JP4406636B2 - 電流センサー - Google Patents

Description

本発明は、電流センサーに関し、特に、開ループ式電流センサーに関する。

磁気回路を貫通配置された導電体を流れる電流により発生する磁界を測定するための、エアギャップを有する磁気回路と、エアギャップ内に配備されたホール素子とを備える開ループ式電流センサーには、数多くのタイプが存在する。一般的に、磁気回路は、ラミネート状であり、「磁性材」などの磁束を伝導する材料からなる。ホール素子は、プリント回路上の鉛直に実装されたピン形状の端子を備えている。

上記で説明したような従来の開ループ式電流センサーは、精度の高い計測値を得るために、エアギャップの寸法や許容値や、ホール素子の位置を考慮しつつ、ラミネート状磁気回路を製造するコスト、および、特に、ホール素子や磁気回路などの部品を組み立てるコストにより比較的に高価となる。

また、従来の開ループ式電流センサーの別の課題として、例えば、自動車分野において，定精度を失うことなく、各品が衝撃や振動に耐性が必要な場合など、所定の適用例に対しては構造が堅固でないことが挙げられる。また、電流センサーが環境に対して耐性をもち、気密性が必要な場合には、磁気回路やホール素子を樹脂材で保護する。しかしながら、磁気回路、樹脂材、および／または外枠部はそれぞれ、温度および／または湿気に対する膨脹係数が異なるため、磁気回路に対する機械応力が上昇し、その結果、測定精度にばらつきが生まれる。つまり、機械応力に起因するエアギャップの変動により、磁気誘導、ひいては、電流測定における誤差が発生する。

上記の課題を鑑みて、本発明の目的は、構造が堅固で、精度が高く、製造コストが低い電流センサーを提供することにある。

また、構造が比較的単純で、自動化工程に適応できる組立作業にて組立可能な複数の部品で構成される電流センサーを提供することも有益である。

さらに、環境に対する耐性をもち、精度を下げることなく温度変化にも対応できる電流センサーを提供することも有益である。

そして、所定の目的のため、断面積の大きなケーブルや導電体内の電流を測定することが可能な電流センサーを提供することも有益である。

本発明のその他の目的は、請求項１または請求項６に記載の電流センサーにより達成することができる。

本発明の適用例における電流センサーは、外枠部と、磁気コア、および、その磁気コアの両端の間に形成されたエアギャップ内に検知セルを載置した磁界検知器を備える磁気回路とを具備する。前記のセンサーは、さらに、前記の磁界検知器から出力される測定信号を処理するための外部プロセッサーへセンサーを接続する接続端子をもつ接続部を備える。また、前記のセンサーに、測定する電流を伝送する電気ケーブルなどの導電体が前記の磁気回路を貫通することができるよう、前記の磁気回路の開口に対応する中央孔を設けても構わない。さらに、前記の外枠部は、センサーを電気ケーブルや導電体に固定する目的で、前記の中央孔から伸長する支持壁を備えることも可能である。

本発明の第１の特徴として、前記のセンサーの磁気回路が、前記の磁気コアのエアギャップの片側端に、好ましくは溶接、または、別の接合技法により、堅固に固定されたブラケットを備え、そのブラケットは、磁気コアの磁性材よりも強固な材料で形成されている。前記の磁気コアは、ＦｅＮｉ合金などの非ラミネート形状の軟磁性材で形成することも可能である。前記の磁気回路に、磁気回路の磁気特性を最適にする目的で、ブラケットを溶接または接合した後で、アニール処理を行っても構わない。前記のブラケットは、特に、前記の外枠部を気密状態にするため外枠部にカバーを取り付けるための、超音波による密閉作業または溶接作業に起因する、センサーの使用中や製造中に発生する振動のせいで、前記の磁気回路が外枠部内で回転するのを防止するため、さらに、肩片や下片の形状の回転防止部材を備えることもできる。この結果、前記の磁気検知セルが、前記の磁気回路から過剰な応力を付勢されずにすむことを、保証することができる。

前記のブラケットにより、前記のエアギャップの幅が所定の一定値に維持され、前記の磁気コアとその磁気コアに接触する部品、例えば、外枠部、とのあいだの相対的な熱膨脹に起因する不要な応力や衝撃に対するセンサーの抵抗力が増す。この解決策の結果、前記の磁気コアを形成する磁性材の選択の自由度を大きくでき、かつ、使用する磁性材の量を少なくすることも可能となる。

前記のブラケットを磁気コアに溶接または接合で取り付ける方法は、その溶接や接合工程が自動化でき、前記の磁気コアの切断工程を排除できる点で有益である。

前記のブラケットは、プレス成形された金属シート材で作成しても構わない。

前記の磁気コアは、材料の無駄を増やすことなく、簡単に自動化ができる比較的に単純な工程である切断や折り曲げ作業により形成できる、個体フィラメント形状の磁性材で作成することも可能である。

本発明の別の特徴として、前記の磁界検知器が、プリント回路基板などの支持基板上に表面実装された検知セルを備え、その支持基板には、前記の検知セルのみをエアギャップ内に挿入できるよう、前記の磁気回路のコアの片方の端を受容する切り込み部が形成されている。表面実装装置（ＳＭＤ）を利用した表面実装操作により、前記の検知セルと支持基板との自動化組立が可能となり、検知セルを支持基板上の所定位置に正確に設置することができ、同時に、エアギャップ内にも正確に設置することができる。前記の切り込み部は、前記の検知セルに対する磁気回路の位置決めのさいの基準面としても作用する。この構成のおかげで、特に、磁界検知器、磁気回路、カバー、外枠部を中心とする様々な部品の、軸方向の取り付け、つまり、磁気回路の中央面にほぼ直交する方向の取り付けが簡単に行える。

前記のカバーの外枠部への超音波による密閉または接合取り付けにより、外枠部内の部品への、熱応力および／または湿気による応力などの、物理的応力による弊害を与えるような外枠部への樹脂の充填の必要がなく、センサーの気密性を高めることができる。さらに、それにより、組立工程を簡略化でき、大量生産をより実現可能にする。

図面に示されているとおり、電流センサー１は、外枠部２と、カバー３と、磁気回路４と、磁界検知器５と、接続端子６とを備える。

前記の外枠部２は、接続部７と、固定部または支持部８と、前記の磁気回路４と磁界検知器５とが配置された凹部１０をもつ本体９とで構成されている。カバー３は、本体９の開放側１１を閉止できる形状であり、その本体９には、カバー３の補助縁部１２を受容する縁部１１が備わっている。

前記の本体９には、測定する電流が流れる導電体を貫通配置するための中央開孔１３が設けられている。図示の例では、導電体が自動車用バッテリーの電力線などのケーブル線であって、電流センサーから、バッテリーを制御情報およびモニター情報がシステムへ送られる。前記の支持部または固定部８は、磁気回路の中央面にほぼ直角の方向である軸方向へ延びる曲線壁形状に構成され、ケーブル線と固定部８をクランプする把持片により、電流センサーをケーブル線に固定する役目をする。外枠部２の固定部８、本体９、接続部７は、例えば、プラスチック注入型成形により一体形成することも可能である。接続端子６は、軸方向Ａにほぼ直角な方向Ｄに、外枠部に設けられたオリフィスまたは通路１４に挿入できる接続片状に形成しても構わない。接続端子６の両端部はピン形状１５に構成され、磁界検知器の金属メッキ孔１６に締嵌式で挿入可能となっている。それゆえ、接続端子６は、測定信号を処理するための外部プロセッサーへ電流センサーを接続する役目をする。

本実施例における磁気回路４のコアは、その両自由端１９、２０の間に形成されたエアギャップ１８を備える円環状コア１７である。好ましくは、コア１７は、低ヒステレシスで磁束を伝導できるＦｅＮｉなどの固体で非ラミネート状の磁性材からなり、渦電流による損失を最小限にするため、導電性の低いほうがよい。

前記のコア１７は、そのほぼ円形の断面形状および非ラミネート形状のため、フィラメント材を所定の長さに切断して形成することが可能となり、そのため、製造工程が比較的に簡単で、材料ロスをなくすることができる。

前記の磁気回路４は、さらに、コア磁性材よりも強固な非磁性材からなるブラケット２１を備えている。ブラケット２１は、ステンレス鋼板（または、非磁性金属板材）をプレス成形して簡単に製作できる。ブラケット２１の固定部２２は、エアギャップ１８の片方側でコア１７を溶接または接合できるようなタブ形状となっている。その溶接または接合の作業中には、コア１７の両端１９、２０を、エアギャップ１８の所定幅に対応する厚さをもつ基準シム板に対して押圧する。溶接作業または接合作業の後、磁気コア１７の磁気特性が好適となるような温度で、磁気回路をアニール処理する。そのブラケット２１の存在により、作業中のエアギャップの寸法を保持できる。

前記のブラケット２１は、磁気回路が支持基板に対して回転するのを防止する役目をもつ、凸片２３である回転防止部を備える。防止する動作として、凸片２３が支持基板２６に衝突する。特に、カバーを外枠部に超音波で密閉取り付けするさいの、超音波の接合作業または密閉作業中に、磁気回路が回転する恐れがある。カバーを外枠部に超音波で密閉取り付けすることにより、カバーと外枠部との接合部１１、１２における気密状態を達成することができる。

前記の磁界検知器５は、検知セル２５と、その検知セルが取り付けられた支持基板２６とを備える。支持基板２６は、前記の接続部の接続端子６と検知セルとを相互接続する導電パターン２７をもつプリント配線基板でよい。その支持基板には、その他の電子部品２８も実装されている。特に、検知セル２５には、表面実装（ＳＭＤ）技術を使った接続を可能にする接続タブ片２９が設けられている。そのような表面実装技術を使えば、支持基板への検知セルの取り付けを自動化でき、支持基板に対する検知セルの取付精度や位置精度を高めることが可能となる。また支持基板２６には、磁気回路の片方の端１９を受容するための切り込み部３０が設けられており、それにより、検知セル２５をエアギャップ１７内へ挿入することができる。切り込み部３０には位置決め面３７、３８、３９が設けられており、磁界検知器５に対する、特に、検知セル２５に対する磁気回路の位置決め用の基準面としての役割を有する。

前記の支持基板２６は、磁気コアの中央面にほぼ直角の軸方向に配置され取り付けられている。外枠部２内に磁界検知器５をガイドおよび保持できるよう、外枠部２は軸方向レール３１、３２を備えており、支持基板２６の対向する両端３３、３４がその中間に挿入保持されている。外枠部２内に磁界検知器５を取り付けた後、外枠部の対応オリフィス１４内に接続端子６を接続し、それらのピン１５を金属メッキ孔１６に圧入する。続いて、磁気回路４とカバー１２を外枠部２に軸方向に取り付ければ、電流センサーの組立作業を簡単に行うことができる。

外枠部本体の凹部１０の外面とカバー３の内側面には突起３５、３６がそれぞれ設けられており、カバーと外枠部との間で磁気回路４のコアを確実に保持できるよう、突起３５、３６は磁気回路のコアに接触するようになっている。前記の超音波式の密閉作業に、接触する突起の表面が、コア１７の丸い形状の表面に係合する。そのため、磁気回路を外枠部２に確実に固定することができる。

上記で説明した固定手段の長所の１つが、支持基板２６に対応した外枠部２内の所定位置に磁気回路４を確実に設置できることであり、特に、磁気回路の片方の端を切り込み部３０に整合させることができる。磁気回路４を、支持基板２６の基準面３７、３８、３９に対して、外枠部２の底面の突起３５間に配置すれば、磁気回路４は、カバー３の突起３６により、外枠部の底面の突起３５に対して、軸方向に押圧される。そして、超音波での接合作業または密閉作業に磁気コアに対して接触する突起表面の丸い形状のせいで、軸方向Ａや径方向Ｒを含む全方向に磁気回路４を固定することができる。

さらに、自動工程において、磁気回路のコアのエアギャップの片側へ、ブラケットが接合または密閉取り付けされるため、熱応力や物理応力が働いても、エアギャップの幅をほぼ一定の値に確実に維持することができる。そのため、電流センサーは、ブラケットが存在しない場合のコアの継続的変形を起こすような衝撃力や慣性力に対する耐性をもつ。結果として、磁気回路を、バルク状態などバラで自在に格納および運搬することが可能となる。

しかも、前記のブラケットを利用するため、コア強度に特別の注意を払うことなく、磁気特性を最大にできる材料を使ってコアを係止することが可能となる。

本発明によれば、製造が比較的安価で、材料浪費のない個体（ラミネート状でない）のフィラメント形状のコアの利用が可能となる。また、その磁気コアに対する別途の切断作業の必要なく、自動化できる作業行程により、磁気コアに、ブラケットを簡単に溶着または接合することができる。

本発明による電流センサーの分解斜視図である。 カバーの一部を除去した、本発明による電流センサーの平面図である。 本発明による電流センサーの斜視図である。 図１ｂのＩｄ−Ｉｄ線に沿った、電流センサーの断面斜視図である。 本発明による電流センサーの、磁気回路と磁気回路のブラケットとを示す図である。 図２ａの矢印IIｂに示す方向からみた図である。 本発明によるセンサーの磁界検知器の図である。 図３ａの矢印IIIｂに示す方向からみた図である。

Claims (11)

1. 外枠部（２）と、磁気コア、および、その磁気コアの両端（１９、２０）間に形成されたエアギャップ（１８）内に検知セル（２５）を載置した磁界検知器（５）を備える磁気回路（４）とを具備し、前記磁界検知器がその上面に前記検知セルを実装した支持基板（２６）を備え、前記支持基板が、前記磁気コアの中央面にほぼ直交するよう配置されており、その中央面は、前記磁気コア内の磁束線にほぼ平行な平面である電流センサーであって、
   前記支持基板には、前記支持基板の端から伸び前記検知セルに対向するＵ字形状の切り込み部（３０）が設けられており、前記磁気回路（４）のコア（１７）の片方の端（１９）が前記切り込み部（３０）内に配置され、前記切り込み部は前記コアの前記中央面にほぼ直交する方向から前記コアの端が挿入されるように構成されていることを特徴とする電流センサー。
2. 前記支持基板（２６）が、測定信号を処理するための外部プロセッサーへの接続端の役目をするセンサーの接続部の接続端子（６）へ、前記検知セル（２５）の接続端子（２９）を接続する導電体パターン（２７）を備えたプリント回路基板の形状であることを特徴とする請求項１記載の電流センサー。
3. 前記切り込み部（３０）が、前記磁気回路のコアが前記検知セルとの関連で位置決めされる、単数または複数の基準面（３７、３８、３９）をもつことを特徴とする請求項１又は２記載の電流センサー。
4. 前記外枠部が、前記磁気コアの中央面にほぼ直交する軸方向へ、その外枠部内の前記支持基板（２６）に挿入できるよう設定された軸方向レールを備えることを特徴とする請求項１記載の電流センサー。
5. 前記切り込み部の開口が、前記磁気回路を前記外枠部内に前記磁気回路の中央面にほぼ直交する軸方向へ組み込めるよう前記センサーの外枠部を閉止するカバーに対向していることを特徴とする請求項１又は４記載の電流センサー。
6. 前記磁気コア（１７）が、非ラミネート形状磁性材からなり、前記磁気回路が、さらに、前記コアのエアギャップの片側端に溶接または接合された非磁性材のブラケット（２１）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサー。
7. 前記ブラケット（２１）が、プレス成形された金属シート材からなることを特徴とする請求項６記載の電流センサー。
8. 前記ブラケットが、回転防止部材（２３）を備えることを特徴とする請求項６又は７記載の電流センサー。
9. 前記磁気回路が、前記ブラケットを溶接した後にアニール処理されることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の電流センサー。
10. さらに、前記外枠部の凹部内に、前記磁気回路を気密状態に取り囲むよう、前記外枠部に超音波で密閉または接合取り付けされたカバーを具備することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の電流センサー。
11. 前記カバーが、組立工程後に前記外枠部内に配置できるよう前記磁気回路に対して接触する突起を備えることを特徴とする請求項１０記載の電流センサー。

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