JP2021117056A - 電流検出装置および電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流検出装置の電流検出精度を向上すること。【解決手段】シャント抵抗は負荷に対して直列に接続される。増幅回路はシャント抵抗の一端に生じる第一電圧と、シャント抵抗の他端に生じる第二電圧とが入力され、負荷電流に相関した電圧を出力する。変換回路は増幅回路から出力される電圧のレベルを変換する。増幅回路は、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して得られる電圧と基準電圧との和に相当する電圧を出力する。変換回路は、和に相当する電圧から基準電圧を低減することで、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して得られる電圧であって、負荷に流れる負荷電流に比例した電圧を出力する。【選択図】 図３

Description

本発明は負荷に流れる電流を検出する電流検出装置および電源装置に関する。

特許文献１によれば、シャント抵抗を用いて負荷に流れる電流を検出する回路が提案されている。具体的には、シャント抵抗の一端に生じる電圧を分圧回路で分圧し、分圧回路の出力電圧をインピーダンス変換回路で変換する。同様にシャント抵抗の他端に生じる電圧をもう一つの分圧回路で分圧し、この分圧回路の出力電圧をインピーダンス変換回路で変換する。二つのインピーダンス変換回路からそれぞれ出力される電圧を差動増幅回路で増幅することで、負荷電流に比例した電圧が得られる。なお、インピーダンス変換回路はオペアンプを有している。オペアンプには入力可能電圧の上限値（耐圧）が規定されている。そこで、オペアンプの耐圧を超えないように、分圧回路は、シャント抵抗の電圧を低減してオペアンプへの入力電圧を生成する。

特開２００１−８３１８３号公報

分圧回路は複数の抵抗により形成されるが、これらの抵抗は製造上の誤差（個体差）を有している。特許文献１に記載された電流検出回路による電流の検出精度は、分圧回路を構成する抵抗の誤差の影響を受けやすい。そこで、本発明は、電流検出装置の電流検出精度を向上することを目的とする。

本発明は、たとえば、
負荷に対して直列に接続されたシャント抵抗と、
前記シャント抵抗の一端に生じる第一電圧と、前記シャント抵抗の他端に生じる第二電圧とが入力され、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して前記負荷に流れる負荷電流に相関した電圧を出力する差動増幅回路と、
基準電圧を生成する基準電圧源と、
前記差動増幅回路の後段に接続され、前記差動増幅回路から出力される電圧のレベルを変換する変換回路と、を有し、
前記差動増幅回路は、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧と前記基準電圧との和に相当する電圧を出力するように構成されており、
前記変換回路は、前記和に相当する電圧から前記基準電圧を低減することで、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧であって、前記負荷に流れる負荷電流に比例した電圧を出力するように構成されていることを特徴とする電流検出装置を提供する。

本発明によれば、電流検出装置の電流検出精度が向上する。

電源装置を説明する図 比較例の電流検出装置を示す図 実施例の電流検出装置を示す図 負荷の一例を示す図

以下、添付図面を参照して実施形態が詳しく説明される。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一または同様の構成に同一の参照番号が付され、重複した説明は省略される。

図１が示すように。商用電源１０１は、電源装置１０２に対して交流電力を供給する交流電源である。電源装置１０２は、商用電源１０１から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷１０３に供給する。負荷１０３は、たとえば、画像形成装置においてシートを搬送するローラを駆動するＤＣモータなどである。電源装置１０２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０４と電流検出装置１０５を有している。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０４は交流を直流に変換する電源回路である。電流検出装置１０５は負荷１０３に流れる負荷電流を検出する。電流検出装置１０５の一端はＡＣ／ＤＣコンバータ１０４に接続されている。電流検出装置１０５の他端は負荷１０３に接続されている。

●比較例
図２は比較例としての電流検出装置１０５を示す回路図である。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０４から負荷１０３に対して負荷電流が流れるラインにシャント抵抗Ｒ０が設けられている。つまり、シャント抵抗Ｒ０は負荷１０３に対して直列に接続されている。

分圧回路２２０は、シャント抵抗Ｒ０の一端（前段）の電位（電圧Ｖ１）を抵抗Ｒ２１、Ｒ２２により分圧して電圧Ｖ３を生成する。分圧回路２３０は、シャント抵抗Ｒ０の他端（後段）の電位（電圧Ｖ２）を抵抗Ｒ３１、Ｒ３２により分圧して電圧Ｖ４を生成する。図２から明らかなように、電圧Ｖ１は電圧Ｖ２よりも高い。インピーダンス変換回路２４０は、分圧回路２２０の出力インピーダンスと分圧回路２３０の出力インピーダンスを差動増幅回路２５０の入力インピーダンスに対してより高いインピーダンスに変換する。インピーダンス変換回路２４０は、ボルテージフォロワとして機能するオペアンプＯＰ３とオペアンプＯＰ４を有している。差動増幅回路２５０は、オペアンプＯＰ３から出力される電圧Ｖ５と、オペアンプＯＰ４から出力される電圧Ｖ６との差となる電圧を増幅して出力電圧ＶＯＵＴ２を生成する回路である。差動増幅回路２５０は、抵抗Ｒ５２、Ｒ５３、Ｒ５４、Ｒ５５およびオペアンプＯＰ５を有している。

汎用オペアンプの耐圧は、一般的には、３２Ｖである。そのため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０４から出力される電圧Ｖ１が３２Ｖより大きい場合、分圧回路２２０、２３０が必要となる。分圧回路２２０は、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子に入力される電圧Ｖ３が耐圧以下となるように、電圧Ｖ１を分圧して電圧Ｖ３を生成する。同様に、分圧回路２３０は、オペアンプＯＰ４の非反転入力端子に入力される電圧Ｖ４が耐圧以下となるように、電圧Ｖ２を分圧して電圧Ｖ４を生成する。

たとえば、電圧Ｖ１が４０Ｖであり、抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２、抵抗Ｒ３１、および抵抗Ｒ３２の各抵抗値が１ｋΩであり、シャント抵抗Ｒ０に電流が流れることによる電圧降下（Ｖ１−Ｖ２）が０．５Ｖであると仮定される。この仮定の下では、電圧Ｖ３は２０Ｖであり、電圧Ｖ４は１９．７５Ｖである。よって、電圧Ｖ３、Ｖ４はいずれもオペアンプの耐圧である３２Ｖ以下となる。

差動増幅回路２５０内のオペアンプＯＰ５の非反転入力端子に入力される電圧と反転入力端子に入力される電圧はオペアンプＯＰ３から出力される電圧Ｖ５を抵抗Ｒ５４および抵抗Ｒ５５で分圧した電圧となるため、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子の電圧Ｖ３より低い。そのため、オペアンプＯＰ５として、３２Ｖを耐圧とする汎用オペアンプが採用可能となる。オペアンプＯＰ３、ＯＰ４、ＯＰ５として高耐圧のオペアンプを採用すれば、分圧回路２２０、分圧回路２３０およびインピーダンス変換回路２４０が省略可能となる。しかし、高耐圧のオペアンプは高価である。

図２に示された比較例の電流検出装置１０５では、抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２、抵抗Ｒ３１および抵抗Ｒ３２の各抵抗誤差が大きくなると、電流検出の精度が大きく低下する。したがって、比較例の電流検出装置１０５は負荷電流を正確に検出することができない。

●比較例の電流検出精度
一例として、電圧Ｖ１が４０Ｖであり、電圧降下（Ｖ１−Ｖ２）が０．５Ｖであると仮定される。分圧回路２２０、分圧回路２３０および差動増幅回路２５０に使用される各抵抗の抵抗誤差が０．５％であると仮定される。シャント抵抗Ｒ０による電圧降下である０．５Ｖを１０倍することで、出力電圧ＶＯＵＴ２が５Ｖになるように、分圧回路２２０、分圧回路２３０および差動増幅回路２５０内の各抵抗の抵抗値が設定される。具体的には、抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ２２、抵抗Ｒ３１および抵抗Ｒ３２の各抵抗値はいずれも１ｋΩに設定される。抵抗Ｒ５２の抵抗値および抵抗Ｒ５４の抵抗値はそれぞれ１ｋΩである。抵抗Ｒ５３の抵抗値および抵抗Ｒ５５の抵抗値はそれぞれ２０ｋΩである。シャント抵抗Ｒ０は比較例と実施例とで共通に採用されているため、シャント抵抗Ｒ０の抵抗誤差は無視される。

この前提の下では、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子の電圧Ｖ３とオペアンプＯＰ４の非反転入力端子の電圧Ｖ４との電圧差（Ｖ３−Ｖ４）は０．２５Ｖとなる。上述されたようにインピーダンス変換回路２４０はボルテージフォロワとして機能する。よく知られているように、ボルテージフォロワの入力端子の電圧とボルテージフォロワの出力端子の電圧は等しくなる。したがって、オペアンプＯＰ３の出力端子の電圧Ｖ５は、電圧Ｖ３（＝２０Ｖ）に等しい。同様に、オペアンプＯＰ４の出力端子の電圧Ｖ６は電圧Ｖ４（＝１９．７５Ｖ）に等しくなる。

オペアンプＯＰ３の出力端子に生じる電圧Ｖ５およびオペアンプＯＰ４の出力端子に生じる電圧Ｖ６はそれぞれ差動増幅回路２５０の入力となる。差動増幅回路２５０の出力電圧ＶＯＵＴ２は、次式から求められる。

ＶＯＵＴ２＝｛（Ｒ５２＋Ｒ５３）／Ｒ５２｝・｛Ｒ５５／（Ｒ５４＋Ｒ５５）｝・Ｖ５−（Ｒ５３／Ｒ５２）・Ｖ６ ・・・・・（１）
ここでＲ５２は抵抗Ｒ５２の抵抗値を示す。Ｒ５３は抵抗Ｒ５３の抵抗値を示す。Ｒ５４は抵抗Ｒ５４の抵抗値を示す。Ｒ５５は抵抗Ｒ５５の抵抗値を示す。（１）式に各抵抗値を代入すると、差動増幅回路２５０の出力電圧ＶＯＵＴ２として５Ｖが算出される。

ここで、分圧回路２２０、分圧回路２３０および差動増幅回路２５０内の各抵抗誤差を考慮することで、出力電圧ＶＯＵＴ２が再計算される。電圧Ｖ３と電圧Ｖ４との電圧差（Ｖ３−Ｖ４）が最大になる場合、抵抗Ｒ２１および抵抗Ｒ３２はそれぞれが０．９９５ｋΩであり、抵抗Ｒ２２および抵抗Ｒ３１はそれぞれ１．００５ｋΩである。このとき、電圧差（Ｖ３−Ｖ４）は０．４４９Ｖである。

一方、電圧Ｖ３と電圧Ｖ４との電圧差（Ｖ３−Ｖ４）が最小になる場合、抵抗Ｒ２１および抵抗Ｒ３２がそれぞれ１．００５ｋΩであり、抵抗Ｒ２２および抵抗Ｒ３１は０．９９５ｋΩである。このとき、電圧差（Ｖ３−Ｖ４）は０．０５２Ｖである。

出力電圧ＶＯＵＴ２が最大になる場合、抵抗Ｒ５２は１．００５ｋΩであり、抵抗Ｒ５３は１９．９０ｋΩであり、抵抗Ｒ５４は０．９９５ｋΩであり、抵抗Ｒ５５は２０．１０ｋΩであり、電圧差（Ｖ３−Ｖ４）が最大値０．４４９Ｖである。この場合、出力電圧ＶＯＵＴ２は９．２６Ｖとなる。

一方、出力電圧ＶＯＵＴ２が最小になる場合、抵抗Ｒ５２が０．９９５ｋΩであり、抵抗Ｒ５３が２０．１０ｋΩであり、抵抗Ｒ５４が１．００５ｋΩであり、抵抗Ｒ５５が１９．９０ｋΩであり、電圧差（Ｖ３−Ｖ４）が最小値０．０５２Ｖである。このとき、出力電圧ＶＯＵＴ２は０．６５Ｖとなる。

上述されたように、比較例の電流検出装置１０５では、出力電圧ＶＯＵＴ２の真値が５Ｖである。よって、電流検出の誤差率は−８６．９５％〜８５．３０％である。このように、比較例の電流検出装置１０５の電流検出の精度は悪く、負荷電流を正確に検出することができない。電圧差（Ｖ３−Ｖ４）の真値は０．２５Ｖであるから、電圧差（Ｖ３−Ｖ４）の誤差率は−７９．５％〜７９．５％である。比較例の電流検出装置１０５の電流検出の精度が低下する主な原因は、分圧回路２２０および分圧回路２３０を構成している各抵抗の抵抗誤差であることがわかる。

●実施例
図３が示すように、実施例の電流検出装置１０５は、シャント抵抗Ｒ０、基準電圧源３２０、差動増幅回路３３０およびレベル変換回路３４０を有している。図３において図２と共通する事項には同一の参照符号が付与されており、その説明は省略される。基準電圧源３２０は、差動増幅回路３３０とレベル変換回路３４０とに基準電圧ＶＡを供給する。差動増幅回路３３０は、差分電圧（Ｖ１−Ｖ２）を増幅して電圧ＶＢを生成し、レベル変換回路３４０に出力する。レベル変換回路３４０は、電圧ＶＢのレベルを変換して出力電圧ＶＯＵＴを生成して出力する。

差動増幅回路３３０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびオペアンプＯＰ１を有している。抵抗Ｒ１の一端はシャント抵抗Ｒ０の他端に接続されている。抵抗Ｒ１の他端は抵抗Ｒ２の一端とオペアンプＯＰ１の反転入力端子とに接続されている。抵抗Ｒ２の一端はオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。抵抗Ｒ２の他端はオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。抵抗Ｒ３の一端はシャント抵抗Ｒ０の一端に接続されている。抵抗Ｒ３の他端はオペアンプＯＰ１の非反転入力端子と抵抗Ｒ４の他端とに接続されている。抵抗Ｒ４の一端は基準電圧源３２０に接続されている。

レベル変換回路３４０は抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびオペアンプＯＰ２を有している。抵抗Ｒ５の一端は基準電圧源３２０に接続されている。抵抗Ｒ５の他端は抵抗Ｒ６の一端とオペアンプＯＰ２の反転入力端子とに接続されている。抵抗Ｒ６の一端はオペアンプＯＰ２の反転入力端子に接続されている。抵抗Ｒ６の他端はオペアンプＯＰ２の出力端子に接続されている。抵抗Ｒ７の一端はオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。抵抗Ｒ７の他端は抵抗Ｒ８の他端とオペアンプＯＰ２の非反転入力端子とに接続されている。抵抗Ｒ８の一端は接地されている。オペアンプＯＰ２のマイナス電源端子は接地されている。

シャント抵抗Ｒ０の抵抗値をＲ０、負荷電流をＩＯＵＴとすると（２）式が成り立つ：
Ｖ１−Ｖ２＝Ｒ０・ＩＯＵＴ・・・・・（２）
基準電圧源３２０の一端はＧＮＤ（接地電位）に接続されている。基準電圧源３２０の他端は差動増幅回路３３０内に設けられたオペアンプＯＰ１のマイナス電源端子に接続されている。基準電圧源３２０は、たとえば、ツェナーダイオードやシャントレギュレータ等の定電圧素子により構成されてもよい。基準電圧ＶＡは基準電圧源３２０の出力電圧である。基準電圧源３２０は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に入力される電圧と非反転入力端子に入力される電圧がオペアンプＯＰ１の耐圧を超える場合に必要となる。これは、オペアンプＯＰ１の耐圧よりも高い電圧をオペアンプＯＰ１の反転入力端子および非反転入力端子に印加することはできないからである。そこで、オペアンプＯＰ１のマイナス電源端子に基準電圧ＶＡを印加することで、オペアンプＯＰ１の基準電位がＶＡだけオフセットされる。なお、ＶＡは正の値である。また、オペアンプＯＰ１のプラス電源端子にはＡＣ／ＤＣコンバータ１０４から得られるＶｃｃ電圧が入力されている。その結果、差動増幅回路３３０は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とを差動増幅して得られる電圧と基準電圧ＶＡとの和に相当する電圧を出力する。即ち、差動増幅して得られる電圧が電圧ＶＡだけオフセットされた値に相当する電圧が電圧ＶＢとして出力される。その結果、オペアンプＯＰ１の基準電位とオペアンプＯＰ１の反転入力端子に入力される電圧との差が縮まる。同様に、基準電位と非反転入力端子に入力される電圧との差が縮まる。よって、オペアンプＯＰ１の耐圧を超える電圧をオペアンプＯＰ１の反転入力端子と非反転入力端子とにそれぞれ入力することが可能となる。

一例として、電圧Ｖ１が４０Ｖであり、オペアンプＯＰ１の耐圧が３２Ｖであり、抵抗Ｒ３の抵抗値Ｒ３が１ｋΩであり、抵抗Ｒ４の抵抗値Ｒ４が１０ｋΩであり、基準電圧ＶＡが２０Ｖであると仮定される。この場合、オペアンプＯＰ１の基準電位からみたオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に入力される電圧は１８．１８Ｖとなる。これは、オペアンプＯＰ１の耐圧よりも低くなる。同様に、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に印加される電圧もオペアンプＯＰ１の耐圧より低くなる。

オペアンプＯＰ１の出力電圧ＶＢは、下記（３）式で表される：
ＶＢ＝｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１｝・｛Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）｝・Ｖ１−（Ｒ２／Ｒ１）・Ｖ２＋ＶＡ ・・・・・（３）
抵抗Ｒｉの抵抗値はＲｉと表記されている（ｉは１ないし４）。ここで、抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ３が同一抵抗値Ｒａに設定され、抵抗値Ｒ２および抵抗値Ｒ４も同一抵抗値Ｒｂに設定されたと仮定される。この場合、オペアンプＯＰ１の出力電圧ＶＢは、（４）式で表される。

ＶＢ＝ （Ｒｂ／Ｒａ）・（Ｖ１−Ｖ２）＋ＶＡ ・・・・・（４）
抵抗値Ｒｂが抵抗値Ｒａより大きい場合、電圧ＶＢは、シャント抵抗Ｒ０にかかる差分電圧（Ｖ１−Ｖ２）を増幅して得られる電圧を基準電圧ＶＡだけオフセットすることで得られる電圧となる。ここで、負荷電流ＩＯＵＴに比例した電圧は、差分電圧（Ｖ１−Ｖ２）を増幅して得られる電圧であるため、電圧ＶＢから基準電圧ＶＡを除去する必要がある。そのため、レベル変換回路３４０が必要となる。オペアンプＯＰ２の出力電圧ＶＯＵＴは（５）式で表される。

ＶＯＵＴ＝｛（Ｒ５＋Ｒ６）／Ｒ５｝・｛Ｒ８／（Ｒ７＋Ｒ８）｝・ＶＢ−（Ｒ６／Ｒ５）・ＶＡ ・・・・・（５）
抵抗Ｒｉの抵抗値はＲｉと表記されている（ｉは５ないし８）。ここで、抵抗値Ｒ５および抵抗値Ｒ７が同一抵抗値Ｒｃに設定され、抵抗値Ｒ６およびの抵抗値Ｒ８が同一抵抗値Ｒｄに設定されたと仮定される。この場合、出力電圧ＶＯＵＴは（６）式で表される。

ＶＯＵＴ＝ （Ｒｄ／Ｒｃ）・（ＶＢ−ＶＡ） ・・・・・（６）
（４）式を用いて（６）式を変形すると、（７）式が得られる。

ＶＯＵＴ＝ （Ｒｄ／Ｒｃ）・（Ｒｂ／Ｒａ）・（Ｖ１−Ｖ２） ・・・・・（７）
（７）式は、レベル変換回路３４０を設けることで、電圧ＶＢから電圧ＶＡを除去されて、出力電圧ＶＯＵＴが得られることを示している。

さらに、（２）式を用いて（７）式を変形すると（８）式が得られる：
ＶＯＵＴ＝（Ｒｄ／Ｒｃ）・（Ｒｂ／Ｒａ）・Ｒ０・ＩＯＵＴ ・・・・・（８）
（８）式は、レベル変換回路３４０の出力電圧ＶＯＵＴが負荷電流ＩＯＵＴに比例していることを示している。よって、実施例の電流検出装置１０５も負荷電流ＩＯＵＴを検出できることがわかる。

●実施例の電流検出精度
一例として、電圧Ｖ１が４０Ｖであり、電圧ＶＡが２０Ｖであり、差分電圧（Ｖ１−Ｖ２）が０．５Ｖであると仮定される。差動増幅回路３３０およびレベル変換回路３４０内に設けられた各抵抗の抵抗誤差は０．５％であると仮定される。さらに、シャント抵抗Ｒ０での電圧降下成分である０．５Ｖを１０倍することで、出力電圧ＶＯＵＴが５Ｖになるように差動増幅回路３３０およびレベル変換回路３４０内の各抵抗の抵抗値が設定されたと仮定される。一例として、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ３の抵抗値は１ｋΩであり、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ４の抵抗値は１０ｋΩであり、抵抗Ｒ５−Ｒ８の各抵抗値を１ｋΩであると仮定された。上述されたように、シャント抵抗Ｒ０の抵抗誤差は無視される。

電圧ＶＢは（３）式より２５Ｖと求められる。出力電圧ＶＯＵＴは（５）式より５Ｖと求められる。ここで、差動増幅回路３３０およびレベル変換回路３４０内に設けられた各抵抗の抵抗誤差を考慮して、出力電圧ＶＯＵＴが再計算された。電圧ＶＢがばらつき範囲の最大になる場合、抵抗Ｒ１が１．００５ｋΩであり、抵抗Ｒ２が９．９５ｋΩであり、抵抗Ｒ３が０．９９５ｋΩであり、抵抗Ｒ４が１０．０５ｋΩである。この場合、電圧ＶＢは（３）式より２５．６７Ｖと算出される。一方、電圧ＶＢがばらつき範囲の最小になる場合、抵抗Ｒ１が０．９９５ｋΩであり、抵抗Ｒ２が１０．０５ｋΩであり、抵抗Ｒ３が１．００５ｋΩであり、抵抗Ｒ４が９．９５ｋΩである。この場合、電圧ＶＢは（３）式より２５．３２Ｖと算出される。

出力電圧ＶＯＵＴがばらつき範囲の最大になる場合、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ８がそれぞれ１．００５ｋΩであり、抵抗Ｒ６および抵抗Ｒ７がそれぞれ０．９９５ｋΩであり、電圧ＶＢが最大値２５．６７Ｖである。この場合、出力電圧ＶＯＵＴは（５）式より５．８７Ｖと算出される。一方、出力電圧ＶＯＵＴがばらつき範囲の最小になる場合、抵抗Ｒ５および抵抗Ｒ８がそれぞれ０．９９５ｋΩであり、抵抗Ｒ６および抵抗Ｒ７がそれぞれ１．００５ｋΩであり、電圧ＶＢが最小値２５．３２Ｖである。この場合、出力電圧ＶＯＵＴは（５）式より４．１２Ｖと算出される。

出力電圧ＶＯＵＴの真値は５Ｖであるから、実施例の電流検出の誤差率は、−１７．６９％〜１７．４０％と算出される。比較例の電流検出の誤差率は−８６．９５％〜８５．３０％であった。よって、実施例の電流検出精度は、比較例の電流検出精度に対して、大幅に向上している。

●画像形成装置
図４は電子写真方式の画像形成装置１を示している。給紙カセット２は記録材Ｐを収納する収納手段である。給紙ローラ４は記録材Ｐを搬送路へ送り出して画像形成部１７に供給する供給手段である。搬送路には記録材Ｐを搬送する搬送ローラ対５やレジストローラ対６が設けられている。画像形成部１７には静電潜像やトナー画像を担持する感光ドラム１１が設けられている。帯電ローラ１２は感光ドラム１１の表面を一様に帯電させる。露光部１３は入力画像に対応した画像信号でレーザ光を変調し、レーザ光を偏向する。これによりレーザ光は感光ドラム１１の表面を走査し、静電潜像が形成される。現像ローラ１５はトナーを用いて静電潜像を現像し、トナー画像を形成する。転写ローラ１６は感光ドラム１１により搬送されてきたトナー画像を記録材Ｐに転写する。定着器２０は記録材Ｐを搬送しながら、記録材Ｐに転写されたトナー画像に熱と圧力を加え、記録材Ｐにトナー画像を定着させる。加圧ローラ２２は定着フィルム２４と当接するように付勢されている。ヒータ２３は円筒状の定着フィルム２４の内周面に当接しており、定着フィルム２４の定着温度を目標温度まで加熱する。排紙ローラ２９は、定着器２０によってトナー画像を定着された記録材Ｐを排紙する。ここでは、負荷１０３はＤＣモータであり、搬送ローラ対５、レジストローラ対６および排紙ローラ２９などを駆動する。このようなＤＣモータは、たとえば、４８Ｖの電圧を電源装置１０２から供給される。電流検出装置１０５はＤＣモータに流れる駆動電流を検出する。

＜実施例から導き出される技術思想＞
［観点１］
図３が示すように、シャント抵抗Ｒ０は負荷１０３に対して直列に接続されたシャント抵抗の一例である。差動増幅回路３３０は増幅回路として機能する。増幅回路は、たとえば、シャント抵抗の一端に生じる第一電圧（例：Ｖ１）と、シャント抵抗の他端に生じる第二電圧（例：Ｖ２）とが入力され、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して負荷に流れる負荷電流（例：ＩＯＵＴ）に相関した電圧を出力する。基準電圧源３２０は基準電圧ＶＡを生成する電圧源として機能する。レベル変換回路３４０は、差動増幅回路の後段に接続され、差動増幅回路から出力される電圧のレベルを変換する変換回路として機能する。差動増幅回路３３０は、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して得られる電圧と基準電圧（例：ＶＡ）との和に相当する電圧を出力するように構成されていてもよい。レベル変換回路３４０は、和に相当する電圧から基準電圧を低減することで、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して得られる電圧であって、負荷に流れる負荷電流に比例した電圧を出力するように構成されていてもよい。これにより、電流検出装置１０５の電流検出精度が向上する。

［観点２］
図３が示すように、差動増幅回路は、第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗、第四抵抗（例：Ｒ１〜Ｒ４）および第一オペアンプ（例：ＯＰ１）を有してもよい。第一オペアンプは、反転入力端子、非反転入力端子およびマイナス電源端子を有している。第一抵抗（例：Ｒ１）は、第一オペアンプの反転入力端子とシャント抵抗の他端との間に接続されている。第二抵抗（例：Ｒ２）は、第一オペアンプの反転入力端子と第一オペアンプの出力端子との間に接続されている。第三抵抗（例：Ｒ３）は、第一オペアンプの非反転入力端子とシャント抵抗の一端との間に接続されている。第四抵抗（例：Ｒ４）は、第三抵抗と第一オペアンプの非反転入力端子とを接続する接続点と、電圧源（例：基準電圧源３２０）との間に接続されている。基準電圧源は基準電圧（例：ＶＡ）を第一オペアンプのマイナス電源端子に印加するように構成されている。これにより、第一オペアンプの基準電位がオフセットされることになり、第一オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子とそれぞれ高い電圧を印加することが可能となる。

［観点３］
変換回路（例：レベル変換回路３４０）は、差動増幅回路から出力される電圧から基準電圧を低減するように構成されていてもよい。基準電圧をマイナス電源端子に印加すると、第一オペアンプの出力電圧も同様にオフセットされてしまう。そこで、レベル変換回路を用いて、第一オペアンプの出力電圧から基準電圧を低減することで、より正確に負荷電流を検出することが可能となる。

［観点４］
変換回路（例：レベル変換回路３４０）は、第五抵抗、第六抵抗、第七抵抗、第八抵抗（例：Ｒ５〜Ｒ８）および第二オペアンプ（例：ＯＰ２）を有してもよい。第五抵抗（例：Ｒ５）は、基準電圧源と第二オペアンプの反転入力端子との間に接続されている。第六抵抗（例：Ｒ６）は、第二オペアンプの反転入力端子と第二オペアンプの出力端子との間に接続されている。第七抵抗（例：Ｒ７）は、第一オペアンプの出力端子と第二オペアンプの非反転入力端子との間に接続されている。第八抵抗（例：Ｒ８）は、第二オペアンプの非反転入力端子と接地電位との間に接続されている。第五抵抗の抵抗値、第六抵抗の抵抗値、第七抵抗の抵抗値、および第八抵抗の抵抗値は、差動増幅回路から出力される電圧から基準電圧が相殺されるように、設定される。基準電圧が相殺されるため、より正確に負荷電流を検出することが可能となる。

［観点５］
差動増幅回路は、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して得られる電圧と基準電圧（例：ＶＡ）との和に相当する電圧（例：ＶＢ）を出力するように構成されていてもよい。変換回路は、和に相当する電圧から基準電圧を低減することで、第一電圧と第二電圧とを差動増幅して得られる電圧（負荷電流ＩＯＵＴに比例した電圧）を出力するように構成されていてもよい。

［観点６］
電流検出装置１０５は、シャント抵抗と、差動増幅回路と、基準電圧源を有していてもよい。この場合、差動増幅回路は、第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗、第四抵抗および第一オペアンプを有しうる。第一オペアンプは、反転入力端子、非反転入力端子およびマイナス電源端子を有しうる。第一抵抗は、第一オペアンプの反転入力端子とシャント抵抗の他端との間に接続されている。第二抵抗は、第一オペアンプの反転入力端子と第一オペアンプの出力端子との間に接続されている。第三抵抗は、第一オペアンプの非反転入力端子とシャント抵抗の一端との間に接続されている。第四抵抗は、第三抵抗と第一オペアンプの非反転入力端子とを接続する接続点と、基準電圧源との間に接続されている。基準電圧源は基準電圧を第一オペアンプのマイナス電源端子に印加するように構成されている。これにより、第一オペアンプの基準電位がオフセットされることになり、第一オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子とそれぞれ高い電圧を印加することが可能となる。なお、基準電圧ＶＡが十分に低いケースでは、レベル変換回路３４０は省略されてもよい。

［観点７］
図３が示すように、電流検出装置１０５は、シャント抵抗、差動増幅回路、基準電圧源および変換回路を有してもよい。基準電圧源は基準電圧を第一オペアンプのマイナス電源端子に印加するように構成されていてもよい。第五抵抗の抵抗値、第六抵抗の抵抗値、第七抵抗の抵抗値、および第八抵抗の抵抗値は、差動増幅回路から出力される電圧から基準電圧が相殺されるように、設定されていてもよい。これにより、第一オペアンプの反転入力端子と非反転入力端子とそれぞれ高い電圧を印加することが可能となり、かつ、電流検出精度も向上する。

［観点８、９］
第一オペアンプの反転入力端子の耐圧は、第一電圧よりも低い。このようなケースでは、基準電圧源３２０が必要となる。第一オペアンプのマイナス電源端子に基準電圧源から基準電圧を印加することで、第一電圧が基準電圧によりオフセットされ、第一オペアンプの非反転入力端子に印加される電圧が非反転入力端子の耐圧以下となる。

［観点１０、１１］
第一オペアンプの非反転入力端子の耐圧は、第二電圧よりも低い。このようなケースでは、基準電圧源３２０が必要となる。第一オペアンプのマイナス電源端子に基準電圧源から基準電圧を印加することで、第二電圧が基準電圧によりオフセットされ、第一オペアンプの反転入力端子に印加される電圧が反転入力端子の耐圧以下となる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神および範囲から離脱することなく、様々な変更および変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項が添付される。

２２０、２３０：分圧回路、２４０：インピーダンス変換回路、２５０、３３０：差動増幅回路、３２０：基準電圧源、３４０：レベル変換回路

Claims (12)

1. 負荷に対して直列に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の一端に生じる第一電圧と、前記シャント抵抗の他端に生じる第二電圧とが入力され、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して前記負荷に流れる負荷電流に相関した電圧を出力する差動増幅回路と、
   基準電圧を生成する基準電圧源と、
   前記差動増幅回路の後段に接続され、前記差動増幅回路から出力される電圧のレベルを変換する変換回路と、を有し、
   前記差動増幅回路は、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧と前記基準電圧との和に相当する電圧を出力するように構成されており、
   前記変換回路は、前記和に相当する電圧から前記基準電圧を低減することで、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧であって、前記負荷電流に比例した電圧を出力するように構成されていることを特徴とする電流検出装置。
2. 前記差動増幅回路は、第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗、第四抵抗および第一オペアンプを有し、
   前記第一オペアンプは、反転入力端子、非反転入力端子およびマイナス電源端子を有し、
   前記第一抵抗は、前記第一オペアンプの前記反転入力端子と前記シャント抵抗の前記他端との間に接続されており、
   前記第二抵抗は、前記第一オペアンプの前記反転入力端子と前記第一オペアンプの出力端子との間に接続されており、
   前記第三抵抗は、前記第一オペアンプの前記非反転入力端子と前記シャント抵抗の前記一端との間に接続されており、
   前記第四抵抗は、前記第三抵抗と前記第一オペアンプの前記非反転入力端子とを接続する接続点と、前記基準電圧源との間に接続されており、
   前記基準電圧源は前記基準電圧を前記第一オペアンプの前記マイナス電源端子に印加するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記変換回路は、前記差動増幅回路から出力される電圧から前記基準電圧を低減するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電流検出装置。
4. 前記変換回路は、第五抵抗、第六抵抗、第七抵抗、第八抵抗および第二オペアンプを有し、
   前記第五抵抗は、前記基準電圧源と前記第二オペアンプの反転入力端子との間に接続されており、
   前記第六抵抗は、前記第二オペアンプの前記反転入力端子と前記第二オペアンプの出力端子との間に接続されており、
   前記第七抵抗は、前記第一オペアンプの前記出力端子と前記第二オペアンプの非反転入力端子との間に接続されており、
   前記第八抵抗は、前記第二オペアンプの前記非反転入力端子と接地電位との間に接続されており、
   前記第五抵抗の抵抗値、前記第六抵抗の抵抗値、前記第七抵抗の抵抗値、および前記第八抵抗の抵抗値は、前記差動増幅回路から出力される電圧から前記基準電圧が相殺されるように、設定されていることを特徴とする請求項３に記載の電流検出装置。
5. 前記変換回路は、前記和に相当する電圧から前記基準電圧を低減することで、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧を出力するように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の電流検出装置。
6. 負荷に対して直列に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の一端に生じる第一電圧と、前記シャント抵抗の他端に生じる第二電圧とが入力され、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して前記負荷に流れる負荷電流に相関した電圧を出力する差動増幅回路と、
   基準電圧を生成する基準電圧源と、を有し、
   前記差動増幅回路は、第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗、第四抵抗および第一オペアンプを有し、
   前記第一オペアンプは、反転入力端子、非反転入力端子およびマイナス電源端子を有し、
   前記第一抵抗は、前記第一オペアンプの前記反転入力端子と前記シャント抵抗の前記他端との間に接続されており、
   前記第二抵抗は、前記第一オペアンプの前記反転入力端子と前記第一オペアンプの出力端子との間に接続されており、
   前記第三抵抗は、前記第一オペアンプの前記非反転入力端子と前記シャント抵抗の前記一端との間に接続されており、
   前記第四抵抗は、前記第三抵抗と前記第一オペアンプの前記非反転入力端子とを接続する接続点と、前記基準電圧源との間に接続されており、
   前記基準電圧源は前記基準電圧を前記第一オペアンプの前記マイナス電源端子に印加するように構成されている電流検出装置。
7. 負荷に対して直列に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の一端に生じる第一電圧と、前記シャント抵抗の他端に生じる第二電圧とが入力され、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して前記負荷に流れる負荷電流に相関した電圧を出力する差動増幅回路と、
   基準電圧を生成する基準電圧源と、
   前記差動増幅回路の後段に接続され、前記差動増幅回路から出力される電圧のレベルを変換する変換回路と、を有し、
   前記差動増幅回路は、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧と前記基準電圧との和に相当する電圧を出力するように構成されており、
   前記変換回路は、前記和に相当する電圧から前記基準電圧を低減することで、前記第一電圧と前記第二電圧とを差動増幅して得られる電圧であって、前記負荷に流れる負荷電流に比例した電圧を出力するように構成されており、
   前記差動増幅回路は、第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗、第四抵抗および第一オペアンプを有し、
   前記第一オペアンプは、反転入力端子、非反転入力端子およびマイナス電源端子を有し、
   前記第一抵抗は、前記第一オペアンプの前記反転入力端子と前記シャント抵抗の前記他端との間に接続されており、
   前記第二抵抗は、前記第一オペアンプの前記反転入力端子と前記第一オペアンプの出力端子との間に接続されており、
   前記第三抵抗は、前記第一オペアンプの前記非反転入力端子と前記シャント抵抗の前記一端との間に接続されており、
   前記第四抵抗は、前記第三抵抗と前記第一オペアンプの前記非反転入力端子とを接続する接続点と、前記基準電圧源との間に接続されており、
   前記基準電圧源は前記基準電圧を前記第一オペアンプの前記マイナス電源端子に印加するように構成されており、
   前記変換回路は、第五抵抗、第六抵抗、第七抵抗、第八抵抗および第二オペアンプを有し、
   前記第五抵抗は、前記基準電圧源と前記第二オペアンプの反転入力端子との間に接続されており、
   前記第六抵抗は、前記第二オペアンプの前記反転入力端子と前記第二オペアンプの出力端子との間に接続されており、
   前記第七抵抗は、前記第一オペアンプの前記出力端子と前記第二オペアンプの非反転入力端子との間に接続されており、
   前記第八抵抗は、前記第二オペアンプの前記非反転入力端子と接地電位との間に接続されており、
   前記第五抵抗の抵抗値、前記第六抵抗の抵抗値、前記第七抵抗の抵抗値、および前記第八抵抗の抵抗値は、前記差動増幅回路から出力される電圧から前記基準電圧が相殺されるように、設定されていることを特徴とする電流検出装置。
8. 前記第一オペアンプの前記反転入力端子の耐圧は、前記第一電圧よりも低いことを特徴とする請求項２ないし７のいずれか一項に記載の電流検出装置。
9. 前記第一オペアンプの前記マイナス電源端子に前記基準電圧源から前記基準電圧を印加することで、前記第一電圧が前記基準電圧によりオフセットされ、前記第一オペアンプの前記非反転入力端子に印加される電圧が前記非反転入力端子の耐圧以下となることを特徴とする請求項８に記載の電流検出装置。
10. 前記第一オペアンプの前記非反転入力端子の耐圧は、前記第二電圧よりも低いことを特徴とする請求項２ないし９のいずれか一項に記載の電流検出装置。
11. 前記第一オペアンプの前記マイナス電源端子に前記基準電圧源から前記基準電圧を印加することで、前記第二電圧が前記基準電圧によりオフセットされ、前記第一オペアンプの前記反転入力端子に印加される電圧が前記反転入力端子の耐圧以下となることを特徴とする請求項１０に記載の電流検出装置。
12. 負荷に電流を供給する電源回路と、
    前記負荷に流れる電流を検出する、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の電流検出装置と、を有することを特徴とする電源装置。

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