JP2004257904A

JP2004257904A - Electric current probe

Info

Publication number: JP2004257904A
Application number: JP2003049997A
Authority: JP
Inventors: Katsuhisa Kato; 勝久加藤
Original assignee: Tektronix Japan Ltd
Current assignee: Tektronix Japan Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP3962784B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To continuously and highly sensitively detect a D.C. current to a high frequency through the use of a flux gate magnetic sensor. <P>SOLUTION: A first current detecting means mainly detects a value of a current passing through a signal line from a D.C. current to the vicinity of a prescribed frequency band. A second current detecting means mainly detects a value of a current of a frequency higher than the vicinity of the prescribed frequency band. At this time, the first current detecting means comprises the flux gate magnetic sensor 9; a drive circuit 10 for supplying the flux gate magnetic sensor with a drive current of a frequency higher than the prescribed frequency band; and a magnetic flux concentrator 30. Since the magnetic flux concentrator 30 has a relatively high magnetic permeability when the frequency of the current of the signal line lies between a D.C. current and the vicinity of the prescribed frequency band and a relatively low magnetic permeability when it is at the frequency of the drive current, magnetic flux generated by the drive current does not leak to the magnetic flux concentrator 30. Therefore it is possible to effectively achieve high sensitivity through the use of the magnetic flux concentrator 30. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流プローブに関し、特にフラックスゲート磁気センサを用いて、直流から高周波まで広い周波数帯域を高感度で検出可能な電流プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】米国特許第３５２５０４１号
【特許文献２】米国特許第６１７５２２９号
【０００３】
電流プローブは、ケーブルなどの被測定信号線中を流れる被測定電流を検出するため使用される。図２はトランスを用いたもっとも単純な電流プローブ５０の等価回路を示す。これは、受動電流プローブとも呼ばれ、被測定信号線（１次コイル）４中の電流変化で生じる磁界の変化により、電流プローブ５０のトランス（２次コイル）５２に誘導電流が生じ、抵抗器５８で被測定電流に比例した電圧に変換される。この電圧を検出すれば被測定信号線４の電流値を検出できる。出力端子５４及び５６をオシロスコープなどに接続すれば、電流値を観測できる。電流プローブ５０では、被測定信号線４に物理的に接続された端子を設けることなく、非接触で電流値の検出ができる。
【０００４】
図２に示す受動電流プローブでは、磁界の変化が必要であり、被測定電流が直流から低周波数帯域にあるときは検出ができない。この問題を解決するため、磁気センサを利用した能動電流プローブが利用される。磁気センサとしては、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、フラックスゲート素子などが知られている。これら磁気センサは、磁界に応じた電圧を生じるので、この電圧を検出することで直流から低周波の電流値の検出が可能になる。
【０００５】
米国特許第３５２５０４１号は、ホール素子及びトランスを組み合わせて直流から高周波数帯域まで、電流の周波数に関係なく被測定信号線中の被測定電流の値を検出する技術を開示している。被測定信号線を流れる被測定電流の周波数は、予め分かっている場合ばかりではないので、直流から高周波数まで周波数に関係なく検出できる点で望ましい技術である。
【０００６】
図３は、フラックスゲート磁気センサの動作原理を示すブロック図である。図４は、入力磁界Ｈｉがない場合の図３における信号の状態を示す波形図である。図５は、入力磁界Ｈｉがある場合の図３における信号の状態を示す波形図である。ドライブ回路１０は、磁気コア１２に図４ａに示すドライブ電流Ｉｄを供給し、磁気コア１２に沿った励振磁界Ｈｄを発生させる。励振磁界Ｈｄがコア１２を飽和させるのに充分な振幅を持つようにすれば、発生する磁束Φｄはコアの磁気特性により周期的に飽和し、図４ｂに示すようになる。入力磁界Ｈｉがない場合には、検出点Ａ及び検出点Ｂにおける磁束Φａ及びΦｂは、磁束Φｄであるため、差動の検出コイル１４の出力電圧Ｖｏは、図４ｅに示すように零となる。しかし、入力磁界Ｈｉがある場合には、検出点Ａでの磁界ＨａはＨｄ−Ｈｉであり、検出点Ｂでの磁界ＨｂはＨｄ＋Ｈｉとなる。すると、磁気コア１２が飽和するのに必要な励振磁界はＡ点では大きく、Ｂ点では小さくなるので、磁束Φａ及びΦｂは、図５ｂに示すようにシフトする。その結果、差動の検出コイル１４には、検出点Ａ及びＢにおける誘導電圧の差分に応じて図５ｅに示すようにドライブ電流ＩＤの２倍の周波数を持つ電圧Ｖｏが現れる。この出力電圧Ｖｏを、ドライブ電流の２倍の周波数の信号で同期検波し、直流電圧に変換すれば、入力磁界Ｈｉに比例した電圧を得ることができる。
【０００７】
磁気センサの利用にあたっては、その感度を高めるために磁束コンセトレータ又はヨークを利用する方法が知られている。例えば、米国特許第６１７５２２９号（特開２０００−２５８４６３号に対応）は、ホール素子と磁束コンセトレータとで磁気的に閉じたループ（閉回路）を形成し、このループの中に被測定信号線を通すことで、被測定電流により生じる磁束が磁束コンセトレータを通して効果的にホール素子に導かれる技術を開示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
フラックスゲート磁気センサは、ホール素子よりも高感度であるが、ドライブ電流が必要となる。このとき、感度を高めるために、フラックスゲート磁気センサと磁束コンセントレータを組み合わせて使用しようとすると、ドライブ電流で生じる磁束が磁束コンセントレータに漏れてしまうために、感度が低下するという問題があった。そこで、磁束コンセントレータとフラックスゲート磁気センサの間に隙間（エアギャップ）などを設け、ドライブ電流で生じる磁束が磁束コンセントレータに漏れ難くすると、今度は感度が低下するという問題が生じる。
【０００９】
また、ドライブ電流自身も磁界を生じるため、直流から高周波数まで広い帯域の電流値を検出しようとすると、ドライブ電流で生じる磁界をノイズとして検出してしまい、被測定電流の測定の障害になるという問題がある。
【００１０】
そこで本発明は、フラックスゲート磁気センサと磁束コンセントレータを組み合わせつつ、ドライブ電流で生じる磁束の磁束コンセントレータへの漏れが少なくすることで、高感度を実現した電流プローブを提供しようとするものである。同時に、フラックスゲート磁気センサを電流プローブに応用するに際し、ドライブ電流によるノイズを検出し難い構成とすることで、直流から高周波数帯域まで広帯域で電流値を適切に検出可能な電流プローブを提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による電流プローブは、被測定信号線中を流れる直流から所定周波数帯域近辺までの第１周波数帯域の被測定電流の値を主に検出する第１電流検出手段と、所定周波数帯域近辺より高い第２周波数帯域の被測定電流の値を主に検出する第２電流検出手段とを具えている。このとき、第１電流検出手段が、フラックスゲート磁気センサと、所定周波数帯域より高い周波数のドライブ電流をフラックスゲート磁気センサに供給するドライブ回路と、第１周波数帯域において高い比透磁率を維持する一方、ドライブ電流の周波数においては比透磁率が低い磁束コンセントレータとを有している。このため、この磁束コンセントレータは、フラックスゲート磁気センサと物理的に密着することで第１周波数帯域においてフラックスゲート磁気センサと磁気的に強く結合する一方、ドライブ電流の周波数においては比透磁率が低いためにフラックスゲート磁気センサの磁気的結合が弱くすることができる。即ち、、第１周波数帯域における被測定電流によって生じる磁束を効果的にフラックスゲート磁気センサに供給できる一方、ドライブ電流によって生じる磁束の磁束コンセントレータへの漏れは少ないので、フラックスゲート磁気センサの感度を低下させることなく磁束コンセントレータを使用することが可能になる。なお、フラックスゲート磁気センサ及び磁束コンセントレータは、従来と同様に被測定信号線の周りを囲む磁気的な閉回路を構成するように配置される。
【００１２】
第１電流検出手段には、更にフラックスゲート磁気センサにおけるドライブ電流で生じる磁界が第２電流検出手段に達するのを低減する磁気シールドを有するようにしても良い。これによって、第２電流検出手段がドライブ電流で生じる磁束を検出するのを効果的に防止できる。この磁気シールドは、磁束コンセトレータとは磁気的結合が弱くなるように設定される。そのため、磁気シールドと磁束コンセトレータとの間に隙間（エア・ギャップ）設けるようにしても良い。これによって、磁束コンセトレータが集めた被測定電流による磁束が磁気シールドに漏れることを防止することで、フラックスゲート磁気センサの感度が低下しないようにしている。
【００１３】
本発明の電流プローブでは、フラックスゲート磁気センサが供給する電圧を受けて、被測定電流で生じる磁界を打ち消す磁界を発生させる電流が流れるフィードバック・コイルを更に設けるようにすると良い。これによって、フラックスゲート磁気センサが磁気的に飽和するのを抑制できるので、被測定電流の値とフラックスゲート磁気センサの検出値の線形性を良好に保つことが容易になる。
【００１４】
加えて、本発明の電流プローブでは、被測定電流から生じた磁束の内、フィードバック・コイル及び第２電流検出手段によって打ち消すことができなかった磁束を検出することによって、第１及び第２周波数帯域の境界帯域における被測定電流の値を主に検出する第３電流検出手段を更に具えるようにしても良い。これによって、第１及び第２電流検出手段だけでは捉えられない第１及び第２周波数帯域の境界帯域の被測定電流の値をより適切に検出することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による電流プローブの実施形態の一例を示す模式図である。従来例と対応するものには、同じ符号を付して説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１６】
本発明の電流プローブは、その構成を大きく分けると、直流から所定周波数帯域までの低周波数帯域（第１周波数帯域）にある電流の値を主に検出する第１電流検出手段と、上記所定周波数帯域より高い周波数帯域（第２周波数帯域）にある電流の値を主に検出する第２電流検出手段とから構成される。第１電流検出手段は、フラックスゲート磁気センサ９を中心として構成される一方、第２電流検出手段はトランス・コアを用いた受動プローブで構成される。なお、以下で説明する実施形態では、上述の所定周波数帯域を例えば数十ｋＨｚ帯域近辺としている。
【００１７】
まず、第１電流検出手段の構成を順次説明する。その中心的機能を果たすフラックスゲート磁気センサ９の動作原理の基本は、従来例での説明と同じである。即ち、検出点Ａ及びＢにおける磁束差を検出することで、被測定信号線４中の電流値を検出する。ただし、図１に示す例では、後述する磁束コンセントレータ３０と物理的に密着させ、結果として磁気的に強く結合できるようにすることを考慮して、磁気コア１２を四角形のループで構成している。これによって、磁気コア１２自身も磁気的閉回路を構成する。
【００１８】
図６は、フラックスゲート磁気センサ９による電流値検出回路の等価回路を示す。ドライブ回路１０は、図４ａに示すような周波数ｆのドライブ電流をフラックスゲート磁気センサ９の磁気コア１２の検出点Ａ及びＢに供給する。このドライブ電流の周波数ｆは、第１電流検出手段で検出する所定周波数帯域より高い周波数に設定される。差動増幅器１５は、検出点Ａ及びＢの誘導電圧の差を検出し、同期検波回路１７が周波数２ｆの信号で同期検波し、ローパスフィルタ１９でろ波すれば、被測定信号線４に流れる電流に比例した電圧を得ることができる。
【００１９】
磁束コンセントレータ３０は、それぞれＵ字形状の磁束コンセントレータ上部３０ｕ及び下部３０ｄとから構成される。磁束コンセントレータ上部３０ｕ及び下部３０ｄは、着脱可能となっており、これによって被測定信号線４を磁束コンセントレータ３０及びフラックスゲート磁気センサ９が構成する閉回路の内側に容易に配置できる。しかし、被測定信号線４の１端が接続されていない状態であれば、この閉回路内に被測定信号線４を通せば良いので、必ずしも磁束コンセントレータ３０が上下に分離できる構造となっていなくても良い。
【００２０】
磁束コンセントレータ下部３０ｄは例えば２層構造になっており、これら２つの層で磁気コア１２を挟み込むことで物理的にしっかり結合され、同時に磁気的にも結合される。これにより、磁気コア１２及び磁束コンセントレータ３０による磁気的な閉回路が構成される。ただし、必ずしも２層構造でなくても良い。例えば、図１に示す磁束コンセトレータ３０ｄと同じ形状でありつつ一層構造の磁束コンセントレータを用いて、図１に示す磁気コア１２がある位置に下から磁気コア１２の両端部を磁束コンセントレータに密着させる構造としても良い。
【００２１】
磁気シールド６及び８は、フラックスゲート磁気センサ９の上下面を覆うように配置される。磁気シールド６及び８の役割は、後述する第２電流検出手段にドライブ電流による磁界が達しないようにシールドすることにある。言い換えると、ドライブ電流による磁界が検出コイル３４に達しないようにシールドすることにある。また、第３電流検出手段として機能する検出コイル３６にもドライブ電流による磁界が達しないようにシールドしている。その一方で、フラックスゲート磁気センサ９に行くべき被測定電流からの磁束が磁束コンセントレータ３０から磁気シールド６及び８に逃げないように、磁気シールド６及び８と、磁束コンセントレータ３０との間の磁気的結合は弱くするように設定する。例えば、磁束コンセントレータ３０と磁気シールド６及び８の間にわずかな隙間（エア・ギャップ）を設けることで、磁気的結合を弱くすれば良い。なお、図１では、フラックスゲート磁気センサ９を見やすくするために、磁気シールド６の一部を破断させて描いている。
【００２２】
次に第２電流検出手段について説明する。トランス・コア３２は、それぞれＵ字形状の上部３２ｕ及び下部３２ｄから構成され、これらが着脱可能となっている。着脱可能とすることで、被測定信号線４をトランス・コア３２の内側に容易に配置することが可能になる。しかし、上述の磁束コンセントレータ３０と同じ理由から、上下に分離可能であることは必須の要件ではない。
【００２３】
トランス・コア３２の側部には、検出コイル３４が形成される。これは、被測定信号線４を１次コイルとしたときの２次コイルと考えることができる。即ち、被測定信号線４に高周波数の電流が流れたときには、これによって生じる磁界を打ち消す方向の磁界が生じるように検出コイル３４に電流が流れる。トランス・コア３２には、従来と同様に、直流から高周波数まで高い比透磁率を有するフェライトなどの素材を用いると良い。検出コイル３４は、トランス・コア３２の側部だけでなく、磁束コンセントレータ３０の側部にも形成される。
【００２４】
次に、本発明による電流プローブの電気回路の動作を説明する。これは、米国特許第３５２５０４１号の図３に示されたものと基本的には同じである。検出コイル３４で生じた電流の高周波数成分は、コンデンサ２０を介して広帯域増幅器２２で増幅される。一方、フラックスゲート磁気センサ９の出力電圧を増幅する増幅器１８の出力電圧は、抵抗器Ｒ３で電流に変換され、被測定信号線４を流れる電流で生じる磁界を打ち消す方向に検出コイル３４に供給される（ネガティブ・フィードバック）。このネガティブ・フィードバックによって、磁束が飽和しないように制御され、電流プローブの出力電圧と被測定信号線４の電流値の関係が線形性を保てる範囲内での電流検出を可能にすると同時に検出精度を維持できる。このように検出コイル３４は、直流から低周波数帯域では負帰還（ネガティブ・フィードバック）コイルとして機能する一方、被測定電流が高周波数帯域のときは電流検出コイルとして機能する。
【００２５】
増幅器１８の出力電圧は、入力抵抗器Ｒ４を介して加算増幅器２４にも供給される。同様に増幅器２２の出力電圧は、入力抵抗器Ｒ５を介して加算増幅器２４に供給される。加算増幅器２４には、帰還抵抗器Ｒ６があり、増幅器１８及び２２の出力電圧は、加算増幅器２４において加算される。これによって、検出コイル３４に流れる電流に比例する電圧が加算増幅器２４から得られるので、結果として、被測定信号線４に流れる直流から高周波数帯域までの電流に比例する電圧が加算増幅器２４から得られることとなる。なお、増幅１８及び２２の利得は、被測定電流の低周波成分（第１周波数帯域）及び高周波成分（第２周波数帯域）における利得がマッチするように予め調整されている。
【００２６】
図７は、本発明の電流プローブの周波数特性を示す。上述の説明では、第１及び第２電流検出手段から得た信号によって、電流プローブの出力電圧（増幅器２４）の出力電圧を得る説明をしてきた（２つの実線で示す）。しかし、図７が示すように、これら２つの信号成分を合成しただけでは、第１及び第２周波数帯域の境界となる所定周波数帯域（ここでは数１０ｋＨｚ帯域）近辺の利得が落ち込みがちとなる。この境界の帯域において利得が落ち込むということは、検出コイル３４に流れる電流だけでは、被測定信号線４に流れる電流によって生じた磁界を打ち消しきれていないことを意味する。そこで、検出コイル３４だけでは漏れてしまう磁界を第３電流検出手段である検出コイル３６が電圧に変換する。増幅器１８は、ハイ・インピーダンスの入力端子でこの電圧を受け、これによる加算分が図７の破線に示す利得として現れる。これによって、本発明の電流プローブは、境界となる周波数帯域においても充分な利得を得ることができる。
【００２７】
図８は、磁束コンセントレータ３０及び磁気コア１２の周波数に対する比透磁率の特性を示すグラフである。図８ａに示すように、本発明による磁束コンセントレータ３０は、理想的には、所定周波数帯域より低い周波数帯域（第１周波数帯域）において高い比透磁率を有し、ドライブ電流の周波数において低い比透磁率となるものを使用する（実際は図８ｂに示す）。これによれば、被測定信号線４中の被測定電流が所定周波数帯域より低い周波数（第１周波数帯域）のときは、磁束コンセントレータ３０は被測定信号線４中の被測定電流で生じた磁界から多くの磁束を生じさせ、フラックスゲート磁気センサ９に供給できる。一方、磁束コンセントレータ３０は、ドライブ電流に対しては空気に近い存在として振る舞うので、第１周波数帯域における場合と比較して、ドライブ電流が磁気コア１２に生じさせた磁束が磁束コンセントレータ３０に漏れることが非常に少なく、よって、フラックスゲート磁気センサ９の感度を低下させることがない。
【００２８】
別の見方をすれば、ドライブ電流の周波数ｆにおいては、磁束コンセントレータ３０が空気のように低い比透磁率しかないという特性であるが故に、磁気コア１２と磁束コンセトレータ３０を密着させることが初めて可能となる。もしドライブ電流の周波数ｆにおいて、磁束コンセントレータ３０が高い比透磁率を有していたら、ドライブ電流によって磁気コア１２に生じた磁束が磁束コンセントレータ３０にどんどん取られてしまうので、フラックスゲート磁気センサ９の感度が大幅低下してしまうからである。そして、磁気コア１２と磁束コンセトレータ３０を密着させ、磁気的に強く結合させることが可能であるが故に、第１周波数帯域においてはその高い比透磁率によって被測定電流で生じた磁界から多くの磁束を生じさせ、フラックスゲート磁気センサ９に供給可能となる。このように、図８に示す特性の磁束コンセントレータ３０を使用することよって、フラックスゲート磁気センサ９を極めて効果的に高感度にすることが可能となる。
【００２９】
更にドライブ電流の周波数ｆにおいては磁束コンセントレータ３０の比透磁率が低くい故に、ドライブ電流から生じる磁界による磁束が磁束コンセントレータ３０から第２電流検出手段に達することも少なくなる。よって、磁気シールド６及び８の効果と併せて、ドライブ電流で生じる磁界による磁束が第２電流検出手段に影響しにくい構造となっている。なお、こうした特性を実現する磁束コンセントレータ３０としては、例えばパーマロイなどがある。
【００３０】
一方、磁気コア１２は、図８ｃに示すように、ドライブ電流の周波数ｆにおいても比透磁率が低下しない材料を使用する。これは、いうまでもなく、ドライブ電流の周波数ｆにおいる磁束コア１２の比透磁率が低下してしまっては、ドライブ電流によって磁束コア１２に生じる磁束が減少し、フラックスゲート磁気センサ９の感度が維持できなくなるからである。こうした素材としては、例えば、アモルファスを使用すれば良い。
【００３１】
なお、上述の実施形態では、簡単のため、第１コイルを右側部に第２コイルを左側部にそれぞれ配置している。しかし、実際には第１コイルを左右の側部にそれぞれ同じ巻数で設けても良い。同様に、第２コイルも左右の側部にそれぞれ同じ巻数で設けるようにすると良い。
【００３２】
以上の如く、本発明の電流プローブは、フラックスゲート磁気センサの高感度特性を維持しつつ、そのドライブ電流によって生じる磁界が高周波数成分に与える影響を大幅にカットしているので、直流から高周波数まで連続的に高感度で検出可能な電流プローブを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電流プローブの実施形態の１例を示す模式図である。
【図２】トランスを用いたもっとも単純な電流プローブの等価回路図である。
【図３】フラックスゲート磁気センサの動作原理を示すブロック図である。
【図４】入力磁界Ｈｉがない場合の図３における信号の状態を示す波形図である。
【図５】入力磁界Ｈｉがある場合の図３における信号の状態を示す波形図である。
【図６】フラックスゲート磁気センサによる電流値検出回路の等価回路図である。
【図７】本発明の電流プローブの周波数特性を示すグラフである。
【図８】磁束コンセントレータ３０及び磁気コア１２の周波数に対する比透磁率の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
４被測定信号線
６磁気シールド
８磁気シールド
９フラックスゲート磁気センサ
１０ドライブ回路
１２磁気コア
１４フラックスゲート磁気センサの検出コイル
１５差動増幅器
１６検出回路
１７同期検波回路
１８増幅器
１９ローパスフィルタ
２０コンデンサ
２２広帯域増幅器
２４加算増幅器
３０磁束コンセントレータ
３０ｕ磁束コンセントレータの上部
３０ｄ磁束コンセントレータの下部
３２トランス・コア
３２ｕトランス・コアの上部
３２ｄトランス・コアの下部
３４検出コイル
３６検出コイル（第３電流検出手段）
５０電流プローブ
Ａ検出点
Ｂ検出点[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a current probe, and more particularly to a current probe that can detect a wide frequency band from DC to high frequency with high sensitivity using a fluxgate magnetic sensor.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] US Pat. No. 3,525,041 [Patent Document 2] US Pat. No. 6,175,229 [0003]
The current probe is used to detect a measured current flowing in a measured signal line such as a cable. FIG. 2 shows an equivalent circuit of the simplest current probe 50 using a transformer. This is also called a passive current probe, and an induced current is generated in a transformer (secondary coil) 52 of the current probe 50 due to a change in a magnetic field caused by a change in current in the signal line under measurement (primary coil) 4. At 58, it is converted into a voltage proportional to the current to be measured. By detecting this voltage, the current value of the signal line 4 to be measured can be detected. If the output terminals 54 and 56 are connected to an oscilloscope or the like, the current value can be observed. In the current probe 50, a current value can be detected in a non-contact manner without providing a terminal physically connected to the signal line 4 to be measured.
[0004]
The passive current probe shown in FIG. 2 requires a change in the magnetic field, and cannot detect when the current to be measured is in a low frequency band from DC. In order to solve this problem, an active current probe using a magnetic sensor is used. As a magnetic sensor, a Hall element, an MR element, a GMR element, a flux gate element and the like are known. Since these magnetic sensors generate a voltage corresponding to the magnetic field, by detecting this voltage, it is possible to detect a current value from DC to low frequency.
[0005]
U.S. Pat. No. 3,525,041 discloses a technique for detecting the value of a measured current in a measured signal line from a direct current to a high frequency band by combining a Hall element and a transformer, regardless of the frequency of the current. The frequency of the current to be measured flowing through the signal line to be measured is not limited to the case where it is known in advance, and is a desirable technique in that it can be detected regardless of the frequency from DC to high frequency.
[0006]
FIG. 3 is a block diagram showing the operation principle of the fluxgate magnetic sensor. FIG. 4 is a waveform diagram showing the state of the signal in FIG. 3 when there is no input magnetic field Hi. FIG. 5 is a waveform diagram showing the state of the signal in FIG. 3 when there is an input magnetic field Hi. The drive circuit 10 supplies a drive current Id shown in FIG. 4A to the magnetic core 12, and generates an excitation magnetic field Hd along the magnetic core 12. If the exciting magnetic field Hd has an amplitude sufficient to saturate the core 12, the generated magnetic flux Φd is periodically saturated by the magnetic characteristics of the core, and becomes as shown in FIG. 4B. When there is no input magnetic field Hi, the magnetic fluxes Φa and Φb at the detection points A and B are the magnetic fluxes Φd, so that the output voltage Vo of the differential detection coil 14 becomes zero as shown in FIG. 4E. . However, when there is an input magnetic field Hi, the magnetic field Ha at the detection point A is Hd−Hi, and the magnetic field Hb at the detection point B is Hd + Hi. Then, the excitation magnetic field required to saturate the magnetic core 12 is large at the point A and small at the point B, so that the magnetic fluxes Φa and Φb shift as shown in FIG. 5B. As a result, a voltage Vo having twice the frequency of the drive current ID appears in the differential detection coil 14 according to the difference between the induced voltages at the detection points A and B, as shown in FIG. 5E. If the output voltage Vo is synchronously detected with a signal having a frequency twice as high as the drive current and converted into a DC voltage, a voltage proportional to the input magnetic field Hi can be obtained.
[0007]
In using a magnetic sensor, a method of using a magnetic flux concentrator or a yoke to increase the sensitivity is known. For example, US Pat. No. 6,175,229 (corresponding to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-258463) forms a magnetically closed loop (closed circuit) with a Hall element and a magnetic flux concentrator, in which a signal line to be measured is placed. A technique is disclosed in which a magnetic flux generated by a measured current is effectively guided to a Hall element through a magnetic flux concentrator by passing the magnetic flux through the Hall element.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Fluxgate magnetic sensors are more sensitive than Hall elements, but require a drive current. At this time, if the fluxgate magnetic sensor and the magnetic flux concentrator are used in combination to increase the sensitivity, there is a problem that the magnetic flux generated by the drive current leaks to the magnetic flux concentrator and the sensitivity is reduced. Therefore, if a gap (air gap) or the like is provided between the magnetic flux concentrator and the flux gate magnetic sensor to make it difficult for the magnetic flux generated by the drive current to leak to the magnetic flux concentrator, there is a problem that the sensitivity is reduced.
[0009]
In addition, since the drive current itself also generates a magnetic field, when trying to detect a current value in a wide band from DC to high frequency, the magnetic field generated by the drive current is detected as noise, which is an obstacle to the measurement of the measured current. There's a problem.
[0010]
Therefore, the present invention aims to provide a current probe that realizes high sensitivity by reducing the leakage of the magnetic flux generated by the drive current to the magnetic flux concentrator while combining the fluxgate magnetic sensor and the magnetic flux concentrator. At the same time, when applying a fluxgate magnetic sensor to a current probe, by providing a configuration that makes it difficult to detect noise due to drive current, we will provide a current probe that can properly detect current values in a wide band from DC to high frequency bands. Is what you do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A current probe according to the present invention comprises: a first current detecting means for mainly detecting a value of a measured current in a first frequency band from a direct current flowing in a signal line to be measured to a vicinity of a predetermined frequency band; Second current detecting means for mainly detecting the value of the current to be measured in the second frequency band. At this time, the first current detecting means includes a flux gate magnetic sensor, a drive circuit for supplying a drive current having a frequency higher than a predetermined frequency band to the flux gate magnetic sensor, and maintaining a high relative magnetic permeability in the first frequency band. And a magnetic flux concentrator having a low relative permeability at the frequency of the drive current. For this reason, the magnetic flux concentrator is magnetically strongly coupled to the fluxgate magnetic sensor in the first frequency band by being in close contact with the fluxgate magnetic sensor, but has a low relative permeability at the drive current frequency. In addition, the magnetic coupling of the fluxgate magnetic sensor can be weakened. That is, while the magnetic flux generated by the measured current in the first frequency band can be effectively supplied to the fluxgate magnetic sensor, the leakage of the magnetic flux generated by the drive current to the magnetic flux concentrator is small, and the sensitivity of the fluxgate magnetic sensor is reduced. It is possible to use a magnetic flux concentrator without having to do this. Note that the fluxgate magnetic sensor and the magnetic flux concentrator are arranged so as to form a magnetically closed circuit surrounding the signal line to be measured, as in the related art.
[0012]
The first current detecting means may further include a magnetic shield for reducing a magnetic field generated by a drive current in the flux gate magnetic sensor from reaching the second current detecting means. This can effectively prevent the second current detecting means from detecting the magnetic flux generated by the drive current. The magnetic shield is set so that the magnetic coupling with the magnetic flux concentrator is weakened. Therefore, a gap (air gap) may be provided between the magnetic shield and the magnetic flux concentrator. This prevents the magnetic flux due to the current to be measured collected by the magnetic flux concentrator from leaking to the magnetic shield, so that the sensitivity of the fluxgate magnetic sensor is not reduced.
[0013]
In the current probe according to the present invention, it is preferable to further provide a feedback coil in which a current for generating a magnetic field for canceling a magnetic field generated by the current to be measured flows in response to a voltage supplied by the flux gate magnetic sensor. Thus, magnetic saturation of the fluxgate magnetic sensor can be suppressed, so that it is easy to maintain good linearity between the value of the measured current and the detection value of the fluxgate magnetic sensor.
[0014]
In addition, the current probe of the present invention detects the magnetic flux that cannot be canceled out by the feedback coil and the second current detecting means, out of the magnetic flux generated from the current to be measured, thereby providing the first and second frequency bands. A third current detecting means for mainly detecting the value of the current to be measured in the boundary band of. This makes it possible to more appropriately detect the value of the measured current in the boundary band between the first and second frequency bands, which cannot be captured only by the first and second current detection means.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a current probe according to the present invention. Components corresponding to those of the conventional example will be described with the same reference numerals. The embodiment described below is a preferred specific example of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. The embodiments are not limited to these embodiments unless otherwise described.
[0016]
The current probe according to the present invention can be roughly divided into a first current detecting means for mainly detecting a current value in a low frequency band (first frequency band) from DC to a predetermined frequency band, And a second current detection means for mainly detecting a current value in a frequency band (second frequency band) higher than the band. The first current detecting means is configured around the fluxgate magnetic sensor 9, while the second current detecting means is configured as a passive probe using a transformer core. In the embodiment described below, the above-mentioned predetermined frequency band is set to, for example, around a several tens kHz band.
[0017]
First, the configuration of the first current detecting means will be described sequentially. The basic principle of operation of the flux gate magnetic sensor 9 which performs its central function is the same as that described in the conventional example. That is, the current value in the signal line 4 to be measured is detected by detecting the magnetic flux difference between the detection points A and B. However, in the example shown in FIG. 1, the magnetic core 12 is formed of a square loop in consideration of the fact that the magnetic core 12 is physically brought into close contact with a magnetic flux concentrator 30 to be described later, and as a result, it can be strongly coupled magnetically. . As a result, the magnetic core 12 itself also forms a magnetically closed circuit.
[0018]
FIG. 6 shows an equivalent circuit of a current value detection circuit using the fluxgate magnetic sensor 9. The drive circuit 10 supplies a drive current having a frequency f as shown in FIG. 4A to the detection points A and B of the magnetic core 12 of the fluxgate magnetic sensor 9. The frequency f of the drive current is set to a frequency higher than a predetermined frequency band detected by the first current detection means. The differential amplifier 15 detects the difference between the induced voltages at the detection points A and B, and if the synchronous detection circuit 17 performs synchronous detection with the signal of frequency 2f and filters with the low-pass filter 19, the current flowing through the signal line 4 to be measured. Can be obtained.
[0019]
The magnetic flux concentrator 30 includes a U-shaped magnetic flux concentrator upper portion 30u and a lower portion 30d. The upper and lower magnetic flux concentrators 30u and 30d are detachable, so that the signal line 4 to be measured can be easily arranged inside the closed circuit formed by the magnetic flux concentrator 30 and the fluxgate magnetic sensor 9. However, if one end of the signal line 4 to be measured is not connected, the signal line 4 to be measured only needs to be passed through this closed circuit, so that the magnetic flux concentrator 30 does not necessarily have a structure capable of being vertically separated. May be.
[0020]
The lower part 30d of the magnetic flux concentrator has, for example, a two-layer structure. By sandwiching the magnetic core 12 between these two layers, the magnetic core 12 is physically and firmly coupled, and is also magnetically coupled at the same time. As a result, a magnetically closed circuit including the magnetic core 12 and the magnetic flux concentrator 30 is formed. However, it does not necessarily have to have a two-layer structure. For example, by using a magnetic flux concentrator having the same shape as the magnetic flux concentrator 30d shown in FIG. 1 and having a single-layer structure, the magnetic core 12 shown in FIG. It is good.
[0021]
The magnetic shields 6 and 8 are arranged so as to cover the upper and lower surfaces of the fluxgate magnetic sensor 9. The role of the magnetic shields 6 and 8 is to shield the magnetic field due to the drive current from reaching the second current detecting means described later. In other words, it is to shield the magnetic field due to the drive current from reaching the detection coil 34. Further, the detection coil 36 which functions as the third current detection means is shielded so that the magnetic field by the drive current does not reach. On the other hand, the magnetic flux between the magnetic shields 6 and 8 and the magnetic flux concentrator 30 is set so that the magnetic flux from the current to be measured that should go to the fluxgate magnetic sensor 9 does not escape from the magnetic flux concentrator 30 to the magnetic shields 6 and 8. The coupling is set to be weak. For example, the magnetic coupling may be weakened by providing a slight gap (air gap) between the magnetic flux concentrator 30 and the magnetic shields 6 and 8. In FIG. 1, a part of the magnetic shield 6 is broken to make the fluxgate magnetic sensor 9 easy to see.
[0022]
Next, the second current detecting means will be described. Each of the transformer cores 32 includes a U-shaped upper portion 32u and a lower portion 32d, which are detachable. By making it detachable, the signal line 4 to be measured can be easily arranged inside the transformer core 32. However, for the same reason as the magnetic flux concentrator 30 described above, being separable up and down is not an essential requirement.
[0023]
A detection coil 34 is formed on the side of the transformer core 32. This can be considered as a secondary coil when the signal line under measurement 4 is a primary coil. That is, when a high-frequency current flows through the signal line 4 to be measured, the current flows through the detection coil 34 so as to generate a magnetic field in a direction to cancel the magnetic field generated thereby. For the transformer core 32, a material such as ferrite having a high relative magnetic permeability from DC to high frequency may be used as in the related art. The detection coil 34 is formed not only on the side of the transformer core 32 but also on the side of the magnetic flux concentrator 30.
[0024]
Next, the operation of the electric circuit of the current probe according to the present invention will be described. This is basically the same as that shown in FIG. 3 of US Pat. No. 3,525,041. The high-frequency component of the current generated in the detection coil 34 is amplified by the broadband amplifier 22 via the capacitor 20. On the other hand, the output voltage of the amplifier 18 that amplifies the output voltage of the fluxgate magnetic sensor 9 is converted into a current by the resistor R3 and supplied to the detection coil 34 in a direction to cancel a magnetic field generated by the current flowing through the signal line 4 to be measured. (Negative feedback). By this negative feedback, the magnetic flux is controlled so as not to be saturated, and the current can be detected within a range where the relationship between the output voltage of the current probe and the current value of the signal line 4 under measurement can maintain linearity, and at the same time, the detection accuracy is improved. Can be maintained. In this manner, the detection coil 34 functions as a negative feedback (negative feedback) coil in a low frequency band from direct current, and functions as a current detection coil when the current to be measured is in a high frequency band.
[0025]
The output voltage of amplifier 18 is also supplied to summing amplifier 24 via input resistor R4. Similarly, the output voltage of amplifier 22 is supplied to summing amplifier 24 via input resistor R5. The summing amplifier 24 has a feedback resistor R6, and the output voltages of the amplifiers 18 and 22 are added in the summing amplifier 24. As a result, a voltage proportional to the current flowing through the detection coil 34 is obtained from the summing amplifier 24. As a result, a voltage proportional to the current flowing from the direct current to the high frequency band flowing through the signal line 4 to be measured is obtained from the summing amplifier 24. Will be done. Note that the gains of the amplifiers 18 and 22 are adjusted in advance so that the gains of the low-frequency component (first frequency band) and the high-frequency component (second frequency band) of the measured current match.
[0026]
FIG. 7 shows the frequency characteristics of the current probe of the present invention. In the above description, the output voltage of the output voltage (amplifier 24) of the current probe is obtained from the signals obtained from the first and second current detecting means (shown by two solid lines). However, as shown in FIG. 7, simply combining these two signal components tends to cause a drop in gain near a predetermined frequency band (in this case, a tens of kHz band) which is a boundary between the first and second frequency bands. The fact that the gain drops in this boundary band means that the magnetic field generated by the current flowing through the signal line 4 under test cannot be completely canceled out by the current flowing through the detection coil 34 alone. Therefore, the magnetic field leaked only by the detection coil 34 is converted into a voltage by the detection coil 36 as the third current detection means. The amplifier 18 receives this voltage at the high impedance input terminal, and the added amount appears as a gain shown by a broken line in FIG. As a result, the current probe of the present invention can obtain a sufficient gain even in the boundary frequency band.
[0027]
FIG. 8 is a graph showing characteristics of the relative magnetic permeability with respect to the frequency of the magnetic flux concentrator 30 and the magnetic core 12. As shown in FIG. 8A, the magnetic flux concentrator 30 according to the present invention ideally has a high relative permeability in a frequency band (first frequency band) lower than a predetermined frequency band, and has a low relative permeability at the frequency of the drive current. Use a material having a magnetic susceptibility (actually shown in FIG. 8B). According to this, when the measured current in the signal line 4 to be measured has a frequency lower than the predetermined frequency band (first frequency band), the magnetic flux concentrator 30 controls the magnetic field generated by the measured current in the signal line 4 to be measured. , A large amount of magnetic flux can be generated and supplied to the flux gate magnetic sensor 9. On the other hand, since the magnetic flux concentrator 30 behaves as if it is close to air with respect to the drive current, the magnetic flux generated by the drive current in the magnetic core 12 leaks to the magnetic flux concentrator 30 as compared with the case in the first frequency band. Therefore, the sensitivity of the fluxgate magnetic sensor 9 is not reduced.
[0028]
From another viewpoint, at the frequency f of the drive current, the magnetic flux concentrator 30 has only a low relative magnetic permeability as air, so that the magnetic core 12 and the magnetic flux concentrator 30 can be brought into close contact for the first time. It becomes. If the magnetic flux concentrator 30 has a high relative magnetic permeability at the frequency f of the drive current, the magnetic flux generated in the magnetic core 12 by the drive current is rapidly taken up by the magnetic flux concentrator 30. This is because the sensitivity is greatly reduced. Since the magnetic core 12 and the magnetic flux concentrator 30 can be brought into close contact with each other and strongly coupled magnetically, in the first frequency band, a large magnetic flux is generated from the magnetic field generated by the measured current due to its high relative permeability. To be supplied to the fluxgate magnetic sensor 9. As described above, the use of the magnetic flux concentrator 30 having the characteristics shown in FIG. 8 makes it possible to extremely effectively increase the sensitivity of the fluxgate magnetic sensor 9.
[0029]
Further, at the frequency f of the drive current, the relative magnetic permeability of the magnetic flux concentrator 30 is low, so that the magnetic flux due to the magnetic field generated from the drive current hardly reaches the second current detecting means from the magnetic flux concentrator 30. Therefore, in addition to the effects of the magnetic shields 6 and 8, the magnetic flux due to the magnetic field generated by the drive current is hardly affected by the second current detecting means. In addition, as the magnetic flux concentrator 30 which realizes such characteristics, for example, there is Permalloy or the like.
[0030]
On the other hand, as shown in FIG. 8C, the magnetic core 12 is made of a material whose relative permeability does not decrease even at the drive current frequency f. Needless to say, if the relative permeability of the magnetic flux core 12 at the frequency f of the drive current decreases, the magnetic flux generated in the magnetic flux core 12 by the drive current decreases, and the flux gate magnetic sensor 9 This is because the sensitivity cannot be maintained. As such a material, for example, an amorphous material may be used.
[0031]
In the above embodiment, for simplicity, the first coil is arranged on the right side and the second coil is arranged on the left side. However, in practice, the first coils may be provided on the left and right sides with the same number of turns. Similarly, the second coil may be provided with the same number of turns on each of the left and right sides.
[0032]
As described above, the current probe of the present invention greatly reduces the influence of the magnetic field generated by the drive current on the high frequency components while maintaining the high sensitivity characteristics of the fluxgate magnetic sensor. A current probe that can be continuously detected with high sensitivity can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an embodiment of a current probe according to the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the simplest current probe using a transformer.
FIG. 3 is a block diagram showing the operation principle of the fluxgate magnetic sensor.
FIG. 4 is a waveform diagram showing a state of a signal in FIG. 3 when there is no input magnetic field Hi.
5 is a waveform chart showing a state of a signal in FIG. 3 when there is an input magnetic field Hi.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a current value detection circuit using a flux gate magnetic sensor.
FIG. 7 is a graph showing frequency characteristics of the current probe of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing characteristics of relative permeability with respect to frequency of the magnetic flux concentrator 30 and the magnetic core 12;
[Explanation of symbols]
4 Signal Line 6 to be Measured 6 Magnetic Shield 8 Magnetic Shield 9 Fluxgate Magnetic Sensor 10 Drive Circuit 12 Magnetic Core 14 Detection Coil of Fluxgate Magnetic Sensor 15 Differential Amplifier 16 Detection Circuit 17 Synchronous Detection Circuit 18 Amplifier 19 Low-Pass Filter 20 Capacitor 22 Broadband Amplifier 24 Summing amplifier 30 Magnetic flux concentrator 30u Upper part of magnetic flux concentrator 30d Lower part of magnetic flux concentrator 32 Trans core 32u Upper part of transformer core 32d Lower part of transformer core 34 Detection coil 36 Detection coil (third current detection means)
50 Current probe A Detection point B Detection point

Claims

First current detecting means for mainly detecting a value of a current to be measured in a first frequency band from a direct current flowing in the signal line to be measured to a vicinity of a predetermined frequency band; A current probe comprising: a second current detecting unit mainly detecting a value of a current to be measured,
The first current detecting means includes:
A fluxgate magnetic sensor,
A drive circuit for supplying a drive current having a frequency higher than the predetermined frequency band to the flux gate magnetic sensor,
A current probe, comprising: a magnetic flux concentrator having a high relative permeability in the first frequency band while having a low relative permeability at the frequency of the drive current.

The magnetic flux concentrator is magnetically strongly coupled to the fluxgate magnetic sensor in the first frequency band by being in close contact with the fluxgate magnetic sensor, while having a low relative permeability at the frequency of the drive current. 2. The current probe according to claim 1, wherein the magnetic coupling of the fluxgate magnetic sensor is weak.

4. The current probe according to claim 2, wherein the fluxgate magnetic sensor and the magnetic flux concentrator form a closed magnetic circuit surrounding the signal line to be measured.

4. The method according to claim 1, wherein the first current detecting means further includes a magnetic shield for reducing a magnetic field generated by the drive current in the flux gate magnetic sensor from reaching the second current detecting means. The current probe according to any one of the above.

The current probe according to claim 4, wherein the magnetic shield has weak magnetic coupling with the magnetic flux concentrator.

6. A feedback coil according to claim 1, further comprising a feedback coil that receives a voltage supplied by the fluxgate magnetic sensor and generates a magnetic field for canceling a magnetic field generated by the measured current. Current probe as described.

By detecting a magnetic field, which cannot be canceled by the feedback coil and the second current detecting means, out of the magnetic field generated from the measured current, the measured current in the boundary band between the first and second frequency bands is detected. The current probe according to claim 5, further comprising third current detection means for mainly detecting a current value.