JPH07218552A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小電流から大電流まで広い範囲の電流を高精
度に測定する。 【構成】 直線状に延びる電流路１を囲むように、強磁
性体よりなり周方向の一か所で切り離した環状のコア部
材２を設ける。コア部材２の切離し端２１ａ，２１ｂ，
２２ａ，２２ｂのギャップ長Ｌｇ1 ，Ｌｇ2 は幅方向で
段付きに異なっており、異なるギャップ長のギャップ２
３，２４中にそれぞれホール素子３Ａ，３Ｂが設けてあ
る。ホール素子３Ａ，３Ｂの出力信号より電流路１を流
通する電流値を算出する制御回路４が設けられるととも
に、電流値に応じてホール素子３Ａ，３Ｂの一つを選択
的に制御回路４に接続するスイッチ５Ａ，５Ｂ，６Ａ，
６Ｂが設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電流測定装置に関し、特
に電流路の周りに形成される誘導磁界の強度を感磁手段
で検出することにより電流値を知る電流測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】かかる電流測定装置は、電子、電気機器
等に広く使用されており、例えば電気自動車のバッテリ
残存量を放電電流の積算値から求める等の用途が考えら
れる。この場合、電気自動車の消費電流は平坦路を走行
する定常状態では小さく、発進時や坂路走行時等では大
きくなって、広い範囲で電流値が変化する。そこで、広
い範囲の電流値測定が可能な測定装置が求められてお
り、その一例を図８に示す。図において、直線状に延び
る平板状の電流路１には、これを囲んでコア部材２が設
けてある。コア部材２は略四角の環状に成形された強磁
性体よりなり、周方向の一か所で切り離されて切離し端
２７ａ，２７ｂ間に一定間隔の間隙（ギャップ）２８が
形成されている。上記ギャップ２８中には感磁手段たる
ホール素子３が設けられ、これに駆動回路７より駆動電
流が供給されるとともに、その出力電圧は二つの増幅回
路８Ａ，８Ｂへ入力している。増幅回路８Ａは小電流時
に使用するもので、ゲインを増幅回路８Ｂよりも大きく
してある。これら増幅回路８Ａ，８Ｂで増幅された出力
は制御回路４内のアナログ・デジタル変換器４１を経て
マイクロコンピュータ４２へ入力している。

【０００３】コア部材２の透磁率は間隙の透磁率に比べ
非常に大きいので上記ギャップ２８内の磁束密度Ｂｇは
下式で近似できる。 Ｂｇ＝μO ・Ｉ／Ｌｇ…… ここで、μO は間隙の透磁率、Ｌｇはギャップ長、Ｉは
電流路を流れる被測定電流である。また、ホール素子３
の出力電圧ＶH は下式で示される。 ＶH ＝ＫH ／ｄ・ＩH ・Ｂｇ…… ここで、ＫH はホール係数、ｄはホール素子の厚さ、Ｉ
H は駆動電流である。しかして、マイクロコンピュータ
は式、式を使用して上記出力電圧ＶH より被測定電
流Ｉを算出する。この場合、ホール素子３の出力電圧の
飽和等を考慮すると、被測定電流範囲が広い場合には図
９に示す如くギャップ長Ｌｇを大きくする必要がある
が、この場合には低電流時の出力電圧が小さくなるた
め、これを大きなゲインで増幅しているのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、ホール素子３
の出力電圧ＶH を検討すると、次式に示す如く、磁束
密度Ｂｇにより変化する感度項（第１項）と磁界零での
オフセット電圧に相当する不平衡電圧項（第２項）の和
となっている。 ＶH ＝Ｋ1 ・Ｂｇ・ＩH ＋Ｋ2 ・ＩH …… なお、Ｋ1 ，Ｋ2 はいずれも温度により変動する係数で
ある。このうち、係数Ｋ1 の温度ドリフトはホール素子
３の材質で決まり、ＧａＡｓの場合−０．０６％／℃と
ほぼ一定であるのに対して、係数Ｋ2 の温度ドリフトは
その変化が不規則であり、これをキャンセルすることは
困難である。したがって、出力電圧ＶH が小さい低電流
測定時には、上記第１項に対して上記第２項が相対的に
大きくなるため、上記の如く、これをたとえ大きなゲイ
ンで増幅してもＳ／Ｎ比は改善されず、測定誤差が大き
くなるという問題がある。

【０００５】なお、特開昭６３−３８１６８号公報に
は、コア部材の切離し端を対向方向へ尖った形状として
測定感度を上げたものが示されている。

【０００６】本発明は上記課題を解決するもので、小電
流から大電流まで広い範囲の電流を高精度に測定するこ
とができる電流測定装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の構成を説明する
と、直線状に延びる電流路（１）を囲むように、強磁性
体よりなり周方向の一か所で切り離した環状のコア部材
（２）を設け、該コア部材（２）の切離し端（２１ａ，
２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２５ａ，２５ｂ）の対向間隔
（Ｌｇ1 ，Ｌｇ2 ）を幅方向で異ならしめて、異なる対
向間隔の間隙（２３，２４）中にそれぞれ感磁手段（３
Ａ，３Ｂ）を配設し、感磁手段（３Ａ，３Ｂ）の出力信
号より上記電流路（１）を流通する電流値を算出する電
流値算出手段（４）を設けるとともに、上記電流値に応
じて上記感磁手段（３Ａ，３Ｂ）の一つを選択的に上記
電流値算出手段（４）に接続する切換え手段（５Ａ，５
Ｂ）を設けたものである。本発明の一の態様としては、
上記切離し端（２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ）の対
向間隔（Ｌｇ1 ，Ｌｇ2 ）を幅方向へ段付きに異ならし
めてある。また、本発明の他の態様としては、上記切離
し端（２５ａ，２５ｂ）の対向間隔Ｌｇを幅方向へ連続
的に異ならしめてある。

【０００８】

【作用】上記構成において、電流路１を被測定電流が流
れるとその周囲に磁界が誘導され、コア部材２内に磁束
が生じる。この磁束は間隙（ギャップ）２３，２４中に
も現れるが、その磁束密度Ｂｇは上式に示したように
ギャップ長（対向間隔）Ｌｇ1 ，Ｌｇ2 に反比例して小
さくなる。そこで、ギャップ長Ｌｇ1 ＜Ｌｇ2 としてお
くと、電流路１を流れる同一電流に対して、ギャップ長
Ｌｇ１に配設した感磁手段３Ａの出力は大きく、ギャッ
プ長Ｌｇ２に配設した感磁手段３Ｂの出力は小さい。し
たがって、被測定電流の電流値が小さい場合には、切換
え手段５Ａ，５Ｂにより感磁手段３Ａを電流値算出手段
４に接続すると、小電流においても上式の出力電圧Ｖ
H は大きく、式の第２項の不平衡電圧項の影響を受け
ることなく高精度の電流測定がなされる。被測定電流が
大きくなるとギャップ長Ｌｇ1 ，Ｌｇ2 の小さい側では
磁束密度が飽和し、それ以上の電流測定ができなくな
る。そこで、切換え手段５Ａ，５Ｂにより電流値算出手
段４に感磁手段３Ａに代えて感磁手段３Ｂを接続する
と、ギャップ２４内では磁束が未だ飽和しておらず、か
つ上式の出力電圧ＶH も大きくなっているから、この
範囲で高精度の電流測定がなされる。

【０００９】

【実施例１】図１において、直線状に延びる平板状の電
流路１を囲んで四角環状のコア部材２が設けてあり、こ
のコア部材２は全体が強磁性体よりなるとともに、周方
向の一か所で切り離されている。そして、対向する切離
し端２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂの間隔（ギャッ
プ）２３，２４は幅方向へ段付きに異ならしめてあり、
対向間隔（ギャップ長）Ｌｇ1 の小さいギャップ２３中
にホール素子３Ａが、ギャップ長Ｌｇ2 の大きいギャッ
プ２４中にホール素子３Ｂがそれぞれ設けてある。

【００１０】各ホール素子３Ａ，３Ｂにはスイッチ６
Ａ，６Ｂを介して駆動回路７が接続されるとともに、ス
イッチ５Ａ，５Ｂを介して増幅回路８が接続され、増幅
回路８の出力は制御回路４のＡ／Ｄ変換器４１を介して
マイクロコンピュータ４２へ入力している。各スイッチ
５Ａ，５Ｂと６Ａ，６Ｂはｃ，ａ接点間、ｃ，ｂ接点間
が同期して作動し、ｃ，ａ接点間が導通するとホール素
子３Ａに駆動電流が供給されるとともに、その出力電圧
が増幅回路８に入力する。また、ｃ，ｂ接点間が導通す
るとホール素子３Ｂに駆動電流が供給されるとともに、
その出力電圧が増幅回路８に入力する。

【００１１】ところで、ギャップ２３，２４間に生じる
磁束は図２に示す如きものであり、ギャップ長Ｌｇ1 が
小さいギャップ２３では被測定電流が小さい範囲で十分
な磁束密度が得られるが、ホール素子３Ａの直線性が保
証される範囲も被測定電流が小さい範囲に限られる。一
方、ギャップ長Ｌｇ2 が大きいギャップ２４では被測定
電流の広い範囲でホール素子３Ｂ出力の直線性が保証さ
れるが、被測定電流がある程度小さくなると磁束密度が
全体的に小さくなるため上式の不平衡電圧項（第２
項）が相対的に大きくなって直線性が保証されなくな
る。

【００１２】そこで、コンピュータ４２は図３に示す手
順でスイッチを切り換える。すなわち、ステップ１０１
ではスイッチ５Ａ〜６Ｂを「ハイ」にして接点ｃ，ａ間
を導通せしめ、ホール素子３Ａを駆動してその出力を増
幅回路８へ入力せしめる。そして、ステップ１０２で増
幅回路８の出力電圧Ｖ（Ｉ）より電流路１を流れる被測
定電流が比較的小さい範囲を計測する（図４参照）。こ
の状態で上記電圧Ｖ（Ｉ）がＶ2 （±Ｉａ）を越える
と、スイッチ５Ａ〜６Ｂを「ロウ」に切り換え（ステッ
プ１０４）、接点ｃ，ｂ間を導通せしめてホール素子３
Ｂを駆動し、その出力を増幅回路８へ入力せしめる。な
お、Ｖ2 （±Ｉａ）は、ホール素子３Ａにおいて、被測
定電流が＋Ｉａ，−Ｉａとなった時の増幅回路８の出力
電圧である。ステップ１０５で増幅回路８の出力電圧Ｖ
（Ｉ）より、被測定電流の大きい範囲を計測する（図４
参照）。この状態で電圧Ｖ（Ｉ）がＶ1 （±Ｉａ）以下
になると再びスイッチ５Ａ〜６Ｂを「ハイ」に切り換え
（ステップ１０６からステップ１０１）、ホール素子３
Ａを増幅回路８に接続する。なお、Ｖ1 （±Ｉａ）は、
ホール素子３Ｂにおいて、被測定電流が＋Ｉａ，−Ｉａ
となった時の増幅回路８の出力電圧である。

【００１３】かくして、被測定電流Ｉが＋Ｉａ，−Ｉａ
を越えるか否かによりギャップ２３，２４中のホール素
子３Ａ，３Ｂを切り換えることにより、常に出力の直線
性が保証された範囲でホール素子３Ａ，３Ｂを使用しつ
つ、広い電流範囲を精度良く測定することができる。

【００１４】

【実施例２】増幅回路８の出力電圧特性を、図５に示す
ように、ホール素子３Ａからホール素子３Ｂへ電圧Ｖ
（±Ｉａ）で連続するようになし、この電圧Ｖ（±Ｉ
ａ）でスイッチ５Ａ〜６Ｂを切り換えるようにしても、
上記実施例１と同様の効果がある。

【００１５】

【実施例３】図６に示す如く、コア部材２の切離し端２
５ａ，２５ｂの形状を傾斜面として、ギャップ２６のギ
ャップ長Ｌｇが漸次大きくなるようになし、ギャップ長
Ｌｇの小さい側にホール素子３Ａを、大きい側にホール
素子３Ｂをそれぞれ配する構造としても上記各実施例と
同様の効果がある。

【００１６】

【実施例４】コア部材２の切離し端を図７に示す如く三
段の段付きとし、ギャップ長Ｌｇ1，Ｌｇ2 ，Ｌｇ3 の
異なる三つのギャップ中にそれぞれホール素子３Ａ，３
Ｂ，３Ｃを設ける構成とすれば、さらに広い電流範囲を
正確に測定することができる。

【００１７】上記各実施例において、コア部材切離し端
の段数は二段、三段に限られず、用途に応じて増やすこ
とができる。また、切離し端を傾斜面とした上記実施例
３において、ホール素子の設置数は二個に限られないこ
とはもちろんである。また、ホール素子に代えて、磁気
抵抗素子等を使用することができる。なお、本発明にお
ける幅方向とは図１の左右方向に限らず、図１の奥行き
方向に伸びる幅方向であってもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上の如く、本発明の電流測定装置によ
れば、小電流から大電流まで広い範囲の電流測定を精度
良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における電流測定装置の全体
ブロック構成図である。

【図２】電流とギャップ中の磁束密度の関係を示すグラ
フである。

【図３】マイクロコンピュータのスイッチ切り換え手順
を示すフローチャートである。

【図４】被測定電流に対する増幅回路出力電圧の変化を
示すグラフである。

【図５】本発明の実施例２における被測定電流に対する
増幅回路出力電圧の変化を示すグラフである。

【図６】本発明の実施例３におけるコア部材の切離し端
部の拡大斜視図である。

【図７】本発明の実施例４におけるコア部材の全体斜視
図である。

【図８】従来例を示す電流測定装置の全体ブロック構成
図である。

【図９】被測定電流とホール素子出力の関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ 電流路 ２ コア部材 ２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ 切離し端 ２３，２４ ギャップ（間隙） ３Ａ，３Ｂ ホール素子（感磁素子） ４ 制御回路（電流値算出手段） ５Ａ，５Ｂ スイッチ（切換え手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅倉 史生 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 佐々木 正一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鈴井 康介 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線状に延びる電流路を囲むように、強
   磁性体よりなり周方向の一か所で切り離した環状のコア
   部材を設け、該コア部材の切離し端の対向間隔を幅方向
   で異ならしめて、異なる対向間隔の間隙中にそれぞれ感
   磁手段を配設し、感磁手段の出力信号より上記電流路を
   流通する電流値を算出する電流値算出手段を設けるとと
   もに、上記電流値に応じて上記感磁手段の一つを選択的
   に上記電流値算出手段に接続する切換え手段を設けたこ
   とを特徴とする電流測定装置。
2. 【請求項２】 上記切離し端の対向間隔を幅方向へ段付
   きに異ならしめた請求項１記載の電流測定装置。
3. 【請求項３】 上記切離し端の対向間隔を幅方向へ連続
   的に異ならしめた請求項１記載の電流測定装置。