JP2008112982A - 改良型高精度ロゴスキー変流器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のロゴスキー・コイルの外部場排除作用と、複数のプリント回路板でのロゴスキー・コイル配置と同様の出力電圧の増加とを維持しながら、ロゴスキー・コイルを単一のプリント回路板で実現する。
【解決手段】一体に積層された複数の個別の基板層を有するプリント回路板２と、前記個別の基板層のうちの少なくとも３層の周りに巻かれた第１のコイルと、前記第１のコイルの中心を通る第２のコイルと、を備える装置。
【選択図】図１

Description

本発明はロゴスキー変流器に関する。より詳細には、本発明は、プリント回路板上に実現されるロゴスキー変流器を対象とする。

固体母線を通る交流電流を測定するためには、母線に取り付け得る固定式ロゴスキー型コイルをプリント回路板上に有することが望ましい。
プリント回路板上にロゴスキー・コイルを実現するための現在の努力は、複数のプリント回路上に複数のコイルを用いる。コイルを電気的に逆方向に且つ直列に配線すると、それらのコイルを外部の磁場の影響を打ち消すように配置することができる。この方法は、ロゴスキー・コイルの１本の導線をコイルの螺旋巻きの中を通して戻すことによって外部の場の排除と打ち消しを行う従来のロゴスキー・コイルに類似している。

そのようなロゴスキー・コイルでは、複数のプリント回路板を用いることにより、結果的にロゴスキー・コイルの巻数を増加させるので、出力電圧を増加させるという利点がもたらされる。しかし、複数のプリント回路板を使用すると、全体の費用及び複雑さも増加する。さらに、コイルがプリントされた複数のプリント回路板を結合するのに必要な相互接続によって、ロゴスキー変流器システムに新たな不具合箇所がもち込まれ、信頼性が低下する。

従来のロゴスキー・コイルの外部場排除作用と、複数のプリント回路板によるロゴスキー・コイル配置と同様の出力電圧の増加とを実現するロゴスキー・コイルを、単一のプリント回路板で実現させることが望ましい。

本発明によれば、複数のプリント回路板でのロゴスキー・コイル配置の出力電圧の増加と、従来の及び複数のプリント回路板でのロゴスキー・コイルの外部場排除作用とを有する、単一のプリント回路板で実現できるロゴスキー・コイルが発見された。

一つの実施の形態においては、導体の電流を測定するための装置は、複数の個別の基板層を有するプリント回路板と、少なくとも１つの基板層の周りに巻かれた外側コイルと、少なくとも１つの基板層の周りに巻かれた内側コイルと、前記プリント回路板における開口とを有する。

別の実施の形態では、導体の電流を測定するための装置は、複数の個別の基板層を有するプリント回路板と、少なくとも１つの個別の基板層の周りに巻かれた第１のコイルと、第１のコイルの中心を通る導体とを有する。

別の実施の形態では、導体の電流を測定するための装置は、４層の個別の基板層、すなわち第１の表層、第１の内層、第２の内層及び第２の表層を有するプリント回路板と、第１の表層及び第２の表層上に巻かれ、第１の表層、第１の内層、第２の内層及び第２の表層を通る外側コイルと、第１の内層及び第２の内層上に巻かれ、第１の内層及び第２の内層を通る内側コイルとを有する。

以下の詳細な記述及び添付図面は、本発明の様々な例示の実施の形態を説明し図示する。それら記述及び図面は、当業者が本発明を実施し使用することを可能にしようとするものであり、いかなる意味においても本発明の範囲を限定するものではない。開示された方法に関しては、提示されているステップは全くの例示であり、したがって、ステップの順序は必然的でも重要でもない。

ここで、図面、特に図１を参照すると、多層プリント回路板の一部分が全体的に２で示されている。この実施の形態では、プリント回路板２は、一体に積み重ねられた第１の表層１２、第２の表層１４、第１の内層１６及び第２の内層１８を備える。図示の実施の形態では、プリント回路板２の層１２、１４、１６、１８は、公知のフォトレジスト・プロセスを用いて導電トレースを蒸着又はエッチングするようになされた絶縁性回路板基板１０から構成されている。

第１の表層１２及び第２の表層１４の外面上に導電トレースを配設することによって、外側コイル２０が第１の方向に巻かれる。トレースは、プリント回路板２の第１の表層１２、第２の表層１４、第１の内層１６及び第２の内層１８を通る、一連の導電性メッキされた外側コイル・バイアホール２５を用いて螺旋状に接続される。

内側コイル３０が、層１２及び層１４にそれぞれ対向する第１の内層１６及び第２の内層１８の表面に導電トレースを配設することによって、第２の方向に巻かれる。内側コイル３０のトレースは、第１の内層１６及び第２の内層１８を通る、一連の導電性メッキされた内側コイル・バイアホール３５を用いて螺旋状に接続される。内側コイル３０の第２の方向の巻線は、外側コイル２０の第１の方向の巻線に対して電気的に逆向きである。さらに、外側コイル２０と内側コイル３０の大きさの違いを補償するために、内側コイル３０は外側コイル２０よりも高い巻線密度で構成されている。外側コイル２０及び内側コイル３０の断面は４角形である。理解されるように、所望により他の巻き方を用いることができる。

図２に示すように、開口４０がプリント回路板２に形成される。開口４０は、導電性固体母線を受け入れるようになされている。外側コイル２０及び内側コイル３０が開口４０の周囲に延在する。代わりに、開口４０は、この発明の範囲から逸脱することなく、様々な型式の１つ又は複数の導体を受け入れるようになされ得る。

図３において、積分回路５０が出力部４８に結合されている。出力部４８は、外側コイル２０への電気的接続部４６と内側コイル４４への電気的接続部４４とを含む。動作において、従来技術のロゴスキー・コイル１００は、図４に示すように、その瞬間電流ｉ（ｔ）を測定すべき１つ又は複数の導体１１５の周りに配置される。交流波形に対する瞬間電流ｉ（ｔ）は、Ｉ_ｍａｘｓｉｎ（ωｔ）で与えられる。ここで、Ｉ_ｍａｘは電流の振幅である。ロゴスキー・コイル１００に誘導される電圧ｖ（ｔ）は第１式、すなわち

によって定義される。ただし、φ_ｊは合計でＮ巻きのうちの第ｊ番目の巻きに対する瞬間的な磁束である。コアが一定の断面Ｓを有し、線が、断面Ｓの中心を通る線１２０に対して垂直に巻かれ、線が一定の密度ｎで巻かれている場合、相互リアクタンスＭは、Ｍ＝ｕ_０ηＳによって定義される。したがって式１は

のように書くことができる。上記の式によれば、導体は、測定される導体における電流ｉ（ｔ）の変化率に比例する電圧をロゴスキー・コイル１００に誘導する。ロゴスキー・コイルの出力電圧ｖ（ｔ）は出力部４８で測定されることができる。

ロゴスキー・コイルの出力電圧ｖ（ｔ）は、コイルの周囲内を通る交流電流の時間変化率の関数である。積分回路５０が必要なのは、測定される電流ｉ（ｔ）に比例する出力電圧ｖ_ｏｕｔである実際の所定の波形を得るためである。出力電圧の積分は、当技術分野で周知の様々な手段を用いて実施することができる。出力電圧信号ｖ_ｏｕｔは積分器出力部５２で測定することができる。

図１に示すとおり、外側コイル２０と内側コイル３０との間には大きさに差がある。この外側コイル２０と内側コイル３０との大きさの差が、所定の電流ｉ（ｔ）と、プリント回路板の開口４０の外側の導体によって生成される磁界とによって誘導される電圧に差を生じさせることになる。この誘導電圧の差を補償するために、内側コイル３０は外側コイル２０より高い巻線密度で構成されることが望ましい。外側コイル２０と内側コイル２０との電気的な実効形状は、内側コイル３０を外側コイル２０より高い巻線密度で構成することによって実質的に同一にすることができる。

最大実効巻線密度は、主として、プリント回路板製造期間において達成できる孔の最小寸法によって決定され、プリント回路板が厚いほど、メッキされたバイアに対する孔の最小寸法に大きな制約が課される。したがって、内側コイルのバイア３５は２つの基板１０層を通り、外側コイルのバイア２５は４つ全ての基板１０の層を通るので、内側コイル３０の方が高い巻線密度で構成されることができる。

外側コイル２０と内側コイル３０とは電気的に逆方向に巻かれ、それにより、開口４０の外部からの不要な電場を補償する。これにより、ロゴスキー・コイルの測定能力の精度が最大化される。

前述の説明から、当業者は本発明の本質的な特性を容易に確認することができ、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な用途及び状況に適用するように本発明に様々な変更及び修正を加えることができる。

本発明の実施の形態によるロゴスキー・コイルプリント回路板の一部分の透視図である。 図１の回路板を組み込んだ高性能ロゴスキー変流器の平面図である。 図２の高性能ロゴスキー変流器の一部分の拡大図である。 従来技術で周知の基本的ロゴスキー・コイルの透視図である。

Claims (20)

1. 導体の電流を測定するための装置であって、
   一体に積層された複数の個別の基板層を有するプリント回路板と、
   前記個別の基板層のうちの少なくとも３層の周りに巻かれた第１のコイルと、
   前記第１のコイルの中心を通る第２のコイルと、
   を備える装置。
2. 前記第２のコイルが少なくとも１つの前記個別の基板層の周りに巻かれている、請求項１に記載の装置。
3. 前記プリント回路板に形成され、少なくとも１つの導体を受け入れるようになされた開口をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 導体の電流を測定するための装置であって、
   積層された複数の個別の基板層を有するプリント回路板と、
   前記基板層の少なくとも１層の周りに巻かれた外側コイルと、
   前記基板層の少なくとも１層の周りに巻かれた内側コイルと、
   前記プリント回路板に形成され、前記外側コイル及び前記内側コイルがその周りに延在する開口と、
   を備える装置。
5. 前記プリント回路板が４層の前記個別基板層を備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記個別の基板層の第１の表層及び第２の表層上に導電トレースを配設し、前記個別の基板層を通るメッキ孔を用いて前記トレースを接続することによって、前記外側コイルが構成される、請求項５に記載の装置。
7. 前記個別の基板層の第１の内層及び第２の内層を横切って導電トレースを配設し、前記第１の内層及び前記第２の内層を通るメッキ孔を用いて前記トレースを接続することによって、前記内側コイルが構成される、請求項４に記載の装置。
8. 前記外側コイルと前記内側コイルとが電気的に逆方向に巻かれている、請求項４に記載の装置。
9. 前記内側コイルが前記外側コイルよりも高い巻線密度を有する、請求項４に記載の装置。
10. 前記内側コイル及び前記外側コイルに電気的に接続された積分回路をさらに備える、請求項４に記載の装置。
11. 前記開口が細長い、請求項４に記載の装置。
12. 導体の電流を測定するための装置であって、
    第１の表層、第１の内層、第２の内層及び第２の表層を含む個別の基板層を有するプリント回路板と、
    前記第１の表層及び前記第２の表層上に配設され、前記第１の表層、前記第１の内層、前記第２の内層及び前記第２の表層を通る外側コイルと、
    前記第１の内層及び前記第２の内層上に配設され、前記第１の内層及び第２の内層を通る内側コイルと、
    を備える装置。
13. 前記プリント回路板に形成され、前記外側コイル及び前記内側コイルがその周りに延在する開口をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
14. 前記開口が、測定すべき電流が流れる導体を受け入れるようになされている、請求項１２に記載の装置。
15. 前記外側コイルと前記内側コイルとが電気的に逆方向に巻かれている、請求項１２に記載の装置。
16. 前記内側コイルが、複数のメッキ孔を介して前記第１の内層及び前記第２の内層を通る、請求項１２に記載の装置。
17. 前記外側コイルが、複数の孔を介して前記第１の表層、前記第２の表層、前記第１の内層及び前記第２の内層を通る、請求項１２に記載の装置。
18. 前記内側コイルが前記外側コイルよりも高い巻線密度を有する、請求項１２に記載の装置。
19. 前記内側コイル及び外側コイルに電気的に接続された積分回路をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
20. 前記プリント回路板に形成され、前記外側コイル及び前記内側コイルがその周りに延在する開口をさらに備える、請求項１２に記載の装置。

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