(57)【要約】  【課題】従来よりも電流センサの小型化を実現するための技術を提供すること。  【解決手段】電流センサ１では、被検出信号の信号レベルに応じて変化する励磁コイル２０のインピーダンスに基づいて、被検出信号の信号レベルを特定することができるように構成されているため、被検出信号の信号レベルを特定するために別途検出コイルを設ける必要がない。よって、従来の検出コイルが必要な構成と比べ、電流センサとしての小型化を実現することができる。【選択図】図１
2013190219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料を環状に形成してなり、該環状に囲まれた領域を貫通する被検出信号の影響で変化する外部磁場に応じて外部磁場０を頂点に透磁率μが減少していく、といった特性を有するコア部材と、
前記コア部材に巻回された励磁コイルと、
前記励磁コイルに励磁信号を供給する信号源と、
前記信号源から前記励磁コイルに至る信号経路における信号レベルを検出する経路検出手段と、
前記信号源が供給する励磁信号の信号レベル、および、前記経路検出手段により検出される信号レベルに基づいて、前記励磁コイルのインピーダンスを特定するインピーダンス特定手段と、
前記インピーダンス特定手段が特定しうるインピーダンスそれぞれ、および、前記励磁コイルがそのインピーダンスとなっている場合における前記被検出信号の信号レベル、を対応づけた対応関係のうち、前記インピーダンス特定手段に特定されたインピーダンスに対応する信号レベルを、前記被検出信号の信号レベルとして特定するレベル特定手段と、
前記レベル特定手段により特定された信号レベルを示す情報を外部へと出力する情報出力手段と、を備えている
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記経路検出手段は、前記励磁コイルに印加されている電圧値を検出する電圧検出部であり、
前記信号源は、前記励磁コイルへと交流の励磁信号による通電を定電流にて行い、
前記インピーダンス特定手段は、前記信号源により定電流にて通電される励磁信号の電流値ｉ、および、前記経路検出手段により検出される電圧値ｖ、に基づく数式「ｖ／ｉ」により前記励磁コイルのインピーダンスを特定する
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】
前記経路検出手段は、前記信号経路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部であり、
前記信号源は、前記励磁コイルへと交流の励磁信号による通電を定電圧にて行い、
前記インピーダンス特定手段は、前記信号源により定電圧にて通電される励磁信号の電圧値ｖ、および、前記経路検出手段により検出される電流値ｉ、に基づく数式「ｖ／ｉ」により前記励磁コイルのインピーダンスを特定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記経路検出手段は、前記励磁コイルに印加されている電圧値を検出する電圧検出部と、前記信号経路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、からなり、
前記信号源は、前記励磁コイルへと交流の励磁信号による通電を行い、
前記インピーダンス特定手段は、前記経路検出手段により検出される電流値ｉおよび電圧値ｖに基づく数式「ｖ／ｉ」により前記励磁コイルのインピーダンスを特定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項５】
磁性材料を環状に形成してなり、該環状に囲まれた領域を貫通する被検出信号の影響で変化する外部磁場に応じて外部磁場０を頂点に透磁率μが減少していく、といった特性を有するコア部材と、前記コア部材に巻回された励磁コイルと、からなるセンサ素子に接続して用いられる検出装置であって、
前記励磁コイルに励磁信号を供給する信号源と、
前記信号源から前記励磁コイルに至る信号経路における信号レベルを検出する経路検出手段と、
前記信号源が供給する励磁信号の信号レベル、および、前記経路検出手段により検出される信号レベルに基づいて、前記励磁コイルのインピーダンスを特定するインピーダンス特定手段と、
前記インピーダンス特定手段が特定しうるインピーダンスそれぞれ、および、前記励磁コイルがそのインピーダンスとなっている場合における前記被検出信号の信号レベル、を対応づけた対応関係のうち、前記インピーダンス特定手段に特定されたインピーダンスに対応する信号レベルを、前記被検出信号の信号レベルとして特定するレベル特定手段と、
前記レベル特定手段により特定された信号レベルを示す情報を外部へと出力する情報出力手段と、を備えている
ことを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出電線に流れる電流を検出する電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、環状のコア部材にコイルを巻回したセンサ素子からなる電流センサとして、コア部材に励磁コイルおよび検出コイルを巻回した構成のものがある（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、上述した電流センサにおいては、コア部材に励磁コイルと検出コイルとを巻回していることが、電流センサとしての小型化を妨げる要因になっていた。
本発明は、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、従来よりも電流センサの小型化を実現するための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため第１の構成（請求項１）は、磁性材料を環状に形成してなり、該環状に囲まれた領域を貫通する被検出信号の影響で変化する外部磁場に応じて外部磁場０を頂点に透磁率μが減少していく、といった特性を有するコア部材と、前記コア部材に巻回された励磁コイルと、前記励磁コイルに励磁信号を供給する信号源と、前記信号源から前記励磁コイルに至る信号経路における信号レベルを検出する経路検出手段と、前記信号源が供給する励磁信号の信号レベル、および、前記経路検出手段により検出される信号レベルに基づいて、前記励磁コイルのインピーダンスを特定するインピーダンス特定手段と、前記インピーダンス特定手段が特定しうるインピーダンスそれぞれ、および、前記励磁コイルがそのインピーダンスとなっている場合における前記被検出信号の信号レベル、を対応づけた対応関係のうち、前記インピーダンス特定手段に特定されたインピーダンスに対応する信号レベルを、前記被検出信号の信号レベルとして特定するレベル特定手段と、前記レベル特定手段により特定された信号レベルを示す情報を外部へと出力する情報出力手段と、を備えている。
【０００６】
このように構成された電流センサであれば、被検出信号の信号レベルに応じて変化する励磁コイルのインピーダンスに基づいて、被検出信号の信号レベルを特定することができるため、被検出信号の信号レベルを特定するために別途検出コイルを設ける必要がない。よって、検出コイルが必要な構成と比べ、電流センサとしての小型化を実現することができる。
【０００７】
通常、透磁率μは、コイルのインダクタンスＬを規定するパラメータであるため、コア部材の透磁率μが変化すると、励磁コイルのインダクタンスひいてはインピーダンス［ｚ］も変化する。ここで、インピーダンス［ｚ］は、コイルに印加される信号の信号レベル（電圧ｖ、電流ｉ）から特定できるものであるため（ｚ＝ｖ／ｉ）、そのインピーダンス［ｚ］に基づいて透磁率μの変化を観察することができる。そして、透磁率μの変化は、外部磁場の変化で引き起こされるため、インピーダンス［ｚ］の値またはその変化に基づいて、外部磁場を変化させた信号の信号レベルを特定することが可能となる。
【０００８】
ここで、透磁率μおよび外部磁場Ｈを軸とする座標系で励磁信号を表すと、励磁信号は、この座標系のμ−Ｈ曲線上で交流に変化する信号となるが、上記構成では、被検出電流の信号レベルが外部磁場Ｈを変化させることに伴って、励磁信号のμ−Ｈ曲線上における振幅中心も変化する結果、その変化に応じて透磁率μが固有の値を示すため、この透磁率μで規定されるインピーダンス［ｚ］から、被検出電流の信号レベルを一意に特定することができる。
【０００９】
ところで、上記構成において励磁コイルのインピーダンスは、どのような構成により特定することとしてもよく、以下に示す第２の構成（請求項２）、第３の構成（請求項３）、第４の構成（請求項４）のようにすることが考えられる。
【００１０】
第２の構成は、前記経路検出手段は、前記励磁コイルに印加されている電圧値を検出する電圧検出部であり、前記信号源は、前記励磁コイルへと交流の励磁信号による通電を定電流にて行い、前記インピーダンス特定手段は、前記信号源により定電流にて通電される励磁信号の電流値ｉ、および、前記経路検出手段により検出される電圧値ｖ、に基づく数式「ｖ／ｉ」により前記励磁コイルのインピーダンスを特定する。
【００１１】
この構成であれば、信号源により定電流にて通電される励磁信号の電流値ｉと、信号経路を流れる信号（励磁信号）の電圧値ｖとに基づいて励磁コイルのインピーダンスを特定することができる。
【００１２】
また、第３の構成は、前記経路検出手段は、前記信号経路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部であり、前記信号源は、前記励磁コイルへと交流の励磁信号による通電を定電圧にて行い、前記インピーダンス特定手段は、前記信号源により定電圧にて通電される励磁信号の電圧値ｖ、および、前記経路検出手段により検出される電流値ｉ、に基づく数式「ｖ／ｉ」により前記励磁コイルのインピーダンスを特定する。
【００１３】
この構成であれば、信号源により定電圧にて通電される励磁信号の電圧値ｖと、信号経路を流れる信号（励磁信号）の電流値ｉとに基づいて励磁コイルのインピーダンスを特定することができる。
【００１４】
また、第４の構成は、前記経路検出手段は、前記励磁コイルに印加されている電圧値を検出する電圧検出部と、前記信号経路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部と、からなり、前記信号源は、前記励磁コイルへと交流の励磁信号による通電を行い、前記インピーダンス特定手段は、前記経路検出手段により検出される電流値ｉおよび電圧値ｖに基づく数式「ｖ／ｉ」により前記励磁コイルのインピーダンスを特定する。
【００１５】
この構成であれば、信号経路を流れる信号（励磁信号）の電流値ｉおよび電圧値ｖに基づいて励磁コイルのインピーダンスを特定することができる。
また、上記課題を解決するため第５の構成（請求項５）は、磁性材料を環状に形成してなり、該環状に囲まれた領域を貫通する被検出信号の影響で変化する外部磁場に応じて外部磁場０を頂点に透磁率μが減少していく、といった特性を有するコア部材と、前記コア部材に巻回された励磁コイルと、からなるセンサ素子に接続して用いられる検出装置であって、前記励磁コイルに励磁信号を供給する信号源と、前記信号源から前記励磁コイルに至る信号経路における信号レベルを検出する経路検出手段と、前記信号源が供給する励磁信号の信号レベル、および、前記経路検出手段により検出される信号レベルに基づいて、前記励磁コイルのインピーダンスを特定するインピーダンス特定手段と、前記インピーダンス特定手段が特定しうるインピーダンスそれぞれ、および、前記励磁コイルがそのインピーダンスとなっている場合における前記被検出信号の信号レベル、を対応づけた対応関係のうち、前記インピーダンス特定手段に特定されたインピーダンスに対応する信号レベルを、前記被検出信号の信号レベルとして特定するレベル特定手段と、前記レベル特定手段により特定された信号レベルを示す情報を外部へと出力する情報出力手段と、を備えている。
【００１６】
このように構成された検出装置であれば、上記各構成と同様の電流センサを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電流センサの全体構成を示すブロック図
【図２】コア部材の有する特性を示すグラフ
【図３】各タイプの電流センサを示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（１）基本構成
電流センサ１は、図１に示すように、磁性材料を環状に形成したコア部材１０と、コア部材１０に巻回された励磁コイル２０と、励磁コイル２０に励磁信号を供給する信号源３０と、信号源３０から励磁コイル２０に至る信号経路おける信号レベルを検出する経路検出部４０と、制御部５０と、を備えている。
【００１９】
なお、この構成における信号源３０、経路検出部４０および制御部５０からなる装置構成が、本願発明における検出装置である。
これらのうち、コア部材１０は、環状に囲まれた領域に被検出電線１００を貫通させ、ここに被検出信号を導通させた場合に、この被検出信号の影響で変化する外部磁場に応じて外部磁場０を頂点に透磁率μが減少していく、といった特性を有する部材により形成されている。なお、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２（ａ），（ｂ）参照）の傾き（つまり磁化Ｍの磁場Ｈによる微分値）に基づいて表現した値となる。
【００２０】
【数１】
2013190219.tif 000003
【００２１】
このような磁性材料としては、例えば、本願出願人による特願2010-215871 号に記載の磁性部材を採用することが考えられる。この磁性部材は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、外部磁場Ｈ＝０を頂点として透磁率が減少していくと共に、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、といった特性を特徴としている。
【００２２】
制御部５０は、信号源３０が供給する励磁信号の信号レベル、および、経路検出部４０により検出される信号レベルに基づいて励磁コイル２０のインピーダンスを特定するインピーダンス特定部５１と、インピーダンス特定部５１に特定されたインピーダンスに基づいて被検出信号の信号レベルを特定するレベル特定部５３と、レベル特定部５３により特定された信号レベルを示す情報を外部へと出力する情報出力部５５と、からなる。
【００２３】
これらのうち、レベル特定部５３は、インピーダンス特定部５１が特定しうるインピーダンスそれぞれ、および、励磁コイル２０がそのインピーダンスとなっている場合における被検出信号の信号レベル、を対応づけた対応関係に基づいて、実際にインピーダンス特定部５１に特定されたインピーダンスに対応する信号レベルを、被検出信号の信号レベルとして特定する。
（２）電流センサ１のタイプ
このような構成の電流センサ１は、信号源３０、経路検出部４０およびインピーダンス特定部５１の回路構成により種々のタイプが考えられる。
（２−１）定電流タイプ
このタイプでは、図３（ａ）に示すように、経路検出部４０が、励磁コイル２０に印加されている電圧値を検出する電圧検出部であり、信号源３０が、励磁コイル２０へと交流の励磁信号による通電を定電流にて行うように構成されている。
【００２４】
そして、インピーダンス特定部５１は、信号源３０により定電流にて通電される励磁信号の電流値ｉ、および、経路検出部４０により検出される電圧値ｖ、に基づく数式「ｖ／ｉ」により励磁コイル２０のインピーダンスを特定する。
（２−２）定電圧タイプ
このタイプでは、図３（ｂ）に示すように、経路検出部４０が、信号経路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部であり、信号源３０が、励磁コイル２０へと交流の励磁信号による通電を定電圧にて行うように構成されている。
【００２５】
そして、インピーダンス特定部５１は、信号源３０により定電圧にて通電される励磁信号の電圧値ｖ、および、経路検出部４０により検出される電流値ｉ、に基づく数式「ｖ／ｉ」により励磁コイル２０のインピーダンスを特定する。
（２−３）実測タイプ
このタイプでは、図３（ｃ）に示すように、経路検出部４０が、励磁コイル２０に印加されている電圧値を検出する電圧検出部４１と、信号経路に流れる電流の電流値を検出する電流検出部４３と、からなり、信号源３０が、励磁コイル２０へと交流の励磁信号による通電を行うように構成されている。
【００２６】
そして、インピーダンス特定部５１は、経路検出部４０により検出される電流値ｉおよび電圧値ｖに基づく数式「ｖ／ｉ」により励磁コイル２０のインピーダンスを特定する。
（３）作用効果
このように構成された電流センサ１であれば、被検出信号の信号レベルに応じて変化する励磁コイル２０のインピーダンスに基づいて、被検出信号の信号レベルを特定することができるため、被検出信号の信号レベルを特定するために別途検出コイルを設ける必要がない。よって、検出コイルが必要な構成と比べ、電流センサとしての小型化を実現することができる。
【００２７】
通常、透磁率μは、コイルのインダクタンスＬを規定するパラメータであるため、コア部材の透磁率μが変化すると、励磁コイルのインダクタンスひいてはインピーダンス［ｚ］も変化する。ここで、インピーダンス［ｚ］は、コイルに印加される信号の信号レベル（電圧ｖ、電流ｉ）から特定できるものであるため（ｚ＝ｖ／ｉ）、そのインピーダンス［ｚ］に基づいて透磁率μの変化を観察することができる。そして、透磁率μの変化は、磁場Ｈの変化で引き起こされるため、インピーダンス［ｚ］の値またはその変化に基づいて、磁場Ｈを変化させた信号の信号レベルを特定することが可能となる。
【００２８】
透磁率μおよび磁場Ｈを軸とする座標系で励磁信号を表すと、励磁信号は、この座標系のμ−Ｈ曲線上で交流に変化する信号となるが、上記構成では、被検出電流の信号レベルが外部磁場を変化させることに伴って、励磁信号のμ−Ｈ曲線上における振幅中心も変化する結果、その変化に応じて透磁率μが固有の値を示すため、この透磁率μで規定されるインピーダンス［ｚ］から、被検出電流の信号レベルを一意に特定することができる。
【００２９】
なお、インピーダンスが規定する透磁率μに応じて、被検出電流の信号レベルがどのような値になるかについては、実際はコア部材１０と被検出電線１００との位置関係により異なる（アンペールの法則、ビオサバールの法則などにより規定される）ため、これら位置関係により定められたものが使用される。
【符号の説明】
【００３０】
１…電流センサ、１０…コア部材、２０…励磁コイル、３０…信号源、４０…経路検出部、４１…電圧検出部、４３…電流検出部、５０…制御部、５１…インピーダンス特定部、５３…レベル特定部、５５…情報出力部、１００…被検出電線
【図２】
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【図１】
2013190219.tif 000005
【図３】
2013190219.tif 000006