(57)【要約】【課題】  コアを十分に減磁することができ、自動的に消磁可能な非接触型の電流センサ装置を提供すること。【解決手段】  両端部が所定間隔のギャップを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コアと、該磁性体コアに絶縁体を介して巻回されたコイル３と、ギャップ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子Ｈと、該磁気センサ素子Ｈに接続されたセンサ回路５と、を備え、該センサ回路５が、基準電圧が印加された磁気センサ素子Ｈの電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部６と、電源に接続され電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部７と、差動増幅部６で増幅された信号と減衰交流信号とを加算処理してコイル３に送信する信号混合部８と、を備えている。【選択図】図１
2011106890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部が所定間隔のギャップを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コアと、
該磁性体コアに絶縁体を介して巻回されたコイルと、
前記ギャップ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子と、
該磁気センサ素子に接続されたセンサ回路と、
該センサ回路を駆動する電源と、を備え、
前記センサ回路が、基準電圧が印加された前記磁気センサ素子の電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部と、
前記電源に接続され該電源の電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部と、
前記差動増幅部で増幅された信号と前記減衰交流信号とを加算処理して前記コイルに送信する信号混合部と、を備えていることを特徴とする電流センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサ装置において、
前記消磁信号発生部が、前記電源に対する接続と切断とを切り替え可能な消磁スイッチを有していることを特徴とする電流センサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電流センサ装置において、
前記磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていることを特徴とする電流センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体に流れる電流を非接触で測定可能な電流センサ装置に関し、特にＨＥＶ（ハイブリッド自動車）やＥＶ（電気自動車）等に好適な直流大電流検出用の電流センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で直流電流を検出するセンサとして、磁気平衡式電流センサが知られている。この磁気平衡式電流センサは、被検出電流によってコア内に生じる磁束と平衡する磁束を検出用コイルに通電することにより、被検出電流値測定を行っており、検出精度や温度特性の点から、磁気比例式電流センサより優れている。
【０００３】
しかしながら磁気平衡式センサにおいても、コアが初期状態で帯磁している場合、出力オフセット誤差の原因となる。このため、従来、例えば残留磁化の小さな磁気材料をコアとして使用したり、特許文献１に示すように、コアを消磁するための減衰交流信号を印加する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１１０３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
残留磁化の小さな材料の代表としてパーマロイがあるが、この様な材料はコストが高く、さらにコア形状に加工することにより、保磁力が増加し、ひいては残留磁化が大きくなる。このため、加工後に十分な熱処理を行う必要が有り、よりコスト高の原因となっていた。
また、特許文献１の技術では、磁電変換部として、直流検出用の磁気センサ素子であるホール素子を採用している。しかしながら、ホール素子は、ホール電圧端子間の電位差を差動増幅器にて検出・増幅することが一般的で、かつホール電圧を十分増幅するために、差動増幅器は大きなゲインとすることが一般的である。特許文献１の技術では、差動増幅を行わずかつホール素子と同等の信号レベルの非反転側入力に、減衰交流信号を印加する構成となっている。この構成では、減衰交流信号の振幅設定が重要で、振幅が過大な場合、図４に示すように、帰還コイルに流れる減衰交流はほとんど飽和状態で、コアを十分に減磁することはできない。さらに、センサ使用開始時等に意図的に減衰交流信号を印加する必要があり、操作上不便であり、その操作を失念した場合、帯磁による誤差を含んだ状態で測定を行うこととなる。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、コアを十分に減磁することができ、自動的に消磁可能な非接触型の電流センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の電流センサ装置は、両端部が所定間隔のギャップを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コアと、該磁性体コアに絶縁体を介して巻回されたコイルと、前記ギャップ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子と、該磁気センサ素子に接続されたセンサ回路と、該センサ回路を駆動する電源と、を備え、前記センサ回路が、基準電圧が印加された前記磁気センサ素子の電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部と、前記電源に接続され該電源の電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部と、前記差動増幅部で増幅された信号と前記減衰交流信号とを加算処理して前記コイルに送信する信号混合部と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
この電流センサ装置では、センサ回路が、基準電圧が印加された磁気センサ素子の電圧端子間の電位差を検出して増幅する差動増幅部と、電源に接続され該電源の電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部と、を備えているので、電源投入と同時に、消磁信号発生部にて電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号が磁性体コアに送られて自動的に磁性体コアの消磁が行われる。したがって、センサ使用開始時に自動的に磁性体コアの消磁が可能になり、煩雑な操作や測定ミスを防止することができる。
【０００９】
また、本発明の電流センサ装置は、前記消磁信号発生部が、前記電源に対する接続と切断とを切り替え可能な消磁スイッチを有していることを特徴とする。
すなわち、この電流センサ装置では、消磁信号発生部が、電源に対する接続と切断とを切り替え可能な消磁スイッチを有しているので、消磁スイッチで切り替えを行うことで任意に消磁可能である。なお、この消磁スイッチをトランジスタやＦＥＴ等の電子スイッチとすれば、定期的な消磁やプログラム制御による消磁も行うことが可能になる。
【００１０】
また、本発明の電流センサ装置は、前記磁性体コアが、純鉄圧粉体で成形されていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサ装置では、磁性体コアが安価なコア材である純鉄圧粉体で成形されても、残留磁化（保磁力）に起因する誤差を消磁信号発生部による消磁で十分に除去することができる。
また、純鉄圧粉体は、柔らかく圧粉が容易で３次元的な加工が可能であると共に高密度に成形可能であり、パーマロイ等の高透磁率材料のコアと同等以上に透磁率が高くなって感度が上昇し測定精度の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る電流センサ装置によれば、センサ回路が、基準電圧が印加された磁気センサ素子の電圧端子間の電位差を検出して増幅する差動増幅部と、電源に接続され該電源の電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部と、を備えているので、センサ使用開始時に自動的に磁性体コアの消磁が可能になり、煩雑な操作や測定ミスを防止することができる。
したがって、本発明によれば、直流大電流検出が可能なことから、ＨＥＶやＥＶ等のバッテリ管理およびモータ制御用の磁気平衡式電流センサとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電流センサ装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】本実施形態において、電流センサ本体を示す正面図である。
【図３】本発明に係る電流センサ装置の実施例において、センサ回路の各部における信号波形を示すグラフである。
【図４】本発明に係る電流センサ装置の従来例において、コイルに出力される信号波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る電流センサ装置の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１４】
本実施形態の電流センサ装置１は、磁気平衡式電流センサであって、図１及び図２に示すように、両端部が所定間隔のギャップＧを介して対向状態とされた略Ｃ字状の磁性体コア２と、該磁性体コア２に絶縁体を介して巻回されたコイル３と、ギャップＧ内に配され磁束を電気信号として検出する磁気センサ素子Ｈと、該磁気センサ素子Ｈに接続されたセンサ回路５と、該センサ回路５を駆動する電源Ｄと、を備えている。
【００１５】
上記磁性体コア２とコイル３と磁気センサ素子Ｈとにより電流センサ本体１０を構成している。
上記磁性体コア２は、純鉄圧粉体で成形され、図２に示すように、全体として略Ｃ字状かつ略四角枠状とされている。この磁性体コア２の略中心に、被測定電流が流れる導電線や導電棒が挿通状態とされる。
【００１６】
上記コイル３は、サーチコイル（帰還コイル）であって、例えば絶縁性ボビンに巻回されたポリイミド樹脂等の絶縁材料で被覆された平角線であり、絶縁性ボビンに整列巻きされている。なお、本実施形態では、コイル３として、ポリイミド・コーティングされた平角銅線を採用している。このコイル３は、通電方向に応じて被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されている。
【００１７】
上記磁気センサ素子Ｈは、磁電変換素子であって、本実施形態ではホール素子が採用されるが、磁気インピーダンス素子やフラックスゲートでも構わない。この磁気センサ素子Ｈは、基準電圧を印加する基準電圧源（Ｖref）に接続されていると共に、一対の電圧端子が上記センサ回路５に接続されている。なお、基準電圧源として電源Ｄを用いても良く、本実施形態では、磁気センサ素子Ｈが電源Ｄに接続されている。また、該センサ回路５は、コイル３の一端に接続されており、磁気センサ素子Ｈからの出力電圧に基づいて増幅したキャンセル電流をコイル３に通電するように構成されている。また、コイル３の他端には、電流／電圧変換抵抗として出力抵抗ＲＬが接続されており、コイル３に流れるキャンセル電流を電圧として検出するように構成されている。
【００１８】
上記センサ回路５は、図１に示すように、基準電圧が印加された磁気センサ素子Ｈの電圧端子間の電位差を信号として検出して増幅する差動増幅部６と、電源Ｄに接続され電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部７と、差動増幅部６で増幅された信号と上記減衰交流信号とを加算処理してコイル３に送信する信号混合部８と、を備えている。
【００１９】
上記差動増幅部６は、磁気センサ素子Ｈの一対の電圧端子からの入力電圧差をとって増幅する機能を有しており、電源Ｄに接続されていると共に磁気センサ素子Ｈの一対の電圧端子にそれぞれ第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２を介してＶ−端子及びＶ＋端子が接続されたオペアンプとしてプリアンプＵ１を有している。このプリアンプＵ１のＶ＋端子とグランドとは、第３抵抗Ｒ３を介して接続されていると共に、プリアンプＵ１の出力端子とＶ−端子とは、第４抵抗Ｒ４を介して接続されている。
【００２０】
上記消磁信号発生部７は、電源Ｄに接続された消磁スイッチＳＷ１と、該消磁スイッチＳＷ１に接続されたインダクタンスＬ１と、該インダクタンスＬ１とグランドとの間に接続された第１コンデンサＣ１と、インダクタンスＬ１と第１コンデンサＣ１との間に接続された第２コンデンサＣ２と、該第２コンデンサＣ２に一端が接続され他端が信号混合部８における加算アンプＵ２のＶ−端子に接続された第５抵抗Ｒ５と、を備えている。
なお、インダクタンスＬ１と第１コンデンサＣ１とが、実質的な消磁信号発生回路であり、第２コンデンサＣ２と第５抵抗Ｒ５とはレベルシフトおよび振幅調整のために挿入されている。
また、上記消磁スイッチＳＷ１は、電源Ｄに対する接続と切断とを切り替え可能なスイッチである。
【００２１】
上記信号混合部８は、信号混合・バッファ部であって、電源Ｄに接続されていると共に、Ｖ＋端子が第６抵抗Ｒ６を介してプリアンプＵ１の出力端子に接続されたオペアンプとして加算アンプＵ２を備えている。この加算アンプＵ２のＶ＋端子とグランドとは、第７抵抗Ｒ７を介して接続されていると共に、加算アンプＵ２の出力端子とＶ−端子とは、第８抵抗Ｒ８を介して接続されている。また、加算アンプＵ２の出力端子は、コイル３に接続されている。上記加算アンプＵ２のＶ−端子は、第５抵抗Ｒ５を介して消磁信号発生部７に接続されている。
【００２２】
すなわち、本実施形態の電流センサ装置１では、磁性体コア２を挿通する導電線等に被測定電流が流れると、電流に応じた磁界により磁気センサ素子Ｈに出力電圧が発生し、その電圧信号がセンサ回路５によって電流に変換されると共にコイル３にフィードバックされるようになっている。この際、コイル３により生じる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合ってギャップＧ内の磁界が常にゼロになるように動作することで、コイル３に流れるキャンセル電流を出力抵抗を介して電圧に変換することで被測定電流の測定が行われる。
【００２３】
電流測定の際、通常、消磁スイッチＳＷ１は閉じている状態で使用し、電源Ｄの投入と同時に、消磁信号発生部７にて電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号が発生し、自動的に磁性体コア２の消磁が行われる。すなわち、差動増幅部６で磁気センサ素子Ｈの入力電圧差を信号として増幅させると共に、消磁信号発生部７で電源電圧から直接、振幅調整された減衰交流信号を発生させ、振幅調整された減衰交流信号と増幅させた出力信号とを信号混合部８の加算アンプＵ２で加算処理することで、コイル３に流れる減衰交流が飽和状態とならず、磁性体コア２が十分に減磁される。
【００２４】
また、必要に応じて消磁スイッチＳＷ１を開−閉することにより、任意に消磁可能である。この消磁スイッチＳＷ１は、トランジスタやＦＥＴ等の電子スイッチとしても良い。
さらに、インダクタンスＬ１，第１コンデンサＣ１，第２コンデンサＣ２，第５抵抗Ｒ５の各定数を変えることにより、磁性体コア２に使用するコア材に適当な周波数および減衰率の減衰交流信号を容易に生成可能である。
【００２５】
このように、本実施形態の電流センサ装置１では、センサ回路５が、基準電圧が印加された磁気センサ素子Ｈの電圧端子間の電位差を検出して増幅する差動増幅部６と、電源Ｄに接続され磁気センサ素子Ｈに印加された電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号を発生させる消磁信号発生部７と、を備えているので、電源投入と同時に、消磁信号発生部７にて電源電圧に応じた振幅の減衰交流信号が磁性体コア２に送られて自動的に磁性体コア２の消磁が行われる。したがって、センサ使用開始時に自動的に磁性体コア２の消磁が可能になり、煩雑な操作や測定ミスを防止することができる。
【００２６】
また、消磁信号発生部７が、電源Ｄに対する接続と切断とを切り替え可能な消磁スイッチＳＷ１を有しているので、消磁スイッチＳＷ１で切り替えを行うことで任意に消磁可能である。なお、この消磁スイッチＳＷ１をトランジスタやＦＥＴ等の電子スイッチとすれば、定期的な消磁やプログラム制御による消磁も行うことが可能になる。
さらに、磁性体コア２が安価なコア材である純鉄圧粉体で成形されても、残留磁化（保磁力）に起因する誤差を消磁信号発生部７による消磁で十分に除去することができる。
また、純鉄圧粉体は、柔らかく圧粉が容易で３次元的な加工が可能であると共に高密度に成形可能であり、パーマロイ等の高透磁率材料のコアと同等以上に透磁率が高くなって感度が上昇し測定精度の向上を図ることができる。
【実施例１】
【００２７】
上記本実施形態の電流センサ装置１を実際に作製した実施例について、評価した結果を図３を参照して以下に説明する。
【００２８】
本実施例の電流センサ装置１として、図１に示す回路構成において各部は以下のように設定した。
第１抵抗Ｒ１：１０ｋΩ、第２抵抗Ｒ２：１０ｋΩ、第３抵抗Ｒ３：１００ｋΩ、第４抵抗Ｒ４：１００ｋΩ、第５抵抗Ｒ５：１００ｋΩ、第６抵抗Ｒ６：１ｋΩ、第７抵抗Ｒ７：１００ｋΩ、第８抵抗Ｒ８：１００ｋΩ、出力抵抗ＲＬ：１００Ω、インダクタンスＬ１：１ｍＨ、コイル３：５０００Ｔｕｒｍ
【００２９】
また、サーチコイル（帰還コイル）であるコイル３は、磁性体コア２に５０００回の巻回を行っている。また、電源電圧はＶｃｃ＝５Ｖ，Ｖｅｅ＝−５Ｖとした。被測定用電流として、磁性体コア２にΦ１０ｍｍの銅棒を挿入し、その銅棒に１００Ａを通電し被測定電流とすることにより測定を行った。
【００３０】
まず初めに、消磁スイッチＳＷ１を開いた状態で、センサ回路５に通電し、被測定電流を０Ａから徐々に１００Ａまで増加させ、被測定１００Ａ時に被測定電流を急激にＯＦＦとすると、センサ出力は約１０ｍＶ（０．５Ａ相当）を示しており、ここで消磁スイッチＳＷ１を閉じると、消磁信号発生部７が減衰交流信号を送ることにより、センサ出力がほぼ０Ｖ（０Ａ相当）となった。
【００３１】
また、電源ＤがＯＦＦの状態において、被測定電流１００Ａを流した状態で急激に被測定電流をＯＦＦとして、消磁スイッチＳＷ１の開状態と閉状態との双方で電源ＤをＯＮとしたところ、消磁スイッチＳＷ１開ではセンサ出力は約１０ｍＶ（０．５Ａ相当）となったが、消磁スイッチＳＷ１閉では、消磁信号発生部７から減衰交流信号を送ることにより、センサ出力は０ｍＶ（０Ａ相当）となった。
【００３２】
上記電源ＤがＯＮ時の回路各部（図１に示すＡ，Ｂ，Ｃ部）における波形を、図３に示す。なお、この例では周波数５ｋＨｚ、消磁時間１秒であり、被測定電流０Ａ、磁気センサ素子Ｈの出力電圧０Ｖとしている。また、図１におけるＣ部は、コイル３に印加される出力波形である。
この図からわかるように、センサ回路５により電源Ｄの投入直後に消磁時間１秒でセンサ出力が０Ｖとなり、消磁されている。
【００３３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１…電流センサ装置、２…磁性体コア、３…コイル、５…センサ回路、６…差動増幅部、７…消磁信号発生部、８…信号混合部、Ｄ…電源、Ｇ…ギャップ、Ｈ…磁気センサ素子、ＳＷ１…消磁スイッチ
【図１】
2011106890.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011106890.tif 000006