(57)【要約】【課題】ある程度の残留磁化が残るような磁性コアを使用した場合でも、電流を正確に測定可能で信頼性の高い電流センサを提供する。【解決手段】環状磁性コアに設けられたギャップにホール素子３を配し、該環状磁性コアに所定巻数のコイルＬ１を巻回して設け、該環状磁性コアの内側を貫通するように被測定電流の通る電流路を配置し、前記被測定電流による前記環状磁性コアに発生する磁束をホール素子３で検知し、ホール素子３の検知出力をセンサ回路で増幅し、コイルＬ１に負帰還電流を流して前記被測定電流による磁束を打ち消し、コイルＬ１の負帰還電流値から前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、前記センサ回路の電源電圧を規定の電圧と比較し、規定の電圧に達しない期間は、コイルＬ１に常に一方向のバイアス電流を流すリセット回路部１０を付加している。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状磁性コアに設けられたギャップに磁気センサ素子を配し、該環状磁性コアに所定巻数のコイルを巻回して設け、該環状磁性コアの内側を貫通するように被測定電流の通る電流路を配置し、前記被測定電流による前記環状磁性コアに発生する磁束を前記磁気センサ素子で検知し、該磁気センサ素子の検知出力をセンサ回路で増幅し、前記コイルに負帰還電流を流して前記被測定電流による磁束を打ち消し、前記コイルの負帰還電流値から前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、
前記センサ回路の電源電圧を規定の電圧と比較し、規定の電圧に達しない期間は、前記コイルに常に一方向のバイアス電流を流す回路部を付加したことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記バイアス電流を流す回路部は、前記環状磁性コアに常に一定の残留磁化を残すために必要な期間中、前記バイアス電流を流すように遅れ時定数を有する請求項１記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接検出できない電力配線、ケーブル等の電流チェック、検査に使用するための電流センサに関し、非接触型検知なので、検知対象物に何の加工もしないで測定でき、保守・点検用の機器に最適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電流センサとして磁気平衡式（フィードバック方式）のものが知られている。この磁気平衡式の電流センサは、従来、高透磁率、低残留磁化の磁性コアを用い、該コアに設けられたギャップにホール素子をはさみ、さらに負帰還用の巻線コイルを前記コアに設け、電流の被測定対象物である電線に、当該電流センサーのコアが環状配置にできるように開閉機構を有したものである。その測定原理は、前記電線に流れる被測定電流による発生磁界、換言すれば前記環状磁性コア中を通る磁束を、前記ホール素子で検知し、その検知信号を負帰還（負のフィードバック）することによって前記巻線コイルに負帰還電流を流し、前記被測定電流による発生磁束を打ち消すように作用させ、その負帰還電流値自体が、前記被測定電流を前記巻線コイルの巻き数で除算した値と等しくなることを利用して、被測定電流を計測するものであった。
【０００３】
上記従来の電流センサであると、検出確度を高めるためにどうしても磁性コアの磁気特性、特に残留磁化を小さくすることが必須で、高精度の電流センサを得るにはパーマロイのような高価な磁性材料を磁性コアに用いることが必要であった。従って、残留磁化がパーマロイより大きな珪素鋼板やフェライトを用いた場合、ゼロ磁界での残留磁化が大きく残り、電流センサにおいて被測定電流がない場合でも、測定値がゼロにならない問題が生じていた。
【０００４】
なお、磁気平衡式電流センサの一例として下記特許文献１が挙げられる。また、磁性コアの初期化に関するものとして下記特許文献２があるが、特許文献２は磁気平衡式電流センサではない。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−５５８４４号公報
【特許文献２】特開平７−４３３８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の点に鑑み、ある程度の残留磁化が残るような磁性コアを使用した場合でも、電流を正確に測定可能で信頼性の高い電流センサを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、環状磁性コアに設けられたギャップに磁気センサ素子を配し、該環状磁性コアに所定巻数のコイルを巻回して設け、該環状磁性コアの内側を貫通するように被測定電流の通る電流路を配置し、前記被測定電流による前記環状磁性コアに発生する磁束を前記磁気センサ素子で検知し、該磁気センサ素子の検知出力をセンサ回路で増幅し、前記コイルに負帰還電流を流して前記被測定電流による磁束を打ち消し、前記コイルの負帰還電流値から前記被測定電流を計測する磁気平衡式の電流センサにおいて、
前記センサ回路の電源電圧を規定の電圧と比較し、規定の電圧に達しない期間は、前記コイルに常に一方向のバイアス電流を流す回路部を付加した構成としている。
【０００９】
前記電流センサにおいて、前記バイアス電流を流す回路部は、前記環状磁性コアに常に一定の残留磁化を残すために必要な期間中、前記バイアス電流を流すように遅れ時定数を有するとよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電流センサの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１１】
図１及び図２を用いて本発明に係る電流センサの実施の形態を説明する。図１は電流センサの回路図であり、図２は環状磁性コア、磁気センサ素子としてのホール素子、及び被測定電流の流れる電流路としての電線の配置を示す。
【００１２】
まず、図２について説明すると、１は環状磁性コアであり、これに負帰還電流を流すための巻線コイルＬ１が所定巻き数だけ巻回され、環状磁性コア１の内側中央部を被測定電流が通る電流路としての電線２が貫通する配置となっている。また、環状磁性コア１に設けられたギャップＧには磁気センサ素子としてのホール素子３が挟み込むように配置されている。この場合、前記被測定電流に比例した磁束密度の磁束が前記環状磁性コア１を通り、そのギャップＧ中に挿入されたホール素子３を通過する。
【００１３】
図１は前記被測定電流に起因するホール素子３の検知出力をセンサ回路で増幅し、巻線コイルＬ１に負帰還電流を流して前記被測定電流による発生磁束を打ち消すためのセンサ回路、及びこのセンサ回路の電源電圧を規定の電圧と比較し、規定の電圧に達しない期間は前記巻線コイルＬ１に、常に一方向のバイアス電流を印加するための回路部１０（図１中点線枠内で示し、以下リセット回路部と言う）を示す。
【００１４】
一般に、磁性材料は小さな磁界ループの範囲内では、ほとんど残留磁化の変化を生じず、安定なＢ−Ｈカーブを描き、例え大きな磁気バイアスによる残留磁化が残っても、その後の小さな磁界ループの範囲内では、ヒステリシスを生じない。本実施の形態で示した図１の回路は、図２の環状磁性コア１が常に一方向の飽和残留磁化の状態になるようなバイアス電流を流すリセット回路部１０を、電源立ち上げ時、もしくは電源の異常低下時に自動的に動作させて安定に残留磁化を発生させるものである。
【００１５】
図１において、ホール素子３は等価的に４つの抵抗のブリッジ接続で表され、端子▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼を有し、端子▲１▼▲３▼間に一定電流を流しておくことにより、端子▲２▼▲４▼間にホール素子３に印加された磁束密度に比例した（換言すれば被測定電流に比例した）検知出力電圧が得られるようになっている。ＯＰ１，ＯＰ２は演算増幅器、ＩＣ１は定電圧を供給するための集積回路、Ｑ１〜Ｑ５はトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６はダイオード、ＺＤ１は定電圧ダイオード、Ｃ１〜Ｃ１１はコンデンサ、Ｒ１〜Ｒ２６は抵抗である。また、正側端子Ｔ１には直流＋１２Ｖ、負側端子Ｔ２には直流−１２Ｖ、コモン端子Ｔ０には０Ｖが直流電源より供給されるようになっている。
【００１６】
まず、図１の回路構成において、直流電源の立ち上げ時や直流電源の電圧低下異常が発生した場合の動作について説明する。
【００１７】
リセット回路部１０内の演算増幅器ＯＰ２の非反転入力には定電圧ダイオードＺＤ１の定電圧が印加されており、反転入力には正側端子Ｔ１と負側端子Ｔ２間の供給電圧を抵抗Ｒ２５，Ｒ２６で分圧した電圧値が印加される。従って、定電圧ダイオードＺＤ１で規定された一定電圧値よりも反転入力の印加電圧値が低下すると、演算増幅器ＯＰ２は直流電源の低下異常を検知し、その出力はハイレベルとなる。これにより、トランジスタＱ５がオン（ＯＮ）となり、ホール素子３の検知出力電圧を増幅するための演算増幅器ＯＰ１の反転入力を低下させる。これにより、ホール素子３の検知出力電圧の大小、極性にかかわらず、演算増幅器ＯＰ１の出力はハイレベルとなり、トランジスタＱ１をオンして負帰還用の巻線コイルＬ１のＰ２からＰｌ方向に電流を流す。また、トランジスタＱ４はオフ（ＯＦＦ）となるためトランジスタＱ３はオンとなり、トランジスタＱ２は動作しない。
【００１８】
これにより、リセット回路部１０は、直流電源の立ち上げ時や直流電源の電圧低下異常が発生したときに、巻線コイルＬ１のＰ２からＰｌ方向に充分大きなバイアス電流を流して、図１の環状磁性コア１に、常に一方向の飽和残留磁化が残るように設定する。
【００１９】
なお、リセット回路１０には、図２の環状磁性コア１に常に一定の残留磁化を残すために必要な期間中、前記バイアス電流を流し続けるように遅れ時定数を有する。すなわち、コンデンサＣ１１と抵抗Ｒ２５，抵抗Ｒ２６との並列接続とで遅れ時定数を作っていて、仮に直流電源の電圧低下異常が瞬間的であっても、環状磁性コア１に、常に一方向の飽和残留磁化が残るようにバイアス電流を流すことができる。
【００２０】
一方、直流電源（＋１２Ｖ及び−１２Ｖ）が正常範囲に達すると、演算増幅器ＯＰ２の出力がローレベルとなりトランジスタＱ４をオンにし、トランジスタＱ３をオフにする。すなわち、トランジスタＱ２はトランジスタＱ３の影響を受けず、ホール素子３の検知出力電圧を増幅するセンサ回路の演算増幅器ＯＰ１の動作モードに委ねられることになる。また、トランジスタＱ５はオフであり、ホール素子３の端子▲２▼▲４▼間の検知出力が演算増幅器ＯＰ１に入力される。
【００２１】
電源正常時において、環状磁性コア１にリセット回路部１０による飽和残留磁化を残した状態として、被測定電流がゼロのときにホール素子３の端子▲２▼▲４▼間の検知出力電圧がゼロになるように回路ブリッジ（ホール素子３の端子▲１▼▲４▼間、端子▲３▼▲４▼間に接続された抵抗Ｒ１８，１９）の調整を行う。このように、被測定電流がゼロの場合の出力オフセットは前記回路ブリッジの抵抗調整で容易にゼロに設定することができる。
【００２２】
前記ホール素子３には、一定電圧を生成する集積回路ＩＣ１より、端子▲１▼▲３▼間に一定電流が抵抗Ｒ１１、ホール素子３の端子▲１▼▲３▼、抵抗Ｒ１２の経路で供給されている。今、図２の電線２に被測定電流が流れると、環状磁性コア１に被測定電流に比例した磁束密度の磁束が発生し、ホール素子３の端子▲２▼▲４▼間に前記磁束密度に比例（つまり被測定電流に比例）した検知出力電圧が発生して演算増幅器ＯＰ１に加えられる。すなわち、端子▲２▼の電位は抵抗Ｒ５を介し演算増幅器ＯＰ１の非反転入力に、端子▲４▼の電位は抵抗Ｒ４を介し演算増幅器ＯＰ１の反転入力に印加されている。演算増幅器ＯＰ１の反転入力よりも非反転入力の電圧が高いとき、演算増幅器ＯＰ１の出力はハイレベルとなり、トランジスタＱ１をオンして負帰還用の巻線コイルＬ１のＰ２からＰｌ方向に負帰還電流を流し、前記被測定電流による磁界（コア１に生じた磁束）を打ち消す。
【００２３】
上記と被測定電流の向きが逆であれば、演算増幅器ＯＰ１の反転入力よりも非反転入力の電圧が低くなり、演算増幅器ＯＰ１の出力はローレベルとなり、トランジスタＱ２をオンして負帰還用の巻線コイルＬ１のＰ１からＰ２方向に負帰還電流を流し、前記被測定電流による磁界（コア１に生じた磁束）を打ち消す。
【００２４】
この演算増幅器ＯＰ１を用いた回路の帰還利得（フィードバックゲイン）が非常に高いと、被測定電流による起磁力アンペアターンと前記負帰還用の巻線コイルＬ１の負帰還電流が作る起磁力アンペアターンが一致した状態で回路は平衡状態となり、コイルＬ１の巻き数をＮとすると、負帰還電流値は被測定電流値の１／Ｎとなる。
【００２５】
この関係が厳密に成立するためには環状磁性コア１の残留磁化がゼロになることが条件であるが、大きな電流が一方的に流れると残留磁化が発生し、誤差の大きな原因となる。通常は前記環状磁性コア１の内部磁界がゼロとなるように動作しているため、残留磁化はほとんど発生しないが、センサ回路の直流電源である正負の電圧の一方が遮断されたり、立ち上がりに時間的な差があると異常な負帰還電流が前記環状磁性コア１に印加されるため、残留磁化が発生する問題が生じる。
【００２６】
この問題を解決するために直流電源が異常時には、リセット回路部１０により自動的に一方的なバイアス電流をかけ、必ず一定方向の所定残留磁化（好ましくは飽和残留磁化）を残すことにより前記環状磁性コア１の磁気ループの安定化を図るものである。すなわち常に一定方向の所定残留磁化を残したまま動作しているため被測定電流がゼロ電流時のオフセット出力の変動を無くすことができ、ひいては高精度の電流検知ができる。
【００２７】
以下の表１は被測定電流を０Ａ、２００Ａ、０Ａ、−２００Ａ、０Ａと変化させた場合において、被測定電流ゼロのときの従来回路及び本実施の形態の電流センサ測定値を示すものである。上段の初期特性は電源遮断試験前で環状磁性コアに残留磁化が殆ど無い状態であり、下段は±１２Ｖ電源の片側電圧を交互に１０ｍｓの間遮断する電源遮断試験を行った後の測定値を示す。本実施の形態では残留磁化による差分は初期調整により回路の方で打ち消している。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
上記表１から、従来回路では被測定電流ゼロ時の測定値が電源遮断試験前と後で０．０８Ａから１Ａに大幅に悪化しているのに対し、本実施の形態では電源遮断試験前後で測定値が変動せず、高精度の電流測定が可能となっている。
【００３０】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電流センサによれば、安価な磁性材料の磁性コアを用いることができ、安価な電流センサを提供できる。また、磁性コアに多少の残留磁化があった場合でも、本発明の回路によって電流センサとしての機能を損なうことのない特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電流センサの実施の形態を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態における環状磁性コア、巻線コイル及びホール素子の配置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  環状磁性コア
２  電線
３  ホール素子
１０  リセット回路部
Ｃ１〜Ｃ１１  コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード
ＩＣ１  集積回路
ＯＰ１，ＯＰ２  演算増幅器
Ｑ１〜Ｑ５  トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ２６  抵抗
ＺＤ１  定電圧ダイオード
Ｔ０  コモン端子
Ｔ１  正側端子
Ｔ２  負側端子
【図１】
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【図２】
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