JP2024061430A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁電変換素子が検出する磁束密度量を増加させることで、磁電変換素子の出力した検出信号の増幅率をさげ、また被検出電流が交流電流の際、高周波領域における周波数特性を任意に調整することが可能な電流センサを提供する。【解決手段】貫通スリット２で分岐された電流路３、４を囲むように磁性体コア５、６を配置し、１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂは、貫通スリット２の空隙部を挟んで対向し、かつ、磁性体コア５、６のＹ方向の外形高さ寸法と磁性体コア５、６のＺ方向の外形厚み寸法と貫通スリット２のＸ方向の幅長の寸法線内に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、磁電変換素子を用いた電流センサに関する。

従来のモーター駆動用インバータなどで使用される電流センサは、被検出電流が流れる電流路を挟み込むように、２つの磁電変換素子を配置し、検出信号を差動演算することで、周囲の外部磁界の影響をキャンセルし、被検出電流を正確に検出する、差動検出型の電流センサが知られている。

例えば、特許文献１には、１つ以上の中抜部（貫通スリット）を有する、直線状に形成されている導体に被検出電流を印加して、差動場測定装置（磁電変換素子と差動演算部）を用いて、磁場勾配（磁電変換素子の位置による磁束密度量）を検出することによって、導体に印加される電流量を検出することを特徴とする電流センサが示されている。

また特許文献２には、空隙（貫通スリット）を有し、その貫通スリットに対して２本の電流路が線対称に配置されている、断面が矩形形状の導体に、被検出電流を印加することで発生する磁束を、貫通スリット空隙外部、かつ、導体を挟み込むように１対の磁電変換素子を配置し、検出信号を差動演算することで、周囲の磁場の影響をキャンセルし、被検出電流を検出する電流センサが示されている。

特表２００２－５２３７５１号公報 特許第６１４４５９７号公報

しかしながら、いずれの特許文献においても、磁電変換素子は被検出電流が印加されることにより生じる磁束を直接検出するため、磁電変換素子が検出できる磁束密度量は非常に小さく、磁気抵抗効果素子等の検出感度の高い磁電変換素子が用いられて、検出した磁束密度量に応じた出力信号が出力されるが、検出する磁束密度量が非常に小さいことから、出力された出力信号も小さく、出力信号の増幅率を高くする必要がある。

出力信号の増幅率を高くすると、微量の磁束密度量の変化でも大きく影響を受けてしまうため、電流センサの外部磁界環境下に対して、差動演算による外部磁界キャンセル機能を有していても、微量の磁束密度量を検出してしまい、その影響は大きく出てしまう。

本発明では上記問題を鑑み、磁電変換素子が検出する磁束密度を増加させ、磁電変換素子から出力される出力信号の増幅率を下げることが可能な電流センサを提案するものである。

本発明における電流センサは、被検出電流が印加され、貫通スリットで分岐される第１の電流路と第２の電流路を有する導体と、２つの端面をそれぞれ有する略Ｕ字型形状の第１及び第２の磁性体コアと、前記貫通スリットを挟んで対向配置され、前記被検出電流から発生する磁束の所定の感磁軸方向の磁束密度をそれぞれ検出して前記磁束密度に応じた出力信号を出力する１対の磁電変換素子と、を備え、第１の磁性体コアは、第１の電流路の周囲であって貫通スリットの一方側の側壁をなす部分以外の周囲の少なくとも一部を囲むように配置され、第２の磁性体コアは、第２の電流路の周囲であって貫通スリットの他方側の側壁をなす部分以外の周囲の少なくとも一部を囲むように配置され、第１及び第２の磁性体コアは、２つの端面同士がそれぞれ対向する姿勢で配置され、対向する２つの端面同士の間には、コアギャップがそれぞれ形成されるものである。

本発明によれば、磁電変換素子が検出する磁束密度を増加させ、磁電変換素子から出力される出力信号の増幅率を下げることが可能な電流センサを提供するものである。

本発明の実施の形態１に関わる電流センサの概略図であり、図１（ａ）は電流センサの斜視図で、図１（ｂ）は電流センサの平面視図で、図１（ｃ）は断面図である。 図１に示した電流センサの貫通スリットの位置、および電流路の断面積を変えた構成例を示す図である。 図１に示した電流センサの磁性体コアを変えた構成例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に関わる電流センサに被検出電流を印加した場合の磁束経路を示す概略図で、図４（ａ）は磁性体コアとコアギャップを通過する磁束経路を示す図で、図４（ｂ）は磁性体コアに集磁されない磁束経路を示す図である。 本発明の実施の形態１に関わる電流センサの貫通スリットとコアギャップ、磁電変換素子の配置変化の構成例を示す図である。 図５に示した構成例（ａ）～（ｄ）において、各周波数における磁束密度変化率の解析値を示した表である。 図１に示した電流センサの貫通スリット、磁電変換素子の位置変化例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に関わる電流センサの導体と別の態様を持つ導体を有する電流センサの斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に関わる電流センサ１００の概略図であり、図１（ａ）は実施の形態１に関わる電流センサ１００の斜視図で、図１（ｂ）は実施の形態１に関わる電流センサ１００の平面視図で、図１（ｃ）は図１（ｂ）における断面Ａ―Ａの断面図である。また本発明では特に説明しない場合、被検出電流が流れる導体の幅方向をＸ方向、導体の厚み方向をＹ方向、導体の延伸方向をＺ方向とし、図示矢印の方向を＋（正）方向とし、実施の形態１については、各方向を同様に定義する。

図１において、本発明の実施の形態１に関わる電流センサ１００は、被検出電流が印加され、Ｘ方向の幅寸法が幅長Ｗ１の貫通スリット２を有する導体１と、貫通スリット２によって形成される電流路３と電流路４と、電流路３の周囲であって貫通スリット２の一方側の側壁をなす部分以外の周囲を取り囲んで配置された、Ｙ方向に高さ寸法Ｗ３とＺ方向に厚み寸法Ｗ４を有するＵ字型形状の磁性体コア５と、電流路４の周囲であって貫通スリット２の他方側の側壁をなす部分以外の周囲を取り囲んで配置された、磁性体コア５と同形状のＵ字型形状の磁性体コア６と、磁性体コア５と磁性体コア６の対面する端面間の空隙で形成され、Ｘ方向の幅が幅長Ｗ２の２つのコアギャップ７と、磁束を検出する検出素子である磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂとを有し、コアギャップ７は図１（ｃ）に示すように、貫通スリット２の幅長Ｗ１がコアギャップ７の幅長Ｗ２と重なるように形成され、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂは貫通スリット２の空隙２Ａを挟んで対向して配置され、かつ、Ｘ方向は幅長Ｗ１又は幅長Ｗ２寸法線内、Ｙ方向は高さ寸法Ｗ３の寸法線内、Ｚ方向は厚み寸法Ｗ４の寸法線内に配置され、感磁軸がＸ方向となる姿勢で構成される。

また電流センサ１００は図示しない樹脂筐体と、図示しない磁気検出手段と図示しないコネクタが実装された図示しないプリント基板を有し、プリント基板、導体１、磁性体コア５と磁性体コア６は樹脂筐体に固定され、磁電変換素子８Ａ、８Ｂは磁気検出手段内に構成される。

磁気検出手段は、磁電変換素子８Ａ、磁電変換素子８Ｂが検出した磁束密度量に応じてそれぞれ出力する出力信号を増幅し、増幅された２つの出力信号を差動演算して、その差動演算値を出力する図示しない差動演算部を有し、その差動演算値はコネクタを介して電流センサ１００の外部に出力される。

導体１は、非磁性材料の銅材もしくはアルミ材等で、単一もしくは複数の材料で形成され、平板状の矩形形状断面を有する。

貫通スリット２は、本実施形態においては、導体１のＸ方向の幅寸法に対して中央に配置されており、電流路３と電流路４は同一断面積（ＸＹ面）を有する。電流路３の一部は貫通スリット２の一方側の側壁をなし、電流路４の一部は貫通スリット２の他方側の側壁をなす。

磁性体コア５と磁性体コア６は、磁性材料の珪素鋼板・フェライト・パーマロイ等で、単一もしくは複数の磁性材料で形成された、積層コアや巻きコア、鋳造コアであり、本実施形態においては、単一の磁性体で形成された、同形状（Ｕ字断面形状）の磁性体コアを端面同士が対面する姿勢で２つ配置される。

磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂは、Ｘ方向に同極性の感磁軸を持ち、導体１を流れる被検出電流が発生する磁束のＸ方向の磁束密度成分を検出している。

また磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂは、本実施形態では２つの検出素子として構成されているが、１つの検出素子を持つＩＣ等の磁気センサを２つ用いてもよいし、２つの検出素子を持つ磁気センサを１つ用いてもよい。検出素子は、ホール効果素子や磁気抵抗効果素子等、磁束を検出し出力を行うことができる検出素子であれば、その種類を問わず、好適には、２つの検出素子を有する磁気センサを１つ用いると、２つの磁気センサを用いるよりも電流センサの部品点数が削減でき、コストメリットも生じる。

図２、３は別の形状の導体、磁性体コアを図１（ｂ）Ａ－Ａ断面図に相当する図で示すもので、図２は、図１に示した電流センサ１００の貫通スリット２の位置、および電流路３と電流路４の断面積を変えた構成例を示す図で、図３は、図１に示した電流センサ１００の磁性体コア５と磁性体コア６を変えた構成例を示す図である。

本実施形態においては、貫通スリット２は、導体１のＸ方向の幅寸法に対して中央に配置されており、電流路３と電流路４は同一断面積（ＸＹ面）を有するが、その限りではなく、図２に示すように、貫通スリット２ａは導体１ａのＸ方向の幅寸法に対して中央に配置されなくてもよく、電流路３ａと電流路４ａは不同一断面積でも良い。

また、本実施形態において磁性体コア５、磁性体コア６は、単一の磁性体で形成された、同形状（Ｕ字断面形状）の磁性体コアを２つ対面配置したが、その限りではなく、図３（ａ）に示すように、磁性体５ａ１と磁性体５ａ２で磁性体コア５ａを形成するように、複数の磁性体で形成されたＵ字形状の磁性体コアでもよい。また図３（ｂ）に示すように、磁性体コア５と磁性体コア６は同形状でなくてもよく、例えば磁性体コア６はＸ方向が長い磁性体コア６ａでもよい。加えて、磁性体コアの形状は、貫通スリット２以外の各電流路の周囲を取り囲む形状で略Ｕ字型の形状部を有していれば、凸部や凹部を有していてもよい。図３に示した磁性体コアの形状と構成は、本実施形態における形状例であり、本発明の構成を限定するものではない。

前記のように構成された実施の形態１に関わる電流センサ１００は、導体１に被検出電流を印加した場合、電流路３と電流路４に分流して電流が流れる。この時、電流路３と電流路４に流れる電流量の総和は、導体１の被検出電流量と等しい。

ここでは電流路３と電流路４に流れる電流により生じる磁束について説明する。図４は、電流センサ１００に被検出電流を印加した場合の磁束経路を図１（ｂ）Ａ－Ａ断面図で示す概略図であり、図４（ａ）は磁性体コア５、磁性体コア６とコアギャップ７を通過する磁束経路を示す図で、図４（ｂ）は磁性体コア５、磁性体コア６に集磁されない磁束経路を示す図である。

導体１に被検出電流としてＺ＋方向の直流電流を印加した場合、図４（ａ）に示すように、電流路３と電流路４に分流して流れる電流量に応じて各電流路から磁束が発生するが、磁性体コア５と磁性体コア６が電流路３と電流路４の周囲を囲い込むように配置されていることにより、各電流路に流れる電流から発生した磁束は合成され磁性体コア５と磁性体コア６に集磁されるため、発生した磁束の大部分が磁束経路９のように磁性体コア５と磁性体コア６内を図示矢印方向に通過する。その際、コアギャップ７の磁束の経路は、磁束９Ａのような磁束経路を形成する。

また電流路３と電流路４を流れる電流から発生した磁束は、磁性体コア５、磁性体コア６に集磁されない磁束も存在し、図４（ｂ）に示すように、磁束９Ｂも併せて存在する。

磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂは、磁束９Ａと磁束９Ｂの磁束を合成して検出しており、検出した磁束密度量に応じて磁電変換素子８Ａ、磁電変換素子８Ｂから出力される出力信号は、図示しない差動演算部で差動演算された後に、図示しないコネクタを介して外部出力される。

特に磁束９Ａは、電流路３、電流路４を流れる電流から生じる大部分の磁束を、合成して磁性体コア５と磁性体コア６が集磁していることから、その磁束密度は大きく、従来技術のように、磁性体コア５と磁性体コア６を除いた場合の、導体１のみから生じる磁束と比較すると、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂは非常に大きな磁束密度量を検出することが可能であり、その大きな磁束密度量を基に電流路３と電流路４を流れる電流量の総和を検出することができる。

図４（ａ）において、図示上側の磁束９ＡはＸ＋方向の磁束であり、図示下側の磁束９Ａは逆のＸ－方向の磁束であり、磁電変換素子８Ａ、磁電変換素子８Ｂの感磁軸はＸ方向で感磁極性はＸ＋方向が＋となる姿勢で配置されているので、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの出力を差動演算すると、両者が加算され２倍の磁束密度量が検出できる。そのため、出力信号の増幅率も下げることが可能であり、電流センサの外部磁界環境下において、差動演算によりキャンセルされた後に、微小の磁束密度量が生じても、その影響を受けにくくすることができる。

一方、磁性体コア５と磁性体コア６の外側に磁束発生源を持つ外部磁界は、近接している磁電変換素子８Ａ、磁電変換素子８Ｂにとって同方向同極性の磁束が主であり、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの出力を差動演算することで、両者は相殺され差動演算出力は小さくなる。さらに磁性体コア５と磁性体コア６がシールドとなって、その出力は極めて小さくなり外部磁界の影響を抑制できる。

また本発明における電流センサは、磁電変換素子８Ａ、８Ｂの配置、貫通スリット２の幅寸法Ｗ１、コアギャップ７の幅寸法Ｗ２をそれぞれ調整することにより、被検出電流に高周波交流電流成分が含まれている場合、表皮効果による磁束密度量の変化を調整することができる。（例えばモーター駆動用インバータ回路の電流には多くの高周波交流電流成分が含まれており、従来の電流センサにおいては、表皮効果によって導体表面に電流が集中して磁束分布に変化が生じ、含まれる周波数の高さに応じて磁電変換素子の検出する磁束密度量に変化が生じる。）

ここでは被検出電流に含まれる高周波交流電流の影響について述べる。被検出電流が例えば１０００Ｈｚ程度以上の高周波交流電流を含む場合は、その周波数に応じて電流路３と電流路４に流れる電流の電流密度は、表皮効果により各電流路のＸ＋方向とＸ－方向の両端に集中し、磁束の分布も同様に追従して変化するが、磁性体コア５と磁性体コア６が電流路３と電流路４の周囲を囲い込むように配置されていることにより、電流路を流れる電流から発生した磁束は磁性体コア５と磁性体コア６に集磁され、被検出電流が直流電流である場合と同様に、発生した大部分の磁束は磁束経路９を形成する。

また電流路３と電流路４を流れる電流から発生する磁束には、磁性体コア５、磁性体コア６に集磁されない磁束も存在し、直流電流印加時の場合と同様に、磁束９Ｂも併せて存在している。

しかしながら、高周波交流電流印加時は磁性体コア５と磁性体コア６に発生する鉄損が大きくなることから、直流電流印加時と比較すると、磁束９Ａは減衰し、逆に電流路３と電流路４を流れる電流は、表皮効果の影響で各電流路のＸ方向両端に集中しているため、貫通スリット２側に集中した電流の影響で磁束９Ｂは増加している。

この時、貫通スリット２とコアギャップ７、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの配置を、変化させ表皮効果による磁束分布状態を変化させると、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが検出する、磁束９Ａと磁束９Ｂの磁束密度量を任意に調整することが可能となり、例えば、減少する磁束９Ａと増加する磁束９Ｂとで合成磁束密度量の変化量を相殺したり、逆に変化量を増減したりすることも可能となる。

ここでは代表的な構成例での磁束９Ａと磁束９Ｂの磁束密度量の変化についてシミュレーションを用いて説明する。図５は、本実施形態の貫通スリット２とコアギャップ７、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの配置の構成例を図１（ｂ）Ａ－Ａ断面図に相当する図で示すもので、図５（ａ）は構成例（ａ）を示す図で、幅長Ｗ１と幅長Ｗ２が同寸法で、Ｙ方向から見た際２つの幅長が完全に重なる構成、かつ、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが配置領域Ｒ１（配置領域Ｒ１については後述する）に配置された構成例で、図５（ｂ）は構成例（ｂ）を示す図で、導体１ｂの幅長Ｗ１ｂが幅長Ｗ２よりも大きく、Ｙ方向から見た際に幅長Ｗ２が幅長Ｗ１ｂの中に重なる構成、かつ、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが配置領域Ｒ１に配置された構成例で、図５（ｃ）は構成例（ｃ）を示す図で、導体１ｂの幅長Ｗ１ｂが幅長Ｗ２よりも大きく、Ｙ方向から見た際に幅長Ｗ２が幅長Ｗ１ｂの範囲の中に重なる構成、かつ、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂがコアギャップ７内に配置された構成例で、図５（ｄ）は構成例（ｄ）を示す図で、幅長Ｗ１と幅長Ｗ２が同寸法で、Ｙ方向から見た際２つの幅長が完全に重なる構成、かつ、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂがコアギャップ７内に配置された構成例である。また配置領域Ｒ１は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、磁性体コア５、６のＹ方向内側高さ寸法Ｗ８の寸法線内とコアギャップ７の幅長Ｗ２の寸法線内と、厚み寸法Ｗ４の寸法線内（図１（ｂ）参照）で、かつ、貫通スリット２の空隙２Ａの外部の範囲である。

図６は、図５に示した構成例（ａ）～（ｄ）において、周波数１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、５０００Ｈｚでの、直流電流に対する各周波数における磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂで検出する磁束密度変化率のシミュレーション結果を示した表である。
本シミュレーションは有限要素法電磁場解析ソフトを用いて行い、印加電流を５００Ａとし、直流電流と周波数が１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、５０００Ｈｚの交流電流での条件下で、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの配置点におけるＸ＋方向の磁束密度量をシミュレートした後、両者の差分の磁束密度量を算出し、直流電流条件での結果を基準として、各周波数の交流電流条件の結果と比較し、磁束密度量の変化の割合を示す磁束密度変化率を算出した。

また本シミュレーションにおいて、図５に示すように磁性体コア５と磁性体コア６は、Ｙ方向外側の高さ寸法Ｗ３は１０．５ｍｍ、Ｘ方向外側寸法Ｗ５は１３．０ｍｍ、Ｘ方向内側寸法Ｗ６は９．５ｍｍ、Ｙ方向外側内側間寸法Ｗ７は３．０ｍｍ、Ｙ方向内側寸法Ｗ８は４．５ｍｍであり、コアギャップ７の幅長Ｗ２は４．０ｍｍで、厚さ０．５ｍｍのＵ字形状の無方向性ケイ素鋼板を、Ｚ方向に６枚積層して構成された磁性体コア（Ｚ方向の厚み寸法Ｗ４は３．０ｍｍ。図１（ｂ）参照。）を用い、Ｕ字形状の無方向性ケイ素鋼板同士の積層時の接触箇所は、絶縁設定とし、導体１、１ｂは、Ｘ方向外側寸法Ｗ９は２０．０ｍｍ、Ｙ方向寸法Ｗ１０は１．５ｍｍ、導体１の貫通スリット２の幅長Ｗ１は４．０ｍｍ、導体１ｂの貫通スリット２ｂの幅長Ｗ１ｂは７．０ｍｍとし、磁電変換素子８Ａ、８Ｂは寸法Ｗ１０の中心線を中心とした線対称配置で、構成例（ａ）（ｂ）では、磁電変換素子８Ａ、８Ｂはコアギャップ７の幅長Ｗ２と厚み寸法Ｗ４（図１（ｂ）参照。）の中心線上、かつ、磁電変換素子８Ａ、８Ｂの距離は２．６ｍｍの配置で、構成例（ｃ）（ｄ）では、磁電変換素子８Ａ、８Ｂは、コアギャップ７の幅長Ｗ２と厚み寸法Ｗ４（図１（ｂ）参照。）の中心線上、かつ、磁電変換素子間の距離は７．５ｍｍの配置で、シミュレーションを行った。

構成例（ａ）は、図５（ａ）で示すように、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが導体１の電流路３や電流路４の貫通スリット２側端面に近いため、表皮効果により電流が磁電変換素子８Ａ、８Ｂに近づき、磁束９Ｂ（図４参照）が増加することで、磁性体コア５、６の鉄損によって減衰する磁束９Ａ（図４参照）の低下量よりも、磁束９Ｂでの増加量の方が大きくなり、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの合成検出する磁束密度量は、直流電流印加時より増加する。よって、図６に示すように、直流電流印加時と磁束密度量を比較した磁束密度変化率は、５０００Ｈｚ交流電流印加時では＋３．２５％となる。

構成例（ｂ）は、図５（ｂ）示すように、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが導体１ｂの電流路３ｂや電流路４ｂの貫通スリット２ｂ側端面から遠いため、電流路３ｂと電流路４ｂを流れる電流との距離が離れ、表皮効果による磁束９Ｂ（図４参照）増加が抑制され、磁性体コア５、６の鉄損による磁束９Ａ（図４参照）の減衰がより支配的となる。よって、図６に示すように、直流電流印加時と磁束密度量を比較した磁束密度変化率は、５０００Ｈｚ交流電流印加時では－１．８５％となる。

構成例（ｃ）は、図５（ｃ）で示すように、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂがコアギャップ７内部の領域に配置されており、構成例（ｂ）よりさらに導体１ｂの電流路３ｂや電流路４ｂの貫通スリット２ｂ側端面から遠いため、表皮効果による磁束９Ｂ（図４参照）増加はさらに抑制され、磁性体コアの鉄損による磁束９Ａ（図４参照）の減衰がさらに支配的となる。よって、図６に示すように、直流電流印加時と磁束密度量を比較した磁束密度変化率は、５０００Ｈｚ交流電流印加時では－２．６９％となり、構成例（ｂ）よりも磁束密度変化率は大きい。

構成例（ｄ）は、図５（ｄ）で示すように、構成例（ｃ）と同様に磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂがコアギャップ７内部の領域に配置されているが、構成例（ｃ）と比べて導体１の電流路３や電流路４の貫通スリット２側端面に近いため、表皮効果による磁束９Ｂ（図４参照）増加抑制は緩和される。よって図６に示すように、直流電流印加時と磁束密度量を比較した磁束密度変化率は、５０００Ｈｚ交流電流印加時では－１．９３％となり、構成例（ｃ）よりも磁束密度変化率が小さい。

構成例（ａ）～（ｄ）のように貫通スリット２とコアギャップ７、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂの配置を変化させることで、交流電流印加時の磁束密度の変化量を調整することが可能であり、磁束密度量の変化量を抑制することや、助長することが可能である。

構成例（ａ）（ｂ）に関しては、磁束密度変化率の正負が逆転しており、幅長Ｗ１、Ｗ１ｂと幅長Ｗ２の構成の適正化を行うことで、被検出電流の周波数による検出磁束密度量の変化を最小限に抑制することが可能である。また構成例（ｃ）（ｄ）に関しては、幅長Ｗ１、Ｗ１ｂを幅長Ｗ２に近づけることで、磁性体コアの鉄損による磁束９Ａの減衰を抑制すること可能で、幅長Ｗ１、Ｗ１ｂを幅長Ｗ２以下とすることで、さらにその変化を最小限に抑制することが可能である。

以上より、磁性体コアの鉄損による磁束９Ａの減衰と表皮効果による磁束９Ｂの増加を考慮し、設計毎に貫通スリット２とコアギャップ７と磁電変換素子８Ａ、８Ｂの配置を調整することで、電流検出特性における適正な周波数特性設計が可能となる。

また構成例（ｃ）（ｄ）は、両者とも高周波交流電流印加時の検出磁束密度量は直流電流印加時に比べマイナスであったが、磁電変換素子８Ａ、８Ｂがコアギャップ７内に配置されていることで、磁束９Ａから検出できる磁束密度量が大きく、構成例（ａ）（ｂ）よりもより大きな磁束密度量を検出することが可能である。よって構成例（ａ）（ｂ）よりも、構成例（ｃ）（ｄ）の方が、磁束密度量を検出した際に出力される出力信号の増幅率を下げることが可能となり、外部磁界環境下などで、磁束の変化に対して影響をより抑制することが可能である。

ここでは、貫通スリット２の幅長Ｗ１とコアギャップ７の幅長Ｗ２の構成に関して説明を行う。図７は、貫通スリット２とコアギャップ７の構成例を示す図１（ｂ）Ａ－Ａ断面図に相当する図で示すものであり、図７（ａ）は幅長Ｗ１ｃが幅長Ｗ２よりも小さい寸法で、Ｙ方向から見た際に幅長Ｗ１ｃが幅長Ｗ２の範囲に重なる構成で、図７（ｂ）は幅長Ｗ１ｄと幅長Ｗ２が違う寸法で、Ｙ方向から見た際に幅長Ｗ１ｄと幅長Ｗ２の一部が重なる構成である。また図７（ａ）（ｂ）は、幅長Ｗ１ｃ、Ｗ１ｄと幅長Ｗ２の構成例を示すものであり、磁電変換素子８Ａ、８Ｂの配置は特に言及を行わない。

図５（ａ）～（ｄ）で示した構成例（ａ）～（ｄ）は、幅長Ｗ１、Ｗ１ｂが幅長Ｗ２の寸法以上の構成となっているが、その限りではなく、図７（ａ）で示すように、幅長Ｗ１ｃが幅長Ｗ２の寸法以下となっていてもよく、また図５（ａ）～（ｄ）では貫通スリット２、２ｂとコアギャップ７が導体１、１ｂのＸ方向の幅の中心線に対して線対称の構成となっているが、その限りではなく、図７（ｂ）で示すように、幅長Ｗ１ｄと幅長Ｗ２が、Ｙ方向から見た際、少なくともその一部が重なる構成であれば、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが合成検出する磁束密度量を調整することが可能である。なお、図７（ａ）（ｂ）では図５（ａ）（ｂ）と同様に、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂが前述の配置領域Ｒ１内に配置された場合の貫通スリット２ｃ、２ｄの幅長Ｗ１ｃ、Ｗ１ｄ及びコアギャップ７の幅長Ｗ２の例を示したが、図５（ｃ）（ｄ）と同様に、磁電変換素子８Ａと磁電変換素子８Ｂがコアギャップ７内に配置された場合にも適用できる。

ここでは導体１の別の態様について説明を行う。図８は、本実施形態における導体１と別の態様を持つ導体を有する電流センサの斜視図である。図８（ａ）に示すように、電流センサ１０１の導体１ｅは電流路３ｅと電流路４ｅが同一平面上に構成されなくても、同様に高周波領域における周波数特性の調整が可能である。
また図８（ｂ）（ｃ）に示すように、電流センサ１０２、１０３は貫通スリット２ｆ、２ｇをそれぞれ含む部分において、導体１ｆ、１ｇを屈折（９０度曲げ）したもので、導体１ｆのように１回屈する形状でも良いし、導体１ｇのように複数回数（例えば２回）屈折する形状でもよく、屈することで磁性体コア５、６に導体１ｆ、１ｇが近づくことから、磁性体コア５、６が集磁する磁束が増加するため、磁束９Ａ（図４参照）が増加し、磁電変換素子８Ａ、８Ｂの検出する磁束密度量が増加し、磁電変換素子８Ａ、８Ｂから出力される出力信号の増幅率を下げることができる。また、特に図８（ｃ）の構成例において、磁性体コア５、６のＹ方向の外形寸法が、Ｚ方向の外形寸法より小さい場合は、本実施形態における図１（ａ）の構成や、図８（ａ）の構成例に比べ、Ｙ方向において低背化が可能である。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電流センサ１００～１０３は、被検出電流が印加され、貫通スリット２、２ａ～２ｇで分岐される電流路３、３ａ～３ｇと電流路４、４ａ～４ｇを有する導体１、１ａ～１ｇと、２つの端面をそれぞれ有する略Ｕ字型形状の磁性体コア５、５ａ及び磁性体コア６、６ａと、貫通スリット２、２ａ～２ｇを挟んで対向配置され、被検出電流が発生する磁束の所定の感磁軸方向の磁束密度をそれぞれ検出して磁束密度に応じた出力信号を出力する１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂと、を備える。磁性体コア５、５ａは、電流路３、３ａ～３ｇの周囲であって貫通スリット２、２ａ～２ｇの一方側の側壁をなす部分以外の周囲の少なくとも一部を囲むように配置され、磁性体コア６、６ａは、電流路４、４ａ～４ｇの周囲であって貫通スリット２、２ａ～２ｇの他方側の側壁をなす部分以外の周囲の少なくとも一部を囲むように配置される。磁性体コア５、５ａ及び磁性体コア６、６ａは、２つの端面同士がそれぞれ対向する姿勢で配置され、対向する２つの端面同士の間には、コアギャップ７がそれぞれ形成される。このようにしたので、磁電変換素子８Ａ、８Ｂが検出する磁束密度を増加させ、磁電変換素子８Ａ、８Ｂから出力される出力信号の増幅率を下げることが可能な電流センサ１００～１０３を提供できる。

（２）貫通スリット２、２ａ～２ｇの貫通方向（Ｙ方向）から見た時に、貫通スリット２、２ａ～２ｇとコアギャップ７とは、導体１、１ａ～１ｇの幅方向（Ｘ方向）において少なくとも互いの一部が重なるように形成される。このようにしたので、１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂの配置及び感磁軸の方向と、貫通スリット２、２ａ～２ｇの幅寸法Ｗ１、Ｗ１ｂ～Ｗ１ｄと、コアギャップ７の幅寸法Ｗ２とをそれぞれ任意に調整することで、磁電変換素子８Ａ、８Ｂが検出する磁束密度を増加させつつ、適宜調整することができる。

（３）例えば図５（ａ）、（ｂ）に示すように、１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂは、磁性体コア５及び磁性体コア６の内側高さ寸法Ｗ８及び厚み寸法Ｗ４と、コアギャップ７の幅寸法Ｗ２とで区切られた配置領域Ｒ１内に配置され、導体１、１ｂの幅方向と水平な方向（Ｘ方向）に感磁軸を有することとしてよい。このとき、図５（ａ）、図７（ａ）に示すように、貫通スリット２、２ｃの幅寸法Ｗ１、Ｗ１ｃはコアギャップ７の幅寸法Ｗ２以下としてもよいし、図５（ｂ）に示すように、貫通スリット２ｂの幅寸法Ｗ１ｂはコアギャップ７の幅寸法Ｗ２よりも長いこととしてもよい。また、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂは、コアギャップ７内に配置され、導体１、１ｂの幅方向と水平な方向（Ｘ方向）に感磁軸を有することとしてよい。このとき、図５（ｃ）に示すように、貫通スリット２ｂの幅寸法Ｗ１ｂはコアギャップ７の幅寸法Ｗ２よりも長いこととしてもよいし、図５（ｄ）、図７（ａ）に示すように、貫通スリット２、２ｃの幅寸法Ｗ１、Ｗ１ｃはコアギャップ７の幅寸法Ｗ２以下としてもよい。これにより、１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂの配置及び感磁軸の方向と、貫通スリット２、２ｃの幅寸法Ｗ１、Ｗ１ｃと、コアギャップ７の幅寸法Ｗ２とを調整することで、高周波交流電流を含む被検出電流が印加される場合に磁電変換素子８Ａ、８Ｂが検出する磁束密度が所望の値となるように調整できる。

本発明では上記のように、１対の磁電変換素子８Ａ、８Ｂの配置及び感磁軸の方向と、貫通スリット２、２ａ～２ｇの幅寸法Ｗ１、Ｗ１ｂ～Ｗ１ｄと、コアギャップ７の幅寸法Ｗ２とをそれぞれ調整することで、磁電変換素子８Ａ、８Ｂが検出する磁束密度を適宜調整し、交流電流印加時の周波数特性を任意に調整できる。そのため、従来の電流センサのような問題を生じることなく、交流電流印加時にも安定した電流検出が可能な電流センサ１００～１０３を提供できる。

（４）導体１ｆ、１ｇは、貫通スリット２ｆ、２ｇを含む部分において、１回以上の屈折する形状を有する。このようにしたので、電流センサ１０２、１０３を低背化することができる。

なお、本発明は上記の実施形態や変形例に限定されるものではない。例えば、貫通スリット２、２ａ～２ｇで分岐される電流路３、３ａ～３ｇと電流路４、４ａ～４ｇを、図１～図８に示したような平板状ではなく、円筒状などの他の形状としてもよい。また、１つの貫通スリット２、２ａ～２ｇに対して磁性体コア５、６や磁電変換素子８Ａ、８Ｂを２対以上配置してもよいし、導体１、１ａ～１ｇにおいて貫通スリット２、２ａ～２ｇを２箇所以上形成してもよい。本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の複数の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。

１ 導体
１ａ 導体
１ｂ 導体
１ｃ 導体
１ｄ 導体
１ｅ 導体
１ｆ 導体
１ｇ 導体
２ 貫通スリット
２ａ 貫通スリット
２ｂ 貫通スリット
２ｃ 貫通スリット
２ｄ 貫通スリット
２ｅ 貫通スリット
２ｆ 貫通スリット
２ｇ 貫通スリット
２Ａ 空隙部
２ｂＡ 空隙部
３ 電流路
３ａ 電流路
３ｂ 電流路
３ｃ 電流路
３ｄ 電流路
３ｅ 電流路
３ｆ 電流路
３ｇ 電流路
４ 電流路
４ａ 電流路
４ｂ 電流路
４ｃ 電流路
４ｄ 電流路
４ｅ 電流路
４ｆ 電流路
４ｇ 電流路
５ 磁性体コア
５ａ 磁性体コア
５ａ１ 磁性体コア
５ａ２ 磁性体コア
６ 磁性体コア
６ａ 磁性体コア
７ コアギャップ
８Ａ 磁電変換素子
８Ｂ 磁電変換素子
９ 磁束経路
９Ａ 磁束
９Ｂ 磁束
Ｗ１ 幅長
Ｗ１ｂ 幅長
Ｗ１ｃ 幅長
Ｗ１ｄ 幅長
Ｗ２ 幅長
Ｗ３ 高さ寸法
Ｗ４ 厚み寸法
Ｗ５ 外側寸法
Ｗ６ 内側寸法
Ｗ７ 内側間寸法
Ｗ８ 内側高さ寸法
Ｗ９ 外側寸法
Ｗ１０ 寸法
Ｒ１ 配置領域

Claims (9)

1. 被検出電流が印加され、貫通スリットで分岐される第１の電流路と第２の電流路を有する導体と、
   ２つの端面をそれぞれ有する略Ｕ字型形状の第１及び第２の磁性体コアと、
   前記貫通スリットを挟んで対向配置され、前記被検出電流から発生する磁束の所定の感磁軸方向の磁束密度をそれぞれ検出して前記磁束密度に応じた出力信号を出力する１対の磁電変換素子と、を備える電流センサであって、
   前記第１の磁性体コアは、前記第１の電流路の周囲であって前記貫通スリットの一方側の側壁をなす部分以外の周囲の少なくとも一部を囲むように配置され、
   前記第２の磁性体コアは、前記第２の電流路の周囲であって前記貫通スリットの他方側の側壁をなす部分以外の周囲の少なくとも一部を囲むように配置され、
   前記第１及び第２の磁性体コアは、前記２つの端面同士がそれぞれ対向する姿勢で配置され、
   対向する前記２つの端面同士の間には、コアギャップがそれぞれ形成されることを特徴とする電流センサ。
2. 前記貫通スリットの貫通方向から見た時に、前記貫通スリットと前記コアギャップとは、前記導体の幅方向において少なくとも互いの一部が重なるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記１対の磁電変換素子は、前記第１及び第２の磁性体コアの内側高さ寸法及び厚み寸法と、前記コアギャップの幅寸法とで区切られた配置領域内に配置され、前記導体の幅方向と水平な方向に前記感磁軸を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記貫通スリットの幅寸法は前記コアギャップの幅寸法以下であることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記貫通スリットの幅寸法は前記コアギャップの幅寸法よりも長いことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
6. 前記１対の磁電変換素子は、前記コアギャップ内に配置され、前記導体の幅方向と水平な方向に前記感磁軸を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
7. 前記貫通スリットの幅寸法は前記コアギャップの幅寸法よりも長いことを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記貫通スリットの幅寸法は前記コアギャップの幅寸法以下であることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
9. 前記導体は、前記貫通スリットを含む部分において、１回以上の屈折する形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。