特許 7281442 分割型センサヘッド及び分割型電流センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-17

(45)【発行日】2023-05-25

(54)【発明の名称】分割型センサヘッド及び分割型電流センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20230518BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020207076

(22)【出願日】2020-12-14

(65)【公開番号】P2022094190

(43)【公開日】2022-06-24

【審査請求日】2022-03-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】596157780

【氏名又は名称】横河計測株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】坂本 和輝

(72)【発明者】

【氏名】品川 貴宣

(72)【発明者】

【氏名】南 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】吉原 智朗

【審査官】田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０６８５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５７９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０５７２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０４４９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２２７０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２８２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６５０５６５３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１７／１２５７２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１３９５２１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ １５／００－１７／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気コアと磁気センサとを各々備える一対の部分ヘッドを有し、
両部分ヘッドが、両磁気コアの一端同士が接近し前記両磁気コアが全体として環状をなす閉状態と、前記両磁気コアの前記一端同士が離間した開状態とを切り替え可能に配置され、
各々の前記磁気コアが、前記一端から離間した位置から他端に向けて周方向に延びるとともに軸方向に開口するスリットを有し、
各々の前記磁気センサが、前記スリット内に前記スリットに沿って配置され、
前記各々の磁気コアが、前記スリットに連なり前記磁気コアが少なくとも部分的に前記周方向に分割された分割部を有し、
前記各々の磁気コアは、積層鋼板によって形成され、
各々の前記分割部は、全ての鋼板に各々形成される分割面が、前記軸方向に向かって１枚又は複数枚の前記鋼板ごとに、前記周方向の一方側と他方側に交互にずれる櫛歯状をなす、
分割型センサヘッド。

【請求項2】

前記分割部は、前記閉状態において両磁気コアの中心軸線を挟んで対向する箇所に対をなすように設けられる、請求項１に記載の分割型センサヘッド。

【請求項3】

前記各々の磁気センサは、励磁コアと前記励磁コアを巻回するように配置される励磁コイルとを備えるフレキシブル基板によって形成される、請求項１又は２に記載の分割型センサヘッド。

【請求項4】

請求項１～３の何れか１項に記載の分割型センサヘッドと、
前記両磁気センサに接続される検出回路と、を有する、
分割型電流センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、分割型センサヘッド及び分割型電流センサに関する。

【背景技術】

【0002】

分割型電流センサ等に用いられる分割型センサヘッドは、磁気コアと磁気センサとを各々備える一対の部分ヘッドを有し、両部分ヘッドは、両磁気コアの一端同士が接近し両磁気コアが全体として環状をなす閉状態と、両磁気コアの一端同士が離間した開状態とを切り替え可能に配置される（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

一方、貫通型電流センサ等に用いられる貫通型センサヘッドは、環状の磁気コアと磁気センサとを有する（例えば、特許文献２参照）。

【0004】

上記のような分割型センサヘッドは、両部分ヘッドを開状態にすることで、電線等の測定対象をセンサヘッドの内側に挿入することができるので、貫通型センサヘッドの場合とは対照的に、測定対象に対して容易に配置することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－１６８４０５号公報

【文献】特開２０１４－２１５１０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

検出感度と検出精度を高めるためには、磁気センサを周方向にできるだけ長い範囲に亘って配置することが好ましい。しかし、特許文献１に記載されるように、両部分ヘッドを閉状態にしたときに両磁気センサの一端同士が接触するように構成した場合には、各々の部分ヘッドの一端において磁気センサの一端が外部に露出することになる。そのため、この露出部を破損や汚れから守る必要があり、取り扱いが難しい。

【0007】

そこで、本開示の目的は、優れた検出感度及び検出精度と取り扱いの容易性とを同時に実現することができる分割型センサヘッド及び分割型電流センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

幾つかの実施形態に係る分割型センサヘッドは、磁気コアと磁気センサとを各々備える一対の部分ヘッドを有し、両部分ヘッドが、両磁気コアの一端同士が接近し前記両磁気コアが全体として環状をなす閉状態と、前記両磁気コアの前記一端同士が離間した開状態とを切り替え可能に配置され、各々の前記磁気コアが、前記一端から離間した位置から他端に向けて周方向に延びるとともに軸方向に開口するスリットを有し、各々の前記磁気センサが、前記スリット内に前記スリットに沿って配置され、前記各々の磁気コアが、前記スリットに連なり前記磁気コアが少なくとも部分的に前記周方向に分割された分割部を有する。このような構成によれば、各々の磁気センサがスリット内にスリットに沿って配置されるので、各々の磁気センサを磁気コアの一端において外部に露出させずに周方向に長い範囲に亘って配置することができる。例えば、両磁気センサを、全体として、閉状態の両部分ヘッドの全周長に対して６０％以上の長さに亘って配置することができ、その割合が大きいほど、測定時の磁気センサと測定対象との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響を低減し、検出精度を高めることができる。また、このような構成によれば、各々の磁気コアが、スリットに連なる分割部を有するので、分割部から漏れる磁気コアからの漏洩磁束を磁気センサで受け、磁気センサ内の磁束を増やすことができるので、検出感度を高めることができる。したがって、優れた検出感度及び検出精度と取り扱いの容易性とを同時に実現することができる。

【0009】

一実施形態において、前記分割部は、前記閉状態において両磁気コアの中心軸線を挟んで対向する箇所に対をなすように設けられる。このような構成によれば、磁気センサ内の磁束を周方向により均一化することができるので、測定時の磁気センサと測定対象との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響をより低減し、検出精度をより高めることができる。

【0010】

一実施形態において、前記各々の磁気センサは、励磁コアと、前記励磁コアを巻回するように配置される励磁コイルと、を有する。このような構成によれば、スリット内に配置可能な磁気センサを簡単な構造で実現することができる。

【0011】

一実施形態において、前記各々の磁気センサは、励磁コアと前記励磁コアを巻回するように配置される励磁コイルとを備えるフレキシブル基板によって形成される。このような構成によれば、スリット及び磁気センサの径方向の厚みを低減し、分割型センサヘッドを径方向に小型化することができる。

【0012】

一実施形態において、前記各々の磁気コアは、積層鋼板によって形成され、前記分割部は、櫛歯状をなす。このような構成によれば、櫛歯状の分割部に外部からの磁気ノイズを遮断する磁気シールド機能を発揮させることができるので、検出感度を高めることができる。

【0013】

一実施形態において、前記各々の磁気コアは、前記磁気コアの径方向の幅が周方向に全長に亘って一定であり、前記スリットの径方向の幅が周方向に全長に亘って一定である。このような構成によれば、測定時の磁気センサと測定対象との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響をより低減し、分割型センサヘッドの小型化を図りつつ検出精度を効率的に高めることができる。

【0014】

一実施形態において、前記各々の磁気コアは、前記スリットの外周縁と前記磁気コアの外周縁との距離が周方向に全長に亘って一定であり、前記スリットの内周縁と前記磁気コアの内周縁との距離が周方向に全長に亘って一定である。このような構成によれば、測定時の磁気センサと測定対象との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響をより低減し、分割型センサヘッドの小型化を図りつつ検出精度を効率的に高めることができる。

【0015】

幾つかの実施形態に係る分割型電流センサは、前記分割型センサヘッドと、前記両磁気センサに接続される検出回路と、を有する。このような構成によれば、優れた検出感度及び検出精度と取り扱いの容易性とを同時に実現することができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、優れた検出感度及び検出精度と取り扱いの容易性とを同時に実現することができる分割型センサヘッド及び分割型電流センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】一実施形態に係る分割型電流センサを示す平面図である。

【図2】図１に示す分割型電流センサの磁気コアを示す斜視図である。

【図3】図１に示す分割型電流センサの磁気センサを示す平面図である。

【図4】図１に示す分割型電流センサの解析結果を示すグラフである。

【図5】図１に示す分割型電流センサの磁気コアの変形例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して、本開示に係る実施形態について詳細に例示説明する。

【0019】

図１に示す本実施形態に係る分割型センサヘッド１は、分割型電流センサ２に用いられるものである。分割型電流センサ２は、分割型センサヘッド１と検出回路３とを有する。

【0020】

分割型センサヘッド１は、一対の部分ヘッド４を有する。各々の部分ヘッド４は、円弧形状の磁気コア５と、磁気センサ６とを有する。

【0021】

両部分ヘッド４は、両磁気コア５の一端５ａ同士が接近し両磁気コア５が全体として円環状をなす閉状態と、両磁気コア５の一端５ａ同士が離間した開状態とを切り替え可能に配置される。つまり、閉状態においては、両磁気コア５の一端５ａが配置される両部分ヘッド４の一端４ａ同士が近接し両部分ヘッド４が全体として円環状をなし、開状態においては、両部分ヘッド４の一端４ａ同士が離間する。図１に示す例では、閉状態から開状態になる際に、一方（図１で右側）の部分ヘッド４が、実線で示す位置から二点鎖線で示す位置へと移動する。

【0022】

なお、各々の磁気コア５を円弧形状以外のＵ字形状に形成し、閉状態において、両磁気コア５又は両部分ヘッド４が全体として円環状以外の環状（例えば、多角形状の環状）をなすように構成してもよい。また、本実施形態では両部分ヘッド４は互いに周方向に同一の長さを有するが、これに限らない。例えば、一方の部分ヘッド４が半周未満の長さを有し、他方の部分ヘッド４が半周を超える長さを有する構成としてもよい。

【0023】

両部分ヘッド４は、閉状態においては両磁気コア５の他端５ｂ同士が接近し、開状態においては両磁気コア５の他端５ｂ同士が離間するように配置される。つまり、閉状態においては、両磁気コア５の他端５ｂが配置される両部分ヘッド４の他端４ｂ同士が近接し両部分ヘッド４が全体として円環状をなし、開状態においては、両部分ヘッド４の他端４ｂ同士が離間する。

【0024】

なお、本実施形態においては、閉状態における両磁気コア５全体の中心軸線Ｏに沿う方向を軸方向と称し、中心軸線Ｏを周回する方向を周方向と称し、中心軸線Ｏに直交する直線に沿う方向を径方向と称する。

【0025】

各々の部分ヘッド４は、磁気コア５と磁気センサ６を収容する図示しないケースを有する。また、両部分ヘッド４の他端４ｂ同士は、軸方向に延びる回動軸を有する図示しないヒンジを介して連結される。つまり、両部分ヘッド４は、ヒンジを介して開閉可能に構成される。なお、両部分ヘッド４はこれに限らず、例えば、互いに装着することで閉状態とし互いに離脱させることで開状態とすることができるように、互いに着脱可能な構成としてもよい。

【0026】

両部分ヘッド４を開状態にすることで、軸方向に電流が流れる電線等の測定対象７を、両部分ヘッド４の一端４ａ同士の隙間を介して両部分ヘッド４の内側に挿入することができる。したがって、分割型センサヘッド１を、図１に示すように、測定対象７に対して容易に配置することができる。

【0027】

図２に示すように、各々の磁気コア５は、積層された複数の鋼板８ａで構成される積層鋼板８によって形成される。また、各々の磁気コア５は、図１及び図２に示すように、一端５ａから離間した位置から他端５ｂに向けて周方向に延びるとともに軸方向両側に開口するスリット９を有する。なお、スリット９は、軸方向両側に開口する構成に限らず、軸方向一方側には開口するが軸方向他方側には閉塞する構成であってもよい。

【0028】

各々の磁気コア５は、磁気コア５の径方向の幅Ｗ１が周方向に全長に亘って一定であり、スリット９の径方向の幅Ｗ２が周方向に全長に亘って一定である。また、各々の磁気コア５は、スリット９の外周縁と磁気コア５の外周縁との距離Ｌ１が周方向に全長に亘って一定であり、スリット９の内周縁と磁気コア５の内周縁との距離Ｌ２が周方向に全長に亘って一定である。

【0029】

各々の磁気コア５は、スリット９に連なり磁気コア５が周方向に分割された分割部１０を周方向の１箇所に有する。なお、各々の磁気コア５は、分割部１０を周方向の２箇所以上に有してもよい。分割部１０は、中心軸線Ｏを挟んで互いに対向する箇所に対をなすように設けられる。

【0030】

各々の分割部１０はスリット９に対し径方向内側と径方向外側との両方に設けられる。なお、各々の分割部１０はスリット９に対し径方向内側と径方向外側との一方のみに設けてもよい。また、各々の分割部１０は、軸方向に真っ直ぐ延びる直線状をなす。つまり、全ての鋼板８ａに各々形成される分割面が軸方向に整列している。

【0031】

各々の磁気センサ６は、スリット９内にスリット９に沿って配置される。また、図３に示すように、各々の磁気センサ６は、励磁コア１１と励磁コア１１を巻回するように配置される励磁コイル１２とを備えるフレキシブル基板１３によって形成される。

【0032】

フレキシブル基板１３は、励磁コア１１として機能し直線状に延びる帯状の磁性体層１３ａと磁性体層１３ａを覆う絶縁体とで構成される基板本体層と、基板本体層の厚さ方向の両側に設けられる一対の導電体パターン層１３ｂと、基板本体層を貫通するスルーホール群に充填される導電体で形成される充填導電体群１３ｃと、を有し、一対の導電体パターン層１３ｂと充填導電体群１３ｃとにより、励磁コイル１２が形成される。

【0033】

また、フレキシブル基板１３は、基板本体層と一対の導電体パターン層１３ｂと充填導電体群１３ｃとで構成されるとともに直線状に延びる帯状の基板本体部１３ｄと、基板本体部１３ｄから分岐する分岐部１３ｅと、を有する。分岐部１３ｅには、励磁コイル１２の両端に配線パターン１３ｆを介して連なる端子部１３ｇが設けられる。端子部１３ｇは正極端子と負極端子とで構成される。なお、端子部１３ｇの配置はこれに限定されず、例えば、フレキシブル基板１３は分岐部１３ｅを有さない構成であってもよい。

【0034】

フレキシブル基板１３は、その可撓性により、厚さ方向に曲がることができる。したがって、基板本体部１３ｄを厚さ方向に曲げることにより、図１に示すように、基板本体部１３ｄを周方向に延びるスリット９内に挿入し、配置することができる。

【0035】

図１に示すように、検出回路３は、両磁気センサ６に接続され、閉状態の両部分ヘッド４の内側に配置された測定対象７に流れる電流の大きさに相関する電流値又は電圧値を出力するように構成される。測定対象７に直流又は交流の電流が流れることで、両磁気センサ６の両励磁コア１１が励磁され、測定対象７に流れる電流に相関する起電力が両励磁コイル１２に生じる。検出回路３は、この起電力に相関する電流値又は電圧値を出力する。したがって、分割型電流センサ２は、測定対象７に流れる電流の大きさを測定することができる。

【0036】

本実施形態に係る分割型センサヘッド１によれば、各々の磁気センサ６がスリット９内にスリット９に沿って配置されるので、各々の磁気センサ６を磁気コア５の一端５ａにおいて外部に露出させずに周方向に長い範囲に亘って配置することができる。例えば、両磁気センサ６を、全体として、閉状態の両部分ヘッド４の全周長に対して６０％以上の長さに亘って配置することができる。図４に示すように、励磁コア１１が長いほど励磁コア１１内に生じる磁束が大きくなるので、検出感度を高めるためには両磁気センサ６の周長は長ければ長いほど良い。なお、図４は、図１に示す分割型電流センサ２について測定対象７に直流電流１Ａを流したときの解析結果を示す。より具体的に、図４は、閉状態の両部分ヘッド４の全周長に対する両磁気センサ６全体としての周長の割合を変化させ、各々の割合において、励磁コア１１内に生じる磁束の周方向成分（θ成分）を計算した結果を示す。また、閉状態の両磁気コア５の内側に配置された測定対象７の中心軸線Ｏからの位置ぶれ（つまり、測定時の磁気センサ６と測定対象７との相対位置のばらつき）に起因する検出結果への影響は、励磁コア１１、つまり磁気センサ６が長いほど小さくなる。したがって、検出精度を高めるためにも、磁気センサ６の周長は長ければ長いほど良い。

【0037】

また、本実施形態に係る分割型センサヘッド１によれば、各々の磁気コア５が、スリット９に連なる分割部１０を有するので、分割部１０から漏れる磁気コア５からの漏洩磁束を磁気センサ６で受け、磁気センサ６内の磁束を増やすことができる。

【0038】

したがって、本実施形態に係る分割型センサヘッド１によれば、優れた検出感度及び検出精度と取り扱いの容易性とを同時に実現することができる。

【0039】

また、本実施形態によれば、分割部１０が閉状態において中心軸線Ｏを挟んで対向する箇所に対をなすように設けられるので、磁気センサ６内の磁束を周方向により均一化することができるので、測定時の磁気センサ６と測定対象７との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響をより低減し、検出精度をより高めることができる。

【0040】

また、本実施形態によれば、各々の磁気センサ６が、励磁コア１１と励磁コイル１２とを有するので、スリット９内に配置可能な磁気センサ６を簡単な構造で実現することができる。

【0041】

また、本実施形態によれば、各々の磁気センサ６が、励磁コア１１と励磁コイル１２とを備えるフレキシブル基板１３によって形成されるので、スリット９及び磁気センサ６の径方向の厚みを低減し、分割型センサヘッド１を径方向に小型化することができる。

【0042】

また、本実施形態によれば、各々の磁気コア５が、磁気コア５の径方向の幅Ｗ１が周方向に全長に亘って一定であり、スリット９の径方向の幅Ｗ２が周方向に全長に亘って一定である構成を有するので、測定時の磁気センサ６と測定対象７との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響をより低減し、分割型センサヘッド１の小型化を図りつつ検出精度を効率的に高めることができる。

【0043】

また、本実施形態によれば、各々の磁気コア５が、スリット９の外周縁と磁気コア５の外周縁との距離Ｌ１が周方向に全長に亘って一定であり、スリット９の内周縁と磁気コア５の内周縁との距離Ｌ２が周方向に全長に亘って一定である構成を有するので、この点からも、測定時の磁気センサ６と測定対象７との相対位置のばらつきに起因する検出結果への影響をより低減し、分割型センサヘッド１の小型化を図りつつ検出精度を効率的に高めることができる。

【0044】

また、本実施形態に係る分割型電流センサ２は、本実施形態に係る分割型センサヘッド１と、両磁気センサ５に接続される検出回路３と、を有するので、優れた検出感度及び検出精度と取り扱いの容易性とを同時に実現することができる。

【0045】

本実施形態では、各々の磁気コア５が積層鋼板８によって形成され、分割部１０が直線状をなしているが、図５に示す変形例のように、分割部１０が櫛歯状をなす構成としてもよい。つまり、全ての鋼板８ａに各々形成される分割面が、軸方向に向かって１枚又は複数枚の鋼板８ａごとに、周方向の一方側と他方側に交互にずれる構成としてもよい。このような構成によれば、櫛歯状の分割部１０に外部からの磁気ノイズを遮断する磁気シールド機能を発揮させることができるので、より一層、検出感度を高めることができる。

【0046】

前述した実施形態は本開示の一例であり、種々変更可能であることはいうまでもない。

【0047】

例えば、前述した実施形態に係る分割型センサヘッド１及び分割型電流センサ２は、以下に述べるような種々の変更が可能である。

【0048】

前述した実施形態に係る分割型センサヘッド１は、磁気コア５と磁気センサ６とを各々備える一対の部分ヘッド４を有し、両部分ヘッド４が、両磁気コア５の一端５ａ同士が接近し両磁気コア５が全体として環状をなす閉状態と、両磁気コア５の一端５ａ同士が離間した開状態とを切り替え可能に配置され、各々の磁気コア５が、一端５ａから離間した位置から他端５ｂに向けて周方向に延びるとともに軸方向に開口するスリット９を有し、各々の磁気センサ６が、スリット９内にスリット９に沿って配置され、各々の磁気コア５が、スリット９に連なり磁気コア５が少なくとも部分的に周方向に分割された分割部１０を有する限り、種々の変更が可能である。

【0049】

しかし、分割部１０は、閉状態において両磁気コア５の中心軸線Ｏを挟んで対向する箇所に対をなすように設けられることが好ましい。また、各々の磁気センサ６は、励磁コア１１と、励磁コア１１を巻回するように配置される励磁コイル１２と、を有することが好ましい。また、各々の磁気センサ６は、励磁コア１１と励磁コア１１を巻回するように配置される励磁コイル１２とを備えるフレキシブル基板１３によって形成されることが好ましい。また、各々の磁気コア６は、積層鋼板８によって形成され、分割部１０は、櫛歯状をなすことが好ましい。また、各々の磁気コア５は、磁気コア５の径方向の幅Ｗ１が周方向に全長に亘って一定であり、スリット９の径方向の幅Ｗ２が周方向に全長に亘って一定であることが好ましい。また、各々の磁気コア５は、スリット９の外周縁と磁気コア５の外周縁との距離Ｌ１が周方向に全長に亘って一定であり、スリット９の内周縁と磁気コア５の内周縁との距離Ｌ２が周方向に全長に亘って一定であることが好ましい。

【0050】

また、前述した実施形態に係る分割型電流センサ２は、分割型センサヘッド１と、両磁気センサ６に接続される検出回路３と、を有する限り、種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0051】

１ 分割型センサヘッド
２ 分割型電流センサ
３ 検出回路
４ 部分ヘッド
４ａ 部分ヘッドの一端
４ｂ 部分ヘッドの他端
５ 磁気コア
５ａ 磁気コアの一端
５ｂ 磁気コアの他端
６ 磁気センサ
７ 測定対象
８ 積層鋼板
８ａ 鋼板
９ スリット
１０ 分割部
１１ 励磁コア
１２ 励磁コイル
１３ フレキシブル基板
１３ａ 磁性体層
１３ｂ 導電体パターン層
１３ｃ 充填導電体群
１３ｄ 基板本体部
１３ｅ 分岐部
１３ｆ 配線パターン
１３ｇ 端子部
Ｌ１ スリットの外周縁と磁気コアの外周縁との距離
Ｌ２ スリットの内周縁と磁気コアの内周縁との距離
Ｏ 中心軸線
Ｗ１ 磁気コアの径方向の幅
Ｗ２ スリットの径方向の幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】