JP2009188320A - 電流入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て性を改善すると共に、コモンモードノイズ除去を確実に行なう電流入力装置を実現することにある。
【解決手段】入力電流をシャント抵抗によって電圧に変換して出力する電流入力装置に改良を加えたものである。本装置は、入力電流が入力される固定部品の第１、第２の電流入力端子と、第１、第２の電流入力端子からの入力電流それぞれをシャント抵抗に流す固定部品の第１、第２の電流伝送部品と、閉磁路を構成する磁性材料からなるコアとを有し、コアは、第１、第２の電流入力端子または第１、第２の電流伝送部品が貫通されることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力計、電流計、デジタルマルチメータ等の測定器における電流の入力部分に用いられるものであり、被測定対象からの入力電流をシャント抵抗によって電圧信号に変換して出力する電流入力装置に関し、詳しくは、組み立て性を改善すると共に、コモンモードノイズ除去を確実に行なう電流入力装置に関するものである。

電流入力装置は、例えば、電力計等の測定器の入力部分として用いられ、被測定対象からの電流信号を電圧信号に変換し、後段の測定回路に出力するものである（例えば、非特許文献１、２参照）。また、被測定電流のコモンモードノイズを除去するため、フェライトコアが用いられることが多い（例えば、特許文献１参照）。

図４は、電流入力装置を用いた電力計の外観図である、図４（ａ）は、電力計の前面図であり、図４（ｂ）は、電力計の背面図である。図４において、電力計１００の前面には、表示部、操作部、電源スイッチ等が設けられ、背面には入力エレメントＥ１〜Ｅ３が複数個設けられる。入力エレメントＥ１〜Ｅ３には様々な種類のものがあり、用途に応じて取替えができる。なお、図４では、三相測定を１台の電力計１００で行えるように、３個の入力エレメントＥ１〜Ｅ３が装着されている。

入力エレメントＥ１〜Ｅ３は、被測定対象からの電流を処理する電流入力装置１０と、被測定対象からの電圧を処理する電圧入力装置とが設けられ、電流入力端子１ａ、１ｂ、電圧入力端子Ｖｉｎそれぞれが、装置の筐体の一部を形成する入力エレメントのパネルＰａから外部に突出している。

図５は、入力エレメントＥ１〜Ｅ３の電流入力装置を示した構成図である。図５（ａ）は、電力計の外側からの斜視図であり、図５（ｂ）は、電力計の内側からの斜視図であり、図５（ｃ）は、側面図である。なお、図５において、パネルＰａの図示は省略している。

第１の電流入力端子１ａ、第２の電流入力端子１ｂは、被測定対象からの入力電流が入力される。第１の電流入力用板金２ａは、例えば、銅板であり、一端が第１の電流入力端子１ａと直接接触する。第２の電流入力用板金２ｂは、例えば、銅板であり、一端が第２の電流入力端子１ｂと直接接触する。

シャント抵抗３は、放熱用金属板と抵抗とでモジュール化され、第１、第２の電流入力用板金２ａ、２ｂそれぞれの他端と直接接続され、入力電流を電圧に変換する。

ピックアップボード４は、シャント抵抗３の電圧信号用の出力端子と電気的に接続される。同軸ケーブル５は、ピックアップボード４を介して、シャント抵抗３の出力端子と電気的に接続される。

なお、ピックアップボード４を介してシャント抵抗３と同軸ケーブル５とを接続しているが、同軸ケーブル５は、一般的に外側から保護皮膜、外部導体、絶縁体、内部導体（中心導体）からなる。このような同軸ケーブル５の内部導体および外部導体を、シャント抵抗の出力端子に半田で直接接続することは物理的・作業的に困難である。そこで、ピックアップボード４上に同軸ケーブル５の各導体を接続をしやすくするための接続端子、プリント配線を設けている。

フェライトコア６は、円形の貫通孔を有する環状（例えば、円筒状）であり、同軸ケーブル５が巻かれる。

このような装置の動作を説明する。
第１の電流入力端子１ａを＋側とし、第２の電流入力端子１ｂを基準側とする。被測定対象からの入力電流が、第１の電流入力端子１ａ、第１の電流入力用板金２ａ、シャント抵抗３、第２の電流入力用板金２ｂ、第２の電流入力端子１ｂの順に流れる。

そして、シャント抵抗３によって入力電流が電圧に変換される。さらに、電圧に変換された電圧信号が、同軸ケーブル６によって後段の測定回路に出力される。また、変換された電圧信号に重畳しているコモンモードノイズが、フェライトコア６によって除去されて後段の測定回路に出力される。後段の測定回路は、例えば、バッファアンプ、ＡＤ変換器、アイソレータ等である。

特開２００１−３５１８１８号公報 中西弘文、外３名、「ディジタルパワーメータ ＷＴ２１０／ＷＴ２３０」、横河技報、横河電機株式会社、２００２年、第４６巻、第４号、ｐ．３１−３４ 岩瀬久、外２名、「プレシジョンパワーアナライザ ＷＴ３０００」、横河技報、横河電機株式会社、２００５年、第４９巻、第１号、ｐ．１７−２０

このように、電圧信号を伝送する同軸ケーブル５をフェライトコア６に所定回数巻くことによって、コモンモードノイズを除去している。

しかしながら、所望の周波数帯のノイズ信号を除去するには、同軸ケーブル５のケーブル長だけでなく、ピックアップボード４のプリント配線長をも厳密に調整する必要があった。また、入力エレメントＥ１〜Ｅ３の小型化（薄型化）の要求もあり、フェライトコア６への同軸ケーブル５の巻き方も厳密に管理する必要があった。すなわち、ゆるめて巻いた場合、所望のフィルタ特性が得られない、同軸ケーブル５がエレメント内の所定の高さに入らない、エレメント内の他の部品と干渉してしまう、というような問題があった。

すなわち、同軸ケーブル５のケーブル長の管理、巻き方（いわゆるフォーミング）の管理等が必要であり、電流入力装置の組み立て作業者によってコモンモードノイズ除去の特性にばらつきが生じるという問題があった。

そこで本発明の目的は、組み立て性を改善すると共に、コモンモードノイズ除去を確実に行なう電流入力装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
入力電流をシャント抵抗によって電圧に変換して出力する電流入力装置において、
前記入力電流が入力される固定部品の第１、第２の電流入力端子と、
前記第１、第２の電流入力端子からの入力電流それぞれを前記シャント抵抗に流す固定部品の第１、第２の電流伝送部品と、
閉磁路を構成する磁性材料からなるコアと
を有し、前記コアは、前記第１、第２の電流入力端子または前記第１、第２の電流伝送部品が貫通されることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
電流伝送部品は、板金加工、切削加工、鋳物の少なくともいずれかで作成されることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
コアは、フェライトコアであることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、
入力電流をシャント抵抗によって電圧に変換して出力する電流入力装置において、
前記シャント抵抗によって電圧信号に変換される前の入力電流が流れる経路の固定部品に、前記入力電流に含まれるコモンモードノイズを除去するためのフェライトコアを設けたことを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
電力計における電流の入力部分に用いられることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
コモンモードノイズ除去用のコアの貫通孔に、固定部品の電流入力端子または電流伝送部品を貫通させるので、電流入力装置の組み立て時に経路長やフォーミングを管理する必要が無くなる。これにより、組み立て性が改善されると共に、所望のフィルタ特性を容易に実現でき、コモンモードノイズ除去を確実に行なうことができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図である。図１（ａ）は、電力計の外側（入力エレメント外側）からの斜視図であり、図１（ｂ）は、電力計の内側（エレメント内側）からの斜視図であり、図１（ｃ）は、側面図である。なお、図４、図５と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。また、図１に示す電流入力装置は、図４、図５同様に入力エレメントＥ１〜Ｅ３の一部（電流の入力部分）に用いられるが、電力計１００、入力エレメントＥ１〜Ｅ３、入力エレメントＥ１〜Ｅ３のパネルＰａの図示は省略している。

また、図２は、図１に示す電流入力装置の組立分解図である。なお、図２においては、各部品同士を固定するためのナット等の図示は省略している。

図１、図２において、第１、第２の電流入力用板金２ａ、２ｂの代わりに第１、第２の電流入力用板金７ａ、７ｂが設けられ、フェライトコア６の代わりにフェライトコア８が設けられる。

続いて、各部品を詳細に説明する。
第１、第２の電流入力端子１ａ、１ｂのそれぞれは、概棒状であり、切削加工や鋳物等によって形成された金属製（例えば、真鍮にメッキ）の固定部品であり、入力電流が流れる経路である。そして、第１、第２の電流入力端子１ａ、１ｂの一端側は、リード線（被測定対象と電気的に接続され、被測定対象と本装置間における入力電流の伝送経路）の端子（バナナ端子、フォーク端子、わに口端子、被覆を剥いたリード線等）が接続される。なお、入力端子１ａ、１ｂの一端側には、端子固定用、ユーザの感電防止用、極性の判断用、電圧入力端子との識別用等のために絶縁物のカバー等が取り付けられる。

第１の電流入力用板金７ａは、１枚の金属板（例えば、銅板）を塑性変形させて形成されたものであり、固定部品である。入力用板金７ａは、第１部材７ａ（１）、第２部材７ａ（２）、第３部材７ａ（３）、第４部材７ａ（４）を有し、第１の電流入力端子１ａからの入力電流をシャント抵抗３に流す経路である。

第２の電流入力用板金７ｂは、１枚の金属板（例えば、銅板）を塑性変形させて形成されたものであり、固定部品である。入力用板金７ｂは、第１部材７ｂ（１）、第２部材７ｂ（２）、第３部材７ｂ（３）を有し、シャント抵抗３からの入力電流を第２の電流入力端子１ｂに流す経路である。

入力用板金７ａ、７ｂの第１部材７ａ（１）、７ｂ（１）のそれぞれは、電流入力端子１ａ、１ｂの他端と電気的に接続され、例えば、ナットで固定される。

入力用板金７ａ、７ｂの第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）のそれぞれは、所定の空隙をもって互いに対向して平行に設けられる。

第３部材７ａ（３）、７ｂ（３）のそれぞれは、シャント抵抗３の電流入力端子に電気的に接続され、例えば、半田で固定される。

第４部材７ａ（４）は、フェライトコア８を固定するためのものである。

なお、第１の電流入力用板金７ａは、特許請求の範囲の第１の電流伝送部品に相当し、第２の電流入力用板金７ｂは、特許請求の範囲の第２の電流伝送部品に相当する。

シャント抵抗３は、放熱用金属板と抵抗とでモジュール化され、第１、第２の電流入力端子７ａ、７ｂを介しての入力電流を電圧に変換し、電圧出力端子から電圧信号を出力する。

ピックアップボード４は、シャント抵抗３の電圧出力端子と電気的に接続され、例えば、半田で固定される。また、ピックアップボード４は、測定回路が実装させるプリント基板上のコネクタ（図示せず）と電気的に接続され、例えば、コネクタの端子と半田で固定される。なお、測定回路とは、本電流入力装置の後段に相当し、本装置が変換した電圧信号を処理する回路（バッファアンプ、ＡＤ変換器、アイソレータ、ＤＳＰ等）である。

フェライトコア８は、半円筒状に２分割可能な概円筒形状であり、中心部に中空を有する環状の閉磁路で構成される。フェライトコア８の中空部分（貫通孔部分）は、第１、第２の電流入力用板金７ａ、７ｂの第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）が貫通される。

なお、入力端子１ａ、１ｂ、入力用板金７ａ、７ｂの固定部品とは、電流入力装置を組み立てる際に、部品の形状を変形させない部品のことである。もちろん、作業者が、強制的に力を加えれば変形してしまうが、通常の作業手順で形状の変形（フォーミング）の必要が無いという意味である。つまり、図４に示す同軸ケーブルは、組み立て時にフェライトコア６に巻きつけ形状を変形しているので、可動部品と呼べる。

このような装置の組み立て動作を説明する。
第１の電流入力端子１ａの他端を、第１の電流入力用板金７ａの第１部材７ａ（１）の孔にさしこみ、ナットによって端子１ａの他端と第１部材７ａ（１）とを固定かつ電気的に接触させる。

第２の電流入力端子２ａの他端も同様に、第２の電流入力用板金７ｂの第１部材７ｂ（１）の孔にさしこみ、ナットによって端子１ｂの他端と第１部材７ｂ（１）とを固定かつ電気的に接触させる。

シャント抵抗３の電流入力端子を、第１の電流入力用板金７ａの第３部材７ａ（３）、第２の電流入力用板金７ｂの第３部材７ｂ（３）それぞれの孔にさしこみ、半田付けして固定かつ電気的に接触させる。

シャント抵抗３の電圧出力端子を、ピックアップボード４の孔に一方の面からさしこみ、半田付けして固定かつ電気的に接触させる。さらに、ピックアップボード４の他方の面上にあらかじめ設けておいてピンを、後段の測定回路のプリント基板上のコネクタ（図示せず）に半田付けして固定かつ電気的に接触させる。

フェライトコア８を２分割し（図２参照）、フェライトコア８の半円筒それぞれで電流入力用板金７ａ、７ｂの第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）を挟むようにし、フェライトコア８を閉じる。組み立て後は、フェライトコア８の貫通孔を、第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）が貫通する構成となる。

このように、図１、図２に示す装置では、電流入力端子１ａ、１ｂから後段の測定回路までの信号経路に可動部品のケーブルを用いず、ケーブル結線が存在しない。

なお、図１、図２に示す装置では、第１の電流入力用板金７ａに、フェライトコア８を固定するための固定用部材７ａ（４）を設け、フェライトコア８を固定しているが、固定する部材は、第２の電流入力用板金７ｂに設けても、その他の部品に設けてもよい。

続いて、このような装置の動作を説明する。
第１の電流入力端子１ａを＋側とし、第２の電流入力端子１ｂを基準側とする。被測定対象からの入力電流が、第１の電流入力端子１ａ、第１の電流入力用板金７ａ、シャント抵抗３、第２の電流入力用板金７ｂ、第２の電流入力端子１ｂの順に流れる。そして、シャント抵抗３によって入力電流が電圧に変換される。さらに、電圧に変換された電圧信号が、ピックアップボード４を介して後段の測定回路に出力される。また、入力電流に重畳しているコモンモードノイズが、フェライトコア８によって除去されて後段の測定回路に出力される。

このように、図１、図２に示す装置では、固定部品１ａ、１ｂ、３、４、７ａ、７ｂをナットや半田付け等によって固定し、フェライトコア８と電流入力用板金７ａ、７ｂとを固定する。すなわち、金属板を塑性変形させて形成した電流入力用板金７ａ、７ｂにフェライトコア８を取り付けるので、電流入力装置の組み立て時に同軸ケーブルのケーブル長やフォーミングを管理する必要が無くなり、組み立て作業者の技量によらず組み立てが行なえる。これにより、ケーブル結線がなくなり組み立て性が改善されるとともに、所望のフィルタ特性を容易に実現でき、コモンモードノイズ除去を確実に行なうことができる。また、部品点数（同軸ケーブル）を削減でき、コストも抑えられる。

［第２の実施例］
図３は、本発明の第２の実施例を示した構成図である。図３（ａ）は、電力計の外側（入力エレメント外側）からの斜視図であり、図３（ｂ）は、電力計の内側（エレメント内側）からの斜視図であり、図３（ｃ）は、側面図である。なお、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。また、図３に示す電流入力装置は、図１、図４、図５同様に入力エレメントＥ１〜Ｅ３の一部（電流の入力部分）に用いられるが、電力計１００、入力エレメントＥ１〜Ｅ３、入力エレメントＥ１〜Ｅ３のパネルＰａの図示は省略している。

図３に示す装置において、フェライトコア８の代わりにフェライトコア９が設けられる。フェライトコア９は、フェライトコア８と同様に中心部に中空を有する環状の閉磁路で構成され、概円筒形状を半円筒状に２分割可能となっている。フェライトコア９の中空部分（孔部分）は、第１、第２の電流入力端子１ａ、１ｂの他端側の概棒状部材が貫通される。

このような装置の組み立て動作を説明する。
図１に示す装置とほぼ同様であり、異なる部分を主に説明する。２分割したフェライトコア９の半円筒それぞれで電流入力端子１ａ、１ｂの他端側の棒状部材を挟むようにし、フェライトコア９を閉じる。組み立て後は、フェライトコア９の孔を、電流入力端子１ａ、１ｂが貫通する構成となる。

続いて、このような装置の動作を説明する。
第１の電流入力端子１ａを＋側とし、第２の電流入力端子１ｂを基準側とする。被測定対象からの入力電流が、第１の電流入力端子１ａ、第１の電流入力用板金７ａ、シャント抵抗３、第２の電流入力用板金７ｂ、第２の電流入力端子１ｂの順に流れる。そして、シャント抵抗３によって入力電流が電圧に変換される。さらに、電圧に変換された電圧信号が、ピックアップボード４を介して後段の測定回路に出力される。また、入力電流に重畳しているコモンモードノイズが、フェライトコア９によって除去されて後段の測定回路に出力される。

このように、図３に示す装置では、図１に示す装置と同様に固定部品１ａ、１ｂ、３、４、７ａ、７ｂをナットや半田付け等によって固定している。そして、フェライトコア９と電流入力端子１ａ、１ｂとを固定する。すなわち、切削加工・鋳物で形成した電流入力端子１ａ、１ｂにフェライトコア９を取り付けるので、電流入力装置の組み立て時に同軸ケーブルのケーブル長やフォーミングを管理する必要が無くなり、組み立て作業者の技量によらず組み立てが行なえる。これにより、ケーブル結線がなくなり組み立て性が改善されるとともに、所望のフィルタ特性を容易に実現でき、コモンモードノイズ除去を確実に行なうことができる。また、部品点数（同軸ケーブル）を削減でき、コストも抑えられる。

続いて、図１、図３に示す装置の入力電流との関係を説明する。
図１、図３に示す装置では、フェライトコア８、９を貫通する固定部品が、電流入力用板金７ａ、７ｂか、電流入力端子１ａ、１ｂであるかの違いだが、電力計に用いられる場合、入力電流は大電流（例えば、４０［Ａ］以上）であることが多い。

そのため、シャント抵抗３によって入力電流を電圧信号に変換するまでの経路（入力電流が流れる経路）には、電流損失、放熱等の点から、ケーブルを用いることは困難であり、金属板、金属の棒状部材を用いる必要がある。

一方、金属板（電流入力用板金７ａ、７ｂ）と棒状部材（電流入力端子１ａ、１ｂ）とで比較した場合、金属板の長方形の断面積よりも棒状部材の円形の断面積を大きくできる（長方形の長手方向の幅と、直径とが同じ場合）。従って、図１に示す装置よりも図３に示す装置のほうが、大電流に適している。

すなわち、電流入力装置を入力エレメントＥ１〜Ｅ３に組み込む場合、入力エレメントＥ１〜Ｅ３のパネルＰａ近傍には、電流用、電圧用の入力端子の限られた部品しか存在しないので、フェライトコア９の直径を大きくとることができる場合が多い。一方、電流入力用板金７ａ、７ｂの第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）では、電圧入力側の回路や、後段の測定回路との関係でフェライトコア８の直径を大きくとることが困難な場合が多く、第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）の断面積を大きくできないためである。

従って、フェライトコア９を入力端子１ａ、１ｂ側に設けることにより、第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）の断面積も大きく（フェライトコア８のスペース分を考慮しないですむため）とることができ、結果、より大電流を流すことができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）コモンモードノイズ除去として、フェライトコア８、９を用いる構成を示したが、他の磁性体を用いてもよい。すなわち、閉磁路を構成し中空を有する磁性材料であればどのようなものでもよく、例えば、環状または多角形の閉磁路を構成する磁性材料であればよい。また、材料としては、例えば、アモルファス、パーマロイなどの軟質磁性材料、低価格な軟鉄、ケイ素鋼板でもよい。さらに、磁性材料の磁化曲線のヒステリシス特性の対称性がよいものならば、アモルファスが好ましい。

（２）電流入力用板金７ａ、７ｂは、１枚の金属板から板金加工して製造する構成を示したが、各部材７ａ（１）〜７ａ（４）、７ｂ（１）〜７ｂ（３）を別々に板金加工して製造し、各部材７ａ（１）〜７ａ（４）、７ｂ（１）〜７ｂ（３）を溶接して製造してもよい。

（３）電流入力用板金７ａ、７ｂは、１枚の金属板から板金加工して作成する構成を示したが、切削加工、鋳物などによって作成してもよい。

（４）電流入力用板金の第２部材７ａ（２）、７ｂ（２）の断面形状を長方形とする構成を示したが、半円形状としてもよい。これにより、フェライトコア８の形状を大きくすること無く、大電流を流すことができる。

（５）図１、図３に示す電流入力装置を、電力計１００の入力部分に用いる構成を示したが、被測定対象からの入力電流を電圧に変換して測定・解析等を行なう測定機器であればどのようなものに適用してもよく、例えば、電流計、デジタルマルチメータ、レコーダ等に適用してもよい。

（６）図１、図３に示す装置において、フェライトコア８、９を１個のみ設ける構成を示したが、入力端子１ａ、１ｂ、電流入力用板金７ａ、７ｂの両方に設けたり、複数個のフェライトコア８、９を設ける構成としてもよい。

（７）図１、図３に示す装置において、電流入力端子１ａ、１ｂの材料に真鍮、電流入力用板金７ａ、７ｂの材料に銅を用いる構成を示したが、どのような金属材料を用いてもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。 図１に示す装置の組立分解図である。 本発明の第２の実施例を示した構成図である。 電力計の外観図である。 従来の電流入力装置を構成を示した図である。

符号の説明

１ａ 第１の電流入力端子
１ｂ 第２の電流入力端子
３ シャント抵抗
７ａ 第１の電流入力用板金
７ｂ 第２の電流入力用板金
８、９ フェライトコア

Claims (5)

1. 入力電流をシャント抵抗によって電圧に変換して出力する電流入力装置において、
   前記入力電流が入力される固定部品の第１、第２の電流入力端子と、
   前記第１、第２の電流入力端子からの入力電流それぞれを前記シャント抵抗に流す固定部品の第１、第２の電流伝送部品と、
   閉磁路を構成する磁性材料からなるコアと
   を有し、前記コアは、前記第１、第２の電流入力端子または前記第１、第２の電流伝送部品が貫通されることを特徴とする電流入力装置。
2. 電流伝送部品は、板金加工、切削加工、鋳物の少なくともいずれかで作成されることを特徴とする請求項１記載の電流入力装置。
3. コアは、フェライトコアであることを特徴とする請求項１または２記載の電流入力装置。
4. 入力電流をシャント抵抗によって電圧に変換して出力する電流入力装置において、
   前記シャント抵抗によって電圧信号に変換される前の入力電流が流れる経路の固定部品に、前記入力電流に含まれるコモンモードノイズを除去するためのフェライトコアを設けたことを特徴とする電流入力装置。
5. 電力計における電流の入力部分に用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電流入力装置。

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