JP2009128285A - 電気量検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流の電気量をトランスを用いて検出する電気量検出センサにおいて、正確に電気量を検出できるようにする。
【解決手段】電気量検出センサ１は、直流電流Ｉが流れる電路１０に設けられた検出抵抗１１及び補助抵抗（高抵抗）１５と、１次側コイル１２ａが検出抵抗１１に対して並列接続となるように電路１０の２点間に接続されるトランス１２と、１次側コイル１２ａに対して直列接続となるように電路１０と１次側コイル１２ａの間に接続され、所定の周波数でオン／オフされる光電素子（スイッチング素子）１３ｂと、トランス１２の２次側コイル１２ｂに発生する交流電流の電気信号に基いて、直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号を出力する信号処理部１４とを備える。補助抵抗１５は、検出抵抗１１、１次側コイル１２ａ、及び光電素子１３ｂに対して直列接続となるように、１次側コイル１２が接続される２点間の外に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電流の電気量を検出する電気量検出センサに関するものである。

従来から、電気量検出センサにおいて、直流電流の電気量をトランスを用いて検出するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の電気量検出センサは、図３に示す構成になっている。すなわち、電気量検出センサ８０は、直流電流Ｉが流れる電路１００に設けられた検出抵抗８１と、電路１００から分路電流の供給を受けて、その分路電流を交流電流に変換するためのトランス８２と、電路１００からトランス８２へ供給される分路電流をスイッチングするための光結合型リレー８３と、電路１００に流れる直流電流Ｉの電気量の検出処理を行う信号処理部８４とを備える。信号処理部８４は、発振回路９１と、増幅器９２と、同期検波回路９３と、増幅器９４とを有する。この電気量検出センサ８０は、電路１００に設けられた検出抵抗８１の両端電圧をトランス８２を用いて検出して、電路１００に流れる直流電流Ｉの電気量を検出するようにしたものである。

トランス８２の１次側コイル８２ａは、検出抵抗８１に対して並列接続となるように、光結合型リレー８３を介して、電路１００の２点間に接続されており、２次側コイル８２ｂの出力は、増幅器９２を介して同期検波回路９３に与えられるようになっている。光結合型リレー８３の発光素子８３ａは、発振回路９１の発振によって電力供給が制御されるようになっており、光結合型リレー８３の光電素子（スイッチング素子）８３ｂは、トランス８２の１次側コイル８２ａに対して直列接続となるように、電路１００とトランス８２の１次側コイル８２ａの間に接続されている。

電気量検出センサ８０は、以下のようにして、電路１００に流れる直流電流Ｉの電気量を検出する。すなわち、発振回路９１が所定の発振周波数で発振することにより、光結合型リレー８３の発光素子８３ａが発振回路９１の発振周波数で点滅し（発光、消光を繰り返し）て、光電素子８３ｂが発光素子８３ａの点滅に応じて（すなわち発振回路９１の発振周波数で）オン／オフする。これにより、電路１００からトランス８２の１次側コイル８２ａに流れる分路電流が発振回路９１の発振周波数でスイッチングされ、トランス８２の２次側コイル８２ｂに発振回路９１の発振周波数の交流電流が発生する。

トランス８２の２次側コイル８２ｂに発生した交流電流は、増幅器９２により増幅された後、同期検波回路９３により発振回路９１の発振周波数で同期検波され、２次側コイル８２ｂに発生した交流電流の電圧が同期検波回路９３から出力される。同期検波回路９３から出力された電圧は、増幅器９４により増幅され、増幅器９４により増幅された電圧が、電路１００に流れる直流電流Ｉの電気量の検出値（直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号）Ｖｏｕｔとして信号出力ライン９０から出力される。電気量検出センサ８０は、このようにして、電路１００に流れる直流電流Ｉの電気量を検出する。
特開２００２−１９６０２０号公報

ところで、上述した従来の電気量検出センサ８０は、図４、図５に示すように、電圧源（例えば自動車のバッテリ）９８の電源電圧を検出する電圧センサとして用いることができる。この場合、電気量検出センサ８０は、電路１００において電圧源９８と並列接続になるように電圧源９８の＋側と−側との間に接続して使用することになる。また、この場合、検出抵抗８１には、電圧源９８の電源電圧を検出するためだけに常に直流電流Ｉが流れることになるので、検出抵抗８１は、電圧源９８の電力損失を抑えるために、抵抗値の大きいものが用いられる。

ところが、光結合型リレー８３の光電素子８３ｂがオンのときとオフのときとで、電路１００に流れる直流電流Ｉに寄与する合成抵抗の抵抗値が変化する。すなわち、検出抵抗８１の抵抗値をＲｓ、光電素子８３ｂのオン抵抗値をＲｏｎ、トランス８２のインピーダンス値をＺｔとすると、電路１００に流れる直流電流Ｉに寄与する合成抵抗の抵抗値Ｒｔは、図６（ａ）に示すように光電素子８３ｂがオフのときには、Ｒｔ＝Ｒｓとなり、図６（ｂ）に示すように光電素子８３ｂがオンのときには、Ｒｔ＝Ｒｓ（Ｚｔ＋Ｒｏｎ）／（Ｒｓ＋Ｚｔ＋Ｒｏｎ）となる。

従って、電圧源９８の電源電圧を測定している間、電圧源９８の電源容量が一定であるとすると、電源容量の少ない電圧源９８の電源容量を測定した場合には、光電素子８３ｂがオンのときとオフのときとで、電路１００に流れる直流電流Ｉが大きく変動する。その結果、電路１００の両端電圧は流れる直流電流Ｉの電気量を一定にすることができず、実際の電源電圧と測定した電源電圧に差異が発生する。

また、電気量検出センサ８０の使用方法に限られず、光電素子８３ｂがオンのときとオフのときとで、電路１００に流れる直流電流Ｉに寄与する合成抵抗の抵抗値が変化して、電路１００に流れる直流電流Ｉが変動する。従って、電気量検出センサ８０の使用方法に限られず、光電素子８３ｂがオンのときとオフのときとで直流電流Ｉが変動することによって、直流電流Ｉの電気量を正確に検出できない虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、直流電流の電気量をトランスを用いて検出する電気量検出センサにおいて、正確に電気量を検出することができる電気量検出センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、直流電流の電気量を検出する電気量検出センサにおいて、直流電流が流れる電路に設けられた検出抵抗と、１次側コイル及び２次側コイルを有し、その１次側コイルが検出抵抗に対して並列接続となるように電路の２点間に接続されるトランスと、トランスの１次側コイルに対して直列接続となるように電路とトランスの１次側コイルの間に接続され、所定の周波数でオン／オフされるスイッチング素子と、スイッチング素子のオン／オフによりトランスの２次側コイルに発生する交流電流の電気信号に基いて、電路に流れる直流電流の電気量に応じた電気信号を出力する信号処理部と、検出抵抗、トランスの１次側コイル、及びスイッチング素子に対して直列接続となるように、電路におけるトランスの１次側コイルが接続される２点間の外に設けられた補助抵抗（高抵抗）と、を備えるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電気量検出センサにおいて、信号処理部は、電路に流れる直流電流の電気量に応じた電気信号を信号出力ラインが２本の差動方式によって出力するものである。

請求項１の発明によれば、高抵抗が、検出抵抗、トランスの１次側コイル、及びスイッチング素子に対して直列接続となるように、電路におけるトランスの１次側コイルが接続される２点間の外に設けられていることにより、スイッチング素子がオンのときとオフのときの電路に流れる直流電流の変動が抑えられる。これにより、正確に、電路に流れる直流電流の電気量を検出することができる。また、高抵抗が電路に設けられていることにより、検出抵抗以降の回路に流れる電流が小さくなり、検出抵抗以降の回路の使用電力を低減することができる。これにより、使用電力の小さい回路部品で電気量検出センサを構成することができ、電気量検出センサの小型化が可能である。

請求項２の発明によれば、信号出力ラインが２本の差動方式によって電気量に応じた電気信号を出力することにより、信号出力ラインに発生するコモンモードノイズの影響を少なくすることができ、より正確に、電気量を検出することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態による電気量検出センサについて図面を参照して説明する。図１は、本実施形態による電気量検出センサの構成を示す。電気量検出センサ１は、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量を検出するセンサである。

電気量検出センサ１は、電路１０に設けられた検出抵抗１１と、電路１０から分路電流の供給を受けて、その分路電流を交流電流に変換するためのトランス１２と、電路１０からトランス１２へ供給される分路電流をスイッチングするための光結合型リレー１３と、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量の検出処理を行う信号処理部１４と、電路１０に設けられた補助抵抗（高抵抗）１５とを備える。この電気量検出センサ１は、電路１０に設けられた検出抵抗１１の両端電圧をトランス１２を用いて検出して、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量を検出するようにしたものである。

トランス１２は、１次側コイル１２ａ、及び２次側コイル１２ｂを有する。１次側コイル１２ａは、検出抵抗１１に対して並列接続となるように、光結合型リレー１３を介して、電路１０の２点間に接続されている。２次側コイル１２ｂの出力は、信号処理部１４に与えられる。

光結合型リレー１３は、電力供給を受けて光を発光する発光素子１３ａ、及び光を受光してオン（導通）するスイッチング素子である光電素子１３ｂを有し、発光素子１３ａに電力が供給されると、発光素子１３ａが発光し、光電素子１３ｂが発光素子１３ａからの光を受光してオンするように構成された光伝送素子である。つまり、光結合型リレー１３は、発光素子１３ａに電力が供給されると、光電素子１３ｂがオンし、発光素子１３ａへの電力供給が断たれると、光電素子１３ｂがオフ（非導通）するようになっている。

光電素子１３ｂは、トランス１２の１次側コイル１２ａに対して直列接続となるように、電路１０とトランス１２の１次側コイル１２ａの間に接続されている。従って、発光素子１３ａに電力が供給されて、光電素子１３ｂがオンすると、電路１０からトランス１２の１次側コイル１２ａへ分路電流が供給され、逆に、発光素子１３ａへの電力供給が断たれて、光電素子１３ｂがオフすると、電路１０からトランス１２の１次側コイル１２ａへの分路電流の供給が断たれる。

信号処理部１４は、発振回路４１と、増幅器４２と、同期検波回路４３と、増幅器４４とを有し、光結合型リレー１３を駆動制御（光結合型リレー１３の発光素子１３ａへの電力供給を制御）すると共に、光結合型リレー１３の光電素子１３ｂのオン／オフによりトランス１２の２次側コイル１２ｂに発生する交流電流の電気信号に基いて、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号を出力する。

発振回路４１は、所定の発振周波数で発振する。光結合型リレー１３の発光素子１３ａは、発振回路４１が発振することにより、その発振周波数でパルス駆動される（その発振周波数で電力の供給と停止が繰り返される）ようになっている。すなわち、信号処理部１４は、発振回路４１の発振によって、光結合型リレー１３を駆動制御（発光素子１３ａへの電力供給を制御）する。

増幅器４２は、トランス１２の２次側コイル１２ｂに発生する交流電流の電気信号を増幅する。同期検波回路４３は、増幅器４２の出力を発振回路４１の発振周波数によって同期検波する。増幅器４４は、同期検波回路４３の出力を増幅する。信号処理部１４は、増幅器４４により増幅された電圧を、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量の検出値（直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号）Ｖｏｕｔとして、信号出力ライン４０から出力する。

補助抵抗１５は、検出抵抗１１、トランス１２の１次側コイル１２ａ、及び光結合型リレー１３の光電素子１３ｂに対して直列接続となるように、電路１０におけるトランス１２の１次側コイル１２ａが接続される２点間の外に設けられている。

このような構成の電気量検出センサ１は、以下のようにして、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量を検出する。すなわち、発振回路４１が所定の発振周波数で発振し、この発振回路４１の発振により、光結合型リレー１３の発光素子１３ａが発振回路４１の発振周波数で点滅し（発光、消光を繰り返し）て、光電素子１３ｂが発光素子１３ａの点滅に応じて（すなわち発振回路４１の発振周波数で）オン／オフする。この光電素子１３ｂのオン／オフにより、電路１０からトランス１２の１次側コイル１２ａに流れる分路電流が発振回路４１の発振周波数でスイッチングされ、トランス１２の２次側コイル１２ｂに発振回路４１の発振周波数の交流電流が発生する。

トランス１２の２次側コイル１２ｂに発生した交流電流は、増幅器４２により増幅された後、同期検波回路４３により発振回路４１の発振周波数で同期検波され、２次側コイル１２ｂに発生した交流電流の電圧が同期検波回路４３から出力される。この同期検波回路４３から出力された電圧は、増幅器４４により増幅され、増幅器４４により増幅された電圧が、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量の検出値Ｖｏｕｔとして、信号出力ライン４０から出力される。

トランス１２の２次側コイル１２ｂに発生する交流電流の大きさは、トランス１２の１次側コイル１２ａに流れる分路電流の大きさに比例し、１次側コイル１２ａに流れる分路電流の大きさは、電路１０に流れる直流電流Ｉの大きさに比例する。従って、検出値Ｖｏｕｔとして信号出力ライン４０から出力される増幅器４４の出力電圧は、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号となる。電気量検出センサ１は、このようにして、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量を検出する。

このような構成の電気量検出センサ１において、検出抵抗１１の抵抗値をＲｓ、光電素子１３ｂのオン抵抗値をＲｏｎ、トランス１２のインピーダンス値をＺｔ、補助抵抗１５の抵抗値をＲａとすると、電路１０に流れる直流電流Ｉに寄与する合成抵抗の抵抗値Ｒｔは、光電素子１３ｂがオフのときには、Ｒｔ＝Ｒａ＋Ｒｓとなり、光電素子１３ｂがオンのときには、Ｒｔ＝Ｒａ＋Ｒｓ（Ｚｔ＋Ｒｏｎ）／（Ｒｓ＋Ｚｔ＋Ｒｏｎ）となる。

一方、補助抵抗１５を設けていない構成では、光電素子１３ｂがオフのときには、Ｒｔ＝Ｒｓとなり、光電素子１３ｂがオンのときには、Ｒｔ＝Ｒｓ（Ｚｔ＋Ｒｏｎ）／（Ｒｓ＋Ｚｔ＋Ｒｏｎ）となる。

電路１０に流れる直流電流Ｉは、電路１０の両端に印加される電圧をＶとすると、Ｉ＝Ｖ／Ｒｔとなる。従って、光電素子１３ｂがオフのときの直流電流Ｉと光電素子１３ｂがオンのときの直流電流Ｉの差は、本発明の補助抵抗１５を設けた電気量検出センサ１の方が、補助抵抗１５を設けていない構成よりも小さくなる。すなわち、本発明の電気量検出センサ１においては、補助抵抗１５を設けていない構成と比較して、光電素子１３ｂがオンのときとオフのときの電路１０に流れる直流電流Ｉの変動が抑えられる。特に、補助抵抗１５の抵抗値Ｒａ≫検出抵抗１１の抵抗値Ｒｓの場合には、光電素子１３ｂがオフのときの直流電流Ｉと光電素子１３ｂがオンのときの直流電流Ｉがほぼ同じになり、光電素子１３ｂがオンのときとオフのときとで、電路１０に流れる直流電流Ｉが殆ど変動しなくなる。

このように、本発明の電気量検出センサ１によれば、補助抵抗１５が、検出抵抗１１、トランス１２の１次側コイル１２ａ、及び光結合型リレー１３の光電素子１３ｂに対して直列接続となるように、電路１０におけるトランス１２の１次側コイルａが接続される２点間の外に設けられていることにより、光電素子１３ｂがオンのときとオフのときの電路１０に流れる直流電流Ｉの変動が抑えられる。これにより、電路１０の両端に発生する電圧を正確に検出することができる。

また、高い抵抗値を持つ補助抵抗１５を電路１０に設けることにより、検出抵抗１１以降の回路（検出抵抗１１、光結合型リレー１３の光電素子１３ｂ、及びトランス１２の１次側コイル１２ａ）に流れる電流が小さくなり、検出抵抗１１以降の回路の使用電力を低減することができる。これにより、使用電力の小さい回路部品で電気量検出センサ１を構成することができ、電気量検出センサ１の小型化が可能である。

図２は、電気量検出センサ１の別の構成例を示す。この電気量検出センサ１では、信号処理部１４は、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号を差動方式によって出力するようになっている。すなわち、増幅部４４は、同期検波回路４３の出力電圧を差動増幅し、信号処理部１４は、増幅部４４により差動増幅された電圧を、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量の検出値（直流電流Ｉの電気量に応じた電気信号）Ｖｏｕｔ＋、Ｖｏｕｔ−として、２本の信号出力ライン４０ａ、４０ｂから出力する。他の構成については、上記図１の構成と同様である。

このような構成の電気量検出センサ１によれば、差動方式によって電気量に応じた電気信号を出力することにより、信号出力ライン４０ａ、４０ｂに発生するコモンモードノイズの影響を少なくすることができ、より正確に、電路１０に流れる直流電流Ｉの電気量を検出することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、種々の変形が可能である。例えば、補助抵抗の抵抗値は、大きいほうが望ましく、また、検出抵抗の抵抗値は、小さい方が望ましい。こうすることにより、光電素子がオンのときとオフのときの電路に流れる直流電流の変動をより小さく抑えることができる。また、光結合型リレーに代えて、半導体トランジスタ等のスイッチング素子を用いて、トランスの１次側コイルに流れる分路電流をスイッチングするようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る電気量検出センサの構成を示す電気回路図。 同電気量検出センサの別の構成を示す電気回路図。 従来の電気量検出センサの構成を示す電気回路図。 従来の電気量検出センサの使用例を示す電気回路図。 従来の電気量検出センサの使用例を示す電気回路図。 （ａ）は従来の電気量検出センサの光電素子のオフ状態の電気回路図、（ｂ）は同光電素子のオン状態の電気回路図。

符号の説明

１ 電気量検出センサ
１０ 電路
１１ 検出抵抗
１２ トランス
１２ａ １次側コイル
１２ｂ ２次側コイル
１３ 光結合型リレー
１３ａ 発光素子
１３ｂ 光電素子（スイッチング素子）
１４ 信号処理部
１５ 補助抵抗（高抵抗）
４０、４０ａ、４０ｂ 信号出力ライン
４１ 発振回路
４２ 増幅器
４３ 同期検波回路
４４ 増幅器

Claims (2)

1. 直流電流の電気量を検出する電気量検出センサにおいて、
   直流電流が流れる電路に設けられた検出抵抗と、
   １次側コイル及び２次側コイルを有し、その１次側コイルが前記検出抵抗に対して並列接続となるように前記電路の２点間に接続されるトランスと、
   前記トランスの１次側コイルに対して直列接続となるように前記電路と前記トランスの１次側コイルの間に接続され、所定の周波数でオン／オフされるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のオン／オフにより前記トランスの２次側コイルに発生する交流電流の電気信号に基いて、前記電路に流れる直流電流の電気量に応じた電気信号を出力する信号処理部と、
   前記検出抵抗、トランスの１次側コイル、及びスイッチング素子に対して直列接続となるように、前記電路における前記トランスの１次側コイルが接続される２点間の外に設けられた補助抵抗（高抵抗）と、
   を備えることを特徴とする電気量検出センサ。
2. 前記信号処理部は、前記電路に流れる直流電流の電気量に応じた電気信号を信号出力ラインが２本の差動方式によって出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気量検出センサ。
   
   

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