JP6423199B2 - 電流検出装置及び電流検出装置に利用可能な接続装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出器（電流検出装置）及び電流検出器に利用可能な接続部（接続装置）に関する。

一般的に電流検出器は、電流センサ部（ある対象に流れる電流に応じた電気的出力を発生させる）と、検出部（電流センサ部の電気的出力からある対象に流れる電流を検出する）と、電流センサ部と検出部とを接続する接続部とで構成されている。従来技術では、接続部には回路基板上の配線パターン又はケーブルが使用され、電流センサ部と検出部とは、２本の導線で電気的に接続されている。

図６ａに示すように、従来技術の電流検出器が使用される環境（外部環境）周辺に磁界を発生させる電気配線、電気器具等がある場合、接続部の導線と電流センサ部及び検出部の配線とはリング状となりループを構成するため、接続部はその磁場によって起こり得る磁束変化を検出するセンサとして働いてしまい、よって、磁束変化によって発生するノイズ（起電力）を検出部は取り込んでしまうことになる。取り込まれたノイズは本来電流センサによって取り込む信号成分に重畳され、よって検出部における電流検出精度を低下させてしまう。

この対策として、従来技術では、ノイズを小さくするために、
・接続部を極力短くする、
・基板上の磁束が通過する面積を極力小さくする（例えば、国際公開ＷＯ２０１３／１２１５０７を参照）
等の手法を用いてその影響を最小限に抑えるようにしていた。

また、従来技術では、ノイズを相殺するために、
・図６ｂに示すように、接続するケーブルをより線状にする、
・基板上の配線をより線状になるパターンにする
等の手法を用いてその影響がゼロとなるように試みられていた。
国際公開ＷＯ２０１３／１２１５０７

ノイズを小さくする手法は、あくまで影響を最小限に抑えるものであり、完全に影響しないようにすることはできない。また、従来技術のノイズを相殺する手法は、接続部をより線状にするため、コストアップの要因となる。従って、従来技術は、
・長い接続部には適さない、
・ケーブルの選択肢が少ない（安価なフラットケーブルを使用できない）、
・影響を完全に受けないようにするにはより線構成以外不可
等の制約を有していた。

本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものである。

本発明の実施形態は、一方が他方の電気的出力を用いる第１の手段と第２の手段とを電気的に接続するための接続装置である。この接続装置は、第１の側から第２の側まで延びる第１の導線、第２の導線、第３の導線及び第４の導線を含んでいる。ここで、第１の導線と第２の導線との間の面積が第３の導線と第４の導線との間の面積と等しい。また、第１の導線の第１の側の端子と第３の導線の第１の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、第３の導線の第２の側の端子と第４の導線の第２の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、第２の導線の第１の側の端子と第４の導線の第１の側の端子との間に第１の手段を接続可能であり、第１の導線の第２の側の端子と第２の導線の第２の側の端子との間に第２の手段を接続可能である。

なお、第１から第４の導線並びに第１の手段及び第２の手段の配線は、第１の導線の第１の側の端子と第３の導線の第１の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、第１の導線の第２の側の端子と第２の導線の第２の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、第２の導線の第１の側の端子と第４の導線の第１の側の端子との間に第１の手段を接続可能であり、第３の導線の第２の側の端子と第４の導線の第２の側の端子との間に第２の手段を接続可能であるようにしてもよい。

上記接続部は、第１から第４の導線を含む４本以上の導線を含むフラットケーブルによって構成されていてもよい。

本発明の別の実施形態は、上記接続装置と、第１の手段及び第２の手段の一方として、ある対象に流れる電流に応じた起電力を発生させる手段と、第１の手段及び第２の手段の他方として、発生した起電力からある対象に流れる電流を検出する手段とを含む電流検出装置である。

本発明によると、周囲の磁界の影響を受けないか、そうでなくとも受けにくい、一方が他方の電気的出力を用いる２つの手段を電気的に接続するための接続装置を実施することが可能である。

また、フラットケーブルを用いた場合、この接続装置は安価に実施することが可能である。

更に、本発明によると、周囲の磁界の影響を受けないか、そうでなくとも受けにくい電流検出装置を実施することが可能である。

電流検出器１００の概略を示している。 電流検出器１００内の配線の８つの例を示している。 接続部１３０内に存在するループ３１１及びループ３１２を示している。 接続部１３０内に存在するループ３１３及びループ３１４を示している。 センサ１１１の例を示している。 検出器１２１の例を示している。 フラットケーブル５００を用いた接続部１３０の様々な構成を示している。 フラットケーブル５００を用いた接続部１３０の様々な構成を示している。 フラットケーブル５００を用いた接続部１３０の様々な構成を示している。 従来技術の電流検出器の例を示している。 従来技術の電流検出器の別の例を示している。

以下、本発明の複数の実施形態について説明する。同じ符号が付されたものは、図面を通じて同一の対象を参照している。

図１は、本発明の実施形態である電流検出器１００の概略を示している。１１０は電流センサ部、１２０は検出部、１３０は電流センサ部１１０と検出部１２０とを接続する接続部である。なお、「電流検出器」又は「電流検出装置」とは、電流を検出するものを含む装置をいうものとし、本明細書において、「電流検出器」又は「電流検出装置」は、後述の検出器１２１とは区別して用いている。また、「電流を検出する」とは、電流が流れていること（電流が流れているかどうか）を検出すること、電流の向きを検出すること及び電流の大きさを検出することの１つ以上をいうものとする。

電流センサ部１１０はセンサ１１１を含み、これは、ある対象に流れる電流に応じた電気的出力を発生させるものである。検出部１２０は検出器１２１を含み、これは、発生した電気的出力からある対象に流れる電流を検出するものである。電流センサ部１１０及び検出部１２０の例は、それぞれ、センサ１１１及び検出器１２１が取り付けられた基板である。センサ１１１及び検出器１２１の例は後述する。接続部１３０は、第１の側１３５及び第２の側１３６を有し、第１の側１３５から第２の側１３６まで延びる４本の導線１３１、１３２、１３３及び１３４を含んでいる。接続部１３０の例は、後述するようにフラットケーブルである。

図１に示すように、導線１３１と導線１３２との間の面積（右下がりの斜線１４１で示される）は、導線１３３と導線１３４との間の面積（右下がりの斜線１４２で示される）と等しい。従って、必然的に、導線１３１と導線１３３との間の面積（右下がりの斜線１４１＋右上がりの斜線１４３で示される）は、導線１３２と導線１３４との間の面積（右上がりの斜線１４３＋右下がりの斜線１４２で示される）と等しくなる。なお、「等しい」は、厳密に等しいわけではないが、誤差その他の実用上の制約により等しいとみなせる場合を含む。

導線１３１の第１の側１３５の端子と導線１３３の第１の側１３５の端子とは接続され、導線１３３の第２の側１３６の端子と導線１３４の第２の側１３６の端子とは接続されている。なお、この接続は、単なる短絡であってもよいし、任意の抵抗を有していてもよい。後述の説明から明らかなように、本実施形態の効果は、この接続の抵抗の値に依存しない。また、この接続の手法は任意であるが、例えば、導線の端子が取り付けられる基板である電流センサ部１１０及び検出部１２０上の回路パターンによって実現することもできるし、導線の端子に直に又は上記回路パターンの途中に電流センサ部１１０及び検出部１２０から分離したワイヤを取り付けることによって実現することもできる。また、図１において、接続は電流センサ部１１０及び検出部１２０と重なるように図示されているが、その一部または全部が重ならなくてもよいことは言うまでもない。

更に、導線１３２の第１の側１３５の端子と導線１３４の第１の側１３５の端子との間にはセンサ１１１が電気的に接続され、導線１３１の第２の側１３６の端子と導線１３２の第２の側１３６の端子との間には検出器１２１が電気的に接続されている。

なお、導線１３１〜１３４並びにセンサ１１１及び検出器１２１の配線は、図２に８つの例を示すように、様々なものが考えられる。ここで、図１に示した配線は、図２の左上の配線に対応する。

以下、本実施形態によると、電流検出器１００全体で発生する可能性のあるノイズ（起電力）のうち、特に、磁束密度Ｂの変化による接続部１３０で発生するノイズが相殺されることについて説明する。なお、以下の説明では紙面垂直方向に空間的に一様な磁束密度Ｂの変化が生じたものと仮定され、そのため、ノイズの影響はゼロとなっているが、そうでない場合であっても、本実施形態によると、少なくともノイズの影響が低減されることは、当業者には明らかであろう。

図３ａ及び３ｂに示すように、いま、紙面垂直方向３００に空間的に一様な磁束密度の変化が生じたとする。なお、以下の説明では、接続部１３０以外における磁束密度の変化による寄与は考慮していない。電流検出器１００には、電磁誘導の観点から、４つの実質的なループ、導線１３１と導線１３３に関するループ３１１、導線１３２と導線１３４に関するループ３１２、導線１３１と導線１３２に関するループ３１３、導線１３３と導線１３４に関するループ３１４が含まれるため、ファラデーの電磁誘導の法則により、これらループには以下に示す起電力Ｖが発生することになる。

Ｖ＝−Ｎ（ΔΦ／Δｔ），ここで、
Ｎ：コイルの巻き数，
ΔΦ／Δｔ：磁束Φの時間変化率
磁束密度Ｂの時間変化率をΔＢ／Δｔと、ループ３１１、３１２、３１３又は３１４の全面積のうち接続部１３０に含まれる面積、即ち１４１＋１４３、１４３＋１４２、１４１又は１４２で示される面積をＳとおき、ループを１巻きのコイルと見なしＮ＝１とすると、磁束密度の変化が空間的に一様である場合には、以下の式が導ける。

Ｖ＝−ΔΦ／Δｔ＝−（ΔＢ／Δｔ）Ｓ
ループ３１１及びループ３１２に生ずる起電力について検討する。上述の通り、磁束密度の変化は空間的に一様であるため、ループ３１１及び３１２に関してΔＢ／Δｔは一定である。また、ループ３１１及び３１２の全面積のうち接続部１３０に含まれる面積（右下がりの斜線１４１＋右上がりの斜線１４３で示される面積及び右上がりの斜線１４３＋右下がりの斜線１４２で示される面積）は等しいため、ループ３１１及び３１２に関してＳも等しい。よって、ループ３１１とループ３１２に生ずる起電力の大きさ｜Ｖ｜は、上式より等しいことになる。また、ループ３１１とループ３１２に生ずる起電力の向き（より正確には、起電力が生じる導線において発生する電界の向き）は、ループ３１１とループ３１２としては同一であり、例えば図３ａに矢印で示した向きになる。しかしながら、図３ａから明らかなように、電流検出器の回路全体としては、ループ３１１及び３１２に生ずる起電力の向きは逆となる。ループ３１３及びループ３１４についても同様である。

従って、ループ３１１とループ３１２、ループ３１３とループ３１４で発生するノイズ（起電力）は、それぞれ、位相が逆相で振幅が等しいとみなせる。そのため、発生したノイズは互いに相殺され、接続部１３０における磁束密度の変化は電流検出器の回路に影響を与えない。

図４ａはセンサ１１１の例を示しており、この例のセンサ１１１は、環状のコア４１０と、コア４１０に巻きつけられた導線（図示せず）とを含んでいる。コアの内側には、電流を検出する対象の例である導線４２０が貫通している。このセンサ１１１は、電気的出力として、導線４２０に流れる電流に応じた起電力を発生させることになる。

図４ｂは検出器１２１の例を示しており、この例の検出器１２１は、抵抗４３０と、抵抗４３０の両端子間の電位差を測定する電圧計４４０とを含んでいる。抵抗４３０の両端子間に電位差が発生するかどうかは、センサ１１１が起電力を発生させ、導線１３１〜１３４に電流が流れるかどうか、従って導線４２０に電流が流れるかどうかに依存するため、電圧計４４０によって抵抗４３０の両端子間に電位差が生じたことを検出できたときに、検出器１２１は導線４２０に電流が流れていることを検出できる。

ここで、電圧計４４０には、図示しない変換手段を接続することができる。変換手段は、電気回路やコンピュータ等を含み、抵抗４３０の両端子に発生する電位差から、導線４２０に流れる電流の大きさ及び向きを求めるように構成可能であることは、当業者には明らかであろう。このような変換手段により、本実施形態は電流計として用いることができるようになる。なお、「電流計」とは、電流の大きさ及び向きを検出することができるものをいうものとする。更に、変換手段を適切に構成することにより、本実施形態は電力計や電力量計としても用いることができるようになることは言うまでもない。

接続部１３０には、安価なフラットケーブルを用いることができる。４本の導線からなるフラットケーブルを用いる場合、上述した４本の導線１３１、１３２、１３３及び１３４は、フラットケーブルの各導線であろう。４本より多くの導線を含むフラットケーブルを用いる場合、上述した４本の導線は、フラットケーブルの導線の一部であろう。図５ａ〜ｃは、８本の導線を含むフラットケーブル５００の導線の一部を上述した４本の導線として利用した場合の例である。

上述の実施形態では、接続部１３０の導線にはセンサ１１１と検出器１２１とが接続されたが、別の実施形態ではこれらに限られない。本発明によると、磁束密度Ｂの変化によるノイズ（起電力）の影響がゼロとなるか又は少なくとも低減されることを考慮すると、別の実施形態における導線に接続されるものは、一方の電気的出力を他方が用いる任意の２つの手段であってよい。

１００ 装置としての電流検出器
１１０ 例えば基板である電流センサ部
１１１ 要素としてのセンサ
１２０ 例えば基板である検出部
１２１ 要素としての検出器
１３０ 例えばフラットケーブルである接続部
１３１〜１３４ 接続部１３０が含む導線
１３５ 接続部１３０の第１の側
１３６ 接続部１３０の第２の側
１４１ 導線１３１と導線１３２との間の面積を示す右下がりの斜線
１４２ 導線１３３と導線１３４との間の面積を示す右下がりの斜線
１４３ 導線１３２と導線１３３との間の面積を示す右上がりの斜線
３００ 紙面垂直方向
３１１ 導線１３１と導線１３３に関するループ
３１２ 導線１３２と導線１３４に関するループ
３１３ 導線１３１と導線１３２に関するループ
３１４ 導線１３３と導線１３４に関するループ
４１０ 環状のコア
４２０ 電流を検出する対象である導線
４３０ 抵抗
４４０ 電圧計
５００ フラットケーブル

Claims (3)

1. 一方が他方の電気的出力を用いる第１の手段と第２の手段とを電気的に接続するための接続装置であって、
   第１の側から第２の側まで延びる第１の導線、第２の導線、第３の導線及び第４の導線を含み、これら各導線は、この順序で前記延びる方向と直交する方向に配列され、
   第１の導線と第２の導線との間の面積が第３の導線と第４の導線との間の面積と等しく、
   第１の導線の第１の側の端子と第３の導線の第１の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、
   第３の導線の第２の側の端子と第４の導線の第２の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、
   第２の導線の第１の側の端子と第４の導線の第１の側の端子との間に第１の手段を接続可能であり、
   第１の導線の第２の側の端子と第２の導線の第２の側の端子との間に第２の手段を接続可能であり、第１から第４の導線を含む４本以上の導線を含むフラットケーブルによって構成されていることを特徴とする接続装置。
2. 一方が他方の電気的出力を用いる第１の手段と第２の手段とを電気的に接続するための接続装置であって、
   第１の側から第２の側まで延びる第１の導線、第２の導線、第３の導線及び第４の導線を含み、これら各導線は、この順序で前記延びる方向と直交する方向に配列され、
   第１の導線と第２の導線との間の面積が第３の導線と第４の導線との間の面積と等しく、
   第１の導線の第１の側の端子と第３の導線の第１の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、
   第１の導線の第２の側の端子と第２の導線の第２の側の端子とが短絡又はある抵抗を介して接続され、
   第２の導線の第１の側の端子と第４の導線の第１の側の端子との間に第１の手段を接続可能であり、
   第３の導線の第２の側の端子と第４の導線の第２の側の端子との間に第２の手段を接続可能であり、第１から第４の導線を含む４本以上の導線を含むフラットケーブルによって構成されていることを特徴とする接続装置。
3. 請求項１又は２に記載の接続装置と、
   第１の手段及び第２の手段の一方として、ある対象に流れる電流に応じた起電力を発生させるための手段と、
   第１の手段及び第２の手段の他方として、発生した起電力からある対象に流れる電流を検出するための手段と
   を含む電流検出装置。

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