JP6007381B2 - 電流センサの磁電変換素子の位置決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種機器に流れる被測定電流を磁電変換素子によって測定する電流センサに関し、特に、インバータ等が搭載された各種機器に流れる被測定電流の周波数が変化する場合に適した電流センサに関する。

近年、各種機器の制御や監視のために、各種機器に取り付けて各種機器に流れる被測定電流を測定する電流センサが一般に用いられている。この種の電流センサとして、電流路に流れる被測定電流から生じる磁界を感知する、磁気抵抗効果素子やホール素子等の磁電変換素子（磁気検出素子）を用いた方法が良く知られている。

上述した電流センサの内で、扁平な形状の被測定導体（電流路）と絶縁基板上に配設された磁気センサとを用いた、特許文献１に提案されているような電流測定装置（電流センサ）９００が一般的に知られている。図１７は、特許文献１（従来例）に開示されている電流測定装置９００を説明する図であって、磁気センサ９１０と被測定導体９０１との位置関係を示す断面図である。電流測定装置９００は、図１７に示すように、プリント基板９１１に形成された被測定導体９０１と、プリント基板９１２に搭載された磁気センサ９１０（内部に磁気検出素子を備えている）とから構成されている。被測定導体９０１に被測定電流が流れた際に発生する磁界の内、磁気センサは、被測定導体９０１の幅方向に生じる磁界９２０を検出している。

ところで、このような扁平な形状の被測定導体９０１中を流れる被測定電流の周波数が高くなると、表皮効果により、被測定電流が被測定導体９０１の端部に集中し、被測定導体９０１の中央では電流密度が小さくなり、被測定導体９０１の端付近では電流密度が大きくなる。このため、磁気センサ９１０を被測定導体９０１の中央に配置した場合（図１７では端部に配置）、磁気センサ９１０が検知する中央付近の磁界９２０が低下し、電流測定装置９００の電流感度が下がると言う問題があった。

そこで、従来例の電流測定装置９００では、図１７に示すように、被測定導体９０１の幅方向の中央位置ＣＬから所定距離だけ離れた位置に磁気センサ９１０を設けるようにしている。これにより、周波数が高い被測定電流であっても、電流感度の低下が抑えられた電流測定装置９００を提供できるとしている。

特開２００５−７００３７号公報

しかしながら、従来例では、測定する被測定電流の周波数に合わせて磁気センサ９１０を被測定導体９０１の端付近に配置するので、周波数の違う被測定電流を用いた他の機器に適用する場合や同じ機器であっても周波数が状態によって変化する場合、電流測定装置９００で測定する電流感度が大きく違い、正確な測定精度が得られないと言う課題があった。なお、状態によって被測定電流の周波数が変化する場合とは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車において、アイドリング時、加速時、回生ブレーキ時等の状態によって、被測定電流の周波数が変化する場合が挙げられる。

本発明は、上述した課題を解決するもので、被測定電流の周波数が変化しても精度良く測定ができる電流センサを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の電流センサの磁電変換素子の位置決定方法は、扁平形状の電流路と、前記電流路上に配設され前記電流路に被測定電流が流れたときに発生する磁界を検出する磁電変換素子と、を備え、前記電流路には、前記被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部が設けられており、前記電流路が、前記穴部によって２つに分流した第１分流路と第２分流路を形成し、前記第１分流路の厚みが、前記第２分流路の厚みより小さく、前記磁電変換素子が、前記第１分流路上に配設された電流センサにおいて、前記磁電変換素子の位置を、前記電流路に最低周波数の前記被測定電流が流れた場合における磁束密度である最低周波数磁束密度と、前記電流路に最高周波数の前記被測定電流が流れた場合における磁束密度である最高周波数磁束密度と、が略一致する前記第１分流路上の位置に決定することを特徴としている。

これによれば、電流センサの電流路には、被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部が設けられているので、電流路に最低周波数の被測定電流が流れた場合における磁束密度である最低周波数磁束密度と、電流路に最高周波数の被測定電流が流れた場合における磁束密度である最高周波数磁束密度と、を近づけてより一致させることができる。このため、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置に、磁電変換素子を配設することができる。このことにより、被測定電流の周波数が変化しても精度良く電流値を測定することができる。

また、本発明の電流センサの磁電変換素子の位置決定方法は、前記磁電変換素子の位置を、前記第１分流路の長手方向の中央近傍に決定することを特徴としている。

これによれば、磁電変換素子が第１分流路上で、しかも第１分流路の長手方向の中央近傍に配設されるので、第１分流路と第２分流路との分岐点や合流点と離れているとともに穴部上の部分ではないため、第１分流路の中央近傍は、磁束の向きが第１分流路の幅方向に一定している領域になっている。このことにより、磁束の向きと、磁電変換素子の感度方向とがより一致し、正確に電流値を測定することができる。

また、本発明の電流センサの磁電変換素子の位置決定方法は、前記第１分流路の厚みが、前記第２分流路の厚みより小さいことを特徴としている。

これによれば、第１分流路の厚みが第２分流路の厚みより小さいので、第１分流路上の最低周波数磁束密度が低くなるとともに、表皮効果の影響が低減することから第１分流路上の最高周波数磁束密度のピークが第１分流路の外側から穴部側へスライド移動する。このことにより、第１分流路の厚みを小さくすることで、最低周波数磁束密度と最高周波数磁束密度とが略一致する位置を、電流路の中央側に移動させることができる。このため、磁電変換素子を搭載する絶縁基板が電流路から大きくはみ出すことを防止できる。

また、本発明の電流センサの磁電変換素子の位置決定方法は、前記第１分流路の厚みをＤ１、前記第１分流路の抵抗率をρ、前記第１分流路の透磁率をμ、被測定電流の周波数をｆとした場合に、Ｄ１＜（２ρ/２πｆμ）^１／２を満たすことを特徴としている。

これによれば、第１分流路の厚みが、第１分流路に流れる高周波の被測定電流に生じる表皮効果による、表皮深さ未満なので、第１分流路上の磁束密度が表皮効果の影響を受けることがない。このことにより、第１分流路上の磁束の向きと、磁電変換素子の感度方向とがより一層一致し、より正確に電流値を測定することができる。

電流センサの電流路には、被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部が設けられているので、電流路に最低周波数の被測定電流が流れた場合における磁束密度である最低周波数磁束密度と、電流路に最高周波数の被測定電流が流れた場合における磁束密度である最高周波数磁束密度と、を近づけてより一致させることができる。このため、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置に、磁電変換素子を配設することができる。このことにより、被測定電流の周波数が変化しても精度良く電流値を測定することができる。

本発明の第１実施形態の電流センサを説明する分解斜視図である。 本発明の第１実施形態の電流センサを説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態の電流センサを説明する構成図であって、図２に示すＺ１側から見た上面図である。 本発明の第１実施形態の電流センサを説明する構成図であって、図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 本発明の第１実施形態の電流センサのシミュレーションに用いた３つのモデルの電流路の断面図であって、図５Ａ，図５Ｂ及び図５Ｃにそれぞれ示している。 本発明の第１実施形態の電流センサのシミュレーション結果であって、図５Ｂに示すモデルにおける電流路の周囲の磁場の様子を示した模式図である。 本発明の第１実施形態の電流センサのシミュレーション結果であって、図５Ａ，図５Ｂ及び図５Ｃに示したモデルに対応したグラフである。 本発明の第２実施形態の電流センサを説明するする分解斜視図である。 本発明の第２実施形態の電流センサを説明する斜視図である。 本発明の第２実施形態の電流センサを説明する構成図であって、図９に示すＺ１側から見た上面図である。 本発明の第２実施形態の電流センサを説明する構成図であって、図１０に示すＸＩ−ＸＩ線における断面図である。 本発明の第２実施形態の電流センサのシミュレーションに用いた３つのモデルの電流路の断面図であって、図１２Ａ，図１２Ｂ及び図１２Ｃにそれぞれ示している。 本発明の第２実施形態の電流センサのシミュレーション結果であって、図１２Ａ，図１２Ｂ及び図１２Ｃに示したモデルに対応したグラフである。 本発明の第１実施形態の電流センサの変形例を説明する図であって、図１４Ａは、変形例１のモデル図であり、図１４Ｂは、変形例２のモデル図であり、図１４Ｃは、変形例３のモデル図である。 本発明の第２実施形態の電流センサの変形例を説明する図であって、図１５Ａは、変形例４の断面図であり、図１５Ｂは、変形例５の断面図である。 本発明の第１実施形態の電流センサと比較した図であって、図１６Ａは、シミュレーションに用いた比較例のモデル図であって、図１６Ｂは、そのシミュレーション結果のグラフである。 従来例における電流測定装置を説明する図であって、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。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１を説明する分解斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１を説明する斜視図である。なお、説明を容易にするため、絶縁基板１９を省略している。図３は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１を説明する構成図であって、図２に示すＺ１側から見た上面図である。図４は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１を説明する構成図であって、図３に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。

本発明の第１実施形態の電流センサ１０１は、図１ないし図４に示すように、扁平形状の電流路１２と、電流路１２上に配設される磁電変換素子１３と、を備えて構成されている。他に、電流センサ１０１には、電流路１２と対向して配設された絶縁基板１９や、図示はしていないが、電流センサ１０１への電力の供給や電流センサ１０１からの信号取り出しのために、外部制御機器と接続するコネクタが備えられている。

電流路１２は、銅（Ｃｕ）等の導電性の良い金属製の材質を用い、図１ないし図４に示すように、被測定電流の流れる向き（図２に示すＹ方向）に沿って長い穴部１２ａが設けられており、この穴部１２ａによって２つに分流した第１分流路１２ｓと第２分流路１２ｔが形成されている。また、図示していない機器（被測定機器）の被測定電流路（測定したい電流路）と接続し固定するために、貫通孔１２ｈが電流路１２の両端側に設けられている。

磁電変換素子１３は、電流路１２に被測定電流が流れたときに発生する磁界を検出する素子であって、例えば、巨大磁気抵抗効果を用いた磁気検出素子（ＧＭＲ(Giant Magneto Resistive)素子と言う）を用い、図２ないし図４に示すように、磁気センサパッケージ１４内にパッケージングされ、第１分流路１２ｓ上に配設されているとともに、第１分流路１２ｓの長手方向の中央近傍に配設されている。そして、磁電変換素子１３の感度方向が図３に示すＸ方向になるように配設されている。

この磁気センサパッケージ１４は、ＧＭＲ素子をシリコン基板上に作製した後、切り出されたＧＭＲ素子のチップと信号の取り出しのためのリード端子１４ｒとを電気的に接続して、熱硬化性の合成樹脂でパッケージングして作製されている。そして、磁気センサパッケージ１４は、リード端子１４ｒにより、回路基板である絶縁基板１９にはんだ付けされて、図示していない配線パターンとコネクタを介して、外部制御機器と接続されている。なお、磁電変換素子１３をパッケージングして、磁気センサパッケージ１４として絶縁基板１９に配設したが、例えば磁電変換素子１３をそのまま配設、所謂ベアチップ実装して配設しても良い。

絶縁基板１９は、一般に広く知られている片面のプリント配線板を用いており、ガラス入りのエポキシ樹脂のベース基板に、ベース基板上に設けられた銅（Ｃｕ）等の金属箔をパターニングして、配線パターンを形成している。絶縁基板１９には、図３及び図４に示すように、磁電変換素子１３がパッケージングされた磁気センサパッケージ１４が１個搭載されるようになっている。なお、絶縁基板１９にガラス入りのエポキシ樹脂からなるプリント配線板を用いたが、これに限定されるものではなく、例えばセラミック配線板、フレキシブル配線板でも良い。また、本発明の第１実施形態では、絶縁基板１９として回路基板を好適に用いたが、回路基板に限るものではなく、絶縁基板１９上に回路基板を重ね合わせて、磁気センサパッケージ１４を搭載する構成にしても良い。

以上のように構成された電流センサ１０１について、周波数の違う被測定電流が流れた場合の磁場の変化に関して、有限要素法解析システムを用いた磁場解析を行った。図５は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１のシミュレーションに用いたモデルの電流路１２の断面図であって、図５Ａは、モデルＡ１であり、図５Ｂは、モデルＡ２であり、図５Ｃは、モデルＡ３である。また、このシミュレーションに用いた数値は、電流路１２の長さを１００（ｍｍ）、幅（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）を２０（ｍｍ）、厚みを４（ｍｍ）とし、第１分流路１２ｓの厚みＤ１及び第２分流路１２ｔの厚みＤ２を４（ｍｍ）とし、穴部１２ａの長さを６０（ｍｍ）、幅Ｗ３を５（ｍｍ）として、全てのモデルについて同じにした。一方、モデルＡ１について、第１分流路１２ｓの幅Ｗ１を７．５（ｍｍ）及び第２分流路１２ｔの幅Ｗ２を７．５（ｍｍ）とし、モデルＡ２について、第１分流路１２ｓの幅Ｗ１を５（ｍｍ）及び第２分流路１２ｔの幅Ｗ２を１０（ｍｍ）とし、モデルＡ３について、第１分流路１２ｓの幅Ｗ１を３（ｍｍ）及び第２分流路１２ｔの幅Ｗ２を１２（ｍｍ）として、可変させた。なお、図１ないし図４に示す電流センサ１０１は、このモデルＡ２を具現化したものである。

また、図６は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１のシミュレーション結果であって、図５Ｂに示すモデルＡ２における電流路１２の周囲の磁場ＭＦの様子を示した模式図である。図７は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１のシミュレーション結果であって、図５ＡのモデルＡ１，図５ＢのモデルＡ２及び図５ＣのモデルＡ３に対応したグラフである。グラフの横軸は、電流路１２の幅であり、中心からの距離（左右それぞれ１０（ｍｍ））を示しており、グラフの縦軸は、電流路１２上における磁束密度を示している。なお、図中のＰ１は、機器（被測定機器）で用いられる被測定電流の周波数が１０（Ｈｚ）と、想定される最低周波数の場合の最低周波数磁束密度を示し、図中のＰ２は、機器（被測定機器）で用いられる被測定電流の周波数が１０（ｋＨｚ）と、想定される最高周波数の場合の最高周波数磁束密度を示している。

また、比較のため、電流路１２に穴部１２ａが無い従来の構成についてもシミュレーションを行った。図１６は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１と比較した図であって、図１６Ａは、シミュレーションに用いた比較例のモデルＤ１０１の図であって、図１６Ｂは、モデルＤ１０１のシミュレーション結果のグラフである。なお、比較例のモデルＤ１０１について、電流路Ｄ１２の長さを１００（ｍｍ）、厚みＨ１を４（ｍｍ）、幅Ｈ２を２０（ｍｍ）と、同じサイズにした。

その結果、図１６Ｂのような被測定電流の低周波数と高周波数との違いで磁束密度が大きく差が生じる場合と比較して、図７に示すように、穴部１２ａが設けられている近傍で、被測定電流の低周波数と高周波数との違いによる磁束密度の差、つまり最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２との差が小さくなっていた。これは、図６に示すように、穴部１２ａを設けたことにより、電流路１２の周囲の磁場ＭＦに変化が見られたためと考えられる。したがって、被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部１２ａを設けることにより、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とを近づけて、より一致させることができる。

このことにより、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する電流路１２上の位置に、磁電変換素子１３が配設されるのが好適である。例えば、図７に示すように、モデルＡ１の場合は、電流路１２の第１分流路１２ｓ上で、中心からの距離が約９（ｍｍ）の位置に磁電変換素子１３を配設するのが望ましく、モデルＡ２の場合は、電流路１２の第１分流路１２ｓ上で、中心からの距離が約８（ｍｍ）の位置に磁電変換素子１３を配設するのが望ましく、モデルＡ３の場合は、電流路１２上（穴部１２ａ上）で、中心からの距離が約６（ｍｍ）の位置に磁電変換素子１３を配設するのが望ましい。このように、本発明の電流センサ１０１は、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置に、磁電変換素子１３を配設することができるので、被測定電流の周波数が変化しても精度良く電流値を測定することができる。

一方、従来例の電流測定装置９００では、電流感度の低下を抑えるために、図１６Ｂに示す最高周波数磁束密度Ｐ２のピーク（図１６ＢのＲ部分）の位置（中心からの距離が約９（ｍｍ）の位置）に、磁気センサ９１０を設けるとしているので、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２との差が大きいものとなっている。このため、周波数の違う被測定電流を用いた他の機器に適用する場合や同じ機器であっても周波数が状態によって変化する場合、電流測定装置９００で測定する電流感度が大きく違い、正確な測定精度が得られなくなる。

また、図７に示す結果から、穴部１２ａの配設位置を変えることにより、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置を変えることができる。これにより、磁電変換素子１３の配設位置を任意に設定することもできる。また、図示していないが、穴部１２ａの形状、例えば、幅や長さ、或いはコーナーの面形状等を変えることによっても、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置を変えることができ、磁電変換素子１３の配設位置を任意に設定することができる。

また、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する電流路１２上の位置に、磁電変換素子１３が配設されるのが好適であるが、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが同等となる領域に対応する電流路１２上の位置に、磁電変換素子１３が配設されても良い。例えば、図７Ｂに示すように、モデルＡ２の場合は、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが同等となる領域、つまり中心からの距離が４（ｍｍ）から９（ｍｍ）の間、好ましくは５（ｍｍ）から８（ｍｍ）の間に磁電変換素子１３を配設しても良い。このように、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが同等となる領域が広くなるように、穴部１２ａを設けることができる。このことにより、磁電変換素子１３をこの領域の範囲内で任意に配設することができるので、例えば車載用途において、電流センサ１０１を配置できる位置が限られる場合であっても、磁電変換素子１３を最良な位置に配設することができる。

また、磁電変換素子１３は、図３に示すように、第１分流路１２ｓ上で、しかも第１分流路１２ｓの長手方向の中央近傍に配設されているので、第１分流路１２ｓと第２分流路１２ｔとの分岐点や合流点と離れているとともに、穴部１２ａ上の部分ではないため、第１分流路１２ｓの中央近傍は、磁束の向きが第１分流路１２ｓの幅方向に一定している領域になっている。このことにより、磁束の向きと、磁電変換素子１３の感度方向とがより一致し、正確に電流値を測定することができる。

以上により、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１は、電流路１２には、被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部１２ａが設けられているので、機器（被測定機器）で用いられる最低周波数の被測定電流を流した場合における磁束密度である最低周波数磁束密度Ｐ１と、最高周波数の被測定電流を流した場合における磁束密度である最高周波数磁束密度Ｐ２と、を近づけてより一致させることができる。このため、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置に、磁電変換素子１３を配設することができる。このことにより、被測定電流の周波数が変化しても精度良く電流値を測定することができる。

［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２を説明する分解斜視図である。図９は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２を説明する斜視図である。なお、説明を容易にするため、絶縁基板１９を省略している。図１０は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２を説明する構成図であって、図９に示すＺ１側から見た上面図である。図１１は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２を説明する構成図であって、図１０に示すＸＩ−ＸＩ線における断面図である。また、第２実施形態の電流センサ１０２は、第１実施形態に対し、電流路２２の形状が異なる。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本発明の第２実施形態の電流センサ１０２は、図８ないし図１１に示すように、扁平形状の電流路２２と、電流路２２上に配設される磁電変換素子１３と、を備えて構成されている。他に、電流センサ１０２には、電流路２２と対向して配設された絶縁基板１９や、図示はしていないが、電流センサ１０２への電力の供給や電流センサ１０２からの信号取り出しのために、外部制御機器と接続するコネクタが備えられている。

電流路２２は、銅（Ｃｕ）等の導電性の良い金属製の材質を用い、図８ないし図１１に示すように、被測定電流の流れる向き（図８に示すＹ方向）に沿って長い穴部２２ａが設けられており、この穴部２２ａによって２つに分流した第１分流路２２ｓと第２分流路２２ｔが形成されている。また、図示していない機器（被測定機器）の被測定電流路（測定したい電流路）と接続し固定するために、貫通孔２２ｈが電流路２２の両端側に設けられている。

また、電流路２２は、図８、図９及び図１１に示すように、第１分流路２２ｓの厚みが、第２分流路２２ｔの厚みより小さく形成され、図１１に示すように、第２分流路２２ｔの厚み方向の中心位置と、第１分流路２２ｓの厚み方向の中心位置とが、一致するように形成されている。

磁電変換素子１３は、電流路２２に被測定電流が流れたときに発生する磁界を検出する素子であって、例えば、巨大磁気抵抗効果を用いた磁気検出素子（ＧＭＲ(Giant Magneto Resistive)素子と言う）を用い、図１１に示すように、磁気センサパッケージ１４内にパッケージングされている。また、磁気センサパッケージ１４は、図１１に示すように、リード端子１４ｒにより、回路基板である絶縁基板１９にはんだ付けされて、図９及び図１０に示すように、電流路２２上で、穴部２２ａと第１分流路２２ｓとにまたがって配設されているとともに、第１分流路２２ｓの長手方向の中央近傍になる位置に配設されている。そして、磁電変換素子１３の感度方向が図１０に示すＸ方向になるように配設されている。

以上のように構成された電流センサ１０２について、周波数の違う被測定電流が流れた場合の磁場の変化に関して、有限要素法解析システムを用いた磁場解析を行った。図１２は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２のシミュレーションに用いたモデルの電流路２２の断面図であって、図１２Ａは、モデルＢ１であり、図１２Ｂは、モデルＢ２であり、図１２Ｃは、比較のため、第１実施形態で説明したモデルＡ２である。また、このシミュレーションに用いた数値は、電流路２２の長さを１００（ｍｍ）、幅（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）を２０（ｍｍ）、厚みを４（ｍｍ）とし、第１分流路２２ｓの幅Ｗ１を５（ｍｍ）とし、第２分流路２２ｔの厚みＤ２を４（ｍｍ）、幅Ｗ２を１０（ｍｍ）とし、穴部２２ａの長さを６０（ｍｍ）、幅Ｗ３を５（ｍｍ）として、全てのモデルについて同じにした。一方、モデルＢ１について、第１分流路２２ｓの厚みＤ１を１（ｍｍ）とし、モデルＢ２について、第１分流路２２ｓの厚みＤ１を２（ｍｍ）として、可変させた。モデルＡ２は、第１分流路２２ｓの厚みＤ１が４（ｍｍ）である。なお、図８ないし図１１に示す電流センサ１０２は、このモデルＢ２を具現化したものである。

また、図１３は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２のシミュレーション結果であって、図１３ＡのモデルＢ１，図１３ＢのモデルＢ２，図１３ＣのモデルＡ２に対応したグラフである。グラフの横軸は、電流路２２の幅であり、中心からの距離（左右それぞれ１０（ｍｍ））を示しており、グラフの縦軸は、電流路２２上における磁束密度を示している。なお、図中のＰ１は、機器（被測定機器）で用いられる被測定電流の周波数が１０（Ｈｚ）と、想定される最低周波数の場合の最低周波数磁束密度を示し、図中のＰ２は、機器（被測定機器）で用いられる被測定電流の周波数が１０（ｋＨｚ）と、想定される最高周波数の場合の最高周波数磁束密度を示している。

その結果、図１６Ｂのような被測定電流の低周波数と高周波数との違いで磁束密度が大きく差が生じる場合と比較して、図１３に示すように、穴部２２ａが設けられている近傍で、被測定電流の低周波数と高周波数との違いによる磁束密度の差、つまり最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２との差が小さくなっていた。これは、穴部２２ａを設けたことにより、電流路２２の周囲の磁場に変化が見られたためと考えられる。したがって、被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部２２ａを設けることにより、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とを近づけて、より一致させることができる。

このことにより、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する電流路２２上の位置に、磁電変換素子１３が配設されるのが好適である。例えば、図１３に示すように、モデルＢ１の場合は、電流路２２の穴部２２ａ上で、中心からの距離が約４（ｍｍ）の位置に磁電変換素子１３を配設するのが望ましく、モデルＢ２の場合は、電流路２２上で、穴部２２ａと第１分流路２２ｓとにまたがった、中心からの距離が約５（ｍｍ）の位置に磁電変換素子１３を配設するのが望ましく、モデルＡ２の場合は、前述したが、電流路１２の第１分流路１２ｓ上で、中心からの距離が約８（ｍｍ）の位置に磁電変換素子１３を配設するのが望ましい。このように、本発明の電流センサ１０２は、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置に、磁電変換素子１３を配設することができるので、被測定電流の周波数が変化しても精度良く電流値を測定することができる。

また、図１３に示すように、第１分流路２２ｓの厚みを小さくすることにより、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する位置が、電流路２２の中央側に移動している。これは、第２分流路２２ｔの厚みより第１分流路２２ｓの厚みが小さいことから、第１分流路２２ｓ上の最低周波数磁束密度Ｐ１が低くなるとともに、表皮効果の影響が低減して第１分流路２２ｓ上の最高周波数磁束密度Ｐ２のピークが第１分流路２２ｓの外側から穴部２２ａ側へスライド移動するためと考える。以上により、第１分流路２２ｓの厚みを小さくすることで、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する位置を、電流路２２の中央側に移動させることができる。このため、絶縁基板１９が電流路２２から大きくはみ出すことを防止できる。

また、上述する効果が存在することによって、次のような課題が解決できる。先ず、電流路２２の中央側に磁電変換素子１３を配設することができるので、従来例のように被測定導体（電流路）９０１の外側に磁気センサ（磁電変換素子）９１０を配置した場合に、隣り合う電流路等からの外部磁場の影響を受けやすいという課題を解決することができる。また、第１分流路２２ｓの厚みを変化させることで、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する位置を任意に変えることができるので、例えば車載用途において、電流センサを配置できる位置が限られ、従来例のような電流測定装置９００では、磁気センサ（磁電変換素子）９１０を最良な位置に配設できないという課題を解決することができる。

また、図１２に示すモデルでは、第１分流路２２ｓの厚みを２（ｍｍ）或いは１（ｍｍ）として、シミュレーションを行ったが、被測定電流の周波数に対応して、第１分流路２２ｓの厚みを任意に変えることができる。その際には、第１分流路２２ｓの厚みをＤ１、第１分流路２２ｓの抵抗率をρ、第１分流路２２ｓの透磁率をμ、被測定電流の周波数をｆとした場合に、以下の式を満たすようにするのが好適である。

Ｄ１＜（２ρ/２πｆμ）^１／２

例えば、第１分流路２２ｓに銅（Ｃｕ）を用い、被測定電流の最高の周波数ｆが１０（ｋＨｚ）の場合、第１分流路２２ｓの厚みＤ１は、０．６６（ｍｍ）未満にし、例えば、第１分流路２２ｓに銅（Ｃｕ）を用い、被測定電流の最高の周波数ｆが１００（ｋＨｚ）の場合、第１分流路２２ｓの厚みＤ１は、０．２１（ｍｍ）未満にするのが良い。

これにより、第１分流路２２ｓの厚みが、第１分流路２２ｓに流れる高周波の被測定電流に生じる表皮効果による、表皮深さ未満なので、第１分流路２２ｓ上の磁束密度が表皮効果の影響を受けることがない。このことにより、第１分流路２２ｓ上の磁束の向きと、磁電変換素子１３の感度方向とがより一層一致し、より正確に電流値を測定することができる。

また、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する電流路２２上の位置に、磁電変換素子１３が配設されるのが好適であるが、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが同等となる領域に対応する電流路２２上の位置に、磁電変換素子１３が配設されても良い。例えば、図１３Ｂに示すように、モデルＢ２の場合は、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが同等となる領域、つまり中心からの距離が２（ｍｍ）から８（ｍｍ）の間、好ましくは３（ｍｍ）から７（ｍｍ）の間に磁電変換素子１３を配設しても良い。このように、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが同等となる領域が広くなるように、穴部２２ａを設けることができる。このことにより、磁電変換素子１３をこの領域の範囲内で任意に配設することができるので、例えば車載用途において、電流センサ１０２を配置できる位置が限られる場合であっても、磁電変換素子１３を最良な位置に配設することができる。

以上により、本発明の第１実施形態の電流センサ１０２は、電流路２２には、被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部２２ａが設けられているので、機器（被測定機器）で用いられる最低周波数の被測定電流を流した場合における磁束密度である最低周波数磁束密度Ｐ１と、最高周波数の被測定電流を流した場合における磁束密度である最高周波数磁束密度Ｐ２と、を近づけてより一致させることができる。このため、周波数変化に伴う磁束密度の変化が小さい位置に、磁電変換素子１３を配設することができる。このことにより、被測定電流の周波数が変化しても精度良く電流値を測定することができる。

また、第１分流路２２ｓの厚みが第２分流路２２ｔの厚みより小さいので、第１分流路２２ｓ上の最低周波数磁束密度Ｐ１が低くなるとともに、表皮効果の影響が低減することから第１分流路２２ｓ上の最高周波数磁束密度Ｐ２のピークが第１分流路２２ｓの外側から穴部２２ａ側へスライド移動する。このことにより、第１分流路２２ｓの厚みを小さくすることで、最低周波数磁束密度Ｐ１と最高周波数磁束密度Ｐ２とが略一致する位置を、電流路２２の中央側に移動させることができる。このため、絶縁基板１９が電流路２２から大きくはみ出すことを防止できる。

また、第１分流路２２ｓの厚みが、第１分流路２２ｓに流れる高周波の被測定電流に生じる表皮効果による、表皮深さ未満なので、第１分流路２２ｓ上の磁束密度が表皮効果の影響を受けることがない。このことにより、第１分流路２２ｓ上の磁束の向きと、磁電変換素子１３の感度方向とがより一層一致し、より正確に電流値を測定することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

図１４は、本発明の第１実施形態の電流センサ１０１の変形例を説明する図であって、図１４Ａは、変形例１のモデルＡＣ１であり、図１４Ｂは、変形例２のモデルＡＣ２であり、図１４Ｃは、変形例３のモデルＡＣ３である。図１５は、本発明の第２実施形態の電流センサ１０２の変形例を説明する図であって、図１５Ａは、変形例４の電流センサＣ１０４の断面図であり、図１５Ｂは、変形例５の電流センサＣ１０５の断面図である。

＜変形例１＞＜変形例２＞＜変形例３＞
上記第１実施形態では、第１分流路１２ｓの厚みと第２分流路１２ｔの厚みを同じ厚みにしたが、図１４に示すモデル図のように、第１分流路Ｃ５２ｓ、第１分流路Ｃ６２ｓ及び第１分流路Ｃ７２ｓを第２分流路１２ｔの厚みより小さい構成にしても良い。

＜変形例４＞＜変形例５＞
上記第２実施形態では、磁電変換素子１３が、電流路２２上で穴部２２ａと第１分流路２２ｓとにまたがって配設されるように、好適に構成にしたが、図１５Ａに示すように、磁電変換素子１３が、第１分流路２２ｓの短手方向の中央近傍に配設される構成であっても良い。また、第１分流路２２ｓの厚みが小さい際には、図１５Ｂに示すように、磁電変換素子１３が、電流路２２の穴部２２ａ上に配設される構成であっても良い。

＜変形例６＞
上記実施形態では、電流路（１２、２２）に穴部（１２ａ、２２ａ）を一つ設けて、分流路が２つになるように構成したが、穴部（１２ａ、２２ａ）を複数設けて、分流路を３つ以上にする構成でも良い。

＜変形例７＞
上記実施形態では、磁電変換素子１３としてＧＭＲ素子を好適に用いたが、磁界を検知できる磁気検出素子であれば良く、ＭＲ(Magneto Resistive)素子、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistive)素子、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistive)素子、ホール素子等であっても良い。但し、ホール素子等の場合は、ＧＭＲ素子やＭＲ素子の感度軸と異なるので、使用するホール素子の感度軸に合わせて、パッケージングに工夫が必要である。

本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

１２、２２ 電流路
１２ａ、２２ａ 穴部
１２ｓ、２２ｓ、Ｃ５２ｓ、Ｃ６２ｓ、Ｃ７２ｓ 第１分流路
１２ｔ、２２ｔ 第２分流路
１３ 磁電変換素子
１０１、１０２、Ｃ１０４、Ｃ１０５ 電流センサ
Ｐ１ 最低周波数磁束密度
Ｐ２ 最高周波数磁束密度

Claims (3)

1. 扁平形状の電流路と、前記電流路上に配設され前記電流路に被測定電流が流れたときに発生する磁界を検出する磁電変換素子と、を備え、
   前記電流路には、前記被測定電流の流れる向きに沿って長い穴部が設けられており、
   前記電流路が、前記穴部によって２つに分流した第１分流路と第２分流路を形成し、
   前記第１分流路の厚みが、前記第２分流路の厚みより小さく、
   前記磁電変換素子が、前記第１分流路上に配設された電流センサにおいて、
   前記磁電変換素子の位置を、
   前記電流路に最低周波数の前記被測定電流が流れた場合における磁束密度である最低周波数磁束密度と、前記電流路に最高周波数の前記被測定電流が流れた場合における磁束密度である最高周波数磁束密度と、が一致する前記第１分流路上の位置に決定する
   ことを特徴とする電流センサの磁電変換素子の位置決定方法。
2. 前記磁電変換素子の位置を、前記第１分流路の長手方向の中央近傍に決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサの磁電変換素子の位置決定方法。
3. 前記第１分流路の厚みをＤ１、前記第１分流路の抵抗率をρ、前記第１分流路の透磁率をμ、被測定電流の周波数をｆとした場合に、
   Ｄ１＜（２ρ/２πｆμ）^１／２
   を満たす
   ことを特徴とする請求項２に記載の電流センサの磁電変換素子の位置決定方法。

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