JP2012008009A

JP2012008009A - 電流センサ

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Publication number: JP2012008009A
Application number: JP2010144316A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Miyazaki; 弘行宮崎
Original assignee: Sumida Corp
Current assignee: Sumida Corp
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: CN102298084A; JP5004368B2; CN102298084B; EP2400309A1; EP2400309B1

Abstract

【課題】様々な誤差要因に対する補正を自動的に行う電流センサを得る。
【解決手段】この電流センサは、被検出電流による磁束を通すための磁性体コア１と、磁性体コア１に導通する磁束を検出し、検出した磁束に応じた電気信号を出力するホール素子２と、ホール素子２により出力された電気信号を増幅する増幅回路５と、磁性体コア１に巻回された巻線３と、巻線３に高周波信号を印加する高周波発振器４と、増幅回路５の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を抽出するフィルタ７と、フィルタ７により抽出された電気信号に基づいて、その周波数成分の振幅が所定の一定値になるように、増幅回路５の増幅度を制御する制御回路８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関するものである。

磁気比例型の電流センサでは、被検出電流により発生する周回磁束の磁路となる磁性体コアが設けられ、その磁性体コアのギャップ内にホール素子が配置される。そのホール素子から出力される電気信号のレベルは、被検出電流による周回磁束の強度に応じて変化する。このため、そのホール素子から出力される電気信号が増幅回路により増幅され、被検出電流の電流値として出力される（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−１４１７５７号公報

このような電流センサでは、ホール素子の特性、磁性体コアの特性、ホール素子の配置位置などのバラツキに起因して、検出される電流値に誤差が生じる。このため、電流センサ製造時に回路定数（増幅回路内の抵抗素子の抵抗値など）を調整することで増幅回路の増幅度を電流センサの個体ごとに補正して、そのような誤差を低減させている。

また、環境温度の変化によってホール素子の特性が動的に変化するため、特許文献１記載の電流センサでは、増幅回路の次段に、検出電流値の温度補正を行う回路が設けられている。しかし、検出誤差低減のために補正が要求されるのは、温度変化だけではなく、上述のバラツキなど様々な要因がある。このため、上述の電流センサでは、複数の要因のそれぞれについて補正のための回路を設けると、電流センサの回路規模が大きくなってしまったり、回路定数の調整作業が必要になったりする。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、様々な誤差要因に対する補正を自動的に行う電流センサを得ることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では以下のようにした。

本発明に係る電流センサは、被検出電流による磁束を通すための磁性体コアと、磁性体コアに導通する磁束を検出し、検出した磁束に応じた電気信号を出力する磁束検出部と、磁束検出部により出力された電気信号を増幅する増幅回路と、磁性体コアに巻回された巻線と、巻線に高周波信号を印加する高周波発振器と、増幅回路の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を抽出する第１フィルタと、第１フィルタにより抽出された電気信号に基づいて、その周波数成分の振幅が所定の一定値になるように、増幅回路の増幅度を制御する制御回路とを備える。

これにより、被検出電流とは別に印加される高周波信号についての検出値も様々な誤差要因に起因して誤差を含み、その誤差を無くすべく増幅回路の増幅度が調整されるため、被検出電流についての誤差も併せて低減される。したがって、この電流センサでは、様々な誤差要因に対する補正が自動的に行われる。

また、本発明に係る電流センサは、上記の電流センサに加え、次のようにしてもよい。この場合、電流センサは、増幅回路の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を遮断する第２フィルタをさらに備える。

これにより、この電流センサからの出力信号に、高周波信号に起因する成分が含まれないため、後段の回路が、高周波信号に起因する成分と被検出電流に起因する成分とを分離させる必要がなくなる。

また、本発明に係る電流センサは、上記の電流センサのいずれかに加え、次のようにしてもよい。この場合、制御回路は、第１フィルタにより抽出された周波数成分の電気信号を整流する整流回路と、整流回路の出力電圧と所定の基準電圧との差に応じた制御信号を出力する比較回路と、その制御信号に従って増幅回路の増幅度を変化させる電子素子とを有する。

本発明によれば、様々な誤差要因に対する補正を自動的に行う電流センサを得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電流センサの構成を示す回路図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１において、磁性体コア１は、被検出電流Ｉによる周回磁束の磁路となる磁性体コアである。磁性体コア１には、フェライトコア、電磁鋼板コアなどが使用される。また、この実施の形態では、磁性体コア１はＣ形のコアであり、磁性体コア１のギャップにホール素子２が配置されている。ホール素子２は、磁性体コア１に導通する磁束を検出し、検出した磁束に応じた電気信号を出力する。

さらに、磁性体コア１には、巻線３が巻回されている。巻線３は、ホール素子２（つまり、磁束検出位置）を通過する閉磁路上のいずれかの位置に巻回される。なお、図１に示すように、巻線３に導通する電流による磁束が導通する閉磁路と、被検出電流Ｉによる周回磁束が導通する閉磁路とが一致することが好ましい。

高周波発振器４は、高周波信号を発生し、巻線３に印加する。ホール素子２の出力を高周波信号についての成分と被検出電流Ｉについての成分とに周波数で分離可能なように、高周波信号の周波数は、被検出電流Ｉの最大周波数の１０倍程度またはそれ以上とされる。被検出電流Ｉが直流か約１０キロヘルツ以下の交流である場合、高周波信号の周波数は、例えば２００キロヘルツとされる。

増幅回路５は、ホール素子２により出力された電気信号を増幅する回路である。この実施の形態では、増幅回路５は、差動増幅回路である。

この実施の形態では、増幅回路５は、オペアンプ１１を有し、ホール素子２の正側出力端子が抵抗Ｒａを介してオペアンプ１１の正側入力端子に接続されており、ホール素子２の負側出力端子が抵抗Ｒｂを介してオペアンプ１１の負側入力端子に接続されている。オペアンプ１１の正側入力端子は、電源Ｖｃｃとグランドとの間の抵抗Ｒｃ，Ｒｄの直列回路によりバイアスされている。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路の一端が、オペアンプ１１の負側入力端子に接続され、抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路の他端が、グランドに接続されている。また、抵抗Ｒ３の一端が、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に接続され、抵抗Ｒ３の他端が、オペアンプ１１の出力端子に接続されている。

抵抗Ｒ２には、トランジスタＱのコレクタ−エミッタが並列に接続されている。したがって、トランジスタＱのコレクタ−エミッタ間の抵抗値を変化させることにより増幅回路５の増幅度が変化する。

フィルタ６は、増幅回路５の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を遮断する回路である。この実施の形態では、フィルタ６は、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１で構成されるローパスフィルタである。増幅回路５の出力信号のうち、被検出電流Ｉについての周波数成分は、フィルタ６を通過して、出力端子に印加されるが、高周波信号についての周波数成分は、フィルタ６を通過せず、出力端子に印加されない。つまり、フィルタ６のカットオフ周波数は、被検出電流Ｉの最大検出周波数と、高周波信号の周波数との間に設定される。

フィルタ７は、増幅回路５の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を抽出する回路である。この実施の形態では、フィルタ７は、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ５で構成されるハイパスフィルタである。増幅回路５の出力信号のうち、高周波信号についての周波数成分は、フィルタ７を通過して、制御回路８に印加されるが、被検出電流Ｉについての周波数成分は、フィルタ７を通過せず、制御回路８に印加されない。つまり、フィルタ７のカットオフ周波数は、被検出電流Ｉの最大検出周波数と、高周波信号の周波数との間に設定される。

制御回路８は、フィルタ７により抽出された電気信号に基づいて、その周波数成分の振幅が所定の一定値になるように、増幅回路５の増幅度を制御する回路である。

この実施の形態では、制御回路８は、基準電圧Ｖｒｅｆを発生する電源２１と、フィルタ７により抽出された周波数成分の電気信号を整流する整流回路２２と、整流回路２２の出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差に応じた制御信号を出力する比較回路２３と、その制御信号に従って増幅回路５の増幅度を変化させるトランジスタＱとを有する。

整流回路２２は、ダイオードＤとコンデンサＣ３を有し、フィルタ７の出力を整流平滑する。比較回路２３は、オペアンプ３１および抵抗Ｒ６，Ｒ７を有し、整流回路２２の出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差に、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７との抵抗値の比を乗じた電圧の制御信号を出力する。その制御信号は、トランジスタＱのエミッタ−ベース間に印加される。したがって、制御信号の電圧に応じて、トランジスタＱのコレクタ−エミッタ間の抵抗値が変化するため、増幅回路５の増幅度が変化する。

次に、上記電流センサの動作について説明する。

高周波発振器４により巻線３に高周波信号が印加されると、その高周波信号による磁束が磁性体コア１およびホール素子２に導通する。被検出電流Ｉがゼロではない場合、被検出電流Ｉによる磁束も、磁性体コア１およびホール素子２に導通する。そして、ホール素子２は、導通する磁束の磁束密度に応じた出力電圧を発生する。したがって、被検出電流Ｉがゼロではない場合、出力電圧には、高周波信号についての周波数成分と、被検出電流Ｉについての周波数成分が含まれる。

増幅回路５は、このホール素子２の出力電圧（正側出力電圧＋Ｖｈと負側出力電圧−Ｖｈとの差）を増幅する。増幅回路５の出力電圧は、フィルタ６およびフィルタ７に印加される。

高周波信号についての周波数成分はフィルタ６により遮断されるため、被検出電流Ｉがゼロでなければ、増幅回路５の出力電圧のうち、被検出電流Ｉについての周波数成分が、フィルタ６を通過し、電流センサの出力電圧Ｖｏｕｔとして出力端子に印加される。

一方、増幅回路５の出力電圧のうち、被検出電流Ｉについての周波数成分は、フィルタ７により遮断され、高周波信号についての周波数成分は、フィルタ７を通過し、制御回路８に印加される。

制御回路８では、整流回路２２によりその高周波信号についての周波数成分が整流平滑され、比較回路２３により、整流回路２２の出力電圧（直流電圧）と基準電圧Ｖｒｅｆとが比較され、両者の差が所定の値に近づくようにトランジスタＱが制御される。

つまり、整流回路２２の出力電圧から基準電圧Ｖｒｅｆを減算した値が所定の値より大きくなると、制御信号の電圧が減少し、トランジスタＱのコレクタ−エミッタ間の抵抗が増加するため、増幅回路５の増幅度が減少する。逆に、測定直流電圧から基準電圧Ｖｒｅｆを減算した値が所定の値より小さくなると、制御信号の電圧が増加し、トランジスタＱのコレクタ−エミッタ間の抵抗が減少するため、増幅回路５の増幅度が増加する。

したがって、高周波信号についての周波数成分のみを整流平滑して得られる直流電圧が所定の一定値になるように、増幅回路５の増幅度が常時制御される。

以上のように、上記実施の形態に係る電流センサは、被検出電流Ｉによる磁束を通すための磁性体コア１と、磁性体コア１に導通する磁束を検出し、検出した磁束に応じた電気信号を出力するホール素子２と、ホール素子２により出力された電気信号を増幅する増幅回路５と、磁性体コア１に巻回された巻線３と、巻線３に高周波信号を印加する高周波発振器４と、増幅回路５の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を抽出するフィルタ７と、フィルタ７により抽出された電気信号に基づいて、その周波数成分の振幅が所定の一定値になるように、増幅回路５の増幅度を制御する制御回路８とを備える。

これにより、被検出電流Ｉとは別に印加される高周波信号についての検出値も様々な誤差要因に起因して誤差を含み、その誤差を無くすべく増幅回路５の増幅度が調整されるため、被検出電流Ｉについての誤差も併せて低減される。したがって、この電流センサでは、製造時の誤差、環境変化、経時変化による誤差など、様々な誤差要因に対する補正が自動的に行われる。特に、磁性体コア１がフェライトコアである場合では、被検出電流Ｉが大きいと、磁性体コア１において発生する磁気飽和も誤差要因となるが、そのような磁気飽和に起因する誤差も自動的に補正が可能となる。

また、上記実施の形態では、フィルタ６が、増幅回路５の出力信号から高周波信号の周波数と同一の周波数成分を遮断する。これにより、この電流センサからの出力信号に、高周波信号に起因する成分が含まれないため、電流センサの後段の回路が、高周波信号に起因する成分と被検出電流Ｉに起因する成分とを分離させる必要がなくなる。

なお、上述の実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これら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、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上記実施の形態において、磁性体コア１をリング状のコアとして、ホール素子２の代わりにコイルを使用してもよい。

また、上記実施の形態において、増幅度が一定である増幅回路の出力段に電圧分配回路を設け、トランジスタＱで分配比を調整するようにしてもよい。その場合でも、増幅回路の増幅度を調整していることになる。

また、上記実施の形態において、トランジスタＱとしては、バイポーラ型の他、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用してもよい。

本発明は、例えば、絶縁型の電流センサに適用可能である。

１磁性体コア
２ホール素子（磁束検出部の一例）
３巻線
４高周波発振器
５増幅回路
６フィルタ（第２フィルタの一例）
７フィルタ（第１フィルタの一例）
８制御回路
２２整流回路
２３比較回路

Claims

被検出電流による磁束を通すための磁性体コアと、
前記磁性体コアに導通する磁束を検出し、検出した磁束に応じた電気信号を出力する磁束検出部と、
前記磁束検出部により出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記磁性体コアに巻回された巻線と、
前記巻線に高周波信号を印加する高周波発振器と、
前記増幅回路の出力信号から前記高周波信号の周波数と同一の周波数成分を抽出する第１フィルタと、
前記第１フィルタにより抽出された電気信号に基づいて、前記周波数成分の振幅が所定の一定値になるように、前記増幅回路の増幅度を制御する制御回路と、
を備えることを特徴とする電流センサ。
前記増幅回路の出力信号から前記高周波信号の周波数と同一の周波数成分を遮断する第２フィルタを備えることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
前記制御回路は、前記第１フィルタにより抽出された周波数成分の電気信号を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧と所定の基準電圧との差に応じた制御信号を出力する比較回路と、前記制御信号に従って前記増幅回路の増幅度を変化させる電子素子とを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電流センサ。