JP4771094B2 - 磁気平衡式電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えばハイブリットカーや電気自動車のバッテリー電流やモータ駆動電流、工作機械のモータに流れる大電流を測定する、単電源駆動で電圧出力タイプの磁気平衡式電流センサに関する。

磁気平衡式電流センサは、図８に例示のように、ギャップＧを有するリング状の磁気コア２（高透磁率で残留磁気が少ないパーマロイコア等）と、ギャップＧに配置されたホール素子３（磁気検出素子の例示）と、磁気コア２に巻線を設けてなる負帰還用コイルＬ_ＦＢとを有する。磁気コア２は、被測定電流Ｉ_ｉｎの流れるバスバー１が貫通する配置である。したがって、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、これがホール素子３の感磁面に印加される。一方で、ホール素子３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負帰還用コイルＬ_ＦＢに電流が供給される。この供給した電流から被測定電流Ｉ_ｉｎが求められる。

磁気平衡式電流センサに関する公知文献としては、下記特許文献１がある。
特開２００２−２２８６８９号公報

単電源駆動の場合、電源端子と接地端子との間に例えば２つの抵抗を直列接続し、それら抵抗の接続点の電圧をセンサ内部の差動増幅器の基準電圧として用いるのが一般的である。他方、電源と電流センサとの間には種々のノイズが入るため、電流センサの破壊や誤動作を防止するために、コイルをノイズフィルタとして電源端子又は接地端子の一方に接続することが考えられる。しかし、磁気平衡式電流センサでは、その測定原理のため電源からの供給電流が０〜数十ｍＡ程度と大きく変動し、このためノイズフィルタとして設けたコイルの直流抵抗成分による電圧降下が前記基準電圧を変動させ、結果的に電流センサの精度が悪化するという問題がある。また、ノイズ対策の他、電源投入時の突入電流防止のために抵抗を電源端子又は接地端子の一方に接続した場合にも同様の問題がある。

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、電源端子又は接地端子にコイルや抵抗を接続した場合の電流検出精度の悪化を防止することの可能な磁気平衡式電流センサを提供することにある。

本発明の第１の態様は、磁気平衡式電流センサである。この電流センサは、
磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流に応じた電圧を出力するセンサ本体部と、
電源端子又は接地端子の一方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられたコイルと、
前記電源端子又は前記接地端子の他方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた、前記コイルと同じ直流抵抗を有する抵抗とを備えるものである。

本発明の第２の態様も、磁気平衡式電流センサである。この電流センサは、
磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流に応じた電圧を出力するセンサ本体部と、
電源端子又は接地端子の一方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた第１のコイルと、
前記電源端子又は前記接地端子の他方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた、前記第１のコイルと同じ直流抵抗成分を有する第２のコイルとを備えるものである。

本発明の第３の態様も、磁気平衡式電流センサである。この電流センサは、
磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流に応じた電圧を出力するセンサ本体部と、
電源端子又は接地端子の一方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた第１抵抗と、
前記電源端子又は前記接地端子の他方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた、前記第１抵抗と同じ直流抵抗を有する第２抵抗とを備えるものである。

各態様の電流センサにおいて、前記センサ本体部は、
前記被測定電流によって発生する第１の磁界が感磁面に印加される磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力電圧が入力される負帰還用差動増幅器と、
前記負帰還用差動増幅器の出力電流が流れることにより、前記磁気検出素子の感磁面に印加される前記第１の磁界を相殺する第２の磁界を発生する負帰還用コイルと、
前記第２の磁界を発生するために前記負帰還用コイルに流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、
前記電流電圧変換器から出力される電圧を増幅する出力用差動増幅器とを有するものであるとよい。

本発明によれば、電源端子とセンサ本体部との間及び接地端子とセンサ本体部との間の双方にコイル又は抵抗を接続し、それらコイル又は抵抗を同じ直流抵抗を有するものとしているで、電源端子側のコイル又は抵抗による電圧降下と、接地端子側のコイル又は抵抗による電圧降下とが相殺する。したがって、電源端子とセンサ本体部との間及び接地端子とセンサ本体部との間の一方にのみにコイル又は抵抗を接続した場合と比較して、あるいは双方にコイル又は抵抗を接続してあってもそれらコイル又は抵抗が同じ直流抵抗を有していない場合と比較して、電流検出精度の悪化が防止される。

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。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の磁気平衡式電流センサの概略的構成は上述の図８に例示したとおりなので、ここでは回路構成の詳細を中心に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサ１００の回路図である。この磁気平衡式電流センサ１００は、単電源（定電圧源Ｖ_Ｃ、例えば５Ｖ）で動作する。

磁気平衡式電流センサ１００は、センサ本体部２０と、コイルＬ_１と、抵抗Ｒ_Ｌ２と、コンデンサＣとを備える。センサ本体部２０は、後述のように、磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流Ｉ_ｉｎに応じた電圧Ｖ_Ｏをセンサ出力端子１６から出力する。コイルＬ_１は電源端子１２とセンサ本体部２０とを接続する経路に設けられ、抵抗Ｒ_Ｌ２は接地端子１４とセンサ本体部２０とを接続する経路に設けられる。コイルＬ_１は、定電圧源Ｖ_Ｃから電源端子１２に至る経路で入るノイズを除去するためのノイズフィルタとして機能する。なお、図１においてコイルＬ_１は等価的に、直流抵抗成分のない理想的なコイルと抵抗Ｒ_Ｌ１との直列接続で示される。抵抗Ｒ_Ｌ２は、コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）と同じ直流抵抗を有するものとする。コンデンサＣは、電源端子１２と接地端子１４との間にコイルＬ_１及び抵抗Ｒ_Ｌ２を介して設けられる。

センサ本体部２０は、磁気検出素子としてのホール素子３と、負帰還用差動増幅器２４と、負帰還用コイルＬ_ＦＢと、電流電圧変換器としての検出抵抗Ｒ_Ｓと、基準電圧源２５と、出力用差動増幅器２８とを有する。基準電圧源２５は、分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏと、電流バッファ２６（インピーダンス変換器）とを有する。

分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏは、電源端子１２と接地端子１４との間に直列接続される。ここで、電源端子１２と分圧抵抗Ｒ_Ｈｉとを接続する経路には前記コイルＬ_１が設けられ、接地端子１４と抵抗Ｒ_Ｌｏとを接続する経路には前記抵抗Ｒ_Ｌ２が設けられている。上述のとおり抵抗Ｒ_Ｌ２はコイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）と同じ直流抵抗を有するので、分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏの抵抗値を同じとすれば、電源端子１２と接地端子１４との間に流れる直流電流の量によらず分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏの接続点の電圧は一定（約２．５Ｖ）となる。分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏの接続点の電圧は、電流バッファ２６（インピーダンス変換器）を介して基準電圧Ｖ_ｒｅｆ（約２．５Ｖ）として出力される。

図１において、ホール素子３は等価的に４つの抵抗のブリッジ接続で表され、端子ａ，ｂ間に一定のホール素子駆動電流を流しておくことにより出力端子ｃ，ｄ間にホール素子３に印加された磁界に比例した（換言すれば被測定電流Ｉ_ｉｎに比例した）電圧を得る構成としている。ホール素子３の出力端子ｃ，ｄは、負帰還用差動増幅器２４の入力端子にそれぞれ接続される。負帰還用差動増幅器２４の出力端子と基準電圧源２５の出力端子とを接続する経路に負帰還用コイルＬ_ＦＢと検出抵抗Ｒ_Ｓとが直列接続される。検出抵抗Ｒ_Ｓの両端は出力用差動増幅器２８の入力端子にそれぞれ接続され、出力用差動増幅器２８の出力端子が磁気平衡式電流センサ１００のセンサ出力端子１６に接続される。なお、検出抵抗Ｒ_Ｓは負帰還用コイルＬ_ＦＢへの供給電流を電圧に変換するための微小抵抗であり、その抵抗値は出力用差動増幅器２８の入力インピーダンスよりも十分小さいものとする。

ホール素子３の出力電圧は負帰還用差動増幅器２４に入力される。負帰還用差動増幅器２４は、出力端子から電流を吸い込む又は吐き出すことにより、端子ｃ、ｄ間の電位差が常にゼロとなるように、すなわちホール素子３の感磁面において上述の第１の磁界と第２の磁界とが相殺するように、負帰還用コイルＬ_ＦＢに負帰還電流Ｉ_ＦＢを供給する。ここで、例えば負帰還用コイルＬ_ＦＢの巻き数を４,０００ターン、被測定電流Ｉ_ｉｎを２００Ａとすれば、「等アンペアターンの原理」より負帰還電流Ｉ_ＦＢ＝２００／４,０００＝０.０５（Ａ）となる。

負帰還電流Ｉ_ＦＢは、検出抵抗Ｒ_Ｓによって電圧Ｖ_Ｓに変換され、電圧Ｖ_Ｓは出力用差動増幅器２８によって増幅されてセンサ出力端子１６から出力される。なお、出力用差動増幅器２８は演算増幅器２９と抵抗Ｒ_３〜Ｒ_６とを含み、抵抗Ｒ_３〜Ｒ_６の抵抗値はＲ_３＝Ｒ_４、Ｒ_５＝Ｒ_６であり、出力用差動増幅器２８の増幅度はＲ_５／Ｒ_３である。増幅度は例えば１近傍とする。出力用差動増幅器２８の出力電圧Ｖ_Ｏ（すなわち磁気平衡式電流センサ１００の出力電圧）は
Ｖ_Ｏ＝−（Ｒ_５／Ｒ_３）Ｖ_Ｓ＋Ｖ_ｒｅｆ［Ｖ］ （式１） ただし、Ｖ_ｒｅｆは約２．５Ｖ
となる。

本実施の形態によれば、電源端子１２とセンサ本体部２０とを接続する経路にコイルＬ_１が設けられ、接地端子１４とセンサ本体部２０とを接続する経路に抵抗Ｒ_Ｌ２が設けられ、抵抗Ｒ_Ｌ２はコイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）と同じ直流抵抗を有するので、コイルＬ_１による電圧降下と抵抗Ｒ_Ｌ２による電圧降下とが等しくなる。したがって、被測定電流Ｉ_ｉｎの変化に追従して負帰還電流Ｉ_ＦＢが変化しても（つまり電源端子１２と接地端子１４との間に流れる直流電流の量が変化しても）分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏの接続点の電圧は一定（約２．５Ｖ）となり、結果的にセンサ本体部２０の基準電圧源２５から出力される基準電圧Ｖ_ｒｅｆが一定となる。この点、図２（比較例）のように電源端子１２側にコイルＬ_１を設けるだけで接地端子１４側に抵抗Ｒ_Ｌ２を設けなければ、電源端子１２と接地端子１４との間に流れる直流電流の量によって分圧抵抗Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏの接続点の電圧が変動して基準電圧Ｖ_ｒｅｆが変動する。このため出力用差動増幅器２８の出力電圧Ｖ_Ｏ（すなわち磁気平衡式電流センサの出力電圧）も変動し、電流検出精度の悪化につながる。以下、これについて具体的に検討する。

図３は、図２（比較例）の場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）は８Ω）における被測定電流Ｉ_ｉｎとセンサ出力Ｖ_Ｏとの関係と、理想的な場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）が０）における同関係とを対比した対比図である。ここで、負帰還用コイルＬ_ＦＢの巻き数は４,０００ターンとしている。本図に示されるように、被測定電流Ｉ_ｉｎの絶対値が大きくなるに従って図２（比較例）の場合の出力電圧Ｖ_Ｏは理想的な場合と比較して小さくなっている。具体的には、被測定電流Ｉ_ｉｎが±２００Ａのとき「等アンペアターンの原理」より負帰還電流Ｉ_ＦＢ＝±２００／４,０００＝±０.０５（Ａ）なので、図２（比較例）の場合、抵抗Ｒ_Ｌ１による電圧降下は８Ω×｜±０.０５Ａ｜＝０．４Ｖとなる。ここで、抵抗Ｒ_Ｌ１に流れる電流は負帰還電流Ｉ_ＦＢの向きによらないので抵抗Ｒ_Ｌ１による電圧降下の計算において負帰還電流Ｉ_ＦＢを｜±０.０５Ａ｜としている。また、演算増幅器等は低消費電流タイプで、ホール素子の駆動電流も小さいため、負帰還電流Ｉ_ＦＢ以外の電流は無視している（つまり電源端子１２と接地端子１４との間に流れる直流電流は全て負帰還電流Ｉ_ＦＢであるものとしている）。この場合、上記のように抵抗Ｒ_Ｌ１による電圧降下が０．４Ｖなので、基準電圧Ｖ_ｒｅｆは０．２Ｖ降下し、これによりセンサ出力Ｖ_Ｏも０．２Ｖ降下する（上記式１参照）。

図４は、図２（比較例）の場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）は８Ω）における被測定電流Ｉ_ｉｎとセンサ出力Ｖ_Ｏの誤差との関係と、理想的な場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）が０）における同関係とを対比した対比図である。本図に示されるように、被測定電流Ｉ_ｉｎの絶対値が大きくなるに従って図２（比較例）の場合の出力電圧の誤差の絶対値は大きくなっていることが分かる。具体的には、上記のとおり被測定電流Ｉ_ｉｎが２００Ａのときセンサ出力Ｖ_Ｏは０．２Ｖ降下するため、フルスケールを２Ｖとすれば、誤差は−１０％となる。同様に被測定電流Ｉ_ｉｎが−２００Ａのときは誤差は１０％となる。

これに対し本実施の形態の磁気平衡式電流センサ１００では、上記説明した抵抗Ｒ_Ｌ２によって基準電圧Ｖ_ｒｅｆの変動が抑えられるため、図２（比較例）の場合よりも理想的な場合に近い出力電圧が得られ、センサ出力Ｖ_Ｏの誤差も小さくなることは明らかである。

なお、本実施の形態では接地端子１４とセンサ本体部２０とを接続する経路に抵抗Ｒ_Ｌ２を設けることとしたが、これに替えて、抵抗Ｒ_Ｌ２と同じ直流抵抗成分（つまりコイルＬ_１と同じ直流抵抗成分）を有するコイルＬ_２を設けた場合も同様の効果を奏することができる。また、コイルＬ_１と抵抗Ｒ_Ｌ２との位置関係を逆にした場合も同様の効果を奏することができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサ２００の回路図である。本実施の形態の磁気平衡式電流センサ２００は、第１の実施の形態の磁気平衡式電流センサ１００と比較して、コイルＬ_１の替わりに純粋な抵抗Ｒ_Ｌ１（Ｒ_Ｌ１＝Ｒ_Ｌ２）が設けられている点で相違し、その他の点で一致する。このような構成は、コンデンサＣが数千μＦのような大容量の場合の電源投入時の突入電流防止に有効といえる。本実施の形態も、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の磁気平衡式電流センサは、第１又は第２の実施の形態の磁気平衡式電流センサと回路構成は同様であるが、負帰還用コイルＬ_ＦＢの構成が異なるので、この点について説明する。

図６は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサ３００の概略斜視図である。磁気平衡式電流センサ３００は、ホール素子３と、負帰還用コイルＬ_ＦＢとを備える。ホール素子３及び負帰還用コイルＬ_ＦＢはバスバー７の幅広主面上に固定配置されバスバー７と一体化される。バスバー７は平板形状（例えば銅板）であり、取付穴４２、４４を介して被測定電流の経路をなすように取り付けられる。負帰還用コイルＬ_ＦＢは、これに限定されないが、巻線３２を施したボビン３１の内側に軟磁性体の磁気ヨーク（不図示）を設けて構成される。以下、図７も参照して磁気平衡式電流センサ３００の形状を詳細に説明する。

図７は、図６に示される磁気平衡式電流センサ３００の形状説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正断面図、（Ｃ）は右側面図である。

負帰還用コイルＬ_ＦＢは、バスバー７の長手方向略中央に固着（例えば接着）され、その軸方向はバスバー７の長手方向と略垂直かつ幅方向と略平行である。負帰還用コイルＬ_ＦＢの一方の端面はバスバー７の縁に位置し、他方の端面はバスバー７の幅方向略中央に位置する。この他方の端面上略中央にホール素子３が固着（例えば接着）される。ホール素子３の感磁面は負帰還用コイルＬ_ＦＢの端面（すなわち磁気ヨーク端面）に対向し、バスバー７の幅方向と略垂直である。したがって、バスバー７に流れる電流によって発生する磁界（第１の磁界）とホール素子３の感磁面は略垂直となり、また、負帰還用コイルＬ_ＦＢに流れる電流によって発生する磁界（第２の磁界）とホール素子３の感磁面も略垂直となる。第１又は第２の実施の形態と同様にホール素子３の出力電圧がゼロとなるように負帰還用コイルＬ_ＦＢに電流が供給され、これによりホール素子３の感磁面においては第１の磁界と第２の磁界とが相殺する。つまり、負帰還用コイルＬ_ＦＢはホール素子の感磁面に印加される第１の磁界を相殺する第２の磁界を発生する。この第２の磁界を発生するために負帰還用コイルＬ_ＦＢに流れる電流に基づいてバスバー７に流れる電流が検出される。

本実施の形態の磁気平衡式電流センサ３００は、第１及び第２の実施の形態の磁気平衡式電流センサよりも小型化・軽量化に有利といえる。

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。例えば、実施の形態では磁気検出素子としてホール素子を示したが、磁気検出素子はこれに限定されず、磁気抵抗効果素子等であってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの回路図 比較例に係る磁気平衡式電流センサの回路図 図２（比較例）の場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）は８Ω）における被測定電流Ｉ_ｉｎとセンサ出力Ｖ_Ｏとの関係と、理想的な場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）が０）における同関係とを対比した対比図 図２（比較例）の場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）は８Ω）における被測定電流Ｉ_ｉｎとセンサ出力Ｖ_Ｏの誤差との関係と、理想的な場合（コイルＬ_１の直流抵抗成分（抵抗Ｒ_Ｌ１）が０）における同関係とを対比した対比図 本発明の第２の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの回路図 本発明の第３の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの概略斜視図 図６に示される磁気平衡式電流センサの形状説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正断面図、（Ｃ）は右側面図 基本的構成の磁気平衡式電流センサの概略斜視図

符号の説明

１ バスバー
３ ホール素子
１２ 電源端子
１４ 接地端子
１６ センサ出力端子
２０ センサ本体部
２４ 負帰還用差動増幅器
２５ 基準電圧源
２８ 出力用差動増幅器
Ｌ_１ コイル
Ｒ_Ｌ２ 抵抗
Ｌ_ＦＢ 負帰還用コイル
Ｒ_Ｓ 検出抵抗
Ｒ_Ｈｉ・Ｒ_Ｌｏ 分圧抵抗
１００、２００、３００ 磁気平衡式電流センサ

Claims (4)

1. 磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流に応じた電圧を出力するセンサ本体部と、
   電源端子又は接地端子の一方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられたコイルと、
   前記電源端子又は前記接地端子の他方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた、前記コイルと同じ直流抵抗を有する抵抗とを備える、磁気平衡式電流センサ。
2. 磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流に応じた電圧を出力するセンサ本体部と、
   電源端子又は接地端子の一方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた第１のコイルと、
   前記電源端子又は前記接地端子の他方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた、前記第１のコイルと同じ直流抵抗成分を有する第２のコイルとを備える、磁気平衡式電流センサ。
3. 磁気平衡式の原理に基づいて被測定電流に応じた電圧を出力するセンサ本体部と、
   電源端子又は接地端子の一方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた第１抵抗と、
   前記電源端子又は前記接地端子の他方と前記センサ本体部とを接続する経路に設けられた、前記第１抵抗と同じ直流抵抗を有する第２抵抗とを備える、磁気平衡式電流センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電流センサにおいて、前記センサ本体部は、
   前記被測定電流によって発生する第１の磁界が感磁面に印加される磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の出力電圧が入力される負帰還用差動増幅器と、
   前記負帰還用差動増幅器の出力電流が流れることにより、前記磁気検出素子の感磁面に印加される前記第１の磁界を相殺する第２の磁界を発生する負帰還用コイルと、
   前記第２の磁界を発生するために前記負帰還用コイルに流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、
   前記電流電圧変換器から出力される電圧を増幅する出力用差動増幅器とを有するものである、磁気平衡式電流センサ。

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