JPS60173476A - ブリツジ形電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直流電流を測定するために単孔を有する磁性
材料の非線形特性とオペアンプの高ゲイン特性を利用し
て交流電圧を発生させるようにしたブリッジ形電流セン
サに関する。

従来からあるブリッジ回路は、交流ブリッジを構成する
４素子のうち、少なくとも１素子は、フィル中心部に磁
心を配置したインダクタンス素子で構成し、この磁心に
印加される磁界によってインダクタンス素子のインピー
ダンスを変化させ、磁気情報をブリッジの不平衡電圧振
１］値の変化として取り出すようにしたものである。

この種のブリッジ回路からは、測定磁界の強さを測定す
ることは、不平衡電圧振巾より実施できるが、測定磁界
の極性（印加方向）を測定することは、このままでは不
可能である。

１７かるに、本発明は、オペアンプの正負飽和電圧の出
力持続期間のチューティ比によってこれらの欠点を解決
するとともに有孔磁心を用いて、電流測定用電流センサ
に構成したブリッジ形電流センサに関するものである。

すなわち、高透磁率、低保磁力の特性を最大限に生かせ
る磁心の非線形磁気特性領域を動作領域とする自励ブリ
ッジ回路を磁気半導体結合方式によって構成し、オペア
ンプの出力端子の方形波出力電圧の正負半サイクル持続
期間を被測宇電流によって発生ずる磁界によって制御し
うるようにしたものである。

本発明の第１の特徴は、磁気半導体結合回路方式による
自励ブリッジ回路を構成し、磁心が最大磁束密度レベル
に達したことをコンテンサ端子電圧で検知してオペアン
プに入力し、ブリッジ内のオペアンプの正負飽和直流電
圧を直接、ブリッジ回路に印加して電流の強さと極性を
知ることができるようにした点である。

第２の特徴は、磁心として、高透磁率、低保磁力である
アモルファス磁性材料なとを使用することにより小さな
消費電力にて高感度電流測定を可能にしたことである。

第６の特徴は、磁気変調器やブリッジ回路にみられる交
流励磁電圧、倍周波信号のパワー・信号の送受方法は、
ＡＣ−ＡＣ伝送方式であったが、本発明では減衰の少な
いＤＣ−ＤＣ方式（直流伝送方式）に改良することによ
り、コード長か数１００ｍに及んでも高感度電流測定を
可能にしたことである。

第４の特徴は、ブリッジ回路及び磁気変調器の回路構成
における交流励磁電源、逓倍器、同調増巾器、同期整流
部などの主要基本構成回路を全く必要とせず、簡素化さ
れた磁気半導体結合回路によって電流の強さと極性を測
定しうるようにしたことである。

第５の特徴は、オペアンプの正負両極性直流安′定化電
源と表示回路部のアースをコモンアースにしたことによ
り回路構成を単純化したことである。

以下、図面において詳細に説明する。

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明に使用する単孔状の磁性
材料からなる単孔磁心１の材料構成例を示す。

（ａ）は打抜き、あるいは焼成、あるいは加工された磁
心、（１））はテープ状磁性体を巻いたもの、（Ｃ）は
リボン細線あるいは線材を巻いた磁心の例を示す。

いずれの形状、構成であっても本発明の目的は達成され
るので別にこれを限定しない。磁心１は、単孔であるが
、その形状も限定しない。また使用材料も、純鉄、硅素
鋼、パーマロイ、アモルファス、フェライト等これを限
定しない。スパッターなどの製造によって得られる薄膜
状のものを使用することも勿論可能である。

第２図は、本発明における電流センサの磁心に巻装され
る巻線の基本構成を示している。第２図（ａ）は本発明
の基本構成で、モールドなとて励磁巻線を固定した磁心
４は単孔磁心て、その外側には端子２ａ１２ｂの励磁巻
線２と、端子ろａＸ３ｂである入力回路の入力巻線６が
貫通されている。

入力巻線ろの巻線数は図では１ターンであるが一般には
、何ターンでもよい。コンデンサ５はオペアンプのスイ
ッチングタイミンク調整と磁心より発生する雑音成分を
吸収させる目的で伺加したもので、端子２ａ１２１）の
巻線端子に接続されている。第２図（１））、（ｃ）は
測定電流Ｉ　ｉ　ｎの一部をｔｉｔ孔内の入力巻線６に
、残りを用孔外の！ｉｉ−・あるいは複数本の導体ろＤ
に流すようにした入力回路の例を示す。この回路の特徴
は、電流をバイパスさせて、所定の′電流の大きさに分
流されたＩｅｘたはを測定することにより、小型の磁心
て大電流Ｔｉｎの測定を可能にすることである。すなわ
ち、この磁心を貫通する電流Ｔｅｘて作る磁界より換算
してＴｉｎを測定しうるようにしたものである。このよ
うな入力回路構成では、磁心より入力巻線に誘導する交
流分は、導体ろ０によってＣ−ｊ絡さねるため、電磁誘
導分を阻止するという大きな利点がある。

第６図は、本発明の動作原理を磁心４のＢ−Ｉｅｘ特性
を用いて説明するための図である。第６・図（ａ）は、
被測定電流Ｉｅｘが零（Ｉｅｘ　＝　０　）の時におけ
る磁心４のＢ　−Ｉｅｘ特性を示したものである。

磁心４にはヒステリシスが存在するため、励磁の１サイ
クルでは、図示されているように■→■→■→■→■の
経路をたどることになる。ここで、Ｉｅｘ　＝　０の状
態の時に、正の直流電圧を励磁巻線２に印加し、正の励
磁界によって磁心４を最大磁束密度ｉηまで励磁させる
と、図示の通りその磁束密度変化巾は△Ｂ１２となる。

そして、磁心４の磁束密度がＢｍに達すると同時に直流
電圧を零にすれば、磁心４に印加している磁界はなくな
るので磁束密度レベルは点■から点■のレベルに急速宋 で励磁させると、その磁束密度変化巾はΔＢ８５．とな
り、１△Ｂ、２１＝ｌ△Ｂ３．１　＋が成立することに
なる。ところが、第６図（ｂ）に示すごとく、正の被測
定電流ｐｅｘ（’）０）によって発生する磁界が磁心４
に印加している状態から、前述の励磁サイクルをくりか
えす場合を考えてみると、まず、正励磁界の印加時にお
ける磁束密度変化巾はΔＢ’ｘｔ、負励磁界の印加時で
はΔＢ’３４となり、ΔＢ′１．とΔＢ′３４の間には
、明らかに１ΔＢ’１ｔ　ｌ　＜　ｌ△Ｂ′３４１が成
立する。いいかえれば、励磁用の直流電圧が零状態から
、磁心４を正あるいは負の最大磁束密度レベルにまで励
磁するのに要する正励磁期間ｔＩ十と負励磁期間ｔ′−
の間に、ｔ／十〈ｔ／−の関係式が成立することになる
。

次に、第６図（Ｃ）に示すごとく、負の被測定電流１”
ｅｘ　（＜Ｏ）によって発生する磁界が磁心４に印加し
ている状態から前述の励磁サイクルをくり返すと、正励
磁時に△Ｂｕ１２、負励磁時にΔＢＩ′、、の磁束密度
変化がみられ、正励磁期間ｔ〃十と負励磁期間ｔ〃−の
間に、ｔ〃十〉ｔ〃−か成立することになる。そこで、
磁心４に前述の励磁サイクル時に印加する励磁直流電圧
値が磁心４の最大磁束密度レベルにおいても低下あるい
は変動しないように、第４図の電流検出回路に示すこと
く励磁巻線２と直列に可変抵抗６０を接続し、この可変
抵抗にょ毛 ってインピーダンス調整をすること芋できる。ま、た、
磁心４の磁束レベルが最大磁束密度レベル■あるいは■
に達すると同時に自動的に直流電圧Ｖｃ。

−Ｖｃの極性が切り換えられる場合を考えると、端子７
（または、端子８）における電圧波形ｅは、正負両極性
を有する方形波電圧波形として観測されることになる。

第５図は、このような仮定のもとに、■ｅｘ−０、■′
ｅＸ〉０、Ｉ〃ｅＸ〈０の各場合における端子７におけ
る電圧波形ｅを図示したものである。図かられかるよう
に、両極性方形波の正の半サイクル持続期間を十、ｔ′
士、ｔ〃十と、負の半サイクル持続期間を一１ｔ′−１
ｔ〃−は、被測定電流Ｉｅｘ　、　Ｉ’ｅｘ　、　Ｉ“
ｅｘによって制御されることかわかる。それ故、ｅを積
分し、その電圧積分値Ｅｏ、Ｅ′０、Ｅ″０の符号と電
圧値から被測定電流Ｉｅｘの極性と強さに対応させて換
算表示することにより、電流測定を可能にすることがで
きることがわかる。

第６図は、本発明の動作原理を自動的に遂行するための
全体回路図である。機能的には、電流感応部１００１表
示回路部２００、直流安定化電源部２５０から成立する
。

まず、電流感応部１００のブリッジ回路を構成する４個
の素子として、−辺にはコンデンサ６ならびに励磁巻線
２およびコンデンサ５が存在し、他辺には可変抵抗１１
ならびに可変抵抗１０が存在する。また、ブリッジ各辺
の両端の一端はオペアンプＯＰ、の出力端子７に、他端
はアースＧに接続されている。打消巻線ろ００は、磁心
４に印加する被測定電流Ｉｅｘによって発生する磁界を
打消す方向に磁界を発生させるもので、これは表示回路
部２００から出力される打消し電流が端子６００ａに入
力されることにより実行される。このフィードバック系
は、電流感応部の回路系を安定化させるためと、被測定
電流に対する出力電圧の関係を表わす入出力特性の直線
性改善をねらうことを目的としたもので実用的には非常
に有用である。

たたし、この打消巻線６００を省略しても本発明の目的
は変わるものではない。オペアンプＯｆ）、の各入力端
子への入力は、反転端子Ｎには励磁巻線２の端子２ｂが
結点Ａを介してｅ入力され、非反転端子Ｐには可変抵抗
１０．１１の結点Ｂを・介して結点Ｂにおける電圧が入
力されている。オペアンプＯＰ、の動作は、Ｐ、、Ｎ端
子間における入力電圧差ｅＢ−ｅＡを増巾する増巾器と
して動作しているのではなく、入力電圧差ｅＢ−ｅＡが
正かあるいは負であるかを識別し、それぞれに対応して
正あるいは負の飽和直流電圧を出力する符号識別器とし
て機能させているのである。コンデンサ５は、磁心４で
発生する雑音成分を吸収させるとともに、急速な磁束変
化、たとえばブリッジ印加電圧の正負切換えによって発
生する磁束フライノ＜・ンク現象による影響を抑制する
ことによって自励動作を安定化させる機能を有している
ので、挿入することが望ましい。コンデンサ６は磁心４
の磁束密度レベルに応した電圧、即ち磁心４の磁束密度
レベルの絶対値が大きくなるにつれ、コンデンサの端子
電圧の絶対値も大きくなるような電圧を」ぺアンプＯＰ
、に入力する機能をする。別の表現をすれば、磁心４が
最大飽和磁束レベルに達したという確認信号をオペアン
プに入力する役割を果たすのである。

それ故、磁心４に巻装された入力巻線６に被測定電流１
ｅｘ、　Ｉ’ｅｘ　（）　［］　）、Ｉ／／ｅｘ　（（
０）が人力された状態で前述の動作をさせると、オペア
ンプＯＰ、の出力端子では第５図に示されているような
方形波電圧波形が観測されることも容易に理解できる。

たたし、正諦を期すならば、第５図の±Ｖｃを±Ｖｓ　
に置き換えて読み取れば十分である。

２００は表示回路部で、電流感応部１００の出力型１五
を積分増［ＩＪするオペアンプＯＰ２と、これに接続さ
れた積分用のコンデンサ１２と、抵抗１３．１４．１６
．１８およびチョークコイル１７、指示剣１９から構成
されている。

オペアンプＯＰ２の出力端子１５では、被測定電流の極
性」−５−とその大きさにそれぞれ対応する正あるいは
負の直流電圧値１ル０か観測される。

チョークフィル１７は、磁心４に印加している被４１（
１定電流によって発生する磁界を打消す方向に電流を流
す時に、電流感応部１００からの交流成分が表示回路部
に影響を与えないようにする目的と、打消巻線に誘導す
る誘起電圧によって流れる・誘導電流を阻止して、自励
動作を安定化させるために挿入されている。このチョー
クコイル１７を抵抗によって代行させることも可能であ
る。２５０は直流安定化電源部であり、オペアンプＯＰ
、、ＯＦ２を駆動するためのものである。電流感応部１
００と表示回路部との伝送は直流分だけで目的が達成さ
れる本発明では、電流感応部１００と直流安定化電源部
２５０との伝送も直流分であることから、パワーの送受
、信号の送受は完全なりＣ−ＤＣ方式になっている。そ
れ故、たとえば測定室には直流安定化電源部２５０と表
示回路部２００を設置し、数１００ｍはなれたところの
取り付けられた電流感応部１００が感応する電流変化を
測定室においてモニターすることが可能になるのである
。

出力電圧のデユーティ比あるいは直流電圧レベルを調整
するために、コイル３００のｉ子３００ａをチョークコ
イル１７より切りはなし、駆動電源の＋Ｖｃと−Ｖｃ端
子間に可変抵抗を挿入し、そのもよい。また、図　アン
プＯＰ、の後に、電圧ＥＯを入力信号とするコンパレー
タを接続し、あらかじめ設定された基準電圧値に対して
入力信号レベルをチェックし、−これをハイレベルある
いはローレベルの信号′電圧に変換して出力することも
できる。ここで使用するコンパレータは、公知のコンパ
レータ（ウィンドコンパレータを含む）で十分でそれぞ
れの用途に応しその特性を生かして使用するだけで十分
である。そしてフンパレータの出力に応じて、たとえば
警報音を発生させるリレーを動作させたり、ＬＥＤを表
示させることもできる。

第７図はその応用例である。まず第７図（ａ）は電磁リ
レーにおけるメイク状態（ＯＮ）で、確実に電流が流れ
ていることを検出するために使用する例を示す。電流セ
ンサ全体１０００を電磁リレーの場合、単電源（たとえ
ば２４■）での使用も可能で、第６図におけるアースＧ
を、単電源の２分、の１の電圧レベルに引き上げるよう
にＩ　Ｃ，あるいは材抵抗等による分圧回路を用いて中
間電位点を作れば簡単に実現できることは自明である。

第７図（ｂ）はランプなどの断線状況を知るための応用
例である。自動車における各種ランプＬの点灯状況は、
運転席から直接チェッつてきないところもある。そこで
、運転席に薔報うンプ付の電流センサ１　ｏｏｏを配置
しておけばランプの点灯状態を確認することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用する単孔状の磁性材料からなる
単孔磁心１の材料構成例を示す図、第２図は、本発明に
おける電流センサの磁心に巻装される巻線の基本構成を
示す図、 第６図は、本発明の動作原理を磁心４のＢ−Ｉｅｘ特性
を用いて説明するための図、 第４図は、電流検出回路を示す図、 第５図は、第４図の端子７における電圧波形ｅを示す図
、 第６図は、本発明の動作原理を自動的に遂行するだめの
全体回路図、 第７図は、応用例を示す図である。 図中、１は磁心、２は励磁巻線、６は入力巻線、２ａ、
２ｂ＋　ろａ、ろｂは端子、４は巻線を固定した磁心、
５，６はコンデンサ、１７はチョー＃コイル、１９は指
示釦、３０は単孔外の導体、電シ芳ｂ １００は≠＃感応部、２００は表示回路部、２５０は直
流安定化電源部、ろ００は打消巻線、１０００は電流セ
ンサ、Ａ、Ｂは細点、Ｇはアース、ＯＰｌ。 ＯＦ２はオペアンプ、Ｐは非反転端子、Ｎは反転端子で
ある。 代理人　弁理士　秋　沢　政　先 細２名 井３図 （Ｑ） ０ （ｃ） ７１′４図 井５Ｍ ！ 一」 ７′１′７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１＋　被測定電流によって発生する磁界を有孔磁性材
   料の孔部周囲の磁路方向に沿って集磁させる単孔磁心と
   、 被測定電流が該単孔磁心の孔部を貫通する人力巻線に流
   れるようにした入力回路と、第１素子を該単孔磁心に巻
   装された動感巻線とし、第２素子をコンデンサとし、第
   ろ素子、第４素子を抵抗によって構成したブリッジ回路
   と１ 前記ブリッジ回路の中間点におけるブリッジ不平衡電圧
   の符号に７を応する正あるいは負の飽和直流電圧を該ブ
   リッジ回路の端子間に印加するオペアンプと によって構成したことを特徴とするブリッジ形電流セン
   サ。 （２）　被測定電流の全体が該単孔磁心の孔部を貫通す
   る入力巻線に流れるように入力回路が構成されている特
   許請求の範囲第１項記載のブリッジ形電流センサ。 （３）被測定電流の一部が該単孔磁心の孔部を貫通する
   入力巻線に流れるように入力回路が構成されている特許
   請求の範囲第１項記載のブリッジ形電流センサ。