JP6504260B2 - 電流センサおよびこれを備える電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流センサおよびこれを備える電力変換装置に関し、被測定電流に応じて発生する磁界を測定することで被測定電流の値を検出する電流センサおよびそれを備える電力変換装置に関する。

電流センサの構成を開示した先行文献として、特開２００７−７８４１８号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された電流センサにおいては、集積チップが、バスバーからなる平行な２本のラインに挟まれるかたちで配設される。集積チップは、２本のラインの間に設けられた段差空間へ、ラインが表側に、またラインが裏側に位置するように配設される。集積チップに搭載された磁気検出素子により、２本のラインに電流(各ラインとも同一方向の電流)が流れることに起因して発生する、相反する方向の磁気ベクトルを各別に検出する。

特開２００７−７８４１８号公報

特許文献１の図８に記載された電流センサにおいては、集積チップがラインに垂直に配置されており、上下方向において集積チップが２本のラインより突出しているため、電流センサの低背化を阻害している。特許文献１の図２に記載された電流センサにおいては、集積チップがラインに平行に配置されており、磁気検出素子がチップ表面に平行な磁気を検出しているため、バスバーである１次導体を流れる電流が交流である場合、電流の周波数が高くなるに従って、電流センサの出力の立ち上がり時間が長くなり、電流センサの測定誤差が大きくなる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、良好な周波数特性を有する低背な電流センサおよびそれを備える電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に基づく電流センサは、測定対象の電流が流れ、表面および裏面を含み、長さ方向、上記長さ方向と直交する幅方向、および、上記長さ方向と上記幅方向とに直交する厚さ方向を有する導体と、導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さを検出する、第１磁気センサおよび第２磁気センサと、第１磁気センサおよび第２磁気センサが実装された基板とを備える。導体は、上記長さ方向における途中で、上記電流が分流されて流れる第１流路部および第２流路部を含む。第１流路部と第２流路部とは、上記厚さ方向から見て、上記幅方向において互いに隙間をあけて位置している。上記幅方向から見て、第１流路部と第２流路部とによって囲まれた領域が形成されている。基板の少なくとも一部は、上記幅方向から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部および第２流路部の少なくとも一方と向かい合っている。第１磁気センサおよび第２磁気センサは、上記隙間に配置されている。

本発明の一形態においては、第１磁気センサは、基板の一方の主面に実装されている。第２磁気センサは、基板の他方の主面に実装されている。

本発明の一形態においては、第１流路部は、上記幅方向から見て、導体の表面側に膨出している。

本発明の一形態においては、第２流路部は、上記幅方向から見て、導体の裏面側に膨出している。

本発明の一形態においては、第１流路部および第２流路部の各々は、上記長さ方向における一端と他端とを有する。上記長さ方向における第１流路部の一端と第１流路部の他端とは、上記厚さ方向における位置が互いに異なっている。上記長さ方向における第２流路部の一端と第２流路部の他端とは、上記厚さ方向における位置が互いに異なっている。上記長さ方向における第１流路部の一端と第２流路部の一端とは、上記厚さ方向における位置が互いに等しい。上記長さ方向における第１流路部の他端と第２流路部の他端とは、上記厚さ方向における位置が互いに等しい。第１流路部は、上記厚さ方向における第１流路部の一端の位置と第１流路部の他端の位置とを繋ぐ曲折部を含む。第２流路部は、上記厚さ方向における第２流路部の一端の位置と第２流路部の他端の位置とを繋ぐ曲折部を含む。第１流路部の曲折部と、第２流路部の曲折部とは、上記長さ方向において互いに間隔を置いて位置している。

本発明の一形態においては、第１磁気センサは、上記幅方向から見て、第１流路部の少なくとも一部と重なっている。第２磁気センサは、上記幅方向から見て、第２流路部の少なくとも一部と重なっている。

本発明の一形態においては、第１磁気センサおよび第２磁気センサは、上記厚さ方向から見て、互いに重なっている。

本発明の一形態においては、上記幅方向において、第１磁気センサと第１流路部との間の間隔と、第２磁気センサと第２流路部との間の間隔とが等しい。上記厚さ方向から見て、第１磁気センサと第２磁気センサとは、上記長さ方向に互いにずれて位置している。

本発明の一形態においては、電流センサは、第１磁気センサの検出値と第２磁気センサの検出値とを演算することにより上記電流の値を算出する算出部をさらに備える。１次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサの検出値の位相と第２磁気センサの検出値の位相とが逆相である。算出部が減算器または差動増幅器である。

本発明の一形態においては、電流センサは、第１磁気センサの検出値と第２磁気センサの検出値とを演算することにより上記電流の値を算出する算出部をさらに備える。１次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサの検出値の位相と第２磁気センサの検出値の位相とが同相である。算出部が加算器または加算増幅器である。

本発明の一形態においては、算出部は、基板の一方の主面および基板の他方の主面の少なくとも一方に実装されている。算出部は、上記厚さ方向において、第１流路部および第２流路部の少なくとも一方と重なっている。

本発明の一形態においては、第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々が、ホール素子を有する。

本発明の一形態においては、第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々が、磁気抵抗素子を有する。

本発明の第２の局面に基づく電力変換装置は、上記のいずれかに記載の電流センサを備える。

本発明によれば、電流センサにおいて、周波数特性を良好にしつつ低背化を図れる。

本発明の実施形態１に係る電流センサの外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える１次導体の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサユニットの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサユニットに含まれる基板を、図３のＩＶ方向から見た斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサユニットの筐体の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの断面図であり、図１のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサにおいて、測定対象の電流が流れることにより発生する磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体のアーチ状部に測定対象の電流が流れ始めた際に発生する磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体のアーチ状部に測定対象の電流が流れ始めた際にアーチ状部を周回する磁界を模式的に示す断面図である。 比較例に係る電流センサの入力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る電流センサの入力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る電流センサにおいて、基板に実装された複数の電子部品を配線で互いに接続して回路を構成した状態を示す平面図である。 本発明の実施形態１の第２変形例に係る電流センサの断面図である。 本発明の実施形態１の第３変形例に係る電流センサの平面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサが３相３線式の配線に適用された状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る電流センサにおいて、測定対象の電流が流れることにより発生する磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサの断面図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサにおいて、測定対象の電流が流れることにより発生する磁界を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る電流センサの外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態４に係る電流センサが備える１次導体の外観を示す斜視図である。 図２２の１次導体を矢印ＸＸＩＩＩ方向から見た側面図である。 本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサの外観を示す斜視図である。 図２４の電流センサを矢印ＸＸＶ方向から見た側面図である。 本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサが備える磁気センサユニットの基板を表面側から見た図である。 本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサが備える磁気センサユニットの基板を裏面側から見た図である。 本発明の実施形態５に係る電流センサの外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態５に係る電流センサが備える１次導体の外観を示す斜視図である。 図２９の１次導体を矢印ＸＸＸ方向から見た側面図である。 図２９の１次導体を矢印ＸＸＸＩ方向から見た上面図である。 図２９の１次導体を矢印ＸＸＸＩＩ方向から見た正面図である。 本発明の実施形態６に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。

以下、本発明の各実施形態に係る電流センサおよびそれを備える電力変換装置について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える１次導体の外観を示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサユニットの構成を示す分解斜視図である。図４は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサユニットに含まれる基板を、図３のＩＶ方向から見た斜視図である。図５は、本発明の実施形態１に係る電流センサが備える磁気センサユニットの筐体の外観を示す斜視図である。図６は、本発明の実施形態１に係る電流センサの断面図であり、図１のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た図である。図１，２，６においては、後述する１次導体１１０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１１０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１１０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。図６においては、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、後述する第１磁気センサ１２０ａの中心を通過する中心線をＣ１、後述する第２磁気センサ１２０ｂの中心を通過する中心線をＣ２で示している。

図１〜６に示すように、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００は、測定対象の電流が流れる導体である１次導体１１０と、１次導体１１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界の強さを検出する、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂと、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが実装された基板１３０とを備える。具体的には、１次導体１１０は、表面および裏面を含み、長さ方向(Ｙ軸方向)、長さ方向(Ｙ軸方向)と直交する幅方向(Ｘ軸方向)、および、長さ方向(Ｙ軸方向)と幅方向(Ｘ軸方向)とに直交する厚さ方向(Ｚ軸方向)を有する。１次導体１１０は、板状である。

１次導体１１０は、測定対象の電流が２つの流路に分流されて矢印１で示すように１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に流れるように設けられている。具体的には、１次導体１１０は、長さ方向(Ｙ軸方向)における途中で、測定対象の電流が分流されて流れる第１流路部および第２流路部を含む。

１次導体１１０は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の一方に突出するように曲がって長さ方向(Ｙ軸方向)に延在し、２つの流路のうちの１つの流路を構成する第１流路部であるアーチ状部１１１を含む。すなわち、第１流路部は、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、１次導体１１０の表面側に膨出している。１次導体１１０には、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に延在するスリット１１５が設けられている。スリット１１５は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)にてアーチ状部１１１に隣接している。スリット１１５が設けられていることにより、２つの流路のうちの他の１つの流路とアーチ状部１１１とは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において互いに隙間をあけて位置している。すなわち、この隙間の１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の幅は、スリット１１５内の隙間の幅である。

１次導体１１０は、スリット１１５のアーチ状部１１１側とは反対側に隣接して、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の他方に突出するように曲がって１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に延在し、他の１つの流路を構成する第２流路部である逆アーチ状部１１６をさらに含む。すなわち、第２流路部は、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、１次導体１１０の裏面側に膨出している。逆アーチ状部１１６は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)にてアーチ状部１１１と並んでいる。スリット１１５は、アーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６とに挟まれて位置している。すなわち、スリット１１５は、アーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６との間に設けられている。スリット１１５は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)にて１次導体１１０の中央に位置している。アーチ状部１１１および逆アーチ状部１１６の内側に、開口部１１０ｈが形成されている。すなわち、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、第１流路部と第２流路部とによって囲まれた領域である開口部１１０ｈが形成されている。

図２に示すように、本実施形態においては、アーチ状部１１１は、互いに間隔を置いて、１次導体１１０の主面に直交するように突出する第１突出部１１２および第２突出部１１３と、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に延在し、第１突出部１１２と第２突出部１１３とを繋ぐ延在部１１４とから構成されている。逆アーチ状部１１６は、互いに間隔を置いて、１次導体１１０の主面に直交するように突出する第３突出部１１７および第４突出部１１８と、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に延在し、第３突出部１１７と第４突出部１１８とを繋ぐ延在部１１９とから構成されている。

ただし、アーチ状部１１１および逆アーチ状部１１６の各々の形状はこれに限られず、たとえば、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、Ｃ字状または半円状の形状を有していてもよい。アーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６とは、互いに同一形状を有する。すなわち、第１流路部と第２流路部とは、互いに点対称な形状を有する。なお、１次導体１１０において、逆アーチ状部１１６の代わりに、１次導体１１０の主面が平坦に連続している平坦部が設けられていてもよい。本実施形態においては、１次導体１１０は、１つの導体で構成されているが、複数の導体で構成されていてもよい。

本実施形態においては、１次導体１１０は、電気抵抗が低く加工性に優れている銅で構成されている。より具体的には、１次導体１１０は、耐熱性に優れている無酸素銅で構成されている。ただし、１次導体１１０の材料はこれに限られず、銀、アルミニウム若しくは鉄などの金属、またはこれらの金属を含む合金でもよい。

１次導体１１０は、表面処理が施されていてもよい。たとえば、ニッケル、錫、銀若しくは銅などの金属、またはこれらの金属を含む合金からなる、少なくとも１層のめっき層が、１次導体１１０の表面に設けられていてもよい。

本実施形態においては、プレス加工により１次導体１１０を形成している。ただし、１次導体１１０の形成方法はこれに限られず、切削加工または鋳造などにより１次導体１１０を形成してもよい。

図３に示すように、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、アンプおよび受動素子などの複数の電子部品１４０ａ，１４０ｂと共に基板１３０に実装されている。複数の電子部品１４０ａおよび複数の電子部品１４０ｂの少なくとも一方には、後述する算出部として機能する電子部品が含まれている。なお、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが別々の基板に実装されていてもよい。すなわち、電流センサ１００が、複数の基板を有していてもよい。

本実施形態においては、第１磁気センサ１２０ａは、基板１３０の一方の主面に実装されている。第２磁気センサ１２０ｂは、基板１３０の他方の主面に実装されている。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、互いに重なっている。好ましくは、第１磁気センサ１２０ａの中心と第２磁気センサ１２０ｂの中心とが、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、互いに重なっている。すなわち、中心線Ｃ１と中心線Ｃ２とが、同一直線上に位置している。

複数の電子部品１４０ａは、基板１３０の一方の主面に実装されている。複数の電子部品１４０ａは、第１磁気センサ１２０ａから見て、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の一方側に位置している。複数の電子部品１４０ｂは、基板１３０の他方の主面に実装されている。複数の電子部品１４０ｂは、第２磁気センサ１２０ｂから見て、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の他方側に位置している。

基板１３０が電気絶縁性を有する筐体１５０内に固定されることにより、磁気センサユニット１６０が構成されている。すなわち、第１磁気センサ１２０ａ、第２磁気センサ１２０ｂ、電子部品１４０ａ，１４０ｂおよび基板１３０の各々は、筐体１５０に収容されている。

基板１３０は、プリント配線板であり、ガラスエポキシまたはアルミナなどの基材と、基材の表面上に設けられた銅などの金属箔がパターニングされて形成された配線とから構成されている。

筐体１５０は、略直方体状の外形を有し、下部筐体１５１と上部筐体１５２とから構成されている。下部筐体１５１には、逆アーチ状部１１６の延在部１１９の表面と接触した状態で逆アーチ状部１１６と嵌合する嵌合部１５１ｃが設けられている。上部筐体１５２には、アーチ状部１１１の延在部１１４の裏面と接触した状態でアーチ状部１１１と嵌合する嵌合部１５２ｃ、および、基板１３０と接続されるワイヤーハーネスの取出し口１５２ｐが設けられている。

筐体１５０は、ＰＰＳ(ポリフェニレンスルファイド)、ＰＢＴ(ポリブチレンテレフタレート樹脂)、ＬＣＰ(液晶ポリマー)、ウレタンまたはナイロンなどのエンジニアリングプラスチックで構成されている。ＰＰＳは、耐熱性が高いため、１次導体１１０の発熱を考慮した場合、筐体１５０の材料として好ましい。

基板１３０を筐体１５０に固定する方法としては、螺子による締結、樹脂による熱溶着、または、接着剤による接合などを用いることができる。螺子を用いて基板１３０と筐体１５０とを締結する場合には、磁界の乱れが生じないように、非磁性の螺子を用いることが好ましい。

アーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６とによって形成される開口部１１０ｈに、磁気センサユニット１６０が挿入されている。具体的には、磁気センサユニット１６０を１次導体１１０の主面に対して斜めに傾けた状態で嵌合部１５２ｃ側を先頭にして、開口部１１０ｈ内に斜め方向に挿入し、筐体１５０の中心が、開口部１１０ｈの中心と略一致した時点で、磁気センサユニット１６０を筐体１５０の中心を回転中心として回転させる。

その結果、上部筐体１５２の嵌合部１５２ｃが、アーチ状部１１１の延在部１１４の裏面と接触した状態でアーチ状部１１１と嵌合し、下部筐体１５１の嵌合部１５１ｃが、逆アーチ状部１１６の延在部１１９の表面と接触した状態で逆アーチ状部１１６と嵌合する。すなわち、筐体１５０は、アーチ状部１１１の内側に嵌め込まれるように、１次導体１１０に組み付けられる。筐体１５０は、逆アーチ状部１１６の内側に嵌め込まれるように、１次導体１１０に組み付けられる。これにより、磁気センサユニット１６０が１次導体１１０に組み付けられる。

本実施形態においては、上部筐体１５２において嵌合部１５２ｃの上面に垂直な壁面が、アーチ状部１１１の延在部１１４と接触していることにより、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、磁気センサユニット１６０が１次導体１１０に対して位置決めされている。

磁気センサユニット１６０が１次導体１１０に組み付けられた状態において、基板１３０の一方の主面は、アーチ状部１１１の内側においてアーチ状部１１１の延在部１１４の裏面と互いに向かい合っている。基板１３０の他方の主面は、逆アーチ状部１１６の延在部１１９の表面と互いに向かい合っている。すなわち、基板１３０は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部および第２流路部の両方と向かい合っている。ただし、基板１３０の配置は、上記に限られず、基板１３０の少なくとも一部が、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部および第２流路部の少なくとも一方と向かい合っていればよい。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)におけるアーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６との間の隙間に配置されている。本実施形態においては、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａとアーチ状部１１１の延在部１１４との間の間隔Ｌ１と、第２磁気センサ１２０ｂと逆アーチ状部１１６の延在部１１９との間の間隔Ｌ２とが等しい。ただし、間隔Ｌ１と間隔Ｌ２とが異なっていてもよい。

第１磁気センサ１２０ａは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見てアーチ状部１１１の延在部１１４の少なくとも一部と重なっている。第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、逆アーチ状部１１６の延在部１１９の少なくとも一部と重なっている。

複数の電子部品１４０ａの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、逆アーチ状部１１６の延在部１１９と重なっている。複数の電子部品１４０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、アーチ状部１１１の延在部１１４と重なっている。

図７は、本発明の実施形態１に係る電流センサにおいて、測定対象の電流が流れることにより発生する磁界を模式的に示す断面図である。図８は、本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図７においては、１次導体１１０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１１０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１１０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。また、図７においては、筐体１５０を図示していない。図７においては、図６と同一の断面視にて図示している。

図７に示すように、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の磁界を検出する。具体的には、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に向いた検出軸２を有している。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、検出軸２の一方向に向いた磁界を検出した場合に正の値で出力し、かつ、検出軸２の一方向とは反対方向に向いた磁界を検出した場合に負の値で出力する、奇関数入出力特性を有している。

図８に示すように、本実施形態に係る電流センサ１００において、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、ホール素子を有している。ホール素子の材料として、本実施形態においてはＳｉを用いているが、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂなどを用いてもよい。

ただし、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、ホール素子に代えて、磁気抵抗素子を有していてもよい。ホール素子および磁気抵抗素子などの磁気素子は、樹脂パッケージされていてもよく、または、シリコーン樹脂若しくはエポキシ樹脂などでポッティングされていてもよい。

複数の磁気素子がパッケージされている場合、複数の磁気素子が１つにパッケージされていてもよいし、複数の磁気素子の各々が別々にパッケージされていてもよい。また、複数の磁気素子と電子部品とが集積された状態で、１つにパッケージされていてもよい。

図８に示すように、電流センサ１００は、第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とを演算することにより１次導体１１０を流れる測定対象の電流の値を算出する算出部１９０をさらに備える。本実施形態においては、算出部１９０は、差動増幅器である。ただし、算出部１９０が減算器であってもよい。

図７に示すように、１次導体１１０を流れる測定対象の電流は、アーチ状部１１１を通過する第１流路部と、逆アーチ状部１１６を通過する第２流路部との、２つの流路に分かれて流れる。１次導体１１０において２つの流路に分かれて電流が流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって、各流路を周回する磁界が発生する。

図７に示すように、第１磁気センサ１２０ａは、アーチ状部１１１の内側においてアーチ状部１１１の延在部１１４の裏面と互いに向かい合っている基板１３０の一方の主面に実装されて、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)におけるアーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６との間の隙間に配置されているため、第１磁気センサ１２０ａには、延在部１１４を周回する磁界１１４ｅが印加される。

第２磁気センサ１２０ｂは、逆アーチ状部１１６の延在部１１９の表面と互いに向かい合っている基板１３０の他方の主面に実装されて、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)におけるアーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６との間の隙間に配置されているため、第２磁気センサ１２０ｂには、延在部１１９を周回する磁界１１９ｅが印加される。

図７に示すように、延在部１１４の一方の側面側(右側面側)の位置と、延在部１１９の他方の側面側(左側面側)の位置とでは、Ｚ軸方向の磁束の向きが互いに反対方向となる。すなわち、第１磁気センサ１２０ａに作用する磁束の向きと、第２磁気センサ１２０ｂに作用する磁束の向きとが反対であるため、１次導体１１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサ１２０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１２０ｂの検出値の位相とは、逆相である。よって、第１磁気センサ１２０ａの検出した磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ１２０ｂの検出した磁界の強さは負の値となる。

第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とは、算出部１９０にて演算される。具体的には、算出部１９０は、第１磁気センサ１２０ａの検出値から第２磁気センサ１２０ｂの検出値を減算する。この結果から、１次導体１１０を流れた測定対象の電流の値が算出される。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、磁気センサユニット１６０が開口部１１０ｈに挿入されているため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの間に位置することができない。

そのため、外部磁界源から第１磁気センサ１２０ａに印加される磁界のうちの検出軸の方向における磁界成分の向きと、外部磁界源から第２磁気センサ１２０ｂに印加される磁界のうちの検出軸の方向における磁界成分の向きとは、同じ向きとなる。よって、第１磁気センサ１２０ａの検出した外部磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ１２０ｂの検出した外部磁界の強さも正の値となる。

その結果、算出部１９０が第１磁気センサ１２０ａの検出値から第２磁気センサ１２０ｂの検出値を減算することにより、外部磁界源からの磁界は、ほとんど検出されなくなる。すなわち、外部磁界の影響が低減される。

本実施形態の第１変形例として、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂにおいて、検出値が正となる検出軸の方向を互いに反対方向(１８０°反対)にしてもよい。この場合、第１磁気センサ１２０ａの検出する外部磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ１２０ｂの検出する外部磁界の強さは負の値となる。

一方、１次導体１１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサ１２０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１２０ｂの検出値の位相とは同相となる。

本実施形態の第１変形例においては、算出部１９０として差動増幅器に代えて加算器または加算増幅器を用いる。外部磁界の強さについては、第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とを加算器または加算増幅器によって加算することにより、第１磁気センサ１２０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２０ｂの検出値の絶対値とが減算される。これにより、外部磁界源からの磁界は、ほとんど検出されなくなる。すなわち、外部磁界の影響が低減される。

一方、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さについては、第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とを加算器または加算増幅器によって加算することにより、１次導体１１０を流れた測定対象の電流の値が算出される。

このように、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの入出力特性を互いに逆の極性にしつつ、差動増幅器に代えて加算器または加算増幅器を算出部として用いてもよい。

本実施形態に係る電流センサ１００は、外部磁界の影響を低減することができる。本実施形態に係る電流センサ１００においては、アーチ状部１１１の電気抵抗値と逆アーチ状部１１６の電気抵抗値とが略同一であるため、１次導体１１０を測定電流が流れることによるアーチ状部１１１の発熱量と逆アーチ状部１１６の発熱量とを同等にすることができる。その結果、第１磁気センサ１２０ａの磁気素子の周囲の温度と、第２磁気センサ１２０ｂの磁気素子の周囲の温度とを略同じにすることができるため、磁気素子の温度特性による電流センサ１００の測定値の誤差を低減することができる。

本実施形態に係る電流センサ１００は、１つの導体からなる１次導体１１０に、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが実装された基板１３０を収容した筐体１５０を組み付ける構造を有しているため、電流センサ１００の組み立てが容易であり、また、複数の導体からなる１次導体を用いる場合に比較して、部品点数を削減して低コスト化を図ることができる。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、基板１３０の実装面と１次導体１１０の主面とが平行になるように基板１３０が配置されているため、電流センサ１００を低背化できる。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、上部筐体１５２の嵌合部１５２ｃが、アーチ状部１１１の延在部１１４の裏面と接触した状態でアーチ状部１１１と嵌合し、下部筐体１５１の嵌合部１５１ｃが、逆アーチ状部１１６の延在部１１９の表面と接触した状態で逆アーチ状部１１６と嵌合することにより、磁気センサユニット１６０が１次導体１１０に組み付けられている。また、上部筐体１５２において嵌合部１５２ｃの上面に垂直な壁面が、アーチ状部１１１の延在部１１４と接触していることにより、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、磁気センサユニット１６０が１次導体１１０に対して位置決めされている。

これにより、アーチ状部１１１に対する第１磁気センサ１２０ａの位置のばらつき、および、逆アーチ状部１１６に対する第２磁気センサ１２０ｂの位置のばらつきの各々を低減して、電流センサ１００の測定精度のばらつきを低減することができる。その結果、電流センサ１００の測定再現性および量産性を高めることができる。また、アーチ状部１１１および逆アーチ状部１１６によって、磁気センサユニット１６０の構成部品を外力から保護することができる。

ここで、１次導体１１０を流れる測定対象の電流が周波数の高い交流である場合における、本実施形態に係る電流センサ１００の作用効果について説明する。以下の説明においては、２つの流路のうちの第１流路部について説明するが、第２流路部についても同様である。

図９は、本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体のアーチ状部に測定対象の電流が流れ始めた際に発生する磁界を模式的に示す断面図である。図１０は、本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体のアーチ状部に測定対象の電流が流れ始めた際にアーチ状部を周回する磁界を模式的に示す断面図である。図９，１０においては、１次導体のアーチ状部を流れる測定対象の電流のうち、１次導体の幅方向(Ｘ軸方向)において、一端部を流れる電流を１ａ、中央部を流れる電流を１ｂ、他端部を流れる電流を１ｃで示している。

図９に示すように、本実施形態に係る電流センサ１００の１次導体１１０のアーチ状部１１１において、電流１ａ、電流１ｂおよび電流１ｃが流れることにより、磁界１１４ｅａ、磁界１１４ｅｂおよび磁界１１４ｅｃがそれぞれ発生する。磁界１１４ｅａ、磁界１１４ｅｂおよび磁界１１４ｅｃの発生による電磁誘導効果によって、１次導体１１０には、渦電流１０ａ，１０ｂ，１１ｂ，１１ｃが発生する。

具体的には、磁界１１４ｅａが１次導体１１０の表面に進入する位置において渦電流１０ａが発生し、磁界１１４ｅａを打ち消す磁界２０ａが発生する。磁界１１４ｅｂが１次導体１１０の表面に進入する位置において渦電流１０ｂが発生し、磁界１１４ｅｂを打ち消す磁界２０ｂが発生する。磁界１１４ｅｃが１次導体１１０の裏面に進入する位置において渦電流１１ｃが発生し、磁界１１４ｅｃを打ち消す磁界２１ｃが発生する。磁界１１４ｅｂが１次導体１１０の裏面に進入する位置において渦電流１１ｂが発生し、磁界１１４ｅｂを打ち消す磁界２１ｂが発生する。

そのため、１次導体１１０を流れる測定対象の電流が周波数の高い交流である場合においては、図１０に示すように、１次導体１１０のアーチ状部１１１に測定対象の電流が流れ始めた際における、磁界１１４ｅｂの磁束密度は、磁界１１４ｅａおよび磁界１１４ｅｃの各々の磁束密度より小さくなる。仮に、第１磁気センサ１２０ａを磁界１１４ｅｂが作用する位置に配置していた場合、１次導体１１０のアーチ状部１１１に測定対象の電流が流れ始めた際の第１磁気センサ１２０ａの出力は小さくなり、時間の経過とともに渦電流１０ａ，１０ｂ，１１ｂ，１１ｃの大きさが小さくなるに従って、第１磁気センサ１２０ａの出力が大きくなる。この場合、電流センサの出力の立ち上がり時間が長くなる。

この電流センサの出力の立ち上がり時間が長くなる問題は、測定対象の電流の値が大きくなるほど、および、測定対象の電流の周波数が高くなるほど顕著になる。その理由は、次の通りである。測定対象の電流の値が大きい(たとえば、５００Ａ以上１０００Ａ以下)場合、１次導体の電気抵抗を小さくするために、１次導体の幅および厚さが大きくされる(たとえば、幅が１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下、厚さが２ｍｍ以上３ｍｍ以下)。測定対象の電流の周波数が高い(たとえば、１００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下)場合、表皮効果によって測定対象の電流が１次導体の外周面の近傍を主に流れるため、１次導体の発熱を抑制するために、１次導体の幅および厚さが大きくされる。これらの場合、渦電流１０ｂ，１１ｂの発生する面積が大きくなるとともに、磁界１１４ｅｂが１次導体を貫通しにくくなって、１次導体のアーチ状部に測定対象の電流が流れ始めた際における磁界１１４ｅｂの磁束密度がより小さくなる。その結果、電流センサの出力の立ち上がり時間が顕著に長くなる。

本発明の実施形態１に係る電流センサ１００においては、第１磁気センサ１２０ａを磁界１１４ｅｃが作用する位置に配置しているため、１次導体１１０のアーチ状部１１１に測定対象の電流が流れ始めた際の第１磁気センサ１２０ａの出力が渦電流の発生により小さくなることを抑制できる。第２磁気センサ１２０ｂの出力も同様に改善することができる。その結果、電流センサ１００の出力の立ち上がり時間を短くして、電流センサ１００の測定誤差を低減し、電流センサ１００の周波数特性を良好にすることができる。電流センサ１００のこの効果は、測定対象の電流の値が大きくなるに従って、および、測定対象の電流の周波数が高くなるに従って、より顕著に現れる。

ここで、比較例に係る電流センサと本発明の実施形態１に係る電流センサとにおいて、周波数特性を比較した実験結果について説明する。比較例に係る電流センサは、第１磁気センサ１２０ａを磁界１１４ｅｂが作用する位置に配置し、第２磁気センサ１２０ｂも同様に配置している点のみ、本発明の実施形態１に係る電流センサと異なる。

図１１は、比較例に係る電流センサの入力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。図１２は、本発明の実施形態１に係る電流センサの入力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。図１１，１２においては、縦軸に、入力電流Ｉｉｎ(Ａ)および出力電圧Ｖｏｕｔ(ｍＶ)、横軸に、時間(μｓ)を示している。

図１１，１２に示すように、比較例に係る電流センサおよび本発明の実施形態１に係る電流センサ１００の各々において、３００μｓの間、１００Ａの入力電流を１次導体に流した。比較例に係る電流センサにおいては、１次導体のアーチ状部に測定対象の電流が流れ始めた際の出力電圧は１９０ｍＶであり、出力電圧のピーク値は２２０ｍＶであり、出力電圧のピーク値に到達するまでの時間は２８０μｓであった。

本発明の実施形態１に係る電流センサ１００においては、１次導体１１０のアーチ状部１１１に測定対象の電流が流れ始めた際の出力電圧は１４０ｍＶであり、出力電圧のピーク値は１４０ｍＶであり、出力電圧のピーク値に到達するまでの時間は１０μｓであった。

上記の実験結果から、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００においては、比較例に係る電流センサと比較して、出力電圧のピーク値が低下して感度が若干低くなるものの、電流センサの出力の立ち上がり時間を短くできることが確認できた。

すなわち、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００は、電流センサ１００の低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサ１００の周波数特性を良好にすることができる。

また、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００においては、複数の電子部品１４０ａの各々が、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、逆アーチ状部１１６の延在部１１９と重なり、複数の電子部品１４０ｂの各々が、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、アーチ状部１１１の延在部１１４と重なっているため、電流センサ１００の測定精度を高く維持することができる。その理由を以下に説明する。

図１３は、本発明の実施形態１に係る電流センサにおいて、基板に実装された複数の電子部品を配線で互いに接続して回路を構成した状態を示す平面図である。図１３に示すように、複数の電子部品１４０ａを配線１４１で互いに接続して回路を構成した場合、配線１４１によりループが形成されることがある。仮に、このループ内を貫通するように磁界が印加された場合、誘導起電力が発生して電流センサの出力にノイズが含まれることにより、電流センサの測定精度が低下する。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、複数の電子部品１４０ａの各々が、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、逆アーチ状部１１６の延在部１１９と重なるように配置されているため、図１３に示すように、延在部１１９の周囲に発生した磁界１１９ｅは、配線１４１により形成されたループの中心軸に直交する方向に向けて進行してループ内を貫通しない。複数の電子部品１４０ｂについても同様である。そのため、電流センサ１００の出力にノイズが含まれることを抑制して、電流センサ１００の測定精度を高く維持することができる。

なお、本実施形態に係る電流センサ１００においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、互いに重なっていたが、互いにずれていてもよい。

図１４は、本発明の実施形態１の第２変形例に係る電流センサの断面図である。図１４においては、筐体１５０を図示していない。図１４においては、図７と同一の断面視にて図示している。

図１４に示すように、本発明の実施形態１の第２変形例に係る電流センサにおいては、第１磁気センサ１２０ａの中心と第２磁気センサ１２０ｂの中心とが、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、互いにずれている。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、互いに重なっていない。１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａとアーチ状部１１１の延在部１１４との間の間隔Ｌ１と、第２磁気センサ１２０ｂと逆アーチ状部１１６の延在部１１９との間の間隔Ｌ２とは等しい。

本発明の実施形態１の第２変形例に係る電流センサにおいても、電流センサの低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサの周波数特性を良好にすることができる。

図１５は、本発明の実施形態１の第３変形例に係る電流センサの平面図である。図１５においては、筐体１５０を図示していない。図１５に示すように、本発明の実施形態１の第３変形例に係る電流センサにおいては、第１磁気センサ１２０ａの中心と第２磁気センサ１２０ｂの中心とが、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)において、互いにずれている。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、互いに重なっていない。１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａとアーチ状部１１１の延在部１１４との間の間隔Ｌ１と、第２磁気センサ１２０ｂと逆アーチ状部１１６の延在部１１９との間の間隔Ｌ２とは等しい。

本発明の実施形態１の第３変形例に係る電流センサにおいても、電流センサの低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサの周波数特性を良好にすることができる。

本発明の実施形態１の第３変形例に係る電流センサで説明したように、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００は、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の配置の自由度が高いため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの配置に高い位置精度が求められず、容易に製造可能である。

本実施形態に係る電流センサ１００は、インバータなどの３相３線式の配線に適用されてもよい。図１６は、本発明の実施形態１に係る電流センサが３相３線式の配線に適用された状態を示す断面図である。図１６においては、筐体１５０を図示していない。図１６においては、図７と同一の断面視にて図示している。

図１６に示すように、３つの電流センサ１００ａ，１００ｂ，１００ｃが、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)に並んで配置され、電流センサ１００ａの１次導体１１０に第１相の電流が入力され、電流センサ１００ｂの１次導体１１０に第２相の電流が入力され、電流センサ１００ｃの１次導体１１０に第３相の電流が入力されてもよい。

(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る電流センサについて説明する。本実施形態に係る電流センサは、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々がホール素子に代えて磁気抵抗素子を有する点のみ実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、実施形態１に係る電流センサ１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

図１７は、本発明の実施形態２に係る電流センサにおいて、測定対象の電流が流れることにより発生する磁界を模式的に示す断面図である。図１８は、本発明の実施形態２に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１７においては、筐体１５０を図示していない。図１７においては、図７と同一の断面視にて図示している。

図１７，１８に示すように、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００は、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂを備えている。第１磁気センサ２２０ａは、第１基板２３０ａの主面に実装されている。第２磁気センサ２２０ｂは、第２基板２３０ｂの主面に実装されている。第１基板２３０ａは、基板１３０の一方の主面に実装されている。第１基板２３０ａの主面と基板１３０の一方の主面とは、互いに垂直である。第２基板２３０ｂは、基板１３０の他方の主面に実装されている。第２基板２３０ｂの主面と基板１３０の他方の主面とは、互いに垂直である。第１基板２３０ａおよび第２基板２３０ｂの各々は、基板１３０に実装された状態で、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、アーチ状部１１１の延在部１１４および逆アーチ状部１１６の延在部１１９の外側に突出していない。

第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の磁界を検出する。具体的には、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に向いた検出軸２を有している。

第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々は、４つのＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子からなるホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を有する。なお、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々が、ＡＭＲ素子に代えて、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)、ＢＭＲ(Ballistic Magneto Resistance)、ＣＭＲ(Colossal Magneto Resistance)などの磁気抵抗素子を有していてもよい。

また、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々が、２つの磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路を有していてもよい。その他にも、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂとして、磁気インピーダンス効果を利用するＭＩ(Magneto Impedance)素子を有する磁気センサまたはフラックスゲート型磁気センサなどを用いることができる。さらに、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々が、検出軸２の方向に磁束が通過するように誘導する磁束偏向素子を含んでいてもよい。磁束偏向素子は、Ｎｉなどの磁性材料で構成されており、磁束の流れを一定の方向に収束させる機能を有している。

本実施形態においては、ＡＭＲ素子は、バーバーポール型電極を含むことによって、奇関数入出力特性を有している。具体的には、第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々の磁気抵抗素子は、バーバーポール型電極を含むことにより、磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向に対して所定の角度(たとえば４５°)をなす方向に電流が流れるようにバイアスされている。

磁気抵抗膜の磁化方向は、磁気抵抗膜の形状異方性およびバイアス磁界の少なくとも一方によって決まる。なお、ＡＭＲ素子の磁化方向を決める方法として、ＡＭＲ素子を構成する磁気抵抗膜の近傍に永久磁石若しくは薄膜磁石を設ける方法、磁気抵抗膜において交換結合若しくは相間結合を設ける方法、磁気抵抗膜の近傍に設けられたコイルの誘導磁界を用いる方法、または、磁気抵抗膜の近傍に設けられた磁性体の残留磁束を用いる方法などを採用してもよい。磁気抵抗膜の近傍に設けられたコイルの誘導磁界を用いる方法を採用する場合、コイルに流される電流の大きさ変更することにより、磁気抵抗膜に印加されるバイアス磁界の強さを適宜調整することができる。磁気抵抗膜の近傍に永久磁石を設ける方法を採用する場合、永久磁石は、焼結磁石、ボンド磁石または薄膜で構成されていてもよい。永久磁石の種類は、特に限定されず、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石またはネオジム磁石などを用いることができる。磁気抵抗膜は、ミアンダ状に折り返されて形成されていてもよい。

第１磁気センサ２２０ａの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向と、第２磁気センサ２２０ｂの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向とは、同一方向である。これにより、外部磁界の影響による出力精度の低下を小さくすることができる。

第１磁気センサ２２０ａおよび第２磁気センサ２２０ｂの各々のブリッジ回路に印加される電源電圧は、直流の一定電圧であってもよいし、交流電圧またはパルス電圧であってもよい。

本発明の実施形態２に係る電流センサ２００においても、電流センサ２００の低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサ２００の周波数特性を良好にすることができる。

(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係る電流センサについて図を参照して説明する。本実施形態に係る電流センサは、第１磁気センサ１２０ａ、第２磁気センサ１２０ｂ、複数の電子部品１４０ａおよび複数の電子部品１４０ｂが全て、基板１３０の一方の主面に実装されている点が主に、実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、実施形態１に係る電流センサ１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

図１９は、本発明の実施形態３に係る電流センサの断面図である。図１９においては、図６と同一の断面視にて図示している。図１９に示すように、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、基板１３０の一方の主面に実装されている。

第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において並んで位置している。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)におけるアーチ状部１１１と逆アーチ状部１１６との間の隙間に配置されている。本実施形態においては、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａとアーチ状部１１１の延在部１１４との間の間隔Ｌ１と、第２磁気センサ１２０ｂと逆アーチ状部１１６の延在部１１９との間の間隔Ｌ２とは等しい。ただし、間隔Ｌ１と間隔Ｌ２とが異なっていてもよい。

複数の電子部品１４０ａは、基板１３０の一方の主面に実装されている。複数の電子部品１４０ａは、第１磁気センサ１２０ａから見て、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の他方側に位置している。複数の電子部品１４０ｂは、基板１３０の一方の主面に実装されている。複数の電子部品１４０ｂは、第２磁気センサ１２０ｂから見て、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の一方側に位置している。

複数の電子部品１４０ａの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、アーチ状部１１１の延在部１１４と重なっている。複数の電子部品１４０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、逆アーチ状部１１６の延在部１１９と重なっている。

図２０は、本発明の実施形態３に係る電流センサにおいて、測定対象の電流が流れることにより発生する磁界を模式的に示す断面図である。図２０においては、筐体１５０を図示していない。図２０においては、図１９と同一の断面視にて図示している。

図２０に示すように、第１磁気センサ１２０ａには、延在部１１４を周回する磁界１１４ｅが印加される。第２磁気センサ１２０ｂには、延在部１１９を周回する磁界１１９ｅが印加される。

本発明の実施形態３に係る電流センサ３００においても、電流センサ３００の低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサ３００の周波数特性を良好にすることができる。

また、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとを基板１３０の同一の主面に実装できるため、電流センサ３００の構造を簡易にして、電流センサ３００の信頼性を向上できるとともに、電流センサ３００の組立コストを低減できる。さらに、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々を１次導体１１０の周囲に発生する電界から保護する場合に、１つの静電シールド板で第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの両方を覆って保護することができる。

(実施形態４)
以下、本発明の実施形態４に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態４に係る電流センサ４００は、第１流路部および第２流路部の形状が主に、実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、実施形態１に係る電流センサ１００と同様である構成については同じ参照符号を付してその説明を繰り返さない。

図２１は、本発明の実施形態４に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図２２は、本発明の実施形態４に係る電流センサが備える１次導体の外観を示す斜視図である。図２３は、図２２の１次導体を矢印ＸＸＩＩＩ方向から見た側面図である。

図２１〜２３に示すように、本発明の実施形態４に係る電流センサ４００は、測定対象の電流が流れ、表面および裏面を含み、長さ方向(Ｙ軸方向)、長さ方向(Ｙ軸方向)と直交する幅方向(Ｘ軸方向)、および、長さ方向(Ｙ軸方向)と幅方向(Ｘ軸方向)とに直交する厚さ方向(Ｚ軸方向)を有する板状の１次導体４１０を備える。

本実施形態においては、第１流路部４１１は、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、１次導体４１０の表面側に膨出している。第２流路部４１６は、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、１次導体４１０の裏面側に膨出している。第２流路部４１６は、１次導体４１０の幅方向(Ｘ軸方向)にて第１流路部４１１と並んでいる。幅方向(Ｘ軸方向)から見て、第１流路部４１１と第２流路部４１６とによって囲まれた領域４１０ｈが形成されている。スリット４１５は、１次導体４１０の幅方向(Ｘ軸方向)にて１次導体４１０の中央に位置している。

第１流路部４１１および第２流路部４１６の各々は、１次導体４１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、半長円状の形状を有している。第１流路部４１１は、互いに間隔を置いて、１次導体４１０の表面から円弧状に突出する第１突出部４１２および第２突出部４１３と、１次導体４１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に延在し、第１突出部４１２と第２突出部４１３とを繋ぐ延在部４１４とから構成されている。第２流路部４１６は、互いに間隔を置いて、１次導体４１０の裏面から円弧状に突出する第３突出部４１７および第４突出部４１８と、１次導体４１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に延在し、第３突出部４１７と第４突出部４１８とを繋ぐ延在部４１９とから構成されている。

第１流路部４１１と第２流路部４１６とによって形成される空間に、磁気センサユニット４６０が挿入されている。これにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体４１０の幅方向(Ｘ軸方向)における第１流路部４１１と第２流路部４１６との間の隙間に配置されている。

磁気センサユニット４６０が１次導体４１０に組み付けられた状態において、基板１３０の一方の主面は、第１流路部４１１の内側において第１流路部４１１の延在部４１４の裏面と互いに向かい合っている。基板１３０の他方の主面は、第２流路部４１６の延在部４１９の表面と互いに向かい合っている。すなわち、基板１３０は、１次導体４１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部４１１および第２流路部４１６の両方と向かい合っている。ただし、基板１３０の配置は、上記に限られず、基板１３０の少なくとも一部が、１次導体４１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部４１１および第２流路部４１６の少なくとも一方と向かい合っていればよい。

本実施形態に係る電流センサ４００においても、電流センサ４００の低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサ４００の周波数特性を良好にすることができる。

なお、磁気センサユニット４６０の一部が、第１流路部４１１と第２流路部４１６とによって形成される空間の外側に配置されていてもよい。図２４は、本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図２５は、図２４の電流センサを矢印ＸＸＶ方向から見た側面図である。図２６は、本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサが備える磁気センサユニットの基板を表面側から見た図である。図２７は、本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサが備える磁気センサユニットの基板を裏面側から見た図である。

図２４，２５に示すように、本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサ４００ａは、１次導体４１０ａと磁気センサユニット４６０ａとを備える。磁気センサユニット４６０ａは、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、領域４１０ｈの内部に位置する磁気センサ収容部４６０ｉと、領域４１０ｈの外側に位置する電子部品収容部４６０ｏと、フランジ部４６０ｆとを含む。

図２６，２７に示すように、電子部品収容部４６０ｏの内部に位置する部分の基板４３０の、表面上に電子部品４４０ａ，４４１が実装され、裏面上に電子部品４４０ｂ，４４１が実装されている。電子部品４４０ａ，４４０ｂ，４４１は、演算回路を構成している。磁気センサ収容部４６０ｉの内部に位置する部分の基板４３０の、表面上に第１磁気センサ１２０ａが実装され、裏面上に第２磁気センサ１２０ｂが実装されている。

フランジ部４６０ｆには、図示しない貫通孔が設けられている。１次導体４１０ａには、フランジ部４６０ｆの貫通孔に対応する位置に、図示しない貫通孔が設けられている。フランジ部４６０ｆの貫通孔および１次導体４１０ａの貫通孔を挿通したボルト４７０とナット４８０とを螺合させることにより、磁気センサユニット４６０ａと１次導体４１０ａとを締結することができる。ボルト４７０およびナット４８０の各々は、非磁性材料で構成されている。

本発明の実施形態４の変形例に係る電流センサ４００ａにおいては、ボルト４７０およびナット４８０により、磁気センサユニット４６０ａを１次導体４１０ａに確実に取り付けることができる。また、演算回路を構成する電子部品４４０ａ，４４０ｂ，４４１を領域４１０ｈの外側に配置することにより、領域４１０ｈを小さくすることができる。領域４１０ｈを小さくすることにより、第１流路部４１１と第１磁気センサ１２０ａとの間の距離、および、第２流路部４１６と第２磁気センサ１２０ｂとの間の距離を、小さくすることができるため、電流センサ４００ａの低背化を図りつつ外部磁界による影響をさらに低減できる。

(実施形態５)
以下、本発明の実施形態５に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態５に係る電流センサ５００は、第１流路部および第２流路部の形状が主に、実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、実施形態１に係る電流センサ１００と同様である構成については同じ参照符号を付してその説明を繰り返さない。

図２８は、本発明の実施形態５に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図２９は、本発明の実施形態５に係る電流センサが備える１次導体の外観を示す斜視図である。図３０は、図２９の１次導体を矢印ＸＸＸ方向から見た側面図である。図３１は、図２９の１次導体を矢印ＸＸＸＩ方向から見た上面図である。図３２は、図２９の１次導体を矢印ＸＸＸＩＩ方向から見た正面図である。

図２８〜３２に示すように、本発明の実施形態５に係る電流センサ５００は、測定対象の電流が流れ、表面および裏面を含み、長さ方向(Ｙ軸方向)、長さ方向(Ｙ軸方向)と直交する幅方向(Ｘ軸方向)、および、長さ方向(Ｙ軸方向)と幅方向(Ｘ軸方向)とに直交する厚さ方向(Ｚ軸方向)を有する板状の１次導体５１０を備える。

本実施形態においては、第２流路部５１６は、１次導体５１０の幅方向(Ｘ軸方向)にて第１流路部５１１と並んでいる。幅方向(Ｘ軸方向)から見て、第１流路部５１１と第２流路部５１６とによって囲まれた領域５１０ｈが形成されている。スリット５１５は、１次導体５１０の幅方向(Ｘ軸方向)にて１次導体５１０の中央に位置している。

第１流路部５１１は、長さ方向(Ｙ軸方向)における一端５１１ａと他端５１１ｂとを有する。第２流路部５１６は、長さ方向(Ｙ軸方向)における一端５１６ａと他端５１６ｂとを有する。第１流路部５１１の一端５１１ａと第２流路部５１６の一端５１６ａとは、スリット５１５を間に挟んで、幅方向(Ｘ軸方向)に並んでいる。第１流路部５１１の他端５１１ｂと第２流路部５１６の他端５１６ｂとは、スリット５１５を間に挟んで、幅方向(Ｘ軸方向)に並んでいる。

長さ方向(Ｙ軸方向)における第１流路部５１１の一端５１１ａと第１流路部５１１の他端５１１ｂとは、厚さ方向(Ｚ軸方向)における位置が互いに異なっている。長さ方向(Ｙ軸方向)における第２流路部５１６の一端５１６ａと第２流路部５１６の他端５１６ｂとは、厚さ方向(Ｚ軸方向)における位置が互いに異なっている。長さ方向(Ｙ軸方向)における第１流路部５１１の一端５１１ａと第２流路部５１６の一端５１６ａとは、厚さ方向(Ｚ軸方向)における位置が互いに等しい。長さ方向(Ｙ軸方向)における第１流路部５１１の他端５１１ｂと第２流路部５１６の他端５１６ｂとは、厚さ方向(Ｚ軸方向)における位置が互いに等しい。

第１流路部５１１は、厚さ方向(Ｚ軸方向)における第１流路部５１１の一端５１１ａの位置と第１流路部５１１の他端５１１ｂの位置とを繋ぐ曲折部５１３を含む。第２流路部５１６は、厚さ方向(Ｚ軸方向)における第２流路部５１６の一端５１６ａの位置と第２流路部５１６の他端５１６ｂの位置とを繋ぐ曲折部５１７を含む。第１流路部５１１の曲折部５１３と、第２流路部５１６の曲折部５１７とは、長さ方向(Ｙ軸方向)において互いに間隔を置いて位置している。

本実施形態においては、第１流路部５１１は、一端５１１ａから長さ方向(Ｙ軸方向)に延在する延在部５１４と、延在部５１４の長さ方向(Ｙ軸方向)の端部から厚さ方向(Ｚ軸方向)に直線状に延在して他端５１１ｂに向かう曲折部５１３とを含む。すなわち、第１流路部５１１は、段状に形成されている。延在部５１４は、第１流路部５１１の一端５１１ａと接している。曲折部５１３は、第１流路部５１１の他端５１１ｂと接している。なお、曲折部５１３の形状は、上記に限られず、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、長さ方向(Ｙ軸方向)および厚さ方向(Ｚ軸方向)の各々に対して交差する方向に直線状に延在していてもよいし、湾曲していてもよい。

第２流路部５１６は、一端５１６ａから厚さ方向(Ｚ軸方向)に直線状に延在する曲折部５１７と、曲折部５１７の厚さ方向(Ｚ軸方向)の端部から長さ方向(Ｙ軸方向)に延在して他端５１６ｂに向かう延在部５１９とを含む。すなわち、第２流路部５１６は、段状に形成されている。延在部５１９は、第２流路部５１６の他端５１６ｂと接している。曲折部５１７は、第２流路部５１６の一端５１６ａと接している。なお、曲折部５１７の形状は、上記に限られず、幅方向(Ｘ軸方向)から見て、長さ方向(Ｙ軸方向)および厚さ方向(Ｚ軸方向)の各々に対して交差する方向に直線状に延在していてもよいし、湾曲していてもよい。

第１流路部５１１と第２流路部５１６とによって形成される空間に、磁気センサユニット５６０が挿入されている。これにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体５１０の幅方向(Ｘ軸方向)における第１流路部５１１と第２流路部５１６との間の隙間に配置されている。

磁気センサユニット５６０が１次導体５１０に組み付けられた状態において、基板１３０の一方の主面は、第１流路部５１１の内側において第１流路部５１１の延在部５１４の裏面と互いに向かい合っている。基板１３０の他方の主面は、第２流路部５１６の延在部５１９の表面と互いに向かい合っている。すなわち、基板１３０は、１次導体５１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部５１１および第２流路部５１６の両方と向かい合っている。ただし、基板１３０の配置は、上記に限られず、基板１３０の少なくとも一部が、１次導体５１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、上記領域の内部に位置し、かつ、第１流路部５１１および第２流路部５１６の少なくとも一方と向かい合っていればよい。

本実施形態に係る電流センサ５００においても、電流センサ５００の低背化を図りつつ外部磁界による影響を低減できるとともに電流センサ５００の周波数特性を良好にすることができる。

(実施形態６)
以下、本発明の実施形態６に係る電力変換装置について図を参照して説明する。図３３は、本発明の実施形態６に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図３３に示すように、本発明の実施形態６に係る電力変換装置６００は、互いに電気的に接続された、制御部６１０、スイッチ駆動部６２０、スイッチ素子部６３０、電流センサ６４０および出力部６５０を備えている。電流センサ６４０は、実施形態１から実施形態５のいずれか１つの実施形態に係る電流センサである。電力変換装置６００は、たとえば、インバータである。出力部６５０は、たとえば、交流電動機である。なお、電力変換装置６００がコンバータであり、出力部６５０が直流電動機であってもよい。

電力変換装置６００が電流センサ６４０を備えることにより、電流センサ６４０による精度の高い測定結果に基づいて制御部６１０が出力部６５０の出力を制御できるため、電力変換装置６００の調整精度を向上できる。また、電流センサ６４０が低背化されているため、電力変換装置６００を小型にすることができる。

上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 検出軸、１０ａ，１０ｂ，１１ｂ，１１ｃ 渦電流、２０ａ，２０ｂ，２１ｂ，２１ｃ，１１４ｅ，１１４ｅａ，１１４ｅｂ，１１４ｅｃ，１１９ｅ 磁界、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，２００，３００，４００，４００ａ，５００，６４０ 電流センサ、１１０，４１０，４１０ａ，５１０ １次導体、１１０ｈ 開口部、１１１ アーチ状部、１１２，４１２ 第１突出部、１１３，４１３ 第２突出部、１１４，１１９，４１４，４１９，５１４，５１９ 延在部、１１５，４１５，５１５ スリット、１１６ 逆アーチ状部、１１７，４１７ 第３突出部、１１８，４１８ 第４突出部、１２０ａ，２２０ａ 第１磁気センサ、１２０ｂ，２２０ｂ 第２磁気センサ、１３０，４３０ 基板、１４０ａ，１４０ｂ，４４０ａ，４４０ｂ，４４１ 電子部品、１４１ 配線、１５０ 筐体、１５１ 下部筐体、１５１ｃ，１５２ｃ 嵌合部、１５２ 上部筐体、１５２ｐ 取出し口、１６０，４６０，４６０ａ，５６０ 磁気センサユニット、１９０ 算出部、２３０ａ 第１基板、２３０ｂ 第２基板、４１０ｈ，５１０ｈ 第１流路部と第２流路部とによって囲まれた領域、４１１，５１１ 第１流路部、４１６，５１６ 第２流路部、４６０ｆ フランジ部、４６０ｉ 磁気センサ収容部、４６０ｏ 電子部品収容部、４７０ ボルト、４８０ ナット、５１３，５１７ 曲折部、６００ 電力変換装置、６１０ 制御部、６２０ スイッチ駆動部、６３０ スイッチ素子部、６５０ 出力部。

Claims (13)

1. 測定対象の電流が流れ、表面および裏面を含み、長さ方向、該長さ方向と直交する幅方向、および、前記長さ方向と前記幅方向とに直交する厚さ方向を有する導体と、
   前記導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さを検出する、第１磁気センサおよび第２磁気センサと、
   前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサが実装された基板とを備え、
   前記導体は、前記長さ方向における途中で、前記電流が分流されて流れる第１流路部および第２流路部を含み、
   前記第１流路部と前記第２流路部とは、前記厚さ方向から見て、前記幅方向において互いに隙間をあけて位置し、
   前記幅方向から見て、前記第１流路部と前記第２流路部とによって囲まれた領域が形成されており、
   前記基板の少なくとも一部は、前記幅方向から見て、前記領域の内部に位置し、かつ、前記第１流路部および前記第２流路部の少なくとも一方と向かい合っており、
   前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサは、前記隙間に配置されており、
   前記第１磁気センサは、前記基板の一方の主面に実装されており、
   前記第２磁気センサは、前記基板の他方の主面に実装されており、
   前記基板の前記一方の主面および前記他方の主面の各々は、前記幅方向と平行に位置しており、
   前記第１磁気センサは、前記幅方向から見て、前記厚さ方向における前記第１流路部の中心位置より前記領域寄りの部分と重なっており、
   前記第２磁気センサは、前記幅方向から見て、前記厚さ方向における前記第２流路部の中心位置より前記領域寄りの部分と重なっている、電流センサ。
2. 前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサと共に前記基板に実装された電子部品をさらに備え、
   前記電子部品は、前記基板の前記厚さ方向において前記導体と重なっている部分における導体側とは反対側の主面上にのみ実装されている、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１流路部は、前記幅方向から見て、前記導体の表面側に膨出している、請求項１または請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第２流路部は、前記幅方向から見て、前記導体の裏面側に膨出している、請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記第１流路部および前記第２流路部の各々は、前記長さ方向における一端と他端とを有し、
   前記長さ方向における前記第１流路部の一端と前記第１流路部の他端とは、前記厚さ方向における位置が互いに異なっており、
   前記長さ方向における前記第２流路部の一端と前記第２流路部の他端とは、前記厚さ方向における位置が互いに異なっており、
   前記長さ方向における前記第１流路部の一端と前記第２流路部の一端とは、前記厚さ方向における位置が互いに等しく、
   前記長さ方向における前記第１流路部の他端と前記第２流路部の他端とは、前記厚さ方向における位置が互いに等しく、
   前記第１流路部は、前記厚さ方向における前記第１流路部の前記一端の位置と前記第１流路部の前記他端の位置とを繋ぐ曲折部を含み、
   前記第２流路部は、前記厚さ方向における前記第２流路部の前記一端の位置と前記第２流路部の前記他端の位置とを繋ぐ曲折部を含み、
   前記第１流路部の前記曲折部と、前記第２流路部の前記曲折部とは、前記長さ方向において互いに間隔を置いて位置している、請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
6. 前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサは、前記厚さ方向から見て、互いに重なっている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電流センサ。
7. 前記幅方向において、前記第１磁気センサと前記第１流路部との間の間隔と、前記第２磁気センサと前記第２流路部との間の間隔とが等しく、
   前記厚さ方向から見て、前記第１磁気センサと前記第２磁気センサとは、前記長さ方向に互いにずれて位置している、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電流センサ。
8. 前記第１磁気センサの検出値と前記第２磁気センサの検出値とを演算することにより前記電流の値を算出する算出部をさらに備え、
   前記導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さについて、前記第１磁気センサの検出値の位相と前記第２磁気センサの検出値の位相とが逆相であり、
   前記算出部が減算器または差動増幅器である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電流センサ。
9. 前記第１磁気センサの検出値と前記第２磁気センサの検出値とを演算することにより前記電流の値を算出する算出部をさらに備え、
   前記導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さについて、前記第１磁気センサの検出値の位相と前記第２磁気センサの検出値の位相とが同相であり、
   前記算出部が加算器または加算増幅器である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電流センサ。
10. 前記算出部は、前記基板の一方の主面および前記基板の他方の主面の少なくとも一方に実装されており、
    前記算出部は、前記厚さ方向において、前記第１流路部および前記第２流路部の少なくとも一方と重なっている、請求項８または請求項９に記載の電流センサ。
11. 前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々が、ホール素子を有する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電流センサ。
12. 前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々が、磁気抵抗素子を有する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電流センサ。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電流センサを備える、電力変換装置。

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