JP4861155B2

JP4861155B2 - 電流センサ及びその成形方法

Info

Publication number: JP4861155B2
Application number: JP2006342542A
Authority: JP
Inventors: 真一橋尾; 真吾野本
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: US7663358B2; DE102007060845B4; JP2008151743A; US20080186021A1; DE102007060845A1

Description

本発明は、電流センサ及びその成形方法に係り、特に、電流が流れる導体と、該導体の前記電流の流れ方向を軸とした軸回りを囲むように配置された環状のシールド板と、前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子と、を有する電流センサ及びその成形方法に関するものである。

上述した電流センサとして、図９に示すものが一般的に知られている（例えば特許文献１〜３）。同図に示すように、電流センサは、電流が流れる導体としてのバスバ１と、バスバ１の電流の流れ方向Ｙ１を軸とした軸回りを囲むように配置されたシールド板としての環状のコア２と、バスバ１に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子３と、を有している。この磁電変換素子３は、コア２に設けたギャップ内に配置されている。

上述した構成の電流センサは、バスバ１に電流が流れるとその電流に応じた磁束密度の磁界が発生する。磁電変換素子３は、コア２により収束された磁界の磁束密度を電気信号に変換して、電流に応じた信号として出力する。また、コア２は、外部からの磁界の影響をシールドする機能も有している。

コア２のギャップ内に発生する磁界の磁束密度は、ギャップの中心部でピークを持ち、ギャップの端部に向かうに従って急峻に減少する。このため、周囲温度の変化に起因して磁電変換素子３を保持するケースや充填剤（樹脂）が伸縮して、ギャップ内での磁電変換素子３の位置が変動すると、磁電変換素子３の配置位置における磁束密度が変化して、磁電変換素子３の出力が変動する。このため、精度良く電流を測定することができないという問題があった。

また、ギャップが小さいとコア２がすぐに磁気飽和してしまい、バスバ１に流した電流に対するリニアリティが保てなくなる。このため、電流センサによって測定できる電流範囲が小さいという問題があった。

そこで、上記問題を解決するために、従来では、ギャップの面積を大きくとり、ギャップ内の磁束密度の変化が平坦になる部分を確保したり、大きな電流が流れても磁気飽和しないようにしていた。ところで、一般にコアは、方向性珪素鋼板などから構成された帯状部材を環状に巻いた後、ギャップ部分をカットして形成している。また、Ｃの字状にカットされたパーマロイなどから構成された板状部材を複数枚積層して形成している。上述したようにギャップ面積を大きくするには、帯状部材の巻数や、板状部材の積層数を増やす必要があり、コスト的に問題があった。
特開２００６−７８２５５号公報特開２００５−３０８５２７号公報特開２００１−６６３２８号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、精度良く広範囲の電流を測定することができる電流センサを低コストで提供することを課題とする。

本出願人は、上述した精度良く広範囲の電流を測定できる電流センサを鋭意探求したところ、導体とシールド板との間において導体に電流が流れたときに発生する磁束密度が最小となる位置付近の磁束密度の変化が平坦（つまり配置位置の変動に応じた磁束密度の変化が小さい）である、ということを見い出し、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１記載の発明は、電流が流れる導体と、該導体の前記電流の流れ方向を軸とした軸回りを囲むように配置され、前記電流の流れ方向に沿ったギャップを有する環状のシールド板と、前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子と、を有する電流センサにおいて、前記磁電変換素子が、予め測定された前記導体と前記シールド板のギャップとの間において前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近に配置されていることを特徴とする電流センサに存する。

請求項１記載の発明によれば、磁電変換素子が、予め測定された導体とシールド板のギャップとの間において導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近に配置されるので、磁束密度の変化が平坦な位置に磁電変換素子を配置することができる。しかも、シールド板のギャップ外に磁電変換素子を配置することにより、シールド板の磁気飽和の影響を低減することができる。

請求項２記載の発明は、前記磁電変換素子を搭載した配線板と、前記シールド板内に圧入される外側面、及び、該外側面に設けられた前記導体が圧入される圧入溝、を有する前記配線板を封止するホルダと、前記ホルダを封止する筐体と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサに存する。

請求項２記載の発明によれば、配線板を内部に封止したホルダの圧入溝にバスバを圧入し、外側面をシールド板内を圧入した後に、筐体によってホルダを封止することにより、筐体内に配線板、シールド板及びバスバを強固に保持することができる。

請求項１記載の発明によれば、シールド板が、電流の流れ方向に沿ったギャップを有するので、シールド板が小電流で磁気飽和するのを防止することができる。

請求項３記載の発明は、電流が流れる導体と、該導体の前記電流の流れ方向を軸とした軸回りを囲むように配置された環状のシールド板と、前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子と、を有する電流センサの成形方法であって、前記磁電変換素子を搭載した配線板をホルダ用金型内に挿入した状態で当該ホルダ用金型に成形材料を注入して、前記配線板を封止するホルダを成形する工程と、前記ホルダの外側面に設けた圧入溝に前記導体を圧入し、その後ホルダの外側面を前記シールド板内に圧入してホルダアッシーを成形する工程と、前記ホルダアッシーを筐体用金型に挿入した状態で当該筐体用金型に成形材料を注入して、前記ホルダアッシーを封止する筐体を成形する工程と、を順次行うことを特徴とする電流センサの成形方法に存する。

請求項３記載の発明によれば、配線板をホルダ用金型内に挿入した状態で当該ホルダ用金型に成形材料を注入してホルダを成形し、ホルダの外側面に設けた圧入溝にバスバを圧入し、その後ホルダの外側面をシールド板内に圧入してホルダアッシーを成形し、ホルダアッシーを筐体用金型に挿入した状態で当該筐体用金型に成形材料を注入して筐体を成形するので、筐体内に配線板、シールド板及びバスバを強固に保持することができる。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、磁束密度の変化が平坦な位置に磁電変換素子を配置することができる。しかも、シールド板のギャップ外に磁電変換素子を配置することにより、シールド板の磁気飽和の影響を低減することができるので、精度良く広範囲の電流を測定することができる。また、ギャップを大きくしなくても、精度良く広範囲の電流を測定できるためコストダウンを図ることができる。しかも、シールド板が小電流で磁気飽和するのを防止することができるので、より一層広範囲の電流を測定することができる。

請求項２及び３記載の発明によれば、筐体内に配線板、シールド板及びバスバを強固に保持することができるので、配線板、シールド板及びバスバの位置変動を防止して、より一層精度良く電流を測定することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は、本発明の電流センサの一実施形態を示す斜示図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す電流センサのＰ矢視図である。同図に示すように、電流センサは、導体としてのバスバ１１と、シールド板１２と、磁電変換素子１３と、配線板１４とを備えている。また、同図において、バスバ１１の電流の流れ方向をＹ軸、バスバ１１から磁電変換素子１３に向かう方向をＺ軸、Ｙ軸及びＺ軸の両軸と直交する方向をＸ軸で表している。

バスバ１１は、電流を流すための板状の導体である。シールド板１２は、一枚の金属板をプレスして、略矩形枠形状の一辺にＹ軸に沿ったギャップ１２Ａを有するように設けられる。シールド板１２は、バスバ１１の電流の流れ方向であるＹ軸の軸回りを囲むように配置される。また、シールド板１２は、Ｚ軸上にギャップ１２Ａが位置するように配置される。つまり、バスバ１１、磁電変換素子１３、ギャップ１２ＡがＺ軸上に並んで配置される。バスバ１１は、シールド板１２内部のギャップ１２Ａから離れた側に配置される。

磁電変換素子１３は、例えばホール素子などから構成され、バスバ１１に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する素子である。この磁電変換素子１３は、配線板１４上に搭載されている。上述した構成の電流センサは、バスバ１１に電流が流れるとその電流に応じた磁束密度の磁界が発生する。磁電変換素子１３は、バスバ１１から発生した磁界の磁束密度を電気信号に変換して、電流に応じた信号として出力する。

本発明者らは、バスバ１１に１００Ａの電流を流したときのＺ軸上の磁束密度を計測して、Ｚ軸上におけるバスバ１１からの距離と磁束密度との関係を調べた。結果を図２に示す。同図に示すように、バスバ１１からの磁界の磁束密度は、バスバ１１から離れるに従って減少して最小φ_minとなり、その後、シールド板１２からの漏れ磁束の影響によりギャップ１２Ａに近づくに従って増加し、ギャップ１２Ａの中心部で最大φ_maxとなる。

同図から明らかなように、磁束密度が最小φ_minとなる位置Ｐ_min付近である領域Ａ１は、ギャップ１２Ａの領域Ａ２に比べて磁束密度の変化が平坦である。即ち、領域Ａ１では、領域Ａ２に比べてシールド板１２の幅寸法Ｗによらず配置位置の変動に応じた磁束密度の変化が小さい、ということが分かった。

そこで、本実施例では磁電変換素子１３は、予め測定した磁束密度が最小φ_minとなる位置Ｐ_minに配置する。なお、この磁束密度が最小φ_minとなる位置Ｐ_minは、製品毎に異なる。

このように配置すれば、磁電変換素子１３の配置位置が多少変動しても磁束密度の変化が平坦な領域Ａ１内に磁電変換素子１３を配置することができる。従って、周囲温度の変化に起因して磁電変換素子１３を保持するケースや充電剤（樹脂）が伸縮して、磁電変換素子１３の配置位置が変動しても上述したように磁束密度の変化が小さいため、磁電変換素子１３の出力変動はほとんどなく、精度良く電流を測定することができる。

次に、上述したようにギャップ１２Ａ外に磁電変換素子１３を配置した図１に示す本実施例の電流センサとギャップ１２Ａ内に磁電変換素子１３を配置した図９に示す従来例の電流センサとにおける、バスバ１１に流す電流と測定誤差との関係を調べた。結果を図３に示す。なお、シールド板１２の幅寸法Ｗは本実施例と従来例とも同じである。

同図に示すように、磁電変換素子１３を用いた電流センサは、バスバ１１に流す電流が大きくなると、磁電変換素子１３の配置位置での磁束密度が飽和し、電流センサの出力がリニアリティを保てなくなり、測定誤差が大きくなる。本実施例と従来例とを比較して明らかなように、同一の幅寸法Ｗにした場合において本実施例の電流センサは、従来例の電流センサに比べて大きな電流を流しても磁気飽和せずに測定誤差が大きくならないため、広範囲の電流を測定することができる。

次に、本発明者らは、様々なＹ軸方向寸法Ｌ（図１）のシールド板１２を有する電流センサを作製し、シールド板１２のＹ軸方向寸法Ｌと電流センサの測定誤差との関係を調べた。結果を図４に示す。同図から明らかなように、同じ大きさの電流をバスバ１１に流しても、シールド板１２のＹ軸方向寸法Ｌが小さいと磁電変換素子１３の配置位置での磁束密度が飽和してしまい測定誤差が生じる。一方、Ｙ軸方向寸法Ｌを大きくするに従って磁電変換素子１３の配置位置での磁束密度が飽和し難くなることが分かった。

即ち、本実施例の電流センサにおける磁電変換素子１３の配置位置での磁気飽和は、シールド板１２の幅寸法Ｗによらず、電流の流れ方向であるＹ軸方向寸法Ｌに依存することが分かった。従って、本実施形態の電流センサによれば、従来のようにシールド板１２の幅寸法Ｗを大きくしなくても、Ｙ軸方向寸法Ｌを大きくとることで簡単に磁気飽和の影響を低減することができる。このため、従来に比べて、シールド板１２の低体積化、簡易形状化によるコストダウン（シールド板１２の積層や巻きが不要となる）を図ることができる。

また、上述した電流センサによれば、シールド板１２にＹ軸方向に沿ったギャップ１２Ａが設けられている。これにより、シールド板１２が小電流で磁気飽和するのを防止することができ、より一層広範囲で電流を測定することができる。

なお、上述した実施形態によれば、シールド板１２に設けたギャップ１２Ａのギャップ幅Ｗ_G（図１）が一様にもうけられていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図５に示すように、磁電変換素子１３からの信号を外部に取り出す経路を確保するために、図５に示すようにギャップ１２Ａの幅を一部大きくしたシールド板１２を用いても良い。但し、外部からの磁界の影響をシールドするためには、磁電変換素子１３と対向する部分のギャップ幅Ｗ_Gは小さい方が望ましい。

次に、上述した電流センサの作製手順について図６及び図７を参照して以下説明する。図６は、防水コネクタタイプの電流センサの作製手順を示す説明図である。図７は、ＦＰＣコネクタ（フレキシブルプリントサーキット）タイプの電流センサの作製手順を示す説明図である。まず、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、配線板１４に磁電変換素子１３を搭載する。

また、防水コネクタタイプの電流センサにおいては、配線板１４に出力ターミナルＴ１を搭載し、ＦＰＣコネクタタイプの電流センサにおいては、配線板１４にＦＰＣコネクタＴ２を搭載して、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すような、配線板アッシー１５を成形する。次に、上記配線板アッシー１５をホルダ用金型に挿入した状態でそのホルダ用金型に成形材料を注入して、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）に示すようなホルダ１６をトランスファー成形する。

これにより、ホルダ１６は、配線板アッシー１５を内部に封止して保持している。また、ホルダ１６には、シールド板１２内に圧入される外側面１６Ａ、及び、外側面１６Ａに設けられたバスバ１１が圧入される圧入溝１６Ｂが設けられている。次に、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）に示すように、ホルダ１６の外側面１６Ａに設けた圧入溝１６Ｂにバスバ１１を圧入し、その後図６（Ｄ）及び図７（Ｄ）に示すように、ホルダ１６の外側面１６Ａをシールド板１２内に圧入して、図６（Ｅ）及び図７（Ｅ）に示すホルダアッシー１７を成形する。

次に、ホルダアッシー１７を筐体用金型に挿入した状態で筐体用金型に成形材料である樹脂を注入して、図６（Ｆ）及び図７（Ｆ）に示す樹脂筐体１８を成形して完成となる。

上述した成形方法によれば、図８に示すように、樹脂筐体１８によってシールド板１２の外側面と、圧入溝１６Ｂ内のシールド板１２とバスバ１１との間が封止（モールド）される。また、シールド板１２内に圧入されたホルダ１６によって磁電変換素子１３が封止される。このため、簡単な成形方法で、樹脂筐体１８内にバスバ１１、シールド板１２及び磁電変換素子１３を強固に保持することができるので、バスバ１１、シールド板１２及び磁電変換素子１３の位置変動を防止して、より一層精度良く電流を測定することができる。

なお、上述した実施形態によれば、シールド板１２にはギャップ１２Ａを設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。ギャップ１２Ａは設けなくてもよい。ただし、ギャップ１２Ａを設けないとすぐに磁気飽和するため、ギャップ１２Ａを設けた方が望ましい。

また、上述した実施形態によれば、Ｚ軸上にバスバ１１、磁電変換素子１３、ギャップ１２Ａが並べて配置されるようにしていたが、本発明はこれに限ったものではない。ギャップ１２ＡはＺ軸上に並べなくてもよい。

また、上述した実施形態によれば、導体としては板状のバスバ１１を用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。導体としては、線状のケーブルを用いても良い。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

（Ａ）は本発明の電流センサの一実施形態を示す斜示図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す電流センサのＰ矢視図である。ギャップの中心を通りバスバと垂直な軸上におけるバスバからの距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。本実施例の電流センサと従来例の電流センサとにおけるバスバに流す電流と測定誤差との関係を示すグラフである。シールド板のＹ軸方向寸法と測定誤差との関係を示すグラフである。他の実施形態におけるシールド板の斜示図である。防水コネクタタイプの電流センサの作製手順を示す説明図である。ＦＰＣコネクタタイプの電流センサの作製手順を示す説明図である。図６（Ｇ）及び図７（Ｇ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。従来の電流センサの一例を示す斜示図である。

符号の説明

１１バスバ
１２シールド板
１２Ａギャップ
１３磁電変換素子
１４配線板

Claims

電流が流れる導体と、該導体の前記電流の流れ方向を軸とした軸回りを囲むように配置され、前記電流の流れ方向に沿ったギャップを有する環状のシールド板と、前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子と、を有する電流センサにおいて、
前記磁電変換素子が、予め測定された前記導体と前記シールド板のギャップとの間において前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度が最小となる位置付近に配置されていることを特徴とする電流センサ。
前記磁電変換素子を搭載した配線板と、
前記シールド板内に圧入される外側面、及び、該外側面に設けられた前記導体が圧入される圧入溝、を有する前記配線板を封止するホルダと、
前記ホルダを封止する筐体と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
電流が流れる導体と、該導体の前記電流の流れ方向を軸とした軸回りを囲むように配置された環状のシールド板と、前記導体に電流が流れたときに発生する磁界の磁束密度を検知して電気信号に変換する磁電変換素子と、を有する電流センサの成形方法であって、
前記磁電変換素子を搭載した配線板をホルダ用金型内に挿入した状態で当該ホルダ用金型に成形材料を注入して、前記配線板を封止するホルダを成形する工程と、
前記ホルダの外側面に設けた圧入溝に前記導体を圧入し、その後ホルダの外側面を前記シールド板内に圧入してホルダアッシーを成形する工程と、
前記ホルダアッシーを筐体用金型に挿入した状態で当該筐体用金型に成形材料を注入して、前記ホルダアッシーを封止する筐体を成形する工程と、
を順次行うことを特徴とする電流センサの成形方法。