JP5894735B2 - 積層磁気コアを有する電流センサー - Google Patents

Description

本発明は、積層磁気コアのエアギャップ内に位置する磁界検出器を有する電流センサーに関する。

積層磁気コアと、このコアのエアギャップ内に位置する磁界検出器とを有する電流センサーは、公知であり広く使用されている。この磁気コアは、測定対象の電流が流れる導体の周囲に位置することが意図されている。この電流によって発生する磁束密度が、磁気コアのエアギャップ内に位置する磁界検出器によって測定される。渦電流を低減するために、多くの磁気コアは、典型的には軟鉄ニッケル合金等の高透磁率を有する材料でできた、複数の積層された薄板によって形成される。磁気コアを形成する積層された薄板は、典型的には型押し及び溶接作業によって、コア周囲の特定の箇所で互いに保持される。一般的に使用される磁界検出器の一つとして、プリント回路基板上へ搭載するための集積回路（ＡＳＩＣ）の形式のホールセンサーがある。この回路基板は、信号処理用及び電源供給用である外部装置に電流センサーを接続するための接続端子、及び／又は信号処理回路を更に備えうる。磁界検出器を搭載した回路基板の一部を磁気コアのエアギャップ内に挿入することは公知であり、この場合、磁界検出器と磁気回路との組立部は、閉じられた又は樹脂充填によって密閉された筐体内で保持されている。このような電流センサーの例が、例えばＵＳ２００５／０２３７０４９に記載されている。

特定の用途において、センサーには、センサーの環境における機械的衝撃や振動や温度変化による、高い熱応力及び／又は機械的応力が加えられる。これらの応力は、材料及び構成部品の老朽化と共に、経時的な電流測定の不正確さの原因となる。

従来の積層磁気コアにおいては、衝撃や振動や熱応力が原因となり、積層された薄板を保持している溶接の劣化が生じることがある。その場合、更なる問題として、エアギャップの寸法が変化したり、磁界検出器がエアギャップ内における元の位置からずれたりする可能性がある。磁気コアの積層された板が緩むことにより、説明のつかない変化が磁束密度にもたらされるおそれがある。

米国特許出願公開第２００５／０２３７０４９号明細書

本発明の目的は、信頼性が高く、正確で、振動や衝撃や温度変化に起因した応力に耐性のある電流センサーを提供することである。

経済的に製造及び組立ができる電流センサーを提供することは、有利である。

本発明の目的は、請求項１記載の電流センサーを提供することで達成されている。

本願明細書において開示されるのは、電流センサーであって、この電流センサーは、エアギャップを有する磁気コアと、前記エアギャップ内に少なくとも部分的に位置する磁界検出器と、導電性取付部材とを備え、前記導電性取付部材は、前記磁気コアの対向する面同士の間に延在する第一及び第二延長部と、前記両延長部を相互接続し前記エアギャップを跨いで設けられるブリッジ部とを少なくとも備え、前記ブリッジ部は、磁界検出器の接地端子と電気接触する電気端子を備える電流センサーである。

好ましくは、両延長部の両自由端が、取付部材のブリッジ部に当接する磁気コアの一面とは反対側に位置する、磁気コアの外面の上に折り曲げられる。これにより、両延長部は、溶接又は他の固定手段に加えて又はこれらの代わりに、磁気コアを形成する積層された薄板を互いに固定する役割を果たすこととなる。折り曲げられた両延長部によって、衝撃や振動の存在下で薄板が互いに確実に固定されることが保証される。

有利には、導電性取付部材は、磁気回路を接地する役割も果たして、磁気コアと磁界検出器と外部装置との間の各電位差が電流信号測定に影響を及ぼすことを防ぐ。

好適には、取付部材は、磁気回路及び磁界検出器をセンサーの筐体内に固定し位置決めするために、筐体の対応する空洞内に挿入される一つ以上の取付タブを備えてもよい。

有利には、磁気検出器を、接地端子を形成する接地パッドも更に備えた回路基板上に設けてもよく、この接地パッドは、取付部材の電気端子と電気接触する。

好適には、取付部材の電気端子は、弾性のアーム形状であってもよく、この弾性のアームは、磁界検出器の回路基板が取付部材の電気端子に対してプラグ接触可能に挿入されうるように構成される。

好適には、取付部材は、略面状の構成で、シートメタルから打抜かれ形成されたものであってもよい。

有利には、取付部材は、電気端子から隔てられ且つ電気端子に対向する位置決め用アームを更に備えてもよく、この位置決め用アームは、磁界検出器の回路基板をこの電気端子と位置決め用アームとの間においてクランプ締めするように構成される。また、電気端子及び／又は位置決め用アームは、磁界検出器のエアギャップ内における位置決め手段としての役割も果たす。また、弾性の電気端子は、振動や機械的衝撃を吸収し、磁界検出器をエアギャップ内において正しい位置に保持することを助ける。

有利には、取付部材のこの構成によって、磁界検出器を、センサーの筐体内に且つ電気端子と位置決め用アームとの間においてプラグ接続可能にエアギャップを貫通して、挿入することによって組み立てることもできる。これにより、組立作業が簡素化されると同時に、磁気回路の接地と磁界検出器のエアギャップに対する位置決めとが保証されることとなる。

本発明の更なる目的及び利点は、請求項、詳細な説明、及び添付図面から明らかになるであろう。

図１は、本発明に係る電流センサーの一部切欠斜視図である。 図２ａは、本発明に係る電流センサーの取付部材を有する磁気回路の図であり、図２ａ及び図２ｂには、それぞれ高さが異なる磁気回路を示している。 図２ｂは、本発明に係る電流センサーの取付部材を有する磁気回路の図であり、図２ａ及び図２ｂには、それぞれ高さが異なる磁気回路を示している。 図３は、図１に示すセンサーの取付部材の斜視図である。

図面を参照すると、電流センサー２が、筐体４と、磁気コア６と、磁界検出器８と、取付部材１０とを備える。

この磁気コアは、当該技術分野において公知であるように、高透磁率を有する材料でできた積層された薄板から形成される。磁気コアは、開口部１２を囲んで設けられ、この開口部は、測定対象の電流が流れる一次導体（図示せず）がこの開口部を通ることが意図されている。磁気コア６は、エアギャップ１４を有しており、このエアギャップは、図示する本実施形態においては、磁気コアを完全に貫通している。しかしながら、本発明の範囲内において、エアギャップは部分的なエアギャップであってもよく、これにより、磁気コアは閉じられた又は実質的に閉じられた磁気回路を形成することとなる。図２ａ及び図２ｂに示すように、磁気コアを形成する積層された薄板の高さＨを、測定対象の電流の強さに応じて変更してもよい。コスト上及び重量上の理由で、用途及び測定対象の規定電流の最大強さに応じて、磁気コアの高さを適合させることには利点がある。この場合、原則として、電流測定における非線形性の原因となる磁気コアの飽和を回避するように制限される。

磁界検出器８は、磁界センサー１６と、磁界センサー１６を搭載した回路基板１８とを備える。磁界センサーは、例えば回路基板１８上の導電路に接続された接触端子２０を有するＡＳＩＣの形式のホール効果センサーであってもよい。ホール効果センサーのチップは広く使用されているが、本発明の範囲において、他の公知の磁界センサーを使用することも可能であり、例として、巨大磁気抵抗磁界センサーやフラックスゲートセンサーやその他の公知の磁界センサーが挙げられる。磁界センサーを、必ずしも回路基板上に搭載する必要はなく、これを、測定信号の処理用の外部装置のための電気端子、及びこのセンサーを接地するための電気端子を有する、筐体内又は他の支持構造内に封入したり組み込んだりすることも可能である。

図示する本実施形態においては、回路基板１８は、磁界センサーのための支持を提供するだけでなく、測定信号の前処理用のいくつかの構成部品と、接触パッド２２とを備えており、これらの接触パッドは、外部の測定信号処理装置に接続するために、電流センサー筐体のコネクタープラグ内のピン又はレセプタクル端子（図示せず）に他の公知の手段によってはんだ付け又は接続されてもよい。回路基板１８は、更に接地端子を備えており、この接地端子は、図示する本実施形態においては、磁界検出器及び磁気コアを接地する端子２６と相互接続される接地パッド２４の形状である。その結果、磁界検出器と磁気コアとの間、及びこれらと、電気センサーが接続される外部の処理装置との間に電位差が生じることが回避される。

図示する本実施形態においては、回路基板の一部及び磁界センサー１６は、一次導体の通路用の中央開口部１２の軸に対応する軸方向Ａに、筐体内及びエアギャップ１４内に挿入される。磁気コア６及び取付部材１０の筐体への挿入後に、磁界検出器８は、筐体の開放端２８から筐体内及びエアギャップ１４内に挿入され、これらの全ての部品は、軸方向Ａに筐体に挿入される。筐体の開放端は、例えば筐体を覆うように、溶接される又は他の方法で固定されるカバー部（図示せず）によって閉じられてもよく、且つ／又は筐体は、その内部の各構成部品を環境から保護するために、充填用樹脂によって充填される。

好適には、筐体には、ガイド面又はガイドレール２８が、回路基板１８を収容するスロット形状の空洞部内に設けられてもよい。ガイド面２８は、磁界センサー１６から離れたところにある、回路基板の端部３０に隣接した位置において、回路基板１８と接触する。以下に詳しく述べるように、エアギャップ１４内又はその隣接部における、磁界検出器８のこれとは反対側にある端部の位置決め及び案内は、主に取付部材１０によって行われる。

取付部材１０は、ブリッジ部３４と、このブリッジ部３４において対向する両端部３８から延在して対をなす磁気コア固定延長部３６とを備える。この取付部材は、筐体固定部４０、４２を更に備えており、これらの筐体固定部は、図示する本実施形態においては、取付部材及び磁気回路を筐体内に位置決めし固定するために、筐体内の対応する空洞４４、４６に挿入されるタブ形状である。好適には、取付タブの少なくとも一つには、取付部材１０を筐体４へ碇着するためのかかり部４８又は他の碇着部材が設けられる。取付部材１０は、電気端子５０を更に備えており、この電気端子は、好適には、磁界検出器８の接地接触部２４へ弾性的に当接するための弾性の片持ちアーム形状であってもよい。更に、電気端子５０に対向し且つギャップによりこの電気端子から隔てられている位置決め用突出部５２が設けられてもよく、このギャップは、回路基板１８がギャップの間に圧縮嵌めの状態で挿入されるようになっている。これにより、位置決め用突出部５２は、磁界検出器８がエアギャップ１４内に挿入される際及びその後におけるセンサーの動作中の、磁界検出器８の案内用及び位置決め用の基準としての役割を果たすこととなる。

位置決め用突出部５２は、電気端子５０と同一又は同様の形状であってもよいし、取付部材の電気端子５０と磁界検出器の接地端子２４との間で所望される又は必要な弾性及び接触圧力の量に応じて、電気端子よりも高い又は低い剛性を有する異なった形状であってもよい。さらには、本発明の範囲内において、電気端子を形成する実質的に剛性の突出部と、弾性の位置決め用突出部とを有することが可能である。また、磁界検出器８の対向する面上においてそれぞれ接地パッドに接触する、接地用突出部と位置決め用突出部との両方を有することも可能である。図示する本実施形態においては、位置決め用突出部５２はある一定の弾性を有するが、これは電気端子５０の弾性よりも低くなっており、これにより、位置決め用突出部５２は回路基板の位置決め用の基準としての役割を果たすこととなり、一方、弾性の電気端子５０は回路基板の厚みの公差に対してある程度の調整を行うこととなる。電気端子５０と位置決め用アーム５２との弾性が合わさることによって、取付部材と接地パッド２４との間の電気接続の完全性が保証されると同時に、衝撃や振動への耐性が提供される。

好適には、取付部材１０は、図面に示すような略面状の構成、又はより高い剛性のため、もしくは機能上の目的のための面状でない三次元の構成（図示せず）で、打ち抜かれたシートメタルから形成されてもよい。

固定延長部３６は、対応する片開きの溝又は穴の中に挿入され、磁気コアを形成する積層された薄板を貫通する。各延長部の自由端部５６は、磁気回路の外層上に、曲げたり（図示）又はその他の方法によって変形させたりすることが可能であり、これにより、磁気回路の積層された薄板の層は、変形された端部５６とブリッジ部３４との間でクランプ締めされることとなる。図２ａ及び図２ｂから最もよくわかるように、磁気コアを形成する積層された薄板の高さを考慮して、必要な長さだけ延長部の端部を曲げるように、折り曲げ作業を容易に調節してもよい。取付部の磁気コアへのクランプ締め効果によって、衝撃や振動や熱応力への耐性が提供され、これを溶接等の従来の固定手段に加えて又は替えて提供することが可能である。また、延長部を磁気コアの方へ折り曲げることによって、磁気コアと磁界センサーとの間の優れた電気接地接続も保証される。磁気コアに確実に固定された取付部材１０によって、磁気コアが筐体及び磁界検出器にそれぞれ確実且つ強固に取付けられ、並びに磁界検出器がエアギャップ内において確実且つ正確に位置決めされることとなる。

Claims (10)

1. エアギャップを有する積層磁気コアと、前記エアギャップ内に少なくとも部分的に位置する磁界検出器と、導電性取付部材とを備え、
   前記導電性取付部材は、前記エアギャップの一方の側に位置する積層磁気コア部分の対向する外面同士の間を貫通する第一固定延長部と、前記エアギャップの他方の側に位置する積層磁気コア部分の対向する外面同士の間を貫通する第二固定延長部と、前記両固定延長部の間に延在してこれらを相互接続し前記両固定延長部の間で前記エアギャップを跨いで設けられるブリッジ部とを少なくとも備え、
   ブリッジ部におけるエアギャップを跨ぐ部分は、第一、第二固定延長部の間で直線状に配置され、
   前記ブリッジ部は、前記エアギャップを跨ぐ部分で前記横断方向へ突出し前記磁界検出器の接地端子と電気接触する電気端子を備える電流センサー。
2. 前記両固定延長部の両自由端が、前記積層磁気コアの前記外面の一つの上に折り曲げられる請求項１記載の電流センサー。
3. 前記取付部材の前記電気端子は、前記磁界検出器の導電性パッドに当接する弾性接触部を備える請求項１又は２記載の電流センサー。
4. 前記取付部材は、略平面である請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサー。
5. 前記取付部材は、前記取付部材及び積層磁気コアを筐体内に位置決めし固定するために、前記筐体の対応する空洞内に収容される一つ以上のタブを備える請求項１〜４のいずれかに記載の電流センサー。
6. 前記取付部材は、前記電気端子に対向し且つギャップにより前記電気端子から隔てられている位置決め用突出部を備え、前記ギャップは、前記電気端子と位置決め用突出部との間が弾性圧縮の状態で前記磁界検出器の一部が前記ギャップの間に挿入されるように構成される請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサー。
7. 前記位置決め用突出部は、片持ちアーム形状である請求項１〜６のいずれかに記載の電流センサー。
8. 前記電気端子は、弾性の片持ちアーム形状である請求項１〜７のいずれかに記載の電流センサー。
9. 前記磁界検出器は、回路基板と前記回路基板上に搭載される磁界センサーとを備える請求項１〜８のいずれかに記載の電流センサー。
10. 前記磁界検出器の前記接地端子は、前記取付部材の前記電気端子に当接する導電性パッドを備える請求項９記載の電流センサー。