JP2005055300A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ゼロフラックス法による電流センサにおいて、低周波数域から極めて高い高周波数域にかけて乱れがほとんどなく実質的に平坦な周波数特性を得る。
【解決手段】 被測定線路Ｗの周りに閉磁気回路を形成する磁気コア１０と、その閉磁気回路内に発生する磁束に応じた電圧を出力する磁電変換出力部１１と、磁電変換出力部１１の出力電圧を電流に変換して増幅する電圧−電流変換増幅器１３と、磁気コア１０の一部分に巻回された帰還コイル１２とを含むゼロフラックス法による電流センサにおいて、電圧−電流変換増幅器１３の出力端子と帰還コイル１２の一端側とを接続している接続ライン１５に容量性の負荷１６を接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定線路を内包する磁気コアに磁電変換出力部と帰還コイルとを備えたゼロフラックス法による電流センサに関し、さらに詳しく言えば、高周波数領域における周波数特性を改善する技術に関するものである。

ゼロフラックス型の電流センサは、基本的な構成として、被測定線路に流れる電流によって磁気コア内に誘起される磁束を電圧として出力する磁電変換出力部と、磁電変換出力部の出力電圧を電流に変換し、かつ、所定に増幅する電圧−電流変換増幅器と、磁気コアの一部分に巻回された帰還コイルとを備えている。

動作としては、被測定線路に流れる電流によって磁気コア内に誘起された磁束を磁電変換出力部にて電圧として取り出し、その電圧を電圧−電流変換増幅器にて所定に増幅された電流に変換して帰還コイルに流す。

これにより、帰還コイルから磁気コア内に逆極性の磁束を発生させて、被測定線路に流れる電流による磁束を打ち消してゼロとし、そのとき帰還コイルに流される電流（帰還電流）を電圧検出抵抗により電圧に変換して、被測定線路に流れている電流の測定値を電圧信号として出力する。

ゼロフラックス法による電流センサについては種々の文献に記述されているが、磁電変換出力部に検出コイルを用いた電流センサとしては例えば特許文献１があり、磁電変換出力部にホール素子を用いた電流センサとしては例えば特許文献２がある。なお、特許文献２ではゼロフラックス法のことをサーボ動作方式と呼んでいる。

しかしながら、電圧−電流変換増幅器より帰還コイルに磁束打ち消し電流を流す上記のゼロフラックス型電流センサにおいて、低周波数域から極めて高い高周波数域にまでをも視野に入れた広帯域化を図る場合、図５の周波数特性図に示すように、極めて高い高周波数域、例えば１００ＭＨｚ付近で周波数特性に乱れが生ずることが分かった。
特開平２−２９１９７３号公報（図４，図６） 特開平１１−２８１６７８号公報（図５）

したがって、本発明の課題は、ゼロフラックス法（またはサーボ動作方式とも言う）による電流センサにおいて、低周波数域から例えば１００ＭＨｚ付近までの極めて高い高周波数域にかけて乱れがほとんどなく実質的に平坦な周波数特性が得られるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、被測定線路の周りに閉磁気回路を形成する磁気コアと、上記閉磁気回路内に発生する磁束に応じた電圧を出力する磁電変換出力部と、上記磁電変換出力部の出力電圧を電流に変換して増幅する電圧−電流変換増幅器と、上記磁気コアの一部分に巻回された帰還コイルとを含み、上記電圧−電流変換増幅器の出力端子が上記帰還コイルの一端側に接続され、上記帰還コイルの他端側に電流−電圧変換部を有する出力端子が接続されているゼロフラックス法による電流センサにおいて、上記電圧−電流変換増幅器の出力端子と上記帰還コイルの一端側とを接続している接続ラインに容量性の負荷が接続されていることを特徴としている。

上記容量性の負荷には接地されたコンデンサが含まれるが、この負荷は上記帰還コイルの一端側に接続されていることが好ましい。
また、本発明には、上記容量性の負荷に、上記帰還コイルの一端側に接続される第１負荷と、上記電圧−電流変換増幅器の出力端子側に接続される第２負荷とが含まれる態様も含まれ、この場合、上記第１負荷と上記第２負荷のうち、上記第２負荷の方が大きな容量を有していることが好ましい。
また、特に高周波領域で使用する場合のコモンモードノイズによる影響を排除するため、上記帰還コイルの両端間にコモンモードノイズ除去用のチョークコイルを入れることが好ましい。

測定電流が例えば１００ＭＨｚ帯になると、上記電圧−電流変換増幅器の出力端子と上記帰還コイルの一端側とを接続している接続ラインがインダクタンス成分をもち、これにより周波数特性が乱される。本発明によれば、その接続ラインに接地されたコンデンサを含む容量性の負荷を接続したことにより、高周波信号成分が負荷側にバイパスされるため、例えば１００ＭＨｚ付近まで平坦な周波数特性が得られる。

次に、図１ないし図４により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１の模式図に示すように、本発明による電流センサは、被測定線路Ｗの周りに閉磁気回路を形成する強磁性材からなる磁気コア１０を備えている。本発明において、磁気コア１０はクランプ式と呼ばれる開閉型（コア分割型），貫通型（コア一体型）のいずれであってもよい。

磁気コア１０には、磁電変換出力部１１と帰還コイル１２とが設けられている。磁電変換出力部１１には、磁電変換素子としてのホール素子やフラックスゲート型磁気検出素子のほかに検出コイルなどを用いることができるが、この例ではホール素子１１ａが採用されている。帰還コイル１２は通常よく用いられるコイル線であってよく、そのターン数は任意に決められてよい。

ホール素子１１ａは、磁気コア１０の一部分に形成された空隙内において閉磁気回路内に含まれるように配置される。ホール素子１１ａは、被測定線路Ｗに流れる電流によって磁気コア１０内に誘起された磁束量に比例した電圧を出力する。そのため、ホール素子１１ａには、その出力電圧を電流に変換し、かつ、所定に増幅するための電圧−電流変換増幅器１３が接続されている。

電圧−電流変換増幅器１３の出力端子は帰還コイル１２の一端側（ここでは巻始端側という）に接続されている。帰還コイル１２の他端側（巻終端側）には電圧検出抵抗１４を含むセンサ出力端子ＯＵＴが接続されている。

測定時には、電圧−電流変換増幅器１３から帰還コイル１２に磁気コア１０内の磁束を打ち消す電流（帰還電流）が供給され、その電流によって電圧検出抵抗１４に現れる電圧信号が被測定線路Ｗに流れる電流の測定値としてセンサ出力端子ＯＵＴから出力される。

本発明によると、低周波数領域から極めて高い高周波数領域（例えば１００ＭＨｚ付近）までの周波数特性を平坦（ほぼ一定）とするため、電圧−電流変換増幅器１３から帰還コイル１２に至る接続ライン１５に容量性の負荷１６が接続される。

容量性の負荷１６には、例えば抵抗Ｒ_１とコンデンサＣ_１とを含む接地された直列回路が用いられる。この容量性の負荷１６は、図１に示すように、帰還コイル１２の巻始端側に接続されることが好ましく、抵抗Ｒ_１とコンデンサＣ_１の時定数を選択することにより、図３に示すような低周波数領域から極めて高い高周波数領域までほぼ一定の周波数特性とすることができる。

なお、用いられる電圧−電流変換増幅器１３の特性によっては、上記容量性の負荷１６の時定数を調整しても中域もしくは高域の一部分で周波数特性に歪みが見られることがある。その歪みをなくすには、図２に示すように、上記容量性の負荷１６とは別に電圧−電流変換増幅器１３の出力端子側にも容量性の負荷１７を接続すればよい。

この容量性の負荷１７は、上記容量性の負荷１６と同じく、例えば抵抗Ｒ_２とコンデンサＣ_２とを含む接地された直列回路であってよいが、コンデンサＣ_２には容量性の負荷１６のコンデンサＣ_１よりも容量の大きなコンデンサを用いることが好ましい。

さらに好ましい態様として、信号ラインや電源ラインと接地（ＧＮＤ）間に発生し同相として入り込んでくるコモンモードノイズを排除するため、図４に示すように、帰還コイル１２の巻始端と巻終端との間にチョークコイル１８を入れることが好ましい。

本発明は、ゼロフラックス法による電流センサの広帯域化を図るうえで有用であり、例えば１００ＭＨｚ帯のきわめて高い高周波領域においても使用可能な電流センサを実現できる。

本発明による電流センサの第１実施形態を示す模式図。 本発明による電流センサの第２実施形態を示す模式図。 本発明によって得られる電流センサの周波数特性を示すグラフ。 本発明による電流センサの第３実施形態を示す模式図。 従来の電流センサの周波数特性を示すグラフ。

符号の説明

１０ 磁気コア
１１ 磁電変換出力部
１１ａ ホール素子
１２ 帰還コイル
１３ 電圧−電流変換増幅器
１４ 電圧検出抵抗
１５ 接続ライン
１６，１７ 容量性の負荷
Ｒ_１，Ｒ_２ 抵抗
Ｃ_１，Ｃ_２コンデンサ

Claims (5)

1. 被測定線路の周りに閉磁気回路を形成する磁気コアと、上記閉磁気回路内に発生する磁束に応じた電圧を出力する磁電変換出力部と、上記磁電変換出力部の出力電圧を電流に変換して増幅する電圧−電流変換増幅器と、上記磁気コアの一部分に巻回された帰還コイルとを含み、上記電圧−電流変換増幅器の出力端子が上記帰還コイルの一端側に接続され、上記帰還コイルの他端側に電流−電圧変換部を有する出力端子が接続されているゼロフラックス法による電流センサにおいて、
   上記電圧−電流変換増幅器の出力端子と上記帰還コイルの一端側とを接続している接続ラインに容量性の負荷が接続されていることを特徴とする電流センサ。
2. 上記容量性の負荷が、上記帰還コイルの一端側に接続されている請求項１に記載の電流センサ。
3. 上記容量性の負荷に、上記帰還コイルの一端側に接続される第１負荷と、上記電圧−電流変換増幅器の出力端子側に接続される第２負荷とが含まれる請求項１に記載の電流センサ。
4. 上記第１負荷と上記第２負荷のうち、上記第２負荷の方が大きな容量を有している請求項３に記載の電流センサ。
5. 上記帰還コイルの両端間には、コモンモードノイズ除去用のチョークコイルが接続されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電流センサ。

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