特許 7622894 電流検出装置、漏電遮断器及び漏電リレー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-20

(45)【発行日】2025-01-28

(54)【発明の名称】電流検出装置、漏電遮断器及び漏電リレー

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20250121BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20250121BHJP

   G01R 31/52 20200101ALI20250121BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20250121BHJP

   G01R 19/32 20060101ALI20250121BHJP

   H01F 38/32 20060101ALI20250121BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 C

G01R33/02 D

G01R31/52

G01R19/00 N

G01R19/32

H01F38/32

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2024108468

(22)【出願日】2024-07-04

【審査請求日】2024-07-23

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004381

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＴＯＨ

(72)【発明者】

【氏名】山内 芳准

(72)【発明者】

【氏名】栗原 晋

(72)【発明者】

【氏名】菱沼 兼次

(72)【発明者】

【氏名】米澤 隆仁

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０５０９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５７４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２３／２８１６９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１９４５１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ １５／１８

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ０１Ｒ ３１／５２

Ｇ０１Ｒ １９／００

Ｇ０１Ｒ １９／３２

Ｈ０１Ｆ ３８／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備え、
前記電流検出回路は、増幅回路を含み、
前記補償回路は、前記増幅回路の入力電圧を調整することで、前記増幅回路の出力電圧に含まれるオフセット電圧を調整する調整回路を含み、
前記電流検出回路は、前記増幅回路の増幅率を切り替え信号により切り替える切り替え回路を含む、電流検出装置。

【請求項2】

前記切り替え信号は、前記電流検出装置の外部からの信号である、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項3】

前記切り替え信号は、ユーザによる信号である、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項4】

前記切り替え回路は、前記切り替え信号に従って前記増幅率を切り替えるスイッチを含む、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項5】

前記増幅回路は、オペアンプを含み、
前記切り替え回路は、前記オペアンプに接続される帰還抵抗を前記切り替え信号に従って選択することで、前記増幅率を切り替える、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項6】

前記入力電圧は、前記増幅回路の基準電圧である、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項7】

前記調整回路は、前記入力電圧を可変抵抗器により調整する、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項8】

前記電流検出回路は、前記矩形波電圧のデューティ比に応じた電圧を発生させるフィルタ回路を含み、
前記増幅回路は、前記フィルタ回路の出力電圧を増幅する、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項9】

前記補償回路は、前記オフセット電圧を温度補償する温度補償回路を含む、請求項１に記載の電流検出装置。

【請求項10】

前記温度補償回路は、前記増幅回路の基準電圧を調整することで前記オフセット電圧を温度補償する、請求項９に記載の電流検出装置。

【請求項11】

前記温度補償回路は、前記基準電圧を調整するサーミスタを含む、請求項１０に記載の電流検出装置。

【請求項12】

前記増幅回路は、前記矩形波電圧に応じて第１出力電圧を出力する第１増幅回路と、前記第１出力電圧に応じて第２出力電圧を出力する第２増幅回路と、を含み、
前記温度補償回路及び前記調整回路は、前記第２出力電圧に含まれるオフセット電圧を調整する、請求項９に記載の電流検出装置。

【請求項13】

前記温度補償回路は、前記第１増幅回路の入力電圧を温度に応じて調整することで、前記第２出力電圧に含まれるオフセット電圧を調整し、
前記調整回路は、前記第２増幅回路の入力電圧を調整することで、前記第２出力電圧に含まれるオフセット電圧を調整する、請求項１２に記載の電流検出装置。

【請求項14】

前記電流検出回路は、
前記増幅回路の出力電圧に基づいて、前記被検出電流の発生を判定する判定回路と、
前記判定回路の判定感度を調節する調節回路と、を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電流検出装置。

【請求項15】

被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備え、
前記電流検出回路は、増幅回路を含み、
前記補償回路は、前記増幅回路の出力電圧に含まれるオフセット電圧を温度補償する温度補償回路を含む、電流検出装置。

【請求項16】

導体に流れる被検出電流を検出する電流検出装置と、
前記被検出電流が前記電流検出装置により検出された場合、電路を遮断する遮断手段と、を備え、
前記電流検出装置は、
被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備え、
前記電流検出回路は、増幅回路を含み、
前記補償回路は、前記増幅回路の入力電圧を調整することで、前記増幅回路の出力電圧に含まれるオフセット電圧を調整する調整回路を含み、
前記電流検出回路は、前記増幅回路の増幅率を切り替え信号により切り替える切り替え回路を含む、漏電遮断器。

【請求項17】

導体に流れる被検出電流を検出する電流検出装置と、
前記被検出電流が前記電流検出装置により検出された場合、接点出力を行うリレーと、を備え、
前記電流検出装置は、
被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備え、
前記電流検出回路は、増幅回路を含み、
前記補償回路は、前記増幅回路の入力電圧を調整することで、前記増幅回路の出力電圧に含まれるオフセット電圧を調整する調整回路を含み、
前記電流検出回路は、前記増幅回路の増幅率を切り替え信号により切り替える切り替え回路を含む、漏電リレー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電流検出装置、漏電遮断器及び漏電リレーに関する。

【背景技術】

【0002】

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、前記磁気コアを飽和状態又はその近傍とした状態で、前記励磁コイルに供給する励磁電流の向きを反転させる矩形波電圧を発生する発振回路と、前記発振回路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出する電流検出回路と、前記矩形波電圧の振幅を、温度変化による当該矩形波電圧の振幅変動を抑制する振幅範囲に制限するツェナーダイオードと、を備える、電流検知装置が知られている。この電流検知装置は、電流検出回路の増幅回路にサーミスタを配置し、温度に応じて増幅回路の増幅率を変化させることで、ツェナーダイオードの温度依存性による増幅回路から出力される電流検出電圧の変動を補償している（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－５０９２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の技術では、発振回路又は電流検出回路が持つオフセット誤差によって、高精度な電流検出が難しい場合がある。

【0005】

本開示は、高精度な電流検出が可能な電流検出装置、漏電遮断器及び漏電リレーを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１態様の電流検出装置は、
被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備える。

【0007】

第２態様の漏電遮断器は、
導体に流れる被検出電流を検出する電流検出装置と、
前記被検出電流が前記電流検出装置により検出された場合、電路を遮断する遮断手段と、を備え、
前記電流検出装置は、
被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備える。

【0008】

第３態様の漏電リレーは、
導体に流れる被検出電流を検出する電流検出装置と、
前記被検出電流が前記電流検出装置により検出された場合、接点出力を行うリレーと、を備え、
前記電流検出装置は、
被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、
前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、
前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、
前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、
前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、高精度に被検出電流を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る電流検出装置の一構成例を示す図である。

【図2】発振回路のアナログの回路構成例を示す図である。

【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例示する模式図である。

【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例示する特性線図である。

【図5】電流検出時の発振回路の出力電圧と電流検出回路の電流検出電圧との関係を例示する図である。

【図6】オフセット誤差の影響を例示する模式図である。

【図7】第１増幅回路、第２増幅回路、温度補償回路及び調整回路のアナログの回路構成例を示す図である。

【図8】動作電流の切り替えの動作例を例示する模式図である。

【図9】温度と温度補償回路出力の関係を例示する図である。

【図10】絶対値回路、判定回路及び調節回路のアナログの回路構成例を示す図である。

【図11】調節回路の動作例を示す模式図である。

【図12】電流検出装置を備える漏電遮断器の構成例を示す図である。

【図13】電流検出装置を備える漏電リレーの構成例を示す図である。

【図14】フィルタ回路の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施形態について説明する。なお、「接続」とは、物理的な接続に限られず、電気的な接続の意味を含んでよい。例えば、物体Ａが物体Ｂに接続されるとは、物体Ａが物体Ｂに導電的に（例えば、同電位に）接続される場合に限られず、物体Ａが物体Ｃを介して物体Ｂに導電的に接続される場合を含んでよい。

【0012】

図１は、第１実施形態に係る電流検出装置の一例を示す構成図である。図１に示す電流検出装置１は、例えば、漏電遮断器１００（図１２参照）または漏電リレー３００（図１３参照）において、漏洩電流等の被検出電流を検出する検出手段として用いられてもよい。以下、電流検出装置１を、漏電遮断器１００または漏電リレー３００に適用された電流検出装置として説明する。また、漏洩電流等の被検出電流を総称して、以下、「被検出電流」という。ただし、電流検出装置１の用途は、これに限定されない。漏電遮断器１００と漏電リレー３００の構成例については、別途、図１２と図１３を参照して説明する。

【0013】

導線２は、被検出電流が流れる導体の一例である。被検出電流が流れる導体は、導線２に限られず、導電性の導管などの他の形態でもよい。導線２は、例えば、電流検出装置１を設置する電力システムなどを接地するための接地線である。図１は、１本の導線２を例示するが、導線２の本数は二本以上でもよい。例えば、電流検出装置１は、複数の導線間の差電流を検出する零相変流器でもよい。

【0014】

ここで、健全状態では、導線２に流れる電流Ｉは、零である。しかし、漏電や地絡などが生じている異常状態では、導線２に流れる電流Ｉは零にならず、検出対象とする被検出電流、例えば１５ｍＡ～５００ｍＡ程度の微小な被検出電流が流れる。この導線２の回りにリング状の磁気コア３が配置されている。つまり、磁気コア３内に導線２が挿通されている。

【0015】

磁気コア３は、導線２を囲む環状の磁性部材である。磁気コア３を構成する物質の一例として、Ｆｅ－Ｎｉ系の磁性合金等の軟磁性体が挙げられる。ただし、磁気コア３を構成する物質は、限定されない。

【0016】

磁気コア３に作用する磁場が大きくなるに伴い、磁気コア３内を通過する磁束密度が大きくなる。また、磁気コア３に作用する磁場がさらに大きくなって、所定値を超えると、磁気コア３内を通過する磁束密度が変化しなくなる。すなわち、磁気コア３は、磁気飽和する。

【0017】

励磁コイル４は、磁気コア３に巻回される。励磁コイル４を構成する各巻線部の内側に、磁気コア３が挿通される。励磁コイル４に、直流又は交流の励磁電流が流れることで、励磁コイル４の内側に磁場が生じる。磁気コア３が磁気飽和していなければ、励磁コイル４の内側に生じた磁場の変化に応じて、磁気コア３内を通過する磁束密度が変化する。なお、励磁コイル４の巻数や断面積等は、限定されない。

【0018】

発振回路５は、磁気コア３を励磁する。発振回路５は、磁気コア３を励磁する励磁電流を励磁コイル４に流す。発振回路５は、磁気コア３を励磁することで矩形波電圧Ｖａを発生させる。発振回路５は、磁気コア３を飽和状態又はその近傍とした状態で、励磁コイル４に供給する励磁電流の向きを反転させる矩形波電圧Ｖａを発生させる。発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａは、電流検出回路６に供給される。

【0019】

電流検出回路６は、発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａの変化に基づいて被検出電流を検出する。例えば、電流検出回路６は、発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａのデューティ比の変化に基づいて被検出電流を検出する。

【0020】

電流検出回路６は、フィルタ回路７及び第１増幅回路８を含む。

【0021】

フィルタ回路７は、発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａの高周波成分を除去する。フィルタ回路７は、例えば、矩形波電圧Ｖａの高周波成分を除去する積分器として動作する。フィルタ回路７は、矩形波電圧Ｖａのデューティ比に応じた電圧としてフィルタ出力電圧Ｖｆを発生させる。矩形波電圧Ｖａがフィルタ回路７に入力されることで、高周波成分が除去された矩形波電圧Ｖａであるフィルタ出力電圧Ｖｆがフィルタ回路７から出力される。フィルタ回路７には、第１増幅回路８が接続される。

【0022】

第１増幅回路８は、矩形波電圧Ｖａに対応する入力電圧（この例では、フィルタ出力電圧Ｖｆ）を所定の増幅率で増幅した信号である出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ１は、第１増幅回路の第１出力電圧の一例である。

【0023】

電流検出回路６は、発振回路５、フィルタ回路７、第１増幅回路８又は第２増幅回路１０などが持つオフセット誤差ｅを温度補償する温度補償回路９を含んでもよい。温度補償回路９は、例えば、第１増幅回路８の入力部に接続される。温度補償回路９の詳細な説明は、後述する。

【0024】

電流検出回路６は、検出された被検出電流を異常電流と判定する電流値（動作電流値）を切り替える機能（動作電流切り替え機能）付きの第２増幅回路１０を含む。第２増幅回路１０は、第１増幅回路８の出力部に接続される。

【0025】

第２増幅回路１０は、図示していない動作電流選択スイッチで選択された動作電流に応じた増幅率で第１増幅回路８の出力電圧Ｖｏｕｔ１を増幅した信号である出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ２は、第２増幅回路の第２出力電圧の一例である。

【0026】

電流検出回路６は、発振回路５、フィルタ回路７又は第１増幅回路８などが持つオフセット誤差ｅの個体差を補償する調整回路１１を含んでもよい。調整回路１１は、例えば、第２増幅回路１０の入力部に接続される。調整回路１１の詳細な説明は、後述する。

【0027】

電流検出回路６は、絶対値回路１２及び判定回路１３を含む。絶対値回路１２は、第２増幅回路１０の出力部に接続される。判定回路１３は、絶対値回路１２の出力部に接続される。

【0028】

絶対値回路１２は、第２増幅回路１０からの出力電圧Ｖｏｕｔ２の絶対値である出力電圧Ｖｏｕｔ３を出力する。絶対値回路１２は、例えば、基準電圧Ｖｒｅｆ以下の信号を反転増幅して出力する。

【0029】

判定回路１３は、出力電圧Ｖｏｕｔ２に基づいて（この例では、出力電圧Ｖｏｕｔ２に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ３に基づいて）、動作電流値以上の被検出電流の発生を判定する。判定回路１３は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔ２又は出力電圧Ｖｏｕｔ３を閾値電圧Ｖｔｈ３と比較することで、動作電流値以上の被検出電流の発生有無を判定する。判定回路１３は、出力電圧Ｖｏｕｔ２又は出力電圧Ｖｏｕｔ３が閾値電圧Ｖｔｈ３以上であると、動作電流値以上の被検出電流の発生が有ると判定する。判定回路１３は、出力電圧Ｖｏｕｔ２又は出力電圧Ｖｏｕｔ３が閾値電圧Ｖｔｈ３未満であると、動作電流値以上の被検出電流の発生が無いと判定する。判定回路１３は、出力電圧Ｖｏｕｔ２又は出力電圧Ｖｏｕｔ３が閾値電圧Ｖｔｈ３以上である場合、動作電流値以上の被検出電流の発生が有ると判定したことを表す判定出力信号を出力する。

【0030】

電流検出回路６は、判定回路１３の判定感度を調節する調節回路１４を含んでもよい。調節回路１４は、例えば、判定回路１３の入力部に接続される。調節回路１４は、判定回路１３の判定感度の個体差による動作電流値の変動を補償する。調節回路１４は、例えば、判定回路１３に設定される閾値電圧Ｖｔｈ３を調整することで、判定回路１３の判定感度を調整する。調節回路１４の詳細な説明は、後述する。

【0031】

次に、第１実施形態に係る電流検出装置の具体的な回路構成例と動作例について説明する。

【0032】

図２は、発振回路５のアナログの回路構成例を示す図である。発振回路５では、抵抗２３と抵抗２４との間の接続点Ｅの閾値電圧Ｖｔｈ１が、オペアンプ２１の非反転入力側に供給されている。この閾値電圧Ｖｔｈ１は、抵抗２３の抵抗値をＲ１、抵抗２４の抵抗値をＲ２、オペアンプ２１の出力電圧をＶａとするとき、下記（１）式で表される。

【0033】

Ｖｔｈ１＝｛Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）｝Ｖａ ・・・（１）
オペアンプ２１は、抵抗２３と抵抗２４との間の接続点Ｅの閾値電圧Ｖｔｈ１と、励磁コイル４と抵抗２２との間の接続点Ｄの電圧Ｖｄとを比較し、その比較出力を、図３（ａ）に示す出力電圧Ｖａとして出力側から出力する。

【0034】

今、図３（ａ）に示すように、時点ｔ１で、オペアンプ２１の出力側の出力電圧Ｖａがハイレベルとなると、このハイレベルの出力電圧Ｖａが励磁コイル４に印加される。このため、励磁コイル４には、出力電圧Ｖａと抵抗２２の抵抗値Ｒ１２とに応じた励磁電流Ｉｅｘが供給される。このとき、励磁電流Ｉｅｘは、図３（ｂ）に示すように、出力電圧Ｖａの立ち上がり時点ｔ１から比較的急峻に上昇し、その後緩やかに上昇する放物線状に増加する。

【0035】

励磁電流Ｉｅｘがこのように増加しているとき、オペアンプ２１の非反転入力側には、出力電圧Ｖａを抵抗２３の抵抗値Ｒ１及び抵抗２４の抵抗値Ｒ２で分圧した閾値電圧Ｖｔｈ１が入力されている。一方、オペアンプ２１の反転入力側の接続点Ｄの電圧Ｖｄは、励磁コイル４の励磁電流Ｉｅｘの増加に応じて増加する。その後、励磁電流Ｉｅｘが再度急峻に増加して、電圧Ｖｄが時点ｔ２で図３（ｂ）のＦ点で非反転入力側の閾値電圧Ｖｔｈ１を上回ると、オペアンプ２１の出力電圧Ｖａは、図３（ａ）に示すように、ローレベルに反転する。

【0036】

出力電圧Ｖａのローレベルへの反転に応じて、励磁コイル４を流れる励磁電流Ｉｅｘの向きは反転する。励磁電流Ｉｅｘは、最初は比較的急峻に低下し、その後、緩やかに低下する放物線状に減少する。

【0037】

励磁電流Ｉｅｘがこのように減少しているとき、閾値電圧Ｖｔｈ１は、出力電圧Ｖａがローレベルとなっていることにより、基準電位よりも低い負電圧となっている。そして、オペアンプ２１の反転入力側の接続点Ｄの電圧Ｖｄが、励磁コイル４の励磁電流Ｉｅｘの減少に応じて低下し、この電圧Ｖｄが時点ｔ３で非反転入力側の負の閾値電圧Ｖｔｈ１を下回ると、オペアンプ２１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。

【0038】

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５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４の励磁電流Ｉｅｘは、図３（ｂ）に示すように増加及び減少を繰り返す波形となる。

【0039】

ところで、磁気コア３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形な特性を有する。このＢ－Ｈ特性を有する磁気コア３のインダクタンスＬは、導線２の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３を貫通する導線２に任意の検出対象となる微小な電流値Ｃの電流Ｉが生じると、図４（ｂ）のＬＩ特性は、破線図示のように電流値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。

【0040】

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Ｉｅｘの向きが切り換わる電流（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２の電流Ｉの電流値Ｃに応じて変化するので、励磁電流Ｉｅｘの向きが切り換わる電流（図３（ｂ）のＨ）も同様に変化することになる。

【0041】

この励磁電流Ｉｅｘの向きが切り換わる電流値が変化することにより、接続点Ｄの電圧Ｖｄが閾値電圧Ｖｔｈ１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２１から出力される出力電圧Ｖａの立ち下がり時点が導線２の電流Ｉ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、矩形波の出力電圧Ｖａ（矩形波電圧Ｖａ）のデューティ比が導線２の電流Ｉの電流値Ｃに応じて変化する。

【0042】

発振回路５は、この矩形波電圧Ｖａを、矩形波電圧Ｖａのデューティ比を検出する電流検出回路６に供給する。電流検出回路６は、矩形波電圧Ｖａの高周波成分をフィルタ回路７によって除去して矩形波電圧Ｖａのデューティ比に応じたフィルタ出力電圧Ｖｆを出力する。フィルタ出力電圧Ｖｆは、第１増幅回路８に供給されて増幅される。フィルタ回路７は、矩形波電圧Ｖａの高周波成分を効率的に除去するため、例えば、オペアンプを用いた２次以上のアクティブフィルタにより構成される。

【0043】

次に、図５を用いて発振回路の出力電圧と電流検出回路の電流検出電圧について説明する。

【0044】

導線２の電流Ｉが０である状態では、発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａは、図５（ａ）で実線図示のようにデューティ比が５０％となる。一方、導線２の電流Ｉが０である状態では、第１増幅回路８から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ１は、図５（ｂ）で実線図示のように、基準電圧Ｖｂ（例えば０Ｖ）を維持している。

【0045】

この状態から、導線２に微小な電流Ｉが流れたときには、発振回路５から出力される矩形波電圧Ｖａは、図５（ａ）で点線図示のように電流Ｉの電流値Ｃに応じてデューティ比が増加する。このため、フィルタ出力電圧Ｖｆは第１増幅回路８により増幅されるので、出力電圧Ｖｏｕｔ１は基準電圧Ｖｂより増加することになる。電流検出回路６は、この出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化を捉えることによって、微小な電流Ｉを検出できる。

【0046】

図６は、オフセット誤差の影響を例示する模式図である。導線２に流れる電流Ｉが０の状態にも関わらず電流Ｉが流れた場合と同様のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１が出力電圧Ｖｏｕｔ１に生じることがある。オフセット電圧Ｖｏｆｆ１は、例えば、発振回路５の出力電圧（矩形波電圧Ｖａ）の変動と発振回路５、フィルタ回路７及び第１増幅回路８で用いられているオペアンプなどの電子部品固有のオフセット誤差ｅとにより、出力電圧Ｖｏｕｔ１に発生する。

【0047】

回路の基準電圧Ｖｂを０とした場合、理想的にはオフセット電圧Ｖｏｆｆ１は０であり、導線２に流れる電流Ｉと第１増幅回路８の出力電圧Ｖｏｕｔ１との関係は、図６（ａ）の破線のようになる。しかし、前述のオフセット誤差ｅによりオフセット電圧Ｖｏｆｆ１が０とはならず、導線２に流れる電流Ｉと第１増幅回路８の出力電圧Ｖｏｕｔ１との関係は、図６（ａ）の実線のように破線に対してシフトする。

【0048】

電流検出回路６は、後段の判定回路１３で使用される閾値電圧Ｖｔｈ３を統一して回路や調整を簡略化するために、絶対値回路１２により基準電圧Ｖｒｅｆ以下の信号を反転させる処理を行ってから、所定の閾値電圧Ｖｔｈ３により判定処理を行う。そのため、導線２に流れる電流Ｉと絶対値処理後の出力電圧Ｖｏｕｔ３との関係は、図６（ｂ）の通りとなる。前述のオフセット誤差ｅの影響を受けている状態では、理想的な状態の動作電流（Ｉｄ＋，Ｉｄ－）と比べて動作電流に誤差が生じ、かつ、同じ電流値にも関わらず通電方向の違いにより動作電流値が変動する（Ｉｄ'＋，Ｉｄ'－）。更に、オフセット誤差ｅは温度依存性を持つことから、周囲温度に応じて動作電流値が変動し、周囲温度変化による誤検知や動作不良が生じるおそれがある。

【0049】

そこで、第１実施形態に係る電流検出装置１は、図１で示したように、オフセット誤差ｅの個体差を補償する調整回路１１と、オフセット誤差ｅを温度補償する温度補償回路９とを、備えることで、高精度な電流検出を実施する。

【0050】

調整回路１１及び温度補償回路９は、発振回路又は電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路の一例である。第１実施形態に係る電流検出装置１の補償回路は、調整回路１１及び温度補償回路９の両方を含むが、調整回路１１及び温度補償回路９のうちいずれか一方のみを含んでもよい。

【0051】

図７は、第１増幅回路８、第２増幅回路１０、温度補償回路９及び調整回路１１のアナログの回路構成例を示す図である。

【0052】

第１増幅回路８は、矩形波電圧Ｖａのデューティ比に応じた入力電圧（この例では、フィルタ出力電圧Ｖｆ）を増幅する。第１増幅回路８は、抵抗３３，３４，３５，３６及びオペアンプ３１による反転増幅回路である。オペアンプ３１の反転入力端子には、フィルタ出力電圧Ｖｆ（矩形波電圧Ｖａに対応する入力電圧の一例）が入力される。オペアンプ３１の非反転入力端子には、前述のオフセット誤差ｅの温度特性を補償するための温度補償回路９が接続されている。

【0053】

温度補償回路９は、第２増幅回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧を温度補償する。温度補償回路９は、第１増幅回路８の基準電圧を温度に応じて調整することで、第２増幅回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧をゼロに低減する。温度補償回路９は、サーミスタ４０と抵抗３７，３８，３９とにより電源電圧（Ｖ＋，Ｖ－）を分圧する分圧回路を含む。

【0054】

第２増幅回路１０は、第１増幅回路８の出力電圧Ｖｏｕｔ１を増幅する。第２増幅回路１０は、抵抗４１，４２，４４、帰還抵抗４９，５０，５１及びオペアンプ３２による反転増幅回路である。オペアンプ３１の反転入力端子には、出力電圧Ｖｏｕｔ１が入力される。オペアンプ３２の非反転入力端子には、オフセット誤差ｅの電流検出装置１の個体差を調整するための調整回路１１が接続されている。

【0055】

調整回路１１は、第２増幅回路１０の基準電圧を調整することで、第２増幅回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧をゼロに低減する。調整回路１１は、抵抗４５，４６と可変抵抗器４７とにより電源電圧（Ｖ＋，Ｖ－）を分圧する分圧回路を含む。

【0056】

電流検出回路６は、第２増幅回路１０の増幅率を切り替える切り替え回路４３を動作電流切替機能として含む。切り替え回路４３は、第２増幅回路１０の増幅率を異なる値に切り替えるため、スイッチ４８及び帰還抵抗４９，５０，５１を含む。

【0057】

図８は、動作電流の切り替えの動作例を例示する模式図である。図８で示すように、切り替え回路４３は、各設定の動作電流値における第２増幅回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔ２が互いに同一となるように第２増幅回路１０の増幅率を設定する。これにより、後段の判定回路１３は、同一（共通）の閾値電圧Ｖｔｈ３を用いて判定動作できる。切り替え回路４３は、電流検出装置１外部からの切り替え信号（例えば、ユーザによる操作信号）に従って、帰還抵抗４９，５０，５１の中から接続する帰還抵抗をスイッチ４８により選択することで、第２増幅回路１０の増幅率を切り替える。

【0058】

次に、オフセット誤差ｅの補償動作を説明する。

【0059】

まず、図７において、調整回路１１は、常温（例えば２５℃）におけるオフセット誤差ｅの電流検出装置１の個体差を調整する。例えば、調整回路１１は、出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧をオペアンプ３２の入力電圧に換算した電圧と同一の電圧がオペアンプ３２の非反転入力端子に加わるように、オペアンプ３２の非反転入力端子の基準電圧を調整する。出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧をオペアンプ３２の入力電圧に換算した電圧とは、出力電圧Ｖｏｕｔ２を、第２増幅回路１０の増幅率で除算した値である。この例では、調整回路１１は、電源電圧（Ｖ＋，Ｖ－）を抵抗４５，４６と可変抵抗器４７により分圧した電圧を、オペアンプ３２の非反転入力端子に印加する。これにより、オフセット誤差ｅの電流検出装置１の個体差を補償できる。

【0060】

調整回路１１は、例えば、電流検出装置１外部からの切り替え信号（例えば、ユーザによる操作信号）に従って、可変抵抗器４７の抵抗値を調整することで、オペアンプ３２の非反転入力端子の基準電圧を調整する。

【0061】

調整回路１１は、導線２に流れる電流Ｉが０の状態で出力電圧Ｖｏｕｔ２と基準電圧との差（オフセット電圧）をモニタしながら、その差が０となるように可変抵抗器４７を調整する。この際、第２増幅回路１０に設定される増幅率は、いずれの値でもよい。しかし、より高い増幅率に設定した方が、出力電圧Ｖｏｕｔ２の値が高くなるので、出力電圧Ｖｏｕｔ２と基準電圧との差（オフセット電圧）をモニタする測定器の分解能の影響を受けづらくなる。

【0062】

次に、温度補償回路９は、出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧をオペアンプ３１の入力電圧に換算した電圧と同一の電圧がオペアンプ３１の非反転入力端子に加わるように、オペアンプ３１の非反転入力端子の基準電圧を調整する。出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧をオペアンプ３１の入力電圧に換算した電圧とは、出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧を、第１増幅回路８の増幅率と第２増幅回路１０の増幅率で除算した値である。温度補償回路９は、オペアンプ３１の非反転入力端子の基準電圧を調整することで、オフセット誤差ｅの温度特性による影響を相殺し、出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるオフセット電圧を０にする。

【0063】

図９は、温度と温度補償回路出力の関係を例示する図である。図９で示すように、温度補償回路９は、オペアンプ３１の入力電圧に換算したオフセット誤差Ｖｏｕｔ２'と同一の電圧がオペアンプ３１の非反転入力端子に加わるように、オペアンプ３１の非反転入力端子の基準電圧を調整する。温度補償回路９は、あらかじめ測定されたオフセット誤差ｅの温度依存性とほぼ一致するように、温度補償回路９により生成される電圧によってオフセット誤差ｅを相殺する。

【0064】

ここで、第１増幅回路８、温度補償回路９、第２増幅回路１０および調整回路１１は、いずれの順番で配置されても（配置の順番を入れ替えても）、オフセット誤差ｅを低減する効果を奏する。しかし、第２増幅回路１０の増幅率の切替動作を簡便にするためには、温度補償回路９は第１増幅回路８の入力側（入力部）に、調整回路１１は第２増幅回路１０の入力側（入力部）に配置されることが好ましい。温度補償回路９と調整回路１１は、発振回路５と第２増幅回路１０との間の信号伝達経路上に配置される。

【0065】

具体的には、増幅率切り替え機能（動作電流切替機能）を有する第２増幅回路１０の前段に、温度補償回路９および調整回路１１が配置される。増幅率切り替え機能よりも後段に温度補償回路９および調整回路１１を配置した場合、第２増幅回路１０の増幅率によって、調整段でのオフセット誤差が増幅率の設定毎に変わってしまう。それにより、増幅率切り替えのたびに調整量を変更することが求められるので、温度補償回路部に更なる調整機構を設ける、増幅率の切り替えのたびに調整機構によりオフセット誤差を調整するといった不都合が生じる。そのため、回路と調整の簡略化のためには、増幅率切り替え機能を有する第２増幅回路１０の前段に温度補償回路９及び調整回路１１を配置することが好ましい。

【0066】

調整回路１１の前段では、できるかぎりセンサ出力（出力電圧）を高くしておくことが好ましいので、固定の増幅率を持つ第１増幅回路８による増幅処理があらかじめ行われる。調整回路１１で用いられている可変抵抗器４７は、放射ノイズなどの外来ノイズの影響を受けやすく、電圧変動が生じやすい。そのため、相殺する電圧レベルをあらかじめ高く設定しておく（増幅しておく）ことで、高精度なオフセット誤差ｅの調整が実現される。

【0067】

なお、例えば、第１増幅回路８の増幅率をＧ１、第２増幅回路１０の増幅率をＧ２とするとき、トータルの増幅率Ｇｔｏｔａｌ＝Ｇ１×Ｇ２が最も低くなる動作電流値（図８の設定１）の場合に、Ｇ２＝１としてＧｔｏｔａｌはＧ１となるように設定される。

【0068】

次に、電流検出装置１の個体差による判定回路１３の判定感度の変動を補償する動作について説明する。

【0069】

判定感度は、磁気コア３の磁気特性や信号処理で用いられている電子部品の精度などにより変動する。そのため、特に高感度な電流検出を要する小さい動作電流、すなわち高い増幅率の場合には、この変動は、無視できず、検出精度の悪化を招く。そこで、調節回路１４は、電流検出装置１ごとに閾値電圧Ｖｔｈ３を調整し、電流検出装置１の個体差による変動を補償する。

【0070】

図１０は、絶対値回路、判定回路及び調節回路のアナログの回路構成例を示す図である。

【0071】

絶対値回路１２は、第２増幅回路１０の出力電圧Ｖｏｕｔ２が入力される。絶対値回路１２は、出力電圧Ｖｏｕｔ２を、基準電圧Ｖｒｅｆより低い負の値を正に反転させた出力電圧Ｖｏｕｔ３に変換する。絶対値回路１２は、出力電圧Ｖｏｕｔ２の絶対値である出力電圧Ｖｏｕｔ３を生成する。

【0072】

絶対値回路１２は、２つのオペアンプ６１，６２、ダイオード６４，６５および抵抗６６～７０を含む。オペアンプ６１は、基準電圧より低いセンサ信号を０（基準電圧）として出力し、基準電圧より高い信号を反転させて出力する。次に、オペアンプ６２は、電圧比率２：１でオペアンプ６１からの信号と第２増幅回路１０からの出力電圧Ｖｏｕｔ２とを加算した後、反転増幅して出力している。この動作により、出力電圧Ｖｏｕｔ３は、基準電圧より低い負のセンサ出力を正に反転させたセンサ出力として生成される。

【0073】

判定回路１３は、コンパレータ６３を含む。判定回路１３は、出力電圧Ｖｏｕｔ３を所定の閾値電圧Ｖｔｈ３を比較し、出力電圧Ｖｏｕｔ３が閾値電圧Ｖｔｈ３以上でハイレベル、閾値電圧Ｖｔｈ３未満でローレベルの判定出力信号を出力する。

【0074】

調節回路１４は、可変抵抗器７４と抵抗７２，７３とにより電源電圧（Ｖ＋，Ｖ－）を分圧する分圧回路を含む。調節回路１４は、可変抵抗器７４と抵抗７２，７３とにより電源電圧（Ｖ＋，Ｖ－）を分圧することで、閾値電圧Ｖｔｈ３を調整することで、図１１で示すように、判定感度の電流検出装置１の個体差を補償する。

【0075】

図１１は、調節回路の動作例を示す模式図である。破線は理想的なセンサ出力の場合を表す。実線は、磁気コア３の磁気特性や信号処理で用いられている電子部品の精度などにより、センサ出力が理想的でない場合を表す。調節回路１４は、閾値電圧をＶｔｈ３'に調整することで、狙いの動作電流（Ｉｄ＋，Ｉｄ－）で判定回路１３の判定処理を実施させる。

【0076】

調節回路１４は、工場出荷時などにあらかじめ狙いの動作電流を流し、判定回路１３の出力をモニタしながら、電流検出無しの状態から徐々に電流検出ありと判定されるまで、閾値電圧Ｖｔｈ３を上げていく。

【0077】

なお、個体差によるセンサ出力感度の変動を補償する方法として、示した実施例のように閾値を調整する他に、増幅率を外部調整して補償する方法も考えられる。しかし、前述と同様に、オフセット誤差を補償する温度補償回路９及び調整回路１１の前段に、増幅率が変動する機構を配置することは望ましくない。そのような制約のもとで、簡素な回路でセンサ出力感度の変動を補償するためには、本開示の回路構成が望ましい。

【0078】

以上の構成により、動作電流の切り替えが容易で周囲温度に依存しない高精度で安価な直流検出可能な電流検出装置を実現することができる。調整回路１１の調整および調節回路１４の調節は、例えば、工場出荷時に行っておくだけでもよい。

【0079】

図１２は、電流検出装置を備える漏電遮断器の構成例を示す図である。漏電遮断器１００は、電流検出装置１と、遮断手段２００と、を備える。遮断手段２００は、例えば、漏洩電流等の被検出電流が電流検出装置１により検出された場合、電路１５を遮断する遮断機構である。遮断手段２００は、電流検出装置１からの判定出力信号に基づき、電路１５を遮断する。

【0080】

遮断手段２００は、例えば、電流検出装置１の電流検出回路６に接続され、判定出力信号に応じて、電路１５を遮断するよう動作するアクチュエータである。また、遮断手段２００は、電路１５を開閉する電磁接触器等を備えていてもよい。さらに、遮断手段２００は、半導体スイッチング素子を含む電子回路等であってもよい。ただし、遮断手段２００の構成は、これらに限定されない。

【0081】

図１３は、電流検出装置を備える漏電リレーの構成例を示す図である。漏電リレー３００は、電流検出装置１と、リレー３０１と、を備える。リレー３０１は、漏洩電流等の被検出電流が電流検出装置１により検出された場合、接点出力を行う。リレー３０１は、例えば、電流検出装置１からの判定出力信号に基づき、漏電リレー３００の外部に対して、接点出力を発する。漏電リレー３００の外部に設けられる遮断手段２００は、接点出力を受けた場合、電路を遮断する。

【0082】

図１４は、フィルタ回路７の構成例を示す図である。フィルタ回路７は、矩形波電圧Ｖａのデューティ比に応じた電圧としてフィルタ出力電圧Ｖｆを発生させる。図１４は、フィルタ回路７が、オペアンプ８５を用いたアクティブフィルタの場合を例示する。このアクティブフィルタは、抵抗８１，８２、コンデンサ８３，８４及びオペアンプ８５による非反転回路構成を有する、サレンキー型の二次ローパスフィルタである。フィルタ回路７は、この構成に限られるものではない。

【0083】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0084】

本実施形態において、コントローラ又は制御回路は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の電子回路である。コントローラ又は制御回路は、メモリ及びプロセッサを有するコンピュータでもよい。コントローラ又は制御回路は、メモリに格納された命令コード等のプログラムを実行することにより、または特殊用途向けに回路設計されることにより、本願明細書に記載の各種制御動作を実行してもよい。

【符号の説明】

【0085】

１ 電流検出装置
２ 導線
３ 磁気コア
４ 励磁コイル
５ 発振回路
６ 電流検出回路
７ フィルタ回路
８ 第１増幅回路
９ 温度補償回路
１０ 第２増幅回路
１１ 調整回路
１２ 絶対値回路
１３ 判定回路
１４ 調節回路
１５ 電路
４３ 切り替え回路
１００ 漏電遮断器
２００ 遮断手段
３００ 漏電リレー
３０１ リレー

【要約】

【課題】高精度に被検出電流を検出すること。
【解決手段】被検出電流が流れる導体を囲む磁気コアと、前記磁気コアに巻回される励磁コイルと、前記磁気コアを励磁することで矩形波電圧を発生させる発振回路と、前記矩形波電圧の変化に基づいて前記被検出電流を検出する電流検出回路と、前記発振回路又は前記電流検出回路のオフセット誤差を補償する補償回路と、を備える、電流検出装置。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】