JP6214260B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出装置に関する。

従来、導体を流れる電流を非接触で検出する電流検出装置が知られている。例えば、特許文献１には、円形状のコイルとコイルが設けられるベース部とを備え、ベース部には当該コイルの径内方向に導体を挿入する開口が形成されている電流センサが記載されている。

特開２００９−８５６２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電流センサでは、導体をベース部の開口に挿入するため、基板上に設けられているプリント配線などの導体を流れる電流を検出することができない。また、コイルを円弧状とすることで基板上の導体をコイルの径内方向に位置させることができるが、導体を流れる電流の微小な変化を検出することができない。このため、検出精度が低下する。

本発明の目的は、基板上の導体を流れる電流を高精度に検出する電流検出装置を提供することにある。

本発明は、導体を流れる電流を非接触で検出する電流検出装置であって、絶縁材料から形成されるベース部と、ベース部に設けられる円弧状のコイルと、コイルの径内方向にコイルと絶縁するよう設けられ導体と当接すると導体の電流が流れる通電部と、コイルの一方の端部と電気的に接続しコイルの電圧を信号として外部に出力する第１戻り線と、コイルの他方の端部と電気的に接続しコイルの電圧を信号として外部に出力する第２戻り線と、ベース部の内部への外部磁界および外部電界の侵入を防止するシールド部と、を備える。本発明の電流検出装置では、第１戻り線及び第２戻り線は、コイルの内部に設けられることを特徴とする。

本発明の電流検出装置では、円弧状に形成されているコイルの径内方向に基板上の導体と当接し導体の電流が流れる通電部が設けられている。通電部を導体に当接させると、導体を流れる電流はコイルの径内方向に引き込まれコイルの近傍を流れる。これにより、コイルで発生する誘導起電力が大きくなり、導体を流れる電流の微小な変化を検出することができる。したがって、本発明の電流検出装置は、基板上の導体を流れる電流の検出精度を向上することができる。

本発明の第１実施形態による電流検出装置の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 本発明の第１実施形態による電流検出装置の検出特性を表した特性図である。 本発明の第２実施形態による電流検出装置の断面図である。 図４のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による電流検出装置について図１〜３に基づいて説明する。

第１実施形態による電流検出装置１は、基板５上に設けられている導体６に当接するよう設けられる。電流検出装置１は導体６を流れる電流の大きさを検出する。電流検出装置１は、ベース部１０、コイル２０、通電部３０などから構成される。

ベース部１０は、図２に示すように、複数の略矩形状平板の絶縁性基板１１、１２、１３、１４から形成されている。絶縁性基板１１、１２、１３、１４は、例えば、熱可塑性樹脂を材料とする平板状の部材であって、ベース部１０は、絶縁性基板１１、１２、１３、１４を一括で圧着することにより形成される。絶縁性基板１１、１２、１３、１４には、後述するコイル２０を構成する配線の他に「シールド部」としての第１シールド部１５、第２シールド部１６が設けられている。絶縁性基板１１、１２、１３、１４は、特許請求の範囲に記載の「平板状部材」に相当する。

第１シールド部１５は、非磁性材料から形成されている。第１シールド部１５は、絶縁性基板１１、１２、１３、１４内に設けられ、コイル２０を覆うようコイル２０の中心軸φに略平行に形成されている。

第２シールド部１６は、非磁性材料から形成されている。第２シールド部１６は、一体となっている絶縁性基板１１、１２、１３、１４を覆うよう設けられ、電流検出装置１の外郭を形成する。第１シールド部１５と第２シールド部１６とは、コイル２０が設けられているベース部１０の内部への外部磁界および外部電界の侵入を防止する。

コイル２０は、いわゆる、ロゴスキーコイルであって、ベース部１０の第１シールド部１５および第２シールド部１６内に形成されている。コイル２０は、複数の第１放射状配線２１、複数の第２放射状配線２２、複数の接続配線２００から構成されている。

第１放射状配線２１は、絶縁性基板１１の絶縁性基板１２側の面に形成されている。第１放射状配線２１は、図１に示すように、後述する通電部３０の流通部３１を略中心とし放射状に複数形成されている。ここでは、便宜的に、図１の紙面の最も左側であって基板５に最も近い位置に設けられる第１放射状配線を第１放射状配線２１ａとし、時計回りに第１放射状配線２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉとする。なお、図１では、第１放射状配線２１は、図１の紙面の奥側に位置し、図１中では一点鎖線で示されている。

第２放射状配線２２は、絶縁性基板１４の絶縁性基板１３側の面に形成されている。第２放射状配線２２は、図１に示すように、通電部３０の流通部３１を略中心とし放射状に複数形成されている。ここでは、便宜的に、図１の紙面の最も左側であって基板５に最も近いに位置する第２放射状配線を第２放射状配線２２ａとし、時計回りに第２放射状配線２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈ、２２ｉとする。なお、図１では、第２放射状配線２２は、図１の紙面の手前側に位置し、図１中では点線で示されている。

接続配線２００は、図２に示すように、絶縁性基板１２、１３を貫通するよう複数形成されている。接続配線２００は、通電部３０の流通部３１を略中心とし略半円弧状に設けられている。接続配線２００は、第１放射状配線２１と第２放射状配線２２とを電気的に接続する。これにより、コイル２０は、中心角が１８０°の半円弧状に形成される。

第１戻り線２３は、絶縁性基板１３の絶縁性基板１２側の面に形成されている。第１戻り線２３の一方の端部２３１は、ベース部１０の外壁に露出している。一方の端部２３１は、図示しない外部の電流算出装置と電気的に接続する。他方の端部２３２は、図１に示すように「コイルの一方の端部」としての接続配線２０１を介して第１放射状配線２１ａに接続する。このように、第１戻り線２３は、コイル２０の内部に設けられる。

第２戻り線２４は、絶縁性基板１３の絶縁性基板１２側の面、すなわち、第１戻り線２３と同じ面に形成されている。第２戻り線２４の一方の端部２４１は、ベース部１０の外壁に露出している。一方の端部２４１は、図示しない外部の電流算出装置と電気的に接続する。他方の端部２４２は、図１に示すように「コイルの他方の端部」としての接続配線２０２を介して第２放射状配線２２ｉに接続する。このように、第２戻り線２４は、コイル２０の内部に設けられる。

コイル２０は、上述したような構成により、第１戻り線２３および第２戻り線２４を介して外部と電気的に接続している。

通電部３０は、コイル２０の径内方向に設けられる金属製部位である。具体的には、コイル２０の扇形状内に設けられる。通電部３０は、流通部３１、２つの当接部３２、３３などから構成される。

流通部３１は、コイル２０の中心軸φ方向に絶縁性基板１１、１２、１３、１４を貫通するよう設けられる金属部材である。流通部３１は、絶縁性基板１１、１２、１３、１４それぞれに第１放射状配線２１などの構成を別々に形成するとき、絶縁性基板１１、１２、１３、１４の流通部３１が位置する場所にスルーホール３１０を形成し、例えば、金属ペーストなどの金属部材でスルーホール３１０を埋める。その後、第１放射状配線２１などが形成された絶縁性基板１１、１２、１３、１４を一括で圧着すると、コイル２０が形成されると同時に絶縁性基板１１、１２、１３、１４を貫通する流通部３１が形成される。

２つの当接部３２、３３は、それぞれ絶縁性基板１１の外部側の面１１０、絶縁性基板１４の外部側の面１４０からコイル２０の中心軸φ方向に突出するよう設けられている。当接部３２は、流通部３１の一方の面３１１に電気的に接続するよう設けられる。また、当接部３３は、流通部３１の他方の面３１２に電気的に接続するよう設けられる。当接部３２、３３は、コイル２０の中心軸φに対して略垂直な側面３２１、３３１がベース部１０の端面１０１より外側に突出するよう形成されている。側面３２１、３３１は、基板５に設けられている導体６に当接可能である。

次に、電流検出装置１の作用について説明する。

電流検出装置１の当接部３２、３３を基板５に設けられている導体６に当接させると、導体６を流れる電流の一部は、当接部３２、３３を介して流通部３１を通り導体６に戻るように流れる。導体６を流れる電流の変化に応じて流通部３１を流れる電流が変化すると、第１放射状配線２１、第２放射状配線２２、接続配線２００によりループ状に形成されている部位に誘導起電力が発生する。この誘導起電力は電圧信号として第１戻り線２３、第２戻り線２４を介して外部に出力される。出力された電圧信号に基づいて流通部３１を流れる電流の大きさ、すなわち、導体６を流れる電流の一部の大きさを検出する。これにより、導体６を流れる電流を検出する。

発明者らは、第１実施形態による電流検出装置１における電流の検出精度を実験により確認した。その実験結果を図３に示す。

図３は、導体６を流れる電流の周波数に対する電力の比の変化を示した特性図である。導体６を流れる電流の周波数は、横軸にプロットされている。また、Ｓパラメータ通過特性の一つである、コイル２０の電力に対する導体６の電力の比は、縦軸にプロットされている。図３には、比較例としてコイルの径内方向に通電部を有しない電流検出装置の結果を示す。図３では、第１実施形態による電流検出装置１の実験結果を実線Ｌ１で示し、比較例の電流検出装置の実験結果を点線Ｌ２で示す。

図３によると、周波数が１０から１０００Ｈｚの領域において、第１実施形態による電流検出装置１が示す電力の比は、比較例の電流検出装置が示す電力の比に比べ大きくなることが明らかとなった。具体的には、同じ周波数における第１実施形態による電流検出装置１の電力の比と比較例の電流検出装置の電力の比との比較から、第１実施形態による電流検出装置１の検出精度は、比較例の電流検出装置に比べ約２倍となることが明らかとなった。

基板上の導体などを流れる電流を非接触で検出する場合、コイルを例えば、円弧状とすることで導体をコイルの径内方向に位置させ、コイルに発生する誘導起電力によって導体を流れる電流を検出することができる。しかしながら、コイルを円弧状にすると、コイル内部に発生する磁界が外部に漏れるため誘導起電力が比較的小さくなり、電流の検出精度が低下する。
第１実施形態による電流検出装置１では、円弧状に形成されているコイル２０の径内方向に導体６の電流の一部が流れる流通部３１が設けられている。これにより、導体６を流れる電流をコイル２０の径内方向に引き込み、コイル２０の近傍を流すことができる。したがって、電流検出装置１の検出精度を向上することができる。

コイル２０は、中心角を１８０°とする半円弧状に形成されている。これにより、流通部３１の径外方向に設けられるコイル２０の巻数が多くなり、コイル２０の内部の磁界の変化に対する誘導起電力の大きさの変化も大きくなる。したがって、電流検出装置１の検出精度をさらに向上することができる。

また、電流検出装置１のベース部１０は、複数の絶縁性基板１１、１２、１３、１４から構成されている。電流検出装置１を製造するとき、最初に絶縁性基板１１、１２、１３、１４に第１放射状配線２１、第２放射状配線２２、接続配線２００、第１戻り線２３、第２戻り線２４などをそれぞれ形成する。その後、これらの配線が形成された絶縁性基板１１、１２、１３、１４を一括で圧着し、電流検出装置１が完成する。このように、簡易かつ少ない工数で電流検出装置１を製造することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による電流検出装置を図４、５に基づいて説明する。第２実施形態は、通電部の形状が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態による電流検出装置２では、通電部４０の端面４０１が基板５上の導体６に当接している。
電流検出装置２では、導体６を流れる電流の一部が通電部４０を流れる。通電部４０を流れる電流の変化により第１放射状配線２１、第２放射状配線２２、接続配線２００により形成されるループに誘導起電力が発生する。当該ループで発生する誘導起電力は電圧信号として第１戻り線２３、第２戻り線２４を介して外部に出力される。出力された電圧信号に基づいて流通部３１を流れる電流、すなわち、導体６を流れる電流を検出する。

第２実施形態による電流検出装置２では、コイル２０の径内方向に位置する通電部４０により導体６を流れる電流がコイル２０によって形成する扇形状内を流れる。これにより、電流検出装置２では、第１実施形態と同じ効果を奏する。

（他の実施形態）
（ア）上述の実施形態では、通電部はコイルが形成する扇形状内に設けられるとした。しかしながら、通電部が設けられる位置はこれに限定されない。コイルの径内方向に設けられればよい。

（イ）上述の実施形態では、コイルは、第１放射状配線、第２放射状配線、接続配線から構成されるとした。しかしながら、コイルの構成要素はこれに限定されない。

（ウ）上述の実施形態では、コイルは中心角が１８０°の半円弧状に形成されるとした。しかしながら、コイルの中心角はこれに限定されない。基板上の電子部品との接触を防止するため１８０°より小さくてもよい。検出精度をさらに向上させるため、１８０°より大きく３６０°より小さくてもよい。

（エ）上述の実施形態では、ベース部は、複数の絶縁性基板から構成されるとした。しかしながら、ベース部の構成要素はこれに限定されない。１枚の絶縁性基板から形成されてもよい。また、電流検出装置の製造方法は、上述した方法に限定されない。

（オ）上述の実施形態では、流通部は、第１放射状配線などと同時に成形されるとした。しかしながら、流通部を成形するタイミングはこれに限定されない。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態により実施可能である。

１、２ ・・・電流検出装置、
５ ・・・基板、
６ ・・・導体、
１０ ・・・ベース部、
１１、１２、１３、１４・・・絶縁性基板（平板状部材）、
２０ ・・・コイル、
２００ ・・・接続配線、
２１ ・・・第１放射状配線（放射状配線）、
２２ ・・・第２放射状配線（放射状配線）、
３０、４０ ・・・通電部、
３１ ・・・流通部、
３２、３３ ・・・当接部。

Claims (6)

1. 導体（６）を流れる電流を検出する電流検出装置（１、２）であって、
   絶縁材料から形成されるベース部（１０）と、
   前記ベース部に設けられる円弧状のコイル（２０）と、
   前記コイルの径内方向に前記コイルと絶縁するよう設けられ、前記導体と当接すると前記導体の電流が流れる通電部（３０、４０）と、
   前記コイルの一方の端部（２０１）と電気的に接続し前記コイルの電圧を信号として外部に出力する第１戻り線（２３）と、
   前記コイルの他方の端部（２０２）と電気的に接続し前記コイルの電圧を信号として外部に出力する第２戻り線（２４）と、
   前記ベース部の内部への外部磁界および外部電界の侵入を防止するシールド部（１５，２０）と、
   を備え、
   前記第１戻り線及び前記第２戻り線は、前記コイルの内部に設けられることを特徴とする電流検出装置。
2. 前記通電部（３０）は、前記導体に当接する２つの当接部（３２、３３）、及び、２つの前記当接部の間に設けられ一方の当接部と他方の当接部との間を流れる電流が通る流通部（３１）を有し、
   ２つの前記当接部は、前記ベース部から突出するよう設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記通電部は、前記コイルが形成する扇形状内に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の電流検出装置。
4. 前記コイルは、中心角が１８０°の円弧状に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電流検出装置。
5. 前記ベース部は、絶縁材料から形成される複数の平板状部材（１１、１２、１３、１４）から構成され、
   前記コイルは、２枚の前記平板状部材（１１、１４）上に放射状に形成され少なくとも１枚以上の前記平板状部材（１２、１３）を間に設ける２つの放射状配線（２１、２２）と、前記少なくとも１枚以上の平板状部材を貫通するよう設けられ２つの前記放射状配線を電気的に接続する接続配線（２００）とから形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電流検出装置。
6. 前記通電部は、前記複数の平板状部材を貫通するよう形成されるスルーホール（３１０）に設けられた金属部材（３１）を有することを特徴とする請求項５に記載の電流検出装置。

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