JP2016023974A - 電流センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁耐性を維持したまま小型化することが可能な電流センサを提供する。【解決手段】被測定電流の流れるU字状の電流路1と、被測定電流によって発生する磁場を制御するU字状の磁界制御板3と、長方形形状をした絶縁基板5と、絶縁基板5に搭載されていて、磁場を測定する磁気センサ素子7aと、絶縁基板5に設けられ、磁気センサ素子7aと電気的に接続された複数の端子9と、を備えた電流センサ100であって、端子9が絶縁基板5の第1短辺5aに沿って配置され、磁気センサ素子7aが磁界制御板3の開口幅の中心に配置され、電流路1の両方の端部1aが絶縁基板5の対向する両方の長辺5cに当接するように配置されていて、電流路1の両方の端部1aに形成された幅広部1bの中心が、磁気センサ素子7aの近傍に形成された幅狭部1cの中心より絶縁基板5の第2短辺5bに近くなるように電流路1を形成した。【選択図】図1
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係わり、特に小型化可能な電流センサに係わる。
近年、各種機器の制御や監視のために機器に取り付けられて、機器に流れる電流を測定する電流センサが一般に用いられている。この種の電流センサとして、電流路に流れる電流から生じる磁界を感知する磁気抵抗効果素子やホール素子等の磁気センサ素子を用いた電流センサが知られている。
このような電流センサの一例として、被測定電流が流れる電流線をU字形状とした電流センサが特許文献1に記載されている。特許文献1に開示された電流センサ900の構造を図8に示す。
電流センサ900は、電流の流れる方向が逆向きで同じ電流量の平行電流線部932a及び932bを、貫通穴930aを介して回路基板930上に配置し、その平行電流線部932a及び932bの軸を結ぶ延長線上に磁気検出素子910を配置する。また、磁気検出素子910の磁界検出方向はその延長線とは直角方向であり、磁気検出素子910に近い側の平行電流線部932bの磁界と、遠い側の平行電流線部932aの逆方向の磁界の差分を検知して、平行電流線部932に流れる電流量を検知する。
この構成によれば、電流センサ900のサイズが大型化することなく、高感度で電流量を検出でき、生産も容易に行うことが可能な電流センサを提供することができる、としている。
しかしながら特許文献1に開示された電流センサ900には、以下のような課題があった。
電流センサ900では、測定した電流量の情報を外部の回路に伝送するため、回路基板930に複数の端子が取り付けられている。該複数の端子は、回路基板930の端部に取り付けられているが、端子に近い側の平行電流線部932aと端子との間において、絶縁耐性を維持するために、測定する電流量の大きさに対応した絶縁距離を確保する必要がある。従って、測定する電流量が大きくなった場合には、平行電流線部932aと複数の端子との間の距離を拡げる必要がある。その結果、電流センサ900の小型化が困難になるという問題があった。
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁耐性を維持したまま小型化することが可能な電流センサを提供することにある。
この課題を解決するために、本発明の電流センサは、被測定電流の流れる電流路と、前記被測定電流によって発生する磁場を制御する磁界制御板と、長方形形状をした絶縁基板と、前記絶縁基板に搭載されていて、前記磁場を測定する磁気センサ素子と、前記絶縁基板に設けられ、前記磁気センサ素子と電気的に接続された複数の端子と、を備えた電流センサであって、複数の前記端子は、前記絶縁基板の一方の短辺である第1短辺に沿って配置され、前記電流路がU字状に折り曲げられており、前記電流路の両方の端部が前記絶縁基板の対向する両方の長辺に当接するように配置されていると共に、前記電流路の各端部の一方の側面が前記第1短辺と対向する第2短辺の付近に位置するように配置され、前記磁界制御板がU字状に折り曲げられており、前記磁界制御板の一方の端部である第1端部が前記第2短辺に当接するように配置されていて、前記磁気センサ素子は、前記磁界制御板の開口幅の中心に配置され、前記電流路の両方の端部には幅広部が形成されていると共に、前記電流路の前記磁気センサ素子の近傍には、前記幅広部より幅が狭い幅狭部が形成されており、前記幅狭部は、その幅が前記磁界制御板の開口幅よりも狭いと共に、前記磁気センサ素子と対向する位置に配置され、前記幅広部の中心が前記幅狭部の中心より前記第2短辺に近い、という特徴を有する。
このように構成された電流センサは、複数の端子が絶縁基板の第1短辺に沿って配置され、電流路の両方の端部が絶縁基板の対向する両方の長辺に当接するように配置されていて、電流路の両方の端部に形成された幅広部の中心が、磁気センサ素子の近傍に形成された幅狭部の中心より第2短辺に近くなるように電流路を形成させたので、電流路と端子との間の距離をより長い距離に設定することができる。その結果、絶縁距離を確保することが容易にできるため、絶縁耐性を維持したままでの電流センサの小型化が容易に可能となる。
また、上記の構成において、樹脂製の筐体を備え、前記電流路の両方の端部の表面と前記磁界制御板の天面部の表面と前記絶縁基板の第1短辺の表面とが前記筐体の最大外形の内側面近傍にあると共に、外部に対して露出している、という特徴を有する。
このように構成された電流センサでは、電流路と磁界制御板と絶縁基板とからなる電流センサ主要部の外形が、電流路の両方の端部の先端部と複数の端子とを除いて、筐体の最大外形ぎりぎりに収まっていると共に、電流路、磁界制御板、及び絶縁基板5それぞれの一部の領域の表面が外部に対して露出している。そのため、電流路の両方の端部の先端部と複数の端子とを除く電流センサ主要部の外形と筐体の最大外形とがほぼ同一になる。その結果、筐体には余分な領域が含まれないため、電流センサをより小型化することができる。
また、上記の構成において、前記電流路の両方の端部の先端と、前記磁界制御板の両方の端部の先端と、が同一方向を向いている、という特徴を有する。
このように構成された電流センサでは、磁界制御板の開口方向において絶縁基板とマザー基板とが存在することになるため、磁気センサ素子と磁界制御板の開口方向側の下側隣接電流路との間の距離をより長い距離に設定することができ、磁気センサ素子に対する下側隣接電流路からの影響を受けにくくすることができる。
また、上記の構成において、前記電流路の両方の端部の先端は、複数の挿入片に分かれている、という特徴を有する。
このように構成された電流センサでは、電流路の両方の端部の先端が複数の挿入片に分かれているので、電流センサをマザー基板に半田付けする際に、半田の熱を逃げにくくすることができる。そのため、半田付けをし易くすることができる。
本発明の電流センサは、複数の端子が絶縁基板の第1短辺に沿って配置され、電流路の両方の端部が絶縁基板の対向する両方の長辺に当接するように配置されていて、電流路の両方の端部に形成された幅広部の中心が、磁気センサ素子の近傍に形成された幅狭部の中心より第2短辺に近くなるように電流路を形成させたので、電流路と端子との間の距離をより長い距離に設定することができる。その結果、絶縁距離を確保することが容易にできるため、絶縁耐性を維持したままでの電流センサの小型化が容易に可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、本明細書では、特に断りの無い限り、各図面のX1側を右側、X2側を左側、Y1側を奥側、Y2側を手前側、Z1側を上側、Z2側を下側として説明する。
実施形態に係る電流センサ100の構成及び動作について図1乃至図6を用いて説明する。電流センサ100は、各種機器に搭載され、制御や監視のために、該機器に流れる電流を測定する電流センサである。また、電流センサ100は、電流センサ100を搭載した機器に設けられたマザー基板51上に取り付けられる。
図1は、電流センサ100から筐体11を外した状態の電流センサ主要部90の外観を示す斜視図であり、図2は、筐体11を取り付けた状態の電流センサ100の外観を示す斜視図である。また、図3は、電流センサ主要部90を右側から見た場合の側面図であり、図4は、電流センサ主要部90を手前側から見た場合の側面図である。図5は、電流センサ主要部90の平面図である。図6は、電流センサ100をマザー基板51に搭載した状態での、電流センサ主要部90の各構成要件間の左右方向における距離を示す模式図である。尚、図6では、説明を分かり易くするために電流路1を破線で示している。
図1に示すように、電流センサ主要部90は、被測定電流の流れる電流路1と、被測定電流によって発生する磁場を制御する磁界制御板3と、長方形形状をした絶縁基板5と、絶縁基板5に搭載されていて、磁場を測定する磁気センサ素子7aを内蔵したセンサIC7と、を備えている。そして、絶縁基板5には、磁気センサ素子7aと電気的に接続された複数の端子9が設けられている。複数の端子9は、絶縁基板5の一方の短辺である第1短辺5aに沿って配置され、台座13を介して絶縁基板5に取り付けられている。また、電流路1の両方の端部1aの先端は、複数の挿入片1dに分かれている。
図2に示すように、電流センサ100は樹脂製の筐体11を備えており、前述した電流路1と磁界制御板3と絶縁基板5とを含む電流センサ主要部90が筐体11内に収納され、接着剤等で取り付けられている。また、電流路1の両方の端部1aの表面と磁界制御板3の天面部3cの表面と絶縁基板5の第1短辺5aの表面とは、筐体11の最大外形の内側面近傍にある。また、電流路1の両方の端部1aの表面と磁界制御板3の天面部3cの表面と絶縁基板5の第1短辺5aの表面とは、外部に対して露出している。
従って、電流路1と磁界制御板3と絶縁基板5とからなる電流センサ主要部90が、挿入片1dと端子9とを除いて、筐体11の最大外形ぎりぎりに収まっている。また、電流路1、磁界制御板3、及び絶縁基板5それぞれの一部の領域の表面が外部に対して露出している。そのため、挿入片1dと端子9とを除く電流センサ主要部90の外形と筐体11の最大外形とがほぼ同一になる。その結果、筐体11には余分な領域が含まれないため、電流センサ100をより小型化することができる。
電流路1は、図3に示すように、U字状に折り曲げられており、電流路1の両方の端部1aが絶縁基板5の対向する両方の長辺5cに当接するように配置されている。そして、電流路1の各端部1aの一方の側面が図4に示すように、絶縁基板5の、第1短辺5aと対向する第2短辺5bの付近に位置するように配置されている。また、図1及び図5に示すように、電流路1の両方の端部1aには、幅広部1bが形成されていると共に、電流路1の磁気センサ素子7aの近傍には、幅広部1bより幅が狭い幅狭部1cが形成されている。
前述したように、電流路1の両方の端部1aの先端は複数の挿入片1dに分かれている。図4に示す各挿入片1dは、マザー基板51に設けられた取り付け穴(図示せず)に挿入され、マザー基板51に半田によって取り付けられる。このように、電流路1の両方の端部1aの先端が複数の挿入片4dに分かれているので、電流センサ100をマザー基板51に半田付けする際に、半田の熱が挿入片4dに伝わりやすく、しかも幅広部1bへ半田の熱を逃げにくくすることができる。
図3及び図4に示すように、複数の端子9は、電子回路(図示せず)が搭載されているマザー基板51に設けられた取り付け穴(図示せず)に挿入され、電流路1と同時に半田によって取り付けられる。その結果、磁気センサ素子7aが、複数の端子9を介してマザー基板51に搭載されている電子回路に接続される。
磁界制御板3は、図4に示すように、U字状に折り曲げられており、磁界制御板3の一方の端部である第1端部3aが絶縁基板5の第2短辺5bに当接するように配置される。一方、磁界制御板3の他方の端部である第2端部3bは、図1及び図4に示すように、絶縁基板5に設けられた取り付け穴5dに挿入されている。第2端部3bが、絶縁基板5の取り付け穴5dに挿入されることによって、絶縁基板5に対する磁界制御板3の位置が決定することになる。尚、磁界制御板3は、絶縁基板5に取り付けられているが、図4に示すように、マザー基板51には取り付けられない。
磁界制御板3は、高透磁率で飽和磁束密度の大きい磁性材で構成されており、図4及び図5に示すように、電流路1の幅狭部1c及び磁気センサ素子7aを上側から覆っている。磁界制御板3は、電流路1による磁場を磁気センサ7aの周辺に集中させる働きをすると共に、外部磁場を弱めて磁気センサ素子7aを磁気シールドする働きもある。
センサIC7に内蔵されている磁気センサ素子7aの、手前側から奥側への方向(Y1−Y2方向)における位置は、図5に示すように、磁界制御板3の手前側から奥側への方向における開口幅D1の中心位置に設定されている。一方、磁気センサ素子7aの左右方向(X1−X2方向)における位置は、図6に示すように、磁界制御板3の左右方向における開口幅D2の中心位置に設定されている。言い換えれば、磁気センサ素子7aを含むセンサIC7は、磁気センサ素子7aの位置が磁界制御板3の長方形形状をした開口部の中心位置になるように載置される。その結果、磁気センサ素子7aの左右方向における取り付け位置を示す中心線C1は、磁界制御板3の左右方向における開口幅D2を2分割する位置になる。
磁気センサ素子7aは、電流路1に流れる被測定電流から生じる磁界を感知し、その磁界強度の値によって電流路1に流れる被測定電流の値を決定する。この被測定電流の値は、複数の端子9を介してマザー基板51に搭載されている電子回路(図示せず)に伝送され、各種制御等に使用される。
図1、図5及び図6に示すように、また、前述したように、電流路1の両方の端部1aには、幅広部1bが形成されていると共に、電流路1の磁気センサ素子7aの近傍には、幅広部1bより幅が狭い幅狭部1cが形成されている。ここで、幅広部1bの幅は幅D3に設定され、幅狭部1cの幅は幅D4に設定されている。そして、幅狭部1cは、図6に示すように、磁気センサ素子7aの上方で、磁気センサ素子7aと対向する位置に配置されている。
電流路1において幅広部1b以外に幅広部1bより幅の狭い幅狭部1cを形成させることによって、幅狭部1cにおける磁場を強めることができる。また、幅狭部1cは、電流路1に流れる被測定電流の、所定の電流値に対する磁束密度が所定の値になるように、その幅D4及び取り付け位置が設定される。例えば、被測定電流が100Aの時に磁束密度が18mTになるように幅D4及び取り付け位置が設定される。
電流路1の幅狭部1cの幅D4は、磁界制御板3の左右方向(X1−X2方向)における開口幅D2よりも狭い。また、図6に示すように、幅狭部1cの中心位置を示す中心線C2は、磁気センサ素子7aの中心位置を示す中心線C1と同一の、磁界制御板3の左右方向における開口幅D2を2分割する位置にある。言い換えれば、幅狭部1cの中心の位置は、磁気センサ素子7aの中心の位置と同様に、磁界制御板3の第1端部3aの内側の面、即ち絶縁基板5の第2短辺5bからD2/2の距離にある。
一方、幅広部1bの左右方向における幅D3を2分割する中心線C3は、図6に示すように、電流路1の幅狭部1cの取り付け位置を示す中心線C2より右側にある。即ち、幅広部1bの中心は幅狭部1cの中心より絶縁基板5の第2短辺5bに近い。
ところで、大電流の流れる電流センサ100において、電流路1は電源の1次側とみなされ、複数の端子9は電源の2次側とみなされる。電源の1次側と2次側との間の距離は、決められた絶縁距離以上に保たれていなければならない。従って、電流路1においても、電源の1次側と電源の2次側との間の距離を決められた絶縁距離以上に設定するため、図6に示す電流路1の複数の挿入片1dの内の最も端子9に近い挿入片1dと端子9との間の距離T1を、必要な絶縁距離以上に設定している。その結果、電流センサ100は、絶縁耐性を維持することができる。
前述したように、電流路1の幅広部1bの左右方向(X1−X2方向)における中心の位置は、幅狭部1cの中心の位置より絶縁基板5の第2短辺5bに近い位置に設定されている。このように設定することによって、幅広部1bの中心の位置を幅狭部1cの中心の位置と同一の位置に設定した場合に比較して、電流路1の複数の挿入片1dの内の最も端子9に近い挿入片1dと端子9との間の距離T1をより長い距離に設定することが容易になる。従って、必要な絶縁距離を確保することが容易にできる。
このように、電流センサ100では、複数の端子9が絶縁基板5の第1短辺5aに沿って配置され、電流路1の両方の端部1aが絶縁基板5の対向する両方の長辺5cに当接するように配置されていて、電流路1の両方の端部1aに形成された幅広部1bの中心が、磁気センサ素子7aの近傍に形成された幅狭部1cの中心より絶縁基板5の第2短辺5bに近くなるように電流路1を形成させたので、電流路1と端子9との間の距離をより長い距離に設定することが容易になる。その結果、必要な絶縁距離を確保することが容易にできるため、絶縁耐性を維持したままでの電流センサ100の小型化が容易に可能となる。
また、電流路1と磁界制御板3と絶縁基板5とからなる電流センサ主要部90が、挿入片1dと端子9とを除いて、筐体11の最大外形ぎりぎりに収まっている。そのため、挿入片1dと端子9とを除く電流センサ主要部90の外形と筐体11の最大外形とがほぼ同一になる。その結果、筐体11には余分な領域が含まれないため、電流センサ100をより小型化することができる。
また、電流路1の両方の端部1aの先端が複数の挿入片1dに分かれているので、電流センサ100をマザー基板51に半田付けする際に、半田の熱が挿入片4dに伝わりやすく、しかも幅広部1bへ半田の熱を逃げにくくすることができる。そのため、半田付けをし易くすることができる。
次に、実施形態に係る電流センサ100と、電流センサ100より外側に存在する可能性のある上側隣接電流路31及び下側隣接電流路32と、の関係について図7を用いて説明する。
図7は、電流センサ100をマザー基板51に搭載した状態での、電流センサ主要部90の各構成要件間の上下方向における距離を示す模式図である。尚、説明を分かり易くするために電流路1を破線で示している。
電流センサ100の外側には外部磁場を生成させている上側隣接電流路31及び又は下側隣接電流路32が存在することがある。上側隣接電流路31は、磁界制御板3の上方に距離A1を隔てて存在している。また、下側隣接電流路32は、電流路1の挿入片1dの先端との間に距離A2を隔てて存在している。通常、電流センサ100の上側及び下側に隣接電流路が存在する場合、上記距離A1と距離A2とは同一の距離に設定される。
磁気センサ素子7aと上側隣接電流路31との間は、距離A1を含んで距離B1だけ離れている。また、磁気センサ素子7aと上側隣接電流路31との間には磁界制御板3がある。従って、磁界制御板3によって磁気センサ素子7aへの上側隣接電流路31からの影響を受けにくくすることができる。
一方、磁気センサ素子7aと下側隣接電流路32との間は、距離A2を含んで距離B2だけ離れている。ここで、電流路1の両方の端部1aにある挿入片1dの先端と、磁界制御板3の両方の端部、即ち第1端部3a及び第2端部3bの先端とが、どちらも同一方向(下方)を向いている。従って、磁気センサ素子7aと下側隣接電流路32との間には、センサIC7と磁界制御板3が取り付けられている絶縁基板5、及び電流センサ100が取り付けられているマザー基板51が存在することになる。
磁気センサ素子7aと下側隣接電流路32との間には、磁界制御板3は存在しないが、絶縁基板5及びマザー基板51が存在するため、必然的に磁気センサ素子7aと下側隣接電流路32との間の距離B2をより長い距離に設定することができる。その結果、磁気センサ素子7aへの下側隣接電流路32からの影響をより受けにくくすることができる。尚、距離B2は距離B1の2倍程度に設定される。距離B2を距離B1の2倍程度に設定することにより、磁気センサ素子7aへの下側隣接電流路32からの影響を、磁気センサ素子7aへの上側隣接電流路31からの影響と同等程度までに受けにくくすることができる。
このように、電流センサ100では、電流路1の両方の端部1aの先端と、磁界制御板3の両方の端部、即ち第1端部3a及び第2端部3bの先端とが、同一方向を向いているので、磁界制御板3の開口方向において絶縁基板5とマザー基板51とが存在することになる。そのため、磁気センサ素子7aと磁界制御板3の開口方向側の下側隣接電流路32との間の距離をより長い距離に設定することができ、磁気センサ素子7aに対する下側隣接電流路32からの影響を受けにくくすることができる。
以上説明したように、本発明の電流センサは、複数の端子が絶縁基板の第1短辺に沿って配置され、電流路の両方の端部が絶縁基板の対向する両方の長辺に当接するように配置されていて、電流路の両方の端部に形成された幅広部の中心が、磁気センサ素子の近傍に形成された幅狭部の中心より第2短辺に近くなるように電流路を形成させたので、電流路と端子との間の距離をより長い距離に設定することができる。その結果、絶縁距離を確保することが容易にできるため、絶縁耐性を維持したままでの電流センサの小型化が容易に可能となる。
以上のように、本発明の実施形態に係る電流センサ100について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。
1 電流路
1a 端部
1b 幅広部
1c 幅狭部
1d 挿入片
3 磁界制御板
3a 第1端部
3b 第2端部
3c 天面部
5 絶縁基板
5a 第1短辺
5b 第2短辺
5c 長辺
5d 取り付け穴
7 センサIC
7a 磁気センサ素子
9 端子
11 筐体
13 台座
31 上側隣接電流路
32 下側隣接電流路
51 マザー基板
90 電流センサ主要部
100 電流センサ
1a 端部
1b 幅広部
1c 幅狭部
1d 挿入片
3 磁界制御板
3a 第1端部
3b 第2端部
3c 天面部
5 絶縁基板
5a 第1短辺
5b 第2短辺
5c 長辺
5d 取り付け穴
7 センサIC
7a 磁気センサ素子
9 端子
11 筐体
13 台座
31 上側隣接電流路
32 下側隣接電流路
51 マザー基板
90 電流センサ主要部
100 電流センサ
Claims (4)
- 被測定電流の流れる電流路と、前記被測定電流によって発生する磁場を制御する磁界制御板と、長方形形状をした絶縁基板と、前記絶縁基板に搭載されていて、前記磁場を測定する磁気センサ素子と、前記絶縁基板に設けられ、前記磁気センサ素子と電気的に接続された複数の端子と、を備えた電流センサであって、
複数の前記端子は、前記絶縁基板の一方の短辺である第1短辺に沿って配置され、
前記電流路がU字状に折り曲げられており、前記電流路の両方の端部が前記絶縁基板の対向する両方の長辺に当接するように配置されていると共に、前記電流路の各端部の一方の側面が前記第1短辺と対向する第2短辺の付近に位置するように配置され、
前記磁界制御板がU字状に折り曲げられており、前記磁界制御板の一方の端部である第1端部が前記第2短辺に当接するように配置されていて、
前記磁気センサ素子は、前記磁界制御板の開口幅の中心に配置され、
前記電流路の両方の端部には幅広部が形成されていると共に、前記電流路の前記磁気センサ素子の近傍には、前記幅広部より幅が狭い幅狭部が形成されており、前記幅狭部は、その幅が前記磁界制御板の開口幅よりも狭いと共に、前記磁気センサ素子と対向する位置に配置され、前記幅広部の中心が前記幅狭部の中心より前記第2短辺に近い、ことを特徴とする電流センサ。 - 樹脂製の筐体を備え、
前記電流路の両方の端部の表面と前記磁界制御板の天面部の表面と前記絶縁基板の第1短辺の表面とが前記筐体の最大外形の内側面近傍にあると共に、外部に対して露出している、ことを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。 - 前記電流路の両方の端部の先端と、前記磁界制御板の両方の端部の先端と、が同一方向を向いている、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電流センサ。
- 前記電流路の両方の端部の先端は、複数の挿入片に分かれている、ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の電流センサ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014146934A JP2016023974A (ja) | 2014-07-17 | 2014-07-17 | 電流センサ |
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JP2014146934A JP2016023974A (ja) | 2014-07-17 | 2014-07-17 | 電流センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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