JP3574409B2

JP3574409B2 - 電流センサ及び電流測定回路

Info

Publication number: JP3574409B2
Application number: JP2001016577A
Authority: JP
Inventors: 吉雄畑野
Original assignee: 株式会社中央電機計器製作所
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: JP2002221538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロゴスキーコイルを利用した電流センサに関し、特に、安価でありながら高精度の電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電現象や電気溶接のように衝撃的な大電流が流れる場合には、その大電流の測定にはロゴスキーコイルが用いられている。
【０００３】
ロゴスキーコイルは、閉曲線にそって空芯コイルを巻き付けて一巡させ、巻き終わりを、前記閉曲線に沿って巻き始めまで戻して構成するコイルである。このロゴスキーコイルには鉄心がないので鉄損や磁気飽和がなく、１０Ａ〜２０００００Ａ程度までの大電流を簡単に測定できる特徴を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロゴスキーコイルは、コイルの巻きピッチの一様性やコイル断面積の一様性が極めて重要であり、機械的に如何に精密にコイルを巻いたつもりでも精度的に十分ではないという問題があった。ここで、機械的な精度を向上させようとすると価格的に高騰を招くという問題点がある。
【０００５】
また、ロゴスキーコイルは、測定時に被測定対象物を取り囲むと共に、その基端部と先端部とをしっかりと接触させて隙間が生じないようにすることが重要であるが、従来の構成では可撓性が十分でないだけでなく、電流センサの弾力性が強いために、むしろ隙間ができ易く測定誤差が少なくないという問題点もあった。
【０００６】
更にまた、従来は、機械的にコイルを巻く必要があったために、短時間に大量の電流センサを生産できないという問題点もあった。
【０００７】
本発明は、上記の各問題点に鑑みてなされたものであって、高精度なセンサでありながら、短時間に大量生産することもできる安価な電流センサを提供することを課題とする。また、このような電流センサと組み合わせて使用すると好適な電流測定回路を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明では、可撓性を有する合成樹脂製の基材の表裏面に連続する導体膜によってコイルを形成して構成される。本発明では、基材の表裏面に連続する導体膜によってコイルを形成しているので、厚みを正確に管理した基材に対して写真技術などを利用することによって、コイルの巻きピッチとコイル断面積の一様性を確保することができ、また短時間に大量生産できる安価な電流センサを実現できる。
【０００９】
本発明の動作原理を説明すると下記の通りである。図９に示すように、閉曲線Ｓに沿って断面積ａのコイルを一様に巻き付け、閉曲線Ｓを一巡させた後、巻き戻した場合を考える。この場合には、コイルに鎖交する全磁束Φは、式（１）で与えられる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
本発明では、コイルの断面積ａ及びコイル単位長さ当りの巻数ｎが、コイル全周にわたって一様であるので、（式１）は、（式１’）のように変形することができ、また周回積分の法則より（式２）が成立する。
【００１２】
【数２】

【００１３】
Ｉ_ｍＳＩＮ（ωｔ）：閉曲線Ｓで囲まれた曲面内の電流瞬時値（便宜上、定常電流とした）
ｆ：周波数、ω＝２πｆ
コイルに鎖交する全磁束Φが（式２）で与えられることより、コイルに誘起する逆起電力Ｅは
Ｅ＝−ｄΦ／ｄｔ＝−ωｎａμＩ_ｍＣＯＳ（ωｔ）…（式３）となる。
そして、図１０に示す負荷抵抗Ｒに発生する電圧ｅ_ｏｕｔは、
【００１４】
【数３】

【００１５】
であるが、（ｒ＋Ｒ）^２≫（ωＬ）^２の条件が成立する場合には、
ｅ_ｏｕｔ≒Ｒ／（ｒ＋Ｒ）×ωｎａμＩ_ｍＳＩＮ（ωｔ−π／２−α）…（式４）
となり、出力電圧ｅ_ｏｕｔは、測定電流振幅値Ｉ_ｍと周波数ｆの積に比例することになる。なお、Ｌは、コイルの自己インダクタンス、ｒは、コイルの内部抵抗その他の抵抗値を総合したものである。
【００１６】
このように、コイルの断面積ａ及びコイル単位長さ当りの巻数ｎが、コイル全周にわたって一様であれば、負荷抵抗Ｒには、測定電流振幅値Ｉ_ｍと周波数ｆの積に比例する電圧ｅ_ｏｕｔを得ることができる。そして、出力電圧ｅ_ｏｕｔを積分回路に供給すれば、この積分回路において１／ｆの周波数特性が与えられ、結局、積分回路の出力として、周波数特性がフラットで測定電流値Ｉ_ｍＳＩＮ（ωｔ）に比例した電圧が得られることになる（図１１参照）。
【００１７】
本発明は、典型的には、前記基材の表裏面間にはスルーホールが形成され、そのスルーホールを通して、表面側の導体膜と裏面側の導体膜とが接続されている。なお、スルーホールを形成しない場合は、例えば、基材の側端面に導体膜を形成して、基材表裏面の導体膜を接続すれば良い。
【００１８】
本発明における合成樹脂製の基材は、好ましくは、ポリイミドフィルム基材からなり、また本発明における導体膜は、好ましくは銅箔で形成されている。また、導体膜の主要部は、略鋸歯状に屈曲して形成されているのが好ましい。なお、略鋸歯状とは、実施例で例示する鋸歯形状に何ら限定されない趣旨である。
【００１９】
更に好ましくは、本発明に係る導体膜は、基端部一方側の接続端子から基材の表裏面を略鋸歯状に屈曲しつつ進んだ後、先端部から基端部に向けて真っ直ぐに戻って基端部他方側の接続端子に接続されている。また、この構成に代えて、本発明に係る導体膜は、基端部一方側の接続端子から先端部に向けて、基材の表裏面を略鋸歯状に屈曲しつつ進んだ後、先端部から基端部に向けて、基材の表裏面を略鋸歯状に屈曲しつつ戻って他方側の接続端子に接続されるのが好ましい。ここで、進出側と後退側の前記導体膜は、隣接して平行関係にある導体膜が表裏面に分離するように形成されていると更に好ましい。
【００２０】
本発明はまた、３枚の基材を重合して構成され、第１の基材の表面から第２の基材の裏面に向けて適所に第１群のスルーホールが形成されて、前記第１群のスルーホールを通して第１方向に向けて略鋸歯状に屈曲しつつ導体膜が形成され、第２の基材の表面から第３の基材の裏面に向けて適所に第２群のスルーホールが形成されて、前記第２群のスルーホールを通して第２方向に向けて略鋸歯状に屈曲しつつ導体膜が形成されているのが好適である。なお、本発明に係る電流センサは、その表裏面が絶縁性被膜で覆われていると、仮に電流センサが、非絶縁状態の被測定物に接触した場合でも破損することがない。
【００２１】
また、本発明に係る電流センサからの信号を受けて動作する測定回路としては、積分回路において信号周波数ｆに対して１／ｆの周波数特性が与えられ、この１／ｆ特性を有する周波数帯域で電流センサの出力を利用する測定回路が好ましい。ここで、積分回路は、一次アクティブローパスフィルタとして機能する回路が好ましく、積分回路の前段にはノイズカットフィルタが設けられているのが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の態様】
以下、実施例に基づいて、この発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の第一実施例である電流センサＳ１の平面形状を図示したものであり、図２は、図１の６_Ａ−６_Ｂ−６_Ｃ−６_Ｄ線に沿って、電流センサＳ１の断面形状を図示したものである。
【００２３】
この電流センサＳ１は、フレキシブルプリント回路用銅張積層板ＢＡＳＥにコイルパターンを形成したものであり、図２に示すように、合成樹脂製のベースフィルム基材１と、ベースフィルム基材１の表裏面に接着剤層２ａ，２ｂを介して形成された銅箔層３ａ，３ｂと、接着剤層４ａ，４ｂを介して銅箔層３ａ，３ｂを覆うカバーフィルム基材５ａ，５ｂとで構成されている。ベースフィルム基材１の適所には、表裏面の銅箔層３ａ，３ｂを接続するスルーホール６が形成されており、全体として図１に示すコイルが形成されている。
【００２４】
ベースフィルム基材１の材料は特に限定されるものではないが、可撓性や難燃性の観点からポリイミド基材が好適に用いられる。カバーフィルム基材５の材料も特に限定されないが、可撓性や難燃性に加えて、電気絶縁性にも優れる点からポリイミド基材が好適に用いられる。ベースフィルム基材１の厚みは、電流センサＳ１の感度を上げるには、なるべく厚い方が良いが、あまり厚いと可撓性を損なうので数１００μｍ以内であることが好ましい。
【００２５】
図１に示すように、銅箔３ａ，３ｂは、基端部一方側の接続端子７ａからベースフィルム基材１の表裏面を鋸歯状に屈曲しつつ進んだ後、先端部Ｂ_Ｅから基端部Ｂ_Ｓに向けて真っ直ぐに戻って基端部他方側の接続端子７ｂに接続されている。なお、接続端子７ａ，７ｂは、不図示のリード線によって同軸ケーブルに接続されている。
【００２６】
図３は、フレキシブルプリント回路用銅張積層板ＢＡＳＥを折り曲げて基端部Ｂ_Ｓと先端部Ｂ_Ｅとをしっかり接触させて閉曲線を形成した状態であり、電流センサＳ１の使用状態を図示したものである。電流センサＳ１は可撓性に優れるので、被測定対象物８を取り囲むように積層板ＢＡＳＥを折り曲げることが容易であり、しかも基端部Ｂ_Ｓと先端部Ｂ_Ｅとがしっかりと接触されて固定可能であり、積層板ＢＡＳＥが全体として完全なロゴスキーコイルとなる。そのため、積層板ＢＡＳＥに沿って磁界Ｈを周回積分すると、被測定対象物８に流れている電流値ｉに正確に一致することになる。
【００２７】
しかも、積層板ＢＡＳＥには印刷技術によって銅箔面が精密に形成されているので、単位長さ当りのコイル巻数ｎも常に一定である。また、コイルの断面積ａについても、ベースフィルム基材１及び接着剤層２の厚みＴと、銅箔３の幅方向の長さＬとで決まるので、その値ａ＝Ｔ×Ｌを所定値に管理することができる（図４参照）。
【００２８】
したがって、電流ｉが定常電流Ｉ_ｍＳＩＮ（ωｔ）の場合、先に説明したように、接続端子７ａ，７ｂの間には、ωｎａμＩ_ｍＳＩＮ（ωｔ−π／２）の誘起電圧が表れることになる（式（３）参照）。つまり、周波数ｆと電流振幅Ｉ_ｍに比例して位相が９０度遅れた電圧が接続端子７ａ，７ｂに発生することになる。
【００２９】
図５は、本発明の第２実施例である電流センサＳ２の平面構成を図示したものである。この電流センサＳ２は、基端部一方側の接続端子７ａから先端部に向けて、ベースフィルム基材の表裏面の銅箔を鋸歯状に屈曲しつつ進めた後、先端部において幅方向に位置をずらし、先端部から基端部に向けて、ベースフィルム基材１の表裏面の銅箔を鋸歯状に屈曲しつつ戻して他方側の接続端子７ｂに接続して構成されている。ここで進出側の銅箔３と後退側の銅箔３とは、隣接して平行関係にある銅箔が表裏面に分離するように形成されている。
【００３０】
図５に示す電流センサＳ２は、図１に示す電流センサＳ１に比べて単位長当りのコイルの巻数ｎ’を実質上２倍程度にすることができ電流センサの感度を上げることができる。但し、使用方法などは電流センサＳ１の場合と同様であり、被測定対象物８を取り囲むように積層板ＢＡＳＥを折り曲げると（図３参照）、接続端子７ａ，７ｂの間には、ｎ’ωａμＩ_ｍＳＩＮ（ωｔ−π／２）の誘起電圧が発生する。
【００３１】
図６は、本発明の第３実施例である電流センサＳ３の平面構成を図示したものである。この電流センサＳ３は、図７に示すように、３枚のベースフィルム基材１ａ，１ｂ，１ｃを重合させて構成されている。そして、ベースフィルム基材１ａの表面からベースフィルム基材１ｂの裏面に向けて適所にスルーホール６が形成されて、進出方向に鋸歯状に屈曲する銅箔３ｆが形成されている。また、ベースフィルム基材１ｂの表面からベースフィルム基材１ｃの裏面に向けても適所にスルーホール６が形成されて、後退方向に鋸歯状に屈曲する銅箔３ｒが形成されている。なお、図７には、ある瞬間の電流の流れる方向を（・）と（×）の記号で表示している。
【００３２】
図６に示す電流センサＳ３は、図１に示す電流センサＳ１に比べて、単位長当りのコイル巻数を実質上２倍程度にできる上に、コイル断面積を約２倍程度にできるので、高感度の電流センサを構成することができる。但し、使用方法などは電流センサＳ１の場合と同様であり、被測定対象物８を取り囲むように積層板ＢＡＳＥを折り曲げると、接続端子７ａ，７ｂの間には、
ａ’ｎ’ωμＩ_ｍＳＩＮ（ωｔ−π／２）の誘起電圧が発生する。
【００３３】
図８は、本発明にかかる電流センサＳの出力を増幅する電流測定回路の回路例を図示したものである。図示の電流測定回路は、大略、ノイズカットフィルタＦＬ１，ＦＬ２と、オペアンプＯＰ１による積分回路２１と、オペアンプＯＰ２による増幅回路２２とで構成されている。ここでノイズカットフィルタＦＬ１，ＦＬ２は、電流センサＳの出力信号に重畳される高周波ノイズを除去するものである。また、積分回路２１は、オペアンプＯＰ１と、入力抵抗Ｒ２と、負帰還抵抗Ｒ３と、積分コンデンサＣ１とで構成されたミラー積分回路であり、カットオフ周波数ｆ１の一次アクティブローパスフィルタとして機能している（図１１参照）。
【００３４】
増幅回路２２は、オペアンプＯＰ２と、入力抵抗Ｒ４，Ｒ７，ＶＲ２と、負帰還抵抗ＶＲ１，Ｒ５，Ｒ６とで構成された加減算回路である。可変抵抗ＶＲ２によってＤＣバランスをとって直流分をキャンセルすると共に、可変抵抗ＶＲ１を調整して所定の増幅率（Ｒ０／Ｒ４）を確保している。なお、Ｒ０は、負帰還抵抗ＶＲ１，Ｒ５，Ｒ６の合成抵抗である。
【００３５】
図８に示す測定回路において、電流センサＳの出力は、同軸ケーブルを通して入力端子Ｊ１，Ｊ２に供給される。そして、ノイズカットフィルタＦＬ１，ＦＬ２において高周波ノイズが除去された後、負荷抵抗Ｒに供給される。但し、実質上、負荷抵抗Ｒ≒Ｒ１／／Ｒ２である。先に説明したように負荷抵抗Ｒの両端電圧ｅ_ｏｕｔは、（ｒ＋Ｒ）^２≫（ωＬ）^２の条件が成立する場合には、
ｅ_ｏｕｔ≒Ｒ／（ｒ＋Ｒ）×ωｎａμＩ_ｍＳＩＮ（ωｔ−π／２−α）…（式４）となる。したがって、（ｒ＋Ｒ）^２≫（ωＬ）^２の条件が成立しない領域も含めると、負荷抵抗Ｒの両端電圧ｅ_ｏｕｔは、周波数ｆに比例した、いわば一次ハイパスフィルタの特性を持った出力となる（図１１）。なお、この一次ハイパスフィルタ（ＲＬ回路）のカットオフ周波数をｆ２とする。
【００３６】
この負荷抵抗Ｒの両端電圧ｅ_ｏｕｔは、入力抵抗Ｒ２を通してミラー積分回路を構成しているオペアンプＯＰ１に供給されるので、オペアンプＯＰ１の出力は、ミラー積分回路のカットオフ周波数ｆ１から、ＲＬ回路のカットオフ周波数ｆ２までフラットな周波数特性を持ったセンサ出力が得られることになる。
【００３７】
したがって、周波数帯域ｆ１〜ｆ２において、被測定対象物の瞬時電流Ｉ_ｍＳＩＮ（ωｔ）を正確に測定することができる。なお、説明の都合上、正弦波電流を例に挙げたが周波数帯域ｆ１〜ｆ２を広くとることによって、パルス電流の瞬時値なども正確に測定することができる。また、正弦波やパルス波の瞬時値が測定できることより被測定対象物の電流実効値も測定できるのは勿論である。
【００３８】
以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、例示した具体例は特に本発明を限定するものではなく、可撓性を有する合成樹脂製の基材の表裏面に連続する導体膜によってコイルを形成する条件を満たす範囲内で各種の改変が可能である。例えば、図１２に示すように、導体膜の往復回数を適当回数増加されてもよく、この場合にはセンサの感度を上げることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高精度なセンサでありながら、短時間に大量生産することもできる安価な電流センサを実現できる。また、このような電流センサの出力を測定回路で処理することによって周波数帯域ｆ１〜ｆ２において、パルス電流などの瞬時値を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例に係る電流センサＳ１の平面形状を図示したものである。
【図２】図１に示す電流センサＳ１の断面構造を図示したものである。
【図３】電流センサの使用方法を図示したものである。
【図４】電流センサの構成を略記した斜視図である。
【図５】第二実施例に係る電流センサＳ２の平面形状を図示したものである。
【図６】第三実施例に係る電流センサＳ３の平面形状を図示したものである。
【図７】図６のＡ−Ａ線に沿って電流センサＳ３の断面構造を図示したものである。
【図８】電流センサからの信号を処理する測定回路を例示したものである。
【図９】本発明の原理を説明する図面である。
【図１０】本発明の原理を説明する図面である。
【図１１】電流センサと測定回路の周波数特性を図示したものである。
【図１２】その他の実施例の平面形状を図示したものである。
【符号の説明】
１基材（ベースフィルム基材）
３導体膜（銅箔）
Ｓ１〜Ｓ３電流センサ

Claims

可撓性を有する合成樹脂製の基材の表裏面に連続する導体膜によってコイルを形成してなる電流センサであって、
前記基材は、可撓性を有する合成樹脂製のフィルム基材とされ、
前記基材の表裏面間にはスルーホールが形成され、そのスルーホールを通して、表面側の導体膜と裏面側の導体膜とが接続されており、
前記導体膜は、基端部一方側の接続端子から前記基材の表裏面を略鋸歯状に屈曲しつつ進んだ後、先端部から基端部に向けて戻り基端部他方側の接続端子に接続されている
フレキシブルプリント回路用銅張積層板にコイルパターンを形成した電流センサ。
可撓性を有する合成樹脂製の基材の表裏面に連続する導体膜によってコイルを形成してなる電流センサであって、
前記基材は、可撓性を有する合成樹脂製のフィルム基材とされ、
前記基材の表裏面間にはスルーホールが形成され、そのスルーホールを通して、表面側の導体膜と裏面側の導体膜とが接続されており、
前記導体膜は、基端部一方側の接続端子から先端部に向けて、前記基材の表裏面を略鋸歯状に屈曲しつつ進んだ後、先端部から基端部に向けて、前記基材の表裏面を略鋸歯状に屈曲しつつ戻って他方側の接続端子に接続されている
フレキシブルプリント回路用銅張積層板にコイルパターンを形成した電流センサ。
進出側と後退側の前記導体膜は、隣接して平行関係にある導体膜が表裏面に分離するように形成されている請求項２に記載の電流センサ。
可撓性を有する合成樹脂製の基材の表裏面に連続する導体膜によってコイルを形成してなる電流センサであって、
前記基材は、可撓性を有する合成樹脂製のフィルム基材とされ、
３枚の基材を重合して構成され、第１の基材の表面から第２の基材の裏面に向けて適所に第１群のスルーホールが形成されて、前記第１群のスルーホールを通して第１方向に向けて略鋸歯状に屈曲しつつ第１導体膜が形成され、
第２の基材の表面から第３の基材の裏面に向けて適所に第２群のスルーホールが形成されて、前記第２群のスルーホールを通して第２方向に向けて略鋸歯状に屈曲しつつ第２導体膜が形成されており、
第１導体膜と第２導体膜は、一端部において互いに接続される一方、他端部はそれぞれ、基端部の各接続端子に接続されている
フレキシブルプリント回路用銅張積層板にコイルパターンを形成した電流センサ。
前記合成樹脂製の基材は、ポリイミドフィルム基材からなり、前記導体膜は銅箔で形成されている請求項１〜４の何れかに記載の電流センサ。
前記電流センサの表裏面は、絶縁性の被膜で覆われている請求項１〜５の何れかに記載の電流センサ。