JP2009085620A

JP2009085620A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2009085620A
Application number: JP2007252152A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Ueda; 真介植田; Hideki Takenaga; 秀樹武長; Yusuke Miyamura; 雄介宮村; Kazuhisa Yoshiki; 和久吉木; Kazuhiro Matsumoto; 一弘松本
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP4965402B2

Abstract

【課題】電流の流れる電線を貫通させて電流検出する電流センサにおいて、不要外部磁界の検出を抑えて、電流測定精度を高める。
【解決手段】電流センサ１は、開口３を有する４層構造のプリント基板２と、プリント基板２に形成された検出用コイル４とを備える。検出用コイル４は、プリント基板２内の絶縁性基板２２の開口３周囲の表裏両面に形成された複数の放射状ライン４１を、それらの両端部で貫通スルーホール７ａ乃至７ｃにより連続して接続されたトロイダルコイル４２を備え、このコイル４２を巻き進みコイル４３と巻き戻しコイル４４とに二重形成して直列接続して形成される。プリント基板２の表裏両面に非磁性導体のシールド部５を形成して検出用コイル４を覆う。これにより、両コイル４３、４４で検出される不要外部磁界を相殺すると共に、不要外部磁界の遮蔽効果を向上して、電流測定精度をさらに高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、家庭用分電盤の分岐回路等に流れる電流を測定する電流センサに関する。

一般に、送変電機器や家庭用分電盤等の電線に通電される交流電流量を非接触で測定するための電流センサとして、被測定電線をセンサ内に貫通させて測定する貫通型の電流センサが多く用いられている。

このような電流センサは、被測定電線からの誘導電流を検出する検出コイルを含めた導体長が外部電波の波長の略１／１０以上である場合には、その波長の外部電波を受信し易くなる。例えば、電流センサの導体長が数１０ｃｍであれば、電流センサは、１００ＭＨｚ前後の高周波の不要外部磁界を受信することが可能である。この場合、通常、電流センサは、このような高周波電波の不要外部磁界を検出コイルで検出しても、後段の検出電流信号を処理する電流検出回路で高周波成分が取り除かれるので、その影響は殆どない。しかし、例えば、高周波電波がバースト周期等で発生し、このバースト周期に５０／６０Ｈｚ又はそれに近い成分があると、このバースト周期の電波は、電流検出回路の非線形部分で略包絡線検波され、この検波された包絡線は、５０／６０Ｈｚの成分を持つ場合がある。この場合、電流センサの電流検出値は、被測定電線を流れる測定対象の交流電源の１００Ｖライン（５０／６０Ｈｚ）からの電流検出値に、高周波の不要外部磁界による５０／６０Ｈｚの電流検出値が加わることになる。このため、電流センサの電流検出値の誤差が増加し、電流測定精度が劣化することがあった。

ところで、このような不要外部磁界による影響を抑制するために、交流電流検出用コイルにロゴスキーコイルを用いた電流センサが知られている。例えば、絶縁性基板の表裏両面に形成された複数の放射状ラインをスルーホールにより連続接続してトロイダルコイルを形成し、このトロイダルコイルを巻き進みコイルと巻き戻しコイルとに二重形成した交流電流検出用コイルが知られている（例えば、特許文献１参照）。この交流電流検出用コイルは、交流電流の微小電流を検出することができると共に、表裏のコイル形状を対称にして、検出される不要外部磁界の相殺をして電流測定精度を高めている。また、絶縁性基板のコイルパターンの施していない空きスペースに、電気的に同電位となるパターンを施し、静電ノイズによる影響を軽減して、ノイズ特性を改善している。しかし、このコイルは、放射状ライン部分がシールドされていないため、高周波の不要外部磁界の影響を受け易くなる場合があった。
特開２００７−５７４９４号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、電流が流れる導体を貫通させるための開口を形成した交流電流検出用コイルを有する電流センサにおいて、不要外部磁界による影響を軽減し、電流測定精度をより高めることができる小型の電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、電流が流れる導体を貫通させるための開口を絶縁性基板に形成するとともに、該開口の周囲の表裏両面に放射状に形成された導体箔よりなる複数の放射状ラインを有し、この放射状ラインの両端部でそれぞれ前記表裏の放射状ラインを電気的に連続して接続するトロイダルコイルを備え、このトロイダルコイルを巻き進み方向と巻き戻し方向とに二重形成して連続接続してなる交流電流検出用コイルを備えた電流センサであって、前記交流電流検出用コイルの表面を覆うための非磁性導体を有したシールド部をさらに備え、前記絶縁性基板とシールド部は、前記導体箔が絶縁性基板で絶縁されて複数に積層された多層構造のプリント基板に形成されているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の交流電流検出用コイルにおいて、前記プリント基板の絶縁された導体箔間は、該プリント基板を厚さ方向に貫く貫通スルーホールにより接続するものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の交流電流検出用コイルにおいて、前記放射状ラインを前記プリント基板の内層の導体箔の任意の２層に形成すると共に、この２層の放射状ラインの端部を該２層間の絶縁性基板を厚さ方向に貫通し、前記プリント基板の表裏両面を厚さ方向に貫通しない非貫通スルーホールにより接続し、前記シールド部を、前記プリント基板の放射状ラインが形成された前記２層の外側の任意の層に設けたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の交流電流検出用コイルにおいて、前記シールド部は、前記プリント基板の絶縁性基板に形成される開口の内周面を覆うように形成されたものである。

請求項１の発明によれば、プリント基板のシールド部により、交流電流検出用コイルの表面の略全面を覆ってシールドすることができるので、高周波ノイズを含む不要外部磁界に対する遮蔽効果が向上し、不要外部磁界の影響をより低減でき、安定した高精度の電流検出を行うことができる。また、絶縁性基板とシールド部がプリント基板に一体に形成されることにより、薄型化できると共に、製造工程を簡素化でき、製造コストを削減することができる。また、交流電流検出用コイルで検出された誘導磁界がシールド部に集中することを無くすことができるので、電流検出感度の低下を抑制することができる。

請求項２の発明によれば、スルーホールの加工工程に、通常使用されるプリント基板の製造工程を使用できるので、製造コストを低減することができる。

請求項３の発明によれば、２層間の放射状ラインを接続するスルーホールの端部が、プリント基板の表裏面のシールド部を貫通して外部に現れないので、プリント基板内に形成されれた交流電流検出用コイルのシールド効果が高まり、不要外部磁界の影響をより低減することができる。

請求項４の発明によれば、プリント基板の開口の内周面から入ってくる不要外部磁界の低減を図ることができるので、不要外部磁界の影響をさらに低減することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る電流センサ１について、図１乃至図５を参照して説明する。図１乃至図３において、本実施形態の電流センサ１は、多層構造のプリント基板２と、プリント基板２に形成された開口３の回りに形成された交流電流検出用コイル４（以下、検出用コイルという）と、検出用コイル４をシールドするシールド部５と、検出用コイル４の検出電流の信号処理を行う信号処理回路６とを備える。

プリント基板２は、４層の導体箔がそれぞれ絶縁性基板２１、２２、２３で絶縁されて積層された４層構造からなる。プリント基板２の表裏両面の第１層目、４層目の各導体箔は、非磁性導体の金属箔（例えば、銅箔）からなり、これら導体箔は、それぞれプリント基板２を表裏両面から覆うシールド部５のシールド層５ａ、５ｂとなっている。また、プリント基板２の内層の第２層目、３層目の導体箔２４、２５は、これらを絶縁する絶縁性基板２２の表裏に配設され、検出用コイル４を構成する。また、プリント基板２の表面側には、信号処理回路６が形成され、信号処理回路６には、接続ライン４６を介して検出用コイル４の検出電流出力が入力される。また、プリント基板２の各導体箔間の接地は、プリント基板２の表裏両面をその厚さ方向に貫通する貫通スルーホール８により行われる。

開口３は、電流が流れる被測定電線（導体）を貫通させるためのプリント基板２に形成された略円形の貫通孔である。この開口３の周囲には、開口３を貫通する被測定電線に流れる交流電流を検出するための検出用コイル４が形成される。

検出用コイル４は、絶縁性基板２２の開口３の周囲の表裏両面の導体箔２４、２５に放射状に形成された複数の放射状ライン４１と、これら放射状ライン４１の両端部に形成され絶縁性基板２２をその厚さ方向に貫通するスルーホール７とを備える。このスルーホール７は、絶縁性基板２２を貫通すると共に、プリント基板２の表裏両面をその厚さ方向に貫通する貫通スルーホール７ａ、７ｂ、７ｃよりなる。この貫通スルーホール７ａ、７ｂ、７ｃにより、絶縁性基板２２の表裏両面の放射状ライン４１がその端部で互いに電気的に連続して接続され、トロイダルコイル４２が形成される。このトロイダルコイル４２は、絶縁性基板２２で巻き進み方向の巻き進みコイル４３と巻き戻し方向の巻き戻しコイル４４とに二重形成され、これら巻き進みコイル４３と巻き進みコイル４３を連続接続することにより、検出用コイル４が構成される。この検出用コイル４により、開口３を貫通する被測定導体を流れる電流の検出電流は、両コイル４３、４４に発生する各誘導電流の和となり、全コイルの巻き数に比例した誘導電流が得られ、不要外部磁界に対しては、両コイル４３、４４で検出される誘導電流の差が検出される。

また、この巻き進みコイル４３と巻き戻しコイル４４のそれぞれの隣接する放射状ライン４１は、図４に示すように、絶縁性基板２２の表裏で互いの接触を避けるように引き回し形成された接続部４５より接続される。この接続により、絶縁性基板２２の表裏上に平面的にトロイダルコイル４２を二重形成することができ、巻き進みコイル４３と巻き戻しコイル４４とを形成することができる。また、接続部４５は、複数の放射状ライン４１の開口３と反対側の端部側にあって、開口３の略同心円上に等ピッチ間隔で絶縁性基板２２の表裏面に設けられ、放射状ライン４１が絶縁性基板２２の表裏で同一形状であると共に、表裏における接続部４５も同一形状にされている。これにより、巻き進みコイル４３と巻き戻しコイル４４間における外部磁界の相殺精度を向上し、外部磁界の影響を少なくして、電流測定精度を高めている。

また、検出用コイル４で検出された検出電流信号は、接続ライン４６を介して信号処理回路６に伝送され、信号処理回路６により増幅及び信号処理されて、測定電流値となって出力される。この信号処理回路６は、検出用コイル４と同一プリント基板２上に一体化されているので、小型でコンパクトにできる。また、検出用コイル４と信号処理回路６とが接近して配置されるので、接続ライン４６を短くなり、接続ライン４６で不要外部磁界を受け難くなる。

また、図５に示すように、プリント基板２の導体箔２４、２５に形成された検出用コイル４の放射状ライン４１と接続部４５は、プリント基板２の表裏面のシールド層５ａ、５ｂを貫通する貫通スルーホール７ａ、７ｂ、７で接続され、検出用コイル４を形成する。また、シールド部５のシールド層５ａ、５ｂ間は、プリント基板２の表裏両面を貫通するスルーホール８により互いに接地接続されている。また、検出用コイル４で検出した検出電流は、プリント基板２内で検出用コイル４の出力端に接続される接続ライン４６と、接続ライン４６に接続される貫通スルーホール１１を介してプリント基板２上の信号処理回路６に入力される。従って、検出用コイル４により、プリント基板２の開口３を貫通する導体２０を流れる電流を検出して、信号処理回路６より電流測定値を取り出すことができる。また、信号処理回路６のグランドとシールド部５とは、互いに接続され接地される。

ここで、プリント基板２内に形成された検出用コイル４は、プリント基板２の表裏両面の第１及び第４層の導体箔からなるシールド部５（５ａ、５ｂ）で覆われいる。このシールド部５は、検出用コイル４と同一のプリント基板２に形成され、検出用コイル４の表裏面を絶縁性基板２１、２３で絶縁し、これら絶縁性基板２１、２３の外部側をそれらに平面的に密着して覆うことができる。これにより、検出用コイル４の放射ライン４１の表面を一様にシールドすることができるので、放射ライン４１に対する遮蔽効果が大きくなり、放射ライン４１で受かる高周波ノイズを含む不要外部磁界を抑制することができる。また、このシールド部５は、信号処理回路６のグランドと接地されるので、信号処理回路６の接地面が広くなり回路動作が安定する。

このように、本実施形態の電流センサ１によれば、プリント基板２に形成されたシールド部５により、検出用コイル４の表面の略全面を覆ってシールドすることができるので、放射状ライン４１等で受信される高周波ノイズを含む不要外部磁界に対する遮蔽効果が向上し、不要外部磁界の影響をより低減でき、安定した高精度の電流検出を行うことができる。また、絶縁性基板２１乃至２３とシールド部５が多層構造のプリント基板２に一体に形成されることにより、薄型化できると共に、製造工程を簡素化でき、製造コストを削減することができる。また、非磁性導体を有するシールド部５によるシールドにより、検出用コイルで検出した導体２０に流れる電流からの誘導磁界がシールド部５に集中することを無くすことができ、電流検出感度の低下を抑制することができる。

また、プリント基板２を貫通するスルーホールを、貫通スルーホール７ａ、７ｂ、７ｃ、８、１１のように、プリント基板２の表裏両面を貫通する貫通スルーホールとしたことにより、全てのスルーホールの加工工程に、通常使用されるプリント基板２の製造工程を使用できるので、製造コストをさらに低減することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る電流センサ１について、図６乃至図９を参照して説明する。本実施形態の電流センサ１は、絶縁性基板２２の表裏両面の放射状ライン４１の接続を絶縁性基板２２を厚さ方向に貫通し、プリント基板２の表裏両面を厚さ方向に貫通しない非貫通スルーホール７ｄ、７ｅ、７ｆにより接続した点で異なり、その他の構成は、前記実施形態と同様である。

本実施形態の電流センサ１において、絶縁性基板２２の表裏両面の放射状ライン４１が接続されるスルーホール７は、絶縁性基板２２の厚さ方向にのみ貫通して、プリント基板２の表裏両面の厚さ方向に貫通しない非貫通スルーホール７ｄ、７ｅ、７ｆにより形成される。このため、シールド部５（５ａ、５ｂ）には、非貫通スルーホール７ｄ、７ｅ、７ｆに対応する貫通孔が塞がれて無くなり、シールド部５の電磁的遮蔽性が良くなる。

このように、本実施形態の電流センサ１によれば、検出用コイル１が導体箔２４、２５の２層間の放射状ライン４１をプリント基板２の表裏両面を貫通しない非貫通スルーホール７ｄ、７ｅ、７ｆにより接続されるので、非貫通スルーホール７ｄ、７ｅ、７ｆの両端部がプリント基板２の表面に現れなくなり、検出用コイル４は、その表裏面で外部空間とより強く遮蔽される。これにより、シールド部５による不要外部磁界に対する遮蔽効果がさらに向上し、電流測定精度をさらに高めることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る電流センサ１について、図１０及び図１１を参照して説明する。本実施形態の電流センサ１は、シールド部５がプリント基板２の開口３の内周面１２を覆うように形成されたものであり、その他の構成は、前記第１の実施形態と同様である。

本実施形態の電流センサ１によれば、プリント基板２の開口３の内周面１２がシールド部５（５ｃ）によりシールドされることにより、プリント基板２の内周面１２から検出用コイル４内に入ってくる不要外部磁界を低減することができる。これにより、不要外部磁界の影響をさらに抑制でき、電流測定精度をより高めることができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る電流センサ１について、図１２を参照して説明する。本実施形態の電流センサ１は、電流センサ１を覆うシールドケース３０を備えたものであり、その他の構成は、前記第１の実施形態と同様である。

シールドケース３０は、プリント基板２を収納する絶縁体樹脂などの成型により形成された凹形の筺体３１と、筺体３１の蓋となる蓋部３２と、プリント基板２の開口３と略同心円の貫通開口３ａとを備える。また、筺体３１及び蓋部３２の各内面は、それぞれ非磁性導体部材を塗装又はメッキしたシールド面３１ａ、３２ａで覆われている。貫通開口３ａは、筺体３１と蓋部３２を貫通してシールドケース３０を貫通する開口である。電流センサ１は、この貫通開口３ａに被測定導体２０を貫通させることにより、シールドケース３０で覆われた状態で、被測定導体２０に流れる電流を検出することができる。このように、電流センサ１は、シールドケース３０で覆われたことにより、電磁的遮蔽の密閉度が向上し、不要外部磁界に対する遮蔽効果が上がり、電流測定精度をより高めることができる。

なお、本発明は上記各種の実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。上述した各種実施形態では、電流センサを４層の多層構造のプリント基板を用いて形成した場合について説明したが、４層以上の多層構造のプリント基板を用いて形成することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る電流センサの斜視図。上記電流センサの分解斜視図。上記電流センサの平面図。上記電流センサの交流電流検出用コイルの斜視図。上記図３のＸ１−Ｘ１線断面図。本発明の第２の実施形態に係る電流センサの斜視図。上記電流センサの分解斜視図。上記電流センサの平面図。上記図８のＸ２−Ｘ２線断面図。本発明の第３の実施形態に係る電流センサの平面図。上記図１０のＸ３−Ｘ３線断面図。本発明の第４の実施形態に係る電流センサの断面図。

符号の説明

１交流電流検出用コイル
２プリント基板（絶縁性基板）
３開口
４交流電流検出用コイル
５、５ａ、５ｂシールド部（導体箔）
７スルーホール
７ａ、７ｂ、７ｃ、８貫通スルーホール
７ｄ、７ｅ、７ｆ非貫通スルーホール
１２内周面
２０電線（導体）
２１、２２、２３絶縁性基板
２４、２５導体箔
４１放射状ライン
４２トロイダルコイル
４３巻き進みコイル
４４巻き戻しコイル

Claims

電流が流れる導体を貫通させるための開口を絶縁性基板に形成するとともに、該開口の周囲の表裏両面に放射状に形成された導体箔よりなる複数の放射状ラインを有し、この放射状ラインの両端部でそれぞれ前記表裏の放射状ラインを電気的に連続して接続するトロイダルコイルを備え、このトロイダルコイルを巻き進み方向と巻き戻し方向とに二重形成して連続接続してなる交流電流検出用コイルを備えた電流センサであって、
前記交流電流検出用コイルの表面を覆うための非磁性導体を有したシールド部をさらに備え、
前記絶縁性基板とシールド部は、前記導体箔が絶縁性基板で絶縁されて複数に積層された多層構造のプリント基板に形成されていることを特徴とする電流センサ。
前記プリント基板の絶縁された導体箔間は、該プリント基板を厚さ方向に貫く貫通スルーホールにより接続することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記放射状ラインを前記プリント基板の内層の導体箔の任意の２層に形成すると共に、この２層の放射状ラインの端部を該２層間の絶縁性基板を厚さ方向に貫通し、前記プリント基板の表裏両面を厚さ方向に貫通しない非貫通スルーホールにより接続し、
前記シールド部を、前記プリント基板の放射状ラインが形成された前記２層の外側の任意の層に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記シールド部は、前記プリント基板の絶縁性基板に形成される開口の内周面を覆うように形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電流センサ。