JP2014016207A - 電流計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、直流電流を計測できる電流計測装置を提供することである。
【解決手段】本発明に係る電流計測装置は、ハウジングと、ハウジングに被計測電流を流すための電線を固定するための固定部材と、電線に対向するように配置された永久磁石と、永久磁石が一端側に固定され、他端側が支持部材によりハウジングに固定され、永久磁石に作用する力により変形するカンチレバーと、カンチレバーに固定され、カンチレバーの変形に基づいて変形することによって電圧を発生する計測用ＰＺＴプレート部と、ハウジングの内部に交流電圧を出力する駆動回路と、カンチレバーに固定され、駆動回路から交流電圧を受けて振動する駆動用ＰＺＴプレート部と、を備え、電線を流れる被測定電流から永久磁石が受ける力により、カンチレバーおよびＰＺＴプレート部が変形し、計測用ＰＺＴプレート部が発生した電圧に基づいて被測定電流を計測することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた直流の電流計測装置に関する。

圧電素子を用いた電流計測装置の一例として、無給電で、かつ電流線に非接触な圧電素子型のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）センサを用いた交流電流の計測装置が提案されている（例えば非特許文献１）。この計測装置は、中心部に圧電層物質が備えられ、一端に永久磁石が備えられ、他端が支持体により固定されているカンチレバーと、カンチレバーを支える基板部とから構成される。

カンチレバーは電線に対向するように設置されており、電線に電流が流れることによって発生する磁場により、カンチレバー上の永久磁石に吸引あるいは反発する力が発生し、この力によりカンチレバーが変形する。上記磁石に作用する力の大きさは上記電線を流れる電流の関数となり、この力に基づいて変形するカンチレバーの変形量は上記電線を流れる電流の関数となる。上記カンチレバーの変形に基づき、上記カンチレバーに固定された圧電物質層が変形し、圧電効果により、電圧が発生する。上記圧電物質層が発生する電圧が上記電線を流れる電流の関数となるので、上記電圧を測定することによる、電流を計測することができる。

Advances in Science and Technology (2008),vol.54, Pages: 350-355

圧電素子を用いた電流計測装置の一例として、非特許文献１に開示された電流計測装置を説明した。非特許文献１に開示されている圧電素子型の電流計測装置では、電線を流れる計測対象電流が発生する磁束と計測装置のカンチレバーに設けられた永久磁石との間で発生する力の強さに基づいて、電線を流れる計測対象電流の値を計測する。交流電流の場合には、電流の向きが常に変わるため、電線から発生する磁場によりカンチレバー上の永久磁石に吸引と反発する力が交互に発生し、この力によりカンチレバーが変形する。このカンチレバーの変形により、交流電圧が出力される。

しかし、直流電流（ＤＣ）を計測する場合には、スイッチをオンした時点から時間が経過すると、電流がほぼ一定値になるため、カンチレバーの変形が一定状態になり、出力電圧はゼロとなる。そのため、直流電流が流れている状態（定常状態）では、電流の計測ができない。このような電流の変化の少ない直流電流を計測することが必要な場合が多々あり、この場合、非特許文献１に開示されている圧電素子型の電流計測装置では、直流電流を測定できず、直流電流を精度良く計測できる電流計測装置が必要とされている。

本発明の目的は、直流電流を精度良く計測できる電流計測装置を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る電流計測装置は、ハウジングと、前記ハウジングに被計測電流を流すための電線を固定するための固定部材と、前記電線に対向するように配置された永久磁石と、前記永久磁石が一端側に固定され、他端側が支持部材によりハウジングに固定され、前記永久磁石に作用する力により変形するカンチレバーと、前記カンチレバーに固定され、前記カンチレバーの変形に基づいて変形することによって電圧を発生する計測用ＰＺＴプレート部と、前記ハウジングの内部に交流電圧を出力する駆動回路と、前記カンチレバーに固定され、前記駆動回路からの交流電圧を受けて振動する力を発生する駆動用ＰＺＴプレート部と、を備え、前記電線を流れる前記被測定電流により前記永久磁石が受ける力により、前記カンチレバーおよび前記ＰＺＴプレート部が変形し、前記計測用ＰＺＴプレート部が発生した電圧に基づいて前記被測定電流を計測することを特徴とする。

上記課題を解決するための第２の発明に係る電流計測装置は、上記第１の発明に係る電流計測装置において、前記計測用ＰＺＴプレート部は、圧電物質からなるフィルム状の圧電層と、前記圧電層を挟むように配置された第１と第２のフィルム状の電極層と、から構成されることを特徴とする。

上記課題を解決するための第３の発明に係る電流計測装置は、上記第２の発明に係る電流計測装置において、前記カンチレバーに複数個の前記計測用ＰＺＴプレート部あるいは前記駆動用ＰＺＴプレート部が設けられ、前記カンチレバーは板状の形状を成し、前記板状の形状の表面は長軸と前記長軸と直交する短軸を備えた細長い形状を成し、前記短軸の中心を通り前記長軸に沿う中心線に対して前記計測用ＰＺＴプレート部および前記駆動用ＰＺＴプレート部が対称となるように前記カンチレバーの前記表面に配置されていることを特徴する。

本発明に基づく電流計測装置によれば、直流電流を精度良く計測することができる。

本発明の一実施形態である電流計測装置を模式的に表した説明図である。 図１における電流計測装置のＡ−Ａ’断面図である。 図１の出力部の具体例を示すブロック図である。 図１の駆動部の内部構造を示すブロック図である。 交流電圧を駆動用ＰＺＴプレート部に印加した場合の直流電流と出力電圧との関係を示すグラフである。 電線から生じる磁気力のうち、最も磁気力が強くなる方向を点線で表したグラフである。 本発明の一実施形態である電流計測装置を家電製品に接続した場合の模式図である。 図７における電流計測装置のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の他の実施例である電流計測装置を模式的に表した平面図である。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて具体的に説明する。本発明の一実施形態である電流計測装置は、磁石を備えた小型の電流計測装置であり、被測定電流の量を計測する。

図１は、本発明の一実施形態である電流計測装置を模式的に表した説明図である。電流計測装置１００は、ハウジング１１２と、被計測電流３０３を流すための電線３０５と、電線３０５を固定するための固定部材１１４（図２参照）と電力を受けるためのコネクタ３０１および受けた電力を送出するためのコネクタ３０２と、永久磁石１０５が一端側に固定され、他端側が支持部材１３２によりハウジング１１２に固定され、永久磁石１０５に作用する力により変形するカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）１０４と、カンチレバー１０４に固定された圧電体１０７と、圧電体１０７が発生した電圧を受け被計測電流３０３の計測値を出力する出力部１０１と、交流電圧を発生する駆動部１０３を備えている。なお、図１が煩雑になるのを防ぐために、電線３０５をハウジング１１２に固定する固定部材１１４の記載を省略している。固定部材１１４は図２に記載している。

カンチレバー１０４の一方の面には、カンチレバー１０４の変形により、電圧を発生する圧電体１０７（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）を備えたＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）プレート部が少なくとも１つ配置される。図１の例では、２種類のＰＺＴプレート部１１３、２１３が配置されている。１つはカンチレバー１０４の変形を電圧に変換して出力するための計測用ＰＺＴプレート部１１３であり、もう１つは、後に詳細を説明するが、駆動部１０３から駆動用の交流電圧を受けて振動する力を発生する駆動用ＰＺＴプレート部２１３である。このように計測用ＰＺＴプレート部１１３と駆動用ＰＺＴプレート部２１３を有することで、直流電流を簡単に計測できる。また計測用ＰＺＴプレート部１１３と駆動用ＰＺＴプレート部２１３を後述するように同一構造とすることで生産性が向上する。さらに生産管理が容易となり、信頼性が向上する。

計測用ＰＺＴプレート部１１３は、カンチレバー１０４側に設けられた第１電極層１０８と、圧電物質からなる圧電層１０７と、第２電極層１０６を有している。第１電極層１０８の端部が圧電層１０７より外周側に突出しており、この実施例では、カンチレバー１０４の長軸方向であってカンチレバー１０４の支持部材１３２側に突出しており、突出した部分に第１電極パット１１０が設けられている。なお、第１電極層１０８のカンチレバー１０４側の面がカンチレバー１０４に固定されており、第１電極パット１１０は、第１電極層１０８におけるカンチレバー１０４の反対の面に設けられている。圧電層１０７に設けられた第２電極層１０６は、圧電層１０７側の面が圧電層１０７側に固定されており、第２電極層１０６における圧電層１０７と反対の面であって、しかもカンチレバー１０４の長軸方向における支持部材１３２側に第２電極パット１０９が設けられている。第１電極パット１１０と第２電極パット１０９は、出力側の配線１１１を介して出力部１０１に接続されている。

カンチレバー１０４の永久磁石１０５に力が作用し、カンチレバー１０４が変形すると、カンチレバー１０４に設けられた圧電層１０７が変形し、圧電層１０７の両面に変形量と関数関係を持つ値の電圧が発生する。この電圧に基づき第１電極層１０８と第２電極層１０６間に電圧が発生し、第１電極層１０８と第２電極層１０６の間の電圧を、配線１１１を介して出力部１０１で検出することにより、カンチレバー１０４の変形量を知ることができる。カンチレバー１０４の変形量は後述するが、被計測電流３０３と関数関係を有しており、配線１１１を介して出力部１０１に取り込まれた電圧は、被計測電流３０３の値に依存する。このようにして被計測電流３０３の値を計測できる。

圧電層１０７が発生する電圧は圧電層１０７の動的な変形量に依存する。即ち、圧電層１０７が変形しても、変形した状態で動きが静止していると圧電層１０７の発生電圧はゼロとなる。圧電層１０７はカンチレバー１０４の一方面に固定されており、カンチレバー１０４が変化すると、変化の大きさに基づいて圧電層１０７が電圧を発生する。カンチレバー１０４および圧電層１０７が変形していても、変形した状態で静止していると上述のように、圧電層１０７の両面に設けられた第１電極層１０８と第２電極層１０６との間の電圧はゼロとなる。

このため被計測電流３０３の電流値が変化しない、ほぼ一定の直流電流の場合に、カンチレバー１０４および圧電層１０７が変形するが、これらの形状は変形した状態で形状が維持されることとなり、圧電層１０７の両面に設けられた第１電極層１０８と第２電極層１０６との間から電圧を取り出すことができない。このように変化の少ない状態の被計測電流３０３の電流値を測定するには、被計測電流３０３の電流値と関数関係にある振幅でカンチレバー１０４および圧電層１０７を振動させることが必要となる。このような被計測電流３０３の電流値と関数関係にある振幅を発生するために駆動用ＰＺＴプレート部２１３が設けられている。

駆動用ＰＺＴプレート部２１３も計測用ＰＺＴプレート部１１３と同一の構成であり、圧電層２０７と、圧電層２０７のカンチレバー１０４側に設けられた第１電極層２０８と、第２電極２０６層及び第２電極パット２０９と、第１電極パット２１０とを備えている。第２電極パット２０９と第１電極パット２１０は、駆動用の配線２１１を介して、駆動部１０３に接続されている。駆動部１０３から一定周期の交流電圧が配線２１１を介して第１電極層２０８と第２電極２０６との間に加えられ、圧電層２０７が加えられた電圧に基づいて変形する。この変形の大きさは加えられた電圧だけでなく、カンチレバー１０４に固定された永久磁石１０５に発生している被計測電流３０３の大きさにより変化する。このため、計測用ＰＺＴプレート部１１３には被計測電流３０３の大きさに基づいて変わる振動が加わり、被計測電流３０３に基づいて大きさが変わる交流電圧が圧電層１０７から第１電極層１０８と第２電極層１０６および配線１１１を介して出力される。

計測用ＰＺＴプレート部１１３と駆動用ＰＺＴプレート部２１３が同一構造のものが使用できるので部品の共有化が図れ、材料も同一であるため、生産性が向上する。また生産管理を同じように行えるので、生産性の向上に加え、信頼性も向上する。

カンチレバー１０４が略長方形の形状を成し、カンチレバー１０４が固定されている側に第１電極パット１１０や第２電極パット１０９が設けられているので、電流計測装置１００の全体の構造がシンプルになる。また第１電極パット２１０や第２電極パット２０９が、カンチレバー１０４が固定されている側に設けられているので、電流計測装置１００の全体の構造がシンプルになる。さらに第１電極パット１１０や第２電極パット１０９および第１電極パット２１０や第２電極パット２０９が同じような配置関係にあるので、電流計測装置１００の生産性に優れている。電流計測装置１００の信頼性の向上にも繋がる。

図２は、図１における電流計測装置１００のＡ−Ａ’断面図である。ここでは、駆動用ＰＺＴプレート部２１３の断面図を示すが、計測用ＰＺＴプレート部１１３の断面図も駆動用ＰＺＴプレート部２１３の断面図と同じ構成であり、同じ構成物質も同じである。前述のように、カンチレバー１０４は、基板部１３２に固定され、永久磁石１０５とＰＺＴプレート部２１３（１１３）を備えている。

永久磁石１０５は図２に示す補助線６００の方向に沿って磁極が配置されている。電線３０５が２芯コード（２本線）の場合にその中央を通る補助線６００の線上の磁束が最も強くなる。従って補助線６００に沿って永久磁石１０５の磁極を配置することで、電線３０５を流れる被計測電流３０３の磁束と永久磁石１０５との間に発生する磁力が最も強くなる。このため補助線６００に沿う方向で永久磁石１０５の磁極を配置することにより大きな力が永久磁石１０５に作用し、計測感度が向上する。

圧電物質からなる圧電層２０７は非常に薄いシート状をしており、圧電層２０７を挟むようにして圧電層２０７のカンチレバー１０４とは反対の面に第２電極２０６を、カンチレバー１０４の側に第１電極層２０８を設けている。また、第２電極パット２０９は第２電極２０６のカンチレバー１０４とは反対側に設けられ、第１電極パット２１０は第１電極層２０８のカンチレバー１０４とは反対側に設けられ、それぞれ駆動用の配線２１１を介して、駆動部１０３に接続されている。

このように第１電極パット２１０や第２電極パット２０９は、第１電極層２０８あるいは第２電極２０６において、何れもカンチレバー１０４とは反対の方向に設けられているので、第１電極パット２１０や第２電極パット２０９と配線２１１との接続を、同じ方向から行うことができ、生産性が向上する。さらに第１電極パット２１０や第２電極パット２０９と配線２１１との接続部分がカンチレバー１０４をハウジング１１２に固定するための支持部材１３２の近傍であるので、第１電極パット２１０や第２電極パット２０９と配線２１１との接続状態によるカンチレバー１０４の変形特性への悪影響を低減でき、精度向上に繋がる。

図１や図２を用いて電流の計測動作について簡単に説明する。電線３０５に被計測電流３０３が流れることにより、電線３０５の周りに磁場が発生し、磁気力により永久磁石１０５がＺ軸の正の方向に吸引あるいは反発の力を発生する。永久磁石１０５が吸引力を発生するか反発力を発生するかは、電線３０５を流れる電流の方向と永久磁石１０５との極性で定まる。永久磁石１０５は、その一方の極が電線３０５側となり、他方の極がカンチレバー１０４側となるように配置されている。

例えば永久磁石１０５に吸引力が生じたとすると、カンチレバー１０４の圧電体１０７はその永久磁石１０５側がＺ軸の正の方向に変位し、第１電極層１０８と第２電極層１０６との間に電圧が発生する。発生した電圧は第１電極パット１１０および第２電極パット１０９から配線１１１を介して出力部１０１に取り込まれる。出力部１０１から被計測電流３０３の電流値を利用したい装置に、出力端子１０２を介して提供される。例えば出力部１０１でデジタル情報に変換されて、出力端子１０２を介してパソコンやモニター装置などに提供される。あるいは出力部１０１でその値が直に読み取れるように、出力部１０１が表示機能を備えていてもよい。

図３は、図１の出力部１０１の具体例を示す。計測された電流値の提供先の状態に合わせて、出力部１０１が計測された電圧情報が提供される。出力部１０１は増幅器４０１を有し、単に出力端子１０２計測結果を出力しても良い。あるいは、管理する人が電線３０５を流れる被計測電流３０３の値を知りたい場合には、代案１であるアナログあるいはデジタルの表示装置４０６を使用して表示すれば良い。また他の制御機器と連携してシステムを構成する場合には、増幅器４０１の出力をデジタル情報として、代案２に示すようにローカルネットワーク４０８から情報を必要とする機器へ提供することができる。

以上が本発明の実施の形態における電流計測装置１００の一般的な計測原理である。電線３０５の種類は、１芯コードの場合でも、図２に示すような２芯コードの場合であってもよい。それぞれの場合について、電線から生じる磁気力の強さの分布が異なる。また、本発明の実施の形態における電流計測装置１００は、駆動部１０３を駆動させずに、交流電流（ＡＣ）を測定することも可能ではあるが、ここでは特に直流電流（ＤＣ）を計測する場合を説明する。

（直流電流の計測）
被計測電流３０３が直流電流の場合に、直流電流（ＤＣ）を流すための図示しないスイッチを投入（以下オンと記す）にすると、電線３０５の周りに磁場が発生し、磁気力により、永久磁石１０５が例えば電線３０５に引き寄せられる。なお電流と方向と磁石の極性との関係で反発力が生じる場合があるが、基本的には動作は同じであり、吸引力が発生したとして説明する。このときカンチレバー１０４の圧電体１０７の上部は圧縮し、下部は引っ張りを受けるので、配線１１１を介して出力部１０１に電圧が取り込まれる。配線の関係で出力部１０１に取り込まれる電圧の極性が定まり、どちらの極性でも基本的には同じであるが、例えば出力部１０１に負の電圧が取り込まれ、出力部１０１から負の電圧が出力されるとして以下説明する。

また、被計測電流３０３である直流電流（ＤＣ）が上記図示しないスイッチが開放（以下オフと記す）すると、電線３０５の周りに発生していた磁場がなくなり、電線３０５に引き寄せられていた永久磁石１０５が解放される。このときカンチレバー１０４の圧電体１０７の上部は緩み、下部は上部が緩んだ反動で圧縮されるため、出力部１０１から出力される電圧はこの例では正になる。

このように直流電流（ＤＣ）の場合には、スイッチをオンとオフで切り替える時に、圧電層１０７から電圧が出力される。スイッチをオンにする場合とオフにする場合とでは、出力される電圧は正負が逆となり、電圧の値はオンとオフで多少異なるが、被計測電流３０３の値に比例した値が出力されることが実験結果から得られている。なお、電流計測装置１００においては被計測電流３０３の値と圧電層１０７が発生する電圧は比例関係にあることが必要ではなく、被計測電流３０３の値と圧電層１０７との関係が関数の関係にあればよい。

直流電流（ＤＣ）を計測する場合に上記直流電流（ＤＣ）がほぼ一定値である場合、上記スイッチをオンした時点から時間が経過すると、圧電層１０７の出力電圧はゼロに近づき、やがて出力電圧はゼロとなる。そのため、電流が流れている状態（定常状態）では、電流の計測ができない。変化の少ない直流電流を計測することが必要な場合が多々あり、このような場合には、カンチレバー１０４を強制的に振動する力を加える。加えられた振動に対して、その振幅が計測しようとする電流の値により変化するので、カンチレバー１０４の振幅の変化を見ることで電流を計測することが可能である。具体的には、駆動用ＰＺＴプレート部２１３の圧電層２０７に交流電圧を印加して、逆圧電効果によって、カンチレバー１０４を振動させる。そして、電線３０５に流れる直流電流によって、カンチレバー１０４の振動を増幅させて、この振幅の増加分が、カンチレバー１０４に固定された計測用ＰＺＴプレート部１１３で電圧に変換され、前述のように電流を検出することができる。

駆動用ＰＺＴプレート部２１３の圧電層２０７に交流電圧を印加するために、電流計測装置１００のハウジング１１２内に、交流電圧を出力する駆動回路を有する駆動部１０３が設けられている。

図４は、駆動部１０３の内部構造を示すブロック図である。駆動部１０３は、発振器４０３と増幅器４０１とからなり、発振器４０３は交流電圧を出力し、増幅器４０１は出力された交流電圧を増幅し、増幅器４０１から図１に示す配線２１１を介して駆動用ＰＺＴプレート部２１３に交流電圧が加えられる。

図１の駆動部１０３には出力端子１２２が設けられている。この出力端子１２２は電流計測において無くても電流計測が可能であるが、駆動部１０３が出力している交流電圧の状態を確認したい場合に、出力端子１２２を介してモニターすることができる。また駆動部１０３が出力する交流電圧が電流計測装置１００の計測精度に大きな影響を与えるので、駆動部１０３の出力をフィードバック制御して高い精度に維持するなどのために使用できる。

図５は交流電圧を駆動部１０３から駆動用ＰＺＴプレート部２１３に印加した場合の、この実施例では直流電流である被計測電流３０３の電流値と計測用ＰＺＴプレート部１１３の出力電圧との関係を示すグラフである。駆動部１０３から交流電圧を、駆動用の配線２１１を介して、駆動用ＰＺＴプレート部２１３に印加する。駆動用ＰＺＴプレート部２１３が駆動電圧を受けて変形して振動し、カンチレバー１０４を振動される。これによりカンチレバー１０４に固定された計測用ＰＺＴプレート部１１３も振動する。その振動を受け、計測用ＰＺＴプレート部１１３の圧電層２０７から電圧が発生し、出力側の配線１１１を介して出力部１０１で出力電圧が計測される。計測された出力電圧の実験結果のグラフが図５で示されている。

まず、電流３０３が流れていない状態で、駆動部１０３から交流電圧駆動用ＰＺＴプレート部２１３に印加した結果が、出力された電圧がグラフ１の表示で示されているグラフである。このときの最大電圧は約５Ｖである。次に同じ駆動電圧駆動用ＰＺＴプレート部２１３に印加した状態で０．５Ａの被計測電流３０３を流すと、グラフ２の表示で示されているグラフとなり、出力される最大電圧は約９Ｖである。更に、同じ駆動電圧駆動用ＰＺＴプレート部２１３に印加した状態で２Ａの被計測電流３０３を流すと、グラフ３の表示で示されているグラフとなり、出力される最大電圧は約２０Ｖである。

被計測電流３０３を流したことにより生じる電圧の増加分を見ると、０．５Ａの被計測電流３０３の場合、電圧の増加分は約４Ｖであり、２Ａの被計測電流３０３の場合、電圧の増加分は約１５Ｖである。このことから、被計測電流と増加電圧はおよそ比例関係にあることがわかる。よって、直流電流を電流計測装置１００で計測することが可能であることが確かめられた。ただ、被計測電流３０３の電流値と計測用ＰＺＴプレート部１１３の発生電圧が関数の関係にあれば、予め上記関数関係を記憶しておき、出力部１０１において計測値から上記記憶値を読み出すことで電流値を出力することができる。また必要に応じ、温度変化などの誤差を発生する要因を計測して記憶しておくことで、出力部１０１内で誤差補正を行い、単位制度の計測値を出力することが可能である。

以上のように、直流電流（ＤＣ）の計測の場合の上記実施例では、カンチレバー１０４を振動させる駆動用の駆動用ＰＺＴプレート部２１３と、カンチレバー１０４の振動を計測する計測用の計測用ＰＺＴプレート部１１３との両方を備えたカンチレバー１０４を使用しており、計測が難しい電流変化の少ない直流に対して高い精度で電流値を計測することができる。また、同一のカンチレバー１０４に駆動用ＰＺＴプレート部２１３と計測用ＰＺＴプレート部１１３の両方を設けており、電流計測装置１００を小型化することができる。さらに、可動部分をまとめることができ、製品として生産する場合の調整などを行い易くする効果がある。次に１芯コードの場合と２芯コードの場合に生じる磁場の強さと向きについて説明する。

（１芯コードの場合）
図６（ａ）は１芯コードに流れる電流が発生する磁束が、Ｚ軸方向に磁極を有する磁石に作用する磁気力の強さを示す図であり、点線で示した位置が最も磁気力が強くなる。この点線の位置はＸ軸に対して４５度の角度に沿った位置である。図では省略したがマイナス４５度の角度に沿った位置も同様に最も磁気力が強くなる。従って図２の実施例において、電線３０５が１芯コードである場合には永久磁石１０５を補助線６００の線上ではなく、Ｘ軸に対して±４５度の角度に沿った位置に配置することにより、検出感度を向上することができる。

（２芯コードの場合）
図６（ｂ）は２芯コードに電流が流れることにより発生する磁場のうち、Ｚ軸方向に磁極を有する磁石に作用する磁気力の強さ最も強くなる位置を点線で表したグラフである。１芯コードの場合と同様に、この点線方向に重なるように永久磁石１０５を配置することにより、最も効果的に永久磁石１０５が磁気力を受けることができる。例えば、図２に示したように、カンチレバー１０４の永久磁石１０５を、２芯コード間の中心を通る補助線６００の上に配置することにより、永久磁石１０５は最も効果的に電線３０５の磁場の影響を受けることができる。

（家電製品への供給電流計測するために電流計測装置を設置した場合の応用例）
図７は本発明の一実施形態である電流計測装置１００を、家電製品に供給される電流を計測する場合の模式図である。現在、家庭用のコンセントの多くは交流電源であるが、供給された交流電流をそのまま使用して内部の機器を動作させる家電製品はほとんどなく、多くは、交流電源から供給された交流電流を一旦直流電流に変換し、必要な場合には使用に適した周波数の交流電力に変換して使用されている。

直流電源から供給される直流電流を使用する家電製品としては、時計やラジカセなどがある。一方、交流電源から供給される交流電流を使用する家電製品としては、扇風機や換気扇、電灯などがある。また、交流電源から供給される交流電流を直流電流に変換して使用する家電製品としては、テレビ、パソコン、ラジオなどがある。電気自動車も交流電源から供給される交流電流を直流電流に変換して充電し、電池に蓄えた電気で走っている。さらに、交流電源から供給される交流電流を直流電流に変換した後、再度、交流電流に変換して使用する家電製品としては、洗濯機や冷蔵庫、電子レンジなどがある。

一般に電力会社が供給する電気は交流であり、太陽電池が作る電気は直流である。将来的には、家庭用の電気の供給方法を交流電源から太陽電池から供給される直流電源に変換することが望まれている。直流電源を使用することで、多くの家電製品で交流電流を直流電流に変換する手間が省かれ、送電効率がよくなるからである。

本願の実施例は直流電流を計測できるため、特に今後、電力用蓄電技術の進歩に伴い直流電流の計測が重要となってくる場合に上述の実施例で説明した技術が貢献できる。

図７では、将来的に使用され得る直流電源のコンセント３０９から供給される電流と家電製品５０１の間に、電流計測装置１００を設置した応用例である。電流計測装置１００のハウジング１１２の中に電線３０５が設けられ、直流電源のコンセント３０９から電力を受けるための受電端子（プラグ）３０７と電力を供給するための送電端子（コンセント）３１３とを更に備えている。電線３０５により受電端子３０７と送電端子３１３とを電気的に接続すると共に、電線３０５を樹脂にてハウジングに固定している。この図では上記樹脂の図示の煩雑さを避けるために省略している。送電端子３１３を家電製品５０１の電線３０５のコンセント３１１と接続することにより、家電製品５０１は直流電源のコンセント３０９から電流が供給される。

図１では、カンチレバー１０４上の永久磁石１０５に対向するように電線３０５が設置されており、電線３０５の電流３０３の流れる向きはカンチレバー１０４の長手方向と垂直に交わる方向であった。図７の実施例では、カンチレバー１０４上の永久磁石１０５に対向するように電線３０５が設置されているが、電線３０５の向きはカンチレバー１０４の長手方向と平行な方向である。電線３０５の設置の方向は、カンチレバー１０４の長手方向と垂直でも平行でもよいが、永久磁石１０５に対向するように電線３０５が設置される必要がある。永久磁石１０５に対向するように電線３０５が設置されていれば、電線３０５によって発生する磁場により永久磁石１０５に力が発生し、カンチレバー１０４が電線３０５の電流値に基づいた振幅で振動する動作原理は変わらないからである。

図８は、図７における電流計測装置のＢ−Ｂ’断面図である。電線３０５は電流計測装置１００のハウジング１１２に固定部材である樹脂固定部材１１４で固定されている。電線３０５は図２や図８のように樹脂で固定することもできるし、図示していないが、ステンレスで固定することがハウジング１１２内に固定することもできる。樹脂やステンレスは磁性体ではないので、磁束を漏えいすることが無い。図８では、図２や図６を用いて説明したように、２本の電線３０５間の中心に永久磁石１０５が配置されるように設置することが望ましい。図８に示すように、固定部材１１４を用いて電線３０５をハウジング１１２に固定すると共に、カンチレバー１０４を支持部材１３２を用いてハウジング１１２に固定しているので、永久磁石１０５と２本の電線３０５との位置関係を好ましい位置関係に固定できる。この位置関係は、電流計測装置１００が作られると一定に維持されるので、計測精度を向上できる。

前述のように、直流電流（ＤＣ）の場合には、スイッチをオンとオフで切り替える時に、圧電層１０７から電圧が出力されるが、上記スイッチをオンした時点から時間が経過すると、圧電層１０７の出力電圧はゼロに近づき、やがて出力電圧はゼロとなる。そのため、電流が流れている状態（定常状態）で電流を測定するために、まず、駆動用ＰＺＴプレート部２１３を駆動部１０３から印加する交流電圧により、強制的に振動する力を加える。加えられた振動に対して、その振幅が計測しようとする電線３０５の電流の値により変化するので、計測用ＰＺＴプレート部１１３から出力される電圧の変化を見ることで電流を計測する。

電線３０５に直流電流が流れることにより磁気力によって、永久磁石１０５が電線３０５に対して吸引あるいは反発する力を受ける。例えば吸引される場合に、カンチレバー１０４の圧電体１０７の電線側（以下一方側と記す）は圧縮し、その逆側（以下他方側と記す）は引っ張りを受けるので、出力部１０１から出力される電圧は例えば負になる。また、駆動部１０３から交流電圧が駆動用ＰＺＴプレート部２１３に印加されていることにより、出力される電圧は、電流の大きさに応じて印加された交流電圧と振幅の異なる交流電圧が出力される。印加されている交流電圧と出力される交流電圧との差を測ることで、直流電流の大きさが計測される。
このように直流電源に電流計測装置１００を接続した場合は、電流の大きさに応じた交流電圧が出力される。

（３つのプレートの場合）
図９は、本発明の他の実施例である電流計測装置を模式的に表した説明図である。図１との違いは、計測用ＰＺＴプレート部１１３が複数の（本実施例では２つの）計測用ＰＺＴプレート部１１３が１つの駆動用ＰＺＴプレート部２１３の両側に配置されて、カンチレバー１０４に固定されている点にある。本発明の実施例で説明した図１の例では、計測用ＰＺＴプレート部１１３と駆動用ＰＺＴプレート部２１３が１つずつカンチレバー１０４上に固定されており、駆動用ＰＺＴプレート部２１３でカンチレバー１０４の半分の領域を駆動させ、計測用ＰＺＴプレート部１１３でカンチレバー１０４の半分の領域でカンチレバー１０４の振動を計測していた。

更に計測精度を上げるためには、カンチレバー１０４の振動が安定していることが望ましい。そのためには、略長方形の形状を成しているカンチレバー１０４の短い軸方向においてバランスしており、ねじれが生じないことが望ましい。カンチレバー１０４の短い軸の中心を通り、カンチレバー１０４の長軸に沿う中心線６５０に対して対称となるように駆動用ＰＺＴプレート部２１３を配置し、さらに２つの計測用ＰＺＴプレート部１１３を配置している。また永久磁石１０５も中心線６５０に対して対称に配置している。

カンチレバー１０４の中心線６５０に対して対称となるように、駆動用ＰＺＴプレート部２１３や計測用ＰＺＴプレート部１１３を配置し、さらに永久磁石１０５を配置することによりバランスがよくなり、計測精度が上がると考えられる。またカンチレバー１０４の支持部材１３２によるハウジング１１２への固定も対称となることで、上述した計測精度の向上が可能となる。

本実施例では駆動用ＰＺＴプレート部２１３や計測用ＰＺＴプレート部１１３を同一構造とし、同じ形状としているので、上述した中心線６５０に対するバランスを得やすい効果がある。

１００…電流計測装置、１０１…出力部、１０２，１２２…出力端子、１０３…駆動部、１０４…カンチレバー、１０５…永久磁石、１０６，２０６…第２電極層、１０７…圧電層、１０８，２０８…第１電極層、１０９，２０９…第２電極パット、１１０，２１０…第１電極パット、１１１…出力側の配線、１１２…ハウジング、１１３…計測用ＰＺＴプレート部、１１４…固定部材、１３２…支持部材、２１１…駆動用の配線、２１３…駆動用ＰＺＴプレート部、３０１…コネクタ、３０３…被計測電流、３０５…電線、３０７，３１１…プラグ、３０９，３１３…コンセント、４０１…増幅器、４０３…発振器、４０６…表示装置、４０８…ローカルネットワーク、５０１…家電製品、６００，６５０…中心線。

Claims (3)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに被計測電流を流すための電線を固定するための固定部材と、
   前記電線に対向するように配置された永久磁石と、前記永久磁石が一端側に固定され、他端側が支持部材によりハウジングに固定され、前記永久磁石に作用する力により変形するカンチレバーと、
   前記カンチレバーに固定され、前記カンチレバーの変形に基づいて変形することによって電圧を発生する計測用ＰＺＴプレート部と、
   前記ハウジングの内部に交流電圧を出力する駆動回路と、
   前記カンチレバーに固定され、前記駆動回路からの交流電圧を受けて振動する力を発生する駆動用ＰＺＴプレート部と、を備え、
   前記電線を流れる前記被測定電流により前記永久磁石が受ける力により、前記カンチレバーおよび前記ＰＺＴプレート部が変形し、前記計測用ＰＺＴプレート部が発生した電圧に基づいて前記被測定電流を計測することを特徴とする電流計測装置。
2. 請求項１に記載の電流計測装置において、
   前記計測用ＰＺＴプレート部は、圧電物質からなるフィルム状の圧電層と、
   前記圧電層を挟むように配置された第１と第２のフィルム状の電極層と、から構成されることを特徴とする電流計測装置。
3. 請求項２に記載の電流計測装置において、前記カンチレバーに複数個の前記計測用ＰＺＴプレート部あるいは前記駆動用ＰＺＴプレート部が設けられ、前記カンチレバーは板状の形状を成し、前記板状の形状の表面は長軸と前記長軸と直交する短軸を備えた細長い形状を成し、前記短軸の中心を通り前記長軸に沿う中心線に対して前記計測用ＰＺＴプレート部および前記駆動用ＰＺＴプレート部が対称となるように前記カンチレバーの前記表面に配置されている、ことを特徴する電流計測装置。

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