(57)【要約】【課題】電源投入時および電源遮断時に電流センサーの磁性体コアが着磁しない電流測定装置を提供すること。【解決手段】被測定電流が流れる導体と磁気結合する磁性体コアを備え、ホール効果素子を使用して電流を検出する電流検出回路を備えた電流測定装置において、磁性体コアに巻回されたフィードバックコイルと、ホール効果素子から出力される信号が入力され、被測定電流に比例し、かつ被測定電流によって発生する磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイルに流す電圧電流変換回路と、両極性電源のプラス電源とマイナス電源の電圧の絶対値の差が所定値以上であることを検出する差検出手段と、差検出手段の出力に基づいてフィードバックコイルへ流れる電流を遮断するスイッチ手段とを備えている。電源投入時や電源遮断時において磁性体コアへの着磁を防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流が流れる導体と磁気結合した磁性体コアを備え、前記磁性体コアを通る磁束をホール効果素子を使用して検出する電流検出回路を備えた電流測定装置において、
前記磁性体コアに巻回されたフィードバックコイルと、
両極性の電源を使用し、前記ホール効果素子から出力される信号が入力される差動増幅回路からなり、前記被測定電流に比例する信号を出力すると共に、前記被測定電流に比例し、かつ前記被測定電流によって前記磁性体コアに発生する磁束を打ち消す方向の電流を前記フィードバックコイルに流す電圧電流変換回路と、
前記電圧電流変換回路の両極性電源のプラス電源とマイナス電源の電圧の絶対値の差が所定値以上であることを検出する差検出手段と、
前記差検出手段の出力に基づいて前記フィードバックコイルへ流れる電流を遮断するスイッチ手段と
を備えていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
前記差検出手段は、マイナス電源の絶対値の方がプラス電源の電圧よりも所定値以上大きいときにのみ、差がある旨の信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
【請求項３】
前記差検出手段は、前記マイナス電源とプラス電源の間に直列接続された複数の抵抗からなる抵抗回路と、前記抵抗回路の抵抗間の接続点にベースが接続されたトランジスタを含み、前記スイッチ手段はフォトＭＯＳリレーからなることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電流測定装置に関するものであり、特にホール効果素子を使用した電流センサーを備えた直流電流測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ホール効果素子を使用した電流測定回路が各種提案されている。例えば下記の特許文献１には、ホール効果素子を使用した電力量計が開示されている。この電力量計は、ホール素子により計測電圧と計測電流の積に相当するホール電圧を出力し、スイッチング手段ＳＷa1〜ＳＷb2によりホール電圧の正負の極性を所定の周期毎に反転させ、差動増幅手段により差動増幅し、反転手段により差動増幅出力の極性をスイッチング手段による極性反転が戻った状態に再反転させ、積分手段により積分するようにしたものであり、ホール素子として、同一極性のホール電圧と異なる極性の不平衡電圧を出力する２つのホール素子を用い、不平衡電圧調整手段により２つのホール素子の不平衡電圧が等しくなるように調整し、積分手段による積分の前に、加算手段により２つのホール素子のそれぞれの差動増幅出力を加算するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５９６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したような従来のホール効果素子を使用した電流測定回路においては、被測定電流による磁界とホール効果素子とを結合させるために全体がロ状あるいはリング状の磁性体コアを使用している。ところが、直流電流測定装置の場合、磁性体コアにはヒステリシス特性があり、強い磁界をかけると着磁して特性が変化し、例えば被測定電流がなくなっても残留磁束が残って測定誤差が大きくなるという問題点がある。
そこで、磁性体コアに巻かれたフィードバックコイルに被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流を流すフィードバック回路を設けて、磁性体コアに強い磁界がかからないようにする方法が提案されている。
【０００５】
しかし、上記したようなフィードバック回路を備えた電流測定装置において、両極性電源回路の＋−の負荷の違いなどによってプラス電源とマイナス電源の立ち上がりあるいは立ち下り時間が異なることがある。すると、電流測定装置の電源投入時や電源遮断時にフィードバックコイルに不所望の電流が流れて磁性体コアが着磁してしまうという問題点があった。
【０００６】
発明の目的は、上記した従来の問題点を解決し、装置の電源投入時や電源遮断時であっても電流センサーの磁性体コアが着磁しない電流測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流測定装置は、被測定電流が流れる導体と磁気結合した磁性体コアを備え、前記磁性体コアを通る磁束をホール効果素子を使用して検出する電流検出回路を備えた電流測定装置において、前記磁性体コアに巻回されたフィードバックコイルと、両極性の電源を使用し、前記ホール効果素子から出力される信号が入力される差動増幅回路からなり、前記被測定電流に比例する信号を出力すると共に、前記被測定電流に比例し、かつ前記被測定電流によって前記磁性体コアに発生する磁束を打ち消す方向の電流を前記フィードバックコイルに流す電圧電流変換回路と、前記電圧電流変換回路の両極性電源のプラス電源とマイナス電源の電圧の絶対値の差が所定値以上であることを検出する差検出手段と、前記差検出手段の出力に基づいて前記フィードバックコイルへ流れる電流を遮断するスイッチ手段とを備えていることを主要な特徴とする。
【０００８】
また、上記した電流測定装置において、前記差検出手段は、マイナス電源の絶対値の方がプラス電源の電圧よりも所定値以上大きいときにのみ、差がある旨の信号を出力する点にも特徴がある。また、上記した電流測定装置において、前記差検出手段は、前記マイナス電源とプラス電源の間に直列接続された複数の抵抗からなる抵抗回路と、前記抵抗回路の抵抗間の接続点にベースが接続されたトランジスタを含み、前記スイッチ手段はフォトＭＯＳリレーからなる点にも特徴がある。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば電源投入時や電源遮断時においてフィードバックコイルに不所望な電流が流れることによる磁性体コアへの着磁を防止することができるので、測定誤差の増加を防止することができ、測定精度を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明における電流測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は本発明における電流センサー回路の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は本発明における電流センサー回路の構成を示す回路図である。
【図４】図４は本発明における着磁防止回路の動作を示す波形図である。
【図５】図５は本発明における着磁防止回路の第２実施例を示す回路図である。
【図６】図６は本発明における着磁防止回路の第３実施例を示す回路図である。
【図７】図７は本発明における着磁防止回路の第４実施例を示す回路図である。
【図８】図８は本発明における着磁防止回路の第５実施例を示す回路図である。
【図９】図９は本発明における着磁防止回路の第６実施例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を参照して実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明における電流測定装置の構成を示すブロック図である。電流測定装置は、磁気カップリング装置と後述する電流センサー回路４０とからなる。磁気カップリング装置は、被測定電流が流れる導体（電線）４５と磁気結合した磁性体コア４３、４４、磁性体コア４３の隙間に配置されたホール効果素子４１、磁性体コア４３に巻回されたフィードバックコイル４２からなる。
【００１３】
ロ形状の磁性体コアは分割されており、一方の磁性体コア４４を外して内部空間に導体４５を通し、磁性体コア４４を装着することによって被測定装置が稼働中であっても電線等の導体４５と磁気結合させることができる。また、後述するフィードバック（サーボ）制御が行われている場合には、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度は小さく、被測定装置の稼働中に磁性体コア４３、４４を導体４５に装着しても磁性体コア４３、４４が着磁することはない。
【００１４】
図２は、本発明における電流センサー回路４０の構成を示すブロック図である。電圧電流変換回路５２は、ホール効果素子４１から出力される信号が入力される、所定の増幅率の差動増幅回路からなる。電圧電流変換回路５２の出力信号は、後述する着磁防止回路５３およびフィードバックコイル４２を経由して抵抗５４の一端に接続され、抵抗５４の他端は接地されている。従って、抵抗５４にはほぼ導体４５に流れる電流に比例した電流が流れ、抵抗５４の両端にはほぼ導体４５に流れる電流に比例した電圧が発生する。抵抗５４の一端は電流センサー出力信号として図示しない外部の計測装置に出力され、計測装置においては電流センサー回路４０からの出力電圧を読み取ることによって導体４５の電流値を得る。
【００１５】
電圧電流変換回路５２は磁性体コア４３、４４を通る被測定電流に比例し、かつ被測定電流による磁束を打ち消す方向の電流をフィードバックコイル４２に流すように接続されている。従って、フィードバックコイル４２には導体４５に流れる電流に比例した電流が流れることになるが、ネガティブフィードバックがかかるので、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度は導体４５に流れる電流による磁束密度よりもかなり小さな値となる。この結果、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度が大きな値とならないので磁性体コア４３、４４が着磁することがなく、着磁による測定誤差の発生を防止できる。
【００１６】
電流センサー回路４０の電源投入時および電源遮断時にプラス電源およびマイナス電源の２つの電源の立ち上がり時間が相違すると＋Ｖｂおよび−Ｖｂの２つの電源も立ち上がり時間が異なり、このずれによってフィードバックコイル４２に不所望な電流が流れて磁性体コア４３、４４が着磁してしまうことがある。着磁防止回路５３は、詳細は後述するが、この着磁を防止するために電圧電流変換回路５２とフィードバックコイル４２との接続を切り離す回路である。
【００１７】
電源回路５５は図示しない装置の電源回路から供給される両極性電源であるプラス電源およびマイナス電源からそれぞれ＋Ｖｂ、−Ｖｂ（例えば＋１２Ｖ、−１２Ｖ）の電源を生成し、更に＋Ｖｂ電源から＋Ｖｈ（例えば＋３Ｖ）の電源を生成する公知の定電圧電源回路である。
【００１８】
図３は、本発明における電流センサー回路４０の構成を示す回路図である。ホール効果素子４１から出力される信号が入力される電圧電流変換回路５２は、２個の演算増幅器６２、６３からなる所定の増幅率の差動増幅回路、消磁信号発生回路７２からなる。
【００１９】
差動増幅回路は両極性の電源を使用し、ホール効果素子４１から出力される被測定電流に比例した電圧信号を入力して、フィードバックコイル４２および負荷抵抗となる抵抗５４にほぼ被測定電流と比例した電流を逆向きに流すように機能する。従って、フィードバックコイル４２を介してネガティブフィードバックがかかるので、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度は導体４５に流れる電流による磁束密度よりもかなり小さな値となる。この結果、磁性体コア４３、４４内部の磁束密度が大きな値とならないので磁性体コア４３、４４が着磁することがなく、着磁による測定誤差の発生を防止できる。
なお、実施例においては電圧の絶対値が等しい両極性の電源＋Ｖｂ、−Ｖｂを使用しているが、両極性電源のプラス電源とマイナス電源の電圧の絶対値は等しくなくても差動増幅回路は飽和領域に入らない限り正常に動作可能であり、本発明を実施可能である。
【００２０】
消磁信号発生回路７２は、通常は出力は０ボルトであるが、図示しない外部装置から出力される消磁制御信号により起動されて、両極性の減衰交流信号（所定の周期で転極し、時間と共に振幅が０まで小さくなる交流信号）を発生する。減衰交流信号の発生方法は公知の任意の方法を採用可能であるが、例えば本出願人が特許出願し、公開された交流信号発生装置（特開２０１１−１７６６６２号公報）を採用してもよい。
【００２１】
フィードバック制御中に消磁信号発生回路７２から減衰交流信号が出力されると、演算増幅器６３によって減衰交流信号と被測定電流に比例した電圧信号が加算され、フィードバックコイル４２には「被測定電流と比例した電流」＋「減衰交流信号に比例した電流」が逆向きに流れる。しかし、「被測定電流と比例した電流」による磁束密度は被測定電流による磁束密度とほぼ打消し合うので、磁性体コア４３、４４内の磁束密度はほぼ「減衰交流信号に比例した電流」による磁束密度となり、磁性体コア４３、４４が消磁される。なお、消磁信号発生回路７２は本発明の実施に必須の回路ではなく、省略してもよい。
【００２２】
着磁防止回路５３は、電圧電流変換回路５２とフィードバックコイル４２との接続を切り離すための周知のフォトＭＯＳリレー素子７１および、＋Ｖｂ電源の電圧値が−Ｖｂ電源の電圧の絶対値よりも所定値以上低い場合にオン状態になるトランジスタ６９を含んでいる。フォトＭＯＳリレー素子７１はＡ接点タイプ（ノーマリーオフタイプ）であり、内蔵する発光ダイオードが点灯した場合に出力端子間がオン（低抵抗）になる。
【００２３】
トランジスタ６９のベースには、両極性の電源の＋Ｖｂ電源および−Ｖｂ電源の間に直列接続された２個以上の抵抗回路の抵抗同士の接続点が接続されている。抵抗６６と抵抗６７は同じ値の抵抗であり、抵抗６８はそれより大きな値の抵抗である。従って、抵抗６７、６８の合成抵抗は抵抗６６より少し小さな値となり、＋Ｖｂ電源および−Ｖｂ電源の電圧が正常に印加されている状態においては、３つの抵抗からなる抵抗回路によってＰＮＰタイプのトランジスタ６９のベース電圧はトランジスタ６９がオン状態となるような電圧（例えば−０．６Ｖ）よりもわずかに高い（プラス側の）電圧（例えば−０．３Ｖ程度）に維持され、トランジスタ６９はオフ状態である。
【００２４】
この結果、接地−発光ダイオード−抵抗７０−−Ｖｂ電源の経路で電流が流れ、フォトＭＯＳリレー素子７１の発光ダイオードが点灯するので、フォトＭＯＳリレー素子７１はオン状態を維持する。なお、ベースに接続されているダイオードはトランジスタ６９を破壊から保護する為のものであり、コンデンサーはノイズ吸収用であって、このコンデンサーによる遅延はほとんどない。
【００２５】
図４は、本発明における着磁防止回路の電源投入時および電源遮断時の動作を示す波形図である。電流測定装置の電源投入時（図４左側）には、一般に＋Ｖｂ電源の負荷の方が重いので、＋Ｖｂ電源の立ち上がりが−Ｖｂ電源よりも遅れる。この時、＋Ｖｂ電源の電圧値が−Ｖｂ電源の電圧の絶対値よりも所定値以上低い期間においては抵抗６６と抵抗６７の接続点の電圧が低くなり、ＰＮＰタイプのトランジスタ６９のベース電流が流れてトランジスタ６９がオン状態になる。するとフォトＭＯＳリレー素子７１の入力端子間の電圧はほぼ０Ｖとなり、入力端子間に接続されている発光ダイオードに電流が流れなくなって消灯する。
【００２６】
その後、＋Ｖｂ電源が立ち上がるとトランジスタ６９がオフとなり、フォトＭＯＳリレー素子７１の発光ダイオードに電流が流れて点灯する。そして、フォトＭＯＳリレー素子７１がオン状態、即ち出力電導度が所定値以上となる。従って、＋Ｖｂ電源が立ち上がった後にフォトＭＯＳリレー素子７１がオン状態となる。
【００２７】
電源遮断時（図４右側）には、＋Ｖｂ電源の立ち下りが−Ｖｂ電源よりも速くなる。この時、＋Ｖｂ電源の電圧値が−Ｖｂ電源の電圧の絶対値よりも所定値以上低くなると抵抗６６と抵抗６７の接続点の電圧が低くなり、ＰＮＰタイプのトランジスタ６９のベース電流が流れてトランジスタ６９がオン状態になる。するとフォトＭＯＳリレー素子７１の発光ダイオードには電流が流れなくなり、消灯するので、フォトＭＯＳリレー素子７１はオフ状態となる。
【００２８】
その後、＋Ｖｂ電源の電圧値と−Ｖｂ電源の電圧の絶対値との差が小さくなるとトランジスタ６９がオフ状態になるが、このころには＋Ｖｂ電源および−Ｖｂ電源の双方とも電圧の絶対値が低下しており、フィードバックコイル４２に磁性体コア４３、４４が着磁してしまうほどの不所望な電流が流れることはない。
【実施例２】
【００２９】
図５は、本発明における着磁防止回路の第２実施例を示す回路図である。第１実施例においてはフォトＭＯＳリレー素子７１としてＡ接点タイプ（ノーマリーオフタイプ）を使用しているが、第２実施例はフォトＭＯＳリレー素子としてＢ接点タイプ（ノーマリーオンタイプ）を使用した例である。第１実施例と異なる点は、フォトＭＯＳリレー素子７２としてＢ接点タイプを使用した点、及びトランジスタ１１３がフォトＭＯＳリレー素子７２の発光ダイオードと直列に接続されている点である。
【００３０】
通常はトランジスタ１１３はオフ状態であり、発光ダイオードは消灯しており、フォトＭＯＳリレー素子７２はオン状態である。＋Ｖｂ電源の電圧値が−Ｖｂ電源の電圧の絶対値よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１１３がオン状態になり、発光ダイオードが点灯してフォトＭＯＳリレー素子７２はオフ状態となる。従って、実施例１と同様に着磁を防止できる。
【実施例３】
【００３１】
図６は、本発明における着磁防止回路の第３実施例を示す回路図である。第１、２実施例においては＋Ｖｂ電源の立ち上がりが−Ｖｂ電源の立ち上がりよりも遅く、＋Ｖｂ電源の立ち下がりが−Ｖｂ電源の立ち下がりよりも速いことが前提であるが、第２実施例は−Ｖｂ電源の立ち上がりが＋Ｖｂ電源の立ち上がりよりも遅い場合の例である。第１実施例と異なる点は、抵抗回路１０５〜１０７の構成が＋−逆になっている点およびトランジスタ１０８としてＮＰＮタイプのトランジスタが用いられている点である。
【００３２】
通常はトランジスタ１０８はオフ状態であり、発光ダイオードは点灯しており、フォトＭＯＳリレー素子７１はオン状態である。−Ｖｂ電源の電圧値の絶対値が＋Ｖｂ電源の電圧よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１０８がオン状態になり、発光ダイオードが消灯してフォトＭＯＳリレー素子７１はオフ状態となる。従って、実施例１と同様に着磁を防止できる。
【実施例４】
【００３３】
図７は、本発明における着磁防止回路の第４実施例を示す回路図である。第３実施例においてはフォトＭＯＳリレー素子７１としてＡ接点タイプを使用しているが、第４実施例はフォトＭＯＳリレー素子としてＢ接点タイプを使用した例である。第３実施例と異なる点は、フォトＭＯＳリレー素子７２としてＢ接点タイプを使用した点、及びトランジスタ１０３がフォトＭＯＳリレー素子７２の発光ダイオードと直列に接続されている点である。
【００３４】
通常はトランジスタ１０３はオフ状態であり、発光ダイオードは消灯しており、フォトＭＯＳリレー素子７２はオン状態である。−Ｖｂ電源の電圧値の絶対値が＋Ｖｂ電源の電圧よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１０３がオン状態になり、発光ダイオードが点灯してフォトＭＯＳリレー素子７２はオフ状態となる。従って、実施例１と同様に着磁を防止できる。
【実施例５】
【００３５】
図８は、本発明における着磁防止回路の第５実施例を示す回路図である。実施例１〜４においては＋Ｖｂ電源の立ち上がりあるいは−Ｖｂ電源の立ち上がりの一方が必ず他方よりも遅いことが前提であるが、第５実施例は、＋Ｖｂ電源の立ち上がりおよび−Ｖｂ電源の立ち上がりのいずれか一方が他方よりも遅い場合にも適用可能な例である。この実施例は、図３の第１実施例の着磁防止回路の出力と図６に示す第３実施例の着磁防止回路の出力を直列に接続したものである。抵抗回路１２０〜１２２は双方の着磁防止回路で共用している。
【００３６】
通常はＮＰＮタイプのトランジスタ１２３およびＰＮＰタイプのトランジスタ１２４は共にオフ状態であり、発光ダイオードは双方とも点灯しており、フォトＭＯＳリレー素子７２はオン状態である。＋Ｖｂ電源の電圧値が−Ｖｂ電源の電圧の絶対値よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１２４がオン状態になり、発光ダイオードが消灯してフォトＭＯＳリレー素子７１−２はオフ状態となる。
【００３７】
また、−Ｖｂ電源の電圧値の絶対値が＋Ｖｂ電源の電圧よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１２３がオン状態になり、発光ダイオードが消灯してフォトＭＯＳリレー素子７１−１はオフ状態となる。従って、第５実施例においては、＋Ｖｂ電源の立ち上がりおよび−Ｖｂ電源の立ち上がりのいずれか一方が他方よりも遅い場合にも着磁を防止できる。
【実施例６】
【００３８】
図９は、本発明における着磁防止回路の第６実施例を示す回路図である。第６実施例は、第５実施例と同様に、＋Ｖｂ電源の立ち上がりおよび−Ｖｂ電源の立ち上がりのいずれか一方が他方よりも遅い場合にも適用可能な例である。この実施例は、図５の第２実施例の着磁防止回路の出力と図７に示す第４実施例の着磁防止回路の出力を直列に接続したものである。抵抗回路１３０〜１３２は双方の着磁防止回路で共用している。
【００３９】
通常はＮＰＮタイプのトランジスタ１３３およびＰＮＰタイプのトランジスタ１３４は共にオフ状態であり、発光ダイオードは双方とも消灯しており、フォトＭＯＳリレー素子７２はオン状態である。＋Ｖｂ電源の電圧値が−Ｖｂ電源の電圧の絶対値よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１３４がオン状態になり、発光ダイオードが点灯してフォトＭＯＳリレー素子７２−２はオフ状態となる。
【００４０】
また、−Ｖｂ電源の電圧値の絶対値が＋Ｖｂ電源の電圧よりも所定値以上低い期間においてはトランジスタ１３３がオン状態になり、発光ダイオードが点灯してフォトＭＯＳリレー素子７２−１はオフ状態となる。従って、第６実施例においては、やはり＋Ｖｂ電源の立ち上がりおよび−Ｖｂ電源の立ち上がりのいずれか一方が他方よりも遅い場合にも着磁を防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は直流の電流を高精度で測定する必要のある任意の装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
４０…電流センサー回路
４１…ホール効果素子
４２…フィードバックコイル
４３…磁性体コア
４４…磁性体コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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