JP4674533B2 - 交流電流検出用コイル - Google Patents

Description

本発明は、家庭用分電盤の分岐回路等に流れる電流を測定する電流センサとして機能する、絶縁性基板上に形成された交流電流検出用コイルに関する。

一般に、送変電機器や家庭用分電盤等に通電される交流電流量を非接触で測定するための電流センサとして、貫通型の電流センサが多く用いられている。このような貫通型の電流センサに用いられる交流電流検出用コイルの従来例を図１４、図１５に示す（特許文献１参照）。これらの図において、交流電流検出用コイル１００は、円形の基板開口部１０１を有する両面積層基板１０２（以下、プリント基板と記す）と、この基板開口部１０１の周囲に配置されたコイル本体１０３とを備える空芯コイルである。プリント基板１０２の材質は、ガラス入りエポキシ樹脂である。コイル本体１０３は、基板開口部１０１を中心として放射状にプリントされた導電膜の導体部を備え、この導体部はプリント基板１０２の厚み方向すなわちコイル本体１０３の軸方向に貫通する接続部を介して直列に結合することにより、プリント基板１０２にコイルを形成している。接続部は、プリント基板１０２の貫通孔の内面に形成された導電膜のスルーホールである。プリント基板１０２に巻かれているコイルは、２方向に一定ピッチで巻き回され、時計回り（矢印１０４の向き）の巻き進みコイル１０５（以下、進みコイルという）と反時計回り（矢印１０６の向き）の戻しコイル１０７（以下、戻しコイルという）とからなり、進みコイル１０５の終端と戻しコイル１０７の始端を接続することにより、両コイル１０５、１０７は、直列接続されている。図１５において、進みコイル１０５は、プリント基板１０２の表面に形成された導体部が太実線で、裏面に形成された導体部を太破線で示し、戻しコイル１０７は、プリント基板１０２の表面に形成されている導体部を二重実線で示し、裏面に形成された導体部を二重破線で示している。プリント基板１０２の表面及び裏面では、両コイル１０５、１０７の各導体部が交互に一定ピッチで配列されている。進みコイル１０５は、表面及び裏面で、長さの異なる導体部が交互に一定ピッチで配列され、戻しコイル１０７も、同様に表面及び裏面で長さの異なる導体部が交互に一定ピッチで配列されている。また、進みコイル１０５では、各導体部が基板開口部１０１から離れた側で各導体部のピッチ間が接続部（スルーホール）により接続され、戻しコイル１０７では、各導体部が基板開口部１０１の近い側で各導体部のピッチ間が接続部により接続されている。

このような交流電流検出用コイル１００を用いた電流測定では、基板開口部１０１に被測定導体が通され、この被測定導体に流れる電流による磁束が両コイル１０５、１０７のプリント基板１０２の矢印１０４又は矢印１０６の方向から視たときの導体部によって囲まれる断面領域を通ることにより発生する誘導電流を検出する。一方、コイル本体１０３の軸方向に視たとき、両コイル１０５、１０７の導体部によって囲まれる領域の正面面積内には、被測定導体からの検出されるべき磁界（測定磁界と呼ぶ）以外に、被測定導体以外の電線から発生された磁界（外部磁界と呼ぶ）の磁束も通っていることがある。この外部磁界は、本来の電流測定にとって不要なものである。しかしながら、円形で形成される両コイル１０５、１０７は、それら自体が等価的に一つの大きなコイルと見なされるので、それらの正面面積内に、不要な外部磁界が通過すると、この外部磁界による電流も同時に検出される。この外部磁界による検出電流は測定誤差となるため、できるだけ影響が小さいことが望ましい。そして、この測定誤差を抑制するには、外部磁界に対して巻き方向が互いに逆方向である両コイル１０５、１０７の各正面面積を同等にして、不要検出電流を相殺する必要がある。

しかしながら、上記従来の電流センサは、両コイル１０５、１０７を軸方向に視たとき、進みコイル１０５の正面面積は、戻しコイル１０７の正面面積よりも大きく、それぞれの正面面積が異なっている。従って、両コイル１０５、１０７で外部磁界による誘導電流の検出量が異なり、完全に相殺されないので、測定誤差を抑制することが困難となっていた。

また、上記電流測定では、測定感度を上げるには、両コイル１０５、１０７の測定に寄与する測定磁界からの誘導電圧を多くする必要があり、両コイル１０５、１０７において、基板に直交する面で断面したとき導体部によって囲まれる断面領域の各断面面積を同等にし、均一に誘導電圧を発生させることが望ましい。しかしながら、両コイル１０５、１０７の断面面積は巻き回ピッチ毎に異なっており、従って、測定感度が劣化するという問題があった。

さらに、この両コイル１０５、１０７間において、断面面積が異なると、この断面面積を通過する外部磁界の磁束量が異なるので、両コイル間で検出される外部磁界の検出量に差を生じ、相殺される外部磁界量が少なくなり、測定誤差をさらに増大する。特に、この断面面積の違いによる外部磁界の検出の差は、電流センサと検出不要な外部磁界を発生する電線との距離が近いほど大きく現れる。すなわち、検出不要な外部磁界を発生する電線が検出コイルの近くにあると、遠くにある場合に比べて、斜め成分の磁束が相対的に多くなることから、進みコイルと戻しコイルの断面面積の違いにより、外部磁界の検出に差が生じて、不要磁界の相殺作用が低下することになる。

このように、検出用コイル１００では、たとえ進みコイル及び戻しコイルの正面面積が等しい場合でも、それらのコイルの断面面積が異なると、検出不要の外部磁界を発生する電線の近傍においては、相殺される外部磁界の量が低下し、測定誤差が増大する。従って、外部磁界の影響を厳密に削減するためには、進みコイル及び戻しコイルの各正面面積が略同じであると共に、コイルの断面方向の断面面積も略同じであることが必要となる。

なお、交流電流検出用コイルとして、絶縁性基板に基板開口の周囲にコイル本体を配置し、導電膜でコイル状に形成された巻き進みコイルと巻き戻しコイルを有し、これらを直列に接続した空芯コイルが知られている（特許文献２参照）。しかしながら、この空芯コイルでは、コイルの軸方向から視たとき、巻き進みコイルは、鋸歯状の模様を形成し、巻き戻しコイルは三角状の形状をしており、両コイルで形状が異なっている。このため、両コイルが囲む面積が同じでないので、両コイルで通過する外部磁界の磁束量に差が出ることになり、前記同様に外部磁界の影響を十分排除することができないという問題があった。
特開平０６−１７６９４７号公報 特開２００４−８７６１９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、進みコイルと戻しコイルの表面と裏面におけるコイルパターンの偏りを無くしたコイル構造とすることにより、コイル近傍に配置された電線からの検出不要な外部磁界を進みコイル及び戻しコイル間で相殺してその検出を抑え、測定誤差の少ない、測定感度の良い交流電流検出用コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、絶縁性基板に開口を形成すると共に、前記開口の周囲の表裏両面に放射状に形成された複数の放射状ラインと、この放射状ラインの一端側にあって周方向に延設され前記基板の表裏両面の放射状ライン間を電気的に接続する接続部と、表面側の放射状ラインの端部又は前記接続部と裏面側にある放射状ラインの端部又は前記接続部とを接続するスルーホール及びスルーホール接続用のランドとを有するトロイダルコイルを備え、このトロイダルコイルを前記基板の表裏に巻き進み方向と巻き戻し方向とにそれぞれ形成し、かつ、これら巻進み方向コイル（進みコイルという）と巻戻し方向コイル（戻しコイルという）とを直列に接続している、前記開口内を通る被測定導体に流れる交流電流を検出するための交流電流検出用コイルにおいて、前記接続部を、該接続部が接続された放射状ラインに隣接する放射状ラインを避けるように形成し、前記進みコイル及び戻しコイルの一巻きのコイルのピッチを等しくし、かつ、一巻の進みコイルと戻しコイルの外周側でのスルーホールを、一方は少なくとも１個、他方は少なくとも３個用いて、前記進みコイル及び戻しコイルにおける放射状ラインと前記接続部とをそれぞれ前記基板の表裏に、その表裏から視て同一形状に形成し、前記接続部は、その表面側パターンと裏面側パターンとがスルーホールによる繋ぎ部で接続されると共に、この繋ぎ部は、該繋ぎ部を挟んで前記接続部の表面側パターンと裏面側パターンとが等しい長さになるように配設されているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の交流電流検出用コイルにおいて、表面側の進みコイルと戻しコイルにおける隣接する放射状ライン間距離、及び裏面側の進みコイルと戻しコイルにおける隣接する放射状ライン間距離を、それらの放射状ラインをそれぞれ部分的に折り曲げることにより、それらの放射状ラインが直線である場合の互いに隣接する放射状ライン間距離に比べ、短くするものである。

請求項３の発明は、請求項１及び請求項２に記載の交流電流検出用コイルにおいて、前記進みコイルの放射状ラインと接続部との境界部分であって、前記スルーホールの形成されていない領域に、前記スルーホール接続用のランドの外形と同等の大きさを有するランドパターンを設けたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の交流電流検出用コイルにおいて、前記絶縁性基板の開口側のスルーホールを介して接続される表面側及び裏面側の２つの放射状ライン線を前記基板の開口の中心軸から基板の厚み方向に視たとき、これら２つの放射状ライン線の成す角度（θ）を２等分する直線が、トロイダルコイルの中心を中心とする所定の半径を有する円に接するものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の交流電流検出用コイルにおいて、前記進みコイル又は戻しコイルの出力部分に、被測定導体以外の導体に電流が流れることによって発生する外部磁界の影響を打消すための外部磁界補正用のコイルを設けたものである。

請求項１の発明によれば、進みコイルと戻しコイルの一巻きの、基板面に垂直な方向から見た正面面積及び断面積を等しくすることができるので、これらコイルにおける正面方向、断面方向からの外部磁界の通過量が略等しくなり、両コイル間における外部磁界の相殺精度が向上し、コイル近傍に配置された電線からの検出不要な外部磁界に対しても影響を少なくして電流測定誤差を低減でき、電流測定精度を高めることができる。

請求項２の発明によれば、進みコイルと戻しコイルの正面方向から視た面積が狭くなることにより、両コイルで発生する誘導起電力を小さくすることができるので、進みコイル及び戻しコイルの各誘導起電力の相殺精度を向上することができる。

請求項３の発明によれば、進みコイルと戻しコイルを貫く磁界の影響をより均等にでき、進みコイルと戻しコイルによる外部磁界を相殺する効果が向上する。

請求項４の発明によれば、進みコイルと戻しコイルの各ターンを形成する２つの放射状ライン線間の成すコイル角度が均等になることにより、各コイルがトロイダルコイルの中心軸に対して軸対称となるので、外部磁界に対して各コイルのそれぞれのターンで発生する誘導起電力を相殺する効果が向上する。

請求項５の発明によれば、微小コイルによりコイル出力部分におけるコイル長の不均一性を補正できるので、進みコイルと戻しコイルの出力部分を外部磁界に対して均一化することができ、外部磁界を打ち消すことができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る交流電流検出用コイルについて、図１乃至図６を参照して説明する。図１、図２において、本実施形態の交流電流検出用コイル１（以下、検出用コイルと記す）は、コイルの非磁性体コアとなる円盤状の絶縁性基板２と、絶縁性基板２の中心に形成された略円形の開口３と、絶縁性基板２の外周と開口３の間に形成されたトロイダルコイル４を備える。トロイダルコイル４は、巻き進み方向の巻き進みコイル５（以下、進みコイルという）と巻き戻し方向の巻き戻しコイル６（以下、戻しコイルという）とを有し、それらが同じ絶縁性基板２上に二重形成され、直列に連続接続されている。これらの進みコイル５、戻しコイル６は、絶縁性基板２の表裏両面に開口３から放射状に形成された複数の放射状ライン７と、この複数の放射状ライン７間を接続する外周上に等ピッチ間隔で表裏面に設けられ接続部８と、表裏の放射状ライン７と接続部８とを電気的に連続接続するスルーホール９により形成される。これらの放射状ライン７及び接続部８は、図１、２において、絶縁性基板２の表面側において濃い実線で示され、裏面側において薄い実線で示されている。なお、絶縁性基板２の形状は、円形とは限らず用途に応じて矩形等、任意の形状にできる。

接続部８は、表裏両面において、隣接する放射状ラインを避けるように引き回し形成される。また、接続部８は、巻き進み方向のコイル（進みコイルという）及び巻き戻し方向のコイル（戻しコイルという）において、接続部８の表面側コイルと裏面側コイルをスルーホール９ａによる繋ぎ部で接続すると共に、この繋ぎ部は、繋ぎ部を挟んで両コイルの表面側と裏面側とが略等分の長さになるように配設されている。

スルーホール９は、開口３の中心１０を略中心とする開口３に遠い側及び近い側の円周上にスルーホール９ａ、９ｂを等間隔に同数配設されると共に、戻しコイル６における表裏の放射状ライン７及び接続部８（８ｂ）の各端部である境界部分には、表裏の放射状ライン７及び接続部８（８ｂ）間を接続するスルーホール９ｃ、９ｄが設けられている。この９ｃ、９ｄは、スルーホール９ａ、９ｂを結ぶ直線に対して対称に配設されている。また、最外周上に存在するスルーホール９ａ（半径Ｒ１の円周上とする）と接続部８を接続する円周上のスルーホール９ｃ、９ｄ（半径Ｒ２の円周上とする）は、外部磁界に対して影響を抑えるため、半径Ｒ１、Ｒ２の差は出来るだけ小さいことが望ましく、このＲ１とＲ２の差は、絶縁体基板からなるプリント基板の製造上の制約（ライン幅、スルーホールランド径）から、具体的には１ｍｍ以下としている。

放射状ライン７は、開口３の中心１０を略中心として放射状に一定ピッチで絶縁性基板２上に配列されている。放射状ライン７及び接続部８を構成する導体部は、絶縁性基板２に銅箔で形成され、この銅箔は、例えばガラス入りエポキシ樹脂から成る両面プリント基板をエッチング加工することにより形成することができる。

接続部８は、放射状ライン７の外周側の端部（ここでは、放射状ライン７及び接続部８との境界部分となり、例えば、戻しコイル６ではスルーホール９ｃ又は９ｄを指し、進みコイル５においては、戻しコイル６のスルーホール９ｃ又は９ｄに対応する進みコイル５の放射状ライン７上の位置となる）から円周方向に延設され、絶縁性基板２の表裏両面の放射状ライン７間を電気的に接続する。そして、スルーホール９（９ａ〜９ｄ）を介して、絶縁性基板２の表裏両面に形成された複数の放射状ライン７の端部及び接続部８と、反対側の面にある放射状ライン７の端部及び接続部８とが電気的に直列に接続されることにより、絶縁性基板２を導体部で巻回するコイルが形成される。

進みコイル５は、表側及裏側における放射状ライン７及び進みコイル５の接続部８ａを、接続部８ａの中間位置に設けられたスルーホール９ａを繋ぎ部として、スルーホール９ａで電気的に接続することにより一巻きのコイルを形成する。同様に、戻しコイル６は、表側及裏側における放射状ライン７及び戻しコイル６の接続部８ｂを互いにスルーホール９（９ａ、９ｃ、９ｄ）で電気的に接続することにより一巻きのコイルを形成する。そして、この進みコイル５及び戻しコイル６の一巻きのコイルのピッチは、等しく形成されている。また、接続部８は、隣接する放射状ライン７を避けるように引き回して形成され、この接続部８と、進みコイル５及び戻しコイル６における放射状ライン７とは、絶縁性基板２の表裏から視て、それぞれ絶縁性基板２の表裏で同一形状として形成されている。以上の構成により、トロイダルコイル４のコイルを形成する導体部（導体膜）は、絶縁性基板２の開口３の中心１０の中心軸に関してほぼ対称に、かつ均一に形成される。また、この検出用コイル１を用いた電流測定では、開口部３に電流が流れる被測定導体が通され、この電流による磁界（測定磁界と呼ぶ）の磁束が両コイル５、６の断面領域を通ることにより発生する誘導電流を検出する。

次に、図２を参照して、進みコイル５と戻しコイル６との接続の詳細を説明する。進みコイル５は、コイル引出端子１１ａから繋がる最初の放射状ライン７１からスタートし、内周側のスルーホール９ｂ、裏側の放射状ライン７２、裏側の接続部８、外周側のスルーホール９ａ及び表側の接続部８を経て、次の放射状ライン７３に接続され、以下同様にして、反時計方向に約一周して巻き進み、最後の放射状ライン７４を経て内周側のスルーホール９ｂを介し裏側の放射状ライン７５で終了する。その後、同ライン７５に連続する繋ぎの折返し用ライン７６（接続ポイント）を経て、戻しコイル６が始まる。戻しライン６は、折り返し用ライン７６が接続された接続部８の一方の境界部のスルーホール９ｄを介して、最初の表面の放射状ライン７７からスタートし、スルーホール９ｂを経て、裏面の放射状ライン７８に接続され、さらに、スルーホール９ｃから表面の接続部８ｂに結合されて、繋ぎ部のスルーホール９ａから接続部８ｂの裏面側に接続される。以下、同様にして時計方向に約一周して巻き進み、最後の放射状ライン７９で終了し、終端となるスルーホール９ａを経てコイル引出端子１１ｂに接続される。

このように、進みコイル５と戻しコイル６は、各コイルの一巻きのピッチが等しく形成されると共に、誘導起電力が電気的に同じ向きになるように巻き進み方向と巻き戻し方向に巻回されている。これにより、両コイル５、６は、これらのコイル断面を通過する磁束に対しては、同一方向の誘導電流を検出し、絶縁性基板２の垂直方向からの外部磁界に対しては、互いに逆方向の誘導電流を検出する。すなわち、検出用コイル１では、トロイダルコイル４全体において、被測定導体からの測定磁界に対する検出電流は、両コイル５、６に発生する各誘導電流の和となり、全コイルの巻き数に比例した誘導電流が得られ、検出不要な外部磁界に対しては、両コイル５、６で検出される誘導電流の差が測定され、相殺される。両コイル５、６からの検出電流は、コイル引出端子１１ａ、１１ｂから出力される。

次に、図３を参照して、進みコイル５と戻しコイル６におけるそれぞれの接続部８ａ、８ｂについて説明する。図３は、図１におけるＢ部の接続部８とＣ部の放射状ライン７の部分を模式的に平面に展開して示したものであり、進みコイル５及び戻しコイル６の表側パターンは、太線と細線で示し、裏面パターンはそれぞれを対応する点線で示す。

進みコイル５は、表側の放射状ライン７ａ、裏側の放射状ライン７ｂ、接続部８ａ及びスルーホール９ａによって形成される。接続部８ａは、放射状ライン７と接続部８との境界部分１２ａ、１２ｂに接続される同じ長さの表面側の接続ラインＬ１と裏面側の接続ラインＬ２を有し、これら接続ラインＬ１、Ｌ２は繋ぎ部のスルーホール９ａで接続される。これにより、接続部８ａは、表裏両面で同じパターン形状を成す。同様に、戻しコイル６は、裏面側の放射状ライン７ｃ、表面側の放射状ライン７ｄ、接続部８ｂ及びスルーホール９ａ、９ｃ、９ｄによって形成される。接続部８ｂは、放射状ライン７と接続部８との境界部分であるスルーホール９ｃ、９ｄに接続される同じ長さの表面側の接続ラインＬ３と裏面側の接続ラインＬ４を有し、これら接続ラインＬ３、Ｌ４は繋ぎ部のスルーホール９ａで接続される。この構成により、接続部８ｂは、表裏両面で同じパターン形状を成す。これにより、図３に斜線で示すように、進みコイル５と戻しコイル６のコイル正面から視た領域Ｓ１、Ｓ２の正面面積（面積もＳ１、Ｓ２とする）が略等しくなる。

次に、図４を参照して、進みコイル５と戻しコイル６によりコイル正面から入射する外部磁界の影響が削減されることについて説明する。絶縁性基板２の軸方向に視たときの進みコイル５と巻き戻しコイル６の各１コイルパターンにより囲まれた領域を、領域Ｓ１及び領域Ｓ２で示す。領域Ｓ１は、表側の放射状ライン７ａと裏側の放射状ライン７ｂと表裏面の接続部８ａによって囲まれれた斜線を施した領域である。領域Ｓ２は、戻しコイル６の裏面の放射状ライン７ｃと、表面の放射状ライン７ｄと、表裏面の接続部８ｂとによって囲まれたクロス斜線を施した領域である。また、実線と破線を交互に施した部分は、各コイル共通の領域Ｓ３である。本実施形態の検出用コイル１では、放射状ライン７及び接続部８は、絶縁性基板２の表裏で同一形状に形成されているので、進みコイル５と戻しコイル６のパターンの１コイル当りの面積はほぼ等しくなっている。

従って、進みコイル５及び戻しコイル６の巻き回数をそれぞれ例えば３０ターンとすると、
領域Ｓ１の面積×３０ターン＝領域Ｓ２の面積×３０ターン
となる。このため、外部電磁界による進みコイル５及び戻しコイル６にそれぞれ発生する誘導起電力は等しく、かつ各誘導起電力は電気的に互いに逆向きであるため、検出用コイル１の外部磁界による誘導起電力は相殺される。これにより、電流測定精度が向上すると共に、感度が向上する。

次に、図５（ａ）、（ｂ）と図６（ａ）〜（ｄ）を参照して、進みコイル５と戻しコイル６により、コイルの断面から入射する外部磁界の影響が削減されることについて説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の検出用コイル１の立体形状及び一部部分拡大図である。これらの図で実線は表面側のコイルパターンを示し、点線は裏面側のコイルパターンを示す。図６（ａ）〜（ｄ）は、基板に直交する面で断面したときの進みコイル５と戻しコイル６を模式的に示す。

図５（ｂ）に示すように、絶縁体基板２の厚みを貫通するスルーホール９（９ａ〜９ｄ）を介して、表裏面の放射状ライン７及び接続部８を接続して形成される進みコイル５と戻しコイル６では、コイル正面側からの外部磁界だけでなくコイル断面から入射する外部磁界も考慮する必要がある。特に、外部磁界がコイル正面に対して斜め方向に入射する場合には、斜め入射磁界（Ｈとする）がコイル正面に垂直な垂直成分Ｈｙに加え、コイル正面に水平な水平成分Ｈｘを持つので、この水平成分Ｈｘにより、進みコイル５、戻しコイル６の各コイル断面へ入射する外部磁界が増えることになる。これに対し、本実施形態では、進みコイル５と戻しコイル６のコイル断面積を略等しくすることにより、断面方向においても外部磁界の影響を抑えるように構成したものである。

図５（ｂ）に示した進みコイル５と戻しコイル６の断面形状について、図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図６（ａ）、（ｂ）は、進みコイル５のコイル構成の模式と、その繋がるコイルラインのコイル断面を示す。図６（ａ）、（ｂ）において、裏面側の放射状ライン７ｂは、スルーホール９ｂから表面側の放射状ライン７ａ、境界部分１２ａを経て、接続部８ａの接続ラインＬ１に接続される。そして、接続ラインＬ１は、最外周部にあるスルーホール９ａから接続部８ａの裏面側の接続ラインＬ２に接続され、境界部分１２ｂを経て、次のコイルターンの放射状ライン７ｂに接続される。これにより、図６（ａ）に点線の矢印で示すように、進みコイル５の１コイルが形成される。この構成により、表面側と裏面側に同じ形状と長さの接続部８ａが形成される。

同様に、図６（ｃ）、（ｄ）において、裏面側の放射状ライン７ｃは、スルーホール９ｃから表面側の接続部８ｂの接続ラインＬ３に接続される。そして、この接続ラインＬ３は、最外周部にあるスルーホール９ａから接続部８ｂの裏面側の接続ラインＬ４に接続され、スルーホール９ｄを経て表面側の次のコイルターンの放射状ライン７ｄに接続される。これにより、図６（ｃ）に点線の矢印で示すように、戻しコイル６の１コイルが形成される。この構成により、表面側と裏面側に同じ形状と長さの接続部８ｂが形成される。

図６（ａ）乃至（ｄ）の進みコイル５と戻コイル６の断面において、各コイルの放射状ライン７ａ〜７ｄの長さ及び接続ラインＬ１〜Ｌ４の長さが略同じであることにより、両コイルの放射状ライン７と接続部８とスルーホール９で形成される各断面面積Ｓ４，Ｓ５が略等しくなる。これにより、検出されるべき測定磁界が断面内を連続的にスムーズに流れることができ、電流測定感度が向上すると共に、コイル断面への外部磁界に対しては、進みコイル５と戻コイルによる相殺作用が向上し、外部磁界の影響をより抑制することができる。

上述のように、本実施形態の交流電流検出用コイル１によれば、放射状ラインが絶縁性基板の表裏で同一形状であると共に、表裏における接続部も同一形状にできる。これにより、進みコイル５、戻しコイル６の正面方向から視た前記正面面積Ｓ１、Ｓ２（領域Ｓ１、Ｓ２の面積）及び断面方向から視た断面面積Ｓ４、Ｓ５がそれぞれ略等しくなるので、両コイル間において、正面方向及び断面方向からの外部磁界の通過量を略等しくできる。従って、両コイル間における外部磁界の相殺精度を向上し、外部磁界の影響を少なくして電流測定誤差を低減でき、電流測定精度を高めることができる。特に、コイル近傍に配置された電線が発する外部磁界に対して、より測定精度を高めることができる。

また、本実施形態の交流電流検出用コイル１においては、トロイダルコイル４の導体部を、前述の開口３の中心を通る中心軸の周りにほぼ対称に、かつ均一に形成することができるので、進みコイル５と戻しコイル６の接続部８を含めた円周方向の断面を同形状で面積を等しくでき、連続するコイル内を磁束がスムーズに流れる。これにより、均一に誘導電流を発生させることができ、測定感度が向上する。また、開口３を有する一枚の両面プリント基板にエッチングパターンとスルーホールを形成することにより、小型で簡単に製作することができ、製造コストも低減する。そして、１ｍｍ以下のプリント基板のコイル形状で数十ｍＡ以上の電流計測ができることになり、小型化、高性能化が可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る交流電流検出用コイルについて、図７を参照して説明する。本実施形態の検出用コイル１は、前記実施形態において、表面側の進みコイル５と戻しコイル６における隣接する放射状ライン７ａ、７ｄ間の距離、及び裏面側の進みコイル５と戻しコイル６における隣接する放射状ライン７ｂ、７ｃ間の距離を短くしたものである。

図７において、進みコイル及び戻しコイルの表側パターンは、太線と細線で示し、裏面パターンはそれぞれを対応する点線で示す。進みコイル５は、表側の放射状ライン７ａ−１、裏側の放射状ライン７ｂ−１、接続部８ａ及びスルーホール９ａによって形成される。接続部８ａは、放射状ライン７と接続部８との境界部分１２ａ、１２ｂに接続される同じ長さの表面側の接続ラインＬ１と裏面側の接続ラインＬ２を有し、これら接続ラインＬ１、Ｌ２は繋ぎ部のスルーホール９ａで接続される。これにより、接続部８ａは、表裏両面で同じパターン形状を成す。同様に、戻しコイル６は、裏面側の放射状ライン７ｃ−１、表面側の放射状ライン７ｄ−１、接続部８ｂ及びスルーホール９ａ、９ｃ、９ｄによって形成される。接続部８ｂは、放射状ライン７と接続部８との境界部分であるスルーホール９ｃ、９ｄに接続される同じ長さの表面側の接続ラインＬ３と裏面側の接続ラインＬ４を有し、これら接続ラインＬ３、Ｌ４は繋ぎ部のスルーホール９ａで接続される。これにより、接続部８ｂは、表裏両面で同じパターン形状を成す。

上記放射状ライン７ａ−１、放射状ライン７ｂ−１は、先述の放射状ライン７ａ、７ｂを各隣接する戻しコイル６の放射状ライン７ｄ、７ｃにそれぞれ接近され、各隣接する放射状ライン間距離が短く形成されている。放射状ライン７ａと放射状ライン７ｄとの間隔（ｄ１とする）は、接続部８ａの境界部分１２ａとスルーホール９ｂを結んだライン（放射状ライン７ａに相当）と、接続部８ｂのスルーホール９ｃとスルーホール９ｂを結んだライン（放射状ライン７ｄに相当）間の間隔であり、ここで間隔ｄ１は略前記境界部分付近の間隔（例えば、境界部分１２ａとスルーホール９ｄ間の間隔）となる。一方、放射状ライン７ａ−１、放射状ライン７ｄ−１の間隔（ｄ２とする）は、放射状ライン７ａ、７ｄを部分的に折り曲げてライン形成することにより共に接近され、その間隔ｄ２は放射状ライン７ｂと放射状ライン７ｄの間隔ｄ１より短く形成されている。同様のライン構成により、放射状ライン７ｂ−１、放射状ライン７ｃ−１間もその間隔（ｄ２）を放射状ライン７ｂと放射状ライン７ｃ間の間隔（ｄ１と同じ）より短く形成される。

このように放射状ライン間の間隔を短くしたことにより、図７に斜線及びクロス斜線で示したように、進みコイル５及び戻しコイル６のコイル正面から視た正面面積Ｓ６、Ｓ７を、表面、裏面の両面において略同形状にして、かつ共に小さくすることができる。また、実線と破線を交互に施した部分は、各コイル共通の領域Ｓ３である。ここで、ライン間距離ｄ２は、なるべく小さい方が良いが、プリント基板の製造上、具体的には０．２ｍｍ程度となる。

このように、本実施形態の交流電流検出用コイル１によれば、表面、裏面の各面の放射状ライン７において、進みコイル５と戻しコイル６の正面方向から視た面積を小さくすることができるので、進みコイル５、戻しコイル６の各コイルで発生する外部磁界の誘導起電力を小さくすることができ、両コイル５、６間における各誘導起電力の相殺精度を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る交流電流検出用コイルについて、図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の検出用コイル１は、進みコイル５の放射状ライン７と接続部８との境界部分で、スルーホールの形成されていない領域（境界部分１２ａ、１２ｂに相当）に、スルーホール接続用のランドの外形と同等の大きさを有するランドパターン１３ａ、１３ｂを設けたものである。

図８（ａ）、（ｂ）において、進みコイル５は、接続部８と放射状ライン７との境界におけるスルーホールの形成されていない領域の前記境界部分１２ａ、１２ｂにおいて、スルーホール接続用のランドの外形と同等の大きさを有するランドパターン１３ａ、１３ｂが設けられている。戻しコイル６は、接続部８と放射状ライン７との境界部分にスルーホール９ｃ、９ｄを有し、スルーホール９ｃ、９ｄにはランドパターンが形成されている。

上記進みコイル５は、表裏面間における接続部８ａの接続において、先述のように、接続部８ａと放射状ライン７間の境界部分における表裏接続が構成上不要となるため、接続部８ａの表裏面間の接続を繋ぎ部であるスルーホール９ａを通してのみ行っている。従って、接続部８ａには、スルーホールが１つしかなく、スルーホール用のランドパターンは、１箇所である。本実施形態では、ランドパターン１３ａ、１３ｂを設けることにより進みコイル５の接続部８ａにおいて３箇所のランドパターンを形成し、戻しコイル６の接続部８ｂのスルーホール９ａ、９ｃ、９ｄに設けられた３箇所のランドパターンと同形にすることができるので、進みコイル５と戻しコイル６は同じランドパターン構成となる。この構成により、進みコイル５と戻しコイル６において、コイル正面から視たコイルパターンを各スルーホールのランドパターンを含めて同形に近づけることができる。これにより、絶縁性基板２を貫く外部磁界に対し、進みコイル５と戻しコイル６において受ける影響を同じにすることができ、さらに相殺効果を高めることができる。

このように、本実施形態によれば、コイル正面から視たコイルパターン形状が、進みコイル５と戻しコイル６で略同じ形状となり、両コイル５、６のパターン形状を精度良く等しくできるので、進みコイル５と戻しコイル６を貫く磁界の影響を均等にでき、進みコイルと戻しコイルにおける外部磁界の影響を相殺する効果が向上する。

次に、本発明の第４の実施形態に係る交流電流検出用コイルについて、図９、図１０及び図１１を参照して説明する。本実施形態の検出用コイル１は、進みコイル５及び戻しコイル６において、絶縁性基板２の開口側のスルーホール９ｂを介して接続される表面側及び裏面側の２つの放射状ライン７ａ、７ｂ及び放射状ライン７ｃ、７ｄをトロイダルコイル４の正面から視たとき、これら２つの放射状ライン線の成す角度（θ）を２等分する直線Ｌｃが、トロイダルコイル４の中心を中心とする所定の半径ｒを有する円１４に接するようにしたものである。

図９において、進みコイル５と戻しコイル６では、表側の放射状ライン７ａ、７ｃ及び裏面の放射状ライン７ｂ、７ｄが、各放射状ラインの一方の端部においてそれぞれスルーホール９ｂにより表裏で共通接続され、他方では、接続部８ａ、８ｂにより表裏接続される。これら進みコイル５と戻しコイル６において、スルーホール９ｂにより表裏で共通接続される表側の放射状ライン７ａ（放射状ライン線）と裏面の放射状ライン７ｂ（放射状ライン線）の成す角度（θ）、及び裏面の放射状ライン７ｃ（放射状ライン線）と表面の放射状ライン７ｄ（放射状ライン線）の成す角度（θ）を２等分する各直線Ｌｃが、トロイダルコイル４の中心１０を中心とする所定の半径ｒ（ｒ１）を有する円１４に接するように形成されている。このように半径ｒ１の円に接するように放射状ラインを形成することにより、各コイルのターンは検出コイル１の中心軸に対して対称性を持つため、コイルとしての検出精度（具体的には、貫通電線の電線位置、貫通角度による影響低減）の向上、及び外部磁界の影響の低減が可能となる。

上記のように、本実施形態によれば、進みコイル５と戻しコイル６の各ターンを形成するスルーホール９ｂを共通とする２つの放射状ライン間の成すコイル角度を均等にすることにより、各コイル５、６がトロイダルコイル４の中心軸に対して軸対称性となるので、外部磁界に対して各コイルのそれぞれのターンで発生する誘導起電力を相殺する効果を向上することができる。

図１０は、上記実施形態の変形例を示す。本変形例は、前記円１４の半径ｒを極端に大きく、開口３と略同半径の大きさになる程度に円１４の半径ｒ（ｒ２）を大きくした場合を示す。本構成においては、このように半径ｒを大きくした場合でもコイルパターンの軸対称性が保たれるので、パターン設計の自由度が増すと共に、前記同様の効果が得られる。

図１１は、上記実施形態の他の変形例を示す。本変形例は、前記円１４の半径ｒをゼロかつθをゼロとした場合を示す。この場合は、スルーホール９ｂを共通とする放射状ライン７の表側ラインと裏側ラインが、コイル正面から視て重なるようになる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る交流電流検出用コイルについて、図１２、図１３を参照して説明する。本実施形態の検出用コイル１は、前記各実施形態において、進みコイル５又は戻しコイル６の出力部分の直近に、外部磁界補正用の微小コイル１７を設けたものである。

図１２において、検出用コイル１は、進みコイル５のコイル引出端子１１ａの引出ライン１５ａと戻しコイル６のコイル引出端子１１ｂの引出ライン１５ｂを有する出力部１６を備え、出力部１６は引出ライン１５ａにおいて、進みコイル５との接続近傍におけるコイル基板面に略１ターンの微小コイル１７を配置している。この微小コイル１７により、出力部１６におけるコイルラインの不揃い等によるライン長の不均一性を吸収させ、外部磁界の不均一を補正して均一に近づけることができる。

このように本実施形態では、コイル基板面方向に対する外部磁界に対し、微小コイル１７を外部磁界補正用として出力部１６に設けて、接続ラインの不均一性を補正してライン長の均一性を高め、進みコイル５と戻しコイル６における外部磁界の影響を打ち消すように微小コイル１７の設計を行い、外部磁界の影響を低減することができる。

図１３は、前記実施形態の出力部１６の変形例であり、出力部１６において、コイル断面方向に略１ターンのコイル１８を構成したものである。図１３において、検出用コイル１は、進みコイル５のコイル引出端子１１ａの引出ライン１５ａと戻しコイル６のコイル引出端子１１ｂの引出ライン１５ｂを有する出力部１６を備え、この出力部１６は引出ライン１５ａにおいて、進みコイル５と接続近傍におけるコイル基板断面の方向に略１ターンの微小コイル１８を形成している。この微小コイル１８は、引出ライン１５ａ上に形成されるスルーホール１８ａ、裏面の接続ライン１９ａ、接続ライン１９ａ上のスルーホール１８ｂ、表面の接続ライン１９ｂで構成される。この構成において、進みコイル５で検出された誘起電流は、出力部１６に近い放射状ライン７ａからランドパターン１３ａを経てスルーホール１８ａに接続され、裏面の接続ライン１９ａを経てスルーホール１８ｂにより表面の接続ライン１９ｂに結合され、再度、引出ライン１５ａに接続される。

本変形例では、コイル断面方向に略１ターンの微小コイル１８を形成できるので、進みコイル５と戻しコイル６の出力部１６において、コイル断面方向における磁界の不均一性が発生した場合に、外部磁界の影響を打ち消すような微小コイル１８の設計を行うことにより、外部磁界の影響を低減できる。また、上記変形例では、略１ターンのコイルの場合について説明したが、外部磁界の影響が大きい場合は、複数のターンを用いて外部磁界を相殺することも可能である。

上述した各種実施形態に係る検出用コイル１によれば、進みコイル５と戻しコイル６の正面面積及び断面面積を共に略等しくできることにより、検出用コイル１の近傍の電線からの検出不要な外部磁界の影響も低減することができ、検出誤差の少ない、検出感度の高い電流検出コイルが得られる。これにより、小型、高性能で、かつ量産し易く低コストの電流センサを実現することができる。なお、上述した各種実施形態では、プリント基板を用いてコイルを形成したが、プリント基板でなくてもコイルを形成するものであれば何でもよい。

本発明の第１の実施形態に係る交流電流検出用コイルの平面図。 図１のＡ部の拡大図。 図１のＢ部とＣ部を拡大した進みコイルと戻しコイルの各接続部と放射状ラインの模式図。 上記検出用コイルの進みコイルと戻しコイルの形成する面積を示す図。 （ａ）は上記実施形態の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ部の拡大図。 （ａ）は上記実施形態の進みコイルの模式図、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は上記実施形態の戻しコイルの模式図、（ｄ）は（ｃ）の断面図。 本発明の第２の実施形態に係る交流電流検出用コイルの平面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係る交流電流検出用コイルの平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ部の拡大図。 本発明の第４の実施形態に係る交流電流検出用コイルの平面図。 上記検出用コイルの変形例を示す図。 上記検出用コイルの他の変形例を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る交流電流検出用コイルの平面図。 上記検出用コイルの変形例を示す図。 従来の交流電流検出用コイルの正面図。 上記検出用コイルの部分拡大図。

符号の説明

１ 交流電流検出用コイル
２ 絶縁性基板
３ 開口
４ トロイダルコイル
５ 進みコイル
６ 戻しコイル
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 放射状ライン
８、８ａ、８ｂ 接続部
９、９ｂ、９ｃ、９ｄ スルーホール
９ａ スルーホール、繋ぎ部
１２ａ、１２ｂ 境界部分
１３、１３ａ、１３ｂ ランドパターン
１４ 円
１６ 出力部分
１７、１８ 微小コイル
７１〜７９ 放射状ライン

Claims (5)

1. 絶縁性基板に開口を形成すると共に、前記開口の周囲の表裏両面に放射状に形成された複数の放射状ラインと、この放射状ラインの一端側にあって周方向に延設され前記基板の表裏両面の放射状ライン間を電気的に接続する接続部と、表面側の放射状ラインの端部又は前記接続部と裏面側にある放射状ラインの端部又は前記接続部とを接続するスルーホール及びスルーホール接続用のランドとを有するトロイダルコイルを備え、このトロイダルコイルを前記基板の表裏に巻き進み方向と巻き戻し方向とにそれぞれ形成し、かつ、これら巻進み方向コイル（進みコイルという）と巻戻し方向コイル（戻しコイルという）とを直列に接続している、前記開口内を通る被測定導体に流れる交流電流を検出するための交流電流検出用コイルにおいて、
   前記接続部を、該接続部が接続された放射状ラインに隣接する放射状ラインを避けるように形成し、
   前記進みコイル及び戻しコイルの一巻きのコイルのピッチを等しくし、かつ、一巻の進みコイルと戻しコイルの外周側でのスルーホールを、一方は少なくとも１個、他方は少なくとも３個用いて、前記進みコイル及び戻しコイルにおける放射状ラインと前記接続部とをそれぞれ前記基板の表裏に、その表裏から視て同一形状に形成し、
   前記接続部は、その表面側パターンと裏面側パターンとがスルーホールによる繋ぎ部で接続されると共に、この繋ぎ部は、該繋ぎ部を挟んで前記接続部の表面側パターンと裏面側パターンとが等しい長さになるように配設されていることを特徴とする電流検出用コイル。
2. 表面側の進みコイルと戻しコイルにおける隣接する放射状ライン間距離、及び裏面側の進みコイルと戻しコイルにおける隣接する放射状ライン間距離を、それらの放射状ラインをそれぞれ部分的に折り曲げることにより、それらの放射状ラインが直線である場合の互いに隣接する放射状ライン間距離に比べ、短くすることを特徴とする請求項１に記載の交流電流検出用コイル。
3. 前記進みコイルの放射状ラインと接続部との境界部分であって、前記スルーホールの形成されていない領域に、前記スルーホール接続用のランドの外形と同等の大きさを有するランドパターンを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の交流電流検出用コイル。
4. 前記絶縁性基板の開口側のスルーホールを介して接続される表面側及び裏面側の２つの放射状ライン線を前記基板の開口の中心軸から基板の厚み方向に視たとき、これら２つの放射状ライン線の成す角度（θ）を２等分する直線が、トロイダルコイルの中心を中心とする所定の半径を有する円に接することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の交流電流検出用コイル。
5. 前記進みコイル又は戻しコイルの出力部分に、被測定導体以外の導体に電流が流れることによって発生する外部磁界の影響を打消すための外部磁界補正用のコイルを設けたことを特徴とする前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の交流電流検出用コイル。