JP2013148439A

JP2013148439A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2013148439A
Application number: JP2012008595A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Horikawa; 敦堀川
Original assignee: Hirose Electric Co Ltd
Current assignee: Hirose Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】高い検出精度を確保しつつ、検出可能な電流の大きさの範囲を拡大する。
【解決手段】電流センサ１は、コア１１と、コアに巻回された励磁検出コイル１２に励磁信号を印加し、かつ励磁検出コイルを流れる検出信号に基づき導線６１を流れる被検出電流を検出する励磁検出回路１３と、コアに巻回されたオフセットコイル１４にオフセット信号を印加するオフセット回路１５とを有する。励磁信号は、コアを正側で飽和させる電流値と負側で飽和させる電流値との差よりも電流のピークツーピーク値が大きい交流信号であり、オフセット信号は被検出電流によりコアに与えられる直流磁界を打ち消す方向の磁界をコアに与える直流信号である。励磁信号およびオフセット信号の印加により、コアが正側で飽和した時点と引き続き負側で飽和した時点との時間差に基づき被検出電流を検出し、オフセット信号の電流値を変更することで被検出電流の検出可能範囲を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検出物を流れる電流を検出する電流センサに関する。

電流センサは、磁界の強さおよび方向を検出することにより、被検出物を流れる被検出電流の大きさおよび向きを検出することができるセンサである。電流の検出方法には様々な方法が考えられ、これに応じ、様々なタイプの電流センサが存在する。中でも、軟磁性コアに巻回された励磁コイルに交流電流を流すことで周期的にコアを磁気飽和させ、被検出電流によって生じる磁界の影響を受けて変化するコアの磁気飽和の態様を検出することで被検出電流を検出するタイプの電流センサが、例えばフラックスゲートセンサ等として広く知られている。

このようなタイプの電流センサにおいて、いずれも励磁コイルに交流電流を流して周期的にコアを磁気飽和させる点は共通しているが、被検出電流によって生じる磁界の影響を受けて変化するコアの磁気飽和の態様を検出する方法については、いくつかの異なる方法がある。

例えば、下記の特許文献１には、電流センサを適用した漏電検出器が記載されている。この漏電検出器は、環状の磁性材料からなる磁気検知素子に１次励振巻線と２次検出巻線を巻回し、１次励振巻線に励磁信号を印加することにより磁気検知素子が充分に飽和されるように磁気検出素子を励磁し、２次検出巻線に生じる電圧に含まれる偶数次高調波の振幅の大きさに基づいて漏電電流の大きさを検出する。

また、下記の特許文献２には、電流センサを適用した電流検出装置が記載されている。この電流検出装置は、保持力が小さく磁気ヒステリシス曲線が角形を示す鉄心に交流励磁コイルと検出コイルを巻回し、磁気ヒステリシス曲線の飽和領域まで磁界の正負両方向に同一条件で交流励磁しておき、鉄心の近傍を通る導体を流れる被検出電流により生ずる磁界が加わることにより、鉄心の磁束が反転する位相を変化させ、その変化分から被検出電流の値を求める。

実開昭５９−９２５３２号公報特開平５−１０９８０号公報

ところで、コアの磁気特性は、コアの寸法誤差または周囲の温度等によってばらつく。上述した特許文献１に記載の漏電検出器において、コア（磁気検知素子）の磁気特性のばらつきによりコアが飽和する磁界の強さまたは飽和磁束密度がばらつくと、このばらつきのために、２次検出巻線から得られる偶数次高調波の振幅の大きさが変動し、この結果、漏電電流の検出精度が低下するという問題がある。

また、上述した特許文献２に記載の電流検出装置においては、コア（鉄心）の磁気特性のばらつきによりコアの磁束が反転する磁界の強さ（特許文献２の図２中のＨ_３、Ｈ_４）がばらつくと、このばらつきのために、コアの磁束が反転する位相の変化分（特許文献２の図４または図５中のｔ_１−ｔ_４）が変動し、この結果、被検出電流値の検出精度が低下するという問題がある。

このように、特許文献１、２に記載のいずれの技術によっても、コアの磁気特性のばらつきに起因して被検出電流の検出結果が変動してしまい、被検出電流の検出精度を高めることが困難である。

これに対し、本出願の発明者が開発した新しい型の電流センサ（以下、これを「新型電流センサ」という。）は、コアの磁気特性のばらつきに起因する被検出電流の検出結果の変動を防止することができる。

すなわち、当該新型電流センサは、コアと、コアに巻回されたコイルと、各ピーク時における電流の大きさがコアを飽和する電流の大きさを超える三角波の励磁信号をコイルに印加する励磁手段と、コアが正側および負側のうちの一方の側で飽和した時点とこれに引き続いてコアが正側および負側のうちの他方の側で飽和した時点との時間差に基づいて被検出電流を検出する検出手段とを備えている。当該新型電流センサによれば、コアの磁気特性のばらつきによりコアが飽和する磁界の強さまたは飽和磁束密度がばらついても、このばらつきによって、コアが正側および負側のうちの一方の側で飽和した時点とこれに引き続いてコアが正側および負側のうちの他方の側で飽和した時点との時間差は変動しない。そして、この時間差に基づいて被検出電流を検出するので、コアの磁気特性のばらつきに起因する被検出電流の検出結果の変動を排除することができる。

ここで、当該新型電流センサの電流検出動作について図１０を参照しながら簡単に説明する。すなわち、励磁手段により励磁信号をコイルに印加すると、コアに磁界Ｍ１が与えられる。励磁信号は三角波なので、磁界Ｍ１の大きさは三角波状に周期的に変化する。横軸に時間をとり縦軸に磁界の強さをとったグラフ上に磁界Ｍ１を描くと、図１０中の実線に示すような三角波となる。励磁信号は、その各ピーク時における電流の大きさがコアを飽和する電流の大きさを超えるので、図１０に示すように、磁界Ｍ１の大きさは、その各ピークＨｐ、−Ｈｐ時においてコアを飽和する磁界の強さＨｓ、−Ｈｓを超える。すなわち、磁界Ｍ１の大きさが０からＨｐに向かって増加する過程においてＨｓを上回った時点ｔａでコアが飽和する。続いて、磁界Ｍ１の大きさがさらに増加してＨｐに達し、その後減少に転ずる。そして、磁界Ｍ１の大きさが−Ｈｐに向かって減少する途中でコアが非飽和状態になる。続いて、磁界Ｍ１の大きさが−ＨＰに向かってさらに減少して−Ｈｓを下回った時点ｔｂでコアが再び飽和する。続いて、磁界Ｍ１の大きさがさらに減少してＨｐに達し、その後増加に転ずる。そして、磁界Ｍ１の大きさがＨｐに向かって増加する途中でコアが非飽和状態になる。磁界Ｍ１の大きさの変化は周期的なので、コアに与えられている磁界が磁界Ｍ１のみである限り、時点ｔａと時点ｔｂとの間が一定の時間となる。以下、この時間を「基準時間Ｒ」という。

被検出物（例えば環状のコアの内側を貫通するように設置された電線）に直流の被検出電流が流れると、この被検出電流の大きさおよび向きに応じた磁界Ｍ２がコアに与えられる。これにより、コアに与えられる磁界は磁界Ｍ１と磁界Ｍ２とを合わせたものになる。この結果、磁界Ｍ１を示す三角波は、図１０中に破線で示すように上方または下方にシフトする。この三角波のシフトの量は被検出電流の大きさに対応し、三角波のシフト方向は被検出電流の向きに対応する。磁界Ｍ１を示す三角波が上方にシフトすると、時点ｔａと時点ｔｂとの間の時間が基準時間Ｒよりも長くなり、一方、磁界Ｍ１を示す三角波が下方にシフトすると、時点ｔａと時点ｔｂとの間の時間が基準時間Ｒよりも短くなる。したがって、時点ｔａと時間ｔｂの時間に基づいて、被検出電流の大きさと向きを認識することができる。

さて、当該新型電流センサの性能を向上させるに当たり、次のような問題がある。すなわち、当該新型電流センサにおける電流検出動作を実現するためには、磁界Ｍ１の大きさがピークＨｐとなったときにコアが飽和しており、かつ磁界Ｍ１の大きさがピーク−Ｈｐとなったときにコアが飽和しているという状態が確保されていなければならず、すなわち、Ｈｐ＞Ｈｓ、かつ−Ｈｓ＞−Ｈｐの条件を常に充たしていなければならない。被検出電流が正・負いずれか一方の方向に大幅に変化すると、磁界Ｍ１を示す三角波が上方または下方に大幅にシフトし、Ｈｐ＞Ｈｓまたは−Ｈｓ＞−Ｈｐの条件を充たさなくなる。したがって、当該新型電流センサによって検出可能な被検出電流の範囲は、被検出電流が変化してもＨｐ＞Ｈｓ、かつ−Ｈｓ＞−Ｈｐの条件の充足を維持し得る範囲に制限される。この結果、検出可能な被検出電流の範囲を拡大することが難しいという問題がある。

この点、励磁手段からコイルに印加する励磁信号の電流を大きくし、またはコイルの巻数を増やすことで磁界Ｍ１の振幅を大きくすることができ、これにより検出可能な被検出電流の範囲を拡大することができる。しかしながら、コイルの巻数を増やすと、コイルのインダクタンスが増加し、この結果、励磁信号の三角波の波形がなまってしまい、上述した時点ｔａ、ｔｂの検出精度が低下するおそれがある。また、励磁信号の波形がなまると、必要な検出精度を確保しつつ励磁信号の周波数を高めることが困難になり、検出の応答性を高めることが難しくなる。また、磁界Ｍ１の振幅を大きくすると、磁界Ｍ１に対応する電流が被検出物に流入する程度が大きくなってしまう。また、磁界Ｍ１の振幅を大きくすると、被検出電流の変化量に対する、時点ｔａ−ｔｂ間の時間の変化量が相対的に小さくなるため、電流検出の分解能（精密度）を高めることが難しくなる。

本発明は例えば上述したような問題に鑑みされたものであり、本発明の課題は、高い検出精度を確保しながら、検出可能な電流の大きさの範囲を拡大することができる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、本発明の第１の電流センサは、被検出物を流れる被検出電流を検出する電流センサであって、コアと、前記コアに巻回された第１のコイルと、前記コアを正側で飽和させる電流値と前記コアを負側で飽和させる電流値との差よりも電流のピークツーピーク値が大きい交流の励磁信号を前記第１のコイルに印加する励磁回路と、前記コアに巻回された第２のコイルと、直流のオフセット信号を前記第２のコイルに印加するオフセット回路と、前記励磁信号の印加により、または前記励磁信号および前記オフセット信号の印加により前記コアが正側および負側のうちの一方の側で飽和した時点とこれに引き続いて前記コアが正側および負側のうちの他方の側で飽和した時点との時間差に基づいて前記被検出電流を検出する検出回路とを備えていることを特徴とする。

本発明の第１の電流センサにおいて、励磁回路により励磁信号を第１のコイルに印加する。励磁信号は、コアを正側で飽和させる電流値とコアを負側で飽和させる電流値との差よりも電流のピークツーピーク値が大きい交流信号である。したがって、励磁信号を第１のコイルに印加したときに、被検出物に被検出電流が流れておらず、かつオフセット信号の電流値が０である場合には、励磁信号の正側のピーク値がコアを正側で飽和させる電流値よりも大きくなり、かつ励磁信号の負側のピーク値がコアを負側で飽和させる電流値よりも小さくなる（負方向において大きくなる）。これにより、励磁信号の振幅の変化に応じて変化する磁界がコアに与えられ、コアの正側での飽和と負側での飽和が励磁信号の周期に応じて生じる。このとき、コアが正側（または負側）で飽和した時点とこれに引き続いてコアが負側（または正側）で飽和した時点との時間差、すなわち、コアが飽和した時点とコアがその後いったん非飽和となり再び飽和した時点との時間差はある一定の値になる。

被検出物に被検出電流が流れると、被検出電流が流れたことによって生じる磁界がコアに与えられる。これにより、コアには、励磁信号による磁界と被検出電流による磁界とが与えられることとなる。これにより、コアが正側で飽和する時点と負側で飽和する時点がそれぞれ変化し、この結果、コアが正側（または負側）で飽和する時点とこれに引き続いてコアが負側（または正側）で飽和する時点との時間差が変化する。この時間差は被検出電流の向きおよび大きさに応じて定まる。したがって、この時間差に基づいて被検出電流の向きおよび大きさを検出することができる。

被検出物を一方向または他方向に流れる被検出電流が大幅に大きくなると、被検出電流によりコアに与えられる磁界が大幅に大きくなるため、オフセット信号の電流値が０である場合には、コアが正側および負側のいずれか一方で飽和しなくなるといった現象が起こり得る。このような現象が起こると、コアが正側（または負側）で飽和した時点とこれに引き続いてコアが負側（または正側）で飽和した時点との時間差を得ることができなくなる。

例えばこのような現象の起こることが予想される場合には、オフセット信号の電流値を０以外の所定の電流値に設定する。当該オフセット信号は第２のコイルに印加され、これにより、オフセット信号により生じた磁界がコアに与えられる。この結果、コアには、励磁信号による磁界と、被検出電流による磁界と、オフセット信号による磁界とが与えられることとなる。ここで、オフセット信号によりコアに与えられる磁界の方向が、被検出電流によりコアに与えられる磁界の方向と反対方向となるように、オフセット信号に設定する電流値を選択する。これにより、被検出電流によりコアに与えられている磁界からオフセット信号によりコアに与えられている磁界が差し引かれるため、被検出電流によりコアに与えられる磁界が小さくなる。この結果、コアが正側および負側のいずれか一方で飽和しなくなるといった現象が起こらなくなり、コアが正側（または負側）で飽和した時点とこれに引き続いてコアが負側（または正側）で飽和した時点との時間差を得ることが可能になる。

オフセット信号の電流値を０以外の所定の電流値に設定した場合には、上記時間差に基づいて被検出電流の向きおよび大きさを検出する際に、オフセット信号によるコアの磁界の変化分を考慮する。これにより、被検出物を流れる被検出電流が大幅に大きくなった場合でも、この被検出電流の向きおよび大きさを検出することができる。

このように、本発明の第１の電流センサによれば、被検出電流の大きさに応じてオフセット信号の電流値の選択・設定を適切に行うことにより、広範囲の被検出電流を検出することができる。したがって、検出可能な被検出電流の範囲を拡大するために励磁信号の振幅を大きくする必要がなく、励磁信号の電流を大きくする必要がなく、また、第１のコイルの巻数を増やす必要がない。第１のコイルの巻数の増加を抑えることができれば、第１のコイルのインダクタンスの増加をも抑えることができ、励磁信号の波形のなまりを少なくすることができる。波形のなまりが少ない励磁信号によれば、コアが飽和する各時点の検出精度を高めることができ、被検出電流の向きおよび大きさに応じた両時点間の時間差を高精度に検出することができ、被検出電流の検出精度を向上させることができる。また、第１のコイルのインダクタンスを低くすることができれば、励磁信号の周波数を上げても、波形のなまりが少ない励磁信号を実現することができるので、励磁信号の周波数を上げて被検出電流の検出精度をより向上させ、また、応答性を良くすることができる。また、励磁信号の印加によりコアに与えられる交流の磁界の振幅を抑えることができるので、励磁信号の印加に起因する交流電流の被検出物への流入を抑えることができる。

また、本発明の電流センサによる検出方法では、被検出物を流れる被検出電流の大きさが変化すると、コアが正側（または負側）で飽和する時点とこれに引き続いてコアが負側（または正側）で飽和する時点との時間差が変化し、被検出電流の変化量に対応して上記時間差の変化量が定まる。このため、仮に励磁信号の周波数を維持したまま、励磁信号によりコアに与える磁界の振幅を大きくすると、被検出電流の変化量に対する上記時間差の変化量が相対的に小さくなり、被検出電流の検出の分解能（精密度）が低くなる。この点、本発明の第１の電流センサによれば、励磁信号によりコアに与えられる磁界の振幅を小さい振幅に留めることができるので、被検出電流の変化量に対する上記時間差の変化量を相対的に大きくすることができ、被検出電流の検出の分解能（精密度）を向上させることができる。すなわち、本発明の第１の電流センサによれば、被検出電流の検出分解能の向上と検出可能な被検出電流の範囲の拡大とを同時に実現することができる。

上記課題を解決するために、本発明の第２の電流センサは、上述した本発明の第１の電流センサにおいて、前記オフセット回路は前記オフセット信号を生成する定電流源を備えていることを特徴とする。

本発明の第２の電流センサによれば、理想的には無限大の内部インピーダンスを有する定電流源を備えることにより、オフセット回路の内部インピーダンスを理想的に無限大とすることができる。これにより、励磁信号を出力する励磁回路の消費電流を抑えることができる。また、励磁信号の影響によるオフセット信号の変動を抑えることができ、被検出電流の検出の高精度化を容易に図ることが可能になる。

すなわち、仮にオフセット回路の内部インピーダンスが低い場合には、励磁回路に接続された第１のコイルとオフセット回路に接続された第２のコイルとの間の磁気的な結合により、励磁回路側から見たときにオフセット回路が励磁回路の負荷となるため、励磁回路の消費電流が増加する。また、励磁信号の第１のコイルへの印加によって第２のコイルに生じる起電力により、励磁信号に応じた信号がオフセット回路に流れてしまい、このためにオフセット信号が変動してしまう。オフセット信号が励磁信号に応じて変動すると、コアが飽和する各時点も変動するため、被検出電流を精度良く検出することが困難になる。本発明の第２の電流センサによればこのような不都合を防止することができる。

上記課題を解決するために、本発明の第３の電流センサは、上述した本発明の第１の電流センサにおいて、前記オフセット回路は演算増幅器を備え、前記演算増幅器の反転入力端子には入力電圧が印加され、前記演算増幅器の非反転入力端子はグランド側に接続され、前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子との間を接続する経路の途中には前記第２のコイルが接続されていることを特徴とする。

本発明の第３の電流センサによれば、理想的に無限大の内部インピーダンスを有するオフセット回路を容易に形成することができる。これにより、励磁回路の消費電流を抑えることができると共に、被検出電流の検出の高精度化を容易に図ることができる。

上記課題を解決するために、本発明の第４の電流センサは、上述した本発明の第１ないし第３の電流センサにおいて、前記オフセット回路は、前記オフセット信号の電流値を一の電流値から他の電流値へ切り換える電流値切換回路を備えていることを特徴とする。

本発明の第４の電流センサによれば、オフセット信号の電流値を切り換えることにより、被検出電流の検出可能範囲を変えることができる。

上記課題を解決するために、本発明の第５の電流センサは、上述した本発明の第４の電流センサにおいて、前記電流値切換回路は、前記被検出電流の予め定められた複数の検出可能範囲にそれぞれ対応する複数の設定電流値の中から１つの設定電流値を選択し、当該選択した設定電流値を前記オフセット信号の電流値として設定することで前記被検出電流の検出可能範囲を切り換えることを特徴とする。

本発明の第５の電流センサによれば、オフセット電流の設定電流値を選択することにより、被検出電流の検出可能範囲を選択することができる。これにより、広範囲の被検出電流を検出することができる。

上記課題を解決するために、本発明の第６の電流センサは、上述した本発明の第１ないし第５の電流センサにおいて、前記励磁信号は三角波または疑似三角波であることを特徴とする。

本発明の第６の電流センサによれば、被検出電流の検出精度を高めることができる。すなわち、励磁信号を三角波とすることにより、励磁信号の一方のピークから他方のピークにかけての電流の変化をリニアにすることができる。したがって、三角波の励磁信号を第１のコイルに印加により、一方のピークから他方のピークにかけてリニアに変化する磁界をコアに与えることができる。上述したように、本発明の電流センサによる検出方法では、被検出物を流れる被検出電流の大きさが変化すると、コアが正側（または負側）で飽和する時点とこれに引き続いてコアが負側（または正側）で飽和する時点との時間差が変化し、被検出電流の変化量に対応して上記時間差の変化量が定まる。励磁信号の印加によりコアに与える磁界を、一方のピークから他方のピークにかけてリニアに変化する磁界とすることにより、被検出電流の変化に対する上記時間差の変化がリニアになる。これにより、被検出電流に対応した上記時間差を容易にかつ高精度に検出することができ、したがって、被検出電流の検出精度を向上させることができる。また、励磁信号が疑似三角波である場合でも、被検出電流の検出精度を、励磁信号が三角波である場合における被検出電流の検出精度に近づけることができる。

上記課題を解決するために、本発明の第７の電流センサは、上述した本発明の第１ないし第６の電流センサにおいて、前記検出回路は、前記励磁信号の印加により、または前記励磁信号および前記オフセット信号の印加により前記第１のコイルに生じる誘導起電力を示す検出信号を出力する検出処理部と、前記検出信号のピーク、または前記検出信号においてそのピークから振幅の中間に向かって変化する間に前記検出信号の出力値の絶対値が所定の基準値に達する点を検出点とすると、前記検出信号において連続する２つの前記検出点間の時間差を示す出力信号を出力する出力処理部とを備えていることを特徴とする。

本発明の第７の電流センサによれば、出力処理部から出力される出力信号を用いることにより、被検出電流の向きおよび大きさを高精度に検出することができる。

本発明によれば、高い検出精度を確保しながら、検出可能な電流の大きさの範囲を拡大することができる。

本発明の実施形態による電流センサを示す回路図である。本発明の実施形態による電流センサにおけるコアの磁気特性を示す特性線図である。本発明の実施形態による電流センサの基本的な検出動作（被検出電流が流れておらず、オフセット信号の電流値が０である場合）を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態による電流センサの基本的な検出動作（被検出電流が流れており、オフセット信号の電流値が０である場合）を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態による電流センサにおいてコアの磁気特性のばらつきによる被検出電流の検出誤差を解消する仕組みを示す説明図である。本発明の実施形態による電流センサのオフセット回路の具体例を示す回路図である。本発明の実施形態による電流センサにおける被検出電流の検出可能範囲を示す説明図である。本発明の実施形態による電流センサのオフセット回路の別の具体例を示す回路図である。本発明の実施形態による電流センサのオフセット回路のさらに別の具体例を示す回路図である。コアに与えられる磁界を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（電流センサの基本的な構成）
図１は本発明の実施形態による電流センサを示している。図１において、本発明の実施形態による電流センサ１は、例えば被検出物としての導線６１を流れる被検出電流の大きさおよび向きを検出することができる。電流センサ１は、コア１１と、コア１１に巻回された励磁検出コイル１２と、励磁検出コイル１２に励磁信号を印加すると共に被検出電流を検出する励磁検出回路１３と、コア１１に巻回されたオフセットコイル１４と、オフセットコイル１４にオフセット信号を印加するオフセット回路１５とを備えている。そして、励磁検出回路１３は、励磁信号を生成する励磁部１６と、励磁検出コイル１２を流れる電流を検出信号として出力する検出処理部１７と、検出処理部１７から出力された検出信号に対して所定の信号処理を行い、被検出電流の大きさおよび向きを示す出力パルス信号を出力する出力処理部１８とを備えている。

図２はコア１１の磁気特性を示すＢ−Ｈ曲線を示している。図２に示すように、コア１１の磁気特性はヒステリシスを有する。また、コア１１において、磁界の強さが正方向において増加して一定値Ｈａ１に達したときに磁束密度が飽和磁束密度Ｂａとなり、コア１１が図２中の点Ｐ１で飽和する。また、コア１１が点Ｐ１で飽和した後、磁界の強さが正方向において減少し、０に達した後、負方向において増加した場合、この過程において、磁界の強さがＨａ２に達する点Ｐ２でコア１１が非飽和となる。そして、コア１１において、磁界の強さが一定値−Ｈａ１に達したときに磁束密度が飽和磁束密度−Ｂａとなり、コア１１が点Ｐ３で飽和する。ここで、コア１１がいったん点Ｐ２で非飽和となってから点Ｐ３で飽和するまでの間、磁界の強さと磁束密度との関係がほぼ線形であり、磁界の強さの変化に比例して磁束密度が変化する。それゆえ、図２中のＢ−Ｈ曲線において点Ｐ２から点Ｐ３までの間は実質的にみて傾きを有する直線である。一方、コア１１が点Ｐ３で飽和した後、磁界の強さが負方向において減少し、０に達した後、正方向において増加した場合、この過程において、磁界の強さが−Ｈａ２に達する点Ｐ４でコア１１が非飽和となる。ここで、コア１１がいったん点Ｐ４で非飽和となってから点Ｐ１で飽和するまでの間において、磁界の強さと磁束密度との関係がほぼ線形であり、それゆえ、図２中のＢ−Ｈ曲線において点Ｐ４から点Ｐ１までの間は実質的にみて傾きを有する直線である。

なお、磁界の強さが一定値に達したときに、磁束密度が正側（負側）の飽和磁束密度から負側（正側）の飽和磁束密度へ瞬時に変化する磁気特性を有するコアをコア１１として利用することも可能である。しかしながら、図２に示すように、磁界の強さが一定の区間Ｐ２−Ｐ３（Ｐ４−Ｐ１）で変化する間において、磁束密度が正側（負側）の飽和磁束密度Ｂａ（−Ｂａ）から負側（正側）の飽和磁束密度−Ｂａ（Ｂａ）へ磁界の強さに比例して漸次変化する磁気特性を有するコアをコア１１として利用することもできる。本実施形態では後者のコアをコア１１として利用している。

コア１１は、図２に示すような磁気特性を有する磁性材料、例えばアモルファス金属により形成されている。また、コア１１は、図１に示すように、真円の円形であり環状であることが望ましいが、楕円形の環状、あるいは陸上競技が行われるトラックのように互いに平行な２本の直線とそれらをつなぐ２本の曲線とを有する形状でもよい。また、製造の容易性を考慮してコア１１を四角形の環状とすることもできる。また、被検出電流が流れる導線６１がコア１１の中心を貫くように、コア１１と導線６１との位置関係が設定されている。

図１中の励磁検出回路１３において、励磁部１６は、励磁信号を生成する発振回路を備えている。励磁信号は、コア１１を正側で飽和させる電流値とコア１１を負側で飽和させる電流値との差よりも電流のピークツーピーク値（ピークピーク値）が大きい交流信号である。また、励磁信号は、三角波、疑似三角波、または正弦波等の信号を用いることができる。しかしながら、励磁信号は、正側（または負側）のピークとこれに引き続く負側（または正側）のピークとの間における電流の変化がリニア（１次変化）であることが望ましく、この点から、正弦波よりも疑似三角波が望ましく、疑似三角波よりも三角波が望ましい。本実施形態における励磁信号は三角波である。三角波の励磁信号を励磁検出コイル１２に印加することにより、正側（または負側）のピークとこれに引き続く負側（または正側）のピークとの間における変化がリニアである磁界をコア１１に与えることができる。後述するように、電流センサ１による検出方法では、被検出電流の大きさが変化すると、コア１１が正側で飽和する時点とこれに引き続いてコア１１が負側で飽和する時点との時間差が変化し、被検出電流の変化量に対応して上記時間差の変化量が定まる。励磁信号の印加によりコア１１に与える磁界を、正側（または負側）のピークとこれに引き続く負側（または正側）のピークとの間における変化がリニアである磁界とすることにより、被検出電流の変化に対する上記時間差の変化がリニアになる。これにより、被検出電流に対応した上記時間差を容易にかつ高精度に検出することができ、したがって、被検出電流の検出精度を向上させることができる。

検出処理部１７は、励磁信号の印加により励磁検出コイル１２に生じる誘導起電力を示す信号を検出信号として出力する回路である。検出処理部１７は、演算増幅器２１を備え、演算増幅器２１の反転入力端子には抵抗２２を介して励磁部１６が接続され、演算増幅器２１の出力端子と反転入力端子との間を接続する帰還経路の途中には、コア１１に巻回された励磁検出コイル１２が接続されている。励磁部１６において生成された励磁信号は演算増幅器２１の反転入力端子に入力される。そして、演算増幅器２１の出力端子から検出信号が出力される。検出処理部１７は、抵抗２２の抵抗値をＲ１とし、励磁検出コイル１２のインピーダンスをＺ_Ｌとすると、｜Ｚ_Ｌ／Ｒ１｜の増幅率を有する反転増幅回路と同等の構成を有している。

出力処理部１８は、検出信号において連続する２つの検出点間の時間差に対応するパルス幅を有する出力パルス信号を生成する回路である。検出点とは、検出処理部１７から出力された検出信号において、検出信号の振幅の中間を０とした場合に、検出信号のピークから振幅の中間に向かって変化する間に当該検出信号の出力値の絶対値が所定の基準値に達する点である。検出信号において連続する２つの検出点間の時間差は、励磁信号の印加によってコア１１が正側で飽和する時点とこれに引き続いてコア１１が負側で飽和する時点との時間差に相当する。そして、この時間差は、導線６１を流れる被検出電流の大きさおよび向きに応じて変化する。したがって、出力パルス信号のパルス幅またはパルスデューティ比は、導線６１を流れる被検出電流の大きさおよび向きを示す。出力処理部１８は、検出信号の振幅の中間よりも正側に位置する検出点を検出する比較回路２５と、検出信号の振幅の中間よりも負側に位置する検出点を検出する比較回路２６と、正側の検出点において立ち上がり、負側の検出点において立ち下がる出力パルス信号を生成するネガティブエッジトリガのフリップフロップ回路２７とを備えている。検出処理部１７から出力された検出信号は比較回路２５、２６にそれぞれ入力される。そして、フリップフロップ回路２７から出力パルス信号が出力される。

オフセット回路１５は、オフセットコイル１４に印加するオフセット信号の電流値を切り換えることにより被検出電流の検出可能範囲を切り換える回路である。オフセット回路１５については後述する。

（基本的な検出動作）
図３は、電流センサ１において、後述のオフセット信号の電流値が０であり、かつ導線６１に被検出電流が流れていない場合のコア１１の磁界の強さ、検出信号の電圧および出力パルス信号のレベルを示すタイミングチャートである。

図３において、励磁信号を励磁検出コイル１２に印加すると、励磁信号により生じた磁界がコア１１に与えられる。これにより、励磁信号に応じてコア１１における磁界の強さが特性線Ｓ１のように変化する。このとき、コア１１における磁界の強さは励磁信号の電流の大きさに比例する。励磁信号は三角波なので、コア１１における磁界の強さも三角波を描くように変化し、それゆえ特性線Ｓ１は三角波となる。励磁信号は、コア１１を正側で飽和させる電流値とコア１１を負側で飽和させる電流値との差よりも電流のピークツーピーク値が大きい交流信号であるので、オフセット信号の電流値が０であり、かつ被検出電流が流れていない場合には、励磁信号において各ピーク時における電流の大きさがコア１１を飽和する電流の大きさを超える。このため、励磁信号が印加されている間、コア１１は次に述べるように飽和、非飽和を繰り返す。

すなわち、図３において、時点ｔ０から時点ｔ１に達する直前までの間、励磁信号の電流が正方向において増加すると、これに応じて磁界の強さが正方向において増加する。そして、時点ｔ１において磁界の強さが一定値Ｈａ１に達すると、コア１１が飽和する。

続いて、時点ｔ１から時点ｔ２に達する直前までの間、励磁信号の電流が正方向においてさらに増加し、ピークに達した後、正方向において減少すると、これに対応し、磁界の強さが正方向において増加し、ピークＨｋに達した後、正方向において減少する。そして、時点ｔ２において磁界の強さがＨａ２に達したとき、コア１１が非飽和の状態となる。

続いて、時点ｔ２から時点ｔ３に達する直前までの間、励磁信号において電流が正方向においてさらに減少し、０に達した後、負方向において増加すると、これに対応し、磁界の強さも、正方向において減少し、０に達した後、負方向において増加する。そして、時点ｔ３において磁界の強さが一定値−Ｈａ１に達したとき、コア１１が飽和する。

続いて、時点ｔ３から時点ｔ４に達する直前までの間、励磁信号において電流が負方向においてさらに増加し、ピークに達した後、負方向において減少すると、これに対応し、磁界の強さが負方向において増加し、ピーク−Ｈｋに達した後、負方向において減少する。そして、時点ｔ４において磁界の強さが−Ｈａ２に達したとき、コア１１が非飽和の状態となる。

続いて、時点ｔ４から時点ｔ５に達する直前までの間、励磁信号において電流が負方向においてさらに減少し、０に達した後、正方向において増加すると、磁界の強さもこれに対応し、負方向において減少し、０に達した後、正方向において増加する。続いて、時点ｔ５から時点ｔ９直前までの間およびそれ以降においても、時点ｔ１から時点ｔ５直前までの間と同様に、コア１１の飽和、非飽和が繰り返される。

図３において、コア１１における磁界の強さが特性線Ｓ１のように変化すると、これに応じて、励磁検出コイル１２に流れる電流の大きさが変化し、この結果、検出信号Ｓ２の電圧が変化する。

すなわち、時点ｔ０から時点ｔ１に達する直前までの間、磁界の強さの増加に伴って検出信号Ｓ２の電圧が増加する。そして、時点ｔ１においてコア１１が飽和したとき、コア１１の飽和により励磁検出コイル１２に電流が流れなくなるので、検出信号Ｓ２の電圧は０となる。しかも、コア１１は磁界の強さが一定値Ｈａ１に達した時点で直ちに飽和するので、時点ｔ１で磁界の強さが一定値Ｈａ１に達すると、検出信号Ｓ２の電圧が直ちに０になる。この結果、時点ｔ１における検出信号Ｓ２の波形は時間軸に対してほぼ垂直となる。

続いて、時点ｔ１から時点ｔ２に達する直前までの間は、コア１１が飽和しているので、検出信号Ｓ２の電圧は０を維持する。続いて、時点ｔ２から時点ｔ３に達する直前までの間は、コア１１が非飽和の状態であるので、磁界の強さが正方向において減少し、０に達した後、負方向において増加するのに伴って、検出信号Ｓ２の電圧は負方向に増加する。そして、時点ｔ３においてコア１１が飽和したとき、コア１１の飽和により励磁検出コイル１２に電流が流れなくなるので、検出信号Ｓ２の電圧が０になる。しかも、コア１１は磁界の強さが一定値−Ｈａ１に達した時点で直ちに飽和するので、時点ｔ３で磁界の強さが一定値−Ｈａ１に達すると、検出信号Ｓ２の電圧が直ちに０になる。この結果、時点ｔ３における検出信号Ｓ２の波形は時間軸に対してほぼ垂直となる。

続いて、時点ｔ３から時点ｔ４に達する直前までの間は、コア１１が飽和しているので、検出信号Ｓ２の電圧は０を維持する。続いて、時点ｔ４から時点ｔ５に達する直前までの間は、コア１１が非飽和の状態であるので、磁界の強さが負方向において減少し、０に達した後、正方向において増加するのに伴って、検出信号Ｓ２の電圧は正方向に増加する。続いて、時点ｔ５から時点ｔ９直前までの間およびそれ以降においても、時点ｔ１から時点ｔ５直前までの間と同様に検出信号Ｓ２の電圧が変化する。

図３において、検出信号Ｓ２は出力処理部１８に入力され、出力処理部１８により、検出信号Ｓ２において連続する２つの検出点間の時間差に対応するパルス幅Ｗを有する出力パルス信号Ｓ３が生成される。

ここで、検出信号Ｓ２の振幅の中間（電圧０）よりも正側に位置するピークから振幅の中間に向かって変化する間に検出信号Ｓ２の電圧（出力値）が所定の基準値Ｖｒ１に達する点が正側の検出点Ｄｐである。検出点Ｄｐが位置する時点は、励磁信号の印加によってコア１１が飽和した時点であり、例えば時点ｔ１、ｔ５である。また、検出信号Ｓ２の振幅の中間よりも負側に位置するピークから振幅の中間に向かって変化する間に検出信号Ｓ２の電圧が所定の基準値Ｖｒ２に達する点が正側の検出点Ｄｎである。検出点Ｄｎが位置する時点は、正側で飽和していたコア１１がその後いったん非飽和となり引き続き負側で再び飽和した時点であり、例えば時点ｔ３、ｔ７である。なお、基準値Ｖｒ１と基準値Ｖｒ２は、検出信号Ｓ２の振幅の中間からそれぞれ正側と負側に同じ大きさ離れている。すなわち、本実施形態においては、検出信号Ｓ２の振幅の中間が電圧０なので、基準値Ｖｒ１の絶対値と基準値Ｖｒ２の絶対値とが等しくなる。

出力処理部１８において、比較回路２５は、検出信号Ｓ２の電圧が、検出信号Ｓ２の振幅の中間から振幅の正側のピークに向かって変化する間に、基準値Ｖｒ１に達した時点で立ち上がり、検出信号Ｓ２の電圧が、検出信号Ｓ２の振幅の正側のピークから振幅の中間に向かって変化する間に基準値Ｖｒ１に達した時点、すなわち検出点Ｄｐに対応する時点で立ち下がるパルス信号を生成する。また、比較回路２６は、検出信号Ｓ２の電圧が、検出信号Ｓ２の振幅の中間から振幅の負側のピークに向かって変化する間に基準値Ｖｒ２に達した時点で立ち上がり、検出信号Ｓ２の電圧が、検出信号Ｓ２の振幅の負側のピークから中間に向かって変化する間に基準値Ｖｒ２に達した時点、すなわち検出点Ｄｎに対応する時点で立ち下がるパルス信号を生成する。そして、ネガティブエッジトリガのフリップフロップ回路２７は、比較回路２５により生成されたパルス信号の立ち下がりによりセットされ、比較回路２６により生成されたパルス信号の立ち下がりによりリセットされる。この結果、フリップフロップ回路２７は、検出点Ｄｐでセットされ、検出点Ｄｎでリセットされることとなり、それゆえ、フリップフロップ回路２７からは、検出信号Ｓ２において連続する２つの検出点Ｄｐ、Ｄｎ間の時間差に対応するパルス幅Ｗを有する出力パルス信号Ｓ３が出力される。

図４は、電流センサ１において、オフセット信号の電流値が０であり、導線６１に被検出電流が流れている場合のコア１１の磁界の強さ、検出信号の電圧および出力パルス信号のレベルを示すタイミングチャートである。

図４において、励磁信号の印加によりコア１１における磁界の強さが三角波を描くように変化している間に、導線６１に被検出電流が流れると、被検出電流により生じた磁界（外部磁界）がコア１１に与えられる。したがって、コア１１には、励磁信号による磁界と被検出電流による磁界が与えられることとなる。この結果、コア１１における磁界の強さを示す特性線Ｓ１が、導線６１を流れる被検出電流の大きさおよび向きに応じて正方向（上方向）または負方向（下方向）にシフトする。

図４は、導線６１に被検出電流が流れたことにより、コア１１における磁界の強さを示す特性線Ｓ１が負方向にシフトした状態を示している。コア１１における磁界の強さを示す特性線Ｓ１が負方向にシフトすると、コア１１が飽和するタイミングが変化する。コア１１が飽和するタイミングが変化すると、検出信号Ｓ２において、検出点Ｄｐが位置する時点が例えば図３中の時点ｔ１から図４中の時点ｔ１１に変化すると共に、検出点Ｄｎが位置する時点が図３中の時点ｔ３から図４中の時点ｔ１３に変化する。この結果、出力パルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗが変化する。

出力パルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗの変化量および変化の方向は、コア１１における磁界の強さを示す特性線Ｓ１のシフト量およびシフト方向に対応し、特性線Ｓ１のシフト量およびシフト方向は、導線６１に流れた被検出電流の大きさおよび向きに対応するので、出力パルス信号Ｓ３のパルス幅Ｗまたはパルスデューティ比から、導線６１に流れた被検出電流の大きさおよび向きを認識することができる。

図５は、電流センサ１において、オフセット信号の電流値が０であり、導線６１に被検出電流が流れていない状態で、コア１１の磁気特性が変化した場合のコア１１の磁界の強さ、および出力パルス信号のレベルを示すタイミングチャートである。図５中の上段の特性線Ｓ１は、励磁部１６により三角波の励磁信号が印加されたコア１１における磁界の強さを示し、図３中の上段に示すものと同じである。図５中の中段の出力パルス信号Ｓ３は、コア１１が飽和する磁界の強さがＨａ１、−Ｈａ１である場合に出力処理部１８から出力される出力パルス信号であり、図３中の下段に示すものと同じである。図５中の下段の出力パルス信号Ｓ３１は、コア１１の磁気特性が変化し、コア１１が飽和する磁界の強さがＨｂ１、−Ｈｂ１となった場合に出力処理部１６から出力される出力パルス信号である。

コア１１の磁気特性は、コア１１の寸法誤差や周囲の温度の変化等によってばらつく。例えば、コア１１の周囲の温度の変化によって、図２中の二点鎖線で示すようにコア１１の磁気特性が変化し、このため、コア１１が飽和する磁界の強さがＨａ１、−Ｈａ１からＨｂ１、−Ｈｂ１にそれぞれずれたとする。コア１１が飽和する磁界の強さがこのようにずれると、図５に示すように、三角波の励磁信号の励磁によってコア１１が飽和する時点がずれる。例えば、正側でコア１１が飽和する時点が時点ｔ１から時点ｔ２１にずれ、負側でコアが飽和する時点が時点ｔ３から時点ｔ２３にずれる。また、同様に、正側でコア１１が飽和する時点が時点ｔ５から時点ｔ２５にずれ、負側でコアが飽和する時点が時点ｔ７から時点ｔ２７にずれる。

しかしながら、Ｈａ１からＨｂ１へのずれ量と−Ｈａ１から−Ｈｂ１へのずれ量とが同等である場合には、励磁信号が三角波であるため、正側でコア１１が飽和する時点のずれ方向およびずれ量と、負側でコア１１が飽和する時点のずれ方向およびずれ量とは等しくなる。この結果、検出点Ｄｐと検出点Ｄｎとの間の時間差は、コア１１の磁気特性に変化が生じていない場合と生じている場合とで変わらず、それゆえ、出力パルス信号Ｓ３（Ｓ３１）におけるパルス幅Ｗは、コア１１の磁気特性に変化が生じていない場合と生じている場合とで変わらない。すなわち、コア１１の寸法誤差や周囲の温度の変化等によって、コア１１の磁気特性が変化しても、励磁信号の印加によってコア１１が正側で飽和した時点とこれに引き続いてコア１１が負側で飽和した時点との時間差は変化しない。

したがって、コア１１の磁気特性の変化によってコア１１が飽和する磁界の強さが正側で正方向に増加し、かつ負側で負方向に同等量増加した場合でも、または、コア１１の磁気特性の変化によってコア１１が飽和する磁界の強さが正側で正方向に減少し、かつ負側で負方向に同等量減少した場合でも、導線６１を流れる被検出電流の検出に誤差は生じない。すなわち、コア１１の磁気特性がコア１１の寸法誤差や周囲の温度の変化等によってばらついても、このコア１１の磁気特性のばらつきは、導線６１を流れる被検出電流の検出に影響しない。このように、本発明の実施形態による電流センサ１によれば、コア１１の磁気特性のばらつきのために、被検出電流の検出精度が低下することを防止することができる。

（オフセット回路の構成、検出可能範囲の切換）
電流センサ１は、被検出電流の検出可能範囲を切り換える機能を備えている。例えば図４に示すように、励磁信号が印加され、オフセット信号の電流値が０である間に、導線６１に被検出電流が流れると、励磁信号による磁界と被検出電流による磁界とがコア１１に与えられ、コア１１における磁界の強さを示す特性線Ｓ１が、導線６１を流れる被検出電流の大きさおよび向きに応じて正方向または負方向にシフトする。電流センサ１は、上述したように、コア１１が正側で飽和した時点とこれに引き続いてコア１１が負側で飽和した時点との時間差に基づいて被検出電流を検出するため、被検出電流の検出を実現するためには、励磁信号が１周期進む間に、コア１１において正側での飽和と負側での飽和が生じなければならない。このためには、コア１１における磁界の強さが正側においてピークＨｋとなったときにコアが正側で飽和しており、かつコア１１における磁界の強さが負側においてピーク−Ｈｋとなったときにコアが負側で飽和しているという状態が確保されていなければならず、すなわち、特性線Ｓ１において、Ｈｋ＞Ｈａ１かつ−Ｈｋ＞−Ｈａ１の条件を常に充たしていなければならない。この結果、オフセット信号の電流値が０である限り、特性線Ｓ１がシフト可能な範囲は、Ｈｋ＞Ｈａ１かつ−Ｈｋ＞−Ｈａ１の条件を充たす範囲に制限され、そして、被検出電流の検出可能範囲が、この制限された特性線Ｓ１のシフト可能範囲に制限される。ところが、本発明の実施形態による電流センサ１は、オフセット回路１５を備えており、オフセット回路１５により、オフセット信号の電流値を０だけでなく、０以外の他の電流値に設定することで、被検出電流の検出可能範囲を切り換えることができる。

オフセット回路１５は、所定の電流値の直流のオフセット信号を生成する定電流源である。具体的には、オフセット回路１５は、図１に示すように、検出可能範囲設定部３１および演算増幅器３２を備え、検出可能範囲設定部３１は抵抗３３を介して演算増幅器３２の反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器３２の非反転入力端子はグランド側に接続され、演算増幅器３２の出力端子と反転入力端子との間を接続する帰還経路の途中にオフセットコイル１４が接続されている。ここで、図６はオフセット回路１５の内部構造をより具体的に示している。図６に示すように、オフセット回路１５の検出可能範囲設定部３１は、マイクロコンピュータ３５およびＤＡ（デジタル−アナログ）コンバータ３６を備えている。

マイクロコンピュータ３５は、予め定められた互いに異なる複数の被検出電流の検出可能範囲にそれぞれ対応する複数の指定信号（デジタル信号）を、外部からの入力に従って選択的に出力する機能を備えている。この機能は、所定のプログラムをマイクロコンピュータ３５に読み込ませて実行することにより実現することができる。マイクロコンピュータ３５から出力された指定信号はＤＡコンバータ３６に入力される。当該指定信号がＤＡコンバータ３６に入力されると、ＤＡコンバータ３６から出力される電圧が、当該指定信号に対応した直流の設定電圧になり、この設定電圧が抵抗３３を介して演算増幅器３２の反転入力端子に入力される。ここで、抵抗３３の抵抗値をＲ２とし、設定電圧の値をＶｓとすると、演算増幅器３２の帰還経路に流れる電流値は−Ｖｓ／Ｒ２となる。この電流値がオフセット信号の電流値（設定電流値）となる。

オフセット信号は直流であり、また、オフセット信号の電流値は、オフセット信号の向きが被検出電流の向きと逆となるように設定（選択）される。オフセット信号がオフセットコイル１４に印加されると、オフセット信号により生じた磁界がコア１１に与えられる。このとき、励磁信号が励磁検出コイル１２に印加され、かつ導線６１に被検出電流が流れている場合には、励磁信号による磁界と、オフセット信号による磁界と、被検出電流による磁界がコア１１に与えられる。被検出電流とオフセット信号とはいずれも直流であり、互いに向きが逆であるため、被検出電流によりコア１１に与えられる磁界と、オフセット信号によりコア１１に与えられる磁界とは互いに逆向きとなる。この結果、コア１１における磁界の直流成分の強さは、被検出電流による磁界の強さからオフセット信号による磁界の強さを差し引いた強さとなる。

このように、オフセット信号に設定する電流値により、コア１１における磁界の直流成分の強さを変化させることができるので、例えば予想される被検出電流の範囲に応じてオフセット信号の電流の向きおよび大きさを適切に設定することにより、被検出電流の向きおよび大きさに応じた特性線Ｓ１のシフト範囲をＨｋ＞Ｈａ１、かつ−Ｈｋ＞−Ｈａ１の条件を充たす範囲内に留めることができる。すなわち、オフセット信号の電流値を切り換えることで、被検出電流の検出可能範囲を切り換えることができる。

被検出電流の検出可能範囲、オフセット信号に設定すべき電流値等は、コア１１の磁気特性、励磁検出コイル１２の巻数、励磁信号の電流値、オフセットコイル１４の巻数等を考慮して定めることができる。

図７は、電流センサ１において予め定められた被検出電流の複数の検出可能範囲等の一例を示している。図７に示す例では、以下に示す如く、被検出電流の１１通りの検出可能範囲（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１）が定められている。

Ｎｏ．１： −２．７５Ａ〜−２．２５Ａ
Ｎｏ．２： −２．２５Ａ〜−１．７５Ａ
Ｎｏ．３： −１．７５Ａ〜−１．２５Ａ
Ｎｏ．４： −１．２５Ａ〜−０．７５Ａ
Ｎｏ．５： −０．７５Ａ〜−０．２５Ａ
Ｎｏ．６： −０．２５Ａ〜０．２５Ａ
Ｎｏ．７：０．２５Ａ〜０．７５Ａ
Ｎｏ．８：０．７５Ａ〜１．２５Ａ
Ｎｏ．９：１．２５Ａ〜１．７５Ａ
Ｎｏ．１０：１．７５Ａ〜２．２５Ａ
Ｎｏ．１１：２．２５Ａ〜２．７５Ａ
各検出可能範囲の上限と下限との差は０．５Ａであり、それぞれの検出可能範囲は連続する。検出可能範囲を切り換えることによりトータルで−２．７５Ａから２．７５Ａまでの被検出電流を検出することができる。また、図７中の特性線Ｓ４１は、各検出可能範囲における被検出電流と出力パルス信号のパルスデューティ比との関係を示している。ここでは、パルスデューティ比が２０％から８０％までの範囲を被検出電流の検出に使用することを想定している。

また、被検出電流の各検出可能範囲の中間の電流値の被検出電流が導線６１に流れたことによりコア１１に与えられる磁界の強さをＳｎとすると、オフセット信号の印加によりコア１１に与える磁界が−Ｓｎとなるように、各検出可能範囲に対応するオフセット信号の電流値を定める。例えば、Ｎｏ．１の検出可能範囲の中間の電流値（−２．５０Ａ）の被検出電流が導線６１に流れたことによりコア１１に与えられる磁界の強さをＳ１とすると、Ｎｏ．１の検出可能範囲が選択されたときには、図７に示すように、オフセット信号の印加によりコア１１に与える磁界が−Ｓ１となる電流値Ｉ１がオフセット信号の電流値として設定されるようにする。また、Ｎｏ．２の検出可能範囲の中間の電流値（−２．００Ａ）の被検出電流が導線６１に流れたことによりコア１１に与えられる磁界の強さをＳ２とすると、Ｎｏ．２の検出可能範囲が選択されたときには、オフセット信号の印加によりコア１１に与える磁界が−Ｓ２となる電流値Ｉ２がオフセット信号の電流値として設定されるようにする。同様に、Ｎｏ．３〜Ｎｏ．５の検出可能範囲が選択されたときには、電流値Ｉ３〜Ｉ５がオフセット信号の電流値としてそれぞれ設定されるようにする。また、Ｎｏ．６の検出可能範囲が選択されたときには、電流値Ｉ６がオフセット信号の電流値としてそれぞれ設定されるようにする。Ｎｏ．６の検出可能範囲の中間の電流値は０Ａであるので電流値Ｉ６は０Ａである。また、Ｎｏ．７〜１１の検出可能範囲が選択されたときには、電流値Ｉ７〜Ｉ１１がオフセット信号の電流値としてそれぞれ設定されるようにする。

例えば、導線６１を流れる被検出電流が−２．７５Ａ〜−２．２５Ａの範囲内であることが予想される場合には、Ｎｏ．１の検出可能範囲に対応する指定信号を出力すべき旨の指令をマイクロコンピュータ３５に入力する。これに応じ、マイクロコンピュータ３５は、Ｎｏ．１の検出可能範囲に対応する指定信号をＤＡコンバータ３６に出力し、ＤＡコンバータ３６は当該指定信号に対応した設定電圧を演算増幅器３２に出力する。この結果、オフセット信号の電流値が電流値Ｉ１に設定され、このオフセット信号がオフセットコイル１４に印加されることにより、−Ｓ１の磁界がコア１１に与えられる。この結果、電流センサ１にＮｏ．１の検出可能範囲が設定され、被検出電流が−２．７５Ａ〜−２．２５Ａの範囲内で変化する限り、被検出電流の向きおよび大きさを検出することが可能になる。

また、導線６１を流れる被検出電流が−２．２５Ａ〜−１．７５Ａの範囲内であることが予想される場合には、Ｎｏ．２の検出可能範囲に対応する指定信号を出力すべき旨の指令をマイクロコンピュータ３５に入力する。これに応じ、マイクロコンピュータ３５は、Ｎｏ．２の検出可能範囲に対応する指定信号をＤＡコンバータ３６に出力し、ＤＡコンバータ３６は当該指定信号に対応した設定電圧を演算増幅器３２に出力する。この結果、オフセット信号の電流値が電流値Ｉ２に設定され、このオフセット信号がオフセットコイル１４に印加されることにより、−Ｓ２の磁界がコア１１に与えられる。この結果、電流センサ１にＮｏ．２の検出可能範囲が設定され、被検出電流が−２．２５Ａ〜−１．７５Ａの範囲内で変化する限り、被検出電流の向きおよび大きさを検出することが可能になる。

また、導線６１を流れる被検出電流が−０．２５Ａ〜０．２５Ａの範囲内であることが予想される場合には、Ｎｏ．６の検出可能範囲に対応する指定信号を出力すべき旨の指令をマイクロコンピュータ３５に入力する。これに応じ、マイクロコンピュータ３５は、Ｎｏ．６の検出可能範囲に対応する指定信号をＤＡコンバータ３６に出力し、ＤＡコンバータ３６は当該指定信号に対応した設定電圧（０Ｖ）を演算増幅器３２に出力する。この結果、オフセット信号の電流値が電流値Ｉ６（０Ａ）に設定される。この場合、オフセット信号の印加による磁界はコア１１に与えられない。これにより、電流センサ１にＮｏ．６の検出可能範囲が設定され、被検出電流が−０．２５Ａ〜０．２５Ａの範囲内で変化する限り、被検出電流の向きおよび大きさを検出することが可能にある。

同様に、導線６１を流れる被検出電流が−１．７５Ａ〜−１．２５Ａ、−１．２５Ａ〜−０．７５Ａ、−０．７５Ａ〜−０．２５Ａ、０．２５Ａ〜０．７５Ａ、０．７５Ａ〜１．２５Ａ、１．２５Ａ〜１．７５Ａ、１．７５Ａ〜２．２５Ａまたは２．２５Ａ〜２．７５Ａの範囲内であることが予想される場合にも、同様に、オフセット信号の電流値がＩ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ７、Ｉ８、Ｉ９、Ｉ１０またはＩ１１に設定され、これにより電流センサ１にＮｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０またはＮｏ．１１の検出可能範囲が設定され、被検出電流がその設定された検出可能範囲内で変化する限り、被検出電流の向きおよび大きさを検出することが可能になる。

以上説明した通り、本発明の実施形態による電流センサ１によれば、全体的見て、検出可能な被検出電流の範囲を拡大することができる。また、検出可能な被検出電流の範囲の拡大を、オフセット信号の電流値を変更して被検出電流の検出可能範囲を切り換えることにより実現している。これにより、励磁信号の振幅を大きくすることなく、励磁信号の消費電流を増すことなく、励磁検出コイル１２の巻数を増やすことなく、検出可能な被検出電流の範囲を拡大することができる。

また、励磁検出コイル１２の巻数が増加しないので、励磁検出コイル１２のインダクタンスの増加を防止することができ、励磁信号のなまりを少なくすることができる。これにより、検出点Ｄｐ、Ｄｎ（図３参照）の検出精度を維持しつつ励磁信号の周波数を高めることができ、被電流検出の精度および応答性を向上させることができる。

また、励磁信号の振幅を大きくしないので、励磁信号の印加によりコア１１に与えられる交流磁界の振幅を抑えることができ、この交流磁界に起因する交流電流の被検出物への流入を抑えることができる。

また、電流センサ１によれば、オフセット信号の電流値を変更することによって被検出電流の検出可能範囲を切り換える構成としたので、被検出電流の検出の分解能（精密度）を高めることができる。すなわち、励磁信号の消費電流または励磁検出コイル１２の巻数を増加させて励磁信号によりコア１１に与えられる交流磁界の振幅を大きくすると、オフセット信号を印加しなくても、被検出電流の検出可能範囲をある程度大きくすることができる。しかしながら、この場合、励磁信号の周波数を低くしない限り、励磁信号の印加によってコア１１が正側で飽和した時点とこれに引き続いてコア１１が負側で飽和した時点との時間差の変化量と被検出電流の変化量との比が小さくなる。当該時間差の変化量と被検出電流の変化量との比が小さいと、被検出電流が変化しても、出力パルス信号のパルス幅が小幅にしか変化しないことになるので、出力パルス信号のパルス幅（パルスデューティ比）に基づいて被検出電流の大きさを精密に検出することが困難になる。

また、電流センサ１によれば、オフセット回路１５を定電流源としたことにより、オフセット回路１５の内部インピーダンスを理想上無限大（実際上略無限大）にすることができる。これにより、励磁信号がオフセット回路１５に流入するのを抑制することができ、励磁信号の影響によるオフセット信号の変動を抑えることができると共に、励磁信号の消費電流の増加を抑えることができる。

なお、上記実施形態では、図６に示すオフセット回路１５のように、演算増幅器３２の反転入力端子に入力する電圧を可変することによりオフセット信号の電流値を変更する回路を採用した。しかしながら、本発明はこれに限らない。オフセット回路として、演算増幅器３２の反転入力端子に接続する抵抗の抵抗値を可変にすることによりオフセット信号の電流値を変更する回路を採用することもできる。例えば、オフセット回路１５に代え、図８に示すオフセット回路４１を採用してもよい。図８において、オフセット回路４１は、演算増幅器３２の反転入力端子にラダー抵抗を接続することにより構成されている。すなわち、オフセット回路４１は、一定の電圧を出力する複数の出力ポートＰ０〜Ｐｎを有するマイクロコンピュータ４２を備え、出力ポートＰ０〜Ｐｎと演算増幅器３２の反転入力端子との間にラダー抵抗の回路４３が形成されている。マイクロコンピュータ４２によりそれぞれの出力ポートＰ０〜Ｐｎにおける電圧出力のＯＮ、ＯＦＦを設定・変更することにより、オフセット信号の電流値を切り換えることができる。

また、オフセット回路１５に代え、図９に示すオフセット回路５１を採用することもできる。すなわち、図９において、オフセット回路５１は、スイッチ５５および１対の定電流ダイオード５６が設けられた複数の経路と、スイッチ５５のみが設けられた１つの経路とからなる１対の回路５２、５３をオフセットコイル１４の端部にそれぞれ接続する構成である。各スイッチ５５のＯＮ、ＯＦＦを切り換えることにより、オフセット信号の電流値を切り換えることができる。

また、上記実施形態では、図７に示すように、被検出電流の１１通りの検出可能範囲を定める場合を例にあげたが、被検出電流の検出可能範囲の定め方はこれに限定されない。検出可能範囲の個数は２つ以上１０個以下でもよいし、１２個以上でもよい。また、個々の検出可能範囲の上限と下限との差は０．５Ａに限らず、他の値に定めてもよい。また、例えば被検出電流の変動範囲の中間点が０Ａから離れており、かつ被検出電流の変動範囲が小さい場合には、当該被検出電流の検出のみが可能となるように被検出電流の検出可能範囲を１つに設定してもよい。この場合には、当該被検出電流の検出を適切に行うことができるように、１つの一定の電流値を、オフセット信号の電流値として定めるようにオフセット回路を設計する。

また、上記実施形態において図１に示す出力処理部１８は、コア１１が正側および負側のうちの一方の側で飽和した時点とこれに引き続いてコア１１が正側および負側のうちの他方の側で飽和した時点との時間差を検出するのに適した出力パルス信号を生成する回路であるが、上記時間差の検出を実現するための手段は出力処理部１８に限らない。例えば、比較回路２５、２６から出力されたパルス信号をマイクロコンピュータに入力し、マイクロコンピュータにより、上記時間差を検出してもよい。また、検出処理部１７から出力された検出信号を、ＡＤ（アナログ−デジタル）コンバータによりデジタル信号に変換した後、デジタル信号処理ユニットにおいて、当該デジタル信号を用いて上記時間差を算出する構成としてもよい。この場合、例えばデジタル信号処理ユニットは、デジタル化された検出信号の波形におけるエッジ判定を行う飽和エッジ判定回路と、飽和エッジ判定回路によるエッジ判定の結果に基づいて検出信号に対応するデジタル信号におけるデューティ比を算出するデューティ算出回路とを設ける構成とする。

また、上述した実施形態では、導線６１を流れる被検出電流を検出する電流センサ１を例にあげたが、本発明はこれに限らない。本発明の電流センサは、その構造上、電流の検出だけでなく、磁界の検出にも広く適用することができる。

また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電流センサもまた本発明の技術思想に含まれる。

１電流センサ
１１コア
１２励磁検出コイル（第１のコイル）
１３励磁検出回路（励磁回路、検出回路）
１４オフセットコイル（第２のコイル）
１５、４１、５１オフセット回路
１６励磁部
１７検出処理部
１８出力処理部
３１検出可能範囲設定部（電流値切換回路）
３２演算増幅器
３３抵抗
３５マイクロコンピュータ
３６ＤＡコンバータ
６１導線（被検出物）

Claims

被検出物を流れる被検出電流を検出する電流センサであって、
コアと、
前記コアに巻回された第１のコイルと、
前記コアを正側で飽和させる電流値と前記コアを負側で飽和させる電流値との差よりも電流のピークツーピーク値が大きい交流の励磁信号を前記第１のコイルに印加する励磁回路と、
前記コアに巻回された第２のコイルと、
直流のオフセット信号を前記第２のコイルに印加するオフセット回路と、
前記励磁信号の印加により、または前記励磁信号および前記オフセット信号の印加により前記コアが正側および負側のうちの一方の側で飽和した時点とこれに引き続いて前記コアが正側および負側のうちの他方の側で飽和した時点との時間差に基づいて前記被検出電流を検出する検出回路とを備えていることを特徴とする電流センサ。
前記オフセット回路は前記オフセット信号を生成する定電流源を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記オフセット回路は演算増幅器を備え、前記演算増幅器の反転入力端子には入力電圧が印加され、前記演算増幅器の非反転入力端子はグランド側に接続され、前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子との間を接続する経路の途中には前記第２のコイルが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記オフセット回路は、前記オフセット信号の電流値を一の電流値から他の電流値へ切り換える電流値切換回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電流センサ。
前記電流値切換回路は、前記被検出電流の予め定められた複数の検出可能範囲にそれぞれ対応する複数の設定電流値の中から１つの設定電流値を選択し、当該選択した設定電流値を前記オフセット信号の電流値として設定することで前記被検出電流の検出可能範囲を切り換えることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
前記励磁信号は三角波または疑似三角波であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電流センサ。
前記検出回路は、
前記励磁信号の印加により、または前記励磁信号および前記オフセット信号の印加により前記第１のコイルに生じる誘導起電力を示す検出信号を出力する検出処理部と、
前記検出信号のピーク、または前記検出信号においてそのピークから振幅の中間に向かって変化する間に前記検出信号の出力値の絶対値が所定の基準値に達する点を検出点とすると、前記検出信号において連続する２つの前記検出点間の時間差を示す出力信号を出力する出力処理部とを備えていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電流センサ。