(57)【要約】  【課題】従来よりも広いレベル範囲を精度よく検出できる電流センサを提供する。  【解決手段】２つのコア部材１０と、励磁信号Ｉａｃの信号源１００に接続される励磁コイル２０と、励磁信号Ｉａｃを励磁コイル２０それぞれに供給するための励磁経路３０と、コア部材１０に発生した磁束に応じた検出信号Ｉｃが流れる検出コイル４０と、２つの検出コイル４０同士を接続する差動検出経路５０と、差動検出経路５０を経ることによって得られる信号を直流信号成分と交流信号成分とに分離する成分分離部６０と、交流信号成分の信号レベルがしきい値未満となるように直流信号成分の信号レベルを制御する電流帰還制御部７０と、直流信号成分の信号レベルを被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルとして出力する信号出力部８０と、を備えている。【選択図】図１
2019002768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれリング状に形成され、該リングを貫通する方向に沿って被検出電流が流れるように重ねて配置される２つのコア部材と、
前記コア部材それぞれに巻回され、基本波成分からなる励磁信号の信号源に接続される励磁コイルと、
前記信号源から供給される励磁信号を励磁コイルそれぞれに供給するための経路であり、該励磁信号により前記コア部材に発生する磁束が、該コア部材同士で同相または逆相となるように、前記信号源および前記励磁コイルそれぞれを接続する励磁経路と、
前記コア部材それぞれに巻回され、該コア部材に発生した磁束に応じた検出信号が流れる検出コイルと、
前記検出コイルそれぞれに流れる検出信号が、該検出信号に含まれる基本波成分を相殺させる極性関係で合流するように、２つの前記検出コイル同士を接続する差動検出経路と、前記差動検出経路を経ることによって得られる信号を直流信号成分と交流信号成分とに分離する成分分離部と、
前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、該成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する帰還制御部と、
前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを、前記被検出電流に対応する信号レベルとして出力する信号出力部と、を備えており、
前記コア部材は、外部磁場に応じて外部磁場「０」を頂点に透磁率が減少するとともに、該透磁率μの変化を「外部磁場Ｈ−透磁率μ」の座標系に示した場合における曲線の曲率が外部磁場の絶対値に応じて大きくなる、といった特性を有する部材により形成され、前記励磁コイルに励磁信号が流れている状態で前記被検出電流が流れると、該被検出電流の信号レベルに応じて発生する外部磁場に応じた透磁率μとなり、該透磁率μに応じた高調波の磁束を、励磁信号により発生する前記基本波成分の磁束に重畳させる、ように構成されており、
前記帰還制御部は、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御することで一方の前記検出コイルに磁束を発生させ、該磁束で前記被検出電流の大きさに応じて発生する外部磁場を相殺させることによって、前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルを所定のしきい値未満とする
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
それぞれリング状に形成され、該リングを貫通する方向に沿って被検出電流が流れるように重ねて配置される２つのコア部材と、
前記コア部材それぞれに巻回され、基本波成分からなる励磁信号の信号源に接続される励磁コイルと、
前記信号源から供給される励磁信号を励磁コイルそれぞれに供給するための経路であり、該励磁信号により前記コア部材に発生する磁束が、該コア部材同士で逆相となるように、前記信号源および前記励磁コイルそれぞれを接続する励磁経路と、
２つの前記コア部材にまたがるように巻回され、該コア部材に発生した磁束に応じた検出信号が流れる検出コイルと、
前記検出コイルを流れる信号を直流信号成分と交流信号成分とに分離する成分分離部と、
前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、該成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する帰還制御部と、
前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを、前記被検出電流に対応する信号レベルとして出力する信号出力部と、を備えており、
前記コア部材は、外部磁場に応じて外部磁場「０」を頂点に透磁率が減少するとともに、該透磁率μの変化を「外部磁場Ｈ−透磁率μ」の座標系に示した場合における曲線の曲率が外部磁場の絶対値に応じて大きくなる、といった特性を有する部材により形成され、前記励磁コイルに励磁信号が流れている状態で前記被検出電流が流れると、該被検出電流の信号レベルに応じて発生する外部磁場に応じた透磁率μとなり、該透磁率μに応じた高調波の磁束を、励磁信号により発生する前記基本波成分の磁束に重畳させる、ように構成されており、
前記帰還制御部は、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御することで一方の前記検出コイルに磁束を発生させ、該磁束で前記被検出電流の大きさに応じて発生する外部磁場を相殺させることによって、前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルを所定のしきい値未満とする
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項３】
前記成分分離部により分離された交流信号成分から前記励磁信号の基本波成分を除去するフィルタ回路、および、該フィルタ回路からの出力信号における信号レベルを特定するレベル特定回路、からなるフィルタ部を備えており、
前記帰還制御部は、前記フィルタ部のレベル特定回路に特定された信号レベルが所定のしきい値未満となるように、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記フィルタ部は、前記フィルタ回路が、前記成分分離部により分離された交流信号成分を前記励磁信号における基本周波数の２倍の周波数にて同期検波する回路とされ、前記レベル特定回路が、前記フィルタ回路の出力信号を整流して直流信号とする回路とされている
ことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出電流を検出するための電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リング状のコア部材に励磁コイルおよび検出コイルを巻回した電流センサでは、検出コイル側で検出される信号レベルが、コア部材のリング状領域を貫通する被検出信号の信号レベルにより変化するため、その変化に基づいて被検出電流を特定（検出）することが一般的である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−０１０１６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した構成の電流センサは、励磁信号によりコア部材に発生する正弦波の磁束を被検出電流により歪ませ、その変化に応じた信号レベルを被検出電流の信号レベルとして特定する構成となっているが、センサとしての直線性の維持される領域がコア部材の磁気的な飽和領域付近にあるため、その付近に対応する狭いレベル範囲でしか信号レベルを検出できず、また、ヒステリシスの影響もあり必ずしも精度よく検出できない。
【０００５】
本願発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも広いレベル範囲を精度よく検出できる電流センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため第１局面（請求項１）としては、それぞれリング状に形成され、該リングを貫通する方向に沿って被検出電流が流れるように重ねて配置される２つのコア部材と、前記コア部材それぞれに巻回され、基本波成分からなる励磁信号の信号源に接続される励磁コイルと、前記信号源から供給される励磁信号を励磁コイルそれぞれに供給するための経路であり、該励磁信号により前記コア部材に発生する磁束が、該コア部材同士で同相または逆相となるように、前記信号源および前記励磁コイルそれぞれを接続する励磁経路と、前記コア部材それぞれに巻回され、該コア部材に発生した磁束に応じた検出信号が流れる検出コイルと、前記検出コイルそれぞれに流れる検出信号が、該検出信号に含まれる基本波成分を相殺させる極性関係で合流するように、２つの前記検出コイル同士を接続する差動検出経路と、前記差動検出経路を経ることによって得られる信号を直流信号成分と交流信号成分とに分離する成分分離部と、前記成分分離部により分離された交流信号成分（励磁信号の差動検出成分で励磁信号の残存成分と励磁信号の高調波成分の合成量）の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、該成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する帰還制御部と、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを、前記被検出電流に対応する信号レベルとして出力する信号出力部と、を備えている。
【０００７】
そして、前記コア部材は、外部磁場に応じて外部磁場「０」を頂点に透磁率が減少するとともに、該透磁率μの変化を「外部磁場Ｈ−透磁率μ」の座標系に示した場合における曲線の曲率が外部磁場の絶対値に応じて大きくなる、といった特性を有する部材により形成され、前記励磁コイルに励磁信号が流れている状態で前記被検出電流が流れると、該被検出電流の大きさに応じて発生する外部磁場に応じた透磁率μとなり、該透磁率μに応じた高調波の磁束を、励磁信号により発生する前記基本波成分の磁束に重畳させる、ように構成されており、前記帰還制御部は、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御することで一方の前記検出コイルに磁束を発生させ、該磁束で前記被検出電流の大きさに応じて発生する外部磁場を相殺させることによって、前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルを所定のしきい値未満とする。
【０００８】
また、上記課題を解決するため第２局面（請求項２）としては、それぞれリング状に形成され、該リングを貫通する方向に沿って被検出電流が流れるように重ねて配置される２つのコア部材と、前記コア部材それぞれに巻回され、基本波成分からなる励磁信号の信号源に接続される励磁コイルと、前記信号源から供給される励磁信号を励磁コイルそれぞれに供給するための経路であり、該励磁信号により前記コア部材に発生する磁束が、該コア部材同士で逆相となるように、前記信号源および前記励磁コイルそれぞれを接続する励磁経路と、２つの前記コア部材にまたがるように巻回され、該コア部材に発生した磁束に応じた検出信号が流れる検出コイルと、前記検出コイルを流れる信号を直流信号成分と交流信号成分とに分離する成分分離部と、前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、該成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する帰還制御部と、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを、前記被検出電流に対応する信号レベルとして出力する信号出力部と、を備えている。
【０００９】
そして、前記コア部材は、外部磁場に応じて外部磁場「０」を頂点に透磁率が減少するとともに、該透磁率μの変化を「外部磁場Ｈ−透磁率μ」の座標系に示した場合における曲線の曲率が外部磁場の絶対値に応じて大きくなる、といった特性を有する部材により形成され、前記励磁コイルに励磁信号が流れている状態で前記被検出電流が流れると、該被検出電流の信号レベルに応じて発生する外部磁場に応じた透磁率μとなり、該透磁率μに応じた高調波の磁束を、励磁信号により発生する前記基本波成分の磁束に重畳させる、ように構成されており、前記帰還制御部は、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御することで一方の前記検出コイルに磁束を発生させ、該磁束で前記被検出電流の大きさに応じて発生する外部磁場を相殺させることによって、前記成分分離部により分離された交流信号成分の信号レベルを所定のしきい値未満とする。
【００１０】
上述した第１、第２の局面における電流センサによれば、コア部材には、被検出電流の大きさに応じた磁束が重畳的に発生するが、コア部材そのものの特性によって、外部磁場Ｈ＝０を頂点として透磁率μが減少していくとともに、この外部磁場Ｈと透磁率μで規定されるμ−Ｈ曲線の曲率が外部磁場Ｈにおける絶対値の大きさに応じて大きくなっていく、という傾向を示すことになる。
【００１１】
この傾向を、ｘ軸に磁場Ｈをとり、ｙ軸に磁化Ｍの微分値としての透磁率μをとったμ−Ｈ座標でみると、二次曲線上における任意の位置でｘ軸に沿って振幅が変化する励磁信号に対し、ｙ軸に沿って振幅が変化する検出コイルからの出力信号に、二次曲線の「曲がり具合」に応じた高調波の成分が重畳されることとなるが、励磁信号の振幅中心が二次曲線上にあることから、磁場Ｈ＝０付近から飽和磁化に対応する磁場Ｈｓ付近までの広範囲にわたって、磁場Ｈに応じた固有の高調波成分が出力信号に重畳されることとなる。
【００１２】
つまり、上記局面では、飽和磁化に対応する磁場Ｈｓ付近の極狭い範囲だけでなく、磁場Ｈ＝０付近から磁場Ｈｓ付近までの広範囲にわたって、被検出信号の信号レベルを特定（検出）することができる。
【００１３】
さらに、上記局面では、検出コイル側に流れる交流信号成分の信号レベルがしきい値未満となるよう、直流信号成分が電流帰還制御されることにより、被検出電流によって発生する磁束を相殺する直流信号成分が被検出電流の大きさに対応するものとして特定されることになる。
【００１４】
検出コイル側に流れる交流信号成分は、被検出信号の信号レベルに応じて発生する高調波を主とする信号成分であるため、これをしきい値以下にするということは、被検出信号が仮想的に僅かしか流れていない状況を創り出しつつ、この状況の創出に必要な直流信号成分を元の被検出信号の信号レベルに対応するものにしたことを意味している。
【００１５】
コア部材などに用いられる磁性材料は、磁界と磁束との関係が磁界の大きさに応じて磁気的に飽和すると、直線的な比例関係から徐々に歪んで非直線的なものとなることから、通常、コア部材を有する電流センサでは、直線的な比例関係で歪みの少ない領域を超える磁界が発生しないよう動作させる必要がある。
【００１６】
しかし、上記局面のように、被検出信号が僅かにしか流れていない状況を創出できれば、被検出信号と上記直流信号成分との差分にあたる信号成分に応じた僅かな磁界しか発生しないことになるため、被検出信号の信号レベルに拘らず、直線的な比例関係で歪みの少ない領域内での動作を可能とし、これにより、従来よりも電流センサとしての検出精度を高くすることができる。
【００１７】
また、上記局面においては、以下のような第３局面（請求項３）のようにするとよい。
第２局面においては、前記成分分離部により分離された交流信号成分から前記励磁信号の基本波成分を除去するフィルタ回路、および、該フィルタ回路からの出力信号における信号レベルを特定するレベル特定回路、からなるフィルタ部を備えており、前記帰還制御部は、前記フィルタ部のレベル特定回路に特定された信号レベルが所定のしきい値未満となるように、前記成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する。
【００１８】
この局面における電流センサによれば、検出コイル側の交流信号成分から、励磁信号の基本波成分を除去したうえで、この交流信号成分に基づいて直流信号成分を帰還制御することができる。
【００１９】
検出コイルからの信号は、それまでの信号経路によって、基本波成分が相殺されているものの、各検出コイルが巻回されたコア部材同士の特性のバラツキが大きくなると、その基本波成分が充分に相殺されず、これが電流センサとしての検出精度に影響を与える可能性がある。
【００２０】
これに対しては、２つのコア部材それぞれの特性を揃えれば問題はないものの、個別の電流センサにおけるコア部材の特性を揃えるようなことは意図しないコストの増加にもつながりうるため、特性のばらつきによる影響を想定した構造としておくことが望ましく、その観点では、上記局面のように、フィルタ部を備えた構成とすることは、意図しないコストの増加を抑えつつ、基本波成分が電流センサとしての検出精度に与える影響を抑えるのに好適である。
【００２１】
また、この第２局面におけるフィルタ部は、励磁信号の基本波成分を除去できればよく、その具体的な構成については特に限定されない。例えば、励磁信号およびその２次高調波成分未満の信号成分を除去するハイパスフィルタによって、フィルタ部を構成することが考えられる。また、以下のようにすることも考えられる。
【００２２】
例えば、前記フィルタ部は、前記フィルタ回路が、前記成分分離部により分離された交流信号成分を前記励磁信号における基本波成分の２倍の周期で同期検波する回路とされ、前記レベル特定回路が、前記フィルタ回路の出力信号を整流して直流信号とする回路とされている、といったものである。
【００２３】
また、第４局面のように、前記フィルタ部は、前記フィルタ回路が、前記成分分離部により分離された交流信号成分を前記励磁信号における基本周波数の２倍の周波数にて同期検波する回路とされている、といったものも考えられる。
【００２４】
これら局面における電流センサによれば、同期検波整流により、電流センサとしての検出精度に与える基本波成分の影響を効果的に抑えることができる。
また、上述した信号出力部については、成分分離部により分離された直流信号成分の信号レベルを出力する、具体的にいえば、成分分離部により分離された交流信号成分からフィルタ部および電流帰還制御部を介して発生する直流電圧を被検出電流に比例した出力とすることができるものであればよく、その回路構成など具体的な構成は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態における電流センサの全体構成を示すブロック図
【図２Ａ】コア部材の有する特性を示すグラフ（外部磁場Ｈに対する磁化Ｍの変化で規定されるＭ−Ｈ曲線）
【図２Ｂ】コア部材の有する特性を示すグラフ（外部磁場Ｈに対する磁化Ｍの変化で規定されるＭ−Ｈ曲線；図２Ａにおける低磁場域を拡大したもの）
【図２Ｃ】コア部材の有する特性を示すグラフ（外部磁場Ｈと透磁率μで規定されるμ−Ｈ曲線）
【図２Ｄ】コア部材の有する特性を示すグラフ（外部磁場Ｈと透磁率μで規定されるμ−Ｈ曲線；図２Ｃにおける低磁場域を拡大したもの）
【図３Ａ】コア部材への各コイルの巻回された状態を示す図（１）
【図３Ｂ】コア部材への各コイルの巻回された状態を示す図（２）
【図３Ｃ】コア部材への各コイルの巻回された状態を示す図（３）
【図４】第２実施形態における電流センサの全体構成を示すブロック図
【図５Ａ】被検出電流と検出値との対応関係を示すグラフ（磁気平衡なしの場合）
【図５Ｂ】被検出電流と検出値との対応関係を示すグラフ（磁気平衡なしの場合と磁気平衡ありの場合との対比）
【図６Ａ】被検出電流と検出出力との対応関係を示すグラフ（帰還率「低」の場合）
【図６Ｂ】被検出電流と検出出力との対応関係を示すグラフ（帰還率「高」の場合）
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（１）第１実施形態
本実施形態に係る電流センサ１は、図１に示すように、センサ素子２と、センサ素子２からの出力に基づき被検出電流Ｉｍの信号レベルを検出する検出装置３と、を備えている。
【００２７】
センサ素子２は、それぞれリング状に形成され、このリングを貫通する方向に沿って被検出電流Ｉｍが流れるように重ねて配置される２つのコア部材１０と、コア部材１０それぞれに巻回され、基本波成分からなる励磁信号Ｉａｃの信号源１００に接続される励磁コイル２０と、信号源１００から供給される励磁信号Ｉａｃを励磁コイル２０それぞれに供給するための励磁経路３０と、コア部材１０それぞれに巻回され、コア部材１０に発生した磁束に応じた検出信号Ｉｃが流れる検出コイル４０と、２つの検出コイル４０同士を接続する差動検出経路５０と、を備えている。
【００２８】
検出装置３は、差動検出経路５０を経ることによって得られる信号（一方の検出コイル４０において差動検出経路５０に接続されていない側の経路を流れる信号）を直流信号成分と交流信号成分とに分離する成分分離部６０と、成分分離部６０により分離された交流信号成分の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、成分分離部６０により分離された直流信号成分の信号レベルを制御する電流帰還制御部７０と、成分分離部６０により分離された直流信号成分の信号レベルを、被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルとして出力する信号出力部８０と、を備えている。
【００２９】
この検出装置３では、まず、差動検出経路５０にて接続された検出コイル４０のうち、一方の検出コイル４０において差動検出経路５０に接続されていない側の経路を流れる信号における交流信号成分につき、この信号成分の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、同経路を流れる信号における直流信号成分の信号レベルを制御する。そして、この信号レベルに応じて検出コイル４０が発生させる磁束にて、被検出電流の信号レベルに応じて発生する外部磁場を相殺させ、該相殺させている状況における前記直流信号成分の信号レベルを、被検出電流に対応する信号レベルとして検出する。
【００３０】
コア部材１０は、図２Ａ，２Ｂに示すように、外部磁場に応じて外部磁場「０」を頂点に透磁率（図２Ａ，２Ｂでは、磁化Ｍの磁場Ｈによる微分値χｉとして表現）が減少するとともに、この透磁率μの変化を「外部磁場Ｈ−透磁率μ」の座標系に示して場合における曲線の曲率が外部磁場Ｈの絶対値に応じて大きくなる、といった特性を有する部材により形成されている。このコア部材１０は、励磁コイル２０に励磁信号Ｉａｃが流れている状態で被検出電流Ｉｍが流れると、被検出電流Ｉｍの信号レベルに応じて発生する外部磁場に応じた透磁率μとなり、この透磁率μに応じた高調波の磁束を、励磁信号Ｉａｃにより発生する基本波成分の磁束に重畳させる。
【００３１】
このコア部材１０を構成する部材としては、例えば、本願出願人による特願2010-215871 号に記載のように、使用時の磁場環境に応じた粒径の超常磁性粒子が含有された磁性部材を採用することが考えられる。この磁性部材であれば、磁気ヒステリシス（Ｂ−Ｈ曲線の面積で規定されるエネルギー損失）が生じないため、センサとしての精度維持に好適であることはもちろん、透磁率μが急峻かつ直線的に変化する磁場Ｈ＝０付近の領域を利用することで、それ以外で透磁率μの変化が比較的緩やか、かつ、非直線的な領域を利用するよりも、センサとして広い検出レンジを高精度で実現することができる。
【００３２】
なお、上述した透磁率μは、下記の式１のように、外部磁場Ｈに対する磁化Ｍの変化で規定されるＭ−Ｈ曲線（図２Ｃ，２Ｄ参照）の傾き（つまり磁化Ｍの磁場Ｈによる微分値）に基づいて表現された値である。本実施形態においては、コア部材１０を構成する磁性部材として透磁率μの比較的小さい値のもの（具体的には、透磁率μ＝５程度のもの）が用いられている。
【００３３】
【数１】
2019002768.tif 000003
【００３４】
励磁経路３０は、信号源１００から供給される励磁信号Ｉａｃを励磁コイル２０それぞれに供給するための経路であり、この励磁信号Ｉａｃによりコア部材１０に発生する磁束が、コア部材１０同士で同相または逆相となるように、信号源１００および励磁コイル２０それぞれを接続している。
【００３５】
差動検出経路５０は、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号Ｉｃが、この検出信号Ｉｃに含まれる基本波成分を相殺させる極性関係で合流するように、２つの検出コイル４０同士を接続している。ここでいう「基本波成分を相殺させる極性関係」とは、励磁信号Ｉａｃによる磁束がコア部材１０同士で同相になっている場合（同相となるように信号源１００および励磁コイル２０それぞれが接続されている場合）であれば、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号Ｉｃが逆相で合流するような接続状態であり、励磁信号Ｉａｃによる磁束がコア部材１０同士で逆相になっている場合（逆相となるように信号源１００および励磁コイル２０それぞれが接続されている場合）であれば、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号Ｉｃが同相で合流するような接続状態である。
【００３６】
成分分離部６０は、本実施形態において、一方の検出コイル４０において差動検出経路５０に接続されていない側の経路から電流帰還制御部７０に至る経路に直列接続されたコンデンサ６１を有する構成とされている。そして、この成分分離部６０は、コンデンサ６１が直列接続された経路と、このコンデンサ６１よりも上流側（検出コイル４０側）で分岐された経路と、を有し、前者の経路へ交流信号成分が流れる一方、後者の経路から被検出電流に比例した帰還電流を発生する直流信号成分が流れることとなる。
【００３７】
ここで、上述した励磁経路３０および差動検出経路５０による各コイルの接続関係は、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号Ｉｃが、この検出信号Ｉｃに含まれる基本波成分を相殺させる極性関係で合流するような関係となっていればよい。具体的な例としては、例えば、図３Ａに示すように、２つの励磁コイル２０をそれぞれに励磁信号Ｉａｃが逆相で流れるよう励磁経路３０で接続するとともに、２つの検出コイル４０をそれぞれに検出信号ＩＣが同相で流れるよう差動検出経路５０で接続する構成とすることが考えられる。また、図３Ｂに示すように、２つの励磁コイル２０をそれぞれに励磁信号Ｉａｃが同相で流れるよう励磁経路３０で接続するとともに、２つの検出コイル４０をそれぞれに検出信号ＩＣが逆相で流れるよう差動検出経路５０で接続する構成とすることも考えられる。
【００３８】
また、各コイルの接続関係は、図３Ｃに示すように、２つの励磁コイル２０をそれぞれに励磁信号Ｉａｃが逆相で流れるよう励磁経路３０で接続するとともに、１つの検出コイル４０が２つのコア部材１０にまたがるように巻回された構成としてもよく、この場合、検出コイル４０が差動検出経路５０としての機能を兼ねた構成となる。この構成では、１つの検出コイル４０により構成できる点で経済的実用的効果が高い。
【００３９】
電流帰還制御部７０は、成分分離部６０により分離された直流信号成分（被検出電流Imに対応して発生する成分であり、成分分離部６０に入力される成分のうちの直流電圧相当の成分）の信号レベルを制御し、この信号レベルに応じて検出コイル４０にて発生する磁束にて、被検出電流Ｉｍの信号レベルに応じて発生する外部磁場を相殺させる。こうして、コア部材１０の透磁率μをそのように外部磁場が相殺された状態における透磁率μとし、透磁率μに応じた高調波の磁束の発生を抑えることで、成分分離部６０により分離された交流信号成分の信号レベルを所定のしきい値未満とする。なお、本実施形態においては、この交流信号成分を、後述する帰還率にて、直流信号成分の信号レベルが電流帰還制御されるように構成されている。
【００４０】
ここで、電流帰還制御部７０は、被検出電流Ｉｍの極性に応じた極性の外部磁場を相殺させるために、成分分離部６０により分離された直流信号成分の信号レベルが大きくなる方向に制御する場合もあれば、小さくなる方向に制御する場合もある。そのため、この制御の方向を出力端子７１側でチェックすることにより、被検出電流Ｉｍの極性を間接的に特定することも可能である。
【００４１】
この構成では、検出コイル４０からの出力信号における直流信号成分より電流帰還制御しており、帰還制御のための専用のコイルを必要としていない。これは、コア部材１０を形成する部材の透磁率μが極めて小さいことで、検出コイル４０からの出力信号に重畳される高調波成分の信号レベルを、センサ全体の動作に影響を与えない程度に小さくできているからである。
【００４２】
信号出力部８０は、被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルを出力する構成であればよく、例えば、成分分離部６０から分離された経路中に素子を設け、この素子に流れる信号を、被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルとして出力する構成としたり、成分分離部６０から分離された経路に流れる電流値そのものを検知する電流センサを設けた構成としたりすることが考えられる。本実施形態では、成分分離部６０により分離された直流信号成分の流れる経路に直列接続された抵抗器８１を設け、この抵抗器８１の両端に発生する電圧値Ｖｃを、被検出電流Ｉａｃに対応する信号レベルとして出力する構成としている。
【００４３】
なお、成分分離部６０から分離された経路を流れる直流信号成分は、電流帰還制御部７０の帰還制御によって、被検出電流Ｉｍの極性に応じた極性の信号成分となっているため、その直流信号成分の極性を出力端子８３側でチェックすることにより、被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルを極性とともにと特定することも可能である。
（２）第２実施形態
本実施形態に係る電流センサ１は、図４に示すように、第１実施形態に係る電流センサ１に加え、成分分離部６０により分離された交流信号成分から所定の信号成分を除去するフィルタ部９０、が備えられたものである。
【００４４】
このフィルタ部９０は、成分分離部６０により分離された交流信号成分から励磁信号Ｉａｃの基本波成分（励磁周波数成分）を除去するフィルタ回路９１と、フィルタ回路９１の出力信号における信号レベルを特定するレベル特定回路９３と、からなる。
【００４５】
電流帰還制御部７０は、フィルタ部９０のレベル特定回路９３に特定された信号レベルが所定のしきい値未満となるように、成分分離部６０により分離された直流信号成分からの信号レベルにより帰還制御することとなる。
【００４６】
フィルタ部９０は、フィルタ回路９１が、成分分離部６０により分離された交流信号成分を励磁信号Ｉａｃの基本周波数の2倍の周波数にて同期検波する回路とされ、レベル特定回路９３が、フィルタ回路９１の出力信号を整流して直流信号とする回路とされている。
【００４７】
なお、フィルタ回路９１としては、励磁信号Ｉａｃの基本波成分を除去できればよく、その具体的な構成については特に限定されず、成分分離部６０により分離された交流信号成分を励磁信号Ｉａｃの基本周波数およびその2倍周波数未満の成分を除去できるハイパスフィルタや、基本周波数の２倍の周期で同期検波する回路によって構成してもよい。
【００４８】
また、レベル特定回路９３は、フィルタ回路９１の出力信号を整流して直流信号とすることができればよく、周知の整流回路として構成すればよい。このレベル特定回路９３は、フィルタ回路９１からの出力信号の極性に応じた極性にて直流信号を出力することとなるため、その直流信号の極性を出力端子９５側でチェックすることにより、被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルを極性とともにと特定することも可能である。
（３）実験およびその結果
（３−１）磁気平衡の有無
上記実施形態においては、電流帰還制御部７０が、成分分離部６０により分離された交流信号成分の信号レベルが所定のしきい値未満となるように、成分分離部６０により分離された直流信号成分からの信号レベルにより帰還制御している。
【００４９】
本願出願人は、このような制御による磁気平衡の有無により、被検出電流Ｉｍと信号出力部８０による検出値Ｉｃとがどの程度改善されるかを確認すべく、第２実施形態の構成において、電流帰還制御を実施しない場合（磁気平衡なし）と、帰還制御を実施する場合（磁気平衡あり）とで、その検出性能を測定した。
【００５０】
実際の性能測定は、コア部材１０として、励磁信号に応じた粒径（励磁信号の周期Ｔよりもニール緩和時間τｎが短くなるように定められた粒径）の超常磁性粒子が含有された磁性材料をリング状に成形したものを用い、励磁コイル２０の巻き数２５０回、検出コイル４０の巻き数１０００回、フィルタ部９０におけるレベル特定回路９３の時定数Ｃ＝１μＦ、駆動電源±１２Ｖ、励磁信号Ｉａｃ＝１００ｍＡ（ｐｐ）、信号出力部８０における抵抗器８１の抵抗値Rｓ＝２００Ω、電流帰還制御部７０に設けられたアンプのゲイン＝４．３、というパラメータを設定したうえ、被検出電流Iｍを−１００A〜＋１００Aまで１０A刻みで変更しながら、それぞれの電流値に対する検出値Ｉｃ（信号出力部からの出力を電流値に換算）を測定することで実施した。
【００５１】
この性能測定の結果、帰還制御を実施しない場合には、図５Aに示すように、−４０Aより小さいおよび＋４０Aより大きい領域において直線性が悪化し、精度よい電流検出ができなくなっているのに対し、帰還制御を実施すると、図５Bに示すように、±１００A全域にわたって高い直線性が維持されており、検出精度が改善していることがわかる。
【００５２】
上述した実施形態においては、このような実験結果に基づき、電流帰還制御部７０による帰還制御を実施する構成を採用している。
（３−２）帰還率の高低
また、本願出願人は、上記実施形態の電流帰還制御部７０により制御される直流信号成分の信号レベルを、被検出電流Ｉｍの信号レベルに対してどの程度の大きさ（帰還率）とすべきかを確認するために、第２実施形態の構成において、その帰還率が異なる場合についてその検出性能を測定した。
【００５３】
この帰還率は、電流帰還制御部７０から出力される直流信号成分の信号レベルにつき、帰還制御を実施しない場合の電圧値をＶｃ’とし、帰還制御を実施する場合の電圧値をＶｃとした場合に数式「１−Ｖｃ/Ｖｃ’」により規定される。
【００５４】
実際の性能測定は、上記（３−１）と異なる条件として、信号出力部８０における抵抗器８１の抵抗値Rｓ＝６８Ω〜１００Ωのいずれか、電流帰還制御部７０に設けられたアンプのゲイン＝２５、というパラメータを設定したうえで、被検出電流Iｍを−１００A〜＋１００Aまで１０A刻みで変更しながら実施した。具体的な帰還率には、６３．０％（Ｒｓ＝６８Ω）、６３．５％（Ｒｓ＝１００Ω）、６３．６％（Ｒｓ＝８２Ω）、６８．７％（Ｒｓ＝６８Ω）、７４．６％（Ｒｓ＝１００Ω）、８２．６％（Ｒｓ＝１００Ω）、８５．０％（Ｒｓ＝６８Ω）、８５．８％（Ｒｓ＝１００Ω）のぞれぞれを設定し、それぞれについて被検出信号Ｉｍと検知出力Ｖｃとの直線性が劣化していないかを検出性能としてチェックした。
【００５５】
・６３．０％：全域にわたって直線性が低い…評価×
・６３．５％：直線性は高電流領域（６０Ａ以上）で劣化…評価△
・６３．６％：直線性は高電流領域（６０Ａ以上）で劣化…評価△
・６８．７％：全域にわたって直線性が低い…評価×
・７４．６％：直線性は高電流領域（９０Ａ以上）で劣化…評価◎
・８２．６％：直線性は高電流領域（８０Ａ以上）で劣化…評価◎
・８５．０％：直線性は高電流領域（１００Ａ）で劣化…評価◎
・８５．８％：直線性は高電流領域（９０Ａ以上）で劣化…評価◎
この性能測定の結果、上記条件下において、帰還率が７０％未満と低い場合には、７０％超と高くなる場合と比べて、被検出信号Ｉｍと検知出力Ｖｃとの直線性が特に電流値の大きい領域で劣化しやすくなっていることがわかる。なお、帰還率６３．０％の場合のものを帰還率が低いケースの事例として図６Ａに示し、帰還率８５．０％の場合のものを帰還率が高いケースの事例として図６Ｂに示す。
【００５６】
上述した実施形態においては、このような実験結果に基づき、電流帰還制御部７０による帰還率が７０％以上と高くなる（交流信号成分が７０％未満と小さくなる）ように各パラメータを調整した構成を採用している。
（４）作用，効果
上述した電流センサ１，２によれば、コア部材１０には、被検出信号Ｉｍの信号レベルに応じた磁束が重畳的に発生するが、コア部材１０そのものの特性によって、外部磁場Ｈ＝０を頂点として透磁率μが減少していくとともに、この外部磁場Ｈと透磁率μで規定されるμ−Ｈ曲線の曲率が外部磁場Ｈにおける絶対値の大きさに応じて大きくなっていく、という傾向を示すことになる。
【００５７】
この傾向を、ｘ軸に磁場Ｈをとり、ｙ軸に磁化Ｍの微分値としての透磁率μをとったμ−Ｈ座標でみると、二次曲線上における任意の位置でｘ軸に沿って振幅が変化する励磁信号に対し、ｙ軸に沿って振幅が変化する検出コイル４０からの出力信号に、二次曲線の「曲がり具合」に応じた高調波の成分が重畳されることとなるが、励磁信号の振幅中心が二次曲線上にあることから、磁場Ｈ＝０付近から飽和磁化に対応する磁場Ｈｓ付近までの広範囲にわたって、磁場Ｈに応じた固有の高調波成分が出力信号に重畳されることとなる。
【００５８】
つまり、上記構成では、飽和磁化に対応する磁場Ｈｓ付近の極狭い範囲だけでなく、磁場Ｈ＝０付近から磁場Ｈｓ付近までの広範囲にわたって、被検出信号Ｉｍの信号レベルを特定（検出）することができる。
【００５９】
さらに、上記構成では、検出コイル４０側に流れる交流信号成分の信号レベルがしきい値未満となるよう、直流信号成分により電流帰還制御されることにより、この交流信号成分（励磁信号の差動検出成分の高調波成分、または、被検出電流によって発生する磁束）を相殺する直流信号成分が被検出信号の信号レベルに対応するものとして特定されることになる。
【００６０】
検出コイル４０側に流れる交流信号成分は、被検出信号の信号レベルに応じて発生する高調波を主とする信号成分であるため、これをしきい値以下にするということは、被検出信号が仮想的に僅かしか流れていない状況を創り出しつつ、この状況の創出に必要な直流信号成分を元の被検出信号の信号レベルに対応するものにしたことを意味する。
【００６１】
コア部材１０などに用いられる磁性材料は、磁界と磁束との関係が磁界の大きさに応じて磁気的に飽和すると、直線的な比例関係から徐々に歪んで非直線的なものとなることから、通常、コア部材１０を有する電流センサでは、直線的な比例関係で歪みの少ない領域を超える磁界が発生しないよう動作させる必要がある。
【００６２】
しかし、上記構成のように、被検出信号が僅かにしか流れていない状況を創出できれば、被検出信号Ｉｍと上記直流信号成分との差分にあたる信号成分に応じた僅かな磁界しか発生しないことになるため、被検出信号の信号レベルに拘らず、直線的な比例関係で歪みの少ない領域内での動作を可能とし、これにより、従来よりも電流センサとしての検出精度を高くすることができる。
【００６３】
また、上記第２実施形態に係る電流センサ２であれば、検出コイル４０側の交流信号成分から、励磁信号の基本波成分を除去したうえで、この交流信号成分に基づいて直流信号成分を帰還制御することができる。
【００６４】
検出コイル４０からの信号は、それまでの信号経路５０によって、基本波成分が相殺されているものの、各検出コイル４０が巻回されたコア部材１０同士の特性のバラツキが大きくなると、その基本波成分が充分に相殺されず、これが電流センサ１，２としての検出精度に影響を与える可能性がある。
【００６５】
これに対しては、２つのコア部材１０それぞれの特性を揃えれば問題はないものの、個別の電流センサにおけるコア部材１０の特性を揃えるようなことは意図しないコストの増加にもつながりうるため、特性のばらつきによる影響を想定した構造としておくことが望ましく、その観点では、上記構成のように、フィルタ部９０を備えた構成とすることは、意図しないコストの増加を抑えつつ、基本波成分が電流センサとしての検出精度に与える影響を抑えるのに好適である。
【００６６】
また、上記第２実施形態に係る電流センサ２によれば、フィルタ回路９１が、成分分離部６０により分離された交流信号成分を励磁信号Ｉａｃにおける基本波成分の２倍の周波数にて同期検波し、レベル特定回路９３が、フィルタ回路９１の出力信号を整流して直流信号としている。これにより、電流センサ２としての検出精度に与える基本波成分の影響を効果的に抑えることができる。
【００６７】
また、上記実施形態によれば、直流信号成分により抵抗器８１の両端に発生する電圧値を、被検出電流Ｉｍに対応する信号レベルとして特定することができる。
（５）変形例
電流センサ１は、被検出電流の信号レベルに応じた高調波成分が含まれた信号を出力するセンサ素子２と、センサ素子２から出力される信号に含まれる高調波成分に応じて被検出電流の信号レベルを検出する検出装置３と、で構成されたものであり、上記実施形態では、高調波成分を抽出して出力するセンサ素子２と、この高調波成分から被検出電流の信号レベルを検出可能な検出装置３と、からなる場合を例示している。
【００６８】
しかし、電流センサ１としては、高調波成分を含む信号そのものを出力するセンサ素子２と、そうして出力される信号から被検出電流の信号レベルを検出可能な検出装置３とからなる場合を考えることもできる。この場合、センサ素子２は、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号を、基本波成分が相殺されないままで出力するとともに、検出装置３では、こうして出力されてくる信号の成分を分析または抽出して高調波成分を特定して被検出電流の信号レベルを検出する、といった構成とすることが考えられる。
【００６９】
ここでいうセンサ素子２の「基本波成分が相殺されないままで出力する」とは、例えば、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号Ｉｃを合流させることなくそれぞれ出力したり、検出コイル４０それぞれに流れる検出信号Ｉｃを「基本波成分を相殺させる極性関係」とならないように合流させて出力することである。また、検出装置３の「出力されてくる信号の成分を分析または抽出して高調波成分を特定して」とは、例えば、センサ素子２の検出コイル４０それぞれからの検出信号を差動検出経路５０と同様に合流させる回路を通す、センサ素子２からの出力信号における周波数分布を分析する、といった方法により高調波成分を特定することである。
【符号の説明】
【００７０】
１…電流センサ、２…センサ素子、３…検出装置、１０…コア部材、２０…励磁コイル、３０…励磁経路、４０…検出コイル、５０…差動検出経路、６０…成分分離部、６１…コンデンサ、７０…電流帰還制御部、８０…信号出力部、８１…抵抗器、９０…フィルタ部、９１…フィルタ回路、９３…レベル特定回路、１００…信号源。
【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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