(57)【要約】【課題】磁気平衡式の電流センサにおいて、キャンセル対象の磁界をキャンセルするための磁界を発生するコイルの断線によって動作不能になることを防止する。【解決手段】電流センサ１はキャンセル磁界発生回路１０を備えている。キャンセル磁界発生回路１０は、磁気結合した第１のコイル１１および第２のコイル１２と、第１の電圧発生器１３と、第２の電圧発生器１４と、抵抗器１５を備えている。第１および第２のコイル１１，１２の各々は、第１端と第２端を有している。第１の電圧発生器１３は第１のコイル１１の第１端に電圧を印加し、第２の電圧発生器１４は第２のコイル１２の第１端に電圧を印加する。抵抗器１５は、第１のコイル１１の第２端および第２のコイル１２の第２端とグランドとの間に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャンセル対象の磁界である対象磁界をキャンセルするためのキャンセル磁界を発生する第１のコイルおよび第２のコイルであって、各々が互いに反対側の端である第１端と第２端を有する第１のコイルおよび第２のコイルと、
前記第１のコイルの第１端に第１の電圧を印加し、前記第２のコイルの第１端に第２の電圧を印加するための電圧印加装置と、
前記第１のコイルの第２端および前記第２のコイルの第２端とグランドとの間に設けられた抵抗器とを備え、
前記第１および第２のコイルは、一方のコイルの第１端に第１または第２の電圧が印加されたときに相互誘導による起電力によって他方のコイルの第１端に生じる電圧の正負の符号が前記一方のコイルの第１端に印加された第１または第２の電圧の正負の符号と一致するように磁気結合していることを特徴とするキャンセル磁界発生回路。
【請求項２】
更に、前記第１のコイルと前記第２のコイルのそれぞれの断線を検出する断線検出回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項３】
更に、前記第１のコイルに直列に設けられた第１の開閉器と、前記第２のコイルに直列に設けられた第２の開閉器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項４】
更に、前記第１のコイルと前記第２のコイルのそれぞれの断線を検出し、前記第１のコイルの断線を検出したときには前記第１の開閉器を開状態にし、前記第２のコイルの断線を検出したときには前記第２の開閉器を開状態にする断線検出回路を備えたことを特徴とする請求項３記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項５】
更に、前記抵抗器の両端の電位差と対応関係を有する検出値を生成する検出器を備えたことを特徴とする請求項１記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項６】
前記検出器は、外部からの制御によって前記検出値のレベルを変更可能であり、
前記キャンセル磁界発生回路は、更に、前記第１のコイルと前記第２のコイルのそれぞれの断線を検出し、前記第１または第２のコイルの断線を検出したときに、前記検出器を制御して前記検出値のレベルを変更する断線検出回路を備えたことを特徴とする請求項５記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項７】
更に、前記第１のコイルに直列に設けられた第１の開閉器と、前記第２のコイルに直列に設けられた第２の開閉器とを備え、
前記断線検出回路は、前記第１のコイルの断線を検出したときには前記第１の開閉器を開状態にし、前記第２のコイルの断線を検出したときには前記第２の開閉器を開状態にすることを特徴とする請求項６記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項８】
前記電圧印加装置は、前記第１の電圧を発生する第１の電圧発生器と、前記第２の電圧を発生する第２の電圧発生器とを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項９】
前記第１の電圧と前記第２の電圧は、同じ値であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のキャンセル磁界発生回路。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のキャンセル磁界発生回路と、
磁気センサと、
制御回路とを備えた磁界検出装置であって、
前記対象磁界は、検出対象の磁界であり、
前記磁気センサは、前記対象磁界と前記キャンセル磁界との残差の磁界を検出して、その磁界の強度と対応関係を有する残差磁界検出値を出力し、
前記制御回路は、前記第１および第２のコイルから前記キャンセル磁界が発生されるように、前記残差磁界検出値に基づいて前記電圧印加装置を制御し、
前記抵抗器の両端の電位差は、前記対象磁界の強度と対応関係を有することを特徴とする磁界検出装置。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれかに記載のキャンセル磁界発生回路と、
磁気センサと、
制御回路とを備えた電流センサであって、
前記対象磁界は、検出対象電流によって発生する磁界であり、
前記磁気センサは、前記対象磁界と前記キャンセル磁界との残差の磁界を検出して、その磁界の強度と対応関係を有する残差磁界検出値を出力し、
前記制御回路は、前記第１および第２のコイルから前記キャンセル磁界が発生されるように、前記残差磁界検出値に基づいて前記電圧印加装置を制御し、
前記抵抗器の両端の電位差は、前記検出対象電流の値と対応関係を有することを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気平衡式の磁界検出装置および電流センサ、ならびにこれらに用いられるキャンセル磁界発生回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
導体を流れる検出対象電流の値を精度よく検出できる電流センサとしては、特許文献１，２に記載されているような磁気平衡式の電流センサが知られている。一般的に、磁気平衡式の電流センサは、導体を流れる検出対象電流によって発生する対象磁界をキャンセルするためのキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、対象磁界とキャンセル磁界との残差の磁界（以下、残差磁界と言う。）を検出して残差磁界の検出値を出力する磁気センサと、磁気センサから出力される検出値に応じて、フィードバックコイルに流すフィードバック電流を制御する制御回路と、フィードバック電流の電流路に挿入された抵抗器とを備えている。この磁気平衡式の電流センサは、残差磁界がゼロに近づくように動作する。
【０００３】
上記の構成の電流センサにおいて、フィードバック電流の値は、抵抗器の両端の電位差を抵抗器の抵抗値で除算することによって得られる。残差磁界がゼロの状態では、フィードバック電流の値および抵抗器の両端の電位差は、検出対象電流の値と比例関係にある。従って、抵抗器の両端の電位差に対応する検出値を生成すれば、この検出値によって検出対象電流の値を推測することができる。
【０００４】
磁気平衡式の電流センサは、検出対象電流が流れる導体に対して回路的に分離されている。そのため、この電流センサでは、検出対象電流が流れる導体を含む回路に悪影響を与えることなく、検出対象電流の値を検出することが可能である。例えば、検出対象電流の電流路に抵抗器を挿入して、この抵抗器を用いて検出対象電流の値を直接検出しようとすると、検出対象電流が流れる導体を含む回路において電圧低下が引き起こされる。これに対し、磁気平衡式の電流センサにおいてフィードバック電流の電流路に挿入された抵抗器は、検出対象電流が流れる導体を含む回路における電圧低下を引き起こさない。
【０００５】
また、磁気平衡式の電流センサにおいて、残差磁界がゼロの状態では、検出対象電流が流れる導体とフィードバックコイルとの間で磁束の受け渡しがない。そのため、磁気平衡式の電流センサでは、検出対象電流が流れる導体を含む回路との間における不要な磁気的な結合を排除することができ、これにより、検出対象電流の値を精度よく検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００１−５１１８９２号公報
【特許文献２】特許第３６９１５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、磁気平衡式の電流センサのうち、フィードバックコイルと抵抗器を含み、制御回路によって制御されてキャンセル磁界を発生する回路部分を、キャンセル磁界発生回路と言う。また、磁気平衡式の電流センサと同様の構成であるが、電流によって発生する磁界に限定されない対象磁界を検出する装置を、磁気平衡式の磁界検出装置と言う。磁気平衡式の磁界検出装置および電流センサでは、フィードバックコイルが断線すると、キャンセル磁界発生回路が動作不能になり、その結果、磁界検出装置および電流センサも動作不能になるという問題点があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、コイルの断線によって動作不能になることを防止できるようにしたキャンセル磁界発生回路ならびにこのキャンセル磁界発生回路を含む磁界検出装置および電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のキャンセル磁界発生回路は、キャンセル対象の磁界である対象磁界をキャンセルするためのキャンセル磁界を発生する第１のコイルおよび第２のコイルであって、各々が互いに反対側の端である第１端と第２端を有する第１のコイルおよび第２のコイルと、第１のコイルの第１端に第１の電圧を印加し、第２のコイルの第１端に第２の電圧を印加するための電圧印加装置と、第１のコイルの第２端および第２のコイルの第２端とグランドとの間に設けられた抵抗器とを備えている。
【００１０】
第１および第２のコイルは、一方のコイルの第１端に第１または第２の電圧が印加されたときに相互誘導による起電力によって他方のコイルの第１端に生じる電圧の正負の符号が一方のコイルの第１端に印加された第１または第２の電圧の正負の符号と一致するように磁気結合している。
【００１１】
本発明のキャンセル磁界発生回路は、更に、第１のコイルと第２のコイルのそれぞれの断線を検出する断線検出回路を備えていてもよい。
【００１２】
また、本発明のキャンセル磁界発生回路は、更に、第１のコイルに直列に設けられた第１の開閉器と、第２のコイルに直列に設けられた第２の開閉器とを備えていてもよい。この場合、キャンセル磁界発生回路は、更に、第１のコイルと第２のコイルのそれぞれの断線を検出し、第１のコイルの断線を検出したときには第１の開閉器を開状態にし、第２のコイルの断線を検出したときには第２の開閉器を開状態にする断線検出回路を備えていてもよい。
【００１３】
また、本発明のキャンセル磁界発生回路は、更に、抵抗器の両端の電位差と対応関係を有する検出値を生成する検出器を備えていてもよい。検出器は、外部からの制御によって検出値のレベルを変更可能であってもよい。この場合、キャンセル磁界発生回路は、更に、第１のコイルと第２のコイルのそれぞれの断線を検出し、第１または第２のコイルの断線を検出したときに、検出器を制御して検出値のレベルを変更する断線検出回路を備えていてもよい。キャンセル磁界発生回路は、更に、第１のコイルに直列に設けられた第１の開閉器と、第２のコイルに直列に設けられた第２の開閉器とを備えていてもよい。そして、断線検出回路は、第１のコイルの断線を検出したときには第１の開閉器を開状態にし、第２のコイルの断線を検出したときには第２の開閉器を開状態にしてもよい。
【００１４】
また、本発明のキャンセル磁界発生回路において、電圧印加装置は、第１の電圧を発生する第１の電圧発生器と、第２の電圧を発生する第２の電圧発生器とを含んでいてもよい。また、第１の電圧と第２の電圧は、同じ値であってもよい。
【００１５】
本発明の磁界検出装置は、本発明のキャンセル磁界発生回路と、磁気センサと、制御回路とを備えている。この磁界検出装置において、対象磁界は、検出対象の磁界である。磁気センサは、対象磁界とキャンセル磁界との残差の磁界を検出して、その磁界の強度と対応関係を有する残差磁界検出値を出力する。制御回路は、第１および第２のコイルからキャンセル磁界が発生されるように、残差磁界検出値に基づいて電圧印加装置を制御する。抵抗器の両端の電位差は、対象磁界の強度と対応関係を有する。
【００１６】
本発明の電流センサは、本発明のキャンセル磁界発生回路と、磁気センサと、制御回路とを備えている。この電流センサにおいて、対象磁界は、検出対象電流によって発生する磁界である。磁気センサは、対象磁界とキャンセル磁界との残差の磁界を検出して、その磁界の強度と対応関係を有する残差磁界検出値を出力する。制御回路は、第１および第２のコイルからキャンセル磁界が発生されるように、残差磁界検出値に基づいて電圧印加装置を制御する。抵抗器の両端の電位差は、検出対象電流の値と対応関係を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のキャンセル磁界発生回路、磁界検出装置および電流センサによれば、第１および第２のコイルの一方のコイルが断線しても、他方のコイルに通電することができ、これによりキャンセル磁界を発生させることができる。従って、本発明によれば、第１および第２のコイルの一方の断線によって動作不能になることを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電流センサの回路図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路の回路図である。
【図３】図２に示した回路の等価回路を示す回路図である。
【図４】図３に示した回路の等価回路を示す回路図である。
【図５】図４に示した回路の等価回路を示す回路図である。
【図６】図５に示した回路の等価回路を示す回路図である。
【図７】図６に示した回路の等価回路を示す回路図である。
【図８】第２のコイルが断線している状態におけるキャンセル磁界発生回路の等価回路を示す回路図である。
【図９】図８に示した回路の等価回路を示す回路図である。
【図１０】第１のシミュレーションにおける第１のモデルを示す回路図である。
【図１１】第１のシミュレーションにおける第２のモデルを示す回路図である。
【図１２】第１のシミュレーションにおける第３のモデルを示す回路図である。
【図１３】第１のシミュレーションの結果を示す波形図である。
【図１４】第２のシミュレーションにおける第４のモデルを示す回路図である。
【図１５】第２のシミュレーションにおける第５のモデルを示す回路図である。
【図１６】結合係数が０．８の場合における第４および第５のモデルの特性を示す波形図である。
【図１７】結合係数が０．９の場合における第４および第５のモデルの特性を示す波形図である。
【図１８】結合係数が１の場合における第４および第５のモデルの特性を示す波形図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る電流センサの回路図である。
【図２０】図１９における断線検出回路の構成を示すブロック図である。
【図２１】図２０における判定部および制御部の動作を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の第３の実施の形態に係る電流センサの回路図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態に係る電流センサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路、磁界検出装置および電流センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る電流センサ１の回路図である。本実施の形態に係る電流センサ１は、バスバー等の導体２を流れる検出対象電流Ｉｐの値を検出するものである。また、電流センサ１は、磁気平衡式の電流センサである。電流センサ１は、本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０と、磁気センサ３と、制御回路４とを備えている。電流センサ１は、本実施の形態に係る磁界検出装置でもある。
【００２０】
キャンセル磁界発生回路１０は、第１のコイル１１と、第２のコイル１２と、電圧印加装置２０と、抵抗器１５と、検出器１６とを備えている。
【００２１】
第１および第２のコイル１１，１２は、キャンセル対象の磁界である対象磁界をキャンセルするためのキャンセル磁界を発生するものである。本実施の形態に係る磁界検出装置において、対象磁界は検出対象の磁界である。また、電流センサ１において、対象磁界は、検出対象電流Ｉｐによって発生する磁界である。対象磁界は、導体２から発生される。第１のコイル１１は、互いに反対側の端である第１端１１ａと第２端１１ｂを有している。第２のコイル１２は、互いに反対側の端である第１端１２ａと第２端１２ｂを有している。第１のコイル１１の第２端１１ｂと第２のコイル１２の第２端１２ｂは、互いに接続されている。
【００２２】
電圧印加装置２０は、第１のコイル１１の第１端１１ａに第１の電圧Ｖ１を印加し、第２のコイル１２の第１端１２ａに第２の電圧Ｖ２を印加するための装置である。本実施の形態では特に、電圧印加装置２０は、第１の電圧Ｖ１を発生する第１の電圧発生器１３と、第２の電圧Ｖ２を発生する第２の電圧発生器１４とを含んでいる。第１の電圧Ｖ１と第２の電圧Ｖ２は、同じ値Ｖｃであってもよい。この場合には、電圧印加装置２０は、２つの電圧発生器１３，１４の代わりに、電圧Ｖｃを発生して第１のコイル１１の第１端１１ａと第２のコイル１２の第１端１２ａに印加する１つの電圧発生器を備えていてもよい。
【００２３】
抵抗器１５は、第１のコイル１１の第２端１１ｂおよび第２のコイル１２の第２端１２ｂとグランドとの間に設けられている。ここで、抵抗器１５の抵抗値をＲoutとする。
【００２４】
検出器１６は、抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutと対応関係を有する検出値を生成する。検出器１６は、例えば、抵抗器１５の両端に接続された２つの入力端と、検出値を出力する出力端を有する差動増幅器である。
【００２５】
第１および第２のコイル１１，１２は、一方のコイルの第１端に第１または第２の電圧が印加されたときに相互誘導による起電力によって他方のコイルの第１端に生じる電圧の正負の符号が一方のコイルの第１端に印加された第１または第２の電圧の正負の符号と一致するように磁気結合している。また、第１および第２のコイル１１，１２は、それぞれの第１端に正負の符号が一致する第１および第２の電圧が印加されたときに同じ方向に向かう磁束を発生するように構成されている。
【００２６】
導体２と第１および第２のコイル１１，１２は、それぞれ磁束を発生する。導体２と第１および第２のコイル１１，１２は、それぞれが発生する磁束の少なくとも一部が同じ磁路を通過する位置関係で設けられている。磁気センサ３は、対象磁界とキャンセル磁界との残差の磁界（以下、残差磁界と言う。）を検出して、残差磁界の強度と対応関係を有する残差磁界検出値を出力する。
【００２７】
電流センサ１は、更に、導体２と第１および第２のコイル１１，１２のそれぞれが発生する磁束を通過させる磁気コアを備えていてもよい。磁気コアは、金属磁性体やフェライト等の磁性体によって構成されている。磁気コアは、リング形状を有していてもよい。導体２は、このリング形状の磁気コアの内側を通過するように延びていてもよいし、磁気コアの一部に巻かれていてもよい。第１および第２のコイル１１，１２は、それぞれ磁気コアに巻かれた巻線で構成されていてもよい。この場合、第１および第２のコイル１１，１２を構成する２つの巻線は、磁気コアの互いに異なる部分に巻かれた構成でもよいし、一方の巻線の外側に他方の巻線が巻かれた構成でもよいし、バイファイラ巻きの構成でもよい。
【００２８】
また、磁気コアは、ギャップ部を形成するように一部が切り欠かれたリング形状を有していてもよい。磁気センサ３は、磁気コアのギャップ部に配置されていてもよい。
【００２９】
磁気センサ３の種類は特に限定されない。磁気センサ３としては、例えば、フラックスゲートセンサ、ホール素子、磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス効果素子、カレントトランスのいずれかであってもよい。磁気抵抗効果素子は、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子のいずれかであってもよい。
【００３０】
制御回路４は、第１および第２のコイル１１，１２からキャンセル磁界が発生されるように、磁気センサ３から出力される残差磁界検出値に基づいて電圧印加装置２０を制御する。制御回路４は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）またはマイクロコンピュータによって実現することができる。
【００３１】
以下、本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の動作について説明する。始めに、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態における動作について説明する。この状態では、制御回路４は、上述のように、第１および第２のコイル１１，１２からキャンセル磁界が発生されるように、磁気センサ３から出力される残差磁界検出値に基づいて第１および第２の電圧発生器１３，１４を制御する。第１の電圧発生器１３は、第１のコイル１１の第１端１１ａに第１の電圧Ｖ１を印加する。これにより、第１のコイル１１に電流が流れ、第１のコイル１１から磁界が発生される。第２の電圧発生器１４は、第２のコイル１２の第１端１２ａに第２の電圧Ｖ２を印加する。これにより、第２のコイル１２に電流が流れ、第２のコイル１２から磁界が発生される。キャンセル磁界は、第１および第２のコイル１１，１２から発生される磁界が合成されたものである。制御回路４は、磁気センサ３によって検出される残差磁界がゼロに近づくように、第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２を制御する。
【００３２】
抵抗器１５には、第１のコイル１１を流れる電流と第２のコイル１２を流れる電流とが加算された電流が流れる。残差磁界がゼロの状態では、抵抗器１５を流れる電流の値および抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutは、検出対象電流Ｉｐの値および対象磁界の強度と対応関係を有する。具体的には、残差磁界がゼロの状態では、抵抗器１５を流れる電流の値および抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutは、検出対象電流Ｉｐの値および対象磁界の強度と比例関係にある。なお、抵抗器１５を流れる電流の値は、抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutを抵抗器１５の抵抗値Ｒoutで除算することによって得られる。検出器１６から出力される検出値は、検出対象電流Ｉｐの値および対象磁界の強度と対応関係を有する。従って、この検出値から検出対象電流Ｉｐの値および対象磁界の強度を推測することができる。
【００３３】
次に、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線した場合におけるキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の動作について説明する。第２のコイル１２が断線した場合には、第２のコイル１２には電流が流れないが、第１のコイル１１には第１の電圧Ｖ１に基づく電流が流れる。そのため、この電流によって、磁気結合した第１および第２のコイル１１，１２からキャンセル磁界が発生される。
【００３４】
第１のコイル１１が断線した場合には、第１のコイル１１には電流が流れないが、第２のコイル１２には第２の電圧Ｖ２に基づく電流が流れる。そのため、この電流によって、磁気結合した第１および第２のコイル１１，１２からキャンセル磁界が発生される。
【００３５】
後で詳しく説明するが、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の特性は、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらない。従って、本実施の形態によれば、第１および第２のコイル１１，１２の一方の断線によって、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１が動作不能になることを防止することができる。
【００３６】
以下、図２ないし図９を参照して、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の特性が、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらないことについて詳しく説明する。
【００３７】
始めに、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態について説明する。図２は、図１に示したキャンセル磁界発生回路１０の回路図である。ここで、第１のコイル１１の自己インダクタンスをＬ１とし、第２のコイル１２の自己インダクタンスをＬ２とし、第１のコイル１１と第２のコイル１２の結合係数をｋとし、第１のコイル１１と第２のコイル１２の相互インダクタンスをＭとする。結合係数ｋは、０以上１以下である。相互インダクタンスＭは、以下の式（１）で表される。
【００３８】
Ｍ＝ｋ√（Ｌ１・Ｌ２）  …（１）
【００３９】
図３は、図２に示した回路の等価回路である。図３では、第１および第２のコイル１１，１２が、互いに磁気結合していない３つのインダクタ２１，２２，２３に置き換えられている。インダクタ２１，２２，２３の各々は、互いに反対側の端である第１端と第２端を有している。インダクタ２１の第１端は第１の電圧発生器１３に接続されている。インダクタ２２の第１端は第２の電圧発生器１４に接続されている。インダクタ２１の第２端とインダクタ２２の第２端とインダクタ２３の第１端は互いに接続されている。インダクタ２３の第２端は抵抗器１５に接続されている。
【００４０】
インダクタ２１のインダクタンスはＬ１−Ｍである。インダクタ２２のインダクタンスはＬ２−Ｍである。インダクタ２３のインダクタンスは、第１のコイル１１と第２のコイル１２の相互インダクタンスと等しいＭである。
【００４１】
ここで、Ｌ１とＬ２が同じ値Ｌｃであり、Ｖ１とＶ２が同じ値Ｖｃであるとする。この場合、インダクタ２１とインダクタ２２のインダクタンスは共に（１−ｋ）Ｌｃであり、インダクタ２３のインダクタンスはｋＬｃである。
【００４２】
更に、ノートンの定理を適用して、図３に示した回路の等価回路を、図４のように表すことができる。図４では、図３における第１および第２の電圧発生器１３，１４が電流源３３，３４に置き換えられている。電流源３３はインダクタ２１に並列に設けられ、電流源３４はインダクタ２２に並列に設けられている。ここで、電流源３３，３４の各々が発生する電流の値をＩｃとする。Ｉｃは、フェーザ形式を用いて、以下の式（２）で表すことができる。式（２）において、ｊは虚数単位であり、ωは、電圧Ｖｃの時間的変化に対応する角周波数である。
【００４３】
Ｉｃ＝Ｖｃ／｛ｊω（１−ｋ）Ｌｃ｝  …（２）
【００４４】
図４に示した回路では、インダクタ２１，２２が並列に設けられ、電流源３３，３４が並列に設けられている。そこで、インダクタ２１，２２を１つのインダクタ２５に置き換え、電流源３３，３４を１つの電流源３５に置き換えて、図４に示した回路の等価回路を、図５のように表すことができる。インダクタ２５のインダクタンスは、インダクタ２１，２２の各々のインダクタンスの１／２、すなわち（１−ｋ）Ｌｃ／２である。電流源３５が発生する電流の値は、電流源３３，３４の各々が発生する電流の値の２倍、すなわち２Ｉｃである。
【００４５】
ここで、ノートンの定理とは双対の関係にあるテブナンの定理を適用して、図５に示した回路の等価回路を、図６のように表すことができる。図６では、図５における電流源３５が電圧源３６に置き換えられている。図６に示した回路では、電圧源３６と抵抗器１５の間に、インダクタ２５とインダクタ２３が直列に設けられている。そこで、インダクタ２５とインダクタ２３を１つのインダクタ２６に書き換えて、図６に示した回路の等価回路を、図７のように表すことができる。インダクタ２６のインダクタンスは、（１＋ｋ）Ｌｃ／２である。
【００４６】
ここで、抵抗器１５を流れる電流の値をＩoutとする。抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutは、以下の式（３）で表される。
【００４７】
Ｖout＝Ｉout×Ｒout＝Ｖｃ／｛Ｒout＋ｊω（１＋ｋ）Ｌｃ／２｝×Ｒout  …（３）
【００４８】
次に、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線している状態について説明する。ここでは、第２のコイル１２が断線している状態について考える。この状態における図３に示した等価回路と同様のキャンセル磁界発生回路１０の等価回路を図８に示す。この場合、図８に示したように、第２の電圧発生器１４からインダクタ２３に至る電流路が開放状態になる。この場合でも、インダクタ２１，２３には、第１の電圧発生器１３が発生する第１の電圧Ｖ１に基づく電流が流れる。
【００４９】
ここで、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態と同様に、Ｌ１とＬ２が同じ値Ｌｃであり、Ｖ１とＶ２が同じ値Ｖｃであるとする。この場合、インダクタ２１のインダクタンスは（１−ｋ）Ｌｃであり、インダクタ２３のインダクタンスはｋＬｃである。
【００５０】
図８に示した回路の等価回路は、図７に示した等価回路と同様に、図９のように表される。この場合のインダクタ２６のインダクタンスはＬｃである。この場合の抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutは、以下の式（４）で表される。
【００５１】
Ｖout＝Ｉout×Ｒout＝Ｖｃ／｛Ｒout＋ｊωＬｃ｝×Ｒout  …（４）
【００５２】
結合係数ｋが１の場合には、第２のコイル１２が断線している状態におけるインダクタ２６のインダクタンスは、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態におけるインダクタ２６のインダクタンスと等しい。また、この場合、式（３）と式（４）は同じである。結合係数ｋが１未満の場合には、結合係数ｋが大きいほど、すなわち１に近いほど、第２のコイル１２が断線している状態におけるインダクタ２６のインダクタンスは、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態におけるインダクタ２６のインダクタンスに近くなり、式（４）で表されるＶoutは、式（３）で表されるＶoutに近くなる。以上の説明は、第２のコイル１２ではなく第１のコイル１１が断線している場合についても当てはまる。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態では、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線した場合でも、磁気結合した第１および第２のコイル１１，１２からキャンセル磁界を発生させることができるため、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１は動作を継続することができる。しかも、結合係数ｋが１に近い、十分に大きな値であれば、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の特性は、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらない。第１および第２のコイル１１，１２が磁気コアに巻かれた巻線で構成されている場合には、結合係数ｋを、１に近い、十分に大きな値にすることができる。
【００５４】
以上のことから、本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１によれば、第１および第２のコイル１１，１２の一方の断線によって動作不能になることを防止することができる。
【００５５】
次に、本実施の形態による効果を確認するために行った第１および第２のシミュレーションの結果について説明する。始めに、第１のシミュレーションについて説明する。第１のシミュレーションでは、図１０ないし図１２に示した第１ないし第３のモデルを用いた。
【００５６】
図１０に示した第１のモデルは、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のキャンセル磁界発生回路１０のモデルである。図１１に示した第２のモデルは、第１のコイル１１が断線している状態のキャンセル磁界発生回路１０のモデルである。図１２に示した第３のモデルは、第２のコイル１２が断線している状態のキャンセル磁界発生回路１０のモデルである。第１ないし第３のモデルは、いずれも、第１のコイル１１と、第２のコイル１２と、第１の電圧発生器１３と、第２の電圧発生器１４と、抵抗器１５とを備えている。
【００５７】
第１ないし第３のモデルにおいて、第１および第２のコイル１１，１２の結合係数ｋは０．９８である。また、第１および第２の電圧発生器１３，１４の各々は、振幅が２．５Ｖ、オフセットが２．５Ｖ、周波数が１００Ｈｚの正弦波状の電圧を発生するものとした。抵抗器１５の抵抗値は３Ωである。
【００５８】
第１のシミュレーションでは、第１ないし第３のモデルについて、それぞれ抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutの時間的変化の特性を調べた。図１３は、第１のモデルにおける電位差Ｖoutの時間的変化の特性を示す波形図である。図１３において、横軸は時間を示し、縦軸は電位差Ｖoutを示している。第２および第３のモデルのそれぞれにおける電位差Ｖoutの時間的変化の特性は、図１３に示した特性とほとんど同じである。
【００５９】
第１のシミュレーションによって、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、キャンセル磁界発生回路１０の特性は、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらないことを確認することができた。
【００６０】
次に、第２のシミュレーションについて説明する。第２のシミュレーションでは、図１４および図１５に示した第４および第５のモデルを用いた。
【００６１】
図１４に示した第４のモデルは、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態の電流センサ１のモデルである。図１５に示した第５のモデルは、第１のコイル１１が断線している状態の電流センサ１のモデルである。第４および第５のモデルは、いずれも、導体２と、電流源４１と、磁気センサ３と、第１のコイル１１と、第２のコイル１２と、第１の電圧制御部４３と、第２の電圧制御部４４と、抵抗器１５とを備えている。電流源４１は、導体２に、１００Ｈｚの正弦波状の電流を流す。
【００６２】
第４および第５のモデルにおいて、磁気センサ３は、カレントトランスである。第１の電圧制御部４３は、制御回路４および第１の電圧発生器１３の機能を有する。第１の電圧制御部４３は、磁気センサ３から出力される残差磁界検出値Ｖｓに基づいて制御された第１の電圧Ｖ１を発生する。第２の電圧制御部４４は、制御回路４および第２の電圧発生器１４の機能を有する。第２の電圧制御部４４は、磁気センサ３から出力される残差磁界検出値Ｖｓに基づいて制御された第２の電圧Ｖ２を発生する。
【００６３】
第２のシミュレーションでは、第１および第２のコイル１１，１２の結合係数ｋの値を変えて、第４および第５のモデルにおける抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutの時間的変化の特性を調べた。
【００６４】
図１６において、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、結合係数ｋが０．８の場合における第４のモデルと第５のモデルの電位差Ｖoutの時間的変化の特性を示している。
【００６５】
図１７において、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、結合係数ｋが０．９の場合における第４のモデルと第５のモデルの電位差Ｖoutの時間的変化の特性を示している。
【００６６】
図１８において、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、結合係数ｋが１の場合における第４のモデルと第５のモデルの電位差Ｖoutの時間的変化の特性を示している。
【００６７】
図１６の（ａ）、（ｂ）、図１７の（ａ）、（ｂ）、図１８の（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、横軸は時間を示し、縦軸は電位差Ｖoutを示している。
【００６８】
なお、図示しないが、第４のモデルにおいて第２のコイル１２が断線した場合における電位差Ｖoutの時間的変化の特性は、第５のモデルにおける電位差Ｖoutの時間的変化の特性と同様である。
【００６９】
第２のシミュレーションの結果から、結合係数ｋが大きいほど、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線した場合における電流センサ１の特性が、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していないときの電流センサ１の特性に近づくことが分かる。また、第２のシミュレーションの結果から、結合係数ｋが０．８以上であれば、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、電流センサ１の特性は、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらないことが分かる。
【００７０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１９は、本実施の形態に係る電流センサ１の回路図である。以下、本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１が第１の実施の形態と異なる点について説明する。本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０は、第１の実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０の構成要素に加えて、第１のコイル１１と第２のコイル１２のそれぞれの断線を検出する断線検出回路５０を備えている。断線検出回路５０は、第１のコイル１１の第２端１１ｂおよび第２のコイル１２の第２端１２ｂと、抵抗器１５との間に設けられている。
【００７１】
図２０は、断線検出回路５０の構成を示すブロック図である。図２０に示したように、断線検出回路５０は、低域通過フィルタ５１と、電圧検出器５２と、判定部５３と、制御部５４とを含んでいる。
【００７２】
低域通過フィルタ５１は、入力端と出力端を有している。低域通過フィルタ５１の入力端は、第１のコイル１１の第２端１１ｂおよび第２のコイル１２の第２端１２ｂと抵抗器１５とを接続する線路に接続されている。低域通過フィルタ５１の入力端には、抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutに相当する入力電圧が印加される。低域通過フィルタ５１は、入力電圧の時間的変化の波形から高周波ノイズを除去する処理を行い、処理後の電圧を出力端から出力する。
【００７３】
電圧検出器５２は、低域通過フィルタ５１の出力端から出力される電圧が所定の閾値を超えているか否かを検出し、検出結果を示す検出値を出力する。電圧検出器５２は、例えばコンパレータで構成される。
【００７４】
判定部５３は、電圧検出器５２の検出値に基づいて、第１のコイル１１または第２のコイル１２における断線の有無を判定する。
【００７５】
制御部５４は、判定部５３を制御すると共に、第１および第２の電圧発生器１３，１４に対してそれぞれ制御信号Ｃ１，Ｃ２を送って第１および第２の電圧発生器１３，１４を制御する。
【００７６】
判定部５３および制御部５４は、制御回路４と共に、ＡＳＩＣ、ＤＳＰまたはマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。
【００７７】
図２１は、判定部５３および制御部５４の動作を示すフローチャートである。この動作は、電流センサ１の始動時や、検出対象電流Ｉｐが流れていない所定のタイミングで行うことが好ましい。以下、第１のコイル１１の断線の有無を確認する際の動作について説明するが、第２のコイル１２の断線の有無を確認する際の動作も以下と同様である。
【００７８】
図２１に示した動作では、制御部５４は、まず、ステップＳ１０１で、制御信号Ｃ１，Ｃ２によって、第１および第２の電圧発生器１３，１４からの電圧の発生を停止する。
【００７９】
制御部５４は、次に、ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１の実行時から所定の第１の時間の経過後に、制御信号Ｃ１によって、第１の電圧発生器１３から所定の値の電圧を発生させる。第１の時間は、ステップＳ１０１の実行後、低域通過フィルタ５１の入力電圧が十分に小さくなるまでの時間であり、キャンセル磁界発生回路１０の時定数を考慮して設定される。
【００８０】
制御部５４は、次に、ステップＳ１０３で、判定部５３に、ステップＳ１０２の実行後の所定の第２の時間内に電圧検出器５２の検出値が変化したか否かを判定させる。第１のコイル１１が断線していなければ電圧検出器５２の検出値は変化するが、第１のコイル１１が断線していれば電圧検出器５２の検出値は変化しない。第２の時間は、コイル１１が断線していない場合に、ステップＳ１０２の実行後、電圧検出器５２の検出値が変化するまでの時間よりも長い時間であり、キャンセル磁界発生回路１０の時定数を考慮して設定される。
【００８１】
第２の時間内に電圧検出器５２の検出値が変化した場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）には、判定部５３は、ステップＳ１０４で、第１のコイル１１は断線していないと判定する。第２の時間内に電圧検出器５２の検出値が変化しない場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）には、判定部５３は、ステップＳ１０５で、第１のコイル１１が断線していると判定する。
【００８２】
以上で、第１のコイル１１の断線の有無を確認する際の動作は終了する。第２のコイル１２の断線の有無を確認する際の動作では、ステップＳ１０２において、第１の電圧発生器１３の代わりに、第２の電圧発生器１４から所定の値の電圧を発生させる。
【００８３】
断線検出回路５０は、更に、第１のコイル１１または第２のコイル１２における断線を検出した際に、そのことを、ランプの点灯、所定の音声または音の発生等によって利用者に告知する機能を備えていてもよい。また、断線検出回路５０は、第１のコイル１１または第２のコイル１２における断線を検出した際に、そのことを告知する信号を、制御回路４や、電流センサ１を含むシステムの制御回路等の制御機能部に送る機能を備えていてもよい。これらの機能により、利用者が、電流センサ１の停止、電流センサ１や電流センサ１を含む回路の交換等の適切な処置を実行することが可能になる。
【００８４】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００８５】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図２２は、本実施の形態に係る電流センサ１の回路図である。以下、本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１が第２の実施の形態と異なる点について説明する。本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０は、第２の実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０の構成要素に加えて、第１のコイル１１に直列に設けられた第１の開閉器６１と、第２のコイル１２に直列に設けられた第２の開閉器６２とを備えている。第１および第２の開閉器６１，６２の各々は、第１の端子と第２の端子を有している。また、第１および第２の開閉器６１，６２の各々は、外部からの制御信号によって、第１の端子と第２の端子が導通した閉状態と、第１の端子と第２の端子の間が遮断された開状態とが選択されるようになっている。
【００８６】
第１の開閉器６１の第１の端子は、第１のコイル１１の第２端１１ｂに接続されている。第１の開閉器６１の第２の端子は、第２の開閉器６２の第１の端子に接続されている。第２の開閉器６２の第２の端子は、第２のコイル１２の第２端１２ｂに接続されている。
【００８７】
断線検出回路５０は、第１の開閉器６１の第２の端子および第２の開閉器６２の第１の端子と、抵抗器１５との間に設けられている。断線検出回路５０は、第１のコイル１１の断線を検出したときには、第１の開閉器６１に制御信号を送って、第１の開閉器６１を開状態にする。また、断線検出回路５０は、第２のコイル１２の断線を検出したときには、第２の開閉器６２に制御信号を送って、第２の開閉器６２を開状態にする。第１および第２の開閉器６１，６２の各々は、断線検出回路５０から、開状態にするための制御信号が送られてこない限り、閉状態を維持する。
【００８８】
第１のコイル１１または第２のコイル１２が中途半端に断線すると、その後、振動等によって、第１のコイル１１または第２のコイル１２における断線箇所が導通してしまう場合がある。この場合、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の動作が不安定になるおそれがある。
【００８９】
本実施の形態では、断線検出回路５０は、第１のコイル１１の断線を検出したときには第１の開閉器６１を開状態にし、第２のコイル１２の断線を検出したときには第２の開閉器６２を開状態にする。これにより、本実施の形態によれば、上述のようにキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の動作が不安定になることを防止することができる。
【００９０】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第２の実施の形態と同様である。
【００９１】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図２３は、本実施の形態に係る電流センサ１の回路図である。以下、本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１が第３の実施の形態と異なる点について説明する。本実施の形態に係るキャンセル磁界発生回路１０は、第３の実施の形態における検出器１６の代わりに、外部からの制御によって検出値のレベルを変更可能な検出器６６を備えている。検出器６６は、抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutを入力して検出値を出力する。検出器６６は、例えば可変利得増幅器である。
【００９２】
本実施の形態における断線検出回路５０は、第１のコイル１１または第２のコイル１２の断線を検出したときに、検出器６６を制御して検出値のレベルを変更する。第１の実施の形態で説明したように、第１および第２のコイル１１，１２の結合係数ｋが十分大きければ、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、抵抗器１５の両端の電位差Ｖoutのレベルは、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらない。しかし、結合係数ｋが小さい場合には、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線すると、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときと比べて、電位差Ｖoutのレベルが変化する。
【００９３】
断線検出回路５０は、第１のコイル１１または第２のコイル１２の断線を検出したときに、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときと比べて、検出値のレベルがほとんど変わらないように、検出器６６を制御して検出値のレベルを変更する。これにより、本実施の形態によれば、より確実に、第１および第２のコイル１１，１２の一方が断線しても、キャンセル磁界発生回路１０、磁界検出装置および電流センサ１の特性が、第１および第２のコイル１１，１２がいずれも断線していない状態のときとほとんど変わらないようにすることができる。
【００９４】
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第３の実施の形態と同様である。なお、本実施の形態におけるキャンセル磁界発生回路１０は、開閉器６１，６２を含まず、断線検出回路５０が開閉器６１，６２を制御する機能を有さない構成であってもよい。
【００９５】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明のキャンセル磁界発生回路および磁界検出装置は、対象磁界が、電流によって発生するものではない場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１…電流センサ、２…導体、３…磁気センサ、４…制御回路、１０…キャンセル磁界発生回路、１１…第１のコイル、１２…第２のコイル、１３…第１の電圧発生器、１４…第２の電圧発生器、１５…抵抗器、１６…検出器、２０…電圧印加装置。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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