JP6826560B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本開示は、電流センサに関する。

従来、ゼロフラックス方式の電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００６／１２９３８９号

ゼロフラックス方式の電流センサにおいて、励磁電流が帰還コイルにノイズを生じさせることがある。ノイズは、電流の測定精度を低下させることがある。

本開示は、電流の測定精度を高めることができる電流センサを提供することを目的とする。

幾つかの実施形態に係る電流センサは、磁気コアと、励磁コイルと、帰還コイルと、励磁回路と、検波回路と、帰還回路と、積分増幅回路と、演算回路と、出力部とを備える。前記磁気コアは、被測定電流が流れる導線の軸周りに配置可能である。前記励磁コイルは、前記磁気コアに巻かれている。前記帰還コイルは、前記磁気コア及び前記励磁コイルの外側に巻かれている。前記励磁回路は、前記励磁コイルに励磁電流を入力する。前記検波回路は、前記励磁コイルの出力に基づき、前記被測定電流に応じた信号を検出する。前記帰還回路は、前記帰還コイルに、前記検波回路で検出した前記被測定電流に応じた信号に基づく帰還信号を出力する。前記積分増幅回路は、前記励磁コイルの端子電圧を積分し、所定倍率で増幅した結果を打ち消し信号として出力する。前記演算回路は、前記帰還回路が出力した前記帰還信号によって前記帰還コイルに流れる帰還コイル電流に基づく信号から、前記打ち消し信号を減算する。前記出力部は、前記演算回路の減算結果に基づいて、前記被測定電流の測定値を出力する。このように、帰還コイル電流に含まれる励磁電流に起因するノイズが打ち消されることによって、電流センサの測定精度が高められる。また、比較的安価且つ小型の構成によって、測定精度の向上が実現される。

一実施形態に係る電流センサにおいて、前記帰還回路は、前記帰還コイルに、前記帰還信号として帰還電流を流してよい。前記帰還コイル電流は、前記被測定電流によって前記帰還コイルに誘導される誘導電流と、前記帰還電流とを含む。このようにすることで、電流センサの測定精度が高められる。また、比較的安価且つ小型の構成によって、測定精度の向上が実現される。

一実施形態に係る電流センサにおいて、前記磁気コアは、開閉可能であってもよい。このように、磁気コアが開閉可能であることによって、電流センサが導線に取り付けられやすくなる。その結果、電流センサの利便性が向上する。

一実施形態に係る電流センサにおいて、前記積分増幅回路は、前記帰還コイル電流と、前記励磁コイルの出力とに基づいて、前記所定倍率を決定してもよい。このようにすることによって、打ち消し信号が励磁信号に起因するノイズに効率的に近づけられる。打ち消し信号が励磁信号に起因するノイズに近づけられる結果として、電流センサの測定精度が高められる。

本開示によれば、電流の測定精度を高める電流センサが提供される。

一実施形態に係る電流センサの構成例を示すブロック図である。 磁気センサの構成例を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 接触部を有する磁気コアを備える磁気センサの例を示す平面図である。 図４の磁気コアの接触部が開いた状態を示す平面図である。 比較例１に係る電流センサの構成を示すブロック図である。 比較例２に係る電流センサの構成を示す断面図である。

従来、被測定電流を取り囲むコアと、それに巻かれているコイルとによって、被測定電流によって生じる磁束を検出するセンサが知られている。センサは、コアをコイルによって励磁した結果に基づいて被測定電流を測定したり、被測定電流によってコイルに誘導される電流に基づいて被測定電流を測定したりする。

被測定電流の測定のためにコアを励磁する場合、測定結果は、励磁に起因するノイズを含むことがある。励磁に起因するノイズを打ち消すために互いに逆方向に励磁される２つのコアが設けられる場合、センサのコストの増大と、センサの大型化が引き起こされる。

一方、図１に示されるように、本開示の一実施形態に係る電流センサ１は、磁気センサ２０と、励磁回路２４と、帰還回路３４と、検波回路４０と、積分増幅回路５０と、演算回路６０とを備える。磁気センサ２０は、磁気コア１０と、励磁コイル２２と、帰還コイル３２とを備える。電流センサ１は、出力部７０をさらに備えてよい。電流センサ１は、後述するように、積分増幅回路５０及び演算回路６０を備えることによって、励磁に起因するノイズを打ち消すことができる。積分増幅回路５０及び演算回路６０は、フィルタ又はオペアンプ等の比較的安価な部品によって構成されてよい。つまり、本開示の一実施形態に係る電流センサ１は、コストの低減と小型化とを図りつつ、被測定電流の測定精度を向上できる。

図２及び図３に示されるように、磁気コア１０は、Ｚ軸方向に延在する導線２の軸周りに位置する。つまり、磁気コア１０は、導線２の軸周りに配置可能である。Ｚ軸は、紙面の奥側から手前側を向く方向を正の方向として表されている。Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸と直交するように、紙面に沿って延びる軸として表されている。磁気コア１０は、導線２の軸周りに閉磁路を形成する。導線２に流れる電流は、導線２の軸周りに磁束を発生させる。その磁束の少なくとも一部は、磁気コア１０によって形成されている閉磁路を通る。電流センサ１は、磁気センサ２０が磁気コア１０を通る磁束を検出することによって、導線２に流れる電流の大きさを測定できる。導線２に流れる電流は、被測定電流ともいう。磁気コア１０が導線２の軸周りに閉磁路を形成することによって、被測定電流によって生じる磁束が磁気コア１０を通りやすくなり、電流センサ１に検出されやすくなる。その結果、被測定電流の測定精度が高められる。

電流センサ１は、磁気コア１０に磁束を集中させる集磁器１２をさらに備えてよい。集磁器１２は、外側集磁器１２ａと、内側集磁器１２ｂとを有してよい。磁気コア１０は、外側集磁器１２ａと内側集磁器１２ｂとの間に位置してよい。磁束が磁気コア１０に集中することによって、電流センサ１は、被測定電流によって生じる磁束をより一層容易に検出できる。

磁気コア１０は、鉄又はフェライト等の軟磁性材料を含んでよい。磁気コア１０の形状は、環状であってよい。磁気コア１０によって形成される閉磁路は、平面視において円又は円に近い形状であってよい。閉磁路で囲まれた領域が平面視において円又は円に近い形状を有する場合、その領域に交差する導線２に流れる電流によって閉磁路に生じる磁束の大きさは、交差する位置にかかわらず変化しにくい。その結果、被測定電流の測定精度が高められる。

励磁コイル２２は、磁気コア１０に巻かれている。集磁器１２が設けられている場合、励磁コイル２２は、集磁器１２の内側で巻かれていてよい。励磁コイル２２は、磁気コア１０が構成する閉磁路の全体にわたって巻かれていてよいし、閉磁路の一部において巻かれていてもよい。励磁コイル２２は、１つのコイルで構成されていてよいし、複数のコイルに分かれて構成されていてもよい。励磁コイル２２が複数のコイルに分かれる場合、各コイルは直列に接続されてよい。励磁コイル２２が複数のコイルに分かれる場合、励磁コイル２２の巻数は、各コイルの巻数の和であってよい。

帰還コイル３２は、励磁コイル２２のさらに外側に巻かれている。集磁器１２が設けられている場合、帰還コイル３２は、集磁器１２の外側で巻かれていてよい。励磁コイル２２が巻かれている方向と帰還コイル３２が巻かれている方向とは、同じ方向であってもよいし、反対の方向であってもよい。帰還コイル３２は、磁気コア１０が構成する閉磁路の全体にわたって巻かれていてよいし、閉磁路の一部において巻かれていてもよい。帰還コイル３２は、１つのコイルで構成されていてよいし、複数のコイルに分かれて構成されていてもよい。帰還コイル３２が複数のコイルに分かれる場合、各コイルは直列に接続されてよい。帰還コイル３２が複数のコイルに分かれる場合、帰還コイル３２の巻数は、各コイルの巻数の和であってよい。

励磁コイル２２と帰還コイル３２とは、閉磁路に沿った経路の少なくとも一部で重複して巻かれていてもよいし、閉磁路に沿った経路で重複しないように巻かれていてもよい。

励磁回路２４は、励磁コイル２２の端子に接続され、端子に電圧を印加したり、端子に電流を入力したりする。励磁コイル２２の端子電圧は、励磁電圧ともいう。励磁コイル２２に流れる電流は、励磁電流ともいう。励磁回路２４から入力される励磁電流又は励磁回路２４から印加される励磁電圧は、励磁信号ともいう。

励磁回路２４が励磁コイル２２の端子から励磁電流を入力する場合、励磁電圧は、磁気コア１０に沿う閉磁路において、入力された励磁電流で生じる磁束と、被測定電流で生じる磁束とを合わせた磁束に基づいて決定される。つまり、励磁電流の入力に応じて現れる励磁電圧は、被測定電流の変化に基づいて変化する。電流センサ１は、励磁コイル２２に励磁電流を入力し、励磁電圧を測定することによって、被測定電流を測定できる。

励磁回路２４が励磁コイル２２の両端に励磁電圧を印加する場合、励磁電流は、印加された励磁電圧に応じた磁束と、被測定電流で生じる磁束とを合わせた磁束が生じるように流れる。つまり、励磁電圧の印加に応じて流れる励磁電流は、被測定電流の変化に基づいて変化する。電流センサ１は、励磁コイル２２に励磁電圧を印加し、励磁電流を測定することによって、被測定電流を測定できる。

検波回路４０は、励磁コイル２２から励磁電流及び励磁電圧の少なくとも一方を励磁コイル２２の出力として検出する。励磁回路２４が励磁電流を入力する場合、検波回路４０は、励磁電圧を励磁コイル２２の出力として検出する。励磁回路２４が励磁電圧を印加する場合、検波回路４０は、励磁電流を電圧に変換し、励磁コイル２２の出力として検出する。検波回路４０は、例えば、励磁電流が流れる抵抗の端子電圧を励磁コイル２２の出力として検出してよい。

励磁コイル２２の出力は、励磁コイル２２に入力される励磁信号と、磁気コア１０のヒステリシス特性を表すＢ−Ｈカーブとに基づいて決定される。被測定電流によって磁気コア１０に生じる磁束は、励磁信号の入力による磁束の変化を変調させ、励磁コイル２２の出力を変化させる。被測定電流が流れていない場合における励磁コイル２２の出力は、励磁信号に応じた信号を表している。被測定電流が流れている場合における励磁コイル２２の出力と、被測定電流が流れていない場合における励磁コイル２２の出力との差は、被測定電流に応じた信号を表している。つまり、励磁コイル２２の出力は、励磁信号に応じた信号と、被測定電流に応じた信号とを含む。

検波回路４０は、励磁コイル２２の出力に基づいて、被測定電流に応じた信号を検出する。被測定電流に応じた信号は、検波結果ともいう。検波回路４０は、例えば、励磁コイル２２の出力を取得するための入力端子の正負を、励磁信号が有する周波数の２倍の周波数で反転させてよい。検波回路４０は、入力端子の正負を励磁信号が有する周波数の２倍の周波数で反転させながら取得した励磁コイル２２の出力をＬＰＦ（Low Pass Filter）に入力し、高周波数成分をカットしてよい。このようにして得られる信号は、検波結果として採用されてよい。つまり、検波回路４０は、励磁コイル２２の出力を取得する際の正負の反転と、高周波数成分のカットとによって、検波結果を算出してよい。

検波回路４０は、被測定電流がゼロである場合に、検波結果がゼロとなるように、検波結果を算出してよい。検波回路４０は、例えばブリッジ回路等を用いて、検出した励磁コイル２２の出力をオフセットすることによって、検波結果のゼロ点を調整してもよい。

電流センサ１は、検波結果に基づいて、被測定電流を算出してよい。検波結果に基づいて被測定電流を算出する方式は、フラックスゲート方式ともいう。

検波回路４０は、検波結果を、帰還回路３４に出力する。

帰還回路３４は、帰還コイル３２の端子に接続され、端子に電流を入力する。帰還回路３４は、検波結果に基づく帰還信号を帰還コイル３２に入力する。帰還信号は、電流であってよいし、電圧であってもよい。帰還回路３４が帰還コイル３２に帰還信号として流す電流は、帰還電流ともいう。一方で、被測定電流による電流が帰還コイル３２に誘導される。被測定電流によって帰還コイル３２に誘導される電流は、誘導電流ともいう。その結果、帰還電流と、誘導電流とを合わせた電流が、帰還コイル３２に流れる。帰還コイル３２に流れる電流は、帰還コイル電流ともいう。つまり、帰還コイル電流は、誘導電流と、帰還電流とを含む。

帰還回路３４は、磁気コア１０に沿う閉磁路において、帰還コイル電流によって生じる磁束が被測定電流によって生じる磁束を打ち消すように、帰還電流を制御する。例えば、図２において、被測定電流がＺ軸の正の方向に向けて流れている場合、その電流による磁束は、磁気コア１０に沿う閉磁路において、紙面に向かって反時計回りの向きに生じる。この場合、帰還回路３４は、帰還コイル電流による磁束が磁気コア１０に沿う閉磁路において紙面に向かって時計回りの向きに生じるように、帰還電流を制御する。つまり、帰還回路３４は、帰還コイル電流による磁束が被測定電流による磁束を打ち消すように、帰還電流を制御する。この場合、帰還電流が流れる方向は、帰還コイル３２が巻かれている方向に応じて決定される。

被測定電流に高い周波数の成分が多く含まれるほど、帰還コイル電流に含まれる誘導電流が多くなる。一方で、被測定電流に直流成分又は低い周波数の成分が多く含まれるほど、帰還コイル電流に含まれる帰還電流が多くなる。

本実施形態において、帰還コイル電流が誘導電流と帰還電流とを含むことで、被測定電流がどのような周波数成分を含むかにかかわらず、帰還コイル電流が被測定電流に精度よく追従できる。その結果、電流センサ１は、帰還コイル電流に基づいて、被測定電流を精度よく測定できる。帰還コイル電流に基づいて被測定電流を算出する方式は、ゼロフラックス方式ともいう。

ゼロフラックス方式は、フラックスゲート方式と比較して、磁気コア１０に沿う閉磁路において被測定電流による磁束が帰還コイル電流による磁束で打ち消される点で異なる。被測定電流による磁束が打ち消されることによって、電流センサ１が被測定電流を算出する際に、磁気コア１０のヒステリシスの影響が低減される。その結果、ゼロフラックス方式によれば、被測定電流と帰還コイル電流との間の関係を表すグラフの直線性が向上する。また、被測定電流による磁束が打ち消されることによって、電流センサ１が被測定電流を算出する際に、温度変化の影響が低減される。その結果、被測定電流の算出値の安定性が向上する。つまり、ゼロフラックス方式によれば、被測定電流がより一層高い精度で算出される。

検波回路４０と帰還回路３４とは、１つの回路に含まれていてもよい。

帰還コイル電流は、励磁電流によって磁気コア１０に沿う閉磁路に生じる磁束によって誘導される電流も含む。つまり、帰還コイル電流の大きさに基づいて測定された電流は、励磁信号に起因するノイズを含む。励磁信号に起因するノイズは、励磁電流によって磁気コア１０に生じる磁束に比例する。

本実施形態に係る電流センサ１は、さらに積分増幅回路５０と演算回路６０とを備えることによって、帰還コイル電流に含まれる、励磁信号に起因するノイズを打ち消し、被測定電流の測定精度を向上できる。

積分増幅回路５０は、励磁コイル２２の出力を取得する。積分増幅回路５０は、励磁コイル２２の端子電圧を励磁コイル２２の出力として取得する。積分増幅回路５０は、励磁コイル２２の出力を積分する。励磁コイル２２の出力を積分した信号は、積分結果ともいう。積分増幅回路５０は、積分回路として、抵抗と容量とを含む一次のＬＰＦを有してよい。

コイルの電圧は、コイルで生じる磁束を時間微分した値に比例する。励磁コイル２２においては、例えば、以下の式（１）及び式（２）が成り立つ。式（１）及び式（２）において、ｔは、時間を表している。Ｖ_Lは、励磁コイル２２の端子電圧を表している。Φは、励磁コイル２２の磁束を表している。

そして、積分結果は、励磁コイル２２の端子電圧を積分した信号であるので、励磁コイル２２の磁束に比例する。つまり、積分結果は、励磁電流によって磁気コア１０に生じる磁束に比例し、帰還コイル電流に含まれるノイズに比例する。積分増幅回路５０は、積分結果を所定倍率で増幅し、その結果得られた信号を演算回路６０に出力する。積分増幅回路５０が演算回路６０に出力する信号は、打ち消し信号ともいう。打ち消し信号は、帰還電流に含まれるノイズと同一又は類似の信号となっている。打ち消し信号は、電圧によって表されているものとする。積分増幅回路５０は、増幅回路として、オペアンプを含む回路を有してよい。所定倍率は、積分回路に含まれるＬＰＦの時定数、励磁コイル２２の巻数、帰還コイル３２の巻数、又は、帰還コイル３２の自己インダクタンス等に基づいて決定される。

所定倍率は、帰還コイル電流と、励磁コイル２２の出力とに基づいて決定されてもよい。所定倍率は、帰還コイル電流の波形と、励磁コイル２２の電圧の波形とに基づいて決定されてもよい。言い換えると、積分増幅回路５０は、帰還コイル電流と、励磁コイル２２の出力とに基づいて、所定倍率を決定してもよい。

所定倍率は、被測定電流がゼロである場合における帰還コイル電流と、励磁コイル２２の電圧とに基づいて決定されてもよい。被測定電流がゼロである場合における帰還コイル電流は、ノイズの成分のみを含む。被測定電流がゼロである条件の下で所定倍率が決定されることによって、打ち消し信号は、励磁信号に起因するノイズに効率的に近づけられる。

所定倍率は、被測定電流がゼロである場合に限られず、被測定電流が所定値である場合における帰還コイル電流と、励磁コイル２２の電圧とに基づいて決定されてもよい。所定値は、例えば、直流の１Ａ（アンペア）等であってもよい。

所定倍率は、帰還コイル電流の瞬時データと、励磁コイル２２の電圧の瞬時データとに基づいて決定されてもよい。所定倍率が瞬時データに基づいて決定されることで、打ち消し信号は、励磁信号に起因するノイズにさらに効率的に近づけられる。

以上述べてきたような種々の方法によって、打ち消し信号が励磁信号に起因するノイズに近づけられる結果として、電流センサ１の測定精度が高められる。

演算回路６０は、帰還回路３４から帰還電流に基づく信号を取得するとともに、積分増幅回路５０から打ち消し信号を取得する。帰還電流に基づく信号は、電圧で表されているものとする。演算回路６０は、帰還電流に基づく信号から、打ち消し信号を減算し、減算結果を出力部７０に出力する。演算回路６０は、減算回路として、オペアンプを含む回路を有してよい。

出力部７０は、演算回路６０の減算結果に基づいて、被測定電流の測定値を出力する。演算回路６０の減算結果は、帰還電流に基づく信号において、励磁信号に起因するノイズの影響が低減された信号に対応する。つまり、出力部７０から出力される測定値において、励磁信号に起因するノイズの影響が低減されている。その結果、被測定電流の測定値の精度が向上できる。

電流センサ１は、励磁回路２４と帰還回路３４とによって、励磁信号に基づいて磁気コア１０に沿う閉磁路に生じる磁束を打ち消すようにフィードバックをかけている。つまり、励磁回路２４と帰還回路３４とは、フィードバック系を構成している。電流センサ１は、フィードバック系の外側に、積分増幅回路５０と演算回路６０とを備えている。このようにすることで、積分増幅回路５０及び演算回路６０がフィードバック系における動作に及ぼす影響は、無視できる程度に小さい、又は、無い。その結果、電流センサ１による電流の測定精度がより一層高められる。

磁気コア１０は、開閉可能であってよい。磁気コア１０は、図４及び図５に示されるように、接触部１４と変形部１６とを有してもよい。磁気コア１０は、接触部１４を開いている状態で導線２の周囲に取り付けられた後、接触部１４を閉じた状態で導線２の軸周りの閉磁路を構成する。変形部１６は、ヒンジ等の開閉構造を有してよいし、可撓性を有してもよい。磁気コア１０が開閉可能であることによって、磁気センサ２０が導線２に取り付けられやすくなる。結果として、電流センサ１の利便性が向上する。

図６に示される比較例１に係る電流センサ９１は、図１に例示される電流センサ１と比較して、積分増幅回路５０と演算回路６０とを備えていない。比較例１に係る電流センサ９１において、出力部７０は、帰還電流に基づいて、被測定電流を算出し、電流の測定結果として出力する。出力部７０が出力する測定結果において、帰還電流から励磁信号に起因するノイズが打ち消されていない。つまり、電流センサ９１による測定結果は、励磁信号に起因するノイズを含む。

図７に示される比較例２に係る電流センサ９２は、２つの磁気コア１０ａ及び１０ｂと、２つの励磁コイル２２ａ及び２２ｂとを備える。電流センサ９２は、励磁コイル２２ａによって磁気コア１０ａを励磁することで生じる磁束の向きと、励磁コイル２２ｂによって磁気コア１０ｂを励磁することで生じる磁束の向きとを逆向きにする。このようにすることで、帰還コイル３２に流れる帰還電流に含まれる励磁信号に起因するノイズが打ち消される。その結果、電流センサ９２による測定結果は、励磁信号に起因するノイズを含みにくい。しかし、磁気コア１０及び励磁コイル２２の数が増加する。つまり、比較例２に係る電流センサ９２において、そのコストが増大するとともに、そのサイズが大きくなる。

一方、本実施形態に係る電流センサ１は、積分増幅回路５０及び演算回路６０を備えることによって、帰還電流に含まれる励磁信号に起因するノイズを打ち消す。積分増幅回路５０及び演算回路６０は、ＬＰＦ又はオペアンプ等の比較的安価な部品又は回路によって構成されてよい。つまり、本実施形態に係る電流センサ１は、コストの低減と小型化とを図りつつ、被測定電流の測定精度を向上できる。

以上、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

本開示において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。本開示に係る構成は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸によって構成される直交座標系を用いて説明されてきた。本開示に係る各構成の位置関係は、直交関係にあると限定されるものではない。

１ 電流センサ
２ 導線
１０ 磁気コア
１２ 集磁器
１４ 接触部
１６ 変形部
２０ 磁気センサ
２２ 励磁コイル
２４ 励磁回路
３２ 帰還コイル
３４ 帰還回路
４０ 検波回路
５０ 積分増幅回路
６０ 演算回路
７０ 出力部

Claims (4)

1. 被測定電流が流れる導線の軸周りに配置可能な磁気コアと、
   前記磁気コアに巻かれている励磁コイルと、
   前記磁気コア及び前記励磁コイルの外側に巻かれている帰還コイルと、
   前記励磁コイルに励磁電流を入力する励磁回路と、
   前記励磁コイルの出力に基づき、前記被測定電流に応じた信号を検出する検波回路と、
   前記帰還コイルに、前記検波回路で検出した前記被測定電流に応じた信号に基づく帰還信号を出力する帰還回路と、
   前記励磁コイルの端子電圧を積分し、所定倍率で増幅した結果を打ち消し信号として出力する積分増幅回路と、
   前記帰還回路が出力した前記帰還信号によって前記帰還コイルに流れる帰還コイル電流に基づく信号から、前記打ち消し信号を減算する演算回路と、
   前記演算回路の減算結果に基づいて、前記被測定電流の測定値を出力する出力部と
   を備える、電流センサ。
2. 前記帰還回路は、前記帰還コイルに、前記帰還信号として帰還電流を流し、
   前記帰還コイル電流は、前記被測定電流によって前記帰還コイルに誘導される誘導電流と、前記帰還電流とを含む、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁気コアは、開閉可能である、請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記積分増幅回路は、前記帰還コイル電流と、前記励磁コイルの出力とに基づいて、前記所定倍率を決定する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流センサ。

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