JP4910290B2 - 電流センサ及び電力量計 - Google Patents

Description

この発明は、被測定導体に流れる電流を非接触式で検出する電流センサと、これを用いた電力量計に関する。

図９に、例えば非特許文献１に開示されている、この種の小型電力量計の基本構成例を示す。なお、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ断面図、（ｃ）はＸ軸と直交する方向の側面図である。（ｃ）の符号５１は筺体を示す。
これは、ブレーカなどの遮断手段に直結した構造となっており、例えばＡ側の端子５２１が３相電源用ブレーカ側、Ｂ側の端子５２２が負荷側となるように、（ｂ）に示す取り付けネジ５４で配線する。そして、Ａ側からＢ側の負荷側の各相に流れる電流と電圧を検出し、電力を演算するものである。また、液晶ディスプレイ５８と、電力量に比例した周期で発光する計量パルス用ＬＥＤ（発光ダイオード）５９とにより、外部より電力量をモニタリングできるようにしている。なお、３相の信号から電力量を演算するためには、少なくとも２相の電流信号と電圧信号が必要である。そのために、電流センサは電力量計当たり少なくとも２個必要となる。

図１０に図９から筺体５１や電子回路を除去し、電流バーと電流検出用センサであるカレントトランスのみを抽出した主要部を示す。
電力量計用電流センサには通常、カレントトランスが用いられる。図１０では、カレントトランス５６１，５６２の中心部に中空穴５５を形成し、この中空穴５５を貫通して配置される電流バー５３に流れる電流から発生する磁界を検出し、磁界の強さを電流値として処理するものである。また、この電力量計ではＡ相とＣ相にのみ電流センサを配置し、電力量を演算できるようになっている。符号５２は端子を示す。

図１１に、例えば特許文献１に開示された一般的な電子式電力量計の基本構成例を示す。
すなわち、電子式電力量計は基本的にカレントトランス５６１，５６２と、ここでは具体的な説明が省略されている電圧センサ６１１，６１２とのそれぞれから得られる電流信号Ｉと電圧信号Ｖを、演算手段としてのマイクロコンピュータ（マイコン）６０などに取り込み、このマイコン６０内で演算して電力量を求めるものである。また、マイコン６０は電力量に応じたパルスを発生させる計量パルス用ＬＥＤ（発光ダイオード）５９の制御や、電力量を表示する液晶ディスプレイ５８の制御を行なっている。

大崎電気工業株式会社：製品情報インデックス"コンパクトＥＭ"［平成１５年１２月１日検索］インターネット<ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｄｅｎｒｙｏｋｕ／ｃｅｍ＿ｔａｎ３ｓａｎ３．ｈｔｍｌ> 特開２００３−１４９２７６号公報（第２頁，図１３）

（１）カレントトランスは一般に高価であり、電力量計のコスト高の要因となっている。
（２）カレントトランスの穴は、カレントトランスの本体中心部に配置されているため、電流バーの形状や組立ての工夫が必要である。その結果、電力量計のコスト高の要因となっている。
（３）カレントトランスは、電力量計の電力量仕様（例えば５Ａ仕様，３０Ａ仕様など）により、本体や周辺回路構成を変更する必要がある。つまり、各仕様により部品の共通化ができないため、在庫管理費用による電力量計のコスト高や、組立て誤りにより不良品の発生率が高まる。

（４）大電流仕様のカレントトランスの場合、小さい電流まで検出できない（検出レンジが小さい）。
などの問題がある。
したがって、この発明の課題は、複雑な加工を不要にしてコスト低減化を図るとともに、ワイドレンジ化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ｎ（３以上の自然数）個の電流計測デバイスと、これらの電流計測デバイスを位置決めする位置決め手段と、前記ｎ個の電流計測デバイスからの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換するｎ個の検出回路とを備えた電流センサにおいて、
前記ｎ個の電流計測デバイスは測定対象となる導体からそれぞれ異なる距離位置に配置され、前記ｎ個の検出回路からの各信号出力差を電流センサの出力信号とすることを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記ｎ個の電流計測デバイスは、測定対象となる導体に流れる電流に対して同一平面上の同一ライン上で互いに異なる距離位置にそれぞれ配置し、前記ｎ個の電流計測デバイス対応の検出回路のいずれか１つを基準として、基準となる検出回路とそれ以外の検出回路からの各信号出力差を電流センサの出力信号とすること
ができる（請求項２の発明）。また、この請求項２の発明においては、前記基準とならない検出回路対応の電流計測デバイスの少なくとも１つを、基準となる検出回路対応の電流計測デバイスと同一平面上の異なるライン上に配置することができ（請求項３の発明）、または前記基準とならない検出回路対応の電流計測デバイスの少なくとも１つを、基準となる検出回路対応の電流計測デバイスと異なる平面上に配置することができる（請求項４の発明）。

上記請求項１〜４のいずれかの発明においては、前記電流計測デバイスは、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に外部磁界に比例する磁界を印加するための負帰還磁場印加手段と、前記磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するためのバイアス印加手段とから構成することができ（請求項５の発明）、この請求項５の発明においては、前記バイアス印加手段は永久磁石であることができる（請求項６の発明）。また、請求項1〜６に記載の電流センサの少なくとも１つを用いて電力量計を構成することができる（請求項７の発明）。

この発明によれば、ＭＩ素子を用いその配置を工夫するようにしたので、電流バーの構造を簡単にでき、その結果、電流センサおよび電力量計の低コスト化を実現することができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
図１からも明らかなように、これは下側筺体１に取付けられた３個の凹型の電流バー２、そのＡ相，Ｃ相の電流バー２からそれぞれ一定の距離だけ離れた位置に配置された電流センサ３、この電流センサ３を実装している電流センサ基板４、この電流センサ基板４に対し垂直に配置され電気的に接続されている信号処理基板５、この信号処理基板５から平行に一定の距離だけ離れた位置に配置された電力量演算基板６等から構成される。電流バー２はここでは図２に示すように、３本とも同じシンプルな構造になっている。なお、上側筺体は図示を省略されている。

図２は電流センサと電流バーの構成を示す斜視図である。
すなわち、電流バー２に対し電流センサ３は図示のように設置される。ここで、電流バー２に電流が流れるとα面，β面，γ面の各面での電流は矢印で示すようになる。α面に流れる電流によって発生する回転磁界（磁場）Φは矢印で示すようになるので、電流センサ３によりこの磁界Φを効果的に検出するためには、電流センサ３を図示のように電流バー２のα面に対し、垂直に設置する必要がある。なお、このように、電流バー２から垂直方向に所定の距離Ｒだけ離れた位置に配置された電流センサ３には、距離Ｒに反比例し電流バー６に流れる電流Ｉに比例する、次式のような磁場Φが印加される。
Φ＝αＩ／Ｒ…………（１）

図３に電流センサの拡大構成図を示す。
すなわち、電流センサは図３（ａ）に示すように、永久磁石３０と電流計測デバイスであるＭＩ素子３１，３２および３３を樹脂によりモールドしたものとして構成される。ここで、ＭＩ素子３１は、測定対象からなる電流バー２（図２参照）から距離Ｒの位置に配置され、ＭＩ素子３２はＭＩ素子３１からΔＲ１の位置に配置され、ＭＩ素子３３はＭＩ素子３１からΔＲ２の位置にそれぞれ配置される。

ＭＩ素子は図３（ｂ）に示すように、ガラス３６上にスパッタリングにより成膜された磁性膜を、フォトプロセスなどでつづら折れ状にパターニングした磁性体３４、ＭＩ素子に巻かれた負帰還コイル３５から構成される。一般に、ＭＩ素子はホール素子や磁気抵抗素子にくらべ、磁界に対して高感度であることが報告されている（たとえば、比嘉他５名「パルス電流によるスパッタ薄膜マイクロＭＩセンサ」日本応用磁気学会誌，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２，１９９７年を参照されたい）。

図４に、ＭＩ素子に印加される磁界によるインピーダンス特性例を示す。
横軸は磁界強度、縦軸はインピーダンス（Ω）を示す。ＭＩ素子に印加される磁界が変化すると、ＭＩ素子のインピーダンスは図示のように変化する。一般に、ＭＩ素子のインピーダンスと磁界の関係は、０磁場付近では安定しない。そこで、この発明では例えば図３のように、ＭＩ素子と対向する面に永久磁石３０を配置し、これによりバイアス磁界Φ０[Ａ／ｍ]を印加したときの磁場を基準（以下、動作磁界Φ０ともいう）に、外部磁界の変化によってＭＩ素子のインピーダンス変化を検出するものである。ここで、外部磁界とは、例えば電線に流れる電流によって発生する磁界に相当する。

また、ＭＩ素子を電流センサとして用いる場合、
１）レンジアビリティの向上
２）温度特性改善
等を目的に、外部磁界に比例し、外部磁界とは逆方向の磁場（負帰還磁場）をＭＩ素子に印加する。図３（ｂ）に示す負帰還コイル３５は、この負帰還磁場を印加するものである。

次に、電流バーに配置される電流センサの動作、および電力演算方法について説明する。
いま、電流バーに電流が流れると、電流バーの周辺には図５のような磁界が発生する。例えば、電流バーに５０Ａ相当の電流を流した場合、ＭＩ素子３１，３２および３３には、それぞれ７８０Ａ／ｍ，４２０Ａ／ｍおよび７２０Ａ／ｍの磁界が印加され、各ＭＩ素子はこれらの磁界に比例してインピーダンスが変化することになる。

図６に電流センサと電力演算部の回路ブロック図を示す。なお、４１１，４１２および４１３は発振回路、４２１，４２２および４２３は固定抵抗、４３１，４３２および４３３は整流回路、４４１，４４２および４４３は増幅回路、４６１，４６２および４６３は負帰還磁場発生回路、４８はマイコン、４８１は液晶表示器、４８２は計量パルス用ＬＥＤ、３１，３２および３３はＭＩ素子、３５は負帰還コイル、Ｖ₁，Ｖ₂は図示されない電圧センサからの信号をそれぞれ示す。

いま、図６のＭＩ素子３１，３２，３３に発振回路４１１，４１２，４１３から数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの高周波信号を印加すると、各ＭＩ素子は図４のように外部磁界に比例してそのインピーダンスが変化する。そのため、整流回路４３１，４３２および４３３の入力部の信号は、外部磁界に比例した振幅を持つ高周波信号となり、これが整流回路４３１，４３２，４３３および増幅回路４４１，４４２，４４３を経て、電流信号Ａ，ＢおよびＣとしてマイコン４８に取り込まれる。

また、増幅回路４４１，４４２および４４３の各出力は、電流センサのレンジアビリティの向上，温度特性改善を目的に、負帰還磁場を発生するための負帰還磁場発生回路４６１，４６２，４６３から、ＭＩ素子３１，３２，３３に設けられた負帰還コイル３５へ所定の電流を流し、ＭＩ素子３１，３２，３３に負帰還磁場を印加する。
マイコン４８に取り込まれた電流信号Ａ，Ｂ，Ｃは、電流バーよりＲ，Ｒ＋ΔＲ１，Ｒ＋ΔＲ２の距離にそれぞれ配置されたＭＩ素子３１，３２，３３から、インピーダンスの変化として検出したものである。そのため、電流信号Ａ，Ｂ，Ｃは、
電流信号Ａ＝αＩ／Ｒ ………（２）
電流信号Ｂ＝αＩ／（Ｒ＋ΔＲ１）………（３）
電流信号Ｃ＝αＩ／（Ｒ＋ΔＲ２）………（４）
となる。

ここで、Ｒ＜Ｒ＋ΔＲ２＜Ｒ＋ΔＲ１なので、各電流センサの出力信号は、
電流信号Ａ＞電流信号Ｃ＞電流信号Ｂ
である。そこで、この発明の電力量計では、外乱ノイズの影響を除去するために、各電流センサの出力差を電流信号の差とする。そこで、電力量計で用いる電流センサの信号として、
電流信号Ｓ＝電流信号Ａ−電流信号Ｂ
電流信号Ｌ＝電流信号Ａ−電流信号Ｃ
の２信号を用いることとする。

ここで、電流信号Ｓは図５より磁界の差が大きく現れるので、小さい電流で発生する磁界でも、十分に検出することができる。よって、小電流検知用として用いて有効である。一方、電流信号Ｌは図５より磁界の差が小さく現れるので、大きい電流で発生する磁界検知に有効である。
これらの電流信号Ｓ，Ｌと、電圧センサからの電圧信号をマイコン４８で計算することにより、電力量を演算することができる。また、電流信号Ｓ，Ｌを切り替えることにより、大電流〜小電流まで高い電流測定精度にて測定することが可能となる。なお、以上のような処理は、電流バーに取り付けられた全ての電流センサについて行なわれる。

以上のような構成とすることにより、
１）安価なＭＩ素子を用いる構成とすることにより、低コスト化が実現可能となる。
２）大電流から小電流まで広範囲の電流測定ができるため、電流仕様毎に電流センサを準備する必要がなくなり、各仕様毎の部品の共通化が可能となる。
などの利点が得られる。

より大きな電流まで検出可能にするには、ＭＩ素子３１とＭＩ素子３３との間隔をさらに近づける必要がある。
図７はこのような例に相当するもので、ＭＩ素子３３をＭＩ素子３１と同じ平面上で、距離がΔＲ３だけ（ΔＲ３＜ΔＲ２）離れた位置に配置したものである。これにより、図３の場合よりも大電流の検出が可能となる。
図８も上記と同趣旨のものであるが、ＭＩ素子３３をＭＩ素子３１と異なる平面上で、かつ水平方向の距離がΔＲ４だけ（ΔＲ４＜ΔＲ３）離れた位置に配置したものである。これにより、図７の場合よりもさらに大電流の検出が可能となる。

以上では、ＭＩ素子を３個用いる例について説明したが、この発明は４個以上の場合についても、上記と同様にして適用することができる。すなわち、いずれか１つのＭＩ素子を基準として、それ以外のＭＩ素子との各信号出力差を利用することにより、３つの場合よりも精度の向上を期待することが可能となる。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の電流バーと電流センサの設置構成を示す斜視図 図１の電流センサの具体例を示す構成図 ＭＩ素子の磁界インピーダンス特性を示す特性図 電流バーに印加される電流によって発生する磁場分布例の説明図 図１に対する電流センサと電力量演算回路例を示すブロック図 電流センサの別の例を示す構成図 電流センサのさらに別の例を示す構成図 電力量計の従来例を示す構成図 図９の電流検出部の例を示す斜視図 電力量計の別の従来例を示す構成図

符号の説明

１…下側筺体、２…電流バー、３…電流センサ、４…電流センサ基板、５…信号処理基板、６…電力演算基板、３０…永久磁石、３１，３２，３３…ＭＩ（磁気インピーダンス）素子、３４…磁性体、３５…負帰還コイル、３６…ガラス基板、４１１〜４１３…発振回路、４２１〜４２３…固定抵抗、４３１〜４３３…整流回路、４４１〜４４３…増幅回路、４６１〜４６３…負帰還磁場発生回路、４８…マイクロコンピュータ（マイコン）、４８１…液晶表示器、４８２…発光ダイオード（ＬＥＤ）。

Claims (7)

1. ｎ（３以上の自然数）個の電流計測デバイスと、これらの電流計測デバイスを位置決めする位置決め手段と、前記ｎ個の電流計測デバイスからの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換するｎ個の検出回路とを備えた電流センサにおいて、
   前記ｎ個の電流計測デバイスは測定対象となる導体からそれぞれ異なる距離位置に配置され、前記ｎ個の検出回路からの各信号出力差を電流センサの出力信号とすることを特徴とする電流センサ。
2. 前記ｎ個の電流計測デバイスは、測定対象となる導体に流れる電流に対して同一平面上の同一ライン上で互いに異なる距離位置にそれぞれ配置し、前記ｎ個の電流計測デバイス対応の検出回路のいずれか１つを基準として、基準となる検出回路とそれ以外の検出回路からの各信号出力差を電流センサの出力信号とすることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記基準とならない検出回路対応の電流計測デバイスの少なくとも１つを、基準となる検出回路対応の電流計測デバイスと同一平面上の異なるライン上に配置することを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記基準とならない検出回路対応の電流計測デバイスの少なくとも１つを、基準となる検出回路対応の電流計測デバイスと異なる平面上に配置することを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
5. 前記電流計測デバイスは、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に外部磁界に比例する磁界を印加するための負帰還磁場印加手段と、前記磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するためのバイアス印加手段とからなることを特徴とする請求項1〜４のいずれか１つに記載の電流センサ。
6. 前記バイアス印加手段は永久磁石であることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 請求項1〜６に記載の電流センサの少なくとも１つを用いて構成することを特徴とする電力量計。

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