JP2006003209A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子など磁電変換素子を利用した電流検出器において、ホール素子が有する温度特性のために電流測定精度の向上が阻害されていた点を改良し、温度補償回路を付加することによって高精度で安価なホール素子を利用した電流検出器を提供せんとするものである。
【解決手段】磁性体の磁路中に配置された磁電変換素子を用いるホール電流検出器において、ホール素子と、温度感知素子と、ホール素子を駆動するための定電流発生回路と、温度補償信号やオフセット電圧調整に必要な定電圧発生回路と、増幅器からなる温度補償信号発生回路と、ホール素子からの出力電圧を増幅する電圧増幅回路と、温度補償回路とを具える。この温度補償回路によって前記温度感知素子の特性を利用した温度補正信号を、ホール素子からの出力電圧を増幅する回路の途中に加算して温度補償を行い温度ドリフトのきわめて少ないホール電流検出器を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は電流検出器、特に、ホール素子などの磁電変換素子を利用した電流検出器の、温度補償回路に関するものである。

従来の電流検出器、例えば、ホール電流センサーの電流検出方式として、図２に示すような磁気比例方式（Open-loop type）の電流検出器、即ち、開磁路磁性体中に被検出電流導体を通し、磁性体の空隙内にホール素子を介装し、被検出電流導体を流れる電流Ifにより発生する磁束を、ホール素子などの磁電変換素子で電圧Vhに変換し、増幅器を介して出力するようにした構成の電流検出器、および、図３に示すような磁気平衡式（Closed-loop type）の電流検出器、即ち、二次巻線を卷装した開磁路磁性体中に被検出電流導体を通し、磁性体の空隙内にホール素子を介装し、このホール素子側に増幅器を設け、この増幅器の出力を上記二次巻線に接続し、被検出電流導体を流れる電流Ifにより発生する磁束を、ホール素子などの磁電変換素子で電圧Vhに変換し、増幅器を介して電流増幅し、電流Ifによって発生した磁束を打ち消す方向に卷装された上記二次巻線に流すように構成された電流検出器、があり、この際、磁気回路の磁束は限りなく零に近くなり、電流値Ioは一次と二次の巻線比によって決まる。

これら両方式の電流検出器は共に実用に供されているが、両方式の電流検出器を比較するに、構成としては開磁路磁性体に二次巻線を卷装した分だけ、磁気比例方式の方が簡単であるが、図２、図３のいずれの電流検出方式においても、オフセット電圧の温度ドリフトは、使用するホール素子など磁電変換素子自体の特性によって定まってしまうのが現状である。
即ち、ホール素子など磁電変換素子を利用した電流検出器において、ホール素子が有する温度特性のために電流測定精度を向上させることが阻害されていた。

また、種々の温度に対する温度特性を有するホール素子を用意するものとすると、夫々の温度に対応温度特性を有する多数種類のホール素子を製造する必要があり、ホール素子自体が高コストとなる難点がある。

本発明の目的は、ホール素子など磁電変換素子を利用した電流検出器において、ホール素子が有する温度特性のために電流測定精度の向上が阻害されていた点を改善するための温度補償回路を付加することによって、既存の廉価なホール素子を利用して高精度の電流検出器を提供せんとするものである。

本発明電流検出器は、磁性体の磁路中に配置された磁電変換素子を用いるホール電流検出器において、ホール素子と、温度感知素子と、ホール素子を駆動するための定電流発生回路と、温度補償信号やオフセット電圧調整に必要な定電圧発生回路と、増幅器からなる温度補償信号発生回路と、ホール素子からの出力電圧を増幅する電圧増幅回路とを具え、前記温度感知素子の特性を利用した温度補正信号を、ホール素子からの出力電圧を増幅する回路の途中に加算するようにした温度補償回路を用いるようにしたことを特徴とする。
前記温度補償回路は、常温とそれ以外の他温度におけるオフセット電圧の差を相殺させることができる温度補正電圧を前記増幅回路に加算し、ホール素子自体に起因する温度ドリフトを相殺するようにする。

本発明はこの点を改善するために、ホール素子からの出力電圧を２段で増幅し、1 段目の増幅器の後に温度感知素子から得た信号によって温度補正信号を増幅器に加算せしめ、表１の特性比較表に示すように、きわめて測定精度の高いホール電流センサーを得ることに成功した。又、実質使用温度範囲(20℃から60℃)におけるオフセット電圧のドリフトは0.0013%/℃と磁気平衡式の1/7.6 倍、磁気例式の1/19 になった。

ホール素子など磁電変換素子を利用した電流検出器(ホール電流検出器、ホール電流センサー、HCT等と云われており、以下ホール電流センサーと称する)において、ホール素子で磁電変換された出力電圧はその値がmV単位と小さく、実用に供するためは電子増幅器を用いて増幅する必要がある。
図１に示すように、本発明電流検出器は、構成の簡単な磁気比例方式の電流検出器を使用し、これに本発明による温度補償回路を採用して、安価なホール素子を用いて高精度の電流検出器を構成する。
図２に示すような従来例の構成の電流検出器、即ち、開磁路磁性体中に被検出電流導体を通し、磁性体の空隙内にホール素子を介装し、被検出電流導体を流れる電流Ifにより発生する磁束を、ホール素子などの磁電変換素子で電圧Vhに変換し、この変換された電圧Vhを増幅器Amp１を介して出力する電流検出器を用い、これにさらに増幅器Amp2を接続して出力するようにした構成し、このホール素子に対する温度感知素子と、オフセット電圧の温度ドリフトを補償するオフセットの温度補正信号発生回路と、出力電圧温度補正信号発生回路とを図示のように接続して本発明による電流検出器の温度補償回路を構成する。

図４は本発明電流検出器の温度補償回路を実施する回路のブロック図である。図４において、演算増幅器のような増幅器OP1からなる回路ブロックＡは図１に示す磁性体の磁路中に設置されたホール素子H1を駆動させるための定電流発生回路、増幅器OP2 からなる回路ブロックＢは温度補償信号やオフセット電圧調整に必要な定電圧発生回路、増幅器OP3,OP4 からなる回路ブロックＣは温度補償信号を発生するための回路、増幅器OP5,OP6からなる回路ブロックＤはホール素子からの出力電圧を増幅する回路である。又VR1,VR2,VR3,VR4は回路常数を調整するための半固定可変抵抗器で、H1はホール素子、TR1,TR2は温度によって抵抗値が変化する温度感知素子である。
これら回路素子を図４に示すように接続配置して本発明電流検出器の温度補償回路を構成する。

上記回路の常数を以下に示す手順により調整することによって、本発明の目的とする所の温度ドリフトのきわめて少ないホール電流検出器を得ることができる。

1) 室温中での調整
常温又は25℃において、図４の回路ブロックにあるP1点が0ボルトになるように可変抵抗VR4を調整した後可変部を固定し、可変抵抗VR3は予め後工程の調整が容易なように可変部をほぼ中点に設定しておく。更に出力端子３で当該電流検出器の零電流における出力電圧、即ちオフセット電圧がゼロになるように可変抵抗VR2を調整すると共に当該電流検出器としての感度を可変抵抗VR1で調整し固定する。本発明の実施例では100Aにおける出力電圧を4Vに、オフセット電圧を約0.002V に調整した。

2) 高温での調整
当該電流検出器を常温又は25℃以外の任意な温度、本発明の実施の場合は80℃において高温時の調整を行った。即ち、80℃において最終出力端子３がゼロになる様に可変抵抗VR3を調整し固定する。

上記手順による温度補償の動作説明は以下の如くである。
図４において、可変抵抗VR2は温度補償を伴わない通常のオフセット調整用で、このオフセット電圧はホール素子自身の温度変動によって変化する。その電圧変動差をここでΔVと定める。(所謂オフセット電圧の温度ドリフトで温度補償を行わない場合は0.025%/℃で変化する。)

一方、温度感知素子TR1、VR4、その他の固定抵抗から構成されたP1 点の電圧は、温度感知素子の特性により温度変化と共に変化する。この際予め温度感知素子TR1、VR4、その他の固定抵抗とを組合せる常数割合は、ホール素子によるオフセット電圧の温度変化率ΔVoに相当するように定めておく。

温度補正用の信号電圧となるP1点の電圧は、増幅器OP3, OP4からなる回路ブロックＣの可変抵抗VR3を経由し、可変抵抗VR2で調整された出力端子３におけるオフセト電圧を相殺するよう増幅器OP6 のバイアスとして加算される。

可変抵抗VR3 はホール素子によってはオフセットの温度ドリフトが周囲温度に対して、正又は負の方向に変化をするものがあるが、可変抵抗VR3によって前記ΔVo を相殺することができる電圧及び極性を選択調整することができる。

温度感知素子TR2を使用して増幅器OP6の増幅率を変化させることにより当該ホール電流検出器の出力温度特性を改善することができる。
本実施例では、ホール素子の出力電圧は、周囲温度の上昇に伴い直線的に減少するので、温度上昇に伴い増幅率が上昇するように、温度感知素子TR2と固定抵抗を増幅回路の倍率調整抵抗として使用する。

上述した本発明電流検出器の温度補償回路を用いて実験を行った結果、図５に示すようなオフセット電圧の温度特性および図６に示すような出力電圧温度特性が得られた。

ホール電流検出器の特性上、最も重要なオフセット電圧の温度ドリフトは、−20℃から＋80℃の範囲で0.0075 %/℃と良好な結果が得られた。更に図５から使用温度範囲が、本発明電流検出器で最も良く使用される20℃から60℃の範囲では0.0013 %/℃となった。

この数値は周囲温度が20℃から60℃の範囲において、従来最も良いとされている磁気平衡式の凡そ1/7.6、−20℃から＋80℃の範囲では1/1.3となった。又出力の温度特性も磁気比例式に比べて1/10と小さく、本発明回路を採用することによって磁気比例方式に温度補償を施した温度補償磁気比例式は、磁気平衡式に同等又は上回るホール電流検出器を得ることができた。

本方式による電流検出器は、磁気平衡式に見られる電流帰還用の2 次コイルを有さないので軽量、単純構造であり、且つ検出電流が大きい程、コストメリットを得ることができる。ちなみに1000A 以上の電流検出では、製造コストは磁気平衡式に比べて1/10程度で製造することが可能である。
さらに、使用するホール素子自体も、所望の温度特性を有する高価なホール素子を製造する必要はなく、既存の廉価なホール素子を使用することができる。

本発明電流検出器は、鉄道車両、エレベータ等の制御装置、AC・DCサーボ・大型インバータ等の回転機器制御装置、燃料電池・太陽発電装置等の充放電電流検出器、溶接機、工業用ロボット、空調機、等のFA機器、めっき装置、配電盤、CPU等の多方面における用途があり、特に、500Aを超える大電流の機器では小型軽量且つコスト面で多大の利点を得ることができる。

図１は本発明による温度補償磁気比例方式の電流検出器の概要を示す構成図であり、 図２は従来の磁気比例方式による電流検出器の概要を示す構成図であり、 図３は従来の磁気平衡方式による電流検出器の概要を示す構成図であり、 図４は本発明電流検出器の温度補償回路を示す回路ブロック図であり、 図５は本発明電流検出器によるオフセット電圧温度特性を示す説明図であり、 図６は本発明電流検出器による出力電圧の温度特性を示す説明図である。

符号の説明

３ 出力端子
If 被検出電流
Vh ホール素子の出力電圧
Ａ 定電流発生回路
Ｂ 定電圧発生回路
Ｃ 温度補償信号発生回路
Ｄ 電圧増幅回路
H1 ホール素子
TR1,TR2 温度感知素子
VR1,VR2,VR3,VR4 半固定可変抵抗器

Claims (2)

1. 磁性体の磁路中に配置された磁電変換素子を用いるホール電流検出器において、ホール素子と、温度感知素子と、ホール素子を駆動するための定電流発生回路と、温度補償信号やオフセット電圧調整に必要な定電圧発生回路と、増幅器を具える温度補償信号発生回路と、ホール素子からの出力電圧を増幅する電圧増幅回路とを具え、前記温度感知素子の特性を利用した温度補正信号を、ホール素子からの出力電圧を増幅する回路の途中に加算するようにした温度補償回路を用いることを特徴とする電流検出器。
2. 前記温度補償回路は、常温と該常温以外の他温度におけるオフセット電圧の差を相殺させ得る温度補正電圧を前記増幅回路に加算し、ホール素子自体に起因する温度ドリフトを相殺するようにしたことを特徴とした請求項１に記載のホール電流検出器。

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