JP2005037369A

JP2005037369A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2005037369A
Application number: JP2004141002A
Authority: JP
Inventors: Naritomo Takahata; 成友高畠
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP4258430B2; US20040263148A1; US7053600B2; CN1316254C; CN1576857A

Abstract

【課題】オフセット温度ドリフトを簡素な構成で補償する電流センサを提供する。
【解決手段】補償回路（２０，２０Ａ）を、直列接続された複数のダイオード（Ｄ１ａ）から成り所定の温度特性を有するダイオード列（Ｄ１）を備えて所定の温度特性に応じた補償電圧（Ｖ_bias）を発生するよう構成すると共に、所定の温度特性を、任意の温度におけるホール素子の不平衡電圧Ｖｏの値と、ホール素子（４）の温度変化に伴う不平衡電圧Ｖｏの変化勾配と、の関係から求めた近似直線の傾きに基づく特性にして成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホール素子を用いた電流センサに関する。

直流検出用電流センサは、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おり、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できることが求められている。
このような電流センサの検出用素子には、ホール素子やＭＲ（磁気抵抗効果）素子を用いるのが一般的であるが、比較的安価であることからホール素子を用いたものが主流である。

ところで、ホール素子を用いた電流センサは、ホール素子の特性上、センサ感度が周囲温度変化に応じて変化して誤差が発生し易い。
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、また、その電圧は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という問題がある。
そのため、このオフセット電圧をキャンセルする構造を有する電流センサが提案されており、一例として、本願出願人の出願による特許文献１に記載された電流センサがある。

この電流センサは、温度変化に伴って変化するホール素子の内部抵抗の電圧降下を補償用差動増幅器に入力し、これに所定の補償用ゲインβで算出して出力し、差動増幅器の電圧出力から補償用差動増幅器の電圧出力を減算してセンサ出力電圧を得るように構成したものである。
特開２００３−１４７８８号公報

しかしながら、上述した電流センサは、補償用差動増幅器や加減算器を用いるので、比較的高コストになるものであった。そのため、周囲温度変化によって発生するオフセット電圧の温度ドリフトを、より簡素な構造でキャンセルしてコストダウンを可能とする電流センサが望まれていた。

そこで本発明が解決しようとする課題は、周囲温度変化によって発生するオフセット温度ドリフトをより簡素な構成で補償することができ、安価でありながら高精度に電流を検出できる電流センサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は手段として次の構成を有する。
即ち、請求項１は、ホール素子（４）と、前記ホール素子（４）の出力電圧を増幅してセンサ出力電圧を発生する差動増幅器（１２）と、前記ホール素子（４）のオフセット電圧を補償する補償電圧（Ｖ_bias）を発生する補償回路（２０，２０Ａ）とを備え、前記補償電圧（Ｖ_bias）を前記ホール素子（４）の前記出力電圧に加算して前記差動増幅器（１２）に入力する構成にした電流センサにおいて、
前記補償回路（２０，２０Ａ）を、直列接続された複数のダイオード（Ｄ１ａ）から成り所定の温度特性を有するダイオード列（Ｄ１）を備えて前記所定の温度特性に応じた前記補償電圧（Ｖ_bias）を発生するよう構成すると共に、前記所定の温度特性を、任意の温度における前記ホール素子（４）の不平衡電圧Ｖｏの値と、前記ホール素子（４）の温度変化に伴う前記不平衡電圧Ｖｏの変化勾配と、の関係から求めた近似直線の傾きに基づく特性にして成ることを特徴とする電流センサ（３０）である。

本発明の電流センサによれば、周囲温度の変化によって発生するオフセット温度ドリフトを、より簡素な構成で補償することができ、安価でありながら高精度に電流を検出できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本発明の電流センサの第１実施例を示すブロック構成図であり、
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であり、
図３は、周囲温度が２５℃の時の不平衡電圧と不平衡電圧の温度特性との相関を示すグラフである。
図４は、本発明の電流センサの第２実施例における補償回路を示すブロック構成図であり、
図５は、周囲温度が０℃の時の不平衡電圧と不平衡電圧の温度特性との相関を示すグラフである。

本発明の電流センサは、使用するホール素子が、モールド成形されていない状態、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が包まれた状態とされ、その不平衡電圧の周囲温度による変化と周囲温度が概ね常温（例えば、０℃あるいは２５℃）時の不平衡電圧値との相関関係、及び、ダイオードの順方向電圧の温度特性を利用し、差動増幅器の入力に対するバイアス電圧を調整することでオフセット電圧の温度ドリフトを補償する補償回路を備えるように構成したものである。

まず、第１実施例について図１〜図３を用いて詳述する。
図１（Ａ）に示すように、この第１実施例の電流センサは、ホール素子４の一方向に定電流源６により一定の電流Ｉｃが流れており、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に入力されている。
そして、ホール素子４の“＋”出力が、差動増幅器１２の“−”入力に接続され、また、ホール素子４の“−”出力が、差動増幅器１２の“＋”入力に接続されている。
また、この差動増幅器１２の出力端子と一入力端子との間には、フィードバック抵抗１４が接続されている。
一方、入力抵抗１０と差動増幅器１２の“＋”入力との間のＶ_biasには、補償回路２０が接続されている。

この補償回路２０について図１（Ｂ）を用いて説明する。
補償回路２０においては、定電源電圧Ｖｃｃ，−Ｖｓｓ間に、ダイオードＤ１ａをｎ個直列接続した一対のダイオード列Ｄ１が抵抗Ｒ５を介して直列接続されている。
また、各ダイオード列Ｄ１には、直列接続した抵抗Ｒ１，Ｒ２が並列に接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に３端子可変抵抗器Ｒ１の固定子ＲＶ１，ＲＶ２が接続されている。
また、Ｖ_biasには可動子Ｐが接続されている。
電源は、当図に示したような+Ｖｃｃと−Ｖｓｓとの正負両電源に限らず、+Ｖｃｃとグランドとの単電源でもよい。

次に、本実施例における温度ドリフト補償方法について、主に図２を用いて説明する。
図２は、ホール素子の周囲温度と不平衡電圧との関係を示すグラフである。
これは、ホール素子の８つのサンプル（Ｓｍｐｌ＃１〜Ｓｍｐｌ＃８）に対して、各入力に直流の１ｍＡを供給して測定した実測値に基づき近似線を示したものである。
当図からこの関係は１次式で直線近似できることがわかる。その近似式は、グラフ枠外に各サンプル毎に記載してある。

当補償方法は、図１（Ａ）に示す回路のオフセット電圧を、Ｖ_biasの電圧（以下、補償電圧Ｖ_bias又は単にＶ_biasと称する）を調整することでセンサ出力電圧Ｖｏｕｔ（以下、Ｖｏｕｔと称する）を変化させてキャンセルする方法である。
Ｖ_biasが一定の場合、図２のＳｍｐｌ＃１〜Ｓｍｐｌ＃３のように、ある温度において不平衡電圧が“＋”側にあると不平衡電圧が０（ゼロ）の時よりもＶｏｕｔは降下する。
この電圧降下Ｖｄは、具体的には、「不平衡電圧」×「差動増幅器の増幅量」である。

この温度から昇温すると、Ｓｍｐｌ＃１〜Ｓｍｐｌ＃３の温度特性（図２参照）から不平衡電圧は上昇し、これによりＶｏｕｔはさらに降下する。
そこで、このＶｏｕｔの温度特性に合わせるように補償電圧Ｖ_biasを上昇させ、両者を相殺させる。

逆に、図２のＳｍｐｌ＃５〜Ｓｍｐｌ＃８のように、ある温度において不平衡電圧が“−”側にあると不平衡電圧が０（ゼロ）の時よりもＶｏｕｔは上昇する。
この温度から昇温すると、Ｓｍｐｌ＃５〜Ｓｍｐｌ＃６の温度特性から不平衡電圧は降下し、従って、Ｖｏｕｔはさらに上昇する。
そこで、このＶｏｕｔの温度特性に合わせるように補償電圧Ｖ_biasを降下させ、両者を相殺させる。

図１（Ｂ）に示す補償回路２０においては、少なくとも不平衡電圧が直線近似できる温度下においてＶｏｕｔの電圧調整が可能であると共に、温度ドリフトに対する補償も可能である。
一般的に、ダイオードはその順方向電圧に温度依存性があり、温度が上昇すると電圧は低下する。
従って、この補償回路２０の接続構成において、固定子ＲＶ１側の電圧Ｖ１は温度上昇に伴って上昇し、逆に固定子ＲＶ２側の電圧Ｖ２は降下する。

補償すべきホール素子のある温度（例えば常温）における不平衡電圧が“＋”方向にある場合、３端子可変抵抗器ＶＲ１をＲＶ１側にして補償電圧Ｖ_biasを調整することにより、あらゆる使用温度において、Ｖｏｕｔを不平衡電圧が０（ゼロ）のホール素子を用いた場合とほぼ同じにすることができる。

逆に、補償すべきホール素子のある温度（例えば常温）における不平衡電圧が“−”方向にある場合、３端子可変抵抗器ＶＲ１をＲＶ２側にして補償電圧Ｖ_biasを調整することにより、あらゆる使用温度において、Ｖｏｕｔを不平衡電圧が０（ゼロ）のホール素子を用いた場合とほぼ同じにすることができる。

また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値，ダイオード列Ｄ１のダイオードＤ１ａの順方向電圧あるいはその数ｎを、Ｖ_biasとＶｏｕｔとの温度特性が同一となるように設定することで、ある温度（例えば常温）における３端子可変抵抗器ＶＲ１の調整のみでホール素子の不平衡電圧の温度ドリフトをキャンセルすることが可能である。

具体的には、ホール素子の不平衡電圧特性（図２参照）において、例えば２５℃での不平衡電圧の値と温度変化による不平衡電圧の変化勾配（傾き）との関係に、直線近似できる相関があることを利用する。この相関と近似直線とについて図３に示す。

図３は、図２の各近似式にｘ＝２５を代入した不平衡電圧Ｖｏを横軸に、代入した近似式の１次係数を縦軸にプロットし、それを直線近似したものである。
この近似直線の傾きを有する補償電圧Ｖ_biasが得られるように補償回路を構成する。
具体的には、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値，ダイオード列Ｄ１のダイオードＤ１ａの順方向電圧あるいはその数ｎを適宜設定すればよい。

上述した実施例は、安価な汎用部品のみで簡素に構成することができるので、極めて安価に電流センサを作成することができる。一方、周囲温度の変化によるオフセットドリフトを極めて効果的に低減することができる。

第２実施例について図４，図５を用いて詳述する。
この第２実施例の電流センサは、第１実施例に対して、補償回路２０の３端子可変抵抗器ＶＲ１を固定抵抗Ｒ３，Ｒ４に置き換えたものであり、他の部分は共通である。図４は、この第２実施例の補償回路２０Ａを示したブロック構成図である。

この補償回路２０Ａにおける固定抵抗Ｒ１〜Ｒ４の設定方法の一例について説明する。
以下の説明は、「ダイオードの順方向電圧Ｖｄの温度係数」＞＞「各抵抗の温度係数」であって各抵抗の温度変化は無視できることを前提にしており、補償回路２０Ａには、これを満足するダイオードや抵抗を補償回路に使用する。

＜１＞ホール素子における不平衡電圧とその温度特性の傾きとを測定値から求める。
ここでは計算を簡単にするために、図２の温度０℃における傾きαを求める。
具体的には、図２の各近似式にｘ＝０を代入した不平衡電圧Ｖｏを横軸にし、代入した近似式の１次係数を縦軸にしてプロットする（図５参照）。
これにより傾きαは（１）式で得られる。以下、０℃での値については（ｔ＝０）を付して示す。
α＝０．００１８×Ｖｏ（ｔ＝０） …（１）
（ただし、Ｖｏの単位はｍＶ）

＜２＞ホール素子に流す電流値（Ｉｃ）及び信号増幅部の増幅度を決める。
上述したように、図２に示したホール素子の特性値は全てホール素子の入力に直流の１ｍＡを流した場合の値である。
従って、１ｍＡに対して実際に供給する電流値とアンプの増幅度との乗算で、トータルの増幅度βが表される。
また、この増幅度βは、アンプが反転増幅としてあるので極性はマイナスとなる。

＜３＞０℃におけるセンサ出力のオフセット電圧を調整するＶ_biasの調整量を決定するために、センサ出力に現れるオフセット電圧Ｖ_offを式で表す。この式は（２）式となる。
Ｖ_off（ｔ＝０）＝β×Ｖｏ（ｔ＝０） …（２）

＜４＞（２）式を温度関数として表す。この式は（３）式となる。
Ｖ_off（ｔ）＝β｛０．００１８×Ｖｏ（ｔ＝０）×ｔ＋Ｖｏ（ｔ＝０）｝
…（３）

＜５＞（３）式を温度の関数として微分する。

以上が、ホール素子の不平衡電圧とその温度変化とがセンサ出力にどれだけ影響するかを数式で表す方法の手順である。
次に、その影響を補償するＶ_biasの設定方法について説明する。

＜６＞Ｖ_biasを式で表す。
第２実施例の補償回路２０Ａ（図４参照）において、例えば、Ｖｓｓ＝Ｖｃｃの電源を使用し、Ｒ３，Ｒ４＞＞Ｒ１，Ｒ２の関係にある場合、Ｖ_biasは（５）式で表される。

＜７＞Ｖ_bias〔（５）式〕を温度の関数として微分する。

＜８＞当方法は、上述したように電流センサのオフセット電圧の調整を、Ｖ_biasの可変により行うものである。つまり、Ｖ_offとＶ_biasとの関係が以下の式で表されるものになれば、Ｖ_biasを調整するだけで最適な温度補償が行える。

この（７）式を変形すると、

（８）式におけるＶ_off及びＶ_biasを同じ温度（この場合は０℃）として計算すればよい。

＜９＞（８）式の左辺の計算

この（９）式の結果のように、βは打ち消される。
よって、増幅度βにばらつきがあっても、まず増幅度調整を行った後、オフセット調整を行うことで全ての場合で（９）式の関係が成り立つことがわかる。

＜１０＞（８）式の右辺の計算

＜１１＞ここで、Ｖｃｃ＝＋１２Ｖ，Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ａとして、（９）式＝（１０）式を計算する。

さらに、一般的な値として、ダイオードの順方向電圧Ｖｄ（ｔ＝０）を０．６Ｖ，その温度係数を−２．０×１０^-3とすれば、
Ａ×ｎ＝７．０１３ …（１２）
となる。

ここで、Ａ＜１，ｎ＝自然数であるので、この（１２）式の関係を満たす解の内、以下の例解が得られる。
（ｎの選択においては、コスト，ダイオードの電圧降下あるいは電源の自由度等から、最小値とすることが一般的である）
例解：Ａ＝０．８７６６２５，ｎ＝８
さらに、Ｒ２＝γＲ１とすると、この例解から、
γ＝０．２７９を得る。

使用する抵抗が２４系列ならば、この値に最も近く現実的な組み合わせとして以下の抵抗値を選定する。
Ｒ１＝４３０Ω，Ｒ２＝１２０Ω

Ｒ３，Ｒ４については、上述したＲ３，Ｒ４＞＞Ｒ１，Ｒ２の関係を満たすようにＲ１，Ｒ２の値よりも数桁大きい値、例えば、５０ｋΩ以上の抵抗値とする。
これにより、Ｒ１，Ｒ２間からの流出・流入電流はＲ１，Ｒ２に流れる電流に対して十分小さくなって例解と実際の動作との誤差は無視できる程度となる。
従って、精度のよい補償ができる。

本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形してもよいことは言うまでもない。

本発明の電流センサの実施例を示すブロック構成図である。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である。周囲温度が２５℃の時の不平衡電圧と不平衡電圧の温度特性との相関を示すグラフである。本発明の電流センサの第２実施例における補償回路を示すブロック構成図である。周囲温度が０℃の時の不平衡電圧と不平衡電圧の温度特性との相関を示すグラフである

符号の説明

４ホール素子
６定電流電源
８，１０，１４，Ｒ１〜Ｒ５抵抗
１２差動増幅器
２０，２０Ａ補償回路
３０電流センサ
Ｄ１ダイオード列
Ｄ１ａダイオード
ＶＲ１３端子可変抵抗器
ＲＶ１，ＲＶ２固定子
Ｐ可動子
Ｖｏ不平衡電圧
Ｖｏｕｔセンサ出力電圧
Ｖ_off オフセット電圧
Ｖ_bias 補償電圧
α （０℃における）傾き
β 増幅度

Claims

ホール素子と、前記ホール素子の出力電圧を増幅してセンサ出力電圧を発生する差動増幅器と、前記ホール素子のオフセット電圧を補償する補償電圧を発生する補償回路とを備え、
前記補償電圧を前記ホール素子の前記出力電圧に加算して前記差動増幅器に入力する構成にした電流センサにおいて、
前記補償回路を、
直列接続された複数のダイオードから成り所定の温度特性を有するダイオード列を備えて前記所定の温度特性に応じた前記補償電圧を発生するよう構成すると共に、
前記所定の温度特性を、
任意の温度における前記ホール素子の不平衡電圧の値と、前記ホール素子の温度変化に伴う前記不平衡電圧の変化勾配と、の関係から求めた近似直線の傾きに基づく特性にして成ることを特徴とする電流センサ。