JP6342605B2 - 導体を通る電流を検知するのに使用されるセンサデバイスおよび方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は、一般にセンサデバイスおよび方法に関し、より具体的には、導体を通る電流の検知に関する。

少なくともいくつかの既知の需給計器は、電源からユーザに供給される電力を測定するのに使用される。ユーザへのエネルギー供給量の正確な測定を可能にするために、需給計器は、電源とユーザの間の導体を通って流れる電流を検知するための１つまたは複数のセンサデバイスを含む。センサデバイスは、需給計器に含まれるとき、電圧および／または電流の動作範囲にわたって正確に機能するように意図される。

様々なタイプの既知の電流センサデバイスが、需給計器に使用される。例えば、少なくともいくつかの既知の変圧器センサデバイスは、導体を通って流れる電流を検知するようにマグネットワイヤが巻かれている磁石コアを含む。しかし、変圧器を含む電流センサデバイスは、一般に大きくて高価であると知られている。既知の電流センサデバイスの、別の例には、ロゴスキーコイルがある。ロゴスキーコイルはコイルを含み、一般に変圧器センサデバイスより小さい。しかし、ロゴスキーコイルは、様々な電圧の範囲にわたる弱電流および／または大電流の状態を通じて、限られた精度しかもたらさないことが知られている。結果として、既知のロゴスキーコイルを有する需給計器は、これらの不正確さの影響を最小限にするために、製造中に複数の較正プロセスを受けることが多い。これらの繰返しの較正プロセスにより、このようなセンサデバイスの不正確さを低減することができるが、需給計器の製造時間およびコストも上昇する。

一態様では、導体を通る電流を検知するのに使用されるセンサデバイスが提供される。センサデバイスは、導体を受け取るように構成された開口を画定する複数のボビンを備える基板と、複数のボビンのそれぞれのまわりに巻きつけられた複数のコイル巻回部を備えるコイルと、複数のボビンのそれぞれと複数のコイル巻回部との間に延在する第１のシールドと、第１のシールドとの間に複数のコイル巻回部を挟んで、第１のシールドの反対側に、複数のコイル巻回部に近接して配置された第２のシールドとを含む。

別の態様では、電源からユーザに電気エネルギーを伝送するのに使用される需給計器が提供される。需給計器は、導体と、少なくとも部分的には導体のまわりに配置されたセンサデバイスとを含む。センサデバイスは、開口のまわりに配置された複数のボビンを有する基板と、複数のボビンのそれぞれのまわりに巻きつけられた複数の巻回部を備えるコイルと、複数のボビンのそれぞれと複数の巻回部との間に配置された第１のシールドと、第１のシールドの反対側に、複数の巻回部に近接して配置された第２のシールドとを含む。

さらに別の態様では、導体を通る電流を検知するためのセンサデバイスを製作する方法が提供される。この方法は、基板の複数のボビンにそれぞれ第１のシールドを与えるステップと、基板の複数のボビンのそれぞれのまわりで第１のシールドの上にコイルを巻くステップと、基板の複数のボビンのそれぞれに対してコイルの上に第２のシールドを与えるステップとを含む。

例示的センサデバイスを含む例示的需給計器のブロック図である。 図１に示されたセンサデバイスの部分的分解図である。 図１に示されたセンサデバイスの斜視図である。 図１に示されたセンサデバイスの平面図である。 図１に示されたセンサデバイスとともに使用される例示的基板およびコイルの斜視図である。 図１に示されたセンサデバイスとともに使用され得る例示的ボビンの断面図である。 図１に示されたセンサデバイスとともに使用され得る例示的コイルおよびシールドの回路図である。 ４本のリード線を含む例示的センサデバイスの斜視図である。 図８に示されたセンサデバイスとともに使用され得る例示的コイルおよびシールドの回路図である。

図１は、例示的需給計器１０のブロック図を示す。この例示的実施形態では、需給計器１０は、センサデバイス１２と、導体１４と、センサデバイス１２に結合された計器制御板１７とを含む。導体１４は、バスバー、複数撚線、単一撚線、ケーブル、または電源から電力受益者に電力を伝送するための他の適切な導体を含むことができる。電源は、限定されることなく、配電網および／またはガスタービンエンジン、水力発電タービン、風力タービン、太陽電池板などの発電機システム、ならびに／あるいは別の適切な発電システムおよび／または伝送システムを含むことができる。電源は、計器制御板１７と連絡するスマートグリッドも含むことができる。ユーザには、限定されることなく、住宅のユーザ、商用のユーザおよび／またはあらゆるレベルのその他の電力受益者が含まれ得る。導体１４を通って流れる電流を検知するために、センサデバイス１２が導体１４に結合される。センサデバイス１２は、検知された電流を表す信号を計器制御板１７に供給する。計器制御板１７は、センサデバイス１２から受け取った信号に基づいて、電源から導体１４を通ってユーザに伝送される電力量を長時間にわたって求める。

電源からユーザに転送される電力に対して料金が発生し得るので、電源の運転者によってユーザに伝送された実質的にすべての電力に対して課金するのではなく、実質的にユーザが受け取った電力にしか課金しないことを保証するために、センサデバイス１２は大変正確であるのが望ましい。

この例示的実施形態では、需給計器１０は、導体１５および１６、ならびに導体１５に結合された別のセンサデバイス１２をさらに含む。需給計器の他の実施形態では、任意数（例えば１、３、６など）の導体および／またはセンサデバイスが使用され得ることを理解されたい。そのうえ、センサデバイス１２は、需給計器１０の内部での使用に限定されることなく、発電用途、公益企業の用途、自動車の用途、装置の用途、電気通信用途など、実際上、あらゆる用途で、導体を通る電流を検知するのに利用され得ることを理解されたい。

図２は、例示的センサデバイス１２の部分的分解図である。この例示的実施形態では、センサデバイス１２は、基板１０２、基板１０２のまわりに巻きつけられた複数の巻回部を含むコイル１０４、および誘電材料１０８を含む。コイル１０４は画定された開口１１０を含み、開口１１０は、（例えばサイズ、配向、および／または形状などによって）導体１４を受け取るように構成される。誘電材料１０８が、コイル１０４に隣接して、少なくとも部分的には開口１１０内に配置される。より具体的には、この実施形態では、導体１４が開口１１０を通って配置されるとき、誘電材料１０８が、少なくとも部分的にはコイル１０４と導体１４の間に配置される。

誘電材料１０８は、様々な方法で構成されて様々な特性を有する１つまたは複数の誘電材料を含むことができる。例えば、誘電材料１０８は、約１０〜１０００Ｈｚにおいて約３．０以上の誘電率を有することができる。いくつかの実施形態では、誘電率は、約３．５、約４．０、約５．０、約８．０、約１２．０、約１７．０、および／またはその他の適切な誘電率より大きくてよい。例示の一実施形態では、誘電材料１０８の誘電率は、およそ約３．５でよい。別の例示的実施形態では、誘電材料１０８の誘電率は、およそ約６．０でよい。

さらに、誘電材料１０８は、少なくとも１つの厚さを有し、様々な厚さを有することができる。この例示的実施形態では、コイル１０４に隣接して少なくとも部分的には開口１１０の中に配置される誘電材料１０８は、約３．０ｍｍの厚さを有する。また、この実施形態では、コイル１０４に隣接するが開口１１０の反対側に配置される誘電材料１０８は、約１．２ｍｍの厚さを有する。誘電材料１０８は、任意の１つ以上の厚さを有することができ、このことによって、センサデバイス１２は、本明細書で述べられるように機能し得ることを理解されたい。一般に、誘電材料１０８の厚さは、少なくとも部分的には、誘電材料１０８の誘電率、１つまたは複数の導体１４、１５および１６に対するコイル１０４の近接性、および／またはセンサデバイスの実装用に意図された環境で利用可能な空間などに基づいて選択される。いくつかの例示的実施形態では、誘電材料１０８の厚さは、約１．０ｍｍから約３．０ｃｍの範囲でよく、あるいはさらに別の実施形態ではより大きくてもよい。

この例示的実施形態では、誘電材料１０８は、限定されることなく、プラスチック材料、熱可塑性材料、熱硬化性材料、セラミック材料、金属材料、木製材料、粘土材料、有機材料、これらの任意の混合物、および／または本明細書で述べられるように動作するのに適切な他の材料など、いくつかのタイプの材料のうち１つまたは複数から製作され得る。図２の例示的実施形態では、誘電材料１０８は、市販のＶａｌｏｘ（登録商標）ファミリー材料からのＰＢＴ熱可塑性材料を含む。様々な実施形態では、誘電材料１０８は、限定されることなく、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープ、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）材料、室温で硫黄処理した（ＲＴＶ）シリコーンポリマー、市販のＶａｌｏｘ（登録商標）ファミリー材料からのＰＢＴ熱可塑性材料（例えばＶａｌｏｘ（登録商標）３６５またはＶａｌｏｘ（登録商標）Ｖ９５６１）、Ｒｙｎｉｔｅ（登録商標）ファミリー材料からのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の熱可塑性材料、市販のＲｙｔｏｎ（登録商標）ファミリー材料からのＰＰＳ熱可塑性材料、市販のＰｒｉｍｅｆ（登録商標）ファミリー材料からのＰＰＳ熱可塑性材料、市販のＺｙｔｅｌ（登録商標）、Ｓｔａｎｙｌ（登録商標）、またはＲＴＰ（登録商標）ファミリー材料からのナイロンの熱可塑性材料、ＬＣＰ熱可塑性材料（例えばＳｕｍｉｔｏｍｏ（登録商標）Ｅ５００８ＬまたはＥ４００８Ｌ材料）などのうち１つまたは複数を含む。１つまたは複数のタイプの誘電材料１０８は、誘電率、１つまたは複数の生産技術に対する適応性、寸法安定性、コスト、成形性、加工性、剛性、および／または材料の他の特性に基づいて選択されてよい。少なくとも１つの例では、誘電材料１０８は、少なくとも部分的には、温度に対する誘電率の変動性に基づいて選択される。

図３は、導体１４が開口１１０を通って延在するセンサデバイス１２（組立体として示されている）の斜視図である。前述のように、センサデバイス１２は、導体１４を通る電流の流れを検知する。具体的には、電流が導体１４を通って流れるとき、コイル１０４に電流が誘起される。コイル１０４に誘起される電流の量が、導体１４を通って流れる電流の量を表す。導体１４のまわりにセンサデバイス１２が配置されるとき、コイル１０４は、導体１４から、ある距離だけ離される。したがって、コイル１０４と導体１４の間に静電容量が存在する。この静電容量が、様々な動作電圧（例えば約３０Ｖから約２７７Ｖの範囲）におけるセンサデバイス１２の精度に影響を及ぼすことがある。この例示的実施形態では、コイル１０４と導体１４の間に画定された空隙１０６の少なくとも一部分の中に、誘電材料１０８が配置される。結果として、誘電材料１０８は、コイル１０４と導体１４の間の静電容量の減少に影響を及ぼし、かつ／または同静電容量の減少を促進し、同時にコイル１０４と導体１４が近接近したままであることを可能にする。

静電容量が減少すると、センサデバイス１２が導体１４を通って流れる電流を検知する精度が、既知のロゴスキーコイルまたは他の空隙コイルの精度と比較して改善される。より具体的には、コイル１０４と導体１４の間の結合静電容量を減少させることにより、動作電圧に対する感度が低下する。結果として、大電流および弱電流を含む様々な電流の範囲にわたって、様々な動作電圧における電流検知が安定する。したがって、センサデバイス１２が需給計器１０に含まれているとき、既知のセンサデバイスを較正するのに必要な１つまたは複数のプロセスを省略することができる。具体的には、この例示的実施形態では、様々な動作電圧で電流を正確に検出するセンサデバイス１２の一貫性により、計器制御板１７は、様々な電圧用に複数の較正係数を必要とする既知の需給計器と比較すると、たった１つの較正係数を複数の動作電圧に対して用いることができる。そのうえ、コイル１０４と導体１４の間の静電容量が減少することにより、較正プロセスの減少および／または簡素化が容易になるばかりでなく、動作電圧／動作電流の範囲にわたって、少なくとも同じ精度、たいていは改善された精度で、製造コスト、資源、および／または時間を低減することも容易になる。

図３に示されるように、この例示的実施形態では、センサデバイス１２は筺体１１２を含む。筺体１１２は、様々な材料から、かつ／または様々な製作プロセスによって、形成され得る。この例示的実施形態では、筺体１１２は、実質的に誘電材料１０８のみを含み、誘電材料１０８は、コイル１０４のまわりで開口１１０の反対側に配置される。そのため、センサデバイス１２は、３相導体１４、１５、および１６を有する需給計器１０の中で使用されるときには、（図１に示されたように）導体１４のまわりに、かつ少なくとも１つの他の導体１５と近接して、可能性としては導体１６にも近接して配置され得る。コイル１０４と導体１４の間の相互作用に類似して、コイル１０４と導体１５の間に静電容量が存在し、そのことはセンサデバイス１２の精度に悪影響を及ぼし、かつ／または同精度を劣化させる可能性がある。誘電材料１０８の位置が開口１１０の反対側にあるため、誘電材料１０８は、コイル１０４と、隣接した導体１５との間に配置される。したがって、コイル１０４と導体１５の間の静電容量を減少させるために、誘電材料１０８がさらに設けられる。このように、センサデバイス１２は、複数の導体を有する需給計器１０に使用されたとき、および／または１つまたは複数の他の導体にごく近接して使用されたとき、既知の空隙コイルと比較して精度を改善することができる。

いくつかの実施形態では、筺体１１２は、誘電材料１０８に加えて、非誘電体材料または異なる特性を有する誘電材料など、１つまたは複数の材料を含むことができる。一実施形態では、筺体１１２は、誘電材料１０８と、コイル１０４が本明細書で説明されたように動作するのを可能にするために、誘電材料１０８をコイル１０４に対して１つまたは複数の位置で支持するように与えられる付加材料とを含む。付加材料には、プラスチック材料、熱可塑性材料、熱硬化性材料、セラミック材料、金属材料、木製材料、粘土材料、有機材料、これらの任意の混合物、および／または他の適切な材料が含まれ得る。付加材料は、生産技術、寸法安定性、コスト、成形性、加工性、剛性、および／または材料の他の特性などに基づいて選択することができる。このような実施形態では、誘電材料１０８が（付加材料と比較して）より高コストの材料であるときには、付加材料を含むことで、センサデバイス１２の総原価を低減することができる。さらに、誘電材料１０８の支持、コイル１０４の保護および／または絶縁など、１つまたは複数のさらなる機能を遂行するために、１つまたは複数の付加材料が用いられてもよい。様々な実施形態で、付加材料が、筺体１１２の一部分として用いられ得ることが明らかであろう。しかし、この例示的実施形態では、筺体１１２が実質的に誘電材料１０８しか含まないので、付加材料は省略される。

筺体１１２は、誘電材料から製作されるか、誘電材料１０８と少なくとも１つの付加材料から一体化して形成されるか、あるいは個別の誘電材料１０８と付加材料から組み立てられてよい。筺体１１２および／または誘電材料１０８は、１つまたは複数の射出成形プロセスおよび／または他の適切な製作プロセスを用いて製作することができる。この例示的実施形態では、筺体１１２は、筺体１１２を形成するように構成された型の中へ誘電材料１０８が注入される単一射出成形プロセスによって構成される。

あるいは、筺体１１２は多段射出成形プロセスから構成されてもよい。多段プロセスでは、付加材料は、初期の成形プロセスによって特定の形状に成形される。次に、成形された付加材料が型の内部に配置され、型に誘電材料１０８が注入される。誘電材料１０８が、型および／または付加材料の間に画定された空隙に流れ込んで、誘電材料１０８および付加材料から筺体１１２を形成する。様々な実施形態では、多段成形プロセスにより、本明細書に説明されるような所望の性能を実現する一方で、筺体１１２の他の部分が１つまたは複数の比較的低コストの材料から構成されるのを引き続き可能にするように、比較的高コストの誘電材料を、コイル１０４に対して特に配置することが可能になり得る。

コイル１０４および／または導体１４に対して、全体にわたって、または所望の位置に誘電材料１０８を与えるために、他の製作技法によって筺体１１２が構成され得ることを理解されたい。一例では、誘電材料１０８は、付加材料から別個に構成され、その後に変形され、かつ／または付加材料とともに構成されて筺体１１２を形成する。さらに別の例では、付加材料で形成された開口に管状の誘電材料を挿入して、筺体１１２を形成してもよい。

この例示的実施形態では、筺体１１２は、開口１１０を画定する台１１６を含む。導体１４が開口１１０に（図３に示されるように）受け取られたとき、台１１６と導体１４の間に空隙１０６が形成される。同時に、台１１６と導体１４の間で摩擦ばめが形成される。台１１６は、誘電材料１０８および／または別の材料を含んでよい。台１１６は、様々なタイプ、形状、および／または配向の導体を受け取り、かつ／または同導体と結合するように設計された様々な形状に形成され得ることを理解されたい。少なくとも１つの実施形態では、台１１６は、長方形に成形されたバスバー導体と摩擦ばめを形成するように構成された開口を画定する。

図２を再び参照すると、筺体１１２は、第１の部分１１８および第２の部分１２０を含む。第１の部分１１８が、基板１０２およびコイル１０４を実質的に囲むように、第２の部分１２０に対して取外し可能に結合される。具体的には、組み立てられたとき、図３に示されるように、第１の部分１１８が、少なくとも１つの合いじゃくり継ぎによって第２の部分１２０に結合され、筺体１１２を形成する。第１の部分１１８と第２の部分１２０は、限定されることなく、１つまたは複数の突合せ継手、ねじ継手、蝶番継手、タブ溝機構、さねはぎ継ぎ機構、締結具などを含む様々な方法によって互いに結合され得ることを理解されたい。筺体１１２は、図３に示されるように、全体的に環状の形状を有するが、他の筺体の実施形態は、基板１０２、コイル１０４および／またはシールドを少なくとも部分的に囲むようにサイズ設定され、かつ／または動作し、誘電材料１０８が本明細書に述べられるように動作することを可能にする、任意の形状および／またはサイズを画定してよいことを理解されたい。

さらに、この例示的実施形態では、誘電材料１０８の厚さは、筺体１１２の全体にわたって変化する。第１の部分１１８と第２の部分１２０の間の合いじゃくり継ぎが、第１の部分１１８と第２の部分１２０の重なり合いをもたらす。具体的には、この例示的実施形態では、第１の部分１１８および第２の部分１２０のそれぞれが、開口１１０で約１．２ｍｍの厚さを有する。第１の部分１１８と第２の部分１２０が組み立てられたとき、第１の部分１１８と第２の部分１２０は、合いじゃくり継ぎで（開口１１０に沿って）少なくとも部分的に重なり合って、約２．４ｍｍの合計の厚さを形成する。そのうえ、この例示的実施形態では、第１の部分１１８と第２の部分１２０は、筺体１１２の外側のまわりの小さな合いじゃくり継ぎ（開口１１０の反対側）における合計の厚さが約１．２ｍｍ未満になるように構成される。筺体１１２および／または誘電材料１０８の１つまたは複数の様々な厚さをもたらすために、筺体１１２を形成する様々な方法が用いられ得ることを理解されたい。

様々な他の実施形態では、筺体１１２および／または誘電材料１０８の厚さが約０．５ｍｍから約３．０ｃｍの間にあってよい。いくつかの実施形態では、筺体１１２および／または誘電材料１０８の１つまたは複数の厚さは、約１．０ｍｍから６．０ｍｍの間にある。さらに、様々な実施形態では、筺体１１２および／または誘電材料１０８の１つまたは複数の厚さは、約１．０ｍｍから４．０ｍｍの間にある。他の実施形態では、筺体１１２および／または誘電材料１０８は、可能性としては、組立て／製作の方法、選択された誘電材料の特性（複数可）、および／または所望の性能特性（複数可）に基づいて、様々な厚さを有し得ることを理解されたい。さらに、コイル１０４を少なくとも部分的に囲む一方で、本開示の１つまたは複数の態様と整合性のある動作をする誘電材料１０８をコイル１０４に対して位置決めするように、筺体１１２に関して他の形状、サイズ、および／または接合を用いることができる。

この例示的実施形態では、コイル１０４は例示的ロゴスキーコイルを含む。しかし、センサデバイス１２は、ロゴスキーコイルとは別のコイルを含み得ることを理解されたい。さらに、本開示の態様は、本明細書に説明され、図示されるようなロゴスキーコイルとともに用いられるものだけに限定されない。

図５は、筺体１１２から分離された基板１０２およびコイル１０４の斜視図である。この例示的実施形態では、基板１０２は、６つのボビン１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、および１３４（まとめてボビン１２４〜１３４と称される）を含む。各ボビン１２４〜１３４は、実質的に円形の断面を有し、より詳細には、コイル１０４を保持するフランジ１３５を両側に含んでいる直円柱である。他の実施形態では、基板１０２は、ボビンの様々な数、形状、および／またはサイズを有することができる。例えば、基板１０２は、５個、８個、１０個、３０個、または別の奇数個もしくは偶数個のボビンを含むことができる。さらに、基板１０２は、別々の形状および／または胚珠形の断面、楕円の断面、もしくは長方形の断面などを有する諸ボビンを含むことができる。さらに別の実施形態では、基板１０２は、フランジ１３５に加えて、またはフランジ１３５とは別に、コイル１０４を支持するための様々な構造体を含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、コイル１０４は基板１０２を省略するほど十分に剛性が高い。

この例示的実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、滑節１３７によって互いに結合される。より具体的には、ボビン１２４と１２６は、蝶番で結合され、その間で旋回運動が可能である。様々な実施形態において、ボビン１２４〜１３４は、コイル１０４の効率的な巻線を可能にするために直線的に整列され、かつ／または図５に示されるような実質的に円形の形状を形成するように、互いに旋回軸を取り付けられてよい。

基板１０２のボビン１２４〜１３４のそれぞれが、非磁性構造体であって、例えば熱可塑性材料、セラミック材料、木製材料、または他の種類の適切な材料を含む１つまたは複数の非磁性材料から構成される。この例示的実施形態では、それぞれのボビン１２４〜１３４は、可能性としては誘電材料１０８と一致する誘電材料から製作される。非磁性基板１０２を使用することにより、１つまたは複数の磁心を含んでいる既知のセンサデバイスに対してコスト削減を実現することができる。そのうえ、この例示的実施形態では、基板１０２は、大きな磁心を含んでいる既知のセンサデバイスと比較して、需給計器１０の内部および／または計器制御板１７への取付けの改善をもたらすように成形され、かつ／またはサイズ設定される。さらに、この例示的実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、筺体１１２から分離して形成される。しかし、センサデバイスの他の実施形態では、ボビン１２４〜１３４が、筺体１１２の１つまたは複数の部分と一体化して形成され、かつ／または筺体１１２の１つまたは複数の部分を形成してもよいことを理解されたい。

この例示的実施形態では、コイル１０４は各ボビン１２４〜１３４上に巻きつけられた複数の巻回部である。より具体的には、この例示的実施形態では、コイル１０４が単一のマグネットワイヤを含み、これによって、コイル１０４を、各ボビン１２４〜１３４上で数回巻き、次いで、ボビン１２４へ戻るように各ボビン１２４〜１３４上にさらに巻きつけて、ボビン１２４からボビン１３４へと巻くことが可能になる。他の実施形態では、ボビン１２４〜１３４上の他の異なる巻付けパターンが用いられ得ることを理解されたい。ボビン１２４〜１３４にわたる上記の巻付けパターンと一致して、コイル１０４の第１の終端および第２の終端は、ボビン１２４で終結する。図７に示され、以下でさらに説明されるように、コイル１０４の第１の終端はリード線１３６で終結し、コイル１０４の第２の終端はリード線１３８で終結する。

この例示的実施形態では、コイル１０４に加えて、１つまたは複数のシールドが基板１０２に与えられる。具体的には、図６は、ボビン１２４におけるセンサデバイス１２の部分的断面図を示す。この例示的実施形態では、ボビン１２４は、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２を含む。ボビン１２４とコイル１０４の間に第１のシールド１４０が配置される。コイル１０４が第１のシールド１４０と第２のシールド１４２の間に配置されるように、第２のシールド１４２が、コイル１０４に隣接して第１のシールド１４０の反対側に配置される。各ボビン１２４〜１３４は、図６に示されるのと実質的に同一のシールド−コイル−シールドのパターンを含む。他の実施形態では、ボビン１２４〜１３４は、ボビンごとに異なる巻きパターンを含めて、他の巻きパターンを含むことができる。

この例示的実施形態では、各シールド１４０および１４２がファラデーシールドをもたらす。より具体的には、この例示的実施形態では、センサデバイス１２の同相雑音の低減を容易にするために、および／または高周波雑音のフィルタリングのための低域通過フィルタを与えるために、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２の挙動は、ファラデー箱と実質的に整合性のあるものとなる。結果として、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、電磁波妨害（ＥＭＩ）および／または電磁環境適合性（ＥＭＣ）に関する１つまたは複数の工業規格に照らして、性能の改善を促進する。

製作中に、マグネットワイヤの複数の巻回部が、各ボビン１２４〜１３４上にボビン１２４からボビン１３４まで巻きつけられて、第１のシールド１４０を形成する。次いで、コイル１０４が、前述のように、ボビン１２４からボビン１３４まで巻かれてから、ボビン１２４へ戻るように巻かれる。次に、第１のシールド１４０のマグネットワイヤが、各ボビン１２４〜１３４上に、複数の巻回部で、ボビン１３４からボビン１２４へ戻るように巻きつけられて、第２のシールド１４２を形成する。そのため、この例示的実施形態では、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は単一マグネットワイヤから形成される。単一マグネットワイヤは２つの終端を含み、これらは、以下で説明されるように、一緒に終結し、リード線１３８に結合され、かつ／または１つまたは複数のさらなるリード線に結合される。第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、限定されることなく、銅、アルミニウムまたは他の非鉄金属の導電材料など、任意の適切な材料を含み得ることを理解されたい。より一般的には、シールド材料は、シート、テープ、ワイヤ、噴霧および／またはボビン１２４〜１３４がシールド１４０および１４２を含むことを可能にするその他の形態として形成されてよい。そのため、シールド１４０および／または１４２の適用は、限定されることなく、例えば巻付け、包装、および／または噴霧によって形成され得る。様々な実施形態では、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、コイル１０４とは別個に形成され、後にコイル１０４に与えられてよい。

図５を再び参照すると、センサデバイス１２には、そこから延びる３本のリード線１３６、１３８、および１４４が含まれる。図７は、リード線１３６、１３８、および１４４の結合の回路図を示す。具体的には、この例示的実施形態では、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、単一マグネットワイヤから形成され、各終端が互いに結合されてリード線１４４に結合される。さらに、（単一マグネットワイヤから形成されている）コイル１０４の第１の終端がリード線１３６に結合され、コイル１０４の第２の終端がリード線１３８に結合される。図５に示されるように、リード線１３６、１３８、および１４４は、筺体１１２から延び、撚線の組を形成する。そのため、リード線１４４は、低域通過フィルタ要素として作用し、第１のシールド１４０および／または第２のシールド１４２からの雑音が、センサデバイス１２によって供給された電流信号の復帰経路に注入されるのを防止する。撚線の組の長さは、少なくとも約０．２５インチ（０．６３５センチメートル）である。他の実施形態では、撚線の組は、少なくとも約１．０インチ（２．５４センチメートル）の長さ、または少なくとも約３．０インチ（７．６２センチメートル）の長さを有してよい。さらなる実施形態では、撚線の組の長さは、少なくとも約６．０インチ（１５．２４センチメートル）でよい。センサデバイスの他の実施形態では、場合によって、リード線および／または撚線の組の他の長さが、センサデバイス１２から伝送された電流信号への雑音の注入を防止するためのフィルタとして機能するリード線および／または撚線の組の性能に基づいて用いられ得ることを理解されたい。

図８〜図９は、別の例示的センサデバイス２００を示す。この例示的実施形態では、センサデバイス２００は、コイル２０４ならびに第１のシールド２４０および第２のシールド２４２を含み、これらは、上記で説明されたコイル１０４ならびにシールド１４０および１４２に実質的に一致している。しかし、センサデバイス２００は、４本のリード線２３６、２３８、２４４、および２４５を含む。具体的には、第１のシールド２４２および第２のシールド２４０を形成するマグネットワイヤの各終端が個別のリード線２４４および２４５に結合されて、フィルタ要素を形成する。さらに、この例示的実施形態では、２つのリード線２３６および２３８はコイル２０４に結合される。図８に示されるように、リード線２３６、２３８、２４４、および２４５が撚線の組を形成し、これが、図５を参照しながら上記で説明された撚線の組と実質的に合致した機能を示す。

計器制御板１７に結合されるとき、各リード線２４４および２４５は、一緒に結合され、リード線２３８に結合されてよい。いくつかの実施形態では、撚ったリード線２４４および２４５が、フィルタ要素として作用することができる。それに加えて、またはその代わりに、リード線２４４および２４５とリード線２３８の間にフィルタ要素を結合することができる。このようなフィルタ要素は、限定されることなく、抵抗−キャパシタ回路、インダクタ−キャパシタ回路、抵抗−インダクタ回路、および／または抵抗−インダクタ−キャパシタ回路を含むことができる。

図３および図７を再び参照して、さらに別の実施形態では、シールド１４０および１４２を形成するマグネットワイヤの各終端は、一緒に結合され、個別のリード線１４４ではなくリード線１３８（すなわちコイル１０４の一端）に結合されてよい。このような例示的実施形態では、センサデバイス１２は、リード線１３６および１３８を含む一方でリード線１４４を省略することができ、それによって２本のワイヤのセンサデバイス１２をもたらす。この例示的実施形態では、センサデバイス１２から供給される電流信号の復帰経路に、第１のシールド１４０および／または第２のシールド１４２からいくらかの雑音が注入される可能性があるが、同時に、所望の動作環境に対して十分な精度および／または再現性をもたらす。さらに別の実施形態では、計器制御板１７などの回路基板上に取り付けるために設ける、センサデバイスの実施形態からリード線を省略することができる。このような実施形態では、計器制御板１７上のパターンによって、リード線１４４を参照しながら上記で説明されたように動作するのに十分な長さを有するフィルタ要素を設けることができる。それに加えて、またはその代わりに、フィルタ要素は、第１のシールド１４０および／または第２のシールド１４２からの雑音が、センサデバイス１２によって供給された電流信号の復帰経路に注入されるのを防止するために、抵抗−キャパシタ回路、インダクタ−キャパシタ回路、抵抗−インダクタ回路、および／または抵抗−インダクタ−キャパシタ回路を含むことができる。

この例示的実施形態では、センサデバイス１２は、約１０Ｈｚから約１０００Ｈｚの間で使用可能であり、実質的にこの範囲外の信号の影響を受けない。より具体的には、導体１４は、アンテナとして働く可能性があり、無線周波数（ＲＦ）信号を感知して、センサデバイス１２に対して望ましくない雑音を再放射する。第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、雑音信号の注入を防止して高い信号対雑音比（ＳＮＲ）の出力をもたらすように、低域通過フィルタとして動作する。より具体的には、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、導体１４を通る弱電流を検知するとき、再放射されたＲＦ信号（および／または他の雑音信号）を排斥して、センサデバイス１２の出力に高ＳＮＲを与える。電流信号に対する雑音の影響を低減することにより、センサデバイス１２の、該当する規格の範囲内の有効な電流検知範囲が、既知のセンサデバイスと比較して、より広範になる。この例示的実施形態では、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、（弱電流性能および／または大電流性能のための）１つまたは複数のさらなるフィルタ要素の省略を可能にすることができる。

そのうえ、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、ＥＭＩがセンサデバイス１２の精度に影響を及ぼすのを実質的に防止する。より具体的には、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２は、センサデバイス１２および／または需給計器１０の精度を損なうことになる近傍の電子装置および／またはデバイスなど、センサデバイス１２に隣接して配置されたＥＭＩ源の影響の抑止を助長する。さらに、センサデバイス１２は、磁心を省略することにより、既知のセンサと比較して、ＥＭＩの精度上の悪影響に対する耐性の改善をもたらす。そのため、センサデバイス１２は、１つまたは複数のＥＭＩ源がある状態で、他の既知のセンサデバイスと比較して、より頑健かつ／または正確な電流センサデバイスを提供する。

センサデバイス１２の精度は、導体１４を通って流れる電流の実際の値の百分率として理解され得る。この例示的実施形態では、センサデバイス１２は、約２アンペアから約２００アンペアの間の範囲内の実際の値の約±０．２％以内で動作する。より具体的には、センサデバイス１２は、約６０Ｖから約６００Ｖの間の動作電圧で０．１Ａから２００Ａにおいて、０．２級以内で動作し、より具体的には約２４０Ｖで０．２％以内の精度である。本開示の１つまたは複数の態様に合致するセンサデバイス１２は、場合により、意図された用途および／または意図された用途に関連した１つまたは複数の精度要件次第で、様々な動作電流／動作電圧における１つまたは複数の様々な精度規格に準拠し得ることを理解されたい。

本明細書では、導体を通る電流を検知するセンサデバイスを製作するための様々な方法が説明される。これらの方法は、センサデバイス１２を参照しながら以下で説明されるが、センサデバイス１２に限定されることなく、他のセンサデバイスの実施形態を製作するのに利用され得ることを理解されたい。同様に、センサデバイス１２およびセンサデバイス２００は、以下で説明されるもの以外の方法から製作されてもよい。

導体１４を通る電流を検知するためのセンサデバイス１２を製作する例示的方法の１つは、非磁性基板１０２のまわりに複数の巻回部を有するコイル１０４を設けるステップと、センサデバイス１２によって画定された開口１１０の中に導体１４が配置されたとき、導体１４とコイル１０４の間に誘電材料１０８が配置されるように、誘電材料１０８をコイル１０４に隣接して配置するステップとを含む。いくつかの実施形態では、この例示的方法は、コイル１０４および／または基板１０２を、筺体１１２内で少なくとも部分的に、かつ／または実質的に囲むステップを含むことができる。

導体１４を通る電流を検知するためのセンサデバイス１２を製作する別の例示的方法は、誘電材料１０８内にロゴスキーコイル１０４を設けるステップと、導体１４のまわりにロゴスキーコイル１０４が配置されたとき、ロゴスキーコイル１０４と導体１４の間に誘電材料１０８が配置されるように、誘電材料１０８内でロゴスキーコイル１０４を少なくとも部分的に囲むステップとを含む。誘電材料１０８は、約３．５以上の誘電率を有する。いくつかの実施形態では、この例示的方法は、筺体の第１の部分と筺体の第２の部分を、その間にロゴスキーコイルを配置して、ロゴスキーコイルを少なくとも部分的に囲むように組み立てるステップを含むことができる。筺体は誘電材料を含む。それに加えて、またはその代わりに、この例示的方法は、複数の熱可塑性のボビンを有する基板上にロゴスキーコイルを形成するステップを含むことができる。さらに、この例示的方法は、誘電材料から複数の熱可塑性のボビンを形成するステップを含むことができる。

導体１４を通る電流を検知するためのセンサデバイス１２を製作するさらに別の例示的方法は、基板の複数のボビンのそれぞれのまわりに第１のシールドのマグネットワイヤを巻くステップと、基板の複数のボビンのそれぞれのまわりにコイルを巻くステップと、基板の複数のボビンのそれぞれのまわりに第２のシールドのマグネットワイヤを巻くステップとを含む。

例えば図３のセンサデバイス１２を参照すると、この例示的方法は、マグネットワイヤの第１の終端および第２の終端をセンサデバイス１２の基準リード１４４に結合するステップと、コイルの第１の終端をセンサデバイス１２の第１のリード１３６に結合するステップと、コイルの第２の終端をセンサデバイス１２の第２のリード１３８に結合するステップとを含むことができる。さらに、この例示的方法は、少なくとも１つの誘電材料を含む筺体の中で、コイルならびに第１および第２のシールドを少なくとも部分的に囲むステップを含むことができる。

導体１４を通る電流を検出するためのセンサデバイス１２を製作する別の例示的方法は、開口１１０を画定する非磁性基板１０２と、非磁性基板１０２の少なくとも一部分のまわりに複数のコイル巻回部を有するコイル１０４と、基板１０２と複数のコイル巻回部のそれぞれとの間に配置された第１のシールド１４０と、複数のコイル巻回部に近接して第１のシールド１４０の反対側に配置された第２のシールド１４２とを含むセンサデバイス１２を設けるステップを含む。この例示的方法はまた、リード線１４４を第１のシールド１４０および第２のシールド１４２のうち少なくとも１つに結合するステップと、リード線１３６をコイル１０４の第１の終端に結合するステップと、リード線１３８をコイル１０４の第２の終端に結合するステップと、リード線１３６、１３８および１４４から撚ったリード線の組を形成するステップとを含む。

様々な実施形態において、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２のうち少なくとも１つにリード線１４４を結合するステップは、第１のシールド１４０および第２のシールド１４２のそれぞれにリード線１４４を結合するステップを含む。他の実施形態では、第１のシールドおよび第２のシールドのうち少なくとも１つにリード線を結合するステップが、第１のシールド１４０にリード線２４４を結合するステップと、第２のシールド１４２にリード線２４５を結合するステップとを含む。

上記で説明された実施形態の１つまたは複数は、高度に正確なセンサデバイスを提供する。より具体的には、本明細書で説明されたセンサデバイス、需給計器、および方法は、既知のコイルセンサに対して低減された較正要件で拡張した動作範囲をもたらす、高度に正確なセンサデバイスを提供することができる。例えば、開示された誘電材料は、コイルと１つまたは複数の導体の間の静電容量を低減することができ、それによって、様々な電流および／または電圧にわたって精度の改善がもたらされる。製造を通じて、より少ない較正プロセスで精度改善を実現することができ、結果として製造のコストおよび／または時間が低減される。別の例では、開示されたシールドの技法が、他の電子部品および／または不正改造デバイスから生じるＥＭＩの除去の改善を提供する。

本発明の様々な実施形態の特定の特徴が、いくつかの図面で示されて他の図面では示されないこともあるが、これは便宜上の理由のみによるものである。本発明の原理によれば、図面のあらゆる特徴が、その他の図面のあらゆる特徴と組み合わせて参照され、かつ／または特許請求され得る。

本明細書は、最良の態様を含めて本発明を開示するために、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイスまたはシステムを製作し使用することならびにあらゆる具体化された方法を実行することを含めて本発明を実施することも可能にするために例を用いている。本発明が特許権を受けられる範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に相違点のない均等な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に入るように意図されている。

１０ 需給計器
１２ センサデバイス
１４ 導体
１５ 導体
１６ 導体
１７ 制御板
１０２ 基板
１０４ コイル
１０６ 空隙
１０８ 誘電材料
１１０ 開口
１１２ 筺体
１１６ 台
１１８ 第１の部分
１２０ 第２の部分
１２４ ボビン
１２６ ボビン
１２８ ボビン
１３０ ボビン
１３２ ボビン
１３４ ボビン
１３５ フランジ
１３６ リード線
１３７ 滑節
１３８ リード線
１４０ 第１のシールド
１４２ 第２のシールド
１４４ リード線
２００ センサデバイス
２０４ コイル
２３６ リード線
２３８ リード線
２４０ 第１のシールド
２４２ 第２のシールド
２４４ リード線
２４５ リード線

Claims (6)

1. 導体（１４）の電流を検出するのに使用するセンサデバイス（１２）であって、
   当該ボビン間での回動運動のため互いにヒンジ接続された複数のボビン（１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４）と、
   前記ボビンの各々上に形成された第１のシールド（１４０）と、
   当該コイルの一部が各ボビン上に形成されていて前記第１のシールド（１０４）を覆っている、というコイル（１０４）と、
   前記ボビンの各々上に形成され、当該ボビン上に形成された前記コイルの前記一部と前記第１のシールド（１４０）とを覆っている第２のシールド（１４２）と、
   当該センサデバイスから延びて撚線の組を形成している複数のリード線（１３６，１３８，１４４）と、
   を備え、
   各ボビンは、誘電材料（１０８）で製造されており、非磁性材料の基板（１０２）を含んでおり、
   前記第１のシールド（１４０）は、各ボビンの外面上に巻きつけられたマグネットワイヤの複数の巻回部で形成されており、それによって、前記ワイヤの複数の巻回部が、前記複数のボビンの最初のボビン上に形成され、続いて順に前記複数のボビンの最後までの他のボビンの各々上に形成されており、前記複数のボビンの最後から前記複数のボビンの最初まで順に戻るように前記ボビンに沿って戻っており、
   前記コイル（１０４）は、各ボビンに巻きつけられたマグネットワイヤの複数の巻回部で形成されており、それによって、前記ワイヤの複数の巻回部が、前記複数のボビンの最初のボビン上に形成され、続いて順に前記複数のボビンの最後までの他のボビンの各々上に形成されており、前記複数のボビンの最後から前記複数のボビンの最初まで順に戻るように前記ボビンに沿って戻っており、
   前記第２のシールド（１４２）は、前記第１のシールド（１４０）がそれによって形成されているのと同一のマグネットワイヤの一部の複数の巻回部で形成されており、前記同一のマグネットワイヤの前記一部が各ボビン上に巻き付けられており、それによって、前記ワイヤの複数の巻回部が、前記複数のボビンの最初のボビン上に形成され、続いて順に前記複数のボビンの最後までの他のボビンの各々上に形成されており、前記複数のボビンの最後から前記複数のボビンの最初まで順に戻るように前記ボビンに沿って戻っており、
   前記複数のリード線の２つが、前記コイルを形成するマグネットワイヤの各終端から延びており、
   前記複数のリード線の第３のリード線が、前記第１のシールド（１４０）及び前記第２のシールド（１４２）の一方から延びていて、前記第１のシールド（１４０）及び／または前記第２のシールド（１４２）からの雑音が当該センサデバイスによって供給される電流信号の復帰経路に注入されるのを防止する低域通過フィルタ要素として作用する
   ことを特徴とするセンサデバイス。
2. 各ボビン（１２４、１２６、１２８、１３０、１３２、１３４）は、断面において実質的に円形であり、その各端部に形成されたフランジを有している
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
3. 各ボビンは、円筒形状を有している
   ことを特徴とする請求項２に記載のセンサデバイス。
4. 前記第１のシールド（１４０）及び前記第２のシールド（１４２）は、当該センサデバイス（１２）に対する電磁波妨害（ＥＭＩ）を防止するように構成されたファラデーシールドを形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
5. 前記誘電材料（１０８）は、３．５以上の誘電率を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
6. 実質的に前記誘電材料で形成され、当該センサデバイスが収容される筺体（１１２）
   を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載のセンサデバイス。