JP2008547155A - 付属センサユニットを備える回路遮断器を含む装置 - Google Patents

Abstract

自蔵式の電流センサユニットは、回路遮断器の付属部品として標準的な回路遮断器と一体になっており、該電流センサユニットは該回路遮断器の変形を最小限しか必要とせず、また該回路遮断器のケースの延長となるものである。電流センサユニットは、プログラム可能なホール効果装置を備えた磁気構造を含み、又、電源部、ホール効果電圧レギュレータ、そして出力信号調整器を含むことができる。
【選択図】図５

Description

−関連出願へのクロスレファレンス−
本願は２００５年２月１８日に出願された、米国仮特許出願第６０／６５４，０７４号に基づく優先権を主張するものであり、当該仮出願を引用により本願に援用するものとする。

電力システムにおいてはしばしば、共有バスから電力が供給される個々の分岐回路を保護し絶縁するために使用される複数の回路遮断器が含まれる。このような分岐回路用遮断器は、正常値を超えた過負荷や短絡状態から生ずる過電流の影響から、設備や配線を保護するために使用される。応用によっては、バスの総電流のうち各回路が引き込む分を決定するために、各分岐回路の電流を監視することが望ましい、もしくは必要とされる場合がある。

このような電流の監視は、料金請求目的、予防保全、負荷の制限又はその他の用途のために電力消費を計測するのに使用することができる。電力システムの設計者は、電流の監視が必要な応用場面において、しばしば市販の独立型電流センサを使用する。これらのセンサは、分流器、変流器、ホール効果センサ、又はその他の多様なセンサの形態を取ることができる。

独立型の電流センサには、例えば、追加の配線が複雑なものとなる、又は電流センサを収納できるように標準的な回路遮断器を変形する必要がある、といった欠点がある。

本発明に係る装置は、標準的な回路遮断器に付属するものとして簡単な自蔵式電流センサユニットを提供する。電流センサユニットを組み込むために回路遮断器を変形する必要が最小限で済み、製造後は回路遮断器と一体の部品となる。本装置の使用者は、配線数の減少、組立時間の短縮、高い精度、及び整合した電流センサと回路遮断器との定格出力（ratings）という利点を得ることができる。一体型の電流センサユニットには非接触誘導技術が使用され、回路遮断器から絶縁されている。これにより、使用者にとってさらなる柔軟性と安全性がもたらされる。

好適な実施形態において、電流センサユニットは、例えば基本的なセンサユニットから、使用者が必要性と費用面での制約に応じた所望の選択機能を得られるように様々なオプションを提供するセンサユニットまで、様々な方法や範囲から構成することができる。製造組立工程において較正や他の調整機能を提供し、仕事量やインベントリを減らすためにプログラミング装置が使用される。個々のセンサユニットは、製品の組立時に正しい値にプログラミングするだけで物理的な回路構成を変えることなく必要なパラメータに調整することができる。標準化されたユニットでも、較正や他の調整機能のために構成要素を変える必要がない。センサユニットが自蔵式であることによって、該センサユニットは、回路遮断器を最小限変形するだけの標準的な回路遮断器のコンパクトな付属部品（アタッチメント）として設計することができる。

本発明の好適な（ベストモードの）実施形態を示した添付図面を用いて、本発明について更に述べる。

図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、略矩形のケース１２を有する標準的なＩＥＬ（磁気）回路遮断器１０を示しており、ケース１２には電流センサユニット１６のケース１４が付属部品として取り付けられている。図示の形態において、回路遮断器のケースは中央の平面に沿って分割され、隅部を例えばリベット１８などの締付具によって接合された２つの略矩形のケース部１２Ａ，１２Ｂとから構成されている。該ケース部の一方は回路遮断器の主要部分を保持するものであり、他方のケース部は回路遮断器のカバーとなっている。電流センサユニット１６のケース１４も同様に構成されている。ケース部１４Ａ，１４Ｂは脚部２０を備えており、該脚部は回路遮断器ケース１２のそれぞれの隅部を覆い、又、回路遮断器のケース部どうしを接合する締付具１８と同じ締付具によって回路遮断器に接合されている。図８Ａは、センサユニットケースが回路遮断器ケースに取り付けられる前の回路遮断器ケース部１２Ａ（例えば、半分）と電流センサユニットケース部１４Ａ（例えば、半分）を示したものである。他の締付装置（図示せず）を、電流センサユニットのケース部どうしの接合を補助するために設けることもできる。

図２は本発明の装置を一部分解した図で、電流センサユニットのケース部の一方（カバーになっている方）を、電流センサユニットの部品を見せるために取り除いたものであり、その詳細は後述する。図３は本発明の装置を一部分解した図で、一般的な回路遮断器の部品と電流センサユニットの部品とを、それぞれのケース部を取り除いて示している。一般的な回路遮断器の構造と動作は周知のものであるから、簡潔な説明のみを述べる。

回路遮断器は磁気回路と電流とからなり、本質的にはハンドル２２を有するトグルスイッチ機構（又は他の動作機構、例えばロッカーアーム（rocker）など）であり、該ハンドルが「ＯＮ」又は「ＯＦＦ」の位置に移動することによって電気回路を開閉する。該ハンドルはコラプシブルリンク（collapsible link、折りたたみ式リンク）によって接触バーに接続されている。該リンクが折りたたまれると、回路遮断器の接触子（接点）の開放が可能となり、それによって電気回路が遮断される。磁気回路はフレーム、アーマチュア、遅延コア、及び磁極片からなる。電気回路は端子、コイル、接触バー、接触子、及びもう一方の端子からなる。回路遮断器を流れる電流が定格トリップ電流の１００％を下回る状態が保たれている限り、遮断器はトリップせず、接触子も閉じられた状態のままである。これらの状況下では、トグルハンドルを動かすことによって電気回路を開閉することができる。電流が所定量増加して定格電流を超えた場合、コイルでは遅延コアをスプリングに抗して磁極片に接触する位置まで移動させるのに十分な磁束が発生する。これにより磁気回路で磁束が増加して、アーマチュアを通常の位置から移動させ、コラプシブルリンク起動させて接触子を開放する。

本発明の好適な実施形態によれば、通電（電流の流れている）主導体２４は、回路板２８に実装したトロイド／ホール効果装置２６を挿通するようにルートされる（経路が決められる）。トロイド２６Ａは電流によって生成された磁界の磁束コンセントレータ（集束装置）となっている。磁束のレベルは、導体をトロイドに複数回挿通させることで強めることができる。この方法は非常に低い電流にも適用できる。複数の並列導体を、その一部のみがトロイドを挿通する状態で使用することもできる。この方法は非常に高い電流を計測するのに使用できる。

図２及び３は、回路板２８に実装されたトロイド２６Ａを示し、通電主導体２４は該トロイドを複数回通過するようにルートされている。図６も同様に参照されたい。図４及び５はトロイドを挿通するようにルートされた単列の導体を（概略的に）示している。これらの図に示されるように、ホール効果装置２６Ｂがトロイドの隙間（ギャップ）に実装されている。

本発明による、電流センサユニットを組み込むための標準的な回路遮断器の変形は簡単なものである。機械的な変形としては、電流センサユニットのケースを回路遮断器のケースの端部に取り付け、それぞれのケースの端部に対向する開口を設けることが含まれる。電気的な変形としては、通常は回路遮断器の端子を該回路遮断器のコイルに接続する通電導体をリルートすることが含まれ、それによって導体は端子からコイルへの経路の間でトロイド（もしくは他の適当な磁束コンセントレータ）を挿通する。

本発明の電気的及び磁気的構成部品の大まかな説明を、図４を参照して述べるが、図４は電流センサユニットの６つの主要な構成部品を示したものである。これら構成部品の説明は以下の通りである。

ホール効果装置−この部品はプログラム可能なホール効果装置２６Ｂであり、該装置は、値域、オフセット、温度補正、直線性、フィルタリング、及びセンサのその他の入出力パラメータを調整するプログラミング装置（３０）を取り付けることが可能である。

磁気構造−この部品は磁性ヨーク２６Ａ（例えばトロイド）からなり、該ヨークは、その磁路にホール効果装置２６Ｂを挿入し位置させ、十分な磁束をホール効果装置に送り、磁性ヨークをセンサアセンブリに取り付け、そして該ヨークを絶縁、断熱する特徴を組み込んでいる。本発明を大電流に適用する場合は該磁気構造は設置しなくてもよい。この場合は、ホール効果装置は単純に通電導体２４の固有（natural）の磁路に設置することができる。別の形態として、トロイドの代わりとなる他の磁気構造を使用することもできる。

信号調整器−この部品（３２）は、ホール効果装置からの未処理の出力（raw output）をエンドユーザが必要とする形式に変換するために使用される。該部品はホール効果装置の信号のレベルをシフトして、信号を増加又は減少する利得を提供できる。また、増加した電流出力を提供することもできる。図７の概略図に示すように、該部品は、レベルシフタ、プライマリゲインステージ（一次増幅段）、セカンダリゲインステージ（二次増幅段）（及び、任意で出力ステージ）によって表される。この部品は電流センサを強化するもので、ホール効果装置からの未処理の出力信号を使用できるエンドユーザには必要がないものである。

電源部−この部品（３４）は、エンドユーザの設備から供給された電力を、電流センサユニットの回路に必要な調整された電圧と電流に変換するために使用される。この部品は、エンドユーザの設備が適正な電圧と電流の十分に調整された電力を供給するものであれば必要がない。付加拡張機能として、電力が利用可能ではあるが他のセンサ回路の要求と両立しないような設備において利用価値を与えるものである。

ホール効果電圧レギュレータ−この部品（３６）は、ホール効果装置に安定した電圧を供給し、その出力が電源の変動に左右されないようにするものである。該部品は、非レシオメトリック（non-ratiometric）動作が必要な応用において正確さを高めるものである。レシオメトリック動作とは、ホール効果装置からの信号が入力電圧の変化に応じて変動することを意味する。この動作は、応用によっては有益なものであり、本発明においては、電源部とホール効果電圧レギュレータのセクションを除去することで得られる。これらのセクションを取り除くと、ホール効果装置への供給電圧の増減率は、出力信号の増減率と等しいものとなる。

プログラミング装置−この部品（３０）は、電流センサユニットの一部ではなく、組立工程において較正や他の調整機能を提供するために使用されるツールである。電流センサユニットのセットアップにこのツールを使用することで、電流センサユニットの製造の際に必要となる仕事やインベントリを減らすことができる。個々のセンサを、物理的な回路構成を変えることなく、製品の組立の際に適正値をプログラミングするだけで、必要なパラメータに調整することができる。

以下に、機能セクション（セクション１乃至７）で構成された実際の実施形態の電気回路構成の更に詳細な説明を、図７の概略図及び添付する表３に挙げられた構成部品を参照して述べる。

１．ホール効果装置
ホール効果装置は、通電導体によって生成される磁界を検知するために用いられる。より確実に磁界を取り込み、又、空間的な変化による影響を減らすために、透磁性材料からなり、磁界を集中に導く形状に形成された磁性ヨークが使用される。ホール効果装置は、他の部分は連続しているトーラス状磁性材料を中断する隙間に介装されている。この方法で、磁気構造の中央を貫いて延びる導体の磁界が磁性材料に誘導される。隙間にホール効果装置を介装することで、磁気回路は、誘導された磁界を隙間を介して、つまり該装置を介して導くことによってのみ完結する。

ホール効果装置は、メモリに加えてアナログ及びデジタル回路を含む、３ピンのプログラム可能な集積回路（例えば、Micronas社製の部品番号ＨＡＬ８０５）である。入力信号は受信の際にデジタルフォーマットに変換される。その後の全ての信号処理はデジタルで行われる。処理後、デジタル信号は出力に使用可能なアナログ信号に変換される。この処理方法は、出力エラーに繋がる温度ドリフト、アナログオフセット、及び機械的歪の影響を大幅に低減する。プログラミングは、供給電圧を調整することで成し遂げられる。該装置は過酷な環境条件下での使用を目的に設計されており、−４０℃〜１５０℃の温度範囲で動作する。

プログラム可能なオプションには値域、スパン、周波数応答、温度補正が含まれる。０．５〜４．５ボルトの出力範囲でプログラミングすることで最大感度が得られ、また標準的に使用される出力スパンが表される。プログラミング用のツールとしては、ホール効果装置の製造者が提供するＰＣベースのコンピュータアプリケーションや適用可能なソフトウェアが含まれる。

センサの電流範囲のプログラミングは、較正試験の装置をＰ１に接続して較正シーケンスを実行することで成し遂げられる。図２に示すように、プログラミングに使用されるリボンケーブルが、電流センサユニットのケースの壁部を挿通してＰ１に接続している。較正ソフトウェアはセンサに最小及び最大の電流値を印加して、ホール効果装置を適切な出力に調整するために必要なパラメータを計算し、それからホール効果装置のレジスタに適正値をロードし、その値が変更されないようにメモリをロックする。較正後、試験装置を取り外してプログラムプラグをＰ１に挿入し、取外し防止のためシールする。

適当な強度の磁気回路を形成するためには、導体をトロイドの中央を複数回挿通させること、即ち、アンペア回数を増やすこと（例えば、５アンペアで５回トロイドを挿通＝２５アンペア回数）によって有効な磁界を増幅させることが、より低い電流で必要となる。ホール効果装置の最小感度によって、許容範囲の精度を与えることになる最小値のアンペア回数が決定される。

２．ホール効果電圧レギュレータ
ホール効果装置はレシオメトリック動作を見せる。すなわち、供給電圧の変化は、出力レベルに比例した変化として反映される。そのため、優れた精度の獲得は、ホール効果装置に電力を供給する電源の精度や安定性に大きく依存している。この理由から、ホール効果装置の電力を与える電源は、高い精度と安定性が得られるように設計される。ＬＭ４０５０ＡＥＭ３−５．０のマイクロパワー基準電圧は、Ｘ１（１倍）ボルテージフォロワとして構成された１／４ＬＭ１２４オペアンプに５．０ボルトの電圧を供給する。双方の装置とも、−４０℃〜１２５℃の温度範囲全域にわたって高い安定性を見せる。この回路の精度は全ての範囲にわたって、±０．１％の範囲である。

３．電源部
電源部セクションは、他の電流センサ回路に１２ボルト電力を供給する入力トレランスの幅広いスイッチング電源からなる。２０〜９５ボルトの間の直流電圧であれば、電流センサに電力を供給するのに使用できる。電源部は、National Semiconductor社製のＬＭ５００８高電圧降圧スイッチングレギュレータをベースとするものである。

４．レベルシフタ
レベルシフタは、５，６及び７のセクションと結合して電流センサの信号調整回路を形成している。このセクションは、Ｒ６とＲ７とから形成される分割器によって設定された電圧をバッファするＸ１ボルテージフォロワである。バッファされた電圧は、出力電圧をシフトさせるプライマリゲインステージに、非ゼロの基準電圧を提供する。例えば、ホール効果装置からの最小電圧が０．５ボルトで０アンペア電流を表わしている場合、分割器の出力を０．５ボルトに設定することで、印加される電流がゼロになるときは、プライマリゲインステージの出力が０．５ボルトだけシフトダウンし、０ボルトのレベルになる。Ｒ６及びＲ７は０．１％の抵抗値許容差と、２５ｐｐｍの温度係数を有する。レベルシフタの出力は、以下の式で表わされる。

５．プライマリゲイン
プライマリゲインステージは、ホール効果装置からの信号を増幅するために使用される差動サミング増幅器（combination difference and summing amplifier）である。Ｒ３−Ｒ２３とＲ４−Ｒ２４との直列の組合せによって、標準的な抵抗器から正確な抵抗値を生成することができる。出力電圧は以下の式の通りである。
Ａ）Ｒ２９とＲ３０とを設置しない場合

Ｂ）Ｒ２９とＲ３０とを設置しない場合で、Ｒ１＝Ｒ２、及びＲ３＋Ｒ２３＝Ｒ４＋Ｒ２４の場合

Ｃ）Ｒ１を設置しない場合で、Ｒ２９＝Ｒ２の場合

例として、Ｒ２９とＲ３０とを設置しない場合を考えると、Ｒ３は２４９Ｋ、Ｒ２３は１Ｋ、Ｒ４は２４９Ｋ、Ｒ２４は１Ｋ、Ｒ１は２００Ｋ、及びＲ２は２００Ｋである。Ｒ２における入力範囲が０．５〜４．５ボルトで、Ｒ１における入力が（先に述べたように）０．５ボルトであるから、増幅器による発生範囲は０．０〜５．０ボルトとなる。全ての抵抗器は、全体の誤差を１％未満に保つために、抵抗値許容差０．１％、温度係数２５ｐｐｍでなくてはならない。

６．セカンダリゲインステージ
セカンダリゲインステージは、プライマリゲインステージの出力をバッファし、他に必要な増幅を行うために使用される。例えば、先に述べた０〜５ボルトの出力を２倍に増幅して０〜１０ボルトの出力にすることができる。このステージでの出力電圧は以下の通りである。

７．出力ステージ
出力ステージは、信号調整回路の選択可能な構成要素である。該ステージは、プッシュプル形式で接続された一対の相補型ＭＯＳＦＥＴ及び適切なバイアス抵抗器ネットワークから構成されている。この構成は必要とされる二つの利点をもたらすものである。第一に、大電流を供給することができ、第二に、電圧の変位を電源レールに限りなく近づけることができる。

電源レールに近い動作は、信号が小さいときには正確さを保つために重要である。０〜１ボルトの出力を実現するためには、１０ミリアンペア未満となる出力におけるゼロ値が１％の範囲内の正確さであることが必要である。０．０〜１００ミリボルトの出力には、出力におけるゼロ値が１ミリボルト未満であることが必要である。演算増幅器では、そのようなパフォーマンスは得られない。よって、例え高出力電流が必要でないときも、ゼロボルトに近い動作が必要であれば、出力ステージの使用が必要である。

電子組み立てのオプション
機能セクションのいくつかを包含し又は排除し、また適正なゼロオームジャンパを設置することで、いくつかのオプションが得られる。生産プリント回路基板は、セクションが実装されるか、又は空けておかれることで所望の機能性を得るようにアレンジされる。以下に、製品オプションについて記載する。

信号調整のオプションは、いずれも同時に出力電圧範囲の選択もできる。以下の例を参照する。

電流センサユニットのケースの構造は、図８Ａに示したものから変形することができる。図８Ｂは、センサユニットケースのケース部分１４Ａ’、１４ｂ’が互いにヒンジ結合される実施形態を示すものである。

前述のように、本発明の利点の一つは、電流センサユニットが標準的な回路遮断器の付属部品として、該回路遮断器を最小限変形するだけで取り付けられるように構成されているということである。しかしながら、本発明の電流センサユニットを、該電流センサユニットを受容するために特別に設計された回路遮断器のケースに組み込むのが望ましい場合も有り得る。図８Ｃは、電流センサユニットのケース部分が、対応する回路遮断器のケース部分と一体的に成型されている実施形態を示すものである。例えば、１４Ａ’’，１２Ａ’’を参照されたい。

図９は異なる磁束コンセントレータ２６Ａ’を使用する本発明の別の実施形態を示すものである。この実施形態において、磁束コンセントレータは電流センサの１つのケース部１４Ａ’’’の部分として成型された保持部３８に支持されている。磁束コンセントレータは矩形の環状体であり、例えばミューメタルやフェライト等の材料から作られた薄板の積層体からなる。磁束コンセントレータ２６Ａ’の脚部はプラスチックスリーブ４０の内部に延在している。該脚部は、スリーブの中心でわずかな隙間をもって接する対向する部分を有している。回路遮断器からの通電導体２４はプラスチックスリーブの周囲を取り巻いている。ホール効果センサ２６Ｂは磁束コンセントレータの隙間に実装されている。回路板４２は磁気構造を覆って配置されている。

本発明の好適な実施形態について図示し説明してきたが、特許請求の範囲においてその範囲が画定されている本発明の原理と精神から逸脱しなければ変更は可能である。例えば、センサユニットが電圧を計測するようにプログラムすることができる。例えば、交流又は直流電流、又はそれらの組合せなどを検知することができる。さらに、本発明の原理のいくつかは、他のタイプの通電装置の自蔵式付属部品として提供することができる。

（ａ），（ｂ），及び（ｃ）はそれぞれ、本発明の一実施形態に従い電流センサユニットを取り付けた標準的な回路遮断器の上面図、側面図、及び斜視図である。 本発明の電流センサユニットのアタッチメントを備えた標準的な回路遮断器の斜視図で、電流センサユニットのケースが開いてユニットの内部が見えている状態のものである。 本発明の電流センサユニットのアタッチメントを備えた標準的な回路遮断器の平面図で、回路遮断器のケースとセンサユニットのケースの双方が開いて、回路遮断器と電流センサユニットの内部が見えている状態のものである（回路遮断器の部品のみを示す）。 本発明に従う電流センサユニットと関連する要素との一形態を示したブロック図である。 トロイド／ホール効果装置を挿通するようルートされた通電主導体を示したやや概略的な斜視図である。 トロイド／ホール効果装置を複数回挿通するようルートされた通電主導体を示したやや概略的な斜視図である。 本発明の実施形態に使用される回路を示した概略図である。 本発明で使用されるケースの変形例である。 本発明で使用されるケースの変形例である。 本発明で使用されるケースの変形例である。 本発明の別の実施形態を示す分解切断斜視図である。

Claims (14)

1. ケース内にスイッチ機構を含む回路遮断器と、
   ケース内に電流検知用アセンブリを自蔵して含む電流センサユニットとからなる装置であって、
   電流センサユニットのケースは回路遮断器のケースに接続され、
   回路遮断器の通電導体は電流センサユニットを挿通するようにルートされる装置。
2. 該電流センサユニットは導体と結合した磁気構造を有する請求項１記載の装置。
3. 該磁気構造は導体が挿通するトロイダルコアからなる請求項２記載の装置。
4. 該磁気構造は、ホール効果装置を含む隙間を有する請求項２記載の装置。
5. 該ホール効果装置はプログラム可能であり、プログラミングコネクタを有する請求項４記載の装置。
6. 該電流センサユニットは、ホール効果レギュレータ、電源部、及びホール効果出力信号調整器の少なくとも１つを含む請求項４記載の装置。
7. 該電流センサユニットは、レベルシフタと、少なくとも１つのゲインステージとからなるホール効果出力信号調整器を有する請求項４記載の装置。
8. 該電流センサユニットは、レベルシフタ、プライマリゲインステージ、セカンダリゲインステージ、及び出力ステージからなるホール効果出力信号調整器を有する請求項４記載の装置。
9. 該電流センサユニットのケースは回路遮断器のケースの端部に取り付けられ、電流センサユニットはそれぞれのケースの対向する開口を介して回路遮断器と通じている請求項１記載の装置。
10. それぞれのケースは締付具によって互いに接続される部分からなる請求項１記載の装置。
11. 該電流センサユニットのケースは互いにヒンジ結合される２つの部分からなる請求項１記載の装置。
12. 該電流センサユニットのケースと回路遮断器のケースとは、締付具で接続された２つの一体に成型された部分で形成されている請求項１記載の装置。
13. 該磁気構造は、電流センサユニットのケース部分と一体の支持部内に取り付けられた磁束コンセントレータからなる請求項１記載の装置。
14. 該磁束コンセントレータは、通電導体が巻回するスリーブの内部を延在する脚部を備えた矩形の環状体からなる請求項１３記載の装置。

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