JP2008164449A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械や、ハイブリッドカー、EV車(電気自動車)等に使用される「電流値測定用の電流センサ」に係り、特に「被測定電流が流れる検出抵抗」と「測定結果の処理回路部」とを「磁気カプラ」により、電気的に絶縁した電流センサに関する。 The present invention relates to a “current sensor for current value measurement” used for machine tools, hybrid cars, EV cars (electric cars), etc., and in particular, “detection resistance through which current to be measured flows” and “processing of measurement results”. The present invention relates to a current sensor in which a “circuit portion” is electrically insulated by a “magnetic coupler”.
電流値の測定方法として、被測定電流が流れる電路に検出抵抗器を挿入し、その両端の電圧を測定し、検出抵抗器の既知の抵抗値からオームの法則により被測定電流を測定するのが一般的であるが、
(1)例えば、ノイズ環境が非常に悪い工場等(例:ロボットが車を組み立てるライン等)においては、検出抵抗器の抵抗値を100μΩとし、被測定電流が200A時、両端電圧は20mVの微小電圧しか発生せず、小電流では数mVの信号しか発生しないため、外部からのノイズの影響で「測定結果の処理回路部」にもノイズが混入し、S/N比が悪化し、測定結果の誤差が大きくなるため、被測定電流側と「測定結果の処理回路部」とを電気的に絶縁し、ノイズの影響を極力取り除いて測定誤差を小さくする必要がある。
(2)例えば、ハイブリッドカーやEV車においては、モーター駆動に大電力を要するため、なるべく小電流にして電線の熱損失を減少させる目的で、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池の動作電圧をHV(High-Voltage;200V〜400V程度の高電圧)にして使用するが、ECU側(マイクロプロセッサ、A−Dコンバータやその他のロジック系ICで構成される)は5V系のLV(Low-Voltage;低電圧)を使用するため、部品の破壊防止と感電防止の理由により、前記HVブロックとLVブロックは、必ず絶縁する必要がある。
As a method of measuring the current value, a detection resistor is inserted into the circuit through which the current to be measured flows, the voltage at both ends thereof is measured, and the current to be measured is measured by Ohm's law from the known resistance value of the detection resistor. Generally,
(1) For example, in a factory where the noise environment is very bad (eg, a line where a robot assembles a car), the resistance value of the detection resistor is 100 μΩ, the measured current is 200 A, and the voltage at both ends is 20 mV. Since only a voltage is generated and only a signal of several mV is generated with a small current, noise is also mixed into the “measurement result processing circuit section” due to the influence of external noise, and the S / N ratio is deteriorated. Therefore, it is necessary to electrically insulate the measured current side from the “measurement result processing circuit unit” to eliminate the influence of noise as much as possible to reduce the measurement error.
(2) For example, in hybrid cars and EV cars, a large amount of electric power is required to drive the motor. Therefore, the operating voltage of a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery is reduced to HV ( High-Voltage: High voltage of about 200V to 400V is used, but the ECU side (consisting of a microprocessor, AD converter and other logic ICs) is a 5V LV (Low-Voltage). Therefore, the HV block and the LV block must be insulated from each other for the purpose of preventing damage to parts and preventing electric shock.
上記(1),(2)の例に示すように、「被測定電流が流れる検出抵抗器」と「測定結果の処理回路部」とを電気的に絶縁した構造の電流センサが求められている。 As shown in the above examples (1) and (2), there is a need for a current sensor having a structure in which the “detection resistor through which the current to be measured flows” and the “processing circuit section of the measurement result” are electrically insulated. .
従来技術としては、下記特許文献1の「電気量検出センサ」がある。
As a prior art, there is an “electric quantity detection sensor” disclosed in
前記特許文献1の問題点として下記の点が挙げられる。
(1)測定電流値、即ち検出抵抗器両端に発生するアナログ電圧をトランス(絶縁手段)を介して伝送し、巻き数比だけにより発生したノイズを含んだ状態の微小電圧の振幅をアナログ値として伝送するため、S/N比が悪化し、測定誤差が大きくなってしまう。
(2)断続手段として、フォトトランジスタを使用しているため、応答性が10μs程度であり、断続周波数が数百kHz程度にしか上がらず、応答が遅い。
The following points can be cited as problems of
(1) The measured current value, that is, the analog voltage generated at both ends of the detection resistor is transmitted via a transformer (insulation means), and the amplitude of the minute voltage including noise generated only by the turns ratio is used as the analog value. As a result of transmission, the S / N ratio deteriorates and the measurement error increases.
(2) Since a phototransistor is used as the intermittent means, the response is about 10 μs, the intermittent frequency is only raised to several hundred kHz, and the response is slow.
具体的には、例えば電力損失を2Wにするには、被測定電流が200Aで、検出抵抗器の抵抗値が100μΩ、発生電圧が20mV(200Aフルスケール時)となる。従って、例えば被測定電流50A時、発生電圧5mVという微小電圧となり、ノイズによるS/N比が悪い状態でアナログ電圧値を伝送するため、誤差が大きくなる。 Specifically, for example, in order to reduce the power loss to 2 W, the current to be measured is 200 A, the resistance value of the detection resistor is 100 μΩ, and the generated voltage is 20 mV (at 200 A full scale). Therefore, for example, when the current to be measured is 50 A, the generated voltage becomes a very small voltage of 5 mV, and the analog voltage value is transmitted in a state where the S / N ratio due to noise is bad.
本発明は、上記の点に鑑み、被測定電流を検出したアナログ電圧値をパルス幅情報に変換してデジタル的に伝送することで、電流測定情報が受けるノイズの影響を極力少なくして高精度の電流測定結果が得られる電流センサを提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention converts the analog voltage value detected from the current to be measured into pulse width information and transmits it digitally, thereby minimizing the influence of noise on the current measurement information and achieving high accuracy. It is an object of the present invention to provide a current sensor that can obtain the current measurement result.
また、本発明は、高圧側と低圧側とを電気的に絶縁するために高速応答性の磁気カプラを用い、被測定電流を検出したアナログ電圧値をパルス幅情報として前記磁気カプラを介して伝送することで、応答性良く電流測定結果を得ることのできる電流センサを提供することをもう一つの目的とする。 In addition, the present invention uses a high-speed response magnetic coupler to electrically insulate the high-voltage side and the low-voltage side, and transmits the analog voltage value detected from the current under measurement as pulse width information via the magnetic coupler. Thus, another object is to provide a current sensor that can obtain a current measurement result with good responsiveness.
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。 Other objects and novel features of the present invention will be clarified in embodiments described later.
上記目的を達成するために、本発明のある態様の電流センサは、被測定電流が流れる検出抵抗と、その両端に発生する検出電圧又は前記検出電圧に正比例した電圧が一方の入力端に印加され、かつ傾斜が直線状の三角波又はノコギリ波が他方の入力端に印加される第1の比較器と、前記検出電圧によってパルス幅が変化する第1の比較器の第1のPWM出力信号を、電気的に絶縁して伝達する磁気カプラとを備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a current sensor according to an aspect of the present invention has a detection resistor through which a current to be measured flows, a detection voltage generated at both ends thereof, or a voltage directly proportional to the detection voltage applied to one input terminal. And a first PWM output signal of a first comparator in which a triangular wave or a sawtooth wave having a linear slope is applied to the other input terminal, and a first comparator whose pulse width varies depending on the detection voltage, And a magnetic coupler for electrically insulating and transmitting.
前記電流センサにおいて、前記磁気カプラの出力信号が一方の入力端に印加され、かつ他方の入力端に基準電圧が印加される第2の比較器をさらに備えていてもよく、この場合、前記第2の比較器はロジックレベルの第2のPWM出力信号を出力することができる。 The current sensor may further include a second comparator in which an output signal of the magnetic coupler is applied to one input terminal, and a reference voltage is applied to the other input terminal. The two comparators can output a logic level second PWM output signal.
前記電流センサにおいて、前記第2のPWM出力信号はマイクロプロセッサに入力され、前記マイクロプロセッサで前記第2のPWM出力信号のデューティー比を演算してセンサ出力としてもよい。 In the current sensor, the second PWM output signal may be input to a microprocessor, and the microprocessor may calculate a duty ratio of the second PWM output signal to obtain a sensor output.
前記電流センサにおいて、前記第2のPWM出力信号を平均値に変換してセンサ出力としてもよい。 In the current sensor, the second PWM output signal may be converted into an average value to obtain a sensor output.
前記電流センサにおいて、前記磁気カプラは、相互に磁気的に結合されるが電気的に絶縁された送信コイル及び受信コイルを有し、前記送信コイルに前記第1のPWM出力信号を供給する構成としてもよい。 In the current sensor, the magnetic coupler has a transmission coil and a reception coil that are magnetically coupled to each other but are electrically insulated, and supplies the first PWM output signal to the transmission coil. Also good.
あるいは、前記磁気カプラは、絶縁体の片側にインダクタを設け、もう片側に磁気感応素子を設けて互いに電気的に絶縁された構造とし、前記インダクタに前記第1のPWM出力信号を供給し、前記インダクタが発生する交流磁界を前記磁気感応素子に印加し、非接触で前記第1のPWM出力信号のパルス幅情報を伝達する構成であってもよい。 Alternatively, the magnetic coupler has a structure in which an inductor is provided on one side of an insulator and a magnetic sensitive element is provided on the other side to be electrically insulated from each other, and the first PWM output signal is supplied to the inductor, An AC magnetic field generated by an inductor may be applied to the magnetic sensing element to transmit the pulse width information of the first PWM output signal in a non-contact manner.
あるいは、前記磁気カプラは、コイルが巻かれた強磁性体のコアの一部にギャップを設け、前記コアに対し電気的に絶縁して磁気感応素子を前記ギャップに配置した構造とし、前記コイルに前記第1のPWM出力信号を供給し、前記コイルによる交流磁界を前記磁気感応素子に印加し、非接触で前記第1のPWM出力信号のパルス幅情報を伝達する構成であってもよい。 Alternatively, the magnetic coupler has a structure in which a gap is provided in a part of a ferromagnetic core around which a coil is wound, and a magnetically sensitive element is disposed in the gap by being electrically insulated from the core. The first PWM output signal may be supplied, an AC magnetic field generated by the coil may be applied to the magnetic sensitive element, and the pulse width information of the first PWM output signal may be transmitted in a non-contact manner.
さらに、前記磁気感応素子は磁気抵抗素子であってもよい。 Further, the magnetically sensitive element may be a magnetoresistive element.
本発明に係る電流センサによれば、被測定電流の測定情報をアナログ電圧値で伝送するのではなく、信号振幅に依存しないパルス幅情報として伝送することにより、電圧の振幅変化による影響は全く無くなり、外部ノイズの影響を極力低減可能であり、従来例(特許文献1)で採用せざるを得なかった「同期検波回路」(従来例では測定電圧が数mVの微小値に対してノイズのレベルが高く、S/N比が悪いため「発振回路」と発生電圧の同期を取って検波していた)を不要にできる。被測定電流の測定情報が受けるノイズの影響を極力少なくできるため、電磁ノイズ環境の悪い車載用としてあるいは工場で使用しても電流値測定結果を高精度にすることが可能である。測定誤差に関しては、従来例のフルスケールでの測定誤差±3%程度に対し、本発明では±1%程度にまで改善できる。 According to the current sensor of the present invention, the measurement information of the current to be measured is not transmitted as an analog voltage value, but is transmitted as pulse width information that does not depend on the signal amplitude, so that the influence of the voltage amplitude change is completely eliminated. The effect of external noise can be reduced as much as possible, and the "synchronous detection circuit" that had to be adopted in the conventional example (Patent Document 1) (in the conventional example, the noise level for a minute value of several mV measurement voltage) Since the S / N ratio is high and the S / N ratio is low, the “oscillation circuit” and the generated voltage are synchronized for detection) can be eliminated. Since the influence of noise on the measurement information of the current to be measured can be reduced as much as possible, the current value measurement result can be made highly accurate even when used in a vehicle having a poor electromagnetic noise environment or in a factory. The measurement error can be improved to about ± 1% in the present invention, compared to the measurement error of about ± 3% in the full scale of the conventional example.
また、高圧側と低圧側とを電気的に絶縁するために、発光ダイオードとフォトトランジスタの組からなるフォトカプラを使用せずに、磁気カプラを使用することで、応答性を改善することが可能であり、特に磁気カプラ内の磁気感応素子として磁気抵抗素子(ここでは巨大磁気抵抗素子(以下、GMR素子)やスピンバルブ巨大磁気抵抗素子(以下、SV−GMR素子)をも含む概念とする)を用いることで、応答性を数GHz程度まで高速化可能である。 In addition, in order to electrically insulate the high voltage side from the low voltage side, the response can be improved by using a magnetic coupler instead of using a photocoupler consisting of a pair of light emitting diode and phototransistor. In particular, a magnetoresistive element (here, a concept including a giant magnetoresistive element (hereinafter referred to as GMR element) and a spin valve giant magnetoresistive element (hereinafter referred to as SV-GMR element) as a magnetic sensitive element in the magnetic coupler) By using, the responsiveness can be increased to about several GHz.
以下、本発明を実施するための最良の形態として、電流センサの実施の形態を図面に従って説明する。 Hereinafter, as the best mode for carrying out the present invention, an embodiment of a current sensor will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に係る電流センサの実施の形態1を示し、高電圧バッテリーB1から負荷RLに被測定電流Isが流れる経路に挿入された検出抵抗器1と、その両端に発生する検出電圧VAを増幅する増幅器2と、三角波信号を発生する三角波発生器3と、増幅器2の出力電圧VB及び三角波信号を受ける比較器(コンパレータ)4と、比較器4によるPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)出力信号を電気的に絶縁して伝送する磁気カプラ5と、磁気カプラ5の出力信号を波形整形する比較器6(波形整形器)と、波形整形後のPWM出力信号を受け、当該PWM出力信号から被測定電流値を計測する処理回路部7とを備えている。比較器4によるPWM出力信号発生については後述する。
FIG. 1 shows a first embodiment of a current sensor according to the present invention, in which a
ここで、検出抵抗器1、増幅器2、三角波発生器3、及び比較器4はHVブロックで、比較器6及び処理回路部7はLVブロックであり、磁気カプラ5は両者を電気的に絶縁してPWM出力信号の信号伝送を行うものである。増幅器2、三角波発生器3及び比較器4はHVブロックに属するが、動作電圧は低電圧であるため、LVブロックから電気的に絶縁された低電圧電源を用意している。なお、HVブロックのアース記号とLVブロックのアース記号とはフローティングとなっている(相互に絶縁されている。)。
Here, the
検出抵抗器1は本例では100μΩであり、被測定電流Is=±200Aフルスケールで発生電圧±20mVに設定している。図2は被測定電流Isと検出抵抗器1両端の検出電圧VAとの関係を示す。
The
増幅器2は非反転増幅器であり、演算増幅器OP1と抵抗R1,R2とを有しており、検出抵抗器1の一端が演算増幅器OP1の非反転入力端に接続され、演算増幅器OP1の反転入力端は抵抗R2を介して検出抵抗器1の他端とともにHVブロックのグランドに接続されている。検出抵抗器1の両端に発生する検出電圧VAと増幅器2の出力電圧VBとはリニアな関係にあり、従って、被測定電流Isと増幅器2の出力電圧VBとは図3のようにリニアな関係となる。被測定電流Is=0Aのとき、出力電圧VB=0Vとなり、被測定電流Isが負のときは出力電圧VBは負電圧となり、被測定電流Isが正のときは出力電圧も正電圧となる。図3の場合、増幅器2の増幅度=100とした。
The
なお、検出抵抗器1の抵抗値を大きくした場合は、増幅器2は省略できる。
When the resistance value of the
三角波発生器3は、図4(A1),(A2),(A3)に示す三角波信号VCを発生するものであり、その三角波信号は、2等辺三角形の2等辺を成す波形であり、直線性の良好な波形を発生可能なものとする。
三角波発生器3からの三角波信号VCは比較器4の一方の入力端(非反転入力端)に印加され、比較器4の他方の入力端(反転入力端)には増幅器2の出力信号(出力電圧VB)が供給される。
The triangular wave signal V C from the
図4で比較器4の動作を説明すると、被測定電流Is=+200Aのとき、図3から増幅器2の出力電圧VBは+2Vとなり、図4(A1)における三角波信号VCが+2Vよりも高い電圧となる範囲で比較器4の出力電圧VDは同図(B1)のようにハイレベルとなる。ここでは、デューティー比(Duty ratio)=10%となるように予め三角波信号を設定する。
To explain the operation of the
被測定電流Is=0Aのとき、図3から増幅器2の出力電圧VBは0Vとなり、図4(A2)における三角波信号VCが0Vよりも高い電圧となる範囲で比較器4の出力電圧VDは同図(B2)のようにハイレベルとなり、デューティー比=50%となる。
When the measured current Is = 0A, the output voltage V B becomes
被測定電流Is=−200Aのとき、図3から増幅器2の出力電圧VBは−2Vとなり、図4(A3)における三角波信号VCが−2Vよりも高い電圧となる範囲で比較器4の出力電圧VDは同図(B3)のようにハイレベルとなり、デューティー比=90%となる。
When the measured current Is = -200A, from FIG. 3 the output voltage V B is -2V
図5は被測定電流Isと比較器4の出力電圧VDのデューティー比との関係を示す。三角波信号VCの傾きは直線的であるから、被測定電流Is=+200Aから−200Aに至るまで直線的にデューティー比が増加するようにパルス幅変調された第1のPWM出力信号を比較器4が出力することがわかる。
FIG. 5 shows the relationship between the measured current Is and the duty ratio of the output voltage V D of the
図6は磁気カプラ5の1例であり、相互に磁気的に結合されるが電気的に絶縁された送信コイル11及び受信コイル12を有する。例えば、送信コイル11は絶縁体シート(基板も含む)10の一面に固着され、受信コイル12は送信コイル11と磁気結合するように絶縁体シート10の他の面に固着される。送信コイル11及び受信コイル12はフェライト等の磁気コアに巻線を施したものでよいが、高い周波数で動作させる場合には磁気コアを省略した空心コイルとしてもよい。
FIG. 6 shows an example of the
図1のように、送信コイル11には比較器4の前記第1のPWM出力信号が供給され、受信コイル12に誘起した電圧が比較器(コンパレータ)6の一方の入力端(非反転入力端)に印加される。なお、比較器6の他方の入力端(反転入力端)は受信コイル12のグランド側端とともにLVブロックのグランドに接続されている。
As shown in FIG. 1, the
比較器6は波形整形器として機能するものであり、比較器6の出力として、図7のようにローレベル(L)とハイレベル(H)とを繰り返すデジタル的なロジックレベル(ロジックICの入力信号としてそのまま使用できる信号レベル)のパルス幅変調された第2のPWM出力信号VE(比較器4の出力と同じパルス幅情報を持つ)が得られる。 The comparator 6 functions as a waveform shaper. As an output of the comparator 6, a digital logic level (logic IC input) that repeats a low level (L) and a high level (H) as shown in FIG. A second PWM output signal V E (having the same pulse width information as the output of the comparator 4) having a pulse width modulated signal level that can be used as a signal as it is is obtained.
そして、比較器6は、被測定電流Is=+200Aのとき、図4(B1)に示したデューティー比10%の第1のPWM出力信号VDに対応した図7(A)の第2のPWM出力信号VEをロジックレベルで処理回路部7へ出力する。第1のPWM出力信号VDと第2のPWM出力信号VEのデューティー比は一致し、この場合、第2のPWM出力信号VEのデューティー比は10%となる。
Then, when the measured current Is is +200 A, the comparator 6 corresponds to the first PWM output signal V D having the duty ratio of 10% shown in FIG. 4B1 and the second PWM shown in FIG. the output signal V E output by the logic level to the
比較器6は、被測定電流Is=0Aのとき、図4(B2)に示したデューティー比50%の第1のPWM出力信号VDに対応した図7(B)の第2のPWM出力信号VE(デューティー比50%)をロジックレベルで出力する。
Comparator 6, when the current to be measured Is = 0A, the second PWM output signal in FIG. 7 corresponding to the first PWM output signal V D of the duty ratio of 50% as shown in FIG. 4 (B2) (B) V E (
比較器6は、被測定電流Is=+200Aのとき、図4(B3)に示したデューティー比90%の第1のPWM出力信号VDに対応した図7(C)の第2のPWM出力信号VE(デューティー比90%)をロジックレベルで出力する。
Comparator 6, when the current to be measured Is = + 200A, a second PWM output signal in FIG. 7 (C) corresponding to the first PWM output signal V D of the duty ratio of 90% as shown in FIG. 4 (B3) V E (
前記第2のPWM出力信号VEから被測定電流値を計測する処理回路部7としては、いわゆる1チップマイコンとして市販されているマイクロプロセッサを使用できる。1チップマイコンとしては、1つのICチップ内にCPU、プログラムメモリ、データメモリ、入出力ポート、タイマ等を集積したものであり、第2のPWM出力信号VEは、図7の1周期TにおけるL/Hの比率情報(例:オン−デューティー)を有するから、マイクロプロセッサのタイマ・カウンターポートで読み取ることができる。つまり、「ローレベル」「ハイレベル」の期間を一定時間カウント(計数)して「ローレベル」と「ハイレベル」との比率に基づいて被測定電流値が最終的に計算され、センサ出力が得られる。被測定電流値の分解能は、マイクロプロセッサのクロック周波数と内蔵カウンタの分解能の関数となる。
この実施の形態1によれば、次の通りの効果を得ることができる。 According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) 本実施の形態に係る電流センサによれば、被測定電流Isの測定情報をアナログ電圧値で伝送するのではなく、信号振幅に依存しないパルス幅情報としてデジタル的に伝送することにより、外部ノイズの影響を極力低減可能であり、従来例(特許文献1)で採用せざるを得なかった「同期検波回路」(従来例では測定電圧が数mVの微小値に対してノイズのレベルが高く、S/N比が悪いため「発振回路」と発生電圧の同期を取って検波していた)を不要にできる。 (1) According to the current sensor according to the present embodiment, the measurement information of the measured current Is is not transmitted as an analog voltage value, but is transmitted digitally as pulse width information independent of the signal amplitude. The influence of external noise can be reduced as much as possible, and the “synchronous detection circuit” that had to be adopted in the conventional example (Patent Document 1) (in the conventional example, the noise level is small for a minute value of several mV). Since the S / N ratio is high and the S / N ratio is low, the “oscillation circuit” and the generated voltage are detected in synchronization with each other).
(2) 高圧側(HVブロック)と低圧側(LVブロック)とを電気的に絶縁するために、発光ダイオードとフォトトランジスタの組からなるフォトカプラを使用せずに、磁気カプラ5を使用することで、応答性を改善することが可能であり、使用周波数を高く設定することで、磁気カプラ5の送信コイル11及び受信コイル12の組は十分小型化(あるいは薄型化できる)。
(2) In order to electrically insulate the high voltage side (HV block) from the low voltage side (LV block), the
(3) 外部ノイズの影響を受けにくく、測定精度を高めることができる。例えば、従来例のフルスケールでの測定誤差±3%程度に対し、本実施の形態では±1%程度に改善できる。 (3) It is less affected by external noise and can improve measurement accuracy. For example, the measurement error in the full scale of the conventional example is about ± 3%, and in this embodiment, it can be improved to about ± 1%.
(4) 車載用の場合、磁気カプラ5、比較器6及び処理回路部7はECU内に収納されるため、高圧側(HVブロック)の比較器4と磁気カプラ5とを接続する配線が長くなるが、比較器4出力はPWM出力であって、電圧振幅の変動の影響を受けないので、外部ノイズの影響を受けにくい。
(4) In the case of in-vehicle use, since the
(5) 処理回路部7として1チップマイコンとして市販されているマイクロプロセッサを使用でき、そのタイマ・カウンターポートに第2のPWM出力信号VEを入力することで、第2のPWM出力信号VEの「ローレベル」と「ハイレベル」との比率に基づいて被測定電流値を計測でき、パルス幅変調された波形の読み取りを簡素な回路構成で実現でき、しかも高速応答可能となる。
(5) as a
図8は本発明の実施の形態2を示す。この場合、磁気カプラ及びその後段の比較器の構成が異なっている。磁気カプラ15は、相互に磁気的に結合されるが電気的に絶縁された送信コイル11及び磁気感応素子としてのSV−GMR素子16を有する。送信コイル11は、例えば図9のようにフェライト等の強磁性体ドラムコア21に巻線22を巻回したチップインダクタ20であり、絶縁体シート(基板も含む)23の一面に設けられて固定され、SV−GMR素子16は絶縁体シート23の他の面に設けられて固定され、絶縁体シート23にて互いに電気的に絶縁した構造としている。そして、巻線22に比較器4の第1のPWM出力信号VDを供給し、チップインダクタ20が発生する交流磁界(第1のPWM出力信号のパルス幅と一致して磁界が変化する)をSV−GMR素子16を貫通するように印加し、非接触でパルス幅情報を伝達する。
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention. In this case, the configuration of the magnetic coupler and the comparator at the subsequent stage are different. The
動作原理上は、磁気カプラ15に用いる磁気感応素子は磁気変化量を電気量の変化として取り出すことが可能なものであればよいが、高速応答性で高感度であることを考慮すると、磁気抵抗素子の中でもGMR素子、とくにSV−GMR素子が好ましい。
In terms of operation principle, the magnetic sensitive element used for the
SV−GMR素子は、磁化方向が一方向に固定された強磁性体のピン層と、電流が主として流れる非磁性体を介して前記ピン層に積層された強磁性体のフリー層とからなる磁気抵抗効果膜を有し、ピン層は外部磁界(外部磁束)によって磁化方向は変化せず、フリー層の磁化方向は外部磁界(外部磁束)の方向に変化する。ここで、磁気抵抗効果膜におけるピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向(つまり外部磁界の方向)とが平行であるが向きが逆のとき、つまり反平行のとき、抵抗変化率はプラスとなり、高抵抗状態となる。また、ピン層の磁化方向とフリー層の磁化方向(つまり外部磁界の方向)とが平行でかつ向きが同じとき、つまり順平行のとき、抵抗変化率はマイナスとなり、低抵抗状態となる。 The SV-GMR element includes a magnetic pinned layer whose magnetization direction is fixed in one direction, and a ferromagnetic free layer stacked on the pinned layer via a nonmagnetic material through which a current mainly flows. The pinned layer has a resistance effect film, the magnetization direction of the pinned layer is not changed by the external magnetic field (external magnetic flux), and the magnetization direction of the free layer is changed to the direction of the external magnetic field (external magnetic flux). Here, when the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer (that is, the direction of the external magnetic field) in the magnetoresistive effect film are parallel but opposite in direction, that is, antiparallel, the rate of change in resistance becomes positive. It becomes a high resistance state. When the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the free layer (that is, the direction of the external magnetic field) are parallel and in the same direction, that is, in the forward parallel direction, the resistance change rate becomes negative and a low resistance state is obtained.
本例では、比較器4の第1のPWM出力信号がチップインダクタ20の巻線22に流れることに起因する磁束がSV−GMR素子16のピン層磁化方向に平行に加わるように配置することが好ましい。
In this example, the first PWM output signal of the
図8のように、磁気カプラ15内のSV−GMR素子16の直流バイアス回路は、一定電圧(例えば直流5V)の直流電源VccにSV−GMR素子16と直列抵抗R3とを接続して、直流バイアスを付与している。そして、SV−GMR素子16と直列抵抗R3との接続点から、SV−GMR素子16の周期的な抵抗変化(前記磁束の変化に対応)に応じた図10の電圧信号VFが比較器6に出力される。図10のように、電圧信号VFは直流バイアスを中心として交流波形(比較器4の出力と同じパルス幅情報を持つ)が重畳している。
As shown in FIG. 8, the DC bias circuit of the SV-
波形整形機能を有する比較器6は、その反転入力端に基準電圧Vref(例:2.5V)が印加され、非反転入力端には磁気カプラ15の電圧信号VFが供給される。基準電圧Vrefは、図10の電圧信号VFの最大値と最小値の中間値(前記直流バイアスに略一致する値)に設定され、これにより、比較器6の出力として図7のロジックレベルのパルス幅変調された第2のPWM出力信号VE(比較器4の出力と同じパルス幅情報を持つ)が得られる。
Comparator 6 having a waveform shaping function, the reference voltage Vref (eg: 2.5V) to its inverting input is applied to the non-inverting input voltage signal V F of the
なお、実施の形態2のその他の回路構成は、図1の実施の形態1と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。 The other circuit configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment in FIG. 1, and the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
この実施の形態2によれば、フォトトランジスタを使用せずに、高速応答性の磁気抵抗素子(具体的にはSV−GMR素子16)を磁気感応素子として用いた磁気カプラ15を使用することで、高速応答が可能であり、数GHz程度まで高速化可能である。また、SV−GMR素子16は超小型であり、送信コイルと受信コイルの組を用いる場合よりもさらに小型化できる。
According to the second embodiment, without using a phototransistor, a
図11(A),(B)は上記実施の形態2で使用できる磁気カプラ15の他の例であり、少なくとも1つのスパイラル状コイル30が巻かれた強磁性体(パーマロイ等)の磁気コア31の一部にギャップGを設け、コア31に対し電気的に絶縁して磁気感応素子としてのSV−GMR素子16をギャップGに配置した構造としている。これにより、比較器4の第1のPWM出力信号VDのパルス幅と一致して磁界が変化する交流磁界をSV−GMR素子16に印加し、非接触でパルス幅情報を伝達する。なお、スパイラル状コイル30とコア31間は非絶縁でもかまわない。
FIGS. 11A and 11B show another example of the
図12(A),(B)は上記実施の形態2で使用できる磁気カプラ15の他の例であり、少なくとも1つのソレノイド状コイル40が巻かれた強磁性体(パーマロイ等)のコア41の一部にギャップGを設け、コア41に対し電気的に絶縁して磁気感応素子としてのSV−GMR素子16をギャップGに配置した構造としている。この場合も比較器4の第1のPWM出力信号VDのパルス幅と一致して磁界が変化する交流磁界をSV−GMR素子16に印加し、非接触でパルス幅情報を伝達できる。
12A and 12B show another example of the
上記実施の形態1,2では処理回路部7としてマイクロプロセッサを用いた場合で説明したが、処理回路部7として図13の平均値化回路50を用いることもできる。平均値化回路50は抵抗R4とコンデンサC1とからなる積分回路であり、第2のPWM出力信号VEを平均化して直流のセンサ出力Voutを得ることができる。
In the first and second embodiments, the case where a microprocessor is used as the
図14は平均値化回路50を用いたときの入出力特性の1例であり、被測定電流Isとセンサ出力Voutとの関係を示す。被測定電流Is=+200Aでセンサ出力Vout=0.5V、被測定電流Is=0Aでセンサ出力Vout=2.5V、被測定電流Is=−200Aでセンサ出力Vout=4.5Vとなる。
FIG. 14 shows an example of the input / output characteristics when the averaging
図15は実施の形態1,2の三角波発生器の代わりにノコギリ波発生器(図示せず)を用いた場合のパルス幅変調動作を示す。ノコギリ波発生器は、図15(A1),(A2),(A3)に示すノコギリ波信号VGを発生するものであり、そのノコギリ波信号は、傾斜が直線的で、単調増加期間の直線性が良好な波形となっている。 FIG. 15 shows a pulse width modulation operation when a sawtooth wave generator (not shown) is used instead of the triangular wave generator of the first and second embodiments. Sawtooth generator, FIG. 15 (A1), (A2) , is intended to generate a sawtooth signal V G shown in (A3), the sawtooth wave signal, slope linear, linear monotonically increasing period The waveform is good.
ノコギリ波発生器からのノコギリ波信号VGは実施の形態1,2における比較器4の一方の入力端(非反転入力端)に印加され、比較器4の他方の入力端(反転入力端)には増幅器2の出力信号(出力電圧VB)が供給される。
Sawtooth signal V G is one input terminal of the
図15で比較器4の動作を説明すると、被測定電流Is=+200Aのとき、図3から増幅器2の出力電圧VBは+2Vとなり、図15(A1)におけるノコギリ波信号VGが+2Vよりも高い電圧となる範囲で比較器4の出力電圧VDは同図(B1)のようにハイレベルとなる。ここでは、デューティー比=10%となるように予めノコギリ波信号を設定する。
To explain the operation of the
被測定電流Is=0Aのとき、図3から増幅器2の出力電圧VBは0Vとなり、図15(A2)におけるノコギリ波信号VGが0Vよりも高い電圧となる範囲で比較器4の出力電圧VDは同図(B2)のようにハイレベルとなり、デューティー比=50%となる。
When the measured current Is = 0A, the output voltage of the
被測定電流Is=−200Aのとき、図3から増幅器2の出力電圧VBは−2Vとなり、図15(A3)におけるノコギリ波信号VGが−2Vよりも高い電圧となる範囲で比較器4の出力電圧VDは同図(B3)のようにハイレベルとなり、デューティー比=90%となる。
When the measured current Is = −200 A, the output voltage V B of the
なお、その他の動作は前述の実施の形態1,2と同様である。 Other operations are the same as those in the first and second embodiments.
上述の実施の形態1,2において、比較器4の反転入力端に三角波又はノコギリ波を印加し、増幅器2の出力電圧VBを非反転入力端に供給する構成でもよい。この場合、被測定電流Is−デューティー比特性が逆になる(被測定電流Is増加でデューティー比が直線的に増加する)。
In the first and second embodiments described above, a configuration may be adopted in which a triangular wave or a sawtooth wave is applied to the inverting input terminal of the
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it will be obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
1 検出抵抗器
2 増幅器
3 三角波発生器
4,6 比較器
5,15 磁気カプラ
7 処理回路部
10 絶縁体シート
11 送信コイル
12 受信コイル
16 SV−GMR素子
20 チップインダクタ
30 スパイラル状コイル
31,41 コア
40 ソレノイド状コイル
50 平均値化回路
C1 コンデンサ
G ギャップ
OP1 演算増幅器
R1〜R4 抵抗
Vref 基準電圧
DESCRIPTION OF
Claims (8)
その両端に発生する検出電圧又は前記検出電圧に正比例した電圧が一方の入力端に印加され、かつ傾斜が直線状の三角波又はノコギリ波が他方の入力端に印加される第1の比較器と、
前記検出電圧によってパルス幅が変化する第1の比較器の第1のPWM出力信号を、電気的に絶縁して伝達する磁気カプラとを備えたことを特徴とする電流センサ。 A sensing resistor through which the current under measurement flows,
A first comparator in which a detection voltage generated at both ends thereof or a voltage directly proportional to the detection voltage is applied to one input terminal, and a triangular wave or a sawtooth wave having a linear slope is applied to the other input terminal;
A current sensor, comprising: a magnetic coupler that electrically insulates and transmits a first PWM output signal of a first comparator whose pulse width varies depending on the detection voltage.
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