JP2018081024A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気シールドを用いて外来磁界による測定誤差を低減できるとともに、磁界の検出感度のばらつきによる測定誤差を低減できる電流センサを提供する。【解決手段】電流センサ１は、互いに固定された第１絶縁部材１１及び第２絶縁部材１２と、第１絶縁部材１１に設けられた第１磁気シールド３１と、第２絶縁部材１２に設けられた電流路２０と、電流路２０に流れる被測定電流Ｉｓに伴う磁界を検出する磁電変換素子４０と、磁電変換素子４０が実装された回路基板５０とを備える。電流路２０と第１磁気シールド３１とが向かい合うように配置され、磁電変換素子４０が電流路２０と第１磁気シールド３１との間に配置され、回路基板５０が第１絶縁部材１１に固定される。よって、第１磁気シールド３１と、磁電変換素子４０との位置精度が向上し、測定誤差を低減できる。【選択図】図２

Description

本発明は、ＧＭＲ素子などの磁電変換素子を用いて電流を測定する電流センサに関するものである。

被測定電流に伴う磁界に基づいて電流を測定する場合、外来磁界の影響による測定誤差が問題となる。外来磁界の影響を低減するため、下記の特許文献１に記載される装置では、バスバーの周囲で発生した磁界を遮蔽するための遮蔽板が設けられている。バスバーと隣り合う位置に磁気抵抗素子が配置され、バスバーと磁気抵抗素子を間に挟んで２つの遮蔽板が配置される。隣接する別のバスバーにおいて発生した磁界が２つの遮蔽板で遮られることにより、電流の測定誤差が低減する。

特開２０１６−１１６８号公報 国際公開第２００８／０３０１２９号

ところで、被測定電流に伴う磁界を磁気センサで検出する場合、被測定電流の電流路（バスバー等）と磁気センサとの距離がばらつくと、これに応じて磁気センサの検出感度が変化し、測定誤差が生じる。電流路と磁気センサとの距離のばらつきが小さくなるようにするため、通常は、磁気センサを載せた回路基板が電流路に対して直接的若しくは間接的に固定される。例えば特許文献１に記載される装置では、バスバーの封止部材に複数の柱部が形成され、センサ用回路基板がこれらの柱部に固定されることで、バスバーに固定される。

しかしながら、外来磁界に対する磁気シールドと電流路との間に磁気センサが配置される構造では、磁気シールドは、測定対象の磁界も通過させるため、磁気センサが配置される位置の磁束密度にも影響を与える。本願の発明者が、磁気シールドのバスバーに対する位置を動かして、磁気シールドとバスバーとに挟まれる位置の磁束密度を調べたところ、意外にも、バスバーに対する位置関係よりも、磁気シールドに対する位置関係の方が、磁束密度に与える影響が大きいことが判明した。

特許文献１に記載される装置では、バスバーの封止部材における凹部の開口が蓋部によって塞がれる構造となっており、この蓋部に遮蔽板（磁気シールド）が封止される。すなわち、磁気抵抗素子（磁気センサ）と遮蔽板（磁気シールド）とが、それぞれ別の部材（封止部材，蓋部）に固定される。そのため、封止部材と蓋部の各々における寸法のばらつきや、組立時における蓋部と封止部材との取り付け精度に応じて、遮蔽板（磁気シールド）と磁気抵抗素子（磁気センサ）との距離がばらつき易い。

また、モータ駆動用のインバーターなどにおいて大電流を測定する場合、大電流が流れることによるバスバーの発熱や、他の電気機器の発熱により、樹脂等で形成された部材の変形が生じる。特許文献１に記載される装置では、封止部材と蓋部の各々が異なる態様で熱変形を生じ得る。そのため、磁気抵抗素子（磁気センサ）と遮蔽板（磁気シールド）との距離が、各部材（封止部材，蓋部）の熱変形の影響によってばらつき易い。

特許文献２には、交流電流に伴う磁界によって導電性の磁性体（磁気シールド）に渦電流が流れた場合に、磁性体の内部の磁束密度が小さくなり、磁性体の周囲における磁束密度が高くなることが記載されている（特許文献２の図５〜図８を参照）。この現象を利用すると、導電性の磁性体（磁気シールド）の近くの適切な場所に磁気センサを配置することで、高い周波数における磁気センサの感度の低下を抑制することが可能であり、これにより、広い周波数帯域に渡って磁気センサの感度を一定にすることが可能である。この場合、周波数特性を向上させるためには、磁気センサを配置する位置が重要となる。本願の発明者が、磁気シールドのバスバーに対する位置を動かすと共に、被測定電流の周波数を変化させて、磁束密度を調べたところ、意外にも、バスバーに対する位置関係よりも、磁気シールドに対する位置関係の方が、磁束密度に与える影響が大きいことが判明した。また、周波数特性が最も良くなる位置は、バスバーよりも磁気シールドに近い。バスバーよりも磁気シールドに近い位置では、バスバーよりも、磁気シールドが磁束密度分布に与える影響が強い。そのため、磁気センサと磁気シールドとの距離のばらつきをより微小に抑えることが要求される。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気シールドを用いて外来磁界による測定誤差を低減できるとともに、磁界の検出感度のばらつきによる測定誤差を低減できる電流センサを提供することにある。

本発明に係る電流センサは、互いに固定された第１絶縁部材及び第２絶縁部材と、前記第１絶縁部材に設けられた第１磁気シールドと、前記第２絶縁部材に設けられた電流路と、前記電流路に流れる被測定電流に伴う磁界を検出する磁電変換素子と、前記磁電変換素子が実装された回路基板とを備える。前記電流路と前記第１磁気シールドとが向かい合うように配置され、前記磁電変換素子が前記電流路と前記第１磁気シールドとの間に配置され、前記回路基板が前記第１絶縁部材に固定される。

この構成によれば、前記第１磁気シールドが設けられた前記第１絶縁部材に対して、前記磁電変換素子が実装された前記回路基板が固定される。そのため、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材の各々における寸法のばらつきや、組立時における前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材との取り付け精度に応じて、前記第１磁気シールドと前記磁電変換素子との距離がばらつき難くなる。また、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材の各々が異なる態様で熱変形しても、この熱変形の影響によって前記第１磁気シールドと前記磁電変換素子との距離がばらつき難くなる。従って、前記第１磁気シールドと前記磁電変換素子との距離がばらつくことによる前記磁電変換素子の検出感度のばらつきが抑制され、測定誤差が低減する。尚、この構成だと、電流路と磁電変換素子との距離のばらつきが大きくなるが、後述するとおり、意外にも、電流路と磁電変換素子との距離のばらつきの影響は比較的小さい。この為、前記第１磁気シールドと前記磁電変換素子との位置精度を高めることを優先した方が、測定誤差を低減できる。

更に、この構成によれば、前記回路基板が前記第１絶縁部材に固定されるため、前記電流路で発生した熱が前記磁電変換素子に伝わり難くなる。そのため、前記磁電変換素子の温度の変動に起因する測定誤差が低減する。

好適に、前記電流路は、前記被測定電流が流れる方向に延びる板状の形状を持ってよい。前記第１磁気シールドは、前記電流路と平行な板状の形状を持ってよい。前記被測定電流が流れる方向に対して垂直かつ前記電流路の平坦面に対して平行な幅方向において、前記電流路の中央の位置と前記第１磁気シールドの中央の位置とが揃っていてよい。前記磁電変換素子は、前記電流路の前記幅方向の中央と前記第１磁気シールドの前記幅方向の中央とを通る直線上に配置されてよい。

この構成によれば、前記電流路と前記第１磁気シールドとがそれぞれ板状の形状を持っており、互いの平坦面が平行になっている。この平坦面と平行かつ前記被測定電流が流れる方向と垂直な前記幅方向において、前記電流路の中央の位置と前記第１磁気シールドの中央の位置とが揃っている。前記磁電変換素子は、これらの中央を通る直線上に配置される。従って、前記磁電変換素子が前記中央を通る直線に対してずれた位置に配置される場合に比べて、外来磁界が前記磁電変換素子に届き難くなり、外来磁界に起因する測定誤差が低減する。

好適に、前記第１磁気シールドが導電性を有してよく、前記被測定電流の周波数が変化した場合、前記電流路の前記中央付近における電流密度が変化するとともに、前記被測定電流に伴う磁界により誘導される前記第１磁気シールドの渦電流が変化してよい。前記磁電変換素子は、前記被測定電流の周波数に応じた前記電流密度の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響と、前記被測定電流の周波数に応じた前記渦電流の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響とが相殺される場所に配置されてよい。

この構成によれば、前記被測定電流の周波数に応じた前記電流密度の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響と、前記被測定電流の周波数に応じた前記渦電流の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響とが相殺される。これにより、前記磁電変換素子において一定の感度で磁界を検出することが可能な前記被測定電流の周波数帯域が広くなる。

好適に、前記磁電変換素子と前記第１磁気シールドとの距離が、前記磁電変換素子と前記電流路との距離に比べて短くてよい。

この構成によれば、前記磁電変換素子と前記第１磁気シールドとの距離が短くなることにより、当該距離のばらつきが前記磁電変換素子の検出感度に影響を与えやすくなる。しかしながら、前記第１磁気シールドが設けられた前記第１絶縁部材に前記回路基板が固定されるため、当該距離のばらつきの影響が緩和される。

好適に、上記電流センサは、前記第１絶縁部材に設けられた複数の支柱を有してよい。前記回路基板は、前記複数の支柱を介して前記第１絶縁部材に固定されてよい。

この構成によれば、前記回路基板が前記複数の支柱を介して前記第１絶縁部材に固定されるため、前記第１磁気シールドにおいて渦電流等により発生した熱が前記回路基板に伝わり難くなる。これにより、前記磁電変換素子の温度の変動に起因する測定誤差が低減する。

好適に、前記第１磁気シールドは板状の形状を持ってよく、前記第１絶縁部材は樹脂材料によって前記第１磁気シールドと一体成型されてよい。前記第１磁気シールドの周縁部における端面の少なくとも一部と前記第１絶縁部材との間には、隙間が形成されてよい。

この構成によれば、前記第１磁気シールドと前記第１絶縁部材とが一体成型されるため、前記第１磁気シールドと前記第１絶縁部材とが精度よく安定的に固定される。また、前記第１磁気シールドの周縁部における端面の少なくとも一部と前記第１絶縁部材との間に隙間が形成されるため、前記第１絶縁部材と前記第１磁気シールドとの熱膨張係数が異なっていても、熱変形による両者の形状のずれが前記隙間によって吸収され易くなる。これにより、前記第１磁気シールドに加わる応力が減少し、応力に起因した前記第１磁気シールドの磁気特性の変動が抑えられるため、前記磁気特性の変動による測定誤差が低減する。

好適に、前記第１磁気シールドは、前記周縁部において前記板状の形状の平坦面と平行な方向に凹んだ少なくとも１つの凹部を有してよい。前記凹部における端面の少なくとも一部と前記第１絶縁部材との間に、前記隙間が形成されてよい。前記第１絶縁部材は、少なくとも一部が前記凹部に設けられた規制部を有してよい。前記規制部は、前記板状の形状の平坦面と平行な方向における前記第１磁気シールドの位置ずれを規制してよい。

この構成によれば、前記第１磁気シールドに設けられた前記凹部の端面と前記第１絶縁部材との間に前記隙間が形成されるため、前記第１絶縁部材と前記第１磁気シールドの形状が熱変形によってずれを生じても、前記隙間によって当該ずれが吸収され易くなる。また、前記凹部に設けられた前記規制部により、前記板状の形状の平坦面と平行な方向における前記第１磁気シールドの位置ずれが規制されるため、前記第１磁気シールドの位置ずれによる磁気シールド性能や測定精度の低下が防止される。

好適に、前記第１磁気シールドは、前記板状の形状の平坦面と平行な方向において放射状に伸びた複数の前記凹部を有してよい。前記第１絶縁部材は、複数の前記凹部に設けられた複数の前記規制部を有してよい。

この構成によれば、前記板状の形状の平坦面と平行な方向において放射状に伸びた複数の前記凹部にそれぞれ前記規制部が設けられているため、熱変形に伴う前記規制部の移動の方向と前記凹部の伸び方向とが揃い易くなり、前記規制部の移動に伴う前記第１磁気シールドへの応力が小さくなる。また、複数の前記凹部においてそれぞれ前記第１磁気シールドの位置ずれが規制されるため、前記第１磁気シールドの位置ずれがより効果的に抑えられる。

好適に、互いに固定された前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材の内部には、前記回路基板を収容する収容空間が形成されてよい。前記第２絶縁部材は、前記電流路が設けられた基部と、前記基部から前記第１絶縁部材に向かって立ち上がった側部とを含んでよい。前記側部は、前記収容空間に面した内壁の一部を形成してよい。前記第１絶縁部材は、前記側部の端面に当接してよい。

この構成によれば、前記電流路において発生した熱が前記基部から前記側部へ伝わり、前記側部の端面から前記第１絶縁部材を介して前記回路基板に伝わるため、前記電流路から前記磁電変換素子へ熱が伝わり難くなる。これにより、前記磁電変換素子の温度の変動に起因する測定誤差が低減する。

好適に、前記第１絶縁部材は、樹脂材料によって前記第１磁気シールドと一体成型されてよい。前記第２絶縁部材は、前記第１絶縁部材と同じ樹脂材料によって前記電流路と一体成型されてよい。

この構成によれば、前記第１磁気シールドと前記第１絶縁部材とが一体成型されるため、前記第１磁気シールドと前記第１絶縁部材とが精度よく安定的に固定される。また、前記電流路と前記第２絶縁部材とが一体成型されるため、前記電流路と前記第２絶縁部材とが精度よく安定的に固定される。更に、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材とが同一の樹脂材料によって形成されるため、両者の熱膨張係数が等しくなる。これにより、前記第１絶縁部材と前記第２絶縁部材のそれぞれに熱変形が生じても、両者の形状のずれが生じ難くなるため、前記電流路と前記磁電変換素子との距離のばらつきが抑制され易くなる。

好適に、前記第１磁気シールドと前記電流路は、それぞれ板状の形状を持ってよい。前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路とは、互いに平行であってよい。前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路とは、それぞれの平坦面に対して垂直な方向からみた平面視において互いに重複する領域を持ってよい。前記磁電変換素子は、前記平面視において前記領域内に位置してよい。

この構成によれば、それぞれ板状の形状を持つ前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路とが互いに平行であるため、前記板状の形状の平坦面に対して垂直な方向における前記電流センサのサイズが小型になる。また、前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路とが前記平面視において互いに重複する領域を持っているため、前記平面視における前記電流センサのサイズが小型になる。

好適に、上記電流センサは、板状の形状を持ち、前記基部に設けられ、前記電流路を挟んで前記第１磁気シールドと平行に対向する第２磁気シールドを有してよい。前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路と前記第２磁気シールドとは、前記平面視において互いに重複する領域を持ってよい。前記磁電変換素子は、前記平面視において前記領域内に位置してよい。

この構成によれば、前記平面視において前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとが重なる前記領域に前記磁電変換素子が位置するため、外来磁界が前記磁電変換素子に届き難くなり、外来磁界に起因する測定誤差が低減する。

本発明によれば、磁気シールドを用いて外来磁界による測定誤差を低減できるとともに、磁界の検出感度のばらつきによる測定誤差を低減できる。

本発明の実施形態に係る電流センサの構成の一例を示す図である。図１Ａは正面図を示し、図１Ｂは平面図を示す。 II−II線における電流センサの断面図である。 III−III線における電流センサの断面図である。 電流路と磁電変換素子との距離及び第１磁気シールドと磁電変換素子との距離を図解した図である。 Ｚ方向における磁電変換素子の位置のばらつきが検出感度に与える影響を示す図である。 第１磁気シールドに渦電流が流れない場合における、電流路の中心からの距離と磁束密度との関係を示す図である。 第１磁気シールドに渦電流が流れる場合における、電流路の中心からの距離と磁束密度との関係を示す図である。 電流路の中心からの距離が最適な距離からずれている場合の磁束密度の周波数特性を示す図である。 電流路の中心からの距離が最適な距離に設定された場合の磁束密度の周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る電流センサの一変形例を示す図であり、II−II線における電流センサの断面図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電流センサの一例を示す図である。図１ＡはＸ方向からみた正面図を示し、図１ＢはＺ方向からみた平面図を示す。図２は、図１ＢのII−II線における電流センサ１の断面図である。図３は、図２のIII−III線における電流センサ１の断面図である。なお、図１〜図３における「Ｘ」、「Ｙ」及び「Ｚ」は、互いに直交する３つの方向を示す。

図１〜図３に示す電流センサ１は、互いに固定された第１絶縁部材１１及び第２絶縁部材１２と、第１絶縁部材１１に設けられた第１磁気シールド３１と、第２絶縁部材１２に設けられた電流路２０と、電流路２０に流れる被測定電流Ｉｓに伴う磁界（磁束密度）を検出する磁電変換素子４０と、磁電変換素子４０が実装された回路基板５０と、第２絶縁部材１２に設けられた第２磁気シールド３２とを備える。

電流路２０は銅やアルミなどの導体によって形成されており、被測定電流Ｉｓが流れるＹ方向（電流方向）に対して平行に延びて広がった板状の形状を持つ。図１に示すように、電流路２０の平坦面はＺ方向に垂直である。電流路２０のＹ方向の端部には、図示しない端子台やケーブル端子などを接続するためのネジを通す貫通孔２１及び２２が形成される。

第１絶縁部材１１及び第２絶縁部材１２は、例えば接着材やネジ、スナップイン機構などの図示しない固定手段によって互いに固定される。図１の例において、互いに固定された第１絶縁部材１１及び第２絶縁部材１２は、全体の外形が直方体であり、その内部に収容空間６０が形成される。図２に示すように、収容空間６０には回路基板５０が収容される。

第２絶縁部材１２は、電流路２０と第２磁気シールド３２が設けられた基部１２１と、基部１２１から第１絶縁部材１１に向かってＺ方向に立ち上がった側部１２２とを有する。側部１２２は、収容空間６０に面した内壁１２３を形成する。内壁１２３は、収容空間６０の内側からみてＺ方向に垂直な方向から収容空間６０の周りを囲む。側部１２２の端部は、Ｚ方向に開いた矩形の開口部をなしており、その開口部を第１絶縁部材１１が塞いでいる。第１絶縁部材１１は、図１及び図２の例において矩形の板状の形状を持つ。

第１絶縁部材１１は、樹脂材料によって第１磁気シールド３１と一体成型される。図１及び図２に示すように、第１磁気シールド３１は第１絶縁部材１１の内部に埋め込まれている。

第２絶縁部材１２は、第１絶縁部材１１と同じ樹脂材料によって電流路２０及び第２磁気シールド３２と一体成型される。図１及び図２に示すように、第２磁気シールド３２は第２絶縁部材１２の基部１２１に埋め込まれている。電流路２０は、Ｚ方向において第１磁気シールド３１と第２磁気シールド３２との間に位置し、基部１２１をＹ方向に貫通している。

本実施形態において用いられる磁気シールド（第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２）は、導電性を有する磁性体である。この磁気シールドは、例えば比透磁率が１０００以上、１００００００以下の範囲にあり、導電率が１．０×１０^６［Ｓ／ｍ］以上、１００×１０^６［Ｓ／ｍ］以下の範囲にある。このような磁性体として、例えば純鉄、珪素鋼、パーマロイなどがある。純鉄の比透磁率は、５０００（９９．８％純鉄）〜２０００００（９９．９５％純鉄）、導電率は１．０３×１０^７［Ｓ／ｍ］程度である。珪素鋼の比透磁率は４０００、導電率は１．６×１０^６［Ｓ／ｍ］程度である。パーマロイの比透磁率は８０００、導電率は１．７×１０^６［Ｓ／ｍ］程度である。磁気シールドが導電性を有することにより、磁気シールドにおいて渦電流が発生し、磁気シールド付近の磁束密度が高くなる。そのため、電流路２０における被測定電流Ｉｓの表皮効果に起因した磁気検出感度の低下が改善される。つまり、本実施形態において用いられる第１の磁気シールド３１は、外来磁場による測定誤差を低減するだけではなく、被測定電流Ｉｓの周波数の変化による、測定感度の変化を抑制する効果がある。また、磁気シールド３１は、被測定電流Ｉｓが発生する誘導磁界も通すため、誘導磁界の磁束密度の分布にも影響を与える。

第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２は、それぞれ電流路２０と平行な板状の形状を持つ。第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２の平坦面は、それぞれＺ方向に対して垂直である。図１Ｂの例において、Ｚ方向からみた第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２は互いに合同な矩形の形状を持ち、この例では相互に全体が重なっている。第１磁気シールド３１及び第２磁気シールドの矩形形状をなす４辺のうち、２辺がＸ方向に対して平行であり、他の２辺がＹ方向に対して平行である。

図２及び図３に示すように、第１磁気シールド３１の周縁部における端面３１２と第１磁気シールド３１との間には、隙間７０が形成される。この隙間７０は、熱変形による第１絶縁部材１１と第１磁気シールド３１との形状のずれを吸収する機能を有する。

図３に示すように、第１磁気シールド３１は、周縁部において板状の形状の平坦面と平行な方向（Ｚ方向に対して垂直な方向）に凹んだ凹部３１１を有する。隙間７０は、この凹部３１１の端面３１２と第１絶縁部材１１との間に形成される。図３の例において、第１磁気シールド３１は４つの凹部３１１を有する。４つの凹部３１１は、板状の形状の平坦面と平行な方向（Ｚ方向に対して垂直な方向）において放射状に伸びている。４つの凹部３１１のうち、２つの凹部３１１はＹ方向へ逆向きに伸びており、他の２つはＸ方向へ逆向きに伸びている。４つの凹部３１１は、第１磁気シールド３１の矩形形状をなす４つの辺の中央に形成される。

第１絶縁部材１１は、図３に示すように、４つの凹部３１１に設けられた４つの規制部１１１を有する。規制部１１１は、図３の例において、Ｚ方向へ伸びた円柱状の形状を持つ。規制部１１１は、板状の形状の平坦面と平行な方向（Ｚ方向に対して垂直な方向）における第１磁気シールド３１の位置ずれを規制する機能を有する。

磁電変換素子４０は、例えばＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子である。センサ部４１は、磁電変換素子４０の検出結果として得られる物理量（抵抗値など）から磁界に比例した電気信号を生成するＩＣであり、磁電変換素子４０や他の電子回路が形成された半導体チップを含む。図２に示すように、磁電変換素子４０を含んだセンサ部４１が回路基板５０に実装される。本発明の他の実施形態において、磁電変換素子４０はホール素子などの他のセンサ素子でもよい。

回路基板５０は、図１Ｂの例において矩形の形状を持つ。この矩形形状における４辺のうちの２辺がＸ方向に対して平行であり、他の２辺がＹ方向に対して平行である。回路基板５０は、Ｚ方向に対して平坦面が垂直となる姿勢で第１磁気シールド３１と電流路２０の間に配置される。

回路基板５０は、第１絶縁部材１１に固定される。図２に示すように、収容空間６０に面する第１絶縁部材１１の裏面１１４には複数の支柱１１２が設けられており、この複数の支柱１１２を介して回路基板５０が第１絶縁部材１１に固定される。支柱１１２は、例えば円柱状の形状を持ち、裏面１１４からＺ方向に伸びている。裏面１１４はＺ方向に対して垂直な平面であり、各支柱１１２のＺ方向の長さは等しい。支柱１１２は、例えば第１絶縁部材１１とともに樹脂で形成される。回路基板５０の貫通孔に差し込まれた支柱１１２の先端部１１３が熱カシメ加工で潰されることにより、回路基板５０が支柱１１２に固定される。回路基板５０は、例えば矩形形状の四隅においてそれぞれ支柱１１２に固定される。

図２に示すように、第１磁気シールド３１と回路基板５０と電流路２０と第２磁気シールド３２とは、この順番でＺ方向に並んでおり、互いに平行である。また図１Ｂに示すように、Ｚ方向（それぞれの平坦面に対して垂直な方向）からみた平面視において、第１磁気シールド３１と回路基板５０と電流路２０と第２磁気シールド３２とは互いに重複する領域Ａ１を持つ。磁電変換素子４０は、Ｚ方向からみた平面視において、この領域Ａ１内に配置される。Ｙ方向における磁電変換素子４０の位置は、Ｙ方向における第１磁気シールド３１及び第２磁気シールド３２の中央の位置と略等しい。

図２に示すように、回路基板５０に実装された磁電変換素子４０は、向かい合って配置された第１磁気シールド３１と電流路２０との間に配置される。電流方向（Ｙ方向）に対して垂直かつ電流路２０の平坦面に対して平行（Ｚ方向に垂直）な幅方向（すなわちＸ方向）において、電流路２０の中央の位置と第１磁気シールド３１の中央の位置とが揃っている。磁電変換素子４０は、図２に示すように、電流路２０の幅方向（Ｘ方向）の中央と第１磁気シールド３１の幅方向（Ｘ方向）の中央とを通る直線Ｌ１上に配置される。

第１磁気シールド３１は、上述したように導電性を有するため、交流の被測定電流Ｉｓ電流路２０に流れると、被測定電流Ｉｓに伴う磁界の誘導によって第１磁気シールド３１に渦電流が流れる。この渦電流は、被測定電流Ｉｓに伴う磁界を打ち消すように磁界を発生する。そのため、渦電流による磁界が増大すると、第１磁気シールド３１の内部の磁束密度が減少するとともに、第１磁気シールド３１の周囲の磁束密度が増大する。一方、板状の電流路２０では、被測定電流Ｉｓの周波数が高くなると、表皮効果によって電流路２０の幅方向（Ｘ方向）の縁部に電流が集中し易くなり、電流路２０の幅方向（Ｘ方向）の中央部における電流密度が減少する。この電流密度の減少は、直線Ｌ１上における磁束密度を減少させるように作用する。すなわち、直線Ｌ１上では、被測定電流Ｉｓの周波数が高くなると、第１磁気シールド３１の渦電流の増大によって磁束密度が大きくなる作用と、電流路２０の電流密度の減少によって磁束密度が小さくなる作用とが働く。そこで、本実施形態では、被測定電流Ｉｓの周波数に応じた電流路２０の電流密度の変化が被測定電流Ｉｓに伴う磁界に与える影響と、被測定電流Ｉｓの周波数に応じた第１磁気シールド３１の渦電流の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響とが相殺される場所に、磁電変換素子４０が配置される。これにより、磁電変換素子４０が配置される場所において磁界の周波数特性がフラットになる。図２の例において、この場所は電流路２０に比べて第１磁気シールド３１に近い。すなわち、磁電変換素子４０と第１磁気シールド３１との距離が、磁電変換素子４０と電流路２０との距離に比べて短い。

次に、磁電変換素子４０の位置のばらつきと検出感度の誤差との関係について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、電流路２０と磁電変換素子４０との距離Ｄ１及び第１磁気シールド３１と磁電変換素子４０との距離Ｄ２を図解した図である。図５は、Ｚ方向における磁電変換素子４０の位置のばらつきが検出感度に与える影響を示す図である。図５の横軸はＺ方向における位置のずれΔＤ［ｍｍ］を示し、縦軸は位置ずれΔＤがゼロの場合と比較した磁界検出値の誤差［％］を示す。
図５における２つのグラフは、距離Ｄ１を固定した状態（Ｄ２＝４．２［ｍｍ］）で距離Ｄ２がばらついた場合（Ｄ１＝０．８±０．１［ｍｍ］）のシミュレーション結果と、距離Ｄ２を固定した状態（Ｄ１＝０．８［ｍｍ］）で距離Ｄ２がばらついた場合（Ｄ２＝４．２±０．１［ｍｍ］）のシミュレーション結果をそれぞれ示す。このシミュレーションにおいて、電流路２０から第１磁気シールド３１までの距離Ｄ３は５．０±０．１［ｍｍ］である。

図５における２つのグラフを比較すると、距離Ｄ１を固定して距離Ｄ２がばらついた場合、±１．０［％］の感度誤差を生じる位置ずれΔＤが±０．２５［ｍｍ］であるのに対し、距離Ｄ２を固定して距離Ｄ１がばらついた場合は、±１．０［％］の感度誤差を生じる位置ずれΔＤが±０．５［ｍｍ］まで広がる。すなわち、第１磁気シールド３１と磁電変換素子４０との距離Ｄ２を固定した場合は、電流路２０と磁電変換素子４０との距離Ｄ１を固定した場合に比べて、同じ感度誤差の範囲で比較した場合の位置ずれΔＤの許容範囲が２倍に拡大する。従って、回路基板５０を第１絶縁部材１１に固定することにより、回路基板５０を第２絶縁部材１２に固定する場合に比べて、位置ずれΔＤによる感度誤差が小さくなることが分かる。従来、磁気シールドが、被測定電流Ｉｓが発生する誘導磁界も通過させることは知られていた。しかし、位置ずれの影響については、知られていなかった。本願の発明者が調べたところ、意外にも、磁電変換素子４０と電流路２０との位置精度を高めるより、磁電変換素子４０と第１磁気シールド３１との位置精度を高めた方が、測定精度が高くなることが判明した。勿論、磁電変換素子４０と、電流路２０と、第１磁気シールド３１との３つの部品全ての位置関係を高めることができれば、測定精度は向上する。しかし、製造上の理由で、３つの部品全ての位置関係を高めることは、難しい。３つの部品全ての位置関係を高められない場合の次善の策として、磁電変換素子４０と第１磁気シールド３１との位置精度を高めると良いことを、本件の発明者が初めて発見した。

次に、Ｚ方向における磁電変換素子４０の位置と磁界の周波数特性との関係について図６〜図９を参照して説明する。

図６は、第１磁気シールド３１に渦電流が流れない場合における、電流路２０の中心からの距離と磁束密度との関係を示す図である。図７は、第１磁気シールド３１に渦電流が流れる場合における、電流路２０の中心からの距離と磁束密度との関係を示す図である。第１磁気シールド３１の導電率は、図６のシミュレーションにおいて１．０［Ｓ／ｍ］に設定され、図７のシミュレーションにおいて１．０３×１０^７［Ｓ／ｍ］に設定された。第１磁気シールド３１の比透磁率は、何れのシミュレーションにおいても５０００に設定された。

図６のシミュレーション結果をみると、電流路２０の中心から比較的近い位置においては、被測定電流Ｉｓの周波数が高くなるほど磁束密度が小さくなっている。これは、被測定電流Ｉｓの周波数が高くなるほど、表皮効果によって板状の電流路２０の縁部に電流が集中し、電流路２０の中央部における電流密度が減少することによる。電流路２０の中心から離れるほど磁束密度は全体的に小さくなり、被測定電流Ｉｓの周波数の違いによる磁束密度の違いも小さくなる。図６のシミュレーションでは第１磁気シールド３１において渦電流がほとんど発生しないため、第１磁気シールド３１に近づいても、被測定電流Ｉｓの周波数の違いは磁束密度にあまり影響を与えない。

一方、図７のシミュレーション結果をみると、第１磁気シールド３１に近い位置（電流路２０の中心から離れた位置）における磁束密度の傾向は、図６のシミュレーション結果と大きく異なる。すなわち、被測定電流Ｉｓの周波数が低い場合は（１００Ｈｚ、１ｋＨｚ）、図６のシミュレーション結果と同様の傾向で、電流路２０の中心からの距離が離れるほど磁束密度が減少するが、被測定電流Ｉｓの周波数が高い場合は（１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ）、電流路２０の中心からの距離の増大に応じた磁束密度の減少のカーブが緩やかになっている。これは、第１磁気シールド３１の渦電流の影響による磁束密度の増大作用が、第１磁気シールド３１に近づくほど大きくなるためである。その結果、図７のシミュレーション結果では、電流路２０の中心からの距離が概ね３．６［ｍｍ］の位置において、磁束密度が周波数に依らず一定となっている。

図８は、図７のシミュレーションの条件において電流路２０の中心からの距離が２．７［ｍｍ］の位置における磁束密度の周波数特性を示す図である。この場合は、被測定電流Ｉｓの周波数が２０［ｋＨｚ］を超えるあたりから磁束密度が低下しているため、これより高い周波数において測定誤差を生じることが分かる。
一方、図９は、図７のシミュレーションの条件において電流路２０の中心からの距離が３．６［ｍｍ］の位置における磁束密度の周波数特性を示す図である。この場合は、１［Ｈｚ］から５００［ｋＨｚ］までの周波数帯域において、磁束密度がほぼ一定になっており、非常に良好な周波数特性が得られることが分かる。

以上説明したように、本実施形態に係る電流センサ１によれば、次のような効果が得られる。

（１）本実施形態に係る電流センサ１によれば、第１磁気シールド３１が設けられた第１絶縁部材１１に対して、磁電変換素子４０が実装された回路基板５０が固定される。そのため、第１絶縁部材１１と第２絶縁部材１２の各々における寸法のばらつきや、組立時における第１絶縁部材１１と第２絶縁部材１２との取り付け精度に応じて、第１磁気シールド３１と磁電変換素子４０との距離Ｄ２がばらつき難くなる。第１磁気シールド３１と磁電変換素子４０との距離Ｄ２のばらつきが小さくなることにより、磁電変換素子４０の検出感度のばらつきが抑制されるため、測定誤差を低減できる。

（２）本実施形態に係る電流センサによれば、第１絶縁部材１１と第２絶縁部材１２の各々が異なる態様で熱変形しても、この熱変形の影響によって第１磁気シールド３１と磁電変換素子４０との距離Ｄ２がばらつき難くなる。第１磁気シールド３１と磁電変換素子４０との距離Ｄ２のばらつきが小さくなることにより、磁電変換素子４０の検出感度のばらつきが抑制されるため、測定誤差を低減できる。つまり、温度特性が向上する。

（３）本実施形態に係る電流センサ１によれば、回路基板５０が第１絶縁部材１１に固定されるため、電流路２０で発生した熱が磁電変換素子４０に伝わり難くなる。これにより、磁電変換素子４０の温度の変動に起因する測定誤差を低減できる。この理由でも温度特性が向上する。

（４）本実施形態に係る電流センサ１によれば、電流路２０と第１磁気シールド３１とがそれぞれ板状の形状を持っており、互いの平坦面が平行になっている。この平坦面と平行かつ電流方向（Ｙ方向）と垂直な幅方向（Ｘ方向）において、電流路２０の中央の位置と第１磁気シールド３１の中央の位置とが揃っている。磁電変換素子４０は、これらの中央を通る直線Ｌ１上に配置される。これにより、磁電変換素子４０が幅方向の中央を通る直線Ｌ１に対してずれた位置に配置される場合に比べて、外来磁界が磁電変換素子４０に届き難くなるため、外来磁界に起因する測定誤差を低減できる。

（５）本実施形態に係る電流センサ１によれば、被測定電流Ｉｓの周波数に応じた電流路２０の電流密度の変化が被測定電流Ｉｓに伴う磁界に与える影響と、被測定電流Ｉｓの周波数に応じた第１磁気シールド３１の渦電流の変化が被測定電流Ｉｓに伴う磁界に与える影響とが相殺される場所に、磁電変換素子４０が配置される。これにより、磁電変換素子４０において一定の感度で磁界を検出することが可能な被測定電流Ｉｓの周波数帯域が広くなるため、広い周波数帯域で精度よく被測定電流Ｉｓを測定できる。つまり、周波数特性の改善と、上述した温度特性の改善を両立できる。

（６）本実施形態に係る電流センサ１によれば、（５）の効果を得るために磁電変換素子４０と第１磁気シールド３１との距離が短くなる場合でも、第１磁気シールド３１が設けられた第１絶縁部材１１に回路基板５０が固定されるため、当該距離のばらつきの影響（磁電変換素子４０の検出感度のばらつき）を緩和できる。

（７）本実施形態に係る電流センサ１によれば、回路基板５０が複数の支柱１１２を介して第１絶縁部材１１に固定されるため、第１磁気シールド３１において渦電流等により発生した熱が回路基板５０に伝わり難くなる。これにより、磁電変換素子４０の温度の変動に起因する測定誤差を低減できる。

（８）本実施形態に係る電流センサ１によれば、第１磁気シールド３１の周縁部における端面３１２の少なくとも一部と第１絶縁部材１１との間に隙間７０が形成されるため、第１絶縁部材１１と第１磁気シールド３１との熱膨張係数が異なっていても、熱変形による両者の形状のずれが隙間７０で吸収され易くなる。これにより、第１磁気シールド３１に加わる応力が減少し、応力に起因した第１磁気シールド３１の磁気特性の変動が抑えられるため、磁気特性の変動による測定誤差を低減できる。

（９）本実施形態に係る電流センサ１によれば、第１磁気シールド３１に設けられた凹部３１１の端面３１２と第１絶縁部材１１との間に隙間７０が形成されるため、第１絶縁部材１１と第１磁気シールド３１の形状が熱変形によってずれを生じても、隙間７０において当該ずれが吸収され易くなる。また、凹部３１１に設けられた規制部１１１により、板状の形状の平坦面と平行な方向（Ｚ方向に垂直な方向）における第１磁気シールド３１の位置ずれが規制されるため、第１磁気シールド３１の位置ずれに起因した磁気シールド性能や測定精度の低下を防止できる。

（１０）本実施形態に係る電流センサ１によれば、板状の形状の平坦面と平行な方向（Ｚ方向に垂直な方向）において放射状に伸びた複数の凹部３１１にそれぞれ規制部１１１が設けられているため、熱変形に伴う第１絶縁部材１１の移動の方向と凹部３１１の伸び方向とが揃い易くなり、規制部１１１の移動に伴う第１磁気シールド３１への応力が小さくなる。また、複数の凹部３１１においてそれぞれ第１磁気シールド３１の位置ずれが規制されるため、第１磁気シールド３１の位置ずれがより効果的に抑えられる。

（１１）本実施形態に係る電流センサ１によれば、電流路２０において発生した熱が基部１２１から側部１２２へ伝わり、側部１２２の端面から第１絶縁部材１１を介して回路基板５０に伝わるため、電流路２０から磁電変換素子４０へ熱が伝わり難くなる。これにより、磁電変換素子４０の温度の変動に起因する測定誤差を低減できる。

（１２）本実施形態に係る電流センサ１によれば、第１磁気シールド３１と第１絶縁部材１１とが一体成型されるため、第１磁気シールド３１と第１絶縁部材１１とを精度よく安定的に固定できる。また、電流路２０と第２絶縁部材１２とが一体成型されるため、電流路２０と第２絶縁部材１２とを精度よく安定的に固定できる。更に、第１絶縁部材１１と第２絶縁部材１２とが同一の樹脂材料によって形成されるため、両者の熱膨張係数が等しくなる。これにより、第１絶縁部材１１と第２絶縁部材１２のそれぞれに熱変形が生じても、両者の形状のずれが生じ難くなるため、電流路２０と磁電変換素子４０との距離のばらつきを低減できる。

（１３）本実施形態に係る電流センサ１によれば、それぞれ板状の形状を持つ第１磁気シールド３１と回路基板５０と電流路２０とが互いに平行であるため、板状の形状の平坦面に対して垂直な方向（Ｚ方向）における電流センサ１のサイズを小型にすることができる。また、Ｚ方向からみた平面視において、第１磁気シールド３１と回路基板５０と電流路２０とが互いに重複する領域Ａを持つため、平面視における電流センサ１のサイズを小型にすることができる。

（１４）本実施形態に係る電流センサ１によれば、第１磁気シールド３１と第２磁気シールド３２との間に磁電変換素子４０が挟まれており、Ｚ方向からみた平面視において第１磁気シールド３１と第２磁気シールド３２とが重なる領域内に磁電変換素子４０が位置する。これにより、外来磁界が磁電変換素子４０に届き難くなるため、外来磁界に起因する測定誤差を低減できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的範囲又はその均等の範囲において種々のバリエーションを含んでいる。

図１０は、本発明の実施形態に係る電流センサ１の一変形例を示す図であり、II−II線における電流センサ１の断面図である。図１０に示す電流センサ１は、回路基板５０を第１絶縁部材１１に固定する手段として、支柱１１２の代わりに保持部１１５が設けられている。保持部１１５は、第１絶縁部材１１の裏面１１４を回路基板５０の一方の平坦面と密着させた状態において、回路基板５０の他方の平坦面における縁部と側端面に当接する。複数の保持部１１５が回路基板５０の各辺を押さえることにより、回路基板５０が第１絶縁部材１１に固定される。保持部１１５は、例えば第１絶縁部材１１と同じ樹脂で形成される。図１０のように、回路基板５０の平坦面を第１絶縁部材１１に当接させることで、磁電変換素子４０と第１磁気シールド３１との距離を短くすることが可能になる。

上述した実施形態では、回路基板５０における電流路２０側の面に磁電変換素子４０が実装されているが、本発明の他の実施形態では、回路基板５０における第１磁気シールド３１側の面に磁電変換素子４０が実装されてもよい。これにより、磁電変換素子４０と第１磁気シールド３１との距離を短くすることが可能になる。

上述した実施形態では、２つの磁気シールド（３１，３２）が設けられているが、本発明の他の実施形態では第２磁気シールド３２を省略してもよい。

上述した実施形態では、収容空間６０において電流路２０が第２絶縁部材１２により覆われているが、本発明の他の実施形態では、電流路２０を部分的に露出させてもよい。

１…電流センサ、１１…第１絶縁部材、１１１…規制部、１１２…支柱、１１３…先端部、１１４…裏面、１１５…保持部、１２…第２絶縁部材、１２１…基部、１２２…側部、１２３…内壁、２０…電流路、２１…貫通孔、２２…貫通孔、３１…第１磁気シールド、３１１…凹部、３１２…端面、３２…第２磁気シールド、４０…磁電変換素子、４１…センサ部、５０…回路基板、６０…収容空間、７０…隙間、Ｉｓ…被測定電流

Claims (12)

1. 互いに固定された第１絶縁部材及び第２絶縁部材と、
   前記第１絶縁部材に設けられた第１磁気シールドと、
   前記第２絶縁部材に設けられた電流路と、
   前記電流路に流れる被測定電流に伴う磁界を検出する磁電変換素子と、
   前記磁電変換素子が実装された回路基板とを備え、
   前記電流路と前記第１磁気シールドとが向かい合うように配置され、
   前記磁電変換素子が前記電流路と前記第１磁気シールドとの間に配置され、
   前記回路基板が前記第１絶縁部材に固定された、
   電流センサ。
2. 前記電流路は、前記被測定電流が流れる方向に延びる板状の形状を持ち、
   前記第１磁気シールドは、前記電流路と平行な板状の形状を持ち、
   前記被測定電流が流れる方向に対して垂直かつ前記電流路の平坦面に対して平行な幅方向において、前記電流路の中央の位置と前記第１磁気シールドの中央の位置とが揃っており、
   前記磁電変換素子は、前記電流路の前記幅方向の中央と前記第１磁気シールドの前記幅方向の中央とを通る直線上に配置される、
   請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１磁気シールドが導電性を有し、
   前記被測定電流の周波数が変化した場合、前記電流路の前記中央付近における電流密度が変化するとともに、前記被測定電流に伴う磁界により誘導される前記第１磁気シールドの渦電流が変化し、
   前記磁電変換素子は、前記被測定電流の周波数に応じた前記電流密度の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響と、前記被測定電流の周波数に応じた前記渦電流の変化が前記被測定電流に伴う磁界に与える影響とが相殺される場所に配置される、
   請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記磁電変換素子と前記第１磁気シールドとの距離が、前記磁電変換素子と前記電流路との距離に比べて短い、
   請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記第１絶縁部材に設けられた複数の支柱を有し、
   前記回路基板は、前記複数の支柱を介して前記第１絶縁部材に固定される、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載の電流センサ。
6. 前記第１磁気シールドは、板状の形状を持ち、
   前記第１絶縁部材は、樹脂材料によって前記第１磁気シールドと一体成型され、
   前記第１磁気シールドの周縁部における端面の少なくとも一部と前記第１絶縁部材との間に隙間が形成される、
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の電流センサ。
7. 前記第１磁気シールドは、前記周縁部において前記板状の形状の平坦面と平行な方向に凹んだ少なくとも１つの凹部を有し、
   前記凹部における端面の少なくとも一部と前記第１絶縁部材との間に前記隙間が形成され、
   前記第１絶縁部材は、少なくとも一部が前記凹部に設けられた規制部を有し、
   前記規制部は、前記板状の形状の平坦面と平行な方向における前記第１磁気シールドの位置ずれを規制する、
   請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記第１磁気シールドは、前記板状の形状の平坦面と平行な方向において放射状に伸びた複数の前記凹部を有し、
   前記第１絶縁部材は、複数の前記凹部に設けられた複数の前記規制部を有する、
   請求項７に記載の電流センサ。
9. 互いに固定された前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材の内部に、前記回路基板を収容する収容空間が形成され、
   前記第２絶縁部材は、
   前記電流路が設けられた基部と、
   前記基部から前記第１絶縁部材に向かって立ち上がった側部とを含み、
   前記側部は、前記収容空間に面した内壁の一部を形成し、
   前記第１絶縁部材は、前記側部の端面に当接する、
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の電流センサ。
10. 前記第１絶縁部材は、樹脂材料によって前記第１磁気シールドと一体成型され、
    前記第２絶縁部材は、前記第１絶縁部材と同じ樹脂材料によって前記電流路と一体成型される、
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の電流センサ。
11. 前記第１磁気シールドと前記電流路は、それぞれ板状の形状を持ち、
    前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路とは、互いに平行であり、
    前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路とは、それぞれの平坦面に対して垂直な方向からみた平面視において互いに重複する領域を持ち、
    前記磁電変換素子は、前記平面視において前記領域内に位置する、
    請求項１乃至１０の何れか一項に記載の電流センサ。
12. 板状の形状を持ち、前記基部に設けられ、前記電流路を挟んで前記第１磁気シールドと平行に対向する第２磁気シールドを有し、
    前記第１磁気シールドと前記回路基板と前記電流路と前記第２磁気シールドとは、前記平面視において互いに重複する領域を持ち、
    前記磁電変換素子は、前記平面視において前記領域内に位置する、
    請求項１１に記載の電流センサ。
    
    

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