JP2012225664A

JP2012225664A - 電流センサ及び電流検出方法

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Publication number: JP2012225664A
Application number: JP2011090813A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hirano; 裕幸平野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】消磁パルスを印加する指示を与える外部回路や、指示を与えるタイミングの管理を不要とすることが可能な、電流センサ及び電流検出方法を提供する。
【解決手段】消磁パルス発生回路３０は、スイッチ２０がオンされたときの電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスＶpを発生し、消磁パルスＶpを二次巻線７０に印加する。遅延回路５０は、電源電圧Ｖccを、スイッチ２０がオンされてから所定の期間だけ遅延させてセンサ回路６０に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定電流が貫通する環状コアに二次巻線を施した構成で、被測定電流を非接触状態で検出可能な電流センサ及び電流検出方法に関する。

図３は、磁気平衡式電流センサの基本的構成図である。磁気平衡式電流センサは、ギャップＧを有する環状の磁気コア１２０（珪素鋼板やパーマロイコア、フェライトコア等）と、ギャップＧに配置されたホール素子１１６（磁気検出素子の例示）と、磁気コア１２０に施された二次巻線７０とを有する。磁気コア１２０は、被測定電流Ｉ_inの流れるバスバー１１０が貫通する配置である。この構成では、被測定電流Ｉ_inによってギャップＧ内に第１の磁界が発生してこれがホール素子１１６の感磁面に印加される一方、ホール素子１１６の感磁面に印加される前記第１の磁界を相殺する（ゼロにする）第２の磁界を発生するように、すなわちホール素子１１６の出力電圧がゼロとなるように、二次巻線７０に負帰還用電流Ｉ_FBが供給される。負帰還用電流Ｉ_FBから被測定電流Ｉ_inが求められる。

図４は、図３に示す磁気平衡式電流センサの基本的回路図である。この回路では、ホール素子１１６を定電流回路１１５で駆動し、ホール素子１１６の出力電圧を負帰還用増幅器１１７に入力し、負帰還用増幅器１１７によって二次巻線７０に負帰還用電流Ｉ_FBを供給する。負帰還電流Ｉ_FBは検出抵抗Ｒsで電圧に変換され、これが差動増幅回路１１９で増幅されてセンサ出力となる。

ところで、被測定電流が貫通するように環状コアを設けた構造の電流センサでは、何らかの要因（例えば過大な被測定電流が流れる等）により環状コアに磁気が残留することがある。電流検出時に残留磁気が存在すると、検出精度が悪化する。

下記特許文献１の電流センサは、測定に先立って減衰発振器ＯＳＣを動作させ、減衰発振器ＯＳＣの発振出力を増幅器Ａで増幅し、正弦波でその振幅が減衰する減衰振動電流を帰還巻線Ｌ_fに流すことにより、コアーＣＯの残留磁気を消磁する（特許文献１の第４頁第１〜７行、図１）。また、コアーＣＯの消磁の際には、スイッチＳＷの可動片を端子１から端子２に切り換える（特許文献１の第８頁第１８〜１９行、図３）。

下記特許文献２の電流センサは、「磁性体コア１の磁路の一部に空隙３を設けた磁性体コア１に第１のコイル部分（検出用コイル）２１、初期化用の第２のコイル部分２２が巻線されている」構造であり、「初期化用の第２のコイル部分２２に通電される初期化電流としては、第１の例として、一方向の直流電流が１回のみ印加される直流電流波形［図１（Ｂ）記載］、及び第２の例として、時間と共に減少していく交流電流波形［図１（Ｃ）記載］がある」としている（特許文献２の段落［０００６］、図１）。

実開昭５１−１０８６７０号公報特開平７−４３３８９号公報

従来技術では、消磁パルスを印加する指示を与える外部回路が必要であり、また指示を与えるタイミングの管理も煩雑になるという問題がある。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、消磁パルスを印加する指示を与える外部回路や、指示を与えるタイミングの管理を不要とすることが可能な、電流センサ及び電流検出方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、電流センサである。この電流センサは、
被測定電流が貫通する環状の磁気コアと、
前記磁気コアに施された二次巻線と、
前記二次巻線に電流を供給するセンサ回路と、
前記センサ回路の動作電圧が入力される電源端子と、
前記電源端子と前記センサ回路との間に設けられ、前記電源端子の電圧の立ち上がり時に、前記電源端子の電圧を、立ち上がりから所定の期間だけ遅延させて前記センサ回路に供給する遅延手段と、
前記電源端子の電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスを発生し、前記二次巻線に印加する消磁パルス発生回路とを備える。

本発明の第２の態様も、電流センサである。この電流センサは、
被測定電流が貫通する環状の磁気コアと、
前記磁気コアに施された二次巻線と、
前記二次巻線に電流を供給するセンサ回路と、
前記センサ回路の動作電圧を供給する電源と、
前記電源から前記センサ回路への通電のオンオフを切り換えるスイッチと、
前記電源と前記センサ回路との間に設けられ、前記電源電圧を、前記スイッチがオンされてから所定の期間だけ遅延させて前記センサ回路に供給する遅延手段と、
前記スイッチがオンされたときの電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスを発生し、前記二次巻線に印加する消磁パルス発生回路とを備える。

前記遅延手段による遅延期間は、前記消磁パルスの発生期間以上の長さであるとよい。

前記消磁パルス発生回路と前記二次巻線との間でインピーダンス変換を行う電流増幅部を備えてもよい。

前記センサ回路は、
前記磁気コアのギャップに位置する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力電圧を増幅する差動増幅回路とを備え、
前記差動増幅回路は、前記磁気検出素子の出力電圧がゼロとなるように前記二次巻線に電流を供給してもよい。

前記消磁パルス発生回路は、電源の両端子間に直列となるように接続されたコンデンサ及びコイルを有し、前記コンデンサと前記コイルとの接続点に前記消磁パルスを発生してもよい。

前記二次巻線の反共振周波数よりも前記消磁パルスの周波数が低いとよい。

本発明の別の態様は、電流検出方法である。この電流検出方法は、
電源電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスを発生する消磁パルス発生工程と、
被測定電流が貫通する環状の磁気コアに施された二次巻線に、前記消磁パルスを印加する消磁パルス印加工程と、
前記二次巻線に電流を供給するセンサ回路に、前記電源電圧を、立ち上がりから所定の期間だけ遅延させて供給する電源電圧供給工程とを含み、
前記電源電圧供給工程以降に電流検出動作を実行するものである。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現をシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電源電圧の立ち上がりに合わせて自動的に磁気コアの消磁が行われるため、消磁パルスを印加する指示を与える外部回路や、指示を与えるタイミングの管理を不要とすることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電流センサの回路図。図１のスイッチ２０がオンされたときの遅延回路５０の入出力電圧Ｖ１,Ｖ２及び消磁パルスＶpの波形図。磁気平衡式電流センサの基本的構成図。磁気平衡式電流センサの基本的回路図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電流センサ１００の回路図である。電流センサ１００は、磁気平衡式電流センサであり、消磁パルス発生回路３０と、電流増幅部４０と、遅延回路５０と、センサ回路６０と、二次巻線７０とを備える。電源１０及びスイッチ２０は、センサへの電源供給用、センサの動作用の例えば外部手段である。

二次巻線７０は、従来と同様に、被測定電流が貫通する環状の磁気コアに施される（図３参照）。センサ回路６０は、従来と同様に、二次巻線７０に負帰還電流を供給する。図４に示した回路のうち二次巻線７０以外の部分が、センサ回路６０の一例である。電源１０は、センサ回路６０の動作電圧を供給する。なお、電源１０のマイナス端子は、固定電圧端子（例えばグランド端子）に接続される。スイッチ２０は、一端が電源１０のプラス端子に接続され、他端が電源端子１０１を介して消磁パルス発生回路３０及び遅延回路５０に接続され、電源１０からセンサ回路６０への通電のオンオフを切り換える。

消磁パルス発生回路３０は、スイッチ２０がオンされたときの電源端子１０１の電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスＶpを発生し、消磁パルスＶpを二次巻線７０に印加する。ここでは、電源１０の両端子間に直列に接続されたキャパシタＣ１、コイルＬ１、及び抵抗Ｒが消磁パルス発生回路３０を成し、ＬＣ共振回路を構成するキャパシタＣ１とコイルＬ１との接続点に消磁パルスＶpを発生する。なお、抵抗Ｒは、コイルＬ１の抵抗成分であってもよいし、キャパシタＣ１及びコイルＬ１とは別に設けた抵抗素子であってもよい。

電流増幅部４０は、消磁パルス発生回路３０と二次巻線７０との間でインピーダンス変換を行う。すなわち、電流増幅部４０は、消磁パルス発生回路３０から消磁パルスＶpを高入力インピーダンスで受け、低出力インピーダンスで二次巻線７０に出力する。ここでは、キャパシタＣ１とコイルＬ１との接続点に非反転入力端子が接続され、反転入力端子と出力端子とが相互に接続されたオペアンプ４１からなるボルテージフォロワが電流増幅部４０を成す。

遅延回路５０は、電源端子１０１とセンサ回路６０との間に設けられ、電源端子１０１の電圧を、スイッチ２０がオンされてから（すなわち電源端子１０１の電圧の立ち上がりから）所定の期間だけ遅延させてセンサ回路６０に供給する。遅延回路５０の入出力電圧Ｖ１,Ｖ２の波形及び遅延期間については後述する。なお、遅延回路５０の構成は公知のものでよいが、例えば、ＲＣ回路のコンデンサを電源電圧で充電し、当該コンデンサの端子電圧が所定値を超えるのをコンパレータで検出し、当該コンパレータの出力信号によってセンサ６０に通じるスイッチをオンする構成とする。

コンデンサＣ２は、直流成分を遮断して交流成分（消磁パルスＶp）のみを通すものであり、電流増幅部４０の出力端子と二次巻線７０の一端との間に設けられる。コンデンサＣ３は、消磁パルスＶpがセンサ回路６０に入らないようにバイパスするものであり、二次巻線７０の他端と固定電圧端子（例えばグランド端子）との間に設けられる。なお、コンデンサＣ２,Ｃ３は、センサ回路６０から二次巻線７０に供給される電流（負帰還電流Ｉ_FB）の周波数（例：〜１０ｋＨｚ）では十分高いインピーダンスとなり、消磁パルスＶpの周波数（例：３０ｋＨｚ）では十分低いインピーダンスとなる容量値が好ましい。消磁パルスＶpの周波数は、二次巻線７０の反共振周波数よりも低く設定する。

図２は、図１のスイッチ２０がオンされたときの遅延回路５０の入出力電圧Ｖ１,Ｖ２及び消磁パルスＶpの波形図である。時刻Ｔ１においてスイッチ２０がオンされると、遅延回路５０への入力電圧Ｖ１が電源電圧Ｖccまで立ち上がるとともに、短時間の消磁パルスＶpが発生する。消磁パルスＶpは、減衰する正弦波であり、周波数はキャパシタＣ１及びコイルＬ１の共振周波数である。そして、時刻Ｔ２において、遅延回路５０の出力電圧Ｖ２が電源電圧Ｖccまで立ち上がる。遅延回路５０による遅延期間（Ｔ１〜Ｔ２）は、消磁パルスＶpの発生期間以上の長さが好ましい。図２は、そうした好ましい例を示している。

以下、本実施の形態による電流検出方法を説明する。本方法は、スイッチ２０をオンすることによりスタートする。そして、電源電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスＶpを発生し、磁気コアに施された二次巻線７０に印加する。これにより、前記磁気コアに正弦波状に減衰振動する消磁電流を流し、前記磁気コアを消磁する。一方、センサ回路６０には、電源電圧Ｖccを、立ち上がりから所定の期間だけ遅延させて供給する。以降、磁気平衡式の原理に基づいて電流検出動作を実行する。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) スイッチ２０がオンされれば自動的に磁気コアの消磁が実行されるため、消磁パルスを印加する指示を与える外部回路や、指示を与えるタイミングの管理を不要とすることができる。したがって、消磁のための回路や制御の複雑化が少ない。

(2) 磁気コアの残留磁気の有無を検出する手段が不要なため、構成が簡易である。

(3) 消磁専用のコイルが不要なため、部品点数削減に有利である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

電流センサは、磁気コアに巻線を施した構成であれば、磁気平衡式以外のもの（例えばフラックスゲート型の電流センサ）であってもよい。

消磁パルス発生回路３０は、短期間の減衰振動波を発生するものであれば、ＬＣ直列回路以外のものであってもよい。また、消磁パルスＶpは、減衰振動波であれば正弦波に限定されない。

コンデンサＣ２,Ｃ３に替えて又はそれらと直列に、トランジスタ等のスイッチング素子からなる半導体スイッチを設けてもよい。この半導体スイッチは、例えば、電源電圧の立ち上がり共にオンされ（図１のスイッチ２０と同時にオンされ）、遅延回路５０の出力電圧Ｖ２の立ち上がりと共にオフされる。これによれば、電流検出動作時（図２の時刻Ｔ２以降）に二次巻線７０をセンサ回路６０以外の回路から確実に電気的に遮断できる。

電源１０は負電源（−Ｖcc）であってもよく、この場合、電圧の立ち上がりは、負方向への立ち上がり、すなわち０Ｖから−Ｖccへの立ち上がりを意味する。

１０電源
２０スイッチ
３０消磁パルス発生回路
４０電流増幅部
５０遅延回路
６０センサ回路
７０二次巻線
１１６ホール素子
１１７負帰還用増幅器
１１９差動増幅回路
１２０磁気コア

Claims

被測定電流が貫通する環状の磁気コアと、
前記磁気コアに施された二次巻線と、
前記二次巻線に電流を供給するセンサ回路と、
前記センサ回路の動作電圧が入力される電源端子と、
前記電源端子と前記センサ回路との間に設けられ、前記電源端子の電圧の立ち上がり時に、前記電源端子の電圧を、立ち上がりから所定の期間だけ遅延させて前記センサ回路に供給する遅延手段と、
前記電源端子の電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスを発生し、前記二次巻線に印加する消磁パルス発生回路とを備える、電流センサ。
被測定電流が貫通する環状の磁気コアと、
前記磁気コアに施された二次巻線と、
前記二次巻線に電流を供給するセンサ回路と、
前記センサ回路の動作電圧を供給する電源と、
前記電源から前記センサ回路への通電のオンオフを切り換えるスイッチと、
前記電源と前記センサ回路との間に設けられ、前記電源電圧を、前記スイッチがオンされてから所定の期間だけ遅延させて前記センサ回路に供給する遅延手段と、
前記スイッチがオンされたときの電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスを発生し、前記二次巻線に印加する消磁パルス発生回路とを備える、電流センサ。
請求項１又は２に記載の電流センサにおいて、前記遅延手段による遅延期間が、前記消磁パルスの発生期間以上の長さである、電流センサ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記消磁パルス発生回路と前記二次巻線との間でインピーダンス変換を行う電流増幅部を備える、電流センサ。
請求項１から４のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、
前記センサ回路は、
前記磁気コアのギャップに位置する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力電圧を増幅する差動増幅回路とを備え、
前記差動増幅回路は、前記磁気検出素子の出力電圧がゼロとなるように前記二次巻線に電流を供給する、電流センサ。
請求項１から５のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記消磁パルス発生回路は、電源の両端子間に直列となるように接続されたコンデンサ及びコイルを有し、前記コンデンサと前記コイルとの接続点に前記消磁パルスを発生する、電流センサ。
請求項１から６のいずれか一項に記載の電流センサにおいて、前記二次巻線の反共振周波数よりも前記消磁パルスの周波数が低い、電流センサ。
電源電圧の立ち上がりを契機として消磁パルスを発生する消磁パルス発生工程と、
被測定電流が貫通する環状の磁気コアに施された二次巻線に、前記消磁パルスを印加する消磁パルス印加工程と、
前記二次巻線に電流を供給するセンサ回路に、前記電源電圧を、立ち上がりから所定の期間だけ遅延させて供給する電源電圧供給工程とを含み、
前記電源電圧供給工程以降に電流検出動作を実行する、電流検出方法。