JP5074461B2 - コア接地部材及び電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁電変換素子を使用する電流センサに関する。

電流の大きさを検出する電流センサとして、被測定電流によって発生する磁場を起電力に変換するホール素子などの磁電変換素子を使用したものが広く利用されている。一般的な磁電変換素子方式の電流センサは、パーマロイや珪素鋼板等の高透磁率磁性材料から形成される環状の磁気回路（コア）の一部を切断して形成された空隙部（ギャップ）内に磁電変換素子を配置し、被測定電流が流れる電流路をコアの穴に貫通するように配置した構成をとる。電流路に非測定電流が流れると、電流路を囲むコア内に集束された磁束が誘起される。この磁束の磁束密度は電流路を流れる被測定電流に略比例するため、磁電変換素子によりギャップ内の磁束密度を検出することによって電流路を流れる被測定電流を計測することができる。磁電変換素子としては、ホール素子が一般に使用されている。ホール素子に一定の制御電流を流すと、磁束密度及び制御電流に比例したホール電圧が発生する。また、ホール電圧は微弱であるため、これを増幅したものが信号として使用される。そのため、ホール素子方式の電流センサの多くには、ホール素子の制御電流を発生するための定電流回路や、ホール電圧を増幅して信号電圧を得るための増幅回路を含む回路基板（以下「センサ駆動基板」という。）が設けられている。

昨今、このような電流センサを搭載する汎用インバータやＵＰＳ（無停電電源装置）等の装置の小型化、高周波数化が進んでいる。そのため、ノイズの多い環境に電流センサが実装されるようになり、ノイズによる電流センサの精度低下が装置の性能向上の妨げになってきている。電流センサの精度低下をもたらす主なノイズ源としては、例えば被測定電流路（電線バスバー）及び周辺のスイッチング素子などがある。

電流センサへのこのようなノイズの影響を低減するために、例えば特許文献１では、磁電変換素子にシールド板を取り付ける構成が提案されている。

特開２００５−０２４５１９号公報

電流センサへのノイズの影響を低減するための対策には、次のようなものが考えられる。
（Ａ）コアを接地して、コアにシールド機能を与える
（Ｂ）ノイズに弱い箇所に銅板等のシールド部材を取り付ける
（Ｃ）センサ駆動基板上の部品配置や配線パターンの最適化・好適化
なお、特許文献１において提案されている構成は、上記（Ｂ）の一つの具体例である。

本発明者らのシミュレーション実験の結果、上記（Ａ）〜（Ｃ）の中では、（Ａ）が最も有効な対策であることが明らかになった。上記対策（Ａ）、すなわちコアを接地するための具体的な方法には、次のようなものが考えられる。
（ａ１）センサ駆動基板の接地線（０Ｖ）に接地されたワイヤ（被覆電線、メッキ線等）を半田等で直接コアに接続する。
（ａ２）銅などの金属箔や金属板から形成された接地部材をコアに装着し、これにセンサ駆動基板の接地線（０Ｖ）に接地されたワイヤを半田等で接続する。

ところで、電流センサのコア材としては珪素鋼板が広く使用されている。珪素鋼板から形成されたコアの表面には、絶縁性の酸化膜が形成されている。そのため、珪素鋼板のコアを直接接地するには、コアの表面を研磨するなどして酸化膜を除去する工程が必要になる。従って、上記（ａ１）の方法には、生産コストや信頼性の面でデメリットがある。

一方、上記（ａ２）の接地部材をコアに装着する方法には、部品点数が増え、延いては部品コストが増大するというデメリットがある。しかしながら、例えば金型成形等により接地部材を安価に生産することができれば、部品点数の増加は許容され得る。

金属板を金型成形した金型品を接地部材として使用する場合、接地部材をコアに装着する方法としては、例えば文献１に記載のシールド板のように、金属板の弾性力を利用してコアの外形を把持して装着する方法がある。すなわち、例えばコの字形状に折り曲げられた接地部材をコアに被せて、接地部材の弾性力によりコアを外側から把持させて装着する方法が考えられる。しかしながら、コアの外形の仕上がり寸法のばらつきは大きく、接地部材が弾性変形可能な寸法と同程度以上に及ぶ。そのため、切削等の追加工によりコアの外形寸法精度を大幅に高めなければ、金型成形した金属接地部材によりコアの外形を弾性把持する構成を実現することは難しい。また、前述したように、コア表面には絶縁性の酸化膜が形成されているため、コアと接地部材とを電気的に接触させるには、接地部材が接触するコア表面を予め研磨するなどして酸化膜を除去する必要がある。従って、この構成は、加工コストや信頼性の面においても必ずしも好ましい構成とはいえない。

このように、電流センサへのノイズの影響を低減するために最も有効な対策である上記（Ａ）、すなわちコアの接地を行う構成は、多くの作業を必要とし、製品の信頼性を損なう可能性があった。本発明は上記の事情に鑑みてなされたものである。すなわち、コアを低損失かつ高い信頼性で接地することによって電流センサへの静電ノイズの進入を抑え、高い電流測定精度を達成する電流センサを提供することを目的とする。

本発明の実施形態により、ギャップが形成された環状のコアと、ギャップ内に収容される磁電変換素子が実装された回路基板とを備えた電流センサにおいて、コアの接地に使用されるコア接地部材が提供される。このコア接地部材は、接地線に接続される第１部と、ギャップ内に配置され、ギャップの境界を定めるコアの端面と接触する第２部とを有している。コア接地部材は、金属板の金型加工により形成することができる。

このように構成されたコア接地部材は、酸化膜の絶縁層が形成されていないギャップ端面との接触により低損失な接地を可能にする。このようなコア接地部材を使用すれば、コアの外表面に形成された絶縁層を研磨等で除去する作業が不要となり、少ない工数でコアを絶縁することができる。また、コア接地部材は、金属板の金型加工で形成することにより、安価に作製することができる。

第２部は、コアの端面と接触する接触部と、ギャップ内に配置されることにより弾性変形し、接触部を弾性力により端面に押し込む弾性変形部を有することが望ましい。部材の弾性変形を利用することにより、簡単な機構により、かつ容易な作業でコア接地部材を取り付けることが可能になる。

第２部は、少なくとも第１接触部及び第２接触部を有していることが望ましい。この場合、第１接触部及び第２接触部は、コアの互いに平行な第１端面及び第２端面とそれぞれ接触する接触平面を有し、弾性変形部は第１接触部と第２接触部の一端同士を連結するように構成することができる。このように第１端面及び第２端面の各々と接触する部分を設け、弾性変形部を介して連結させた構成により、コア接地部材に多少の歪みがあってもコアの各端面に合わせて柔軟に変形し、コアとコア接地部材との良好な接触を確保することが可能になる。

第１部は、平板状に形成されて、第２部がギャップ内に配置されたときに、一面がコアの外表面と接触するように形成されていることが望ましい。このような構成により、接触面積を大きく確保できる外表面を介した電気的接続も付加的に得られ、接続抵抗の低減と安定性が向上する。

第１部は、第２部がギャップ内に配置されたときに、回路基板のノイズ感受性が高い箇所を覆うように形成されていてもよい。コア接地部材をこのように形成することにより、コア接地部材を回路基板のシールドとしても利用することが可能になり、電流センサの性能を更に向上させることができる。

コア接地部材は、第１部と同一平面上に形成された平板状の第３部を更に有しており、 第２部が第１部と第３部とを連結する構成が好ましい。第１部と反対側に第１部と同一平面上に形成された第３部を設けることにより、コア接地部材を取り付ける際の位置決めが可能になる。また、第３部も、第１部と同様に、回路基板のシールドや、コア外表面との電気的接続にも寄与する。

第２部は、磁電変換素子がギャップの中央に配置されるように素子を押さえて位置決めする、素子押さえ部を更に有していることが望ましい。このような素子押さえ部を設けることにより、磁電変換素子をギャップの中央に正確に配置することが可能になり、電流センサの測定精度を更に向上させる。この構成は、特に電流の方向による感度差を低減させるため、交流電流の測定精度の改善に有効である。

素子押さえ部は、第１及び第２素子押さえ部を含んでいることが望ましい。この場合、第１及び第２素子押さえ部は、コアの第１及び第２端面と磁電変換素子との間にそれぞれ配置され、磁電変換素子にそれぞれ逆方向の弾性力を加える構成が可能である。

また、本発明の実施形態により、上記のコア接地部材を備えた電流センサが提供される。

また、本発明の実施形態により、ギャップが形成された環状のコアと、ギャップ内に収容される磁電変換素子が実装された回路基板とを備えた電流センサが提供される。この電流センサは、コアを接地するためのコア接地部材を更に備えている。コア接地部材は、接地線に接続される第１部と、ギャップ内に配置される第２部とを有している。

この構成により、少ない工数でコアを接地することが可能になる。コアの接地により、コアの電位に起因する磁電変換素子のノイズが低減され、電流センサの測定精度が向上する。

接地線は回路基板上に形成されていてもよい。この場合、回路基板には接地線に接続されたスルーホールが形成されていることが望ましい。更に、コア接地部材の第１部にはスルーホールに差し込まれる突起が形成されていることが望ましい。このような構成により、簡単な機構により、少ない工数でコア接地部材を接地線に接続することができる。

本発明の実施形態に係るコア接地部材を使用することにより、電流センサのコアの外表面に形成される絶縁層を除去することなく、コアを低損失かつ高い信頼性で接地することが可能になる。これにより、測定精度及び信頼性に優れた電流センサを低コストで製作することが可能になる。

本発明の実施の形態に係る電流センサの要部の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサのホール素子近傍の概略構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る接地部材を示す概略斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電流センサ１の要部の概略構成を示す分解斜視図である。図２は、電流センサ１のホール素子２１０近傍の概略構成を示す側面図である。また、図３は、本発明の実施形態に係る接地部材３００の概略構成を示す斜視図である。なお、以下の説明において、図１における紙面上方向をＺ方向、右下方向をＸ方向、左下方向をＹ方向とする。また、図１において、Ｙ方向逆向きに見た面（紙面左手前側の面）を正面、Ｚ方向逆向きに見た面（紙面上側の面）を上面、Ｘ方向逆向きに見た面（紙面右手前側の面）を側面とする。

電流センサ１は、コア１００、回路基板２００、接地部材３００、及びこれらを収納する図示しない樹脂ケースから構成されている。なお、コア１００、回路基板２００、及び接地部材３００の３つの主要部材によって後述する電流センサ１の機能が達成される。樹脂ケースは各部材の保持、保護、及び電流センサ固定のために使用される副次的部材であるため、詳細な説明は省略する。なお、ケース材としては、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂等の電気絶縁性を有する樹脂の他、静電シールド機能をもつ金属板（鋼板、アルミ板、銅板等）から形成されてもよい。また、パーマロイや珪素鋼板等の磁気シールド機能をもつ金属板から形成されてもよい。

コア１００は、珪素鋼板から形成された環状部材であり、磁気回路を構成する。コア１００は、コア内に励起される磁束線と垂直な互いに近接する２面で切断されており、２つの切断面（第１端面１１２、第２端面１１４）によって挟まれたギャップ１１０が形成されている。ギャップは、例えば精密な切削加工等によって形成されており、第１端面１１２及び第２端面１１４の寸法精度（平面度、面間隔、平行度等）は他の寸法精度よりも格段に高く、例えば面間隔は許容公差０．２ｍｍ以下で加工されている。

回路基板２００には、ホール素子２１０の他、ホール素子２１０に供給する直流の制御電流を生成する定電流回路（不図示）や、ホール素子２１０が出力する微弱電圧を増幅して電圧信号を生成する増幅回路（不図示）が実装されている。また、回路基板２００には、接地部材３００を回路基板２００上の接地線と接続すると共に回路基板に対して固定するためのスルーホール２２０が形成されている。回路基板２００はコア１００の上面に密着するように配置される。また、回路基板２００はコア１００の上面形状に合わせてＣ字状に形成されている。

接地部材３００は、回路基板２００上に形成されている接地線（０Ｖ）に対してコア１００を電気的に確実に接続させるための部材である。接地部材３００は、細長い１枚の矩形銅板から金型加工により成形されたものである。本実施形態に係る接地部材３００は、矩形平板状の第１部３１０及び第３部３３０と、これら第１部３１０と第３部３３０とを連結するＵ字状の第２部３２０から構成されている。第１部３１０及び第３部３３０は、組立後に略同一平面上に配置されるように形成されている。図２に示されるように、接地部材３００は、コア１００の上面と回路基板２００との間に配置される。図２に示されるように、第２部３２０がギャップ１１０内に挿入され、第１部３１０及び第３部３３０がコア１００の上面と密着するように配置される。また、第２部３２０のＵ字の内側空間には、ホール素子２１０が挿入される。

接地部材３００の詳細構成について、図３を参照しながら説明する。第１部の一部には、コの字状に切り込まれて上側に引き出された突起３１２が形成されている。突起３１２は、組み立て時に回路基板２００のスルーホール２２０に差し込まれて半田づけされる。これにより、接地部材３００は回路基板２００上に形成された接地線と電気的に接続される。なお、接地部材３００は銅板から形成されているため、半田づけによりスルーホール２２０に確実に固定することができる。

第２部３２０は、２対の接触部３２２・３２４と、接触部３２２・３２４を連結する１対の湾曲部３２６と、接触部３２２・３２４の各対の間に形成される湾曲した素子押さえ板３２７・３２８から構成される。接触部３２２及び３２４は、第１部３１０及び第３部３３０の対向する一端でそれぞれ直角に折り曲げられた矩形平板部である。第２部がコア１００のギャップ１１０内に挿入されたときに、ギャップ端面１１２・１１４との接触により湾曲部３２６が撓み、その弾性反発力により接触部３２２及び３２４の外側の面がコアの第１ギャップ端面１１２及び第２ギャップ端面１１４とそれぞれ面接触するように構成されている。具体的には、接地部材３００は、自然状態における接触部３２２と３２４の外側の面の間隔が、ギャップ１１０の間隔よりも広く、また、上方（開放端側）ほど広くなるように形成されている。更に、接地部材３００は、接触部３２２及び３２４が外側から押し込まれて互いに平行になるよう変形したときに、接触部３２２及び３２４の外側の面の間隔がギャップ１１０の間隔と略等しくなるように形成されている。

上記のような第２部３２０の構成により、第２部３２０がコア１００のギャップ１１０内に挿入されると、接触部３２２及び３２４の外側の面と、コアの第１端面１１２及び第２端面１１４とが押し合って、両者は広い面積で接触する。また、第１端面１１２及び第２端面１１４は、ギャップ１１０形成時の切削加工により絶縁層が除去されているため、接地部材３００との接触抵抗も小さい。従って、第２部３２０をギャップ１１０内に差し込むことにより、コア１００と接地部材３００との間で低損失かつ安定した電気的接続が達成される。

接触部３２２及び３２４の各対の間には、素子押さえ板３２７及び３２８がそれぞれ形成されている。素子押さえ板３２７及び３２８は、接触部３２２及び３２４から根元付近（第１部３１０及び第３部３３０との境界付近）でそれぞれ分岐し、第２部３２０の内側空間へ緩やかな角度で突出した、短冊形状の部分である。素子押さえ板３２７及び３２８は、中途からで接触部３２２及び３２４へ向けて緩やかに湾曲し、湾曲面でホール素子２１０の感磁面２１２及び２１４と緩やかな角度で接するように構成されている。接地部材３００は、自然状態あるいはギャップ１１０に接触部３２２及び３２４が差し込まれた状態において、素子押さえ板３２７及び３２８が最も接近する箇所の内側間隔が、ホール素子２１０の感磁面２１２及び２１４の間隔よりも狭くなるように形成されている。そのため、ホール素子２１０が素子押さえ板３２７及び３２８の間に差し込まれると、素子押さえ板３２７及び３２８が撓み、その反発力によってホール素子２１０の感磁面２１２及び２１４が両側から圧迫される。また、このとき素子押さえ板３２７及び３２８の先端が、コアのギャップ端面１１２及び１１４とそれぞれ当接して動けなくなり、各端面からの強い反力も感磁面２１２及び２１４に加わる。これにより、ホール素子２１０は素子押さえ板３２７及び３２８によって更に固く弾性保持される。素子押さえ板３２７及び３２８は高い精度で成形されているため、それぞれ均等に撓み、感磁面２１２と第１ギャップ端面１１２との間隔が感磁面２１４と第２ギャップ端面１１４との間隔と略等しくなる。すなわち、ホール素子２１０の本体は、ギャップ１１０の間隔方向（Ｘ方向）において正確に中央に位置決めされる。これにより、ホール素子２１０は、コアに集束される磁束を高精度に計測することができる。特に、磁束方向による感度差が低減するため、交流電流の計測精度が大幅に向上する。

また、素子押さえ板３２７及び３２８は、ホール素子の感磁面２１２及び２１４をそれぞれ覆うように形成されており、また回路基板２００の接地線（０Ｖ）に接続されているため、ホール素子をシールドする機能も有している。

また、コア１００の外表面（ギャップ端面以外の表面）には薄い酸化膜の絶縁層が形成されているため、接地部材３００との接触抵抗は比較的に高いが、接地部材３００との接触面積を広く取ればコア１００の接地特性に寄与する電気的接触が得られる。そのため、本実施形態における第１部は、突起３１２の先まで延長されており、コア１００と接地部材３００との接触面積を広げ、接触抵抗の低減と安定化を達成している。

また、第１部３１０及び第３部３３０は、回路基板のノイズ感受性の高い箇所を覆ってノイズ源から遮蔽するように形成されており、また回路基板の接地線と電気的に接続されているため、回路基板のシールドとしても機能する。本実施形態では、回路基板２００の正面側（図１中左下側）に増幅回路等のノイズ感受性の高い回路が配置されているため、第１部３１０及び第３部３３０は直線状に形成されている。しかし、Ｃ字状の回路基板の全面に亘ってノイズ感受性の高い回路が分布している場合には、例えば回路基板２００の全面を覆うＣ字状に、あるいはコア上面をすべて覆うようなロの字状に形成された第１部３１０及び第３部３３０を使用してもよい。

また、本実施形態においては、接地部材の接地部及び湾曲部が２対形成されているが、接地部材の幅を広く取れる場合は、接触部及び湾曲部が３対以上形成されてもよい。接触部及び湾曲部の対が増えるほど、接触部への異物の付着や形成不良による接触不良が発生する可能性を減らすことができ、より確実な接地が実現される。

本実施形態では珪素鋼板から形成されたコアが使用されているが、コアの材料は計測する電流の性質（例えば、交流か直流か、大電流か微小電流か等）によって適宜選択することができる。例えば、パーマロイやフェライトをコアの材料として使用することができる。

１ 電流センサ
１００ コア
１１０ ギャップ
１１２ ギャップ端面（第１端面）
１１４ ギャップ端面（第２端面）
２００ 回路基板
２１０ ホール素子
２２０ スルーホール（接地部材実装穴）
３００ 接地部材
３１０ 第１部
３１２ 突起（基板固定部）
３２０ 第２部
３２２ 接触部（第１接触部）
３２４ 接触部（第２接触部）
３２６ 湾曲部
３２８ 素子押さえ板
３３０ 第３部

Claims (18)

1. ギャップが形成された環状のコアと、前記ギャップ内に収容される磁電変換素子が実装された回路基板とを備えた電流センサにおいて、コアの接地に使用されるコア接地部材であって、
   接地線に接続される第１部と、
   前記ギャップ内に配置され、該ギャップの境界を定める前記コアの端面と接触する第２部と、
   を有し、
   前記第２部は、
   前記コアの端面と接触する接触部と、
   前記ギャップ内に配置されることにより弾性変形し、前記接触部を弾性力により前記端面に押し込む弾性変形部と、
   を有することを特徴とするコア接地部材。
2. 第２部は第１接触部及び第２接触部を有し、
   第１接触部及び第２接触部は、コアの互いに平行な第１端面及び第２端面とそれぞれ接触する接触平面を有し、
   弾性変形部は第１接触部と第２接触部の一端同士を連結する
   ことを特徴とする請求項１に記載のコア接地部材。
3. 第１部は、平板状に形成されており、第２部がギャップ内に配置されたときに、一面がコアの外表面と接触するように形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコア接地部材。
4. 第１部は、第２部がギャップ内に配置されたときに、回路基板のノイズ感受性が高い箇所を覆うように形成されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコア接地部材。
5. 第１部と同一平面上に形成された平板状の第３部を更に有し、
   第２部が第１部と第３部とを連結する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のコア接地部材。
6. 第２部は、磁電変換素子がギャップの中央に配置されるように該素子を押さえて位置決めする、素子押さえ部を更に有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のコア接地部材。
7. 素子押さえ部は、第１及び第２素子押さえ部を含み、
   第１及び第２素子押さえ部は、コアの第１及び第２端面と磁電変換素子との間にそれぞれ配置され、磁電変換素子にそれぞれ逆方向の弾性力を加える
   ことを特徴とする請求項６に記載のコア接地部材。
8. 第１部には回路基板に形成された接地用スルーホールに差し込むための突起が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のコア接地部材。
9. 金属板の金型加工により形成されたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のコア接地部材。
10. ギャップが形成された環状のコアと、
    ギャップ内に収容される磁電変換素子が実装された回路基板と
    を備えた電流センサであって、
    コアを接地するためのコア接地部材を更に備え、
    コア接地部材は、
    接地線に接続される第１部と、
    ギャップ内に配置される第２部と、
    を有し、
    第２部は、
    コアの端面と接触する接触部と、
    ギャップ内に配置されることにより弾性変形し、接触部を弾性力により端面に押し込む弾性変形部と
    を有することを特徴とする電流センサ。
11. コアは互いに平行な第１端面及び第２端面を有し、
    第２部は第１接触部及び第２接触部を有し、
    第１接触部及び第２接触部は、コアの第１端面及び第２端面とそれぞれ接触する接触平面を有し、
    弾性変形部は第１接触部と第２接触部の一端同士を連結する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電流センサ。
12. 第１部は、平板状に形成されており、第２部がギャップ内に配置されたときに、一面がコアの外表面と接触するように形成されている
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の電流センサ。
13. 第１部は、第２部がギャップ内に配置されたときに、回路基板のノイズ感受性が高い箇所を覆うように形成されている
    ことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の電流センサ。
14. コア接地部材は、第１部と同一平面上に形成された平板状の第３部を更に有し、
    第２部が第１部と第３部とを連結する
    ことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の電流センサ。
15. 第２部は、磁電変換素子がギャップの中央に配置されるように該素子を押さえて位置決めする、素子押さえ部を更に有する
    ことを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の電流センサ。
16. 素子押さえ部は、第１及び第２素子押さえ部を含み、
    第１及び第２素子押さえ部は、コアの第１及び第２端面と磁電変換素子との間にそれぞれ配置され、磁電変換素子にそれぞれ逆方向の弾性力を加える
    ことを特徴とする請求項１５に記載の電流センサ。
17. 前記接地線は回路基板上に形成されており、
    前記回路基板には前記接地線に接続された前記スルーホールが形成されており、
    前記第１部には突起が形成され、該突起がスルーホールに差し込まれている
    ことを特徴とする請求項１０から１６のいずれか１項に記載の電流センサ。
18. コア接地部材は金属板の金型加工により形成されたことを特徴とする請求項１０から１７のいずれか１項に記載の電流センサ。

Images