JP2018179689A

JP2018179689A - 電流センサおよび測定装置

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Publication number: JP2018179689A
Application number: JP2017077900A
Authority: JP
Inventors: 憲一関; Kenichi Seki; 和延林; Kazunobu Hayashi
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: JP6829139B2

Abstract

【課題】２つの励磁コイルを演算増幅器の作動電圧とほぼ同じ電圧値まで駆動可能としつつ、２つの励磁コイルに供給する励磁電流の調整作業を不要にする。【解決手段】測定対象電流Ｉｏｂによる磁界内に配設されるコア２，３、コア２，３に巻回された励磁コイル４，５、励磁コイル４が反転入力端子と出力端子との間に接続され、非反転入力端子に交流励磁電圧Ｖｅｘが供給される演算増幅器６、励磁コイル５が反転入力端子と出力端子との間に接続され、非反転入力端子がグランド電位Ｇに規定された演算増幅器７、および演算増幅器６，７の各反転入力端子間に接続された第１抵抗８を備え、交流励磁電圧Ｖｅｘを第１抵抗８の抵抗値で除算して求められる電流値の交流励磁電流Ｉを、励磁コイル４に対しては演算増幅器６が供給し、励磁コイル５に対してはコア３に生じる交流磁束の向きとコア２に生じる交流磁束の向きとが逆になるように演算増幅器７が供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、フラックスゲート型電流センサ、特に、測定対象電流が流れる測定対象導体が挿通される２つのコアと、各コアに巻回された２つの励磁コイルと、各コア内に生じる磁束の向きが互いに逆方向となるように各励磁コイルに交流励磁電流を供給する励磁部とを備えたフラックスゲート型電流センサ、およびこのフラックスゲート型電流センサを備えた測定装置に関するものである。

この種のフラックスゲート型電流センサとして、下記の特許文献１に開示された電流センサが知られている。この種のフラックスゲート型電流センサでは、２つの励磁コイルに流れる励磁電流を一致させる必要があることから、この特許文献１に開示された電流センサでは、２つの励磁コイルに流れる励磁電流の電流値を調整して一致させるための可変抵抗器が設けられている。

また、本願出願人は、この励磁電流の調整を不要にすべく、図４に示すフラックスゲート型電流センサ５０を下記の非特許文献１において開示している。このフラックスゲート型電流センサ５０は、測定対象導体１００が挿通される２つのコア５１，５２に巻回された２つの励磁コイル５３，５４を１つの演算増幅器５５の反転入力端子と出力端子との間（帰還路）に直列に接続する構成を採用している。また、このフラックスゲート型電流センサ５０では、演算増幅器５５の反転入力端子に入力抵抗５６を介して交流励磁電圧Ｖｅｘを印加すると共に、この演算増幅器５５の後段に、入力抵抗５７が反転入力端子に接続され、かつこの入力抵抗５７と同じ抵抗値の帰還抵抗５８が反転入力端子と出力端子との間に接続された演算増幅器５９を配置する。また、入力抵抗５７を介して演算増幅器５５の出力端子と演算増幅器５９の反転入力端子とを接続すると共に、演算増幅器５９の非反転入力端子に励磁コイル５３，５４の接続点を接続する。

これにより、フラックスゲート型電流センサ５０では、入力抵抗５７および帰還抵抗５８の抵抗値をＲとしたときに、入力抵抗５７には、励磁コイル５４の誘起電圧Ｖ２と等しい電圧が印加されることから、電流Ｉ１（＝Ｖ２／Ｒ）が流れ、また、この電流Ｉ１は帰還抵抗５８にも流れて、この帰還抵抗５８での電圧降下は、誘起電圧Ｖ２と等しい電圧となる。また、演算増幅器５９の反転入力端子の電圧は、演算増幅器５９の反転入力端子と非反転入力端子とのバーチャルショートにより、非反転入力端子の電圧（電圧Ｖ１）と等しくなる。この構成により、演算増幅器５９は、励磁コイル５３の誘起電圧Ｖ１と励磁コイル５４の誘起電圧Ｖ２との差電圧（Ｖ１−Ｖ２）を出力する。

この差電圧（Ｖ１−Ｖ２）は、交流励磁電圧Ｖｅｘの２倍の周波数で、かつ測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの振幅で振幅変調された電圧信号である。したがって、図示はしないが、差電圧（Ｖ１−Ｖ２）を例えばバンドバスフィルタを通過させることで交流励磁電圧Ｖｅｘの２倍の周波数成分以外のノイズ成分を除去し、さらにこのノイズ成分が除去された信号を交流励磁電圧Ｖｅｘの２倍の周波数の同期信号で同期検波することにより、測定対象電流Ｉｏｂを示す信号が検出される。

特開２００１−２２８１８１号公報（第２−４頁、第１，４図）

日置技報ＶＯＬ．２７２００６ＮＯ．１に記載の製品名「９７０９ＡＣ／ＤＣカレントセンサ」インターネット＜https://www.hioki.co.jp/hd_technicalData/repor1327982427_1.pdf＞

ところが、上記した非特許文献１に開示のフラックスゲート型電流センサには、以下のような改善すべき課題が存在している。すなわち、この電流センサでは、１つの演算増幅器５５の反転入力端子と出力端子との間に２つの励磁コイル５３，５４を配置したことにより、２つの励磁コイル５３，５４に供給される励磁電流Ｉを調整することなく同一にすることができるものの、この励磁電流Ｉを供給するために２つの励磁コイル５３，５４にそれぞれ印加される最大電圧は、演算増幅器５５の出力電圧の１／２の電圧値（つまり、演算増幅器５５の作動電圧のほぼ１／２の電圧値）となっている。このため、励磁コイル５３，５４については変更せずに、励磁電流Ｉをより高周波化した場合には、各励磁コイル５３，５４のインピーダンスがより大きな値となることから、演算増幅器５５の作動電圧の１／２の電圧値では各励磁コイル５３，５４を十分に駆動できなくなるおそれがあり、これを改善すべきとの課題が存在している。

本発明は、かかる課題を改善するためになされたものであり、２つの励磁コイルを演算増幅器の作動電圧とほぼ同じ電圧値まで駆動可能としつつ、２つの励磁コイルに対して電流値の調整作業を行うことなく同じ電流値の励磁電流を供給し得るフラックスゲート型電流センサ、およびこのフラックスゲート型電流センサを備えた測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のフラックスゲート型電流センサは、測定対象電流が流れることによって発生する磁界内に配設される第１コアおよび第２コアと、前記第１コアに巻回された第１励磁コイルと、前記第２コアに巻回された第２励磁コイルと、前記第１励磁コイルが反転入力端子と出力端子との間に接続されると共に、非反転入力端子に交流励磁電圧が供給される第１演算増幅器と、前記第２励磁コイルが反転入力端子と出力端子との間に接続されると共に、非反転入力端子が基準電位に規定された第２演算増幅器と、前記第１演算増幅器の前記反転入力端子と前記第２演算増幅器の前記反転入力端子との間に接続された第１抵抗とを備え、前記交流励磁電圧の電圧値を前記第１抵抗の抵抗値で除算して求められる電流値の交流励磁電流を、前記第１励磁コイルに対しては前記第１演算増幅器が供給し、かつ前記第２励磁コイルに対しては前記第２コアに生じる交流磁束の向きと前記第１コアに生じる交流磁束の向きとが逆になるように前記第２演算増幅器が供給する。

請求項２記載のフラックスゲート型電流センサは、請求項１記載のフラックスゲート型電流センサにおいて、前記第２励磁コイルと直列に接続された状態で前記第２演算増幅器の前記反転入力端子と前記出力端子との間に接続されると共に前記第１抵抗と同じ抵抗値に規定された第２抵抗と、前記第１演算増幅器の前記出力端子から出力される第１出力電圧と前記第２演算増幅器の前記出力端子から出力される第２出力電圧とを加算して、前記第１励磁コイルに生じる第１誘起電圧と前記第２励磁コイルに生じる第２誘起電圧との差を示す差電圧を出力する加算部とを備えている。

請求項３記載のフラックスゲート型電流センサは、請求項１記載のフラックスゲート型電流センサにおいて、前記第１コアおよび前記第２コアに巻回されて、前記第１励磁コイルに生じる第１誘起電圧と前記第２励磁コイルに生じる第２誘起電圧との差を示す差電圧を発生させる検出コイルを備えている。

請求項４記載の測定装置は、前記交流励磁電圧に同期した当該交流励磁電圧の２倍の周波数の同期信号で前記差電圧を同期検波することにより、前記測定対象電流の電流値に比例して電圧値が変化する検出信号を出力する検波部を備えている請求項２または３記載のフラックスゲート型電流センサと、前記検出信号に基づいて前記測定対象電流を測定する電流測定部とを備えている。

請求項１記載のフラックスゲート型電流センサおよび請求項４記載の測定装置では、第１演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に第１コアに巻回された第１励磁コイルが接続され、第２演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に第２コアに巻回された第２励磁コイルが接続され、第１演算増幅器の反転入力端子と第２演算増幅器の反転入力端子との間に第１抵抗が接続され、かつ第２演算増幅器の非反転入力端子が基準電位に規定された状態で、第１演算増幅器の非反転入力端子に交流励磁電圧が供給される。

したがって、このフラックスゲート型電流センサおよびこの測定装置によれば、電流値を規定する第１抵抗、第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを直列の状態で含む１つの電流経路にこの電流値の交流励磁電流を供給する構成にできるため、第１励磁コイルおよび第２励磁コイルに流れる交流励磁電流を常に同じ電流値にすることができる。これにより、このフラックスゲート型電流センサおよび測定装置では、第１励磁コイルおよび第２励磁コイルに流れる交流励磁電流を同じ電流値に調整する作業を不要にすることができる。

また、このフラックスゲート型電流センサおよび測定装置によれば、第１演算増幅器から第１励磁コイルに印加する出力電圧や第２演算増幅器から第２励磁コイルに印加する出力電圧を、第１演算増幅器および第２演算増幅器の作動電圧である正電圧や負電圧に近い電圧値（ほぼ同じ電圧値）まで大きくすることができる（第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを作動電圧とほぼ同じ電圧値まで駆動可能にできる）。したがって、このフラックスゲート型電流センサおよび測定装置によれば、背景技術において説明したフラックスゲート型電流センサ（直列接続された２つの励磁コイルを１つの演算増幅器で駆動する構成の電流センサ）とは異なり、第１励磁コイルおよび第２励磁コイルを駆動する電圧（各出力電圧）が正電圧や負電圧の１／２に制限されることがないことから、交流励磁電圧の電圧値を大きくして、交流励磁電流の電流値を増加させることができるため、各励磁コイルを十分に駆動することができ、またフラックスゲート型電流センサのダイナミックレンジを十分に広くすることができる。

請求項２記載のフラックスゲート型電流センサおよび請求項４記載の測定装置では、第２励磁コイルと直列に接続された状態で第２演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に第１抵抗と同じ抵抗値の第２抵抗を接続し、第１演算増幅器の第１出力電圧と第２演算増幅器の第２出力電圧とを加算部で加算して、第１誘起電圧と第２誘起電圧との差電圧を出力する。したがって、このフラックスゲート型電流センサおよび測定装置によれば、第１コアおよび第２コアに検出コイルを形成する必要が無いため、手間のかかる巻線作業を大幅に簡略化することができる。

請求項３記載のフラックスゲート型電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、検出コイルを設ける必要があるものの、第１抵抗の抵抗値と同じ抵抗値の第２抵抗を用意する手間を省くことができる。

フラックスゲート型電流センサ１ａ、およびこれを備えた測定装置ＭＤの構成図である。他のフラックスゲート型電流センサ１ｂの構成図である。他のフラックスゲート型電流センサ１ｃの要部を示す構成図である。他のフラックスゲート型電流センサ１ｄ、およびこれを備えた測定装置ＭＤの構成図である。本願出願人が開示したフラックスゲート型電流センサ５０の構成図である。

以下、フラックスゲート型電流センサおよび測定装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、フラックスゲート型電流センサとしてのフラックスゲート型電流センサ１ａ（以下、単に電流センサ１ａともいう）と、この電流センサ１ａを備えた測定装置としての測定装置ＭＤの構成について、図１を参照して説明する。

まず、電流センサ１ａは、測定対象導体１００が挿通される２つのコア（第１コア２，第２コア３）と、第１コア２に巻回された第１励磁コイル４と、第２コア３に巻回された第２励磁コイル５と、第１演算増幅器６と、第２演算増幅器７と、第１抵抗８と、第１抵抗８の抵抗値Ｒと同じ抵抗値の第２抵抗９とを備えている。さらに、電流センサ１ａは、周波数ｆの交流励磁電圧Ｖｅｘを出力する励磁部１０、加算部１１、フィルタ１２および検波部１３を備えている。この構成の電流センサ１ａは、測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの電流値（以下では、理解の容易のため、測定対象電流Ｉｏｂと同じ符号Ｉｏｂを付して、電流値Ｉｏｂと表記するものとする）に比例して電圧値が変化する検出信号Ｖｄを出力する。

この場合、第１コア２および第２コア３は、同じ磁性材料を用いて同じ形状（本例では一例として、環状（円環状やロ字状など））に形成されている。また、この電流センサ１ａでは、第１コア２および第２コア３は、上記したように測定対象導体１００が挿通されることで、測定対象電流Ｉｏｂが流れることによって測定対象導体１００の周囲に発生する不図示の磁界内に配設される。また、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５は、同じ線材を用いて同じ巻回数に規定されている。

第１演算増幅器６は、非反転入力端子に励磁部１０から交流励磁電圧Ｖｅｘが供給（印加）される。また、第１演算増幅器６の反転入力端子と出力端子に第１励磁コイル４の端子４ａ，４ｂが接続されて、第１演算増幅器６では、第１励磁コイル４によって負帰還路が構成されている。

第２演算増幅器７は、非反転入力端子が基準電位に接続されている。本例では、第１演算増幅器６および第２演算増幅器７は、絶対値が同じ正電圧Ｖ＋と負電圧Ｖ−とを作動電圧として作動するため、基準電位は正電圧Ｖ＋と負電圧Ｖ−の中間電位（ゼロボルトであるグランド電位Ｇ）に規定されている。また、第２演算増幅器７では、反転入力端子と出力端子との間に、負帰還路を構成する第２励磁コイル５と第２抵抗９の直列回路が接続されている。本例では一例として、第２励磁コイル５の各端子５ａ，５ｂのうちの端子５ｂと第２抵抗９の一端が接続されることで、第２励磁コイル５と第２抵抗９とが直列接続され、第２励磁コイル５の端子５ａが第２演算増幅器７の反転入力端子に接続され、かつ第２抵抗の他端が第２演算増幅器７の出力端子に接続されている。この場合、図示はしないが、直列接続された第２励磁コイル５および第２抵抗９のうちの第２抵抗９が第２演算増幅器７の反転入力端子に接続され、かつ第２励磁コイル５が第２演算増幅器７の出力端子に接続される構成とすることもできる。

第１抵抗８は、第１演算増幅器６の反転入力端子と第２演算増幅器７の反転入力端子との間に接続されている。以上の構成において、第１演算増幅器６および第２演算増幅器７が正常に負帰還動作しているときには、第１抵抗８の一端が接続されている第１演算増幅器６の反転入力端子は、バーチャルショートにより、第１演算増幅器６の非反転入力端子の電圧、つまり、交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値（以下では、理解の容易のため、交流励磁電圧Ｖｅｘと同じ符号Ｖｅｘを付して、電圧値Ｖｅｘと表記するものとする）に規定される。また、第１抵抗８の他端が接続されている第２演算増幅器７の反転入力端子は、バーチャルショートにより、第２演算増幅器７の非反転入力端子の電圧、つまり、基準電位（ゼロボルト）に規定される。これにより、第１抵抗８には、電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流電流Ｉが流れる。

つまり、この電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流電流Ｉは、この第１抵抗８を含む電流経路、すなわち、第１演算増幅器６の出力端子から、第１励磁コイル４、第１抵抗８、第２励磁コイル５および第２抵抗９の直列回路を経由して、第２演算増幅器７の出力端子に至る１つの電流経路に流れる。したがって、この電流センサ１ａでは、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流電流Ｉ（つまり、交流励磁電流Ｉ）は、常に同じ電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）に規定される。このため、交流励磁電流Ｉによって第１励磁コイル４の内部（つまり第１コア２）に生じる交流磁束Φ１と、交流励磁電流Ｉによって第２励磁コイル５の内部（つまり第２コア３）に生じる交流磁束Φ２の大きさは同一（｜Φ１｜＝｜Φ２｜）となっている。また、電流センサ１ａでは、交流磁束Φ１の向きと交流磁束Φ２の向きとが図１に示すように逆向きとなるように、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５の巻回方向、または第１励磁コイル４および第２励磁コイル５への交流励磁電流Ｉの供給方向が規定されている。

また、この状態での第１演算増幅器６の第１出力電圧Ｖｏ１は、基準電位（ゼロボルト）に規定されている第２演算増幅器７の反転入力端子の電位を基準としたときに、第１抵抗８に電流Ｉが流れることによる第１抵抗８での電圧降下分に第１励磁コイル４での誘起電圧Ｖ１を加算した電圧（Ｖｅｘ／Ｒ×Ｒ＋Ｖ１＝Ｖｅｘ＋Ｖ１）となっている。また、第２演算増幅器７の第２出力電圧Ｖｏ２は、第２演算増幅器７の反転入力端子の電位（基準電位）を基準としたときに、第２抵抗９に電流Ｉが流れることによる第２抵抗９での電圧降下分に第２励磁コイル５での誘起電圧Ｖ２を加算した電圧（−（Ｖｅｘ／Ｒ×Ｒ＋Ｖ２）＝−（Ｖｅｘ＋Ｖ２））となっている。

励磁部１０は、上記のように周波数ｆの交流励磁電圧Ｖｅｘを出力すると共に、この交流励磁電圧Ｖｅｘに同期した周波数２ｆ（周波数ｆの２倍の周波数）の同期信号Ｖｓｙを出力する。

加算部１１は、第１演算増幅器６から出力される第１出力電圧Ｖｏ１と第２演算増幅器７から出力される第２出力電圧Ｖｏ２とを入力して、これらを加算することにより、各誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧である加算信号Ｖａｄｄ（＝Ｖｅｘ＋Ｖ１−（Ｖｅｘ＋Ｖ２）＝Ｖ１−Ｖ２）を出力する。この場合、測定対象導体１００に測定対象電流Ｉｏｂが流れているときには、測定対象導体１００の周囲に発生している磁界に起因した磁束Φ０が各コア２，３内に同じ向きで発生する。このため、各コア２，３内の磁束は、この磁束Φ０の影響を受けて変化する。例えば、図１に示す向きで磁束Φ０および上記の各交流磁束Φ１，Φ２が発生しているときには、第１コア２では、交流磁束Φ１と磁束Φ０の向きが逆になることから、内部に発生している磁束は（Φ１−Φ０）となり、第２コア３では、交流磁束Φ２と磁束Φ０の向きが同じになることから、内部に発生している磁束は、交流磁束Φ１の向きを基準とすると、−（Φ２＋Φ０）となる。また、このように各コア２，３内の磁束が変化することにより、各励磁コイル４，５に生じる誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の振幅も変化する。このため、誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差分電圧である加算信号Ｖａｄｄ（＝Ｖ１−Ｖ２）は、交流励磁電圧Ｖｅｘの周波数ｆ（交流励磁電流Ｉの周波数でもある）の２倍の周波数（２ｆ）の信号成分が測定対象電流Ｉｏｂの振幅によって変調された振幅変調信号となっている。

フィルタ１２は、例えば、通過帯域が周波数２ｆを含む狭帯域に規定されたバンドパスフィルタで構成されて、加算信号Ｖａｄｄに含まれている周波数２ｆを選択的に通過させることで、抽出信号Ｖｆ（この抽出信号Ｖｆもまた各誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧である）を出力する。これにより、抽出信号Ｖｆは、加算信号Ｖａｄｄに含まれている外来ノイズなどに起因したノイズ成分（周波数２ｆ以外の周波数成分）が除去されて、主として周波数２ｆの周波数成分で構成される信号となっている。なお、この種のノイズ成分の加算信号Ｖａｄｄへの混入が極めて小さく、ノイズ成分の影響を無視し得る場合には、フィルタ１２を省くことも可能である。

検波部１３は、抽出信号Ｖｆを、励磁部１０から出力される同期信号Ｖｓｙで同期検波することにより、測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂに比例して電圧値が変化する検出信号Ｖｄを出力する。以上が電流センサ１ａについての構成である。

次に、電流センサ１ａを備えた測定装置ＭＤの構成について説明する。測定装置ＭＤは、図１に示すように、電流センサ１ａ、処理部１４および出力部１５を備えて、電流測定装置として構成されている。

処理部１４は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、ＣＰＵおよびメモリを含んで構成されて、検波部１３から出力される上記の検出信号Ｖｄを入力して、その瞬時値を示す波形データに変換する。また、処理部１４は、この変換した波形データに基づいて測定対象電流Ｉｏｂの波形データ（電流波形データ）を算出してメモリに記憶する。また、処理部１４は、メモリに記憶した電流波形データに基づいて、測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂ（例えば、平均値や実効値など）を算出してメモリに記憶する。このように、処理部１４は、電流測定部として機能して、測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂを測定する。また、処理部１４は、測定（算出）した電流値Ｉｏｂや、電流波形データに基づく測定対象電流Ｉｏｂの波形を出力部１５に出力する。

出力部１５は、一例として、ＬＣＤなどのディスプレイ装置で構成されて、処理部１４から出力された電流値Ｉｏｂや測定対象電流Ｉｏｂの波形を表示画面上に表示する。なお、出力部１５は、ディスプレイ装置に代えて、種々のインターフェース回路で構成してもよく、例えば、メディアインターフェース回路としてリムーバブルメディアに電流値Ｉｏｂや電流波形データを記憶させたり、ネットワークインターフェース回路としてネットワーク経由で外部装置に電流値Ｉｏｂや電流波形データを伝送させたりする構成を採用することもできる。

続いて、電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤの動作について説明する。なお、第１コア２および第２コア３には、図１に示す状態で、測定対象電流Ｉｏｂが流れている測定対象導体１００が挿通されているものとする。

電流センサ１ａでは、上記したように、励磁部１０が、第１演算増幅器６に対して周波数ｆの交流励磁電圧Ｖｅｘを出力すると共に、検波部１３に対して周波数２ｆの同期信号Ｖｓｙを出力する。

この状態において、第１演算増幅器６は、負帰還動作して第１出力電圧Ｖｏ１を交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘに応じて変化させることで、交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘに応じた電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流励磁電流Ｉを第１励磁コイル４に供給する（流す）。また、第２演算増幅器７は、負帰還動作して第２出力電圧Ｖｏ２を交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘに応じて変化させることで、交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘに応じた電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流励磁電流Ｉを第２励磁コイル５に、第２コア３に生じる交流磁束Φ２の向きが第１コア２に生じる交流磁束Φ１の向きと逆になるように供給する（流す）。

この場合、電流センサ１ａでは、交流励磁電流Ｉは、上記したように、電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）を規定する第１抵抗８、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を直列の状態で含む１つの電流経路に流れる構成となっている。このため、この電流センサ１ａでは、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流励磁電流Ｉは、常に同じ電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）に規定される。したがって、電流センサ１ａでは、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流励磁電流Ｉを同じ電流値に調整する作業は不要となっている。

また、電流センサ１ａでは、第１励磁コイル４については、第１演算増幅器６が交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘに応じて第１出力電圧Ｖｏ１を変化させることで交流励磁電流Ｉを供給し、また、第２励磁コイル５については、第２演算増幅器７が交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘに応じて第２出力電圧Ｖｏ２を変化させることで交流励磁電流Ｉを供給する構成となっている。これにより、電流センサ１ａでは、第１励磁コイル４に印加する第１出力電圧Ｖｏ１や第２励磁コイル５に印加する第２出力電圧Ｖｏ２を、各抵抗８，９での電圧降下分は少なくなるものの、第１演算増幅器６および第２演算増幅器７の作動電圧である正電圧Ｖ＋や負電圧Ｖ−に近い電圧値（ほぼ同じ電圧値）まで大きくすることができる（第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を作動電圧とほぼ同じ電圧値まで駆動可能にできる）。このため、この電流センサ１ａでは、背景技術において説明したフラックスゲート型電流センサ５０（直列接続された２つの励磁コイルを１つの演算増幅器で駆動する構成の電流センサ）とは異なり、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を駆動する電圧（各出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２）が正電圧Ｖ＋や負電圧Ｖ−の１／２に制限されることがないことから、交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘを大きくして、交流励磁電流Ｉの電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）を増加させることが可能となっている。つまり、各励磁コイル４，５を十分に駆動することができるため、電流センサ１ａのダイナミックレンジを広く（フラックスゲート型電流センサ５０の約２倍に）することが可能となっている。

このように、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に同じ電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流励磁電流Ｉが供給されている状態においては、上記したように、測定対象導体１００に流れている測定対象電流Ｉｏｂに起因して各コア２，３内に同じ向きで発生する磁束Φ０の影響を受けて、各コア２，３内に発生している磁束が変化することにより、各励磁コイル４，５に生じる誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の振幅も変化する。

加算部１１は、誘起電圧Ｖ１を含む第１出力電圧Ｖｏ１（＝Ｖｅｘ＋Ｖ１）と、誘起電圧Ｖ２を含む第２出力電圧Ｖｏ２（＝−（Ｖｅｘ＋Ｖ２））とを加算することで、誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差分電圧であって、交流励磁電圧Ｖｅｘの周波数ｆ（交流励磁電流Ｉの周波数）の２倍の周波数（２ｆ）の信号成分で構成される加算信号Ｖａｄｄ（＝Ｖ１−Ｖ２）を出力する。次いで、フィルタ１２が、この加算信号Ｖａｄｄに含まれているノイズ成分を除去して抽出信号Ｖｆとして出力し、検波部１３が、この抽出信号Ｖｆを同期信号Ｖｓｙで同期検波することにより、測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂに比例して電圧値が変化する検出信号Ｖｄを出力する。

測定装置ＭＤでは、このようにして電流センサ１ａから出力される検出信号Ｖｄを処理部１４が入力して、その瞬時値を示す波形データに変換し、さらにこの変換した波形データに基づいて測定対象電流Ｉｏｂの波形データ（電流波形データ）を算出してメモリに記憶する。また、処理部１４は、メモリに記憶した電流波形データに基づいて、測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂを算出してメモリに記憶する。また、処理部１４は、算出した電流値Ｉｏｂや、電流波形データに基づく測定対象電流Ｉｏｂの波形を出力部１５に出力する。また、ディスプレイ装置で構成された出力部１５は、処理部１４から出力された電流値Ｉｏｂや測定対象電流Ｉｏｂの波形を表示画面上に表示する。これにより、電流センサ１ａを備えた測定装置ＭＤによる測定対象電流Ｉｏｂの測定が完了する。

このように、この電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤでは、第１演算増幅器６の反転入力端子と出力端子との間に第１コア２に巻回された第１励磁コイル４が接続され、第２演算増幅器７の反転入力端子と出力端子との間に第２コア３に巻回された第２励磁コイル５と第２抵抗９の直列回路が接続され、第１演算増幅器６の反転入力端子と第２演算増幅器７の反転入力端子との間に第１抵抗８が接続され、かつ第２演算増幅器７の非反転入力端子が基準電位（ゼロボルト）に規定された状態で、第１演算増幅器６の非反転入力端子に交流励磁電圧Ｖｅｘが供給される。

したがって、この電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤによれば、電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）を規定する第１抵抗８、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を直列の状態で含む１つの電流経路にこの電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流励磁電流Ｉを供給する構成にできるため、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流励磁電流Ｉを常に同じ電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）にすることができる。これにより、電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤでは、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流励磁電流Ｉを同じ電流値に調整する作業を不要にすることができる。

また、この電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤによれば、第１励磁コイル４に印加する第１出力電圧Ｖｏ１や第２励磁コイル５に印加する第２出力電圧Ｖｏ２を、第１演算増幅器６および第２演算増幅器７の作動電圧である正電圧Ｖ＋や負電圧Ｖ−に近い電圧値（ほぼ同じ電圧値）まで大きくすることができる（第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を作動電圧とほぼ同じ電圧値まで駆動可能にできる）。したがって、この電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤによれば、背景技術において説明したフラックスゲート型電流センサ５０（直列接続された２つの励磁コイルを１つの演算増幅器で駆動する構成の電流センサ）とは異なり、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を駆動する電圧（各出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２）が正電圧Ｖ＋や負電圧Ｖ−の１／２に制限されることがないことから、交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘを大きくして、交流励磁電流Ｉの電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）を増加させることができる。このため、各励磁コイル４，５を十分に駆動することができ、電流センサ１ａのダイナミックレンジを十分に広くすることができる。

また、この電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤでは、第２励磁コイル５と直列に接続された状態で第２演算増幅器７の反転入力端子と出力端子との間に第１抵抗８と同じ抵抗値の第２抵抗９を接続し、第１演算増幅器６の第１出力電圧Ｖｏ１と第２演算増幅器７の第２出力電圧Ｖｏ２とを加算部１１で加算して、第１誘起電圧Ｖ１と第２誘起電圧Ｖ２との差電圧である加算信号Ｖａｄｄ（＝Ｖ１−Ｖ２）を出力する。したがって、この電流センサ１ａおよび測定装置ＭＤによれば、後述する電流センサ１ｂとは異なり、第１コア２および第２コア３に検出コイルを形成する必要が無いため、手間のかかる巻線作業を大幅に簡略化することができる。

なお、上記の電流センサ１ａでは、第１演算増幅器６から出力される第１出力電圧Ｖｏ１と第２演算増幅器７から出力される第２出力電圧Ｖｏに基づき、各誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧（上記の例では加算信号Ｖａｄｄ（＝Ｖ１−Ｖ２））を出力する構成を採用したが、この構成に限定されるものではない。例えば、図２に示す電流センサ１ｂのように検出コイル２１を使用して、差電圧（Ｖ１−Ｖ２）を出力する構成を採用することもできる。以下、この電流センサ１ｂについて説明する。なお、電流センサ１ａと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略し、相違する構成について主として説明する。

電流センサ１ｂは、図２に示すように、第１コア２、第２コア３、第１励磁コイル４、第２励磁コイル５、検出コイル２１、第１演算増幅器６、第２演算増幅器７、第１抵抗８、励磁部１０、増幅部２２、フィルタ１２および検波部１３を備えて、測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂに比例して電圧値が変化する検出信号Ｖｄを出力する。

この場合、第２演算増幅器７は、非反転入力端子が基準電位に接続されると共に、反転入力端子と出力端子との間に負帰還路を構成する第２励磁コイル５が接続されている。検出コイル２１は、第１コア２および第２コア３に亘って所定の巻回数で巻回されている。この構成により、検出コイル２１は、その端子２１ａ，２１ｂ間に、誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧となる誘起電圧Ｖ３を発生させる。増幅部２２は、この誘起電圧Ｖ３を所定のレベルに増幅して、差電圧としての増幅信号Ｖａｐ（＝Ｖ１−Ｖ２）を出力する。

フィルタ１２は、増幅信号Ｖａｐに含まれている周波数２ｆを選択的に通過させることで、抽出信号Ｖｆ（この抽出信号Ｖｆもまた各誘起電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧である）を出力する。検波部１３は、抽出信号Ｖｆを、励磁部１０から出力される同期信号Ｖｓｙで同期検波することにより、測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂに比例して電圧値が変化する検出信号Ｖｄを出力する。

この電流センサ１ｂ、およびこの電流センサ１ｂを備えた測定装置ＭＤにおいても、上記した電流センサ１ａおよびこの電流センサ１ａを備えた測定装置ＭＤと同様にして、電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）を規定する第１抵抗８、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を直列の状態で含む１つの電流経路にこの電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）の交流励磁電流Ｉを供給する構成にできるため、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流励磁電流Ｉを常に同じ電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）にすることができる。したがって、電流センサ１ｂ、およびこの電流センサ１ｂを備えた測定装置ＭＤによっても、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に流れる交流励磁電流Ｉを同じ電流値に調整する作業を不要にすることができる。

また、この電流センサ１ｂおよび測定装置ＭＤにおいても、第１励磁コイル４に印加する第１出力電圧Ｖｏ１や第２励磁コイル５に印加する第２出力電圧Ｖｏ２を、第１演算増幅器６および第２演算増幅器７の作動電圧である正電圧Ｖ＋や負電圧Ｖ−に近い電圧値（ほぼ同じ電圧値）まで大きくすることができる（第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を作動電圧とほぼ同じ電圧値まで駆動可能にできる）。したがって、この電流センサ１ｂおよび測定装置ＭＤによっても、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を駆動する電圧（各出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２）が正電圧Ｖ＋や負電圧Ｖ−の１／２に制限されることがないことから、交流励磁電圧Ｖｅｘの電圧値Ｖｅｘを大きくして、交流励磁電流Ｉの電流値（Ｖｅｘ／Ｒ）を増加させることができる。このため、各励磁コイル４，５を十分に駆動することができ、電流センサ１ａのダイナミックレンジを広くすることができる。また、この電流センサ１ｂおよび測定装置ＭＤでは、第２抵抗９を不要にできるため、抵抗値の揃った２つの抵抗（抵抗８，９）を用意する手間を省くことができる。

また、この電流センサ１ｂ、およびこの電流センサ１ｂを備えた測定装置ＭＤによれば、上記の電流センサ１ａ、およびこの電流センサ１ａを備えた測定装置ＭＤとは異なり、検出コイル２１を設ける必要があるものの、第１抵抗８の抵抗値Ｒと同じ抵抗値の第２抵抗９を用意する手間を省くことができる。

また、上記の電流センサ１ａ，１ｂでは、第１コア２および第２コア３は、測定対象導体１００が挿通される形態で、測定対象電流Ｉｏｂが流れることによって測定対象導体１００の周囲に発生する不図示の磁界内に配設される構成であるが、この構成に限定されるものではない。例えば、図３に示す電流センサ１ｃのように、第１コア２および第２コア３とは異なるコア３１（一部にギャップＧＰが形成されているコア）を別途設けて、第１励磁コイル４が巻回された第１コア２、および第２励磁コイル５が巻回された第２コア３をこのギャップＧＰ内に配設する構成を採用することもできる。なお、本例では、各コア２，３の形状を、電流センサ１ａ，１ｂでの環状に代えて、柱状としているが、環状としてもよいのは勿論である。また、図３に示すように、第１コア２および第２コア３を同じ１つのギャップＧＰ内に配設する構成でもよいし、コア３１にギャップを２つ形成して、第１コア２および第２コア３を別々のギャップ内に配設する構成でもよい。

この電流センサ１ｃでは、図３に示すように、コア３１に測定対象導体１００が挿通される。この構成により、測定対象電流Ｉｏｂが流れることによって測定対象導体１００の周囲に発生する不図示の磁界内にコア３１が配設され、この磁界に起因してコア３１内に磁束が生じる。この磁束はギャップＧＰも通過することから、このギャップＧＰ内に配設された第１コア２および第２コア３は、測定対象導体１００が第１コア２および第２コア３に挿通されない形態であっても、測定対象電流Ｉｏｂが流れることによって測定対象導体１００の周囲に発生する不図示の磁界内に配設される構成となっている。

また、電流センサ１ｃは、ギャップＧＰ内に第１コア２および第２コア３が配設されたコア３１に測定対象導体１００を挿通させる構成以外の構成要素については、上記した電流センサ１ａ，１ｂのうちのいずれか一方の各構成要素と同一である。このため、図３においては、この同一の構成要素については図示せず、また説明についても省略する。

したがって、図１に示す第１コア２、第２コア３、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に代えて、図３に示すコア３１、第１コア２、第２コア３、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を備えて構成された電流センサ１ｃや、図２に示す第１コア２、第２コア３、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５に代えて、図３に示すコア３１、第１コア２、第２コア３、第１励磁コイル４および第２励磁コイル５を備えて構成された電流センサ１ｃによっても、またこの電流センサ１ｃを備えた測定装置ＭＤによっても、上記した電流センサ１ａ，１ｂ、または電流センサ１ａ，１ｂのいずれかを備えた測定装置ＭＤと同様の効果を奏することができる。

また、上記した電流センサ１ａ，１ｂ，１ｃは、ゼロフラックス型の電流センサとして構成することもできる。以下、一例として電流センサ１ａを図４に示すようなゼロフラックス型の電流センサ１ｄとして構成して測定装置ＭＤとした例について説明する。なお、電流センサ１ａ、およびこの電流センサ１ａを備えた測定装置ＭＤと同一の構成要素については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

電流センサ１ｄは、電流センサ１ａの構成に加えて、一対のメインコア４１，４２、帰還巻線４３、駆動部４４、検出抵抗４５および増幅部４６を備えている。メインコア４１，４２は、断面凹字形を呈し、かつ平面視形状が同一の環状体にそれぞれ磁性材料を用いて形成されている。この構成により、メインコア４１，４２は、互いに凹部同士が対向する状態で付き合わされた状態において、環状の中空部（図示せず）が内部に形成された１つの環状コアに構成されている。また、この中空部内には、第１励磁コイル４が巻回された第１コア２と、第２励磁コイル５が巻回された第２コア３とが重ねられた状態で収容されている。

帰還巻線４３は、メインコア４１，４２で構成された環状コアの外周面に巻回されている。駆動部４４は、検波部１３から出力される検出信号Ｖｄに基づいて駆動電流Ｉｄを生成して帰還巻線４３の一端に供給する。また、駆動部４４は、駆動電流Ｉｄが帰還巻線４３を流れることによってメインコア４１，４２で構成される環状コアに発生する磁束で、測定対象導体１００に測定対象電流Ｉｏｂが流れることによってこの環状コアに発生する磁束を打ち消すように、つまり、検波部１３から出力される検出信号Ｖｄの振幅を低下させる（ゼロに近づける）ように、駆動電流Ｉｄの振幅を制御する。

検出抵抗４５は、帰還巻線４３の他端とグランド電位Ｇとの間に配設されて、駆動電流Ｉｄを電圧信号Ｖｄ１に変換する。増幅部４６は、この電圧信号Ｖｄ１を電圧信号Ｖｄ２に増幅して処理部１４に出力する。この場合、電圧信号Ｖｄ２は、測定対象導体１００に流れる測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂに比例して電圧値が変化する信号である。

この測定装置ＭＤでは、このようにして電流センサ１ｄから出力される電圧信号Ｖｄ２を、電流センサ１ａ，１ｂ，１ｃのいずれかを備えた上記の測定装置ＭＤでの検出信号Ｖｄと同様にして処理部１４が入力して、その瞬時値を示す波形データに変換し、さらにこの変換した波形データに基づいて測定対象電流Ｉｏｂの波形データ（電流波形データ）を算出してメモリに記憶する。また、処理部１４は、メモリに記憶した電流波形データに基づいて、測定対象電流Ｉｏｂの電流値Ｉｏｂを算出してメモリに記憶する。また、処理部１４は、算出した電流値Ｉｏｂや、電流波形データに基づく測定対象電流Ｉｏｂの波形を出力部１５に出力して、電流値Ｉｏｂや測定対象電流Ｉｏｂの波形を表示画面上に表示させる。これにより、電流センサ１ｄを備えた測定装置ＭＤによる測定対象電流Ｉｏｂの測定が完了する。

したがって、この電流センサ１ｄによっても、またこの電流センサ１ｄを備えた測定装置ＭＤによっても、上記した電流センサ１ａ，１ｂ，１ｃ、または電流センサ１ａ，１ｂ，１ｃのいずれかを備えた測定装置ＭＤと同様の効果を奏することができる。さらに、この電流センサ１ｄ、および電流センサ１ｄを備えた測定装置ＭＤによれば、メインコア４１，４２で構成される環状コア内に生じる磁束をほぼゼロに維持できることから、電流値の大きな測定対象電流Ｉｏｂについても、磁気飽和を回避しつつ測定することができる。

また、上記の電流センサ１ａ，１ｂ，１ｄでは、加算信号Ｖａｄｄや増幅信号Ｖａｐに含まれる周波数２ｆの信号成分のみを正確に抽出し得るより好ましい構成として、フィルタ１２および検波部１３を併用する構成を採用しているが、上記したように、検波部１３だけの構成とすることもできるし、フィルタ１２だけで十分なときには検波部１３を省いてフィルタ１２だけの構成とすることもできる。また、電流センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを備えた測定装置ＭＤとして、電流測定装置を例に挙げて説明したが、電力測定装置とすることもできる。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ電流センサ
２第１コア
３第２コア
４第１励磁コイル
５第２励磁コイル
６第１演算増幅器
７第２演算増幅器
８第１抵抗
９第２抵抗
１１加算部
１３検波部
１４処理部
２１検出コイル
３１コア
ＭＤ測定装置

Claims

測定対象電流が流れることによって発生する磁界内に配設される第１コアおよび第２コアと、
前記第１コアに巻回された第１励磁コイルと、
前記第２コアに巻回された第２励磁コイルと、
前記第１励磁コイルが反転入力端子と出力端子との間に接続されると共に、非反転入力端子に交流励磁電圧が供給される第１演算増幅器と、
前記第２励磁コイルが反転入力端子と出力端子との間に接続されると共に、非反転入力端子が基準電位に規定された第２演算増幅器と、
前記第１演算増幅器の前記反転入力端子と前記第２演算増幅器の前記反転入力端子との間に接続された第１抵抗とを備え、
前記交流励磁電圧の電圧値を前記第１抵抗の抵抗値で除算して求められる電流値の交流励磁電流を、前記第１励磁コイルに対しては前記第１演算増幅器が供給し、かつ前記第２励磁コイルに対しては前記第２コアに生じる交流磁束の向きと前記第１コアに生じる交流磁束の向きとが逆になるように前記第２演算増幅器が供給するフラックスゲート型電流センサ。
前記第２励磁コイルと直列に接続された状態で前記第２演算増幅器の前記反転入力端子と前記出力端子との間に接続されると共に前記第１抵抗と同じ抵抗値に規定された第２抵抗と、
前記第１演算増幅器の前記出力端子から出力される第１出力電圧と前記第２演算増幅器の前記出力端子から出力される第２出力電圧とを加算して、前記第１励磁コイルに生じる第１誘起電圧と前記第２励磁コイルに生じる第２誘起電圧との差を示す差電圧を出力する加算部とを備えている請求項１記載のフラックスゲート型電流センサ。
前記第１コアおよび前記第２コアに巻回されて、前記第１励磁コイルに生じる第１誘起電圧と前記第２励磁コイルに生じる第２誘起電圧との差を示す差電圧を発生させる検出コイルを備えている請求項１記載のフラックスゲート型電流センサ。
前記交流励磁電圧に同期した当該交流励磁電圧の２倍の周波数の同期信号で前記差電圧を同期検波することにより、前記測定対象電流の電流値に比例して電圧値が変化する検出信号を出力する検波部を備えている請求項２または３記載のフラックスゲート型電流センサと、
前記検出信号に基づいて前記測定対象電流を測定する電流測定部とを備えている測定装置。