JP7277371B2

JP7277371B2 - 電流検出コイル

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Publication number: JP7277371B2
Application number: JP2019549913A
Authority: JP
Inventors: 伸一安達; 正悟池野
Original assignee: Amada Co Ltd; Amada Weld Tech Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd; Amada Weld Tech Co Ltd
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: JPWO2019087572A1; WO2019087572A1

Description

本発明は、導体を流れる電流を電磁誘導の原理を利用して非接触で検出する電流検出コイルに関する。

この種の電流検出コイルは、一般にトロイダルコイルあるいはロゴスキーコイルと称されている。図１２に示すように、導体１００を電流ｉが流れるとき、この導体１００の周囲にはアンペールの法則に基づく密度で磁束Ｍのループが発生し、この導体１００の近くにコイル１０２を配置すると、コイル１０２に電流ｉの時間変化率に比例した誘導起電力ｖが発生する。トロイダルコイルは、この電磁誘導の原理を利用したもので、図１３に示すように、コイル１０２をトロイダル状に形成して導体１００を囲むようにその周囲に配置する。そうすると、導体１００に電流ｉを流した時にその回りに発生する磁束Ｍがコイル１０２と最も効率よく電磁的に結合し、測定感度の良い電流検出コイルが得られる。

典型的なトロイダルコイル１０６は、図１４に示すように、トロイダル状に延びる往路部１０８と、この往路部１０８の終端１０８ｅ（折返し点）から始端１０８ｓ付近までコイル部１０８に沿って逆向きにライン状（またはトロイダル状）に延びる復路部またはリターンパス部１１０とを有している。ここで、復路部１１０は、トロイダルコイル１０６のトロイダル・ループの中を通る外部からの磁束ｍに対しては往路部１０８と同等の電磁的結合で誘導起電力を逆方向に発生し、外部磁束ｍに起因する電流検出ノイズをキャンセルする働きがある。往路部１０８の始端１０８ｓおよび復路部１１０の終端１１０ｅが一対のリード線１１２，１１４を介して積分回路１１６の入力端子に接続され、積分回路１１６の出力端子より電流ｉの波形を表す電流検出信号Ｓ_ｉが得られるようになっている。

図１５に示すように、たとえば抵抗溶接機において溶接電流を測定する場合に、トロイダルコイル１０６は、溶接トランス（図示せず）を備える溶接電源ユニット１２０と一対の溶接電極１２２，１２４および加圧機構（図示せず）を備える溶接ヘッド１２６との間に架される給電用の導体１００に着脱可能に装架される。抵抗溶接時には、溶接ヘッド１２６が溶接電極１２２，１２４の間に被溶接材（図示せず）を挟んで一定の加圧力を与えた状態で、溶接電源ユニット１２０が導体１００および溶接電極１２２，１２４を介して被溶接材に一定の溶接電流ｉを流す。この溶接通電により、被溶接材の溶接ポイント付近がジュール熱によって溶融し、溶融部分が通電終了後に凝固して溶接継手となる。溶接通電中に導体１００を流れた溶接電流ｉはトロイダルコイル１０６を通じて検出され、積分回路１１６（図１４）より出力される電流検出信号Ｓ_ｉが溶接電流のフィードバック制御や溶接品質のモニタリング等に供される。

米国特許出願公開２０１３／０２５７４１２号明細書国際公開第２００９／００１５８１号

図１５からも理解されるように、被検出電流が流れる導体１００に対するトロイダルコイル１０６の掛り方（相対的位置関係）にはばらつきがある。図１６に示すように、トロイダルコイル１０６をトロイダル形状にすると、往路部１０８の始端１０８ｓおよび復路部１１０の終端１１０ｅが位置する一方のコイル端と、往路部１０８の終端１０８ｂおよび復路部の始端１１０ｓが位置する他方のコイル端との間にトロイダル・ループ上のギャップ（不連続箇所）Ｇが不可避的に形成される。このギャップＧと導体１００との相対的な位置関係のばらつきが、トロイダルコイル１０６の電流検出感度に大きな誤差をもたらし、電流検出精度に大きく影響することが課題となっている。

すなわち、被検出電流ｉの電流値が同じでも、図１６において、[Ｐ_１]あるいは［Ｐ_２］のように導体１００がギャップＧから離れた位置にある場合に比べて、［Ｐ_３］のように導体１００がギャップＧに近い位置にある場合は、電流検出信号Ｓ_ｉの示す電流測定値が大きく低下する。これは、導体１００がギャップＧに近い位置にあるときは、導体１００の近傍に分布する高密度の磁束がギャップＧではコイル部１０８と鎖交しないため、そのぶん電磁的結合度または相互インダクタンスが弱まり、トロイダルコイル１０６の電流検出感度が下がるためである。

従来技術は、上記のように導体１００がギャップＧに近い位置にあるときに電流検出感度が顕著に低くなる誤差を低減して電流検出精度を高めるために、トロイダルコイルの両端を閉じて保持するコネクタの構造や材質等に工夫を凝らしているが（特許文献１，２）、コネクタの煩雑化や高コスト化を伴う割には電流検出精度向上の効果に限界があった。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、コイル部の巻線構造の工夫により電流検出精度の大幅な向上を実現する電流検出コイルを提供する。

本発明の電流検出コイルは、被検出電流が流れる導体を囲むようにトロイダルの形状を採ることが可能な芯部と、前記芯部に装着されているコイル部とを有し、前記コイル部は、前記芯部の一方の端区間にコイル導線を巻回して形成される第１の端区間巻線部と、前記芯部の他方の端区間にコイル導線を巻回して形成される第２の端区間巻線部と、前記芯部の前記第１および第２の端区間に挟まれた中間区間にコイル導線を巻回して形成される中間区間巻線部とを有し、前記第１および第２の端区間巻線部の巻線密度は、前記中間区間巻線部の巻線密度よりも高い構成とした。

上記の構成においては、第１および第２の端区間巻線部の巻線密度が中間区間巻線部の巻線密度よりも高いために、被測定電流が流れる導体が電流検出コイルのトロイダル・ループ内でコイル両端間のギャップの近くに位置しても遠くに位置しても、該導体と各区間巻線部との間の電磁的結合性が略均等で、コイル部の全体の相互インダクタンスが安定しているので、該導体とギャップ間の相対的位置関係に起因する電流検出感度の誤差を効果的に低減することができる。

本発明の好適な一態様においては、第１および第２の端区間巻線部の各々が中間区間巻線部よりも多くの巻線層を有する。好ましくは、コイル部の往路区間または復路区間において、第１および第２の端区間巻線部が複数の巻線層を有し、中間区間巻線部が１つの巻線層を有する。

本発明の特に好ましい態様として、第１の端区間巻線部は、芯部の一方の端区間において、その先端付近からコイル導線の巻回を開始し、他方の端区間側に向かって順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、中間区間巻線部との境界付近で折り返して、逆方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、一方の端区間の先端付近で折り返して、中間区間巻線部との境界付近まで再び順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回して形成された部分を有する。中間区間巻線部は、芯部の中間区間を通じて、順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回された部分を有する。そして、第２の端区間巻線部は、芯部の他方の端区間において、中間区間との境界付近から順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、他方の端区間の先端付近で折り返し、逆方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、中間区間との境界付近で折り返し、他方の端区間の先端付近まで再び順方向にコイル導線を巻回して形成された部分を有する。

本発明の電流検出コイルによれば、被検出電流が流れる導体のコイル内配置位置のばらつきに伴う電流検出感度の誤差を効果的に低減し、電流検出精度の大幅な向上を実現することができる。

本発明の一実施形態における電流検出コイル（トロイダルコイル）の外観構成を示す斜視図である。上記トロイダルコイルの要部を展開して示す図である。上記トロイダルコイルの中間区間の往路巻線部の横断面構造を示す図である。上記トロイダルコイルの各端区間の往路巻線部の横断面構造を示す図である。上記トロイダルコイルの中間区間の全体の横断面構造を示す図である。上記トロイダルコイルの端区間の全体の横断面構造を示す図である。上記トロイダルコイルにおけるコイル部の第１の端区間巻線部の往路巻線部の作成工程を示す図である。上記コイル部の中間区間巻線部の往路巻線部の作成工程を示す図である。上記コイル部の第２の端区間巻線部の往路巻線部の作成工程を示す図である。上記トロイダルコイルの第２の端区間および中間区間の往路巻線部および復路巻線部の縦断面構造を示す図である。上記トロイダルコイルの第１の端区間および中間区間の往路巻線部および復路巻線部の縦断面構造を示す図である。上記トロイダルコイルに使用可能なコネクタの一構成例を模式的に示す図である。上記トロイダルコイルに使用可能なコネクタの別の構成例を模式的に示す図である。上記トロイダルコイルに対する被装架導体の相対的位置に依存する電流検出感度の誤差を測定するための実験モデルを示すである。上記実験モデルにおいて比較例のトロイダルコイルより得られた検出電流値のレンジ誤差の特性を示すグラフである。上記実験モデルにおいて実施形態のトロイダルコイルより得られた検出電流値のレンジ誤差の特性を示すグラフである。実施形態のトロイダルコイルのコイル部における端区間巻線部の製作工程の一変形例を示す図である。一変形例のリターンパス部を有するロイダルコイルの中間区間の断面構成を示す図である。上記変形例のリターンパス部を有するトロイダルコイルの端区間の断面構成を示す図である。導体を流れる電流を非接触で検出する電流検出コイル（トロイダルコイル）の原理を示す図である。トロイダルコイルの原理を示す図である。従来の典型的なトロイダルコイルの構成を示す図である。抵抗溶接機におけるトロイダルコイルの使用形態を示す図である。被測定電流が流れる導体に対するトロイダルコイルの掛り方に依存する電流検出感度のばらつきを説明するための図である。

以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。

［実施形態における電流検出コイル（トロイダルコイル）の構成］
図１～図４Ａ，図４Ｂにつき、本発明の一実施形態における電流検出コイルの全体構成を説明する。

図１に示すように、この実施形態における電流検出コイル１０は、被検出電流が流れる導体（図示せず）を囲むように配置されてその両端を閉じられると、トロイダルの形状（ドーナツ形状）を採るようになっている。電流検出コイル（以下、「トロイダルコイル」と称する。）１０は、その表面全体が一様な厚さを有する絶縁・保護用の熱収縮チューブ１２で覆われており、この熱収縮チューブ１２の内側に電流検出機能を奏する実質部分を有している。トロイダルコイル１０の両端部には、トロイダルの形状を保持するためのコネクタ（図示せず）が取り付けられ、両端部は該コネクタにより保持される。

トロイダルコイル１０は、その長さ方向またはトロイダル・ループ方向において物理的に３つの区間、すなわち第１のコイル端区間１４，コイル中間区間１６および第２のコイル端区間１８に区画されている。図示のように、第１および第２のコイル端区間１４，１８は、コイル中間区間１６より一段と太くなっている。これは、後述するようにコイル巻線構造の違いによるものである。第１のコイル端区間１４から引き出されている一対のリード線２０，２２は、電流検出コイル１０の両端を外部の回路たとえば積分回路１１６（図１４）の入力端子に接続するためのものである。

図２に、トロイダルコイル１０の中身の構成を一直線に展開して示す。図示のように、トロイダルコイル１０は、一様な太さまたは断面積を有するベルト状の芯部３０と、この芯部３０に端から端まで装着されているコイル部３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）とを備えている。

芯部３０の材質には、任意の非磁性体を用いてよいが、たとえばフッ素樹脂のような可撓性に優れた樹脂を好適に用いることができる。コイル部３２の材質には、可撓性に優れた任意の導線または電線を用いてよいが、たとえばポリウレタンやポリエチレン等を絶縁被膜とするエナメル線を好適に用いることができる。

ここで、コイル部３２は、芯部３０の略全長にわたって、芯部３０の一方（図の左側）の端区間３０ａにコイル導線ＣＷを一定のピッチで巻回して形成される第１の端区間巻線部３２ａと、芯部３０の他方（図の右側）の端区間にコイル導線ＣＷを一定のピッチで巻回して形成される第２の端区間巻線部３２ｃと、芯部３０の両端区間３０ａ，３０ｃに挟まれた中間区間３０ｂにコイル導線ＣＷを一定のピッチで巻回して形成される中間区間巻線部３２ｂとに区分けされている。

この実施形態において、コイル部３２の各巻線部３２ａ，３２ｂ、３２ｃはそれぞれ往路巻線部と復路巻線部とを有している。ここで、往路巻線部は、コイル部３２が芯部３０の一方の端（図２の左端）から他方の端（図２の右端）に至るコイル部３２の往路区間の中に設定される巻線部分である。復路巻線部は、コイル部３２が芯部３０の他方の端（図２の右端）から一方の端（図２の左端）に至るコイル部３２の復路区間の中に設定される巻線部分である。図２では、図解を容易にするため、各巻線部３２ａ，３２ｂ、３２ｃの往路巻線部のみを示し、復路巻線部を省略している。

なお、コイル部３２の始端は、第１の端区間巻線部３２ａの往路巻線部の始端でもあり、一方のリード線２０（図１）に接続されている。コイル部３２の終端は、第１の端区間巻線部３２ａの復路巻線部の終端でもあり、他方のリード線２２（図１）に接続されている。

このトロイダルコイル１０においては、コイル部３２の往路区間に着目すると、コイル部３２の上記３つの区間巻線部３２ｃ，３２ｂ，３２ｃを構成するコイル導線ＣＷが１本の連続した導線（エナメル線）でありながら、中間区間巻線部３２ｂの巻線は単層であるのに対して、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃの巻線は多層に構成されている。このため、第１および第２のコイル端区間１４，１８がコイル中間区間１６より太くなっている。

より詳細には、図３Ａに示すように、コイル部３２の中間区間巻線部３２ｂの往路巻線部は、芯部３０の延びる方向と直交する横断面上で、コイル導線ＣＷが芯部３０の周囲に１回だけ巻回された単層の巻線構造となっている。一方、図３Ｂに示すように、コイル部３２の第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃの往路巻線部は、横断面上で、コイル導線ＣＷが芯部３０の周囲に２つの絶縁層３４（１），３４（２）を介して３回巻回された３層の巻線構造となっている。

コイル部３２の各巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃにおいて、往路巻線部（図３Ａ，図３Ｂ）の外側または周囲には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、絶縁層３４（３）を介してコイル部３２の復路巻線部３６が設けられる。この復路巻線部３６は、往路巻線部と連続する１本のコイル導線ＣＷからなる単層巻線構造であり、３つの巻線部３２ｃ，３２ｂ，３２ａに亘って延びてリターンパス部を構成する。外観上の第１のコイル端区間１４，コイル中間区間１６および第２のコイル端区間１８は、熱収縮チューブ１２を介して第１の端区間巻線部３２ａ，中間区間巻線部３２ｂおよび第２の端区間巻線部３２ｃにそれぞれ対応している。なお、絶縁層３４（１），３４（２），３４（３）は、可撓性を有する任意の樹脂でよく、たとえば粘着性のビニルテープを好適に用いることができる。

［実施形態におけるコイル巻線形成方法］
次に、図５Ａ～図５Ｃを参照して、この実施形態におけるトロイダルコイル１０の要部（特にコイル部３２の各区間巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）の作成方法を説明する。

図５Ａに、コイル部３２の第１の端区間巻線部３２ａの往路巻線部を作成する工程を示す。第１の端区間巻線部３２ａにおいては、芯部３０の一方の端区間３０ａの先端（図の左端）付近に設定された始端ポイント［Ｓ］からコイル導線ＣＷの巻回を開始し、順方向（矢印Ａ_１の方向）に一定のピッチでコイル導線ＣＷを巻回し、芯部３０の中間区間３０ｂとの境界付近に設定された第１の中間ポイント［Ｒ_１］でいったん巻回動作を停止する。これによって、図５Ａの（ａ）に示すように、第１層の巻線部が形成される。

次に、図５Ａの（ｂ）に示すように、第１層の巻線部の外側表面に１層目のビニルテープ３４（１）を貼り付ける。そして、このビニルテープ３４（１）上で第１の中間ポイント［Ｒ_１］から逆方向（矢印Ａ_２の方向）に一定ピッチでコイル導線ＣＷを巻回し、始端ポイント［Ｓ］付近で巻回動作を停止する。こうして、図５Ａの（ｃ）に示すように、第２層の巻線部が形成される。

次に、図５Ａの（ｄ）に示すように、第２層の巻線部の外側表面に２層目のビニルテープ３４（２）を貼り付ける。そして、２層目のビニルテープ３４（２）上で始端ポイント［Ｓ］付近から第１の中間ポイント［Ｒ_１］に向かって再び順方向（矢印Ａ_３の方向）に一定ピッチでコイル導線ＣＷを巻回する。そうすると、図５Ａの（ｅ）に示すように、第３層の巻線部が形成される。こうして、第１の端区間巻線部３２ａの往路巻線部は、３つの巻線層を有する３層巻線構造となる。

中間区間巻線部３２ｂの往路巻線部においては、図５Ｂに示すように、第１の端区間巻線部３２ａからの延長または続きで、第１の中間ポイント［Ｒ_１］付近からコイル導線ＣＷの巻回を開始し、そのまま芯部３０の中間区間３０ｂを通じて順方向（矢印Ｂの方向）に一定のピッチでコイル導線ＣＷを巻回する。そうすると、図５Ｃの（ａ）に示すように、芯部３０の他方（右側）の端区間３０ｃとの境界付近に設定された第２の中間ポイント［Ｒ_２］を通過したところで、中間区間巻線部３２ｂの作成が完了する。こうして、中間区間巻線部３２ｂの往路巻線部は１つの巻線層を有する単層巻線構造となる。

第２の端区間巻線部３２ｃの往路巻線部においては、図５Ｃの（ａ）に示すように、中間区間巻線部３２ｂからの続きで、第２の中間ポイント［Ｒ_２］付近からコイル導線ＣＷの巻回を開始し、芯部３０の他方（右側）の端区間３０ｃ上で順方向（矢印Ｃ_１の方向）に一定のピッチでコイル導線ＣＷを巻回し、端区間３０ｃの先端（右端）付近に設定された終端ポイント［Ｅ］で巻回動作を停止する。これによって、図５Ｃの（ａ）に示すように、第１層の巻線部が形成される。

次に、図５Ｃの（ｂ）に示すように、この第１層の巻線部の外側表面に１層目のビニルテープ３４（１）を貼り付ける。そして、このビニルテープ３４（１）上で終端ポイント［Ｅ］付近から逆方向（矢印Ｃ_２の方向）に一定ピッチでコイル導線ＣＷを巻回し、第２の中間ポイント［Ｒ_２］付近で巻回動作を停止する。これによって、図５Ｃの（ｃ）に示すように、第２層の巻線部が形成される。

次に、図５Ｃの（ｄ）に示すように、この第２層の巻線部の外側表面に２層目のビニルテープ３４（２）を貼り付ける。そして、このビニルテープ３４（２）上で第２の中間ポイント［Ｒ_２］から再び順方向（矢印Ｃ_３の方向）に一定ピッチでコイル導線ＣＷを巻回し、終端ポイント［Ｅ］を過ぎたところで巻回動作を停止する。同時に、コイル部３２の往路巻線部に係る全巻回作業または製作工程を終了する。その結果、第２の端区間巻線部３２ｃには、図５Ｃの（ｅ）に示すように、第３層の巻線部が形成される。こうして、第２の端区間巻線部３２ｃの往路巻線部は、３つの巻線層を有する３層巻線構造となる。

上記のようにして、芯部３０の上にその左端から右端に亘って第１の端区間巻線部３２ａ、中間区間巻線部３２ｂおよび第２の端区間巻線部３２ｃの順にそれぞれの往路巻線部が作成される。次に、各巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃの往路巻線部の外側表面に共通のビニルテープ３４（３）を貼り付ける。そして、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、このビニルテープ３４（３）上で終端ポイント［Ｅ］付近から始端ポイント［Ｓ］付近まで一定ピッチでコイル導線ＣＷを巻回する。これによって、第２の端区間巻線部３２ｃ、中間区間巻線部３２ｂおよび第１の端区間巻線部３２ａの順に共通の復路巻線部（リターンパス部）３６が作成される。

なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、矢印Ｄは、復路巻線部（リターンパス部）３６の巻き進む方向を示す。また、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｂの往路巻線部において、矢印Ａ_１，Ｃ_１は上記のように第１層の巻線部の巻き進む方向をそれぞれ示し、矢印Ａ_２，Ｃ_２は上記のように第２層の巻線部の巻き進む方向をそれぞれ示し、矢印Ａ_３，Ｃ_３は上記のように第３層の巻線部の巻き進む方向をそれぞれ示す。また、中間区間巻線部３２ｂにおいて、矢印Ｂは上記のように往路巻線部の巻き進む方向を示す。

上記のように芯部３０の上にコイル導線ＣＷを一定ピッチで巻回する作業は、周知のコイル巻線機を用いて容易に実施することができる。また、コイル導線ＣＷはエナメル線であるから、電気的には、ビニルテープ（絶縁層）３４（１），３４（２），３４（３）を省くことも可能である。特に、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃの往路巻線部においては、ビニルテープ３４（１），（２）を介在させずに多層巻線構造を得ることも可能である。しかし、異なる巻線層の間にビニルテープ３４（１），３４（２）を介在させることにより、下層側巻線部の凹凸を補償して、上層側巻線部の巻回作業を安定かつ高精度に行うことができる。また、コイル部３２において各巻線部の巻き進むピッチは、通常は全ての区間巻線部３２ａ、３２ｂ，３２ｃの間で、および端区間巻線部３２ａ，３２ｃの全ての巻線層の開で、同一の値に設定してよいが、必要に応じて区間毎または巻線層毎に個別の値に設定してもよい。

［実施形態におけるトロイダルコイルの作用］
上記のように、この実施形態におけるトロイダルコイル１０は、電流検出機能の実質部分であるコイル部３２（特にその往路区間内の巻線部）の構成に特徴を有し、コイル部３２を長さ方向において第１の端区間巻線部３２ａ、中間区間巻線部３２ｂおよび第２の端区間巻線部３２ｃの３つに区分けし、各巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃの往路巻線部については、両端区間巻線部３２ａ，３２ｃを巻線密度の相対的に高い３層巻線構造とし、中間区間巻線部３２ｂを巻線密度の相対的に低い単層巻線構造としている。

かかる構成によれば、被検出電流の流れる導体（被装架導体）にトロイダルコイル１０を装架したとき、つまりトロイダルコイル１０をトロイダル形状にして被装架導体の周囲に配置したときに、被装架導体に対するトロイダルコイルの掛り方（相対的位置関係）にばらつきがあっても、トロイダルコイルの電流検出感度の誤差を効果的に低減することができる。

すなわち、この実施形態のトロイダルコイル１０においても、トロイダル形状を採っているときは、その両端の間にトロイダル・ループ上のギャップ（以下「コイルギャップ」と称する。）が不可避的に形成される。このため、トロイダル・ループの内側で被装架導体がコイルギャップに近い位置にある場合、つまり第１の端区間巻線部３２ａまたは第２の端区間巻線部３２ｃに近接している場合は、被装架導体の近傍に分布する高密度な磁束の一部がコイル部と鎖交せずにコイルギャップを通り、被装架導体とトロイダルコイル１０間の相互インダクタンスを低下させる。しかし、トロイダルコイル１０においては、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃが中間区間巻線部３２ｂより数段または数倍高い巻線密度を有し、そのぶん被装架導体との電磁的結合度が大きいので、上記のような被装架導体とコイルギャップとの相対的位置関係のばらつきに起因する相互インダクタンスの低下を効果的に補償することができる。

なお、トロイダル・ループの内側で被装架導体が中間区間巻線部３２ｂに近接している場合も、被装架導体の周囲に生成される磁束の一部がコイル部と鎖交せずにコイルギャップを通る。しかし、コイルギャップを通る磁束は被装架導体から遠く、そのぶん磁束密度または磁界強度が低いため、相互インダクタンスの低下は第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃほどではない。一方で、中間区間巻線部３２ｂはその巻線密度が相対的に低いため、被装架導体の近傍に分布する高密度な磁束が中間区間巻線部３２ｂと鎖交しても、電磁的結合性は第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃほどではない。

このように、このトロイダルコイル１０においては、被装架導体がトロイダル・ループの内側で何処に位置しても、被装架導体と各区間巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃとの間の電磁的結合性が略均等で、コイル部３２の全体の相互インダクタンスが安定している。これにより、被装架導体とトロイダルコイル１０（特にコイルギャップ）との相対的位置関係にばらつきがあっても、トロイダルコイル１０の電流検出感度の誤差を効果的に低減することができる。

また、この実施形態のトロイダルコイル１０においては、コイル部３２の往路区間内の各巻線部だけでなく、復路区間内のリターンパス部３６もコイルの形体を有しているので、被装架導体に被検出電流が流れるときに被装架導体の周囲に生じる磁力線が往路区間内の各巻線部および復路区間内のリターンパス部３６の巻線部のいずれとも鎖交して、往路区間および復路区間の双方で誘導起電力が発生する。これにより、電流検出感度のさらなる向上が図れる。

加えて、この実施形態では、コイル部３２の各巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃにおいて、順方向に巻き進む巻線部と逆方向に巻き進む巻線部とが互いに均衡している。すなわち、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃでは、順方向に巻き進む第１層および第３層の往路巻線部と逆方向に巻き進む第２層の往路巻線部および単層の復路巻線部とが均衡している。中間区間巻線部３２ｂでも、順方向に巻き進む単層の往路巻線部と逆方向に巻き進む単層の復路巻線部とが均衡している。このことにより、トロイダルコイル１０のトロイダル・ループの中を通る外部磁束ｍ（図１４）に起因してトロイダル・ループ内に発生し得る電流検出ノイズを十全にキャンセルすることができる。

さらに、この実施形態のトロイダルコイル１０においては、コイル部３２自体が電流検出感度の誤差を効果的に低減する機能を備えるため、トロイダル形状を採るときにその両端を保持するためのコネクタに該機能を求める必要はなく、任意のコネクタを用いることができる。たとえば、図７Ａに示すように、トロイダルコイル１０の両端をトロイダル・ループの周回方向で突き合せる方式のコネクタ４０でも問題なく使用できる。もちろん、図７Ｂに示すように、トロイダルコイル１０の両端をトロイダル・ループの径方向で突き合せる方式のコネクタ４０も問題なく使用可能である。

なお、図７Ａ、図７Ｂに示すコネクタ４０は、トロイダルコイル１０の両端部にそれぞれコネクタ部材４０ａ，４０ｂを固着して、両コネクタ部材をネジ等で着脱可能に結合するようにしている。なお、トロイダルコイル１０の一方の端部にコネクタ４０の全部または本体を結合し、トロイダルコイル１０の他方の端部を自由端としてコネクタ４０に着脱可能に差し込んで固定する構成とすることも可能である。

本発明者は、上記のような作成方法によってこの実施形態のトロイダルコイル１０を試作するとともに、このトロイダルコイル１０に対する比較例として、同一材質および同一サイズの芯部３０上でその一端（図２の左端）から他端（右端）まで順方向に一定のピッチでコイル導線ＣＷを巻回してなる巻線構造をコイル部の往路区間の巻線部とするトロイダルコイル１０Ａを作成した。この比較例のトロイダルコイル１０Ａは、その全長を通じて図４Ａに示すものと同様の断面構造を有する。

そして、本発明者は、実施形態のトロイダルコイル１０および比較例のトロイダルコイル１０Ａの各々について、図８に示すように、８個の代表点［Ａ］，［Ｂ］，［Ｃ］，［Ｄ］，［Ｅ］，［Ｆ］，［Ｇ］，［Ｈ］付近に抵抗溶接機の被装架導体１００を選択的に配置し（図８では、［Ａ］，［Ｄ］，［Ｈ］の各位置に配置した場合を点線で示している。）、被装架導体１００に交流電流を一定の条件（１０ｋＡ、５０Ｈｚ、７サイクル）で流した時に積分回路１１６（図１４）より得られた電流検出信号Ｓ_ｉから各測定点の検出電流値のレンジ誤差を取得する実験を行った。

ここで、トロイダルコイル１０（１０Ａ）のトロイダル・ループ上において、コイルギャップの位置を基準位置［Ｑ］（０°）とし、反時計回りを正方向とすると、代表点の［Ａ］は４５°位置、［Ｂ］は９０°位置、［Ｃ］は１３５°位置、［Ｄ］は１８０°位置、［Ｅ］は２２５°位置、［Ｆ］は２７０°位置、［Ｇ］は３１５°位置である。［Ｈ］は、トロイダルの中心位置である。

なお、実施形態のトロイダルコイル１０は、区間［Ｑ］～［Ａ］に第１のコイル端区間１４（第１の端区間巻線部３２ａ）を設け、区間［Ａ］～［Ｇ］にコイル中間区間１６（中間区間巻線部３２ｂ）を設け、区間［Ｇ］～［Ｑ］に第２のコイル端区間１８（第２の端区間巻線部３２ｃ）を設ける構成とした。この場合、コイル部３２の全長に対して、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃの長さはそれぞれの端部から１２．５％以内の領域の少なくとも一部に形成される部分であり、中間区間巻線部３２ｂの長さは残部領域でありコイル部３２の全長に対して７５％以上の領域に亘って形成される部分である。

図９Ａに、上記の実験において、比較例のトロイダルコイル１０Ａより得られた検出電流値のレンジ誤差の分布特性を示す。図示のように、トロイダル・ループの中間区間内の各代表点［Ｂ］，［Ｃ］，［Ｄ］，［Ｅ］，［Ｆ］に被装架導体１００を配置したときは、レンジ誤差が０．５％以内に収まったが、コイルギャップに近い代表点［Ａ］，［Ｇ］に被装架導体１００を配置したときは、レンジ誤差が大きく（２％以上）落ち込んだ。トロイダル中心［Ｈ］に被装架導体１００を配置したときも、レンジ誤差が１％以上落ち込んだ。

図９Ｂに、実施形態のトロイダルコイル１０より得られたレンジ誤差の分布特性を示す。図示のように、トロイダル・ループ上の代表点［Ａ］，［Ｂ］，［Ｃ］，［Ｄ］，［Ｅ］，［Ｆ］，［Ｇ］およびトロイダル中心点［Ｈ］のどの位置に被装架導体１００を配置してもレンジ誤差は±０．５％以内であった。特に、コイルギャップに近い代表点［Ａ］，［Ｇ］やトロイダル中心点［Ｈ］では、レンジ誤差の落ち込みが０．５％以下に収まった。このように、実施形態のトロイダルコイル１０によれば、被装架導体とコイルギャップとの相対的位置関係に起因する電流検出感度の誤差を効果的に低減し、電流検出精度の大幅な向上を達成することが確認された。

［他の実施形態又は変形例］
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、上記実施形態では、コイル部３２の往路区間において、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃを３層の巻線構造とし、中間区間巻線部３２ｂを単層の巻線構造とした。しかし、各区間巻線部３２ａ，３２ｂ，３２ｃにおける巻線層の数を任意に変更してもよい。たとえば、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃを５層の巻線構造とし、中間区間巻線部３２ｂを３層の巻線構造とすることも可能である。あるいは、第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｃにおける多層巻線構造の層の数を独立に設定することも可能である。

また、コイル部３２の各部の巻線工程において、コイル導線ＣＷを芯部３０の周囲に巻き付けるのではなく、図１０に示すように、芯部３０の周縁部を貫通させて、いわば糸を縫い付けるようにして、コイル導線ＣＷの巻回を行うことも可能である。

上記実施形態のトロイダルコイル１０において、芯部３０は、可撓性のものに限らず、図示省略するが、トロイダル形状を常時保持する固定式も可能である。その場合、被装架導体に対するトロイダルコイル１０の開閉を可能とするために、トロイダル・ループ上の中心点にヒンジ部を設ける構成を好適に採ることができる。

上記実施形態では、コイル部３２の全長に対して第１および第２の端区間巻線部３２ａ，３２ｂの長さをそれぞれ１２．５％以下としたが、１２．５％より著しく短くしてもよい。原理的には、端区間巻線部３２ａ，３２ｃが形成される領域の好ましい範囲ｋはそれぞれ０％＜ｋ≦１２．５％である。中間区間巻線部に比して各端区間巻線部の巻線密度を高く、又は巻線層を多くすることにより、コイル部３２のＡ～Ｈ区間で検出される電流値のレンジ誤差が低減されることを見出した点が本発明の中心的な技術思想である。トロイダルコイルの設計上、巻線の材料、線径、巻線数、芯材の材質等の要素があるが、発明者らは、端区間巻線部において巻線密度又は巻線層が多くなる領域が１巻き分だけであった場合にも図９Ａ及び図９Ｂに示す検出電流値のレンジ誤差が低減される傾向にあることに着目し、端区間巻線部の巻線密度を高く、又は巻線層を多くすること、さらに、端区間巻線部が形成される領域ｋを、両端部においてそれぞれ０％＜ｋ≦１２．５％の範囲内とすることにより、Ａ～Ｈ区間のレンジ誤差を低減することが可能であることを見出して本発明に至った。

なお、上記実施形態における端区間巻線部３２ａ，３２ｃのように、各区間の両端でコイル導線を折り返す形態の多層巻線構造においては、芯部の延びる方向に少なくとも数巻き分の領域を必要とする。

上記実施形態のトロイダルコイル１０において、コイル部３２の往路区間における巻線構造と復路区間における巻線構造とを反転させた構成、すなわち往路区間に上記リターンパス部３６に相当する構成を配置し、復路区間に上記第１の端区間巻線部３２ａ，中間巻線部３２ｂ，第２の端区間巻線部３２ｃに相当する構成を配置する構成を採ることも可能である。

さらに、上記実施形態のトロイダルコイル１０において、リターンパス部３６を巻線形態ではなく、たとえば図１１Ａおよび図１１Ｂに示すようなライン状の形態とすることも可能である。図１１Ａおよび図１１Ｂの変形例では、リターンパス部３６を構成するコイル導線ＣＷを芯部３０の内部に配置（挿入）しているが、芯部３０の周囲に配置してもよい。芯部３０の断面形状は任意に選べる。また、外部磁束ｍ（図１４）に起因する電流検出ノイズをキャンセルできなくなるが、リターンパス部３６を省く構成も可能である。その場合は、コイル部３２の終端つまり第２の端区間巻線部３２ｃの終端がリード線２２に接続される。

１０トロイダルコイル
３０芯部
３２コイル部
３２ａ第１の端区間巻線部
３２ｂ中間区間巻線部
３２ｃ第２の端区間巻線部
３４（１），３４（２），３４（３）絶縁層（ビニルテープ）
３６リターンパス部
４０コネクタ
ＣＷコイル導線

Claims

被検出電流が流れる導体を囲むようにトロイダルの形状を採ることが可能な芯部と、
前記芯部に装着されているコイル部と
を有し、
前記コイル部は、前記芯部の一方の端区間にコイル導線を巻回して形成される第１の端区間巻線部と、前記芯部の他方の端区間にコイル導線を巻回して形成される第２の端区間巻線部と、前記芯部の前記第１および第２の端区間に挟まれた中間区間にコイル導線を巻回して形成される中間区間巻線部とを有し、
前記第１の端区間巻線部、前記第２の端区間巻線部、および前記中間区間巻線部は、前記芯部の一方の端区間側から他方の端区間側に向かって順方向にコイル導線が巻線された、順方向に巻き進む巻線部と、前記順方向とは逆方向にコイル導線が巻線された、逆方向に巻き進む巻線部とを有し、
前記第１および第２の端区間巻線部は、それぞれ前記中間区間巻線部よりも高い巻線密度を有し、
前記トロイダル形状を採った際にトロイダル・ループ内に発生し得る電流検出ノイズをキャンセルするよう、前記第１の端区間巻線部、前記第２の端区間巻線部、および前記中間区間巻線部それぞれにおいて、前記順方向に巻き進む巻線部と前記逆方向に巻き進む巻線部とが互いに均衡した状態で配置される
電流検出コイル。
前記第１および第２の端区間巻線部は、それぞれ前記中間区間巻線部よりも多くの巻線層を有する、請求項１に記載の電流検出コイル。
前記コイル部は、
前記第１の端区間巻線部において、前記芯部の一方の端区間において、その先端付近に設定された始端ポイントからコイル導線の巻回を開始し、前記第２の端区間側に向かって順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、前記中間区間巻線部との境界付近で折り返して、逆方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、前記一方の端区間の先端付近で折り返して、前記中間区間巻線部との境界付近まで再び順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回して形成された部分、
前記中間区間巻線部において、前記芯部の前記中間区間を通じて、順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回された部分、および
前記第２の端区間巻線部において、前記芯部の他方の端区間において、前記中間区間との境界付近から順方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、前記他方の端区間の先端付近で折り返し、逆方向に一定のピッチでコイル導線を巻回し、前記中間区間との境界付近で折り返し、前記他方の端区間の先端付近に設定された終端ポイントまで再び順方向にコイル導線を巻回して形成された部分を、それぞれ有するとともに、
前記コイル部は、
前記第２の端区間巻線部、前記中間区間巻線部および前記第１の端区間巻線部の順に、前記終端ポイントから前記始端ポイントまで一定のピッチでコイル導線を巻回して作成された部分を、それぞれ有する
請求項２に記載の電流検出コイル。
前記第１および第２の端区間巻線部において、下層側の巻線層と上層側の巻線層との間に絶縁層を有する、請求項２に記載の電流検出コイル。
前記コイル部の全長に対して、前記第１および第２の端区間巻線部の長さはそれぞれ１２．５％以下である、請求項１に記載の電流検出コイル。