JP2005351701A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりも大きな電流を精度良く検出できる電流検出装置を提供する。
【解決手段】 この電流検出装置１は、被検出電流に伴う磁界に応じて磁化する磁気コア３と、磁気コア３に設けられたエアギャップ間に生じる磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子５と、ホール素子５の出力電圧から前記被検出電流の電流値を求める電圧値・電流値変換部９ｂとを備えて主構成される。電圧値・電流値変換部９ｂは、磁気コア３の初磁化曲線に対応した出力電圧−被検出電流の対応関係に基づいて、ホール素子５の出力電圧から前記被検出電流の電流値を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気コアおよび磁電変換素子を用いた電流検出装置に関する。

この種の電流検出装置は、被検出電流Ｉに伴う磁界に応じて磁化する磁気コアと、前記磁気コアに設けられたエアギャップ間に生じる磁束密度Ｂｇに応じたホール電圧Ｖｈを出力するホール素子と、前記ホール素子の出力電圧Ｖｈから被検出電流Ｉの電流値を求める算出手段とを備えている。

前記算出手段は、ホール電圧Ｖｈ−磁束密度Ｂｇの関係式（下記の式１）と、被検出電流Ｉ−磁界Ｈｇ，Ｈｍの関係式（下記の式２）と、エアギャップ間における磁束密度Ｂｇ−磁界Ｈｇの関係式（下記の式３）とから求まる出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの関係式（下記の式４）に基づいて、前記ホール素子の出力電圧Ｖｈから被検出電流Ｉの電流値を求めている。

尚、式１中のＫは、ホール素子の積感度定数であり、Ｉin は、ホール素子の制御電流である。式２中のＵは、被検出電流Ｉにより磁気回路（磁気コア）に生じる起磁力であり、Ｎは、磁気コアに巻かれた被検出電流Ｉの流れる電線の巻き数であり、ここではＮ＝１である。ＨｇおよびＨｍはそれぞれ、磁性体のギャップ間および磁性体内の磁界の大きさを表し、その磁界は被検出電流Ｉによって生じるものである。ＬｇおよびＬｍはそれぞれ、磁気コアのエアキャップ間の長さおよび磁性体部分の長さである。尚、式２中のΣ（ＨｍＬｍ）は、磁気コアを多角環状とした場合の各辺部分毎の磁界Ｈｍおよび長さＬｍの積についての和である。このΣ（ＨｍＬｍ）の項は、ＨｇＬｇの項と比べて影響力が小さいため便宜上無視される。式３中のμ０は、真空の透磁率である。式３は、磁気回路における定義式である。式４中のＬは、磁気回路の長さ（エアギャップ間の長さ＋磁性体部分の長さ）である。

電流が流れることにより発生する磁界を利用して電流の大きさを検出する装置において、磁界が大きくなるにつれて磁化の様子が線形から非線形に変化する磁性体を磁界検出用の磁気コアとして使用する場合、非線形領域では、直線性が失われてしまうため、センサー用途として使用することが難しい。

このため、線形応答する範囲でのみの使用となり、大きな磁界が測定できない（よって大きな電流が検出できない）という欠点があった。

そこで、この発明の課題は、従来よりも大きな電流を精度良く検出できる電流検出装置を提供することにある。

上記課題を解決する為には、請求項１に記載の発明は、被検出電流に伴う磁界に応じて磁化する磁気コアと、前記磁気コアに設けられたエアギャップ間に生じる磁束密度に応じた電圧を出力する磁電変換素子と、前記磁電変換素子の出力電圧から前記被検出電流の電流値を求める算出手段とを備えた電流検出装置に於いて、前記算出手段は、前記磁気コアの初磁化曲線に対応した出力電圧−被検出電流の対応関係に基づいて、前記磁電変換素子の出力電圧から前記被検出電流の電流値を求めるものである。

請求項２に記載の発明は、前記出力電圧−被検出電流の対応関係のうちの前記初磁化曲線の非線形部分に対応する部分が、変換テーブルにより構成されるものである。

請求項３に記載の発明は、前記磁気コアの温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度に基づいて、前記算出手段により求められた前記電流値を前記磁気コアの温度を考慮した電流値に補正する補正手段と、を備えるものである。

請求項１に記載の発明によれば、磁気コアの初磁化曲線に対応した出力電圧−被検出電流の対応関係に基づいて、磁電変換素子の出力電圧から被検出電流の電流値が求められるので、従来よりも大きな電流を精度良く検出できる。

請求項２に記載の発明によれば、出力電圧−被検出電流の対応関係のうちの磁気コアの初磁化曲線の非線形部分に対応する部分が変換テーブルにより構成されるので、出力電圧 −被検出電流の対応関係のうちの磁気コアの初磁化曲線の非線形部分に対応する部分を適切に当該電流検出装置に設定できる。

請求項３に記載の発明によれば、求められた被検出電流の電流値が磁気コアの温度を考慮した電流値に補正されるので、磁気コアが温度変化の大きな場所（例えば自動車のエンジンルーム内）に配置されてその温度変化により磁気コアの磁化特性が変化する場合でも、磁気コアの温度変化を考慮して適切に電流を検出できる。

＜実施の形態１＞
この実施の形態の電流検出装置１は、図１及び図２の様に、エアギャップ３ａを有する環状に形成されて、その環内に挿通された電線に流れる被検出電流Ｉに伴う磁界に応じて磁化する磁気コア３と、磁気コア３のエアギャップ３ａ間に介装され、エアギャップ３ａ間に生じる磁束密度Ｂｇに応じた電圧（ここではホール電圧）Ｖｈを出力する磁電変換素子（ここではホール素子）５と、磁気コア３の近傍に配置されて磁気コア３の温度を検出する温度センサ（例えばサーミスタ）７と、磁電変換素子５の出力電圧Ｖｈ及び温度センサ７の検出温度に基づいて被検出電流Ｉの電流値を算出する処理部９とを備える。尚、図２中のＨｇおよびＨｍはそれぞれ、被検出電流Ｉに伴う磁界により生じる磁気コア３のエアギャップ３ａ間の磁界および磁気コア３の磁性体内の磁界であり、Ｂｇは、磁気コア３のエアギャップ３ａ間の磁束密度である。

処理部９は、ホール素子５の出力電圧Ｖｈの電圧値を読み取る入力部９ａと、出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔ（図４参照）の情報を記憶した記憶部９ｃと、記憶部９ｃに記憶された出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔに基づいて、入力部９ａにより読み取られた出力電圧Ｖｈの電圧値から被検出電流Ｉの電流値を求める電圧値・電流値変換部（算出手段）９ｂと、温度センサ７の検出温度に基づいて、電圧値・電流値変換部９ｂにより求められた電流値を磁気コア３の磁化特性の温度依存性を考慮した電流値に補正する電流値補正部（補正手段）９ｄと、電流値補正部９ｄから得られた被検出電流Ｉの電流値を外部に出力する出力部９ｅとを備える。

図４の出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔは、磁気コア３の所定の標準温度帯に対応した初磁化曲線Ｓ（図３参照）における原点０から飽和点Ｆまでの範囲に対応した、出力電圧Ｖｈと被検出電流Ｉとの対応関係であり、その対応関係Ｔの線形部分Ｔ１（点０から点Ｐまでの部分）が初期磁化曲線Ｓの線形部分Ｓ１（点０から点Ｐまでの部分）に対応し、その対応関係Ｔの非線形部分Ｔ２（点Ｐから飽和点Ｆまでの部分）が初期磁化曲線Ｓの非線形部分Ｓ２（点Ｐから飽和点Ｆまでの部分）に対応している。

尚、この出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔは、例えば、磁気コア３の還内を挿通して流される電流Ｉをゼロから飽和値まで変化させて行き、その際の電流Ｉの各値に対してホール素子５から出力される出力電圧Ｖｈの値をグラフにプロットして得られる。

この出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔは、その線形部分Ｔ１については、従来同様に式４の出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの関係式を用いて規定されて記憶部９ｃに記憶され、他方、その非線形部分Ｔ２については、その非線形部分Ｔ２に基づいて作成される出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの変換テーブル（マップデータ）を用いて規定されて記憶部９ｃに記憶される。尚、線形部分Ｔ１についても、非線形部分Ｔ２と同様に、その線形部分Ｔ１に基づいて作成される出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの変換テーブルを用いて規定して記憶部９ｃに記憶してもよい。

電圧値・電流値変換部９ｂは、ホール素子５の出力電圧Ｖｈが出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔの線形部分Ｔ１に対応する範囲（０＜Ｖｈ≦Ｖｈ_P）内にある場合は、出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔとして上記の出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの関係式（式４）を用いて、ホール素子５の出力電圧 Ｖｈの電圧値から被検出電流Ｉの電流値を求め、他方、ホール素子５の出力電圧Ｖｈが出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔの非線形部分Ｔ２に対応する範囲（Ｖｈ_P＜Ｖｈ＜Ｖｈ_F）内にある場合は、出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔとして上記の出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの変換テーブルを用いて、ホール素子５の出力電圧 Ｖｈの電圧値から被検出電流Ｉの電流値を求める。

電流値補正部９ｄは、温度センサ７の検出温度が前記所定の標準温度帯（記憶部９ｃに記憶された出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔの作成の際に用いられた初磁化曲線Ｓに対応する温度帯）内にある場合は、電圧値・電流値変換部９ｂにより求められた電流値を補正せずにその値のまま出力部９ｅに出力し、他方、温度センサ７の検出温度が前記所定の標準温度帯内にない場合は、電圧値・電流値変換部９ｂにより求められた電流値に補正係数を乗じて、その電流値を磁気コア３の磁化特性の温度依存性を考慮した値（即ち、温度センサ７の当該検出温度に対応する初磁化曲線Ｓに対応した出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔを用いたならば得られる値）に補正して出力部９ｅに出力する。

尚、上記の補正係数は、電圧値・電流値変換部９ｂにより求められる電流値および温度センサ７により検出される温度に応じて種々の値のものが電流値補正部９ｄに予め設定されており、それら種々の値の補正係数の中から、電圧値・電流値変換部９ｂにより求められる電流値および温度センサ７により検出される温度に対応するものが電流値補正部９ｄにより選択されて用いられる。

以上の様に構成された電流検出装置１によれば、磁気コア３の初磁化曲線Ｓに於ける原点Ｏから飽和点Ｆに至る全範囲に対応した出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔに基づいて、ホール素子５の出力電圧Ｖｈから被検出電流Ｉの電流値が求められるので、従来よりも大きな電流を精度良く検出できる。

また、出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔの非線形部分（磁気コア３の初磁化曲線Ｓの非線形部分Ｓ２に対応する部分）Ｔ２が変換テーブルにより構成されるので、その非線形部分Ｔ２を適切に当該電流検出装置１に設定できる。

また、求められた被検出電流Ｉの電流値が磁気コア３の温度を考慮した電流値に補正されるので、磁気コア３が温度変化の大きな場所（例えば自動車のエンジンルーム内）に配置されてその温度変化により磁気コア３の磁化特性が変化する場合でも、磁気コア３の温度変化を考慮して適切に電流を検出できる。

尚、この実施の形態では、説明の便宜上、出力電圧 Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔとして、磁束密度Ｂｇの正の範囲の初磁化曲線Ｓ（図３参照）だけに対応したものを用いたが、言うまでもなく、磁束密度Ｂｇの負の範囲の初磁化曲線Ｓ’（図３参照）にも対応したものを用いてもよい。その様にすれば、被検出電流Ｉの流れの向きが変化しても適切に被検出電流Ｉの電流値を検出できる。

＜実施の形態２＞
この実施の形態の車載電源分配装置１５は、上記の電流検出装置１を備えて構成される。この車載電源分配装置１５は、図５の様に、バッテリ１７ａおよび発電機１７ｂから供給される電流Ｉを１以上の負荷機器１９に分配供給すると共に、上述の電流検出装置１を用いてバッテリ１７ａおよび発電機１７ｂから供給される電流Ｉの電流量を監視する様に構成されており、バッテリ１７ａおよび発電機１７ｂから供給される電流Ｉを各負荷機器１９に分配する分配回路２１と、バッテリ１７ａおよび発電機１７ｂの下流側の電路２３に配設された磁気コア３と、磁気コア３のエアギャップ３ａ間に介装されたホール素子５と、磁気コア３の近傍に配置されて磁気コア３の温度を検出する温度センサ７と、ホール素子５の出力電圧および温度センサ７の検出温度に基づいてバッテリ１７ａおよび発電機１７ｂから供給される電流Ｉの電流量を監視するマイコン等の中央演算処理部２５とを備える。尚、図５中では、バッテリ１７ａと車載電源分配装置１との間の電路に上流側から順にエンジン始動装置としてのスタータ２７および発電機１７ｂが分岐接続されている。

中央演算処理部２５は、ホール素子５の出力電圧および温度センサ７の検出温度に基づいてバッテリ１７ａおよび発電機１７ｂから供給される電流Ｉの電流量を検出する処理部９と、処理部９により検出された電流Ｉの電流量に応じて発電機１７ｂを制御する監視部２５ａとを備える。監視部２５ａは、処理部９により検出された電流Ｉの電流量がしきい値を越えたか否かの判定を行い、その結果、電流Ｉの電流量がしきい値を越えた場合にのみ、発電機１７ｂを制御して発電機１７ｂの発電量を増大させる。発電機１７ｂはエンジン回転運動を利用して発電しているので、上述の様に、電流Ｉの電流量がしきい値を越えた場合にのみ発電機１７ｂの発電量を増大させる様にすることにより、発電機１７ｂの平常時（電流Ｉの電流量がしきい値以下の時）の発電量を低く抑制でき、これによりエンジン負担を軽減できて燃費を向上できる。

尚、ここでは、電流検出装置１は、各要素３，５，７，９により構成される。上記の実施の形態１の構成要素と同一構成要素については同一符号を付してある。

この車載電源分配装置１５によれば、電流検出装置１の処理部９が車載電源分配装置１５の中央演算処理部２５内に組み込まれて構成されるので、即ち車載電源分配装置１５の演算処理部分が一箇所に集約されて構成されるので、車載電源分配装置１５の演算処理部分の組付作業の簡素化や演算処理処部分の配置レイアウト性の向上を図りつつ、実施の形態１の電流検出装置１を備えた車載電源分配装置１５を提供できる。

また、磁気コア３が車載電源分配装置１５に配設されるので、磁気コア３の設置場所の確保が容易となる。

＜実施の形態３＞
上記の実施の形態２では、電流検出装置１の磁気コア３を車載電源分配装置１５内の電路２３に配設し、その電流検出装置１を用いてバッテリ１７ａおよび発電機１７ｂから供給される電流Ｉの電流量を監視したが、この実施の形態３では、図６の様に、電流検出装置１の磁気コア３を（従ってホール素子５および温度センサ７も）バッテリ１７ａ側に配設し、その電流検出装置１を用いてバッテリ１７ａの充放電電流Ｉ（即ちバッテリ１７ａの端子に接続される電路２４を流れる充放電電流Ｉ）を監視する。

この実施の形態の監視部２５ａは、例えば、処理部９により検出された電流Ｉが放電電流である場合に、上記の実施の形態２の場合と同様、その放電電流Ｉがしきい値を越えたか否かの判定を行い、その放電電流Ｉがしきい値所定を越えた場合にのみ、発電機１７ｂを制御して発電機１ｂの発電量を増大させる。これにより、実施の形態２の場合と同様、燃費の向上が図られる。

この実施の形態によっても、上記の実施の形態２の場合と同様の効果を得る。但し、ここでは、磁気コア３がバッテリ１７ａに配設されることにより磁気コア３の設置場所の確保が容易になっている。

尚、ここでは、バッテリ１７ａの充放電電流Ｉの監視結果に基づいて燃費の向上が図れる様に発電機１７ｂの発電量が制御されるが、その様に限定されるものではない。例えば、バッテリ１７ａの充放電電流Ｉの監視結果に基づいてエンジンの再始動性が確保される様に（即ちエンジンの再始動時に備えてバッテリ１７ａに常にスタータ２７を作動させるのに最低限必要な充電エネルギが確保される様に）発電機１７ｂの発電量が制御される様にしてもよく、又はバッテリ１７ａが長寿命化する様に（即ちバッテリ１７ａの過放電や過充電が防止される様に）発電機１７ｂの発電量が制御される様にしてもよい。

尚、この実施の形態では、電流検出装置１の処理部９が車載電源分配装置１５の中央演算処理部２５内に組み込まれるが、処理部９を磁気コア３と共にバッテリ１７ａに配設してもよい。

本発明の実施の形態の電流検出装置の構成概略図である。 図１の磁気コア及びホール素子の拡大概略図である。 図１の磁気コアの初磁化曲線を示した図である。 図１の電流検出装置に設定される出力電圧Ｖｈ−被検出電流Ｉの対応関係Ｔを示した図である。 図１の電流検出装置を備えた車載電源分配装置の構成概略図である。 図５の磁気コアをバッテリに配設した場合の構成概略図である。

符号の説明

１ 電流検出装置
３ 磁気コア
３ａ エアギャップ
５ ホール素子
７ 温度センサ
９ 処理部
９ｂ 電圧値・電流値変換部
９ｄ 電流値補正部
２５ 中央演算処理部

Claims (3)

1. 被検出電流に伴う磁界に応じて磁化する磁気コアと、前記磁気コアに設けられたエアギャップ間に生じる磁束密度に応じた電圧を出力する磁電変換素子と、前記磁電変換素子の出力電圧から前記被検出電流の電流値を求める算出手段とを備えた電流検出装置に於いて、
   前記算出手段は、前記磁気コアの初磁化曲線に対応した出力電圧−被検出電流の対応関係に基づいて、前記磁電変換素子の出力電圧から前記被検出電流の電流値を求めることを特徴とする電流検出装置。
2. 前記出力電圧−被検出電流の対応関係のうちの前記初磁化曲線の非線形部分に対応する部分が、変換テーブルにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記磁気コアの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度に基づいて、前記算出手段により求められた前記電流値を前記磁気コアの温度を考慮した電流値に補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流検出装置。
   

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