JP2011017574A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子の出力に対するノイズの影響を抑えることができる電流検出器を提供する。
【解決手段】電流検出器(100)は、被検出電流(If)を導通させる導体(105)の周囲に配置された環状の磁性体コア(102)と、磁性体コア(102)の複数箇所に形成されたギャップ(102d)内にそれぞれ配置された複数のホール素子(106)と、これらホール素子(106)からそれぞれ出力され電圧信号(Vh1),(Vh2)の値を掛け合わせた結果に相当する電圧信号(Vh1・Vh2)を出力する掛算回路(108)とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流の測定や検出、フィードバック制御等に利用される磁気比例方式の電流検出器に関する。

従来、被検出電流の導通によって生じる磁束をコア（磁心）で収束し、その磁束をホール素子で電圧信号に変換して電流値を検出する非接触型の電流センサに関する先行技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特に、この公知の電流センサは、コアの一次巻線に正負両方向に被検出電流が導通する際、その正方向と負方向とでは被検出電流の測定範囲（定格値）が大きく異なる点に着目し、被検出電流の導通方向に応じて検出抵抗の値を変化させるものである。このとき検出抵抗は、正方向電流の検出時には二次巻線からの出力を電圧降下させてコンパレータをローレベルに駆動し、基準電圧をアース電圧（０）に維持する。一方、負方向電流の検出時には、検出抵抗はコンパレータをハイレベルに駆動し、基準電圧を電源電圧（＋Ｂ）に維持することができる。

上記の先行技術によれば、正方向の電流に対して負方向の電流が数分の１程度しか導通しない場合であっても、正方向の電流を検出する場合と負方向の電流を検出する場合とで検出抵抗の値を変えることにより、正負それぞれの測定範囲を別々に設定して、センサ能力を有効に使用することができると考えられる。

特開２０００−２９２４５６号公報（段落００１７〜００１９、図１）

しかしながら上述した先行技術は、ホール素子から出力された後の電圧信号を所望の測定範囲に降下させることだけに着目し、それ以前にホール素子の出力電圧に含まれているノイズの影響を何ら考慮していない。すなわち、電流センサにとってホール素子は最も重要な部品であり、検出電流の導通時にホール素子が外部から受けるノイズ（電気ノイズ、磁気ノイズ等）や、ホール素子自身が出力するホワイトノイズは、そのまま電流センサの出力特性に大きな影響を及ぼす。特に、上述した先行技術のように、単一のホール素子のみに依存して電流値の検出を行っている場合、検出結果に対してホール素子の出力するノイズの影響がダイレクトに現れやすいという問題がある。

そこで本発明は、ホール素子の出力に対するノイズの影響を抑えることができる技術の提供を課題としたものである。

上記の課題を解決するため、本発明は以下の解決手段を採用する。
すなわち本発明は、被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、複数の箇所にギャップが形成された磁性体コアと、複数あるギャップ内にそれぞれ配置され、被検出電流の導通時に磁性体コアを通じて個々のギャップ内に発生する磁界の強さに応じた電圧信号を出力する複数のホール素子と、複数のホール素子からそれぞれ出力された電圧信号の値を掛け合わせた結果に相当する電圧信号を出力する掛算回路とを備えた電流検出器である。

上記のように本発明の電流検出器では、その検出機能の中核をなすホール素子を磁性体コアの複数箇所のギャップ内に配置するとともに、それぞれの電圧信号の値を掛け合わせた結果を電圧信号とするものである。このため、被検出電流の導通時に電流検出器の外部からノイズが作用したとしても、その影響が全てのホール素子に対して同等に現れることはない。またホール素子自身から出力されるホワイトノイズについても、全てのホール素子が最大レベルのホワイトノイズを同時に出力するということは通常起こりにくい。

例えば、いずれか１つのホール素子がノイズの影響を最大に受けていたとしても、その他のホール素子が同じようにノイズの影響を最大に受けることはない。同様に、いずれか１つのホール素子が最大レベルのホワイトノイズを出力していたとしても、その他のホール素子が同時に最大レベルのホワイトノイズを出力していることはほとんどないことから、単一のホール素子を用いた場合と比較して、電圧信号に含まれるノイズの影響を希釈化することができる。また、個々のホール素子からの電圧信号に含まれるノイズの成分は、複数の電圧信号の値を掛け合わせることでその中に占める比率が相対的に低下することから、それだけ最終的な電圧信号（掛算結果としての値）のＳ／Ｎ比を改善（向上）し、電流検出器としての検出感度を高めることができる。

また本発明の電流検出器による有用性は、例えば「複数のホール素子を用いてそれぞれの出力の平均値をとる」という比較技術の存在によっては否定されない。すなわち比較技術では、個々のホール素子の信号が単純に平均値として出力されるため、結果的に出力される電圧信号中にノイズの成分も平均化された状態で残存する。この場合、例えばノイズの影響を全く受けていないホール素子（＝ノイズ成分が０）が存在していても、その他にノイズの影響を受けているホール素子が存在していれば、そのノイズ成分が平均値として全てのホール素子に振り分けられることになる。この点、本発明ではノイズの影響を全く（ほとんど）受けていないホール素子があれば、掛け合わせにより他のノイズ成分が電圧信号中に占める割合を大幅に低減（希釈化）することができるため、上記のようにＳ／Ｎ比の向上を図ることができるという利点がある。

さらに本発明では、例えば複数のホール素子として２つを使用した場合、それぞれの電圧信号の値を掛け合わせることで、掛算回路から得られる電圧信号の値が二次となる。すなわち、一般的に単一のホール素子から出力される電圧信号（ホール電圧）の特性は、被検出電流によって発生する磁束（被検出電流の値）に一次比例する直線性を有しているが、２つのホール素子からの電圧信号の値を掛算することで、その値は被検出電流の変化に対して二次関数（指数関数）的に変化する。この場合、一般的な比例関係（直線性）よりも、被検出電流の定格値に対する出力レンジを拡大することができるので、それだけ分解能を高くすることができるし、例えば増幅器（アンプ）を用いて電圧信号を増幅する場合であっても、その増幅率を低く抑えることができる。増幅率が高くなると、それだけ電圧信号に含まれる誤差やノイズの成分も増幅された状態で現れてくるが、本発明では増幅率の低下に寄与できるため、検出結果に含まれる誤差やノイズの影響を低く抑えることができ、より高精度な検出が可能となる。

また本発明の電流検出器において、上記のように「掛算回路による出力レンジの拡大」という点に着目した場合、同じ１つのギャップ内に複数のホール素子を配置する構成であってもよい。すなわち本発明は、被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、少なくとも１箇所にギャップが形成された磁性体コアと、ギャップ内に配置され、被検出電流の導通時に磁性体コアを通じてギャップ内に発生する磁界の強さに応じた電圧信号を出力する複数のホール素子と、これら複数のホール素子からそれぞれ出力された電圧信号の値を掛け合わせた結果に相当する電圧信号を出力する掛算回路とを備えた電流検出器としても構成することができる。

上記の構成であっても、例えば複数のホール素子として２つ（３つ以上でもよい）を使用した場合、それぞれの電圧信号の値を掛け合わせることで、掛算回路から得られる電圧信号の値が二次（又はそれ以上の高次）となる。したがって、単一のホール素子を用いた場合と比較して、被検出電流の定格値に対する出力レンジを拡大することができ、それだけ分解能を高くすることができる。また、上記のように例えば増幅器（アンプ）を用いて電圧信号を増幅する場合であっても、その増幅率を低く抑えることができるため、それだけ検出結果に含まれる誤差やノイズの影響を低く抑えることができ、より高精度な検出が可能となる。

さらに、１つのギャップ内に複数のホール素子を配置する構成であれば、個々のホール素子自身が出力するホワイトノイズについても、全てのホール素子が最大レベルのホワイトノイズを同時に出力しない限り、これらの電圧信号の値を掛け合わせた結果が最大値となることはない。したがって、単一のホール素子を用いた場合と比較しても、電圧信号に含まれるノイズの影響を希釈化することができるという利点を有する。

また上記と同様に、同じ１つのギャップ内でも、ホワイトノイズを全く（ほとんど）出力していないホール素子（ホワイトノイズ成分≒０）があれば、それぞれの電圧信号の掛け合わせにより、他のホール素子自身が出力するホワイトノイズの成分を大幅に低減（希釈化）することができるため、ここでもＳ／Ｎ比の向上を図ることができるという利点がある。

また本発明の電流検出器は、掛算回路からの出力に基づいて磁性体コアに巻かれた二次巻線に帰還電流を導通させ、磁性体コアの周方向でみて被検出電流の導通時に発生する磁界を打ち消す方向への逆磁界を発生させるフィードバック回路をさらに備えることもできる。

上記のように、磁性体コアに二次巻線を設けたフィードバック回路を備える場合、本発明の電流検出器はいわゆるサーボタイプとなる。このようなサーボタイプの電流検出器は、被検出電流の導通時に発生する磁界を二次巻線への通電により発生する逆磁界で打ち消しつつ、複数のホール素子から得られる電圧信号（掛算回路からの出力）に基づいて二次巻線に流れる電流をフィードバック制御する目的に用いられる。例えば、逆磁界によって各ギャップ内の磁界が完全に打ち消されている状態をシステム（例えば電気回路）の定常状態とすれば、実際に制御上で目的とする定常状態にシステムが安定したとき、各ホール素子からの電圧信号は適正値（＝０）となる。この場合、電圧信号を適正値に近づける方向に二次巻線の電流をフィードバック制御することで、システムの安定化を図ることができる。

ただし、実際にシステム内部での挙動が目的の定常状態で安定していたとしても、電流検出器の使用環境に応じて外部ノイズの分布は異なることから、複数あるホール素子の全てに対して同等にノイズの影響が現れることは通常起こりにくい（ギャップを複数箇所に配置した場合）。すなわち、サーボタイプの場合、外部ノイズの影響によってホール素子の電圧信号は適正値（＝０）からドリフトした値（０以外の値）となるが、全てのホール素子の電圧信号に対してノイズの影響が現れたり、さらに同時にノイズの影響が極大化したりすることは極めて希である。したがって、たとえノイズの影響を受けているホール素子が中に存在していたとしても、全てのホール素子からの電圧信号を掛け合わせた場合、その中には適正値（＝０）又はその近傍値（≒０）を保っているものも存在することから、これらの掛け合わせによって、結果的に電圧信号を適正値（＝０）又はその近傍値（≒０）に引き戻すことができる。また、複数のホール素子に対して何らかのノイズの影響が現れたとしても、全てのホール素子がその最大値を出力しない限り、掛け合わせによるノイズの影響は原則として低減される。このため本発明では、ほとんどの場合で最終的な電圧信号からノイズの影響を除去又は低減することができるため、電流検出器としての感度を向上することができる。

また上記の利点は、ホール素子自身が出力するホワイトノイズに対しても有効である。すなわち、（１）磁性体コアの複数箇所のギャップを設けてそれぞれにホール素子を複数配置した場合、あるいは（２）磁性体コアの少なくとも１箇所にギャップを設けてそこに複数のホール素子を配置した場合のいずれであっても、複数あるホール素子の全てが最大レベルのホワイトノイズを同時に出力することは通常起こりにくい。通常、ホール素子自身から出力されるホワイトノイズは、その出力レベルがランダムに変化する事象として捉えることができる。このため、全てのホール素子が同時に最大のホワイトノイズを出力するという状況は、極めて希にしか起こり得ない（発生確率が極端に低い）。したがって、サーボタイプにおいて全てのホール素子からの電圧信号を掛け合わせた場合、その中には適正値（ホワイトノイズ成分＝０）又はその近傍値（≒０）を保っているものも存在することから、これらの掛け合わせによって、結果的に電圧信号を適正値（＝０）又はその近傍値（≒０）に引き戻すことができる。また、複数のホール素子が少しずつホワイトノイズを出力したとしても、全てのホール素子がその最大値を出力しない限り、掛け合わせによるノイズの影響は原則として低減される。このため本発明では、ほとんどの場合で最終的な電圧信号からホワイトノイズの影響を除去又は低減することができるため、電流検出器としての感度を向上することができる。

以上のように本発明の電流検出器は、ノイズの影響を抑えて検出精度を向上することができる。また、掛算回路によって被検出電流の定格値に対する電圧信号の出力レンジを拡大することができるため、電流検出の分解能や検出精度の向上を図ることができる。

第１実施形態の電流検出器の構成を概略的に示す斜視図である。 電流検出器の使用時におけるノイズ環境の例として２つのパターンを示す概略図である。 実施例及び比較例それぞれのホワイトノイズの影響をシミュレーション結果として示した図である。 被検出電流と掛算回路の出力値との関係を示す図である。 第２実施形態の電流検出器の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態の電流検出器１００の構成を示す概略図である。以下、電流検出器１００の構成について説明する。

〔磁性体コア〕
電流検出器１００は、例えばフェライト製の磁性体コア１０２を備えており、この磁性体コア１０２は全体として略角リング形状をなしている。磁性体コア１０２の内側（リングの内周）には略矩形状の電流導通部１０２ａが形成されており、この電流導通部１０２ａにはバスバー等の導体１０５が挿通されるものとなっている。電流検出器１００は導体１０５を通る電流を検出対象とするものであり、磁性体コア１０２は、導体１０５に被検出電流（Ｉｆ）が流れる際に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置されている。なお、被検出電流（Ｉｆ）が比較的低い水準（微弱電流）である場合、導体１０５を磁性体コア１０２に巻き付けて一次巻線としてもよい。

〔ギャップ〕
上記のように磁性体コア１０２は略角リング形状をなしており、そのため磁性体コア１０２にはそれぞれ一対の短辺部１０２ｂ及び長辺部１０２ｃが含まれている。また磁性体コア１０２には、一対の短辺部１０２ｂの途中を部分的に切り欠くことで、複数の箇所（この例では２箇所）にそれぞれギャップ１０２ｄが形成されている。なおギャップ１０２ｄは、一対の長辺部１０２ｃにそれぞれ形成されていてもよい。

〔ホール素子〕
電流検出器１００は、複数（この例では２つ）のホール素子１０６を備えている。個々のホール素子１０６は、それぞれギャップ１０２ｄ内に１つずつ挿入した状態で磁性体コア１０２に取り付けられている。なおホール素子１０６は、例えば樹脂封止によりパッケージされた電子部品であり、各ホール素子１０６には、例えば図示しない電源回路を通じて制御電流（Ｉｃ）が供給されている。各ホール素子１０６は、対応するギャップ１０２ｄに発生する磁界の強さ（磁束）に応じた電圧信号（Ｖｈ：ホール電圧）を出力する。

〔掛算回路〕
また電流検出器１００は、例えばアナログ回路で構成された掛算回路１０８を備えている。この掛算回路１０８には、各ホール素子１０６から出力される電圧信号が入力されている。掛算回路１０８は、２つの電圧信号（Ｖｈ１），（Ｖｈ２）で表される値を掛け合わせた結果に相当する電圧信号（Ｖｈ１・Ｖｈ２）を出力する。なお掛算回路１０８には、例えば公知のアナログ乗算器等を用いることができるので、ここではその詳細についての説明を省略する。

〔フィードバック回路〕
この第１実施形態の電流検出器１００はサーボタイプであり、そのためフィードバック回路としての構成要素を備えている。フィードバック回路は、例えば上記の掛算回路１０８の後段位置に増幅器１１０を有しており、この増幅器１１０は掛算回路１０８から出力される電圧信号（Ｖｈ１・Ｖｈ２）を所定の増幅率で増幅する。なお増幅率は、電流検出器１００の使用条件や被検出電流の大きさに応じて適宜に設定することができる。

またフィードバック回路は、増幅器１１０より後段位置に二次巻線１０４を有している。二次巻線１０４は、例えば磁性体コア１０２の一方の長辺部１０２ｃに巻かれた状態で形成されている。二次巻線１０４は、増幅器１１０からフィードバック電流（Ｉｈ）が供給されることで、被検出電流（Ｉｆ）により発生する磁界を打ち消す方向への逆磁界を発生させるものである。なおフィードバック回路には、図示しない負荷抵抗が設けられており、二次巻線１０４の電流出力（Ｉｈ）は、負荷抵抗で電圧出力（Ｖｏｕｔ）に変換される。

〔ノイズ環境の例〕
図２は、電流検出器１００の使用時におけるノイズ環境の例として２つのパターンを示す概略図である。なお図２中、磁性体コア１０２及びホール素子１０６以外の構成要素については、その図示を省略している。

〔第１パターン〕
図２中（Ａ）：例えば第１パターンとして、磁性体コア１０２の一方（図中上側）の短辺部１０２ｂに沿って、その略平行な方向から外部ノイズＮＺ１（例えば磁気ノイズ）が飛来するノイズ環境を想定する。この場合、外部ノイズＮＺ１が磁性体コア１０２に進入し、一方（図中上側）の短辺部１０２ｂ及びこれに連なる一方（図中左側）の長辺部１０２ｃの内部にそれぞれ磁束が透過していくが、その磁束は短辺部１０２ｂで比較的大きく、長辺部１０２ｃでは比較的小さい。これは、外部ノイズＮＺ１の飛来する方向が短辺部１０２ｂと略平行であり、その飛来する位置が磁性体コア１０２のコーナー部分に位置していることによる。

このため第１パターンでは、一方（図中上側）の短辺部１０２ｂに形成されたギャップ１０２ｄ内では外部ノイズＮＺ１による磁界の影響が強くなり、他方（図中下側）の短辺部１０２ｂに形成されたギャップ１０２ｄでは外部ノイズＮＺ１による磁界の影響が弱くなる。また他方の短辺部１０２ｂに形成されたギャップ１０２ｄは、外部ノイズＮＺ１の飛来位置から比較的離れているため、それだけ透過する磁束も減衰している。したがって、一方（図中上側）のホール素子１０６からの電圧信号（Ｖｈ１）には外部ノイズＮＺ１の影響が大きく現れるが、他方（図中下側）のホール素子１０６からの電圧信号（Ｖｈ２）には外部ノイズＮＺ１の影響があまり現れない。

〔第２パターン〕
図２中（Ｂ）：次に第２パターンとして、磁性体コア１０２の他方（図中下側）の短辺部１０２ｂ及び一方（図中左側）の長辺部１０２ｃとが接続されるコーナー部分に対し、斜め方向から別の外部ノイズＮＺ２が飛来するノイズ環境を想定する。この場合、外部ノイズＮＺ２が同じく磁性体コア１０２に進入し、他方（図中下側）の短辺部１０２ｂ及びこれに連なる一方（図中左側）の長辺部１０２ｃの内部にそれぞれ同程度の磁束が透過していく。

ただし第２パターンでは、他方（図中下側）の短辺部１０２ｂに形成されたギャップ１０２ｄの方が外部ノイズＮＺ２の飛来位置に近いことから、それだけ外部ノイズＮＺ２による磁界の影響が強くなる。これに対し、一方（図中上側）の短辺部１０２ｂに形成されたギャップ１０２ｄは外部ノイズＮＺ２の飛来位置から遠く離れていることから、その間の磁束漏れ等によって外部ノイズＮＺ２による磁界の影響は弱くなる。したがって、他方（図中下側）のホール素子１０６からの電圧信号（Ｖｈ２）には外部ノイズＮＺ２の影響が大きく現れるが、一方（図中上側）のホール素子１０６からの電圧信号（Ｖｈ１）には外部ノイズＮＺ２の影響があまり現れない。

上記の第１パターン及び第２パターン以外にも、外部ノイズの飛来方向や位置は多様であり、それだけノイズ環境が多種多様であることがわかる。いずれにしても、通常、同じノイズについて、２つあるホール素子１０６が同時に影響を最大に受けることはほとんどない。このため、上記の掛算回路１０８にて２つの電圧信号（Ｖｈ１），（Ｖｈ２）を掛け合わせた場合、純粋な信号成分が乗算によって増幅される結果、各電圧信号に含まれるノイズの成分の割合を相対的に低減することができる。

〔ホワイトノイズによる影響〕
また電流検出器１００による検出結果には、ホール素子１０６自身が出力するホワイトノイズの影響も現れる。ホワイトノイズは、各種の周波数に対してホール素子１０６自身が出力し得るものであり、その値は基本的に無作為（不規則）パターンとなる。

図３は、第１実施形態において２つのホール素子１０６自身が無作為なパターンでホワイトノイズを出力したときの影響をシミュレーション結果として示した実施例と、その比較例として単一のホール素子を用いた場合のホワイトノイズの影響を同じくシミュレーション結果として示した図である。なお今回の実施例においては、以下の条件でシミュレーションを行った。

（１）ホワイトノイズ振幅：１０ｍＶ
（２）ホール素子感度：Ｖｈｅｆ＝５０ｍＶ
（３）電流検出器出力レンジ：Ｖｃｓｆ＝１０００ｍＶ

〔実施例〕
図３中（Ａ）：今回の実施例において、２つあるホール素子１０６をそれぞれ「第１ホール素子」、「第２ホール素子」とする。また実施例の表中、左カラムから順に第１ホール素子から出力されるホワイトノイズ、第２ホール素子から出力されるホワイトノイズ、掛算回路１０８から出力されるホワイトノイズ、そして電流検出器から出力されるホワイトノイズの数値例（ｍＶ）をそれぞれ示す。なお実施例は、表中の行ごとにそれぞれ実施例１〜１０とする。

〔ホール素子出力〕
上記の条件（１）に基づき、今回の実施例では第１ホール素子及び第２ホール素子からそれぞれ出力されるホワイトノイズを「−１０」〜「＋１０」の振幅範囲内で無作為に発生させた数値（正規乱数）を採用した。各実施例の数値から明らかなように、第１ホール素子だけが最大のホワイトノイズを出力するケースは、実施例３，８，９の３つであった。一方、第２ホール素子だけが最大のホワイトノイズを出力するケースは、いずれの実施例にもなかった。そして、第１ホール素子及び第２ホール素子の両方が同時に最大のホワイトノイズを出力するケースは、今回シミュレートした実施例１〜１０の中には見られなかった。なお実施例８では、第１ホール素子のホワイトノイズが「＋１０（ｍＶ）」の最大値となり、第２ホール素子のホワイトノイズが「−９（ｍＶ）」と最大値に近くなるというケースが見られたが、それでも最大値のホワイトノイズが出力されるケースは起こっていない。

〔掛算回路出力〕
その結果、掛算回路１０８から出力されるホワイトノイズは、実施例１〜１０のいずれにおいても最大値「±１００（ｍＶ）」となることはなかった。また、いずれか一方のホワイトノイズが「０（ｍＶ）」となる３つの実施例４，６，９では、２つのホワイトノイズを掛け合わせることで、結果的に掛算回路１０８から出力されるホワイトノイズを「０（ｍＶ）」に減衰することができた。

〔電流検出器出力〕
電流検出器の出力（Ｖｃｓ）は、掛算回路１０８の出力（Ｖｈ１×Ｖｈ２）に基づき、例えば以下の式で求めることができる。
Ｖｃｓ＝Ｖｃｓｆ×√（Ｖｈ１／Ｖｈｅｆ×Ｖｈ２／Ｖｈｅｆ）

その結果、上記３つの実施例４，６，９においては、最終的に電流検出器１００から出力されるホワイトノイズが「０（ｍＶ）」となるため、ノイズの影響が全く生じていないことがわかる。その他の実施例については、それぞれ掛算回路１０８の出力に応じてホワイトノイズが出力されている。

〔実施例の検証〕
上記の実施例１〜１０について、最終的に電流検出器１００から出力されるホワイトノイズの実効値を求めると、その結果は「９８（ｍＶ）」となった。また、実施例全体のＳ／Ｎ比は「１０．２」である。上記の実施例について、以下に挙げる比較例との比較からその優位性を検証する。なお実施例の条件（１）〜（３）は、以下の比較例でも共通とする。

〔比較例〕
図３中（Ｂ）：比較例は、上記のように単一のホール素子を用いてサーボタイプの電流検出器を構成した場合のシミュレーション結果である。比較例の表中、左カラムには単一のホール素子から出力されるホワイトノイズの数値例（ｍＶ）を示し、右カラムには増幅後に電流検出器から出力されるホワイトノイズの数値例（ｍＶ）を示す。また比較例は、表中の行ごとにそれぞれ比較例１〜１０とする。

〔ホール素子出力〕
上記の条件（１）に基づき、比較例においてもホール素子から出力されるホワイトノイズを「−１０」〜「＋１０」の振幅範囲内で無作為に発生させた数値（正規乱数）を採用した。各比較例の数値から明らかなように、ホール素子が最大のホワイトノイズを出力するケースは、今回シミュレートした比較例３，８，９の３つのケースで見られた。

〔電流検出器出力〕
このため上記３つの比較例３，８，９においては、最終的に電流検出器から出力されるホワイトノイズがそれぞれ最大の「＋２００（ｍＶ）」、「＋２００（ｍＶ）」、「−２００（ｍＶ）」となった。なお比較例においては、単一のホール素子を用いて電圧信号を増幅しているため、実施例で得られる「掛算回路出力」の数値と比較して、信号出力レベルが全体的に低い。このため比較例では、実施例と同等の信号出力レベルを得るため、増幅率を高く設定している。

上記の比較例１〜１０について、最終的に電流検出器から出力されるホワイトノイズの実効値を求めると、その結果は「１１９（ｍＶ）」となり、この値は実施例よりもノイズレベルが大きいことを表している。また、比較例全体のＳ／Ｎ比は「８．４」であり、実施例よりも劣ることがわかる。以上のように実施例では、電流検出器１００から出力されるホワイトノイズの実効値が減衰され、結果的にＳ／Ｎ比において比較例からの改善が見られた。

〔出力レンジの改善〕
図４は、被検出電流と掛算回路１０８の出力値との関係を示す図である。なお図４中に二点差線で示される直線（参照符号Ｃ２）は、上で挙げた比較例のように単一のホール素子を用いた場合に得られる出力値の特性を示す。

単一のホール素子だけを用いた場合、その出力値（直線Ｃ２）は被検出電流に対して一次比例であるため、被検出電流の定格範囲（Ｉｆａ〜Ｉｆｂ）で得られる出力レンジ（参照符号Ｒ２）は直線の傾きだけに依存して決定される。これに対し、第１実施形態では掛算回路１０８を用いて２つのホール素子１０６からの電圧信号（Ｖｈ１），（Ｖｈ２）を掛け合わせていることから、その特性（参照符号Ｃ１）は被検出電流に対して二次関数となる。したがって、被検出電流の定格範囲（Ｉｆａ〜Ｉｆｂ）に対して、掛算回路１０８から得られる出力レンジ（参照符号Ｒ１）は二次関数的に大きくなり、単一のホール素子を用いた場合に比較して、より広い範囲で電圧信号を得ることができる。また、全体的に電圧信号の出力レベルを高くすることができるため、それだけ信号の増幅率を低くすることができる。これにより、電圧信号に含まれる誤差やノイズの成分の影響を低く抑え、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与することができる。

なお第１実施形態では電流検出器１００をサーボタイプとしているため、各ホール素子１０６からの電圧信号を二値（「０」又は「１」）で判定してフィードバック回路が増幅器１１０を駆動している。このため、掛算回路１０８で各ホール素子１０６からの電圧信号を掛け合わせたとしても、被検出電流と出力電圧（Ｖｏｕｔ）との比例関係は依然として維持することができる。

〔第２実施形態〕
次に図５は、第２実施形態の電流検出器２００の構成を示す概略図である。なお、ここでは第１実施形態と共通する事項について、図示も含めて共通の符号を付し、その重複した説明を省略するものとする。以下、第２実施形態の電流検出器２００について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

〔ギャップ〕
第２実施形態では、磁性体コア１０２の１箇所にギャップ１０２ｄが形成されている。なお、ここでは１つの長辺部１０２ｃにギャップ１０２ｄが形成された例を挙げているが、短辺部１０２ｂにギャップ１０２ｄが形成されていてもよい。

〔ホール素子〕
また第２実施形態では、１つのギャップ１０２ｄ内に複数（この例では２つ）のホール素子１０６が配置されている。ここでも各ホール素子１０６は、例えば図示しない電源回路を通じて制御電流（Ｉｃ）の供給を受けており、それぞれが同じギャップ１０２ｄ内で発生する磁界の強さ（磁束）に応じた電圧信号（Ｖｈ１），（Ｖｈ２）を出力する。

その他の掛算回路１０８やフィードバック回路の構成は、上述した第１実施形態と同じであり、ここではその説明を省略する。

第２実施形態の場合、外部ノイズの影響については、同じギャップ１０２ｄ内に２つのホール素子１０６が配置されているため、これらに対して略近似した結果が現れやすい。ただしホール素子１０６自身が出力するホワイトノイズについては、上記の実施例で検証したように、２つのホール素子１０６が同時に最大のホワイトノイズを出力しない限り、その影響を最小限に抑えることができるという利点がある。

また第２実施形態についても、図４に示されるように掛算回路１０８の適用によって出力レンジを拡大することができることから、第１実施形態と同様に、単一のホール素子を用いた場合に比較して、より広い範囲で電圧信号を得ることができる。また、全体的に電圧信号の出力レベルを高くすることができるため、それだけ信号の増幅率を低くすることができる。これにより、電圧信号に含まれる誤差やノイズの成分の影響を低く抑え、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与することができる。

本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。各実施形態では、電流検出器１００，２００をサーボタイプとしているが、特にこのタイプに限られることなく、二次巻線がないオープンタイプの電流検出器として本発明を実施してもよい。

第１，第２実施形態において、使用するホール素子１０６の個数（第１実施形態についてはギャップ１０２ｄの数）は２つだけでなく、３つ以上としてもよい。この場合、掛算回路１０８は、３つ以上のホール素子１０６から出力される電圧信号を掛け合わせるものとする。また第２実施形態において、磁性体コア１０２の複数箇所にギャップ１０２ｄが形成されており、それぞれに複数（２つ又は３つ以上）のホール素子１０６が配置されている態様であってもよい。

また、磁性体コア１０２の形状は各実施形態で挙げた四角リング形状だけでなく、その他の多角形リング形状であってもよいし、円形状や楕円形状であってもよい。また磁性体コア１０２は、フェライト以外の磁性材料（珪素鋼板、鉄−ニッケル合金等）を用いて制作してもよく、磁性体コア１０２にはトロイダル構造や積層構造を採用することができる。なお、磁性体コア１０２の具体的な形状や大きさ、厚み等の仕様は、実際に対象とする被検出電流の特性に合わせて適宜に変更することができる。

その他、図示とともに挙げた電流検出器１００やその一部の構造はあくまで好ましい一例であり、基本的な構造に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることはいうまでもない。

１００，２００ 電流検出器
１０２ 磁性体コア
１０２ａ 電流導通部
１０２ｂ 短辺部
１０２ｃ 長辺部
１０２ｄ ギャップ
１０４ 二次巻線
１０６ ホール素子
１０８ 掛算回路

Claims (3)

1. 被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、複数の箇所にギャップが形成された磁性体コアと、
   複数ある前記ギャップ内にそれぞれ配置され、被検出電流の導通時に前記磁性体コアを通じて個々の前記ギャップ内に発生する磁界の強さに応じた電圧信号を出力する複数のホール素子と、
   複数の前記ホール素子からそれぞれ出力された電圧信号の値を掛け合わせた結果に相当する電圧信号を出力する掛算回路と
   を備えた電流検出器。
2. 被検出電流の導通時に発生する磁界の周回方向に沿って環状に配置され、少なくとも１箇所にギャップが形成された磁性体コアと、
   前記ギャップ内に配置され、被検出電流の導通時に前記磁性体コアを通じて前記ギャップ内に発生する磁界の強さに応じた電圧信号を出力する複数のホール素子と、
   複数の前記ホール素子からそれぞれ出力された電圧信号の値を掛け合わせた結果に相当する電圧信号を出力する掛算回路と
   を備えた電流検出器。
3. 請求項１又は２に記載の電流検出器において、
   前記掛算回路からの出力に基づいて前記磁性体コアに巻かれた二次巻線に帰還電流を導通させ、前記磁性体コアの周方向でみて被検出電流の導通時に発生する磁界を打ち消す方向への逆磁界を発生させるフィードバック回路をさらに備えた電流検出器。

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