KR20040058319A - 전류 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전류 센서는, U자 형상으로 형성되어 있고 피측정 전류가 흐르는 도체와, 상기 U자 형상을 구성하는 서로 평행한 2개의 직선부 사이에 배치되는 자기 센서와, 상기 2개의 직선부와 상기 자기 센서를 덮고, 상기 자기 센서와의 대향 위치에 볼록부를 갖는 통 형상의 자성체와, 상기 도체의 단부와 상기 자기 센서의 단자가 상기 자성체와 동일한 측에 위치하도록, 상기 도체와 상기 자기 센서와 상기 자성체를 지지하는 지지 부재를 구비한다.

Description

전류 센서{CURRENT SENSOR}

일반적으로 자기 센서로서는, 홀 효과를 이용한 홀 센서, 자기 저항 소자, 자기 트랜지스터 등이 알려져 있다. 이러한 자기 센서를 이용하여, 전류에 의해 발생하는 자속을 검출함으로써, 전류량을 측정하는 것이 가능하다. 종래에는, 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 갖는 전류 센서가 널리 이용되고 있다.

도 1에서, 참조 부호 100은 자기 코어를, 참조 부호 101은 전류 경로가 되는 금속 도체를, 참조 부호 102는 자기 센서를, 참조 부호 103은 증폭기를, 참조 부호 104는 증폭기(103)의 출력 단자를 도시하고 있다.

그러나, 이러한 구조의 전류 센서는 전류를 흘리는 금속 도체(101) 주위를 둘러싸는 형상의 자기 코어(100)가 필수이기 때문에 소형화에 적합하지 않다. 또한, 이 전류 센서는 자기 코어(100)와 자기 센서(102)를 개별로 제조하고나서 조립할 필요가 있기 때문에, 제조 비용이 들어, 대량 생산에 적합하지 않다고 하는 과제가 있었다.

또한, 이 전류 센서에는, 자기 코어(100)의 갭부분에서의 가로 방향으로부터의 자기 노이즈의 영향을 받기 쉽다고 하는 과제도 있었다.

본 발명은 전류 센서에 관한 것이다. 특히 상세하게는 본 발명은, 피측정 전류가 흐르는 도체와 피측정 전류에 의해 발생되는 자속을 검출하는 자기 센서를 구비하고, 피측정 전류에 의해 발생되는 자속을 자기 센서에 의해 검출함으로써 피측정 전류의 전류량을 측정하는 전류 센서에 관한 것이다.

도 1은 종래의 전류 센서의 일례를 도시하는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 전류 센서의 제1 실시 형태를 도시하는 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 전류 센서의 제1 실시 형태를 도시하는 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 전류 센서의 제1 실시 형태의 자기 시뮬레이션 결과를 도시한 자력선도.

도 5는 본 발명에 따른 전류 센서의 제2 실시 형태의 자기 시뮬레이션 결과를 도시한 자력선도.

도 6의 A∼C는 본 발명에 따른 전류 센서의 제3 실시 형태 및 그 변형예의 주요부를 개략도에 도시하는 단면 구성도.

도 7은 본 발명에 따른 전류 센서의 제4 실시 형태의 평면의 부분 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 전류 센서의 제4 실시 형태의 도 7 중 VIII-VIII'선을 따른 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 전류 센서의 제4 실시 형태의 도 7 중 IX-IX'선을 따른 단면도.

도 10은 본 발명에 따른 전류 센서의 제5 실시 형태에서, 자기 요크의 일부를 제거한 것의 평면도.

도 11은 본 발명에 따른 전류 센서의 제5 실시 형태에서, 자기 요크의 일부를 제거한 것의 정면도.

도 12의 A∼G는 홀 센서(자기 센서)의 단자의 포밍의 예를 도시하는 사시도.

도 13의 A 및 B는 베이스 아래로 형성된 볼록부의 효과를 비교하여 설명하기 위한 전류 센서의 정면도.

도 14는 연면 거리의 개선 효과를 설명하기 위한 부분 확대 단면도.

도 15의 A 및 B는 자성체의 변형예를 도시하는 평면도.

도 16의 A 및 B는 도 15의 A 및 B의 자성체를 이용한 전류 센서의 1차 전류-출력 전압의 관계를 도시하는 특성도.

본 발명의 목적은, 내 노이즈성을 향상시킬 수 있고, 부품 점수를 줄여서 형상을 소형화할 수 있으며, 생산 조립성을 향상시킬 수 있어, 염가로 대량 생산에 적합한 표면 실장 가능한 전류 센서를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 전류 센서는, 피측정 전류가 발생하는 자속에 기초하여 상기 피측정 전류를 검출하는 전류 센서로, U자 형상으로 형성되어 있고 상기 피측정 전류가 흐르는 도체와, 상기 U자 형상을 구성하는 서로 평행한 2개의 직선부 사이에 배치되는 자기 센서와, 상기 2개의 직선부와 상기 자기 센서를 덮고, 상기 자기 센서와의 대향 위치에 볼록부를 갖는 통 형상의 자성체와, 상기 도체의 단부와 상기 자기 센서의 단자가 상기 자성체와 동일한 측에 위치하도록, 상기 도체와 상기 자기 센서와 상기 자성체를 지지하는 지지 부재를 구비한다. 도체의 2개의 직선부 각각의 단부가 자성체와 동일한 측에 배치되기 때문에 표면 실장이 용이해진다. 자성체(자기 요크)는 통 형상을 이루고, 이것은 통 형상으로 닫혀 있고, 2개의 개구를 갖고 있으면 된다.

지지 부재의 단자 구멍에 관통 삽입된 자기 센서의 단자와 도체 삽입부에 관통 삽입된 도체의 2개의 대략 직선 부분을 동일한 측에 지지하여 배치할 수 있기 때문에, 전류 센서의 프린트 기판 등으로의 표면 실장을 용이하게 할 수 있어, 생산성 및 조립성이 현저히 향상된다.

상기 지지 부재는, 상기 자기 센서의 단자가 관통 삽입되는 단자 구멍과, 상기 도체가 관통 삽입되는 도체 삽입부와, 상기 자기 센서를 걸림 고정하는 제1 걸림 고정부와, 상기 도체를 걸림 고정하는 제2 걸림 고정부와, 상기 자성체를 걸림 고정하는 제3 걸림 고정부를 갖는 것이 바람직하다. 상기 단자 구멍에, 자기 센서를 아래에서부터 삽입할 수 있어, 자기 센서의 단자의 포밍 형상이 변해도 조립이 가능하다. 또한, 지지 부재의 형상을 바꿀 필요가 없다. 또한, 자기 센서의 단자의 단면적의 크기나 형상이 변해도 조립이 가능하다. 또한, 자기 센서의 단자의 단자간 거리가 변해도 조립이 가능하다.

상기 도체 삽입부는 원통형 부재로 이루어지고, 상기 자성체는 상기 도체 삽입부를 덮도록 지지되어 있는 것이 바람직하다.

상기 지지 부재는 탄성 변형하는 재료가 일체로 성형되고, 상기 제1 내지 제3 걸림 고정부는 후크 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자성체의 내면에 상기 제1 볼록부와 대향하는 제2 볼록부를 갖고, 상기 제1 볼록부와 상기 제2 볼록부 사이의 갭에 상기 자기 센서가 배치되는 구조가 바람직하다.

이 경우, 상기 자기 센서는, 상기 제1 볼록부의 상기 자기 센서에 대한 대향면과 상기 자기 센서의 감자부가 대략 평행해지도록 배치되고, 상기 감자부의 면적은 상기 대향면의 면적보다도 작은 것이 바람직하다.

상기 자성체는, 상기 제1 볼록부의 상기 자기 센서에 대한 대향면과 대략 수직, 또한 상기 직선부와 대략 평행한 기준면에 대하여 대칭인 면 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 검출 출력이 자기 센서의 배치 위치 정밀도의 영향을 받기 어려워, 배치 위치 정밀도의 요구를 완화시킬 수 있기 때문에, 생산성 및 조립성이 향상된다.

상기 자성체의 내부 형상은, 곡면 또는 테이퍼를 갖는 것이 바람직하고, 이에 의해, 자성체가 자기 포화하기 어려워져서, 전류 센서의 선형성을 향상시킬 수 있다.

상기 곡면 또는 테이퍼는 상기 제1 볼록부 주변에 형성되고, 상기 자성체의 내부 형상은 예각인 형상을 갖지 않는 것이 바람직하다.

상기 자성체의 외형 치수는, 상기 2개의 직선부에 의해 형성되는 면에 평행하고, 상기 직선부에 수직인 방향의 길이가 상기 면에 수직이며, 또한 상기 직선부에 수직인 방향의 길이의 2.5배 이상인 것이 바람직하다.

상기 지지 부재의, 상기 자기 센서의 단자와 상기 2개의 직선부가 지지되어 있는 측에, 적어도 하나의 볼록부가 형성되어, 이에 따라 실장 기판과의 접촉 면적을 작게 하는 것도 바람직하다.

상기 지지 부재의 외면의 상기 도체가 관통 삽입하고 있는 부분 주위에, 적어도 하나의 볼록부 또는 오목부가 형성되어, 이에 따라 내압 연면(沿面) 거리를 길게 하는 것도 바람직하다.

상기 자기 센서의 단자가 소정 형상으로 절곡되어 있는 것도 바람직하다.

상기 자기 센서에, 홀 효과를 이용한 홀 센서를 이용하는 것도 바람직하다.

상기 구성을 채용한 본 발명에 따르면, 형상을 소형화하고, 생산ㆍ조립성이 향상된, 염가이며 대량 생산에 적합한 자기 노이즈의 영향을 받기 어려운 전류 센서를 제공할 수 있어, 다양한 어플리케이션에 대하여 최적으로 대응하는 것이 가능해진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러가지 실시 형태에 대하여 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 2는 본 발명에 따른 전류 센서의 제1 실시 형태를 도시하는 단면도이다. 도 3은 상기 전류 센서의 제1 실시 형태를 도시하는 평면도이다.

도 2 및 도 3에서, 전류 센서(10)는 자속의 검출 수단인 자기 센서(1)를 구비하고 있다. 자기 센서(1)는 전류 경로(2)에 피측정 전류(이하, 전류라고 약기함)가 흐름으로써 발생하는 자속을 검출한다. 본 실시 형태에서는, 홀 효과를 이용한 홀 센서를 자기 센서(1)로서 사용하였다. 전류 경로(2)는「U」자 형상으로배치되어 있고 자기 센서(1)를 둘러싸고 있어, 이 때문에 자기 센서(1)의 근방에 자속이 모이기 쉽다. 자기 센서(1)와 전류 경로(2)는 절연물 포위체(3)(이 예에서는 몰드 수지제)에 의해 밀봉되어, 일체로 형성되어 있다.

또한, 절연물 포위체(3) 주위에, E자 형상의 페라이트 코어(4a)와 I자 형상의 페라이트 코어(4b)를 결합부에서 간극없이 결합하여 이루어지는 자기 요크(4)가 배치되어 있다. 자기 요크(4)는 전류 경로(2)에 전류가 흐름으로써 발생하는 자속을 자기 센서(1)의 감자부(도시하지 않음)에 수속(收束)시킨다. 자기 요크(4)는, 그 페라이트 코어(4a)의 저면의 거의 중앙의, 자기 센서(1)와 대향하는 위치에 볼록부(6)를 갖는다. 자기 요크(4)는 전체에 걸쳐 거의 균일한 자기 특성을 갖고 있다. 자기 요크(4)는, 전류 경로(2)의 일부와 자기 센서(1)를 덮는 통 형상의 형상을 갖는다.

또한, 도 2 및 도 3에서, 자기 센서(1)는 비자성체의 리드 프레임(5) 상에 배치되어 있다.

상기 구조의 제1 실시 형태의 전류 센서(10)에 대하여, 유한 요소 해석법을 이용하여 행한 자장 시뮬레이션에 관하여 설명한다.

이 자장 시뮬레이션에서, 자기 센서(1)로서 아사히카세이 전자(주)제의 홀 소자 HG-106C(상품명)를 사용하고, 전류 경로(2)로서 단면적이 2㎜(수직) ×0.5㎜(수평)의 구리선을 사용하고, 자기 요크(4)로서 비투자율이 6000인 페라이트를 사용한 경우를 상정하였다. 또한, E자 형상 페라이트 코어(4a)와 I자 형상 페라이트 코어(4b) 사이의 갭(이 갭에 자기 센서(1)가 배치됨)은 1.3㎜를 상정하여 시뮬레이션하였다.

도 4는 이들 조건 하에서 전류 경로(2)에 1A의 직류 전류를 흘렸을 때의, 자기 센서(1)가 배치되는 갭 부분에서의 자력선의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 4에 도시된 시뮬레이션 결과로부터, 자기 센서(1)가 배치되는 상기 갭 부분(도 2 참조)에, 피측정 전류로부터 발생하는 자속 밀도가 집중하고 있는 것을 알 수 있다. 본 출원인의 계산에 따르면, 전류 경로(2)(도 2 참조)에 1A의 전류가 흐르면, 자기 센서(1)가 배치되는 부분에는 0.97mT의 자속 밀도가 발생하는 것을 알 수 있었다.

또한, 전류 경로(2)에 흐르는 전류량을 증가시키면, 이 전류 증가에 비례하여 자기 센서(1)가 배치되는 갭 부분의 자속 밀도도 증가하는 것, 즉 자기 센서(1)의 출력 전압값은 전류량에 비례하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 상기 구성에서 자기 센서(1)에 의해 자속을 검출하여 출력 전압을 얻고, 이 출력 전압을, 전류 경로(2)에 1A의 전류를 흘렸을 때의 출력 전압을 참조하여 외부의 집적 회로 등에 의해 피측정 전류의 전류량으로 환산하면, 전류 센서로서의 기능을 충분히 만족할 수 있다.

(제2 실시 형태)

E자 형상 코어와 I자 형상 코어를 사용한 제1 실시 형태의 구성에서는 자기 센서 배치의 위치 정밀도가 요구된다. 즉 도 2의 수평 방향으로 자기 센서(1)가 어긋나면, 측정에 의해 얻어지는 자속 밀도의 값이 변화한다.

제2 실시 형태는, 이 문제를 해소하기 위한 제1 실시 형태의 개량으로, 자기요크(4)로서 2개의 E자 형상 코어를 결합부에서 간극없이 결합시킨 형태를 실시한 것이다.

제2 실시 형태의 자장 시뮬레이션에서, 자기 센서(1)로서 아사히카세이 전자(주)제의 홀 소자, HG-106C(상품명)를 사용하고, 전류 경로(2)로서 직경이 1.0㎜의 구리선을 사용하고, 자기 요크(4)로서 비투자율이 6000인 페라이트를 사용한 경우를 상정하였다. 또한, 상측 E자 형상 페라이트 코어와 하측 E자 형상 페라이트 코어 사이의 갭(이 갭에 자기 센서(1)가 배치됨)은 1.2㎜로 하였다.

도 5는 이들 조건 하에서 전류 경로에 1A의 직류 전류를 흘렸을 때의, 자기 센서(1)가 배치되는 갭 부분에서의 도 2의 수직 방향의 자속 밀도를 계산한 자력선의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 4와 도 5의 비교로, 제2 실시 형태에서는 코어 갭부분에 제1 실시 형태와 비교하여 보다 균등하게 자속이 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 제2 실시 형태에 따르면 자기 센서(1)에 대한 수평 위치 정밀도의 요구를 완화할 수 있기 때문에, 조립성의 향상으로 연결된다.

이와 같이 본 실시 형태의 전류 센서는, 도 5에 도시한 바와 같이 2개의 E자 형상 코어를 결합시킨 자기 요크를 구비한다. 자기 요크의 상측 E자 형상 페라이트 코어는 볼록부를 갖고 있다. 자기 요크는, 이 볼록부의 자기 센서와 대향하는 대향면(6a)(도 2 참조)과 대략 평행한 기준면(도시하지 않음)에 대하여 대칭인 면 형상을 갖는다. 또한, 자기 요크는 이 볼록부의 자기 센서에 대한 대향면과 대략 수직으로, 전류 경로(2)의 대략 직선부와 대략 평행한 기준면(도시하지 않음)에 대하여 대칭인 면 형상을 갖고 있다.

본 발명은, 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 또한 여러가지 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

제1 실시 형태 및 제2 실시 형태는 모두, 전류 경로가 되는 도체가, 그 2개의 대략 직선부와 이 대략 직선부가 거의 평행한 굴곡부(구체적으로는 2개의 직각부)가 연속하여 구성되고, 이 굴곡부가 자기 요크(4)의 한쪽의 개구측(도 3에서, 자기 요크(4)의 상측)에 배치되고, 대략 직선부 각각의 단부가 자기 요크(4)의 다른쪽 개구측(도 3에서, 자기 요크(4)의 하측)에 배치된 구성으로 되어 있다. 이 구성은 일례로서, 표면 실장 시의 제조 용이성을 고려하기 위한 배치에 지나지 않는다.

또한, 표면 실장에서의 제조 용이성을 고려한 상기 실시 형태에 따른 배치에서도, 굴곡부가 2개의 직각부를 갖는 구성에 한정되지 않고, 2개의 직선부를 만곡한 굴곡부를 통하여 연속시킬 수도 있다.

(제3 실시 형태)

도 6의 A∼C는 본 발명에 따른 전류 센서의 제3 실시 형태 및 그 변형예의 주요부를 개략적으로 도시하는 단면도로, 도 6의 A는 자기 요크 단면의 내부 형상을 U자 형상으로 한 예를 도시한다.

여기서, 자기 요크(4)는 볼록부(6)를 자성체 내면 중앙부에서 상하로 대향시켜 파선으로 나타낸 제1 기준면에 대하여 대칭으로 한 내면 형상을 갖는다. 또한, 자기 요크(4)는 도면의 양측의 U자 형상의 곡면을 일점쇄선으로 나타낸 제2 기준면에 대하여 대칭으로 한 내면 형상을 갖는다. 즉 자기 요크(4)의 면 형상은, 종횡으로 2개의 기준면에 대하여 대칭이다.

자성체인 자기 요크(4)는, 이러한 내면 형상으로 함으로써 자기 포화하기 어렵게 된다. 또한 자기 요크(4)는 거의 직교하는 2개의 기준면에 대하여 대칭인 면 형상을 갖기 때문에, 자기 센서의 검출 정밀도는, 그 배치 위치의 변동의 영향을 받기 어렵다. 따라서, 자기 센서의 위치 정밀도의 요구를 완화할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 자성체(자기 요크(4))의 내측 형상(도 6의 A 참조)은, B 방향의 폭이 볼록부와 A 방향에서의 좌우 양단 각각과의 거의 중간 위치에서 가장 크고, A 방향에서의 좌우 양단의 위치에서 가장 작아지는 형상으로 한 것으로, 상기한 효과를 얻을 수 있다.

자기 요크(4)의 세로와 가로의 치수비 a/b는 2.5 이상이 바람직하다. 이러한 비로 하면, 동일한 자기 특성의 자성체를 이용한 경우에도 전류 센서를 박형화할 수 있어, 용이하게 소형화가 가능해진다.

또한, 자기 요크(4)를 자기 포화하기 어렵게 하기 위해서, 자기 요크 내측 단면의 형상을, 볼록부의 측면에서의 상술한 B 방향의 폭이 볼록부와 A 방향에서의 좌우 양단 각각의 거의 중간 위치보다도 더 작은 형상으로 할 수 있다.

상기한 형상은, 다음의 2개의 변형예에 의해서 실현될 수 있다. 도 6의 B는 자기 요크의 내부 단면에서 볼록부(6)의 측면도 함께 반경 r의 곡면 형상으로 한 변형예를 도시한다.

도 6의 C는 자기 요크(4)의 내부 단면에 곡선 부분이 없어, 짧은 직선 L1,L2, L3, L4, L5, L6, L7을 연속하여 테이퍼를 형성함으로써, 내부 단면 형상을 구성한 변형예를 도시한다. 이 변형예에서는 볼록부(6)의 측면(L1부와 L7부)은 볼록부 상면 또는 하면(도면의 수평 방향)에 대하여 거의 45도의 각도를 이루고, 상기 측면과 대향하는 면(L5부와 L3부)에 대하여 거의 평행하다.

(제4 실시 형태)

도 7은 본 발명에 따른 전류 센서의 제4 실시 형태의 부분 단면도, 도 8은 본 실시 형태에서의 전류 센서의 도 7의 VIII-VIII'선을 따른 단면도, 도 9는 본 실시 형태에서의 전류 센서의 도 7의 IX-1X'선을 따른 단면도이다.

본 실시 형태에서의 전류 센서는, 조립성이나 생산성을 향상시키기 위해서, 접착 공정을 이용하지 않고, 끼워 넣거나 삽입 공정에 의해서 제조 가능한 구조를 구비하고 있다. 이 전류 센서의 구조는, 도체, 자성체(자기 요크), 및 홀 센서 등의 자기 센서 이외의 부분(이하, 부재라고 칭함)을 탄성 변형하는 플라스틱 등의 재료로 구성하여 실현된다.

도 7에 도시한 바와 같이, 이 부재는, 각 요소의 기초가 되는 판형의 베이스(7a)와, 자기 센서 지지부(7b)와, 전류 경로인 도체(2)가 관통 삽입되는 2개의 도체 삽입부(7c)와, 도체(2)를 지지하는 2개의 도체 지지부(7d)로 이루어진다. 예를 들면, 이 부재는 ABS 수지나 PBT 수지 등으로 일체로 성형되어 있다.

베이스(7a)의 거의 중앙에는 자기 센서(1)의 단자(5)를 관통 삽입하기 위한 단자 구멍이 뚫려 있다. 본 실시 형태에서는 자기 센서(1)에 홀 IC를 이용하기 위해, 3개의 단자 구멍이 뚫려 있다. 베이스(7a)에는 자기 센서(1)를 지지하기 위한2개의 센서 지지부(7b)가, 단자 구멍을 협지하여 대향하여 형성되어 있다. 양 센서 지지부(7b)의 선단에는 후크 형상의 고리가 형성되어 있다. 이 고리에 의해, 삽입된 자기 센서(1)의 상부를 걸림 고정한다.

도 7에서, 베이스(7a) 양측에는 각각, 피측정 전류를 흘리기 위한 도체(2)가 관통 삽입되는 도체 구멍이 형성되어 있다. 도체 구멍이 형성되는 도체 삽입부(7c)는, 도시한 바와 같이 볼록 형상으로 형성되어 있다. 피측정 전류의 전류 경로가 되는 도체(2)의 직선형 부분(도 7의 수직인 부분)은, 각각이 도체 구멍에 삽입된다.

한편, 양측의 도체 삽입부(7c)의 선단의 자기 요크(자성체)(4)와 대향하는 측(도 7의 상부 외측 부분)에는 후크 형상의 고리가 형성되어 있다. 도체 삽입부(7c)는, 이 고리가 자기 요크(4)를 걸림 고정함으로써 자기 요크(4)에 고착되어 있다. 도체(2)는 도체 지지부(7d)에도 끼워 넣어져, 도체 지지부(7c)와 도체 삽입부(7d)에서 지지된다.

또한, 베이스(7a)에는 2개의 다른 도체 지지부(7d)의 선단이 도체 삽입부(7c)보다도 외측으로 돌출하여 형성되어 있다. 이 도체 지지부(7d)에는 후크 형상의 고리가 형성되어 있다(도 7 및 도 9 참조). 도체(2)는 이 고리에 의해서 걸림 고정되어, 이 도체 지지부(7d)에 의해 지지된다.

자기 요크(4)는 베이스(7a)의 상측에서부터 삽입되어, 전술한 도체 삽입부(7c)의 고리와 베이스 사이에서 지지된다. 자기 요크(4)의 내측에는 볼록부(6)가 대향하여 형성되고(도 8 참조), 양 볼록부(6)에 의해 자기 센서(1)를협지하는 구조로 되어 있다. 자기 센서(1)와 자기 요크(4)의 사이의 간극은 되도록이면 작은 쪽이 바람직하다.

수지 성형에 의한 부재를 이용한 이상과 같은 구성을 채용한 본 실시 형태에 따르면, 부재의 단자 구멍에 관통 삽입된 자기 센서(1)의 단자(5)와 도체 구멍에 관통 삽입된 도체(2)의 2개의 대략 직선 부분의 단자측을 부재에 대하여 동일한 측(도 7의 베이스의 하측)에 지지하여 배치하는 구조가 실현된다. 따라서, 우선 베이스(7a)의 상측에서부터 자기 센서(1)를 끼워 넣고, 계속해서 도체(2)를 삽입하고, 또한 자기 요크(4)를 끼워 넣음으로써, 간단히 전류 센서를 조립하여 제조할 수 있어, 조립성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시 형태의 구성에 따르면, 프린트 기판 등에 표면 실장하는 것도 용이하다.

(제5 실시 형태)

도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 전류 센서의 제5 실시 형태를 도시하는 평면도 및 정면도이다. 양 도면에서 좌측은 전류 센서 전체의 외관을 도시하고, 우측은 자기 요크(4)(이점쇄선으로 나타냄)를 제거했을 때의 전류 센서의 형상을 도시한다. 따라서, 도 10 및 도 11의 우측에는, 수지 등으로 일체로 성형된 지지 부재와, 1차 전류의 전류 경로인 도체(2)와, 자기 센서(홀 센서)(1)가 배치되어 있다. 본 실시 형태 및 다른 변형예에서의「지지 부재」는, 상기 각 실시 형태에서의「부재」에 상당한다.

도 10 및 도 11에서, 지지 부재의 베이스(7a) 중앙에는 단자 구멍이 형성되고, 단자 구멍에 자기 센서(1)가 베이스(7a)의 하면측에서부터 삽입된다. 지지 부재의 자기 센서 지지부(7b)에는, 삽입된 자기 센서(1)를 지지하기 위한 후크 형상의 고리(7e)가 하향으로 형성되어 있다. 고리(7e)는 자기 센서(1)의 단자측 엣지를 걸림 고정하여, 자기 센서(1)를 지지한다. 이와 같이, 본 실시 형태는, 지지 부재의 베이스(7a)의 하면측에서부터 자기 센서(1)를 단자 구멍에 삽입할 수 있는 구성을 제공하고 있다. 이 때문에, 자기 센서(1)의 단자(5)를 절곡(포밍)한 후에도, 자기 센서(1)를 지지 부재의 단자 구멍에 삽입하여 조립할 수 있다. 따라서, 생산ㆍ조립성의 향상이 실현된다.

도 12의 A∼G는 자기 센서(1)의 단자 형상의 각종 변형예를 도시하고 있다. 도 12의 A는 스트레이트 타입의 단자 형상, 도 12의 B∼G는 절곡(포밍) 타입의 변형예를 도시하고 있다. 절곡의 방향은 도시한 예와 역 방향이어도 된다.

본 실시 형태의 지지 부재를 구비하는 전류 센서는, 자기 센서(1)의 단자(5)를 도 12의 A∼G에 도시하는 어느 하나의 형상으로 미리 절곡한 후에, 이 자기 센서(1)를 지지 부재에 조립할 수 있다. 즉, 자기 센서(1)의 단자(5)의 포밍 형상이 변해도, 지지 부재의 형상을 바꾸지 않고 조립이 가능하다. 또한, 자기 센서(1)의 단자(5)의 단면적이나 단면 형상이 변해도 지지 부재에 조립이 가능하다. 또한, 자기 센서(1)의 단자(5)의 단자 간격(피치)이 변해도 지지 부재에 조립이 가능하다.

도 10 및 도 11에 도시한 전류 센서가 구비하는 지지 부재의 베이스(7a)의 하면에는, 실장 기판과 지지 부재의 접촉 면적을 작게 하기 위한 볼록부(7f)가 형성되어 있다. 도 13의 A에 도시한 바와 같이 볼록부가 없고, 베이스(7a)의 하면이편평한 전류 센서에는, 지지 부재와 프린트 배선 기판(30)의 열팽창율의 차이에 기인하여, 도체(2)를 납땜 실장하는 지점(기판(30)의 일점쇄선 내의 지점)에서 땜납 크랙이 발생할 가능성이 있다.

그러나, 이 볼록부(7f)를 갖는 전류 센서를 납땜 실장할 때에, 도 13의 B에 도시한 바와 같이, 프린트 배선 기판(30)의 표면과 베이스(7a) 하면 사이에 간극 g가 발생한다. 이 간극 g에 의해서, 프린트 배선 기판(30)과 지지 부재 사이에 작용하는 열 응력을 대폭 저감할 수 있기 때문에, 땜납 크랙을 방지할 수 있다. 이 간극 g의 크기는, 땜납 크랙 방지를 위해서는 적어도 1㎜ 정도 이상인 것이 바람직하다.

1차 전류가 흐르는 도체(2)와 도전체(자기 요크(4) 또는 단자(1b)) 간의 연면 거리는 전압 규격에 따라 일정값 이상으로 정해져 있다. 전류 센서에서는, 1차 전류 도체선-자기 센서 단자 간의 연면 거리, 및 1차 전류 도체선-자기 요크 간의 연면 거리를, 전압 규격을 만족하는 거리로 하는 요구가 있다. 이 요구는 전류 센서의 소형화를 저해한다.

또한, 소형화하기 위해서 도 11에서 도체(2)가 지지 부재의 베이스(7a)에 관통 삽입되어 있는 부분 주위에는, 볼록부(7h)가 형성되어 있다. 볼록부(7h)는 원통형의 형상을 갖고, 내측에는 공극이 있다. 이 볼록부(7h)의 형상에 의해, 내압 연면 거리를 길게 할 수 있다.

도 14는 볼록부(7h)의 작용을 설명하기 위한, 상기 전류 센서의 부분 확대 단면도이다. 이러한 형태의 전류 센서는, 베이스(7a) 하면에 볼록부(7h)를 형성함으로써, 1차 전류 도체선-자기 요크 간의 연면 거리 d1과 1차 전류 도체선-자기 센서 단자 간의 d2를 길게 할 수 있다. 볼록부(7h)를 갖는 전류 센서는, 볼록부(7h)가 없는 것에 비교하여 도면의 수평 방향으로 약 4㎜, 소형화되어 있다.

도 11 및 도 14는 베이스(7a) 하면에 볼록부(7h)를 형성하여 연면 거리의 요구를 만족하는 구성을 채용한 전류 센서의 예를 나타내었다. 한편, 하면에 오목부를 형성하여도 마찬가지의 작용이 발생하여 연면 거리의 요구를 만족할 수 있다. 또한, 볼록부와 오목부를 더불어 형성하면, 소형화를 위해 보다 유리하다.

또한, 자성체(자기 요크(4))의 갭부분, 즉 자기 센서(1)가 지지 부재에 의해서 지지되는 부분은 수지로 포팅해도 된다. 충전된 수지는 자기 요크(4), 지지 부재, 및 자기 센서(1)를 고정한다. 자기 요크(4)를 지지하는 지지 부재의 고리와 자기 요크(4) 사이에 간극이 있어도, 이와 같이 수지 고정함으로써, 전류 센서가 진동해도, 자기 요크(4)와 지지 부재의 충돌에 의한 진동음은 발생하지 않는다.

도 15의 A 및 B는 갭부분의 갭 길이 G를 바꾼 자기 요크(4)의 변형예를 도시한다. 도 15의 A의 예에서는 G=1.3㎜, 도 15의 B의 예에서는 G=3.2㎜이다.

이들 자기 요크(4)를 이용한 전류 센서의 검출 특성을 도 16의 A 및 B에 도시한다. 양 도면에서, 횡축은 도체(2)에 흘리는 1차 전류의 값을, 종축은 자기 센서(1)의 출력 전압값을 나타낸다. 양 도면에 도시된 특성을 비교하면, 갭 길이 G가 작은 쪽이, 검출 감도가 고감도인 것을 알 수 있다. 또한, 측정 전류 범위를 비교하면, G=1.3㎜의 전류 센서는 ±30A까지 선형인 특성을 나타내고 있고, ±30A까지 측정 가능하다(도 16의 A). 한편, G=3.2㎜의 전류 센서는 40A 이상의 측정이가능하다(도 16의 B). 여기에서, 갭 길이 G가 큰 쪽이 측정 전류 범위가 넓은 것을 알 수 있다.

이와 같이, 갭 길이 G를 변경함으로써, 검출 감도 및 측정 전류 범위를 바꿀 수 있다.

(다른 변형예)

이상, 여러가지의 변형예에 대하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 더 수정ㆍ변형하여 본 발명을 실시할 수 있다. 예를 들면, 자기 센서로서는, 상기 홀 센서 외에, 자기 저항 효과를 이용한 자기 저항 효과 소자 등 여러가지 자기 센서의 적용이 가능하고, 아날로그 출력형 자기 센서가 바람직하다. 자기 센서의 검출 출력을 피측정 전류의 전류량으로 환산하는 환산 수단을 포함할 수도 있다.

또한, 증폭기 내장형의 선형 홀 IC를 자기 센서로서 이용함으로써 검출 감도를 높게 하여, 피측정 전류의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도체로서는, 저항이 작아 피측정 전류에 의한 전압 강하가 발생하지 않는 것으로, 또한 피측정 전류가 흐르고 있지 않을 때 도체에 잔류 자계가 발생하지 않는 재질의 것(예를 들면, 구리 등)이 바람직하다.

또한, 자성체(자기 요크)에 대해서도, 페라이트나 퍼멀로이 등 여러가지 자성 재료의 적용이 가능하지만, 페라이트와 같이 소형 성형이 가능하고 염가인 것이 바람직하다.

지지 부재를 ABS 수지나 PBT 수지 등의 탄성 변형하는 재료로 구성하고, 이부재에 자기 센서나 도체, 자성체를 끼워 넣어 복수의 고리로 걸림 고정하면, 접착 공정을 생략할 수 있어 조립이 간단하고, 생산성이 향상된다. 특히, 수지로서는 PBT(폴리브티렌테레프탈레이트)로 CTI(comparative tracking index)값 250 이상, 난연성 UL94-V0의 것이 바람직하다.

통 형상의 자기 요크는 일체로 성형되는 것이 바람직하지만, 조립성 등을 고려하여, 복수개의 자성체를 조합하여 통 형상을 성형할 수도 있다(제1 및 제2 실시 형태).

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전류 센서에 따르면, 피측정 전류가 흐르는 도체와, 상기 피측정 전류에 의해 발생되는 자속을 검출하는 자기 센서와, 상기 도체가 관통 삽입되어, 상기 도체의 일부와 상기 자기 센서를 덮는 통 형상의 자성체를 구비하고, 상기 자성체는, 그 내면의 상기 자기 센서와의 대향 위치에 볼록부를 가짐과 함께, 거의 균일한 자기 특성을 갖는 구성으로 함으로써, 종래의 전류 센서에 필요한 코일이나 프린트 기판 등의 부품을 삭감할 수 있고, 조립성도 현저하게 향상시킬 수 있다.

따라서, 다양한 어플리케이션에 최적으로 대응하는 것이 가능한, 소형으로, 생산ㆍ조립성이 향상되고, 염가이며 대량 생산에 적합한 표면 실장 가능한 전류 센서를 제공할 수 있다. 또, 자성체가 직교하는 2개의 기준면에 대하여 대칭인 면 형상을 갖는 구성으로 함으로써, 외부 자장에 대한 내(耐)노이즈성을 현저히 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

1. 피측정 전류가 발생하는 자속에 기초하여 상기 피측정 전류를 검출하는 전류 센서에 있어서,

   U자 형상으로 형성되어 있고 상기 피측정 전류가 흐르는 도체와,

   상기 U자 형상을 구성하는 서로 평행한 2개의 직선부 사이에 배치되는 자기 센서와,

   상기 2개의 직선부와 상기 자기 센서를 덮고, 상기 자기 센서와의 대향 위치에 제1 볼록부를 갖는 통 형상의 자성체와,

   상기 도체의 단부와 상기 자기 센서의 단자가 상기 자성체와 동일한 측에 위치하도록, 상기 도체와 상기 자기 센서와 상기 자성체를 지지하는 지지 부재를 포함하는 전류 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지지 부재는, 상기 자기 센서의 단자가 관통 삽입되는 단자 구멍과, 상기 도체가 관통 삽입되는 도체 삽입부와, 상기 자기 센서를 걸림 고정하는 제1 걸림 고정부와, 상기 도체를 걸림 고정하는 제2 걸림 고정부와, 상기 자성체를 걸림 고정하는 제3 걸림 고정부를 갖는 전류 센서.
3. 제2항에 있어서,

   상기 도체 삽입부는 원통형 부재로 이루어지고, 상기 자성체는 상기 도체 삽입부를 덮도록 지지되어 있는 전류 센서.
4. 제2항에 있어서,

   상기 지지 부재는 탄성 변형하는 재료가 일체로 성형되어 있고, 상기 제1 내지 제3 걸림 고정부는 후크 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
5. 제1항에 있어서,

   상기 자성체의 내면에 상기 제1 볼록부와 대향하는 제2 볼록부를 갖고,

   상기 제1 볼록부와 상기 제2 볼록부의 사이의 갭에 상기 자기 센서가 배치되는 전류 센서.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,

   상기 자기 센서는, 상기 제1 볼록부의 상기 자기 센서에 대한 대향면과 상기 자기 센서의 감자부가 대략 평행하도록 배치되고,

   상기 감자부의 면적은 상기 대향면의 면적보다도 작은 것을 특징으로 하는 전류 센서.
7. 제1항에 있어서,

   상기 자기 센서는, 홀 효과를 이용한 자기 센서인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
8. 제1항에 있어서,

   상기 자기 센서의 검출 출력을 상기 피측정 전류의 전류량으로 환산하는 환산 수단을 더 포함하는 전류 센서.
9. 제1항에 있어서,

   상기 자성체의 내부 형상은 곡면 또는 테이퍼를 갖는 전류 센서.
10. 제9항에 있어서,

    상기 곡면 또는 테이퍼는 상기 제1 볼록부의 주변에 형성되고, 상기 자성체의 내부 형상은 예각의 형상을 갖지 않는 전류 센서.
11. 제1항에 있어서,

    상기 자성체의 외형 치수는, 상기 2개의 직선부에 의해서 형성되는 면에 평행하고, 상기 직선부에 수직인 방향의 길이가, 상기 면에 수직이며, 또한 상기 직선부에 수직인 방향의 길이의 2.5배 이상인 전류 센서.
12. 제1항에 있어서,

    상기 지지 부재의, 상기 자기 센서의 단자와 상기 2개의 직선부가 지지되어 있는 측에, 적어도 하나의 볼록부가 형성되어 있는 전류 센서.
13. 제1항에 있어서,

    상기 지지 부재의 외면의 상기 도체가 관통 삽입하고 있는 부분의 주위에, 적어도 하나의 볼록부 또는 오목부가 형성되어 있는 전류 센서.
14. 제1항에 있어서,

    상기 자기 센서의 단자는 소정 형상으로 절곡되어 있는 전류 센서.
15. 제1항 또는 제5항에 있어서,

    상기 자성체는, 상기 제1 볼록부의 상기 자기 센서에 대한 대향면과 대략 수직, 또한 상기 직선부와 대략 평행한 기준면에 대하여 대칭인 면 형상을 갖는 전류 센서.