(57)【要約】【課題】回路規模の増大を抑制しつつ、広い計測範囲に渡って電流計測精度を向上させることが可能な電流センサ及び電力量計を提供する。【解決手段】電流センサ１０には、電流バー２を円周方向に囲めるように環状に構成された集磁コア１を設け、集磁コア１に形成されたギャップ５５内には、集磁コア１に発生する磁束を検出する磁束検出用コイル３を配置し、磁束検出用コイル３には、磁束検出用コイル３に発生する誘導電圧を積分する積分器４を接続する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体に流れる被測定電流により、該導電体を囲む集磁コアに生じる磁束を介して前記被測定電流を検出する電流センサにおいて、
前記集磁コアに形成されたギャップと、
前記集磁コアに発生する磁束を前記ギャップ内で検出する磁束検出用コイルと、
前記磁束検出用コイルに発生する誘導電圧を積分する積分手段とを備えることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記ギャップは、前記集磁コアの異なる箇所に設けられる第１及び第２のギャップであり、
前記前磁束検出用コイルは、記集磁コアに発生する磁束を前記第１ギャップ内で検出する第１の磁束検出用コイルと、前記集磁コアに発生する磁束を前記第２ギャップ内で検出する第２の磁束検出用コイルと、であり、
前記積分手段は、前記第１および第２の磁束検出用コイルに発生する誘導電圧を積分することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記第１の磁束検出用コイルおよび前記第２の磁束検出用コイルは、前記集磁コアを循環する磁束に対しては同極性の誘導電圧が発生し、外部磁場に対しては逆極性の誘導電圧が発生するように接続されることを特徴とする請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記磁束検出用コイルは、誘電体基板上に形成されたコイルパターンを備え、前記ギャップに生じる磁束が前記誘電体基板を貫くように配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電流センサ。
【請求項５】
前記積分手段は、前記誘電体基板上に配置されていることを特徴とする請求項４記載の電流センサ。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項に記載された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】
本発明は電流センサ及び電力量計に関し、特に、電流によって磁性体コアのギャップに生じる磁束をコイルで検出することで、電流バーに流れる電流を検出する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
電力量計や電子式電力量計では、電流バーに流れる電流を検出するための電流センサとして、変流器（ＣＴ：カレントトランス）が広く用いられている。この変流器として、複数回の二次巻線を磁気コアに施したものがあり、電流バーを磁気コアに貫通させて被測定に二次巻線に電流が流れると、その電流を検出することで被測定電流を計測することが電流が変化した場合、その変化によって生じる磁気コアの磁束密度の変化が相殺されるようできる（特許文献１）。
【０００３】
また、電流センサとして、変流器の他、ホール素子などの磁電変換素子を用いたものもある（特許文献２、３）。この電流センサでは、集磁コアのギャップ位置に磁電変換素子を配置し、被測定電流によって集磁コアに発生する磁束密度を磁電変換素子にて検出することで、被測定電流を計測することができる。
あるいは、主に大電流を計測する手法として、ロゴスキーコイル法などが知られている（特許文献１）。この方法では、空芯コイルを環状に多数配置し、その空芯コイルを貫く電流が変化した時に、その空芯コイルを貫く磁束の変化によって発生する電圧を積分することで、被測定電流を計測することができる。
【０００４】
また、その他の電流センサとして、磁気コアのギャップ内の磁束を常に打ち消す平衡電流に基づいて、被測定電流を計測するものもある（特許文献４）。
この電流センサには、ギャップを有するＣ字型の磁気コアと、磁気コアに巻回されたフィードバックコイルと、磁気コアに発生する磁束を打ち消す逆磁束を発生させる平衡電流をフィードバックコイルに与える信号処理回路と、磁気コアのギャップ内に配置され、磁気コアの磁束を測定する磁気センサが設けられている。
【０００５】
そして、磁気コアの内側を貫通する導体（電流経路）に被測定電流が流れると、その電流経路の周囲には電流に比例した磁束が磁気コアに形成され、磁気コアのギャップ内に配置された磁気センサが、磁気コアに生じる磁束の量に応じた電気信号を出力する。そして、信号処理回路は、磁気センサが出力した電気信号に基づいて平衡電流を発生し、この平衡電流をフィードバックコイルに与えることで、磁気コアのギャップ内の磁束が常に打ち消された磁気平衡状態を形成し、平衡電流を被測定電流に相関させながら変化させることができる。
【特許文献１】特開平６−１８５６８号公報
【特許文献２】特開２００６−７８２５５号公報
【特許文献３】特開２００２−２１４２７８号公報
【特許文献４】特開２００３−１４９２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、二次巻線が磁気コアに施された変流器では磁気飽和が起こり易く、電流計測誤差が大きくなるという問題があった。また、電流計測誤差を解消するために、電流負帰還を行うと、一般的な半導体素子の通電限界である１００ｍＡ程度に駆動電流を抑えるためには、負帰還巻線を数千ターンとしなければならない上に磁気コアも大型化し、コストアップを招くという問題があった。
【０００７】
また、磁電変換素子を用いる方法では、集磁コアの磁気特性に加えて磁電変換素子の非直線性や温度特性などによって計測誤差が発生し、交流計測精度が変流器よりも劣るという問題があった。また、磁電変換素子は感度バラツキが大きいことに加え、集磁コアと磁電変換素子との相対位置のずれによって、電流センサとしての感度バラツキが増大するという問題もあった。
また、ロゴスキーコイル法では、わずかな巻きムラによって外部磁場の影響を受けるため、コイルの作製が困難であるという問題があった。
【０００８】
また、平衡電流に基づいて被測定電流を計測する方法では、被測定電流と同程度の平衡電流を正確に発生させる必要があることから、精巧な信号処理回路が必要となり、信号処理回路の回路規模が増大するとともに、消費電力が大きいという問題があった。また、電流センサとしての測定範囲が平衡電流の範囲で制限され、所望の測定範囲が得られない上に、磁気コアの磁気特性、磁気センサの非直線性や温度特性、外部磁界の影響などによって計測精度が低下するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、回路規模の増大を抑制しつつ、広い計測範囲に渡って電流計測精度を向上させることが可能な電流センサ及び電力量計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の電流センサによれば、導電体に流れる被測定電流により、該導電体を囲む集磁コアに生じる磁束を介して前記被測定電流を検出する電流センサにおいて、前記集磁コアに形成されたギャップと、前記集磁コアに発生する磁束を前記ギャップ内で検出する磁束検出用コイルと、前記磁束検出用コイルに発生する誘導電圧を積分する積分手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２記載の電流センサによれば、前記ギャップは、前記集磁コアの異なる箇所に設けられる第１及び第２のギャップであり、前記前磁束検出用コイルは、記集磁コアに発生する磁束を前記第１ギャップ内で検出する第１の磁束検出用コイルと、前記集磁コアに発生する磁束を前記第２ギャップ内で検出する第２の磁束検出用コイルと、であり、前記積分手段は、前記第１および第２の磁束検出用コイルに発生する誘導電圧を積分することを特徴とする。
また、請求項３記載の電流センサによれば、前記第１の磁束検出用コイルおよび前記第２の磁束検出用コイルは、前記集磁コアを循環する磁束に対しては同極性の誘導電圧が発生し、外部磁場に対しては逆極性の誘導電圧が発生するように接続されることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４記載の電流センサによれば、前記磁束検出用コイルは、誘電体基板上に形成されたコイルパターンを備え、前記ギャップに生じる磁束が前記誘電体基板を貫くように配置されることを特徴とする。
また、請求項５記載の電流センサによれば、前記積分手段は、前記誘電体基板上に配置されていることを特徴とする。
また、請求項６記載の電力量計によれば、請求項1ないし５の何れか1項に記載された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】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、電流によって集磁コアに発生した磁束をギャップ内で磁束検出用コイルを介して検出することにより、磁気飽和を起こり難くすることが可能となるとともに、磁束検出時の非直線性や温度特性などの影響を排除することが可能となり、回路規模の増大を抑制しつつ、広い計測範囲に渡って電流計測精度を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、電流によって集磁コアに発生した磁束を異なる箇所に形成されたギャップ内で検出することにより、外部磁場の影響をキャンセルさせつつ、磁気飽和を起こり難くすることが可能となるとともに、磁束検出時の非直線性や温度特性などの影響を排除することが可能となり、広い計測範囲に渡って電流計測精度をより一層向上させることが可能となる。
また、本発明による電流センサを電力量計に用いて電流計測を行なうことにより、回路規模の増大を抑制しつつ、広い計測範囲に渡って電流計測精度を向上させることが可能な電力量計を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る電流センサについて図面を参照しながら説明する。
図１において、図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る電流センサの概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の電流センサにおける電流検出用コイルの概略構成を示す平面図である。
図１（ａ）において、電流センサ１０には、電流バー２が円周方向に囲まれるように環状に構成された集磁コア１が設けられ、集磁コア１にはギャップ５が形成されている。なお、集磁コア１は、例えば、パーマロイ、珪素鋼板、鉄などをせん断加工して形成される板状の断片を単数枚用いて構成することができる。あるいは、磁束の飽和量を向上させるために、パーマロイ、珪素鋼板、鉄などをせん断加工して形成される板状の断片を複数枚積層して構成するようにしてもよい。そして、ギャップ５内には、集磁コア１に発生する磁束を検出する磁束検出用コイル３が配置され、磁束検出用コイル３には、磁束検出用コイル３に発生する誘導電圧を積分する積分器４が接続されている、
ここで、磁束検出用コイル３は、図１（ｂ）に示すように、誘電体基板であるプリント基板３ａに形成されたコイルパターン３ｂにて構成することができ、ギャップ５に生じる磁束がプリント基板３ａを貫くように配置することができる。
【００１５】
図２は、図１（ａ）の電流センサにおける積分器の概略構成を示す回路図である。
図２において、積分器４には、オペアンプ１４が設けられ、オペアンプ１４の反転入力端子には抵抗１１が接続されるとともに、オペアンプ１４の反転入力端子と出力端子の間には、コンデンサ１２および抵抗１３が並列接続されている。
そして、図１において、被測定電流が電流バー２を流れると、その被測定電流に比例した磁束が集磁コア１に発生し、その磁束がギャップ５から漏れ出すことで、磁束検出用コイル３を貫く。そして、磁束検出用コイル３を貫く磁束が変化すると、磁束検出用コイル３に誘導電圧が発生し、その誘導電圧から被測定電流の時間変化に比例した電圧信号が取り出される。そして、この電圧信号が積分器４にて積分されることで被測定電流を計測することができる。
【００１６】
これにより、電流によって集磁コア１に発生した磁束をギャップ５内で磁束検出用コイル３を介して検出することができ、磁気飽和を起こり難くすることが可能となるとともに、磁電変換素子を用いる必要がなくなることから、磁束検出時の非直線性や温度特性などの影響を排除することが可能となり、回路規模の増大を抑制しつつ、広い計測範囲に渡って電流計測精度を向上させることが可能となる。
【００１７】
また、電流バー２と集磁コア１の相対位置およびプリント基板３ａの配置位置を正確に決定すれば、被測定電流によって集磁コア１を貫く磁束を一意に定めることができ、集磁コア１外部の磁束はわずかであるため、磁束検出用コイル３に多少の巻きムラがある場合においても、電流計測精度を維持することができる。また、外部磁場によって集磁コア１を貫く磁束の分布も集磁コア１の近傍に限定されることから、集磁コア１および磁束検出用コイル３を適切に設計することにより、外部磁場に起因するノイズを低減することができる。
【００１８】
図３は、本発明の第２実施形態に係る電流センサの概略構成を示す断面図、図４は、図３の電流センサにおけるＡ方向から見た時の磁束検出用コイルの概略構成を示す平面図である。
図３において、電流センサ２０には、電流バー２２が円周方向に囲まれるように環状に構成された集磁コア２１が設けられ、集磁コア２１にはギャップ２６ａ、２６ｂが複数の箇所に形成されている。なお、ギャップ２６ａ、２６ｂは、同一平面上配置されるように集磁コア２１に形成することが好ましい。また、集磁コア２１は、例えば、パーマロイ、珪素鋼板、鉄などをせん断加工して形成される板状の断片を単数枚用いて構成することができる。あるいは、磁束の飽和量を向上させるために、パーマロイ、珪素鋼板、鉄などをせん断加工して形成される板状の断片を複数枚積層して構成するようにしてもよい。
【００１９】
そして、ギャップ２６ａ、２６ｂ内には、集磁コア２１に発生する磁束をそれぞれ検出する磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂが配置され、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂには、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂに発生する誘導電圧を積分する積分手段２４が接続されている。ここで、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂは、集磁コアを循環する磁束Ｆ１に対しては同極性の誘導電圧が発生し、外部磁場Ｆ２に対しては逆極性の誘導電圧が発生するように直列接続することができ、図４に示すように、磁束検出用コイル２３ａの一端と磁束検出用コイル２３ｂの一端とを接続し、磁束検出用コイル２３ａの他端と磁束検出用コイル２３ｂの他端とを積分手段２４に接続することができる。
なお、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂは、プリント基板２５に形成されたコイルパターンにて構成することができ、ギャップ２６ａ、２６ｂに生じる磁束がプリント基板２５を貫くように配置することができる。
【００２０】
そして、図３において、被測定電流が電流バー２２を流れると、その被測定電流に比例した磁束Ｆ１が集磁コア２１に発生し、その磁束がギャップ２６ａ、２６ｂから漏れ出すことで、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂを貫く。そして、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂを貫く磁束が変化すると、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂに誘導電圧が発生し、その誘導電圧が加算されて積分手段に２４に入力されるとともに、同じ向きの外部磁場Ｆ２が磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂに加わった場合には、その外部磁場Ｆ２にて磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂに発生する誘導電圧は減算されて積分手段に２４に入力される。そして、それらの誘導電圧から取り出された被測定電流の時間変化に比例した電圧信号が積分手段２４にて積分されることで被測定電流を計測することができる。
【００２１】
これにより、電流によって集磁コア２１に発生した磁束を異なる箇所に形成されたギャップ２６ａ、２６ｂ内で検出することにより、外部磁場Ｆ２の影響をキャンセルさせつつ、磁気飽和を起こり難くすることが可能となるとともに、磁束検出時の非直線性や温度特性などの影響を排除することが可能となり、広い計測範囲に渡って電流計測精度をより一層向上させることが可能となる。
なお、図５に示すように、磁束検出用コイル２３ａ、２３ｂに発生する誘導電圧を積分する積分手段３１は、プリント基板２５上に配置してもよい。
さらに、実施形態１〜３の何れかの電流センサを用い、広い計測範囲に渡って電流計測精度をより一層向上させることが可能な電力量計を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る電流センサの概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の電流センサにおける電流検出用コイルの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１（ａ）の電流センサにおける積分器の概略構成を示す回路図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る電流センサの概略構成を示す断面図である。
【図４】図３の電流センサにおけるＡ方向から見た時の磁束検出用コイルの概略構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る電流センサの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０、２０、３０  電流センサ
１、２１  集磁コア
２、２２  電流バー
３、  ２３ａ、２３ｂ  磁束検出用コイル
３ａ  プリント基板
３ｂ  コイルパターン
４  積分器
５、２６ａ、２６ｂ  ギャップ
１１、１３  抵抗
１２  コンデンサ
１４  オペアンプ
２４、３１  積分手段
２５  プリント基板
【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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