JP2013061327A - 導体を通る電流を感知する際に使用されるセンサデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流を正確に検知するためのセンサデバイスおよび関連する方法を提供する。
【解決手段】センサデバイス１２は、アパーチャ１１０を画定するロゴスキコイル１０４と、ロゴスキコイルを少なくとも部分的に囲う誘電材料１０８とを含む。誘電材料は、少なくとも約３．５の誘電率を有する。誘電材料は、導体が少なくとも部分的にアパーチャ内に挿入されるときに、誘電材料の少なくとも一部がロゴスキコイルと導体との間に位置決めされるように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明の分野は、全般的にはセンサデバイスおよび方法に関し、より具体的には、導体を通る電流の感知に関する。

少なくともいくつかの既知の需給計器は、電源からユーザに供給される電気を測定するのに使用される。ユーザに供給されるエネルギの量を正確に測定することを可能にするために、需給計器は、しばしば、電源とユーザとの間の導体を通って流れる電流を感知するために１つまたは複数のセンサデバイスを含む。需給計器に含まれるときに、センサデバイスは、電圧および／または電流の動作範囲にわたって正確に機能することが意図されている。

さまざまなタイプの既知の電流センサデバイスが、需給計器内で使用される。たとえば、少なくともいくつかの既知の変圧器センサデバイスは、導体を通って流れる電流を感知するためにマグネットワイヤをその上に巻かれた磁石コア（ｍａｇｎｅｔ ｃｏｒｅ）を含む。しかし、変圧器を含む電流センサデバイスは、一般に、かさばり、高価であることが知られている。既知の電流センサデバイスのもう１つの例が、ロゴスキコイルである。ロゴスキコイルは、コイルを含み、一般に変圧器センサデバイスより小さい。しかし、ロゴスキコイルは、ある範囲の電圧にわたる小電流条件および／または大電流条件中に限られた正確度だけしかもたらさないことが知られている。その結果、製造中に、既知のロゴスキコイルを有する需給計器は、しばしば、これらの不正確さの影響を最小にするために、複数の較正プロセスを受ける。これらの繰り返される較正プロセスは、そのようなセンサデバイスの不正確さを減らすことができるが、これらのプロセスは、需給計器の製造時間および製造コストを増やしもする。

米国特許第７，２２７，４４１号明細書

一態様では、導体を通って流れる電流を感知する際に使用されるセンサデバイスが提供される。センサデバイスは、アパーチャを画定するロゴスキコイルと、ロゴスキコイルを少なくとも部分的に囲う誘電材料とを含む。誘電材料は、少なくとも約３．５の誘電率を有する。誘電材料は、導体が少なくとも部分的にアパーチャ内に挿入されるときに、誘電材料の少なくとも一部がロゴスキコイルと導体との間に位置決めされるように構成される。

もう１つの態様では、電源からユーザに電気エネルギを送る際に使用される需給計器が提供される。需給計器は、導体と、導体を少なくとも部分的に囲むセンサデバイスとを含む。センサデバイスは、ロゴスキコイルと、ロゴスキコイルを少なくとも部分的に囲う誘電材料とを含む。誘電材料は、約３．５より大きい誘電率を有する。誘電材料の少なくとも一部は、ロゴスキコイルと導体との間に位置決めされる。

さらにもう１つの態様では、導体を通る電流を感知するセンサデバイスを製造する方法が提供される。この方法は、ロゴスキコイルを設けることと、コイルが導体の近くに位置決めされるときに誘電材料がロゴスキコイルと導体との間に位置決めされるように誘電材料内でロゴスキコイルを少なくとも部分的に囲うこととを含む。誘電材料は、約３．５以上の誘電率を有する。

例示的なセンサデバイスを含む例示的な需給計器を示すブロック図である。 図１に示されたセンサデバイスの部分分解図である。 図１に示されたセンサデバイスの斜視図である。 図１に示されたセンサデバイスの平面図である。 図１に示されたセンサデバイスと共に使用される例示的な基板およびコイルの斜視図である。 図１に示されたセンサデバイスと共に使用できる例示的なボビンの断面図である。 図１に示されたセンサデバイスと共に使用できる例示的なコイルおよびシールドの回路図である。 ４本のリードワイヤを含む例示的なセンサデバイスの斜視図である。 図８に示されたセンサデバイスと共に使用できる例示的なコイルおよびシールドの回路図である。

図１に、例示的な需給計器１０のブロック図を示す。例示的実施形態では、需給計器１０は、センサデバイス１２、導体１４、およびセンサデバイス１２に結合された計器制御基板１７を含む。導体１４は、バスバー、マルチストランドワイヤ、シングルストランドワイヤ、ケーブル、または電源から電力ユーザへ電気を送るための他の適切な導体を含むことができる。電源は、ガスタービンエンジン、水力発電タービン、風力タービン、太陽電池パネル、ならびに／あるいは別の適切な発電システムおよび／または送電システムなど、配電網および／または発電機システムを限定なしに含むことができる。電源は、計器制御基板１７と通信するスマートグリッドをも含むことができる。ユーザは、住居ユーザ、商業ユーザ、および／または任意のレベルでの電気の任意の他のユーザを限定なしに含むことができる。センサデバイス１２は、導体１４を通って流れる電流を感知するために導体１４に結合される。センサデバイス１２は、感知された電流を表す信号を計器制御基板１７に供給する。センサデバイス１２から受け取られた信号に基づいて、計器制御基板１７は、導体１４を介して電源からユーザへ経時的に送られた電気の量を判定する。

電源からユーザに転送される電気に関して料金が生じる可能性があるので、ユーザが、電源のオペレータによってユーザに送られた実質的にすべての電気について請求されるのではなく、実質的に受け取った電気だけについて請求されることを保証するために、センサデバイス１２が非常に正確であることが望ましい。

この例示的実施形態では、需給計器１０は、さらに、導体１５および１６と、導体１５に結合されたもう１つのセンサデバイス１２とを含む。任意の個数の導体および／またはセンサデバイス（たとえば、１個、３個、６個など）を、他の需給計器実施形態で使用できることを了解されたい。さらに、センサデバイス１２が、需給計器１０内で使用されることだけに限定されるのではなく、発電応用例、公益事業応用例、自動車応用例、機器応用例、遠隔通信応用例、その他など、導体を通る電流を感知する事実上すべての応用例で利用できることを了解されたい。

図２は、例示的なセンサデバイス１２の部分分解図である。例示的実施形態では、センサデバイス１２は、基板１０２、基板１０２の周りに巻かれた複数の巻回部を含むコイル１０４、および誘電材料１０８を含む。コイル１０４は、その中に画定されたアパーチャ１１０を含み、アパーチャ１１０は、（たとえば、サイズ、方位、および／または形状などによって）その中に導体１４を受けるように構成される。誘電材料１０８は、コイル１０４に隣接して、および少なくとも部分的にアパーチャ１１０内に位置決めされる。より具体的には、この実施形態では、誘電材料１０８は、導体１４がアパーチャ１１０を通って位置決めされるときに、少なくとも部分的にコイル１０４と導体１４との間に位置決めされる。

誘電材料１０８は、さまざまな形で構成されたさまざまな特性を有する１つまたは複数の誘電材料を含むことができる。たとえば、誘電材料１０８は、約１０〜１０００Ｈｚで約３．０以上の誘電率を有することができる。いくつかの実施形態では、誘電率を、約３．５、約４．０、約５．０、約８．０、約１２．０、約１７．０、および／または任意の他の適切な誘電率より大きくすることができる。１つの例示的実施形態では、誘電材料１０８の誘電率を、約３．５とほぼ等しくすることができる。もう１つの例示的実施形態では、誘電材料１０８の誘電率を、約６．０とほぼ等しくすることができる。

さらに、誘電材料１０８は、少なくとも１つの厚さを有し、さまざまな厚さを有してもよい。例示的実施形態では、コイル１０４に隣接しておよび少なくとも部分的にアパーチャ１１０内に位置決めされた誘電材料１０８は、約３．０ｍｍの厚さを有する。また、同一の実施形態で、コイル１０４に隣接するがアパーチャ１１０と反対に位置決めされた誘電材料１０８は、約１．２ｍｍの厚さを有する。誘電材料１０８が、センサデバイス１２が本明細書で説明されるように機能することを可能にする任意の１つまたは複数の厚さを有することができることを了解されたい。一般に、誘電材料１０８の厚さは、誘電材料１０８の誘電率、１つまたは複数の導体１４、１５、および１６へのコイル１０４の近接、ならびに／またはセンサデバイスの設置を意図される環境で使用可能な空間などに少なくとも部分的に基づいて選択される。いくつかの例の実施形態では、誘電材料１０８の厚さは、約１．０ｍｍから約３．０ｃｍまでの範囲またはさらに他の実施形態ではより大きい値とすることができる。

例示的実施形態では、誘電材料１０８を、限定なしに、プラスティック材料、熱可塑性材料、熱硬化性材料、セラミック材料、金属材料、木質材料、粘土材料、有機材料、その任意の混合物、および／または本明細書で説明されるように実行するのに適する他の材料など、複数のタイプの材料のうちの１つまたは複数から製造することができる。図２の例示的実施形態では、誘電材料１０８は、Ｖａｌｏｘ（登録商標）ファミリの材料からの市販されているＰＢＴ熱可塑性材料を含む。さまざまな実施形態では、誘電材料１０８は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）材料、室温加硫シリコン（ＲＴＶ）ポリマ、Ｖａｌｏｘ（登録商標）ファミリの材料からの市販されているＰＢＴ熱可塑性材料（たとえば、Ｖａｌｏｘ（登録商標）３６５またはＶａｌｏｘ（登録商標）Ｖ９５６１）、Ｒｙｎｉｔｅ（登録商標）ファミリの材料からの市販されているポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）熱可塑性材料、Ｒｙｔｏｎ（登録商標）ファミリの材料からの市販されているＰＰＳ熱可塑性材料、Ｐｒｉｍｅｆ（登録商標）ファミリの材料からの市販されているＰＰＳ熱可塑性材料、Ｚｙｔｅｌ（登録商標）、Ｓｔａｎｙｌ（登録商標）、またはＲＴＰ（登録商標）ファミリの材料からの市販されているナイロン熱可塑性材料、ＬＣＰ熱可塑性材料（たとえば、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ（登録商標）Ｅ５００８ＬまたはＥ４００８Ｌ材料）などのうちの１つまたは複数を限定なしに含む。１つまたは複数のタイプの誘電材料１０８を、誘電率、１つもしくは複数の製造技法の適切性、寸法安定性、コスト、成形性、加工性、剛性、および／または材料（１つまたは複数）の他の特性に基づいて選択することができる。少なくとも１つの例では、誘電材料１０８は、温度に対する誘電率の変動性に少なくとも部分的に基づいて選択される。

図３は、アパーチャ１１０を通って延びる導体１４を有するセンサデバイス１２（組み立てられて図示）の斜視図である。上で説明したように、センサデバイス１２は、導体１４を通って流れる電流を感知する。具体的には、電流が導体１４を通って流れるときに、電流が、コイル１０４内に誘導される。コイル１０４内に誘導される電流の量は、導体１４を通って流れる電流の量を表す。センサデバイス１２が導体１４の周囲に位置決めされるときに、コイル１０４は、導体１４からある距離だけ間隔をとられる。したがって、静電容量が、コイル１０４と導体１４との間に存在する。この容量は、異なる動作電圧（たとえば、約３０Ｖから約２７７Ｖまでの範囲）でセンサデバイス１２の正確度に影響する可能性がある。例示的実施形態では、誘電材料１０８は、コイル１０４と導体１４との間に画定されるエアギャップ１０６の少なくとも一部の中に位置決めされる。その結果、誘電材料１０８は、コイル１０４および導体１４が非常に接近したままであることを許容しながら、コイル１０４と導体１４との間の容量に影響し、かつ／またはその容量の減少を容易にする。

容量の減少は、センサデバイス１２が、既知のロゴスキコイルまたは他のエアギャップコイルと比較して改善された正確度を伴って導体１４を通って流れる電流を感知することを可能にする。より具体的には、コイル１０４と導体１４との間の容量結合を減らすことによって、動作電圧に対する感度が下げられる。その結果、一貫した電流感知が、大電流および小電流を含む異なる電流の範囲にまたがって異なる動作電圧で実現される。したがって、センサデバイス１２が、需給計器１０内に含まれるときには、既知のセンサデバイスを較正するのに必要な１つまたは複数のプロセスを省略することができる。具体的には、例示的実施形態では、異なる動作電圧にまたがって電流を正確に検出するためのセンサデバイス１２の一貫性は、異なる電圧での使用のために複数の較正係数を必要とする既知の需給計器と比較して、計器制御基板１７が複数の動作電圧に関する１つの較正係数だけを使用することを可能にすることができる。さらに、コイル１０４と導体１４との間の容量の減少は、較正プロセスを減らし、かつ／または単純化するのを容易にするだけではなく、動作電圧範囲および／または動作電流範囲にわたる少なくとも同一の正確度およびしばしば改善された正確度を伴って、製造コスト、リソース、および／または時間を減らすことをも容易にする。

図３に示されているように、この例示的実施形態では、センサデバイス１２は、エンクロージャ１１２を含む。エンクロージャ１１２を、さまざまな材料からおよび／またはさまざまな製造プロセスを介して形成することができる。例示的実施形態では、エンクロージャ１１２は、実質的に誘電材料１０８だけを含み、誘電材料１０８が、コイル１０４の周りでアパーチャ１１０と反対に位置決めされるようになっている。したがって、３相の導体１４、１５、および１６を有する需給計器１０内で使用されるときに、センサデバイス１２を、（図１に示されているように）導体１４の付近で少なくとも１つの他の導体１５に近接して、および潜在的に導体１６に近接して位置決めすることができる。コイル１０４と導体１４との間の相互作用に似て、容量が、コイル１０４と導体１５との間に存在し、この容量は、センサデバイス１２の正確度に悪影響し、かつ／またはこれを劣化させる可能性がある。アパーチャ１１０と反対の誘電材料１０８の位置に起因して、誘電材料１０８は、コイル１０４と隣接する導体１５との間に位置決めされる。したがって、誘電材料１０８は、コイル１０４と導体１５との間の容量を減らすようにさらに設けられる。この形で、センサデバイス１２は、既知のエアギャップコイルと比較して、複数の導体を有する需給計器１０内で使用されるときおよび／または１つもしくは複数の他の導体に非常に近接して使用されるときに、改善された正確度を提供することができる。

いくつかの実施形態で、エンクロージャ１１２は、非誘電材料または異なる特性を有する誘電材料など、誘電材料１０８の他に１つまたは複数の材料を含むことができる。一実施形態では、エンクロージャ１１２は、誘電材料１０８および追加材料を含み、この追加材料は、誘電材料１０８が本明細書で説明されるように実行することを可能にするために、誘電材料１０８をコイル１０４に対して１つまたは複数の位置に支持するために設けられる。追加材料は、プラスティック材料、熱可塑性材料、熱硬化性材料、セラミック材料、金属材料、木質材料、粘土材料、有機材料、その任意の混合物、および／または他の適切な材料を含むことができる。追加材料を、製造技法、寸法安定性、コスト、成形性、加工性、剛性、および／または材料の他の特性などに基づいて選択することができる。そのような実施形態では、誘電材料１０８が（追加材料と比較して）より高コストの材料であるときに、追加材料を含めることが、センサデバイス１２の全体的なコストを下げることができる。さらに、１つまたは複数の追加材料を使用して、誘電材料１０８の支持、コイル１０４の保護および／または絶縁、その他など、１つまたは複数の追加機能を実行することができる。明白であるように、追加材料を、さまざまな実施形態でエンクロージャ１１２の一部として使用することができる。しかし、例示的実施形態では、エンクロージャ１１２が実質的に誘電材料１０８だけを含むので、追加材料は省略される。

エンクロージャ１１２を、誘電材料から製造し、誘電材料１０８および少なくとも１つの追加材料から一体に形成し、または別々の誘電材料（１つまたは複数）１０８および追加材料（１つまたは複数）から組み立てることができる。エンクロージャ１１２および／または誘電材料１０８を、１つまたは複数の射出成形プロセスおよび／または他の適切な製造プロセスを使用して製造することができる。例示的実施形態では、エンクロージャ１１２は、単一の射出成形プロセスを介して構成され、この射出成形プロセスでは、誘電材料１０８が、エンクロージャ１１２を形成するように構成された型に注入される。

代替案では、エンクロージャ１１２を、マルチステージ射出成形プロセスから構成することができる。マルチステージプロセスでは、追加材料が、初期成形プロセスを介して特定の形状に成形される。その後、成形された追加材料が、型内に位置決めされ、誘電材料１０８が、型に注入される。誘電材料１０８は、型および／または追加材料の間に画定された空洞に流れて、誘電材料１０８および追加材料からエンクロージャ１１２を形成する。さまざまな実施形態では、マルチステージ成形プロセスは、比較的高コストの誘電材料を、具体的にはコイル１０４に対して相対的に位置決めし、本明細書で説明される所望の性能が達成されるようにすることを可能にすると同時に、エンクロージャ１１２の他の部分を１つまたは複数の比較的低コストの材料から構成することを可能にする。

コイル１０４および／もしくは導体１４に対して全体にわたって、または所望の位置に誘電材料１０８を設けるために、エンクロージャ１１２を他の製造技法によって構成できることを了解されたい。一例では、誘電材料１０８は、追加材料とは別々に構成され、その後に変形されかつ／または追加材料と共に構成されて、エンクロージャ１１２を形成する。もう１つの例では、円筒形の誘電材料を、追加材料によって形成されたアパーチャ内に挿入して、エンクロージャ１１２を形成することができる。

例示的実施形態では、エンクロージャ１１２は、アパーチャ１１０を画定するマウント１１６を含む。導体１４が、アパーチャ１１０内で受けられる（図３に示されているように）ときに、エアギャップ１０６が、マウント１１６と導体１４との間に形成される。それと同時に、摩擦ばめが、マウント１１６と導体１４との間で作成される。マウント１１６は、誘電材料１０８および／または別の材料を含むことができる。マウント１１６を、さまざまなタイプ、形状、および／または方位の導体を受け、かつ／またはこれに結合するよう設計されたさまざまな異なる形状で形成できることを了解されたい。少なくとも１つの実施形態では、マウント１１６は、長方形形状のバスバー導体との摩擦ばめを形成するように構成されたアパーチャを画定する。

もう一度図２を参照すると、エンクロージャ１１２は、第１部分１１８および第２部分１２０を含む。第１部分１１８は、基板１０２およびコイル１０４が実質的にその中に囲まれるように、第２部分１２０に解放可能に結合される。具体的には、図３に示されているように、組み立てられたときに、第１部分１１８は、少なくとも１つの合いじゃくり継手によって第２部分１２０に結合されて、エンクロージャ１１２を形成する。第１部分１１８および第２部分１２０を、１つまたは複数の突合せ継手、ねじ継手、ヒンジ継手、タブ−スロット配置、実矧ぎ継ぎ配置、ファスナ、その他を限定なしに含む、さまざまな異なる方法によって一緒に結合できることを了解されたい。エンクロージャ１１２は、図３に示されているように全体的にドーナツ形の形状を有するが、他のエンクロージャ実施形態が、基板１０２、コイル１０４、および／またはシールドを少なくとも部分的に囲うサイズにされ、かつ／またはそうするように動作し、誘電材料１０８が本明細書で説明されるように実行することを可能にする、任意の形状および／またはサイズを画定できることを了解されたい。

さらに、例示的実施形態では、誘電材料１０８の厚さは、エンクロージャ１１２全体にわたって変化する。第１部分１１８と第２部分１２０との間の合いじゃくり継手は、第１部分１１８および第２部分１２０のオーバーラップをもたらす。具体的には、この例示的実施形態では、第１部分１１８および第２部分１２０のそれぞれは、アパーチャ１１０で約１．２ｍｍの厚さを有する。第１部分１１８および第２部分１２０が組み立てられるときに、第１部分１１８および第２部分１２０は、合いじゃくり継手で（アパーチャ１１０に沿って）少なくとも部分的にオーバーラップして、約２．４ｍｍの総厚さをもたらす。さらに、この例示的実施形態では、第１部分１１８および第２部分１２０は、小さい合いじゃくり継手での（アパーチャ１１０と反対の）エンクロージャ１１２の外側付近での総厚さが、約１．２ｍｍ未満になるように構成される。エンクロージャ１１２を形成するさまざまな方法を使用して、エンクロージャ１１２および／または誘電材料１０８の１つまたは複数の異なる厚さをもたらすことができることを了解されたい。

さまざまな他の実施形態では、エンクロージャ１１２および／または誘電材料１０８の厚さを、約０．５ｍｍと約３．０ｃｍとの間とすることができる。いくつかの実施形態では、エンクロージャ１１２および／または誘電材料１０８の１つまたは複数の厚さは、約１．０ｍｍと６．０ｍｍとの間である。さらに、さまざまな実施形態では、エンクロージャ１１２および／または誘電材料１０８の１つまたは複数の厚さは、約１．０ｍｍと４．０ｍｍとの間である。組立／製造の方法、選択された誘電材料の特性（１つまたは複数）、および／または所望の性能特性（１つまたは複数）に潜在的に基づいて、エンクロージャ１１２および／または誘電材料１０８が、他の実施形態で異なる厚さを有することができることを了解されたい。さらに、エンクロージャ１１２の他の形状、サイズ、および／または継手を、少なくとも部分的にコイル１０４を囲うのに使用すると同時に、本開示の１つまたは複数の態様と一貫して実行するために誘電材料１０８をコイル１０４に対して相対的に位置決めすることができる。

例示的実施形態では、コイル１０４は、例示的なロゴスキコイルを含む。しかし、センサデバイス１２が、ロゴスキコイル以外のコイルを含むことができることを了解されたい。さらに、本開示の諸態様は、本明細書で説明され、図示されるロゴスキコイルと共に使用されることだけに限定されない。

図５は、エンクロージャ１１２から分離された基板１０２およびコイル１０４の斜視図である。例示的実施形態では、基板１０２は、６つのボビン１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、および１３４（集合的にボビン１２４〜１３４と称する）を含む。各ボビン１２４〜１３４は、実質的に円形の断面を有し、より詳細には、コイル１０４を保持する、両端のフランジ１３５を含むまっすぐの円筒である。他の実施形態では、基板１０２は、異なる個数、形状、および／またはサイズのボビンを有することができる。たとえば、基板１０２は、５つのボビン、８つのボビン、１０個のボビン、３０個のボビン、または別の偶数もしくは奇数のボビンを含むことができる。さらに、基板１０２は、異なる形状および／または卵型断面、楕円断面、もしくは長方形断面などを有するボビンを含むことができる。さらに別の実施形態では、基板１０２は、フランジ１３５に加えてまたはこれ以外の、コイル１０４を支持する異なる構造を含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、コイル１０４は、基板１０２を省略するのに十分に堅い。

例示的実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、ヒンジジョイント１３７を介して一緒に結合される。より具体的には、ボビン１２４および１２６は、その間のピボット運動を可能にするためにヒンジで結合される。さまざまな実施形態では、ボビン１２４〜１３４を、コイル１０４の効率的な巻回部を可能にするために直線に整列させ、かつ／または図５に示されているように実質的に円形の形状を形成するためにお互いに対して相対的にピボット回転することができる。

基板１０２のボビン１２４〜１３４のそれぞれは、非磁気構造であり、ボビン１２４〜１３４が、たとえば熱可塑性材料、セラミック材料、木質材料、または他の種類の適切な材料（１つまたは複数）を含む１つまたは複数の非磁気材料から構成されるようになっている。この例示的実施形態では、ボビン１２４〜１３４のそれぞれは、潜在的に誘電材料１０８と一貫する、誘電材料から製造される。非磁石基板１０２の使用によって、１つまたは複数の磁心を含む既知のセンサデバイスに対するコスト節約を実現することができる。さらに、例示的実施形態では、基板１０２は、かさばる磁心を含む既知のセンサデバイスと比較して、需給計器１０内のおよび／または計器制御基板１７への改善された取付けをもたらす形状および／またはサイズにされる。さらに、この例示的実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、エンクロージャ１１２とは別々に形成される。しかし、ボビン１２４〜１３４が、他のセンサデバイス実施形態でエンクロージャ１１２の１つまたは複数の部分と一体に形成され、かつ／またはそれらの部分を形成できることを了解されたい。

例示的実施形態では、コイル１０４は、各ボビン１２４〜１３４に複数回巻かれる。より具体的には、例示的実施形態では、コイル１０４は、単一のマグネットワイヤを含み、このマグネットワイヤは、コイル１０４が、各ボビン１２４〜１３４上に複数の巻回部を有してボビン１２４からボビン１３４まで巻かれ、その後、各ボビン１２４〜１３４上に追加の巻回部を有してボビン１２４に戻って巻かれることを可能にする。他の実施形態では、ボビン１２４〜１３４上の他の異なる巻き型を使用できることを了解されたい。ボビン１２４〜１３４にまたがる上の巻き型と一貫して、コイル１０４の第１端および第２端は、ボビン１２４で終端される。下でさらに説明される図７に示されているように、コイル１０４の第１端は、リードワイヤ１３６で終端され、コイル１０４の第２端は、リードワイヤ１３８で終端される。

コイル１０４に加えて、例示的実施形態では、１つまたは複数のシールドが基板１０２に適用される。具体的には、図６に、ボビン１２４でのセンサデバイス１２の部分断面図を示す。例示的実施形態では、ボビン１２４は、第１シールド１４０および第２シールド１４２を含む。第１シールド１４０は、ボビン１２４とコイル１０４との間に位置決めされる。第２シールド１４２は、コイル１０４に隣接して第１シールド１４０と反対に位置決めされ、コイル１０４が第１シールド１４０と第２シールド１４２との間に位置決めされるようになっている。各ボビン１２４〜１３４は、図６に示されたものと実質的に同一のシールド−コイル−シールドパターンを含む。他の実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、巻き型がボビンごとに変化する巻き型を含む、他の巻き型を含むことができる。

例示的実施形態では、各シールド１４０および１４２が、ファラデーシールドを設ける。より具体的には、この例示的実施形態では、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、センサデバイス１２上のコモンモード雑音を減らすのを容易にし、かつ／または高周波雑音フィルタリングのための低域フィルタを提供するために、ファラデー箱と実質的に一貫して振る舞う。その結果、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、電磁妨害（ＥＭＩ）および／または電磁適合性（ＥＭＣ）に関する１つまたは複数の産業標準の文脈で性能の改善を容易にする。

製造中に、マグネットワイヤの複数の巻回部が、第１シールド１４０を形成するために各ボビン１２４〜１３４上でボビン１２４からボビン１３４まで巻かれる。その後、コイル１０４が、上で説明したように、ボビン１２４からボビン１３４までおよびボビン１２４に戻って巻かれる。その後、第１シールド１４０のマグネットワイヤが、第２シールド１４２を形成するための各ボビン１２４〜１３４上の複数の巻回部を伴って、ボビン１３４からボビン１２４に戻って巻かれる。したがって、例示的実施形態では、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、単一のマグネットワイヤから形成される。単一のマグネットワイヤは、２つの端を含み、これらの端を、下で説明するように、一緒に終端し、リードワイヤ１３８に結合し、および／または１つもしくは複数の追加のリードワイヤに結合することができる。第１シールド１４０および第２シールド１４２が、限定なしに、銅、アルミニウム、または他の非鉄導電材料などの任意の適切な材料を含むことができることを了解されたい。より一般的に、シールドする材料を、シート、テープ、ワイヤ、スプレイ、ならびに／またはボビン１２４〜１３４がシールド１４０および１４２を含むことを可能にする任意の他の形態として形成することができる。したがって、シールド１４０および／または１４２の応用例を、限定なしに、たとえば巻くこと、ラップすること、および／またはスプレイすることを介して形成することができる。さまざまな実施形態では、第１シールド１４０および第２シールド１４２を、コイル１０４とは別々に形成し、その後にコイル１０４に適用することができる。

もう一度図５を参照すると、センサデバイス１２は、そこから延びる３本のリードワイヤ１３６、１３８、および１４４を含む。図７に、リードワイヤ１３６、１３８、および１４４の結合の回路図を示す。具体的には、例示的実施形態では、第１シールド１４０および第２シールド１４２が、単一のマグネットワイヤから形成され、各端は、一緒に結合され、リードワイヤ１４４に結合される。さらに、（単一のマグネットワイヤから形成される）コイル１０４の第１端は、リードワイヤ１３６に結合され、コイル１０４の第２端は、リードワイヤ１３８に結合される。図５に示されているように、リードワイヤ１３６、１３８、および１４４は、エンクロージャ１１２から延び、より合わされたワイヤセットを形成する。したがって、リードワイヤ１４４は、第１シールド１４０および／または第２シールド１４２からの雑音がセンサデバイス１２によって提供される電流信号の戻り経路に注入されるのを阻止する低域フィルタ要素として振る舞う。より合わされたワイヤセットは、少なくとも約０．２５インチ（０．６３５センチメートル）の長さを有する。他の実施形態では、より合わされたワイヤセットは、少なくとも約１．０インチ（２．５４センチメートル）の長さまたは少なくとも約３．０インチ（７．６２センチメートル）の長さを有することができる。さらなる実施形態では、より合わされたワイヤセットは、少なくとも約６．０インチ（１５．２４センチメートル）の長さを有することができる。リードワイヤおよび／またはより合わされたワイヤセットの他の長さを、おそらくはセンサデバイス１２によって送られる電流信号への雑音の注入を阻止するフィルタとして機能するためのリードワイヤおよび／またはより合わされたワイヤセットの性能に基づいて、他のセンサデバイス実施形態で使用できることを了解されたい。

図８〜９に、もう１つの例示的なセンサデバイス２００を示す。例示的実施形態では、センサデバイス２００は、上で説明したコイル１０４ならびにシールド１４０および１４２と実質的に一貫する、コイル２０４、第１シールド２４０、および第２シールド２４２を含む。しかし、センサデバイス２００は、４本のリードワイヤ２３６、２３８、２４４、および２４５を含む。具体的には、第１シールド２４０および第２シールド２４２を形成するマグネットワイヤの各端は、別々のリードワイヤ２４４および２４５に結合されて、フィルタ要素を作成する。さらに、この例示的実施形態では、２本のリードワイヤ２３６および２３８が、コイル２０４に結合される。図８に示されているように、リードワイヤ２３６、２３８、２４４、および２４５は、より合わされたワイヤセットを形成し、このより合わされたワイヤセットは、図５を参照して上で説明したより合わされたワイヤセットと実質的に一貫して機能する。

計器制御基板１７に結合されるときに、各リードワイヤ２４４および２４５を、一緒に結合し、リードワイヤ２３８に結合することができる。いくつかの実施形態では、より合わされたリードワイヤ２４４および２４５は、フィルタ要素として振る舞うことができる。それに加えてまたはその代わりに、フィルタ要素を、リードワイヤ２４４および２４５とリードワイヤ２３８との間に結合することができる。そのようなフィルタ要素は、抵抗−コンデンサ回路、インダクタ−コンデンサ回路、抵抗−インダクタ回路、および／または抵抗−インダクタ−コンデンサ回路を限定なしに含むことができる。

もう一度図３および７を参照すると、もう１つの実施形態では、シールド１４０および１４２を形成するマグネットワイヤの各端を、一緒に結合し、別々のリードワイヤ１４４ではなくリードワイヤ１３８（すなわち、コイル１０４の一端）に結合することができる。そのような例示的実施形態では、センサデバイス１２は、リードワイヤ１４４を省略しながらリードワイヤ１３６および１３８を含むことができ、これによって、２ワイヤのセンサデバイス１２が提供される。例示的実施形態では、所望の動作環境に関する十分な正確度および／または繰返し性を提供しながら、第１シールド１４０および／または第２シールド１４２からのある雑音が、センサデバイス１２から供給される電流信号の戻り経路に注入される可能性がある。さらなる実施形態では、リードワイヤをセンサデバイス実施形態から省略して、計器制御基板１７などの回路基板への取付けを提供することができる。そのような実施形態では、フィルタ要素を、リードワイヤ１４４を参照して上で説明したように実行するのに十分な長さを有する、計器制御基板１７上のトレースによって設けることができる。それに加えてまたはその代わりに、フィルタ要素は、第１シールド１４０および／または第２シールド１４２からの雑音がセンサデバイス１２によって供給される電流信号の戻り経路に注入されるのを阻止するために、抵抗−コンデンサ回路、インダクタ−コンデンサ回路、抵抗−インダクタ回路、および／または抵抗−インダクタ−コンデンサ回路を含むことができる。

例示的実施形態では、センサデバイス１２は、約１０Ｈｚと約１０００Ｈｚとの間で動作可能であり、この範囲の外の信号に対して実質的に免疫がある。より具体的には、導体１４は、ラジオ周波数（ＲＦ）信号を拾い上げるアンテナとして働き、望まれない雑音をセンサデバイス１２に再放射する可能性がある。第１シールド１４０および第２シールド１４２は、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）出力を提供するために雑音信号の注入を阻止する低域フィルタとして実行する。より詳細には、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、導体１４を通る小電流を感知するときにセンサデバイス１２の出力について高いＳＮＲを提供するために、再放射されたＲＦ信号（および／または他の雑音信号）を拒絶する。電流信号に対する雑音の影響を減らすことによって、適用可能な標準規格の中でのセンサデバイス１２の有効電流感知範囲は、既知のセンサデバイスと比較して、より広い。例示的実施形態では、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、１つまたは複数の追加のフィルタ要素（小電流性能および／または大電流性能に関する）を省略することを可能にすることができる。

さらに、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、ＥＭＩがセンサデバイス１２の正確度に影響することを実質的に阻止する。より具体的には、第１シールド１４０および第２シールド１４２は、センサデバイス１２および／または需給計器１０の正確度に干渉することを意味する隣接するエレクトロニクスおよび／またはデバイスなど、センサデバイス１２に隣接して位置決めされたＥＭＩ源の影響を阻止することを容易にする。さらに、磁心を省略することによって、既知のセンサと比較して、センサデバイス１２は、正確度に対するＥＭＩ影響に対する強化された耐性を提供する。したがって、センサデバイス１２は、１つまたは複数のＥＭＩ源の存在下の他の既知のセンサデバイスと比較して、より頑健および／または正確な電流センサデバイスを提供する。

センサデバイス１２の正確度は、導体１４を通って流れる電流の正確な値のパーセンテージとして理解することができる。例示的実施形態では、センサデバイス１２は、約２アンペアと約２００アンペアとの間の範囲内で実際の値の約±０．２％以内で実行する。より具体的には、センサデバイス１２は、Ｃｌａｓｓ ０．２、０．１Ａから２００Ａまでの約６０Ｖと約６００Ｖとの間の動作電圧、より具体的には約２４０Ｖで、０．２％の正確度以内で実行する。本開示の１つまたは複数の態様と一貫するセンサデバイス１２が、おそらくは所期の応用例および／または所期の応用例に関連する１つまたは複数の正確度要件に依存して、異なる動作電流／電圧で１つまたは複数の異なる正確度標準規格に従うことができることを了解されたい。

導体を通って流れる電流を感知するセンサデバイスを製造するさまざまな方法が、本明細書で説明される。これらの方法は、下ではセンサデバイス１２を参照して説明されるが、これらの方法が、センサデバイス１２に限定されず、他のセンサデバイス実施形態を製造するために利用され得ることを理解されたい。同様に、センサデバイス１２およびセンサデバイス２００を、下で説明されるもの以外の方法から製造することができる。

導体１４を通って流れる電流を感知するセンサデバイス１２を製造する１つの例示的方法は、非磁性基板１０２の周りに複数の巻回部を有するコイル１０４を設けることと、導体１４がセンサデバイス１２によって画定されるアパーチャ１１０内に配置されるときに、誘電材料１０８が導体１４とコイル１０４との間に位置決めされるように、コイル１０４に隣接して誘電材料１０８を位置決めすることとを含む。複数の実施形態では、例示的方法は、エンクロージャ１１２内にコイル１０４および／または基板１０２を少なくとも部分的におよび／または実質的に囲うことを含むことができる。

導体１４を通って流れる電流を感知するセンサデバイス１２を製造するもう１つの例示的方法は、ロゴスキコイル１０４を設けることと、ロゴスキコイル１０４が導体１４の周りに配置されるときに、誘電材料１０８がロゴスキコイル１０４と導体１４との間に配置されるように、誘電材料１０８内にロゴスキコイル１０４を少なくとも部分的に囲うこととを含む。誘電材料１０８は、約３．５以上の誘電率を有する。複数の実施形態では、例示的方法は、その間にロゴスキコイルを配置されたエンクロージャの第１部分およびエンクロージャの第２部分を、ロゴスキコイルを少なくとも部分的に囲うように組み立てることを含むことができる。エンクロージャは、誘電材料を含む。それに加えてまたはその代わりに、例示的方法は、複数の熱可塑性ボビンを有する基板上にロゴスキコイルを形成することを含むことができる。さらに、例示的方法は、誘電材料から複数の熱可塑性ボビンを形成することを含むことができる。

導体１４を通って流れる電流を感知するセンサデバイス１２を製造するもう１つの例示的方法は、基板の複数のボビンのそれぞれの周りにマグネットワイヤの第１シールドを巻くことと、基板の複数のボビンのそれぞれの周りにコイルを巻くことと、基板の複数のボビンのそれぞれの周りにマグネットワイヤの第２シールドを巻くこととを含む。

たとえば、図３のセンサデバイス１２を参照すると、例示的方法は、マグネットワイヤの第１端および第２端をセンサデバイス１２の基準リード１４４に結合することと、コイルの第１端をセンサデバイス１２の第１リード１３６に結合することと、コイルの第２端をセンサデバイス１２の第２リード１３８に結合することとを含むことができる。さらに、例示的方法は、コイル、第１シールド、および第２シールドをエンクロージャ内に少なくとも部分的に囲うことを含むことができ、エンクロージャは、少なくとも１つの誘電材料を含む。

導体１４を通って流れる電流を感知するセンサデバイス１２を製造するもう１つの例示的方法は、アパーチャ１１０を画定する非磁性基板１０２を含むセンサデバイス１２と、非磁性基板１０２の少なくとも一部の周りの複数のコイル巻回部を有するコイル１０４と、基板１０２と複数のコイル巻回部とのそれぞれの間に配置された第１シールド１４０と、複数のコイル巻回部に近接して第１シールド１４０と反対に配置された第２シールド１４２とを設けることを含む。例示的方法は、リードワイヤ１４４を第１シールド１４０および第２シールド１４２のうちの少なくとも１つに結合することと、リードワイヤ１３６をコイル１０４の第１端に結合することと、リードワイヤ１３８をコイル１０４の第２端に結合することと、リードワイヤ１３６、１３８、および１４４からリードワイヤのより合わされたセットを形成することとをも含む。

さまざまな実施形態では、リードワイヤ１４４を第１シールド１４０および第２シールド１４２のうちの少なくとも１つに結合することは、リードワイヤ１４４を第１シールド１４０および第２シールド１４２のそれぞれに結合することを含む。他の実施形態では、リードワイヤを第１シールドおよび第２シールドのうちの少なくとも１つに結合することは、リードワイヤ２４４を第１シールド１４０に結合することと、リードワイヤ２４５を第２シールド１４２に結合することとを含む。

上で説明された実施形態のうちの１つまたは複数は、非常に正確なセンサデバイスを提供する。より具体的には、本明細書で説明されるセンサデバイス、需給計器、および方法は、既知のコイルセンサに対して減らされた較正要件と共に拡張された動作範囲を提供する非常に正確なセンサデバイスを提供することができる。たとえば、開示される誘電材料は、コイルと１つまたは複数の導体との間の減らされた容量を提供することができ、これによって、電流および／または電圧の範囲にわたる改善された正確度を提供する。改善された正確度を、製造中のより少ない較正プロセスを用いて実現でき、減らされた製造コストおよび／または製造時間がもたらされる。もう１つの例では、開示されるシールド技法は、他のエレクトロニクスおよび／または変更するデバイスから発するＥＭＩの改善された排除を提供する。

本発明のさまざまな実施形態の特定の特徴が、いくつかの図面に示され、他の図面に示されない場合があるが、これは便宜のみのためのものである。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴を、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照し、かつ／または請求することができる。

本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するのに、また、任意のデバイスまたはシステムを作り、使用することおよび任意の組み込まれた方法を実行することを含めて当業者が本発明を実践することを可能にするのに、例を使用する。本発明の特許可能範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い浮かべる他の例を含む可能性がある。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合に、またはそれらが特許請求の範囲の文言からの実質的ではない相違を有する均等の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ 需給計器
１２ センサデバイス
１４ 導体
１５ 導体
１６ 導体
１７ 計器制御基板
１０２ 基板
１０４ コイル
１０６ エアギャップ
１０８ 誘電材料
１１０ アパーチャ
１１２ エンクロージャ
１１６ マウント
１１８ 第１部分
１２０ 第２部分
１２４ ボビン
１２６ ボビン
１２８ ボビン
１３０ ボビン
１３２ ボビン
１３４ ボビン
１３５ フランジ
１３６ リードワイヤ
１３７ ヒンジジョイント
１３８ リードワイヤ
１４０ 第１シールド
１４２ 第２シールド
１４４ リードワイヤ
２００ センサデバイス
２０４ コイル
２３６ リードワイヤ
２３８ リードワイヤ
２４０ 第１シールド
２４２ 第２シールド
２４４ リードワイヤ
２４５ リードワイヤ

Claims (9)

1. アパーチャ（１１０）を画定するロゴスキコイル（１０４）と、
   前記ロゴスキコイルを少なくとも部分的に囲う誘電材料（１０８）であって、前記誘電材料は、少なくとも約３．５の誘電率を有し、前記誘電材料は、導体が少なくとも部分的に前記アパーチャ内に挿入されるときに、前記誘電材料の少なくとも一部が前記ロゴスキコイルと前記導体との間に位置決めされるように構成される、誘電材料（１０８）と
   を含む、導体（１４）内の電流を検出する際に使用されるセンサデバイス（１２）。
2. 前記ロゴスキコイル（１０４）を少なくとも部分的に囲うエンクロージャ（１１２）をさらに含み、前記エンクロージャは、前記誘電材料（１０８）の少なくとも一部を含む、請求項１記載のセンサデバイス。
3. 前記誘電材料（１０８）は、少なくとも約５．０の誘電率を有する、請求項２記載のセンサデバイス。
4. 前記誘電材料（１０８）は、少なくとも約８．０の誘電率を有する、請求項３記載のセンサデバイス。
5. 前記誘電材料（１０８）は、少なくとも約１０．０の誘電率を有する、請求項４記載のセンサデバイス。
6. 前記誘電材料（１０８）は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）熱可塑性材料を含む、請求項２記載のセンサデバイス。
7. 前記エンクロージャ（１１２）は、第１部分（１１８）と、前記ロゴスキコイル（１０４）を実質的に囲うために前記第１部分に解放可能に結合される第２部分（１２０）とを含む、請求項２記載のセンサデバイス。
8. 前記誘電材料（１０８）の少なくとも一部は、約１．０ｍｍと約８．０ｍｍとの間の厚さを画定する、請求項２記載のセンサデバイス。
9. 前記ロゴスキコイル（１０４）を支持するように構成された非磁性基板（１０２）をさらに含み、前記基板は、複数のボビン（１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４）を含み、前記複数のボビンは、第２誘電材料を含む、請求項１記載のセンサデバイス。