JP2013134123A - 通電情報計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁界を遮断するシールド性能を向上させた通電情報計測装置を提供する。
【解決手段】電線５に流れる電流を計測する通電情報計測装置において、磁性材料からなり、電線５を周方向に沿って囲む筒状に形成され、軸方向に沿って内周面側と外周面側とを連通させる切り欠き部１１を有する磁性体コア１と、切り欠き部１１を通して電線５に対向するように回路基板４に実装され、電線５に流れる電流によって発生する磁界の強度を電気信号に変換する磁電変換素子２と、磁性材料からなり、回路基板４を介して切り欠き部１１に対向するように設けられる磁性体シールド３とを備え、磁性体シールド３は、上面が回路基板４に対向する板部３１と、板部３１の上面に形成される複数のリブ３２とを有し、一対のリブ３２間に磁電変化素子２が位置するように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体の通電情報を計測する通電情報計測装置に関するものである。

従来より、導体の通電情報として導体に流れる電流を計測する通電情報計測装置がある（例えば、特許文献１参照）。このような通電情報計測装置は、電線（導体）の周囲を囲むように形成された磁性体コアと、磁性体コアが収束した磁界の強度に応じた電気信号を生成する磁電変換素子とを備えている。そして、通電情報計測装置は、磁電変換素子が生成した電気信号に基づいて電線に流れる電流を計測する。以下に、従来の通電情報計測装置の構成を図９を用いて説明する。なお、図９における上下左右方向を、上下左右方向と規定し、以下説明する。

従来の通電情報計測装置は、磁性体コア１０１と磁電変換素子１０２とを備えており、電線１０５に流れる電流を計測するものである。

磁性体コア１０１は、内部に電線１０５が挿通される筒状の磁性材料で構成されており、断面が略コ字状に形成されている。具体的には、磁性体コア１０１は、電線１０５を周方向に沿って囲む矩形筒状に形成されており、下面の中央部において、軸方向に沿って内周面側と外周面側とを連通させる切り欠き部１１１が形成されている。

磁電変換素子１０２は、切り欠き部１１１を介して電線１０５と対向するように、磁性体コア１０１の下方に設けられた回路基板１０４に実装されている。磁電変換素子１０２は、バイアスされた磁界の強度に応じた電気信号を出力する素子である。また、回路基板１０４には、磁電変換素子１０２が出力する電気信号から、電線１０５に流れる電流の電流値を算出して外部に出力する信号処理部（図示なし）が設けられている。

次に、電線１０５に電流が流れた場合について説明する。電線１０５に電流が流れることによって、電線１０５の周囲に磁界が発生する。この磁界は磁性体コア１０１によって収束され、切り欠き部１１１には、電線１０５に流れる電流量に比例した磁界が発生する。この切り欠き部１１１に発生した磁界によって、磁電変換素子１０２に磁界（以降、計測磁界と称す）がバイアスされる。磁電変換素子１０２は計測磁界の強度に比例した電気信号を出力する。すなわち、磁電変換素子１０２は、電線１０５に流れる電流の電流量に比例した電気信号を出力する。そして、信号処理部が、磁電変換素子１０２が出力する電気信号から電線１０５に流れる電流の電流値を算出して外部に出力する。

しかし、通電情報計測装置の周囲に外部磁界が存在する場合、この外部磁界が磁電変換素子１０２にバイアスされると、計測結果に誤差が生じる。そこで、通電情報計測装置は、外部磁界を遮断する磁性体シールド１０３を備えている。

磁性体シールド１０３は、上面が開口した略コ字状の磁性材料で形成されており、回路基板１０４を介して切り欠き部１１１を覆うように設けられている。磁性体シールド１０３は、下片１３１と、下片１３１の両側端から上方に突設された一対の側片１３２とで構成されており、各側片１３２の上端は回路基板１０４の下面に当接している。また、側片１３２−１３２間の間隔は、切り欠き部１１１のギャップ長と略同一となるように形成されているので、磁電変換素子１０２は、回路基板１０４を介して下片１３１と対向することとなる。

このように構成された磁性体シールド１０３によって、磁電変換素子１０２にバイアスされる外部磁界を低減している。

特開昭６３−１９１０６９号公報

しかし、従来の磁性体シールド１０３では、外部磁界を遮断するシールド性能が不十分であり、計測結果の誤差をより低減させるために、シールド性能の向上が望まれていた。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部磁界を遮断するシールド性能を向上させた通電情報計測装置を提供することにある。

本発明の通電情報計測装置は、導体の通電情報を計測する通電情報計測装置において、磁性材料からなり、前記導体を周方向に沿って囲む筒状に形成され、軸方向に沿って内周面側と外周面側とを連通させる切り欠き部を有する磁性体コアと、前記切り欠き部を通して前記導体に対向するように回路基板に実装され、前記導体に流れる電流によって発生する磁界の強度を電気信号に変換する磁電変換素子と、磁性材料からなり、前記回路基板を介して前記切り欠き部に対向するように設けられる磁性体シールドとを備え、前記磁性体シールドは、一面が前記回路基板に対向する板部と、当該板部の一面に形成される複数のリブとを有し、前記複数のリブのうち一対のリブ間に前記磁電変化素子が位置するように形成されることを特徴とする。

この通電情報計測装置において、前記磁電変換素子は、磁性薄膜で構成されること
が好ましい。

この通電情報計測装置において、前記磁電変換素子の近傍に配置される永久磁石を備えることが好ましい。

この通電情報計測装置において、前記磁性体コアは、前記切り欠き部を介して互いに対向する面のうち少なくとも一方の面が段形状に形成されることが好ましい。

この通電情報計測装置において、前記磁性体コアは、周方向において３つ以上に分割可能に構成されることが好ましい。

この通電情報計測装置において、前記通電情報は、前記導体に流れる電流であり、前記磁電変換素子が生成する前記電気信号に基づいて、前記導体に流れる電流を計測すること
が好ましい。

この通電情報計測装置において、前記通電情報は、前記導体を介して供給される電力であり、前記磁電変換素子が生成する前記電気信号と前記導体の電圧とから、前記導体を介して供給される電力を計測することが好ましい。

以上説明したように、本発明では、外部磁界を遮断するシールド性能を向上させることができるという効果がある。

本発明の実施形態１の通電情報計測装置の概略構成図である。 折り曲げ加工で形成した磁性体シールドを備える通電情報計測装置の概略構成図である。 実施形態２の通電情報計測装置の概略構成図である。 （ａ）永久磁石を備えていない場合の磁電変換素子の出力特性を示すグラフである。（ｂ）永久磁石を備えている場合の磁電変換素子の出力特性を示すグラフである。 切り欠き部を介して対向する面が段形状に形成された磁性体コアを備える通電情報計測装置の概略構成図である。 周方向に分割可能な磁性体コアを備える通電情報計測装置の概略構成図である。 電力を計測する通電情報計測装置の測定原理を示す概要説明図である。 同上の等価回路である。 従来の通電情報計測装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態の通電情報計測装置の概略図を図１に示す。本実施形態の通電情報計測装置は、磁性体コア１と磁電変換素子２と磁性体シールド３とを備えており、電線５（導体）に流れる電流を計測するものである。なお、図１における上下左右方向を、上下左右方向と規定し、以下説明する。

磁性体コア１は、内部に電線５が挿通される筒状の磁性材料で構成されており、断面が略コ字状に形成されている。具体的には、磁性体コア１は、電線５を周方向に沿って囲む矩形筒状に形成されており、下面の中央部に、軸方向に沿って内周面側と外周面側とを連通させる切り欠き部１１が形成されている。

磁電変換素子２は、切り欠き部１１を介して電線５と対向するように回路基板４に実装されている。回路基板４は、左右方向の幅が磁性体コア１の左右方向の幅と略同一に形成されており、磁性体コア１の下面に対向するように設けられている。磁電変換素子２は、バイアスされた磁界の強度に応じた電気信号を出力する素子である。本実施形態の磁電変換素子２は、バイアスされた磁界の強度に応じて抵抗値を変化させる磁性薄膜で構成されており、パターン化されて回路基板４上に形成されている。そして、磁電変換素子２に電流を供給し、バイアスされた磁界の強度を電圧信号に変換して出力するものである。また、回路基板４には、磁電変換素子２の電圧信号から、電線５に流れる電流の電流値を算出して外部に出力する信号処理部（図示なし）が設けられている。このように、本実施形態では、磁電変換素子２は回路基板４上にパターン化された磁性薄膜で構成されているので、磁電変換素子２を小型化することができる。なお、磁電変換素子２は、磁性薄膜に限定するものではなく、ホール素子などで構成されていてもよい。また、本実施形態の磁電変換素子２は、回路基板４の上面に実装され、切り欠き部１１を介して電線５と対向しているが、切り欠き部１１内に設けられるように構成してもよい。

次に、電線５に電流が流れた場合について説明する。電線５に電流が流れることによって、電線５の周囲に磁界が発生する。この磁界は磁性体コア１によって収束され、切り欠き部１１には、電線５に流れる電流量に比例した磁界が発生する。この切り欠き部１１に発生した磁界によって、磁電変換素子２に磁界（以降、計測磁界と称す）がバイアスされる。磁電変換素子２は計測磁界の強度に応じた電圧信号を出力する。すなわち、磁電変換素子２は、電線５に流れる電流の電流量に比例した電圧信号を出力する。そして、信号処理部が、磁電変換素子２が出力する電圧信号から電線５に流れる電流の電流値を算出し、外部に出力する。

また、磁電変換素子２に外部磁界がバイアスされるのを防止するために、磁性体シールド３を備えている。磁性体シールド３は、磁性材料で構成されており、回路基板４を介して磁性体コア１の下面に対向するように設けられている。

磁性体シールド３は、上面が回路基板４の下面に対向する板部３１と、板部３１の上面において左右方向に並設され、上端が回路基板４の下面に当接する一対のリブ３２とで構成されている。板部３１の左右方向の幅は、磁性体コア１および回路基板４の左右方向の幅と略同一に形成されている。また、リブ３２−３２間の間隔は、切り欠き部１１のギャップ長Ｌ１と略同一となるように形成されている。したがって、磁電変化素子２は、リブ３２同士を連続させる板部３１の中央部３１ａと回路基板４を介して対向することとなる。

このように、本実施形態の磁性体シールド３は、板部３１がリブ３２同士を連続させる中央部３１ａから左右方向に側部３１ｂが延設されている。したがって、本実施形態の磁性体シールド３は、左右方向の幅が従来の磁性体シールド１０３より長く、回路基板４および磁性体コア１の下面全体を覆うように設けられている。そのため、磁性体シールド３は、従来の磁性体シールド１０３に比べて、磁電変換素子２だけでなく回路基板４および磁性体コア１に対する、特に下方向からの外部磁界のシールド性能が向上している。これにより、磁電変換素子２は、外部磁界による計測磁界の変動が低減される。また、磁性体コア１は、外部磁界による切り欠き部１１に発生する磁界の変動が低減される。また、回路基板４は、外部磁界による回路基板４上の信号の変動やノイズ等が低減される。

すなわち、本実施形態の通電情報計測装置は、上述した磁性体シールド３を備えることによって、外部磁界を遮断するシールド性能が高く、計測結果の誤差をより低減させることができる。

なお、磁性体コア１と回路基板４とで左右方向の幅が異なる場合、磁性体シールド３の左右方向の幅を、磁性体コア１と回路基板４とのうち左右方向の幅が広い一方と略同一に形成することで、上記効果を得ることができる。

また、磁性体シールド３は、図２に示すように、板形状の磁性材料を折り曲げ加工することで、板部３１とリブ３２とを形成してもよい。このように形成することで、リブ３２を溶接等で板部３１に突設する必要がなく、磁性体シールド３の製造が容易となり、コストを削減することができる。

なお、本実施形態では、板部３１の上面に一対のリブ３２が突設されているが、さらに複数のリブ３２が形成されていてもよく、リブ３２の数が増加することで、外部磁界のシールド性能を向上させることができる。

また、磁性体シールド３が磁性体コア１および磁電変換素子２に近接している場合、磁電変換素子２にバイアスされる計測磁界が損なわれるおそれがある。そこで、本実施形態では、磁性体コア１の切り欠き部１１のギャップ長をＬ１とした場合、磁性体コア１の下面とリブ３２の上端との距離Ｌ２が、Ｌ２＝Ｌ１／４となるように磁性体シールド３を設けている。また、本実施形態では、磁電変換素子２の上端と磁性体コア１の下面とが上下方向において同一の位置であり、磁電変換素子２の上端とリブ３２の上端との距離もＬ１／４となる。さらに、磁電変化素子２は、回路基板４を介して、磁性体シールド３のリブ３２の上端とは対向せず、板部３１の中央部３１ａと対向するように、磁性体シールド３が設けられている。

磁性体シールド３を上記位置に設けることで、計測磁界が損なわれることなく、外部磁界も効果的に遮断することができ、計測結果の誤差を低減することができる。さらに、リブ３２の上端のみが回路基板４に当接し、磁電変換素子２が回路基板４を介して板部３１の中央部３１ａと対向するように磁性体シールド３を設けている。これにより、回路基板４と磁性体シールド３とが干渉する面積が狭くなり、回路基板４を小型化することができる。

（実施形態２）
本実施形態の通電情報計測装置の概略構成図を図３に示す。図３は、通電情報計測装置の上方からの断面図である。なお、実施形態１と同様の構成には、同一符号を付して説明は省略する。図３に示すように、本実施形態の通電情報計測装置は、磁電変換素子２の近傍に永久磁石６を備えることに特徴を有する。

磁電変換素子２を磁性薄膜で構成した場合、磁電変換素子２の計測磁界に対する出力特性は、図４（ａ）に示すグラフとなる。磁電変換素子２の出力特性は、近似的に二次関数で表され、計測磁界がゼロのときに出力が最も高く、計測磁界が強くなるにしたがって出力が低減する。図４（ａ）に示すように、磁電変換素子２の出力特性は、線形性が低く、磁電変換素子２の出力から電線５に流れる電流値を算出する信号処理が複雑となる問題があった。

そこで、本実施形態の通電情報計測装置は、磁電変換素子２に磁界をバイアスする一対の永久磁石６を備えている。図３に示すように、一対の永久磁石６は、磁性体コア１の軸方向（図３における上下方向）に並設され、磁電変換素子２を介して対向している。そして、永久磁石６は、磁性体コア１が磁電変換素子２にバイアスする磁界（計測磁界）の方向に対して直交方向（図３における上下方向）の磁界を磁電変換素子２にバイアスしている。これにより、図４（ｂ）に示すように、磁電変換素子２の出力特性は、近似的に三次関数で表されるように変化し、計測磁界がゼロ付近の領域では線形性が高くなる。

したがって、計測磁界がゼロ付近の領域内で変動するよう設定することで信号処理が容易となる。そこで、本実施形態の磁性体コア１は、図５に示すように、切り欠き部１１を介して対向する面を段形状に形成することで、計測磁界がゼロ付近の領域内となるように調節している。

磁性体コア１は、切り欠き部１１を介して対向する面のそれぞれに凹部１２が形成されている。凹部１２は、軸方向に沿って、磁性体コア１の下面と連続するように形成されている。したがって、切り欠き部１１を介して対向する面は、磁性体コア１の内周面に連続する第１の面１３と、外周面に連続する第２の面１４とで構成され、第２の面１４間の間隔Ｌ３は、第１の面１３間の間隔Ｌ１よりも長くなる。

このため、第２の面１４間に発生する磁界は、第１の面１３間に発生する磁界よりも弱くなるので、磁電変換素子２にバイアスされる磁界も弱くなる。このように、凹部１２を形成することで、磁電変換素子２にバイアスされる磁界の強度を調節することができるので、計測磁界がゼロ付近の領域内を変動するように設定することが可能となる。

すなわち、永久磁石６を磁電変換素子２の近傍に配置することで、磁電変換素子２の出力特性が変化して、計測磁界がゼロ付近の領域では線形性が高くなる。さらに、磁性体コア１に凹部１２を形成することで、計測磁界がゼロ付近の領域内を変動するように設定することができる。これにより、磁電変換素子２の出力特性において線形性の高い領域を用いることができるので、磁電変換素子２の出力から電線５に流れる電流値を算出する信号処理が容易となり、計測精度を向上させることができる。

また、永久磁石６を備えることで、磁電変換素子２の出力特性は、図４（ｂ）に示すように計測磁界がゼロのときに出力もゼロとなり、計測磁界の方向（正負）に応じて出力の極性も反転するので、電線５に流れる電流の方向も判定することができる。

なお、本実施形態では、凹部１２は、切り欠き部１１を介して対向する面のそれぞれに形成されているが、少なくともどちらか一方の面に凹部１２を形成した場合でも上記効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、磁電変換素子２を介して対向するように一対の永久磁石６が設けられているが、いずれか一方の永久磁石６のみを設けた場合でも、上記効果を得ることができる。また、永久磁石６は、磁電変換素子２に対して軸方向に配置されているが、この位置に限定するものではない。

また、磁性体コア１は、図６に示すように、周方向に分割された構成でもよい。磁性体コア１は、主に上部を構成する上片１５と、主に左部を構成する左片１６と、主に右部を構成する右片１７との３つに分割されている。上片１５と左片１６、上片１５と右片１７とは着脱自在に構成されている。そのため、既設の電線５に対して磁性体コア１を取り付ける際に、電線５の周囲を囲うように上片１５，左片１６，右片１７を組み立てることで、既設の電線５に対して磁性体コア１を容易に取り付けることができ、施工性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、磁性体コア１は、上片１５，左片１６，右片１７の３つに分割されているが、さらに複数に分割可能に構成されてもよい。

（実施形態３）
本実施形態の通電情報計測装置は、磁性薄膜で構成された磁電変換素子２に、電線５の電圧を印加することで、磁電変換素子２の出力から電線５を介して供給される電力を計測するものである。なお、磁性体コア１，磁電変換素子２，磁性体シールド３の構成は、実施形態１または２と同一であり、説明は省略する。

本実施形態では、強磁性体内において、電流と磁化のなす角度によりその磁性体の電気抵抗値が変わる現象であるプレーナホール効果を利用し、バイアス磁界なしで線形特性を得ることができる点に着目し、電力に比例する信号成分を取り出す。図７，８にこの測定原理を示す。図７は、本実施形態の通電情報計測装置の測定原理を示す概要説明図、図８は、等価回路である。

交流電源Ｅｉｎの出力端間に、抵抗Ｒａおよび磁電変換素子２からなる直列回路と、負荷７とが並列接続されており、電線５を介して負荷７に流れる電流をＩ１、磁電変換素子２に流れる電流をＩ２とする。図８に示すように、磁電変換素子２は、抵抗Ｒ１，Ｒ４の直列回路と抵抗Ｒ２，Ｒ３の直列回路とが並列接続された抵抗ブリッジとみなすことができ、抵抗Ｒ１の抵抗値がバイアスされる磁界の強度に応じて変化する。そして、磁電変換素子２は、抵抗Ｒ１，Ｒ４の接続点と抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続点とで出力端を構成しており、出力端間の電圧を出力電圧Ｖｍｒとする。

ここで、計測磁界がゼロのときに出力電圧Ｖｍｒがゼロ、すなわち平衡状態（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）となるように設定した場合、出力電圧Ｖｍｒは抵抗Ｒ１の変化率に比例する。

抵抗Ｒ１の変化率は電流Ｉ１に比例し、磁電変換素子２に印加される電圧Ｖｂは交流電源Ｅｉｎの電源電圧すなわち電流Ｉ２に比例しており、出力電圧Ｖｍｒは、電流Ｉ１と電流Ｉ２の積に比例する。すなわち、出力電圧Ｖｍｒは、電力に比例する信号成分を有しており、この信号成分を抽出することで、電線５を介して負荷７に供給される電力を計測することができる。

また、磁性体コア１，磁性体シールド３の構成は、実施形態１または２と同一であるので、外部磁界のシールド性能が高く、計測結果の誤差を低減することができる。

１ 磁性体コア
２ 磁電変換素子
３ 磁性体シールド
４ 回路基板
５ 電線（導体）
１１ 切り欠き部
３１ 板部
３２ リブ

Claims (7)

1. 導体の通電情報を計測する通電情報計測装置において、
   磁性材料からなり、前記導体を周方向に沿って囲む筒状に形成され、軸方向に沿って内周面側と外周面側とを連通させる切り欠き部を有する磁性体コアと、
   前記切り欠き部を通して前記導体に対向するように回路基板に実装され、前記導体に流れる電流によって発生する磁界の強度を電気信号に変換する磁電変換素子と、
   磁性材料からなり、前記回路基板を介して前記切り欠き部に対向するように設けられる磁性体シールドとを備え、
   前記磁性体シールドは、一面が前記回路基板に対向する板部と、当該板部の一面に形成される複数のリブとを有し、前記複数のリブのうち一対のリブ間に前記磁電変化素子が位置するように形成されることを特徴とする通電情報計測装置。
2. 前記磁電変換素子は、磁性薄膜で構成されることを特徴とする請求項１記載の通電情報計測装置。
3. 前記磁電変換素子の近傍に配置される永久磁石を備えることを特徴とする請求項１または２記載の通電情報計測装置。
4. 前記磁性体コアは、前記切り欠き部を介して互いに対向する面のうち少なくとも一方の面が段形状に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の通電情報計測装置。
5. 前記磁性体コアは、周方向において３つ以上に分割可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の通電情報計測装置。
6. 前記通電情報は、前記導体に流れる電流であり、
   前記磁電変換素子が生成する前記電気信号に基づいて、前記導体に流れる電流を計測することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の通電情報計測装置。
7. 前記通電情報は、前記導体を介して供給される電力であり、
   前記磁電変換素子が生成する前記電気信号と前記導体の電圧とから、前記導体を介して供給される電力を計測することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の通電情報計測装置。
   

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