(57)【要約】      （修正有）【課題】電流センサが配置されるスペースが狭い場合であっても、低コストかつ広い電流測定範囲で電流計測を精度高く行うことができる電流センサ及び電力計を提供する。【解決手段】検知すべき電流が流れる電流バー５と、電流バー５が貫通するとともに空隙３が設けられた集磁コア２と、空隙３に設けられた磁気検出素子を有した基板４とを有し、磁気検出素子が検出した磁気検出結果によって電流バー５を流れる電流を検出する電流センサ１であって、電流バー５は、３つの部分電流バー６，７，８が順次結合された一連の部分電流バーであり、各部分電流バー６，７，８は、空隙３を３方向から囲むように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知すべき電流が流れる電流バーと、前記電流バーが貫通するとともに１以上の空隙が設けられた集磁コアと、前記１以上の空隙に設けられた１以上の磁気検出素子を有する基板とを有し、前記１以上の磁気検出素子が検出した磁気検出結果によって前記電流バーを流れる電流を検出する電流センサであって、
前記電流バーは、前記１以上の空隙のうちの１つの前記空隙を３方向から囲むように配置されることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記電流バーは、３つの部分電流バーが順次結合された一連の部分電流バーであり、各部分電流バーは、前記１以上の空隙のうちの１つの前記空隙を３方向から囲むように配置され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】
前記集磁コアを貫通する電流バーは、前記集磁コアに垂直に貫通し、貫通部分は直線形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記集磁コアを貫通する電流バーは、前記集磁コアの中心を貫通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。
【請求項５】
前記空隙を３方向から囲む電流バーの軸に囲まれる平面は前記空隙を通過するように配置され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。
【請求項６】
前記磁気検出素子は、前記基板に形成された１以上のコイルパターンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電流センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載した電流センサが検出した電流信号と電圧センサが検出した電圧信号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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサが配置されるスペースが狭い場合であっても、低コストかつ広い電流測定範囲で電流計測を精度高く行うことができる電流センサ及び電力量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、基板上にホール素子などの磁電変換素子やコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、測定対象である一次電流が流れる回路とは電気的に分離されているため、一次電流側の回路に影響を与えることなく、精度よく電流を計測可能な点で優れている。さらにコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、直線性および温度特性に優れ、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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−４８７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、集磁コアのギャップ部に磁電変換素子を配置する電流センサでは、ギャップ部に発生する磁束が、集磁コアの磁気特性とギャップ部の形状とにより決定される。この電流センサでは、数ｍｍのギャップ幅とすることで比較的直線性を良くすることができるものの、集磁コアで用いられている磁性体の磁界に対する非線形性により直線性が悪くなる場合がある。具体的には、電流バーに大電流が流れた場合は、集磁コアで用いられている磁性体の磁気飽和により透磁率が低下し、それに伴いギャップ部に発生する磁束も低下するために測定電流に対して発生する磁束が理想的な比例関係ではなくなり、直線性が悪化する。なお、一般的に磁性体の透磁率は材質に応じて所定の磁界で透磁率が最も大きくなり、初透磁率は最大透磁率に対して小さくなる。したがって、電流バーに小さな電流が流れた場合も透磁率が低いことが原因で発生する磁束が低下し、測定電流に対して発生する磁束が理想的な比例関係ではなくなり、直線性が悪化する。
【０００６】
ここで、上記の電流センサでは、電流センサが配置されるスペースの制約から、電流バーを曲げて配置する場合もあり、電流バーで囲われた集磁コアの一部分で磁気飽和が起こり易くなり、直線性が悪化してしまう場合があった。
【０００７】
そこで、上記の磁気飽和を抑えるために、飽和磁束密度が大きい材質の集磁コアを用いることが考えられるが、飽和磁束密度が小さい材質に比べて飽和磁束密度が大きい材質は、コストが高いという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電流センサが配置されるスペースが狭い場合であっても、低コストかつ広い電流測定範囲で電流計測を精度高く行うことができる電流センサ及び電力計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、検知すべき電流が流れる電流バーと、前記電流バーが貫通するとともに１以上の空隙が設けられた集磁コアと、前記１以上の空隙に設けられた１以上の磁気検出素子を有する基板とを有し、前記１以上の磁気検出素子が検出した磁気検出結果によって前記電流バーを流れる電流を検出する電流センサであって、前記電流バーは、前記１以上の空隙のうちの１つの前記空隙を３方向から囲むように配置されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記電流バーは、３つの部分電流バーが順次結合された一連の部分電流バーであり、各部分電流バーは、前記１以上の空隙のうちの１つの前記空隙を３方向から囲むように配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記集磁コアを貫通する電流バーは、前記集磁コアに垂直に貫通し、貫通部分は直線形状であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記集磁コアを貫通する電流バーは、前記集磁コアの中心を貫通することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記空隙を３方向から囲む電流バーの軸に囲まれる平面は前記空隙を通過するように配置されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記磁気検出素子は、前記基板に形成された１以上のコイルパターンであることを特徴とする。
【００１５】
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信号と電圧センサが検出した電圧信号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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、３つの部分電流バーが順次結合された一連の部分電流バーの各部分電流バーが、集磁コアに形成された１以上の空隙のうちの１つの前記空隙を３方向から囲むように配置しているので、集磁コアを貫通する部分電流バー以外の部分電流バーによって生じる磁束密度の高い部分が透磁率の低い前記空隙の部分となり、集磁コアが磁気飽和しにくくなる。この結果、本願発明では、電流センサが配置されるスペースが狭い場合であっても、低コストかつ広い電流測定範囲で電流計測を精度高く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である電流センサの構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した電流センサをＸ方向からみた側面図である。
【図３】図３は、空隙に配置される磁気検出素子の一例を示す図である。
【図４】図４は、平行配置される部分電流バーに流れる電流によって生成される磁束の状態を示す図である。
【図５】図５は、電流バーに流れる電流に対する磁気検出素子が検出する検出電流の関係を示す図である。
【図６】図６は、電流バーの配置が異なる電流センサの一例を示す斜視図である。
【図７】図７は、電流バーの配置が異なる電流センサの他の一例をＸ方向からみた図である。
【図８】図８は、空隙及び空隙に配置される磁気検出素子がそれぞれ２つ設けた場合における電流バーの配置の一例を示す斜視図である。
【図９】図９は、図８に示した電流センサをＸ方向からみた図である。
【図１０】図１０は、電流バーの太さが空隙の幅を超える場合における電流バーの配置の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、図１に示した電流センサを用いた電力量計の一例を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、三相電流及び三相電圧間のベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態である電流センサ１の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した電流センサ１をＸ方向からみた側面図である。さらに、図３は、図１に示した空隙３に介在する基板４の一例を示す平面図である。図１〜図３に示すように、電流センサ１は、電流を流す電流バー５を囲むように形成された集磁コア２と、集磁コア２の空隙３に介在して磁気検出を行う磁気検出素子１０が設けられ、電流バー５に流れる電流信号を検出する基板４とを有する。
【００２０】
電流バー５は、３つの部分電流バー６，７，８が順次結合された一連の部分電流バーであり、各部分電流バー６，７，８は、空隙３を、Ｘ方向、Ｙ方向、−Ｘ方向の３方向から囲むように配置される。電流バー５は、集磁コア２の＋Ｙ方向に配置され、集磁コア２の−Ｙ方向には配置されないため、電流センサ１の配置スペースを小さくすることができる。
【００２１】
集磁コア２の中央開口２ａを貫通する部分電流バー７は、集磁コア２に垂直にＸ方向に貫通し、貫通部分の部分電流バー７は直線形状である。また、集磁コア２の中央開口２ａを貫通する部分電流バー７の軸Ｃ２は、集磁コア２の中心軸Ｃを貫通する。これにより、部分電流バー７を流れる電流によって生成される磁束は、効率的に集磁コア２内に形成される。また、各部分電流バー６，７，８の軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に囲まれる平面Ｓは、空隙３の空隙空間Ｅ３を通過するように配置される。
【００２２】
図３に示すように、基板４上には磁気検出素子１０が設けられ、基板４は空隙３内に配置される。磁気検出素子１０は、基板４上に形成されたコイルパターン２１である。コイルパターン２１は、空隙３の空隙空間Ｅ３内に配置される。コイルパターン２１は、空隙３内の磁束変化を誘導電圧として検出する。図３では、コイルパターン２１は、図上、右巻きで同一方向に巻かれ、上下に配置された２つのコイルパターンで形成されている。上部に配置された１つのコイルパターンと、下部に配置され、基板４の内部に形成された他の１つのコイルパターンとは、ビア２２ａで接続される。コイルパターン２１は、インダクタンスを高くすると磁気検出感度が増すため、コイルパターン数は多い方が好ましい。コイルパターン２１の端子２２ｂ，２２ｃは、空隙３に覆われない領域に形成された端子２２ｄ，２２ｅにそれぞれ接続線２３ａ，２３ｂを介して接続される。端子２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅは、ビアであり、接続線２３ａ，２３ｂは基板４の内部に形成される。
【００２３】
なお、基板４内には、図示しない信号処理回路を設けてもよい。信号処理回路は、基板４の空隙３外で端子２２ｄ，２２ｅを介して磁気検出素子１０に接続される。信号処理回路は、例えば、図示しないフィルタ回路、増幅回路、及び出力回路を有する。フィルタ回路は、ローパスフィルタであり、磁気検出素子１０から出力される電流信号から高周波成分を除去し、電流バー５を流れる５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用周波数成分を透過させる。増幅回路は、フィルタ回路で透過した電流信号を増幅する。出力回路は、増幅回路で増幅された電流信号を外部出力する。
【００２４】
図４は、平行配置される部分電流バー６，８に流れる電流によって生成される磁束の状態を示す図である。図４に示すように、互いに異なる方向の電流が流れる平行線間では、各部分電流バー６，８が生成する磁束が合成され、部分電流バー６，８間では磁束密度の高い領域Ｅが形成される。この実施の形態では、この領域Ｅが空隙空間Ｅ３となるように、部分電流バー６，７，８の各軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が囲む平面Ｓが空隙空間Ｅ３を通るように、部分電流バー６，７，８が配置される。
【００２５】
領域Ｅが集磁コア２の空隙３以外のコア部分となると、このコア部分が磁気飽和してしまうが、本実施の形態では、領域Ｅが空隙空間Ｅ３となり、空隙空間Ｅ３を形成する空気の透磁率は低いため、磁気飽和しにくくなる。
【００２６】
図５は、電流バー５に流れる電流Ｉに対する磁気検出素子１０が検出する検出電流ｉの関係を示す図である。図５に示すように、検出電流ｉは、集磁コア２が磁気飽和する、電流バー５に流れる電流Ｉｓを超えると、検出電流ｉも検出電流ｉｓで飽和し、電流計測範囲が狭くなる。しかし、本実施の形態では、電流バー５によって形成される磁束密度の高い領域Ｅが空隙空間Ｅ３となるため、集磁コア２の磁気飽和の影響を抑え、電流バー５に流れる電流Ｉに対する検出電流ｉの直線性の高い計測範囲を広げた状態で維持することができる。
【００２７】
なお、図１では、部分電流バー７が集磁コア２の中央開口２ａを貫通するようにしていたが、これに限らず、図６に示すように、部分電流バー６が集磁コア２の中央開口２ａを貫通する電流センサ１ａとしてもよい。これにより、集磁コア２に対する電流バー５の配置を柔軟に行うことができる。なお、部分電流バー８を集磁コア２の中央開口２ａを貫通するようにしてもよい。この場合、電流バー５は、集磁コア２に対してＸ方向に配置されることになる。
【００２８】
また、図７に示す電流センサ１ｂのように、空隙３が図１に示した電流センサ１の空隙３に比して−Ｚ方向に偏って配置される場合、部分電流バー６，７，８の各軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３によって囲まれる平面Ｓを−Ｚ方向に傾かせ空隙空間Ｅ３を通るように部分電流バー６，８を配置する。
【００２９】
さらに、図１に示した電流センサ１は、集磁コア２に１つの空隙３を設け、この空隙３に１つの基板４を配置していたが、集磁コア２に２以上の空隙３を設け、各空隙３にそれぞれ基板４を配置して電流計測してもよい。例えば、図８及び図９に示すように、集磁コア２に２つの空隙３ａ，３ｂを設け、各空隙３ａ，３ｂにそれぞれ基板４ａ，４ｂを設けて電流計測してもよい。この場合、電流バー５の部分電流バー６，７，８は、いずれか一方の空隙空間Ｅ３、例えば空隙３ｂの空隙空間Ｅ３を３方向から囲むように配置される。
【００３０】
また、図１０に示すように、電流バー５（部分電流バー６，７，８）の太さＷ２は、空隙３の幅Ｗ１を超えてもよい。この場合、部分電流バー６，７，８は、部分電流バー６，７，８の各軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が囲む平面Ｓが空隙空間Ｅ３を通過するように配置される。これは、磁束が集中する領域Ｅを空隙空間Ｅ３とすることにより、集磁コア２の磁気飽和が抑えられるからである。
【００３１】
なお、上記の実施の形態では、各部分電流バー６，７，８が直線形状であったが、直線部分は、集磁コア２の中央開口２ａを通過する部分のみであってもよい。例えば、図１に示した部分電流バー６，７の結合部分や部分電流バー７，８の結合部分は、円弧形状などで湾曲していてもよく、多段階で屈曲していてもよい。さらに、図６に示した部分電流バー７は、Ｘ方向に凸となるＵ字形状の電流バー５としてもよい。
【００３２】
また、磁気検出素子１０は、磁電変換素子の一例であり、例えば、コイル素子やコイルパターン以外にホール素子などであってもよい。
【００３３】
本実施の形態では、３つの部分電流バー６，７，８が順次結合された一連の部分電流バーの各部分電流バー６，７，８が、集磁コア２に形成された１以上の空隙３，３ａ，３ｂのうちの１つの空隙３，３ａ，３ｂを３方向から囲むように配置しているので、集磁コア２を貫通する部分電流バー以外の部分電流バーによって生じる磁束密度の高い部分が透磁率の低い空隙３，３ａ，３ｂの部分となり、集磁コア２が磁気飽和しにくくなる。この結果、実施の形態では、電流センサ１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが配置されるスペースが狭い場合であっても、低コストかつ広い電流測定範囲で電流計測を精度高く行うことができる。
【００３４】
なお、上記の電流バー５は、１つの部分電流バーが集磁コア２の中央開口２ａを貫通し、先端側が屈曲し、あるいは湾曲して戻るように形成されているが、この電流バー５は、集磁コア２の空隙３から容易に挿入できるため、電流センサ１，１ａ〜１ｄの製造も容易に行うことができる。
【００３５】
（応用例：電力量計）
図１１は、上記の実施の形態で示した電流センサを用いた電力量計２００の一例を示すブロック図である。この電力量計２００は、電源ＳＰと負荷ＬＤとの間の三相電力量を計測するものであり、２電力計法により求めている。なお、図１２は、三相電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ及び三相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ間のベクトル図を示している。
【００３６】
図１１に示すように、電力量計２００は、実施の形態で示した電流センサに対応する電流センサ１００ａ，１００ｂ、電圧センサ２０１ａ，２０１ｂ、電力量算出部２０２、出力部２０３を有する。電流センサ１００ａは、Ｒ相の電流信号を検出する。電流センサ１００ｂは、Ｔ相の電流信号を検出する。また、電圧センサ２０１ａは、Ｒ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。電圧センサ２０１ｂは、Ｔ相とＳ相との間の電圧信号を検出する。
【００３７】
電力量算出部２０２は、電流センサ１００ａの電流信号と電圧センサ２０１ａの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求めるとともに、電流センサ１００ｂの電流信号と電圧センサ２０１ｂの電圧信号とを乗算して瞬時電力信号を生成し、これをローパスフィルタで平滑した有効電力を求め、各有効電力を加算した有効電力を電力量として算出する。出力部２０３は、この算出された電力量を表示出力あるいは外部出力する。
【００３８】
なお、２電力計法で求める三相電力Ｐは、
Ｐ＝ＶＲＳ・ＩＲ＋ＶＴＳ・ＩＴ
＝（ＶＲ−ＶＳ）・ＩＲ＋（ＶＴ−ＶＳ）・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・（−ＩＲ−ＩＴ）＋ＶＴ・ＩＴ
＝ＶＲ・ＩＲ＋ＶＳ・ＩＳ＋ＶＴ・ＩＴ
となり、各相の電力を合計した電力を求めたことと同じになる。
【００３９】
また、上記の実施の形態及び応用例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１，１ａ，１ｂ，１００ａ，１００ｂ  電流センサ
２  集磁コア
２ａ  中央開口
３，３ａ，３ｂ  空隙
４，４ａ，４ｂ  基板
５  電流バー
６，７，８  部分電流バー
１０  磁気検出素子
２１  コイルパターン
２２ａ  ビア
２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ  端子
２３ａ，２３ｂ  接続線
２００  電力量計
２０１ａ，２０１ｂ  電圧センサ
２０２  電力量算出部
２０３  出力部
Ｃ  中心軸
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３  軸
Ｅ  領域
Ｅ３  空隙空間
ｉ  検出電流
Ｉ  電流
Ｓ  平面
Ｗ１  幅
Ｗ２  太さ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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