JP2020003374A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温となったり、大電流が流れたりする検出対象導体の電流を、直流を含む広周波数帯域で検出する。
【解決手段】検出対象導体５１に流れる電流Ｉを検出して第１検出信号Ｖ１ａを出力する光電流センサ２と、第１検出信号Ｖ１ａの電圧レベルに応じて電圧レベルが変化する電流検出信号Ｖｏを、電流検出信号Ｖｏの電圧レベルを調整しつつ出力するレベル調整回路３と、電流Ｉに含まれる検出周波数帯域内の交流信号成分を検出して第２検出信号Ｖ２ａを出力するロゴスキー型電流センサ１１と、電流検出信号Ｖｏに含まれる特定周波数の信号成分レベルを示す検出電圧Ｖｒ１と第２検出信号Ｖ２ａに含まれる特定周波数の信号成分レベルを示す検出電圧Ｖｒ２とを比較しつつ、検出電圧Ｖｒ１が検出電圧Ｖｒ２と一致するようにレベル調整回路３に対して電流検出信号Ｖｏの電圧レベルを調整させる誤差検出回路６、正規化回路７および制御量増幅回路８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象導体に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、本願出願人は、下記特許文献１に開示された電流検出装置（測定装置）を既に提案している。この電流検出装置では、ホール素子を備えて構成されて、直流から低周波数に亘る検出周波数帯域の電流プローブと、カレントトランスを備えて構成されて、低周波数から中周波数に亘る検出周波数帯域の電流プローブと、ロゴスキーコイルを備えて構成されて、中周波数から高周波数に亘る検出周波数帯域の電流プローブとを同時に使用することにより、装置自体での検出周波数帯域を直流を含む広周波数帯域とする構成を採用している。

特開２０１５−１４５２５号公報（第６−１１頁、第１−３図）

ところが、上記の電流検出装置には、以下のような改善すべき課題が存在している。すなわち、この電流検出装置においては、ロゴスキーコイルを備えて構成された電流プローブを除く他の電流プローブは、検出対象導体（測定対象電線）を取り囲むように配置される磁気コアを備えて構成されている。しかしながら、磁気コアを備える構成の電流プローブでは、高温となる検出対象導体の電流検出がキュリー温度の制約により困難となったり、大電流が流れる検出対象導体の電流検出が磁気飽和の存在により困難となったりすることから、この電流検出装置には、高温の検出対象導体についての電流や大電流が流れる検出対象導体についての電流を、直流を含む広周波数帯域で測定することが困難であるという改善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、高温となったり、大電流が流れたりする検出対象導体の電流を、直流を含む広周波数帯域で検出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、磁気光学効果を生じさせる磁気光学素子を有して構成されて、検出対象導体に流れる電流を検出すると共に当該電流の電流レベルに応じて電圧レベルが変化する第１検出信号を出力する光電流センサと、前記第１検出信号を入力すると共に、当該第１検出信号の前記電圧レベルに応じて電圧レベルが変化する電流検出信号を、当該電流検出信号の前記電圧レベルを調整しつつ出力するレベル調整回路と、前記検出対象導体に装着される空芯コイルを有して構成されて、前記電流に含まれる交流信号成分のうちの検出周波数帯域内の交流信号成分を検出して第２検出信号を出力する空芯コイル型電流センサと、前記電流検出信号に含まれる予め規定された特定周波数の第１信号成分と前記第２検出信号に含まれる当該特定周波数の第２信号成分とを検出して比較しつつ、当該第１信号成分が当該第２信号成分と一致するように前記レベル調整回路に対して前記電流検出信号の前記電圧レベルを調整させる制御回路とを備えている。

また、請求項２記載の電流検出装置は、請求項１記載の電流検出装置において、前記特定周波数を含む帯域制限フィルタを備えて構成されて、前記電流検出信号から前記第１信号成分を抽出して前記制御回路に出力する第１信号抽出回路と、前記特定周波数を含む帯域制限フィルタを備えて構成されて、前記第２検出信号から前記第２信号成分を抽出して前記制御回路に出力する第２信号抽出回路とを備えている。

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、前記空芯コイル型電流センサは、前記空芯コイルの一対の出力端子と２本の配線を介して接続されると共に当該一対の出力端子間に誘起される電圧を積分して出力する検出回路を備え、当該検出回路は、前記空芯コイルから当該空芯コイルの外径以上の距離だけ離間して配設されている。

また、請求項４記載の電流検出装置は、請求項３記載の電流検出装置において、前記２本の配線は撚り合わされている。

また、請求項５記載の電流検出装置は、請求項３または４記載の電流検出装置において、前記空芯コイルは、互いに逆向きに同数巻回されて構成されると共に互いの一端部同士が接続された２つのコイルを備えて、当該２つのコイルのそれぞれの他端部が前記一対の出力端子として機能する。

請求項１記載の電流検出装置では、磁気コアを共に使用しない光電流センサおよび空芯コイル型電流センサを有して構成されて、特定周波数における電圧レベルが空芯コイル型電流センサの検出周波数帯域の周波数特性での電圧レベルと同一となるように調整された広周波数帯域の周波数特性を有する光電流センサおよびレベル調整回路の直列回路が、電流の絶対的な電流値を表す信号として電流検出信号を生成して出力する。

したがって、この電流検出装置によれば、キュリー温度の制約を受けることがないため、高温となる検出対象導体の電流を正確に検出することができると共に、磁気飽和の虞もないことから、大電流が流れる検出対象導体の電流についても正確に検出することができ、さらに、直流成分から高周波数成分まで検出し得る光電流センサを使用する構成のため、検出対象導体の電流を、直流を含む広周波数帯域に亘って正確に検出することができる。

請求項２記載の電流検出装置では、第１信号抽出回路および第２信号抽出回路が、同じ特定周波数を含む帯域制限フィルタを備えて構成されて、第１信号成分および第２信号成分をそれぞれ誤差の少ない状態で抽出する。したがって、この電流検出装置によれば、制御回路がこの誤差の少ない第１信号成分および第２信号成分に基づいて、電流検出信号に含まれるこの特定周波数の信号成分を、第２検出信号に含まれる同じ特定周波数の信号成分に正確に一致させることができる。

請求項３記載の電流検出装置では、空芯コイル型電流センサにおいて、空芯コイルと積分回路を含む検出回路とが２本の配線を介して接続されると共に、検出回路が空芯コイルから空芯コイルの外径以上の距離だけ離間して配設されている。したがって、この電流検出装置によれば、検出対象導体に重畳する虞のあるノイズおよび検出対象導体の温度の検出回路への影響を軽減することができる。

請求項４記載の電流検出装置によれば、空芯コイルと検出回路とを接続する２本の配線が撚り合わされているため、空芯コイルから出力されてこの２本の配線を介して検出回路に伝達される出力電圧へのノイズの影響を軽減することができる。

請求項５記載の電流検出装置によれば、互いに逆向きに同数巻回されて構成されると共に互いの一端部同士が接続された２つのコイルを備えて、この２つのコイルのそれぞれの他端部が一対の出力端子として機能するように空芯コイルが構成されているため、電流によって各コイルに誘起される誘起電圧同士は強め合う一方で、各コイルに生じるノイズ電圧は打ち消し合うことから、ノイズの影響を一層軽減した状態で、電流を検出することができる。

電流検出装置１の構成を説明するための構成図である。 電流検出装置１の構成および動作を説明するための周波数特性図である。 ロゴスキーコイル３１の他の例の構成を説明するための構成図である。

以下、添付図面を参照して、電流検出装置の実施の形態について説明する。

まず、電流検出装置としての電流検出装置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、光電流センサ２、レベル調整回路３、レベル検出回路４、第１信号抽出回路５、誤差検出回路６、正規化回路７、制御量増幅回路８、空芯コイル型電流センサ１１、および第２信号抽出回路１２を備えて、検出対象導体５１に流れる電流（被検出電流）Ｉを検出して、電流Ｉの振幅に応じて振幅が変化する電圧信号としての電流検出信号Ｖｏを出力する。また本例では、電流検出装置１は、処理装置５２および出力装置５３と共に電流測定装置を構成して、一例として、電流Ｉの電流値Ｉ１や電流Ｉの信号波形を測定して出力する。

光電流センサ２は、公知の光プローブセンサ装置で構成されている。本例では一例として、光電流センサ２は、特開２０１４−１４５７１９号公報に開示された光プローブセンサ装置と同等の構成を備えている。具体的には、光電流センサ２は、光電流センサ回路２１および第１検出回路２２を備えている。

この光電流センサ２では、光電流センサ回路２１は、磁気光学効果（光の偏光状態が磁界の強度に応じて変化する効果）としての面内磁気カー効果を生じさせる磁気光学素子（磁気光学を有するプレート（板状体））としての磁性体２１ａと、磁性体２１ａからの反射光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐する不図示の偏光子とを含んで構成されている。磁性体２１ａは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇｄのうちの少なくとも一種を含む軟磁性体で構成されており、本例では一例として、イットリウム−鉄−ガーネット（ＹＩＧ：Yttrium-Iron-Garnet ）フェライト単結晶で構成されている。光電流センサ２は、上記のような軟磁性体で構成されることで、高温（３００°Ｃ程度）となったり、大電流が流れたりする検出対象導体５１の電流Ｉを、直流を含む広周波数帯域で検出することが可能となっている。第１検出回路２２は、図示はしないが、発光部、受光部および信号処理部を含んで構成されて、光電流センサ回路２１と離間した位置に配設されると共に、光ファイバコア２３，２４，２５（例えば、１つの多芯光ファイバの各コア）を介して光電流センサ回路２１と接続されている。

第１検出回路２２では、発光部（例えば半導体レーザ）が、発光させたレーザ光を光ファイバコア２３を介して光電流センサ回路２１に伝搬させる。このレーザ光は、光電流センサ回路２１において、偏光子によって直線偏光となって磁性体２１ａの表面に入射される。この場合、磁性体２１ａの表面からの反射光（直線偏光）は、不図示の波長板によって円偏光に変換され、次いで、他の偏光子によってＳ偏光成分の光とＰ偏光成分の光とに分岐される。このＳ偏光成分の光およびＰ偏光成分の光は、磁性体２１ａの面内磁気カー効果により、磁性体２１ａに印加されている磁場の大きさの変化に対応して変化するものであり、対応する光ファイバコア２４，２５を介して第１検出回路２２に伝搬される。

第１検出回路２２では、受光部が、伝搬されたＳ偏光成分の光およびＰ偏光成分の光を受光して、それぞれを電気信号に変換する。上記したように、Ｓ偏光成分の光およびＰ偏光成分の光は、磁性体２１ａに印加されている磁場の大きさの変化に対応してそれぞれ変化するが、さらにＳ偏光成分の光およびＰ偏光成分の光の各光量の差分は、磁性体２１ａに印加されている磁場の大きさ、つまり、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの大きさ（電流レベル）に応じて変化する。具体的には、この各光量の差分は、磁場の大きさに応じて大きさの絶対値が変化し、かつ磁場の向きに応じて極性が変化する。したがって、信号処理部は、受光部から出力される２つの電気信号を処理することにより、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの電流レベルに応じて電圧レベルが変化する第１検出信号Ｖ１ａを出力する。具体的には、信号処理部は、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの大きさ（電流値）に比例して大きさの絶対値が変化し、電流Ｉの向きに応じて極性が変化する電圧信号としての第１検出信号Ｖ１ａを出力する（つまり、第１検出回路２２が第１検出信号Ｖ１ａを出力する）。

なお、光電流センサ２は、その光電流センサ回路２１が検出対象導体５１に対して位置決めされた状態においては、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの波形を構成する各周波数成分について、図２に示すように、直流成分から高周波数成分（数ＭＨｚ程度の周波数成分）まで、均一なゲインで検出すると共に、この周波数成分の電流レベルに応じて電圧レベルが変化する第１検出信号Ｖ１ａを出力することが可能な広周波数帯域の周波数特性ＣＨ１を有している。しかしながら、電流Ｉが流れることによって検出対象導体５１の周囲に発生する磁場の大きさは、電流Ｉが一定であっても、検出対象導体５１からの距離に応じて変化する。したがって、光電流センサ２のゲインは電流Ｉの電流レベルを正確に検出し得るものではないことから、光電流センサ２から出力される第１検出信号Ｖ１ａの電圧レベルは、電流Ｉの絶対的な電流レベルを表すものとはなっていない。

レベル調整回路３は、光電流センサ２の上記の周波数特性ＣＨ１よりも十分に広い動作周波数帯域（直流成分から周波数特性ＣＨ１の上限周波数よりも高い周波数に亘る広い周波数帯域）を有して構成されて、第１検出信号Ｖ１ａおよび制御量増幅回路８から出力される後述の制御電圧Ｖｃを入力すると共に、第１検出信号Ｖ１ａの電圧レベルに応じて電圧レベルが変化する電流検出信号Ｖｏを、電流検出信号Ｖｏの電圧レベルを制御電圧Ｖｃに基づいて調整（増減）しつつ出力する。具体的には、レベル調整回路３は、制御電圧Ｖｃが正極性のときには、制御電圧Ｖｃの絶対値に比例した変化分だけ電流検出信号Ｖｏの電圧レベルを増加させることで、一方、制御電圧Ｖｃが負極性のときには、制御電圧Ｖｃの絶対値に比例した変化分だけ電流検出信号Ｖｏの電圧レベルを減少させることで、電流検出信号Ｖｏを生成して出力する。

レベル検出回路４は、第１検出信号Ｖ１ａを入力すると共にその電圧レベル（本例では、電圧レベルの一例としての実効値）を検出して、検出した電圧レベルを示すレベル検出電圧Ｖ１ｂ（直流電圧）を出力する。

第１信号抽出回路５は、電流検出信号Ｖｏの波形を構成する各周波数成分（電流検出信号Ｖｏに含まれる各周波数成分、つまり電流Ｉの信号波形に含まれる各周波数成分）のうちの特定周波数ｆｒの第１信号成分を抽出して出力する。具体的には、第１信号抽出回路５は、抽出した第１信号成分のレベルを示す第１検出電圧（第１信号成分のレベルに比例して電圧値が変化する第１検出電圧）Ｖｒ１を出力する。また、第１信号抽出回路５は、図示はしないが、例えば、特定周波数ｆｒを含む（特定周波数ｆｒを中心周波数とする）狭帯域の帯域制限フィルタ（バンドパスフィルタ）と検波回路とを含んで構成されて、第１信号成分のレベルの一例としての振幅を示す第１検出電圧Ｖｒ１を出力し得るように構成されている。また、この特定周波数ｆｒについては、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの周波数に関する既知の特性（電流Ｉが交流信号のときにはその基本周波数、電流Ｉが直流信号であってスイッチング電源から供給されるときにはスイッチング周波数など）を考慮して、電流Ｉに必ず含まれる周波数成分の周波数に規定されているものとする。

誤差検出回路６は、正規化回路７および制御量増幅回路８と共に、レベル調整回路３の上記したレベル調整動作を制御する制御回路ＣＮＴとして機能する。具体的には、誤差検出回路６は、第１信号抽出回路５から出力される第１検出電圧Ｖｒ１と第２信号抽出回路１２から出力される後述の第２検出電圧Ｖｒ２とを入力すると共に両検出電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２の差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）を検出して、差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）に応じて極性および電圧レベルが変化する誤差電圧Ｖｅ（例えば、極性がこの差分の極性と同じであって、電圧レベル（電圧値）がこの差分の絶対値に比例する誤差電圧Ｖｅ）を出力する。本例では、第１信号抽出回路５および第２信号抽出回路１２はいずれも、同じ特定周波数ｆｒを含む同じ狭帯域の帯域制限フィルタを備えて構成されているため、対応する検出電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２を正確に検出することが可能となっている。これにより、誤差検出回路６において差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）に生じる誤差（差分誤差）が大幅に低減されるため、誤差検出回路６は、電流検出信号Ｖｏに含まれる特定周波数ｆｒの第１信号成分の振幅と、ロゴスキー型電流センサ１１から出力される後述の第２検出信号Ｖ２ａに含まれる特定周波数ｆｒの第２信号成分の振幅との差分を示す誤差電圧Ｖｅを正確に出力することが可能となっている。

正規化回路７は、誤差電圧Ｖｅおよびレベル検出回路４から出力されるレベル検出電圧Ｖ１ｂを入力すると共に、レベル検出電圧Ｖ１ｂの電圧値に基づいて誤差電圧Ｖｅを正規化して、正規化誤差電圧Ｖｅｎを出力する。ここで、誤差電圧Ｖｅを正規化誤差電圧Ｖｅｎに正規化する理由について説明する。例えば、電流Ｉの電流レベルが異なる場合、つまり電流Ｉの電流レベルを示す第２検出電圧Ｖｒ２が異なる場合においても、異なる第２検出電圧Ｖｒ２に対する差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）の比率が同じときには、誤差検出回路６、正規化回路７および制御量増幅回路８で構成される制御回路ＣＮＴのフィードバック（負帰還）ゲイン（レベル調整回路３のレベル調整動作を制御するゲイン）は同じであるのが好ましい。そこで、電流検出装置１の仕様上の電流測定範囲内において電流Ｉの電流レベルが変化したときに、レベル検出回路４から出力されるレベル検出電圧Ｖ１ｂが変化し得る電圧範囲内に含まれる任意の１つの基準電圧値Ｖｒｅｆ（予め規定された電圧値。例えば、第１検出信号Ｖ１ａの最大値と最小値との間の中間値）を正規化回路７に予め設定しておき、正規化回路７は、この基準電圧値Ｖｒｅｆを基準として、現在のレベル検出電圧Ｖ１ｂの電圧値（理解の容易のため、この電圧値についても符号Ｖ１ｂを付すものとする）に基づき、現在の誤差電圧Ｖｅを正規化して、つまり、現在の誤差電圧Ｖｅの電圧値（理解の容易のため、この電圧値についても符号Ｖｅを付すものとする）を値（Ｖ１ｂ／Ｖｒｅｆ）で除算して、正規化誤差電圧Ｖｅｎを出力する。

制御量増幅回路８は、正規化誤差電圧Ｖｅｎを入力すると共に、予め規定された増幅率で正規化誤差電圧Ｖｅｎを増幅して、制御電圧Ｖｃとしてレベル調整回路３へ出力する。

空芯コイル型電流センサ１１は、ロゴスキーコイル３１、検出回路としての第２検出回路３２、およびロゴスキーコイル３１と第２検出回路３２とを接続するケーブル３３を備えている。したがって、空芯コイル型電流センサ１１は、ロゴスキー型電流センサであることから、以下では、ロゴスキー型電流センサ１１ともいうものとする。

ロゴスキーコイル３１は、例えば、ロゴスキーコイル３１の本体を構成する１つのコイルとしての空芯コイル（図示せず）、１つの巻き戻し線（図示せず）および一対の出力端子３１ａ，３１ｂを有して、空芯コイルの一端部が一対の出力端子３１ａ，３１ｂのうちの一方の出力端子３１ａに接続され、空芯コイルの他端部が巻き戻し線を介して一対の出力端子３１ａ，３１ｂのうちの他方の出力端子３１ｂに接続された公知のロゴスキーコイルとして構成されている。また、ロゴスキーコイル３１は、検出対象導体５１を取り囲むようにして、検出対象導体５１に装着されて、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの電流レベルに対応した出力電圧（その波形が電流Ｉの微分波形となる電圧）を一対の出力端子３１ａ，３１ｂから出力する。

第２検出回路３２は、例えば、積分回路および増幅回路（いずれも図示せず）を有して構成されて、不図示の一対の入力端子（積分器の一対の入力端子）がケーブル３３を介して、ロゴスキーコイル３１の一対の出力端子３１ａ，３１ｂに接続されている。

この構成により、ロゴスキー型電流センサ１１は、ロゴスキーコイル３１から出力される出力電圧（空芯コイルの一端部と他端部との間に誘起される誘起電圧）を、第２検出回路３２が積分すると共に増幅して出力することにより、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの大きさ（電流レベル）に応じて電圧レベルが変化する電圧信号としての第２検出信号Ｖ２ａを出力する。具体的には、ロゴスキー型電流センサ１１は、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの電流レベルに比例して大きさの絶対値が変化し、電流Ｉの向きに応じて極性が変化する第２検出信号Ｖ２ａを出力する。また、このロゴスキー型電流センサ１１は、検出対象導体５１に流れる電流Ｉの波形を構成する各周波数成分について、図２に示すように、直流成分を含む低周波数成分については検出できないものの、中周波数成分から高周波数成分まで（例えば、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚまで）の検出周波数帯域Ａ１（特定周波数ｆｒを含む周波数帯域）内の周波数成分（交流信号成分）については、均一なゲインで、電流レベルを正確に検出すると共に、この交流信号成分の電流レベルに応じて電圧レベルが変化する第２検出信号Ｖ２ａを出力することが可能な周波数特性ＣＨ２を有している。したがって、ロゴスキー型電流センサ１１から出力される第２検出信号Ｖ２ａの電圧レベルは、電流Ｉの絶対的な電流レベルを表したものとなっている。

ケーブル３３は、互いに撚り合わされた（ツイストされた）２本の配線で構成される（所謂ツイスト線で構成される）ことで、検出対象導体５１に重畳する虞のあるノイズの影響（ロゴスキーコイル３１から出力される出力電圧への影響）を軽減し得るものとなっている。また、第２検出回路３２は、このケーブル３３を介してロゴスキーコイル３１と接続されることで、ロゴスキーコイル３１の外径Ｄ１（ロゴスキーコイル３１が検出対象導体５１に装着されてほぼ円状になったときの外径）以上の距離Ｌ１だけ離間して配設されている。これにより、検出対象導体５１に重畳する虞のあるノイズおよび検出対象導体５１の温度の第２検出回路３２への影響が軽減されている。

第２信号抽出回路１２は、第２検出信号Ｖ２ａの波形を構成する各周波数成分（第２検出信号Ｖ２ａに含まれる各周波数成分、つまり電流Ｉの信号波形に含まれる各周波数成分）のうちの特定周波数ｆｒの第２信号成分（上記した第１信号成分と同じ周波数成分）を抽出して出力する。具体的には、第２信号抽出回路１２は、抽出した第２信号成分のレベルを示す第２検出電圧（第２信号成分のレベルに比例して電圧値が変化する第２検出電圧）Ｖｒ２を出力する。第２信号抽出回路１２は、図示はしないが、例えば、特定周波数ｆｒを含み（中心周波数とする）第１信号抽出回路５の帯域制限フィルタと同一の帯域特性を有する狭帯域の帯域制限フィルタ（バンドパスフィルタ）と検波回路とを含んで第１信号抽出回路５と同一に構成されて、第２信号成分のレベルの一例としての振幅を示す第２検出電圧Ｖｒ２を第１信号抽出回路５と同じゲインで出力し得るように構成されている。

処理装置５２は、Ａ／Ｄ変換器、ＣＰＵおよびメモリなどを備えて構成されて、電流検出装置１から出力される電流検出信号Ｖｏをサンプリングして波形データに変換してメモリに記憶し、この記憶された波形データに基づいて、電流Ｉの電流値Ｉ１を算出する。また、処理装置５２は、算出した電流値Ｉ１、および記憶された波形データで示される電流Ｉの信号波形を出力装置５３に表示させる。

次に、電流検出装置１の動作について、図面を参照して説明する。なお、光電流センサ２は検出対象導体５１に対して所定の位置に配設され、ロゴスキー型電流センサ１１は検出対象導体５１に装着されているものとする。

この状態において、電流検出装置１では、光電流センサ２が、検出対象導体５１に流れる電流Ｉを検出して、第１検出信号Ｖ１ａを出力する。レベル調整回路３は、この第１検出信号Ｖ１ａを入力して電流検出信号Ｖｏを出力し、またレベル検出回路４は、この第１検出信号Ｖ１ａを入力してレベル検出電圧Ｖ１ｂを出力する。また、ロゴスキー型電流センサ１１は、検出対象導体５１に流れる電流Ｉを検出して、第２検出信号Ｖ２ａを出力する。

また、第１信号抽出回路５は、電流検出信号Ｖｏを入力すると共に、電流検出信号Ｖｏの波形を構成する各周波数成分（電流検出信号Ｖｏに含まれる各周波数成分）のうちの特定周波数ｆｒの第１信号成分のレベル（本例では振幅）を示す第１検出電圧Ｖｒ１を出力する。また、第２信号抽出回路１２は、第２検出信号Ｖ２ａを入力すると共に、第２検出信号Ｖ２ａの波形を構成する各周波数成分（第２検出信号Ｖ２ａに含まれる各周波数成分）のうちの特定周波数ｆｒの第２信号成分のレベル（本例では振幅）を示す第２検出電圧Ｖｒ２を出力する。

誤差検出回路６は、第１検出電圧Ｖｒ１および第２信号抽出回路１２を入力すると共に、両検出電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２の差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）を検出して、この差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）に応じて極性および電圧レベルが変化する誤差電圧Ｖｅを出力する。また、正規化回路７は、誤差電圧Ｖｅおよびレベル検出電圧Ｖ１ｂを入力すると共に、レベル検出電圧Ｖ１ｂの電圧値に基づいて誤差電圧Ｖｅを正規化して、正規化誤差電圧Ｖｅｎを出力する。また、制御量増幅回路８は、正規化誤差電圧Ｖｅｎを入力すると共に予め規定された増幅率で増幅して、制御電圧Ｖｃとしてレベル調整回路３へ出力する。

電流検出装置１では、このようにしてレベル調整回路３に対する制御電圧Ｖｃ（つまり、レベル調整回路３から出力される電流検出信号Ｖｏの電圧レベル）が、誤差検出回路６、正規化回路７および制御量増幅回路８で構成される制御回路ＣＮＴにより、差分（Ｖｒ２−Ｖｒ１）がゼロになるように、すなわち、電流検出信号Ｖｏに含まれる特定周波数ｆｒの第１信号成分のレベル（本例では振幅）がロゴスキー型電流センサ１１から出力される第２検出信号Ｖ２ａに含まれる特定周波数ｆｒの第２信号成分のレベル（本例では振幅）と一致するように、フィードバック制御される。

この結果として、電流検出装置１では、光電流センサ２およびレベル調整回路３の直列回路についての周波数特性は、図２において符号ＣＨ３で示すように、光電流センサ２と同じ周波数帯域（直流成分から数ＭＨｚ程度の高周波数に亘る周波数帯域）に亘って均一なゲインを有し、かつこのゲインがロゴスキー型電流センサ１１の周波数特性ＣＨ２のゲインと同一となるように自動的に調整される。

ロゴスキー型電流センサ１１の周波数特性ＣＨ２は、上記したように、特定周波数ｆｒを含む検出周波数帯域Ａ１内の交流信号成分について、均一なゲインで、電流レベルを正確に検出すると共に、この電流レベルに応じて電圧レベルが変化する第２検出信号Ｖ２ａを出力することができるものとなっている。したがって、光電流センサ２およびレベル調整回路３の直列回路は、特定周波数ｆｒにおける電圧レベルがこの周波数特性ＣＨ２での電圧レベルと同一となるように調整された周波数特性ＣＨ３を有するため、電圧レベルが電流Ｉの絶対的な電流レベルを表す電圧信号として電流検出信号Ｖｏを出力する。

処理装置５２は、電流検出信号Ｖｏを波形データに変換してメモリに記憶し、この波形データに基づいて、電流Ｉの電流値Ｉ１を算出する。また、処理装置５２は、算出した電流値Ｉ１、および記憶された波形データで示される電流Ｉの信号波形を出力装置５３に表示させる。

このように、この電流検出装置１では、磁気コアを共に使用しない光電流センサ２およびロゴスキー型電流センサ１１を有して構成されて、特定周波数ｆｒにおける電圧レベルがロゴスキー型電流センサ１１の周波数特性ＣＨ２での電圧レベルと同一となるように調整された広周波数帯域の周波数特性ＣＨ３を有する光電流センサ２およびレベル調整回路３の直列回路が、電圧レベルが電流Ｉの絶対的な電流レベルを表す電圧信号として電流検出信号Ｖｏを生成して出力する。

したがって、この電流検出装置１によれば、キュリー温度の制約を受けることがないため、高温となる検出対象導体５１の電流Ｉを正確に検出することができると共に、磁気飽和の虞もないことから、大電流が流れる検出対象導体５１の電流Ｉについても正確に検出することができ、さらに、直流成分から高周波数成分（数ＭＨｚ程度の周波数成分）まで検出し得る光電流センサ２を使用する構成のため、検出対象導体５１の電流Ｉを、直流を含む広周波数帯域に亘って正確に検出することができる。

また、この電流検出装置１では、第１信号抽出回路５および第２信号抽出回路１２が、同じ特定周波数ｆｒを含む帯域制限フィルタを備えて構成されて、電流検出信号Ｖｏに含まれる特定周波数ｆｒの第１信号成分の振幅、および第２検出信号Ｖ２ａに含まれる特定周波数ｆｒの第２信号成分の振幅をそれぞれ誤差の少ない状態で抽出して、第１検出電圧Ｖｒ１および第２検出電圧Ｖｒ２をそれぞれ正確に検出する。したがって、この電流検出装置１によれば、制御回路ＣＮＴを構成する誤差検出回路６が各検出電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２に基づいて電流検出信号Ｖｏおよび第２検出信号Ｖ２ａにそれぞれ含まれる同じ特定周波数ｆｒの信号成分についての差分を示す誤差電圧Ｖｅを正確に出力することができるため、この正確な誤差電圧Ｖｅに基づいて、電流検出信号Ｖｏに含まれる特定周波数ｆｒの第１信号成分の振幅を第２検出信号Ｖ２ａに含まれる特定周波数ｆｒの第２信号成分の振幅に正確に一致させることができ、その結果として、光電流センサ２およびレベル調整回路３の直列回路についての周波数特性ＣＨ３を、光電流センサ２と同じ周波数帯域（直流成分から数ＭＨｚ程度の高周波数に亘る周波数帯域）に亘って均一なゲインを有し、かつこのゲインがロゴスキー型電流センサ１１の周波数特性ＣＨ２のゲインと同一となるように確実に調整することができる。

また、この電流検出装置１では、ロゴスキー型電流センサ１１において、ロゴスキーコイル３１と積分回路を含む第２検出回路３２とがケーブル３３を介して接続されると共に、第２検出回路３２がロゴスキーコイル３１からロゴスキーコイル３１の外径Ｄ１以上の距離Ｌ１だけ離間して配設されている。したがって、この電流検出装置１によれば、検出対象導体５１に重畳する虞のあるノイズおよび検出対象導体５１の温度の第２検出回路３２への影響を軽減することができる。

また、この電流検出装置１によれば、ロゴスキーコイル３１と第２検出回路３２とを接続するケーブル３３が撚り合わされた２本の配線（ツイスト線）で構成されているため、ロゴスキーコイル３１から出力されてこのケーブル３３を介して第２検出回路３２に伝達される出力電圧への上記のノイズの影響を軽減することができる。

なお、上記の例では、ロゴスキーコイル３１は不図示の１つの空芯コイルで構成されていたが、ロゴスキーコイル３１はこの構成に限定されるものではない。例えば、ロゴスキーコイル３１は、図３に示すように、互いに逆向きに同数（同じ巻数で）巻回されて構成されると共に互いの一端部同士が接続された２つのコイルとしての空芯コイル３１ｃ，３１ｄを備えて、各空芯コイル３１ｃ，３１ｄのそれぞれの他端部が上記の出力電圧が出力される一対の出力端子３１ａ，３１ｂとして機能する構成とすることもできる。

この構成のロゴスキーコイル３１では、各空芯コイル３１ｃ，３１ｄの巻回方向が互いの一端部を基準として逆向きになるので、検出対象導体５１に流れる電流Ｉによって各空芯コイル３１ｃ，３１ｄに誘起される誘起電圧の極性は、互いの一端部を基準として逆向きとなる。これに対して、各空芯コイル３１ｃ，３１ｄに伝播したノイズに起因する電圧（ノイズ電圧）は巻回方向に依存しない性質を有している。つまり、各空芯コイル３１ｃ，３１ｄに生じるノイズ電圧の極性は、互いの一端部を基準として同相となる。したがって、この図３に示す構成のロゴスキーコイル３１を採用する電流検出装置１によれば、電流Ｉによって各空芯コイル３１ｃ，３１ｄに誘起される誘起電圧同士は強め合う一方で、各空芯コイル３１ｃ，３１ｄに生じるノイズ電圧は打ち消し合うことから、ノイズの影響を一層軽減した状態で、電流Ｉを検出することができる。

また、上記の例では、光電流センサ回路２１において、磁気光学効果としての面内磁気カー効果を生じる磁気光学素子としての磁性体２１ａを有する構成を採用しているが、この構成に限定されない。例えば、光電流センサ回路２１において、この磁性体２１ａに代えて、磁気光学効果としてのファラデー効果を生じる磁気光学素子としての公知の磁性薄膜を有する構成を採用することもできる。

また、上記の例では、第１信号抽出回路５は、電流検出信号Ｖｏの波形を構成する各周波数成分のうちの特定周波数ｆｒの第１信号成分のレベルの一例としての振幅を示す第１検出電圧Ｖｒ１を出力し、第２信号抽出回路１２は、第２検出信号Ｖ２ａの波形を構成する各周波数成分のうちの特定周波数ｆｒの第２信号成分のレベルの一例としての振幅を示す第２検出電圧Ｖｒ２を出力する構成を採用しているが、第１信号抽出回路５が第１信号成分の実効値を算出して、この実効値を示す第１検出電圧Ｖｒ１を出力し、かつ第２信号抽出回路１２が第２信号成分の実効値を算出して、この実効値を示す第２検出電圧Ｖｒ２を出力する構成や、第１信号抽出回路５が第１信号成分の平均値を算出して、この平均値を示す第１検出電圧Ｖｒ１を出力し、かつ第２信号抽出回路１２が第２信号成分の平均値を算出して、この平均値を示す第２検出電圧Ｖｒ２を出力する構成を採用することもできる。

また、上記の例では、レベル検出回路４は、第１検出信号Ｖ１ａを入力してそのレベルを示すレベル検出電圧Ｖ１ｂを出力する構成を採用しているが、この構成に限定されない。例えば、レベル検出回路４は、第２検出信号Ｖ２ａを入力すると共にそのレベルを検出して、検出したレベルを示すレベル検出電圧Ｖ１ｂを出力する構成を採用することもできる。

１ 電流検出装置
２ 光電流センサ
３ レベル調整回路
６ 誤差検出回路
７ 正規化回路
８ 制御量増幅回路
１１ ロゴスキー型電流センサ
２１ａ 磁性体
３１ ロゴスキーコイル
３３ ケーブル
５１ 検出対象導体
ＣＮＴ 制御回路
Ｉ 電流
Ｖ１ａ 第１検出信号
Ｖ２ａ 第２検出信号
Ｖｏ 電流検出信号
Ｖｒ１ 第１検出電圧（第１信号成分のレベルを示す電圧）
Ｖｒ２ 第２検出電圧（第２信号成分のレベルを示す電圧）

Claims (5)

1. 磁気光学効果を生じさせる磁気光学素子を有して構成されて、検出対象導体に流れる電流を検出すると共に当該電流の電流レベルに応じて電圧レベルが変化する第１検出信号を出力する光電流センサと、
   前記第１検出信号を入力すると共に、当該第１検出信号の前記電圧レベルに応じて電圧レベルが変化する電流検出信号を、当該電流検出信号の前記電圧レベルを調整しつつ出力するレベル調整回路と、
   前記検出対象導体に装着される空芯コイルを有して構成されて、前記電流に含まれる交流信号成分のうちの検出周波数帯域内の交流信号成分を検出して第２検出信号を出力する空芯コイル型電流センサと、
   前記電流検出信号に含まれる予め規定された特定周波数の第１信号成分と前記第２検出信号に含まれる当該特定周波数の第２信号成分とを検出して比較しつつ、当該第１信号成分が当該第２信号成分と一致するように前記レベル調整回路に対して前記電流検出信号の前記電圧レベルを調整させる制御回路とを備えている電流検出装置。
2. 前記特定周波数を含む帯域制限フィルタを備えて構成されて、前記電流検出信号から前記第１信号成分を抽出して前記制御回路に出力する第１信号抽出回路と、
   前記特定周波数を含む帯域制限フィルタを備えて構成されて、前記第２検出信号から前記第２信号成分を抽出して前記制御回路に出力する第２信号抽出回路とを備えている請求項１記載の電流検出装置。
3. 前記空芯コイル型電流センサは、前記空芯コイルの一対の出力端子と２本の配線を介して接続されると共に当該一対の出力端子間に誘起される電圧を積分して出力する検出回路を備え、当該検出回路は、前記空芯コイルから当該空芯コイルの外径以上の距離だけ離間して配設されている請求項１または２記載の電流検出装置。
4. 前記２本の配線は撚り合わされている請求項３記載の電流検出装置。
5. 前記空芯コイルは、互いに逆向きに同数巻回されて構成されると共に互いの一端部同士が接続された２つのコイルを備えて、当該２つのコイルのそれぞれの他端部が前記一対の出力端子として機能する請求項３または４記載の電流検出装置。

Images