CN104169727A - 电流传感器、传感器元件以及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电流传感器具有传感器元件和检测部。所述传感器元件具有芯部件、励磁线圈、以及检测线圈,所述芯部件通过将磁性材料形成为环状而构成,且具有如下特性:对应于因贯穿由该环状所包围的检测领域的被检测信号的影响而变化的外部磁场，磁导率μ以外部磁场0为顶点而减少,并且,将该磁导率μ的变化绘制在“由外部磁场-磁导率μ所规定的坐标系”上时的曲线的曲率根据外部磁场的绝对值而变大；所述传感器元件构成为,在将包含基波分量的励磁信号施加于所述励磁线圈的状态下,如果流动有所述被检测信号,则从所述检测线圈输出将与该时间点处的所述芯部件的磁导率μ相对应的高次谐波分量重叠于所述基波分量的信号。所述检测部具有分量提取部、电平确定部、以及信息输出部。

Description

电流传感器、传感器元件以及控制装置

相关申请的交叉引用

本国际申请要求2012年3月12日在日本专利局提交的日本发明专利申请第2012-054623号的优先权,以及2013年3月11日在日本专利局提交的日本发明专利申请第2013-048214号的优先权,所述日本发明专利申请的全部内容通过引用而并入本文。

技术领域

本发明涉及一种检测流动于被检测电线中的电流的电流传感器。

背景技术

以往,在于环状芯部件上卷绕有励磁线圈以及检测线圈的电流传感器中,由于在施加有励磁信号的检测线圈侧所检测到的信号电平会因贯穿芯部件环状区域的被检测电流的信号电平而变化,所以通常基于该变化来确定(检测)被检测电流(参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开平第10-010161号

发明内容

发明要解决的问题

但是,上述构成的电流传感器构成如下：被检测电流会使芯部件饱和至饱和磁化密度Bs附近,由此使得由励磁信号产生的正弦波形的磁通B畸变,从而将与该变化相对应的信号电平作为被检测电流的信号电平而确定。因此，上述构成的电流传感器只能检测与饱和磁化密度Bs附近对应的窄的电流范围。

此外,为了使被检测电流的信号电平提高至能使芯部件饱和的程度,需要在芯部件上卷绕大量可流动被检测信号的电线,因此,作为电流传感器容易变得复杂以及大型化,从而其用途也将会被限定。

在本申请的发明中,期望提供一种能够检测比以往更宽的电流范围的电流传感器。

解决问题的技术方案

本发明的第1方面为一种包含传感器元件和检测部的电流传感器,所述传感器元件具有芯部件、励磁线圈、以及检测线圈,所述芯部件通过将磁性材料形成为环状而构成,且具有如下特性:对应于因贯穿由该环状所包围的检测领域的被检测信号的影响而变化的外部磁场，磁导率μ以外部磁场0为顶点而减少,并且,将该磁导率μ的变化绘制在“由外部磁场-磁导率μ所规定的坐标系”上时的曲线的曲率根据外部磁场的绝对值而变大；所述励磁线圈卷绕在所述芯部件上,并对该芯部件进行励磁；所述检测线圈卷绕在所述芯部件上,并用于检测所述被检测信号,所述传感器元件构成为,在将包含基波分量的励磁信号施加于所述励磁线圈的状态下,如果流动有所述被检测信号,则从所述检测线圈输出将与该时间点处的所述芯部件的磁导率μ相对应的高次谐波分量重叠于所述基波分量的信号。

并且,所述检测部具有分量提取部、电平确定部、以及信息输出部,所述分量提取部从所述检测线圈的输出信号提取该输出信号所包含的信号分量之中的、重叠于所述基波分量的高次谐波分量；所述电平确定部基于使可能包含在输出信号中的所述高次谐波分量与产生该高次谐波分量时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系,将与所述分量提取部所提取的高次谐波分量对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平；所述信息输出部向外部输出表示由所述电平确定部确定的信号电平的信息。

根据该方面的电流传感器,显示出如下特性:在芯部件重叠地产生与被检测信号的信号电平相对应的磁通,但根据芯部件自身的特性,磁导率以外部磁场H＝0为顶点而减少,并且,该外部磁场H和磁导率μ所规定的μ-H曲线的曲率根据外部磁场H的绝对值的大小而变大。

在该特性中,当观察将磁场H设置为x轴,将作为磁化强度M的微分值的磁导率μ设置为y轴的μ-H坐标时,相对于在二次曲线上的任意位置上沿着x轴振幅发生变化的励磁信号,将与二次曲线的“弯曲程度”相对应的高次谐波分量重叠在沿着y轴振幅发生变化的来自检测线圈的输出信号上,但是,因为励磁信号的振幅中心位于二次曲线上,所以在从磁场H＝0附近到与饱和磁化对应的磁场Hs附近的广范围上,与磁场H相对应的特有的高次谐波分量将重叠于输出信号。

即,在上述构成中,不仅在与饱和磁化对应的磁场Hs附近的极窄的范围上,在从磁场H＝0附近直至磁场Hs附近的广范围上都能够确定(检测)被检测信号的信号电平。

此外,在该构成中,由于能够检测从与磁场H＝0附近对应的小的电流值直至与磁场Hs对应的大的电流值,因此没有必要为了提高被检测电流的信号电平而在芯部件上大量地卷绕电线,其结果为,作为电流传感器能够实现简单化和小型化,因此其用途也较广。

此外,并不特别限定在上述方面中用于从检测信号中提取高次谐波分量的具体的构成,例如,可以考虑下面所示的第2至第4方面的构成。

在第2方面中的所述传感器元件中,所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,两个所述检测线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述检测线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。并且,在所述检测部中,所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。

在该方面中,励磁线圈分别以反相位串联连接,检测线圈分别以同相位串联连接,因此由励磁信号所产生的磁通中的规则地增减的基波分量(正弦波等的交流信号分量；以下相同)被抵消,另一方面,以畸变的形式不规则地增减的高次谐波分量被强调并被输出。

由此,将来自串联连接的一组检测线圈的输出信号自身作为高次谐波分量而提取,从而能够基于高次谐波分量确定被检测信号的信号电平。

此外,在第3方面中的所述传感器元件中,所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,所述检测线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。并且,在所述检测部中,所述分量提取部将来自所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。

在该方面中,励磁线圈分别以反相位串联连接,检测线圈将包含第1、第2芯部件的芯作为一个芯部件,一并卷绕在第1、第2芯部件上,因此,在由励磁信号产生的磁通中规则地增减的基波分量被抵消,另一方面,以畸变的形式不规则地增减的高次谐波分量被强调且被输出。

由此,将来自串联连接的一组检测线圈的输出信号自身作为高次谐波分量而提取,从而能够基于高次谐波分量确定被检测信号的信号电平。

并且,在第4方面中的所述传感器元件中,还具有位移生成部,所述位移生成部基于所述检测线圈的输出信号生成通过将该输出信号的相位错开1/2周期而形成的位移信号,在所述检测部中,所述分量提取部将通过重叠来自所述检测线圈的输出信号和由所述位移生成部生成的位移信号而形成的信号作为所述高次谐波分量而提取。

在该方面中,通过使得输出信号自身与将输出信号的相位错开1/2周期的位移信号相抵消,而从输出信号的信号分量中将规则地增减的基波分量除去,另一方面,提取强调了以畸变的形式不规则地增减的高次谐波分量的信号。

由此,提取强调了高次谐波分量的信号,从而能够基于高次谐波分量确定被检测信号的信号电平。

此外,在上述第2～第4方面中,高次谐波分量被强调并被输出,由此,要基于该被强调的高次谐波分量预先准备高次谐波分量与被检测信号的信号电平的对应关系。

但是,在上述各方面中,芯部件的磁导率μ不仅会因为外部磁场的影响而变动,有时还会因为温度环境的影响而变动。因此,在抑制伴随着这样的磁导率的变动的高次谐波分量的非意志性的变动，从而提高作为本构成的电流传感器的精度的意义上，期望不易受到温度环境的影响。

如果鉴于例如温度环境的影响起因于磁导率μ,则要考虑不受该磁导率μ的影响,作为为实现该目的的具体的构成,例如,可以考虑如下所示的第5方面。

第5方面中的所述传感器元件中还具有抵消线圈,所述抵消线圈卷绕在所述芯部件上,并可被施加抵消信号,所述抵消信号用于抵消因所述被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化,所述传感器元件构成为,在施加于所述抵消线圈的抵消信号的影响下外部磁场发生变化,从而使重叠于来自所述检测线圈的输出信号的高次谐波分量发生变化。

并且,所述检测部还具有抵消控制部,所述抵消控制部控制对所述抵消线圈的抵消信号的施加,所述抵消控制部对所述抵消信号的信号电平进行反馈控制以使得所述分量提取部所提取的高次谐波分量变小,在由所述抵消控制部所进行的反馈控制开始之后,当所述分量提取部所提取的高次谐波分量小于规定的阈值时,所述电平确定部基于使根据所述抵消信号的信号电平被抵消的所述高次谐波分量与该高次谐波分量产生时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系,对于成为所述高次谐波分量变为小于阈值的契机的抵消信号的信号电平,将与该抵消信号的信号电平对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平。

在该方面中,通过抵消信号的反馈控制来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化,基于将外部磁场的变化抵消的抵消信号的信号分量来确定被检测信号的信号电平。

抵消信号从卷绕在与检测线圈共通卷绕的芯部件上的抵消线圈被输出，受到与来自检测线圈的输出信号相同的外部磁场以及温度环境的影响。因此,通过使抵消信号的信号电平变化来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化是指,与被检测信号的信号电平对应的信号电平通过抵消信号再现,且是指该抵消信号的信号电平为与被检测信号的信号电平对应的信号电平。

由此,通过用抵消信号来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化,可将抵消外部磁场变化的抵消信号的信号电平作为排除磁导率μ以及温度环境的影响的且与被检测信号对应的信号分量进行处理。

由此,通过由抵消信号的反馈控制来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化,能够基于将外部磁场的变化抵消的抵消信号的信号分量来确定被检测信号的信号电平。

此外,在该第5方面中，在如上述方面所示的芯部件包含分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置的第1、第2芯部件的情况下,可以如下面的第6～9方面所示将抵消线圈卷绕在芯部件上。

在第6方面中的所述传感器元件中,两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,两个所述检测线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述检测线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

一方面,在所述检测部中,所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取,而且,在所述传感器元件中,两个所述抵消线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述抵消线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

此外,在第7方面中的所述传感器元件中,两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,两个所述检测线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述检测线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平,并且,在所述检测部中,所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。而且,在所述传感器元件中,所述抵消线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。

此外,在第8方面中的所述传感器元件中,两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,所述检测线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。而且，在所述检测部中,所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。而且,在所述传感器元件中,两个所述抵消线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述抵消线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

并且,在第9方面中的所述传感器元件中,两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,所述检测线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。并且，在所述检测部中,所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。而且,在所述传感器元件中,所述抵消线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。

在这些方面中,能够通过分别施加于第1、第2芯部件中的抵消信号使外部磁场发生变化。

此外,为了解决上述课题,第10方面的传感器元件具有芯部件、励磁线圈、以及检测线圈,所述芯部件通过将磁性材料形成为环状而构成,且具有如下特性:对应于因贯穿由该环状所包围的检测领域的被检测信号的影响而变化的外部磁场，磁导率μ以外部磁场0为顶点而减少,并且,将该磁导率μ的变化绘制在“由外部磁场-磁导率μ所规定的坐标系”上时的曲线的曲率根据外部磁场的绝对值而变大；所述励磁线圈卷绕在所述芯部件上,并对该芯部件进行励磁；所述检测线圈卷绕在所述芯部件上,并用于检测所述被检测信号,所述传感器元件构成为,在将包含基波分量的励磁信号施加于所述励磁线圈的状态下,如果流动有所述被检测信号,则从所述检测线圈输出将与该时间点处的所述芯部件的磁导率μ相对应的高次谐波分量重叠于所述基波分量的信号。

该传感器元件能够构成上述任一方面的电流传感器的一部分。

在该方面中的所述传感器元件中,可以采用第11方面(权利要求11)的技术方案:具有抵消线圈，所述抵消线圈卷绕在所述芯部件上，并可被施加抵消信号，所述抵消信号用于抵消因所述被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化，所述传感器元件构成为，在施加于所述抵消线圈的抵消信号的影响下外部磁场发生变化，从而使重叠于来自所述检测线圈的输出信号的高次谐波分量发生变化。

此外,为了解决上述课题,第12方面的控制装置为可与上述第1～第9的任一构成的传感器元件相连接的控制装置,所述控制装置具有分量提取部、电平确定部、以及信息输出部，所述分量提取部从所述检测线圈的输出信号提取该输出信号所包含的信号分量之中的、重叠于所述基波分量的高次谐波分量；所述电平确定部基于使可能包含在输出信号中的所述高次谐波分量与产生该高次谐波分量时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系，将与所述分量提取部所提取的高次谐波分量对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平；所述信息输出部向外部输出表示由所述电平确定部确定的信号电平的信息。

该传感器元件能够构成上述第1～第9的任一方面的电流传感器的一部分。

该方面之中,所述传感器元件具有抵消线圈，所述抵消线圈卷绕在所述芯部件上，并可被施加抵消信号，所述抵消信号用于抵消因所述被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化，在所述传感器元件为下述构成时，即当在施加于所述抵消线圈的抵消信号的影响下外部磁场发生变化，从而使重叠于来自所述检测线圈的输出信号的高次谐波分量发生变化时,也可以为如下所示的第13方面的构成。

在第13方面中，所述控制装置具有抵消控制部，所述抵消控制部控制对所述抵消线圈的抵消信号的施加，所述抵消控制部对所述抵消信号的信号电平进行反馈控制以使得所述分量提取部所提取的高次谐波分量变小，在由所述抵消控制部所进行的反馈控制开始之后，当所述分量提取部所提取的高次谐波分量小于规定的阈值时，所述电平确定部基于使根据所述抵消信号的信号电平被抵消的所述高次谐波分量与该高次谐波分量产生时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系，对于成为所述高次谐波分量变为小于阈值的契机的抵消信号的信号电平，将与该抵消信号的信号电平对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平。

附图说明

图1是示出第1实施方式的电流传感器的整体构成的框图。

图2A是示出芯部件所具有的特性的曲线图(由相对于外部磁场H的磁化强度M的变化所规定的M-H曲线)。图2B是示出芯部件所具有的特性的曲线图(由相对于外部磁场H的磁化强度M的变化所规定的M-H曲线；图2A中的低磁场区域的放大图)。图2C是示出芯部件所具有的特性的曲线图(由外部磁场H和磁导率μ所规定的μ-H曲线)。图2D是示出芯部件所具有的特性的曲线图(由外部磁场H和磁导率μ所规定的μ-H曲线；图2C中的低磁场区域的放大图)。

图3是示出第2实施方式的电流传感器的整体构成的框图。

图4是示出其他的实施方式的传感器元件的斜视图。

图5是示出第3实施方式的电流传感器的整体构成的框图。

图6是示出第3实施方式的构成的处理的流程图。

图7是示出第4实施方式的电流传感器的整体构成的框图。

图8A、图8B、以及图8C是示出其他的实施方式的传感器元件的斜视图。

附图标记的说明

1…电流传感器；2…传感器元件；3…检测部；21…芯部件；23…励磁线圈；25…检测线圈；31…分量提取部；33…电平确定部；35…信息输出部；37…信号源；39…位移生成部；51…抵消线圈；60…抵消控制部；61…比较器；63…积分器；65…电平运算器；67…电平控制电路；100…被检测电线。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(1)第1实施方式

如图1所示,本实施方式的电流传感器1具有传感器元件2和检测部3。

首先,传感器元件2具有通过将磁性材料形成为环状而构成的芯部件21、卷绕在芯部件21上且对芯部件21进行励磁的励磁线圈23、以及卷绕在芯部件21上且用于检测被检测信号的检测线圈25。

其中的芯部件21由具有下述特性的部件形成:当使被检测电线100贯穿由环状所包围的检测区域,并使被检测信号导通于被检测电线100中时,对应于因该被检测信号的影响而变化的外部磁场，磁导率μ以外部磁场0为顶点而减少。此外,如下述式1所示，磁导率μ为基于由相对于外部磁场H的磁化强度M的变化所规定的M-H曲线(参照图2A、图2B)的斜率(即,磁化强度M对磁场H的微分值)而表现的值。

[式1]

$x_i=\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dH}}=\frac{\mathrm{\μ}}{k^{,}T}\mathrm{Ms}\·A$ …(式1)

k'：波尔兹曼常数乘以任意系数

T：绝对温度

Ms：饱和磁化强度

A：系数

作为上述磁性部件可以考虑采用例如本申请的申请人在日本发明专利申请第2010-215871号中所记载的磁性部件。如图2C、图2D所示,该磁性部件以下述特性为特征:以外部磁场H＝0为顶点磁导率减少,并且,该外部磁场H和磁导率μ所规定的μ-H曲线的曲率根据外部磁场H的绝对值的大小而变大。

在如此构成的传感器元件2被构成为,在将包含基波分量的励磁信号施加于励磁线圈23的状态下,如果被检测信号流动于被检测电线100中,则从检测线圈25输出将与该时间点处的芯部件21的磁导率μ相对应的高次谐波分量重叠于基波分量的信号。

一方面,检测部3为控制装置,其为了基于来自传感器元件2(的检测线圈25)的输出信号来确定被检测信号的信号电平,而进行各种信号的输入和输出,检测部3具有分量提取部31、电平确定部33、信息输出部35、以及信号源37,分量提取部31提取检测线圈25的输出信号所包含的信号分量之中的、重叠于基波分量的高次谐波分量,电平确定部33将与由分量提取部31所提取的高次谐波分量对应的信号电平确定为该时间点处的被检测信号的信号电平,信息输出部35向外部输出表示由电平确定部33所确定的信号电平的信息,信号源37对励磁线圈23进行通电。

其中的电平确定部33基于使可能包含在输出信号中的高次谐波分量与产生该高次谐波分量时的被检测信号的信号电平相对应的对应关系,来确定被检测信号的信号电平。

此外,对于基于高次谐波分量被检测电流的信号电平会变为什么样的值,实际上基于芯部件10和被检测电线100的位置关系而不同(由安培定律、毕奥-萨伐尔定律等所规定)，因此,使用由其位置关系而规定的值。

此外,信号源37对励磁线圈23施加交流信号(在本实施方式中为正弦波信号),该信号中的交流分量通过芯部件21变为基波分量,然后由检测线圈25检测。

此外,检测部3具有位移生成部39,位移生成部39基于检测线圈25的输出信号生成将该输出信号的相位错开1/2周期而形成的位移信号,分量提取部31将来自检测线圈25的输出信号和由位移生成部39生成的位移信号重叠而成的信号作为高次谐波分量而提取。

在此,位移生成部39可以构成为,例如,将输出信号转换为数字信号之后通过数据处理生成位移信号,或可以构成为通过延迟电路生成错开1/2周期的位移信号。

(2)第2实施方式

如图3所示,本实施方式的电流传感器1与第1实施方式的不同点为:具有两个芯部件21,两个芯部件21被配置为同一个被检测电线100通过每个芯部件21的检测区域,芯部件21分别卷绕有励磁线圈23以及检测线圈25,以及不具有位移生成部39。

在该构成中,各励磁线圈23串联连接,且各励磁线圈23的卷绕匝数以及位置关系为使得流动于一方的励磁线圈23中的信号与流动于另一方的励磁线圈23中的信号具有反相位和相同的信号电平。

此外,各检测线圈25串联连接,且各检测线圈25的卷绕匝数以及位置关系为使得流动于一方的检测线圈25中的信号与流动于另一方的检测线圈25中的信号具有同相位和相同的信号电平。

并且,检测部3的分量提取部31构成为,将来自串联连接的检测线圈25的输出信号自身作为高次谐波分量而提取。

此外,在该实施方式中,如图4所示,检测线圈25也可以将由第1、第2芯部件21所构成的芯作为一个芯部件,一并卷绕于该第1、第2芯部件21上。

(3)第3实施方式

如图5所示,由于本实施方式的电流传感器1与其他的实施方式相比所不同的构成为以下两点:在传感器元件2上卷绕有抵消线圈51以及在检测部3中具有抵消控制部60,所以下面将以上述不同点为中心进行详细说明。

传感器元件2中的抵消线圈51卷绕在芯部件21上,并可被施加用于抵消因被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化的抵消信号。

由此,传感器元件2构成为,通过施加于抵消线圈51的抵消信号的影响而使外部磁场发生变化,从而能够使重叠于从检测线圈25输出的信号的高次谐波分量发生变化。

检测部3的抵消控制部60控制对抵消线圈51的抵消信号的施加,并且抵消控制部60构成如下：对抵消信号的信号电平进行反馈控制以使得分量提取部31所提取的高次谐波分量变小。

该抵消控制部60具有比较器61、积分器63、电平运算器65、以及电平控制电路67等。比较器61将分量提取部31所检测到的高次谐波分量(的信号电平)与预先储存到存储器中的目标值(在本实施方式中为“0”)相比较,并将其偏差输出,积分器63将比较器61所输出的偏差积分并将其积分值输出,电平运算器65基于积分器63所输出的积分值对抵消信号的信号电平进行运算,电平控制电路67对抵消线圈51施加抵消信号,并且根据电平运算器65的运算结果对其信号电平进行控制。

其中的电平运算器65对抵消信号的信号电平进行运算,所述运算基于从积分器63输出的积分值的正负,使抵消信号的信号电平与以前的抵消信号的信号电平相比增减一定值。此外,在此,电平运算器65也可以构成为对必要的抵消信号的信号电平进行直接运算以使得来自运算器63的积分值为“0”。

此外,在该构成中,检测部3的电平确定部33检查抵消控制部60中的比较器61的输出,并且当确认为比较器61所输出的偏差小于规定的阈值(例如“0”),即,高次谐波分量与目标值一致时,检测部3的电平确定部33从电平运算器65取得抵消信号的信号电平,该抵消信号的信号电平成为高次谐波分量变为小于阈值的契机,而且检测部3的电平确定部33基于该抵消信号的信号电平确定该时间点处的被检测信号的信号电平。

具体而言,检测部3的电平确定部33基于使根据抵消信号的信号电平所抵消的上述高次谐波分量与当该高次谐波分量产生时的被检测信号的信号电平相对应的对应关系(由数据表或计算式规定),将与成为高次谐波分量变为小于阈值的契机的抵消信号的信号电平对应的信号电平确定为该时间点处的被检测信号的信号电平。

在本实施方式中,“成为高次谐波分量变为小于阈值的契机的抵消信号的信号电平”为,在电平运算器65基于来自运算器63的积分值“0”进行运算前,电平确定部33通过检查电平运算器65的运算值,而将该运算值作为该信号电平而取得的。但是,也可以使电平运算器65的运算值能够以时间序列存储,从而将当高次谐波分量变为小于阈值时的运算所使用的运算值作为该信号电平而取得。

在该实施方式中,检测部3(除了分量提取部31、信号源37、电平控制电路67、信息输出部35之外的各构成要素)所进行的处理以及运算通过硬件构造而实现,但是,这些处理以及运算也可以通过软件程序以及执行软件程序的微型计算机而实现。

具体而言,可以考虑使具有微型计算机功能的检测部3执行如下所示的软件程序(参照图6)。此外,该程序可以预先储存到检测部3的存储器,但也可以在纪录于各种纪录媒体中的状态下提供给使用者,或经由网络传送给电流传感器1的使用者。

首先,检测器3在开始运行之后,检查来自分量提取部31的输出值是否到达目标值(小于以目标值为中心的阈值的值)(s110),如果没有到达目标值(s110:否),则检测器3反复实施以下处理：基于该目标值进行与电平运算器65相同的运算(s120),之后基于该运算值向电平控制电路67发出控制指令(s130)。

并且,如果输出值到达目标值(s110:是),则检测器3取得在该到达之前在上述s120中所运算的运算值(s140),并基于由此而取得的运算值与电平确定部33同样地确定该信号电平(s150),且向外部输出该确定的信号电平的信息(s160)。此后,处理返回s110,之后,反复实施s110～s160。

(4)第4实施方式

如图7所示,本实施方式的电流传感器1与第3实施方式相比所不同的构成主要为以下两点:芯部件由分别沿着贯穿检测区域的方向配置的第1、第2芯部件21构成,以及不具有位移生成部39,所以下面将以该不同点为中心进行详细说明。

传感器元件2中的、分别卷绕在第1、第2芯部件21上的两个励磁线圈23串联连接,两个励磁线圈23的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平。

此外,分别卷绕在第1、第2芯部件21上的两个检测线圈25串联连接,两个检测线圈25的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

此外,分别卷绕在第1、第2芯部件21上的两个抵消线圈51串联连接,两个抵消线圈51的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

并且,在检测部3中,分量提取部31构成为,将来自串联连接的检测线圈25的输出信号自身作为高次谐波分量而提取。

此外,在该实施方式中,如图8A所示,检测线圈25也可以将由第1、第2芯部件21构成的芯作为一个芯部件,一并卷绕在该第1、第2芯部件21上。

此外,如图8B所示,抵消线圈51也可以将由第1、第2芯部件21构成的芯作为一个芯部件,一并卷绕在该第1、第2芯部件21上。而且,在此情况下,如图8C所示,检测线圈25也可以构成为一并卷绕在第1、第2芯部件21上。

(3)作用效果

根据如此构成的电流传感器1,在芯部件21重叠地产生与被检测信号的信号电平相对应的磁通,然而根据芯部件21自身的特性,磁导率μ以外部磁场H＝0为顶点而减少,并且,该外部磁场H和磁导率μ所规定的μ-H曲线的曲率根据外部磁场H的绝对值的大小而变大,因此观察将磁场H设置为x轴,将磁导率μ设置为y轴的μ-H特性时,磁导率μ显示出随磁场H呈二次曲线状变化的特性。

在该特性中,相对于在二次曲线上的任意位置上沿着x轴振幅发生变化的励磁信号,与二次曲线的“弯曲程度”相对应的高次谐波分量会重叠于沿着y轴振幅发生变化的、来自检测线圈25的输出信号,但是,因为励磁信号的振幅中心位于二次曲线上,所以在从磁场H＝0附近到与饱和磁化对应的磁场Hs附近的广范围上,与磁场H相对应的特有的高次谐波分量将重叠于输出信号。

即,在上述构成中,不仅在与饱和磁化对应的磁场Hs附近的极窄的范围上,而且在从磁场H＝0附近直至磁场Hs附近的广范围上也能够确定(检测)被检测信号的信号电平。

此外,在该构成中,由于能够检测从与磁场H＝0附近对应的小的电流值直至与磁场Hs对应的大的电流值,因此没有必要为了提高被检测电流的信号电平而在芯部件21上大量地卷绕被检测电线100,其结果为,作为电流传感器能够实现简单化和小型化,因此其用途也较广。

此外,在第1实施方式的电流传感器1中,通过使得输出信号自身与将输出信号的相位错开1/2周期的位移信号相抵消,而从输出信号的信号分量中将规则地增减的基波分量除去,另一方面,提取强调了以畸变的形式不规则地增减的高次谐波分量的信号,由此能够提取高次谐波分量被强调的信号,从而能够基于高次谐波分量确定被检测信号的信号电平。

此外,在第1实施方式中,如上所述高次谐波分量被强调并被输出,因此,要基于该被强调的高次谐波分量预先准备高次谐波分量与被检测信号的信号电平的对应关系。

此外,在第2实施方式的电流传感器1中,励磁线圈23分别以反相位串联连接,检测线圈25分别以同相位串联连接,因此励磁信号所产生的磁通中的规则地增减的基波分量被抵消,另一方面,以畸变的形式不规则地增减的高次谐波分量被强调并被输出。此外,对于该点而言,在下述构成的情况下也是一样的:励磁线圈23分别以反相位串联连接,检测线圈25将由第1、第2芯部件21构成的芯作为一个芯部件,一并卷绕在第1、第2芯部件21上。

由此,将来自串联连接的一组检测线圈25的输出信号自身作为高次谐波分量而提取,从而能够基于高次谐波分量确定被检测信号的信号电平。

此外,在第2实施方式中,如上所述高次谐波分量被强调且被输出,因此,应基于该被强调的高次谐波分量,预先准备与被检测信号的信号电平的对应关系。

此外,在第3、第4实施方式的电流传感器1中,能够通过分别施加于第1、第2芯部件21中的抵消信号使外部磁场变化。

此外,在上述电流传感器1中,通过抵消信号的反馈控制来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化,基于将外部磁场的变化抵消的抵消信号的信号分量来确定被检测信号的信号电平。

抵消信号从卷绕在与检测线圈共通卷绕的芯部件上的抵消线圈被输出,并受到与来自检测线圈的输出信号相同的外部磁场以及温度环境的影响。因此,通过使抵消信号的信号电平变化来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化是指,与被检测信号的信号电平对应的信号电平通过抵消信号再现,且该抵消信号的信号电平为与被检测信号的信号电平对应的信号电平。

由此,通过用抵消信号来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化,可将抵消外部磁场变化的抵消信号的信号电平作为排除磁导率μ以及温度环境的影响的且与被检测信号对应的信号分量进行处理。

由此,通过由抵消信号的反馈控制来抵消由被检测信号所引起的外部磁场的变化,能够基于将外部磁场的变化抵消的抵消信号的信号分量来确定被检测信号的信号电平。

Claims (13)

1.一种电流传感器,其包含传感器元件和检测部,其特征在于,

所述传感器元件具有芯部件、励磁线圈、以及检测线圈,

所述芯部件通过将磁性材料形成为环状而构成,且具有如下特性:对应于因贯穿由该环状所包围的检测领域的被检测信号的影响而变化的外部磁场，磁导率μ以外部磁场0为顶点而减少,并且,将该磁导率μ的变化绘制在“由外部磁场-磁导率μ所规定的坐标系”上时的曲线的曲率根据外部磁场的绝对值而变大；

所述励磁线圈卷绕在所述芯部件上,并对该芯部件进行励磁；

所述检测线圈卷绕在所述芯部件上,并用于检测所述被检测信号,

所述传感器元件构成为,在将包含基波分量的励磁信号施加于所述励磁线圈的状态下,如果流动有所述被检测信号,则从所述检测线圈输出将与该时间点处的所述芯部件的磁导率μ相对应的高次谐波分量重叠于所述基波分量的信号,

所述检测部具有分量提取部、电平确定部、以及信息输出部,

所述分量提取部从所述检测线圈的输出信号提取该输出信号所包含的信号分量之中的、重叠于所述基波分量的高次谐波分量；

所述电平确定部基于使可能包含在所述输出信号中的高次谐波分量与产生该高次谐波分量时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系,将与所述分量提取部所提取的高次谐波分量对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平；

所述信息输出部向外部输出表示由所述电平确定部确定的信号电平的信息。

2.根据权利要求1所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中还具有抵消线圈,

所述抵消线圈卷绕在所述芯部件上,并可被施加抵消信号,所述抵消信号用于抵消因所述被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化,

所述传感器元件构成为,在施加于所述抵消线圈的抵消信号的影响下外部磁场发生变化,从而使重叠于来自所述检测线圈的输出信号的高次谐波分量发生变化,

所述检测部还具有抵消控制部,

所述抵消控制部控制对所述抵消线圈的抵消信号的施加,

所述抵消控制部对所述抵消信号的信号电平进行反馈控制以使得所述分量提取部所提取的高次谐波分量变小,

在由所述抵消控制部所进行的反馈控制开始之后,当所述分量提取部所提取的高次谐波分量变为小于规定的阈值时,所述电平确定部基于使根据所述抵消信号的信号电平被抵消的所述高次谐波分量与该高次谐波分量产生时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系,对于成为所述高次谐波分量变为小于阈值的契机的抵消信号的信号电平,将与该抵消信号的信号电平对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平。

3.根据权利要求2所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,

两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,

两个所述检测线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述检测线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平,

在所述检测部中,

所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取,

而且,在所述传感器元件中,

两个所述抵消线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述抵消线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

4.根据权利要求2所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,

两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,

两个所述检测线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述检测线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平,

在所述检测部中,

所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取,

而且,在所述传感器元件中,

所述抵消线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。

5.根据权利要求2所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,

两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,

所述检测线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈,

在所述检测部中,

所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取,

而且,在所述传感器元件中,

两个所述抵消线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述抵消线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平。

6.根据权利要求2所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,

两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,

所述检测线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈,

在所述检测部中,

所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取,

而且,在所述传感器元件中,

所述抵消线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈。

7.根据权利要求1所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,

两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,

两个所述检测线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述检测线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有同相位和相同的信号电平,

在所述检测部中,

所述分量提取部将来自串联连接的所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。

8.根据权利要求1所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

所述芯部件由第1、第2芯部件构成,所述第1、第2芯部件分别沿着贯穿所述检测区域的方向配置,

两个所述励磁线圈分别卷绕在所述第1、第2芯部件上且串联连接,两个所述励磁线圈的卷绕匝数以及位置关系被规定为使得流动于一方中的信号与流动于另一方中的信号具有反相位和相同的信号电平,

所述检测线圈为通过一并卷绕在所述第1、第2芯部件上而形成的一个线圈,

在所述检测部中,

所述分量提取部将来自所述检测线圈的输出信号自身作为所述高次谐波分量而提取。

9.根据权利要求1或2所述的电流传感器,其特征在于,

在所述传感器元件中,

还具有位移生成部,所述位移生成部基于所述检测线圈的输出信号生成通过将该输出信号的相位错开1/2周期而形成的位移信号,

在所述检测部中,

所述分量提取部将通过重叠来自所述检测线圈的输出信号和由所述位移生成部生成的位移信号而形成的信号作为所述高次谐波分量而提取。

10.一种传感器元件,其特征在于,

具有芯部件、励磁线圈、以及检测线圈,

所述芯部件通过将磁性材料形成为环状而构成,且具有如下特性:对应于因贯穿由该环状所包围的检测领域的被检测信号的影响而变化的外部磁场，磁导率μ以外部磁场0为顶点而减少,并且,将该磁导率μ的变化绘制在“由外部磁场-磁导率μ所规定的坐标系”上时的曲线的曲率根据外部磁场的绝对值而变大；

所述励磁线圈卷绕在所述芯部件上,并对该芯部件进行励磁；

所述检测线圈卷绕在所述芯部件上,并用于检测所述被检测信号,

所述传感器元件构成为,在将包含基波分量的励磁信号施加于所述励磁线圈的状态下,如果流动有所述被检测信号,则从所述检测线圈输出将与该时间点处的所述芯部件的磁导率μ相对应的高次谐波分量重叠于所述基波分量的信号。

11.根据权利要求10所述的传感器元件,其特征在于,

在所述传感器元件中,

还具有抵消线圈,所述抵消线圈卷绕在所述芯部件上,并可被施加抵消信号,所述抵消信号用于抵消因所述被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化,

所述传感器元件构成为,在施加于所述抵消线圈的抵消信号的影响下外部磁场发生变化,从而使重叠于来自所述检测线圈的输出信号的高次谐波分量发生变化。

12.一种控制装置,所述控制装置与权利要求1至9中任一项所述的电流传感器相连接,其特征在于,

所述控制装置具有分量提取部、电平确定部、以及信息输出部,

所述分量提取部从所述检测线圈的输出信号提取该输出信号所包含的信号分量之中的、重叠于所述基波分量的高次谐波分量；

所述电平确定部基于使可能包含在所述输出信号中的高次谐波分量与产生该高次谐波分量时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系,将与所述分量提取部所提取的高次谐波分量对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平；

所述信息输出部向外部输出表示由所述电平确定部确定的信号电平的信息。

13.根据权利要求12所述的控制装置,其特征在于,

所述传感器元件具有抵消线圈,所述抵消线圈卷绕在所述芯部件上,并可被施加抵消信号,所述抵消信号用于抵消因所述被检测信号的影响而产生的外部磁场的变化,在所述传感器元件构成为在施加于所述抵消线圈的抵消信号的影响下外部磁场发生变化,从而使重叠于来自所述检测线圈的输出信号的高次谐波分量发生变化时,

所述控制装置具有抵消控制部,所述抵消控制部控制对所述抵消线圈的抵消信号的施加,

所述抵消控制部对所述抵消信号的信号电平进行反馈控制以使得所述分量提取部所提取的高次谐波分量变小,

在由所述抵消控制部所进行的反馈控制开始之后,当所述分量提取部所提取的高次谐波分量变为小于规定的阈值时,所述电平确定部基于使根据所述抵消信号的信号电平被抵消的所述高次谐波分量与该高次谐波分量产生时的所述被检测信号的信号电平相对应的对应关系,对于成为所述高次谐波分量变为小于阈值的契机的抵消信号的信号电平,将与该抵消信号的信号电平对应的信号电平确定为该时间点处的所述被检测信号的信号电平。