JP6650164B2

JP6650164B2 - 自己給電型の電流センサ

Info

Publication number: JP6650164B2
Application number: JP2016019518A
Authority: JP
Inventors: 淳一呉地
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: CN107064597A; CN107064597B; JP2017138213A

Description

本発明は、自己給電型の電流センサに関し、特に、センサ部と、蓄電動作を行う蓄電部と、電流検出動作を行う電流検出部と、電流検出部の制御を行う制御部とを備えた自己給電型の電流センサに関する。

近年、交流電力供給用の配線等の検出対象を流れる電流を検出するための電流センサとして、電流検出の検出対象に取り付け可能なセンサ部と、センサ部を介して検出対象から得られた電力を蓄電する蓄電動作を行う蓄電部と、センサ部に接続されて検出対象を流れる電流を検出する電流検出動作を行う電流検出部と、電流検出部の制御を行う制御部とを備え、検出対象から得られた電力を利用して検出対象を流れる電流の検出を行う電池交換が不要な自己給電型の電流センサが提案されている。

従来の自己給電型の電流センサに関しては、特許文献１等が開示されている。以下、従来の自己給電型の電流センサの構成について、図１０を用いて説明する。図１０は、従来の自己給電型の電流センサの構成を示す説明図であり、特許文献１に係る電流測定装置５４０の構成を示している。

電流測定装置５４０は、図１０に示すように、蓄電ユニット５５０と、測定ユニット５５１とを備えている。蓄電ユニット５５０は、第１の電流センサ５２０（センサ部）と、第１の整流回路５２２と、蓄電回路５２３（蓄電部）とを有している。測定ユニット５５１は、第２の電流センサ５２１（センサ部）と、第２の整流回路５２７と、抵抗５２４（検出抵抗）と、集積回路５２５と、通信用のアンテナ５２６とを有している。

第１の電流センサ５２０は、磁性体コア５２０Ａとコイル５２０Ｂとを有し、検出対象をギャップ５２０Ｃで挟み込むことができるようになっている。第２の電流センサ５２１は、磁性体コア５２１Ａとコイル５２１Ｂとを有し、検出対象をギャップ５２１Ｃで挟み込むことができるようになっている。

第１の電流センサ５２０は、検出対象に取り付けられて、検出対象を流れる電流によって発生する磁気を電気信号に変換している。第１の整流回路５２２は、第１の電流センサ５２０が出力した電気信号を整流して蓄電可能な電力に変換している。蓄電回路５２３は、第１の電流センサ５２０や第１の整流回路５２２を介して得られた電力を蓄電すると共に、測定ユニット５５１に電力を供給している。

第２の電流センサ５２１は、第１の電流センサ５２０と同様に検出対象に取り付けられて、検出対象を流れる電流によって発生する磁気を電気信号に変換している。第２の整流回路５２７は、第２の電流センサ５２１が出力した電気信号を整流して直流の電気信号に変換している。抵抗５２４は第２の整流回路５２７の出力端子に接続されており、集積回路５２５は、抵抗５２４の両端の電圧に基いて検出対象を流れる電流を検出する電流検出動作と、検出回路の出力信号に基いて検出対象を流れる電流の電流値を演算する演算動作と、算出された電流値をアンテナ５２６を介して外部に無線送信する送信動作と、検出回路や通信回路を制御する制御動作とを行っている。

電流測定装置５４０は、このようにして、第１の電流センサ５２０や第１の整流回路５２２を介して検出対象から得られた電力を利用して検出対象を流れる電流の検出を行っている。尚、特許文献１では開示されていないが、通常、検出対象を流れる電流を検出する電流検出動作は、一定の検出周期に合わせて周期的に実行される。

特開２０１４−１５３１８４号公報

しかしながら、従来の電流センサでは、磁性体コアやコイルを有する電磁誘導タイプの重いセンサがセンサ部として複数使用されており、小型・軽量化の阻害要因となっていた。電流センサを小型・軽量化するためには、蓄電部と電流検出部との両方を１つのセンサ部に接続してセンサ部の数を減らすことが効果的であるが、１つのセンサ部を蓄電部と電流検出部との両方に接続した場合には、蓄電部の蓄電状態の変化に対応して電流検出部側を流れる電流が変化する等の蓄電部から電流検出部への影響を受けて、電流検出部での電流の検出精度を低下させる可能性が有った。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、小型・軽量化し易く、電流の検出精度を高め易い自己給電型の電流センサを提供することにある。

この課題を解決するために、請求項１に記載の自己給電型の電流センサは、電流検出の検出対象に取り付け可能なセンサ部と、前記センサ部を介して前記検出対象から得られた電力を蓄電する蓄電動作を行う蓄電部と、前記センサ部に接続されて前記検出対象を流れる電流を検出する電流検出動作を行う電流検出部と、前記電流検出部の制御を行う制御部とを備えた自己給電型の電流センサであって、前記センサ部と前記蓄電部との間に介在する切替回路部を更に備え、前記切替回路部は、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態を、前記蓄電部が前記センサ部に接続された第１の接続状態と、前記蓄電部が前記センサ部から切り離された第２の接続状態とに切り替え可能であり、前記蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出動作が可能な電圧検出部を更に備え、前記電圧検出部が検出した前記蓄電部の出力電圧に基いて、前記切替回路部が動作し、前記制御部は、所定の電圧値に対応した第１の閾値と、前記第１の閾値よりも低い電圧値に対応した第２の閾値とに基いて、前記電圧検出部が検出した前記出力電圧が前記第１の閾値以上になった時に、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態が前記第１の接続状態から前記第２の接続状態に切り替わり、前記電圧検出部が検出した前記出力電圧が前記第２の閾値未満になった時に、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態が前記第２の接続状態から前記第１の接続状態に切り替わり、前記電圧検出部は、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態が前記第２の接続状態から前記第１の接続状態に切り替わった時に、前記蓄電部の出力電圧が伝達される負荷側の回路に蓄積された電荷を放電する放電動作が可能な放電回路を有していることを特徴とする。

この構成の自己給電型の電流センサでは、１つのセンサ部を蓄電部と電流検出部とで共用すると共に、蓄電動作時にはセンサ部と蓄電部との接続状態を第１の接続状態に切り替えて蓄電可能な状態とし、電流検出動作時にはセンサ部と蓄電部との接続状態を第２の接続状態に切り替えて蓄電部をセンサ部や電流検出部から切り離すことができる。そのため、センサ部の数を少なくして電流センサを小型・軽量化したり、電流検出動作時の蓄電部から電流検出部への影響を遮断して、電流の検出精度の低下を防いだりすることができる。その結果、この構成の自己給電型の電流センサは、小型・軽量化し易く、電流の検出精度を高め易い自己給電型の電流センサとなる。また、この構成の自己給電型の電流センサでは、電圧検出部が検出した蓄電部の出力電圧に基いて切替回路部が動作することによって、蓄電部の蓄電状態に合わせて蓄電動作を行わせたり電流検出動作を行わせたりすることができるようになる。その結果、蓄電部の不十分な蓄電に伴う電流検出部の誤動作を防ぎ易くなる。また、この構成の自己給電型の電流センサでは、第１の閾値と第２の閾値という２つの閾値に基いて切替回路部が動作することによって、電流検出動作の開始のタイミングと終了のタイミングとを、それぞれのタイミングに適した蓄電状態に合わせて設定することができる。しかも、電流検出部の電力消費に伴う蓄電部の出力電圧の低下に要する時間を利用して、電流検出動作の持続時間を長めに設定することできるので、電流検出動作を複数回繰り返させて電流の検出精度を向上させ易くすることもできる。また、この構成の自己給電型の電流センサでは、放電回路の放電動作によって、負荷側の回路に蓄積された電荷の影響を受けて電圧検出部の電圧検出精度が低下するのを防ぐことができる。その結果、制御部が切替回路部をより適切なタイミングで制御することができるようになる。

請求項２に記載の自己給電型の電流センサは、前記切替回路部は、前記センサ部と前記蓄電部と前記電流検出部との接続状態を切り替え可能であり、前記第１の接続状態では、前記蓄電部が前記センサ部に接続されると共に前記電流検出部が前記センサ部から切り離され、前記第２の接続状態では、前記蓄電部が前記センサ部から切り離されると共に前記電流検出部が前記センサ部に接続されることを特徴とする。

この構成の自己給電型の電流センサでは、電流検出動作時の蓄電部から電流検出部への影響を遮断して、電流の検出精度の低下を防ぐだけでなく、蓄電動作時にセンサ部から電流検出部側に電流が流れるのを防いで不要な電力消費を抑制し、蓄電部の蓄電効率を高めることもできる。

請求項３に記載の自己給電型の電流センサは、前記切替回路部は、半導体素子からなる切替素子を有して構成されることを特徴とする。

この構成の自己給電型の電流センサでは、切替素子となる半導体素子が電磁式のリレー等と比較して小型なので、電磁式のリレー等を用いて切替回路部を構成する場合と比較して電流センサを更に小型・軽量化し易くなる。また、半導体素子は電磁式のリレーのような機械的な動作をしないので、電磁式のリレーを用いて切替回路部を構成する場合と比較して切替動作を素早く行うことができ、切替動作のタイミングのずれによる電流検出部の誤動作を防ぎ易くなる。

請求項４に記載の自己給電型の電流センサは、前記切替回路部は、前記センサ部からの電気信号が伝達される電流検出用の検出抵抗の両端にそれぞれ接続される一対の切替素子ユニットを有し、前記切替素子ユニットは、一対の前記切替素子を用いて構成されていることを特徴とする。

この構成の自己給電型の電流センサでは、一対の切替素子を用いて切替素子ユニットを構成することによって、切替素子となる半導体素子の端子が極性を有していても、切替素子ユニットの端子の極性を無くすことができる。そのため、検出抵抗に交流の電気信号が入力されても、切替素子ユニットが検出抵抗の端子に発生する電圧の変動の影響を受け難くなる。その結果、検出抵抗に交流の電気信号が入力された時の切替回路部の誤動作を防ぎ易くなる。

請求項５に記載の自己給電型の電流センサは、前記切替素子ユニットは、Ｎチャンネル型の一対のＭＯＳＦＥＴ素子と、ショットキーバリア型のダイオード素子とを有して構成され、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子どうしは、互いに接続され、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン端子は、それぞれ他の素子に接続される切替端子となり、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子どうしは、互いに接続されて切替制御用の切替信号が入力される入力端子となり、前記ダイオード素子のアノード端子は、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子に接続され、前記ダイオード素子のカソード端子は、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子に接続されていることを特徴とする。

この構成の自己給電型の電流センサでは、Ｎチャンネル型の一対のＭＯＳＦＥＴ素子を用いることによって、容易に切替素子ユニットを構成することができる。また、ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子どうしを互いに接続し、ドレイン端子をそれぞれ切替端子とすることによって、容易に切替端子の極性を無くすことができる。また、ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子とゲート端子との間にショットキーバリア型のダイオード素子を接続することによって、ソース端子の電圧とゲート端子の電圧との逆転を防ぐことができ、切替回路部の誤動作を更に防ぎ易くなる。

請求項６に記載の自己給電型の電流センサは、前記２つの切替素子ユニットの入力端子には、前記センサ部から前記検出抵抗に伝達される電気信号の最大電圧の１．５倍から３倍の電圧の前記切替信号が入力されることを特徴とする。

この構成の自己給電型の電流センサでは、センサ部１０から検出抵抗３１に伝達される電気信号の最大電圧よりも十分に高い電圧の切替信号を切替素子ユニットの入力端子に入力することができ、検出抵抗に交流の電気信号が入力されても、切替素子ユニットが検出抵抗の端子に発生する電圧の変動の影響を更に受け難くなる。そのため、検出抵抗に交流の電気信号が入力された時の切替回路部の誤動作を更に防ぎ易くなる。

本発明によれば、小型・軽量化し易く、電流の検出精度を高め易い自己給電型の電流センサを提供することができる。

本発明の実施形態に係る電流センサの回路構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る蓄電部の回路構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る電流検出部の回路構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る電圧検出部の回路構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る電圧検出回路の回路構成を示す説明図である。本発明の実施形態に係る電流センサの動作手順を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る電流センサの動作タイミングに関する説明図である。本発明の第１の変形例に係る電流センサの回路構成を示す説明図である。本発明の第２の変形例に係る電流センサの回路構成を示す説明図である。従来の電流センサの構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図１ないし図９を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電流センサ１の回路構成を示す説明図である。図２は、本発明の実施形態に係る蓄電部２０の回路構成を切替回路部４０の切替素子ユニット４１と共に示す説明図である。図３は、本発明の実施形態に係る電流検出部３０の回路構成を切替回路部４０の切替素子ユニット４２と共に示す説明図である。図４は、本発明の実施形態に係る電圧検出部５０の回路構成を示す説明図である。図５は、本発明の実施形態に係る電圧検出回路５１及び電圧検出回路５２の回路構成を示す説明図であり、図５（ａ）が電圧検出回路５１の回路構成を示し、図５（ｂ）が電圧検出回路５２の回路構成を示している。

図６は、本発明の実施形態に係る電流センサ１の動作手順を示すフローチャートである。図７は、本発明の実施形態に係る電流センサ１の動作タイミングに関する説明図である。図７（ａ）は、切替動作と蓄電動作と電流検出動作と無線送信動作との動作タイミングを示すタイミングチャートである。図７（ｂ）は、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈの時間変化を示す説明図である。図７において、ｔ１は、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態が第１の接続状態となっている時間であり、ｔ２は、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態が第２の接続状態となっている時間であり、Ｔｓは、ｔ１とｔ２とを合わせた時間であり、すなわち、電流検出における検出周期でもある。図８は、本発明の第１の変形例に係る電流センサ１０１の回路構成を示す説明図である。図９は、本発明の第２の変形例に係る電流センサ２０１の回路構成を示す説明図である。

まず、本発明の実施形態に係る電流センサ１の構成について、図１ないし図５を用いて説明する。本発明の実施形態に係る電流センサ１は、交流電力供給用の配線等の検出対象から得られる電力を利用して検出対象を流れる電流を検出する自己給電型の電流センサであり、図１に示すように、センサ部１０と、蓄電部２０と、電流検出部３０と、切替回路部４０と、電圧検出部５０と、定電圧回路部６０と、無線送信部７０と、制御部８０とを更に備えている。

センサ部１０は、電流検出の検出対象９０に取り付け可能な電磁誘導方式のセンサであり、図１に示すように、強磁性体の金属等からなる磁性体コア１１と、磁性体コア１１に巻かれたコイル１２と、コイル１２の両端にそれぞれ接続された出力端子１３とを有している。磁性体コア１１は、検出対象９０を取り囲むように検出対象９０に取り付けられる。コイル１２は、電磁誘導を利用して検出対象９０を流れる電流の大きさに対応した交流の電気信号を発生させている。コイル１２が発生させた電気信号は、出力端子１３から出力される。以下、検出対象９０を流れる電流の大きさを電流値Ｉｓと略称し、２つの出力端子１３の一方から出力される電気信号を出力信号Ｓａと略称し、２つの出力端子１３の他方から出力される電気信号を出力信号Ｓｂと略称して説明を進める。

蓄電部２０は、図２に示すように、整流回路２１と、蓄電素子２２とを有している。整流回路２１は、ブリッジ接続された４つのダイオード素子２１ａを有して構成される。整流回路２１には、切替回路部４０を介してセンサ部１０から出力信号Ｓａと出力信号Ｓｂとが入力され、これらの電気信号を整流して蓄電可能な電気信号に変換している。蓄電素子２２としては数百μＦないし数ｍＦ程度の大容量の容量素子が使用される。蓄電素子２２は、整流回路２１の出力信号を他の回路に供給するための電力として蓄電している。

蓄電部２０は、このようにして、センサ部１０を介して検出対象９０から得られた電力を蓄電する蓄電動作を行っている。尚、蓄電部２０に蓄電された電力は、電圧検出部５０と定電圧回路部６０とを介して制御部８０に供給され、制御部８０から更に電流検出部３０と無線送信部７０とに供給される。以下、蓄電部２０から制御部８０側に電力を供給する際の蓄電部２０の出力電圧を蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈと略称して説明を進める。

電流検出部３０は、図３に示すように、電流検出用の検出抵抗３１と、信号増幅用の増幅回路３２とを有している。検出抵抗３１の両端には、切替回路部４０を介してセンサ部１０から出力信号Ｓａと出力信号Ｓｂとが入力される。増幅回路３２は、差動増幅用のアンプＩＣ３２ａに抵抗素子や容量素子を接続してなる差動増幅回路であり、制御部８０から電源電圧Ｖｃｃや基準電圧Ｖｒｅｆを伝達されて検出抵抗３１の両端の電圧を増幅し、電流値Ｉｓの大きさに対応した検出信号Ｓｉとして出力している。電流検出部３０は、このようにして、センサ部１０に接続されて検出対象９０を流れる電流を検出する電流検出動作を行っている。電流検出部３０が出力した検出信号Ｓｉは、制御部８０に伝達される。

切替回路部４０は、センサ部１０と蓄電部２０との間及びセンサ部１０と電流検出部３０との間に介在して、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態を切り替える切替動作を行っている。切替回路部４０は、図１に示すように、センサ部１０と蓄電部２０との接続状態を切り替えるための２つの切替素子ユニット４１と、センサ部１０と電流検出部３０との接続状態を切り替えるための２つの切替素子ユニット４２とを有して構成される。

切替素子ユニット４１は、図２に示すように、一対の切替素子４１ａを有している。本実施形態では、切替素子４１ａは、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子である。そして、切替素子４１ａとなるＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子どうしが互いに接続され、ドレイン端子がそれぞれ他の素子に接続される切替端子となり、ゲート端子どうしが互いに接続されて切替制御用の切替信号Ｖｓｗ１が入力される入力端子となっている。切替信号Ｖｓｗ１は、制御部８０の指示を受けて図示しない信号伝達回路から伝達される。また、切替素子ユニット４１は、ショットキーバリア型のダイオード素子４１ｂを更に有している。そして、ダイオード素子４１ｂのアノード端子が前述したＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子に接続され、ダイオード素子４１ｂのカソード端子が前述したＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子に接続されて、ソース端子の電圧とゲート端子の電圧との逆転（ソース端子の電圧がゲート端子の電圧よりも高くなること）を防いでいる。

切替素子ユニット４２は、図３に示すように、一対の切替素子４２ａを有している。本実施形態では、切替素子４２ａは、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子である。そして、切替素子４２ａとなるＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子どうしが互いに接続され、ドレイン端子がそれぞれ他の素子に接続される切替端子となり、ゲート端子どうしが互いに接続されて切替制御用の切替信号Ｖｓｗ２が入力される入力端子となっている。切替信号Ｖｓｗ２としては、センサ部１０から検出抵抗３１に伝達される電気信号の最大電圧の１．５倍から３倍の電圧の切替信号が用いられ、制御部８０の指示を受けて図示しない信号伝達回路から伝達される。また、切替素子ユニット４２は、ショットキーバリア型のダイオード素子４２ｂを更に有している。そして、ダイオード素子４２ｂのアノード端子が前述したＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子に接続され、ダイオード素子４２ｂのカソード端子が前述したＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子に接続されて、ソース端子の電圧とゲート端子の電圧との逆転（ソース端子の電圧がゲート端子の電圧よりも高くなること）を防いでいる。

そして、切替回路部４０は、切替信号Ｖｓｗ１と切替信号Ｖｓｗ２とに対応して、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態を、蓄電部２０がセンサ部１０に接続されると共に電流検出部３０がセンサ部１０から切り離された第１の接続状態と、蓄電部２０がセンサ部１０から切り離されると共に電流検出部３０がセンサ部１０に接続された第２の接続状態とに切り替えている。尚、本実施形態では、制御部８０から所定の指示が出されていない時には、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態が第１の接続状態となり、制御部８０から所定の指示が出された時に、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態が第１の接続状態から第２の接続状態に切り替わるようになっている。

電圧検出部５０は、図４に示すように、電圧検出回路５１と、電圧検出回路５２と、切替素子５３と、切替素子５４と、遅延用の容量素子５５と、抵抗素子５６と、抵抗素子５７とを有して構成される。

電圧検出回路５１は、比較器５１ａと、基準電圧生成用のダイオード素子５１ｂ（定電圧ダイオード）と、信号処理回路５１ｃと、抵抗素子等を有して構成される。そして、電圧検出回路５１の入力端子には蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが印加され、出力端子には容量素子５５と抵抗素子５６とを介して蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが印加されるようになっている。そして、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第１の閾値Ｖ１以上になった時に出力端子が接地状態となり、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第１の閾値Ｖ１未満になった時に出力端子が開放状態となるように設定されている。第１の閾値Ｖ１は、蓄電部２０に十分な電力が蓄電された状態の蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈに対応した閾値として設定されている。

電圧検出回路５２は、比較器５２ａと、基準電圧生成用のダイオード素子５２ｂ（定電圧ダイオード）と、信号処理回路５２ｃと、抵抗素子等を有して構成される。そして、電圧検出回路５２の入力端子には切替素子５３を介して蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが印加され、出力端子には切替素子５３と抵抗素子５７とを介して蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが印加されるようになっている。そして、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２以上になった時に出力端子が開放状態となり、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２未満になった時に出力端子が接地状態となるように設定されている。第２の閾値Ｖ２は、蓄電部２０の電力に余裕が無い状態の蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈ、すなわち、第１の閾値Ｖ１よりも低い電圧に対応した閾値として設定されている。

切替素子５３はＰチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子であり、切替素子５４はＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子である。切替素子５３と切替素子５４とは、電圧検出回路５１の出力端子の状態と電圧検出回路５２の出力端子の状態とに対応して電圧検出部５０の回路状態を切り替える切替動作を行っている。本実施形態では、切替素子５３の切替動作と切替素子５４の切替動作とによって、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第１の閾値Ｖ１未満から第１の閾値Ｖ１以上になった時に蓄電部２０と定電圧回路部６０とが接続されて、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２未満になるまで維持され、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２以上から第２の閾値Ｖ２未満になった時に蓄電部２０と定電圧回路部６０とが切り離されて、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが再び第１の閾値Ｖ１以上になるまで維持されるようになっている。

定電圧回路部６０は、電圧検出部５０を介して蓄電部２０と接続され、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈを所定の電源電圧Ｖｃｃに変換して制御部８０に伝達している。尚、本実施形態では、抵抗素子５７と電圧検出回路５２とは、定電圧回路部６０の入力端子に蓄積された電荷を放電する放電動作を行う放電回路にもなっている。すなわち、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２以上から第２の閾値Ｖ２未満になった時に、蓄電部２０と定電圧回路部６０とが切り離されると同時に、電圧検出回路５２の出力端子が接地状態となり、定電圧回路部６０の入力端子に蓄積された電荷が抵抗素子５７を通って放電されるようになっている。そして、このような放電動作によって、定電圧回路部６０に蓄積された電荷の影響を受けて電圧検出部５０の電圧検出精度が低下するのを防いでいる。

無線送信部７０は、送信用アンテナ７１を有しており、電流検出部３０によって検出された電流の検出結果を送信用アンテナ７１を介して外部に無線送信している。

制御部８０は、ＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ）と呼ばれる制御用の集積回路であり、各種の演算動作や、各種の制御動作を行っている。制御部８０が行う演算動作や制御動作には、検出信号Ｓｉに基いて電流値Ｉｓを演算する演算動作や、電圧検出部５０の動作に基いて電圧検出部５０が検出した蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈの状態を判断する動作や、電流検出部３０を制御する制御動作や、切替回路部４０を制御する制御動作や、無線送信部７０を制御する制御動作等が含まれる。

次に、本実施形態の自己給電型の電流センサ１の動作について、図５を用いて説明する。電流センサ１の動作は、図５に示すような動作となる。まず、ステップＳｔ１では、制御部８０が切替回路部４０にセンサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態を第１の接続状態に切り替えさせる。そして、蓄電部２０がセンサ部１０に接続されると共に電流検出部３０がセンサ部１０から切り離される。次に、ステップＳｔ２では、蓄電部２０が蓄電動作を実行する。そして、図６（ａ）に示すように、蓄電部２０の蓄電動作に伴って蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが徐々に上昇する。蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈの上昇は電圧検出部５０によって常時モニタされている。

次に、ステップＳｔ３では、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第１の閾値Ｖ１以上か否かに基く判断を制御部８０が行う。ステップＳｔ４において蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第１の閾値Ｖ１未満の場合には、蓄電部２０に十分な電力が蓄電されていないと制御部８０が判断し、ステップＳｔ２に戻る。そして、蓄電部２０が蓄電動作を継続する。ステップＳｔ３において蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第１の閾値Ｖ１以上となった場合には、蓄電部２０に十分な電力が蓄電されたと制御部８０が判断し、ステップＳｔ４に移動する。

次に、ステップＳｔ４では、制御部８０が切替回路部４０にセンサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態を第２の接続状態に切り替えさせる。そして、蓄電部２０がセンサ部１０から切り離されると共に電流検出部３０がセンサ部１０に接続される。次に、ステップＳｔ５では、電流検出部３０が電流検出動作を実行する。次に、ステップＳｔ６では、制御部８０が検出信号Ｓｉに基いて電流値Ｉｓを演算する。次に、ステップＳｔ７では、無線送信部７０が電流値Ｉｓ等の電流の検出結果を外部に無線送信する無線送信動作を実行する。そして、図６（ａ）に示すように、電流検出動作や無線送信動作による電力消費に伴って蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが徐々に低下する。蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈの低下は電圧検出部５０によって常時モニタされている。

次に、ステップＳｔ８では、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２未満か否かに基く判断を制御部８０が行う。ステップＳｔ８において蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２以上の場合には、蓄電部２０の電力に余裕が有ると制御部８０が判断し、ステップＳｔ５に戻る。そして、電流センサ１の各回路がステップＳｔ５以降の動作を繰り返す。ステップＳｔ８において蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈが第２の閾値Ｖ２未満となった場合には、蓄電部２０の電力に余裕が無いと制御部８０が判断し、ステップＳｔ９に移動する。

次に、ステップＳｔ９では、電流センサ１の動作を継続するか否かを制御部８０が判断する。ステップＳｔ９において動作を継続する場合には、ステップＳｔ１に戻り、電流センサ１の各回路がステップＳｔ１以降の動作を繰り返す。ステップＳｔ９において動作を終了させる場合には、制御部８０が電流センサ１の各回路に所定の機能を停止させて電流センサの動作が終了する。

電流センサ１がこのような手順で動作することによって、図６（ｂ）に示すように、蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈに基いて切替回路部４０の切替動作が繰り返されるようになる。そして、切替回路部４０の切替動作に合わせて、蓄電動作と電流検出動作と電流値Ｉｓの演算と無線送信動作とが繰り返されるようになる。尚、電流センサ１を設置した後の設置環境が安定している場合には、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態が第１の接続状態となっている時間ｔ１や、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０との接続状態が第２の接続状態となっている時間ｔ２がほぼ一定となり、ほぼ一定の検出周期Ｔｓに従って蓄電動作と電流検出動作と電流値Ｉｓの演算と無線送信動作とが繰り返されるようになる。

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の電流センサ１では、１つのセンサ部１０を蓄電部２０と電流検出部３０とで共用すると共に、蓄電動作時にはセンサ部１０と蓄電部２０との接続状態を第１の接続状態に切り替えて蓄電可能な状態とし、電流検出動作時にはセンサ部１０と蓄電部２０との接続状態を第２の接続状態に切り替えて蓄電部２０をセンサ部１０や電流検出部３０から切り離すことができる。そのため、センサ部１０の数を少なくして電流センサ１を小型・軽量化したり、電流検出動作時に蓄電部２０から電流検出部３０への影響を遮断して、電流の検出精度の低下を防いだりすることができる。その結果、電流センサ１は、小型・軽量化し易く、電流の検出精度を高め易い自己給電型の電流センサとなる。

また、本実施形態の電流センサ１では、第１の接続状態では、蓄電部２０がセンサ部１０に接続されると共に電流検出部３０がセンサ部１０から切り離され、第２の接続状態では、蓄電部２０がセンサ部１０から切り離されると共に電流検出部３０がセンサ部１０に接続されるので、電流検出動作時に蓄電部２０から電流検出部３０への影響を遮断して、電流の検出精度の低下を防ぐだけでなく、蓄電動作時にセンサ部１０から電流検出部側に電流が流れるのを防いで不要な電力消費を抑制し、蓄電部２０の蓄電効率を高めることもできる。

また、本実施形態の電流センサ１では、電圧検出部５０が検出した蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈに基いて、切替回路部４０が切替動作を行うことによって、蓄電部２０の蓄電状態に合わせて蓄電動作を行わせたり電流検出動作を行わせたりすることができるようになる。その結果、蓄電部２０の不十分な蓄電に伴う電流検出部３０の誤動作を防ぎ易くなる。

また、本実施形態の電流センサ１では、第１の閾値Ｖ１と第２の閾値Ｖ２という２つの閾値に基いて切替回路部４０が切替動作を行うことによって、電流検出動作の開始のタイミングと終了のタイミングとを、それぞれのタイミングに適した蓄電状態に合わせて設定することができる。しかも、電流検出部３０の電力消費に伴う蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈの低下に要する時間を利用して、電流検出動作の持続時間を長めに設定することできるので、電流検出動作を複数回繰り返させて電流の検出精度を向上させ易くすることもできる。

また、本実施形態の電流センサ１では、抵抗素子５７と電圧検出回路５２とで構成される放電回路を有し、放電回路は、センサ部１０と蓄電部２０との接続状態が第２の接続状態から第１の接続状態に切り替わった時に、蓄電部２０の出力電圧が伝達される負荷側の回路である定電圧回路部６０の入力端子に蓄積された電荷を放電する放電動作が可能なので、このような放電動作によって、定電圧回路部６０に蓄積された電荷の影響を受けて電圧検出部５０の電圧検出精度が低下するのを防ぐことができる。その結果、制御部８０が切替回路部４０をより適切なタイミングで制御することができるようになる。

また、本実施形態の電流センサ１では、切替素子４１ａや切替素子４２ａとなるＭＯＳＦＥＴ素子（半導体素子）が電磁式のリレー等と比較して小型なので、電磁式のリレー等を用いて切替回路部を構成する場合と比較して電流センサを更に小型・軽量化し易くなる。また、半導体素子は電磁式のリレーのような機械的な動作をしないので、電磁式のリレーを用いて切替回路部を構成する場合と比較して切替動作を素早く行うことができ、切替動作のタイミングのずれによる電流検出部３０の誤動作を防ぎ易くなる。

また、本実施形態の電流センサ１では、一対の切替素子４１ａや切替素子４２ｂを用いて切替素子ユニット４１や切替素子ユニット４２を構成することによって、切替素子４１ａや切替素子４２ａとなるＭＯＳＦＥＴ素子（半導体素子）の端子が極性を有していても、切替素子ユニット４１や切替素子ユニット４２の切替端子の極性を無くすことができる。そのため、検出抵抗３１に交流の電気信号が入力されても、切替素子ユニット４２が検出抵抗３１の端子に発生する電圧の変動の影響を受け難くなる。その結果、検出抵抗３１に交流の電気信号が入力された時の切替回路部４０の誤動作を防ぎ易くなる。

また、本実施形態の電流センサ１では、切替素子４１ａや切替素子４２ａとしてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子を用いることによって、容易に切替素子ユニット４１や切替素子ユニット４２を構成することができる。また、ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子どうしを互いに接続し、ドレイン端子をそれぞれ切替端子とすることによって、容易に切替端子の極性を無くすことができる。また、ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子とゲート端子との間にショットキーバリア型のダイオード素子４１ｂやダイオード素子４２ｂを接続することによって、ソース端子の電圧とゲート端子の電圧との逆転を防ぐことができ、切替回路部４０の誤動作を更に防ぎ易くなる。

また、本実施形態の電流センサ１では、切替信号Ｖｓｗ２としては、センサ部１０から検出抵抗３１に伝達される電気信号の最大電圧の１．５倍から３倍の電圧の切替信号が用いられるので、センサ部１０から検出抵抗３１に伝達される電気信号の最大電圧よりも十分に高い電圧の切替信号Ｖｓｗ２を切替素子ユニット４２の入力端子に入力することができ、検出抵抗３１に交流の電気信号が入力されても、切替素子ユニット４２が検出抵抗３１の端子に発生する電圧の変動の影響を更に受け難くなる。そのため、検出抵抗３１に交流の電気信号が入力された時の切替回路部４０の誤動作を更に防ぎ易くなる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて適宜変更することができる。以下、本発明の変形例について、図８及び図９を用いて説明する。

本発明の実施形態において、電流センサ１の各部の回路構成を適宜変更しても構わない。例えば、所定の切替動作が可能ならば、図８に示す第１の変形例に係る電流センサ１０１のように、センサ部１０の一方の出力端子１３のみに切替回路部４０の切替素子ユニット４１と切替素子ユニット４２とを接続し、センサ部１０の他方の出力端子１３を蓄電部２０と電流検出部３０とに直接接続しても構わない。また、蓄電部２０の蓄電効率に余裕が有る場合には、図９に示す第２の変形例に係る電流センサ２０１のように、センサ部１０と蓄電部２０との間にのみ切替素子ユニット４１を介在させ、センサ部１０と電流検出部３０とを常時接続しても構わない。

また、図示しないが、本発明の実施形態において、所定の切替動作が可能ならば、切替回路部４０は、前述した以外の回路構成であっても構わないし、切替素子ユニット４１や切替素子ユニット４２に使用される一対の切替素子は、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子ではなく、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ素子やバイポーラトランジスタ素子等であっても構わない、また、所定の電流検出精度が得られるならば、１つの半導体素子を用いて切替素子ユニット４１や切替素子ユニット４２を構成したり、多数の半導体素子が集積されたスイッチ用ＩＣや、フォトカプラのような素子や、電磁式のリレー等を用いて切替素子ユニット４１や切替素子ユニット４２を構成したりしても構わない。

また、本発明の実施形態において、所定の蓄電動作が可能ならば、蓄電部２０は、前述した以外の回路構成であっても構わないし、蓄電素子２２は、前述した以外の２次電池等の素子であっても構わない。

また、本発明の実施形態において、所定の電流検出動作が可能ならば、電流検出部３０は、前述した以外の回路構成であっても構わないし、アナログの検出信号ではなくデジタル化された検出信号を出力しても構わない。また、電流検出部３０は、検出抵抗３１は、抵抗値を変化させることができる可変抵抗型の素子であっても構わない。また、増幅回路３２は、バイポーラトランジスタ素子やＦＥＴ素子等を用いた増幅回路であっても構わないし、利得可変型の増幅回路であっても構わない。

また、本発明の実施形態において、電圧検出部５０は蓄電部２０の出力電圧Ｖｃｈに対応した検出信号を出力する検出回路であり、電圧検出部５０が出力した検出信号に基いて制御部８０が各種の判断や制御動作を行っても構わない。また、電圧検出回路５２や抵抗素子５７以外の素子を用いて前述した放電回路を構成しても構わないし、定電圧回路部６０の入力端子に蓄積された電荷の影響が小さい場合には、放電回路は無くても構わない。また、制御部８０等の安定した動作が可能ならば、定電圧回路部６０は無くても構わない。また、無線送信部７０は電流検出結果以外の情報を無線送信しても構わないし、有線で外部への情報伝達が可能ならば、無線送信部７０は無くても構わない。

また、本発明の実施形態において、所定の機能を実現できるのであれば、電流センサ１を前述した以外の手順に従って動作させても構わない。例えば、電流センサ１を設置した後の設置環境が安定している場合には、所定の検出周期Ｔｓに従って電流検出動作や無線送信動作を繰り返させても構わない。

また、本発明の実施形態において、電流センサ１は、センサ部１０と蓄電部２０と電流検出部３０とを１つずつ有して構成されるセンサユニットを複数個備え、複数個のセンサユニットを１つの制御部８０が制御していても構わない。また、電流センサ１は、前述した以外の回路を更に備えていても構わない。また、電流センサ１は、前述した以外の用途の検知対象に取り付けられても構わない。

１電流センサ
１０センサ部
１１磁性体コア
１２コイル
１３出力端子
２０蓄電部
２１整流回路
２１ａダイオード素子
２２蓄電素子
３０電流検出部
３１検出抵抗
３２増幅回路
３２ａアンプＩＣ
４０切替回路部
４１切替素子ユニット
４１ａ切替素子
４１ｂダイオード素子
４２切替素子ユニット
４２ａ切替素子
４２ｂダイオード素子
５０電圧検出部
５１電圧検出回路
５１ａ比較器
５１ｂダイオード素子
５１ｃ信号処理回路
５２電圧検出回路
５２ａ比較器
５２ｂダイオード素子
５２ｃ信号処理回路
５３切替素子
５４切替素子
５５容量素子
５６抵抗素子
５７抵抗素子
６０定電圧回路部
７０無線送信部
７１送信用アンテナ
８０制御部
１０１電流センサ
２０１電流センサ

Claims

電流検出の検出対象に取り付け可能なセンサ部と、
前記センサ部を介して前記検出対象から得られた電力を蓄電する蓄電動作を行う蓄電部と、
前記センサ部に接続されて前記検出対象を流れる電流を検出する電流検出動作を行う電流検出部と、
前記電流検出部の制御を行う制御部とを備えた自己給電型の電流センサであって、
前記センサ部と前記蓄電部との間に介在する切替回路部を更に備え、
前記切替回路部は、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態を、前記蓄電部が前記センサ部に接続された第１の接続状態と、前記蓄電部が前記センサ部から切り離された第２の接続状態とに切り替え可能であり、
前記蓄電部の出力電圧を検出する電圧検出動作が可能な電圧検出部を更に備え、
前記電圧検出部が検出した前記蓄電部の出力電圧に基いて、前記切替回路部が動作し、
前記制御部は、所定の電圧値に対応した第１の閾値と、前記第１の閾値よりも低い電圧値に対応した第２の閾値とに基いて、前記電圧検出部が検出した前記出力電圧が前記第１の閾値以上になった時に、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態が前記第１の接続状態から前記第２の接続状態に切り替わり、前記電圧検出部が検出した前記出力電圧が前記第２の閾値未満になった時に、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態が前記第２の接続状態から前記第１の接続状態に切り替わり、
前記電圧検出部は、前記センサ部と前記蓄電部との接続状態が前記第２の接続状態から前記第１の接続状態に切り替わった時に、前記蓄電部の出力電圧が伝達される負荷側の回路に蓄積された電荷を放電する放電動作が可能な放電回路を有していることを特徴とする自己給電型の電流センサ。
前記切替回路部は、前記センサ部と前記蓄電部と前記電流検出部との接続状態を切り替え可能であり、
前記第１の接続状態では、前記蓄電部が前記センサ部に接続されると共に前記電流検出部が前記センサ部から切り離され、
前記第２の接続状態では、前記蓄電部が前記センサ部から切り離されると共に前記電流検出部が前記センサ部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の自己給電型の電流センサ。
前記切替回路部は、半導体素子からなる切替素子を有して構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自己給電型の電流センサ。
前記切替回路部は、前記センサ部からの電気信号が伝達される電流検出用の検出抵抗の両端にそれぞれ接続される一対の切替素子ユニットを有し、
前記切替素子ユニットは、一対の前記切替素子を用いて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の自己給電型の電流センサ。
前記切替素子ユニットは、Ｎチャンネル型の一対のＭＯＳＦＥＴ素子と、ショットキーバリア型のダイオード素子とを有して構成され、
前記ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子どうしは、互いに接続され、
前記ＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン端子は、それぞれ他の素子に接続される切替端子となり、
前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子どうしは、互いに接続されて切替制御用の切替信号が入力される入力端子となり、
前記ダイオード素子のアノード端子は、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のソース端子に接続され、
前記ダイオード素子のカソード端子は、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の自己給電型の電流センサ。
前記２つの切替素子ユニットの入力端子には、前記センサ部から前記検出抵抗に伝達される電気信号の最大電圧の１．５倍から３倍の電圧の前記切替信号が入力されることを特徴とする請求項５に記載の自己給電型の電流センサ。