JP2002022774A - 磁界制御バランス形電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ヒステリシス特性において急激に
飽和状態になるコアを使用して、高精度、高分解能を持
つ磁界制御形電流センサを提供する。 【解決手段】 測定用コア５と基準用コア６に励振コイ
ルを巻回して高周波励振電源に並列に接続し、両コアに
検出コイルを巻回して並列に零磁界制御回路に接続し、
測定用コアに導線７を挿通すると共に逆励磁コイルを巻
回して逆励磁回路に接続し、零磁界制御回路の出力で、
両コアの差をゼロ磁界となるように逆励磁コイルに電流
を流すように逆励磁回路を作動させる。このときの出力
を計測して、導線に流れる電流を求める。２つのコアを
使用したことにより、安定性、ばらつきの改善等が向上
し、コアの急激な飽和状態の特性により分解能が高ま
り、高精度の電流センサを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コアを用いた非接
触形の磁界制御バランス形電流センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】コアを用いた磁界制御バランス形電流セ
ンサは、制御方式からみると、開ループ形と閉ループ形
に大別される。開ループ形では回路構成は簡単になる
が、検出精度、直線性、検出範囲に改良の余地がある。
一方、閉ループ形は一般に高精度となるものが多い。例
えば、コアの一部にホール素子を挿入した回路で、磁束
レベルが零になるように制御して検出する交直両用のも
のなどがある。しかしながら、これらはいずれも漏洩イ
ンダクタンスの影響を受けたり、ホール素子の温度依存
性、あるいはコアのヒステリシス特性などのために、十
分な検出特性を得ることができない。

【０００３】そこで、このような影響を除去するため、
零磁界形の回路を利用した電流センサが提案されてい
る。零磁界とは外部印加磁界が零の場合、磁化特性が原
点対象になることを示し、零磁界形の回路はコアの磁界
レベルを等価的に零になるように制御して電流を検出す
る。零磁界形の回路は、例えば、図５に示すコア１に励
磁コイル２及び検出コイル３が巻回され、コア１に導線
４を配置し、励磁コイル２には正弦波電流源からの励振
周波数によりコア１を過励起にしておく。そして、導線
４に被検出電流を流したときに検出コイル３から出力さ
れるものである。なお、コア１はニッケル，鉄ベースの
アモルファスであり、ヒステリシス特性は図７のように
なる。ここでΔＨは励磁電流によって印加される磁界で
あり、Ｈｃはその中点である。

【０００４】コア１の被検出電流がゼロの場合、図６
（ａ）に示すように、図の上部に示した励起周波数に対
し、検出コイル３からは図の下部に示した磁化レベル
（図７のヒステリシス特性参照）が検出される。被検出
電流をコア１が検出すると、図６（ｂ）に示すように図
の上部に示した励起周波数がバイアスされ、コア１にバ
イアス磁界を与えることになり、図の下部に示した磁化
レベルがこの場合矢印方向に変動する。この変動分を元
の状態（零磁界状態）になるように逆励磁し、その電流
から被検出電流の大きさと極性を求めることができるよ
うになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アモル
ファスコアの磁化特性には不安定性の要素が多く、この
ため、測定精度の高いものがなかなか得られず、また、
大容量を測定する場合はコイル形状等の外形も大きくな
る。ところで、上記回路を利用した装置において、リチ
ウムイオン電池の充放電検査機が挙げられる。その被検
査電池は携帯電話機に使用されている小型のものからハ
イブリッドカー用の大容量のものまである。また、その
測定電流の範囲もミリアンペアから数百アンペアの広範
囲に渉っている。そして、その測定精度も高精度のもの
が要求されている。現在では分解能１０万分の１、応答
時間１０μｓ程度のものが要求されているが、上記の回
路構成では、不安定性の要素が多く測定精度の高いもの
が得られないのが実状である。

【０００６】本発明は、コアの持つ漏洩インダクタンス
やヒステリシスの影響を無くし、高精度、高分解能の磁
界制御バランス形電流センサを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、請求項１の発明は、ヒステリシスの磁束レ
ベルの勾配がほぼ９０度に近く、かつ、飽和領域の磁束
密度が約２０〜１０００ガウスであるコアを使用したこ
とを特徴とする。例えば、一般的なアモルファスコアの
うち、ほぼ７千ガウスの特性に対し、その１／（１４〜
２５）程度に低い特性のコア（約２６０〜５００ガウ
ス）を製作し、使用する。また、磁束密度を低く設定す
ることでコアの厚みを薄くすることができる。なお、２
０ガウス程度になると、特性の維持および製作限界付近
になる。また、１０００ガウス程度になると、測定精度
が低くなるがコアの製品管理が容易である。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載のコアを
１対配置してそれぞれを測定用コアと基準用コアとに区
別し、１対の励磁コイルおよび１対の検出コイルを両コ
アにそれぞれ巻回し、１対の励磁コイルは高周波励振電
源に並列に接続し、１対の検出コイルは零磁界制御回路
に並列に接続し、前記測定用コアには測定用導線が挿通
されると共に逆励磁コイルを巻回し、該逆励磁コイルを
逆励磁回路に接続し、前記零磁界制御回路の出力信号で
前記逆励磁回路を作動させ、前記逆励磁回路の出力電流
を検出するようにしたことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１に示すように、１対のコ
アは測定用コア５と基準用コア６とに区別され、測定用
コア５には励磁コイル、検出コイル（偏移磁界検出）及
び逆励磁コイルが巻回され、測定用導線７が挿通されて
いる。また、基準用コア６には励磁コイル及び検出コイ
ル（零磁界検出）が巻回されている。

【００１０】２つの励磁コイルは高周波励振電源の出力
側に並列に接続され、２つの検出コイルは零磁界制御回
路の入力側に並列に接続され、逆励磁コイルは逆励磁回
路の出力側に抵抗と直列にして接続されている。零磁界
制御回路の出力側は逆励磁回路の入力側に接続され、逆
励磁回路の逆励磁コイルへの電流を制御するようになっ
ている。検出する出力信号は抵抗にかかる電圧を検出す
ることにより演算して電流を求める。

【００１１】ここで使用されるコア５，６は、ヒステリ
シスの磁束レベルの勾配がほぼ９０度に近く、かつ、飽
和領域が一般的な一例のコア（図２のＡ１参照）のほぼ
７千ガウスに対し、その１／（２０〜２５）程度に低い
特性を有するものである（図２のＡ２参照）。すなわ
ち、飽和領域がほぼ２６０〜３７０ガウスのものであ
り、実際にはほぼ３００ガウスのものを製作し使用す
る。また、磁束密度が低いほど磁束レベルの勾配も容易
に大きくすることができ、コアの厚みも薄くすることが
できる。

【００１２】次に、本発明による磁界制御バランス形電
流センサについて図３及び図４を参照して説明する。高
周波励振電源から同型のコイルに高周波（例えば、数十
ＫＨｚ）（図３（ａ））を送ることにより２つのコア
５，６が励振される。被測定電流が零の場合は、２つの
検出コイルで検出された波形は同じになり、図４（ａ）
に示すように、飽和領域に達すると急激にゼロとなる波
形になる。したがって、この２つの波形を演算しても位
相差はゼロであり、逆励磁コイルに電流は流れない。な
お、電流ゼロのときの検出コイルの検出信号を零磁界制
御回路において磁化レベルのプラス側を整形したものが
図３（ｂ）に示す波形である。

【００１３】検出コイルの出力波形は、図４（ａ）に示
すように、零磁界においては両側のトリガ間は１周期で
あり、マイナスのトリガは１／２周期のときである。図
４（ｂ）のマイナスのトリガは電流が流れたときの磁界
レベルが偏移した分だけ位置が変動し（位相差）、上記
２つのマイナスのトリガにおいて、そのトリガの出現す
る時間差が電流の大きさになる。

【００１４】導線７に被測定電流がプラス側に流れた場
合、測定用コア５の磁化レベルが上側に偏移し、測定用
コア５の検出コイルの出力信号（図４（ｂ））と基準用
コア６の検出コイルの出力信号（図４（ａ））が零磁界
制御回路に入力される。この２つの検出コイルからの出
力を零磁界制御回路に入力し、その磁化レベルで切り取
った波形が図３（ｂ），（ｃ）である。零磁界制御回路
内で２つの信号を減算することで図３（ｄ）の波形が得
られる。この波形で逆励磁回路を作動させ、被測定電流
に依る磁界と同じ大きさの逆方向の磁界を発生させ、零
磁界になるように制御する。この値は被測定電流と等価
なのでこれを計測電流として出力する。このとき、逆励
磁コイルの巻き数に応じて測定レベルを変更することが
できる。また、導線７に被測定電流がマイナス側に流れ
た場合、測定用コア５の磁化レベルが下側に偏移し、零
磁界制御回路内でその磁化レベルで切り取り整形した波
形が図３（ｅ）である。そしてこの波形を同様に零磁界
制御回路において減算した波形（図３（ｆ）参照）によ
って逆励磁回路を作動させ、被測定電流に依る磁界と同
じ大きさの逆方向の磁界を発生させ、零磁界になるよう
に制御する。

【００１５】このように、２つのコアの零磁界を零磁界
制御回路において減算したものは、出力の波形が対称に
なり、電流値ゼロになる。また、導線７が通電したこと
により、２つの検出コイルのバランスを取ることで常
時、零磁界と等価するように作動させるので、被測定電
流の大きさに関係なく測定できることが利点の１つであ
る。また、このようにコアの動作点が動かないことは、
周辺回路の影響やコア材料の持つ特性の影響を除去する
ことが可能となる。

【００１６】また、零磁界制御回路では２つのコアにお
いて、零磁界と測定側磁界の差を計測するので、コアの
特性において、磁力レベルが変化すると磁界レベルも急
激に変化するものを使用することにより、励振周波数の
周期が安定に測定でき、また、飽和領域が顕著であるの
でトリガ波形が鋭くなり、測定ポイントの位置がはっき
りし、また、ずれも減少する。従来は細かく分周しても
誤差が出るため，あまり細かく分周することに意味がな
かったが、本案では、１周期をより細かく分周すること
ができ、精度の高い電流測定が行える。また、被測定電
流が一定でなく高速で変化しても、励振周波数より低い
変化であればそれに追従するので、交流電流の高精度計
測も可能である。

【００１７】

【発明の効果】本発明は以上述べた通りであり、請求項
１に記載の発明では、磁力の立上りレベルの変化が急激
で、飽和領域が小さいコアを使用することにより、分解
能の高い測定値を求めることができ、測定精度を上げる
ことが可能になる。請求項２に記載の発明では、コアを
２つ使用して零磁界においてバランスをとり、この状態
で計測するので、温度による不安定性、ヒステリシス特
性のばらつき等、種々の影響を除去し、測定値の安定性
が得られるので分解能を上げることができ、零磁界での
電流測定において測定精度の高い電流センサを得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態の、磁界制御バランス
形電流センサの構成図である。

【図２】本発明による実施の形態で使用されるコアのヒ
ステリシス特性を説明する図である。

【図３】本発明による実施の形態で使用される励振周波
数の、電流センサ回路の各所における信号の波形を説明
する図である。

【図４】実施の形態における、（ａ）ゼロ電流の波形
と、（ｂ）測定電流の波形を示す図である。

【図５】従来の一般的な磁界センサの模式図である。

【図６】励振周波数に対する出力波形を、（ａ）ゼロ電
流の波形と、（ｂ）測定電流の波形を説明する図であ
る。

【図７】図６に示す出力波形を説明するための、従来の
ヒステリシス特性の図である。

【符号の説明】

５ 測定用コア ６ 基準用コア

フロントページの続き (72)発明者 三浦 憲治 北九州市小倉北区片野新町２丁目13番10号 ジャパン システム エンジニアリング 株式会社内 Ｆターム(参考） 2G017 AA04 AB03 AC09 AD04 AD05 BA08 CA03 CB02 CC03 2G025 AA14 AB15 2G035 AA00 AB04 AC05 AC08 AD18 AD20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒステリシスの磁束レベルの勾配がほぼ
   ９０度に近く、かつ、飽和領域の磁束密度が約２０〜１
   ０００ガウスであるコアを使用したことを特徴とする磁
   界制御バランス形電流センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のコアを１対配置してそれ
   ぞれを測定用コアと基準用コアとに区別し、１対の励磁
   コイルおよび１対の検出コイルを両コアにそれぞれ巻回
   し、１対の励磁コイルは高周波励振電源に並列に接続
   し、１対の検出コイルは零磁界制御回路に並列に接続
   し、前記測定用コアには測定用導線が挿通されると共に
   逆励磁コイルを巻回し、該逆励磁コイルを逆励磁回路に
   接続し、前記零磁界制御回路の出力信号で前記逆励磁回
   路を作動させ、前記逆励磁回路の出力電流を検出するよ
   うにしたことを特徴とする磁界制御バランス形電流セン
   サ。