JP6499821B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、デジタル増幅器を備えた磁気平衡式の電流センサに関する。

磁気平衡式の電流センサは、被測定電流によって発生した磁界を検出する磁気検出素子と、キャンセル用の磁界を発生するフィードバックコイルと、このフィードバックコイルに流れる電流を制御する制御回路を備える。電流センサに被測定電流が流れると、その電流値に応じた磁界により磁気検出素子に出力電圧が生じ、この磁気検出素子から出力された電圧信号が電流に変換されてフィードバックコイルにフィードバックされる。

制御回路は、フィードバックコイルにより発生する磁界（キャンセル磁界）と、被測定電流により生じる磁界とが打ち消しあって磁界が常に０になるようにフィードバック電流を制御し、このときフィードバックコイルに流れる電流を電圧変換して、被測定電流の検出値として取り出す。

この種の磁気平衡式電流センサとしては、例えば、特許文献１〜３に示すものが知られている。

特開２０１０−２１０３７７号公報 特開２００４−２７９２２６号公報 特開２００４−１０８８８２号公報

最近、電流センサの大電流化に伴い、フィードバック電流も大きくなり、その制御回路には電力容量の大きい部品が多数必要になり、センサ全体のコストアップ、外形寸法アップの要因となっている。例えば、従来技術では、ホール素子の出力信号を増幅するための回路としては、比較器や電力スイッチを備えたアナログ増幅器が使用されていたが、消費電力も大きく、構成部品数も多く使用するため電流センサの形状が大きくなる問題があった。

また、フィードバックコイルは、被測定電流が大容量化すると、それによって発生する磁界をキャンセルするために、大きな磁界を発生することのできる大型のものが必要であった。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本発明の目的は、電流増幅器にデジタル増幅器を使用し、制御回路の電力損失を低減することで、低価格化・小型化・低発熱化を可能とした電流センサを提供することにある。

本発明の電流センサは、次の構成を有することを特徴とする。
（１）被測定導体を流れる電流によって磁界を発生する磁性体コア。
（２）前記磁性体コアに発生した磁界を検出して、検出信号を出力する磁気検出素子。
（３）前記磁性体コアに、前記被測定導体に流れる電流によって生じる磁界と反対方向の磁界を発生させるフィードバックコイル。
（４）前記フィードバックコイルに流れる電流を、フィードバックコイルにより発生する磁界と、被測定導体に流れる電流により生じる磁界とが打ち消し合うように制御する制御回路。
（５）前記制御回路は、前記磁気検出素子からの検出信号を増幅するデジタル増幅器を備える。
（６）前記デジタル増幅器は、ＰＷＭ信号を出力する比較器と、出力フィルタと、を備える。
（７）前記出力フィルタは、前記フィードバックコイルと兼用されたコイルと、コンデンサと、を備えたＬＣフィルタである。
（８）前記フィードバックコイルは、前記ＰＷＭ信号により駆動され、前記出力フィルタにより前記ＰＷＭ信号のスイッチングノイズが低減される。

前記制御回路は、前記磁気検出素子からの検出信号を増幅する誤差アンプを更に備え、前記デジタル増幅器は、前記比較器から出力された矩形波に従ってオン・オフする電力スイッチを更に備え、前記比較器は、前記誤差アンプからの出力と三角波発生回路からの出力を比較し、前記出力フィルタは、前記電力スイッチからの出力波形を整形するようにしてもよい。

本発明によれば、電流センサにデジタル増幅器を採用したことにより、従来のアナログ増幅器に比較して、消費電力及び部品点数の削減が可能になる。特に、デジタル増幅器の出力フィルタを構成するコイルとフィードバックコイルとを兼用することで、大型のコイルを必要とする大電流用途の電流センサにおいて、大幅な小型化が可能になる。

第１実施形態の電流センサを示す回路図。

１．第１実施形態
（１）構成
以下、本発明の第１実施形態を図１に従って具体的に説明する。

本実施形態の電流センサは、ギャップ１ａを有する環状の磁性体コア１を備え、磁性体コア１の内側に被測定導体Ｐが貫通される。ギャップ１ａには、ホール素子２が配置され、その入力端子には直流電源Ｄから駆動電流が供給される。磁性体コア１には、被測定導体Ｐの電流によって磁性体コア１に生じる磁束を打ち消す逆方向の磁束を発生するように、フィードバックコイル３が巻き付けられている。

ホール素子２は、磁性体コア１に生じる磁束をギャップ１ａ内で検出し、その磁束に比例した電圧信号を出力する。この電圧信号は、ホール素子２の出力端子から、フィードバックコイル３に流れる電流を、フィードバックコイル３により発生する磁界と、被測定導体Ｐに流れる電流により生じる磁界とが打ち消し合うように制御する制御回路に出力される。この制御回路は、電圧変換用抵抗４、誤差アンプ５及びデジタル増幅器６を備えている。デジタル増幅器６は、ホール素子２の検出信号を増幅して、フィードバックコイル３へ供給する。誤差アンプ５及びデジタル増幅器６には、直流電源Ｄから駆動電流が供給されている。

デジタル増幅器６は、誤差アンプ５からの出力を入力する比較器７と、この比較器７に基準電圧を供給する三角波発生回路８と、比較器７からのＰＷＭ信号に基づいて駆動される電力スイッチ９を備えている。電力スイッチ９は、ＰＷＭ信号に従って交互に開閉する一対のスイッチング素子９ａ，９ｂを備えている。電力スイッチ９には、コイル１０とコンデンサ１１とから成る出力フィルタ１２が接続されている。出力フィルタ１２の出力側には検出抵抗１３が接続され、この検出抵抗１３によりフィードバックコイル３に流れる電流値が電圧変換されて、被測定電流の検出値として出力される。

出力フィルタ１２は、ＬＣフィルタと呼ばれるローパスフィルタであって、本実施形態においては、この出力フィルタ１２を構成するコイル１０が、磁性体コア１に巻回されたフィードバックコイル３と兼用されている。すなわち、従来では、ローパスフィルタを構成するコイル１０と、磁性体コア１に巻回されるフィードバックコイル３とは、別部材から構成していたが、本実施形態においては、ローパスフィルタを構成するコイル１０を磁性体コア１に巻回させることで、両コイルを１部材で兼用している。

（２）作用
本実施形態によれば、ホール素子２からの出力信号は、デジタル増幅器６によって増幅された後、出力フィルタ１２及び検出抵抗１３を介して電圧変換され、被測定導体Ｐを流れる電流値として検出される。この際、出力フィルタ１２を構成するコイル１０が磁性体コア１に巻回され、フィードバックコイル３を兼用しているので、増幅されたホール素子２からの信号がフィードバックコイル３に流れることになり、磁性体コア１には、被測定導体Ｐの電流によって発生した磁界を打ち消す方向に、フィードバックコイル３によってキャンセル磁界が発生する。

具体的には、被測定導体Ｐを流れる電流が大きい場合には、ホール素子２からの検出信号値が大きくなるため、誤差アンプ５を経由して比較器７に供給される信号も大きなものとなる。そのため、誤差アンプ５からの検出信号と三角波発生回路８からの三角波に基づいて、比較器７において生成される矩形波（ＰＷＭ信号）のデューティーが大きくなり、その矩形波によって制御される電力スイッチ９のオン時間が長くなり、電力スイッチ９から出力される電流が大きくなる。

その結果、コイル１０と兼用されているフィードバックコイル３に流れる電流が大きくなって、キャンセル磁界が増加し、ホール素子２からの検出信号が減少する。以下同様にして、ホール素子２からの検出信号が「０」となるまでフィードバックコイル３に流れる電流を増加させ、その時点の出力フィルタ１２からの電流値を検出抵抗１３により電圧値に変換することで、被測定導体Ｐに流れる電流値を検出する。

（３）効果
本実施形態は、ホール素子２からの出力信号をデジタル増幅器６によって増幅するので、従来のアナログ式の増幅器に比較して、部品点数や消費電力の削減が可能になる。単にデジタル増幅器６を使用するだけではなく、出力フィルタ１２のコイル１０とフィードバックコイル３を兼用したので、大型のコイルを使用する大電流用途の電流センサにおいて有利である。

本実施形態によれば、デジタル増幅器６のデメリットであるスイッチングノイズの対策が容易である。すなわち、磁気平衡式電流センサは、その原理上、およそ1kHz以上の高周波領域では交流センサとして動作するため、直流センサとして使用する場合は、フィードバック電流の制御回路は低周波領域のみで動作すればよく、大きな出力フィルタ１２を使用してスイッチングノイズを低減することが可能となる。特に、車載用のバッテリ電流監視用の電流センサは、直流成分と重畳する交流成分の両方を高精度に測定でき、しかも、ノイズ対策に優れたものが要求されているが、本実施形態の電流センサはその種の用途にも適している。

２．他の実施形態
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、下記に示す他の実施形態も包含する。

（１）デジタル増幅器としては、図示の構成に限定されず、出力フィルタとしてコイルを使用するものであれば、他の構成のものも使用可能である。例えば、図示の三角波発振回路の代わりに、シュミット・トリガ回路を有する自励発振型のＰＷＭ方式のデジタル増幅器を使用することもできる。

（２）前記磁気検出素子として、ホール素子の代わりにフラックス・ゲートセンサ、スピンバルブ型ＧＭＲ素子やスピンバルブ型ＴＭＲ素子などを使用しても良い。

（３）図示の磁性体コア１やフィードバックコイル３は、本発明の電流センサを模式的に表現したものであり、本件発明の電流センサは、図示の形状及び巻回数に限定されない。フィードバックコイル３を磁性体コア１に巻回することなく、磁性体コア１の近傍に配置することも可能である。

Ｐ…被測定導体
Ｄ…直流電源
１…磁性体コア
１ａ…ギャップ
２…ホール素子
３…フィードバックコイル
４…電圧変換用抵抗
５…誤差アンプ
６…デジタル増幅器
７…比較器
８…三角波発生回路
９…電力スイッチ
９ａ，９ｂ…スイッチング素子
１０…コイル
１１…コンデンサ
１２…出力フィルタ
１３…検出抵抗

Claims (4)

1. 被測定導体を流れる電流によって磁界を発生する磁性体コアと、
   前記磁性体コアに発生した磁界を検出して、検出信号を出力する磁気検出素子と、
   前記磁性体コアに、前記被測定導体に流れる電流によって生じる磁界と反対方向の磁界を発生させるフィードバックコイルと、
   前記フィードバックコイルに流れる電流を、フィードバックコイルにより発生する磁界と、被測定導体に流れる電流により生じる磁界とが打ち消し合うように制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記磁気検出素子からの検出信号を増幅するデジタル増幅器を備え、
   前記デジタル増幅器は、ＰＷＭ信号を出力する比較器と、出力フィルタと、を備え、
   前記出力フィルタは、前記フィードバックコイルと兼用されたコイルと、コンデンサと、を備えたＬＣフィルタであり、
   前記フィードバックコイルは、前記ＰＷＭ信号により駆動され、
   前記出力フィルタにより前記ＰＷＭ信号のスイッチングノイズが低減されることを特徴とする電流センサ。
2. 前記制御回路は、前記磁気検出素子からの検出信号を増幅する誤差アンプを更に備え、
   前記デジタル増幅器は、前記比較器から出力された矩形波に従ってオン・オフする電力スイッチを更に備え、
   前記比較器は、前記誤差アンプからの出力と三角波発生回路からの出力を比較し、
   前記出力フィルタは、前記電力スイッチからの出力波形を整形すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁気検出素子が、ホール素子又はフラックス・ゲートセンサであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記磁性体コアが、その一部にギャップを有する環状の部材であり、前記ギャップに前記磁気検出素子が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電流センサ。
   

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