JP2017142068A - 電流センサ及びそのフィルタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化にかかわらず不平衡電圧を抑制して高精度な測定を可能とし、且つフルスケールの感度を向上する。
【解決手段】計測電流に対応する磁束を発生する磁性体コアと、前記磁性体コアに形成されたギャップに配置され、該ギャップ内の磁束密度に対応する電圧を出力する一対のホール素子と、前記一対のホール素子の各々において、制御信号に基づき電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチング手段と、前記スイッチング手段に入力される前記制御信号が、前記一対のホール素子において互いに反転するように該制御信号を出力する制御信号出力手段と、各ホール素子に対し、前記スイッチング手段により入れ替えられる出力端子から順次出力されたホール電圧の平均値を算出する演算手段と、前記演算手段により各ホール素子について算出されたホール電圧を加算して出力する加算手段と、前記加算手段の後段に設けられるクローズドループ巻線とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサ及びそのフィルタリング方法に関し、極めて安定した温度特性を有するとともに、高精度であり、且つフルスケールの感度を向上することのできる電流センサ及びそのフィルタリング方法に関する。

近年、自家発電やデータセンタにおいて直流給電の要求が高まっている。そのため、これに対応可能な取引計器用電力計に用いる直流センサが必要である。
直流を測定する直流センサには、一般的にホール素子が用いられている。しかしながら、ホール素子を用いる場合、不平衡電圧（零磁束において発生する出力電圧）や、温度特性による不平衡電圧のばらつき、フルスケールの感度誤差などが存在する。

特許文献１には、ホール素子の入出力をスイッチング手段により切り替え、スイッチング手段を介して得られた２つのホール電圧の平均値をとることにより、不平衡電圧をホール電圧から分離する方法（磁場検出器）が開示されている。
しかしながら、この方法にあっては、温度変化によって不平衡電圧や感度が変化するといった課題があった。

このような課題に対し、特許文献２には、２つのホール素子をギャップ内（の磁界中）に互いに反転配置し、双方の温度特性を相殺させることにより温度補正を行う電流計測装置が開示されている。この方法によれば、簡易に温度補正を行うことができるため、オフセットに関わる温度センサなどの補正回路を必要としないというメリットがある。

特開昭５７−４２８６５号公報 特開平７−２９４５６１号公報

前記のように特許文献１に開示のスイッチング手段によりホール素子の入出力を切り替える方法にあっては、温度変化に伴う不平衡電圧の変化という課題があり、これを特許文献２に開示された方法により解決することができる。
しかしながら、特許文献１に開示の方法にあっては、スイッチングノイズが発生するという別の課題があり、これを特許文献２に開示された方法により解決することはできなかった。
また、前記ノイズを低減するには、一般にローパスフィルタ等が用いられるが、そのようなフィルタを用いる場合、電流センサとしての周波数帯域が狭くなるという課題があった。

本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、直流電流を測定する電流センサにおいて、温度変化にかかわらず不平衡電圧を抑制して高精度な測定を可能とし、且つフルスケールの感度を向上することができる電流センサ及びそのフィルタリング方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る電流センサは、計測電流に対応する磁束を発生する磁性体コアと、前記磁性体コアに形成されたギャップに配置され、該ギャップ内の磁束密度に対応する電圧を出力する一対のホール素子と、前記一対のホール素子の各々において、制御信号に基づき電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチング手段と、前記スイッチング手段に入力される前記制御信号が、前記一対のホール素子において互いに反転するように該制御信号を出力する制御信号出力手段と、各ホール素子に対し、前記スイッチング手段により入れ替えられる出力端子から順次出力されたホール電圧の平均値を算出する演算手段と、前記演算手段により各ホール素子について算出されたホール電圧を加算して出力する加算手段と、前記加算手段の後段に設けられるクローズドループ巻線とを備え、前記加算手段から出力されるホール電圧に基づく測定電流に対して、前記クローズドループ巻線の巻数に比例したフィードバック電流が印加され、前記スイッチング手段によるスイッチングノイズが低減されることに特徴を有する。

このような構成によれば、ホール素子の電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチング動作を行い、それぞれの場合に得られたホール電圧の平均値を求めることにより不平衡電圧がホール電圧から分離される。
また、２つのホール素子が磁界中に反転配置されるため、双方の出力の加算によって、温度変化にかかわらず不平衡電圧を相殺することができ、倍の出力のホール電圧を得ることができる。
さらには、クローズドループ型のフィルタリングによって、従来の周波数帯域を狭くするフィルタリングとは異なり、スイッチングノイズを低減しつつ、センサの周波数帯域の範囲を伸ばし、フルスケールの感度誤差を格段に改善することができる。

また、前記した課題を解決するために、本発明に係る電流センサのフィルタリング方法は、磁性体コアに形成されたギャップに配置された一対のホール素子により、前記ギャップ内の磁束密度に対応する電圧を出力する電流センサのフィルタリング方法であって、前記一対のホール素子の各々において、制御信号に基づき電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチングを行うステップと、前記スイッチングに用いる制御信号が、前記一対のホール素子において互いに反転するように該制御信号を出力するステップと、各ホール素子に対し、前記スイッチングにより入れ替えられる出力端子から順次出力されたホール電圧の平均値を算出するステップと、前記各ホール素子について算出されたホール電圧の平均値を加算して出力するステップと、前記加算により得られたホール電圧に基づく測定電流に対して、該測定電流が流れるクローズドループ巻線の巻数に比例したフィードバック電流を印加し、前記スイッチングによるノイズを低減するステップとを有することに特徴を有する。

このようなフィルタリング方法によれば、クローズドループ型のフィルタリングによって、従来の周波数帯域を狭くするフィルタリングとは異なり、スイッチングノイズを低減しつつ、センサの周波数帯域の範囲を伸ばし、フルスケールの感度誤差を格段に改善することができる。

直流電流を測定する電流センサにおいて、温度変化にかかわらず不平衡電圧を抑制して高精度な測定を可能とし、且つフルスケールの感度を向上することができる電流センサを得ることができる。

図１は、本発明に係る電流センサの回路図である。 図２は、図１の回路が有するホールＩＣの内部構成を示す回路図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）は、比較例としての電流計測結果を示すグラフである。 図４（ａ）、図４（ｂ）は、実施例としての電流計測結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る電流センサの実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る電流センサの回路図（ブロック図）である。図２は、図１の回路が有するホールＩＣの内部構成を示す回路図である。

図１に示す電流センサ１の回路は、電源回路２と、磁性体コア（図示せず）のギャップ内に配置されるホール素子部３と、前記ホール素子部３の出力（ホール電圧）が入力される加算器４（加算手段）と、加算器４の出力にフィルタ処理を行うフィルタ部５とを有する。
例えば定電圧回路からなる電源回路２は、バッテリ電源１１に抵抗Ｒ１とツェナーダイオード１２とが直列に接続されている。即ち抵抗Ｒ１にはツェナーダイオード１２のカソードが接続され、このカソードの出力がホール素子部３に印加されるようになっている。
尚、ホール素子部３が定電流で動作する仕様とする場合には、電源回路２を定電流回路として構成してよい。

また、ホール素子部３は、図１に示すように一対のホールＩＣ１３、１４が並列に接続されて構成されている。ホールＩＣ１３、１４は、磁性体コア（図示せず）のギャップに形成された磁界中において互いに反転配置され、磁束密度に対応するホール電圧を出力する。
ホールＩＣ１３、１４は、それぞれ図２に示すように十字型のホール素子２１と、このホール素子２１の電極ａ，ｂ，ｃ，ｄに接続されたマルチプレクサ２３（スイッチング手段）と、マルチプレクサ２３を介して得られたホール素子２１の出力が入力される差動増幅器２４とを有する。さらにホールＩＣ１３，１４は、差動増幅器２４の出力したホール電圧をピークホールドする第１、第２のピークホールド回路２５、２６と、第１、第２のピークホールド回路２５、２６が保持するホール電圧の平均を算出する演算器２７（演算手段）とを有する。

マルチプレクサ２３は、そのセレクトスイッチへの制御信号に応じ、第１の動作モードにおいて、ホール素子２１の電極ａ，ｂを電源回路２に接続し、ホール素子２１の電極ｃ、ｄを差動増幅器２４に接続する。
また、第２の動作モードにおいて、ホール素子２１の電極ｃ、ｄを電源回路２に接続し、ホール素子２１の電極ａ，ｂを差動増幅器２４に接続するように機能する。
尚、前記差動増幅器２４は、ホール素子２１からの出力の差動をとり、ホール電圧を出力するものである。

また、図１、図２に示すように、ホールＩＣ１３、１４には、制御回路３０（制御信号出力手段）からの制御信号Ｃｔが入力され、例えばホールＩＣ１３のマルチプレクサ２３のセレクトスイッチに制御信号Ｃｔが入力されると、同じタイミングでホールＩＣ１４のマルチプレクサ２３のセレクトスイッチに制御信号Ｃｔの反転信号が入力されるようになっている。

即ち、ホールＩＣ１３、１４においては、一方が第１の動作モードのときに、他方が第２の動作モードとなり、ホール素子２１の電極ａ，ｂの接続先と電極ｃ、ｄの接続先とが互いに異なるように制御される。
これにより、同じ温度ドリフトの傾向を有するホールＩＣ１３、１４のホール素子２１が、同時にそれぞれ正規動作と反転動作とをすることになる。

また、マルチプレクサ２３への制御信号Ｃｔが所定のタイミングで交互に切り替えられることにより、ホールＩＣ１３，１４の各々において、ホール素子の電流端子と出力端子とが交互に入れ替わる（第１の動作モードと第２の動作モードが切り替えられる）。このため、それぞれの動作モードの場合に得られたホール電圧の平均値が演算器２７で求めることにより不平衡電圧がホール電圧から分離される。

また、加算器４は、ホールＩＣ１３，１４から入力されたホール電圧ＶＨを加算し、それを増幅して出力するものである。
ホールＩＣ１３，１４のホール素子２１の温度ドリフトの特性は同じであり、ホールＩＣ、１４は同時にそれぞれ正規動作と反転動作するものであるから、不平衡電圧ＶＨ０の正負符号は反転したものとなる。
したがって、ホールＩＣ１３、１４の出力の加算を求めることにより、式（１）のように不平衡電圧ＶＨ０は温度変化にかかわらず相殺され、また、ホールＩＣ１３、１４の出力は倍の出力のホール電圧ＶＨが得られるようになっている。
（数１）
（ＶＨ＋ＶＨ０）＋（ＶＨ−ＶＨ０）＝２ＶＨ ・・・（１）

また、マルチプレクサ２３を有するホールＩＣ１３，１４にあっては、スイッチングノイズが発生するため、カットオフ周波数を下げるための強めのフィルタを用い、ノイズを抑制することが望ましい。
そのため、本願発明に係る電流センサにあっては、図１に示すようにフィルタとして機能するクローズドループ型のフィルタ部５を有する。

フィルタ部５は、クローズドループ巻線２８と抵抗Ｒ２とを有し、加算器４から出力されるホール電圧に基づく測定電流に対して、クローズドループ巻線２８の巻数に比例したフィードバック電流を印加することにより測定電流を出力する。これにより、発生する磁束を零とし、ホール素子が有する感度の温度特性の影響を低減するフィルタ効果を得ることができる。また、フィルタ効果によりノイズを抑制しつつ、センサの周波数帯域の範囲を伸ばし、フルスケールの感度誤差を格段に改善することができる。

このように構成された電流センサ１にあっては、ホール素子部３において制御回路３０よりホールＩＣ１３，１４のマルチプレクサ２３に制御信号Ｃｔ（或いはその反転信号）が入力され、ホールＩＣ１３のホール素子２１とホールＩＣ１４のホール素子２１とがそれぞれ正規動作、反転動作するようになされる（例えば第１の動作モード）。

また、電源回路２から所定の定電圧がホールＩＣ１３のホール素子２１とホールＩＣ１４のホール素子２１とに印加され、各ホールＩＣ１３、１４では差動増幅器２４により得られたホール電圧をサンプルホールド回路２５に出力する。
次いで、制御回路３０により制御信号Ｃｔが反転され、ホールＩＣ１３のホール素子２１とホールＩＣ１４のホール素子２１とがそれぞれ反転動作、正規動作するようになされる（例えば第２の動作モード）。

第１の動作モードと同様に、電源回路２から所定の定電圧がホールＩＣ１３のホール素子２１とホールＩＣ１４のホール素子２１とに印加され、各ホールＩＣ１３、１４では差動増幅器２４により得られたホール電圧をサンプルホールド回路２６に出力する。
そして各ホールＩＣ１３、１４において、サンプルホールド回路２５、２６にそれぞれ保持されたホール電圧が演算器２７に入力され、２つのホールド電圧の平均値が求められる。これによりホールＩＣ１３、１４においては、それぞれ不平衡電圧が分離されたホール電圧が得られる。

また、ホールＩＣ１３，１４から夫々出力されたホール電圧は、加算器４において加算される。ここで、ホールＩＣ１３のホール素子２１とホールＩＣ１４のホール素子２１とはそれぞれ正規動作、反転動作（或いは、その逆）するように配置されているため、ホールＩＣ１３，１４の出力に含まれる不平衡電圧の正負符号が反転しており、この加算処理により温度変化にかかわらず不平衡電圧が相殺される。また、加算されたホール電圧の出力レベルが倍となり、高精度の測定結果が得られる。
更には、フィルタ部５において、前記加算器４の出力に対し、クローズドループ巻線２８の巻数に比例したフィードバック電流が印加され、フィルタ効果によりスイッチングノイズを低減しつつ周波数帯域が広く確保される。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、ホール素子の電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチング動作を行い、それぞれの場合に得られたホール電圧の平均値を求めることにより不平衡電圧がホール電圧から分離される。
また、２つのホール素子２１が磁界中に反転配置されるため（ホールＩＣ１３、１４が互いに正規動作、反転動作する）、双方の出力の加算によって、温度変化にかかわらず不平衡電圧を相殺することができ、倍の出力のホール電圧を得ることができる。
さらには、クローズドループ型のフィルタリングによって、従来の周波数帯域を狭くするフィルタリングとは異なり、スイッチングノイズを低減しつつ、センサの周波数帯域の範囲を伸ばし、フルスケールの感度誤差を格段に改善することができる。

尚、前記実施の形態においては、ホールＩＣ１３、１４の中にマルチプレクサ２３を含む構成とした。この場合には、ＩＣパッケージの中にスイッチング回路を含むため、比較的低コストにセンサを構築することができる。
しかしながら、本発明に係る電流センサにあっては、この構成に限定されるものではなく、あらゆるパッケージング構成を採用することができる。例えば、ホールＩＣ１３、１４がマルチプレクサ２３、及びその後段の回路を含まない構成であってもよい。或いは、マルチプレクサ２３を含むが、その後段の回路を含まない構成としてもよい。或いは、全ての回路をワンパッケージにしたものでもよい。

本発明に係る電流センサについて、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した電流センサを作製し、特にクローズドループ型フィルタの効果について検証した。

図３に本発明の電流センサ（クローズドループ型フィルタ有）を用いて計測した波形を示す。図３（ａ）に被計測電流０Ａのときの計測結果、図３（ｂ）に被計測電流１Ａ（５００Ｈｚ）のときの計測結果を示す。
図４に本発明の電流センサからクローズドループ型フィルタを外して計測した波形を示す。図４（ａ）に被計測電流０Ａのときの計測結果、図４（ｂ）に被計測電流１Ａ（５００Ｈｚ）のときの計測結果を示す。
図３、図４の波形に示されるように、クローズドループ型フィルタを採用することにより、カットオフ周波数が下がり、ノイズが大きく低減されることを確認した。

１ 電流センサ
２ 電源部
３ ホール素子部
４ 加算器（加算手段）
５ フィルタ部
１１ バッテリ電源
１２ ツェナーダイオード
１３ ホールＩＣ
１４ ホールＩＣ
２１ ホール素子
２３ マルチプレクサ（スイッチング手段）
２４ 差動増幅器
２５ サンプルホールド回路
２６ サンプルホールド回路
２７ 演算器（演算手段）
２８ クローズドループ巻線
３０ 制御回路（制御信号出力手段）

Claims (2)

1. 計測電流に対応する磁束を発生する磁性体コアと、
   前記磁性体コアに形成されたギャップに配置され、該ギャップ内の磁束密度に対応する電圧を出力する一対のホール素子と、
   前記一対のホール素子の各々において、制御信号に基づき電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段に入力される前記制御信号が、前記一対のホール素子において互いに反転するように該制御信号を出力する制御信号出力手段と、
   各ホール素子に対し、前記スイッチング手段により入れ替えられる出力端子から順次出力されたホール電圧の平均値を算出する演算手段と、
   前記演算手段により各ホール素子について算出されたホール電圧を加算して出力する加算手段と、
   前記加算手段の後段に設けられるクローズドループ巻線とを備え、
   前記加算手段から出力されるホール電圧に基づく測定電流に対して、前記クローズドループ巻線の巻数に比例したフィードバック電流が印加され、前記スイッチング手段による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. 磁性体コアに形成されたギャップに配置された一対のホール素子により、前記ギャップ内の磁束密度に対応する電圧を出力する電流センサのフィルタリング方法であって、
   前記一対のホール素子の各々において、制御信号に基づき電流端子と出力端子とを交互に入れ替えるスイッチングを行うステップと、
   前記スイッチングに用いる制御信号が、前記一対のホール素子において互いに反転するように該制御信号を出力するステップと、
   各ホール素子に対し、前記スイッチングにより入れ替えられる出力端子から順次出力されたホール電圧の平均値を算出するステップと、
   前記各ホール素子について算出されたホール電圧の平均値を加算して出力するステップと、
   前記加算により得られたホール電圧に基づく測定電流に対して、該測定電流が流れるクローズドループ巻線の巻数に比例したフィードバック電流を印加し、前記スイッチングによるノイズを低減するステップとを有することを特徴とする電流センサのフィルタリング方法。

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