JP4774077B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、導体を流れる電流が発生する磁界を回路基板に設けた磁気検知素子により検出する構成の電流センサに関する。

電気回路に流れる電流を計測するために各種の電流センサが使用される。このような電流センサとしては、例えば特許文献１に記載されているもののような磁電変換素子を使用したものが広く利用されている。
特開平９−２４３６６７号

特許文献１に記載されている電流センサは、Ｃ字状のコアに電線を巻いて形成したコイルが基板部に取り付けられると共に、このコイルに電流を流したときに生じる磁場の大きさを検出する磁電変換素子（ホール素子等）が基板部に実装されたものである。具体的には、磁電変換素子をコアのギャップ部に配置し、コア内部を環状に貫通する磁力線が磁電変換素子を通過するようになっている。

また、特許文献１に記載されている電流センサは、複数の端子を有している。これらの端子は、基板部に実装されている制御回路用の電力供給端子（Ｖｃｃ）、グランド及び、信号端子であり、信号端子の出力を検出することによってコイルに流れる電流の大きさを検出することができる。

電流センサは、電流を測定する電気回路基板にそのまま実装できるように、端子とコイルの巻線の両端とが互いに位置精度良く配置されることが望まれる。端子は基板部にはんだ付けされるものであるため、基板に対して精度よく位置決めすることは比較的に容易である。一方、コイルは電線を単にコアに巻き付けただけのものであり、コアに対して軸方向に固定されていない。このため、コアに対して電線の巻き始めと巻き終わりの位置を精密に位置決めすることができず、従ってコアを基板に固定しても、コイルの巻線の両端を基板部（すなわち端子）に対して精度よく位置決めすることは容易ではなかった。

また、従来の構成においては、電線の両端を接着により基板に固定していたため、作業性が悪い、接着剤が乾燥するまで長時間かかりその間は次工程に進めない、接着剤の量の管理が必要である、工程が複雑になるなどの問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、平易な組み立て作業でコイルの巻線の両端を精度よく端子に対して位置決めすることが可能な電流センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電流センサは、コアに電線を巻き付けることによって形成されるコイルと、電線に電流を流した時に電流の大きさを計測するためにコイルに発生する磁場の大きさを検出する素子が実装されている基板部と、基板部に取り付けられるスペーサとを有し、スペーサは、基板部に対して位置決めを行うための位置決め部と、コイルの電線の両端が差し込まれる電線用貫通穴とを有する。
また、位置決め部が基板部の厚さに対応したスリット幅を有するスリットを含み、基板部がスリットに差し込まれるようになっていることがより好ましい。さらに、基板部に位置決め用貫通穴が設けられており、スペーサの位置決め部がスリットの内部に形成された位置決め用突出部を含み、位置決め用貫通穴の中に位置決め用突出部が入ることによってスペーサが前記基板部に対して位置決めされることが好ましい。加えて、基板部には、位置決め用突出部を前記位置決め用貫通穴に導くための溝が形成されていることが好ましい。

上記のような構成の電流センサによれば、電線用貫通穴によってコイルの電線の両端はスペーサによって位置決めされ、また、位置決め部によってスペーサは基板部に対して位置決めされる。この結果、スペーサを基板に取り付けるという平易な作業により、コイルの電線の両端を基板部に対して精度よく位置決めすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態による電流センサの斜視図である。本実施形態の電流センサ１は、ケース１０と、ケース１０内に収納される基板部２１とを有する。

図２は、基板部２１のケース１０への取り付け手順を示したものである。図２に示されるように、ケース１０は、一面が開口１３となっている箱型の部材である。また、基板部２１は、矩形の薄板であり、そこに端子２２ａ〜２２ｄ及びホール素子２４及び図示しない制御回路が実装されている。基板部２１には、コイルユニット３０が取り付けられている。なお、以下の説明においては、基板部２１の厚さ方向（開口１３の短手方向）を高さ方向、開口１３の長手方向を幅方向、高さ方向及び幅方向に直交する方向を奥行方向と定義する。また、奥行方向においては、開口１３のある側を手前側、その反対を奥側と定義する。

図２に示されるように、ケース１０の幅方向側壁１１の内面には、開口１３側から奥に向かって伸びる互いに略平行な一対の突出部１１ａ、１１ｂが形成されている。同様に、ケース１０のもう一方の幅方向側壁１２の内面にも、開口１３側から奥に向かって伸びる互いに略平行な一対の突出部１２ａ、１２ｂが形成されている。突出部１１ａ、１１ｂの間隔と突出部１２ａ、１２ｂの間隔は、基板部２１の板厚よりも若干広くなっており、図１に示されるように、基板部２１の幅方向両辺は、突出部１１ａと１１ｂの間、及び突出部１２ａと１２ｂとの間に配置されるようになっている。従って、基板部２１は、突出部１１ａ、１１ｂ、１２ａ及び１２ｂにガイドされた状態でケース１０に収納される。

また、図２に示されるように、コイルユニット３０は、Ｃ字形状のコア３１と、コア３１の一方の腕部３１ａに差し込まれているボビン３５と、ボビン３５に巻き回されている２本のエナメル銅線３２、３４を有する。また、コイルユニット３０は、ピン３６を介して基板部２１にはんだで固定されている。このエナメル銅線３２、３４に電流を流すことによって、コア３１のＣ形に沿って、コア３１の内部を周回する磁場が発生する（図２における一点鎖線矢印）。図２に示されるように、コイルユニット３０が基板部２１に取り付けられた状態では、コイル３１の腕部３１ａ、３１ｂの先端部の間に形成されたギャップ３１ｃにホール素子２４が配置されるようになっている。これにより、コア３１内に発生する磁場の大きさをホール素子２４によって検出できるようになっている。なお、コア３１はＣ字形状のケイ素鋼を積層して形成したものであり、銅線３２、３４に流れる電流に対してより大きな磁場を発生させることができる。このため、ホール素子２４による磁場の検出誤差が発生する磁場の大きさに対して小さくなり、ホール素子２４が検出した磁場に基づいて銅線３２、３４に流れる電流の大きさを高い精度で計測することができる。

コイルユニット３０の銅線３２の両端３２ａ及び３２ｂ、及び銅線３４の両端３４ａ及び３４ｂは、基板部２１の裏面（図中下）を通って、基板部２１の一辺２１ａから基板部２１の面に沿った方向（図中右上から左下に向かう方向）に突出している。また、端子２２ａ〜２２ｄは、基板部２１の一辺２１ａから基板部２１の面に沿って突出している。本実施形態においては、一辺２１ａを手前にして基板部２１がケース１０に開口１３から差し込まれるようになっており、ケース１０に基板部２１が収納された状態では、図１に示されるように、開口１３から端子２２ａ〜２２ｄと銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ及び３４ｂとが突出するようになっている。このため、電気回路基板に設けられたスルーホールやソケット等に端子２２ａ〜２２ｄと銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ及び３４ｂとを差し込んで、該基板上に電流センサ１を実装することができる。

このように、本実施形態においては、電流センサ１は電気回路基板へ実装されるものであるため、端子２２ａ〜２２ｄ及び銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂの間隔は高精度に位置決めされることが望ましい。端子２２ａ〜２２ｄは、基板部２１に直接はんだ付けされるものであるため、互いの間隔を高精度に位置決めすることは比較的に容易である。一方、銅線３２、３４はボビン３６に巻き回されるのみであり、且つボビン３６自身がコア３１の腕部３１ａに対して固定されておらず、コア３１に対する銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂの位置にはバラツキが大きい。このため、本実施形態においては、スペーサ４０によって銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂの位置決めを行っている。

スペーサ４０の詳細について、以下に説明する。図３は、スペーサ４０を奥側（図１における右上）から見た斜視図である。図示されているように、スペーサ４０は、略中央にスリット４１が設けられているブロック状の部材である。図２に示されるように、基板部２１の一部が、手前側の一辺２１ａからスリット４１に差し込まれるようになっている。スリット４１のスリット幅ｄ_１（図３）は、基板部２１の厚さよりわずかに大きい程度であり、スリット４１に基板部２１はほとんど隙間なく差し込まれる。

また、スペーサ４０の幅方向両端には、スリット４１の開口４１ａを挟んで対峙する、円錐形状の突起４３がそれぞれ１対形成されている。スリットを挟むようにスリットの幅方向（電流センサ１の高さ方向）に並んで配置された２対の突起４３の先端同士の間隔ｄ_２は基板部２１の厚さよりも大きいため、突起４３の先端間に基板部２１を容易に差し込むことが可能である。そして、突起４３の底はスリット４１の開口４１ａに接しているので、基板部２１を突起４３の間に差し込めば、基板部２１はスムーズにスリット４１内に誘導される。すなわち、突起４３は、基板部２１をスリット４１に誘導するためのガイドとして機能する。

また、スペーサ４０には、長円形断面の電線用貫通穴４２ａ及び４２ｂが設けられている。電線用貫通穴４２ａ及び４２ｂは、図２に示されるように、銅線の端部３２ａと３４ａ及び３２ｂと３４ｂが夫々挿入されるようになっている。電線用貫通穴４２ａ、４２ｂの長軸方向の内径Ｄ_１（図３）は銅線３２、３４（図２）の外径の２倍よりわずかに大きい程度であり、また、電線用貫通穴４２ａ、４２ｂの短軸方向の内径Ｄ_２（図３）は銅線３２、３４（図２）の外径よりわずかに大きい程度である。このため、銅線３２、３４の一端３２ａ、３４ａは略隙間なく電線用貫通穴４２ａに差し込まれる。同様に、銅線３２、３４の他端３２ｂ、３４ｂは略隙間なく電線用貫通穴４２ｂに差し込まれる。これによって、銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂはスペーサ４０に対して位置決めされる。

スペーサ４０を横（図３において、左下から右上に向かう方向）から見た側面図を図４に示す。図４に示されるように、スリット４１の上面４１ｂには、位置決め用突出部４４が形成されている。この位置決め用突出部４４は、基板部２１に対してスペーサ４０を位置決めするために使用される（後述）。

次に、コイルユニット３０及びスペーサ４０を基板に取り付ける手順について説明する。図５は、コイルユニット３０及びスペーサ４０を基板部２１に取り付ける手順を示した組み立て図である。

まず、コイルユニット３０を基板に取り付ける。前述のように、コア３１の下には、４本のピン３６（図５には３本のみ図示）が設けられている。そして、基板部２１には、このピン３６が差し込まれる４つのスルーホール２１ｂが形成されている。コイルユニット３０は、ピン３６の夫々をスルーホール２１ｂに差し込み、次いでピン３６をスルーホール２１ｂにはんだ付けすることによって、基板部２１に固定される。なお、スルーホール２１ｂの少なくとも１つは端子２２ａ〜２２ｄのうち、接地用のものに接続されており、コア３１の電位を接地電位に保っている。

また、図５に示されるように、基板部２１には切欠２１ｃが設けられている。この切欠２１ｃは、コイルユニット３０を基板部２１に取り付けたときにボビン３５の真下になる位置に形成されており、ボビン３５と基板２１との干渉を防止している。また、銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂはこの切欠２１ｃを通過して基板部２１の裏面（図中下）側にもぐり込んでいる。

次いで、銅線３２、３４の一端３２ａ、３４ａをスペーサ４０に形成された電線用貫通穴４２ａに、他端３２ｂ、３４ｂを電線用貫通穴４２ｂに夫々差し込み、さらにスリット４１に基板部２１が差し込まれるようにスペーサ４０を基板部２１に取り付ける。図５に示されるように、基板部２１には、一辺２１ａから奥側に伸びる溝２６が形成されており、この溝２６の先端は位置決め用貫通穴２５となっている。位置決め用貫通穴２５の径は、スペーサ４０の位置決め用突出部４４の径と略同じとなっており、また、溝２６の幅は位置決め用突出部４４の径よりも小さくなっている。

図６は、基板部２１がスリット４１の中に差し込まれる手順を示した側面図である。スリット４１に基板部２１が差し込まれると、図６（ａ）に示されるように、基板部２１の一辺２１ａが位置決め用突出部４４に当接する。ここで、スペーサ４０を奥側（図中右）に向かって押し込むと、図６（ｂ）のように、位置決め用突出部４４の先端が溝２６に入りこむ。前述のように、溝２６の幅は位置決め用突出部４４の径よりも小さいので、突出部４４は完全には溝２６に収まらず、基板部２１の上面によって位置決め用突出部４４がわずかに押し上げられる。更にスペーサ４０を押し込むと、図６（ｃ）のように、位置決め用突出部４４は溝２６に導かれて位置決め用貫通穴２５に達する。前述のように位置決め用突出部４４と位置決め用貫通穴２５の径は略同じであるので、位置決め用突出部４４はその略全てが位置決め用貫通穴２５の中に入り、そこから容易には移動できなくなる。これによって、スペーサ４０は基板部２１に対して位置決めされる。

以上の手順によって、銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂがスペーサ４０に対して位置決めされると共に、スペーサ４０が基板部２１に対して位置決めされる。前述のように、端子２２ａ〜２２ｄは基板部２１に対して位置決めされているので、上記の手順によりスペーサ４０を基板部２１に取り付けることで、端子２２ａ〜２２ｄに対して銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂが精密に位置決めされた状態となる。具体的には、本実施形態においては、端子２２ａ〜２２ｄに対する銅線３２、３４の両端３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂの距離のバラツキを０．５ｍｍ以内に抑えられている。

なお、本発明は以上説明した実施形態の構成に限定されるものではなく、突起４３の形状や数、電線用貫通穴４２ａ、４２ｂの形状、寸法及び位置、スペーサ４０自身の形状や寸法等は、基板部２１の形状や寸法、コイルユニット３０の形状、寸法及び取り付け位置、ボビン３５に巻かれる電線の数等に応じて適宜変更可能である。また、コイルユニット３０の基板部２１への取り付け方法、及びコイルユニット３０に対するホール素子２４の位置等も適宜変更可能な項目である。

本発明の実施の形態による電流センサの斜視図である。 本発明の実施の形態において、基板部のケースへの取り付け手順を示したものである。 本発明の実施の形態において、スペーサを奥側（図２の右上側）から見た斜視図を示したものである。 本発明の実施の形態において、スペーサを横（図３の左下側）から見た側面図を示したものである。 本発明の実施の形態において、コイルユニット及びスペーサを基板部に取り付ける手順を示した組み立て図を示したものである。 本発明の実施の形態において、基板部がスリットの中に差し込まれる手順を示した側面図である。

符号の説明

１ 電流センサ
１０ ケース
２１ 基板部
２２ａ〜ｄ 端子
２５ 位置決め用貫通穴
２６ 溝
３０ コイルユニット
３２、３４ 銅線
４０ スペーサ
４１ スリット
４２ａ、４２ｂ 電線用貫通穴
４３ 突起
４４ 位置決め用突出部

Claims (9)

1. 電線が巻き付けられたコアを有するコイルと、
   前記電線に流れる電流量を計測するために、前記コイルが発生する磁場の強度を測定する素子が実装されている基板部と、
   前記基板部に取り付けられるスペーサと、
   を有し、
   前記スペーサは、前記基板部に対して位置決めを行うための位置決め部と、前記コイルの電線の両端が差し込まれる電線用貫通穴とを有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記位置決め部が前記基板部の厚さに対応したスリット幅を有するスリットを含み、該基板部が該スリットに差し込まれるようになっ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. 前記基板部には、位置決め用貫通穴が設けられており、
   前記スペーサの位置決め部は、前記スリットの内部に形成された位置決め用突出部を含み、
   前記位置決め用貫通穴の中に前記位置決め用突出部が入ることによって前記スペーサが前記基板部に対して位置決めされることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記位置決め用貫通穴は、前記位置決め用突出部が略完全に且つ隙間無く入り込む程度の内径を有することを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記基板部には、前記位置決め用突出部を前記位置決め用貫通穴に導くための溝が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の電流センサ。
6. 前記溝の幅は、前記位置決め用突出部が完全には入り込まない程度の大きさであることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記スペーサが、前記スリットに前記基板部を導くためのガイド手段を有することを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の電流センサ。
8. 前記ガイド手段は、前記スリットの開口部を挟むように該スリットの幅方向に配置された少なくとも一対の先細り形状のガイド用突起であることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記スペーサを前記基板部に取り付けた状態で前記電線用貫通穴が該基板部の面に沿った方向に伸びるように、該電線用貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電流センサ。

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