JPH10332745A - 電流センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電気自動車等におけるバッテリーの充・放電
量の管理用センサーとして有効であり、小電流から大電
流までの広範囲の直流電流の測定が可能であるととも
に、被検出導線中を流れる交流電流をも重畳した状態で
測定できる電流センサー。 【解決手段】 環状軟質磁性材料からなる直流成分検出
コア１ａ，１ｂに、励磁コイル２ａ，２ｂを巻回配置
し、この一対の直流成分検出コアにまたがって直流成分
検出コイル３を巻回配置し、環状軟質磁性材料からなる
交流成分検出コア４を並列させて前記一対の直流成分検
出コア１ａ，１ｂと該交流成分検出コア４とにまたがっ
てフィードバックコイル５が巻回配置され、直流成分検
出コア１ａ，１ｂと交流成分検出コア４の内側に被検出
導線１０を貫通配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被検出導線中に
直流電流及び交流電流が共に流れるような場合におい
て、それらの電流が重畳された状態での出力特性を測定
する必要がある用途、例えば、電気自動車におけるバッ
テリーの充電量、放電量の管理用センサーとして有効で
あり、しかも、比較的小電流から大電流までの広範囲の
電流測定が可能な電流センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、電気自動車におけるバッテリーの
充・放電量の管理用センサーなどでは、被検出導線中を
流れる電流の状態をそのまま検出することが要求され、
すなわち、一つの被検出導線中に直流電流及び交流電流
が共に流れるような場合に、それらの電流が重畳された
状態での出力特性（時間当たりの電流量）を測定するこ
とが要求されている。

【０００３】従来から、被検出導線中を流れる直流電流
または交流電流を単独で測定するセンサーは種々提案さ
れており、本願出願人も、構造が比較的簡単であり、微
小な電流から比較的大きな電流までの電流変化（例え
ば、０．２Ａ〜２０Ａ程度）に対して直線性に優れた検
出能力を有する高感度の直流電流センサーを提案した
（特開平７−１２８３７３号）。

【０００４】この直流電流センサーは、環状の軟質磁性
材料からなるコアに、励磁コイル及び検出コイルをトロ
イダル状に巻回配置した最も簡単な構成において、励磁
コイルにコアの保磁力を超える磁場を発生させる三角波
状の励磁電流を流した時、コア内の磁束の向きが反転す
ることに着目し、この反転のタイミングを検出コイルに
発生するパルス状の電圧にて検出し、コア内に貫通配置
される被検出導線に流れる直流電流の絶対値の変化に対
応するこれらのパルス間隔を比較測定することにより、
該被検出導線に流れる直流電流の絶対値を検出する構成
からなるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本願出願人が先に提案
した上記の構成からなる直流電流センサーは、構造が比
較的簡単であり、比較的広範囲の電流変化に対しても直
線性に優れた検出能力を有する構造であるが、電気自動
車におけるバッテリーの充・放電量の管理用センサー等
では、バッテリー充電時の小電流から走行時の大電流ま
での非常に広い範囲（±４００Ａ程度）を精度良く測定
することが要求される。

【０００６】しかし、三角波状の励磁電流によって発生
するコア内の磁場と被検出導線に流れる直流電流によっ
て発生するコア内の磁場とが重畳され、これらの磁場に
よってコア内が飽和すると、コア内での磁場変化がなく
なり、結果として飽和している時間域では出力パルスが
得られず、三角波の山側又は谷側で発生するパルス間隔
の一方が非常に小さくなり、高感度の測定が困難とな
る。本願出願人の実験によれば、被検出導線に流れる直
流電流が２０Ａ程度を超えると、前記一方のパルス間隔
が実質的に零となり、目的とする電流測定の実現が困難
となっていた。

【０００７】この発明は、上記のような現状に鑑み提案
するもので、先に本願出願人が提案した構成からなる直
流電流センサーが有する本来的な長所を損なうことな
く、特に、電気自動車等におけるバッテリーの充・放電
量の管理用センサーとして有効であり、小電流から大電
流までの広範囲の直流電流の測定が可能であるととも
に、被検出導線中を流れる交流電流をも重畳した状態で
測定可能とする電流センサーの提案を目的とするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記の目的を
達成するために種々の構成を検討した結果、先に本願出
願人が提案した構成からなる直流電流センサーと基本的
な構成が同様である一対の直流電流センサーを効果的に
配置するとともに、フィードバックコイルを用いること
で、広範囲でも安定した直流電流の測定が可能となり、
さらに、交流電流センサーとしても環状軟質磁性材料を
用いた最も簡単な構成を採用することで、予想以上の効
果が得られることを確認した。

【０００９】すなわち、この発明は、励磁コイルをトロ
イダル状に巻回配置する一対の環状軟質磁性材料からな
る直流成分検出コアと、該一対の直流成分検出コアにま
たがって巻回配置する直流成分検出コイルと、環状軟質
磁性材料からなる交流成分検出コアと、前記一対の直流
成分検出コアと交流成分検出コアとにまたがって巻回配
置するフィードバックコイルとを有し、前記直流成分検
出コアと交流成分検出コアの内側に直流及び交流電流が
流れる被検出導線を貫通配置するとともに、前記一対の
直流成分検出コアに巻回配置する各々の励磁コイルを電
磁気的に逆相になるように接続し、各々の直流成分検出
コア内に該コアの保磁力を超える磁場を発生させる三角
波状の励磁電流を流すことによって発生する磁束と被検
出導線を流れる直流電流によって発生する磁束とに基づ
く直流成分検出コイルの出力を実質的に零とするフィー
ドバックコイルへの印加電流を測定するとともに、被検
出導線を流れる交流電流によって環状軟質磁性材料内に
発生する磁束に基づきフィードバックコイルに発生する
交流電流を測定することによって、被検出導線を流れる
直流及び交流電流を測定することを特徴とする電流セン
サーである。

【００１０】さらに、上記の構成において、環状軟質磁
性材料からなる交流成分検出コアが、一対の環状軟質磁
性材料からなる直流成分検出コアを介して、該直流成分
検出コアの両端側に一対配置した構成からなることを特
徴とする電流センサーを併せて提案する。

【００１１】また、より好ましい構成として、励磁コイ
ルをトロイダル状に巻回配置する一対の環状軟質磁性材
料からなる直流成分検出コアと、該一対の直流成分検出
コアにまたがって巻回配置する直流成分検出コイルとを
シールドケース内に配置した構成からなることを特徴と
する電流センサーをも併せて提案する。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明の電流センサーにおい
て、一対の環状軟質磁性材料からなる直流成分検出コア
は、図示のような所謂リング状になっていることに限定
されるものではなく、その内側に直流電流及び交流電流
が流れる被検出導線を貫通配置でき、該軟質磁性材料が
電磁気的に閉回路を構成できるように接続されていれば
よく、加工性や励磁コイル等のコイル巻線の作業性等を
考慮して矩形枠状等を採用することもできる。

【００１３】直流成分検出コアを構成する軟質磁性材料
は、基本的に透磁率が高く保磁力が小さな材料が好まし
く、要求される検出感度に応じた磁気特性や、加工性等
を考慮して選定することが必要であり、Ｎｉ−Ｆｅ系合
金（パーマロイ）、ケイ素鋼鈑、アモルファス、電磁軟
鉄等の公知の軟質磁性合金材料の使用が好ましい。な
お、一対の直流成分検出コアは、高精度の測定を実現す
るには同一磁気特性、すなわち、同一材質、形状、寸法
を有する必要がある。

【００１４】環状軟質磁性材料からなる交流成分検出コ
アは、交流磁気特性が良好な材料を選定することが望ま
しく、Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系ソ
フトフェライト、上記軟質磁性合金材料の積層体を用い
ることが望ましい。また、直流成分検出コアに巻回され
る各々励磁コイルの超磁力（アンペア・ターン）は、高
精度の測定を実現するには同一とする必要がある。

【００１５】この発明の電流センサーの作動原理を、図
１及び図２に基づいて説明する。図１において、１ａ，
１ｂはＮｉ−Ｆｅ系合金等の軟質磁性合金材料からなる
直流成分検出コアであり、２ａ，２ｂは各々直流成分検
出コア１ａ，１ｂに巻回配置される励磁コイルである。
なお、励磁コイル２ａ，２ｂは後述するようにして、各
々が電磁気的に逆相になるように接続される。３は、上
記一対の直流成分検出コアにまたがって巻回配置する直
流成分検出コイルである。

【００１６】さらに、図１において、４は環状軟質磁性
材料からなる交流成分検出コアであり、前記一対の直流
成分検出コア１ａ，１ｂと該交流成分検出コア４とにま
たがってフィードバックコイル５が巻回配置されてい
る。このように構成した後、前記直流成分検出コア１
ａ，１ｂと交流成分検出コア４の内側に直流及び交流電
流が流れる被検出導線１０を貫通配置する。

【００１７】このような構成において、被検出導線１０
を流れる直流電流Ｉを測定する動作原理を説明する。例
えば、被検出導線１０に直流電流Ｉが流れていない状態
にて、直流成分検出コア１ａに巻回配置される励磁コイ
ル２ａに、直流成分検出コア１ａの保磁力を超える磁場
を発生させる三角波状の励磁電流を流すと、直流成分検
出コア１ａ内には図２Ａの実線にて示す磁束が発生し、
その磁束変化に基づき直流成分検出コイル３に図２Ｂの
実線にて示す波形の出力が検出される。すなわち、出力
波形の幅寸法が同一となる（ｂ₁＝ｂ₂）。

【００１８】ここで、被検出導線１０に直流電流Ｉが流
れると、直流成分検出コア１ａ内において、該直流電流
Ｉによって発生する磁場と前記励磁コイル２ａに印加さ
れる三角波状の励磁電流によって発生する磁場が重畳さ
れて一点鎖線位置までシフトし、図２Ａの破線にて示す
磁束が発生し、その磁束変化に基づき直流成分検出コイ
ル３に図２Ｃの破線にて示す波形の出力が検出される。
すなわち、幅寸法が＋側と−側とで異なる出力波形とな
る（ｃ₁＜ｃ₂）。

【００１９】この出力波形に基づき＋側の出力波形と−
側の出力波形を積分・演算することにより、被検出導線
１０を流れる直流電流Ｉの向き（極性）とともに、電流
量を求めることができる。

【００２０】直流成分検出コア１ｂ、励磁コイル２ｂの
組み合わせにおいても、上記と同様な測定ができる。被
検出導線１０に流れる電流を高感度に測定するために
は、予め増幅度（ゲイン）を大きくしておく必要がある
が、これらを単独で用いると絶えず励磁コイル２ａまた
は２ｂからの励磁電流に基づく出力波形が検出コイル３
に出力されるため、その出力だけで飽和してしまい、増
幅度を大きくすることができない。

【００２１】本願出願人は、上記の問題を、これら各々
の励磁コイル２ａ，２ｂを電磁気的に逆相になるように
接続することで解消できることを確認した。すなわち、
検出導線１０に流れる電流が零の時には出力信号を零と
することによって、増幅度を大きくすることが可能とな
るのである。なお、励磁コイル２ａ，２ｂの巻き線方向
を互いに反対方向にするか、印加する三角波状の励磁電
流を逆相とする等の手段が採用できる。従って、被検出
導線１０に直流電流Ｉが流れていない状態では、図２Ｂ
における＋側、−側に全く反対の出力波形が出力される
こととなり、これらを合わせると実質的に検出コイルか
らの出力は零となる。

【００２２】さらに、直流成分検出コア１ｂと励磁コイ
ル２ｂについて説明すると、上記の被検出導線１０に直
流電流Ｉが流れている状態にて励磁コイル２ｂを励磁コ
イル２ａに対して電磁気的に逆相になるように接続する
と、直流成分検出コア１ｂ内に図２Ａの二点鎖線にて示
す磁束が発生し、その磁束変化に基づき直流成分検出コ
イル３に図２Ｄの２点鎖線にて示す波形の出力が検出さ
れる。すなわち、幅寸法が＋側と−側とで異なる出力波
形となる（ｄ₁＜ｄ₂ ただし、ｃ₁＝ｄ₁、ｃ₂＝ｄ₂）。

【００２３】従って、直流成分検出コイル３には、図２
Ｃの破線にて示す波形の出力と図２Ｄの２点鎖線にて示
す波形の出力との和が出力されることとなり、結果とし
て、図２Ｅの実線にて示す波形の出力が得られる。この
出力波形が＋側にあるか−側にあるかによって被検出導
線１０を流れる直流電流Ｉの向き（極性）が確認でき、
この出力波形の面積を求める、すなわち電気的に積分す
ることで被検出導線１０を流れる直流電流Ｉの電流量が
確認できる。

【００２４】しかし、被検出導線１０を流れる直流電流
Ｉの絶対値が大きくなると、従来例でも説明したよう
に、三角波状の励磁電流によって発生するコア内の磁場
と被検出導線に流れる直流電流によって発生するコア内
の磁場とが重畳され、これらの磁場によってコア内が飽
和し、コア内での磁場変化がなくなり、結果として上記
のような出力波形を得ることができず、目的とする測定
が困難となる。

【００２５】本願出願人は、さらに、上記の構成にて、
検出コイル３にて検出される出力が零になるまで、すな
わち、被検出導線１０を流れる直流電流Ｉに基づき直流
成分検出コア１ａ，１ｂ内に発生する磁束が零になるま
で該磁束を打ち消す方向の磁束を発生するようフィード
バックコイル５に所定の直流電流ｉを流し、その電流値
を測定することで、結果として被検出導線１０を流れる
直流電流Ｉの絶対値を知ることができる（ｉ＝Ｉ／Ｎｆ
Ｎｆ：フィードバックコイル５の卷数）ことを確認し
た。

【００２６】上記のフィードバックコイル５を用いるこ
とによって、直流成分検出コア１ａ，１ｂ内に発生する
磁束が実質的に零の状態で測定を実施することから、直
流成分検出コア１ａ，１ｂの磁気的特性の最も安定した
領域を用いることとなり、小電流から大電流までの広範
囲において直線性に優れた測定を実現できることとな
る。

【００２７】以上に説明した被検出導線１０を流れる直
流電流Ｉを測定している際にも、被検出導線１０には交
流電流が流れている。しかし、交流電流が流れていても
該交流電流によって発生する各々の直流成分検出コア１
ａ、直流成分検出コア１ｂ、交流成分検出コア４内の磁
束に基づいてフィードバックコイル５に起電力が発生
し、所定の電流が流れる。該電流は前記各々の直流成分
検出コア１ａ、直流成分検出コア１ｂ、交流成分検出コ
ア４内の磁束を打ち消す方向の磁束を発生するため、実
質的に各々コア内の磁束はキャンセルされ、上記の直流
電流Ｉの測定に影響を及ぼさない。ただし、このような
作用効果を得るためには通常数１０００ターン以上のフ
ィードバックコイル５を巻回するのが望ましい。

【００２８】また、被検出導線１０を流れる交流電流に
ついては、該交流電流によって環状軟質磁性材料内に発
生する（交番）磁束に基づきフィードバックコイル５に
発生する交流電流を測定することによって電流波形を求
めることができる。

【００２９】なお、フィードバックコイル５は先に説明
したように、被検出導線１０を流れる直流電流Ｉを測定
するために、所定の直流電流（帰還電流）を流しなが
ら、上記の交流電流の測定をも実施することとなるが、
直流電流Ｉ自体は帰還電流の値から求め、該帰還電流は
交流電流に対して零点をシフトするだけであり、交流電
流の電流波形を測定するには、なんら影響を及ぼさな
い。従って、フィードバックコイル５の出力波形を観察
することによって、被検出導線１０を流れる直流電流と
ともに交流電流とが重畳された状態での諸特性を測定す
ることが可能となる。

【００３０】図１においては、環状軟質磁性材料からな
る交流成分検出コア４が、一対の環状軟質磁性材料から
なる直流成分検出コア１ａ，１ｂの一方端側にのみ配置
した構成を示したが、特に、一対の環状軟質磁性材料か
らなる直流成分検出コア１ａ，１ｂを介して、該直流成
分検出コア４の両端側に一対配置することによって、こ
れらのコア内を貫通する被検出導線１０とフィードバッ
クコイル５とが平行に配置されていない場合に発生する
磁束の不平衡による誤差を低減でき一層、安定した測定
を実現することができる。

【００３１】また、環状軟質磁性材料からなる交流成分
検出コア４の配置は、被検出導線１０を流れる交流電流
の測定を可能とするだけでなく、いわゆる該コア４が電
流トランス（ＣＴ）と同様な機能を有することとなり、
周波数特性を改善し、電流センサー全体としての応答速
度を向上することにも寄与する。

【００３２】さらに、上記の構成において励磁コイル２
ａ，２ｂをトロイダル状に巻回配置する一対の環状軟質
磁性材料からなる直流成分検出コア１ａ，１ｂと、該一
対の直流成分検出コア１ａ，１ｂにまたがって巻回配置
する直流成分検出コイル３とをシールドケース内に配置
することによって、フィードバックコイル５によって発
生する本来の被検出導線１０を流れる直流電流Ｉに基づ
き直流成分検出コア１ａ，１ｂ内に発生する磁場を打ち
消す磁場以外の磁場による影響を低減することができ、
高精度の測定を実現するのに好ましい構成となる。

【００３３】

【実施例】この発明の効果を確認するために、図１に示
す電流センサーを作成した。直流成分検出コア１ａ，１
ｂは、それぞれ厚さ０．３５ｍｍのパーマロイＣ（７８
％Ｎｉ−５％Ｍｏ−４％Ｃｕ−ｂａｌＦｅ）を外径４５
ｍｍ、内径３３ｍｍに打ち抜き、所定の熱処理を施し
た。

【００３４】さらに、これらの直流成分検出コア１ａ，
１ｂに電気的な絶縁を確保して、励磁コイル２ａ，２
ｂ、検出コイル３を巻回配置した。さらに、外径４５ｍ
ｍ、内径３３ｍｍ、厚さ５ｍｍからなるＭｎ−Ｚｎ系ソ
フトフェライトの交流成分検出コア４を直流成分検出コ
ア１ａ，１ｂとの電気的な絶縁を確保して一方端側に配
置した後、図示のように直流成分検出コア１ａ，１ｂ及
び交流成分検出コアをまたがるようにしてフィードバッ
クコイル５を巻回配置した。

【００３５】なお、励磁コイル２ａ，２ｂは、それぞれ
外径０．１２ｍｍのホルマル線１０００ターン巻回し、
検出コイル３は外径０．１２ｍｍのホルマル線を１００
０ターン巻回し、フィードバックコイル５は外径３．０
ｍｍのホルマル線を４０００ターン巻回した構成からな
る。

【００３６】直流成分検出コア１ａ，１ｂ及び交流成分
検出コア４の内側に外径１６ｍｍのビニル被覆からなる
被検出導線１０を貫通配置するとともに、先に直流成分
検出コア１ａ，１ｂに独立して巻回配置した励磁コイル
２ａ，２ｂを所定の方法にて電磁気的に逆相になるよう
に接続し、これらの励磁コイル、検出コイル、及びフィ
ードバックコイルを所定の電子回路を接続して、本発明
の電流センサーを完成した。なお、励磁コイル２ａ，２
ｂに印加する三角波状の励磁電流はｆ＝４ｋＨｚ、Ｉｐ
＝±１５ｍＡとした。

【００３７】ここで、被検出導線１０に±４００Ａの範
囲で直流電流を流した場合の、この発明の電流センサー
における入・出力特性を図３に示す。図３より広範囲で
リニアの特性が得られることが確認できた。

【００３８】図４は、被検出導線１０に所定交流電流
を、５００ｍＡｒｍｓ、１Ａｒｍｓ、５Ａｒｍｓ、１０
Ａｒｍｓ、２０Ａｒｍｓ流した時の、この発明の電流セ
ンサーにおける周波数特性を示すものであり、図中、ａ
は５００ｍＡｒｍｓ、ｂは１Ａｒｍｓ、ｃは５Ａｒｍ
ｓ、ｄは１０Ａｒｍｓ、ｅは２０Ａｒｍｓを示す。図４
より、周波数の変動によっても出力変動が少ないことが
確認できた。

【００３９】図５Ｂは、被検出導線１０に所定の周波数
からなる矩形状（１ｋＨｚ、１Ａｐ−ｐ）を流した時の
フィードバックコイル出力端の電圧を示す。図５より被
検出導線に流した電流と同一の変化がフィードバックコ
イル出力電圧として表れていることが確認できた。従っ
て、被検出導線の流れる電流に応じて同様な出力が追従
性良く表れることが明らかとなった。

【００４０】

【発明の効果】以上に示すように、この発明の電流セン
サーにおいては、本願出願人が先に提案した構成からな
る直流電流センサーとともに、交流成分検出コア、フィ
ードバックコイルを効果的に配置することによって、構
造が比較的簡単であり、広範囲の電流変化に対しても直
線性に優れた検出能力を有する、すなわち、±０．１Ａ
〜４００Ａ程度の範囲までを測定可能とした構造であ
り、電気自動車におけるバッテリーの充・放電量の管理
用センサー等に有効な電流センサーの提供を実現するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の直流電流センサーの構成を示す斜視
説明図である。

【図２】Ａは直流成分検出コア内に発生する磁束を示す
グラフ、Ｂ，Ｃ，Ｄは直流成分検出コイルに発生する出
力を示すグラフ、ＥはＣとＤと合算した直流成分検出コ
イルに得られる出力を示すグラフである。

【図３】被測定電流と出力電流との関係を示すグラフで
ある。

【図４】被測定電流の周波数と出力変動との関係を示す
グラフであり、ａは５００ｍＡｒｍｓ、ｂは１Ａｒｍ
ｓ、ｃは５Ａｒｍｓ、ｄは１０Ａｒｍｓ、ｅは２０Ａｒ
ｍｓの場合を示す

【図５】Ａは被検出導線に流れる貫通電流の応答波形、
Ｂはフィードバックコイルの出力電圧の応答波形を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 直流成分検出コア ２ａ，２ｂ 励磁コイル ３ 直流成分検出コイル ４ 交流成分検出コア ５ フィードバックコイル １０ 被検出導線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁コイルをトロイダル状に巻回配置す
   る一対の環状軟質磁性材料からなる直流成分検出コア
   と、該一対の直流成分検出コアにまたがって巻回配置す
   る直流成分検出コイルと、環状軟質磁性材料からなる交
   流成分検出コアと、前記一対の直流成分検出コアと交流
   成分検出コアとにまたがって巻回配置するフィードバッ
   クコイルとを有し、前記直流成分検出コアと交流成分検
   出コアの内側に直流及び交流電流が流れる被検出導線を
   貫通配置するとともに、前記一対の直流成分検出コアに
   巻回配置する各々の励磁コイルを電磁気的に逆相になる
   ように接続し、各々の直流成分検出コア内に該コアの保
   磁力を超える磁場を発生させる三角波状の励磁電流を流
   すことによって発生する磁束と被検出導線を流れる直流
   電流によって発生する磁束とに基づく直流成分検出コイ
   ルの出力を実質的に零とするフィードバックコイルへの
   印加電流を測定するとともに、被検出導線を流れる交流
   電流によって環状軟質磁性材料内に発生する磁束に基づ
   きフィードバックコイルに発生する交流電流を測定する
   ことによって、被検出導線を流れる直流及び交流電流を
   測定することを特徴とする電流センサー。
2. 【請求項２】 請求項１において、環状軟質磁性材料か
   らなる交流成分検出コアが、一対の環状軟質磁性材料か
   らなる直流成分検出コアを介して、該直流成分検出コア
   の両端側に一対配置した構成からなることを特徴とする
   電流センサー。
3. 【請求項３】 請求項１において、励磁コイルをトロイ
   ダル状に巻回配置する一対の環状軟質磁性材料からなる
   直流成分検出コアと、該一対の直流成分検出コアにまた
   がって巻回配置する直流成分検出コイルとをシールドケ
   ース内に配置した構成からなることを特徴とする電流セ
   ンサー。