JP2007201199A - トロイダルコイル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】金属薄板の打抜きと曲げ加工により、トロイダルコイル構造を得ると共に、交流電流検出コイルとしたとき、不要な外部磁界の検出を抑えて、測定精度を向上する。
【解決手段】交流電流検出用コイル１００は、２つの金属薄板を打抜き加工により接続部５１〜５４で接続される放射状ライン３を円周方向に連続した螺線形状に形成された導電体パターンを、曲げ加工により各パターンの隣接する放射状ライン３に交互に厚み方向で段違いになるように屈曲部３２ｘを設けて立体的に形成された２つのトロイダルコイル（巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０）により構成される。これら両コイルを接近して重ね合すことにより、コイル正面及び断面方向から視た面積をそれぞれ略等しくし、外部磁界を相殺して電流測定精度を高める。
【選択図】図５

Description

本発明は、電流センサ、デジタル回路用チョークコイル、信号フィルタ用リアクタンス、及び電源トランス等に用いられるトロイダルコイルにおいて、特に、家庭用分電盤の分岐回路等に流れる電流を測定する電流センサとして機能する、トロイダルコイル構造に関する。

一般に、送変電機器や家庭用分電盤等に通電される交流電流量を非接触で測定するための電流センサとして、貫通型の電流センサが多く用いられている。このような貫通型の電流センサに用いられる交流電流検出用コイルの従来例を図２１、図２２に示す（特許文献１参照）。これらの図において、交流電流検出用コイル２００は、円形の基板開口部２０１を有する両面積層基板２０２（以下、プリント基板という）と、この基板開口部２０１の周囲に配置されたコイル本体２０３とを備える空芯コイルである。プリント基板２０２の材質は、ガラス入りエポキシ樹脂である。トロイダルコイル２０３は、基板開口部２０１を中心として放射状にプリントされた導電膜の導体部を備え、この導体部はプリント基板２０２の厚み方向すなわちコイル本体２０３の軸方向に貫通する接続部を介して直列に結合することにより、プリント基板２０２にトロイダルコイルを形成している。接続部は、プリント基板２０２の貫通孔の内面に形成された導電膜のスルーホールである。プリント基板２０２に巻かれているコイルは、２方向に一定ピッチで巻き回され、時計回り（矢印２０４の向き）のトロイダルコイルからなる巻き進みコイル２０５（以下、進みコイルという）と反時計回り（矢印２０６の向き）のトロイダルコイルからなる戻しコイル２０７（以下、戻しコイルという）とからなり、進みコイル２０５の終端と戻しコイル２０７の始端を接続することにより、両コイル２０５、２０７は、直列接続されている。図２０において、進みコイル２０５は、プリント基板２０２の表面に形成された導体部が太実線で、裏面に形成された導体部を太破線で示し、戻しコイル２０７は、プリント基板２０２の表面に形成されている導体部を二重実線で示し、裏面に形成された導体部を二重破線で示している。プリント基板２０２の表面及び裏面では、両コイル２０５、２０７の各導体部が交互に一定ピッチで配列されている。進みコイル２０５は、表面及び裏面で、長さの異なる導体部が交互に一定ピッチで配列され、戻しコイル２０７も、同様に表面及び裏面で長さの異なる導体部が交互に一定ピッチで配列されている。また、進みコイル２０５では、各導体部が基板開口部２０１から離れた側で各導体部のピッチ間が接続部（スルーホール）により接続され、戻しコイル２０７では、各導体部が基板開口部２０１の近い側で各導体部のピッチ間が接続部により接続されている。

また、上記交流電流検出用コイル２００を用いた電流測定では、基板開口部２０１に被測定導体が通され、この被測定導体に流れる電流による磁束が両コイル２０５、２０７のプリント基板２０２の矢印２０４又は矢印２０６の方向から視たときの導体部によって囲まれる断面領域を通ることにより発生する誘導電圧を検出する。一方、トロイダルコイル本体２０３の軸方向に視たとき、両コイル２０５、２０７の導体部によって囲まれる領域の正面面積内には、被測定導体からの検出されるべき磁界（測定磁界という）以外に、被測定導体以外の電線から発生された磁界（外部磁界という）の磁束も通っていることがある。この外部磁界は、本来の電流測定にとって不要なものである。しかしながら、円形で形成される両コイル２０５、２０７は、それら自体が等価的に一つの大きなコイルと見なされるので、それらの正面面積内に、不要な外部磁界が通過すると、この外部磁界による電流も同時に検出される。この外部磁界による検出電流は測定誤差となるため、できるだけ影響が小さいことが望ましい。そして、この測定誤差を抑制するには、外部磁界に対して巻き方向が互いに逆方向である両コイル２０５、２０７の各正面面積を同等にして、不要検出電流を相殺する必要がある。

しかしながら、上記従来の電流センサは、両コイル２０５、２０７を軸方向に視たとき、進みコイル２０５の正面面積は、戻しコイル２０７の正面面積よりも大きく、それぞれの正面面積が異なっている。従って、両コイル２０５、２０７で外部磁界による誘導電圧の検出量が異なり、完全に相殺されないので、測定誤差を抑制することが困難となっていた。

また、上記電流測定では、測定感度を上げるには、両コイル２０５、２０７の測定に寄与する測定磁界からの誘導電圧を多くする必要があり、両コイル２０５、２０７において、基板に直交する面で断面したとき導体部によって囲まれる断面領域の各断面面積を同等にし、均一に誘導電圧を発生させることが望ましい。しかしながら、両コイル２０５、２０７の断面面積は巻き回ピッチ毎に異なっており、従って、測定感度が劣化するという問題があった。

さらに、この両コイル２０５、２０７間において、断面面積が異なると、この断面面積を通過する外部磁界の磁束量が異なるので、両コイル間で検出される外部磁界の検出量に差を生じ、相殺される外部磁界量が少なくなり、測定誤差をさらに増大する。特に、この断面面積の違いによる外部磁界の検出の差は、電流センサと検出不要な外部磁界を発生する電線との距離が近いほど大きく現れる。すなわち、検出不要な外部磁界を発生する電線が検出コイルの近くにあると、遠くにある場合に比べて、斜め成分の磁束が相対的に多くなることから、進みコイルと戻しコイルの断面面積の違いにより、外部磁界の検出に差が生じて、不要磁界の相殺作用が低下することになる。

このように、検出用コイル２００では、たとえ進みコイル及び戻しコイルの正面面積が等しい場合でも、それらのコイルの断面面積が異なると、検出不要の外部磁界を発生する電線の近傍においては、相殺される外部磁界の量が低下し、測定誤差が増大する。従って、外部磁界の影響を厳密に削減するためには、進みコイル及び戻しコイルの各正面面積が略同じであると共に、コイルの断面方向の断面面積も略同じであることが必要となる。

しかしながら、上記のような交流電流検出用コイル２００に用いられるトロイダルコイルでは、両面プリント基板にコイルを形成するので、両面プリント基板の構造上コイルの形状が制限されるため、コイルの正面面積及び断面方向の断面面積とも略同じにトロイダルコイルを設計することが困難であった。また、両面プリント基板によるコイル製作プロセスにおいては、エッチング処理や、スルーホール加工を必要とし、製作プロセスが複雑化すると共に、プリント基板の導体箔パターン間をスルーホールで接続するため、パターンの接続部において、環境変化による亀裂等が生じる惧れがあり信頼性に問題があった。また、導体箔パターンの厚みは、エッチング処理上、厚くすることが困難であった。このため、導体箔の抵抗値が大きくなり、コイルの導体損が多かった。また、プリント基板のトロイダルコイルでは、空芯に誘電体を含むため誘電体損失によるコイルロスが生じていた。

なお、交流電流検出用コイルとして、絶縁性基板に基板開口の周囲にコイル本体を配置し、導電膜でコイル状に形成された巻き進みコイルと巻き戻しコイルを有し、これらを直列に接続した空芯コイルが知られている（特許文献２参照）。しかしながら、この従来例においても、トロイダルコイルをプリント基板で形成しており、この空芯コイルでは、コイルの軸方向から視たとき、巻き進みコイルは、鋸歯状の模様を形成し、巻き戻しコイルは三角状の形状をしており、両コイルで形状が異なっている。このため、両コイルが囲む面積が同じでないので、両コイルで通過する外部磁界の磁束量に差が出ることになり、前記同様に外部磁界の影響を十分排除することができないという問題があった。
特開平０６−１７６９４７号公報 特開２００４−８７６１９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、金属薄板の打抜きと曲げ加工により、コイルを立体的に構成して、コイル同士を接近して重なり易くし、継ぎ目のない連続したコイル体を形成することにより、製造が簡単でコイル精度と信頼性が高く、電流検出感度が高くて測定誤差の少ないトロイダルコイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、金属薄板を打ち抜いて螺線形状で円周方向に連続した導電体パターンを形成すると共に、この導体パターンの隣接する放射状に延びるパターンを交互に厚み方向で段違いになるように曲げ加工してコイル体としたトロイダルコイル構造である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のトロイダルコイルにおいて、前記コイル体を巻き進み方向と、巻き戻し方向との２種のコイルとし、これら両コイルを近接配置して一方の終端と他方の始端を連結したものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のトロイダルコイルにおいて、コイル体を２つ備え、一方を他方に対して裏返しに配置することにより、巻き進み方向と巻き戻し方向コイルの両コイルを形成し、これら両コイルを近接配置して一方の終端と他方の始端を連結したものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のトロイダルコイルにおいて、金属薄板の打抜き状態において、放射状に伸びるパターンの一部に曲げパターンを設け、この曲げパターンにより段違いになる屈曲部を形成したものである。

請求項１の発明によれば、打抜きと曲げ加工だけのプロセスでコイル体を形成できるので、コイルの製作が容易となると共に、トロイダルコイルを立体的に同じ形状に精度良く形成できる。これにより、このトロイダルコイルを組合わせて高精度の交流検出センサを得ることが可能となる。また、プリント基板によるトロイダルコイルに比較して、継ぎ目やスルーホールの接続部が無く１枚の金属薄板から連続したコイル体を形成できるので、コイルの信頼性を向上することができる。また、打抜きと曲げ加工は、エッチングを必要とするプリント基板のトロイダルコイルに比べ、コイル導体の厚みを厚くすることができるので、コイルの導体損失を低減できる。さらに、コイル構造を立体的にしたことにより、コイルの空芯内を空間にすることできるので、従来の空芯を誘電体とするプリント基板のコイルと比べて、コイルの誘電体ロスを低減することができる。

請求項２の発明によれば、巻き進み方向のコイル（巻き進みコイルという）と巻き戻し方向のコイル（巻き戻しコイルという）の各トロイダルコイルを精度良く近傍に重ねることができるので、両コイルを略同一位置に配置することができ、コイルピッチを重なるように配置することが可能となる。従って、このようなトロイダルコイルにより形成した交流電流センサでは、軸方向及び円周方向のコイル断面積を精度良くほぼ等しくでき、また、両コイルにおける外部磁界発生源から距離が等しくなるので、検出不要な外部磁界に対して両コイルの誘導電圧が略等しくなり、誘導電圧の相殺誤差を最小にでき、電流測定精度を高めることができる。

請求項３の発明によれば、同じ形状のコイルパターンで巻き進みコイルと巻き戻しコイルのトロイダルコイルを形成できるので、トロイダルコイル用のコイルパターンの形状が１種類でよく、打抜きの金型が少なくて済み、生産コストを低減できる。

請求項４の発明によれば、放射状のパターンの厚み方向への折り曲げ加工時に、コイル体の厚み方向の折り曲げ負荷を少なくできるので、安定した信頼性の高い段違いになる屈曲部を形成できる。また、折り曲げの長さを長く取れるので、コイル体の円周方向の断面積を大きくすることができ、コイルの電流検出感度を上げることができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係るトロイダルコイル構造について、図１乃至図４を参照して説明する。図１、図２及び図３において、本実施形態のトロイダルコイル１（コイル体）は、金属薄板を打ち抜いて螺線形状で円周方向に連続した導電体パターン２で形成される。この導電体パターン２は、円周上に螺線形状が連続することによりドーナツ型の円形状に構成され、内側に円形の開口４があり、パターンの中心をＸとする。そして、この導電体パターン２は、放射線状に形成された放射状ライン３と、ドーナツ型の外周側及び内周側で互に隣接する放射状ライン３の両端を交互に接続する接続部５１、５２と、検出電流信号を取り出すコイル引出端子６１、６２とを備えている。また、放射状ライン３は、直線形の放射状ライン３１と、折り曲がる屈曲部３２ｘを有する屈曲形の放射状ライン３２とを備え、この放射状ライン３の隣接するライン間隔は、全て略等しく形成されている。これらの放射状ライン３１、３２と接続部５１、５２による連続する放射状ラインパターンは、円周上で等ピッチ間隔で配置され、中心軸に対して軸対称になる。

上記放射状ライン３２は、屈曲部３２ｘが形成されることにより、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、金属薄板の打抜き状態において、その放射状ラインパターンの略両端の一部分にＳ字型の曲げパターン３２ｓがそれぞれ形成されている。この曲げパターン３２ｓは、図３（ａ）に示すように、折り曲げ加工において、矢印で示す厚み方向に点線で示す折り曲げ前の放射状ラインに力を加えると、矢印方向にパターン３２ｓのＳ字の曲線部分が直線状に延びて長くなり、隣接する放射状ライン３１と段違いになる放射状ライン３２が形成される。この屈曲部３２ｘは、図３（ｂ）に示すように、側辺３２ｐ、３２ｑと底辺３２ｒを結ぶ略台形型をなす。図３（ｂ）の点線で囲まれたＢ部に示すように、放射状ライン３１の１ラインと、屈曲部３２ｘを設けた放射状ライン３２の１ラインは、略台形型の立体的な１ターンコイル（コイルＴという）を形成する。このコイルＴは、複数個連結されて、円周状に一周する形に形成される。これにより、一枚の金属薄板から、立体的コイルが円周状に連続して形成されることにより、トロイダルコイル１が形成される。また、図３（ｃ）に示すように、トロイダルコイル１の円周方向の断面は、放射状ライン３２の屈曲部３２ｘの側辺３２ｐ、３２ｑと底辺３２ｒ及び放射状ライン３１とに囲まれた略台形状をなし、この台形面積がトロイダルコイル１の断面面積Ｓａとなる。このトロイダルコイル１を用いた電流検出では、開口４に電流が流れる被測定導体が通され、この電流による磁界（測定磁界と呼ぶ）の磁束がトロイダルコイル１の断面領域を通ることにより発生する誘導電圧を検出する。

また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、トロイダルコイル１は、コイルを構成する隣接する放射状ライン３の長さ及び間隔が全て等しいので、トロイダルコイル１の正面から見て、このトロイダルコイル１の中心Ｘを通る中心軸に関して略対称となる。そして、同じコイルＴが、コイル引出端子６１に繋がるコイルの始端のコイルＴ１からスタートし、次々連続してコイルＴが円周方向に周回して接続され、始端のコイルＴ１に隣接する終端のコイルＴｎに戻ることにより、トロイダルコイル１を形成する。そして、コイル引出端子６１と、終端のコイルＴｎに接続するコイル引出端子６２の両端子から、トロイダルコイル１の中心Ｘを通る電線を流れる電流により生じる起電流に基づく検出電流が取り出される。また、トロイダルコイル１の中心軸上から見た平面パターンでは、隣接する放射状ライン３で形成される各コイルＴ間で、全て略同一の平面面積Ｓｂ（斜線部）を有する。従って、トロイダルコイル１の中心軸上からくる磁界に対して各コイルＴで同じ検出電流出力が得られる。

上記構成により、打抜きと曲げ加工だけのプロセスによりトロイダルコイル１を形成できるので、コイルの製作が容易となると共に、トロイダルコイル１を立体的に同じ形状に精度良く形成できる。これにより、このトロイダルコイル１を組合わせて高精度の交流検出センサを得ることが可能となる。また、プリント基板によるトロイダルコイルに比較して、継ぎ目やスルーホールの接続部が無い１枚の金属薄板から連続したトロイダルコイル１を形成することができるので、コイルの信頼性を向上することができる。また、打抜きと曲げ加工は、エッチングを必要とするプリント基板のトロイダルコイルに比べ、コイル導体の厚みを厚くすることできるので、コイルの導体損失を低減できる。さらに、コイル構造を立体的にしたことにより、コイルの空芯内を空間にできるので、従来の空芯を誘電体とするプリント基板のコイルと比べて、コイルの誘電体ロスを低減することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイル１００ついて、図５乃至図１０を参照して説明する。本実施形態の交流電流検出用コイル１００は、巻き進み方向のトロイダルコイル１（以下、巻き進みコイル１という）と、巻き戻し方向のトロイダルコイル１０（以下、巻き戻しコイル１０という）の２種類のトロイダルコイルを近接配置し、一方の終端と他方の始端を連結して、交流電流検出用コイル１００を形成したものである。また、これらの巻き進みコイル１と巻き進戻しコイル１０は、基本的には前記第１の実施形態のトロイダルコイル１と同じ構造を成し、両コイル１、１０の巻き方向は互いに逆方向に形成される。

本実施形態の交流電流検出用コイル１００は、金属薄板を打ち抜いて螺線形状で円周方向に連続した導電体パターン２ａを折り曲げ加工により形成されたトロイダルコイルによる巻き進み方向に進む巻き進みコイル１と、同じく金属薄板を打ち抜いて螺線形状で円周方向に連続した導電体パターン２ｂを折り曲げ加工により形成されたトロイダルコイルによる巻き戻し方向に進む巻き戻しコイル１０とを備える。そして、これら巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０とは、図６に示すように、厚み方向に互いに重ねて接近配置され、樹脂等の絶縁体７で電気的に絶縁され、位置決めされている。この巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０とを用いた電流検出では、開口４に電流が流れる被測定導体が通され、この電流による磁界（測定磁界と呼ぶ）の磁束が巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の断面領域を通ることにより発生する誘導電圧を検出する。

導電体パターン２ａ、２ｂは、図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、それぞれ円周上に螺線形状が連続することによりドーナツ型の円形状に構成され、内側に円形の開口４があり、パターンの中心をＸとする。この導電体パターン２ａ、２ｂは、放射線状に形成された放射状ライン３と、ドーナツ型の外周側及び内周側で互に隣接する放射状ライン３の両端を交互に接続するそれぞれの接続部５１、５２及び５３、５４と、検出電流信号を取り出すコイル引出端子６１、６２及び６３、６４をそれぞれ備えている。

放射状ライン３では、直線形の放射状ライン３１と屈曲形の放射状ライン３２とが交互に形成され、放射状ライン３２は、その両端近傍にそれぞれ折り曲げ用のＳ字パターン３２ｓを有している。また、導電体パターン２ａ、２ｂのパターン形状は、各パターンのコイル引出端子６１、６２間、及び６３、６４間を通る直径ラインＹ１、Ｙ２に関して、それぞれ左右反転すると互いに同形状となる線対称形をなす。すなわち、両パターン２ａ、２ｂでは、直径ラインＹ１、Ｙ２から見てＳ字パターン３２ｓの存在する屈曲形の放射状ライン３２の位置が、左右対称となる。

この左右対称のパターン２ａ、２ｂは、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、曲げ加工により、前記実施形態と同様に立体的なトロイダルコイルよりなる巻き進みコイル１及び巻き戻しコイル１０となる。また、図８（ａ）、（ｂ）の点線で囲ったＴ部に示すように、巻き進みコイル１は、コイルの始端をコイル引出端子６１とし、このコイル引出端子６１は、巻き進みコイル１の放射状ライン３の内、屈曲形の放射状ライン３２に最初に接続され、次いで隣接する直線形の放射状ライン３１に接続されて行く。この結果、巻き進みコイル１は、各コイルＴはその断面内で右回転を成し、コイル全体として反時計方向に進む。一方、巻き戻しコイル１０は、コイルの始端をコイル引出端子６３とし、このコイル引出端子６３は巻き戻しコイル１０の放射状ライン３の内、直線形の放射状ライン３２に最初に接続され、次いで隣接する屈曲形の放射状ライン３２に接続されて行く。この結果、巻き戻しコイル１０は、各コイルＴはその断面内で左回転を成し、コイル全体として時計方向に進み、巻き進みコイル１に対して逆方向に巻き戻る。

次に、これら巻き進みコイル１と、巻き戻りコイル１０を接近配置して接続する交流電流検出用コイル１００の構成について、図９（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。この交流電流検出用コイル１００では、巻き進みコイル１と、巻き戻りコイル１０は、円周方向の断面において、共に厚み方向の上側に放射状ライン３１が位置し、下側に放射状ライン３２が位置する方向に並べられ、厚み方向に間隔ｄを設けて配置される。そして、両コイル１、１０は、それらの電気的絶縁が保てる範囲で接近されて、間隔ｄの隙間は樹脂等の絶縁体７で絶縁され、位置決めされている。

また、パターン２ａ、２ｂが左右対称のため、巻き進みコイル１と巻き戻りコイル１０の外周側の接続部５１、５３において、両接続部が接続する直線形の放射状ライン３１と屈曲形の放射状ライン３２の位置が左右逆となっている。ここで、両コイル１、１０を接近して重ねる場合、平面的に見てコイル引出端子６１、６３（又は、６２、６４）を重ねて合せると、コイル引出端子６１に接続される屈曲形の放射状ライン３２がコイル引出端子６３に接続される直線形の放射状ライン３１上に乗って重なる形になるので、重ねたときの両コイル１、１０間隔がこれらのコイル断面の高さとなって広がってしまう。このため、両コイルを平面的に見て、隣接する放射状ライン３間の間隔分（１ターンコイルのコイルピッチ分）だけ互いにずらせて接続する。これにより、両コイル１、１０間で互いの放射状ライン３１及び各放射状ライン３２がそれぞれ互いに重なるように配置され、両コイル１、１０間隔ｄが小さくでき、一体化された両コイル１、１０による交流電流検出用コイル１００が形成される。また、両コイル１、１０の円周方向のそれぞれの断面面積は、各コイル１、１０のそれぞれの放射状ライン３１、３２とで囲まれた面積となり、導電体パターン２ａ、２ｂが同形をなすことから、共に等しい面積Ｓａを有する。

図１０（ａ）、（ｂ）は、巻き進みコイル１、巻き戻しコイル１０を重ねて配置して形成された交流電流検出用コイル１００の平面を示す。この交流電流検出用コイル１００では、放射状ライン３と接続部５１、５２又は接続部５３、５４とで囲まれるコイルＴが円周に亘ってコイルＴ１からコイルＴｎまで両コイル１、１０毎に形成される。そして、コイル引出端子６２、６３間の接続により両コイル１、１０が直列接続され、コイル引出端子６１、６４からコイル出力の誘起電圧が取り出される。この交流電流検出用コイル１００は、隣接する放射状ライン３の長さと間隔が全て等しいので、この交流電流検出用コイル１００の正面から見て、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の各平面面積が等しくなる。これにより、両コイル１、１０が同じ平面面積Ｓｂを持つので、これら両コイル１、１０の中心軸上から来る不要な外部磁界を精度良く相殺することができる。

次に、上記巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を用いた交流電流検出用コイル１００の製作プロセスについて図１１を参照して説明する。この製作プロセスは、リードフレーム工法と樹脂モールドを用いて行う。図１１に示すように、この製作プロセスにおいて、巻き進みコイル１及び巻き戻しコイル１０の形成は、先ず、金属薄板の打抜き加工プロセス（Ｓ１）により、金属薄板内に導電体パターン２ａ、２ｂが形成され、続いて曲げ加工プロセス（Ｓ２）により金属薄板の中にリードフレーム形の巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０が形成される。そして、これら巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０は、厚み方向を合わせて絶縁間隔を空けながら重ねられ（Ｓ３）、その後、この重ねられたコイル１、１０は、樹脂モールド等で一体にモールドされる（Ｓ４）。一方、別途、交流電流検出用コイル１００を実装するコイル実装用基板４１を用意し、この基板４１の一部には、コイルと嵌合できるようにコイル挿入穴４１ａを設けられている（Ｓ５）。そして、このモールドされた交流電流検出用コイル１００は、金属薄板から切り離されて（Ｓ６）、コイル実装用基板４１に装着され、コイル引出端子６１〜６４がコイル実装用基板４１上の信号処理回路４１ｂと結合され電流センサとして完成する（Ｓ７）。これにより、パッケージなしの交流電流検出用コイル１００がリードフレーム加工からコイル実装用基板４１に直接装着することができ、パッケージの不要な小型で低コストの交流電流検出用コイル１００を簡単なプロセスで容易に実現することができる。

このように、本実施形態によれば、金属薄板の打抜きと曲げ加工によるトロイダルコイルで簡単に巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を対称に立体的に形成できるので、両コイル１、１０を略同一位置に接近して配置することができ、コイルピッチが重なるように配置することが可能となる。従って、このような巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０により形成された交流電流検出用コイル１００では、軸方向及び円周方向のコイル断面積を精度良くほぼ等しくでき、各コイル１、１０の１巻きのピッチを精度良く等しく形成できるので、両コイル１、１０のコイル正面方向からの平面面積と円周方向の断面面積の両方を極めて等しくすることができる。特に、両コイル１、１０を略同一位置に配置にしたことにより、両コイル１、１０における外部磁界発生源から距離が等しくなるので、検出不要な外部磁界に対して両コイルの誘導電圧が略等しくなり、誘導電圧の相殺誤差を最小にでき、電流測定精度を高めることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルついて、図１２（ａ）、（ｂ）及び図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照して説明する。本実施形態の交流電流検出用コイル１００は、前記第２の実施形態における巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０をケース７０に内蔵して一体化したものである。これらの図において、交流電流検出用コイル１００は、巻き進みコイル１及び巻き戻しコイル１０と、これら両コイル１、１０の内周側の接続部５２、５４間を電気的に絶縁する絶縁体リング９ａと、これら両コイル１、１０を近接に配置して絶縁を保持しながら収納する絶縁性材料で形成されたケース７０とを備える。このケース７０では、図１２（ａ）に示されるように、巻き戻しコイル１０、絶縁体リング９ａ、巻き進みコイル１の順で重ねて挿入される。そして、これらのコイル１、１０を用いた交流電流検出用コイル１００の電流検出では、開口４に電流が流れる被測定導体が通され、この電流による磁界の磁束が両コイル１、１０の断面領域を通ることにより発生する誘導電圧を検出する。

ケース７０は、内部に円形の空洞７２を持つドーナツ型の円筒形をなす筐体７１を備え、この筺体７１は、底面７３と円形の外周壁７４及び内周壁７５とを有し、これら外周壁７４及び内周壁７５に沿って両コイル１、１０を保持するための同じ高さの円形の支持台７６、７７が筺体７１内に形成されている。これら支持台７６、７７は、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の外周側及び内周側の接続部５１〜５４の部分だけを支持し、放射状ライン３の部分は支持しないように構成されている。また、これら支持台７６、７７の間には、巻き戻しコイル１０の放射状ライン３の中間部を支持する略直方体の絶縁性の支持台７８が放射状に設けられている。また、支持台７６の上部には、コイル導体の厚みより高い支持部７６ａが設けられ、この支持部７６ａ上に巻き進みコイル１を支持することにより、外周側における巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の絶縁を保つようになっている。そして、隣接する支持部７６ａ間の空間間隔Ｌ１と、巻き進みコイル１０の接続部５３の隣接する２つの放射状ライン３間の外寸幅Ｌ２とは略等しくして、隣接する支持部７６ａ間に接続部５３が嵌合され、巻き戻しコイル１０が固定されるようになっている。また、支持部７６ａの円周方向の幅Ｌ３と接続部５１の接続する放射状ライン３間の外周側の内寸幅Ｌ４とは略等しくして、この内寸幅Ｌ４に支持部７６ａに設けた突起部７６ｂが略嵌合して、巻き進みコイル１を固定するようになっている。

この交流電流検出用コイル１００では、上記ケース７０に順に巻き進みコイル１、巻き戻しコイル１０、絶縁体リング９ａが挿入されと、巻き戻しコイル１０がその外周側及び内周側の接続部５３、５４において、支持台７６、７７上でそれぞれ保持され、外周側の接続部５３は、支持台７６上の隣接する支持部７６ａ間の隙間に略嵌合されて狭持される。次に、保持された内周側の接続部５４上には、内周壁７５の外径より大きい内径を有し、磁界検出に影響の少ない接続部５４の近傍のみを覆う円盤状の絶縁体リング９ａが装着される。さらに、絶縁体リング９ａ上に巻き進みコイル１が装着され、その内周側の接続部５２が絶縁体リング９ａにより絶縁を保ちながら支持される。また、その外周側の接続部５１は、支持台７６上の支持部７６ａに装着されて、支持部７６ａ上に設けられた突起部７６ｂにより略嵌合されて保持される。

また、図１３（ｃ）に示すように、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の円周方向の断面面積は、両コイル１、１０では、それぞれの放射状ライン３１、３２に囲まれる面積となり、対応する互いの放射状ラインが同形なので、同じ断面面積（Ｓａ）となる。

次に、上記巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を用いた交流電流検出用コイル１００の製作プロセスについて図１４を参照して説明する。この製作プロセスは、リードフレーム工法と樹脂パッケージを用いて行う。この製作プロセスにおいて、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の形成は、先ず、打抜き加工ステップ１（Ｓ１）で、金属薄板が打抜き加工され、打ち抜かれた導電体パターン２ａ、２ｂが金属薄板から分離され、それぞれ別個に形成され、さらに曲げ加工ステップ（Ｓ２）によりリードフレーム形の巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０が形成される。そして、これら両コイル１、１０は、別途準備したコイル用のケース７０に、巻き戻しコイル１０、絶縁体リング９ａ、巻き進みコイル１の順に挿入され樹脂埋めされる（Ｓ４）。その後、両コイル１、１０間の接続処理が行われ（Ｓ５）、コイル実装用基板４１に実装され、コイル引出端子が基板４１上の信号処理回路４１ｂと接続されて交流電流検出用コイル１００として完成する（Ｓ６）。これにより、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０をリードフレーム工法により金属薄板から簡単に形成し、パッケージ内に装着することにより、両コイル１、１０の位置ズレの少ない信頼性の高い交流電流検出用コイル１００を簡単なプロセスで容易に実現することができる。

このように、上記本実施形態の巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を用いる交流電流検出用コイル１００によれば、両コイル１、１０を、互いに厚み方向に精度良く接近して配置できるので、不要な外部磁界を相殺して電流検知誤差を削減することができると共に、かつ絶縁を保ちながら密着してケース内に固定して保持することができるので、高性能でコンパクトで取扱易く、信頼性の高い交流電流検出用コイル１００を形成することができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルについて、図１５（ａ）〜（ｄ）及び図１６を参照して説明する。本実施形態の交流電流検出用コイル１００は、２つの同じ形状のトロイダルコイル１（図１参照）（コイル体）を備え、一方を他方に対して裏返しに配置することにより、巻き進み方向に巻き進むトロイダルコイル１（以下、巻き進みコイル１という）と巻き戻し方向に巻き戻すトロイダルコイル１０（以下、巻き戻しコイル１０という）を形成し、これら両コイル１、１０を近接配置して一方の終端と他方の始端を連結したものである。これらの巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０は、基本的には前記第１の実施形態のトロイダルコイル１と同じ構造を成し、裏返えして重ねられることにより、両コイル１、１０の巻き方向が互いに逆方向になるように形成される。

本実施形態の交流電流検出用コイル１００は、金属薄板を打ち抜いて螺線形状で円周方向に連続した導電体パターン２を折り曲げ加工により形成された前記第１の実施形態と同様のトロイダルコイル１（図１参照）を２つ備え、図１５（ｂ）、（ｃ）に示すように、一方のトロイダルコイル１を巻き進みコイル１とし、他方のトロイダルコイル１を裏返したものを巻き戻しコイル１０として形成し、両コイル１、１０を重ねて接近配置したものである。そして、両コイル１、１０のコイル引出端子６１、６２及びコイル引出端子６３、６４のうち、巻き進みコイル１の終端のコイル引出端子６２と、巻き戻しコイル１０の始端のコイル引出端子６３とが接続され、両コイル１、１０が直列接続されると共に、コイル引出端子６１、６４から検出電流が取り出される。

上記のように２つの同一コイルを反転して配置したことにより、図１６に示すように、巻き進みコイル１の直線形の放射状ライン３１と巻き戻しコイル１０の屈曲形の放射状ライン３２とが近接して重なり、反対に巻き進みコイル１の屈曲形の放射状ライン３２と巻き戻しコイル１０の直線形の放射状ライン３１とが重なるように配置される。そして、両コイル１、１０は、厚み方向に互いに重ねて樹脂等の絶縁物で電気的に絶縁して位置決めされる。このような構成により、図１６（ｂ）に示すように、巻き進みコイル１との巻き戻しコイル１０における各放射状ライン３１、３２で形成される円周方向の断面面積Ｓｃ（斜線部）は略等しくなる。これにより、これらの両コイル１、１０を用いた電流検出では、開口４に電流が流れる被測定導体が通され、この電流による磁界の磁束が両コイル１、１０の断面領域を通ることにより発生する誘導電圧を精度良く検出する。

図１７は、巻き進みコイル１、巻き戻しコイル１０を重ねて配置して形成された交流電流検出用コイル１００の平面を示す。この交流電流検出用コイル１００では、放射状ライン３と接続部５１、５２又は接続部５３、５４とで囲まれるコイルＴが円周に亘ってコイルＴ１からコイルＴｎまで両コイル１、１０毎に形成される。そして、コイル引出端子６２、６３間の接続により両コイル１、１０が直列接続され、コイル引出端子６１、６４からコイル出力の誘起電圧が取り出される。この交流電流検出用コイル１００は、隣接する放射状ライン３の長さと間隔が全て等しいので、この交流電流検出用コイル１００の正面から見て、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の各平面面積が等しくなる。これにより、両コイル１、１０が同じ平面面積Ｓｄを持つので、これら両コイル１、１０の中心軸上から来る不要な外部磁界を精度良く相殺することができる。

このように、本実施形態の交流電流検出用コイル１００によれば、同じ形状のコイルパターンで巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を形成できるので、トロイダルコイル用のコイルパターンの形状が１種類でよく、打抜きの金型が少なくて済み、生産コストを低減できる。また、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０において、各正面方向の平面面積及び円周方向の断面面積が等しくなるので、不要な外部磁界を相殺して、検出誤差を低減することができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルについて、図１８（ａ）、（ｂ）、図１９及び図２０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態におけるトロイダルコイルによる交流電流検出用コイル１００は、前記第４の実施形態における巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０をケース７０に内蔵して一体化したものである。これらの図において、交流電流検出用コイル１００は、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の両コイルの内周側の接続部５２、５４間を電気的に絶縁する絶縁体リング９ｂと、これら両コイル１、１０を近接に配置して絶縁を保持しながら収納する絶縁性材料で形成されたケース７０とを備える。このケース７０には、図１８（ａ）に示されるように、巻き戻しコイル１０、絶縁体リング９ｂ、巻き進みコイル１が、順に重ねて装着され、巻き進みコイル１の終端と、巻き戻しコイル１０の始端が直列に接続されている。これら両コイル１、１０を用いた電流検出では、開口４に電流が流れる被測定導体が通され、この電流による磁界の磁束が巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の断面領域を通ることにより発生する誘導電圧を検出する。

ケース７０は、図１８（ｂ）に示されるように、内部に円形の空洞７２を持つドーナツ型の円筒形をなす筐体７１を備え、この筺体７１は、底面７３と円形の外周壁７４及び内周壁７５とを有し、この外周壁７４の内側に沿って両コイル１、１０の外周側の接続部５１、５３を保持するための略長方形の支持台７９が放射状に等間隔に形成されている。この支持台７９は、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の外周側の接続部５１、５３の部分だけを支持し、それ以外の放射状ライン３の部分は支持しないように、ケース７０の半径方向への長さが制限されて構成されている。また、図１９に示すように、隣接する支持台７９間の間隔Ｌ１は、その隙間内に巻き戻しコイル１０の外周側の接続部５３で接続される隣接する放射状ライン３間の間隔の外寸幅（巻き進みコイル１の接続部５１で接続される隣接する放射状ライン３間の間隔Ｌ２に相当）とは略等しくして、接続部５３が略嵌合されるように形成されている。これにより、巻き戻しコイル１０は、筺体７１内の底面７３側に密着して固定される。一方、支持台７９の上部には、巻き進みコイル１の外周側の接続部５１を保持するため支持部７９ａが、放射状ライン３に対応して放射状に等間隔に設けられている。そして、支持部７９ａの円周方向の幅Ｌ３と接続部５１で接続される隣接する放射状ライン３間の内寸幅Ｌ４とは略等しくして、この内寸幅Ｌ４に支持部７９ａが略嵌合するように形成されている。これにより、巻き進みコイル１が支持部７９ａで保持される。

上記ケース７０に、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０及び絶縁体リング９ｂを収納した本実施形態の交流電流検出用コイル１００を図２０（ａ）、（ｂ）に示す。ケース７０では、先ず、巻き戻しコイル１０が挿入され、この巻き戻しコイル１０は、その外周側の接続部５３が隣接する支持台７９間に嵌合して装着される。内周側の接続部５４上には、内周壁７５より大きい内周を有し、磁界検出に影響の少ない接続部５４の近傍部分のみを覆う円筒状の絶縁体リング９ｂが装着される。この絶縁体リング９ｂの高さｄ１は、このｄ１にコイル導体板厚ｄｐを加えた高さ（ｄ１＋ｄｐ）が、一方の支持台７９の高さｄ３と略等しくなるように設けられる。そして、この高さｄ３は、厚み方向の断面における放射状ライン３１と放射状ライン３間の外寸間隔ｄ２より大きくして、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の直線形の放射状ライン３１と屈曲形の放射状ライン３２とが接触せず、電気的に絶縁されるように構成されている。これにより、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の円周方向の各断面は上下で線対称となり、各断面積の大きさを等しくすることができる。従って、コイル内に検出磁界がスムーズに流れ、電流検出感度が向上すると共に、不要な外部磁界に対して相殺作用を高めることができる。

以上の構成により、本実施形態の交流電流検出用コイル１００によれば、同じ形状で互いに裏返しの関係のコイルパターンによる巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を、両コイル１、１０の両端の各接続部（５１〜５２）でのみ支持し両コイル１、１０間を接近させながら絶縁性を確実に保持することができる。従って、磁界を検出する放射状ライン３には、前記第３の実施形態に比べ、放射状ラインの中間部支持用の支持台が存在しないため構成が簡単になると共に、磁界検出エリアにおけるこの支持台による磁界の乱れが発生しないので、スムーズな磁界検出ができ、電流検出感度も良くなる。

上述した各実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイル１００の構成によれば、打抜きと曲げ加工によるトロイダルコイル製作プロセスによりコイルの製作が容易となると共に、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０を立体的に同じ形状に精度良く形成することができる。これにより、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の２つのコイルを、精度良くほぼ一体になるように接近配置させ、それらのコイルピッチを重なるように配置することができる。これにより、巻き進みコイル１と巻き戻しコイル１０の軸方向及び円周方向のコイル断面積を極めて精度良くほぼ等しくできるので、コイル内の磁界の流れをスムーズにして測定磁界に対する測定感度を向上し、検出不要な外部磁界に対しては、相殺効果を向上できるので、外部磁界の影響を少なくして誘導電圧の相殺誤差を最小にし、電流測定精度を高めることができる。

また、プリント基板によるトロイダルコイルに比較して、継ぎ目やスルーホールの接続部が無く１枚の金属薄板から連続したトロイダルコイルを形成できるので、コイルの信頼性を向上することができる。また、打抜きと曲げ加工によるトロイダルコイルは、エッチングを必要とするプリント基板のトロイダルコイルに比べ、コイル導体の厚みを厚くすることできるので、コイルの導体損失を低減できる。さらに、コイル構造を立体的にしたことにより、コイルの空芯内を空間にできるので、従来の空芯を誘電体とするプリント基板のコイルと比べて、コイルの誘電体ロスを低減することができる。これにより、小型、高性能で、かつ量産し易く低コストの電流センサを実現することができる。

なお、上述した各種実施形態では、放射状ラインを連結する接続部のコーナ部分を略矩形で形成したが、特に矩形でなくてもよく、コイルパターンがコイル中心軸に対して軸対称であればよい。また、上記各種実施形態は電流センサ以外に、高周波チョークコイルや、信号フィルタ、小型アンテナ、及び各種トランス等にも応用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るトロイダルコイルの構成図。 （ａ）は上記コイルを形成する導電体パターンの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図。 （ａ）は曲げ加工される屈折部を説明する図、（ｂ）は曲げ加工後の屈折部を示す図、（ｃ）は上記コイルの円周方向の断面を示す図。 上記コイルの平面図、（ｂ）は上記コイルの断面図。 本発明の第２の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルの構成図。 上記コイルの中央部の拡大図。 （ａ）、（ｂ）は、上記コイルにおける巻き進みコイル及び巻き戻りコイルとなる各導電体パターンの平面図。 （ａ）は図７（ａ）のＣ部の拡大図、（ｂ）は図７（ｂ）のＤ部の拡大図。 （ａ）はコイル引出端子間の接続を説明する図５の部分拡大図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 （ａ）は図５の平面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 上記コイルの製作プロセスを説明する図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルの構成図、（ｂ）は（ａ）のケースの構成図。 （ａ）は、上記コイルの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＥ部の拡大図、（ｃ）は（ｂ）の円周方向の断面図。 上記コイルの製作プロセスを説明する図。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルの構成図、（ｂ）は、上記コイルの巻き進みコイルの斜視図、（ｃ）は上記コイルの巻き戻りコイルの斜視図、（ｄ）は（ｂ）、（ｃ）のそれぞれの断面図。 （ａ）は上記コイルの部分拡大図、（ｂ）は（ａ）の円周方向の断面図。 上記コイルの平面図。 （ａ）は本発明の第５の実施形態に係るトロイダルコイル構造による交流電流検出用コイルの構成図、（ｂ）は（ａ）のケースの構成図。 図１８（ａ）の平面図。 （ａ）は上記コイルの巻き進みコイルと巻き戻しコイルの位置関係を説明する図、（ｂ）は（ａ）の円周方向の断面を示す図。 従来の交流電流検出用コイルの正面図。 上記検出用コイルの部分拡大図。

符号の説明

１ トロイダルコイル（コイル体、巻き進みコイル）
１０ トロイダルコイル（コイル体、巻き戻りコイル）
２、２ａ、２ｂ 導電体パターン
３、３１、３２ 放射状ライン
３２ｘ 屈曲部
１００ 交流電流検出用コイル（交流電流センサ）

Claims (4)

1. 金属薄板を打ち抜いて螺線形状で円周方向に連続した導電体パターンを形成すると共に、この導電体パターンの隣接する放射状に延びるパターンを交互に厚み方向で段違いになるように曲げ加工してコイル体としたことを特徴とするトロイダルコイル構造。
2. コイル体を巻き進み方向と、巻き戻し方向との２種のコイルとし、これら両コイルを近接配置して一方の終端と他方の始端を連結したことを特徴とするロゴスキーコイル構造。
3. 前記コイル体を２つ備え、一方を他方に対して裏返しに配置することにより、巻き進み方向と巻き戻し方向コイルの両コイルを形成し、これら両コイルを近接配置して一方の終端と他方の始端を連結したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロゴスキーコイル構造。
4. 前記金属薄板の打抜き状態において、前記放射状に伸びるパターンの一部に曲げパターンを設け、この曲げパターンにより段違いになる屈曲部を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコイル構造。