JP2016111191A - Toroidal coil device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トロイダルコイル装置に関する。 The present invention relates to a toroidal coil device.
従来から、磁気回路を有していない空芯のトロイダルコイルを備えるトロイダルコイル装置は、その中心穴を通る電線を流れる交流電流を計測する電流センサとして用いられている。トロイダルコイルは、直線状の空芯ソレノイドコイルをその中心軸が円形となるように丸く曲げてコイル外形をトロイド状としたものである。電流センサとしての空芯トロイダルコイルは、ロゴスキーコイルとも呼ばれる。電流センサ用のトロイダルコイルは、例えば、可撓性のシート状基材の両面に形成した導体パターンとこれらを両面間で接続する導通スルーホールとによってシート状の空芯ソレノイドコイルを形成し、これを丸めて簡便に形成される(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、この特許文献1のトロイダルコイルは、導通スルーホールによる接続を確保するためのランドパターンの存在が、導体パターンの密度増加に対する制約条件になってしまい、ある限度以上にコイルのターン数を増やすことができない。また、各1ターンコイルの囲む面積はシート状基材の断面積そのものであり、その面積を増やすには限界がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a toroidal coil device including an air-core toroidal coil that does not have a magnetic circuit has been used as a current sensor that measures an alternating current flowing through an electric wire passing through the center hole. The toroidal coil is formed by bending a linear air-core solenoid coil so that its central axis is circular, and to form a toroidal coil. An air-core toroidal coil as a current sensor is also called a Rogowski coil. A toroidal coil for a current sensor forms a sheet-shaped air-core solenoid coil by, for example, a conductive pattern formed on both surfaces of a flexible sheet-shaped substrate and a conductive through hole connecting these two surfaces. Is easily formed (see, for example, Patent Document 1). However, in the toroidal coil of
ところで、柔軟性を有する支持体に一体的に複数の導体パターンを形成し、その支持体を折り曲げて形成される各導体パターン毎の1ターンコイルを互いに直列接続してトランス等で用いるインダクタを形成する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。 By the way, a plurality of conductor patterns are integrally formed on a flexible support body, and one-turn coils for each conductor pattern formed by bending the support body are connected in series to form an inductor used in a transformer or the like. There is a known method (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、上述した特許文献2に示されるような形成方法においては、導通スルーホールを用いずに半田によって接続することができるものの、各半田接続部においてスリットとツメとの嵌合を用いるので、依然としてコイルのターン数増が制限される。また、この特許文献2におけるコイルの形成方法は、1ターンコイルが立体的に形成されるのでコイルが囲む面積を増やせるものの、四角形の一辺にコイルを形成するものであり、ノイズ相殺に有効な回転対称性をトロイダルコイルに持たせることができない。
However, in the forming method as shown in
また、トロイダルコイルを既設の電線に対する電流センサとして用いる場合、トロイダルコイルをトロイダル方向のどこかで分断して開いて、トロイダルコイルの中心部に電線を位置させて閉じるクランプ動作が必要である。トロイダルコイルは、例えば180°以上に開く大きなクランプ動作ができることが望ましく、また、クランプ動作の繰り返し耐性を備えることが望ましい。 Further, when the toroidal coil is used as a current sensor for an existing electric wire, it is necessary to perform a clamping operation in which the toroidal coil is divided and opened somewhere in the toroidal direction, and the electric wire is positioned and closed at the center of the toroidal coil. The toroidal coil is desirably capable of performing a large clamping operation that opens, for example, 180 ° or more, and preferably has a repeated resistance to the clamping operation.
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、コイルのターン数を従来よりも増加させることができ、また、コイル片間の開き角度が大きくなり電線に対してクランプさせることが容易なトロイダルコイル装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problem, and with a simple configuration, the number of turns of the coil can be increased as compared with the prior art, and the opening angle between the coil pieces is increased so that the wire is clamped. An object of the present invention is to provide a toroidal coil device that is easy to handle.
上記課題を達成するために、本発明のトロイダルコイル装置は、トロイダル方向に直交する面で分割された円弧形状の複数のコイル片をトロイダル方向に沿って並べて成るトロイダルコイルを備え、コイル片の各々は、ポロイダル方向に伸びる形状を有してトロイダル方向に並び設けられる複数の導電体パターンと、隣り合う導電体パターンの間に設けられた立体形成用の切り込みとを有したフレキシブル基板を備え、このフレキシブル基板が平板状からポロイダル方向およびトロイダル方向に屈曲され、この屈曲により形成される複数の1ターンコイルの隣り合うコイルに属する端部同士が順次に直列接続されて連続する複数ターンのコイルとされていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a toroidal coil device of the present invention includes a toroidal coil formed by arranging a plurality of arc-shaped coil pieces divided along a surface orthogonal to the toroidal direction along the toroidal direction, and each of the coil pieces. Comprises a flexible substrate having a shape extending in the poloidal direction and provided with a plurality of conductor patterns arranged in the toroidal direction, and a three-dimensional notch provided between adjacent conductor patterns. The flexible substrate is bent in a poloidal direction and a toroidal direction from a flat plate shape, and end portions belonging to adjacent coils of a plurality of one-turn coils formed by this bending are sequentially connected in series to form a continuous multi-turn coil. It is characterized by.
本発明のトロイダルコイル装置によれば、フレキシブル基板を立体化したコイル片を並べてトロイダルコイルとするので、コイルのターン数をより増加でき、また、コイル片間の開き角度をより大きくでき、コイル片を電線にクランプすることが容易となる。 According to the toroidal coil device of the present invention, since the coil pieces obtained by three-dimensionalizing the flexible substrate are arranged to form a toroidal coil, the number of turns of the coil can be increased, and the opening angle between the coil pieces can be further increased. Is easily clamped to the electric wire.
以下、本発明の実施形態に係るトロイダルコイル装置について、図面を参照して説明する。図1乃至図5は一実施形態に係るトロイダルコイル装置1Aを示す。図1、図2、図3に示すように、トロイダルコイル装置1Aは、2つのコイル片T1,T2から成るトロイダルコイル1と、各コイル片T1,T2を内部から支持する半円筒形の支持体であるコア4と、を備えている。トロイダルコイル1は、トロイダル方向TDに直交する面で分割された円弧形状の2つのコイル片T1,T2をトロイダル方向TDに沿って並べて構成されている。各コイル片T1,T2は、シート状の可撓性基材2と可撓性基材2に支持された互いに並列する複数の導電体パターン3を有するフレキシブル基板10を備えており、フレキシブル基板10をトロイド状に屈曲して形成されている。これらの図や以下に示す図において導電体パターン3の図示が適宜省略されている。
Hereinafter, toroidal coil devices according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 show a
導電体パターン3は、各々がポロイダル方向PDに平行に伸びる形状を有し、全体がトロイダル方向TDに沿って並び設けられている。可撓性基材2は、隣り合う導電体パターン3の間に立体形成用の切り込み21を有している。導電体パターン3の各々は、フレキシブル基板10が矢印Rで示すように平板状からポロイダル方向PDに屈曲されることにより、1ターンコイルを形成する。互いに並列する複数の1ターンコイルは、隣り合うコイルに属する端部同士が順次に直列接続されて連続する複数ターンのコイルであるソレノイドコイル10aとされる(図3(a))。
Each of the
上述の1ターンコイル間の接続は、線状の各導電体パターン3の一端と他端とを、隣接する導電体パターン3間で互いに重ねて電気的に接続した接続部30を形成することにより行われる。接続部30は、コア4の外周における凹部4aに対応する位置に形成される。複数ターンのコイルとされたフレキシブル基板10は、立体形成用の切り込み21の存在によってトロイダル方向TDに屈曲される(図3(b))。
The connection between the above-described one-turn coils is performed by forming a
各フレキシブル基板10毎に、コイル片T1,T2が形成される。各コイル片T1,T2は、それぞれ端子J1,J2および端子J3,J4(これらを総称して端子Jn)を有している。フレキシブル基板10は、可撓性基材2の表裏にそれぞれ導電体パターン3を有する多層基板であり、表裏の各面において、それぞれ複数ターンのコイルを形成し、全体として進みコイルと戻りコイルの二重コイルとされている。進みコイルと戻りコイルは、互いに直列接続されており、接続されなかった端子が、例えばコイル片T1の場合、端子J1,J2である。
Coil pieces T1 and T2 are formed for each
なお、コイル片T1,T2の各々は、端末処理を除いて、円筒形のトロイダルコイルを、その中心軸AXを含む平面PLで2分割した各コイルに相当する。また、各コイル片T1,T2が円弧形状であるとは、各コイル片T1,T2が、直線状のソレノイドコイルをトロイダル方向TDに沿って半円形状、一般に任意弧長の円弧形状、に湾曲させた形状となっているという意味である(図1(b)参照)。言い換えると、コイル片T1,T2は、中心軸AXの方向から見て、切り分けられたバウムクーヘンの形状を有している。また、トロイダル方向TDは、トロイダルコイル1の中心軸AXまわりの円周方向であり、ポロイダル方向PDは、トロイダル方向TDに直交する平面とトロイドの表面との交線に沿った方向である。
Each of the coil pieces T1 and T2 corresponds to each coil obtained by dividing a cylindrical toroidal coil into two by a plane PL including the central axis AX, except for terminal processing. The coil pieces T1 and T2 are arc-shaped. The coil pieces T1 and T2 are formed by bending a linear solenoid coil into a semicircular shape, generally an arc shape having an arbitrary arc length along the toroidal direction TD. This means that the shape has been changed (see FIG. 1B). In other words, the coil pieces T1 and T2 have a cut Baumkuchen shape as viewed from the direction of the central axis AX. Further, the toroidal direction TD is a circumferential direction around the central axis AX of the
次に、図4を参照してコイル片T1(T2)を形成するフレキシブル基板10を詳細説明する。以下の説明はコイル片T2を形成するフレキシブル基板10についても同様である。フレキシブル基板10は、平面状に展開した状態で略四角形の外形を有する。平面状のフレキシブル基板10において、図中のポロイダル方向PDに沿って、上下の領域がトロイダルコイル1の外周領域に相等し、中央の領域がトロイダルコイル1の内周領域、すなわち中心軸AXに面する領域に相等する。外周領域と内周領域との間は、トロイダルコイル1における、中心軸AXに沿った両端に位置する遷移領域に相当する。可撓性基材2には伸縮性が望めないので、平面状のフレキシブル基板10を立体曲面であるトロイド状に屈曲して形成するために、内周領域と遷移領域に切り込み21が設けられている。切り込み21は、平面状態のフレキシブル基板10に可撓性基材2を含む基板材料を除去した開口を形成している。
Next, the
切り込み21による開口に挟まれた領域に、導電体パターン3が設けられている。各導電体パターン3は、隣りの導電体パターン3の延長線上に乗り移るように、クランク状に変化した斜行形状のパターンを有している。導電体パターン3の一端は、可撓性基材2が存在しないフライングリード構造の接続端子3aとなっており、その他端は、可撓性基材2上に支持された接続端子3bとなっている。導電体パターン3は、フレキシブル基板10の表裏において、それぞれ進みコイルと戻りコイルを形成するように、表裏で互いに異なる方向に斜行したクランク状のパターンを有している。進みコイルと戻りコイルの組合せは、例えば、右ねじコイルと左ねじコイルの組合せに対応する。コイルの導線を流れる電流は、ある回転方向の螺旋を描きながらトロイダル方向に沿って進み、その後、同じ回転方向の螺旋を描きながらトロイダル方向に沿って戻ることになる。
The
次に、コイル片T1の端子J1(1a)から各導電体パターン3を介して端子J2(1b)に至るまでの電気配線を説明する。フレキシブル基板10におけるコイル片T1の各1ターンコイルは、表面の端子1aから左下がりの実線矢印で示すように巻き進み、右下がりの点線矢印で示すように裏面を巻き戻って端子1bに至る。この場合、表面のコイルは進みコイルであり、裏面のコイルは戻りコイルである。コイルの進みと戻りは、導電体パターン3におけるクランク状の導電体パターン部分によって実現されている。
Next, electrical wiring from the terminal J1 (1a) of the coil piece T1 to the terminal J2 (1b) through each
具体的に説明すると、表面の端子1aからの配線は、端子1aにつながる導電体パターン3を通って、その接続端子x2に至り、接続端子x2は隣の導電体パターン3の接続端子x3に電気的に接続される。ここで、フレキシブル基板10は扁平な円筒状に丸められていることに注意。以下同様にして、接続端子x4から、接続端子x5を経て、接続端子x6に至る。接続端子x6の先端部分は、接続端子x7に接続され、接続端子x6の途中部分の導体1cは、切り欠き22の存在により、裏面の導電体パターン3から延伸された接続端子y2に対面して重ねられ、接続端子y2の導体1dに直接接続される。この導体1c,1d間の接続により、表裏接続が成される。接続端子x7は、固定補強や形状整列のために用いられるダミーの端子である。
Specifically, the wiring from the terminal 1a on the front surface passes through the
続いて、裏面において、接続端子y2の導電体パターン3を通って、その接続端子y3に至り、接続端子y3から、隣の導電体パターン3を経由して、接続端子y4に至り、以下同様にして、接続端子y4から、接続端子y5を経て、接続端子y6に至る。接続端子y6は、接続端子y6につながる導電体パターン3を通って、その終端である端子1bに至る。なお、図中の接続端子xe,xoはそれぞれ表面の導電体パターン3のフライングリードである接続端子3a、および可撓性基材2上に支持された接続端子3bであり、接続端子ye,yoはそれぞれ裏面のそれらである。
Subsequently, on the back surface, the
次に、図5を参照して、電気接続の接続部30について説明する。表裏間の電気接続の場合、図5(a)に示すように、フレキシブル基板10の端部を突き合わせて接続端子x6,y2を重ねると、切り欠き22の存在により、接続端子x6,y2の導体1c,1dが互いに直に対面する状態となる。従って、表面側から裏面側に電気接続を行う接続部30が、付加的配線を用いることなく、フレキシブル基板10だけを用いて容易に形成される。電気接続は、例えば、半田31によって行うことができる。接続部30は、保護樹脂32によって保護される。
Next, with reference to FIG. 5, the
また、表表間、裏裏間の電気接続の場合、図5(b)に示すように、両方の接続を一括して行うことができる。さらに、これらの表裏間、表表間、裏裏間の電気接続は、全体を一括して行うことができる。これらの電気接続は、各接続端子3a,3b(総称)に半田ペーストを塗布した状態で、各接続端子3a,3bが互いに重なるようにフレキシブル基板10を円筒形状に丸めて、一括半田付けによって行うことができる。また、半田ペーストによらずに、互いに重なった各接続端子3a,3b部分を、半田液に接触させながら半田液槽を通過させて半田付けを行ってもよい。また、各接続端子3a,3b間を、導電性接着剤や、異方性導電樹脂を用いて電気接続してもよい。なお、フレキシブル基板10は、2層の導電体層を有するものに限らず、1層または3層以上の導電体層を備えたものを用いて各導電体層に複数ターンコイルを形成するようにすることができる。
Further, in the case of electrical connection between the front and back surfaces and between the back and back surfaces, both connections can be performed collectively as shown in FIG. Furthermore, the electrical connection between these front and back, front and back, and back and back can be performed collectively. These electrical connections are performed by batch soldering by rounding the
なお、フレキシブル基板10は、可撓性基材2に、導電体パターン3の導体層と、保護膜2aの絶縁樹脂層とを積層して構成されている。フレキシブル基板は、フレキシブル印刷回路基板とも呼ばれる基板である。フレキシブル基板10は、例えば、樹脂シート上に銅箔層を有する一般的なフレキシブル基板を用いて、一般的な製造工程によって製造される。その製造工程は、例えば、銅箔のパターニングによる導電体パターン3の形成、塗布やラミネートやパターニング等による保護膜2aの形成、切り込み21や外形の形成、端子1a,1bおよび各接続端子3a,3bのメッキ等を行う工程である。フレキシブル基板10の製造は、このような、不要の銅箔をパターニングによって除去するサブトラクト工法に限らず、可撓性基材2上に導電材料を付加して導電体パターン3を形成するアディティブ工法や、これらの組み合わせによって行うことができる。可撓性基材2は、例えば、ポリイミド樹脂が用いられる。
The
また、トロイダルコイル装置1Aは、コイル片T1,T2によるトロイダルコイル1の形状をフレキシブル基板10自体の強度によって維持できる場合、コア4を備える必要はない。トロイダルコイル1の形状を維持するには、フレキシブル基板10の中に、単純に詰め物や発泡材を挿入してもよい。コア4は、コイル片T1,T2の各々をその内面において支持する内部支持体である。支持体はコア4に限らず、コイル片T1,T2の各々をその外面において支持する外部支持体、例えば、コイル片を収容するケースなど用いてもよい。また、コイル片の外形形状の壁面を有する凹部や空洞にコイル片を収納し、その壁面にコイル片の外面を貼り付けてコイル片を支持するようにしてもよい。また、コイル片の内面や外面に樹脂等を塗布し、その樹脂等を支持体として、コイル片の形状を維持するようにしてもよい。
In addition, the
本実施形態のトロイダルコイル装置1Aによれば、フレキシブル基板10を立体的に屈曲して形成したコイル片T1,T2を用いてトロイダルコイル1とするので、印刷基板の高密度パターン形成特性に基づいて、コイルのターン数を増加できる。また、トロイダルコイル装置1Aは、トロイダルコイル1の立体的な構造によって各1ターンコイルが囲繞する面積を大きくすることができる。従って、より多くの磁束を積分して磁気誘導の効果を高めることができ、コイルのターン数増加と同様に磁気的性能を向上できる。トロイダルコイル装置1Aによれば、コイル片T1,T2を並べてトロイダルコイル1とし、各コイル片T1,T2が個別かつ独立に構成されているので、コイル片T1,T2間の開き角度を大きくできる。従って、トロイダルコイル装置1Aによれば、電線に対してクランプさせることが容易となる。
According to the
また、トロイダルコイル装置1Aによれば、各コイル片T1,T2が個別化されていることにより、クランプ動作のためにトロイダルコイル1を開閉する際の開閉軸を、各コイル片T1,T2における端子Jnが位置する部分に設定することができる。これは、端子Jnが、個々のコイル片における導電体パターン3から離れた領域までフレキシブル基板10を延伸させて形成できることによる。つまり、開閉軸は、1ターンコイルを形成する導電体パターン3が配置されているフレキシブル基板10の領域から離れた領域に設定できる。このような構成により、クランプ動作を繰り返す際に発生するストレスが、トロイダルコイル1を形成しているフレキシブル基板10にかかるのを防止でき、開閉の繰り返しによる導電体パターン3の断線などの不具合を防止できる。
Further, according to the
(電流計測用としたトロイダルコイル装置)
図6、図7、図8は、他の実施形態に係るトロイダルコイル装置1Aを示す。本実施形態のトロイダルコイル装置1Aは、図6に示すように、上述の実施形態におけるコイル片T1,T2から成るトロイダルコイル1に生成される電圧信号を処理する回路を有する回路基板6を備えたものであり、これを電流計測装置1Bと称することにする。電流計測装置1Bは、図7、図8に示すように、トロイダルコイル1を収納するトロイド状のケース5を備えることができる。ケース5は、トロイド状の本体部50と回路基板6を収納する基板収納部51とを有している。回路基板6と各コイル片T1,T2とは、端子Jnによって互いに電気的に接続されている。回路基板6は、コイル片T1,T2が構成するトロイダルコイルからの出力を受けて処理する回路を備えている。このケース5は、トロイダルコイル1を環境雰囲気や外力などから保護し、かつトロイダルコイル1を電線に対してクランプさせる際の操作を容易とする。ケース5は、クランプ式の電流計を構成するためのクランプカバーとなる。
(Toroidal coil device for current measurement)
6, 7 and 8 show a
本体部50は、トロイドの中心軸を含む分割面50aに沿って2分割された形状の分割ケース50bを組み合わせて構成されている。より一般的に言えば、ケース5は、コイル片の各々を収納する複数の分割ケースを組み合わせて構成されている。各分割ケース50bは、それぞれコイル片T1,T2の各々を収納する。一方の分割ケース50bは、基板収納部51と一体化されている。分割ケース50bは、各々をトロイドの外周側の縁部において連結する2種類の連結部を有している。一つは分割ケース50b間を開閉自在とするヒンジ構造とされたヒンジ5aであり、他の一つは分割ケース50b間を分離自在とする係合構造を構成する爪5bとフック5cの対である。これらの分割ケース50bは、互いの分割面のなす角度が180°以上となるまで開くことができる。
The
ケース5の分割面50aには、ケース5を開いた際にケース5に収納されたフレキシブル基板10を露出させないように保護する隔壁52が設けられている。隔壁52は、シート材を貼付したり、塗布膜を設けたり、封止材を充填したりして、形成することができる。本体部50は、トロイダルコイル1の対称性(その回転軸回りの対称性、各1ターンコイル間の対称性、コイル間ピッチの対称性など)を確保するように構成されている。例えば、各分割面50aは、1ターンコイル間ピッチ以下の平面度で接合するように構成される。このコイル間ピッチをより一定にするため、隔壁52は可能な限り薄くする。なお、ケース5は、その開閉面の位置ずれが発生しないように、平面分割面に替えて、位置決め可能な係合凹凸構造を備えたり、嵌合構造としたりしてもよい。
The
このような電流計測装置1Bとされたトロイダルコイル装置1Aは、電線に着脱して、電線を流れる交流電流を計測するために用いることができる。この場合、基板収納部51内の回路基板6には、トランジスタや積分器などの、電流検出に必要な電子素子類が実装されている。また、基板収納部51には、回路基板6への電源入力や信号入出力を行うための端子ピンを有するソケットを設けたり、回路基板6からケース5の外部に引き出された電気接続用の引き出し線を設けたりすることができる。
The
このような電流計測装置1B(トロイダルコイル装置1A)によれば、コイル片T1,T2を用いる分割構造によって大角度の開閉が可能であり、その開閉機能によって、電流計測装置1Bの外周側から中心軸側に電線9を容易に進入させ退出させることができる。これによって、すでに設置されている電線の電流計測や電力計測を行う用途へ用いることができる。また、ヒンジ5a、および爪5bとフック5cとを有しているので、電流計測する対象の電線を変更したりする場合、同じ個体を容易に繰り返し使用できる。電流計測装置1Bは、その中央穴に貫挿された電線9を流れる電流変化に基づく磁界の時間変化に応じた信号を電流計測結果として、回路基板6を介して外部に出力する。
According to such a
(各種の変形例)
図9、図10、図11は、トロイダルコイル装置1Aの変形例を示す。これらの変形例は、トロイダルコイルを2分割した状態のコイル片T1,T2のコイル構造とコイル間の結線構造とに注目したものである。図9に示すトロイダルコイル装置1Aのコイル片T1,T2は、進みコイルまたは戻りコイルの一方のみの単方向コイル構造を有するものである。各コイル片T1,T2の端子は、各コイルの両端に互いに離れて存在するので、これらのコイル片T1,T2は、図示の如く、端子J2,J3間を接続する外付け線路を用いて、トロイダルコイル装置1Aとすることができる。ただし、端子J2と端子J3が、互いに異なるコイル片に9属する端子であるので、トロイダルコイル装置1Aの中心に電線9を進入させるには、その進入経路を遮らないような長い外付け線路が必要である。
(Various variations)
9, 10 and 11 show a modification of the
図10に示すトロイダルコイル装置1Aのコイル片T1は、互いに独立した進みコイルと戻りコイルの2本のコイルを有するものであり、各コイルにおける端子は互いに離れて存在する。これらの進みコイルと戻りコイルとは、同一のコイル片T1に属するので、互いに近接した端子J2,J3間を接続でき、その結果、互いに近接した端子J1,J4を有する1本のコイルとすることができる。コイル片T2についても同様である。そこで、コイル片T1,T2を端子J4,J5間で接続したトロイダルコイル装置1Aとすることができる。外部接続できる構成の端子J2,J3は、トロイダルコイル装置1Aの性能評価や故障診断などに用いることができる。図11に示すトロイダルコイル装置1Aは、図10のトロイダルコイル装置1Aにおいて、一方のコイル片T1の進みコイルと戻りコイルとが内部で接続されているものである。
A coil piece T1 of the
(他の実施形態)
図12乃至図15は、他の実施形態に係るトロイダルコイル装置1Aおよび、トロイダルコイル装置1Aを電流計測用とした電流計測装置1Bを示す。図12、図13、図14に示すように、トロイダルコイル装置1Aは、トロイダルコイルの4分割片からなるコイル片T1,T2と、2分割片からなるコイル片T3とを備えている。コイル片T1,T2,T3は、各コイル片のそれぞれの形状に対応した形状を有するコア4を備えている。
(Other embodiments)
12 to 15 show a
コイル片T1,T2,T3の各々は、進みコイルと戻りコイルの両方を有している。コイル片T1,T2の進みコイルと戻りコイルは、内部で直列接続されており、コイル片T3の進みコイルと戻りコイルは、外部部で他のコイル片T1,T2のコイルに直列接続されている。端子J1,J8が、トロイダルコイル装置1Aの出力端子となっており、回路基板6(図15)に接続される。
Each of the coil pieces T1, T2, T3 has both a lead coil and a return coil. The advance coil and the return coil of the coil pieces T1, T2 are connected in series inside, and the advance coil and the return coil of the coil piece T3 are connected in series to the coils of the other coil pieces T1, T2 at the external part. . Terminals J1 and J8 are output terminals of the
図15に示すように、トロイダルコイル1にケース5と回路基板6とを備えるトロイダルコイル装置1Aは、電流計測装置1Bとして用いられる。ケース5は、トロイド状の本体部と、回路基板6を収納する基板収納部とを有している。回路基板6は、トロイダルコイル1に電気的に接続されており、コイルの出力を処理する回路を備えている。
As shown in FIG. 15, a
本体部50は、各コイル片T1,T2,T3を収納する形状に分割され3つの分割ケースを有し、分割ケースはヒンジ5aによって開閉自在に結合されている。また、分割ケースは、閉状態を維持するために互いを係合する爪とフックとを有し、さらに、フレキシブル基板を露出させないための隔壁を有している。このケース5は、図7に示した2分割のケース5を3分割の構成としたものに相当する。3つの分割ケースは、各コイル片T1,T2,T3を収納した状態で、互いの分割面のなす角度が180°以上となるまで開くことができる。なお、このようなトロイダルコイル装置1Aおよび電流計測装置1Bは、一般に、2分割や3分割に限らず、任意個数のコイル片を用いた分割形状とすることができる。
The
(さらに他の実施形態圧)
図16は、さらに他の実施形態に係るトロイダルコイル装置1Aを示す。このトロイダルコイル装置1Aは、図1に示したトロイダルコイル装置1Aの2つのコイル片T1,T2を、互いに分離した2枚のフレキシブル基板10によって構成することに替えて、互いに連結した1毎のフレキシブル基板10によって構成するものである。すなわち、各コイル片T1,T2を形成するフレキシブル基板10は、コイル片T1の端子J2とコイル片T2の端子J3間が導電体パターンで繋がっており、かつ、可撓性基材も繋がっている。また、端子J1,J4が形成されている領域において、コイル片T1,T2から延出された可撓性基材が互いに繋がっている。従って、このトロイダルコイル装置1Aは、表裏2層の1枚のフレキシブル基板からコイル片T1,T2を形成したものであり、端子J1,J4間に、互いに直列接続された進みコイルと戻りコイルとを有するものである。
(Still another embodiment pressure)
FIG. 16 shows a
本実施形態のトロイダルコイル装置1Aは、上述した各実施形態のトロイダルコイル装置1Aと同様に、トロイダル方向に直交する面で分割された円弧形状の2つのコイル片T1,T2をトロイダル方向に沿って並べて成るトロイダルコイルを備えるものである。個々のコイル片T1,T2は、トロイダルコイルから分割された形状を有するが、各コイル片を構成するフレキシブル基板10が必ずしも互いに分離状態にあるとは限らない。
Similar to the
このようなトロイダルコイル装置1Aによれば、端子J1〜J4が形成されているフレキシブル基板10の延出部分を折り曲げや折りたたみのための変形領域として備えるので、コイル片T1,T2を180°以上の開き角度で開閉させることができる。これは、フレキシブル基板10が互いに分離されていないものの、延出された端子J1〜J4部分の存在によってコイル片T1,T2間の独立性が十分に確保されていることによる。フレキシブル基板10が分離していないので、端子J2,J3間の電気的接続は、フレキシブル基板10における導電体パターンの形成のみで行うことができ、外部接続線を半田付けして端子間J2,J3を接続する作業が不要となる。このようなトロイダルコイル装置1Aの構造は、図12に示した3分割のコイル片T1,T2,T3、一般に複数分割のコイル片を有する場合にも適用することができる。端子J1〜J4、より一般に端子Jnの形状や配置は、例えば、トロイダルコイル1の用途や回路基板6との接続構造などに応じて、適宜決定することができる。
According to such a
(コイル片に生じる電圧)
図17乃至図20は、トロイダルコイル装置1Aのトロイダルコイルを2分割した状態のコイル片T1,T2に生じる電圧について示す。コイル片T1,T2は、互いに対称構造を有し、それぞれ進みコイルと戻りコイルとを直列接続した構成を有しているものとする。電流測定対象の電線9がトロイダルコイル装置1Aの中心位置に貫通しており、非測定対象の電線9xがトロイダルコイル装置1Aのコイル片T2の側方外部に位置している。電線9と電線9xは、互いに平行であって、同相の交流電流が流れているものとする。
(Voltage generated in the coil piece)
FIGS. 17 to 20 show voltages generated in the coil pieces T1 and T2 in a state where the toroidal coil of the
図17では、電圧計V1,V2が、電線9に流れる電流に起因する電圧を互いに同相で検出するように、各コイル片T1,T2に接続されている。また、図18では、図17における電圧計V2のコイル片T2に対する接続の極性を反転させた状態となっている。つまり、電圧計V1,V2が、電線9に流れる電流に起因する電圧を互いに逆同相で検出するように、各コイル片T1,T2に接続されている。
In FIG. 17, the voltmeters V1 and V2 are connected to the coil pieces T1 and T2 so as to detect the voltage caused by the current flowing through the
図19は、図17の場合の電圧の測定結果を示す。図19(a)に示すように、電圧V1には、電線9の電流による電圧v1と、電線9xによる電圧u1とが、互いに同相で含まれる。なお、電圧v1,u1は、分離されずに、これらの和の電圧が電圧V1=v1+u1として測定される。また、図19(b)に示すように、電圧V2には、電線9の電流による電圧v2と、電線9xによる電圧u2とが、互いに逆同相で含まれる。ここで、V1と同様にV2=v2+u2である。ここで、(V1+V2)を算出すると、図19(c)に示すように、電線9の電流による電圧(v1+v2)が得られ、電線9xによる電圧(u1+u2)は互いに相殺して小さな値となる。
FIG. 19 shows the voltage measurement results in the case of FIG. As shown in FIG. 19A, the voltage V1 includes the voltage v1 due to the current of the
図20は、図18の場合の電圧の測定結果を示す。この場合、図20(a)(b)に示すように、電圧v1,u1,u2が同相となり、電圧v2だけが逆位相となる。そこで、図20(c)に示すように、(V1−V2)を算出することにより、電線9の電流による電圧(v1−v2)が得られ、電線9xによる電圧(u1−u2)は互いに相殺して小さな値となる。
FIG. 20 shows the voltage measurement results in the case of FIG. In this case, as shown in FIGS. 20A and 20B, the voltages v1, u1, and u2 are in phase, and only the voltage v2 is in reverse phase. Therefore, as shown in FIG. 20 (c), by calculating (V1-V2), the voltage (v1-v2) due to the current of the
電圧V1と電圧V2の和(V1+V2)=Vや、差(V1−V2)=Vは、通常、コイル片T1,T2の直列接続の方法、および直列接続したコイル片T1,T2と単一の電圧計との接続方法とを適宜に選択することによって、測定値として自動的に得られる。言い換えれば、コイル片T1,T2が互いに対称構造を有するものでない場合、これらのコイル片T1,T2および電圧計、例えば上述の回路基板6、との接続方法を適宜に選択して電流測定対象の電線9の電流を適切に測定できるようにすることができる。このことは、1種類のコイル片T1を2つ用いて、互いに上下反転させて組み合わせることにより2つのコイル片T1,T2の構成する場合に、容易に適用できる。
The sum of the voltage V1 and the voltage V2 (V1 + V2) = V and the difference (V1−V2) = V are usually determined by the series connection method of the coil pieces T1 and T2 and the single connection between the coil pieces T1 and T2 connected in series. By appropriately selecting the connection method with the voltmeter, it is automatically obtained as a measurement value. In other words, when the coil pieces T1 and T2 do not have a symmetric structure, the connection method between the coil pieces T1 and T2 and the voltmeter, for example, the
(さらに他の実施形態)
図21は、さらに他の実施形態を示す。本実施形態におけるトロイダルコイル1は、1ターンコイルCLの各々が、トロイダル方向TDに沿って互いに一定の間隔で配置されているものである。言い換えると、1ターンコイルCLの各々は導電体パターン3によって形成されており、導電体パターン3の各々が円周状のトロイダル方向TDに沿って一定間隔配置とされている。トロイダルコイル1の中心軸AXに直交するいずれの断面においても、導電体パターン3の各々が円周上に一定間隔で存在することになる。
(Still another embodiment)
FIG. 21 shows still another embodiment. In the
上述の一定間隔は、トロイダルコイル1の内周側の間隔p1と外周側の間隔p2とで異なり(p1≦p2)、また、一般に、断面の位置が異なると異なる。ここで、間隔p1,p2は、例えば、各導電体パターン3の幅の中心位置間の距離で定義される。また、各導電体パターン3の幅の中心は、各1ターンコイルCL間を接続するためのクランク状のパターンや接続端子の存在により、断面の位置が異なると異なる位置に現れることになるが、各断面における円周上の間隔は一定である。
The above-described constant interval differs between the inner circumferential side interval p1 and the outer circumferential side interval p2 of the toroidal coil 1 (p1 ≦ p2), and generally differs when the cross-sectional position is different. Here, the intervals p1 and p2 are defined by the distance between the center positions of the widths of the
また、図21に加え、図22に示すように、本実施形態のフレキシブル基板10(トロイダルコイル1)において、1ターンコイルCLの各々が中心軸AXを含む平面PL内に配置されている。各1ターンコイルCLを構成する導電体パターン3は、各1ターンコイル間を接続するためのクランク状のパターンである渡りパターン3cの部分を除いて、平面PL内に位置している。このようなフレキシブル基板10における1つの1ターンコイルCLを中心軸AXの位置から見ると、1ターンコイルCLの内側の導電体パターン3と外側の導電体パターン3とが互いに重なって見える。
In addition to FIG. 21, as shown in FIG. 22, in the flexible substrate 10 (toroidal coil 1) of the present embodiment, each one-turn coil CL is arranged in a plane PL including the central axis AX. The
また、1ターンコイルCL、従って導電体パターン3の個数は奇数個とすることもできるが、図22に示すように、偶数個の場合、2つの1ターンコイルCLが平面PL内に存在することになり、奇数個の場合よりも対称性の点でより好ましい。さらに、1ターンコイルCLの各々を、トロイダル方向TDに沿って互いに一定の間隔で配置したり、中心軸AXを含む平面PL内に配置したりする構成は、多層のフレキシブル基板10を用いたトロイダルコイル1にも適用できる。この場合、両面あるいは複数の導電体層に形成された各導電体パターン3および1ターンコイルCLは、フレキシブル基板10における各導電体層毎に、一定の間隔で配置したり、中心軸AXを含む平面PL内に配置したりする構成とすればよい。
Further, the number of one-turn coils CL, and hence the number of
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。また、1枚のフレキシブル基板10でコイル片とすることに替えて、例えば、トロイダル方向やポロイダル方向に分割した複数枚のフレキシブル基板10を用いてコイル片としてもよい。また、フレキシブル基板10自体を多層とすることに加えて、フレキシブル基板10を多重に重ねて、すなわち入れ子状態にコイル片を形成してもよい。フレキシブル基板10を多重にすることにより、コイルのターン数を増加させることができる。
The present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made. For example, the configurations of the above-described embodiments can be combined with each other. Further, instead of using a single
1 トロイダルコイル
1A トロイダルコイル装置
1B 電流計測装置
10 フレキシブル基板
21 切り込み
3 導電体パターン
4 コア(支持体)
5 ケース
5a ヒンジ(ヒンジ構造)
5b 爪(係合構造)
5c フック(係合構造)
50b 分割ケース
6 回路基板
9 電線
AX 中心軸
CL 1ターンコイル
PD ポロイダル方向
PL 中心軸を含む平面
T1,T2,T3 コイル片
TD トロイダル方向
DESCRIPTION OF
5
5b Claw (engagement structure)
5c Hook (engagement structure)
Claims (10)
トロイダル方向に直交する面で分割された円弧形状の複数のコイル片をトロイダル方向に沿って並べて成るトロイダルコイルを備え、
前記コイル片の各々は、ポロイダル方向に伸びる形状を有してトロイダル方向に並び設けられる複数の導電体パターンと、隣り合う導電体パターンの間に設けられた立体形成用の切り込みとを有したフレキシブル基板を備え、このフレキシブル基板が平板状からポロイダル方向およびトロイダル方向に屈曲され、この屈曲により形成される複数の1ターンコイルの隣り合うコイルに属する端部同士が順次に直列接続されて連続する複数ターンのコイルとされていることを特徴とするトロイダルコイル装置。 A toroidal coil device,
A toroidal coil comprising a plurality of arc-shaped coil pieces divided along a plane perpendicular to the toroidal direction along the toroidal direction,
Each of the coil pieces has a shape extending in the poloidal direction, and has a plurality of conductor patterns arranged in the toroidal direction, and a flexible three-dimensional notch provided between adjacent conductor patterns. A plurality of one-turn coils that are bent in the poloidal direction and the toroidal direction from a flat plate shape, and end portions belonging to adjacent coils of the one-turn coil formed by this bending are sequentially connected in series to each other; A toroidal coil device characterized by being a coil of a turn.
前記ケースは、前記コイル片の各々を収納する複数の分割ケースを組み合わせて成ることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のトロイダルコイル装置。 A toroidal case for housing the toroidal coil;
The toroidal coil device according to any one of claims 1 to 6, wherein the case is formed by combining a plurality of divided cases for storing the coil pieces.
前記ケースは、前記回路基板を収納することを特徴とする請求項7に記載のトロイダルコイル装置。 A circuit board having a circuit for processing a voltage signal generated in the toroidal coil;
The toroidal coil device according to claim 7, wherein the case houses the circuit board.
前記連結部は、前記分割ケース間を開閉自在とするヒンジ構造、または前記分割ケース間を分離自在とする係合構造を有することを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれか一項に記載のトロイダルコイル装置。 The split case has a connecting portion that connects each at an outer peripheral edge,
The said connection part has a hinge structure which can open and close between the said division | segmentation cases, or an engagement structure which can isolate | separate between the said division | segmentation cases. The toroidal coil device described.
Priority Applications (2)
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- 2014-12-05 JP JP2014247125A patent/JP2016111191A/en active Pending
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