JP2012078232A

JP2012078232A - 電流検出装置

Info

Publication number: JP2012078232A
Application number: JP2010224550A
Authority: JP
Inventors: Masanori Samejima; 正憲鮫島; Shusuke Uematsu; 秀典植松; Shinji Harada; 真二原田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】本発明は、消費電流が小さく、かつ小形で、出力の直線性が良好な電流検出装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明は導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、磁界検出素子２３を導体２１に設けた凹部２２内に配置することにより、磁界検出素子の感度と消費電流を最適化でき、これにより、被測定電流を直線性よく測定できるとともに、形状寸法を大幅に小形化することができるという優れた効果を奏する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両、産業機器等内において電流を検出する電流検出装置に関するものである。

従来、ホール素子や磁気抵抗素子等の磁界検出素子を用いた電流検出装置が知られている。図１３はホール素子を磁界検出素子として用いた電流検出装置の分解斜視図である。図１３において、この電流検出装置はバスバー１を流れる電流により発生する磁界を集磁するための集磁用コア２と、ホール素子３を含む各種電子部品が実装されるプリント基板４と、これらの部品を収納するケース５とからなる。ケース５の内部には、同ケース５の底面に開口する筒部５ａが形成されており、同筒部５ａの内部に前記バスバー１が挿入される。一方、前記集磁用コア２は環状に形成されており、その中央の空間に前記筒部５ａが挿入されることで筒部５ａおよびバスバー１を囲繞する。また前記集磁用コア２には前記ホール素子３を挿入するためのギャップ２ａが形成されている。さらにプリント基板４はケース５の外壁に取付けられたオス端子側コネクタ６に接続されており、ホール素子３のホール電圧等の情報の外部への取り出しが行われる。この電流検出装置では、前記バスバー１を流れる電流により発生する磁界が前記集磁用コア２により集磁増幅され、前記ギャップ２ａに漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束がホール素子３に作用して発生するホール電圧からバスバーに流れる電流の大きさが検出されるものである。この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

図１４は磁気抵抗素子を磁界検出素子として用いた電流検出装置の斜視図である。図１４において、この電流検出装置は磁気抵抗素子７と、磁気抵抗素子７にバイアス磁界Ｈｂを印加する永久磁石８と、電流ｉを流す導体９とを磁気シールド容器１０に収容してなる。このように構成した電流検出装置は、電流ｉを導体９に流した時発生する検出磁界Ｈが磁気抵抗素子７に作用して発生する抵抗変化から導体９に流れる電流の大きさが検出されるものである。この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。

図１５（ａ）は磁界検出素子として磁気抵抗素子を用いた他の電流検出装置の構成図である。図１５（ａ）において、１１は測定電流を流すための導体、１２Ａ，１２Ｂは磁気抵抗素子、１３Ａ，１３Ｂは前記磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂの動作点を決める永久磁石、１４は補償電流を流すための導体、１５は上記部品を形成、保持するための基板である。ここで導体１４は導体１１に比べて前記磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂのごく近傍に配置されている。図１５（ｂ）は前記磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂの磁界による抵抗変化を電圧変化に置き換えるブリッジ回路である。図１５（ｂ）において、１６Ａ，１６Ｂは固定抵抗であり、１７は差動増幅器である。導体１１に流れる電流が零の時、磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂには永久磁石による磁界のみが印加され、ブリッジ回路は平衡するように構成されているため差動増幅器１７の出力端子には出力電圧は現れない。導体１１に電流が流れると、電流磁界が発生し、それによってブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂの抵抗値が変化し、ブリッジ回路の平衡が破れ差動増幅器１７の出力端子に出力電圧が発生する。この出力電圧により、図示しない補償電流発生回路が導体１４に補償電流を流し、磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂの位置における測定電流による磁界を相殺し、磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂに印加される正味の磁界を永久磁石１３Ａ,１３Ｂにより発生される磁界のみとすることにより、ブリッジ回路の出力電圧を零にするように動作する。このようにして再びブリッジ回路が平衡した時、導体１４に流れる電流に比例した電圧から導体１１に流れる電流の大きさが検出されるものである。この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献３が知られている。

特開２００２−３０３６４２号公報特開平１−２９９４８１号公報特開平７−２０９３３６号公報

しかしながら、図１３に示したホール素子を用いた電流検出装置においては、集磁用コア２が必須の構成要素となる。すなわち、ホール素子３は測定可能な磁界の範囲(ダイナミックレンジ)が大きい反面、ホール素子３に作用する磁界が小さい領域では、発生するホール電圧が小さいため高感度な電流測定が困難であるとともに、この領域においてホール素子３に作用する磁界とこの磁界によって発生するホール電圧との比例関係が成立しない。そのため集磁用コア２を用いてホール素子に印加される磁界を集磁増幅することが必須となる。そのため、電流検出装置の部品点数が増大するとともに、集磁用コア２をバスバー１の外側に配置せねばならないため電流検出装置自体が大きく、重くなってしまうという問題点があった。

また、図１４に示した磁気抵抗素子を用いた電流検出装置においては、磁気抵抗素子７に作用する磁界が小さい領域でも、大きな抵抗変化が発生するため集磁用コアを用いなくても高感度な電流測定が可能である反面、磁気抵抗素子７に印加される磁界の変化に対する磁気抵抗の変化が非直線的で測定可能な磁界の範囲(ダイナミックレンジ)が小さいとともに、磁気抵抗素子７を導体９の外側に配置しているため電流検出装置が大きくなってしまうという課題があった。

さらにまた、図１５に示した磁気抵抗素子を用いた他の電流検出装置においては、集磁用コアを用いなくても高感度な電流測定が可能であるとともに、磁気抵抗素子１２には常に永久磁石からの一定の磁界が印加されるため、磁気抵抗素子の有する非直線的な磁気−抵抗特性は電流検出装置としての特性にまったく関与せず、電流導体１１に流れる電流と電流検出装置の出力信号との間の直線性が良好で測定可能な磁界の範囲(ダイナミックレンジ)が大きい反面、磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂや導体１４等を導体１１の外側に配置しているため電流検出装置が大きくなってしまうという問題点があった。また、導体１４および磁気抵抗素子１２Ａ，１２Ｂと導体１１との距離を小さくすれば、電流検出装置の形状寸法を小形化することができるが、導体１１に大電流が流れると、それに応じて導体１４に流すべき補償電流が大きくなるためセンサの消費電流が大きくなってしまうという問題点があった。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、被測定電流を直線性よく測定できるとともに、大幅な小形化が達成できる電流検出装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記導体に流れる電流によって導体の周囲に発生する磁界を補償電流線に流す電流によって相殺することによって前記磁界を検知する磁界検出素子を備え、前記導体の主面に開口を有する凹部内または前記導体の両主面に開口を有する貫通孔内に前記磁界検出素子を収納したもので、この構成によれば、出力の直線性が良好で、電流検出装置を大幅に小形化することができるとともに、前記凹部または貫通孔の寸法形状およびこれらの凹部または貫通孔内に磁界検出素子を配置する位置を選択することにより磁界検出素子の感度と消費電流を最適化することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記導体の貫通孔内に第１、第２の磁界検出素子を収納するとともに、前記第１、第２の磁界検出素子を前記導体の厚み方向の中心から略等距離だけ離して配置し、前記第１、第２の磁界検出素子が検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出するようにしたもので、この構成によれば、地磁気等の外部磁界による外乱をキャンセルすることができ、これにより、導体に流れる電流をさらに精度よく測定することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、前記導体の一方の主面に開口を有する第１の凹部内に第１の磁界検出素子を収納するとともに、前記導体の他方の主面に開口を有し前記第１の凹部と実質的に同じ形状を有する第２の凹部内に第２の磁界検出素子を収納するとともに、前記第１、第２の磁界検出素子を前記導体の厚み方向の中心から略等距離だけ離して配置し、前記第１、第２の磁界検出素子が検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出するようにしたもので、この構成によれば、地磁気等の外部磁界による外乱をキャンセルすることができ、これにより、導体に流れる電流をさらに精度よく測定することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項４に記載の発明は、特に、前記導体に設けた凹部または貫通孔の開口部に磁性体を配したもので、この構成によれば、前記導体の厚み方向の位置の変化に伴う磁界の大きさの変動を小さくすることができ、これにより、導体に流れる電流をさらに精度よく測定することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明は、導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記導体に流れる電流によって導体の周囲に発生する磁界を補償電流線に流す電流によって相殺することによって前記磁界を検知する磁界検出素子を備え、前記導体の主面に開口を有する凹部内または前記導体の両主面に開口を有する貫通孔内に前記磁界検出素子を収納したもので、磁界検出素子や補償電流を流す導体を被測定電流を流す導体の内側に配置できるとともに、磁界検出素子の感度と消費電流を最適化でき、これにより、被測定電流を直線性よく測定できるとともに、電流検出装置を大幅に小形化することができるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１における電流検出装置の斜視図、（ｂ）（ａ）における電流検出装置を凹部の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図（ａ）本発明の実施の形態１における磁界検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図（ａ）本発明の実施の形態１における他の磁界検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図本発明の実施の形態１における電流検出装置の動作を説明するための回路図（ａ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、ｗ＝１０ｍｍ、深さ寸法ｔｍｍの凹部を有する導体において、深さ寸法ｔを変化させた場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果を示す図、（ｂ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、ｗ＝１０ｍｍ、深さ寸法ｔｍｍの凹部を有する導体を示す断面模式図、（ｃ）凹部のない矩形断面を有する導体のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを示す断面模式図、（ｄ）ｔ＝１．５ｍｍの凹部を有する導体のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを示す断面模式図（ａ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、ｔ＝１．５ｍｍ、幅寸法ｗの凹部を有する導体において、幅寸法ｗを変化させた場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果を示す図、（ｂ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、ｔ＝１．５ｍｍ、幅寸法ｗの凹部を有する導体を示す模式断面図（ａ）本発明の実施の形態２における電流検出装置の斜視図、（ｂ）（ａ）における電流検出装置を凹部の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図（ａ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍの導体において、貫通孔の直径φを変化させた場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果を示す図、（ｂ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、貫通孔の直径φの導体を示す断面模式図（ａ）本発明の実施の形態３における電流検出装置の斜視図、（ｂ）（ａ）における電流検出装置を凹部の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図（ａ）本発明の実施の形態４における電流検出装置の斜視図、（ｂ）（ａ）における電流検出装置を凹部の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図（ａ）本発明の実施の形態５における電流検出装置の斜視図、（ｂ）（ａ）における電流検出装置を凹部の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図（ａ）本発明の実施の形態５における電流検出装置のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果を示す図、（ｂ）Ｗ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍの導体を示す断面模式図ホール素子を磁界検出素子として用いた従来の電流検出装置の分解斜視図磁気抵抗素子を磁界検出素子として用いた従来の電流検出装置の斜視図（ａ）磁界検出素子として磁気抵抗素子を用いた従来の他の電流検出装置の構成図、（ｂ）磁気抵抗素子の磁界による抵抗変化を電圧変化に置き換えるブリッジ回路の構成図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１における電流検出装置の斜視図を示したもので、電気自動車あるいはハイブリッドカーのバッテリーと動力用モーターを接続する電流バー等に流れる電流の大きさ(数十Ａ〜数百Ａ)を検出するのに好適なものである。ＸＹＺ座標系を図のようにとった時、２１はＹ軸方向に伸びＸ軸、Ｚ軸に平行な方向の長さが各々Ｗ、Ｔである導体である。２２は前記導体２１の主面２１Ａに開口を有し、Ｘ軸、Ｚ軸に平行な方向の長さが各々ｗ、ｔである凹部であり、２３は前記導体２１に流れる電流Ｉによって導体２１の周囲に発生する磁界を検出する磁界検出素子である。そして、この磁界検出素子２３を前記凹部２２内に収納したものである。図１（ｂ）は図１（ａ）における電流検出装置を前記凹部２２の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図である。

図２（ａ）は図１（ａ）、図１（ｂ）における磁界検出素子２３の上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）において、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄはセラミック等の絶縁基板３１上に形成された磁気抵抗素子であり、これらはＮｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ等の強磁性体からなる厚み約０．１μｍの磁気抵抗薄膜である。そして、前記磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂおよび磁気抵抗素子３０ｃ，３０ｄは各々直列に接続され、磁気検出方向であるパターンの長手方向が互いに直交している。入力電極３２ａは絶縁基板３１上に形成されているもので、前記磁気抵抗素子３０ａおよび磁気抵抗素子３０ｄと電気的に接続されている。第１の出力電極３２ｂも絶縁基板３１上に形成されており、前記磁気抵抗素子３０ａおよび磁気抵抗素子３０ｂと電気的に接続されている。同様にしてグランド電極３２ｃ、第２の出力電極３２ｄも絶縁基板３１上に形成されており、各々前記磁気抵抗素子３０ｂおよび磁気抵抗素子３０ｃ、前記磁気抵抗素子３０ｃおよび磁気抵抗素子３０ｄと電気的に接続されている。

３３ａは第１の絶縁層で、この第１の絶縁層３３ａは厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜からなり、前記磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを覆うことにより後述する薄膜磁石３４からなるバイアス磁界発生手段との電気的絶縁を行うものである。

３４は薄膜磁石で、この薄膜磁石３４は厚みが約０．６μｍのＣｏＰｔ等からなり、前記第１の絶縁層３３ａの上に蒸着、スパッタ法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングすることにより、前記磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの磁気検出方向と４５度をなす方向に長手方向を有する複数の略長方体に分割されているものである。そして、この複数の略長方体形状の薄膜の幅方向にきわめて大きな磁界を印加することにより、略長方体形状の薄膜が幅方向に磁化されて、薄膜磁石３４を得ることができる。ＸＹＺ軸を図１（ａ）と同様に規定した時、薄膜磁石３４からはＹ軸方向の磁界が発生し、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの磁気検出方向に対して４５度をなす方向にバイアス磁界Ｈ_Bが印加されることになる。

３３ｂは第２の絶縁層で、この第２の絶縁層３３ｂは厚みが約１μｍのＳｉＯ₂薄膜からなり、前記薄膜磁石３４を覆うことにより後述する補償電流線３５との電気的絶縁を行うものである。

３５は補償電流線で、この補償電流線３５は厚みが約０．６μｍの銅薄膜からなり、前記第２の絶縁層３３ｂの上に蒸着法等により形成した後、露光、エッチングによりパターニングすることにより形成している。

上記したような構成とすることにより、絶縁基板３１の上に磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ、薄膜磁石３４、補償電流線３５を一体的に互いにきわめて近接させて、かつ精度よく配置することができるものである。

図３（ａ）は図１（ａ）、図１（ｂ）における他の磁界検出素子２３の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。図３(ａ)、図３（ｂ）において、本磁界検出素子２３が図２に示した磁界検出素子２３と相違する点は、磁石粉末をゴムなどと一緒に練ったプラスチックマグネット５０をバイアス磁界発生手段とするとともに、巻線コイル５１を絶縁基板３１の周囲に巻回して補償電流線３５とした点である。このような構成とすることにより、補償電流線３５に流れる電流により発生する磁界を巻線のターン数倍だけ増大させることができるため、補償電流線３５に流す電流をさらに小さくでき、これにより、被測定電流を直線性よくさらに低消費電流で測定することができるものである。

図４は本発明の実施の形態１における電流検出装置の動作を説明するための回路図を示したもので、前記磁界検出素子２３の入力電極３２ａとグランド電極３２ｃとの間には定電圧を印加する電源３６が接続されている。また、この図３において、３７は第１の出力電極３２ｂと第２の出力電極３２ｄの電位差を検出する検出部で、この検出部３７の出力信号によって電流制御部３８が補償電流線３５に流れる電流を制御している。３９は出力変換部で、この出力変換部３９は前記補償電流線３５に流れる電流による負荷抵抗４０での電圧降下を増幅して出力端子４１に出力するものである。

導体２１に流れる電流が零の時、バイアス磁界Ｈ_Bのみが磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄに対して一定の角度（４５度）をなすように印加されるため、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは実質的に同一の抵抗値となる。このため、磁気抵抗素子ブリッジは平衡し、第１の出力電極３２ｂと第２の出力電極３２ｄは同電位となり、検出部３７から信号は出力されない。これにより、補償電流線３５と負荷抵抗４０に電流が流れないため、出力端子４１には出力電圧は現れないことになる。

導体２１に電流Ｉが流れると、この電流Ｉによる磁界Ｈ_Iが発生して磁界検出素子２３に印加され、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｃの抵抗が小さくなるとともに、磁気抵抗素子３０ｂ，３０ｄの抵抗が大きくなる。このため、磁気抵抗素子ブリッジの平衡が破れ、第１の出力電極３２ｂと第２の出力電極３２ｄとの間に電位差が発生する。この電位差は検出部３７で検出されて電流制御部３８に入力される。電流制御部３８はこの電位差に基づいて補償電流線３５に電流を流して、この電流による磁界Ｈ_cを発生させ、磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄに印加される正味の磁界を薄膜磁石３４から発生するバイアス磁界Ｈ_Bのみとすることにより、磁気抵抗素子ブリッジの電位差を零にするように動作する。こうして再び磁気抵抗素子ブリッジが平衡した時、負荷抵抗４０の両端に発生する電圧をモニターして適度に増幅すれば、導体２１に流れる電流に対応した信号が出力端子４１に出力されることになる。

このように、本発明の実施の形態１における電流検出装置においては、導体２１に電流が流れている時であっても磁気抵抗素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄに印加される磁界は実質的に薄膜磁石３４から発生する一定の磁界Ｈ_Bのみとなるため、磁気抵抗素子の有する非直線的な磁気−抵抗特性および温度、経時等による特性劣化が電流検出装置としての特性にまったく関与せず、導体２１に流れる電流と電流検出装置の出力信号との間の直線性が良好に保たれることになる。

本発明の実施の形態１における電流検出装置は磁界検出素子２３を導体２１の主面２１Ａに設けた開口２２を有する凹部２２内に収納することにより、導体２１に流れる電流と電流検出装置の出力信号との間の直線性が良好で測定可能な磁界の範囲(ダイナミックレンジ)を大きくとれ、電流検出装置の大幅な小形化が可能となるとともに、前記凹部または貫通孔の寸法形状およびこれらの凹部または貫通孔内に磁界検出素子を配置する位置を選択することにより磁界検出素子の感度と消費電流を最適化することができるものである。以下、本発明の実施の形態１における電流検出装置でこのような効果が得られることを図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、図５（ｂ）に示すＷ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、ｗ＝１０ｍｍ、深さ寸法ｔｍｍの凹部２２を有する導体２１において、電流Ｉが４００Ａの時、深さ寸法ｔを変化させた場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果である。なお、このシミュレーションでは凹部２２のＹ軸方向の長さは無限大としている。

図５（ａ）において、添字ｔ＝０ｍｍの曲線は凹部のないＷ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍの矩形断面を有する導体２１に対してＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したものであり、本発明の実施の形態１における電流検出装置との比較のために表示している。この曲線においては導体２１の主面２１Ａ上でのＢｘは１２．２ｍＴ（テスラ）であり、原点からの距離ｚに応じてＢｘは減少してｚ＝５ｍｍの点で８．３ｍＴとなる。図５（ｃ）はこの状態を示す断面模式図である。これに対して、凹部２２の深さｔが大きくなればなるほど凹部２２内のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘは小さくなる。たとえば、添字ｔ＝１．５ｍｍの曲線はｗ＝１０ｍｍ、ｔ＝１．５ｍｍの凹部２２を有する導体２１に対してＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したものであり、Ｚ軸上でｚ＝−１ｍｍにおける磁束密度のｘ方向成分Ｂｘは８．６７ｍＴとなる。図５（ｄ）はこの状態を示す断面模式図である。

図５（ｃ）に示すように、凹部を持たない導体と磁界検出素子２３とからなる電流検出装置を用いて導体に流れる電流Ｉを検出する時、磁界検出素子２３の補償電流線３５に供給すべき補償電流を小さくして電流検出装置の消費電流を低減したい時には、磁界検出素子２３が感知する磁界の大きさを小さくするために磁界検出素子２３を導体表面から離して設置する必要がある。そのために電流検出装置自体の形状寸法が大きくなってしまう。これに対して、本発明の実施の形態１における電流検出装置においては、図５（ｄ）に示すように、磁界検出素子２３を凹部２２内に配置することにより、磁界検出素子２３が感知する磁界の大きさを小さくすることができ、磁界検出素子２３の補償電流線３５に供給すべき補償電流を小さくして電流検出装置の消費電流を低減することができる。また、凹部２２の深さｔをたとえば１ｍｍに設定するとともに、磁界検出素子２３を凹部２２内に配置することにより磁界検出素子２３が感知する磁界の大きさを大きくすることができるものである。

図６（ａ）は、図６（ｂ）に示すＷ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍ、ｔ＝１．５ｍｍ、幅寸法ｗの凹部２２を有する導体２１において、電流Ｉが４００Ａの時、幅寸法ｗを変化させた場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果である。なお、このシミュレーションでは凹部２２のＹ軸方向の長さは無限大としている。図６（ａ）から凹部２２の幅寸法ｗを変化させることにより凹部２２内のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘの大きさを適宜な値に調整できることが分かる。たとえば、Ｚ軸上でｚ＝−１ｍｍにおける磁束密度のｘ方向成分Ｂｘはｗ＝１０ｍｍの時には８．６７ｍＴであるが、ｗ＝６ｍｍの時には７．３５ｍＴに低下し、ｗ＝２ｍｍとすると５．８６ｍＴにまで低下させることができる。

このように、本発明の実施の形態１における電流検出装置においては、導体２１に設けた凹部２２の幅寸法、深さ寸法を適宜に選択し、この凹部２２内に磁界検出素子２３を配置することにより、磁界検出素子の感度と消費電流を最適化でき、これにより、被測定電流を直線性よく測定できるとともに、電流検出装置を大幅に小形化することができるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図７（ａ）は本発明の実施の形態２における電流検出装置の斜視図を示したもので、図７（ｂ）は図７（ａ）における電流検出装置を前記凹部２２の位置でＸＺ平面に平行な面で切った断面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図７（ａ）、図７（ｂ）において、本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、導体２１にはその両主面２１Ａ，２１Ｂに開口を有する貫通孔２４を設け、磁界検出素子２３を前記貫通孔２４内に収納した点であり、磁界検出素子２３とその回路構成は図２、図３に示したものと同様である。

図８（ａ）は、図８（ｂ）に示すＷ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍの導体２１において、電流Ｉが４００Ａの時、貫通孔２４の直径φを変化させた場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果である。

図８（ａ）において、Ｚ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘは導体２１の第１の主面２１Ａから第２の主面２１Ｂ方向に進むにつれ小さくなり、導体の中央部で零となる。そして、さらに第２の主面２１Ｂ方向に進むにつれ、方向を反転して大きくなるという変化を示す。よって、図７に示すように、磁界検出素子２３を貫通孔２４内の適宜の位置に配することにより、磁界検出素子２３が感知する磁界の大きさと磁界検出素子２３の補償電流線３５に供給すべき補償電流を最適化することができるとともに、電流検出装置の大幅な小形化が可能となるものである。なお、貫通孔２４の形状は図７に示すような円柱状に限定されるものではなく、直方体またはその他の形状をなしても同様の効果が得られるものである。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。図９（ａ）は本発明の実施の形態３における電流検出装置の斜視図を示したもので、図９（ｂ）は図９（ａ）における電流検出装置をＸＺ平面に平行な面で切った断面図である。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態２の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図９（ａ）、図９（ｂ）において、本発明の実施の形態３が上記した本発明の実施の形態２と相違する点は、貫通孔２４内に第１の磁界検出素子２３Ａと、第２の磁界検出素子２３Ｂを収納するとともに、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂを前記導体２１の厚み方向の中心から略等距離だけ離して配置し、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂが検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出する点である。ここで磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂとその回路構成は図２、図３、図４に示したものと同様である。このように構成した電流検出装置においては、図８に示したように、前記第１の磁界検出素子２３Ａを配した位置における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘ１の大きさと、前記第２の磁界検出素子２３Ｂを配した位置における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘ２の大きさとは実質的に同一で、符号が異なることになるため、図４に示した電流検出装置の回路の出力端子４１に現れる電圧は逆極性となる。一方、地磁気等の外部磁界が本発明の実施の形態３における電流検出装置に印加された場合には、前記第１の磁界検出素子２３Ａを配した位置における磁束密度のｘ方向成分の大きさと、前記第２の磁界検出素子２３Ｂを配した位置における磁束密度のｘ方向成分の大きさとは実質的に同一であり、符号が同一となるため、図４に示した電流検出装置の回路の出力端子４１に現れる電圧は同極性となる。よって、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂを貫通孔２４内に配置し、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂが感知する磁界の大きさを十分に小さくするとともに、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂが検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出することにより、電流検出装置の大幅な小形化が可能となるとともに、地磁気等の外部磁界による外乱がキャンセルされ、導体２１に流れる電流をさらに精度よく測定することができるものである。なお、貫通孔２４の形状は図９に示すような円柱状に限定されるものではなく、直方体またはその他の形状をなしても同様の効果が得られるものである。

（実施の形態４）
以下、実施の形態４を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明について説明する。図１０（ａ）は本発明の実施の形態４における電流検出装置の斜視図を示したもので、図１０（ｂ）は図１０（ａ）における電流検出装置をＸＺ平面に平行な面で切った断面図である。なお、この本発明の実施の形態４においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）において、本発明の実施の形態４が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、導体２１の第１の主面２１Ａに開口を有する第１の凹部２２Ａ内に第１の磁界検出素子２３Ａを収納するとともに、前記導体２１の第２の主面２１Ｂに開口を有し前記第１の凹部２２Ａと実質的に同じ形状を有する第２の凹部２２Ｂ内に第２の磁界検出素子２３Ｂを収納するとともに、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂを前記導体２１の厚み方向の中心から略等距離だけ離して配置し、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂが検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出する点である。ここで磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂとその回路構成は図２、図３に示したものと同様である。このように構成した電流検出装置においては、図９の場合と同様に、前記第１の磁界検出素子２３Ａを配した位置における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘ１の大きさと、前記第２の磁界検出素子２３Ｂを配した位置における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘ２の大きさとは実質的に同一で、符号が異なることになるため、図４に示した電流検出装置の回路の出力端子４１に現れる電圧は逆極性となる。一方、地磁気等の外部磁界が本発明の実施の形態４における電流検出装置に印加された場合には、前記第１の磁界検出素子２３Ａを配した位置における磁束密度のｘ方向成分の大きさと、前記第２の磁界検出素子２３Ｂを配した位置における磁束密度のｘ方向成分の大きさとは実質的に同一であり、符号が同一となるため、図４に示した電流検出装置の回路の出力端子４１に現れる電圧は同極性となる。よって、前記第１、第２の磁界検出素子２３Ａ，２３Ｂを貫通孔２４内に配置することにより、電流検出装置の大幅な小形化が可能となるとともに、地磁気等の外部磁界による外乱がキャンセルされ、導体２１に流れる電流をさらに精度よく測定することができるものである。なお、第１の凹部２２Ａと第２の凹部２２Ｂは図１０に示すような円柱形状に限定されるものではなく、直方体形状や半球形状としても良い。また、第１の凹部２２Ａの中心軸と第２の凹部２２Ｂの中心軸は図１０に示すような同軸に限定されるものではない。

（実施の形態５）
以下、実施の形態５を用いて、本発明の特に請求項４に記載の発明について説明する。図１１（ａ）は本発明の実施の形態５における電流検出装置の斜視図を示したもので、図１１（ｂ）は図１１（ａ）における電流検出装置をＸＺ平面に平行な面で切った断面図である。なお、この本発明の実施の形態５においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）において、本発明の実施の形態５が上記した本発明の実施の形態１〜４と相違する点は、前記凹部２２または貫通孔２４の開口部に磁性体２５Ａ，２５Ｂを配した点である。

図１２（ａ）は、図１２（ｂ）に示すＷ＝１８ｍｍ、Ｔ＝３ｍｍの導体２１において、電流Ｉが４００Ａの時、径φ３の貫通孔２４の開口部に２ｍｍ、厚み０．１ｍｍの珪素鋼板を配置した場合のＺ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘを計算したシミュレーション結果である。

図１２（ａ）において、Ｚ軸上における磁束密度のｘ方向成分Ｂｘはさらに低下し、最大値が約１．５ｍＴに抑制されるとともに、Ｚ軸上の位置の変化に伴う磁束密度のｘ方向成分Ｂｘの変動が小さくなっている。

よって、図１１に示すように、磁界検出素子２３を貫通孔２４内に配する場合に要求される位置精度が緩和され、これにより、導体２１に流れる電流をさらに精度よく測定することができるものである。

本発明の電流検出装置は、出力の直線性が良好で、電流検出装置を大幅に小形化することができるとともに、前記凹部または貫通孔の寸法形状およびこれらの凹部または貫通孔内に磁界検出素子を配置する位置を選択することにより磁界検出素子の感度と消費電流を最適化することができるという効果を有するものであり、特に、車両、産業機器等内における電流を検出する電流検出装置として有用なものである。

２１導体
２２凹部
２２Ａ第１の凹部
２２Ｂ第２の凹部
２３磁界検出素子
２３Ａ第１の磁界検出素子
２３Ｂ第２の磁界検出素子
２４貫通孔
２５Ａ，２５Ｂ磁性体

Claims

導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記導体に流れる電流によって導体の周囲に発生する磁界を補償電流線に流す電流によって相殺することによって前記磁界を検知する磁界検出素子を備え、前記導体の主面に開口を有する凹部内または前記導体の両主面に開口を有する貫通孔内に前記磁界検出素子を収納した電流検出装置。
前記導体の貫通孔内に第１、第２の磁界検出素子を収納するとともに、前記第１、第２の磁界検出素子を前記導体の厚み方向の中心から略等距離だけ離して配置し、前記第１、第２の磁界検出素子が検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出する請求項１記載の電流検出装置。
前記導体の一方の主面に開口を有する第１の凹部内に第１の磁界検出素子を収納するとともに、前記導体の他方の主面に開口を有し前記第１の凹部と実質的に同じ形状を有する第２の凹部内に第２の磁界検出素子を収納するとともに、前記第１、第２の磁界検出素子を前記導体の厚み方向の中心から略等距離だけ離して配置し、前記第１、第２の磁界検出素子が検知した磁界に対応する信号の差から前記導体に流れる電流を検出する請求項１記載の電流検出装置。
前記凹部または貫通孔の開口部に磁性体を配した請求項１から３記載の電流検出装置。