JP2012194151A

JP2012194151A - 電流検出装置

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Publication number: JP2012194151A
Application number: JP2011060341A
Authority: JP
Inventors: Ken Imaizumi; 憲今泉
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】コモンモードノイズの影響を低減し、環状コアの磁気回路についての非対称性を補正する。
【解決手段】分離位置Ａを挟んでコア部１１ａ，１１ｂに巻回された第１コイル１２および第２コイル１３、並びに分離位置Ｂを挟んでコア部１１ａ，１１ｂに巻回された第３コイル１４および第４コイル１５を有して、電路４に流れる電流の電流値に応じて振幅が変化する検出電流Ｉ１を出力するセンサ部２と、検出電流Ｉ１を電圧に変換して検出電圧Ｖｏとして出力する差動増幅部３とを備え、センサ部２は、順極性で直列接続された各コイル１２，１４で構成される第１直列回路２１、および順極性で直列接続された各コイル１３，１５で構成される第２直列回路２２に生じる誘導電流のバランスを調整する各抵抗回路１６，１７を備え、一端２１ａ，２２ａが基準電位Ｅに接続された両直列回路２１，２２の各他端２１ｂ，２２ｂから検出電流Ｉ１を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイルを巻回した分離可能な環状コアを有し、電路を流れる電流を検出する電流検出装置に関するものである。

この種の電流検出装置として、下記特許文献１に開示された漏洩電流検出用クランプテスタが知られている。この漏洩電流検出用クランプテスタは、コイルを巻回した分離可能な環状のコアを有し、活線の状態で回路の漏洩電流を測定することができるように構成されている。また、この漏洩電流検出用クランプテスタは、環状のコアのそれぞれに巻回した実質上２個ずつのコイルを直列または並列に接続した２組のコイルと、コアの磁気回路の非対称性を補正するために抵抗を用いた回路により２組のコイルの出力電流のアンバランスを調整すると共に、被測定電流の電流測定レンジに応じて２組のコイルの各出力電流の信号振幅をそれぞれ制限する回路およびこの回路の２つの出力電流を加算しその加算値に対応する電圧を出力する加算回路を備え、この加算回路より被測定電流に対応した電圧が得られるように構成されている。

この構成により、この漏洩電流検出用クランプテスタでは、回路規模を大きくすることなく、コアの磁気回路についての非対称性を補正可能であり、また測定電流について大きなダイナミックレンジを確保可能となっている。

特許第３４４１９８４号公報（第２−３頁、第１図）

ところが、上記の電流検出装置（漏洩電流検出用クランプテスタ）には、以下の解決すべき課題が存在している。すなわち、この電流検出装置では、２組のコイルの各出力電流の信号振幅を接地の電位に対して同極性の状態で発生させ、加算回路が各出力電流を加算する構成のため、各出力電流にコモンモードノイズが重畳しているときにはこのコモンモードノイズもまた加算される。したがって、この電流検出装置には、コモンモードノイズの影響を受け易いという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、コモンモードノイズの影響を低減しつつ、環状コアの磁気回路についての非対称性を容易に補正し得る電流検出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記載の電流検出装置は、周方向に沿って離間した一対の分離位置で２つのコア部に分離可能な環状コア、前記一対の分離位置のうちの一方の分離位置を挟んで前記２つのコア部のうちの一方のコア部に巻回された第１コイルおよび当該２つのコア部のうちの他方のコア部に巻回された第２コイル、並びに前記一対の分離位置のうちの他方の分離位置を挟んで前記一方のコア部に巻回された第３コイルおよび前記他方のコア部に巻回された第４コイルを有して、電路に流れる電流の電流値に応じて振幅が変化する検出電流を出力するセンサ部と、前記検出電流を電圧に変換すると共に増幅して検出電圧として出力する差動増幅部とを備えた電流検出装置であって、前記第１コイルおよび前記第３コイルは、前記環状コアを一方向に巡る磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第１直列回路に構成され、前記第２コイルおよび前記第４コイルは、前記磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第２直列回路に構成され、前記センサ部は、前記第１直列回路および前記第２直列回路にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するためのバランス抵抗回路を備えると共に当該両直列回路における前記誘導電流の極性が異極となる一端がそれぞれ基準電位に接続されて、前記各誘導電流の合成電流を当該両直列回路の各他端から前記検出電流として出力する。

また、請求項２記載の電流検出装置は、周方向に沿って離間した一対の分離位置で２つのコア部に分離可能な環状コア、前記一対の分離位置のうちの一方の分離位置を挟んで前記２つのコア部のうちの一方のコア部に巻回された第１コイルおよび当該２つのコア部のうちの他方のコア部に巻回された第２コイル、並びに前記一対の分離位置のうちの他方の分離位置を挟んで前記一方のコア部に巻回された第３コイルおよび前記他方のコア部に巻回された第４コイルを有して、電路に流れる電流の電流値に応じて振幅が変化する検出電流を出力するセンサ部と、前記検出電流を電圧に変換すると共に増幅して検出電圧として出力する差動増幅部とを備えた電流検出装置であって、前記第１コイルおよび前記第２コイルは、前記環状コアを一方向に巡る磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第１直列回路に構成され、前記第３コイルおよび前記第４コイルは、前記磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第２直列回路に構成され、前記センサ部は、前記第１直列回路および前記第２直列回路にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するためのバランス抵抗回路を備えると共に当該両直列回路における前記誘導電流の極性が異極となる一端がそれぞれ基準電位に接続されて、前記各誘導電流の合成電流を当該両直列回路の各他端から前記検出電流として出力する。

また、請求項３記載の電流検出装置は、請求項１または２記載の電流検出装置において、前記差動増幅部は、前記両直列回路の前記各他端間に接続されて前記検出電流を前記電圧に変換するシャント抵抗と、非反転入力端子が第１抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に第２抵抗を介して前記シャント抵抗の一端に接続され、かつ反転入力端子が第３抵抗を介して出力端子に接続されると共に第４抵抗を介して前記シャント抵抗の他端に接続されて前記シャント抵抗で変換された前記電圧を前記検出電圧に増幅して出力する演算増幅器とを備え、前記第１抵抗および前記第３抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成されている。

また、請求項４記載の電流検出装置は、請求項１または２記載の電流検出装置において、前記差動増幅部は、非反転入力端子が第１変換抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に前記両直列回路の前記各他端の一方に接続され、かつ反転入力端子が第２変換抵抗を介して出力端子に接続されると共に前記両直列回路の前記各他端の他方に接続されて前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する演算増幅器とを備え、前記第１変換抵抗および前記第２変換抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成されている。

また、請求項５記載の電流検出装置は、請求項１または２記載の電流検出装置において、前記差動増幅部は、前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する第１増幅部および第２増幅部、並びに前記検出電流を前記第１増幅部および前記第２増幅部のうちの任意の一方に切り替えて出力する切替部を備え、前記第１増幅部は、前記切替部を介して前記両直列回路の前記各他端間に接続されて前記検出電流を前記電圧に変換するシャント抵抗と、非反転入力端子が第１抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に第２抵抗を介して前記シャント抵抗の一端に接続され、かつ反転入力端子が第３抵抗を介して出力端子に接続されると共に第４抵抗を介して前記シャント抵抗の他端に接続されて前記シャント抵抗で変換された前記電圧を前記検出電圧に増幅して出力する演算増幅器とを備えて構成されると共に、前記第１抵抗および前記第３抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成され、前記第２増幅部は、非反転入力端子が第１変換抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に前記切替部を介して前記両直列回路の前記各他端の一方に接続され、かつ反転入力端子が第２変換抵抗を介して出力端子に接続されると共に前記切替部を介して前記両直列回路の前記各他端の他方に接続されて前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する演算増幅器とを備えて構成されると共に、前記第１変換抵抗および前記第２変換抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成されている。

請求項１記載の電流検出装置では、第１コイル、第２コイル、第３コイルおよび第４コイルが環状コアの各コア部に巻回され、かつ第１コイルおよび第３コイルは順極性の状態で直列接続されて第１直列回路を構成すると共に、第２コイルおよび第４コイルは順極性の状態で直列接続されて第２直列回路を構成し、両直列回路の異極となる各一端は基準電位にそれぞれ接続されている。また、センサ部は、両直列回路にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するためのバランス抵抗回路を備えると共に、両直列回路にそれぞれ生じる誘導電流の合成電流を両直列回路の各他端から検出電流として出力する。また、差動増幅部は、この検出電流を電圧に変換すると共に差動増幅して検出電圧として出力する。

また、請求項２記載の電流検出装置では、第１コイル、第２コイル、第３コイルおよび第４コイルが環状コアの各コア部に巻回され、かつ第１コイルおよび第２コイルは順極性の状態で直列接続されて第１直列回路を構成すると共に、第３コイルおよび第４コイルは順極性の状態で直列接続されて第２直列回路を構成し、両直列回路の異極となる各一端は基準電位にそれぞれ接続されている。また、センサ部は、両直列回路にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するためのバランス抵抗回路を備えると共に、両直列回路にそれぞれ生じる誘導電流の合成電流を両直列回路の各他端から検出電流として出力する。また、差動増幅部は、この検出電流を電圧に変換すると共に差動増幅して検出電圧として出力する。

したがって、これらの電流検出装置によれば、バランス抵抗回路によって環状コアの磁気回路についての非対称性を補正することができるため、外部電流からの磁界の影響によって検出電流に生じる誤差を低減することができ、これにより、クランプした電路に流れる電流を高精度で検出して検出電圧を出力することができる。また、これらの電流検出装置によれば、差動増幅部が、検出電流を電圧に変換すると共に差動増幅して検出電圧として出力するため、例えば、センサ部と差動増幅部とを接続する一対の配線の引き回しに起因して、この一対の配線にコモンモードノイズが重畳した場合であっても、このコモンモードノイズを差動増幅部で除去することができる。

請求項３記載の電流検出装置によれば、両直列回路の各他端間に接続されて、検出電流を電圧に変換するシャント抵抗と、第１抵抗、第２抵抗、第３抵抗および第４抵抗と共に差動増幅回路を構成して、電圧を検出電圧に差動増幅して出力する演算増幅器とを備えたことにより、シャント抵抗の抵抗値を変えることで、電路に流れる電流を、電流値の小さなものから大きなものまで広い範囲に亘って検出することができる（つまり、大きなダイナミックレンジを確保することができる）。さらに、第１抵抗および第３抵抗のうちの少なくとも一方を可変抵抗とすることにより、バランス抵抗回路を使用したバランス調整だけではコモンモードノイズの電圧に相当する検出電圧をゼロにできないときにおいても、可変抵抗とした第１抵抗および第３抵抗のうちの少なくとも一方の抵抗値を調整することで、この検出電圧をゼロに調整することができる。

請求項４記載の電流検出装置によれば、差動型の電流電圧変換回路に構成された差動増幅部を備えたことにより、シャント抵抗を使用する構成と比較して、帰還抵抗として機能する第２変換抵抗の抵抗値を小さくすることに関して限界があるため、ダイナミックレンジは狭くなる（アンペアオーダーの大電流の検出には不向きである）ものの、差動増幅部が差動型の電流電圧変換回路で構成されているため、高Ｓ／Ｎ比で検出電圧を検出することができる。

請求項５記載の電流検出装置によれば、検出電流の電流値の大きさに応じて、第１増幅部および第２増幅部のうちの任意の一方で検出電圧を検出する構成を採用したことにより、大電流まで測定し得る広いダイナミックレンジを確保しつつ、小電流を高い精度で測定することができる。

電流検出装置１の構成図である。電流検出装置１Ａの構成図である。電流検出装置１Ｂの構成図である。電流検出装置１Ｃの構成図である。

以下、添付図面を参照して、電流検出装置１の実施の形態について説明する。

まず、電流検出装置１の構成について図１を参照して説明する。

電流検出装置１は、図１に示すように、センサ部２と差動増幅部３とを備え、センサ部２によってクランプされた電路４に流れる電流の電流値に応じて振幅が変化する検出電圧Ｖｏを出力する。

センサ部２は、環状コア１１、第１コイル１２、第２コイル１３、第３コイル１４、第４コイル１５、第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を備えて、一例として活線の状態で、環状コア１１内に挿通された電路４（クランプされた電路４）を流れる電流（漏洩電流などの交流電流）を検出して、検出電流Ｉ１として出力可能に構成されている。

環状コア１１は、一例として円環状の磁性コア（トロイダルコア）で構成されている。また、環状コア１１は、周方向に沿って離間した一対の分離位置Ａ，Ｂ（本例では一例として、環状コア１１を１／２に分離する位置）で２つのコア部１１ａ，１１ｂに分離可能に構成されている。なお、トロイダルコアに代えて、ＵＵ型のコアやＵＩ型（ＣＩ型）のコアを用いて環状コア１１を構成することもできる。

第１コイル１２および第２コイル１３は、一対の分離位置Ａ，Ｂのうちの一方の分離位置Ａを挟んで、環状コア１１に巻回されて形成されている。具体的には、第１コイル１２は、環状コア１１を構成する２つのコア部１１ａ，１１ｂのうちの一方のコア部１１ａにおける分離位置Ａ寄りに形成されており、第２コイル１３は、２つのコア部１１ａ，１１ｂのうちの他方のコア部１１ｂにおける分離位置Ａ寄りに形成されている。

第３コイル１４および第４コイル１５は、一対の分離位置Ａ，Ｂのうちの他方の分離位置Ｂを挟んで、環状コア１１に巻回されて形成されている。具体的には、第３コイル１４は、一方のコア部１１ａにおける分離位置Ｂ寄りに形成されており、第４コイル１５は、他方のコア部１１ｂにおける分離位置Ｂ寄りに形成されている。また、各コイル１２，１３，１４，１５は、それぞれ同じターン数に形成されると共に、環状コア１１の周方向に沿って等間隔に配設されている。なお、各コイル１２，１３，１４，１５は、それぞれ１つのコイルで構成してもよいし、複数のコイルを組み合わせて構成してもよい。

また、第１コイル１２、第２コイル１３、第３コイル１４および第４コイル１５は、図１に示すように、環状コア１１に一方向に巡る磁束Ｃが生じた場合に、●を付した端部（巻き端）側が同じ極性（本例ではこの極性を一例として正極性とする）となる誘導電流が発生するように環状コア１１にそれぞれ巻回されている。また、一方のコア部１１ａに巻回された第１コイル１２および第３コイル１４は、この磁束Ｃによって生じる誘導電流の極性が順極性となる状態（第１コイル１２および第３コイル１４の異極同士（本例では、第１コイル１２の正極側と第３コイル１４の負極側）が第１抵抗回路１６を介して接続されて、それぞれに発生する誘導電流が加算される状態）で直列接続されて第１直列回路２１を構成している。また、他方のコア部１１ｂに巻回された第２コイル１３および第４コイル１５も同様にして、磁束Ｃによって生じる誘導電流の極性が順極性となる状態（第２コイル１３および第４コイル１５の異極同士（本例では、第２コイル１３の負極側と第４コイル１５の正極側）が第２抵抗回路１７を介して接続されて、それぞれに発生する誘導電流が加算される状態）で直列接続されて第２直列回路２２を構成している。

なお、電路４の電流は上記したように交流電流であるため、第１コイル１２、第２コイル１３、第３コイル１４および第４コイル１５にそれぞれ生じる誘導電流も交流電流となって、各コイル３，４，５，６の各端部に発生する極性も変化するが、電流検出装置１の構成を説明する際には、発明の理解を容易にするため、各コイル３，４，５，６および各直列回路２１，２２については、●を付した端部側が正極側であり、●を付していない端部側が負極側であるものとして説明する。

第１抵抗回路１６は、バランス抵抗回路であって、本例では一例として可変抵抗器１６ａで構成されて、第１直列回路２１を構成する第１コイル１２および第３コイル１４間に、第１コイル１２および第３コイル１４と直列に接続された状態で配設されている。第２抵抗回路１７も同様にしてバランス抵抗回路であって、本例では一例として可変抵抗器１６ａと同じ仕様の可変抵抗器１７ａで構成されて、第２直列回路２２を構成する第２コイル１３および第４コイル１５間に、第２コイル１３および第４コイル１５と直列に接続された状態で配設されている。また、可変抵抗器１６ａおよび可変抵抗器１７ａの各可動端子は、互いに接続（本例では一例として直接接続）されている。

また、このようにして、第１抵抗回路１６が直列に接続された第１直列回路２１、および第２抵抗回路１７が直列に接続された第２直列回路２２は、それぞれの一端２１ａ，２２ａが電流検出装置１の基準電位Ｅ（装置の内部グランド）に接続されている。この場合、第１直列回路２１の一端２１ａおよび第２直列回路２２の一端２２ａは互いに異極となる端部であり、本例では一例として、第１直列回路２１では、正極側の端部（第３コイル１４の正極側の端部）が一端２１ａとして基準電位Ｅに接続され、第２直列回路２２では、負極側の端部（第４コイル１５の負極側の端部）が一端２２ａとして基準電位Ｅに接続されている。

差動増幅部３は、シャント抵抗３１、第１抵抗３２、第２抵抗３３、第３抵抗３４、第４抵抗３５および演算増幅器３６を備えている。シャント抵抗３１は、第１直列回路２１の他端２１ｂおよび第２直列回路２２の他端２２ｂ間に接続されて、検出電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換する。なお、シャント抵抗３１としては、上記の構成に代えて、図１において破線で示すように、第１直列回路２１の他端２１ｂと基準電位Ｅとの間に接続されるシャント抵抗３１ａと、第２直列回路２２の他端２２ｂと基準電位Ｅとの間に接続されるシャント抵抗３１ｂとで構成することもできる。

第１抵抗３２は、一端が演算増幅器３６の非反転入力端子に接続されると共に、他端が基準電位Ｅに接続されている。また、第１抵抗３２は、一例として可変抵抗で構成されて、バランス抵抗回路として機能する。第２抵抗３３は、一端が演算増幅器３６の非反転入力端子に接続されると共に、他端がシャント抵抗３１の一端（本例では、第２直列回路２２の他端２２ｂでもある）に接続されている。第３抵抗３４は、一端が演算増幅器３６の反転入力端子に接続されると共に、他端が演算増幅器３６の出力端子に接続されて、演算増幅器３６の帰還抵抗として機能する。また、第３抵抗３４は、一例として第１抵抗３２と同じ抵抗値の可変抵抗で構成されて、バランス抵抗回路としても機能する。第４抵抗３５は、第２抵抗３３と同じ抵抗値に規定されると共に、一端が演算増幅器３６の反転入力端子に接続されると共に、他端がシャント抵抗３１の他端（本例では、第１直列回路２１の他端２１ｂでもある）に接続されている。この構成により、演算増幅器３６は、各抵抗３２，３３，３４，３５と共に差動増幅回路を形成し、シャント抵抗３１の両端間に発生する電圧Ｖ１を入力して差動増幅することにより、検出電圧Ｖｏを出力する。

以上のように構成された電流検出装置１において、各コイル３，４，５，６が同一のターン数で形成され、かつコア部１１ａ，１１ｂが接合する各分離位置Ａ，Ｂでの磁気抵抗にバラツキが存在していない理想状態のときには、環状コア１１の外部に不図示の電路が存在した場合であっても、環状コア１１内に電路４が存在していないときには、センサ部２から出力される検出電流Ｉ１はゼロになる。しかしながら、実際には、各コイル３，４，５，６を同一のターン数で形成しようとしても、それぞれのターン数には製造上の誤差に起因した若干のバラツキがあり、またコア部１１ａ，１１ｂが接合する各分離位置Ａ，Ｂでの磁気抵抗にもバラツキがある。このため、この電流検出装置１では、環状コア１１内に電路４が存在していないときであっても、環状コア１１の外部に電路が存在しているときに、この外部の電路に流れる電流（外部電流）に起因して発生する磁界の影響を受けて、センサ部２から出力される検出電流Ｉ１がゼロにならないことがある。

この電流検出装置１では、このような外部電流からの磁界の影響によって検出電流Ｉ１に生じる誤差を低減するため、電路４に流れる電流の検出に先立ち（電路４をクランプする前に）、センサ部２に配設された第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を操作して、各抵抗回路１６，１７の可動端子を移動させることにより、検出電圧Ｖｏがゼロになるように、第１直列回路２１を構成する第１コイル１２および第３コイル１４、並びに第２直列回路２２を構成する第２コイル１３および第４コイル１５に発生する誘導電流（外部磁界の影響によって発生する誘導電流）のバランスを調整する。また、この調整によっても検出電圧Ｖｏがゼロにならないときには、差動増幅部３に配設された第１抵抗３２および第３抵抗３４を操作して、第１直列回路２１全体および第２直列回路２２全体に発生する誘導電流のバランスを調整して、検出電圧Ｖｏをゼロにする。

次に、上記のようにしてバランス調整が完了した電流検出装置１の動作について図１を参照して説明する。なお、発明の理解を容易にするため、電流検出装置１がクランプしている電路４に流れる交流電流は、図１に示すように紙面の手前側から奥側に向かって電流値が増加しつつ流れており、この交流電流に起因して環状コア１１には、同図において破線で示す一方向に磁束Ｃが、磁束密度の増加状態で発生しているものとする。

この状態において、電流検出装置１の第１直列回路２１では、上記の磁束Ｃに起因して、第１コイル１２および第３コイル１４には、この磁束Ｃを打ち消す磁束が内部に発生する向きに誘導電流が流れる。これにより、本例では、両コイル１２，１４には、基準電位Ｅから第３コイル１４に流入して（第１直列回路２１の一端２１ａに流入して）、第３コイル１４、第１抵抗回路１６および第１コイル１２を経由して、第１直列回路２１の他端２１ｂから流出する向きの誘導電流が流れる。また、第２直列回路２２でも、この磁束Ｃに起因して、第２コイル１３および第４コイル１５には、この磁束Ｃを打ち消す磁束が内部に発生する向きに誘導電流が流れる。これにより、本例では、両コイル１３，１５には、第２直列回路２２の他端２２ｂに流入して、第２コイル１３、第２抵抗回路１７および第４コイル１５を経由して、第２直列回路２２の一端２２ａから基準電位Ｅに流出する向きの誘導電流が流れる。つまり、第２直列回路２２には、基準電位Ｅを基準としたときに、第１直列回路２１側に流れる誘導電流と逆位相の誘導電流が流れる。

したがって、センサ部２の電流出力端子として機能する第１直列回路２１の他端２１ｂおよび第２直列回路２２の他端２２ｂからは、第１直列回路２１に流れる上記の誘導電流、およびこの誘導電流と逆位相となる第２直列回路２２に流れる上記の誘導電流の差分（すなわち、両直列回路２１，２２のバランスが調整された状態では、直列回路２１に流れる誘導電流の２倍の電流値となる合成電流）が検出電流Ｉ１として出力される。差動増幅部３では、シャント抵抗３１がこの検出電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換し、演算増幅器３６がこの電圧Ｖ１（シャント抵抗３１の両端間電圧）を差動増幅して検出電圧Ｖｏとして出力する。

このように、この電流検出装置１では、上記した配置で第１コイル１２、第２コイル１３、第３コイル１４および第４コイル１５が環状コア１１の各コア部１１ａ，１１ｂに巻回され、かつ第１コイル１２および第３コイル１４は順極性の状態で直列接続されて第１直列回路２１を構成すると共に、第２コイル１３および第４コイル１５は順極性の状態で直列接続されて第２直列回路２２を構成し、両直列回路２１，２２の異極となる一端２１ａおよび一端２２ａは基準電位Ｅにそれぞれ接続されている。また、センサ部２は、両直列回路２１，２２にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するための第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を備えると共に、両直列回路２１，２２にそれぞれ生じる誘導電流の合成電流を両直列回路２１，２２の各他端２１ｂ，２２ｂから検出電流Ｉ１として出力する。また、差動増幅部３は、この検出電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換すると共に差動増幅して検出電圧Ｖｏとして出力する。

したがって、この電流検出装置１によれば、バランス抵抗回路としての第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を備えたことにより、環状コア１１の磁気回路についての非対称性を補正することができるため、外部電流からの磁界の影響によって検出電流Ｉ１に生じる誤差を低減することができ、これにより、クランプした電路４に流れる電流を高精度で検出して検出電圧Ｖｏを出力することができる。また、この電流検出装置１によれば、差動増幅部３が、検出電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換すると共に差動増幅して検出電圧Ｖｏとして出力するため、例えば、センサ部２と差動増幅部３とを接続する一対の配線の引き回しに起因して、この一対の配線にコモンモードノイズが重畳した場合であっても、このコモンモードノイズを差動増幅部３で除去することができる。

また、この電流検出装置１によれば、両直列回路２１，２２の各他端２１ｂ，２２ｂ間に接続されて、検出電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換するシャント抵抗３１と、各抵抗３２，３３，３４，３５と共に差動増幅回路を構成して、電圧Ｖ１を検出電圧Ｖｏに差動増幅して出力する演算増幅器３６とを備えたことにより、シャント抵抗３１の抵抗値を変えることで、電路４に流れる電流を、電流値の小さなものから大きなものまで広い範囲に亘って検出することができる（つまり、大きなダイナミックレンジを確保することができる）。さらに、上記したように、第１抵抗３２および第３抵抗３４を可変抵抗とすることにより、第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を使用したバランス調整だけではコモンモードノイズの電圧に相当する検出電圧Ｖｏをゼロにできないときにおいても、第１抵抗３２および第３抵抗３４の抵抗値を調整することで、この検出電圧Ｖｏをゼロに調整することができる。

なお、上記の電流検出装置１のセンサ部２では、環状コア１１の各分離位置Ａ，Ｂで分離される一方のコア部１１ａに形成（巻回）される２つの第１コイル１２および第３コイル１４を直列に接続し、他方のコア部１１ｂに形成される２つの第２コイル１３および第４コイル１５を直列に接続する構成を採用しているが、図２に示す電流検出装置１Ａのセンサ部２Ａように、一方の分離位置Ａを挟んでコア部１１ａ，１１ｂのそれぞれに形成された第１コイル１２および第２コイル１３を直列に接続し、他方の分離位置Ｂを挟んでコア部１１ａ，１１ｂのそれぞれに形成された第３コイル１４および第４コイル１５を直列に接続する構成を採用することもできる。以下、この電流検出装置１Ａについて説明する。なお、電流検出装置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。

この電流検出装置１Ａのセンサ部２Ａは、図２に示すように、環状コア１１、第１コイル１２、第２コイル１３、第３コイル１４、第４コイル１５、第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を備えて、一例として活線の状態で、環状コア１１内に挿通された電路４を流れる電流（漏洩電流などの交流電流）を検出して、検出電流Ｉ１として出力可能に構成されている。

このセンサ部２Ａでは、一方の分離位置Ａを挟んで互いに異なるコア部１１ａ，１１ｂに形成された第１コイル１２と第２コイル１３とが、順極性の状態（第１コイル１２および第２コイル１３の異極同士（本例では、第１コイル１２の正極側と第２コイル１３の負極側）が接続される状態）で直列接続されて第１直列回路２１Ａを構成している。また、他方の分離位置Ｂを挟んで互いに異なるコア部１１ａ，１１ｂに形成された第３コイル１４と第４コイル１５とが、順極性の状態（第３コイル１４および第４コイル１５の異極同士（本例では、第３コイル１４の負極側と第４コイル１５の正極側）が接続される状態）で直列接続されて第２直列回路２２Ａを構成している。

また、第１抵抗回路１６は、第１直列回路２１Ａを構成する第１コイル１２および第２コイル１３間に接続され、第２抵抗回路１７は、第２直列回路２２Ａを構成する第３コイル１４および第４コイル１５間に接続されている。また、第１直列回路２１Ａの一端２１ａとしての第２コイル１３の端部と、第２直列回路２２Ａの一端２２ａとしての第４コイル１５の端部は基準電位Ｅにそれぞれ接続されている。また、センサ部２Ａの電流出力端子として、第１コイル１２の他端２１ｂおよび第３コイル１４の他端２２ｂがシャント抵抗３１の各端部に接続されている。

この電流検出装置１Ａにおいても、バランス抵抗回路としての第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を備えたことにより、電流検出装置１と同様にして、環状コア１１の磁気回路についての非対称性を補正することができるため、クランプした電路４に流れる電流を高精度で検出して検出電圧Ｖｏを出力することができる。また、この電流検出装置１Ａにおいても、電流検出装置１と同様にして、差動増幅部３が検出電流Ｉ１を電圧Ｖ１に変換すると共に差動増幅して検出電圧Ｖｏとして出力する構成のため、コモンモードノイズを除去することができる。

また、上記の電流検出装置１，１Ａでは、シャント抵抗３１と、この両端間に発生する電圧Ｖ１を差動増幅して検出電圧Ｖｏとして出力する差動増幅回路（抵抗３３〜３５と演算増幅器３６とで形成される回路）とで差動増幅部３を構成しているが、図３に示す電流検出装置１Ｂのように、電流電圧変換回路で構成された差動増幅部３Ａを使用する構成を採用することもできる。以下、この電流検出装置１Ｂについて説明する。なお、電流検出装置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。

この電流検出装置１Ｂは、センサ部２および差動増幅部３Ａを備えている。この場合、差動増幅部３Ａは、第１抵抗３２Ａ（第１変換抵抗）、第３抵抗３４Ａ（第２変換抵抗）および演算増幅器３６Ａを備えている。この差動増幅部３Ａでは、第１抵抗３２Ａは、一端が演算増幅器３６Ａの非反転入力端子に接続されると共に、他端が基準電位Ｅに接続されている。また、第１抵抗３２Ａは、一例として可変抵抗で構成されて、バランス抵抗回路として機能する。第３抵抗３４Ａは、一端が演算増幅器３６Ａの反転入力端子に接続されると共に、他端が演算増幅器３６Ａの出力端子に接続されて、演算増幅器３６Ａの帰還抵抗として機能する。また、第３抵抗３４Ａは、一例として第１抵抗３２Ａと同じ抵抗値の可変抵抗で構成されて、バランス抵抗回路としても機能する。

この構成により、演算増幅器３６Ａは、第１抵抗３２Ａおよび第３抵抗３４Ａと共に差動型の電流電圧変換回路を形成し、センサ部２から出力される検出電流Ｉ１を検出電圧Ｖｏに変換して出力する。具体的には、センサ部２から出力される検出電流Ｉ１を、第１直列回路２１側から出力される検出電流Ｉ１ａと、第２直列回路２２側から出力される検出電流Ｉ１ｂとに分けた場合、環状コア１１内に電路４が存在しているときには、各コイル１２，１３，１４，１５には同じ方向に磁束Ｃが通過するため（図１参照）、各検出電流Ｉ１ａ，Ｉ１ｂは、図３に示すように逆位相で流れる。これにより、差動増幅部３Ａでは、演算増幅器３６Ａが、検出電流Ｉ１ｂが第１抵抗３２Ａを流れることによって第１抵抗３２Ａに発生する電圧に、検出電流Ｉ１ａが第３抵抗３４Ａを流れることによって第３抵抗３４Ａに発生する電圧を加算した電圧を検出電圧Ｖｏとして出力する。

この電流検出装置１Ｂにおいても、上記した電流検出装置１，１Ａと同じセンサ部２を備えたことにより、バランス抵抗回路としての第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７を調整することで、環状コア１１の磁気回路についての非対称性を補正して、外部電流からの磁界の影響によって検出電流Ｉ１に生じる誤差を低減することができ、これにより、クランプした電路４に流れる電流を高精度で検出して検出電圧Ｖｏを出力することができる。また、この電流検出装置１Ｂでは、差動増幅部３Ａが、差動型の電流電圧変換回路で構成されているため、図３において破線で示すように、差動増幅部３Ａに対して同一方向で流れ込むコモンモードノイズについては、第１抵抗３２Ａと第３抵抗３４Ａの抵抗値がほぼ同一に規定されている条件下において相殺される。したがって、この電流検出装置１Ｂにおいても、センサ部２の電流出力端子としての各他端２１ｂ，２２ｂに誘起されるコモンモードノイズを除去することができる。

また、この電流検出装置１Ｂでは、差動型の電流電圧変換回路に構成された差動増幅部３Ａを備えたことにより、シャント抵抗３１を使用する構成と比較して、帰還抵抗として機能する第３抵抗３４Ａの抵抗値を小さくすることに関して限界があるため、ダイナミックレンジは狭くなる（アンペアオーダーの大電流の検出には不向きである）。一方、この電流検出装置１Ｂでは、差動増幅部３Ａが差動型の電流電圧変換回路に構成されているため、高Ｓ／Ｎ比で検出電圧Ｖｏを検出することができる。

また、図４に示す電流検出装置１Ｃのように、上記した電流検出装置１，１Ａの差動増幅回路として形成された差動増幅部３と、上記した電流検出装置１Ｂの電流電圧変換回路として形成された差動増幅部３Ａの双方を有する差動増幅部３Ｂを備え、検出電流Ｉ１の電流値の大きさに応じて、差動増幅部３の構成および差動増幅部３Ａの構成のうちのいずれか一方で検出電圧Ｖｏを検出する回路構成を採用することもできる。以下、この電流検出装置１Ｃについて説明する。なお、電流検出装置１，１Ａ，１Ｂ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。

この電流検出装置１Ｃは、センサ部２および差動増幅部３Ｂを備えている。この場合、差動増幅部３Ｂは、上記したように、差動増幅部３および差動増幅部３Ａを備えると共に、センサ部２を差動増幅部３および差動増幅部３Ａの任意の一方に選択的に接続するための切替スイッチ３７，３８と、差動増幅部３および差動増幅部３Ａの任意の一方の出力を検出電圧Ｖｏとして出力するための切替スイッチ３９とを備えている。この切替スイッチ３７，３８，３９は、リレーや、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを使用して構成される。なお、センサ部２に代えてセンサ部２Ａを備えて電流検出装置１Ｃを構成することもできる。

この電流検出装置１Ｃでは、各切替スイッチ３７，３８，３９は、切替部として機能して、センサ部２によってクランプされる電路４に流れる電流がアンペアオーダーの大電流のときには差動増幅部３側に切り替えられ、電路４に流れる電流がアンペアオーダー未満の小電流のときには差動増幅部３Ａ側に切り替えられる。上記したように、差動増幅部３は、Ｓ／Ｎ比では差動増幅部３Ａに劣るものの、検出する電流に応じてシャント抵抗３１の抵抗値を小さなものから大きなものまで任意に変更し得るため、電路４に流れる電流がアンペアオーダーの大電流のときでも確実に検出する。一方、差動増幅部３Ａは、アンペアオーダー未満の小電流を高Ｓ／Ｎ比で精度よく測定する。

したがって、この電流検出装置１Ｃによれば、上記した電流検出装置１，１Ａ，１Ｂと同じセンサ部２（または２Ａ）を備えたことにより、電流検出装置１，１Ａ，１Ｂと同様にして、環状コア１１の磁気回路についての非対称性を補正することができ、クランプした電路４に流れる電流を高精度で検出して検出電圧Ｖｏを出力することができる。また、この電流検出装置１Ｃでは、差動増幅部３および差動増幅部３Ａのうちの一方を使用して、検出電流Ｉ１を検出電圧Ｖｏに変換して出力するため、電流検出装置１，１Ａ，１Ｂと同様にして、センサ部２（または２Ａ）の電流出力端子としての各他端２１ｂ，２２ｂに誘起されるコモンモードノイズを除去することができる。さらに、この電流検出装置１Ｃによれば、差動増幅部３および差動増幅部３Ａを備えて、電路４に流れる電流の電流値に応じて差動増幅部３および差動増幅部３Ａを切り替えて使用する構成のため、大電流まで測定し得る広いダイナミックレンジを確保しつつ、小電流を高い精度で測定することができる。

なお、上記した電流検出装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、センサ部２やセンサ部２Ａにおいて第１抵抗回路１６および第２抵抗回路１７をそれぞれ可変抵抗器としてバランスの調整範囲を広くしているが、いずれか一方のみを可変抵抗器とする構成であってもバランスの調整が可能であれば、他方を固定抵抗器とする構成を採用することもできる。具体例を挙げて説明すると、図１の電流検出装置１における第１抵抗回路１６側を固定抵抗器で構成する場合には、同図において破線で示すように、固定抵抗器１６ｂ，１６ｃの直列回路を可変抵抗器１６ａに代えて第１コイル１２と第３コイル１４との間に接続し、各固定抵抗器１６ｂ，１６ｃの接続点を、第２直列回路２２側の第２抵抗回路１７の可動端子に接続する構成とする。また、同様にして、差動増幅部３を構成する第１抵抗３２および第３抵抗３４の一方を、可変抵抗器に代えて固定抵抗器とすることもできるし、差動増幅部３Ａを構成する第１抵抗３２Ａおよび第３抵抗３４Ａの一方を、可変抵抗器に代えて固定抵抗器とすることもできる。

１電流検出装置
２センサ部
３差動増幅部
４電路
１１環状コア
１１ａ，１１ｂコア部
１２第１コイル
１３第２コイル
１４第３コイル
１６第１抵抗回路
１７第２抵抗回路
２１第１直列回路
２２第２直列回路
Ａ，Ｂ分離位置
Ｉ１検出電流
Ｖｏ検出電圧

Claims

周方向に沿って離間した一対の分離位置で２つのコア部に分離可能な環状コア、前記一対の分離位置のうちの一方の分離位置を挟んで前記２つのコア部のうちの一方のコア部に巻回された第１コイルおよび当該２つのコア部のうちの他方のコア部に巻回された第２コイル、並びに前記一対の分離位置のうちの他方の分離位置を挟んで前記一方のコア部に巻回された第３コイルおよび前記他方のコア部に巻回された第４コイルを有して、電路に流れる電流の電流値に応じて振幅が変化する検出電流を出力するセンサ部と、前記検出電流を電圧に変換すると共に増幅して検出電圧として出力する差動増幅部とを備えた電流検出装置であって、
前記第１コイルおよび前記第３コイルは、前記環状コアを一方向に巡る磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第１直列回路に構成され、
前記第２コイルおよび前記第４コイルは、前記磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第２直列回路に構成され、
前記センサ部は、前記第１直列回路および前記第２直列回路にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するためのバランス抵抗回路を備えると共に当該両直列回路における前記誘導電流の極性が異極となる一端がそれぞれ基準電位に接続されて、前記各誘導電流の合成電流を当該両直列回路の各他端から前記検出電流として出力する電流検出装置。
周方向に沿って離間した一対の分離位置で２つのコア部に分離可能な環状コア、前記一対の分離位置のうちの一方の分離位置を挟んで前記２つのコア部のうちの一方のコア部に巻回された第１コイルおよび当該２つのコア部のうちの他方のコア部に巻回された第２コイル、並びに前記一対の分離位置のうちの他方の分離位置を挟んで前記一方のコア部に巻回された第３コイルおよび前記他方のコア部に巻回された第４コイルを有して、電路に流れる電流の電流値に応じて振幅が変化する検出電流を出力するセンサ部と、前記検出電流を電圧に変換すると共に増幅して検出電圧として出力する差動増幅部とを備えた電流検出装置であって、
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、前記環状コアを一方向に巡る磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第１直列回路に構成され、
前記第３コイルおよび前記第４コイルは、前記磁束によってそれぞれに生じる誘導電流の極性が順極性となる状態で直列接続されて第２直列回路に構成され、
前記センサ部は、前記第１直列回路および前記第２直列回路にそれぞれ生じる誘導電流のバランスを調整するためのバランス抵抗回路を備えると共に当該両直列回路における前記誘導電流の極性が異極となる一端がそれぞれ基準電位に接続されて、前記各誘導電流の合成電流を当該両直列回路の各他端から前記検出電流として出力する電流検出装置。
前記差動増幅部は、前記両直列回路の前記各他端間に接続されて前記検出電流を前記電圧に変換するシャント抵抗と、非反転入力端子が第１抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に第２抵抗を介して前記シャント抵抗の一端に接続され、かつ反転入力端子が第３抵抗を介して出力端子に接続されると共に第４抵抗を介して前記シャント抵抗の他端に接続されて前記シャント抵抗で変換された前記電圧を前記検出電圧に増幅して出力する演算増幅器とを備え、前記第１抵抗および前記第３抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成されている請求項１または２記載の電流検出装置。
前記差動増幅部は、非反転入力端子が第１変換抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に前記両直列回路の前記各他端の一方に接続され、かつ反転入力端子が第２変換抵抗を介して出力端子に接続されると共に前記両直列回路の前記各他端の他方に接続されて前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する演算増幅器とを備え、前記第１変換抵抗および前記第２変換抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成されている請求項１または２記載の電流検出装置。
前記差動増幅部は、前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する第１増幅部および第２増幅部、並びに前記検出電流を前記第１増幅部および前記第２増幅部のうちの任意の一方に切り替えて出力する切替部を備え、
前記第１増幅部は、前記切替部を介して前記両直列回路の前記各他端間に接続されて前記検出電流を前記電圧に変換するシャント抵抗と、非反転入力端子が第１抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に第２抵抗を介して前記シャント抵抗の一端に接続され、かつ反転入力端子が第３抵抗を介して出力端子に接続されると共に第４抵抗を介して前記シャント抵抗の他端に接続されて前記シャント抵抗で変換された前記電圧を前記検出電圧に増幅して出力する演算増幅器とを備えて構成されると共に、前記第１抵抗および前記第３抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成され、
前記第２増幅部は、非反転入力端子が第１変換抵抗を介して前記基準電位に接続されると共に前記切替部を介して前記両直列回路の前記各他端の一方に接続され、かつ反転入力端子が第２変換抵抗を介して出力端子に接続されると共に前記切替部を介して前記両直列回路の前記各他端の他方に接続されて前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する演算増幅器とを備えて構成されると共に、前記第１変換抵抗および前記第２変換抵抗のうちの少なくとも一方が可変抵抗で構成されている請求項１または２記載の電流検出装置。