特開 2023-9618 電流センサ及び電力量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023009618

(43)【公開日】2023-01-20

(54)【発明の名称】電流センサ及び電力量計

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20230113BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 Z

G01R15/18 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021113049

(22)【出願日】2021-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】311002034

【氏名又は名称】富士電機メーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山内 芳准

(72)【発明者】

【氏名】栗原 晋

(72)【発明者】

【氏名】原山 滋章

【テーマコード（参考）】

2G025

【Ｆターム（参考）】

2G025AA05

2G025AA11

2G025AB14

2G025AC01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】小型かつ高感度で外部磁界の影響を受けにくい電流センサ及び電力量計を提供すること。
【解決手段】第１のコイル２ａの端部Ｐ１と第２のコイル２ｂの端部Ｐ２とは多層プリント基板の表面と裏面とを接続するビアｄ１によって接続され、第１のコイル２ａの他の端部Ｐ０は同一の表面内で外部接続端子２２ａに接続され、第２のコイル２ｂの他の端部Ｐ３は多層プリント基板の表面と裏面とを接続するビアｄ２を介して外部接続端子２２ｂに接続され、ビアｄ１とビアｄ２とは、第１のコイル２ａの中心軸Ｃ１０と第２のコイル２ｂの中心軸Ｃ１１とを通る中心面ＬＣに対して異なる側に配置され、第１のコイル２ａの層間を接続する層間接続ビアのうちの第１のコイル２ａの外周側に配置されたビアｂ１と、第２のコイル２ｂの層間を接続する層間接続ビアのうちの第２のコイル２ｂの外周側に配置されたビアｂ２とは、中心面ＬＣに対して異なる側に配置される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流を流す電流バーの周囲に形成される磁界を検出して前記電流バーに流れる電流信号を検出する電流センサであって、
多層プリント基板上に前記磁界を検出する第１のコイルと第２のコイルとが形成され、
前記第１のコイルの一端と前記第２のコイルの一端とは前記多層プリント基板の表面と裏面とを接続する第１のビアによって接続され、前記第１のコイルの他端又は前記第２のコイルの他端の一方は同一面内で外部接続端子に接続され、他方は前記多層プリント基板の表面と裏面とを接続する第２のビアを介して外部接続端子に接続され、前記第１のビアと前記第２のビアとは、前記第１のコイルの中心軸と前記第２のコイルの中心軸とを通る中心面に対して異なる側に配置され、
前記第１のコイルの層間を接続する層間接続ビアのうちの前記第１のコイルの外周側に配置された第１の層間接続ビアと、前記第２のコイルの層間を接続する層間接続ビアのうちの前記第２のコイルの外周側に配置された第２の層間接続ビアとは、前記中心面に対して異なる側に配置されることを特徴とする電流センサ。

【請求項2】

前記多層プリント基板は、４層以上の層で構成され、各層にコイルパターンが形成されてい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】

前記第１のコイルと前記第２のコイルとは、前記電流バーに流れる電流が生成する磁界によって生じる誘導電圧を強め合うように直列接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。

【請求項4】

請求項１～３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、小型かつ高感度で外部磁界の影響を受けにくい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気検出素子を配置した構成のセンサ、また、集磁コアのギャップ部に、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センサなどがある。これらの方法は磁性体を用いるために大電流での飽和防止のために形状が大きくなり、コストが高くなる。

【0003】

また、集磁コアを用いずにプリント基板上に形成したコイルパターンのみにより構成する方法もある。これらの方法はプリント基板上に形成したコイルパターンのみで構成するために、小型化、安価といった利点がある。

【0004】

特許文献１では、測定電流から生じる磁束を検出するために、回路基板の両面にそれぞれ複数ターンの導電パターンにより形成した一対の表裏対称な形状をした第１コイルＣ１と、かつ、測定配線を配置する位置に対して前記第１コイルと線対称に配置された第２コイルＣ２とで構成される。そして、測定配線の位置に対して上下対称にコイルを配置した構造とすることにより、測定配線に対して上下対称に配置されたコイルが測定配線の周囲の磁束を検出し、電流測定の際に回路の配線を切断・変更することなく測定対象に近付けることにより電流を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５８４６４２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１における電流センサは、１０μs程度のパルス幅の比較的高周波な信号を測定することを想定しており、例えば、この構成を電力量計などに搭載される電流センサに適用する場合、周波数が５０Ｈｚ～６０Ｈｚ程度と低い周波数のために電流検出感度が不足するといった問題が生じる。この対策には、コイル面積を大きくしてコイルのターン数を多くする方法があるが、十分な感度を得るためにはセンサが大型化するといった問題が生じる。また、別の方法として、特許文献１のような両面基板ではなく、多層基板を用いてコイルのターン数を多くする方法があるが、第一のコイルと第二のコイルの接続位置、第一のコイル及び第二のコイルのそれぞれの各層の接続位置によっては外来ノイズ（外部磁界）の影響を受けやすくなるといった問題が生じる。

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型かつ高感度で外部磁界の影響を受けにくい電流センサ及び電力量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】

【0008】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電流を流す電流バーの周囲に形成される磁界を検出して前記電流バーに流れる電流信号を検出する電流センサであって、多層プリント基板上に前記磁界を検出する第１のコイルと第２のコイルとが形成され、前記第１のコイルの一端と前記第２のコイルの一端とは前記多層プリント基板の表面と裏面とを接続する第１のビアによって接続され、前記第１のコイルの他端又は前記第２のコイルの他端の一方は同一面内で外部接続端子に接続され、他方は前記多層プリント基板の表面と裏面とを接続する第２のビアを介して外部接続端子に接続され、前記第１のビアと前記第２のビアとは、前記第１のコイルの中心軸と前記第２のコイルの中心軸とを通る中心面に対して異なる側に配置され、前記第１のコイルの層間を接続する層間接続ビアのうちの前記第１のコイルの外周側に配置された第１の層間接続ビアと、前記第２のコイルの層間を接続する層間接続ビアのうちの前記第２のコイルの外周側に配置された第２の層間接続ビアとは、前記中心面に対して異なる側に配置されることを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、上記の発明において、前記多層プリント基板は、４層以上の層で構成され、各層にコイルパターンが形成されていることを特徴とする。

【0010】

また、本発明は、上記の発明において、前記第１のコイルと前記第２のコイルとは、前記電流バーに流れる電流が生成する磁界によって生じる誘導電圧を強め合うように直列接続されることを特徴とする。

【0011】

また、本発明は、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】

【0012】

本発明によれば、多層プリント基板に形成したコイルパターンによりターン数を多くすることで、小型で商用周波数の電流を高感度に計測することができ、外来ノイズ（外部磁場）の影響を相殺するように２つのコイルを接続することで、その影響を受けにくい高精度な電流センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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図である。

【図2】図２は、電流センサの平面図である。

【図3】図３は、電流センサの各層のパターン構成を示す図である。

【図4】図４は、本実施の形態と他の接続例Ａ，Ｂとの外部磁場の影響を解析した結果を示す図である。

【図5】図５は、本実施の形態と他の接続例ＡによるＺ方向の外部磁場の影響を説明する説明図である。

【図6】図６は、本実施の形態と他の接続例ＢによるＸ方向の外部磁場の影響を説明する説明図である。

【図7】図７は、実施の形態で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8】図８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】

【0014】

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。

【0015】

図１は、本発明の実施の形態である電流センサ３の概要構成を示す図であり、図１（ａ）は、電流センサ３の側面図を示し、図１（ｂ）は、電流センサ３の斜視図を示している。図１に示すように、電流センサ３は、測定対象の電流が流れる電流バー１の近傍に配置される。電流センサ３は、多層プリント基板上にパターンコイルである第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂを配置している。第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂは同じサイズの４層構造であり、位置は電流バー１を中心として、左右均等の位置に配置している。

【0016】

図２は、電流センサ３の平面図である。また、図３は、電流センサ３の各層のパターン構成を示す図である。図２に示すように、外部接続端子２２ａ，２２ｂは、図示しない信号処理回路と接続するための端子である。

【0017】

第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂは、電流バー１に流れる電流Ｉにより発生する磁界を検出するものであり、電流および周波数に応じた誘導電圧を発生させる。電流バー１を介して左右均等な位置に第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂが配置されており、第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂは、電流Ｉにより発生する向きの異なる磁束Φを検出することになる。第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂは、それぞれのコイルで発生した誘導電圧が足し合わされるように直列接続される。そして、この誘導電圧を信号処理回路により積分処理することで電流Ｉに比例した検出信号を出力するものである。

【0018】

誘導電圧はコイルの面積が大きく、ターン数が多いほど出力が大きくなる。そのため、商用周波数５０Ｈｚ～６０Ｈｚのような低い周波数では発生する誘導電圧が小さく、そのため、コイル面積を大きくする、もしくは、ターン数を増やす方法で感度を確保する。コイルの面積を大きくする方法では電流センサの大型化を招くため、限られた面積でターン数を増やす方が望ましい。ただし、プリント基板上に形成したコイルパターンは配線間隔、導体幅が製造上限られているため、より多くのターン数を確保するためにはプリント基板の層数を増やして検出感度を確保することが望ましい。このため、本実施の形態では、４層、１０ｍｍ四方程度の面積、配線の導体幅および間隔が０．１ｍｍでコイルパターンを形成した場合は、２つのコイルの加算値で、おおよそ０．１ｍＶ／Ａ（５０Ｈｚ）の誘導電圧を得ることができる。

【0019】

図３に示すように、４層の各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、それぞれ表面、第１内層、第２内層、裏面である。第１のコイル２ａ及び第２のコイル２ｂのそれぞれは、同一面積のコイルパターンが各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に配置されている。各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の誘導電圧が足し合わされるように、同一の巻き線方向でコイルパターンが形成されている。

【0020】

第１のコイル２ａは、外部接続端子２２ａから第１のコイルの端部Ｐ０を介してビアａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１の順に接続される。ここで、層Ｌ４のビアｄ１の下部位置は、第１のコイル２ａの端部Ｐ１である。層Ｌ１のビアｄ１は、層Ｌ１において第２のコイル２ｂの端部Ｐ２に接続され、第２のコイル２ｂは、ビアａ２，ｂ２，ｃ２，ｄ２の順に接続されて外部接続端子２２ｂに接続される。ここで、層Ｌ４のビアｄ２の下部位置は、第２のコイル２ｂの端部Ｐ３である。そして、第１のコイル２ａの端部Ｐ１と第２のコイル２ｂの端部Ｐ２とが接続されることによって、第１のコイル２ａの誘導電圧と第２のコイル２ｂの誘導電圧とは加算されるようになる。

【0021】

ビアａ１、ｃ１は、第１のコイル２ａの中心軸Ｃ１０に配置され、ビアｂ１、ｄ１は、第１のコイル２ａの外周に配置される。同様に、ビアａ２，ｃ２は、第２のコイル２ｂの中心軸Ｃ１１に配置され、ビアｂ２、ｄ２は、第２のコイル２ｂの外周に配置される。ビアａ１，ｃ１，ｂ１は、第１のコイル２ａの層間接続ビアであり、ビアａ２，ｃ２，ｂ２は、第２のコイル２ｂの層間接続ビアである。また、ビアｄ１は、第１のコイル２ａの端部Ｐ１と第２のコイル２ｂの端部Ｐ２とを接続するビアである。また、ビアｄ２は、第２のコイル２ｂの端部Ｐ３と外部接続端子２２ｂとを接続するビアである。

【0022】

すなわち、第１のコイル２ａの端部Ｐ１と第２のコイル２ｂの端部Ｐ２とは多層プリント基板の表面（層Ｌ１）と裏面（層Ｌ４）とを接続するビアｄ１によって接続され、第１のコイルの他の端部Ｐ０は、表面において外部接続端子２２ａに接続され、第２のコイル２ｂの他の端部Ｐ３は多層プリント基板の表面と裏面とを接続するビアｄ２を介して外部接続端子２２ｂに接続される。そして、ビアｄ１とビアｄ２とは、第１のコイル２ａの中心軸Ｃ１０と第２のコイル２ｂの中心軸Ｃ１１とを通る中心面ＬＣに対して異なる側に配置される。

【0023】

また、第１のコイル２ａの層間を接続する層間接続ビアのうちのビアａ１，ｃ１は、中心軸Ｃ１０近傍を通り、ビアｂ１は第１のコイル２ａの外周側に配置される。同様に、第２のコイル２ｂの層間を接続する層間接続ビアのうちのビアａ２，ｃ２は、中心軸Ｃ１１近傍を通り、ビアｂ２は第２のコイル２ｂの外周側に配置される。そして、ビアｂ１とビアｂ２とは、中心面ＬＣに対して異なる側に配置される。

【0024】

このようなコイル間接続及びビア配置とすることによって外部磁場の影響を抑えることができる。図４は、本実施の形態と他の接続例Ａ，Ｂとの外部磁場の影響を解析した結果を示す図である。他の接続例Ａは、ビアｄ１，ｄ２を無くし、コイル間接続を表面上あるいは裏面上で直接に接続したものである。したがって、他の接続例Ａにおける第１のコイル２ａと第２のコイル２ｂとは同じ巻線方向になる。また、他の接続例Ｂは、ビアｂ１，ｄ１とビアｂ２，ｄ２とを中心面ＬＣに対して同じ側に配置したものである。

【0025】

解析結果では、他の接続例ＡがＺ方向の外来磁場の影響を受け、他の接続例ＢがＸ方向の外来磁場の影響を受けているが、本実施の形態では、どの方向からの外部磁場の影響を受けていない。

【0026】

Ｚ方向の外部磁場については、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、本実施の形態では、ビアａ１，ｂ１，ｃ１側からビアｄ１に向かって流れる誘導電流方向と、ビアａ２，ｂ２，ｃ２側からビアｄ２に向かって流れる誘導電流方向とが異なる方向であり、互いの流れを打ち消す方向となるように接続されていることで、誘導電圧が相殺されるためである。一方、他の接続例Ａでは、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、ビアｂ１，ｂ２に流れる電流方向が異なり、互いの流れと重なる方向となるように接続されていることで、ループＲ１が形成され、Ｚ方向の外部磁場を検出してしまうからである。

【0027】

一方、Ｘ方向の外部磁場については、図６（ａ）～図６（ｃ）に示すように、本実施の形態では、ビアｄ１，ｄ２が中心面ＬＣに対して異なる側に配置されているため、Ｘ方向からみてビアａ１，ｃ１とビアｄ１とによって形成されるループＲ１と、ビアａ２，ｃ２とビアｄ２とによって形成されるループＲ２との電流方向が異なるため、誘導電圧が相殺される。これに対し、他の接続例Ｂでは、図６（ｄ）～図６（ｆ）に示すように、ビアｄ１，ｄ２´が中心面ＬＣに対して同じ側に配置されているため、Ｘ方向からみてビアａ１，ｃ１とビアｄ１とによって形成されるループＲ３と、ビアａ２，ｃ２とビアｄ２´とによって形成されるループＲ４との電流方向が同じになるため、誘導電圧を検出してしまうからである。

【0028】

なお、上記の実施の形態では、４層のコイル例を示したが、これに限らず、偶数層の層数であればよい。

【0029】

＜電力量計＞
図７は、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８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。

【0030】

図７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３に対応する電流センサ３ａ，３ｂ、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３ａは、Ｒ相の電流信号を検出する。電流センサ３ｂ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。

【0031】

電力量算出部２０２は、電流センサ３ａ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３ｂ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。

【0032】

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。

【0033】

また、上記の実施の形態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】

【0034】

１ 電流バー
２ａ 第１のコイル
２ｂ 第２のコイル
３，３ａ，３ｂ 電流センサ
２２ａ，２２ｂ 外部接続端子
２００ 電力量計
２０１ａ，２０１ｂ 電圧センサ
２０２ 電力量算出部
２０３ 出力部
ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２，ｄ１，ｄ２ ビア
Ｃ１０，Ｃ１１ 中心軸
Ｉ 電流
ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ 三相電流
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 層
ＬＣ 中心面
ＬＤ 負荷
Ｐ 三相電力
Ｐ０～Ｐ３ 端部
Ｒ１～Ｒ４ ループ
ＳＰ 電源
ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ 三相電圧
Φ 磁束

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】