JP7222652B2 - 電流センサ及び電力量計 - Google Patents

Description

本発明は、簡易な構成で微小電流も精度良く計測することができる電流センサ及び電力量計に関する。

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電変換素子を配置した構成や、集磁コアのギャップ部に、巻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をもつ構成などがある。特に、集磁コアのギャップ部に、基板上にホール素子などの磁電変換素子やコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、測定対象である一次電流が流れる回路とは電気的に分離されているため、一次電流側の回路に影響を与えることなく、精度よく電流を計測可能な点で優れている。さらにコイルパターンを形成した素子を配置する方法は、直線性および温度特性に優れ、部品点数が少なく製造が容易となる特徴を有する（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された電流センサは、環状の集磁コアの中央開口部に電流バーを通し、集磁コアのギャップ部にコイルパターンが施された基板を配置するものである。電流バーに電流が流れると、電流路の周辺には、電流バーに流れる電流の大きさに比例する磁束が発生する。発生した磁束は、集磁コアによって集磁される。電流が周期的電流である場合、その周期に応じて発生する磁束も周期的に変化する。これにより、コイルパターンをもつ検出コイルには、電流の大きさ及び周波数に応じた誘導電圧が発生し、この誘導電圧を電流バーに流れる電流の検出信号として用いている。

特開２０１０－４８７５５号公報

ところで、集磁コアのギャップ部に磁電変換素子を配置する電流センサは、外乱ノイズに大きく影響されるという問題がある。特に微小電流測定時に外乱ノイズにより出力が大きく変動してしまい、微小電流が正確に測定できないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で微小電流も精度良く計測することができる電流センサ及び電力量計を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電流センサは、電流を流す電流バーを囲むように形成された集磁コアと、前記集磁コアのギャップに介在して磁気検出を行う磁気検出コイルと、前記磁気検出コイルが配置され、前記磁気検出コイルからの信号を処理して前記電流バーに流れる電流信号を検出する信号処理部を有した基板とを有した電流センサであって、前記磁気検出コイルは、センタータップを有し、前記信号処理部は、前記センタータップを基準電位として前記磁気検出コイルが出力する信号を差動演算することを特徴とする。

また、本発明にかかる電流センサは、上記の発明において、前記センタータップと、前記磁気検出コイルの一対の出力端との間を、同一の抵抗値を有した抵抗素子を接続することを特徴とする。

また、本発明にかかる電力量計は、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。

本発明によれば、簡易な構成で微小電流も精度良く計測することができる。

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斜視図である。 図２は、磁気検出コイルの構成を示す図である。 図３は、信号処理部の構成を示す回路図である。 図４は、従来の信号処理部の構成を示す回路図である。 図５は、図３に示した信号処理部によるノイズ除去処理を説明する説明図である。 図６は、図４に示した信号処理部によるノイズ除去処理を説明する説明図である。 図７は、図３に示した本実施の形態の信号処理部による測定誤差と図４に示した従来の信号処理部による測定誤差とを比較した図である。 図８は、信号処理部の変形例を示す回路図である。 図９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１０は、三相電流及び三相電圧間のベクトル図である。

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。

図１は、本発明の実施の形態である電流センサ１０の概要構成を示す斜視図である。図１に示すように、電流センサ１０は、電流を流す電流バー２を囲むように形成された集磁コア１、集磁コア１のギャップに介在して磁気検出を行う磁気検出コイル４及び磁気検出コイル４からの信号を処理して電流バー２に流れる電流信号を検出する信号処理部５を有した基板３を有する。

図２に示すように、磁気検出コイル４は、第１層３ａから第４層３ｄまでの４層で形成され、各層に同一方向に巻回されたコイル４ａ～４ｄを有する。第１層３ａのコイル４ａと第２層３ｂのコイル４ｂとは、第１コイル１４を形成し、第３層３ｃのコイル４ｃと第４層３ｄのコイル４ｄとは、第２コイル１５を形成する。第１コイル１４と第２コイル１５とは、センタータップＴＣによって二分されている。センタータップＴＣは、磁気検出コイルの中間から信号を取り出す出力端子である。

磁気検出コイル４における各コイル４ａ～４ｄの接続は、一対の出力端ＴＡ，ＴＢ間で接続される。第１層３ａ～第４層３ｄの間は、ビアＢ１～Ｂ７を介して接続される。ビアＢ１～Ｂ７内は導電部材が注入されて導通可能になっている。

出力端ＴＢはビアＢ１である。第１層３ａでは、コイル４ａがビアＢ１とビアＢ２との間に右巻きに形成されている。コイル４ａは、ビアＢ２を介して第２層３ｂのコイル４ｂに接続される。コイル４ｂは、ビアＢ２とビアＢ３との間に右巻きに形成されている。コイル４ｂは、ビアＢ３を介して第３層３ｃのコイル４ｃに接続される。コイル４ｃは、ビアＢ３とビアＢ４との間に右巻きに形成されている。コイル４ｃは、ビアＢ４を介して第４層のコイル４ｄに接続される。コイル４ｄは、ビアＢ４とビアＢ５との間に右巻きに形成される。コイル４ｄは、ビアＢ５を介して第１層３ａの出力端ＴＡ（ビアＢ６）に接続される。ここで、磁気検出コイル４の中点である第２層３ｂのコイル４ａの一端は、ビアＢ７を介してセンタータップＴＣが設けられている。

図３は、信号処理部５の回路構成を示す図である。磁気検出コイル４は、センタータップＴＣを介して第１コイル１４及び第２コイル１５に二分され、それぞれ出力端ＴＢ，ＴＡに接続される。センタータップＴＣは、グランドＶ０に接続され、演算部６の入力「０」に接続される。出力端ＴＡは、演算部６の「＋入力」に接続され、出力端ＴＢは、演算部６の「－入力」に接続される。演算部６は、「＋入力」と「－入力」との差動演算を行って、出力端子ＰＤから出力する。

出力端ＴＡとセンタータップＴＣとの間には、点ＰＡ，ＰＣ間においてコンデンサＣ２が接続され、出力端ＴＢとセンタータップＴＣとの間には、点ＰＢ，ＰＣ間においてコンデンサＣ１が接続される。コンデンサＣ１，Ｃ２は同じ容量である。また、出力端ＴＡとセンタータップＴＣとの間には、抵抗Ｒ２が接続され、出力端ＴＢとセンタータップＴＣとの間には、抵抗Ｒ１が接続される。抵抗Ｒ１，Ｒ２は、同じ抵抗値を有する。

従来は、図４に示すように、センタータップＴＣを設けず、演算部６の「入力０」をグランド接続し、このグランド接続した点ＰＣ´と、演算部６の「+入力」の点ＰＡ´との間にコンデンサＣ２を接続し、点ＰＣ´と演算部６の「－入力」の点ＰＢ´との間にコンデンサＣ１を接続していた。このコンデンサＣ１，Ｃ２は同じ容量であるが、コンデンサＣ１，Ｃ２には温度特性や個体バラツキがあり、図６に示すように、点ＰＡ´，ＰＣ´間のバイアス電圧ΔＶ１と、点ＰＢ，ＰＣ´間のバイアス電圧ΔＶ２とに差が生じてしまい、図６（ｃ）に示すように、オフセットを持った信号が出力されることで、交流検出特性に誤差が生じる。

これに対し、本実施の形態では、図３に示すように、演算部６の「０」入力を接地するとともに、センタータップＴＣに接続している。しかも、抵抗値が高精度に等しい抵抗Ｒ１，Ｒ２を、センタータップＴＣから演算部６の「＋入力」側、及びセンタータップＴＣから演算部６の「－入力」側に対してそれぞれ接続している。この結果、コンデンサＣ１，Ｃ２の温度特性や個体バラツキがあるときでも、点ＰＡ，ＰＣ間及び点ＰＢ，ＰＣ間の電圧はほぼ等しくなり、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、バイアス電圧の差が小さくなり、図５（ｃ）に示すように、点ＰＡ，ＰＣ間及び点ＰＢ，ＰＣ間のノイズを差動演算によって除去することができる。したがって、磁気検出コイル４によって微小電流を検出する場合であっても、簡易な構成で計測精度を向上させることができる。

図７は、図３に示した本実施の形態の信号処理部５による測定誤差と図４に示した従来の信号処理部５による測定誤差とを比較した図である。図７に示すように、本実施の形態の信号処理部５による測定誤差は、従来の測定誤差を１とした場合に、０．０３２であり、従来のものに比して、極めて測定誤差の少ない電流検出を行うことができる。

＜変形例＞
図８は、信号処理部５の変形例を示す回路図である。図８に示した信号処理部５は、図３に示した信号処理部５の抵抗Ｒ１，Ｒ２を削除した構成としている。この場合でも、磁気検出コイル４は、中点であるセンタータップＴＣを介して、電圧が等しい第１コイル１４と第２コイル１５とに二分されるため、コンデンサＣ１，Ｃ２の温度特性や個体バラツキがあるときでも、点ＰＡ，ＰＣ間及び点ＰＢ，ＰＣ間の電圧はほぼ等しくなり、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、バイアス電圧の差が小さくなり、図５（ｃ）に示すように、点ＰＡ，ＰＣ間及び点ＰＢ，ＰＣ間のノイズを差動演算によって除去することができる。

＜電力量計＞
図９は、実施の形態及び変形例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１０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。

図９に示すように、電力量計２００は、実施の形態及び変形例で示した電流センサ１０に対応する電流センサ１０ａ，１０ｂ、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１０ａは、Ｒ相の電流信号を検出する。電流センサ１０ｂ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。

電力量算出部２０２は、電流センサ１０ａ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１０ｂ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。

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。

また、上記の実施の形態及び変形例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。

１ 集磁コア
２ 電流バー
３ 基板
３ａ 第１層
３ｂ 第２層
３ｃ 第３層
３ｄ 第４層
４ 磁気検出コイル
４ａ～４ｄ コイル
５ 信号処理部
６ 演算部
１０，１０ａ，１０ｂ 電流センサ
１４ 第１コイル
１５ 第２コイル
２００ 電力量計
２０１ａ，２０１ｂ 電圧センサ
２０２ 電力量算出部
２０３ 出力部
Ｂ１～Ｂ７ ビア
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ 三相電流
ＬＤ 負荷
Ｐ 三相電力
ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ 点
ＰＤ 出力端子
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
ＳＰ 電源
ＴＡ，ＴＢ 出力端
ＴＣ センタータップ
Ｖ０ グランド
ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ 三相電圧
ΔＶ１，ΔＶ２ バイアス電圧

Claims (2)

1. 電流を流す電流バーを囲むように形成された集磁コアと、前記集磁コアのギャップに介在して磁気検出を行う磁気検出コイルと、前記磁気検出コイルが配置され、前記磁気検出コイルからの信号を処理して前記電流バーに流れる電流信号を検出する信号処理部を有した基板とを有した電流センサであって、
   前記磁気検出コイルは、前記基板に積層され同一方向に巻回された第１コイル及び第２コイルであり、前記第１コイル及び前記第２コイルをビア接続するとともに２分するセンタータップを有し、
   前記信号処理部は、差動増幅を行う演算部を有し、前記磁気検出コイルの一対の出力端の一方の出力端が前記演算部のプラス入力端子に接続され、他方の出力端が前記演算部のマイナス入力端子に接続され、前記演算部の基準電位入力端子が前記センタータップに接続されるとともにグランド接続され、前記プラス入力端子と前記基準電位入力端子との間、及び、前記マイナス入力端子と前記基準電位入力端子との間に同一容量のコンデンサがそれぞれ接続され、前記センタータップと、前記磁気検出コイルの一対の出力端との間に、同一の抵抗値を有した抵抗素子が接続され、前記センタータップを基準電位として前記磁気検出コイルの前記第１コイルの出力と前記第２コイルの出力とを差動演算することを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１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。

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