JP2017203712A - 電流センサー - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、小電流及び大電流のどちらでも測定可能な電流センサーを提供すること。【解決手段】電流センサーは、検出回路部と、帰還回路部とを備える。検出回路部は、第一磁性体コア及び第一コイルを有する。帰還回路部は、第二磁性体コア、第二コイル、及び導電路を有する。使用時には電流の測定対象とされる導体が第一磁性体コア及び第二磁性体コアの内周側に通される。導電路は第一磁性体コアの内周側に通されていて、第一磁性体コアの内部において導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる。導電路には抵抗値を変更可能に構成された可変抵抗部が設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、電流センサーに関する。

磁気平衡方式と呼ばれる方式を採用した電流センサーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の電流センサーでは、環状コアにギャップが設けられて、そのギャップにホール素子が配置されている。また、環状コアにはコイルが設けられている。被測定電流が流れる電線（本開示でいう導体の一例に相当。）は、環状コアの内周側に通される。

電線に被測定電流が流れた際には、その被測定電流が流れるのに伴って環状コア内部で発生する磁界をホール素子で検知し、その検知信号に応じてコイルにフィードバック電流を流すことにより、環状コア内部に発生する磁界を打ち消すように作用させる。このとき、フィードバック電流は、被測定電流に比例する電流値を示すため、フィードバック電流の電流値に基づいて被測定電流の電流値を計測することができる。

特開平１１−３１１６４２号公報

しかしながら、上述のような電流センサーの場合、コイル及びホール素子の双方が使用されているので、コイルのみを備える電流センサーに比べ、構成が複雑になり、その分だけ端子数が増え、価格も高くなる、という問題がある。また、上述のような電流センサーの場合、小電流の測定に適した構成を採用した電流センサーでは大電流の測定が難しくなる傾向がある一方、大電流の測定に適した構成を採用した電流センサーでは小電流の測定が難しくなる傾向がある。そのため、小電流を測定する場合と大電流を測定する場合とでは、異なる電流センサーを採用せざるを得ず、汎用性に欠けるという問題があった。

以上のような事情から、簡素な構成でありながら、小電流及び大電流のどちらでも測定可能な電流センサーを提供することが望ましい。

以下に説明する電流センサーは、軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性体コア、及び第一磁性体コアに巻かれた第一コイルを有し、使用時には電流の測定対象とされる導体が第一磁性体コアの内周側に通されて、導体に電流が流された際には、第一コイルによって第一磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、当該電流又は電圧に基づいて導体に流された電流の電流値を測定可能に構成された検出回路部と、軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性体コア、第二磁性体コアに巻かれた第二コイル、及び第二コイルの一端と他端とを電気的に接続する導電路を有し、導電路は第一磁性体コアの内周側に通されていて、使用時には導体が第二磁性体コアの内周側に通されて、導体に電流が流された際には、第二コイルによって第二磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、第一磁性体コアの内部において導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる帰還回路部とを備え、帰還回路部において、導電路には抵抗値を変更可能に構成された可変抵抗部が設けられている。

このように構成された電流センサーによれば、使用時には導体が第一磁性体コア及び第二磁性体コアの内周側に通される。導体に電流が流された際、検出回路部においては、第一コイルによって第一磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させる。これにより、第一コイルにおいて発生させた電流又は電圧に基づいて、導体に流された電流の電流値を測定することができる。

また、導体に電流が流された際、帰還回路部においては、第二コイルによって第二磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させる。このとき、第一磁性体コアの内周側に通された導電路は、第一磁性体コアの内部において導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる。これにより、コアが磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。

しかも、帰還回路部において、導電路には可変抵抗部が設けられ、可変抵抗部の抵抗値を変更することにより、検出回路部において測定可能な電流値の数値範囲を変更可能に構成されている。すなわち、帰還回路部では、可変抵抗部の抵抗値を変更することができ、これにより、導電路に流れる電流を増減調整することができる。したがって、導体に大電流が流される場合には可変抵抗部の抵抗値を小とし、導体に小電流が流される場合には可変抵抗部の抵抗値を大とすることで、小電流及び大電流のどちらであっても電流値の測定が可能となる。

また、以下に説明する電流センサーは、軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性体コア、及び第一磁性体コアに巻かれた第一コイルを有し、使用時には電流の測定対象とされる導体が第一磁性体コアの内周側に通されて、導体に電流が流された際には、第一コイルによって第一磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、当該電流又は電圧に基づいて導体に流された電流の電流値を測定可能に構成された検出回路部と、軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性体コア、第二磁性体コアに巻かれた第二コイル、及び第二コイルの一端と他端とを電気的に接続する導電路を有し、導電路は第一磁性体コアの内周側に通されていて、使用時には導体が第二磁性体コアの内周側に通されて、導体に電流が流された際には、第二コイルによって第二磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、第一磁性体コアの内部において導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる帰還回路部とを備え、帰還回路部において、導電路には当該導電路を開閉可能に構成されたスイッチ部が設けられている。

このように構成された電流センサーによれば、使用時には導体が第一磁性体コア及び第二磁性体コアの内周側に通される。導体に電流が流された際、検出回路部においては、第一コイルによって第一磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させる。これにより、第一コイルにおいて発生させた電流又は電圧に基づいて、導体に流された電流の電流値を測定することができる。

また、導体に電流が流された際、帰還回路部においては、第二コイルによって第二磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させる。このとき、第一磁性体コアの内周側に通された導電路は、第一磁性体コアの内部において導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる。これにより、コアが磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。

しかも、帰還回路部において、導電路には当該導電路を開閉可能に構成されたスイッチ部が設けられ、スイッチ部を開閉することにより、検出回路部において測定可能な電流値の数値範囲を変更可能に構成されている。すなわち、帰還回路部では、スイッチ部において導電路を開閉することができ、これにより、導電路に電流を流すか否かを切り替えることができる。したがって、導体に大電流が流される場合にはスイッチ部を閉じ、導体に小電流が流される場合にはスイッチ部を開くことで、小電流及び大電流のどちらであっても電流値の測定が可能となる。

図１は可変抵抗部を有する電流センサーの概念的な構成を示す構成図である。 図２は電流センサーの出力特性を示すグラフである。 図３はスイッチ部を有する電流センサーの概念的な構成を示す構成図である。

次に、上述の電流センサーについて、例示的な実施形態を挙げて説明する。
［電流センサーの概略構成］
電流センサー１は、図１に示すように、検出回路部３と、帰還回路部５とを備えている。検出回路部３は、第一磁性体コア１１と、第一コイル１３とを有する。帰還回路部５は、第二磁性体コア１５と、第二コイル１７とを有する。検出回路部３において、第一コイル１３の一端と他端は、負荷抵抗２１（抵抗値Ｒ_L）を介して電気的に接続されている。帰還回路部５において、第二コイル１７の一端と他端は、可変抵抗部２３（抵抗値Ｚ）を介して電気的に接続されている。第二コイル１７の一端から可変抵抗部２３を経て第二コイル１７の他端に至る導電路２５は、第一磁性体コア１１の内周側に通されている。

本実施形態の場合、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５は、軟磁性材料の一つであるマンガン亜鉛フェライトによって構成された環状体である。第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５は、あらかじめ環状体として成形されたものであってもよいし、環状体の一部に相当する形状に成形された分割体を組み合わせることによって環状体が構成されるものであってもよい。

第一コイル１３は、導線を第一磁性体コア１１に巻くことによって構成されたコイルである。第二コイル１７は、導線を第二磁性体コア１５に巻くことによって構成されたコイルである。本実施形態の場合、第一コイル１３の巻き線数はＮ₂とされ、第二コイル１７の巻き線数はＮ₃とされている。巻き数を増やすと、二次側の誘導起電力が高くなる。二次側の出力電圧値が過剰に小さいと、誤差成分が大きくなる等、測定が難しくなる傾向があり、その測定に必要な測定器が高価になる。したがって、第一コイル１３及び第二コイル１７の巻き線数Ｎ₂，Ｎ₃については、出力電圧値が扱いやすくなるように設定されると好ましい。可変抵抗部２３は、抵抗値を無段階又は多段階に変更可能に構成されている。このような可変抵抗部２３は、例えば可変抵抗器によって構成することができる。

このように構成された電流センサー１を使用する際には、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５の内周側に、測定対象となる交流電流の流れる導体３１（例えば、電線や電源ケーブル等。）が通される。第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５の内周側に導体３１を通す方法としては、図１に示すようにコアの内周側を貫通するように導体３１を通してもよいし、第一コイル１３や第二コイル１７と同様に導体３１をコアに巻き付けてもよい。導体３１をコアに巻き付ける場合、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５は、上述のような分割体を組み合わせて環状体を構成可能なものであると利便性が高い。また、既設の配線に対して電流センサー１を取り付けたい場合も、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５が分割体を組み合わせて環状体を構成可能なものであると利便性が高い。

このような導体３１に測定対象となる交流電流（図１中に示す一次電流ｉ₁）が流された際には、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５それぞれの内部に磁束が発生する。そして、その磁束の変化に応じて、第一コイル１３には二次電流ｉ₂が誘起され、第二コイル１７には帰還電流ｉ₃が誘起される。第二コイル１７によって誘起される帰還電流ｉ₃は、導体３１を流れる一次電流ｉ₁とは、第一磁性体コア１１の内周側において逆向きに流れるように、第二コイル１７の巻き方向が設定されている。

そのため、導体３１に一次電流ｉ₁が流された際、第一磁性体コア１１の内周側に通された導電路２５は、導体３１が第一磁性体コア１１の内部で発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる。これにより、帰還回路部５が設けられていない場合に比べ、第一磁性体コア１１が磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。

帰還回路部５では、可変抵抗部２３の抵抗値を変更することができる。そのため、導電路２５に流れる電流を増減調整することができる。したがって、導体３１を流れる一次電流ｉ₁が大電流である場合には、可変抵抗部２３の抵抗値Ｚを小さめに調整して、帰還回路部５により大きな帰還電流ｉ₃が流れるようにすることにより、第一磁性体コア１１が磁気飽和状態に至るのを抑制することができる。また、導体３１を流れる一次電流ｉ₁が小電流である場合には、可変抵抗部２３の抵抗値Ｚを大きめに調整して、第一磁性体コア１１の内部で発生する磁束を打ち消さないようにすることができる。

検出回路部３には負荷抵抗２１が設けられているので、これにより、導体３１を流れる一次電流ｉ₁に応じた出力（図１中に示す二次電圧ｖ₂）を得ることができる。なお、導体３１を流れる一次電流ｉ₁に応じた出力を測定する方法としては、上述の二次電圧ｖ₂を電圧計で測定する代わりに、負荷抵抗２１が配置された箇所に電流計を配置して、二次電流ｉ₂を測定するように構成してもよい。

以上のように構成された電流センサー１において、帰還回路部５に誘起される電圧ｖ₃は、導体３１の電圧ｖ₁、第二磁性体コア１５に対する導体３１の巻き線数Ｎ₁（図１に示す例ではＮ₁＝１）、及び第二コイル１７の巻き線数Ｎ₃により、下記［数１］で表される値となる。

帰還回路部５を流れる帰還電流ｉ₃は、導体３１の電圧ｖ₁、第二磁性体コア１５に対する導体３１の巻き線数Ｎ₁（図１に示す例ではＮ₁＝１）、第二コイル１７の巻き線数Ｎ₃、及び可変抵抗部２３の抵抗値Ｚにより、下記［数２］で表される値となる。

ここで一次電圧ｖ₁は、第二磁性体コア１５のインダクタンス値Ｌ₂により、下記［数３］で表される値である。

また、一次電流ｉ₁は、下記［数４］で表される値である。

ここで、Ｉ_mは一次電流ｉ₁の最大値（一次電流ｉ₁が最大になった瞬間の値。）、ωは角周波数、θは位相角を表す。
よって、帰還回路部５を流れる帰還電流ｉ₃は、下記［数５］で表される値となる。

第二磁性体コア１５のインダクタンス値Ｌ₂は、磁気抵抗Ｒ_mと第二磁性体コア１５に対する導体３１の巻き線数Ｎ₁に基づき、下記［数６］のように表される。下記［数６］において、ｌ_eは第二磁性体コア１５の磁路長、Ａ_eは第二磁性体コア１５の実効断面積、μは第二磁性体コア１５の透磁率である。

帰還回路部５を流れる帰還電流ｉ₃は、可変抵抗部２３の抵抗値Ｚに反比例し、巻き線数比Ｎ₃／Ｎ₁、インダクタンスＬ₂、及び一次電流ｉ₁に比例する。また、インダクタンスＬ₂は、透磁率μと実効断面積Ａ_eに比例し、磁路長ｌ_eに反比例する。

可変抵抗部２３の抵抗値を大に設定した場合と小に設定した場合とでは、電流センサー１の出力特性が図２に示すように変化する。すなわち、可変抵抗部２３の抵抗値を大に設定した場合は、帰還電流ｉ₃が小さくなり、第一磁性体コア１１の内部で発生する磁束が帰還電流ｉ₃によって打ち消されなくなる。この場合は、一次電流ｉ₁が概ね０．１Ａ〜２Ａとなる範囲で、一次電流ｉ₁に応じた二次電圧ｖ₂が出力されるので、一次電流ｉ₁が小電流の場合に好適な電流センサー１となる。一方、可変抵抗部２３の抵抗値を小に設定した場合は、帰還電流ｉ₃が大きくなり、第一磁性体コア１１の内部で発生する磁束が帰還電流ｉ₃によって打ち消される。この場合は、一次電流ｉ₁が概ね２Ａ〜２５Ａとなる範囲で、一次電流ｉ₁に応じた二次電圧ｖ₂が出力されるので、一次電流ｉ₁が大電流の場合に好適な電流センサー１となる。したがって、このような電流センサー１によれば、導体３１に流される一次電流ｉ₁が小電流となる場合及び大電流となる場合、どちらの場合であっても第一コイル１３において適度な二次電流ｉ₂を誘起し、適切に一次電流ｉ₁を測定することができる。

［他の実施形態］
以上、電流センサー１について、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものに過ぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、可変抵抗部２３の抵抗値Ｚを変更可能に構成する例を示したが、帰還回路部５を流れる帰還電流ｉ₃の大きさを複数通りに変更できれば、帰還回路部５に可変抵抗部２３を設けるか否かは任意である。例えば、図３に示すように、可変抵抗部２３の代わりに抵抗値Ｚを変更不能な抵抗器４１を設け、これに加えて、導電路２５を開閉可能なスイッチ部４３を設けてもよい。この場合、スイッチ部４３によって導電路２５を開閉することにより、帰還回路部５に帰還電流ｉ₃を流すか否かを切り替えることができ、このような構成でも帰還電流ｉ₃の大きさを複数通り（すなわち、０（Ａ）と０（Ａ）以外。）に変更することができる。

また、上記実施形態では、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５がマンガン亜鉛フェライトによって構成される例を示したが、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５を構成する軟磁性材料は、マンガン亜鉛フェライト以外であってもよい。具体例を挙げれば、この種の磁性体コアを構成可能な軟磁性材料としては、上述のマンガン亜鉛フェライトの他、鉄アルミケイ素合金（例えばセンダスト（登録商標））、ニッケル鉄合金（例えばパーマロイ）、コバルト鉄合金、鉄ケイ素ホウ素系合金、各種フェライト系磁性材料、アモルファス系磁性材料などを挙げることができる。

フェライト系磁性材料としては、上述のマンガン亜鉛フェライトの他には、ニッケル亜鉛フェライト、マグネシウム亜鉛フェライト、銅亜鉛フェライト、磁鉄鉱等のスピネル型結晶構造を有するスピネルフェライト、バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト等の六方晶フェライト、イットリウム鉄ガーネットなどのガーネットフェライト等を挙げることができる。アモルファス系磁性材料としては、鉄合金系、コバルト合金系、ニッケル合金系、これらの混合合金系アモルファスなどが挙げられる。

これらの磁性材料は、第一磁性体コア１１及び第二磁性体コア１５で同じ磁性材料を用いてもよいし、異なる磁性材料を組み合わせて用いてもよい。特に検出回路部３に設けられる第一磁性体コア１１については、高透磁率材料（例えば鉄アルミケイ素合金、ニッケル鉄合金。）を用いると磁気感度が高まるので、電流センサー１としての分解能を高めることができる。一方、帰還回路部５の第二磁性体コア１５については、高透磁率材料を用いてもよいが、第二磁性体コア１５の形状及びサイズ（より具体的には、磁性体コアの磁路長及び断面積。）を調整することや、可変抵抗部２３の抵抗値Ｚを調整することによっても、帰還電流ｉ₃を調整できるので、必ずしも高透磁率材料を用いなくてもよい。

また、上記実施形態において、一つの構成要素で実現していた所定の機能を、複数の構成要素が協働して実現するように構成してあってもよい。あるいは、上記実施形態では、複数の構成要素それぞれが有していた複数の機能や、複数の構成要素が協働して実現していた所定の機能を、一つの構成要素が実現するように構成してあってもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。また、上述した電流センサーの他、当該電流センサーを構成要素とする装置など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…電流センサー、３…検出回路部、５…帰還回路部、１１…第一磁性体コア、１３…第一コイル、１５…第二磁性体コア、１７…第二コイル、２１…負荷抵抗、２３…可変抵抗部、２５…導電路、３１…導体、４１…抵抗器、４３…スイッチ部。

Claims (2)

1. 軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性体コア、及び前記第一磁性体コアに巻かれた第一コイルを有し、使用時には電流の測定対象とされる導体が前記第一磁性体コアの内周側に通されて、前記導体に電流が流された際には、前記第一コイルによって前記第一磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、当該電流又は電圧に基づいて前記導体に流された電流の電流値を測定可能に構成された検出回路部と、
   軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性体コア、前記第二磁性体コアに巻かれた第二コイル、及び前記第二コイルの一端と他端とを電気的に接続する導電路を有し、前記導電路は前記第一磁性体コアの内周側に通されていて、前記使用時には前記導体が前記第二磁性体コアの内周側に通されて、前記導体に電流が流された際には、前記第二コイルによって前記第二磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、前記第一磁性体コアの内部において前記導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる帰還回路部と
   を備え、
   前記帰還回路部において、前記導電路には抵抗値を変更可能に構成された可変抵抗部が設けられている
   電流センサー。
2. 軟磁性材料によって構成された環状体である第一磁性体コア、及び前記第一磁性体コアに巻かれた第一コイルを有し、使用時には電流の測定対象とされる導体が前記第一磁性体コアの内周側に通されて、前記導体に電流が流された際には、前記第一コイルによって前記第一磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、当該電流又は電圧に基づいて前記導体に流された電流の電流値を測定可能に構成された検出回路部と、
   軟磁性材料によって構成された環状体である第二磁性体コア、前記第二磁性体コアに巻かれた第二コイル、及び前記第二コイルの一端と他端とを電気的に接続する導電路を有し、前記導電路は前記第一磁性体コアの内周側に通されていて、前記使用時には前記導体が前記第二磁性体コアの内周側に通されて、前記導体に電流が流された際には、前記第二コイルによって前記第二磁性体コアの内部に発生する磁束の変化に応じた電流及び電圧を発生させることにより、前記第一磁性体コアの内部において前記導体が発生させる磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる帰還回路部と
   を備え、
   前記帰還回路部において、前記導電路には当該導電路を開閉可能に構成されたスイッチ部が設けられている
   電流センサー。

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