JP7158273B2 - 電流計測装置及び電流センサー - Google Patents

Description

本発明は、低背化可能とした構成でバスバーや磁電変換素子の温度上昇を抑えることができる電流計測装置及び電流センサーに関する。

特許文献１に記載の電流センサーは、バスバーが貫通する中空部の周囲を囲んで一連に形成された磁性体コアと、この磁性体コアに生じる磁束を計測する磁電変換素子と、磁性体コアと磁電変換素子を収容・支持する非導電性の筐体とを備える。そして、筐体は、内部に空洞を形成する二重壁構造を有し、磁性体コアの中空部を貫通して磁性体コアの内縁部とバスバーとの間を仕切る筒状の二重隔壁を備える。これにより、磁性体コアを貫通するバスバーが、伝導する電力の変動に応じて一時的に高温になる場合でも、二重隔壁の断熱性により、磁電変換素子が過剰な高温になることを防ぐことができる。

特開２０１３－２３１６９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電流センサーにおいては、バスバーや磁電変換素子の温度を上昇しづらくするための構成は有するものの、温度が上昇したときに積極的に放熱させて温度を低下させる構成は有しておらず、温度上昇による検出精度の低下の防止としては不十分であった。さらに、特許文献１に記載の電流センサーに対して断熱や放熱のための構成を追加すると電流センサーが大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、低背化を可能とした構成において、バスバーや、バスバーを流れる電流を検知するセンサー素子の温度上昇を抑え、かつ、温度が上昇しても放熱させやすい構成を備えた電流計測装置及び電流センサーを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電流計測装置は、実装面に電流路が設けられた配線基板と、本体部、及び、本体部から延出するバスバーを備え、バスバーを流れる電流を計測する電流センサーと、を具備した電流計測装置であって、配線基板は開口部を備え、バスバーは、開口部を挟んで対向する両側に設けられた電流路に電気的に接続され、電流センサーは、本体部が開口部内に挿入され、実装面側を上側とし、実装面に対向する底面としての基板底面側を下側としたときに、本体部の底面としての本体底面が、実装面よりも下側に位置することを特徴としている。
これにより、電流センサーの本体部が実装面から突出する高さを抑えて低背化を図ることができ、かつ、本体部から放出された熱を開口部を通じて逃がしやすくしたことにより、バスバーや、バスバーを流れる電流を検知するセンサー素子の温度上昇を抑えることができ、さらに、これらの温度が上昇しても放熱させやすい構成を実現可能としている。

本発明の電流計測装置は、本体底面の下方に配置され、本体部から出る熱を吸収し、下側へ放熱する放熱部材を備えることが好ましい。
これにより、本体部から放出された熱を吸収し易くし、バスバーやセンサー素子の温度上昇を抑え、さらに、これらの温度が上昇しても放熱させやすくしている。

本発明の電流計測装置において、放熱部材は、板状又はシート状に形成されていることが好ましい。
これにより、放熱部材を本体底面の広い範囲に接触させ易くなるため、高い放熱効果を得ることができる。

本発明の電流計測装置において、本体底面は、基板底面と略同一面をなし、又は、基板底面から下側へ突出することが好ましい。
これにより、本体底面が外部に露出し易くなるため、放熱効率をさらに高めることができる。

本発明の電流センサーは、本体部と、本体部から延出するバスバーとを備え、バスバーを流れる電流を計測する電流センサーであって、バスバーは、電流路に電気的に接続されるための接合部を有し、本体部の本体底面が、接合部よりも下側に位置するように構成されていることを特徴としている。
これにより、配線基板等に設けられた電流路に対してバスバーを接続したときに、電流センサーの本体部が配線基板から突出する高さを抑えて低背化を図ることができる。

本発明の電流センサーにおいて、本体部は、バスバーを流れる電流を検知するセンサー素子を内部に備え、センサー素子は、本体部内で延びるバスバーよりも本体底面側に配置されていることが好ましい。
これにより、電流路が設けられた配線基板上の、ほかの配線パターン、電流センサー等の動作に起因する電磁波の影響を受けにくくなるため、精度の高い電流検知を行うことができる。

本発明の電流センサーにおいて、本体部の高さ方向において、センサー素子と本体底面との離間距離は、接合部と本体底面との離間距離に略等しいことが好ましい。
これにより、電流路が設けられた配線基板上の、ほかの配線パターン、電流センサー等の動作に起因する電磁波の影響をさらに受けにくくなるため、より精度の高い電流検知を行うことができる。

本発明によると、低背化を可能とした構成において、バスバーや、バスバーを流れる電流を検知するセンサー素子の温度上昇を抑え、かつ、温度が上昇しても放熱させやすい構成を備えた電流計測装置及び電流センサーを提供することができる。

本発明の実施形態に係る電流計測装置の構成を示す斜視図である。 （ａ）は図１に示す電流計測装置の側面図、（ｂ）は（ａ）のバスバーとその周辺の拡大図である。 （ａ）は、放熱板のない状態の電流計測装置を示す底面図、（ｂ）は配線基板を示す底面図である。 （ａ）は、実施例に係る電流計測装置の断面図、（ｂ）は変形例１に係る電流計測装置の断面図である。 変形例２に係る電流計測装置の構成を示す側面図である。 （ａ）は図５に示す電流計測装置の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す電流計測装置の配線基板を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る電流計測装置及び電流センサーについて図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は本実施形態に係る電流計測装置の構成を示す斜視図、図２（ａ）は図１に示す電流計測装置の側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のバスバー４０とその周辺の拡大図である。図３（ａ）は、放熱板５０のない状態の電流計測装置を示す底面図、（ｂ）は本実施形態の電流計測装置における配線基板１０を示す底面図である。図４（ａ）は、実施例に係る電流計測装置の断面図、（ｂ）は変形例１に係る電流計測装置の断面図である。図４（ａ）、（ｂ）はＺ１－Ｚ２方向に沿った断面図である。

各図には、基準座標としてＸ－Ｙ－Ｚ座標が示されている。以下の説明において、Ｚ１－Ｚ２方向を上下方向（高さ方向）、Ｘ１－Ｘ２方向を前後方向、Ｙ１－Ｙ２方向を左右方向と称する。Ｘ１－Ｘ２方向とＹ１－Ｙ２方向は互いに垂直であり、これらを含むＸ－Ｙ平面はＺ１－Ｚ２方向に垂直である。また、上側（Ｚ１側）から下側（Ｚ２側）を見た状態を平面視と言うことがある。

図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る電流計測装置は、配線基板１０と、電流センサー２０と、放熱部材としての放熱板５０とを備える。
配線基板１０は、上面である実装面１１と、実装面１１に平行に対向する下面である基板底面１２とを有し、実装面１１上に、左右方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に沿って延びる電流路１３が設けられている（図１参照）。

図３（ｂ）に示すように、配線基板１０には、平面視において中央部分に矩形状の開口部１４が、厚み方向に貫通するように設けられている。図１に示すように、電流路１３は、開口部１４を挟んで互いに対向し、かつ、左右方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に沿って延びるように設けられている。
図１においては、配線基板１０の実装面１１上に、簡略化した電流路１３と、これに電気的に接続される電流センサー２０のみを表示し、これ以外の配線パターン、電流センサー、素子等の表示は省略している。

図１に示すように、電流センサー２０は、本体部３０と、本体部３０から延出するバスバー４０とを備える。
本体部３０は、バスバー４０や、バスバー４０を流れる電流を検知するセンサー素子３２（図４（ａ）参照）などを内部に設けた樹脂パッケージである。本体部３０の左右の側面３０ａ、３０ｂからは、バスバー４０がそれぞれ延出している。また、本体部３０の前面３０ｃからは複数のリード端子２１が延出している。これらのリード端子２１は、本体部３０に内蔵されている所定の素子に接続されるとともに、本体部３０の外部においては実装面１１上に形成された配線パターン（不図示）に電気的に接続されている。また、リード端子２１は、配線基板１０を貫通して基板底面１２よりも下側へ延出している（図２、図３（ａ）参照）。

図２（ａ）に示すように、本体部３０は、その下部が配線基板１０の開口部１４内に挿入され、その底面である本体底面３１が基板底面１２から下側に突出している。さらに、本体底面３１は、配線基板１０の下方において配線基板１０と平行に対向するように配置された放熱板５０の上面５１に接触している。

放熱板５０は、放熱部材として、上面５１に接触する本体部３０から出る熱を吸収し、この熱を、本体部３０よりも下側へ放出する。別言すると、放熱板５０は、その上面５１で吸収した熱を、側面５２や底面５３から外部へ放熱することができる。放熱板５０は、本体部３０よりも熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウムや窒化アルミニウムで構成される。

バスバー４０は、導電性を有する金属材料で構成される。図１に示すように、バスバー４０は、本体部３０を左右方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に貫通して左右の側面３０ａ、３０ｂからそれぞれ、Ｘ－Ｙ平面に略平行に延出している。本体部３０から延出したバスバー４０は、実装面１１上の電流路１３に対応した所定位置で屈曲されて下向き（Ｚ２方向）に延びる。下向きに延びるバスバー４０の先端部は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、４つの舌部４１に分岐され、それぞれが配線基板１０を貫通して、基板底面１２よりも下側へ延出する（図３（ａ）参照）。

図１と図２（ａ）、（ｂ）に示すように、バスバー４０は、４つの舌部４１の分岐開始部分としての接合部４２が電流路１３に対して電気的に接続されている。接合部４２は、電流路１３に対して半田付けによって固定され、これによって、電流センサー２０が配線基板１０の実装面１１に配置・固定される。この接合部４２は、上下方向（Ｚ１－Ｚ２方向）において、実装面１１、及び、実装面１１上に形成された電流路１３と略一致した高さ位置に配置される。したがって、上述のように本体部３０の本体底面３１が、配線基板１０の基板底面１２よりも下側に突出しているため、本体底面３１は接合部４２よりも下側に位置している。

本体部３０にはセンサー素子が内蔵されている。図４（ａ）に示す電流計測装置の実施例では、センサー素子３２は、バスバー４０のうち本体部３０内で延びる部分４３の下方（本体底面３１側）に配置され、かつ、配線基板１０の実装面１１と同じ高さに配置されている。ここで、バスバー４０の接合部４２が実装面１１と同じ高さに配置されている場合、上下方向（高さ方向）において、センサー素子３２と本体底面３１との離間距離は、接合部４２と本体底面３１との離間距離に等しい、又は略等しくなり、それぞれの離間距離はＤとなる（図４（ａ）、図２（ｂ）参照）。

センサー素子３２は、バスバー４０を流れる電流を検知する素子であり、例えば、ホール素子、磁気抵抗効果素子を用いることができる。なお、センサー素子３２は、バスバー４０に電流が流れた時に発生する磁界の変化から流れる電流を検知する。これにより、電流センサー２０は、バスバー４０を流れる電流を計測することが可能となる。

図４（ａ）に示す構成によれば、センサー素子３２が、配線基板１０の実装面１１と同じ高さに配置されているため、実装面１１よりも上側に突出する構成を抑えて低背化を図ることができ、さらに、実装面１１上に形成された、配線パターン、電流センサー等（いずれも不図示）の動作に起因する磁気ノイズの影響を受けにくくなるため、精度の高い電流検知を行うことができる。

また、上述のように、接合部４２を電流路１３に固定することによって電流センサー２０を配線基板１０の実装面１１に配置・固定しているため、電流路１３に電流が流れると、特に、バスバー４０の接合部４２と電流路１３との半田付け部において大きな発熱が起き、温度上昇の原因の１つとなる。すなわち、大きな発熱源が配線基板４０の実装面１１側に存在することとなる。これに対して、大きな発熱源がない基板底面１２側で本体底面３１を露出させることにより効率的に放熱を行うことができる。さらに、露出した本体底面３１に放熱板５０を接触させることで、放熱効率をさらに高めることが可能となる。

（変形例）
放熱部材は、上述の放熱板５０のような板状に限定されることなく、シート状にすることもでき、また、上面５１は平面のままとして、底面５３を熱交換効率の高い形状、例えば、複数の突起形状としてもよい。放熱シートとしてはエポキシ樹脂に熱伝導の良いフィラーを添加したものなどを用いるとよい。

また、放熱板５０を設けることなく、本体部３０の本体底面３１を、配線基板１０の基板底面１２から下側に突出させるだけの構成も可能である。この構成では、本体底面３１が外部へ露出しているため、本体底面３１からの放熱が可能となる。
ここで、上述のように、バスバー４０の接合部４２と電流路１３とが半田付けによって固定されるため、電流路１３に電流を流すと、バスバー４０の接合部４２と電流路１３との半田付け部が発熱し大きな発熱源となってしまう。このため、大きな発熱源がない配線基板４０の基板底面１２側に本体底面３１を露出し放熱させることで、より効率的に放熱することができる。

さらにまた、本体底面３１を開口部１４内に挿入し、基板底面１２から下側に突出させることなく、基板底面１２と略同一面をなすように、又は、開口部１４内に位置させてもよい。言い換えると、本体底面３１を、配線基板１０の開口部１４内において実装面１１よりも下側に配置させてもよい。この構成においても、本体底面３１を、大きな発熱源となる実装面１１側から遠ざけることができ、かつ、外部へ露出させることができるため、本体底面３１から効率的に放熱することが可能となる。

図４（ｂ）に示す変形例１においては、本体部１３０内に、図４（ａ）の実施例と同様のセンサー素子１３２とバスバー１４０、及び、シールド部１６０が設けられている。本体部１３０は、配線基板１０の開口部内に挿入されている。センサー素子１３２は、配線基板１０の実装面１１と略同じ高さ位置に配置されたシールド部１６０の上方に位置している。シールド部１６０を設けたことによってセンサー素子１３２に入るノイズとしての電磁波を低減させることができる。さらに、バスバー１４０のうちで本体部１３０内で延びる部分１４３は、センサー素子１３２の上方に配置されている。バスバー１４０の接合部から分岐した爪部１４１は、図４（ａ）に示す実施例と同様に、配線基板１０の基板底面１２の下側へ延び出ている。

変形例１の構成によれば、シールド部１６０を設けた構成でありながら、本体部１３０を配線基板１０の開口部内に挿入したことにより、シールド部１６０の上下方向位置を配線基板１０の上面（実装面１１）のレベルまで低下させることができ、この結果、本体部１３０を含む電流センサーの位置を低くすることができる。

図５は変形例２に係る電流計測装置の構成を示す側面図、図６（ａ）は図５に示す電流計測装置の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す電流計測装置の配線基板１０を示す平面図である。

図５と図６（ａ）、（ｂ）に示すように、上述の実施形態に係るリード端子２１及びバスバー４０に代えて、リード端子２２１及びバスバー２４０を用い、これらを配線基板１０に上下に貫通させることなく、実装面１１上で電気的に接続させる構成も可能である。

図５と図６（ａ）、（ｂ）に示す変形例２に係る電流計測装置は、本体部２３０と、本体部２３０から延出するバスバー２４０とを備え、また、本体部２３０からは複数のリード端子２２１が延出している。

バスバー２４０は、導電性を有する金属材料で構成され、本体部２３０を左右方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に貫通して左右の側面２３０ａ、２３０ｂからそれぞれ、Ｘ－Ｙ平面に略平行に延出する。本体部２３０から延出したバスバー２４０は、実装面１１上の電流路１３に対応した所定位置で屈曲され、その先端部は、実装面１１上の電流路１３に沿って外側へ向かうように延びる。そして、実装面１１に沿って延びる、バスバー２４０の先端部は、接合部２４２として、電流路１３に対して電気的に接続される。接合部２４２は、電流路１３に対して半田付けによって固定され、これによって、変形例２の電流センサーが配線基板１０の実装面１１に配置・固定される。

リード端子２２１は、本体部２３０の前面２３０ｃから延出しており、その先端部２２２は、実装面１１に沿うように延び、実装面１１上に形成された配線パターン（不図示）に電気的に接続されている。

本体部２３０は、配線基板１０の開口部１４内に挿入され、本体底面２３１は配線基板１０の基板底面１２と略同一の高さに配置される。配線基板１０の下方には放熱板２５０が配置され、その上面２５１は、基板底面１２と本体底面２３１に接触する。

図５と図６（ａ）、（ｂ）に示す構成によれば、上述の実施形態又は変形例と同様の効果に加えて、放熱板２５０が、配線基板１０と本体部２３０の両方に接触するため、これらからの放熱をより効率的に行うことが可能となる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。

以上のように、本発明に係る電流計測装置及び電流センサーは、低背化が可能となるとともに、バスバーや、バスバーを流れる電流を検知するセンサー素子の温度上昇を抑え、かつ、温度が上昇しても放熱させやすい構成を実現できる点で有用である。

１０ 配線基板
１１ 実装面
１２ 基板底面
１３ 電流路
１４ 開口部
２０ 電流センサー
２１ リード端子
３０、１３０、２３０ 本体部
３０ａ、３０ｂ、２３０ａ、２３０ｂ 側面
３０ｃ、２３０ｃ 前面
３１、２３１ 本体底面
３２、１３２ センサー素子
４０、１４０、２４０ バスバー
４１、１４１ 舌部
４２、２４２ 接合部
４３、１４３ 本体部内で延びる部分
５０、２５０ 放熱板
５１、２５１ 上面
５２ 側面
５３ 底面
１６０ シールド部
２２１ リード端子
２２２ 先端部
Ｄ 離間距離

Claims (5)

1. 実装面に電流路が設けられた配線基板と、
   本体部、及び、前記本体部から延出するバスバーを備え、前記バスバーを流れる電流を計測する電流センサーと、
   を具備した電流計測装置であって、
   前記配線基板は開口部を備え、
   前記バスバーは、前記開口部を挟んで対向する両側に設けられた前記電流路に電気的に接続され、
   前記電流センサーは、前記本体部が前記開口部内に挿入され、前記実装面側を上側とし、前記実装面に対向する底面としての基板底面側を下側としたときに、前記本体部の底面としての本体底面が、前記実装面よりも下側に位置することを特徴とする電流計測装置。
2. 前記本体底面の下方に配置され、前記本体部から出る熱を吸収し、下側へ放熱する放熱部材を備える請求項１に記載の電流計測装置。
3. 前記放熱部材は、板状又はシート状に形成されている請求項２に記載の電流計測装置。
4. 前記本体底面は、前記基板底面と略同一面をなし、又は、前記基板底面から下側へ突出する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流計測装置。
5. センサー素子を内蔵する本体部と、前記本体部から延出するバスバーとを備え、前記バスバーを流れる電流を計測する電流センサーであって、
   前記バスバーは、前記本体部内で延びる部分と、前記本体部から延出して下向きに屈曲する部分と、前記下向きに屈曲する部分から延びて電流路に電気的に接続されるための接合部とを有し、
   前記センサー素子は前記本体部内で貫通する部分の下方に配置され、
   前記本体部の本体底面が、前記接合部よりも下側に位置するように構成され、
   前記本体部の高さ方向において、前記センサー素子と前記本体底面との離間距離は、前記接合部と前記本体底面との離間距離に略等しいことを特徴とする電流センサー。

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