JP2004257905A - 電流プローブ - Google Patents
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Abstract
【課題】大電流を直流から高周波数まで高い精度で測定できるようにする。
【解決手段】第１電流検出手段は、直交型フラックスゲート素子と、直交型フラックスゲート素子の誘導電圧を検出する誘導電圧検出回路４６と、誘導電圧検出回路４６の出力電圧を受けて、被測定電流によって生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるフィードバック・コイル５０とを有しており、被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの値を主に検出する。第２電流検出手段は、ロゴスキーコイル１２と積分回路を有し、被測定電流の所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域の値を主に検出する。
【選択図】 図１
【解決手段】第１電流検出手段は、直交型フラックスゲート素子と、直交型フラックスゲート素子の誘導電圧を検出する誘導電圧検出回路４６と、誘導電圧検出回路４６の出力電圧を受けて、被測定電流によって生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるフィードバック・コイル５０とを有しており、被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの値を主に検出する。第２電流検出手段は、ロゴスキーコイル１２と積分回路を有し、被測定電流の所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域の値を主に検出する。
【選択図】 図１
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、特に直交型フラックスゲート素子及びロゴスキーコイルを用いて、直流から高周波まで広い周波数帯域における大電流の検出に適した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６３８０７３５号
【特許文献２】米国特許第３５２５０４１号
【０００３】
電流プローブは、ケーブルなどの信号線中を流れる電流を検出するため使用される。このとき、弱電に関しては、トランスを用いた電流プローブが用いられるが、大電流を測定する際には、例えばロゴスキーコイルを用いた電流検出回路が、コアを必要とせず小型軽量にできる点で適当である。
【０００４】
図２は、ロゴスキーコイルを用いた電流検出回路を示す模式図である。ロゴスキーコイル１２は、検出コイル１１と、その検出コイル１１の終端部１２ｂとその端部９ｂで接続され、検出コイル１１の中心を通して折り返した導体帰路線９とを有し、検出コイル１１の巻始めの端部１２ａと折り返した導体帰路線の端部９ｂを近接して引き出す構造となっている。同時に、検出コイル１１の端部１２ａ及び１２ｂも物理的に近接され、これによって被測定信号線１０の周りに検出コイル１１が閉じた磁気的ループ（閉回路）を構成する。検出コイル１１の端部１２ａは抵抗器１４、コンデンサ１６及び演算増幅器１８で構成される積分回路に接続され、導体帰路線９の端部９ａは接地される。
【０００５】
ロゴスキーコイル１２には、被測定信号線１０を流れる電流Ｉｐによって生じる磁束によって誘導電圧を生じる。この誘導電圧は、電流Ｉｐの周波数が高くなるほるほど高くなるので、これを補正するために、周波数が高くなるほど損失が大きくなる積分回路を用いて補正を行い、全体の周波数特性をフラットにしている。
【０００６】
ロゴスキーコイルが大電流の検出に適している理由のもう１つは、柔軟性があることである。大電流の信号線は、大電流に耐えられるよう金属の厚いブスバーであることも多い。こうした金属のブスバーが複雑に配線されているような場合、目的とする被測定信号線（金属ブスバー）を都合の良い位置に引っ張り出して、電流プローブの検出部に通すことができないことも多い。また、被測定信号線を任意の位置に引っ張り出して変形させると、インダクタンスが発生するので、測定誤差の原因にもなる。ロゴスキーコイルのように柔軟性があれば、配線と配線の隙間を通して、被測定信号線の周りにロゴスキーコイルでループを構成するように配置できるのである。
【０００７】
しかし、ロゴスキーコイルは、直流の値を測定できず、また低周波数に対しては感度が低いという欠点がある。
【０００８】
直流から低周波数の電流値を測定するためには、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、ＭＩ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。
【０００９】
フラックスゲート素子には、直交型と平行型がある。川上誠氏による米国特許第６３８０７３５号（特開２００１−３３０６５号に対応）には、直交型フラックスゲート素子が記載されている。図３は、その原理説明図であり、図４はコアに形成される磁束の説明図、図５は動作説明図、図６は図３に示す素子で磁場の検出を行う際のドライブ電流、コアの長手方向における磁化の程度及び検出コイルの出力電圧それぞれの波形図である。
【００１０】
２１は導電性材料で形成された棒状導体、２２は軟質磁性材料で形成された円筒形のコア、２３は検出コイル、２５は高周波電源を示している。棒状導体２１はコア２２内に通してコア２２と同軸に配置してあり、この棒状導体２１には高周波電源２５が接続してある。このような磁気センサを、その棒状導体２１、コア２２の軸心線を被測定磁場の方向と平行になるように配置した場合、被測定磁場内の磁束は図５（ａ）に示す如くコア２２側に引き寄せられてコア２２内を通る磁路が形成される。
【００１１】
いま棒状導体２１に図６（１）に示す如き正弦波のドライブ電流ＩＥＸを流すと、コア２２の周面は図５（ｂ）に矢符で示す如くに磁化され、ドライブ電流ＩＥＸが図６（ａ）に示す状態から増大し、図６（ｂ）に示す如く最大値に達するとコア２２の磁化が飽和状態となり、被測定磁場の磁束はコア２２から離れて棒状導体２１と平行となる。この間コア２２の長手方向の磁化の程度は図６に示す如くに低下し、また検出コイル２３の出力（電圧）は、長手方向の磁化の変化率が大きい位置で大きくなり、ドライブ電流ＩＥＸの変化率が大きい位置と最大値及び最小値のときとで零になる。
【００１２】
ドライブ電流ＩＥＸが最大値から減少してゆき、ゼロクロス点に達する過程で図５（ｃ）に示す如く、再び被測定磁場の磁束はコア２２内を通るようになる。ドライブ電流ＩＥＸの向きが逆になるとコア２２の周面は図４（ｄ）に矢符で示す如く周方向の逆向きに磁化され、ドライブ電流ＩＥＸが減少し最小値に達すると、コア２２の磁化が再び飽和状態となり、被測定磁場の磁束はコア２２の軸心線と平行になる。この間検出コイル２３の出力は、ドライブ電流ＩＥＸの一周期の変化に対応して２周期分変化する。
【００１３】
つまり、円筒形のコア２２にドライブ電流を通流させ、周期的に周方向に励磁することにより、コア２２の長手方向の磁化をスイッチングすることでコア２２と被測定磁場との関係は図５（ａ）から図５（ｂ）、図５（ｂ）から図５（ｃ）、図５（ｃ）から図５（ｄ）に移るが、この過程で検出コイル２３と鎖交する磁束密度が変化することで図６に示す如く検出コイル２３から被測定磁場の強さ（方向）に対応した出力電圧（出力電圧の位相）が得られることとなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
被測定信号線を流れる大電流の値を測定する場合、被測定信号線の方を測定に都合の良い位置に持ってくるのが困難なことも多い。このため、電流プローブの磁気センス部分を構成するループを、その切れ目から一旦広げて被測定信号線の周りに巻いてからループを閉じることができるように柔軟な構成であることが望ましい。もちろん、被測定電流の値を直流から高周波数帯域まで途切れなく測定できた方が良い。そこで本発明では、磁気センス部分を構成するループに柔軟性があるとともに切れ目を設けることができ、複数の信号線がびっしり固定された状態にあるような場合でも、所望の被測定信号線の周りにある隙間から通して、磁気センス部分を通し、被測定信号線の周りに磁気的なループを構成することが容易な電流プローブを提供しようとするものである。また、同時に、直流から高い周波数帯域まで測定可能な電流の測定に適した電流プローブを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定信号線中を流れる被測定電流の値、特に大きな電流の値を検出するのに適した電流プローブである。構成要素を大きく分けると、第１電流検出手段と第２電流検出手段に分けられる。第１電流検出手段は、直交型フラックスゲート素子と、直交型フラックスゲート素子の誘導電圧を検出する誘導電圧検出手段と、誘導電圧検出手段の出力電圧を受けて、被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるフィードバック・コイルを有し、被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの値を主に検出する。一方、第２電流検出手段は、ロゴスキーコイルと積分手段を有し、被測定電流の所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域の値を主に検出する。このとき、フィードバック・コイルが被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させれば、誘導電圧検出手段の磁気的飽和を防ぐことができるので、被測定電流の値と第１電流検出手段の検出値の線形性を良くすることができる。
【００１６】
更に第１電流検出手段が直交型フラックスゲート素子を外部磁界から磁気的にシールドするシールド手段を更に有するようにすると良い。このシールド手段の周囲にフィードバック・コイルを巻いて磁気シールド手段を磁気コアとして機能させることにより、フィードバック・コイルが被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向の磁束を一層効果的に発生させられる。
【００１７】
直交型フラックスゲート素子はドライブ電流が供給される磁気ワイヤを有しており、この磁気ワイヤが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成する。磁気ワイヤが柔軟性を有することで、被測定信号線を都合の良い位置まで引っぱり出せないような場合でも、電流プローブの方を被測定信号線の周りに巻いてループを構成させることができる。
【００１８】
また、磁気シールドが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成するようにすると良い。磁気シールドには、例えば、磁性を有する金属を極細線にして、これを編み込んだものを使用すれば良い。同様に、ロゴスキーコイルも柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成するようにすると良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、その周波数が直流から所定周波数帯域近辺までの低周波数帯域（第１周波数帯域）における被測定電流の値を主に測定する第１電流検出手段と、所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域（第２周波数帯域）における被測定電流の値を主に測定する第２電流検出手段とから構成される。第１電流検出手段は直交型フラックスゲート素子が主要な構成要素であり、第２電流検出手段はロゴスキーコイルがその主要構成要素である。ここでいう所定周波数帯域とは、第１及び第２電流検出手段で測定される境界となる帯域であり、第１及び第２電流検出手段の周波数特性をどのように設計するかで定まる周波数帯域である。
【００２０】
図７は、本発明による第１電流検出手段の主要部である直交型フラックスゲート素子とその周辺回路のブロック図である。発振回路３０が出力する周波数ｆの信号Ｖｆは、ドライブ回路３２で増幅されて、例えば、図６（１）に示すようなドライブ電流が図７に示す磁気ワイヤ３４の一端部３４ａに供給される。磁気ワイヤ３４の素材は、例えば、アモルファス・ワイヤなどの柔軟性の高い素材である。上述の米国特許第６３８０７３５号の従来例と異なる点は、この磁気ワイヤ３４自身が高い比透磁率を有し、ドライブ電流が無いときは被測定電流による磁束を引き寄せ、ドライブ電流があるときは磁気的に飽和して磁束を引き寄せないので、これを繰り返すことで、被測定電流によって生じる磁束の密度を変化させることである。
【００２１】
磁気ワイヤ３４は、磁気的には閉じたループを構成する必要があるが、物理的にはループの一部が切れていても良い。このとき、磁気ワイヤ３４に例えばアモルファス・ワイヤを使用すると、柔軟性に富み容易に変形するので、このループの切れ目からループを開いて再度閉じることで、被測定信号線１０の周りに磁気ワイヤ３４を巻き付けることが可能になる。磁気ワイヤ３４は、その端部３４ｂにおいて、導体帰路線３６の一端部３６ｂに接続される。導体帰路線３６は、磁気ワイヤ３４とほぼ平行して弧を描き、他端部３６ａで接地される。被測定信号線１０をループの内側に入れた状態で、磁気ワイヤ３４の端部３４ａ及び３４ｂを充分に近接させれば、物理的にはループが切れていても、磁気的には閉じたループ（磁気的な閉回路）を構成できるので、被測定信号を流れる被測定電流の値の正確な測定可能になる。なお、被測定信号線１０を予めループの内側へ配置できるのであれば、ループに（物理的な意味の）切れ目を設けなくても良い。
【００２２】
検出コイル３８は、その一端部３８ａから始まって、磁気ワイヤ３４の端部３４ｂ及び導体帰路線３６の端部３６ｂ近辺まで巻かれ、その他端３８ｂは接地される。上述の如く、ドライブ電流に応じて被測定電流による磁束の密度が変化することにより、ドライブ回路３２が供給する信号Ｖｆの周波数ｆの２倍の周波数２ｆを有する出力電圧（誘導電圧）Ｖｏｕｔが検出コイル３８に生じる。これをミキサ４０において周波数２ｆの信号Ｖ２ｆで同期検波し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２でろ波することで、被測定信号線１０に流れる被測定電流の値に比例する電圧が出力端子４４に現れる。なお、ミキサ４０とＬＰＦ４２は、検出回路４６を構成する。
【００２３】
図１は、本発明による電流プローブの模式図である。図７と比較すると、第１電流検出手段の検出コイル３８の周囲には、磁気シールド４８が更に設けられている。磁気シールド４８は、フラックスゲート素子を包むようにループを構成するが、一部分がつながっておらず、この切れ目からループを開いて被測定信号線１０をループの中へ入れた後、ループを閉じることができる。ただし、この切れ目を充分に近接させることで、磁気的には閉じたループを構成するようにする。また、この磁気シールド４８の周囲には、フィードバック・コイル５０が巻かれる。なお、図１では、説明の都合上、磁気シールド４８の内部が見えるように、上下に広げて描いているが、実際には磁気ワイヤ３４、導線３６及び検出コイル３８を完全に包み込むように制作される。
【００２４】
磁気シールド４８には、２つの機能がある。１つは、検出コイル３８に対する地磁気その他の外部磁界の影響を除去する機能である。２つ目は、フィードバック・コイル５０の磁気コアとして機能して効果的に磁束を生じさせ、後述するネガティブ・フィードバックを効果的に行えるようにすることである。同時に、磁気シールド４８は、物理的に意味でのループを切れ目から一旦広げてから被測定信号線１０の周りで再度ループを構成できるように、柔軟性があることも重要である。こうした磁気シールドは、例えば、高い比透磁率を有する金属を極細線にし、これを布状に編むことで形成すれば良い。金属から極細線を形成するには、周知の如く冷間引抜きによって形成すれば良い。
【００２５】
フィードバック・コイル５０の一端部５０ａには、検出回路４６の出力端子４４から電圧が供給される。フィードバック・コイル５０は、この一端部５０ａから、図１に示す如く磁気シールド４８が構成するループの周りに巻が形成される。フィードバック・コイル５０の他端部５０ｂは、磁気シールド４８の弧に沿って一端部５０ａの方向に折り返す導体帰路線５２と接続され、フィードバック・コイル５０の一端部５０ａの近くから引き出され、抵抗器５４で電圧に変換され、演算増幅器１８に供給される。この抵抗器５４に現れる電圧は、被測定信号線１０を流れる被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの低周波数帯域（第１周波数帯域）の値に比例するものである。
【００２６】
このとき、フィードバック・コイル５０に流す電流の方向は、この電流によって生じる磁束が、被測定電流によって生じる磁束を打ち消す方向（ネガティブ・フィードバック）となるように配線し、磁気的な飽和を防止する。このネガティブ・フィードバックによって磁気的な飽和を防止することで、被測定電流と検出回路４６の出力電圧の関係が線形に維持できるようになる。なお、磁気的ネガティブ・フィードバックを用いた回路については、例えば、米国特許第３５２５０４１号に記載されている。
【００２７】
次に第２電流検出手段の構成について説明する。その主要部は、図２に示したものと同様のロゴスキーコイル１２である。図１を参照すれば、ロゴスキーコイル１２は、検出コイル１１と、その検出コイル１１の終端の線を検出コイル１１の中心を通して折り返した導体帰路線９とを有し、巻始めの端部１２ａと導体帰路線端部９ａを近接して引き出す構造となっている。このとき、巻始めの端部１２ａは抵抗器１４、コンデンサ１６及び演算増幅器１８で構成される積分回路に接続され、導体帰路線９の端部９ａは接地される。
【００２８】
演算増幅器１８には、その非反転入力端子に、直流から所定周波数帯域近辺までの被測定電流の低周波数帯域（第１周波数帯域）成分が供給されると共に、反転入力端子にはロゴスキーコイル１２から得られる所定周波数帯域近辺から上の高周波数帯域（第２周波数帯域）成分が供給され、これらを加算する。これによって、直流から高い周波数帯域まで、被測定信号線１０中を流れる大電流の値を高感度で測定可能となる。低周波数帯域（第１周波数帯域）成分と高周波数帯域（第２周波数帯域）成分の利得は、予めバランスさせるよう調整しておくと良い。
【００２９】
以上の如く、本発明の電流プローブは、高感度な直交型フラックスゲート素子とロゴスキーコイルを巧みに組み合わせることで、被測定信号線中を流れる大電流の値を直流から高い周波数まで高感度で測定できる。更に、柔軟性に富んだ材料の形成でき、直交型フラックスゲート素子とロゴスキーコイルが形成するリングに切れ目を設けておくことで、所望の被測定信号線が厚い金属ブスバーなどのために都合の良い位置に引っ張り出せないような場合でも、電流プローブの磁気センス部分の方を被測定信号線の周りに巻き付けることが可能である。これによって、被測定信号線の周りに磁気的なループ（磁気的閉回路）を容易に構成でき、精度の良い測定が可能となる。
【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】ロゴスキーコイル及び積分回路のブロック図である。
【図３】従来の直交型フラックスゲート素子の一例を示す図である。
【図４】図３に示す従来の直交型フラックスゲート素子における磁束の発生状況を示す図である。
【図５】図３に示す従来の直交型フラックスゲート素子において、ドライブ電流に応じた磁束の変化を示す図である。
【図６】図３に示す従来の直交型フラックスゲート素子におけるドライブ電流、長手方向の磁化、検出コイルの出力電圧の波形図である。
【図７】本発明による第１電流検出手段の主要部である直交型フラックスゲート素子とその周辺回路のブロック図である。
【符号の説明】
９ ロゴスキーコイルの導体帰路線
９ａ ロゴスキーコイルの導体帰路線の端部
９ｂ ロゴスキーコイルの導体帰路線の端部
１０ 被測定信号線
１１ 検出コイル
１２ ロゴスキーコイル
１２ａ 検出コイルの端部
１２ｂ 検出コイルの端部
１４ 抵抗器
１８ 演算増幅器
２１ 棒状導体
２２ コア
２３ 検出コイル
２５ 高周波電源
３０ 発振回路
３１ 直交型フラックスゲート素子
３２ ドライブ回路
３４ 磁気ワイヤ
３４ａ 磁気ワイヤの端部
３４ｂ 磁気ワイヤの端部
３６ 導体帰路線
３６ａ 導体帰路線の端部
３６ｂ 導体帰路線の端部
３８ 検出コイル
３８ａ 検出コイルの端部
３８ｂ 検出コイルの端部
４０ ミキサ
４４ 誘導電圧検出回路の出力端子
４６ 誘導電圧検出回路
４８ 磁気シールド
５０ フィードバック・コイル
５０ａ フィードバック・コイルの一端部
５０ｂ フィードバック・コイルの他端部
５２ 導体帰路線
５４ 抵抗器
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流プローブに関し、特に直交型フラックスゲート素子及びロゴスキーコイルを用いて、直流から高周波まで広い周波数帯域における大電流の検出に適した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６３８０７３５号
【特許文献２】米国特許第３５２５０４１号
【０００３】
電流プローブは、ケーブルなどの信号線中を流れる電流を検出するため使用される。このとき、弱電に関しては、トランスを用いた電流プローブが用いられるが、大電流を測定する際には、例えばロゴスキーコイルを用いた電流検出回路が、コアを必要とせず小型軽量にできる点で適当である。
【０００４】
図２は、ロゴスキーコイルを用いた電流検出回路を示す模式図である。ロゴスキーコイル１２は、検出コイル１１と、その検出コイル１１の終端部１２ｂとその端部９ｂで接続され、検出コイル１１の中心を通して折り返した導体帰路線９とを有し、検出コイル１１の巻始めの端部１２ａと折り返した導体帰路線の端部９ｂを近接して引き出す構造となっている。同時に、検出コイル１１の端部１２ａ及び１２ｂも物理的に近接され、これによって被測定信号線１０の周りに検出コイル１１が閉じた磁気的ループ（閉回路）を構成する。検出コイル１１の端部１２ａは抵抗器１４、コンデンサ１６及び演算増幅器１８で構成される積分回路に接続され、導体帰路線９の端部９ａは接地される。
【０００５】
ロゴスキーコイル１２には、被測定信号線１０を流れる電流Ｉｐによって生じる磁束によって誘導電圧を生じる。この誘導電圧は、電流Ｉｐの周波数が高くなるほるほど高くなるので、これを補正するために、周波数が高くなるほど損失が大きくなる積分回路を用いて補正を行い、全体の周波数特性をフラットにしている。
【０００６】
ロゴスキーコイルが大電流の検出に適している理由のもう１つは、柔軟性があることである。大電流の信号線は、大電流に耐えられるよう金属の厚いブスバーであることも多い。こうした金属のブスバーが複雑に配線されているような場合、目的とする被測定信号線（金属ブスバー）を都合の良い位置に引っ張り出して、電流プローブの検出部に通すことができないことも多い。また、被測定信号線を任意の位置に引っ張り出して変形させると、インダクタンスが発生するので、測定誤差の原因にもなる。ロゴスキーコイルのように柔軟性があれば、配線と配線の隙間を通して、被測定信号線の周りにロゴスキーコイルでループを構成するように配置できるのである。
【０００７】
しかし、ロゴスキーコイルは、直流の値を測定できず、また低周波数に対しては感度が低いという欠点がある。
【０００８】
直流から低周波数の電流値を測定するためには、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、ＭＩ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。
【０００９】
フラックスゲート素子には、直交型と平行型がある。川上誠氏による米国特許第６３８０７３５号（特開２００１−３３０６５号に対応）には、直交型フラックスゲート素子が記載されている。図３は、その原理説明図であり、図４はコアに形成される磁束の説明図、図５は動作説明図、図６は図３に示す素子で磁場の検出を行う際のドライブ電流、コアの長手方向における磁化の程度及び検出コイルの出力電圧それぞれの波形図である。
【００１０】
２１は導電性材料で形成された棒状導体、２２は軟質磁性材料で形成された円筒形のコア、２３は検出コイル、２５は高周波電源を示している。棒状導体２１はコア２２内に通してコア２２と同軸に配置してあり、この棒状導体２１には高周波電源２５が接続してある。このような磁気センサを、その棒状導体２１、コア２２の軸心線を被測定磁場の方向と平行になるように配置した場合、被測定磁場内の磁束は図５（ａ）に示す如くコア２２側に引き寄せられてコア２２内を通る磁路が形成される。
【００１１】
いま棒状導体２１に図６（１）に示す如き正弦波のドライブ電流ＩＥＸを流すと、コア２２の周面は図５（ｂ）に矢符で示す如くに磁化され、ドライブ電流ＩＥＸが図６（ａ）に示す状態から増大し、図６（ｂ）に示す如く最大値に達するとコア２２の磁化が飽和状態となり、被測定磁場の磁束はコア２２から離れて棒状導体２１と平行となる。この間コア２２の長手方向の磁化の程度は図６に示す如くに低下し、また検出コイル２３の出力（電圧）は、長手方向の磁化の変化率が大きい位置で大きくなり、ドライブ電流ＩＥＸの変化率が大きい位置と最大値及び最小値のときとで零になる。
【００１２】
ドライブ電流ＩＥＸが最大値から減少してゆき、ゼロクロス点に達する過程で図５（ｃ）に示す如く、再び被測定磁場の磁束はコア２２内を通るようになる。ドライブ電流ＩＥＸの向きが逆になるとコア２２の周面は図４（ｄ）に矢符で示す如く周方向の逆向きに磁化され、ドライブ電流ＩＥＸが減少し最小値に達すると、コア２２の磁化が再び飽和状態となり、被測定磁場の磁束はコア２２の軸心線と平行になる。この間検出コイル２３の出力は、ドライブ電流ＩＥＸの一周期の変化に対応して２周期分変化する。
【００１３】
つまり、円筒形のコア２２にドライブ電流を通流させ、周期的に周方向に励磁することにより、コア２２の長手方向の磁化をスイッチングすることでコア２２と被測定磁場との関係は図５（ａ）から図５（ｂ）、図５（ｂ）から図５（ｃ）、図５（ｃ）から図５（ｄ）に移るが、この過程で検出コイル２３と鎖交する磁束密度が変化することで図６に示す如く検出コイル２３から被測定磁場の強さ（方向）に対応した出力電圧（出力電圧の位相）が得られることとなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
被測定信号線を流れる大電流の値を測定する場合、被測定信号線の方を測定に都合の良い位置に持ってくるのが困難なことも多い。このため、電流プローブの磁気センス部分を構成するループを、その切れ目から一旦広げて被測定信号線の周りに巻いてからループを閉じることができるように柔軟な構成であることが望ましい。もちろん、被測定電流の値を直流から高周波数帯域まで途切れなく測定できた方が良い。そこで本発明では、磁気センス部分を構成するループに柔軟性があるとともに切れ目を設けることができ、複数の信号線がびっしり固定された状態にあるような場合でも、所望の被測定信号線の周りにある隙間から通して、磁気センス部分を通し、被測定信号線の周りに磁気的なループを構成することが容易な電流プローブを提供しようとするものである。また、同時に、直流から高い周波数帯域まで測定可能な電流の測定に適した電流プローブを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定信号線中を流れる被測定電流の値、特に大きな電流の値を検出するのに適した電流プローブである。構成要素を大きく分けると、第１電流検出手段と第２電流検出手段に分けられる。第１電流検出手段は、直交型フラックスゲート素子と、直交型フラックスゲート素子の誘導電圧を検出する誘導電圧検出手段と、誘導電圧検出手段の出力電圧を受けて、被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるフィードバック・コイルを有し、被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの値を主に検出する。一方、第２電流検出手段は、ロゴスキーコイルと積分手段を有し、被測定電流の所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域の値を主に検出する。このとき、フィードバック・コイルが被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させれば、誘導電圧検出手段の磁気的飽和を防ぐことができるので、被測定電流の値と第１電流検出手段の検出値の線形性を良くすることができる。
【００１６】
更に第１電流検出手段が直交型フラックスゲート素子を外部磁界から磁気的にシールドするシールド手段を更に有するようにすると良い。このシールド手段の周囲にフィードバック・コイルを巻いて磁気シールド手段を磁気コアとして機能させることにより、フィードバック・コイルが被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向の磁束を一層効果的に発生させられる。
【００１７】
直交型フラックスゲート素子はドライブ電流が供給される磁気ワイヤを有しており、この磁気ワイヤが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成する。磁気ワイヤが柔軟性を有することで、被測定信号線を都合の良い位置まで引っぱり出せないような場合でも、電流プローブの方を被測定信号線の周りに巻いてループを構成させることができる。
【００１８】
また、磁気シールドが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成するようにすると良い。磁気シールドには、例えば、磁性を有する金属を極細線にして、これを編み込んだものを使用すれば良い。同様に、ロゴスキーコイルも柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成するようにすると良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、その周波数が直流から所定周波数帯域近辺までの低周波数帯域（第１周波数帯域）における被測定電流の値を主に測定する第１電流検出手段と、所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域（第２周波数帯域）における被測定電流の値を主に測定する第２電流検出手段とから構成される。第１電流検出手段は直交型フラックスゲート素子が主要な構成要素であり、第２電流検出手段はロゴスキーコイルがその主要構成要素である。ここでいう所定周波数帯域とは、第１及び第２電流検出手段で測定される境界となる帯域であり、第１及び第２電流検出手段の周波数特性をどのように設計するかで定まる周波数帯域である。
【００２０】
図７は、本発明による第１電流検出手段の主要部である直交型フラックスゲート素子とその周辺回路のブロック図である。発振回路３０が出力する周波数ｆの信号Ｖｆは、ドライブ回路３２で増幅されて、例えば、図６（１）に示すようなドライブ電流が図７に示す磁気ワイヤ３４の一端部３４ａに供給される。磁気ワイヤ３４の素材は、例えば、アモルファス・ワイヤなどの柔軟性の高い素材である。上述の米国特許第６３８０７３５号の従来例と異なる点は、この磁気ワイヤ３４自身が高い比透磁率を有し、ドライブ電流が無いときは被測定電流による磁束を引き寄せ、ドライブ電流があるときは磁気的に飽和して磁束を引き寄せないので、これを繰り返すことで、被測定電流によって生じる磁束の密度を変化させることである。
【００２１】
磁気ワイヤ３４は、磁気的には閉じたループを構成する必要があるが、物理的にはループの一部が切れていても良い。このとき、磁気ワイヤ３４に例えばアモルファス・ワイヤを使用すると、柔軟性に富み容易に変形するので、このループの切れ目からループを開いて再度閉じることで、被測定信号線１０の周りに磁気ワイヤ３４を巻き付けることが可能になる。磁気ワイヤ３４は、その端部３４ｂにおいて、導体帰路線３６の一端部３６ｂに接続される。導体帰路線３６は、磁気ワイヤ３４とほぼ平行して弧を描き、他端部３６ａで接地される。被測定信号線１０をループの内側に入れた状態で、磁気ワイヤ３４の端部３４ａ及び３４ｂを充分に近接させれば、物理的にはループが切れていても、磁気的には閉じたループ（磁気的な閉回路）を構成できるので、被測定信号を流れる被測定電流の値の正確な測定可能になる。なお、被測定信号線１０を予めループの内側へ配置できるのであれば、ループに（物理的な意味の）切れ目を設けなくても良い。
【００２２】
検出コイル３８は、その一端部３８ａから始まって、磁気ワイヤ３４の端部３４ｂ及び導体帰路線３６の端部３６ｂ近辺まで巻かれ、その他端３８ｂは接地される。上述の如く、ドライブ電流に応じて被測定電流による磁束の密度が変化することにより、ドライブ回路３２が供給する信号Ｖｆの周波数ｆの２倍の周波数２ｆを有する出力電圧（誘導電圧）Ｖｏｕｔが検出コイル３８に生じる。これをミキサ４０において周波数２ｆの信号Ｖ２ｆで同期検波し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２でろ波することで、被測定信号線１０に流れる被測定電流の値に比例する電圧が出力端子４４に現れる。なお、ミキサ４０とＬＰＦ４２は、検出回路４６を構成する。
【００２３】
図１は、本発明による電流プローブの模式図である。図７と比較すると、第１電流検出手段の検出コイル３８の周囲には、磁気シールド４８が更に設けられている。磁気シールド４８は、フラックスゲート素子を包むようにループを構成するが、一部分がつながっておらず、この切れ目からループを開いて被測定信号線１０をループの中へ入れた後、ループを閉じることができる。ただし、この切れ目を充分に近接させることで、磁気的には閉じたループを構成するようにする。また、この磁気シールド４８の周囲には、フィードバック・コイル５０が巻かれる。なお、図１では、説明の都合上、磁気シールド４８の内部が見えるように、上下に広げて描いているが、実際には磁気ワイヤ３４、導線３６及び検出コイル３８を完全に包み込むように制作される。
【００２４】
磁気シールド４８には、２つの機能がある。１つは、検出コイル３８に対する地磁気その他の外部磁界の影響を除去する機能である。２つ目は、フィードバック・コイル５０の磁気コアとして機能して効果的に磁束を生じさせ、後述するネガティブ・フィードバックを効果的に行えるようにすることである。同時に、磁気シールド４８は、物理的に意味でのループを切れ目から一旦広げてから被測定信号線１０の周りで再度ループを構成できるように、柔軟性があることも重要である。こうした磁気シールドは、例えば、高い比透磁率を有する金属を極細線にし、これを布状に編むことで形成すれば良い。金属から極細線を形成するには、周知の如く冷間引抜きによって形成すれば良い。
【００２５】
フィードバック・コイル５０の一端部５０ａには、検出回路４６の出力端子４４から電圧が供給される。フィードバック・コイル５０は、この一端部５０ａから、図１に示す如く磁気シールド４８が構成するループの周りに巻が形成される。フィードバック・コイル５０の他端部５０ｂは、磁気シールド４８の弧に沿って一端部５０ａの方向に折り返す導体帰路線５２と接続され、フィードバック・コイル５０の一端部５０ａの近くから引き出され、抵抗器５４で電圧に変換され、演算増幅器１８に供給される。この抵抗器５４に現れる電圧は、被測定信号線１０を流れる被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの低周波数帯域（第１周波数帯域）の値に比例するものである。
【００２６】
このとき、フィードバック・コイル５０に流す電流の方向は、この電流によって生じる磁束が、被測定電流によって生じる磁束を打ち消す方向（ネガティブ・フィードバック）となるように配線し、磁気的な飽和を防止する。このネガティブ・フィードバックによって磁気的な飽和を防止することで、被測定電流と検出回路４６の出力電圧の関係が線形に維持できるようになる。なお、磁気的ネガティブ・フィードバックを用いた回路については、例えば、米国特許第３５２５０４１号に記載されている。
【００２７】
次に第２電流検出手段の構成について説明する。その主要部は、図２に示したものと同様のロゴスキーコイル１２である。図１を参照すれば、ロゴスキーコイル１２は、検出コイル１１と、その検出コイル１１の終端の線を検出コイル１１の中心を通して折り返した導体帰路線９とを有し、巻始めの端部１２ａと導体帰路線端部９ａを近接して引き出す構造となっている。このとき、巻始めの端部１２ａは抵抗器１４、コンデンサ１６及び演算増幅器１８で構成される積分回路に接続され、導体帰路線９の端部９ａは接地される。
【００２８】
演算増幅器１８には、その非反転入力端子に、直流から所定周波数帯域近辺までの被測定電流の低周波数帯域（第１周波数帯域）成分が供給されると共に、反転入力端子にはロゴスキーコイル１２から得られる所定周波数帯域近辺から上の高周波数帯域（第２周波数帯域）成分が供給され、これらを加算する。これによって、直流から高い周波数帯域まで、被測定信号線１０中を流れる大電流の値を高感度で測定可能となる。低周波数帯域（第１周波数帯域）成分と高周波数帯域（第２周波数帯域）成分の利得は、予めバランスさせるよう調整しておくと良い。
【００２９】
以上の如く、本発明の電流プローブは、高感度な直交型フラックスゲート素子とロゴスキーコイルを巧みに組み合わせることで、被測定信号線中を流れる大電流の値を直流から高い周波数まで高感度で測定できる。更に、柔軟性に富んだ材料の形成でき、直交型フラックスゲート素子とロゴスキーコイルが形成するリングに切れ目を設けておくことで、所望の被測定信号線が厚い金属ブスバーなどのために都合の良い位置に引っ張り出せないような場合でも、電流プローブの磁気センス部分の方を被測定信号線の周りに巻き付けることが可能である。これによって、被測定信号線の周りに磁気的なループ（磁気的閉回路）を容易に構成でき、精度の良い測定が可能となる。
【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】ロゴスキーコイル及び積分回路のブロック図である。
【図３】従来の直交型フラックスゲート素子の一例を示す図である。
【図４】図３に示す従来の直交型フラックスゲート素子における磁束の発生状況を示す図である。
【図５】図３に示す従来の直交型フラックスゲート素子において、ドライブ電流に応じた磁束の変化を示す図である。
【図６】図３に示す従来の直交型フラックスゲート素子におけるドライブ電流、長手方向の磁化、検出コイルの出力電圧の波形図である。
【図７】本発明による第１電流検出手段の主要部である直交型フラックスゲート素子とその周辺回路のブロック図である。
【符号の説明】
９ ロゴスキーコイルの導体帰路線
９ａ ロゴスキーコイルの導体帰路線の端部
９ｂ ロゴスキーコイルの導体帰路線の端部
１０ 被測定信号線
１１ 検出コイル
１２ ロゴスキーコイル
１２ａ 検出コイルの端部
１２ｂ 検出コイルの端部
１４ 抵抗器
１８ 演算増幅器
２１ 棒状導体
２２ コア
２３ 検出コイル
２５ 高周波電源
３０ 発振回路
３１ 直交型フラックスゲート素子
３２ ドライブ回路
３４ 磁気ワイヤ
３４ａ 磁気ワイヤの端部
３４ｂ 磁気ワイヤの端部
３６ 導体帰路線
３６ａ 導体帰路線の端部
３６ｂ 導体帰路線の端部
３８ 検出コイル
３８ａ 検出コイルの端部
３８ｂ 検出コイルの端部
４０ ミキサ
４４ 誘導電圧検出回路の出力端子
４６ 誘導電圧検出回路
４８ 磁気シールド
５０ フィードバック・コイル
５０ａ フィードバック・コイルの一端部
５０ｂ フィードバック・コイルの他端部
５２ 導体帰路線
５４ 抵抗器
Claims (5)
- 被測定信号線中を流れる被測定電流の値を検出する電流プローブであって、
直交型フラックスゲート素子と、該直交型フラックスゲート素子の誘導電圧を検出する誘導電圧検出手段と、該誘導電圧検出手段の出力電圧を受けて、上記被測定電流によって誘導電圧検出手段に生じる磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるフィードバック・コイルを有し、上記被測定電流の直流から所定周波数帯域近辺までの値を主に検出する第１電流検出手段と、
ロゴスキーコイルと積分手段を有し、上記被測定電流の上記所定周波数帯域近辺より高い周波数帯域の値を主に検出する第２電流検出手段とを具える電流プローブ。 - 上記第１電流検出手段が上記直交型フラックスゲート素子を外部磁界から磁気的にシールドするシールド手段を更に有し、該シールド手段の周囲に上記フィードバック・コイルを巻いて上記磁気シールド手段を磁気コアとして機能させることにより、上記フィードバック・コイルから効果的に磁束を発生させることを特徴とする請求項１記載の電流プローブ。
- 上記直交型フラックスゲート素子は、ドライブ電流が供給される磁気ワイヤを有し、該磁気ワイヤが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成することを特徴とする請求項１又は２記載の電流プローブ。
- 上記磁気シールドが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電流プローブ。
- 上記ロゴスキーコイルが柔軟性を有するとともに切れ目を有するループを構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電流プローブ。
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