特開 2024-8304 電流センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024008304

(43)【公開日】2024-01-19

(54)【発明の名称】電流センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20240112BHJP

   G01R 15/20 20060101ALI20240112BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20240112BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 C

G01R15/20 C

G01R19/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022110063

(22)【出願日】2022-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】596157780

【氏名又は名称】横河計測株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】230128026

【弁護士】

【氏名又は名称】駒木 寛隆

(72)【発明者】

【氏名】南 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】石田 博之

【テーマコード（参考）】

2G025

2G035

【Ｆターム（参考）】

2G025AA00

2G025AB01

2G025AB02

2G025AC01

2G035AA01

2G035AB00

2G035AC02

2G035AD20

2G035AD21

(57)【要約】

【課題】導線を流れる被測定電流をより高い精度で測定することが可能な電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ１は、被測定電流が流れる導線５０の周囲を囲むように配置可能な磁気コア１１と、磁気コア１１の予め定められた部分の磁束をそれぞれ検出する複数の磁気センサ１２と、複数の磁気センサ１２に対応して設けられた複数のアンプ１３と、複数の磁気センサ１２に対応して設けられた複数の帰還コイル１４と、複数の帰還コイル１４の各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、被測定電流を検出する電流検出部１６と、を備える。複数のアンプ１３の各々は、対応する磁気センサ１２の出力を増幅して当該磁気センサ１２の出力に応じた電流を出力する。複数の帰還コイル１４の各々は、磁気コア１１に巻かれて配置され、対応するアンプ１３が出力する電流を、対応する磁気コア１１の予め定められた部分の磁束を打ち消す方向に流す。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定電流が流れる導線の周囲を囲むように配置可能な磁気コアと、
前記磁気コアの予め定められた部分の磁束をそれぞれ検出する複数の磁気センサと、
前記複数の磁気センサに対応して設けられた複数のアンプと、
前記複数の磁気センサに対応して設けられた複数の帰還コイルと、
前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、前記被測定電流を検出する電流検出部と、
を備え、
前記複数のアンプの各々は、対応する前記磁気センサの出力を増幅して当該磁気センサの出力に応じた電流を出力し、
前記複数の帰還コイルの各々は、前記磁気コアに巻かれて配置され、対応する前記アンプが出力する電流を、対応する前記磁気コアの予め定められた部分の前記磁束を打ち消す方向に流す、
電流センサ。

【請求項2】

前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流が流れる抵抗を更に備え、
前記電流検出部は、前記抵抗の両端の電圧に基づき、前記被測定電流を検出する、
請求項１に記載の電流センサ。

【請求項3】

前記複数の磁気センサは、前記磁気コアの中心から見て等しい角度で配置された前記磁気コアの複数の部分の磁束を、前記予め定められた部分の磁束として検出する、請求項１に記載の電流センサ。

【請求項4】

前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流に基づき、前記磁気コアに対する前記導線の位置を検出する位置検出部を更に備える、請求項１に記載の電流センサ。

【請求項5】

前記磁気コアは開閉可能である、請求項１に記載の電流センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は電流センサに関する。

【背景技術】

【0002】

導線に被測定電流が流れると、電磁誘導作用により導線の周辺に磁界が発生する。特許文献１，２には、このような電磁誘導作用を利用して、導線の周辺に位置する磁気コア内に発生した磁界の測定値に基づき、被測定電流を測定するクランプセンサが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平３－１８７６５号公報

【特許文献2】特開２００３－４３０７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来の構成においては、磁気コアの中央に導線が位置しない場合における、被測定電流の測定精度に改善の余地があった。

【0005】

そこで、本開示は、導線を流れる被測定電流をより高い精度で測定することが可能な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】

【0006】

幾つかの実施形態に係る電流センサは、被測定電流が流れる導線の周囲を囲むように配置可能な磁気コアと、前記磁気コアの予め定められた部分の磁束をそれぞれ検出する複数の磁気センサと、前記複数の磁気センサに対応して設けられた複数のアンプと、前記複数の磁気センサに対応して設けられた複数の帰還コイルと、前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、前記被測定電流を検出する電流検出部と、を備え、前記複数のアンプの各々は、対応する前記磁気センサの出力を増幅して当該磁気センサの出力に応じた電流を出力し、前記複数の帰還コイルの各々は、前記磁気コアに巻かれて配置され、対応する前記アンプが出力する電流を、対応する前記磁気コアの予め定められた部分の前記磁束を打ち消す方向に流す。

【0007】

したがって、電流センサは、導線が磁気コアの中央からずれて位置する場合であっても、不均一に分布する磁束を効果的に打ち消すことができ、大型化することなく残留磁束を低減することが可能である。よって、電流センサによれば、導線を流れる被測定電流をより高い精度で測定することができる。

【0008】

一実施形態において、前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流が流れる抵抗を更に備え、前記電流検出部は、前記抵抗の両端の電圧に基づき、前記被測定電流を検出する。したがって、シンプルな構成で、複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、被測定電流を検出することができる。

【0009】

一実施形態において、前記複数の磁気センサは、前記磁気コアの中心から見て等しい角度で配置された前記磁気コアの複数の部分の磁束を、前記予め定められた部分の磁束として検出してもよい。したがって、電流センサは、複数の帰還コイルから出力される電流に基づき、高い精度で被測定電流を測定することが可能である。

【0010】

一実施形態において、前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流に基づき、前記磁気コアに対する前記導線の位置を検出する位置検出部を更に備える。したがって、磁気コアに対する導線の位置を検出することが可能である。

【0011】

一実施形態において、前記磁気コアは開閉可能であってもよい。したがって、電流センサにより導体を容易にクランプすることが可能である。

【発明の効果】

【0012】

本開示の一実施形態によれば、磁気コアの中央に導線が位置しない場合であっても、導線を流れる被測定電流をより高い精度で測定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】比較例に係る電流センサの構成を示す図である。

【図2】比較例に係る電流センサの構成を示す図である。

【図3】本開示の一実施形態に係る電流センサの構成例を示す図である。

【図4】図３の電流センサの動作を説明する図である。

【図5】図３の電流センサの動作を説明する図である。

【図6】本開示の一実施形態に係る電流センサの構成例を示す図である。

【図7】図６の電流センサの動作を説明する図である。

【図8】図６の電流センサの動作を説明する図である。

【図9】本開示の一実施形態に係る電流センサの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜比較例＞
図１は、第１の比較例に係る電流センサ９ａの構成を示す図である。電流センサ９ａは、一次導体５０を流れる被測定電流を測定するゼロフラックス方式のセンサである。電流センサ９ａは、磁気コア９１、磁電変換素子９２、アンプ９３、二次巻き線９４、及び抵抗９５を備える。

【0015】

一次導体５０を電流が流れると、電磁誘導作用により、一次導体５０の電流に応じた磁界が一次導体５０の周辺に形成される。磁電変換素子９２は、磁性体である磁気コア９１のギャップ部（空隙）に設けられ、磁気コア９１内に発生した磁束の強度に応じた電流をアンプ９３へ出力する。アンプ９３は、磁電変換素子９２から入力された電流を増幅し、フィードバック電流Ｉｓとして二次巻き線９４へ出力する。二次巻き線９４は、磁気コア９１に生ずる磁束を相殺するために、磁気コア９１に巻回される。アンプ９３から出力されたフィードバック電流Ｉｓは二次巻き線９４を経て抵抗９５へ出力される。抵抗９５において検出された電圧は増幅され、増幅された電圧は一次導体５０を流れる電流値に換算される。ここで、抵抗９５における電圧は、一次導体５０が磁気コア９１の中央に位置する場合を基準として、一次導体５０の電流値に換算される。

【0016】

電流センサ９ａのように、１つの磁電変換素子９２を備えた構成においては、一次導体５０が磁気コア９１の中央からずれると、一次導体５０を流れる電流値が一定であっても、磁電変換素子９２を通過する磁束の強度が大きく変化する。その結果、フィードバック電流Ｉｓは一次導体５０の位置に応じて大きく変化し、抵抗９５の電圧から換算される一次導体５０の測定値の誤差が大きくなる。

【0017】

例えば、図１において一次導体５０が磁気コア９１の中央よりも右に位置し、磁電変換素子９２に近づくと、磁電変換素子９２は、一次導体５０が磁気コア９１の中央に位置する場合よりもより強度が高い磁束を検出する。その結果、二次巻き線９４を流れるフィードバック電流Ｉｓはより大きくなり、実際に一次導体５０を流れる電流よりも大きな値が一次導体５０の電流値として測定される。他方、図１において一次導体５０が磁気コア９１の中央よりも左に位置し、磁電変換素子９２から遠ざかると、磁電変換素子９２は、一次導体５０が磁気コア９１の中央に位置する場合よりもより強度が低い磁束を検出する。その結果、二次巻き線９４を流れるフィードバック電流Ｉｓはより小さくなり、実際に一次導体５０を流れる電流よりも小さな値が一次導体５０の電流値として測定される。

【0018】

図２は、第２の比較例に係る電流センサ９ｂの構成を示す図である。電流センサ９ｂは、電流センサ９ａと異なり、磁気コア９１ａ，９１ｂの間のギャップ部に設けられた２つの磁電変換素子９２ａ，９２ｂを備える。電流センサ９ｂは、これらの磁電変換素子９２ａ，９２ｂにおいて検出された磁束に応じた電流を加算器９６において加算した電流値に応じた電流をフィードバック電流Ｉｓとして出力する。その結果、電流センサ９ｂは、一次導体５０が磁気コア９１の中央からずれることによるフィードバック電流Ｉｓの変動を低減することができる。

【0019】

しかし、電流センサ９ｂにおいては、磁気コア９１ａ，９１ｂに対する一次導体５０の位置にかかわらず、磁気コア９１ａ，９１ｂの全体にわたって同一のフィードバック電流Ｉｓが負帰還電流として二次巻き線９４を流れる。そのため、フィードバック電流Ｉｓによっては、磁気コア９１ａ，９１ｂに対する位置によって勾配が異なる磁束密度を十分に打ち消すことができず、残留磁束が存在してしまう。このような残留磁束は、フィードバック電流Ｉｓに応じた抵抗９５の電圧に基づく一次導体５０の電流の測定値の誤差の要因となる。さらに、一次導体５０を流れる電流が大きくなるにつれて、磁気コア９１ａ，９１ｂ内部の残留磁束も増大し、やがて磁気コア９１ａ，９１ｂの飽和磁束密度に達する。残留磁束が磁気コア９１ａ，９１ｂの飽和磁束密度に達するとフィードバック電流Ｉｓはもはや一次導体５０を流れる電流の大きさを十分に反映せず、抵抗９５の電圧に基づく一次導体５０の電流の測定値の誤差がさらに大きくなってしまう。磁気コア９１ａ，９１ｂの断面積を増大させることで、残留磁束が飽和磁束密度に達するまでの一次導体５０を流れる電流を増やすことができるが、その場合、電流センサ９ｂが大型化してしまう。

【0020】

このように、比較例に係る電流センサ９ａ，９ｂにおいては、磁気コア９１，９１ａ，９１ｂの中央に導線が位置しない場合における、導線を流れる被測定電流の測定精度に改善の余地があった。

【0021】

＜実施形態＞
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図面中、同一の構成又は機能を有する部分には、同一の符号を付している。本実施形態の説明において、同一の部分については、重複する説明を適宜省略又は簡略化する場合がある。

【0022】

本開示の一実施形態に係る電流センサは、複数の磁電変換素子、及び、磁電変換素子毎にその近傍の磁気コアの部分に巻回された複数の二次巻き線を備え、複数の二次巻き線から出力されるフィードバック電流の合計値に基づき、被測定電流を測定する。したがって、本開示に係る電流センサは、不均一に分布する磁束強度を効果的に打ち消すことができ、大型化することなく残留磁束を低減することが可能である。よって、本開示に係る電流センサによれば、導線を流れる被測定電流をより高い精度で測定することが可能である。

【0023】

図３は、本開示の一実施形態に係る電流センサ１ａの構成例を示す図である。電流センサ１ａは、一次導体５０を流れる被測定電流を測定する装置である。一次導体５０は被測定電流が流れる導線であり、図面の手前から奥へ延伸する。電流センサ１ａは、一次導体５０に交流電流が流れた場合と直流電流が流れた場合のいずれの場合においても、その電流値を測定することができる。電流センサ１ａは、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）、２つの磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）、２つのアンプ１３（１３ａ，１３ｂ）、２つの二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）、抵抗１５、及び電流検出部１６を備える。図３に示すように、電流センサ１ａにおいて、磁電変換素子１２ａ、アンプ１３ａ、二次巻き線１４ａ、及び抵抗１５を接続する経路と、磁電変換素子１２ｂ、アンプ１３ｂ、二次巻き線１４ｂ、及び抵抗１５を接続する経路とは、互いに並列に接続される。

【0024】

磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）は、磁束の通路となる環状に構成された磁性体である。磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）は、一次導体５０の周囲を囲むように配置可能である。一次導体５０を電流が流れると、電磁誘導作用により、一次導体５０の電流に応じた磁界が一次導体５０の周辺に形成される。磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）は、磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）における磁束検出の感度を高める。磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）は、例えば、鉄により構成してもよい。

【0025】

図３の磁気コア１１は、互いに対向する２つの磁気コア１１ａ，１１ｂを備え、磁気コア１１ａ，１１ｂの間には磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）を設けるためのギャップ部（空隙）が設けられるが、磁気コア１１の構成はこのようなものに限られない。例えば、磁気コア１１は、１つの連続した磁性体により構成してもよいし、３つ以上の磁性体により構成してもよい。磁気コア１１は、３つ以上のギャップ部を備えてもよい。磁気コア１１は、複数の磁性体に分割され、例えばヒンジ機構により、これらの磁性体が開閉可能となるようにしてもよい。ヒンジ機構等により磁気コア１１を開閉可能とすることで、ユーザは、電流センサ１ａにより一次導体５０を容易にクランプすることが可能である。

【0026】

磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）は、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の予め定められた部分の磁束を検出する磁気センサである。図３の例では、電流センサ１ａは、２つの磁気コア１１ａ，１１ｂの間に設けられたギャップ部に磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）を備える。磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）は、例えば、ホール素子、又は、フラックスゲートとしてもよい。２つの磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）は、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中心から見て互いに対向するように設けられてもよい。図３の例では、磁電変換素子１２ａは、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の図３における左側に設けられ、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の左側の部分の磁束を検出する。磁電変換素子１２ｂは、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の図３における右側に設けられ、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の右側の部分の磁束を検出する。磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）は、それぞれ検出した磁束の強度を対応するアンプ１３（１３ａ，１３ｂ）へ出力する。

【0027】

アンプ１３（１３ａ，１３ｂ）は、対応する磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）の出力を増幅し、その磁電変換素子１２の出力に応じた電流をフィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２として対応する二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）へ出力する増幅器である。

【0028】

二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）は、磁気コア１１に巻回された帰還コイルである。二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）は、磁気コア１１に巻かれて配置され、対応するアンプ１３が出力する電流を、磁気コア１１の予め定められた部分の磁束を打ち消す方向に流す。例えば、二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）は、対応する磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）の近傍の磁気コア１１の部分に巻回され、周辺に生じた磁束を相殺するための磁束を発生させてもよい。具体的には、二次巻き線１４ａ，１４ｂは、対応する磁電変換素子１２ａ，１２ｂが中心に位置するような磁気コア１１の部分に巻回されてもよい。図３の例では、二次巻き線１４ａは磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の左半分に巻回され、二次巻き線１４ｂは磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の右半分に巻回されている。図３に示すように、アンプ１３ａから出力されたフィードバック電流Ｉｓ１は二次巻き線１４ａを経て抵抗１５へ出力される。アンプ１３ｂから出力されたフィードバック電流Ｉｓ２は二次巻き線１４ｂを経て抵抗１５へ出力される。フィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２は互いに並列に接続された経路を経て抵抗１５へ出力されるため、抵抗１５には、フィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２が入力される。

【0029】

抵抗１５は、フィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２を検出するためのシャント抵抗器である。このように抵抗１５には、複数の二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）の各々を流れる電流が合わさった電流が流れる。抵抗１５は、各二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）と、グラウンドとの間に配置される。

【0030】

電流検出部１６は、複数の二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）の各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、一次導体５０を流れる被測定電流を検出する装置である。電流検出部１６は、抵抗１５の両端の電圧に基づき、被測定電流を検出してもよい。電流検出部１６は、例えば、抵抗１５の両端子間の電圧を増幅し、増幅された電圧を、一次導体５０を流れる電流値に換算してもよい。ここで、電流検出部１６は、抵抗１５における電圧を、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）における基準位置（例えば、磁気コア１１の中央）に設けられた場合を基準として、予め定められた換算式により一次導体５０の電流値に換算してもよい。

【0031】

上記のように、電流センサ１ａは、磁電変換素子１２ａ，１２ｂ毎にその近傍の磁気コア１１の部分に巻回された二次巻き線１４ａ，１４ｂを備え、磁電変換素子１２ａ，１２ｂにおいて検出された磁束に応じたフィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２を流す。したがって、電流センサ１ａは、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央からずれた位置に存在する場合であっても、二次巻き線１４ａ，１４ｂ毎にその周辺に分布する磁束を効果的に打ち消すことができる。

【0032】

図４及び図５は、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央からずれた位置に存在する場合における、図３の電流センサ１ａの動作を説明する図である。図４において、一次導体５０は、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央から右にずれた位置に存在している。そのため、一次導体５０に同じ大きさの電流が流れている場合であっても、磁気コア１１の左半分の領域６１には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央に位置する場合よりも小さな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の左半分に設けられた二次巻き線１４ａには小さなフィードバック電流Ｉｓ１が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセル（相殺）される。一方、磁気コア１１の右半分の領域６２には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央に位置する場合よりも大きな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の右半分に設けられた二次巻き線１４ｂには大きなフィードバック電流Ｉｓ１が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。一次導体５０に大きな電流が流れたとしても、その電流の大きさに応じて二次巻き線１４ｂにより大きな電流が流れるため、残留磁束が磁気コア１１の飽和磁束密度に達するのを防ぐことができる。また、電流センサ１ａは、フィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２に基づき一次導体５０を流れる電流を測定するため、一次導体５０の位置に関わらず高い精度で一次導体５０の電流を測定することが可能である。

【0033】

図５において、一次導体５０は、磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央から左にずれた位置に存在している。そのため、一次導体５０に同じ大きさの電流が流れている場合であっても、磁気コア１１の左半分の領域６１には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央に位置する場合よりも大きな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の左半分に設けられた二次巻き線１４ａには大きなフィードバック電流Ｉｓ１が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。一次導体５０に大きな電流が流れたとしても、その電流の大きさに応じて二次巻き線１４ａにより大きな電流が流れるため、残留磁束が磁気コア１１の飽和磁束密度に達するのを防ぐことができる。一方、磁気コア１１の右半分の領域６２には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ，１１ｂ）の中央に位置する場合よりも小さな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の右半分に設けられた二次巻き線１４ｂには小さなフィードバック電流Ｉｓ１が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。また、電流センサ１ａは、フィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２に基づき一次導体５０を流れる電流を測定するため、一次導体５０の位置に関わらず高い精度で一次導体５０の電流を測定することが可能である。

【0034】

このように、磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）は、それぞれその対応する磁気コア１１の部分（例えば、領域６１，６２）における磁束に応じたフィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ２を、対応する二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）へ流す。このように、電流センサ１ａは、磁電変換素子１２（１２ａ，１２ｂ）と二次巻き線１４（１４ａ，１４ｂ）をセットに並列動作させる。したがって、一次導体５０が磁気コア１１の中央からずれて位置する場合であっても、電流センサ１ａは、磁気コア１１の各部分に残留する磁束をほぼゼロにすることが可能となる。その結果、電流センサ１ａは、磁気コア１１を大型化することなく磁気コア１１内の磁束を飽和させることなく、被測定電流を高い精度で測定することができる。

【0035】

なお、電流センサ１ａは、磁電変換素子１２、アンプ１３、及び二次巻き線１４を含む２つの経路が並列に接続された構成を備えるが、電流センサ１は、このような経路を２つ以上の任意の個数備えてもよい。電流センサ１は、磁電変換素子１２、アンプ１３、及び二次巻き線１４を含むより多くの経路を備えることで、一次導体５０が磁気コア１１の中央からずれた場合に、磁気コア１１内に生じる残留磁束をさらに効果的に打ち消すことができる。

【0036】

図６は、本開示の一実施形態に係る電流センサ１ｂの構成例を示す図である。電流センサ１ｂは、磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）、アンプ１３（１３ａ～１３ｄ）、及び二次巻き線１４（１４ａ～１４ｄ）を含む４つの経路が並列に接続された構成を備える。

【0037】

図６の構成において、一次導体５０を電流が流れると、一次導体５０の電流に応じた磁界が一次導体５０の同心円状に形成される。４つの磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）はそれぞれ、磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）のギャップ部（空隙）に設けられ、磁気コア１１内の予め定められた部分に発生した磁束の強度を検出する。図６の例では、磁電変換素子１２ａは磁気コア１１の上側の磁束を検出する。磁電変換素子１２ｂは磁気コア１１の左側の磁束を検出する。磁電変換素子１２ｃは磁気コア１１の下側の磁束を検出する。磁電変換素子１２ｄは磁気コア１１の右側の磁束を検出する。磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）は、それぞれ検出結果をアンプ１３（１３ａ～１３ｄ）へ出力する。

【0038】

アンプ１３（１３ａ～１３ｄ）はそれぞれ、対応する磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）から入力された磁束の検出結果を増幅し、フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４として対応する二次巻き線１４（１４ａ～１４ｄ）へ出力する。

【0039】

二次巻き線１４（１４ａ～１４ｄ）は、対応する磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）により検出された磁気コア１１内の磁束を相殺するために、磁気コア１１の対応する部分に巻回される。図６の例では、二次巻き線１４ａは、磁気コア１１の上側に巻かれている。二次巻き線１４ｂは、磁気コア１１の左側に巻かれている。二次巻き線１４ｃは、磁気コア１１の下側に巻かれている。二次巻き線１４ｄは、磁気コア１１の右側に巻かれている。アンプ１３（１３ａ～１３ｄ）から出力されたフィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４は、対応する二次巻き線１４（１４ａ～１４ｄ）を経て抵抗９５へ出力される。フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４は互いに並列に接続された経路を経て抵抗１５へ出力されるため、抵抗１５には、フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３＋Ｉｓ４が入力される。

【0040】

抵抗１５は、互いに並列に接続された二次巻き線１４（１４ａ～１４ｄ）とグラウンドとの間に設けられる。抵抗１５の両端子間の電圧は増幅され、増幅された電圧が一次導体５０を流れる電流値に換算される。

【0041】

上記のように、電流センサ１ｂは、磁電変換素子１２ａ～１２ｄ毎にその近傍の磁気コア１１の部分に巻回された二次巻き線１４ａ～１４ｄを備え、磁電変換素子１２ａ～１２ｄにおいて検出された磁束に応じたフィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４を流す。したがって、電流センサ１ｂは、一次導体５０が磁気コア１１の中央からずれた位置に存在する場合であっても、一次導体５０のより詳細な位置に基づき、二次巻き線１４ａ～１４ｄ毎にその周辺に分布する磁束を効果的に打ち消すことができる。

【0042】

図７及び図８は、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央からずれた位置に存在する場合における、図６の電流センサ１ｂの動作を説明する図である。図７において、一次導体５０は、磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央から右にずれた位置に存在している。そのため、一次導体５０に同じ大きさの電流が流れている場合であっても、磁気コア１１の左半分の領域６１には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央に位置する場合よりも小さな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の左側に設けられた二次巻き線１４ｂには小さなフィードバック電流Ｉｓ２が、上側、下側に設けられた二次巻き線１４ａ，１４ｃには中程度の大きさのフィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ３が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。一方、磁気コア１１の右半分の領域６２には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央に位置する場合よりも大きな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の右側に設けられた二次巻き線１４ｄには大きなフィードバック電流Ｉｓ４が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。一次導体５０に大きな電流が流れたとしても、その電流の大きさに応じて二次巻き線１４ｄにより大きな電流が流れるため、残留磁束が磁気コア１１の飽和磁束密度に達するのを防ぐことができる。また、電流センサ１ｂは、フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３＋Ｉｓ４に基づき一次導体５０を流れる電流を測定するため、一次導体５０の位置に関わらず高い精度で一次導体５０の電流を測定することが可能である。

【0043】

図８において、一次導体５０は、磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央から左にずれた位置に存在している。そのため、一次導体５０に同じ大きさの電流が流れている場合であっても、磁気コア１１の左半分の領域６１には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央に位置する場合よりも大きな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の左側に設けられた二次巻き線１４ｂには大きなフィードバック電流Ｉｓ２が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。一次導体５０に大きな電流が流れたとしても、その電流の大きさに応じて二次巻き線１４ｂにより大きな電流が流れるため、残留磁束が磁気コア１１の飽和磁束密度に達するのを防ぐことができる。一方、磁気コア１１の右半分の領域６２には、一次導体５０が磁気コア１１（１１ａ～１１ｄ）の中央に位置する場合よりも小さな磁束が発生する。その結果、磁気コア１１の上側、下側に設けられた二次巻き線１４ａ，１４ｃには中程度の大きさのフィードバック電流Ｉｓ１，Ｉｓ３が、右側に設けられた１４ｄには小さなフィードバック電流Ｉｓ４が流れ、一次導体５０の位置に応じて適切な負帰還電流により磁束がキャンセルされる。また、電流センサ１ｂは、フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４の合計値Ｉｓ１＋Ｉｓ２＋Ｉｓ３＋Ｉｓ４に基づき一次導体５０を流れる電流を測定するため、一次導体５０の位置に関わらず高い精度で一次導体５０の電流を測定することが可能である。

【0044】

また、電流センサ１は、複数の二次巻き線１４の各々を流れる電流に基づき、磁気コア１１に対する一次導体５０の位置を検出してもよい。図９は、本開示の一実施形態に係る電流センサの構成例を示す図である。図９において、電流センサ１ｃは、図６～図８を参照して説明した電流センサ１ｂの構成に加えて、電流計１７（１７ａ～１７ｄ）、及び位置検出部１８を備える。

【0045】

電流計１７（１７ａ～１７ｄ）は、二次巻き線１４（１４ａ～１４ｄ）を流れるフィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４を測定する電流計である。

【0046】

位置検出部１８は、電流計１７（１７ａ～１７ｄ）が測定した二次巻き線１４ａ～１４ｄの各々を流れるフィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４に基づき、磁気コア１１に対する一次導体５０の位置を検出する。磁気コア１１に対する一次導体５０の位置は、磁気コア１１における各磁電変換素子１２の位置と、フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４の比とに基づき決定される。

【0047】

位置検出部１８は、各フィードバック電流Ｉｓ１～Ｉｓ４と、磁気コア１１に対する一次導体５０の位置との対応関係を予め保持しておき、その対応関係を参照して、磁気コア１１に対する一次導体５０の位置を検出してもよい。このような構成によれば、位置検出部１８は、一次導体５０の位置を高速に検出することができる。電流センサ１ｃは、磁電変換素子１２、アンプ１３、及び二次巻き線１４を含む経路を３つ以上備え、各二次巻き線１４を流れるフィードバック電流を用いることで、このような一次導体５０の位置検出を正確に行うことができる。

【0048】

以上のように、電流センサ１（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、磁気コア１１、複数の磁電変換素子１２、複数の磁電変換素子１２に対応して設けられた複数のアンプ１３、複数の磁電変換素子１２に対応して設けられた複数の二次巻き線１４、及び電流検出部１６を備える。電流センサ１（１ａ，１ｂ，１ｃ）において、磁気コア１１は、被測定電流が流れる一次導体５０の周囲を囲むように配置可能である。複数の磁電変換素子１２は、磁気コア１１の予め定められた部分の磁束をそれぞれ検出する。複数のアンプ１３の各々は、対応する磁電変換素子１２の出力を増幅してその磁電変換素子１２の出力に応じたフィードバック電流を出力する。複数の二次巻き線１４の各々は、磁気コア１１に巻かれて配置され、対応するアンプ１３が出力するフィードバック電流を対応する磁気コア１１の予め定められた部分の磁束を打ち消す方向に流す。電流検出部１６は、複数の二次巻き線１４の各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、被測定電流を検出する。

【0049】

このように、電流センサ１は、複数の磁電変換素子１２、及び、磁電変換素子１２毎にその近傍の磁気コア１１の部分に巻回された複数の二次巻き線１４を備え、複数の二次巻き線１４から出力されるフィードバック電流の合計値に基づき、被測定電流を測定する。したがって、本開示に係る電流センサ１は、不均一に分布する磁束強度を効果的に打ち消すことができ、大型化することなく残留磁束を低減することが可能である。よって、本開示に係る電流センサ１によれば、一次導体５０を流れる被測定電流をより高い精度で測定することが可能である。

【0050】

なお、複数の磁電変換素子１２は、磁気コア１１の中心から見て等しい角度で配置された磁気コア１１の複数の部分の磁束を、予め定められた部分の磁束として検出してもよい。例えば、図６のように、４つの磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）が設けられる場合は、磁気コア１１の中心から見て９０度の間隔で４つの磁電変換素子１２（１２ａ～１２ｄ）を設けてもよい。このように構成することで、電流センサ１は、複数の二次巻き線１４から出力されるフィードバック電流に基づき、高い精度で被測定電流を測定することが可能である。

【0051】

また、電流センサ１（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、複数の二次巻き線１４の各々を流れる電流が合わさった電流が流れる抵抗１５を備え、電流検出部１６は、抵抗１５の両端の電圧に基づき、被測定電流を検出する。したがって、電流センサ１は、シンプルな構成で、複数の二次巻き線１４の各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、被測定電流を検出することができる。なお、電流検出部１６は、抵抗１５の両端の電圧を測定するのではなく、例えば、非接触センサにより複数の二次巻き線１４の各々を流れる電流が合わさった電流を測定してもよい。

【0052】

以上のように、ゼロフラックス方式の電流センサ１は、磁電変換素子１２及び二次巻き線１４を一対のセットとしたものを複数並列に配置し、それぞれの磁電変換素子１２が検出した磁束に応じたフィードバック電流を対応する二次巻き線１４に流す。したがって、電流センサ１は、磁気コア１１を大型化することなく、一次導体５０の位置が磁気コア１１の中央からずれたとしても、残留磁束に起因した磁気飽和による測定感度低下を防ぐことができる。電流センサ１は、例えば、貫通型又はクランプ型のＡＣ／ＤＣ（交流／直流）電流センサとして実施されてもよい。前述の電流検出部１６が検出した一次導体５０の電流値、及び、位置検出部１８が検出した一次導体５０の位置は、ディスプレイ等の表示装置、又は、任意の記憶媒体に出力されてもよい。

【0053】

本開示の実施形態例について以下に付記する。
［１］
被測定電流が流れる導線の周囲を囲むように配置可能な磁気コアと、
前記磁気コアの予め定められた部分の磁束をそれぞれ検出する複数の磁気センサと、
前記複数の磁気センサに対応して設けられた複数のアンプと、
前記複数の磁気センサに対応して設けられた複数の帰還コイルと、
前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流に基づき、前記被測定電流を検出する電流検出部と、
を備え、
前記複数のアンプの各々は、対応する前記磁気センサの出力を増幅して当該磁気センサの出力に応じた電流を出力し、
前記複数の帰還コイルの各々は、前記磁気コアに巻かれて配置され、対応する前記アンプが出力する電流を、対応する前記磁気コアの予め定められた部分の前記磁束を打ち消す方向に流す、
電流センサ。
［２］
前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流が合わさった電流が流れる抵抗を更に備え、
前記電流検出部は、前記抵抗の両端の電圧に基づき、前記被測定電流を検出する、
［１］に記載の電流センサ。
［３］
前記複数の磁気センサは、前記磁気コアの中心から見て等しい角度で配置された前記磁気コアの複数の部分の磁束を、前記予め定められた部分の磁束として検出する、［１］又は［２］に記載の電流センサ。
［４］
前記複数の帰還コイルの各々を流れる電流に基づき、前記磁気コアに対する前記導線の位置を検出する位置検出部を更に備える、［１］から［３］のいずれか一つに記載の電流センサ。
［５］
前記磁気コアは開閉可能である、［１］から［４］のいずれか一つに記載の電流センサ。

【0054】

本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１ａ，１ｂ 電流センサ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 磁気コア
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 磁電変換素子
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ アンプ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 二次巻き線
１５ 抵抗
１６ 電流検出部
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ 電流計
１８ 位置検出部
５０ 一次導体
６１，６２ 領域
９ａ，９ｂ 電流センサ（比較例）
９１，９１ａ，９１ｂ 磁気コア
９２，９２ａ，９２ｂ 磁電変換素子
９３ アンプ
９４ 二次巻き線
９５ 抵抗
９６ 加算器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】