JP6190835B2 - 電流センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流センサ装置に関し、特に、磁気検出素子を用いたコアレス型の電流センサ装置に関する。

電流センサ装置は、一般に自動車のバッテリー電源などの電流を測定するために用いられる。電流経路（以下「バスバー」と称する。）などの電力線に流れる電流を検出する電流検出装置としては、バスバーを周方向に囲むように設けられた集磁コアによって、バスバーに流れる電流に応じて、その周囲に発生する磁束を集磁し、この集磁された磁束をホール素子などの磁気検出素子によって検出することにより電流を検出する電流検出装置が知られている。

一方、集磁コアを用いずに磁束を直接検出してバスバーに流れる電流を検出するコアレス型の電流センサ装置も提案されている。このようなコアレス型の電流センサ装置によれば、部品点数を削減できることから装置を小型化することができ、また、一般的に高価な電磁鋼からなる集磁コアが不要となるため装置の低コスト化が可能となる。

しかしながら、単純に、集磁コアを用いないコアレス型の電流センサ装置をバスバーの電流検出に用いても、他のバスバー（たとえば、隣接する他相のバスバー）などから発生する磁束を捕捉してその影響を受けることとなり、正確に電流を検出することはできない。

特許文献１は、磁束を検出することにより電流を検出するパワー半導体素子を外部から磁気的に遮蔽する磁気遮蔽材を備える電流センサ装置を開示する。
この電流センサ装置によれば、パワー半導体素子を囲うように配設される磁気遮蔽材を備えるので、外部からの磁気ノイズの影響が低減される。

特開２００６−３８６４０号公報

図１は、従来の単層の磁気シールド構造を有する電流センサ装置の模式的な断面図である。図１に示すように、電流センサ装置１は、検出対象となるバスバー１５上に設けられた、例えばホール素子などの磁気検出素子（ＩＣ）１１を備えている。さらに、磁気検出素子１１の外側に、磁気検出素子１１に対する外部からの磁束を遮蔽する磁気シールド部２１を有している。磁気シールド部２１は、高い比透磁率μを有する材料から構成されている。

したがって、電流センサ装置１に外部磁場が加えられても、比透磁率μの高い磁気シールド部２１に磁束３１が誘導され、磁気検出素子１１への外部磁場の影響を低減することができる。図１に示す単層の磁気シールド部を有する構造では、磁気シールド部２１を構成する磁気遮蔽材として、パーマロイなどの高比透磁率材を用いる。
しかしながら、高比透磁率材からなる磁気遮蔽材は、比較的高価であるため、電流センサ装置のコストが高くなってしまうという課題がある。
また、比透磁率がパーマロイよりも低い純鉄や珪素鋼板で磁気遮蔽をする場合、磁気遮蔽材の厚みを厚くして磁気遮蔽をする必要があり、厚くなる分大型になり、製造も容易でなく、高価になるという課題がある。
本発明は、外部磁場による電流検出の誤動作を避けつつコスト削減を行うことができる電流センサ装置を提供することを目的とする。また、磁気遮蔽材を薄くして、電流センサ装置を小型化することを目的とする。

本発明の一観点によれば、コアレス型の電流センサ装置であって、電流経路から発生する磁束を検知する磁気検出素子と、前記磁気検出素子の周囲に設けられ、前記磁気検出素子に対する外部からの磁束（外部磁界）を遮蔽する磁気シールド部と、を有し、前記磁気シールド部は、第１の比透磁率を有する第１の磁気シールド材からなる第１の磁気シールド部と、前記第１の比透磁率とは異なる第２の比透磁率を有する第２の磁気シールド材からなる第２の磁気シールド部と、を有することを特徴とする電流センサ装置が提供される。異なる比透磁率を有する第１の磁気シールド部と、第２の磁気シールド部と、を設けることで、良好な磁気シールド効果を得ることができる。
前記第２の比透磁率は、前記第１の比透磁率よりも低く、前記第２の磁気シールド部は、前記第１の磁気シールド部の外側に配置されていることが好ましい。前記第１の磁気シールド部と前記第２の磁気シールド部とが、各々略Ｕ字形状を有し、略Ｕ字形状の前記第２の磁気シールド部の凹部に略Ｕ字形状の前記第１の磁気シールド部が連設されていることが好ましい。
前記第２の比透磁率は、前記第１の比透磁率よりも低く、前記第２の磁気シールド部と前記第１の磁気シールド部とが直列に接続されているようにしても良い。この際に、前記第１の磁気シールド部が前記磁気検出素子の感磁面と略対向し、前記第２の磁気シールド部が、前記感磁面と略垂直であるようにすると良い。

ここで、２つの前記第１の磁気シールド部と、前記２つの第１の磁気シールド部を接合する少なくとも１つの前記第２の磁気シールド部を有し、一方の前記第１の磁気シールド部に入力された磁束が、前記第２の磁気シールド部を通って、もう一方の前記第１の磁気シールド部を通って外部に出力されることが好ましい。
また、所望の磁気シールド効果を得るためのパラメータを、以下の式に基づいて決めることができる。
Ｅ（ｔｏｔａｌ）＝Ｅ_１×Ｅ_２＝｛（μ_１×ｄ_１）／Ｓ_１｝×｛（μ_２×ｄ_２）／Ｓ_２｝
前記磁気シールド部は、前記磁気検出素子の感磁面と略垂直な方向に設けられた開口を有することが好ましい。前記電流経路は、前記磁気検出素子の前記開口とは反対側に配置されるようにすると良い。
前記第２の磁気シールド材は、磁性材と樹脂材とを含む材料で形成されるようにしても良い。
前記第１の比透磁率は、約３０００以上である。

本発明によれば、電流センサ装置において、外部磁場による電流検出の誤動作を抑制しつつ製造コストを削減することができる。

単層の磁気シールド構造を有する従来の電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。 図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による２層の磁気シールド構造を有する電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。図２（ｂ）はその斜視図である。図２（ｃ）は図２（ａ）とは異なる構成例を示す断面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、コアレス型の電流センサ装置における２重シールドコアによるシールド効果を見積もるためのシミュレーションモデルを示す図である。 ＰＢの厚さを０.３５ｍｍで一定とした場合の、磁気検出素子（ＩＣ）における磁束密度（Ｔ）のＭＢ４の厚さ依存性を示す図である。 ＭＢ４の厚さを５ｍｍで一定とした場合の、磁気検出素子（ＩＣ）における磁束密度（Ｔ）のＰＢの厚さ依存性を示す図である。 ＰＢの厚さを０.３５ｍｍ、ＭＢ４の厚さを５ｍｍで一定とした場合の、磁気検出素子（ＩＣ）における磁束密度（Ｔ）の外部磁場依存性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による電流センサ装置の断面図である。 本発明の第３の実施の形態による電流センサ装置の断面図である。 本発明の第４の実施の形態による電流センサ装置の斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態による電流センサ装置について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す電流センサ装置の斜視図である。以下、各図において定義したｘ，ｙ，ｚ軸を参照しながら説明を行う。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態による電流センサ装置１は、検出対象となるｙ軸方向に伸びたバスバー１５上に設けられた、例えばホール素子などの磁気検出素子（ＩＣ）１１を備えている。磁気検出素子１１としては、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、ホール素子とアンプ回路を組み合わせたホールＩＣ（ＩＣ：Integrated Circuit）などのうちのいずれかを用いることができる。磁気抵抗素子としては、異方向性磁気抵抗素子ＡＭＲ、巨大磁気抵抗素子ＧＭＲ、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲなどを用いることができる。

さらに、電流センサ装置１は、感磁面１１ａを有する磁気検出素子１１の周囲に、磁気検出素子１１に対する外部からの磁束（外部磁場）を遮蔽する磁気シールド部２０を有している。
磁気シールド部２０は、磁気検出素子１１のｘ軸方向の両側面側に設けられる側壁部とｚ軸方向の底面側に設けられた壁部とにより形成されている。磁気検出素子１１は、例えば、両側面側において、磁気シールド部２０に固定された図示しない基板上に実装すると良い。磁気検出素子１１に流れる電流をＩ_１とする。
この例では、磁気シールド部２０は、磁気検出素子１１の電圧印加方向（両端子間）であるｙ軸方向の幅Ｗ_２より大きな幅Ｗ_１を有している。Ｘ軸方向の幅Ｌは、小型化・低コスト化のため、できるだけ短い方が好ましい。

本実施の形態では、磁気シールド部２０は、第１の比透磁率μ_１を有する第１のシールド材からなり厚さがｄ_１の第１の磁気シールド部２１と、第１の比透磁率μ_１とは異なる第２の比透磁率μ_２を有し、厚さがｄ_２の第２の磁気シールド部２３と、を備える２層の磁気シールド構造を有する。この構造では、磁束に垂直なシールド部の面積は、Ｓ_１＝Ｓ_２となる。図２では、磁気シールド材の内側を断面積Ｓ_１、Ｓ_２としているが、ｄ_１、ｄ_２が薄い場合には、磁気シールド材の外側の断面積を採用しても同様の効果を得ることができる。
ここで、第２の比透磁率μ_２を第１の比透磁率μ_１よりも低くし、第２の磁気シールド部２３を、第１の磁気シールド部２１の外側に配置すると良い。
尚、第１の磁気シールド部２１と第２の磁気シールド部２３とを、粘着剤で粘着してもよく、両磁気シールド部２１、２３を樹脂でコーティングして一体としても良い。

上記の構成によれば、図２（ａ）に示すように、磁気検出素子１１のｘ軸方向の側面側から印加される外部磁場に基づく磁束３１の一部３１ｂが第２の比透磁率μ_２を有する第２の磁気シールド部２３に導入され、さらに磁束３１ａが第１の比透磁率μ_１を有する第１の磁気シールド部２１に導入されるため、磁気検出素子１１に対する外部磁場の影響を抑制することができる。
外部からの磁束３１は、低比透磁率材料で形成される第２の磁気シールド部２３に入った磁束が下部に少し流れ、高比透磁率材料である第１の磁気シールド部２１に多くの磁束が通過する。磁気シールド部に入力する磁束と、出力される磁束は、ほぼ同じ値である。

ここで、２層構造の場合の磁気シールド効果は以下の式のように示すことができる。すなわち、シールド材の内側に入る磁束は以下に式に基づいて減衰される。
Ｅ（ｔｏｔａｌ）＝Ｅ_１×Ｅ_２＝｛（μ_１×ｄ_１）／Ｓ_１｝×｛（μ_２×ｄ_２）／Ｓ_２｝・・・（１）

ここで、トータルの磁気シールド効果Ｅは、第１の磁気シールド部による磁気シールド効果Ｅ_１と第２の磁気シールド部による磁気シールド効果Ｅ_２とを合わせた磁気シールド効果の値である。また、μはそれぞれの比透磁率、ｄは外部磁場に垂直な方向のそれぞれの厚さ、Ｓは外部磁場に垂直な方向の磁気シールド材の面積（一般的にはＳ_１＝Ｓ_２）である。
１層の磁気シールド部の場合には、Ｅ（ｔｏｔａｌ）＝Ｅ_１であり、Ｅ_２が１以上であれば、２層の磁気シールド部の方が良い効果が得られることは式（１）から明らかである。
第２の比透磁率μ_２が低くなっても、ｄ_２を厚くすれば、Ｅ_２を１以上にすることができる。
尚、トータルの磁気シールド効果Ｅは、２層構造のそれぞれのシールド効果の乗算となるため、１層のみの場合に比べて、２重磁気シールド構造を用い、Ｅ_２を１以上にすることで、すなわち、μ_２×ｄ_２を大きくすることで顕著なシールド効果が得られることは理論的にも裏付けされている。

さらに、第２の磁気シールド部２３を構成する低比透磁率の第２の磁気シールド材は、一般的に第１の磁気シールド部２１を構成する高価な高比透磁率の第１の磁気シールド材よりもコストを低くすることができるため、磁気シールド部２０全体としての材料費を大幅に低くすることができる。すなわち、コストの高い第１の磁気シールド材の厚さを薄くする（使用量を低減する）ことができるため、コストを低くすることができる。

尚、図２（ｃ）に示すように、第２の磁気シールド部２３を、第１の磁気シールド部２１の内側に配置しても良い。但し、このような形状では外側の方が同じ厚さでも体積が大きくなるため、コスト削減という観点からは、図２（ａ）に示す構造の方がより好ましい。
第１の磁気シールド部２１と第２の磁気シールド部２３は、例えばそれぞれの部材の組み立て工程により実現することができる。
以上に説明したように、本実施の形態による電流センサ装置によれば、外部磁場の影響を抑制しつつコストを低減することができるという利点がある。
尚、上記の例では、磁気シールド部を異なる比透磁率を有する２層の磁気シールド材により形成したが、３層以上の磁気シールド材により構成しても良いし、比透磁率を厚さ方向に変化させた構造としても良い。
また、第１の磁気シールド部２１と第２の磁気シールド部２３とは、ｘ軸方向、ｚ軸方向に接していても良いし、離間して配置されていても良い。

（実施例１）
図２（ａ）において、第１の比透磁率μ_１を有する第１の磁気シールド材を、例えば、パーマロイＰＣ材とし、第２の比透磁率μ_２を有する第２の磁気シールド材を、例えば、フェライトとしても良い。パーマロイＰＣ材は、比透磁率が５０００超であり、フェライトの比透磁率が２０００程度である。前者の方が価格は高い。パーマロイＰＣ材厚さ０.１ｍｍの比透磁率は数万〜数十万、パーマロイＰＢ材厚さ０.１ｍｍの比透磁率は１〜２万、０.３５ｍｍでは約３０００である。そこで、パーマロイの層厚をできるだけ薄くし、その分だけ減少する磁気シールド効果を、安いフェライトを設けることで補う。例えば、第１の磁気シールド材の厚さは、外部からの磁束のうちの第２の磁気シールド部２３により吸収しきれなかった磁束を第１の磁気シールド部２１により吸収できる程度の厚さとすればよい。

尚、パーマロイ（Permalloy）は透磁的（permeable）な合金（alloy）という意味であり、パーマロイは電磁軟鉄に比べ、透磁性が非常に高い（磁気を通し易い）性質を有している。パーマロイはニッケル含有量により類別され、夫々の特徴を備えている。
ＰＣパーマロイ（Ni-Mo,Cu-Fe）は、ニッケル成分が７０〜８５％であり、比透磁率と直流特性に優れる。加工性も高く、磁気遮蔽（シールド）材料に適している。
ＰＢパーマロイ（Ni-Fe）は大きな飽和磁束密度が得られる。各種センサの小型化・高性能化や、変流器（ＣＴ）の材料としても多用されている。特に厚さ1mm以下のＰＢパーマロイは薄板の積層により最も高い特性を発揮する。

ＰＣやＰＢの他に、ＰＤ（Ｎｉ成分３５〜４０％、残部はＦｅ）、ＰＥ（Ｎｉ成分４５〜５０％、残部はＦｅ）、ＰＦ（Ｎｉ成分５４〜６８％、残部はＦｅ）を用いても良い。
尚、比透磁率の高低の基準値は約３０００程度を目安とする。また、飽和磁束密度の高低の基準は、例えば０.４Ｔ程度を目安とする。境界を示す基準値に関してはこれらの値に限定されるものではない。
コストは、パーマロイ、珪素鋼板、フェライトの順番に高い。
２層シールド構造に関する上記のような考え方を適用できる構造であれば、比透磁率や材質、厚さ等は、この実施例に限定されるものではない。

尚、第２の磁気シールド材の飽和磁束密度は、外部からの磁束の飽和が生じにくい程度の値とすることが好ましい。例えば、第２の磁気シールド材として例示されるフェライトの飽和磁束密度は、０.４１Ｔ程度の値を有している、この場合で厚さを十分に厚くすると、第２の磁気シールド部２３により外部磁場をある程度遮蔽することができ、第１の磁気シールド部２１を構成するパーマロイＰＣ材の層厚を薄くすることができる。

以下に、磁気シールド部２０における磁気シールド効果の構造依存性を磁気シールド効果解析法に基づいて解析した結果を示す。
RuckerとWillsによる無限円筒の磁気効果Ｅ_ｆは以下の式で表すことができる。
Ｅ_ｆ＝Ｈｅ／Ｈｉ＝μｄ／Ｄ
ここで、磁性体の直径をＤ、磁性体の厚さをｄ、磁性体の比透磁率をμとする。磁性体のシールドの効果がＥ_ｆとする。Ｈｉは、遮蔽空間の磁場、Ｈｅは、遮蔽材料が存在しなかった場合の磁場である。
比透磁率μ、磁性体の厚さｄは、磁気シールド効果Ｅと比例し、磁性体の直径Ｄの大きさと反比例する。

図３は、コアレス型の電流センサ装置における２重シールドコアにおけるシールド効果のシミュレーションモデルを示す図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は斜視図である。シュミレーションモデルとは、図２の電流センサ装置に外部磁場を付与する簡単な構成を想定したものであり、簡単のため、バスバー１５を設けていない。磁気検出素子１１に対する外部磁場の影響をシミュレーションで見る場合には、バスバー１５の影響は無視して良いため、シミュレーションの結果は妥当である。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、シミュレーションモデル（ここでは、電磁界解析ソフトウェアJMAG（ジェイマグ：登録商標））を用いた。本実施の形態による電流センサ装置１と、その外側に配置され、外部磁場の影響を見積もるシミュレーションのために設けた磁界発生手段４１とからなる。電流センサ装置１は、磁気検出素子１１の外側に、磁気検出素子１１に対する外部からの磁束を遮蔽する磁気シールド部２０を有している。それぞれの寸法は、以下の通りである。

磁界発生手段４１：６００ｍｍ×５８０ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ２００mm、銅１８０ＴＵＲＮＳ（巻き数）
磁気シールド部２０：高さ１５ｍｍ（Ｚ軸方向）、長さ２２ｍｍ、幅１５ｍｍ（Ｙ軸方向）
磁気シールド部２０の厚さの詳細は以下の通りである。
第１の磁気シールド部２１の第１の磁気シールド材（パーマロイＰＢ材：比透磁率μ_ｓ≧３０００、飽和磁束密度１.４Ｔ）：厚さ０.１、０.２、０.３５、０.５ｍｍ、尚、実効比透磁率は厚さに依存し、厚いほど比透磁率は小さくなる傾向にある。

第２の磁気シールド部２３の第２の磁気シールド材（フェライトＭＢ４： 比透磁率μ_ｓ＝２５００、飽和磁束密度０.４Ｔ）：厚さ３、５、１０ｍｍ、尚、ＭＢ４は、ＭｎＺｎフェライトの材質名である。
また、磁気検出素子（ＩＣ）１１の寸法は、以下の通りである。
高さ １ｍｍ、長さ ３ｍｍ、幅 ５ｍｍ、厚さ １ｍｍ
材料は高比透磁率１７００００の磁性材ＰＣと仮定している。
上記のシミュレーションモデルを用いて、磁界発生手段４１から発生させた外部磁場を１００００、１５０００、２００００、３００００、５００００Ａ／ｍ変化させた場合の、第１の磁気シールド材（ＰＢ）と第２の磁気シールド材（フェライトＭＢ４）及び磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度を磁気シールド解析法により求めた。その計算結果を表１に示す。尚、シミュレーションで磁界の強さを設定する場合には、直流で設定する。

表１は、外部磁場を１００００〜５００００Ａ／ｍまで変化させながら、ＰＢとＭＢ４との２層シールド構造における厚さを変化させた場合の、ＰＢ、ＭＢ４及び磁気検出素子（ＩＣ）における磁束密度の値を示す図である。例えば、外部磁場が２００００Ａ／ｍであり、ＰＢの厚さが０．３５ｍｍ、ＭＢ４の厚さが５ｍｍの場合のＩＣの磁束密度は０.００５７Ｔであり、外部磁場の影響を受けていないことを示している。
表１の最下段（３行）の値は、ＰＢの厚さが０.１ｍｍ、ＭＢ４の厚さが０.５ｍｍといずれも薄い場合であり、１００００Ａ／ｍ程度の外部磁場でもコアの飽和が生じ、１５０００Ａ／ｍ程度でもＩＣの誤動作が生じている。
尚、ＩＣの磁束密度が高くなった場合、例えば、基準値を０.０１Ｔとした場合に、それ以上になった場合には、ＩＣの誤動作と定義した。０.１Ｔ以上になった場合を完全誤動作と定義した。

表１においては、シミュレーションによる計算結果と、シミュレーション結果に応じて磁気検出素子（ＩＣ）１１の誤動作が生じているかどうか、磁気シールド部（コア）において磁気飽和が生じているかどうかを領域に斜線を施すことで区別できるようにした。
表１より、磁気シールド部の構成が同じであっても外部磁場が大きくなるほど磁気検出素子（ＩＣ）１１の誤動作が生じやすくなること、第１の磁気シールド材、第２の磁気シールド材の厚さが厚いほど、磁気検出素子（ＩＣ）１１の誤動作が生じにくいこと、特に第２の磁気シールド材の厚さが薄いとコアの飽和が生じやすいことがわかる。

以下、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度の磁気シールド部の構造依存性についてより詳細に説明する。
図４は、表１の結果に基づいて、内側の第１の磁気シールド材であるＰＢの厚さを０.３５ｍｍで一定として外部磁場を印加した場合の、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度（Ｔ）の値に関して、外側の第２の磁気シールド材ＭＢ４の厚さ依存性を示す図である。
図４に示すように、外部磁場２００００Ａ／ｍ以下では、ＭＢ４の厚さが０.５から１０ｍｍまでの広い範囲において、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度は、０.０１Ｔ以下であり、２重シールド構造による顕著な磁気シールド効果が発揮されることがわかる。

尚、外部磁場が２００００Ａ／ｍの場合では、第２の磁気シールド材ＭＢ４の厚さが０.５ｍｍになると、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度が高くなっており、シールド効果が弱くなって外部磁場の影響が表れてきていることがわかる。さらに、外部磁場が３００００Ａ／ｍの場合には、ＭＢ４の厚さが２ｍｍ以下では、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度が高くなっており、シールド効果が弱くなって外部磁場の影響が表れてきていることがわかる。

以上のことから、外部磁場の値が２００００Ａ／ｍ以下であれば、第１の磁気シールド材であるＰＢ＝０.３５ｍｍ程度の薄さであっても、その外側に第２の磁気シールド材として例えば厚さ１ｍｍ以上のＭＢ４を設けることで、良好な磁気シールド効果を得ることができ、磁気検出素子（ＩＣ）に対する外部磁場の影響を大幅に抑制することができることがわかる。

図５は、第２の磁気シールド材のＭＢ４の厚さを５ｍｍで一定として外部磁場を印加した場合の、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度（Ｔ）のＰＢの厚さ依存性を示す図である。
図５に示すように、第２の磁気シールド材であるＭＢ４の厚さをある程度の厚さで一定（５ｍｍ）とした場合において、第１の磁気シールド材であるＰＢの厚さが０.０５ｍｍから０.３５ｍｍの範囲において、外部磁場１００００Ａ／ｍ、２００００Ａ／ｍでシールド効果があることがわかる。この場合の、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度がほぼ同じである。

尚、強い磁界３００００Ａ／ｍ以下、ここでは、２００００Ａ／ｍ程度の外部磁場までにおいて、ＭＢ４の厚さ５ｍｍの１重シールドだけでもシールド効果がある程度得られるが、その効果は不十分であった。１重シールドの場合に比べて、ＰＢ０．０５ｍｍ、ＭＢ４の厚さ５ｍｍの２重シールドの結果を見ると、磁束密度が低くＩＣの誤動作が少ないことから、２重シールドの効果が得られることがわかる。

また、理論的には、ＰＢの厚さによって比透磁率が異なり、ＰＢの厚さが薄い方が比透磁率は高くなる。すなわち、形状が一定であれば、（１）式に示したように、比透磁率と厚さとの積がシールド効果とリニアな関係になる。シミュレーション結果によれば、ＩＣの磁束密度が一番低いシールド組み合わせはＭＢ４＝５ｍｍ、ＰＢ＝０.０５ｍｍ、その次がＭＢ４＝５ｍｍ、ＰＢ＝０.２ｍｍ、次いで、ＭＢ４＝５ｍｍ、ＰＢ＝０.１ｍｍである。ＰＢの厚さを増やすと、比透磁率が下がることからこのような結果になったものと考えられる。
尚、外部磁場が３００００Ａ／ｍを超えると、例えばＰＢの厚さが０.１ｍｍの条件では、ＩＣの誤動作が生じていることから、良好なシールド効果は得られなくなることがわかる。従って、外部磁場が３００００Ａ／ｍを超える場合には、例えばＰＢの厚さが０.３５ｍｍ以上が必要になる。

図６は、ＰＢの厚さを０.３５ｍｍ、ＭＢ４の厚さを５ｍｍで一定とし外部磁場を付与した場合の、磁気検出素子（ＩＣ）１１における磁束密度（Ｔ）について外部磁場依存性を示す図である。
図６に示すように、この条件下では、少なくとも、外部磁場２００００Ａ／ｍまでは、本実施の形態による磁気シールド部の構造によりシールド効果が得られるといえる。外部磁場３００００Ａ／ｍ程度を超えると、上記の磁気シールド構造であっても、外部磁場の影響を受けていることがわかる。

以上のことから、外部磁場の値が２００００Ａ／ｍ程度までであれば、第２の磁気シールド材であるＭＢ４の厚さを５ｍｍ程度まで厚くしておけば、第１の磁気シールド材のＰＢの厚さが０.０５から０.３５ｍｍ程度の厚さ範囲において良好な磁気シールド効果を得ることができ、外部磁場の影響を抑制することができることがわかる。

次に、飽和磁束密度の影響に関して説明を行う。
表１に示すように、第２の磁気シールド材（フェライトＭＢ４）が磁気飽和（それ以上磁界を強めてもそれ以上磁性体の磁化が変化しなくなった状態）し、第１の磁気シールド材（ＰＢ）も磁気飽和すると、磁気検出素子１１の誤動作が生じやすくなることがわかる。従って、第２の磁気シールド材（フェライトＭＢ４）を磁気飽和しない程度の十分な厚さである５ｍｍ程度設けておくことにより、磁気シールド材の磁気飽和を抑制することができるという効果がある。

この場合には、比透磁率μが高く、さらに飽和磁束密度Ｂｓが高い材料を使うことが好ましい。このような材料としては、珪素鋼板と純鉄、パーマロイＰＢ材が例示的に挙げられる。第１の磁気シールド材としては、飽和磁束密度が０.４Ｔ以上の材料を使用することが好ましい。
尚、磁気シールド材の残留磁束密度の値が高いと、外部磁場の影響が持続する。従って、残留磁束密度の高い材料、例えば、珪素鋼板を用いることは、磁気シールド効果を維持させるという観点からは好ましくない。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図７（ａ）は、本実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の変形例を示す電流センサ装置の断面図である。
第１の実施の形態との相違点は、第２の比透磁率を有する第２の磁気シールド部２３ａを、磁性材料と樹脂材などの非磁性材料との複合材料により構成したことである。この構造による磁気シールドに関する作用効果は、第１の実施の形態と同様であるが、磁性材料と樹脂材などの非磁性材料との安価な複合材料を用いることにより、第１の実施の形態の場合よりもコストの削減効果が大きいという利点がある。図７（ｂ）に示すように、第２の磁気シールド部２３ａを内側に設けても良い。
このような複合材料としては、例えば、フェライトとエポキシ樹脂との複合材料を用いることができる。
以上に説明したように、本実施の形態による電流センサ装置によれば、外部磁場の影響を抑制しつつコストをより一層低減することができるという利点がある。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８（ａ）は、本実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す断面図である。
本実施の形態による電流センサ装置１においては、第１の磁気シールド部２１ａは、磁気検出素子１１の側面側、すなわち、感磁面１１ａと略対向する位置に配置され、第２の磁気シールド部２３ｃは、感磁面１１ａと略垂直である位置に配置されている。すなわち、第１の磁気シールド部２１ａと第２の磁気シールド部２３ｃとが、直列的に配置されている。但し、この場合には、第１の磁気シールド部２１ａと第２の磁気シールド部２３ｃとの飽和磁束密度は、磁束の通路が直列的であるため、それぞれで高い値を有することが好ましい。また、第２の磁気シールド部２３ｃは磁束の方向の断面積Ｓ_２が小さいため飽和しやすい。そこで、第２の磁気シールド部２３ｃの飽和磁束密度も高くすることが好ましい。
この場合には、シールド効果は前述の式（１）と同様の式で求めることができる。
ここで、μはそれぞれの比透磁率、ｄは磁気シールド材の厚み、Ｓは磁気検出素子と対向する面の断面積である。
尚、図８の第１の磁気シールド部２１ａの厚さは、図２の第１の磁気シールド部２１の厚さと同程度でよい。図８の第１の磁気シールド部２１ａのみとしたことによる磁気シールド効果に対する影響は、図８の第２の磁気シールド部２３ｃを設けることで補うことができる。

以上のように、本実施の形態によれば、断面積が小さいが磁路が長くなる部分、すなわち、底面側の第２の磁気シールド部２３ｃを低比透磁率、かつ、高飽和磁束密度の材料により形成することで、コストを下げつつ、外部磁場の影響を抑制することができる。
厚さにもよるが、第１の磁気シールド部２１ａは、比透磁率３０００以上、飽和磁束密度１.４Ｔ以上、第２の磁気シールド部２３ｃは、比透磁率１００以上、飽和磁束密度１.２Ｔ以上の材料を用いることができる。
また、図８（ｂ）に示すように、底面側に設けられる第２の磁気シールド部２３ｄを、磁性材料と樹脂材などの非磁性材料との複合材料により形成しても良い。例えば、樹脂とフェライトとを混ぜて成形した材料などを用いることができる。
さらに、図８（ｃ）に示すように、両側面側と底面側とに第１の磁気シールド部２１ａを設けるとともに、さらに、底面側に第２の磁気シールド部２３ｃを設けるようにしても良い。
また、第１の磁気シールド部２１ａと第２の磁気シールド部２３ｃとの接合位置は、図８（ａ）に限らない。また、第１の磁気シールド部２１ａと第２の磁気シールド部２３ｃの配置を入れ替えても良い。
図８（ａ）、（ｂ）のときに、低比透磁率材は高比透磁率材の１０〜２０倍の厚さであることが好ましい。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図９（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態による電流センサ装置の一構成例を示す斜視図である。
図９（ａ）、（ｂ）に示す構造では、第１の磁気シールド部５１・５１ａと、第２の磁気シールド部５３・５３ａを、ｚ方向の上方に開口のない筒状に形成している。これらの構造においても、２重シールド構造の効果を得ることができる。
また、このような構成によれば、上方に開口を設けていないため、磁気シールド部の製造工程をより簡単にできるという利点がある。
但し、四方を囲むよりも、上方が開いているＵの字の方が磁気シールド効果は良い。その理由は、磁気シールド材が側壁、底面とともに四方を囲む上壁を有すると、バスバー上に配置される磁気検出素子は上壁の磁気シールド材と近い位置になり、上壁と磁気検出素子との磁界の干渉が生じやすくなるためである。
また、開口は、磁気検出素子の上方に位置するのが好ましく、また、開口は大きい方が好ましい。その理由は、磁気シールド材の上壁部分と磁気検出素子との干渉が生じにくいためである。
開口は四方を囲む上壁が無い形態としても良い。また開口の形状は特に限定されない。

上記の各実施の形態は、磁気シールド部の形状等を限定するものではなく、一例として示したものである。三角形、多角形、楕円などの形状でも良い。また、シールド板は直線に限らず例えばＩＣ側に突出した弧状であっても良い。
上記の各実施の形態によれば、電流センサ装置において、外部磁場による電流検出の誤動作を避けつつコスト削減を行うことができる。

尚、高比透磁率の材料としては、以下の材料が例示的に挙げられる。
パーマロイ、センダスト、Ｃｏ基アモルファス、純鉄、Ｆｅ−６．５Ｓｉ、Ｆｅ−３．５Ｓｉ、Ｆｅ基アモルファス、ナノ結晶Ｆｅ基軟磁性材料、珪素鋼板などを用いることができる。
また、低比透磁率の材料としては、以下の材料が例示的に挙げられる。
Ｍｎ−Ｚｎフェライト、樹脂にフェライトを混合して成形した材料などを用いることができる。
また、第１の磁気シールド部２１も磁性粉末と樹脂との複合材料を用いることができる。

第１の磁気シールド部に用いる磁性粉末としては、Ｆｅ−６．５Ｓｉ、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎ、Ｆｅ−Ｃ、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｐ、Ｆｅ−Ａｌ−ＳｉなどのＦｅ基合金粉末の軟磁性粉末、あるいは希土類金属粉末、非晶質金属粉末、などを用いることができる。これらの粉末の平均粒子径は、１００μｍから３００μｍとしても良い。

第１及び第２の磁気シールド部に用いる樹脂としては、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が使用できる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。紫外線硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、アクリレート系、エポキシ系の樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、ポリイミドやフッ素樹脂などの耐熱性に優れた樹脂を使用することができる。
これらの樹脂は第２の磁気シールド部２３にも使用することができる。例えば、磁性粉末に添加する樹脂の割合は、磁性粉末に対して５〜７ｗｔ％としても良い。
また板状の２つの磁気シールド材を１つの樹脂で固化させて２層構造とすることもできる。

また、外部磁場によりシールドコアに残留磁場が生じる場合がある。従って、シールドの材質を選択する時には、ヒステリシスの少ない材料、すなわち、残留磁場の小さい材料を選択することが好ましい。
また、磁気検出素子の感磁面と磁気シールド材とは必ずしも完全に平行でなくても良い。感磁面と磁気シールド材とにある程度の角度、例えば０〜１０度の角度が付いていても、シールド効果を有する。

Ｕ字形状を有する第１および第２の磁気シールド部は、一枚の板をＵ字形状に折り曲げた磁気シールド材でも良い。また、複数の磁気シールド材を組み合わせてＵ字形状にしても良い。
上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、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して実施することが可能である。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電流センサ装置に利用可能である。

１…電流センサ装置
１１…磁気検出素子（ＩＣ）
１１ａ…感磁面
１５…電流経路（バスバー）
２０…磁気シールド部
２１…第１の磁気シールド部
２３…第２の磁気シールド部

Claims (8)

1. コアレス型の電流センサ装置であって、
   電流経路から発生する磁束を検知する磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の周囲に設けられ、前記磁気検出素子に対する外部からの磁束を遮蔽する磁気シールド部と、を有し、
   前記磁気シールド部は、
   第１の比透磁率を有する第１の磁気シールド材からなる第１の磁気シールド部と、
   前記第１の比透磁率とは異なる第２の比透磁率を有する第２の磁気シールド材からなる第２の磁気シールド部と
   を有し、
   前記第２の比透磁率は、前記第１の比透磁率よりも低く、
   前記第２の磁気シールド部と前記第１の磁気シールド部とが直列に接続されていることを特徴とする電流センサ装置。
2. 前記第１の磁気シールド部が前記磁気検出素子の感磁面と略対向し、前記第２の磁気シールド部が、前記感磁面と略垂直であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ装置。
3. ２つの前記第１の磁気シールド部と、前記２つの第１の磁気シールド部を接合する少なくとも１つの前記第２の磁気シールド部を有し、
   一方の前記第１の磁気シールド部に入力された磁束が、前記第２の磁気シールド部を通り、もう一方の前記第１の磁気シールド部を通って外部に出力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装置。
4. 所望の磁気シールド効果を得るためのパラメータを、以下の式に基づいて決めることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電流センサ装置。
   Ｅ（ｔｏｔａｌ）＝Ｅ_１×Ｅ_２＝｛（μ_１×ｄ_１）／Ｓ_１｝×｛（μ_２×ｄ_２）／Ｓ_２｝
   ここで、Ｅ（ｔｏｔａｌ）は、トータルの磁気シールド効果、Ｅ_１は第１の磁気シールド部による磁気シールド効果、Ｅ_２は第２の磁気シールド部による磁気シールド効果、μ_１は第１のシールド材の第１の比透磁率、μ_２は第２のシールド材の第２の比透磁率、ｄ_１は、第１のシールド材の厚さ、ｄ_２は、第２のシールド材の厚さ、Ｓ_１は第１の磁気シールド材の内側の断面積、Ｓ_２は第２の磁気シールド材の内側の断面積である。
5. 前記磁気シールド部は、前記磁気検出素子の感磁面と略垂直な方向に設けられた開口を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電流センサ装置。
6. 前記電流経路は、前記磁気検出素子の前記開口とは反対側に配置されることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ装置。
7. 前記第２の磁気シールド材は、
   磁性材と樹脂材とを含む材料で形成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の電流センサ装置。
8. 前記第１の比透磁率は、約３０００以上であることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の電流センサ装置。

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