(57)【要約】【課題】狭い場所でも組み立てが容易で、測定精度の高い電流センサを提供する。【解決手段】電流が流れる導体と、電流を検知する電流検出ヘッドと、電流検出ヘッドを覆うシールドとを有し、導体に取り付けた絶縁性の支持部材と、支持部材を介して固定した前電流検出ヘッドと、導体と電流検出ヘッドとを囲むように配置した磁性体ないし金属材料のシールドを備え、シールドの内側空間に導体を配置するときに、導体を通過できる幅の開口部（ギャップ）を設け、シールドの開口部は、導体の長辺が並行し、電流検出ヘッドが、導体を介して、シールドの開口部と対向する位置になるように配置する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流れる導体と、電流を検知する電流検出ヘッドと、前記電流検出ヘッドを覆うシールドとを有する電流センサにおいて、
前記導体に取り付けた絶縁性の支持部材と、前記支持部材を介して固定した前記電流検出ヘッドと、前記導体と前記電流検出ヘッドとを囲むように配置した磁性体ないし金属材料の前記シールドを備え、前記シールドの内側空間に前記導体を配置するときに、前記導体を通過できる幅の開口部が前記シールドに設けられていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記導体は矩形であって、前記シールドの開口部は、前記導体の長辺方向に並行でかつ、前記導体の短辺方向に前記導体と所定間隔を設けた位置とすることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記電流検出ヘッドは、前記シールドの開口部に対して前記導体を介して対向する側に配置することを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記シールドの開口部の幅は、電流を検出する前記導体に流れる電流で発生する磁界のうちの前記電流検出ヘッド位置での第一の磁界強度と、前記導体以外の導体に流れる電流により発生する磁界による前記電流検出ヘッド位置での第二の磁界強度とを、前記シールドの開口部の幅に対して求め、前記第一の磁界強度に対する前記第二の磁界強度の割合が増加するシールドの開口部の幅よりも狭い幅とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項５】
前記シールドの開口部の幅は、前記シールドの構成材の厚み内部最大磁束密度を、前記シールドの開口部の幅に対して求め、求めた前記最大磁束密度が、前記シールドの構成材質の磁気飽和磁束密度以下になる幅とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサ、特にシールドの構造を特徴とする電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電流が流れる導体に設けられる電流センサとしては、測定しようとする電流によって生ずる磁界以外の外部の磁界（外乱磁界）による影響を抑えるため、シールドを設けている構成が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。
また、安定したシールド効果を得るために、シールドの構成として、被測定電流線に対して対称な位置の２箇所に開口部（ギャップ）を設けている構成が、特許文献３及び特許文献４に開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１３１３４２号公報
【特許文献２】特開２００１−１１６７７３号公報
【特許文献３】特開２０００−２５８４６４号公報
【特許文献４】特開平７−９２１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述のようなシールドを設けた電流センサにおいては、次のような問題があった。
シールドにギャップが無い場合はもとより、ギャップ幅が狭い場合は、シールド内の磁束密度が大きくなり、シールドの時期飽和が生じ、適切なシールド効果が達成できない。また、ギャップ幅が大きい場合は、外部磁界の影響の防止効果が低下してしまう。更に、測定すべき導体や電流センサを取り囲むように、シールドを設置するため、シールドの組み立ては容易ではない。特に、複数相の電線が設置されている状態で、そのうちの一相に電流センサを後付けするような場合、相間の間隔が狭いと、その組み立てはかなり困難であることが多い。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、以上の問題を解消した電流センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の電流センサは、電流が流れる導体と、電流を検知する電流検出ヘッドと、電流検出ヘッドを覆うシールドとを有し、導体に取り付けた絶縁性の支持部材と、支持部材を介して固定した電流検出ヘッドと、導体と電流検出ヘッドとを囲むように配置した磁性体ないし金属材料のシールドを備え、シールドの内側空間に導体を配置するときに、導体を通過できる幅の開口部（ギャップ）をシールドに設けることにする。
【０００６】
また、導体は矩形であって、シールドの開口部は、導体の長辺方向に並行でかつ、導体の短辺方向に導体と所定間隔を設けた位置とし、電流検出ヘッドは、シールドの開口部に対して導体を介して対向する側に配置することにする。
そして、シールドの開口部の幅は、電流を検出する導体に流れる電流で発生する磁界のうちの電流検出ヘッド位置での第一の磁界強度と、導体以外の導体に流れる電流により発生する磁界による電流検出ヘッド位置での第二の磁界強度とを、シールドの開口部の幅に対して求め、第一の磁界強度に対する第二の磁界強度の割合が増加するシールドの開口部の幅より狭くし、さらに、シールドの開口部の幅は、シールドの構成材の厚み内部最大磁束密度を、シールドの開口部の幅に対して求め、求めた最大磁束密度が、シールドの構成材質の磁気飽和磁束密度以下になる幅にする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、狭い場所でも従来に比べて組み立てが容易な電流センサを提供できる。
また、ギャップ幅を適切に選ぶことにより、外乱磁界の影響を抑えた十分なシールド効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、三相電流の計測に本発明を適用した例としての電流センサ４を上部からみた図である。図２は、図１のうちの電流センサが取り付けられている電流バーである平板状導体２に対する縦断面正面図であり、図３は、同縦断面の側面図である。
【０００９】
本実施例では、三相の電流バーである平板状導体１,２,３のうち、平板状導体２のみに本発明の電流センサ４を取り付けた例としているが、電流センサは三相すべてに取り付ける場合や、二つの相に取り付ける場合など、適宜選択して適用ができ、取り付ける場所や位置は限定されない。
本実施例の電流センサ４の構造は、以下の通りである。平板状導体２には、支持部材６の切り込み５をさし込み、ネジ７により平板状導体２の長手方向（長辺）の両側に、２個の支持部材６を固定する。そして、支持部材６に回路基板８をネジ９でネジ止めして、回路基板８上に、例えば、アモルファスワイヤによるＭａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ（ＭＩ）効果を利用した磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）とＭＩ素子から検出電流を取り出して出力する検出回路である電流検出ヘッド１０とを有するＩＣチップを取り付ける。これらの支持部材６、回路基板８、平板状導体２を取り囲むように、シールド１１を配置し、ネジ１２によって支持部材６にシールド１１を固定する。電流検出ヘッド１０は、平板状導体２の長手方向に平行で所定の間隔を設けた位置に配置され、シールド１１の開口部であるキャップ１３は、平板状導体２の長手方向に対し、電流検出ヘッド１０と対向する反対側に位置するようにする。また、回路基板８の下部には、電流検出ヘッド１０に電源を供給したり、検出信号を取り出したりするための入出力コネクタ１４を設ける。
【００１０】
本実施例においては、ネジ固定による例を示したが、接着剤による固定も可能である。
次に、本実施例による電流センサ４の組み立て手順について、図４（ａ）〜（ｅ）により説明する。
（ａ）先ず、平板状導体２の長手方向の両側に、切り込み５を有する１対の支持部材６をさし込み、支持部材６をネジ７で平板状導体２にネジ止め固定する。
（ｂ）次に、電流検出ヘッド１０が取り付けられている回路基板８を、支持部材６にネジ９で固定する。
（ｃ）シールド１１を用意し、支持部材６により平板状導体２の所定の位置に固定された回路基板８の上方（あるいは下方）に、電流検出ヘッド１０側から、シールド１１のキャップ１３を平板状導体２に通す。
（ｄ）そして、シールド１１を下（あるいは上）に動かして、シールド１１を回路基板８の位置まで移動する。
（ｅ）最後に、支持部材６の側面に、シールド１１をネジ１２により固定し、組み立てが完成する。
【００１１】
ここで、シールド１１のギャップ１３は、平板状導体２の長手方向のサイズよりわずかに大きい幅であれば、ギャップ１３は、簡単に平板状導体２を通すことができる。
例えば、図１のように、三相の電流バー（平板状導体）が設置されている状態であっても、平板状導体２の正面からシールドを取り付けられるので、各相の平板状導体の間隔が狭くても、容易に取り付けることが可能となる。
【００１２】
また、別の実施例を図５、図６に示す。図５は、本発明の別の実施例である電流センサ４ａを上部からみた図である。
図１との違いは、シールド１１ａが、図１に示したシールド１１のギャップ１３に比べて狭い幅のギャップ１３ａとなっている点である。
すなわち、ギャップ１３ａは、断面が矩形である平板状導体１、２、３の短辺方向（本実施例では厚み方向）が通過できるだけの幅を有していれば良く、図１の実施例におけるギャップ１３に比べて、幅を狭くすることが可能となる実施例である。
【００１３】
図６（ａ）〜（ｅ）には、別の実施例である電流センサ４ａの組み立て手順を示す。
電流センサ４ａの組み立て方法は、手順（ａ）、（ｂ）までと（ｅ）は、図４の時と同一である。
（ｃ）では、平板状導体１、２、３に対するシールド１１ａの挿入方向が、図４に対して９０度異っており、平板状導体１、２、３の短辺（厚み）方向をギャップ１３ａに通す。
（ｄ）そして、平板状導体１、２、３にギャップ１３ａを通した後、ギャップ１３ａが電流検出ヘッド１０の設置位置の反対側になるように、シールド１１ａを９０度回転させてから、シールド１１ａを上下に動かして、シールド１１ａを回路基板８の位置まで移動するようにする。
【００１４】
以上の手順により、シールド１１ａのギャップ１３ａ幅を狭くしても、容易にシールドの組み立てを実現できる。
以上のように、本実施例においては、平板状導体１、２、３に支持部材６を固定し、支持部材６を介して、回路基板８とシールド１１、１１ａとを固定する構成を示しているが、平板状導体１、２、３に支持部材６を固定し、支持部材６にシールド１１、１１ａを固定して、シールド１１、１１ａに回路基板８を固定しても良いし、支持部材６と回路基板８とを一体構造として、本一体構造部品を介して平板状導体１、２、３とシールド１１、１１ａとを固定する構成であっても良い。
【００１５】
また、支持部材６は、平板状導体１、２、３の長手方向の両側に、１対の部品として配置する以外に、平板状導体１、２、３の厚み方向を挟み込むように２つに分割した１対の部品とすることも可能であり、本実施例に記載の構造に限定されない。
次に、電流センサと電流バー（平板状導体）の各部位の寸法が、下記に示す値である場合を例に取って、シールドに１１、１１ａにより他相（電流センサ４、４ａの構成に対して、電流を計測する平板状導体と異なる隣相）からの外乱磁界の影響を効果的に抑えることのできるギャップ１３、１３ａの開口寸法について、その一例を説明する。
【００１６】
本実施例は、平板状導体１、２による単相とし、電流センサは平板状導体２のみに設置した構成とした。
シールド１１材は、例えば安価である軟鋼のＳＰＣＣ材が使用できる。このＳＰＣＣ材をシールド１１に使用し、下記の部品寸法や配置間隔とした場合について、汎用ＦＥＭ解析ソフト（ＡＮＳＹＳ：サイバネットシステム社製）を用い、ギャップ１３幅をゼロ〜２６ｍｍの範囲で変化させた時についての計算を行った。
（１）測定対象  ；  単相
（２）平板状導体（電流バー）寸法  ；  １７ｍｍ（幅）×２ｍｍ（厚）
（３）燐相平板状導体ピッチ  ；  ４８ｍｍ
（４）平板状導体と磁気インピーダンス素子との距離  ；  １０ｍｍ
（５）シールド寸法  ；  幅２８ｍｍ×高さ２８ｍｍ×板厚１ｍｍ
（６）シールドのギャップ幅  ；  可変（０〜２６ｍｍ）
結果を図７と図８に示す。
【００１７】
図７は、ギャップ１３の幅を変化させた時の、シールド１１の板の厚み内部での磁束密度の変化を表した図である。
シールド材として用いる強磁性体は、磁気抵抗が小さいので、板材として配置し磁束が通過すると、磁束密度が高くなる。
シールド１１の厚み内部の磁束密度は、一番高い値を示す場所が、ギャップ１３近傍のＲ部分であったので、ここを評価対象の位置として、図７をプロットした。
【００１８】
また、強磁性体の磁束密度には、飽和点が存在するため、材質ごとに異なるＢ-Ｈ特性を把握し、飽和磁束密度以下で使用するような設計が必要となる。例えば、本実施例は、シールド１１材にＳＰＣＣ材を使用ており、ＳＰＣＣ材の飽和磁束密度は約１［Ｔ］であるため、磁気飽和を防ぐために、１［Ｔ］以下の磁束密度で使用するように設計することが望ましい。
【００１９】
したがって、本実施例の条件においては、図７に示す結果から、ギャップ１３の幅は１５ｍｍ以上とすることが良いことになる。飽和磁束密度が更に高い材質を選べば、ギャップ１３の幅を電流センサ４ａの時のギャップ１３ａのように、最適設計条件で狭くすることは可能である。
シールド１１で囲われた内部空間について、燐相の平板状導体（平板状導体２に対して、平板状導体１）などからの周囲磁界の影響が問題となるため、以下に示す（１）式により、電流検出ヘッド１０が、自相である平板状導体２の測定電流から受ける磁界強度に対して、他相平板状導体１が発する磁界の影響を誤差として表すことができる。
【００２０】
電流検出ヘッド１０の位置での磁界強度をＨｓとし、自相の平板状導体２のみの通電により発生する電流検出ヘッド１０の位置での磁界強度をＨｓ２、自相の平板状導体２と燐相平板状導体１の両方を通電により発生する電流検出ヘッド１０の位置での磁界強度をＨｓ１とすると、誤差は、
（（Ｈｓ１  −  Ｈｓ２）  ／  Ｈｓ２）  ×  100                        （１）
で表される。
【００２１】
この誤差が、ギャップ１３の幅を変化させたことで、どのように影響するかを、本実施例の条件で計算した結果を、図８に示す。
図８より、ギャップ１３の幅が２３ｍｍ以下では、誤差の値が約０．０３％の低い値で一定値を示すが、ギャップ１３の幅が２３ｍｍ以上では、急激に誤差の値が増加すること示されている。従って、本実施例の条件においては、ギャップ１３の幅を２３ｍｍ以下とすることで、燐相からの外乱磁界の影響を最小限に抑えることができる。
【００２２】
磁気シールドに重要な、上述の２つの条件を満足するためには、本実施例の条件下においては、シールド１１の最適なギャップ１３の幅は、１５ｍｍ〜２３ｍｍの範囲とすることが良い。
本実施例の条件では、平板状導体の幅寸法が１７ｍｍであるので、１８ｍｍ〜２３ｍｍにギャップ１３幅を設定すれば、図４に示す方法での組み立てが可能であり、１５ｍｍ〜１７ｍｍにギャップ１３幅を設定した場合は、図６の方法で組み立てれば良い。
【００２３】
以上述べたように、平板状導体１、２の幅と、シールド１１の材質による磁気飽和を防ぐ磁束密度地と、燐相からの外乱磁界の影響抑制状態から、電流センサ４のシールド１１の最適ギャップ１３幅を決定する。
さらに、本実施例の条件で、センサ配置位置での磁界の強さについて比較も行った。
電流値は自相・他相とも２８３Ａを流した場合として、計算を行った。シールドは、上述と同様に自相のみである。
シールドを配置しない場合においては、自相の平板状導体から発生する磁界によるセンサ部での磁界の強さが３６４７Ａ／ｍであった時に、４８ｍｍ離れた他相から受けた磁界の強さは２７７Ａ／ｍであり、他相から受けるセンサ感度への影響は７．５％もある。
【００２４】
これに対し、シールドを配置した場合においては、センサ部での磁界の強さとして、自相の平板状導体２によるものが１７６Ａ／ｍであり、シールドが無かった場合の約１／２０に減少してしまうが、他相の平板状導体１による影響も１．８Ａ／ｍであり、シールドが無かった場合の約１／１５０にまで下げられる。
このことから、シールドをすることにより自相電流から発生する磁界も約１/２０に減衰することになるが、他相からの磁界の影響を抑えることで、自相電流の測定精度の向上を図っている。
【００２５】
シールド１１、１１ａは、樹脂等にメッキを施したものや、箔により構成されたものであっても、同等のシールド効果を有する。
また、シールド１１、１１ａは、鉄、コバルト、ニッケル等の磁性材用を用いることで数ｋＨｚ程度までの低周波領域において使用でき、これ以上の高周波の場合においては、フェライト等を用いることができる。これらは、磁性材料を用い、材料中に磁束を吸収する特性を用いた磁気シールドである。また、数百ｋＨｚ程度以上の高周波においては、シールドに銅やアルミ等の金属材料を用いることができる。これは、磁界が加わることで、シールド材料の表面に電流が流れることで生ずる磁束が元の磁束を打ち消すため、磁気シールドと同じ結果を得ることができる。
【００２６】
さらに、平板状導体１、２、３の形状は、矩形に限定されるものではなく、円形や楕円形であっても良く、また矩形であってもエッジ部は電界集中を抑えるための面取りやＲ加工が施されていることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態にかかる電流センサを上部からみた図
【図２】本発明の実施形態にかかる電流センサの縦断面正面図
【図３】本発明の実施形態にかかる電流センサの側面図
【図４】本発明の実施形態にかかる電流センサの組み立て手順
【図５】本発明の別の実施形態にかかる電流センサを上部からみた図
【図６】本発明の別の実施形態にかかる電流センサの組み立て手順
【図７】本発明のシールドのギャップ幅に対するシールド板厚み内部の磁束密度を表した図
【図８】本発明のシールドのギャップ幅に対する他相の平板状導体が作る磁界の影響を誤差として示した図
【符号の説明】
【００２８】
１,２,３  平板状導体
４, ４ａ  電流センサ
５  切り込み
６  支持部材
７,９,１２  ネジ
８  回路基板
１０  電流検出ヘッド
１１, １１ａ  シールド
１３, １３ａ  キャップ
１４  入出力コネクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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