(57)【要約】【課題】周囲環境条件により影響を受けることが少なく、小型、低コストで、広い範囲の微小電流検知が可能で、さらに導線に過大な直流電流が流れたことを検出可能な電流検知装置を提供する。【解決手段】測定電流が流れる導線１ａ，１ｂを囲む磁気コア２に、電気的に絶縁し磁気的に結合するように巻回した励磁コイル３と、設定した閾値に応じて、前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する発振手段４と、該発振手段４から出力される前記矩形波電圧のデューティ変化に基づいて前記測定電流を検知する電流検知手段６と、前記発振手段４から出力される前記矩形波電圧が供給され、前記導線に過大直流電流が流れたことを検知する過大直流電流検知手段２０とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに巻回した励磁コイルと、
設定した閾値に応じて、前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する発振手段と、
該発振手段から出力される前記矩形波電圧のデューティ変化に基づいて前記測定電流を検知する電流検知手段と、
前記発振手段から出力される前記矩形波電圧が供給され、前記導線に過大直流電流が流れたことを検知する過大直流電流検知手段と
を備えたことを特徴とする電流検知装置。
【請求項２】
前記過大直流電流検知手段は、前記発振手段から出力される前記矩形波電圧が供給されるフィルタ回路と、該フィルタ回路のフィルタ出力に基づいて前記導線に過大直流電流が流れたことによる前記矩形波電圧の発振状態の停止を検出する発振停止検出回路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電流検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、漏電検知等に用いる高透磁率材料の非線形な特性を利用する電流検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電流検知装置としては、種々の構成を有するものが提案され、実施されているが、構造的に簡単で微小電流の検知が可能なものとしてフラックスゲート型の電流センサが知られている(例えば、特許文献１参照)。
この特許文献１に記載された従来例では、図７（ａ）に示す構成を有する。すなわち、軟質磁性体製の同形，等大に構成された円環状をなすコア１０１及び１０２と、各コア１０１及び１０２に等しい回数巻回された励磁コイル１０３と、各コア１０１及び１０２にわたるよう一括して巻回された検出コイル１０４とを備えている。
【０００３】
励磁コイル１０３には図示しない交流電源が、また検出コイル１０４には図示しない検出回路が接続されている。そして、両コア１０１及び１０２の中心に電流を測定する対象物たる被測定導線１０５が挿通されている。
励磁コイル１０３はこれに通電したとき両コア１０１及び１０２に生じる磁場が逆相であって互いに打ち消し合うようコア１０１及び１０２に巻回されている。
【０００４】
そして、励磁コイル１０３に励磁電流ｉｅｘを通電したとき、各コア１０１及び１０２に生じる磁束密度Ｂの経時変化は、図７（ｂ）に示すようになる。軟質磁性体製のコア１０１及び１０２の磁気特性は磁場の大きさＨが所定の範囲内では磁場の大きさＨと磁束密度Ｂとは直線的な関係にある。しかしながら、磁場の大きさＨが所定値を超えると、磁束密度Ｂが変化しない磁気飽和の状態となる関係にあることから、励磁コイル１０３に励磁電流ｉｅｘを通電すると、各コア１０１及び１０２に発生する磁束密度Ｂは実線図示のように上下対称の台形波状に変化し、しかも相互に１８０°位相がずれた状態となる。
【０００５】
今、被測定導線１０５に矢印で示す如く下向きに直流電流値Ｉが通電しているものとすると、この直流分に相当する磁束密度が重畳される結果、磁束密度Ｂは図７（ｂ）に破線で示す如く、台形波のうち、上方の台形波はその幅が拡大され、一方下方の台形波はその幅が縮小された状態となる。
ここで、両コア１０１及び１０２に生じた磁束密度Ｂの変化を正弦波（起電力に対応）で表現すると図７（ｃ）に示すようになる。この図７（ｃ）では、前述した図７（ｂ）で実線図示の台形波に対応して実線図示のように１８０°位相がずれた周波数ｆの正弦波（起電力）が表れるが、これらは１８０°ずれているため互いに打ち消し合う。一方、図７（ｂ）で破線図示の台形波に対応して図７（ｃ）には破線図示のような２倍の周波数２ｆの２次高調波が表れる。この２次高調波は位相が１８０°ずれているため、相互に重畳すると図７（ｃ）の最下段に示すような正弦波信号となり、これが検出コイル１０４で検出される。
この検出コイル１０４で捉えられた検出信号は被測定導線１０５を流れる直流の電流値Ｉに対応しており、これを処理することで電流値Ｉを検出することができる。
【０００６】
また、他の従来例として、検知すべき電流を流す１次巻線と、この１次巻線から電気的に絶縁され磁気コアにより１次巻線に磁気的に結合されている２次巻線とを具備している１以上の第１の検知変成器と、飽和を検出してそれに応じて磁化電流の方向を反転させる手段を含む前記磁気コアを周期的に飽和状態に駆動するために前記２次巻線に交互に反対方向の磁化電流を供給する手段と、感知される電流に実質上比例する出力信号を出力する処理手段とを備えている検知手段を具備して電流センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この電流センサは、さらに、前記第１の検知変成器の２次巻線に接続されて感知する電流によって前記２次巻線中に生成された磁化電流の低周波または直流成分を分離するローパスフィルタと、感知される電流が通過する１次巻線と、２次巻線とを有し、その２次巻線の入力側は前記ローパスフィルタの出力部に結合され、その出力側は前記装置の出力信号が生成される抵抗によって設置されている第２の検知変成器とを具備している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１６２２４４号公報
【特許文献２】特許第２９２３３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、２つのコア１０１及び１０２を使用するため、実際にはコア１０１及び１０２の磁気特性を完全に一致させることは困難であるため、磁気特性の違いにより励磁電流ｉｅｘによる電圧が完全に打ち消されることなく発生してしまう。これが２次高調波成分に対応した検出電圧のＳ／Ｎ比を悪化させ、微小電流の検知が難しいという未解決の課題がある。
また、検出コイル１０４から出力される電流値Ｉに対応した２次高調波は、電流値Ｉが大きくなり過ぎると、図７（ｃ）で破線図示のように台形波の形が歪んでしまうために、電流Ｉと２次高調波成分の関係が比例関係ではなくなる。これにより、電流値Ｉの検知範囲が制限されてしまうために、広い範囲の電流を検出できないという未解決の課題もある。
【０００９】
また、少なくとも２つのコアを使用するので、小型化や低コスト化を実現し難いという未解決の課題もある。
また、特許文献２に記載された従来例にあっても、第１の検知変成器と第２の検知変成器とを設ける必要があり、１つの磁気コアによって広い範囲の電流を検出できないという未解決の課題がある。
さらに、被測定電線に過大な直流電流が流れた場合に、これを検知することができないという未解決の課題もある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、１台で広い電流範囲を測定可能で、周囲環境条件により影響を受けることが少なく、小型、低コストで、広い範囲の微小電流検知が可能で、さらに導線に過大な直流電流が流れたことを検出可能な電流検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る電流検知装置は、測定電流が流れる導線を囲む磁気コアに巻回した励磁コイルと、設定した閾値に応じて、前記磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の極性を反転させる矩形波電圧を発生する発振手段と、該発振手段から出力される前記矩形波電圧のデューティ変化に基づいて前記測定電流を検知する電流検知手段と、前記発振手段から出力される前記矩形波電圧が供給され、前記導線に過大直流電流が流れたことを検知する過大直流電流検知手段とを備えている。
【００１１】
この構成によると、発振手段で励磁コイルに矩形波電圧を印加することにより、励磁コイルのインダクタンスで決まる鋸歯状波となる励磁電流が流れ、その励磁電流の極性が切り換わる電流を、電流が零のときに磁気コアのインダクタンスが飽和電流と一致させることにより、導線を流れる測定電流に応じて励磁電流の極性が切り換わる電流が変化し、これに応じて矩形波電圧の立ち下がりを変化させる。これによって矩形波電圧のデューティを検出することにより、測定電流を検知することができる。
【００１２】
また、矩形波電圧を過大直流電流検知手段にも供給するので、導線に過大な直流電流が流れて、発振手段の発振が停止したときに、導線に過大直流電流が流れていることを検知することができる。
また、本発明の一の形態に係る電流検知装置は、前記過大直流電流検知手段は、前記発振手段から出力される前記矩形波電圧が供給されるフィルタ回路と、該フィルタ回路のフィルタ出力に基づいて前記導線に過大直流電流が流れたことによる前記矩形波電圧の発振状態の停止を検出する発振停止検出回路とを備えている。
【００１３】
この構成によると、発振手段から出力される矩形波電圧を例えばハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ等のフィルタ回路に供給することにより、発振手段で矩形波電圧が出力されている状態では、この矩形波電圧が発振停止検出回路にそのまま入力されることになり、発振手段の発振状態を検知することができる。この状態から、導線に過大な直流電流が流れて発振手段から出力される矩形波電圧の出力が停止されると、フィルタ回路からフィルタ出力が出力されなくなるため、発振停止検出回路で、発振手段の過大な直流電流による発振停止状態を検知することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁気コアのインダクタンスが飽和電流付近で急に消失する特性が内部を貫通する導線の電流によってシフトすることを利用して、励磁手段で、励磁コイルに、矩形波電圧を印加して、磁気コアを飽和状態又はその近傍の状態とする励磁電流を供給し、励磁コイルに磁気コアのインダクタンス消失に応じた電流変化を生じさせ、この電流変化で矩形波電圧の立ち下がりを変化させる。このため、矩形波電圧のデューティを検出することにより、導線に流れる測定電流を検知する。このため、電流検知装置を１つの磁気コアを用いて構成することができ、磁気コアの材料特性の違いによりＳ／Ｎ比が低下することがなく、微小電流を高精度で検出することができる。
【００１５】
また、電流検知装置を１つの磁気コアと１つの巻線とで構成できるので、小型、低コスト化が可能となる。
さらに、磁気センサ等を使用しないので、堅牢で、周囲環境条件により影響を受けることが少ない電流検知装置を提供できる。
しかも、発振手段から出力される矩形波電圧を過大電流検知手段に供給することにより、導線に過大直流電流が流れることによる発振手段の発振停止を検出して過大直流電流が流れたことを確実に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る電流検知装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の発振回路の一例を示す回路図である。
【図３】発振回路の出力電圧波形と励磁コイルの電流波形とを示す模式図である。
【図４】磁気コアの磁界の強さと磁束密度の関係を示す特性線図及び磁気コアのインダクタンス特性を示す特性線図である。
【図５】導線に微小電流が流れている時の磁気コアの磁界の強さと磁束密度の関係を示す特性線図及び発振回路の発振出力との関係を示す図である。
【図６】導線に過大な直流電流が流れた時の磁気コアの磁界の強さと磁束密度の関係を示す特性線図及び発振回路の発振出力との関係を示す図である。
【図７】従来例を示す説明図であって、（ａ）センサ部の構成図、（ｂ）は励磁コイルに励磁電流を通電したときの各磁気コアの磁束密度を示す図、（ｃ）は各磁気コアの磁束密度を正弦波で表現した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る電流検知装置の一実施形態を示す構成図である。図中、１ａ，１ｂは例えば漏電検知等の対象物に設けられた例えば１０Ａ〜８００Ａの往復の電流Ｉが流れる導線であって、健全状態では導線１ａ，１ｂに流れる電流の和はゼロであるが、漏電や地絡などで導線１ａ，１ｂに流れる電流の和が零にならず、検出対象とする例えば１５ｍＡ〜５００ｍＡ程度の微小な差異電流が流れる。これら導線１ａ，１ｂの回りにリング状の磁気コア２が配設されている。つまり、磁気コア２内に導線１ａ，１ｂが挿通されている。
【００１８】
磁気コア２には、励磁コイル３が所定巻数で巻回されており、この励磁コイル３に発振手段としての発振回路４から励磁電流が供給される。
発振回路４は、図２に示すように、コンパレータとして動作するオペアンプ１１を備えている。このオペアンプ１１の出力側と反転入力側との間に励磁コイル３が接続されている。また、オペアンプ１１の反転入力側は抵抗１２を介してグランドに接続され、オペアンプ１１の非反転入力側は、オペアンプ１１の出力側及びグランド間に直列に接続された分圧抵抗１３及び１４間に接続されている。
【００１９】
そして、オペアンプ１１の出力側が出力端子ｔｏに接続されている。
このため、発振回路４では、分圧抵抗１３及び１４の接続点Ｅの閾値電圧Ｖｔｈがオペアンプ１１の非反転入力側に供給されており、この閾値電圧Ｖｔｈと励磁コイル３及び抵抗１２との接続点Ｄの電圧Ｖｄとが比較されて、その比較出力が図３（ａ）に示す矩形波の出力電圧Ｖａとして出力側から出力される。
今、図３（ａ）に示すように、時点ｔ１で、オペアンプ１１の出力側の出力電圧Ｖａがハイレベルとなると、これが励磁コイル３に印加される。このため、励磁コイル３を出力電圧Ｖａと抵抗１２の抵抗値Ｒ１２とに応じた励磁電流Ｉｂで励磁する。このとき、励磁電流Ｉｂは、図３（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖａの立ち上がり時点ｔ１から比較的急峻に立ち上がり、その後緩やかに増加する放物線状に増加する。
【００２０】
このとき、オペアンプ１１の非反転入力側に出力電圧Ｖａを分圧抵抗１３及び１４の接続点Ｅで得られる分圧抵抗１３及び１４の抵抗値Ｒ１３及びＲ１４で分圧された比較的大きな閾値電圧Ｖｔｈが入力されている。一方、オペアンプ１１の反転入力側の励磁コイル３及び抵抗１２の接続点Ｄの電圧Ｖｄは、励磁コイル３の励磁電流Ｉｂの増加に応じて増加し、この電圧Ｖｄが時点ｔ２で非反転入力側の閾値電圧Ｖｔｈを上回ると、オペアンプ１１の出力電圧Ｖａが図３（ａ）に示すように、ローレベルに反転する。
【００２１】
これに応じて励磁コイル３を流れる励磁電流Ｉｂの極性が反転し、励磁電流Ｉｂが最初は急峻に低下し、その後緩やかに低下する放物線状に減少する。
このとき、閾値電圧Ｖｔｈは、ローレベルとなっていることにより、閾値電圧Ｖｔｈも低い電圧となっている。そして、オペアンプ１１の反転入力側の励磁コイル３及び抵抗１２の接続点Ｄの電圧Ｖｄが、励磁コイル３の励磁電流Ｉｂの減少に応じて減少し、この電圧Ｖｄが時点ｔ３で非反転入力側の閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、オペアンプ１１の出力電圧Ｖａが図３（ａ）に示すように、時点ｔ１と同様にハイレベルに反転する。
このため、出力電圧Ｖａは、図３（ａ）に示すように、ハイレベル及びローレベルを繰り返す矩形波電圧となり、発振回路４が非安定マルチバイブレータとして動作する。そして、励磁コイル３の励磁電流は、図３（ｂ）に示すように増加及び減少を繰り返す鋸歯状波電流となる。
【００２２】
ところで、磁気コア２は、図４（ａ）に示すように角型比の大きな磁束密度Ｂと磁界の強さＨとの関係を表すＢ−Ｈ特性を有し、高透磁率材料の非線型な特性を有する。このＢ−Ｈ特性を有する磁気コア２のインダクタンスは、導線１ａ，１ｂの差電流が零であるときに、図４（ｂ）に示すように飽和電流付近Ｇで急激に消失する。磁気コア２を貫通する導線１ａ，１ｂに任意の検出対象となる微小な差電流Ｃが生じると、図３（ｂ）のＢ−Ｈ特性は、破線図示のように差電流Ｃに応じて磁界の強さＨの正方向にシフトしてインダクタンスが消失するタイミングが変化する。
【００２３】
このため、電流が零のときにインダクタンスが飽和する電流（図４のＧ）と励磁電流Ｉｂの極性が切り換わる電流（図３のＦ）とを一致させる。そうすると、インダクタンスが飽和する電流（図４のＪ）が導線１ａ，１ｂの差電流の電流値Ｃに応じて変化するので、励磁電流Ｉｂの極性が切り換わる電流（図３（ｂ）のＨ）も同様に変化することになる。
この励磁電流Ｉｂの極性が切り換わる電流値が変化することにより、励磁コイル３と抵抗１２との接続点Ｄの電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈを上回るタイミングが遅れることになる。このため、オペアンプ１１から出力される出力電圧Ｖａの立ち下がり時点が導線１ａ，１ｂの差電流の電流値Ｃに応じて図３（ａ）で破線図示のように遅れる。この結果、出力電圧Ｖａの矩形波電圧のデューティ比が導線１ａ，１ｂの差電流の電流値Ｃに応じて変化する。
【００２４】
したがって、発振回路４の出力端子ｔｏにデューティ比を検出する電流検知手段としての検出回路６を接続する。この検出回路６で、出力電圧Ｖａのハイレベル状態を維持している時間とローレベル状態を維持している時間とを計測することにより、デューティ比を検出することができ、検出したデューティ比に基づいて導線１ａ，１ｂの微小差電流の電流値Ｃを検知することができる。
また、発振回路４の出力端子ｔｏから出力される矩形波電圧Ｖａは、過大直流電流検知手段としての過大直流電流検知回路２０に供給されている。この過大直流電流検知回路２０は、矩形波電圧Ｖａが入力されるハイパスフィルタ回路２１と、このハイパスフィルタ回路２１から出力されるフィルタ出力が供給された発振停止検出回路２２とを備えている。
【００２５】
ここで、ハイパスフィルタ回路２１は、通常の微小差電流を検出している状態で発振回路４から出力される矩形波電圧Ｖａを通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。
また、発振停止検出回路２２では、フィルタ回路２１のフィルタ出力が矩形波電圧Ｖａである場合には、微小差電流を検出している状態であると判断するが、フィルタ回路２１のフィルタ出力が出力されない状態となると、発振回路４の発振出力が停止した発振停止状態であると判断して導線１ａ，１ｂの少なくとも一方に過大な直流電流が流れていることを検知することができる。
【００２６】
すなわち、発振回路４では、前述したように、導線１ａ，１ｂに流れる微小差電流を検出している状態では、図３（ａ）に示す矩形波電圧Ｖａを出力している。このとき、発振回路４は、図５に示すように、磁気コア２のＢ−Ｈ特性線上の変化点で発振することが可能であり、電流検出が可能である。このため、この矩形波電圧Ｖａがハイパスフィルタ回路２１を介して過大直流電圧検知回路２２に入力されることにより、発振回路４が発振状態であり、微小電流検出状態であることを検知することができる。微小差電流が零である場合も矩形波電圧Ｖａは出力される。
【００２７】
ところが、導線１ａ，１ｂの少なくとも一方に過大な直流電流が供給されると、磁気コア２が磁気飽和状態となって、発振回路４の発振出力は図５に示すように、発振出力がＢ−Ｈ特性線の変化点で発振することはできず、図６に示すように、Ｂ−Ｈ特性線の磁気飽和領域側に大きくシフトして発振することになる。このため、発振回路４の発振出力は、図６に示すように、振幅が変化しない直流状態となって発振停止状態となってしまう。
【００２８】
このように発振回路４が発振停止状態となると、ハイパスフィルタ回路２１を通過する高周波成分がないことからからフィルタ出力が得られなくなり、発振停止検出回路２２の入力信号が低レベルに維持される。このため、発振停止検出回路２２で発振回路４の発振停止状態を検出することができ、発振停止状態を表す例えばハイレベルの発振停止検出信号を出力する。この発振停止検出信号により、導線１ａ，１ｂの少なくとも一方に過大な直流電流が流れたことによるものと判断することができる。
【００２９】
このとき、検出回路６では、発振回路４の出力電圧Ｖａが一定レベルとなることにより、デューティ比の測定が不能となる。
しかしながら、上述したように、過大直流電流検知回路２０で導線１ａ，１ｂの少なくとも一方に過大直流電流が流れたことを検知することができるので、検出回路６での測定不能状態が、過大直流電流によるものと容易に判断することができる。
なお、発振停止検出回路２２から出力される発振停止検出信号をブザーや点滅表示器などで構成される警報回路に供給することにより、発振停止状態を音又は光で警報することができる。
【００３０】
このように、上記実施形態によると、測定電流が流れる導線を貫通させた１つの磁気コア２と、この磁気コア２に巻回された１つの励磁コイル３とを備え、励磁コイル３に発振回路４で矩形波電圧を印加したときの励磁コイル３を流れる励磁電流Ｉｂの極性切り換わり電流と電流が零であるときに磁気コア２のインダクタンスが飽和する電流とを一致させることにより、発振回路４の矩形波電圧Ｖａのデューティ比を測定電流の電流値Ｃに応じて変化させ、このときのデューティ比を検出回路６で検出するだけの簡易な構成で、磁気コア２を貫通する導線１ａ，１ｂを流れる微小電流を広範囲に確実に検知することができ、低コスト化を図ることができる。
【００３１】
また、前述した従来例のように２つの磁気コアを使用する場合のようにコア材料特性の違いによるＳ／Ｎ比の低下が生じることはなく、微小電流を高精度で検知することができる。
しかも、前述した従来例のように磁気センサ等を使用することなしに電流検知が可能であるので、堅牢で、周囲環境条件により影響を受けることが少ない電流検知装置を提供することができる。
【００３２】
さらに、発振回路４から出力される矩形波電圧Ｖａを過大電流検知回路２０に供給するので、導線１ａ，１ｂの少なくとも一方に過大直流電流が流れて、発振回路４が発振停止状態となったときに、この発振停止状態を発振停止検出回路２２で検出することができ、導線１ａ，１ｂの少なくとも一方に過大直流電流が流れていることを確実に検知することができる。
【００３３】
なお、上記実施形態においては、過大直流電流検知回路２０のフィルタ回路としてハイパスフィルタ回路２１を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、微小差電流検出時の発振回路４の矩形波電圧Ｖａを通過させるバンドパスフィルタ回路を適用してもよい。さらには、ローパスフィルタ回路を適用して矩形波電圧Ｖａを平均化し、その平均値のレベルを発振停止検出回路で判別するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、２本の導線１ａ及び１ｂの差電流を検知する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、１本の導線に流れる微小電流を検出することもできる。
【符号の説明】
【００３４】
１ａ，１ｂ…導線、２…磁気コア、３…励磁コイル、４…発振回路、６…検出回路、１１…オペアンプ、１２〜１４…抵抗、２０…過大電流検知回路、２１…ハイパスフィルタ回路、２２…発振停止検出回路
【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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