JP2013083552A

JP2013083552A - Current sensor

Info

Publication number: JP2013083552A
Application number: JP2011223795A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Harano; 正幸原野; Akihiko Hirabayashi; 明彦平林
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-05-09

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a current sensor capable of obtaining a desired S/N.SOLUTION: A current sensor includes: a magnetism core 2 into which an electric wire 21 to be measured is inserted; a hall element 3 arranged in the magnetism core 2; a negative feedback coil 4 wound around the magnetism core 2; a power supply unit 5 for supplying DC constant current I2 to current input terminals 3a and 3a of the hall element 3; a current generator 6 for supplying negative feedback current I3 to the negative feedback coil 4 on the basis of output voltage V1 generated between voltage output terminals 3b and 3b of the hall element 3; a terminal resistance 7 connected to the negative feedback coil 4, which converts the negative feedback current I3 into detection voltage V2 and outputs it; and a processing section 9 that calculates power spectra density of a noise at a predetermined frequency included in detection voltage V2 in a non-detection time of measurement current I1, and then performs correction processing for matching a power spectra density calculated to a predetermined reference density DEref by controlling the power supply unit 5 to change a current value of the DC constant current I2.

Description

本発明は、ホール素子を使用して被測定電線に流れる測定電流を検出する電流センサに関するものである。 The present invention relates to a current sensor that detects a measurement current flowing in a wire to be measured using a Hall element.

この種の電流センサとして、下記特許文献１において従来技術として開示されている電流センサ（クランプセンサ）が一般的に知られている。この電流センサは、ゼロフラックス法を採用したセンサであって、被測定電線が挿通される磁気コア、磁気コアに配設されたホール素子、磁気コアに巻回された負帰還コイル、電圧−電流変換器、検出抵抗およびアンプを備えている。 As this type of current sensor, a current sensor (clamp sensor) disclosed as a conventional technique in Patent Document 1 below is generally known. This current sensor is a sensor that employs a zero flux method, and includes a magnetic core through which a wire to be measured is inserted, a Hall element disposed in the magnetic core, a negative feedback coil wound around the magnetic core, and voltage-current. A converter, a detection resistor and an amplifier are provided.

この電流センサでは、直流定電流で駆動されているホール素子が、被測定電線に測定電流が流れることによって磁気コアに発生する磁束を検出して、測定電流の電流値に比例して電圧値が変化する出力電圧を出力し、電圧−電流変換器が、この出力電圧を負帰還電流に変換して、負帰還コイルに出力する。この場合、ゼロフラックス法では、負帰還電流は、負帰還コイルに負帰還電流が流れることによって磁気コアに発生する磁束で、被測定電線に測定電流が流れることによって磁気コアに発生する磁束を相殺するように、その電流値が制御される。このため、負帰還電流は、被測定電線に測定電流が流れることによって磁気コアに発生する磁束の大きさ、すなわち測定電流に比例する。検出抵抗は、この負帰還電流を電圧に変換し、この変換された電圧をアンプが増幅して出力する。 In this current sensor, the Hall element driven by a DC constant current detects the magnetic flux generated in the magnetic core when the measurement current flows through the measured wire, and the voltage value is proportional to the current value of the measurement current. A changing output voltage is output, and the voltage-current converter converts this output voltage into a negative feedback current and outputs it to the negative feedback coil. In this case, in the zero flux method, the negative feedback current is a magnetic flux generated in the magnetic core due to the negative feedback current flowing in the negative feedback coil, and cancels out the magnetic flux generated in the magnetic core due to the measurement current flowing in the measured wire. As such, the current value is controlled. For this reason, the negative feedback current is proportional to the magnitude of the magnetic flux generated in the magnetic core when the measurement current flows through the measured wire, that is, the measurement current. The detection resistor converts the negative feedback current into a voltage, and the amplifier amplifies the converted voltage and outputs it.

ところで、この電流センサのＳ／Ｎは、センサ検出感度をＦとし、磁気コアの磁気抵抗をＲとし、測定電流をＩとし、ホール素子やアンプのノイズをＤとしたときに、下記式で表される。
Ｓ／Ｎ＝Ｆ×Ｉ／（Ｒ×Ｄ） By the way, the S / N of this current sensor is expressed by the following equation when the sensor detection sensitivity is F, the magnetic resistance of the magnetic core is R, the measurement current is I, and the noise of the Hall element or the amplifier is D. Is done.
S / N = F × I / (R × D)

このため、電流センサのＳ／Ｎを向上させる１つの方法として、ホール素子やアンプのノイズＤを下げる方法が考えられるが、現状では、このノイズＤは、ホール素子の特性に依存したノイズに大きく支配されているため、大きく下げることは困難である。つまり、ノイズＤを下げる方法でのＳ／Ｎの大幅な向上は困難である。一方、電流センサのＳ／Ｎを向上させる他の方法として、センサ検出感度Ｆを上げる方法が考えられる。近年では、センサ検出感度Ｆを規定するパラメータの１つである移動度μの大きなホール素子（現行の多くのホール素子の移動度μ（数千ｃｍ^２／Ｖｓ）に対して、移動度μが数万ｃｍ^２／Ｖｓ以上のホール素子）が開発されてきているため、このようなホール素子を使用することにより、センサ検出感度Ｆを上げて電流センサのＳ／Ｎを大幅に向上させることが可能となっている。 For this reason, as a method for improving the S / N of the current sensor, a method of reducing the noise D of the Hall element or the amplifier can be considered. However, at present, this noise D is greatly influenced by the noise depending on the characteristics of the Hall element. Because it is dominated, it is difficult to greatly reduce it. That is, it is difficult to significantly improve the S / N ratio by the method of reducing the noise D. On the other hand, as another method of improving the S / N of the current sensor, a method of increasing the sensor detection sensitivity F can be considered. In recent years, the mobility μ is one of the parameters defining the sensor detection sensitivity F and the mobility μ is large (the mobility μ of many current Hall elements is several thousand cm ² / Vs). (Hall element of several tens of thousands cm ² / Vs) has been developed. By using such a Hall element, the S / N of the current sensor can be significantly improved by increasing the sensor detection sensitivity F. It is possible.

特開２００３−４３０７３号公報（第２−３頁、第３図）JP 2003-43073 A (page 2-3, FIG. 3)

ところが、上記の移動度μの大きなホール素子を使用して電流センサのＳ／Ｎを大幅に向上させる構成には、以下の解決すべき課題が存在している。すなわち、特許文献１に開示されている一般的な回路方式で利用するホール素子の周波数帯域Ｗ（直流〜１ｋＨｚ程度の帯域）では、図３に示すように、最終段のアンプから出力される電圧に含まれるノイズＤのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）は、周波数が高くなるに従い、ほぼ反比例の関係で低下する周波数特性を有している。つまり、このノイズは、１／ｆノイズとしての特性を有している。 However, the following problems to be solved exist in the configuration in which the S / N of the current sensor is greatly improved by using the Hall element having the high mobility μ described above. That is, in the frequency band W (band of DC to about 1 kHz) of the Hall element used in the general circuit method disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 3, the voltage output from the final stage amplifier The power spectral density (PSD) of the noise D included in 1 has a frequency characteristic that decreases in an approximately inversely proportional relationship as the frequency increases. That is, this noise has characteristics as 1 / f noise.

しかしながら、同じ材料（例えば、インジウム・アンチモンや、ガリウム・砒素など）を使用して同じ移動度μとなるように製造されたホール素子であっても、個体毎に移動度μがばらつく場合があり、特に、移動度μの大きなホール素子の場合には、このばらつきの幅が大きくなる場合がある。 However, even if the Hall element is manufactured using the same material (for example, indium / antimony, gallium / arsenic, etc.) to have the same mobility μ, the mobility μ may vary from individual to individual. In particular, in the case of a Hall element having a high mobility μ, the width of this variation may become large.

また、移動度μのばらつきがノイズＤのパワースペクトル密度の周波数特性に与える影響について、移動度μが異なる同種（使用材料が同一）の３つ（μ１，μ２，μ３（μ１＞μ２＞μ３））のホール素子を用いて実験で確認したところ、これらのホール素子を同一の直流定電流で駆動する条件下において、図３に示すように、ホール素子の移動度μの値に応じてノイズＤのパワースペクトル密度の周波数特性が変化すること、具体的には、移動度μがμ１からμ２，μ３と順次小さくなるに従い、各周波数でのノイズＤのパワースペクトル密度が上昇する周波数特性となることが確認された。なお、同図中において、移動度がμ１のホール素子についての周波数特性については実線で示し、移動度がμ２のホール素子についての周波数特性については一点鎖線で示し、移動度がμ３のホール素子についての周波数特性については破線で示している。 In addition, regarding the influence of the variation in mobility μ on the frequency characteristics of the power spectral density of noise D, three types (μ1, μ2, μ3 (μ1> μ2> μ3) of the same type (the same material used) with different mobility μ are used. As shown in FIG. 3, under the condition that these Hall elements are driven by the same DC constant current, the noise D depends on the value of the mobility μ of the Hall elements. The frequency characteristics of the power spectrum density change, specifically, as the mobility μ decreases sequentially from μ1 to μ2 and μ3, the frequency spectrum characteristic of the noise D at each frequency increases. Was confirmed. In the figure, the frequency characteristic for the Hall element having a mobility of μ1 is indicated by a solid line, the frequency characteristic for the Hall element having a mobility of μ2 is indicated by a one-dot chain line, and the Hall element having a mobility of μ3. The frequency characteristics are indicated by broken lines.

このため、移動度μのばらつきが大きくなる移動度μの大きなホール素子については、同じ直流定電流で駆動したとしても、図３に示すような周波数帯域ＷでのノイズＤのパワースペクトル密度に生ずるばらつき（パワースペクトル密度の周波数特性のばらつき）が、許容範囲を超えて大きくなる可能性が高まることになる。 For this reason, a Hall element having a large mobility μ with a large variation in mobility μ is generated in the power spectral density of the noise D in the frequency band W as shown in FIG. 3 even if driven by the same DC constant current. The possibility that the variation (variation in the frequency characteristics of the power spectral density) becomes larger than the allowable range is increased.

したがって、単に移動度μの大きなホール素子を使用するだけの構成の電流センサでは、Ｓ／Ｎを大幅に向上できるものの、上記したノイズＤのパワースペクトル密度についての周波数特性のばらつきに起因して、所望のＳ／Ｎを得ることが困難であるという解決すべき課題が存在している。 Therefore, in a current sensor having a configuration in which only a Hall element having a large mobility μ is used, although the S / N can be greatly improved, due to the variation in the frequency characteristics of the power spectrum density of the noise D described above, There is a problem to be solved that it is difficult to obtain a desired S / N.

本発明は、かかる課題を改善すべくなされたものであり、所望のＳ／Ｎを得ることが可能な電流センサを提供することを主目的とする。 The present invention has been made to improve such a problem, and a main object of the present invention is to provide a current sensor capable of obtaining a desired S / N.

上記目的を達成すべく請求項１記載の電流センサは、内部に被測定電線が挿通される磁気コアと、当該磁気コアに配置されたホール素子と、前記磁気コアに巻回された負帰還コイルと、前記ホール素子の一対の電流入力端子に駆動電流を供給する電源部と、前記ホール素子の一対の電圧出力端子間に発生する出力電圧に基づいて前記負帰還コイルに前記磁気コア内の磁束を打ち消す負帰還電流を供給する電流生成部と、前記負帰還コイルに接続されて前記負帰還電流を前記被測定電線に流れる測定電流の電流値に応じて電圧値が変化する検出電圧に変換して出力する電流電圧変換部とを備えているゼロフラックス方式の電流センサであって、前記測定電流の非検出時における前記検出電圧に含まれる予め規定された周波数でのノイズのパワースペクトル密度を算出しつつ、前記電源部に対する制御を実行して前記駆動電流の電流値を変更することにより、当該算出しているパワースペクトル密度を予め規定された基準密度に一致させる補正処理を実行する処理部を備えている。 In order to achieve the above object, the current sensor according to claim 1 includes a magnetic core into which a measured electric wire is inserted, a hall element disposed in the magnetic core, and a negative feedback coil wound around the magnetic core. A power source for supplying a drive current to a pair of current input terminals of the Hall element, and a magnetic flux in the magnetic core on the negative feedback coil based on an output voltage generated between the pair of voltage output terminals of the Hall element. A current generator for supplying a negative feedback current that cancels the current and a negative feedback current that is connected to the negative feedback coil and converts the negative feedback current into a detection voltage whose voltage value changes according to the current value of the measurement current flowing through the wire to be measured. A zero-flux type current sensor having a current-voltage conversion unit that outputs noise power at a predetermined frequency included in the detection voltage when the measurement current is not detected While calculating the spectral density, the control processing for the power supply unit is executed to change the current value of the driving current, thereby executing a correction process for matching the calculated power spectral density with a predetermined reference density. A processing unit is provided.

請求項１記載の電流センサでは、処理部による補正処理の実行により、ホール素子のノイズについてのパワースペクトル密度の周波数特性が、予め規定された周波数でのパワースペクトル密度が基準密度となる所定のパワースペクトル密度の基準周波数特性に揃えられる。 In the current sensor according to claim 1, the frequency characteristic of the power spectral density with respect to the noise of the Hall element is a predetermined power whose power spectral density at a predetermined frequency is a reference density by executing correction processing by the processing unit. Aligned with the reference frequency characteristics of spectral density.

したがって、この電流センサによれば、Ｓ／Ｎを向上させるために移動度の大きなホール素子を使用した場合に、使用したホール素子の移動度にばらつきが生じていたとしても、ノイズのパワースペクトル密度の周波数特性が基準周波数特性に揃えられた状態で、被測定電線に流れる測定電流の電流値を算出（測定）することができる。つまり、この電流センサによれば、移動度の大きなホール素子を使用してＳ／Ｎを向上させつつ、所望のＳ／Ｎを得ることができる。 Therefore, according to this current sensor, when a Hall element having a high mobility is used in order to improve the S / N, even if the mobility of the used Hall element varies, the noise power spectral density The current value of the measurement current flowing through the wire to be measured can be calculated (measured) in a state where the frequency characteristics are aligned with the reference frequency characteristics. That is, according to this current sensor, a desired S / N can be obtained while improving the S / N by using a Hall element having a high mobility.

電流センサ１の構成図である。1 is a configuration diagram of a current sensor 1. FIG. 同種のホール素子において、直流定電流の値を変化させたときの各直流定電流でのノイズＤのパワースペクトル密度についての周波数特性を示す周波数特性図である。FIG. 6 is a frequency characteristic diagram showing frequency characteristics of the power spectral density of noise D at each DC constant current when the value of the DC constant current is changed in the same type of Hall element. 移動度μのばらつきに起因して同種のホール素子に発生するノイズＤのパワースペクトル密度についての周波数特性のばらつきを説明するための周波数特性図である。It is a frequency characteristic diagram for explaining the variation of the frequency characteristic about the power spectrum density of the noise D generated in the same kind of Hall element due to the variation of the mobility μ.

以下、添付図面を参照して、電流センサ１の実施の形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the current sensor 1 will be described with reference to the accompanying drawings.

まず、電流センサ１の構成について、図１を参照して説明する。 First, the configuration of the current sensor 1 will be described with reference to FIG.

電流センサ１は、図１に示すように、磁気コア２、ホール素子３、負帰還コイル４、電源部５、電流生成部６、電流電圧変換部７、アンプ８、処理部９、記憶部１０、操作部１１および出力部１２とを備え、ゼロフラックス方式の電流センサとして構成されて、磁気コア２に挿通された被測定電線２１に流れる測定電流Ｉ１を検出する。 As shown in FIG. 1, the current sensor 1 includes a magnetic core 2, a Hall element 3, a negative feedback coil 4, a power supply unit 5, a current generation unit 6, a current-voltage conversion unit 7, an amplifier 8, a processing unit 9, and a storage unit 10. The operation unit 11 and the output unit 12 are configured as a zero-flux type current sensor, and the measurement current I1 flowing through the measured electric wire 21 inserted through the magnetic core 2 is detected.

磁気コア２は、一例として、基端部（図１中の下端部）を中心として開閉可能な分割型で形成されて、活線状態の被測定電線２１をクランプ可能（内部に被測定電線２１を挿通可能）に構成されている。なお、磁気コア２については、分割型に限定されず、貫通型（非分割型）とすることもできる。 As an example, the magnetic core 2 is formed in a split type that can be opened and closed with a base end portion (a lower end portion in FIG. 1) as a center, and can clamp the measured wire 21 in a live state (the measured wire 21 inside). Can be inserted). In addition, about the magnetic core 2, it is not limited to a split type, It can also be a penetration type (non-split type).

ホール素子３は、電流センサ１のセンサ検出感度を向上させるために、移動度μが数万ｃｍ^２／Ｖｓ以上のホール素子が使用されている。また、ホール素子３は、一例として、磁気コア２の基端部に配設されている。また、ホール素子３は、一対の電流入力端子３ａ，３ａ、および一対の電圧出力端子３ｂ，３ｂを備え、電源部５から一対の電流入力端子３ａ，３ａに制御用の直流定電流Ｉ２が供給された状態で作動する。また、ホール素子３は、この作動状態において、磁気コア２の内部に発生する磁束を検出して、磁束密度に応じた（具体的には、比例、またはほぼ比例した）電圧値の出力電圧Ｖ１を一対の電圧出力端子３ｂ，３ｂ間から出力する。この場合、磁気コア２の内部に発生する磁束とは、磁気コア２に挿通された被測定電線２１に測定電流Ｉ１が流れることによって発生する磁束φ１と、負帰還コイル４に後述する負帰還電流Ｉ３が流れることによって発生する磁束φ２との差分（φ１−φ２）の磁束である。 In order to improve the sensor detection sensitivity of the current sensor 1, a Hall element having a mobility μ of several tens of thousands cm ² / Vs or more is used as the Hall element 3. In addition, the Hall element 3 is disposed at the base end portion of the magnetic core 2 as an example. The Hall element 3 includes a pair of current input terminals 3a and 3a and a pair of voltage output terminals 3b and 3b, and a DC constant current I2 for control is supplied from the power supply unit 5 to the pair of current input terminals 3a and 3a. It operates in the state that was done. In this operating state, the Hall element 3 detects a magnetic flux generated in the magnetic core 2 and outputs an output voltage V1 having a voltage value corresponding to the magnetic flux density (specifically, proportional or substantially proportional). Is output from between the pair of voltage output terminals 3b, 3b. In this case, the magnetic flux generated in the magnetic core 2 includes the magnetic flux φ1 generated by the measurement current I1 flowing through the measured electric wire 21 inserted through the magnetic core 2, and the negative feedback current described later in the negative feedback coil 4. This is a magnetic flux of a difference (φ1−φ2) from the magnetic flux φ2 generated by the flow of I3.

負帰還コイル４は、磁気コア２に巻回されている。電源部５は、ホール素子３の一対の電流入力端子３ａ，３ａを介して、駆動電流としての直流定電流Ｉ２をホール素子３に供給する。また、電源部５は、本例では、一例として、電流値を変更可能な直流定電流源で構成されて、処理部９によって制御されることにより、直流定電流Ｉ２の電流値を変更可能に構成されている。 The negative feedback coil 4 is wound around the magnetic core 2. The power supply unit 5 supplies a direct current constant current I2 as a drive current to the Hall element 3 through a pair of current input terminals 3a and 3a of the Hall element 3. In addition, in this example, the power supply unit 5 is configured by a DC constant current source whose current value can be changed as an example, and is controlled by the processing unit 9 so that the current value of the DC constant current I2 can be changed. It is configured.

電流生成部６は、ホール素子３から出力電圧Ｖ１を入力すると共に、この出力電圧Ｖ１に基づいて負帰還電流Ｉ３を生成して、負帰還コイル４の一端部に供給する。この場合、電流生成部６は、出力電圧Ｖ１がゼロボルトになるように、つまり、ホール素子３において検出される磁気コア２の内部に発生している磁束（φ１−φ２）の磁束密度がゼロになるように（言い換えれば、磁束φ２で磁束φ１を相殺するように）、負帰還電流Ｉ３の電流値を制御する。 The current generator 6 receives the output voltage V <b> 1 from the Hall element 3, generates a negative feedback current I <b> 3 based on the output voltage V <b> 1, and supplies it to one end of the negative feedback coil 4. In this case, the current generator 6 makes the output voltage V1 become zero volts, that is, the magnetic flux density of the magnetic flux (φ1-φ2) generated in the magnetic core 2 detected by the Hall element 3 becomes zero. In other words, the current value of the negative feedback current I3 is controlled so that the magnetic flux φ1 is canceled by the magnetic flux φ2.

電流電圧変換部７は、負帰還電流Ｉ３を電圧に変換する。本例では、一例として、電流電圧変換部７は、負帰還コイル４の他端部と基準電位（本例ではグランド電位）との間に接続された終端抵抗で構成されている（以下、「終端抵抗７」ともいう）。この構成により、終端抵抗７は、その抵抗値をＲ１としたときに、負帰還電流Ｉ３を検出電圧Ｖ２（＝Ｒ１×Ｉ３）に変換する。なお、図示はしないが、終端抵抗に代えて、非反転入力端子が基準電位に接続された演算増幅器と、その反転入力端子と出力端子との間に接続された帰還抵抗とで構成される公知の電流電圧変換器を使用して、電流電圧変換部７を構成することもできる。 The current-voltage converter 7 converts the negative feedback current I3 into a voltage. In this example, as an example, the current-voltage conversion unit 7 is configured by a termination resistor connected between the other end of the negative feedback coil 4 and a reference potential (a ground potential in this example) (hereinafter, “ Also referred to as a terminating resistor 7 ”). With this configuration, the termination resistor 7 converts the negative feedback current I3 into the detection voltage V2 (= R1 × I3) when the resistance value is R1. Although not shown in the drawing, instead of a terminating resistor, a publicly known configuration comprising an operational amplifier having a non-inverting input terminal connected to a reference potential and a feedback resistor connected between the inverting input terminal and the output terminal. The current-voltage converter 7 can be configured by using the current-voltage converter.

アンプ８は、検出電圧Ｖ２を入力すると共に、予め規定された増幅率で増幅して、新たな検出電圧Ｖ３として処理部９に出力する。なお、アンプ８の増幅率については、検出電圧Ｖ３が処理部９に内蔵されている後述のＡ／Ｄ変換器の入力定格を満たす電圧値となるように予め規定されている。 The amplifier 8 receives the detection voltage V2 and amplifies the detection voltage V2 with a predetermined amplification factor, and outputs it to the processing unit 9 as a new detection voltage V3. The amplification factor of the amplifier 8 is defined in advance so that the detection voltage V3 is a voltage value that satisfies the input rating of an A / D converter described later built in the processing unit 9.

処理部９は、Ａ／Ｄ変換器およびＣＰＵ（いずれも図示せず）を備え、検出電圧Ｖ３に基づいて電源部５からホール素子３に対して供給する直流定電流Ｉ２の電流値を補正する補正処理、および検出電圧Ｖ３に基づいて被測定電線２１に流れる測定電流Ｉ１を算出する電流検出処理を実行する。記憶部１０は、例えば、ＲＡＭなどの半導体メモリや、ＨＤＤ（Hard Disk Drive ）で構成されて、ホール素子３の直流定電流Ｉ２についての基準値Ｉｒｅｆが予め記憶されている。また、記憶部１０には、予め規定された周波数（本例では、一例として、１００Ｈｚ）でのノイズＤについてのパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆとして記憶されている。 The processing unit 9 includes an A / D converter and a CPU (both not shown), and corrects the current value of the DC constant current I2 supplied from the power supply unit 5 to the Hall element 3 based on the detection voltage V3. Based on the correction process and the detection voltage V3, a current detection process for calculating the measurement current I1 flowing in the measured electric wire 21 is executed. The storage unit 10 is composed of, for example, a semiconductor memory such as a RAM or an HDD (Hard Disk Drive), and stores a reference value Iref for the DC constant current I2 of the Hall element 3 in advance. Further, the storage unit 10 stores the power spectral density for the noise D at a predetermined frequency (in this example, 100 Hz as an example) as the reference density DEref.

操作部１１は、操作スイッチ（不図示）を備え、操作スイッチに対する操作に応じて、処理部９に対して補正処理を実行させる指示、および処理部９に対して電流検出処理を実行させる指示を示す指示データＤｃｏを出力する。出力部１２は、一例として、液晶ディスプレイなどの表示装置で構成されて、処理部９において算出された測定電流Ｉ１の電流値を画面上に表示させる。 The operation unit 11 includes an operation switch (not shown), and in response to an operation on the operation switch, instructs the processing unit 9 to execute correction processing, and instructs the processing unit 9 to execute current detection processing. The indicated instruction data Dco is output. For example, the output unit 12 is configured by a display device such as a liquid crystal display, and displays the current value of the measurement current I1 calculated by the processing unit 9 on the screen.

次に、電流センサ１の動作について図面を参照して説明する。 Next, the operation of the current sensor 1 will be described with reference to the drawings.

最初に、オペレータは、磁気コア２の内部に被測定電線２１を挿通させず、かつ磁気コア２を閉じた状態（測定電流Ｉ１の非検出時）において、操作部１１を操作して、処理部９に対して補正処理を実行させる指示を含む指示データＤｃｏを出力する。 First, the operator operates the operation unit 11 in a state where the measured electric wire 21 is not inserted into the magnetic core 2 and the magnetic core 2 is closed (when the measurement current I1 is not detected). 9 outputs instruction data Dco including an instruction to execute the correction process.

処理部９は、操作部１１からこの指示データＤｃｏを入力して補正処理を実行する。この補正処理では、処理部９は、まず、記憶部１０から基準値Ｉｒｅｆを読み出すと共に、電源部５に対する制御を実行して、電源部５から出力される直流定電流Ｉ２の電流値を基準値Ｉｒｅｆに規定する。電源部５は、この直流定電流Ｉ２をホール素子３の一対の電流入力端子３ａ，３ａに出力する。 The processing unit 9 inputs the instruction data Dco from the operation unit 11 and executes correction processing. In this correction process, the processing unit 9 first reads the reference value Iref from the storage unit 10 and executes control on the power supply unit 5 to obtain the current value of the DC constant current I2 output from the power supply unit 5 as the reference value. Iref. The power supply unit 5 outputs the DC constant current I2 to the pair of current input terminals 3a and 3a of the Hall element 3.

これにより、ホール素子３は、電流値が基準値Ｉｒｅｆに規定された直流定電流Ｉ２を駆動電流として作動して、磁気コア２の内部に発生している磁束（φ１−φ２）を検出すると共に、この磁束の磁束密度に比例した電圧値の出力電圧Ｖ１を一対の電圧出力端子３ｂ，３ｂ間から出力する。電流生成部６は、この出力電圧Ｖ１に基づいて負帰還電流Ｉ３を生成して負帰還コイル４の一端部に供給する。 As a result, the Hall element 3 operates with the DC constant current I2 whose current value is defined as the reference value Iref as a drive current, and detects the magnetic flux (φ1-φ2) generated inside the magnetic core 2. The output voltage V1 having a voltage value proportional to the magnetic flux density of the magnetic flux is output from between the pair of voltage output terminals 3b and 3b. The current generator 6 generates a negative feedback current I3 based on the output voltage V1 and supplies it to one end of the negative feedback coil 4.

磁気コア２に被測定電線２１が挿通されていない状態では、磁束φ１はゼロであり、これに伴い、電流生成部６は、負帰還電流Ｉ３が負帰還コイル４に流れることによって磁気コア２内に生じる磁束φ２（磁束φ１を相殺するための磁束）もゼロになるように、負帰還電流Ｉ３の電流値を制御する。すなわち、電流生成部６は、負帰還電流Ｉ３の電流値をゼロに制御する。終端抵抗７（電流電圧変換部７）は、この負帰還電流Ｉ３を電圧に変換して、ゼロボルトの検出電圧Ｖ２を発生させ、アンプ８が、この検出電圧Ｖ２を検出電圧Ｖ３（この検出電圧Ｖ３の電圧もゼロボルトとなる）に増幅して処理部９に出力する。 In a state where the measured wire 21 is not inserted into the magnetic core 2, the magnetic flux φ 1 is zero, and accordingly, the current generator 6 causes the negative feedback current I 3 to flow in the negative feedback coil 4, thereby causing the inside of the magnetic core 2. The current value of the negative feedback current I3 is controlled so that the magnetic flux φ2 generated in the above (the magnetic flux for canceling the magnetic flux φ1) becomes zero. That is, the current generator 6 controls the current value of the negative feedback current I3 to zero. The terminating resistor 7 (current / voltage conversion unit 7) converts the negative feedback current I3 into a voltage to generate a zero-volt detection voltage V2, and the amplifier 8 converts the detection voltage V2 into the detection voltage V3 (this detection voltage V3). Is also zero volts) and output to the processing unit 9.

処理部９では、Ａ／Ｄ変換器が検出電圧Ｖ３を予め規定されたサンプリングレートでサンプリングして、検出電圧Ｖ３の電圧値を示すデジタルデータ（電圧データ）に変換し、ＣＰＵがこの電圧データに基づいてフーリエ変換処理を実行することにより、検出電圧Ｖ３についての周波数毎のパワースペクトル密度を算出する。この場合、検出電圧Ｖ３は、磁気コア２に被測定電線２１が挿通されていない状態（非検出時）での電圧であるため、ノイズＤに起因して発生した検出電圧Ｖ３についてのパワースペクトル密度を示している。また、背景技術で述べたように、電流センサ１に発生しているノイズは、ホール素子３の特性に依存したノイズＤに大きく支配されるため、処理部９において算出されたパワースペクトル密度は、ホール素子３に固有に発生するノイズＤについてのパワースペクトル密度を示すものでもある。 In the processing unit 9, the A / D converter samples the detection voltage V3 at a predetermined sampling rate and converts it into digital data (voltage data) indicating the voltage value of the detection voltage V3. Based on this, Fourier transform processing is performed to calculate the power spectral density for each frequency for the detected voltage V3. In this case, since the detected voltage V3 is a voltage in a state where the measured electric wire 21 is not inserted into the magnetic core 2 (when not detected), the power spectral density for the detected voltage V3 generated due to the noise D Is shown. Further, as described in the background art, the noise generated in the current sensor 1 is largely dominated by the noise D depending on the characteristics of the Hall element 3, so that the power spectral density calculated in the processing unit 9 is It also shows the power spectral density for the noise D that is inherently generated in the Hall element 3.

次いで、処理部９は、算出したノイズＤについての周波数毎のパワースペクトル密度（パワースペクトル密度の周波数特性）に基づいて、予め規定された周波数（本例では、一例として、１００Ｈｚ）でのノイズＤについてのパワースペクトル密度を検出する処理を実行する。続いて、処理部９は、この検出したパワースペクトル密度と記憶部１０から読み出した基準密度ＤＥｒｅｆとを比較する処理を実行しつつ、検出したパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆに近づくように（両密度の差が減少するように）、電源部５に対する制御を実行して直流定電流Ｉ２の電流値を変更する処理を実行する。処理部９は、この予め規定された周波数でのノイズＤについてのパワースペクトル密度の検出、検出したパワースペクトル密度と基準密度ＤＥｒｅｆとの比較、および直流定電流Ｉ２の電流値の変更の各処理を、検出したパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆと一致（両密度の差分の絶対値が予め規定された値内に収まる状態をいうものとする）するまで繰り返し実行する。 Next, the processing unit 9 calculates the noise D at a predetermined frequency (in this example, 100 Hz as an example) based on the power spectral density for each frequency (frequency characteristics of the power spectral density) of the calculated noise D. The process of detecting the power spectral density for is performed. Subsequently, the processing unit 9 performs a process of comparing the detected power spectral density with the reference density DEref read from the storage unit 10 so that the detected power spectral density approaches the reference density DEref (both densities). In order to reduce the difference between the two, the control on the power supply unit 5 is executed to change the current value of the DC constant current I2. The processing unit 9 performs each process of detecting the power spectral density for the noise D at the predetermined frequency, comparing the detected power spectral density with the reference density DEref, and changing the current value of the DC constant current I2. The process is repeated until the detected power spectral density matches the reference density DEref (refers to a state where the absolute value of the difference between the two densities falls within a predetermined value).

実験によれば、ホール素子は、通常、駆動電流としての直流定電流Ｉ２の電流値の増減に伴い、図２に示すように、周波数帯域ＷでのノイズＤのパワースペクトル密度についての周波数特性が変化するという特性を有している。具体的には、ホール素子３は、同図に示すように、直流定電流Ｉ２の電流値を多くする（増加させる）に従い、各周波数でのノイズＤのパワースペクトル密度が低下し、逆に、直流定電流Ｉ２の電流値を少なくする（減少させる）に従い、各周波数でのノイズＤのパワースペクトル密度が上昇するという特性を有している。 According to the experiment, the Hall element usually has a frequency characteristic with respect to the power spectral density of the noise D in the frequency band W as shown in FIG. 2 as the current value of the DC constant current I2 as the drive current increases or decreases. It has the property of changing. Specifically, as shown in the figure, as the Hall element 3 increases (increases) the current value of the DC constant current I2, the power spectral density of the noise D at each frequency decreases, conversely, As the current value of the DC constant current I2 is reduced (decreased), the power spectral density of the noise D at each frequency increases.

処理部９は、ホール素子３のこのパワースペクトル密度についての特性を考慮して、検出したパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆよりも大きい場合には、電源部５に対する制御を実行して直流定電流Ｉ２の電流値を増加させることにより、予め規定された周波数でのパワースペクトル密度を低下させ、逆に、検出したパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆよりも小さい場合には、電源部５に対する制御を実行して直流定電流Ｉ２の電流値を減少させることにより、予め規定された周波数でのパワースペクトル密度を上昇させて、予め規定された周波数でのパワースペクトル密度を基準密度ＤＥｒｅｆに一致させる。 The processing unit 9 considers the characteristics of the Hall element 3 with respect to the power spectral density, and if the detected power spectral density is larger than the reference density DEref, the processing unit 9 performs control on the power supply unit 5 to perform the direct current constant current I2. The power spectral density at a predetermined frequency is decreased by increasing the current value of the power supply unit. Conversely, when the detected power spectral density is smaller than the reference density DEref, the power supply unit 5 is controlled. By reducing the current value of the DC constant current I2, the power spectral density at a predetermined frequency is increased, and the power spectral density at the predetermined frequency is made to coincide with the reference density DEref.

パワースペクトル密度を基準密度ＤＥｒｅｆに一致させた後、処理部９は、このときの直流定電流Ｉ２の電流値で、記憶部１０に記憶されている基準値Ｉｒｅｆを更新する。これにより、補正処理が完了する。ホール素子３についての周波数帯域ＷでのノイズＤのパワースペクトル密度は、上記したように、周波数が高くなるに従い、ほぼ反比例の関係で低下する周波数特性（１／ｆノイズとしての特性）を有している。これにより、周波数帯域Ｗでの予め規定された周波数でのパワースペクトル密度を基準密度ＤＥｒｅｆに一致させることにより、周波数帯域Ｗ全体に亘るノイズＤのパワースペクトル密度の周波数特性は、予め規定された周波数において基準密度ＤＥｒｅｆとなる１つの周波数特性に揃えられる。 After matching the power spectral density with the reference density DEref, the processing unit 9 updates the reference value Iref stored in the storage unit 10 with the current value of the DC constant current I2 at this time. Thereby, the correction process is completed. As described above, the power spectral density of the noise D in the frequency band W of the Hall element 3 has a frequency characteristic (characteristic as 1 / f noise) that decreases in an inversely proportional relationship as the frequency increases. ing. Thus, by matching the power spectral density at a predetermined frequency in the frequency band W with the reference density DEref, the frequency characteristic of the power spectral density of the noise D over the entire frequency band W is set to the predetermined frequency. Are matched to one frequency characteristic having a reference density DEref.

例えば、図３において破線で示す周波数特性のように、予め規定された周波数（本例では１００Ｈｚ）でのパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆ（一点鎖線で示す周波数特性でのパワースペクトル密度）よりも大きい場合には、処理部９は、補正処理の実行により、直流定電流Ｉ２の電流値を増加させて予め規定された周波数でのパワースペクトル密度を低下させることで、破線で示される周波数特性を、一点鎖線で示される周波数特性に一致させる（揃える）。一方、図３において実線で示す周波数特性のように、予め規定された周波数（１００Ｈｚ）でのパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆよりも小さい場合には、処理部９は、補正処理の実行により、直流定電流Ｉ２の電流値を減少させて予め規定された周波数でのパワースペクトル密度を上昇させることで、実線で示される周波数特性を、一点鎖線で示される周波数特性に一致させる（揃える）。 For example, as in the frequency characteristic indicated by the broken line in FIG. 3, the power spectral density at a predetermined frequency (100 Hz in this example) is larger than the reference density DEref (power spectral density at the frequency characteristic indicated by the alternate long and short dash line). In this case, the processing unit 9 increases the current value of the DC constant current I2 by executing the correction process to decrease the power spectral density at a predetermined frequency, thereby reducing the frequency characteristic indicated by the broken line. Match (align) the frequency characteristics indicated by the alternate long and short dash line. On the other hand, when the power spectral density at a predetermined frequency (100 Hz) is smaller than the reference density DEref as in the frequency characteristic indicated by the solid line in FIG. By decreasing the current value of the constant current I2 and increasing the power spectral density at a predetermined frequency, the frequency characteristic indicated by the solid line is matched (aligned) with the frequency characteristic indicated by the alternate long and short dash line.

この補正処理の完了の後、オペレータは、磁気コア２の内部に被測定電線２１を挿通させ、操作部１１を操作して、処理部９に対して電流検出処理を実行させる指示を含む指示データＤｃｏを出力する。 After completion of the correction process, the operator inserts the measured wire 21 into the magnetic core 2 and operates the operation unit 11 to indicate instruction data including an instruction to cause the processing unit 9 to execute the current detection process. Dco is output.

処理部９は、操作部１１からこの指示データＤｃｏを入力して電流検出処理を実行する。この補正処理では、処理部９は、まず、記憶部１０から基準値Ｉｒｅｆ（上記の補正処理によって更新された基準値Ｉｒｅｆ）を読み出すと共に、電源部５に対する制御を実行して、電源部５から出力される直流定電流Ｉ２の電流値を基準値Ｉｒｅｆに規定する。電源部５は、この直流定電流Ｉ２をホール素子３の一対の電流入力端子３ａ，３ａに出力する。 The processing unit 9 inputs the instruction data Dco from the operation unit 11 and executes current detection processing. In this correction processing, the processing unit 9 first reads the reference value Iref (reference value Iref updated by the above correction processing) from the storage unit 10 and executes control for the power supply unit 5 to The current value of the DC constant current I2 to be output is defined as a reference value Iref. The power supply unit 5 outputs the DC constant current I2 to the pair of current input terminals 3a and 3a of the Hall element 3.

これにより、ホール素子３は、電流値が基準値Ｉｒｅｆに規定された直流定電流Ｉ２を駆動電流として作動して、磁気コア２の内部に発生している磁束（φ１−φ２）を検出すると共に、この磁束の磁束密度に比例した電圧値の出力電圧Ｖ１を一対の電圧出力端子３ｂ，３ｂ間から出力する。電流生成部６は、この出力電圧Ｖ１に基づいて負帰還電流Ｉ３を生成して負帰還コイル４の一端部に供給することにより、ホール素子３で検出される磁束（φ１−φ２）の磁束密度（磁気コア２内の磁束密度）がゼロになるように（磁束φ２で磁束φ１を相殺するように）、負帰還電流Ｉ３の電流値を制御する。 As a result, the Hall element 3 operates with the DC constant current I2 whose current value is defined as the reference value Iref as a drive current, and detects the magnetic flux (φ1-φ2) generated inside the magnetic core 2. The output voltage V1 having a voltage value proportional to the magnetic flux density of the magnetic flux is output from between the pair of voltage output terminals 3b and 3b. The current generator 6 generates a negative feedback current I3 based on the output voltage V1 and supplies the negative feedback current I3 to one end of the negative feedback coil 4 to thereby detect the magnetic flux density of the magnetic flux (φ1-φ2) detected by the Hall element 3. The current value of the negative feedback current I3 is controlled so that (the magnetic flux density in the magnetic core 2) becomes zero (so that the magnetic flux φ1 is canceled by the magnetic flux φ2).

終端抵抗７は、この負帰還電流Ｉ３を検出電圧Ｖ２に変換し、アンプ８が、この検出電圧Ｖ２を予め規定された増幅率で増幅して、新たな検出電圧Ｖ３として処理部９に出力する。処理部９は、この検出電圧Ｖ３をデジタルデータ（電圧データ）に変換すると共に、この電圧データと、負帰還コイル４の巻回数と、終端抵抗７の抵抗値とに基づいて、被測定電線２１に流れる測定電流Ｉ１の電流値を算出して、出力部１２を構成する表示装置の画面上に表示させる。これにより、電流検出処理が完了する。 The termination resistor 7 converts the negative feedback current I3 into the detection voltage V2, and the amplifier 8 amplifies the detection voltage V2 with a predetermined amplification factor and outputs the amplified detection voltage V2 to the processing unit 9 as a new detection voltage V3. . The processing unit 9 converts the detected voltage V3 into digital data (voltage data), and based on the voltage data, the number of turns of the negative feedback coil 4, and the resistance value of the termination resistor 7, the measured electric wire 21 Is calculated and displayed on the screen of the display device constituting the output unit 12. Thereby, the current detection process is completed.

このように、この電流センサ１では、処理部９による補正処理の実行により、電流センサ１に使用されているホール素子３の周波数帯域ＷでのノイズＤについてのパワースペクトル密度の周波数特性が、予め規定された周波数（１００Ｈｚ）でのパワースペクトル密度が基準密度ＤＥｒｅｆとなる所定のパワースペクトル密度の周波数特性（基準周波数特性）に揃えられている。 As described above, in the current sensor 1, the frequency characteristic of the power spectral density with respect to the noise D in the frequency band W of the Hall element 3 used in the current sensor 1 is obtained in advance by executing the correction process by the processing unit 9. The power spectral density at the specified frequency (100 Hz) is aligned with the frequency characteristic (reference frequency characteristic) of a predetermined power spectral density at which the reference density DEref is obtained.

したがって、この電流センサ１によれば、Ｓ／Ｎを向上させるために移動度μの大きなホール素子３を使用した場合に、使用したホール素子３の移動度μにばらつきが生じていたとしても、ノイズＤのパワースペクトル密度の周波数特性が基準周波数特性に揃えられた状態で、被測定電線２１に流れる測定電流Ｉ１の電流値を算出（測定）することができる。つまり、この電流センサ１によれば、移動度μの大きなホール素子３を使用してＳ／Ｎを向上させつつ、所望のＳ／Ｎを得ることができる。したがって、この電流センサ１によれば、Ｓ／Ｎを均一化することができる結果、ホール素子３の移動度μのばらつきに起因した電流センサ１の歩留率の低下を回避することもできる。 Therefore, according to the current sensor 1, when the Hall element 3 having a high mobility μ is used to improve the S / N, even if the mobility μ of the used Hall element 3 varies, In a state where the frequency characteristics of the power spectrum density of the noise D are aligned with the reference frequency characteristics, the current value of the measurement current I1 flowing through the measured wire 21 can be calculated (measured). That is, according to this current sensor 1, a desired S / N can be obtained while improving the S / N by using the Hall element 3 having a high mobility μ. Therefore, according to the current sensor 1, the S / N can be made uniform, and as a result, a decrease in the yield rate of the current sensor 1 due to the variation in the mobility μ of the Hall element 3 can be avoided.

なお、上記の電流センサ１では、ホール素子３に対して駆動電流としての直流定電流Ｉ２を供給する電源部５に直流定電流源を使用すると共に、処理部９が電源部５に対する制御を実行して、直流定電流Ｉ２の電流値を補正する構成を採用しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、電源部５に直流電圧源を使用して、処理部９がこの電源部５に対する制御を実行して、ホール素子３の一対の電流入力端子３ａ，３ａ間に印加される電圧を制御することにより、ホール素子３に供給される直流定電流Ｉ２の電流値（印加される電圧とホール素子３の入力抵抗とで規定される電流値）を補正する構成を採用することもできる。さらには、例えば、電源部５に直流定電圧源を使用すると共に、ホール素子３の一対の電流入力端子３ａ，３ａを可変抵抗（電流制限抵抗の一例）を介してこの直流定電圧源に接続し、処理部９がこの可変抵抗に対する制御を実行して、ホール素子３に供給される直流定電流Ｉ２の電流値を補正する構成を採用することもできる。 In the current sensor 1, a DC constant current source is used for the power supply unit 5 that supplies a constant DC current I 2 as a drive current to the Hall element 3, and the processing unit 9 performs control on the power supply unit 5. And although the structure which correct | amends the electric current value of direct current | flow constant current I2 is employ | adopted, it is not limited to this structure. For example, a DC voltage source is used for the power supply unit 5, and the processing unit 9 executes control on the power supply unit 5 to control the voltage applied between the pair of current input terminals 3 a and 3 a of the Hall element 3. Accordingly, it is possible to adopt a configuration in which the current value of the DC constant current I2 supplied to the Hall element 3 (current value defined by the applied voltage and the input resistance of the Hall element 3) is corrected. Further, for example, a DC constant voltage source is used for the power supply unit 5 and the pair of current input terminals 3a, 3a of the Hall element 3 is connected to the DC constant voltage source via a variable resistor (an example of a current limiting resistor). However, it is also possible to adopt a configuration in which the processing unit 9 executes control on the variable resistance to correct the current value of the DC constant current I2 supplied to the Hall element 3.

１電流センサ
２磁気コア
３ホール素子
３ａ電流入力端子
３ｂ電圧出力端子
４負帰還コイル
５電源部
６電流生成部
７終端抵抗
９処理部
２１被測定電線
ＤＥｒｅｆ基準密度
Ｉ１測定電流
Ｉ３負帰還電流
Ｖ２，Ｖ３検出電圧 1 Current sensor
2 Magnetic core
3 Hall element 3a Current input terminal 3b Voltage output terminal
4 Negative feedback coil
5 Power supply
6 Current generator
7 Termination resistance
9 Processing Unit 21 Measured Wire DEref Reference Density I1 Measurement Current I3 Negative Feedback Current V2, V3 Detection Voltage

Claims

A magnetic core into which the wire to be measured is inserted, a Hall element arranged in the magnetic core, a negative feedback coil wound around the magnetic core, and a drive current to a pair of current input terminals of the Hall element A power supply for supplying, a current generator for supplying a negative feedback current to cancel the magnetic flux in the magnetic core to the negative feedback coil based on an output voltage generated between a pair of voltage output terminals of the Hall element, and the negative A zero-flux method comprising a current-voltage conversion unit connected to a feedback coil and converting the negative feedback current into a detection voltage whose voltage value changes according to the current value of the measurement current flowing through the wire to be measured. Current sensor,
The control of the power supply unit is executed to change the current value of the drive current while calculating the power spectrum density of noise at a predetermined frequency included in the detection voltage when the measurement current is not detected. Thus, a current sensor including a processing unit that executes a correction process for matching the calculated power spectral density with a predetermined reference density.