JP5305397B2 - 電流センサおよび電流センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はクランプ式電流計に搭載される電流センサ、および、このような電流センサの製造方法に関する。

クランプ式電流計は、活線状態にある電線等の被測定導線を切り離すことなく磁気コア内に挿通させ、そのまま電流計測する。磁気コアは、複数のコア部を組合せて開閉可能に構成されている。この磁気コアの閉磁路内には、磁電変換部（例えばホール素子）が配置されている。磁気コア内を流れる磁束がこの磁電変換部を横切り、磁電変換部が磁束の量に応じて検出信号を出力する。

このような従来技術のクランプ式電流計に搭載されるクランプ式の電流センサについて図を参照しつつ説明する。図７は従来技術のクランプ式の電流センサの説明図である。面取り等の詳細は省略し、簡略化して図示している。電流センサ１００は、交直両用のセンサであり、磁気コア１１０、 基板１２０、ホール素子（磁電変換部）１３０を備える。この電流センサ１００は磁気コア１１０を開閉して磁気コア１１０内に被測定導線を貫通させて用いる。この磁気コア１１０の開閉機構として、両開き形式、片開き形式、または、スライド形式など種々の形式が存在するが、図７ではスライド式の開閉機構による磁気コア１１０について説明している。

磁気コア１１０は、巻線が施されて開閉自在に組み合わされるものであり、さらに第１コア部１１１、第２コア部１１２、第３コア部１１３を備える。
第１コア部１１１および第２コア部１１２は、ともにＬ字状に形成された角柱体であり、左右対称としてコ字状に組み合わせられる。第１コア部１１１および第２コア部１１２は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトにより形成される。これら第１コア部１１１および第２コア部１１２には、それぞれ負帰還用のコイル１１１ａ，１１２ａが装着されている。
第３コア部１１３は、角柱体であって第１コア部１１１および第２コア部１１２の各開放端側に摺動可能に設けられる。

基板１２０は、第１コア部１１１および第２コア部１１２の突き合わせ端面間に配置される。基板１２０は、電気的に高抵抗を示す磁性材料が用いられるが、第１コア部１１１および第２コア部１１２の材料であるＮｉ−Ｚｎ系フェライトが電気的に高抵抗の磁性材料であるため、基板１２０にも同じ材料を用いることにより、磁気コア１１０の磁気抵抗をさほど高めることなく、磁気コア１１０と電気回路（測定回路）との絶縁を図ることができる。

ホール素子（磁電変換部）１３０は、図８に示すように、ベース部１３１、センサ部１３２を備える。基板１２０の上半分側の領域にベース部１３１が形成される。そして、このベース部１３１の表面に十文字状のパターンによるセンサ部１３２が形成される。センサ部１３２の入力端子および出力端子の各々から接続電極ＨＩ１、ＨＩ２、ＨＯ１、ＨＯ２が基板１２０の下半分側の領域にそれぞれ引き出されている。

このホール素子（磁電変換部）１３０は、基板１２０上に形成された状態で、図７に示すように、第１コア部１１１および第２コア部１１２の各突き合わせ端面間に配置される。このホール素子１３０は、閉じられた磁気コア１１０により形成される閉磁路中に介在配置される。

続いて電流センサ１００の製造について説明する。
コイル１１１ａが取り付けられた第１コア部１１１、および、コイル１１２ａが取り付けられた第２コア部１１２は、それらの各端面間にホール素子１３０を挟んだ状態で図示しないホルダ（シールドケース）内に収納され、その後に充填される樹脂によりホルダ内に強固に固定される。摺動する第３コア部１１３も同様に、ホルダ内に収納され樹脂により固定される、というものである。

また、他のクランプ式電流センサの従来技術としては、特許文献１（特開２００１−３３７１１２号公報）に記載されたクランプ式電流センサもある。この従来技術のクランプ式電流センサもスライド式開閉機構を採用している。

このクランプ式電流センサの特徴部を図９に示す。この特許文献１の従来技術では、基板１２０の上半分側の領域には、ホール素子１３０を覆うように保護板１４０を接着材等で固定した構成を採用している。この保護板１４０は、基板１２０と同じく第１コア部１１１および第２コア部１１２のＮｉ−Ｚｎ系フェライトが用いられている。保護板１４０の厚さｔは任意に選択される。

なお、この従来技術例以外にも、ホール素子１３０の基板１２０を第２コア部１１２側に取り付けるとともに、その保護板１４０と対向する第１コア部１１１の突き合わせ端面側を先細り状に形成してもよい。また、第１コア部１１１と第２コア部１１２との双方を先細り状としてもよい。

このような従来技術によれば、ホール素子１３０の基板１２０は第１コア部１１１の突き合わせ端面に取り付けられ、ホール素子１３０の保護板１４０が第２コア部１１２の突き合わせ端面と向き合うことになる。従って、組立時においてはホール素子１３０が傷付けられるおそれがないため、組立作業をスムーズに行なうことができ、生産性が高められる。

また、基板１２０および保護板１４０に高抵抗の磁性材料を用いることにより、磁気コアの磁気抵抗がさほど高められることがない。また、磁気コア１１０と電気回路（測定回路）との絶縁を図ることができる。

さらには、第２コア部１１２の突き合わせ端面側部分１１２ｂは、その断面積が保護板１４０の断面積と同等もしくはそれ以下となるように先細り状に形成されているため、磁気コア１１０に流れる磁束がホール素子１３０に集中するように導かれ、これにより磁電変換効率が高められる。従来技術のクランプ式の電流センサはこのようなものである。

特開２００１−３３７１１２号公報（図４等）

従来技術ではホール素子形成用の基板１２０および保護板１４０として、高抵抗を示す磁性材料であって、大変高価なＮｉ−Ｚｎ系フェライトが使用されている。これまでＮｉ−Ｚｎ系フェライトは、ＦＤＤ（フロッピディスクドライブ）の磁気ヘッド用途で多く生産されていたが、需要の減少により、製造メーカもＮｉ−Ｚｎ系フェライトの生産規模の縮小ないしは廃止の方向に向かっており、入手が困難になりつつある。

従って、このＮｉ−Ｚｎ系フェライトに代わる代替材料を至急探す必要がある。Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトの代替候補として、比較的安価で入手が容易なＭｎ−Ｚｎ系フェライトが挙げられる。そこで、コア部としてＭｎ−Ｚｎ系フェライトの使用が可能か否かについて検討した。

しかしながら、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトのように電気抵抗値が高くない。したがって、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより第１コア部１１１、第２コア部１１２、基板１２０を作成した場合、磁気コア１１０の磁気抵抗が高められることはないが、基板１２０の電気抵抗値が低くて絶縁性が悪くなり、直接のホール素子形成は困難であった。また、磁気コア１１０と電気回路（測定回路）との絶縁性も悪いという問題もあった。

本発明はこのような課題を解決するためになされものであり、その目的は、安価で入手しやすい磁性材料の表面に絶縁層を形成してコアと電気回路（測定回路）との絶縁を保ち、さらに絶縁層の総厚みを極力薄くして磁束検出感度も維持して、生産性・使用性・コストの向上をともに実現したクランプ式の電流センサを提供することにある。
更に本発明の目的は、このような電流センサを製造する電流センサの製造方法も併せて提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明の電流センサは、
磁電変換部が磁気コアの閉磁路内に配設されており、前記閉磁路内に導入されて貫通する活線状態の被測定導線の電流に応じて前記閉磁路に磁束が流れ、前記磁電変換部がこの磁束に応じた検出信号を出力するクランプ式の電流センサであって、
変換部側突き合わせ部を含む変換部側コア本体と、前記変換部側コア本体の全体を覆う変換部側表面絶縁層と、前記変換部側突き合わせ部の前記変換部側表面絶縁層上に設けられる変換部側中間絶縁層と、を有し、前記変換部側中間絶縁層上に前記磁電変換部が直接形成される変換部側コア部と、
対向側突き合わせ部を含む対向側コア本体と、前記対向側コア本体の全体を覆う対向側表面絶縁層と、前記対向側突き合わせ部の前記対向側表面絶縁層上に設けられる対向側中間絶縁層と、を有する対向側コア部と、
を備えており、
前記磁電変換部と前記対向側中間絶縁層とを対向当接させて組み立てた磁気コアでは、前記対向側コア本体、前記対向側表面絶縁層、前記対向側中間絶縁層、前記磁電変換部、前記変換部側中間絶縁層、前記変換部側表面絶縁層および前記変換部側コア本体を通るように閉磁路が形成されることを特徴とする。

また、請求項２に記載した発明の電流センサは、
請求項１に記載の電流センサにおいて、
前記変換部側コア本体および前記対向側コア本体はＭｎ−Ｚｎ系高透磁率磁性材料により形成されるコア本体であり、
前記変換部側表面絶縁層および前記対向側表面絶縁層は熱酸化により形成されるＭｎＯ_ｘ酸化膜であり、
前記変換部側中間絶縁層および前記対向側中間絶縁層はスパッタにより形成される金属酸化膜であることを特徴とする。

また、請求項３に記載した発明の電流センサは、
請求項１または請求項２に記載の電流センサにおいて、
前記磁電変換部は、前記変換部側中間絶縁層上に製膜されたＩｎＳｂ薄膜からなるセンサ部と、前記センサ部から引き出された金属薄膜からなる電極と、を有するホール素子であることを特徴とする。

また、請求項４に記載した発明の電流センサは、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
前記変換部側コア本体は、少なくとも前記磁電変換部の搭載面を鏡面研磨による清浄平滑面としていることを特徴とする。

また、請求項５に記載した発明の電流センサは、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
前記変換部側突き合わせ部または前記対向側突き合わせ部の少なくとも一方は先細り状に形成され、前記磁気コアに流れる磁束を前記磁電変換部に集中させることを特徴とする。

また、請求項６に記載した発明の電流センサは、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
前記変換部側コア部の前記変換部側コア本体は、略Ｉ字状に形成される一本のコア本体であり、
前記対向側コア部の前記対向側コア本体は、略Ｉ字状に形成される一本のコア本体であり、
前記変換部側コア部および前記対向側コア部と、略Ｉ字状の他の２本のコア部と、を組み合わせて前記磁気コアが略ロ字状に形成されることを特徴とする。

また、請求項７に記載した発明の電流センサは、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
前記変換部側コア部の前記変換部側コア本体は、略Ｌ字状に形成される１個のコア本体であり、
前記対向側コア部の前記対向側コア本体は、略Ｌ字状に形成される１個のコア本体であり、
前記変換部側コア部および前記対向側コア部と、略Ｉ字状の他の１本のコア部と、を組み合わせて前記磁気コアが略ロ字状に形成されることを特徴とする。

また、請求項８に記載した発明の電流センサの製造方法は、
請求項１〜請求項７の何れかの電流センサの製造方法であって、
前記変換部側コア部の前記変換部側コア本体の全体の表面処理を行う工程と、
前記変換部側コア本体の表面全体に熱酸化により前記変換部側表面絶縁層を形成する工程と、
前記変換部側コア本体の前記変換部側突き合わせ部上の前記変換部側表面絶縁層にスパッタリングにより前記変換部側中間絶縁層を形成する工程と、
前記変換部側中間絶縁層の表面に前記磁電変換部を形成する工程と、
を有することを特徴とする。

また、請求項９に記載した発明の電流センサの製造方法は、
請求項８記載の電流センサの製造方法において、
前記変換部側表面絶縁層を形成する工程は、大気雰囲気中で５００℃で３０分間の熱酸化を行う工程であることを特徴とする。

また、請求項１０に記載した発明の電流センサの製造方法は、
請求項８または請求項９記載の電流センサの製造方法において、
前記変換部側中間絶縁層を形成する工程は、前記変換部側中間絶縁層の形成箇所の孔が空いたマスクで前記変換部側表面絶縁層を覆った上でマグネトロンスパッタによるスパッタリングを行う工程であることを特徴とする。

本発明によれば、安価で入手しやすい磁性材料の表面に絶縁層を形成してコアと電気回路（測定回路）との絶縁を保ち、さらに絶縁層の総厚みを極力薄くして磁束検出感度も維持して、生産性・使用性・コストの向上をともに実現したクランプ式の電流センサを提供することができる。
更に本発明よれば、このような電流センサを製造する電流センサの製造方法も併せて提供することができる。

本発明の実施形態の説明図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面図である。 本発明の実施形態の主要部の拡大断面図である。 本発明の実施形態の主要部の斜視外観図である。 本発明の他の実施形態の正面図である。 本発明の他の実施形態の主要部の拡大断面図である。 本発明の他の実施形態の主要部の拡大断面図である。 従来技術の説明図である。 磁電変換部の説明図である。 他の従来技術の主要部の説明図である。

以下、図に沿って本発明を実施するための形態について説明する。
図１は本形態のクランプ式の電流センサの説明図である。本形態でも面取り等の詳細は省略し、簡略化して図示している。電流センサ１は、交直両用のセンサであり、磁気コア２、ホール素子（磁電変換部の一具体例である）３を備える。この電流センサ１は、磁気コア２を開閉して磁気コア２内に被測定導線を貫通させて用いる。この磁気コア２の開閉機構として、両開き形式、片開き形式、または、スライド形式など種々の形式が存在するが、本形態ではスライド式の開閉機構による磁気コア２について説明している。

磁気コア２は、巻線が施されて開閉自在に組み合わされるものであり、さらに第１コア部１１、第２コア部１２、第３コア部１３、第４コア部１４を備える。ここで第１コア部１１と第２コア部１２とが接続する箇所、第２コア部１２と第３コア部１３とが接続する箇所、第３コア部１３と第４コア部１４とが接続する箇所、第４コア部１４と第１コア部１１とが接続する箇所、を突き合わせ部であるものとして以下説明する。また、本発明の変換部側コア部は第１コア部１１であり、また、対向側コア部は第４コア部１４が、それぞれ該当する。

第１コア部１１は、図１（ａ），（ｂ）からも明らかなように、Ｉ字状に形成されたコア部である。図３に示すように、第１コア部１１には直接ホール素子３が固定される。第１コア部１１の詳細は、図２に示すように、第１コア本体１１ａ、第１表面絶縁層１１ｂ、第１中間絶縁層１１ｃを備える。

第１コア本体１１ａは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される角柱体である。なお、この第１コア本体１１ａは、本発明の変換部側コア本体に該当する。
第１表面絶縁層１１ｂは、第１コア本体１１ａを熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり第１コア本体１１ａの全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低く、表面絶縁のために第１表面絶縁層１１ｂが形成される。そして、少なくともホール素子が搭載される面は鏡面研磨面として形成されている。なお、この第１表面絶縁層１１ｂは、本発明の変換部側表面絶縁層に該当する。
第１中間絶縁層１１ｃは、金属酸化膜であり、第１コア本体１１ａにおける第４コア部１４への突き合わせ部であってその第１表面絶縁層１１ｂの上側に設けられる。第１中間絶縁層１１ｃは、具体的にはスパッタにより形成される金属酸化膜であって、例えばＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＺｒＯ_２膜、ＴｉＯ_２膜、または、Ｙ_２Ｏ_３膜の何れかを採用することできる。これらのような金属酸化膜の厚みは約０．５μｍ程度に形成される。本形態ではＳｉＯ_２膜が選択されたものとして以下説明する。なお、この第１中間絶縁層１１ｃは、本発明の変換部側中間絶縁層に該当する。

第２コア部１２は、Ｉ字状に形成された角柱体である。第２コア部１２は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される。この第２コア部１２には、図１（ａ）に示すように、負帰還用のコイル１２１が装着されている。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低いため、第１コア部１１と同様に表面絶縁層が形成される。この表面絶縁層は、第２コア本体を熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり、第２コア本体の全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。

第３コア部１３は、Ｉ字状に形成された角柱体である。第３コア部１３は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低いため、第１コア部１１と同様に表面絶縁層が形成される。この表面絶縁層は、第３コア本体を熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり、第３コア本体の全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。この第３コア部１３は、第１コア部１１および第２コア部１２の各開放端側に摺動可能に設けられる。

第４コア部１４は、Ｉ字状に形成された角柱体である。第４コア部１４は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される。この第４コア部１４には、負帰還用のコイル１４１が装着されている。
第４コア部１４の詳細は、図２に示すように、第４コア本体１４ａ、第４表面絶縁層１４ｂ、第４中間絶縁層１４ｃを備える。

第４コア本体１４ａは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される角柱体である。なお、この第４コア本体１４ａは、本発明の対向側コア本体に該当する。
第４表面絶縁層１４ｂは、第４コア本体１４ａを熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり第４コア本体１４ａの全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低いため表面絶縁のために形成される。そして、少なくともホール素子が当接する面は鏡面研磨面として形成されている。なお、この第４表面絶縁層１４ｂは、本発明の対向側表面絶縁層に該当する。
第４中間絶縁層１４ｃは、金属酸化膜であり、第４コア本体１４ａにおける第１コア部１１への突き合わせ部であってその第４表面絶縁層１４ｂの下側に設けられる。第４中間絶縁層１４ｃは、具体的にはスパッタにより形成される金属酸化膜であって、例えばＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＺｒＯ_２膜、ＴｉＯ_２膜、または、Ｙ_２Ｏ_３膜の何れかを採用することできる。これらのような金属酸化膜の厚みは約０．５μｍ程度に形成される。本形態ではＳｉＯ_２膜が選択されたものとして以下説明する。なお、この第４中間絶縁層１４ｃは、本発明の対向側中間絶縁層に該当する。ここで、図１（ｂ），図２に示すように、第４コア部１４の突き合わせ部周囲は、磁電変換部を通過する磁束密度を大きくするために下側へ行くにつれて次第に先細るようにしている。

ホール素子３は、図３に示すように、第１中間絶縁層１１ｃの上側に直接形成されるものであり、センサ部３１、電極部３２を備える。センサ部３１は、ＩｎＳｂ薄膜によるＩｎＳｂホール素子（膜厚が約１．０μｍ）である。電極部３２は、金属薄膜であり、例えばＣｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉの何れかによる薄膜（膜厚が約１．０μｍ）、または、これら複数の材料を用いた積層構造の薄膜（合計の膜厚が約１．０μｍ）を選択することができる。本形態では具体的にはＣｕ／Ｃｒ／Ａｌ電極（合計の膜厚が約１．０μｍ）を採用するものとして以下説明する。センサ部３１は十文字状のパターンにより構成され、センサ部３１の入力端子および出力端子の各々から電極部３２を構成する接続電極ＨＩ１、ＨＩ２、ＨＯ１、ＨＯ２が第１中間絶縁層１１ｃの下半分側の領域にそれぞれ引き出されている。図２でも示すように、ホール素子３の左半分は外側にあって電極部３２の接続電極ＨＩ１、ＨＩ２、ＨＯ１、ＨＯ２が引き出された状態となっており、この箇所で他のワイヤ等に接続できるようになっており、そのワイヤ等を介して図示しない電気回路（測定回路）に接続される。

このようなホール素子（磁電変換部）３は、図２に示すように、第１コア部１１および第４コア部１４の各突き合わせ端面間に配置される。このホール素子３は、閉じられた磁気コア２により形成される閉磁路中に介在配置される。

このよう突き合わせ部を互いに対向させて第１コア部１１と第４コア部１４とを組み立てたときに第１コア部１１のホール素子３が第４コア部１４の第４中間絶縁層１４ｃに当接し、第４コア本体１４ａ、第４表面絶縁層１４ｂ、第４中間絶縁層１４ｃ、ホール素子３、第１中間絶縁層１１ｃ、第１表面絶縁層１１ｂおよび第１コア本体１１ａを通るように閉磁路が形成される。

つまり、本発明のように、変換部側コア部の磁電変換部と対向側コア部の対向側中間絶縁層とを対向当接させて組み立てた磁気コアでは、対向側コア本体、対向側表面絶縁層、対向側中間絶縁層、磁電変換部、変換部側中間絶縁層、変換部側表面絶縁層および変換部側コア本体を通るように閉磁路が形成される。

続いて電流センサ１の性能について検討する。性能に関しては従来技術と比較しつつ説明する。表１は、従来技術、本形態および比較例（１）,（２）,（３）のコア部表面の電気抵抗、検出感度測定結果を示す。

比較例として、実施形態と同じＭｎ−Ｚｎ系フェライトによる磁気コアを有する電流センサであって、絶縁層を形成しない比較例（１）、７００℃（３０分）熱処理を実施した比較例（２）、ＳｉＯ_２スパッタ層を５μｍ形成した比較例（３）の３種類について試作した。ホール素子３は、いずれもＩｎＳｂホール素子やＣｕ／Ｃｒ／Ａｌ電極を備え、本実施形態と同一条件で形成した。

この結果について考察する。
絶縁層を形成しない比較例（１）の電流センサは、例えば、図２の電流センサ１から表面絶縁層および中間絶縁層を取り去った構造（つまり第１コア本体１１ａに直接ホール素子３を形成し、その上に絶縁層がない第４コア本体１４ａを当接させた構造）である。この比較例（１）の電流センサでは、検出感度測定結果は０ｍＶ／Ａとなっている。これは比較例（１）の電流センサのＭｎ−Ｚｎ系フェライトによる磁気コアの表面の電気抵抗が１．８ｋ（１．８×１０^３）Ω程度であって非常に低く、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトによる磁気コアとＩｎＳｂホール素子とがショート状態となるためである。このような比較例（１）のコア本体はホール素子形成用途としては適当ではない。

このようなショート状態としないためには、第１コア本体１１や第４コア本体１４の表面抵抗率を、ホール素子３の抵抗率に比較して十分大きくする必要がある。この場合、第１コア本体１１や第４コア本体１４の表面の電気抵抗としては、少なくとも１Ｍ（１．０×１０^６）Ω以上の値が必要となる。

そこで、 他の比較例（２），（３）の電流センサは、磁気コア全体の表面に絶縁層を形成して電気抵抗を高めている。これら比較例（２），（３）の表面抵抗は、１Ｍ（１．０×１０^６）Ω以上の値を示し検出感度も得られてはいるが、従来技術による電流センサと比較すると、検出感度が大幅に低下している。これは大きな抵抗値を確保するため絶縁層を厚くしたことに起因する。

ここで、絶縁層の厚みと検出感度の関係について説明する。まず、絶縁層については、透磁率がほぼ空気と同じでギャップとなることが分かっているため、これを前提にして説明する。図１に示すように、第１，第２，第３，第４コア部間の突き合わせ部に絶縁層があると磁気抵抗Ｒが大きくなる。磁束φは磁気抵抗Ｒに反比例することから、磁気抵抗Ｒが大きいと磁束φは小さくなる。また、検出感度は磁束φに比例することから、磁束φが小さくなると検出感度も小さくなる。結論として、絶縁層の厚みが大きくなるにつれて検出感度が低下することが理解できる。

まとめると、絶縁層の厚みに反比例して磁束密度が低下し、電気抵抗値は高くなるけれども検出感度が低くなり、結果的に電流検出感度の低下を招くばかりでなく、ノイズ（低Ｓ／Ｎ比）も大きなものになってしまうという不都合があった。
また、逆に絶縁層の厚みに反比例して磁束密度が増大し、検出感度は高くなるけれども電気抵抗値が低くなっていた。

このように電気抵抗値の増加と電流検出感度の増加をともに実現することは容易ではない。本発明の電流センサ１では充分な電流検出感度および電気抵抗値を確保するような絶縁層とする必要がある。本発明者は鋭意実験を重ね、本発明による電流センサ１ではＭｎ−Ｚｎ系フェライトによるコア本体に対して熱酸化により比較的薄くした絶縁層とスパッタにより比較的厚くした絶縁層という二層の絶縁層を重ね合わせたときに全体的に薄い絶縁層であるにも拘わらず表面抵抗値として３５０Ｍ（３．５×１０^８）Ω以上の値を確保することができ、しかも、電流検出感度を従来技術と同じ７．４ｍＶ／Ａを確保することを知見した。なお、第１コア部１１と第４コア部１４とが接続する箇所での磁気抵抗の増加が少ないことは勿論のこと、第１コア部１１と第２コア部１２とが接続する箇所、第２コア部１２と第３コア部１３とが接続する箇所、第３コア部１３と第４コア部１４とが接続する箇所は表面絶縁層同士が接続するというものであって、この箇所でも磁気抵抗の増加が少ないことも知見した。
これにより安価で入手がしやすいＭｎ−Ｚｎ系フェライトによる磁気コアとして、従来技術と同程度の性能を確保する電流センサを実現した。

続いて電流センサの機能について説明する。
例えば、図１のように紙面手前から裏側の方向で流れている被測定電流Ｉｓをフェライトコアでクランプすると、磁束φが矢印の方向に発生する。この磁束φと垂直に交差する位置にホール素子を配置しておくことによって、磁束φの強度、すなわち被測定電流の強度に比例したホール出力電圧が得られる。特に、第４コア部の突き合わせ部は、その断面積が第４中間絶縁層１４ｃの断面積と同等もしくはそれ以下となるように先細り状に形成されているため、磁気回路内を流れる磁束がホール素子３に集中して導かれ、磁電変換効率が高められる。この場合は上記のように第４コア部１４から第１コア部１１へ磁束が流れる。なお、紙面裏側から紙面手前の方向で流れている被測定電流Ｉｓをフェライトコアでクランプすると第１コア部１１から第４コア部１４へ磁束が流れ、変換部側コア本体、変換部側表面絶縁層、変換部側中間絶縁層、磁電変換部、対向側中間絶縁層、対向側表面絶縁層、および、対向側コア本体を通りように閉磁路が形成されることとなるが、この場合も計測できるのは勿論である。そして、交流電流も計測できる。

続いて電流センサ１の製造について説明する。
まず、第１コア部１１の製造について説明する。第１コア本体１１ａに対して表面処理を行う。表面処理とは平滑な熱酸化面を形成するための基板洗浄である。そして、ホール素子を形成する面に対しては鏡面研磨も行う。この第１コア本体１１ａはＭｎ−Ｚｎ系フェライトを使用する。なお、後述する第２コア部１２、第３コア部１３、第４コア部１４も同じＭｎ−Ｚｎ系フェライトを使用する。

続いて、第１表面絶縁層１１ｂを形成する。
第１コア本体１１ａを電気炉内に入れて、大気雰囲気中で、昇温速度１０℃／分、５００℃（３０分）、自然冷却にて熱酸化法により熱酸化を実施する。これにより、第１コア本体１１ａの表面から約０．０３μｍ厚みのＭｎの酸化層が形成され、第１コア本体１１ａの全面が第１表面絶縁層１１ｂで覆われる。

続いて第１中間絶縁層１１ｃを形成する。
全面が第１表面絶縁層１１ｂで覆われている第１コア本体１１ａに対し、マグネトロンスパッタ装置にてＳｉＯ_２スパッタ層を０．５μｍ形成する。これは、第１中間絶縁層１１ｃの形成箇所の孔が空いたマスクで第１表面絶縁層１１ｂを覆った上でマグネトロンスパッタによるスパッタリングを行う工程である。

続いてホール素子３を形成する。
第１中間絶縁層１１ｃの上に、真空蒸着装置にてＩｎＳｂホール素子であるセンサ部３１を形成する。更に、真空蒸着装置にてＣｕ／Ｃｒ／Ａｌ電極である電極部３２を形成する。

続いて第２コア部１２を製造する。第２コア本体に対する表面処理、第２表面絶縁層の形成を行う。これらの形成方法は第１コア部１１で説明した上記方法と同じである。また、コイル１２１を取り付ける。

続いて第３コア部１３を製造する。第３コア本体に対する表面処理、第３表面絶縁層の形成を行う。これらの形成方法は第１コア部１１で説明した上記方法と同じである。

続いて第４コア部１４を製造する。第４コア本体１４ａに対する表面処理、第４表面絶縁層１４ｂの形成、第４中間絶縁層１４ｃの形成を行う。これらの形成方法は第１コア部１１で説明した上記方法と同じである。また、コイル１４１を取り付ける。また、突き合わせ部を先細り形状とする場合は表面処理前に所定形状となるように加工しておく。

続いてコア部を形成する。図１で示すように第１コア部１１，第２コア部１２，第４コア部１４を組み合わせてホール素子３も一体化された組み立て体を形成する。これら磁気コア２およびホール素子３は図示しないホルダ（シールドケース）内に収納され、その後に充填される樹脂によりホルダ内に強固に固定される。摺動する第３コア部１３も同様に、ホルダ内に収納され樹脂により固定される、というものである。これにより電流センサ１を搭載した計測装置として機能する。

続いて他の形態について説明する。図４は他の形態の電流センサの説明図、図５はホール素子周囲の拡大図である。
クランプ式の電流センサ１’を構成する磁気コア２’は、図４によれば、巻線が施されて開閉自在に組み合わされるものであり、左右に略Ｌ字状の第１コア部１５と第３コア部１７を配置して略コ字形のコア部とし、これら略コ字形のコア部の両側に略Ｉ字形であって第２コア部１６を接続して電流センサを形成する。このような構成のクランプ式の電流センサ１’によれば、第２コア部１６を摺動操作して被測定電線を導入し、閉方向に再度摺動させた後に、活線状態にある被測定導線の電流の検出を可能にしている。

ここで第１コア部１５と第２コア部１６とが接続する箇所、第２コア部１６と第３コア部１７とが接続する箇所、第３コア部１７と第１コア部１５とが接続する箇所、を突き合わせ部であるものとして以下説明する。また、本発明の変換部側コア部は第１コア部１５であり、また、対向側コア部は第３コア部１７が、それぞれ該当する。

図４に示すように、第１コア部１５には直接ホール素子３が固定される。この第１コア部１５には、コイル１５１が装着されている。第１コア部１５の詳細は、図５に示すように、第１コア本体１５ａ、第１表面絶縁層１５ｂ、第１中間絶縁層１５ｃを備える。

第１コア本体１５ａは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される略Ｌ字状の角柱体である。なお、この第１コア本体１５ａは、本発明の変換部側コア本体に該当する。
第１表面絶縁層１５ｂは、第１コア本体１５ａを熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり第１コア本体１５ａの全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低く、表面絶縁のために第１表面絶縁層１５ｂが形成される。なお、少なくともホール素子が搭載される面は鏡面研磨面として形成されている。この第１表面絶縁層１５ｂは、本発明の変換部側表面絶縁層に該当する。
第１中間絶縁層１５ｃは、スパッタ膜（ＳｉＯ_２膜）であり、第１コア本体１５ａにおける第３コア部１７への突き合わせ部であってその第１表面絶縁層１５ｂが覆う箇所に設けられる。厚みは約０．５μｍ程度に形成される。なお、この第１中間絶縁層１５ｃは、本発明の変換部側中間絶縁層に該当する。

第２コア部１６は、Ｉ字状に形成された角柱体である。第２コア部１６は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低いため、第１コア部１５と同様に表面絶縁層が形成される。この表面絶縁層は、第２コア本体１６ａを熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり、第２コア本体の全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。

第３コア部１７は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される。この第３コア部１７には、コイル１７１が装着されている。
第３コア部１７の詳細は、図５に示すように、第３コア本体１７ａ、第３表面絶縁層１７ｂ、第３中間絶縁層１７ｃを備える。

第３コア本体１７ａは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにより形成される略Ｌ字状に形成された角柱体である。なお、この第３コア本体１７ａは、本発明の対向側コア本体に該当する。
第３表面絶縁層１７ｂは、第３コア本体１７ａを熱酸化して形成する熱酸化膜（ＭｎＯ_ｘ膜）であり第３コア本体１７ａの全面に設けられる。厚みは約０．０３μｍ程度に形成される。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは電気抵抗が低く、表面絶縁のために第３表面絶縁層１７ｂが形成される。なお、この第３表面絶縁層１７ｂは、本発明の対向側表面絶縁層に該当する。
第３中間絶縁層１７ｃは、スパッタ膜（ＳｉＯ_２膜）であり、第３コア本体１７ａにおける第１コア部１５への突き合わせ部であってその第３表面絶縁層１７ｂが覆う箇所に設けられる。厚みは約０．５μｍ程度に形成される。なお、この第３中間絶縁層１７ｃは、本発明の対向側中間絶縁層に該当する。

ホール素子３は、図３に示したものと同じであるが、第１中間絶縁層１５ｃの表面に直接形成される。また。接続電極ＨＩ１、ＨＩ２、ＨＯ１、ＨＯ２が図示しない導線等によりそれぞれ引き出されている。

このようなホール素子（磁電変換部）３は、図５に示すように、第１コア部１５および第３コア部１７の各突き合わせ端面間に配置される。このホール素子３は、閉じられた磁気コア２’により形成される閉磁路中に介在配置される。

このように第１コア部１５の突き合わせ部と第３コア部１７の突き合わせ部とを対向させて第１コア部１５と第３コア部１７とを組み立てたときに第１コア部１５のホール素子３が第３コア部１７の第３中間絶縁層１７ｃに当接し、紙面手前から紙面裏側の方向で流れている被測定電流Ｉｓをフェライトコアでクランプすると第３コア部１７から第１コア部１５へ磁束が流れ、第３コア本体１７ａ、第３表面絶縁層１７ｂ、第３中間絶縁層１７ｃ、ホール素子３、第１中間絶縁層１５ｃ、第１表面絶縁層１５ｂ、および、第１コア本体１５ａを通るように閉磁路が形成される。

つまり、本発明のように、変換部側コア部の磁電変換部と対向側コア部の対向側中間絶縁層とを対向当接させて組み立てた磁気コアでは、対向側コア本体、対向側表面絶縁層、対向側中間絶縁層、磁電変換部、変換部側中間絶縁層、変換部側表面絶縁層および変換部側コア本体という磁路を含むように閉磁路が形成される。
なお、紙面裏側から紙面手前の方向で流れている被測定電流Ｉｓについては、磁束の方向が逆になるだけで、同様の原理により計測が可能である。

このようなホール素子３は第１コア部１５の突き合わせ部と第３コア部１７の突き合わせ部との端面間に挟み込まれた状態で図示しないホルダ内に収納され、第１コア部１５と第３コア部１７とともに樹脂により固定されることになる。なお、製造方法は同様であって重複する説明を省略する。このような電流センサとしても良い。

続いて他の形態について説明する。図６は他の実施形態の電流センサのホール素子周囲の拡大図である。
この形態では、先に図４，５を用いて説明した電流センサ１’の突き合わせ部の双方を先細るように形成したものである。第１コア部１５との突き合わせ部周囲と第３コア部１７との突き合わせ部周囲とは、磁電変換部を通過する磁束密度を大きくするために端部へ行くにつれて次第に先細るようにそれぞれ傾斜部１５ｄ，１７ｄを形成している。このようにして磁気回路内を流れる磁束が磁電変換部に集中して導かれるため、磁電変換効率が高められる。このような電流センサとしても良い。また、第１コア部１５との突き合わせ部周囲か第３コア部１７との突き合わせ部周囲か何れか一方のみ、磁電変換部を通過する磁束密度を大きくするために端部へ行くにつれて次第に先細るようにしても良い。

以上本発明の電流センサ１，１’について説明した。非常に高価で将来的に入手が困難になることが予想されているＮｉ−Ｚｎ系フェライトの代替技術として、安価なＭｎ−Ｚｎ系フェライトを使用する電流センサとした。検出感度の結果より、本発明の電流センサはＮｉ−Ｚｎ系フェライトを用いた従来技術と同等の検出感度が得られ、絶縁層として有効である。特にフェライトコアがむき出しになるようなデバイスの絶縁層として有効である。

また、磁気コアからなる磁気回路内に磁電変換部（例えばホール素子）との間に介在させる中間絶縁層および表面絶縁層による総合絶縁層の厚みを小さくして磁束検出感度を高め、かつ、総合絶縁層による電気的抵抗も確保するクランプ式の電流センサとすることができる。

なお、表面絶縁層は、対応部位を鏡面研磨により清浄平滑面として形成すると、付着力、製造工程での膜特性の面からは好ましい。また、ＳｉＯ_２ 膜等の金属酸化膜からなる中間絶縁層は、真空蒸着法、高周波スパッタリング法、化学的気相成長法などの薄膜作製法により作製してもよい。

また、表面絶縁層を薄く形成したため、表面絶縁層同士が当接しても、磁気コアの磁気抵抗がさほど高められることはない。さらにまた、磁気コアと電気回路（測定回路）との絶縁は中間絶縁層も介在させているため絶縁性を高め、充分な検出感度を確保する。

本発明の電流センサおよび電流センサの製造方法は、特にクランプ式の電流センサに適用することができる。

１，１’：電流センサ
２，２’：磁気コア
１０：第１コア部
１１ａ：第１コア本体
１１ｂ：第１表面絶縁層
１１ｃ：第１中間絶縁層
１２：第２コア部
１２１：コイル
１３：第３コア部
１４：第４コア部
１４ａ：第４コア本体
１４ｂ：第４表面絶縁層
１４ｃ：第４中間絶縁層
１４１：コイル
１５：第１コア部
１５ａ：第１コア本体
１５ｂ：第１表面絶縁層
１５ｃ：第１中間絶縁層
１５ｄ：傾斜部
１５１：コイル
１６：第２コア部
１７：第３コア部
１７ａ：第３コア本体
１７ｂ：第３表面絶縁層
１７ｃ：第３中間絶縁層
１７ｄ：傾斜部
１７１：コイル
３：ホール素子
３１：センサ部
３２：電極部

Claims (10)

1. 磁電変換部が磁気コアの閉磁路内に配設されており、前記閉磁路内に導入されて貫通する活線状態の被測定導線の電流に応じて前記閉磁路に磁束が流れ、前記磁電変換部がこの磁束に応じた検出信号を出力するクランプ式の電流センサであって、
   変換部側突き合わせ部を含む変換部側コア本体と、前記変換部側コア本体の全体を覆う変換部側表面絶縁層と、前記変換部側突き合わせ部の前記変換部側表面絶縁層上に設けられる変換部側中間絶縁層と、を有し、前記変換部側中間絶縁層上に前記磁電変換部が直接形成される変換部側コア部と、
   対向側突き合わせ部を含む対向側コア本体と、前記対向側コア本体の全体を覆う対向側表面絶縁層と、前記対向側突き合わせ部の前記対向側表面絶縁層上に設けられる対向側中間絶縁層と、を有する対向側コア部と、
   を備えており、
   前記磁電変換部と前記対向側中間絶縁層とを対向当接させて組み立てた磁気コアでは、前記対向側コア本体、前記対向側表面絶縁層、前記対向側中間絶縁層、前記磁電変換部、前記変換部側中間絶縁層、前記変換部側表面絶縁層および前記変換部側コア本体を通るように閉磁路が形成されることを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記変換部側コア本体および前記対向側コア本体はＭｎ−Ｚｎ系高透磁率磁性材料により形成されるコア本体であり、
   前記変換部側表面絶縁層および前記対向側表面絶縁層は熱酸化により形成されるＭｎＯ_ｘ酸化膜であり、
   前記変換部側中間絶縁層および前記対向側中間絶縁層はスパッタにより形成される金属酸化膜であることを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の電流センサにおいて、
   前記磁電変換部は、前記変換部側中間絶縁層上に製膜されたＩｎＳｂ薄膜からなるセンサ部と、前記センサ部から引き出された金属薄膜からなる電極と、を有するホール素子であることを特徴とする電流センサ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
   前記変換部側コア本体は、少なくとも前記磁電変換部の搭載面を鏡面研磨による清浄平滑面としていることを特徴とする電流センサ。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
   前記変換部側突き合わせ部または前記対向側突き合わせ部の少なくとも一方は先細り状に形成され、前記磁気コアに流れる磁束を前記磁電変換部に集中させることを特徴とする電流センサ。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
   前記変換部側コア部の前記変換部側コア本体は、略Ｉ字状に形成される一本のコア本体であり、
   前記対向側コア部の前記対向側コア本体は、略Ｉ字状に形成される一本のコア本体であり、
   前記変換部側コア部および前記対向側コア部と、略Ｉ字状の他の２本のコア部と、を組み合わせて前記磁気コアが略ロ字状に形成されることを特徴とする電流センサ。
7. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の電流センサにおいて、
   前記変換部側コア部の前記変換部側コア本体は、略Ｌ字状に形成される１個のコア本体であり、
   前記対向側コア部の前記対向側コア本体は、略Ｌ字状に形成される１個のコア本体であり、
   前記変換部側コア部および前記対向側コア部と、略Ｉ字状の他の１本のコア部と、を組み合わせて前記磁気コアが略ロ字状に形成されることを特徴とする電流センサ。
8. 請求項１〜請求項７の何れかの電流センサの製造方法であって、
   前記変換部側コア部の前記変換部側コア本体の全体の表面処理を行う工程と、
   前記変換部側コア本体の表面全体に熱酸化により前記変換部側表面絶縁層を形成する工程と、
   前記変換部側コア本体の前記変換部側突き合わせ部上の前記変換部側表面絶縁層にスパッタリングにより前記変換部側中間絶縁層を形成する工程と、
   前記変換部側中間絶縁層の表面に前記磁電変換部を形成する工程と、
   を有することを特徴とする電流センサの製造方法。
9. 請求項８記載の電流センサの製造方法において、
   前記変換部側表面絶縁層を形成する工程は、大気雰囲気中で５００℃で３０分間の熱酸化を行う工程であることを特徴とする電流センサの製造方法。
10. 請求項８または請求項９記載の電流センサの製造方法において、
    前記変換部側中間絶縁層を形成する工程は、前記変換部側中間絶縁層の形成箇所の孔が空いたマスクで前記変換部側表面絶縁層を覆った上でマグネトロンスパッタによるスパッタリングを行う工程であることを特徴とする電流センサの製造方法。

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