JP4499707B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、一次導体に流れる電流を測定する電流センサに関する。

大電流を測定する場合、該電流をそのまま電流計に流すことは危険であることから、変流器（ＣＴ）を用いて１次電流を下げて２次側に出力させることで電流を測定する電流センサが使用される。上記変流器は、交流の特性を利用したもので、コア（鉄心）に導体を巻回し形成されたコイルから２次電流を取り出す構造を有する。
しかしながら上記電流センサにおいても、大電流計測を行ったときには、上記コアに生じる磁束が飽和してしまい正確な電流計測が行えない場合も生じる。そこで、正確な電流計測を可能とするために、上記コア内の磁気飽和を抑制する工夫として、従来、例えばコアの断面積を大きくする、あるいは、ＣＴ出力（二次巻き線）を三次巻き線にフィードバックすることでコア内の磁束密度を小さくするという方法が提案されている（例えば特許文献１）。

又、リアクトルなどコア内の磁束密度の均一性が問題とならないような場合には、コア内の磁束を低減させる対策として、コアを分割し、各分割コアについてギャップを介して連結した構造を採る方法が提案されている（例えば特許文献２）。
特開２００４−１５３２２２号公報（段落０００６〜０００８、図１） 特開２００４−９５９３５号公報（段落００１１〜００１３、図１）

上述したように、従来の電流センサでは、大電流計測を行う場合、コア内の磁束飽和を抑制するため、別途フィードバック回路が必要であり、装置構成が大きくなるという問題があった。又、コア内の磁束飽和を抑制する方法として、上述のようにコア断面積を大きくする方法もあるが、コア形状が大型化し、やはり小型の電流センサを構成することができないという問題がある。

さらに又、磁束飽和を抑制する対策として、上述のようにコアを分割する方法があるが、分割箇所のギャップ部分にて磁気抵抗が極端に高くなるため漏れ磁束が発生し、その結果、コア全周における磁束密度の均一性が低下する。よって、電流センサとしての測定精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、フィードバック回路を設けることなく、測定精度を維持し、かつ従来に比べて小型のコアにて大電流計測が可能である電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様である電流センサは、円環状に形成され、その中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流にて発生した磁束を集磁するコアと、上記コアの胴部に対しトロイダル巻きされ上記コア内の磁束変化を検出する二次巻線とを有し、上記二次巻線の出力から上記一次電流を測定する電流センサにおいて、
上記コアは、当該コアの周方向に当該コアを分割する磁性体にてなる複数の磁性体部と、非磁性体にてなり上記周方向に当該コアを分割する複数の非磁性体部とを有し、当該コアの全周に渡って上記磁性体部と上記非磁性体部とを交互に配置して形成され、
上記二次巻線は、上記二次巻線を構成する各導体の延在方向に沿う各導体の切り口を含む上記コアにおける切り口である各コア断面が上記磁性体部及び上記非磁性体部と交差し、かつ上記コア断面における上記磁性体部の磁性体部断面積と上記非磁性体部の非磁性体部断面積との比が各コア断面で同一であるという条件下で、上記導体を上記コアの胴部に巻回してなる、
ことを特徴とする。

本発明の第１態様による電流センサによれば、コアは、磁性体部及び非磁性体部を有し、これら磁性体部及び非磁性体部によって、当該コアの周方向に当該コアを多数に分割した。該構成によれば、非磁性体部における磁気抵抗が非常に大きいことから、コア内を通過する磁束を低減させ、コア内の磁束飽和を抑制することができる。したがって、フィードバック回路を設ける必要がなく、又、従来と同一サイズのコアにて、より大電流の計測が可能となる。逆に言えば、従来に比べて小型のコアにて大電流計測が可能である。

一方、何の条件もなくコアを単に分割したのでは、分割断面から漏れ磁束が発生し、コア全周における磁束密度の均一性が損なわれるため、電流測定精度が低下してしまう。これに対し、上記第１態様による電流センサによれば、さらに、二次巻線を構成する各導体の切り口を含む各コア断面が上記磁性体部及び上記非磁性体部と交差し、かつ上記コア断面における上記磁性体部の磁性体部断面積と上記非磁性体部の非磁性体部断面積との比が各コア断面で同一であるという条件下で、上記導体を上記コアに巻回した。よって、検出部である各導体における上記コア断面内の磁束密度を均一化することができ、コアを分割することによる測定精度の低下を抑制することができ、電流センサとしての測定精度が低下することはない。したがって、電流測定精度を維持した上で小型コアの電流センサにて大電流測定が可能となる。

本発明の実施形態である電流センサについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の機能を有する構成部分については同じ符号を付している。又、上記電流センサは、一般的に変流器（ＣＴ）と呼ばれるものであり、中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流を測定するものである。

実施の形態１．
図１〜図３、図４Ａ、及び図４Ｂを参照して、本発明の実施の形態１による電流センサ１０１について説明する。電流センサ１０１は、図１に示すように、コア１と、二次巻線２とを備える。
コア１は、本実施形態ではパイプを輪切りにしたような円環状にてなる胴部１ａ、及び中央部１ｂには貫通穴を有する。胴部１ａは、周面１ａ−１と、上、下面１ａ−２とを有する。本実施形態では、上、下面１ａ−２は、それぞれ平面にてなるが、半円形等の凸形状であってもよい。上記貫通穴には、被測定電流である一次電流が流れる一次導体５が、中央部１ｂに沿ってつまりコア１を貫通して配置される。

さらにコア１は、当該コア１の周方向に当該コア１を分割する磁性体にてなる複数の磁性体部３と、本実施形態では磁性体部３と同一形状であり非磁性体にてなり上記周方向に当該コア１を分割する複数の非磁性体部４とを有し、当該コア１の全周に渡って磁性体部３と非磁性体部４とが交互に連結され上記全周にわたり均等に配置して形成される。尚、例えば数十から数百個の磁性体部３及び非磁性体部４にてコア１は形成される。又、本実施形態では磁性体部３と非磁性体４とは同一形状であるが、図３を参照して後述するように、磁性体部３の磁性体部断面積と非磁性体部４の非磁性体部断面積との比が各コア断面で同一であるという条件を満たす限り、同一形状に限定されるものではない。
又、図１に示す電流センサ１０１では、磁性体部３及び非磁性体部４は、図示するように渦巻き状となるように配置している。

二次巻線２は、上記一次導体５によりコア１内に生じる磁束の変化を検出するもので、当該電流センサ１０１は、二次巻線２の出力から上記一次電流を測定する。このような二次巻線２は、コア１に対して下記の条件を満たして導体２ａを、コア１の胴部１ａの周囲に沿ってコア１の全周に対しトロイダル巻きしている。本実施形態では、上述した磁性体部３及び非磁性体部４の形状及び配置状態に対応して、胴部１ａの上、下面１ａ−２において導体２ａは、コア１の直径方向に沿って延在する。

又、二次巻線２は、上記一次電流の必要な検出精度を確保するために、コア１の全周にわたり均一に巻き回される必要がある。即ち、二次巻線２を構成する各導体２ａの延在方向に沿う各導体２ａの切り口を含むコア１における切り口、つまり図１に示す例えばＡ−Ａ’線におけるコア１の断面である図３に示す各コア断面２０に着目する。各導体２ａに対応するそれぞれのコア断面２０は、磁性体部３及び非磁性体部４と交差し、かつコア断面２０における磁性体部３の磁性体部断面積と非磁性体部４の非磁性体部断面積との比が各コア断面２０で同一であるという条件を満足するように、導体２ａがコア１に巻回され、二次巻線２が形成される。ここで、例えば図３に示されるコア断面２０の場合、上記磁性体部断面積は、磁性体部３の断面積３ａ、３ｂ、３ｃを加えた断面積３０であり、上記非磁性体部断面積は、非磁性体部４の断面積４ａ、４ｂを加えた断面積４０である。各導体２ａにおけるそれぞれのコア断面２０において、コア断面２０にて切断される磁性体部３及び非磁性体部４の断面形状は異なるが、上記磁性体部断面積３０と上記非磁性体部断面積４０との比率が同一となるように、導体２ａと磁性体部３及び非磁性体部４とを相対的に配置、具体的には、導体２ａと、磁性体部３及び非磁性体部４の形状並びに配置と、を調整する。

上述の条件を満たすように、導体２ａと磁性体部３及び非磁性体部４とを相対的に配置することで、以下のような効果が得られる。即ち、図４Ａに示すように、コア１を貫通する一次導体５に電流が流れた場合、この一次導体５の周方向に、電流に応じた磁束６が発生する。このとき上述のようなコア１を適用した場合、図４Ｂに示すように、透磁率の高い磁性体部３には周辺より磁束６が集磁され、逆に非磁性体部４であるスペーサ部分では、周辺の空気と透磁率が近いため磁束６が拡散する。そのためコア１内の磁束６の密度に粗密が生じる。
しかし、上述の条件を満足させることで、それぞれのコア断面２０内を通過する磁束密度の和が等しくなり、電磁誘導によって発生する起電力が均一化される。このため、電流センサ１０１における一次電流の検出精度の低下を抑制することができる。

又、磁性体部３と非磁性体部４とによりコア１を形成したことから、非磁性体部４における磁気抵抗が非常に大きく、コア１内を通過する磁束を低減し、コア１内の磁束飽和を抑制することができる。したがって、フィードバック回路を設ける必要がなく、又、従来と同一サイズのコアにて、より大電流の計測が可能となる。

又、上述したようなコア断面２０における条件を満足する限り、磁性体部３及び非磁性体部４の形状及び配置、並びに導体２ａの巻き方は、例えば図１に示す形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例を採ることができる。
例えば図５に示す電流センサ１０２のように、磁性体部３−１及び非磁性体部４−１は放射状形状としてそれぞれコア１の直径方向に沿うように配置し、かつ胴部１ａの上、下面１ａ−２にて導体２ａは渦巻き状に配置してもよい。図５に示す形態では、磁性体部３−１及び非磁性体部４−１の形状が、図１に示す形態における磁性体部３及び非磁性体部４に比べて単純であり、コア１の作製が容易になるという利点がある。

又、図６に示す電流センサ１０３のように、磁性体部３−２及び非磁性体部４−２は螺旋形状とし、かつ胴部１ａの上、下面１ａ−２にて導体２ａはコア１の直径方向に沿って延在するように配置してもよい。図６に示す形態では、図５に示す形態に比べて磁性体部３−２及び非磁性体部４−２の形状が複雑となるが、二次巻線２の導体２ａは直径方向に沿って延在させればよく導体２ａの巻回が容易であるという利点がある。

又、磁性体部３、３−１、３−２において、一般的な電流センサのコア製作と同様に、渦電流対策として、図７に示すように、表面が電気的に絶縁された磁性体箔を積層して、コアの直径方向にコアを分割し、電気絶縁された磁性体部７を製作しても良い。尚、図７では、電流センサ１０１に使用される磁性体部７を示している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２による電流センサについて、図８及び図９を参照して説明する。本実施の形態は、上述の実施の形態１にて説明した電流センサを、形状制御性に優れたメッキもしくはプリント基板にて製作したものである。

図８及び図９に示す本実施形態の電流センサ１０４は、図１に示す電流センサ１０１の形態を基板にて作製したものである。勿論、上述した電流センサ１０２、１０３の形態を、以下に説明する構成にて作製してもよい。
電流センサ１０４は、第１巻線パターン基板９−１及び第２巻線パターン基板９−２と、これらの巻線パターン基板９−１、９−２に挟まれるコアパターン基板１２とを備える。第１巻線パターン基板９−１は、例えばプリント基板等の非磁性体にてなる基板上に、コア１の上、下面１ａ−２を延在する上記導体２ａに対応する導体部分であって導電材料にてなる第１導体８ａを、本例では放射状に、パターン形成した基板である。よって、第１導体８ａは、図示するように、上記上、下面１ａ−２を模したドーナツ状の領域内に、該ドーナツ形状の直径方向に沿って形成されている。第２巻線パターン基板９−２についても、第１巻線パターン基板９−１と同様に作製される。尚、導電材料にて基板上に放射状にパターン形成された導体を、第２導体８ｂとする。

又、コアパターン基板１２は、非磁性体にてなる基板であり、上述のコア１の上、下面１ａ−２における磁性体部３及び非磁性体部４の配置構成を基板面に形成したもので、例えばメッキによって、コア１の磁性体部３に対応して磁性体パターン１１を渦巻き状にコアパターンを形成した基板である。よって、コアパターン基板１２の表面上には、上記磁性体にてなる磁性体パターン１１と、コアパターン基板１２の表面にてなる非磁性体にてなる非磁性体部１４とが交互に配置されることになる。即ち、後述するように、コアパターン基板１２の表面に形成した磁性体パターン１１は、薄膜ながらも厚みを有することから、これらの磁性体パターン１１に挟まれた非磁性体部１４に対応して凹部が形成されることになる。よって、下記するように、当該コアパターン基板１２が巻線パターン基板９−１、９−２に挟まれることで、非磁性体部１４に対応して形成される上記凹部の空間に、接着剤等の非磁性材が充填されること、あるいは空気領域が残存することで非磁性体部１４を形成することになる。又、コアパターン基板１２に溝を掘り該溝に磁性体を設け、磁性体パターンを形成することもできる。

上述のように形成された第１巻線パターン基板９−１、第２巻線パターン基板９−２、及びコアパターン基板１２は、基板の厚み方向において第１導体８ａと第２導体８ｂとの配置を一致させた状態にて、コアパターン基板１２を間に配して第１巻線パターン基板９−１及び第２巻線パターン基板９−２にて挟み、貼り合わせる。その後、第１導体８ａ、第２導体８ｂ、及び磁性体パターン１１の中心部に、第１巻線パターン基板９−１、第２巻線パターン基板９−２、及びコアパターン基板１２を貫通し、一次導体５を配置するための貫通穴１３を形成する。さらに、それぞれの第１導体８ａにおける両端部分には、対応する第２導体８ｂの両端部分と連通させて、第１巻線パターン基板９−１、第２巻線パターン基板９−２、及びコアパターン基板１２を貫通してスルーホールが形成される。それぞれのスルーホールには、第１導体８ａと第２導体８ｂとを電気的に接続する接続導体１０がメッキ、導電性材料の充填、等の方法にて形成される。

上述したように構成される電流センサ１０４では、第１導体８ａ、接続導体１０、及び第２導体８ｂにて二次巻線２が形成され、磁性体パターン１１及び非磁性体部１４にてコア１が形成されることになる。
このような電流センサ１０４においても、上述した電流センサ１０１が奏する効果と同様の効果を得ることができる。

又、電流センサ１０４によれば、コアを、プリント基板やメッキ等の形状制御性に優れた手法にて製作することで、コアのコア幅（磁性体パターン１１の幅）や、ギャップ間距離（非磁性体部１４の幅）等の製作精度を高めることができ、よって電流センサとしての測定精度を向上されることができる。さらにまた、コアを、プリント基板やメッキ等の形状制御性に優れた手法にて製作することで、磁性体パターン１１及び非磁性体部１４を配置したコアを容易に作製することができる。
又、第１導体８ａ及び第２導体８ｂを、形状制御性に優れた手法にて製作することで、第１導体８ａ及び第２導体８ｂの位置（角度等）等の製作精度を高めることができる。
又、多層基板を用い、第１導体８ａ及び第２導体８ｂにて二次巻線を、磁性体パターン１１及び非磁性体部１４にて多数分割コアを、一括して製作することで、小型化、低コスト化が可能となる。

上述した手法では、磁性体パターン１１の厚みは、精々百μｍ程度と非常に薄く、よってコア断面積は小さい。しかしながら、例えばコア材、つまり磁性体パターン１１の材料としてパーマロイなどを使用すると周辺の空気と比較して透磁率が３桁以上高いため、形成された電流センサ１０４におけるコア断面２０を通過する磁束６の平均密度は、空心コイルと比較して数倍程度は高く、高感度である。

又、本実施の形態２では、コアパターン基板１２は一枚だけであるが、複数枚のコアパターン基板１２を積層しても良く、その場合、さらに高感度化を図ることができる。
又、本実施の形態２では、第１巻線パターン基板９−１、第２巻線パターン基板９−２、及びコアパターン基板１２を貼り合わせた後、貫通穴１３を開けたが、勿論、貫通穴１３を設けた各基板を貼り合わせても良い。

又、上述した実施の形態１において、コア１に代えて、実施の形態２におけるコアパターン基板１２を使用することもできる。
さらに又、上述した実施の形態１において、二次巻線２に代えて、実施の形態２における第１巻線パターン基板９−１及び第２巻線パターン基板９−２を使用することもできる。但しこの場合には、第１導体８ａ及び第２導体８ｂのそれぞれの両端部を電気的に接続する接続導体１０として、例えば、二次巻線２に使用した導体２ａと同様の導体部材等が使用される。

本発明の実施の形態１による電流センサを示す平面図である。 図１に示す電流センサを構成するコアの斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ’線における断面図である。 図１に示す電流センサにおける磁束分布イメージを示す図である。 図１に示す電流センサにおける磁束分布イメージを示す図である。 図１に示す電流センサの一変形例を示す平面図である。 図１に示す電流センサの他の変形例を示す平面図である。 図１に示す電流センサのコアを構成する磁性体部について、磁性体箔を用いて製作した場合を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２による電流センサを示す図である。 図８に示す電流センサの製作手順を示す図である。

符号の説明

１…コア、２…二次巻線、２ａ…導体、３…磁性体部、４…非磁性体部、
５…一次導体、６…磁束、７…磁性体部、８ａ…第１導体、８ｂ…第２導体、
９−１…第１巻線パターン基板、９−２…第２巻線パターン基板、１０…接続導体、
１１…磁性体パターン、１２…コアパターン基板、１３…貫通穴、２０…コア断面、
３０…磁性体部断面積、４０…非磁性体部断面積、
１０１〜１０４…電流センサ。

Claims (6)

1. 円環状に形成され、その中心部を貫通して配置された一次導体を流れる一次電流にて発生した磁束を集磁するコアと、上記コアの胴部に対しトロイダル巻きされ上記コア内の磁束変化を検出する二次巻線とを有し、上記二次巻線の出力から上記一次電流を測定する電流センサにおいて、
   上記コアは、当該コアの周方向に当該コアを分割する磁性体にてなる複数の磁性体部と、非磁性体にてなり上記周方向に当該コアを分割する複数の非磁性体部とを有し、当該コアの全周に渡って上記磁性体部と上記非磁性体部とを交互に配置して形成され、
   上記二次巻線は、上記二次巻線を構成する各導体の延在方向に沿う各導体の切り口を含む上記コアにおける切り口である各コア断面が上記磁性体部及び上記非磁性体部と交差し、かつ上記コア断面における上記磁性体部の磁性体部断面積と上記非磁性体部の非磁性体部断面積との比が各コア断面で同一であるという条件下で、上記導体を上記コアの胴部に巻回してなる、
   ことを特徴とする電流センサ。
2. 上記磁性体部及び上記非磁性体部は、渦巻き状の形状にてなり、上記二次巻線の各導体は、上記条件下で、上記胴部の上下面にて上記コアの直径方向に沿って延在して巻回される、請求項１記載の電流センサ。
3. 上記磁性体部及び上記非磁性体部は、放射状形状にてなり、上記二次巻線の各導体は、上記条件下で、上記胴部の上下面にて上記コアに渦巻き状に巻回される、請求項１記載の電流センサ。
4. 上記磁性体部及び上記非磁性体部は、螺旋形状にてなり、上記二次巻線の各導体は、上記条件下で、上記胴部の上下面にて上記コアの直径方向に沿って延在して巻回される、請求項１記載の電流センサ。
5. 上記コアにおける上記磁性体部は、上記一次導体が貫通する貫通穴を有し非磁性体にてなるコアパターン基板上にパターン形成される、請求項１記載の電流センサ。
6. 上記二次巻線を構成する上記導体は、上記一次導体が貫通する貫通穴を有し非磁性体にてなる第１巻線パターン基板にパターン形成され、かつ上記一次導体が貫通する貫通穴を有し非磁性体にてなり上記第１巻線パターン基板とともに上記コアをサンドイッチする第２巻線パターン基板にパターン形成され、かつ上記第１巻線パターン基板に形成した第１導体と上記第２巻線パターン基板に形成した第２導体とを電気的に接続する接続導体を有する、請求項１又は５記載の電流センサ。

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