JPH0126028B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電流測定装置に係り、更に詳しくは
磁性金属膜の磁気抵抗効果を利用した磁電変換
器、およびこの磁電変換器を用いて被測定電線に
流れる電流を測定するクランプ式電流計に関する
ものである。

クランプ式電流計は、活線状態にある電線に磁
電変換器を備えた開閉可能な磁気ループ回路を外
包させて線路電流を測定するもので、第１図にそ
の一例が示されている。同図によると開閉可能な
磁気コア１，１に例えばホール素子などの半導体
磁電変換素子が介在されており、測定に際しては
磁気コア１，１を開いて被測定電線３を外側から
包むようにする。このような従来のクランプ式電
流計においては、磁気ループが両コア１，１の突
き合わせ面、およびホール素子２とで切断され
る。このホール素子２は素子そのものの厚さを薄
くすることはできるが、外装や端子の引き出し構
造などにより全体の厚さを薄くすることが困難
で、磁気コア１，１の突き合わせ面に比べるとか
なり大きな磁気ギヤツプが形成される。したがつ
て大電流の測定には殆ど支障なく使用できるが、
小電流測定の場合は感度の点で問題があつた。ま
た、狭い磁気ギヤツプ内にホール素子２を精密に
位置決めして装着する作業工程も必要となり、量
産性の面からも好ましいものではなかつた。

この発明は上記のような欠点を解決するために
なれたもので、その第１の目的は、界磁が加えら
れると抵抗値が変化する磁性金属膜の抵抗素子
と、これと密接して組み合わされる磁気コアとで
磁気ループが構成され、この磁気ループ内を通る
磁束の大小が能率よく抵抗素子の抵抗値変化に置
き換えられるようにした磁電変換器の提供にあ
る。またこの発明の第２の目的は、上記磁電変換
器を利用して特に小電流の測定に好適な高感度の
クランプ式電流測定装置を提供することにある。

以下、この発明を添付図面に示された実施例に
基づいて詳細に説明する。

第２図にはこの発明による磁電変換器に用いら
れる抵抗素子１１が示されている。この抵抗素子
１１は、例えばガラスあるいはセラミツク等の電
気絶縁材を用いた基板１２の上に蒸着その他適宜
の方法で、例えば角形状に形成された磁性金属膜
１３を備えてなる。この磁性金属膜１３の長手方
向の対向する二辺には電極１４，１４が形成され
ており、この電極１４，１４にはそれぞれリード
線１５，１５が設けられている。なお上記磁性金
属膜１３の上には絶縁と防湿を目的として図示し
ない保護膜が形成されている。

この場合上記磁性金属膜１３は、例えば70〜
80W％のNiを含むNi−Co合金、もしくは80〜
90W％のNiを含むNi−Fe合金などが好適であ
り、またその厚さを例えば2000Åから3000Åの間
に形成すると磁気飽和を生じるまでに３〜５％の
抵抗値変化が得られる。この抵抗値変化を△Ｒと
すると、第３図に示されているように界磁がない
ときの抵抗値Ｒに対して（＋）特性を有してお
り、界磁の方向には無関係である。そしてこの抵
抗値変化は従来の半導体磁電変換素子に比べると
温度依存性が小さく、したがつて磁電変換器の抵
抗素子にこれを利用する場合、感度と安定性の面
で好都合である。

第４図には、上記抵抗素子１１に磁気コア１６
が組み合わされこの両者で磁気ループを構成した
磁電変換器１７が示されている。この場合上記抵
抗素子１１と磁気コア１６とは、それぞれ図示し
ない開閉可能なホルダに装着されていて、被測定
電線３を外側から包むことができるようになつて
いる。なお、上記磁気コア１６は必ずしも図示の
ようなコ字形である必要はなく、Ｕ字形あるいは
半円形であつてもよい。同様に、上記抵抗素子１
１についても図示の磁気コア１６と対称的なコ字
状にすることもでき、また、例えば第５図に示さ
れているようなわん曲面を有する構造とすること
も可能である。なお、開閉箇所はホルダの構造と
関連して適宜設計することができるのでここでは
特に例示されていないが、例えば第４図の場合抵
抗素子１１と磁気コア１６とを相対的にスライド
させるかまたは開くようにしてもよく、あるいは
磁気コア１６を一部開閉可能なように分割して形
成することもできる。この磁気コア１６の端面は
研磨等通常の加工技術によつて高精度な平坦面と
することが可能であり、したがつて磁気コア１６
と抵抗素子１１との接触面、あるいは磁気コア１
６を分割した場合の両磁気コアの接触面における
ギヤツプは殆ど無視できるほど小さい。このため
感度の高い磁電変換器を実現することができる。

この磁電変換器１７を実際に使用する場合は抵
抗値の変化を電圧の変化として取り出す。そのた
め、一定の小電流を流してそのとき現われる電圧
と界磁が加えられたときの電圧との差から界磁を
発生させた被測定電流の大きさがわかるようにさ
れる。この場合、電流を流す方向と界磁の方向と
の相対角度によつて上記差電圧の大きさが異なる
が、両者同方向の場合に最も大きくなり感度上有
利である。第４図に例示された磁電変換器１７も
この状態にされている。すなわち上記磁気コア１
６が抵抗素子１１の長手方向に配設され、リード
線１５，１５もその長手方向の両端部から引き出
されている。

第６図にはこの磁電変換器１７を利用した電流
測定回路のブロツク図が示されている。直流電源
１８の電圧は抵抗１９を介して磁電変換器１７に
印加され、この磁電変換器１７の両端は例えば電
圧重畳器２０に接続されている。そして上記電圧
重畳器２０の出力は、例えば増幅器２１によつて
増幅され表示器２２などに表示されるようになつ
ている。この回路において、上記直流電源１８の
電圧をＥ、抵抗１９の抵抗値をｒ、磁電変換器１
７の抵抗値をＲとすれば、この磁電変換器１７の
両端にかかる電圧Ｖは、 Ｖ＝Ｅ×Ｒ／（Ｒ＋ｒ） ……(1) である。ここで、図示しない被測定電線に流れる
電流の誘起磁束により磁電変換器１７の抵抗値Ｒ
が変化し、それに伴つて上記両端にかかる電圧Ｖ
が変化したとすれば、その変化の大きさは上記(1)
式より、 dV＝Ｅ×rdR／（Ｒ＋ｒ）² となる。したがつて被測定電線に電流が流れない
ときの値に対する変化の割合は、上式を式(1)で除
して整理することにより、 dV／Ｖ＝rdR／｛（Ｒ＋ｒ）Ｒ｝ ……(2) が得られる。

この場合、上記ｒを例えばｒ≫Ｒとなるように
設定すると、式(2)は近似的に、 dV／Ｖ＝dR／Ｒ ……(3) となり、磁電変換器１７にかかる電圧の変化の割
合はその抵抗値の変化の割合に比例することがわ
かる。そこで、上記電圧重畳器２０に入力された
磁電変換器１７の出力に（−Ｖ）という電圧を加
えてやれば、被測定電線に電流が流れたとき抵抗
値Ｒの変化分△Ｒに対応する電圧Ｖの変化分△Ｖ
のみを取り出すことできる。この取り出された電
圧の変化分△Ｖを電流値に置き換えれば被測定電
線に流れた電流の大きさを知ることができる。第
７図には上記の回路による実測値の一例が示され
ている。同図横軸は被測定電線に流れる電流値
を、縦軸は磁電変換器１７の抵抗値変化に伴つて
発生する電圧の変化分をそれぞれ示す。また、抵
抗素子１１には前記したNi−Co合金膜が用いら
れ、電源電圧Ｅは10V、抵抗ｒは10kΩにされて
いる。同図により、比較的小電流測定の場合この
磁電変換器１７は実用上満足できる感度と直線性
を有していることがわかる。

第８図には上記磁電変換器１７を備えた電流測
定装置の実施例が示されている。この磁電変換器
１７の抵抗素子１１は、その一方のリード線１５
が抵抗３２を介して直流電源２４の（＋）側に接
続されるとともに、抵抗２５を介して差動増幅器
２６の一方の入力端に接続されている。そして他
方のリード線１５は上記直流電源２４の（−）側
に接続されるとともに、抵抗２７を介して上記差
動増幅器２６の他方の入力端に接続されている。
なお、上記直流電源２４の電圧は分圧抵抗２８，
２９によつて分圧され、この分圧抵抗２８と２９
との接続点は抵抗３０を介して上記差動増幅器２
６の他方の入力端に接続されている。上記磁電変
換器１７の磁気コア１６にはコイル３１が巻回さ
れていて、その一方のリード線は上記差動増幅器
２６の出力端に接続され、他方のリード線は端子
３２に接続されるとともに、抵抗３３を介して上
記直流電源２４の（−）側に接続されている。な
お上記差動増幅器２６の出力端と一方の入力端間
には抵抗３４が接続されている。上記のように接
続されたこの電流測定装置においては、抵抗素子
１１および抵抗２３，２８，２９とでブリツジ回
路が構成され、また磁気コア１６、差動増幅器２
６およびコイル３１とを含む結線により、上記ブ
リツジ回路に現われる不平衡電圧を打ち消すよう
に差動増幅器２６からコイル３１へ電流を供給す
る負帰還回路が構成されている。

ここでブリツジ回路の比例辺である抵抗２９の
両端には、電圧V₀が発生するように直流電源２
４の電圧が抵抗２８，２９で分圧される。この場
合電圧V₀の大きさは、V₀≒Ｖ＋△Ｖ／２とする
ことが望ましいが、Ｖ＜V₀＜Ｖ＋△Ｖであつて
もよい。上記Ｖは界磁がないときの磁電変換器１
７の両端の電圧、△Ｖは界磁が加えられたとき磁
電変換器１７の抵抗Ｒの変化分△Ｒによつてもた
らされる上記電圧Ｖの変化分である。いま、抵抗
２３の抵抗値をｒ、直流電源２４の電圧をＥとす
れば、この実施例においてはｒ≫Ｒとされている
ので、磁電変換器１７に流れる電流Ｉは、Ｉ＝
Ｅ／ｒであり、したがつて上記Ｖは、Ｖ＝Ｒ×Ｉ
として求まる。磁電変換器１７の特性として△Ｒ
は既知であり、△Ｖは式(3)から容易に求められる
ので上記のようにV₀を設定することは可能であ
る。この場合、上記電流Ｉは定電流とするのが望
ましいからｒの値は大きい方がよく、直流電源２
４の電圧Ｅはこれを勘案して決められる。

次に、第９図を併せて参照しながらその作用を
説明する。まず電流測定前の初期状態において
は、直流電源２４からの電流Ｉにより磁電変換器
１７に電圧Ｖが発生する。一方、抵抗２９の両端
の電圧はV₀にされているので、ブリツジ回路と
しては、V₀−Ｖの不平衡電圧が現われ、抵抗２
５および３０を介して差動増幅器２６に入力され
る。差動増幅器２６からはこの不平衡電圧を打ち
消すようにコイル３１へ電流I₀（第９図ニ参照）
が供給される。そしてこの電流I₀の磁気コア１６
内に誘起する磁束により、磁電変換器１７の初期
抵抗値Ｒが例えば△R′だけ高められてＲ＋△
R′となり自動的にＶ＝V₀とされる。言い換える
と、この帰還回路にはブリツジ回路の平衡状態を
維持するための帰還電流I₀が初期状態において絶
えず流れるようにされている。

次に、磁電変換器１７を被測定電線３に外包さ
せて電流測定を行う場合を説明する。被測定電線
３に流れる電流の方向により磁気コア１６には例
えば第９図ａ列のイに示されるような界磁が発生
したとする。そして、この界磁の方向が帰還電流
I₀による界磁と同方向の場合、磁電変換器１７の
抵抗値Ｒ＋△R′がロに示されているように一瞬
増加しようとし、これに伴つて両端の電圧もハに
示されているように初期の平衡状態におけるV₀
より一瞬高くなろうとする。帰還電流I₀はニに示
されているように、例えばI′という値だけ減少し
て抵抗値の増加が抑えられ、これにより高くなろ
うとする電圧はV₀に引き戻されて平衡状態が維
持される。被測定電線に流れる電流の方向が上記
と逆の場合には、ｂ列に示されているように界磁
の方向が反対となるから、平衡を維持するために
帰還電流I₀が増加される。この帰還電流I₀の変化
は端子３２に適当な検出装置を接続することによ
り容易に知ることができ、したがつて被測定電流
の方向がわかる。また、帰還電流I₀の増加または
減少分をI′、コイル３１の巻回数をｎ、被測定電
流の大きさをIxとすれば、この電流Ixによつて誘
起される磁束は、上述のように電流I′xnによつて
誘起される磁束で打ち消されるが、例えばこの実
施例における磁電変換器のように漏洩磁束が無視
できるほど小さい場合には、実質的にIx＝I′×ｎ
×ｋとみなし得る。この場合ｋは磁電変換器の構
造等に関係する係数で、実測によりあらかじめわ
かつているので被測定電流Ixの大きさも知ること
ができる。

以上詳細に説明したように、この発明の電流測
定装置に係る磁電変換器１７は、絶縁基板１２上
に形成された磁性金属膜１３を有する抵抗素子１
１と、この抵抗素子１１との磁気ギヤツプが殆ど
無視できるほど小さく組み合わされる磁気コア１
６とを備えており、その磁気抵抗効果を利用して
被測定電流の大きさが測定されるようになつてい
る。そして特に小電流に対してその感度と直線性
が優れ、更に周囲温度の変化に対する安定性もよ
い。なお、構造が簡単なもので組立、点検も容易
である。

また、この磁電変換器１７も開閉可能なように
して組み込んだ電流測定装置は、磁電変換器１７
を比例辺の一辺とするブリツジ回路と、このブリ
ツジ回路に現われる不平衡電圧を打ち消すように
磁電変換器１７の磁気抵抗効果を制御する電流を
流す帰還回路を備えていて、小電流を高精度で測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のクランプ式電流計における半導
体磁電変換器の概略図、第２図ないし第９図はい
ずれもこの発明に係り、第２図は抵抗素子の構造
を示す斜視図、第３図は上記抵抗素子の特性図、
第４図は磁電変換器の構造を示す平面図、第５図
は上記抵抗素子の構造の変形例を示す斜視図、第
６図は上記磁電変換器を利用した電流測定回路の
ブロツク図、第７図は上記第６図の回路による実
測特性図、第８図は上記磁電変換器を組み込んだ
クランプ式電流計のブロツク図、第９図は上記ク
ランプ式電流計の動作説明図である。 図中、３は被測定電線、１１は抵抗素子、１２
は基板、１３は磁性金属膜、１４は電極、１６は
磁気コア、１７は磁電変換器、１８は直流電源、
２３，２８，２９は抵抗、２６は差動増幅器、３
１はコイルを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁基板上に帯状に形成され、加えられる界
   磁によつてその抵抗値が変化する磁性金属膜でな
   る抵抗素子と、該抵抗素子に連設された対向する
   １対の電極と、前記抵抗素子を閉磁気回路の一部
   とするように前記抵抗素子と組み合わされる磁気
   コアとを有する磁電変換器を備え、該磁電変換器
   に外包された被測定電線の電流で誘起される磁束
   による界磁を前記抵抗素子の抵抗値の変化に置き
   換えて前記電極から取り出すことにより前記被測
   定電線に流れる電流の測定を行うことを特徴とす
   る電流測定装置。 ２ 加えられる界磁によりその抵抗値が変化する
   磁性金属膜で形成された抵抗素子、および該抵抗
   素子と開閉可能に組み合わされて閉磁気回路を構
   成する磁気コアとを有する磁電変換器と、前記磁
   気コアに巻回されたコイルと、前記抵抗素子を比
   例辺の一部とし、直流電源からのバイアス電流に
   より前記抵抗素子と他の比例辺にそれぞれ所定の
   電圧が発生するようにされたブリツジ回路と、前
   記磁電変換器に外包された被測定電線の電流で誘
   起される磁束により現われる前記ブリツジ回路の
   不平衡電圧を電流に変換する差動増幅器と、前記
   コイルを含み、前記ブリツジ回路の不平衡電圧を
   打ち消すように前記差動増幅器の出力電流を前記
   磁電変換器へ供給する帰還回路とを備えたことを
   特徴とする電流測定装置。