JP2019027970A - 電流センサおよび測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数特性を高周波側に一層伸ばし得る電流センサを提供する。【解決手段】巻芯１２、巻芯１２の基端Ａ側から自由端Ｂ側に亘って巻回されたコイル１３、および巻芯１２に配設されて自由端Ｂ側の一端がコイル１３における自由端Ｂ側の一端に電気的に接続された戻し導体１４を有するロゴスキーコイル１１を備え、コイル１３における基端Ａ側の他端と戻し導体１４における基端Ａ側の他端とがダンピング抵抗Ｒｄａで終端処理され、コイル１３における自由端Ｂ側の一端と戻し導体１４における自由端Ｂ側の一端とがダンピング抵抗Ｒｄｂを介して電気的に接続され、各ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が、互いに実質的に等価で、かつコイルの特性インピーダンスの１／１０を下限とすると共にこの特性インピーダンスの２倍を上限とする抵抗値範囲に含まれる値に規定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ロゴスキーコイルを用いて構成された電流センサ、および電流センサを備えた測定装置に関するものである。

この種の測定装置の一例として、下記の特許文献１に開示された電流測定装置が知られている。この電流測定装置は、ロゴスキーコイルと積分器とを備えている。ロゴスキーコイルは、プラスティック製の巻型にコイル巻線が巻き付けられて構成されている。巻型は、円形の断面を持つと共に、切れ目があるドーナツ状に形成されて、開閉自在なループを形成可能に構成されている。コイル巻線は、巻型の周面に巻型の一端から巻型の他端に亘って形成され、巻型の他端に位置するコイル巻線の自由端は巻型の中心軸に配設された導線を介して巻型の一端に位置するコイル巻線の固定端に戻される。この構成により、ロゴスキーコイルは、測定電流の流れる導体を取り囲んで、包囲することが可能となっている。また、ロゴスキーコイルの一対の出力端（コイル巻線の固定端と、コイル巻線の自由端に接続された導線における巻型の一端に位置する端部）は、適切なダンピング抵抗で終端処理されて、積分器に接続されている。この場合、ダンピング抵抗の抵抗値は、ロゴスキーコイルの特性インピーダンスＺ（Ｚ＝√（Ｌ／Ｃ）。なお、Ｌはロゴスキーコイルのインダクタンスであり、Ｃはロゴスキーコイルの分布キャパシタンスを示している）と実質的に同じに規定されている。

本願出願人は、ダンピング抵抗の効果を確認するために、図７に示すロゴスキーコイル１１の等価回路を用いて、コイル巻線の自由端と巻型の中心軸に配設された導線における巻き型の他端側の一端とを接続し（つまり、コイル巻線の自由端をこの導線を介して巻き型の一端側に直接戻し）、かつロゴスキーコイル１１の一対の出力端間にダンピング抵抗を配設しない構成においてこの一対の出力端間から出力される信号Ｖ１と、図８に示すように、このロゴスキーコイル１１の一対の出力端間にダンピング抵抗を配設した構成においてこの一対の出力端間から出力される信号Ｖ１とについての周波数特性をシミュレーションで求めた。

なお、図７，８に示されるように、ロゴスキーコイル１１は、分布電圧源Ｖ、分布インダクタンスＬ、分布抵抗Ｒおよび分布キャパシタンスＣで構成される分布定数回路ＮＥが多段に縦続接続されたものと実質的に等価であり、ロゴスキーコイル１１の特性インピーダンスＺは、分布インダクタンスＬのインダクタンス値をＬ１とし、分布キャパシタンスＣの容量値をＣ１としたときに、Ｚ＝（√（Ｌ１／Ｃ１））と表される。したがって、図８に示す等価回路に存在するダンピング抵抗Ｒｄの抵抗値Ｒｄ１は、実質的に、この特性インピーダンスＺ（＝√（Ｌ１／Ｃ１））と等価（同一）に規定されている。なお、このシミュレーションでは、図７，８に示すロゴスキーコイル１１の等価回路は、１０個の分布定数回路ＮＥが縦続接続されて構成されており、各分布定数回路ＮＥの分布インダクタンスＬのインダクタンス値Ｌ１が０．３２μＨであり、分布キャパシタンスＣの容量値Ｃ１が０．３ｐＦであり、分布抵抗Ｒの抵抗値Ｒ１は０．０１Ωに規定されているものとする。

図７に示す等価回路（ダンピング抵抗Ｒｄ無しの等価回路）でのシミュレーション結果を図９において破線で示し、図８に示す等価回路（ダンピング抵抗Ｒｄ有りの等価回路）でのシミュレーション結果を図９において実線で示す。この図９に示される各シミュレーション結果から明らかなように、ロゴスキーコイル１１の一対の出力端間をダンピング抵抗Ｒｄで終端処理することにより、ダンピング抵抗Ｒｄで終端処理しないときに周波数特性に表れる共振に伴う３個のピークＰ１，Ｐ２，Ｐ３（この順に発生周波数（共振周波数）が高くなるピーク）のうちの最も低い周波数のピークＰ１（ゲインが急激に上昇した後に急激に低下するピーク）の発生を抑制でき、これにより、ロゴスキーコイル１１の使用可能な周波数帯域（使用可能帯域）の上限を白抜きの矢印で示す分だけ、より高周波側まで伸ばすことが可能になっている。

特表２０１７−５０４０２２号公報（第８−１２頁、第１−６図）

ところが、出力端間がダンピング抵抗Ｒｄで終端処理されたロゴスキーコイル１１、ひいては、このロゴスキーコイル１１を備えた電流センサには、以下のような解決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、上記したようにピークＰ１の発生は抑制し得るものの、高周波側にピークＰ２（ゲインが急激に低下した後に急激に上昇するピーク）が発生したままの状態であることから、周波数特性を高周波側に一層伸ばすことが難しいという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、周波数特性を高周波側に一層伸ばし得る電流センサ、およびこの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記載の電流センサは、巻芯、当該巻芯の基端側から自由端側に亘って巻回されたコイル、および前記巻芯の長さ方向に沿って当該巻芯に配設されて前記自由端側の一端が前記コイルにおける前記自由端側の一端に電気的に接続された戻し導体を有するロゴスキーコイルを備えて構成されて、前記コイルにおける前記基端側の他端と前記戻し導体における基端側の他端とが第１ダンピング抵抗で終端処理された電流センサであって、前記コイルにおける前記自由端側の前記一端と前記戻し導体における前記自由端側の前記一端とが第２ダンピング抵抗を介して電気的に接続され、前記第１ダンピング抵抗および前記第２ダンピング抵抗の各抵抗値が、互いに実質的に等価で、かつ前記コイルの分布インダクタンスおよび分布キャパシタンスで規定される特性インピーダンスの１／１０を下限とすると共に当該特性インピーダンスの２倍を上限とする抵抗値範囲に含まれる値に規定されている。

請求項２記載の電流センサは、請求項１記載の電流センサにおいて、前記第１ダンピング抵抗および前記第２ダンピング抵抗の各抵抗値が前記特性インピーダンスと実質的に等価に規定されている。

請求項３記載の電流センサは、巻芯、当該巻芯の基端側から自由端側に亘って巻回されたコイル、および前記巻芯の長さ方向に沿って当該巻芯に配設されて前記自由端側の一端が前記コイルにおける前記自由端側の一端に電気的に接続された戻し導体を有するロゴスキーコイルを備えて構成されて、前記コイルにおける前記基端側の他端と前記戻し導体における基端側の他端とがダンピング抵抗を介して電気的に接続されることなく積分部に接続可能に構成された電流センサであって、前記コイルにおける前記自由端側の前記一端と前記戻し導体における前記自由端側の前記一端とがダンピング抵抗を介して電気的に接続され、前記ダンピング抵抗の抵抗値が、前記コイルの分布インダクタンスおよび分布キャパシタンスで規定される特性インピーダンスと実質的に等価に規定されている。

請求項４記載の測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電流センサと、前記積分部と、当該積分部から出力される信号に基づいて当該電流センサが取り付けられた測定対象電線に流れる測定電流の電流値を測定する処理部と、前記測定された電流値を出力する出力部とを備えている。

請求項１記載の電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、互いの抵抗値が実質的に等価に規定された第１ダンピング抵抗および第２ダンピング抵抗を接続すると共に、この抵抗値を特性インピーダンスの１／１０を下限とし、特性インピーダンスの２倍を上限とする抵抗値範囲に含まれる値に規定したことにより、ロゴスキーコイルの周波数特性を（周波数特性での使用可能帯域の上限を）、高周波側まで一層伸ばすことができることから、より高い周波数の測定電流についてもその電流値を正確に測定することができる。

また、請求項２記載の電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、第１ダンピング抵抗および第２ダンピング抵抗の各抵抗値を特性インピーダンスと実質的に等価に規定したことにより、より簡易な構成の完全積分回路で積分部を実現することができるため、部品点数の低減を図ることができる。

また、請求項３記載の電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、ダンピング抵抗を、コイルにおける自由端側の一端と戻し導体における自由端側の一端とを接続するダンピング抵抗だけとし、かつダンピング抵抗の抵抗値を特性インピーダンスと実質的に等価に規定したことにより、ロゴスキーコイルの周波数特性を（周波数特性での使用可能帯域の上限を）、より高周波側まで伸ばすことができる。さらに、１個のダンピング抵抗だけで済む分だけ、全域が微分領域で構成された使用可能帯域でのゲインを、従来の電流センサのゲインと同等に維持することができる。したがって、この電流センサおよびこの測定装置によれば、より高い周波数の測定電流についてもその電流値を正確に測定しつつ、測定感度の低下を回避することができる。

電流センサ２Ａを備えた測定装置１の構成図である。 電流センサ２Ａを構成するロゴスキーコイル１１およびダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂについての等価回路図である。 図２に示す等価回路での各ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を、互いに等価（同じ）に規定した状態で、特性インピーダンスＺを基準として増減させたときの抵抗値毎の信号Ｖ１についてのゲインの周波数特性を示す特性図である。 電流センサ２Ｂの構成図である。 電流センサ２Ｂを構成するロゴスキーコイル１１およびダンピング抵抗Ｒｄｂについての等価回路図である。 図２に示す等価回路での信号Ｖ１、図５に示す等価回路での信号Ｖ１、および図８に示す等価回路での信号Ｖ１についての各ゲインの周波数特性を示す特性図である。 出力端間がダンピング抵抗で終端処理されていないロゴスキーコイル１１の等価回路図である。 出力端間がダンピング抵抗Ｒｄで終端処理されたロゴスキーコイル１１の等価回路図である。 図７に示す等価回路での信号Ｖ１、および図８に示す等価回路での信号Ｖ１についての各ゲインの周波数特性を示す特性図である。

以下、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、測定装置としての測定装置１の構成について、図面を参照して説明する。

測定装置１は、図１に示すように、電流センサとしての電流センサ２Ａ、および装置本体３を備え、電流センサ２Ａが装置本体３に接続され、かつ電流センサ２Ａの後述するロゴスキーコイル１１が測定対象４を取り囲んで環状をなすように測定対象４に取り付けられた状態において、測定対象４に流れる測定電流（交流電流）Ｉの電流値Ｉ１を測定可能に構成されている。

電流センサ２Ａは、図１に示すように、ロゴスキーコイル１１、２個のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂ、およびロゴスキーコイル１１を装置本体３に接続するための接続ケーブル２１を備えている。ロゴスキーコイル１１は、図１に示すように、可撓性を有して環状に変形可能な棒状体（例えば、直径がほぼ一定の円柱体）として構成された巻芯１２（図１中では破線で示されている部材）、巻芯１２の基端Ａ側から自由端Ｂ側に亘って巻回されたコイル（巻線）１３、および巻芯１２の長さ方向に沿って巻芯１２に配設されて自由端Ｂ側の一端がコイル１３における自由端Ｂ側の一端に電気的に接続された戻し導体１４を有している。

具体的には、巻芯１２は、例えば、樹脂材料などの絶縁性材料を用いて可撓性を有する長尺な棒状体として構成されている。コイル１３は、導線（ワイヤー）を巻芯１２の外周面に巻回することによって形成されている。また、コイル１３に用いられる導線としては、一般的なロゴスキーコイルにおいて使用される抵抗率（体積抵抗率）の低い金属製の導線（例えば銅線）が使用される。戻し導体１４は、一例として、抵抗率（体積抵抗率）の低い金属製の導線（例えば銅線）で構成されて、図１に示すように巻芯１２の内部に、巻芯１２の基端Ａ側から自由端Ｂ側に亘って貫通する状態で配設されている。

また、このコイル１３および戻し導体１４で構成されるロゴスキーコイル１１は、図２の電流センサ２Ａの等価回路図で示されるように、分布電圧源Ｖ、分布インダクタンスＬ、分布抵抗Ｒおよび分布キャパシタンスＣで構成される分布定数回路ＮＥが多段に縦続接続されたものと実質的に等価である。また、分布インダクタンスＬのインダクタンス値をＬ１とし、分布キャパシタンスＣの容量値をＣ１としたときに、コイル１３の特性インピーダンスＺは√（Ｌ１／Ｃ１）で表される。また、コイル１３および戻し導体１４に用いられる導線は、上記したように抵抗率（体積抵抗率）が低いことから、分布抵抗Ｒの抵抗値Ｒ１は例えば０．０１Ωのように極めて小さい値となっている。

このロゴスキーコイル１１では、図１，２に示すように、コイル１３における基端Ａ側の他端（端部１１ａ）および戻し導体１４における基端Ａ側の他端（端部１１ｂ）がロゴスキーコイル１１での一対の出力端（以下、出力端１１ａ，１１ｂともいう）として機能して、ロゴスキーコイル１１が取り付けられた測定対象４に流れる測定電流Ｉの電流値Ｉ１についての時間変化（ｄＩ１／ｄｔ）の大きさに比例して電圧値が変化する信号（誘導電圧）Ｖ１をこの出力端１１ａ，１１ｂ間から出力可能となっている。

また、ロゴスキーコイル１１では、出力端１１ａ，１１ｂ間にダンピング抵抗（第１ダンピング抵抗）Ｒｄａが配設（接続）されることにより、この出力端１１ａ，１１ｂ間が終端処理されている。また、ロゴスキーコイル１１では、戻し導体１４の自由端Ｂ側の一端がコイル１３における自由端Ｂ側の一端に、ダンピング抵抗（第２ダンピング抵抗）Ｒｄｂを介して電気的に接続されている。また、２個のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１は、互いに実質的に等価（Ｒｄａ１＝Ｒｄｂ１）で、かつコイル１３の特性インピーダンスＺ（＝√（Ｌ１／Ｃ１））と実質的に等価（Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１＝Ｚ）に規定されている。また、このロゴスキーコイル１１では、図１において一点鎖線で示すように、巻芯１２およびこの巻芯１２の外周面に形成されたコイル１３全体が絶縁被覆１７で覆われている。

このように２個のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂが接続された構成のロゴスキーコイル１１について、２個のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を、互いに実質的に等価にした状態で、特性インピーダンスＺを基準として増減させたときの信号Ｖ１のゲインについての周波数特性を図２に示す等価回路を用いてシミュレーションで求めた。その結果を図３に示す。なお、このシミュレーションでは、このロゴスキーコイル１１の等価回路は、図２に示すように、上記した図７，８に示すロゴスキーコイル１１の等価回路と同様にして、１０個の分布定数回路ＮＥが縦続接続されて構成されており、各分布定数回路ＮＥの分布インダクタンスＬのインダクタンス値Ｌ１が０．３２μＨであり、分布キャパシタンスＣの容量値Ｃ１が０．３ｐＦであり、分布抵抗Ｒの抵抗値Ｒ１は０．０１Ωに規定されているものとする。

このシミュレーション結果から明らかなように、ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂが接続された構成のロゴスキーコイル１１では、ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺを下回るとき（本例のシミュレーションでの０．５Ｚ，０．２Ｚ，０．１Ｚ，０．０５Ｚのとき）には、対応する実線で示される周波数特性のように、ロゴスキーコイル１１の出力端間だけにダンピング抵抗を接続した従来の構成（図８の構成）での周波数特性（破線で示す周波数特性）において発生しているピークＰ２，Ｐ３のうちのピークＰ３についてはその発生を抑制できないものの、ピークＰ２についてはその発生を抑制できることから、ロゴスキーコイル１１の使用可能帯域の上限を、この従来の構成と比較して白抜きの矢印で示す分だけ、より高周波側まで伸ばすことが可能になっている。

また、ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺを下回る構成のロゴスキーコイル１１では、図３に示すように、信号Ｖ１が微分出力となる微分領域（周波数の上昇に伴いゲインが右肩上がりに上昇する周波数特性となる領域）と、ゲインがほぼ一定となる定ゲイン領域（微分領域の高周波側に隣接する領域）とで使用可能帯域が構成されている。ただし、定ゲイン領域は、各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が小さくなるに従い、そのゲインが低下しつつ、より低周波側が拡張する。この場合、０．１Ｚのときには必要最低限のゲインを確保できるものの、０．０５Ｚのときにはこの必要最低限のゲインの確保が困難になる。したがって、各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を特性インピーダンスＺを下回る値に規定するときには、０．１Ｚを下限値としてこれ以上とする（つまり、Ｚ＞Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１≧０．１Ｚとする）必要がある。

また、このロゴスキーコイル１１では、各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺ以上のときであって、２Ｚ以下のときには、破線で示す上記した従来の構成での周波数特性において発生しているピークＰ２，Ｐ３のうちのピークＰ３についてはその発生を抑制できないものの、ピークＰ２の発生を抑制できることから、やはり、ロゴスキーコイル１１の使用可能帯域の上限を従来の構成と比較して白抜きの矢印で示す分だけ、より高周波側まで伸ばすことが可能になっている。また、各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺ以上２Ｚ以下の構成のときには、使用可能帯域の全体が上記の微分領域で構成されている。一方、各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺ以上のときであっても、２Ｚを上回るとき（本例のシミュレーションでの４Ｚ，１０Ｚのとき）には、図７，８に示す従来の電流センサの周波数特性において発生しているピークＰ２の発生周波数とほぼ同じ周波数において逆方向のピークＰ２が発生し始めるため、使用可能帯域の上限を伸ばすことができない。したがって、各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を特性インピーダンスＺ以上の値に規定するときには、２Ｚを上限値としてこれ以下とする（つまり、２Ｚ≧Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１≧Ｚとする）必要がある。

本例の電流センサ２Ａでは、上記したように各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定されているため、この抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂが接続されたロゴスキーコイル１１の使用可能帯域は、全域に亘って微分領域で構成されている。

接続ケーブル２１は、例えば２芯のシールドケーブルなどで構成されて、一方の端部側から延出する２つの芯線２２，２３のうちの一方の芯線２２がロゴスキーコイル１１の一方の出力端１１ａに接続され、他方の芯線２３がロゴスキーコイル１１の他方の出力端１１ｂに接続されている。また、接続ケーブル２１は、他方の端部側にコネクタ２４が取り付けられて、この他方の端部側から延出する各芯線２２，２３はコネクタ２４に配設された複数の接続ピンのうちの対応する１つの接続ピンにそれぞれ接続されている。また、接続ケーブル２１を構成するシールド２５も同様にして、コネクタ２４に配設された複数の接続ピンのうちの対応する１つの接続ピンに接続されている。この構成により、電流センサ２Ａでは、ロゴスキーコイル１１から出力された信号Ｖ１が接続ケーブル２１を経由してコネクタ２４から電圧信号Ｖ２として出力される。

装置本体３は、一例として、ケース３１、コネクタ３２、積分部３３，処理部３４、出力部３５および不図示の電源部を備えて構成されている。電源部は、例えば直流電源装置（電池でもよい）で構成されて、ケース３１内に配設された積分部３３，処理部３４および出力部３５などの電子回路のための作動用直流電圧（基準電位Ｇを基準とする電圧）を生成して出力する。

ケース３１は、例えば箱体に形成されて、その一つの壁面にコネクタ３２が配設されている。コネクタ３２は、電流センサ２Ａの接続ケーブル２１に取り付けられたコネクタ２４が着脱自在な構成となっている。また、図１に示すように、コネクタ３２にコネクタ２４が装着された状態では、接続ケーブル２１の芯線２２は、コネクタ２４（具体的には、この芯線２２に対応するコネクタ２４の接続ピン）、コネクタ３２（具体的には、コネクタ２４のこの接続ピンに対応してコネクタ３２に配設された接続ピン）、およびコネクタ３２に接続された装置本体３の内部配線を介して積分部３３の不図示の２つの入力端子のうちの一方の入力端子に接続される。また、接続ケーブル２１の芯線２３は、コネクタ２４（具体的には、この芯線２３に対応するコネクタ２４の接続ピン）、コネクタ３２（具体的には、コネクタ２４のこの接続ピンに対応してコネクタ３２に配設された接続ピン）、およびコネクタ３２に接続された装置本体３の内部配線を介して積分部３３の他方の入力端子に接続される。

この構成により、電流センサ２Ａのコネクタ２４から出力される電圧信号Ｖ２は、積分部３３の入力端子間に入力される。また、また、接続ケーブル２１のシールド２５は、コネクタ２４（具体的には、このシールド２５に対応するコネクタ２４の接続ピン）、コネクタ３２（具体的には、コネクタ２４のこの接続ピンに対応してコネクタ３２に配設された接続ピン）、およびコネクタ３２に接続された装置本体３の内部配線を介して装置本体３の基準電位Ｇ（内部グランド）に接続される。

積分部３３は、例えば、演算増幅器で構成された積分回路を備えて構成されて、電流センサ２Ａから一対の入力端子間に入力される電圧信号Ｖ２を積分することにより、測定対象４に流れる測定電流Ｉの電流波形に比例して波形が変化する電圧信号Ｖ３を生成して処理部３４に出力する。

この場合、使用可能帯域の全域が上記の微分領域で構成されるロゴスキーコイル１１を有する電流センサ２Ａが装置本体３に接続される構成では、積分部３３は、入力される電圧信号Ｖ２を全域（使用可能帯域の全域）に亘って積分する完全積分回路（例えば、コンデンサだけで演算増幅器の帰還路を構成してなる積分回路）で構成される。一方、使用可能帯域が上記の微分領域と定ゲイン領域とで構成されるロゴスキーコイル１１を有する電流センサ２Ａが装置本体３に接続される構成では、積分部３３は、微分出力となる微分領域の電圧信号Ｖ２については積分し、かつ一定のゲインとなる定ゲイン領域の電圧信号Ｖ２については一定の利得で増幅する不完全積分回路（例えば、コンデンサと抵抗の直列回路で演算増幅器の帰還路を構成してなる積分回路）で構成される。本例では、上記したようにロゴスキーコイル１１についての使用可能帯域の全域が微分領域となる構成のため、積分部３３は完全積分回路で構成されている。

処理部３４は、例えば、Ａ／Ｄ変換部、ＣＰＵおよびメモリなど（いずれも図示せず）を備えて構成されている。処理部３４では、Ａ／Ｄ変換部が、入力される電圧信号Ｖ３をその瞬時値を示す波形データに変換し、ＣＰＵが、この波形データに基づいて測定対象４に流れる測定電流Ｉの電流値Ｉ１を算出（測定）して出力部３５に出力する。

出力部３５は、一例として、ケース３１に設けられたＬＣＤなどのディスプレイ装置で構成されて、処理部３４から出力された電流値Ｉ１を画面に表示する。なお、出力部３５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上記の電流値Ｉ１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上記の電流値Ｉ１を伝送させたりする構成を採用することもできる。

次に、測定装置１の動作について、電流センサ２Ａの動作と併せて説明する。なお、電流センサ２Ａのコネクタ２４が装置本体３のコネクタ３２に装着される（電流センサ２Ａが装置本体３に接続される）と共に、電流センサ２Ａのロゴスキーコイル１１が測定対象４に取り付けられているものとする。

測定装置１では、まず、電流センサ２Ａのロゴスキーコイル１１が、測定対象４に流れる測定電流Ｉの電流値Ｉ１についての時間変化の大きさ（時間微分値）に比例して電圧値が変化する信号Ｖ１を出力端１１ａ，１１ｂから出力する。この信号Ｖ１は、接続ケーブル２１を経由してコネクタ２４から電圧信号Ｖ２として出力される。

この電流センサ２Ａでは、上記したように、ロゴスキーコイル１１を構成するコイル１３における基端Ａ側の他端（端部１１ａ）と戻し導体１４における基端Ａ側の他端（端部１１ｂ）との間にダンピング抵抗Ｒｄａが接続される構成に加えて、コイル１３における自由端Ｂ側の一端と戻し導体１４における自由端Ｂ側の一端とがダンピング抵抗Ｒｄｂを介して接続され、かつ各ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１は互いに実質的に等価に規定されると共に特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定されている。このため、この構成のロゴスキーコイル１１を有する電流センサ２Ａの使用可能帯域は、ダンピング抵抗Ｒｄａだけが接続されたロゴスキーコイル１１を有する従来の電流センサよりも高周波側に伸びている。つまり、この電流センサ２Ａは、より高い周波数領域に含まれる信号についても正確に検出して電圧信号Ｖ２として出力することが可能となっている。

次いで、装置本体３では、積分部３３が、電流センサ２Ａからコネクタ３２を介して入力される電圧信号Ｖ２を積分することにより、測定電流Ｉの電流波形に比例して波形が変化する電圧信号Ｖ３を生成して処理部３４に出力する。処理部３４は、この電圧信号Ｖ３に基づいて測定電流Ｉの電流値Ｉ１を算出（測定）して出力部３５に出力する。出力部３５は、処理部３４から出力された電流値Ｉ１を画面に表示する。これにより、測定電流Ｉの電流値Ｉ１についての測定が完了する。

このように、この電流センサ２Ａおよびこの電流センサ２Ａを備えた測定装置１では、ロゴスキーコイル１１の出力端１１ａ，１１ｂ間にダンピング抵抗Ｒｄａを接続する構成に加えて、ロゴスキーコイル１１の自由端側（コイル１３における自由端Ｂ側の一端と戻し導体１４における自由端Ｂ側の一端との間）にダンピング抵抗Ｒｄｂを接続する構成とすると共に、各ダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂの抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を互いに実質的に等価で、かつ特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定されている。したがって、この電流センサ２Ａおよびこの測定装置１によれば、ロゴスキーコイル１１の周波数特性を（具体的には、周波数特性での使用可能帯域の上限を）、ピークＰ２の発生を抑制できる分だけ、高周波側まで一層伸ばすことができることから、より高い周波数の測定電流Ｉについてもその電流値Ｉ１を正確に測定することができる。

また、この電流センサ２Ａでは、抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を互いに実質的に等価で、かつ特性インピーダンスＺ以上であってその２倍以下（２Ｚ≧Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１≧Ｚ）とする構成（一例として、抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定する構成）としたことにより、ロゴスキーコイル１１の周波数特性での使用可能帯域の全域が微分領域で構成されている。したがって、この電流センサ２Ａを備えた測定装置１によれば、不完全積分回路と比較して、より簡易な構成の完全積分回路で積分部３３を実現することができるため、部品点数の低減を図ることができる。

なお、上記の電流センサ２Ａでは、抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を互いに実質的に等価で、かつ特性インピーダンスＺ以上であってその２倍以下（２Ｚ≧Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１≧Ｚ）とする構成について、その一例として抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定する構成を例に挙げて説明したが、上記したように、抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１については、互いに実質的に等価であって、特性インピーダンスＺを下回り、かつ０．１Ｚ以上（Ｚ＞Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１≧０．１Ｚ）に規定することもできる。この構成のロゴスキーコイル１１を備えた電流センサ２Ａによれば、その使用可能帯域は微分領域と定ゲイン領域とで構成されるが、やはり、ピークＰ２の発生を抑制できる分だけ、使用可能帯域を高周波側まで一層伸ばすことができることから、この微分領域と定ゲイン領域とに対応して積分動作および増幅動作を実行する不完全積分回路で積分部３３を構成することにより、より高い周波数の測定電流Ｉについてもその電流値Ｉ１を正確に測定することができる。

また、上記の電流センサ２Ａでは、ロゴスキーコイル１１の出力端１１ａ，１１ｂ側と自由端側とにダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂを接続する構成を採用しているが、ロゴスキーコイル１１の出力端１１ａ，１１ｂ側のダンピング抵抗Ｒｄａを省く構成とすることもできる。以下、図４〜図６を参照して、この構成の電流センサ２Ｂおよびこの電流センサ２Ｂを備えた測定装置１について説明する。なお、電流センサ２Ｂは、ダンピング抵抗Ｒｄａを備えていない構成以外は電流センサ２Ａと同一であるため、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する。また、電流センサ２Ｂが接続される装置本体３の構成は、電流センサ２Ｂが接続される上記の構成と同一であるため、装置本体３についての詳細な説明は省略する。

電流センサ２Ｂは、図４に示すように、ロゴスキーコイル１１、１個のダンピング抵抗Ｒｄｂ、およびロゴスキーコイル１１を装置本体３に接続するための接続ケーブル２１を備えている。この電流センサ２Ｂでは、電流センサ２Ａでのダンピング抵抗Ｒｄａが省かれているため、コイル１３における基端Ａ側の他端（端部１１ａ）および戻し導体１４における基端Ａ側の他端（端部１１ｂ）とがダンピング抵抗を介して電気的に接続されることなく積分部３３に接続可能（具体的には、接続ケーブル２１を介して積分部３３に接続可能）に構成されている。このため、ダンピング抵抗は、コイル１３における自由端Ｂ側の一端と戻し導体１４における自由端Ｂ側の一端との間に接続されたダンピング抵抗Ｒｄｂだけとなっている。また、ダンピング抵抗Ｒｄｂは、その抵抗値Ｒｄｂ１が特性インピーダンスＺと実質的に等価（Ｒｄｂ１＝Ｚ）に規定されている。また、ダンピング抵抗Ｒｄｂが接続されたロゴスキーコイル１１は、図５の電流センサ２Ｂの等価回路図で示されるように、分布電圧源Ｖ、分布インダクタンスＬ、分布抵抗Ｒおよび分布キャパシタンスＣで構成される分布定数回路ＮＥが多段に縦続接続されたものと実質的に等価である。

このように１個のダンピング抵抗Ｒｄｂが接続される構成のロゴスキーコイル１１について、ダンピング抵抗Ｒｄｂの抵抗値Ｒｄｂ１を特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定した状態で、信号Ｖ１のゲインについての周波数特性を図５に示す等価回路を用いてシミュレーションで求めた。その結果を図６において電流センサ２Ｂを示す符号２Ｂを付した太実線で示す。なお、図６中の破線で示す周波数特性は上記した従来の電流センサのものであり、また符号２Ａを付した細実線で示す周波数特性は各抵抗値Ｒｄａ１，Ｒｄｂ１を特性インピーダンスＺと実質的に等価に規定した上記の電流センサ２Ａのものであり、それぞれ電流センサ２Ｂとの比較のために図示している。

このシミュレーション結果から明らかなように、１個のダンピング抵抗Ｒｄｂだけが接続された構成のロゴスキーコイル１１においても、２個のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂが接続された構成のロゴスキーコイル１１と同様にして、従来の電流センサでの周波数特性において発生しているピークＰ２，Ｐ３のうちのピークＰ３についてはその発生を抑制できないものの、ピークＰ２についてはその発生を抑制できることから、やはり、ロゴスキーコイル１１の使用可能帯域の上限を従来の電流センサと比較して白抜きの矢印で示す分だけ、より高周波側まで伸ばすことができる。さらに、１個のダンピング抵抗Ｒｄｂだけが接続された構成のロゴスキーコイル１１では、１個のダンピング抵抗Ｒｄｂだけで済む分だけ、全域が微分領域で構成された使用可能帯域でのゲインを、従来の電流センサのゲインと同等に維持することができる。したがって、この構成のロゴスキーコイル１１を備えた電流センサ２Ｂおよびこの電流センサ２Ｂを備えた測定装置１によれば、より高い周波数の測定電流Ｉについてもその電流値Ｉ１を正確に測定しつつ、測定感度の低下を回避することができる。

また、上記の電流センサ２Ａ，２Ｂでは、巻芯１２を貫通する導線で戻し導体１４を構成しているが、この構成に限定されるものではなく、図示はしないが、例えば、コイル１３を覆うシールドが巻芯１２の基端Ａ側から自由端Ｂ側に亘って配設されている構成においては、このシールドを戻し導体１４として使用することもできる。

また、上記の電流センサ２Ａ，２Ｂでは、積分部３３（積分器）を含まない構成を採用しているが、積分器を含んで電流センサを構成することもできる。この構成の電流センサは、図示はしないが、例えば、上記のロゴスキーコイル１１と、２個のダンピング抵抗Ｒｄａ，Ｒｄｂのうちの少なくともダンピング抵抗Ｒｄｂと、このロゴスキーコイル１１に直接接続されて、ロゴスキーコイル１１から出力される誘導電圧Ｖ１を積分することで上記の電圧信号Ｖ３に相当する電圧信号を生成して接続ケーブル２１を経由してコネクタ２４から外部に出力する積分器とを備えて構成される。この電流センサによれば、オシロスコープなどの波形測定装置に直接接続して測定電流Ｉを測定することが可能となる。なお、電流センサ２Ａ，２Ｂ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た。

１ 測定装置
２Ａ，２Ｂ 電流センサ
１１ ロゴスキーコイル
１２ 巻芯
１３ コイル
１４ 戻し導体
Ａ 基端
Ｂ 自由端
Ｒｄａ，Ｒｄｂ ダンピング抵抗

Claims (4)

1. 巻芯、当該巻芯の基端側から自由端側に亘って巻回されたコイル、および前記巻芯の長さ方向に沿って当該巻芯に配設されて前記自由端側の一端が前記コイルにおける前記自由端側の一端に電気的に接続された戻し導体を有するロゴスキーコイルを備えて構成されて、前記コイルにおける前記基端側の他端と前記戻し導体における基端側の他端とが第１ダンピング抵抗で終端処理された電流センサであって、
   前記コイルにおける前記自由端側の前記一端と前記戻し導体における前記自由端側の前記一端とが第２ダンピング抵抗を介して電気的に接続され、
   前記第１ダンピング抵抗および前記第２ダンピング抵抗の各抵抗値が、互いに実質的に等価で、かつ前記コイルの分布インダクタンスおよび分布キャパシタンスで規定される特性インピーダンスの１／１０を下限とすると共に当該特性インピーダンスの２倍を上限とする抵抗値範囲に含まれる値に規定されている電流センサ。
2. 前記第１ダンピング抵抗および前記第２ダンピング抵抗の各抵抗値が前記特性インピーダンスと実質的に等価に規定されている請求項１記載の電流センサ。
3. 巻芯、当該巻芯の基端側から自由端側に亘って巻回されたコイル、および前記巻芯の長さ方向に沿って当該巻芯に配設されて前記自由端側の一端が前記コイルにおける前記自由端側の一端に電気的に接続された戻し導体を有するロゴスキーコイルを備えて構成されて、前記コイルにおける前記基端側の他端と前記戻し導体における基端側の他端とがダンピング抵抗を介して電気的に接続されることなく積分部に接続可能に構成された電流センサであって、
   前記コイルにおける前記自由端側の前記一端と前記戻し導体における前記自由端側の前記一端とがダンピング抵抗を介して電気的に接続され、
   前記ダンピング抵抗の抵抗値が、前記コイルの分布インダクタンスおよび分布キャパシタンスで規定される特性インピーダンスと実質的に等価に規定されている電流センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電流センサと、前記積分部と、当該積分部から出力される信号に基づいて当該電流センサが取り付けられた測定対象電線に流れる測定電流の電流値を測定する処理部と、前記測定された電流値を出力する出力部とを備えている測定装置。

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