JP4814283B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁電変換素子を使用する電流センサに関する。

電流の大きさを検出する電流センサとして、ホール素子などの磁電変換素子を使用したものが広く利用されている。このような電流センサは環状のコアを有しており、コアの穴の部分に通過させた電線に電流を流すと、コアの周方向に沿ってコア内部を周回する磁束が発生する。この磁束の磁束密度は電線を流れる電流の大きさに略比例するため、磁電変換素子により磁束密度を検出することによって電線に流れる電流の大きさを計測することができる。

このような電流センサに用いられる磁電変換素子は、磁束密度をより正確に計測するため、近接する他の電子回路からの静電場に素子が曝されないように、シールド部材によってシールドされていることが望ましい。磁電変換素子に対するこのようなシールド部材としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の磁電変換素子用のシールド部材は、金属板をコの字状に折り曲げたものを、磁電変換素子において検出する磁束が通過する面（感磁面）を覆うように素子に取り付けたものである。このシールド部材の一方の先端部は、素子が実装される基板と略平行になるよう折り曲げられており、基板上に設けられたグランドパッドに当接して、当接部にてはんだ付けされるようになっている。
特開２００５−０２４５１９号

また、このシールド部材は、コの字状部分で磁電変換素子を把持できるようになっている。このため、磁電変換素子をコの字状部分の奥まで差し込むことにより、シールド部材先端部に直交する方向（すなわち基板の法線方向）におけるシールド部材に対する磁電変換素子の位置決めを行うことができる。このように、特許文献１のシールド部材は、磁電変換素子のシールドのみならず、位置決めを行うための部材としても機能する。

以上の構成による電流センサは、コアよりも一回り大きい程度の大きさの小型のものである。しかしながら、上記構成の電流センサは、一次側の電位が急激に変化すると静電結合によりコアの電位が振られて電気回路にノーマルモードのノイズが発生し、これによってセンサにノイズが出力されるため、正確に電流の大きさを計測できないという問題があった。この問題を解消するためには、コアを接地する必要がある。しかし、この場合には、コアを接地するための機構を別途電流センサに追加する必要があり、電流センサの大型化や、部品点数の増大、延いては電流センサの組立工数の大幅な増大を招くことになる。このように、従来の電流センサにおいては、例えば三相モータの駆動回路のように電位が急激に変化する導体を流れる電流を計測する場合は、大型で部品点数が多く、組立工数の多い電流センサを選択せざるを得なかった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は部品点数や工数をほとんど増大させることなく、高電圧交流の電流の大きさを正確に計測可能な電流センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電流センサは、感磁面が前記基板と略垂直となるよう該基板に実装されている磁電変換素子と、ギャップが形成されている環状のコアと、感磁面の一方を覆う第１部とこの第１部と接続されて感磁面の他方を覆う第２部と第１部と第２部の一方から延びて基板上のグランドパッドに接続されている第３部とを有するシールド手段と、コアにおいてギャップを構成する両端面のうち第１部と対向する第１端面と第１部との間に配置されており、第１部に接続されると共に該第１端面を圧迫して該コアと前記シールド手段とを導通させる第１の圧迫手段と、を有する。
また、第１部を第１端面に向かって折り曲げて形成した板ばね状部材を第１の圧迫手段とすることがより好ましい。

このように、本発明によれば、第１の圧迫手段をシールド手段とコアの間に設けることのみによってコアの電位をグランドに落とすことができるようになっており、部品点数及び工数をほとんど増やすことなく高電圧交流に対応した小型の電流センサが実現される。特に、第１部を第１端面に向かって折り曲げて形成した板ばね状部材を第１の圧迫手段とすると、工数や部品点数を増やすことなく上記の電流センサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の電流センサの斜視図である。また、図２は図１のＡ矢視図である。図１に示されるように、本実施形態の電流センサ１は、ホール素子４０が実装されている基板２０と環状のコア３０とがケース１０内に収められたものである。図２に示されるように、ケース１０の内部には突出部１４ａ、１４ｂ、１５ａ及び１５ｂが設けられている。コア３０は突出部１４ａ及び１４ｂに、基板２０は突出部１５ａ及び１５ｂに夫々ガイドされて保持されるようになっている。

本実施形態の電流センサ１は、コア３０の穴３５に電線Ｗを通し、電線Ｗに電流を流してコア３０の内部にコア３０を周回する磁束を発生させる。この磁束の大きさは、電線Ｗに流れる電流の大きさに比例するので、磁電変換素子の一種であるホール素子４０によってコア３０内の磁束の磁束密度を計測することによって、電線Ｗを流れる電流の大きさを測定することができる。このため、図２に示されるように、電線Ｗをコア３０の穴３５に通すための開口１２、１３及び２２がケース１０の上下面又は基板２０に形成されている。

また、基板２０には、ホール素子４０を駆動するための電力を供給すると共に電流の計測結果を出力するための４本の端子２１が設けられている。図１及び２に示されるように、端子２１は基板２０に平行な方向に延びており、ケース１０の側面にはこの端子２１を通過させるための開口１１が設けられている。すなわち、端子２１の先端部はケース１０の外側に突出しており、この端子２１を介してホール素子４０へ駆動電力を供給するとともに電線Ｗを流れる電流の大きさを取得することができる。

図１に示されるように、ホール素子４０は、矩形プレート形状のパッケージ本体４１の一端面から４本のリード端子４２が延びる、いわゆるＳＩＰ（Ｓｙｓｔｅｍ−ｉｎ−ｐａｃｋａｇｅ）形状のデバイスであり、パッケージ本体４１は基板２０に対して略垂直に配置されるように基板２０に実装されている。

コア３０の一部は周方向と直交する２つの互いに平行な面によって切り欠かれており、ギャップ３１が形成されている。ホール素子４０は、このギャップ３１に収納されるように配置されている。具体的には、図２に示されるように、ギャップ３１を形成するコア３０の第１端面３２と第２端面３３と、ホール素子４０のパッケージ本体４１の両面に設けられた第１感磁面４１ａ及び第２感磁面４１ｂとが夫々対向するようにホール素子４０がギャップ３１内に配置されている。これによって、コア３０内を周回する磁束線がホール素子４０の感磁面４１ａ、４１ｂに対して略垂直にホール素子を通過することになる。

本実施形態においては、ホール素子４０を不要な電磁場からシールドするため、クリップ状のシールド部材５０が使用されている。シールド部材５０は、りん青銅等の非磁性の導体のプレートを折り曲げ加工して形成したものである。図２に示されるように、シールド部材５０は、ホール素子４０の第１感磁面４１ａ及び第２感磁面４１ｂを覆うカバー部５１を有する。カバー部５１は、第１感磁面４１ａと対向する第１部５１ａと、第２感磁面４１ｂと対向する第２部５１ｂと、ホール素子４０のパッケージ本体４１の上面に当接し且つ第１部５１ａ及び第２部５１ｂを連結する連結部５１ｃとを有する。

第１部５１ａは、連結部５１ｃに対して略垂直である。一方、第２部５１ｂと連結部５１ｃとがなす角は直角よりも小さい大きさである。このため、第１部５１ａと第２部５１ｂとの間隔は、連結部５１ｃから遠ざかるに従って小さくなる。第１部５１ａと第２部５１ｂとの最小間隔ｄ_１は、自然状態ではパッケージ本体４１の厚さよりも小さい。このため、カバー部５１にパッケージ本体４１を差し込むと、第２部５１ｂが図２中反時計回りに移動して、間隔ｄ_１が広がる。そして、この時に第２部５１ｂに生じる弾性力によって、パッケージ本体４１は、第１部５１ａと第２部５１ｂとの間で挟み込まれ、容易には移動しないようシールド部材５０によって保持される。また、前述のように第１部５１ａは、連結部５１ｃに対して略直角であるので、カバー部５１にパッケージ本体４１を奥まで差し込んだ状態では、パッケージ本体４１の上面４１ｃは、連結部５１ｃの内面（図２中下側）と当接し、且つ第１感磁面４１ａが第１部５１ａの内面（図２中右側）と当接する。このように、パッケージ本体４１をカバー部５１の内面に当接させることによって、シールド部材５０に対するホール素子４０の位置決めを行うことができる。

第１部５１ａの先端（図２中下部）からは第３部５２が基板２０に向かって延びている。第３部５２はその途中で屈曲しており、その先端部５２ａは第１部５１ａと略直交する方向を向いている。そのため、第３部５２の先端部５２ａを基板２０に当接させると、第１部５１ａは基板２０に対して略垂直になる。このように、第３部５２の先端部５２ａと基板との当接により、シールド部材５０と基板２０との位置決めがなされるので、シールド部材５０によって位置決めされているホール素子４０もまた、基板２０に対して位置決めされることになる。このように、シールド部材５０はホール素子４０を基板２０に対して位置決めするための位置決め部材としての機能を有する。

基板２０上の４本の端子２１のうち一本はグランド端子であり、基板２０の表面にはこのグランド端子と接続されているグランドパッド２３が形成されている（図１）。図２に示されるようにシールド部材５０の第３部５２の先端部５２ａをグランドパッド２３に当接させ、且つグランドパッド２３にはんだ付けすることにより、シールド部材５０を接地することができる。これによって、ホール素子４０は、電流検出誤差の原因となる不要な静電場から保護される。

本実施形態による電流センサ１のシールド部材５０は、ホール素子４０のシールドや位置決めを行うと共に、コア３０の電位を接地する機能を有する。コア３０の電位が変化することによってコア３０内の磁束の大きさが変化するが、本実施形態の構成では、コア３０が接地電位に保たれるため、コア３０内の磁束の大きさから電線Ｗに流れる電流の大きさを正確に算出することができる。これは、コア３０、電線Ｗ、基板２０の静電結合によってコア３０内の電位が大きく変化しうる環境、例えば電線Ｗに流れる電流が高電圧の交流電流である場合に特に有効である。

シールド部材５０によるコア３０の接地機能について以下説明する。図３は、本実施形態によるシールド部材５０を図１の正面側から見た斜視図である。また、図４は、本実施形態によるシールド部材５０を図１の背面側から見た斜視図である。図３及び４に示されるように、シールド部材５０の第１部５１ａの一部にはコの字状に切断されて外側（図３中左上側、図４中左下側）に引き出された第１圧迫部５３が形成されている。また、シールド部材５０の第２部５１ｂの一部にはコの字状に切断されて外側（図３中右下側、図４中右上側）に引き出された第２圧迫部５４が形成されている。ここで、自然状態における第１圧迫部５３と第２圧迫部５４の先端部の間隔ｄ_２は、コア３０のギャップ３１の幅、すなわち、第１端面３２と第２端面３３の間隔ｄ_３（図１）よりも大きくなるように形成されている。このため、ギャップ３１の中にシールド部材５０のカバー部５１を差し込むと、第１圧迫部５３及び第２圧迫部５４は夫々内側に向かって押し込まれる。この時に両圧迫部に生じる弾性力によって、第１端面３２及び第２端面３３は圧迫される。この結果、第１圧迫部５３及び第２圧迫部５４は夫々第１端面３２及び第２端面３３に密着するため、コア３０とシールド部材５０とが２面で接触して確実に導通することになる。また、前述のように、シールド部材５０は基板２０のグランドパッド２３にはんだ付けされているため、コア３０の電位は接地電位に保たれる。

以上説明した本実施形態の電流センサ１においては、シールド部材５０の第１部５１ａと第２部５１ｂの一部が一種の板ばねとしてコア３０を圧迫するようになっている。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、圧迫部は必ずしもシールド部材５０の第１部側と第２部側の双方に設けられている必要はなく、いずれか一方のみに圧迫部が設けられる構成としてもよい。

或いは、他の構成によりコア３０を圧迫し、シールド部材５０とコア３０を導通させる構成としてもよい。例えば、図５のように、シールド部材５０の第１部５１ａとコア３０の第１端面３２の間、及び第２部５１ｂと第２端面３３の間に、プレート状の導電性材料５３’、５４’を挟み込む構成を採用してもよい。更に、図６に示されるように、図５の導電性材料５３’、５４’を一体化したコの字断面の導電性材料５５をギャップ３１に配する構成をとってもよい。

また、図４に示されるように、シールド部材５０のカバー部５１の幅と、第３部５２の先端部５２ａの幅は等しくなっている。しかしながら、先端部５２ａの幅をカバー部５１の幅よりも小さくしてもよい。この構成においては、先端部５２ａが小さくなるため、先端部５２ａのグランドパッド２３（図１、図２）へのはんだ付けが容易なものとなる。

本発明の実施の形態による電流センサの斜視図である。 図１のＡ矢視図である。 本発明の実施の形態によるシールド部材を図１の正面側から見た斜視図である。 本発明の実施の形態によるシールド部材を図１の背面側から見た斜視図である。 本発明の実施の形態の電流センサの別例を示したものである。 本発明の実施の形態の電流センサのさらなる別例を示したものである。

符号の説明

１ 電流センサ
１０ ケース
２０ 基板
２１ 端子
２３ グランドパッド
３０ コア
３１ ギャップ
３２ 第１端面
３３ 第２端面
３５ 穴
４０ ホール素子
４１ パッケージ本体
４１ａ 第１感磁面
４１ｂ 第２感磁面
５０ シールド部材
５１ カバー部
５１ａ 第１部
５１ｂ 第２部
５２ 第３部
５３ 第１圧迫部
５４ 第２圧迫部
Ｗ 電線

Claims (6)

1. 基板と、
   感磁面が前記基板と略垂直となるよう該基板に実装されている磁電変換素子と、
   ギャップが形成されている環状のコアと、
   前記感磁面の一方を覆う第１部と、該第１部と接続され前記感磁面の他方を覆う第２部と、該第１部と第２部の一方から延びて基板上のグランドパッドに接続される第３部とを有するシールド手段と、
   前記コアにおいてギャップを構成する２端面のうち前記第１部と対向する第１端面と前記第１部との間に配置され、該第１部に接続されると共に該第１端面を圧迫して該コアと前記シールド手段とを導通させる第１の圧迫手段と、
   を有する電流センサ。
2. 前記第１の圧迫手段は、前記第１部の一部が前記第１端面に向かって折り曲げられて形成された板ばね状部材であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記コアにおいてギャップを構成する両端面のうち前記第２部と対向する第２端面と前記第２部との間に配置され、前記第２部に接続されると共に該第２端面を圧迫して該コアと前記シールド手段とを導通させる第２の圧迫手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１の圧迫手段は、前記第１部と前記第１端面との間に挟み込まれる導電性の弾性部材であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
5. 前記弾性部材は、前記コアにおいてギャップを構成する２端面のうち前記第２部と対向する第２端面と前記第２部との間にも挟み込まれるコの字断面形状の部材であることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記磁電変換素子が前記ギャップ内に配置されるように、前記基板及び前記コアを保持する保持手段を更に有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電流センサ。

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