JP6423708B2 - 電流センサおよび測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気コアに巻回されたコイルを有して、磁気コアの内部に挿通された測定対象に流れる被測定電流を検出する電流センサ、およびこの電流センサを備えた測定装置に関するものである。

この種の電流センサとして、下記特許文献１に開示されている電流センサ（電流検出装置）が知られている。この電流センサは、円環状コイルと、チップ型ノイズフィルタ及び分圧用チップ抵抗を搭載したプリント基板と、円環状コイルおよびプリント基板を内部に収納するアルミ等の非磁性シールドケースと、樹脂等の非磁性かつ絶縁性の外装ケースとを備えている。

プリント基板は、片面に入力側導体パターン、中継導体パターン、出力側導体パターン、およびアース導体パターンを有している。チップ型ノイズフィルタは、２個のインダクタと１個のコンデンサとからなるＴ形フィルタであり、各インダクタの直列回路の両端が入力側導体パターンと中継導体パターンとに接続され、コンデンサの両端が各インダクタ相互の接続点とアース導体パターンとに接続されている。また、中継導体パターンと出力側導体パターン間を接続するように４７Ωのチップ抵抗（分圧用抵抗の一部を構成する抵抗）がプリント基板上に搭載され、中継導体パターンとアース導体パターンとを接続するように３個のチップ抵抗（分圧用抵抗の他の一部を構成する抵抗）がプリント基板上に搭載されている。この３個のチップ抵抗はそれぞれ抵抗値１２Ωであり、これらを３個並列接続することにより、全体として４Ωの抵抗を構成している。

また、円環状コイルの検出巻線から導出された一方の引き出し線は、入力側導体パターンに接続され、他方の引き出し線はアース導体パターンに接続されている。また、出力側導体パターンは、リード線を介して同軸ケーブルの一端側の芯線に接続され、アース導体パターンは、他のリード線を介して同軸ケーブルの一端側のアース線に接続されている。

この構成により、この電流センサでは、円環状コイルに被検出線路を貫通させて、これを電流変成器の１次巻線として利用することで、２次巻線として働く円環状コイルの検出巻線に被検出線路の電流に比例した電流が誘起される。また、この誘起された電流は、チップ型ノイズフィルタで高周波ノイズが除去された後に、全体として４Ωの抵抗を構成する並列接続された３つのチップ抵抗で電圧に変換される。また、この変換された電圧は、４７Ωのチップ抵抗を経由して、同軸ケーブルの芯線に出力される。この場合、４Ωの抵抗を構成する３つのチップ抵抗と４７Ωのチップ抵抗とが全体としてほぼ５０Ωの抵抗として機能して、伝送路としての同軸ケーブルの入力端側からノイズフィルタ側を見たときのインピーダンスを同軸ケーブルの入力インピーダンス（伝送路の特性インピーダンス（５０Ω））に整合させることで、同軸ケーブルを介して伝送される信号の波形に生じる乱れを低減していると考えられる。

特開平７−２６０８３０号公報（第３−４頁、第６，１１図）

ところが、上記の電流センサには、以下の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、検出巻線に誘起された電流（具体的にはノイズフィルタから出力される電流）を４Ωという小さな抵抗値の抵抗（検出巻線に対して重い負荷となる抵抗）で電圧に変換する構成を採用している。また、高周波伝送特性を測る測定器は、反射を防ぐため、一般的に、同軸ケーブルの特性インピーダンスと同じ抵抗値の終端抵抗で同軸ケーブルの他端側を終端する構成となっている。このため、この電流センサでは、電流センサの上記した４７Ωのチップ抵抗と、測定器の終端抵抗とによって信号を分圧した状態で測定器に出力するように構成されている。したがって、この電流センサには、これらの構成に起因して、出力する信号の振幅（レベル）が大きく減衰するという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、高周波ノイズを除去しつつ、減衰の少ない状態で伝送路を介して信号を出力し得る電流センサおよび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、内部に測定対象が挿通される磁気コアと、前記磁気コアに巻回されて一端が基準電位側に接続されると共に、前記磁気コアに挿通された前記測定対象に流れる被測定電流の電流値に応じた電流値の検出電流を他端から出力するコイルと、入力端子が前記コイルの前記他端に接続されると共に当該入力端子から入力される前記検出電流の周波数領域を所望の周波数領域に制限して出力端子から出力するノーマルモード定インピーダンスフィルタと、予め決められた特性インピーダンスを有すると共に一端が前記ノーマルモード定インピーダンスフィルタの前記出力端子に直接接続された伝送路と、前記伝送路の他端と前記基準電位との間に接続されると共に当該伝送路を介して流れる前記検出電流を検出電圧に変換する終端抵抗とを備え、前記ノーマルモード定インピーダンスフィルタは、前記入力端子から前記終端抵抗側を見たインピーダンスが前記特性インピーダンスと同じ値に規定されている。

また、請求項２記載の測定装置は、請求項１記載の電流センサと、当該電流センサによって変換された前記検出電圧に基づいて前記被測定電流の前記電流値を測定する測定部とを備えている。

請求項１記載の電流センサおよび請求項２記載の測定装置では、コイルの他端に定インピーダンスフィルタの入力端子が接続されると共に、伝送路の一端にこのフィルタの出力端子が直接接続され、かつこのフィルタは、入力端子から終端抵抗側を見たインピーダンスが伝送路の特性インピーダンスと同じ値に規定されている。

出力信号の振幅を減衰させないようＬＣフィルタ（ローパスフィルタ）をノイズフィルタとして用いると、コイルの寄生容量とＬＣフィルタを構成するインダクタとによる共振に起因してＬＣフィルタの周波数特性におけるカットオフ周波数の近傍に好ましくないピーク（図４の破線で示すようなピーク）が発生する。しかしながら、この電流センサおよび測定装置によれば、ノイズフィルタとして定インピーダンスフィルタを用いることにより、定インピーダンスフィルタの入力端子から終端抵抗側を見たインピーダンスが抵抗成分として見えるため、コイルの寄生容量に起因した上記のようなピークを生じにくくすることができ、かつ、コイルから出力される検出電流を、検出電流に含まれるノイズ成分（高周波ノイズ）をこのフィルタで確実に除去しつつ、検出電流を構成する周波数成分（検出電流、すなわち被測定電流の基本周波数成分）については殆ど減衰させることなくほぼ一定の振幅で、伝送路を介して終端抵抗に伝送して、終端抵抗で検出電圧に変換することができる。これにより、この電流センサおよび測定装置によれば、Ｓ／Ｎ比の良好な状態で検出電圧を測定部に出力することができるため、測定部において被測定電流の電流値を高精度で測定することができる。

電流センサ１および電流センサ１を有する測定装置ＭＤの各構成図である。 １段定インピーダンスフィルタの回路図である。 ２段定インピーダンスフィルタの回路図である。 フィルタ７として図２に示す１段定インピーダンスフィルタを使用したときの検出電圧Ｖ２の振幅についての周波数特性を示す周波数特性図である。 電流センサ１Ａおよび電流センサ１Ａを有する他の測定装置ＭＤＡの各構成図である。 図５の測定装置ＭＤＡの他の構成図である。

以下、添付図面を参照して、電流センサ１および測定装置ＭＤ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、一例として、磁気コア２、コイル５、フィルタ７および電流電圧変換部ＩＶＣを備え、ＣＴ（カレントトランス）方式の電流センサとして構成されて、磁気コア２に挿通された測定対象としての測定電路２１に流れる交流電流である被測定電流Ｉ１を検出する。

磁気コア２は、一例として、全体形状が環状であって、基端部（図１中の下端部）を中心として開閉可能な分割型で形成されて、活線状態の測定電路２１をクランプ可能（内部に測定電路２１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。

コイル５は、磁気コア２に線材が巻回されることによって形成されている。また、コイル５の一端５ａは、基準電位（グランドＧ）側に接続されている。本例では一例として、コイル５の一端５ａは基準電位に直接接続されているが、抵抗（数十Ω以下の低い抵抗値の抵抗）やコンデンサ（被測定電流Ｉ１の周波数帯域においてインピーダンスが数十Ω以下となる容量値のコンデンサ）などを介して基準電位に接続する構成を採用することもできる。

フィルタ７は、ローパスフィルタ（低域通過型フィルタ）としての定インピーダンスフィルタで構成されている。また、フィルタ７は、その入力端子７ａがコイル５の他端５ｂに直接接続されると共に、その出力端子７ｂが電流電圧変換部ＩＶＣを構成する後述する伝送路８の一端８ａに直接接続され、かつその接地端子７ｃがグランドＧに直接接続されて、後述するようにコイル５がＣＴとして機能しているときにコイル５の他端５ｂから出力される検出電流としての電流Ｉ２（コイル５の巻数をＮとし、被測定電流Ｉ１の電流値を記号「Ｉ１」で表すと、電流値がＩ１／Ｎとなる電流）の周波数成分のうちのカットオフ周波数以上の周波数成分を、振幅が１／√２以下になるように減衰させて出力する。すなわち、フィルタ７は、電流Ｉ２の周波数領域を所望の周波数領域（カットオフ周波数未満の周波数領域）に制限する。したがって、フィルタ７のカットオフ周波数は、測定対象として検出すべき被測定電流Ｉ１の上限周波数（つまり、電流Ｉ２の上限周波数）よりも若干高い周波数に予め規定されている。また、フィルタ７は、カットオフ周波数未満の周波数成分で構成される電流Ｉ２については、振幅を殆ど減衰させることなく出力する。

また、このように定インピーダンスフィルタで構成されているフィルタ７は、入力端子７ａから後述する終端抵抗９側を見たインピーダンスが伝送路８の特性インピーダンス（電流電圧変換部ＩＶＣの入力インピーダンス）と同じ値（一例として、この特性インピーダンスが５０Ωのときには、同じ５０Ω）になるように、フィルタ７を構成する各電子部品の定数が予め規定されている。

また、フィルタ７は、図２に示す１段定インピーダンスフィルタで構成することもできるし、この１段定インピーダンスフィルタを複数直列に接続することによって構成されて、より急峻なカットオフ特性を有する多段定インピーダンスフィルタ（例えば、図３に示す定インピーダンスフィルタは、１段定インピーダンスフィルタを２つ直列に接続して構成された２段定インピーダンスフィルタである）で構成することもできる。

電流電圧変換部ＩＶＣは、本例では一例として、伝送路８および終端抵抗９を備えている。この場合、伝送路８は、特性インピーダンスが予め規定された値に規定されて、一端８ａがフィルタ７の出力端子７ｂに接続されている。本例では一例として、伝送路８は、不図示のシールドがグランドＧに接続された同軸ケーブルで構成されることにより、特性インピーダンスが５０Ωまたは７５Ω（本例では５０Ω）に規定されている。なお、伝送路８は、同軸ケーブルに限定されるものではなく、特性インピーダンスが予め決められた一定の値の特性インピーダンスに規定されるものであれば、例えばツイストペアケーブルなどの種々の伝送路で構成することもできるのは勿論である。

終端抵抗９は、本例では一例として、伝送路８の他端８ｂとグランドＧとの間に接続された抵抗あるいはオシロスコープなどの測定器の入力抵抗で構成されている。この構成により、終端抵抗９は、コイル５に流れる電流（後述する電流Ｉ２）を検出電圧Ｖ２に変換して出力する。

次に、この電流センサ１を備えた測定装置ＭＤの構成について、図１を参照して説明する。測定装置ＭＤは、電流センサ１、測定部１０および出力部１１を備え、電流センサ１によって変換された検出電圧Ｖ２に基づいて、磁気コア２に挿通された測定対象としての測定電路２１に流れる被測定電流Ｉ１を測定可能に構成されている。

測定部１０は、一例として、Ａ／Ｄ変換部およびＣＰＵ（いずれも図示せず）を備え、Ａ／Ｄ変換部が電流センサ１によって変換された検出電圧Ｖ２をデジタル値に変換し、ＣＰＵがこのデジタル値に基づいて被測定電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａを測定（算出）する。また、測定部１０は、測定した電流値Ｉ１ａを出力部１１に出力する。

出力部１１は、一例としてＬＣＤなどの表示装置で構成されて、測定部１０から出力される電流値Ｉ１ａを画面上に表示する。なお、出力部１１は、表示装置に限定されず、例えば外部インターフェース回路で構成することもできる。この場合には、測定装置ＭＤは、外部インターフェース回路に伝送路（有線伝送路や無線伝送路）を介して接続された他の外部装置に電流値Ｉ１ａを出力したり、外部インターフェース回路に接続された外部記憶装置に電流値Ｉ１ａを記憶したりすることが可能になる。

続いて、電流センサ１の動作と併せて測定装置ＭＤの動作について図面を参照して説明する。

まず、電流センサ１では、ＣＴとしてのコイル５が、測定電路２１に流れる被測定電流Ｉ１を検出して、この被測定電流Ｉ１の振幅（電流値）に応じて振幅（電流値）が変化する検出電流としての電流Ｉ２（コイル５の巻数をＮとし、被測定電流Ｉ１の電流値を記号「Ｉ１」で表すと、電流値がＩ１／Ｎとなる電流）をフィルタ７に出力する。この電流Ｉ２は、グランドＧ、コイル５の一端５ａ、コイル５、コイル５の他端５ｂ、フィルタ７、伝送路８および終端抵抗９を経由してグランドＧに至る電流経路に流れる。

フィルタ７は、定インピーダンスフィルタで構成されているため、電流Ｉ２を構成する周波数成分（フィルタ７のカットオフ周波数未満となる基本周波数成分）については、その振幅を殆ど減衰させることなく伝送路８に出力する。

一方、フィルタ７は、電流Ｉ２に含まれているノイズ成分（フィルタ７のカットオフ周波数以上の周波数成分）については、電流Ｉ２を構成する上記の周波数成分と比較して、十分に減衰させて伝送路８に出力する。この定インピーダンスフィルタで構成されたフィルタ７では、フィルタ７の入力端子７ａから終端抵抗９側を見たインピーダンスが抵抗成分（５０Ω）として見える。このため、定インピーダンスフィルタに代えて一般的なＬＣフィルタ（ローパスフィルタ）をフィルタ７として使用した構成では、コイル５の寄生容量とＬＣフィルタを構成するインダクタとによる共振に起因してフィルタ７の周波数特性におけるカットオフ周波数の近傍に好ましくないピークが発生するのに対して、定インピーダンスフィルタで構成されたフィルタ７では、このピークを生じにくくすることができる。これにより、定インピーダンスフィルタで構成されたフィルタ７は、上記したように、フィルタ７のカットオフ周波数ｆｃ未満の周波数成分については、その振幅を殆ど減衰させることなくほぼ一定の振幅で伝送路８に出力しつつ、カットオフ周波数ｆｃ以上の周波数成分については、確実に減衰させて出力することが可能になっている（図４参照）。

測定装置ＭＤでは、測定部１０が、このようにして電流センサ１から出力される検出電圧Ｖ２に基づいて、被測定電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａを測定して出力部１１に出力し、出力部１１が、この電流値Ｉ１ａを画面上に表示する。

このように、この電流センサ１および測定装置ＭＤでは、コイル５の他端５ｂに定インピーダンスフィルタで構成されたフィルタ７の入力端子７ａが接続されると共に、伝送路８の一端８ａにフィルタ７の出力端子７ｂが直接接続され、かつフィルタ７は定インピーダンスフィルタ（カットオフ周波数以上の周波数帯域では出力インピーダンスが伝送路８の特性インピーダンスと同じ値（５０Ω）に規定された定インピーダンスフィルタ）で構成されている。

したがって、この電流センサ１および測定装置ＭＤによれば、フィルタ７として定インピーダンスフィルタを用いることにより、フィルタ７の入力端子７ａから終端抵抗９側を見たインピーダンスが抵抗成分として見えるため、コイル５の寄生容量に起因した上記のピークを生じにくくすることができることから、コイル５から出力される電流Ｉ２を、電流Ｉ２に含まれるノイズ成分（高周波ノイズ）をフィルタ７で確実に除去しつつ、電流Ｉ２を構成する周波数成分（電流Ｉ２、すなわち被測定電流Ｉ１の基本周波数成分）については殆ど減衰させることなくほぼ一定の振幅で、伝送路８を介して終端抵抗９に伝送して、終端抵抗９で検出電圧Ｖ２に変換することができる。これにより、この電流センサ１および測定装置ＭＤによれば、Ｓ／Ｎ比の良好な状態で検出電圧Ｖ２を測定部１０に出力することができるため、測定部１０において被測定電流Ｉ１の電流値Ｉ１ａを高精度で測定することができる。

なお、図２に示す１段定インピーダンスフィルタでフィルタ７を構成したときの検出電圧Ｖ２の振幅についての周波数特性図をシミュレーションで算出して図４に示す。この周波数特性図から、電流センサ１は、電流Ｉ２を構成するカットオフ周波数ｆｃ未満の周波数成分については、殆ど減衰させることなく検出電圧Ｖ２に変換して出力し、電流Ｉ２に含まれるノイズ成分（高周波ノイズ）のようにカットオフ周波数ｆｃ以上の周波数成分については、十分に減衰させて検出電圧Ｖ２に変換して出力するように動作することが確認できる。

また、上記の例では、電流センサ１をＣＴ（カレントトランス）方式の電流センサとして構成しているが、図５に示すように、ホール素子などの磁電変換出力部３、電圧電流変換増幅部４および容量性負荷６（本例では、抵抗６ａ（５０Ω程度）とコンデンサ６ｂの直列回路で構成された負荷）を追加して、ゼロフラックス方式（磁気平衡式）の電流センサ１Ａとして構成してもよい。なお、上記した測定装置ＭＤ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する。

この構成の電流センサ１Ａでは、直流から低周波数領域では、磁電変換出力部３および電圧電流変換増幅部４が主として作動して、磁気コア２内の磁束がゼロになるような電流Ｉ３（コイル５の巻数をＮとし、被測定電流Ｉ１の電流値を記号「Ｉ１」で表すと、電流値がＩ１／Ｎとなる電流値の電流）をコイル５に供給し、この電流Ｉ３が終端抵抗９で検出電圧Ｖ２に変換される。この場合、容量性負荷６は、高インピーダンスに維持されていることから、電流Ｉ３が容量性負荷６を介してグランドＧに漏れることが阻止されている。一方、この低周波数領域の上限周波数からフィルタ７のカットオフ周波数までの高周波数領域では、磁電変換出力部３および電圧電流変換増幅部４に代えて、コイル５がＣＴとして上記のように作動して電流Ｉ２を出力する。この場合、容量性負荷６は抵抗６ａの抵抗値とほぼ同じ値（低抵抗値）に維持されることから、電流Ｉ２は容量性負荷６を介して流れる。この構成の電流センサ１Ａを使用した測定装置ＭＤＡによれば、上記した測定装置ＭＤと同様の効果を奏しつつ、被測定電流Ｉ１に含まれている周波数成分について、直流に近い低周波数成分から高周波数成分に亘って測定することができる。

また、測定装置ＭＤＡにおけるコイル５の一端５ａと容量性負荷６との間の伝送路にも、伝送路８と同様にして、高周波数領域の信号成分を含む電流Ｉ２が流れる。このため、図６に示すように、コイル５の一端５ａと容量性負荷６との間の伝送路１２についても、伝送路８と同様にして、特性インピーダンスが予め決められた一定の値の同軸ケーブル（不図示のシールドがグランドＧに接続された同軸ケーブル）やツイストペアケーブルなどで構成することができる。

１，１Ａ 電流センサ
２ 磁気コア
５ コイル
７ フィルタ
８ 伝送路
９ 終端抵抗
１０ 測定部
Ｉ２ 電流（検出電流）
ＭＤ，ＭＤＡ 測定装置
Ｖ２ 検出電圧

Claims (2)

1. 内部に測定対象が挿通される磁気コアと、
   前記磁気コアに巻回されて一端が基準電位側に接続されると共に、前記磁気コアに挿通された前記測定対象に流れる被測定電流の電流値に応じた電流値の検出電流を他端から出力するコイルと、
   入力端子が前記コイルの前記他端に接続されると共に当該入力端子から入力される前記検出電流の周波数領域を所望の周波数領域に制限して出力端子から出力するノーマルモード定インピーダンスフィルタと、
   予め決められた特性インピーダンスを有すると共に一端が前記ノーマルモード定インピーダンスフィルタの前記出力端子に直接接続された伝送路と、
   前記伝送路の他端と前記基準電位との間に接続されると共に当該伝送路を介して流れる前記検出電流を検出電圧に変換する終端抵抗とを備え、
   前記ノーマルモード定インピーダンスフィルタは、前記入力端子から前記終端抵抗側を見たインピーダンスが前記特性インピーダンスと同じ値に規定されている電流センサ。
2. 請求項１記載の電流センサと、当該電流センサによって変換された前記検出電圧に基づいて前記被測定電流の前記電流値を測定する測定部とを備えている測定装置。

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