JPWO2019167189A1 - ロゴスキーコイル及びそれを用いた電流測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、ソレノイド状に導線が巻回されたコイルと、コイルの一方の端部である先端部からコイルの他方の端部である出力端部までコイルの内部を貫通する戻り線と、コイルの先端部と戻り線の間に接続され、コイルの特性インピーダンスと整合されたインピーダンスを有するインピーダンス整合回路と、を有するロゴスキーコイルが提供される。

Description

本発明は、ロゴスキーコイル及びそれを用いた電流測定装置に関する。

被測定電流の作る磁場が時間変化することにより誘起される誘導電圧を利用して電流を測定する非接触型の電流測定装置として、ロゴスキーコイル（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ Ｃｏｉｌ）を用いた電流測定装置が知られている。ロゴスキーコイルは磁性体コアを用いないため、コイルを貫通する磁束が飽和せず、大電流を測定することができるという利点を有している。このため、ロゴスキーコイルは、パワーエレクトロニクス分野において、パワーデバイスに流れる大電流を測定する用途に適している。

ロゴスキーコイルは様々な分野の電流測定で使用されているが、主要な用途の一つにパワーエレクトロニクス分野における高速・大電流のスイッチング波形の測定がある。近年のスイッチングデバイスの発達にともなってデバイスのスイッチング速度が高速化し、被測定電流も高速化して電流センサに対しても広帯域化の要求が強くなってきている。

そこで、例えば特許文献１には、ロゴスキーコイルの後段に接続される積分器を、高周波特性に優れた第１の積分器と低周波特性に優れた第２の積分器を組み合わせて構成することにより、測定可能な電流の周波数帯域を広帯域化する技術が記載されている。また、特許文献１には、ロゴスキーコイルと積分器の間に、ロゴスキーコイルの特性インピーダンスと整合されたダンピング抵抗を設けることで、高周波領域における積分器の発振を抑制して、測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化することが記載されている。

欧州特許第１０７３９０８号明細書

近年のパワーエレクトロニクス分野における技術の発達により、パワーデバイスのスイッチング速度が高速化している。しかし、特許文献１に記載された技術では、測定可能な電流の周波数帯域が不十分であり、またコイルの設置条件により周波数帯域が変化して電流の測定結果が安定しないという問題がある。このため、より高周波の大電流を安定して測定可能なロゴスキーコイルが求められている。

そこで本発明は、測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化し、電流をコイルの設置条件によらず安定して測定することができるロゴスキーコイル及びそれを用いた電流測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、ソレノイド状に導線が巻回されたコイルと、コイルの一方の端部である先端部からコイルの他方の端部である出力端部までコイルの内部を貫通する戻り線と、コイルの先端部と戻り線の間に接続され、コイルの特性インピーダンスと整合されたインピーダンスを有するインピーダンス整合回路と、を有するロゴスキーコイルが提供される。

また、本発明の別観点によれば、被測定電流が流れる導体の周囲にループを形成するようにコイルが配置された、上述のロゴスキーコイルと、被測定電流が時間変化することにより誘起されるコイルの出力端部と戻り線の間の電位差を時間的に積分し、前記被測定電流の測定値として出力する積分器と、を備える電流測定装置が提供される。

本発明によれば、測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化し、電流をコイルの設置条件によらず安定して測定することができるロゴスキーコイル及びそれを用いた電流測定装置が提供される。

第１実施形態に係るロゴスキーコイルの構成を模式的に示す図である。 第１実施形態に係る電流測定装置の構成を概略的に示す等価回路図である。 比較例となる、ロゴスキーコイルに誘起された誘導電圧の伝搬遅延を示す図である。 比較例となる、ロゴスキーコイルと被測定電流の相対位置を変化させたときの、ロゴスキーコイルの出力電圧の変化を示す図である。 第１実施形態に係るロゴスキーコイルと被測定電流の相対位置を変化させたときの、ロゴスキーコイルの出力電圧の変化を示す第１の図である。 第１実施形態に係るロゴスキーコイルと被測定電流の相対位置を変化させたときの、ロゴスキーコイルの出力電圧の変化を示す第２の図である。 第１実施形態に係るロゴスキーコイルと被測定電流の相対位置を変化させたときの、ロゴスキーコイルの出力電圧の変化を示す第３の図である。 第２実施形態に係るロゴスキーコイルの構成を模式的に示す図である。 第３実施形態に係るロゴスキーコイルの構成を模式的に示す図である。 第３実施形態に係るロゴスキーコイルの別の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、各図において同一、又は相当する機能を有するものは、同一符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。

ロゴスキーコイルを用いた電流測定装置の広帯域化を制限する要因は、大きく二つ挙げられる。第１の要因は、ロゴスキーコイルの後段に接続される積分器の性能に起因するものである。上述の特許文献１に記載の発明は、この第１の要因を解決することを目的としたものである。

第２の要因は、ロゴスキーコイル自体の構造に起因するものである。ロゴスキーコイル自体の構造に起因して広帯域動作を制限する要因を検討してみると、コイルを伝送路として見たときの伝搬遅延時間が大きな要素である事が判る。コイルに誘起された誘導電圧がコイルの先端部において反射し、伝搬遅延による時間差を有してもとの誘導電圧の波形に重ね合わされると、ロゴスキーコイルの出力電圧の波形が広がってしまうことを、本発明の発明者は発見した。

ロゴスキーコイルの出力電圧の波形の広がりは、ロゴスキーコイルの応答周波数帯域を制限するため、この波形の広がりが被測定電流の周期、もしくは過渡的な変化時間と同程度になると、電流の測定系としての周波数帯域が不足となり、ロゴスキーコイルの測定精度が低下してしまうという第１の課題がある。

また、誘導電圧の伝搬遅延により生じるロゴスキーコイルの出力電圧の波形の広がりは、ロゴスキーコイルと被測定電流との相対位置に応じて変化する。このため、コイルの物理的な位置等の設置条件によって高周波領域における電流の測定結果がばらついて安定しないという第２の課題がある。この第２の課題によっても、ロゴスキーコイルで測定可能な電流の周波数帯域は、実際上制限されてしまう。

そこで、本発明のロゴスキーコイルは、コイルの先端部と戻り線の間に接続されたインピーダンス整合回路を有している。そして、このインピーダンス整合回路は、コイルの特性インピーダンスと整合されたインピーダンスを有している。このようなロゴスキーコイルの構成によれば、コイルの先端部において信号が反射されることが抑制される。この結果、ロゴスキーコイルの出力電圧の波形が、信号の反射の影響によって広がることが抑制されるため、ロゴスキーコイルで測定可能な電流の周波数帯域が広帯域化され、コイルの設置条件によらずロゴスキーコイルで電流を安定して測定することができる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るロゴスキーコイル１０の構成を模式的に示す図である。本実施形態のロゴスキーコイル１０は、コイル１０１、戻り線１０２、及びインピーダンス整合回路１０３を有する。

コイル１０１は、図１に示されるように、ソレノイド状に導線が巻回された構造を有し、被測定電流Ｉｓが流れる導体２の周囲にループを形成するように配置される。ロゴスキーコイル１０は、磁性体コアを有さない空芯コイルで構成されるため、コイル１０１の内部は空洞となっている。なお、コイル１０１は、導線を巻回するための非磁性の不図示の巻芯部を、コイル１０１の内部に有してもよい。

戻り線１０２は、コイル１０１の一方の端部である先端部ｘから他方の端部である出力端部ｙまで、コイル１０１の内部を貫通している。戻り線１０２の一端は、インピーダンス整合回路１０３を介して、コイル１０１の先端部ｘに接続されている。また、戻り線１０２の他端は、接地端子を介して接地されている。

インピーダンス整合回路１０３は、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の間に接続されている。そして、このインピーダンス整合回路１０３は、コイル１０１の特性インピーダンスと整合されたインピーダンスを有している。換言すれば、インピーダンス整合回路１０３は、コイル１０１の特性インピーダンスと実質的に同一のインピーダンスを有している。ここで、実質的に同一とは、本実施形態においては、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の境界部において信号が反射されることが抑制されるために十分な程度に同一であればよい。

インピーダンス整合回路１０３としては、例えば抵抗素子が用いられる。インピーダンス整合回路１０３は抵抗素子だけでなく、インダクタンス又はキャパシタンス等の回路素子を含んでいてもよい。このようなロゴスキーコイル１０の構成によれば、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の境界部において信号が反射されることが抑制される。この結果、ロゴスキーコイル１０の出力電圧の波形が、信号の反射の影響によって広がることが抑制されるため、ロゴスキーコイル１０で測定可能な電流の周波数帯域が広帯域化され、コイル１０１の設置条件によらずロゴスキーコイル１０で電流を安定して測定することができる。

コイル１０１の先端部ｘと出力端部ｙとの間には、被測定電流Ｉｓの作る磁場Ｂの時間変化に比例した誘導電圧に基づく電位差が生じる。被測定電流Ｉｓの周波数が小さく、コイル１０１に誘起される誘導電圧の伝搬遅延の影響が無視できる場合には、コイル１０１の出力端部ｙと接続された出力端子には、下式（１）で表わされる出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。ここで、定数αはコイル１０１の巻数及び断面積等から決定される。

上式（１）より、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、被測定電流Ｉｓの微分に比例する。従って、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔを時間的に積分することで、下式（２）のように被測定電流Ｉｓが求められる。

図２は、第１実施形態に係る電流測定装置１の構成を概略的に示す等価回路図である。本実施形態の電流測定装置１は、ロゴスキーコイル１０及び積分器１１を備える。ロゴスキーコイル１０は、空芯コイルで構成されるため、図２の等価回路には、自己インダクタンスとして図示されている。また、図２の等価回路には、被測定電流Ｉｓが時間変化することによりロゴスキーコイル１０に誘起される誘導電圧が、パルス発生器１２として図示されている。

ロゴスキーコイル１０の後段に接続された積分器１１は、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔを時間的に積分して、被測定電流Ｉｓを求める。積分器１１としては、例えば、能動素子のオペアンプ１１１（演算増幅器）を用いたアナログ積分回路が用いられる。図２に示された積分器１１の出力電圧Ｖｓは、コンデンサ１１２の静電容量値Ｃ、及び抵抗１１３の抵抗値Ｒを用いて、下式（３）で表わされる。

上式（３）より、積分器１１の出力電圧Ｖｓは、被測定電流Ｉｓに比例する。従って、比例定数をα／（ＲＣ）を予め求めておくことにより、被測定電流Ｉｓが求められる。

なお、ロゴスキーコイル１０で測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化するために、図２に示されたアナログ積分回路の代わりに、例えば、特開２０１４−８９０７９号公報の、図３又は図６に示されたアナログ積分回路を用いてもよい。或いは、積分器１１としてアナログ積分回路を用いる代わりに、デジタル積分回路を用いてもよい。この場合、ロゴスキーコイル１０とデジタル積分回路の間にはＡＤ変換器（アナログ／デジタル変換器）が接続される。これにより、アナログ積分回路による周波数帯域の制限やノイズの影響を回避することができる。

また、図２に示された電流測定装置１の等価回路は、ロゴスキーコイル１０の直ぐ後段に積分器１１が接続された構成としたが、実際の電流測定装置１においては、ロゴスキーコイル１０と積分器１１とは、同軸ケーブル等を用いて相互に接続されることが好ましい。

ここで、本実施形態のロゴスキーコイル１０の有効性を示すため、まず、インピーダンス整合回路１０３を有しないロゴスキーコイル２０において、コイル１０１に誘起された誘導電圧の伝搬遅延が、電流の測定精度に与える影響について説明する。

図３は、比較例となる、ロゴスキーコイル２０に誘起された誘導電圧の伝搬遅延を示す図である。図３に示されたロゴスキーコイル２０は、インピーダンス整合回路１０３を有しておらず、コイル１０１と戻り線１０２は、コイル１０１の先端部ｘにおいて短絡されている。説明を平易にするために、以下では、ロゴスキーコイル２０のコイル１０１を複数の微小区間に分け、そのうちの一つの微小区間Ｓに誘起される誘導電圧に注目して、誘導電圧の伝搬遅延について考察する。

また、同様に説明を平易にするために、以下では、導体２に流される被測定電流Ｉｓの波形がステップ波形であることを仮定する。この結果として、被測定電流Ｉｓが時間変化して微小区間Ｓに誘起される誘導電圧の波形はパルス波形となる。但し、本実施形態のロゴスキーコイル１０は、時間変化する波形であれば、どのような被測定電流Ｉｓの波形であっても測定することが可能であり、被測定電流Ｉｓの波形はステップ波形には限定されない。

図３に示されたコイル１０１の微小区間Ｓに交差する磁場Ｂが時間変化すると、コイル１０１の微小区間Ｓには誘導電圧が誘起される。図３に示された先行波Ｖｆ及び遅延波Ｖｒは、戻り線１０２を基準として見た場合の、コイル１０１の微小区間Ｓに誘起された誘導電圧の微小区間Ｓのそれぞれの端の電圧の波形である。先行波Ｖｆ及び遅延波Ｖｒのパルス波形の振幅の正負の極性（以下、単に「極性」という）は互いに逆となる。また、先行波Ｖｆ及び遅延波Ｖｒは互いに反対方向へ伝搬する。

コイル１０１の出力端部ｙに向かって伝搬する先行波Ｖｆは、距離Ｌｆを伝搬したあと、出力端部ｙに接続されたロゴスキーコイル２０の出力端子に出力される。先行波Ｖｆが発生してからロゴスキーコイル２０の出力端子に出力されるまでの時間Ｔｆは、先行波Ｖｆがコイル１０１を伝搬する速度ｃを用いて、Ｔｆ＝Ｌｆ／ｃとなる。

一方、コイル１０１の先端部ｘに向かって伝搬する遅延波Ｖｒは、距離Ｌｒを伝搬したあと、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の境界部において反射する。その後、遅延波Ｖｒは、コイル１０１の出力端部ｙに向かって更に距離Ｌｒ＋Ｌｆを伝搬したあと、出力端部ｙに接続されたロゴスキーコイル２０の出力端子に出力される。遅延波Ｖｒが発生してからロゴスキーコイル２０の出力端子に出力されるまでの時間Ｔｒは、遅延波Ｖｒがコイル１０１を伝搬する速度ｃを用いて、（２Ｌｒ＋Ｌｆ）／ｃとなる。

ここで、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２は、その境界部において短絡されているので、反射は全反射となり、遅延波Ｖｒの極性は、反射時において反転する。従って、反射後の遅延波Ｖｒの極性は、図３に示されるように、反射前の遅延波Ｖｒの極性から反転して、先行波Ｖｆの極性と同じになる。

この結果、先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒは、コイル１０１の出力端部ｙにおいて伝搬遅延による時間差Ｔｒ−Ｔｆ＝２Ｌｒ／ｃを有して同じ極性で重ね合わされ、ロゴスキーコイル２０から出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形の時間幅２Ｌｒ／ｃが被測定電流Ｉｓの周期、もしくは過渡的な変化時間と同程度になると、電流の測定系としての周波数帯域が不足となる。この結果、ロゴスキーコイル２０で測定可能な電流の周波数帯域が制限されてしまうという第１の課題がある。

また、誘導電圧の伝搬遅延により生じるロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形の広がりは、ロゴスキーコイル２０と被測定電流Ｉｓとの相対位置に応じて変化する。このため、コイル１０１の物理的な位置等の設置条件によって高周波領域における電流の測定結果がばらついて安定しないという第２の課題がある。この第２の課題によっても、ロゴスキーコイル２０で測定可能な電流の周波数帯域は、実際上制限されてしまう。以下、この第２の課題について説明する。

図４は、比較例となる、ロゴスキーコイル２０と被測定電流Ｉｓの相対位置を変化させたときの、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの変化を示す図である。図４には、三通りの、ロゴスキーコイル２０と導体２との相対位置４０１〜４０３のそれぞれにおいて、ステップ波形の被測定電流Ｉｓを導体２に流したときの、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔ及び積分器１１の出力電圧Ｖｓが示されている。図４の縦軸は、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔ及び積分器１１の出力電圧Ｖｓの大きさを表している。また、図４の横軸は時間を表している。

まず、相対位置４０１に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２がコイル１０１のループの中心付近に配置されている場合を考える。この場合、コイル１０１の先端部ｘから出力端部ｙまでの全ての微小区間に、ほぼ同振幅で同位相の誘導電圧が誘起される。従って、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、各微小区間において発生する先行波Ｖｆ及び遅延波Ｖｒを、コイル１０１のループの全区間で加算したものとなる。

波形４１１は、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０１に配置された場合の、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を表す。また、波形４１２は、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０１に配置された場合の、積分器１１の出力電圧Ｖｓの時間変化を表す。

波形４１１に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０１に配置された場合の、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔのパルス波形の時間幅２Ｔｄは、先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒの伝搬遅延の時間差の最大値となる。ここで、先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒの伝搬遅延の時間差の最大値は、コイル１０１のループ長Ｌｄを用いて、２Ｌｄ／ｃである。この結果、波形４１２に示されるように、積分器１１の出力電圧Ｖｓのステップ波形は、被測定電流Ｉｓの波形と比較して、変化期間が２Ｔｄと長いステップ波形となってしまう。これにより、ロゴスキーコイル２０で測定可能な電流の周波数帯域は制限されてしまう。

次に、相対位置４０２に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２がコイル１０１のループの先端部ｘ付近に配置されている場合を考える。この場合にコイル１０１に誘起される誘導電圧は、コイル１０１の先端部ｘに集中する。従って、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、概ねコイル１０１の先端部ｘの微小区間において発生した先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒとが、同じ極性で重ね合わされたものとなる。

波形４２１は、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０２に配置された場合の、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を表す。また、波形４２２は、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０２に配置された場合の、積分器１１の出力電圧Ｖｓの時間変化を表す。

被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０２に配置された場合の、先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒの伝搬遅延の時間差は殆どゼロである。このため、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、コイル１０１の先端部ｘの微小区間において発生した先行波Ｖｆのパルス波形と遅延波Ｖｒのパルス波形を、伝搬遅延による時間差なしで、同じ極性で重ね合わせたものとなる。

このため、波形４２１に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０２に配置された場合の、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔのパルス波形の時間幅は、誘導電圧の伝搬遅延には殆ど影響されない。この結果、波形４２２に示されるように、積分器１１の出力電圧Ｖｓの波形は、被測定電流Ｉｓの波形を概ね再現したものとなる。この場合、ロゴスキーコイル２０で測定可能な電流の周波数帯域は、誘導電圧の伝搬遅延によっては殆ど制限されない。

次に、相対位置４０３に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２がコイル１０１のループの出力端部ｙ付近に配置されている場合を考える。この場合にコイル１０１に誘起される誘導電圧は、コイル１０１の出力端部ｙに集中する。従って、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、概ねコイル１０１の出力端部ｙの微小区間において発生した先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒとが、伝搬遅延による時間差を有して同じ極性で重ね合わされたものとなる。

波形４３１は、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０３に配置された場合の、ロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの時間変化を表す。また、波形４３２は、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０３に配置された場合の、積分器１１の出力電圧Ｖｓの時間変化を表す。

波形４３１に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２が相対位置４０３に配置された場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形は、同じ極性で重ね合わされた先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒの二つのパルス波形を有している。波形４３１の時間幅２Ｔｄは、先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒの伝搬遅延の時間差２Ｌｄ／ｃである。この結果、波形４３２に示されるように、積分器１１の出力電圧Ｖｓの波形は、二つの変化期間を有する階段状の波形となる。これにより、ロゴスキーコイル２０で測定可能な電流の周波数帯域は制限されてしまう。

このように、ロゴスキーコイル２０と被測定電流Ｉｓの相対位置が変化した場合、インピーダンス整合回路１０３を有しないロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４１１、４２１、４３１は、被測定電流Ｉｓの波形に対して大きく変化する。このため、インピーダンス整合回路１０３を有しないロゴスキーコイル２０は、高周波領域における電流の測定結果が安定せず、ロゴスキーコイル２０で測定可能な電流の周波数帯域は、実際上制限されてしまう。

図５〜図７は、第１実施形態に係るロゴスキーコイル１０と被測定電流Ｉｓの相対位置を変化させたときの、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの変化を示す図である。本実施形態のロゴスキーコイル１０は、インピーダンス整合回路１０３を有している。図５〜図７には、被測定電流Ｉｓが流れる導体２の位置を、図４に示された三通りの相対位置４０１〜４０３としたときの、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔと、出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓのシミュレーション結果がそれぞれ示されている。ここで、導体２に流される被測定電流Ｉｓの波形は、立ち上がり時間が５（ｎｓ）のステップ波形とした。

シミュレーションにおいては、ロゴスキーコイル１０の伝送路を、２０素子のＬＣ回路が直列に繋げられた分布定数線路としてモデリングし、ＳＰＩＣＥ系シミュレータによる過渡解析を行った。ロゴスキーコイル１０のインダクタンスＬは１０（μＨ）とし、コイル１０１と戻り線１０２との間の静電容量Ｃは１０（ｐＦ）とした。この場合、伝送路としてのコイル１０１の特性インピーダンスは、√（Ｌ／Ｃ）＝１０００（Ω）となり、伝搬遅延時間は、√（ＬＣ）＝１０（ｎｓ）となる。

図５には、相対位置４０１に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２がコイル１０１のループの中心付近に配置された場合の、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形５０１、及び出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形５０２が示されている。また、図５には、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４１１、及び出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形４１２が比較用に示されている。

ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形５０１は、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４１１と比較して、パルス幅が約半分のＴｄに短くなっている。また同様に、出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形５０２は、インピーダンス整合しない場合の出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形４１２と比較して、信号の変化期間が約半分のＴｄに短くなっている。これは、インピーダンス整合回路１０３を有することにより、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の境界部において信号の反射が抑制されたためである。

図６には、相対位置４０２に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２がコイル１０１のループの先端部ｘ付近に配置された場合の、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形６０１、及び出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形６０２が示されている。また、図６には、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４２１、及び出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形４２２が比較用に示されている。

ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形６０１は、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４２１と、ほぼ同じ波形となっている。また同様に、出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形６０２は、インピーダンス整合しない場合の出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形４２２と、ほぼ同じ波形となっている。これは、コイル１０１の先端部ｘにおいては、先行波Ｖｆと遅延波Ｖｒの伝搬遅延の時間差が殆どゼロであり、誘導電圧の伝搬遅延による影響がそもそも小さいためである。

図７には、相対位置４０３に示されるように、被測定電流Ｉｓの流れる導体２がコイル１０１のループの出力端部ｙ付近に配置された場合の、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形７０１、及び出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形７０２が示されている。また、図７には、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４３１、及び出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形４３２が比較用に示されている。

ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形７０１は、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形４３１とは異なり、反射波のパルス波形が除去されて、ただ一つのパルス波形を有している。また同様に、出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形７０２は、インピーダンス整合しない場合の出力電圧Ｖｏｕｔを積分計算した電圧Ｖｓの波形４３２とは異なり、二つの変化期間を有する階段状の波形ではなく、ただ一つの変化期間を有する波形となっている。これは、インピーダンス整合回路１０３を有することにより、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の境界部において信号の反射が抑制されたためである。

また、図７に示された出力電圧Ｖｏｕｔの波形７０１及び電圧Ｖｓの波形７０２は、図６に示された出力電圧Ｖｏｕｔの波形６０１及び電圧Ｖｓの波形６０２と、それぞれ、ほぼ同じ波形となっている。これは、図７に示されたインピーダンス整合しない場合の波形４３１及び波形４３２が、図６に示された波形４２１及び波形４２２と、それぞれ大きく異なっているのと対照的である。

このように、インピーダンス整合回路１０３を有する本実施形態のロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形の広がりは、ロゴスキーコイル１０と被測定電流Ｉｓとの相対位置によらず、誘導電圧の伝搬遅延による影響が抑制されることがわかる。この結果、ロゴスキーコイル１０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形の時間幅は、インピーダンス整合しない場合のロゴスキーコイル２０の出力電圧Ｖｏｕｔ時間幅の約半分となり、ロゴスキーコイル１０で測定可能な電流の周波数帯域は、約２倍に広帯域化される。

以上のように、本実施形態のロゴスキーコイルは、ソレノイド状に導線が巻回されたコイルと、コイルの一方の端部である先端部からコイルの他方の端部である出力端部までコイルの内部を貫通する戻り線を有する。そして、本実施形態のロゴスキーコイルは、コイルの先端部と戻り線の間に接続され、コイルの特性インピーダンスと整合されたインピーダンスを有している。

このようなロゴスキーコイルの構成によれば、コイルの先端部と戻り線の境界部において信号が反射されることが抑制される。この結果、ロゴスキーコイルの出力電圧の波形が、信号の反射の影響によって広がることが抑制されるため、ロゴスキーコイルで測定可能な電流の周波数帯域がより広帯域化されるため、ロゴスキーコイルで測定可能な電流の周波数帯域の広帯域化が制限されてしまうという上述の第１の課題が解決される。

また、本実施形態のロゴスキーコイルの構成によれば、誘導電圧の伝搬遅延により生じるロゴスキーコイルの出力電圧の波形は、ロゴスキーコイルと被測定電流との相対位置によって大きく変化することは無い。このため、コイルの物理的な位置等の設置条件によって高周波領域における電流の測定結果がばらついて安定しないという上述の第２の課題も解決される。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態に係るロゴスキーコイル１０の構成を模式的に示す図である。本実施形態のロゴスキーコイル１０は、図８に示されるように、コイル１０１を覆うように配置されたシールド１０４を有する。コイル１０１とシールド１０４の間には結合容量が生じるため、コイル１０１の伝送路としてのインピーダンスは変化する。このため、本実施形態のインピーダンス整合回路１０３のインピーダンスは、シールド１０４を配置したことによる静電容量の変化を考慮したコイル１０１の特性インピーダンスに整合される。ここで、シールド１０４は、例えば、静電シールド効果を持つ導体層を有するシールドケースとすることができる。その他については第１実施形態と同じであるため、以下では第１実施形態と異なる点について説明する。

図８に示されたコイル１０１は、ループを形成するように円形状に曲げられて、基板１０５上に実装されたインピーダンス整合回路１０３と共に、シールド１０４内に収められている。コイル１０１の出力端部ｙは、同軸ケーブル１３を介して不図示の積分器に接続される。ここで、コイル１０１及び戻り線１０２とインピーダンス整合回路１０３との間の接続部、並びに、同軸ケーブル１３とコイル１０１の間の接続部は、周囲の磁場ノイズの影響を受けないように短くすることが好ましい。また、これらの配線が形成するループの面積は、磁場が貫通しないように小さくすることが好ましい。

ロゴスキーコイル１０は、被測定電流Ｉｓの作る磁場Ｂが時間変化することにより誘起される誘導電圧を利用するものであるから、周辺の電界の変化が誘導電圧に重畳されると、電流の測定精度が低下してしまう。電界ノイズの発生源とコイル１０１との容量結合は、ノイズ信号が高周波であるほど強くなる。従って、ロゴスキーコイル１０の広帯域特性を生かすためには、コイル１０１及び戻り線１０２とインピーダンス整合回路１０３との間の接続部、並びに、同軸ケーブル１３とコイル１０１の間の接続部は、電界を遮蔽するシールド１０４により覆われていることが好ましい。また、同軸ケーブル１３は、二重シールド品を用いて、各シールド層を互いに分離することが好ましい。

伝送路としてのコイル１０１の特性インピーダンス及び伝搬遅延時間は、コイル１０１のインダクタンス、及び、コイル１０１と戻り線１０２の間の静電容量に加え、コイル１０１とシールド１０４の間の静電容量によっても決定される。従って、シールド１０４として例えばシールドケースを用いる場合に、シールドケースを小型化すると、シールドケースの導体層とコイル１０１の間の静電容量が大きくなって、ロゴスキーコイル１０の特性インピーダンス及び伝搬遅延時間が変化してしまう。このため、コイル１０１及びシールド１０４の構造は、ロゴスキーコイル１０の特性インピーダンス及び伝搬遅延時間が測定する電流の大きさと周波数によって最適化されるように設計されることが好ましい。

また、シールド１０４は、コイル１０１との間の静電容量がコイル１０１のループに沿って均一となるように配置されることが好ましい。例えばシールド１０４が、コイル１０１のループの一部においてコイル１０１と近接していると、その近接した箇所でコイル１０１の特性インピーダンスが変化してインピーダンス整合が困難となる。

図８に示されたシールド１０４は、周囲の電界ノイズを遮蔽する効果がある一方で、インピーダンス整合回路１０３に浮遊容量を発生させるおそれがある。そこで、インピーダンス整合回路１０３を抵抗素子のみで構成するのではなく、インダクタンス又はキャパシタンス等の回路素子を含むインピーダンス整合回路１０３を構成することで、浮遊容量の影響を抑制することができる。そのためには、シールド１０４との間の結合容量を含んだインピーダンス整合回路１０３が、シールド１０４との間の結合容量を含んだコイル１０１の特性インピーダンスと整合するよう、回路素子を組み合わせてインピーダンス整合回路１０３を構成すればよい。

このように、本実施形態のロゴスキーコイル１０は、シールド１０４を有することにより、周囲の電界ノイズを遮蔽して、測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化することができる。従来、５０ＭＨｚを超えるような高周波領域における電流の測定には、カレントトランスを用いることが一般的であった。しかし、カレントトランスは大電流で磁束が飽和してしまい、磁束の飽和を避けようとすると装置が大型化してしまうという課題があった。本実施形態のロゴスキーコイル１０は、このようなカレントトランスを代替して、高周波の被測定電流Ｉｓを測定することが可能である。

以上のように、本実施形態のロゴスキーコイルはコイルを覆うシールドを更に有し、インピーダンス整合回路のインピーダンスは、シールドを付加したことによる静電容量を考慮したコイルの特性インピーダンスに整合される。このようなロゴスキーコイルの構成によれば、周囲の電界ノイズが遮蔽されるので、ロゴスキーコイルで測定可能な電流の周波数帯域がより広帯域化される。

［第３実施形態］
図９及び図１０は、第３実施形態に係るロゴスキーコイル１０の構成を模式的に示す図である。図９及び図１０には、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の間にインピーダンス整合回路１０３を接続するための、インピーダンス整合回路１０３の配置例が示されている。

図９に示されたインピーダンス整合回路１０３ａは、コイル１０１の先端部ｘの端面に配置されている。また、図１０に示されたインピーダンス整合回路１０３ｂは、コイル１０１の内部に配置されている。その他については第１実施形態と同じであるため、以下では第１実施形態と異なる点について説明する。

ロゴスキーコイル１０は磁性体コアを有さないため、空芯コイルに柔軟性を持たせてコイル１０１を曲げ伸ばし可能な構造とすることで、コイル１０１の形状を、図１に示されたように円形状にしたり、或いは、直線状にしたりすることが可能である。更に、コイル１０１のループの両端の先端部ｘと出力端部ｙのうち、例えば一端を保護するカバーを凸形状とし、他端を保護するカバーを凹形状として互いに係合可能な構造とする。これにより、先端部ｘを保護するカバーと出力端部ｙを保護するカバーとを繋げてロゴスキーコイル１０を閉ループにしたり、先端部ｘを保護するカバーと出力端部ｙを保護するカバーとを離してロゴスキーコイル１０を開ループにしたりすることが可能である。

このようなロゴスキーコイル１０では、ロゴスキーコイル１０を一時的に開ループとして、コイル１０１の先端部ｘと出力端部ｙとの隙間から、被測定電流Ｉｓが流れる導体２を、ロゴスキーコイル１０のループ内に出し入れできる。このため、ロゴスキーコイル１０は、コイルを開ループにすることができないカレントトランス等と比較して、被測定電流Ｉｓが流れる導体２の経路を切断することなく、導体２をコイル１０１のループ内に配置できるという利点を有している。

しかし、コイル１０１の先端部ｘに設けられるインピーダンス整合回路１０３のサイズが大きいと、ロゴスキーコイル１０を閉ループとしたときのコイル１０１の先端部ｘと出力端部ｙの間の距離が大きくなってしまう。この結果、ロゴスキーコイル１０による電流の測定精度が低下してしまう。従って、コイル１０１の先端部ｘに設けられるインピーダンス整合回路１０３のサイズは小さいことが好ましい。

そこで、図９に示されたロゴスキーコイル１０では、薄型の抵抗素子が、インピーダンス整合回路１０３ａとしてコイル１０１の先端部ｘの端面に配置されている。また、図１０に示されたロゴスキーコイル１０では、円柱形の抵抗素子が、インピーダンス整合回路１０３ｂとしてコイル１０１の内部に配置されている。このようなロゴスキーコイル１０の構成によれば、コイル１０１の先端部ｘが大型化することを避けられるので、ロゴスキーコイル１０を開ループにできる構造とした上で、ロゴスキーコイル１０で測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化することができる。

このようなロゴスキーコイル１０は、例えば、電車のインバータのような大型の導体２（バスバー）に流れる被測定電流Ｉｓを測定するために用いられる。しかし、導体２の断面積が大きくなると、コイル１０１のループ長が長くなるため、コイル１０１に誘起される誘導電圧のコイル１０１内での伝搬遅延が大きくなって、ロゴスキーコイル１０で測定可能な周波数帯域が制限されてしまう。本実施形態のロゴスキーコイル１０によれば、このような用途においても、コイル１０１の先端部ｘと戻り線１０２の境界部における信号の反射を抑制して、誘導電圧の伝搬遅延による影響を抑制することができる。

以上のように、本実施形態のインピーダンス整合回路は、コイルの先端部の端面又はコイルの内部に配置される。このようなロゴスキーコイルの構成によれば、ロゴスキーコイルを開ループにできる構造とした上で、ロゴスキーコイルで測定可能な電流の周波数帯域をより広帯域化することができる。

［その他の実施形態］
上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上述の実施形態は、互いに組み合わせて適用することも可能である。例えば、図８に示された第２実施形態のシールド１０４を、図９及び図１０に示された第３実施形態のロゴスキーコイル１０の構成に適用してもよい。この場合、シールド１０４をシールドケースとする代わりに、シールド１０４をコイル１０１と共に曲げ伸ばし可能な構造とすることができる。但し、前述のように、シールド１０４によってロゴスキーコイル１０の特性インピーダンス及び伝搬遅延時間が変化するので、シールド１０４とコイル１０１の間に大きな静電容量が生じないような構造が好ましい。

また、ロゴスキーコイル１０を基板上に実装してもよい。例えば、多層プリント基板上のラインとスルーホールを用いて、ソレノイド状のコイル１０１を、プリント基板上にループ状に実装することが可能である。この場合に、コイル１０１が実装された基板上に、インピーダンス整合回路１０３を実装することは容易である。

１ 電流測定装置
２ 導体
１０ ロゴスキーコイル
１１ 積分器
１２ パルス発生器
１３ 同軸ケーブル
１０１ コイル
１０２ 戻り線
１０３ インピーダンス整合回路
１０４ シールド
１０５ 基板

Claims (7)

1. ソレノイド状に導線が巻回されたコイルと、
   前記コイルの一方の端部である先端部から前記コイルの他方の端部である出力端部まで前記コイルの内部を貫通する戻り線と、
   前記コイルの前記先端部と前記戻り線の間に接続され、前記コイルの特性インピーダンスと整合されたインピーダンスを有するインピーダンス整合回路と、
   を有するロゴスキーコイル。
2. 前記インピーダンス整合回路は抵抗素子である、
   請求項１に記載のロゴスキーコイル。
3. 前記コイルを覆うシールドを更に有し、
   前記インピーダンス整合回路のインピーダンスは、前記シールドを付加したことによる静電容量を考慮した前記コイルの特性インピーダンスに整合される、
   請求項１又は２に記載のロゴスキーコイル。
4. 前記インピーダンス整合回路は、前記コイルと共に前記シールドにより覆われる、
   請求項３に記載のロゴスキーコイル。
5. 前記インピーダンス整合回路は、前記コイルの前記先端部の端面に配置される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のロゴスキーコイル。
6. 前記インピーダンス整合回路は、前記コイルの内部に配置される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のロゴスキーコイル。
7. 被測定電流が流れる導体の周囲にループを形成するように前記コイルが配置された、請求項１から６のいずれか一項に記載のロゴスキーコイルと、
   前記被測定電流が時間変化することにより誘起される前記コイルの前記出力端部と前記戻り線の間の電位差を時間的に積分し、前記被測定電流の測定値として出力する積分器と、
   を備える電流測定装置。

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