(57)【要約】【課題】負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流の両方を検出することが可能な電流センサを提供する。【解決手段】外郭磁路１１，１２及び中央磁路１３を含む磁気コア１０と、負荷回路Ｌの電源端子Ｌ１に接続され、動作電流Ｉ１によって外郭磁路１１に磁束φ１を発生させるバスバーＢ１と、負荷回路Ｌの電源端子Ｌ２に接続され、動作電流Ｉ２によって外郭磁路１２に磁束φ２を発生させるバスバーＢ２と、磁束φ１に基づいて検出信号Ｓ１を生成する磁気センサＭ１と、磁束φ２に基づいて検出信号Ｓ２を生成する磁気センサＭ２と、検出信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて動作電流Ｉ１，Ｉ２を検出する検出回路２０とを備える。本発明によれば、負荷回路Ｌの電源端子Ｌ１に流れ込む電流Ｉ１と、負荷回路Ｌの電源端子Ｌ２から流れ出す電流Ｉ２の両方を単一の電流センサによって検出することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電源端子から第２の電源端子に向かって流れる動作電流によって回路動作を行う負荷回路の前記動作電流を検出する電流センサであって、
第１及び第２の端部を有する第１の外郭磁路と、第３及び第４の端部を有する第２の外郭磁路と、前記第１の端部と前記第３の端部に共通に磁気結合する第５の端部及び前記第２の端部と前記第４の端部に共通に磁気結合する第６の端部を有する中央磁路とを含む磁気コアと、
前記第１の電源端子に接続され、前記動作電流によって前記第１の外郭磁路の前記第１の端部から前記第２の端部に向かって磁束を発生させる第１のバスバーと、
前記第２の電源端子に接続され、前記動作電流によって前記第２の外郭磁路の前記第３の端部から前記第４の端部に向かって磁束を発生させる第２のバスバーと、
前記第１の外郭磁路に流れる第１の磁束に基づいて第１の検出信号を生成する第１の磁気センサと、
前記第２の外郭磁路に流れる第２の磁束に基づいて第２の検出信号を生成する第２の磁気センサと、
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記動作電流を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記検出回路は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号の差を検出する減算回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記検出回路は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号の和を検出する加算回路を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記磁気コアは、前記第１及び第２の外郭磁路を構成する環状構造部と、前記中央磁路の前記第５の端部を構成する前記環状構造部の第１の部分と前記中央磁路の前記第６の端部を構成する前記環状構造部の第２の部分とを接続する中脚部とを含み、
前記第１のバスバーは、前記環状構造部のうち前記第１の外郭磁路を構成する部分及び前記中脚部によって構成される第１の開口部を通過するように配置され、
前記第２のバスバーは、前記環状構造部のうち前記第２の外郭磁路を構成する部分及び前記中脚部によって構成される第２の開口部を通過するように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記中脚部には磁気ギャップが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記第１及び第２の検出信号に基づいて前記第１及び第２の磁束を打ち消す補償コイルをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記第１の外郭磁路と前記第２の外郭磁路は、前記中央磁路を介することなく互いに沿って同一方向に延在する併走部分を有し、
前記補償コイルは、前記第１及び第２の外郭磁路の前記併走部分に共通に巻回されていることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記中央磁路に流れる第３の磁束に基づいて第３の検出信号を生成する第３の磁気センサをさらに備え、
前記検出回路は、前記第１乃至第３の検出信号に基づいて前記動作電流を検出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項９】
前記第１及び第２の磁気センサは、可飽和磁性体と前記可飽和磁性体に巻回された第１及び第２の検出コイルを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項１０】
前記可飽和磁性体は、前記第１及び第２の検出コイルに対して共通であることを特徴とする請求項９に記載の電流センサ。
【請求項１１】
前記第１及び第２の磁気センサには、互いに同期した励磁信号が供給されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記磁気コアは、前記第１の外郭磁路及び前記中央磁路の一部を構成する第１の部分コアと、前記第２の外郭磁路及び前記中央磁路の残りの部分を構成する第２の部分コアの組み合わせによって構成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電流センサ。
【請求項１３】
前記第１の部分コアと前記第２の部分コアが互いに同一形状を有していることを特徴とする請求項１２に記載の電流センサ。
【請求項１４】
前記第１の部分コアと前記第２の部分コアは、いずれも磁性金属板を折り曲げ加工してなることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流センサに関し、特に、負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流の両方を検出することが可能な電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流の両方を検出する方法として、負荷回路に流れ込む電流を検出する第１の電流センサと、負荷回路から流れ出す電流を検出する第２の電流センサを用いる方法がある。しかしながら、この方法では同じ構成を有する電流センサを２個使用する必要があることから、装置構成が大型化するという問題があった。
【０００３】
これに対し、特許文献１，２には、負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流に差が生じた場合に、これを検出することが可能な零相変流器が開示されている。特許文献１，２に記載された零相変流器を用いれば、漏洩電流の発生を直ちに検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０１０６６０号公報
【特許文献２】特開昭６１−０１９１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、零相変流器は漏洩電流の発生を検知することはできるものの、実際に負荷回路に流れる電流の電流量については検出することができない。このため、実際に負荷回路に流れる電流の電流量を検出するためには、零相変流器とは別に電流センサを設ける必要があり、やはり装置構成が大型化するという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明は、負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流の両方を検出することが可能であり、且つ、小型化に適した電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電流センサは、第１の電源端子から第２の電源端子に向かって流れる動作電流によって回路動作を行う負荷回路の動作電流を検出する電流センサであって、第１及び第２の端部を有する第１の外郭磁路と、第３及び第４の端部を有する第２の外郭磁路と、第１の端部と第３の端部に共通に磁気結合する第５の端部及び第２の端部と第４の端部に共通に磁気結合する第６の端部を有する中央磁路とを含む磁気コアと、第１の電源端子に接続され、動作電流によって第１の外郭磁路の第１の端部から第２の端部に向かって磁束を発生させる第１のバスバーと、第２の電源端子に接続され、動作電流によって第２の外郭磁路の第３の端部から第４の端部に向かって磁束を発生させる第２のバスバーと、第１の外郭磁路に流れる第１の磁束に基づいて第１の検出信号を生成する第１の磁気センサと、第２の外郭磁路に流れる第２の磁束に基づいて第２の検出信号を生成する第２の磁気センサと、第１及び第２の検出信号に基づいて動作電流を検出する検出回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、共通の磁気コアを用いていることから、負荷回路の第１の電源端子に流れ込む電流と、負荷回路の第２の電源端子から流れ出す電流の両方を単一の電流センサによって検出することが可能となる。これにより、小型であり、且つ、負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流の両方を検出することが可能な電流センサを提供することが可能となる。
【０００９】
本発明において、検出回路は、第１の検出信号と第２の検出信号の差を検出する減算回路を含むものであっても構わない。これによれば、漏洩電流の発生を検出することが可能となる。しかも、共通の磁気コアを用いていることから、僅かな漏洩電流を高感度に検出することが可能となる。
【００１０】
本発明において、検出回路は、第１の検出信号と第２の検出信号の和を検出する加算回路を含むものであっても構わない。これによれば、動作電流の電流量を検出することが可能となる。
【００１１】
本発明において、磁気コアは、第１及び第２の外郭磁路を構成する環状構造部と、中央磁路の第５の端部を構成する環状構造部の第１の部分と中央磁路の第６の端部を構成する環状構造部の第２の部分とを接続する中脚部とを含み、第１のバスバーは、環状構造部のうち第１の外郭磁路を構成する部分及び中脚部によって構成される第１の開口部を通過するように配置され、第２のバスバーは、環状構造部のうち第２の外郭磁路を構成する部分及び中脚部によって構成される第２の開口部を通過するように配置されるものであっても構わない。これによれば、第１のバスバーによって生じる磁束と第２のバスバーによって生じる磁束の向きを中脚部において同一方向とすることが可能となる。
【００１２】
本発明において、中脚部には磁気ギャップが設けられていても構わない。これによれば、磁気コアが磁気飽和しにくくなることから、大電流の検出に適した電流センサを提供することが可能となる。
【００１３】
本発明による電流センサは、第１及び第２の検出信号に基づいて第１及び第２の磁束を打ち消す補償コイルをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、いわゆるクローズドループ制御を行うことが可能となる。
【００１４】
本発明において、第１の外郭磁路と第２の外郭磁路は、中央磁路を介することなく互いに沿って同一方向に延在する併走部分を有し、補償コイルは、第１及び第２の外郭磁路の併走部分に共通に巻回されていても構わない。これによれば、単一の補償コイルを用いてクローズドループ制御を行うことが可能となる。
【００１５】
本発明による電流センサは、中央磁路に流れる第３の磁束に基づいて第３の検出信号を生成する第３の磁気センサをさらに備え、検出回路は、第１乃至第３の検出信号に基づいて動作電流を検出するものであっても構わない。これによれば、動作電流をより正確に検出することが可能となる。
【００１６】
本発明において、第１及び第２の磁気センサは、可飽和磁性体と可飽和磁性体に巻回された第１及び第２の検出コイルを含むものであっても構わない。これによれば、第１及び第２の検出コイルのインダクタンスの変化を第１及び第２の検出信号として取り出すことが可能となる。
【００１７】
本発明において、可飽和磁性体は、第１及び第２の検出コイルに対して共通であっても構わない。これによれば、第１及び第２の検出コイルに対して可飽和磁性体を個別に割り当てる必要がないことから、装置構成をより簡素化することが可能となる。
【００１８】
本発明において、第１及び第２の磁気センサには、互いに同期した励磁信号が供給されるものであっても構わない。これによれば、一方の磁気センサに供給される励磁信号が他方の磁気センサに対してノイズとなりにくくなる。
【００１９】
本発明において、磁気コアは、第１の外郭磁路及び中央磁路の一部を構成する第１の部分コアと、第２の外郭磁路及び中央磁路の残りの部分を構成する第２の部分コアの組み合わせによって構成されるものであっても構わない。これによれば、磁気コアの作製が容易となる。
【００２０】
本発明において、第１の部分コアと第２の部分コアが互いに同一形状を有していても構わない。これによれば、第１の部分コアと第２の部分コアを作り分ける必要がなくなる。
【００２１】
本発明において、第１の部分コアと第２の部分コアは、いずれも磁性金属板を折り曲げ加工してなるものであっても構わない。これによれば、磁気コアの作製コストを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
このように、本発明によれば、小型であり、且つ、負荷回路に流れ込む電流と負荷回路から流れ出す電流の両方を検出することが可能な電流センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の構成を説明するための模式図である。
【図２】図２は、電流センサ１の動作原理を説明するための模式図であり、漏洩電流が発生していない状態を示している。
【図３】図３は、電流センサ１の動作原理を説明するための模式図であり、漏洩電流が発生している状態を示している。
【図４】図４は、磁気コア１０にノイズ磁界Ｈが印加された状態を示す模式図である。
【図５】図５は、一般的な零相変流器の磁気コア１０ａにノイズ磁界Ｈが印加された状態を示す模式図である。
【図６】図６は、自励発振型の回路からなる電流検出回路２１の回路図である。
【図７】図７は、励振型の回路からなる電流検出回路２１の回路図である。
【図８】図８は、動作電流Ｉ１と検出コイル６３ｓに現れる検出電圧Ｖｓとの関係を示す波形図である。
【図９】図９は、電流センサ１の具体的構成の一例を示す略斜視図である。
【図１０】図１０は、図９に示す電流センサ１の略分解斜視図である。
【図１１】図１１は、折り曲げ加工前の部分コア１０Ａ，１０Ｂを示す模式図である。
【図１２】図１２は、磁気センサＭ１の構造を説明するための略分解斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２の実施形態による電流センサ２の構成を説明するための模式図である。
【図１４】図１４は、電流センサ２の具体的構成の一例を示す略斜視図である。
【図１５】図１５は、図１４に示す電流センサ２の略分解斜視図である。
【図１６】図１６は、図１４に示す電流センサ２の略断面図である。
【図１７】図１７は、図１４に示す電流センサ２の略分解断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第３の実施形態による電流センサ３の構造を説明するための略断面図である。
【図１９】図１９は、電流センサ３の構造を説明するための略分解斜視図である。
【図２０】図２０は、本発明の第４の実施形態による電流センサ４の構造を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による電流センサ１の構成を説明するための模式図である。
【００２６】
本実施形態による電流センサ１は、負荷回路Ｌに流れる動作電流を検出するものであり、図１に示すように磁気コア１０と検出回路２０を備えている。負荷回路Ｌは、電源端子Ｌ１，Ｌ２を有し、電源端子Ｌ１から電源端子Ｌ２に向かって流れる動作電流によって回路動作を行うものであり、モータ、バッテリー、コンピュータなど、その種類は問わない。負荷回路Ｌの電源端子Ｌ１は、電源配線Ｗ１を介して電源Ｖの正極端子Ｖ１に接続され、負荷回路Ｌの電源端子Ｌ２は、電源配線Ｗ２を介して電源Ｖの負極端子Ｖ２に接続されている。
【００２７】
磁気コア１０は、外郭磁路１１，１２を構成する環状構造部と、中央磁路１３を構成する中脚部を有し、フェライトやパーマロイなどの高透磁率材料によって構成される。図１に示すように、外郭磁路１１は端部Ｐ１から端部Ｐ２までの区間によって定義され、外郭磁路１２は端部Ｐ３から端部Ｐ４までの区間によって定義される。そして、中央磁路１３は、端部Ｐ１，Ｐ３と共通に磁気結合する端部Ｐ５から、端部Ｐ２，Ｐ４と共通に磁気結合する端部Ｐ６までの区間によって定義される。特に限定されるものではないが、本実施形態においては、中央磁路１３の一部が分断され、これにより磁気ギャップＧが形成されている。磁気ギャップＧは、磁気コア１０の磁気飽和を防止する役割を果たす。
【００２８】
図１に示すように、磁気コア１０の外郭磁路１１と中央磁路１３は、磁気ギャップＧを介して環状構造を有しており、これにより形成される開口部Ａ１にはバスバーＢ１が挿入される。同様に、磁気コア１０の外郭磁路１２と中央磁路１３は、磁気ギャップＧを介して環状構造を有しており、これにより形成される開口部Ａ２にはバスバーＢ２が挿入される。バスバーＢ１は電源配線Ｗ１の一部であり、このため電源配線Ｗ１に動作電流Ｉ１が流れると、外郭磁路１１及び中央磁路１３には磁束が発生する。同様に、バスバーＢ２は電源配線Ｗ２の一部であり、このため電源配線Ｗ２に動作電流Ｉ２が流れると、外郭磁路１２及び中央磁路１３には磁束が発生する。
【００２９】
さらに、本実施形態による電流センサ１は、外郭磁路１１に流れる磁束を検出する磁気センサＭ１と、外郭磁路１２に流れる磁束を検出する磁気センサＭ２を有している。磁気センサＭ１は、外郭磁路１１に流れる磁束の密度を示す検出信号Ｓ１を生成し、磁気センサＭ２は、外郭磁路１２に流れる磁束の密度を示す検出信号Ｓ２を生成する。これら検出信号Ｓ１，Ｓ２は、検出回路２０に供給される。
【００３０】
検出回路２０は、電流検出回路２１，２２と、減算回路２３と、加算回路２４を備えている。電流検出回路２１は、磁気センサＭ１から供給される検出信号Ｓ１に基づいて、バスバーＢ１に流れる動作電流Ｉ１の電流量を示す検出信号Ｓ３を生成する。同様に、電流検出回路２２は、磁気センサＭ２から供給される検出信号Ｓ２に基づいて、バスバーＢ２に流れる動作電流Ｉ２の電流量を示す検出信号Ｓ４を生成する。検出信号Ｓ３，Ｓ４はいずれも減算回路２３及び加算回路２４に供給される。減算回路２３は、検出信号Ｓ３から検出信号Ｓ４を減算する回路であり、このため減算回路２３から出力される減算信号Ｓ５は、動作電流Ｉ１と動作電流Ｉ２の差分を示すことになる。一方、加算回路２４は、検出信号Ｓ３と検出信号Ｓ４を加算する回路であり、このため加算回路２４から出力される加算信号Ｓ６は、動作電流Ｉ１と動作電流Ｉ２の和を示すことになる。
【００３１】
図２及び図３は、本実施形態による電流センサ１の動作原理を説明するための模式図である。
【００３２】
まず、バスバーＢ１，Ｂ２に図２に示す方向に動作電流Ｉ１，Ｉ２が流れている場合、外郭磁路１１には右回り（時計回り）の磁束φ１が発生し、外郭磁路１２には左回り（反時計回り）の磁束φ２が発生する。言い換えれば、外郭磁路１１の端部Ｐ１から端部Ｐ２に向かって磁束φ１が流れ、外郭磁路１２の端部Ｐ３から端部Ｐ４に向かって磁束φ２が流れる。磁束φ１，φ２は、中央磁路１３の端部Ｐ６にて合成されて磁束φ３となり、中央磁路１３及び磁気ギャップＧを介して端部Ｐ５へ流れる。端部Ｐ５に達した磁束φ３は、磁束φ１，φ２に分岐してそれぞれ外郭磁路１１，１２を周回する。
【００３３】
そして、動作電流Ｉ１，Ｉ２の電流量が互いに等しい場合には、磁束φ１，φ２の磁束密度が同じであることから、検出信号Ｓ１と検出信号Ｓ２の指示値が互いに一致する。これに対し、動作電流Ｉ１よりも動作電流Ｉ２の方が小さくなると、図３に示すように、磁束φ２が弱くなるため、磁束φ１が外郭磁路１２に流れ込み、磁束φ２の周回方向が逆転する。その結果、検出信号Ｓ２の極性が反転する。本実施形態においては、中央磁路１３に磁気ギャップＧが設けられているため、磁束φ１は、中央磁路１３を経由するパスよりも外郭磁路１２を経由するパスの方が磁気抵抗が低く、このため、磁束φ１よりも磁束φ２が僅かに弱くなると、磁束φ２は直ちに打ち消され、磁束φ２の周回方向が容易に逆転する。
【００３４】
このようにして生成される検出信号Ｓ１，Ｓ２は、図１に示す減算回路２３に入力され、検出信号Ｓ３から検出信号Ｓ４が減算される。したがって、動作電流Ｉ１，Ｉ２が互いに等しい場合には、減算回路２３から出力される検出信号Ｓ５の指示値はゼロに保たれるものの、動作電流Ｉ１よりも動作電流Ｉ２の方が小さくなると、検出信号Ｓ５が示す指示値は直ちにその差分を示すことになる。ここで、動作電流Ｉ１よりも動作電流Ｉ２の方が小さい場合とは、図１において符号９で示すように、電源配線Ｗ２とグランドＧＮＤなどとの間でショート不良が発生しており、これにより漏洩電流が生じている場合が該当する。したがって、本実施形態による電流センサ１は、漏洩電流の発生を直ちに検出することが可能である。
【００３５】
しかも、図４に示すように、外部からノイズ磁界Ｈが電流センサ１に印加されている場合であっても、ノイズ磁界Ｈの影響は磁気センサＭ１，Ｍ２に対して等しく与えられる。このため、ノイズ磁界Ｈが印加されても、検出信号Ｓ３と検出信号Ｓ４の差は実質的に変化しない。これに対し、図５に示す一般的な零相変流器の磁気コア１０ａは、外郭磁路１１ａ，１２ａと中央磁路１３ａを備え、外郭磁路１１ａと中央磁路１３ａによって形成される開口部にバスバーＢ１１，Ｂ１３が挿入され、外郭磁路１２ａと中央磁路１３ａによって形成される開口部にバスバーＢ１２，Ｂ１４が挿入され、中央磁路１３ａに検出コイルＣａが巻回された構成を有している。このため、ノイズ磁界Ｈが印加されると、検出コイルＣａにはノイズ磁界Ｈによるインダクタンスの変化が生じ、これが誤検出の原因となる。しかしながら、本実施形態による電流センサ１は、上述の通り、ノイズ磁界Ｈが磁気センサＭ１，Ｍ２に対して実質的記にノイズとならないことから、漏洩電流の誤検出を防止することができる。
【００３６】
また、本実施形態による電流センサ１は、加算回路２４を備えていることから、通常の零相変流器とは異なり、動作電流Ｉ１と動作電流Ｉ２の和を示す検出信号Ｓ６を得ることが可能である。尚、加算回路２４を省略し、検出信号Ｓ３又は検出信号Ｓ４をそのまま外部に出力しても構わない。
【００３７】
電流検出回路２１，２２の構成については特に限定されず、図６に示す自励発振型の回路を用いても構わないし、図７に示す励振型の回路であっても構わない。
【００３８】
図６に示す自励発振型の電流検出回路２１は、Ｈブリッジ型の自励発振回路であり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、コンパレータ２５と、フリップフロップ回路２６とを備えている。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３は直列に接続されており、その接続点は抵抗Ｒ１を介して、磁気センサＭ１に含まれる検出コイル６３の一端Ｎ１に接続されている。同様に、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４は直列に接続されており、その接続点は抵抗Ｒ２を介して、検出コイル６３の他端Ｎ２に接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は直流電源Ｖｃｃに共通に接続されており、スイッチＳＷ３，ＳＷ４は抵抗Ｒ３を介して接地されている。
【００３９】
コンパレータ２５の非反転入力端子（＋）は抵抗Ｒ３に接続され、反転入力端子（−）には基準電圧Ｖｃｔｈが印加される。これにより、抵抗Ｒ３にかかる電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｃｔｈを超えると、コンパレータ２５の出力はハイレベルに変化する。
【００４０】
コンパレータ２５の出力は、フリップフロップ回路２６のクロックノードに入力される。フリップフロップ回路２６から出力される発振信号ＱはスイッチＳＷ１，ＳＷ４を制御し、反転発振信号／ＱはスイッチＳＷ２，ＳＷ３を制御する。また、反転発振信号／Ｑは、フリップフロップ回路２６のデータノードにフィードバックされる。これにより、フリップフロップ回路２６から出力される発振信号Ｑ及び反転発振信号／Ｑの論理レベルは、コンパレータ２５の出力がローレベルからハイレベルに変化する度に反転することになる。
【００４１】
図６に示す電流検出回路２１に電源投入すると、スイッチＳＷ１，ＳＷ４がオンし、スイッチＳＷ２，ＳＷ３がオフする第１の状態と、スイッチＳＷ２，ＳＷ３がオンし、スイッチＳＷ１，ＳＷ４がオフする第２の状態が交互に現れる。第１の状態においては、電源電圧Ｖｃｃが与えられる電源ラインから、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１、検出コイル６３、抵抗Ｒ２、スイッチＳＷ４、抵抗Ｒ３を介して電流が流れる。これにより、抵抗Ｒ３にかかる電圧Ｖｃが徐々に上昇し、これが基準電圧Ｖｃｔｈを超えると、コンパレータ２５の出力がローレベルからハイレベルに変化する。
【００４２】
コンパレータ２５の出力がハイレベルに変化すると、発振信号Ｑ及び反転発振信号／Ｑの論理レベルが反転し、第２の状態に遷移する。第２の状態においては、電源電圧Ｖｃｃが与えられる電源ラインから、スイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２、検出コイル６３、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷ３、抵抗Ｒ３を介して電流が流れる。これにより、抵抗Ｒ３にかかる電圧Ｖｃが徐々に上昇し、これが基準電圧Ｖｃｔｈを超えると、コンパレータ２５の出力がローレベルからハイレベルに変化する。
【００４３】
このような動作を繰り返すことによって、電流検出回路２１は交互に第１の状態と第２の状態となる。これにより、検出コイル６３の両端Ｎ１，Ｎ２に印加される電圧の極性が周期的に反転することから、発振信号Ｑの波形は、ハイレベルとローレベルを交互に繰り返す波形となる。そして、動作電流Ｉ１が流れていない場合には、発振信号Ｑのデューティは５０％となり、動作電流Ｉ１が流れている場合には、発振信号Ｑのデューティは５０％超となるとともに、磁気センサＭ１に含まれる可飽和磁性体６２の磁気飽和による検出コイル６３のインダクタンスの低下によって、発振信号Ｑの周期が短くなる。発振信号Ｑの周期は、変換回路２７によって電流値を示す検出信号Ｓ３に変換される。
【００４４】
電流検出回路２２についても同様であり、磁気センサＭ２に含まれる検出コイル６３の一端Ｎ３と他端Ｎ４にＨブリッジ型の自励発振回路が接続され、これによって得られた発振信号Ｑの周期が検出信号Ｓ４に変換される。
【００４５】
図７に示す励振型の電流検出回路２１は、磁気センサＭ１を構成する可飽和磁性体６２に励磁コイル６３ｐと検出コイル６３ｓが巻回されている。励磁コイル６３ｐには信号発生回路２８が接続される。信号発生回路２８は、励磁信号である矩形波、正弦波、三角波などの入力電圧Ｖｐを発生させる回路である。一方、検出コイル６３ｓの一端は接地されるとともに、他端は変換回路２９に接続されている。したがって、変換回路２９には、検出コイル６３ｓの両端にかかる検出電圧Ｖｓが入力される。
【００４６】
そして、動作電流Ｉ１が流れ、これにより磁気センサＭ１に磁束が印加されると、励磁コイル６３ｐのインダクタンスと検出コイル６３ｓのインダクタンスが低下する。その結果、動作電流Ｉ１の電流量に応じて検出コイル６３ｓに現れる電圧波形が変化する。
【００４７】
図８は、動作電流Ｉ１と検出コイル６３ｓに現れる検出電圧Ｖｓとの関係を示す波形図である。
【００４８】
図８に示す例では、信号発生回路２８から矩形波である入力電圧Ｖｐが生成され、これが励磁コイル６３ｐに印加されている。
【００４９】
まず、動作電流Ｉ１が流れていない場合、検出コイル６３ｓに現れる検出電圧Ｖｓは、図８の点線で示すように、平坦部分のレベルが時間とともにやや低下する矩形波となる。磁気飽和の傾向が全くなければ、この低下自体も生じないが、信号発生回路２８からの電流により、可飽和磁性体６２が磁気飽和気味になることで、この低下が生じる。
【００５０】
次に、動作電流Ｉ１が小さい場合、外郭磁路１１に流れる磁束φ１によって可飽和磁性体６２の飽和が早まるので、動作電流Ｉ１がない場合に比べてインダクタンス値が低下し、図８の破線に示す波形となる。
【００５１】
さらに、動作電流Ｉ１が大きい場合、外郭磁路１１に流れる磁束φ１と信号発生回路２８からの電流によって、可飽和磁性体６２はより強く飽和する。このため、図８の一点鎖線で示すように、立ち上がりの直後に急峻に立下がる波形となる。
【００５２】
このように、検出コイル６３ｓに現れる検出電圧Ｖｓの波形は、動作電流Ｉ１の電流量によって変化する。かかる変化は変換回路２９によって検出され、検出電圧Ｖｓの波形を解析することによって動作電流Ｉ１の電流量を測定することができる。
【００５３】
変換回路２９にはコンパレータ（比較器）が含まれている。コンパレータは、入力される電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに対して大きいか小さいかを判別する回路あるいは素子である。コンパレータによって基準電圧Ｖｒｅｆと検出電圧Ｖｓを比較すると、動作電流Ｉ１が流れていない場合は、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間と、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超えない期間が半周期ごとに交互に現れる。したがって、コンパレータから出力される信号のデューティは約５０％となる。
【００５４】
一方、動作電流Ｉ１が小さい場合、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間が短くなり、その分、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超えない期間が長くなる。この場合、コンパレータから出力される信号のデューティは５０％よりも低くなる。
【００５５】
さらに、動作電流Ｉ１が大きい場合、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間がさらに短くなり、その分、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超えない期間がさらに長くなる。この場合、コンパレータから出力される信号のデューティは５０％よりもさらに低くなる。
【００５６】
このように、動作電流Ｉ１が大きいほど、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間が短くなるため、コンパレータから出力される信号のデューティもこれに応じて低くなる。したがって、コンパレータから出力される信号のデューティを解析すれば、動作電流Ｉ１の電流値を示す検出信号Ｓ３を生成することができる。
【００５７】
電流検出回路２２についても同様の構成とすることにより、動作電流Ｉ２の電流値を示す検出信号Ｓ４を生成することができる。この場合、電流検出回路２１の励磁信号である入力電圧Ｖｐと電流検出回路２２の励磁信号である入力電圧Ｖｐは、互いに非同期の信号であっても構わないが、両者を同期させ、立ち上がりタイミング及び立ち下がりタイミングを互いに一致させることが好ましい。これによれば、磁気センサＭ１，Ｍ２の一方に供給される励磁信号が磁気センサＭ１，Ｍ２の他方に対してノイズとなりにくいという利点がある。
【００５８】
図９は、本実施形態による電流センサ１の具体的構成の一例を示す略斜視図である。また、図１０は、図９に示す電流センサ１の略分解斜視図である。
【００５９】
図９及び図１０に示す電流センサ１は、磁気コア１０が２つの部分コア１０Ａ，１０Ｂによって構成されるとともに、Ｕ字型に折り曲げられたバスバー３１，３２が用いられる。部分コア１０Ａ，１０Ｂは、図１１に示す形状に打抜き加工されたパーマロイなどの磁性金属板を、破線で示す箇所で折り曲げ加工することによって作製することができる。本例では、部分コア１０Ａ，１０Ｂの形状が互いに同じであることから、両者を作り分ける必要はない。そして、部分コア１０Ａ，１０Ｂを図９及び図１０に示す形状に折り曲げた後、中央磁路１３を構成する部分同士を向かい合わせた状態で、開口部Ａ１，Ａ２を樹脂ベース４０の突起４１，４２に挿入すれば、部分コア１０Ａ，１０Ｂからなる磁気コア１０が樹脂ベース４０に固定される。
【００６０】
樹脂ベース４０の突起４１，４２には、それぞれｚ方向に貫通する貫通孔４３，４４が設けられている。樹脂ベース４０は、回路基板５０に搭載される。回路基板５０にも貫通孔５３，５４が設けられており、ｚ方向から見た貫通孔５３，５４の平面位置は、樹脂ベース４０の貫通孔４３，４４の平面位置と一致している。そして、貫通孔４３，５３にバスバーＢ１がｚ方向に挿入され、貫通孔４４，５４にバスバーＢ２がｚ方向に挿入される。
【００６１】
バスバーＢ１は、Ｕ字型に折り曲げられたバスバー３１の一部であり、バスバーＢ２は、Ｕ字型に折り曲げられたバスバー３２の一部である。バスバー３１は、貫通孔４３，５３の外部に位置するバスバーＢ３，Ｂ５を有し、これらはそれぞれｚ方向及びｘ方向に延在する。同様に、バスバー３２は、貫通孔４４，５４の外部に位置するバスバーＢ４，Ｂ６を有し、これらはそれぞれｚ方向及びｘ方向に延在する。
【００６２】
部分コア１０Ａのうち、外郭磁路１１を構成する部分は、磁気センサＭ１を収容する形状を有している。同様に、部分コア１０Ｂのうち、外郭磁路１２を構成する部分は、磁気センサＭ２を収容する形状を有している。これにより、外郭磁路１１，１２を通過する磁束φ１，φ２が効率よく磁気センサＭ１，Ｍ２に印加されるとともに、外乱磁界から磁気センサＭ１，Ｍ２を遮蔽することができる。
【００６３】
図１２は、磁気センサＭ１の構造を説明するための略分解斜視図である。
【００６４】
図１２に示す磁気センサＭ１は、樹脂などからなるボビン６１と、ボビン６１に固定された可飽和磁性体６２と、ボビン６１に巻回された検出コイル６３と、検出コイル６３の一端Ｎ１を支持する端子６４と、検出コイル６３の他端Ｎ２を支持する端子６５とを有している。可飽和磁性体６２の材料については特に限定されないが、アモルファス磁性金属を用いることが好ましい。アモルファス磁性金属は、単層構造であっても構わないし、複数のアモルファス磁性金属膜を厚み方向に積層した構造であっても構わない。
【００６５】
検出コイル６３の一端Ｎ１は、樹脂ベース４０に設けられた貫通孔４５を介して回路基板５０の電極パッド５５に接続される。同様に、検出コイル６３の一端Ｎ２は、樹脂ベース４０に設けられた貫通孔４６（図には現れない）を介して回路基板５０の電極パッド５６（図には現れない）に接続される。磁気センサＭ２の構造についても同様であり、磁気センサＭ２に含まれる検出コイル６３の一端Ｎ３は、樹脂ベース４０に設けられた貫通孔４７を介して回路基板５０の電極パッド５７に接続される。同様に、磁気センサＭ２に含まれる検出コイル６３の一端Ｎ４は、樹脂ベース４０に設けられた貫通孔４８を介して回路基板５０の電極パッド５８に接続される。電極パッド５５〜５８は、回路基板５０に設けられた配線パターンを介してそれぞれ端子電極Ｔ１〜Ｔ４に接続される。端子電極Ｔ１〜Ｔ４は、図１に示した検出回路２０に接続される。或いは、回路基板５０上に検出回路２０を搭載しても構わない。この場合、端子電極Ｔ１〜Ｔ４は、検出信号Ｓ５，Ｓ６の出力端子及び電源端子として使用される。
【００６６】
このような構造を有する電流センサ１は小型であり、且つ、上述の通り、動作電流Ｉ１と動作電流Ｉ２の差及び和を高感度に検出することが可能である。したがって、動作電流Ｉ１，Ｉ２の電流量を測定することができるとともに、漏洩電流の発生を直ちに検出することが可能となる。しかも、外乱となるノイズ磁界の影響も受けにくいことから、漏洩電流の誤検出を防止することも可能である。
【００６７】
＜第２の実施形態＞
図１３は、本発明の第２の実施形態による電流センサ２の構成を説明するための模式図である。
【００６８】
図１３に示すように、本実施形態による電流センサ２は、外郭磁路１１に流れる磁束φ１を打ち消す補償コイルＣ１と、外郭磁路１２に流れる磁束φ２を打ち消す補償コイルＣ２と、補償コイルＣ１，Ｃ２にそれぞれ補償電流を供給するフィードバック回路７１，７２を備えている。また、減算回路２３は、フィードバック回路７１，７２から出力される検出信号Ｓ７，Ｓ８の差に基づいて検出信号Ｓ５を生成し、加算回路２４は、フィードバック回路７１，７２から出力される検出信号Ｓ７，Ｓ８の和に基づいて検出信号Ｓ６を生成する。その他の基本的な構成は、第１の実施形態による電流センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６９】
フィードバック回路７１は、電流検出回路２１から出力される検出信号Ｓ３に基づき、磁束φ１を打ち消す補償電流を補償コイルＣ１に流す。同様に、フィードバック回路７２は、電流検出回路２２から出力される検出信号Ｓ４に基づき、磁束φ２を打ち消す補償電流を補償コイルＣ２に流す。これにより、検出信号Ｓ３，Ｓ４が常にゼロ磁界を示すよう、クローズドループ制御を行うことが可能となる。本実施形態においては、動作電流Ｉ１の電流量が検出信号Ｓ７によって示され、動作電流Ｉ２の電流量が検出信号Ｓ８によって示される。
【００７０】
尚、本実施形態においては、補償コイルＣ１，Ｃ２によって磁束φ１，φ２が打ち消されることから、中央磁路１３に磁気ギャップＧを設けなくても構わない。
【００７１】
図１４は、本実施形態による電流センサ２の具体的構成の一例を示す略斜視図である。また、図１５〜図１７は、それぞれ図１４に示す電流センサ２の略分解斜視図、略断面図及び略分解断面図である。
【００７２】
図１４〜図１７に示す電流センサ２は、２つの部分コア１０Ｃ，１０Ｄによって磁気コア１０が構成される。部分コア１０Ｃは、互いに沿ってｙ方向に延在する併走部分１１Ｃｙ，１２Ｃｙと、それぞれ併走部分１１Ｃｙ，１２Ｃｙに接続され、互いに沿ってｚ方向に延在する併走部分１１Ｃｚ，１２Ｃｚと、併走部分１１Ｃｚ，１２Ｃｚを短絡する短絡部分１３Ｃを有する。同様に、部分コア１０Ｄは、互いに沿ってｙ方向に延在する併走部分１１Ｄｙ，１２Ｄｙと、それぞれ併走部分１１Ｄｙ，１２Ｄｙに接続され、互いに沿ってｚ方向に延在する併走部分１１Ｄｚ，１２Ｄｚと、併走部分１１Ｄｚ，１２Ｄｚを短絡する短絡部分１３Ｄを有する。
【００７３】
部分コア１０Ｃの併走部分１１Ｃｙ，１２Ｃｙと、部分コア１０Ｄの併走部分１１Ｄｙ，１２Ｄｙは、補償コイルＣ３が巻回されたボビン６６の内径部に挿入される。これにより、部分コア１０Ｃの併走部分１１Ｃｙと部分コア１０Ｄの併走部分１１Ｄｙがｚ方向に重なり、部分コア１０Ｃの併走部分１２Ｃｙと部分コア１０Ｄの併走部分１２Ｄｙがｚ方向に重なる。さらに、ボビン６６の内径部には、磁気センサＭ１，Ｍ２の両方を支持する支持基板６７が挿入される。支持基板６７をボビン６６の内径部に挿入すると、磁気センサＭ１は、部分コア１０Ｃの併走部分１１Ｃｙと部分コア１０Ｄの併走部分１１Ｄｙによってｚ方向から挟まれ、磁気センサＭ２は、部分コア１０Ｃの併走部分１２Ｃｙと部分コア１０Ｄの併走部分１２Ｄｙによってｚ方向から挟まれる。
【００７４】
本実施形態においては、部分コア１０Ｃの併走部分１１Ｃｚを周回するようバスバーＢ１が配置され、部分コア１０Ｃの併走部分１２Ｃｚを周回するようバスバーＢ２が配置される。これにより、バスバーＢ１に動作電流Ｉ１が流れると、併走部分１１Ｃｚ，１１Ｃｙ，１１Ｄｙ，１１Ｄｚに磁束φ１が流れ、この磁束φ１が磁気センサＭ１によって検知される。つまり、併走部分１１Ｃｚ，１１Ｃｙ，１１Ｄｙ，１１Ｄｚは、第１の実施形態における外郭磁路１１として機能する。同様に、バスバーＢ２に動作電流Ｉ２が流れると、併走部分１２Ｃｚ，１２Ｃｙ，１２Ｄｙ，１２Ｄｚに磁束φ２が流れ、この磁束φ２が磁気センサＭ２によって検知される。つまり、併走部分１２Ｃｚ，１２Ｃｙ，１２Ｄｙ，１２Ｄｚは、第１の実施形態における外郭磁路１２として機能する。そして、部分コア１０Ｄの短絡部分１３Ｄに達した磁束φ１，φ２は、磁気ギャップＧを介して部分コア１０Ｃの短絡部分１３Ｃに流れ、併走部分１１Ｃｚ，１２Ｃｚに分配される。つまり、短絡部分１３Ｃ，１３Ｄは、第１の実施形態における中央磁路１３として機能する。
【００７５】
このように、図１４〜図１７に示す電流センサ２は、中央磁路１３に相当する短絡部分を介することなく、併走部分１１Ｃｙ，１１Ｄｙと併走部分１２Ｃｙ，１２Ｄｙが隣り合って同一方向に延在していることから、磁気センサＭ１，Ｍ２に対して共通の補償コイルＣ３を割り当てることができる。これにより、磁気センサＭ１，Ｍ２に対して個別の補償コイルを割り当てる場合と比べて、装置全体のサイズをより小型化することが可能となる。しかも、ボビン６６が部分コア１０Ｃ，１０Ｄ及び支持基板６７の支持部材として機能するとともに、これらを相互に位置決めする位置決め部材としても機能することから、部品点数を削減することも可能となる。
【００７６】
＜第３の実施形態＞
図１８及び図１９は、それぞれ本発明の第３の実施形態による電流センサ３の構造を説明するための略断面図及び略分解斜視図である。
【００７７】
図１８及び図１９に示すように、本実施形態による電流センサ３は、磁気コア１０が２つの部分コア１０Ｅ，１０Ｆによって構成されている。部分コア１０Ｅ，１０Ｆは、第１の実施形態による電流センサ１の部分コア１０Ａ，１０Ｂと類似した形状を有しているが、中央磁路１３を構成する部分が折り曲げられている。このため、部分コア１０Ｅ，１０Ｆを組み合わせると、中央磁路１３に開口部Ａ３が形成される。開口部Ａ３には、中央磁路１３に流れる磁束φ３を検出する磁気センサＭ３が配置される。
【００７８】
ここで、漏洩電流が発生していない場合、中央磁路１３に流れる磁束φ３は、外郭磁路１１に流れる磁束φ１と外郭磁路１２に流れる磁束φ２の和に相当する。このため、磁気センサＭ３によって生成される検出信号を検出回路２０に入力すれば、磁気センサＭ１，Ｍ２による検出誤差を補正することができ、より正確な測定を行うことが可能となる。一方、漏洩電流の発生した場合には、外郭磁路１２に流れる磁束φ２の向きが反転し、その結果、中央磁路１３に流れる磁束φ３が急激に低減する。したがって、磁気センサＭ３の検出信号を検出回路２０によってモニタすれば、漏洩電流の発生を直ちに検出することが可能となる。
【００７９】
また、図１８及び図１９に示す例では、バスバーＢ１，Ｂ２がそれぞれ２本用いられているが、バスバーＢ１，Ｂ２の本数については特に限定されない。バスバーＢ１は樹脂ベース８０の貫通孔８１〜８４（一部は図には現れない）に挿入され、バスバーＢ２は樹脂ベース８０の貫通孔８５〜８８に挿入される。このように、バスバーＢ１，Ｂ２をそれぞれ複数用いれば、想定される動作電流Ｉ１，Ｉ２の電流量に応じて使用するバスバーＢ１，Ｂ２の本数を選択することができる。
【００８０】
＜第４の実施形態＞
図２０は、本発明の第４の実施形態による電流センサ４の構造を説明するための模式図である。
【００８１】
図２０に示すように、本実施形態による電流センサ４は、磁気コア１０のｘ方向に延在する部分に沿って配置された可飽和磁性体６２と、可飽和磁性体６２のうち外郭磁路１１と重なる部分に巻回された検出コイル６３Ａと、可飽和磁性体６２のうち外郭磁路１２と重なる部分に巻回された検出コイル６３Ｂを備えている。このように、本実施形態による電流センサ４は、検出コイル６３Ａ，６３Ｂに対して共通の可飽和磁性体６２を用いていることから、装置構成をより簡素化することが可能となる。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８３】
１〜４    電流センサ
９    漏洩電流
１０    磁気コア
１０Ａ〜１０Ｆ    部分コア
１１    第１の外郭磁路
１２    第２の外郭磁路
１１Ｃｚ，１１Ｃｙ，１１Ｄｙ，１１Ｄｚ，１２Ｃｚ，１２Ｃｙ，１２Ｄｙ，１２Ｄｚ    併走部分
併走部分
１３    中央磁路
１３Ｃ，１３Ｄ    短絡部分
２０    検出回路
２１，２２    電流検出回路
２３    減算回路
２４    加算回路
２５    コンパレータ
２６    フリップフロップ回路
２７    変換回路
２８    信号発生回路
２９    変換回路
３１，３２    バスバー
４０    樹脂ベース
４１，４２    突起
４３〜４８，５３，５４    貫通孔
５０    回路基板
５５〜５８    電極パッド
６１    ボビン
６２    可飽和磁性体
６３，６３Ａ，６３Ｂ，６３ｓ    検出コイル
６３ｐ    励磁コイル
６４，６５    端子
６６    ボビン
６７    支持基板
７１，７２    フィードバック回路
８０    樹脂ベース
８１〜８８    貫通孔
Ａ１〜Ａ３    開口部
Ｂ１〜Ｂ６，Ｂ１１〜Ｂ１４    バスバー
Ｃ１〜Ｃ３    補償コイル
Ｇ    磁気ギャップ
Ｉ１，Ｉ２    動作電流
Ｌ    負荷回路
Ｌ１，Ｌ２    電源端子
Ｍ１〜Ｍ３    磁気センサ
Ｎ１〜Ｎ４    検出コイルの端部
Ｐ１，Ｐ２    第１の外郭磁路の端部
Ｐ３，Ｐ４    第２の外郭磁路の端部
Ｐ５，Ｐ６    中央磁路の端部
Ｒ１〜Ｒ３    抵抗
Ｓ１〜Ｓ８    検出信号
ＳＷ１〜ＳＷ４    スイッチ
Ｔ１〜Ｔ４    端子電極
Ｖ    電源
Ｖ１    正極端子
Ｖ２    負極端子
Ｗ１，Ｗ２    電源配線
φ１〜φ３    磁束
【図１】
2019152473.tif 000003
【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】
2019152473.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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