特許 7098289 電流測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-01

(45)【発行日】2022-07-11

(54)【発明の名称】電流測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/00 20060101AFI20220704BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20220704BHJP

【ＦＩ】

G01R15/00 500

G01R19/00 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2017164643

(22)【出願日】2017-08-29

(65)【公開番号】P2019045152

(43)【公開日】2019-03-22

【審査請求日】2020-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000105350

【氏名又は名称】ＫＯＡ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 保

【審査官】島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１４２２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１２５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２８８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１８４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３５６８２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０１５５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０２０４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２９８７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／００８５９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０００９６５５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ １５／００

Ｇ０１Ｒ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

抵抗体と該抵抗体の両端に設けられた第１及び第２の電極とを備えるシャント抵抗器と、前記シャント抵抗器に接続された一対の第１及び第２の電圧信号ラインであって、前記第１の電圧信号ラインは前記第１の電極に接続され、前記第２の電圧信号ラインは前記第２の電極に接続された、一対の第１及び第２の電圧信号ラインと、前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインによる信号によって電流を測定する電流測定回路と、を備えた電流測定装置であって、
前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインは、電圧信号を増幅するために前記電流測定回路に備えた増幅回路に接続され、
前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインとは異なる信号ラインであって、前記シャント抵抗器の前記第２の電極より導出した第３の信号ラインを、前記電流測定回路のコモンラインに接続され、
前記コモンラインは、前記増幅回路へ電源を供給するためのボルテージレギュレータに接続され、
前記シャント抵抗器の前記第２の電極は、電位がＰ側とＮ側との間で変動するインバータ回路の出力端子に接続され、
前記出力端子は、前記インバータ回路における電位を変動するための二つのスイッチング素子の間に設けられ、
前記シャント抵抗器は、前記増幅回路が搭載された基板とは別体として構成され、
前記電流測定回路は、前記インバータ回路で発生するコモンモードノイズが前記第３の信号ラインから前記ボルテージレギュレータを通じてＧＮＤに流れる経路を備え、
前記第３の信号ラインにより、前記コモンラインのコモンモードノイズが、前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインに与える影響を低減した
電流測定装置。

【請求項2】

前記コモンラインに前記増幅回路の負電源端子が接続される
請求項１に記載の電流測定装置。

【請求項3】

前記コモンラインに前記増幅回路のＧＮＤ端子が接続される
請求項１に記載の電流測定装置。

【請求項4】

前記増幅回路の前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインからの信号入力部にそれぞれ抵抗を備える
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電流測定装置。

【請求項5】

前記シャント抵抗器の抵抗値は０．１ｍΩ以下である
請求項１から４までのいずれか１項に記載の電流測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

シャント抵抗器は、被測定電流を通電させるための２つの電流端子と、検出電圧信号を取り出すための２つの信号出力端子または電線で構成されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１４２２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、被測定電流が大電流になるほど、シャント抵抗器による損失低減のためにシャント抵抗値をより小さくする必要がある。このため、シャント検出電圧も微弱な信号レベルとなり、特許文献１では考慮はされていないノイズの影響を受けやすくなる。

【0005】

このような場合、従来では問題とならなかった微弱なコモンモードノイズも高感度の増幅アンプにより増幅されてしまうため、高精度の電流検出ができない。そのため、コモンモードノイズが大きくなるような用途にはシャント抵抗器の抵抗値を下げて使用することが難しくなるという問題があった。

【0006】

本発明は、コモンモードノイズの影響を低減することで、高精度の電流検出を可能とした電流測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、さらにもう１つの端子または電線を追加して増幅回路の電源ラインに接続するものである。これによりコモンモードノイズの影響を抑制することができる。

【0008】

本発明の一観点によれば、シャント抵抗器と、前記シャント抵抗器に接続された一対の第１及び第２の電圧信号ラインと、前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインによる信号によって電流を測定する電流測定回路と、を備えた電流測定装置であって、前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインは、電圧信号を増幅するために前記電流測定回路に備えた増幅回路に接続され、前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインとは異なる信号ラインであって、前記シャント抵抗器より導出した第３の信号ラインを、前記電流測定回路のコモンラインに接続した電流測定装置が提供される。

【0009】

前記第３の信号ラインにより、前記コモンラインのコモンモードノイズが、前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインに与える影響を低減したものである。

【0010】

前記コモンラインに前記増幅回路のＧＮＤ端子が接続されるものである。
前記コモンラインに前記増幅回路の負電源端子が接続されるものである。
前記シャント抵抗器は、スイッチング素子を備えたインバータ回路等の主回路の電流検出を行うものである。

【0011】

前記増幅回路の前記一対の第１及び第２の電圧信号ラインからの信号入力部に抵抗を備えることが好ましい。

【0012】

前記シャント抵抗器の抵抗値は０．１ｍΩ以下であることが好ましい。低抵抗のシャント抵抗器を用いると、ノイズの影響が顕著になるからである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電流検出においてコモンモードノイズの影響を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１（ａ）は、本発明の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す回路図である。図１（ｂ）は、本発明の実施の形態による電流測定装置のシャント抵抗器の一構成例を示す斜視図である。

【図2】本発明の第２の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す回路図である。

【図3】本発明の第３の実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す回路図である。

【図4】本発明の第４の実施の形態による電流測定装置のうちシャント抵抗器の一構成例を示す平面図、側面図である。

【図5】本発明の第５の実施の形態による電流測定装置のうちシャント抵抗器の一構成例を示す平面図（図５（ａ））、側面図（図５（ｂ））である。

【図6】本発明の第６の実施の形態による電流測定装置の回路図の一例を示す図である。

【図7】本発明の第７の実施の形態による電流測定装置の回路図の一例を示す図であり、インバータ回路に適用する場合に、ゲート電源を利用してシャント信号増幅器の電源とする回路例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態による電流測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0016】

図１（ａ）は、本発明の実施の形態による電流測定装置Ａの一構成例を示す回路図である。図１（ｂ）は、本発明の実施の形態による電流測定装置のシャント抵抗器１の一構成例を示す斜視図である。

【0017】

図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、シャント抵抗器１は、抵抗体３と、抵抗体３の両端に設けられた第１の電極５ａと第２の電極５ｂとを有する。

【0018】

図１においては、抵抗体３の端面と電極５ａ、５ｂの端面とが突き合わせされた突き合わせ構造を例にして説明しているが、突き合わせ構造に限定されるものではない。

【0019】

抵抗体３用の材料としては、Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属の板材を用いることができる。端子部５の電極材用の材料としてはＣｕなどを用いることができる。シャント抵抗器１の抵抗値は例えば、０．１ｍΩ以下と低抵抗である。

【0020】

電極５ａ、５ｂには、図示しない基板やバスバー等に固定するための孔部７ａ，７ｂが設けられている。電極５ａ、５ｂの抵抗体３との接合部側には、電極面に立設された第１の信号出力端子Ｔ１と第２の信号出力端子Ｔ２とが設けられている。さらに、第２の信号出力端子Ｔ２に近接した第２の電極５ｂの電極面に立設された、第３の信号出力端子Ｔ３が設けられている。

【0021】

電流測定装置Ａには、シャント抵抗器１と接続され、シャント抵抗器１からの出力信号を増幅するための増幅回路（基板）１１が設けられている。増幅回路１１は、例えば、フォトカプラや静電カップリングコンデンサーなどによるΔΣ変換アナログ絶縁アンプ２７を備える。

【0022】

シャント抵抗器１の第１の信号出力端子Ｔ１と第２の信号出力端子Ｔ２とは、増幅回路１１の２つの入力端子Ｔ４，Ｔ５にそれぞれ配線Ｌ１，Ｌ２により接続されている。さらに、第３の信号出力端子Ｔ３を設け、配線Ｌ３により、増幅回路１１のコモンラインＬ４（ＧＮＤ３１）と導通する負電源端子Ｔ６に接続した。
尚、配線Ｌ１とＬ２とは撚り線であることが好ましい。

【0023】

増幅回路１１は、入力端子Ｔ４，Ｔ５を有し、それぞれ、抵抗２１ａ，２１ｂを介して絶縁アンプ２７に接続されている。また、入力端子Ｔ４，Ｔ５からの配線間には、コンデンサ２５が設けられる。これにより、ノーマルモードノイズの絶縁アンプ２７への入り込みを抑制することができる。絶縁アンプ２７の正電源端子はＬ５（Ｖｃｃ）に接続され、負電源端子はＬ４（ＧＮＤ３１）に接続されている。

【0024】

５端子方式（５ａ，５ｂ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）でシャント抵抗器１と増幅回路１１とを接続することにより、コモンモードノイズはＴ３→Ｌ３→Ｔ６→Ｌ４と通って増幅回路側のＧＮＤ３１に落ちる。したがって、コモンモードノイズが、信号を増幅するために電流測定装置Ａに設けた増幅回路１１に接続される一対の電圧信号ライン（配線Ｌ１，Ｌ２）に与える影響を低減することができる。

【0025】

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態による電流測定装置について説明する。
図２は、本実施の形態による電流測定装置Ａの一構成例を示す回路図である。図２に示す構成例では、図１に示す構成例と比較して、シャント抵抗器１に端子Ｔ３を設けていない。その代わりに、第２の信号出力端子Ｔ２から増幅回路１１の入力端子Ｔ５への配線Ｌ２とコモンラインＬ４（ＧＮＤ３１）への配線Ｌ３とが、いずれも、端子Ｔ２から分枝して設けられている。このような構成でも、図１と同様の効果を得ることができる。さらに、端子Ｔ３を設けなくても良いという特徴がある。

【0026】

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態による電流測定装置について説明する。
図３は、本実施の形態による電流測定装置の一構成例を示す回路図である。図３に示す構成例において、図１に示す構成との相違点は、増幅回路１１（絶縁アンプ２７）にマイナスの電源Ｖｅｅを与え、電源Ｖｅｅとは別に、ＧＮＤを設けている点である。端子Ｔ６は増幅回路１１のＧＮＤと接続している（本例においてＴ６を特にＧＮＤ端子という）。そして、ＧＮＤ端子Ｔ６に配線Ｌ３を接続している。

【0027】

このようにすると、信号出力において、マイナス側の増幅可能な範囲が広くなり、コモンモードノイズによる増幅範囲低減の影響も改善するという利点がある。

【0028】

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態による電流測定装置について説明する。
図４は、本実施の形態による電流測定装置のうちシャント抵抗器９１の一構成例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。なお裏面図は平面図（ａ）と同様に表れる。図４に示す構成例では、シャント抵抗器９１は、対向するように配置された２つの電極９１ａ，９１ｂ間に複数の柱状の抵抗体９３を設けている。電極９１ａ，９１ｂにはそれぞれバスバー等と固定するための貫通孔１７ａを備えている。また、電極９１ａ，９１ｂの側面から、端子Ｔ２１～Ｔ２３が側方に向けて突出している。このようなシャント抵抗器では、より低抵抗のシャント抵抗器を実現することができる。図４（ｄ）はシャント抵抗器９１を、図１に示す増幅回路１１に接続した例を示す。第１の信号出力端子としての端子Ｔ２１と第２の信号出力端子としての端子Ｔ２２とは、増幅回路１１の２つの入力端子Ｔ４，Ｔ５にそれぞれ配線Ｌ１，Ｌ２により接続されている。第３の信号出力端子としての端子Ｔ２３は、配線Ｌ３により、増幅回路１１のコモンラインＬ４（ＧＮＤ３１）と導通する負電源端子Ｔ６に接続している。このような構成においても、コモンモードノイズの影響をより効果的低減することができる。

【0029】

（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態による電流測定装置について説明する。図５は、本実施の形態による電流測定装置（シャントモジュール）の一構成例を示す平面図（図５（ａ））、側面図（図５（ｂ））である。

【0030】

シャントモジュールにおいては、シャント抵抗器と増幅回路基板とを接近して配置することで自己インダクタンスによる影響を低減できるが、一方、シャント抵抗器と増幅回路基板とが近いことにより、シャント抵抗器の発熱による増幅回路基板への影響が懸念される。

【0031】

図５において、シャント抵抗器１は、抵抗体３と、抵抗体３の両端に電極５ａ，５ｂとが接続固定されている。電極５ａ，５ｂには、バスバー等に固定するための貫通孔７ａ，７ｂを備える。電極５ａ，５ｂの抵抗体３との接続部近傍には、電圧と取り出すための端子Ｔ１，Ｔ２を備える。増幅回路基板７１は、一次側と二次側とに分離する絶縁アンプ１５等の回路部品、配線等を備えている。シャント抵抗器１と増幅回路基板７１とは、所定の離間距離を保って配置されている。この離間距離は、増幅回路基板７１を覆うケース等により保たれるが、図示を省略する。シャント抵抗器１の端子Ｔ１，Ｔ２に接続された配線Ｌ１，Ｌ２は、シャント抵抗器に接するか、近接した状態でツイストさせてから増幅回路基板７１に接続され、絶縁アンプ１５に電圧信号を送る。端子Ｔ２は、増幅回路基板７１に到達し貫通する長さで立設されており、増幅回路基板７１のＧＮＤに接続される。

【0032】

このような５端子方式により信号出力に電線等を使用してもコモンモードノイズによる影響が抑制される。また電圧信号の配線を撚り線にすることで、シャント抵抗器１と増幅回路基板７１を離間しても、磁束によるノイズの影響を低減することができる。なお、５端子方式とは、電流を流すための電極５ａ，５ｂ、電圧を取り出す端子Ｔ１，Ｔ２、および、ノイズをＧＮＤに導く端子Ｔ３（もしくは、Ｔ１又はＴ２のいずれかから分岐した配線でもよい）からなるシャント抵抗器および／またはそのようにシャント抵抗器が接続された電流測定装置の構成を示し、本発明に係る電流測定方式である。

【0033】

（第６の実施の形態）
図６は、本発明の第６の実施の形態による電流測定装置の回路図の一例を示す図である。図６は三相モータを駆動するためのインバータ回路の一例であり、インバータブリッジ回路１相分を示している。

【0034】

図６に示す５端子方式によるシャント電流検出器のインバータ回路への応用例では、インバータブリッジ部Ｂと、シャント抵抗器１と増幅回路２７を備えた電流測定装置Ａとを有する。インバータブリッジ部Ｂは、第１のＩＧＢＴ（Integrated Gate Bipolar Transistor）５１と第２のＩＧＢＴ５３とを、それぞれ制御するゲート駆動回路（４３，４７），ゲート電源回路（４１，４６）を有する。ゲート電源回路４１，４６は、電力供給制御部４５により制御される。また、インバータ制御回路２８を備える。電流測定装置Ａは、シャント抵抗器１と、絶縁アンプ３７を備える。

【0035】

インバータブリッジ部Ｂの出力端子ＴＢｕと負荷側モータは、シャント抵抗器１が備える電極５ａ，５ｂで示される被測定電流通電端子に接続される。

【0036】

さらに、上記の通り、スイッチング素子を備えたインバータ回路の電流検出を行うシャント抵抗器１の第１の信号出力端子Ｔ１と第２の信号出力端子Ｔ２とは、増幅回路を構成する絶縁アンプ３７の２つの入力端子Ｔ４，Ｔ５にそれぞれ接続されている。第３の信号出力端子Ｔ３は、増幅回路を備えた電流測定装置ＡのコモンラインＬ４（ＧＮＤ３１）に接続している。符号２９，６１は浮遊容量である。

【0037】

図６においてＬ１２は出力端子ＴＢｕの電位がＩＧＢＴのスイッチングによってＰ側やＮ側に大きく変動することによって発生するコモンモードノイズを示している。インバータブリッジ部ＢのコモンモードノイズＬ１２は、出力端子ＴＢｕからシャント抵抗器に流れるが、このとき第３の信号出力端子Ｔ３より電流測定装置ＡのＧＮＤに流れる。このように、増幅回路１１のコモンライン３３をシャント抵抗器１により信号出力ラインと別のルートで配線する方式とすることで、信号出力端子ＴＢｕのコモンモードノイズ電流はＧＮＤに流れるため、コモンモードノイズの影響を低減した電流検出が可能となる。

【0038】

（第７の実施の形態）
図７は、本発明の第７の実施の形態による電流測定装置の回路図の一例を示す図である。図７は三相モータを駆動するためのインバータ回路の一例であり、インバータブリッジ回路１相分を示しており、ゲート電源を利用してシャント信号増幅器（絶縁アンプ３７）の電源とする回路例を示す図である。この場合はこのゲート電源電流変動によるシャント信号（端子Ｔ１，Ｔ２の信号）へのノイズについて、出力端子ＴＢｕへバイパスすることができるという利点がある。特に、増幅回路への電源を供給するためにチャージポンプ式のボルテージレギュレータを使用した場合、パルス状の電源電流が流れてノイズが大きくなることがある。このような場合、本実施例のように本発明の５端子方式を用いることが有用である。

【0039】

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

【0040】

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明は、電流測定装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0042】

Ａ…電流測定装置
１…シャント抵抗器
３…抵抗体
５ａ…第１の電極（電極）
５ｂ…第２の電極（電極）
１１…増幅回路
２１ａ，２１ｂ…抵抗
３１…ＧＮＤ
Ｌ１，Ｌ２…配線（撚り線）
Ｌ３…配線
Ｌ４…コモンライン
Ｔ１…第１の信号出力端子
Ｔ２…第２の信号出力端子
Ｔ３…第３の信号出力端子
Ｔ４、Ｔ５…入力端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】