JP2008241678A - 電流センサおよび電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の一次導体がＵ字型構造の電流センサでは、ブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジ回路に逆方向磁界が印加され、一様な外部磁界を除去する利点があるが、大電流測定には一次導体を含めた電流センサとしての寸法が大型化する問題点があった。また、従来の電流センサでは、小型でしかも幅広い測定レンジを精度良く計測することが困難であるなどの問題点があった。
【解決手段】 Ｕ字型形状に一次導体を構成し、一次導体で囲まれた空間内に検出素子を設置したため、一次導体を含めた電流センサの構造を小型化でき、かつ低コストで幅広い測定レンジを精度良く計測することが容易にできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定電流が印加される一次導体のＵ字型形状部の近傍において、被測定電流を測定する電流センサおよび電流検出装置に関するものである。

従来の電流センサあるいは磁気センサとして、複数の磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を、絶縁体を介して所定の間隔を離してＵ字型の一次導体に配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２１１１３８公報

上記特許文献１に開示されている電流センサまたは磁気センサの一次導体は、左右対称的なＵ字型構造で、磁気抵抗効果素子で構成するブリッジ回路の左右の各ハーフブリッジに逆方向磁界が印加され、一様な外部磁界を除去する利点がある。また上記特許文献では一次導体から絶縁体を介して所定の間隔を離してブリッジ回路を配置する構成をとっており、小容量測定の場合はプリント基板のような絶縁体の一面に一次導体を設置した構成でも、一次導体を含めた電流センサとしての寸法がそれほど大型化することはない。しかしながら、小容量と同一の磁気抵抗効果素子（同一のブリッジ回路）を用いて大電流を測定する場合、小容量の場合と同程度の磁束密度を磁気抵抗効果素子に印加する必要があるため、Ｕ字型構造を構成する左右の一次導体を離間するとともに、一次導体から磁気抵抗効果素子をある程度離して設置しなければならず、一次導体を含めた電流センサとしての寸法が大型化するという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、一様な外部磁界を除去すると共に、大電流の測定が可能な、小型かつ測定レンジを拡大した電流センサを得ることを目的とする。また、多相電流の検出時に他相電流の影響を低減し、より正確な電流を検出できる電流検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電流センサは、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置された電流検知デバイス部と、少なくとも１つのＵ字型形状部を有する一次導体で構成され、上記電流検知デバイスがＵ字型形状を形成して上記一次導体に囲まれた空間内の少なくとも一箇所に、上記設置基板の中心線とＵ字型形状の対称軸が略一致するように配置されるようにしたものである。

以上のように、この発明によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去する効果がある。
また、電流検知デバイス部がＵ字型形状を形成した一次導体に囲まれた空間内の少なくとも一箇所に設置され、一次導体に発生する磁界の主たる方向と異なる方向に磁気抵抗効果素子の感磁方向を配置する構造としたため、小型で大電流の測定が可能となる。
さらにまた、１つのＵ字型形状の一次導体に囲まれた空間内に異なる磁束密度が生じるため、同じ特性の電流検知デバイス部を複数個設置して、小型で、かつ測定レンジを拡大できる効果がある。もしくは１つの一次導体に設置した複数のＵ字型形状の、一次導体に囲まれたそれぞれの空間内に、少なくとも１つの同じ特性の電流検知デバイス部を設置して、小型で、かつ測定レンジを拡大できる効果がある。また、複数の一次導体を略平行になるように並列設置したため、多相の電流検出時に他相の電流により発生する磁界の影響を受けず、より正確に電流検出できる効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電流センサの斜視図を示すもので、図２は図１の平面図、図３は図１または図２におけるＡＡ断面（ＸＺ面）の一部を示す断面図である。図において、電流センサ１は、電流検知デバイス部６、センサ回路部７を有するセンサ基板２と、一次導体３により構成される。
本実施の形態１では、一次導体３は長手方向に向かって略垂直に曲げ加工が施されて１つのＵ字形状部５を形成し、Ｕ字形状部５内の一次導体に囲まれた空間部１０に１つの電流検知デバイス部６を配置する。
まず、電流検知デバイス部６の構成について説明する。
図５は電流検知デバイス部６の平面図を示すもので、設置基板１５上において、設置基板１５の中心線９によって２つの領域に分けられ、それぞれの領域に磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが線対称に等しく配置される。ここで、磁気抵抗効果素子１２の感磁方向はＸ方向とする。４つの磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、設置基板１５の中心線９に対して相互に平行方向に配置され、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有するように、図には省略したが、磁気抵抗効果素子上にはバーバーポール電極構造が形成されている。なお、４つの磁気抵抗効果素子１２はそれぞれ１本で構成したが、クランク形状に複数の磁気抵抗効果素子を接続し、線路長を長く構成してもよい。また、中心線９上の中心点に対して点対称に構成してもよい。接続電流線１３は、４つの磁気抵抗効果素子１２間を接続することにより、ブリッジ回路１６を構成するものであり、接続エリア１４は、外部とブリッジ回路１６の入出力用の端子部として用いる。

図６はこの発明の実施の形態１による電流センサ１の電流検知デバイス部６を示す構成概略図であり、図６において、４つの磁気抵抗効果素子１２間を接続電流線１３で接続することにより、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第１のハーフブリッジ回路）１７ａと、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第２のハーフブリッジ回路）１７ｂとの並列接続からなるブリッジ回路１６を構成するものである。
接続エリア（第１の接続エリア）１４ａは、ブリッジ回路１６の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｃ間の接続電流線１３に接続され、もう一方の接続エリア（第２の接続エリア）１４ｂは、ブリッジ回路１６の磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｄ間の接続電流線１３に接続されており、接続エリア１４ａ、１４ｂからブリッジ回路１６に電圧が供給されるものである。接続エリア（第３の接続エリア）１４ｃは、ブリッジ回路１６の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ間の接続電流線１３に接続され、もう一方の接続エリア（第４の接続エリア）１４ｄは、ブリッジ回路１６の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄ間の接続電流線１３に接続されており、接続エリア１４ｃ、１４ｄからブリッジ回路１６の出力電圧が検出されるものである。

なお、図５および図６には示していないが、設置基板１５上の４つの磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの上方、または下方、またはその両方に絶縁層を介して補償導電線１８を配置し、ブリッジ回路１６の出力電圧に基づいて、それらの補償導電線１８に４つの磁気抵抗効果素子１２の近傍に発生する磁界を打ち消すような電流を供給する磁気補償型の構成としてもよい。

次に、電流センサ１の全体構成について説明する。
図１に示すように、被測定電流を印加する一次導体３の一部には、長手方向に向かって略垂直に曲げ加工が施され、Ｚ方向から見てＵ字の形状となるように１つのＵ字形状部５が形成される。なお本実施の形態１に示した図では、Ｕ字形状の底部の両脇部分が直角形状に構成されているが、電流検知デバイス部６に両側のＵ字部形成一次導体４から安定して逆方向の磁界が印加される構造であれば丸みを帯びた形状などでもよく、これに限るものではないが、安定して逆方向の磁界を印加するためにはＵ字形状が少なくとも電流検知デバイス部６の近傍において左右対称であることが望ましい。
図２に示すように、Ｕ字形状部５の対称軸、および電流検知デバイス部６の中心線９が略一致するようにセンサ基板２はＵ字形状部５の下面に設置されている。本実施の形態においては、センサ基板２をＵ字形状部５の下面に設置した例を示したが、設置位置は下面に限るものではない。
空間部１０内の電流検知デバイス部６の設置位置（特にＺ方向）は、磁気抵抗効果素子１２に付与したい磁界、つまりは被測定電流の大きさに応じて決定するが、Ｚ方向における１次導体３の中央となる位置（図３ 破線Ｏ）では感磁方向の付与磁界が０となるため、中央からずらして設置するのがよい。また、一次導体３の断面積は、印加する被測定電流値の大きさに応じて決定される。このような一次導体３は、例えば銅などの金属による直線状導体バー形状から、Ｕ字形状部５の曲げ加工等により作製される。
センサ基板２上には、電流検知デバイス部６とともにセンサ回路部７を配置する。センサ回路部７は、電流検知デバイス部６の接続エリア１４ａ、１４ｂにブリッジ回路１６の電圧を供給すると共に、ブリッジ回路１６の出力電圧を適度な増幅を施して出力するが、電流センサ１の外部への入出力には、外部端子８を利用する。
センサ基板２と１次導体３は、特に図示しないが接着剤や取付部材等を用いて固定する。取付部材は特に材料を限定しないが、非磁性で経時劣化の少ないものが望ましく、絶縁性や耐圧の効果を上げるために全体、あるいは一部を樹脂モールドしてもよい。

次に、電流センサ１の動作について、図３、図４、図５により説明する。
一次導体３に被測定電流を印加すると、例えば第１のＵ字部形成一次導体４ａには電流の方向に対して図３の破線に示すように左回転の磁界が、また第２のＵ字部形成一次導体４ｂには電流の方向に対して図３の破線に示すように右回転の磁界が、印加される被測定電流の大きさに応じて発生する。図には簡単のために各１次導体あたり２本の磁束線によって発生磁界を示した。その結果、電流検知デバイス部６を空間部１０の下面近傍に設置した場合、電流検知デバイス部６の右側に位置する磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、図４（ａ）に示す磁界ベクトル１１が印加され、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感磁方向（Ｘ方向）には分解ベクトル１１ａが加わることになる。それぞれの分解ベクトルの大きさは、１１ａ＜１１ｂの関係が成立するため、Ｘ方向とＺ方向で比較した場合、Ｚ方向の１１ｂが主たる磁界の方向となる。つまり、電流検知デバイス部６のＸＹ面における、図５に示した磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂには、中心線９より紙面左側の向きに磁界が加わり、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、中心線９より紙面右側の向きに磁界が加わる。
一方、特許文献１に示されるように電流検知デバイス部６ａを空間部１０の外に設置した場合、電流検知デバイス部６ａの右側に位置する磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、図４（ｂ）に示す磁界ベクトル１１が印加され、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感磁方向（Ｘ方向）には分解ベクトル１１ｃが加わることになる。それぞれの分解ベクトルの大きさは、１１ｄ＜１１ｃの関係が成立するため、Ｘ方向とＺ方向で比較した場合、Ｘ方向の１１ｃが主たる磁界の方向となる。ここで図４（ａ）に示す磁界ベクトル１１と図４（ｂ）に示す磁界ベクトル１１は大きさがほぼ等しく方向の異なるベクトルであり、図のようにそれぞれの感磁方向の分解ベクトルの大きさは、１１ａ＜１１ｃの関係が成立する。

このように、図３に示す電流検知デバイス部６の位置では、一次導体に近い位置であるにもかかわらず、それぞれの磁気抵抗効果素子１２の感磁方向には、主たる方向と異なる方向の低められた磁界が印加されることになる。そのため、被測定電流が大電流であっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界が抑制され、出力の飽和などを気にすることなく、かつ電流センサとしての外形寸法を大型化することなく、大電流の計測が容易に行える。
なお、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄでは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃでは、逆に磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されている。
よって、一次導体３に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの抵抗値が減少し、一次導体３に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの抵抗値が増加する。このように、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じてブリッジ回路１６の平衡が崩れ、これが電流検知デバイス部６のブリッジ回路１６の出力となる。

さらに、電流センサ１の動作について、補償導電線１８を有する場合について説明する。補償導電線１８を配置した電流検知デバイス部６とセンサ回路部７の概略構成を図７に示す。
一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じてブリッジ回路１６の平衡が崩れる。このとき、センサ回路部７に設置された増幅回路部（例えばオペアンプ１９）では、電流検知デバイス部６の接続エリア１４ｃ、１４ｄから検出される出力電圧に基づいて、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ近傍に発生する磁界を打ち消すような電流（制御電流）を補償導電線１８に供給する。具体的には接続エリア１４ｃ、１４ｄの出力電圧が０になるように、制御電流の大きさを調整する。補償導電線１８は、その制御電流の大きさに応じて４つの磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ近傍に発生する磁界、すなわち一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じた磁界を相殺するような磁界を発生する。
したがって、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じたブリッジ回路１６の平衡の崩れを、センサ回路部７から供給される制御電流により修復することができる。ゆえに、センサ回路部７から供給した制御電流の大きさが、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに相関のある値として検出することができる。
なお、一次導体３以外において発生させた外部磁界（外乱磁界）は、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄ（ブリッジ回路１６の左右の各ハーフブリッジ回路１７）に同相の影響となるため相殺され、測定精度に影響を与えない。

以上のように、この実施の形態１によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去することができる。

また、磁気抵抗効果素子の感磁方向への印加磁界を抑制する構成としたため、大電流の測定が容易に可能となり、さらに電流検知デバイス部６を空間部１０内に設置したため、一次導体を含めた電流センサの構造が小型となる効果がある。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による電流センサのＡＡ断面（ＸＺ面）の一部を示す断面図である。本実施の形態２は、図１に示した電流センサ１のＵ字形状部５における空間部１０に、電流検知デバイス部６に加えてさらに第２の電流検知デバイス部６ｂを設置したものである。図には省略したが、第２の電流検知デバイス部６ｂは、電流検知デバイス部６と同様にセンサ回路部とともにセンサ基板に設置されるものとする。
実施の形態２は、実施の形態１に新たに電流検知デバイス部６ｂを付加した構成であり、その他の構成で重複する部分は省略する。実施の形態２は、一次導体３の空間部１０において、印加した被測定電流に応じて発生する磁界を２箇所で計測するようにしたものである。

実施の形態２における電流センサ１の全体構成について説明する。
Ｕ字形状部５の対称軸、および電流検知デバイス部６の中心線９が略一致するように電流検知デバイス部６は空間部１０内の端部近傍に設置され、かつＵ字形状部５の対称軸、および第２の電流検知デバイス部６ｂの中心線９が略一致するように第２の電流検知デバイス部６ｂは空間部１０内の電流検知デバイス部６に比較してＺ方向の中央よりに設置される。２つの電流検知デバイス部６、６ｂの設置位置（特にＺ方向）は、磁気抵抗効果素子１２に付与したい磁界に応じて決定する。
各電流検知デバイス部における磁気抵抗効果素子等の構成は実施の形態１に示した電流検知デバイス部６と同一構成とし、重複を避けるため記述しない。
それぞれのセンサ回路部は、それぞれの電流検知デバイス部の接続エリア１４ａ、１４ｂにブリッジ回路１６の電圧を供給すると共に、ブリッジ回路１６の出力電圧を適度な増幅を施して出力するが、異なる部分の磁界を計測するため、増幅率等の各センサ回路部の構成は異なる場合がある。
なお、本実施の形態においては、各電流検知デバイス部を空間部１０の下側に設置した例を示したが、空間部１０の上側に設置してもよく、あるいは２つに限ったものではなくさらに複数個設置してもよい。

次に、実施の形態２における電流センサ１の動作について、図８により説明する。
一次導体３に被測定電流を印加すると、例えば第１のＵ字部形成一次導体４ａには電流の方向に対して図８の破線に示すように左回転の磁界が、また第２のＵ字部形成一次導体４ｂには電流の方向に対して図８の破線に示すように右回転の磁界が、印加される被測定電流の大きさに応じて発生する。図には簡単のために各１次導体あたり２本の磁束線によって発生磁界を示した。その結果、電流検知デバイス部６を空間部１０の下面近傍に設置した場合、電流検知デバイス部６の右側に位置する磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、図９（ａ）に示す磁界ベクトル１１が印加され、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感磁方向（Ｘ方向）には分解ベクトル１１ａが加わることになる。それぞれの分解ベクトルの大きさは、１１ａ＜１１ｂの関係が成立するため、Ｘ方向とＺ方向で比較した場合、Ｚ方向の１１ｂが主たる磁界の方向となる。つまり、電流検知デバイス部６のＸＹ面における、図５に示した磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂには、中心線９より紙面左側の向きに磁界が加わり、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、中心線９より紙面右側の向きに磁界が加わる。
第２の電流検知デバイス部６ｂを空間部１０内の電流検知デバイス部６に比較してＺ方向の中央よりに設置した場合、電流検知デバイス部６ｂの右側に位置する磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、図９（ｂ）に示す磁界ベクトル１１が印加され、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感磁方向（Ｘ方向）には分解ベクトル１１ｃが加わることになる。それぞれの分解ベクトルの大きさは、１１ｃ＜１１ｄの関係が成立するため、Ｘ方向とＺ方向で比較した場合、Ｚ方向の１１ｄが主たる磁界の方向となる。ここで図９（ａ）に示す磁界ベクトル１１と図９（ｂ）に示す磁界ベクトル１１は方向の異なるベクトルであり、図のようにそれぞれの感磁方向の分解ベクトルの大きさは、１１ｃ＜１１ａの関係が成立する。

このように、図８に示す電流検知デバイス部６ならびに第２電流検知デバイス部６ｂの位置では、一次導体に近い位置であるにもかかわらず、それぞれの磁気抵抗効果素子１２の感磁方向には、主たる方向と異なる方向の低められた磁界が印加されることになる。そのため、被測定電流が大電流であっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界が抑制され、出力の飽和などを気にすることなく、かつ電流センサとしての外形寸法を大型化することなく、大電流の計測が容易に行える。かつ、電流検知デバイス部６と第２電流検知デバイス部６ｂの位置で比較すると、より中央に近い第２電流検知デバイス部６ｂの位置で、より低められた磁界が印加されることになる。
つまり、第２の電流検知デバイス部６ｂの位置では、被測定電流が大電流であっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界がさらに抑制され、出力の飽和などを気にすることなく、かつ電流センサとしての外形寸法を大型化することなく、大電流の計測が容易に行え、電流検知デバイス部６の位置では、被測定電流がやや小容量の電流になっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界の抑制度は小さく、出力の低下によるＳ／Ｎの悪化などを気にすることなく、やや小容量の電流の計測が容易に行える。
例えば、各電流検知デバイス部６、６ｂのハーフブリッジ部分（例えば１７ｂ）に被測定電流値に対して付与される磁界は、図１０のように示され、やや小容量の電流の計測時は電流検知デバイス部６、大電流の測定時は電流検知デバイス部６ｂを利用するように構成すれば、同じ特性の電流検知デバイス部を用いても、各センサ回路部の増幅率等の若干の調整で、図１１に示すように測定レンジの拡大した精度の良い電流センサを構築することが可能となる。

なお、実施の形態１と同様に、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄでは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃでは、逆に磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されているため、一次導体３に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの抵抗値が減少し、一次導体３に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの抵抗値が増加する。このように、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じてブリッジ回路１６の平衡が崩れ、これが各電流検知デバイス部６、６ｂのブリッジ回路１６の出力となる。

以上のように、この実施の形態２によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去することができる。

また、磁気抵抗効果素子の感磁方向への印加磁界を抑制する構成としたため、大電流の測定が容易に可能となり、さらに電流検知デバイス部６、６ｂを空間部１０内に設置したため、一次導体を含めた電流センサの構造が小型となる効果がある。
また、一次導体の空間部１０内に異なる磁束密度が生じる構造のため、同じ特性の電流検知デバイス部を複数個設置して、小型で、かつ測定レンジを精度良く拡大できる効果がある。さらにまた、同じ特性の電流検知デバイス部が利用できるため、複数の異なる特性の電流検知デバイス部を用意する必要がなく、低コスト化となる効果がある。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３による電流センサの平面図を示すもので、図１３は図１２のＡＡ断面（ＸＺ面）の一部を示す断面図である。本実施の形態３では、一次導体３は長手方向に向かって略垂直に曲げ加工が施され、幅の異なる２つのＵ字形状部５、５ａを形成し、Ｕ字形状部５、５ａ内である一次導体に囲まれた空間部１０、１０ａのそれぞれに１つの電流検知デバイス部６、６ｃを配置し、それぞれにおいて、印加した被測定電流に応じて発生する磁界を計測するようにしたものである。
実施の形態３は、実施の形態１に新たにＵ字形状部５ａおよび電流検知デバイス部６ｃを付加した構成であり、その他の構成で重複する部分は省略する。

実施の形態３における電流センサ１の全体構成について説明する。
Ｕ字形状部５の対称軸、および電流検知デバイス部６の中心線９が略一致するように電流検知デバイス部６は空間部１０内の下面近傍に設置され、かつＵ字形状部５ａの対称軸、および第２の電流検知デバイス部６ｃの中心線９が略一致するように第２の電流検知デバイス部６ｃは空間部１０ａ内の下面近傍に設置される。２つの電流検知デバイス部６、６ｃの設置位置（特にＺ方向）は、磁気抵抗効果素子１２に付与したい磁界に応じて決定する。本実施の形態においては、同一のセンサ基板２上に２つの電流検知デバイス部を配置したため、各電流検知デバイス部のＹ方向、Ｚ方向の位置は同一構成であるが、これに限るものでなく、異なる座標軸上に設置するために別のセンサ基板に配置してもよい。
各電流検知デバイス部における磁気抵抗効果素子等の構成は実施の形態１に示した電流検知デバイス部６と同一構成とし、重複を避けるため記述しない。
それぞれのセンサ回路部は、それぞれの電流検知デバイス部の接続エリア１４ａ、１４ｂにブリッジ回路１６の電圧を供給すると共に、ブリッジ回路１６の出力電圧を適度な増幅を施して出力するが、異なる部分の磁界を計測するため、増幅率等の各センサ回路部の構成は異なる場合がある。
なお、本実施の形態においては、各電流検知デバイス部を空間部１０、１０ａの下側に設置した例を示したが、空間部１０、１０ａの上側や中央以外の内部に設置してもよく、あるいは２つに限ったものではなくさらに複数個設置してもよい。

次に、実施の形態３における電流センサ１の動作について、図１３により説明する。
一次導体３に被測定電流を印加すると、例えば第１のＵ字部形成一次導体４ａには電流の方向に対して図１３の破線に示すように左回転の磁界が、また第２のＵ字部形成一次導体４ｂには電流の方向に対して図１３の破線に示すように右回転の磁界が、また第３のＵ字部形成一次導体４ｃには電流の方向に対して図１３の破線に示すように右回転の磁界が、印加される被測定電流の大きさに応じて発生する。図には簡単のために各１次導体あたり１本の磁束線によって発生磁界を示した。
その結果、電流検知デバイス部６を空間部１０の下面近傍に設置した場合、電流検知デバイス部６の右側に位置する磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、図１４（ａ）に示す磁界ベクトル１１が印加され、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感磁方向（Ｘ方向）には分解ベクトル１１ａが加わることになる。それぞれの分解ベクトルの大きさは、１１ａ＜１１ｂの関係が成立するため、Ｘ方向とＺ方向で比較した場合、Ｚ方向の１１ｂが主たる磁界の方向となる。つまり、電流検知デバイス部６のＸＹ面における、図５に示した磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂには、中心線９より紙面左側の向きに磁界が加わり、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、中心線９より紙面右側の向きに磁界が加わる。
第２の電流検知デバイス部６ｃを空間部１０ａ内の下面近傍に設置した場合、電流検知デバイス部６ｃの右側に位置する磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄには、図１４（ｂ）に示す磁界ベクトル１１が印加され、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感磁方向（Ｘ方向）には分解ベクトル１１ｃが加わることになる。それぞれの分解ベクトルの大きさは、１１ｃ＜１１ｄの関係が成立するため、Ｘ方向とＺ方向で比較した場合、Ｚ方向の１１ｄが主たる磁界の方向となる。ここで図１４（ａ）に示す磁界ベクトル１１と図１４（ｂ）に示す磁界ベクトル１１は方向、および大きさの異なるベクトルであり、図のようにそれぞれの感磁方向の分解ベクトルの大きさは、１１ｃ＜１１ａの関係が成立する。

このように、図１３に示す電流検知デバイス部６ならびに第２電流検知デバイス部６ｃの位置では、一次導体に近い位置であるにもかかわらず、それぞれの磁気抵抗効果素子１２の感磁方向には、主たる方向と異なる方向の低められた磁界が印加されることになる。そのため、被測定電流が大電流であっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界が抑制され、出力の飽和などを気にすることなく、かつ電流センサとしての外形寸法を大型化することなく、大電流の計測が容易に行える。かつ、電流検知デバイス部６と第２電流検知デバイス部６ｃの位置で比較すると、Ｕ字形状の幅が広い、言い換えるとＵ字部形成一次導体の間隔が広い第２の電流検知デバイス部６ｃの位置で、より低められた磁界が印加されることになる。
つまり、第２の電流検知デバイス部６ｃの位置では、被測定電流が大電流であっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界がさらに抑制され、出力の飽和などを気にすることなく、かつ電流センサとしての外形寸法をＺ軸方向に拡大することなく、大電流の計測が容易に行え、電流検知デバイス部６の位置では、被測定電流がやや小容量の電流になっても磁気抵抗効果素子１２に印加される磁界の抑制度は小さく、出力の低下によるＳ／Ｎの悪化などを気にすることなく、やや小容量の電流の計測が容易に行える。
例えば、各電流検知デバイス部６、６ｃのハーフブリッジ部分（例えば１７ｂ）に被測定電流値に対して付与される磁界は、図１５のように示され、やや小容量の電流の計測時は電流検知デバイス部６、大電流の測定時は電流検知デバイス部６ｃを利用するように構成すれば、各センサ回路部の増幅率等の若干の調整で、同じ特性の電流検知デバイス部を用いて、図１６に示すように測定レンジの拡大した精度の良い電流センサを構築することが可能となる。

なお、実施の形態１と同様に、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄでは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃでは、逆に磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されているため、一次導体３に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの抵抗値が減少し、一次導体３に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの抵抗値が増加する。このように、一次導体３に印加される被測定電流の大きさに応じてブリッジ回路１６の平衡が崩れ、これが各電流検知デバイス部６、６ｃのブリッジ回路１６の出力となる。本実施の形態３では２つのＵ字形状部を２つ有する構成としたが、これに限るものではなく、さらに複数のＵ字形状部を有する構成としてもよい。

以上のように、この実施の形態３によれば、設置基板上に４つの磁気抵抗効果素子で、設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に第２のハーフブリッジ回路が配置され、それぞれのハーフブリッジ回路に逆方向の磁界が印加される構造のため、一様な外部磁界を除去することができる。

また、磁気抵抗効果素子の感磁方向への印加磁界を抑制する構成としたため、大電流の測定が容易に可能となり、さらに各電流検知デバイス部を空間部内に設置したため、一次導体を含めた電流センサの構造が小型となる効果がある。
また、一次導体の空間部１０、１０ａ内に異なる磁束密度が生じる構造のため、同じ特性の電流検知デバイス部を複数個設置して、小型で、かつ測定レンジを精度良く拡大できる効果がある。さらにまた、同じ特性の電流検知デバイス部が利用できるため、複数の異なる特性の電流検知デバイス部を用意する必要がなく、低コスト化となる効果がある。

また、１枚のセンサ基板に複数の電流検知デバイス部を設置できる構成のため、センサ基板が１枚となるだけでなく、電流検知デバイス部の位置決めも容易となり、低コスト化となる効果がある。

実施の形態４．
図１７は、この発明の実施の形態４による電流検出装置２０の平面図を示すもので、図１８は図１７のＢＢ断面（ＹＺ面）を示す断面図である。本実施の形態４では、三相交流電流において、それぞれの相電流を３つの電流センサを用いて検出する電流検出装置２０を示したものである。
実施の形態４は、実施の形態１に示した電流センサを複数個用いた構成であり、その他の構成で重複する部分は省略する。

実施の形態４における電流検出装置２０の全体構成について説明する。
電流センサ１、１ａ、１ｂがそれぞれ構成される３本の一次導体３、３ａ、３ｂは、長手方向（Ｘ方向）が略平行となり、かつそれぞれのＵ字形状部５、５ａ、５ｂが同一平面上に並列配置される。各一次導体に被測定電流が印加されたとき、発生する主な磁界の方向は、図１９の矢印に示すようにＸＹ平面において、全てＸ方向またはＹ方向となる。ここで、センサ基板２、２ａ、２ｂ上に設置された磁気抵抗効果素子（図には省略）の感磁方向はＸ方向であり、磁界検出部となるＵ字形状部５、５ａ、５ｂのＵ字部形成一次導体にて挟まれた部分に一次導体から付与される磁界の方向は、検出部のＸ方向磁界２１または検出部のＹ方向磁界２２となり、感磁方向と直角方向であるＹ方向の磁界の影響は受けない。それ以外において発生する非検出部の磁界方向２３は、磁気抵抗効果素子の感磁方向と直角方向であるＹ方向となるため、磁気抵抗効果素子は磁界検出部以外で発生する磁界の影響も受けることはない。
なお、本実施の形態においては、実施の形態１に示した電流センサを用いた例を示したが、他の実施の形態に示した電流センサを用いてもよく、複数個、あるいは組み合わせて設置しても構わない。また三相に限らず、さらに複数相、複数の一次導体を設置してもよい。

以上のようにこの実施の形態４によれば、磁界検出部となる磁気抵抗効果素子部に、一次導体から付与される感磁方向の磁界以外に発生する磁界の方向が、感磁方向から直角方向となる構成のため、それらの磁界の影響を受けることがなく測定精度を高める効果がある。

この発明の実施形態１による電流センサの斜視図である。 この発明の実施形態１による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの電流検知デバイス部近傍の磁界ベクトルと分解ベクトルを示す図である。 この発明の実施形態１による電流センサの電流検知デバイス部を示す平面図である。 この発明の実施形態１による電流センサの電流検知デバイス部を示す構成概略図である。 この発明の実施形態１による補償導電線を配置した構成図である。 この発明の実施形態２による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態２による電流センサの電流検知デバイス部近傍の磁界ベクトルと分解ベクトルを示す図である。 この発明の実施形態２による電流センサの電流検知デバイス部の一部における被測定電流値−磁界関係図である。 この発明の実施形態２による電流センサの被測定電流値−センサ出力関係図である。 この発明の実施形態３による電流センサの平面図である。 この発明の実施形態３による電流センサの断面図である。 この発明の実施形態３による電流センサの電流検知デバイス部近傍の磁界ベクトルと分解ベクトルを示す図である。 この発明の実施形態３による電流センサの電流検知デバイス部の一部における被測定電流値−磁界関係図である。 この発明の実施形態３による電流センサの被測定電流値−センサ出力関係図である。 この発明の実施形態４による電流検出装置の平面図である。 この発明の実施形態４による電流検出装置の断面図である。 この発明の実施形態４による電流検出装置の一次導体近傍に発生する磁界の方向を示す図である。

符号の説明

１ 電流センサ、２ センサ基板、３ 一次導体、４ Ｕ字部形成一次導体、５ Ｕ字形状部、６ 電流検知デバイス部、７ センサ回路部、８ 外部端子、９ 中心線、１０ 空間部、１１ 磁界ベクトル、１２ 磁気抵抗効果素子、１３ 接続電流線、１４ 接続エリア、１５ 設置基板、１６ ブリッジ回路、１７ ハーフブリッジ回路、１８ 補償導電線、１９ オペアンプ、２０ 電流検出装置、２１ 検出部のＸ方向磁界、２２ 検出部のＹ方向磁界、２３ 非検出部の磁界方向

Claims (5)

1. 設置基板上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１および第４の磁気抵抗効果素子と、
   上記設置基板上に配置され、互いに逆方向の上記磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２および第３の磁気抵抗効果素子と、
   上記設置基板上に配置され、上記第１から第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、上記第１および第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、および上記第３および第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線とを備え、
   上記設置基板の中心線に対して分けられた一方の領域に上記第１のハーフブリッジ回路が配置されると共に、他方の領域に上記第２のハーフブリッジ回路が配置された電流検知デバイスと、
   少なくとも１つのＵ字型形状を有する一次導体を備え、
   Ｕ字型形状を形成して上記一次導体に囲まれた空間内の少なくとも一箇所に、上記設置基板の中心線とＵ字型形状の対称軸が略一致するように上記電流検知デバイスが配置されたことを特徴とする電流センサ。
2. 上記一次導体のＵ字型形状を形成する部分において、少なくともＵ字型形状の対称軸に相対する上記一次導体の断面形状が同一形状であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 少なくとも１つのＵ字型形状を有する上記一次導体において、長手方向に垂直な断面が長方形であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
4. 上記電流検知デバイスはセンサ回路部とともにセンサ基板に設置され、上記センサ基板はＵ字型形状を形成して上記一次導体に囲まれた空間内の少なくとも一箇所に、上記設置基板の中心線とＵ字型形状の対称軸が略一致するように配置されたことを特徴とする請求項２または３に記載の電流センサ。
5. 多相電流をそれぞれに印加する少なくとも１つのＵ字型形状を有した複数の上記一次導体を、長手方向が略平行となるとともに各Ｕ字型形状が同一平面にあるように並列配置し、それぞれの上記一次導体において、Ｕ字型形状を形成して上記一次導体に囲まれた空間内の少なくとも一箇所に、上記設置基板の中心線とＵ字型形状の対称軸が略一致するように上記電流検知デバイスが配置されたことを特徴とする電流検出装置。

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