JP6144597B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、導体に流れる電流の誘導磁界に基づいて電流を検出する電流センサに係り、特に、磁電変換素子を用いて電流を検出する電流センサに関するものである。

電流を検出する方法として、一般に、電流経路に設けた抵抗器（シャント抵抗）の電圧降下を検出する方法や、カレント・トランス（ＣＴ：current transformer）を用いる方法、磁電変換素子（ホール素子，磁気抵抗素子等）を用いる方法などが知られている。抵抗器の電圧降下を検出する方法は、直流と交流の広い周波数帯域で電流を検出できるものの、測定系と被測定系を絶縁するためにフォトカプラ等の回路を追加しなければならない。これに対し、カレント・トランスを用いる方法は、測定系と被測定系が絶縁されており、構成が比較的簡易で安価なことから、主に交流電流を扱う機器や設備において広く使用されている。

他方、ホール素子等の磁電変換素子を用いる方法は、検出対象の電流経路に発生する磁界を電圧や電気抵抗に変換することにより電流を検出するものである。この方法は、測定系と被測定系が絶縁されていることに加えて、直流と交流の広い周波数帯域で電流を検出できるなどの優れた特徴がある。

下記の特許文献１には、車載バッテリの端子に取り付けられた導電性部材（バスバー）に流れる電流を磁電変換素子によって検出するように構成された電流センサが記載されている。この電流センサは、被検出電流が流れる導電性部材を収容するスリットと、そのスリットに収容された状態の導電性部材の表面又は裏面と直交する位置に設けられた磁電変換素子及びバイアス磁石を有する。磁電変換素子及びバイアス磁石は、回路基板上に実装される。

特開２０１１−２４２３６７号公報

通常、磁電変換素子には、磁界の検出感度が最大となる感度軸が存在する。ところが、比較的感度の高い磁電変換素子（ハードバイアスを備えたＧＭＲ素子やＴＭＲ素子，磁気収束板を備えたホール素子など）の中には、この感度軸に加えて、磁界の検出感度に影響を与える軸（感度影響軸）が存在するものがある。このような高感度の磁電変換素子を用いる場合、被検出電流の誘導磁界に含まれる感度影響軸の磁界成分は、検出感度の線形性を低下させる要因となる。

図１３は、細長い板状のバスバーに流れる電流を検出する電流センサの構成の一例を示す図であり、バスバーの断面方向から見た図である。バスバー１００の電流Ｉは、紙面の表から裏の方向（Ｙ方向）に流れる。バスバー１００の周囲に描かれた点線は、バスバー１００に流れる電流Ｉによって生じる誘導磁界の磁束線を表す。磁束線は、バスバー１００の周りを囲む楕円状の閉曲線となっている。

図１３に示す電流センサは、バスバー１００の上面側と下面側に配置された２つの磁電変換素子（２００Ａ，２００Ｂ）を有する。これらの磁電変換素子（２００Ａ，２００Ｂ）は、検出感度が最大となる感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）と、これに直交した感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）をそれぞれ有する。感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）はバスバー１００の表面に対して平行な方向（Ｘ方向）を向き、感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）はバスバー１００の表面に対して垂直な方向（Ｚ方向）を向いている。

図１４は、細長い板状のバスバーに流れる電流による誘導磁界の方向をシミュレーションより求めた結果を示す図である。図１４のシミュレーション結果から分かるように、バスバー１００の幅方向の中央付近においては磁界の向きが水平に近くなり、Ｘ方向の磁界成分が支配的になる。従って、感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）をＸ方向に向けることで、誘導磁界を感度良く検出することができる。

他方、図１５は、細長い板状のバスバーに流れる電流による誘導磁界の強さをシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図１５における「Ｈｘ」，「Ｈｙ」，「Ｈｚ」は、それぞれＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の磁界成分を表す。図１５の縦軸は各磁界成分の強さを示し、横軸はＸ方向の位置［ｍｍ］を示す。横軸における２０［ｍｍ］の位置が、バスバー１００の幅方向の中央に対応する。
図１５のシミュレーション結果からも、バスバー１００の幅方向の中央付近では、Ｘ方向の磁界成分Ｈｘが他の磁界成分に比べて概ね大きいことが分かる。しかしながら、感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）と平行な磁界成分Ｈｚも、少なからず存在している。磁界成分Ｈｚは、バスバー１００の幅方向の中央（図１５の横軸における２０［ｍｍ］の位置）においてゼロになるが、この中央から離れるにつれて直線的に大きくなる。すなわち、磁界成分Ｈｚは、バスバー１００の幅方向の中央から僅かにずれた位置でも発生し、ずれが大きくなるほど直線的に増大する。

このように、図１３に示す電流センサでは、磁電変換素子（２００Ａ，２００Ｂ）の位置がバスバー１００の幅方向の中央から僅かにずれただけで、感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）に平行な磁界成分Ｈｚが現れてしまい、検出感度の線形性が低下するという問題がある。検出対象の誘導磁界に感度影響軸の成分が存在すると、磁電変換素子の後段の回路におけるゲイン調整やオフセット調整などでは、線形性の改善が困難になる。

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、被検出電流の誘導磁界に含まれる磁界成分のうち、磁電変換素子の感度影響軸と平行な磁界成分を減らすことができる電流センサを提供することにある。

本発明の第１の観点に係る電流センサは、磁界の検出感度が最大となる感度軸と、磁界の検出感度に影響を与える感度影響軸とを有する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と、被検出電流が流れる方向へ直線状に延伸し、当該延伸方向と垂直な断面が仮想的な第１の対称軸に対して線対称な形状を有する導電部材とを備える。前記導電部材は、前記第１の対称軸が通る空隙を隔てて互いに離間し、前記被検出電流の分流電流がそれぞれ同じ方向に流れる第１導電部及び第２導電部を含む。前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と平行となる姿勢で、前記空隙の外側の領域であって、前記第１の対称軸と平行な方向から見て前記空隙と重なる領域に配置される。

上記の構成によれば、前記空隙の外側の領域であって、前記第１の対称軸と平行な方向から見て前記空隙と重なる領域では、前記空隙に電流が流れていないことによって、前記空隙を通る前記第１の対称軸と平行な方向における磁界成分が小さくなる。従って、前記磁電変換素子をこの領域に配置し、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と平行となるような姿勢を持たせることによって、前記感度影響軸の磁界成分が小さくなり、検出感度の線形性の低下が効果的に抑制される。

好適に、前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と重なる位置であって、前記感度影響軸と平行な磁界成分が極小となる位置に配置されてよい。これにより、検出感度の線形性の低下がより効果的に抑制される。

好適に、前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の対称軸と平行な方向から見て、前記延伸方向における前記空隙の中央に配置されてよい。これにより、前記空隙の端部における磁界の対称性の乱れによる前記感度影響軸の磁界成分への影響が低減される。

好適に、前記延伸方向における前記第１導電部及び前記第２導電部の断面は、前記第１の対称軸と直交する第２の対称軸に対して線対称な形状をしていてもよい。この場合、上記第１の観点に係る電流センサーは、前記第１の対称軸と平行な方向において前記空隙を挟んで対向する位置に配置された一対の前記磁気抵抗効果素子と、前記一対の磁気抵抗効果素子の出力信号に基づいて電流の検出値を演算する演算部とを有してよい。

好適に、上記第１の観点に係る電流センサは、前記導電部材の前記延伸方向と直交する平面に沿って配置された回路基板を有してよい。前記回路基板は、前記導電部材の前記空隙を挟んで対向する第１腕部と第２腕部を含んでよい。前記一対の磁気抵抗効果素子の一方が前記第１腕部に取り付けられ、前記一対の磁気抵抗効果素子の他方が前記第２腕部に取り付けられてもよい。これにより、前記一対の磁気抵抗効果素子の相対的な位置決めの精度が向上する。

好適に、上記第１の観点に係る電流センサは、前記一対の磁気抵抗効果素子を挟んで対向する位置に配置された一対の磁気シールドを有してよい。これにより、外来磁界の検出精度への影響が緩和される。

好適に、前記第１導電部及び前記第２導電部は、前記延伸方向と垂直な断面が矩形形状を有してよい。この場合、前記空隙を形成する前記第１導電部の一側面と前記第２導電部の一側面とが互いに平行でもよい。

本発明の第２の観点に係る電流センサは、磁界の検出感度が最大となる感度軸と、磁界の検出感度に影響を与える感度影響軸とを有する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と、
被検出電流が流れる方向へ直線状に延伸し、当該延伸方向と垂直な断面が仮想的な第１の対称軸に対して線対称な形状を有する導電部材とを備える。前記導電部材は、前記第１の対称軸が通り、当該第１の対称軸の方向に凹んだ溝を有する。前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と平行となる姿勢で、前記溝の外側の領域であって、前記第１の対称軸と平行な方向から見て前記溝と重なる領域に配置される。

上記の構成によれば、前記溝の外側の領域であって、前記第１の対称軸と平行な方向から見て前記溝と重なる領域では、前記溝の空間に電流が流れていないことによって、前記溝を通る前記第１の対称軸と平行な方向における磁界成分が小さくなる。従って、前記磁電変換素子をこの領域に配置し、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と平行となるような姿勢を持たせることによって、前記感度影響軸の磁界成分が小さくなり、検出感度の線形性の低下が効果的に抑制される。

好適に、前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と重なる位置であって、前記感度影響軸と平行な磁界成分が極小となる位置に配置されてよい。これにより、検出感度の線形性の低下がより効果的に抑制される。

好適、前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の対称軸と平行な方向から見て、前記溝の前記延伸方向における中央に配置されてよい。これにより、前記空隙の端部における磁界の対称性の乱れによる前記感度影響軸の磁界成分への影響が低減される。

好適に、前記延伸方向における前記導電部材の断面は、前記第１の対称軸と直交する第２の対称軸に対して線対称な形状をしていてもよい。この場合、前記導電部材は、前記延伸方向に延びた一対の前記溝を有してよい。上記第２の観点に係る電流センサは、前記第１の対称軸と平行な方向において前記一対の溝を挟んで対向する位置に配置された一対の前記磁気抵抗効果素子と、前記一対の磁気抵抗効果素子の出力信号に基づいて電流の検出値を演算する演算部とを有してよい。

好適に、上記第２の観点に係る電流センサは、前記導電部材の前記延伸方向と直交する平面に沿って配置された回路基板を有してよい。前記回路基板は、前記一対の溝を挟んで対向する第１腕部と第２腕部を含んでよい。前記一対の磁気抵抗効果素子の一方が前記第１腕部に取り付けられ、前記一対の磁気抵抗効果素子の他方が前記第２腕部に取り付けられてよい。これにより、前記一対の磁気抵抗効果素子の相対的な位置決めの精度が向上する。

好適に、上記第２の観点に係る電流センサは、前記一対の磁気抵抗効果素子を挟んで対向する位置に配置された一対の磁気シールドを有してよい。これにより、外来磁界の検出精度への影響が緩和される。

好適に、前記溝は、前記延伸方向と垂直な断面が矩形状若しくは台形状に形成されてよい。
好適に、前記磁気抵抗効果素子は、前記被検出電流により生じる磁束線が平らになる位置に配置されてよい。

本発明によれば、被検出電流の誘導磁界に含まれる磁界成分のうち、磁電変換素子の感度影響軸と平行な磁界成分を減らすことができる。

本発明の第１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り、導電部材の延伸方向に対して垂直な方向から見た図である。 本発明の第１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り、図１のＹ１−Ｙ１線における断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電流センサの回路構成の一例を示す図である。 本発明の第１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り、磁電変換素子が実装される回路基板と磁気シールドを導電部材とともに図解した図である。 図１に示す電流センサにおける誘導磁界の方向をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。 図１に示す電流センサにおける誘導磁界の強さをシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る電流センサの一変形例を示す図である。 本発明の第２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り、導電部材の延伸方向に対して垂直な方向から見た図である。 本発明の第２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り、図８のＹ２−Ｙ２線における断面図である。 本発明の第２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り、磁電変換素子が実装される回路基板と磁気シールドを導電部材とともに図解した図である。 図８に示す電流センサにおける誘導磁界の方向をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。 図８に示す電流センサにおける誘導磁界の強さをシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。 細長い板状のバスバーに流れる電流を検出する電流センサの構成の一例を示す図であり、バスバーの断面方向から見た図である。 細長い板状のバスバーに流れる電流による誘導磁界の方向をシミュレーションより求めた結果を示す図である。 細長い板状のバスバーに流れる電流による誘導磁界の強さをシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電流センサ１の構成の一例を示す図であり、導電部材１０の延伸方向に対して垂直な方向から見た図である。図２は、図１に示す電流センサ１のＹ１−Ｙ１線における断面図である。
本実施形態に係る電流センサ１は、被検出電流が流れる導電部材１０と、その導電部材１０に流れる被検出電流による誘導磁界を検出する磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂを有する。

導電部材１０は、直線状に（真っ直ぐに）延伸しており、その延伸方向に被検出電流が流れる。図１の例において、導電部材１０は紙面の縦方向（Ｙ方向）に伸び、被検出電流もこれと同じ方向に流れる。

導電部材１０の延伸方向と垂直な断面は、図２における第１の対称軸Ｌ１及び第２の対称軸Ｌ２に対して線対称な形状を有する。第１の対称軸Ｌ１は図２の紙面の縦方向（Ｚ方向）に伸び、第２の対称軸Ｌ２は図２の紙面の横方向（Ｘ方向）に伸びる。図２において、導電部材１０の被検出電流は、紙面の表から裏の方向（Ｙ方向）へ流れる。

図２に示すように、被検出電流が流れる方向と垂直な導電部材１０の断面が線対称な形状を有していることから、この断面を囲む被検出電流の磁束線も、導電部材１０の断面と同様に、第１の対称軸Ｌ１及び第２の対称軸Ｌ２に対して線対称な形状を持った閉曲線となる。

また、導電部材１０は、空隙５を隔てて互いに離間した第１導体部１１及び第２導体部１２を有する。この空隙５には、上述した第１の対称軸Ｌ１が通る。そのため、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）と垂直な第１導体部１１及び第２導体部１２の断面は、図２に示すように、第１の対称軸Ｌ１に関して対称な形状を有する。

また、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）と垂直な第１導体部１１及び第２導体部１２の断面は、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）の各位置において一様である。すなわち、第１導体部１１及び第２導体部１２が形成される領域ＡＲ１（図１）の任意の位置において、Ｙ方向に垂直な断面が同一となっている。

導電部材１０に流れる被検出電流は、第１導体部１１と第２導体部１２に分流する。第１導体部１１には分流電流Ｉ１１が流れ、第２導体部１２には分流電流Ｉ１２が流れる。第１導体部１１及び第２導体部１２は同一の導電材料によって形成されており、また、上記のように互いに対称な形状を有することから、第１導体部１１の分流電流Ｉ１１と第２導体部１２の分流電流Ｉ１２は略同じになる。

分流電流Ｉ１１，Ｉ１２によって生じる磁束線は、図２の点線で示すように、空隙５の中央を通る第１の対称軸Ｌ１に対して対称な形状を持った閉曲線となる。空隙５には電流が流れていないため、空隙５の付近で磁界は弱くなる。第１導体部１１，第２導体部１２に近接した磁束線は、例えば図２に示すように空隙５を貫通し、第１導体部１１，第２導体部１２を個別に囲む閉曲線となる。第１導体部１１，第２導体部１２からやや離れると、磁束線は空隙５を貫通せず、第１導体部１１，第２導体部１２の両方を囲む閉曲線となる。ただし、空隙５の付近の磁界が弱いため、磁束線は空隙５に近づく方向へ凹んだ閉曲線となる。第１導体部１１，第２導体部１２から離れるにつれて、空隙５の方向への磁束線の凹みは小さくなり、第１導体部１１，第２導体部１２からある距離を隔てたところで、磁束線は略平らになる。磁束線が平らになるということは、空隙５を通る第１の対称軸Ｌ１と平行な方向（Ｚ方向）における磁界成分が極小になることを意味する。

図２の例において第１導体部１１及び第２導体部１２は、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）と垂直な断面が矩形形状を有している。また、空隙５を形成する第１導体部１１の一側面５１と第２導体部１２の一側面５２は、互いに平行になっている。このような導電部材１０の形状は、例えば細長い板状の導電板の中央に、打ち抜き加工によって穴を開けることで簡単に形成できる。

磁電変換素子２０Ａ，３０Ｂは、被検出電流の誘導磁界に応じた抵抗や電圧などの変化を検出信号として出力する素子であり、例えばＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などの磁気抵抗変換素子を含んで構成される。磁電変換素子２０Ａ，３０Ｂは、磁界の検出感度が最大となる感度軸に加えて、磁界の検出感度に影響を与える感度影響軸を有する。磁電変換素子２０Ａは、互いに直交する感度軸Ｓ１Ａと感度影響軸Ｓ２Ａを有する。磁電変換素子２０Ｂは、互いに直交する感度軸Ｓ１Ｂと感度影響軸Ｓ２Ｂを有する。

例えば、ハードバイアス層を備えるＧＭＲ素子やＴＭＲ素子などの磁気抵抗変化素子では、ハードバイアス層のバイアス磁界によって、強磁性固定層（ＰＩＮ）の磁化方向に対する磁化自由層の磁化方向の向きを一定方向にバイアスする。これにより、磁界に応じて抵抗値が線形に変化する範囲を広げることができる。このバイアス磁界と同じ方向が、感度影響軸に相当する。バイアス磁界と同じ方向に磁界が加わると、実質的にバイアス磁界が変動することになるため、検出感度の線形性が低下する。バイアス磁界による感度影響軸は、一般に感度軸と直交する。
また、感度の高い磁電変換素子には、感度軸と直交する軸において感度軸より相対的に弱い検出感度を有するものがある。このような感度の弱い軸（副感度軸と呼ばれる場合がある。）も、検出感度に影響を与える軸となる。

磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、空隙５の外側の領域であって、第１の対称軸Ｌ１と平行な方向から見て空隙５と重なる領域に配置される。この領域は、空隙５に電流が流れていないことによって、空隙５を通る第１の対称軸Ｌ１と平行な方向における磁界成分（Ｚ方向の磁界成分）が小さくなっている。磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、この領域において感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂが第１の対称軸Ｌ１（Ｚ方向）と平行となる姿勢で配置される。これにより、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分が小さくなるため、検出感度の線形性の低下を抑えることができる。

また、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂが第１の対称軸Ｌ１と重なる位置であって、第１の対称軸Ｌ１と平行な磁界成分（Ｚ方向の磁界成分）が極小となる位置に配置される。すなわち、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、第１の対称軸Ｌ１の上であって、第１導体部１１，第２導体部１２から適度な距離を隔てたところにそれぞれ配置される。この位置に磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂを配置することで、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分を極小にすることができる。

更に、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、第１の対称軸Ｌ１と平行な方向（Ｚ方向）から見て、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）における空隙５の中央（図１における領域ＡＲ１の中央）に配置される。空隙５の端部付近では、Ｙ方向の磁界の対称性が乱れているため、Ｚ方向の磁界成分が生じ易くなっている。空隙５の両端部から最も離れた空隙５の中央では、この対称性の乱れによる影響が緩和されるため、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂと平行なＺ方向の磁界成分が抑えられる。従って、この位置に感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを配置することで、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分をより小さくすることができる。

磁電変換素子２０Ａと磁電変換素子２０Ｂは、導電部材１０の空隙５を挟んで対向する位置に配置される。例えば図２に示すように、共通の第１の対称軸Ｌ１の上であって、第１導体部１１及び第２導体部１２から略等しい距離だけ離れた位置に配置される。第１導体部１１及び第２導体部１２の断面は第２の対称軸Ｌ２に対して線対称な形状を有しているため、磁電変換素子２０Ａと磁電変換素子２０Ｂにおける被検出電流の誘導磁界の大きさは略等しくなる。

図２の例において、磁電変換素子２０Ａの感度軸Ｓ１Ａと磁電変換素子２０Ｂの感度軸Ｓ１Ｂは同一方向（Ｘ方向）を向いており、磁電変換素子２０Ａの感度影響軸Ｓ２Ａと磁電変換素子２０Ｂの感度影響軸Ｓ２Ｂも同一方向（Ｚ方向）を向いている。そのため、２つの磁電変換素子（２０Ａ，２０Ｂ）の感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）に作用する被検出電流の誘導磁界は互いに逆方向となり、これらの感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）に作用する被検出電流の誘導磁界も互いに逆方向となる。従って、被検出電流の誘導磁界による磁電変換素子２０Ａ及び磁電変換素子２０Ｂの検出信号は、感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）について逆の極性となり、感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）についても逆の極性となる。

図３は、本実施形態に係る電流センサ１の回路構成の一例を示す図である。
本実施形態に係る電流センサ１は、一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂの出力信号に基づいて電流の検出値を演算する演算部５０を有する。この演算部５０は、図２に示すように感度軸Ｓ１Ａ及び感度軸Ｓ１Ｂが同一方向かつ感度影響軸Ｓ２Ａ及び感度影響軸Ｓ２Ａが同一方向の場合、一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂの出力信号の差に応じて電流の検出値を演算する。これにより、一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂにおいて互いに逆の極性を有する誘導磁界の検出信号が、差の演算によって足し合わされる。また、被検出電流とは無関係な外来磁界によって一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂに生じる検出信号は、被検出電流の誘導磁界の場合と異なり同一の極性を持つことから、演算部５０の差の演算によってキャンセルすることができる。

図４は、本実施形態に係る電流センサの構成の一例を示す図であり、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂが実装される回路基板３０と磁気シールド４０Ａ，４０Ｂを導電部材１０とともに図解した図である。
本実施形態に係る電流センサ１は、例えば図４において示すように、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）と直交する平面に沿って配置された回路基板３０を有する。この回路基板３０は、導電部材１０の空隙５を挟んで対向する第１腕部３１と第２腕部３２を備える。磁電変換素子２０Ａは第１腕部３１に取り付けられ、磁電変換素子２０Ｂは第２腕部３２に取り付けられる。このように、一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂを共通の回路基板３０上に取り付けることで、両者を高い精度で位置決めすることが可能となり、位置ずれによる検出精度の低下を抑えることができる。

また、本実施形態に係る電流センサ１は、例えば図４において示すように、一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂを挟んで対向する位置に配置された一対の磁気シールド４０Ａ，４０Ｂを有する。導電部材１０及び一対の磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂの外側に磁気シールド４０Ａ，４０Ｂを設けることによって、外来磁界の影響を効果的に低減することができる。

図５は、電流センサ１における誘導磁界の方向をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。図５と図１４を比較すると、図５に示すシミュレーション結果の方が、導電部材１０の幅方向中央付近における磁界の向きが水平に近くなっている。

図６は、電流センサ１における誘導磁界の強さをシミュレーションにより求めた結果の一例を示すグラフである。図６における「Ｈｘ」，「Ｈｙ」，「Ｈｚ」は、それぞれＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向の磁界成分を表す。図６の縦軸は各磁界成分の強さを示し、横軸はＸ方向の位置［ｍｍ］を示す。横軸における２０［ｍｍ］の位置が、導電部材１０の幅方向の中央に対応する。
図６と図１５を比較すると、図６のシミュレーション結果では、導電部材１０の幅方向の中央付近（横軸における２０［ｍｍ］付近）においてＺ方向の磁界成分Ｈｚが略ゼロになっており、このゼロの範囲が幅方向の中央付近において２ｍｍ程度も存在している。すなわち、Ｚ方向の磁界成分Ｈｚが極小になる範囲が、従来に比べて格段に広くなっている。

以上説明したように、本実施形態に係る電流センサ１において、導電部材１０は、被検出電流の流れる方向へ直線状に延伸しており、その延伸方向に対して垂直な断面が線対称な形状を有している。また、導電部材１０は、第１の対称軸Ｌ１が通る空隙５を隔てて互いに離間した第１導体部１１及び第１導体部１１を有しており、被検出電流の分流電流が第１導体部１１及び第１導体部１１のそれぞれに同じ方向へ流れている。そのため、空隙５の外側の領域であって、第１の対称軸Ｌ１と平行な方向から見て空隙５と重なる領域では、空隙５に電流が流れていないことによって、空隙５を通る第１の対称軸Ｌ１と平行な方向における磁界成分（Ｚ方向の磁界成分）が小さくなる。従って、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂをこの領域に配置し、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂが第１の対称軸Ｌ１（Ｚ方向）と平行となるような姿勢を持たせることによって、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分が小さくなり、検出感度の線形性の低下を効果的に抑制することが可能となる。

なお、上記の実施形態では、導電部材１０に１つの空隙５を形成して２本の導体部（１１，１２）に被検出電流を分流させているが、空隙の数は更に多くてもよい。図７は、本実施形態に係る電流センサの一変形例を示す図であり、３つの空隙（５，６，７）が設けられた導電部材１０Ａを有する電流センサ１Ａを示す。図７に示す導電部材１０Ａは、図１に示す導電部材１０の空隙５の両側に空隙６，７を設けたものである。導電部材１０Ａにおける第１導体部１１は、空隙６により隔てられた２つの導体部１０１及び１０２を含む。導電部材１０Ａにおける第２導体部１２は、空隙７により隔てられた２つの導体部１０３，１０４を含む。これらの導体部により、被検出電流は４つの電流（Ｉ１０１，Ｉ１０２，Ｉ１０３，Ｉ１０４）に分流する。上記のような導電部材１０Ａを有する電流センサ１Ａにおいても、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分を低減でき、電流センサ１と同様な効果を奏することが可能である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る電流センサについて説明する。
上述した第１の実施形態に係る電流センサにおいては、導電部材に空隙を形成することによって感度影響軸の磁界成分が小さくなる領域が形成されるが、本実施形態に係る電流センサにおいては、導電部材に溝を形成することによって感度影響軸の磁界成分が小さくなる領域が形成される。

図８は、第２の実施形態に係る電流センサ１Ｂの構成の一例を示す図であり、導電部材１０Ｂの延伸方向に対して垂直な方向から見た図である。図９は、第２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り、図８のＹ２−Ｙ２線における断面図である。図１０は、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂが実装される回路基板３０と磁気シールド４０Ａ，４０Ｂを導電部材１０Ｂとともに図解した図である。
本実施形態に係る電流センサ１Ｂは、被検出電流が流れる導電部材１０Ｂと、その導電部材１０Ｂに流れる被検出電流による誘導磁界を検出する磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂと、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂの出力信号を処理する演算部５０と、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂが実装される回路基板３０と、磁気シールド４０Ａ，４０Ｂを有する。磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂ、演算部５０、回路基板３０及び磁気シールド４０Ａ，４０Ｂは、既に説明した第１の実施形態に係る電流センサ１と同じものであるため、説明を割愛する。

導電部材１０Ｂは、直線状に（真っ直ぐに）延伸しており、その延伸方向に被検出電流が流れる。図８の例において、導電部材１０は紙面の縦方向（Ｙ方向）に伸び、被検出電流もこれと同じ方向に流れる。

導電部材１０の延伸方向と垂直な断面は、図９における第１の対称軸Ｌ１及び第２の対称軸Ｌ２に対して対称な形状を有する。第１の対称軸Ｌ１は図９の紙面の縦方向（Ｚ方向）に伸び、第２の対称軸Ｌ２は図９の紙面の横方向（Ｘ方向）に伸びる。図９において、導電部材１０Ｂの被検出電流は、紙面の表から裏の方向（Ｙ方向）へ流れる。

図９に示すように、被検出電流が流れる方向と垂直な導電部材１０Ｂの断面が線対称な形状を有していることから、この断面を囲む被検出電流の磁束線も、導電部材１０Ｂの断面と同様に、第１の対称軸Ｌ１及び第２の対称軸Ｌ２に対して線対称な形状を持った閉曲線となる。

また、導電部材１０Ｂは、その表面において第１の対称軸Ｌ１の方向に凹んだ一対の溝１３Ａ，１３Ｂを有する。図９の例において、導電部材１０Ｂは細長い板状の部材であり、溝１３Ａ，１３Ｂは、板状部材の延伸方向（Ｙ方向）と垂直な断面が矩形形状を有している。この溝１３Ａ，１３Ｂには、上述した第１の対称軸Ｌ１が通る。そのため、導電部材１０の延伸方向（Ｙ方向）と垂直な溝１３Ａ，１３Ｂの断面は、図９に示すように、第１の対称軸Ｌ１に関して対称な形状を有する。また、溝１３Ａと溝１３Ｂの端面は、第２の対称軸Ｌ２に対しても対称な形状を有する。

溝１３Ａ，１３Ｂが形成される領域ＡＲ２において導電部材１０Ｂの延伸方向（Ｙ方向）と垂直な断面は、導電部材１０Ｂの延伸方向（Ｙ方向）の各位置において一様である。すなわち、溝１３Ａ，１３Ｂが形成される領域ＡＲ１（図１）の任意の位置において、Ｙ方向に垂直な断面が同一となっている。

導電部材１０Ｂに流れる被検出電流によって生じる磁束線は、図９の点線で示すように、溝１３Ａ，１３Ｂの中央を通る第１の対称軸Ｌ１に対して対称な形状を持った閉曲線となる。溝１３Ａ，１３Ｂの空間には電流が流れていないため、溝１３Ａ，１３Ｂの付近で磁界は弱くなる。そのため、導電部材１０Ｂを囲む磁束線は、溝１３Ａ，１３Ｂに近づく方向へ凹んだ閉曲線となる。導電部材１０Ｂから離れるにつれて、溝１３Ａ，１３Ｂの方向への磁束線の凹みは小さくなり、導電部材１０Ｂからある距離を隔てたところで、磁束線は略平らになる。磁束線が平らになるということは、溝１３Ａ，１３Ｂを通る第１の対称軸Ｌ１と平行な方向（Ｚ方向）における磁界成分が極小になることを意味する。

磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、溝１３Ａ，１３Ｂの外側の領域であって、第１の対称軸Ｌ１と平行な方向から見て溝１３Ａ，１３Ｂと重なる領域に配置される。この領域は、溝１３Ａ，１３Ｂの空間に電流が流れていないことによって、溝１３Ａ，１３Ｂを通る第１の対称軸Ｌ１と平行な方向における磁界成分（Ｚ方向の磁界成分）が小さくなっている。磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、この領域において感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂが第１の対称軸Ｌ１（Ｚ方向）と平行となる姿勢で配置される。これにより、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分が小さくなるため、検出感度の線形性の低下を抑えることができる

磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂが第１の対称軸Ｌ１と重なる位置であって、第１の対称軸Ｌ１と平行な磁界成分（Ｚ方向の磁界成分）が極小となる位置に配置される。すなわち、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、第１の対称軸Ｌ１の上であって、導電部材１０Ｂから適度な距離を隔てたところにそれぞれ配置される。この位置に磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂを配置することで、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分を極小にすることができる。

更に、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、第１の対称軸Ｌ１と平行な方向（Ｚ方向）から見て、導電部材１０Ｂの延伸方向（Ｙ方向）における溝１３Ａ，１３Ｂの中央（図８における領域ＡＲ２の中央）に配置される。溝１３Ａ，１３Ｂの端部付近では、Ｙ方向の磁界の対称性が乱れているため、Ｚ方向の磁界成分が生じ易くなっている。溝１３Ａ，１３Ｂの両端部から最も離れた溝１３Ａ，１３Ｂの中央では、この対称性の乱れによる影響が緩和されるため、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂと平行なＺ方向の磁界成分が抑えられる。従って、この位置に感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂを配置することで、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分をより小さくすることができる。

磁電変換素子２０Ａと磁電変換素子２０Ｂは、導電部材１０Ｂの溝１３Ａ，１３Ｂを挟んで対向する位置に配置される。例えば図９に示すように、共通の第１の対称軸Ｌ１の上であって、導電部材１０Ｂから略等しい距離だけ離れた位置に配置される。導電部材１０Ｂの断面は第２の対称軸Ｌ２において線対称な形状を有しているため、磁電変換素子２０Ａと磁電変換素子２０Ｂにおける被検出電流の誘導磁界の大きさは略等しくなる。

図１１は、電流センサ１Ｂにおける誘導磁界の方向をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。図１１と図１４を比較すると、図１１に示すシミュレーション結果の方が、導電部材１０Ｂの幅方向中央付近における磁界の向きが水平に近くなっている。

図１２は、電流センサ１における誘導磁界の強さをシミュレーションにより求めた結果の一例を示すグラフである。図６に示すシミュレーション結果と同様に、横軸における２０［ｍｍ］の位置が導電部材１０Ｂの幅方向の中央に対応する。
図１２と図１５を比較すると、図１２のシミュレーション結果では、導電部材１０の幅方向の中央付近においてＺ方向の磁界成分Ｈｚが略ゼロになっており、このゼロの範囲が幅方向の中央付近において１ｍｍ程度存在している。すなわち、Ｚ方向の磁界成分Ｈｚが極小になる範囲が、従来に比べて格段に広くなっている。

以上説明したように、本実施形態に係る電流センサ１Ｂにおいて、導電部材１０Ｂは、被検出電流の流れる方向へ直線状に延伸しており、その延伸方向に対して垂直な断面が線対称な形状を有している。また導電部材１０Ｂの表面には、第１の対称軸Ｌ１が通る溝１３Ａ，１３Ｂが設けられている。そのため、溝１３Ａ，１３Ｂの外側の領域であって、第１の対称軸Ｌ１と平行な方向から見て溝１３Ａ，１３Ｂと重なる領域では、溝１３Ａ，１３Ｂの空間に電流が流れていないことによって、溝１３Ａ，１３Ｂを通る第１の対称軸Ｌ１と平行な方向における磁界成分（Ｚ方向の磁界成分）が小さくなる。従って、磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂをこの領域に配置し、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂが第１の対称軸Ｌ１（Ｚ方向）と平行となるような姿勢を持たせることによって、感度影響軸Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの磁界成分が小さくなり、検出感度の線形性の低下を効果的に抑制することが可能となる。

以上、本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。

上述した実施形態では、２つの磁電変換素子（２０Ａ，２０Ｂ）の感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）が同一方向を向き、これらの感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）も同一方向を向く例を挙げているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、２つの磁電変換素子（２０Ａ，２０Ｂ）の感度軸（Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ）が逆方向を向き、これらの感度影響軸（Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ）も逆方向を向くようにしてよい。この場合、演算部５０は、２つの磁電変換素子（２０Ａ，２０Ｂ）の出力信号の和に応じて電流の検出値を演算する。これにより、被検出電流に応じた検出値が得られるとともに、外来磁界による検出値の誤差を和の演算によってキャンセルできる。

上述した実施形態では、２つの磁電変換素子２０Ａ，２０Ｂを用いて電流センサを構成する例を挙げたが、磁電変換素子の数は１つでもよいし、３以上でもよい。

上述した実施形態では、溝１３Ａ，１３Ｂが矩形であったが、台形でも良い。

１，１Ａ，１Ｂ…電流センサ、１０，１０Ａ，１０Ｂ…導電部材、１１…第１導電部、１２…第２導電部、５，６，７…空隙、１３Ａ，１３Ｂ…溝、２０Ａ，２０Ｂ…磁電変換素子、３０…回路基板、３１…第１腕部、３２…第２腕部、４０Ａ，４０Ｂ…磁気シールド、５０…演算部、Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ…感度軸、Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ…感度影響軸、Ｌ１…第１の対称軸、Ｌ２…第２の対称軸。

Claims (15)

1. 磁界の検出感度が最大となる感度軸と、磁界の検出感度に影響を与える感度影響軸とを有する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と、
   被検出電流が流れる方向へ直線状に延伸し、当該延伸方向と垂直な断面が仮想的な第１の対称軸に対して線対称な形状を有する導電部材と
   を備え、
   前記導電部材は、前記第１の対称軸が通る空隙を隔てて互いに離間し、前記被検出電流の分流電流がそれぞれ同じ方向に流れる第１導電部及び第２導電部を含み、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と平行となる姿勢で、前記空隙の外側の領域であって、前記第１の対称軸と平行な方向から見て前記空隙と重なる領域に配置される
   ことを特徴とする電流センサ。
2. 前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と重なる位置であって、前記感度影響軸と平行な磁界成分が極小となる位置に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の対称軸と平行な方向から見て、前記延伸方向における前記空隙の中央に配置される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流センサ。
4. 前記延伸方向における前記第１導電部及び前記第２導電部の断面は、前記第１の対称軸と直交する第２の対称軸に対して線対称な形状をしており、
   前記第１の対称軸と平行な方向において前記空隙を挟んで対向する位置に配置された一対の前記磁気抵抗効果素子と、
   前記一対の磁気抵抗効果素子の出力信号に基づいて電流の検出値を演算する演算部とを有する
   ことを特徴する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電流センサ。
5. 前記導電部材の前記延伸方向と直交する平面に沿って配置された回路基板を有し、
   前記回路基板は、前記導電部材の前記空隙を挟んで対向する第１腕部と第２腕部を含み、
   前記一対の磁気抵抗効果素子の一方が前記第１腕部に取り付けられ、
   前記一対の磁気抵抗効果素子の他方が前記第２腕部に取り付けられる
   ことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記一対の磁気抵抗効果素子を挟んで対向する位置に配置された一対の磁気シールドを有する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の電流センサ。
7. 前記第１導電部及び前記第２導電部は、前記延伸方向と垂直な断面が矩形形状を有し、
   前記空隙を形成する前記第１導電部の一側面と前記第２導電部の一側面とが互いに平行である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電流センサ。
8. 磁界の検出感度が最大となる感度軸と、磁界の検出感度に影響を与える感度影響軸とを有する少なくとも１つの磁気抵抗効果素子と、
   被検出電流が流れる方向へ直線状に延伸し、当該延伸方向と垂直な断面が仮想的な第１の対称軸に対して線対称な形状を有する導電部材と
   を備え、
   前記導電部材は、前記第１の対称軸が通り、当該第１の対称軸の方向に凹んだ溝を有し、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と平行となる姿勢で、前記溝の外側の領域であって、前記第１の対称軸と平行な方向から見て前記溝と重なる領域に配置される
   ことを特徴とする電流センサ。
9. 前記磁気抵抗効果素子は、前記感度影響軸が前記第１の対称軸と重なる位置であって、前記感度影響軸と平行な磁界成分が極小となる位置に配置される
   ことを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
10. 前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の対称軸と平行な方向から見て、前記溝の前記延伸方向における中央に配置される
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の電流センサ。
11. 前記延伸方向における前記導電部材の断面は、前記第１の対称軸と直交する第２の対称軸に対して線対称な形状をしており、
    前記導電部材は、前記延伸方向に延びた一対の前記溝を有しており、
    前記第１の対称軸と平行な方向において前記一対の溝を挟んで対向する位置に配置された一対の前記磁気抵抗効果素子と、
    前記一対の磁気抵抗効果素子の出力信号に基づいて電流の検出値を演算する演算部とを有する
    ことを特徴する請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の電流センサ。
12. 前記導電部材の前記延伸方向と直交する平面に沿って配置された回路基板を有し、
    前記回路基板は、前記一対の溝を挟んで対向する第１腕部と第２腕部を含み、
    前記一対の磁気抵抗効果素子の一方が前記第１腕部に取り付けられ、
    前記一対の磁気抵抗効果素子の他方が前記第２腕部に取り付けられる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電流センサ。
13. 前記一対の磁気抵抗効果素子を挟んで対向する位置に配置された一対の磁気シールドを有する
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の電流センサ。
14. 前記溝は、前記延伸方向と垂直な断面が矩形状若しくは台形状に形成される、
    ことを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の電流センサ。
15. 前記磁気抵抗効果素子は、前記被検出電流により生じる磁束線が平らになる位置に配置される
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電流センサ。