(57)【要約】【課題】オフセットを動的に除去でき、かつ、応答性が高い電流センサを提供すること。【解決手段】電流センサ１は、出力導線２に流れる電流を検出して出力する第１電流センサ１０と、第１電流センサの出力信号を第１デジタルデータとして記憶する第１記憶部３２と、第１デジタルデータが所定値以下となる第１区間を検出する第１区間検出部３３と、出力導線２に流れる電流を検出して所定のオフセット量を除去して出力する、トリミング方式の第２電流センサ２０と、第２電流センサ２０の出力信号を第２デジタルデータとして記憶する第２記憶部４２と、第１区間に相当する第２区間の第２デジタルデータに基づいてオフセット量を演算するオフセット演算部４３と、このオフセット量を所定のオフセット量として設定するオフセット設定部４４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホール素子を用いて出力導線に流れる電流を測定する電流センサであって、
前記出力導線に流れる電流を検出して出力する第１電流センサと、
当該第１電流センサの出力信号をＡ／Ｄ変換して第１デジタルデータとして記憶する第１デジタル記憶手段と、
前記第１デジタルデータのうち所定値以下である区間を第１区間として検出する第１区間検出手段と、
前記ホール素子の電源の極性を固定して、前記出力導線に流れる電流を検出し、所定のオフセット量を除去して出力する、トリミング方式の第２電流センサと、
前記第１デジタル記憶手段に同期して、前記第２電流センサの出力信号をＡ／Ｄ変換して第２デジタルデータとして記憶する第２デジタル記憶手段と、
前記第２デジタルデータについて、前記第１区間に相当する部分を第２区間として抽出し、当該第２区間のデジタルデータに基づいてオフセット量を演算するオフセット演算手段と、
当該オフセット演算手段で演算したオフセット量を、前記所定のオフセット量として設定するオフセット設定手段と、を備えることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサにおいて、
前記第１区間検出手段が第１区間を検出すると、前記第１デジタル記憶手段および第２デジタル記憶手段による記憶処理を中断して、前記オフセット演算手段および前記オフセット設定手段を駆動し、当該オフセット設定手段による前記所定のオフセット量の設定が完了した後、前記記憶処理を再開することを特徴とする電流センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電流センサにおいて、
前記第１電流センサは、ホール素子を含んで構成され、
当該ホール素子の電源の極性を切り換えて、検出信号をチョッピング動作させることで、当該検出信号からオフセットを除去して出力することを特徴とする電流センサ。
【請求項４】
請求項３記載の電流センサにおいて、
前記第１区間に対応する第２区間は、前記第１区間よりも所定位相だけ早いことを特徴とする電流センサ。
【請求項５】
請求項１または２に記載の電流センサにおいて、
前記第１電流センサは、出力導線に直列に接続されたシャント抵抗であることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホール素子を用いた電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ホール素子を利用した電流センサを用いて、各種電気機器のライン電流の電流値を検出することが行われている。
この電流センサでは、具体的には、ギャップを有するコアを用意し、測定対象となるライン電流がコアの中心軸上を通過するように配置する。そして、ギャップの間にホール素子を配置し、このホール素子に制御電流を流す。
この電流センサによれば、ライン電流に比例して発生する磁力は、コアで収束されて、ホール素子を通過する。すると、このホール素子は、磁力を電圧に変換して、検出信号として出力する。
【０００３】
ところで、以上の電流センサを構成するホール素子には、部品較差、固体差等に伴う固有のオフセット電圧が存在する。
そこで、トリミング方式またはチョッパ方式により、電流センサのオフセットを除去する方法が提案されている。
トリミング方式とは、ホール素子のオフセット電圧を予め測定しておき、この測定結果に基づいて、オフセット電圧を除去する手法である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３００３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このトリミング方式は、応答性が高いものの、予めオフセット電圧を測定する必要があるうえに、オフセット電圧は周囲温度の変化や時間の経過に伴って変化するという特性があるため、一度設定したオフセット電圧のレベルが変化する場合があった。
【０００５】
これに対し、チョッパ方式とは、電流センサに供給する電源の極性を所定の周波数で切り換えて、検出信号をチョッピング動作させることで、当該検出信号からオフセットを除去して出力する方法である。
このチョッパ方式によれば、オフセット電圧のレベルが変化しても、動的にオフセット電圧を除去できるが、チョッピング動作を行うため、応答性が低下する、という問題があった。
【０００６】
本発明は、オフセットを動的に除去でき、かつ、応答性が高い電流センサ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】
本発明の電流センサ（例えば、後述の電流センサ１）は、ホール素子を用いて出力導線（例えば、後述の出力導線２）に流れる電流を測定する電流センサであって、前記出力導線に流れる電流を検出して出力する第１電流センサ（例えば、後述の第１電流センサ１０）と、当該第１電流センサの出力信号をＡ／Ｄ変換して第１デジタルデータとして記憶する第１デジタル記憶手段（例えば、後述のＡ／Ｄコンバータ３１および第１記憶部３２）と、前記第１デジタルデータのうち所定値以下である区間を第１区間として検出する第１区間検出手段（例えば、後述の第１区間検出部３３）と、前記ホール素子（例えば、後述の第２ホール素子２１）の電源の極性を固定して、前記出力導線に流れる電流を検出し、所定のオフセット量を除去して出力する、トリミング方式の第２電流センサ（例えば、後述の第２電流センサ２０）と、前記第１デジタル記憶手段に同期して、前記第２電流センサの出力信号をＡ／Ｄ変換して第２デジタルデータとして記憶する第２デジタル記憶手段（例えば、後述のＡ／Ｄコンバータ４１および第２記憶部４２）と、前記第２デジタルデータについて、前記第１区間に相当する部分を第２区間として抽出し、当該第２区間のデジタルデータに基づいてオフセット量を演算するオフセット演算手段（例えば、後述のオフセット演算部４３）と、当該オフセット演算手段で演算したオフセット量を、前記所定のオフセット量として設定するオフセット設定手段（例えば、後述のオフセット設定部４４）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、第１電流センサから出力される第１デジタルデータが所定値以下になると、この所定値以下である区間を出力導線に電流が流れていない区間として判断し、第１区間として検出する。
そして、第２電流センサからの出力される第２デジタルデータについて、第１区間に対応する第２区間を抽出する。この第２区間は、出力導線に電流が流れていない区間であるから、この第２区間のデータ値は第２電流センサのオフセット量に略等しいと判断できるので、このオフセット量を第２電流センサの出力から除去する。
【０００９】
よって、出力導線に電流が流れていない状態が発生する度に、オフセット量を更新できるので、電流値の測定を中断することなく、オフセットを動的に除去できる。
また、第２電流センサは、応答性が高いトリミング方式の電流センサであるため、この第２電流センサの出力からオフセットを除去することで、応答性を確保できる。
【００１０】
この場合、前記第１区間検出手段が第１区間を検出すると、前記第１デジタル記憶手段および第２デジタル記憶手段による記憶処理を中断して、前記オフセット演算手段および前記オフセット設定手段を駆動し、当該オフセット設定手段による前記所定のオフセット量の設定が完了した後、前記記憶処理を再開することが好ましい。
【００１１】
この発明によれば、第１区間を検出してから所定のオフセット量の設定が完了するまでの間、第１デジタル記憶手段および第２デジタル記憶手段による記憶処理を中断したので、オフセット量の調整を円滑に行うことができる。
【００１２】
この場合、前記第１電流センサは、ホール素子（例えば、後述の第１ホール素子１１）を含んで構成され、当該ホール素子の電源の極性を切り換えて、検出信号をチョッピング動作させることで、当該検出信号からオフセットを除去して出力することが好ましい。
【００１３】
この発明によれば、第１電流センサをチョッパ方式の電流センサとしたので、検出信号からオフセットを確実に除去でき、出力導線に電流が流れていない第１区間を確実に検出できる。
【００１４】
この場合、前記第１区間に対応する第２区間は、前記第１区間よりも所定位相だけ早いことが好ましい。
【００１５】
第１電流センサとしてチョッパ方式の電流センサを用いると、トリミング方式の第２電流センサに対して応答時間の遅れが生じる。しかしながら、この発明によれば、第１区間に対応する第２区間を第１区間よりも所定位相だけ早くしたので、第１電流センサの第２電流センサに対する応答時間の遅れを解消できる。
【００１６】
この場合、前記第１電流センサは、出力導線に直列に接続されたシャント抵抗であることが好ましい。
【００１７】
この発明によれば、第１電流センサをシャント抵抗としたので、電流センサの製造コストを低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、出力導線に電流が流れていない状態が発生する度に、オフセット量を更新できるので、電流値の測定を中断することなく、オフセットを動的に除去できる。また、第２電流センサは、応答性が高いトリミング方式の電流センサであるため、この第２電流センサの出力からオフセットを除去することで、応答性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサ１の構成を示す図である。
電流センサ１は、第１電流センサ１０、第１デジタル記憶手段としてのＡ／Ｄコンバータ３１、第１デジタル記憶手段としての第１記憶部３２、第１区間検出手段としての第１区間検出部３３、第２電流センサ２０、第２デジタル記憶手段としてのＡ／Ｄコンバータ４１、第２デジタル記憶手段としての第２記憶部４２、オフセット演算手段としてのオフセット演算部４３、および、オフセット設定手段としてのオフセット設定部４４を備える。
【００２０】
第１電流センサ１０は、出力導線２に流れる電流を検出して出力する。
図２は、第１電流センサ１０の信号処理回路の構成を示す図である。
この第１電流センサ１０は、第１ホール素子１１、スイッチ回路網１２、および差動増幅器１３を備え、第１ホール素子１１の電源の極性を所定の周波数で切り換え可能なチョッパ方式の電流センサである。
【００２１】
差動増幅器１３は、入力される２つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器１３のゲインは、適切な値に設定されているものとする。
【００２２】
第１ホール素子１１は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子１１ａ、１１ｂと、これら１１ａ、１１ｂの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子１１ｃ、１１ｄと、を備える。
【００２３】
スイッチ回路網１２は、４つの切り換えスイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなる。スイッチＳａは、ホール端子１１ａを、定電流源１４または差動増幅器１３の正端子に接続する。スイッチＳｂは、ホール端子１１ｂを、グランドまたは差動増幅器１３の負端子に接続する。スイッチＳｃは、ホール端子１１ｃを、定電流源１４または差動増幅器１３の正端子に接続する。スイッチＳｄは、ホール端子１１ｄを、グランドまたは差動増幅器１３の負端子に接続する。
【００２４】
スイッチ回路網１２では、スイッチＳａ、Ｓｄ、Ｓｂ、Ｓｃを制御して、ホール端子１１ａを定電流源１４に接続し、ホール端子１１ｂをグランドに接続し、ホール端子１１ｃを差動増幅器１３の正端子に接続し、ホール端子１１ｄを差動増幅器１３の負端子に接続した状態と、ホール端子１１ａを差動増幅器１３の正端子に接続し、ホール端子１１ｂを差動増幅器１３の負端子に接続し、ホール端子１１ｃを定電流源１４に接続し、ホール端子１１ｄをグランドに接続した状態と、を切り換え可能となっている。
【００２５】
以上の第１電流センサ１０によれば、スイッチ回路網１２を制御することにより、定電流源１４から第１ホール素子１１に供給する電流の極性を切り換えて、出力信号の極性を反転できる。
【００２６】
第２電流センサ２０は、出力導線２に流れる電流を検出し、オフセット可変部２５により、所定のオフセット量を除去して出力する。
【００２７】
図３は、第２電流センサ２０の信号処理回路の構成を示す図である。
この第２電流センサ２０は、第２ホール素子２１、差動増幅器２２、を備え、第２ホール素子２１の電源の極性を固定した、トリミング方式の電流センサである。
【００２８】
差動増幅器２２は、入力される２つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器２２のゲインは、適切な値に設定されているものとする。
【００２９】
第２ホール素子２１は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子２１ａ、２１ｂと、これら２１ａ、２１ｂの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子２１ｃ、２１ｄと、を備える。
ホール端子２１ａは、定電流源２３に接続され、ホール端子２１ｂは、グランドに接続され、ホール端子２１ｃは、差動増幅器２２の正端子に接続され、ホール端子２１ｄは、差動増幅器２２の負端子に接続される。
【００３０】
オフセット可変部２５は、Ｄ／Ａコンバータであり、オフセット設定部４４からの出力信号をアナログ信号に変換して差動増幅器２２の負端子に出力することにより、第２ホール素子２１の検出信号から所定のオフセット量を除去する。
なお、本実施形態では、オフセット可変部２５を、Ｄ／Ａコンバータとしたが、これに限らず、ポテンションメータでもよい。
【００３１】
第１記憶部３２は、第１電流センサ１０から出力されてＡ／Ｄコンバータ３１でＡ／Ｄ変換された信号を、一定期間に亘って、第１デジタルデータとして記憶する。
この第１記憶部３２は、ＦｌＦＯ構造のメモリであり、例えば、図４に示すように、時刻ｔ０〜ｔ（ｎ−１）のデータを記憶する。
【００３２】
第１区間検出部３３は、第１デジタルデータのうち所定値以下である区間を第１区間として検出する。
ここで、一定期間とは、オフセット量を演算するのに必要な時間であり、所定値とは、例えば、ゼロである。
具体的には、図５示すように、ノイズを除去するために、４つの第１デジタルデータに基づく移動平均フィルタを用いる。すなわち、平均値演算手段３３１により、４つの第１デジタルデータの平均値を移動平均値として求める。そして、比較手段３３２により、この求めた移動平均値と所定値とを比較し、移動平均値が一定期間に亘って連続して所定値以下である場合には、この区間を第１区間として出力する。
【００３３】
第２記憶部４２は、第２電流センサ２０から出力されてＡ／Ｄコンバータ４１でＡ／Ｄ変換された信号を、一定期間に亘って、第２デジタルデータとして記憶する。
この第２記憶部４２は、第１記憶部３２と同様の構成である。
【００３４】
オフセット演算部４３は、第１区間検出部３３により第１区間を検出した場合には、第２記憶部４２に記憶した第２デジタルデータについて、第１区間に相当する部分を第２区間として抽出し、この第２区間の第２デジタルデータに基づいて、オフセット量を演算する。具体的には、この第２区間のデータ値がゼロとなるように、オフセット量を算出する。
【００３５】
ここで、チョッパ方式の第１電流センサ１０では、チョッピングノイズを抑えるために、ローパスフィルタを用いる。このローパスフィルタにより信号の高周波成分を除去できるが、信号に位相遅れが生じてしまう。これに対し、トリミング方式の第２電流センサ２０では、ローパスフィルタを用いないため、信号の位相遅れがほとんど生じない。
よって、チョッパ方式の第１電流センサ１０は、トリミング方式の第２電流センサ２０に比べて、応答時間が遅くなるので、第２区間を抽出する際には、この応答時間の遅れ分を考慮する必要がある。
【００３６】
具体的には、図６示すように、ノイズを除去するために、４つの第２デジタルデータに基づく移動平均フィルタを用いる。すなわち、平均値演算手段４３１により、４つの第２デジタルデータの平均値を移動平均値として求める。
ここで、第１電流センサ１０の応答時間の遅れを考慮すると、第２記憶部４２では、第１記憶部３２の時刻ｔ３〜ｔ６のデータを用いて求めた移動平均値（図５参照）に対しては、時刻ｔ４〜ｔ７のデータを用いて求めた移動平均値が相当する。
【００３７】
オフセット設定部４４は、オフセット演算部４３で算出したオフセット量を、オフセット可変部２５の所定のオフセット量として設定する。
【００３８】
以上の電流センサ１の動作を、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップＳ１では、第１電流センサ１０により、出力導線２に流れる電流を検出する。
ステップＳ２では、Ａ／Ｄコンバータ３１により、第１電流センサ１０の出力信号をＡ／Ｄ変換して第１デジタルデータを生成する。
ステップＳ３では、第１記憶部３２により、生成した第１デジタルデータを記憶する。
【００３９】
ステップＳ４では、第２電流センサ２０により、出力導線２に流れる電流を検出する。
ステップＳ５では、Ａ／Ｄコンバータ４１により、第２電流センサ２０の出力信号をＡ／Ｄ変換して第２デジタルデータを生成する。
ステップＳ６では、第２記憶部４２により、生成した第２デジタルデータを記憶する。
【００４０】
ステップＳ７では、第１区間検出部３３により、第１デジタルデータに基づいて、第１区間を検出する。具体的には、図８（ａ）に示すように、第１デジタルデータのデータ値のうち所定値ａ以下である区間を第１区間として検出する。この所定値ａは、ゼロまたはゼロに近い値である。
【００４１】
ステップＳ８では、オフセット演算部４３により、第１区間を検出したか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、第１記憶部３２および第２記憶部４２の記憶処理を一時的に中断して、ステップＳ９に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ１に戻る。
【００４２】
ステップＳ９では、オフセット演算部４３により、第２デジタルデータを読み出して、ステップＳ１０では、オフセット量を演算する。
具体的には、図８（ｂ）に示すように、第２デジタルデータについて、第１区間に相当する部分を第２区間として抽出する。この第２区間は、第１区間に対して位相が早くなっている。
第１区間は、データ値が所定値ａ以下、つまり、出力導線２の電流がほぼゼロである区間である。したがって、第２区間のデータ値を、第２電流センサ２０のオフセット量ｆとして扱うことができる。
【００４３】
ステップＳ１１では、オフセット設定部４４は、オフセット演算部４３で算出したオフセット量ｆを、オフセット可変部２５の所定のオフセット量として設定する。このオフセット量を設定した後、第１記憶部３２および第２記憶部４２の記憶処理を再開してステップＳ１に戻る。
【００４４】
本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）出力導線２に電流が流れていない状態が発生する度に、オフセット量を更新できるので、電流値の測定を中断することなく、オフセットを動的に除去できる。
また、第２電流センサ２０は、応答性が高いトリミング方式の電流センサであるため、この第２電流センサ２０の出力からオフセットを除去することで、応答性を確保できる。
【００４５】
（２）第１区間を検出してから所定のオフセット量ｆの設定が完了するまでの間、第１記憶部３２および第２記憶部４２による記憶処理を中断したので、オフセット量ｆの調整を円滑に行うことができる。
【００４６】
（３）第１電流センサ１０をチョッパ方式の電流センサとしたので、検出信号からオフセットを確実に除去でき、出力導線２に電流が流れていない第１区間を確実に検出できる。
【００４７】
（４）第１区間に対応する第２区間を第１区間よりも所定位相だけ早くしたので、第１電流センサ１０の第２電流センサ２０に対する応答時間の遅れを解消できる。
【００４８】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、第１電流センサ１０をチョッパ方式の電流センサとしたが、これに限らず、第１電流センサを、出力導線２に直列に接続されたシャント抵抗としてもよい。このようにすれば、電流センサ１の製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る電流センサの構成を示す図である。
【図２】前記実施形態に係る電流センサの第１電流センサの信号処理回路の構成を示す図である。
【図３】前記実施形態に係る電流センサの第２電流センサの信号処理回路の構成を示す図である。
【図４】前記実施形態に係る電流センサの第１デジタル記憶手段の動作を説明するための図である。
【図５】前記実施形態に係る電流センサの第１区間検出手段の動作を説明するための図である。
【図６】前記実施形態に係る電流センサのオフセット演算手段の動作を説明するための図である。
【図７】前記実施形態に係る電流センサの動作を示すフローチャートである。
【図８】前記実施形態に係る電流センサの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１      電流センサ
２      出力導線
１０    第１電流センサ
１１    第１ホール素子
２０    第２電流センサ
２１    第２ホール素子
３１    Ａ／Ｄコンバータ（第１デジタル記憶手段）
３２    第１記憶部（第１デジタル記憶手段）
３３    第１区間検出部（第１区間検出手段）
４１    Ａ／Ｄコンバータ（第２デジタル記憶手段）
４２    第２記憶部（第２デジタル記憶手段）
４３    オフセット演算部（オフセット演算手段）
４４    オフセット設定部（オフセット設定手段）
【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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