JP2001153895A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的絶縁を保ち、かつ既存の電線を切断せ
ずに電流を検出でき、経年変化が発生せず、高感度で直
線性が優れている電流センサを提供する。 【解決手段】 電流センサは、電線２１を案内するため
のＵ字型の案内みぞを持つケース２３と、ケース２３の
案内みぞに挿入された電線を保持するためにＵ字型の案
内みぞにはまる突出部分を持ち、かつケース２３との間
で脱着可能に形成したホルダー２０と、ケース２３内に
おいて電線２１の中心に対して等間隔で対向する位置に
配置する電線２１から発生する磁界を検出する第１およ
び第２の磁気検出ヘッド２２と、第１および第２の磁気
検出ヘッド２２に作用する磁界を電圧に変換する検出回
路とを備え、電線と検出ヘッドの電気的絶縁を確保し、
かつ既存の電線を切断せず、経年変化が発生せず、高感
度で直線性のよい特性を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、電線に流
れる電流値を検出する電流センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、リング状のギャップ付鉄芯とホー
ル素子を組み合わせた構造の直流電流センサは、従来か
ら数多く商品化されている。特にリング状の鉄芯を分割
して既存の電線に挟む構造のものは、クランプ式電流セ
ンサとして、現場での電流モニタリングに活用されてい
る。

【０００３】しかし上記クランプ式電流センサは、鉄芯
を分割したことによる弊害として磁路の経年変化があ
る。つまり、振動や錆によって鉄芯接合面のギャップ変
化や接触圧の変化が起こり長期安定性に問題が生じる。

【０００４】これらの電流センサの用途は、鉄道の信号
設備や軌道設備、例えば信号リレー回路や転てつ機、な
どは、列車の安全運行上重要な設備である。これらの機
器は高い信頼性を有しているが、事前に機器の異常を察
知する手段を講ずることで更に安全性を高めることがで
きる。例えば、重要な信号線の電流を常時観測して正常
時の信号パターンを把握しておけば、故障に至る前の予
兆を察知することが可能である。

【０００５】このような目的で使用する電流センサは、
次のような性能が要求される。電流センサは、線路に近
い地上設備内に設置されるため、振動や温度変化による
経年変化を生じないものが望ましい。また、列車の運行
および機器の信頼性を阻害することなく工事を実施する
ためには、既存の信号線を切断することなく電流センサ
を設置する必要がある。更に、信号線の電流は数アンペ
ア以下の弱電流であることが多いので高感度で高安定性
な電流センサが要求される。

【０００６】まず、従来から用いられているホール素子
を使用した電流センサについて説明する。図１３は、従
来から一般的に使用されているホール素子を用いた直流
電流センサの例である。この電流センサは、リング状の
ギャップ付鉄芯１３０、ホール素子１３１、ホール素子
１３１に一定電流Ｉｃを供給する電流源１３２とホール
素子１３１に発生する電圧ＶＨを端子１３５（＋Ｖ）お
よび端子１３６（−Ｖ）に供給される電圧を用いて増幅
する増幅器１３４とで構成される。鉄芯１３０の材質
は、一般的にけい素鋼板、パーマロイ、フェライトなど
が用いられる。

【０００７】鉄芯１３０の開口部を貫通する電線１３３
に電流Ｉｐが流れると、電線１３３の周囲に磁界が発生
する。この磁界は、鉄芯１３０によって収束されギャッ
プに挿入されたホール素子１３１を貫通する。その結
果、ホール効果によってホール素子１３１の出力端子１
３７にギャップの磁束密度Ｂに比例したホール電圧ＶＨ
が発生する。なお、ホール電圧ＶＨは微弱であるため、
増幅して所望の出力電圧を得る。

【０００８】このように、図１３に示す電流センサにお
ける電流検出は、電流によって発生する磁界を介して間
接的に行われる。このため、電線とセンサ回路は、容易
に絶縁することができる。また、鉄芯の効果によって、
ギャップに発生する磁束密度は、鉄芯を貫通する電線の
位置に影響されず電流値に比例した値となる。

【０００９】図１３のギャップ付鉄芯の磁気回路におい
て、ギャップに発生する磁束密度Ｂは、貫通電流をＩ
ｐ、磁路の長さをＬ、ギャップ長さをＬｇ、鉄芯の透磁
率をμ、真空中の透磁率をμ０とすると、数１式で求め
られる。

【００１０】

【数１】 ここで、μ≫μ０であるから、磁束密度Ｂはおよそ数２
式となる。

【００１１】

【数２】 また、ホール素子に流す制御電流をＩｃとすると、ホー
ル電圧ＶＨは、数３式で表される。

【００１２】

【数３】 ここで、Ｋは積感度と呼ばれる定数でホール素子に使用
される材料の物理的性質や機械的寸法によって決まる。

【００１３】例えば、Ｉｐ＝５Ａ、Ｌｇ＝１．６ｍｍ、
Ｋ＝１７６、Ｉｃ＝５ｍＡとして、上記数２式と数３式
を使ってギャップの磁束密度Ｂとホール電圧ＶＨを計算
すると、それぞれ数４式、数５式となる。

【００１４】

【数４】

【００１５】

【数５】

【００１６】上記の電流値で５Ｖの出力電圧を得たいと
すると、アンプのゲインは約１４３０倍も必要となる。
ホール素子はコストの面で有利であるが、低電流領域で
は感度不足であり、ノイズに弱いという問題がある。ま
た、アンプのゲインが大きいため、回路の温度特性も悪
くなる。

【００１７】電流対出力電圧の直線性は、ほとんど鉄芯
の磁気特性すなわちＢ−Ｈ曲線の直線性によって定ま
る。このため、一般的に±１％より良好な直線性は望め
ない。

【００１８】次に、従来のクランプ式電流センサについ
て説明する。既存の電線を切断することなく電流を測定
するためにリング状の鉄芯を分割したものが、クランプ
式電流センサである。図１４に示すように鉄芯１（１４
０）と鉄芯２（１４１）に分割され、ホール素子１４２
により電圧を検出する構造になっている。測定するとき
は、リングを開いて電線をリングの内側に挿入する。電
線を挿入後バネの力やネジの締め付けでリングを閉じて
固定する。

【００１９】上述したクランプ式電流センサにおいて
は、図１４に示すギャップｇ１，ｇ２の接合面を一定に
保つことが、安定な電流検出を行う上で欠かせない。し
かしながら、接合面の状態は様々な要因によって変化す
るのが現状である。例えば、接合面の接触圧が不足する
場合は、振動によって接触面が開き接触面に異物が混入
してギャップが変化する場合がある。同様に、振動によ
って接触面がずれて接触断面積が変化することも考えら
れる。屋外で使用する場合は、接触面が錆びることによ
ってギャップが広がることがある。ネジの締め付けでリ
ングを強固に固定する場合は、鉄芯に加わる機械的応力
によって鉄芯の透磁率が変化するという問題がある。す
なわち、ネジの弛みなどによる接触圧の変化や応力緩和
によって鉄芯の磁気特性が変化し経年変化が生じる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上述した磁気検出素子
としてホール素子を使用した場合には、所望の出力電圧
を得るためにアンプのゲインを膨大なものとする必要が
あり、また、低電流領域では感度不足であり、ノイズに
弱いという問題があり、また、アンプのゲインが大きい
ため、回路の温度特性も悪くなるという不都合があっ
た。また、鉄芯を分割する場合には、振動によって接触
面が開き接触面に異物が混入してギャップが変化した
り、また、振動によって接触面がずれて接触断面積が変
化したり、また、接触面が錆びることによってギャップ
が広がることがあり、また、ネジの締め付けでリングを
強固に固定すると、鉄芯に加わる機械的応力によって鉄
芯の透磁率が変化するなど、ネジの弛みなどによる接触
圧の変化や応力緩和によって鉄芯の磁気特性が変化し経
年変化が生じるという不都合があった。これらの問題
は、低電流検出または悪環境下で安定した電流検出を行
いたい場合に、顕著となっていた。

【００２１】以上のことから、鉄道信号の電流検出など
の信頼性を要求される用途で、鉄芯を使用しない高感度
な電流センサが望まれている。

【００２２】このため、本発明のヘッド分割型電流セン
サは、電気的絶縁を保ち、かつ既存の電線を切断せずに
直流電流を検出する電流センサであることが要求され
る。

【００２３】また、本発明のヘッド分割型電流センサ
は、上記全ての要求に答えられる機能を備えたものであ
ることが要求される。また、上記用途に限らず、バッテ
リー装置、電源装置や直流モーターなどの電流モニタリ
ング用途に用いられることが要求される。

【００２４】また、本発明のヘッド分割型電流センサ
は、鉄芯を使用しないことにより上述した経年変化は発
生しないことが要求される。また、本発明のヘッド分割
型電流センサは、可飽和コイルを用いた磁気センサを使
用することにより、高感度であり直線性が優れているこ
とが要求される。

【００２５】そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなさ
れたものであり、電気的絶縁を保ち、かつ既存の電線を
切断せずに電流を検出でき、経年変化が発生せず、高感
度で直線性が優れている電流センサを提供することを課
題とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明の電流センサは、
被測定電線を案内するためのＵ字型の案内みぞを持つケ
ースと、ケースの案内みぞに挿入された被測定電線を保
持するためにＵ字型の案内みぞにはまる突出部分を持
ち、かつケースとの間で脱着可能に形成したホルダー
と、ケース内において被測定電線の中心に対して等間隔
で対向する位置に配置する被測定電線から発生する磁界
を検出する第１および第２の磁気検出ヘッドと、第１お
よび第２の磁気検出ヘッドに作用する磁界を電圧に変換
する検出回路とを備えたものである。

【００２７】また、本発明の他の電流センサは、被測定
電線を案内するための半円形の案内みぞを持つケース
と、ケースの案内みぞに挿入された被測定電線を保持す
るために半円形の案内みぞを持ち、かつケースとの間で
脱着可能に形成したホルダーと、ケース内において被測
定電線の外径と同心円の円周上にｎ個の可飽和コイルを
１８０／ｎ度の間隔で配置した被測定電線から発生する
磁界を検出する第１の検出ヘッドと、ホルダー内におい
て被測定電線の外径と同心円の円周上にｎ個の可飽和コ
イルを１８０／ｎ度の間隔で配置した被測定電線から発
生する磁界を検出する第２の検出ヘッドと、第２の検出
ヘッドの配線をケースに接続するためのホルダーから引
き出す電線と、第１および第２の磁気検出ヘッドに作用
する磁界を電圧に変換する検出回路とを備えた電流セン
サにおいて、第１の磁気検出ヘッドを構成するｎ個の可
飽和コイルは、被測定電線から発生する磁界の接線方向
の成分に対して正の極性を持つように向きを定め、かつ
感度が加算されるように直列接続することによって電気
的に一つの可飽和コイルと見なされるように構成し、第
２の磁気検出ヘッドを構成するｎ個の可飽和コイルは、
被測定電線から発生する磁界の接線方向の成分に対して
負の極性を持つように向きを定め、かつ感度が加算され
るように直列接続することによって電気的に一つの可飽
和コイルと見なされるように構成し、検出回路は、第１
の磁気検出ヘッドに関する検出電圧と第２の磁気検出ヘ
ッドに関する検出電圧との差の電圧を出力するように構
成したことを特徴とする電流センサである。

【００２８】従って本発明によれば、以下の作用をす
る。本発明の電流センサによれば、ケースにより電線と
検出ヘッドの電気的絶縁が確保され、かつケースとホル
ダーとで被測定電線を挟むことにより既存の被測定電線
を切断せずに電流が検出でき、さらに経年変化が発生せ
ず、高感度で直線性が優れた検出特性が得られる。

【００２９】また、本発明の他の電流センサによれば、
検出ヘッドがより多くの磁界と作用するため、感度が向
上し、また、電線の位置変化に対する出力電圧誤差が小
さくなるので、電線を取り囲む複数の可飽和コイルが磁
界と作用し電線の位置変化を相殺するように働き、ま
た、複数の可飽和コイルが磁界と作用することにより感
度が向上する。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に、本実施の形態のヘッド分
割型電流センサについて説明する。まず、電流検出原理
を説明する。図１に示すように、電線３に電流Ｉｐが流
れると電線３の周囲に環状の磁界Ｈｉｐが発生する。こ
の磁界Ｈｉｐを検出するために、電線３を中心にして対
向する位置に等間隔で２つの磁気検出ヘッド（以下検出
ヘッド）Ｌ１（１）、Ｌ２（２）を配置する。検出ヘッ
ドＬ１（１）、Ｌ２（２）にはそれぞれ検出回路ＦＳ１
（４）、ＦＳ２（５）が接続されている。検出回路ＦＳ
１（４）、ＦＳ２（５）は、検出ヘッドに作用する直流
磁界を電圧に変換するように構成されていて、端子６、
７を介して磁界Ｈｉｐに比例した電圧Ｖ１、Ｖ２を出力
する。

【００３１】なお、検出ヘッドＬ１（１）と検出ヘッド
Ｌ２（２）は、磁界Ｈｉｐの接線方向成分に感度を持つ
よう平行かつ同じ向きに配置してある。このため、検出
ヘッドＬ１（１）と検出ヘッドＬ２（２）に対して磁界
Ｈｉｐが逆向きに作用し、検出回路ＦＳ１（４）、ＦＳ
２（５）は、磁界Ｈｉｐに対して大きさが同じで極性が
逆の電圧を出力する。また、検出ヘッドＬ１（１）と検
出ヘッドＬ２（２）に対して任意の方向から平行で一様
な大きさの外部磁界Ｈｅｘが作用した場合、検出回路Ｆ
Ｓ１（４）、ＦＳ２（５）の出力電圧は、同じ大きさで
同じ極性になる。以上のことから、検出回路ＦＳ１
（４）と検出回路ＦＳ２（５）の出力電圧の差Ｖ（Ｖ１
−Ｖ２）は、地磁気などによる外部磁界を排除した電流
による磁界成分のみを示す。また、検出回路ＦＳ１
（４）と検出回路ＦＳ（５）２の差動電圧Ｖを求めるこ
とは、検出回路ＦＳ１（４）、ＦＳ２（５）の出力電圧
に含まれる磁界とは関係のないオフセット電圧を除外す
ることになり、電流による磁界の検出精度が向上する。

【００３２】このように、２つの検出ヘッドを使用して
リング状の鉄芯を排除したことにより、前述した鉄芯に
起因する電流検出精度の不安定性を解決した。また、２
つの検出回路の差動電圧を出力電圧としたので、地磁気
などによる外部平行磁界をキャンセルし電流による磁界
のみを検出するようにした。同様に、２つの検出回路の
差動電圧を出力電圧としたので、検出回路のオフセット
電圧を除外して検出精度を向上させた。

【００３３】次に、電流センサの構造に付いて説明す
る。図２（Ａ）に電流センサの正面図、図２（Ｂ）に側
面図を示す。電流センサを収納するケース２３は、プラ
スチックなどの電気的絶縁が良好な非磁性材料を使用
し、その一部に電線２１の直径に適合するＵ字型の溝を
形成する。ケース２３の内部には、上記Ｕ字型溝の近傍
に隔壁を隔てて上記Ｕ字型溝の両側に一対の検出ヘッド
Ｌ１、Ｌ２（２２）を配置する。検出ヘッドＬ１、Ｌ２
（２２）は、Ｕ字型溝に電線２１を挿入したとき、その
電線２１の中心位置に対して等間隔で対向させる。ま
た、検出ヘッドＬ１、Ｌ２（２２）は、電流が作る磁界
Ｈｉｐ（電線と同心円）の接線方向に感度を持つよう方
向を定める。更に、磁界Ｈｉｐに対して検出ヘッドＬ１
と検出ヘッドＬ２は、それぞれ逆極性に感度を持つよう
向きを定める。なお、ケース２３内には、図示しないが
上述した図１に示した検出回路ＦＳ１（４）、ＦＳ２
（５）を一体に装着し端子またはケーブルにて信号を取
り出すように構成する。また、ケース２３内に検出ヘッ
ドのみを配置して検出部分を小型化しても良い。

【００３４】検出ヘッド２２に対して電線２１の位置が
ずれると検出電圧に誤差が生じるので、電線２１は上記
ケース２３のＵ字型溝に挿入してホルダー（非磁性材
料）２０を用いて固定する。図示しないがホルダー２０
とケース２３の固定は、ネジまたは爪などの機構にて脱
着可能なものとする。電線２１のサイズに対応してケー
ス２３のＵ字型溝とホルダー２０の形状を変化させなけ
ればならないという問題がある。ただし、鉄道信号回路
または一般の制御盤などで使われる電線は規格化されて
いて種類も少ないため、不都合が生じることは少ない。

【００３５】ケース２３は、台座２４に固定し、台座２
４の取付穴を利用して電流センサを機器に取り付ける。
なお、台座２４は、ケース２３と一体であってもかまわ
ない。

【００３６】次に、検出ヘッドについて説明する。検出
ヘッドは、従来から高感度な磁気検出素子として知られ
ている可飽和コイルを使用する。図３（Ａ）と（Ｂ）に
それぞれ検出ヘッドの正面図と側面図を示す。上述した
検出ヘッドＬ１（１）、Ｌ２（２）で同じものを使用す
る。

【００３７】可飽和コイルは、コア３０に高透磁率軟磁
性材料（例えばパーマロイ）を使用し、ボビン３１を介
して銅線３２を巻いた構造である。一例を示せば、コア
３０の寸法は外形が縦５ｍｍ、横４ｍｍ、コイル部分が
縦３ｍｍ、横１ｍｍであり、厚さは０．０５ｍｍであ
る。また、コイル巻線３２は直径０．０６ｍｍの銅線を
１９０回巻いたものである。

【００３８】可飽和コイルのコア３０は、外部磁界（被
検出磁界）またはコイル巻線３２に流れる電流による磁
界で容易に飽和するという特徴を持っている。このた
め、可飽和コイルのインピーダンスは、コア３０が飽和
すると著しく変化する。すなわち、コア３０の非飽和時
にコイル巻線３２は大きなインピーダンスを示し、コア
３０が飽和するとコイル巻線３２は著しくインピーダン
スが低下する。

【００３９】検出ヘッドで使用する可飽和コイルは、微
弱な磁界で容易に飽和できるようコア３０の形状を上記
のごとく小さくまた薄くしてある。このため、可飽和コ
イルは、ホール素子と比較して極めて高い感度を達成し
ている。

【００４０】次に、検出回路の構成について説明する。
図１に示すように検出回路ＦＳ１（４）、ＦＳ２（５）
を個別に構成しても良いが、お互いに共通な部分がある
ため、図４に示す一体化した回路について説明する。

【００４１】検出回路の構成は、次の通りである。パル
ス発振器ＰＧ（４０）は、ブロッキング発振回路または
ＩＣを用いたパルス発振回路などで構成し、検出ヘッド
４３、４４を駆動するパルス電圧を発生する。電源は、
パルス発振器ＰＧ（４０）にのみ供給する。トランスＴ
１（４１）と２次側の共振コンデンサＣ１（４２）によ
ってパルス電圧の昇圧を行い、また電源と出力信号回路
との絶縁を行う。コンデンサＣ１（４２）の両端に発生
するパルス電圧は、検出ヘッドＬ１（４３）、Ｌ２（４
４）に供給され検出ヘッドを十分に飽和させる。抵抗Ｒ
１（４６）は検出ヘッドＬ１（４３）の負荷抵抗であ
り、抵抗Ｒ２（４７）は検出ヘッドＬ２（４４）の負荷
抵抗である。抵抗Ｒ１（４６）、Ｒ２（４７）には、そ
れぞれ検出ヘッドＬ１（４３）、Ｌ２（４４）のインピ
ーダンス変化に相対したパルス電圧が発生する。ダイオ
ードＤ１（４８）、コンデンサＣ２（５０）と抵抗Ｒ３
（５２）およびダイオードＤ２（４９）、コンデンサＣ
３（５１）と抵抗Ｒ４（５３）は、それぞれ検波回路を
構成する。抵抗Ｒ５（５４）とコンデンサＣ４（５６）
および抵抗Ｒ６（５５）とコンデンサＣ５（５７）は、
それぞれフィルタ回路を構成していて、上記検波回路の
リップル電圧を平滑する。

【００４２】このように構成された検出回路の動作を説
明する。上記構成の検出回路は、次のように動作する。
先ず、電線の電流がゼロの場合を説明する。検出ヘッド
Ｌ１（４３）、Ｌ２（４４）に加えられたパルス電圧に
よって、それぞれコイルに電流が流れ図４の矢印に示す
向きに磁界が発生する。この時検出ヘッドのコアは、図
５（Ａ）のＢ−Ｈ曲線図に示されるように非飽和状態か
ら飽和状態に変化する。すなわち、検出ヘッドのインピ
ーダンスが、大きな状態から小さい状態に変化する。こ
こで、動作説明の便宜上検出ヘッドのインピーダンスが
変化する点を動作点と呼び、パルス電圧上で定義する。
図５（Ａ）は、電流による磁界がゼロの時を示してい
て、動作点はＰ１である。

【００４３】次に、電線に電流が流れ磁界Ｈｉｐが検出
ヘッドに作用する場合を考える。図４で示すように検出
ヘッドＬ１（４３）に作用する磁界は、パルス電圧によ
って自ら作る磁界Ｈ１に対して電流による磁界Ｈｉｐが
加算される。一方検出ヘッドＬ２（４４）に作用する磁
界は、パルス電圧によって自ら作る磁界Ｈ２に対して電
流による磁界Ｈｉｐが減算される。

【００４４】検出ヘッドＬ１（４３）のコアに磁界Ｈｉ
ｐが作用すると、Ｂ−Ｈ曲線の始点が移動して図５
（Ｂ）に示すＢ−Ｈ曲線図になる。この状態でパルス電
圧を与えると、検出ヘッドＬ１（４３）はより小さなコ
イル電流で飽和するようになる。このため、動作点が時
間的に早く現れ図５においてＰ１からＰ２へと左に移動
する。パルス電圧のパルス幅は一定であるから、動作点
の移動によって検出ヘッドのインピーダンスの低下して
いる期間が相対的に長くなる。この結果、抵抗Ｒ１（４
６）の両端に発生するパルス電圧が増加する。

【００４５】また、検出ヘッドＬ２（４４）側のＢ−Ｈ
曲線の始点は、図示しないが図５（Ｂ）の始点を原点対
称方向に延長した位置（第３象限）まで移動する。この
ため、検出ヘッドを飽和させるためにはより多くのコイ
ル電流が必要になる。従って、動作点がＰ１より右側に
移動し、抵抗Ｒ２（４７）の両端に発生するパルス電圧
が減少する。

【００４６】続いて上記検波回路は、抵抗Ｒ１（４
６）、Ｒ２（４７）の両端に発生するパルス電圧のピー
ク値を包絡線検波する。検波回路の出力信号は、リップ
ル電圧を含んでいるため、上記フィルタ回路により平滑
化する。

【００４７】このようにして、端子１（５８）と端子２
（５９）に電線の電流に比例した差動的な直流電圧Ｖ１
とＶ２を得る。図６は、コンデンサＣ１（４２）におけ
る検出ヘッドＬ１（４３）、Ｌ２（４４）が接続されて
いない他端を基準にした、端子１（５８）、２（５９）
の出力電圧Ｖ１、Ｖ２を示す。併せて、同図に端子１
（５８）、２（５９）間の差動電圧Ｖを示す。トランス
Ｔ１（４１）により端子１（５８）、２（５９）は、電
源から絶縁されている。このため、別途差動回路が必要
なく、出力電圧Ｖ１、Ｖ２の差動電圧Ｖは端子１（５
８）、２（５９）より直接得ることができる。

【００４８】このようなヘッド分割型電流センサの特性
について以下に説明する。まず、検出ヘッドとして従来
のホール素子を用いた場合について説明する。図１に示
す構成で検出ヘッドとしてホール素子を使用した場合の
差動出力電圧Ｖは、次のように計算できる。

【００４９】先ず、電線と検出ヘッド間の距離Ｄを５ｍ
ｍ、電線の電流Ｉｐを５Ａとすると、検出ヘッドの位置
における磁束密度Ｂは、ビオサバールの法則から数６式
となる。

【００５０】

【数６】

【００５１】次に、差動出力電圧Ｖは、検出回路のゲイ
ンを１とすると、ホール電圧ＶＨの２倍になる。その他
の条件を数５式と同じとすると、数７式となる。

【００５２】

【数７】

【００５３】すなわち図１の構成では、数５式で求めた
図１３に示す構成の電流センサより更に１／１０の出力
電圧しか得られないことが分かる。このように出力電圧
が微少であるため、ホール素子を用いた電流センサは、
実用的でない。

【００５４】次に本実施の形態の可飽和コイルを使用し
た電流センサの特性について以下に説明する。まず、出
力電圧と直線性について説明する。図７に可飽和コイル
と図４に示す検出回路を用いた電流センサの出力電圧お
よび直線性誤差を示す。図７に示した例では、電線の電
流５Ａに対して約４．１Ｖの出力電圧を得ていて極めて
高感度あることが理解できる。上記数７式で示したホー
ル素子を使用した電流センサの出力電圧と比較して実に
１１７００倍の感度である。また、直線性誤差も±０．
００２％以内に十分入っており優れた直線性を示してい
る。

【００５５】次に、地磁気の影響について説明する。図
８の表は、地磁気の影響によって出力電圧が変動するよ
うすを示している。電流センサに直交座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚ
を定め、各軸を中心にして電流センサを９０°毎に回転
させたときの出力電圧の変化を取ったものである。

【００５６】上記数６式で求めた電流による磁束密度Ｂ
（＝０．２ｍＴ）に対して地磁気の強さはおよそ０．０
５ｍＴである。これは、電流による磁束密度Ｂに対して
約±２５％もの誤差となり無視できない。図８の表で得
られた結果は、約±０．１％の誤差範囲に入っており検
出ヘッドを２個使用した差動回路の効果が現れている。

【００５７】次に、電線位置の影響について説明する。
図９は、電流センサのＵ字型溝に挿入された電線が、横
方向すなわち二つの検出ヘッドの中心点を結ぶ直線上の
方向と、縦方向すなわちＵ字型溝の深さ方向とに変位し
たときの出力電圧の変化を示す。

【００５８】鉄道の信号設備に使用される電線の仕上が
り外径は、通常３．４ｍｍ、３．１ｍｍ、２．８ｍｍの
３種類である。適合電線外径を上記最大値の３．４ｍｍ
で製作した電流センサに上記最小値である２．８ｍｍの
電線が挿入されたときの出力電圧の誤差は、次のように
なる。

【００５９】電線の最大外径と最小外径との差は、３．
４−２．８＝０．６ｍｍである。横方向と縦方向の変位
はそれぞれ±０．３ｍｍであるから、図９より出力電圧
の誤差はそれぞれ±０．３％以下となる。通常この程度
の誤差は無視できる値の範囲であり、電線の外形寸法毎
に電流センサのＵ字型溝の種類を増やす必要はないと考
えられる。

【００６０】なお、電線の仕上がり外径と導体直径は比
例関係にあるが、導体直径の差は、出力電圧の誤差には
ならない。このことは、アンペールの法則によって理論
的に証明できる。

【００６１】以下に、上述した本実施の形態のヘッド分
割型電流センサの性能向上手段について説明する。ま
ず、第１の可飽和コイルの複数配置（１）について説明
する。図１０（Ａ）は、複数の可飽和コイル１０１を使
用した電流センサの検出ヘッド部１００を示す。図１で
示した検出ヘッドＬ１（１）と検出ヘッドＬ２（２）か
らなる組を電線１０３の長さ方向に複数組配置した構造
である。図１において検出ヘッドは一つの可飽和コイル
で構成されていたが、図１０（Ａ）では複数の可飽和コ
イル１０１で構成する。各検出ヘッド１０４におけるそ
れぞれの可飽和コイル１０５は、電流による磁界Ｈｉｐ
に対して感度が加算されるよう直列に接続してある（図
１０（Ｂ）参照）。すなわち、複数の可飽和コイル１０
５を直列に接続したことによって、電気的に一つの可飽
和コイルと同じ扱いができる。

【００６２】このように構成した電流センサは、検出ヘ
ッドがより多くの磁界と作用することができ、感度が向
上する。

【００６３】検出回路は、可飽和コイル毎に個別に用意
する必要がない。また、検出回路は、可飽和コイル一つ
だけを使用した構成と比較して特段の変更が必要ない。
このため、可飽和コイルを複数使用しても検出回路のコ
ストは増大しない。

【００６４】次に、第２の可飽和コイルの複数配置
（２）について説明する。図１１に示す電流センサは、
複数の可飽和コイル１１１を電線１１６の中心に対して
同心円上に配置している。可飽和コイル１１１の半数は
ケース１１２側に配置し、検出ヘッドＬ１（１１０）を
構成する。他の半数はホルダー１１５側に配置し、検出
ヘッドＬ２（１１４）を構成する。各可飽和コイル（Ｓ
１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）１１１は、ホルダー１１５をケ
ース１１２に取り付けたとき同心円上に等間隔で並ぶよ
うに、また、同心円の接線方向に感度を持つように設置
する。検出ヘッドＬ１（１１０）を構成する各可飽和コ
イル１１１（Ｓ１、Ｓ２）は、電流による磁界Ｈｉｐに
対して全て正極性で感度が加算されるよう向きを定め直
列に接続する。検出ヘッドＬ２（１１４）を構成する各
可飽和コイル１１１（Ｓ３、Ｓ４）は、電流による磁界
Ｈｉｐに対して全て逆極性で感度が加算されるよう向き
を定め直列に接続する。すなわち、複数の可飽和コイル
１１１で構成された二つの検出ヘッド１１０、１１４が
ケース１１２側とホルダー１１５側に別れて差動的に機
能する。また、複数の可飽和コイル１１１を直列に接続
したことによって、電気的に一つの可飽和コイルと同じ
扱いができる。なお、ホルダー１１５側の検出ヘッド１
１４は、外側に引き出した検出ヘッドケーブル１１７で
ケース内部の検出回路に接続する。

【００６５】このように構成した電流センサは、電線の
位置変化に対する出力電圧誤差が小さくなる。すなわ
ち、電線を取り囲む複数の可飽和コイルが磁界と作用し
電線の位置変化を相殺するように働く。また、複数の可
飽和コイルが磁界と作用することにより感度が向上す
る。

【００６６】検出回路は、可飽和コイル毎に個別に用意
する必要がない。また、検出回路は、可飽和コイル一つ
だけを使用した構成と比較して特段の変更が必要ない。
このため、可飽和コイルを複数使用しても検出回路のコ
ストは増大しない。

【００６７】次に、磁気シールドについて説明する。電
流センサが外部磁界をキャンセルできるのは、地磁気の
ように一様に分布する平行磁界が作用する場合である。
すなわち、二つの検出ヘッドに対して均一に外部磁界が
作用し差動出力回路が有効に働く。ところが、電流セン
サのすぐ近傍に電流の流れる他の電線があると、他の電
線からの磁界が検出ヘッドＬ１と検出ヘッドＬ２に対し
て不均一に作用する。また、鉄板などの強磁性体が電流
センサの近くにあると、電線から発生する磁界が鉄板側
に吸い寄せられて検出ヘッドＬ１と検出ヘッドＬ２に作
用する磁界が不均一になる。この結果、何れの場合も出
力電圧に誤差が生じる。

【００６８】上記の問題を解決するためには、電流セン
サを高透磁率の磁性材料（パーマロイなど）を用いて構
成した磁気シールドカバー１（１２４）、２（１２５）
で囲み外部磁界が検出ヘッド１２０に作用しないように
すればよい。このような磁気シールドを施した電流セン
サーの正面図を図１２（Ａ）に、側面図を図１２（Ｂ）
に示す。

【００６９】磁気シールドカバー１（１２４）と磁気シ
ールドカバー２（１２５）は、厚さ１ｍｍのパーマロイ
板を一面が開放している箱形に形成したものであり、と
もに同じ寸法と形状である。また、上記磁気シールドカ
バー１（１２４）、２（１２５）には、電線を通す切り
込みと引き出しケーブルのための穴がある。上記磁気シ
ールドカバー１（１２４）、２（１２５）は、電流セン
サのケース１２１とホルダー１２２をその内部に収納
し、電線１２３の中心位置でそれぞれの開放面が向き合
うように取り付ける。なお、上記磁気シールドカバー１
（１２４）と磁気シールドカバー２（１２５）の開放端
の間には、僅かなギャップＧ（約０．３ｍｍ）を設けて
いる。

【００７０】外部磁界をより効果的に排除するために
は、上記ギャップＧをなくして磁気シールドカバー１
（１２４）と磁気シールドカバー２（１２５）の開放端
を完全に接触させるのが望ましい。しかし、このために
生じる弊害もある。すなわち、電線１２３から発生する
磁界は検出ヘッド１２０に作用するとともに磁気シール
ドカバー１２４、１２５にも作用する。磁気シールドカ
バー１（１２４）と磁気シールドカバー２（１２５）が
接触していると、磁気抵抗の極めて小さい環状の磁路
が、電線１２３の周囲に形成され、電線１２３から発生
する磁界の多くが磁気シールドカバー１２４、１２５に
吸い込まれてしまう。この結果、検出ヘッド１２０に作
用する磁界が減少し感度が低下するという問題が生じ
る。

【００７１】上記の問題は、磁気シールドカバー１（１
２４）と磁気シールドカバー２（１２５）の間にギャッ
プＧを設けることで解決できる。すなわち、上記電線１
２３の周囲に形成される環状の磁路を分断し磁気シール
ドカバー１（１２４）、２（１２５）を経由する磁気抵
抗を増加させればよい。このようにすることで、検出ヘ
ッド１２０に作用する磁界の減少を軽減することができ
る。

【００７２】以上で説明したように、磁気シールドカバ
ー１（１２４）と磁気シールドカバー２（１２５）の間
にギャップＧを設けることで電流センサの感度を低下さ
せることなく外部磁界の影響を排除することができる。

【００７３】

【発明の効果】この発明の電流センサは、被測定電線を
案内するためのＵ字型の案内みぞを持つケースと、ケー
スの案内みぞに挿入された被測定電線を保持するために
Ｕ字型の案内みぞにはまる突出部分を持ち、かつケース
との間で脱着可能に形成したホルダーと、ケース内にお
いて被測定電線の中心に対して等間隔で対向する位置に
配置する被測定電線から発生する磁界を検出する第１お
よび第２の磁気検出ヘッドと、第１および第２の磁気検
出ヘッドに作用する磁界を電圧に変換する検出回路とを
備えたので、ケースにより電線と検出ヘッドの電気的絶
縁を確保することができ、かつケースとホルダーとで被
測定電線を挟むので既存の被測定電線を切断せずに電流
を検出でき、さらに経年変化が発生せず、高感度で直線
性が優れた検出特性を得ることができるという効果を奏
する。

【００７４】また、この発明の電流センサは、上述にお
いて、第１の磁気検出ヘッドは、被測定電線から発生す
る磁界の接線方向の成分に対して正の極性を持つように
向きを定め、第２の磁気検出ヘッドは、被測定電線から
発生する磁界の接線方向の成分に対して負の極性を持つ
ように向きを定め、検出回路は、第１の磁気検出ヘッド
に関する検出電圧と第２の磁気検出ヘッドに関する検出
電圧との差の電圧を出力するように構成したので、２つ
の検出回路の差動電圧を出力電圧とすることにより、地
磁気などによる外部平行磁界をキャンセルし電流による
磁界のみを検出することができ、２つの検出電圧の差動
電圧を出力電圧としたので、検出回路のオフセット電圧
を除外して検出精度を向上させることができるという効
果を奏する。

【００７５】また、この発明の電流センサは、上述にお
いて、第１および第２の磁気検出ヘッドは、可飽和コイ
ルであるので、外部磁界（被検出磁界）またはコイル巻
線に流れる電流による磁界で容易に飽和するため、可飽
和コイルのインピーダンスは、コアが飽和すると著しく
変化し、コアの非飽和時にコイル巻線は大きなインピー
ダンスを示し、コアが飽和するとコイル巻線は著しくイ
ンピーダンスを低下させることができ、微弱な磁界で容
易に飽和できるようコアの形状を小さくまた薄くするこ
とにより、ホール素子と比較して極めて高い感度を得る
ことができるという効果を奏する。

【００７６】また、この発明の電流センサは、上述にお
いて、第１および第２の磁気検出ヘッドは、被測定電線
の長さ方向に複数の可飽和コイルを配置した構造であ
り、第１および第２の磁気検出ヘッドを構成する複数の
可飽和コイルは、感度が加算されるように直列接続する
ことによってそれぞれ電気的に一つの可飽和コイルと見
なされるように構成したので、各検出ヘッドにおけるそ
れぞれの可飽和コイルは、電流による磁界に対して感度
が加算されるよう直列に接続されることにより、複数の
可飽和コイルを直列に接続したことによって、電気的に
一つの可飽和コイルと同じ扱いをすることができるとい
う効果を奏する。

【００７７】また、この発明の電流センサは、被測定電
線を案内するための半円形の案内みぞを持つケースと、
ケースの案内みぞに挿入された被測定電線を保持するた
めに半円形の案内みぞを持ち、かつケースとの間で脱着
可能に形成したホルダーと、ケース内において被測定電
線の外径と同心円の円周上にｎ個の可飽和コイルを１８
０／ｎ度の間隔で配置した被測定電線から発生する磁界
を検出する第１の検出ヘッドと、ホルダー内において被
測定電線の外径と同心円の円周上にｎ個の可飽和コイル
を１８０／ｎ度の間隔で配置した被測定電線から発生す
る磁界を検出する第２の検出ヘッドと、第２の検出ヘッ
ドの配線をケースに接続するためのホルダーから引き出
す電線と、第１および第２の磁気検出ヘッドに作用する
磁界を電圧に変換する検出回路とを備えた電流センサに
おいて、第１の磁気検出ヘッドを構成するｎ個の可飽和
コイルは、被測定電線から発生する磁界の接線方向の成
分に対して正の極性を持つように向きを定め、かつ感度
が加算されるように直列接続することによって電気的に
一つの可飽和コイルと見なされるように構成し、第２の
磁気検出ヘッドを構成するｎ個の可飽和コイルは、被測
定電線から発生する磁界の接線方向の成分に対して負の
極性を持つように向きを定め、かつ感度が加算されるよ
うに直列接続することによって電気的に一つの可飽和コ
イルと見なされるように構成し、検出回路は、第１の磁
気検出ヘッドに関する検出電圧と第２の磁気検出ヘッド
に関する検出電圧との差の電圧を出力するように構成し
たので、検出ヘッドがより多くの磁界と作用することが
でき、感度を向上させることができ、また、電線の位置
変化に対する出力電圧誤差が小さくなるので、電線を取
り囲む複数の可飽和コイルが磁界と作用し電線の位置変
化を相殺するように働かせることができ、また、複数の
可飽和コイルが磁界と作用することにより感度を向上さ
せることができるという効果を奏する。

【００７８】また、この発明の電流センサは、上述にお
いて、ケースおよびホルダーを外側から覆う磁気シール
ド板であって、一面が開放された箱形の第１および第２
の磁気シールド板を被測定電線の中心部で開放面が向き
合うように取り付ける際、第１磁気シールド板と第２磁
気シールド板との間に僅かな隙間を設けるので、被測定
電線の周囲に形成される環状の磁路を分断し第１および
第２磁気シールド板を経由する磁気抵抗を増加させるこ
とで、検出ヘッドに作用する磁界の減少を軽減すること
ができ、また、第１磁気シールド板と第２磁気シールド
板の間にギャップを設けることで電流センサの感度を低
下させることなく外部磁界の影響を排除することができ
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態のヘッド分割型電流センサの電流
検出原理を説明する図である。

【図２】本実施の形態のヘッド分割型電流センサの構造
を示す図であり、図２（Ａ）は電流センサの正面図、図
２（Ｂ）は側面図である。

【図３】検出ヘッドを示す図であり、図３（Ａ）は正面
図、図３（Ｂ）は側面図である。

【図４】検出回路の回路図である。

【図５】検出ヘッドに作用する磁界とコアの磁束密度を
示す図であり、図５（Ａ）は磁界０の場合、図５（Ｂ）
は磁界が発生した場合である。

【図６】検出回路の出力電圧を示す図である。

【図７】出力電圧および直線性誤差を示す図である。

【図８】地磁気の出力電圧に与える影響を示す図であ
る。

【図９】電線位置の出力電圧に与える影響を示す図であ
る。

【図１０】第１の可飽和コイルの複数配置（１）を示す
図であり、図１０（Ａ）は可飽和コイルの配置形態、図
１０（Ｂ）は可飽和コイルの接続形態（直列接続）を示
す図である。

【図１１】第２の可飽和コイルの複数配置（２）を示す
図であり、複数の可飽和コイルを電線の中心に対して同
心円上に配置したものである。

【図１２】電流センサの地磁気シールドを示す図であ
り、図１２（Ａ）は正面図、図１２（Ｂ）は側面図であ
る。

【図１３】従来のホール素子を使用した電流センサを示
す図である。

【図１４】従来のホール素子を使用したクランプ式電流
センサを示す図である。

【符号の説明】

１…検出ヘッドＬ１、２…検出ヘッドＬ２、３…電線、
４…検出回路ＦＳ１、５…検出回路ＦＳ２、２０…ホル
ダー、２１…電線、２２…検出ヘッド、２３…ケース、
２４…台座、３０…コア、３１…ボビン、３２…巻線、
１００…検出ヘッドＬ１、１０１…可飽和コイル、１０
２…検出ヘッドＬ２、１０３…電線、１０４…検出ヘッ
ド、１０５…可飽和コイル、１１０…検出ヘッドＬ１、
１１１…可飽和コイル、１１２…ケース、１１３…台
座、１１４…検出ヘッドＬ２、１１５…ホルダー、１１
６…電線、１１７…検出ヘッドケーブル、１２０…検出
ヘッド、１２１…ケース、１２２…ホルダー、１２３…
電線、１２４…磁気シールドカバー１、１２５…磁気シ
ールドカバー２、１２６…台座、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定電線を案内するためのＵ字型の案
   内みぞを持つケースと、 上記ケースの案内みぞに挿入された上記被測定電線を保
   持するために上記Ｕ字型の案内みぞにはまる突出部分を
   持ち、かつ上記ケースとの間で脱着可能に形成したホル
   ダーと、 上記ケース内において上記被測定電線の中心に対して等
   間隔で対向する位置に配置する上記被測定電線から発生
   する磁界を検出する第１および第２の磁気検出ヘッド
   と、 上記第１および第２の磁気検出ヘッドに作用する磁界を
   電圧に変換する検出回路とを備えた電流センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   上記第１の磁気検出ヘッドは、上記被測定電線から発生
   する磁界の接線方向の成分に対して正の極性を持つよう
   に向きを定め、上記第２の磁気検出ヘッドは、上記被測
   定電線から発生する磁界の接線方向の成分に対して負の
   極性を持つように向きを定め、上記検出回路は、上記第
   １の磁気検出ヘッドに関する検出電圧と上記第２の磁気
   検出ヘッドに関する検出電圧との差の電圧を出力するよ
   うに構成したことを特徴とする電流センサ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   上記第１および第２の磁気検出ヘッドは、可飽和コイル
   であることを特徴とする電流センサ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   上記第１および第２の磁気検出ヘッドは、上記被測定電
   線の長さ方向に複数の可飽和コイルを配置した構造であ
   り、上記第１および第２の磁気検出ヘッドを構成する上
   記複数の可飽和コイルは、感度が加算されるように直列
   接続することによってそれぞれ電気的に一つの可飽和コ
   イルと見なされるように構成した電流センサ。
5. 【請求項５】 被測定電線を案内するための半円形の案
   内みぞを持つケースと、 上記ケースの案内みぞに挿入された上記被測定電線を保
   持するために半円形の案内みぞを持ち、かつ上記ケース
   との間で脱着可能に形成したホルダーと、 上記ケース内において上記被測定電線の外径と同心円の
   円周上にｎ個の可飽和コイルを１８０／ｎ度の間隔で配
   置した上記被測定電線から発生する磁界を検出する第１
   の検出ヘッドと、 上記ホルダー内において上記被測定電線の外径と同心円
   の円周上にｎ個の可飽和コイルを１８０／ｎ度の間隔で
   配置した上記被測定電線から発生する磁界を検出する第
   ２の検出ヘッドと、 上記第２の検出ヘッドの配線を上記ケースに接続するた
   めの上記ホルダーから引き出す電線と、 上記第１および第２の磁気検出ヘッドに作用する磁界を
   電圧に変換する検出回路とを備えた電流センサにおい
   て、 上記第１の磁気検出ヘッドを構成する上記ｎ個の可飽和
   コイルは、上記被測定電線から発生する磁界の接線方向
   の成分に対して正の極性を持つように向きを定め、かつ
   感度が加算されるように直列接続することによって電気
   的に一つの可飽和コイルと見なされるように構成し、 上記第２の磁気検出ヘッドを構成する上記ｎ個の可飽和
   コイルは、上記被測定電線から発生する磁界の接線方向
   の成分に対して負の極性を持つように向きを定め、かつ
   感度が加算されるように直列接続することによって電気
   的に一つの可飽和コイルと見なされるように構成し、 上記検出回路は、上記第１の磁気検出ヘッドに関する検
   出電圧と上記第２の磁気検出ヘッドに関する検出電圧と
   の差の電圧を出力するように構成したことを特徴とする
   電流センサ。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３、４、５に記載の電流
   センサにおいて、上記ケースおよび上記ホルダーを外側
   から覆う磁気シールド板であって、一面が開放された箱
   形の第１および第２の磁気シールド板を上記被測定電線
   の中心部で開放面が向き合うように取り付ける際、上記
   第１磁気シールド板と上記第２磁気シールド板との間に
   僅かな隙間を設けることを特徴とする電流センサ。