JP2007040758A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】
電流経路を流れる電流を測定するにあたり、電流の大小に関係なく広範囲に渡って電流の測定が可能な磁気比例式の電流センサを提供する。
【解決手段】
一部にギャップ１４ａを有する環状に形成され、測定対象となる電流Ｉが導通する電流経路１２の所定の位置の周囲を取り囲み、電流Ｉが導通することで、所定の指向を有する第１の磁束Ｂ１が生じ、当該第１の磁束Ｂ１が形成されるコア１４と、コア１４に配置され、第１の磁束Ｂ１を相殺する指向を有する第２の磁束Ｂ２をコア１４に形成する磁束発生手段１６と、第２の磁束Ｂ２が第１の磁束Ｂ１を相殺した、第３の磁束Ｂ３がコア１４に形成され、当該第３の磁束Ｂ３の変化に応じた電気信号に変換し、出力する磁気センサ１８と、電気信号に基づいて電流Ｉを算出する演算手段２２と、を備え、第３の磁束Ｂ３は、第１の磁束Ｂ１の指向と同一の指向を有するように、常にコアに形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気比例式の電流センサに関する。

測定対象となる電流が電流経路を流れることにより、この電流経路の周囲に発生する磁束に基づいて測定する電流センサが、例えば、特開２００３−１４９２７３号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示された電流センサは、ギャップを有するＣ字型のコアと、コアに巻装されたフィードバックコイルと、コアに発生する磁束を打ち消す逆磁束を発生する平衡電流をフィードバックコイルに与える信号処理回路と、コアのギャップ内に配置され、コアの磁束を測定する感磁素子（磁気センサ）と、を有している。

このように構成された電流センサは、以下のようにして電流を測定する。

先ず、コアの内側を貫通する導体（電流経路）に測定対象となる電流が流れると、その電流経路の周囲には、電流にほぼ比例した磁束がコアに形成される。すると、コアのギャップ内に配置された磁気センサが、コアに生じる磁束の量に応じた電気信号を出力する。磁気センサが出力した電気信号に基づいて、信号処理回路は平衡電流を発生し、この平衡電流をフィードバックコイルに供給する。そして、コアのギャップ内の磁束が常に打ち消された磁気平衡状態となる。すなわち、測定対象となる電流と信号処理回路が発生する平衡電流とは相関して変化する。

したがって、特許文献１で開示された電流センサは、コアのギャップ内の磁束を常に打ち消す平衡電流に基づいて、測定対象となる電流を測定するものである。
特開２００３−１４９２７３号公報

しかしながら、引用文献１で開示された電流センサは、測定対象となる電流とほぼ同程度の平衡電流を正確に発生する必要がある。すると、精巧な信号処理回路が必要となり、信号処理回路の回路規模が増大することがある。また、この信号処理回路を駆動し、平衡電流を発生させるための電力の消費量が大きい。さらに、電流センサの測定範囲が平衡電流の範囲に依存し、所望の測定範囲が得られないことがある。

そこで、本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的とするところは、電流測定のための周辺回路の規模を増大させることなく、電流経路を流れる測定対象となる電流の大きさに係わらず、電流経路の周囲に配置したコアに形成される磁束がコアにおいて飽和することを防ぐことで、大電流に対応可能な電流センサを提供することにある。併せて、測定対象となる電流が小さく、この電流によってコアに形成される磁束の量がごく僅かであったとしても、この電流の測定が可能な電流センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る電流センサは、一部にギャップを有する環状に形成され、測定対象となる電流が導通する電流経路の所定の位置の周囲を取り囲み、電流経路に電流が導通することにより、所定の指向を有する第１の磁束が形成されるコアと、このコアに配置され、第１の磁束を相殺する指向を有する第２の磁束をコアに形成する磁束発生手段と、第２の磁束が第１の磁束を相殺した第３の磁束がコアに形成され、当該第３の磁束に応じた電気信号を出力する磁気センサと、電気信号に基づいて、電流経路を流れる電流を算出する演算手段と、を備え、第３の磁束は、第１の磁束が有する指向と同一の指向を有し、コアに常に形成されていることを特徴とする。

電流経路を流れる測定対象となる電流が増加して所定の値に達すると、この電流により発生する第１の磁束が、コアにおいて飽和した状態となることがある。すると、コアに形成された磁束に基づいて電流を測定する電流センサは、電流を測定することが困難となることがある。

そこで、請求項１に記載の発明によれば、第１の磁束を相殺する指向を有する第２の磁束を磁束発生手段により発生し、コアに形成する。すると、第１の磁束が第２の磁束で相殺された第３の磁束が常にコアに形成され、電流センサは、この第３の磁束に基づいて電流を測定することができるようになる。つまり、第２の磁束の大きさを適宜変動させて、第１の磁束を相殺することにより、測定対象となる電流の大きさに係わらず、電流の測定が可能な電流センサを得ることができる。

請求項２に係る電流センサは、第３の磁束は、第１の磁束を第２の磁束により所定の割合で相殺した磁束であることを特徴とする。このように、第３の磁束が第１の磁束を所定の割合で相殺された磁束であれば、演算手段が第１の磁束を算出する時の演算負荷を減らすことができ、演算に付随する測定誤差が減少する。また、演算手段が実行する演算を単純化することができるので、演算手段の回路規模を大きくする必要がない。

請求項３に係る電流センサは、第３の磁束は、第１の磁束を第２の磁束により所定の値で相殺した磁束であることを特徴とする。このように、第３の磁束が第１の磁束を所定の値で相殺された磁束であれば、演算手段が第１の磁束を算出する時の演算負荷を減らすことができ、演算に付随する測定誤差が減少する。また、演算手段が実行する演算を単純化することができるので、演算手段の回路規模を大きくする必要がない。

請求項４に係る電流センサは、磁気センサはホール素子を用いることを特徴とする。これにより、コアのギャップの近傍にバイアス磁石等の部材を新たに設置する必要がなく、電流センサの小型化が可能となる。

請求項５に係る電流センサは、一部にギャップを有する環状に形成され、測定対象となる電流が導通する電流経路の所定の位置の周囲を取り囲み、電流経路に電流が導通することにより、所定の指向を有する第１の磁束が形成されるコアと、コアに配置され、第１の磁束を増幅する指向を有する第２の磁束をコアに形成する磁束発生手段と、第２の磁束が前記第１の磁束を増幅した第３の磁束がコアに形成され、当該第３の磁束に応じた電気信号を出力する磁気センサと、電気信号に基づいて、電流経路を流れる電流を算出する演算手段と、を備え、第３の磁束は、第１の磁束が有する指向と同一の指向を有し、コアに形成されることを特徴とする。

電流経路を流れる電流が小さいと、この電流にほぼ比例して発生し、コアに形成される第１の磁束は相対的に僅かな量となる。すると、磁気センサはこのコアに形成された第１の磁束を十分に捕捉することができないことがあり、コアに形成された磁束に基づいて電流を測定する電流センサは、電流を測定することが困難となる。

そこで、請求項５に記載の発明によれば、磁束発生手段が、第１の磁束を増幅する指向性を有する第２の磁束を発生し、コアに形成する。すると、第１の磁束が第２の磁束で増幅された第３の磁束がコアに形成され、電流センサは、この第３の磁束に基づいて電流を測定することができるようになる。つまり、第２の磁束の大きさを適宜変動させて、第１の磁束を増幅することにより、測定対象となる電流の大きさに係わらず、電流の測定が可能な電流センサを得ることができる。

請求項６に係る電流センサは、第３の磁束は、第１の磁束を第２の磁束により所定の割合で増幅した磁束であることを特徴とする。このように、第３の磁束が第１の磁束を所定の割合で増幅した磁束であれば、演算手段が第１の磁束を算出する時の演算負荷を減らすことができ、演算に付随する測定誤差が減少する。また、演算手段が実行する演算を単純化することができるので、演算手段の回路規模を大きくする必要がない。

請求項７に係る電流センサは、磁気センサはホール素子を用いることを特徴とする。これにより、コアのギャップの近傍にバイアス磁石等の部材を新たに設置する必要がなく、電流センサの小型化が可能となる。

請求項８に係る電流センサは、一部にギャップを有する環状に形成され、測定対象となる電流が導通する電流経路の所定の位置の周囲を取り囲み、電流経路に電流が導通することにより、所定の指向を有する第１の磁束が形成されるコアと、コアに配置され、第１の磁束に作用する第２の磁束をコアに形成する磁束発生手段と、第２の磁束が第１の磁束に作用して生成された第３の磁束が前記コアに形成され、当該第３の磁束に応じた電気信号を出力する磁気センサと、電気信号に基づいて、電流経路を流れる電流を算出する演算手段と、を備え、第３の磁束は、第１の磁束が有する指向と同一の指向を有し、コアに常に形成されていることを特徴とする。

電流経路を流れる電流が小さいと、コアに形成される第１の磁束は相対的に僅かな量となる。すると、磁気センサはこのコアに形成された第１の磁束を十分に捕捉することができないことがあり、コアに形成された磁束に基づいて電流を測定する電流センサは、電流を測定することが困難となることがある。また、電流経路を流れる電流が増加して所定の値に達すると、この電流により発生する第１の磁束が、コアにおいて飽和した状態となることがある。すると、コアに形成された磁束に基づいて電流を測定する電流センサは、電流を測定することが困難となることがある。

そこで、請求項８に記載の発明によれば、電流経路を流れる電流の大きさに応じて、磁束発生手段が、第１の磁束を相殺、又は増幅する第２の磁束を発生する。これにより、測定対象となる電流の大きさに係わらず、電流の測定が可能な電流センサを得ることができる。

請求項９係る電流センサは、第３の磁束は、第１の磁束の大きさに基づいて、第２の磁束により第１の磁束を所定の割合で増幅した磁束、又は所定の値で相殺した磁束であることを特徴とする。これにより、演算手段が第１の磁束を算出する時の演算負荷を減らすことができ、演算時に発生する測定誤差が減少する。また、演算手段が実行する演算を単純化することができるので、演算手段の回路規模を大きくする必要がない。

請求項１０に係る電流センサは、磁気センサはホール素子を用いることを特徴とする。これにより、コアのギャップの近傍にバイアス磁石等の部材を新たに設置する必要がなく、電流センサの小型化が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における電流センサ１０について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態における電流センサ１０の構成の概略を示す図である。なお、図１中のコア１４に記載された傍線矢印は、内側の右回り方向矢印が第１の磁束Ｂ１の向き、外側の左回り方向矢印が第２の磁束Ｂ２の向きを示す。

図２は、第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３と電流経路１２を流れる電流Ｉとの関係を表した図であり、図２（ａ）は、電流経路１２を流れる電流Ｉとコア１４に形成される磁束（第１の磁束Ｂ１）との関係を表した図である。コア１４に形成される第１の磁束Ｂ１は、電流Ｉに比例して増加する。そして、電流経路１２を流れる電流が電流Ｉ１に達した時に、第１の磁束Ｂ１が磁束Ｓとなり、コア１４で第１の磁束Ｂ１が飽和したことを示す。

図２（ｂ）は、第１の磁束Ｂ１を相殺する第２の磁束Ｂ２の変化、及び、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で相殺した第３の磁束Ｂ３の変化を表した図である。具体的には、電流経路１２を流れる電流Ｉの増加とともに、第１の磁束Ｂ１とは逆向きの指向を有する第２の磁束Ｂ２が増加することを示す。そして、電流ＩがＩ１に達しても、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で相殺してコア１４に形成された第３の磁束（相殺磁束）Ｂ３は、コア１４において磁束の飽和量である磁束Ｓに達していないことを示す。

図１に示すように、環状に形成されたコア１４が、測定対象となる電流Ｉが流れる電流経路１２の周囲を取り囲むように配置されている。コア１４は、例えば、パーマロイ、スーパーマロイ等の初透磁率が比較的大きい磁性体材料をせん断加工して形成される板状の断片が単数枚で構成されている。あるいは、磁束の飽和量を向上させるために、複数枚を積層して構成することもできる。コア１４は、その一部にギャップ１４ａを有しており、コア１４に形成される磁束はこのギャップ１４ａを通過する。

ギャップ１４ａの内側、又はギャップ１４ａの近傍には、磁気センサ１８が配置されている。磁気センサ１８は、ギャップ１４ａを通過する磁束（コア１４に形成された磁束）に応じた電気信号に変換し、この電気信号を後述する磁束発生手段１６及び演算手段２２に向けて出力する。なお、磁気センサ１８として、例えば、ホール素子や磁気抵抗素子を用いることができるが、磁束の変化を電気信号の変化に変換して出力できる素子であれば、これらに限定されない。なお、磁気センサ１８としてホール素子を用いることで、磁気抵抗素子に必要なバイアス磁石等の設置が不要となるため、電流センサを小型化することができる。

さて、測定対象となる電流Ｉが電流経路１２を流れると、電流Ｉの大きさに比例し、電流Ｉの流れる方向に依存する第１の磁束Ｂ１が、電流経路１２の周囲に発生する。ところが、電流経路１２の周囲には、電流経路１２を取り囲むように磁性体材料で形成されたコア１４が配置されているので、第１の磁束Ｂ１は空気中よりも磁気抵抗の少ないコア１４に形成されることになる。

図２（ａ）に示すように、コア１４に形成される第１の磁束Ｂ１は、電流経路１２を流れる電流Ｉにほぼ比例して増加する。電流センサ１０の測定対象が、比較的小さい電流Ｉ、例えば、電流Ｉが数ミリアンペア〜数アンペア程度の場合、磁気センサ１８は、コア１４に形成される第１の磁束Ｂ１に応じた電気信号の変化に変換し、この電気信号を演算手段２２に向けて出力する。演算手段２２は磁気センサ１８が出力した電気信号に基づいて演算を実行することで、本実施形態の電流センサ１０は、電流経路１２を流れる電流Ｉを測定することができる。

しかしながら、図２（ａ）に示すように、電流経路１２を流れる電流Ｉが増加すると、コア１４に形成される磁束も増加する。そして、電流Ｉがさらに増加すると、コア１４に形成される磁束（第１の磁束Ｂ１）がコア１４の磁束の飽和量である磁束Ｓに達することがある。なお、この時の電流ＩをＩ１とする。すると、電流経路１２に電流Ｉ１を超える電流Ｉ２（Ｉ１＜Ｉ２）が流れたとしても、コア１４はすでに飽和しているため、コア１４における磁束はほとんど変化（増加）しない。

コア１４において磁束の変化が発生しないと、電流センサは電流Ｉ１を超える電流Ｉ２の測定ができないことがある。そこで、本実施形態における電流センサ１０は、コア１４において磁束が飽和することを防ぐべく、予め、制御手段２８は、直流電源２６からコイル２４に向けて直流電流２４ａを流すように直流電源２６を制御する。すると、コイル２４は、第１の磁束Ｂ１を相殺する指向及び磁束を有する第２の磁束Ｂ２をコア１４に形成する。第２の磁束Ｂ２は、例えば、図２（ｂ）に示すように、第１の磁束Ｂ１をほぼ１／２に相殺する指向及び磁束を有するものである。

コア１４において、第１の磁束Ｂ１が第２の磁束Ｂ２で相殺されると、コア１４には新たに第３の磁束Ｂ３のみが形成された状態となる。ここで、図２（ｂ）に示すように、第３の磁束Ｂ３は、第１の磁束Ｂ１のほぼ１／２の磁束となる。

したがって、電流経路１２に電流Ｉ１を超える電流Ｉ２が流れたとしても、コア１４において、電流Ｉ２に基づく磁束の変化が発生するため、本実施形態における電流センサ１０は電流Ｉ１を超える電流Ｉ２を測定することができる。なお、第２の磁束Ｂ２の大きさ（傾き）を適宜選択することで、第１の磁束Ｂ１を相殺できる量が定まるとともに、電流の測定可能範囲が定まる。例えば、数百アンペア以上の電流を測定することも可能である。ただし、電流経路１２を電流Ｉが流れている間、第３の磁束は常にコア１４に形成されている。すなわち、第２の磁束が第１の磁束を完全に相殺して、第３の磁束が０となることはない。

ここで、磁束発生手段１６は、図１に示すように、コア１４に巻装したコイル２４と、コイル２４に与える直流電流を出力する直流電源２６と、この直流電源２６が最適な電流を発生するように制御する制御手段２８と、で構成されている。なお制御手段２８の制御内容は、演算手段２２に向けても出力される。

例えば、図１において、磁束発生手段１６は、磁気センサ１８が出力する電気信号を受けて、制御手段２８によりコイル２４に向けて直流電源２６が出力する直流電流２４ａを破線矢印の方向に向けて発生させることで、コア１４に形成された右回りの第１の磁束Ｂ１を相殺する左回りの第２の磁束Ｂ２を発生する。

すると、演算手段２２は、磁気センサ１８が出力する電気信号と制御手段２８の制御内容とを受けて、第２の磁束Ｂ２による第１の磁束Ｂ１を相殺した分を補完する演算を行う。具体的には、演算手段２２は、磁気センサ１８が検出した第３の磁束Ｂ３に、第２の磁束Ｂ２による相殺分を加える演算を行う。このような演算を行うことで、電流Ｉが電流経路１２を流れることで発生している磁束が得られる。そして、得られた磁束に基づいて電流経路１２を流れる電流Ｉが導かれる。

以上説明したように、本実施形態の電流センサ１０によれば、電流の測定可能範囲が広がり、数ミリアンペアから数百アンペアを超す電流に至るまで精度よく測定することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における電流センサ２０について、図３を用いて説明する。本実施形態における電流センサ２０の構成は、図１に示す第１の実施形態における電流センサ１０の構成とほぼ同じである。したがって、第１の実施形態の電流センサ１０と同一に機能する部分の説明、及び第１の実施形態と共通する部分の説明は省略する。

図３は、第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３と電流経路１２を流れる電流Ｉとの関係を表した図であり、図３（ａ）は、電流経路１２を流れる電流Ｉとコア１４に形成される磁束（第１の磁束Ｂ１）との関係を表した図である。コア１４に形成される第１の磁束Ｂ１は、電流Ｉに比例して増加する。そして、電流経路１２を流れる電流が電流Ｉ３に達した時に、第１の磁束Ｂ１が磁束Ｓとなり、コア１４で第１の磁束Ｂ１が飽和したことを示す。

図３（ｂ）は、第１の磁束Ｂ１を相殺する作用を備えた第２の磁束Ｂ２の変化、及び、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で相殺した第３の磁束Ｂ３の変化を示す図である。具体的には、電流経路１２を流れる電流Ｉの増加に伴って、コア１４に発生する磁束が、コア１４において飽和する度に第２の磁束Ｂ２で相殺される例を示す。

図３（ａ）に示すように、電流経路１２を流れる電流Ｉが増加すると、コア１４に形成される磁束も増加することが磁気センサ１８によって検出される。そして、電流Ｉがさらに増加すると、コア１４に形成される磁束（第１の磁束Ｂ１）がコア１４の磁束の飽和量である磁束Ｓに達することがある。なお、この時の電流ＩをＩ３とする。

すると、電流経路１２に電流Ｉ３を超える電流が流れたとしても、コア１４はすでに磁束で飽和しているため、コア１４における磁束はほとんど変化（増加）しない。コア１４において磁束の変化が発生しないと、電流センサは電流の測定ができないことがある。

そこで、本実施形態における電流センサ２０は、コア１４において磁束が飽和することを防ぐべく、制御手段２８は、直流電源２６からコイル２４に向けて一定の直流電流２４ａを流すように直流電源２６を制御する。直流電流２４ａは、例えば、コイル２４が−Ｓ／２の第２の磁束Ｂ２ａを発生するために必要な電流である。

図３（ｂ）に示すように、第１の磁束Ｂ１は、第２の磁束Ｂ２ａによりほぼＳ／２だけ相殺されている。第１の磁束Ｂ１が第２の磁束Ｂ２ａで相殺されると、コア１４には新たに第３の磁束（相殺磁束）Ｂ３ａのみが形成された状態となる。この時、磁気センサ１８が検出するコア１４に形成される第３の磁束Ｂ３ａに応じた電気信号、及び制御手段２８の制御内容は、演算手段２２に向けても出力される。なお、コイル２４に流れる電流２４ａの向きは、図１中の破線矢印の方向である。

演算手段２２は、磁気センサ１８が出力する電気信号と制御手段２８の制御内容とを受けて、第２の磁束Ｂ２ａによる第１の磁束Ｂ１を相殺した分を補完する演算を行う。具体的には、演算手段２２は、磁気センサ１８が検出した第３の磁束Ｂ３ａに、第２の磁束Ｂ２ａによる相殺分を加える演算を行う。このような演算を行うことで、電流Ｉが電流経路１２を流れることで発生している磁束が得られるので、得られた磁束に基づいて電流経路１２を流れる電流Ｉが導かれる。

ところで、電流経路１２を流れる電流Ｉが電流Ｉ３からさらに増加すると、コア１４に形成される磁束がコア１４の磁束の飽和量である磁束Ｓに達することがある。なお、この時の電流ＩをＩ４とする。コア１４において飽和した磁束は、すでに、第１の磁束Ｂ１が−Ｓ／２の磁束を有する第２の磁束Ｂ２によって相殺された第３の磁束Ｂ３ａである。

制御手段２８は、コア１４における飽和状態を解消すべく、再度、直流電源２６からコイル２４に向けて一定の直流電流２４ａを流すように制御する。直流電流２４ａは、例えば、コイル２４が−Ｓの第２の磁束Ｂ２ｂを発生するために必要な電流である。すると、図３（ｂ）に示すように、第３の磁束Ｂ３ａは、第２の磁束Ｂ２ｂによりほぼＳ／２だけ、さらに相殺されている。第３の磁束Ｂ３ａが第２の磁束Ｂ２ｂで相殺されると、コア１４には新たに第３の磁束（相殺磁束）Ｂ３ｂのみが形成された状態となる。

この時、磁気センサ１８が検出するコア１４に形成される第３の磁束Ｂ３ｂに応じた電気信号、及び制御手段２８の制御内容は、演算手段２２に向けても出力される。演算手段２２は、磁気センサ１８が出力する電気信号と制御手段２８の制御内容とを受けて、第２の磁束Ｂ２ｂによる第３の磁束Ｂ３ａを相殺した分を補完する演算を行う。具体的には、演算手段２２は、磁気センサ１８が検出した第３の磁束Ｂ３ａに、第２の磁束Ｂ２ｂによる相殺分を加える演算を行う。このような演算を行うことで、電流Ｉが電流経路１２を流れることで発生している磁束が得られるので、得られた磁束に基づいて電流経路１２を流れる電流Ｉを導くことができる。

このように、本実施形態における電流センサ２０は、電流経路１２を流れる測定対象となる電流Ｉの増加に伴って、コア１４に形成される磁束がコア１４において飽和する（磁束Ｓに達する）度に、一定の磁束を有する第２の磁束Ｂ２ａ、Ｂ２ｂ・・・をコア１４に形成して、コア１４において飽和した磁束を相殺する。

したがって、本実施形態における電流センサ２０によれば、電流の測定可能範囲が広がり、数ミリアンペアから数百アンペアを超す電流に至るまで精度よく測定することができる。なお、本実施形態の電流センサ２０は、第２の磁束Ｂ２ａ、Ｂ２ｂ・・・が有する一定の磁束を、−Ｓ／２、−Ｓ、・・・とした。

しかしながら、第２の磁束Ｂ２の磁束は、第１の磁束Ｂ１がコア１４において飽和しないように、第１の磁束Ｂ１を相殺することができればよい。したがって、第２の磁束Ｂ２は、第１の磁束Ｂ１を完全に打ち消さないような磁束を任意に選択することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における電流センサ３０について、図４及び図５を用いて説明する。なお、第１及び第２の実施形態と共通する部分の説明は省略する。図４は本実施形態における電流センサ３０の構成の概略を示す図である。

本実施形態における電流センサ３０の構成は、図１に示す第１及び第２の実施形態における電流センサ１０、２０の構成とほぼ同じである。しかしながら、本実施形態に係る電流センサ３０における、コイル２４を流れる直流電流２４ｂは、第１及び第２の実施形態に係る電流センサ１０、２０における、コイル２４を流れる直流電流２４ａとは逆向き方向に流れるものとする。ただし、コイル２４の巻装方向は同じである。すると、本実施形態における電流センサ３０において、第１の磁束Ｂ１の向きと第２の磁束Ｂ２の向きとは同じとなる。したがって、第２の磁束Ｂ２は第１の磁束Ｂ１を増幅することができる。

図５は、第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３と電流経路１２を流れる電流Ｉとの関係を表した図である。図５（ａ）は、電流経路１２を流れる電流Ｉとコア１４に形成される磁束（第１の磁束Ｂ１）との関係を表した図である。第１の磁束Ｂ１は、電流経路１２を流れる電流Ｉに比例して増加することを示すとともに、磁気センサ１８がコア１４に形成される磁束の変化を十分に捕捉できる磁束をＭとすると、電流ＩがＩ６の時にコア１４に形成される第１の磁束Ｂ１がＭ／３であることを示すとともに、電流ＩがＩ７の時に第１の磁束Ｂ１がＭに達することを示す
図５（ｂ）は、第１の磁束Ｂ１を増幅する作用を備えた第２の磁束Ｂ２の変化、及び、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で増幅した第３の磁束Ｂ３の変化を示した図である。

電流経路１２を流れる電流Ｉの増加とともに、第１の磁束Ｂ１とは同じ向きの指向を有する第２の磁束Ｂ２が増加することを示す。

ところで、本実施形態に係る電流センサ３０が、比較的大きな電流、例えば、数百アンペア以上の電流の測定に重きを置いた電流センサの場合、例えば、数ミリアンペア〜数アンペア程度の小電流を精度よく測定することができないことがある。これは、電流経路１２を流れる電流が数ミリアンペア〜数アンペア程度の小電流であることによって、この電流にほぼ比例して発生する第１の磁束Ｂ１の変化が小さくなり、磁気センサ１８がこの第１の磁束Ｂ１の変化を十分に捕捉することができないことがあるためである。

図５（ａ）によると、電流経路１２を流れる電流ＩがＩ６の時、コア１４に形成される第１の磁束Ｂ１がＭ／３であり、磁気センサ１８がコア１４に形成される磁束の変化を十分に捕捉できる磁束Ｍに達していない。すると、磁気センサ１８はコア１４に形成される第１の磁束Ｂ１の変化を十分に捕捉することができないことがある。

そこで、本実施形態における電流センサ３０は、予め、制御手段２８は、直流電源２６からコイル２４に向けて直流電流２４ｂを流すように直流電源２６を制御する。すると、コイル２４は、第１の磁束Ｂ１を増幅する指向及び磁束を有する第２の磁束Ｂ２をコア１４に形成する。第２の磁束Ｂ２は、例えば、図５（ｂ）に示すように、電流ＩがＩ６の時にコア１４に２Ｍ／３の磁束を形成するものである。すると、コア１４には、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で増幅したことによる、第３の磁束（増幅磁束）Ｂ３のみが形成された状態となる。

すなわち、図５（ｂ）に示すように、電流ＩがＩ６の時、コア１４には第３の磁束（増幅磁束）Ｂ３による磁束Ｍが形成された状態となる。すると、磁気センサ１８はコア１４に形成される磁束の変化を十分に捕捉することができる。

電流ＩがＩ７にまで増加すると、第１の磁束Ｂ１は磁気センサ１８がコア１４に形成される磁束の変化を十分に捕捉できる磁束Ｍに達する。電流ＩがＩ７より増加する場合は、磁気センサ１８は、第１の磁束Ｂ１に応じた電気信号を出力することができるため、電流がＩ７に達した時点で、第２の磁束Ｂ２による第１の磁束Ｂ１の増幅を終了してもよい。

コア１４における磁束の変化を補足できる磁気センサ１８は、第３の磁束Ｂ３に応じた電気信号に変換し、この電気信号を演算手段２２に向けて出力する。

また、制御手段２８がの制御内容も演算手段２２に向けても出力される。演算手段２２は、磁気センサ１８が出力する電気信号と制御手段２８の制御内容とを受けて、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で増幅した分を補完する演算を行う。具体的には、演算手段２２は、磁気センサ１８が検出した第３の磁束Ｂ３に、第２の磁束Ｂ２による増幅分を減算する。

このような演算を行うことで、電流Ｉが電流経路１２を流れることで発生している磁束が得られるので、得られた磁束に基づいて電流経路１２を流れる電流Ｉを導くことができる。

（その他の実施形態）
上述した本発明の第１〜第３の実施形態における電流センサは、コア１４に巻装したコイル２４に直流電流２４ａ、２４ｂを流すことで第２の磁束を発生させていた。そして、第２の磁束Ｂ２により、電流経路１２を電流Ｉが流れることに伴って発生する第１の磁束を相殺、または増幅していた。

しかしながら、第１の磁束Ｂ１を増幅、及び相殺することができるように構成した電流センサとすることも可能である。すなわち、図６に示すように、電流経路１２を流れる電流Ｉが数ミリアンペア〜数アンペア程度の小電流であっても、数百アンペアを超す大電流であっても測定すること電流センサとすることも可能である。

以下に、本実施形態における電流センサについて説明する。なお、第１〜第３の実施形態と同一となる説明は省略する。

電流経路１２を流れる電流Ｉが数ミリアンペア〜数アンペア程度の小電流の場合、第１の磁束Ｂ１の発生量が少なく磁気センサ１８で第１の磁束Ｂ１を測定できないことがある。そこで、第１の磁束Ｂ１に作用する第２の磁束Ｂ２を発生させる。第２の磁束Ｂ２は、第１の磁束Ｂ１を増幅して、第３の磁束Ｂ３を形成する。すると、磁気センサ１８は、第３の磁束Ｂ３を測定することができ、第３の磁束Ｂ３に基づいて、電流経路１２を流れる電流Ｉが小電力であっても算出することができる。

次に、電流経路１２を流れる電流Ｉが電流Ｉ３まで増加し、例えば、電流Ｉが数百アンペアを超す大電流の場合、第１の磁束Ｂ１はコア１４の磁束の飽和量である磁束Ｓに達する。この時、飽和した第１の磁束Ｂ１に作用する第２の磁束Ｂ２を発生させる。第２の磁束Ｂ２は、第１の磁束Ｂ１を相殺して、第３の磁束Ｂ３を形成する。すると、磁気センサ１８は、第３の磁束Ｂ３を測定することができ、第３の磁束Ｂ３に基づいて、電流経路１２を流れる電流Ｉを算出することができる。

したがって、電流経路１２を電流Ｉが流れることに伴って発生する第１の磁束に基づいて、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で相殺、または増幅する本実施形態の電流センサは、数ミリアンペア〜数アンペア程度の小電流から数百アンペアを超える大電流まで測定できる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。

また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。

本発明の第１、第２の実施形態における電流センサ１０、２０の構成の概略を示す図である。 本発明の第１の実施形態における電流経路１２を流れる電流Ｉと第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３との関係を表した図である。（ａ）は、電流経路１２を流れる電流Ｉとコア１４に形成される第１の磁束Ｂ１との関係を表した図であり、（ｂ）は、第１の磁束Ｂ１を相殺する第２の磁束Ｂ２の変化、及び、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で相殺した第３の磁束Ｂ３の変化を表した図である。 本発明の第２の実施形態における電流経路１２を流れる電流Ｉと第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３との関係を表した図である。（ａ）は、電流経路１２を流れる電流Ｉとコア１４に形成される第１の磁束Ｂ１との関係を表した図であり、（ｂ）は、第１の磁束Ｂ１を相殺する第２の磁束Ｂ２の変化、及び、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で相殺した第３の磁束Ｂ３の変化を表した図である。 本発明の第３の実施形態における電流センサ３０の構成の概略を示す図である。 本発明の第３の実施形態における電流経路１２を流れる電流Ｉと第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３との関係を表した図である。（ａ）は、電流経路１２を流れる電流Ｉとコア１４に形成される第１の磁束Ｂ１との関係を表した図であり、（ｂ）は、第１の磁束Ｂ１を増幅する第２の磁束Ｂ２の変化、及び、第１の磁束Ｂ１を第２の磁束Ｂ２で増幅した第３の磁束Ｂ３の変化を表した図である。 本発明のその他の実施形態における電流経路１２を流れる電流Ｉと第１〜第３の磁束Ｂ１〜Ｂ３との関係を表した図である。

符号の説明

１０，２０，３０・・・電流センサ、１２・・・電流経路、１４・・・コア、１４ａ・・・ギャップ、１６・・・磁束発生手段、１８・・・磁気センサ、２２・・・演算手段、２４・・・コイル、２４ａ，２４ｂ・・・コイルに流れる電流の向き、２６・・・直流電源、２８・・・制御手段、Ｂ１・・・第１の磁束、Ｂ２・・・第２の磁束、Ｂ３・・・第３の磁束（相殺磁束、増幅磁束）

Claims (10)

1. 一部にギャップを有する環状に形成され、測定対象となる電流が導通する電流経路の所定の位置の周囲を取り囲み、前記電流経路に電流が導通することにより、所定の指向を有する第１の磁束が形成されるコアと、
   前記コアに配置され、前記第１の磁束を相殺する指向を有する第２の磁束を前記コアに形成する磁束発生手段と、
   前記第２の磁束が前記第１の磁束を相殺した、第３の磁束が前記コアに形成され、当該第３の磁束に応じた電気信号を出力する磁気センサと、
   前記電気信号に基づいて、前記電流経路を流れる電流を算出する演算手段と、を備え、
   前記第３の磁束は、前記第１の磁束が有する指向と同一の指向を有し、前記コアに常に形成されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第３の磁束は、前記第１の磁束を前記第２の磁束により所定の割合で相殺した磁束であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第３の磁束は、前記第１の磁束を前記第２の磁束により所定の値で相殺した磁束であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
4. 前記磁気センサはホール素子を用い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センサ。
5. 一部にギャップを有する環状に形成され、測定対象となる電流が導通する電流経路の所定の位置の周囲を取り囲み、前記電流経路に電流が導通することにより、所定の指向を有する第１の磁束が形成されるコアと、
   前記コアに配置され、前記第１の磁束を増幅する指向を有する第２の磁束を前記コアに形成する磁束発生手段と、
   前記第２の磁束が前記第１の磁束を増幅した第３の磁束が前記コアに形成され、当該第３の磁束に応じた電気信号を出力する磁気センサと、
   前記電気信号に基づいて、前記電流経路を流れる電流を算出する演算手段と、を備え、
   前記第３の磁束は、前記第１の磁束が有する指向と同一の指向を有し、前記コアに形成されることを特徴とする電流センサ。
6. 前記第３の磁束は、前記第１の磁束を前記第２の磁束により所定の割合で増幅した磁束であることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記磁気センサはホール素子を用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の電流センサ。
8. 一部にギャップを有する環状に形成され、測定対象となる電流が導通する電流経路の所定の位置の周囲を取り囲み、前記電流経路に電流が導通することにより、所定の指向を有する第１の磁束が形成されるコアと、
   前記コアに配置され、前記第１の磁束に作用する第２の磁束を前記コアに形成する磁束発生手段と、
   前記第２の磁束が前記第１の磁束に作用して生成された第３の磁束が前記コアに形成され、当該第３の磁束に応じた電気信号を出力する磁気センサと、
   前記電気信号に基づいて、前記電流経路を流れる電流を算出する演算手段と、を備え、
   前記第３の磁束は、前記第１の磁束が有する指向と同一の指向を有し、前記コアに常に形成されていることを特徴とする電流センサ。
9. 前記第３の磁束は、前記第１の磁束の大きさに基づいて、前記第２の磁束により前記第１の磁束を所定の割合で増幅した磁束、又は所定の値で相殺した磁束であることを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
10. 前記磁気センサはホール素子を用いることを特徴とする請求項８又は９に記載の電流センサ。

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