JP2013231691A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両などの車両のバスバーが、それが伝導する電力の変動に応じて一時的に高温になる場合でも、バスバーの電流を計測する電流センサの磁電変換素子が、過剰な高温になることを防ぐこと。
【解決手段】電流センサ１は、バスバー３０が貫通する磁性体コア１０及びホール素子２０を一定の位置関係で支持する絶縁筐体４０を備える。絶縁筐体４０は、内部に空洞４１１０，４２１０を形成する二重壁構造を有し、磁性体コア１０の中空部１１を貫通して磁性体コア１０の内縁部とバスバー３０との間を仕切る筒状の二重隔壁をなす外側枠部４１１又は内側枠部４２１を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁性体コアの中空部を貫通するバスバーに流れる電流を計測する電流センサに関する。

ハイブリッド自動車又は電気自動車などの車両には、バッテリに接続されたバスバーに流れる電流を計測する電流センサが搭載されることが多い。また、そのような電流センサとしては、磁気比例方式の電流センサ又は磁気平衡方式の電流センサが採用される場合がある。

磁気比例方式又は磁気平衡方式の電流センサは、例えば、特許文献１，２に示されるように、磁性体コアと磁電変換素子とを備える。磁性体コアは、両端がギャップ部を介して対向し、バスバーが貫通する中空部の周囲を囲んで一連に形成された概ねリング状の磁性体である。磁性体の中空部は、被計測電流が通過する空間である。

また、磁電変換素子は、磁性体コアのギャップ部に配置され、中空部を貫通して配置されたバスバーを流れる電流に応じて変化する磁束を計測し、磁束の計測信号を電気信号として出力する素子である。磁電変換素子としては、通常、ホール素子が採用される。

また、特許文献１，２に示されるように、電流センサは、磁性体コア、磁電変換素子、及び磁電変換素子が実装された回路基板などの必要機器を収容する非導電性の筐体を備え、防塵構造を有する電気部品として提供される。磁性体コア及び磁電変換素子は、その筐体によって一定の位置関係に支持される。なお、電流センサの筐体は、一般に、非導電性の樹脂部材により構成されている。

特開２００４−１０１３８４号公報 特開２００９−１２８１１６号公報

ところで、電気自動車及びハイブリッド自動車などの電動車両においては、バスバーを通じてモータに供給される電力の変動が大きく、バスバーが、大きなパワーの電気を伝導したときに自己発熱により一時的に過剰な高温になる場合がある。その場合、バスバーの近くに配置される電流センサの磁電変換素子も、バスバーの発熱の影響を受けて高温になりやすい。

例えば、バスバーの熱は、筐体におけるバスバーと磁性体コアの内縁部とを仕切る隔壁を介して、或いはその隔壁と熱伝導率の高い磁性体コアとを介して、磁電変換素子へ伝わる。磁電変換素子は、耐熱性に優れていないため、バスバーの発熱の影響を受けて過剰な高温になると故障しやすい。

本発明は、電動車両などの車両のバスバーが、それが伝導する電力の変動に応じて一時的に高温になる場合でも、バスバーの電流を計測する電流センサの磁電変換素子が、過剰な高温になることを防ぐことを目的とする。

本発明の第１の態様に係る電流センサは、以下に示される各構成要素を備える。
（１）第１の構成要素は、バスバーが貫通する中空部の周囲を囲んで一連に形成された磁性体コアである。
（２）第２の構成要素は、上記磁性体コアに生じる磁束を計測する磁電変換素子である。
（３）第３の構成要素は、上記磁性体コア及び上記磁電変換素子を収容して一定の位置関係で支持する非導電性の筐体である。上記筐体は、内部に空洞を形成する二重壁構造を有し、前記磁性体コアの前記中空部を貫通して前記磁性体コアの内縁部と前記バスバーとの間を仕切る筒状の二重隔壁を備える。

また、本発明の第２の態様に係る電流センサは、第１の態様に係る電流センサの一態様である。第２の態様において、上記筐体は、上記磁性体コア及び上記磁電変換素子を収容する容器部材と、その容器部材と組み合わされてその容器部材の開口を塞ぐ蓋部材と、を有する。さらに、上記筐体の上記二重隔壁は、上記容器部材及び上記蓋部材の一方に突起して形成された筒状の内側二重隔壁と、上記容器部材及び上記蓋部材の他方に突起して形成され、上記内側二重隔壁の外周面に沿って形成された外側二重隔壁と、からなる二層の二重壁構造を有する。

また、本発明の第３の態様に係る電流センサは、第１の態様又は第２の態様に係る電流センサの一態様である。第３の態様において、上記筐体の上記二重隔壁は、合成樹脂のガスインジェクション成形により成形されている。

第１〜第３の態様において、筐体の二重隔壁は、磁性体コアの内縁部と磁性体コアの中空部を貫通するバスバーとの間を仕切る壁である。また、磁電変換素子は、磁性体コアのギャップ部に配置されているため、筐体の二重隔壁は、磁電変換素子とバスバーとの間を仕切る壁でもある。

そして、第１〜第３の態様において、筐体の二重隔壁は、内部に空洞を形成する二重壁構造を有しているため、断熱性に優れている。従って、第１〜第３の態様に係る電流センサによれば、磁性体コアを貫通するバスバーが、それが伝導する電力の変動に応じて一時的に高温になる場合でも、二重隔壁の断熱性により、電流センサの磁電変換素子が過剰な高温になることは防がれる。

また、第２の態様に係る電流センサによれば、二重隔壁が、内側二重隔壁と外側二重隔壁とからなる二層の二重壁構造を有する。そのため、二重隔壁の断熱性がさらに向上し、磁電変換素子の高温化がより確実に防がれる。

また、第３の態様に係る電流センサによれば、筐体の二重隔壁は、合成樹脂のガスインジェクション成形により成形される。そのため、筐体を成形する金型の構造が簡素化され、二重隔壁を有する筐体の成形が容易となる。

本発明の実施形態に係る電流センサ１の分解斜視図である。 電流センサ１が備える筐体を構成する蓋部材の斜視図である。 電流センサ１の３面図である。 電流センサ１の断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であり、本発明の技術的範囲を限定する事例ではない。

以下、図１〜図４を参照しつつ、本発明の実施形態に係る電流センサ１の構成について説明する。なお、図３（ａ）は電流センサ１の平面図、図３（ｂ）は電流センサ１の正面図、図３（ｃ）は電流センサ１の側面図である。また、図４は、図３（ｂ）に示されるＩ−Ｉ平面における電流センサ１の断面図である。

電流センサ１は、電気自動車又はハイブリッド自動車などの車両において、バッテリとモータなどの機器とを電気的に接続するバスバーに流れる電流を計測する装置である。図１に示されるように、電流センサ１は、磁性体コア１０、ホール素子２０、絶縁筐体４０、回路基板５０及びコネクタ６０を備えている。また、図１及び図２に示されるように、絶縁筐体４０は、相互に組み合わされる容器部材４１と蓋部材４２とにより構成されている。

＜磁性体コア＞
磁性体コア１０は、フェライト又はケイ素鋼などの磁性材料からなる部材である。磁性体コア１０は、両端面１３が数ミリメートル程度のギャップ部１２を介して対向し、中空部１１の周囲を囲んで一連に形成された形状を有している。即ち、磁性体コア１０は、狭いギャップ部１２と併せて環状に形成されている。

本実施形態においては、磁性体コア１０は、ギャップ部１２と併せて、角部が丸められた矩形状の中空部１１を囲む概ね矩形の環状に形成されている。なお、磁性体コア１０が、ギャップ部１２と併せて、円形状の中空部１１を囲む円環状に形成されている場合もある。

計測対象電流が流れる送電路であるバスバー３０は、磁性体コア１０の中空部１１を貫通して配置される。なお、図１において、バスバー３０が、仮想線（二点鎖線）により描かれている。

＜ホール素子（磁電変換素子）＞
ホール素子２０は、磁性体コア１０のギャップ部１２において磁束を計測するセンサである。図１に示されるホール素子２０は、素子の本体部である磁気検知部２１と磁気検知部２１の底面から張り出した複数のリード端子２２とを備えたリード線タイプのＩＣである。複数のリード端子２２には、電力の入力用の端子及び計測信号の出力用の端子が含まれる。複数のリード端子２２は、回路基板５０に形成されたホール素子実装孔５３に挿入され、半田により回路基板５０の配線パターンに固着されている。なお、表面実装タイプのホール素子２０が採用されることも考えられる。

ホール素子２０の磁気検知部２１は、磁性体コア１０のギャップ部１２に配置される。その状態において、ホール素子２０は、磁性体コア１０の中空部１１を通過する電流に応じて変化する磁束を計測し、磁束の計測信号を電気信号として出力する。なお、ホール素子２０は、磁電変換素子の一例である。

ホール素子２０は、磁気検知部２１における予め定められた部位である計測中心部を予め定められた方向に沿って通過する磁束を最も高い感度で計測する。一般に、ホール素子２０によって最も高い感度で計測される磁束の通過経路を示す基準直線は、磁気検知部の概ね中心を通り、かつ、磁気検知部２１の表裏の面に直交する直線である。

電流センサ１において、磁気検知部２１の計測中心部が磁性体コア１０のギャップ部１２の中心点に位置し、かつ、磁気検知部２１の基準直線が、磁性体コア１０における対向する両端面１３の投影面の中心を結ぶ直線と重なる状態が、磁気検知部２１の理想の配置状態である。

＜回路基板及びコネクタ＞
回路基板５０は、ホール素子２０がそのリード端子２２の部分において実装された基板である。また、回路基板５０には、ホール素子２０の他、コネクタ６０のリード端子６２と、ホール素子２０から出力される磁束の計測信号の安定化処理などを施す回路とが実装されている。

図１に示される例では、回路基板５０には、第一ネジ７１各々が貫通する第一貫通孔５１と、第二ネジ７２が貫通する第二貫通孔５２とが形成されている。第一ネジ７１は、コネクタ６０の本体部６１を回路基板５０に固定するネジである。また、第二ネジ７２は、回路基板５０を絶縁筐体４０の容器部材４１に固定するネジである。

コネクタ６０は、不図示の電線に設けられた相手側コネクタが接続される部品である。コネクタ６０は、本体部６１とリード端子６２とを備えている。本体部６１は、相手側コネクタが接続される接続口が形成された非導電性の部材である。リード端子６２は、本体部６１内の金属端子と回路基板５０の配線パターンとを電気的に接続する導電性の端子である。

コネクタ６０における複数のリード端子６２は、回路基板５０に形成されたコネクタ実装孔５４に挿入され、半田により回路基板５０の配線パターンに固着されている。

また、回路基板５０には、ホール素子２０のリード端子２２とコネクタ６０のリード端子６２とを電気的に接続する回路が設けられている。例えば、回路基板５０には、外部から電線及びコネクタ６０を介して入力される電力をホール素子２０のリード端子２２へ供給する回路、及び、ホール素子２０の計測信号に対して安定化処理などを施し、処理後の信号をコネクタ６０のリード端子６２に出力する回路などが設けられている。これにより、電流センサ１は、コネクタ６０に接続されたコネクタ付電線を通じて、電流計測信号を電子制御ユニットなどの外部の回路へ出力することができる。

＜絶縁筐体＞
絶縁筐体４０を構成する容器部材４１及び蓋部材４２は、それぞれ絶縁性の樹脂材料の一体成形部材である。容器部材４１及び蓋部材４２の各々は、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）又はＡＢＳ樹脂などの絶縁性の樹脂からなる一体成形部材である。

容器部材４１は、開口部を有する箱状に形成され、蓋部材４２は、容器部材４１に組み合わされることによって容器部材４１の開口を塞ぐ。また、容器部材４１及び蓋部材４２には、バスバー３０が通される貫通孔であるバスバー孔４０１が形成されている。

容器部材４１の内側面には、バスバー孔４０１の周囲を囲む筒状の外側枠部４１１が形成されている。同様に、蓋部材４２の内側面には、バスバー孔４０１の周囲を囲む筒状の内側枠部４２１が形成されている。容器部材４１と蓋部材４２とが組み合わされると、外側枠部４１１の内側に内側枠部４２１が嵌り込む。外側枠部４１１及び内側枠部４２１の詳細については後述する。

容器部材４１は、磁性体コア１０、ホール素子２０、回路基板５０及びコネクタ６０を一定の位置関係で支持するとともにそれらを収容する部材である。但し、コネクタ６０は、一部が露出する状態で絶縁筐体４０に収容されている。

より具体的には、容器部材４１の内側には、磁性体コア１０、ホール素子２０及びコネクタ６０の本体部６１の各々を予め定められた位置で支持するコア位置決め部４３、素子位置決め部４４及びコネクタ位置決め部４５が形成されている。さらに、容器部材４１の内側には、回路基板５０が固定された基板固定部４６も形成されている。

図１に示される例では、コア位置決め部４３は、磁性体コア１０の中空部１１に通されて磁性体コア１０の内縁を支持及び位置決めする。また、素子位置決め部４４は、ホール素子２０の磁気検知部２１が嵌め入れられる窪みを形成している。ホール素子２０の磁気検知部２１は、素子位置決め部４４の窪みに嵌め入れられることにより、素子位置決め部４４によって位置決めされる。

また、コネクタ位置決め部４５は、コネクタ６０の本体部６１の背面、両側面及び底面を支えることによってコネクタ６０の本体部６１を位置決めする。また、基板固定部４６の登頂部には、第二ネジ７２が締め込まれるネジ孔４６０が形成されている。

また、蓋部材４２は、磁性体コア１０、ホール素子２０、コネクタ６０及び回路基板５０を支持する容器部材４１に対し、磁性体コア１０と回路基板５０とを挟み込みつつ、容器部材４１の開口を塞ぐ状態で容器部材４１に取り付けられる。

また、図２に示されるように、蓋部材４２の内側面には、内側枠部４２１の他、蓋側コア支え部４２２も突起して形成されている。蓋側コア支え部４２２は、容器部材４１のコア位置決め部４３により支持された磁性体コア１０の蓋部材４２側への移動を制限する。

容器部材４１及び蓋部材４２には、それらを組み合わせ状態で保持するロック機構４７が設けられている。図１に示されるロック機構４７は、容器部材４１の側面に突出して形成された爪部４７１と、蓋部材４２の側方に形成された環状の枠部４７２とを備える。容器部材４１の爪部４７１が、蓋部材４２の枠部４７２が形成する孔に嵌り込むことにより、容器部材４１及び蓋部材４２は、それらが組み合わされた状態で保持される。

＜断熱構造＞
次に、図４に示される断面図を参照しつつ、電流センサ１が備える断熱構造について説明する。本実施形態において、絶縁筐体４０を構成する容器部材４１及び蓋部材４２の各々は、合成樹脂のガスインジェクション成形により成形された合成樹脂の部材である。

ガスインジェクション成形は、溶融樹脂を金型キャビティ中に射出し、さらに金型キャビティ中に樹脂と互いに混ざり合わない加圧流体を注入し、その加圧流体の内圧によって溶融樹脂をキャビティの壁に押し付けて成形する手法である。加圧流体としては、例えば窒素ガスなどの不活性ガスが用いられる。なお、ガスインジェクション成形は周知であるので、ここではその詳細な説明は省略する。

図４に示されるように、ガスインジェクション成形により得られる樹脂の部材である容器部材４１及び蓋部材４２各々の内部には、空洞４１０，４２０が形成されている。また、容器部材４１及び蓋部材４２各々には、ガスインジェクション成形の際に加圧流体が注入されるガス注入孔４８１，４８２が形成されている。

従って、バスバー孔４０１の周囲を囲む筒状の外側枠部４１１は、内部に空洞４１１０を形成する二重壁構造を有している。同様に、バスバー孔４０１の周囲を囲む筒状の内側枠部４２１も、内部に空洞４２１０を形成する二重壁構造を有している。これら外側枠部４１１及び内側枠部４２１各々は、磁性体コア１０の中空部１１を貫通して磁性体コア１０の内縁部とバスバー３０との間を仕切る筒状の二重隔壁を構成している。

また、内側枠部４２１は、蓋部材４２に突起して形成された筒状の内側二重隔壁の一例であり、外側枠部４１１は、容器部材４１に突起して形成され、内側枠部４２１（内側二重隔壁）の外周面に沿って形成された外側二重隔壁の一例である。このように、絶縁筐体４０は、内側枠部４２１と外側枠部４１１とからなる二層の二重壁構造を有している。

＜効果＞
電流センサ１において、絶縁筐体４０の二重隔壁を構成する内側枠部４２１及び外側枠部４１１は、磁性体コア１０の内縁部と磁性体コア１０の中空部１１を貫通するバスバー３０との間を仕切る壁である。また、ホール素子２０は、磁性体コア１０のギャップ部１２に配置されているため、内側枠部４２１及び外側枠部４１１（二重隔壁）は、ホール素子２０とバスバー３０との間を仕切る壁でもある。

そして、電流センサ１において、内側枠部４２１及び外側枠部４１１（二重隔壁）は、内部に空洞４１１０，４２１０を形成する二重壁構造を有しているため、断熱性に優れている。従って、電流センサ１が採用されれば、磁性体コア１０を貫通するバスバー３０が、それが伝導する電力の変動に応じて一時的に高温になる場合でも、内側枠部４２１及び外側枠部４１１（二重隔壁）の断熱性により、ホール素子２０が過剰な高温になることは防がれる。

また、電流センサ１が採用されれば、内側枠部４２１及び外側枠部４１１が、二層の二重壁構造を有する。そのため、二重隔壁の断熱性がさらに向上し、ホール素子２０の高温化がより確実に防がれる。

また、電流センサ１においては、内側枠部４２１及び外側枠部４１１（二重隔壁）は、合成樹脂のガスインジェクション成形により成形される。そのため、絶縁筐体４０を成形する金型の構造が簡素化され、二重隔壁を有する絶縁筐体４０の成形が容易となる。

なお、電流センサ１において、絶縁筐体４０の内部の空洞４１０，４２０のうち、内側枠部４２１の内部の空洞４２１０及び外側枠部４１１の内部の空洞４１１０以外の部分は、バスバー３０からホール素子２０への伝熱の抑制に対し、それほど大きくは寄与しない。即ち、内側枠部４２１及び外側枠部４１１の内部の空洞４２１０，４１１０以外の空洞は、合成樹脂のガスインジェクション成形によって自ずと形成されてしまうが、形成されなくてもよい空洞である。

また、内側枠部４２１が外側枠部４１１の内側に嵌り込んで構成された２層の筒は、バスバー孔４０１を貫通するバスバー３０と回路基板５０に実装された部品との間の電気的な遮蔽板を構成している。そのため、バスバー３０とホール素子２０などの電子部品との間の沿面距離が十分に確保され、バスバー３０に加わるサージ電圧による電子部品の故障が生じにくくなる。

＜その他＞
電流センサ１の絶縁筐体４０において、内側枠部４２１（内側二重隔壁）が容器部材４１に突起して形成され、外側枠部４１１（外側二重隔壁）が蓋部材４２に突起して形成されることも考えられる。

また、電流センサ１の絶縁筐体４０において、外側枠部４１１及び内側枠部材４２１のうちの一方が省略されることも考えられる。

また、二重隔壁をなす外側枠部４１１及び内側枠部４２１が、一般的な射出成形によって成形されることも考えられる。この場合、射出成形に用いられる金型は、外側枠部４１１及び内側枠部４２１各々の空洞４１１０，４２１０を成形する部分を有する。

１ 電流センサ
１０ 磁性体コア
１１ 磁性体コアの中空部
１２ 磁性体コアのギャップ部
１３ 磁性体コアの端面
２０ ホール素子（磁電変換素子）
２１ ホール素子の磁気検知部
２２ ホール素子のリード端子
３０ バスバー
４０ 絶縁筐体（筐体）
４１ 容器部材
４２ 蓋部材
４３ コア位置決め部
４４ 素子位置決め部
４５ コネクタ位置決め部
４６ 基板固定部
４７ ロック機構
５０ 回路基板
５１ 第一貫通孔
５２ 第二貫通孔
５３ ホール素子実装孔
５４ コネクタ実装孔
６０ コネクタ
６１ コネクタの本体部
６２ コネクタのリード端子
７１ 第一ネジ
７２ 第二ネジ
４０１ バスバー孔
４１１ 外側枠部（二重隔壁、外側二重隔壁）
４２１ 内側枠部（二重隔壁、内側二重隔壁）
４２２ 蓋側コア支え部
４６０ ネジ孔
４７１ 爪部
４７２ 枠部
４１１０ 外側枠部の空洞
４２１０ 内側枠部の空洞
４１０，４２０ 空洞
４８１，４８２ ガス注入孔

Claims (3)

1. 磁性材料からなり、バスバーが貫通する中空部の周囲を囲んで一連に形成された磁性体コアと、
   前記磁性体コアに生じる磁束を計測する磁電変換素子と、
   前記磁性体コア及び前記磁電変換素子を収容して一定の位置関係で支持する非導電性の筐体と、を備え、
   前記筐体は、
   内部に空洞を形成する二重壁構造を有し、前記磁性体コアの前記中空部を貫通して前記磁性体コアの内縁部と前記バスバーとの間を仕切る筒状の二重隔壁を備える、電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサであって、
   前記筐体は、
   前記磁性体コア及び前記磁電変換素子を収容する容器部材と、
   前記容器部材と組み合わされて前記容器部材の開口を塞ぐ蓋部材と、を有し、
   前記筐体の前記二重隔壁は、
   前記容器部材及び前記蓋部材の一方に突起して形成された筒状の内側二重隔壁と、
   前記容器部材及び前記蓋部材の他方に突起して形成され、前記内側二重隔壁の外周面に沿って形成された外側二重隔壁と、からなる二層の二重壁構造を有する、電流センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電流センサであって、
   前記筐体の前記二重隔壁は、合成樹脂のガスインジェクション成形により成形されている、電流センサ。

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