JP2003014788A - 電流センサ - Google Patents
電流センサInfo
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Abstract
フトを簡単な構造で低減し、より高精度な電流センサを
提供する。 【解決手段】 ホール素子4に定電流を流し、前記ホー
ル素子の出力電圧を差動増幅器12により増幅すること
によってセンサ出力電圧を得る電流センサにおいて、温
度変化に伴って変化する前記ホール素子の内部抵抗Riの
電圧降下を補償用差動増幅器32へ入力してこれに所定
の補償用ゲインβで算出して出力し、前記差動増幅器の
電圧出力から前記補償用差動増幅器の電圧出力を減算し
て前記センサ出力電圧を得るように構成する。これによ
り、周囲温度変化によって発生するオフセットリフトを
簡単な構造で低減し、より高精度とする。
Description
た電流センサに関する。
用する家電製品(エアコン、全自動洗濯機、ミシン等)
から産業機器、輸送機器(自動車、鉄道、船舶等)に至
るまで、幅広い分野に使用されている。このような用途
の中で、特に安価で使用温度範囲が広く、且つ高精度に
電流を検出する電流センサが求められている。このよう
な電流センサに使用される素子は、一般的にはホール素
子やMR(磁気抵抗効果)素子が用いられるが、この中
で比較的安価であることからホール素子を用いた電流セ
ンサが多用されている。
を用いた電流センサのセンサ感度は周囲温度変化に応じ
て変化して感度誤差が発生し易く、また被測定電流が零
であってもオフセット電圧(不平衡電圧×アンプ増幅
度)が発生し、その電圧もホール素子の特性のバラツキ
や周囲温度変化により一定ではない。そこで、上記の感
度誤差とオフセット電圧をキャンセルするために、従来
では以下の方法が一般的に用いられている。
法が採用されている。 ホール素子を定電流ICで駆動させたときに被測定電流
に比例した外部磁界Bを受けた時のホール素子出力(ホ
ール電圧VH)は数式1で示すことができる。
圧である。上記数式1にて積感度kHが周囲温度により変
化し、例えばGaAsを材料としたホール素子の場合は−0.
05% /℃の温度変化を生じる。従って、不平衡電圧ICを
温度の変化に応じて、積感度kHの温度変化の正反対にす
れば、kH・IC・B≫Ke・ICの時、ホール電圧VHは周囲温
度に関係なく、略外界磁界であるB値に比例する。 電流センサの構成上、ホール素子の出力を増幅回路に
て必要な出力レベルまで増幅するのが一般的であるが、
フィードバック抵抗に積感度kHと相反する温度係数の抵
抗器を用いて、温度補償を行う。この時の回路構成の一
例は、図7に示されている。
は、ホール素子4の一方向には定電流源6より一定の電
流が流されており、上記一方向に直交する他方向からの
出力は、それぞれ入力抵抗8、10を介して差動増幅器
12へ入力されている。そして、この出力端子と一入力
端子との間にフィードバック抵抗14を接続している。
このフィードバック抵抗14は、上述のように積感度kH
と相反する温度係数を有しており、このフィードバック
抵抗14により温度補償を行うようになっている。 ホール素子の出力を増幅後、電流出力に変換し、電流
を検出する磁性コアに巻かれたコイルにフィードバック
し、この磁性コア内の磁束を零にするように電流を流す
ことにより、ホール素子の出力が周囲温度により変化し
ても、その影響を受けない電流を出力することができ
る。この時の回路構成の一例は図8に示されている。
同一符号を付している。図8に示す電流センサ18のホ
ール素子4の一方向に電圧を印加して電流を流してお
り、他方向の出力をそれぞれ差動増幅器12へ入力し、
その出力を一対の直列接続されたトランジスタ20、2
2の各ベースへ入力して電流出力に変換している。そし
て、この出力電流を、電流を検出するための磁性コア2
4に巻回されているフィードバックコイル26にフィー
ドバックしている。そして、この磁性コア24内の磁束
を零にするように電流Iを流すことにより、ホール素子
4の出力が周囲温度により変化しても、その影響を受け
ない電流を出力することができる。
は、例えば、(1)特開2000-97972号公報に示されるよ
うに、増幅回路への入力電圧変動の補償を行う方法、更
にはは(2)特公平8- 14616号公報に示されるように、
個々のホール素子における不平衡電圧の温度変化を、事
前に測定して補償する方法がある。以上述べた方法を適
宜組み合わすことで、温度変化に対して比較的安定した
出力が得られる電流センサとしている。
方法には以下のような問題点があった。まず、周囲の温
度変化に対する感度の安定度は、上記の方法が最も優
れているが、この場合には電流センサ自体の消費電力も
大きくなり、また電流出力のため、出力受信側に用いる
抵抗器も非常に高精度で、且つ温度特性の優れたものに
しなければならず、トータルコストは他の方法に比べて
非常に高価となってしまう。更には、構造上、この電流
センサに前述したようなオフセット電圧の補償方法を採
用することはできない。次に、上記の方法は増幅度を
変化させるため、ホール素子側の入力インピーダンス変
化により、センサの出力インピーダンス及び周波数特性
に変化が生じてしまうので、高精度の電流センサには不
向きである。従って、一般的には上記の方法を感度誤
差の温度補償方法として用いるのが、最も安価であり、
且つ適切であると考えられる。
フセット電圧の補償方法に関してであるが、前述した
(1)の方法はホール素子の不平衡電圧の変化には追従
できないため、感度補償するための電流源の電流変化に
応じたホール素子の不平衡電圧×アンプ増幅度となるオ
フセット誤差が必ず出力されてしまう。また、上記
(2)の方法は上記(1)の方法の問題点を補っている
が、その前提として、不平衡電圧の温度係数を事前に知
っておく必要があり、またその具体的方法については述
べられていない。更に、温度補償を行うために、ダイオ
ードや感温抵抗など温度変化が一次関数的である部品を
使用する提案がされているが、通常のモールド成形され
たホール素子における不平衡電圧の温度変化は図9に示
すように周囲温度の変化に対して非線形であり、且つ動
作は不安定であるので、一次関数による補償では不完全
である。本発明は、以上のような問題点に着目し、これ
を有効に解決すべく創案されたものであり、その目的は
周囲温度変化によって発生するオフセットリフトを簡単
な構造で低減し、より高精度な電流センサを提供するこ
とにある。
は、ホール素子に定電流を流し、前記ホール素子の出力
電圧を差動増幅器により増幅することによってセンサ出
力電圧を得る電流センサにおいて、温度変化に伴って変
化する前記ホール素子の内部抵抗の電圧降下を補償用差
動増幅器へ入力してこれに所定の補償用ゲインで算出し
て出力し、前記差動増幅器の電圧出力から前記補償用差
動増幅器の電圧出力を減算して前記センサ出力電圧を得
るように構成したことを特徴とする電流センサである。
この場合、例えば請求項2に規定するように、前記所定
の補償用ゲインは、前記差動増幅器のゲインと、前記ホ
ール素子の25℃の時の不平衡電圧及び前記ホール素子
の温度変化による不平衡電圧の変化により求めた定数
と、とに基づいて得られる。
の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図1は本発
明の電流センサを示すブロック構成図、図2は温度によ
り応力変化の生じないホール素子の不平衡電圧の温度特
性を示すグラフ、図3は周囲温度の変化に対するホール
素子の入力抵抗の変化を示すグラフ、図4は周囲温度の
変化に対する不平衡電圧/ホール素子内部抵抗の変化を
示すグラフ、図5は周囲温度が25℃の時の不平衡電圧
に対する不平衡電圧/ホール素子の内部抵抗の変化を示
すグラフ、図6は本発明の電流センサと従来の電流セン
サの温度特性を示すグラフである。尚、本発明において
従来装置と同一構成部分については同一参照符号を付
す。
感度誤差の補償方法を用い、使用するホール素子はモー
ルド成形しない状態、若しくは、温度により応力を生じ
ない物質によりホール素子部を包んだ状態であり、その
不平衡電圧の周囲温度による変化が例えば図2に示すよ
うに周囲温度が25℃時の不平衡電圧値により推定でき
ることを利用し、更にその補償をホール素子の内部抵抗
値の変化を抽出することで行うオフセット補償回路を備
えるようにしたものである。具体的には、図1に示すよ
うにこの電流センサ30のホール素子4の一方向には定
電流源6より一定の電流が流されており、上記一方向に
直交する他方向からの出力は、それぞれゲインがβの差
動増幅器12へ入力されている。また、上記ホール素子
4の定電流が流れる方向における内部抵抗Riの電圧降下
を、補償用差動増幅器32へ入力している。この補償用
差動増幅器32のゲインを補償用ゲインγとする。そし
て、上記差動増幅器12の電圧出力から上記補償用差動
増幅器32の電圧出力を、加減算器34にて減算、或い
は両出力を加算することにより、センサ出力電圧を得る
ようになっている。この補償用差動増幅器32と加減算
器34とでオフセット補償回路を構成している。
ルド成形しない状態、若しくは温度により応力を生じな
い物質により素子部を包んだ構成となっている。また、
上記補償用差動増幅器32としては、ここでは演算増幅
器が用いられ、後述するように補償用ゲインγが演算に
より求められる。この電流センサ30ではホール素子4
の差動出力を差動増幅器12により任意の大きさに増幅
するため、同相ノイズの影響が低減されるばかりか、ホ
ール素子4の出力の動作中心電圧が変化しても、上記演
算増幅器32の入力オフセット電圧の温度ドリフトはほ
とんどセンサ出力に現れない。ここで、ホール素子4の
内部抵抗Riの周囲温度に対する変化は図3に示されてお
り、直線的に変化して非線形関数が周囲温度に対するホ
ール素子の不平衡電圧の変化とほぼ同一である。それを
裏付ける定電流駆動時のホール素子4の不平衡電圧Voの
変化と内部抵抗Riの変化の関係は図4に示すようにな
り、各々の非線形性はほぼ一致する。従って、周囲温度
による不平衡電圧Voの変化を数式2のように示すことが
でき、定数であるα値は図5より25℃時の不平衡電圧
Vo値にて推定できる。
幅された電圧出力Vout1は以下の数式3で示すことがで
きる。
化量は以下の数式4で示される。
変化を前記の方法、つまり定電流Icの変化により補償
することを前提とすると、以下の数式5の関係となる。
換えられる。
増幅器32の出力Vout2 の温度変化当たりの変化量は、
上記数式2の関係から次の数式7のようになる。
温度変化により発生する電圧出力Vo ut1のオフセット電
圧変化は電圧出力Vout2の値から推測でる。つまり、γ
=α・βで示される関係式となるように補償用差動増幅
器32の補償用ゲインγを決め、電圧出力Vout1から電
圧出力Vout2を加減算器34にて減算、或いは両出力を
加算することにより、温度変化により発生するオフセッ
ト電圧変化は補償することが可能となる。この場合、図
5に示すV0/Ri の値が”+”の時には減算を行い、”
−”の時には加算を行なう。以上のように構成した本発
明の電流センサ30のオフセット補償結果であるオフセ
ットドリフト率を図6に示す。ここで比較のために、従
来の電流センサ(補償無し)の補償結果についても併せ
て示す。
温度の変化に対してオフセットドリフト率は2%程度と
大きく変動して好ましくない。これに対して、本発明の
電流センサの場合は、周囲温度が変化してもオフセット
ドリフト率は略零%であり、良好な特性を示しているこ
とが判明した。上記した本発明は、InSb、GaAs、InAs等
どのようなホール素子においても適応が可能である。ま
た、図10に示す本発明の電流センサを実現するための
電源としては正側単電源、正負両電源および、負側単電
源の何れを用いてもよい。
簡単な構成で電流センサの周囲温度の変化におけるオフ
セットドリフトを低減し、より高精度な電流センサを提
供できる。
る。
平衡電圧の温度特性を示すグラフである。
の変化を示すグラフである。
子内部抵抗の変化を示すグラフである。
平衡電圧/ホール素子の内部抵抗の変化を示すグラフで
ある。
特性を示すグラフである。
係数の抵抗器を用いて温度補償を行う従来の電流センサ
の回路構成の一例を示す図である。
響を受けない電流を出力することができる従来の他の電
流センサの回路構成の一例を示す図である。
不平衡電圧の温度変化を示すグラフである。
0…電流センサ、32…補償用差動増幅器、34…加減
算器、Ri…内部抵抗、α…ゲイン、β…補償用ゲイン。
Claims (2)
- 【請求項1】 ホール素子に定電流を流し、前記ホール
素子の出力電圧を差動増幅器により増幅することによっ
てセンサ出力電圧を得る電流センサにおいて、 温度変化に伴って変化する前記ホール素子の内部抵抗の
電圧降下を補償用差動増幅器へ入力してこれに所定の補
償用ゲインで算出して出力し、 前記差動増幅器の電圧出力から前記補償用差動増幅器の
電圧出力を減算して前記センサ出力電圧を得るように構
成したことを特徴とする電流センサ。 - 【請求項2】 前記所定の補償用ゲインは、 前記差動増幅器のゲインと、 前記ホール素子の25℃の時の不平衡電圧及び前記ホー
ル素子の温度変化による不平衡電圧の変化により求めた
定数と、 に基づいて得られることを特徴とする請求項1記載の電
流センサ。
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