JP4959622B2 - 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）。
さらにまた、磁芯に、磁性体粉末と非磁性体粉末との混成物を使用することで、磁芯の比透磁率の飽和を緩和する方法が提案されている（例えば特許文献３）。

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） 特開２００６−０２４８４４号公報（段落００７５〜００８０、図１、図２（ａ））

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。

又、上記特許文献３に開示される、磁性体粉末と非磁性体粉末との混成物を磁芯に使用することで磁芯の比透磁率の飽和を緩和する方法では、磁界に対する比透磁率が変化するため、上記磁芯を電流センサへ適用すると感度が変化する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、本発明の一態様における電流センサは、中央部に貫通部を有し、上記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、当該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。

本発明の一態様におけ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、上記一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、一般に空芯電流センサ（ロゴスキーコイルなど）と言われるものと比較すると、本実施形態の電流センサ１０１では、透磁率の高い磁性体部３が、二次巻線２の内側に存在するため、電流センサ１０１は高感度となる。
又、一般に鉄心電流センサと言われる、磁性材料のみにてコアを形成したものと比較すると、本実施形態の電流センサ１０１では、透磁率の低い非磁性体部４がコア１に存在するため、コア１の磁気飽和が抑制され、測定レンジを広域化することができる。

さらに又、本実施形態の電流センサ１０１では、コア１の磁気飽和を抑制できることから、従来の電流センサにおける磁気飽和対策、つまりコアサイズの大型化、を図る必要がなく、電流センサのサイズを大幅に小型化することができる。
又、上述したように、本実施形態の電流センサ１０１では、透磁率の高い磁性体部３と透磁率が低い非磁性体部４との両方を配置することで、コア１内の磁気抵抗を任意にコントロールすることができ、測定する一次電流に応じた感度に電流センサを調整することが可能である。

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。

又、図８に示す電流センサ１０４のように、磁性体部３−３、非磁性体部４−３、及び導体２ａの配置は、図１に示す電流センサ１０１の場合と同様であるが、コア断面２０における磁性体部３−３及び非磁性体部４−３を、コア１の軸方向１ｃに対して傾斜して配置してもよい。

さらに又、図９に示すように、折り返し導体１６を有する電流センサ１０５を構成することもできる。折り返し導体１６は、コア１の胴部１ａの全周に対してトロイダル巻きされた二次巻線２の導体２ａを折り返して形成された導体部分であり、胴部１ａに巻回された二次巻線２の一次導体５に対する傾きの影響を相殺する方向に沿って胴部１ａに設けられる。図９に示す例では、折り返し導体１６は、トロイダル巻きされた二次巻線２の導体２ａに接続した状態で導体２ａを折り返し、コア１の周方向１ｄに沿って胴部１ａの周面１ａ−１に対向するように一周分、延在する。折り返し導体１６を形成する上記一周分の導体の長さは、胴部１ａにトロイダル巻きされた二次巻線２の導体２ａの全長に対応する。尚、折り返し導体１６と、胴部１ａにトロイダル巻きされた導体２ａとは、電気的に絶縁された状態である。

図９に示す折り返し導体１６の形態は一例であり、上述のようにトロイダル巻きされた二次巻線２の全長に相当する長さにて折り返し導体１６を設ければ良く、例えば、胴部１ａにトロイダル巻きした導体２ａを折り返し、逆方向に胴部１ａにトロイダル巻きして、折り返し導体１６を形成することもできる。

上述のように折り返し導体１６を設けることで、コア１に対する一次導体５の傾きが二次巻線２に与える影響をキャンセルすることができる。

実施の形態２．
次に、図１０を参照して本発明の実施の形態２における電流センサ１０６について説明する。尚、図１０では、電流センサ１０６を構成するコア部分のみを図示し、二次巻線２の図示は、省略している。
上述した実施の形態１では、コア１は、磁性体部３及び非磁性体部４を一体的に形成した一つの構造体から構成されている。これに対し本実施の形態２の電流センサ１０６では、コア１は、複数、ここでは２つの分割コア２１、２２から形成されている。この点で実施の形態１と実施の形態２とは異なる。複数の分割コアを組み合わせて一つのコア１を形成することで、電流センサ特性として、任意の感度係数の分布を得ることが可能となる。
電流センサ１０６のその他の構成及び変形例については、実施の形態１において上述した説明が適用可能であるので、ここでのそれらの説明は省略する。

分割コア２１、２２について、さらに詳しく説明する。
実施の形態１に記載したコア１では、磁性体部３と非磁性体部４とは同一形状でありコア１の全周にわたりそれらを交互に均等に配置することで、電流センサの感度を制御している。又、非磁性体部４は、上述のように非磁性材料にてなり、磁性体部３と磁性体部３との間にギャップ領域を設けることを目的として使用されている。本実施の形態２では、互いに感度特性の異なる、複数の分割コアを製作し、これらを一つにまとめ、まとめたものに二次巻線２を巻回することで、任意のセンサ特性を得るものである。

分割コア２１，２２は、本実施形態ではともに円環状で同形状であり、互いを厚み方向に重ね合わされることで一つのコアを形成する。尚、分割コア２１，２２から形成されるコアを、コア２３とする。
分割コア２１は、図１０の（ａ）に示すように、比較的感度が低くなるように、全周における磁性体部３の領域の割合を小さく設計した低感度設定用磁性体部３−４と、低感度設定用非磁性体部４−４とを、分割コア２１の周方向に沿って交互に配置した。
分割コア２２は、図１０の（ｂ）に示すように、比較的感度が高くなるように、全周における磁性体部３の割合を大きく設計した高感度設定用磁性体部３−５と、高感度設定用非磁性体部４−５とを、分割コア２２の周方向に沿って交互に配置した。

よってコア２３は、比較的低感度の分割コア２１と、比較的高感度の分割コア２２とを厚み方向に重ね合わせて構成され、これらに対し一括して二次巻線２を巻回する。つまり、それぞれの分割コア２１，２２では、磁性体部と非磁性体部との割合を異ならせており、分割コア毎に磁束密度は変化する。このような各分割コアをまとめて形成したコアに対して二次巻線を巻回する構成により、センサ特性として一次電流に応じ多段階に変化する感度係数の分布を持つ電流センサを構成することができ、電流センサの感度曲線を自在に設定することが可能となる。

ここで、図３を参照して上述したコア断面２０を引用して、分割コア２１及び分割コア２２のそれぞれの上記コア断面２０における上記磁性体部断面積３０と上記非磁性体部断面積４０との比が、それぞれの分割コア２１，２２において異なっていることを説明する。
即ち、図１０の（ａ）に示したＡ−Ａ’部は、分割コア２１において二次巻線２の導体２ａが位置する一箇所に対応し、図１１Ａに示すように、Ａ−Ａ’部における分割コア２１のコア断面２０をコア断面２０−１とする。又、コア断面２０−１における上記磁性体部断面積３０を磁性体部断面積３０−１とし、上記非磁性体部断面積４０を非磁性体部断面積４０−１とする。同様に、図１０の（ｂ）に示したＢ−Ｂ’部は、分割コア２２において二次巻線２の導体２ａが位置する一箇所に対応し、図１１Ｂに示すように、Ｂ−Ｂ’部における分割コア２２のコア断面２０をコア断面２０−２とする。又、コア断面２０−２における上記磁性体部断面積３０を磁性体部断面積３０−２とし、上記非磁性体部断面積４０を非磁性体部断面積４０−２とする。

図１１Ａと図１１Ｂとを見比べると、分割コア２１のコア断面２０−１における磁性体部断面積３０−１と非磁性体部断面積４０−１との比は、分割コア２２のコア断面２０−２における磁性体部断面積３０−２と非磁性体部断面積４０−２との比と異なっていることが判る。

尚、図３を参照して上述したように、分割コア２１において、巻回された各導体２ａに対応するそれぞれのコア断面２０−１における磁性体部断面積３０−１と非磁性体部断面積４０−１との比は、同一となっている。同様に、分割コア２２において、巻回された各導体２ａに対応するそれぞれのコア断面２０−２における磁性体部断面積３０−２と非磁性体部断面積４０−２との比は、同一となっている。

以上のようにして形成されるコア２３のセンサ特性グラフを図１２に示す。
感度を高く設定した分割コア２２では、一次導体５を流れる一次電流に対する感度が高く設定されている分、磁気飽和の傾向が顕在化する一次電流は、感度を低く設定した分割コア２１に比較して小さく、磁気飽和の影響が顕在化する一次電流値以上では、感度係数が小さくなる。結果として、分割コア２２は、一次電流に対するセンサ出力の変化が小さくなる高感度設定用磁性体部のみの出力特性２９のような特性を示す。

一方、感度を低く設定した分割コア２１では、一次電流に対する感度が低く設定されている分、磁気飽和の傾向が顕在化する一次電流は、感度を高く設定した分割コア２２に比較して大きい。そのため、分割コア２１は、低感度設定用磁性体部のみの出力特性２８の様な特性を示す。しかしながら、一次導体５を流れる一次電流がより大きくなると、感度を低く設定した分割コア２１でも、感度を高く設定した分割コア２２と同様に飽和傾向を示す。

このように異なる感度の分割コア２１，２２を一つにまとめた分割コア２３は、低感度設定用磁性体部のみの出力特性２８と、高感度設定用磁性体部のみの出力特性２９とを重ね合わせた合成出力特性３０の様なセンサ特性を示す。
尚、本実施の形態２では、感度の異なる分割コア２１，２２の２つを一つのコア２３にまとめた事例を記載しているが、必要に応じて３個以上の分割コアを用いても、同様に設計することが可能である。
又、分割コアの一例として、非磁性体部を有しない磁性体部のみからなるものも、最も高感度化した分割コアとして、同様にセンサ特性の設計に適用可能である。

以上説明したように、感度の異なる複数の分割コアをまとめて一つのコア２３を構成して電流センサを作製することで、用途に応じた感度係数分布を持つセンサ特性を設計可能となる。

又、上述の実施形態２では、分割コア２１，２２の厚み方向に分割コア２１，２２を積み重ねているが、各分割コアの組み合わせ方は、これに限定されない。例えば、図１３に示すように、それぞれの分割コアにおける内径及び外径を調整することで、入れ子状の分割コア４１，４２を形成し、これらを合体させてコア４３を構成しても良い。尚、３−６、３−７は磁性体部を示し、４−６、４−７は非磁性体部を示す。この形態では、組み合わされて形成されるコアの厚みを薄くできるという効果がある。又、図１３では、２つの分割コア４１，４２を合体させた場合であるが、さらに、３個以上の入れ子状の分割コアを合体させて一つのコアを形成してもよい。

又、上述の実施形態２では、別々に製作した分割コアを合体させているが、切削等により一つのコアに、非磁性体部を形成する種々の領域を形成し、感度係数を調整しても同等の効果が得られる。

上述したように、複数の分割コアから一つのコアを形成した場合におけるセンサ特性が有効である事例として、次のものがある。例えば、定格値以下の電流領域については高精度（高分解能）計測を行い、定格値を超える電流領域については分解能を落とし、傾向のみを測定する場合などが相当する。このような事例では、高精度測定を行いたい電流領域を計測器の測定レンジ（Ａ／Ｄレンジ）の大部分に割り付けることが可能となる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３による電流センサについて、図１４及び図１５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、２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１４及び図１５に示す本実施形態の電流センサ１０７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１０２〜１０６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１０７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。

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、詳細後述する例えばメッキによって、コア１の磁性体部３に対応して、例えば電解メッキにより磁性体パターン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１０７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１０７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１０７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１における磁性体パターン１１の幅（コア幅）や、非磁性体部１４の幅であるギャップ間距離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せることができる。さらにまた、コア１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、本実施の形態３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を積層してコア１を形成することも可能である。この場合、各コアパターン基板１２における磁性体パターン１１の形成精度は、電流センサの測定精度に影響する。電流センサ１０７では、上述のように磁性体パターン１１を高い形成精度にて作製可能なことから、当該電流センサ１０７は、高い測定精度を達成することが可能となる。

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、及び、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、それぞれ一括して製作することで、電流センサの小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。

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等を使用すると、該材料は、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１０７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、高くなる。よって、磁性体パターン１１について適切な材料を選択することで、電流センサの感度を高感度に設定可能である。

又、上述のように複数枚のコアパターン基板１２を積層した場合には、さらに高感度化を図ることができる。
又、本実施の形態３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、第１導体８ａ、第２導体８ｂ、磁性体パターン１１のパターン部分に対して、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のサイズが大きい場合には、上記パターン部分以外の、基板の不要な部分を除去してもよい。

コアパターン基板１２に電解メッキにて磁性体パターン１１を形成する場合、まず通常のプリント基板技術にて、パターン形状及び引き出し線をコアパターン基板１２に形成する。このコアパターン基板１２を金属イオンが溶融しているメッキ液に漬け込み、電極に電圧を印可することで、上記パターン形状に応じた強磁性体膜の磁性体パターン１１が形成される。パターン形状は、一般的なプリント基板技術により形成されるため、寸法等が高精度にて形成可能である。このようなパターン形状の電極上にメッキされるため、磁性体パターン１１の形状も高精度に形成可能である。

但し、電解メッキの場合、図１６に示すように、コアパターン基板１２に対応する、電解メッキ直後のコアパターン基板１２−１では、磁性体パターン１１を形成するための電極パターン１１’は、全て結線されている必要がある。そのため、メッキ直後の磁性体パターン１１’は、連結部分１４により結線された状態となる。よって磁性体パターン１１のみを形成するためには、連結部分１４を除去する必要がある。この除去方法としては、コアパターン基板１２から不要部分として除去される除去部分１８に連結部分１４を形成する、あるいは、一次導体５を貫通させるため貫通穴１３として除去される除去部分１９に連結部分１４を形成する等がある。このような方法によれば、連結部分１４のみを単独で除去する工程を省くことができる。

又、連結部分１４を除去しても、磁性体パターン１１には、電極用の引き出し線１５が残るが、二次巻線２を構成する第１導体８ａを連結するスルーホール位置２０の外側に位置すれば、問題はない。又、内側に位置する場合であっても、引き出し線１５が第１導体８ａと略平行であれば、影響は小さく、図１７に示すように、必ずしも除去する必要はない。

実施の形態４．
ここでは、上述した実施の形態１における電流センサ１０１を例に、図１８から図２１を参照して当該電流センサ１０１の製造方法の幾つかの例を以下に説明する。
実施の形態１における電流センサ１０１では、磁性体部３は、非磁性体部４によって完全に分離されている。そのため磁性体部３同士の位置関係を保ち、コア１を形成することは容易ではない。そこで、つながっていても問題のない非磁性体部４を連結したような形状にてなり非磁性体部４を兼用する、図１８に示すコア保持ケース３１を製作する。よって、該コア保持ケース３１は、磁性体部３に対応した形状にてなる嵌合部３２を有する。そして嵌合部３２に、別途製作した磁性体部３を挿入することで、コア１を作製する。
尚、磁性体部３は、嵌合部３２に嵌合可能な形状に製作すれば良く、その製作方法は、プレス、焼結等、特に問わない。

又、図１９に示すように、磁性体部３に相当する磁性体部３４と、非磁性体部４に相当する非磁性体部３５とを、半円形でパイプ状の収納ケース３３に、交互に装填する方法を採ることもできる。磁性体部３４及び非磁性体部３５を装填した半円形状の収納ケース３３を２つ繋ぎ合わせてコア１を作製し、それに二次巻線２を施すことで、電流センサ１０１を作製する。
尚、磁性体部３４及び非磁性体部３５のそれぞれの厚み等は、電流センサの所望の感度に応じて決定される。又、感度調整のため、１個の磁性体部３４、及び１個の非磁性体部３５の厚みが大きくなり、収納ケース３３への装填が困難になる場合等には、薄い磁性体部３４及び非磁性体部３５を積層することで、１個の磁性体部３４、及び１個の非磁性体部３５を作製することもできる。

又、図２０に示すような方法を採ることもできる。即ち、磁性体材料にて形成され、複数の磁性体部３を連結部３６ａにより連結した直線状のコア形成用部材３６を作製する。次に、このコア形成用部材３６の両端部に位置する磁性体部３と連結部３６ａとを連結するように、直線状のコア形成用部材３６を円環状に変形させ、コア１の基礎となるコア基礎部材３７を形成する。
次に、図２１に示すように、コア基礎部材３７を金型３８へ装填し、金型３８内へ非磁性材料を充填し、コア基礎部材３７をモールドする。このモールド工程により、各磁性体部３の間には、非磁性体部４が形成されるとともに、磁性体部３及び非磁性体部４は一体化される。

尚、上述のモールドによる手法を採らず、上述した実施の形態２にて説明した分割コアの手法にてコアを形成することも可能である。即ち、コア基礎部材３７が嵌合可能であり、かつ、非磁性材料にて作製され非磁性体部４を形成する非磁性体部用部材を用意し、該非磁性体部用部材と、コア基礎部材３７とを合体させることで、上述のモールドした状態と同じ物を得ることができる。

次に、一体化された磁性体部３及び非磁性体部４に対して、図２１に示すように、コア基礎部材３７に備わる連結部３６ａを切削加工等により除去する。これにより、コア１が形成される。
以上の製造方法により、完全に分離されている磁性体部３の位置決め及び固定の両方の動作を容易に達成することができる。

尚、上述の説明では、コア基礎部材３７は、円形状に成形したが、用途に応じて矩形形状等に成形してもかまわない。これは、上述の説明で用いた実施の形態１の場合に限らず、実施の形態２、３にて説明したコアについても、その形状は円形に限定するものではない。
又、上述の説明では、磁性材料から形成され複数の磁性体部３を形成したコア形成用部材３６を用いたが、非磁性材料にてなり直線状で複数の非磁性体部４を形成した非磁性体部形成用部材を作製し、使用することもできる。但し、この場合、例えば円環状に上記非磁性体部形成用部材を変形した後、磁性部材にてモールドすることは、上記非磁性体部形成用部材の耐熱温度上、困難又は不可能な場合がある。よって、図１８を参照して説明したような、予め、上記非磁性体部形成用部材に嵌合可能な磁性体部３を作製しておき、該磁性体部３を上記非磁性体部形成用部材に嵌合するという手法を採ることになる。

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。 図１に示す電流センサの別の変形例であってコア断面において磁性体部及び非磁性体部が傾斜した構成を有する電流センサを示す図である。 図１に示す電流センサのさらに別の変形例を示す平面図である。 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１０の（ａ）に示すＡ−Ａ’部におけるコア断面を示す断面図である。 図１０の（ｂ）に示すＢ−Ｂ’部におけるコア断面を示す断面図である。 図１０に示す電流センサの感度特性を示すグラフである。 図１０に示す電流センサの一変形例におけるコア部分を示す平面図である。 本発明の実施の形態３による電流センサを示す図である。 図１４に示す電流センサの製作手順を示す図である。 図１に示す電流センサの製造方法を説明するための図である。 図１６に示す状態後におけるコアパターン基板を示す平面図である。 図１に示す電流センサの製造方法の他の例を説明するための図である。 図１に示す電流センサの製造方法の別の例を説明するための図である。 図１に示す電流センサの製造方法のさらに別の例を説明するための図である。 図２０に示す状態後におけるコアを示す平面図である。

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、１２−１…コアパターン基板、１３…貫通穴、
１６…折り返し導体、２０…コア断面、２１，２２…分割コア、２３…コア、
３０…磁性体部断面積、３２…嵌合部、３６…コア形成用部材、
４０…非磁性体部断面積、４１，４２…分割コア、４３…コア、
１０１〜１０７…電流センサ。

Claims (10)

1. 中央部に貫通部を有し、上記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、当該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. 上記コアは、それぞれが同形状にてなり重ね合わされることで当該コアを形成する複数の分割コアを有し、上記分割コアの上記コア断面における上記磁性体部断面積と上記非磁性体部断面積との比は、それぞれの上記分割コアにおいて異なり、上記二次巻線は、それぞれの上記分割コアが重ねられて形成された上記コアに対して上記条件に従い上記胴部に巻回される、請求項１記載の電流センサ。
3. 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又は２記載の電流センサ。
4. 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から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 上記コアの上記胴部に対してトロイダル巻きされた上記二次巻線を折り返して形成され、上記胴部に巻回された上記二次巻線の上記一次導体に対する傾きの影響を相殺する方向に沿って上記胴部に設けられる折り返し導体をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 上記磁性体部をパターン形成した上記コアパターン基板を複数備え、上記コアは、それぞれのコアパターン基板を積層して形成される、請求項３記載の電流センサ。
7. 上記磁性体部は、上記コアパターン基板に電解メッキにてパターン形成される、請求項３又は６記載の電流センサ。
8. 上記非磁性体部は、上記磁性体部が嵌合される嵌合部を形成した非磁性体部材にて形成される、請求項１記載の電流センサ。
9. 上記コアは、直線状に形成された上記非磁性体部又は上記磁性体部を円形状に変形して形成される、請求項１記載の電流センサ。
10. 上記コアは、円形状に変形された上記磁性体部に対して、上記非磁性体部を形成する非磁性材料にて上記磁性体部をモールドして形成される、請求項９記載の電流センサ。

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