JP2018105678A - 電流センサおよび電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの直径を小さくしたとしても、十分な検出感度を得る。【解決手段】第１端部Ｐ１および第２端部Ｐ２を有する巻芯２１と、巻芯２１の外周面に第１端部Ｐ１と第２端部Ｐ２とに亘って形成されたコイル２２と、巻芯２１の内部に第１端部Ｐ１と第２端部Ｐ２とに亘って巻芯２１を貫通した状態で配設されると共に第１端部Ｐ１側の端部がコイル２２における第１端部Ｐ１側の端部と接続された巻き戻し線２３とを備え、第１端部Ｐ１と第２端部Ｐ２とが近接して巻芯２１の平面視形状が環状となる使用状態においてコイル２２の内側を貫通する電流路１１に流れる検出対象電流Ｉを検出する電流センサ２であって、巻芯２１は、巻き戻し線２３を貫通可能な内径のコイル状に巻回された軟磁性の導線で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、巻芯と、巻芯の外周面に形成されたコイルと、巻芯を貫通する状態で巻芯の内部に配設された巻き戻し線とを備えて、巻芯の平面視形状が環状形状となる状態において巻芯の内側を貫通する電流路に流れる検出対象電流を検出する電流センサ、およびこの電流センサを備えた電流検出装置に関するものである。

この種の電流センサの一例として、下記の特許文献１に開示された電流検出器が知られている。この電流検出器は、ロゴスキーコイルの原理による検出部を備えて、被測定電流線に流れる電流を検出する。この電流検出器は、芯部（巻芯）、コイル（巻線）および導電線（巻き戻し線）を備えて構成されている。この場合、芯部は、絶縁性および可撓性を有するチューブで構成されている。コイルは、この芯部の外周面に絶縁被覆を有する１本の電線が螺旋状に巻回されて構成されている。導電線は、芯部の中心部を貫通して配設されて、その一方の端部はコイルの一方の端部と接続されている。また、コイルの他方の端部と導電線の他方の端部はそれぞれ出力線として外部に引き出されている。

この電流検出器を使用した電流検出装置では、電流検出器の一対の出力線に信号処理部が接続されて、この信号処理部が、一対の出力線からの出力信号（誘導起電圧）を処理することで、コイルの内側を貫通する検出対象（被測定電流線）に流れる電流の振幅に応じた（具体的には比例した）振幅の検出電圧を検出して出力したり、さらには、この検出電圧に基づいて検出対象に流れる電流の電流値を検出して出力したりする。

特開２００６−３２９８２６号公報（第３−４頁、第１，３図）

ところで、他の複数の電流線と近接して配置されているような検出対象（周囲に形成される隙間の狭い検出対象）に、容易に取り付けることができるようにするためには、コイルの直径（断面積）を小さくする（コイルを細くする）必要がある。しかしながら、この種の電流センサでは、コイルの直径（断面積）を小さくすると、検出対象の周囲に発生する磁束のうちのコイル内を通過する磁束が減少するため、検出感度が低下するという課題が生じる。

本発明は、かかる課題を改善するためになされたものであり、コイルの直径（断面積）を小さくしたとしても、十分な検出感度を得ることが可能な電流センサ、およびこの電流センサを備えた電流検出装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電流センサは、第１端部および第２端部を有する巻芯と、当該巻芯の外周面に前記第１端部と前記第２端部とに亘って形成されたコイルと、当該巻芯の内部に前記第１端部と前記第２端部とに亘って当該巻芯を貫通した状態で配設されると共に当該第１端部側の端部が前記コイルにおける当該第１端部側の端部と接続された巻き戻し線とを備え、前記第１端部と前記第２端部とが近接して前記巻芯の平面視形状が環状となる使用状態において前記コイルの内側を貫通する電流路に流れる検出対象電流を検出する電流センサであって、前記巻芯は、前記巻き戻し線を貫通可能な内径のコイル状に巻回された軟磁性の導線で構成されている。

請求項２記載の電流センサは、請求項１記載の電流センサにおいて、前記コイルは、前記巻芯に対して逆巻きに形成されている。

請求項３記載の電流センサは、請求項１または２記載の電流センサにおいて、前記巻芯の前記外周面に絶縁層が形成され、前記コイルは、前記絶縁層を介して前記巻芯の前記外周面に形成されている。

請求項４記載の電流検出装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電流センサと、前記コイルに接続されると共に、当該接続されたコイルの両端間に発生する誘導起電圧に基づいて前記検出対象電流の振幅に応じた振幅の検出電圧を出力する検出回路とを備えている。

請求項１記載の電流センサおよび請求項４記載の電流検出装置によれば、集磁機能を有する磁性材料（軟磁性の導線で構成された巻芯）がコイルの内側に配設される構成のため、従来のロゴスキーコイル（巻芯が非磁性材料で構成されたロゴスキーコイル）と比較して検出感度を十分に向上させることができる。これにより、この電流センサおよびこの電流検出装置によれば、コイルの直径（断面積）、ひいては電流センサの直径を小さくしたとしても、十分な検出感度を得ることができる。

請求項２記載の電流センサおよびこの電流センサを備えた請求項４記載の電流検出装置によれば、コイルが巻芯に対して逆巻きに形成される構成のため、巻芯を構成する導線に対してコイルを構成する導線が交差する構成とすることができる。したがって、この電流センサおよびこの電流検出装置によれば、仮に巻芯を密着巻きにて形成せずに、若干の隙間を空けて巻回して形成した場合においても、巻芯のこの隙間にコイルを形成する導線が滑り落ちることを回避できるため、コイルの作製を容易にすること（コイルの形成時の作業性を向上させること）ができる。

請求項３記載の電流センサおよびこの電流センサを備えた請求項４記載の電流検出装置によれば、巻回のピッチでコイル状に形成された導体の外周面に生じている凹凸を絶縁層で平らにすること（つまり、巻芯の外周面を凹凸のない曲面で構成すること）ができるため、巻芯とコイルとの間の絶縁性を一層高めつつ、コイルの作製を一層容易にすることができる。

電流センサ２を備えた電流検出装置１の構成図である。 コイル２２の中央部分を切り欠いた電流センサ２の要部切欠き平面図である。 絶縁層２６を有する巻芯２１Ａを備えた電流センサ２についてのコイル２２の中央部分を切り欠いた要部切欠き平面図である。

以下、電流センサおよび電流検出装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電流センサを備えた電流検出装置の構成について、図面を参照して説明する。

まず、図１に示す電流検出装置としての電流検出装置１の構成について説明する。

電流検出装置１は、図１に示すように、電流センサ２および検出回路３を備え、電流路１１に流れている検出対象電流Ｉを検出する。具体的には、電流検出装置１は、検出対象電流Ｉの振幅に応じた（比例した）振幅の検出電圧Ｖｉを出力する。

電流センサ２は、図１，２に示すように、第１端部Ｐ１および第２端部Ｐ２を有する巻芯２１（例えば、可撓性を有する長尺な巻芯２１）と、この巻芯２１の外周面に第１端部Ｐ１（以下、一方の端部Ｐ１ともいう）と第２端部Ｐ２（以下、他方の端部Ｐ２ともいう）とに亘って形成されたコイル２２と、巻芯２１の内部に第１端部Ｐ１と第２端部Ｐ２とに亘って巻芯２１を貫通した状態で配設されると共に第１端部Ｐ１側の端部がコイル２２における第１端部Ｐ１側の端部と接続された巻き戻し線２３とを備えている。なお、本例では、同図に示すように、巻き戻し線２３の第１端部Ｐ１側の端部とコイル２２の第１端部Ｐ１側の端部とを配線２４で接続する構成を採用しているが、配線２４を使用せずに直接接続する構成を採用することもできる。

巻芯２１は、巻き戻し線２３を貫通可能な内径（ほぼ均一な内径）のコイル状に巻回された軟磁性の導線（本例では、外周面に絶縁被覆が形成された軟磁性材料（例えば、アモルファスやパーマロイなど）製の被覆電線）で構成されている。この場合、巻芯２１については、軟磁性の導線を巻き戻し線２３の外周面にコイル状（螺旋状）に等ピッチで巻回して作製してもよいし、軟磁性の導線をコイル状に等ピッチで巻回して巻芯２１を予め作製した後に巻き戻し線２３を挿通させるようにしてもよい。このように、巻芯２１は、軟磁性の導線が等ピッチで巻回されて形成されているため、長さ方向に沿った透磁率がほぼ均一となるように構成されている。

また、本例では、巻芯２１については、コイル２２の作製のし易さ（コイル２２を構成する導線の巻き易さ）を考慮して、軟磁性の導線をコイル２２とは逆巻きに密着巻き（等ピッチ巻きの一例）する構成を採用している。具体的には、巻芯２１を密着巻きすることで（つまり、巻芯２１を構成する導線間に生じる隙間の極めて少ない状態にすることで）、後述するように、巻芯２１の外周面にコイル２２を直接形成する構成においても、コイル２２を形成する導線を所望のピッチで容易に巻回することが可能となっている。また、巻芯２１をコイル２２とは逆巻きに形成することで、巻芯２１を構成する導線に対してコイル２２を構成する導線が交差する構成となることから、仮に巻芯２１を密着巻きせずに、若干の隙間を空けて巻回した場合においても、巻芯２１のこの隙間にコイル２２を形成する導線が滑り落ちることを回避できるため、やはり、コイル２２の作製を容易にすること（コイル２２の形成時の作業性を向上させること）が可能となる。

また、本例では、巻芯２１は、図２に示すように、同じ直径で、同じ特性の複数（この例では２本）の導線を並べて同時に巻回して形成されているが、１本の導線を巻回して形成することもできる、また、さらに多くの本数の導線を並べて同時に巻回して形成することもできる。また、本例では、巻芯２１は、直径を小さくするために一層に形成されているが、直径の許容し得る範囲内であれば、２層、３層等、多層に形成することもできる。

コイル２２は、上記したように、巻芯２１の外周面に導線（本例では、外周面に絶縁被覆が形成された被覆電線）を直接、所定のピッチで巻回して形成されている。巻き戻し線２３は、外周面に絶縁被覆が形成された可撓性を有する被覆電線で構成されている。

また、電流センサ２は、巻芯２１、コイル２２、巻き戻し線２３および配線２４を内包する可撓性を有するチューブ状（円筒状）のケース、そのケースにおける第１端部Ｐ１側の端部に配設された第１連結部、およびそのケースにおける第２端部Ｐ２側の端部に配設された第２連結部（いずれも図示せず）を備えている。また、第２連結部は、第１連結部との連結および連結解除が可能に構成されている。以上の構成により、電流センサ２は、第１連結部と第２連結部とを連結させることで、巻芯２１の第１端部Ｐ１と第２端部Ｐ２とが近接して巻芯２１の平面視形状が環状となる（コイル２２も同様にして、その第１端部Ｐ１側の端部と第２端部Ｐ２側の端部とが近接して平面視形状が環状となる）使用状態（図１に示す状態）に移行し、また第１連結部と第２連結部とを連結解除させることで、可撓性を有する棒状の状態に移行する。

また、電流センサ２は、図１，２に示すように、１組の出力電線２５ｄ，２５ｅを備えている。本例では、出力電線２５ｄは、コイル２２における第２端部Ｐ２側の端部に接続されている。また、出力電線２５ｅは、巻き戻し線２３における第２端部Ｐ２側の端部に接続されている。

以上の構成の電流センサ２は、巻き戻し線２３と共にコイル２２の内部に配設されている巻芯２１が磁性体で形成されている点を除き、巻芯が非磁性体で形成された一般的なロゴスキーコイルと同じ構成となっている。したがって、電流センサ２は、ロゴスキーコイルの公知の原理に基づき、コイル２２および巻き戻し線２３がロゴスキーコイルとして機能して、電流路１１に流れている検出対象電流Ｉを検出することが可能に構成されている。

検出回路３は、一例として、図１に示すように、積分回路３１、アンプ３２およびフィルタ３３を備え、電流センサ２の一対の出力電線２５ｄ，２５ｅ間から出力される電圧Ｖ１（コイル２２の両端間に発生する誘導起電圧Ｖ１）を入力すると共に、この電圧Ｖ１に含まれる各周波数成分を抽出して、検出電圧Ｖｉとして出力する。

このようにロゴスキーコイルの原理に基づいて動作する電流センサ２は、その検出周波数帯域に周波数成分が含まれる検出対象電流Ｉについて、その時間的変化に比例した電圧Ｖ１を出力する構成（つまり、微分回路として機能する構成）である。このため、検出回路３では、微分回路と逆の周波数特性を有する積分回路３１がこの電圧Ｖ１を入力すると共に、電圧Ｖ１に含まれている各周波数成分のレベルを均一に揃えて電圧Ｖ１ａとして出力する。

アンプ３２は、電圧Ｖ１ａを入力すると共に予め調整されたゲインで増幅して電圧Ｖ１ｂとして出力する。フィルタ３３は、電流センサ２の検出周波数帯域に含まれる周波数成分（電圧Ｖ１を構成する主たる周波数成分）を通過させると共に、電流センサ２の検出周波数帯域以外の周波数域に含まれる周波数成分（電圧Ｖ１にとってノイズとなる成分）を除去して、検出電圧Ｖｉとして出力する。

次に、電流検出装置１の動作について説明する。

まず、図１に示すように、検出対象電流Ｉが流れる電流路１１に、巻芯２１の第１端部Ｐ１と第２端部Ｐ２とが近接して巻芯２１の平面視形状が環状となる使用状態（コイル２２も同様にして、その第１端部Ｐ１側の端部と第２端部Ｐ２側の端部とが近接して平面視形状が環状となる状態）で電流センサ２を取り付ける。この場合、巻芯２１は、導線がコイル状に形成されて構成されているため、高い可撓性を有している。したがって、使用者は、電流センサ２を棒状から環状に容易に変形させることが可能となっている。

この環状の電流センサ２内を電流路１１が貫通する状態において、電流センサ２では、コイル２２が、電流路１１に検出対象電流Ｉが流れることに起因して電流路１１の周囲に発生する磁界（不図示）を検出して、電圧Ｖ１を発生させると共に、一対の出力電線２５ｄ，２５ｅを介して検出回路３に出力する。この場合、電流センサ２では、コイル２２の内側（内周側）に、集磁機能（電流路１１の周囲の磁束を集めて、コイル２２を透過する磁束の磁束密度を高める機能）を有する磁性材料（軟磁性の巻芯２１）が配設されている。このため、電流センサ２は、電流の検出感度が従来のロゴスキーコイル（巻芯が可撓性エラストマーやシリコンゴムなどの非磁性材料で構成されたロゴスキーコイル）と比較して、より高められている。したがって、電流センサ２は、電流値の小さな検出対象電流Ｉについても確実に検出して、この電流値に応じた電圧Ｖ１を正確に発生させる。

検出回路３は、コイル２２から出力される電圧Ｖ１に基づいて、電流センサ２の検出周波数帯域に含まれる周波数成分で構成され、かつこの検出周波数帯域以外の周波数成分については十分に低減された電圧であって、検出対象電流Ｉの振幅に応じた（比例した）振幅の検出電圧Ｖｉを出力する。

このように、この電流センサ２、およびこの電流センサ２を備えた電流検出装置１では、巻芯２１が巻き戻し線２３を貫通可能な内径のコイル状に巻回された軟磁性の導線で構成され、コイル２２はこの巻芯２１の外周面に形成されている。したがって、この電流センサ２およびこの電流検出装置１によれば、集磁機能を有する磁性材料（軟磁性の導線で構成された巻芯２１）がコイル２２の内側に配設される構成となるため、従来のロゴスキーコイル（巻芯が非磁性材料で構成されたロゴスキーコイル）と比較して検出感度を十分に向上させることができる。これにより、この電流センサ２およびこの電流検出装置１によれば、コイル２２の直径（断面積）、ひいては電流センサ２の直径を小さくしたとしても、十分な検出感度を得ることができる。また、この電流センサ２およびこの電流検出装置１によれば、巻芯２１が導線をコイル状に形成して構成されて、高い可撓性を有しているため、使用者は、電流路１１への取り付けに際して、電流センサ２を棒状から環状に容易に変形させることができる。

なお、巻芯が上記のような非磁性材料で構成された従来のロゴスキーコイルにおいて、巻芯に例えば粉末状の磁性材料を混ぜることでも、この巻芯に集磁機能を持たせることが可能であるが、このような特殊な巻芯は製造に要する費用がかさむために単価が高くなる。これに対して、本例の巻芯２１は、既存の導線を巻回するだけで作製することができるため、単価を十分に安く抑えることができる。

また、この電流センサ２、およびこの電流センサ２を備えた電流検出装置１では、コイル２２は巻芯２１に対して逆巻きに形成される構成、つまり、巻芯２１を構成する導線に対してコイル２２を構成する導線が交差する構成が採用されている。したがって、この電流センサ２およびこの電流検出装置１によれば、仮に巻芯２１を密着巻きにて形成せずに、若干の隙間を空けて巻回して形成した場合においても、巻芯２１のこの隙間にコイル２２を形成する導線が滑り落ちることを回避できるため、コイル２２の作製を容易にすること（コイル２２の形成時の作業性を向上させること）ができる。

なお、上記の電流センサ２では、コイル状に巻回された軟磁性の導線で巻芯２１を構成し、この巻芯２１の外周面（つまり、コイル状の導線の外周面）にコイル２２を直接形成する構成を採用しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、図３に示すように、コイル状に巻回された軟磁性の導線（以下では、「コイル状の導体２７」ともいう）の外周面に絶縁層２６を形成し、このコイル状の導体２７とこの絶縁層２６とで巻芯２１Ａを構成することもできる。なお、図２と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略した。

この構成を採用することにより、巻回のピッチ（巻き回しのピッチ）でコイル状の導体２７の外周面に生じている凹凸をこの絶縁層２６で平らにすること（つまり、巻芯２１Ａの外周面を凹凸のない曲面で構成すること）ができるため、巻芯２１Ａとコイル２２との間の絶縁性（具体的には、巻芯２１Ａを構成するコイル状の導体２７とコイル２２との間の絶縁性）を一層高めつつ、コイル２２の作製を一層容易にすることができる。

また、上記の電流センサ２では、巻芯２１や巻芯２１Ａを構成するコイル状の導体２７に対してコイル２２を逆巻きに形成するより好ましい構成を採用しているが、図示はしないが、コイル２２を巻芯２１やコイル状の導体２７に対して同じ向きに巻く構成（順巻きの構成）を採用することもできる。

１ 電流検出装置
２ 電流センサ
３ 検出回路
１１ 電流路
２１ 巻芯
２２ コイル
２３ 巻き戻し線
Ｉ 検出対象電流
Ｐ１ 第１端部
Ｐ２ 第２端部
Ｖ１ 電圧
Ｖｉ 検出電圧

Claims (4)

1. 第１端部および第２端部を有する巻芯と、当該巻芯の外周面に前記第１端部と前記第２端部とに亘って形成されたコイルと、当該巻芯の内部に前記第１端部と前記第２端部とに亘って当該巻芯を貫通した状態で配設されると共に当該第１端部側の端部が前記コイルにおける当該第１端部側の端部と接続された巻き戻し線とを備え、前記第１端部と前記第２端部とが近接して前記巻芯の平面視形状が環状となる使用状態において前記コイルの内側を貫通する電流路に流れる検出対象電流を検出する電流センサであって、
   前記巻芯は、前記巻き戻し線を貫通可能な内径のコイル状に巻回された軟磁性の導線で構成されている電流センサ。
2. 前記コイルは、前記巻芯に対して逆巻きに形成されている請求項１記載の電流センサ。
3. 前記巻芯は、前記コイル状に巻回された前記導線、および当該コイル状の導線の外周面に形成された絶縁層で構成されている請求項１または２記載の電流センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電流センサと、
   前記コイルに接続されると共に、当該接続されたコイルの両端間に発生する誘導起電圧に基づいて前記検出対象電流の振幅に応じた振幅の検出電圧を出力する検出回路とを備えている電流検出装置。

Images