JP2011169833A

JP2011169833A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2011169833A
Application number: JP2010035438A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Hirose; 洋一廣瀬
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】装置構成の複雑化や装置サイズの増大等を回避しつつ、広い入力範囲で高精度に電流を測定可能な電流センサを提供する。
【解決手段】被測定電流Ｉ１の大きさを検出する電流センサであって、ギャップを有する環状の磁性体コア１と、磁性体コア１のギャップに配置された磁気検出素子２と、磁気検出素子２と接続された差動増幅器４と、差動増幅器４の出力電圧が入力される非反転増幅器６と、磁性体コア１の一部に取り付けられ、非反転増幅器６の出力端子と接続された巻線９と、を含む、電流センサである。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触式の電流センサ（電流検出装置）に関する。

ホール素子を使用した非接触式の電流センサとしては、一般的に、磁気比例式のものと磁気平衡式のものが知られている（図５参照）。図５（ａ）に磁気比例式の電流センサの代表的な構成を示し、図５（ｂ）に磁気平衡式の電流センサの代表的な構成を示す。

図５（ａ）に示す磁気比例式の電流センサの動作について説明する。磁性体コア１０１はギャップを持つリング状に形成されており、測定対象である電流Ｉ１が流れる導体を囲むように配置される。導体に電流Ｉ１が流れると、磁性体コア１０１の内部には電流Ｉ１に比例した磁束密度を持つ磁界が発生する。磁性体コア１０１のギャップに配置されたホール素子１０２からは、磁束密度に比例した電圧が出力される。すなわち、ホール素子１０２から出力される電圧は測定対象の電流Ｉ１に比例した値をもつ。このホール素子１０２から出力される電圧を増幅器１０３により所望の値に増幅することにより、電流Ｉ１を検出できる。

磁気比例式の電流センサの長所としては、構造が簡単であることが挙げられる。しかし、磁性体コア１０１の特性の関係上、磁気比例式の電流センサは以下のような短所をもつ。その１つ目は、電流の変化量に対する磁束の変化量が電流の増加に伴って小さくなることである。そのため、電流変化に対してホール素子１０２から出力される電圧も、電流が大きくなるほど低下してしまい、大電流領域における測定精度が低下するという不都合が生じる。また、短所の２つ目は、磁性体コア１０１に磁束を与えた場合に、磁性体が磁化してしまうことにより、電流Ｉ１を０アンペアとした後にもそれ以前に測定した電流に応じた磁束が残留してしまうことである。そのため、次の測定機会においては、電流Ｉ１によって発生する磁束が磁性体コア１０１の残留磁束以下である場合には、電流Ｉ１を検出できないという不都合が生じる。

一方、図５（ｂ）に示した磁気平衡式の電流センサでは、磁性体コア１０１に巻線１０４が設けられている。電流Ｉ１を測定する際には、その電流Ｉ１により磁性体コア１０１に生ずる磁束を打ち消すように巻線１０４に電流Ｉ２が供給される。巻線１０４の巻線数をｎとすると、電流Ｉ２は、以下のように表せる。
Ｉ２＝Ｉ１／ｎ
また、出力電圧Ｖ１は以下のように表せる。
Ｖ１＝Ｉ２×ＲＬ＝（Ｉ１×ＲＬ）／ｎ
この磁気平衡式の電流センサは、磁性体コア１０１に生じる磁束は常に０であるため、残留磁束に起因する不都合を回避できる利点がある。

また、これらの方式を応用した電流センサも知られている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２００７−４０７５８号公報（特許文献１）に開示される電流センサは、電流経路に流れる電流によって環状のコアに生じる磁束Ｂ１に対し、定数倍の磁束Ｂ２を発生させる回路（磁束発生手段）を有する。この磁束発生手段を作動させることにより、磁束Ｂ１の定数倍の磁束Ｂ３をコアに生じさせることができる。これにより、ホール素子等の磁気センサの出力電圧も磁束Ｂ１を直に測定した場合に対して定数倍となる。磁束Ｂ１が大きい場合、すなわち大電流を測定する場合には、磁束発生手段によって発生させる磁束Ｂ２の方向を磁束Ｂ１と逆方向（Ｂ１が打ち消される方向）にすることにより、磁気センサの計測対象である磁束Ｂ３を小さくできる。それにより、磁気センサの出力電圧を相対的に小さくできる。また、磁束Ｂ１が小さい場合、すなわち小電流を計測する場合には、磁束発生手段によって発生させる磁束Ｂ２の方向を磁束Ｂ１と同方向にすることにより、磁気センサの計測対象である磁束Ｂ３を大きくできる。それにより、磁気センサの出力電圧を相対的に大きくできる。このような構成により、小電流にも大電流にも対応可能となり、入力範囲（計測範囲）が拡大されるとともに測定精度が高まる。

また、特開２００７−７８４１７号公報（特許文献２）には、被検出体から受ける磁気の強度が異なるように配設された複数の磁気検出素子を備え、被検出体の電流値の大小に応じて、これら磁気検出素子を切り替えつつ、被検出体に流れる電流を検出する電流センサが開示されている。かかる電流センサによれば、複数の磁気検出素子を切り替えて用いることにより、電流の入力範囲の広さと弱入力時の精度の両立が図られる。

また、特開２００９−１８６２１４号公報（特許文献３）には、磁気平衡方式により電流検出を行うための第１磁気検出素子とは別に、被検出体の近傍に第２磁気検出素子を固定配置し、この第２磁気検出素子により検出される磁界レベルに応じて制御手段により駆動手段を制御して被検出体と第１磁気検出部との間隔を変化させ、第２磁気検出素子により検出される磁界レベルと磁界強度調整手段による調整結果とに応じて電流検出手段により被検出体に流れる電流を検出するという構成の電流センサが開示されている。この電流センサによれば、被検出体に流れる電流量が多いため発生する磁界強度が強い場合でも、被検出体と第１磁気検出部との間隔を適宜変化させれば磁気平衡方式による電流検出が可能となるから、広い範囲に亘って高精度で検出を行うことができる。

ところで、一般的な磁気比例式の電流センサでは上記したような残留磁束による不都合がある。これを回避するものが磁気平衡式の電流センサであるが、被測定電流に応じて巻線に電流を供給する必要があるため、特に大電流を計測したい場合には巻線数および消費電力が増加するという不都合を生じる。巻線数の増加はコスト増および装置重量の増加を招くため好ましくない。

また、上記した特許文献１の電流センサでは、コアの性質として必ず残留磁束を生じるが、弱入力時にはこれを打ち消す磁束が発生しないため、残留磁束の影響が軽減されない。また、大電流に対応するには巻線数を増加するか、あるいは電流を増加する必要がある。例えば、電流入力範囲を２倍に拡大するには、電流により発生する磁束の１／２を打ち消す必要がある。このため、磁気平衡式に対して、（巻線数）×（供給電流）も１／２しか削減されず、磁気平衡式に対するメリットは小さいといえる。

また、上記した特許文献２の電流センサは、磁気検出素子が２つ必要となってしまうので、コスト増を招くという不都合がある。

また、上記した特許文献３の電流センサは、被検出体と第１磁気検出部との間隔を変化させるための機械的な構成が必要となるので、装置サイズの増大およびコスト増を招くという不都合がある。

特開２００７−４０７５８号公報特開２００７−７８４１７号公報特開２００９−１８６２１４号公報

本発明に係る具体的態様は、装置構成の複雑化や装置サイズの増大等を回避しつつ、広い入力範囲で高精度に電流を測定可能な電流センサを提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の電流センサは、被測定電流の大きさを検出する電流センサであって、（ａ）ギャップを有する環状の磁性体コアと、（ｂ）磁性体コアのギャップに配置された磁気検出素子と、（ｃ）磁気検出素子と接続された差動増幅器と、（ｄ）差動増幅器の出力電圧が入力される非反転増幅器と、（ｅ）磁性体コアの一部に取り付けられ、非反転増幅器の出力端子と接続された巻線と、を含む。

かかる構成によれば、差動増幅器の出力電圧については、相対的に電流入力範囲が広い場合の出力として利用することができる一方で、非反転増幅器の出力電圧については、相対的に電流入力範囲が狭い場合の出力として利用することができる。すなわち、上記電流センサは、特段に切り替え回路等の手段を設けることなくこれら２つの出力電圧を利用して広い入力範囲で高精度に電流を測定することが可能となる。磁気検出素子（ホール素子等）についても１つで足り、特段の機械的な構成も必要としないので、装置構成の複雑化、装置サイズの増大、コスト増を回避できる。巻線の巻線数についても大幅に削減できる。

上記電流センサにおいては、例えば、差動増幅器は、第１のオペアンプを有し、非反転増幅器は、第２のオペアンプを有し、第２のオペアンプの出力端子と第１のオペアンプの非反転入力端子とがバッファを介して接続されることも好ましい。

また、上記電流センサにおいては、例えば、差動増幅器は、第１のオペアンプを有し、非反転増幅器は、第２のオペアンプを有し、第２のオペアンプの出力端子と第１のオペアンプの非反転入力端子とが抵抗素子を介して接続されることも好ましい。

一般的な磁気比例式の電流センサの構成例を示す回路図である。一実施形態の電流センサの構成を示す回路図である。出力電圧および磁束密度の特性を示す図である。電流センサの変形構成例を示す回路図である。一般的な電流センサの代表的な構成例を示す回路図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

始めに、図１に示す回路図に基づいて一般的な磁気比例式の電流センサについて考える。被測定電流Ｉ１により磁性体コア１に生ずる磁束（磁束密度）をＢ１とすると、Ｂ１は被測定電流Ｉ１に比例するため、次式で定義できる。
Ｂ１＝Ｋ１×Ｉ１ …（１）
また、ホール素子２の磁束密度に対する出力の比例定数をＫ２とすると、ホール素子２からの出力電圧Ｖ１は次式で表せる。
Ｖ１＝Ｋ２×Ｂ１
＝Ｋ１×Ｋ２×Ｉ１ …（２）

オペアンプ３と各抵抗素子１１、１２、１３、１４から構成される差動増幅器４のゲインをＡ１とし、各抵抗素子１１〜１４の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とすると、差動増幅器４の出力電圧Ｖ２は次式で表せる。この出力電圧Ｖ２が磁気比例式の電流センサにおける出力となる。
Ｖ２＝Ａ１×Ｖ１
＝Ａ１×Ｋ１×Ｋ２×Ｉ１ …（３）

以上を前提として、次に、図２に基づいて一実施形態の電流センサの回路構成例とその動作を説明する。

図２に示す本実施形態の電流センサは、磁性体コア１、ホール素子（磁気検出素子）２、差動増幅器４、非反転増幅器６、バッファ７、抵抗素子８、巻線９を含んで構成されている。

磁性体コア１は、環状に形成されており、その一部にギャップを有する。この磁性体コア１の内部に上記した被測定電流Ｉ１が流れる導体が配置される。

ホール素子２は、磁束密度に応じた出力電圧を発生するものであり、磁性体コア１のギャップ内に配置されている。

差動増幅器４は、オペアンプ３と、各抵抗素子１１、１２、１３、１４を含んで構成されている。オペアンプ３は、反転入力端子が抵抗素子１１を介してホール素子２の一方端子と接続され、非反転入力端子が抵抗素子１２を介してホール素子２の他方端子と接続され、出力端子と反転入力端子とが抵抗素子１３を介して接続され、非反転入力端子が抵抗素子１４を介してバッファ７の出力端子と接続されている。

非反転増幅器６は、オペアンプ５及び２つの抵抗素子１５、１６を含んで構成されている。オペアンプ５は、非反転入力端子が差動増幅器４のオペアンプ３の出力端子と接続され、出力端子と反転入力端子とが抵抗素子１６を介して接続されている。また、オペアンプ５の反転入力端子は、抵抗素子１５を介して接地端子と接続され、かつバッファ７の入力端子とも接続されている。また、非反転増幅器６の出力端子は、巻線９と接続されている。

巻線９は、所定の巻線数ｎで磁性体コア１の一部に巻き付けられている。この巻線９の一方端は非反転増幅器６の出力端子と接続され、他方端は抵抗素子８を介して接地端子と接続されている。

図２に示す本実施形態の電流センサにおいて、巻線数ｎの巻線９に流れる電流をＩ２とし、この電流Ｉ２により生ずる磁束（磁束密度）をＢ２とすると、次式が成り立つ。
Ｂ２＝ｎ×Ｋ１×Ｉ２ …（４）

また、磁束Ｂ２が磁束Ｂ１を打ち消す方向に発生する場合、ホール素子２の出力電圧Ｖ１は次式で表せる。
Ｖ１＝（Ｂ１−Ｂ２）×Ｋ２
＝（Ｉ１−ｎ×Ｉ２）×Ｋ１×Ｋ２ …（５）

ここで、バッファ７がその入力電圧Ｖ４に等しい電圧Ｖ５を出力する回路であるとすると、差動増幅器４の入力電圧および出力電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４について、以下の式が成り立つ。
Ｖ２＝Ａ１×Ｖ１＋Ｖ４ …（６）
Ｖ４＝｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６）｝×Ｖ３ …（７）

また、抵抗素子８（抵抗値ＲＬ）に流れる電流Ｉ２については次式で表せる。
Ｉ２＝Ｖ３／ＲＬ …（８）

オペアンプ５が正常に動作する範囲においてはＶ２＝Ｖ４となるので、式（５）〜式（８）により次式が成り立つ。
Ｖ１＝０ …（９）
Ｉ１＝ｎ×Ｉ２ …（１０）
Ｖ２＝｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６）｝×Ｉ２×ＲＬ
＝｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６）｝×（Ｉ１／ｎ）×ＲＬ …（１１）
Ｖ３＝（Ｉ１／ｎ）×ＲＬ …（１２）

次に、被測定電流Ｉ１の絶対値が増加し、オペアンプ５の出力電圧Ｖ３がオペアンプ５の出力し得る上限または下限に達した場合の動作を考える。この動作領域において、出力電圧Ｖ３はオペアンプ５が出力し得る上限値または下限値に固定される。ここで、この電流領域内のある電流Ｉ３において、差動増幅器４の出力電圧Ｖ２が、一般的な磁気比例式の電流センサにおける出力電圧を表す上記式（３）と同一の出力電圧となるように設定すると、上記の式（３）、（５）、（６）、（７）および（８）より以下の式が成り立つ。
Ａ１×Ｋ１×Ｋ２×Ｉ３＝Ａ１×Ｋ１×Ｋ２×（Ｉ３−ｎ×Ｉ２）＋｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６）｝×Ｉ２×ＲＬ …（１３）

したがって、次式が成り立つ
｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６）｝×（ＲＬ／ｎ）＝Ａ１×Ｋ１×Ｋ２ …（１４）

上記式（１４）は、入力電流Ｉ３に依存しないため、全ての電流値において成立する。したがって、この電流領域内のある電流Ｉ３で磁気比例式の電流センサにおける出力電圧と一致するように調整することで、出力電圧Ｖ２は常に磁気比例式の電流センサにおける出力電圧と同一になる。以上のことから、出力電圧Ｖ２およびＶ３は図３（ａ）に示すような特性を有することになる。

また、磁性体コア１に発生する磁束については、この磁束をＢ３とすると、オペアンプ５が正常動作する範囲においてＶ１＝０となることから、この範囲ではＢ３＝０となる。したがって、磁束密度は図５（ｂ）に示すような特性を有することになる。この特性から、オペアンプ５が正常動作するような低電流領域では、磁束が打ち消されるため、本実施形態の電流センサは磁気平衡式の電流センサとして動作することがわかる。一方、これを超える電流領域では、本実施形態の電流センサは、特に切り替え回路等を必要とせず自律的に磁気比例式の電流センサとして動作することがわかる。このことから、低電流領域における残留磁束の影響を避けることができることもわかる。

なお、図２に示した本実施形態の電流センサにおいて、抵抗素子１４の抵抗値Ｒ４が抵抗素子１５の抵抗値Ｒ５に対して十分に大きい場合には、抵抗素子１４が出力電圧Ｖ４に与える影響が十分に小さくなるため、バッファ７を省略することが可能である。また、抵抗素子１４の抵抗値Ｒ４を抵抗素子１５の抵抗値Ｒ５に対して十分に大きくすることが困難である場合であっても、バッファ７を設ける代わりに、図４に示すような回路構成を採用することも可能である。

詳細には、図４に示す電流センサは、図２に示した電流センサと比較し、バッファ７が省略されている。また、オペアンプ３の非反転入力端子に接続されている抵抗素子１４は、その一端が抵抗素子１７を介して接地端子と接続され、かつ当該一端が抵抗素子１８を介してオペアンプ５の出力端子および巻線９と接続されている。上記以外の構成については図２に示した電流センサと図４に示した電流センサとで共通であり、ここでは詳細な説明を省略する。

図４に示した電流センサにおいて、各抵抗素子１７、１８の抵抗値Ｒ７、Ｒ８は以下のように設定できる。
Ｒ６／Ｒ５＝Ｒ８／Ｒ７
Ｒ３＝Ｒ４＋（Ｒ７×Ｒ８）／（Ｒ７＋Ｒ８）

次に、図２または図４に示した本実施形態の電流センサと一般的な磁気平衡式の電流センサとの比較について、以下に数値例を示して説明する。例として、被測定電流Ｉ１の最大値が５００Ａ（アンペア）で、その際の出力電圧Ｖ２が５Ｖ（ボルト）となる場合を考える。

この場合に、巻線９に注入する電流Ｉ２を５０ｍＡ以下に抑えようとするならば、磁気平衡式の電流センサでは巻線数ｎが以下のようになる。
ｎ＝５００Ａ／５０ｍＡ
＝１００００

一方、本実施形態の電流センサにおいては、オペアンプ５から供給する最大電流を同様に５０ｍＡとし、オペアンプ５が取り得る出力電圧Ｖ２の最大値を５Ｖとすると、抵抗素子８の抵抗値ＲＬは以下のようになる。
ＲＬ＝５Ｖ／５０ｍＡ
＝１００Ω（オーム）

ここで、非反転増幅器６のゲインを１００に設定すると、次のようになる。
（Ｒ５＋Ｒ６）／Ｒ５＝１００

また、５００Ａ入力時に、出力電圧Ｖ２が５Ｖになるように設定すると、次のようになる。
Ａ１×Ｋ１×Ｋ２＝５Ｖ／５００Ａ
＝０．０１Ω（オーム）

以上の条件から、巻線９の巻線数ｎは以下のようになる。
ｎ＝｛Ｒ５／（Ｒ５＋Ｒ６）｝×｛ＲＬ／（Ａ１×Ｋ１×Ｋ２）｝
＝（１／１００）×（１００Ω／０．０１Ω）
＝１００

以上の結果から、本実施形態の電流センサは、巻線９の巻線数ｎを大幅に削減できることがわかる。また、本実施形態の電流センサにおける出力電圧Ｖ３の特性は磁気平衡式の電流センサの特性と一致する。したがって、出力電圧Ｖ３については相対的に電流入力範囲が狭い場合の出力として利用し、出力電圧Ｖ２については相対的に電流入力範囲が広い場合の出力として利用することが可能となる。本実施形態の電流センサでは、特段に切り替え回路等の手段を設けることなくこれら２つの出力電圧を利用して広い入力範囲で高精度に電流を測定することが可能となる。また、ホール素子等の磁気検出素子についても１つで足り、特段の機械的な構成も必要としないので、装置構成の複雑化、装置サイズの増大、コスト増を回避できる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

１…磁性体コア、２…ホール素子、３、５…オペアンプ、４…差動増幅器、６…非反転増幅器、７…バッファ、８、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８…抵抗素子、９…巻線

Claims

被測定電流の大きさを検出する電流センサであって、
ギャップを有する環状の磁性体コアと、
前記磁性体コアの前記ギャップに配置された磁気検出素子と、
前記磁気検出素子と接続された差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力電圧が入力される非反転増幅器と、
前記磁性体コアの一部に取り付けられ、前記非反転増幅器の出力端子と接続された巻線と、
を含む、電流センサ。
前記差動増幅器は、第１のオペアンプを有し、
前記非反転増幅器は、第２のオペアンプを有し、
前記第２のオペアンプの出力端子と前記第１のオペアンプの非反転入力端子とがバッファを介して接続された、
請求項１に記載の電流センサ。
前記差動増幅器は、第１のオペアンプを有し、
前記非反転増幅器は、第２のオペアンプを有し、
前記第２のオペアンプの出力端子と前記第１のオペアンプの非反転入力端子とが抵抗素子を介して接続された、
請求項１に記載の電流センサ。