JP2019035634A - 過電流検出機能付き電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定電流線に過電流が流れたことを速やかに検知することが可能な過電流検出機能付き電流センサを提供する。【解決手段】被測定電流線を流れる電流が発生する誘導磁界を検出する磁気検出回路１０と、磁気検出回路１０の出力に基づいて動作する平衡制御用増幅器２０と、平衡制御用増幅器２０の出力に基づいて、誘導磁界を打ち消す磁界を発生させるフィードバックコイル３０と、フィードバックコイル３０に流れる電流に応じた信号を出力する電流検出部４０と、フィードバックコイル３０に生じる電圧に基づき、過電流を判定する判定回路部５０と、を備えたことを特徴とする過電流検出機能付き電流センサ。【選択図】図１

Description

本発明は電流センサに関し、特に被測定電流線に過電流が流れたことを検出可能な過電流検出機能付き電流センサに関する。

特許文献１には、磁気平衡式電流センサであって、検出抵抗と、その両端間の電圧を測定する差動増幅器を用いる電流センサが記載されている。磁気平衡式電流センサは、ホール素子などの磁電変換素子を備える磁気検出回路における測定精度が良好な磁界領域を用いて電流の測定を行うため高い測定精度を実現できる。しかしながら、特許文献１の図１に示されるように、複雑な回路を用いてフィードバックコイルを動作させるため、被測定電流線に流れる電流（１次電流）の急激な変化に追従することは容易でない。１次電流の急激な変化の具体例として、回生ブレーキの急激な動作に起因して生じる過電流が挙げられる。このような過電流に対する電流センサの応答遅れは、電流センサの破損をもたらしたり、電流センサからの出力信号により動作する機器の動作不良をもたらしたりする場合がある。

被測定電流線に過電流が流れたことをいち早く検知することを目的として、特許文献２にはセンサ部の出力端子からＡ／Ｄ変換器を通さずに過電流を判定する電流センサが記載されている。

特開２００９−１６８６４４号公報 特開２０１６−２１７９６３号公報

しかしながら、特許文献２に記載されるような電流センサであっても、過電流の程度が大きい、すなわち、被測定電流線に流れる電流量が極度に急激に変わった場合には、過電流の判定が遅れる場合があった。

本発明は、かかる現状を鑑み、被測定電流線に過電流が流れたことを速やかに検知することが可能な過電流検出機能付き電流センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、被測定電流線を流れる電流が発生する誘導磁界を検出する磁気検出回路と、前記磁気検出回路の出力に基づいて動作する平衡制御用増幅器と、前記平衡制御用増幅器の出力に基づいて、前記誘導磁界を打ち消す磁界を発生させるフィードバックコイルと、前記フィードバックコイルに流れる電流に応じた信号を出力する電流検出部と、前記フィードバックコイルに生じる電圧に基づき、過電流を判定する判定回路部と、を備えたことを特徴とする過電流検出機能付き電流センサである。

被測定電流線に電流が流れると、その電流の誘導磁界は、磁気検出回路が備える磁気検出素子に印加されて、磁気検出回路から磁界強度に応じた信号が出力される。その出力された信号を入力とする平衡制御用増幅器からの出力に基づき、フィードバックコイルから上記の誘導磁界を打ち消す磁界が発生する。ここで、被測定電流線に過電流が流れると、その誘導磁界を打ち消すための磁界強度が高くなるため、平衡制御用増幅器からフィードバックコイルに大電流が流れてしまう。この問題を解決するために本発明者らは、１次電流（被測定電流線を流れる電流）の誘導磁界は磁気検出素子にも印加されるが、同時に、フィードバックコイルにも印加されることに着目した。フィードバックコイルに１次電流の誘導磁界が印加されると、印加された誘導磁界の変化に基づく起電力が、フィードバックコイルの両端に発生する。このため、フィードバックコイルの両端に発生する電圧は、電流センサの出力よりも早く１次電流の変化に対応する。つまり、電流センサの出力が、追従できないほど急激に電流が増加した場合でも、フィードバックコイルの両端の電圧を調べることで、素早く過電流を検出することができる。このように、上記の本発明に係る過電流検出機能付き電流センサは、フィードバックコイルに生じる電圧に基いて過電流を判定する判定回路部を備えることにより、過電流を速やかに検出することができる。

上記の過電流検出機能付き電流センサにおいて、前記判定回路部により制御されて、前記平衡制御用増幅器から前記フィードバックコイルに電流が流れることを停止する平衡制御停止部を備えてもよい。上記の判定回路部により被測定電流線に過電流が流れたことを判定した場合には、平衡制御用増幅器からフィードバックコイルに電流が流れることを停止することにより、電流センサの破損を保護することが可能となる。

上記の過電流検出機能付き電流センサにおいて、前記判定回路部と接続され、過電流を示す信号を外部に出力する過電流出力端子を備えてもよい。上記の判定回路部により被測定電流線に過電流が流れたことを判定した場合には、この過電流出力端子からの出力信号を用いて、電流センサに接続される回路に電流センサから異常信号が流れ込むことを保護することが可能となる。

上記の過電流検出機能付き電流センサにおいて、前記判定回路部は、前記フィードバックコイルの両端の電位差を出力するフィードバックコイル用差動増幅器と、前記フィードバックコイル用差動増幅器から出力された前記電位差と予め設定された基準電位差を示す信号とを比較する第１のコンパレータと、前記第１のコンパレータの出力を元に過電流を判定する判定回路とを備えていてもよい。誘導磁界の変化に基づく起電力をフィードバックコイルの両端の電位差として測定することにより、過電流の発生をより安定的に検出することができる。

上記の過電流検出機能付き電流センサにおいて、前記第１のコンパレータが検出する過電流と、逆方向の過電流を検出する第２のコンパレータを有していてもよい。このように第２のコンパレータを有していることにより、過電流の発生をより安定的に検知することができたり、被測定電流線に流れる過電流の向きに関する情報を得ることができたりする。

上記の過電流検出機能付き電流センサにおいて、前記判定回路部は、前記フィードバックコイルの一端の電位と予め設定された第１の基準電位とを比較する第１のコンパレータと、前記第１のコンパレータの出力を元に過電流を判定する判定回路とを備えていてもよい。かかる構成により過電流を安定的に検出することができる。この場合において、前記判定回路部は、前記フィードバックコイルの他端の電位と、予め設定された第２の基準電位とを比較する第２のコンパレータをさらに有し、前記判定回路では、前記第１のコンパレータからの出力または前記第２のコンパレータからの出力を元に過電流を判定してもよい。このようにすることにより、過電流の発生をより安定的に検知することができたり、被測定電流線に流れる過電流の向きに関する情報を得ることができたりする。

本発明によれば、被測定電流線に過電流が流れたことを速やかに検知することが可能な過電流検出機能付き電流センサが提供される。

本発明の第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサを示す図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る過電流検出機能付き電流センサを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサを示す図である。図１に示されるように、過電流検出機能付き電流センサ１００は、図示しない被測定電流線を流れる電流の誘導磁界を検出する磁気検出回路１０と、磁気検出回路１０の出力に基づいて動作する平衡制御用増幅器２０と、平衡制御用増幅器２０の出力に基づいて、誘導磁界を打ち消す磁界を発生させるフィードバックコイル３０と、フィードバックコイル３０に流れる電流に応じた信号を出力する電流検出部４０と、を備える。

磁気検出回路１０は、例えば、磁気抵抗効果素子やホール素子などの磁気検出素子を複数備えるフルブリッジ回路から構成され、磁気検出回路１０からは、２つのハーフブリッジ回路の中点電位がそれぞれ出力される。

平衡制御用増幅器２０は、磁気検出回路１０から出力された２つの中点電位を入力とする。平衡制御用増幅器２０の具体例は、差動アンプであり、入力した２つの中点電位の差分に基づいて、出力電流が設定される。図１に示される平衡制御用増幅器２０は２つの出力を有し、それぞれがフィードバックコイル３０に電気的に接続されて、フィードバックコイル３０に２方向の電流を流すことが可能である。具体的には、平衡制御用増幅器２０の一方の出力から配線Ｅ１を経由してフィードバックコイル３０の一端に向かう電流と、平衡制御用増幅器２０の他方の出力から配線Ｅ２を経由してフィードバックコイル３０の他端に向かう電流とを生じさせることができる。なお、被測定電流線を流れる電流が一方向（即ち直流）の場合、平衡制御用増幅器２０を出力が１つの差動増幅器に代えてもよい。この場合には、フィードバックコイル３０の一端に平衡制御用増幅器２０の出力が電気的に接続され、フィードバックコイル３０の他端はグランドに電気的に接続される。

フィードバックコイル３０は、磁気検出回路１０の磁気検出素子の近傍に配置されており、被測定電流により発生する誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生する。平衡制御用増幅器２０に入力する２つの中点電位が等しくなる（すなわち、２つの中点電位の差分が０Ｖになる）ように、平衡制御用増幅器２０からの出力電流は制御される。このときにフィードバックコイル３０に流れる電流は電流検出部４０により測定される。過電流検出機能付き電流センサ１００では、電流検出部４０は、平衡制御用増幅器２０の出力とフィードバックコイル３０の他端とを接続する配線Ｅ２の経路内に位置し、シャント抵抗Ｒｓおよびその両端に接続されるＩ／Ｖアンプ４１からなる。電流検出部４０において測定された電流に関する電位信号は、Ｉ／Ｖアンプ４１の出力に接続された電流センサ出力端子６０から、過電流検出機能付き電流センサ１００の出力信号の一つとして出力される。

以上の構成は、従来技術に係る電流センサと共通する構成である。本発明の第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ１００は、フィードバックコイル３０に生じる電圧に基づいて被測定電流線に過電流が流れたか否かを判定する判定回路部５０を有する。判定回路部５０には、フィードバックコイル３０の両端の電位が入力し、被測定電流線に過電流が流れたと判定した場合には、ＯＦＦ信号を出力する。

ＯＦＦ信号は、平衡制御用増幅器２０の出力とフィードバックコイル３０の一端とを接続する配線Ｅ１の途中に設けられたスイッチ７０に入力する。スイッチ７０は、配線Ｅ１を断線させることにより、平衡制御用増幅器２０からフィードバックコイル３０に電流が流れることを停止する。すなわち、スイッチ７０は、ＯＦＦ信号により動作する平衡制御停止部の具体的な一例である。平衡制御停止部は、平衡制御用増幅器２０の動作を停止させることによって、平衡制御用増幅器２０からフィードバックコイル３０に電流が流れることを停止させてもよい。

平衡制御停止部が動作することによってフィードバックコイル３０に電流が流れることが停止した場合には、電流センサ出力端子６０からの出力信号がＬＯＷ（０Ｖ）またはＨＩＧＨ（５Ｖ等の動作電圧）となるように設定しておくことにより、電流センサ出力端子６０からの出力信号によって過電流を検出することができる。このようにすることにより、被測定電流線に過電流が流れたときに、その過電流に応じてフィードバックコイル３０に流れる電流の絶対値が大きくなって、その結果、電流センサ出力端子６０からの出力信号が現実にＬＯＷ（０Ｖ）またはＨＩＧＨ（５Ｖ等の動作電圧）となるまでに要する時間よりも短い時間で、過電流に基づく電気信号を電流センサ出力端子６０から出力することができる。この電気信号を入力として被測定電流に流れる電流量を低減させる回路を有していれば、被測定電流線を備える機器が、被測定電流に過電流が流れたことに起因して正常動作できなくなる不具合が生じにくくなる。

また、平衡制御停止部が動作することによって、過電流に基づき発生した大電流がフィードバックコイル３０に流れることを防ぐことができる。この大電流はフィードバックコイル３０を焼損させるおそれがあるが、判定回路部５０からのＯＦＦ信号によって平衡制御停止部が動作する構成を備える過電流検出機能付き電流センサ１００は、被測定電流線に過電流が流れても破壊されにくく、従来技術に係る電流センサよりも動作安定性に優れる。

判定回路部５０から出力したＯＦＦ信号は、過電流出力端子８０から、過電流検出機能付き電流センサ１００の出力信号の他の一つとして出力される。この過電流出力端子８０からの出力信号も、上記のように、現実に過電流に対応してフィードバックコイル３０を流れる電流量が大きくなって電流センサ出力端子６０から過電流が流れたことに基づく電気信号が出力するよりも短時間で、被測定電流線に過電流が流れたことを示す電気信号を過電流検出機能付き電流センサ１００から出力することができる。この電気信号を入力として被測定電流に流れる電流量を低減させる回路を有していれば、被測定電流線を備える機器が、被測定電流に過電流が流れたことに起因して正常動作できなくなる不具合が生じにくくなる。

第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ１００の判定回路部５０は、第１のコンパレータ５１、第２のコンパレータ５２、および判定回路５３を有する。

第１のコンパレータ５１は、フィードバックコイル３０の一端の電位Ｖｃ１と、予め設定された第１の基準電位Ｖｓ１とを入力して、これらの値を比較し、比較結果を含む第１の判定信号Ｓｊ１を出力する。第１の基準電位Ｖｓ１は、第１の内部メモリ５１Ｍに格納されている。判定回路５３は、第１の判定信号Ｓｊ１を入力とし、第１の判定信号Ｓｊ１が、電位Ｖｃ１が第１の基準電位Ｖｓ１以上であることを示す信号であること条件として、ＯＦＦ信号を出力する。

第２のコンパレータ５２は、フィードバックコイル３０の他端の電位Ｖｃ２と、予め設定された第２の基準電位Ｖｓ２とを入力して、これらの値を比較し、比較結果を含む第２の判定信号Ｓｊ２を出力する。第２の基準電位Ｖｓ２は、第２の内部メモリ５２Ｍに格納されている。判定回路５３は、第２の判定信号Ｓｊ２を入力とし、第２の判定信号Ｓｊ２が、電位Ｖｃ２が第２の基準電位Ｖｓ２以上であることを示す信号であることを条件として、ＯＦＦ信号を出力する。なお、第２の基準電位Ｖｓ２は、シャント抵抗Ｒｓがフィードバックコイル３０の他端側に接続されているため、第１の基準電位Ｖｓ１と異なる値となる。

このように、判定回路５３は、電位Ｖｃ１が第１の基準電位Ｖｓ１以上であることおよび電位Ｖｃ２が第２の基準電位Ｖｓ２以上であることの少なくとも一方を満たすときにＯＦＦ信号を出力する。

以上説明した第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ１００の判定回路部５０は、第１のコンパレータ５１および第２のコンパレータ５２を有しているが、いずれか一方のみを有していてもよい。この場合には、判定回路部５０に入力する電位は、フィードバックコイル３０の一端および他端の一方の電位のみでよい。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサを示す図である。電流センサとしての基本構成、およびフィードバックコイル３０の両端の電位を入力としてＯＦＦ信号を出力可能である判定回路部５０を備える点において、第２実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ２００は第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ１００と共通する。第２実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ２００の第１実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ１００との対比での相違点は、判定回路部５０の内部構成である。

第２実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ２００の判定回路部５０は、フィードバックコイル３０の両端の電位を入力とするフィードバックコイル用差動増幅器５４を有する。フィードバックコイル用差動増幅器５４は差動アンプからなり、これらの入力の差分値（電位差）ΔＶ０を出力する。この差分値（電位差）ΔＶ０は、第１のコンパレータ５１および第２のコンパレータ５２のそれぞれに入力する。

第１のコンパレータ５１には第１の内部メモリ５１Ｍに格納される第１の基準電位差Ｖｄ１も入力し、差分値（電位差）ΔＶ０と第１の基準電位差Ｖｄ１とを比較して、比較結果を含む第１の判定信号Ｓｄ１を出力する。判定回路５３は、第１の判定信号Ｓｄ１を入力とし、第１の判定信号Ｓｄ１が、第１の基準電位差Ｖｄ１が差分値（電位差）ΔＶ０以上であることを示す信号であること条件として、ＯＦＦ信号を出力する。

第２のコンパレータ５２には第２の内部メモリ５２Ｍに格納される第２の基準電位差Ｖｄ２も入力し、差分値（電位差）ΔＶ０と第２の基準電位差Ｖｄ２とを比較して、比較結果を含む第２の判定信号Ｓｄ２を出力する。判定回路５３は、第２の判定信号Ｓｄ２を入力とし、第２の判定信号Ｓｄ２が、第２の基準電位差Ｖｄ２が差分値（電位差）ΔＶ０以下であることを示す信号であること条件として、ＯＦＦ信号を出力する。

このような構成を有することにより、差分値（電位差）ΔＶ０が正の値であってその絶対値が過大である場合には、第１のコンパレータ５１からの第１の判定信号Ｓｄ１に基づき、判定回路５３からＯＦＦ信号が出力される。一方、差分値（電位差）ΔＶ０が負の値であってその絶対値が過大である場合には、第２のコンパレータ５２からの第２の判定信号Ｓｄ２に基づき、判定回路５３からＯＦＦ信号が出力される。ＯＦＦ信号が出力された場合には、判定回路５３が第１の判定信号Ｓｄ１に基づいて出力したか、それとも第２の判定信号Ｓｄ２に基づいて出力したかを確認することにより、過電流が被測定電流線を流れた向きを判定することが可能である。すなわち、第１の判定信号Ｓｄ１に基づいて出力した場合に所定の一方向に過電流が流れたと判定し、第２の判定信号Ｓｄ２に基づいて出力した場合にはその方向と逆方向に過電流が流れたと判定すればよい。

図３は、本発明の第２実施形態の変形例に係る過電流検出機能付き電流センサを示す図である。かかる過電流検出機能付き電流センサ３００における第２実施形態に係る過電流検出機能付き電流センサ２００に対する相違点は、過電流検出機能付き電流センサ２００が単出力型の差動アンプからなるフィードバックコイル用差動増幅器５４を有するのに対し、過電流検出機能付き電流センサ３００が２出力型の差動アンプからなるフィードバックコイル用差動増幅器５５を有し、それぞれの出力が異なるコンパレータに入力することである。具体的には、フィードバックコイル用差動増幅器５５は、フィードバックコイル３０の一方の端部の電位Ｖｃ１の他方の端部の電位Ｖｃ２に対する差分値（電位差）ΔＶ１（＝Ｖｃ１−Ｖｃ２）を出力するとともに、フィードバックコイル３０の他方の端部の電位Ｖｃ２の一方の端部の電位Ｖｃ１に対する差分値（電位差）ΔＶ２（＝Ｖｃ２−Ｖｃ１）を出力する。

差分値（電位差）ΔＶ１は第１のコンパレータ５１に入力し、第１のコンパレータ５１は、差分値（電位差）ΔＶ１と第１の内部メモリ５１Ｍに格納される第１の基準電位差Ｖｄ１とを比較して、比較結果を含む第１の判定信号Ｓｄ１を出力する。判定回路５３は、第１の判定信号Ｓｄ１を入力とし、第１の判定信号Ｓｄ１が、差分値（電位差）ΔＶ１が第１の基準電位差Ｖｄ１以上であることを示す信号であること条件として、ＯＦＦ信号を出力する。

差分値（電位差）ΔＶ２は第２のコンパレータ５２に入力し、第２のコンパレータ５２は、差分値（電位差）ΔＶ２と第２の内部メモリ５２Ｍに格納される第２の基準電位差Ｖｄ２とを比較して、比較結果を含む第２の判定信号Ｓｄ２を出力する。判定回路５３は、第２の判定信号Ｓｄ２を入力とし、第２の判定信号Ｓｄ２が、差分値（電位差）ΔＶ２が第２の基準電位差Ｖｄ２以上であることを示す信号であること条件として、ＯＦＦ信号を出力する。

このような構成を有することにより、過電流が被測定電流線を流れた向きにかかわらず、過電流が流れた場合に判定回路５３からＯＦＦ信号が出力される。この際、判定回路５３が、第１の判定信号Ｓｄ１に基づいて出力したか第２の判定信号Ｓｄ２に基づいて出力したかを確認することにより、過電流が被測定電流線を流れた向きを判定することが可能である。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

１００，２００，３００ ：過電流検出機能付き電流センサ
１０ ：磁気検出回路
２０ ：平衡制御用増幅器
３０ ：フィードバックコイル
４０ ：電流検出部
４１ ：Ｉ／Ｖアンプ
Ｒｓ ：シャント抵抗
５０ ：判定回路部
５１ ：第１のコンパレータ
５１Ｍ ：第１の内部メモリ
５２ ：第２のコンパレータ
５２Ｍ ：第２の内部メモリ
５３ ：判定回路
５４ ：フィードバックコイル用差動増幅器
５５ ：フィードバックコイル用差動増幅器
６０ ：電流センサ出力端子
７０ ：スイッチ
８０ ：過電流出力端子
Ｅ１ ：配線
Ｅ２ ：配線
Ｖｃ１ ：フィードバックコイルの一端の電位
Ｖｃ２ ：フィードバックコイルの他端の電位
Ｖｓ１ ：第１の基準電位
Ｖｓ２ ：第２の基準電位
Ｖｄ１ ：第１の基準電位差
Ｖｄ２ ：第２の基準電位差
Ｓｄ１ ：第１の判定信号
Ｓｄ２ ：第２の判定信号
Ｓｊ１ ：第１の判定信号
Ｓｊ２ ：第２の判定信号

Claims (7)

1. 被測定電流線を流れる電流が発生する誘導磁界を検出する磁気検出回路と、
   前記磁気検出回路の出力に基づいて動作する平衡制御用増幅器と、
   前記平衡制御用増幅器の出力に基づいて、前記誘導磁界を打ち消す磁界を発生させるフィードバックコイルと、
   前記フィードバックコイルに流れる電流に応じた信号を出力する電流検出部と、
   前記フィードバックコイルに生じる電圧に基づき、過電流を判定する判定回路部と、
   を備えたことを特徴とする過電流検出機能付き電流センサ。
2. 前記判定回路部により制御されて、前記平衡制御用増幅器から前記フィードバックコイルに電流が流れることを停止する平衡制御停止部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の過電流検出機能付き電流センサ。
3. 前記判定回路部と接続され、過電流を示す信号を外部に出力する過電流出力端子を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の過電流検出機能付き電流センサ。
4. 前記判定回路部は、前記フィードバックコイルの両端の電位差を出力するフィードバックコイル用差動増幅器と、前記フィードバックコイル用差動増幅器から出力された前記電位差と予め設定された基準電位差を示す信号とを比較する第１のコンパレータと、前記第１のコンパレータの出力を元に過電流を判定する判定回路とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の過電流検出機能付き電流センサ。
5. 前記第１のコンパレータが検出する過電流と、逆方向の過電流を検出する第２のコンパレータを有することを特徴とする請求項４記載の過電流検出機能付き電流センサ。
6. 前記判定回路部は、前記フィードバックコイルの一端の電位と予め設定された第１の基準電位とを比較する第１のコンパレータと、前記第１のコンパレータの出力を元に過電流を判定する判定回路とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の過電流検出機能付き電流センサ。
7. 前記判定回路部は、前記フィードバックコイルの他端の電位と、予め設定された第２の基準電位とを比較する第２のコンパレータをさらに有し、
   前記判定回路では、前記第１のコンパレータからの出力または前記第２のコンパレータからの出力を元に過電流を判定する、請求項６に記載の過電流検出機能付き電流センサ。