JP4726092B2 - 電流測定装置、及び、電流測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサを用いて被測定導体に流れる電流の大きさを測定する電流測定装置及び電流測定方法に関し、特に磁気センサを扁平な形状の被測定導体に近接して配置する電流測定装置及び電流測定方法に関する。

これまで、導体に流れる電流の大きさを測定する技術として、磁気センサを用いた電流の測定方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。磁気センサは、センサ内部に磁気検出素子を備えて、その磁気検出素子に入力する磁界の大きさに比例した電圧を出力するものである。前記の測定方法は、導体周辺のある位置に磁気センサを配置して、導体を流れる電流による誘導磁界を磁気センサで検出することにより、導体に流れる電流の大きさを測定する方法である。

この方法に基づいて、被測定導体を有する基板上に表面実装の可能な磁気センサを配置して、電流の大きさを測定する電流測定装置がある。これは、磁気センサが実装面に対して平行な磁界を検出することができるので、被測定導体の上に磁気センサを配置することで、磁気センサが被測定導体の幅方向に生じる磁界を検出して、被測定導体に流れる電流の大きさを測定することができる。

特開平８−２３３８６５号公報 特開平１０−２６７９６５号公報 米国特許５９４２８９５号明細書

ところが、幅の広い被測定導体の上に、被測定導体の幅方向に対して中央となる位置に、被測定導体の幅方向に生じる磁界を検出することのできる磁気センサを近接して配置したとき、後述する図４において「０ｍｍ」と表記した被測定導体に流れる電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域が、破線で示されている磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性の帯域より狭くなることが分かった。

ここで、電流に対する磁気センサの周波数特性とは、被測定導体に流れる電流を一定として、電流の周波数を変えたときに、電流のつくる誘導磁界を磁気センサが検出して、磁気センサの応答する出力から得られる電流感度の周波数特性のことである。また、磁気センサの磁気に対する周波数特性とは、磁界の大きさを一定として、磁界の周波数を変えたときに、磁界を磁気センサが検出して、磁気センサの応答する出力から得られる磁気感度の周波数特性のことである。帯域とは、直流の電流感度或いは磁気感度に対して、３ｄＢ低下するところまでの周波数のことである。

直流電流から低い周波数までの交流電流を測定する用途においては、上述のように、被測定導体の幅方向に対して中央となる位置に磁気センサを配置しても良い。しかし、直流から高い周波数までの広い周波数帯域の電流を安定に測定したい用途においては、例えばモーターを制御する電流を測定する用途においては、周期的な電流や起動時などの瞬発的に変化する電流を測定するため、前記の電流に対する磁気センサの周波数特性の低下は問題となる。
本発明は、前記の電流に対する磁気センサの周波数特性が低下する原因を明らかにして、磁気センサと幅広の被測定導体を近接して配置する場合において、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることのできる電流測定装置及び電流測定方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、磁気センサと幅の広い被測定導体の位置により電流に対する磁気センサの周波数特性が変化することを見いだし、その変化を引き起こす物理的な現象を明らかにして、本発明をなすに至った。
本発明の請求項１による電流測定装置は、扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するために前記被測定導体の幅方向に並んだ一対のセンサ素子を有する磁気センサを含み、前記磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、前記センサ素子は、ホール素子であり、前記磁気センサは、前記一対のセンサ素子間の中心が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように設けられ、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする。

本発明の請求項２による電流測定装置は、扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するための一つのセンサ素子のみからなる磁気センサ、或いは一つのセンサ素子と増幅回路とからなる磁気センサを含み、前記磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、前記センサ素子は、ホール素子であり、前記磁気センサは、前記センサ素子の表面のうち感磁面が前記被測定導体の幅方向に対して垂直となり、且つ、当該磁気センサの全体が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように設けられ、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする。
このように、磁気センサを被測定導体の幅方向に対して中央の位置ではなく、中央の位置より導体端に寄せて配置することにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項３による電流測定装置は、請求項１又は２において、前記磁気センサは、前記被測定導体に近接するように配置されていることを特徴とする。被測定導体に近接して磁気センサを配置することにより、磁気センサが被測定導体を流れる電流により発生する磁界の大きいところで、その磁界を検出でき、高い電流感度が得られる。
本発明の請求項４による電流測定装置は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記磁気センサは、前記幅方向の磁界を収束する磁気収束板と、前記収束した磁界を検知する前記センサ素子としてのホール素子とを含むことを特徴とする。磁気収束板により磁界を収束しやすくなり、かつ、収束した磁界をホール素子で検知することで電流を測定することができる。

本発明の請求項５による電流測定装置は、請求項４において、前記被測定導体の幅は前記磁気収束板の幅よりも広いことを特徴とする。被測定導体の幅が磁気収束板の幅より広いとき、磁気センサを配置する位置により、所望の周波数特性が得られる。
本発明の請求項６による電流測定装置は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１／１６）から（Ｗ／２）×（１６／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする。被測定導体の幅に対し、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項７による電流測定装置は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１０／１６）から（Ｗ／２）×（１４／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする。被測定導体の幅に対し、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性とほぼ同等な特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項８による電流測定装置は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（２０／１５）から（Ｗ／２）×（２４／１５）までのいずれかの距離であることを特徴とする。被測定導体の幅からはみ出した、外側の位置においても、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性に近い特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項９による電流測定方法は、扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するために前記被測定導体の幅方向に並んだ一対のセンサ素子を有する磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定方法であって、前記センサ素子は、ホール素子であり、前記一対のセンサ素子間の中心が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように、前記磁気センサを設け、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする。

本発明の請求項１０による電流測定方法は、扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するための一つのセンサ素子のみからなる磁気センサ、或いは一つのセンサ素子と増幅回路とからなる磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定方法であって、前記センサ素子は、ホール素子であり、前記センサ素子の表面のうち感磁面が前記被測定導体の幅方向に対して垂直となり、且つ、当該磁気センサの全体が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように、前記磁気センサを設け、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする。
このように、被測定導体の幅方向に対して中央ではなく、中央より導体端に寄せて配置することにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項１１による電流測定方法は、請求項９又は１０において、前記磁気センサを、前記被測定導体に近接するように配置したことを特徴とする。被測定導体に近接して磁気センサを配置することにより、磁気センサが被測定導体を流れる電流により発生する磁界の大きいところで、その磁界を検出できるので、高い電流感度が得られる。
本発明の請求項１２による電流測定方法は、請求項９乃至１１のいずれか１項において、 前記磁気センサは、前記幅方向の磁界を収束する磁気収束板と、前記収束した磁界を検知する前記センサ素子としてのホール素子とを含むことを特徴とする。磁気収束板により磁界を収束しやすくなり、かつ、収束した磁界をホール素子で検知することで電流を測定することができる。

本発明の請求項１３による電流測定方法は、請求項１２において、前記被測定導体の幅を、前記磁気収束板の幅よりも広くしたことを特徴とする。被測定導体の幅が磁気収束板の幅より広いとき、磁気センサを配置する位置により、所望の周波数特性が得られる。
本発明の請求項１４による電流測定方法は、請求項９乃至１３のいずれか１項において、前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１／１６）から（Ｗ／２）×（１６／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする。被測定導体の幅に対し、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項１５による電流測定方法は、請求項９乃至１３のいずれか１項において、前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１０／１６）から（Ｗ／２）×（１４／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする。被測定導体の幅に対し、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性とほぼ同等な特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明の請求項１６による電流測定方法は、請求項９乃至１３のいずれか１項において、前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（２０／１５）から（Ｗ／２）×（２４／１５）までのいずれかの距離であることを特徴とする。被測定導体の幅からはみ出した、外側の位置においても、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性に近い特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明は、磁気センサを用いて被測定導体に流れる電流の大きさを測定する装置に係り、特に、幅広の被測定導体に、磁気センサを近接して配置する電流測定装置において、磁気センサを被測定導体の幅方向に対して中央位置ではなく、中央位置から幅方向に所定距離だけ離れた位置すなわち中央位置から導体端に寄せて配置することで、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、また、この範囲内で最適な位置に配置することにより、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサが本来もつ磁気に対する周波数特性と同等な特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

磁気センサと被測定導体との位置関係を示す断面図である。 磁気センサと被測定導体の位置関係を示す上面図である。 磁気センサのパッケージ内部の構造を示す図である。 磁気センサと被測定導体の位置による電流周波数特性を示す図である。 磁気センサと被測定導体の位置による磁気センサの出力波形を示す図である。 電流の周波数が高いときの導体内の電流と渦電流とを示す模式図である。 プリント基板に対して被測定導体の裏側に磁気センサを配置する実施形態を示す図である。 被測定導体にバスバーを使用した実施形態を示す図である。 磁気センサにホール素子を使用した実施形態を示す図である。 ２枚の磁気収束板とＩＣチップとを被測定導体に直接貼り付けた実施形態を示す図である。 被測定導体の周辺に生じる磁束密度強度分布を示す模式図である。 （ａ）は被測定導体の一例であるバスバーを示す図、（ｂ）は被測定導体であるバスバーをプリント基板に実装した状態を示す図、（ｃ）は（ｂ）の状態の平面図である。 バスバーと磁気センサとの間の距離が４[ｍｍ]の場合の電流感度の周波特性を示す図である。 バスバーと磁気センサとの間の距離が２[ｍｍ]の場合の電流感度の周波特性を示す図である。 バスバーと磁気センサとの間の距離が０[ｍｍ]の場合の電流感度の周波特性を示す図である。

（磁気センサの周波数特性）
はじめに、近接する磁気センサを被測定導体の幅方向に対して中央となる位置に配置したとき、電流に対する磁気センサの周波数特性が、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性よりも低下する原因について説明する。
図１は、プリント基板１１ａに形成された厚みが３５[μｍ]で、幅が１６[ｍｍ]の銅箔導体１の上に、被測定導体１の幅方向に生じる磁界２０を検出することのできる磁気センサ１０を近接するような形で配置した一例である。被測定導体１の幅とは、通電方向に対して垂直な面でありかつ扁平な面における辺の長いところをいう。また、辺の短いところが被測定導体１の厚みである。例えば、被測定導体１はプリント配線である。
図２は、図１の被測定導体１の上面側よりみた図である。図２ではプリント基板１１ｂの図示は省略してある。ここで、磁気センサ１０は、表面実装の可能なＴＳＳＯＰ（Ｔｈｉｎ Ｓｈｒｉｎｋ Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）で形成されたものを用いた。

図３は、磁気センサ１０のパッケージ内部の構造を示す図である。ホール素子４４と増幅回路（図示せず）を内蔵したＩＣチップ４３の下に、２枚の磁気収束板４５が設けられている。磁気収束板４５の材料は、保磁力が小さく、透磁率の高い軟磁性体を用いている。本例では、２枚の磁気収束板４５の全長は２．２[ｍｍ]とし、２枚の磁気収束板４５を所定の間隔を空けて配置している。こうすることにより、パッケージ表面に対して平行な方向の磁界４６は、ＩＣチップ４３内のホール素子４４に収束される。すなわち、磁気センサ１０はパッケージ表面に対して平行な方向の磁界４６を検出することができ、パッケージ表面と被測定導体１の表面を対向させることで、磁気センサ１０は被測定導体１の幅方向の磁界２０を検出することになる。磁気センサ１０の磁気に対する周波数特性の帯域は、およそ１５０[ＫＨｚ]である。ここでは、この２枚の磁気収束板４５の全長が、磁気センサの幅である。

図４は、磁気センサ１０の中央３が、被測定導体１の幅方向に対して中央となる中央位置２から０[ｍｍ]、５[ｍｍ]、６[ｍｍ]、８[ｍｍ]に磁気センサ１０を配置したとき、それぞれの位置における電流に対する磁気センサ１０の周波数特性を調べた結果である。同図中の横軸は周波数である。また、同図中の縦軸は、被測定導体１に４[Ａrms]の実効電流を流して、電流の各周波数における磁気センサ１０の実効出力から得られる電流感度を１００[Ｈｚ]のときの電流感度で規格化したものである。

図４に示されている結果から、被測定導体１の中央位置２から０[ｍｍ]に磁気センサを設けた（すなわち中央位置に設けた）場合の周波数特性の帯域は、同図中に破線で示されている磁気センサ１０の本来もつ磁気に対する周波数特性の帯域より狭く、周波数特性が低下していることが分かる。一方で、被測定導体１の中央位置２から８[ｍｍ]に磁気センサを設けた場合の周波数特性は、電流感度が１０[ＫＨｚ]付近から上昇して、１００[ＫＨｚ]付近をピークとして下がる傾向を示している。このように、磁気センサ１０を被測定導体１の中央位置２から導体の端に寄せて配置するにしたがい、電流に対する磁気センサ１０の周波数特性が変化して、周波数特性の帯域が広がる傾向を示すことが分かった。

図５は、磁気センサ１０の中央３が、被測定導体１の幅方向に対して中央位置２から０[ｍｍ]、８[ｍｍ]に磁気センサ１０を配置したとき、それぞれの位置における１００[ＫＨｚ]の磁気センサ１０の出力波形を調べた結果である。このとき、被測定導体１には４[Ａrms]の実効電流を流した。この結果から、被測定導体１の中央位置２から８[ｍｍ]に配置したときの磁気センサ１０の出力波形は、０[ｍｍ]に配置したときの出力波形より、およそ１[μｓｅｃ]ほど進んでいることが分かった。

（被測定導体の表皮効果）
以上の結果より、本発明者は、電流の周波数が高いとき、被測定導体の中央で電流感度が下がり、端の部分で電流感度が高くなる実験的な証拠から、被測定導体内で表皮効果と呼ばれる現象が生じることを明らかにした。表皮効果とは、被測定導体中を流れる電流の周波数が高くなると、電磁誘導により電流が被測定導体の端部に集中する現象のことをいう。電流の周波数が高いとき、被測定導体の中央では電流密度が小さくなるため、導体の中央に配置した磁気センサの電流感度が下がり、一方で被測定導体の端付近では電流密度が大きくなるため、導体の端に配置した磁気センサの電流感度が上がったと考える。

（被測定導体内の渦電流）
さらに、本発明者は、電流の周波数が高いとき、同じ被測定導体内で磁気センサの出力波形に時間的な差が生じる実験的な証拠から、被測定導体内に渦電流が存在することを明らかにした。図６は、電流の周波数が高いときの被測定導体１内の電流３０と渦電流３１との様子を模式的に示した図である。
同図において、被測定導体１に流れる電流３０と渦電流３１との位相関係は、電磁誘導により渦電流３１が図示の向きに電流３０より９０[°]進んで流れる。したがって、被測定導体１の端部に流れる電流は、電流３０と９０[°]進んだ渦電流３１とが合成されるため、図５に示されている結果にみられるように、磁気センサ１０を被測定導体１の端部に配置したときの磁気センサ１０の出力波形が、中央位置２に配置したときよりも位相が進んで出力されたと考える。
以上のように、電流に対する磁気センサの周波数特性が、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性よりも低下する原因は、電流の周波数が高くなると、被測定導体内で電磁誘導が生じて、表皮効果や渦電流が現れるためである。

次に、被測定導体内に生じる物理現象を解いたもとで、図１乃至図４を参照しながら本発明について説明する。
図１及び図２のように、磁気センサ１０を被測定導体１の幅方向に対して中央位置２ではなく、中央位置２より被測定導体１端までの間に配置すると、図４に示されている結果のように、電流に対する磁気センサ１０の周波数特性が変化して、帯域を広げ、周波数特性を調整することが可能となる。この範囲において、磁気センサ１０の中央３が被測定導体１の中央位置２から６[ｍｍ]に磁気センサ１０を配置したとき、電流に対する磁気センサ１０の周波数特性は、磁気センサ１０の本来もつ磁気に対する周波数特性とほぼ同等の特性となり、被測定導体１の中央位置２に磁気センサを配置したときに比べて、広い周波数帯域まで電流感度が安定となり、周波数特性を向上させることができる。

（磁気センサと被測定導体との位置関係）
以上のように、本発明における実施形態を示したが、本発明は、図７に示されているように、プリント基板１１ａの被測定導体１が実装されている面の裏面に磁気センサ１０を実装する場合においても、図１の実施形態の場合と同様な効果が得られる。また、本発明は、図８に示されているように、プリント基板から独立して設けられている扁平な形状の薄いバスバー５１を被測定導体とした場合においても、図１の実施形態の場合と同様な効果が得られる。

図９は、ホール素子のみ或いはホール素子と増幅回路（図示せず）とを備えた磁気センサ５２を幅広の被測定導体１に近接するように配置した例である。本例では、磁気センサ５２はプリント基板１１ｂに設けられている。この場合も、磁気センサ５２のホール素子の感磁面が被測定導体１の幅方向に対して垂直になるように置かれるので、被測定導体１の幅方向に生じる磁界２０を検出することができ、図１の実施形態と同様な効果が得られる。

また、本発明は、図１０に示されているように、２枚の磁気収束板４５と、ホール素子４４と、増幅回路（図示せず）とを内蔵したＩＣチップ４３を被測定導体１に直接貼り付けた場合にも、図１の実施形態と同様な効果が得られる。
これら図７から図１０を参照して説明したように、磁気センサ１０を被測定導体１の幅方向に対して中央位置ではなく、中央位置から導体端までの間の位置に設けることが本発明の効果を引き出す本質であり、磁気センサ１０のパッケージの種類やパッケージの有無、ＩＣチップ４３と被測定導体１の直接或いは間接貼り付けなどは本質的事項ではない。

被測定導体１の材料に、抵抗率の低い導体を用いた場合、電磁誘導による表皮効果や渦電流が起こり易くなる。上述したように、本発明に従えば電流に対する磁気センサ１０の周波数特性は、磁気センサ１０の本来もつ磁気に対する周波数特性と同等な特性を得ることができる。このため、被測定導体１の材料は、導体の抵抗による電圧降下や発熱を小さくするため、銅やアルミニウムなどの抵抗率の低い金属或いはそれらの合金を選ぶのが適当である。

（磁束密度強度分布）
図１１には、被測定導体１に所定の大きさの電流を流して、被測定導体１の周辺に生じる被測定導体１の幅方向成分の磁束密度強度分布を、電磁誘導の効果を加味した数値磁界解析にて求めた結果が示されている。ここで、被測定導体１の材料は銅とし、被測定導体１の幅Ｗを９[ｍｍ]、厚みｔを３５[μｍ]とした。同図は、被測定導体１の断面形状の模式図を、磁束密度強度分布と重ねて図示したものである。

同図においては、被測定導体１の全幅Ｗに対して、中央位置２から被測定導体１の端までの幅（Ｗ／２）×（１６／１６）が併記されている。また、同図においては、被測定導体１の周辺に生じる被測定導体１の幅方向成分の磁束密度強度分布は、ある磁束密度強度の閾値で区切り、分布が強調されている。そして、磁束密度強度分布の閾線より被測定導体１に近い側が磁束密度強度の強い領域を示し、被測定導体１に遠い側が磁束密度強度の弱い領域を示している。

被測定導体１に流れる電流が直流のとき、図１１中の被測定導体１の周辺に生じる磁束密度強度分布６１を参照すると、被測定導体１の幅方向に対して中央位置２付近で磁束密度強度が強いことが分かる。
被測定導体１に流れる電流の周波数が１００[ＫＨｚ]のとき、図１１中の被測定導体１の周辺に生じる磁束密度強度分布６２を参照すると、被測定導体１の幅方向に対して中央位置２付近の磁束密度強度が弱まり、磁束密度強度の強い領域が幅方向に対して端の方向に広がっていく様子が分かる。

被測定導体１に流れる電流の周波数が３００[ＫＨｚ]のとき、図１１中の被測定導体１の周辺に生じる磁束密度強度分布６３を参照すると、被測定導体１の幅方向に対して中央位置２となる位置の磁束密度強度が明らかに弱まり、磁束密度強度の強い領域が幅方向に対して端の方向に向かって更に広がっていく様子が分かる。
図１１の解析結果から、電流の周波数が高くなると、電磁誘導の効果により、被測定導体１の周辺に生じる幅方向成分の磁束密度強度は、被測定導体１の中央では次第に弱まり、被測定導体１の端では強くなることが視覚的に分かる。ここで、被測定導体１の幅方向に対して中央位置２に磁気センサ１０を配置した場合、電流に対する磁気センサ１０の周波数特性は、電流の周波数が高いとき被測定導体１の中央での磁束密度強度が弱まるため、低下することを示している。

一方で、図１１に示されているように、被測定導体１の幅方向Ｗに対して（Ｗ／２）×（１／１６）≦Ｘ≦（Ｗ／２）×（１６／１６）なる範囲に磁気センサを配置する場合、この範囲では電流の周波数に対して磁束密度強度の変化がないか或いは小さい。このため、電流に対する磁気センサの周波数特性は、被測定導体１の幅方向に対して中央位置２に磁気センサを配置したときに比べて、帯域を広げる傾向で周波数特性を調整することができ、周波数特性を向上させた電流測定装置を実現できる。

さらに、被測定導体１の幅方向に対して（Ｗ／２）×（１０／１６）≦Ｘ≦（Ｗ／２）×（１４／１６）なる範囲に磁気センサを配置する場合、この範囲では 電流の周波数に対して磁束密度の変化がほとんどない。このため、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサが本来もつ電流に対する磁気センサの周波数特性とほぼ同等の特性が得られ、周波数特性を向上させた電流測定装置を実現できる。
この範囲は、先に述べた図４の結果で、磁気センサの中央が被測定導体１の中央位置から６[ｍｍ]（＝（Ｗ／２）×（１２／１６）：Ｗ＝１６）に磁気センサを配置したとき、電流に対する磁気センサの周波数特性が、磁気センサの本来持つ磁気に対する周波数特性とほぼ同等な特性となる結果に一致しており、妥当な範囲であることが分かる。

（バスバーを流れる電流の測定）
発明者は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）でできた、数ミリメートルの厚みのある導体（以下、バスバーと呼ぶ）について、その導体を流れる電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置からその幅方向に所定距離だけ離れた位置に磁気センサを設けて電流を測定した。このとき、所定距離を、本願請求項６に記載のように被測定導体の幅Ｗに対して（Ｗ／２）×（１／１６）から（Ｗ／２）×（１６／１６）までのいずれかの距離にした場合と、本願請求項７に記載のように同じく（Ｗ／２）×（１０／１６）から（Ｗ／２）×（１４／１６）までのいずれかの距離にした場合と、について電流測定性能を確認した。その結果、バスバーの幅方向の中央位置（Ｌ＝０[ｍｍ]）に配置した時に比して電流感度の周波数特性は大きく改善されることを確認できた。

一例として、アルミニウム（Ａｌ）製バスバーに流れる電流を、磁気センサを使って測定する場合に、電流感度の周波数特性が改善されることを確認した。被測定導体１として使用したバスバー１ａは、図１２（ａ）に示されているように、幅ＢＷが３０[ｍｍ]、厚みＢＴが１[ｍｍ]、長さＢＬが１２０[ｍｍ]であり、扁平な形状である。なお、同図中の矢印Ｙは電流の流れる方向である。

発明者は、このような扁平な形状のバスバー１ａを、同図（ｂ）に示されているように、プリント基板１１ａに実装した。本例では、同図の手前側から奥側に電流が流れているため、磁界２０が発生する。同図（ｃ）はその実装状態を示す平面図である。この状態において、バスバー１ａと磁気センサ１０との間の距離Ｇａｐを変化させると共に、バスバー１ａの幅方向の中央位置２からの距離Ｌを変化させた時の電流感度の周波特性を調べた。その結果が図１３〜図１５に示されている。これらの図においては、距離Ｌを、０[ｍｍ]、１０[ｍｍ]、１０．５[ｍｍ]、１１[ｍｍ]、１６[ｍｍ]、１８[ｍｍ]、２０[ｍｍ]、２２[ｍｍ]、２４[ｍｍ]、に変化させている。

図１３に示されているデータは距離Ｇａｐが４[ｍｍ]、図１４に示されているデータは距離Ｇａｐが２[ｍｍ]、図１５に示されているデータは距離Ｇａｐが０[ｍｍ]、の感度の周波特性である。図１３〜図１５において、破線で示されているＬ＝１０〜１１[ｍｍ]は最適な位置として本願特許請求の範囲に記載されており、いずれの場合及び条件においても周波数特性が改善されていることがわかる。

なお、測定の結果、上記の距離Ｌの範囲以外にも電流感度の周波数特性の良い実装位置が存在することが分かった。すなわち、バスバー１ａの幅からはみ出した、外側の位置である、Ｌ＝（ＢＷ／２）×（２０／１５）〜（ＢＷ／２）×（２４／１５）の範囲に磁気センサ１０を実装した場合、感度は低下するものの、電流感度の周波数特性は良くなることが判明した。実際に上記のデータ１、データ２を参照すると、Ｌ＝２０〜２４[ｍｍ]の範囲において、電流感度の変化は±１．５[ｄＢ]程度の変化の範囲内に収まっている。
ところで、電流によって生じる磁界の方向は、バスバー１ａの表面に沿って変化するので、その方向に応じて磁気収束板の向きを調整しても良い。調整の方法は、例えば、プリント基板に対してモールドパッケージを斜めに実装したり、モールドパッケージ内部の磁気収束板を予め傾けておく、などの方法がある。このように磁気収束板の向きを調整すれば、電流感度が高まり、周波数特性の改善が期待できる。

（電流測定方法）
以上説明した電流測定装置によれば、以下の電流測定方法が実現されている。すなわち、扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出する磁気センサによって検出した磁界に基づいて上記電流を測定する電流測定方法であり、上記被測定導体の上記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に、上記磁気センサを設けた電流測定方法が実現されている。このように、被測定導体の幅方向に対して中央ではなく、中央より導体端に寄せて配置することにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

上記磁気センサは、上記被測定導体に近接するように配置することが望ましい。被測定導体に近接して磁気センサを配置することにより、磁気センサが被測定導体を流れる電流により発生する磁界の大きいところで、その磁界を検出できるので、高い電流感度が得られる。
また、上記被測定導体を流れる電流により発生する上記幅方向の磁界を、上記磁気センサによって検出する。幅方向の磁界を検出することにより、被測定導体を流れる電流を測定することができる。

さらに、上記磁気センサは、上記幅方向の磁界を収束する磁気収束板と、上記収束した磁界を検知するホール素子とを含んでいる。磁気収束板により磁界を収束しやすくなり、かつ、収束した磁界をホール素子で検知することで電流を測定することができる。この場合、上記被測定導体の幅は、上記磁気収束板の幅よりも広くてもよい。被測定導体の幅が磁気収束板の幅より広いとき、磁気センサを配置する位置により、所望の周波数特性が得られる。

なお、上記所定距離は、上記被測定導体の幅Ｗに対して、Ｗ／３２からＷ／２までのいずれかの距離である。被測定導体の幅に対し、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央の位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性の帯域を広げ、調整することができ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

さらに、上記所定距離は、上記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１０／１６）から（Ｗ／２）×（１４／１６）までのいずれかの距離である。被測定導体の幅に対し、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性とほぼ同等な特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

上記所定距離は、上記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（２０／１５）から（Ｗ／２）×（２４／１５）までのいずれかの距離であっても良い。被測定導体の幅からはみ出した、外側の位置においても、この範囲の距離を中央から遠ざけた位置に磁気センサを設けることにより、磁気センサを被測定導体の幅方向の中央位置に配置したときに比べて、電流に対する磁気センサの周波数特性は、磁気センサの本来もつ磁気に対する周波数特性に近い特性が得られ、電流に対する磁気センサの周波数特性を向上させることができる。

本発明による電流測定装置及び電流測定方法は、磁気センサを幅広な被測定導体に近接して配置する装置を有する電流センサの分野で好適に利用できる。

１ 被測定導体
１ａ バスバー
２ 中央位置
３ 中央
１０，５２ 磁気センサ
１１ａ，１１ｂ プリント基板
２０，４６ 磁界
３０ 電流
３１ 渦電流
４１ モールドパッケージ
４２ａ リードフレーム
４２ｂ リードピン
４３ ＩＣチップ
４４ ホール素子
４５ 磁気収束板
５１ バスバー
６１，６２，６３ 磁束密度強度分布

Claims (16)

1. 扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するために前記被測定導体の幅方向に並んだ一対のセンサ素子を有する磁気センサを含み、前記磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、
   前記センサ素子は、ホール素子であり、
   前記磁気センサは、前記一対のセンサ素子間の中心が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように設けられ、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする電流測定装置。
2. 扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するための一つのセンサ素子のみからなる磁気センサ、或いは一つのセンサ素子と増幅回路とからなる磁気センサを含み、前記磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定装置であって、
   前記センサ素子は、ホール素子であり、
   前記磁気センサは、前記センサ素子の表面のうち感磁面が前記被測定導体の幅方向に対して垂直となり、且つ、当該磁気センサの全体が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように設けられ、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする電流測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の電流測定装置であって、
   前記磁気センサは、前記被測定導体に近接するように配置されていることを特徴とする電流測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流測定装置であって、
   前記磁気センサは、前記幅方向の磁界を収束する磁気収束板と、前記収束した磁界を検知する前記センサ素子としてのホール素子とを含むことを特徴とする電流測定装置。
5. 請求項４に記載の電流測定装置であって、
   前記被測定導体の幅は前記磁気収束板の幅よりも広いことを特徴とする電流測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電流測定装置であって、
   前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１／１６）から（Ｗ／２）×（１６／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする電流測定装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電流測定装置であって、
   前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１０／１６）から（Ｗ／２）×（１４／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする電流測定装置。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電流測定装置であって、
   前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（２０／１５）から（Ｗ／２）×（２４／１５）までのいずれかの距離であることを特徴とする電流測定装置。
9. 扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するために前記被測定導体の幅方向に並んだ一対のセンサ素子を有する磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定方法であって、
   前記センサ素子は、ホール素子であり、
   前記一対のセンサ素子間の中心が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように、前記磁気センサを設け、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする電流測定方法。
10. 扁平な形状の被測定導体を流れる電流により発生する磁界を検出するための一つのセンサ素子のみからなる磁気センサ、或いは一つのセンサ素子と増幅回路とからなる磁気センサによって検出した磁界に基づいて前記電流を測定する電流測定方法であって、
    前記センサ素子は、ホール素子であり、
    前記センサ素子の表面のうち感磁面が前記被測定導体の幅方向に対して垂直となり、且つ、当該磁気センサの全体が、前記被測定導体の前記電流の流れに対して垂直な幅方向の中央位置から該幅方向に所定距離だけ離れた位置に位置するように、前記磁気センサを設け、前記磁界は、前記幅方向の磁界であることを特徴とする電流測定方法。
11. 請求項９又は１０に記載の電流測定方法であって、
    前記磁気センサを、前記被測定導体に近接するように配置したことを特徴とする電流測定方法。
12. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の電流測定方法であって、
    前記磁気センサは、前記幅方向の磁界を収束する磁気収束板と、前記収束した磁界を検知する前記センサ素子としてのホール素子とを含むことを特徴とする電流測定方法。
13. 請求項１２に記載の電流測定方法であって、
    前記被測定導体の幅を、前記磁気収束板の幅よりも広くしたことを特徴とする電流測定方法。
14. 請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の電流測定方法であって、
    前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１／１６）から（Ｗ／２）×（１６／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする電流測定方法。
15. 請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の電流測定方法であって、
    前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（１０／１６）から（Ｗ／２）×（１４／１６）までのいずれかの距離であることを特徴とする電流測定方法。
16. 請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の電流測定方法であって、
    前記所定距離は、前記被測定導体の幅Ｗに対して、（Ｗ／２）×（２０／１５）から（Ｗ／２）×（２４／１５）までのいずれかの距離であることを特徴とする電流測定方法。

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