(57)【要約】  電流検出装置は、検出対称の導体が近傍に配置される磁心と、磁心に巻回される巻線と、大きさと向きが一定の周期で変化する励磁信号を巻線に印可する励磁部と、導体に流れる電流によって磁心に生じる磁束を検知する磁束検知部(比較器および平均化回路)と、磁束検知部で検知する磁束を打ち消すための帰還信号を励磁信号に加算する加算部とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象の導体が近傍に配置される磁心と、
前記磁心に巻回される巻線と、
大きさと向きが一定の周期で変化する励磁信号を前記巻線に印加する励磁部と、
前記導体に流れる電流によって前記磁心に生じる磁束を検知する磁束検知部と、
前記磁束検知部で検知する前記磁束を打ち消すための帰還信号を前記励磁信号に加算する加算部と
を備える
ことを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記励磁部は、正負対称な波形を有する前記励磁信号を前記巻線に印加することで前記磁心を磁気飽和させ、
前記磁束検知部は、正負対称なしきい値と前記励磁信号を比較する比較器と、前記比較器の出力を前記励磁信号の周期で時間平均する平均化回路とを有し、前記平均化回路の出力から前記帰還信号を生成する
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】
前記比較器は、前記しきい値が可変であ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】
前記励磁部は、正負対称な波形を有する前記励磁信号を前記巻線に印加し、
前記磁束検知部は、前記励磁信号の実効値を演算する実効値演算回路を有し、前記実効値演算回路で演算される実効値から前記帰還信号を生成する
ことを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。
【請求項５】
前記励磁部は、正負対称な波形を有する前記励磁信号を前記巻線に印加し、
前記磁束検知部は、前記励磁信号を前記励磁信号の周期で時間平均する平均化回路を有し、前記平均化回路の出力から前記帰還信号を生成する
ことを特徴とする請求項１記載の電流検出装置。
【請求項６】
前記励磁部は、前記励磁信号がピーク値となるタイミングを、前記磁心が磁気飽和するタイミングに略一致させる
ことを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載の電流検出装置。
【請求項７】
前記帰還信号のレベルを検出する検出部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電流検出装置。
【請求項８】
前記検出部は、前記磁束検知部と前記加算部との間に接続される
ことを特徴とする請求項７記載の電流検出装置。
【請求項９】
前記磁束検知部の出力レベルを検出する検出部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電流検出装置。
【請求項１０】
前記検出部は、前記磁束検知部とグランドとの間に接続される
ことを特徴とする請求項９記載の電流検出装置。
【請求項１１】
前記磁束検知部と前記前記検出部との間に接続されたローパスフィルタをさらに備える
ことを特徴とする請求項１０記載の電流検出装置。
【請求項１２】
前記磁心が軟磁性材料で形成される
ことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電流検出装置。
【請求項１３】
前記磁心は、環状に形成されて前記導体が貫通する
ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の電流検出装置。
【請求項１４】
前記磁心は、着脱自在である複数の部分に分割されて
いることを特徴とする請求項１３記載の電流検出装置。
【請求項１５】
前記磁心が柱状に形成されている
ことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項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、導体に流れる電流を非接触で検出する電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電流検出装置として、日本国特許公表２００４−５２３９０９号公報(以下、文献１という。)に記載されているものがある。文献１記載の従来例は、プローブ磁心、プローブ巻線、補償磁心、補償巻線などを有する変成器を備える。リング型のプローブ磁心にプローブ巻線が巻回され、プローブ磁心よりも径の大きいリング型の補償磁心とプローブ磁心に補償巻線が巻回されている。そして、測定対象の導体がプローブ磁心と補償磁心を貫通するように配置される。【０００３】
この従来例では、従来周知のフラックスゲート方式の検出回路によって導体に流れる電流の大きさを検出している。すなわち、この検出回路は、対称段とその出力側に配置した増幅段を備え、対称段の入力側がプローブ巻線に接続されている。プローブ磁心は対称段を経て双極的に磁化される。電流又は電圧の時間的な推移の非対称性から対称段に出力信号が生じ、それが増幅段で増幅されて補償巻線の制御に用いられる。増幅段の出力電流は、例えばアース電位に導く抵抗を経て補償巻線に供給される。制御状態において、この電流による磁界は補償磁心及びプローブ磁心内で導体による磁束を補償する。その場合、増幅段の出力電流、即ち抵抗の電圧降下が導体に流れる一次電流に比例する。よって、抵抗の電圧降下を計測することにより、導体に流れる電流の大きさを検出することができる。【０００４】
しかしながら、文献１記載の従来例では、変成器が２つの磁心(プローブ磁心および補償磁心)と２つの巻線(プローブ巻線および補償巻線)で構成されているため、構造が複雑で小型化が図り難いという問題がある。また、補償巻線に誘起される電圧を検出することで導体に流れる交流電流の大きさを検出することができるが、プローブ巻線に流れる励磁電流が電流の検出精度に影響を及ぼすという問題がある。さらに、導体に過大な電流が流れたときに補償磁心が着磁してしまうため、その後の電流検出精度に影響を及ぼすという問題がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、従来例よりも小型化を図るとともに、電流の検出精度の向上並びに過電流に対する安定性の向上を図ることを目的とする。
【０００６】
本発明の電流検出装置は、検出対象の導体が近傍に配置される磁心と、前記磁心に巻回される巻線と、大きさと向きが一定の周期で変化する励磁信号を前記巻線に印加する励磁部と、前記導体に流れる電流によって前記磁心に生じる磁束を検知する磁束検知部と、前記磁束検知部で検知する前記磁束を打ち消すための帰還信号を前記励磁信号に加算する加算部とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この電流検出装置において、前記励磁部は、正負対称な波形を有する前記励磁信号を前記巻線に印加することで前記磁心を磁気飽和させ、前記磁束検知部は、正負対称なしきい値と前記励磁信号(前記巻線からの出力)を比較する比較器と、前記比較器の出力を前記励磁信号の周期で時間平均する平均化回路とを有し、前記平均化回路の出力から前記帰還信号を生成することが好ましい。
【０００８】
この電流検出装置において、前記比較器は、前記しきい値が可変であることが好ましい。
【０００９】
この電流検出装置において、前記励磁部は、正負対称な波形を有する前記励磁信号を前記巻線に印加し、前記磁束検知部は、前記励磁信号(前記巻線からの出力)の実効値を演算する実効値演算回路を有し、前記実効値演算回路で演算される実効値から前記帰還信号を生成することが好ましい。
【００１０】
この電流検出装置において、前記励磁部は、正負対称な波形を有する前記励磁信号を前記巻線に印加し、前記磁束検知部は、前記励磁信号(前記巻線からの出力)を前記励磁信号の周期で時間平均する平均化回路を有し、前記平均化回路の出力から前記帰還信号を生成することが好ましい。
【００１１】
この電流検出装置において、前記励磁部は、前記励磁信号がピーク値となるタイミングを、前記磁心が磁気飽和するタイミングに略一致させることが好ましい。
【００１２】
この電流検出装置は、前記帰還信号のレベルを検出する検出部をさらに備えることが好ましい。
【００１３】
この電流検出装置において、前記検出部は、前記磁束検知部と前記加算部との間に接続されることが好ましい。
【００１４】
この電流検出装置は、前記磁束検知部の出力レベルを検出する検出部をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
この電流検出装置において、前記検出部は、前記磁束検知部とグランドとの間に接続されることが好ましい。
【００１６】
この電流検出装置は、前記磁束検知部と前記前記検出部との間に接続されたローパスフィルタをさらに備えることが好ましい。
【００１７】
この電流検出装置において、前記磁心が軟磁性材料で形成されることが好ましい。
【００１８】
この電流検出装置において、前記磁心は、環状に形成されて前記導体が貫通することが好ましい。
【００１９】
この電流検出装置において、前記磁心は、着脱自在である複数の部分に分割されていることが好ましい。
【００２０】
この電流検出装置において、前記磁心が柱状に形成されていることが好ましい。
【００２１】
本発明の電流検出装置は、導体に流れる電流によって磁心に生じる磁束を検知する磁束検知部と、磁束検知部で検知する磁束を打ち消すための帰還信号を励磁信号に加算する加算部とを備えるので、磁心および巻線を２つずつ備える従来例よりも小型化を図るとともに、電流の検出精度の向上並びに過電流に対する安定性の向上を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る電流検出装置の実施形態を示す回路構成図である。
【図２】図２Ａ〜図２Ｄは同上の動作説明用の波形図である。
【図３】上段は同上における励磁信号の信号電圧(励磁電圧)の波形図、下段は同上における励磁信号の信号電流(励磁電流)の波形図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｅは同上における磁心の別の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る電流検出装置の別の実施形態を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る電流検出装置のさらに別の実施形態を示す回路構成図である。
【図７】本発明に係る電流検出装置のさらに別の実施形態を示す回路構成図である。
【図８】図８Ａ，８Ｂは本発明に係る電流検出装置の励磁部の別の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る電流検出装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態の電流検出装置は、図１に示すように磁心１、磁心１に巻回される巻線２、励磁部３、比較器４、平均化回路５、加算部６などを備える。
【００２５】
磁心１は、軟磁性材料によって円環状に形成され、検出対象の導体７が貫通している。磁心１を形成する軟磁性材料としては、ナノ結晶材料や非晶質金属材料(アモルファスリボンやアモルファスワイヤなど)、フェライト、磁性流体などが好適である。なお、ナノ結晶材料や非晶質金属材料には、高周波数までヒステリシスの波形が維持されるという利点があり、且つ非晶質金属材料はナノ結晶材料よりも強度に優れている。また、フェライトはナノ結晶材料や非晶質金属材料よりも安価であるという特徴を有し、磁性流体は、ヒステリシスを有しないという特徴を有している。
【００２６】
磁心１に巻回される巻線２は、一端が加算部６(の出力端)に接続され、他端が抵抗R1を介してグランドに接続されている。
【００２７】
励磁部３は、大きさと向きが一定の周期で変化し、且つ正負対称な波形(正弦波、方形波、三角波など)を有する励磁信号を出力する。励磁部３は、正負対称な波形の励磁電圧を出力するよう構成されている。励磁部３の正極が限流抵抗R2を介して加算部６の一方の入力端に接続され、励磁部３の負極がグランドに接続されている。
【００２８】
比較器４は、正負対称なしきい値と、励磁信号(実際は励磁信号に比例した抵抗R1の電圧降下)とを比較するものである。すなわち、比較器４は、正負対称なしきい値と、巻線２からの出力とを比較する。比較器４は、励磁信号(巻線２からの出力)としきい値±Thとを比較して、励磁信号がしきい値Th以上となった時点から励磁信号が次にしきい値-Th以下となる時点までの第１期間に、ハイレベル(Ｈ)の信号を出力し、励磁信号がしきい値-Th以下となった時点から励磁信号が次にしきい値Th以上となる時点までの第２期間に、ローレベル(Ｌ)の信号を出力する。比較器４は、例えばウインドコンパレータを用いて構成され、ウインドコンパレータの出力の立ち下がりごとに、自身の出力をハイレベルとローレベルとで切り替える。平均化回路５は、比較器４の出力を励磁信号の周期で時間平均するものであって、例えば、積分回路で構成される。本実施形態では、比較器４と平均化回路５とで磁束検知部９が構成される。平均化回路５の出力はアンプAPで増幅された後、検出抵抗Rsを介して加算部６の他方の入力端に入力される。
【００２９】
加算部６は、オペアンプ60と帰還抵抗R3と入力抵抗R4を用いた反転増幅器からなり、励磁部３から出力される励磁信号に、検出抵抗Rsを介して入力される平均化回路５の出力を加算して巻線２に出力する。
【００３０】
次に、本実施形態の電流検出装置の動作を説明する。
【００３１】
巻線２に励磁信号(励磁電流)が流れると、磁心１に磁束(磁界)が生じる。この磁束は、励磁信号に同期して向きと大きさが変化する。すなわち、導体７に電流が流れていない場合、磁心１に生じる磁束は巻線２に流れる励磁信号による磁束のみであるから、磁心１の磁化特性(Ｂ−Ｈ特性)は、図２Ａに実線で示すように原点に対して点対称な波形となる。
【００３２】
ここで、本実施形態はフラックスゲート方式の磁束検知方法を採用しており、磁心１を磁気飽和させることで励磁信号(励磁電流)を急激に変化させ、励磁電流が急激に変化するタイミングを比較器４で検出している(図２Ｂの実線参照)。導体７に電流が流れていない場合、励磁信号の周期Ｔに対して、比較器４の出力がハイレベルとなる期間とローレベルとなる期間は何れもＴ／２となる。故に、平均化回路５の出力はゼロとなり、励磁信号には全く加算されない。
【００３３】
一方、導体７に電流が流れると、導体７の周囲に配置される磁心１に、右ねじの法則で定まる向きの磁束(磁界)が発生する。そのため、磁心１の磁化特性が変化し、図２Ａに破線で示すように原点に対して点対称な波形とならない。そのため、比較器４の出力がハイレベルとなる期間とローレベルとなる期間に時間差ΔＴが生じ、例えば、比較器４の出力がハイレベルとなる期間がＴ／２＋ΔＴ、ローレベルとなる期間がＴ／２−ΔＴとなる(図２Ｃ参照)。故に、平均化回路５の出力はゼロとならず、時間差ΔＴに応じたレベルとなる(図２Ｄ参照)。
【００３４】
そして、平均化回路５の出力がアンプAPで増幅された後、励磁部３から出力される励磁信号と加算部６において加算される。ここで、加算部６は励磁部３から出力される励磁信号に対して、平均化回路５の出力を反転して加算している。つまり、平均化回路５の出力が励磁信号に加算されることで、時間差ΔＴをゼロとするような帰還(負帰還)がかかることになる。故に、時間差ΔＴがゼロとみなせるときの平均化回路５の出力(帰還信号)のレベルを検出抵抗Rsの両端電圧(電圧降下)Ｖｓとして検出すれば、その帰還信号のレベルから導体７に流れる電流の大きさを算出することができる。なお、比較器４におけるしきい値Thを可変とすることで電流検出の感度調整が可能となる。
【００３５】
磁束検知部９の出力(平均化回路５の出力)は、検出抵抗Rs(検出部)の両端電圧(電圧降下)Ｖｓとして検出される。本実施形態の電流検出装置は、導体７に流れる、直流電流〜励磁信号と同程度のオーダーの周波数(励磁信号の周波数よりも小さな周波数)の交流電流を、検出することができる。
【００３６】
上述のように本実施形態の電流検出装置は、導体７に流れる電流によって磁心１に生じる磁束を検知する磁束検知部９(比較器４および平均化回路５)と、磁束検知部９で検知する磁束を打ち消すための帰還信号を励磁信号に加算する加算部６とを備える。そのため、文献１記載の従来例(以下、従来例という。)ではそれぞれ２つずつ必要であった磁心と巻線が何れも１つで済むので、従来例よりも小型化を図ることができる。また、従来例では２つの巻線が磁気結合することで出力に励磁ノイズが重畳して検出精度が低下していたが、本実施形態では巻線２が１つであるから従来例よりも電流の検出精度の向上が図れる。さらに、従来例のように磁気飽和させない磁心が存在しないので、従来例と比べて、導体７に流れる電流の過電流に対する安定性の向上を図ることができる。
【００３７】
ところで、励磁信号に重畳するノイズ成分の影響を抑えて帰還信号の信号対ノイズ比を向上するためには、図３の下段に実線Ｂで示すように励磁信号(励磁電流)がピーク値となるタイミングを、磁心１が磁気飽和するタイミングに略一致させることが望ましい。つまり、磁心１が磁気飽和するタイミングよりも励磁電流がピーク値となるタイミングの方が早い場合(図３の破線Ａ)や、磁心１が磁気飽和するタイミングよりも励磁電流がピーク値となるタイミングの方が遅い場合(図３の一点破線Ｃ)と比べて、励磁電流の変化量が大きくなる。その結果、比較器４においてしきい値と比較する際にノイズ成分による誤判定が生じ難くなり、帰還信号の信号対ノイズ比が向上できるものである。なお、磁心１が磁気飽和するタイミングと励磁電流がピーク値となるタイミングを略一致させるには、磁心１の磁化特性に応じて、励磁部３が出力する励磁信号の信号電圧や巻線２の巻き数を調整すればよい。
【００３８】
ここで、磁心１は、図４Ａに示すように２つの半環状の部分10，11に分割され、それぞれの部分10，11の一端同士が軸12によって回動自在に結合され、各部分10，11の他端(自由端)同士が着脱自在であることが好ましい。このような構造の磁心１であれば、検出対象の導体７を容易に貫通させることができる。
【００３９】
あるいは、図４Ｂに示すように磁心１が柱状(例えば、円柱状)に形成されても構わない。このような柱状の磁心１であれば、巻線２を容易に巻回させることができる。
【００４０】
また、磁心１は円環形状のものに限定されず、例えば、図４Ｃに示すように略Ｃ型(角括弧型)の磁心13と、Ｉ型磁心14が組み合わされた矩形枠状のものでも構わない。あるいは、図４Ｄや図４Ｅに示すように、略Ｃ型の磁心13を２つ組み合わせることで磁心１が構成されてもよい。
【００４１】
ところで、本実施形態では磁束検知部９が比較器４と平均化回路５で構成される場合を励磁したが、図５に示すように励磁信号を励磁信号の周期で時間平均する平均化回路５のみで磁束検知部９を構成し、平均化回路５の出力から帰還信号を生成しても構わない。あるいは、平均化回路５に代えて、励磁信号の実効値を演算する実効値演算回路８で磁束検知部９を構成し、実効値演算回路８で演算される実効値から帰還信号を生成しても構わない。なお、実効値演算回路８については、従来周知の技術で実現可能であるから詳細な回路構成の図示並びに説明は省略する。
【００４２】
また、加算部６の構成は、オペアンプ60を用いた反転増幅器に限定されず、例えば、図６に示すように２つのアンプ61，62の出力端が巻線２を介してブリッジ接続された構成であってもよい。一方のアンプ61の出力端に抵抗R5が接続され、他方のアンプ62の出力端に検出抵抗Rsが接続される。したがって、アンプ61，62の出力(帰還信号)が抵抗R5と検出抵抗Rsを介して励磁信号に加算されて巻線２に印加される。このような回路構成によれば、アンプが１つの場合と比較して、加算部６の出力電圧が２倍にできるという利点がある。
【００４３】
また、図７に示すように、検出抵抗Rs(検出部)が、磁束検知部９とグランドとの間に接続された構成であってもよい。磁束検知部９の出力は、アンプAPで増幅された後、抵抗R5を介して加算部６の他方の入力端に入力される。
【００４４】
また、磁束検知部９と検出抵抗Rs(検出部)との間にローパスフィルタF1を設けることが好ましい。検出抵抗Rsの入力側にローパスフィルタF1を設けることにより、高周波ノイズ成分を減らして磁束検知部９からの出力の検出精度を向上することができる。
【００４５】
また、図８Ａ，図８Ｂに示すように、励磁部３と加算部６との間に、インピーダンス素子(インダクタL1)、またはローパスフィルタF2(励磁部３に直列接続された抵抗R2と励磁部３に並列接続されたコンデンサC1)を介在させてもよい。このような構成によれば、例えば励磁信号が方形波などの場合に、励磁信号の高周波成分を除去して波形をなまらせることで、励磁信号の急峻な変化をなくすことができ、加算部６などで発生するノイズを減らすことができる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成27年11月9日(2015.11.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
検出対象の導体が近傍に配置される磁心と、前記磁心に巻回される巻線と、大きさと向きが一定の周期で変化する励磁信号を前記巻線に印加する励磁部と、前記導体に流れる電流によって前記磁心に生じる磁束を検知する磁束検知部と、前記磁束検知部で検知する前記磁束を打ち消すための帰還信号を前記励磁信号に加算する加算部とを備え、
前記加算部は、前記帰還信号が入力される２つのアンプを有し、前記２つのアンプの出力端が前記巻線を介してブリッジ接続されていることを特徴とする電流検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の電流検出装置は、検出対象の導体が近傍に配置される磁心と、前記磁心に巻回される巻線と、大きさと向きが一定の周期で変化する励磁信号を前記巻線に印加する励磁部と、前記導体に流れる電流によって前記磁心に生じる磁束を検知する磁束検知部と、前記磁束検知部で検知する前記磁束を打ち消すための帰還信号を前記励磁信号に加算する加算部とを備え、前記加算部は、前記帰還信号が入力される２つのアンプを有し、前記２つのアンプの出力端が前記巻線を介してブリッジ接続されていることを特徴とする。
【国際調査報告】
2014010187.tif 000011
2014010187.tif 000012