JP6333955B2 - クランプ式電流計 - Google Patents

Description

本発明は電流の流れる導線をクランプする電流計に関するものである。

従来電線に流れている電流を測定するのは、クランプ式電流計が用いられている。クランプ式電流計は、略円環状を呈して対向配置される一側ホルダ部と他側ホルダ部とに電流センサを各別に収納し、その閉止時に相互が当接する突合せ端部を備える一側センサ部と他側センサ部とを計器本体に開閉自在に取り付けた構造をしている（特許文献１）。

クランプ式電流計では、開閉自在に構成した一側センサ部と他側センサ部で電流の流れる電線を取り囲む（クランプする）ことで、電線に流れる電流が発生する磁界をホール素子等の電流センサに導く。

特開２００９−０１４３６６号公報

従来のクランプ式電流計は、透磁率の高いホルダで磁路を形成し、磁路の断面にホール素子を挟むようにして構成していた。しかしアームの断面積はホール素子の平面の大きさが必要であったので、あまり小さくできないという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑み想到されたもので、狭い部分に配置されている電線に流れる電流を測定することができる電流計を提供するものである。

より具体的に本発明のクランプ式電流計は、
内壁が略円筒状に変形可能に構成されるフレキシブル基材と、
前記フレキシブル基材の内壁に配設された複数の磁気センサ素子と、
前記複数の磁気センサ素子が並列に接続される電流源と、
前記複数の磁気センサ素子の共通出力端子を有することを特徴とする。

本発明に係るクランプ式電流計は、円筒状に変形可能なフレキシブル基材の内壁に磁気センサ素子が配設されているので、これを長尺管の先端に配置し、手元でフレキシブル基材の変形を操作することで、狭まった箇所の奥に配置された電線でもこれを把持し、電流を測定することができる。

また磁気センサ素子は、内壁が円筒状になった際に、円筒底面の中心を対称点とする点対称の位置になるように配置することで、クランプした電線が円筒状の軸から外れていても、誤差を少なく測定することができる。

またこのような配置は、外乱ノイズを互いの磁気センサ素子がキャンセルするために、測定時に周囲に磁界を発生する電線があっても、誤差を小さくすることができる。

本発明に係るクランプ式電流計の構成を示す図である。 フレキシブル基材の部分の拡大を示す図である。 本発明に係るクランプ式電流計の回路構成を示す図である。 磁気センサ素子の構成を示す図である。

以下に本発明に係るクランプ式電流計を図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施例を例示するものであり、以下の説明に限定されるものではない。

図１を参照して、本発明に係るクランプ式電流計１は、フレキシブル基材１０と、長尺管２０と、操作部３０を含む。またフレキシブル基材１０の内壁１０ｉには、複数の磁気センサ素子４０が設けられ、操作部３０には、磁気センサ素子４０を駆動するためのセンサ回路５０が配置される。

図２にはフレキシブル基材１０の拡大図を示す。フレキシブル基材１０は、Ｙ字若しくはＵ字状に開いた腕部１１ａ、１１ｂで構成される。腕部１１ａ、１１ｂには、断面が台形状のブロック片１２が、それぞれ組み込まれている。各ブロック片１２は、台形の底辺１２ｂが、非磁性体の板ばね１３に固定されている。また、台形の上辺１２ａ付近に設けられた貫通孔１２ｈを通してワイヤ１４で連結されている。

再び図１を参照して、ワイヤ１４は、腕部１１ａ、１１ｂの先端のブロック片１２ｔに固定されている。ワイヤ１４の固定されている端を「固定端」と呼ぶ。従って、ワイヤ１４の固定されていない側の端（「自由端」と呼ぶ。）を引っ張ると、台形の斜辺１２ｃ同士が接し合い、両方の腕部１１ａ、１１ｂが略半円形に変形する。なおここで略半円形とは、多角形の半分を含む。また、ブロック片１２は、板ばね１３で、ワイヤ１４で引かれるのと反対方向に付勢されているので、ワイヤ１４を緩めれば、元の開いた状態に戻る。ブロック片１２の外側には、伸縮性および可撓性を有する膜（図示せず）が配設されていてもよい。

長尺管２０のフレキシブル基材１０が取り付けられていない方の端部には操作部３０が取り付けられる。操作部３０には、少なくともワイヤ１４を巻き取れるリール３２が含まれる。ワイヤ１４の自由端は、長尺管２０を通じて、操作部３０のリール３２に連結される。操作部３０でワイヤ１４を巻き取れば腕部１１ａ、１１ｂは内壁１０ｉが略円筒形に変形する。リール３２を緩めてワイヤ１４を繰り出せば腕部１１ａ、１１ｂは、開いた状態に戻る。

つまり、操作部３０の操作で腕部１１ａ、１１ｂが開閉する。このような構成にしているので、操作部３０を手元側にして、フレキシブル基材１０を狭い部分に挿入し、込み入った配線をクランプすることができる。

図２を再度参照する。本発明に係るクランプ式電流計１では、電線９９が腕部１１ａ、１１ｂで囲まれる空間の中心軸付近に位置させれば電流を測定することができる。つまり、電線９９を完全に囲まなくてもよい。したがって、図２では、腕部１１ａ、１１ｂが閉じた時でも、先端部分は開口している例を示している。開口している箇所を符号１１ｏで示した。

また、後述するように、電線９９は、腕部１１ａ、１１ｂで囲まれる空間の中心軸付近に位置させればよい。本発明に係るクランプ式電流計１は、磁気センサ素子４０が囲む空間内に電線９９があれば、少ない誤差で電流が測定できる。つまり、図２の符号９９ａ、９９ｂ、９９ｃのどの位置であっても、電流測定が可能である。

図３には、クランプ式電流計１に設置される磁気センサ素子４０とセンサ回路５０を示す。磁気センサ素子４０は、フレキシブル基材１０の内壁１０ｉの表面に複数個が設置される。磁気センサ素子４０は、磁気センサ素子４０ａと４０ｂの２つがペアで配置される。ここで図４を参照して、１つの磁気センサ素子４０ａについて説明する。

磁気センサ素子４０ａは、短冊状の磁性膜４１ａで形成される。磁性膜４１ａは、短冊状の長手方向に磁化容易軸が誘導されていることが望ましい。また短冊状の磁性膜４１ａの長手方向の両端には、素子端子４２ａ、４３ａが形成されている。

また磁性膜４１ａの表面には電導性材料で形成された導体部４４ａが設けられる。導体部４４ａは、短冊状の長手方向に対して傾斜して設けられる。これは所謂バーバーポール型のパターンが形成された磁気センサ素子４０ａである。このように形成された磁気センサ素子４０ａは、短冊状の長手方向に対して直角方向からの磁界に対して、バイアス磁界が設定されたように磁気抵抗効果が発現する。

図３を再び参照する。磁気センサ素子４０ａと４０ｂは同じ特性を有するものを用いる。導体部４４ａおよび４４ｂの傾斜方向は逆方向にする。同じ方向から磁界が印加された際に、一方は抵抗値が上がり、他方は抵抗値が下がるように構成し、磁気抵抗効果による出力を倍にするためである。

図３では、磁気センサ素子４０が４つの場合について例示する。磁気センサ素子４０は、２つを腕部１１ａの内壁１０ｉ側に、もう２つを腕部１１ｂの内壁１０ｉに配置される。４つの磁気センサ素子４０は、腕部１１ａ、１１ｂが閉じて内壁１０ｉが略円筒形状に変形した時に、円筒形の軸に対して対称な位置に配置される（図２参照）。図３では、腕部１１ａ、１１ｂの境を点線で表した。

磁気センサ素子４０の一端４２ａ、４２ｂは電流源５２の一方の極に接続される。また他端４３ａ、４３ｂは、抵抗５４ａ、５４ｂを介して電流源５２の他方の極に接続される。すなわち、磁気センサ素子４０は、抵抗５４を介して電流源５２に並列になるように接続される。なお、磁気センサ素子４０は複数個あるが、抵抗５４ａ、５４ｂは１組でよい。

また、抵抗５４ａ、５４ｂと、磁気センサ素子４０との間に共通出力端子５５ａ、５５ｂを設ける。つまり、複数の磁気センサ素子４０が１組の抵抗５４ａ、５４ｂに接続されているので、共通出力端子５５ａ、５５ｂは、磁気センサ素子４０の出力（電圧）が平均化されて出力される。なお、共通出力端子５５ａ、５５ｂはアンプ５６に接続されてもよい。したがって、アンプ５６の出力を共通出力すなわち、本発明に係るクランプ式電流計１の出力としてよい。なお、電流源５２、およびアンプ５６は操作部３０側に設けられる。

以上のように構成されたクランプ式電流計１の動作について説明する。操作者は、クランプ式電流計１の操作部３０を操作して狭い部分に配置された電線をフレキシブル基材１０で把持する（図１、図２参照）。そして、操作部３０に設けられたスイッチ（図示せず）で電流源５２と磁気センサ素子４０を導通させる（図３参照）。電流源５２から流れた電流は、４つの磁気センサ素子４０の磁性膜４１ａ、４１ｂに流れ、抵抗５４ａ、５４ｂを介して電流源５２に戻る。従って、磁性膜４１ａ、４１ｂと抵抗５４ａ、５４ｂでブリッジ回路が形成されている。また、共通出力端子５５ａ、５５ｂには、４つの磁気センサ素子４０の出力の平均値が出力される。

フレキシブル基材１０が閉じて内壁１０ｉが略円筒形に変形した時、クランプされた電線に流れる電流が発生する磁界は、磁性膜４１ａ、４１ｂの磁化容易軸を同じ方向に傾ける。ここで磁気センサ素子４０ａ、４０ｂの導体部４４ａ、４４ｂの傾斜方向は異なった方向に構成してあるため、磁気センサ素子４０ａと磁気センサ素子４０ｂの磁気抵抗の変化は逆方向になる。これらは抵抗５４ａ、５４ｂとの間でブリッジ回路を形成しているので、磁気センサ素子４０の出力は磁気センサ素子４０ａが１つだけの場合と比較し倍になる。

また、磁気センサ素子４０が内壁１０ｉに円筒形の軸に対して対称の位置に配置されている。このように配置し、略円筒形に変形させた内壁１０ｉで電線をクランプすると、電線の位置によらず、出力は一定となる。また、磁気センサ素子４０が円筒形の内壁１０ｉの軸に対して対称の位置に配置されているので、外部からの磁界はキャンセルされる。したがって、周囲に磁界を発生する電線があっても、出力に大きな影響を与えない。

また、磁気センサ素子４０は、略円筒形の内壁１０ｉに配置するように説明したが、これを螺旋状や、輪状体が重なる形状、若しくは縦方向に直線に並ぶ配置にさせてもよい。また、測定対象は電線として説明を行ったが、バスバー等の場合の形状であってもよい。また、上記の説明では、電流センサを例として説明を行ったが、磁性膜を用いた電力センサとなる構成であってもよい。

本発明に係るクランプ式電流計は、把持部を小さく形成することができるため、狭い箇所に配置された電線に流れる電流を測定することができるので、自動車、電気機器などの整備機器として利用することができる。また、すでに結線されている電気回路に後付する電流計としても利用することができる。

１ クランプ式電流計
１０ フレキシブル基材
１０ｉ 内壁
１１ａ、１１ｂ 腕部
１１ｏ 開口している箇所
１２ ブロック片
１２ａ 台形の上辺
１２ｈ 貫通孔
１２ｂ 台形の底辺
１２ｃ 台形の斜辺
１２ｔ ブロック片
１３ 板ばね
１４ ワイヤ
２０ 長尺管
３０ 操作部
３２ リール
４０（４０ａ、４０ｂ） 磁気センサ素子
４１ａ 磁性膜
４２ａ、４３ａ 素子端子
４４ａ、４４ｂ 導体部
５０ センサ回路
５２ 電流源
５４ａ、５４ｂ 抵抗
５５ａ、５５ｂ 共通出力端子
５６ アンプ
９９ 電線

Claims (7)

1. 内壁が略円筒状に変形可能に構成されるフレキシブル基材と、
   前記フレキシブル基材の内壁に配設された複数の磁気センサ素子と、
   一端が前記フレキシブル基材に接続された管と、
   前記管の他端に接続され、前記フレキシブル基材の変形を操作可能な操作部と、
   を有し、
   前記フレキシブル基材は、開いたときにＹ字若しくはＵ字状になるように連結された二つの腕部を有し、
   前記操作部による操作で前記二つの腕部の開閉が可能であり、
   前記腕部は、一面が台形状の複数のブロック片と、前記複数のブロック片を連結するワイヤとを有し、
   前記腕部の端の前記ブロック片である第１のブロック片の底辺と、前記第１のブロック片に連結された第２のブロック片の底辺とが弾性体に固定されており、
   前記ワイヤの一端は前記第１のブロック片に固定されており、
   前記ワイヤの他端が引っ張られると、前記第１のブロック片の斜辺と前記第２のブロック片の斜辺とが接し、前記腕部が略半円形に変形する
   クランプ式電流計。
2. 前記複数の磁気センサ素子は、前記内壁が前記略円筒状になったとき、前記円筒状の中心を対称点とする点対称の位置になるように配置されている
   請求項１に記載のクランプ式電流計。
3. 前記複数の磁気センサ素子は、前記二つの腕部が閉じたとき、前記略円筒状の中心を対称点とする点対称の位置になるように配置される
   請求項１に記載のクランプ式電流計。
4. 前記腕部それぞれは、前記第１のブロック片と、前記第２のブロック片と、第３のブロック片と、前記二つの腕部に共通する一つのブロック片とが順番に連結され、
   前記複数の磁気センサ素子の一つは、前記第１のブロック片の上辺に設置され、
   前記複数の磁気センサ素子の一つは、前記第３のブロック片の上辺に設置されている
   請求項１に記載のクランプ式電流計。
5. 一方の極が前記複数の磁気センサ素子それぞれの一端側に接続され、他方の極が前記複数の磁気センサ素子それぞれの他端側に接続された電流源と、
   前記複数の磁気センサ素子それぞれの他端側に接続された共通出力端子と、
   を有する請求項１から４のいずれか一項に記載のクランプ式電流計。
6. 内壁が略円筒状に変形可能に構成されるフレキシブル基材と、
   前記フレキシブル基材の内壁に、前記内壁によって形成される円筒形の中心軸に対して対称の位置に配設された四つの磁気センサ素子と、
   一端が前記フレキシブル基材に接続された管と、
   前記管の他端に接続され、前記フレキシブル基材の変形を操作可能な操作部と、
   を有し、
   前記磁気センサ素子は、磁性膜と、前記磁性膜の表面に電導性材料で形成され且つ前記磁性膜の長手方向に対して傾斜して設けられた導体部と、を有し、
   前記四つの磁気センサ素子の出力が並列に接続されている
   クランプ式電流計。
7. 前記磁性膜は、前記短冊状の長手方向に磁化容易軸が誘導されている
   請求項６に記載のクランプ式電流計。

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