JP2017122671A - 電流検出器および電流検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測することができる電流検出器を得る。【解決手段】電流検出器を、磁性体１と、第１のコイル２と、第２のコイル３と、電流補正手段４を備える構成とする。磁性体１は、内部に形成された空間を通過する電路の周りの磁束を収束する。第１のコイル２は、磁性体１の空間を通るように形成され、電路の電流の誘導起電力によって電流が流れる。第２のコイル３は、第１のコイル２と同形であり、第１のコイル２が形成する平面に対し垂直方向から見た位置が第１のコイル２と一致するように、第１のコイル２と平行に形成されている。電流補正手段４は、外部の磁界による誘導起電力によって第２のコイル３を流れる電流を基に、外部の磁界による誘導起電力によって第１のコイル２を流れる電流の影響を抑制する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電路を流れる電流を検出する技術に関するものであり、特に、外部の磁界の影響を抑制して電流を検出する技術に関するものである。

分電盤の主幹電路や分岐電路などの電流量を計測する際に、非接触型の電流センサを用いて電流の計測が行われることがある。電路の電流を検出する非接触型の電流センサは、例えば、電路の内部を通過する電流により発生する磁束を収束する磁性体と、磁性体に巻かれたコイルによって構成されている。そのような構成の電流センサを用いて電路の電流を計測する場合には、電路を流れる電流による電磁誘導によって磁性体に巻かれたコイルに発生する誘導起電力を検出することで、電路を流れる電流の計測が行われる。

分電盤等の内部には、多数の電路や機器が備えられていることが多い。そのため、分電盤等の内部の電路の電流を測定する際に用いる電流センサの大きさはできるだけ抑制されていることが望ましい。分電盤等の内部で各電路を流れる電流を計測するためには、各電路にそれぞれ電流センサの取り付けが行われるが、分岐電路のように電路が密に配置されていると隣接する電路と電流センサが接近する。隣接する電路と電流センサが接近すると、隣接する電路を流れる電流によって誘導ノイズが発生し、計測対象の電路の計測精度が低下する恐れがある。また、隣接する電路を流れる電流による誘導ノイズによって、計測対象の電路には電流が流れていないにも関わらず、電流が検出される恐れがある。

隣接する電路による誘導ノイズを抑えるためには、電流センサを隣接する電路から離す方法も考えられ得るが、分電盤等の内部では設置場所の制約があることも多い。そのため、隣接する電路と接近していても、隣接する電路からの誘導ノイズの影響を受けずに、計測対象の電路に流れる電流を正確に計測できることが望ましく、関連する技術の開発が行われている。そのような、隣接する電路からの誘導ノイズの影響を受けずに、計測対象の電路に流れる電流を正確に計測する技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。

特許文献１は、電路を流れる電流を検出する非接触型の電流検出用コイルに関するものである。特許文献１の電流検出用コイルは、中心部に計測対象の電路が通過する開口部を有する円形の絶縁基板と、絶縁基板の両面に放射状に形成された導電部を備えている。特許文献１の電流検出用コイルでは、基板の表面側と裏面側の導電部が円の中心側と外周側に形成されたスルーホールで接続され、基板の表面側と裏面側の導電部でコイルを形成している。また、特許文献１の電流検出用コイルでは、戻り方向と進み方向の互いに向きが逆となる２つのコイルが形成されるように導電部およびビアが形成されている。特許文献１では、互いに向きが逆な２つのコイルによって外部磁界の影響を打ち消すことができるので、電流の検出精度を向上することができるとしている。

特開２００７−１５５４２７号公報

しかしながら、特許文献１の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１の電流検出センサでは、円状の絶縁基板上の中心部と外周部の間でコイルを形成している。そのため、特許文献１の電流検出センサでは所定の径のコイルを形成するためには円状の基板の径を大きくする必要があるため、計測対象となる電路の円周方向の大きさを十分に抑制することはできない。また、特許文献１の電流検出センサにおいて基板の径が大きくなると、電路の円周方向に電流検出センサを設置する空間が必要となり、電路が密に配置されているときには、電流検出センサを設置できず設置の自由度が低下する。そのため、特許文献１は、設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測する技術としては十分ではない。

本発明は、上記の課題を解決するため、設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測することができる電流検出器を得ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の電流検出器は、磁性体と、第１のコイルと、第２のコイルと、電流補正手段を備えている。磁性体は、内部に形成された空間を通過する電路の周りの磁束を収束する。第１のコイルは、磁性体の空間を通るように形成され、電路の電流の誘導起電力によって電流が流れる。第２のコイルは、第１のコイルと同形であり、第１のコイルが形成する平面に対し垂直方向から見た位置が第１のコイルと一致するように、第１のコイルと平行に形成されている。電流補正手段は、外部の磁界による誘導起電力によって第２のコイルを流れる電流を基に、外部の磁界による誘導起電力によって第１のコイルを流れる電流の影響を抑制する。

本発明の電流検出方法は、内部に形成された空間を通過する電路の周りの磁束を収束する磁性体の空間を通るように、電路の電流の誘導起電力によって電流が流れる第１のコイルを形成する。本発明の電流検出方法は、第１のコイルと同形の第２のコイルを、第１のコイルが形成する平面に対し垂直方向から見た位置が第１のコイルと一致するように、第１のコイルと平行に形成する。本発明の電流検出方法は、外部の磁界による誘導起電力によって第２のコイルを流れる電流を基に、外部の磁界による誘導起電力によって第１のコイルを流れる電流の影響を抑制する。

本発明によると、設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測することができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の電流センサの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の電流センサの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態において、外部の電路を流れる電流によって生じる磁界の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態におけるコイルを流れる電流波形の例を示した図である。 本発明と比較した構成におけるコイルを流れる電流波形の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態の電流検出システムを電路に取り付けた場合の例を示した図である。 本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第３の実施形態の電流センサの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態における外部の電路を流れる電流によって生じる磁界の例を示した図である。 本発明の第３の実施形態におけるコイルを流れる電流波形と電流からの変換後の電圧波形の例を示した図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の電流検出器の構成の概要を示したものである。本実施形態の電流検出器は、磁性体１と、第１のコイル２と、第２のコイル３と、電流補正手段４を備えている。磁性体１は、内部に形成された空間を通過する電路の周りの磁束を収束する。第１のコイル２は、磁性体１の空間を通るように形成され、電路の電流の誘導起電力によって電流が流れる。第２のコイル３は、第１のコイル２と同形であり、第１のコイル２が形成する平面に対し垂直方向から見た位置が第１のコイル２と一致するように、第１のコイル２と平行に形成されている。電流補正手段４は、外部の磁界による誘導起電力によって第２のコイル３を流れる電流を基に、外部の磁界による誘導起電力によって第１のコイル２を流れる電流の影響を抑制する。

本実施形態の電流検出器は、計測対象の電路を流れる電流を、電路を流れる電流によって生じる磁界を磁性体１によって収束させ、磁性体１の間を通るように形成された第１のコイル２で検出することができる。また、本実施形態の電流検出器では、第１のコイル２と同じ位置で平行になるように同形の第２のコイル３が形成されている。本実施形態の電流検出器では、第１のコイル２と第２のコイル３が同形で平行に形成されているので、設置するために必要な空間を抑制することができる。

また、本実施形態の電流検出器は、外部の磁界による誘導起電力によって第２のコイル３を流れる電流を基に、外部の磁界による誘導起電力によって第１のコイル２を流れる電流の影響を抑制する電流補正手段４を備えている。そのため、本実施形態の電流検出器を用いることで、計測対象とは異なる他の電路を流れる電流によって生じる外部の磁界の影響を抑制し、第１のコイル２を流れる電流を検出することができる。本実施形態の電流検出器では、外部の磁界の影響を抑制し、第１のコイル２を流れる電流を検出することで電路を流れる電流を計測する際の精度の低下を抑制することができる。その結果、本実施形態の電流検出器は、設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の電流検出システムの構成の概要を示したものである。本実施形態の電流検出システムは、電流センサ１０と、電流計測器３０を備えている。本実施形態の電流検出システムは、電路１００に流れる電流を電流センサ１０および電流計測器３０を用いて計測するシステムである。

電流センサ１０の構成について説明する。図３および図４は、本実施形態の電流センサ１０の構成の概要を示したものである。図３は、電路１００の長軸方向に向かって電流センサ１０を見た場合の断面図である。また、図４は、電路１００の長軸方向に垂直な方向から電流センサ１０を見た場合の図である。

電流センサ１０は、コア１１と、第１のコイル１２と、第２のコイル１３と、第１の端子１４と、第２の端子１５と、接続部１６と、接続部１７を備えている。本実施形態の電流センサ１０は、コア１１の間を通っている電路１００に流れる電流を、第１の端子１４および第２の端子１５に接続された電流計測器３０で測定する際に用いるセンサである。

コア１１は、電路１００の周囲を取り囲むように備えられている。すなわち、電路１００は、コア１１の中心部に形成された空間を通過する。コア１１は、磁性体によって形成されている。コア１１は、電路１００に電流が流れた際に、電路１００に周りに発生する磁界を収束させる磁性体である。コア１１は、例えば、鉄を用いて形成することができる。コア１１は、その他の磁性を有する材料によって形成してもよい。コア１１と、第１のコイル１２の間は、絶縁材によって絶縁されている。コア１１と第２のコイル１３の間も絶縁されている。また、本実施形態のコア１１は、第１の実施形態の磁性体１に相当する。

第１のコイル１２は、電路１００に電流が流れた際に、コア１１に収束された磁界による電磁誘導によって誘導起電力を発生させるコイルである。本実施形態の電流検出システムは、電路１００に電流が流れた際に、誘導起電力によって第１のコイル１２に流れる電流を検出することで電路１００に流れている電流を計測する。

第１のコイル１２は、コア１１の中心部の穴を通過するように電線が円状に巻かれたコイルである。本実施形態では、第１のコイル１２は、コア１１の中心部をＮ回通過するように巻かれている。Ｎは、整数である。

第１のコイル１２の巻き終わり側の端部は、第１の端子１４として電流計測器３０と接続される。第１のコイル１２の巻き初め側の端部は、第２のコイル１３の巻き初め側と接続部１７を介して接続されている。本実施形態において第１のコイル１２の巻き初め側とは、電線が巻かれて形成されているコイルの厚み方向のうち第２のコイル１３側のことをいう。また、本実施形態において第１のコイル１２の巻き終わり側とは、電線が巻かれて形成されているコイルの厚み方向のうち第２のコイル１３とは反対側のことをいう。また、本実施形態の第１のコイル１２は、第１の実施形態の第１のコイル２に相当する。

第２のコイル１３は、隣接する電路に電流が流れた際に生じる誘導ノイズを検出するコイルである。第２のコイル１３は、第１のコイル１２と同一の径の円状に電線が巻かれたコイルである。第２のコイル１３は、第１のコイル１２の円状の部分と第２のコイル１３の円状の部分が互いに平行になるように形成されている。第２のコイル１３は、第１のコイル１２とは逆向きにＮ回巻かれた円を形成している。第２のコイル１３の円状の部分は、コア１１の間を通過しない。

逆向きとは、第１のコイル１２および第２のコイル１３の円状の部分に平行な平面に対し、垂直方向のいずれか一方から見た場合に、第１のコイル１２および第２のコイル１３の円状部分の巻かれている方向が互いに逆向きのことをいう。例えば、垂直方向のいずれか一方から見た場合に、第１のコイル１２の電線が巻き初め側から巻き終わり側に向かって反時計回りに巻かれているとき、第２のコイル１３の電線は、巻き初め側から巻き終わり側に向かって時計回りに巻かれている。本実施形態において第２のコイル１３の巻き初め側とは、電線が巻かれて形成されているコイルの厚み方向のうち、第１のコイル１２とは反対側のことをいう。また、本実施形態において第２のコイル１３の巻き終わり側とは、電線が巻かれて形成されているコイルの厚み方向のうち第１のコイル１２側のことをいう。

第２のコイル１３の円状部分は、垂直方向から見たときに、第１のコイル１２の円状部分の位置と重なるように、第１のコイル１２に近接して備えられている。第２のコイル１３の巻き初め側の端部は、第２の端子１５として電流計測器３０と接続される。また、第２のコイル１３の巻き終わり側の端部は、第１のコイル１２の巻き終わり側と接続部１６を介して接続されている。また、本実施形態の第２のコイル１３は、第１の実施形態の第２のコイル３に相当する。

本実施形態の第１のコイル１２のよび第２のコイル１３のコイル部分、すなわち、電線が巻かれた部分は、互いに同形状である。同形状とは、第１のコイル１２および第２のコイル１３のコイル部分に平行な平面へのそれぞれの正射影の形状が、ほぼ一致することをいう。また、第２のコイル１３は、第１のコイル１２および第２のコイル１３のコイル部分に平行な平面へのそれぞれの正射影が、ほぼ一致するように配置されている。第１のコイル１２および第２のコイル１３のコイル部分は、正円でもよく、また、楕円形でもよい。また、第１のコイル１２および第２のコイル１３のコイル部分は、長方形や正方形の形状に巻かれていてもよい。

第１のコイル１２と第２のコイル１３は、互いにコイルが接触しないように構造材によって支えられていてもよい。そのような構成とする場合には、電路１００の磁界が遮蔽されないように構造材が形成される。また、構造材で支える場合には、隣接する電路からの磁界によって第１のコイル１２と第２のコイル１３に生じる誘導起電力が、第１のコイル１２と第２のコイル１３において等しくなるように構造材が形成される。

第１の端子１４は、第１のコイル１２の巻き終わり側の端部に備えられ、電流計測器３０と第１のコイル１２および第２のコイル１３を接続する際の端子として用いられる。また、第１の端子１４は、第２のコイル１３の巻き終わり側の端部と接続部１６を介して電気的に接続されている。

第２の端子１５は、第２のコイル１３の巻き初め側の端部に備えられ、電流計測器３０と第１のコイル１２および第２のコイル１３を接続する際の端子として用いられる。また、第２の端子１５は、第１のコイル１２の巻き初め側の端部と接続部１７を介して電気的に接続されている。

接続部１６は、第２のコイル１３の巻き終わり側と、第１の端子１４の間を電気的に接続している。すなわち、第１のコイル１２の巻き終わり側、第２のコイル１３の巻き終わり側および第１の端子１４は、電気的に接続されている。

接続部１７は、第１のコイル１２の巻き初め側と、第２の端子１５の間を電気的に接続している。すなわち、第１のコイル１２の巻き初め側、第２のコイル１３の巻き初め側および第２の端子１５は、電気的に接続されている。また、本実施形態の接続部１６および接続部１７は、第１の実施形態の電流補正手段４に相当する。

第１のコイル１２、第２のコイル１３、第１の端子１４、第２の端子１５、接続部１６および接続部１７は、銅を用いて形成されている。また、本実施形態の第１のコイル１２および第２のコイル１３のコイルに用いられる電線は、同径の電線が用いられている。第１のコイル１２、第２のコイル１３、第１の端子１４、第２の端子１５、接続部１６および接続部１７は、銅の合金や、他の金属を用いて形成されていてもよい。

電流計測器３０は、第１の端子１４と第２の端子１５の間を流れる電流値を基に、電路１００に流れる電流を計測する機能を有する。電流計測器３０は、第１の端子１４と第２の端子１５の間を流れる電流値と、電路１００を流れる電流の電流値の関係をあらかじめ保存している。電流計測器３０は、第１の端子１４と第２の端子１５の間を流れる電流を計測し、第１の端子１４と第２の端子１５の間を流れる電流の電流値を基に電路１００を流れる電流の電流値を算出する。電流計測器３０が算出した電流値は、表示装置等に出力されて表示される。

本実施形態の電流センサの動作について説明する。図５は、本実施形態の電流検出システムが、計測対象の電路１００に取り付けられ、電路１００および電流センサ１０の近傍に、電流センサ１０に隣接する電路２００が存在する場合の例を模式的に示したものである。以下では、電路１００の近傍に形成されている電路２００に、図５の手前から奥に向かって電流が流れている場合を例に説明する。

隣接する電路２００に手前から奥に向かって電流が流れている場合に、電路２００の周りに右周りの同心円状の磁界が発生する。図５の点線は、電路２００の周りの磁界を模式的に示したものである。電路２００の周りに磁界が発生すると、第１のコイル１２および第２のコイル１３の内部を発生した磁束が通過する。

第１のコイル１２および第２のコイル１３を通過する磁束の数は、２つのコイルが同形状で、互いにコイルの部分の位置が一致するように平行に近接しているため、ほぼ等しい。また、第１のコイル１２および第２のコイル１３は、互いに逆向きにそれぞれＮ回巻かれたコイルである。そのため、電路２００の磁界による電磁誘導によって第１のコイル１２に発生する電流をＩとすると、第２のコイル１３には、−Ｉの電流が発生する。

本実施形態の第１の端子１４は、第１のコイル１２の巻き終わり部分に形成され、第２のコイル１３の巻き終わり部分と接続部１６を介して電気的に接続している。また、第２の端子１５は、第２のコイル１３の巻き初め部分に形成され、第１のコイル１２の巻き初め部分と接続部１７を介して電気的に接続している。そのため、第１の端子１４および第２の端子１５では、第１のコイル１２および第２のコイル１３から正負が逆で絶対値が等しい電流が合波される。よって、電路２００の磁界による電磁誘導によって第１のコイル１２と第２のコイル１３にそれぞれ流れる電流は互いに打ち消し合う。第１のコイル１２と第２のコイル１３にそれぞれ流れる電流が互いに打ち消し合うため、第１の端子１４および第２の端子１５において、電路２００の磁界が発生しても電流の変化はない。そのため、電路２００の磁界による誘導ノイズによる電流の発生を抑えることができる。

本実施形態の電流検出システムでは、第１の端子１４および第２の端子１５の間の電流を電流計測器３０で計測することで、隣接する電路から生じる誘導ノイズの影響を抑えて、電路１００を流れる電流を検出することができる。

図６は、隣接する電路に電流が流れている際に、本実施形態の第１のコイル１２および第２のコイル１３に流れる電流の例を示したものである。図６の例は、電路１００には電流が流れていない状態を示している。図６の最上段は、隣接する電路、すなわち、電路２００を流れる電流による電磁誘導によって第１のコイル１２に流れる電流の例を示している。また、図６の中段は、隣接する電路を流れる電流による電磁誘導によって第２のコイル１３に流れる電流の例を示している。図６の下段は、図６の最上段および中段のように第１のコイル１２および第２のコイル１３に電流が流れている際に、第１の端子１４と第２の端子１５の間に流れる電流の例を示している。

本実施形態の第１のコイル１２および第２のコイル１３は、巻き数が同数で、巻き方向が逆の同形状のコイルであり互いに平行に近接しているため、第１のコイル１２および第２のコイル１３には、正負が逆で電流の絶対値が等しい電流が流れる。そのため、第１のコイル１２および第２のコイル１３が互いに電気的に接続されている第１の端子１４および第２の端子１５では、隣接する電路を流れる電流による電磁誘導によって第１のコイル１２および第２のコイル１３に流れている電流が互いに打ち消し合う。そのような状態では、第１の端子１４および第２の端子１５の間には、電流が流れない。

図６の下段は、第１のコイル１２および第２のコイル１３に流れている電流が互いに打ち消し合って、第１の端子１４および第２の端子１５の間を流れる電流が０になっている例を示している。本実施形態の電流検出システムでは、隣接する電路を流れる電流による電磁誘導によって生じる電流を打ち消した状態で、計測対象の電路１００を流れる電流を検出することができる。そのため、本実施形態の電流検出システムでは隣接する電路による誘導ノイズの影響を抑制して計測対象の電路１００を流れる電流を検出することができる。

図７は、本実施形態の電流センサ１０との比較として、第２のコイル１３に相当するコイルが形成されていない構造の電流センサにおいて、コアに巻かれたコイルに流れる電流の例を示したものである。図７の上段は、隣接する電路を流れる電流による電磁誘導によってコアに巻かれたコイルに流れる電流の波形を示している。また、図７の下段は、隣接する電路を流れる電流による電磁誘導によってコアに巻かれたコイルに電流が流れた際に、コイルの端子間に流れる電流の例を示している。図７の例では、本実施形態の第２のコイル１３に相当するコイルが無いため、コイルに流れた電流が端子間においてそのまま検出されている。そのため、隣接する電路に流れた電流による誘導ノイズの影響がコイルに生じている。以上、図６および図７に示すように、第２のコイル１３に相当するコイルが無い場合には隣接する電路を流れる電流による誘導ノイズが検出されるのに対し、本実施形態の電流センサ１０では誘導ノイズは検出されない。そのため、本実施形態の電流センサ１０を用いることで隣接する電路の誘導ノイズの影響を抑えて、計測対象の電路１００の電流を正確に検出することができる。

図８は、本実施形態の電流センサ１０および電流計測器３０を、分岐電路１０１および主幹電路１０２を備えた分電盤の各電路に取り付けた例を示した図である。図８の例では、３組の電流センサ１０および電流計測器３０が分岐電路１０１および主幹電路１０２に取り付けられている。それぞれの電流センサ１０は、電路１０１または電路１０２の電流を計測するためのセンサである。図８の例では、電流計測器３０を電流センサ１０の横方向に図示したが、２本の分岐電路１０１で形成される面に対して垂直方向に配置してもよい。また、電流センサ１０および電流計測器３０は、他の基板と重なるように配置されていてもよい。

本実施形態の電流センサ１０は、２つのコイルが近接して平行に形成されているため、２つのコイルの平面が図８の２本の分岐電路１０１で形成される面に対して垂直になるようにコイルを配置することで、隣接する電路の間隔を狭くすることができる。また、実施形態の電流検出システムでは、電流センサ１０ごとに電流検出器３０を備えているが、複数の電流センサ１０から引き出された配線を１つの電流検出器に接続して、それぞれの電流センサ１０の電流の計測を行う構成としてもよい。

本実施形態の電流検出システムでは、電路１００に設置された電流センサ１０の第１のコイル１２によって、電路１００に流れる電流を検出することができる。また、本実施形態の第１のコイル１２は、電線の巻き数が同じで、電線の巻き方向が逆の同形状の第２のコイル１３と位置がほぼ一致するように平行に形成されている。本実施形態の第１のコイル１２は、第２のコイル１３と巻き初めの部分と巻き終わりの部分でそれぞれ電気的に接続されている。そのため、隣接する電路等の外部からの磁場によって第１のコイル１２および第２のコイル１３にそれぞれ生じる電流は、互いに打ち消し合う。よって、本実施形態の電流検出システムでは、第１のコイル１２に流れる電流を検出することで、外部の磁場の影響を抑制して計測対象の電路１００に流れる電流を検出することができる。すなわち、本実施形態の電流検出システムでは、外部の磁場の影響を受けずに、計測対象の電路１００に流れる電流を検出することができる。

また、本実施形態の電流検出システムの電流センサ１０の第１のコイル１２および第２のコイル１３は、互いに平行に位置がほぼ一致するように形成されている。そのため、外部の磁場の影響を抑制するための第２のコイル１３の大きさのために、電流センサ１０が大きくなる状態を抑制することができる。よって、本実施形態の電流センサ１０は、計測対象の電路１００に設置する際の制約が少ない。以上より、本実施形態の電流検出システムは、外部の磁場の影響による誘導ノイズの影響を抑制し、電路１００を流れる電流の電流値を正確に計測することができる。また、本実施形態の電流検出システムは、電流センサ１０の大きさを抑制することができるので、設置する際の自由度が高い。その結果、本実施形態の電流検出システムは、設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図９は本実施形態の電流検出システムの構成の概要を示したものである。本実施形態の電流検出システムは電流センサ２０と、電流計測器４０を備えている。第２の実施形態の電流検出システムでは、同巻き数の２つのコイルを接続して隣接する電路を流れる電流による誘導起電力によって生じる電流を互いに打ち消していた。本実施形態の電流検出システムは、巻き数が互いに異なる２つのコイルに流れる電流を、別々に検出し誘電ノイズの影響を巻き数に応じて補正して除去することを特徴とする。

電流センサ２０の構成について説明する。図１０は、本実施形態の電流センサ２０の構成の概要を示したものである。電流センサ２０は、コア２１と、第１のコイル２２と、第２のコイル２３と、第１の端子２４と、第２の端子２５と、第３の端子２６と、第４の端子２７を備えている。

コア２１は、第２の実施形態のコア１１と同様の構造および機能を有する。コア２１は、電路１００の周囲を取り囲むように備えられている。コア２１は、第２の実施形態と同様の磁性体によって形成されている。また、コア２１と、第１のコイル２２および第２のコイル２３の間はそれぞれ絶縁されている。

第１のコイル２２は、電路１００に電流が流れた際に、コア２１に収束された磁界による電磁誘導によって誘導起電力を発生させるコイルである。第１のコイル２２は、電路１００に流れる電流を電流計測器４０で計測する際に用いられる。

第１のコイル２２は、コア２１の中心部の穴を通過するように円状に巻かれたコイルである。本実施形態では、第１のコイル２２は、コア２１の中心部をＮ回通過するように巻かれている。Ｎは、整数である。第１のコイル２２は、両端に第１の端子２４および第２の端子２５が形成されている。第１の端子２４および第２の端子２５は、電流計測器４０と接続されている。

第２のコイル２３は、隣接する電路に電流が流れた際に生じる誘導ノイズを検出するコイルである。第２のコイル２３は、第１のコイル２２と同一の径の円状で、第１のコイル２２と逆向きに巻かれたコイルである。第２のコイル２３は、第１のコイル２２の円状の部分と第２のコイル２３の円状の部分が互いに平行になるように形成されている。第２のコイル２３は、第１のコイル２２とは逆向きにＮ／Ｙ回巻かれた同心円を形成している。Ｙは、Ｎの約数である。第２のコイル２３の円状に巻かれた部分は、コア２１の間を通過しない。

第２のコイル２３の円状の部分、すなわち、電線が巻かれたコイル部分は、コイル部分が形成する平面に対して垂直方向から見たときに、第１のコイル２２の円状の部分の位置と重なるように、第１のコイル２２に近接して備えられている。第２のコイル２３は、両端に第３の端子２６および第４の端子２７が形成されている。第３の端子２６および第４の端子２７は、電流計測器４０と接続されている。

第１のコイル２２および第２のコイル２３のコイル部分は、正円でもよく、また、楕円形でもよい。また、第１のコイル２２および第２のコイル２３のコイル部分は、長方形や正方形の形状に巻かれていてもよい。

第１のコイル２２と第２のコイル２３は、互いにコイルが接触しないように構造材によって支えられていてもよい。そのような構成とする場合には、電路１００の磁界が遮蔽されないように構造材が形成される。また、構造材で支える場合には、隣接する電路等からの磁界によって第１のコイル２２と第２のコイル２３に生じる誘導起電力が、第１のコイル２２と第２のコイル２３において等しくなるように構造材が形成される。

第１の端子２４は、第１のコイル２２の巻き終わり側に形成されている。また、第２の端子２５は、第１のコイル２２の巻き初め側に形成されている。第１のコイル２２の巻き初め側と巻き終わり側の方向は、第２の実施形態と同様である。第１の端子２４および第２の端子２５は、電流計測器４０の信号増幅部４１に接続されている。

第３の端子２６は、第２のコイル２３の巻き終わり側に形成されている。また、第４の端子２７は、第２のコイル２３の巻き初め側に形成されている。第２のコイル２３の巻き初め側と巻き終わり側の方向は、第２の実施形態と同様である。第３の端子２６および第４の端子２７は、電流計測器４０の誘導ノイズ増幅部４２に接続されている。

第１のコイル２２、第２のコイル２３、第１の端子２４、第２の端子２５、第３の端子２６および第４の端子２７は、銅を用いて形成されている。本実施形態の第１のコイル２２および第２のコイル２３のコイルを形成する電線は、同径の電線が用いられている。第１のコイル２２および第２のコイル２３のコイルを形成する電線には、異なる径の電線を用いてもよいが、そのような構成の場合には、電線の径に基づいて信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２の増幅率の設定が行われる。第１のコイル２２、第２のコイル２３、第１の端子２４、第２の端子２５、第３の端子２６および第４の端子２７は、銅の合金や、他の金属を用いて形成されていてもよい。

電流計測器４０の構成について説明する。電流計測器４０は、信号増幅部４１と、誘導ノイズ増幅部４２と、信号処理部４３を備えている。

信号増幅部４１は、第１のコイル２２に流れる電流を電圧信号に変換し、電圧を増幅して出力する機能を有する。信号増幅部４１は、第１のコイル２２の第１の端子２４および第２の端子２５と接続されている。信号増幅部４１は、第１の端子２４および第２の端子２５の間を流れる電流信号を電圧信号に変換する。信号増幅部４１は、電圧信号の電圧を所定の倍数となるように増幅する。本実施形態では、所定の倍数はＡ倍であるとする。Ａは、正の数である。信号増幅部４１は、増幅した電圧信号を信号処理部４３に出力する。

誘導ノイズ増幅部４２は、第２のコイル２３に流れる電流を電圧信号に変換し、電圧を増幅して出力する機能を有する。誘導ノイズ増幅部４２は、第２のコイル２３の第３の端子２６および第４の端子２７と接続されている。誘導ノイズ増幅部４２は、第３の端子２６および第４の端子２７の間を流れる電流信号を電圧信号に変換する。誘導ノイズ増幅部４２は、電圧信号の電圧をＡ×Ｙ倍となるように増幅する。誘導ノイズ増幅部４２は、増幅した電圧信号を信号処理部４３に出力する。

信号処理部４３は、信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２からそれぞれ入力される電圧信号を基に、電路１００を流れる電流値を算出する機能を有する。信号処理部４３は、信号増幅部４１から入力される電圧信号の電圧値を、誘導ノイズ増幅部４２から入力される電圧信号を基に補正する。例えば、信号処理部４３は、信号増幅部４１から入力される電圧信号の電圧値から誘導ノイズ増幅部４２から入力される電圧信号を合波することで電圧値を補正する。信号増幅部４１から入力される電圧信号と誘導ノイズ増幅部４２から入力される電圧信号を合波することで、出力される電圧信号の振幅は、誘導ノイズに相当する成分を補正した電流値、すなわち、電路１００の電流値に対応する。

信号処理部４３は、補正した電圧信号の振幅の最大値から電圧値を算出し、電圧値を基に、電路１００を流れる電流値を算出する。信号処理部４３は、電路１００を流れる電流値と、第１のコイル２２に生じる電流値および信号増幅部４１で変換される電圧信号の電圧値との関係をあらかじめ保存している。信号処理部４３は、電路１００を流れる電流値を算出すると、算出した電流値のデータを表示装置等に出力する。信号処理部４３が算出した電流値のデータは、無線送信等で他の装置に送られてもよい。また、信号処理部４３が算出した電流値のデータは、時間データとともに保存されるようにしてもよい。また、信号処理部４３が算出した電流値が所定の範囲外となったときに、警報を示す信号が出力されるようにしてもよい。

本実施形態の電流検出システムの動作について説明する。図１１は、本実施形態の電流検出システムの電流センサ２０が計測対象の電路１００に取り付けられ、電路１００の近傍に、電流センサ２０に隣接する電路２００が存在する場合の例を模式的に示したものである。以下では、電路１００の近傍に形成されている電路２００に、図１０の手前から奥に向かって電流が流れている場合を例に説明する。図１１の点線は、電路２００に流れる電流によって生じる磁界を模式的に示したものである。

電路２００に手前から奥に向かって電流が流れている場合に、電路２００の周りに右周りの同心円状の磁界が発生する。電路２００の周りに磁界が発生すると、第１のコイル２２および第２のコイル２３の内部を発生した磁束が通過する。第１のコイル２２および第２のコイル２３を通過する磁束の数は、２つのコイルが同形状で位置がほぼ一致するように平行に近接したコイルのため、ほぼ等しい。

第１のコイル２２および第２のコイル２３は、Ｎ回およびＮ／Ｙ回巻かれたコイルである。また、第１のコイル２２および第２のコイル２３は、互いに逆向きに巻かれたコイルである。そのため、電路２００の磁界による電磁誘導によって第１のコイル２２に発生する電流をＩとすると、第２のコイル２３には、−Ｉ／Ｙの電流が発生する。

第１のコイル２２に流れる電流は、第１の端子２４および第２の端子２５に接続されている信号増幅部４１に入力される。信号増幅部４１は、第１のコイル２２を流れる電流を第１の端子２４および第２の端子２５を介して検出し、電流信号を電圧信号に変換する。信号増幅部４１によって変換された電圧信号の最大値は、第１のコイル２２を流れる電流値の絶対値に相当する値である。電圧信号に変換すると、信号増幅部４１は、電圧信号の電圧値をＡ倍に増幅して、信号処理部４３に出力する。

また、第２のコイル２３に流れる電流は、第３の端子２６および第４の端子２７に接続されている誘導ノイズ増幅部４２に入力される。誘導ノイズ増幅部４２は、第２のコイル２３を流れる電流を第３の端子２６および第４の端子２７を介して検出し、電流信号を電圧信号に変換する。誘導ノイズ増幅部４２によって変換された電圧信号の最大値は、第２のコイル２３を流れる電流値の絶対値に相当する値である。電圧信号に変換すると、誘導ノイズ増幅部４２は、電圧信号の電圧をＡ×Ｙ倍に増幅して、信号処理部４３に出力する。信号増幅部４１において、電圧信号がＡ倍に増幅され、誘導ノイズ増幅部４２において、電圧信号がＡ×Ｙ倍に増幅されることで、第１のコイル２２と第２のコイル２３のコイルの巻き数の差が補正される。

信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２からそれぞれ電圧信号が入力されると、信号処理部４３は、誘導ノイズ増幅部４２から入力された電圧信号を基に、信号増幅部４１から入力された電圧信号を補正する。本実施形態では、信号処理部４３は、信号増幅部４１から入力された電圧信号と誘導ノイズ増幅部４２から入力された電圧信号を合波することで補正を行う。

誘導ノイズ増幅部４２から入力された電圧信号を基に、信号増幅部４１から入力された電圧信号を補正すると、信号処理部４３は、補正した電圧信号の最大値を基に、電路１００を流れる電流の電流値を算出する。電路１００を流れる電流の電流値を算出すると、信号処理部４３は、電路１００を流れる電流の電流値の情報を表示装置等に出力する。作業者は、表示装置等に表示される電流値の情報を基に、電路１００を流れている電流の電流値の情報を得ることができる。

また、信号処理部４３は、信号増幅部４１と誘導ノイズ増幅部４２から入力された電圧信号の差を基に、誘導ノイズの大きさを算出する機能を有していてもよい。誘導ノイズの大きさを算出する機能を有することで、電路１００に対する周辺の電路２００の影響を推定することが可能になる。

図１２は、隣接する電路に電流が流れている際に、本実施形態の第１のコイル２２および第２のコイル２３に流れる電流、および、電流計測器４０で電圧に変換された後の電圧波形の例を示したものである。図１２は、計測対象の電路１００には電流が流れていない状態を示している。

図１２の最上段のグラフは、隣接する電路に流れる電流の誘導起電力によって第１のコイル２２に流れる電流の波形を示している。また、図１２の上から２番目のグラフは、隣接する電路に流れる電流の誘導起電力によって第２のコイル２３に流れる電流の波形を示している。第１のコイル２２がＮ回巻かれたコイルであるのに対し、第２のコイル２３は、逆向きにＮ／Ｙ回巻かれたコイルであるため、第２のコイル２３には、第１のコイル２２に流れる電流の１／Ｙの電流が流れている。図１２の上から３番目および４番目のグラフは、第１のコイル２２および第２のコイル２３に流れる電流信号を信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２において電圧信号に変換した後の、電圧の波形を示している。

図１２の上から５番目および最下段のグラフは、信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２において電圧信号に変換した電圧信号をそれぞれ増幅した後の電圧の波形を示している。信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２では、コイルの巻き数を補正するように増幅が行われるため、増幅後の電圧波形は図１２の上から５番目および最下段のグラフに示す通り位相が逆で振幅が等しい信号を示している。信号処理部４３で２つの信号を合波すると、２つの信号が互いに位相が逆で振幅が等しい信号のため、合波後の信号の電圧は０となる。そのため、隣接する電路に流れる電流の誘導起電力によって第１のコイル２２および第２のコイル２３に流れる電流の影響が打ち消されている。このような状態で、計測対象の電路１００に流れる電流を計測することで、本実施形態の電流検出システムでは、隣接する電路を流れる電流によって生じる誘導ノイズの影響を抑制し、計測対象の電路の電流を検出することができる。

また、上記の例では、本実施形態の信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２から電圧信号は、アナログ信号として信号処理部４３に出力されている。そのような構成に代えて、信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２または信号処理部４３において、アナログ信号からデジタル信号への変換が行われた後に信号の処理および電流値の算出が行われる構成としてもよい。

本実施形態の電流検出システムの電流センサ２０は、第２の実施形態の電流センサ１０と同様に互いに平行に形成された第１のコイル２２および第２のコイル２３によって構成されている。また、本実施形態の電流検出システムは、第１のコイル２２および第２のコイル２３のコイルの巻き数の差を、電流計測器４０の信号増幅部４１および誘導ノイズ増幅部４２において信号を増幅することで補正している。そのため、本実施形態の電流検出システムの電流センサ２０は、第２のコイル２３の巻き数を減らすことができるのでより小型化を行うことができる。よって、本実施形態の電流検出システムの電流センサ２０は、大きさをより抑制しつつ、隣接する電路から生じる磁場等の外部の磁場の影響を抑制することができる。

また、本実施形態の電流検出システムでは、電流計測器４０の誘導ノイズ増幅部４２における増幅度の設定値を調整することで、除去する誘導ノイズの量を調整することができる。そのため、本実施形態の電流検出システムは、電流計測器４０の誘導ノイズ増幅部４２における増幅度を適切に設定することで、除去する誘導ノイズの量を最適化し、電路１００を流れる電流の計測の精度を向上することができる。その結果、本実施形態の電流検出システムは、設置の自由度を維持しつつ、外部の磁界の影響を受けずに計測対象の電路に流れる電流を正確に計測することができる。

第２の実施形態では、電流センサの２つのコイルは、コイルの平面に対して垂直方向から見た際に電線が巻かれている向きが互いに逆になるように形成されていた。そのような構成に代えて、電流センサの２つのコイルの電線が巻かれている向きを同方向としてもよい。電線が巻かれている向きを同方向とした場合には、第１のコイルの巻き初め側と第２のコイルの巻き終わり側、第１のコイルの巻き終わり側と第２のコイルの巻き初め側を電気的に接続することで、隣接する電路からの誘導ノイズの影響を抑制することができる。

また、第３の実施形態においても、同様に、電流センサの２つのコイルの電線が巻かれている向きを同方向としてもよい。第３の実施形態において、２つのコイルの電線が巻かれている向きを同方向する場合は、信号増幅回路または誘導ノイズ増幅回路のいずれか一方の出力信号の正負を反転させる構成とすることで、隣接する電路からの誘導ノイズの影響を抑制することができる。２つのコイルの間で、電線の巻かれている方向をそろえることで、２つのコイルの端子間が狭くなる状態を避けることができ、設計や製造が容易になる。

第３の実施形態では、電流センサの２つのコイルのうち、コアの磁性体に巻かれている第１のコイル２２の方が、誘導ノイズを抑制するための第２のコイル２３よりも電線の巻き数が多い構造の例を示した。そのような構成に代えて、コアの磁性体に巻かれているコイルの方が、誘導ノイズを抑制するためのコイルよりも電線の巻き数が多い構造としてもよい。そのような構成とする場合には、コアに巻かれているコイルの端子間で検出される電流信号から変換された電圧信号の増幅倍率を、巻き数の差に基づいて誘導ノイズ側の倍率よりも高くすることで、誘導ノイズの影響を抑制して電流の計測を行うことができる。

１ 磁性体
２ 第１のコイル
３ 第２のコイル
４ 電流補正手段
１１ コア
１２ 第１のコイル
１３ 第２のコイル
１４ 第１の端子
１５ 第２の端子
１６ 接続部
１７ 接続部
２１ コア
２２ 第１のコイル
２３ 第２のコイル
２４ 第１の端子
２５ 第２の端子
２６ 第３の端子
２７ 第４の端子
３０ 電流計測器
４０ 電流計測器
４１ 信号増幅部
４２ 誘導ノイズ増幅部
４３ 信号処理部
１００ 電路
１０１ 分岐電路
１０２ 主幹電路
２００ 電路

Claims (10)

1. 内部に形成された空間を通過する電路の周りの磁束を収束する磁性体と、
   前記磁性の前記空間を通るように形成され、前記電路の電流の誘導起電力によって電流が流れる第１のコイルと、
   前記第１のコイルと同形であり、前記第１のコイルが形成する平面に対し垂直方向から見た位置が前記第１のコイルと一致するように、前記第１のコイルと平行に形成された第２のコイルと、
   外部の磁界による誘導起電力によって前記第２のコイルを流れる電流を基に、前記外部の磁界による誘導起電力によって前記第１のコイルを流れる電流の影響を抑制する電流補正手段と、
   を備えることを特徴とする電流検出器。
2. 前記第１のコイルと前記第２のコイルは、互いに同じ回数巻かれた電線によって形成され、
   前記電流補正手段は、前記外部の磁界による誘導起電力によって前記第１のコイルおよび前記第２のコイルを流れる電流が互いに相殺されるように、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルを接続する手段であることを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
3. 前記第１のコイルと前記第２のコイルは、前記第１のコイルと前記第２のコイルに平行な面に対して垂直な方向から見た際に、互いに逆向きに前記電線が巻かれたコイルであり、
   前記電流補正手段は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの巻き初め側、および、前記第１のコイルと前記第２のコイルの巻き終わり側をそれぞれ接続する手段であることを特徴とする請求項２に記載の電流検出器。
4. 前記電流補正手段によって補正された前記第１のコイルを流れる電流を検出し、前記電路を流れる電流値を計測する電流計測手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の電流検出器。
5. 前記電流補正手段は、前記第２のコイルを流れる電流を基にした第２の信号を基に前記第１のコイルを流れる電流を基にした第１の信号を補正し、
   補正した前記第１の信号を基に、前記電路を流れる電流の電流値を算出する電流検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電流検出器。
6. 前記第１のコイルと前記第２のコイルを形成する電線の巻き数の差に基づいて、前記第１の信号および前記第２の信号の少なくとも一方を増幅する増幅手段さらに備え、
   前記電流補正手段は、前記増幅手段から出力される前記第２の信号を基に前記第１の信号を補正し、
   前記電流検出手段は、前記電流補正手段によって前記第２の信号を基に補正された前記第１の信号に基づいて、前記電路を流れる電流の前記電流値を算出することを特徴とする請求項５に記載の電流検出器。
7. 内部に形成された空間を通過する電路の周りの磁束を収束する磁性体の前記空間通るように、前記電路の電流の誘導起電力によって電流が流れる第１のコイルを形成し、
   前記第１のコイルと同形の第２のコイルを、前記第１のコイルが形成する平面に対し垂直方向から見た位置が前記第１のコイルと一致するように、前記第１のコイルと平行に形成し、
   外部の磁界による誘導起電力によって前記第２のコイルを流れる電流を基に、前記外部の磁界による誘導起電力によって前記第１のコイルを流れる電流の影響を抑制することを特徴とする電流検出方法。
8. 前記第１のコイルと前記第２のコイルを、互いに同じ回数巻かれた電線によって形成し、
   前記外部の磁界による誘導起電力によって前記第１のコイルおよび前記第２のコイルを流れる電流が互いに相殺されるように、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルを接続することを特徴とする請求項７に記載の電流検出方法。
9. 前記第２のコイルを流れる電流を基にした第２の信号を基に前記第１のコイルを流れる電流を基にした第１の信号を補正し、
   補正した前記第１の信号を基に、前記電路を流れる電流の電流値を算出することを特徴とする請求項７に記載の電流検出方法。
10. 前記第１のコイルと前記第２のコイルを形成する電線の巻き数の差に基づいて、前記第１の信号および前記第２の信号の少なくとも一方を増幅し、
    増幅後に、前記第２の信号を基に前記第１の信号を補正し、
    前記第２の信号を基に補正された前記第１の信号に基づいて、前記電路を流れる電流の前記電流値を算出することを特徴とする請求項９に記載の電流検出方法。

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