線状導体は、高さＨ、幅Ｗの略長方形の断面を有する請求項１、２、又は３記載の電流センサー。
5. 前記線状導体の高さに対する幅の比率（Ｗ／Ｈ）が、０．４〜０．８の範囲内にある請求項４記載の電流センサー。
6. 前記誘電効果を有するギャップ（Ｇ）は、ターン間において１ｍｍ未満である請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサー。
7. 前記絶縁体部は、前記導電コイル部の前記巻線を少なくとも部分的に封入する誘電性オーバーモールド（３６）を更に備える請求項１〜６のいずれかに記載の電流センサー。
8. 前記誘電性オーバーモールドは、前記コイル部の隣接する前記巻線（２０）間の前記ギャップ（Ｇ）内に少なくとも部分的に突出する請求項７記載の電流センサー。
9. 前記オーバーモールドは射出成形されたポリマーであり、
   当該ポリマーは、前記導電コイル部を封入し、前記挿入されたスペーサー（２８、２８’）に至るまで且つ当該スペーサーの周囲において前記コイルの巻線間の前記ギャップ（Ｇ）を埋めており、
   前記スペーサー及び前記封入によって、前記導体部の前記巻線（２０）を完全に囲む一体ボディ部が形成され、前記導電コイル部の接続端（１６ａ、１６ｂ）が前記オーバーモールドから突出する請求項７又は８記載の電流センサー。