JP6550115B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流センサに関し、特に、巻線をした環状の磁性体コア（トロイダルコイル）を収容し、従来よりも製造が容易で、コストを低減することのできる電流センサに関する。

電流に流れる電流量を測定する手段として、貫通型の電流センサが知られている。これは、被測定電線を磁性体コアで囲み、この磁性体コアに巻回された二次巻線（コイル）に生成される出力電流を負荷抵抗に流し、これにより得られる電圧値に基づいて、前記電線に流れる電流量を測定するものである。

ところで、環状の磁性体コア（トロイダルコアと呼ぶ）とそれに巻き付ける巻線とを電気的に絶縁するために、従来から例えばトロイダルコアに絶縁テープを巻き付ける方法、或いは、特許文献１に開示されるようにトロイダルコアをプラスチック樹脂からなるインナケースに収容し密閉するなどの方法がとられている。
また、このように表面が絶縁され巻線が巻かれたトロイダルコア（トロイダルコイルと呼ぶ）は、さらにアウタケースに収容され、アウタケース内の空いたスペースに樹脂材がモールドされることにより封止され、アウタケース内に固定される。

しかしながら、従来のようにアウタケース内にトロイダルコイルを固定するためにモールド樹脂を用いると、磁性体コアが積層した金属磁性薄板コアの場合には、樹脂の収縮による機械的歪みを受け、磁気特性が劣化し、感度が劣化するという課題があった。
また、樹脂を注入し固化させる作業に時間をかかる上、モールド樹脂の材料にかかるコストが嵩張るという課題があった。

このような課題を解決するものとして、特許文献２には、トロイダルコアの外周部に予め嵌合用の窪みを設け、トロイダルコアを収容する樹脂製ケースの内壁には前記窪みに嵌合する突起を設けた構成が開示されている。
このような構成によれば、前記ケースに前記トロイダルコアを収容した際に前記くぼみと前記突起とを嵌合させることで、前記ケース内に前記トロイダルコアを固定することができる。

実開平５−４１１２２号公報 実開平２−１５０５７３号公報

しかしながら、特許文献２に開示される構造にあっては、トロイダルコアに対し周方向に沿って複数の窪みを加工形成する必要があり、作業に手間と時間を要する上、トロイダルコアの特性に影響を及ぼす虞があった。
また、特許文献２に記載の発明にあっては、本発明のように、トロイダルコアに多数回の巻線をしたトロイダルコイルをケース内に固定することを目的としていない。即ち、トロイダルコイルをケース内に固定する手段は開示されていない。

また、棒状のコアにボビン巻により巻線されたコイルをアウタケースに固定するのは、巻線のない前後端部を利用して固定すればよいため、容易である。
しかしながら、環状コアの略全周にわたって線材が巻回されたトロイダルコイルを固定する場合には、巻線の巻き始めと巻き終わりの間の僅かなスペースしか固定に利用できないため、容易ではないという課題があった。
例えば、コイルをケースに固定する方法として、モールド樹脂以外に接着剤により固定する方法も考えられるが、トロイダルコイルでは、前記のように巻線のないスペースが僅かであるため、接着剤による固定では接着強度が不十分であった。

本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、環状のトロイダルコアの表面を絶縁して多数の巻線がされたトロイダルコイルを、モールド樹脂を用いることなくハウジング内に容易に固定し、コストを低減することのできる電流センサを提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る電流センサは、環状のトロイダルコイルがアウタケース内に固定される電流センサであって、環状のトロイダルコアを収容する環状かつ絶縁性のインナケースと、前記インナケースに巻回され、前記トロイダルコイルを形成する導電性の巻線と、前記インナケースにおいて前記巻線の巻き始めと巻き終わりとの間のスペースに形成された嵌合部と、前記トロイダルコイルを収容する前記アウタケースとを備え、前記トロイダルコイルの軸方向に直交する前記アウタケースの前後壁には、それぞれ第一及び第二の係合部が形成され、前記アウタケースにおいて前記トロイダルコイルの円孔部に挿入可能に形成された円筒部には第三の係合部が形成され、前記アウタケース内において該アウタケースに収容される前記トロイダルコイルの外周接線に沿って設けられた板部材には第四の係合部が形成され、前記嵌合部は、前記第一及び第二の係合部にそれぞれ嵌合する前面部及び後面部と、前記第三及び第四の係合部にそれぞれ嵌合する内周面部及び外周面部とを有することに特徴を有する。
尚、前記アウタケースは、前記トロイダルコイルの軸方向に分割可能に形成され、前記第一及び第二の係合部とそれらに嵌合する前記嵌合部の内周面部及び外周面部とは、軸方向に延びる溝部とそれに嵌合するリブのいずれかであることが望ましい。
また、前記アウタケース内において、前記板部材と該アウタケース内壁との間に間隙が設けられ、前記間隙に、前記トロイダルコイルから引き出された巻線と電気的に接続され、外部端子を搭載した回路基板が嵌合していることが望ましい。
また、前記回路基板には、くびれ部が設けられ、前記トロイダルコイルから引き出された巻線は、前記くびれ部に巻回されて前記回路基板に接合されていることが望ましい。

このような構成によれば、多数巻線がされたトロイダルコイルであっても、巻線の巻始めと巻き終わりとの間の僅かなスペースに嵌合部を設け、この嵌合部によりトロイダルコイルの径方向と軸方向（厚さ方向）とがアウタケースに対し確実に固定される。
これにより従来のようなモールド樹脂によるトロイダルコイルの固定が不要となり、コストだけでなく生産性を向上し、また、軽量化することができる。
また、固定のためにコア自体を加工する必要がないため、手間を要することがなく、またコアの変形による性能低下を防止することができる。

環状のトロイダルコアの表面を絶縁して多数の巻線がされたトロイダルコイルを、モールド樹脂を用いることなくハウジング内に容易に固定し、コストを低減することのできる電流センサを得ることができる。

図１は、本発明に係る電流センサの斜視図である。 図２は、図１の電流センサの平面図（上面図）である。 図３は、図１の電流センサの背面図である。 図４は、図１の電流センサを分解した各パーツを示す斜視図である。 図５は、図１の電流センサが有する蓋部の裏面側を示す斜視図である。 図６は、図１の電流センサの蓋部を外した状態の正面図である。 図７（ａ）は、トロイダルコイルのうち、巻線がされていない状態のインナケースの斜視図であり、図７（ｂ）は異なる方向から見たインナケースの斜視図であり、図７（ｃ）は、インナケースの裏面側を示す平面図である。 図８（ａ）は、アウタケース本体の斜視図であり、図８（ｂ）は正面図であり、図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図、図８（ｄ）は、図８（ｂ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。

以下、本発明に係る電流センサの実施の形態を図面に基づき説明する。
尚、本発明にあっては、環状の磁性体コア（トロイダルコア）に対し絶縁体（樹脂製のインナケース）を介して導電線材を巻線したものをトロイダルコイルと呼ぶ。
また、本発明に係る電流センサは、前記トロイダルコイルをアウタケース内に固定する構成に適用される。

図１は、本発明に係る電流センサの斜視図、図２は平面図（上面図）、図３は背面図である。また、図４は、図１の電流センサを分解した各パーツを示す斜視図であり、図５は、図１の電流センサが有する上蓋の裏面側を示す斜視図、図６は、図１の電流センサの上蓋を外した状態の正面図である。

図１乃至図３に示す電流センサ１は、アウタケース２０を備え、アウタケース２０は、アウタケース本体２とその前面側に装着された蓋部３（前壁）とを有する。また、図１においてアウタケース２０の上部には端子部４が装着されている。また、図１においてアウタケース本体２の下側左右両端には、フランジに取り付け孔が形成された取り付け部２ａが設けられている。

前記蓋部３は、図５に示すように四隅に４本の係合脚部３ａを有する。アウタケース本体２に蓋部３が閉じられると、４本の係合脚部３ａはアウタケース本体２の内側面に形成された４つの係止孔（図示せず）にそれぞれ係合するようになっている。
前記蓋部３を取り外すと、図５に示すようにアウタケース本体２には、前記端子部４と、端子部４が搭載された回路基板５と、回路基板５に接続されたリング状のトロイダルコイル１０とが装着された状態となる。

図７（ａ）は、トロイダルコイル１０のうち、巻線がされていない状態のインナケース１１の斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）とは異なる方向から見たインナケース１１の斜視図であり、図７（ｃ）は、インナケース１１の裏面側を示す平面図である。

インナケース１１は、図４に示すようにリング状のトロイダルコア（磁性体コア）９を収容する樹脂製（絶縁性）のケースである。インナケース１１は上下（上ケース１１ａ、下ケース１１ｂ）に分割可能とされ、分割した状態で前記トロイダルコア９を収容し、図７に示すように上下を合体させた状態で使用される。前記トロイダルコア９とインナケース１１との間の隙間は略無く、トロイダルコア９の収容時には、トロイダルコア９がインナケース１１内に嵌入され固定された状態で収容される。

また、図７に示すようにインナケース１１には、厚さ方向及び径方向に一部隆起した嵌合部１２が形成されている。この嵌合部１２は小さな円弧状に形成され、前面部１２ａと後面部１２ｂ、そしてリング内周側の内周面部１２ｃとリング外周側の外周面部１２ｄとを有する。尚、この嵌合部１２の左右いずれか一方から巻線が巻き始められ、他方が巻き終わりとなる。

図７（ａ）に示すように嵌合部１２の前面部１２ａには、円形の窪み１２ａ１が形成され、外周面部１２ｄには、厚さ方向（軸方向）に沿って直線状の溝部１２ｄ１が形成されている。
また、図７（ｂ）に示すように嵌合部１２の内周面部１２ｃには、厚さ方向（軸方向）に沿って直線状の溝部１２ｃ１が形成されている。
更に図７（ｃ）に示すように、嵌合部１２の後面部１２ｂには、２つの円形の窪み１２ｂ１が形成されている。
前記溝部１２ｃ１、１２ｄ１、窪み１２ａ１、１２ｂ１は、後述するアウタケース本体２及び蓋部３に対しインナケース１１を嵌合させるために設けられている。

図８（ａ）は、前記アウタケース本体２の斜視図、図８（ｂ）は正面図であり、図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図、図８（ｄ）は、図８（ｂ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
図８に示すように、アウタケース本体２には、トロイダルコイル１０の収容空間において、トロイダルコイル１０（インナケース１１）の中央の円孔部１３に挿入可能な円筒部２ｂが立設され、この円筒部２ｂの外周面には、軸方向に沿って直線状の嵌合リブ２ｂ１（第三の係合部）が形成されている。この嵌合リブ２ｂ１は、嵌合部１２の内周面部１２ｃに形成された溝部１２ｃ１に嵌合可能となされている。

また、図６、図８（ａ），図８（ｂ）に示すように、アウタケース本体２内の上部においてトロイダルコイル１０の外周接線に沿った所定位置に、ケース幅方向に長く延びる嵌合板部材２ｃが、ケース厚さ方向に立設されている。また、アウタケース本体２の上部には、端子部４の側方を保護するための３面側壁部２ｄが高さ方向に立設されている。
前記３面側壁部２ｄは、端子部４の左右側面及び背面を保護するものであり、前面側、及び上方側、下方側は開口した状態である。また、図８（ｂ）に示すように、前記３面壁側部２ｄは、アウタケース本体２の天壁２ｅの中央に設けられる。前記天壁２ｅと前記嵌合板部材２ｃとの間には空隙２ｇが形成されている。

また、前記天壁２ｅには下方（空隙２ｇ側）に突起する２つの突起部２ｅ１が形成され、前記嵌合板部材２ｃには上方（空隙２ｇ側）に突起し、前記２つの突起部２ｅ１に対応する２つの突起部２ｃ１が形成されている。前記空隙２ｇには、回路基板５が挿入されることにより収容可能とされ、上下面が前記突起部２ｅ１、２ｃ１によって押さえ付けられた状態で固定される。前記回路基板５は、端子部４が搭載された状態で挿入され、図６に示すように端子部４は３面壁側部２ｄに側方３面を囲われた状態となる。
尚、回路基板５は、矩形状に形成され、左右の角部にくびれ部５ａが形成されている。これは、図６のようにコイル巻線を回路基板５に接続する際に、前記くびれ部５ａにコイル巻線端部を一旦巻き付けることで、断線の発生を抑えるために設けられている。

また、前記嵌合板部材２ｃの中央下面には、ケース厚さ方向に延びる３つの直線状のリブが形成されている。具体的には、中央の嵌合リブ２ｃ２（第四の係合部）と、その左右２つの支持リブ２ｃ３である。中央の嵌合リブ２ｃ２は、前記したトロイダルコイル１０のインナケース１１における嵌合部１２の溝部１２ｄ１に嵌合可能に形成されている。また、その左右の支持リブ２ｃ３は、前記嵌合部１２の溝部１２ｄ１の左右にそれぞれ当接可能とされ、インナケース１１を支持するために設けられている。

また、アウタケース本体２の後壁２ｆには、前記嵌合リブ２ｃ２とそれに対向する２ｂ１との間を繋ぐように幅広の隆起部２ｆ１が設けられ、この隆起部２ｆ１上に２つの突起部２ｆ２（第二の係合部）が設けられている。これら２つの突起部２ｆ２は、インナケース１１の嵌合部１２の後面部１２ｂに形成された２つの円形の窪み１２ｂ１に嵌合可能となされている。

また、図５に示すように前壁を形成する蓋部３の裏側は、インナケース１１における嵌合部１２の前面部１２ａに形成された窪み１２ａ１に嵌合可能な突起部３ｂ（第一の係合部）が形成されている。
即ち、蓋部３を閉めることにより、トロイダルコイル１０は、軸方向（厚さ方向）がケースに対し固定されるようになっている。

また、蓋中央には、アウタケース本体２の円筒部２ｂに挿嵌可能な軸筒部３ｃが形成されている。また、蓋部３を閉めた際に回路基板５を押さえ付ける突起部３ｄが形成されている。さらに、端子部４の側面を完全に囲うための前面壁部３ｅが形成されている。

このように構成された電流センサ１を組み立てる場合、先ず環状のトロイダルコア９をインナケース１１に収容し、これに一般的なトロイダル巻線機（図示せず）を用いて導電線材を周方向に多数巻回する。この際、前記嵌合部１２のみが露出するように巻線を設ける。これによりトロイダルコイル１０が形成される。尚、インナケース１１の外周部は突起のない円形状であるため、一般的なトロイダル巻線機での線材の巻回が可能である。

次いで、このトロイダルコイル１０を、図６に示すようにアウタケース本体２に収容する。具体的には、嵌合部１２の溝部１２ｄ１を嵌合板部材２ｃの嵌合リブ２ｃ２に嵌合させ、嵌合部１２の溝部１２ｃ１を円筒部２ｂの嵌合リブ２ｂ１に嵌合させる。これによりトロイダルコイル１０の径方向がアウタケース本体２に対し固定される。
また、トロイダルコイル１０の収容時に、奥まで押し込むことにより、嵌合部１２の後面部１２ｂに形成された２つの円形の窪み１２ｂ１をアウタケース本体２の後壁２ｆに形成された２つの突起部２ｆ２に嵌合させる。

また、回路基板５に端子部４を搭載した後、アウタケース本体２の空隙２ｇに回路基板５を挿入する。回路基板５は、その上下面が突起部２ｅ１、２ｃ１によって押さえ付けられた状態で固定される。尚、前記空隙２ｇは、嵌合板部材２ｃを設けたことにより形成されているため、嵌合板部材２ｃは、トロイダルコイル１０と回路基板５のケース内への固定部材として共用されている。

また、トロイダルコイル１０の巻線の両端部を回路基板５に半田により接合する。また、このとき、矩形状の回路基板５の左右角部に設けられたくびれ部５ａにコイル巻線端部を一旦巻き付けた上、基板に接合することで、断線の発生を抑えることができる。

そして、アウタケース本体２に対し蓋部３を閉める。その際、蓋部３の裏側に形成された突起部３ｂを、嵌合部１２の前面部１２ａに形成された窪み１２ａ１に嵌合させる。
これによりトロイダルコイル１０は、軸方向（厚さ方向）がケースに対し固定され、電流センサ１が完成する。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、多数巻線がされたトロイダルコイル１０であっても、巻線の巻始めと巻き終わりとの間の僅かなスペースに嵌合部１２を設け、この嵌合部１２によりトロイダルコイル１０の径方向と軸方向（厚さ方向）とがアウタケースに対し確実に固定される構成とした。
これにより従来のようなモールド樹脂によるトロイダルコイルの固定が不要となり、コストだけでなく生産性を向上し、また、軽量化することができる。
また、固定のためにコア自体を加工する必要がないため、手間を要することがなく、またコアの変形による性能低下を防止することができる。

尚、前記実施の形態にあっては、トロイダルコイル１０の嵌合部１２と、アウタケース２０との嵌合において、一方が溝形状で他方がリブ形状、或いは一方が窪み形状で他方が突起形状としたが、本発明にあっては、その組み合わせや形状が特に限定されるものではない。

１ 電流センサ
２ アウタケース本体
２ｂ１ 嵌合リブ（第三の係合部）
２ｃ２ 嵌合リブ（第四の係合部）
２ｆ２ 突起部（第二の係合部）
３ 蓋部
３ｂ 突起部（第一の係合部）
４ 端子部
５ 回路基板
５ａ くびれ部
９ トロイダルコア
１０ トロイダルコイル
１１ インナケース
１２ 嵌合部
１２ａ 前面部
１２ｂ 後面部
１２ｃ 内周面部
１２ｄ 外周面部
１３ 円孔部
２０ アウタケース

Claims (4)

1. 環状のトロイダルコイルがアウタケース内に固定される電流センサであって、
   環状のトロイダルコアを収容する環状かつ絶縁性のインナケースと、前記インナケースに巻回され、前記トロイダルコイルを形成する導電性の巻線と、前記インナケースにおいて前記巻線の巻き始めと巻き終わりとの間のスペースに形成された嵌合部と、前記トロイダルコイルを収容する前記アウタケースとを備え、
   前記トロイダルコイルの軸方向に直交する前記アウタケースの前後壁には、それぞれ第一及び第二の係合部が形成され、前記アウタケースにおいて前記トロイダルコイルの円孔部に挿入可能に形成された円筒部には第三の係合部が形成され、前記アウタケース内において該アウタケースに収容される前記トロイダルコイルの外周接線に沿って設けられた板部材には第四の係合部が形成され、
   前記嵌合部は、前記第一及び第二の係合部にそれぞれ嵌合する前面部及び後面部と、前記第三及び第四の係合部にそれぞれ嵌合する内周面部及び外周面部とを有することを特徴とする電流センサ。
2. 前記アウタケースは、前記トロイダルコイルの軸方向に分割可能に形成され、前記第一及び第二の係合部とそれらに嵌合する前記嵌合部の内周面部及び外周面部とは、軸方向に延びる溝部とそれに嵌合するリブのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載された電流センサ。
3. 前記アウタケース内において、前記板部材と該アウタケース内壁との間に間隙が設けられ、
   前記間隙に、前記トロイダルコイルから引き出された巻線と電気的に接続され、外部端子を搭載した回路基板が嵌合していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された電流センサ。
4. 前記回路基板には、くびれ部が設けられ、前記トロイダルコイルから引き出された巻線は、前記くびれ部に巻回されて前記回路基板に接合されていることを特徴とする請求項３に記載された電流センサ。

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