JP4796060B2 - 電流センサー - Google Patents

Description

本発明は、電流センサーに関し、特に、二次コイルを備えた電流センサーに関する。

一次導電体内の電流の流れを測定するための閉ループ電流センサーには、二次コイルが備わっているため、その一次電流の測定は、発生する磁界を無効にするための二次コイル内の補償電流の測定により実行できる。二次コイルへ印加される補償電流量は、磁気回路の空隙内に配置されたホール効果センサーや磁束ゲートセンサーなどの磁界センサーで測定する。その二次コイル磁界センサーが、信号処理のための電子部品からなる印刷回路基板に接続されることは周知である。また、米国特許第５、００４、９７４号に記載されているように、その一次導電体を、印刷回路基板への接続用の接続端をもち、磁気回路の支部を取り囲むＵ字形状に構成することも周知である。そのような構成の一次導電体は、磁気回路の周囲の導電体の巻き数を、回路基板上のＵ字形ピン巻線の相互接続により、センサー毎に簡単に変更できるという特徴のため、センサー適用範囲を増加させることができる。

上記の発明に記載の電流センサーは、信頼性、動作性能、多様性に優れており、コンパクトな形状にすることもできる。しかしながら、多数の部品の組立や相互接続が必要なため、特に、工場での大量生産においては、多くの時間や経費がかかってしまう。また、構造をできる限りコンパクトに維持しつつ、センサーの利用範囲や動的性能をさらに向上させることも、追加的な長所となるであろう。

上記の観点から、本発明の目的は、構成がコンパクトで安価に製造できる統合一次導電体と二次コイルを備えた電流センサーを提供することである。

本発明の別の目的は、多様性をもち、特に、動的性能が高く、広い範囲の電流を測定できる閉ループ電流センサーを提供することである。

前記の本発明の目的は、発明の請求項１に記載の電流センサーにより達成することが可能である。

本文で説明する電流センサーは、空隙を有する磁気回路と、この空隙内に配置された磁界センサーと、二次コイルとを備えた構成において、前記二次コイルはあらかじめ巻かれたものであって中央孔を備え、前記磁気回路は一体的に組み立てられる少なくとも２つの部材から形成され、前記２つの部材は各々が板状に形成された端を含む前記部材の一部である支部を備え、前記各支部は前記二次コイルの中央孔内に挿入されてこの中央孔により保持された状態でこの二次コイルに取り囲まれ、前記空隙が、一対の前記支部が重なり合う間に形成されている。前記磁界センサーは、前記磁気回路の重なった支部の前記空隙内にほぼ平行に挿入されると共にこの空隙内に保持されている。

そのため、本発明の電流センサーは、前記の二次回路への一次回路の組み込みや空隙内への磁界検知器の組み込みが簡単であり、自動化された迅速な方法で非常に経済的に組み立てることができる。

前記二次コイルは、そのコイルを支持し、その内部に磁気回路の支部が挿入される中央孔を形成する二次コイルハウジングに巻かれ、前記中央孔は前記一対の支部の間に前記空隙を形成するように前記一対の支部を保持するコイルを備える。前記二次コイルハウジングは、前記支部を位置決めし、それら支部間に前記空隙を形成するためのガイド位置決め手段を備える。さらに、前記の二次コイルハウジングは、前記の電流センサーの印刷回路基板に接続するための接続端をもち、前記の二次コイルの先端に接続され、その内部に一体にモールド形成された、打ち抜き形成された端子を備える。前記の二次コイルのハウジングは、前記の磁気回路の空隙をもつ支部の反対側の支部が挿入されて一体に保持される、内孔またはその他の固定手段を備える。

前記の磁気回路は、磁気透過性の金属板から、その磁気回路の支部を形成できるよう金属板面を打ち抜き成形し曲げて形成される。前記磁気回路の部材は、前記電流センサーの回路基板に接続するためのピン端子を先端に備える。前記のピン端子は、一回の操作で前記の二次回路を軸方向に端子にプラグ接続できるよう、前記の二次コイル集合体の端子と同じ方向に伸長している。前記の印刷回路基板上に搭載された磁界検知器は、前記の空隙に同時に挿入される。前記の磁気回路の印刷回路基板への電気接続により、磁気回路に発生する容量電荷の蓄積を防止するためのアース接続や、追加的な物理的接続が行える。

前記の二次コイルのハウジングは、補助内孔やその他の固定手段を備えた、印刷回路基板に固定するためのスタッド軸やその他の固定手段を備える。

前記の電流センサーは、さらに、前記のカバー部内に部分的オーバーモールド形成された、打ち抜き形成された金属板のＵ字形の一次導電部を備える。前記一次導電部のオーバーモールド形成により、導電部の互いに相対的な位置を正確に決めることができ、カバー部の組立工程において、別のハウジング部品へのクリップ接合、接着、溶接、その他の接合手段による、磁気回路の支部を取り囲む自動化による組み立てが可能になる。前記のカバー部により、前記の一次導電部と前記の電流センサー内の別の導電体との間、特に、電圧値が異なる前記の二次コイルと前記の磁気回路との間での、必要な絶縁を施すことができる。前記の二次コイル集合体、磁気回路、磁界検知器、印刷回路基板は、前記の２つのハウジング部内に収容位置決めされて、一体にクリップ接続されている。前記のハウジング部の片方は、製造中においてテスト操作ができるよう、回路基板へのアクセスを可能にするための、一体モールド成形のヒンジ可動フラップを備え、そのフラップは、テスト終了の後、クリップ、溶接、その他の手段にて閉止することができる。

前記のＵ字形の一次導電部は、互いに隣接した導電部間の距離を広げるため、相互に近接して前記Ｕ字形の中心をずらすように配置されており、そのため、補助の印刷回路基板への接続のための一次導電部の端子をよりコンパクトに構成できる。その結果、前記のセンサーハウジング内に、より多くの数のＵ字形導電体を取り付けることが可能となり、一次導電体の巻数を増加させることができ、全体をコンパクトな形状にしつつ、電流センサーの適用範囲を広げることができる。

本発明のその他の目的や特徴は、付随図面を参照した以下の説明および請求範囲から明白になるであろう。

図示のように、電流センサー２は、カバー部６と基礎部８からなるハウジング２と、二次コイルハウジング１４上に巻かれた二次コイル１２を備えた二次コイル集合体１０と、第１と第２の分離部１８と２０からなる磁気回路１６と、磁界検知器２２と、その基板面に、前記の磁界検知器や、前記の二次コイルへの供給電流を制御し測定信号を処理するためのその他の電子部品が搭載された印刷回路基板２６を備えた信号処理回路２４とで構成されている。

前記の電流センサーは、さらに、磁気回路の一部の周囲、つまり、本実施例においては磁気回路のほぼ直線の支部の周囲に取り付けられたＵ字形の一次導電体部２８を備える。磁気回路内で測定する一次電流に起因する磁界は、磁気回路の空隙３０内に配置された磁界検知器で検出される。信号処理回路２４により、二次コイル１２に補償電流を流し、一次導電体に起因する磁界と強さが同じで方向が反対の磁界を生成させて、磁界検知器が検出した磁界を解消することができる。これは、従来技術では周知の、いわゆる閉ループ式センサーの機能原理である。

前記の磁界検知器２２として、ここでは、比較的に低価格で、信頼性や動作性能が高い、電流センサーにおいて広く利用されるホール効果検知器を使用する。その他の磁界検知器も、本発明の範囲での実用が可能である。

図１に示す電流センサーの実施例は、電流測定センサーを必要とする外部機器や装置（図示しない）の印刷回路基板上に取り付けられて電気的に接続できるような構成で設計されている。そのような外部装置の回路基板には、磁気回路の周囲に単数または所定選択数の一次導電巻線を配備できるよう、前記の電流センサーのＵ字形導電体を様々な形態で接続するための回線や導電端子が設けられている。それにより、電流センサーの異なる動作範囲で動作させる構成が可能となるが、従来技術で周知の技術である。

本発明におけるＵ字形の導電体部２８は、前記の対応する基礎部８に取り付けられ、その内部で印刷回路基板、磁気回路、二次コイルの集合体を密閉保護するカバー部６に、直接に固定取り付けされている。基礎部８は、図３ａに示すように、集合単体を形成できるよう予め組み込まれた、二次コイル集合体１０、磁気回路１６、印刷回路基板２６を受容し位置決めするための位置決めガイド手段を備える。図３ａに示す集合体は、図１に示すＶ方向に挿入して、最初に基礎部８に、続いて、基礎部８とクリップ結合された一次導電体部２８を備えたカバー部６に取り付ける。図４ａに示すように、導電体部２８は、その導電体部の一部をオーバモールド形成して、カバー部に固定することも可能である。別の方法として、導電体部２８を、カバー部の対応する内孔６ａと６ｂに挿入しても構わない。射出成形によるハウジング部分６と８には、クリップ形状の補助接合手段および補助ラッチ部３２と３３を設けて接合してもよいし、製造工程を自動化できるよう、超音波溶接などの別の手段にて接合することも可能である。

さらに、前記の電流センサーのハウジング構成には、本実施例では基礎部８であるハウジングの片方にヒンジ取り付けされた閉止可能なフラップ部３４が備わっている。フラップ部３４は、回路基板２４に隣接配置されており、電流センサーの組立完了後のテスト操作のさい、回路基板の外面３６へのアクセスを可能にする。テストの終了の後、フラップ部３４をヒンジ回転させて、ハウジングを閉止し、回路基板を保護することができる。フラップ部３４に、閉止したときにハウジングのそれに対応する補助ラッチ部にクリップ接合するためのラッチ手段３５を設けても構わない。フラップ部は、テスト後にハウジングに超音波溶接や接着剤などの手段により永久接合することもできる。

図２〜３ｃを参照して、前記のハウジング内の電流センサー部品を、さらに詳細に説明する。

前記の二次コイル集合体１０には、二次コイルハウジング１４のコイル支持部３８の周囲に巻かれた二次コイル１２が備わっており、コイル支持部３８には、ほぼ長方形の磁気回路の支部４２が挿入できる内孔４０が設けられていて、それに沿って伸びる空隙３０内に磁界センサー２２が配備されている。すなわち、二次コイルが空隙と磁界センサーを取り囲んでいるため、二次コイルで発生した磁界の磁界検知器での検知がより効果的かつ確実に行われる。

前記の支持内孔４０には、磁気回路の支部４２の分離延長部４５と４６を位置決めしてガイドするための、所定形状の凹部または凸部４３と４４などのガイド手段が設けられている。磁気回路の延長部４５と４６とは、互いに重なり、空隙の幅Ｗよりも狭い距離Ｄだけ分離されているため、磁気回路の周波数応答、つまり、電流センサーの周波数応答を高めることができる。しかしながら、図６に示すように、磁界センサーの両側の部分４５’と４６’以外の互いに重なる延長部をなくして空隙を形成するよう、磁気回路を構成することも可能である。

前記の二次コイル集合体のハウジングには、さらに、その二次コイル集合体１０を回路基板２６へ脱着可能に固定するための、弾性スタッド４９などの固定手段からなる基礎部４８を備える。その基礎部４８に、電気端子５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅを、その基礎部の内孔への押圧挿入、オーバーモールド形成、接着、溶接などの方法で固定することもできる。電気端子は、外部の印刷回路基板への脱着可能接続および／または容着接続のための接続端２５ｂと、信号処理ユニットの回路基板２６への脱着可能接続および／または容着接続のための接続端２５ａとを備える。電気端子５０ｄと５０ｅは、それぞれ二次コイルの末端１２ａと１２ｂに接続されており、片方の電気端子５０ｅは、電流センサーが搭載される外部の印刷回路基板（図示しない）に直接に接続できるよう構成され、他方の電気端子５０ｄは、信号処理ユニット２４へ接続されている。電気端子５０ｃは、外部の電磁ノイズから二次コイルを保護できるよう、かつ、二次コイルからのノイズの放射を低減できるよう、二次コイルの周囲のシールド体、および、信号処理ユニット２４に接続されている。電気端子５０ａと５０ｂは、信号処理ユニットおよび外部印刷回路基板に接続されており、電流センサーに電力エネルギーを供給できるよう構成されている。

前記の二次コイルハウジングの基礎部４８は、磁気回路の支部５２を支持して、位置決め手段として作用する内孔５４を備えており、空隙３０が設けられた支部４２に対向する磁気回路の別の支部５７の互いに重なる延長部５５と５６が内孔５４を貫通している。２つの延長部５５と５６は、磁気誘導への抵抗を減らすため、互いに接触させてハウジング内に保持されている。

前記の磁気回路１６は、磁気透過性の金属板の打ち抜き成形により、２つの部分１８と２０に形成して、図に示すように、軸方向Ａへ挿入して二次コイル集合体２０に取り付けることにより一体化している。それゆえ、磁気回路の二次コイル集合体１０への組み込みが迅速で簡単に行えるため、後からカバー部６で密閉するハウジングの基礎部８へ載置されるユニット６２を形成するための、回路基板２６への組立も迅速かつ簡単になる。その結果、全組立工程を自動化することが可能となる。

前記の片方の磁気回路部分１８には、磁気回路における容量電荷上昇を防止できるよう、磁気回路基板上のアース接続のためのＰＣＢ接続部６０が備わる。

前記の磁気回路の２つの並列延長部４５と４６のあいだの空隙３０の方向性に特徴があり、磁界検知器２２が予め搭載されている回路基板２６に磁気二次コイル集合体１０を固定するとき、空隙３０に磁界検知器２２を軸方向に挿入すればよい。

前記の磁気回路の隣接延長部４５と４６の全体長にわたる空隙３０の非接触幅（ｄ、Ｗ）により、等価トランスの結合係数を高めることができるため、特に、電流ｄｉ／ｄｔの変動への応答性や帯域幅を増加させるなど、電流センサーの交流の動作性能を改善することが可能となる。

図５ａに示すように、前記のＵ字形の一次導電体部の接続端２９は、二次コイル集合体の端子２５ａ，２５ｂと接続端２９とのあいだの隙間を増やせるよう、中間部２７に対して軸方向Ａへオフセット形成することも可能である。そのオフセット形成のおかげで、電流センサーの形状がコンパクトになり、一次回路と二次回路の電気的分離の要件や基準が満たされ、Ｕ字形の一次導電体部と二次コイルとのあいだの磁気結合が向上するのである。

図５ｂに示すように、前記のＵ字形の一次導電体部を、隣接端子の接続端２９間の隙間Ｓを増やせるよう、軸方向Ａと直交する方向Ｂにジグザグ構成とすることも可能である。それにより、導電体部を互いに近接配置できるため、電流センサーの形状をコンパクトに維持しつつ、（外部装置への）導電体端子の接続に必要な足型面積を低減し、電流センサー内の導電体部の数を多くすることができる。

本発明による電流センサーの分解斜視図である。 図１の電流センサーの断面図である。 電流センサーの、ハウジング部を除去した部分断面斜視図である。 本発明による電流センサーの二次コイル集合体の斜視図である。 本発明による電流センサーの印刷回路基板上に載置された磁気回路の斜視図である。 本発明による電流センサーのハウジングのカバー部の実施例の断面図であって、図４ａには、オーバーモールド形成された導電端子を図示し、図４ｂには、ハウジングのカバー部の内孔に挿入された導電端子を図示する。 本発明による電流センサーにて実現可能な、Ｕ字形の一次導電体部の別の構成例の斜視図である。 本発明による電流センサーにて実現可能な、Ｕ字形の一次導電体部のさらに別の構成例の斜視図である。 本発明による電流センサーの磁気回路およびその変更例を示す断面図である。

Claims (13)

1. 空隙を有する磁気回路と、この空隙内に配置された磁界センサーと、二次コイルとを備えた電流センサーであって、
   前記二次コイルはあらかじめ巻かれたものであって中央孔を備え、前記磁気回路は一体的に組み立てられる少なくとも２つの部材から形成され、前記２つの部材は各々が板状に形成された端を含む前記部材の一部である支部を備え、前記各支部は前記二次コイルの前記中央孔内に挿入されてこの中央孔により保持された状態でこの二次コイルに取り囲まれ、前記空隙が、一対の前記支部が重なり合う間に形成された電流センサー。
2. 前記二次コイルが、そのコイルを支持し、前記中央孔を形成する二次コイルハウジングに巻かれ、前記中央孔は前記一対の支部の間に前記空隙を形成するように前記一対の支部を保持する請求項１記載の電流センサー。
3. 前記磁界センサーが、前記磁気回路の支部の前記空隙内にほぼ平行に挿入されると共にこの空隙内に保持されている請求項１又は２記載の電流センサー。
4. 前記二次コイルハウジングが、前記支部を前記中央孔内に配置し、それら支部間に前記空隙を形成するための、その中央孔内に設けたガイド位置決め手段を備える請求項２又は３記載の電流センサー。
5. 前記二次コイルハウジングが、前記二次コイル、信号処理ユニット及び外部回路基板を相互に接続するための接続端を有すると共に、前記ハウジングの基礎部内にオーバーモールド形成された端子を備えている請求項２〜４のいずれかに記載の電流センサー。
6. 前記磁気回路と、前記二次コイル及び前記二次コイルハウジングからなる二次コイルの集合体とが信号処理ユニットに組み付けられ、この信号処理ユニットは、前記磁気回路の支部にほぼ平行な方向（Ａ）に沿って前記空隙内に挿入可能な前記磁界センサーと回路基板とを備えている請求項２〜５のいずれかに記載の電流センサー。
7. 前記磁気回路の少なくとも２つの部材が、磁気透過性の金属板から、その磁気回路の支部を形成できるよう金属板面を打ち抜き成形し曲げて形成される請求項１〜６のいずれかに記載の電流センサー。
8. 前記磁気回路の部材が、前記電流センサーの回路基板に接続するためのピン端子を備える請求項１〜７のいずれかに記載の電流センサー。
9. さらに、前記磁気回路や二次コイルを内包する、カバー部と基礎部を含むハウジングと、前記磁気回路の支部を部分的に取り囲むよう構成され、前記カバー部内に部分的オーバーモールド形成されたＵ字形の一次導電部とを備える請求項１〜８のいずれかに記載の電流センサー。
10. さらに、複数の互いに隣接配置されたＵ字形の一次導電部を備え、互いに隣接配置された前記導電部が、それら隣接配置された導電部の接続端間の距離を広げるため、相互に前記Ｕ字形の中心をずらすように配置されている請求項１〜９のいずれかに記載の電流センサー。
11. 前記二次コイルへの供給電流を制御し測定信号を処理する信号処理ユニットを有し、さらに製造工程中のテスト目的のため、前記信号処理ユニットへアクセスできるよう、前記信号処理ユニットに近接配置されたヒンジにより開閉可能なフラップを含むハウジングを備える請求項１〜１０のいずれかに記載の電流センサー。
12. 前記磁気回路の一部を少なくとも部分的に取り囲むＵ字形の一次導電部と、その内部に前記磁気回路、二次コイル、磁界センサーを内包するハウジングとを有し、前記ハウジングが、カバー部と基礎部とを備え、前記一次導電部が、前記カバー部に予め組み込まれて永久固定されている請求項１〜１１のいずれかに記載の電流センサー。
13. 前記一次導電部が、前記カバー部内に部分的にオーバーモールド形成されている請求項１２記載の電流センサー。

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