JP2018146388A - 電流センサ及び電力量計 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルパターンが形成された検出コイルを有した基板に外力が掛かって歪む場合であっても電流計測精度の低下を少なくすることができる電流センサ及び電力量計を提供する。【解決手段】電流を流す電流バーと、前記電流バーを囲むように形成された集磁コアと、前記集磁コアのギャップに介在されて磁気検出を行うコイルパターン３が設けられ、前記電流バーに流れる電流量を検出する基板１とを有した電流センサであって、コイルパターン３は基板１上に形成され、コイルパターン３が形成された検出部２の周辺に空隙Ｖ１，Ｖ２を設けた。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルパターンが形成された検出コイルを有した基板に外力が掛かって歪む場合であっても電流計測精度の低下を少なくすることができる電流センサ及び電力量計に関する。

従来、用いられている電流センサとしては、変流器（カレントトランス：ＣＴ）や、集磁コアのギャップ部にホール素子などの磁電変換素子を配置した構成や、集磁コアのギャップ部に巻線コイルや誘電体基板上にコイルパターンを形成した素子をもつ構成などがある。特に集磁コアのギャップ部に、基板上にコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、直線性及び温度特性に優れ、部品点数が少なく製造が容易となる特徴を有する（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された電流センサは、環状の集磁コアの中央開口部に電流バーを通し、集磁コアのギャップ部にコイルパターンが施された基板を配置するものである。電流バーに電流が流れると、電流路の周辺には、電流バーに流れる電流の大きさに比例する磁束が発生する。発生した磁束は、集磁コアによって集磁される。電流が周期的電流である場合、その周期に応じて発生する磁束も周期的に変化する。これにより、コイルパターンをもつ検出コイルには、電流の大きさ及び周波数に応じた誘導電圧が発生し、この誘導電圧を電流バーに流れる電流の検出信号として用いている。

特開２０１０−４８７５５号公報

ところで、特許文献１に記載した電流センサは、検出コイル全体を鎖交する全磁束の大きさに比例した検出信号を出力する。このため、基板の検出コイルが変形するなどしてコイル部分の断面積が変化した場合、この変化に応じて鎖交する磁束が変化し検出信号も変化する。また、集磁コアのギャップに発生する磁束は、ギャップの中心から集磁コアの端部に近づくほど強くなり、集磁コアの端部から離れるほど弱くなるため、検出コイルの変形に伴う検出コイルの位置ずれによって検出信号も変化する。

したがって、基板を固定する部分が熱や経年劣化などにより変形し、外部応力が働いた場合、基板が歪み、検出コイルの形状や配置位置が変化してしまい、電流計測精度が低下するという問題がある。また、組立固定時に、過大な応力が掛かることによっても基板が塑性変形するので、これに伴い検出コイルの形状や配置位置が変化してしまい、電流計測精度が低下するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コイルパターンが形成された検出コイルを有した基板に外力が掛かって歪む場合であっても電流計測精度の低下を少なくすることができる電流センサ及び電力量計を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電流センサは、電流を流す電流バーと、前記電流バーを囲むように形成された集磁コアと、前記集磁コアのギャップに介在されて磁気検出を行うコイルパターンが設けられ、前記電流バーに流れる電流量を検出する基板とを有した電流センサであって、前記コイルパターンは基板上に形成され、前記コイルパターンが形成された検出部の周辺に空隙を設けたことを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記空隙は、前記検出部の周辺に２箇所以上設けられることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記空隙は、前記検出部の周辺で対向する２辺に沿うように形成され、前記２辺に沿った空隙の長さは、前記２辺に沿った前記検出部内のコイルパターンの長さよりも長いことを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記検出部は、前記空隙以外の部分で前記基板側に接続される接続部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記検出部の一端部は、前記基板の縁部であることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記検出部は、前記一端部に対向する他端部の一部または全部で前記基板側に接続されることを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記接続部は、前記基板の短手方向に設けられることを特徴とする。

また、本発明にかかる電力量計は、上記の発明のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流量と入力される電圧量とをもとに前記電流バーを流れる電力量を算出することを特徴とする。

本発明によれば、コイルパターンが形成された検出部の周辺に空隙を設けているので、基板に外力が掛かって歪む場合であっても外力が検出部に伝わりにくくなり、検出部の変形や位置ずれが生じにくいので、電流計測精度の低下を少なくすることができる。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサの概要構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示した基板の平面図である。 図３は、集磁コアの端部間のギャップに介在する検出部の状態を示す断面図である。 図４は、基板の変形に伴う検出部への影響を説明する説明図である。 図５は、本発明の実施の形態である電流センサの変形例１を示す基板の平面図である。 図６は、本発明の実施の形態である電流センサの変形例２を示す基板の平面図である。 図７は、本発明の実施の形態である電流センサの変形例３を示す基板の平面図である。 図８は、集磁コアに２つのギャップが形成され、この２つのギャップにそれぞれコイルパターンをもつ検出部を形成した基板の一例を示す平面図である。 図９は、集磁コアに２つのギャップが形成され、この２つのギャップにそれぞれコイルパターンをもつ検出部を電流バーに直交する方向から挿入配置する基板の一例を示す平面図である。 図１０は、図９に示した基板が集磁コアの２つのギャップに配置された状態を示す電流センサの概要構成を示す斜視図である。 図１１は、電流センサを用いた電力量計の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサ１００の概要構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した基板１の平面図である。さらに、図３は、集磁コア１０の端部１１間のギャップＧに介在する検出部２の状態を示す断面図である。図１〜図３において、電流センサ１００は、電流を流す電流バー１２と、電流バー１２を囲むように形成された集磁コア１０と、集磁コア１０の端部１１間のギャップＧに介在されて磁気検出を行うコイルパターン３が設けられ、電流バー１２に流れる電流量を検出する基板１とを有する。コイルパターン３は、誘電体の基板１上に形成され、コイルパターンが形成された検出部２の周辺に２つの空隙Ｖ１，Ｖ２が設けられている。

コイルパターン３は、電流バー１２を流れる電流の大きさ及び変化に応じて発生するギャップＧ間の磁束変化を誘導電圧として検出する。コイルパターン３は、基板１上であって、ギャップＧを介在しない領域に形成された電流検出回路４に接続される。電流検出回路４は、コイルパターン３から入力された誘導電圧に対してフィルタ処理などを施し、計測目的の周波数成分のみを抽出する処理を行って、電流バー１２に流れる電流の計測を行う。

なお、基板１に設けられた穴５は、基板１を図示しない固定部に取付固定するためのねじ穴である。この基板１の固定によって基板１内の検出部２のコイルパターン３は、ギャップＧ内の所定位置に固定配置される。

検出部２は、電流検出回路４が設けられる基板１側に対し、接続部２１を介して接続される。また、空隙Ｖ１，Ｖ２の一部は、検出部２の周辺で対向する２辺に沿うように形成され、この２辺に沿った空隙の長さＬ１は、２辺に沿った検出部２内のコイルパターン３の長さＬ２よりも長い。なお、図２では、接続部２１が形成される辺の一部で基板１側に接続され、空隙Ｖ１，Ｖ２が接続部２１側に回り込んでいる。

ここで、図３に示すように、ギャップＧ内に配置されたコイルパターン３は、検出部２が、集磁コア１０の端部方向である方向ａに移動した場合、ギャップＧから外れる方向ｂに移動した場合、さらには、変形した場合における端部方向に対する面積が変化した場合、検出する磁束が変化し、電流計測精度が低下する。

本実施の形態では、検出部２の周辺に空隙Ｖ１，Ｖ２を設け、検出部２の１辺の一部が接続された接続部２１のみで基板１側と接続しているため、基板１全体の変形が検出部２に伝わりにくくなる。この結果、基板１全体に外力が掛かって歪む場合であっても外力が検出部２に伝わりにくくなり、検出部２のコイルパターン３の変形や位置ずれが生じにくくなるので、電流計測精度の低下を少なくすることができる。

ここで、図４を参照して基板１の変形による検出部２への影響について説明する。図４（ａ）は基板１のＡ−Ａ線断面図である。図４（ａ）の状態から、基板１に外力が掛かると、図４（ｂ）に示すように基板１は大きく変形する。しかし、検出部２は、一部の接続部２１のみで基板１側に接続されているため、検出部２には、変形による応力の伝達は少ない。すなわち、図４（ｃ）に示すように、基板１本体側は、歪み量が大きい特性曲線ＬＬ１を描くが、コイルパターン３が形成された検出部２は歪み量がほとんどない特性曲線ＬＬ２を描く。この結果、基板１が大きく変形しても、ギャップＧにおける検出部２の配置位置の変化は小さく、コイルパターン３を用いた電流計測精度の低下を抑えることができる。

なお、図２に示すように、基板１が矩形で長手方向の幅Ａ２が短手方向の幅Ａ１に比して長い場合、基板１は長手方向の変形が生じやすいため、空隙Ｖ１，Ｖ２は、少なくとも長手方向に設け、接続部２１は短手方向に設けておくことが好ましい。また、検出部２の一端部は、基板１の縁部として自由端とすることが好ましい。これらの構成とすることによって、基板１本体側の変形応力の伝達を小さくすることができる。

図５は、本発明の実施の形態である電流センサの変形例１を示す基板１の平面図である。この変形例１では、検出部２に対応する検出部２ａの周囲に形成された空隙Ｖ１１，Ｖ１２は、基板１の短手方向の対向する２辺のみに形成されている。したがって、検出部２ａの接続部２２は、基板１の縁部に対向する辺側の全部が基板１側に接続される。この構成によっても、検出部２ａに対する、基板１本体側の変形応力の伝達を小さくすることができる。

なお、この変形例１では、空隙Ｖ１１，Ｖ１２の切り欠きを直線的に形成するのみでよいため、製造が容易となる。

図６は、本発明の実施の形態である電流センサの変形例２を示す基板１の平面図である。この変形例２では、検出部２に対応する検出部２ｂの一端部が自由端とならず、基板１の縁部に対して検出部２ｂの辺の一部が接続された接続部２３ｂを介して接続されている。なお、検出部２ｂの一端部に対向する接続部２３ａは、接続部２１と同様に１辺の一部のみが基板１側に接続されている。この変形例２でも、検出部２ｂの周囲に空隙Ｖ２１，Ｖ２２が形成され、検出部２ｂに対する、基板１本体側の変形応力の伝達を小さくすることができる。

図７は、本発明の実施の形態である電流センサの変形例３を示す基板１の平面図である。この変形例３では、図６に示した検出部２ｂの構成に対して、さらに長手方向に接続部２４ｃ，２４ｄを設けた検出部２ｃとしている。検出部２ｃは、検出部２ｂと同様に、接続部２３ａ，２３ｂに対応した接続部２４ａ，２４ｂを有する。そして、検出部２ｃは、これらの接続部２４ａ〜２４ｄ以外の周囲に４つの空隙Ｖ３１〜Ｖ３４を形成している。この変形例３でも、検出部２ｃの周囲に空隙Ｖ３１〜Ｖ３４が形成され、検出部２ｃに対する、基板１本体側の変形応力の伝達を小さくすることができる。

なお、基板１の変形が短手方向に対して大きい場合、接続部は、接続部２４ｃ，２４ｄのみとすることが好ましい。すなわち、基板１の変形が大きい方向に空隙を設け、基板１の変形が小さい方向に辺の一部のみを接続することが好ましい。

図８は、集磁コア１０に２つのギャップが形成され、この２つのギャップにそれぞれコイルパターンをもつ検出部４２ａ，４２ｂを形成した基板４０の一例を示す平面図である。図８に示すように、基板４０は、縁部に、検出部２に対応する２つの検出部４２ａ，４２ｂを形成し、それぞれ空隙Ｖ１，Ｖ２に対応する空隙Ｖ４１，Ｖ４２、Ｖ４３，Ｖ４４を形成している。この電流センサも、検出部４２ａ，４２ｂの周囲にそれぞれ空隙Ｖ４１，Ｖ４２、Ｖ４３，Ｖ４４を形成し、検出部４２ａ，４２ｂに対する、基板４０本体側の変形応力の伝達を小さくするようにしている。

図９は、集磁コア１０に２つのギャップが形成され、この２つのギャップにそれぞれコイルパターンをもつ検出部５２ａ，５２ｂを電流バー１２に直交する方向から挿入配置する基板５０の一例を示す平面図である。図９に示すように、基板５０は、２つのギャップ位置に対応した検出部５２ａ，５２ｂを形成している。検出部５２ａは、基板５０の中央部分に設けられ、検出部５２ｂは、基板５０の縁部に設けられる。検出部５２は、各辺の一部が基板５０側に接続された接続部を有し、４つの空隙Ｖ５１〜Ｖ５４が形成されている。また、検出部５２ｂは、検出部２と同様に、基板５０の縁部に対向する１辺の一部のみが基板５０側に接続され、空隙Ｖ５６，Ｖ５７が形成されている。この電流センサも、検出部５２ａ，５２ｂの周囲にそれぞれ空隙Ｖ５１〜Ｖ５４、Ｖ５６，Ｖ５７を形成し、検出部５２ａ，５２ｂに対する、基板５０本体側の変形応力の伝達を小さくするようにしている。

図１０は、図９に示した基板５０が集磁コア１０の２つのギャップＧ１，Ｇ２に配置された状態を示す電流センサ１０１の全体構成を示す斜視図である。この電流センサ１０１は、図１０に示すように、集磁コア１０が、２つのキャップＧ１，Ｇ２で分割された集磁コア１０ａ，１０ｂからなる。２つの検出部５２ａ，５２ｂを有する基板５０は、検出部５２ａ，５２ｂが２つのギャップＧ１，Ｇ２にそれぞれ介在するように配置される。

図１１は、上述した電流センサ１００（１００，１０１）を用いた電力量計２００の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、電力量計２００は、上述した電流センサ１００と、電圧センサ２０１と、電流センサ１００の基板１（１，４０，５０）から出力された電流計測結果と、電圧センサ２０１から出力された電圧計測結果とをもとに電流バー１２の電力量を算出する電力量算出部２０２と、電力量算出結果を出力する出力部２０３とを有する。これにより上述した電流センサ１００，１０１を用いて電力量計測を行うことができる。

１，４０，５０ 基板
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，４２ａ，４２ｂ，５２ａ，５２ｂ 検出部
３ コイルパターン
４ 電流検出回路
５ 穴
１０，１０，１０ｂ 集磁コア
１１ 端部
１２ 電流バー
２１，２２，２３ａ，２３ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ 接続部
１００，１０１ 電流センサ
２００ 電力量計
２０１ 電圧センサ
２０２ 電力量算出部
２０３ 出力部
Ｇ ギャップ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ３１〜Ｖ３４，Ｖ４１〜Ｖ４４，Ｖ５１〜Ｖ５７ 空隙

Claims (8)

1. 電流を流す電流バーと、前記電流バーを囲むように形成された集磁コアと、前記集磁コアのギャップに介在されて磁気検出を行うコイルパターンが設けられ、前記電流バーに流れる電流量を検出する基板とを有した電流センサであって、
   前記コイルパターンは基板上に形成され、前記コイルパターンが形成された検出部の周辺に空隙を設けたことを特徴とする電流センサ。
2. 前記空隙は、前記検出部の周辺に２箇所以上設けられることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記空隙は、前記検出部の周辺で対向する２辺に沿うように形成され、
   前記２辺に沿った空隙の長さは、前記２辺に沿った前記検出部内のコイルパターンの長さよりも長いことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記検出部は、前記空隙以外の部分で前記基板側に接続される接続部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電流センサ。
5. 前記検出部の一端部は、前記基板の縁部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電流センサ。
6. 前記検出部は、前記一端部に対向する他端部の一部または全部で前記基板側に接続されることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記接続部は、前記基板の短手方向に設けられることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の電流センサ。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流量と入力される電圧量とをもとに前記電流バーを流れる電力量を算出することを特徴とする電力量計。

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