JP6566188B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、非接触型の電流センサに関し、詳しくは、多芯電線に流れる電流を計測できる電流センサの改良に関するものである。

図８は、従来の非接触型の電流センサの一例を示す構成説明図である。図８において、ドーナツ状の磁気コア１上にはコイル２が形成された変流器型であり、磁気コア１を貫くように被測定電線３が設置される。コイル２には、負荷抵抗４と電圧測定器５が並列に接続されている。

変流器型の電流センサでは、被測定電線３に電流が流れることで発生する磁束を磁気コア１により集め、集められた磁束の時間変化を磁気コア１上に形成されたコイル２により電気的な信号に変換し、被測定電線３に流れる電流を測定する。

このような構成において、被測定電線３が単相あるいは三相の電力源に接続された多芯電線であった場合、多芯電線内の各電線に流れる電流の総和は０Ａとなる。そのため、磁気コア１によって集められた磁束の総和も０Ｔ（テスラ）となり、多芯電線に電流が流れていても、変流器型の電流センサによる測定結果は０Ａとなる。

つまり、図８に示した変流器型の電流センサでは、多芯電線上で電流を測定することはおろか、検知することもできない。

図９は、特許文献１に記載されている、「多芯ケーブル電流有無判定器」の構成説明図である。図９において、磁気センサ素子６を磁気検知部として被測定電線７の周囲における部分的な磁界を検知することで、被測定電線７に流れる電流を検知する。

これにより、被測定電線７が多芯電線の場合でも、被測定電線７に流れる電流の有無を電流有無判定器８で判定することができる。

特開２００７−７８６６８号公報

しかし、図９に示す多芯ケーブル電流有無判定器では、被測定電線７と磁気検知部６の相対的な位置を一義的に決められないことから、検知した磁界強度から電流値を算出することができない。

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、多芯電線の所望の芯線に流れる電流の電流値を非接触で測定できる電流センサを実現することにある。

このような課題を解決するため、本発明の１態様である電流センサは、同一方向の磁界に対する応答が互いに逆方向になるように設置され、電源線に直列に接続された２つの磁気センサモジュールと、前記電源線に直列に接続された２つの抵抗と前記２つの磁気センサモジュールの接続点の電圧と、前記２つの抵抗の接続点の電圧とをそれぞれ入力し、測定対象電流値を算出する信号処理回路と、前記２つの磁気センサモジュールと、前記２つの抵抗と、前記信号処理回路とを収納し、外面に被測定電線の外周を嵌め合わせるためのＶ字形の溝が設けられたフレームと、を備える。
ここで、前記信号処理回路は、前記２つの磁気センサモジュールの接続点の電圧と、前記２つの抵抗の接続点の電圧とを入力し、信号処理を行なうアナログ信号処理部と、前記アナログ信号処理部の出力信号をデジタル信号に変化するデジタル信号処理部と、前記デジタル信号から測定対象電流値を算出する電流演算部と、を備えていてもよい。
また、前記アナログ信号処理部の出力信号を、外部の電流測定器に出力するための出力端子をさらに備えるようにしてもよい。

これらにより、多芯電線の所望の芯線に流れる電流の電流値を非接触で測定できる電流センサを実現できる。

本発明に基づく電流センサの一実施例を示す構成説明図である。 本発明に基づく電流センサの一実施例を示す回路図である。 信号処理回路２５の具体例を示すブロック図である。 位置決めモジュールの具体例を示すブロック図である。 電流センサ２０の被測定電線１０への取付けから測定開始までの全体の工程を示すフローチャートである。 図５のステップＳ１における電流センサ２０を被測定電線１０に取り付ける工程の詳細な流れを説明するフローチャートである。 図５のステップＳ２における補正係数の決定の流れを説明するフローチャートである。 従来の非接触型の電流センサの一例を示す構成説明図である。 特許文献１に記載されている、「多芯ケーブル電流有無判定器」の構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく電流センサの一実施例を示す構成説明図であり、（Ａ）は外観の正面図、（Ｂ）は外観の側面図、（Ｃ）は（Ａ）の断面図、（Ｄ）は（Ｂ）の部分断面図である。

図１において、被測定電線１０は２芯の撚り線構造であり、２本の導体１１ａと１１ｂの外周はそれぞれ絶縁体よりなる断面形状が円環形の被覆１２ａと１２ｂに内包されて撚り合わされ、これら絶縁体１２ａと１２ｂを含む外周全体は絶縁体よりなる断面形状が円形の保護外被覆１３に内包されている。

本発明に基づく電流センサ２０は、被測定電流が流れる被測定電線１０を構成する導体１１ａと１１ｂよりなる所望の芯線に流れる電流を、磁気センサ素子で非接触に測定するように構成されている。

電流センサ２０は、フレーム２１と、被測定電線１０に対して平行になるようにフレーム２１の内部に配置されたプリント基板２２と、このプリント基板２２上に実装された２個の磁気センサモジュール２３、２４と、プリント基板２２上に実装された信号処理回路２５とで構成されている。なお、図１に示す電流センサ２０は、ある一定時間内の電流の平均値を測定することができる。

フレーム２１の被測定電線１０と対向する面には被測定電線１０の保護外被覆１３の外周の少なくとも一部分に嵌め合うようにＶ字形の溝２１ａが設けられ、Ｖ字形の溝２１ａの上部にはプリント基板２２を被測定電線１０に対して平行になるように収納する収納部２１ｂが設けられている。

磁気センサモジュール２３、２４は、実装されるプリント基板２２上で、被測定電線１０を構成する導体１１ａと１１ｂの中心を通りかつそのプリント基板２２面と垂直な線上に配置される。

また、磁気センサモジュール２３、２４は、その感磁方向がプリント基板２２面と接し、かつ、電線の軸方向と直交するように配置される。なお、同一方向の磁界に対する応答は、磁気センサモジュール２３と２４で逆方向になるようにする。

すなわち、同一方向の磁界に対する磁気センサモジュール内の磁気抵抗素子の磁界に対する抵抗増加と抵抗減少の応答が磁気センサモジュール２３と２４が互いに逆方向になるように磁気センサモジュール２３と２４の向きを１８０度変えて設置する。

図２は、本発明に基づく電流センサの一実施例を示す回路図である。磁気センサモジュール（ＭＳＭ）２３と２４は、いずれも１つの磁気抵抗素子とバイアス磁界を印加するための１つの永久磁石とからなる。

磁気センサモジュール２３と２４は直列に接続され、磁気センサモジュール２３の一端は駆動用の電源線Ｌに接続されるとともに、２個の抵抗２６と２７が直列接続された抵抗直列回路の一端に接続され、磁気センサモジュール２４の他端は抵抗直列回路の他端とともに共通電位点に接続されている。

直列接続された磁気センサモジュール２３と２４の接続点は信号処理回路２５に接続され、直列接続された抵抗２６と２７の接続点も信号処理回路２５に接続されている。

図３は、信号処理回路２５の具体例を示すブロック図である。信号処理回路２５は、アナログ信号処理部２５ａ、デジタル信号処理部２５ｂ、電流演算部２５ｃ、データ格納部２５ｄなどで構成されている。

アナログ信号処理部２５ａは、入力端子ＩＮ１、ＩＮ２から入力されるアナログ入力信号に対して全波整流処理、差動増幅処理、積分処理および低域通過フィルタ処理などを施してデジタル信号処理部２５ｂに出力するとともに、外部出力端子ＯＵＴ２にも出力する。

デジタル信号処理部２５ｂは、アナログ信号処理部２５ａから出力された電圧信号をＡＤ変換してデジタル信号に変換し、電流演算部２５ｃに出力する。

電流演算部２５ｃは、デジタル信号に変換された電圧信号値から被測定電流値の電流値を算出し、算出した被測定電流の電流値を外部出力端子ＯＵＴ１に出力する。

データ格納部２５ｄには、被測定電線１０に関する各種の情報が入力端子ＩＮ３から入力され格納される。

データ格納部２５ｄに格納される被測定電線１０に関する各種の情報としては、
１）芯線数と導体径
２）中心と芯線の中心との距離
３）中心と磁気センサモジュール２３と磁気センサモジュール２４の中点との距離
４）被覆径
５）保護外被覆厚さ
６）芯線の撚りピッチ
などがある。
ここで、２）と３）は、被測定電線１０の芯線数と、導体径、被覆径、保護外被覆厚さから算出される。

電流演算部２５ｃは、デジタル信号に変換された電圧信号値から被測定電流値の電流値を算出するのにあたり、より高精度の演算結果が必要な場合にはデータ格納部２５ｄに格納されている被測定電線１０に関する各種の情報を参照し、補正処理を行う。

ところで、本発明に基づく電流センサを用いて被測定電線１０に流れる電流を測定するのにあたっては、被測定電線１０に電流センサを設置する位置が一義的に決定できることが望ましい。

前述の図１において、電流センサの設置位置を一義的に決定することは、「２つの芯線１１ａと１１ｂのうちどちらか一方の芯線の中心」と「磁気センサモジュール２３と磁気センサモジュール２４の中点」との距離が最小となる位置に本電流センサを設置することである。

図４は、被測定電線１０に電流センサを設置する位置を一義的に決定する位置決めモジュールの具体例を示すブロック図である。図４において、アナログ信号処理部２５ａにはデジタル信号処理部２５ｂが接続されるとともに、位置決めモジュールとして機能するアナログ信号測定部２６も接続されている。

アナログ信号測定部２６は、電流センサ２０の信号処理回路２５から出力される電圧信号を取得するアナログ信号処理部と、その電圧信号の大きさを表示する表示部とで構成されている。なお、表示部は、数値でデジタル表示するものに限らず、アナログメーターのような指示針の振れ回転角度やバーグラフの伸縮長さなどのメーター表示形式でもよい。

図５は、電流センサ２０の被測定電線１０への取付けから測定開始までの全体の工程を示すフローチャートである。まず、電流センサ２０を被測定電線１０に取り付けた後（ステップＳ１）、補正係数を決定し（ステップＳ２）、電流の計測を開始する（ステップＳ３）。なお、電流センサ２０の電線１０への取り付けの工程と補正係数決定の工程は前後してもよい。

図６は、図５のステップＳ１における電流センサ２０を被測定電線１０に取り付ける工程の詳細な流れを説明するフローチャートである。まず、電流センサ２０を被測定電線１０に取り付け（ステップＳ１）、電流センサ２０の出力電流を測定するための位置決めモジュールとして電流測定器を電流センサ２０の出力端子に接続する（ステップＳ２）。

電流センサ２０を被測定電線１０の軸方向あるいは周方向のいずれか一方の方向に移動させながら（ステップＳ３）、位置決めモジュールの表示値を確認する（ステップＳ４）。この作業を位置決めモジュールの表示値が極大を示すまで繰り返して続け（ステップＳ５）、位置決めモジュールの表示値が極大を示す位置で電流センサ２０を被測定電線１０に固定する（ステップＳ６）。電流センサ２０を被測定電線１０に固定するのにあたっては、両面テープや結束バンドなどを用いる。

電流センサ２０を被測定電線１０に固定した後、電流センサ２０から位置決めモジュールを外す（ステップＳ７）。なお、この一連の工程は、被測定電線１０に一定の電流が流れている状態で実施する。この一連の工程により、「被測定電線１０内の芯線１１ａ、１１ｂのうちいずれか１本の芯線の中心」と「磁気センサモジュール２３と磁気センサモジュール２４の中点」との距離が最小となる位置に電流センサ２０が固定される。

図７は、図５のステップＳ２における補正係数の決定の流れを説明するフローチャートである。まず、電流センサ２０の信号処理回路２５の入力端子ＩＮ３から、前述のような被測定電線１０に関する各種の情報（芯線数と導体径、被覆径、保護外被覆厚さ、撚りピッチなど）を入力する（ステップＳ１）。

電流センサ２０の信号処理回路２５内の電流演算部２５ｃでは、被測定電線１０の情報より、被測定電線１０の中心と芯線との距離と、「被測定電線１０の中心」と「磁気センサモジュール２３と磁気センサモジュール２４の中点」との距離などを算出する（ステップＳ２）。

また、格納部２５ｄに格納された数値から、
１）被測定電線の芯線数
２）被測定電線の中心と芯線との距離
３）「被測定電線の中心」と「磁気センサモジュール１と磁気センサモジュール２の中点」との距離
４）芯線の撚りピッチに対応した数値
を取得し、補正係数Ｋに代入する（ステップＳ３）。

測定動作を説明する。
被測定電線１０に流れる電流から生じる磁界が磁気センサモジュール２３と磁気センサモジュール２４により測定され、その磁界の強度に比例した大きさの電圧信号が信号処理回路２５に入力される。

信号処理回路２５内のアナログ信号処理部２５ａにおいて、入力された電圧信号を、
１）それぞれ低域通過フィルタにより雑音を低減し、
２）それらを差動増幅した電圧信号を全波整流回路により直流信号に変換し、
３）その直流信号を設定された所定の時間で積分し、
４）その電圧信号の積分値をデジタル信号処理部に出力する。

デジタル信号処理部２５ｂでは、積分された電圧信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を電流演算部２５ｃに出力する。

電流演算部２５ｃでは、（式１）に示すように、あらかじめ設定された補正係数をデジタル信号に変換された電圧信号の積分値に掛けることで、被測定電線１０に流れる電流の大きさに変換し、その値を外部端子より出力する。

電流演算部２５ｃでの演算方法は次のとおりである。電圧信号の積分値をＶ、被測定電流に流れる電流の大きさをＩとすると、電流の大きさＩは、
Ｉ＝Ｋ・Ｖ （１）
として算出される。

これらにより、被測定電線１０が多芯であっても、非接触で電線に流れる電流を計測できる。多芯電線から生じる磁界を検出できない従来の変流器型の電流センサとは異なり、本発明では、磁気抵抗素子により局所的な磁界を検出できるため、多芯電線から生じる磁界を検出できる。

多芯電線内の電流の有無を検知する従来の多芯ケーブル電流有無判定器と違い、本発明では、多芯電線１０と電流センサ２０の相対的な位置を決定する機構と、磁界強度の測定値から電流値を求める演算機能とを有しているため、多芯電線に流れる電流値を計測することができる。

本発明の電流センサ２０は、被測定電線１０の周囲を囲う構造ではないため、電流センサ全体のサイズが被測定電線１０の径に依存することなく省スペース化を実現でき、電線同士が近接した場所でも容易に取り付けられる。

本発明の電流センサ２０は、被測定電線１０の周囲を囲う構造ではないことから、シート状に形成することも可能であり、被測定電線１０の被覆の表面に貼り付けるだけで取り付けられる。そのため、電流センサ２０を設置する際に、被測定電線１０を断線しなくてもよく、クランプなどの電流センサ２０を固定するための機構も不要であり、取付けコスト（取付工数）を大幅に低減できる。

磁気センサモジュール２３、２４としては、たとえばナノグラニュラ膜と軟磁性膜からなるトンネル磁気抵抗素子を用いる。他にも、磁界の印加に対して電気的抵抗が変化する異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）などの磁気抵抗素子や、磁界の印加に対して電気的インピーダンスが変化する軟磁性材料により構成されるアモルファスワイヤあるいは薄膜からなる磁気インピーダンス素子、ホール効果を利用して磁界を検出するホール素子、フラックスゲート素子を用いることができる。

また、本実施例では、１つの磁気センサモジュールが有する磁気センサ素子は１つであるが、２つ以上の磁気センサ素子で１つの磁気センサモジュールを構成してもよい。１つの磁気センサモジュールが有する磁気センサ素子が１つの場合、バイアス磁界の印加方法が容易であるため、磁気センサモジュール１つあたりのコストを抑えることができる。

一方で、２つ以上の磁気センサ素子で１つの磁気センサモジュールを構成する場合には、電流センサとして部品点数を抑えることができる。

また、本実施例では、直列接続された２つの磁気センサモジュール２３、２４と直列接続された２つの抵抗２６、２７で回路を構成しているが、２つの抵抗２６、２７を２つの磁気センサモジュールに置き換えてもよい。

本実施例のように２つの磁気センサモジュール２３、２４と２つの抵抗２６、２７で回路を構成した場合、使用する磁気センサモジュールの数量が減るためコストを抑えることができる。これに対し、２つの抵抗も２つの磁気センサモジュールに置き換えることにより、電流センサとしての磁界に対する感度を向上させることができる。

フレーム２１は、本実施例の形状に限るものではなく、電流センサ２０を任意の径の被測定電線１０に取り付けた際に、電流センサ２０内の磁気センサモジュールの感磁方向と、被測定電線１０から発生する磁界の方向とが一義的に決まるように固定できる形状であればよく、本実施例では「Ｖ字型」の切欠きを設けている。材質は、被測定電流からの漏電による感電事故を防ぐため絶縁性が比較的高い樹脂が望ましい。本実施例では、ABS樹脂を用いている。フレーム２１を被測定電線１０に固定する方法として、両面テープや結束バンドを用いることができる。

本実施例で用いる信号処理回路２５内のアナログ信号処理部２５ａでは、電圧信号を積分する機能を有していることから、ある一定時間内の電流の平均値が得られる。電流の瞬時値が必要な用途では、積分機能を除くことで電流の瞬時値を測定することもできる。

補正係数Ｋを格納部２５ｄに格納しているが、センサシステムとして使用する場合は、外部出力先に補正係数を格納してもよい。この場合、電流センサ２０は補正前の電圧信号の積分値Ｖを外部出力端子より出力し、受信側のシステムにおいて、式（１）で示した補正を行う。本方式では、計測開始後に補正係数Ｋが変更できるという利点がある。

補正係数Ｋは、感磁素子の感度と各芯線と磁気センサモジュールとの位置関係により決定される。本実施例では、下記１）〜４）の値ごとに補正係数Ｋが決められており、その決定方法は、各条件の電線上での実測値より決定するという方法である。他の決定方法として、電磁界シミュレーションにより補正係数Ｋを決定する方法もある。
１）被測定電線の芯線数
２）被測定電線の中心と芯線との距離
３）「被測定電線の中心」と「磁気センサモジュール１と磁気センサモジュール２の中点」との距離
４）芯線の撚りピッチ

被測定電線を構成する芯線の本数については限定していないが、特に被測定電線を電源ラインとして使用する場合には、単相電源電流を流すのにあたり二芯電線あるいは三芯電線を用いると、電流により生じる磁界分布が対称形になり測定精度が向上する。

また、三相電源電流を流す場合には、三芯電線あるいは四芯電線を用いると、同様に電流により生じる磁界分布が対称形になり測定精度が向上する。

以上説明したように、本発明によれば、多芯電線の所望の芯線に流れる電流の電流値を非接触で測定できる電流センサが実現できる。

１０ 被測定電線
２０ 電流センサ
２１ フレーム
２２ プリント基板
２３、２４ 磁気センサモジュール
２５ 信号処理回路

Claims (3)

1. 同一方向の磁界に対する応答が互いに逆方向になるように設置され、電源線に直列に接続された２つの磁気センサモジュールと、
   前記電源線に直列に接続された２つの抵抗と
   前記２つの磁気センサモジュールの接続点の電圧と、前記２つの抵抗の接続点の電圧とをそれぞれ入力し、測定対象電流値を算出する信号処理回路と、
   前記２つの磁気センサモジュールと、前記２つの抵抗と、前記信号処理回路とを収納し、外面に被測定多芯電線の外周を嵌め合わせるためのＶ字形の溝が設けられたフレームと、
   を備え、
   前記信号処理回路は、芯線数を含んだ前記被測定多芯電線に関する情報を入力し、前記情報に対応した補正係数を用いて前記測定対象電流値を算出することを特徴とする電流センサ。
2. 前記信号処理回路は、
   前記２つの磁気センサモジュールの接続点の電圧と、前記２つの抵抗の接続点の電圧とを入力し、信号処理を行なうアナログ信号処理部と、
   前記アナログ信号処理部の出力信号をデジタル信号に変化するデジタル信号処理部と、
   前記デジタル信号から測定対象電流値を算出する電流演算部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記アナログ信号処理部の出力信号を、外部の電流測定器に出力するための出力端子をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。