JP2004336300A - 増幅器及び電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲイン制御回路等の複雑な回路を必要とすることなく簡易的な構成により低コスト化を図ると共に、入力電圧に応じて自動的にゲインの切換が可能な増幅器及び電流検出装置をを提供する。
【解決手段】第２増幅器２は、第２オペアンプＰ２と、抵抗Ｒ５と、第１帰還抵抗Ｒ６と、第２帰還抵抗Ｒ７と、分圧抵抗Ｒ８と、ダイオードＤ２とから構成される。そして、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えない場合は、第２増幅器２のゲインＧ１は抵抗Ｒ５及び第１帰還抵抗Ｒ６により決定される。一方、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えた場合には、第２増幅器２のゲインＧ２は抵抗Ｒ５，第１帰還抵抗Ｒ６，第２帰還抵抗Ｒ７及び分圧抵抗Ｒ８により決定され、ゲインＧ１より小さな値となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、増幅器及び電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電流検出装置は、例えば特開２００２−３０３６４２号に開示されているように、大電流範囲と小電流範囲のそれぞれに対応したゲインを有する複数の増幅器を備えていた。大電流範囲はフェールセーフの検出に使用する範囲であって、小電流範囲は例えば車両用伝達比可変駆動を行う駆動モータの制御に使用する範囲である。これにより、小電流範囲における分解能を向上させることができる。
【０００３】
しかし、特開２００２−３０３６４２号公報に開示された電流検出装置は、複数の増幅器が必要であるため装置の大型化を招来していた。この問題を解決するために、特開２０００−３１７６４号公報には、ゲインの切換が可能な増幅器が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３０３６４２号公報
【特許文献２】
特開２０００−３１７６４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２０００−３１７６４号公報に開示されたゲイン切換可能な増幅器は、別途、ゲイン切換のための制御回路を備えている。このように、ゲイン切換制御回路を備えることにより、増幅器及びその増幅器を備えた電流検出装置の高コスト化を招来していた。また、上記公報に開示された増幅器は、入力電圧に応じて自動的にゲインが変更されるものではない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、ゲイン制御回路等の複雑な回路を必要とすることなく簡易的な構成により低コスト化を図ると共に、入力電圧に応じて自動的にゲインの切換が可能な増幅器及び電流検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、帰還抵抗とオペアンプの反転入力側との間にダイオードを配設することを思いつき、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の増幅器は、入力電圧と基準電圧との差電圧である基準差電圧を増幅する増幅器において、オペアンプと、第１帰還抵抗と、第２帰還抵抗と、ダイオードとを備え、入力電圧に応じてゲインが切り換わることを特徴とする。ここで、オペアンプは、入力電圧及び基準電圧が入力されている。第１帰還抵抗は、オペアンプの出力側とオペアンプの反転入力側とに接続された抵抗である。第２帰還抵抗は、一端側が前記オペアンプの出力側に接続された抵抗である。ダイオードは、アノード側が第２帰還抵抗の他端側に接続され、カソード側がオペアンプの反転入力側に接続され、アノード側に印加されるアノード側電圧がスレッショルド電圧を越えた場合に電流を流す。
【０００９】
つまり、ダイオードのアノード側にかかるアノード側電圧が、ダイオードのスレッショルド電圧に達した場合に、オペアンプの出力側から第２帰還抵抗を介してオペアンプの反転入力側に電流が流れる。そして、第２帰還抵抗に電流が流れない場合は、第１帰還抵抗のみによりゲインが決定される。一方、第２帰還抵抗に電流が流れる場合には、第１帰還抵抗及び第２帰還抵抗によりゲインが決定される。従って、ゲイン制御回路等の複雑な回路を必要としないため、非常に低コスト化を図ることができる。また、ダイオードのアノード側にかかるアノード側電圧は、オペアンプの出力側にかかる電圧、さらにはオペアンプの入力側にかかる電圧に基づき変化する。つまり、本発明の増幅器は、第２帰還抵抗とダイオードとを配設しただけで、自動的に、オペアンプの入力側にかかる電圧に基づきゲインを変化させることができる。
【００１０】
また、本発明の増幅器は、さらに、第２帰還抵抗の他端側及びダイオードのアノード側と、アースと、を接続する分圧抵抗を備えるようにしてもよい。つまり、第２帰還抵抗と分圧抵抗との抵抗比により、ダイオードのアノード側にかかるアノード側電圧が変更される。このことは、ゲインの切り換わる切換電圧を容易に変更できることになる。すなわち、電流制御を行う小電流範囲のゲインとフェールセーフを検出する大電流範囲のゲインが切り換わる電圧を容易に変更することができる。また、ダイオードのアノード側にかかるアノード側電圧が分圧されることにより、入力電圧がより大きな場合にも適用可能となる。
【００１１】
また、本発明の電流検出装置は、被検出電流が流れるシャント抵抗と、シャント抵抗の端子間電圧を増幅する第１増幅器と、第１増幅器の第１出力電圧と基準電圧との差電圧である基準差電圧を増幅する第２増幅器と、第２増幅器の第２出力電圧に基づき被検出電流を算出する被検出電流算出手段とを備える。そして、本発明の電流検出装置の特徴的な構成は、第２増幅器が、オペアンプと、第１帰還抵抗と、第２帰還抵抗と、ダイオードとを備え、シャント抵抗の端子間電圧に応じて第２増幅器のゲインが切り換わることである。ここで、オペアンプは、第１出力電圧及び基準電圧を入力し、出力側から第２出力電圧を出力する。第１帰還抵抗は、オペアンプの出力側とオペアンプの反転入力側とに接続された抵抗である。第２帰還抵抗は、一端側がオペアンプの出力側に接続された抵抗である。ダイオードは、アノード側が第２帰還抵抗の他端側に接続され、カソード側がオペアンプの反転入力側に接続され、アノード側に印加されるアノード側電圧がスレッショルド電圧を越えた場合に電流を流す。
【００１２】
これにより、上述した増幅器と同様の効果を奏する。すなわち、ゲイン制御回路等の複雑な回路を必要としないため非常に低コスト化を図ることができると共に、自動的にオペアンプの入力側にかかる電圧に基づきゲインを変化させることができる。また、アノード側電圧がダイオードのスレッショルド電圧を越えた場合のゲインは、アノード側電圧がスレッショルド電圧を越える前のゲインよりも小さなゲインとなる。これにより、本発明の電流検出装置は、第２帰還抵抗とダイオードとを配設しただけで、適切なゲインの切換が可能となる。すなわち、小電流範囲においては確実に分解能を向上させることができるので、例えば車両用伝達比可変駆動を行う駆動モータの電流制御性を確実に向上させることができる。一方、大電流範囲においては、確実にフェールセーフを検出することができる。
【００１３】
なお、第２増幅器は、さらに、第２帰還抵抗の他端側及びダイオードのアノード側と、アースと、を接続する分圧抵抗を備えるようにしてもよい。これにより、ゲインの切り換わる切換電圧を容易に変更することができる。また、ダイオードのアノード側にかかるアノード側電圧が分圧されることにより、入力電圧がより大きな場合にも適用可能となる。
【００１４】
また、被検出電流算出手段は、第２出力電圧のうち第２増幅器のゲインが切り換わる切換電圧を含む所定電圧範囲である不感帯領域において被検出電流を算出しないようにしてもよい。つまり、ゲインが切り換わる切換電圧付近は、例えば温度等の影響により第１帰還抵抗及び第２帰還抵抗の抵抗値にばらつきが生じるため、正確に被検出電流を検出することができない場合がある。そこで、被検出電流を算出しない不感帯領域を設けることにより、被検出電流の誤検出を防止することができる。
【００１５】
また、被検出電流は、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を可変にする伝達比可変駆動を行う駆動モータに供給される電流であるとしてもよい。この駆動モータは、いわゆるＶＧＲＳ装置に用いられる駆動モータである。このＶＧＲＳ装置に用いられる駆動モータは、非常に高度な電流による制御が求められる。一方、大電流が流れた場合のフェールセーフ検出も重要である。そこで、本発明の電流検出装置をＶＧＲＳ装置に用いられる駆動モータに流れる電流の検出に使用することにより、上述の要求を確実に満たすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。ここで、本実施形態では、車両用伝達比可変操舵装置（ＶＧＲＳ装置）に用いる電流検出装置について説明する。ここで、ＶＧＲＳ装置について簡単に説明する。ＶＧＲＳ装置は、一端側が操舵ハンドル側に連結され、他端側が転舵輪側に連結されており、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を可変にする装置である。このＶＧＲＳ装置は、駆動モータと、減速機と、ロック機構と、ＶＧＲＳ用制御部とを備える。そして、この駆動モータの駆動により、減速機を介して上述した伝達比を可変にすることができる。ＶＧＲＳ用制御部は、駆動モータ及びロック機構の制御を行う。
【００１７】
次に、ＶＧＲＳ装置に用いる電流検出装置について図面を参照して説明する。図１は、電流検出装置の回路構成図を示す。図２は、電流検出装置における入出力電圧特性を示す。なお、電流検出装置により検出する被検出電流Ｉｓは、駆動モータに供給される電流である。
【００１８】
図１に示すように、電流検出装置は、シャント抵抗Ｒｓと、第１増幅器１と、第２増幅器２と、マイクロコンピュータ３とから構成される。まず、シャント抵抗Ｒｓは、被検出電流が流れる位置、すなわち、ＶＧＲＳ装置の駆動モータに供給される電流が流れる位置に配設されている。なお、図１に示すＺは、ＶＧＲＳ装置の駆動モータ等のインピーダンスである。
【００１９】
そして、第１増幅器１は、シャント抵抗Ｒｓに電流が流れることによりシャント抵抗Ｒｓの端子間に発生する端子間電圧Ｖｓ（＝Ｉｓ×Ｒｓ）を増幅する。この第１増幅器１は、第１オペアンプＰ１と、抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ４とから構成される。抵抗Ｒ１は、シャント抵抗Ｒｓの上流端子側と第１オペアンプＰ１の反転入力側とに接続される。抵抗Ｒ２は、シャント抵抗Ｒｓの下流端子側と第１オペアンプＰ１の非反転入力側とに接続される。抵抗Ｒ３は、第１オペアンプＰ１の出力側と第１オペアンプＰ１の反転入力側とに接続される、いわゆる帰還抵抗である。抵抗Ｒ４は、第１オペアンプＰ１の非反転入力側とアースとに接続される。
【００２０】
つまり、第１増幅器１の出力電圧（第１出力電圧）Ｖｏ１は、数１に示すようになる。
【数１】
Ｖｏ１＝−Ｖｓ×（Ｒ３／Ｒ１）
ただし、Ｒ１＝Ｒ２，Ｒ３＝Ｒ４とする。
【００２１】
続いて、第２増幅器２は、第１増幅器１の第１出力電圧Ｖｏ１と基準電圧（バイアス電圧）Ｖｂとの差電圧である基準差電圧を増幅する。この第２増幅器２は、第２オペアンプＰ２と、抵抗Ｒ５〜Ｒ８と、ダイオードＤ２とから構成される。第２オペアンプＰ２の非反転入力側には、バイアス電圧を入力している。抵抗Ｒ５は、第１増幅器１の出力側と第２オペアンプＰ１の反転入力側とに接続される。抵抗（第１帰還抵抗）Ｒ６は、第２オペアンプＰ２の出力側と第２オペアンプＰ２の反転入力側とに接続される、いわゆる帰還抵抗である。抵抗（第２帰還抵抗）Ｒ７は、第２オペアンプＰ２の出力側とダイオードＤ２のアノード側に接続される。抵抗（分圧抵抗）Ｒ８は、第２帰還抵抗Ｒ７とダイオードＤ２の間とアースとに接続される。ダイオードＤ２は、アノード側が第２帰還抵抗Ｒ７及び分圧抵抗Ｒ８に接続され、カソード側が第２オペアンプＰ２の反転入力側に接続される。そして、ダイオードＤ２は、アノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えたときに電流が流れ、アノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えない場合には電流が流れない。
【００２２】
つまり、第２増幅器２の出力電圧（第２出力電圧）Ｖｏ２は、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えない場合は、数２に示すようになる。また、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えた場合には、第２増幅器２の第２出力電圧Ｖｏ２は第３に示すようになる。
【数２】
Ｖｏ２＝−Ｖｏ１×（Ｒ６／Ｒ５）
【数３】
Ｖｏ２＝−Ｖｏ１×［｛（Ｒ６×Ｒ７）／（Ｒ６＋Ｒ７）｝／Ｒ５］
【００２３】
すなわち、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えない場合における第２増幅器２のゲインＧ１は数４に示すようになる。一方、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えた場合における第２増幅器２のゲインＧ２は数５に示すようになる。
【数４】
Ｇ１＝−（Ｒ６／Ｒ５）
【数５】
Ｇ２＝−［｛（Ｒ６×Ｒ７）／（Ｒ６＋Ｒ７）｝／Ｒ５］
【００２４】
つまり、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａがスレッショルド電圧ＴｈＶを越えた場合におけるゲインＧ２は、スレッショルド電圧ＴｈＶを越えない場合におけるゲインＧ１より小さくなる。そして、第２増幅器２のゲインＧ１は、抵抗Ｒ５及び第１帰還抵抗Ｒ６の大きさにより決定される。また、第２増幅器２のゲインＧ２は、抵抗Ｒ５及び第１帰還抵抗Ｒ６及び第２帰還抵抗Ｒ７の大きさにより決定される。
【００２５】
また、第２帰還抵抗Ｒ７と分圧抵抗Ｒ８の抵抗比により、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａの電圧値が変更される。つまり、ダイオードＤ２のアノード側電圧Ｖａは、数６に示すようになる。
【数６】
Ｖａ＝Ｖｏ２×｛Ｒ８／（Ｒ７＋Ｒ８）｝
【００２６】
続いて、マイクロコンピュータ３は、Ａ／Ｄポート、ＣＰＵ等を備える。そして、Ａ／Ｄポートには第２増幅器２の第２出力電圧Ｖｏ２が入力され、入力された第２出力電圧Ｖｏ２がＡ／Ｄ変換される。そして、Ａ／Ｄ変換された第２出力電圧Ｖｏ２に基づき、ＣＰＵにて、シャント抵抗Ｒｓに流れる被検出電流Ｉｓを算出する。ここで、ＣＰＵでは、被検出電流Ｉｓを算出しない不感帯領域が存在する。この不感帯については後述する。
【００２７】
次に、上述した構成からなる電流検出装置の入出力特性について図２を参照して説明する。図２は、電流検出装置の入出力特性を示す。具体的には、横軸に示す入力電圧はシャント抵抗Ｒｓの端子間電圧Ｖｓであって、縦軸に示す出力電圧は第２増幅器２の第２出力電圧Ｖｏ２である。図２に示すように、端子間電圧Ｖｓが０（Ｖ）からＶｉｎ＿ａ（Ｖ）までは、第１増幅器１のゲイン及び上述した第２増幅器２のゲインＧ１に基づき、第２出力電圧Ｖｏ２が決定される。すなわち、端子間電圧Ｖｓが０（Ｖ）のときは、第２出力電圧Ｖｏが０（Ｖ）となり、端子間電圧ＶｓがＶｉｎ＿ａ（Ｖ）のときには、第２出力電圧Ｖｏ２がゲイン切換電圧Ｖｏ＿ａ（Ｖ）となる。そして、端子間電圧ＶｓがＶｉｎ＿ａ（Ｖ）からＶｍａｘ（Ｖ）までは、第１増幅器１のゲイン及び上述した第２増幅器２のゲインＧ２に基づき、第２出力電圧Ｖｏ２が決定される。すなわち、端子間電圧ＶｓがＶｉｎ＿ａ（Ｖ）のときには、第２出力電圧Ｖｏ２がゲイン切換電圧Ｖｏ＿ａ（Ｖ）となり、端子間電圧ＶｓがＶｉｎ＿ｍａｘ（Ｖ）のときには、第２出力電圧Ｖｏ２がＶｏ＿ｍａｘ（Ｖ）となる。ここで、第２出力電圧Ｖｏ２の最大値Ｖｏ＿ｍａｘは、マイクロコンピュータ３のＣＰＵの耐圧である５Ｖとしている。そして、図２に示すように、端子間電圧ＶｓがＶｉｎ＿ａより小さい場合に比べてＶｉｎ＿ａより大きい場合には傾きが緩やかになっているが、これは、第２増幅器２のゲインＧ２が第２増幅器２のゲインＧ１より小さいことによるものである。
【００２８】
さらに、第２出力電圧Ｖｏ２のうち、ゲイン切換電圧Ｖｏ＿ａを含む所定電圧範囲（Ｖｏ＿ａ１からＶｏ＿ａ２までの範囲）（図２の斜線にて示す範囲）は、マイクロコンピュータ３において被検出電流Ｉｓの算出を行わない不感帯領域であって、予めマイクロコンピュータ３に設定されている。なお、この不感帯領域は、抵抗Ｒ１〜Ｒ８に応じて決定している。そして、不感帯領域より第２出力電圧が小さい範囲では、駆動モータの電流制御に使用している。また、不感帯領域より第２出力電圧が大きい範囲では、フェールセーフの検出に使用している。これにより、端子間電圧Ｖｓが小さい場合には、駆動モータの高精度な電流制御が可能となり、端子間電圧Ｖｓが大きい場合には、確実にフェールセーフの検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電流検出装置の回路構成図を示す。
【図２】電流検出装置における入出力電圧特性を示す。
【符号の説明】
１ ・・・ 第１増幅器
２ ・・・ 第２増幅器
３ ・・・ マイクロコンピュータ
Ｒｓ ・・・ シャント抵抗
Ｒ１〜Ｒ５ ・・・ 抵抗
Ｒ６ ・・・ 第１帰還抵抗
Ｒ７ ・・・ 第２帰還抵抗
Ｒ８ ・・・ 分圧抵抗
Ｐ１，Ｐ２ ・・・ オペアンプ
Ｄ２ ・・・ ダイオード

Claims (6)

1. 入力電圧と基準電圧との差電圧である基準差電圧を増幅する増幅器において、
   前記入力電圧及び前記基準電圧を入力するオペアンプと、
   前記オペアンプの出力側と前記オペアンプの反転入力側とに接続された第１帰還抵抗と、
   一端側が前記オペアンプの出力側に接続された第２帰還抵抗と、
   アノード側が前記第２帰還抵抗の他端側に接続されカソード側が前記オペアンプの反転入力側に接続され前記アノード側に印加されるアノード側電圧がスレッショルド電圧を越えた場合に電流が流れるダイオードとを備え、
   前記入力電圧に応じてゲインが切り換わることを特徴とする増幅器。
2. さらに、前記第２帰還抵抗の他端側及び前記ダイオードのアノード側とアースとを接続する分圧抵抗を備えたことを特徴とする請求項１記載の増幅器。
3. 被検出電流が流れるシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の端子間電圧を増幅する第１増幅器と、
   前記第１増幅器の第１出力電圧と基準電圧との差電圧である基準差電圧を増幅する第２増幅器と、
   前記第２増幅器の第２出力電圧に基づき前記被検出電流を算出する被検出電流算出手段と、
   を備えた電流検出装置において、
   前記第２増幅器は、
   前記第１出力電圧及び前記基準電圧を入力し出力側から前記第２出力電圧を出力するオペアンプと、
   前記オペアンプの出力側と前記オペアンプの反転入力側とに接続された第１帰還抵抗と、
   一端側が前記オペアンプの出力側に接続された第２帰還抵抗と、
   アノード側が前記第２帰還抵抗の他端側に接続されカソード側が前記オペアンプの反転入力側に接続され前記アノード側に印加されるアノード側電圧がスレッショルド電圧を越えた場合に電流が流れるダイオードとを備え、
   前記シャント抵抗の端子間電圧に応じて前記第２増幅器のゲインが切り換わることを特徴とする電流検出装置。
4. 前記第２増幅器は、さらに、前記第２帰還抵抗の他端側及び前記ダイオードのアノード側とアースとを接続する分圧抵抗を備えたことを特徴とする請求項３記載の電流検出装置。
5. 前記被検出電流算出手段は、
   前記第２出力電圧のうち前記第２増幅器のゲインが切り換わる切換電圧を含む所定電圧範囲である不感帯領域において前記被検出電流を算出しないことを特徴とする請求項３記載の電流検出装置。
6. 前記被検出電流は、操舵ハンドルの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を可変にする伝達比可変駆動を行う駆動モータに供給される電流であることを特徴とする請求項３記載の電流検出装置。

Images