JP5804318B2 - 電流センサ - Google Patents

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や向きに応じて変化する。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）。

特開昭６３−６１９６１号公報

このような電流センサでは、ホール素子の特性、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。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、センサ組立時の素子の配置精度に起因する誤差を低減す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、磁性体コアに巻回された巻線を含む共振回路と、共振回路に対して所定の周波数の信号を印加する発振器と、共振回路に接続され、被検出電流の大きさに応じた共振回路の特性変化に対応する大きさの電気信号を出力する出力回路と、磁性体コアのギャップに配置されたホール素子と、ホール素子の出力電圧に基づく被検出電流の向きに応じて、出力回路の出力極性を反転させる極性反転回路とを備える。

本発明によれば、センサ組立時の素子の配置精度に起因する誤差を低減することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサの構成を示す回路図である。 図２は、図１における巻線Ｌｏのインダクタンス特性を説明する図である。 図３は、図１に示す電流センサの出力電圧Ｖｏｕｔの特性を説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る電流センサの構成を示す回路図である。 図５は、本発明の実施の形態３に係る電流センサの構成を示す回路図である。 図６は、ラッチ型ホール素子の特性を説明する図である。 図７は、図５における出力回路および極性反転回路の等価回路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。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサの構成を示す回路図である。

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はリング形のコアである。

巻線２は、磁性体コア１に巻回されたバイアス用巻線である。定電流電源３は、巻線２に定電流を導通させる。アンペアターン（巻線２のターン数と定電流電源３による電流値との積）が、被検出電流Ｉによる定格電流（測定すべき最大電流）の約半分となるように、定電流電源３による電流値が決定される。

この巻線２と定電流電源３は、磁界バイアス部を構成する。磁界バイアス部は、磁性体コア１に磁界バイアスを印加する。磁界バイアスは、磁性体コア１を磁気飽和領域に到達させる。

巻線Ｌｏは、磁性体コア１に巻回されており、インダクタとして機能する。巻線Ｌｏには、コンデンサＣｏおよび抵抗Ｒｏが直列に接続されており、巻線Ｌｏ、コンデンサＣｏおよび抵抗Ｒｏにより直列共振回路が形成されている。その直列共振回路には、発振器４が接続されている。発振器４は、所定の発振周波数ｆｏｓｃの電気信号を出力する。発振周波数ｆｏｓｃは、被検出電流Ｉがゼロであるときの直列共振回路の共振周波数ｆｏ近傍の周波数であって、被検出電流Ｉによるインダクタンス変化に起因して共振周波数が増減してもそのときの共振周波数に一致しない周波数とされる。

整流回路５は、ダイオードＤおよびコンデンサＣを有し、コンデンサＣｏの両端電圧を整流平滑する。

増幅回路６は、整流回路５の出力電圧を増幅する回路である。この実施の形態では、増幅回路６は、差動増幅回路である。この増幅回路６では、整流回路５の正側出力端子がオペアンプＯＰの正側入力端子に抵抗Ｒ１を介して接続されており、整流回路５の負側出力端子がオペアンプＯＰの負側入力端子に抵抗Ｒ２を介して接続されており、オペアンプＯＰの負側入力端子が抵抗Ｒ４を介してグランドに接続されており、抵抗Ｒ３の一端がオペアンプＯＰの正側入力端子に接続され抵抗Ｒ３の他端がオペアンプＯＰの出力端子に接続されている。

この整流回路５と増幅回路６により、出力回路１１が構成されている。出力回路１１は、上述の共振回路に接続され、被検出電流Ｉの向きに応じて変化するその共振回路の特性変化に基づいて被検出電流Ｉの向きに対応する電気信号（出力電圧Ｖｏｕｔ）を出力する。

次に、上記電流センサの動作について説明する。

定電流電源３により巻線２に所定の電流が導通されると、磁性体コア１内の磁界が磁気飽和領域に到達する。したがって、直流重畳特性により、巻線Ｌｏのインダクタンスは、定電流電源３による電流がない場合に比べ低下する。このときのインダクタンスをＬｂとする。図２は、図１における巻線Ｌｏのインダクタンス特性を説明する図である。

そして、被検出電流Ｉがゼロである場合、巻線ＬｏのインダクタンスＬｂであり、そのときの直列共振回路のインピーダンスに応じた振幅の電流が、巻線Ｌｏ、コンデンサＣｏ、および抵抗Ｒｏに導通する。そして、この電流によるコンデンサＣｏの両端電圧が整流回路５により整流平滑され、整流平滑後の直流電圧が増幅回路６により増幅され、出力電圧Ｖｏｕｔとなる。被検出電流Ｉがゼロである場合の出力電圧Ｖｏｕｔを、Ｖｂとする。図３は、図１に示す電流センサの出力電圧Ｖｏｕｔの特性を説明する図である。

次に、被検出電流Ｉの電流値が正である場合（つまり、図１におけるＩ＋の方向に被検出電流Ｉが導通しており、磁性体コア１内で被検出電流Ｉによる磁束が定電流電源３の電流による磁束Φと同一方向に導通している場合）、磁性体コア１内の磁界が強まるため、図２に示すように、巻線ＬｏのインダクタンスがＬｂから減少する。このため、直列共振回路のインピーダンスが低下し、直列共振回路を導通する電流の振幅が増加するため、電流センサの出力電圧Ｖｏｕｔは、図３に示すようにＶｂから増加する。

一方、被検出電流Ｉの電流値が負である場合（つまり、図１におけるＩ−の方向に被検出電流Ｉが導通しており、磁性体コア１内で被検出電流Ｉによる磁束が定電流電源３の電流による磁束Φと反対方向に導通している場合）、磁性体コア１内の磁界が弱まるため、図２に示すように、巻線ＬｏのインダクタンスがＬｂから増加する。このため、直列共振回路のインピーダンスが増加し、直列共振回路を導通する電流の振幅が減少するため、電流センサの出力電圧Ｖｏｕｔは、図３に示すようにＶｂから減少する。

したがって、出力電圧ＶｏｕｔとＶｂとを比較することで、被検出電流Ｉの向きが特定される。つまり、出力電圧ＶｏｕｔがＶｂより大きければ、被検出電流Ｉの向きは、図１におけるＩ＋の方向であり、出力電圧ＶｏｕｔがＶｂより小さければ、被検出電流Ｉの向きは、図１におけるＩ−の方向である。また、出力電圧ＶｏｕｔとＶｂとの差から、被検出電流Ｉの大きさも特定される。

以上のように、上記実施の形態１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に巻回された巻線Ｌｏを含む共振回路と、その共振回路に対して所定の周波数ｆｏｓｃの信号を印加する発振器４と、その共振回路に接続され、被検出電流の向きに応じて変化する共振回路の特性変化に基づいて被検出電流の向きに対応する電気信号を出力する出力回路１１とを備える。

これにより、ホール素子を使用せず、検出精度が共振回路のＱ特性でほぼ決定されるため、センサ組立時の素子の配置精度に起因する誤差を低減することができ、また、ホール素子を使用せずに、被検出電流Ｉの向きなどを測定することができる。

また、上記実施の形態１に係る電流センサは、磁性体コア１に磁界バイアスを印加する磁界バイアス部（バイアス用巻線２と定電流電源３）をさらに備える。

これにより、被検出電流Ｉの向きに応じて巻線Ｌｏのインダクタンスが増減するため、共振回路の特性変化に基づいて被検出電流Ｉの向きに対応する電気信号が出力される。

実施の形態２．

本発明の実施の形態２では、磁性体コア１に磁界バイアスを印加する磁界バイアス部として永久磁石が使用される。

図４は、本発明の実施の形態２に係る電流センサの構成を示す回路図である。図４に示すように、実施の形態２に係る電流センサでは、図１における磁性体コア１、巻線２および定電流回路３の代わりに、Ｃ形の磁性体コア１５と、磁性体コア１５に接続された永久磁石１６とが使用される。

永久磁石１６は、磁界バイアス部を構成する。磁界バイアス部は、磁性体コア１５に磁界バイアスを印加する。磁界バイアスは、磁性体コア１５を磁気飽和領域に到達させる。

なお、図４におけるその他の構成要素については、実施の形態１のものと同様であるので、その説明を省略する。また、実施の形態２に係る電流センサは、実施の形態１に係る電流センサと同様に動作して、被検出電流Ｉの電流値を検出する。

以上のように、上記実施の形態２では、磁界バイアス部として、永久磁石１６を備える。これにより、被検出電流Ｉの向きに応じて巻線Ｌｏのインダクタンスが増減するため、共振回路の特性変化に基づいて被検出電流Ｉの向きに対応する電気信号が出力される。

実施の形態３．

図５は、本発明の実施の形態３に係る電流センサの構成を示す回路図である。

図５において、磁性体コア２１は、磁性体コア１と同様のコアであるが、ギャップを有する。磁性体コア２１のギャップには、ホール素子２２が設置されている。このホール素子２２はラッチ型ホール素子である。図６は、ラッチ型ホール素子の特性を説明する図である。図６に示すように、ラッチ型ホール素子の磁界強度−出力電圧特性は、ヒステリシス特性となっている。

巻線Ｌｏ、コンデンサＣｏおよび抵抗Ｒｏによる直列共振回路は、実施の形態１と同様のものである。また、整流回路５の代わりに、実施の形態３では、整流回路５ａがその共振回路に接続されている。整流回路５ａは、ダイオードＤ，Ｄ１とコンデンサＣ，Ｃ１とで構成される倍電圧整流回路である。

増幅回路２３は、整流回路５ａの出力電圧を増幅する回路である。実施の形態３では、増幅回路２３は、極性反転回路２４の状態に応じて、反転増幅回路または非反転増幅回路として動作する。増幅回路２３では、整流回路５ａの正側出力端子が、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介してオペアンプＯＰ１の正側入力端子に接続されるとともに、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４を介してオペアンプＯＰ１の負側入力端子に接続されている。そして、抵抗Ｒ１５の一端がオペアンプＯＰ１の負側入力端子に接続され抵抗Ｒ１５の他端がオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。

この整流回路５ａと増幅回路２３により、出力回路４１が構成されている。出力回路４１は、上述の共振回路に接続され、被検出電流Ｉの大きさに応じた、その共振回路の特性変化に対応する大きさの電気信号（出力電圧Ｖｏｕｔ）を出力する。

極性反転回路２４は、ホール素子２２の出力電圧に基づく被検出電流Ｉの向きに応じて、出力回路４１の出力極性を反転させる。この実施の形態３では、極性反転回路２４は、増幅回路２３を反転増幅回路および非反転増幅回路のいずれかとして動作させることで、出力電圧Ｖｏｕｔの極性を反転させる。

極性反転回路２４は、オープンコレクタ型（またはオープンドレイン型）のコンパレータＯＰ２，ＯＰ３を有している。コンパレータＯＰ２，ＯＰ３は例えばオペアンプで実現される。コンパレータＯＰ２の正側入力端子とコンパレータＯＰ３の負側入力端子が互いに接続されており、両者の接続点に対して、直流電源３１により基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。この基準電圧Ｖｒｅｆは、図６に示すようにホール素子２２の２つの出力電圧ＶＨ，ＶＬの中間の電圧とされる。また、コンパレータＯＰ２の負側入力端子とコンパレータＯＰ３の正側入力端子が互いに接続されており、両者の接続点に、ホール素子２２の出力電圧Ｖｓが印加される。そして、コンパレータＯＰ２の出力端子は、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２との接続点に接続され、コンパレータＯＰ３の出力端子は、抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ１４との接続点に接続されている。

次に、実施の形態３に係る電流センサの動作について説明する。

実施の形態３に係る電流センサでは、被検出電流Ｉの大きさに応じて、巻線Ｌｏのインダクタンスが変化し、その変化に応じて、整流回路５ａの出力電圧が変化する。したがって、被検出電流Ｉの大きさに応じて、増幅回路２３の出力電圧Ｖｏｕｔの絶対値が変化する。

他方、被検出電流Ｉの電流値が正である場合（つまり、図５におけるＩ＋の方向に被検出電流Ｉが導通している場合）、ホール素子２２の出力電圧ＶｓはＶＬとなり、コンパレータＯＰ３の出力電圧はゼロに固定され、オープンコレクタ型のコンパレータＯＰ２の出力電圧は不定となり、増幅回路２３により決定される。

一方、被検出電流Ｉの電流値が負である場合（つまり、図５におけるＩ−の方向に被検出電流Ｉが導通している場合）、ホール素子２２の出力電圧ＶｓはＶＨとなり、コンパレータＯＰ２の出力電圧はゼロに固定され、オープンコレクタ型のコンパレータＯＰ３の出力電圧は不定となり、増幅回路２３により決定される。

図７は、図５における出力回路４１および極性反転回路２４の等価回路を示す回路図である。図７（Ａ）は、被検出電流Ｉの電流値が正である場合の、出力回路４１および極性反転回路２４の等価回路を示す回路図である。図７（Ｂ）は、被検出電流Ｉの電流値が負である場合の、出力回路４１および極性反転回路２４の等価回路を示す回路図である。

図７（Ａ）に示すように、被検出電流Ｉの電流値が正である場合には、抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ１４との接続点の電圧がゼロとされるため、増幅回路２３は、非反転増幅回路として動作し、出力電圧Ｖｏｕｔの極性は反転しない（つまり、出力電圧Ｖｏｕｔは正となる）。

一方、図７（Ｂ）に示すように、被検出電流Ｉの電流値が負である場合には、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２との接続点の電圧がゼロとされるため、増幅回路２３は、反転増幅回路として動作し、出力電圧Ｖｏｕｔの極性が反転する（つまり、出力電圧Ｖｏｕｔは負となる）。

以上のように、上記実施の形態３によれば、出力回路４１は、被検出電流Ｉの大きさに応じた上述の共振回路の特性変化に対応する大きさの電気信号を出力し、極性反転回路２４は、ホール素子２２の出力電圧に基づく被検出電流Ｉの向きに応じて、出力回路４１の出力極性を反転させる。

これにより、ホール素子２２を使用するものの、ホール素子２２は、被検出電流Ｉの向きの検出に使用されるだけであり、被検出電流Ｉの大きさの測定には直接的に使用されないため、センサ組立時のホール素子２２の配置精度が、当該電流センサの測定精度に与える影響が少ない。

なお、上述の各実施の形態は、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１，２，３において、巻線Ｌｏをそれぞれ含む共振回路をコンデンサとの並列共振回路としてもよい。

また、上記実施の形態３における整流回路５ａを整流回路５としてもよいし、上記実施の形態１，２における整流回路５を整流回路５ａとしてもよい。

本発明は、例えば、絶縁型の電流センサに適用可能である。

１，１５，２１ 磁性体コア
２ 巻線（バイアス用巻線の一例，磁界バイアス部の一例の一部）
３ 定電流電源（磁界バイアス部の一例の一部）
４ 発振器
１１，４１ 出力回路
１６ 永久磁石（磁界バイアス部の一例）
２２ ホール素子
２４ 極性反転回路
Ｃｏ コンデンサ（共振回路の一例の一部）
Ｌｏ 巻線（共振回路の一例の一部）
Ｒｏ 抵抗（共振回路の一例の一部）

Claims (1)

1. 被検出電流による磁束を通すための磁性体コアと、
   前記磁性体コアに巻回された巻線を含む共振回路と、
   前記共振回路に対して所定の周波数の信号を印加する発振器と、
   前記共振回路に接続され、前記被検出電流の大きさに応じた前記共振回路の特性変化に対応する大きさの電気信号を出力する出力回路と、
   前記磁性体コアのギャップに配置されたホール素子と、
   前記ホール素子の出力電圧に基づく前記被検出電流の向きに応じて、前記出力回路の出力極性を反転させる極性反転回路と、
   を備えることを特徴とする電流センサ。

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