JP2012068158A - 電流センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に起因するモールド部材の膨張もしくは収縮が生じても、それによってホール素子等の磁気センサや、該磁気センサと回路基板との接合部に応力が作用するのを防止し、電流検出精度の安定性と信頼性を確保する。
【解決手段】筐体１０に収容したコア２０のギャップ２１に容器状部材３０を介装し、この容器状部材３０の開口端部を外部に露出させた状態でコア２０を内部に封入するように筐体１０に樹脂製のモールド部材６０を充填する。磁気センサ４０は、容器状部材３０の開口から容器状部材３０の内部に挿入され、容器状部材３０の内部でコア２０のギャップ２１に配置される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ギャップが形成された環状のコアと、コアのギャップに配置される磁気センサとを備える電流センサに関する。

ギャップが形成された環状のコアと、このコアのギャップに配置される磁気センサ、例えばホール素子とを備え、コアの軸心部を貫通する導体に流れる電流によってコアに発生する磁束をホール素子により電気信号に変換する電流センサが従来より知られている。

そして、この種の電流センサでは、例えば特許文献１に見られる如く、コア、ホール素子、該ホール素子を装着した回路基板を筐体内に収容し、この筐体内に合成樹脂材料から成るモールド部材(封止材)を充填して硬化させることによって、該コアとホール素子とをモールド部材内に封入・固定するようにするものが一般に知られている。

特開２００５−３０８５２６号公報

この種の電流センサは、種々様々な環境下で使用され、比較的大きな温度変化を生じる環境下で使用される場合も多々ある。そして、このような環境下で特許文献１に見られる如き電流センサを使用した場合には、コアやホール素子を封入したモールド部材の温度変化に起因する膨張もしくは収縮を生じ易く、このモールド部材の膨張もしくは収縮によって、該モールド部材内に封入されているホール素子に過大な応力が作用することがある。

そして、このようにホール素子に応力が作用すると、該ホール素子の出力特性の変化が発生し、該ホール素子の検出精度の低下を招く恐れがある。

また、ホール素子と回路基板とを半田付けで接合した場合には、温度変化に起因するモールド部材の膨張もしくは収縮によって、ホール素子と回路基板との接合部にも応力が作用し、該接合部のクラックや導通不良を生じる恐れもある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、温度変化に起因するモールド部材の膨張もしくは収縮が生じても、それによってホール素子等の磁気センサや、該磁気センサと回路基板との接合部に応力が作用するのを防止することができ、ひいては、電流検出精度の安定性と信頼性を確保できる電流センサを提供することを目的とする。さらに、このような電流センサを容易に製造できる方法を提供することを目的とする。

本発明の電流センサは、上記目的を達成するために、ギャップが形成された環状のコアと、該コアのギャップに配置される磁気センサとを備える電流センサにおいて、前記コアの内周面の内側に該コアの厚み方向の貫通穴を形成する内側壁部と該コアの外周面を囲む外側壁部とを有し、該内側壁部と外側壁部との間の空間に前記コアを収容する筐体と、前記筐体に収容されたコアのギャップに介装され、前記コアの厚み方向における一端が前記磁気センサを挿入可能に開口し、且つ、他端が閉塞された容器状部材と、前記容器状部材の開口端部を外部に露出させた状態で前記コアを内部に封入するように前記筐体の外側壁部と内側壁部との間の空間に充填された樹脂製のモールド部材とを備え、前記磁気センサが、前記容器状部材の開口から該容器状部材に挿入され、該容器状部材の内部で前記コアのギャップに配置されていることを特徴とする（第１発明）。

かかる第１発明の電流センサによれば、前記筐体の外側壁部と内側壁部との間の空間（以下、コア収容空間ということがある）に収容されるコアは、該コア収容空間に充填される樹脂製のモールド部材の内部に封入されることとなる。

この場合、該モールド部材は、前記コアのギャップに介装された前記容器状部材の開口端部を外部に露出させた状態で前記筐体のコア収容空間に充填される。このため、コアのギャップに介装された容器状部材の内部空間は、モールド部材が存在しない空間となると共に、該容器状部材の開口端部を介して外部に開口する空間となる。

そして、この容器状部材の開口から該容器状部材の内部に前記磁気センサが挿入され、これにより、該磁気センサが、モールド部材の存在しない該容器状部材の内部の空間でコアのギャップに配置されることとなる。

従って、第１発明の電流センサによれば、筐体のコア収容空間に充填されるモールド部材の、温度変化に起因する膨張もしくは収縮が発生しても、前記磁気センサに応力が作用することを防止することができる。また、磁気センサを実装する回路基板と該磁気センサとの接合部を容器状部材の外部もしくは内部（ひいてはモールド部材の外部）に配置されることとなるなるので、モールド部材の膨張もしくは収縮が発生しても、該接合部に応力が作用することも防止することができる。

よって、第１発明の電流センサによれば、温度変化に起因するモールド部材の膨張もしくは収縮が発生しても、磁気センサや、該磁気センサとこれを実装する回路基板との接合部に応力が作用するのを防止することができる。その結果、磁気センサの出力により示される電流の検出精度の安定性や信頼性を確保することができる。

かかる第１発明の電流センサでは、前記容器状部材の開口端部には、前記筐体の内側壁部と外側壁部とに向かって張り出すように形成された可撓性フランジが設けられており、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の間隔方向での該可撓性フランジの外形寸法は、該容器状部材を前記コアのギャップに該コアの厚み方向で挿入したときに前記筐体の内側壁部と外側壁部とに撓みつつ摺接するように、該筐体の内側壁部と外側壁部との間の間隔よりも大きい寸法に設定されていることが好ましい（第２発明）。

この第２発明の電流センサによれば、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の間隔方向での該可撓性フランジの外形寸法が上記の如く設定されているので、電流センサの製造時において、前記コアを前記筐体のコア収容空間に収容した後に、前記容器状部材を前記コアのギャップに該コアの厚み方向で挿入したときに、該容器状部材のフランジが、前記筐体の内側壁部と外側壁部とに撓みつつ摺接する。このため、該フランジが内側壁部と外側壁部とに弾性的に押し付けられ、その押し付け力によって、容器状部材が前記筐体の内側壁部と外側壁部とに係止されることとなる。

このため、容器状部材をコアのギャップに挿入して介装した後に、前記コア収容空間にモールド部材の液状物を充填した場合に、該容器状部材を筐体やコアに固定するための部品や治具を必要とすることなく、前記容器状部材が浮力によって浮き上がってしまうことがないようにすることができる。従って、電流センサの製造時の作業性を高めることができると共に、製造コストを抑制することができる。

また、上記第１発明又は第２発明の電流センサでは、前記容器状部材は、その内部の横断面積が、該容器状部材の他端側から開口端部側に向かって大きくなるように形成されていることが好ましい（第３発明）。

この第３発明の電流センサによれば、容器状部材の開口端部の横断面積が大きめの面積であるため、該容器部材の内部への前記磁気センサの挿入を容易に行なうことができ、電流センサの製造時の作業性を高めることができる。

また、本発明の電流センサの製造方法は、上記電流センサの製造方法であって、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の空間に前記コアを収容する第１工程と、次いで、該コアのギャップに、該コアの厚み方向で前記容器状部材を挿入することにより、該ギャップに該容器状部材を介装する第２工程と、次いで、前記容器状部材の開口端部を外部に露出させつつ、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の空間に前記モールド部材の液状物を充填して硬化させることにより、該モールド部材の内部に前記コアを封入する第３工程と、次いで、前記容器状部材の開口端部から前記磁気センサを挿入して、該容器状部材の内部で前記コアのギャップに該磁気センサを配置する第４工程とを備えることを特徴とする（第４発明）。

この第４発明によれば、前記電流センサを効率よく製造できる。特に、前記第２発明の電流センサを製造する場合には、前記第２工程において、前記容器状部材のフランジが、前記筐体の内側壁部と外側壁部とに撓みつつ摺接することとなるので、前記した如く、容器状部材が前記筐体の内側壁部と外側壁部とに係止される。このため、前記第３工程において、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の空間（コア収容空間）にモールド部材の液状物を充填したときに、容器状部材を筐体やコアに固定するための部品や治具を必要とすることなく、前記容器状部材が浮力によって浮き上がってしまうのを防止できる。

また、前記第３発明の電流センサを製造する場合には、前記第４工程において、前記容器状部材の開口端部から前記磁気センサを挿入することを容易に行なうことができる。

本発明の一実施形態の電流センサの主要構成要素の分解斜視図。 実施形態の電流センサの製造時の第１工程で得られる製品状態を示す図。 実施形態の電流センサの製造時の第２工程で得られる製品状態を示す図。 実施形態の電流センサの製造時の第３工程で得られる製品状態を示す図。 図４のＡ−Ａ線断面を示す図。 図４のＢ−Ｂ線断面を示す図。 実施形態の電流センサの製造時の第４工程で得られる製品状態を示す図。

本発明の一実施形態を図１〜図７を参照して以下に説明する。

本実施形態の電流センサ１は、図１に示す如く、その主要な構成要素として、筐体１０、コア２０、容器状部材３０、磁気センサ４０、及び回路基板５０を有する。

コア２０は、磁性材料から成る環状のものであり、その周方向の全長のうちの一部の区間部分に、該周方向に間隔を存する空隙部分であるギャップ２１が形成されている。なお、本実施形態のコア２０は、円環状のものであるが、例えば方形環状のものであってもよい。

筐体１０は、上方に開口した箱形状のものであり、方形板状の底板１１と、この底板１１の外周縁部から起立する方形状の枠体である外側壁部１２と、底板１１の上面中央部から外側壁部１２と間隔を存して起立する方形状の枠体である内側壁部１３とを備え、コア２０の厚み方向（コア２０の軸心方向）を底板１１の法線方向（上下方向）に向けた状態で、外側壁部１２と内側壁部１３との間の空間にコア２０を収容可能に構成されている。その収容状態は、外側壁部１２によりコア２０の外周面の周囲を囲み、且つ、コア２０の内周面の内側に内側壁部１３が配置されるような形態の収容状態である。

この場合、筐体１０の外側壁部１２と内側壁部１３との間の空間（以降、コア収容空間ということがある）のうちの、外側壁部１２寄りの複数個所に、底板１１の上面及び外側壁部１２の内周面から突出するように形成されたＬ字型の台座１４が底板１１及び外側壁部１２と一体に設けられており（もしくは、底板１１及び外側壁部１２に固設されており）、これらの複数の台座１４の底板１１側の突出部分にコア２０を載置すると共に該台座１４の外側壁部１２側の突出部分にコア２０の外周面を接触させることによって、前記コア収容空間でのコア２０の収容位置が規定されるようになっている。

さらに、コア収容空間の外側壁部１２寄りの複数個所には、上方に開口したネジ穴１５ａを有するボス１５が底板１１から突設されている。これらのボス１５のネジ穴１５ａは回路基板５０をネジ５２より締結するためのものである。

また、筐体１０の底板１１の中央部には、図５に示される如く、内側壁部１３の内部空間に連通する穴１１ａが穿設されている。このため、該内側壁部１３の内部空間は、コア収容空間にコア２０を収容した状態において、コア２０の厚み方向に貫通する貫通孔１３ａとなる。この貫通孔１３ａは、本実施形態の電流センサ１による検出対象の電流を通電する導体（図示省略）を貫通させるための孔として使用されるものである。

磁気センサ４０は、本実施形態では、ホール素子（リード型のホール素子）である。この磁気センサ４０は、方形板状のプリント配線基板から成る回路基板５０にあらかじめ半田付けにより実装されている。該回路基板５０は、筐体１０のコア収容空間に、底板１１と平行な姿勢で収容可能なサイズに形成されている。そして、回路基板５０には、これを前記筐体１０のボス１５のネジ穴１５ａに締結するための各ネジ５２を挿通する孔５１が穿設されている。

なお、回路基板５０には、磁気センサ４０に加えて、該磁気センサ４０の検出信号を整形したり、出力するための回路素子が実装されていてもよい。

容器状部材３０は、コア２０の厚み方向の一端としての上端が開口し、且つ、下端（他端）が閉塞された容器状の樹脂製成型品であり、その開口端部（上端部）から内部に磁気センサ４０を挿入可能とされると共に、該容器状部材３０の下部がコア２０のギャップ２１に介装し得るサイズに形成されている。該容状部材３０の材質は例えば、ＰＥＴ（ポエリエチレン・テレフタレート）である。

この容器状部材３０は、本実施形態では、コア２０のギャップ２１の間隔以下の幅（該ギャップ２１の間隔方向での幅）を有し、且つ、磁気センサ４０を内部に収容可能な有底の底側部分３１と、コア２０のギャップ２１の間隔よりも広い幅（該ギャップ２１の間隔方向での幅）を有し、底側部分３１の側面部よりも横方向外方に張り出した状態で底側部分３１の上端に段差部を介して連接された筒状の開口側部分３２と、容器状部材３０の開口端部としての該開口側部分３２の上端部の外周縁から横方向外方に張り出すように形成された可撓性のフランジ３３とから構成され、底側部分３１をコア２０のギャップ２１に介装することが可能となっている。

この場合、本実施形態では、底側部分３１及び開口側部分３２の横断面形状は方形状であり、また、フランジ３３の形状は方形環状である。また、コア２０の径方向（筐体１０の外側壁部１２と内側壁部１３との間の間隔方向）での前記フランジ３３の外形寸法（奥行き寸法）は、筐体１０の外側壁部１２の内周面と内側壁部１３の外周面との間の間隔よりも若干大きい寸法に設定されている。なお、コア２０の径方向での前記フランジ３３の外形寸法は、図１に示す寸法Ｄ１であり、筐体１０の外側壁部１２の内周面と内側壁部１３の外周面との間の間隔は、図１に示す寸法Ｄ２（＜Ｄ１）である。

さらに、図５及び図６に示すように、底側部分３１の側面は、該底側部分３１の横断面積が上方側から下方側に向かって小さくなっていくように（換言すれば、底側部分３１が、上方側から下方側に向かって先細りとなるように）、テーパ面状に形成されている。同様に、開口側部分３２の側面も、該開口側部分３２の横断面積が上方側から下方側に向かって小さくなっていくように、テーパ面状に形成されている。

なお、本実施形態では、図５に示す如く、コア２０の径方向（筐体１０の外側壁部１２と内側壁部１３との間の間隔方向）での容器状部材３０の底側部分３１及び開口側部分３２の外形寸法（奥行き寸法）は、コア２０の径方向での幅（コア２０の外周面と内周面との間の間隔）よりも小さい寸法に設定されている。

補足すると、本実施形態では、フランジ３３は、容器状部材３０の開口端部の全周に形成されているが、筐体１０の外側壁部１２と内側壁部１３とに対向する部分にだけフランジ３３を形成するようにしてもよい。

以上の筐体１０、コア２０、容器状部材３０、磁気センサ４０、及び回路基板５０を有する電流センサ１は、次のように製造される。

まず、図２に示すように、筐体１０の外側壁部１２と内側壁部１３との間の空間（コア収容空間）にコア２０が収容される。このとき、前記複数の台座１４の底板１１側の突出部分にコア２０を載置し、且つ、該コア２０の外周面を台座１４の外側壁部１２側の突出部分に接触させることによって、コア収容空間でのコア２０の収容位置が規定される。

次いで、コア２０のギャップ２１に、容器状部材３０の底側部分３１を上方から挿入することで、図３に示すように、該底側部分３１をギャップ２１に介装させる。このとき、容器状部材３０のフランジ３３の奥行き寸法Ｄ１（コア２０の径方向でのフランジ３３の外形寸法）は、前記したように、筐体１０の外側壁部１２の内周面と内側壁部１３の外周面との間の間隔よりも若干大きいので、図５に示す如く、フランジ３３が外側壁部１２の内周面と内側壁部１３の外周面との間で撓みつつ、該外側壁部１２及び内側壁部１３に摺接する。これにより、容器状部材３０のフランジ３３が、外側壁部１２及び内側壁部１３に弾性的に押し付けられ、その押し付け力によって、該外側壁部１２及び内側壁部１３に容器状部材３０がフランジ３３を介して係止される。なお、図５では、筐体１０内に後述するモールド部材６０が充填されているが、図３に示した状態では、該モールド部材６０は、未だ筐体１０内に充填されていない。

補足すると、容器状部材３０の開口側部分３２は、コア２０のギャップ２１の間隔よりも大きい幅を有するので、該容器状部材３０が開口側部分３２がコア２０のギャップ２１に入り込むことはなく、容器状部材３０の底側部分３１だけが該ギャップ２１に挿入される。

また、図５では、容器状部材３０は、その開口側部分３２の下端が、コア２０の上面から若干離れた状態で外側壁部１２及び内側壁部１３にフランジ３３を介して係止されているが、容器状部材３０の開口側部分３２の下端が、コア２０の上面に当接する位置まで、容器状部材３０の底側部分３１をコア２０のギャップ２１に挿入するようにしてもよい。

次いで、図４に示す如く、筐体１０の外側壁部１２の内周面と内側壁部１３の外周面との間の空間（コア収容空間）に、合成樹脂材から成るモールド部材６０の液状物を充填して硬化させる。これにより、モールド部材６０の内部にコア２０を封入する。モールド部材６０を構成する合成樹脂材は、例えばウレタン樹脂である。

この場合、図５及び図６に示す如く、コア収容空間に充填するモールド部材６０の深さ（厚さ）は、コア２０の全体が該モールド部材６０内に埋没するような深さであると共に、筐体１０の底板１１と容器状部材３０の開口端部との間の間隔、並びに、前記ボス１５の高さ（底板１１の上面からの高さ）よりも小さいものとされる。これにより、モールド部材６０の上面は、容器状部材３０の開口端部及びボス１５の上端面よりも低位置となり、該容器状部材３０の開口端部とボス１５の上端面（ひいては、ネジ穴１５ａの開口）とがモールド部材６０の外部に露出され、容器状部材３０やボス１５のネジ穴１５ａの内部には、モールド部材６０が供給されない。また、容器状部材３０のモールド部材６０内に埋没する底側部分３１は、硬化したモールド部材６０を介して筐体１０及びコア２０に固定される。

なお、容器状部材３０は、前記したように筐体１０の外側壁部１２と内側壁部１３とにフランジ３３を介して係止されているので、筐体１０のコア収容空間にモールド部材６０の液状物を充填したときに、容器状部材３０が浮力によって浮き上がってしまうようなことが発生するのが防止される。ひいては、容器状部材３０がモールド部材６０の液状物の充填時に位置ずれするのが防止される。

次いで、図５及び図６に示す如く、回路基板５０に実装された磁気センサ４０を該回路基板５０の下側に位置させた状態で、該磁気センサ４０及び回路基板５０を容器状部材３０の開口端部の上方から下方に移動させ、該磁気センサ４０を容器状部材３０の開口端部から底側部分３１の内部まで挿入する。この挿入は、回路基板５０の各孔５１が筐体１０の各ボス１５のネジ穴１５ａに対向するようにして、該回路基板５０が、各ボス１５の上端面に当接するまで行なわれる。そして、回路基板５０の各孔５１にネジ５２を挿通して、該ネジ５２をボス１５のネジ穴１５ａにネジ締めすることによって、回路基板５０が筐体１０に締結（固定）される。

上記のように磁気センサ４０を容器状部材３０の底側部分３１の内部に挿入することにより、コア２０のギャップ２１に磁気センサ４０が配置されることとなる。これにより、図７に示す電流センサ１が製造される。

この場合、容器状部材３０の底側部分３１及び開口側部分３２の側面は、前記したようにテーパ面状に形成されていて、容器状部材３０の上部側ほど、該容器状部材３０の横断面積が磁気センサ４０のサイズに対して大きめの面積を有するので、該底側部分３１への磁気センサ４０の挿入作業を容易に円滑に行なうことができる。

以上の如く製造される本実施形態の電流センサ１にあっては、磁気センサ４０（ホール素子）をコア２０のギャップ２１に介装した容器状部材３０に挿入することで、磁気センサ４０を容器状部材３０の内部でコア２０のギャップ２１に配置する。この場合、筐体１０のコア収容空間に収容されたコア２０は、該コア収容空間に充填されるモールド部材６０内に封入されるものの、該モールド部材６０は、容器状部材３０内には存在しない。また、磁気センサ４０を実装した回路基板５０もモールド部材６０の外部に配置される。

このため、温度変化に起因するモールド部材６０の膨張もしくは収縮が発生しても、磁気センサ４０や、該磁気センサ４０と回路基板５０との接合部に応力が作用することがない。ひいては、磁気センサ４０の特性変化や、磁気センサ４０と回路基板５０との接合部のクラックが発生するのを防止することができる。その結果、製造された電流センサ１の検出精度の安定性や信頼性を確保することができる。

なお、以上説明した実施形態では、容器状部材３０は、開口側部分３２と底側部分３１との間に段差を有する形状としたが、該段差を有しない形状であってもよい。

また、前記実施形態では、筐体１０の外側壁部１２及び内側壁部１３は、方形枠状のものとしたが、それらの両方又は一方が例えば円形枠状のものであってもよい。

また、前記実施形態では、回路基板５０をネジ５２により筐体１０のボス１５に締結するようにしたが、接着剤や適宜の係止構造により回路基板５０を筐体１０に固定するようにしてもよい。

また、前記実施形態における磁気センサ４０はホール素子であるが、ホール素子以外の磁気センサ、例えば磁気抵抗素子であってもよい。

１…電流センサ、１０…筐体、１２…筐体の外側壁部、１３…筐体の内側壁部、１３ａ…貫通孔、２０…コア、２１…コアのギャップ、３０…容器状部材、３３…フランジ、４０…磁気センサ（ホール素子）、６０…モールド部材。

Claims (4)

1. ギャップが形成された環状のコアと、該コアのギャップに配置される磁気センサとを備える電流センサにおいて、
   前記コアの内周面の内側に該コアの厚み方向の貫通穴を形成する内側壁部と該コアの外周面を囲む外側壁部とを有し、該内側壁部と外側壁部との間の空間に前記コアを収容する筐体と、
   前記筐体に収容されたコアのギャップに介装され、前記コアの厚み方向における一端が前記磁気センサを挿入可能に開口し、且つ、他端が閉塞された容器状部材と、
   前記容器状部材の開口端部を外部に露出させた状態で前記コアを内部に封入するように前記筐体の外側壁部と内側壁部との間の空間に充填された樹脂製のモールド部材とを備え、
   前記磁気センサが、前記容器状部材の開口から該容器状部材に挿入され、該容器状部材の内部で前記コアのギャップに配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１記載の電流センサにおいて、
   前記容器状部材の開口端部には、前記筐体の内側壁部と外側壁部とに向かって張り出すように形成された可撓性フランジが設けられており、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の間隔方向での該可撓性フランジの外形寸法は、該容器状部材を前記コアのギャップに該コアの厚み方向で挿入したときに前記筐体の内側壁部と外側壁部とに撓みつつ摺接するように、該筐体の内側壁部と外側壁部との間の間隔よりも大きい寸法に設定されていることを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１又は２記載の電流センサにおいて、
   前記容器状部材は、その内部の横断面積が、該容器状部材の他端側から開口端部側に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする電流センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサの製造方法であって、
   前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の空間に前記コアを収容する第１工程と、
   次いで、該コアのギャップに、該コアの厚み方向で前記容器状部材を挿入することにより、該ギャップに該容器状部材を介装する第２工程と、
   次いで、前記容器状部材の開口端部を外部に露出させつつ、前記筐体の内側壁部と外側壁部との間の空間に前記モールド部材の液状物を充填して硬化させることにより、該モールド部材の内部に前記コアを封入する第３工程と、
   次いで、前記容器状部材の開口端部から前記磁気センサを挿入して、該容器状部材の内部で前記コアのギャップに該磁気センサを配置する第４工程とを備えることを特徴とする電流センサの製造方法。

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