JP6067470B2

JP6067470B2 - 電流センサ

Info

Publication number: JP6067470B2
Application number: JP2013090142A
Authority: JP
Inventors: 憲一関
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: JP2014215065A

Description

本発明は、ゼロフラックス法により被測定電線に流れる測定電流を検出する電流センサに関するものである。

この種の電流センサとして、下記特許文献１において従来技術として開示されている電流センサ（クランプセンサ）が一般的に知られている。図５に示すように、この電流センサ５１は、ゼロフラックス法を採用したセンサであって、被測定電線６１が挿通される磁気コア５２、磁気コア５２に配設されたホール素子やフラックスゲートなどの磁電変換素子５３、磁気コア５２に巻回された負帰還コイル５４、電圧電流変換器（アンプ）５５、検出抵抗５６およびアンプ５７を備えている。

この電流センサ５１では、磁電変換素子５３が、被測定電線６１に測定電流Ｉ１が流れることによって磁気コア５２に発生する磁束を検出して、測定電流Ｉ１の電流値に比例して電圧値が変化する出力電圧（電気信号）を出力する。次いで、電圧電流変換器５５が、磁電変換素子５３から出力される出力電圧を負帰還電流Ｉ２に変換して、負帰還コイル５４に出力する。この場合、ゼロフラックス法では、負帰還電流Ｉ２は、負帰還コイル５４に負帰還電流Ｉ２が流れることによって磁気コア５２に発生する磁束で、被測定電線６１に測定電流Ｉ１が流れることによって磁気コア５２に発生する磁束を相殺するように、その電流値が制御される。このため、負帰還電流Ｉ２の電流値は、被測定電線６１に測定電流Ｉ１が流れることによって磁気コア５２に発生する磁束の大きさ、すなわち測定電流Ｉ１の電流値に比例する。検出抵抗５６は、この負帰還電流Ｉ２を電圧に変換し、アンプ５７がこの変換された電圧を増幅して出力する。

この構成により、この電流センサ５１では、アンプ５７からは、（測定電流）／（負帰還コイルの巻線数）×（検出抵抗の抵抗値）の式で表される電圧値で出力電圧Ｖｏが出力される。

また、この電流センサ５１の構成を採用しつつ、電流センサから出力される電圧の電圧値を任意に切り替えるようにする場合には、図５において破線で示すように、リレー５９を用いて、検出抵抗５６に対してもう一つの検出抵抗５８を並列接続したり、並列接続を解除したりする構成を採用することで実現することが可能である。この構成により、リレー５９をオン状態に移行させたときには検出抵抗５６に対して他の検出抵抗５８が並列接続されるため、検出抵抗全体の抵抗値が低い抵抗値（検出抵抗５６，５８の並列抵抗値）になることから、出力電圧Ｖｏを低下させる（検出ゲインを低下させる）ことが可能になる。一方、リレー５９をオフ状態に移行させたときには検出抵抗５６に対する他の検出抵抗５８の並列接続が解除されるため、検出抵抗全体の抵抗値が高い抵抗値（検出抵抗５６自体の抵抗値）になることから、出力電圧Ｖｏを上昇させる（検出ゲインを上昇させる）ことが可能になる。

特開２００３−４３０７３号公報（第２頁、第３図）

ところが、上記の検出抵抗５６に対してリレー５９を用いて他の検出抵抗５８を並列接続したり、並列接続を解除したりする構成を採用した電流センサ５１では、他の検出抵抗５８を並列接続した状態において、他の検出抵抗５８およびリレー５９の直列回路が検出抵抗５６に並列接続された状態になっている。したがって、検出抵抗５８およびリレー５９を使用する電流センサ５１には、リレー５９のオン抵抗値が検出抵抗５８の抵抗値と比べて無視できる程度に低いときには、各検出抵抗５６，５８の抵抗値に基づいて、出力電圧Ｖｏから測定電流Ｉ１の電流値を正確に算出することができるものの、リレー５９のオン抵抗値が経年劣化などの理由により変化して、検出抵抗５８の抵抗値と比べて無視できない大きさになったときには、各検出抵抗５６，５８の抵抗値に基づいて、出力電圧Ｖｏから測定電流Ｉ１の電流値を正確に算出することができないという解決すべき課題が存在している。

また、この電流センサ５１では、検出抵抗５６，５８のグランドに接続された一端の電位（つまり、検出抵抗５６，５８側のグランド電位）を基準として検出抵抗５６，５８の他端に発生する電圧のみをアンプ５７に出力して、アンプ５７がこの検出抵抗５６，５８の他端の電圧を、アンプ５７側のグランド電位を基準とした電圧として入力して、出力電圧Ｖｏに増幅して出力している。したがって、この電流センサ５１には、例えば、各検出抵抗５６，５８、リレー５９およびアンプ５７が実装されている回路基板の配線レイアウトに起因して、検出抵抗５６，５８側のグランド電位とアンプ５７側のグランド電位との間に電位差が生じているときには、この電位差の影響を出力電圧Ｖｏが受ける結果、やはり、出力電圧Ｖｏから測定電流Ｉ１の電流値を正確に算出することができないという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を改善すべくなされたものであり、検出抵抗の抵抗値を切り替え可能としつつ測定電流の電流値を正確に測定し得る電流センサ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、内部に被測定電線が挿通される磁気コアと、当該磁気コアに配置された磁電変換素子と、前記磁気コアに巻回された負帰還コイルと、前記磁電変換素子から出力される電圧に基づいて前記磁気コア内の磁束を打ち消す負帰還電流を生成して前記負帰還コイルの一端に供給する電圧電流変換回路と、前記負帰還コイルの他端と基準電位との間に接続されて前記負帰還電流を検出電圧に変換して出力する検出抵抗回路と、前記検出電圧を入力すると共に前記被測定電線に流れる測定電流の電流値に応じて電圧値が変化する出力電圧を出力する増幅回路とを備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、前記検出抵抗回路は、互いの一端同士が接続されることで直列に接続された第１検出抵抗および第２検出抵抗と、当該第２検出抵抗に並列に接続されたリレーとで構成されると共に、前記第１検出抵抗の他端が前記負帰還コイルの他端に接続され、かつ前記第２検出抵抗の他端が前記基準電位に接続され、前記増幅回路は、演算増幅器、当該演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還抵抗、当該演算増幅器の非反転入力端子と前記基準電位との間に接続された接地抵抗、前記第１検出抵抗の他端と前記反転入力端子との間に接続された第１入力抵抗、一端が前記第２検出抵抗の一端に接続された第２入力抵抗、一端が前記第２検出抵抗の他端に接続された第３入力抵抗、並びに前記第２入力抵抗の他端および前記第３入力抵抗の他端と前記非反転入力端子との間に配設されて、前記リレーがオン状態に移行したときには当該第２入力抵抗の他端を当該非反転入力端子に接続し、前記リレーがオフ状態に移行したときには当該第３入力抵抗の他端を当該非反転入力端子に接続する切替スイッチ部を備えている。

また、請求項２記載の電流センサは、内部に被測定電線が挿通される磁気コアと、当該磁気コアに配置された磁電変換素子と、前記磁気コアに巻回された負帰還コイルと、前記磁電変換素子から出力される電圧に基づいて前記磁気コア内の磁束を打ち消す負帰還電流を生成して前記負帰還コイルの一端に供給する電圧電流変換回路と、前記負帰還コイルの他端と基準電位との間に接続されて前記負帰還電流を検出電圧に変換して出力する検出抵抗回路と、前記検出電圧を入力すると共に前記被測定電線に流れる測定電流の電流値に応じて電圧値が変化する出力電圧を出力する増幅回路とを備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、前記検出抵抗回路は、互いの一端同士が接続されることで直列に接続された第１検出抵抗および第２検出抵抗と、当該第１検出抵抗に並列に接続されたリレーとで構成されると共に、前記第１検出抵抗の他端が前記負帰還コイルの他端に接続され、かつ前記第２検出抵抗の他端が前記基準電位に接続され、前記増幅回路は、演算増幅器、当該演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還抵抗、当該演算増幅器の非反転入力端子と前記基準電位との間に接続された接地抵抗、一端が前記第１検出抵抗の他端に接続された第１入力抵抗、一端が前記第１検出抵抗の一端に接続された第２入力抵抗、前記第２検出抵抗の他端と前記非反転入力端子との間に接続された第３入力抵抗、並びに前記第１入力抵抗の他端および前記第２入力抵抗の他端と前記反転入力端子との間に配設されて、前記リレーがオン状態に移行したときには当該第２入力抵抗の他端を前記反転入力端子に接続し、前記リレーがオフ状態に移行したときには前記第１入力抵抗の他端を前記反転入力端子に接続する切替スイッチ部を備えている。

請求項１記載の電流センサでは、オン状態に移行したリレーによって第２検出抵抗が短絡されるときには、第２検出抵抗の両端に接続されている第２入力抵抗および第３入力抵抗のうちの第２入力抵抗を演算増幅器の非反転入力端子に切替スイッチ部を介して接続し、第２検出抵抗がリレーによって短絡されていないとき（リレーがオフ状態に移行したとき）には、第３入力抵抗を演算増幅器の非反転入力端子に切替スイッチ部を介して接続する。

したがって、この電流センサによれば、リレーがオン状態のときに、演算増幅器の一対の入力抵抗になる第１入力抵抗および第２入力抵抗間にオン状態のリレーが位置しないようにすることができる。このため、この電流センサによれば、リレーのオン抵抗や検出抵抗回路側および増幅回路側の各基準電位間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧を出力電圧に正確に増幅して出力することができる結果、この出力電圧に基づいて、測定電流を正確に測定することができる。

請求項２記載の電流センサでは、オン状態に移行したリレーによって第１検出抵抗が短絡されるときには、第１検出抵抗の両端に接続されている第１入力抵抗および第２入力抵抗のうちの第２入力抵抗を演算増幅器の反転入力端子に切替スイッチ部を介して接続し、第１検出抵抗がリレーによって短絡されていないとき（リレーがオフ状態に移行したとき）には、第１入力抵抗を演算増幅器の反転入力端子に切替スイッチ部を介して接続する。

したがって、この電流センサによれば、リレーがオン状態のときに、演算増幅器の一対の入力抵抗になる第２入力抵抗および第３入力抵抗間にオン状態のリレーが位置しないようにすることができる。このため、この電流センサによれば、リレーのオン抵抗や検出抵抗回路側および増幅回路側の各基準電位間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧を出力電圧に正確に増幅して出力することができる結果、この出力電圧に基づいて、測定電流を正確に測定することができる。

電流センサ１の構成図である。他の電流センサ１１の構成図である。図１の電流センサ１の出力電圧Ｖｏについての周波数特性図である。図２の電流センサ１１の出力電圧Ｖｏについての周波数特性図である。従来の電流センサ５１の構成図である。

以下、添付図面を参照して、電流センサ１の実施の形態について説明する。

まず、電流センサ１の構成について、図１を参照して説明する。

電流センサ１は、図１に示すように、磁気コア２、磁電変換素子３、負帰還コイル４、電圧電流変換回路５、検出抵抗回路６および増幅回路７を備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、磁気コア２の内部に挿通されている被測定電線６１に流れる測定電流Ｉ１の電流値に応じて電圧値が変化する出力電圧Ｖｏを出力する。

磁気コア２は、一例として、基端部（図１中の下端部）を中心として開閉可能な分割型に形成されて、活線状態の被測定電線６１をクランプ可能（内部に被測定電線６１を挿通可能）に構成されている。なお、磁気コア２については、分割型に限定されず、貫通型（非分割型）とすることもできる。

磁電変換素子３は、ホール素子やフラックスゲートなどで構成されている。また、磁電変換素子３は、一例として、磁気コア２の基端部に配設されている。また、磁電変換素子３は、作動状態において、磁気コア２の内部に発生する磁束を検出して、磁束密度に応じた（具体的には、比例、またはほぼ比例した）電圧値の電圧Ｖ１を出力する。この場合、磁気コア２の内部に発生する磁束とは、磁気コア２に挿通された被測定電線６１に測定電流Ｉ１が流れることによって発生する磁束φ１と、負帰還コイル４に後述する負帰還電流Ｉ２が流れることによって発生する磁束φ２との差分（φ１−φ２）の磁束である。

負帰還コイル４は、磁気コア２に予め規定された巻線数ｎで巻回されている。電圧電流変換回路５は、演算増幅器などで構成されて、磁電変換素子３から電圧Ｖ１を入力すると共に、この電圧Ｖ１に基づいて負帰還電流Ｉ２を生成して、負帰還コイル４の一端に供給する。この場合、電圧電流変換回路５は、電圧Ｖ１がゼロボルトになるように、つまり、磁電変換素子３において検出される磁気コア２の内部に発生している磁束（φ１−φ２）の磁束密度がゼロになるように（言い換えれば、磁束φ２で磁束φ１を相殺するように）、負帰還電流Ｉ２の電流値を制御する。

検出抵抗回路６は、負帰還コイル４の他端と基準電位Ｇ（本例ではグランド電位）との間に接続されて、負帰還電流Ｉ２を検出電圧Ｖ２に変換する。本例では一例として、検出抵抗回路６は、互いの一端同士が接続されることで直列に接続された第１検出抵抗６ａ（抵抗値Ｒ１）および第２検出抵抗６ｂ（抵抗値Ｒ２）と、第２検出抵抗６ｂに並列に接続されたリレー６ｃとで構成されている。また、第１検出抵抗６ａの他端が負帰還コイル４の他端に接続され、かつ第２検出抵抗６ｂの他端が基準電位Ｇに接続されている。なお、各検出抵抗６ａ，６ｂは、１つの抵抗、複数の抵抗の並列回路、および複数の抵抗の直列回路のいずれかで構成することもできるし、これらを組み合わせた回路で構成することもできる。

また、リレー６ｃは、機械式のリレーで構成されて、制御信号Ｓ１によってオン状態およびオフ状態のいずれか一方の状態に切り替えられる。このようにリレー６ｃを機械式のリレーで構成したことにより、オフ状態での漏れ電流の発生を回避することができる結果、負帰還電流Ｉ２を正確に検出電圧Ｖ２に変換することが可能になっている。

また、検出抵抗回路６では、第２検出抵抗６ｂがリレー６ｃによって短絡される短絡状態（リレー６ｃが実線で示されるオン状態のとき）と、短絡されない非短絡状態（リレー６ｃが破線で示されるオフ状態のとき）のいずれか一方の状態に移行される。このため、この短絡状態のときには、検出抵抗回路６全体の抵抗値は第１検出抵抗６ａだけの抵抗値Ｒ１になり（検出抵抗回路６の検出ゲインが低い状態になり）、検出抵抗回路６は、負帰還電流Ｉ２を実線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝Ｒ１×Ｉ２）に変換する。一方、非短絡状態のときには、検出抵抗回路６全体の抵抗値は第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂの合成抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）になり（検出抵抗回路６の検出ゲインが高い状態になり）、検出抵抗回路６は、負帰還電流Ｉ２を破線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉ２）に変換する。

増幅回路７は、本例では一例として、演算増幅器７ａ、帰還抵抗７ｂ、接地抵抗７ｃ、第１入力抵抗７ｄ、第２入力抵抗７ｅ、第３入力抵抗７ｆおよび切替スイッチ部７ｇを備え、後述するように第１入力抵抗７ｄが演算増幅器７ａの反転端子側の入力抵抗になり、第２入力抵抗７ｅおよび第３入力抵抗７ｆのいずれか一方が選択的に演算増幅器７ａの非反転端子側の入力抵抗になる差動増幅回路として構成されて、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに増幅して出力する。

具体的には、帰還抵抗７ｂは、演算増幅器７ａの反転入力端子と出力端子との間に接続され、接地抵抗７ｃは、演算増幅器７ａの非反転入力端子と基準電位Ｇとの間に接続されている。また、第１入力抵抗７ｄは、第１検出抵抗６ａの他端（負帰還コイル４の他端）と演算増幅器７ａの反転入力端子との間に接続されている。また、第２入力抵抗７ｅは、一端が第１検出抵抗６ａの一端に接続され、第３入力抵抗７ｆは、一端が第２検出抵抗６ｂの他端に接続されている。

切替スイッチ部７ｇは、一例としてアナログスイッチで構成されて、第２入力抵抗７ｅの他端および第３入力抵抗７ｆの他端と、演算増幅器７ａの非反転入力端子との間に配設されている。また、切替スイッチ部７ｇは、制御信号Ｓ２によって接続状態がリレー６ｃのオン・オフ状態に連動して切り替えられる。具体的には、切替スイッチ部７ｇは、リレー６ｃがオン状態に移行したときには第２入力抵抗７ｅの他端を演算増幅器７ａの非反転入力端子に接続する接続状態に切り替えられ、リレー６ｃがオフ状態に移行したときには第３入力抵抗７ｆの他端を演算増幅器７ａの非反転入力端子に接続する接続状態に切り替えられる。

また、アナログスイッチは、通常、機械式のリレーと比べて、大幅に小型のパッケージで構成されている。このため、このようなパッケージで構成されたアナログスイッチで切替スイッチ部７ｇを構成したことで、演算増幅器７ａの非反転入力端子側での配線の引き回しを短くすることができる結果、この非反転入力端子に存在する静電容量を十分に小さくすることが可能になっている。

次に、電流センサ１の動作について図面を参照して説明する。

測定電流Ｉ１の流れている被測定電線６１が磁気コア２の内部に挿通されている状態において、磁電変換素子３は、磁気コア２の内部に発生する磁束を検出して、磁束密度に応じた電圧値の電圧Ｖ１を出力する。この場合、磁気コア２の内部には、被測定電線６１に測定電流Ｉ１が流れることによって発生している磁束φ１と、負帰還コイル４に負帰還電流Ｉ２（電圧電流変換回路５から出力されている電流）が流れることによって発生している磁束φ２との差分（φ１−φ２）の磁束が発生している。

電圧電流変換回路５は、磁電変換素子３から入力している電圧Ｖ１に基づいて、電圧Ｖ１がゼロボルトになるように、つまり、磁電変換素子３において検出される磁気コア２の内部に発生している磁束（φ１−φ２）の磁束密度がゼロになるように、負帰還電流Ｉ２の電流値を制御しつつ、負帰還電流Ｉ２を生成して負帰還コイル４に出力する。これにより、負帰還電流Ｉ２の電流値は、測定電流Ｉ１の電流値を負帰還コイル４の巻線数ｎで除算した値になっている。

この状態において、制御信号Ｓ１によってリレー６ｃがオン状態（実線で示される状態）に移行され、このリレー６ｃによって検出抵抗回路６の第２検出抵抗６ｂが短絡されている短絡状態のときには、検出抵抗回路６は、第１検出抵抗６ａにおいて負帰還電流Ｉ２を実線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝Ｒ１×Ｉ２）に変換する。

また、増幅回路７では、リレー６ｃのオン状態への移行に連動して、切替スイッチ部７ｇが実線で示される接続状態になっているため、第２入力抵抗７ｅが演算増幅器７ａの非反転入力端子に接続されている。これにより、増幅回路７では、演算増幅器７ａが、検出抵抗回路６における第１検出抵抗６ａの各端部に発生する電圧の差分（すなわち、第１検出抵抗６ａの両端間に発生する検出電圧Ｖ２）を差動増幅して、出力電圧Ｖｏとして出力する。この第１検出抵抗６ａの両端間に発生する検出電圧Ｖ２は、リレー６ｃのオン抵抗の影響を受けない電圧であると共に、検出抵抗回路６側の基準電位Ｇと増幅回路７側の基準電位Ｇとの間に発生している電位差の影響をも受けない電圧である。したがって、増幅回路７は、リレー６ｃのオン抵抗や検出抵抗回路６側および増幅回路７側の各基準電位Ｇ間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに正確に増幅して出力する。

この場合、測定電流Ｉ１の電流値は、増幅回路７の増幅率をαとしたときに、（出力電圧Ｖｏの電圧値）×（負帰還コイル４の巻線数ｎ）／（α×検出抵抗回路６の抵抗値（この例では、抵抗値Ｒ１））の式で算出することが可能である。

一方、制御信号Ｓ１によってリレー６ｃがオフ状態（破線で示される状態）に移行されて、検出抵抗回路６の第２検出抵抗６ｂが短絡されていない非短絡状態のときには、検出抵抗回路６は、第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂにおいて負帰還電流Ｉ２を破線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉ２）に変換する。

また、増幅回路７では、リレー６ｃのオフ状態への移行に連動して、切替スイッチ部７ｇが破線で示される接続状態になっているため、第３入力抵抗７ｆが演算増幅器７ａの非反転入力端子に接続されている。これにより、増幅回路７では、演算増幅器７ａが、検出抵抗回路６における第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂの直列回路の各端部に発生する電圧の差分（すなわち、この直列回路の両端間に発生する検出電圧Ｖ２）を差動増幅して、出力電圧Ｖｏとして出力する。この直列回路の両端間に発生する検出電圧Ｖ２は、リレー６ｃがオフ状態であることから当然にリレー６ｃのオン抵抗の影響を受けない電圧であると共に、検出抵抗回路６側の基準電位Ｇと増幅回路７側の基準電位Ｇとの間に発生している電位差の影響をも受けない電圧である。したがって、増幅回路７は、リレー６ｃのオン抵抗や検出抵抗回路６側および増幅回路７側の各基準電位Ｇ間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに正確に増幅して出力する。

この場合、測定電流Ｉ１の電流値は、増幅回路７の増幅率をαとしたときに、（出力電圧Ｖｏの電圧値）×（負帰還コイル４の巻線数ｎ）／（α×検出抵抗回路６の抵抗値（この例では、抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）））の式で算出することが可能である。

このように、この電流センサ１では、検出抵抗回路６は、直列に接続された第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂと、第２検出抵抗６ｂに並列に接続されたリレー６ｃとを備え、リレー６ｃをオン・オフさせることによって第２検出抵抗６ｂを短絡状態にしたり、非短絡状態にしたりすることで、検出ゲインを切り替えるように構成されている。また、増幅回路７は、差動増幅回路として構成され、演算増幅器７ａの反転入力端子に第１入力抵抗７ｄを接続すると共に、第２検出抵抗６ｂがリレー６ｃによって短絡されるときには、第２検出抵抗６ｂの両端に接続されている第２入力抵抗７ｅおよび第３入力抵抗７ｆのうちの第２入力抵抗７ｅを演算増幅器７ａの非反転入力端子に切替スイッチ部７ｇを介して接続し、第２検出抵抗６ｂがリレー６ｃによって短絡されていないときには、第３入力抵抗７ｆを演算増幅器７ａの非反転入力端子に切替スイッチ部７ｇを介して接続する。

したがって、この電流センサ１によれば、リレー６ｃがオン状態のときに、演算増幅器７ａの一対の入力抵抗になる第１入力抵抗７ｄおよび第２入力抵抗７ｅ間にオン状態のリレー６ｃが位置しないようにすることができる。このため、この電流センサ１によれば、リレー６ｃのオン抵抗や検出抵抗回路６側および増幅回路７側の各基準電位Ｇ間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに正確に増幅して出力することができる結果、この出力電圧Ｖｏに基づいて、測定電流Ｉ１を正確に測定することができる。

なお、上記の電流センサ１では、容量成分を伴う切替スイッチ部７ｇを演算増幅器７ａの非反転入力端子側に配置することで、図３に示すように、出力電圧Ｖｏの周波数特性を高周波域までほぼフラットな状態にし得るより好ましい構成を採用しているが、図２に示す他の電流センサ１１のように、切替スイッチ部７ｇを演算増幅器７ａの反転入力端子側に配置する構成を採用することもできる。この構成の電流センサ１１では、その出力電圧Ｖｏの周波数特性は、図４に示すように、電流センサ１と比較して、高周波域側で若干ゲインが上昇するものの、このゲインの上昇は十分に使用可能な範囲内に抑えることが可能である。以下、この電流センサ１１について説明する。

まず、電流センサ１１の構成について、図２を参照して説明する。なお、電流センサ１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１１は、図２に示すように、磁気コア２、磁電変換素子３、負帰還コイル４、電圧電流変換回路５、検出抵抗回路１６および増幅回路１７を備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、磁気コア２の内部に挿通されている被測定電線６１に流れる測定電流Ｉ１の電流値に応じて電圧値が変化する出力電圧Ｖｏを出力する。

検出抵抗回路１６は、負帰還コイル４の他端と基準電位Ｇ（本例ではグランド電位）との間に接続されて、負帰還電流Ｉ２を検出電圧Ｖ２に変換する。本例では一例として、検出抵抗回路１６は、互いの一端同士が接続されることで直列に接続された第１検出抵抗６ａ（抵抗値Ｒ１）および第２検出抵抗６ｂ（抵抗値Ｒ２）と、第１検出抵抗６ａに並列に接続されたリレー６ｃとで構成されている。また、第１検出抵抗６ａの他端が負帰還コイル４の他端に接続され、かつ第２検出抵抗６ｂの他端が基準電位Ｇに接続されている。

また、検出抵抗回路１６は、第１検出抵抗６ａがリレー６ｃによって短絡される短絡状態（リレー６ｃが実線で示されるオン状態のとき）と、短絡されない非短絡状態（リレー６ｃが破線で示されるオフ状態のとき）のいずれか一方の状態に移行される。このため、この短絡状態のときには、検出抵抗回路１６全体の抵抗値は第２検出抵抗６ｂだけの抵抗値Ｒ２になり（検出抵抗回路１６の検出ゲインが低い状態になり）、検出抵抗回路１６は、負帰還電流Ｉ２を実線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝Ｒ２×Ｉ２）に変換する。一方、この非短絡状態のときには、検出抵抗回路１６全体の抵抗値は第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂの合成抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）になり（検出抵抗回路１６の検出ゲインが高い状態になり）、検出抵抗回路１６は、負帰還電流Ｉ２を破線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉ２）に変換する。

増幅回路１７は、本例では一例として、演算増幅器７ａ、帰還抵抗７ｂ、接地抵抗７ｃ、第１入力抵抗７ｄ、第２入力抵抗７ｅ、第３入力抵抗７ｆおよび切替スイッチ部７ｇを備え、後述するように第１入力抵抗７ｄおよび第２入力抵抗７ｅのいずれか一方が選択的に演算増幅器７ａの反転端子側の入力抵抗になり、第３入力抵抗７ｆが演算増幅器７ａの非反転端子側の入力抵抗になる差動増幅器として構成されて、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに増幅して出力する。

具体的には、第１入力抵抗７ｄは、一端が第１検出抵抗６ａの他端（負帰還コイル４の他端）に接続されている。また、第２入力抵抗７ｅは、一端が第１検出抵抗６ｂの一端に接続され、第３入力抵抗７ｆは、第２検出抵抗６ａの他端と演算増幅器７ａの非反転入力端子との間に接続されている。

切替スイッチ部７ｇは、第１入力抵抗７ｄの他端および第２入力抵抗７ｅの他端と、演算増幅器７ａの反転入力端子との間に配設されている。また、切替スイッチ部７ｇは、制御信号Ｓ２によって接続状態がリレー６ｃのオン・オフ状態に連動して切り替えられる。具体的には、切替スイッチ部７ｇは、リレー６ｃがオン状態に移行したときには第２入力抵抗７ｅの他端を演算増幅器７ａの反転入力端子に接続する接続状態（実線で示す接続状態）に切り替えられ、リレー６ｃがオフ状態に移行したときには第１入力抵抗７ｄの他端を演算増幅器７ａの反転入力端子に接続する接続状態に切り替えられる。

次に、電流センサ１１の動作について図面を参照して説明する。

測定電流Ｉ１の流れている被測定電線６１が磁気コア２の内部に挿通されている状態において、磁電変換素子３は、磁気コア２の内部に発生する磁束を検出して、磁束密度に応じた電圧値の電圧Ｖ１を出力する。

この状態において、制御信号Ｓ１によってリレー６ｃがオン状態（実線で示される状態）に移行され、このリレー６ｃによって検出抵抗回路１６の第１検出抵抗６ａが短絡されている短絡状態のときには、検出抵抗回路１６は、第２検出抵抗６ｂにおいて負帰還電流Ｉ２を実線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝Ｒ２×Ｉ２）に変換する。

また、増幅回路１７では、リレー６ｃのオン状態への移行に連動して、切替スイッチ部７ｇが実線で示される接続状態になっているため、第２入力抵抗７ｅが演算増幅器７ａの反転入力端子に接続されている。これにより、増幅回路１７では、演算増幅器７ａが、検出抵抗回路１６における第２検出抵抗６ｂの各端部に発生する電圧の差分（すなわち、第２検出抵抗６ｂの両端間に発生する検出電圧Ｖ２）を差動増幅して、出力電圧Ｖｏとして出力する。この第２検出抵抗６ｂの両端間に発生する検出電圧Ｖ２は、リレー６ｃのオン抵抗の影響を受けない電圧であると共に、検出抵抗回路１６側の基準電位Ｇと増幅回路１７側の基準電位Ｇとの間に発生している電位差の影響をも受けない電圧である。したがって、増幅回路１７は、リレー６ｃのオン抵抗や検出抵抗回路１６側および増幅回路１７側の各基準電位Ｇ間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに正確に増幅して出力する。

この場合、測定電流Ｉ１の電流値は、増幅回路１７の増幅率をαとしたときに、（出力電圧Ｖｏの電圧値）×（負帰還コイル４の巻線数ｎ）／（α×検出抵抗回路１６の抵抗値（この例では、抵抗値Ｒ２））の式で算出することが可能である。

一方、制御信号Ｓ１によってリレー６ｃがオフ状態（破線で示される状態）に移行され、検出抵抗回路１６の第２検出抵抗６ｂが短絡されていない非短絡状態のときには、検出抵抗回路１６は、第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂにおいて負帰還電流Ｉ２を破線の矢印で示すように検出電圧Ｖ２（＝（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｉ２）に変換する。

また、増幅回路１７では、リレー６ｃのオフ状態への移行に連動して、切替スイッチ部７ｇが破線で示される接続状態になっているため、第１入力抵抗７ｄが演算増幅器７ａの反転入力端子に接続されている。これにより、増幅回路１７では、演算増幅器７ａが、検出抵抗回路１６における第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂの直列回路の各端部に発生する電圧の差分（すなわち、この直列回路の両端間に発生する検出電圧Ｖ２）を差動増幅して、出力電圧Ｖｏとして出力する。この直列回路の両端間に発生する検出電圧Ｖ２は、リレー６ｃがオフ状態であることから当然にリレー６ｃのオン抵抗の影響を受けない電圧であると共に、検出抵抗回路１６側の基準電位Ｇと増幅回路１７側の基準電位Ｇとの間に発生している電位差の影響をも受けない電圧である。したがって、増幅回路１７は、リレー６ｃのオン抵抗や検出抵抗回路１６側および増幅回路１７側の各基準電位Ｇ間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに正確に増幅して出力する。

この場合、測定電流Ｉ１の電流値は、増幅回路１７の増幅率をαとしたときに、（出力電圧Ｖｏの電圧値）×（負帰還コイル４の巻線数ｎ）／（α×検出抵抗回路１６の抵抗値（この例では、抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）））の式で算出することが可能である。

このように、この電流センサ１１では、検出抵抗回路１６は、直列に接続された第１検出抵抗６ａおよび第２検出抵抗６ｂと、第１検出抵抗６ａに並列に接続されたリレー６ｃとを備え、リレー６ｃをオン・オフさせることによって第１検出抵抗６ａを短絡状態にしたり、非短絡状態にしたりすることで、検出ゲインを切り替えるように構成されている。また、増幅回路１７は、差動増幅器として構成され、演算増幅器７ａの非反転入力端子に第３入力抵抗７ｆを接続すると共に、第１検出抵抗６ａがリレー６ｃによって短絡されるときには、第１検出抵抗６ａの両端に接続されている第１入力抵抗７ｄおよび第２入力抵抗７ｅのうちの第２入力抵抗７ｅを演算増幅器７ａの反転入力端子に切替スイッチ部７ｇを介して接続し、第１検出抵抗６ａがリレー６ｃによって短絡されていないときには、第１入力抵抗７ｄを演算増幅器７ａの反転入力端子に切替スイッチ部７ｇを介して接続する。

したがって、この電流センサ１１によっても、リレー６ｃがオン状態のときに、演算増幅器７ａの一対の入力抵抗になる第２入力抵抗７ｅおよび第３入力抵抗７ｆ間にオン状態のリレー６ｃが位置しないようにすることができる。このため、この電流センサ１１によれば、リレー６ｃのオン抵抗や検出抵抗回路１６側および増幅回路１７側の各基準電位Ｇ間の電位差による影響を受けることなく、検出電圧Ｖ２を出力電圧Ｖｏに正確に増幅して出力することができる結果、この出力電圧Ｖｏに基づいて、測定電流Ｉ１を正確に測定することができる。

１，１１電流センサ
２磁気コア
３磁電変換素子
４負帰還コイル
５電圧電流変換回路
６，１６検出抵抗回路
６ａ第１検出抵抗
６ｂ第２検出抵抗
６ｃリレー
７，１７増幅回路
７ａ演算増幅器
７ｂ帰還抵抗
７ｃ接地抵抗
７ｄ第１入力抵抗
７ｅ第２入力抵抗
７ｆ第３入力抵抗
７ｇ切替スイッチ部
６１被測定電線
Ｉ１測定電流
Ｉ２負帰還電流
Ｖ２検出電圧
Ｖｏ出力電圧

Claims

内部に被測定電線が挿通される磁気コアと、当該磁気コアに配置された磁電変換素子と、前記磁気コアに巻回された負帰還コイルと、前記磁電変換素子から出力される電圧に基づいて前記磁気コア内の磁束を打ち消す負帰還電流を生成して前記負帰還コイルの一端に供給する電圧電流変換回路と、前記負帰還コイルの他端と基準電位との間に接続されて前記負帰還電流を検出電圧に変換して出力する検出抵抗回路と、前記検出電圧を入力すると共に前記被測定電線に流れる測定電流の電流値に応じて電圧値が変化する出力電圧を出力する増幅回路とを備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、
前記検出抵抗回路は、互いの一端同士が接続されることで直列に接続された第１検出抵抗および第２検出抵抗と、当該第２検出抵抗に並列に接続されたリレーとで構成されると共に、前記第１検出抵抗の他端が前記負帰還コイルの他端に接続され、かつ前記第２検出抵抗の他端が前記基準電位に接続され、
前記増幅回路は、演算増幅器、当該演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還抵抗、当該演算増幅器の非反転入力端子と前記基準電位との間に接続された接地抵抗、前記第１検出抵抗の他端と前記反転入力端子との間に接続された第１入力抵抗、一端が前記第２検出抵抗の一端に接続された第２入力抵抗、一端が前記第２検出抵抗の他端に接続された第３入力抵抗、並びに前記第２入力抵抗の他端および前記第３入力抵抗の他端と前記非反転入力端子との間に配設されて、前記リレーがオン状態に移行したときには当該第２入力抵抗の他端を当該非反転入力端子に接続し、前記リレーがオフ状態に移行したときには当該第３入力抵抗の他端を当該非反転入力端子に接続する切替スイッチ部を備えている電流センサ。
内部に被測定電線が挿通される磁気コアと、当該磁気コアに配置された磁電変換素子と、前記磁気コアに巻回された負帰還コイルと、前記磁電変換素子から出力される電圧に基づいて前記磁気コア内の磁束を打ち消す負帰還電流を生成して前記負帰還コイルの一端に供給する電圧電流変換回路と、前記負帰還コイルの他端と基準電位との間に接続されて前記負帰還電流を検出電圧に変換して出力する検出抵抗回路と、前記検出電圧を入力すると共に前記被測定電線に流れる測定電流の電流値に応じて電圧値が変化する出力電圧を出力する増幅回路とを備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、
前記検出抵抗回路は、互いの一端同士が接続されることで直列に接続された第１検出抵抗および第２検出抵抗と、当該第１検出抵抗に並列に接続されたリレーとで構成されると共に、前記第１検出抵抗の他端が前記負帰還コイルの他端に接続され、かつ前記第２検出抵抗の他端が前記基準電位に接続され、
前記増幅回路は、演算増幅器、当該演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還抵抗、当該演算増幅器の非反転入力端子と前記基準電位との間に接続された接地抵抗、一端が前記第１検出抵抗の他端に接続された第１入力抵抗、一端が前記第１検出抵抗の一端に接続された第２入力抵抗、前記第２検出抵抗の他端と前記非反転入力端子との間に接続された第３入力抵抗、並びに前記第１入力抵抗の他端および前記第２入力抵抗の他端と前記反転入力端子との間に配設されて、前記リレーがオン状態に移行したときには当該第２入力抵抗の他端を前記反転入力端子に接続し、前記リレーがオフ状態に移行したときには前記第１入力抵抗の他端を前記反転入力端子に接続する切替スイッチ部を備えている電流センサ。