(57)【要約】【課題】測定すべき電流の範囲によって集磁コア自体の形状の大幅な変更がなく、組立ても容易な電流センサ、及びこの電流センサを用いた電力量計を提供する。【解決手段】電流バー７の周囲に設けられた磁性体で成る集磁コア８を含む電流センサを、集磁コア８が、所定の間隔を隔てて配置される２つのギャップ面１１ａ、１１ｂを有するよう構成し、電流バー７を集磁コア８内に配置し、電流バー７に流れる電流によってギャップ面１１ａ、１１ｂ間に発生した磁界を検出する磁気センサ９、磁気センサ９の感度を調整する感度調整部材１０ａ、１０ｂをギャップ面１１ａ、１１ｂ間に配置する。【選択図】  図１
2009204415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状の導電部材で成る線状導電体に流れる被測定電流により、該線状導電体を囲む集磁コア内に生じる磁束を介して被測定電流を検出する電流センサであって、
前記集磁コアに設けられる所定の間隔のギャップと、
前記ギャップ内に配置され、前記被測定電流によって前記ギャップに発生した磁界を検出する磁界検出手段と、
前記ギャップ内に配置され、前記磁界検出手段の感度を調整する感度調整部材と、
を備えることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記感度調整部材は、前記ギャップの両面のいずれか一方または両方に接して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】
前記感度調整部材が、前記磁界検出手段と接して構成され、前記感度調整部材と前記磁界検出手段とが前記ギャップの両面から距離を置いて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４】
前記磁界検出手段が、検出された磁界を電気信号に変換する磁電変換素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記磁界検出手段が、基板上に形成されたコイルパターンを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記感度調整部材が、磁性材料または軟磁性の磁性材料によって成る部材であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の電流センサを用いて電流計測を行なう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、ギャップ付集磁コアを用いた電流センサ、及びこの電流センサを用いて電流計測を行なう電力量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホール素子等の磁電変換素子を含む電流センサには、ギャップ付集磁コアが用いられている。ギャップ付集磁コアに関する従来技術としては、例えば、集磁コアと磁電変換素子とを部品収容室に収容した特許文献１、ギャップにＩＣを設けて漏電を検出する特許文献２が挙げられる。また、ギャップ付集磁コアは、巻き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により構成される電流センサにおいても用いられている。
【０００３】
以下、このようなギャップ付集磁コアについて説明する。
図７及び図８は、従来のギャップ付集磁コアを説明するための図であって、図７はリング状の集磁コア２ａを有するもの、図８はコの字型の集磁コア２ｂを２つ有するものを示している。図７に示したギャップ付集磁コアは、集磁コア２ａの他、電流バー１と磁界検出センサ３ａを有している。また、図８に示したギャップ付集磁コアは、集磁コア２ｂの他、電流バー１と磁界検出センサ３ｂを有している。
【０００４】
図７、図８に示したいずれの構成にあっても、電流バー１に検出の対象となる電流が流れると、電流路の周辺に、流れる電流の大きさに比例する磁界が発生する。磁界検出センサ３ａ、３ｂは、発生した磁界の強度や磁界変化量を変換して得られる電気信号を発生する。なお、発生する電気信号は、磁界検出センサ３ａ、３ｂがホール素子である場合にはホール電圧、コイルである場合には誘導電圧である。
【０００５】
このような信号を使って電流バー１に流れる電流を検出する構成では、電流に起因して発生する磁界強度が小さい場合、電流を高感度に検出することが難しくなる。ギャップ付集磁コアでは、発生した磁界を集磁し、磁界検出センサ３ａ、３ｂに印加される磁界強度を増幅して増大するため、軟磁性体からなる集磁コアが用いられている。
ギャップ付集磁コアによる磁界強度の増幅の程度は、集磁コアのギャップの大きさ、すなわち、コア全体の磁界抵抗に依存する。したがって、比較的低い電流の範囲に適用される場合には、磁界の増幅率を大きくするため、コアの磁界抵抗を低くする必要があって、比較的ギャップ間隔が狭いギャップ付集磁コアが用いられる。
【０００６】
また、比較的大きい電流の範囲に適用される場合には、集磁コアの磁界飽和を避けるため、磁界抵抗が比較的大きいものを使用する必要があって、ギャップ間隔の広いギャップ付集磁コアが用いられる。すなわち、ギャップ付集磁コアを用いた電流センサは、測定すべき電流の範囲に応じてギャップを調整する必要があるものといえる。
【特許文献１】特開２００６−７８２５５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図７に示したギャップ付集磁コアでギャップを変更するためには、測定すべき電流の範囲に応じたギャップの集磁コア２ａを作成する必要がある。ギャップが異なる集磁コア２ａを作成するためには、集磁コア製造用の金型等が必要となるため、製造にかかるコストが高くなるという欠点を生じる。
また、図８に示したギャップ付集磁コアは、２つの集磁コア２ｂの配置を調整することによってギャップを調整できるため、ギャップの変更に新たな金型が必要のなることはない。ただし、２つの集磁コア２ｂを正確に位置決めし、この位置を安定に維持するための構造設計が必要となって集磁コア２ｂの組立が難しいという欠点を生じる。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、測定すべき電流の範囲によって集磁コア自体の形状の大幅な変更がなく、組立ても容易な電流センサ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】
【０００８】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の電流センサは、線状の導電部材で成る線状導電体に流れる被測定電流により、該線状導電体を囲む集磁コア内に生じる磁束を介して被測定電流を検出する電流センサであって、前記集磁コアに設けられる所定の間隔のギャップと、前記ギャップ内に配置され、前記被測定電流によって前記ギャップに発生した磁界を検出する磁界検出手段と、前記ギャップ内に配置され、前記磁界検出手段の感度を調整する感度調整部材と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の電流センサは、請求項１に記載の発明において、前記感度調整部材は、前記ギャップの両面のいずれか一方または両方に接して配置されることを特徴とする。
請求項３に記載の電流センサは、請求項１に記載の発明において、前記感度調整部材が、前記磁界検出手段と接して構成され、前記感度調整部材と前記磁界検出手段とが前記ギャップの両面から距離を置いて配置されることを特徴とする。
請求項４に記載の電流センサは、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記磁界検出手段が、検出された磁界を電気信号に変換する磁電変換素子であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の電流センサは、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記磁界検出手段が、基板上に形成されたコイルパターンを含むことを特徴とする。
請求項６に記載の電流センサは、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、前記感度調整部材が、磁性材料または軟磁性の磁性材料によって成る部材であることを特徴とする。
請求項７に記載の電力量計は、請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の電流センサを用いて電流計測を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、感度調整部材によって磁界検出手段の感度を調整することができるので、新たにギャップ面の間隔が異なる集磁コアを作成することなく、測定すべき電流に応じた間隔のギャップを有する集磁コアを備えた電流センサを実現することができる。また、ギャップを１つとすることによって集磁コアを一体として構成できるので、容易に組立てやギャップ面の間隔を維持することができる。したがって、本発明は、測定すべき電流の範囲によって集磁コア自体の形状の大幅な変更がなく、組立ても容易な電流センサを提供することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、感度調整部材をギャップ面に接するように設けることにより、感度調整部材を容易に配置し、ギャップ面の間隔を簡易に調整することができる。
請求項３に記載の発明は、感度調整部材を磁界検出手段と接して設け、磁界検出手段と感度調整部材をギャップの両面から間隔を隔てて配置することができるから、磁界検出手段及び感度調整部材の配置について設計の自由度を高めることができる。
請求項４に記載の発明は、磁界検出手段に磁電変換素子を用いることにより、電流センサを簡易に構成することができる。
請求項５に記載の発明は、磁界検出手段に基板上に形成されたコイルパターンを用いることにより、磁界検出の範囲の制限を受けることがない電流センサを実現することができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記感度調整部材に磁性材料または軟磁性の磁性材料で成る部材を用いることにより、この部材を配置することによって簡単にギャップ面の間隔を調整することができ、特に軟磁性の磁性材料を用いれば、集磁コアにおける磁界の増幅率を高めることができる。
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の電流センサを用いて電流計測を行なうことにより、異なる電流測定範囲の電力量計を低コストで、組立も容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を参照して本発明に係る本発明の電流センサの実施形態１から実施形態３を説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１の電流センサを説明するための図である。図１に示した電流センサは、線状導電体として電流バー、あるいはｂｕｓｂａｒと呼ばれる金属棒（実施形態１では電流バー７とする）に流れる電流を検出するものとした。なお、実施形態１は、電流バー７に流れる電流を検出するものでなく、プリント基板に設けられた金属配線等に流れる電流を検出するものであってもよい。
【００１５】
実施形態１の電流センサは、電流バー７が挿入される空間Ｓを有する磁性体で成る集磁コア８を含む電流センサである。そして、集磁コア８が、空間Ｓに続く所定の間隔ｇ１を隔てたギャップＧを有している。ギャップＧは、間隔ｇ１を隔てて配置される互いに平行な２つのギャップ面１１ａ、１１ｂを有していて、電流バー７がギャップ面１１ａ、１１ｂに平行に配置されている。なお、集磁コア８は、図１に記載されているようなコ字状のものである必要はなく、Ｃ字状のものであっても良い。
【００１６】
また、実施形態１の電流センサは、電流バー７に流れる電流によってギャップＧ（ギャップ面１１ａ、１１ｂ間）に発生した磁界を検出する磁気センサ９と、ギャップ面１１ａ、１１ｂ間に配置され、磁気センサ９の感度を調整する感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂとを備えている。実施形態１では、磁気センサ９及び感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂがギャップＧに挿入され、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂがギャップ面１１ａ、１１ｂに接している。なお、感度調整用磁性部材は、何れか一方だけでも構わない。
【００１７】
磁気センサ９は、感度調整磁性部材１０ａと１０ｂから距離を隔てた中間に設けられているが、感度調整磁性部材１０ａ、１０ｂの何れかに接するように設けても構わない。感度調整磁性部材１０ａと１０ｂから距離を隔てた中間に設ける場合には、プリント基板に搭載する等の方法が考えられる。
なお、実施形態１では、集磁コア８の材質を軟磁性の磁性体材料であるパーマロイとした。また、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂは磁性体の平板であって、材質は集磁コア８と同様のパーマロイとした。集磁コア８及び感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂを軟磁性（ｓｏｆｔ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）の磁性体材料とすることにより、実施形態１は、発生した磁界の増幅率をより高めることができる。軟磁性材料とは、保磁力が小さく透磁率が大きいことを特徴とする材料であり、コイルやトランス等の磁心、磁気ヨーク、磁気シールド等に多く用いられている。
【００１８】
また、磁気センサ９はホール素子や磁界抵抗素子などの磁電変換素子であって、特に実施形態１では、磁束密度０〜４０ｍＴで直線性が満足でき、その際の出力電圧が０〜２００ｍＶとなるホール素子を採用した。また、集磁コア８の図中に示した高さａは１０ｍｍ、幅ｂは１３ｍｍ、奥行きｃは７．５ｍｍである。
ただし、実施形態１はこのような構成に限定されるものでなく、他の材質、他の磁気センサを使っても構成することが可能である。また、集磁コアのサイズについても、このような構成に限定されるものでなく、実施形態１の効果を失わない範囲で任意に設計することが可能である。
【００１９】
ギャップ面１１ａ、１１ｂ間において、発生する磁束密度は間隔ｇ１に依存する。実施形態１では、間隔ｇ１が感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂの厚さや挿入枚数によって調整することができる。このため、集磁コア８の形状やサイズを変更することなく、測定すべき電流の範囲に応じて間隔ｇ１を変更することが可能になる。
したがって、実施形態１は、新たに集磁コア８の金型を作成することなく、測定すべき電流に応じた間隔のギャップを有する集磁コア８を備えた電流センサを実現することができる。また、実施形態１は、１つのギャップＧを有していて、集磁コア８が一体として構成されているので、組立てが容易でかつ、ギャップ面１１ａ、１１ｂの間隔の維持も容易である。
【００２０】
図２は、図１に示した電流センサにおいて、測定電流とギャップ面１１ａ、１１ｂ間に生じる磁束密度との関係を、間隔ｇ１を変更して行ったシミュレーションの解析結果を使って示した図である。図２の縦軸はギャップ面１１ａ、１１ｂ間に生じる磁束密度であって、矢線Ｌは磁気センサ９が検出可能な磁束密度の範囲を示している。また、横軸は電流センサによって測定される電流を示している。
【００２１】
図２によれば、測定すべき電流の最大値（最大測定電流）が、例えば６６Ａの電流センサを製造する場合、間隔ｇ１を２ｍｍにすることにより、磁束密度を磁気センサ９が測定可能な範囲内にすることができることが分かる。また、最大測定電流が９８Ａの電流センサを製造する場合、間隔ｇ１を３ｍｍにすることにより、磁束密度を磁気センサ９が測定可能な範囲内にすることができることが分かる。さらに、最大測定電流が１３０Ａの電流センサを製造する場合、間隔ｇ１を４ｍｍにすることにより、磁束密度を磁気センサ９が測定可能な範囲内にすることができることが分かる。
【００２２】
なお、磁気センサ９が測定可能な範囲とは、ホール素子の出力電圧範囲（０〜２００ｍＶ）の範囲である。したがって、図２のように磁束密度と間隔ｇ１との関係を設定すれば、磁気センサ９の測定可能な範囲を最大限に使って電流を測定することができる。
また、実施形態１では、形状やサイズが同一の集磁コア８の間隔ｇ１を、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂだけを使って調整することができるから、簡便な構成で各測定電流に応じた電流センサを製造することができる。
以上述べた実施形態１において、磁気センサ９が磁界検出手段として機能する。また、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂが、感度調整部材として機能する。
【００２３】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２の電流センサを説明するための図である。図３において、実施形態１で説明した構成と同様の構成については同様の符号を付し、説明の一部を略すものとする。
実施形態２の電流センサと実施形態１の電流センサとの相違点は、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂが集磁コア８のギャップ面１１ａ、１１ｂに接しているのではなく、磁気センサ９がギャップ面１１ａ、１１ｂと間隔を隔てて設けられ、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂが、磁気センサ９と接して設けられている点である。なお、図３では感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂと磁気センサ９とが直接接しているが、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂが、磁気センサ９との間に樹脂等の絶縁層を介して設けられるものであってもよい。また、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂは、何れか一方でも構わない。
【００２４】
図４は、実施形態２のギャップ面１１ａ、１１ｂの間隔ｇ２を説明するための側面図であって、図３に示した構成を矢線Ａの方向から見た状態を示している。感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂが磁気センサ９と接する実施形態２では、図３に示したギャップの間隔ｇ２が、ギャップ面１１ａから感度調整用磁性部材１０ａの上面までの間隔ｇ２ａ、磁気センサ９の厚さｇ２ｂ、感度調整用磁性部材１０ｂの下面からギャップ面１１ｂまでの間隔ｇ２ｃの合計と定義される（間隔ｇ２＝ｇ２ａ＋ｇ２ｂ＋ｇ２ｃ）。
【００２５】
なお、図３に示した実施形態２の集磁コア８は、実施形態１と同様に、高さｄが１０ｍｍ、幅ｅが１３ｍｍ、奥行きｆが７．５ｍｍである。ただし、実施形態２は、このような構成に限定されるものでなく、実施形態２の効果を失わない範囲で任意に設計することが可能である。
実施形態２においても、実施形態１と同様に、間隔ｇ２ａ、ｇ２ｂが感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂの厚さや挿入枚数によって調整できる（磁気センサ９の厚さｇ２ｂは１ｍｍとした）。したがって、実施形態２の電流センサは、実施形態１と同様に、集磁コア８の形状、サイズを変更することなく間隔ｇ２だけを簡易に変更することができる。
【００２６】
図５は、図３、図４に示した電流センサにおいて、測定電流とギャップ面１１ａ、１１ｂ間に生じる磁束密度との関係を、間隔ｇ２を変更して行ったシミュレーションの解析結果を使って示した図である。図５によれば、ギャップの間隔ｇ２を２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍに調整することにより、各最大測定電流７０Ａ、１０３Ａ、１３０Ａを、ホール素子の出力電圧範囲（０〜２００ｍＶ）を最大限利用して測定できる電流センサが実現できることが分かる。
【００２７】
（実施形態３）
実施形態３は、磁界検出手段として、プリント基板上に配線されたコイルパターンを用いるものである。コイルパターンで磁界を検出する実施形態３は、ホール素子等を用いる実施形態１、実施形態２と異なり、磁束密度の測定可能な範囲が制限されることがない。このため、電流センサとしての感度と、集磁コア８の磁性材料の磁界特性の直線性のみを考慮して電流センサの設計を行うことができる。
図６は、このような実施形態３を説明するための図であって、縦軸はコイルパターンの出力電圧を、横軸は電流センサの測定電流を示している。なお、図６に示した特性を得た集磁コアは、実施形態２と同様の形状及びサイズを有している。また、プリント基板上に配線されたコイルパターンは、配線の線幅及び間隔が０．１ｍｍ、層数を８層とした。
【００２８】
図６によれば、間隔ｇ２を２ｍｍとした場合に測定電流の感度が０．３２ｍＶ／Ａになる。また、間隔ｇ２を３ｍｍとした場合に測定電流の感度が０．２２ｍＶ／Ａになり、間隔ｇ２を４ｍｍとした場合に測定電流の感度が０．１７ｍＶ／Ａになる。このような実施形態３によれば、感度調整用磁性部材１０ａ、１０ｂの厚さや挿入枚数を変更するという、簡便な方法によって測定感度の異なる電流センサを製造することができる。
実施形態１〜３の電流センサを用い、集磁コアの形状をほぼ変えることなく全体の磁気抵抗を任意に設定し、異なる電流測定範囲の電力量計を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態１の電流センサを説明するための図である。
【図２】図１に示した電流センサにおいて、測定電流とギャップ面間に生じる磁束密度との関係を、ギャップ面の間隔を変更して行ったシミュレーションの解析結果を使って示した図である。
【図３】本発明の実施形態２の電流センサを説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態２のギャップ面の間隔を説明するための断面図である。
【図５】図３、図４に示した電流センサにおいて、測定電流とギャップ面間に生じる磁束密度との関係を、ギャップ面の間隔を変更して行ったシミュレーションの解析結果を使って示した図である。
【図６】本発明の実施形態３の電流センサを説明するための図である。
【図７】従来のギャップ付集磁コアを説明するための図である。
【図８】従来のギャップ付集磁コアを説明するための他の図である。
【符号の説明】
【００３０】
７  電流バー、８  集磁コア、９  磁気センサ、１０ａ、１０ｂ  感度調整用磁性部材
１１ａ，１１ｂ  ギャップ面
【図１】
2009204415.tif 000003
【図２】
2009204415.tif 000004
【図３】
2009204415.tif 000005
【図４】
2009204415.tif 000006
【図５】
2009204415.tif 000007
【図６】
2009204415.tif 000008
【図７】
2009204415.tif 000009
【図８】
2009204415.tif 000010