JP3093531B2

JP3093531B2 - 直流電流センサー

Info

Publication number: JP3093531B2
Application number: JP05220723A
Authority: JP
Inventors: 川上　　誠; 茂山口
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 2000-10-03
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JPH06194389A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直流の漏電ブレーカ
ー等の直流電流センサーに係り、構造が比較的簡単であ
り、特に微小な電流の変化に対しても、優れた検出能力
を有し、微小電流の絶対値とともにその方向の検出をも
可能とする高感度の直流電流センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近は、インバーターを内蔵した電気機
器や電気自動車等、直流を使用した機器が増加している
が、これらの各種機器に組込まれている直流モータの負
荷を検知し、所要の制御を行うためのセンサーや、直流
漏電ブレーカー等に使用される直流電流センサーの必要
性が高まってきた。

【０００３】交流の漏電ブレーカー等に用いられる電流
センサーとしては、カレントトランスを応用したものが
広く知られている。しかし、先に説明した直流を使用し
た機器に用いる漏電ブレーカー等にはこの構成を採用す
ることができず、従来から直流電流センサーとして知ら
れるシャント抵抗方式、マグアンプ方式、磁気マルチバ
イブレータ方式（特開昭４７−１６４４号、特開昭５３
−３１１７６号、特開昭５９−４６８５９号）、ホール
素子方式等の採用が検討されている。

【０００４】シャント抵抗方式は、被検出導線に直列に
シャント抵抗を配置し、該シャント抵抗の両端部に発生
する電位差を検出する方式である。また、マグアンプ方
式、磁気マルチバイブレータ方式は、いずれもトロイダ
ル状に検出コイルを巻回してなる軟質磁性材料のコアを
用い、そのコアの内側に被検出導線を貫通させ、該被検
出導線に流れる直流電流にて軟質磁性材料のコアを飽和
磁束密度（Ｂｓ）以内で直流偏磁させることにより、予
めコアに巻回されたコイルに交流電流を通電することに
より発生した交番磁束が正、負の方向で飽和に達する時
間にアンバランスを発生させ、その変化を前記検出コイ
ルにて検出する方式であり、前者の方式では予めコア内
に磁束変化を与えるため、コアに励磁コイルを巻回して
所定値の交流電流を通電する構成を採用するものである
が、後者の方式では検出コイルと接続する回路中の半導
体等の作用により自励発振させ、被検出電流に応じて発
振波形のデューティー比を変えて発振する構成からなっ
ている。

【０００５】さらに、ホール素子方式は、一部にホール
素子を配置する空隙部を形成してなる軟質磁性材料のコ
アに直接被検出導線をトロイダル状に巻回し、該被検出
導線に流れる直流電流の変化に基づくコア内の磁束変化
を直接ホール素子にて検知する構成からなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の各方式
からなる直流電流センサーは、以下の理由により直流漏
電ブレーカー等の微小な電流の変化に対応できる構成と
は言い難く、高感度の直流電流センサーとして実用に至
っていないのが現状である。すなわち、シャント抵抗方
式では、シャント抵抗自体が被検出導線を含む回路中に
電気的な抵抗として配置されるため、該回路における電
気的な損失が増大し、電気的な効率が悪いという欠点を
有している。また、上記電気抵抗の両端に発生した電位
差を検出するための検出回路が被検出導線に直接接続さ
れるため、これら検出回路と被検出導線との電気的な絶
縁が困難であり、例えば、該検出回路とマイコン制御回
路等の応用回路と直接接続することができず、汎用性に
乏しいという欠点をも有している。

【０００７】このような欠点を有するとともに、このシ
ャント抵抗方式を漏電ブレーカーに採用するためには、
被検出導線の回路中に２つのシャント抵抗を配置するこ
とが必要となるが、各々のシャント抵抗を同一特性に揃
えることは実質的に困難であり、高精度の電位差測定を
実現することができない。しかも、各々のシャント抵抗
に接続する検出回路にて測定される電位差を比較対照し
て、わずかな漏電を検出するためには互いの検出回路を
非常に複雑な電気回路にて接続することが必要となり、
実用性の高い直流電流センサーとして提供することは困
難である。

【０００８】マグアンプ方式、磁気マルチバイブレータ
方式においては、検出回路と被検出導線との電気的な絶
縁が可能であるが、先に説明した通り、被検出導線に流
れる直流電流にて軟質磁性材料のコアをほぼ飽和磁束密
度（Ｂｓ）付近にまで飽和させるよう直流偏磁させるこ
とが必要である。パーマロイ等の公知の軟質磁性材料を
コアとして用いた場合、例えば、被検出導線に流れる電
流が数１０ｍＡ程度の場合は、該被検出導線を軟質磁性
材料のコアに数１０ターンから数１００ターン以上巻回
する必要があり、本来、被検出導線の１ターン貫通を要
求される漏電ブレーカー等の直流電流センサーとして使
用することは困難であった。

【０００９】ホール素子方式においても、これらの検出
能力は、ホール素子の特性によって必然的に決定される
ことから、現在公知のホール素子を用いた場合、例え
ば、被検出導線に流れる電流が数１０ｍＡ程度の場合
は、該被検出導線を軟質磁性材料のコアに数１００ター
ンから数１０００ターン以上巻回する必要があり、上記
のマグアンプ方式、磁気マルチバイブレータ方式と同様
に、被検出導線の１ターン貫通を要求される漏電ブレー
カー等の直流電流センサーとして使用することは困難で
あった。

【００１０】この発明は、上記の問題点を解消し、構造
が比較的簡単であり、直流の漏電ブレーカー等、特に微
小な電流の変化に対しても、優れた検出能力を有し、微
小電流の絶対値とともにその向きの検出をも可能とする
高感度の直流電流センサーの提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発明者らは、検出コイル
をトロイダル状に巻回する環状の軟質磁性材料からなる
検出コアの内側に被検出導線を貫通配置し、これに直流
電流を流すと、その直流電流の方向に対して右回りの磁
場が発生し、検出コア内に磁束Φ₀が発生するが、被検
出導線に流れる電流が直流であることから磁束Φ₀は一
定であり、検出コイルには起電力が発生しないことに着
目し、上記検出コアの一部に磁気的なギャップを形成
し、この部分を磁性体にて開閉することで磁気スイッチ
を構成し、該磁気スイッチにて磁束Φ₀を時間的に変化
（ＯＮ−ＯＦＦ）させることによって検出コイルに起電
力を発生させることを検討した。

【００１２】さらに、発明者らは、上記の構成をより実
現性の高いものとすべく種々検討した結果、機械的な磁
気スイッチにかえて、被検出導線に流れる直流電流によ
って検出コア内に発生する周方向の磁束に対して、略直
交方向に発生する磁束によって前記検出コアの一部に周
期的に磁気的なギャップを形成する手段を配置し、実質
的に上記の磁気スイッチと同様な作用を実現することに
よって、目的が達成できることを確認した。具体的な構
成としては、検出コアの一部に、検出コアの周方向に対
して直角方向に接続して環状を形成する軟質磁性材料か
らなる励磁コアを一体的に配置するとともに、励磁コア
に励磁コイルをトロイダル状に巻回配置し、さらに該励
磁コイルに交流電流を印加することによって励磁コアを
検出コアの周方向に対して直角方向に励磁し、検出コア
と励磁コアとの直交部を周期的に磁気的に飽和させるこ
とによって、この磁気的に飽和した直交部分を実質的な
磁気的なギャップとする構成が採用できる。すなわち、
上記検出コアの磁気的に飽和した直交部分の比透磁率μ
は限りなく１に近づくことから、この磁気的に飽和した
部分が磁気的なギャップと同様な機能を果たし、検出コ
ア内の磁束Φ₀が一定周期にて減少し、その磁束の変化
に伴い検出コイルに起電力を発生させることが可能とな
ったのである。

【００１３】図２に基づいて説明すると、内側に前記被
検出導線１を貫通配置する環状の軟質磁性材料からなる
検出コア２に、検出コイル３をトロイダル状に巻回配置
するとともに、該検出コア２の一部に、検出コア２の周
方向に対して直角方向に接続して環状を形成する軟質磁
性材料からなる励磁コア４を一体的に配置してなり、か
つ該励磁コア４に励磁コイル５をトロイダル状に巻回配
置して直流電流センサーを構成し、前記励磁コイル５に
交流電流を印加することによって励磁コア４を検出コア
２の周方向に対して直角方向に励磁し、検出コア２と励
磁コア４とのコア直交部６（図中斜線部）を周期的に磁
気的に飽和させることによって、被検出導線１を流れる
直流電流Ｉに基づき検出コア３に発生する磁束を変調
し、検出コイルに励磁電流の２倍の周波数の起電力を出
力させることにより、被検出導線１を流れる直流電流Ｉ
を検出することが可能になったのである。

【００１４】さらに具体的に説明するならば、図２の構
成において、被検出導線１に直流電流Ｉが流れると、検
出コア２内に直流電流Ｉの方向に対して右回りの磁場が
発生し、検出コア内に磁束Φ₀が発生する。この時、励
磁コイル５に所定の交流電流を通電して励磁コア４に周
期的に図中α方向に変化する磁束を発生し、該励磁コア
４を周期的に磁気的に飽和すると、検出コア２の周方向
の一部であるコア直交部６（図中斜線部）は比透磁率μ
ｒが低下し極めて１に近い所謂実質的な磁気的なギャッ
プとなり、検出コア内の磁束Φ₀をΦ₁にまで減少させ
る。ここで、励磁コイル５に通電する交流電流を周波数
ｆ₀とし、その電流のピーク値近傍で励磁コア４が飽和
させると、図３に被検出導線１に流れる直流電流Ｉがプ
ラス（＋）の向き（図中上向き）の場合、図４は被検出
導線１に流れる直流電流Ｉがマイナス（−）の向き（図
中下向き）の場合を示すように、励磁電流１周期で２回
励磁コア４が飽和することとなる。

【００１５】図３に示すように被検出導線１に流れる直
流電流Ｉがプラス（＋）の方向（図中上方向）の場合、
この飽和により、検出コア２に発生した被検出導線１に
流れる直流電流Ｉによって発生する磁束Φ₀は、図３の
Ｂに示すように２ｆ₀の周波数でΦ₁にまで減少する。す
なわち、２ｆ₀で変調されることとなる。従って、上記
磁束の変化に伴い図５のＣに示すように周波数２ｆ₀の
電圧Ｖ_DETが検出コイル３に発生することになる。ま
た、図４に示すように被検出導線１に流れる直流電流Ｉ
がマイナス（−）の向き（図中下向き）の場合も、直流
電流Ｉがプラス（＋）の向き（図中上向き）の場合と実
質的に同様な作用となるが、直流電流Ｉの向きが反対向
きとなることから、検出コア２に発生する磁束の向きも
反対向きとなり、検出コイル３に発生する周波数２ｆ₀
の電圧Ｖ_DETの位相がそれぞれ１８０度異なることにな
る。

【００１６】しかし、被検出導線１に流れる直流電流Ｉ
の向きにかかわらず、いずれの場合も磁束Φ₀ ∝ 直
流電流Ｉ、電圧Ｖ_DET ∝ 磁束Φ₀との関係から電圧Ｖ
_DET∝ 直流電流Ｉとなり、被検出導線１に流れる直流
電流Ｉに比例した起電力を検出コイル３によって検出す
ることが可能となり、被検出導線１に流れる直流電流Ｉ
の絶対値を知ることができる。さらに、検出コア２と励
磁コア４とは互いに直角方向に接続されていることか
ら、基本的には励磁コア４内の励磁磁束は検出コア２側
に漏洩することはなく、検出コイル３を通過しないこと
から、検出コイル３には励磁コイル５に印加する励磁電
流による起電力は発生することなく、被検出導線１に流
れる直流電流Ｉ＝０の時は、Ｖ_DET＝０となる。また、
検出コイル３に発生する起電力Ｖ_DETの周波数は２ｆ₀で
あり、励磁コイル５に印加する励磁電流の周波数ｆ₀と
異なることから、たとえ、検出コア２と励磁コア４との
形状寸法等の精度によって励磁コア４内の励磁磁束が漏
洩されて検出コイル３にて検出されても、漏れ成分はそ
の周波数がｆ₀であることから、周波数判別フィルター
等により容易に分離できるため、高感度の直流電流セン
サーとして使用することができることを確認した。

【００１７】さらにまた、図３、図４にて説明したよう
に被検出導線１に流れる直流電流Ｉの向きによって検出
コイル３に発生する周波数２ｆ₀の電圧Ｖ_DETの位相がそ
れぞれ１８０度異なることに着目し、前記励磁コイル５
に、予め発振器から励磁電流の２倍の周波数で発振され
た励磁電流の周波数を１／２分周した状態の励磁電流を
印加し、発振器の出力と検出コイルの出力との位相差を
位相比較回路にて検出することによって、被検出導線を
流れる直流電流の絶対値とともにその向きをも容易に検
出することが可能であることを確認した。すなわち、励
磁コイル５に接続する発振器から発振される励磁電流の
周波数と検出コイル３からの出力Ｖ_DETの周波数とが、
ともに最終的に励磁コイル５に印加される励磁電流の２
倍の周波数２ｆ₀となることから、これらの位相差を容
易に比較することができ、被検出導線を流れる直流電流
の絶対値とともにその向きを検出することが可能となる
のである。

【００１８】以上の説明から明らかなように、この発明
は、環状の軟質磁性材料からなる検出コアの一部に検出
コアの周方向に対して励磁コアと直交接続するコア直交
部を設けて、環状の軟質磁性材料からなる励磁コアと前
記検出コアとを一体的に配置し、各コアにそれぞれトロ
イダル状に巻回して検出コイルと励磁コイルを配置した
構成からなり、検出コア内側に非接触検出する直流電流
が流れる被検出導線を貫通配置するとともに、前記励磁
コイルに、あらかじめ発振器から励磁電流の2倍の周波
数で発振された励磁電流の周波数を1/2分周し、そのこ
とにより得られた励磁電流にてコア直交部を周期的に磁
気的に飽和させる交流電流印加手段を接続し、かつ励磁
時に被検出導線を流れる直流電流に基づき検出コアに発
生する磁束を変調可能となし、検出コイルに励磁電流の
2倍の周波数の起電力を出力させ、さらに、前記発振器
の出力と検出コイルの出力との位相差を位相比較手段に
て検出し、被検出導線を流れる直流電流の絶対値ととも
にその向きを検出することを特徴とする直流電流センサ
ーである。

【００１９】特に、上記構成において、検出コアの一部
に形成される検出コアと励磁コアとの直交部のみを磁気
的に飽和させ、かつ該直交部以外の励磁コア部を磁気的
に未飽和とさせることによって、該未飽和部分のコアロ
ス（鉄損）を低減し、励磁コイル５に印加する励磁電流
を小さくすることができる。従って、励磁回路の構成が
比較的簡単で、センサー全体としての消費電力も低減で
き、直流電流センサーの一層の小型化が可能となること
から、小型機器等への適用範囲が広くなり、さらに励磁
コア４における温度上昇が少ないため、該励磁コア４を
構成する軟質磁性材料の磁気特性の変化が少なく、検出
コイル３における出力の温度ドリフトも低減でき、セン
サーとしての検出精度の安定性向上を達成することがで
きる。

【００２０】さらに、発明者らは、上記直流電流センサ
ーにおいて、検出コア２を構成する軟質磁性材料が有す
る磁気特性（保磁力）の影響に起因するものと推測され
る、微小電流領域（±５０ｍＡ程度以下）における検出
コイル３での出力電圧（起電力）のヒステリシス現象に
伴う“逆転領域”（直流電流の増加に伴い出力電圧が減
少する領域、±２０ｍＡ程度の範囲）の発生を防止し、
測定時の基準レベルの変動を低減した直流電流センサー
を併せて提案する。すなわち、図５に示すように、検出
コア２に接続する励磁コア４の接続部の幅ｄを長くする
ことによって、検出コア２の磁路長に対する励磁コア４
の接続部の幅ｄの比率（磁気的なギャップの比率）を大
きくし、反磁場の効果により励磁コア４の残留磁束密度
を小さくするとともに、励磁コア４に所定方向の磁束を
発生させる励磁コイル５を検出コア２の外周で、該検出
コア２の周方向に巻回することによって、励磁コイル５
による検出コア２の脱磁効果をも併せ持つ構成とし、上
記“逆転領域”の発生を実質的に零とした直流電流セン
サーを提案するものである。図中１は被検出導線であ
り、また斜線部６はコア直交部である。

【００２１】この構成の直流電流センサーにおいても、
図２に示す構成の直流電流センサーと同様な起電力発生
のメカニズムにて励磁コイル５に励磁電流として周波数
ｆ₀の交流電流を印加することによって、周波数２ｆ₀の
電圧Ｖ_DETが検出コイル３に発生することとなるのであ
る。従って、図５に示す構成の直流電流センサーにおい
ても、前記励磁コイル５に、予め発振器から励磁電流の
２倍の周波数で発振された励磁電流の周波数を１／２分
周した状態の励磁電流を印加し、発振器の出力と検出コ
イルの出力との位相差を位相比較手段にて検出すること
によって、被検出導線を流れる直流電流の絶対値ととも
にその向きをも容易に検出することが可能となる。すな
わち、前述と同様に励磁コイル５に接続する発振器から
発振される励磁電流の周波数と検出コイル３からの出力
Ｖ_DETの周波数とが、ともに最終的に励磁コイル５に印
加される励磁電流の２倍の周波数２ｆ₀となることか
ら、発振器の周波数と検出コイル３の出力Ｖ_DETの周波
数が同一となるため、これらの位相差を容易に比較する
ことができ、被検出導線を流れる直流電流の絶対値とと
もにその向きを検出することが可能となるのである。

【００２２】以上の説明から明らかなように、この発明
は、環状の軟質磁性材料からなる検出コアの一部に検出
コアの周方向に対して励磁コアと直交接続するコア直交
部を設けて、環状の軟質磁性材料からなる励磁コアと前
記検出コアとを一体的に配置し、検出コアに検出コイル
をトロイダル状に巻回配置し、かつ検出コアの外周に該
検出コアの周方向に巻回する励磁コイルを巻回配置した
構成からなり、検出コア内側に非接触検出する直流電流
が流れる被検出導線を貫通配置するとともに、前記励磁
コイルに、あらかじめ発振器から励磁電流の2倍の周波
数で発振された励磁電流の周波数を1/2分周し、そのこ
とにより得られた励磁電流にてコア直交部を周期的に磁
気的に飽和させる交流電流印加手段を接続し、かつ励磁
時に被検出導線を流れる直流電流に基づき検出コアに発
生する磁束を変調可能となし、検出コイルに励磁電流の
2倍の周波数の起電力を出力させ、さらに、前記発振器
の出力と検出コイルの出力との位相差を位相比較手段に
て検出し、被検出導線を流れる直流電流の絶対値ととも
にその向きを検出することを特徴とする直流電流センサ
ーを併せて提案するものである。

【００２３】特に、上記構成において、励磁コアとなる
一対の筒体を軸中心線を平行に並列し、並列する筒体の
各開口端の隣接辺部間を軟質磁性材料からなる接続板で
接続一体化して接続板及びこれと接続した筒体側面部と
で検出コアとなす構成を採用することによって直流電流
センサーとしての電磁気的のアンバランス等を低減し、
ノイズ発生の低減や、Ｓ／Ｎ比の向上等を可能とするこ
とができる。特に図６から図１４に示す他の構成からな
る直流電流センサーは、上記効果を備え、安定した測定
を実現することができる効果的な構成である。すなわ
ち、図２及び図５に示す基本的の構成においては、検出
コア２に接続する励磁コア４が１つであることから、ま
た検出コイル３の位置も１箇所であることから直流電流
センサーとしての電磁気的のバランスが取り難いもので
あるが、これら励磁コア４、検出コイル３の電磁気的の
バランス配置を考慮した構成が図６から図１４にて説明
する構成である。

【００２４】図６において、１は被検出導線であり、矩
形枠状の検出コア２の内側中央部に貫通配置している。
この矩形枠状の検出コア２のそれぞれ対向位置にある短
辺部には一対の検出コイル３ａ，３ｂがトロイダル状に
巻回され互いに電気的に接続されている。また、それぞ
れ対向位置にある長辺部には一対の励磁コア４ａ，４ｂ
が４角筒状を形成するごとく一体的に配置している。さ
らに一対の励磁コア４ａ，４ｂの各々最外周の側面部に
励磁コイル５ａ，５ｂがトロイダル状に巻回されてい
る。換言すると、励磁コア４ａ，４ｂとなる一対の角筒
体を軸中心線を平行に並列し、並列する角筒体の各開口
端の隣接辺部間を軟質磁性材料からなる接続板で接続一
体化して接続板及びこれと接続した筒体側面部、すなわ
ちコア直交部６とで矩形枠状の上記の検出コア２となし
た構成からなり、該接続板の部分にそれぞれ検出コイル
３ａ，３ｂがトロイダル状に巻回され、一対の励磁コア
４ａ，４ｂの各々最外周の側面部に励磁コイル５ａ，５
ｂがトロイダル状に巻回されている。このような構成に
おいて、被検出導線１に直流電流Ｉが流れると、検出コ
ア２内に直流電流Ｉの方向に対して右回りの磁場が発生
し、検出コア２内に磁束Φ₀が発生する。この時、励磁
コイル５ａ，５ｂに所定の交流電流を通電して一対の励
磁コア４ａ，４ｂに周期的に図中α方向に変化する磁束
を発生し、該励磁コア４ａ，４ｂを周期的に磁気的に飽
和すると、矩形枠状の検出コア２の周方向の一部である
長辺部のコア直交部６は比透磁率μが極めて１に近い所
謂実質的な磁気的なギャップとなり、検出コア内の磁束
Φ₀をΦ₁にまで減少させる。

【００２５】従って以上に示す直流電流センサーも、一
対の検出コイル３ａ，３ｂへの起電力発生のメカニズム
は図２に示す構成と同様であり、このメカニズムに基づ
く効果も同様に得られる。さらに、この構成では検出コ
ア２に接続する励磁コア４ａ，４ｂの接続部の幅ｄは実
質的に図中のセンサーの長さ方向の寸法Ｌの２倍（２
Ｌ）となることから、検出コア２の磁路長に対する励磁
コア４の接続部の幅ｄの比率は極めて大きくなり、図２
の構成に比べ反磁場の効果による検出コア２内の残留磁
束密度を小さくすることができ、コア材料の保磁力に起
因するヒステリシス現象を低減することができる。しか
も、直流電流センサーの全体的な構成が被検出導線１に
対して対称であることから電磁気的のバランス良く、安
定した測定を実現することが可能となる。上記の直流電
流センサーを構成する検出コア２と励磁コア４ａ，４ｂ
は、所定の軟質磁性材料からなる板材を、図７に示す形
状に打ち抜き、図中の破線部で折り曲げて組立、斜線部
でスポット溶接することによって容易に一体品として得
ることができる。

【００２６】図８は他の構成を示すもので、一対の検出
コイル３ａ，３ｂが励磁コイル５ａ，５ｂとともに一対
の励磁コア４ａ，４ｂの外周にトロイダル状に巻回され
ている他は、図６と同様な構成からなり、基本的に図２
と同様なメカニズムにより、被検出導線１に流れる直流
電流を検出することが可能となる。図９も他の構成を示
すもので、一対の励磁コイル５ａ，５ｂを、４角筒状を
形成する如く配置される一対の励磁コア４ａ，４ｂの内
側中央部に形成される励磁コイル巻回用桟８ａ，８ｂに
トロイダル状に巻回されている他は、図８と同様な構成
からなり、基本的に図２と同様なメカニズムにより、被
検出導線１に流れる直流電流を検出することが可能とな
る。特に、図９の構成においては、励磁コア４ａ，４ｂ
部を予め図１０に示すように断面Ｅ型に形成しておくこ
とによって、所定形状、寸法からなるボビン９に予め巻
回されている励磁コイル５ａ，５ｂを、励磁コイル巻回
用桟８ａ，８ｂに挿入した後、矩形枠状の検出コアと所
定の手段によって一体化することにより、容易に製造す
ることができる。また、図８の構成では、一対の励磁コ
イル５ａ，５ｂにて発生する磁束が励磁コア４ａ，４ｂ
の外部に漏洩し、この漏洩磁束により検出コイル３ａ，
３ｂに励磁信号が混入し、特に微小電流を検出する場合
には、検出信号より混入信号のレベルのほうが大きくな
り、感度の低下を招く恐れがある。しかし、図９の構成
においては、各々励磁コイル５ａ，５ｂにて発生する磁
束が励磁コア４ａ，４ｂの外部に漏洩することなく、効
率的に作用し、検出コイル３ａ，３ｂへの悪影響が低減
される。

【００２７】さらに、各構成において、検出コア２と励
磁コア４ａ，４ｂとの各々直交部６における磁路につい
て着目すると、図８の構成では図１１のＡ及びＢに示す
ように、基本的に１回路の磁路が、その磁束の向きが交
互に変化するように作用するが、図９の構成では、図１
２のＡ及びＢに示すように、基本的に励磁コイル巻回用
桟８ａ，８ｂを介して２回路の磁路が、それぞれその磁
束の向きが交互に変化するように作用することから、電
磁気的なバランスが一層向上することとなる。図９の構
成を採用するに際しては、励磁コイル巻回用桟８ａ，８
ｂに磁束が集中することから、励磁コイル巻回用桟８
ａ，８ｂの厚さを予め他の部分より２倍程度に厚く設定
することが望ましい。

【００２８】また、図８の構成においては、励磁コイル
５ａ，５ｂと検出コイル３ａ，３ｂとの静電容量結合に
よる検出コイル３ａ，３ｂへの励磁信号の混入を防止す
るために、例えば、図１３に示すように、励磁コイル５
ａ，５ｂと検出コイル３ａ，３ｂとの間に、電気的に接
地されているＣｕまたはＡｌ等の電気伝導度の高い金属
箔７０を介在することが好ましい。すなわち、励磁コイ
ル５ａ，５ｂの外周を電気的な絶縁を確保して上記の金
属箔７０にて巻回被覆し、さらに該金属箔７０外周に電
気的な絶縁を確保して検出コイル３ａ，３ｂを巻回す
る。ただし、金属箔７０は、巻回方向において少なくと
も一ヶ所で電気的に切断（図においては、軸方向に伸長
するスリット部７１を形成している）されていることが
必要である。このような構成を採用することによって、
一層高精度の検出が可能となる。

【００２９】上記の構成からなる直流電流センサーと同
様な効果を得ることを目的に、図５の基本的の構成を改
良した構成を、図１４の斜視説明図によって説明する。
図１４において、１は被検出導線であり、矩形枠状の検
出コア２の内側中央部に貫通配置している。この矩形枠
状の検出コア２のそれぞれ対向位置にある短辺部には一
対の検出コイル３ａ，３ｂがトロイダル状に巻回され互
いに電気的に接続されている。また、それぞれ対向位置
にある長辺部には一対の励磁コア４ａ，４ｂが４角筒状
を形成するごとく一体的に配置している。さらに矩形枠
状の検出コア２の外周には、その周方向に励磁コイル５
が巻回されている。換言すると、励磁コア４ａ，４ｂと
なる一対の角筒体を軸中心線を平行に並列し、並列する
角筒体の各開口端の隣接辺部間を軟質磁性材料からなる
接続板で接続一体化して接続板及びこれと接続した筒体
側面部、すなわちコア直交部６とで矩形枠状の上記の検
出コア２となした構成からなり、該接続板の部分にそれ
ぞれ検出コイル３ａ，３ｂがトロイダル状に巻回され、
検出コア２の外周に励磁コイル５が巻回されている。

【００３０】このような構成において、被検出導線１に
直流電流Ｉが流れると、検出コア２内に直流電流Ｉの方
向に対して右回りの磁場が発生し、検出コア２内に磁束
Φ₀が発生する。この時、励磁コイル５に所定の交流電
流を通電して一対の励磁コア４ａ，４ｂに周期的に図中
α方向に変化する磁束を発生し、該励磁コア４ａ，４ｂ
を周期的に磁気的に飽和すると、矩形枠状の検出コア２
の周方向の一部である長辺部のコア直交部６は比透磁率
μが極めて１に近い所謂実質的な磁気的なギャップとな
り、検出コア内の磁束Φ₀をΦ₁にまで減少させる。従っ
て、図１４に示す直流電流センサーも一対の検出コイル
３ａ，３ｂへの起電力発生のメカニズムは図５に示す構
成と同様であり、このメカニズムに基づく効果も同様に
得られる。さらに、この構成では検出コア２に接続する
励磁コア４ａ、４ｂの接続部の幅ｄは図中のセンサーの
長さ方向の寸法Ｌの２倍（２Ｌ）となることから、検出
コア２の磁路長に対する励磁コア４の接続部の幅ｄの比
率は極めて大きくなり、反磁場の効果による検出コア２
内の残留磁束密度はより一層小さくなり、前記の“逆転
領域”の発生を大幅に低減することができる。しかも、
直流電流センサーの全体的な構成が被検出導線１に対し
て対称であることから電磁気的のバランス良く、安定し
た測定を実現することが可能となる。

【００３１】図１５も図５の基本的の構成を改良したこ
の発明の一実施例である直流電流センサーを示す斜視説
明図であり、特に他の実施例と比べて小型化が可能な構
成である。図１５に示す直流電流センサーは、基本的に
図５や図１４の構成と異なることはないが、一方向に対
向２面を開口した直方体状コアの開口方向に直交するよ
うに円筒状コアを直方体状コアに貫通配置して、上記円
筒状コアを検出コア２としかつ直方体状コアを励磁コア
４となした構成からなり、円筒状軟質磁性材料からなる
検出コア２の対称位置に（図においては４箇所）、検出
コイル３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄをそれぞれトロイダル状
に巻回配置するとともに、該検出コア２の外周に励磁コ
イル５を巻回配置し、さらに円筒状の検出コア２内に貫
通する被検出導線１を配置して直流電流センサーを構成
している。

【００３２】以上の図２及び図５、さらにそれらを基本
的な構成とする多くの他の構成からなる直流電流センサ
ーにおいては、いずれも検出コア２と励磁コア４との直
交部６を周期的に磁気的に飽和させることによって磁気
的なギャップを形成する構成からなり、微小な電流変化
を高感度に検出することが可能になる。特に前記励磁コ
イル５に、あらかじめ発振器から励磁電流の２倍の周波
数で発振された励磁電流の周波数を１／２分周した状態
の励磁電流を印加し、発振器の出力と検出コイルの出力
との位相差を位相比較回路にて検出することによって、
被検出導線を流れる直流電流の絶対値とともにその向き
をも容易に検出することが可能となる。

【００３３】これらの直流電流センサーをインバーター
機器に組込んで使用する場合には、特に、スイッチング
ノイズの混入を防止するために、検出回路の電源ライン
にノイズフィルターを挿入することが有効であるが、図
１６に示すように、上記に説明した種々の構成からなる
この発明の直流電流センサーを、パーマロイや無方向性
ケイ素鋼板等からなるシールドケース（図中５１ａはケ
ース本体部、５１ｂ，５１ｃはケース蓋部である）にて
覆い、誘導ノイズの混入を防止することが望ましい。

【００３４】以上に示すこの発明の直流電流センサー
は、検出コア及び励磁コアとして環状の軟質磁性材料を
効果的に配置することによって構成されるが、被検出導
線に流れる電流の大きさ、すなわちセンサーに要求され
る検出感度に応じて各々の軟質磁性材料の材質を選定す
ることが好ましい。通常、磁気特性とともに加工性等を
考慮するとパーマロイが好ましいが、その他ケイ素鋼
板、アモルファス、電磁軟鉄、ソフトフェライト等の公
知の軟質磁性材料の使用が可能であり、これらを組み合
せて用いても良い。また、上記の直流電流センサーにお
いて、環状の軟質磁性材料とは、軟質磁性材料が所謂リ
ング状になっていることに限定されるものでなく、軟質
磁性材料が電磁気的な閉回路を構成できるように接続さ
れていれば良く、図示の如く円環状の他、楕円環状、矩
形枠状等種々の構成が採用できる。

【００３５】また、検出コア内に形成される磁気的なギ
ャップは、検出コア内の一箇所に限定されるものでな
く、複数箇所でもよく、先に説明した種々の構成に示す
如く、電磁気的なバランスを考慮して、その形成箇所を
設定することが望ましい。図２又は図５及びそれらの構
成を基本とするこの発明の直流電流センサーにおいて
は、検出コアと励磁コアのコア交差部における磁気的な
飽和に関しても、例えばコア交差部が直交せずに完全な
る飽和が達成されなくとも略飽和状態にすることができ
れば、目的とする検出を達成することができる。従っ
て、前記軟質磁性材料の材質とともに、軟質磁性材料の
形状寸法、検出コイル、励磁コイルの巻数等の最適条件
を選定することによって、一層実用性の高いセンサーの
提供を可能とすることができる。

【００３６】さらに、上記のいずれの構成においても、
検出コア内を貫通する被検出導体も１本に限定されるも
のでなく、要求されるセンサーの大きさに応じて複数本
貫通させても良いが、被検出導体を１本にすることによ
ってこれらの構成からなる直流電流センサーの効果を最
も効果的に発現することができる。

【００３７】

【作用】この発明の直流電流センサーの作用を、図２に
示す最もシンプルな構成の場合において説明する。な
お、図１は電気回路の一実施例を示すものであるが、こ
の発明の直流電流センサーは、図示の電気回路構成に限
定されるものではない。図２に示す直流電流センサー
は、内側に前記被検出導線１を貫通配置する環状の軟質
磁性材料からなる検出コア２に、検出コイル３をトロイ
ダル状に巻回配置するとともに、該検出コア２の一部
に、検出コア２の周方向に対して直角方向に接続して環
状を形成する軟質磁性材料からなる励磁コア４を一体的
に配置してなり、かつ、該励磁コア４に励磁コイル５を
トロイダル状に巻回配置して直流電流センサーを構成し
ている。

【００３８】ここで、励磁コイル５に、予め発振器から
励磁電流の２倍の周波数２ｆ₀で発振された励磁電流の
周波数を１／２分周した状態の励磁電流を印加する。す
なわち、図１に示すように、励磁コイル５は交流電流印
加手段１０に接続される。交流電流印加手段１０は、最
終的に励磁コイル５に印加する励磁電流の２倍の周波数
２ｆ₀の励磁電流を発振するＯＳＣ（オシレーション・
サーキット、発振回路）１１と、該励磁電流の周波数を
１／２分周するＴ−ＦＦ（トリガー・フリップ・フロッ
プ）１２を配置しており、さらに一旦周波数を２ｆ₀か
らｆ₀に分周した交流電流をＬＰＦ（ローパスフィルタ
ー）１３、バッファーアンプ１４を介して励磁コイル５
に接続される。

【００３９】被検出導線１（図２参照）に所定方向の直
流電流Ｉが流れると、励磁コイル５に印加される前記１
／２分周された周波数ｆ₀なる励磁電流によって、先に
説明した起電力発生のメカニズムと同様に、検出コア２
に発生する磁束を変調し、検出コイル３に被検出導線１
に流れる直流電流Ｉに比例した励磁電流の２倍の周波数
２ｆ₀からなる起電力を出力させることが可能となり、
被検出導線１に流れる直流電流Ｉの絶対値を知ることが
できるのである。被検出導線１に流れる直流電流Ｉの向
きにより、検出コイル３に発生する周波数２ｆ₀の電圧
Ｖ_DETの位相がそれぞれ１８０度異なることは、先に図
３、図４によって説明したとおりである。このようにし
て検出コイル３に発生した周波数２ｆ₀からなる出力
（起電力）は、図１に示す位相比較回路２０に入力され
る。

【００４０】一方、前記交流電流印加手段１０を構成す
るＯＳＣ１１から発振される周波数２ｆ₀からなる励磁
電流の一部は、Ｔ−ＦＦ１２等を介して励磁コイル５に
接続されることなく、周波数２ｆ₀のままＬＰＦ（ロー
パスフィルター）３１、フェーズシフター（移相器）３
２、シュミット・トリガー３３等を介して図１に示す位
相比較回路２０に入力される。なお、フェーズシフター
３２に用いる各構成部品の定数はｆ_OSC＝１／２πＲＣ
を満たす条件にて配置することが望ましい。位相比較回
路２０は、該回路２０に入力される発振器１１からの出
力と検出コイル３からの出力との位相差を検出し、被検
出導線１を流れる直流電流Ｉの向きに対応して最終的に
図１８に示す如き出力電圧Ｖ_OUTを出力することとな
る。すなわち、図３、図４より理解できるように、発振
器１１からの出力と検出コイル３からの出力との位相差
がない場合は、被検出導線１を流れる直流電流Ｉの向き
がプラス（＋）の向き（図２中上向き）に流れていると
判断し、また該位相差が１８０度ある場合は、被検出導
線１を流れる直流電流Ｉの向きがマイナス（−）の向き
（図２中下向き）に流れていると判断し、それらの向き
とともに直流電流Ｉの絶対値を出力することが可能とな
るのである。

【００４１】特に、この発明の直流電流センサーにおい
ては、励磁コイル５に接続する発振器１１から発振され
る励磁電流の周波数と検出コイル３からの出力Ｖ_DETの
周波数とが、ともに最終的に励磁コイル５に印加される
励磁電流の２倍の周波数２ｆ₀となることから、これら
同周波数からなる出力の位相差は容易に比較することが
でき、図１に示す如き比較的構成が簡単な公知の位相比
較回路２０にて被検出導線を流れる直流電流の向きを検
出することが可能となるのである。以上に説明したこの
発明の作用は、図２に示す構成の直流電流センサーだけ
でなく、図５、さらにこれらを改良した種々構成の直流
電流センサーにおいても同様であり、さらに各々の構成
においては、先に説明した特徴を活かした効果を実現す
ることができる。

【００４２】

【実施例】パーマロイＣ（７８％Ｎｉ−５％Ｍｏ−４％
Ｃｕ−ｂａｌＦｅ）からなる厚さ０．１ｍｍの薄板から
所定形状に打ち抜きし、所定箇所を折り曲げて組立てた
後、スポット溶接して図１４に示すコア組立体を得た。
但し、Ｌ＝２５ｍｍ、Ｈ＝１０ｍｍ、Ｗ₁＝３０ｍｍ、
Ｗ₂＝１０ｍｍ上記組立体を、水素ガス雰囲気にて１１００°Ｃ×３ｈ
ｒの熱処理を施した後、６００°Ｃ〜４００°Ｃの間を
１００°Ｃ／ｈｒで多段の冷却処理を施す熱処理を完了
させ、直流電流センサーを得た。検出コア２の所要位置
に絶縁性の保護ビニールテープを巻回した後、検出コア
２の短辺側にそれぞれ外径０．２ｍｍのホルマル線を２
０ターンづづ巻回して検出コイル３ａ，３ｂとし、さら
に、検出コア２の外周に外径０．５ｍｍのホルマル線を
２０ターン巻回して励磁コイル５とした。上記検出コア
２の内側に外径８ｍｍのビニル被覆からなる被検出導線
１を貫通配置した。

【００４３】比較例として、この発明の特徴とする最終
的に励磁コイルに印加する励磁電流の２倍の周波数から
なる励磁電流を発生させる発振器等を配置する交流電流
印加手段や位相比較回路等を配置せず、直接上記励磁コ
イル５に励磁電流としてｆ＝９ｋＨ_Z、３００ｍＡの交
流電流を印加したところ、被検出導線１に直流電流を流
さない時には、残留ノイズの影響であると思われるが、
検出コイル３（図中３ａと３ｂの各々の合計値）にＶ
_DET＝７５ｍＶの出力が検出されたが、被検出導線１に
５０ｍＡの直流電流Ｉを流した時には、検出コイル３に
Ｖ_DET＝１Ｖの出力が検出された。なお、図１７に示す
検出コイル３の出力電圧Ｖ_DETは、所定の仕様からなる
増幅回路（図示せず）を介して出力した値である。図１
７より被検出導線１に流れる直流電流が微小領域でも電
流の増加に伴う出力の減少という現象（“逆転領域の発
生”）はなく、安定した測定が実現できることが確認さ
れる。しかし、上記比較例では被検出導線１に流れる直
流電流の向きが変わっても、出力電圧Ｖ_DETは、プラス
（＋）のままであり、直流電流の向きまでは検知できな
い。

【００４４】この発明の直流電流センサーとして、おの
おの励磁コイル５、検出コイル３に図１に示す回路を接
続し、最終的に励磁コイル５に印加する励磁電流の２倍
の周波数からなる励磁電流を発生させる発振器１１か
ら、励磁電流としてｆ＝１８ｋＨ_Z、３００ｍＡの交流
電流を流し、さらに、被検出導線１に±５０ｍＡの範囲
で直流電流Ｉを増減させて流した時の、位相比較回路を
経由して出力される検出コイル３（図中３ａと３ｂの各
々の合計値）の起電力（出力）Ｖ_OUTの変化を図１８に
示す。なお、該出力電圧Ｖ_OUTも、比較例と同様な増幅
効果を有する増幅回路を介して出力した値である。図１
８から、この発明の直流電流センサーによれば被検出導
線を流れる直流電流に基づく検出コイル３の起電力（出
力）の向きを検出することが可能であり、つまり、被検
出導線を流れる直流電流の絶対値とともに、その向きを
感度良く、安定して検出することが可能となる。

【００４５】

【発明の効果】この発明の直流電流センサーは、微小な
電流の変化に対しても、優れた検出能力を有することか
ら、直流の漏電ブレーカー等に使用した際には、検出コ
ア内に貫通配置する被検出導体をコアに巻回せず、１本
貫通させるだけでも要求される高感度の検出が達成で
き、構造が比較的簡単で直流電流センサーの小型化を可
能とする。また、被検出導線を流れる直流電流の絶対値
だけでなく、その向きをも検知することができることか
ら、該直流電流の向きによって正転←→逆転、往←→復
等の制御が必要な技術分野、例えば、直流モーターを使
用したアクチュエーターの制御等において、より有効に
活用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の直流電流センサーに接続する電気回
路の一実施例の概要を示す説明図である。

【図２】この発明の直流電流センサーの一実施例の概要
を示す斜視説明図である。

【図３】図２の直流電流センサー構成における印加され
た周波数との関係を示すグラフであり、Ａは周波数と励
磁電流、Ｂは周波数と検出コアを通過する磁束、Ｃは周
波数と検出コイルの起電力との関係を示す。

【図４】図２の直流電流センサー構成における印加され
た周波数との関係を示すグラフであり、Ａは周波数と励
磁電流、Ｂは周波数と検出コアを通過する磁束、Ｃは周
波数と検出コイルの起電力との関係を示す。

【図５】この発明の直流電流センサーの他の実施例の概
要を示す斜視説明図である。

【図６】この発明の直流電流センサーの他の実施例の概
要を示す斜視説明図である。

【図７】図６に示す直流電流センサー構成におけるコア
組立体を得るための展開説明図である。

【図８】この発明の直流電流センサーの他の実施例の概
要を示す斜視説明図である。

【図９】この発明の直流電流センサーの他の実施例の概
要を示す斜視説明図である。

【図１０】図９に示す直流電流センサーの部分説明図で
ある。

【図１１】Ａ及びＢは、図８に示す直流電流センサーの
励磁コイルによって発生する磁路の詳細説明図である。

【図１２】Ａ及びＢは、図９に示す直流電流センサーの
励磁コイルによって発生する磁路の詳細説明図である。

【図１３】図８の直流電流センサーにおける励磁コイル
と検出コイルとの静電容量結合を防止する高電気伝導度
金属箔の配置構成を説明する一部断面説明図である。こ
の発明の直流電流センサーの他の実施例を示す斜視説明
図である。

【図１４】この発明の直流電流センサーの他の実施例の
概要を示す斜視説明図である。

【図１５】この発明の直流電流センサーの他の実施例の
概要を示す斜視説明図である。

【図１６】この発明の直流電流センサーに採用するシー
ルドケースの一実施例を示す斜視説明図である。

【図１７】比較例である直流電流センサーにおける被検
出導線１に流れる直流電流（微小領域）と出力との関係
を示す線グラフである。

【図１８】この発明である直流電流センサーにおける被
検出導線１に流れる直流電流（微小領域）と出力との関
係を示す線グラフである。

【符号の説明】

１被検出導線２検出コア３，３ａ，３ｂ検出コイル４，４ａ，４ｂ励磁コア５励磁コイル６コア直交部１０交流電流印加手段１１ＯＳＣ１２Ｔ−ＦＦ１３，３１ＬＰＦ１４バッファーアンプ２０位相比較回路３２フェーズシフター３３シュミット・トリガー５１ａケース本体５１ｂ，５１ｃケース蓋部７０金属箔７１スリット部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 15/18 H01F 38/20 - 38/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】環状の軟質磁性材料からなる検出コアの
一部に検出コアの周方向に対して励磁コアと直交接続す
るコア直交部を設けて、環状の軟質磁性材料からなる励
磁コアと前記検出コアとを一体的に配置し、各コアにそ
れぞれトロイダル状に巻回して検出コイルと励磁コイル
を配置した構成からなり、検出コア内側に非接触検出す
る直流電流が流れる被検出導線を貫通配置するととも
に、予め発振器から励磁電流の2倍の周波数で発振され
た励磁電流の周波数を1/2分周し、そのことにより得ら
れた励磁電流にてコア直交部を周期的に磁気的に飽和さ
せる交流電流印加手段を前記励磁コイルに接続し、励磁
時に被検出導線を流れる直流電流に基づき検出コアに発
生する磁束を変調する変調手段と、前記発振器の出力と
励磁電流の2倍の周波数の起電力が出力される検出コイ
ルの出力との位相差を検出する位相比較手段を有し、被
検出導線を流れる直流電流の絶対値とその向きの検出を
可能にしたことを特徴とする直流電流センサー。
【請求項２】環状の軟質磁性材料からなる検出コアの
一部に検出コアの周方向に対して励磁コアと直交接続す
るコア直交部を設けて、環状の軟質磁性材料からなる励
磁コアと前記検出コアとを一体的に配置し、検出コアに
検出コイルをトロイダル状に巻回配置し、かつ検出コア
の外周に該検出コアの周方向に巻回する励磁コイルを巻
回配置した構成からなり、検出コア内側に非接触検出す
る直流電流が流れる被検出導線を貫通配置するととも
に、予め発振器から励磁電流の2倍の周波数で発振され
た励磁電流の周波数を1/2分周し、そのことにより得ら
れた励磁電流にてコア直交部を周期的に磁気的に飽和さ
せる交流電流印加手段を前記励磁コイルに接続し、励磁
時に被検出導線を流れる直流電流に基づき検出コアに発
生する磁束を変調する変調手段と、前記発振器の出力と
励磁電流の2倍の周波数の起電力が出力される検出コイ
ルの出力との位相差を検出する位相比較手段を有し、被
検出導線を流れる直流電流の絶対値とその向きの検出を
可能にしたことを特徴とする直流電流センサー。
【請求項３】励磁コアとなる一対の筒体を軸中心線を
平行に並列し、並列する筒体の各開口端の隣接辺部間を
軟質磁性材料からなる接続板で接続一体化して接続板及
びこれと接続した筒体側面部とで検出コアとなしたこと
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の直流電流センサ
ー。