JPS60196679A - 共振差動形自励式電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高透磁率の磁心とオペアンプ＃によって磁気
半導体結合回路を構成し、外周の一様な平行磁場による
影響を差動結線によって打消し、この回路の自励動作に
よって入力回路に流れる直流電流を検出する電流センサ
に関する。

従来技術の直流電流測定方法の代表とされる環状磁心を
用いた磁気変調器は、交流励磁電源を別画路とする他励
式であった。

このため、基本構成は、電流検出素子として環状磁心を
用いた電流感応部、磁心を数ＫＩ−１ｚから数１０１（
Ｉ−１ｚの励磁周波数ｆで励磁する交流励磁電源を内蔵
する駆動回路部、磁心の倍周波（２ｆ）成分を増申し、
位相検波する同期整流部、励磁周波数ｆよ、！２２ｆ成
分の参照信号を作りたし、同期整流部に入力するための
逓倍回路部、さら妬電流の大きさを表示する表示回路部
などの多くの部品点数を必要とする回路構成から成り立
つ、、また、閉磁路環状磁心では生産性が悪く、環状磁
心に巻線を−施す巻線作業の困難さ、環状磁心の巻線に
起因する磁気特性のばらつき、巻線作業の前後のセツテ
ィング作業のわずられしさ、巻線磁心のコスト高など、
製造上に大きな問題点を含んでいた。

そこで本発明では、電流検出回路方式を単純化すること
によシ部品点数を大巾に削減し、かつ小型の共振差動形
自励式電流センサを提供する。

まず第１の特徴は、第１磁心と第２磁心の巻線を外周か
らの外乱磁場が差動入力となって打消されるように結線
し、入力電流によって発生する磁界は、有効に磁心に印
加され得るようにした点である。

第２の特徴は、駆動回路部から電流感応部へ・、送る電
流は直流伝送とし、差動結線された２個の磁心と電圧入
力で制御される電圧スイッチング素子としてのオペアン
プからなる電流感応部それ自体で磁気半導体結合形の自
励回路を構成し、また電流感応部からの出力信号は、入
力電流の磁界によって生じる第２高調波成分がオペアン
プに電圧入力されることにより正負半ザイクル期間の比
率が可変する方形波交流信号となシ、これを積分して得
られる直流信号を、電流検出の対象信号とすることによ
って、電流感応部と駆動回路部を数１０ｍ〜数１００ｍ
離しても電流検出信号を取シ出せるＤｃ−ｐｃ伝送方式
を実現した点である。

第３の特徴は、電流感応部に使用する磁心とし金回路と
して非常に安定した電流感応型自励回路を構成したこと
である。その・結果、高周波交流励磁電源、交流振ｒｌ
Ｊ安定化回路部が不用になシ、伝送路途上での交流励磁
電流の減衰防止対策、信号電圧の減衰防止対策が全く不
用になった。

第４の特徴は、入力電流の流れる方向と大きさを、位相
検波や振巾検波回路を使用せずに、出力電圧の極性と電
圧値に直接変換し、信号処理を電流感応部内体で処理し
てしまう機能を持たせたことである。

第５の特徴は、２つの正負直流安定化電源によって電流
感応部を駆動させるもので、信号処理回路に使用される
オペアンプ用電源が共用でき、がっ、コモンアースを可
能にしたことである。

第６の特徴は、電流感応部は、消費電力が非常に小さい
ため、リニアＩＣレベルのプリント基板上で共存可能に
した、箋実用性と汎用性の高い差動形電流センザ方式で
あるといえる。すなわち、磁心を励磁する電流値は１０
ｍＡ以下で電圧入力によってスイッチング素子として動
作するオペアンプの出力で充分であシ、トランジスタに
よる励磁電流増巾回路を付加しなくても動作しうるよう
Ｋした点である。

以下、図面において本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明における電流検出素子の基本構成を示す
。

１ａ、１ｂはガラス管で、その外側には、端子２ａ、２
ｂの一次巻線２と、端子３ａ、３ｂを有する二次巻線３
が巻装されている。コンデンサ５は、端子３ａ、３ｂの
導線に結線されていて、かつ、端子２１）と３ｂは結線
され、アースＧされている。各巻線２，３の巻線極性は
図示の通り第１磁心４ａと第２磁心４ｂにおいて逆極性
とする。

ガラス管１ａ、ｌｂの中心空間部には、第１磁心４ａと
第２磁心４１）が挿入されている。磁心材料は、低保磁
力、高透磁率のすＩＳン状、あるいは線材状のアモルフ
ァス磁性細線材料が最適である。

ただし、他の材料として線状に加工された。（＋−マロ
イ線材、磁性薄膜を付着させた線材（磁性線）、硅素鋼
、純鉄フェライトなどの使用も不可能ではなく、磁性材
料の形状には特に制約はない。

寸だ、第１磁心４ａｌＣは、被測定電流を流すために、
端子５υ”ｔ５０ｂを有する入力回路５゜が磁心近傍あ
るいは密着して付加されている。

入力回路５０に流れる電流によって発生する磁界は、磁
心に有効に印加されることが大切である。

第２図は、本発明の動作原理を磁心のＢ　−ｉ　！特性
を用いて説明するための図である。ここで、理解を簡単
にするために、被測定電流の入力電流■によって発生す
る磁界が第１磁心にだけ印加するものとする。

第２図（ａ）は入力電流が零で、平行磁界あるいは無磁
場の中、ずなわぢＩ＝Ｏの時における第１磁心と第２磁
心の磁気特性を巻線側より統合してみたときの統合磁心
の１３−　ｉ特性を示したものである。磁性利料にはヒ
ステリシスが存在するため、励磁の１ザイクルで図示さ
れているように■→■→■→■→■の経路をたどること
になる。ここで、Ｉ−０の状態の時に、正の直流電圧を
一次巻線２に印加し、正の励磁界によって統合磁心とし
ての最大磁束密度Ｂｉ　ｔで励磁させると、図示の通シ
、その磁束密度変化ｌ〕はへ１３１２となる。そして統
合磁心の磁束密度がＢｍ　Ｋ達すると同時に直流電圧を
零にすれば、統合磁心に印加している励磁界はなくなる
ので磁束密度レベルは点Ｃ）から点■のレベ、ルに急速
に戻る。

今度は、負の直流電圧を印加して、負の励磁界によって
統合磁心を負の最大磁束密度−ｆ３ｍ　まで励磁させる
と、その磁束密度変化中は△ＪＪ３４となり、１△Ｂ１
２１　””　Ｉ△Ｂ５４１が成立することになる。

ところが、第２図（１つ）に示すごとく、正の入力電流
１’００）による発生磁界が、第１磁心４ａに印加して
いる状態から、前述の励磁サイクルをくシかえず場合を
考えてみると、まず、正励磁界の印加時における磁束密
度変化中は△Ｉ３’＋２、負励磁界の印加時ではΔＢ′
３４　となシ、ΔＢ’１２とΔＢ′３４の間には、明ら
かに１ΔＢ’１２１　＜　Ｉ△Ｂ’３４１が成立する。

いいかえれば、励磁用の直流電圧が零状態から統合磁心
を正あるいは負の最大磁束密度レベルにまで励磁するに
要する正励磁期間ｔ′十と負励磁期間１′−の間ＶＣｔ
’　＋　（ｔ’−の関係式が成立することになる。

次に、第２図（Ｃ）に示すごとく、負の入力端子Ｉ“（
く０）が、第１磁心４ａの入力回路５ｏに流れている状
態から前述の励磁サイクルをぐシがえすと、正励磁））
、ｐ　Ｋ△Ｂ″１□、負励磁時に△ＩＪＩＩ３４の磁束
密度変化が見られ、正励磁期間ｔ〃→−と負励磁期間ｔ
ＬＪ−の間に　ｌ　ＪＪ　＋＞　ｔＩＩ、−が成立する
ことになる。そこで、統合磁心に前述の励磁サイクル時
に、印加する励磁直流電圧値が、統合磁心の磁気飽和、
不飽和状態によって低下あるいは変動しないように、第
３図の電流検出回路に示すごとく一次巻線２と直列に可
変抵抗９を接続し、この可変抵抗によってインピーダン
ス調整をする。このようにすれば、統合磁心の磁束レベ
ルが最大磁束密度レベルのあるいは■に達すると同時に
自゛動的に直流電圧Ｖｃ。

−Ｖｃの極性が切シ換える場合を考えると、端子１０に
おける電圧波形ｅ（、は、正負両極性を有する方形波電
圧波形として観測されることになる。第４図は、このよ
うな仮定のもとに、■−〇、■′〉０．１“〈０の各場
合における端子１０における方形波電圧波形を図示した
ものである。図かられかるように、両極性方形波の正の
半サイクル持続期間ｔ’−４−，ｔ“十　と負の半サイ
クル持続期間ｔ’−ｔ“ア ーは、入力電流１．　Ｉ’、Ｉ“によって制御される、
ことがわかる。それ故、この方形波電圧を積分し、その
電圧積分値の符号と電圧値から入力電流［の極性と強さ
に対応させて、換算表示することにより入力端子の測定
を可能にすることができることがわかる。

そこで、この原理を現実の回路で実行させるときには、
磁心に印加する直流磁界成分によって偏磁された状態で
磁心を交流励磁すると、巻線に第２高調波成分が誘起す
るので、これを電圧制御形スイッチング素子に入力して
デユーティ比変化出力として使用するのである。

以下、本発明の詳細について磁心から説明する。

第５図は第１磁心と第２磁心の配列関係を説明するため
の図である。本発明では、平行磁界に対して差動的に動
作する２個の磁心の巻線、形状、配置は、その目的を達
成するすべての場合を含むものである。

第５図（ａ）は、直線状の１個の磁心あるいは２個の磁
心による構成例であって、１個の磁心の場合には、その
磁心の長さの半分の位置を境に２個の磁心に分割される
と考える。いずれの構成でも、平行な外部磁界による影
響は、差動結線のためほとんど影響を受けなくなる。

第１磁心４ａは、周辺に存在する入力回路５０を流れる
入力電流■によって偏磁されるので、共振回路の端子間
３ａ、３１）には、第２高調波成分が出現する。このた
め高僧中度で動作するオペアンプの出力はデユーティ比
の変化する方形波となる。実際には、スルーレートの悪
いオペアンプでは、当然のことながら台形波か三角波に
変形する。

分流導体５００は、強い入力電流Ｊを測定するために、
磁心に印加する入力電流値を抑制する目的と磁心から入
力回路への交流誘導成分を抑制する目的のために挿入さ
れるもので、必要に応じて挿入すればよい。尚、入力回
路５０の中間部分、分流導体５００の中間部分に抵抗な
どを挿入して入力電流の分流比および交流誘導成分の削
減割合を変えることは可能である。

第５図（１〕）は、ガラスエポキシ基板、セラミック基
板などのプリント基板Ｐの上に、入力回路５０゜５００
のパターンを形成し、その上に、磁心４ａを接着固定し
て配置した図で、この構成は量産時のコスト低減に大き
なメリットを生じる点に特徴がある。

第５図（Ｃ）および（ｄ）は、外部磁界による影響を除
去し、入力回路５ｏを流れ本電流によって生じる入力電
流磁界を２個の磁心４ａと４ｂに有効に印加しつるよう
にした構成例を示す。尚、入力電流によって発生する磁
界を打消すようにゼロメ準ノド法によるフィードバック
回路系を構成し、新たに打消巻線を磁心に設けて、直線
性の改善、ダイナミックレンジの拡大をはかることも可
能である。

当然のことなから磁心４ａ、４ｂあるいはオペアンプを
も含めてパーマロイなどからなる磁気シールドケース内
に納めて、外乱磁気ノイズにょる影響を除去することも
可能である。また、磁心形状に関しては、第５図（Ｃ）
の点線にて図示したものの変形タイプとして、１本の磁
心で半円の４ａ。

４ｂを構成し、その端面をつきあわせて極小ギャップを
有する開磁路の環状磁心にすることも可能である。

次に、本発明の動作原理を、具体的回路にふ・いて説明
する。

第６図は、本発明の動作原理を自動的に遂行する回路例
であって磁心、４．　ａ、、４．　ｂ　ｉ励磁する直流
電圧を自動的に切り換えるようにした電流感応部１００
、正負駆動直流電源Ｓを内蔵する駆動部２００、電流感
応部１００の出力を積分増巾する表示回路部３００から
成り立つ。

まず、電流感応部１００について説明すれば、電圧スイ
ッチング素子として動作するオペアンプ６の反転端子７
はアース口され、非反転端子８には、二次巻線３の端子
３ａが接続され、端子３ｂはアースＧされている。コン
デンサ５は、二次巻線３の両端に接続されて共振回路を
構成し、磁心４ａ、４１〕より発生する雑音成分を吸収
するとともに、電圧入力でスイッチング動作をするオペ
アレプ出力の直流電圧切り換え時のタイミング動作を安
定化させるという重要な機能を果している。

オペアンプ６の出力端子１０には、可変抵抗９が接続さ
れ、この抵抗にょ゛って出力端子１ｏの電圧波形の調整
、いいかえれば、可変抵抗９と一次巻線２を含めた負荷
インピーダンスの調整を行い、共振回路のＱを改善する
とともに出刃端子電圧波形が極力方形波になるようにす
る。

次に、自励動作の原理について説明すれば、金板りに、
オペアンプ６が正に飽和していて、端子１０の電圧が飽
和電圧ｖｓ（＞ｏ）　であるとすれば励磁電流は抵抗９
を通って一次巻線２を流れ、アースＧへ流れ込む。この
時、二次巻線３では、磁心４ａ、４ｂを介して誘起電圧
が発生する。この誘起電圧の極性は、３ａ端子側で正と
なるので、オペアンプ６の非反転端子８には正電圧が入
力され、その結果、オペアンプ６は正の飽和電圧出力Ｖ
ｓ　を出しつづける。そして、この間にも磁心は励磁さ
れており、やがて最大磁束密度レベルＩ３ｍに達するま
で励磁される間に）統合磁心の透磁率は次第に低下し、
誘起電圧の低下とともに二次巻線３のコイルインピーダ
ンスも極端に低下する。

この時、これまでコンデンサ５に誘起電圧によって充電
されていた電荷は放電することＫなる。ところが、コン
デンサ５と二次巻線３は、共振回路を構成しているので
、二次巻線３の３３端子側の電圧は、いま１で正であっ
たものが負電圧に変り、オペアンプ６の非反転端子８に
は負電圧信号が人Ｏ 力され、出力端子１０の出力電圧林は、自動的べ負の直
流飽和電圧−ｙｓに切シ換わる。そして、次の瞬間には
、第１磁心、第２磁心の統合磁心としての磁束密度レベ
ルは入力電流磁界で規定されるレベルまで一旦急速に戻
り、次いで負の飽和電圧Ｉ、Ｉ５によって、磁束密度変
化は負の最大磁束密度レベル−１３Ｉｎに向って変化す
ることになる。この時二次巻線；３の３８端子の電圧は
、勿論、負となっているため、オペアンプロの出力電圧
ｅ（、は−ＶＳを保持しつづけ、コンデンサ５には、誘
起電圧によって電荷が充電されることになる。そして統
合磁心の磁束密度レベルが負の最大磁束密度レベル−１
３ｍに到達する頃に、コンデンサ５の放電が開始され、
次いで共振現象によってオペアンプ６の非反転端子８に
は、極性反転した入力電圧信号（〉０）、が入力され、
出力端子電圧ｅ（、は正の直流飽和電圧ｙｓ　に切り換
わるのである。

このようにして、オペアンプ６に印加されている、駆動
直流電圧上ＶＣは、磁心の二次巻線に誘起する第２高調
波を含んだ電圧信号をオペアンプの入力信号として入力
されることによシオペアンプ６の出力端子１０に飽和電
圧±ＶＳ　ｆ交互に出力するだめの電源電圧で、この両
極性を有する飽和電圧波形（出力電圧波形）の正期間と
負期間との期間長比（デユーティ比）は、入力電流によ
って制御されることになるのである。

尚、コンデンサ５の機能代行は、巻線間に存在する浮遊
６量をもって代行させるように、磁心４ａ、４ｂに巻装
される巻線線径、巻線数を適切に選択することによって
も可能である。この場合、コンデンサ５は、あえて取イ
？］けなくてもよいことは自明である。第６図において
、３００は表示回路部で、方形波Ｕ」力電圧ｃｏは、バ
ッファ１２の反転端子１１に入力される。バッファ１２
の出力信号は、抵抗１３とコンデンサ■４からなる積分
回路あるいはローパスフィルター（図示せず）を経て、
ゲイン調整用オペアンプ１６の非反転端子１５ＶＣ入力
され、積分増巾される。オペアンプ１６の増巾塵は、入
力電流の強さによって選択できるように、抵抗１７〜２
０がオペアンプ１６の出力端子と反転端子、アース端子
間に接続されている。オペアンプ１６の出力電圧Ｅｏは
、　打消巻線を磁心に設けた場合にはその打消巻線回路
に印加することができる。この場合適当な抵抗などを介
して印加した方がよい。２１はコンデンサで、不用な交
流雑音成分を除去する目的で挿入されている。２２は、
増巾塵Ａ、Ｂ、Ｃを任意に選択するだめの切シ換えスイ
ッチである。２３は指示計で、電流の極性と強さを表示
する機能を有するものである。２４は、可変抵抗で、指
示針２３へ流れ込む電流値を調整する。２００は、駆動
回路部で、オペアンプ用の正負直流定電圧１−ＶＣの供
給電源である。第７図は、第６図で示した電流感応部１
００の自励動作を、強磁界印加後においても安定に実行
させるための変形回路実施例である。

第７図（ａ）におけるインピーダンス２５はＪｔ　抗ま
たはコンデンサ、または抵抗とコンデンサからなる並列
接続回路を意味する。オペアンプ６−の反転端子７は、
−次巻線２の端子２ｂに接続され、強磁界印加時に発生
する自励停止現象の復起は、この２５の端子電圧の負帰
還作用によって実施している。

第７図（１〕）では、インピーダンス２５による負帰還
作用を一次巻線２から分離して、可変抵抗２６との直列
回路によって実施している。

第８図は、プローブを示し、電流感応部１００をプロー
ブケース２９に内蔵し、コード３ｏに接続した構成を示
している。

図中のコード長を数１０〜数１００ｍの長さにのばして
も、表示回路部３００は直流増巾回路系であるため、出
力端子電圧ｅ（、の平均直流分の伝送のみて十分であり
、そのため減衰は極めて少ない。

入力回路５０ばここでは図面の表から裏へと配線されて
いる場合を図示している。

最後に、本発明の応用について述べると、第６図におい
てオペアンプ１６の後に電圧１［ｏ　を入力信号とする
コンパレータを接続し、あらかじめ設定された基準電圧
値に対して入力信号レベルをチェノクシ、これをハイレ
ベルあるいはローレベルの信号電圧に変換して出力する
こともできる。ここで使用するコンパレータば、公知の
コンパレータ（ウィンドコンノミレークを含む）で十分
でそノｔぞれの用途に応じその！ト５′性を生かして使
用するだけで十分である。そしてコンパレータの出力に
応じて、たとえば言報音を発生させるリレーを動作させ
たり、Ｌ　Ｅ　Ｉ）を表示させることもできる。

第９図はその応用例である。寸ず第９図（ａ）は電ａ　
ｌ）レーにおけるメイク状態（ＯＮ）で、確実に電流が
流れていることを検出するために使用する例を示す。電
流センサ全体１０００を電磁リレーの各接点に用いるこ
とにより、動作の異常を検知する自己診断型電磁リレー
の構成が可能になる。この場合、単電源（たとえば２４
Ｖ）での使用も可能で、アースＧを、単電源の２分の１
の電圧レベルに引き上げるように１０あるいは抵抗等に
よる、分圧回路を用いて中間電位点を作れば簡単に実現
できることは自明である。第９図（ｂ）はランプなどの
断線状況を知るための応用例である。自動車における各
種ランプＬの点灯状況は、運転席から直接チェックでき
ないところもある。そこで、運転席に御報うンプ付の電
流センサ１０００を配置しておけばランプの点灯状態を
確認することができる。

以上、本発明では直流電流を測定する技術において磁気
半導体結合回路方式により、その性能と実用性において
太いに期待できるオペアンプをスイッチング素子とした
共振差動形電流センザを提供した次第である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における共振兼動形電流検出素子の基本
構成を示す説明図、 第２図は本発明の動作原理を紐付磁心の１３−１特性を
用いて説明する説明図、 第：３図は本発明の共振差動形電流検出回路図、第４図
は第３図に於て１＝ｏ、　Ｊ’＞０．　ｌ”〈Ｏの各場
合の端子にふ・ける電圧波形０００図、第５図は磁心の
具体的配列図、 第６図は磁心を励磁する直流電圧を自動的に切り換える
ようにした電流感応部、正負駆動直流電源を内蔵する駆
動部、電流感応部の出力を積分増［１］する表示回路か
ら成る全体回路の１例を示す図、第７図は第６図の電流
感応部の自励動作を強イ１強界印加後においても安定に
実行できる変形回路の１例を示す図、 第８図は電流感応部を内蔵しコートに接続した構成を示
すゾローブの図、 第９図は応用例を示す図である。 図中、１ａ、ｌｂ・・・ガラス管、２・・・−次巻線、
３・・・二次巻線、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ一端子、４
ａ、４ｂ・・・磁心、５・・・コンデンサ、６・・・オ
ペアンプ、７・・・反転端子、８・・・非反転端子、９
・・・可変抵抗、１０・・・出力端子、５０・・・入ブ
Ｊ回路、１００・・・電流感応部、２００・・・駆動部
、３００・・・表示回路部、１０００・・・電流センサ
である。 代理人　弁理士　秋　沢　政　光 他２名 ｑ 片３図 汁ｚ図 寸５図 （６） （ｄ） 寸７図 弁９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　平行な外周磁界に対して差動入力機能をはだす
   ２個の磁心と、 該両磁石に巻装された差動結線形の励磁用の第１巻線と
   、 該両磁石を励磁するための電圧制御形スイッチンク素子
   としてのオペアンプと、 該両磁石に巻装されたオペアンプ入力用の差動結線形の
   第２巻線と、 被測定電流によって発生する磁界を開磁路形の磁性材料
   の磁路方向に沿って集磁させるように被測定電流を入力
   巻線に流すようにした入力回路とよシなシ、 第１巻線を該オペアンプの出力端子側回路に、第２巻線
   を入力端子側回路に接続して磁気半導体結合回路を構成
   し、第２巻線の端子間電圧信号を、前記オペアンプの反
   転入力端子と非反転入力端子間に印加せしめることによ
   シ、被測定電流を前記オペアンプの両極性を有する飽和
   直流定電圧のデユーティ比変化に変換しうるようだした
   ことを特徴とする共振差動形自励式電流センザ。 （２）第２巻線間にコンデンサを並列接続して自励発振
   動作を安定化させた特許請求の範囲第１項にした特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の共振差動形自励式電
   流センサ。 （４）　被測定電流の一部が該入力回路を流れるように
   分流導体を付加した特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の共振差動形自励式電流センサ。