JPH07128373A - 直流電流センサー - Google Patents
直流電流センサーInfo
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- JPH07128373A JPH07128373A JP5297542A JP29754293A JPH07128373A JP H07128373 A JPH07128373 A JP H07128373A JP 5297542 A JP5297542 A JP 5297542A JP 29754293 A JP29754293 A JP 29754293A JP H07128373 A JPH07128373 A JP H07128373A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
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- G01R19/20—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using conversion of DC into AC, e.g. with choppers using transductors, i.e. a magnetic core transducer the saturation of which is cyclically reversed by an AC source on the secondary side
-
- H—ELECTRICITY
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 構造が比較的簡単であり、微小な電流から比
較的大きな電流までの広範囲の電流変化（例えば、０．
２Ａ〜２０Ａ程度）に対しても直線性に優れた検出能力
を有する高感度の直流電流センサーの提供。 【構成】 環状の軟質磁性材料からなるコアに、励磁コ
イルおよび検出コイルをトロイダル状に巻回配置した構
成において、励磁コイルにコアの保磁力を超える磁場を
発生させる三角波状の励磁電流を流した時、コア内の磁
束の向きが反転することから、この反転のタイミングを
検出コイルに発生するパルス状の電圧にて検出し、これ
らのパルス間隔を比較測定することにより、被検出導線
に流れる直流電流の絶対値と向きを検出することができ
る。
較的大きな電流までの広範囲の電流変化（例えば、０．
２Ａ〜２０Ａ程度）に対しても直線性に優れた検出能力
を有する高感度の直流電流センサーの提供。 【構成】 環状の軟質磁性材料からなるコアに、励磁コ
イルおよび検出コイルをトロイダル状に巻回配置した構
成において、励磁コイルにコアの保磁力を超える磁場を
発生させる三角波状の励磁電流を流した時、コア内の磁
束の向きが反転することから、この反転のタイミングを
検出コイルに発生するパルス状の電圧にて検出し、これ
らのパルス間隔を比較測定することにより、被検出導線
に流れる直流電流の絶対値と向きを検出することができ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、配電盤制御回路信号
の保守管理等における電流計測、製鉄所等の大型設備に
設置された各種センサーからのアナログ電流信号の検
出、小型直流機器の制御を行うための電流計測等の広範
囲の分野で使用される直流電流センサーに係り、構造が
比較的簡単であり、微小な電流から比較的大きな電流ま
での広範囲の変化（例えば、０．２Ａ〜２０Ａ程度）に
対しても直線性に優れた検出能力を有する高感度の直流
電流センサーに関する。
の保守管理等における電流計測、製鉄所等の大型設備に
設置された各種センサーからのアナログ電流信号の検
出、小型直流機器の制御を行うための電流計測等の広範
囲の分野で使用される直流電流センサーに係り、構造が
比較的簡単であり、微小な電流から比較的大きな電流ま
での広範囲の変化（例えば、０．２Ａ〜２０Ａ程度）に
対しても直線性に優れた検出能力を有する高感度の直流
電流センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】最近は、多くの技術分野で直流を使用し
た機器が増加しており、これらの機器を安全にかつ円滑
に作動させるためには、直流電流の計測が不可欠であ
り、高感度の直流電流センサーの必要性が高まってき
た。これらの直流電流センサーとしては、ホール素子方
式、マグアンプ方式、磁気マルチバイブレータ方式（特
開昭４７−１６４４号、特開昭５３−３１１７６号、特
開昭５９−４６８５９号）等が知られている。
た機器が増加しており、これらの機器を安全にかつ円滑
に作動させるためには、直流電流の計測が不可欠であ
り、高感度の直流電流センサーの必要性が高まってき
た。これらの直流電流センサーとしては、ホール素子方
式、マグアンプ方式、磁気マルチバイブレータ方式（特
開昭４７−１６４４号、特開昭５３−３１１７６号、特
開昭５９−４６８５９号）等が知られている。
【０００３】ホール素子方式は、一部にホール素子を配
置する空隙部を形成してなる軟質磁性材料のコアに直接
被検出導線をトロイダル状に巻回し、該被検出導線に流
れる直流電流の変化に基づくコア内の磁束変化を直接ホ
ール素子にて検知する構成からなっている。
置する空隙部を形成してなる軟質磁性材料のコアに直接
被検出導線をトロイダル状に巻回し、該被検出導線に流
れる直流電流の変化に基づくコア内の磁束変化を直接ホ
ール素子にて検知する構成からなっている。
【０００４】マグアンプ方式、磁気マルチバイブレータ
方式は、いずれもトロイダル状に検出コイルを巻回して
なる軟質磁性材料のコアを用い、そのコアの内側に被検
出導線を貫通させ、該被検出導線に流れる直流電流にて
軟質磁性材料のコアを飽和磁束密度（Ｂｓ）以内で直流
偏磁させることにより、予めコアに巻回されたコイルに
交流電流を通電することにより発生した交番磁束が正、
負の方向で飽和に達する時間にアンバランスを発生さ
せ、その変化を前記検出コイルにて検出する方式であ
る。
方式は、いずれもトロイダル状に検出コイルを巻回して
なる軟質磁性材料のコアを用い、そのコアの内側に被検
出導線を貫通させ、該被検出導線に流れる直流電流にて
軟質磁性材料のコアを飽和磁束密度（Ｂｓ）以内で直流
偏磁させることにより、予めコアに巻回されたコイルに
交流電流を通電することにより発生した交番磁束が正、
負の方向で飽和に達する時間にアンバランスを発生さ
せ、その変化を前記検出コイルにて検出する方式であ
る。
【０００５】マグアンプ方式では予めコア内に磁束変化
を与えるため、コアに励磁コイルを巻回して所定値の交
流電流を通電する構成を採用するが、磁気マルチバイブ
レータ方式では検出コイルと接続する回路中の半導体等
の作用により自励発振させ、被検出電流に応じて発振波
形のデューティー比を変えて発振する構成からなってい
る。
を与えるため、コアに励磁コイルを巻回して所定値の交
流電流を通電する構成を採用するが、磁気マルチバイブ
レータ方式では検出コイルと接続する回路中の半導体等
の作用により自励発振させ、被検出電流に応じて発振波
形のデューティー比を変えて発振する構成からなってい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ホール素子方式は、構
造が比較的シンプルであり、取り扱いも容易であるが、
その検出能力が、ホール素子の特性によって必然的に決
定されることから、現在公知のホール素子を用いた場合
は、２０Ａ以下の電流を比較的高精度（±２％程度）に
測定することは困難であり、通常、検出電流が大きな
（例えば、２０Ａを超える）用途での使用に限られてい
た。例えば、ホール素子を用いて増幅器で検出信号を増
幅することも可能であるが、該直流電流センサーを構成
するコアの保磁力に起因するオフセット出力や、ホール
素子の温度特性に起因するドリフトが大きく、要求され
る高精度の測定を実現するためには常に零点を調整する
必要があり、実用性が低い。また、該直流電流センサー
を構成するコアに被検出導線を数１００ターンから数１
０００ターン以上巻回することも考えられるが、直流電
流センサーの大型化を招くとともに、用途が大幅に限定
されることとなる。
造が比較的シンプルであり、取り扱いも容易であるが、
その検出能力が、ホール素子の特性によって必然的に決
定されることから、現在公知のホール素子を用いた場合
は、２０Ａ以下の電流を比較的高精度（±２％程度）に
測定することは困難であり、通常、検出電流が大きな
（例えば、２０Ａを超える）用途での使用に限られてい
た。例えば、ホール素子を用いて増幅器で検出信号を増
幅することも可能であるが、該直流電流センサーを構成
するコアの保磁力に起因するオフセット出力や、ホール
素子の温度特性に起因するドリフトが大きく、要求され
る高精度の測定を実現するためには常に零点を調整する
必要があり、実用性が低い。また、該直流電流センサー
を構成するコアに被検出導線を数１００ターンから数１
０００ターン以上巻回することも考えられるが、直流電
流センサーの大型化を招くとともに、用途が大幅に限定
されることとなる。
【０００７】一方、マグアンプ方式、磁気マルチバイブ
レータ方式は、ホール素子方式に比べ比較的小さな電流
の計測が可能であるが、構造が複雑であるとともに、先
に説明した通り、被検出導線に流れる直流電流にて軟質
磁性材料のコアをほぼ飽和磁束密度（Ｂｓ）付近にまで
飽和させるよう直流偏磁させる必要があり、検出電流に
応じて該コアに被検出導線を数１０ターンから数１００
ターン以上巻回することとなり用途が大幅に限定され
る。さらに、コア自体が有する磁気特性がそのまま出力
特性に現れるため、直線性が悪く、要求される高精度の
測定を実現することができない。以上に示すように、従
来から知られているホール素子方式やマグアンプ方式及
び磁気マルチバイブレータ方式等は、微小な電流から比
較的大きな電流までの広範囲の電流変化（例えば、０．
２Ａ〜２０Ａ程度）に対して対応できる構成とは言い難
く、高感度の直流電流センサーとして実用に至っていな
いのが現状である。
レータ方式は、ホール素子方式に比べ比較的小さな電流
の計測が可能であるが、構造が複雑であるとともに、先
に説明した通り、被検出導線に流れる直流電流にて軟質
磁性材料のコアをほぼ飽和磁束密度（Ｂｓ）付近にまで
飽和させるよう直流偏磁させる必要があり、検出電流に
応じて該コアに被検出導線を数１０ターンから数１００
ターン以上巻回することとなり用途が大幅に限定され
る。さらに、コア自体が有する磁気特性がそのまま出力
特性に現れるため、直線性が悪く、要求される高精度の
測定を実現することができない。以上に示すように、従
来から知られているホール素子方式やマグアンプ方式及
び磁気マルチバイブレータ方式等は、微小な電流から比
較的大きな電流までの広範囲の電流変化（例えば、０．
２Ａ〜２０Ａ程度）に対して対応できる構成とは言い難
く、高感度の直流電流センサーとして実用に至っていな
いのが現状である。
【０００８】この発明は、上記の問題点を解消し、構造
が比較的簡単であり、微小な電流から比較的大きな電流
までの広範囲の電流変化（例えば、０．２Ａ〜２０Ａ程
度）に対しても直線性に優れた検出能力を有する高感度
の直流電流センサーの提供を目的とする。
が比較的簡単であり、微小な電流から比較的大きな電流
までの広範囲の電流変化（例えば、０．２Ａ〜２０Ａ程
度）に対しても直線性に優れた検出能力を有する高感度
の直流電流センサーの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】発明者らは、環状の軟質
磁性材料からなるコアに、励磁コイルおよび検出コイル
をトロイダル状に巻回配置した最もシンプルな構成にお
いて、上記の目的を達成する手段を種々検討した結果、
励磁コイルに、コアの保磁力を超える磁場を発生させる
三角波状の励磁電流を流した時、コア内の磁束の向きが
反転することに着目し、この反転のタイミングを検出コ
イルに発生するパルス状の電圧にて検出し、これらのパ
ルス間隔を比較測定することにより、被検出導線に流れ
る直流電流の絶対値を検出することが可能となることを
知見した。
磁性材料からなるコアに、励磁コイルおよび検出コイル
をトロイダル状に巻回配置した最もシンプルな構成にお
いて、上記の目的を達成する手段を種々検討した結果、
励磁コイルに、コアの保磁力を超える磁場を発生させる
三角波状の励磁電流を流した時、コア内の磁束の向きが
反転することに着目し、この反転のタイミングを検出コ
イルに発生するパルス状の電圧にて検出し、これらのパ
ルス間隔を比較測定することにより、被検出導線に流れ
る直流電流の絶対値を検出することが可能となることを
知見した。
【００１０】この発明は、上記の知見に基づき完成した
ものであり、内側に非接触検出する直流電流が流れる被
検出導線を貫通配置する環状の軟質磁性材料からなるコ
アと、該コアにトロイダル状に巻回配置した励磁コイル
および検出コイルを有する構成からなり、前記励磁コイ
ルに、コア内に該コアの保磁力を超える磁場を発生させ
る三角波状の励磁電流を流し、コア内の磁束の向きが反
転するタイミングを前記検出コイルに発生するパルス状
の電圧にて検出し、該パルスの間隔を比較測定すること
により、被検出導線に流れる直流電流の絶対値を検出す
ることを特徴とする直流電流センサーである。また、こ
の発明では、１つのコイルで励磁コイルと検出コイルの
機能を共用したことを特徴とする直流電流センサーを併
せて提案する。さらに、すでに配線が完了している導線
（被検出導線）への取付配置が非常に簡便であり、汎用
性の高い直流電流センサーの構成として、コアが被検出
導線を貫通配置する際に周方向の少なくとも一ヶ所にて
分割可能な構成である直流電流センサーを提案する。
ものであり、内側に非接触検出する直流電流が流れる被
検出導線を貫通配置する環状の軟質磁性材料からなるコ
アと、該コアにトロイダル状に巻回配置した励磁コイル
および検出コイルを有する構成からなり、前記励磁コイ
ルに、コア内に該コアの保磁力を超える磁場を発生させ
る三角波状の励磁電流を流し、コア内の磁束の向きが反
転するタイミングを前記検出コイルに発生するパルス状
の電圧にて検出し、該パルスの間隔を比較測定すること
により、被検出導線に流れる直流電流の絶対値を検出す
ることを特徴とする直流電流センサーである。また、こ
の発明では、１つのコイルで励磁コイルと検出コイルの
機能を共用したことを特徴とする直流電流センサーを併
せて提案する。さらに、すでに配線が完了している導線
（被検出導線）への取付配置が非常に簡便であり、汎用
性の高い直流電流センサーの構成として、コアが被検出
導線を貫通配置する際に周方向の少なくとも一ヶ所にて
分割可能な構成である直流電流センサーを提案する。
【００１１】
【作用】以下、この発明の直流電流センサーの作用を図
面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の直流
電流センサーの一実施例を示す概要説明図であり、１は
直流電流センサーの本体部を示している。図１におい
て、１１は内側に非接触検出する直流電流が流れる被検
出導線１２を貫通配置する環状の軟質磁性材料からなる
コアであり、例えば、公知のパーマロイ等からなる軟質
磁性材料をリング状に打ち抜き、所定の熱処理を施した
後、複数枚を積層して絶縁性樹脂ケース内に配置した構
成等からなる。図１において、１３は励磁コイルであ
り、上記コア１１にトロイダル状に巻回配置されてい
る。１４は検出コイルであり、励磁コイル１３と同様に
上記コア１１にトロイダル状に巻回配置されている。図
１において、２は励磁コイル１３に接続する電源部であ
り、ファンクションジェネレータと定電流アンプからな
り、後述する所定の三角波の励磁電流を流す。また、３
は検出コイル１４に接続する電気回路部であり、後述す
る検出コイル１４にて検出したパルス電圧に基づいて、
所定のアナログ出力を得る。
面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の直流
電流センサーの一実施例を示す概要説明図であり、１は
直流電流センサーの本体部を示している。図１におい
て、１１は内側に非接触検出する直流電流が流れる被検
出導線１２を貫通配置する環状の軟質磁性材料からなる
コアであり、例えば、公知のパーマロイ等からなる軟質
磁性材料をリング状に打ち抜き、所定の熱処理を施した
後、複数枚を積層して絶縁性樹脂ケース内に配置した構
成等からなる。図１において、１３は励磁コイルであ
り、上記コア１１にトロイダル状に巻回配置されてい
る。１４は検出コイルであり、励磁コイル１３と同様に
上記コア１１にトロイダル状に巻回配置されている。図
１において、２は励磁コイル１３に接続する電源部であ
り、ファンクションジェネレータと定電流アンプからな
り、後述する所定の三角波の励磁電流を流す。また、３
は検出コイル１４に接続する電気回路部であり、後述す
る検出コイル１４にて検出したパルス電圧に基づいて、
所定のアナログ出力を得る。
【００１２】この構成において、コア１１の磁気特性を
図３（Ａ）とした場合、励磁コイル１３に、図３（Ｂ）
に示す如きコア１１内に該コア１１の保磁力を超える磁
場を発生させる三角波状の励磁電流ｉを流す。すなわ
ち、電流のピーク値をｉpとし、コア１１の保磁力をＨ
ｃとするとＨｃ≪Ｎｉp／ｌとなるように三角波状励磁
電流のピーク値ｉpを設定する。なお、ここで、Ｎは励
磁コイル１３の巻数、ｌはコア１１の磁路長である。被
検出導線１２に電流Ｉが流れていない場合（Ｉ＝０）に
おいては、励磁電流ｉが増加してＮｉ／ｌ＝Ｈｃになっ
た時、また、励磁電流ｉが減少してＮｉ／ｌ＝−Ｈｃに
なった時にそれぞれコア１１内の磁束の向きが急速に反
転し、該反転時に検出コイル１４に図３（Ｃ）に示すご
とき逆向きのパルス電圧が発生する。ここで、コア１１
の保磁力（Ｈｃ）が正負対称であれば、保磁力（Ｈｃ）
の大きさによらず、三角波の山側と谷側で発生するパル
ス間隔ｔ1，ｔ2は等しくなる（図３（Ｂ）及び図３
（Ｃ）参照）。
図３（Ａ）とした場合、励磁コイル１３に、図３（Ｂ）
に示す如きコア１１内に該コア１１の保磁力を超える磁
場を発生させる三角波状の励磁電流ｉを流す。すなわ
ち、電流のピーク値をｉpとし、コア１１の保磁力をＨ
ｃとするとＨｃ≪Ｎｉp／ｌとなるように三角波状励磁
電流のピーク値ｉpを設定する。なお、ここで、Ｎは励
磁コイル１３の巻数、ｌはコア１１の磁路長である。被
検出導線１２に電流Ｉが流れていない場合（Ｉ＝０）に
おいては、励磁電流ｉが増加してＮｉ／ｌ＝Ｈｃになっ
た時、また、励磁電流ｉが減少してＮｉ／ｌ＝−Ｈｃに
なった時にそれぞれコア１１内の磁束の向きが急速に反
転し、該反転時に検出コイル１４に図３（Ｃ）に示すご
とき逆向きのパルス電圧が発生する。ここで、コア１１
の保磁力（Ｈｃ）が正負対称であれば、保磁力（Ｈｃ）
の大きさによらず、三角波の山側と谷側で発生するパル
ス間隔ｔ1，ｔ2は等しくなる（図３（Ｂ）及び図３
（Ｃ）参照）。
【００１３】また、被検出導線１２に電流Ｉが流れてい
る場合（Ｉ＝Ｉ0）においては、コア１１内に上記に説
明したような励磁電流ｉの増減によって発生する磁場以
外に被検出導線１２に流れる電流Ｉによって、予め磁場
（Ｉ0／ｌ）が形成されることから、これらの磁場が重
畳され図３（Ｄ）に示すごとく励磁電流ｉが増加してＮ
ｉ／ｌ＝Ｉ0／ｌ＋Ｈｃになった時、また、励磁電流ｉ
が減少してＮｉ／ｌ＝Ｉ0／ｌ−Ｈｃになった時にそれ
ぞれコア１１内の磁束の向きが急速に反転し、該反転時
に検出コイル１４に図３（Ｅ）に示すごとき逆向きのパ
ルス電圧が発生することとなる。この場合は、コア１１
の保磁力（Ｈｃ）が正負対称であったとしても三角波の
山側と谷側で発生するパルス間隔ｔ1，ｔ2に差（ｔ1＜
ｔ2)が生じることとなる（図３（Ｄ）及び図３（Ｅ）参
照）。しかし、励磁電流ｉの時間当たりの変化が一定
で、かつ増加時と減少時の傾きの絶対値が等しい場合
（ｄｉ（増加）／ｄｔ＝−ｄｉ（減少）／ｄｔ＝一定）
は、被検出導線１２に流れる電流Ｉが｛（ｔ2−ｔ1）／
（ｔ2＋ｔ1）｝と比例する。
る場合（Ｉ＝Ｉ0）においては、コア１１内に上記に説
明したような励磁電流ｉの増減によって発生する磁場以
外に被検出導線１２に流れる電流Ｉによって、予め磁場
（Ｉ0／ｌ）が形成されることから、これらの磁場が重
畳され図３（Ｄ）に示すごとく励磁電流ｉが増加してＮ
ｉ／ｌ＝Ｉ0／ｌ＋Ｈｃになった時、また、励磁電流ｉ
が減少してＮｉ／ｌ＝Ｉ0／ｌ−Ｈｃになった時にそれ
ぞれコア１１内の磁束の向きが急速に反転し、該反転時
に検出コイル１４に図３（Ｅ）に示すごとき逆向きのパ
ルス電圧が発生することとなる。この場合は、コア１１
の保磁力（Ｈｃ）が正負対称であったとしても三角波の
山側と谷側で発生するパルス間隔ｔ1，ｔ2に差（ｔ1＜
ｔ2)が生じることとなる（図３（Ｄ）及び図３（Ｅ）参
照）。しかし、励磁電流ｉの時間当たりの変化が一定
で、かつ増加時と減少時の傾きの絶対値が等しい場合
（ｄｉ（増加）／ｄｔ＝−ｄｉ（減少）／ｄｔ＝一定）
は、被検出導線１２に流れる電流Ｉが｛（ｔ2−ｔ1）／
（ｔ2＋ｔ1）｝と比例する。
【００１４】従って、予めこれらのパルス間隔ｔ1，ｔ2
の差と被検出導線１２に流れている電流Ｉとの相関を測
定しておくことによって、それぞれパルス間隔ｔ1，ｔ2
を電気的に計測することで被検出導線１２に流れている
電流Ｉの絶対値と向きを検出することが可能となる。例
えば、図１に示す構成において、被検出導線１２に電流
Ｉが流れている時、ファンクションジェネレータと定電
流アンプからなる電源部２から励磁コイル１３に所定の
三角波状の励磁電流ｉを流すと、検出コイル１４には電
流Ｉの絶対値に対応したパルス状の電圧が検出され、電
気回路３を介して、最終的に所定のアナログ出力を得る
ことができる。なお、図１の電気回路３に示す各々の位
置Ａ〜Ｄにおける電気信号の概要を図２に示す。
の差と被検出導線１２に流れている電流Ｉとの相関を測
定しておくことによって、それぞれパルス間隔ｔ1，ｔ2
を電気的に計測することで被検出導線１２に流れている
電流Ｉの絶対値と向きを検出することが可能となる。例
えば、図１に示す構成において、被検出導線１２に電流
Ｉが流れている時、ファンクションジェネレータと定電
流アンプからなる電源部２から励磁コイル１３に所定の
三角波状の励磁電流ｉを流すと、検出コイル１４には電
流Ｉの絶対値に対応したパルス状の電圧が検出され、電
気回路３を介して、最終的に所定のアナログ出力を得る
ことができる。なお、図１の電気回路３に示す各々の位
置Ａ〜Ｄにおける電気信号の概要を図２に示す。
【００１５】以上では、コア１１に巻回配置する励磁コ
イル１３と検出コイル１４とが独立して設けられている
構成にて説明したが、これらの励磁コイル１３と検出コ
イル１４は実質的に同方向、同位値に巻回配置されてお
り、励磁コイル１３にも上記のパルス状の電圧が発生す
ることから、電気的にパルス成分のみを取り出す回路を
付加することによって励磁コイル１３自体に検出コイル
１４の機能を共用させることが可能となる。また、この
発明の直流電流センサーは、コア１１の構造が非常に簡
単であることから、容易に分割することが可能である。
したがって、すでに配線が完了している被検出導線への
取付配置が非常に簡便になり、使用用途を大幅に拡大す
ることが可能となる。
イル１３と検出コイル１４とが独立して設けられている
構成にて説明したが、これらの励磁コイル１３と検出コ
イル１４は実質的に同方向、同位値に巻回配置されてお
り、励磁コイル１３にも上記のパルス状の電圧が発生す
ることから、電気的にパルス成分のみを取り出す回路を
付加することによって励磁コイル１３自体に検出コイル
１４の機能を共用させることが可能となる。また、この
発明の直流電流センサーは、コア１１の構造が非常に簡
単であることから、容易に分割することが可能である。
したがって、すでに配線が完了している被検出導線への
取付配置が非常に簡便になり、使用用途を大幅に拡大す
ることが可能となる。
【００１６】図４（Ａ），（Ｂ）は、分割型のコアを採
用したこの発明の直流電流センサーの一実施例を示す平
面説明図と正面説明図である。コア１１は略Ｃ字型を形
成する一対のコア部材１１ａと１１ｂとによって構成さ
れている。また、一方のコア部材（図においては、１１
ａ側）にのみ励磁コイルと検出コイルの機能を共用する
共用コイル１５を巻回配置している。なお、一対のコア
部材１１ａと１１ｂの接続部は、それぞれが容易に嵌合
して一体化するよう、予め図に示すように対向部のコア
素材突出量を調整して凹凸部を形成するような構成を採
用することができる。従って、すでに配線が完了してい
る被検出導線１２を、この発明の直流電流センサーのコ
ア１１の内側に貫通配置させるためには、被検出導線１
２を一旦切断することなく、一対のコア部材１１ａと１
１ｂを被検出導線１２の周囲に配置した後、互いの対向
部を嵌合して一体化することによって、容易に実施する
ことができる。また、共用コイル１５も一方のコア部材
に配置されるだけであり、さらに、励磁コイルと検出コ
イルが独立して配置される構成を採用する場合でも一方
のコア部材に配置することで目的とする計測が実現でき
ることから、これらの一対のコア部材１１ａと１１ｂの
接続一体化の際にこれらコイルの断線等の危険性が低減
され、取り扱いが一層容易になる。
用したこの発明の直流電流センサーの一実施例を示す平
面説明図と正面説明図である。コア１１は略Ｃ字型を形
成する一対のコア部材１１ａと１１ｂとによって構成さ
れている。また、一方のコア部材（図においては、１１
ａ側）にのみ励磁コイルと検出コイルの機能を共用する
共用コイル１５を巻回配置している。なお、一対のコア
部材１１ａと１１ｂの接続部は、それぞれが容易に嵌合
して一体化するよう、予め図に示すように対向部のコア
素材突出量を調整して凹凸部を形成するような構成を採
用することができる。従って、すでに配線が完了してい
る被検出導線１２を、この発明の直流電流センサーのコ
ア１１の内側に貫通配置させるためには、被検出導線１
２を一旦切断することなく、一対のコア部材１１ａと１
１ｂを被検出導線１２の周囲に配置した後、互いの対向
部を嵌合して一体化することによって、容易に実施する
ことができる。また、共用コイル１５も一方のコア部材
に配置されるだけであり、さらに、励磁コイルと検出コ
イルが独立して配置される構成を採用する場合でも一方
のコア部材に配置することで目的とする計測が実現でき
ることから、これらの一対のコア部材１１ａと１１ｂの
接続一体化の際にこれらコイルの断線等の危険性が低減
され、取り扱いが一層容易になる。
【００１７】さらに、この発明の直流電流センサーは、
分割型のコアを採用した場合でも計測精度が維持できる
特徴がある。すなわち、分割型のコアを組み合せる構造
は少なからず磁気的なギャップの発生が避けられない。
例えば、ホール素子を用いた電磁変換型（磁束密度ある
いは磁束の量を検出する方式）で、Ｃ字状クランプ型の
片手操作が可能な構成（クランプ式テスター）は、Ｃ字
コア内に被検出導線を配置した後、ばねなどで閉じられ
るコア当接部の磁気的なギャップによりコアに発生した
磁束密度が低下して計測誤差を生じるため、コア当接部
をねじなどにて締めつけて磁気抵抗を下げる必要がある
が、このハンディタイプではねじ止め構成を採用するこ
とができず、コア当接部の押圧力の変化により磁気抵抗
が変化して計測値が安定しない問題があった。ところ
が、この発明では、分割型コアを採用した場合も、各々
のコア部材の当接、接合部において磁気抵抗が増加する
が、検出コイルに発生するパルス信号の高さが低くなる
だけで、時間的な位置、すなわち、反転のタイミングは
全く変わらないことから、コアを分割することによる検
出精度への影響は極めて小さく、例えば、パルスのピー
ク位置を検出する電子回路を接続することにより、先に
説明した非分割型のコアを採用した場合とほぼ同様な計
測を実現することができ、上記のようなハンディタイプ
のクランプ型などの用途に最適である。
分割型のコアを採用した場合でも計測精度が維持できる
特徴がある。すなわち、分割型のコアを組み合せる構造
は少なからず磁気的なギャップの発生が避けられない。
例えば、ホール素子を用いた電磁変換型（磁束密度ある
いは磁束の量を検出する方式）で、Ｃ字状クランプ型の
片手操作が可能な構成（クランプ式テスター）は、Ｃ字
コア内に被検出導線を配置した後、ばねなどで閉じられ
るコア当接部の磁気的なギャップによりコアに発生した
磁束密度が低下して計測誤差を生じるため、コア当接部
をねじなどにて締めつけて磁気抵抗を下げる必要がある
が、このハンディタイプではねじ止め構成を採用するこ
とができず、コア当接部の押圧力の変化により磁気抵抗
が変化して計測値が安定しない問題があった。ところ
が、この発明では、分割型コアを採用した場合も、各々
のコア部材の当接、接合部において磁気抵抗が増加する
が、検出コイルに発生するパルス信号の高さが低くなる
だけで、時間的な位置、すなわち、反転のタイミングは
全く変わらないことから、コアを分割することによる検
出精度への影響は極めて小さく、例えば、パルスのピー
ク位置を検出する電子回路を接続することにより、先に
説明した非分割型のコアを採用した場合とほぼ同様な計
測を実現することができ、上記のようなハンディタイプ
のクランプ型などの用途に最適である。
【００１８】以上に示すこの発明の直流電流センサー
は、コアとして環状の軟質磁性材料を必須とするが、被
検出導線に流れる電流の大きさ、すなわちセンサーに要
求される検出感度等に応じて該軟質磁性材料の材質を選
定することが好ましい。通常、磁気特性とともに加工性
等を考慮するとパーマロイが好ましいが、その他ケイ素
鋼板、アモルファス、電磁軟鉄、ソフトフェライト等の
公知の軟質磁性材料の使用が可能であり、これらを組み
合せて用いても良い。また、これらの軟質磁性材料は単
板で構成しても良いが、先に説明した実施例のように複
数枚の軟質磁性材料を積層して一体化構成を採用するこ
とも可能である。
は、コアとして環状の軟質磁性材料を必須とするが、被
検出導線に流れる電流の大きさ、すなわちセンサーに要
求される検出感度等に応じて該軟質磁性材料の材質を選
定することが好ましい。通常、磁気特性とともに加工性
等を考慮するとパーマロイが好ましいが、その他ケイ素
鋼板、アモルファス、電磁軟鉄、ソフトフェライト等の
公知の軟質磁性材料の使用が可能であり、これらを組み
合せて用いても良い。また、これらの軟質磁性材料は単
板で構成しても良いが、先に説明した実施例のように複
数枚の軟質磁性材料を積層して一体化構成を採用するこ
とも可能である。
【００１９】さらに、この発明の直流電流センサーにお
いて、環状の軟質磁性材料とは、軟質磁性材料が所謂リ
ング状になっていることに限定されるものでなく、軟質
磁性材料が電磁気的な閉回路を構成できるように接続さ
れていれば良く、図示の如く円環状の他、楕円環状、矩
形枠状等種々の構成が採用できる。特に、分割型のコア
を用いる場合は、先に説明した実施例の構成に限定され
ることなく、被検出導線の設置箇所や各コア部材の組立
一体化の作業性等を考慮して分割数や接合部の構成を種
々選定するのが好ましい。必要に応じて、この発明の直
流電流センサーをパーマロイや無方向性ケイ素鋼板等か
らなるシールドケースにて覆い、誘導ノイズの混入を防
止することが望ましい。
いて、環状の軟質磁性材料とは、軟質磁性材料が所謂リ
ング状になっていることに限定されるものでなく、軟質
磁性材料が電磁気的な閉回路を構成できるように接続さ
れていれば良く、図示の如く円環状の他、楕円環状、矩
形枠状等種々の構成が採用できる。特に、分割型のコア
を用いる場合は、先に説明した実施例の構成に限定され
ることなく、被検出導線の設置箇所や各コア部材の組立
一体化の作業性等を考慮して分割数や接合部の構成を種
々選定するのが好ましい。必要に応じて、この発明の直
流電流センサーをパーマロイや無方向性ケイ素鋼板等か
らなるシールドケースにて覆い、誘導ノイズの混入を防
止することが望ましい。
【００２０】
【実施例】厚さ０．５ｍｍの薄板からなるパーマロイＣ
（７８％Ｎｉ−５％Ｍｏ−４％Ｃｕ−ｂａｌＦｅ）を外
径４５ｍｍ、内径３３ｍｍのリング状に打ち抜き、さら
に水素ガス雰囲気にて１１００℃×３ｈｒの熱処理を施
した後、６００°Ｃ〜４００℃の間を１００℃／ｈｒで
多段の冷却処理を施す熱処理を完了させ、この発明の直
流電流センサーを構成するコア素材を作成した。このコ
ア素材３枚を絶縁性樹脂からなるケース内に積層して配
置して、環状のコア１１とした。
（７８％Ｎｉ−５％Ｍｏ−４％Ｃｕ−ｂａｌＦｅ）を外
径４５ｍｍ、内径３３ｍｍのリング状に打ち抜き、さら
に水素ガス雰囲気にて１１００℃×３ｈｒの熱処理を施
した後、６００°Ｃ〜４００℃の間を１００℃／ｈｒで
多段の冷却処理を施す熱処理を完了させ、この発明の直
流電流センサーを構成するコア素材を作成した。このコ
ア素材３枚を絶縁性樹脂からなるケース内に積層して配
置して、環状のコア１１とした。
【００２１】このコア１１に、外径０．２ｍｍのホルマ
ル線をトロイダル状に１００ターン巻回して励磁コイル
１３とした。また、外径０．１ｍｍのホルマル線をトロ
イダル状に１００ターン巻回して検出コイル１４とし
た。これらの励磁コイル１３と検出コイル１４を、それ
ぞれ図１に示すように電源部２及び電気回路部３に接続
して、この発明の直流電流センサーを完成した。コア１
１内に、外径８ｍｍのビニル被覆からなる被検出導線１
２を貫通配置した後、前記励磁コイル１３に５０Ｈｚ、
ｉp＝±０．１５Ａの三角波電流を流すとともに、被検
出導線１２に流す直流電流（被検出電流）を変化させた
ときの、最終的の出力特性を図５に示す。図６は、特に
微小電流域での出力特性を示したものである。
ル線をトロイダル状に１００ターン巻回して励磁コイル
１３とした。また、外径０．１ｍｍのホルマル線をトロ
イダル状に１００ターン巻回して検出コイル１４とし
た。これらの励磁コイル１３と検出コイル１４を、それ
ぞれ図１に示すように電源部２及び電気回路部３に接続
して、この発明の直流電流センサーを完成した。コア１
１内に、外径８ｍｍのビニル被覆からなる被検出導線１
２を貫通配置した後、前記励磁コイル１３に５０Ｈｚ、
ｉp＝±０．１５Ａの三角波電流を流すとともに、被検
出導線１２に流す直流電流（被検出電流）を変化させた
ときの、最終的の出力特性を図５に示す。図６は、特に
微小電流域での出力特性を示したものである。
【００２２】この実施例からも明らかなように、比較的
広範囲の電流変化に対しても高精度の測定が可能であり
（０．５Ａ〜１０Ａの範囲で±２％の精度が確保できる
ことを確認した）、また、微小電流域においても同様
に、比較的高精度の測定が可能である（０．１Ａ〜０．
５Ａの範囲で±５％の精度が確保できることを確認し
た）ことから、種々の用途に採用することができ、特に
直流機器の制御や保守管理において、この発明の効果を
有効に実現することができる。
広範囲の電流変化に対しても高精度の測定が可能であり
（０．５Ａ〜１０Ａの範囲で±２％の精度が確保できる
ことを確認した）、また、微小電流域においても同様
に、比較的高精度の測定が可能である（０．１Ａ〜０．
５Ａの範囲で±５％の精度が確保できることを確認し
た）ことから、種々の用途に採用することができ、特に
直流機器の制御や保守管理において、この発明の効果を
有効に実現することができる。
【００２３】
【発明の効果】この発明の直流電流センサーは、基本的
の構成に環状の軟質磁性材料からなるコアに、励磁コイ
ルおよび検出コイルをトロイダル状に巻回配置した最も
シンプルな構成を採用していることから構造が比較的簡
単であり、また、励磁コイルに、コアの保磁力を超える
磁場を発生させる三角波状の励磁電流を流し、その時の
コア内の磁束の向きが反転するタイミングを検出コイル
に発生するパルス状の電圧にて検出し、これらのパルス
間隔を比較測定することにより、被検出導線に流れる直
流電流の絶対値と向きを検出する構成であることから、
電気回路もあまり複雑でなく、しかも、微小な電流から
比較的大きな電流までの広範囲の電流変化（例えば、
０．２Ａ〜２０Ａ程度）に対して直線性に優れた検出能
力を有することから、種々の直流機器の制御や保守管理
用のセンサーとして採用することができる。特に、コア
を周方向の少なくとも一ヶ所にて分割可能に構成するこ
とによって、予め配線が完了している被検出導線への取
付配置が非常に簡便となり、直流電流センサーの用途を
一層拡大することが可能となる。
の構成に環状の軟質磁性材料からなるコアに、励磁コイ
ルおよび検出コイルをトロイダル状に巻回配置した最も
シンプルな構成を採用していることから構造が比較的簡
単であり、また、励磁コイルに、コアの保磁力を超える
磁場を発生させる三角波状の励磁電流を流し、その時の
コア内の磁束の向きが反転するタイミングを検出コイル
に発生するパルス状の電圧にて検出し、これらのパルス
間隔を比較測定することにより、被検出導線に流れる直
流電流の絶対値と向きを検出する構成であることから、
電気回路もあまり複雑でなく、しかも、微小な電流から
比較的大きな電流までの広範囲の電流変化（例えば、
０．２Ａ〜２０Ａ程度）に対して直線性に優れた検出能
力を有することから、種々の直流機器の制御や保守管理
用のセンサーとして採用することができる。特に、コア
を周方向の少なくとも一ヶ所にて分割可能に構成するこ
とによって、予め配線が完了している被検出導線への取
付配置が非常に簡便となり、直流電流センサーの用途を
一層拡大することが可能となる。
【図１】この発明の直流電流センサーの一実施例を示す
概要説明図である。
概要説明図である。
【図２】Ａ〜Ｄはそれぞれ図１に示す電気回路のＡ〜Ｄ
の箇所における電気信号の概要を示す説明図である。
の箇所における電気信号の概要を示す説明図である。
【図３】Ａ〜Ｅは図１に示す直流電流センサーの作動原
理を示す概念説明図である。
理を示す概念説明図である。
【図４】Ａはこの発明の直流電流センサーの他の実施例
を示す平面説明図で、Ｂは正面説明図である。
を示す平面説明図で、Ｂは正面説明図である。
【図５】図１に示すこの発明の直流電流センサーにおけ
る被検出導線に流れる直流電流と出力との関係を示す線
グラフである。
る被検出導線に流れる直流電流と出力との関係を示す線
グラフである。
【図６】図１に示すこの発明の直流電流センサーにおけ
る被検出導線に流れる直流電流と出力との関係を示す線
グラフである。
る被検出導線に流れる直流電流と出力との関係を示す線
グラフである。
１ 直流電流センサーの本体部 ２ 電源部 ３ 電気回路部 １１ コア １１ａ，１１ｂ コア部材 １２ 被検出導線 １３ 励磁コイル １４ 検出コイル １５ 共用コイル ２１ ファンクションジェネレータ ２２ 定電流アンプ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年９月２１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１２】この構成において、コア１１の磁気特性を
図３（Ａ）とした場合、励磁コイル１３に、コア１１の
保磁力を超える磁場を該コア１１内に発生させる三角波
状の励磁電流ｉを流す。すなわち、電流のピーク値をｉ
pとし、コア１１の保磁力をＨｃとするとＨｃ≪Ｎｉp／
ｌとなるように三角波状励磁電流のピーク値ｉpを設定
する。なお、ここで、Ｎは励磁コイル１３の巻数、ｌは
コア１１の磁路長である。この励磁電流ｉによる励磁コ
ア１１内の磁場Ｈの時間変化を図３（Ｂ）に示す。被検
出導線１２に電流Ｉが流れていない場合（Ｉ＝０）にお
いては、励磁電流ｉが増加してＮｉ／ｌ＝Ｈｃになった
時、また、励磁電流ｉが減少してＮｉ／ｌ＝−Ｈｃにな
った時にそれぞれコア１１内の磁束の向きが急速に反転
し、該反転時に検出コイル１４に図３（Ｃ）に示すごと
き逆向きのパルス電圧が発生する。ここで、コア１１の
保磁力（Ｈｃ）が正負対称であれば、保磁力（Ｈｃ）の
大きさによらず、三角波の山側と谷側で発生するパルス
間隔ｔ1，ｔ2は等しくなる（図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）
参照）。
図３（Ａ）とした場合、励磁コイル１３に、コア１１の
保磁力を超える磁場を該コア１１内に発生させる三角波
状の励磁電流ｉを流す。すなわち、電流のピーク値をｉ
pとし、コア１１の保磁力をＨｃとするとＨｃ≪Ｎｉp／
ｌとなるように三角波状励磁電流のピーク値ｉpを設定
する。なお、ここで、Ｎは励磁コイル１３の巻数、ｌは
コア１１の磁路長である。この励磁電流ｉによる励磁コ
ア１１内の磁場Ｈの時間変化を図３（Ｂ）に示す。被検
出導線１２に電流Ｉが流れていない場合（Ｉ＝０）にお
いては、励磁電流ｉが増加してＮｉ／ｌ＝Ｈｃになった
時、また、励磁電流ｉが減少してＮｉ／ｌ＝−Ｈｃにな
った時にそれぞれコア１１内の磁束の向きが急速に反転
し、該反転時に検出コイル１４に図３（Ｃ）に示すごと
き逆向きのパルス電圧が発生する。ここで、コア１１の
保磁力（Ｈｃ）が正負対称であれば、保磁力（Ｈｃ）の
大きさによらず、三角波の山側と谷側で発生するパルス
間隔ｔ1，ｔ2は等しくなる（図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）
参照）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１３】また、被検出導線１２に電流Ｉが流れてい
る場合（Ｉ＝Ｉ0）においては、コア１１内に上記に説
明したような励磁電流ｉの増減によって発生する磁場以
外に被検出導線１２に流れる電流Ｉによって、予め磁場
（Ｉ0／ｌ）が形成されることから、これらの磁場が重
畳され図３（Ｄ）に示すごとく励磁電流ｉが増加して励
磁コア１１内の磁場ＨがＨ ＝ Ｎｉ／ｌ − Ｉ0 ／
ｌ ＝ ＋Ｈｃになった時、また、励磁電流ｉが減少し
て励磁コア１１内の磁場ＨがＨ ＝ Ｎｉ／ｌ− Ｉ0
／ｌ ＝ −Ｈｃになった時にそれぞれコア１１内の磁
束の向きが急速に反転し、該反転時に検出コイル１４に
図３（Ｅ）に示すごとき逆向きのパルス電圧が発生する
こととなる。この場合は、コア１１の保磁力（Ｈｃ）が
正負対称であったとしても三角波の山側と谷側で発生す
るパルス間隔ｔ1，ｔ2に差（ｔ1＜ｔ2)が生じることと
なる（図３（Ｄ）及び図３（Ｅ）参照）。しかし、励磁
電流ｉの時間当たりの変化が一定で、かつ増加時と減少
時の傾きの絶対値が等しい場合（ｄｉ（増加）／ｄｔ＝
−ｄｉ（減少）／ｄｔ＝一定）は、被検出導線１２に流
れる電流Ｉが｛（ｔ2−ｔ1）／（ｔ2＋ｔ1）｝と比例す
る。
る場合（Ｉ＝Ｉ0）においては、コア１１内に上記に説
明したような励磁電流ｉの増減によって発生する磁場以
外に被検出導線１２に流れる電流Ｉによって、予め磁場
（Ｉ0／ｌ）が形成されることから、これらの磁場が重
畳され図３（Ｄ）に示すごとく励磁電流ｉが増加して励
磁コア１１内の磁場ＨがＨ ＝ Ｎｉ／ｌ − Ｉ0 ／
ｌ ＝ ＋Ｈｃになった時、また、励磁電流ｉが減少し
て励磁コア１１内の磁場ＨがＨ ＝ Ｎｉ／ｌ− Ｉ0
／ｌ ＝ −Ｈｃになった時にそれぞれコア１１内の磁
束の向きが急速に反転し、該反転時に検出コイル１４に
図３（Ｅ）に示すごとき逆向きのパルス電圧が発生する
こととなる。この場合は、コア１１の保磁力（Ｈｃ）が
正負対称であったとしても三角波の山側と谷側で発生す
るパルス間隔ｔ1，ｔ2に差（ｔ1＜ｔ2)が生じることと
なる（図３（Ｄ）及び図３（Ｅ）参照）。しかし、励磁
電流ｉの時間当たりの変化が一定で、かつ増加時と減少
時の傾きの絶対値が等しい場合（ｄｉ（増加）／ｄｔ＝
−ｄｉ（減少）／ｄｔ＝一定）は、被検出導線１２に流
れる電流Ｉが｛（ｔ2−ｔ1）／（ｔ2＋ｔ1）｝と比例す
る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
Claims (3)
- 【請求項１】 内側に非接触検出する直流電流が流れる
被検出導線を貫通配置する環状の軟質磁性材料からなる
コアと、該コアにトロイダル状に巻回配置した励磁コイ
ルおよび検出コイルを有する構成からなり、前記励磁コ
イルに、コア内に該コアの保磁力を超える磁場を発生さ
せる三角波状の励磁電流を流し、コア内の磁束の向きが
反転するタイミングを前記検出コイルに発生するパルス
状の電圧にて検出し、該パルスの間隔を比較測定するこ
とにより、被検出導線に流れる直流電流の絶対値を検出
することを特徴とする直流電流センサー。 - 【請求項２】 １つのコイルで励磁コイルと検出コイル
の機能を共用したことを特徴とする請求項１に記載の直
流電流センサー。 - 【請求項３】 コアが被検出導線を貫通配置する際に周
方向の少なくとも一ヶ所にて分割可能な構成であること
を特徴とする請求項１に記載の直流電流センサー。
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| JP5297542A JPH07128373A (ja) | 1993-11-02 | 1993-11-02 | 直流電流センサー |
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