JP2007309732A - 磁気センサおよび電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低レベルから高レベルに亘る電流を効率的に測定し得る磁気センサを提供する。
【解決手段】略円弧状に形成されて磁気を検出するコイルを備え、コイルは、磁性コアの周囲に導線を巻回した有芯コイル（コア有りコイル）１２と、導線を巻回して空心形に形成されて有芯コイル１２に沿って配設された空芯コイル１３とを備えて構成されている。この場合、長さ方向と直交する断面の断面積がその両端部において両端部を除く他の部分よりも大きくなるように空芯コイル１３を形成する構成を採用することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気を検出可能に構成された磁気センサ、およびその磁気センサを備えた電流測定装置に関するものである。

この種の磁気センサとして、特開平１０−２１３５９８号公報において出願人が開示したクランプセンサが知られている。このクランプセンサは、略円弧状に形成された磁気コアをコアホルダにそれぞれ収納した可動側センサおよび固定側センサを備えて構成されている。各磁気コアは、磁性薄鋼板を積層したコア部、コア部に覆設されたボビン部、およびボビン部の周面に巻回（捲着）されたコイル（巻線）を備えて構成されている。この場合、コア部を有するコイル（以下、この種のコイルを「コア有りコイル」または「有芯コイル」ともいう）は、低レベルの磁気を正確に検出する特性を有している。このため、有芯コイルを備えたこのクランプセンサでは、低レベルの電流を正確に測定することが可能となっている。

一方、出願人は、特開平１１−２９５３４８号公報において、左側センサ部および右側センサ部からなるクランプセンサの各センサ部に配設される電流センサを開示している。この電流センサは、芯材としての中空チューブの周面に巻線を施すことによって構成された可撓性を有する可撓コイル体、つまりコア部を有していないコイル（以下、この種のコイルを「空芯コイル」ともいう）で構成されている。この場合、空芯コイルは、高レベルの磁気を正確に検出する特性を有している。このため、空芯コイルを備えたこのクランプセンサでは、高レベルの電流を正確に測定することが可能となっている。
特開平１０−２１３５９８号公報（第３頁、第１図） 特開平１１−２９５３４８号公報（第２−３頁、第１図）

ところが、上記の各クランプセンサには、改善すべき以下の課題がある。すなわち、特開平１０−２１３５９８号公報に開示したクランプセンサは、低レベルの電流を正確に測定可能な反面、有芯コイルの特性上、高レベルの電流の測定には不向きである。一方、特開平１１−２９５３４８号公報に開示したクランプセンサは、高電流を正確に測定可能な反面、空芯コイルの特性上、低レベルの電流の測定には不向きである。このため、例えば、測定箇所が複数存在して、各測定箇所の電流が低レベルから高レベルまで広範囲に亘っているときには、上記した２種類のクランプセンサを準備して、測定箇所に応じてその２種類のクランプセンサを使い分ける必要がある。このため、このような測定を行う際の作業効率を向上させるのが困難であり、この点の改善が望まれている。この場合、例えば、有芯コイルを大形化することで高レベルの電流についても測定可能に構成し、このように構成したクランプセンサだけで低レベルの電流から高レベルの電流までを測定することも考えられる。しかしながら、この構成では、クランプセンサが大形化して、取り扱い難くなって却って作業効率が低下するおそれがある。また、この構成では、クランプセンサの大形化に伴って製造コストが高騰するという問題も生じる。したがってこの構成を採用するのは困難である。

本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、低レベルから高レベルに亘る電流を効率的に測定し得る磁気センサおよび電流測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の磁気センサは、略弧状または略環状に形成されて磁気を検出するコイルを備えた磁気センサであって、前記コイルは、磁性コアの周囲に導線を巻回した第１コイルと、導線を巻回して空芯形に形成されて前記第１コイルに沿って配設された第２コイルとを備えて構成されている。

また、請求項２記載の磁気センサは、請求項１記載の磁気センサにおいて、前記第２コイルは、長さ方向と直交する断面の断面積がその両端部において当該両端部を除く他の部分よりも大きくなるように形成されている。

また、請求項３記載の磁気センサは、請求項１または２記載の磁気センサにおいて、前記第１コイルおよび前記第２コイルを収容可能な略弧状または略環状の収容部を有するケースを備え、前記ケースは、前記収容部の形成部位における内周側および外周側の少なくとも一方が厚み方向の中央部に向かうに従って徐々に突出する曲面に形成されている。

また、請求項４記載の電流測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の磁気センサと、当該磁気センサの検出信号に基づいて電流を測定する測定部とを備えている。

請求項１記載の磁気センサおよび請求項４記載の電流測定装置によれば、磁性コアを有する第１コイルと空芯形に形成された第２コイルとを備えたことにより、第１コイルが低レベルの磁気を正確に検出する特性を有し、第２コイルが高レベルの磁気を正確に検出する特性を有しているため、測定対象の電流値に応じて、第１コイルおよび第２コイルを使い分けることで、小さな電流値から大きな電流値までを測定することができる。したがって、例えば、電流値が低電流から高電流まで広範囲に亘っている複数の測定箇所の電流を測定する場合であっても、各測定箇所の電流を１台の電流測定装置で測定することができる結果、このような測定作業を効率的に行うことができる。また、測定範囲を第１コイルおよび第２コイルの２種類コイルに分担させることができるため、大形の第１コイルだけを用いて低電流から高電流までを測定可能とする構成とは異なり、両コイルを適正な大きさで構成することができる。このため、両コイルの大形化に伴う磁気センサや電流測定装置の製造コストの高騰を十分に抑えることができる。

また、請求項２記載の磁気センサおよび請求項４記載の電流測定装置によれば、長さ方向と直交する断面の断面積がその両端部において両端部を除く他の部分よりも広くなるように第２コイルを形成したことにより、第２コイルの端部同士を接続または近接したときの両端部の磁気結合を他の部分磁気結合よりも大きくすることができる。このため、例えば、磁気センサをクランプ形に構成して、この磁気センサを構成する２つのセンサを連結した際に、両センサにそれぞれ配設されている第２コイルの端部同士の間に隙間が生じて両第２コイルが不連続の状態となっているとしても、この不連続な部分における外乱の影響を少なく抑えることができるため、電流値を正確に測定することができる。

また、請求項３記載の磁気センサおよび請求項４記載の電流測定装置によれば、第１コイルおよび第２コイルを収容可能な収容部を有するケースを備えて磁気センサを構成し、収容部の形成部位における内周側および外周側の少なくとも一方が厚み方向の中央部に向かうに従って徐々に突出する曲面となるようにケースを形成したことにより、磁気センサの断面形状が角張っている構成とは異なり、測定箇所の周辺に障害物が存在していたとしても、例えば、磁気センサを測定箇所の近傍に移動させる際に磁気センサがこれらの障害物に引っ掛かるような事態を確実に防止することができる。また、内周側および外周側を曲面に形成したことで、この部位を矩形に形成した構成と比較して、ケースの剛性を十分に高めることができる。

以下、本発明に係る磁気センサおよび電流測定装置の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電流測定装置１の構成について、図面を参照して説明する。図１に示す電流測定装置１は、例えば、導線に流れる電流を非接触で測定可能なクランプ式の電流測定装置であって、磁気センサ２および本体部４を備えて構成されている。磁気センサ２は、本発明に係る磁気センサの一例であって、第１センサ３ａおよび第２センサ３ｂ（以下、両者を区別しないときには「センサ３」ともいう）を備えて構成されている。

第１センサ３ａは、図１，３，５に示すように、ケース１１、有芯コイル（コア有りコイル）１２および空芯コイル１３を備えて構成されて、ケース１１に形成された軸孔１４（図５参照）に図外のピンが挿通されることにより、そのピンを介して本体部４に回動可能に取り付けられると共に、図外のばねによって図５に示す矢印Ａの方向に付勢されている。

ケース１１は、図３に示すように、互いに嵌合可能な樹脂製の第１ケース１１ａおよび第２ケース１１ｂを備えている。この場合、両ケース１１ａ，１１ｂは、嵌合状態において、有芯コイル１２を収容する平面視が略弧状の第１コイル収容部２１、第１コイル収容部２１に沿うようにして第１コイル収容部２１の外側に配置されて空芯コイル１３を収容する平面視が略弧状の第２コイル収容部２２（いずれも本発明における収容部に相当する：図５参照）、および電流測定装置１の使用時に第１センサ３ａを回動させるためのレバー２３を構成する。また、両ケース１１ａ，１１ｂにおける第１コイル収容部２１および第２コイル収容部２２の形成部位は、図６に模式的に示すように、嵌合状態における内周側（同図における左側）および外周側（同図における右側）が、厚み方向（同図における上下方向）の中央部に向かうに従って徐々に突出する曲面（半円状の断面形状）となるように形成されている。つまり、両ケース１１ａ，１１ｂにおける第１コイル収容部２１および第２コイル収容部２２の形成部位は、断面形状が全体として楕円状に形成されている。

有芯コイル１２は、本発明における第１コイルに相当し、磁気を検出して検出信号Ｓｄ１を出力する。この場合、有芯コイル１２は、比較的低レベル（小さい値）の磁気を検出するのに適した特性を有している。具体的には、有芯コイル１２は、図８に示すように、磁性体としての金属板を所要の枚数積層した磁性コア１２ａ、磁性コア１２ａにおける両端部を除く部分を被覆する樹脂製のボビン１２ｂ、ボビン１２ｂの周囲に巻回された巻線１２ｃ、および巻線１２ｃのさらに外側に取り付けられた金属製のシールド板１２ｄを備えて構成されている。また、有芯コイル１２は、平面視が略円弧状（本発明における略弧状または略環状の一例）に形成されて、図５，７に示すように、ケース１１の第１コイル収容部２１に収容されている。

空芯コイル１３は、本発明における第２コイルに相当し、磁気を検出して検出信号Ｓｄ２（以下、上記した検出信号Ｓｄ１と区別しないときには「検出信号Ｓｄ」ともいう）を出力する。この場合、空芯コイル１３は、比較的高レベル（大きな値）の磁気を検出するのに適した特性を有している。具体的には、空芯コイル１３は、図９に示すように、チューブ１３ａ、およびチューブ１３ａの周囲に巻回された巻線１３ｂを備えて空芯形に形成されている。この場合、チューブ１３ａは、樹脂等の可撓性を有する非磁性材料によって両端部が中心部よりも大径の筒状に形成されている。このため、空芯コイル１３は、両端部の外径が両端部を除く部分よりも大径に形成されると共に、全体として変形可能に構成されている。また、空芯コイル１３は、図５，７に示すように、湾曲させられた状態で有芯コイル１２に沿うようにしてケース１１の第２コイル収容部２２に収容されている。

第２センサ３ｂは、図１，３，５に示すように、ケース３１、並びに上記した有芯コイル１２および空芯コイル１３を備えて構成されて、ケース３１に形成された軸孔３２（図５参照）に図外のピンが挿通されることにより、そのピンを介して本体部４に回動可能に取り付けられると共に、図外のばねによって同図に示す矢印Ｂの方向に付勢されている。

ケース３１は、図３に示すように、互いに嵌合可能な樹脂製の第３ケース３１ａおよび第４ケース３１ｂを備えている。この場合、両ケース３１ａ，３１ｂは、上記した第１ケース１１ａおよび第２ケース１１ｂと同様にして、嵌合状態において、第１コイル収容部２１、第２コイル収容部２２およびレバー２３（いずれも図５参照）を構成する。また、両ケース３１ａ，３１ｂは、第１ケース１１ａおよび第２ケース１１ｂと同様にして、図６に模式的に示すように、嵌合状態における内周側（同図における右側）および外周側（同図における左側）が、厚み方向（同図における上下方向）の中央部に向かうに従って徐々に突出する曲面となるように形成されている。

この場合、第１センサ３ａおよび第２センサ３ｂは、図５に示すように、非使用状態において各々の端部同士が互いに係合して環状体を構成し、この状態において有芯コイル１２および空芯コイル１３が検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２をそれぞれ出力する。

本体部４は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換部４１、表示部４２、操作部４３、検出部４４、制御部４５、およびこれらの各構成要素が収容または配設されるケース４６（図１参照）を備えて構成されている。Ａ／Ｄ変換部４１は、制御部４５と共に本発明における測定部を構成し、磁気センサ２（有芯コイル１２および空芯コイル１３）から出力される検出信号Ｓｄをアナログ／デジタル変換して電流データＤｉを出力する。表示部４２は、例えば液晶パネルで構成されて、ケース４６の正面パネルに配設されている。また、表示部４２は、制御部４５の制御に従って各種の測定値等を表示する。

操作部４３は、電源スイッチやレンジ切替えスイッチ等の各種のスイッチを備えて構成されて、図１に示すように、ケース４６の正面パネルに配設されている。また、操作部４３は、スイッチ操作に応じた操作信号を出力する。検出部４４は、ケース４６の内部に配設されて、両センサ３の回動（つまり両センサ３における先端部の離反）を検出して検出信号Ｓｓを出力する。制御部４５は、操作部４３から出力される操作信号や検出部４４から出力される検出信号Ｓｓに従って本体部４を構成する各部を制御する。また、制御部４５は、Ａ／Ｄ変換部４１から出力される電流データＤｉに基づいて（つまり磁気センサ２から出力される検出信号Ｓｄに基づいて）電流値Ｉｍを算出すると共に、算出した電流値Ｉｍを表示部４２に表示させる。

次に、電流測定装置１を用いて電流を測定する方法について、図面を参照して説明する。

例えば、図４に示す電線２００に流れている電流の電流値Ｉｍを測定する際には、操作部４３のレンジ切替えスイッチを操作して測定レンジを最大レンジに設定する。次いで、同図に示すように、第１センサ３ａおよび第２センサ３ｂのレバー２３，２３を本体部４側（同図に示す矢印Ｃ，Ｄの向き）に押し込むことにより、両センサ３を同図に示す矢印Ｅ，Ｆの向きに回動させて、両センサ３の先端部を互いに離反させる。この際に、検出部４４が両センサ３の回動を検出して検出信号Ｓｓを制御部４５に出力する。これに応じて、制御部４５が図外の電源部を制御してＡ／Ｄ変換部４１および表示部４２に対する電源供給を開始させる。

続いて、図４に示すように、電線２００を両センサ３によって取り囲んだ状態でレバー２３，２３の押し込みを解除する。この際に、両センサ３が図外のばねの付勢力によって回動させられて、図１，５に示すように、各々の先端部同士が互いに連結して環状体を構成する。この場合、この電流測定装置１では、図６に示すように、両センサ３（各ケース１１，３１）の内周側および外周側が曲面で形成されている。このため、センサの断面形状が角張っている構成とは異なり、電線２００の周辺に他の電線等の障害物が存在していたとしても、センサ３を電線２００の近傍に移動させたり両センサ３を回動させる際にセンサ３がこれらの障害物に引っ掛かるような事態が確実に防止される。また、内周側および外周側を曲面に形成したことで、この部位を矩形、つまり角張った形状とした構成と比較して、ケース１１，３１の剛性が高められているため、障害物との接触等によるケース１１，３１の破損を防止することが可能となっている。

次いで、両センサ３の有芯コイル１２および空芯コイル１３が、電線２００に流れている電流によって電線２００から発生している磁気を検出して、検出信号Ｓｄ１，Ｓｄ２をそれぞれ出力する。この場合、空芯コイル１３は、両端部の外径が両端部を除く他の部分よりも大径に形成されている。このため、両端部の磁気結合が他の部分の磁気結合よりも大きい結果、図５に示すように、第１センサ３ａに配設されている空芯コイル１３の端部と第２センサ３ｂに配設されている空芯コイル１３の端部との間に隙間が生じて両空芯コイル１３が不連続の状態となっていたとしても、この不連続な部分における外乱の影響を少なく抑えることが可能となっている。

次いで、制御部４５が、Ａ／Ｄ変換部４１を制御して、検出信号Ｓｄをアナログ／デジタル変換させて電流データＤｉを出力させる。この場合、測定レンジが最大レンジに設定されているため、制御部４５は、高レベルの磁気の検出に適した空芯コイル１３から出力された検出信号Ｓｄ２をアナログ／デジタル変換させるようにＡ／Ｄ変換部４１を制御する。続いて、制御部４５は、電流データＤｉに基づいて電流値Ｉｍを算出する。次いで、制御部４５は、表示部４２を制御して、算出した算出した電流値Ｉｍを表示させる。

次に、上記した電線２００とは異なる電線に流れている電流の電流値Ｉｍを測定する際には、上記した操作と同様にして、測定レンジを最大レンジに設定した後に、その電線の周囲をセンサ３によって取り囲む。次いで、制御部４５が、Ａ／Ｄ変換部４１を制御して、磁気センサ２から出力されている検出信号Ｓｄをアナログ／デジタル変換させて電流データＤｉを出力させる。この場合、測定レンジが最大レンジに設定されているため、制御部４５は、空芯コイル１３から出力された検出信号Ｓｄ２をアナログ／デジタル変換させるようにＡ／Ｄ変換部４１を制御する。続いて、制御部４５は、電流データＤｉに基づいて電流値Ｉｍを算出すると共に、算出した算出した電流値Ｉｍを表示部４２に表示させる。

ここで、例えば、表示部４２に表示された電流値Ｉｍが比較的小さく、設定した測定レンジの下限に近いときには、測定精度を向上させるために測定レンジを低レンジに変更するのが好ましい。この場合には、操作部４３のレンジ切替えスイッチを操作して、測定レンジを表示された電流値Ｉｍに適合したレンジに変更する。この際に、制御部４５は、操作部４３から出力される操作信号に従ってＡ／Ｄ変換部４１を制御することにより、空芯コイル１３から出力されている検出信号Ｓｄ１に代えて、低レベルの磁気の検出に適した有芯コイル１２から出力されている検出信号Ｓｄ２をアナログ／デジタル変換させる。

次いで、制御部４５は、電流データＤｉに基づいて電流値Ｉｍを算出すると共に、算出した電流値Ｉｍを表示部４２に表示させる。この場合、有芯コイル１２が低いレベルの磁気を正確に検出する特性を有しているため、低レベルの電流値Ｉｍが正確に測定される。

このように、この磁気センサ２および電流測定装置１によれば、有芯コイル１２と空芯コイル１３とを備えたことにより、有芯コイル１２が低レベルの磁気を正確に検出する特性を有し、空芯コイル１３が高レベルの磁気を正確に検出する特性を有しているため、測定対象の電流値Ｉｍに応じて、有芯コイル１２および空芯コイル１３を使い分けることで、小さな電流値Ｉｍから大きな電流値Ｉｍまでを測定することができる。したがって、例えば、電流値が低電流から高電流まで広範囲に亘っている複数の測定箇所の電流を測定する場合であっても、各測定箇所の電流を１台の電流測定装置１で測定することができる結果、このような測定作業を効率的に行うことができる。また、測定範囲を有芯コイル１２および空芯コイル１３の２種類コイルに分担させることができるため、大形の有芯コイル１２だけを用いて低電流から高電流までを測定可能とする構成とは異なり、両コイル１２，１３を適正な大きさで構成することができる。このため、両コイル１２，１３の大形化に伴う磁気センサ２や電流測定装置１の製造コストの高騰を十分に抑えることができる。

また、この磁気センサ２および電流測定装置１によれば、長さ方向と直交する断面の断面積がその両端部において両端部を除く他の部分よりも広くなるように空芯コイル１３を形成したことにより、両端部の磁気結合を他の部分磁気結合よりも大きくすることができるため、磁気センサ２を構成する第１センサ３ａおよび第２センサ３ｂを連結した際に両センサ３ａ，３ｂにそれぞれ配設されている空芯コイル１３の端部同士の間に隙間が生じて両空芯コイル１３が不連続の状態となっているとしても、この不連続な部分における外乱の影響を少なく抑えることができるため、電流値Ｉｍを正確に測定することができる。

さらに、この磁気センサ２および電流測定装置１によれば、両コイル収容部２１，２２の形成部位における内周側および外周側が厚み方向の中央部に向かうに従って徐々に突出する曲面となるようにケース１１，３１を形成したことにより、センサの断面形状が角張っている構成とは異なり、測定対象体としての電線２００の周辺に障害物が存在していたとしても、磁気センサ２を電線２００の近傍に移動させたり磁気センサ２の両センサ３を回動させる際にセンサ３がこれらの障害物に引っ掛かるような事態を確実に防止することができる。また、内周側および外周側を曲面に形成したことで、この部位を矩形に形成した構成と比較して、ケース１１，３１の剛性を十分に高めることができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、円弧状に形成した２つの有芯コイル１２、および各有芯コイル１２に沿って円弧状に配設された２つの空芯コイル１３を備えた例について上記したが、環状（円環状）に形成した単一の有芯コイル、およびこの有芯コイルに沿って環状に配設された単一の空芯コイルを備えて、磁気センサ２を全体として環状に構成することもできる。また、両コイル収容部２１，２２における内周側および外周側の双方を曲面に形成した例について上記したが、内周側および外周側のいずれか一方のみを曲面に形成する構成を採用することもできる。

電流測定装置１の正面図である。 電流測定装置１のブロック図である。 電流測定装置１の側面図である。 第１センサ３ａおよび第２センサ３ｂを回動させた状態の電流測定装置１の正面図である。 磁気センサ２の構成を示す斜視図である。 図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。 第１センサ３ａおよび第２センサ３ｂを回動させた状態の磁気センサ２の斜視図である。 有芯コイル１２の分解斜視図である。 空芯コイル１３の斜視図である。

符号の説明

１ 電流測定装置
２ 磁気センサ
１１，３１ ケース
１１ａ 第１ケース
１１ｂ 第２ケース
１２ 有芯コイル
１２ａ 磁性コア
１２ｃ 巻線
１３ 空芯コイル
１３ａ チューブ
１３ｂ 巻線
２１ 第１コイル収容部
２２ 第２コイル収容部
３１ａ 第３ケース
３１ｂ 第４ケース
４１ Ａ／Ｄ変換部
４５ 制御部

Claims (4)

1. 略弧状または略環状に形成されて磁気を検出するコイルを備えた磁気センサであって、
   前記コイルは、磁性コアの周囲に導線を巻回した第１コイルと、導線を巻回して空芯形に形成されて前記第１コイルに沿って配設された第２コイルとを備えて構成されている磁気センサ。
2. 前記第２コイルは、長さ方向と直交する断面の断面積がその両端部において当該両端部を除く他の部分よりも大きくなるように形成されている請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記第１コイルおよび前記第２コイルを収容可能な略弧状または略環状の収容部を有するケースを備え、
   前記ケースは、前記収容部の形成部位における内周側および外周側の少なくとも一方が厚み方向の中央部に向かうに従って徐々に突出する曲面に形成されている請求項１または２記載の磁気センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の磁気センサと、当該磁気センサの検出信号に基づいて電流を測定する測定部とを備えている電流測定装置。

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