JP2005207791A - 電流測定装置および電流測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の被測定電流導体に流れる各電流を測定する場合に、その各電流の大きさを正確に測定できる上に、装置全体の小型軽量化が実現できる電流測定装置の提供。
【解決手段】 被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃは、それぞれ全体が直線状の導体からなり、測定対象の電流がそれぞれ流れるようになっている。磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄは、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる各電流によって生じる磁界の強さをそれぞれ検出し、その検出強度に応じた検出信号を出力するようになっている。検出信号処理部２３は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｃの検出信号に対して所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる各電流の大きさを求めるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界の強さを検出する手段を用いて、複数の被測定電流導体のそれぞれに流れる電流の大きさを測定する電流測定装置および電流測定方法に関するものである。
また、本発明は、３相交流の各電源ラインに流れる３相交流電流の大きさをそれぞれ測定できる電流測定装置に関するものである。
さらに、本発明は、３相インバータの各相に流れる電流の大きさを測定できる電流測定装置に関するものである。

従来、導体に流れる電流を測定する電流測定装置（電流センサ）として、図１５に示すようなものが知られている。
この電流測定装置は、図１５に示すように、被測定電流が流れる被測定電流導体１の周囲を、リング状であってギャップを有する磁気コア２で囲むようになっている。磁気コア２のギャップの部分には、ホール素子３などの磁気センサが挿入されている。

ホール素子３には、直流電源６の直流電圧が印加されて制御電流Ｉｃが流れるようになっている。また、ホール素子３からは、被測定電流導体１に流れる電流に比例するホール電圧ＶＨが出力され、そのホール電圧ＶＨが増幅器４で増幅されるようになっている。増幅器４の出力電圧は、電圧計５で測定するようになっている。電圧計５の測定値は、被測定電流導体１に流れる電流に比例した値となる。

また、従来の他の電流測定装置としては、図１６に示すものが知られている。
この電流測定装置は、図１６に示すように、被測定電流導体１１と、その近傍にホール素子１３などの磁気センサと、ホール素子１３の電極が接続される端子１２とを備え、これらパッケージ１４で一体に形成されるようになっている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。被測定電流導体１１には、図示の矢印方句に被測定電流が流れるようになっている。

さらに、複数の被測定電流導体に流れる電流を測定する電流測定装置としては、図１５または図１６に示す各装置を各測定電流導体に対して個別に適用したり、図１７に示すものが知られている。
この電流測定装置は、図１７に示すように、ほぼ櫛歯状に形成された一対の磁気コア２Ａ，２Ｂが所定の間隔をおいて対向配置され、被検出部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを区画形成している。その被検出部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃには、被測定電流導体１Ａ，１Ｂ，１Ｃが挿入されている。また、被検出部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃごとに、磁気ギャップ１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄを形成し、磁気ギャップ１５Ａ，１５Ｄ内にホール素子３Ａ，３Ｂが配置されている。
特開２０００−２４９７２５号公報 特開２００１−１６５９６３号公報 特開２００１−１７４４８６号公報 特開２００３−１４７８９号公報

ところで、図１５または図１７に示すように、磁気コアを用いる電流測定装置で、複数の被測定電流導体に流れる電流を同時に測定しようとすると、各被測定電流導体の周囲にそれぞれ磁気コアを配置する必要がある。このため、電流測定装置の配置のために、被測定電流導体のレイアウトに制限を受け、装置全体の大型化が避けられない。
特に、被測定電流の電流値が大きくなると、磁気コアの発熱や磁気飽和を避けるために、磁気コアのサイズがいっそう大きなものとなり、装置全体が非常に大きくなる上に、重くなってしまう。

また、図１６に示すように、構成部品がパッケージ内に一体化された電流測定装置で複数の導体に流れる電流を測定しようとすると、各被測定電流導体を切断して電流測定装置をその被測定電流導体の途中に挿入する必要がある。この挿入に伴って接続部分が発生し、その接続部分の接触抵抗による損失、発熱が起こる。しかも、上記の磁気コアを用いる電流測定装置の場合と同様に、電流測定装置を配置するために、被測定電流導体のレイアウトに制限を受け、装置全体の大型化が避けられない。

さらに、ある１つの導体に接続された電流測定装置に、それ以外の電流導体に流れる電流によって生じる磁場が影響を与える場合があり、電流測定装置が接続された特定の導体に流れる電流の大きさを正確に測定できないことがあるという不具合があった。
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、複数の被測定電流導体に流れる各電流を測定する場合に、その各電流の大きさを正確に測定できる上に、装置全体の小型軽量化が実現できるようにした電流測定装置および電流測定方法を提供することにある。

上記課題を解決して本発明の目的を達成するため、請求項１〜請求項１３に記載の各発明は、以下のように構成した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、互いに所定方向に配置されるｎ（ｎは２以上の整数）本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定位置にそれぞれ配置されるｍ（ｍはｎ以上の整数）個の磁気検出手段と、前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づいて前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求める電流算出手段と、を備えるようにした。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電流測定装置において、前記ｎ本の被測定電流導体を、さらに備えるようにした。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電流測定装置において、前記電流算出手段は、前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に対して所定の演算処理を行い、この演算処理により前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求めるようになっている。
請求項４に記載の発明は、請求項１、請求項２または請求項３に記載の電流測定装置において、前記ｎ本の被測定電流導体は、その長さ方向が互いに平行になるように配置されるようにした。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の電流測定装置において、前記ｍ個の磁気検出手段のうちの（ｎ−１）個は、前記ｎ本の被測定電流導体の間の所定位置に配置されている。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の電流測定装置において、前記ｍ個の磁気検出手段および前記ｎ本の被測定電流導体は、同一平面上に配置されている。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の電流測定装置において、前記ｍ個の磁気検出手段および前記ｎ本の被測定電流導体は、所定の半径からなる仮想円筒の面上に配置されている。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の電流測定装置において、前記磁気検出手段は、磁電変換素子からなる。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の電流測定装置において、前記磁電変換素子は、ホール素子である。
請求項１０に記載の発明は、互いに所定方向に配置される３本の被測定電流導体と、前記３本の被測定電流導体にそれぞれ交流電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定位置にそれぞれ配置されるｍ（ｍは３以上の整数）個の磁気検出手段と、前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づいて前記３本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求める電流算出手段と、を備えるようにした。

請求項１１に記載の発明は、互いに所定方向に配置される３本の被測定電流導体と、前記３本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定位置にそれぞれ配置されるｍ（ｍは３以上の整数）個の磁気検出手段と、前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づいて前記３本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求める電流算出手段と、を備えるようにした。

請求項１２に記載の発明は、ｎ（ｎは２以上の整数）本の被測定電流導体に流れる各電流を測定する電流測定方法であって、前記ｎ本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さを、所定のｍ（ｍはｎ以上の整数）個の位置でそれぞれ検出するようにし、そのｍ個の各位置で検出された各磁界の強さに対して所定の演算処理を行い、前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求めるようにした。

請求項１３に記載の発明は、ｎ（ｎは２以上の整数）本の被測定電流導体に流れる各電流を測定する電流測定方法であって、前記ｎ本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定のｍ（ｍはｎ以上の整数）個の位置に磁気検出手段をそれぞれ配置しておき、前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づき、前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを、電流算出手段で求めるようにした。

このように、本発明は、所定の間隔をおいて配置された複数の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを測定するために、被測定電流導体の本数と同じ個数またはそれよりも多い個数の磁気検出手段を設けるようにした。そして、その磁気検出手段からの各検出信号に対して所定の信号処理を施すことにより、被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求めるようにした。

このため、本発明によれば、従来のように被測定電流導体の周囲を囲む磁気コアが不要となるので、複数の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを測定する場合に、電流測定装置の小型軽量化を実現できる。
また、本発明によれば、原理的に被測定電流導体の個数やそれに流れる電流の大きさに依らず、その被測定電流導体に流れる各電流の大きさを正確に測定できる。
さらに、本発明によれば、電源ラインなどの被測定電流が流れる一部を切断し、その切断部に専用電流導体を挿入して使用する必要がない場合には、その挿入に伴う電気的な接続部分が発生せず、その接続部分の接触抵抗による損失、発熱のおそれがない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の電流測定装置の第１実施形態の構成について、図１および図２を参照して説明する。
この第１実施形態に係る電流測定装置は、図１および図２に示すように、３本の被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃと、磁気検出手段である４個の磁気検出部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄと、電流算出手段である検出信号処理部２３と、を備えている。

被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃは、それぞれ横断面形状が円形で全体が直線状の導体からなり、測定対象の電流がそれぞれ流れるようになっている。その各被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃは、同一平面内（同一平面上）において、長さ方向が互いに平行になるように配置され、かつ、その配置間隔は所定間隔（この例では、２ｒ）からなる。
磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄは、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃにそれぞれ電流が流れることによって各所定位置に生じる磁界の強さ（大きさ）をそれぞれ検出し、この検出強度に応じた検出信号を出力するものである。この磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの具体例については後述する。

この磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄと被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃとは、図１および図２に示すように、同一平面内において、同一の距離ｒをおいて、交互に配置されている。
すなわち、磁気検出部２２Ａは、被測定電流導体２１Ａの長手方向から直交する方向に、被測定電流導体２１Ａから距離ｒだけ離れた位置に配置されている。また、磁気検出部２２Ｂは、被測定電流導体２１Ａと被測定電流導体２１Ｂとの中間の位置に配置されている。さらに、磁気検出部２２Ｃは、被測定電流導体２１Ｂと被測定電流導体２１Ｃとの中間の位置に配置されている。また、磁気検出部２２Ｄは、被測定電流導体２１Ｃから距離ｒだけ離れた位置に配置されている。

検出信号処理部２３は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄからの各検出信号に対して、後述のように所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる各電流の大きさを求めるようになっている。この検出信号処理部２３の具体的な構成は図４または図５からなるが、この点については後述する。
ここで、第１実施形態では、被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが、第１実施形態を構成するための要件になる場合とならない場合とがある。

すなわち、要件となる場合には、測定対象の電流が流れる電流経路の３本の導体（図示せず）が途中で切断され、その各切断部に被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃが挿入されるとともに、その被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃ各両端がその各切断部と電気的に接続され、このような状態で使用されることになる。
一方、その条件とならない場合には、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃは、測定対象の電流が流れる電流経路の３本の導体自身となる。従って、この場合には、第１実施形態は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄと検出信号処理部２３とからなり、これらがその電流経路の一部に組み込まれ、この組み込まれた状態で使用されることになる。

なお、以上のような関係は、後述の各実施形態についても同様であり、その各説明は省略する。
次に、このような構成からなる第１実施形態を用いて、本発明の電流測定の原理について説明する。
図３に示すように、直線状の被測定電流導体１に流れる電流によってその電流導体の周囲に発生する磁場は、電流導体を中心として円形になる。そして、電流導体の長さ方向に直交する方向に、電流導体から距離ｒだけ離れた位置の磁束密度Ｂは、電流導体に流れる電流をＩ、真空の透磁率をμ₀ 、円周率をπとすると、ビオサバールの法則から、次の（１）式のようになる。

次に、この（１）式を用いて、図１および図２に示す磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに生じる各磁束密度Ｂ₁ 〜Ｂ₄ を求めることにする。
いま、３本の被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる電流をそれぞれＩ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ とすると、磁気検出部２２Ａに生じる磁束密度Ｂ₁ は、次の（２）式に示すように、電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ によって生じる磁束密度の和で表される。

同様にして、磁気検出部２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄに生じる各磁束密度Ｂ₂ ，Ｂ₃ ，Ｂ₄ は、次の（３）式、（４）式、および（５）式のようになる。

ここで、（２）式、（３）式、（４）式、および（５）式を連立方程式として解くことにより、各被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる各電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ は、次の（６）式、（７）式、および（８）式のように表すことができる。

このように、（６）式、（７）式、および（８）式によれば、被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる各電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに生じる各磁束密度Ｂ₁ 〜Ｂ₄ の大きさの和や差により表されることがわかる。
換言すれば、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに生じる各磁束密度Ｂ₁ 〜Ｂ₄ の大きさがわかれば、被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる各電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ の大きさは、その磁束密度Ｂ₁ 〜Ｂ₄ を演算処理することで求めることができる。
磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに、例えばホール素子のように印加される磁束密度の大きさに比例する検出信号が得られる磁電変換素子を用いると、ホール素子の検出信号（出力電圧Ｖ_H ）とその印加磁束密度Ｂとの間には、次の（９）式に示すような関係がある。

ここで、Ｋ_H はホール素子の材料の物理的な性質や寸法などによって決まる定数、Ｉ_C はホール素子に流す制御電流である。
したがって、（６）式、（７）式、および（８）式に対して（９）式の関係を適用すれば、（６）式、（７）式、および（８）式は、（１０）式、（１１）式、および（１２）式のように表すことができる。

ここで、Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄにホール素子をそれぞれ用いた場合に、その各ホール素子の検出信号電圧（ホール電圧）である。
（１０）式、（１１）式、および（１２）式によれば、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄのホール素子の各ホール電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4を、検出信号処理部２３で演算処理すれば、被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる各電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ の大きさを求めることができる。

なお、検出信号処理部２３が行う実際の信号処理では、（１３）式に示すように、（１０）式、（１１）式、および（１２）式に共通な係数項は、計算する必要がない。したがって、その（１３）式に示す共通係数を除いた演算処理を、（１０）式、（１１）式、および（１２）式に対して行えば、検出信号処理部２３からは被測定電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ に正確に比例した値が得られる。

図１に示す検出信号処理部２３は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの各検出信号に対して、アナログ演算処理をするようにしても良いし、または、その磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの各検出信号を、Ａ／Ｄコンバータなどによりディジタル信号にいったん変換後に、ディジタル論理回路、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）などでディジタル演算処理するようにしても良い。

次に、図１に示す検出信号処理部２３の具体的な構成例について、図４および図５を参照して説明する。
図４は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの磁電変換素子にホール素子を使用し、検出信号処理部２３がそのホール素子の検出電圧に対してアナログ信号処理をする場合の構成例である。
この検出信号処理部２３Ａは、図４に示すように、差動増幅器５１Ａ〜５１Ｄと、アナログ増幅器５２Ａ〜５２Ｒと、加算回路５３Ａ〜５３Ｃと、アナログ増幅器５４Ａ〜５４Ｃと、を備えている。
差動増幅器５１Ａ〜５１Ｄは、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに使用されるホール素子からの各ホール電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4を取り込み、その各ホール電圧を所定倍にそれぞれ差動増幅するようになっている。

差動増幅器５１Ａ〜５１Ｄで差動増幅された各ホール電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4は、アナログ増幅器５２Ａ〜５２Ｒによって、（１０）式、（１１）式、および（１２）式の右辺の括弧内に示される係数に応じた倍率（例えば、「５Ｖ_H1」の場合には、ホール電圧Ｖ_H1をアナログ増幅器５２Ａで５倍）で増幅されるようになっている。
すなわち、ホール電圧Ｖ_H1は、アナログ増幅器５２Ａで５倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｇで１倍されて加算回路５３Ａに入力されるようになっている。また、ホール電圧Ｖ_H1は、アナログ増幅器５２Ａで５倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｋで１倍されて加算回路５３Ｂに入力されるようになっている。さらに、ホール電圧Ｖ_H1は、アナログ増幅器５２Ｏで１倍されて、加算回路５３Ｃに入力されるようになっている。

ホール電圧Ｖ_H2は、アナログ増幅器５２Ｂで３倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｈで−１倍されて加算回路５３Ａに入力されるようになっている。また、ホール電圧Ｖ_H2は、アナログ増幅器５２Ｂで３倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｅでさらに３倍に増幅され、かつ、アナログ増幅器５２Ｌで１倍されて加算回路５３Ｂに入力されるようになっている。さらに、ホール電圧Ｖ_H2は、アナログ増幅器５２Ｐで１倍されて加算回路５３Ｃに入力されるようになっている。

ホール電圧Ｖ_H3は、アナログ増幅器５２Ｉで−１倍されて、加算回路５３Ａに入力されるようになっている。また、ホール電圧Ｖ_H3は、アナログ増幅器５２Ｃで３倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｆでさらに３倍に増幅され、かつ、アナログ増幅器５２Ｍで−１倍されて加算回路５３Ｂに入力されるようになっている。さらに、ホール電圧Ｖ_H3は、アナログ増幅器５２Ｃで３倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｑで１倍されて加算回路５３Ｃに入力されるようになっている。

ホール電圧Ｖ_H4は、アナログ増幅器５２Ｊで−１倍されて、加算回路５３Ａに入力されるようになっている。また、ホール電圧Ｖ_H4は、アナログ増幅器５２Ｄで５倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｎで−１倍されて加算回路５３Ｂに入力されるようになっている。さらに、ホール電圧Ｖ_H4は、アナログ増幅器５２Ｄで５倍に増幅されたのち、アナログ増幅器５２Ｒで−１倍されて加算回路５３Ｃに入力されるようになっている。

加算回路５３Ａは、アナログ増幅器５２Ｇ，５２Ｈ，５２Ｉ，５２Ｊの各出力を加算し、その加算信号をアナログ増幅器５４Ａに出力するようになっている。また、加算回路５３Ｂは、アナログ増幅器５２Ｋ，５２Ｌ，５２Ｍ，５２Ｎの各出力を加算し、その加算信号をアナログ増幅器５４Ｂに出力するようになっている。さらに、加算回路５３Ｃは、アナログ増幅器５２Ｏ，５２Ｐ，５２Ｑ，５２Ｒの各出力を加算し、その加算信号をアナログ増幅器５４Ｃに出力するようになっている。

アナログ増幅器５４Ａは、加算回路５３Ａの出力を１／２倍して、これを出力電圧ＶＯＵＴ１として出力するようになっている。また、アナログ増幅器５４Ｂは、加算回路５３Ｂの出力を１／５倍して、これを出力電圧ＶＯＵＴ２として出力するようになっている。さらに、アナログ増幅器５４Ｃは、加算回路５３Ｃの出力を１／２倍して、これを出力電圧ＶＯＵＴ３として出力するようになっている。

ここで、アナログ増幅器５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃの各増幅度「１／２」、「１／５」、「１／２」は、（１０）式、（１１）式、および（１２）式の右辺の括弧外の各係数に、それぞれ対応する。
このような信号処理により、アナログ増幅器５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃから出力される各出力電圧ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２，ＶＯＵＴ３は、被測定電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ に正確に比例した値となる。

図５は、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの磁電変換素子にホール素子を使用し、検出信号処理部２３がそのホール素子の検出電圧に対してディジタル信号処理をする場合の構成例である。
この検出信号処理部２３Ｂは、図５に示すように、差動増幅器５１Ａ〜５１Ｄと、Ａ／Ｄコンバータ（アナログ・ディジタル変換器）６１Ａ〜６１Ｄと、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）６２と、マイクロプロセッサ（またはＤＳＰ：ディジタル・シグナル・プロセッサ）６３と、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）６４と、Ｄ／Ａコンバータ（ディジタル・アナログ変換器）６５Ａ〜６５Ｃと、を備えている。

差動増幅器５１Ａ〜５１Ｄは、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに使用されるホール素子からの各ホール電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4を取り込み、その各ホール電圧を所定倍にそれぞれ差動増幅するようになっている。
Ａ／Ｄコンバータ６１Ａ〜６１Ｄは、差動増幅器５１Ａ〜５１Ｄで差動増幅されたアナログ形態の各ホール電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4を、例えば１０ビットのディジタル信号（ディジタル値）にそれぞれ変換するようになっている。
ＲＯＭ６２は、後述のように、マイクロプロセッサ（またはＤＳＰ）６３が行う演算処理の手順を示すプログラムコードが格納されている。

マイクロプロセッサ（またはＤＳＰ）６３は、Ａ／Ｄコンバータ６１Ａ〜６１Ｄでディジタル値に変換された各ホール電圧Ｖ_H1，Ｖ_H2，Ｖ_H3，Ｖ_H4を用いて、（１０）式、（１１）式、および（１２）式の右辺の各演算を行うようになっている。
ＲＡＭ６４は、ＲＯＭ６２に格納されるプログラムコードに従って、マイクロプロセッサ（ＤＳＰ）６３が上記の演算を実行する際に、演算途中の値や演算結果を一時的に格納するために使用される。
マイクロプロセッサ６３による演算が終了すると、その各演算結果は、例えば１０ビットのディジタル信号（ディジタル値）で、対応するＤ／Ａコンバータ６５Ａ〜６５Ｃに出力されるようになっている。

そこで、Ｄ／Ａコンバータ６５Ａ〜６５Ｃは、そのディジタル値からなる各演算結果を、アナログ電圧にそれぞれ変換し、出力電圧ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２，ＶＯＵＴ３を出力するようになっている。この結果、Ｄ／Ａコンバータ６５Ａ〜６５Ｃから出力される各出力電圧ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２，ＶＯＵＴ３は、被測定電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ に正確に比例した値となる。

以上説明したように、図５に示す検出信号処理部２３Ｂでは、マイクロプロセッサ６３からの演算処理結果を、デジタル値からアナログ値に変換するＤ／Ａコンバータ６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃを設けるようにしたが、Ｄ／Ａコンバータ６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃを省略してデジタル値で出力するようにしても良い。このようにデジタル値で出力すると、この出力されたデジタル値を、マイクロプロセッサなどでさらに演算できる上に、制御などに利用することもでき便宜である。

この第１実施形態の説明では、説明を分かりやすくするために、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃの形状や配置位置、および磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの配置位置などについては、上記のような条件を導入した。
しかし、ビオサバールの法則を用いれば、任意の形状の電流導体に流れる電流によって生じる任意の位置における磁束密度を求めることができる。また、被測定電流導体の個数と等しい個数か、あるいはそれよりも多い個数の磁気検出部を設ければ、（２）式〜（５）式に示したような測定対象となる電流に関する１次方程式が、被測定電流導体の数以上に得られる。

一般に、求めたい変数の数以上の１次方程式からなる連立方程式は、数学的に必ず解くことができる。従って、本発明は、被測定電流導体の形状、配置位置、および磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄの配置位置にかかわらず適用できることは明らかである。
また、第１実施形態では、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに使用する磁電変換素子として、ホール素子を使用するようにした。しかし、磁電変換素子として、ホール素子の他に、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）、ＭＩ素子（磁気インピーダンス素子）などが使用できる。さらに、これらの磁電変換素子とＩＣ処理回路とを組み合わせた磁気センサＩＣなど、印加される磁束密度に対して検出信号が一意に定まるものであれば、磁気検出部として使用できる。

なお、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに使用する磁電変換素子として、ホール素子を使用するのが以下の点で好ましい。すなわち、ホール素子は使用が容易で、印加された磁束密度と検出信号との関係が（９）式のように線形であるため、検出信号処理部２３の信号処理が容易になるためである。
ところで、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる各電流を測定するのに必要な磁気検出部の個数は、上記のように被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃと同数、すなわち３個で可能である。

しかし、第１実施形態では、上記のように磁気検出部を４個設けるようにし、これにより、外部磁界Ｈ_ext による影響を排除することができるので、その原理について以下に説明する。
上記の説明では、３本の被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ によって４つの磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに生じる各磁束密度は、（２）式、（３）式、（４）式、および（５）式で与えられるものとした。しかし、外部磁界Ｈ_ext が存在する場合には、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄに生じる各磁束密度は、（１４）式、（１５）式、（１６）式、および（１７）式で表現することができる。

次に、（１４）式と（１５）式の差、（１５）式と（１６）式の差、および（１６）式と（１７）式の差をそれぞれ求めると、外部磁界Ｈ_ext の項がキャンセルされ、次の（１８）式、（１９）式、および（２０）式が得られる。

これらの（１８）式、（１９）式、および（２０）式を連立方程式として解くと、各被測定電流導体２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに流れる各電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ は、次の（２１）式、（２２）式、および（２３）式のように表すことができる。

このように、（２１）式、（２２）式、および（２３）式は、上記の（６）式、（７）式、および（８）式と同一である。従って、図１に示す検出信号処理部２３として、図４に示す検出信号処理部２３Ａ、および図５に示す検出信号処理部２３Ｂを使用することができる。
以上説明したように、この第１実施形態によれば、被測定電流導体の周囲を囲む磁気コアが不要となるので、複数の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを測定する場合に、電流測定装置の小型軽量化を実現できる。
また、この第１実施形態によれば、外部磁界の影響を排除できるので、被測定電流導体に流れる各電流の大きさを正確に測定できる。

さらに、この第１実施形態において、電源ラインなどの被測定電流が流れる導体の一部を切断し、その切断部に被測定電流導体を挿入して使用する必要がない場合には、その挿入に伴う電気的な接続部分が発生せず、その接続部分の接触抵抗による損失、発熱のおそれがない。
なお、第１実施形態では、被測定電流導体が３本の場合について説明したが、２以上の任意の数ｎであれば良く、この場合には磁気検出部はｎ以上の個数を設ける。

また、第１実施形態では、被測定電流導体の横断面形状を円形としたが、これに限らず、その横断面形状は楕円形、正方形、長方形など、いずれであっても良い。
さらに、第１実施形態では、被測定電流導体と磁気検出部との間の距離を等間隔としたが、その距離はそれぞれ任意で良く、各磁気検出部も被測定導体と同一平面内であれば、一直線上に配置する必要はない（図１および図２参照）。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の構成について、図６、図７、および図８を参照して説明する。ここで、図６は第２実施形態の斜視図、図７はその正面図、図８はその平面図である。
この第２実施形態に係る電流測定装置は、図６〜図８に示すように、２本の被測定電流導体７１Ａ，７１Ｂと、２個の磁気検出部７２Ａ，７２Ｂと、検出信号処理部７３と、を備えている。

被測定電流導体７１Ａ，７１Ｂは、それぞれ横断面形状が長方形で全体が直線状の導体からなり、測定対象の電流がそれぞれ流れるようになっている。被測定電流導体７１Ａは、障害物７４を避けるために、その一部に折り曲げ部（ベント部）７５を持っている。そして、両被測定電流導体７１Ａ，７１Ｂは、同一平面内において、長さ方向が互いに平行になるように配置され、かつ、その配置間隔は所定間隔からなる。

磁気検出部７２Ａ，７２Ｂは、被測定電流導体７１Ａ，７１Ｂにそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さをそれぞれ検出し、この検出強度に応じた検出信号を出力するものである。この磁気検出部７２Ａ，７２Ｂは磁電変換素子からなり、この磁電変換素子としてホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ素子などが使用される。
そして、磁気検出部７２Ａは、被測定電流導体７１Ａとほぼ同一平面内であってその被測定電流導体７１Ａから所定距離のだけ離れた近傍に配置されている。また、磁気検出部７２Ｂは、被測定電流導体７１Ｂとほぼ同一平面内であってその被測定電流導体７１Ｂから所定距離のだけ離れた近傍に配置されている。

検出信号処理部７３は、磁気検出部７２Ａ，７２Ｂからの各検出信号に対して所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体７１Ａ，７１Ｂに流れる各電流の大きさを求めるようになっている。
ここで、この検出信号処理部７３の演算処理は、第１実施形態の場合の検出信号処理部２３の演算処理と同様の考え方に基づくものである。

以上説明したように、上記のような構成からなる第２実施形態によれば、第１実施形態とほぼ同様な効果を実現できる。
なお、第２実施形態では、被測定電流導体が２本の場合について説明したが、２以上の任意の数ｎであれば良く、この場合には磁気検出部はｎ以上の個数を設ける。
また、第２実施形態では、被測定電流導体の横断面形状を長方形としたが、これに限らず、その横断面形状は楕円形、正方形、円形など、いずれであっても良い。
さらに、第２実施形態では、被測定電流導体と磁気検出部との間の配置距離、配置位置を図示のようにしたが、この配置距離や配置位置も任意で良い。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の構成について、図９、図１０、および図１１を参照して説明する。ここで、図９は第３実施形態の斜視図、図１０はその正面図、図１１はその平面図である。
この第３実施形態に係る電流測定装置は、図９〜図１１に示すように、３本の被測定電流導体８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃと、３個の磁気検出部８２Ａ，８２Ｂ，８２Ｃと、検出信号処理部８３と、を備えている。

被測定電流導体８１Ａ〜８１Ｃは、それぞれ横断面形状が長方形で全体が直線状の導体からなり、測定対象の電流がそれぞれ流れるようになっている。被測定電流導体８１Ｂは、障害物８４を避けるために、その一部に折り曲げ部８５を持っている。そして、各被測定電流導体８１Ａ〜８１Ｃは、同一平面内において、その長さ方向が互いに平行になるように配置され、かつ、その配置間隔は所定間隔（この例では等間隔）からなる。

磁気検出部８２Ａ〜８２Ｃは、被測定電流導体８１Ａ〜８１Ｃにそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さをそれぞれ検出し、この検出強度に応じた検出信号を出力するものである。また、磁気検出部８２Ａ〜８２Ｃは磁電変換素子からなり、この磁電変換素子としてホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ素子などが使用される。
そして、磁気検出部８２Ａは、被測定電流導体８１Ａと被測定電流導体８１Ｂとで挟まれた空間内であって、その被測定電流導体８１Ａ，８１Ｂとほぼ同じ高さの位置に配置されている。また、磁気検出部８２Ｂは、被測定電流導体８１Ｂと被測定電流導体８１Ｃとで挟まれた空間内であって、被測定電流導体８１Ｂの折り曲げ部８５とほぼ同じ高さの位置に配置されている。さらに、磁気検出部８２Ｃは、被測定電流導体８１Ｃから所定距離離れた近傍であって、被測定電流導体８１Ｃとほぼ同じ高さの位置に配置されている。

検出信号処理部８３は、磁気検出部８２Ａ〜８２Ｃからの各検出信号に対して所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体８１Ａ〜８１Ｃに流れる各電流の大きさを求めるようになっている。
ここで、この検出信号処理部８３の演算処理は、第１実施形態の場合の検出信号処理部２３の演算処理と同様の考え方に基づくものである。

以上説明したように、上記のような構成からなる第３実施形態によれば、第１実施形態とほぼ同様な効果を実現できる。
なお、第３実施形態では、被測定電流導体が３本の場合について説明したが、３以上の任意の数ｎであれば良く、この場合には磁気検出部はｎ以上の個数を設ける。
また、第３実施形態では、被測定電流導体の横断面形状を長方形としたが、これに限らず、その横断面形状は楕円形、正方形、円形など、いずれであっても良い。
さらに、第３実施形態では、被測定電流導体と磁気検出部との間の配置距離、配置位置を図示のようにしたが、この配置距離や配置位置も任意で良い。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の構成について、図１２、図１３、および図１４を参照して説明する。ここで、図１２は第４実施形態の斜視図、図１３はその正面図、図１４はその平面図である。
この第４実施形態に係る電流測定装置は、図１２〜図１４に示すように、３本の被測定電流導体９１Ａ〜９１Ｃと、３個の磁気検出部９２Ａ〜９２Ｃと、検出信号処理部９３と、を備えている。
被測定電流導体９１Ａ〜９１Ｃは、それぞれ横断面形状が円形で全体が直線状の導体からなり、測定対象の電流がそれぞれ流れるようになっている。これら被測定電流導体９１Ａ〜９１Ｃは、図示のように、仮想円筒９４上の周方向に等間隔に配置され、かつ、その長手方向は互いに平行な関係を保つように配置されている。

磁気検出部９２Ａ〜９２Ｃは、被測定電流導体９１Ａ〜９１Ｃにそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さをそれぞれ検出し、この検出強度に応じて検出信号を出力するものである。この磁気検出部９２Ａ〜９２Ｃは磁電変換素子からなり、この磁電変換素子としてホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ素子などが使用される。
そして、磁気検出部９２Ａは、仮想円筒９４上であって、被測定電流導体９１Ａと被測定電流導体９１Ｂとの中間の位置に配置されている。また、磁気検出部９２Ｂは、仮想円筒９４上であって、被測定電流導体９１Ｂと被測定電流導体９１Ｃとの中間の位置に配置されている。さらに、磁気検出部９２Ｃは、仮想円筒９４上であって、被測定電流導体９１Ｃと被測定電流導体９１Ａとの中間の位置に配置されている。

すなわち、この第４実施形態では、被測定電流導体９１Ａ〜９１Ｃと、磁気検出部９２Ａ〜９２Ｃとは、仮想円筒９４上の周方向に交互に配置されるとともに、等間隔で配置されている。換言すると、これらは、仮想円筒９４の横断面の円の中心から見た角度が、それぞれ６０度となるように配置されている（図１３参照）。
検出信号処理部９３は、磁気検出部９２Ａ〜９２Ｃからの各検出信号に対して所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体９１Ａ〜９１Ｃに流れる各電流の大きさを求めるようになっている。

ここで、この検出信号処理部９３の演算処理は、第１実施形態の場合の検出信号処理部２３の演算処理と同様の考え方に基づくものである。
以上説明したように、上記のような構成からなる第４実施形態によれば、第１実施形態とほぼ同様な効果を実現できる。
なお、第４実施形態では、被測定電流導体を図示のように配置するようにした。しかし、被測定電流導体は、長手方向に直線状であって、長手方向に互いに平行な関係を保っていれば、仮想円筒９４上の任意の位置に配置しても良い。
また、第４実施形態では、磁気検出部を図示のように配置するようにした。しかし、磁気検出部は、仮想円筒９４上であって、２つの被測定電流導体の間の空間であれば、任意の位置に配置しても良い。

（第５実施形態）
以上説明した第１〜第４実施形態では、被測定電流導体に流す被測定電流は、直流電流または交流電流のいずれであっても良い。また、図１、図９、および図１２に示す各実施形態は、被測定電流導体が３本であるので、３種類の電流の各大きさを測定することができる。その３種類の電流として、例えば、３相交流の各電源ラインに流れる各相の交流電流、または３相インバータの各相に流れる電流がある。

そこで、第５実施形態では、図１の第１実施形態を、その３種類の電流を測定する場合に適用した場合の構成例について説明する。
この場合には、その構成は第１実施形態と基本的に同一であり、以下の点で異なっている。すなわち、３相交流の各電源ラインに流れる各交流電流（相電流）を測定する場合には、図１の被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに、被測定電流としてその各交流電流を流すようになっている。

また、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄは、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃにそれぞれ交流電流が流れることによって生じる磁界の強さを検出し、その検出に応じた検出信号を出力するようになっている。さらに、検出信号処理部２３は、その磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄからの各検出信号に対して所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる各交流電流の大きさを求めるようになっている。

一方、３相インバータの各相に流れる電流を測定する場合には、図１の被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに、その各相に流れる電流を流すようになっている。また、磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄは、被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃにそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さを検出し、その検出に応じた検出信号を出力するようになっている。さらに、検出信号処理部２３は、その磁気検出部２２Ａ〜２２Ｄからの各検出信号に対して所定の演算処理を行い、これにより被測定電流導体２１Ａ〜２１Ｃに流れる３相インバータの各電流の大きさを求めるようになっている。

本発明は、例えば商用の３相交流電流の流れる分電盤や回路ブレーカ、３相の電流で運転される電動機やインバータ制御装置、さらには多数の配線からなる機器内配線など、複数の電流導体に流れる電流を同時に測定する必要のある場合に、好適に利用できる。

本発明の第１実施形態の構成を示す斜見図である。 その第１実施形態の正面図である。 被測定電流導体に流れる電流によってその周囲に発生する磁束密度を求める方法を説明する図である。 図１に示す検出信号処理部をアナログ回路で構成した場合のブロック図である。 図１に示す検出信号処理部をディジタル回路で構成した場合のブロック図である。 本発明の第２実施形態の構成を示す斜見図である。 その第２実施形態の正面図である。 その第２実施形態の平面図である。 本発明の第３実施形態の構成を示す斜見図である。 その第３実施形態の正面図である。 その第３実施形態の平面図である。 本発明の第４実施形態の構成を示す斜見図である。 その第４実施形態の正面図である。 その第４実施形態の平面図である。 従来の磁気コアを用いた電流測定装置の構成を示す模式図である。 従来の一体化した電流測定装置の一例を示す模式図である。 従来の磁気コアを繋げて複数の電流導体を通すことができるように構成した電流測定装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

２１Ａ〜２１Ｃ，７１Ａ，７１Ｂ，８１Ａ〜８１Ｃ 被測定電流導体
２２Ａ〜２２Ｄ，７２Ａ，７２Ｂ，８２Ａ〜８２Ｃ，９２Ａ〜９２Ｃ 磁気検出部
２３，２３Ａ，２３Ｂ，７３，８３，９３ 検出信号処理部
５１Ａ〜５１Ｄ 差動増幅器
５２Ａ〜５２Ｒ アナログ増幅器
５３Ａ〜５３Ｃ 加算回路
５４Ａ〜５４Ｃ アナログ増幅器
６１Ａ〜６１Ｄ Ａ／Ｄコンバータ
６２ ＲＯＭ
６３ マイクロプロセッサ（またはＤＳＰ）
６４ ＲＡＭ
６５Ａ〜６５Ｃ Ｄ／Ａコンバータ

Claims (13)

1. 互いに所定方向に配置されるｎ（ｎは２以上の整数）本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定位置にそれぞれ配置されるｍ（ｍはｎ以上の整数）個の磁気検出手段と、
   前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づいて前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求める電流算出手段と、
   を備えたことを特徴とする電流測定装置。
2. 前記ｎ本の被測定電流導体を、さらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記電流算出手段は、前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に対して所定の演算処理を行い、この演算処理により前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求めるようになっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流測定装置。
4. 前記ｎ本の被測定電流導体は、その長さ方向が互いに平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の電流測定装置。
5. 前記ｍ個の磁気検出手段のうちの（ｎ−１）個は、前記ｎ本の被測定電流導体の間の所定位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の電流測定装置。
6. 前記ｍ個の磁気検出手段および前記ｎ本の被測定電流導体は、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の電流測定装置。
7. 前記ｍ個の磁気検出手段および前記ｎ本の被測定電流導体は、所定の半径からなる仮想円筒の面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の電流測定装置。
8. 前記磁気検出手段は、磁電変換素子からなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の電流測定装置。
9. 前記磁電変換素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項８に記載の電流測定装置。
10. 互いに所定方向に配置される３本の被測定電流導体と、
    前記３本の被測定電流導体にそれぞれ交流電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定位置にそれぞれ配置されるｍ（ｍは３以上の整数）個の磁気検出手段と、
    前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づいて前記３本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求める電流算出手段と、
    を備えたことを特徴とする３相交流電流測定装置。
11. 互いに所定方向に配置される３本の被測定電流導体と、
    前記３本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定位置にそれぞれ配置されるｍ（ｍは３以上の整数）個の磁気検出手段と、
    前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づいて前記３本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求める電流算出手段と、
    を備えたことを特徴とする３相インバータ電流測定装置。
12. ｎ（ｎは２以上の整数）本の被測定電流導体に流れる各電流を測定する電流測定方法であって、
    前記ｎ本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さを、所定のｍ（ｍはｎ以上の整数）個の位置でそれぞれ検出するようにし、
    そのｍ個の各位置で検出された各磁界の強さに対して所定の演算処理を行い、前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを求めるようにしたことを特徴とする電流測定方法。
13. ｎ（ｎは２以上の整数）本の被測定電流導体に流れる各電流を測定する電流測定方法であって、
    前記ｎ本の被測定電流導体にそれぞれ電流が流れることによって生じる磁界の強さに応じた検出信号を得るために、所定のｍ（ｍはｎ以上の整数）個の位置に磁気検出手段をそれぞれ配置しておき、
    前記ｍ個の磁気検出手段で得られた各検出信号に基づき、前記ｎ本の被測定電流導体に流れる各電流の大きさを、電流算出手段で求めるようにしたことを特徴とする電流測定方法。

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