特開 2024-752 電流測定装置

(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】P2024000752

(43)【公開日】2024-01-09

(54)【発明の名称】電流測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20231226BHJP

   G01R 15/20 20060101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 A

G01R15/20 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022099635

(22)【出願日】2022-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】508296738

【氏名又は名称】富士電機機器制御株式会社

(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】工藤 高裕

(72)【発明者】

【氏名】山内 芳准

(72)【発明者】

【氏名】石橋 広脩

【テーマコード（参考）】

2G025

【Ｆターム（参考）】

2G025AA00

2G025AB01

2G025AB14

2G025AC01

(57)【要約】

【課題】小電流から大電流までの広い範囲の電流測定が可能な電流測定装置を提供すること。
【解決手段】測定電流が流れる導体２の周囲を囲むように配置して導体２の周囲に生じる磁場を集磁して誘導するとともに、誘導された磁場が通る部分に少なくとも１つの間隙Ｇを設けた集磁コア３と、間隙Ｇに設けられ、誘導された磁場による誘導電圧を検出する空芯コイル４と、空芯コイル４が巻回され、空芯コイル４を間隙Ｇに固定するコイルボビンと、空芯コイル４によって検出された誘導電圧をもとに測定電流を演算する積分回路５と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定電流が流れる導体の周囲を囲むように配置して前記導体の周囲に生じる磁場を集磁して誘導するとともに、誘導された磁場が通る部分に少なくとも１つの間隙を設けた集磁コアと、
前記間隙に設けられ、誘導された磁場による誘導電圧を検出する空芯コイルと、
前記空芯コイルが巻回され、前記空芯コイルを前記間隙に固定するコイルボビンと、
前記空芯コイルによって検出された誘導電圧をもとに前記測定電流を演算する積分回路と、
を備えることを特徴とする電流測定装置。

【請求項2】

測定電流が流れる導体の周囲を囲むように配置して前記導体の周囲に生じる磁場を集磁して誘導するとともに、誘導された磁場が通る部分に少なくとも１つの間隙を設けた集磁コアと、
前記間隙に設けられ、誘導された磁場による誘導電圧を検出する空芯コイルと、
前記空芯コイルが巻回され、前記空芯コイルを前記間隙に固定するコイルボビンと、
前記空芯コイルによって検出された誘導電圧をもとに前記測定電流を演算する積分回路と、
前記コイルボビンの内部に配置され、誘導された磁場による誘導電圧を検出する磁気センサと、
前記磁気センサによって検出された誘導電圧をもとに前記測定電流を演算する増幅回路と、
を備えることを特徴とする電流測定装置。

【請求項3】

小電流領域の測定電流を前記磁気センサにより測定し、前記小電流領域を超える大電流領域の測定電流を前記空芯コイルにより測定することを特徴とする請求項２に記載の電流測定装置。

【請求項4】

前記磁気センサは、トンネル磁気抵抗効果を応用した磁気センサであることを特徴とする請求項２又は３に記載の電流測定装置。

【請求項5】

前記集磁コアは、コの字型であ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測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、小電流から大電流までの広い範囲の電流測定が可能な電流測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電流測定装置としては、例えば、ロゴスキーコイルを用いて広い電流範囲を測定するものがある（特許文献１参照）。ロゴスキーコイルは、環状の空芯コイルであり、空芯コイルを貫く電流線に流れる電流によって生じる磁束に起因する誘導電圧を検出する。この誘導電圧は、電流の周渡数が高くなるほど高くなるので、この周波数特性を補正するため、周波数が高くなるほど損失が大きくなる積分回路を用いて補正を行い、検出した誘導電圧全体の周波数特性をフラットにしている。

【0003】

また、被測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに電気的に絶縁して磁気的に結合するように巻回したコイルにより被測定電流を計測するカレントトランスタイプの電流測定装置が広く知られている。この電流測定装置は、測定電流に対する感度が高いため、小電流の測定に適している。一方、ロゴスキーコイルを用いた電流測定装置は、測定電流に対する感度が低いため大電流の測定に適しており、広い範囲の電流測定を行うことができる。

【0004】

なお、特許文献２には、測定電流に対する感度が高い磁気センサを用いた電流測定装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００－３１０６５４号公報

【特許文献2】特開２０２０－８５９０６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、ロゴスキーコイルを用いた電流測定装置は、測定電流に対する感度が低いため、大電流までの広い範囲の電流を測定することができるが、小電流の測定を精度良く測定することができない。一方、上記のように、カレントトランスタイプの電流測定装置や磁気センサを電流測定装置は、測定電流に対する感度が高いため、小電流の電流測定を測定することができるが、大電流までの広い範囲の電流測定を行うことができない。

【0007】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小電流から大電流までの広い範囲の電流測定が可能な電流測定装置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、測定電流が流れる導体の周囲を囲むように配置して前記導体の周囲に生じる磁場を集磁して誘導するとともに、誘導された磁場が通る部分に少なくとも１つの間隙を設けた集磁コアと、前記間隙に設けられ、誘導された磁場による誘導電圧を検出する空芯コイルと、前記空芯コイルが巻回され、前記空芯コイルを前記間隙に固定するコイルボビンと、前記空芯コイルによって検出された誘導電圧をもとに前記測定電流を演算する積分回路と、を備えることを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、測定電流が流れる導体の周囲を囲むように配置して前記導体の周囲に生じる磁場を集磁して誘導するとともに、誘導された磁場が通る部分に少なくとも１つの間隙を設けた集磁コアと、前記間隙に設けられ、誘導された磁場による誘導電圧を検出する空芯コイルと、前記空芯コイルが巻回され、前記空芯コイルを前記間隙に固定するコイルボビンと、前記空芯コイルによって検出された誘導電圧をもとに前記測定電流を演算する積分回路と、前記コイルボビンの内部に配置され、誘導された磁場による誘導電圧を検出する磁気センサと、前記磁気センサによって検出された誘導電圧をもとに前記測定電流を演算する増幅回路と、を備え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、小電流領域の測定電流を前記磁気センサにより測定し、前記小電流領域を超える大電流領域の測定電流を前記空芯コイルにより測定することを特徴とする。

【0011】

また、本発明は、上記の発明において、前記磁気センサは、トンネル磁気抵抗効果を応用した磁気センサであることを特徴とする。

【0012】

また、本発明は、上記の発明において、前記集磁コアは、コの字型であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、小さいサイズで、小電流から大電流までの広い範囲の電流測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１である電流測定装置の構成を示す模式図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態１である電流測定装置の構成を示す斜視図である。

【図3】図３は、測定電流に対する積分回路の出力電圧の関係を示した図である。

【図4】図４は、本発明の実施の形態２である電流測定装置の構成を示す模式図である。

【図5】図５は、図４に示したコイルボビンの構成を示す斜視図である。

【図6】図６は、図４に示した磁気センサをコイルボビン内に配置した状態を示す断面図である。

【図7】図７は、測定電流に対する積分回路及び増幅回路の出力電圧の関係を示した図である。

【図8】図８は、温度変化に対するＴＭＲ磁気センサとホール素子との出力電圧の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

［実施の形態１]
図１は、本発明の実施の形態１である電流測定装置１の構成を示す模式図である。また、図２は、本発明の実施の形態１である電流測定装置１の構成を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、電流測定装置１は、集磁コア３、空芯コイル４、コイルボビン８、積分回路５、及び、回路基板９を有する。集磁コア３は、測定電流が流れる導体２の周囲を囲むように配置して導体２の周囲に生じる磁場を集磁して誘導するとともに、誘導された磁場が通る部分に少なくとも１つの間隙Ｇが設けられる。集磁コア３は、例えば、軟質磁性材料で形成されてコの字形状である。集磁コア３の形状は、コの字形状に限らず、例えば、間隙Ｇを有する円形形状や楕円形形状であってもよい。集磁コア３は、積層または一体で形成される。集磁コア３は、間隙Ｇを介して、集磁した磁場に対する磁束７のループを形成する。

【0017】

空芯コイル４は、間隙Ｇに設けられ、誘導された磁場（磁束）による誘導電圧を検出する。空芯コイル４は、環状に配置されたロゴスキーコイルの一部ともいえる。コイルボビン８は、空芯コイル４が巻回され、空芯コイル４を間隙Ｇに位置決めして集磁コア３に固定される。なお、間隙Ｇは、コの字形状の集磁コア３の開放端側（－Ｚ方向側）の端部であって、磁束７が通過する部分である。図１に示した間隙Ｇは、±Ｙ方向に直線的であり、空芯コイル４も直線的なコイルとなる。

【0018】

積分回路５は、空芯コイル４に接続され、空芯コイル４によって検出された誘導電圧をもとに導体２に流れる測定電流を演算し、測定電流に対応した出力電圧として出力端子Ｔ１から出力する。ここで、積分回路５は、検出した誘導電圧の周波数特性をフラットに変換し、測定電流に対応する出力電圧として出力する。回路基板９は、コイルボビン８と積分回路５とが接続されて実装される基板である。

【0019】

図３は、測定電流に対する積分回路５の出力電圧の関係を示した図である。図３において、特性曲線Ｌ１は、本実施の形態１による測定電流Ｉに対する出力電圧Ｖｏｕｔの関係を示している。また、特性曲線Ｌ１００は、集磁コア３を設けない空芯コイル４のみによる測定電流Ｉに対する出力電圧Ｖｏｕｔの関係を示している。なお、出力電圧Ｖｏｕｔは、積分回路５の電源電圧Ｖｍａｘ以下の値となる。図３に示すように、本実施の形態１の電流測定装置１では、集磁コア３を設けない空芯コイル４のみの電流測定装置に比して測定電流Ｉに対する出力電圧Ｖｏｕｔの感度が高くなり、これに伴い、測定可能な電流範囲が小電流領域側に広がり、広い範囲の電流測定が可能になっている。これは、集磁コア３内の磁束７が、集磁コア３を構成する磁性材料の透磁率の大きさに比例して増加するため、集磁コア３を設けない空芯コイル４のみの場合に比して測定電流に対する感度が向上するからである。

【0020】

本実施の形態１では、測定電流が流れる導体２の周囲に生じる磁場を誘導するために、導体２を囲むように配置した間隙Ｇを有する集磁コア３を設け、この間隙Ｇに生じる磁場を空芯コイル４により誘導電圧を検出するようにしているので、小さいサイズの空芯コイルで広い範囲の電流測定が可能になる。

【0021】

［実施の形態２］
本実施の形態２では、実施の形態１の構成に対し、空芯コイル４内に磁気センサ１１を設け、空芯コイル４と磁気センサ１１とを併用し、磁気センサ１１によりさらに小電流領域側の電流測定範囲を広げるようにしている。図４は、本発明の実施の形態２である電流測定装置１０の構成を示す模式図である。また、図５は、図４に示したコイルボビン８の構成を示す斜視図である。さらに、図６は、図４に示した磁気センサ１１をコイルボビン８内に配置した状態を示す断面図である。

【0022】

図４～図６に示すように、電流測定装置１０は、電流測定装置１の構成に対し、さらに磁気センサ１１及び増幅回路１２を有する。磁気センサ１１は、コイルボビン８の中心付近の空芯コイル４が巻回される中空円筒２０内に配置され、集磁コア３により集磁された磁束による誘導電圧を検出する。磁気センサ１１は、中空円筒２０内に固定配置された回路基板１３上に実装される。増幅回路１２は、回路基板９上に設けられ、回路基板１３を介して磁気センサ１１に接続され、磁気センサ１１が検出した誘導電圧を増幅し、測定電流に対応した出力電圧として出力端子Ｔ２から出力する。

【0023】

図７は、測定電流に対する積分回路５及び増幅回路１２の出力電圧の関係を示した図である。図７において、特性曲線Ｌ１は、本実施の形態２の空芯コイル４による測定電流Ｉに対する出力電圧Ｖｏｕｔの関係を示している。また、特性曲線Ｌ１０は、磁気センサ１１による測定電流Ｉに対する出力電圧Ｖｏｕｔの関係を示している。

【0024】

特性曲線Ｌ１０に示すように、磁気センサ１１は、空芯コイル４に比べて磁界に対する感度が高いため、測定電流が０を含む測定電流が小さい小電流領域ＥＡにおいて大きな出力電圧を得ることができるが、小電流領域ＥＡを超えた大電流領域ＥＢでは出力電圧Ｖｏｕｔが飽和する。一方、特性曲線Ｌ１に示すように、空芯コイル４による出力電圧は、小電流領域ＥＡの途中から大電流領域ＥＢまで飽和せずにリニアな出力となる。したがって、磁気センサ１１と空芯コイル４とを組み合わせた電流計測を行うことにより、小さなサイズで、広い範囲の測定電流の電流計測を行うことができる。なお、磁気センサ１１による電流計測は、少なくとも出力電圧が飽和する飽和電流Ｉ１までとする。すなわち、飽和電流Ｉ１までは磁気センサ１１による電流計測結果を用い、飽和電流Ｉ１を超えた場合、空芯コイル４による電流計測結果を用いるようにするとよい。

【0025】

図８は、温度変化に対するＴＭＲ磁気センサ（磁気センサ１１）とホール素子（磁気センサ１１´）との出力電圧の変化を示す図である。磁気センサ１１としては、ホール効果を利用したもの（ホール素子）や,磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果)を利用したものなどがある。本実施の形態２では、磁気センサ１１としてトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を応用したＴＭＲ磁気センサを用いている。ＴＭＲ磁気センサは、数ナノメートルレベルの極めて薄い非磁性の絶縁膜を２枚の磁性膜でサンドイッチした構造となっており、一般的な磁気センサに比べて小型で磁界に対する感度が高い。

【0026】

図８に示すように、ＴＭＲ磁気センサは、ホール素子に比べて温度変化による影響を受けにくく、温度変化に対する出力電圧の変化が小さいため、高精度な電流測定が可能になる。

【0027】

なお、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】

【0028】

１，１０ 電流測定装置
２ 導体
３ 集磁コア
４ 空芯コイル
５ 積分回路
７ 磁束
８ コイルボビン
９，１３ 回路基板
１１，１１´ 磁気センサ
１２ 増幅回路
２０ 中空円筒
ＥＡ 小電流領域
ＥＢ 大電流領域
Ｇ 間隙
Ｉ 測定電流
Ｉ１ 飽和電流
Ｌ１，Ｌ１０，Ｌ１００ 特性曲線
Ｔ１，Ｔ２ 出力端子
Ｖｍａｘ 電源電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】