JP2018163051A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を高めて温度上昇を抑え、さらに製品価値を高めることができる技術を提供する。
【解決手段】電流検出器１００は、バスバーＢｈが挿通される挿通孔１０４が内側に形成され、挿通孔１０４の周囲にバスバーＢｈを取り巻く環状の磁性体コア１１０とともに電流検出回路を収容する収容部１０２ｇが形成されたケース本体１０２と、磁性体コア１１０及び電流検出回路を収容した状態で収容部１０２ｇ内を充填及び封止するポッティング樹脂１０６と、挿通孔１０４に沿って収容部１０２ｇの壁板部１０２ｄに一体化され、挿通孔１０４内ではバスバーＢｈの傾きを規制し、収容部１０２ｇ内ではポッティング樹脂１０６の充填量を規制する規制部１０２ｅとを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、電流の測定に利用される磁気平衡式、磁気比例式等の電流検出器に関する。

従来、検出信号のデータ処理に起因した誤差を解消する電流センサの先行技術が知られている（特許文献１参照）。この先行技術は、ホール素子等の磁界検出素子からの電圧をＡ／Ｄ変換によりデジタルデータに変換してから処理することで、データ変換に伴うビット誤差を低減し、測定誤差を抑制している。また、樹脂ケースにフィン部を一体形成することにより放熱させ、過度な温度上昇を防止している。

特開２００９−２１０４０５号公報

上記の先行技術は、ホール素子で磁束密度を電圧に変換した後のデータ処理誤差に着目したものであり、また、熱の影響を低減したものではある。
しかしながら、導体に同じ被検出電流が流れていても、導体と磁性体コアとの位置関係にばらつきが生じると、ホール素子で電圧に変換する前の磁束密度にばらつきが生じるため、測定精度が低下する。また、樹脂ケースに放熱性能を持たせていても、導体から伝達される熱は抑えられないため、あまり温度上昇を抑えることができない。

そこで本発明は、測定精度を高めて温度上昇を抑え、さらに製品価値を高めることができる技術の提供を課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の解決手段を採用する。
本発明の電流検出器は、ケース本体に規制部位を一体化させたものである。ケース本体は挿通孔が内側に形成されており、その周囲には収容部が形成されている。挿通孔は導体を挿通させるための貫通部分であり、収容部は磁性体コアや電流検出回路を収容して保持する部分である。また収容部内は、樹脂の封止体によって充填及び封止される。

規制部位は、ケース本体の挿通孔に沿って収容部の壁を構成する部位に一体化されている。規制部位は、挿通孔の内側（ケース本体の外側）と収容部の内側（ケース本体の内側）とでそれぞれ別の規制を効かせている。すなわち、規制部位は、挿通孔内ではケース本体の外面を導体に近接させ、挿通方向に対する導体の傾きを規制している。その一方で規制部位は、収容部内では逆にケース本体の内面を導体から離隔させている。その結果、規制部位はケース本体内面を磁性体コアに近接させることになり、その分だけ収容部内での封止体の充填範囲（充填量、体積）を規制している。

これにより、挿通孔に挿通させた導体と収容部内に収容した磁性体コアとの位置関係が一定に保持されるため、電流検出回路による検出（測定）精度を向上することができるだけでなく、ケース本体（収容部）内への封止体の充填量を抑えることで製品重量（質量）を低く抑えることができる。また、ケース本体外面を導体に近接させていても、ケース本体内面は導体から離隔させているため、導体から伝達される熱が内部の電流検出回路等に与える影響を少なくすることができる。

好ましくは、規制部位が複数の板状片を含み、板状片の先端縁で導体に近接することとする。これにより、導体とケース本体とが接触する面積を少なくし、導体から熱の影響を受けにくい形状とすることができる。また、複数の板状片によりケース本体の総表面積を大きく確保し、放熱効果を高めることもできる。

また、収容部内では、磁性体コアの周囲で壁を構成する部位を段付き状とし、磁性体コアに近接させて封止体の充填範囲を規制する。収容部の壁を構成する部位は、段付き状に磁性体コアに近接させた分、挿通孔の全周囲にわたって封止体の充填量を削減（規制）するため、製品重量軽減に大きく寄与できる。

さらには、ケース本体を対象物に固定する設置面を有する場合、設置面内では複数の板状片の縁辺で対象物と接触する形状とする。これにより、電流検出回路の発熱部品からの熱が設置面と対象物との間でこもることを防止し、かつ、板状片により放熱効率を向上することができる。

本発明によれば、測定精度を高めて温度上昇を抑え、さらに総重量軽減等により製品価値を高めることができる。

一実施形態の電流検出器の構成を示す概略図である。 一実施形態の電流検出器の構成を示す概略図である。 電流検出器の分解斜視図である。 電流検出器を設置状態で示した背面図である。 図４中のＶ−Ｖ線に沿う電流検出器の水平断面図である。 比較例（１）となる電流検出器の水平断面図である。 比較例（２）となる電流検出器の水平断面図である。 電流検出器の底面の形状を示す斜視図である。

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。
図１及び図２は、一実施形態の電流検出器１００の構成を示す概略図である。図１が電流検出器１００を正面側から示した斜視図であり、図２が背面側から示した斜視図である。
以下、電流検出器１００の構成について説明する。

〔ケース本体〕
電流検出器１００は、例えば樹脂製のケース本体１０２を備えている。ケース本体１０２は、電流検出器１００の外部形態を構成するとともに、その主目的である被検出電流が流れる導体（図示していない）を挿通させたり、何らかの対象物（同じく図示していない）に対する固定の機能を果たしたりする。また、ケース本体１０２の内部には、磁性体コアや電流検出回路（図１，２には示していない）が収容されており、その内部はポッティング樹脂１０６（封止体）により充填及び封止されている。

ケース本体１０２は、全体としておおよそ環形状をなしており、中央部分に挿通孔１０４が厚み方向（前後方向）に貫通して形成されている。図１，２に示される立姿勢において、ケース本体１０２の上面では湾曲した部分が目立っているが、底面は平面を基調とした形状となっている。また、両側面は上面の湾曲した形状に連なる部分に加えて、縦長平面の部分を有する他、複数の板状片１０２ｆが間隔を置いて上下に配列された形状となっている。

ケース本体１０２には、上記のように対象物（被検出電流が流れる機器の筐体等）への固定をなすため、各一対をなす上部ブラケット１０２ａ、底板ブラケット１０２ｂ、下部ブラケット１０２ｃ等が形成されている。上部ブラケット１０２ａ及び下部ブラケット１０２ｃは、ちょうど挿通孔１０４を中央にしてケース本体１０２の外側の四隅にそれぞれ位置している。また、両側一対の底板ブラケット１０２ｂは、ケース本体１０２の底面から両側方に向けて羽根状に延びている。

このうち、上部ブラケット１０２ａと下部ブラケット１０２ｃは、ケース本体１０２を背面にて対象物に固定する場合に用いられる。また、底板ブラケット１０２ｂは、ケース本体１０２を底面にて対象物に固定する場合に用いられる。いずれにしても、各ブラケット１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃには、何らかの締結具（ボルト、ナット、ボス等）を挿通可能な孔が形成されている。

〔封止体〕
図１に示されているように、ケース本体１０２内にはポッティング樹脂１０６が充填されており、ケース本体１０２（電流検出器１００）の正面では大部分をポッティング樹脂１０６の表面が占めている。ポッティング樹脂１０６は、ケース本体１０２に収容された磁性体コアや電流検出回路を封止し、塵芥や水分等の進入を遮断している。なお、電流検出器１００の正面にはコネクタ１０８が突出して設けられている。

挿通孔１０４の周囲においては、ケース本体１０２が壁板部１０２ｄと規制部１０２ｅとで構成されている。このうち壁板部１０２ｄは、ケース本体１０２の正面側で略八角形状の周壁をなしている。一方の規制部１０２ｅは、ケース本体１０２の背面側で周方向に配列された複数の板状片で構成されており、壁板部１０２ｄでは挿通孔１０４が平滑な周壁面を有するのに対し、規制部１０２ｅでは挿通孔１０４が凹凸な周壁面を有するものとなっている。

〔磁性体コア〕
図３は、電流検出器１００の分解斜視図である。上記のように電流検出器１００は、磁性体コア１１０及び電流検出回路を有しており、これらがケース本体１０２内に収容されている。このため、ケース本体１０２には収容部１０２ｇが正面側から背面側に向かって凹み状に形成されており、さらに全体として収容部１０２ｇが挿通孔１０４の周囲で環状をなしている。磁性体コア１１０は、ちょうど挿通孔１０４を取り巻くようにして収容部１０２ｇ内に収容されている。本実施形態では、磁性体コア１１０が二次巻線１１０ｃを有するタイプであり、図３に示される外形のほとんどは二次巻線１１０ｃが占めている。磁性体コア１１０は、二次巻線１１０ｃの内側に磁性材料からなるリングコア（例えばトロイダルリング：図３では視認されない）を有しており、その一部にエアギャップが形成されている。このエアギャップ内にスペーサ１１０ａを介して図示しないホール素子が配置されている。

〔電流検出回路〕
また、電流検出器１００はベースプレート１１２及び回路基板１１４を有しており、これらベースプレート１１２及び回路基板１１４もまた、磁性体コア１１０とともにケース本体１０２の収容部１０２ｇ内に収容されている。回路基板１１４には、上記のコネクタ１０８やホール素子とともに各種の電子部品が実装されることで電流検出回路が形成されている。

ベースプレート１１２は中央に開口１１２ａが形成されており、この開口１１２ａ内に挿通孔１０４周囲の壁板部１０２ｄを受け入れ可能である。また、回路基板１１４はベースプレート１１２の開口１１２ａに合わせた切欠（符号なし）を有している。ベースプレート１１２は、収容部１０２ｇ内にて磁性体コア１１０と回路基板１１４との間に位置しており、ベースプレート１１２に対して磁性体コア１１０と回路基板１１４が両面から取り付けられている。そして、ベースプレート１１２がケース本体１０２に固定されることで、磁性体コア１１０及び回路基板１１４がベースプレート１１２を介して収容部１０２ｇ内にて位置決めされるものとなっている。図３ではポッティング樹脂１０６の図示を省略しているが、収容部１０２ｇ内に磁性体コア１１０、ベースプレート１１２及び回路基板１１４が全て収容された状態で、その余の隙間にポッティング樹脂１０６が充填されるものとなっている。

〔設置形態〕
図４は、電流検出器１００を設置状態で示した背面図である。上記のように電流検出器１００は、被検出電流が流れる（電流を発生させる）対象物の筐体Ｓに対し、ケース本体１０２の底面にて設置することができる。この場合、ケース本体１０２の底面が設置面となり、両側一対の底板ブラケット１０２ｂを介して筐体Ｓにケース本体１０２を固定することができる。

〔導体〕
被検出電流が流れる導体としては、図４中に二点鎖線で示される平板状のバスバーＢｈ，Ｂｖや丸棒状のバスバーＢｒがある。挿通孔１０４内には水平にバスバーＢｈを挿通させたり、垂直にバスバーＢｖを挿通させたり、あるいは開口部分全体にわたってバスバーＢｒを挿通させたりすることができる。

図４に示されているように、挿通孔１０４に対して水平にバスバーＢｈを挿通させた場合、その両側端面（小端面）が左右の規制部１０２ｅに接した状態となり、垂直にバスバーＢｈを挿通させた場合、その上下端面（小端面）が上下の規制部１０２ｅに接した状態となる。また、挿通孔１０４に丸棒状のバスバーＢｒを挿通させた場合、ちょうど八角形の斜辺となる４つの位置の規制部１０２ｅにバスバーＢｒの外周面が接した状態となる。

〔規制部位〕
図５は、図４中のＶ−Ｖ線に沿う電流検出器１００の水平断面図である。ここでは水平断面を一例に挙げてバスバーＢｈと磁性体コア１１０の位置関係の保持について説明するが、垂直断面や斜め４５°の断面においても同様である。なお、図５以下ではベースプレート１１２や回路基板１１４の図示を省略している。

〔挿通孔内（ケース本体外側）〕
上記のように、挿通孔１０４の周囲ではケース本体１０２が壁板部１０２ｄと規制部１０２ｅとで構成されており、挿通孔１０４に挿通されたバスバーＢｈは、電流検出器１００（ケース本体１０２）の正面側（図５の上方向）では壁板部１０２ｄに接し、背面側では規制部１０２ｅに接した状態となる。このとき、挿通方向でみて壁板部１０２ｄと規制部１０２ｅが一続きに連なってバスバーＢｈの側面に接するため、挿通方向に対するバスバーＢｈの傾きは規制されている。これにより、バスバーＢｈと磁性体コア１１０との位置関係が一定に保持される。

〔電気特性〕
磁性体コア１１０は、上記のように磁性材料からなるリングコア１１０ａと二次巻線１１０ｂを有するものであるが、特にバスバーＢｈからリングコア１１０ａまでの距離ＣＬ，ＣＲがばらつくと、電気特性（リングコア１１０ａで収束する磁束密度）にばらつきが生じ、ホール素子を用いた電流検出値にもばらつきが生じることになる。
この点、本実施形態では、壁板部１０２ｄと規制部１０２ｅとでバスバーＢｈの位置ずれを防止し、バスバーＢｈとリングコア１１０ａとの位置関係（距離ＣＬ，ＣＲ）を一定に保持することができるため、電流検出器１００による測定精度を向上することができる。

〔収容部内（ケース本体内側）〕
一方、規制部１０２ｅをケース本体１０２の内側について着目してみると、規制部１０２ｅは、逆にケース本体１０２の内面をバスバーＢｈから離隔させていることになる。これは、規制部１０２ｅが板状片の形状をなしていることから、その先端縁が壁板部１０２ｄと面一に連なるためには、必然的にケース本体１０２の内面をバスバーＢｈから離隔させ、ある程度は板状に延びるための距離を確保する必要が生じるからである。そして、規制部１０２ｅがケース本体１０２の内面をバスバーＢｈから離隔させるということは、収容部１０２ｇ内ではケース本体１０２の内面を壁板部１０２ｄよりも磁性体コア１１０に近接させることになり、その近接距離Ｆの分だけケース本体１０２の内面（壁を構成する部位）が段付き状にオフセットされた状態となる。これにより、収容部１０２ｇ内ではケース本体１０２の内面と磁性体コア１１０との間でポッティング樹脂１０６の充填範囲（充填される空間、容積）が規制（縮小）され、全体としてポッティング樹脂１０６の充填量が抑制されることになる。

上記のような規制部１０２ｅによるポッティング樹脂１０６の充填範囲の規制（充填量の抑制）は、以下の比較例との対比により優位性が明らかとなる。

〔比較例（１）〕
図６は、比較例（１）となる電流検出器１０００の水平断面図である。比較例（１）の電流検出器１０００は、本実施形態の電流検出器１００が有する規制部１０２ｅを有しておらず、挿通孔１０４は全体にわたって壁板部１００２ｄで構成されている。

比較例（１）によれば、壁板部１００２ｄが挿通孔１０４内の全体にわたってバスバーＢｈと接しているため、挿通方向に対するバスバーＢｈの位置ずれを防止することができるという点では本実施形態と同等であるといえる。しかしながら、このような構成では、挿通孔１０４内で壁板部１００２ｄをバスバーＢｈに近接させているだけであるため、収容部１０２ｇ内では壁板部１００２ｄが磁性体コア１１０から大きく離隔した状態となることから、その分、磁性体コア１１０との間でポッティング樹脂１０６の充填範囲は拡張されることになる。

〔充填範囲規制による効果〕
本実施形態と比較例（１）とを対比すると、ケース本体１０２内（収容部１０２ｇ内）へのポッティング樹脂１０６の充填量の違いが明らかである。すなわち、本実施形態の方が比較例（１）よりもポッティング樹脂１０６の充填量（総量）が少なく、その分の材料コストと製品質量を軽減できることが分かる（コストダウン及び軽量化）。これは、挿通させるバスバーＢｈの大きさと磁性体コア１１０の直径（被検出電流の大きさとそれによって発生する磁界の大きさに依存する）を同等の条件とすると、自ずと挿通孔１０４や収容部１０２ｇを形成するケース本体１０２の大きさや壁板部１０２ｄ，１００２ｄの肉厚も同等となることから、比較例（１）で使用するポッティング樹脂１０６の充填量に対し、本実施形態の形状では確実に充填量を少なく抑えることができるのである。

それでは、比較例（１）でも単純にポッティング樹脂１０６の充填量を少なくしてみたとしたらどうなるか。この点については、以下の比較例（２）で明らかとなる。

〔比較例（２）〕
図７は、比較例（２）となる電流検出器１０００の水平断面図である。比較例（２）の電流検出器１０００は、本実施形態の電流検出器１００が有する規制部１０２ｅを有していないが、挿通孔１０４は、正面側から背面側にかけて段付き状にオフセットされた壁板部１００２ｄで構成されている。

比較例（２）の場合、確かに壁板部１００２ｄがオフセットされている分、ポッティング樹脂１０６の充填量は比較例（１）より抑えられているといえる。しかしながら、単純に壁板部１００２ｄをオフセットさせているため、挿通孔１０４内の全体にわたってバスバーＢｈの位置ずれを規制することができない。このため、バスバーＢｈの傾き加減によってはリングコア１１０ａとの距離ＣＬ’，ＣＲ’が安定せずにばらついた状態となり、電気特性が安定しないために測定精度も不安定となる。

本実施形態の電流検出器１００は、規制部１０２ｅが単に一面だけで機能するのではなく、ケース本体１０２の内側と外側（挿通孔１０４内と収容部１０２ｇ内）の両面でそれぞれに機能することにより、電気特性の安定化による測定精度の向上と製品重量（総質量）の軽量化の両方の一度に達成している。加えて、規制部１０２ｅではケース本体１０２の外面がバスバーＢｈと線状接触（板状片の先端縁にて接触）することから、バスバーＢｈの発生する熱がケース本体１０２ひいては内部の電流検出回路に伝わりにくく、熱影響を受けにくくすることができる点でも優位である。

〔設置面〕
本実施形態による優位性は、上記にとどまらない。
図８は、電流検出器１００の底面１０２ｈの形状を示す斜視図である。上記のように電流検出器１００は、対象物の筐体Ｓに対して底面１０２ｈを設置面として取り付けられる場合がある。この場合、電流検出器１００（ケース本体１０２）の底面１０２ｈは対象物の筐体Ｓで塞がれた状態となり、外気に対して開放された状態とはいえなくなる。したがって、一般的には回路基板１１４の実装部品（トランジスタ等）から発生する熱がケース本体１０２の底面１０２ｈと筐体Ｓとの間でこもりやすくなる。

本発明の発明者は上記の点に着目し、ケース本体１０２の底面１０２ｈでは複数の板状片１０２ｎの縁辺が筐体Ｓと接触する形状とすることで、底面１０２ｈと筐体Ｓとの間で熱がこもるのを防止した。具体的には、底面１０２ｈの中で回路基板１１４の直下に近い領域には、幅方向に延びる複数の板状片１０２ｎを底面１０２ｈに対して縁辺（エッジ）を立てた状態に配列し、板状片１０２ｎ同士の間ではケース本体１０２の外面を凹ませることで各板状片１０２ｎに充分な長さ（上下方向への奥行き）を持たせている。なお、底面１０２ｈの中で回路基板１１４の直下から遠い領域は平坦部１０２ｍとすることで、設置時の安定性を高めている。

これにより、ケース本体１０２の底面１０２ｈにおける筐体Ｓとの接触面積を全体として小さく抑え、熱が滞留することを防止する。特に、回路基板１１４の電子部品が発熱源である場合、その直下に近い領域で熱がこもりやすいが、この領域を複数の板状片１０２ｎで構成することによる熱の滞留抑止効果が大きい。また、複数ある板状片１０２ｎがある程度の長さを有することから、その分、ケース本体１０２からの放熱面積を拡大し、放熱性を高めている。

本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。一実施形態では、挿通させるバスバーＢｈ，Ｂｖ等に合わせて挿通孔１０４を略八角形状としているが、挿通孔１０４を四角形状や六角形状、円形状等としてもよい。

規制部１０２ｅとして挿通孔１０４内に配列する板状片の数は適宜に変更可能であるし、また、収容部１０２ｇ内で磁性体コア１１０に近接させるオフセット量（近接距離Ｆ）の設定も適宜に変更可能である。

その他、図示とともに挙げた電流検出器１００やその一部の構造はあくまで好ましい一例であり、基本的な構造に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることはいうまでもない。

１００ 電流検出器
１０２ ケース本体
１０２ｄ 壁板部
１０２ｅ 規制部
１０４ 挿通孔
１０６ ポッティング樹脂
１１０ 磁性体コア

Claims (4)

1. 被検出電流の導体が挿通される挿通孔が内側に形成され、前記挿通孔の周囲に環状の磁性体コアとともに電流検出回路を収容する収容部が形成されたケース本体と、
   前記磁性体コア及び前記電流検出回路を収容した状態で前記収容部内を充填及び封止する封止体と、
   前記ケース本体の前記挿通孔に沿って前記収容部の壁を構成する部位に一体化され、前記挿通孔内では前記ケース本体外面を前記導体に近接させて挿通方向に対する前記導体の傾きを規制する一方で、前記収容部内では前記ケース本体内面を前記導体から離隔させて前記磁性体コアに近接させることで前記封止体の充填範囲を規制する規制部位と
   を備えた電流検出器。
2. 請求項１に記載の電流検出器において、
   前記規制部位は、
   前記挿通孔の内側に向けて延び、先端縁が前記導体に近接する複数の板状片を前記収容部の壁を構成する部位に有することを特徴とする電流検出器。
3. 請求項１又は２に記載の電流検出器において、
   前記規制部位は、
   前記収容部の壁を構成する部位が前記収容部内の前記磁性体コアの周囲で段付き形状をなして前記磁性体コアに近接していることを特徴とする電流検出器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電流検出器において、
   前記ケース本体は、
   対象物への固定を行うための設置面を有し、前記設置面内では前記ケース本体が複数の板状片の縁辺にて対象物と接触することを特徴とする電流検出器。