JPWO2019117170A1

JPWO2019117170A1 - 電流センサ

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Publication number: JPWO2019117170A1
Application number: JP2019559674A
Authority: JP
Inventors: 田村　学; 学田村; 稔安部
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: JP6841939B2; US11150274B2; EP3726229A1; EP3726229A4; CN212646790U; EP3726229B1; WO2019117170A1; US20200309822A1

Abstract

他の機器に接続される端子の変形や損傷を防止すると共に、性能検査の容易性を確保することができる電流センサ１は、被測定電流が流れるバスバ２と、バスバ２の一部と一体化したケース１０を備えている。ケース１０には、電流センサ１が正常に機能するか確認するための通電部２０が設けられている。通電部２０は、ケース本体１１からバスバ２の表面を露出させて露出面２０ａと、露出面２０ａに対向するバスバ２の裏面を合成樹脂で被覆して被覆面２０ｂとを形成している。また、通電部２０は、露出面２０ａが長辺で被覆面２０ｂが短辺となる台形形状に形成されている。

Description

本発明は、被測定電流によって生じる磁界に基づいて電流値を算出する電流センサに関する。

被測定電流によって生じる磁界に基づいて電流値を算出する電流センサとしては、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の電流センサは、被測定電流が流れるバスバと、被測定電流が発生する誘導磁界を測定する磁気センサと、磁気センサを収容しバスバと一体化したケースとから構成され、バスバの両端が３相交流モータなどの他の機器と接続する端子としてケースの表面から露出している。

この種の電流センサは、製造工程の最終段階において、製品仕様の通りに正常に機能するか確認するための性能検査が行われる。この性能検査は他の機器が接続される端子を介して行われる。

具体的には、性能検査用の電流プローブを端子の一部に押し付けて、バスバにテスト電流（３００Ａ〜１０００Ａ）を流した後、バスバに流れる電流値を実際に計測してテスト電流と同様の値を示しているか否かを確認する。ここで、テスト電流と異なる値を示して検査に通らなかった電流センサは、回路やソフトウェアの定数の調整が行われて再度性能検査が行われる。

ところが、バスバに流すテスト電流は大電流であることから、この性能検査用の電流プローブをバスバの端子の一部に強い力で押し付ける必要がある。そうすると、電流プローブの押し付け力によって、端子の表面に細かい傷がついてしまうことは避けられない状況となっている。

特開２０１７−１０２０２２号公報

一方、この種の電流センサにおいて、他の機器が接続される端子は２種類に大別される。ひとつは、特許文献１に記載の電流センサのように、他の機器の端子と着脱自在に接続されるタイプであり、ボルトなどで締結される圧着型端子である。もうひとつは、他の機器の端子と着脱できないタイプであり、溶接によって接続される溶接型端子である。

この溶接型端子は、端子の変形による位置ずれや表面に損傷がおこると溶接不良の原因となることから、溶接型端子を有する電流センサは、特許文献１に記載の電流センサのような圧着型端子を有するタイプよりも慎重に取り扱う必要がある。

このような状況において、従来のように、端子の一部に電流プローブを押し付ける方法は、たとえ一時的な接続であっても溶接型端子の変形や損傷のおそれがあるという不都合があった。

そこで、本発明は、電流センサに対する性能検査において、他の機器に接続される端子の変形や損傷を防止する共に、性能検査の容易性を確保することができる電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電流センサは、他の機器に接続される一対の端子を有するバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる誘導磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサが収容され、前記端子を露出させた状態で前記バスバと一体化した合成樹脂からなるケースとを備える電流センサであって、前記バスバは、少なくとも表面の一部が前記ケースから露出する露出面と、前記露出面に対向する少なくとも裏面の一部が前記ケースで被覆される被覆面とから構成される性能検査用の通電部を有し、電流が流れる方向に直交する断面形状において、前記露出面の長さが前記被覆面の長さに対して長く形成され、前記露出面の両端と前記被覆面の両端とをそれぞれ連結する縁面が前記被覆面から前記露出面に向かって広がるテーパー状に形成され、前記通電部と前記ケースの表面との境界部において、前記露出面が前記ケースの表面から突出していることを特徴とする。

本発明の電流センサによれば、性能検査用の通電部は、露出面と被覆面とから構成されており、この露出面に性能検査用の電流プローブを押し付けることができる。この場合、露出面に電流プローブを強く押し付けても被覆面でその力を受け止めることができる。よって、電流プローブを強く押し付けることができるので、正確な性能検査を行うことができると共に、端子の変形や損傷を防止することができる。

また、通電部とケースの表面との境界部において、露出面がケースの表面から突出しているので、電流プローブを通電部の露出面に確実に接触させることができる。

また、性能検査用の通電部は、電流が流れる方向に直交する断面形状において、露出面の長さが被覆面の長さよりも長い台形形状に形成されている。バスバに大電流が流れると、ジュール熱により通電部も発熱して膨張するが、露出面の断面形状によって露出面側に膨張するため、露出面の周囲のケースの変形を軽減することができる。

また、本発明の電流センサにおいて、前記一対の端子は、少なくとも一方が溶接によって他の機器と接続される溶接型端子であり、前記通電部は、前記磁気センサにより誘電磁界が検出される箇所と前記溶接型端子との間の位置に設けられていることが好ましい。

当該構成によれば、電流プローブを溶接型端子に直接的に押し付ける必要がなくなるため、電流プローブの押し付けによる溶接型端子の変形や損傷を防止することができる。また、通電部を誘導磁界の検出箇所と溶接型端子との間に設けることにより、電流センサを他の機器に取り付けた状態と近い状態で性能検査を行うことができる。

また、本発明の電流センサにおいては、前記バスバは、電流が流れる方向に沿って並列して複数設けられ、前記ケースは、隣接する各前記バスバの前記通電部の間に前記露出面よりも突出する樹脂壁部を備えていることが好ましい。当該構成によれば、隣接する通電部の間の直線距離が短くても、樹脂壁部に沿って隣接する通電部の間の沿面距離及び空間距離の長さを十分に確保できるため、電圧耐性を向上させた状態で電流センサのコンパクト化が実現できる。

また、隣接する通電部の間の直線距離が短い場合、電流プローブを通電部に押し付ける際に操作を誤ってしまい、電流プローブがずれて隣接する通電部に接触してしまうおそれがある。当該構成によれば、電流プローブがずれても樹脂壁部に突き当たって止まるため、電流プローブが誤って隣接する通電部に接触することを防止できる。

また、本発明の電流センサにおいては、前記樹脂壁部は、前記通電部を囲うように形成されていることが好ましい。当該構成によれば、電流プローブが通電部に接触できる範囲を限定することができるため、電流プローブを通電部の電流が流れる方向に正確に位置決めすることができ性能検査の精度が向上する。

また、本発明の電流センサにおいては、前記バスバは、前記磁気センサにより誘導磁界が検出される箇所と前記通電部との間に屈曲部が設けられ、前記ケースには、前記バスバの前記屈曲部と前記通電部との間の位置で、前記バスバの前記縁面の一部及び表面の一部を外部に露出させる位置決め具抜き穴が形成されていることが好ましい。

当該構成によれば、バスバを位置決めする位置決め治具が当接する箇所が通電部と同一面に設けられているので、バスバとケースとを一体として樹脂の射出成形を行う際に、性能検査の精度に影響がある通電部の露出面をケースに対して正確な位置に配置することができる。

本発明の電流センサによれば、他の機器に接続される端子以外に性能検査用の通電部を設けることによって、他の機器に接続される端子の変形や損傷を防止すると共に、性能検査の容易性を確保することができる。

本発明の実施形態の一例である電流センサの外観を示す斜視図。図１の電流センサの蓋部を取り外した状態を示す説明図。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。図１のＩＶ−ＩＶ線断面図。通電部が熱膨張したときの状態を示す説明図。図１のＶＩ−ＶＩ線断面図。

次に、本発明の実施形態の一例である電流センサについて、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態の電流センサ１は、例えばハイブリッド車両や電気自動車に用いられる制御装置等の大電流を必要とする機器に用いることができるセンサである。なお、電流の流れる方向を延伸方向（図１におけるＹ方向）、各バスバが並べられる方向を横方向（図１におけるＸ方向）、延伸方向から見たときに横方向に直行する方向を縦方向（図１におけるＺ方）と定義して説明する。

図１は、本実施形態の電流センサの外観を示す斜視図である。図２は、電流センサの蓋部、蓋部磁気シールド、及び基板を分解した状態を示す斜視図である。図３は、電流センサの内部構造を示す図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、通電部の断面形状を示す図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

本実施形態の電流センサ１は、図１に示すように、被測定電流が流れる３本のバスバ２と、３本のバスバ２の一部と一体化したケース１０を備えている。ケース１０には、電流センサ１が正常に機能するか確認するための性能検査用の通電部２０が設けられている。

バスバ２は、例えば、銅や銅合金などの金属板をプレス加工等により打ち抜いた後に、所定の形状に折り曲げて形成されたものである。バスバ２の両端には、図１及び図２に示すように、他の機器（図示せず）を接続する一対の端子２１，２２が形成されている。この一対の端子２１，２２はケース１０の表面から露出している。

一方の端子２１は、他の機器と着脱自在に接続する圧着型端子であって、ボルトを挿入して他の機器と締結するための貫通孔２３を備えている。各圧着型端子２１は、表面及び裏面がそれぞれ一致するように（同一平面上に）横方向に並べられている。

他方の端子２２は、溶接によって他の機器と接続される溶接型端子２２である。各溶接型端子２２は、表面と裏面がそれぞれ向き合うように（平行に）折り曲げられて横方向に並べられている。

ケース１０は、図２に示すように、上面が開放された箱状のケース本体１１と、ケース本体１１の上面を覆う蓋部１２とからなる。ケース本体１１及び蓋部１２は、共に絶縁性の合成樹脂で形成されている。合成樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの耐熱性に優れた樹脂が用いられる。また、靱性を高めるためにエラストマー等を配合してもよい。

ケース本体１１の底部１１ａには、図３に示すように、バスバ２と本体側磁気シールド３がそれぞれ所定の位置に一体成形で固定されている。これにより、バスバ２と本体側磁気シールド３の位置関係が保持されるため、電流センサ１の精度が安定したものとなる。

本実施形態では、バスバ２は、上述のように横方向に３本並列した状態で、本体側磁気シールド３は、各バスバ２の裏面に対向する位置に配置された状態で射出成形金型（図示省略、以下同様。）の内に配置された後、これらのバスバ２及び本体側磁気シールド３の周りに注入された合成樹脂と共に一体に成形されている。

ケース本体１１の内部１１ｂには、図２及び図３に示すように、３つの磁気センサ５０と１つの端子ユニット５１が共通の回路基板５に実装されて収容されている。端子ユニット５１は、磁気センサ５０の信号を外部に出力する接続端子である。また、回路基板５は、ケース本体１１の底部１１ａから突出する位置決めピン１１ｃが回路基板５の位置決め孔５２に挿通されることによって、ケース本体１１に対して位置決め固定されている。

磁気センサ５０は、バスバ２に流れる電流によって生じる誘導磁界を検出するセンサである。磁気センサ５０は、各バスバ２の表面に対向する位置にそれぞれ配置されている。また、磁気センサ５０としては、例えば、磁気抵抗効果素子やホール素子などを用いることができる。

蓋部１２は、ケース本体１１の上面に載置されて固定ビス１３によりケース本体１１に固定されている。また、蓋部１２には、蓋部磁気シールド４が一体成形で固定されている。蓋部磁気シールド４は、各バスバ２の表面に対向する位置に配置されている。なお、図２においては、蓋部磁気シールド４を蓋部１２から分離した状態を表している。

通電部２０は、図1及び図２に示すように、磁気センサ５０により誘電磁界が検出される箇所と溶接型端子２２との間の位置に設けられている。このように、他の機器と接続する端子２１，２２以外に性能検査用の通電部２０を別途設けることによって、従来のように、電流プローブＰを溶接型端子２２に直接的に押し付ける必要がなくなるので、電流プローブＰの押し付けによる端子２２の変形や損傷を防止することができる。

また、通電部２０は、図３に示すように、ケース本体１１からバスバ２の表面を露出させて露出面２０ａを形成している。この露出面２０ａは、性能検査用の電流プローブＰを縦方向に押し付ける箇所である。また、通電部２０は、露出面２０ａに対向するバスバ２の裏面を合成樹脂で被覆して被覆面２０ｂを形成している。

このように、露出面２０ａに対向する被覆面２０ｂを合成樹脂で被覆することで、被覆面２０ｂが露出面２０ａに対する電流プローブＰの押し付け力を吸収することができる。よって、電流プローブＰを強く押し付けることができるので、正確な性能検査を行うことができると共に、電流プローブＰの押し付け力によるバスバ２の変形や損傷を防止することができる。

露出面２０ａは、図４に示すように、通電部２０とケース本体１１の表面との境界部において、ケース本体１１の表面から突出しているので、電流プローブＰを通電部２０の露出面２０ａに確実に接触させることができる。本実施形態では、露出面２０ａの突出量ｔは、０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍの間となるように設定されている。

また、本実施形態においては、隣接する通電部２０の間に、ケース本体１１の表面から突出する樹脂壁部１４が形成されている。これにより、隣接する通電部２０の間の直線距離が短くても、樹脂壁部１４に沿って隣接する通電部２０の間の沿面距離Ｌ及び空間距離の長さを十分に確保できるため、電圧耐性を向上させた状態で電流センサ１のコンパクト化が実現できる。

本実施形態では、樹脂壁部１４の突出量ｈが１．８ｍｍとなっており、通電部２０の間の沿面距離Ｌが８．４ｍｍとなっている。なお、上記実施形態に限らず、突出量ｈ及び沿面距離Ｌは、バスバ２に流す電流値に対する電気的絶縁を達成できる距離であればよい。

また、隣接する通電部２０の間の直線距離が短い場合、電流プローブＰを通電部２０に押し付ける際に操作を誤ってしまい、電流プローブＰがずれて隣接する通電部２０に接触してしまうおそれがある。樹脂壁部１４があれば、電流プローブＰがずれても樹脂壁部１４に突き当たって止まるため、電流プローブＰが誤って隣接する通電部２０に接触することを防止できる。

本実施形態において、樹脂壁部１４は、図１及び図２に示すように、通電部２０の露出面２０ａを囲うように矩形状に形成されている。これにより、電流プローブＰが通電部２０に接触できる範囲を限定することができるため、電流プローブＰを通電部２０の電流が流れる方向に正確に位置決めすることができ性能検査の精度が向上する。

また、通電部２０は、図４に示すように、図１のＩＶ−ＩＶ線の断面形状において、露出面２０ａが長辺で被覆面２０ｂが短辺となる台形形状に形成されている。この台形の脚となる一組の縁面２０ｃは、いずれも被覆面２０ｂから露出面２０ａへテーパー状に広がって連結されている。本実施形態では、縁面２０ｃのテーパー角度θは、２〜５°の間となるように設定されている。

これにより、バスバ２に大電流が流れると、ジュール熱により通電部２０が発熱して熱膨張しても通電部２０の断面形状（台形形状）によって露出面側に膨張するため、通電部２０の周囲のケース本体１１の変形を軽減することができる。

次に、通電部２０が熱膨張したときの状態について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、通電部２０の断面形状が台形である場合（本実施形態）の説明図である。図５（ｂ）は、通電部２０の断面形状が長方形である場合（比較例）の説明図である。

図５（ｂ）に示すように、通電部２０’の断面形状が長方形である場合は、バスバ２’に大電流が流れて通電部２０’が熱膨張すると、縁面２０ｃ’に膨張力Ｆが付与され縁面２０ｃ’の周囲のケース本体１１’の変形やクラックが発生するおそれがある。

また、通電部２０’の発熱によって通電部２０’の周囲の合成樹脂が軟化するおそれがある。そのため、電流プローブＰの露出面２０ａ’に対する押し付け力ｐにより、通電部２０’がケース本体１１’に埋没する場合がある。

一方、図５（ａ）に示すように、通電部２０の断面形状が台形形状である場合、バスバ２に大電流が流れて通電部２０が熱膨張すると、縁面２０ｃに膨張力Ｆが付与される。しかしながら、この膨張力Ｆは、テーパー状の縁面２０ｃによって、縁面方向の膨張力Ｆ・ｓｉｎθと、縁面方向に直交する方向の膨張力Ｆ・ｃｏｓθとに分解される。

このように、テーパー状の縁面２０ｃにかかる膨張力Ｆは、縁面方向に膨張力Ｆ・ｓｉｎθが逃げるため、ケース本体１１に直接かかる膨張力Ｆは、膨張力Ｆ・ｃｏｓθに減少するので、通電部２０の周囲のケース本体１１の変形を軽減することができる。また、縁面方向の膨張力Ｆ・ｓｉｎθは、電流プローブＰの押し付け力ｐに対する反発力となるので、通電部２０がケース本体１１に埋没することを防止できる。

図６は、バスバ２の位置決めを行う位置決め治具が当接する箇所を示す図１のＶＩ−ＶＩ線断面図である。ケース本体１１には、バスバ２をケース本体１１と一体成形する際に、金型（図示省略）内において、バスバ２を縦方向及び横方向に位置決めする位置決め具Ａによって形成された抜き穴１１ｄと、バスバ２を縦方向に位置決めする押えピンＢによって形成されたピン穴１１ｅが形成されている。

本実施形態では、位置決め具Ａは、図６に示すように、金型内に装填されたバスバ２の側面２ｆと表面の一部２ｄを押えることによって、バスバ２の縦方向及び横方向の位置ずれを防止するものである。また、押えピンＢは、金型内に装填されたバスバ２の裏面の一部２ｅを押えることによって、バスバ２の縦方向の位置ずれを防止するものである。

また、本実施形態においては、位置決め具Ａの抜き穴１１ｄは、図３に示すように、バスバ２の屈曲部２４と通電部２０との間に設置される。これにより、性能検査の精度に影響がある通電部２０の横方向の位置をケース本体１１に対して正確な位置に配置することができる。

なお、上記実施形態では、バスバ２を横方向に３本並列してケース本体１１と一体成形しているが、１本のバスバ２とケース本体１１とを一体成形としてもよい。また、各バスバ２の本数は、３本に限らず、任意の本数とすることができる。

また、通電部２０の露出面２０ａをケース本体１１の縦方向上面から露出させているが、これに限らず、縦方向下面や横方向側面から露出させてもよい。例えば、２本のバスバ２をその板厚側面を縦方向に配置して並列し、露出面２０ａをケース本体１１から横方向の左右の側面にそれぞれ露出させてもよい。

また、バスバ２の裏面を合成樹脂で全て被覆して被覆面２０ｂを構成しているが、これに限らず、被覆面２０ｂは、電流プローブＰの押し付け力ｐを吸収できる範囲を被覆すればよい。例えば、バスバ２の裏面の中央部を露出させ、この中央部以外の範囲を被覆して被覆面２０ｂを形成してもよい。

また、一対の端子２１，２２は、一方の端子２１が圧着型端子２１であり、他方の端子２２が溶接型端子２２となっているが、これに限らず、すべて溶接型端子にしてもよく、すべて圧着型端子にしてもよい。

また、樹脂壁部１４は、通電部２０の露出面２０ａを囲うように矩形状に形成されているが、これに限らず、電流プローブＰを通電部２０に正確に位置決めできれば、円形などの異なる形状にしてもよい。

１…電流センサ
２…バスバ
３…本体側磁気シールド
４…蓋部磁気シールド
５…回路基板
１０…ケース
１１…ケース本体
１１ｄ…抜き穴（位置決め具抜き穴）
１２…蓋部
１４…樹脂壁部
２０…通電部
２０ａ…露出面
２０ｂ…被覆面
２０ｃ…縁面
２１…圧着型端子
２２…溶接型端子
５０…磁気センサ
Ｐ…電流プローブ
Ａ…位置決め具
Ｂ…押えピン

Claims

他の機器に接続される一対の端子を有するバスバと、前記バスバに流れる電流によって生じる誘導磁界を検出する磁気センサと、前記磁気センサが収容され、前記端子を露出させた状態で前記バスバと一体化した合成樹脂からなるケースとを備える電流センサであって、
前記バスバは、少なくとも表面の一部が前記ケースから露出する露出面と、前記露出面に対向する少なくとも裏面の一部が前記ケースで被覆される被覆面とから構成される性能検査用の通電部を有し、
電流が流れる方向に直交する断面形状において、前記露出面の長さが前記被覆面の長さに対して長く形成され、前記露出面の両端と前記被覆面の両端とをそれぞれ連結する縁面が前記被覆面から前記露出面に向かって広がるテーパー状に形成され、
前記通電部と前記ケースの表面との境界部において、前記露出面が前記ケースの表面から突出していることを特徴とする電流センサ。
前記一対の端子は、少なくとも一方が溶接によって他の機器と接続される溶接型端子であり、前記通電部は、前記磁気センサにより誘電磁界が検出される箇所と前記溶接型端子との間の位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記バスバは、電流が流れる方向に沿って並列して複数設けられ、
前記ケースは、隣接する各前記バスバの前記通電部の間に前記露出面よりも突出する樹脂壁部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
前記樹脂壁部は、前記通電部を囲うように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
前記バスバは、前記磁気センサにより誘導磁界が検出される箇所と前記通電部との間に屈曲部が設けられ、
前記ケースには、前記バスバの前記屈曲部と前記通電部との間の位置で、前記バスバの前記縁面の一部及び表面の一部を外部に露出させる位置決め具抜き穴が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電流センサ。