JP6240869B2 - 空芯コイルの作製方法、空芯コイル、ロゴスキーコイル、クランプセンサおよびクランプ式電流計 - Google Patents

Description

本発明は、所望の湾曲形状に変形させた空芯コイルを作製する方法、この方法により作製した空芯コイル、この空芯コイルを用いて構成するロゴスキーコイル、このロゴスキーコイルを用いて構成するクランプセンサ、このクランプセンサを用いて構成するクランプ式電流計に関する。

測定対象である一次導体から発生する磁界を検出するために磁性コアを使用せずに交流電流を検出する方法として、ロゴスキーコイルを用いる方法が知られている。ロゴスキーコイルは、一次導体周辺に空芯のコイルを閉環状に設置したもので、一次電流に対応した電圧がコイルの両端に誘起し、この電圧は一次電流の微分波形になっていることから、積分器を通すことで一次側の電流波形を再現できる。このようなロゴスキーコイルを用いて形成したクランプ式電流計が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１に記載のクランプ式電流計では、塩化ビニール等の可撓性チューブに巻線を施し、巻線した可撓性チューブを可撓コイル体とし、そのまま円弧状に曲げてクランプセンサの一側カバー部と他側カバー部に実装する構造である。また、巻線後の各コイル両端部には熱収縮チューブを装着し、巻線の両端形状を保護するようになっている。

特開平１１−２９５３４９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のクランプ式電流計におけるクランプセンサは、可撓性チューブと巻線が一体である可撓コイル体を用いるため、可撓性チューブの両端一杯まで巻線を施す必要があるために、巻線の両端形状を保持するために熱収縮チューブを被着したり、リード線を位置固定したり、煩雑な処理が必要で、作製時間と材料費が増加する要因になっている。

以上のような問題点に鑑み、本発明は、部品点数の削減と作製時間の短縮が可能な空芯コイルの作製方法の提供を目的とする。併せて、この方法により作製した空芯コイルと、この空芯コイルを用いて構成するロゴスキーコイルと、このロゴスキーコイルを用いて構成するクランプセンサと、このクランプセンサを用いて構成するクランプ式電流計の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、耐熱性・耐薬品性が高く低摩擦係数の素材で形成した円筒状外周面を有する可撓性芯材を直線状に固定し、巻線に用いる線材であるマグネットワイヤの最外層に融着層をコーティングしてなる融着マグネットワイヤを前記可撓性芯材の外周面に巻回してコイル体を形成する第１工程と、前記可撓性芯材を治具の保形溝の形状に湾曲させて保形溝に嵌め入れることでコイル体を治具の保形溝内で湾曲させた状態に保持する第２工程と、前記治具の保形溝内で湾曲させた状態のコイル体に対して、融着層を活性化させて一旦溶融させた後に固化させ、固化した融着層によってマグネットワイヤの形状を拘束する拘束層を形成する第３工程と、前記拘束層が形成されて形体固定された空芯コイルから前記可撓性芯材を抜き取る第４工程と、を行うことで、所望の湾曲形状に変形させた空芯コイルを作製することを特徴とする空芯コイルの作製方法である。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の空芯コイルの作製方法により作製してなる空芯コイルである。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項２に記載の空芯コイルを複数組み合わせて閉環状に配置することにより構成したロゴスキーコイルである。

また、請求項４に係る発明は、前記請求項３に記載のロゴスキーコイルを開閉自在な一対のクランプ腕部に分割配置することにより構成したクランプセンサである。

また、請求項５に係る発明は、前記請求項４に記載のクランプセンサにおいて、双方のクランプ腕部にそれぞれ配置される空芯コイルの開閉側端部および基端側端部にそれぞれ絶縁カバーを装着し、各クランプ腕部の開閉側突き合わせ端面と基端側突き合わせ端面にそれぞれ絶縁カバーの突き合わせ外面を露出させ、クランプ腕部の閉止時には、少なくとも開閉側の一対の絶縁カバーの突き合わせ外面が密着して、各クランプ腕部に配置された各空芯コイルの開閉側端部が相互に近接するようにしたことを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、前記請求項４又は請求項５に記載のクランプセンサを用いて構成したクランプ式電流計である。

本発明に係る空芯コイルの作製方法によれば、部品点数を削減すると共に、作製時間を短縮して、所望の湾曲形状に変形させた空芯コイルを作製できる。

クランプ式電流計の一部欠截正面図である。 空芯コイルの作成方法における第１工程の説明図である。 空芯コイルの作成方法における第２工程の説明図である。 空芯コイルの作成方法における第３工程の前段処理説明図である。 空芯コイルの作成方法における第３工程の後段処理説明図である。 空芯コイルの作成方法における第４工程の説明図である。 一対の空芯コイルを閉環状に配置して構成するロゴスキーコイルの概略説明図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る空芯コイルの作製方法（後に詳述）によって作製した第１空芯コイル１−１と第２空芯コイル１−２を、ロゴスキーコイルを構成する閉環状の配置となるように第１クランプ腕部１１および第２クランプ腕部１２に各々配置したクランプセンサ１０を備えるクランプ式電流計１００の正面図であり、一部欠截してクランプセンサ１０の内部構造を示してある。このクランプセンサ１０からの検出情報を演算処理して計測値を可視表示する機能を設けた計器本体２０には、液晶表示器２１、操作ボタン２２、操作ダイヤル２３等が設けられている。

クランプセンサ１０の第１クランプ腕部１１と第２クランプ腕部１２は、開閉操作レバー１３を操作することで、基端側に設けた回動軸を始点として所定角度の範囲内で回動するもので、第１，第２クランプ腕部１１，１２の開閉側端部が当着した閉止状態と開閉側端部が離隔した開放状態とに変換可能である。

クランプセンサ１０の閉止状態においては、第１，第２クランプ腕部１１，１２の開閉側突き合わせ端面１１ａ，１２ａおよび基端側突き合わせ端面１１ｂ，１２ｂが互いに当着し、開閉側が若干尖って基端側が滑らかな曲縁となる涙滴形状を呈し、測定導体導入空部１４も涙滴形状となる。加えて、クランプセンサ１０のクランプ閉止状態では、第１，第２クランプ腕部１１，１２に収容され得る湾曲状に形状固定した第１空芯コイル１−１および第２空芯コイル１−２の各開閉側端部１ａ，１ａおよび各基端側端部１ｂ，１ｂが近接状に相対することで、涙滴形状のロゴスキーコイルとなる。なお、第１，第２空芯コイル１−１，１−２は巻線自体が形状固定されているので、開閉側端部１ａおよび基端側端部１ｂに巻き乱れ防止用の結束テープや固定キャップ等の構造は不要である。

また、第１，第２空芯コイル１−１，１−２の各開閉側端部１ａ．１ａには開閉側絶縁キャップ２−１，２−２を被せ、第１，第２空芯コイル１−１，１−２の各基端側端部１ｂ．１ｂには基端側絶縁キャップ３−１，３−２を被せた状態で、それぞれ第１，第２クランプ腕部１１，１２に配置し、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２の各突き合わせ外面２ａ，２ａが第１，第２クランプ腕部１１，１２の開閉側突き合わせ端面１１ａ，１２ａにそれぞれ露出し、基端側絶縁キャップ３−１，３−２の各突き合わせ外面３ａ，３ａが第１，第２クランプ腕部１１，１２の基端側突き合わせ端面１１ｂ，１２ｂにそれぞれ露出するものとした。なお、第１，第２空芯コイル１−１，１−２の解放側端部１ａおよび基端側端部１ｂへそれぞれ開閉側絶縁キャップ２−１，２−２および基端側絶縁キャップ３−１，３−２を固着しておいても構わない。

そして、クランプセンサ１０の閉止状態においては、開閉側絶縁キャップ２−１の突き合わせ外面２ａと開閉側絶縁キャップ２−２の突き合わせ外面２ａとが当着し、基端側絶縁キャップ３−１の突き合わせ外面３ａと基端側絶縁キャップ３−２の突き合わせ外面３ａとが当着（もしくは近接）した状態となるので、開閉側絶縁キャップ２−１のコイル当着内面２ｂに開閉側端部１ａが当着している第１空芯コイル１−１と開閉側絶縁キャップ２−２のコイル当着内面２ｂに開閉側端部１ａが当着している第２空芯コイル１−２とは、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２の厚さ程度の空隙を介して相対することとなり、基端側絶縁キャップ３−１のコイル当着内面３ｂに基端側端部１ｂが当着している第１空芯コイル１−１と基端側絶縁キャップ３−２のコイル当着内面３ｂに基端側端部１ｂが当着している第２空芯コイル１−２とは、基端側絶縁キャップ３−１，３−２の厚さ程度の空隙を介して相対することとなる。

したがって、クランプセンサ１０の閉止状態においては、第１空芯コイル１−１および第２空芯コイル１−２を閉環状に配置したロゴスキーコイルの環内ギャップを極めて小さくすることができ、外乱ノイズの影響を受け難く高精度の計測値を得ることができる。

なお、第１，第２空芯コイル１−１，１−２は、湾曲状に固定され、外力を加えなくても湾曲形状を保持するものであるから、第１，第２クランプ腕部１１，１２内に第１，第２空芯コイル１−１，１−２を湾曲状に保持する特別な構造を設ける必要はなく、例えば、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２および基端側絶縁キャップ３−１，３−２を位置決めする構造を第１，第２クランプ腕部１１，１２内に設けておくだけで、第１，第２クランプ腕部１１，１２内の適正位置に第１，第２空芯コイル１−１，１−２を装着することができるので、クランプセンサ１０の組み立て作業の簡易化・効率化を図れる。

また、第１，第２クランプ腕部１１，１２内には、第１，第２空芯コイル１−１，１−２の湾曲状周面の凸側から凹側へ押圧するスポンジ等の弾性押圧手段１１ｃ，１２ｃを設けることで、第１，第２空芯コイル１−１，１−２の開閉側端部１ａ，１ａを開閉側絶縁キャップ２−１，２−２のコイル当着内面２ｂ，２ｂに、基端側端部１ｂ，１ｂを基端側絶縁キャップ３−１，３−２のコイル当着内面３ｂ，３ｂにそれぞれガタつきなく当着させることができる。

さらに、弾性押圧手段１１ｃ，１２ｃによって、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２の各突き合わせ外面２ａを第１，第２クランプ腕部１１，１２の開閉側突き合わせ端面１１ａ，１２ａから突出させる付勢力、および基端側絶縁キャップ３−１，３−２の各突き合わせ外面３ａを第１，第２クランプ腕部１１，１２の基端側突き合わせ端面１１ｂ，１２ｂから突出させる付勢力を与えることができ、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２の各突き合わせ外面２ａ同士の密着状態ならびに基端側絶縁キャップ３−１，３−２の各突き合わせ外面３ａ同士の密着状態を良好にすることができる。

なお、第１，第２空芯コイル１−１，１−２の開閉側端部１ａ，１ａと基端側端部１ｂ，１ｂが共に近接した状態となるように、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２の突き合わせ外面２ａ同士および基端側絶縁キャップ３−１，３−２の突き合わせ外面３ａ同士が密着し、開閉側も基端側も第１，第２空芯コイル１−１，１−２のギャップ間隔を最小に抑制することが好ましいが、開閉側絶縁キャップ２−１，２−２の各突き合わせ外面２ａ同士を確実に密着させるために、敢えて基端側絶縁キャップ３−１，３−２の各突き合わせ外面３ａ同士が当接しないように調整しても構わない。

一方、クランプセンサ１０の開放状態においては、第１，第２クランプ腕部１１，１２の開閉側突き合わせ端面１１ａ，１２ａが大きく離隔し、第１，第２空芯コイル１−１，１−２はロゴスキーコイルとして機能しないが、測定導体導入空部１４へ測定導体を招じ入れたり、逆に測定導体を抜き出したりできる。

以上説明したクランプ式電流計１００のクランプセンサ１０に用いる第１空芯コイル１−１と第２空芯コイル１−２、開閉側絶縁キャップ２−１と開閉側絶縁キャップ２−２、基端側絶縁キャップ３−１と基端側絶縁キャップ３−２は、何れも同一のものを用いており、クランプセンサ１０の第１クランプ腕部１１に設けるものと第２クランプ腕部１２に設けるものとして区別するために呼び分けた。特に区別する必要が無い場合は、それぞれ空芯コイル１、開閉側絶縁キャップ２、基端側絶縁キャップ３と呼ぶ。

次に、上述した空芯コイル１の作製方法を図２〜図６に基づいて説明する。

まず、耐熱性・耐薬品性が高く低摩擦係数の素材（例えば、フッ素樹脂）で形成した円筒状外周面を有する可撓性芯材である可撓性チューブ４を用意する。可撓性チューブ４は、目的とする空芯コイル１の内径にほぼ等しい外周面４ａを備えると共に、目的とする空芯コイル１を湾曲させずにまっすぐ伸ばした状態の長さよりも適宜長いものである。また、可撓性チューブ４の中空孔４ｂに直線状の金属棒５を貫通させることで可撓性チューブ４を直線状に固定する。かくすれば、剛性のある金属棒５を回転軸として軸回転式の巻線機にセットすることができるので、巻線機によって融着マグネットワイヤ６を可撓性チューブ４の外周面４ａに単層もしくは複層に効率よく巻回してゆき、コイル体６１を形成できる。その後、コイル体６１が形成された可撓性チューブ４を巻線機から外して金属棒５を抜き取る（第１工程を示す図２（ａ）〜（ｃ）を参照）。

上記融着マグナットワイヤ６は、巻線に用いるマグネットワイヤ６ａ（例えば、導体線６ａ１の外周に薄いエナメル層６ａ２を形成したエナメル線）の最外層に融着層６ｂをコーティングしたものである（図２（ｂ）のＩＩｄ−ＩＩｄ拡大断面を示す図２（ｄ）を参照）。なお、融着層６ｂは、活性化条件となっている熱や溶剤により活性化させることで溶融し、活性化条件を解消することで再び固化するものである。よって、活性化条件（本実施形態で用いる融着マグネットワイヤ６の活性化条件は加熱とする）を加えていないコイル体６１は形状固定されておらず、可撓性チューブ４から抜くとバラバラになってしまう。また、コイル体６１の巻き始めを第１引出線６２ａ、巻き終わりを第２引出線６２ｂとして、コイル体６１から適宜長さだけ残しておく。

上記のようにしてコイル体６１が形成された可撓性チューブ４を、図３（ａ）に示すように、治具７の保形溝７１に嵌め入れる。保形溝７１は、目的とする空芯コイル１の湾曲形状に沿ったものであり、可撓性チューブ４を撓ませながら保形溝７１に嵌め入れることで、コイル体６１が目的とする空芯コイル１と同じ湾曲形状に撓むこととなる。このとき、コイル体６１は保形溝７１によって湾曲形状に保持されているだけであり、図３（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ拡大断面を示す図３（ｂ）のように、融着マグネットワイヤ６の融着層６ｂは個別のままであるから、形体固定されているわけではない。なお、第１，第２引出線６２ａ，６２ｂが空芯コイル１の基端側となるように、コイル体６１が形成された可撓性チューブ４を保形溝７１に嵌め込む向きを定める。

次いで、図４に示すように、コイル体６１が形成された可撓性チューブ４を保形溝７１へ嵌め入れた治具７を恒温槽８に入れ、融着層６ｂが活性化する温度で必要な時間だけ加熱する。なお、治具７は、恒温槽８での加熱に耐えられるように、金属または耐熱樹脂（例えば、１２０℃〜１８０℃程度の耐熱性）を用いて形成しておく。

上記のように恒温槽８内でコイル体６１を加熱すると、融着層６ｂが活性化して溶融し、接触している融着層６ｂ同士が融着して一体となる。その後、常温で自然冷却させると、融着した状態で固まる。すなわち、図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ拡大断面を示す図５（ｂ）のように、接触している融着層６ｂ同士が融着して一体化した拘束層６ｂ′が形成されることで、マグネットワイヤ６ａは治具７の保形溝７１に入れられた状態に拘束され、湾曲状に形体固定された空芯コイル１ができる。

図３〜図５にて説明したように、融着マグネットワイヤ６の融着層６ｂを活性化させた後に固化させて拘束層６ｂ′を形成する第３工程を行えば、湾曲状に形体固定された空芯コイル１ができるので、図６（ａ），（ｂ）に示すように、空芯コイル１から可撓性チューブ４を抜き取る第４工程を行って、湾曲形状の空芯コイル１を得ることができる。

なお、可撓性チューブ４をフッ素樹脂等の低摩擦係数の素材にて形成するか、少なくとも可撓性チューブ４の外周面４ａをフッ素樹脂等の低摩擦係数の素材でコーティングすることで、融着層６ｂが溶融して固化したとき、拘束層６ｂ′が可撓性チューブ４の外周面４ａに融着することを防げるので、空芯コイル１から可撓性チューブ４を容易に抜き取ることができる。

上記のように作製した空芯コイル１は、所望の湾曲形状に形体固定されているので、巻線端部（開閉側端部１ａおよび基端側端部１ｂ）で線材が解けるのを防止する対策が必要ない。すなわち、巻線端部の解け対策に使用していた熱収縮チューブ等が不要になり、材料費削減の効果が有る。また、融着マグネットワイヤ６の巻き始めである第１引出線６２ａと巻き終わりである第２引出線６２ｂを共に基端側（基端側端部１ｂ側）に配置することで、空芯コイル１の中空部に線材を通す手間を省くことができ、製造工程を簡略化できる。しかも、上記のように作製した空芯コイル１は、形体固定のために可撓性チューブ７を必要とせず、コイル内は中空になっているので、空芯コイル１を閉環状に配置して構成したロゴスキーコイルとしては、可撓性チューブ７が介在している場合と比較して中空部の透磁率が安定することとなり、測定精度の向上を期せる。

また、上記のように作製した空芯コイル１をクランプセンサ１０に用いる場合、巻き始めである第１引出線６２ａと巻き終わりである第２引出線６２ｂに、それぞれ耐熱ビニール線を半田付けして第１リード線９ａと第２リード線９ｂを形成する（図７（ａ）参照）。なお、第１，第２リード線９ａ，９ｂを形成した空芯コイル１の基端側端部１ｂには、基端側絶縁キャップ３を被せるので、例えば、結束テープ９ｃにて第１，第２リード線９ａ，９ｂを束ね、基端側絶縁キャップ３の開口側へ導出させると、第１，第２リード線９ａ，９ｂの取り回しが容易となる。

そして、開閉側端部１ａに開閉側絶縁キャップ２を、基端側端部１ｂに基端側絶縁キャップ３を取り付けた空芯コイル１を対向状に配置して構成するロゴスキーコイルにおいては、図７（ｂ）に示すように、第１空芯コイル１−１の開閉側端部１ａと第２空芯コイル１−２の開閉側端部１ａとの離隔距離は、その間に介在する開閉側絶縁キャップ２−１の厚さｄ（突き合わせ外面２ａとコイル当着内面２ｂの間隔）と開閉側絶縁キャップ２−２の厚さｄとの和、すなわち２ｄであり、極めて薄くすることができる。

なお、第１空芯コイル１−１の基端側端部１ｂと第２空芯コイル１−２の基端側端部１ｂとの離隔距離は、その間に介在する基端側絶縁キャップ３−１の厚さｄ′（突き合わせ外面３ａとコイル当着内面３ｂの間隔）と基端側絶縁キャップ３−２の厚さｄ′との和、すなわち２ｄ′とすることも可能であるが、開閉側絶縁キャップ２−１と開閉側絶縁キャップ２−２が密着した状態で基端側絶縁キャップ３−１と基端側絶縁キャップ３−２も同時に密着した状態とするように、高精度の位置合わせを行うことは困難であるから、開閉側絶縁キャップ２−１と開閉側絶縁キャップ２−２との密着状態を優先し、基端側絶縁キャップ３−１と基端側絶縁キャップ３−２との間には若干の隙間ができるようにしても構わない。

以上、本発明に係る空芯コイルの作製方法、該方法により作製した空芯コイル、該空芯コイルを用いたロゴスキーコイル、該ロゴスキーコイルを用いたクランプセンサ、該クランプセンサを用いたクランプ式電流計の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１−１ 第１空芯コイル
１−２ 第２空芯コイル
１ａ 開閉側端部
１ｂ 基端側端部
２−１ 開閉側絶縁キャップ
２−２ 開閉側絶縁キャップ
２ａ 突き合わせ外面
２ｂ コイル当着内面
３−１ 基端側絶縁キャップ
３−２ 基端側絶縁キャップ
３ａ 突き合わせ外面
３ｂ コイル当着内面
４ 可撓性チューブ
５ 金属棒
６ 融着マグネットワイヤ
６ａ マグネットワイヤ
６ｂ 融着層
６ｂ′ 拘束層
６１ コイル体
６２ａ 第１引出線（巻き始め）
６２ｂ 第２引出線（巻き終わり）
７ 治具
７１ 保形溝
８ 恒温槽
９ａ 第１リード線（第１引出線側）
９ｂ 第２リード線（第２引出線側）
１０ クランプセンサ
１１ 第１クランプ腕部
１１ａ 開閉側突き合わせ端面
１１ｂ 基端側突き合わせ端面
１２ 第２クランプ腕部
１２ａ 開閉側突き合わせ端面
１２ｂ 基端側突き合わせ端面
２０ 計器本体
１００ クランプ式電流計

Claims (6)

1. 耐熱性・耐薬品性が高く低摩擦係数の素材で形成した円筒状外周面を有する可撓性芯材を直線状に固定し、巻線に用いる線材であるマグネットワイヤの最外層に融着層をコーティングしてなる融着マグネットワイヤを前記可撓性芯材の外周面に巻回してコイル体を形成する第１工程と、
   前記可撓性芯材を治具の保形溝の形状に湾曲させて保形溝に嵌め入れることでコイル体を治具の保形溝内で湾曲させた状態に保持する第２工程と、
   前記治具の保形溝内で湾曲させた状態のコイル体に対して、融着層を活性化させて一旦溶融させた後に固化させ、固化した融着層によってマグネットワイヤの形状を拘束する拘束層を形成する第３工程と、
   前記拘束層が形成されて形体固定された空芯コイルから前記可撓性芯材を抜き取る第４工程と、
   を行うことで、所望の湾曲形状に変形させた空芯コイルを作製することを特徴とする空芯コイルの作製方法。
   
2. 請求項１に記載の空芯コイルの作製方法により作製してなる空芯コイル。
3. 請求項２に記載の空芯コイルを複数組み合わせて閉環状に配置することにより構成したロゴスキーコイル。
4. 請求項３に記載のロゴスキーコイルを開閉自在な一対のクランプ腕部に分割配置することにより構成したクランプセンサ。
5. 双方のクランプ腕部にそれぞれ配置される空芯コイルの開閉側端部および基端側端部にそれぞれ絶縁カバーを装着し、各クランプ腕部の開閉側突き合わせ端面と基端側突き合わせ端面にそれぞれ絶縁カバーの突き合わせ外面を露出させ、クランプ腕部の閉止時には、少なくとも開閉側の一対の絶縁カバーの突き合わせ外面が密着して、各クランプ腕部に配置された各空芯コイルの開閉側端部が相互に近接するようにしたことを特徴とする請求項４に記載のクランプセンサ。
6. 請求項４又は請求項５に記載のクランプセンサを用いて構成したクランプ式電流計。

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