JP2013061329A - 導体を流れる電流の感知に使用するセンサ装置および感知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導体を流れる電流の感知に使用するセンサ装置および感知方法を提供する。
【解決手段】センサ装置１２は、その中に導体を受けるように構成された開口１１０を画定する非磁性基体１０２と、基体の少なくとも一部分の周りに巻き付けた複数のコイルターンからなるコイル１０４と、基体と複数のコイルターンとの間の第１のシールドと、複数のコイルターンが第１のシールドと第２のシールドとの間に配置されるように複数のコイルターンに近接して第１のシールドとは反対側に配置される第２のシールドと、第１および第２のシールドのうちの少なくとも一方に結合されるフィルタ要素とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の分野は、一般にセンサ装置および感知方法に関し、さらに詳細には、導体を流れる電流の感知に関する。

電力源から利用者に供給される電気を測定するために、少なくともいくつかの需給計器が使用されている。利用者に供給されるエネルギーの量を正確に計測できるようにするために、多くの需給計器は、電力源と利用者の間の導体を流れる電流を感知するためのセンサ装置を１つまたは複数含む。需給計器に含まれるセンサ装置は、電圧および／または電流の動作範囲で正確に機能するようになっている。

需給計器では、様々なタイプの既知の電流センサ装置が使用される。例えば、少なくとも一部の既知の変圧器センサ装置は、導体を流れる電流を感知するためのマグネットワイヤが巻き付けられた磁心を含む。しかし、変圧器を含む電流センサ装置は、一般に、嵩張り、かつ高価であることが知られている。既知の電流センサ装置の別の例としては、ロゴスキーコイルがある。ロゴスキーコイルは、コイルを含み、一般に変圧器センサ装置よりも小さい。しかし、ロゴスキーコイルは、ある電圧範囲において低電流状態および／または高電流状態になると限られた精度しかもたらさないことが知られている。その結果、このような不正確さの影響を最小限に抑えるために、既知のロゴスキーコイルを備える需給計器に対しては、製造時に複数回の較正プロセスを行うことが多い。このように較正プロセスを繰り返すことによってセンサ装置の不正確さを低減することはできるが、これらのプロセスによって、需給計器の製造に要する時間およびコストも増大する。

１つの態様では、導体中の電流の検出に使用されるセンサ装置が提供される。このセンサ装置は、その中に導体を受けるように構成された開口を画定する非磁性基体と、該基体の少なくとも一部分の周りに巻き付けた複数のコイルターンからなるコイルと、該基体と該複数のコイルターンとの間の第１のシールドと、該複数のコイルターンが該第１のシールドと第２のシールドとの間に配置されるように該複数のコイルターンに近接して該第１のシールドとは反対側に配置される第２のシールドと、該第１および第２のシールドのうちの少なくとも一方に結合されるフィルタ要素とを備える。

別の態様では、電力源から利用者に電気エネルギーを伝送するのに使用される需給計器が提供される。この需給計器は、導体と、少なくとも部分的に該導体の周りに配置されたセンサ装置とを含む。このセンサ装置は、開口を画定する非磁性基体と、該非磁性基体の少なくとも一部分の周りに巻き付けた複数のコイルターンからなるコイルと、該基体と該複数のコイルターンとの間にある第１のシールドと、該複数のコイルターンに近接して該第１のシールドとは反対側にある第２のシールドと、該コイルと該第１および第２のシールドのうちの少なくとも一方との間に結合されるフィルタ要素とを備える。

さらに別の態様では、導体中の電流を検出するセンサ装置を作製する方法が提供される。この方法は、開口を画定する非磁性基体と、該非磁性基体の少なくとも一部分の周りの複数のコイルターンからなるコイルと、該基体と該複数のコイルターンとの間に配置される第１のシールドと、該複数のコイルターンに近接して該第１のシールドとは反対側に配置される第２のシールドとを備えるセンサ装置を設けるステップを含む。この方法は、第１のリード線を該第１のシールドおよび該第２のシールドのうちの少なくとも一方に結合するステップと、第２のリード線を該コイルの第１の端部に結合するステップと、第３のリード線を該コイルの第２の端部に結合するステップと、該第１、第２および第３のリード線で撚りリード線セットを形成するステップとを含む。

例示的なセンサ装置を含む例示的な需給計器を示すブロック図である。 図１に示すセンサ装置を示す部分分解図である。 図１に示すセンサ装置を示す斜視図である。 図１に示すセンサ装置を示す平面図である。 図１に示すセンサ装置とともに使用される例示的な基体およびコイルを示す斜視図である。 図１に示すセンサ装置とともに使用することができる例示的なボビンを示す断面図である。 図１に示すセンサ装置とともに使用することができる例示的なコイルおよびシールドを示す回路図である。 ４本のリード線を含む例示的なセンサ装置を示す斜視図である。 図８に示すセンサ装置とともに使用することができる例示的なコイルおよびシールドを示す回路図である。

図１は、例示的な需給計器１０を示すブロック図である。この例示的な実施形態では、需給計器１０は、センサ装置１２、導体１４、およびセンサ装置１２に結合された計器制御盤１７を含む。導体１４としては、母線、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、またはその他の、電力源から電力利用者に電気を伝送する適当な導体などが挙げられる。電力源としては、ガスタービンエンジン、水力発電タービン、風力タービン、ソーラーパネル、ならびに／あるいは別の適当な発電および／または伝送システムなどの、電力網および／または発電システムが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。電力源としては、計器制御盤１７と通信するスマートグリッドもある。利用者としては、一般家庭利用者、商用利用者、および／またはその他の任意レベルの任意の電気利用者が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。センサ装置１２は、導体１４に結合されて、導体１４を流れる電流を感知する。センサ装置１２は、感知した電流を表す信号を、計器制御盤１７に提供する。センサ装置１２から受信した信号に基づいて、計器制御盤１７は、ある期間にわたって電力源から利用者に導体１４を通じて伝送される電気の量を決定する。

課金は、電力源から利用者に伝送される電気に対して行われることがあるので、センサ装置１２の精度を高くして、電力源の運営業者が当該利用者に伝送した実質的に全ての電気に対して課金されるのではなく、当該利用者が実質的に受け取った電気に対してのみ課金されることが確実になされるようにすることが望ましい。

この例示的な実施形態では、需給計器１０は、導体１５および１６と、導体１５に結合された別のセンサ装置１２とをさらに含む。なお、他の需給計器の実施態様では、任意数の導体および／またはセンサ装置（例えば、１つでも、３つでも、６つでもよい）を使用することができることを理解されたい。さらに、センサ装置１２は、需給計器１０内の使用のみに限定されず、発電分野、公共事業分野、自動車分野、電化製品分野、電気通信分野など、実質的にどのような適用分野でも、導体を流れる電流を感知するために利用することができることも理解されたい。

図２は、例示的なセンサ装置１２を示す部分分解図である。この例示的な実施形態では、センサ装置１２は、基体１０２、基体１０２の周りに巻き付けた複数ターンからなるコイル１０４、および誘電材料１０８を含む。コイル１０４には開口１１０が画定されており、この開口１１０は、その中に導体１４を受けるように（例えばサイズ、向き、および／または形状などが）構成されている。誘電材料１０８は、コイル１０４に近接して、少なくとも一部が開口１１０内に入るように位置決めされる。さらに詳細には、本実施形態では、誘電材料１０８は、導体１４を開口１１０に通して位置決めしたときに、少なくとも一部がコイル１０４と導体１４の間に位置決めされる。

誘電材料１０８としては、様々に構成される様々な特徴を有する１つまたは複数の誘電材料が挙げられる。例えば、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。実施形態によっては、誘電率は、約３．５、約４．０、約５．０、約８．０、約１２．０、約１７．０および／またはその他の任意の適当な値を超えることもある。例示的な１実施形態では、誘電材料１０８の誘電率は、約３．５に等しくすることができる。別の例示的な実施形態では、誘電材料１０８の誘電率は、約６．０に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つの厚さを有するが、複数の厚さを有していてもよい。例示的な本実施形態では、コイル１０４に近接して少なくとも一部が開口１１０の中に位置決めされる誘電材料１０８の厚さは、約３．０ミリメートルである。また、本実施形態では、コイル１０４に近接するが開口１１０に対向して位置決めされる誘電材料１０８の厚さは、約１．２ミリメートルである。誘電材料１０８は、任意の１つまたは複数の厚さを有することができ、それによってセンサ装置１２が本明細書に記載するような機能を発揮することができることを理解されたい。一般に、誘電材料１０８の厚さは、少なくとも部分的には、誘電材料１０８の誘電率、コイル１０４の１つまたは複数の導体１４、１５および１６に対する近さ、および／または所期の環境内におけるセンサ装置の設置に利用できるスペースなどに基づいて選択される。いくつかの例示的な実施形態では、誘電材料１０８の厚さは、約１．０ミリメートルから約３．０ミリメートルの間とすることができるが、他の実施形態では、それより大きいこともある。

例示的な本実施形態では、誘電材料１０８は、プラスチック材料、熱可塑性材料、熱硬化性材料、セラミック材料、金属材料、木材料、粘土材料、有機材料、これらの任意の混合物、および／または本明細書に記載するように作用するその他の適当な材料など（ただしこれらに限定されない）、いくつかのタイプの材料のうちの１つまたは複数から作製される。図２に示す例示的な実施形態では、誘電材料１０８は、Ｖａｌｏｘ（登録商標）シリーズの材料として市販されているＰＢＴ熱可塑性材料を含む。様々な実施形態において、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、室温加硫シリコーン（ＲＴＶ）ポリマー、Ｖａｌｏｘ（登録商標）シリーズの材料として市販されているＰＢＴ熱可塑性材料（例えばＶａｌｏｘ（登録商標）３６５またはＶａｌｏｘ（登録商標）Ｖ９５６１など）、Ｒｙｎｉｔｅ（登録商標）シリーズの材料として市販されているポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）熱可塑性材料、Ｐｒｉｍｅ（登録商標）シリーズの材料として市販されている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）シリーズの材料として市販されているナイロン熱可塑性材料、ＬＣＰ熱可塑性材料（例えばＳｕｍｉｔｏｍｏ（登録商標）Ｅ５００８ＬまたはＥ４００８Ｌ材料など）など（ただしこれらに限定されない）のうちの１つまたは複数を含む。１つまたは複数のタイプの誘電材料１０８を、その１つまたは複数の材料の誘電率、１つまたは複数の製造技術に対する適合性、寸法安定性、コスト、成形性、加工性、剛性、および／またはその他の特徴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、少なくとも部分的には、誘電率の温度変動性に基づいて選択される。

図３は、導体１４が開口１１０を通して延在している状態のセンサ装置１２の組み立てられた状態を示す斜視図である。上述のように、センサ装置１２は、導体１４を流れる電流を感知する。詳細には、導体１４に電流が流れると、コイル１０４に電流が誘導される。コイル１０４に誘導された電流の量は、導体１４に流れる電流の量を表している。センサ装置１２が導体１４の周りに位置決めされているとき、コイル１０４は、導体１４からある距離だけ離間している。したがって、コイル１０４と導体１４の間に静電容量が存在する。この静電容量は、様々な動作電圧（例えば約３０Ｖから約２７７Ｖの範囲）でセンサ装置１２の精度に影響を及ぼす可能性がある。例示的な実施形態では、誘電材料１０８は、コイル１０４と導体１４の間に画定されたエアギャップ１０６の少なくとも一部分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を近接させたまま、コイル１０４と導体１４の間の静電容量の低下に影響を及ぼし、および／またはそれを促進する。

このように静電容量を低下させることにより、センサ装置１２は、既知のロゴスキーコイルまたはその他のエアギャップコイルと比較して、より高い精度で導体１４を流れる電流を感知することができるようになる。さらに詳細には、コイル１０４と導体１４の間の容量結合を低減することにより、動作電圧に対する感度を低下させる。その結果、高電流および定電流を含む様々な電流範囲にわたって、様々な動作電圧で、一貫した電流検知が行われる。したがって、需給計器１０がセンサ装置１２を含む場合には、既知のセンサ装置の較正に必要な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、例示的な本実施形態では、様々な動作電圧にわたって正確に電流を検出するセンサ装置１２の一貫性により、既知の需給計器を様々な電圧で使用するためには複数の較正係数が必要であるのに対して、計器制御盤１７は、複数の動作電圧に対して較正係数を１つ使用するだけでよい。さらに、コイル１０４と導体１４の間の静電容量が低下することにより、較正プロセスの削減および／または簡略化が容易になるだけでなく、動作電圧／電流範囲にわたって精度を最低でも同等に維持しながら、また多くの場合には向上させながら、製造に要するコスト、資源および／または時間を削減することが容易になる。

図３に示すように、例示的な本実施形態では、センサ装置１２は、筐体１１２を含む。筐体１１２は、様々な材料で、および／または様々な作製プロセスで形成することができる。例示的な本実施形態では、筐体１１２は、実質的に誘電材料１０８のみを含むので、誘電材料１０８は、コイル１０４の周りに、開口１１０と対向するように位置決めされる。したがって、センサ装置１２は、３相導体１４、１５および１６を有する需給計器１０内で使用するときには、導体１４の周りに、（図１に示すように）少なくとも１つの別の導体１５に近接するように、また場合によっては導体１６にも近接するように、位置決めすることができる。コイル１０４と導体１４の間の相互作用と同様に、コイル１０４と導体１５の間にも静電容量が存在し、これがセンサ装置１２の精度に悪影響を及ぼし、および／または低下させることがある。誘電材料１０８は、開口１１０に対向する位置にあるので、コイル１０４と近接する導体１５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の間の静電容量を低下させるためにも設けられている。このようにして、センサ装置１２は、複数の導体を有する需給計器１０に使用されたとき、および／または１つまたは複数のその他の導体に近接して使用されたときに、既知のエアギャップコイルよりも高い精度を出すことができる。

実施形態によっては、筐体１１２は、誘電材料１０８の他に、様々な特徴を有する非誘電材料または誘電材料など、さらに１つまたは複数の材料を含むことができる。１実施形態では、筐体１１２は、誘電材料１０８と、コイル１０４に対して１つまたは複数の位置で誘電材料１０８を支持して誘電材料１０８が本明細書に記載するような機能を発揮できるようにするために設けられた追加材料とを含む。この追加材料としては、プラスチック材料、熱可塑性材料、熱硬化性材料、セラミック材料、金属材料、木材料、粘土材料、有機材料、これらの任意の混合物、および／またはその他の任意の適当な材料などが挙げられる。この追加材料は、その材料の製造技術、寸法安定性、コスト、成形性、加工性、剛性、および／またはその他の特徴などに基づいて選択することができる。こ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）高コスト材料である場合には、追加材料を含めることによって、センサ装置１２全体のコストを削減することができる。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を支持する、コイル１０４を保護および／または絶縁するなど、１つまたは複数の追加機能を実行することもできる。様々な実施形態で、追加材料は、筐体１１２の一部として使用することができることは明らかであろう。ただし、例示的な本実施形態では、筐体１１２は実質的に誘電材料１０８しか含まないので、追加材料を省略する。

筐体１１２は、誘電材料から作製してもよいし、誘電材料１０８および少なくとも１つの追加材料から一体的に形成してもよいし、あるいは１つまたは複数の別個の誘電材料１０８および１つまたは複数の追加材料から組み上げてもよい。筐体１１２および／または誘電材料１０８は、１つまたは複数の射出成形プロセスおよび／またはその他の適当な作製プロセスを用いて作製することができる。例示的な本実施形態では、筐体１１２は、１回の射出成形プロセスで、筐体１１２を形成するように構成された鋳型に誘電材料１０８を射出することにより、構築される。

あるいは、筐体１１２は、多段階射出成形プロセスで構築することもできる。多段階プロセスでは、追加材料を、初期成形プロセスによって特定の形状に成形する。その後、この成形済みの追加材料を鋳型内に位置決めし、この鋳型の中に誘電材料１０８を射出する。誘電材料１０８が鋳型と追加材料の間に画定された空隙に流入して、誘電材料１０８および追加材料で筐体１１２が形成される。様々な実施形態では、多段階成形プロセスでは、本明細書に記載する所望の性能が達成されるように比較的コストの高い誘電材料をコイル１０４に対して特定の位置に配置する一方で、筐体１１２のその他の部分は１つまたは複数の比較的コストの低い材料で構築することができる。

なお、筐体１１２は、コイル１０４および／または導体１４の全体にわたって、またはこれらに対する所望の位置に誘電材料１０８を設ける、その他の作成技術で構築することもできることを理解されたい。１つの例では、誘電材料１０８を追加材料とは別に構築しておき、その後、追加材料によって変形および／または構築して、筐体１１２を構成する。さらに別の例では、追加材料で形成した開口中に筒状誘電材料を挿入して、筐体１１２を形成することもできる。

例示的な本実施形態では、筐体１１２は、開口１１０を画定する取付け台１１６を含む。導体１４が（図３に示すように）開口１１０内に入ると、取付け台１１６と導体１４の間にエアギャップコイル０６が形成される。同時に、取付け台１１６と導体１４の間に摩擦ばめが生じる。取付け台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。取付け台１１６は、様々なタイプ、形状および／または向きの導体を受け、および／または結合するように設計された様々な形状で構成することができることを理解されたい。少なくとも１つの実施形態では、取付け台１１６は、方形の母線導体との間に摩擦ばめを生じるような構造の開口を画定する。

再度図２を参照すると、筐体１１２は、第１の部分１１８および第２の部分１２０を含む。第１の部分１１８は、基体１０２およびコイル１０４が実質的にその中に封入されるように、脱着可能に第２の部分１２０に結合される。具体的には、組み立てたとき、図３に示すように、第１の部分１１８は、少なくとも１箇所の相じゃくり接合によって第２の部分１２０と結合して、筐体１１２を形成する。ただし、第１の部分１１８と第２の部分１２０とは、１つまたは複数箇所の突き合わせ接合、ねじ接合、ヒンジ接合、タブスロット構成、さねはぎ構成、固定具など（ただしこれらに限定されない）を含む、様々な異なる方法で結合することができることを理解されたい。図３に示すように、筐体１１２はほぼ環状の形状を画定するが、その他の筐体の実施形態では、基体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封入するようなサイズを有し、および／またはそのように作用し、また誘電材料１０８が本明細書に記載するような機能を発揮できるようにする、任意の形状および／またはサイズを有することができることを理解されたい。

さらに、例示的な本実施形態では、誘電材料１０８の厚さは、筐体１１２の全体にわたって変化する。第１の部分１１８と第２の部分１２０の間は相じゃっくり接合なので、第１の部分１１８と第２の部分１２０は重なり合っている。詳細には、例示的な本実施形態では、第１の部分１１８および第２の部分１２０はそれぞれ、開口１１０において約１．２ミリメートルの厚さを有する。第１の部分１１８と第２の部分１２０を組み立てたとき、第１の部分１１８と第２の部分１２０とが、（開口１１０に沿った）相じゃっくり接合部において少なくとも部分的に重なり合い、全体の厚さが約２．４ミリメートルになる。さらに、例示的な本実施形態では、第１の部分１１８および第２の部分１２０は、（開口１１０と対向する）小さな相じゃっくり接合部における筐体１１２の外側の周りの全体の厚さが、約１．２ミリメートル未満になるように構成される。筐体１１２を形成する様々な方法を使用して、筐体１１２および／または誘電材料１０８が１つまたは複数の様々な厚さを有するようにすることができることを理解されたい。

その他の様々な実施形態では、筐体１１２および／または誘電材料１０８の厚さは、約０．５ミリメートルから約３．０センチメートルの間とすることができる。実施形態によっては、筐体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１．０ミリメートルから約６．０ミリメートルの間である。さらに、様々な実施形態で、筐体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１．０ミリメートルから約４．０ミリメートルの間である。他の実施形態では、場合によっては組立て／作製方法、選択した誘電材料の１つまたは複数の特徴、および／または１つまたは複数の所望の性能特性に基づいて、筐体１１２および／または誘電材料１０８が様々な厚さを有することができることを理解されたい。さらに、筐体１１２のその他の形状、サイズおよび／または接合を用いて、本開示の１つまたは複数の態様に従って作用するように誘電材料１０８をコイル１０４に対して位置決めしながら、少なくとも部分的にコイル１０４を封入することができる。

例示的な本実施形態では、コイル１０４は、例示的なロゴスキーコイルを含む。ただし、センサ装置１２は、ロゴスキーコイル以外のコイルを含むことができることを理解されたい。さらに、本開示の態様は、本明細書で説明および例示するようにロゴスキーコイルとともに使用する態様のみに限定されるわけではない。

図５は、筐体１１２から分離した基体１０２およびコイル１０４を示す斜視図である。例示的な本実施形態では、基体１０２は、６個のボビン１２４、１２６、１２８、１３０、１３２および１３４（まとめてボビン１２４〜１３４と記載する）を含む。各ボビン１２４〜１３４は、ほぼ円形の断面を有し、さらに詳細には、両端にコイル１０４を保持するためのフランジ１３５を備えた直円柱である。その他の実施形態では、基体１０２は、異なる数、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。例えば、基体１０２が備えるボビンの数は、５個であっても、８個であっても、１０個であっても、３０個であっても、あるいはそれ以外の偶数または奇数の数であってもよい。さらに、基体１０２は、異なる形状を有し、および／または卵形、楕円形または方形の断面などを有するボビンを備えることもできる。さらに別の実施形態では、基体１０２は、フランジ３５に加えて、またはフランジ３５の代わりに、コイル１０４を支持する別の構造を備えることもできる。少なくとも１つの実施形態では、コイル１０４は、基体１０２を省略することができるだけの剛性を有している。

例示的な本実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、ヒンジ接合１３７によって互いに結合される。さらに詳細には、ボビン１２４と１２６は、ヒンジで結合されてその間で枢動することができる。様々な実施形態で、ボビン１２４〜１３４は、コイル１０４を効率的に巻くことができるように一直線に整列させ、その後互いに枢動させて、図５に示すようにほぼ円形の形状を形成することができる。

基体１０２の各ボビン１２４〜１３４は非磁性構造であり、ボビン１２４〜１３４が、例えば熱可塑性材料、セラミック材料、木材料またはその他の１種類または複数種類の適当な材料などを含めて、１つまたは複数の非磁性材料で構成されるようになっている。例示的な本実施形態では、各ボビン１２４〜１３４は、誘電材料で作製され、この誘電材料は、おそらく誘電材料１０８と一致している。非磁性基体１０２を使用することにより、１つまたは複数の磁心を備える既知のセンサ装置に優るコスト削減が可能になる。さらに、例示的な本実施形態では、基体１０２は、嵩張る磁心を備える既知のセンサ装置と比較して、需給計器１０内および／または計器制御盤１７への取付けが改善されるような形状および／またはサイズを有している。さらに、例示的な本実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、筐体１１２とは別個に形成される。ただし、その他のセンサ装置の実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、筐体１１２と一体的に形成し、および／または筐体１１２の１つまたは複数の部分を形成していてもよいことを理解されたい。

例示的な本実施形態では、コイル１０４は、各ボビン１２４〜１３４に複数のコイルターン巻き付けられる。さらに詳細には、例示的な本実施形態では、コイル１０４は、１本のマグネットワイヤを備え、これにより、コイル１０４を、各ボビン１２４〜１３４にそれぞれ複数のコイルターン巻き付けながらボビン１２４から１３４に順に巻いていき、その後、各ボビン１２４〜１３４にさらに巻き付けながらボビン１２４まで戻すことができる。その他の実施形態では、その他の異なるボビン１２４〜１３４への巻き付けパターンを用いることもできることを理解されたい。ボビン１２４〜１３４に対する上記の巻き付けパターンに従うと、コイル１０４の第１の端部および第２の端部は、ボビン１２４で終端する。図７に示すように、また以下でさらに述べるように、コイル１０４の第１の端部は、リード線１３６で終端し、コイル１０４の第２の端部は、リード線１３８で終端する。

コイル１０４に加えて、例示的な本実施形態では、１つまたは複数のシールドが基体１０２に取り付けられる。詳述すると、図６は、ボビン１２４におけるセンサ装置１２を示す部分断面図である。例示的な本実施形態では、ボビン１２４は、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２を備える。第１のシールド１４０は、ボビン１２４とコイル１０４の間に位置決めされる。第２のシールド１４２は、コイル１０４に近接して第１のシールド１４０の反対側に位置決めされ、コイル１０４が第１のシールド１４０と第２のシールド１４２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に示すように、実質的に同じシールド／コイル／シールドパターンを有する。他の実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、巻線パターンがボビンごとに変化する巻線パターンなどを含む、その他の巻線パターンを備えることもできる。

例示的な本実施形態では、各シールド１４０および１４２は、ファラデー遮蔽を実現する。さらに詳細には、例示的な本実施形態では、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、センサ装置１２の同相雑音の低減を促進し、および／または高周波雑音フィルタリング用の低域通過フィルタを構成するように、実質的にファラデーケージに従って動作する。その結果、第１および第２のシールド１４０および１４２は、電磁干渉（ＥＭＩ）および／または電磁適合性（ＥＭＣ）に関する１つまたは複数の業界規格における性能をさらに向上させることになる。

作製時には、ボビン１２４からボビン１３４に順に、各ボビン１２４〜１３４にマグネットワイヤを複数のコイルターン巻き付けて、第１のシールド１４０を形成する。その後、上述のように、コイル１０４を、ボビン１２４から１３４へと巻き付けていき、その後ボビン１２４まで戻る。その後、第１のシールド１４０のマグネットワイヤを、各ボビン１２４〜１３４にそれぞれ複数のコイルターン巻き付けながらボビン１３４からボビン１２４に戻していって、第２のシールド１４２を形成する。したがって、例示的な本実施形態では、第１のシールド１４０と第２のシールド１４２は、１本のマグネットワイヤで構成されている。この１本のマグネットワイヤは、まとめて終端させてもよい２つの端部を有し、これらの端部が、後述のように、リード線１３８および／または１本または複数本の追加リード線に結合される。第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、銅、アルミニウム、またはその他の非鉄導電性材料など（ただしこれらに限定されない）、任意の適当な材料を含むことができることを理解されたい。さらに一般的には、シールド材は、ボビン１２４〜１３４がシールド１４０および１４２を備えることを可能にするものであれば、シート状、テープ状、ワイヤ状、スプレー状およびまたはその他の任意の形態となるように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の取り付けは、例えば巻き付ける、くるむ、および／または噴霧するなど（ただしこれらに限定されない）の方法で形成することができる。様々な実施形態で、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、コイル１０４とは別に形成し、その後コイル１０４に取り付けることができる。

再度図５を参照すると、センサ装置１２は、そこから延びる３本のリード線１３６、１３８および１４４を備える。図７は、リード線１３６、１３８および１４４の結合を示す回路図である。詳細には、例示的な本実施形態では、第１および第２のシールド１４０および１４２は、１本のマグネットワイヤから構成され、それぞれの端部が互いに結合され、さらにリード線１４４に結合される。さらに、コイル１０４（１本のマグネットワイヤから構成される）の第１の端部が、リード線１３６に結合され、コイル１０４の第２の端部が、リード線１３８に結合される。図５に示すように、リード線１３６、１３８および１４４は、筐体から延び、１組の撚り線セットを形成している。したがって、リード線１４４は、低域通過フィルタ要素として機能し、第１のシールド１４０および／または第２のシールド１４２からの雑音がセンサ装置１２が提供する電流信号のリターンパスに混入することを防止する。撚り線セットは、少なくとも約０．２５インチの長さを有する。他の実施形態では、撚り線セットは、少なくとも約１．０インチの長さ、または少なくとも約３．０インチの長さを有することもできる。さらに別の実施形態では、撚り線セットは、少なくとも約６．０インチの長さを有することができる。その他のセンサ装置の実施形態では、場合によってはセンサ装置１２から伝送される電流信号への雑音の混入を防止するフィルタとして機能するリード線および／または撚り線セットの性能に基づいて、その他のリード線および／または撚り線セットの長さを用いることもできることを理解されたい。

図８〜図９は、別の例示的なセンサ装置２００を示す図である。この例示的な実施形態では、センサ装置２００は、上述のコイル１０４とシールド１４０および１４２とにほぼ一致する、コイル２０４と第１および第２のシールド２４０および２４２とを備える。ただし、センサ装置２００は、４本のリード線２３６、２３８、２４４および２４５を備える。詳細には、第１のシールド２４０および第２のシールド２４２を形成するマグネットワイヤの各端部を、別々のリード線２４４および２４５に結合して、フィルタ要素を形成する。さらに、例示的な本実施形態では、２本のリード線２３６および２３８がコイル２０４に結合される。図８に示すように、リード線２３６、２３８、２４４および２４５は、撚り線セットを形成しており、これは、図５を参照して上述した撚り線セットと実質的に同じように機能する。

計器制御盤１７に結合されたときに、各リード線２４４および２４５は、互いに結合し、リード線２３８に結合することができる。実施形態によっては、撚ったリード線２４４および２４５が、フィルタ要素として機能することもある。これに加えて、あるいは別法として、リード線２４４および２４５とリード線２３８との間に、フィルタ要素を結合することもできる。このようなフィルタ要素としては、ＲＣ回路、ＬＣ回路、ＲＬ回路および／またはＲＬＣ回路などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

再度図３および図７を参照すると、さらに別の実施形態では、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部を互いに結合し、さらに、別のリード線１４４ではなく、リード線１３８（すなわちコイル１０４の一端）に結合することができる。このような例示的な実施形態では、センサ装置１２は、リード線１４４を省略して、リード線１３６および１３８を備えていればよいので、２線式センサ装置１２が得られる。この例示的な実施形態では、第１のシールド１４０および／または第２のシールド１４２からの雑音が、センサ装置１２によって提供される電流信号のリターンパスにいくらか混入する恐れがあるが、所望の動作環境で十分な精度および／または反復性を実現することができる。さらに別の実施形態では、センサ装置の実施形態からリード線を省略して、計器制御盤１７などの回路基板への取付けに備えることができる。このような実施形態では、計器制御盤１７上のトレースによって、リード線１４４に関連して上述したような機能を発揮できるだけの長さをフィルタ要素に与えることができる。これに加えて、あるいは別法として、フィルタ要素は、第１のシールド１４０および／または第２のシールド１４２からの雑音がセンサ装置１２が提供する電流信号のリターンパスに混入することを防止するために、ＲＣ回路、ＬＣ回路、ＲＬ回路および／またはＲＬＣ回路を備えることもできる。

例示的な本実施形態では、センサ装置１２は、約１０Ｈｚから約１０００Ｈｚの間で動作状態になり、この範囲外の信号の影響は実質的に受けない。さらに詳細には、導体１４は、無線周波（ＲＦ）信号を受信して、不要な雑音をセンサ装置１２に再放射するアンテナとして作用することができる。第１および第２のシールド１４０および１４２は、低域通過フィルタとして作用して雑音信号の混入を防止して、信号対雑音比（ＳＮＲ）の高い出力をもたらす。さらに詳細には、第１および第２のシールド１４０および１４２は、導体１４を流れる低電流を感知するときに、再放射されたＲＦ信号（および／またはその他の雑音信号）を阻止して、センサ装置１２の出力に高いＳＮＲを与える。雑音が電流信号に及ぼす影響を低減することにより、既知のセンサ装置と比較して、適用規格におけるセンサ装置１２の有効電流感知範囲が広くなる。例示的な本実施形態では、第１および第２のシールド１４０および１４２により、（低電流性能および／または高電流性能のための）１つまたは複数の追加フィルタ要素を省略することが可能になる場合がある。

さらに、第１および第２のシールド１４０および１４２は、ＥＭＩがセンサ装置１２の精度に影響を及ぼすことを実質的に防止する。さらに詳細には、第１および第２のシールド１４０および１４２は、センサ装置１２および／または需給計器１０の精度を損なうようになっている近接する電子機器および／または装置など、センサ装置１２に近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り、既知のセンサと比較して、センサ装置１２は、精度へのＥＭＩの影響に対する耐性が向上している。したがって、センサ装置１２は、１つまたは複数のＥＭＩ源が存在する状況にある既知のその他のセンサ装置と比較して、よりロバストおよび／または正確な電流センサ装置となる。

センサ装置１２の精度は、導体１４を流れる電流の実際値の百分率として理解することができる。例示的な本実施形態では、センサ装置１２は、約２アンペアから約２００アンペアの間の範囲内で実際値の約±０．２％の範囲内で動作する。さらに詳細には、センサ装置１２は、Ｃｌａｓｓ ０．２の範囲内、すなわち約６０Ｖから約６００Ｖの間の動作電圧で２００Ａに対して０．４Ａの精度の範囲内、さらに詳細には、約２４０Ｖで０．２％の精度の範囲内で動作する。本開示の１つまたは複数の態様と整合するセンサ装置１２は、場合によっては所期の適用分野および／あるいは当該所期の適用分野に関連する１つまたは複数の精度要件に応じて、様々な動作電流／電圧で１つまたは複数の精度標準に従うことができることを理解されたい。

本明細書では、導体を流れる電流を感知するためのセンサ装置を作製する様々な方法について述べる。センサ装置１２に関連してこれらの方法について以下に述べるが、これらの方法はセンサ装置１２に限定されるわけではなく、これらの方法を利用して、その他の実施形態のセンサ装置を作製することもできることを理解されたい。同様に、センサ装置１２およびセンサ装置２００は、以下に述べる方法以外の方法で作製することもできる。

導体１４を流れる電流を感知するセンサ装置１２を作製する１つの例示的な方法は、非磁性基体１０２の周りに複数巻きのコイル１０４を形成するステップと、コイル１０４に近接するように誘電材料１０８を位置決めして、センサ装置１２によって画定される開口１１０内に導体１４が配置されたときに誘電材料１０８が導体１４とコイル１０４の間に位置決めされるようにするステップとを含む。いくつの実施形態では、この例示的な方法は、コイル１０４および／または基体１０２を、少なくとも部分的および／または実質的に筐体１１２内に封入するステップを含むこともある。

導体１４を流れる電流を感知するセンサ装置１２を作製する別の例示的な方法は、ロゴスキーコイル１０４を設けるステップと、ロゴスキーコイル１０４が導体１４の周りに配置されたときに誘電材料１０８がロゴスキーコイル１０４と導体１４の間に配置されるように、ロゴスキーコイル１０４を少なくとも部分的に誘電材料１０８内に封入するステップとを含む。誘電材料１０８は、約３．５以上の誘電率を有する。いくつかの実施形態では、この例示的な方法は、筐体の第１の部分と第２の部分とを、ロゴスキーコイルが両者の間に配置されるように組み立てて、ロゴスキーコイルを少なくとも部分的に封入するステップを含むこともある。筐体は、誘電材料を含む。これに加えて、あるいは別法として、この例示的な方法は、複数の熱可塑性ボビンを有する基体上にロゴスキーコイルを形成するステップを含むこともある。さらに、この例示的な方法は、これら複数の熱可塑性ボビンを誘電材料から形成するステップを含むこともある。

導体１４を流れる電流を感知するセンサ装置１２を作製するさらに別の例示的な方法は、基体の複数のボビンそれぞれの周りにマグネットワイヤの第１のシールドを巻き付けるステップと、該基体の該複数のボビンそれぞれの周りにコイルを巻き付けるステップと、該基体の害複数のボビンそれぞれの周りにマグネットワイヤの第２のシールドを巻き付けるステップとを含む。

例えば、図３のセンサ装置１２を参照すると、この例示的な方法は、マグネットワイヤの第１の端部および第２の端部をセンサ装置１２の参照リード１４４に結合するステップと、コイルの第１の端部をセンサ装置１２の第１のリード１３６に結合するステップと、コイルの第２の端部をセンサ装置１２の第２のリード１３８に結合するステップとを含むことがある。さらに、この例示的な方法は、コイルと、第１および第２のシールドとを、少なくとも部分的に、少なくとも１つの誘電材料を含む筐体内に封入するステップを含むことがある。

導体１４を流れる電流を感知するセンサ装置１２を作製する別の例示的な方法は、開口１１０を画定する非磁性基体１０２、非磁性基体１０２の少なくとも一部分の周りの複数のコイルターンからなるコイル１０４、各基体１０２と該複数のコイルターンの間に配置された第１のシールド１４０、および該複数のコイルターンに近接して第１のシールド１４０の反対側に配置された第２のシールド１４２を含むセンサ装置１２を設けるステップを含む。また、この例示的な方法は、リード線１４４を第１のシールド１４０および第２のシールド１４２のうちの少なくとも一方に結合するステップと、リード線１３６をコイル１０４の第１の端部に結合するステップと、リード線１３８をコイル１０４の第２の端部に結合するステップと、リード線１３６、１３８および１４４で１組の撚りリード線セットを形成するステップとを含む。

様々な実施形態で、リード線１４４を第１のシールド１４０および第２のシールド１４２のうちの少なくとも一方に結合するステップは、リード線１４４を、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２のそれぞれに結合するステップを含む。他の実施形態では、リード線を第１のシールドおよび第２のシールドのうちの少なくとも一方に結合するステップは、リード線２４４を第１のシールド１４０に結合するステップと、リード線２４５を第２のシールド１４２に結合するステップとを含む。

上述した実施形態の１つまたは複数は、精度の高いセンサ装置を提供する。さらに詳細には、本明細書に記載するセンサ装置、需給計器および方法は、既知のコイルセンサより較正要件が緩和されながら動作範囲が拡大された、精度の高いセンサ装置を提供することができる。例えば、開示する誘電材料は、コイルと１つまたは複数の導体との間の静電容量を低下させることにより、ある電流および／または電圧の範囲の精度を向上させることができる。製造中の較正プロセスを少なくして精度を向上させることが実現できるので、製造に要するコストおよび／または時間を削減することができる。別の例では、開示の遮蔽技術により、その他の電子機器および／またはタンパ作用のある装置から生じるＥＭＩの阻止が改善される。

本発明の様々な実施形態の具体的な特徴を、図面によって示してある場合と示していない場合とがあるが、これは単に便宜的なものである。本発明の原理によれば、ある図面に示す任意の特徴を、その他の任意の図面に示す任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。

本明細書では、本発明をその最良の形態も含めて開示するために、また任意の装置またはシステムを作製して使用すること、および組み込まれる任意の方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施できるようにするために、いくつかの例を用いている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義されるが、当業者が思いつくその他の例を含むこともできる。このようなその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字的な原語と差違がない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の表現と実質的な差違がない等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内であるものとする。

１０ 需給計器
１２ センサ装置
１４ 導体
１５ 導体
１６ 導体
１７ 制御盤
１０２ 基体
１０４ コイル
１０６ エアギャップ
１０８ 誘電材料
１１０ 開口
１１２ 筐体
１１６ 取付け台
１１８ 第１の部分
１２０ 第２の部分
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 リード線
１３７ ヒンジ接合
１３８ リード線
１４０ 第１のシールド
１４２ 第２のシールド
１４４ リード線
２００ センサ装置
２０４ コイル
２３６ リード線
２３８ リード線
２４０ 第１のシールド
２４２ 第２のシールド
２４４ リード線
２４５ リード線

Claims (10)

1. 導体中の電流の検出に使用されるセンサ装置（１２）であって、
   その中に導体（１４）を受けるように構成された開口（１１０）を画定する非磁性基体（１０２）と、
   前記基体の少なくとも一部分の周りに巻き付けた複数のコイルターンからなるコイル（１０４）と、
   前記基体と前記複数のコイルターンとの間の第１のシールド（１４０）と、
   前記複数のコイルターンが前記第１のシールドと第２のシールドとの間に配置されるように、前記複数のコイルターンに近接して前記第１のシールドとは反対側に配置される第２のシールド（１４２）と、
   前記第１および第２のシールドのうちの少なくとも一方に結合されるフィルタ要素（１３６、１３８、１４０）と、を備えるセンサ装置。
2. 前記第１のシールド（１４０）および前記第２のシールド（１４２）が、第１の端部および第２の端部を有する１本のシールド巻線から構成され、
   前記フィルタ要素（１３６、１３８、１４０）が、前記シールド巻線の前記第１および第２の端部のそれぞれに結合された第１のリード線（１４４）を含む、請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記コイル（１０４）が、第１の端部および第２の端部を含むセンサ装置であり、
   前記コイルの前記第１の端部に結合された第２のリード線（１３６）と、前記コイルの前記第２の端部に結合された第３のリード線（１３８）とをさらに含む、請求項２記載のセンサ装置。
4. 前記第１、第２および第３のリード線（１３６、１３８、１４０）が撚り線セットを形成する、請求項３記載のセンサ装置。
5. 前記撚り線セットが、少なくとも約１．０インチの長さを画定する、請求項４記載のセンサ装置。
6. 前記撚り線セットが、少なくとも約６．０インチの長さを画定する、請求項５記載のセンサ装置。
7. 前記フィルタ要素が、前記第１のシールド（２４０）および前記コイルに結合された第１のリード線（２４４）と、前記第２のシールド（２４２）と前記コイルの間に結合された第２のリード線（２４５）とを含み、前記第１および第２のリード線が撚りセットを形成する、請求項１記載のセンサ装置。
8. 前記撚りセットが、少なくとも約３．０インチの長さを画定する、請求項７記載のセンサ装置。
9. 前記撚りセットが、少なくとも約６．０インチの長さを画定する、請求項８記載のセンサ装置。
10. 前記フィルタ要素が、ＲＣ回路、ＬＣ回路、ＲＬ回路およびＲＬＣ回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のセンサ装置。