(57)【要約】【課題】フラックスゲート型電流センサにおいて、被測定電流線に電流が通電している状態を再現できる電流検出装置を提供する。また、センサの使用環境温度が変化する状況下でも、センサ感度を補正し、被測定電流を高精度に検出できる電流検出装置を提供する。【解決手段】電流検出装置は、閉磁路を形成する磁性体コア２、該磁性体コア２に巻回された励磁巻線３、及び該磁性体コア２に巻回された検出巻線４を有し、被測定電流線１が磁性体コア２を貫通しているフラックスゲート型電流センサ５１と、励磁巻線３に交流励磁信号３８を通電して励磁磁界を発生させる励磁処理部６１と、検出巻線４の出力電圧波形から励磁磁界の第２高調波成分のみを抽出して信号処理を行う検出処理部６２と、交流励磁信号３８に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳するオフセット制御回路２２などを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉磁路を形成する磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、及び該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート型電流センサと、
励磁巻線に交流励磁信号を通電して励磁磁界を発生させる励磁処理部と、
検出巻線の出力電圧波形から励磁磁界の第２高調波成分のみを抽出して信号処理を行う検出処理部と、
交流励磁信号に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳するオフセット制御部と、を備えることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
オフセット制御部は、少なくとも２つ以上異なる値を持つオフセット信号を励磁磁界の１周期以上の期間、交流励磁信号にそれぞれ重畳することを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。
【請求項３】
検出処理部からの出力信号波形とオフセット信号波形とを同期させる同期処理部と、
オフセット信号を重畳した際に得られる出力信号波形に基づいて、フラックスゲート型電流センサのセンサ感度を演算するセンサ感度演算部と、をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の電流検出装置。
【請求項４】
オフセット制御部は、少なくとも３つ以上異なる正負を含む値を持つオフセット信号を励磁磁界の１周期以上の期間、交流励磁信号にそれぞれ重畳し、
電流検出装置は、検出処理部からの出力信号波形とオフセット信号波形とを同期させる同期処理部と、
オフセット信号を重畳した際に得られる出力信号波形に基づいて、正および負の電流に対するフラックスゲート型電流センサの正側および負側のセンサ感度をそれぞれ演算する正負センサ感度演算部と、をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の電流検出装置。
【請求項５】
正負センサ感度演算部は、オフセット信号を重畳した際に得られる出力信号波形に基づいて、フラックスゲート型電流センサのオフセットの有無を判定することを特徴とする請求項４記載の電流検出装置。
【請求項６】
演算したセンサ感度に基づいて、フラックスゲート型電流センサからの出力を補正するセンサ感度補正部をさらに備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の電流検出装置。
【請求項７】
オフセット制御部にはテストスイッチが設けられ、該テストスイッチの起動により、交流励磁信号にオフセット信号が重畳されることを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。
【請求項８】
励磁巻線および検出巻線は、単一巻線として共通化されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックスゲート型電流センサを用いた電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フラックスゲート型電流センサは、フラックスゲート型磁気センサを応用したものである。一般にフラックスゲート型磁気センサは、磁気センサであるホール素子、磁気抵抗素子に比べ磁界検出感度が高く、地磁気等の微小磁界の検出に適しており、またホール素子、や磁気抵抗素子に比べ温度依存性も優れている。このため、市販されているホール素子、磁気抵抗素子を利用した電流センサはＡ（アンペア）オーダの電流検出用に幅広く利用されているのに対し、フラックスゲート型電流センサはｍＡ（ミリアンペア）オーダの電流検出に幅広く利用されているのが現状である。
【０００３】
従来のフラックスゲート型電流センサは、例えば特許文献１の第２図に示されているように、高透磁率材からなる磁性体リングコアに励磁巻線及び検出巻線を巻回した構造を備えており、被測定電流が流れる導体をリングコア内に貫通させている。
【０００４】
次に動作原理について説明する。励磁巻線に交流励磁電流を通電し、磁性体リングコアを周期的に磁気飽和させる。被測定電流値が零である場合、励磁電流により発生する磁界変化は磁性体リングコア材のＢ−Ｈ曲線の原点に対し対称となる。検出巻線には、ファラデーの電磁誘導則に従い、検出巻線を巻回した磁性体リングコア内の磁束量の変化に伴い出力電圧が発生する。そのため磁性体リングコアが十分飽和した磁界領域においては、出力電圧が零となる。すなわち、Ｂ−Ｈ曲線が原点に対し対称曲線であり、ある一定周期で磁性体リングコアを励磁した場合、出力電圧が零である時間及び周期は一定間隔となり、周期はＢ−Ｈ曲線の原点対称性から励磁周波数の２倍となる。
【０００５】
一方、被測定電流値が零でない場合、励磁電流による発生する励磁磁界に加え、被測定電流が発生する磁界が重畳される。この場合、その磁界変化が磁性体リングコア材のＢ−Ｈ曲線の原点に対し対称でなくなるため、ある一定周期の励磁磁界で磁性体リングコアを励磁したとしても、出力電圧が零である時間は一定間隔とならず磁界の変化が正側もしくは負側に変化した際に異なるようになる。出力電圧が零である時間間隔の差分から、被測定電流値を求めることができるため、フラックスゲート型電流センサは被測定電流線と非接触で被測定電流値を計測することができる。
【０００６】
さらに近年では、フラックスゲート型電流センサの検出精度を向上させるために、検出巻線を鎖交する磁界変化に対し、励磁磁界の影響を除去させるような構造、例えば特許文献２の図２に示されているように、励磁磁界と被測定電流が発生する磁界の向きを直交させた構造が提案されている。また、特許文献３の図２に示されているように、２つの磁性体リングコアにそれぞれ逆向きの励磁磁界を印加し、検出巻線を一体巻回し、差動検出する構造が提案されている。また、特許文献４の図１に示されているように、２つの磁性体リングコアに検出巻線をそれぞれ巻回し、後段回路にて差動処理する構造では、被測定電流線から生じる磁界成分のみを検出することができる。さらに、検出した磁界を打ち消すように、磁性体リングコアにフィードバックコイルに電流を流すクローズドループ制御をすることによって、被測定電流値を高精度に計測することができる。加えて、差動化およびクローズドループ制御により、使用環境温度の変化による磁性体リングコアの磁気特性の変化および磁性体リングコアのヒステリシス特性を相殺することができ、使用環境温度の変化に対しても堅牢で、かつ高精度な電流センサを構築することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実昭５９−９２５３２号公報（１頁、図１）
【特許文献２】特開平６−２８１６７４号公報（段落［００１６］、図１）
【特許文献３】特開２００１−２２８１８１号公報（段落［００１７］、図２）
【特許文献４】特開２００２−２２７７４号公報（段落［００１７］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フラックスゲート型電流センサは磁性体コアの非線形磁気特性を利用したセンサである。そのため、センサの使用環境温度の変化により磁性体コアの磁気特性が変化し、結果的にセンサ感度が変化するといった課題を有する。センサの使用環境温度が一定の場合、センサ感度は一定であるため、特に問題にはならない。しかし、温度変化の大きい自動車向けおよび産業機器向けにフラックスゲート型電流センサを適用する場合、センサ感度の温度特性を補正する必要がある。温度特性を補正する従来の手法では、２つの磁性体コアを用いて差動処理したり、あるいは、検出した磁界を打ち消すように、磁性体リングコアにフィードバックコイルに電流を流すクローズドループ制御をすることによって、温度特性を相殺している。
【０００９】
しかしながら、磁性体コアを２つ用いた場合、センサ寸法の大型化、部材コストの増加を招くことから、小型化、部材コストの低減が課題であった。また、フィードバック制御を用いる場合、検出した磁界を打ち消すために要する電流が消費電力の増加を招き、消費電力の低減が課題であった。
【００１０】
本発明の目的は、フラックスゲート型電流センサにおいて、被測定電流線に電流が通電している状態を再現できる電流検出装置を提供することである。
【００１１】
また本発明の目的は、センサの使用環境温度が変化する状況下でも、センサ感度を補正し、被測定電流を高精度に検出できる電流検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る電流検出装置は、閉磁路を形成する磁性体コア、該磁性体コアに巻回された励磁巻線、及び該磁性体コアに巻回された検出巻線を有し、被測定電流線が磁性体コアを貫通しているフラックスゲート型電流センサと、
励磁巻線に交流励磁信号を通電して励磁磁界を発生させる励磁処理部と、
検出巻線の出力電圧波形から励磁磁界の第２高調波成分のみを抽出して信号処理を行う検出処理部と、
交流励磁信号に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳するオフセット制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、交流励磁信号に対して予め定めたタイミングでオフセット信号を重畳することによって、被測定電流線に電流が通電している状態を再現することができる。そのため検出処理部からの出力信号波形はオフセット信号の有無に応じて変化するようになり、フラックスゲート電流センサのセンサ感度を演算することが可能になり、演算したセンサ感度に基づいてフラックスゲート型電流センサからの出力を補正することが可能になる。その結果、センサの使用環境温度が変化する状況下においても、高精度に被測定電流を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】励磁磁界と磁束密度との関係を示す説明図であり、図２（ａ）は被測定電流値が零である場合、図２（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。
【図３】図３（ａ）はフィルタ回路の出力電圧波形を示し、図３（ｂ）は整流回路の出力電圧波形を示す。
【図４】被測定電流値と整流回路の出力電圧値との関係を示すグラフである。
【図５】使用環境温度を変化させた場合の、磁性体コアの励磁磁界に対する磁気特性の一例を示すグラフである。
【図６】使用環境温度を変化させた場合の、励磁磁界と磁束密度との関係を示す説明図であり、図６（ａ）は被測定電流値が零である場合、図６（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。
【図７】使用環境温度を変化させた場合の、検出巻線の出力電圧波形を示す説明図であり、図７（ａ）は被測定電流値が零である場合、図７（ｂ）は被測定電流値が零でない場合を示す。
【図８】使用環境温度を変化させた場合の、被測定電流値と検出巻線の第２高調波成分の実効値との関係を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）はオフセット電源の出力波形を示し、図９（ｂ）はオフセット制御回路の出力波形を示す。
【図１０】交流励磁電流にオフセット電流を重畳した波形の一例を示すグラフである。
【図１１】交流励磁電流にオフセット電流を重畳した場合におけるフィルタ回路及び整流回路の出力電圧波形の一例を示すグラフである。
【図１２】交流励磁電流にオフセット電流を重畳した波形の一例を示すグラフである。
【図１３】交流励磁電流にオフセット電流を重畳した場合におけるフィルタ回路及び整流回路の出力電圧波形の一例を示すグラフである。
【図１４】磁性体コアに２本の被測定電流線を貫通させ、零相電流センサとして使用する態様の説明図である。
【図１５】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図１６】交流励磁電流にオフセット電流を重畳した波形の一例を示すグラフである。
【図１７】交流励磁電流にオフセット電流を重畳した場合におけるフィルタ回路及び整流回路の出力電圧波形の一例を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。電流検出装置１０１は、フラックスゲート型電流センサ５１と、センサ感度演算処理部７１とを備える。
【００１６】
フラックスゲート型電流センサ５１は、環状の磁性体コア２と、該磁性体コア２に巻回された励磁巻線３及び検出巻線４と、励磁処理部６１と、検出処理部６２とを備え、被測定電流線１が磁性体コア２内を貫通した状態で使用される。磁性体コア２は、例えば珪素鋼板、アモルファス磁性体、ＰＣパーマロイのような高透磁率材料で形成される。なお、磁性体コア２は、閉磁路を形成する形状であればよく、円環状に限定されない。
【００１７】
励磁処理部６１は、交流励磁信号を発生する交流励磁電源５と、交流励磁電源５からの出力を増幅する増幅回路６と、励磁巻線３に供給する励磁電流を電圧に変換するための励磁電流−電圧変換回路７とを備える。
【００１８】
検出処理部６２は、検出巻線４の出力電圧に対し、励磁電流の周波数の２倍の信号成分を抽出するフィルタ回路８と、フィルタ回路８の出力を整流、好ましくは全波整流して、平滑化する整流回路９と、センサ感度記憶回路１０と、センサ感度補正回路１１を備える。センサ感度記憶回路１０は、フラックスゲート型電流センサ５１のセンサ感度情報を記憶する機能を有する。センサ感度補正回路１１は、センサ感度記憶回路１０に予め記憶されたセンサ感度情報に基づいて整流回路９の出力を補正することによって、フラックスゲート型電流センサ５１のセンサ感度を補正する機能を有する。
【００１９】
センサ感度演算処理部７１は、オフセット電源２１と、オフセット制御回路２２と、同期回路２３と、センサ感度演算回路２４とを備える。オフセット電源２１は、予め定めたオフセット電流を供給する機能を有する。オフセット制御回路２２は、交流励磁信号と同期して予め定めたタイミングで、このオフセット電流を交流励磁電源５からの交流励磁信号に対して重畳する機能を有する。
【００２０】
同期回路２３は、整流回路９の出力から、オフセット制御回路２２のオフセット電流に同期した信号成分を抽出する機能を有する。センサ感度演算回路２４は、同期回路２３の出力に基づいてセンサ感度を演算するとともに、得られたセンサ感度を、センサ感度記憶回路１０に記憶したセンサ感度に上書きする機能を有する。
【００２１】
電流検出装置１０１は、被測定電流線１の近傍に生じる磁界を非接触で検出可能なフラックスゲート型磁気センサの技術を応用している。フラックスゲート型磁気センサは、ホール素子、磁気抵抗素子（ＭＲ素子またはＧＭＲ素子）といった磁気センサに比べ、微小磁界を検出することができ、温度依存性も良いことが知られている。フラックスゲート型磁気センサを応用したフラックスゲート型電流センサ５１の動作原理について図１〜図４を用いて説明する。
【００２２】
まず、被測定電流線１に流れる電流が零の場合を考える。励磁巻線３に三角波形状の励磁電流を通電することにより、図２（ａ）に示すように、正負対称の励磁磁界３１が磁性体コア２に印加される。なお、励磁磁界Ｈは、式（１）で表すことができる。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
ただし、Ｎ１は励磁巻線３の巻数、Ｉは励磁電流、ｒは磁性体コアの平均半径を表す。
【００２５】
磁性体コア２は、ある一定以上の磁界に対して磁束密度が増加しない磁気特性（Ｂ−Ｈ特性）３２を有しているため、励磁磁界３１に対し、磁性体コア２内の磁束密度が飽和する磁気飽和現象が得られる。一方、磁性体コア２の断面積をＳ、磁性体コア２の磁束密度をＢとすると、磁性体コア２を貫く磁束φはφ＝Ｂ×Ｓで表すことができる。検出巻線４は磁性体コア２に巻回している。よってファラデーの電磁誘導則に従って、式（２）で表す出力電圧を得ることができる。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
ただし、Ｎ２は検出巻線４の巻数、μは磁性体コア２の透磁率、μ０は真空の透磁率（４π×１０−７Ｈ／ｍ）、μｒは磁性体コア２の比透磁率、Ｓは磁性体コア２の断面積、ｆは励磁磁界の周波数、Ｈは励磁磁界を表す。
【００２８】
磁性体コア２の断面積Ｓは定数であるため、磁性体コア２の磁束密度Ｂの時間変化３３に応じた出力電圧が検出巻線４に得られる。検出巻線４の出力電圧波形３４は、図２（ａ）に示すように、磁性体コア２が磁気飽和している状態では磁束の時間変化は零である。よってその間、検出巻線４の出力電圧は式（２）に従って零となる。磁性体コア２の磁気特性３２は、励磁磁界に対し原点対称の特性を示すため、励磁磁界の２倍の周期で零電圧が繰り返されることが特徴である。
【００２９】
次に、被測定電流線１に流れる電流が零でない場合を考える。被測定電流線１の近傍にはアンペールの法則に従い、磁界が発生する。尚、発生磁界Ｈｄは式（３）で表すことができる。
【００３０】
【数３】
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【００３１】
ただし、Ｉｄは被測定電流、ｒは磁性体コア２の平均半径を表す。
【００３２】
被測定電流線１に流れる電流が直流電流である場合、該電流によって発生した磁界は、図２（ｂ）に示すように直流のバイアス磁界として励磁磁界に重畳し、磁性体コア２に印加されることになる。そのため、検出巻線４の出力電圧は、磁性体コア２に印加される磁界の極に応じて零電圧の時間間隔が異なり、一方は零電圧の時間間隔が増加し、一方は減少する波形３５となる。
【００３３】
この変化は、励磁磁界の２倍の周期で得られる。よって、フィルタ回路８を用いて検出巻線４の出力電圧波形から、励磁磁界の周波数の２倍に相当する成分（第２高調波成分）Ｖ２ｆのみを抽出する。
【００３４】
検出巻線４の第２高調波成分の実効値Ｖ２ｆの被測定電流値Ｉｄに対する変化は、例えばＩｄをａ（ａは任意の値）、２ａ、３ａとした場合、図３（ａ）に示すような変化を得ることができる。具体的に、被測定電流値Ｉｄと検出巻線４の出力電圧の関係を数式にて説明する。図２（ｂ）に示した検出巻線４の出力電圧波形Ｖｃ３５に対し、フーリエ級数展開を行うと、式（４）が得られる。
【００３５】
【数４】
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【００３６】
ただし、Ｎ２は検出巻線４の巻数、μは磁性体コア２の透磁率、μ０は真空の透磁率（４π×１０−７Ｈ／ｍ）、μｒは磁性体コア２の比透磁率、Ｓは磁性体コア２の断面積、ｆは励磁磁界の周波数、Ｈｍは励磁磁界の最大値、Ｈｄは被測定電流による発生磁界、Ｈｓは磁性体コア２の飽和磁界を表す。
【００３７】
さらに、式（４）より、第２高調波成分の振幅値を求めると、式（５）が得られる。
【００３８】
【数５】
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【００３９】
なお、被測定電流による発生磁界Ｈｄは式（３）に示したとおりであり、式（３）を式（５）に代入することで、式（６）の被測定電流Ｉｄに比例した関係式を導くことができる。
【００４０】
【数６】
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【００４１】
式（６）より、検出巻線４の出力電圧における第２高調波成分の振幅ｂ２、すなわちＶ２ｆは、励磁磁界の周波数ｆ，検出巻線４の巻数Ｎ２、励磁磁界の最大値Ｈｍ、磁性体コア２の飽和磁界Ｈｓ、磁性体コア２の比透磁率μｒ、磁性体コア２の断面積Ｓ等に依存することがわかる。
【００４２】
続いて、整流回路９が検出巻線４の出力を全波整流及び平滑化することによって、図３（ｂ）に示すような電圧Ｖｄを得ることができる。さらに、整流回路９の出力電圧Ｖｄを、センサ感度記憶回路１０に予め記憶していたセンサ感度に基づいて、センサ感度補正回路１１にてセンサ感度を補正することによって、被測定電流値Ｉｄを求めることができる。なお、本明細書において、「センサ感度」は、被測定電流値Ｉｄに対する整流回路９の出力電圧Ｖｄの変化を意味する。
【００４３】
励磁磁界波形が三角波で、かつ磁性体コアが磁気飽和に至るまで比透磁率μｒが一定である場合、式（２）より、検出巻線４の出力電圧Ｖの振幅値は一定の値を示す。よって被測定電流により変化を受けるのは、零電圧の時間間隔のみである。即ち、被測定電流値Ｉｄに比例して零電圧の時間間隔は増減するため、整流回路９の出力電圧Ｖｄの変化は、図４に示すように線形的な特性を得ることができる。また、式（５）、式（６）からも同様なことを数式により説明することができ、この線形性を利用して、被測定電流値Ｉｄを求めることができる。
【００４４】
続いて、使用環境温度の変化により磁性体コア２の磁気特性が変化した場合、フラックスゲート型電流センサ５１の出力に与える影響について説明する。
【００４５】
図５は、使用環境温度を変化させた場合の、磁性体コアの励磁磁界に対する磁気特性の一例を示すグラフである。真空の透磁率μ０と比透磁率μｒの積である透磁率μは、磁束密度Ｂと磁界の強さＨとの比で表される。よって図５中、低温時は高温時と比較して、磁性体コア２の比透磁率μｒの値及び、飽和磁束密度の値が増加していることがわかる。被測定電流線１に流れる電流が零である場合、図６（ａ）に示すように、励磁磁界３１に対する磁性体コア２内の磁束密度の変化は、使用環境温度によって異なる。その結果、図７（ａ）に示すように、使用環境温度によってピーク値が異なる出力電圧が得られる。これは式（２）の磁性体コアの比透磁率μｒが使用環境温度によって変化したことが影響している。
【００４６】
被測定電流線１に流れる電流が零でない場合、磁性体コア２内の磁束密度の変化および出力電圧の波形は、図６（ｂ）、図７（ｂ）のようになる。被測定電流に比例して零電圧の時間間隔は増減するため、被測定電流値Ｉｄに対する整流回路９の出力電圧Ｖｄの変化は、図８に示すように使用環境温度によって異なる。即ち、センサ感度は使用温度環境によって変化する。図５では、室温時に比べ使用環境温度が上昇すると、比透磁率μｒの値は小さくなるため、センサ感度も減少する。使用環境温度の変化に対するセンサ感度の変化率は、式（６）より磁性体コア２の比透磁率μｒの変化率によって説明することができる。例えば、磁性体コア２の比透磁率μｒの値が１０％減少した場合、センサ感度は１０％減少する。すなわち、フラックスゲート型電流センサは、使用環境温度によって、センサ出力が変化するといった温度特性を有している。
【００４７】
そこで、本実施形態に係る電流検出装置１０１では、フラックスゲート型電流センサ５１にセンサ感度演算処理部７１を設け、フラックスゲート型電流センサ５１が温度特性を有する場合においても、使用環境下におけるセンサ感度を逐一演算し、センサ感度を補正している。
【００４８】
まず、オフセット電源２１及びオフセット制御回路２２の役割について説明する。オフセット電源２１は、例えば図９（ａ）に示すように、電流値Ｉｏのオフセット電流３６を連続して出力する電源として機能する。オフセット制御回路２２は、例えば図９（ｂ）に示すように、周期的にオフセット電流をオン、オフと切り替え、オフセット電流のスイッチング波形３７を出力する。続いて、オフセット制御回路２２によって得られたスイッチング波形３７は交流励磁電源５のオフセット信号として重畳される。具体的には、例えば図１０に示すように、交流励磁電流波形３８にスイッチング波形３７を重畳する。なお、図１０では、説明の便宜上、励磁電流の１周期毎にスイッチング波形のオン、オフ状態を同期させている。このように、交流励磁電流波形３８にオフセット電流のスイッチング波形３７を重畳した電流を、フラックスゲート型電流センサ５１の励磁巻線３に供給した場合に生じる現象について、図１０に示すタイムシーケンスｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４毎に説明する。タイムシーケンスｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４それぞれにおけるフィルタ回路８の出力電圧Ｖ２ｆ、整流回路９の出力電圧Ｖｄをそれぞれ図１１に示す。
【００４９】
図１１に示すように、オフセット電流のスイッチング波形３７を重畳した場合、整流回路９の出力電圧Ｖｄもスイッチングされた波形４０となっていることがわかる。直流のオフセット成分を励磁信号に重畳することは、すなわち、ある一定の直流磁界を計測していることと等価であることを意味する。
【００５０】
そこで、整流回路９の出力電圧波形４０に対し、同期回路２３にてオフセット制御回路２２の信号と同期させ、さらにはオフセット電流がオフの場合およびオフセット電流がオンの場合の情報から、センサ感度演算回路２４にてセンサ感度を求めることができる。そのため、使用環境温度を変化させた場合においても、励磁電流の２周期毎にセンサ感度を求めることができ、センサ感度記憶回路１０に記憶されたセンサ感度に関する情報を励磁電流の２周期毎に上書きすることにより、センサの使用環境温度が変化する状況下においても被測定電流を高精度に検出できる電流検出装置を実現することができる。
【００５１】
具体的には、使用環境温度の変動によってセンサ出力が変化した場合、センサ感度が、例えば１０％変化したことを本発明の構成では検知することができる。ある使用環境温度におけるセンサ感度が室温時に比べて１０％低下した場合は、整流回路８の出力電圧に対して１００／９０を乗算することによって、室温時と同じ整流回路８の出力電圧を得ることができる。
【００５２】
なお、図１では、環状の磁性体コア２に対して、励磁巻線３、検出巻線４を局所的に巻回した場合を例示しているが、励磁巻線３及び／又は検出巻線４を全周に均一巻きにしてもよい。磁性体コア２に関しても、必ず環状の形状である必要もなく、フラックスゲート型電流センサを構成できるのであれば、例えば、三角、四角、多角といった形状でも問題ない。
【００５３】
環状の磁性体コア２を用いた場合、磁性体コア２からの漏れ磁束は小さくなる。その場合、励磁巻線３と検出巻線４の両端電圧において、トランスが形成されており、励磁巻線３と検出巻線４の巻数が同じ場合、検出巻線４の出力電圧は励磁巻線の入力電圧と等価と考えることもできる。そのため励磁巻線３および検出巻線４は単一巻線として共通化し、検出巻線４の役割を励磁巻線３にて代用することも可能である。
【００５４】
第２高調波成分の抽出は、励磁磁界の制御と同期したロックインアンプを用いて実行してもよい。さらに本実施形態において、フィルタ回路８は、アナログ回路で構築したバンドパスフィルタまたはデジタル回路で構築したデジタルフィルタを用いた形態、マイクロコンピュータを用いてフーリエ演算による特定周波数成分のみを抽出する形態、その他、検出巻線４の出力電圧波形から励磁磁界の周期の２倍周期の信号のみを抽出可能な形態などを含む。また、整流回路９、センサ感度記憶回路１０、センサ感度補正回路１１についても、先に述べたような機能を実現できる構成であれば、アナログ回路に限ることはなく、デジタル回路またはマイコンピュータを用いて構成することが可能である。
【００５５】
また、オフセット電流３７は、交流励磁電流の１周期毎にオン、オフ制御を行ったが、オン期間およびオフ期間が各々１周期以上であれば問題なく、例えば、９周期は連続してオフ、１周期のみオンといったような制御を行うことも可能である。この場合、温度特性の補正を行う頻度が２周期に１回の場合と比べて少なくなるが、オフセット電流を交流励磁電流に重畳する頻度も少なくなるため、温度特性の補正に要する消費電力を低減することが可能となり、例えば、使用環境温度の変化が少ない場所では好都合である。
【００５６】
さらに、本実施形態では、説明の便宜上、被測定電線１に電流が流れていない場合について説明したが、フィルタ回路８および整流回路９の出力電圧において、オフセット電流に相当する信号成分量がオフセット制御回路２２の設定値などから逆算できるため、仮に被測定電線１に電流が流れている場合でも、上述したようなセンサ感度の補正は正しく動作することは言うまでもない。そのため、オフセット電流は、オン、オフといった非零値と零値という２値の組合せだけでなく、図１２に示すように、零以外の異なる２値の組合せでも構わない。この場合、フィルタ回路８の出力電圧Ｖ２ｆ、整流回路９の出力電圧Ｖｄはそれぞれ図１３に示す波形となり、図１１と同様に、センサ感度を算出することが可能である。
【００５７】
また、図１４に示すように、磁性体コア２に複数の被測定電流線１を貫通させ、零相電流センサとして使用してもよい。この場合、漏電検出センサとして使用することができる。なお、磁性体コア２に貫通する被測定電流線に関しては、零相状態を形成するものであれば、２本に限らず、３本、４本またはそれ以上でも問題ない。
【００５８】
また、図２、図５、図６のグラフにおいて、説明の便宜上、ヒステリシス特性及び原点付近の非線形特性を省略しているが、第２高調波成分の抽出に影響するものではない。また、説明の便宜上、励磁磁界は三角波を用いて説明しているが、励磁磁界が正弦波の場合でも、検出巻線４の出力電圧波形が多少異なるだけであり、同様の効果を得ることができる。これは、以下の記載においても同様である。また、本明細書ではオフセット電流を交流励磁電流に重畳する電流ベースの態様で説明したが、オフセット電圧を交流励磁電圧に重畳する電圧ベースの態様でも同様である。
【００５９】
また、説明の便宜上、オフセット電流の立上り、立下りのタイミングが交流励磁電流のゼロクロスのタイミングと同期したように図示しているが、両者のタイミングは必ずしも合致させる必要はなく、一定の時間差（位相差）だけシフトしていても構わない。
【００６０】
以上、本実施形態では、交流励磁電流波形にスイッチングされたオフセット電流波形を重畳することによって、整流回路９にて得られた出力電圧波形からセンサ感度を算出することができるため、使用環境温度が変化した場合でもセンサ感度を補正することが可能になる。その結果、安定したセンサ感度で高精度の電流検出が可能になる。
【００６１】
さらに、本実施形態の構成は、従来のクローズドループ制御構成及び差動化構成を有しないため、センサの消費電流は増大せず、センサの寸法も増大しないという利点を有する。特に、クローズドループ制御の場合、電流計測範囲が大きいほど、クローズドループ制御に要する電流は大きくなるが、本実施形態の方式であれば、センサが計測できる最小のオフセット電流のみを交流励磁電流に重畳すればよいため、クローズドループ制御に要する電流に比べて消費電流が少なくて済む。これは、以下の実施形態でも同様である。
【００６２】
実施の形態２．
図１５は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。電流検出装置１０２は、フラックスゲート型センサ５１と、センサ感度演算処理部７２とを備え、全体として実施の形態１に係る電流検出装置１０１と同様な構成を有するが、センサ感度演算処理部７１のセンサ感度演算回路２４の代わりに正負感度演算回路２５を使用している点で相違する。
【００６３】
本実施形態では、交流励磁電流に重畳するオフセット電流３７を図１６に示すように、正負を含む異なる３値とした。この場合、フィルタ回路８の出力電圧Ｖ２ｆ、整流回路９の出力電圧Ｖｄをそれぞれ図１７に示す。図１１および図１３と同様に、図１７においてもセンサ感度を算出することは可能である。
【００６４】
さて、フラックスゲート型電流センサは磁性体コア２の磁気特性および交流励磁電流に僅かに重畳する直流電流成分（オフセット電流成分とは異なる）によって、被測定電流が零の場合においても、センサ出力が零とならずセンサ出力にオフセットが生じたり、センサ感度が電流の正負によって異なる場合がある。このような場合、本実施形態は効果を示す。
【００６５】
具体的には、オフセット制御回路２２が正負を含む異なる３値のオフセット電流３７を交流励磁電流３８に重畳することによって、正負感度演算回路２５は正側のセンサ感度と負側のセンサ感度をそれぞれ求めることができる。例えば、同一の値で正負異なるオフセット電流を重畳した場合、正側のセンサ感度と負側のセンサ感度が同じであれば、整流回路９の出力電圧Ｖｄの大きさは一致するはずである。また、整流回路９の出力電圧Ｖｄの大きさが異なれば、正側のセンサ感度と負側のセンサ感度が異なることになり、あるいは被測定電流が零の場合においても、センサ出力が零ではない、すなわちセンサ出力にオフセットが生じていることが明らかになる。正側のセンサ感度と負側のセンサ感度が異なるのか、センサ出力にオフセットが生じているかの切り分けについては、さらに多くの異なる値のオフセット電流を交流励磁電流に重畳することで、明らかにすることができる。
【００６６】
以上、本実施形態では、正負を含む異なる３値、またはそれ以上の多値のオフセット電流を交流励磁電流に重畳することによって、センサ出力におけるオフセットの有無を判定したり、正側のセンサ感度および負側のセンサ感度の両方を演算することができるため、より高精度にセンサ感度を補正することができる。
【００６７】
実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。電流検出装置１０３は、フラックスゲート型センサ５１と、センサ感度演算処理部７３とを備え、全体として実施の形態１に係る電流検出装置１０１と同様な構成を有するが、センサ感度演算処理部７１のオフセット電源２１にテストスイッチ２６を設けている点、さらに２本の被測定電流線１が磁性体コア２を貫通している点で相違する。テストスイッチ２６を手動で起動すると、オフセット制御回路２２は、交流励磁電源５からの交流励磁信号に、上述のようなオフセット信号を強制的に重畳することが可能である。
【００６８】
例えば、電路の漏電を検出して電路を遮断するといった漏電遮断器においては、電路に据え付け後、遮断動作および漏電センサが正しく動作するかテストするためのテストボタンを設けられている場合がある。従来のこのようなテストを行う場合、遮断器本体に設けられたテストボタンを押すことによって、漏電センサの磁性体コアに貫通もしくは巻回された３次巻線に対し、漏電を模擬したテスト電流を実際に通電するといった動作が行われる。この場合、漏電センサに別途、テスト電流を通電するための３次巻線が必要となり、装置組立て作業の煩雑化、製造コストの増加が問題になる。
【００６９】
本実施形態では、そのような状況を鑑みて、使用者がテストスイッチ２６を押した場合に、実施の形態１で示したように、オフセット電流３７を交流励磁電流３８に強制的に重畳できるように構成している。オフセット電流を重畳した場合、フラックスゲート型電流センサ５１が直流磁界を計測しているのと同じ状態となる。つまり、交流励磁電流に重畳したオフセット電流にて、上記の漏電を模擬したテスト電流を代用することができるため、従来のような３次巻線を使用することなく、テスト動作を実施することができる。
【００７０】
以上、本実施形態では、テストスイッチが押された際にオフセット電流を交流励磁電流に重畳する機能を設けることによって、フラックスゲート型電流センサ５１が正しく動作しているか否かを検出することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  被測定電流線、  ２  磁性体コア、  ３  励磁巻線、  ４  検出巻線、
５  交流励磁電源、  ６  増幅回路、  ７  励磁電流−電圧変換回路、
８  フィルタ回路、  ９  整流回路、  １０  センサ感度記憶回路、
１１  センサ感度補正回路、  ２１  オフセット電源、  ２２  オフセット制御回路、
２３  同期回路、  ２４  センサ感度演算回路、  ２５  正負感度演算回路、
２６  テストスイッチ、  ３１  励磁磁界、  ３２  磁気特性、
３３  磁束時間変化、  ３４，３５  出力電圧波形、  ３６  オフセット電流、
３７  オフセット電流のスイッチング波形、  ３８  交流励磁電流波形、
４０  出力電圧波形、  ５１  フラックスゲート型電流センサ、  ６１  励磁処理部、
６２  検出処理部、  ７１，７２，７３  センサ感度演算処理部、
１０１，１０２，１０３  電流検出装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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