JP2018132337A - 電流測定用コイル及び電流測定装置 - Google Patents

電流測定用コイル及び電流測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電流の測定精度を向上すること。【解決手段】電流測定用コイル100は、コイル部1を備える。コイル部1は、第1導体21を巻き回して構成される第1コイル11と、第2導体22を巻き回して構成される第2コイル12と、を有する。第1導体21は、第1配線31と、第1ビア41と、をそれぞれ複数有する。第2導体22は、第2配線32と、第2ビア42と、をそれぞれ複数有する。基板5は、平面視で開口部53を囲む同心環状の第1配置領域B11、第2配置領域B12、第3配置領域B13、及び第4配置領域B14を有する。第1ビア41は、第2配置領域B12及び第3配置領域B13の各々に少なくとも2つ以上配置される。第2ビア42は、第1配置領域B11及び第4配置領域B14の各々に少なくとも2つ以上配置される。【選択図】図1

Description

本発明は、一般に電流測定用コイル及び電流測定装置に関し、より詳細には、基板に設けられた開口部を通る導体に流れる電流を測定する電流測定用コイル及び電流測定装置に関する。
従来、基板に設けられた開口部を通る導体を流れる電流を測定する電流測定用コイルが知られており、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1に記載の空芯コイルは、基板開口部(開口部)を有する絶縁性基板(基板)と、絶縁性基板に埋め込まれたコイル本体(電流測定用コイル)と、を備えている。コイル本体は、基板開口部の外周に沿って導線が巻き回されるように形成された巻き進みコイル部と巻き戻しコイル部と、を有している。
特開2004−87619号公報
上記従来例のような電流測定用コイルでは、電流の測定精度を向上することが望まれている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされており、電流の測定精度を向上することのできる電流測定用コイルを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る電流測定用コイルは、コイル部を備える。前記コイル部は、基板の複数の導電層に設けられて、平面視で前記開口部を囲むようにトロイダルコイルを形成する。前記基板は、被測定電流の流れる被測定導体が通る開口部を有する。前記コイル部は、第1コイルと、第2コイルと、を有する。前記第1コイルは、前記開口部の周方向における第1向きに沿って第1導体を巻き回して構成される。前記第2コイルは、前記第1コイルに直列に電気的に接続され、前記開口部の周方向における前記第1向きとは反対向きである第2向きに沿って第2導体を巻き回して構成される。前記第1導体は、第1配線と、第1ビアと、をそれぞれ複数有する。前記第1配線は、前記複数の導電層の各々に形成される。前記第1ビアは、互いに異なる導電層に形成された前記第1配線同士を電気的に接続する。前記第2導体は、第2配線と、第2ビアと、をそれぞれ複数有する。前記第2配線は、前記複数の導電層の各々に形成される。前記第2ビアは、互いに異なる導電層に形成された前記第2配線同士を電気的に接続する。前記基板は、平面視で前記開口部を囲む同心環状の4つの配置領域を有する。前記4つの配置領域は、前記開口部に最も近い配置領域から順に第1配置領域、第2配置領域、第3配置領域、及び第4配置領域である。前記第1ビアは、前記第2配置領域及び前記第3配置領域の各々に少なくとも2つ以上配置されている。前記第2ビアは、前記第1配置領域及び前記第4配置領域の各々に少なくとも2つ以上配置されている。
本発明の一態様に係る電流測定装置は、上記の電流測定用コイルと、測定部と、を備える。前記測定部は、前記被測定電流に応じて発生する前記コイル部の出力に基づいて、前記被測定電流を測定する。
本発明は、電流の測定精度を向上することができる。
図1は、実施形態1に係る電流測定用コイルの平面図である。 図2は、同上の電流測定用コイルの一部の拡大平面図である。 図3は、同上の電流測定用コイルを用いた電流測定装置の概略図である。 図4は、同上の電流測定用コイルの一部の拡大斜視図である。 図5は、同上の電流測定用コイルにおける第1コイルを示す平面図である。 図6は、同上の電流測定用コイルにおける第1コイルの一部の拡大斜視図である。 図7は、同上の電流測定用コイルにおける第2コイルを示す平面図である。 図8は、同上の電流測定用コイルにおける第2コイルの一部の拡大斜視図である。 図9Aは、同上の電流測定用コイルの一部の拡大平面図である。図9Bは、同上の電流測定用コイルにおいて、第2ビアの中心に近い位置で第2配線を接続した構成の拡大平面図である。 図10は、同上の第1変形例に係る電流測定用コイルの平面図である。 図11は、同上の第2変形例に係る電流測定用コイルの平面図である。 図12は、同上の電流測定用コイルの変形例の一つを示す要部断面図である。 図13は、実施形態2に係る電流測定用コイルの平面図である。 図14Aは、同上の電流測定用コイルにおける第1コイルの平面図である。図14Bは、同上の電流測定用コイルにおける第1コイルの一部の拡大斜視図である。 図15Aは、同上の電流測定用コイルにおける第2コイルの平面図である。図15Bは、同上の電流測定用コイルにおける第2コイルの一部の拡大斜視図である。 図16は、同上の電流測定用コイルの一部の拡大平面図である。
(実施形態1)
(1)概要
以下、実施形態1の電流測定用コイル100及び電流測定装置200の概要について図1〜図3を用いて説明する。本実施形態の電流測定装置200は、電流測定用コイル100と、測定部6と、を備え、被測定導体A1を流れる被測定電流I1を測定するように構成されている。電流測定用コイル100は、基板5の導電層50に形成されたコアレスの空芯コイルであるコイル部1を有している。コイル部1は、平面視で基板5の開口部53を囲むようにトロイダルコイルを形成している。ここでいう「平面視」は、水平面に置かれた対象となる物体を鉛直方向から見ることをいう。本実施形態では、「平面視」は、基板5の厚さ方向(前後方向)から見ることをいう。コイル部1は、その内側を通る被測定導体A1を流れる被測定電流I1に応じた出力を生じるロゴスキコイルである。測定部6は、電流測定用コイル100の出力、つまり電流測定用コイル100の両端に誘起される電圧を積分することにより、被測定電流I1を測定する。
電流測定用コイル100は、例えば分岐ブレーカに接続される負荷を流れる電流(以下、「負荷電流」という)を測定する用途で用いられる。この場合、導電バーの接続端子に電流測定用コイル100を取り付け、電流測定用コイル100に生じる出力を測定部6で測定することにより、負荷電流を測定することができる。ここでいう「接続端子」は、導電バーの一部を構成する棒状の端子であり、分岐ブレーカの差込口に差し込まれることで、分岐ブレーカの内部回路と電気的に接続される。もちろん、電流測定用コイル100の用途は上記の用途に限られず、電流測定用コイル100の内側に通すことが可能な被測定導体A1(例えば、電線)を流れる電流を測定する用途であればよい。
コイル部1は、いわゆる巻き進みコイルである第1コイル11と、いわゆる巻き戻しコイルである第2コイル12と、を直列に電気的に接続して構成されている。第1コイル11は、複数の導電層50の各々に形成される第1配線31と、第1配線31同士を電気的に接続する第1ビア41と、を有する第1導体21を巻き回して構成されている。第2コイル12は、複数の導電層50の各々に形成される第2配線32と、第2配線32同士を電気的に接続する第2ビア42と、を有する第2導体22を巻き回して構成されている。
基板5は、平面視で開口部53を囲む同心環状の4つの配置領域B1を有している(図1、図2における点線で示す領域を参照)。4つの配置領域B1は、開口部53に最も近い配置領域B1から順に第1配置領域B11、第2配置領域B12、第3配置領域B13、及び第4配置領域B14である。そして、第1ビア41は、第2配置領域B12及び第3配置領域B13の各々に少なくとも2つ以上配置されている。第2ビア42は、第1配置領域B11及び第4配置領域B14の各々に少なくとも2つ以上配置されている。
(2)詳細
以下、本実施形態の電流測定用コイル100及び電流測定装置200の構成について図1〜図9Bを用いてより詳細に説明する。以下では、基板5の厚さ方向を前後方向、基板5の短手方向を上下方向、基板5の長手方向を左右方向として説明する。なお、図3には、これらの方向(上、下、左、右、前、後)を表す矢印を示すが、矢印は単に説明を補助する目的で記載しているに過ぎず、実体を伴わない。また、上記の方向の規定は、本実施形態の電流測定用コイル100及び電流測定装置200の使用形態を限定する趣旨ではない。
(2.1)電流測定装置
まず、本実施形態の電流測定装置200について図3を用いて説明する。本実施形態では、電流測定装置200は、分岐ブレーカに接続された負荷を流れる負荷電流を測定する用途で用いられる。電流測定装置200は、図3に示すように、複数(ここでは、2つ)の電流測定用コイル100と、1以上(ここでは、1つ)の測定部6と、を備えている。電流測定用コイル100は、コイル部1を備えている。コイル部1は、基板5の複数(ここでは、2つ)の導電層50に設けられており、平面視で基板5の開口部53を囲むようにトロイダルコイルを形成している。言い換えれば、本実施形態では、コイル部1の設けられる複数の導電層50は、2つの導電層50である。
基板5は、左右方向に長尺な多層構造(ここでは、2層構造)のプリント基板である。基板5は、厚さ方向(前後方向)に沿って並ぶ複数(ここでは、2層)の導電層50を有している。複数の導電層50は、それぞれ基板5の前面及び後面に形成されている。また、基板5の厚さ方向において隣り合う2つの導電層50の間には、絶縁層が形成されている。以下では、特に断りの無い限り、基板5の前面に形成されている導電層50を「第1導電層51」、基板5の後面に形成されている導電層50を「第2導電層52」という。
基板5には、厚さ方向に貫通する平面視で円形状の複数(図3では、2つ)の開口部53が左右方向に並ぶようにして設けられている。また、基板5には、厚さ方向に貫通する平面視で矩形状の複数(図3では、2つ)の孔54が左右方向に並ぶようにして設けられている。複数の孔54は、それぞれ複数の開口部53の上側に設けられている。開口部53及び孔54は、いずれも導電バーの接続端子を挿入可能な寸法である。そして、電流測定装置200は、複数の開口部53及び複数の孔54の各々に導電バーの接続端子が挿入された状態で、導電バーに取り付けられる。ここでは、孔54には、測定対象ではない接続端子が挿入される。また、孔54は、測定対象が分岐ブレーカに接続された負荷の負荷電流ではない場合、つまり、電流測定装置200を導電バーに取り付ける必要がない場合は、不要である。
コイル部1は、基板5の複数の開口部53の各々の周囲に形成されている。コイル部1は、開口部53の内側を通過する負荷電流(被測定導体A1を流れる被測定電流I1)に応じた出力を生じる。コイル部1の詳細な構造については後述する。本実施形態では、基板5には、複数のコイル部1が設けられているが、1つのコイル部1だけが設けられていてもよい。
測定部6は、左右方向に並ぶ2つの電流測定用コイル100を一組として、各組に対して1つずつ設けられている。測定部6の入力端と、対応する組の2つの電流測定用コイル100の各々の出力端とは、それぞれ基板5の前面に形成された伝送線路55により電気的に接続されている。ここでは、1つの測定部6には、2つの電流測定用コイル100が接続されているが、更に多数の電流測定用コイル100が接続されていてもよいし、1つの電流測定用コイル100だけが接続されていてもよい。
測定部6は、被測定電流I1に応じて発生するコイル部1の出力に基づいて、被測定電流I1を測定するように構成されている。ここで、コイル部1の出力端には、被測定電流I1に応じた誘導起電力が発生する。測定部6は、コイル部1の出力端に発生した誘導起電力を積分することにより、被測定電流I1を求める。本実施形態では、測定部6は、増幅回路と、積分回路と、を有している。また、測定部6は、対応する組の2つのコイル部1から出力される電気信号を、例えば時分割で交互に取得する。
増幅回路は、コイル部1から出力される電気信号を増幅するアンプで構成されている。積分回路は、増幅回路から出力される電気信号を積分するように構成されている。すなわち、コイル部1から出力される電気信号は、接続端子を流れる負荷電流(被測定導体A1を流れる被測定電流I1)を微分した値を示す。このため、積分回路は、増幅回路から出力される電気信号を積分することで、接続端子を流れる負荷電流を示す電気信号を求める。
ここで、測定部6は、増幅回路から出力される電気信号(アナログ信号)をディジタル信号に変換するA/D(Analog-to-Digital)変換回路を更に有していてもよい。つまり、測定部6は、増幅回路及び積分回路を有する構成に限定されず、被測定電流I1を測定可能な構成であればよい。その他、測定部6は、コイル部1から出力される電気信号を増幅せずとも十分な大きさの被測定電流I1を測定可能であれば、増幅回路を有していなくてもよい。
(2.2)電流測定用コイルのコイル部
次に、電流測定用コイル100のコイル部1について図1〜図9Bを用いて詳細に説明する。なお、図1、図2では、コイル部1と、コイル部1が設けられる基板5との両方を図示している。図1、図2において破線で示す配線(後述する第1配線31又は第2配線32)は、基板5の後面に形成されている。一方、図4〜図9Bでは、基板5を図示していない。図10、図11、図13〜図16でも、同様に基板5を図示していない。
コイル部1は、図1〜図4に示すように、第1コイル11と、第2コイル12と、を有している。第1コイル11は、開口部53の周方向における第1向き(ここでは、時計回り)に沿って第1導体21を巻き回して構成されており、いわゆる巻き進みコイルである。第2コイル12は、開口部53の周方向における第2向き(ここでは、反時計回り)に沿って第2導体22を巻き回して構成されており、いわゆる巻き戻しコイルである。第2向きは、第1向きとは反対向きである。
第1導体21は、複数の第1配線31と、複数の第1ビア41と、を有している。第1配線31は、例えば銅などの導電性材料を用いて、複数の導電層50の各々(ここでは、第1導電層51及び第2導電層52)にパターン形成されている。第1ビア41は、基板5の厚さ方向において、基板5の第1導電層51、絶縁層、及び第2導電層52を貫通するスルーホールに形成される内部導体である。第1ビア41は、第1導電層51に形成された第1配線31と、第2導電層52に形成された第1配線31と、を電気的に接続する。言い換えれば、第1ビア41は、互いに異なる導電層50に形成された第1配線31同士を電気的に接続する。
第2導体22は、複数の第2配線32と、複数の第2ビア42と、を有している。第2配線32は、例えば銅などの導電性材料を用いて、複数の導電層50の各々(ここでは、第1導電層51及び第2導電層52)にパターン形成されている。第2ビア42は、基板5の厚さ方向において、基板5の第1導電層51、絶縁層、及び第2導電層52を貫通するスルーホールに形成される内部導体である。第2ビア42は、第1導電層51に形成された第2配線32と、第2導電層52に形成された第2配線32と、を電気的に接続する。言い換えれば、第2ビア42は、互いに異なる導電層50に形成された第2配線32同士を電気的に接続する。
以下では、第1配線31及び第2配線32を区別しない場合は、特に断りの無い限り、単に「配線」という。また、以下では、第1ビア41及び第2ビア42を区別しない場合は、特に断りの無い限り、単に「ビア」という。
本実施形態では、基板5は、平面視で開口部53を囲む同心環状(ここでは、同心円環状)の4つの配置領域B1を有している。なお、図2には、4つの配置領域B1の一部だけを表しているが、4つの配置領域B1は、いずれも平面視で開口部53の周方向の全周にわたって設けられている。4つの配置領域B1は、開口部53に最も近い配置領域B1から順に、第1配置領域B11、第2配置領域B12、第3配置領域B13、第4配置領域B14である。4つの配置領域B1の各々には、複数のビアが配置されている。
本実施形態では、第1配置領域B11には、第2ビア42だけが複数(ここでは、30個)配置されている。また、第2配置領域B12には、第1ビア41だけが複数(ここでは、30個)配置されている。また、第3配置領域B13には、複数(ここでは、29個)の第1ビア41と、1つの第2ビア42とが配置されている。また、第4配置領域B14には、第2ビア42だけが複数(ここでは、30個)配置されている。
つまり、本実施形態では、第1ビア41は、第2配置領域B12及び第3配置領域B13の各々に少なくとも2つ以上配置されている。また、第2ビア42は、第1配置領域B11及び第4配置領域B14の各々に少なくとも2つ以上配置されている。特に、本実施形態では、第1配置領域B11に配置されているビアは、全て第2ビア42である。また、第2配置領域B12に配置されているビアは、全て第1ビア41である。
コイル部1のうち第1コイル11だけを表す図を図5、図6に示す。図5、図6において、第1配置領域B11及び第4配置領域B14のビアは想像線で表されている。第1ビア41は、図5に示すように、第1コイル11の第1端E11に接続される第2配置領域B12の第1ビア41を始点として、第1向きに沿って、第3配置領域B13、第2配置領域B12、…の順に配置されている。第1コイル11の第2端E12となる第1ビア41は、第2配置領域B12に配置され、配線を介して第4配置領域B14の第2ビア42に接続される(図7参照)。この第2ビア42は、第2コイル12の第1端E21となる。
第2配置領域B12の第1ビア41と、第3配置領域B13の第1ビア41とは、図6に示すように、第1配線31を介して接続されている。第1配線31は、平面視で開口部53の径方向に沿った略直線状の直線部311を有している。直線部311の第1端は、第2配置領域B12の第1ビア41に接続されており、第2端は、第3配置領域B13の第1ビア41に接続されている。第1導電層51(つまり、基板5の前面)に形成される第1配線31と、第2導電層52(つまり、基板5の後面)に形成される第1配線31とは、平面視で開口部53の周方向に沿って交互に並ぶように設けられている。
コイル部1のうち第2コイル12だけを表す図を図7、図8に示す。図7、図8において、第2配置領域B12及び第3配置領域B13のビアは想像線で表されている。第2ビア42は、図7に示すように、第2コイル12の第1端E21となる第4配置領域B14の第2ビア42を始点として、第2向きに沿って、第1配置領域B11、第4配置領域B14、…の順に配置されている。第2コイル12の第2端E22に接続される第2ビア42は、第3配置領域B13に配置される。
第1配置領域B11の第2ビア42と、第4配置領域B14の第2ビア42とは、図8に示すように、第2配線32を介して接続されている。第2配線32は、1つの直線部321と、2つの迂回部322と、を有している。直線部321は、平面視で開口部53の径方向に沿った略直線状に形成されている。直線部321の第1端は、2つの迂回部322のうち一方(開口部53に近い側)の迂回部322の第1端に接続されている。直線部321の第2端は、他方(開口部53から遠い側)の迂回部322の第1端に接続されている。
2つの迂回部322は、いずれも平面視でビア(ここでは、第1ビア41)を避けるように第1ビア41の周方向に沿って湾曲した形状に形成されている。一方の迂回部322の第2端は、第1配置領域B11の第2ビア42に接続されている。他方の迂回部322の第2端は、第4配置領域B14の第2ビア42に接続されている。第1導電層51(つまり、基板5の前面)に形成される第2配線32と、第2導電層52(つまり、基板5の後面)に形成される第2配線32とは、平面視で開口部53の周方向に沿って交互に並ぶように設けられている。
第1コイル11の第1端E11にある第1ビア41は、コイル部1の始端である。第2コイル12の第2端E22にある第2ビア42は、コイル部1の終端である。また、コイル部1の始端及び終端は、電流測定用コイル100の出力端であり、伝送線路55を介して測定部6に電気的に接続される。
ここで、4つの配置領域B1のうち第2配置領域B12及び第3配置領域B13に配置されるビアを「内側ビア」、第1配置領域B11及び第4配置領域B14に配置されるビアを「外側ビア」ということとする。また、外側ビアに電気的に接続される配線を「外側配線」ということとする。本実施形態では、内側ビアは、平面視で周方向の少なくとも一部が、外側ビア及び外側配線により囲まれている。例えば、図1、図2に示すように、第2配置領域B12の第1ビア41(内側ビア)の周方向の一部は、隣接する第1配置領域B11の第2ビア42(外側ビア)と、この第2ビア42に接続される第2配線32(外側配線)とにより囲まれている。同様に、第3配置領域B13の第1ビア41(内側ビア)の周方向の一部は、隣接する第4配置領域B14の第2ビア42(外側ビア)と、この第2ビア42に接続される第2配線32(外側配線)とにより囲まれている。特に、本実施形態では、内側ビアは、平面視で周方向の180度以上の範囲が、外側ビア及び外側配線により囲まれている。
また、本実施形態では、外側配線は、外側ビアの中心よりも内側ビアに寄った位置で外側ビアに接続されている。例えば、図9Aに示すように、第4配置領域B14の第2ビア42(外側ビア)に接続される第2配線32(外側配線)は、この第2ビア42の中心よりも、隣接する第3配置領域B13の第1ビア41(内側ビア)に寄った位置で、第2ビア42に接続されている。つまり、本実施形態では、第2配線32が第2ビア42の中心に近い位置で接続される構成(図9B参照)と比較して、平面視で第1配線31と第2配線32とで囲まれる閉領域が小さくなっている(図9A、図9Bにおいて一点鎖線で囲まれた領域を参照)。
ここで、本実施形態の電流測定用コイル100には、被測定導体A1を流れる被測定電流I1により生じる磁界の他に、外部磁界が通る可能性がある。ここでいう「外部磁界」は、被測定導体A1以外の導体を流れる電流により生じる磁界であり、例えば、電流測定用コイル100に隣接する他の電流測定用コイルの内側を通る導体を流れる電流により生じる磁界である。そして、電流測定用コイル100において、外部磁界の通る閉領域が存在する場合、外部磁界により閉領域に誘導電流が流れ、この誘導電流がノイズとなる可能性がある。
本実施形態では、第1配置領域B11及び第4配置領域B14において、外側配線は、外側ビアの中心よりも内側ビアに寄った位置で外側ビアに接続されているので、閉領域の面積を小さくすることができる。つまり、本実施形態では、外部磁界により生じる誘導電流を低減することができ、結果としてノイズを低減することができる。
また、本実施形態では、図1に示すように、第2配置領域B12のビアと、第3配置領域B13のビアとは、平面視で開口部53の周方向に沿って、開口部53の中心を頂点とした同じ角度θ1で並ぶように配置されている。また、第1配置領域B11のビアと、第4配置領域B14のビアとは、平面視で開口部53の周方向に沿って、開口部53の中心を頂点とした同じ角度θ2で並ぶように配置されている。言い換えれば、複数の第1ビア41、及び複数の第2ビア42のうち少なくとも一方は、平面視で開口部53の周方向に沿って、開口部53の中心を頂点とした等角度で並ぶように配置されている。
ここでいう「角度θ1」は、平面視で第2直線L2と第3直線L3とがなす角度である。また、「角度θ2」は、平面視で第1直線L1と第4直線L4とがなす角度である。ここでいう「第1直線L1」は、平面視で第1配置領域B11のビア(ここでは、第2ビア42)の中心と、開口部53の中心とを結ぶ直線である。また、「第2直線L2」は、平面視で第2配置領域B12のビア(ここでは、第1ビア41)の中心と、開口部53の中心とを結ぶ直線である。また、「第3直線L3」は、平面視で上記第1配置領域B11のビアと配線を介して接続される第4配置領域B14のビア(ここでは、第2ビア42)の中心と、開口部53の中心とを結ぶ直線である。また、「第4直線L4」は、平面視で上記第2配置領域B12のビアと配線を介して接続される第3配置領域B13のビア(ここでは、第1ビア41)の中心と、開口部53の中心とを結ぶ直線である。
また、本実施形態では、第1配置領域B11に配置される複数のビア及び第2配置領域B12に配置される複数のビアは、開口部53の径方向において並ぶように配置されている。言い換えれば、開口部53の径方向に並ぶ第1配置領域B11のビア及び第2配置領域B12のビアを1組のビアとして、複数組のビアが開口部53の周方向に並ぶように配置されている。同様に、第3配置領域B13に配置される複数のビア、及び第4配置領域B14に配置される複数のビアは、開口部53の径方向において並ぶように配置されている。言い換えれば、開口部53の径方向に並ぶ第3配置領域B13のビア及び第4配置領域B14のビアを1組のビアとして、複数組のビアが開口部53の周方向に並ぶように配置されている。
したがって、本実施形態では、第1直線L1及び第2直線L2は、平面視で同じ直線上で重なっている。同様に、第3直線L3及び第4直線L4は、平面視で同じ直線上に重なっている。このため、本実施形態では、角度θ1と角度θ2とは同じ角度である。
また、本実施形態では、第1配線31の一部と第2配線32の一部とは、基板5の厚さ方向において互いに重なっている。具体的には、第1導電層51に形成された第1配線31の直線部311と、第2導電層52に形成された第2配線32の直線部321とは、基板5の厚さ方向において互いに重なっている。また、第2導電層52に形成された第1配線31の直線部311と、第1導電層51に形成された第2配線32の直線部321とは、基板5の厚さ方向において互いに重なっている。
また、本実施形態では、第1配置領域B11のビア、第2配置領域B12のビア、第3配置領域B13のビア、及び第4配置領域B14のビアは、開口部53の周方向において互いに重ならないように配置されている。つまり、開口部53の径方向において互いに隣接する2つのビアにおいて、開口部53の中心から一方のビアの中心までの距離と、開口部53の中心から他方のビアの中心までの距離との差分が、ビアの径以上である。
特に、本実施形態では、第1配置領域B11には第2ビア42のみ、第2配置領域B12には第1ビア41のみ、第4配置領域B14には第2ビア42のみが配置されている。また、第3配置領域B13には、1つの第2ビア42を除けば、第1ビア41のみが配置されている。
(3)効果
本実施形態の電流測定用コイル100では、4つの配置領域B1の各々において、開口部53の周方向に沿って並ぶビア間の距離を比較的短くすることができる。つまり、本実施形態では、コイル部1の第1導体21及び第2導体22の各々を、開口部53の周方向に沿って比較的短いピッチで巻き回すことが可能である。言い換えれば、本実施形態の電流測定用コイル100では、第1コイル11及び第2コイル12の各々の巻き数、つまりコイル部1の巻き数を比較的大きくすることが可能である。ここで、コイル部1の出力端に発生する誘導起電力は、コイル部1の巻き数に比例することから、本実施形態の電流測定用コイル100では、コイル部1に発生する誘導起電力を比較的大きくし易い。したがって、本実施形態の電流測定用コイル100では、SN(Signal-to-Noise)比を比較的高くすることが可能である。このため、本実施形態の電流測定用コイル100では、測定部6により被測定電流I1を測定し易い。つまり、本実施形態の電流測定用コイル100及び電流測定装置200は、電流の測定精度を向上することができる。
(4)変形例
以下、実施形態1の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。
(4.1)第1変形例
第1変形例の電流測定用コイル100では、図10に示すように、第3配置領域B13において、開口部53の周方向に沿って第1ビア41と第2ビア42とが交互に並んで配置されている。同様に、第1変形例の電流測定用コイル100では、第4配置領域B14において、開口部53の周方向に沿って第1ビア41と第2ビア42とが交互に並んで配置されている。
第1ビア41は、第1コイル11の第1端E11に接続される第1配置領域B11の第1ビア41を始点として、第1向きに沿って、第4配置領域B14、第1配置領域B11、第3配置領域B13、第1配置領域B11、…の順に配置される。第1コイル11の第2端E12となる第1ビア41は、第1配置領域B11に配置され、配線を介して第4配置領域B14の第2ビア42に接続される。この第2ビア42は、第2コイル12の第1端E21となる。
第2ビア42は、第2コイル12の第1端E21となる第4配置領域B14の第2ビア42を始点として、第2向きに沿って、第2配置領域B12、第3配置領域B13、第2配置領域B12、第4配置領域B14、…の順に配置される。第2コイル12の第2端E22に接続される第2ビア42は、第3配置領域B13に配置される。
本変形例では、第3配置領域B13及び第4配置領域B14の各々において、開口部53の周方向に沿って第1ビア41と第2ビア42とが交互に並んでいるが、他の構成であってもよい。例えば、第3配置領域B13及び第4配置領域B14の代わりに、第1配置領域B11及び第2配置領域B12の各々において、開口部53の周方向に沿って第1ビア41と第2ビア42とが交互に並ぶ構成であってもよい。
(4.2)第2変形例
第2変形例の電流測定用コイル100では、図11に示すように、第1配置領域B11及び第2配置領域B12のビアは、各々の中心が開口部53の径方向に並ばないように、開口部53の周方向に互いにずれるように配置されている。同様に、第3配置領域B13及び第4配置領域B14のビアは、各々の中心が開口部53の径方向に並ばないように、開口部53の周方向に互いにずれるように配置されている。なお、図11では、第1コイル11の第2端E12、第2コイル12の第1端E21、及びコイル部1の出力端(つまり、第1コイル11の第1端E11及び第2コイル12の第2端E12)の図示を省略している。本変形例では、第1配線31及び第2配線32のいずれも、平面視で比較的直線に近い形状に形成することが可能である。
(4.3)その他の変形例
本実施形態では、基板5は2つの導電層50を有していたが、更に多数の導電層50を有していてもよい。この場合、コイル部1が設けられる複数の導電層50は、基板5の厚さ方向において最も外側にある2つの導電層50であるのが好ましい。例えば、基板5は、図12に示すように、4つの導電層50と、3つの絶縁層56とを有する多層基板であるとする。この場合、コイル部1は、基板5の最外側である前面に形成される第1導電層51と、基板5の最外面である後面に形成される第2導電層52とに設けられる。つまり、第1配線31及び第2配線32は、いずれも第1導電層51及び第2導電層52には形成されるが、他の導電層50には形成されない。また、第1ビア41及び第2ビア42は、いずれも第1導電層51及び第2導電層52には電気的に接続されるが、他の導電層50には電気的に接続されない。
本実施形態では、外側配線が、外側ビアの中心よりも内側ビアに寄った位置で外側ビアに接続される構成(以下、「第1構成」という)であるが、他の構成であってもよい。例えば、内側ビアに電気的に接続される配線(以下、「内側配線」という)が、内側ビアの中心よりも外側ビアに寄った位置で内側ビアに接続される構成(以下、「第2構成」という)であってもよい。その他、例えば、上記の第1構成及び第2構成の両方を備えた構成であってもよい。
本実施形態では、第1コイル11は、第1導体21を時計回りに巻き回して構成され、かつ、第2コイル12は、第2導体22を反時計回りに巻き回して構成されているが、逆であってもよい。つまり、第1コイル11は、第1導体21を反時計回りに巻き回して構成され、かつ、第2コイル12は、第2導体22を時計回りに巻き回して構成されていてもよい。
本実施形態では、第1コイル11が巻き進みコイルであり、かつ、第2コイル12が巻き戻しコイルであるが、逆であってもよい。つまり、第1コイル11が巻き戻しコイルであり、かつ、第2コイル12が巻き進みコイルであってもよい。
本実施形態では、4つの配置領域B1はいずれも円環状であるが、他の形状であってもよい。例えば、4つの配置領域B1は、いずれも楕円環状であってもよい。つまり、ここでいう「環状」は、円環に限定されず、平面視で開口部53を囲むループ状であればよい。また、4つの配置領域B1は、いずれも同じ形状である必要はない。例えば、4つの配置領域B1のうち3つの配置領域B1が円環状であり、残りの1つの配置領域B1が楕円環状であってもよい。
本実施形態では、第1配置領域B11のビアは、開口部53から離れた位置に形成されているが、他の構成であってもよい。例えば、第1配置領域B11のビアは、開口部53の内壁面に導体を設けることで形成されていてもよい。
(実施形態2)
以下、実施形態2の電流測定用コイル100について詳細に説明する。ただし、本実施形態の基本的な構成は、実施形態1の電流測定用コイル100と共通しているので、共通する点については同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施形態の電流測定用コイル100は、実施形態1の電流測定装置200において、実施形態1の電流測定用コイル100の代わりに用いることが可能である。
本実施形態の電流測定用コイル100は、図13〜図16に示すように、第1配線31の形状と、第2配線32の形状とが実施形態1と異なっている。また、本実施形態の電流測定用コイル100では、複数の第1閉回路71と、複数の第2閉回路72とを有している点で実施形態1と異なっている(図16参照)。
第1配線31は、図14A、図14Bに示すように、2つの直線部311と、1つの迂回部312と、1つの連結部313と、1つの延長部314と、を有している。2つの直線部311は、いずれも開口部53の径方向に沿った直線状に形成されている。
迂回部312は、平面視でビア(ここでは、迂回部312が接続される第1ビア41に隣接するビア)を避けるように、ビアの周方向に沿って湾曲した形状に形成されている。迂回部312の第1端は、2つの直線部311のうち一方(開口部53に近い側)の直線部311の第1端に接続されている。また、迂回部312の第2端は、第2配置領域B12の第1ビア41に接続されている。
連結部313は、開口部53の周方向に沿った直線状に形成されており、2つの直線部311を連結する。つまり、連結部313は、一方の直線部311の第2端と、他方(開口部53から遠い側)の直線部311の第1端とを連結する。
延長部314の第1端は、他方の直線部311の第2端に接続されている。延長部314は、第1端から開口部53から離れる向きに延びており、平面視でビア(ここでは、第2ビア42)を避けるように、ビアの周方向に沿って湾曲した形状に形成されている。また、延長部314は、迂回部312とは異なり、開口部53から離れる向きに延びた位置で折り返され、第2端が第3配置領域B13の第1ビア41に接続されている。
第2配線32は、図15A、図15Bに示すように、1つの直線部321と、2つの迂回部322と、を有している点で、実施形態1の第2配線32と同じである。本実施形態では、2つの迂回部322のうち一方(開口部53に近い側)の迂回部322の形状は、実施形態1における一方の迂回部322と同じであるが、他方(開口部53から遠い側)の迂回部322の形状は、実施形態1における他方の迂回部322と異なる。具体的には、本実施形態では、一方の迂回部322は、実施形態1と同様に平面視で半円弧状に形成されているのに対し、他方の迂回部322は、実施形態1とは異なり四分円弧状に形成されている。
以下、第1閉回路71及び第2閉回路72について具体的に説明する。本実施形態では、図16の一点鎖線で示すように、第2配置領域B12と第3配置領域B13との間において、第1閉回路71(以下、「第1閉回路711」ともいう)が形成されている。この第1閉回路711は、平面視で第1配線31の直線部311、迂回部312、及び連結部313と、第2配線32の直線部321及び迂回部322とで囲まれる閉領域である。また、第3配置領域B13及び第4配置領域B14においても、第1閉回路71(以下、「第1閉回路712」ともいう)が形成されている。この第1閉回路712は、平面視で第1配線31の延長部314と、第2配線32の迂回部322とで囲まれる閉領域である。つまり、第1閉回路71は、第2配線32を挟んだ一方側(開口部53から遠い側)の領域の一部を第1配線31及び第2配線32で囲むように形成されている。
また、本実施形態では、図16の二点鎖線で示すように、第1配置領域B11及び第2配置領域B12において、第2閉回路72(以下、「第2閉回路721」ともいう)が形成されている。この第2閉回路721は、平面視で第1配線31の2つの迂回部312の各々の一部と、第2配線32の2つの迂回部322の各々の一部とで囲まれる閉領域である。また、第3配置領域B13及び第4配置領域B14においても、第2閉回路72(以下、「第2閉回路722」ともいう)が形成されている。この第2閉回路722は、第1配線31の2つの延長部314の各々の一部と、第2配線32の2つの迂回部322の各々の一部とで囲まれる閉領域である。つまり、第2閉回路72は、第2配線32を挟んだ他方側(開口部53に近い側)の領域の一部を第1配線31及び第2配線32で囲むように形成されている。
本実施形態では、外部磁界が第1閉回路711を通ることで生じる誘導電流と、外部磁界が第2閉回路721を通ることで生じる誘導電流とが相殺される。同様に、外部磁界が第1閉回路712及び第2閉回路722の各々を通ることで生じる誘導電流が相殺される。つまり、本実施形態では、外部磁界により生じる誘導電流を低減することができ、結果としてノイズを低減することができる。
ところで、本実施形態において、第1配線31の形状、及び第2配線32の形状は上記の形状に限定されず、他の形状であってもよい。つまり、第1配線31及び第2配線32は、いずれも第2配線32を挟むように第1閉回路71及び第2閉回路72を形成可能な形状であればよい。
(まとめ)
以上述べたように、第1の態様の電流測定用コイル100は、コイル部1を備える。コイル部1は、基板5の複数の導電層50に設けられて、平面視で開口部53を囲むようにトロイダルコイルを形成する。基板5は、被測定電流I1の流れる被測定導体A1が通る開口部53を有する。コイル部1は、第1コイル11と、第2コイル12と、を有する。第1コイル11は、開口部53の周方向における第1向きに沿って第1導体21を巻き回して構成される。第2コイル12は、第1コイル11に直列に電気的に接続され、開口部53の周方向における第1向きとは反対向きである第2向きに沿って第2導体22を巻き回して構成される。第1導体21は、第1配線31と、第1ビア41と、をそれぞれ複数有する。第1配線31は、複数の導電層50の各々に形成される。第1ビア41は、互いに異なる導電層50に形成された第1配線31同士を電気的に接続する。第2導体22は、第2配線32と、第2ビア42と、をそれぞれ複数有する。第2配線32は、複数の導電層50の各々に形成される。第2ビア42は、互いに異なる導電層50に形成された第2配線32同士を電気的に接続する。基板5は、平面視で開口部53を囲む同心環状の4つの配置領域B1を有する。4つの配置領域B1は、開口部53に最も近い配置領域B1から順に第1配置領域B11、第2配置領域B12、第3配置領域B13、及び第4配置領域B14である。第1ビア41は、第2配置領域B12及び第3配置領域B13の各々に少なくとも2つ以上配置されている。第2ビア42は、第1配置領域B11及び第4配置領域B14の各々に少なくとも2つ以上配置されている。
この態様によれば、第1コイル11及び第2コイル12の各々の巻き数、つまりコイル部1の巻き数を比較的大きくすることが可能である。このため、この態様によれば、コイル部1に発生する誘導起電力を比較的大きくし易く、SN比を比較的高くすることが可能である。したがって、この態様によれば、電流の測定精度を向上することができる。
また、第2の態様の電流測定用コイル100では、第1の態様において、内側ビアは、平面視で周方向の少なくとも一部が、外側ビア及び外側ビアに電気的に接続される外側配線により囲まれている。内側ビアは、4つの配置領域B1のうち第2配置領域B12又は第3配置領域B13に配置されるビアである。外側ビアは、4つの配置領域B1のうち第1配置領域B11又は第4配置領域B14に配置されるビアである。
この態様によれば、4つの配置領域B1の各々において、開口部53の周方向に沿って並ぶ配線間の距離を比較的短くすることができる。したがって、この態様によれば、第1コイル11及び第2コイル12の各々の巻き数、つまりコイル部1の巻き数をより大きくすることができる。ただし、この態様は必須ではなく、外側ビア及び外側配線は、平面視で内側ビアの周方向に沿うように設けられていなくてもよい。
また、第3の態様の電流測定用コイル100では、第2の態様において、外側配線は、外側ビアの中心よりも内側ビアに寄った位置で外側ビアに接続されている。
この態様によれば、外側配線が外側ビアの中心に近い位置で接続される構成と比較して、平面視で第1配線31と第2配線32とで囲まれる閉領域を比較的小さくすることができる。したがって、この態様によれば、外部磁界により生じる誘導電流を低減することができ、結果としてノイズを低減することができる。ただし、この態様は必須ではなく、外側配線は、外側ビアの中心に近い位置、又は外側ビアの中心よりも内側ビアから離れた位置で接続されていてもよい。
また、第4の態様の電流測定用コイル100は、第1〜第3のいずれかの態様において、以下のように構成されている。すなわち、複数の第1ビア41及び複数の第2ビア42のうち少なくとも一方は、平面視で開口部53の周方向に沿って、開口部53の中心を頂点として等角度に並ぶように配置されている。
この態様によれば、複数の第1ビア41及び複数の第2ビア42のうち少なくとも一方は、対称性を確保し易い。つまり、この態様によれば、複数の第1ビア41及び複数の第2ビア42のうち少なくとも一方の配置は、コイル部1を平面視で時計回り又は反時計回りに回転させたとしても、変化しない。したがって、この態様によれば、外部磁界により生じる誘導電流を低減し易く、結果としてノイズを低減し易い。ただし、この態様は必須ではなく、複数の第1ビア41及び複数の第2ビア42は、いずれも対称性を有していなくてもよい。
また、第5の態様の電流測定用コイル100では、第1〜第4のいずれかの態様において、複数の導電層50は、2つの導電層50である。
この態様によれば、基板5の3つ以上の導電層50にコイル部1を設ける場合と比較して、電流測定用コイル100の小型化を図ることができる。ただし、この態様は必須ではなく、コイル部1は、基板5の3つ以上の導電層50に設けられてもよい。
また、第6の態様の電流測定用コイル100では、第1〜第4のいずれかの態様において、複数の導電層50は、基板5の厚さ方向において最も外側にある2つの導電層50である。
この態様によれば、ビアの高さ寸法(基板5の厚さ方向の寸法)の最大化を図ることができる。ここで、コイル部1の断面積は、開口部53の径方向に沿った配線の長さ寸法と、ビアの高さ寸法との乗算により求められる。したがって、この態様によれば、ビアの高さ寸法の最大化を図ることで、コイル部1の断面積の最大化を図ることができ、結果としてコイル部1に発生する誘導起電力を大きくすることができる。ただし、この態様は必須ではなく、多層基板の有する複数の導電層50のうち任意の2つの導電層50にコイル部1が設けられてもよい。
また、第7の態様の電流測定用コイル100では、第1〜第6のいずれかの態様において、第1配線31の一部と第2配線32の一部とは、基板5の厚さ方向において互いに重なっている。
この態様によれば、4つの配置領域B1の各々において、開口部53の周方向に沿って並ぶ配線間の距離を比較的短くすることができる。したがって、この態様によれば、第1コイル11及び第2コイル12の各々の巻き数、つまりコイル部1の巻き数をより大きくすることができる。ただし、この態様は必須ではない。
また、第8の態様の電流測定用コイル100では、第1〜第7のいずれかの態様において、第1配置領域B11に配置される複数のビア及び第2配置領域B12に配置される複数のビアは、開口部53の径方向において並ぶように配置されている。また、第3配置領域B13に配置される複数のビア及び第4配置領域B14に配置される複数のビアは、開口部53の径方向において並ぶように配置されている。
この態様によれば、4つの配置領域B1の各々において、開口部53の周方向に沿って並ぶビア間の距離を比較的短くすることができる。したがって、この態様によれば、第1コイル11及び第2コイル12の各々の巻き数、つまりコイル部1の巻き数をより大きくすることができる。ただし、この態様は必須ではなく、例えば実施形態1の第2変形例のように、第1配置領域B11及び第2配置領域B12のビアは、各々の中心が開口部53の径方向に並ばないように、開口部53の周方向に互いにずれるように配置されていてもよい。
また、第9の態様の電流測定用コイル100では、第1〜第8のいずれかの態様において、コイル部1は、第1閉回路71と、第2閉回路72と、を有する。第1閉回路71は、平面視で第2配線32を挟んだ一方側の領域の一部を第1配線31及び第2配線32で囲む回路である。第2閉回路72は、平面視で第2配線32を挟んだ他方側の領域の一部を第1配線31及び第2配線32で囲む回路である。
この態様によれば、外部磁界が第1閉回路71及び第2閉回路72の各々を通ることで生じる誘導電流が相殺されるので、外部磁界により生じる誘導電流を低減することができ、結果としてノイズを低減することができる。ただし、この態様は必須ではなく、コイル部1は、平面視で第2配線32を挟んだ一方側のみに閉回路を有する構成であってもよい。
また、第10の態様の電流測定装置200は、第1〜第9のいずれかの態様の電流測定用コイル100と、測定部6と、を備える。測定部6は、被測定電流I1に応じて発生するコイル部1の出力に基づいて、被測定電流I1を測定する。
この態様によれば、電流の測定精度を向上することができる。
以上、実施形態1,2に係る電流測定用コイル100及び電流測定装置200について説明した。ただし、以上に説明した実施形態は、上記の変形例を含めて本発明の様々な実施形態の一つに過ぎず、上記の実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
1 コイル部
11 第1コイル
12 第2コイル
21 第1導体
22 第2導体
31 第1配線
32 第2配線
41 第1ビア
42 第2ビア
5 基板
50 導電層
53 開口部
6 測定部
71,711,712 第1閉回路
72,721,722 第2閉回路
100 電流測定用コイル
200 電流測定装置
A1 被測定導体
B1 配置領域
B11 第1配置領域
B12 第2配置領域
B13 第3配置領域
B14 第4配置領域
I1 被測定電流

Claims (10)

  1. 被測定電流の流れる被測定導体が通る開口部を有する基板の複数の導電層に設けられて、平面視で前記開口部を囲むようにトロイダルコイルを形成するコイル部を備え、
    前記コイル部は、
    前記開口部の周方向における第1向きに沿って第1導体を巻き回して構成される第1コイルと、
    前記第1コイルに直列に電気的に接続され、前記開口部の周方向における前記第1向きとは反対向きである第2向きに沿って第2導体を巻き回して構成される第2コイルと、を有し、
    前記第1導体は、前記複数の導電層の各々に形成される第1配線と、互いに異なる導電層に形成された前記第1配線同士を電気的に接続する第1ビアと、をそれぞれ複数有し、
    前記第2導体は、前記複数の導電層の各々に形成される第2配線と、互いに異なる導電層に形成された前記第2配線同士を電気的に接続する第2ビアと、をそれぞれ複数有し、
    前記基板は、平面視で前記開口部を囲む同心環状の4つの配置領域を有し、
    前記4つの配置領域は、前記開口部に最も近い配置領域から順に第1配置領域、第2配置領域、第3配置領域、及び第4配置領域であり、
    前記第1ビアは、前記第2配置領域及び前記第3配置領域の各々に少なくとも2つ以上配置され、
    前記第2ビアは、前記第1配置領域及び前記第4配置領域の各々に少なくとも2つ以上配置されていることを特徴とする電流測定用コイル。
  2. 前記4つの配置領域のうち前記第2配置領域又は前記第3配置領域に配置される内側ビアは、平面視で周方向の少なくとも一部が、前記第1配置領域又は前記第4配置領域に配置される外側ビア及び前記外側ビアに電気的に接続される外側配線により囲まれていることを特徴とする請求項1記載の電流測定用コイル。
  3. 前記外側配線は、前記外側ビアの中心よりも前記内側ビアに寄った位置で前記外側ビアに接続されていることを特徴とする請求項2記載の電流測定用コイル。
  4. 前記複数の第1ビア及び前記複数の第2ビアのうち少なくとも一方は、平面視で前記開口部の周方向に沿って、前記開口部の中心を頂点として等角度に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電流測定用コイル。
  5. 前記複数の導電層は、2つの導電層であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電流測定用コイル。
  6. 前記複数の導電層は、前記基板の厚さ方向において最も外側にある2つの導電層であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電流測定用コイル。
  7. 前記第1配線の一部と前記第2配線の一部とは、前記基板の厚さ方向において互いに重なっていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電流測定用コイル。
  8. 前記第1配置領域に配置される複数のビア及び前記第2配置領域に配置される複数のビアは、前記開口部の径方向において並ぶように配置されており、
    前記第3配置領域に配置される複数のビア及び前記第4配置領域に配置される複数のビアは、前記開口部の径方向において並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電流測定用コイル。
  9. 前記コイル部は、
    平面視で前記第2配線を挟んだ一方側の領域の一部を前記第1配線及び前記第2配線で囲む第1閉回路と、
    平面視で前記第2配線を挟んだ他方側の領域の一部を前記第1配線及び前記第2配線で囲む第2閉回路と、を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電流測定用コイル。
  10. 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電流測定用コイルと、
    前記被測定電流に応じて発生する前記コイル部の出力に基づいて、前記被測定電流を測定する測定部と、を備えることを特徴とする電流測定装置。
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