JP2007033222A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ホール素子を用いず、ギャップの無い閉磁路コアのみで電流を正確に測定できる電流センサを提供する。
【解決手段】 閉磁路コア１に電線２を貫通させて配置し、これに流れる被測定電流Ｉｄによる発生磁界を、コア１に巻かれた巻線コイルＬｆにフィードバック電流を流すことによって打ち消し、フィードバック電流自体が被測定電流Ｉｄに正比例することを利用して、被測定電流Ｉｄを計測する場合に、コイルＬｆと直列に検知抵抗Ｒｄを接続し、それらの直列接続に対して交流励磁電圧を印加し、これによって発生した交流励磁電流を検知抵抗Ｒｄによって電圧信号に変換し、該電圧信号が印加される正ピークホールド回路４及び負ピークホールド回路５によって正及び負信号のピークホールドを行う。各ピークホールド回路の出力信号を合成和の電圧として処理、増幅してコイルＬｆ及び検知抵抗Ｒｄの直列接続に直流励磁電圧としてフィードバックする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直接検出できない電力配線、ケーブル等の電流チェック、検査に使用するための電流センサに関し、非接触型検知なので、検知対象物に何の加工もしないで測定でき、保守・点検用の機器に最適なものである。特に、電気自動車、ハイブリッド自動車のようにバッテリーの充放電を精度良く、且つ、大電流を監視、あるいは制御する場合に好適である。

従来の電流センサの構造は、高透磁率、低残留磁化の環状コアを用い、該環状コアに設けられたギャップにホール素子をはさみ、さらに制御用巻線コイルを前記環状コアに設け、電流の被測定対象物である電線を、前記環状コアの中央に配置したものである。そして、前記電線に流れる被測定電流による発生磁界を前記ホール素子で検知し、その検知信号に応じた負のフィードバックによって前記制御用巻線コイルにフィードバック電流を流して前記発生磁界を打ち消すように作用させ、そのフィードバック電流自体が被測定電流に比例することを利用して、被測定電流を計測する磁気平衡式（フィードバック方式）のものが主流である。

この方法であると、検出確度を高めるためにどうしても環状コアに用いる磁気コアやホール素子の磁気特性、特に残留磁界を小さくすることが必須である。通常、磁気コアには低ヒステリシスのパーマロイのような高透磁率材を用いるが、磁気センサとしてはＩｎＳｂなどのホール素子センサを用いる。しかし、より高精度の電流センサを形成するには磁気平衡時のきわめて微弱な磁気を捕らえなければならない。そのため、磁気コアを内蔵した高感度ホール素子センサが必要で、フェライト基板にＩｎＳｂ薄膜を形成した素子が用いられる。ところが、この種のセンサの欠点として、パーマロイよりはるかに大きいヒステリシスのあるフェライトと、ホール素子が持つ固有のオフセットの温度変動が精度に大きく影響するのが現状である。

従って、ハイブリッド自動車のようにバッテリーの充放電を精度良く制御しなければならない用途の電流センサの場合、これに用いる磁気センサはかなり選別されたものを用いざるを得なく、これがコストアップの大きな要因になっていた。

なお、磁気平衡式電流センサの一例として下記特許文献１が挙げられる。

特開平１１−３１１６４２号公報

本発明の目的は、上記の点に鑑み、固有のオフセット、温度変動等の問題のあるホール素子を用いず、ギャップの無い閉磁路コアのみで電流を正確に測定できる電流センサを提供することにある。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、第１発明は、閉磁路コアに、電流の被測定対象物となる電線を貫通させて配置し、前記電線に流れる被測定電流による前記閉磁路コアに生じる発生磁界を、前記閉磁路コアに所定巻数が巻かれた巻線コイルにフィードバック電流を流すことによって打ち消すように作用させ、前記巻線コイルのフィードバック電流自体が前記被測定電流に正比例することを利用して、前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、
前記巻線コイルと直列に検知抵抗を接続し、前記巻線コイル及び前記検知抵抗の直列接続に対して交流励磁電圧を印加し、これによって発生した交流励磁電流を前記検知抵抗によって電圧信号に変換し、該電圧信号が印加される正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路によってそれぞれ正及び負信号のピークホールドを行い、前記正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路のそれぞれの出力信号を合成和の電圧として処理し、増幅回路で増幅して前記巻線コイル及び前記検知抵抗の直列接続に直流励磁電圧としてフィードバックすることを特徴としている。

第２発明は、閉磁路コアに、電流の被測定対象物となる電線を貫通させて配置し、前記電線に流れる被測定電流による前記閉磁路コアに生じる発生磁界を、前記閉磁路コアに所定巻数が巻かれた巻線コイルにフィードバック電流を流すことによって打ち消すように作用させ、前記巻線コイルのフィードバック電流自体が前記被測定電流に正比例することを利用して、前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、
前記巻線コイルと直列に検知コイルを接続し、前記巻線コイル及び前記検知コイルの直列接続に対して交流励磁電圧を印加し、これによって発生した交流励磁電流を前記検知コイルによって電圧信号に変換し、該電圧信号が印加される正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路によってそれぞれ正及び負信号のピークホールドを行い、前記正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路のそれぞれの出力信号を合成和の電圧として処理し、増幅回路で増幅して前記巻線コイル及び前記検知コイルの直列接続に直流励磁電圧としてフィードバックすることを特徴としている。

第３発明は、前記第２発明において、前記検知コイルは交流励磁電流の電流変化範囲において磁気飽和しないものであることを特徴としている。

第４発明は、前記第１、第２又は第３発明において、前記閉磁路コアは、少なくとも前記被測定電流の検知範囲において実効透磁率が変化するものであることを特徴としている。

第５発明は、前記第１、第２又は第３発明において、前記電線は前記閉磁路コアの内側中央位置を貫通していることを特徴としている。

本発明に係る電流センサによれば、高価なホール素子を用いることなく、閉磁路をなす僅かな量の磁気コアと電子回路のみで安価な電流センサを実現できる。また、ホール素子特有のオフセットや高感度型ホール素子に存在する磁性基板による残留磁化の影響がなくなるため、本発明の回路によってきわめて高精度の電流センサを実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、電流センサの実施の形態を図面に従って説明する。

一般に、パーマロイのような高透磁率磁性材を使った閉磁路コアは小さな磁界ループ範囲内でも、磁気バイアス量によって透磁率が変化する非線形性を示し、直流磁気バイアス下では正負で非対称なμ−Ｉ（透磁率−電流）特性となる。しかし、磁気バイアスがない場合は正負対称的なμ−Ｉ特性となる。本発明はこの差を利用して高精度の電流センサを構成するものである。

図１乃至図４で本発明に係る電流センサの実施の形態１を説明する。図１において、閉磁路コア１はパーマロイ等の磁気飽和し易い高透磁率磁性材からなり、ギャップの無い環状に形成されている。この閉磁路コア１の内側中央位置を電流の被測定対象物となる電線２が貫通している。また、閉磁路コア１には所定巻数の制御用巻線コイルＬｆが巻回されている。この巻線コイルＬｆは、電線２に流れる被測定電流Ｉｄによる閉磁路コア１に生じる発生磁界を打ち消すフィードバック電流を流すためのものである。つまり、電線２に流れる被測定電流Ｉｄによる起磁力アンペアターンと巻線コイルＬｆのフィードバック電流が作る逆極性の起磁力アンペアターンとが一致したときに閉磁路コア１内の磁界（磁束）は零となり、このときコイルＬｆの巻数をＮとすると、フィードバック電流値は被測定電流Ｉｄの値の１／Ｎとなる関係がある。

なお、前記巻線コイルＬｆは、パーマロイ等の磁気飽和し易い高透磁率磁性材の閉磁路コア１に巻かれているため、インダクタンス素子としてみたときに、低電流飽和インダクタンスとして機能する。このことは以下の図２に示される。

図２は０．５ｍｍのパーマロイ板を８枚積層した環状磁気コアに１０ターンの巻線コイルを設けたときのコイル電流とインダクタンスＬ（μＨ）との関係を示す。但し、横軸はコイル電流と巻線コイルの巻数との積である起磁力アンペアターン（ＡＴ）である。この図２からパーマロイ等の高透磁率磁性材で閉磁路コア１を形成することで、巻線コイルＬｆが、低電流飽和インダクタンスとして働くことがわかる。また、図２には磁気コア中の磁界及び磁気コアの実効透磁率（μｅ）についても併記した。

図１の前記巻線コイルＬｆには直列に検知抵抗（電流検出抵抗）Ｒｄが接続されており、巻線コイルＬｆと検知抵抗Ｒｄとの直列接続に対して交流励磁電圧を印加するために、交流電源Ｖｆ、直流カット用コンデンサＣｆ及び増幅回路３が設けられている。交流電源Ｖｆは必ずしも正弦波を発生するものでなくともよく、図３（Ａ）の矩形波を発生するものでもよい。周波数は、例えば数ｋＨｚである。この交流電源Ｖｆの交流電圧は直流カット用コンデンサＣｆで直流分がカットされ、増幅回路３に入力され、ここで増幅されて前記巻線コイルＬｆと検知抵抗Ｒｄとの直列接続に交流励磁電圧として供給されるようになっている。なお、増幅回路３にはグランドに対して正及び負の電源電圧が供給されており、巻線コイルＬｆに双方向の電流を流し得る。

前記検知抵抗Ｒｄの両端に発生する電圧信号は、それぞれ独立した２つの回路である正ピークホールド回路４及び負ピークホールド回路５に、コンデンサＣｐを介して印加されている。正ピークホールド回路４は前記検知抵抗Ｒｄの両端に発生する電圧信号の正信号部分のピークホールドを行い、負ピークホールド回路５は前記電圧信号の負信号部分のピークホールドを行う。加算器６は正ピークホールド回路４及び負ピークホールド回路５のそれぞれの出力信号（正のピーク値及び負のピーク値）を合成和の電圧として処理し、増幅回路３の入力側の交流電圧に重畳する構成となっている。

次に、本発明に係る電流センサの実施の形態１の動作説明を行う。

高透磁率磁性材を使った閉磁路コア１に巻回された巻線コイルＬｆには増幅回路３の出力である交流励磁電圧が印加されている。そして、巻線コイルＬｆと直列に接続された検知抵抗Ｒｄによって巻線コイルＬｆの交流励磁電流は電圧信号に変換され、この電圧信号は２つの独立した回路である正ピークホールド回路４及び負ピークホールド回路５に入力され、それぞれ正及び負のピーク検出が行われる。加算器６では正のピーク値及び負のピーク値の信号の和を合成し、前記正のピーク値及び負のピーク値の信号の和が交流電源Ｖｆの交流電圧に加算（重畳）され、増幅回路３で増幅されて、巻線コイルＬｆにフィードバックされる直流励磁電圧として前記交流励磁電圧に重畳される。換言すれば、巻線コイルＬｆにフィードバックする直流バイアス電流として交流励磁電流に重畳される。

閉磁路コア１を貫通する外部の被測定電流Ｉｄが無い場合、図３（Ａ）の交流励磁電圧波形に対して同図（Ｂ）に示す巻線コイルＬｆの励磁電流波形（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形）となり、前記正のピーク値及び負のピーク値の信号の和はゼロとなるため、検知抵抗Ｒｄに直流電圧は生じない。

一方、閉磁路コア１を貫通する被測定電流Ｉｄがある場合、被測定電流Ｉｄによるコア内の磁束の向きと前記交流の励磁電流による磁束の向きとが一致する半周期では閉磁路コア１の磁気飽和によって実効透磁率が低下するため、電流ピーク値は大となり、逆に被測定電流Ｉｄによる磁束の向きと前記励磁電流による磁束の向きとが反対向きとなる次の半周期では閉磁路コア１の磁気飽和は発生せず、実効透磁率の低下も無いため、電流ピーク値は小となる。例えば、図３（Ｃ）〜（Ｆ）のように被測定電流Ｉｄ値が０．１Ａ〜０．４Ａにまで増加するのに従って正の電流ピーク値と負の電流ピーク値との差が増大している。この結果、正のピーク値及び負のピーク値の信号の和を合成する加算器６の出力に偏差電圧が生じ、これによって外部の被測定電流Ｉｄによって生じた磁界を打ち消す（磁界の絶対値が等しく向きが反対）磁界を発生させるようにフィードバックされた直流バイアス電流が巻線コイルＬｆに流される。前記フィードバックされたバイアス電流自体は被測定電流Ｉｄを巻線コイルＬｆの巻数で除算した値となる（バイアス電流と被測定電流Ｉｄとが正比例関係にある）ことから、検知抵抗Ｒｄの両端から検出出力端子Ｐ，Ｇを導出し、前記直流バイアス電流をモニタすることで被測定電流値Ｉｄを計測できる。

なお、閉磁路コア１が磁気飽和しにくい材質で、被測定電流Ｉｄの検知範囲において実効透磁率が変化しない場合、動作原理上、電流検出はできないから、閉磁路コア１は
少なくとも被測定電流Ｉｄの検知範囲において実効透磁率が変化する性質を有することが必要条件となる。

図４は電線２に流れる被測定電流Ｉｄ（Ａ）と検出出力端子Ｐ，Ｇ間に現れる出力電圧（ｍＶ）（交流成分を除去したもの）との関係を示す。被測定電流の±２０Ａまでほぼリニアな関係が得られている。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) 高価なホール素子を用いることなく、僅かな量の高透磁率閉磁路コア１と簡素な電子回路のみで安価な電流センサを実現できる。

(2) ホール素子特有のオフセットや高感度型ホール素子に存在する磁性基板による残留磁化の影響がなくなるため、本実施の形態の回路によってきわめて高精度の電流センサを実現できる。

(3) 閉磁路コア１にはギャップ加工が不要であり、コアの製造が容易である。

図５は本発明に係る電流センサの実施の形態２を示す。この場合、実施の形態１における検知抵抗Ｒｄの代わりに検知コイルＬｄを用いている。なお、その他の構成は前述した実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

この実施の形態２では、検知コイルＬｄの直流抵抗を利用して検出出力端子Ｐ，Ｇ間に現れる出力電圧（交流成分を除去したもの）を取り出すことができる。また、検知コイルＬｄは電流変化によりインダクタンス値が変動しないように、交流励磁電流の電流変化範囲において磁気飽和しない磁気コア構造を有するものが望ましい。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る電流センサの実施の形態１を示す回路図である。 高透磁率磁性材であるパーマロイの磁気コアに巻線コイルを設けた場合に、コイル電流が増大すると磁気飽和に起因して磁気コアの実効透磁率が低下し、インダクタンスが低下することを示すグラフである。 実施の形態１における巻線コイルＬｆの交流励磁電圧波形及び励磁電流波形（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形）であって、（Ａ）は矩形波の交流励磁電圧波形図、（Ｂ）は被測定電流Ｉｄを巻線コイルＬｆの巻数で除算した値が０．０Ａのときの巻線コイルＬｆの励磁電流波形図（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形図）、（Ｃ）は同じく０．１Ａのときの巻線コイルＬｆの励磁電流波形図（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形図）、（Ｄ）は同じく０．２Ａのときの巻線コイルＬｆの励磁電流波形図（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形図）、（Ｅ）は同じく０．３Ａのときの巻線コイルＬｆの励磁電流波形図（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形図）、（Ｆ）は同じく０．４Ａのときの巻線コイルＬｆの励磁電流波形図（検知抵抗Ｒｄ両端の検知電圧波形図）である。 実施の形態１における被測定電流Ｉｄ（Ａ）と検出出力端子Ｐ，Ｇ間に現れる出力電圧（ｍＶ）（交流成分を除去したもの）との関係を示すグラフである。 本発明に係る電流センサの実施の形態２を示す回路図である。

符号の説明

１ 閉磁路コア
２ 電線
３ 増幅回路
４ 正ピークホールド回路
５ 負ピークホールド回路
６ 加算器
Ｃｆ，Ｃｐ コンデンサ
Ｌｆ 巻線コイル
Ｒｄ 検知抵抗
Ｖｆ 交流電源

Claims (5)

1. 閉磁路コアに、電流の被測定対象物となる電線を貫通させて配置し、前記電線に流れる被測定電流による前記閉磁路コアに生じる発生磁界を、前記閉磁路コアに所定巻数が巻かれた巻線コイルにフィードバック電流を流すことによって打ち消すように作用させ、前記巻線コイルのフィードバック電流自体が前記被測定電流に正比例することを利用して、前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、
   前記巻線コイルと直列に検知抵抗を接続し、前記巻線コイル及び前記検知抵抗の直列接続に対して交流励磁電圧を印加し、これによって発生した交流励磁電流を前記検知抵抗によって電圧信号に変換し、該電圧信号が印加される正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路によってそれぞれ正及び負信号のピークホールドを行い、前記正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路のそれぞれの出力信号を合成和の電圧として処理し、増幅回路で増幅して前記巻線コイル及び前記検知抵抗の直列接続に直流励磁電圧としてフィードバックすることを特徴とする電流センサ。
2. 閉磁路コアに、電流の被測定対象物となる電線を貫通させて配置し、前記電線に流れる被測定電流による前記閉磁路コアに生じる発生磁界を、前記閉磁路コアに所定巻数が巻かれた巻線コイルにフィードバック電流を流すことによって打ち消すように作用させ、前記巻線コイルのフィードバック電流自体が前記被測定電流に正比例することを利用して、前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、
   前記巻線コイルと直列に検知コイルを接続し、前記巻線コイル及び前記検知コイルの直列接続に対して交流励磁電圧を印加し、これによって発生した交流励磁電流を前記検知コイルによって電圧信号に変換し、該電圧信号が印加される正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路によってそれぞれ正及び負信号のピークホールドを行い、前記正ピークホールド回路及び負ピークホールド回路のそれぞれの出力信号を合成和の電圧として処理し、増幅回路で増幅して前記巻線コイル及び前記検知コイルの直列接続に直流励磁電圧としてフィードバックすることを特徴とする電流センサ。
3. 前記検知コイルは前記交流励磁電流の電流変化範囲において磁気飽和しないものである請求項２記載の電流センサ。
4. 前記閉磁路コアは、少なくとも前記被測定電流の検知範囲において実効透磁率が変化するものである請求項１，２又は３記載の電流センサ。
5. 前記電線は前記閉磁路コアの内側中央位置を貫通している請求項１，２，３又は４記載の電流センサ。

Images