特許 6223856 電流検出構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6223856

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】電流検出構造

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/20 20060101AFI20171023BHJP

【ＦＩ】

   G01R15/20 C

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-32258(P2014-32258)

(22)【出願日】2014年2月21日

(65)【公開番号】特開2015-158386(P2015-158386A)

(43)【公開日】2015年9月3日

【審査請求日】2016年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000205661

【氏名又は名称】大崎電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104204

【弁理士】

【氏名又は名称】峯岸 武司

(72)【発明者】

【氏名】浅野 薫生

(72)【発明者】

【氏名】菅野 宏之

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 達也

(72)【発明者】

【氏名】櫻田 智之

【審査官】 山崎 仁之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１２１２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１４８８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２３２９０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

両端部間に形成されるエアギャップに被測定電流の流れに応じた磁気を生じさせる印刷配線基板に実装される電流検出用磁気コアと、前記エアギャプ中に位置させられて前記印刷配線基板に実装される前記磁気を検出する磁気センサとから構成される電流検出構造において、
前記磁気センサは表面実装型部品形状をし、
前記印刷配線基板は、前記両端部間を貫く磁束が形成する磁路の中心と前記磁気センサの検出中心とが一致する高さに、前記電流検出用磁気コアの前記印刷配線基板への実装高さを落とし込む開口部が形成され、
前記電流検出用磁気コアは、前記開口部の周囲の前記印刷配線基板に係合することで前記開口部に落とし込まれた状態を保持する突出部が外周囲に形成されている
ことを特徴とする電流検出構造。

【請求項2】

前記電流検出用磁気コアは、前記開口部を通る外形形状をした第１の磁性板と、前記突出部を構成する突起が外周囲に形成された第２の磁性板とが積層されて構成され、
前記第２の磁性板は、前記電流検出用磁気コアの落とし込まれた前記状態を前記突起が保持する厚さ位置に積層されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出構造。

【請求項3】

前記電流検出用磁気コアは、前記開口部の周囲の前記印刷配線基板に形成された回路パターンに前記突出部が半田付けされることで、前記印刷配線基板に実装されることを特徴とする請求項２に記載の電流検出構造。

【請求項4】

前記電流検出用磁気コアは、前記電流検出用磁気コアの落とし込まれた前記状態を保持する厚さ位置に前記突出部を構成する段差が形成され、前記開口部の周囲の前記印刷配線基板に当接する固定面が前記段差に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エアギャップに被測定電流の流れに応じた磁気を生じさせる電流検出用磁気コアが印刷配線基板に実装されて構成される電流検出構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、電流を計測するための手段として、磁性材料で作られた磁気コアが用いられている。磁気コアは、被測定電流が流れる導体の周囲に置かれ、磁気コアの両端部間に形成されたエアギャップにホール素子やコイルなどの磁気センサが配置される。磁気センサには磁気コアから被測定電流に応じた磁気が安定して供給され、この磁気が磁気センサによって検出されることで、導体に流れる被測定電流が測定される。従来この種の電流検出構造としては、例えば、特許文献１に電流センサとして開示された構造などがある。

【0003】

磁気センサはセンサ配線の合理性により印刷配線基板に実装されることが多く、磁気の検出方向は基板実装面に垂直な場合と水平な場合とがある。基板実装面に水平な方向の磁気を、リード型部品形状をした磁気センサを用いて検出する場合、例えば、図１（ａ）の斜視図に示すように、電流線（不図示）が挿通される開口部１ａが形成された印刷配線基板１に、磁気コア２およびリード型磁気センサ３が実装される。同図（ｂ）は印刷配線基板１にこれら部品が実装された状態の平面図である。リード型磁気センサ３は、同図（ｃ）に示す電流検出構造の正面図、同図（ｄ）に示す、磁気コア２を破断した側面図のように、磁気検出中心３ａが印刷配線基板１の基板面から比較的高い位置に存在する。このため、磁気コア２の両端部間を貫く磁束が形成する磁路の中心２ａ（同図（ａ）参照）が、リード型磁気センサ３の磁気検出中心３ａに一致するように、磁気コア２の実装高さがリードピン４によって高い位置に設定される。この際、リードピン４は、印刷配線基板１に開けられたピン穴１ｂに下端部が挿入されて固定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−５８４５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来の電流検出構造では、例えば、図２の側面図に示すような表面実装型部品形状をしている磁気センサ５を用いて、磁気を検出する場合には、磁気センサ５の磁気検出中心５ａが低くなるため、磁気検出中心５ａは磁路の中心２ａに一致しなくなる。近年、特にこの種の表面実装型部品は小形化が進んでおり、その実装高さも低くなって低背化が進んでいる。このため、同図に示すように、リードピン４をピン穴１ｂにさらに挿入して磁気コア２の底面を印刷配線基板１の基板面に密着させても、磁気コア２の磁路の中心２ａを表面実装型磁気センサ５の磁気検出中心５ａに一致させることは、困難である。

【0006】

一方、磁気コア２自体の厚みを薄くすることで、磁路の中心２ａを低くすることは可能である。しかし、磁気コア２の厚みを薄くすると、磁気コア２の飽和磁束が低下するため、測定可能な被測定電流値が低下したり、また、外部磁界に対する耐性が弱くなったりする。したがって、磁気コア２にはある程度の厚みが必要とされ、磁気コア２自体の厚みを薄くすることで、磁路の中心２ａを磁気検出中心５ａに一致させることは難しい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
両端部間に形成されるエアギャップに被測定電流の流れに応じた磁気を生じさせる印刷配線基板に実装される電流検出用磁気コアと、エアギャプ中に位置させられて印刷配線基板に実装される磁気を検出する磁気センサとから構成される電流検出構造において、
磁気センサは表面実装型部品形状をし、
印刷配線基板は、前記両端部間を貫く磁束が形成する磁路の中心と磁気センサの検出中心とが一致する高さに、電流検出用磁気コアの印刷配線基板への実装高さを落とし込む開口部が形成され、
電流検出用磁気コアは、開口部の周囲の印刷配線基板に係合することで開口部に落とし込まれた状態を保持する突出部が外周囲に形成されている
ことを特徴とする。

【0008】

本構成によれば、電流検出用磁気コアは、印刷配線基板に形成された開口部によって印刷配線基板への実装高さが落とし込まれ、外周囲に形成されている突出部により、磁路の中心と磁気センサの検出中心とが一致する高さに、実装高さが保持される。このため、電流検出に用いられる磁気センサが低背化の進んだ表面実装型部品形状をし、磁気センサの検出中心が印刷配線基板の基板面から低い位置にあっても、電流検出用磁気コアの磁路の中心を磁気センサの検出中心に容易に一致させることが可能となる。しかも、電流検出用磁気コアの厚みを確保することができるので、電流検出用磁気コアの飽和磁束が低下することはない。したがって、大きな電流値をした被測定電流を測定することが可能で、外部磁界に対する耐性も弱くならない。

【0009】

また、本発明は、
電流検出用磁気コアが、前記開口部を通る外形形状をした第１の磁性板と、前記突出部を構成する突起が外周囲に形成された第２の磁性板とが積層されて構成され、
第２の磁性板が、電流検出用磁気コアの落とし込まれた状態を前記突起が保持する厚さ位置に積層されることを特徴とする。

【0010】

本構成によれば、電流検出用磁気コアは、第１の磁性板が積層された下方部分が印刷配線基板に形成された開口部に落とし込まれ、第２の磁性板の外周囲に形成された突起が開口部の周囲の印刷配線基板に係合することで、印刷配線基板への実装高さが、磁路の中心と磁気センサの検出中心とが一致する高さに保持される。

【0011】

また、本発明は、上記の電流検出用磁気コアが、開口部の周囲の印刷配線基板に形成された回路パターンに突出部が半田付けされることで、印刷配線基板に実装されることを特徴とする。

【0012】

本構成によれば、第２の磁性板の外周囲に形成された突出部を構成する突起が、印刷配線基板に形成された回路パターンに半田付けされることで、電流検出用磁気コアは印刷配線基板に固定され、印刷配線基板への適正な実装高さが維持される。

【0013】

また、本発明は、電流検出用磁気コアが、電流検出用磁気コアの落とし込まれた状態を保持する厚さ位置に突出部を構成する段差が形成され、開口部の周囲の印刷配線基板に当接する固定面が段差に形成されていることを特徴とする。

【0014】

本構成によれば、電流検出用磁気コアは、突出部を構成する段差が開口部の周囲の印刷配線基板に係合して、印刷配線基板に形成された開口部に落とし込まれ、段差に形成されている固定面が開口部の周囲の印刷配線基板に当接することで、印刷配線基板への実装高さが、磁路の中心と磁気センサの検出中心とが一致する高さに保持される。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、磁気センサが表面実装型部品形状をし、磁気センサの検出中心が印刷配線基板の基板面から低い位置にあっても、電流検出用磁気コアの磁路の中心を磁気センサの検出中心に容易に一致させることが可能で、しかも、大きな被測定電流値を測定でき、外部磁界に対する耐性も弱くならない電流検出構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】（ａ）は、従来の電流検出構造の分解斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は磁気コアを破断した側面図である。

【図2】表面実装型磁気センサを用いた従来の電流検出構造の側面図である。

【図3】本発明の第１の実施の形態による電流検出構造の分解斜視図である。

【図4】（ａ）は、図３に示す第１の実施の形態による電流検出構造の平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は磁気コアを破断した側面図である。

【図5】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による電流検出構造の分解斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示す電流検出構造に用いられる電流検出用磁気コアを背面側から見た斜視図である。

【図6】（ａ）は、図５に示す第２の実施の形態による電流検出構造の平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は磁気コアを破断した側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に、本発明による電流検出構造を実施するための形態について説明する。

【0018】

図３は、本発明の第１の実施の形態による電流検出構造１１の分解斜視図である。

【0019】

本実施の形態による電流検出構造１１は、印刷配線基板１２に電流検出用磁気コア１３および磁気センサ１４が実装されて、構成される。

【0020】

印刷配線基板１２には開口部１２ａが形成されており、この開口部１２ａおよび電流検出用磁気コア１３には、被測定電流が流れる電流線（不図示）が挿通される。また、印刷配線基板１２には、電流検出用磁気コア１３を半田付けして実装するための回路パターン１２ｂと、磁気センサ１４を半田付けして実装するための回路パターン１２ｃとが形成されている。

【0021】

電流検出用磁気コア１３は、両端部１３ａ，１３ａ間に形成されるエアギャップ１３ｂに、被測定電流の流れに応じた磁気を生じさせる。各端部１３ａのエアギャップ１３ｂに臨む端面の図における中心は、両端部１３ａ，１３ａ間を貫く磁束が形成する磁路の中心１３ｃに一致している。本実施の形態では、電流検出用磁気コア１３は、開口部１２ａを通る外形形状をした磁性合金からなる第１の磁性板１５と、突起１６ａが外周囲の４箇所に形成された磁性合金からなる第２の磁性板１６とが積層されて構成される。第２の磁性板１６が複数枚積層されることで、積み重なった突起１６ａが電流検出用磁気コア１３の突出部１３ｄを形成する。電流検出用磁気コア１３は、開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に形成された回路パターン１２ｂに、この突出部１３ｄがリフロー半田付けされることで、印刷配線基板１２に実装される。

【0022】

磁気センサ１４は、表面実装型部品形状をしており、リード端子を備えておらず、直方体状をした外形の表面に電極端子が形成されている。この電極端子が印刷配線基板１２に形成された回路パターン１２ｃにリフロー半田付けされることで、磁気センサ１４は印刷配線基板１２に実装される。印刷配線基板１２に実装されると、磁気センサ１４はエアギャップ１３ｂ中に位置させられて、電流線（不図示）を流れる被測定電流がエアギャップ１３ｂに生じさせる磁気を検出する。磁気センサ１４の側面の中心は、磁気を検出する検出中心１４ａに一致している。

【0023】

図４（ａ）は、印刷配線基板１２に電流検出用磁気コア１３および磁気センサ１４が実装された状態の平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。同図（ｃ）は、電流検出用磁気コア１３を同図（ａ）に示す破断線ｃ−ｃで破断した側面図である。なお、図４において図３と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【0024】

印刷配線基板１２に形成された開口部１２ａは、電流検出用磁気コア１３の印刷配線基板１２への実装高さＨを、磁路の中心１３ｃと磁気センサ１４の検出中心１４ａとが一致する同図（ｂ），（ｃ）に示す高さに、落とし込む。電流検出用磁気コア１３の外周囲に形成されている突出部１３ｄは、開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に係合することで、開口部１２ａに落とし込まれた状態の電流検出用磁気コア１３を保持する。第２の磁性板１６は、電流検出用磁気コア１３の落とし込まれたこの状態を突起１６ａが保持する、電流検出用磁気コア１３の厚さ位置に積層される。

【0025】

本実施の形態の電流検出用磁気コア１３では、第２の磁性板１６は中段に２枚積層されている。しかし、第２の磁性板１６の積層枚数は、印刷配線基板１２への実装後における電流検出用磁気コア１３の強度と、半田による実装時の熱容量によって適宜決定される。また、電流検出用磁気コア１３の積層構造における第２の磁性板１６の突起１６ａの積層位置、並びに突起１６ａの積層厚さは、電流検出用磁気コア１３の製造時における金型設備の設定で適宜変更することが可能である。また、本実施の形態の電流検出用磁気コア１３を電子式電力量計などの配電機器に適用する場合における、その電流定格の変更による電流検出用磁気コア１３の厚さの変更や、第２の磁性板１６の積層枚数の調整による半田実装時の熱容量調整についても、電流検出用磁気コア１３の製造時における同じ金型設備の設定で対応することが可能である。

【0026】

なお、第２の磁性板１６の積層位置によって電流検出用磁気コア１３に表裏ができる場合には、電流検出用磁気コア１３に切り欠きや小穴などを設けて外観にマークを付加することで、電流検出用磁気コア１３の表裏を識別できるようにする。

【0027】

このような本実施の形態の電流検出構造１１によれば、電流検出用磁気コア１３は、第２の磁性板１６の外周囲に形成された突起１６ａが印刷配線基板１２に形成された回路パターン１２ｂに半田付けされることで、印刷配線基板１２に固定され、印刷配線基板１２への適正な実装高さＨが維持される。すなわち、電流検出用磁気コア１３は、第１の磁性板１５が積層された下方部分が印刷配線基板１２に形成された開口部１２ａに落とし込まれ、第２の磁性板１６の外周囲に形成された突起１６ａが開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に係合することで、印刷配線基板１２への実装高さＨが、磁路の中心１３ｃと磁気センサ１４の検出中心１４ａとが一致する高さに保持される。

【0028】

このため、電流検出に用いられる磁気センサ１４が低背化の進んだ表面実装型部品形状をし、磁気センサ１４の検出中心１４ａが印刷配線基板１２の基板面から低い位置にあっても、電流検出用磁気コア１３の磁路の中心１３ｃを磁気センサ１４の検出中心１４ａに容易に一致させることが可能となる。しかも、電流検出用磁気コア１３の厚みを確保することができるので、電流検出用磁気コア１３の飽和磁束が低下することはない。したがって、大きな電流値をした被測定電流を測定することが可能で、外部磁界に対する耐性も弱くならない。

【0029】

次に、本発明による電流検出構造を実施するための第２の形態について説明する。

【0030】

図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による電流検出構造２１の分解斜視図である。なお、同図において図３と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【0031】

本実施の形態による電流検出構造２１は、印刷配線基板１２に電流検出用磁気コア２３および磁気センサ１４が実装されて、構成される。印刷配線基板１２には、磁気センサ１４を半田付けして実装するための回路パターン１２ｃだけが形成されている。

【0032】

本実施の形態では、電流検出用磁気コア２３は、フェライトのような粉末焼結材料が焼成加工されて、一体に形成されている。電流検出用磁気コア２３の両端部２３ａ，２３ａ間に形成されるエアギャップ２３ｂには、被測定電流の流れに応じた磁気が生じる。また、各端部２３ａのエアギャップ２３ｂに臨む端面の図における中心は、両端部２３ａ，２３ａ間を貫く磁束が形成する磁路の中心２３ｃに一致している。

【0033】

図５（ｂ）は、電流検出用磁気コア２３を底面側から見た斜視図である。電流検出用磁気コア２３の底面側には、その外形よりも一回り小さな大きさの凸部が形成されることで、段差が形成されている。凸部の頂上には凸面２３ｄが形成され、凸部の底辺周囲の段差には凹面２３ｅが形成されている。凹面２３ｅは、開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に当接する固定面を構成している。この凹面２３ｅが接着材で開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に接着されることで、電流検出用磁気コア２３は印刷配線基板１２に実装される。

【0034】

本実施形態の電流検出用磁気コア２３のような粉末焼結品は、比較的脆く、細い形状が成形できないこと、および機械による後加工も困難である。このため、上記のように、電流検出用磁気コア２３の底面側に段差を形成した一体構造にすることで、粉末焼結品のような比較的脆い材質であっても、対応できるものとしている。電流検出用磁気コア２３は、粉末焼結材料が焼成加工されて一体形成されるものに限らず、例えば、粉末固形材料が圧粉加工されて、または、金属粉末が射出成型加工されて、一体形成される場合などにも、同様に本電流検出構造２１を適用することができる。

【0035】

図６（ａ）は、印刷配線基板１２に電流検出用磁気コア２３および磁気センサ１４が実装された状態の平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。同図（ｃ）は、電流検出用磁気コア２３を同図（ａ）に示す破断線ｃ−ｃで破断した側面図である。なお、図６において図５と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【0036】

印刷配線基板１２に形成された開口部１２ａは、電流検出用磁気コア２３の印刷配線基板１２への実装高さＨを、磁路の中心２３ｃと磁気センサ１４の検出中心１４ａとが一致する同図（ｂ），（ｃ）に示す高さに、落とし込む。また、段差に形成されている凹面２３ｅは、開口部１２ａに落とし込まれた上記状態の電流検出用磁気コア２３を保持する。電流検出用磁気コア２３の段差は、電流検出用磁気コア２３の落とし込まれたこの状態を保持する厚さ位置に形成される。

【0037】

このような本実施の形態の電流検出構造２１によれば、段差に形成されている凹面２３ｅが開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に接着されることで、電流検出用磁気コア２３は印刷配線基板１２に固定され、印刷配線基板１２への適正な実装高さＨが維持される。すなわち、電流検出用磁気コア２３は、突出部を構成する段差が開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に係合し、この段差に形成されている凹面２３ｅが開口部１２ａの周囲の印刷配線基板１２に当接することで、印刷配線基板１２への実装高さＨが、磁路の中心２３ｃと磁気センサ１４の検出中心１４ａとが一致する高さに保持される。

【0038】

このため、本実施の形態の電流検出構造２１によっても、電流検出に用いられる磁気センサ１４が低背化の進んだ表面実装型部品形状をし、磁気センサ１４の検出中心１４ａが印刷配線基板１２の基板面から低い位置にあっても、電流検出用磁気コア２３の磁路の中心２３ｃを磁気センサ１４の検出中心１４ａに容易に一致させることが可能となる。しかも、電流検出用磁気コア２３の厚みを確保することができるので、電流検出用磁気コア２３の飽和磁束が低下することはない。したがって、大きな電流値をした被測定電流を測定することが可能で、外部磁界に対する耐性も弱くならない。

【産業上の利用可能性】

【0039】

上記の各実施形態による電流検出構造１１，２１は、電子式電力量計などの配電機器における電流検出などに用いることができる。このような電流検出に用いた場合においても、上記の各実施形態と同様な作用効果が奏される。

【符号の説明】

【0040】

１１，２１…電流検出構造
１２…印刷配線基板
１２ａ…開口部
１２ｂ，１２ｃ…回路パターン
１３，２３…電流検出用磁気コア
１３ａ，２３ａ…端部
１３ｂ，２３ｂ…エアギャップ
１３ｃ，２３ｃ…磁路の中心
１３ｄ…突出部
１５…第１の磁性板
１６…第２の磁性板
１６ａ…突起
２３ｄ…凸面
２３ｅ…凹面（固定面）
Ｈ…実装高さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】