JP2010232392A - 零相変流器及び漏電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】板材に内蔵された磁性体コアの周囲に精度良く巻線を巻くことで低コストで、かつ感度が良い零相変流器及び漏電検出装置を提供すること。
【解決手段】本発明の零相変流器は、プリント基板と、前記プリント基板に内蔵された環状磁性体コアと、前記プリント基板に形成され、前記環状磁性体コアの周囲にトロイダル状に巻かれ、進み巻と戻し巻の巻線構造を有するコイルと、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力線配線のブレーカ等の漏電検出に関し、漏電検出するための零相変流器（ＺＣＴ）及び漏電検出装置に関するものである。

零相変流器（ＺＣＴ）の巻き線構造に関し、変流器の磁路に対して直角成分として侵入する外部磁界による磁束の影響を低減するために、巻き始めより巻いたコイルが巻き加算される途中に於いて等価的に巻き始め側に近いコイルの内側にも巻回させたＺＣＴが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、プリント基板に形成したロゴスキーコイルを持つ変流器の例として、巻芯中央の開口部を貫通するような外部磁界が存在する場合でも、外部磁界が電流計測に影響するのを防止し、高精度の電流測定が可能な安価なロゴスキーコイルを有する変流器及び変流器システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２３５５９５号公報 特開２００４−１１９９２６号公報

零相変流器は、磁性体コアを持つトロイダルコイル内に複数の電路を貫通させて、磁気的に打ち消されない漏電電流を検出するものである。したがって、トロイダルコイルを作るためには巻線を精度よく巻く必要があるが、巻き線のばらつきや引き回された電路による磁界の影響により、漏電がない平衡電流時の不要出力が生じていた。

また、トロイダルコイルの巻線を巻くには手動か半自動で巻くしかなく、人手がかかりコスト増の原因となっている。一方、外部磁界の影響は磁気シールドで改善していたが、そのためコストが高くなっていた。

本発明の目的は、板材に内蔵された磁性体コアの周囲に精度良く巻線を巻くことで低コストで、かつ感度の良い零相変流器及び漏電検出装置を提供することである。

本発明の零相変流器は、プリント基板と、前記プリント基板に内蔵された環状磁性体コアと、前記プリント基板に形成され、前記環状磁性体コアの周囲にトロイダル状に巻かれ、進み巻と戻し巻の巻線構造を有するコイルと、を備える。

上記構成によれば、プリント基板内に磁性体コアを入れることによって従来のロゴスキーコイルの感度を良くすることができる。

上記零相変流器において、前記進み巻と戻し巻の巻線構造は、前記磁性体コアの周囲に形成されたプリントパターン及びスルーホールによって構成される。

上記構成によれば、コアの位置とプリントパターンおよびスルーホールにより構成されるコイルの位置のずれを少なくすることができる。

上記零相変流器において、前記コイルは、金型の内部に前記磁性体コアを固定し、前記プリントパターンおよびスルーホールを同時成型して生成される。

上記構成によれば、コア入り板材を低コストで製造できる。

上記零相変流器において、前記環状磁性体コアの内側に配置される第１の板と、前記環状磁性体コアの外側に配置される第２の板と、前記環状磁性体コア、並びに第１の中板及び第２の中板を上下方向で挟む第３の板及び第４の板とを有し、前記プリントパターンは、前記第3の板及び第4の板に形成され、前記スルーホールは、前記第１の板及び第２の板に形成される。

上記構成によれば、中板の厚みを変えるだけで環状磁性体コアの厚みを変更できるので、設計の自由度が増す。

上記零相変流器は、前記プリントパターンを実装した板を有し、前記コイルは、前記板の上に配置された前記環状磁性体コアに対して３次元的に構成される。

上記構成によれば、スルーホールによって上面と底面のコイルを接続する必要がなく、コイルのピッチを狭くして巻き数を増やすことが容易になる。

上記零相変流器は、前記プリントパターンが形成された前記第3の板及び前記第4の板の表面に、絶縁体を介して、外部磁界を減衰させるための金属シールド層を有する。

上記構成によれば、金属シールド層内に渦電流を発生させることによって外部磁界を減衰させて影響を抑えることと合わせて、電界ノイズに対してもシールド効果を有するシールドを容易に構成できる。

本発明の漏電検出装置は、複数の1次導体と、プリント基板に内蔵され、前記複数の1次導体を内側に貫通させる環状磁性体コアと、前記環状磁性体コアの周囲にトロイダル状に巻かれ、進み巻と戻し巻の巻線構造を有するコイルと、前記コイルに発生する誘起電圧による出力電圧を検出する検出部と、を備える。

上記構成によれば、板材に内蔵された磁性体コアの周囲に精度良く巻線を巻くことで感度の良い漏電検出装置を構成することができる。

本発明に係る零相変流器及び漏電検出装置によれば、板材に内蔵された磁性体コアの周囲に精度良く巻線を巻くことで低コストで、かつ感度が良い。

本発明の実施形態にかかる零相変流器のコア入りコイル基板１０を説明するための図（１） 本発明の実施形態にかかる零相変流器のコア入りコイル基板１０を説明するための図（２） 本発明の実施形態にかかる零相変流器のプリントパターン実装を説明するための図 本発明の実施形態にかかる零相変流器のコア入りロゴスキーコイル巻きプリント基板を３層の張り合わせ構造で作る際の説明図（１） 本発明の実施形態にかかる零相変流器のコア入りロゴスキーコイル巻きプリント基板を３層の張り合わせ構造で作る際の説明図（２） 本発明の実施形態にかかる零相変流器のコア入りロゴスキーコイル巻きプリント基板を３層の張り合わせ構造で作る際の説明図（３） 本発明の実施形態にかかる零相変流器のプリントパターン実装を説明するための図 本発明の実施形態にかかる零相変流器の金属シールドを施す処理を説明するための図 回路基板上に構成したロゴスキーコイル（空芯）の原理図 本発明の実施の形態に係る零相変流器を用いた漏電電流検出装置１００のブロック図

本発明の実施形態にかかる零相変流器は、コイルの巻線バラツキを解消し、高精度の出力を得るために、零相変流器をプリント基板によって構成する。すなわち、磁性体コアをプリント基板内に内蔵し、ロゴスキーコイル状のコイルをプリント基板に形成する。

ロゴスキーコイルとは、空芯コイルの構成を指すものであるが、本実施形態のコア入りのコイルは、行き（進み巻）と帰り（戻し巻）の巻き線構造を有するコイルであり、この構成により外部の影響を低減する。

図１，２は、本発明の実施形態にかかる零相変流器のコア入りコイル基板１０を説明するための図である。コア入りコイル基板１０は、図２に示すコア（パーマロイ等）１３を基板１０内に内蔵し、プリントパターン１２とスルーホール１１によって進み巻と戻し巻構造を形成し、ロゴスキーコイル状のコイルパターンでトロイダルコイルを構成する。

図２に示すように、コア入りコイル基板１０は、コア１３が同時成型される中板１５と、コア１３および中板１５を挟む上板１４および底板１６とを有し、プリントパターン１２は、上板１４および底板１６に形成され、スルーホール１１は、中板１５に形成される。本実施形態の零相変流器は、コア入りコイル基板１０内に磁性体コア１３を入れることによって、従来のロゴスキーコイルの感度を良くすることができる。

図３は、本実施形態の零相変流器におけるプリントパターン実装を説明するための図である。本実施形態の零相変流器は、図３（ａ）に示すように、磁性体コア１３を成型品と同時成型してコア入りの板材９を予め作っておき、図３（ｂ）に示すように銅板を張ってコア内蔵両面張り積層板１７を形成し、その後、図３（ｃ）に示すように、プリントパターン１２およびスルーホール１１によってコイルを構成する。

本実施形態の零相変流器によれば、磁性体コア１３を成型品と同時成型するので、磁性体コア１３の位置、プリントパターン１２およびスルーホール１１により形成されるコイルの位置がずれることがない。また、金型の内部に磁性体コア１３を固定しておき、コア入り板材９と同時成型して作ることもでき、これにより安価にコア入り板材９を構成できる。

図４，５，６は、コア入りロゴスキーコイル巻きプリント基板を３層の張り合わせ構造で作る際の説明図である。本実施形態の零相変流器は、図４に示すように、片面銅張り積層板である上板１４と、コアの形をくりぬいた積層板である中板１５と、磁性金属であるコア材１３と、片面銅張り積層板である底板１６とを有し、コア材１３と中板１５を上板１４と底板１６で挟み込んで貼りあわせ、プレスしてコア内蔵両面張り積層板１７を形成する。そして、コア内蔵両面張り積層板１７に通常のパターンエッチングを行う。図４に示すコア入りコイル基板にプリント基板パターンエッチングを行ったものを図５に示す。図５は、コア入りコイル基板１０の積層板１７の表面にパターンエッチング１１、１２を施している。

次に、図６（ａ）、図６（ｂ）を参照し、コア入りロゴスキーコイル巻きプリント基板を３層の張り合わせ構造の断面構造について、説明する。図６（ａ）は、図５に示すコア入りコイル基板１０を上方向から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ部の断面図を示す。図６（ｂ）に示すように、本実施形態のコア入りコイル基板１０は、銅パターン１８が形成された上板１４と底板１６をスルーホール１１で接続し、上板１４と底板１６の間に磁性体コア１３および磁性体コア１３の形にくりぬいた中板１５を挟み込んで貼りあわせた構造を有する。

上述のように、コア入りコイル基板１０は、磁性体コア１３と中板１５を上板１４と底板１６で挟み込んで構成される。そのため、中板の厚みを変えるだけで環状磁性体コアの厚みを変更できるので、設計の自由度が増す。また、汎用の設備で製造することができる。

図７は、本実施形態の零相変流器におけるプリントパターン実装を説明するための図である。本実施形態の零相変流器は、図７（ａ）に示すように、先に磁性体コア１３と樹脂板によりコア入り板材９を同時成型し、図７（ｂ）に示すように、円筒形板材１９に加工し、その後、図７（ｃ）に示すように、レーザーによる３次元的なプリントパターンで上面８および底面７に加えて内壁６を実装し、スルーホール１１を実装する。

円筒形内壁６と上面８および底面７に３次元的にプリントパターンを形成し、コイルの外側の引き回しはスルーホール１１を打ち、上面８と底面７のコイルパターンをつなぐ。一方、底面７にパターンを予め実装しておき、その上に磁性体コア１３を配置し、更にその上に３次元的にコイルを構成することもできる。

３次元的なプリントパターン形成については、ＭＩＰＴＥＣ（Microscopic Integrated Processing TEChnology）微細複合加工技術、およびＭＩＤ（Molded Interconnect Devices）技術が利用できる。これは、成形品の表面に銅の薄膜を形成し、レーザビームによって必要なパターン輪郭部の薄膜を除去することで、パターン形成するものである。

本実施形態の零相変流器によれば、スルーホールによって上面と底面のコイルを接続する必要がなく、コイルのピッチを狭くして巻き数を増やすことが容易になる。すなわち、従来はコイル内径に入るスルーホールの数によってコイルの巻き数が限定されていたが、本実施形態の方法であるとコイル内径部分にスルーホールを打つ必要がなく、巻き数を増やすことができ出力を上げることができ、それによってＳＮ比が改善し、漏電検出の精度を高めることができる。

図８は、本実施形態の零相変流器におけるプリントパターン実装を説明するための図である。本実施形態の零相変流器は、図８（ｂ）に示すように、上板１４に形成された銅パターン１８の上、又は底板１６に形成された銅パターン１８の下に絶縁体を介して金属シールド層３２を形成する。なお、金属シールド層３２は、上板１４に形成された銅パターン１８の上、又は底板１６に形成された銅パターン１８の下の両方に形成しても良い。また、金属シールド層３２の材料は、例えば銅である。金属シールド層３２を実装すると、図８（ａ）に示すように渦電流３１が発生し、外部磁界３０を妨げる方向に作用する。よって、外部磁界３０を減衰させる効果がある。

本実施形態の零相変流器によれば、銅シールド３２内に渦電流３１を発生させることによって外部磁界３０を減衰させて影響を抑えることと合わせて、電界ノイズに対してもシールド効果を有するシールドを容易に構成できる。

図９（ａ）は、回路基板上に構成したロゴスキーコイル（空芯）の原理図を示す。ロゴスキーコイルは進みコイル５０と戻しコイル５１で構成され、電流Ｉが進みコイル５０と戻しコイル５１を貫通して流れた場合に、電圧Ｅを検出する。電圧Ｅは積分回路（増幅回路）５２で積分または増幅され、検出電圧Ｖｉとして取り出される。

図９（ｂ）はその平面図で、それぞれ透過して見た状態を示している。ロゴスキーコイルは、コアを持たない空芯のトロイダルコイルであり、例えばプリント基板を用いて構成される。プリント基板に設けた接続部５４（スルーホール）により裏表を接続してトロイダルコイル状に放射状部５３（プリントパターン）を形成し、電流センサとして構成することが可能である。

ロゴスキーコイルと同一回路基板上のコイル出力近傍に、増幅回路等の信号処理回路を実装することにより、電流検出器の出力線で受けるノイズなどの影響を軽減することができる。また、複数の電流検出を行う必要性がある場合は、１枚の回路基板上に複数のロゴスキーコイルを配置することにより、部品点数を減らすことができ、組立性も向上する。

また、零相変流器の出力段の信号処理回路、補正演算処理回路等も同一基板に実装することにより、さらに部品点数を削減でき、低コストで組立性の良い漏電検出装置として構成可能である。

ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る零相変流器を用いた漏電検出装置１００について、説明する。図１０は、本実施の形態に係る零相変流器を用いた漏電検出装置１００のブロック図である。図１０では、端相、中相、端相の三相の回路を有する一組の電路に漏電電流検出装置１００を適用した例である。

まず、漏電検出装置１００による漏電検出の原理について説明する。対象となる電路に漏電が生じた場合は、一次導体のいずれかに漏電電流（零相電流）が流れ、複数の一次導体における電流が不平衡となるので、漏電電流により発生する磁束によって零相変流器のコアにおける磁束の状態が変化する。これにより、零相変流器のコイルに誘起電圧が発生し、漏電電流に相当する電圧がコイル両端で生じる。また、漏電が発生していない場合は、複数の一次導体に流れる電流が平衡状態であり、零相変流器のコアにおける磁束は打ち消し合い、コイルに誘起電圧は発生しない。したがって、零相変流器のコイル両端の電圧を漏電検出出力として出力することで、漏電電流の検出が可能となっている。

図１０に示すように、本実施の形態に係る零相変流器を用いた漏電電流検出装置１００は、回路基板１１８と、本実施の形態に係る零相変流器１２０と、信号処理回路１２１と、Ａ／Ｄコンバータ１２２〜１２５と、漏電電流検出回路１２６と、出力端１２７と、回路遮断器接点１２８と、を備える。

回路基板１１８は、電流検出器１１２と、１１３、１１４及び信号処理回路１１５、１１６、１１７を有する。電流検出器１１２、１１３、１１４は、回路基板１１８において回路パターン及びスルーホールによってコイルを形成して構成できる。信号処理回路１１５、１１６、１１７は、電流検出器１１２、１１３、１１４の出力についてそれぞれ増幅等の信号処理を行う。

零相変流器１２０は、交流電源から負荷機器へと接続される一組の電路（端相、中相、端相）の一次導体１１１Ｒ、１１１Ｓ、１１１Ｔに対応して、貫通口が位置するように設けられる。一次導体１１１Ｒ、１１１Ｓ、１１１Ｔは、略並行に一列に並んで配置されており、一次導体１１１Ｒ、１１１Ｓ、１１１Ｔが零相変流器１２０の貫通口を貫通する。ここで、一次導体１１１Ｒ、１１１Ｓ、１１１Ｔは、零相変流器１２０の貫通口の前後の領域で各導体間の距離が変化しないよう略一定に保たれた状態に形成されて設けられている。

信号処理回路１２１は、零相変流器１２０の出力の増幅やフィルタ処理を行う。
Ａ／Ｄコンバータ１２２〜１２５は、信号処理回路１１５、１１６、１１７、１２１のアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。

漏電電流検出回路１２６は、Ａ／Ｄコンバータ１２２〜１２５からのデジタル信号を用いて、これらの出力値を所定の値と比較し、漏電状態か否かを判定し、漏電検出信号を出力端１２７に出力する。

回路遮断器接点１２８は、交流電源が入力される部分の一組の電路に設けられ、電路の開閉器として機能する。回路遮断器接点１２８には、漏電電流検出回路１２６の出力である漏電検出信号が出力端１２７から供給される。

上述した漏電検出装置１００によって漏電状態が検出された場合、漏電検出信号に基づいて、開閉器の回路遮断器接点１２８は負荷への電路を遮断する。開閉器として、電路において所定の過電流が検出された場合に、回路遮断器接点１２８により負荷への電路を遮断する。

以上、漏電電流検出装置１００では、板材に内蔵された磁性体コアの周囲に精度良く巻線を巻くことで感度の良い本実施の形態に係る零相変流器を用いているので、感度が良い漏電電流検出装置１００を構成することができる。

なお、本発明は、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

６ 内壁
７ 底面
８ 上面
９ コア入り板材
１０ コア入りコイル基板
１１ スルーホール
１２ プリントパターン
１３ 磁性体コア
１４ 上板
１５ 中板
１６ 底板
１７ コア内蔵両面張り積層板
１８ 銅パターン
１９ 円筒形板材
３０ 外部磁界
３１ 渦電流
３２ 金属シールド層
５０ 進みコイル
５１ 戻しコイル
５２ 積分回路
５３ 放射状部
５４ 接続部
１００ 漏電検出装置
１１２、１１３、１１４ 電流検出器
１１５、１１６、１１７、１２１ 信号処理回路
１１８ 回路基板
１２０ 零相変流器
１２２〜１２５ Ａ／Ｄコンバータ
１２６ 漏電電流検出回路
１２７ 出力端
１２８ 回路遮断器接点

Claims (7)

1. プリント基板と、
   前記プリント基板に内蔵された環状磁性体コアと、
   前記プリント基板に形成され、前記環状磁性体コアの周囲にトロイダル状に巻かれ、進み巻と戻し巻の巻線構造を有するコイルと、を備える零相変流器。
2. 前記進み巻と戻し巻の巻線構造は、前記磁性体コアの周囲に形成されたプリントパターン及びスルーホールによって構成される請求項１記載の零相変流器。
3. 前記コイルは、金型の内部に前記磁性体コアを固定し、前記プリントパターンおよびスルーホールを同時成型して生成される請求項２記載の零相変流器。
4. 前記環状磁性体コアの内側に配置される第１の板と、
   前記環状磁性体コアの外側に配置される第２の板と、
   前記環状磁性体コア、並びに第１の中板及び第２の中板を上下方向で挟む第３の板及び第４の板とを有し、
   前記プリントパターンは、前記第3の板及び第4の板に形成され、
   前記スルーホールは、前記第１の板及び第２の板に形成される、請求項２記載の零相変流器。
5. 前記プリントパターンを実装した板を有し、
   前記コイルは、前記板の上に配置された前記環状磁性体コアに対して３次元的に構成される請求項２記載の零相変流器。
6. 前記プリントパターンが形成された前記第3の板及び前記第4の板の表面に、絶縁体を介して、外部磁界を減衰させるための金属シールド層を有する請求項４記載の零相変流器。
7. 複数の1次導体と、
   プリント基板に内蔵され、前記複数の1次導体を内側に貫通させる環状磁性体コアと、
   前記環状磁性体コアの周囲にトロイダル状に巻かれ、進み巻と戻し巻の巻線構造を有するコイルと、
   前記コイルに発生する誘起電圧による出力電圧を検出する検出部と、を備える漏電検出装置。

Images