JP6541962B2 - 電流センサおよび測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気コア、ホール素子などの磁電変換部、磁気コアに形成されたコイルおよびシールド部材（シールドケースなど）を備え、測定対象電路を内包する閉磁気回路を磁気コアが形成するように構成された電流センサ、およびこの電流センサを備えた測定装置に関するものである。

この種の電流センサとして、本願出願人は、下記の特許文献１に開示された電流センサを既に提案している。この電流センサは、以下のような基本構成を備えている。すなわち、この電流センサは、固定側の第１磁気コアと可動側（開閉側）の第２磁気コアとに分割可能に構成されて内部空間に被測定電線が挿通される磁気コアと、外部磁界（外来ノイズ）の遮蔽を目的として磁気コアに被せられる磁気シールドケース（固定側の第１磁気シールドケースと可動側の第２磁気シールドケース）とを有している。この場合、固定側の第１磁気コアは一辺が開放されたほぼコ字形に形成されており、可動側の第２磁気コアは第２磁気シールドケース部とともにコア開閉機構により第１磁気コアの開放面に対して開閉可能に支持されている。また、固定側の第１磁気コアには、磁電変換素子であるホール素子と、負帰還コイルとが設けられている。

以上の構成の電流センサは、外部に配設された増幅器と組み合わされて、ゼロフラックス法（磁気平衡方式）の測定装置（一例として、電流検出装置）として機能する。具体的には、この測定装置では、ホール素子の出力側に電圧−電流変換器としての増幅器が接続され、かつ増幅器の出力側が負帰還コイルの一端に接続されて、増幅器は、ホール素子の出力電圧に比例した負帰還電流を生成して負帰還コイルに供給する。負帰還コイルの他端には負帰還電流を電圧として検出する検出抵抗が接続されている。

この場合、この負帰還電流は、磁気コアに生じる磁束の大きさ（磁束量）に比例する。すなわち、負帰還電流は被測定電線に流れる電流に比例する。したがって、この測定装置によれば、検出抵抗で検出される電圧に基づいて、被測定電線に流れる電流を測定することが可能になっている。

ところで、特許文献１にも開示されているように、この電流センサには、以下のような改善すべき課題が存在している。すなわち、この種の電流センサでは、磁気コアによって構成される閉磁気回路の磁気抵抗は、負帰還コイルの部分、およびホール素子が配置されている部分（ギャップ）で著しく増加する。このため、この電流センサでは、これらの部分から磁気シールドケースに向かう漏れ磁束が発生する。

また、この電流センサでは、被測定電線に流れる電流によって磁気コアばかりでなく磁気シールドケースにも磁束が誘起され（この磁束を誘起磁束ともいう）、この誘起磁束および漏れ磁束の大きさによっては磁気シールドケースが磁気飽和を起こすことがある。なお、磁気コアについては、上記したように内部に発生する磁束がゼロになるように負帰還がかかっていることから、磁気飽和は生じにくい。

そして、被測定電線に流れる電流の電流値が大きくなって、磁気シールドケースが磁気飽和を起こしたときには、磁気シールドケース内の磁束の大きさ（磁束量）が頭打ち状態になり、その結果として、磁気コア内の磁束の大きさ（磁束量）がその分だけ増加することになる。この場合、ゼロフラックス法（磁気平衡方式）の測定装置（電流検出装置）では、増加した分だけ負帰還コイルにおいて発生させる磁束を増加させるように負帰還電流を増加させる。したがって、この電流センサを使用した測定装置では、被測定電線に流れる電流が磁気シールドケースに磁気飽和を引き起こすような大きな電流領域に達している状態において、検出感度が上昇する（つまり、検出感度のリニアリティが損なわれる）という課題が存在している。

この特許文献１には、この課題を改善するための一つの構成として、磁気シールドケースのうち、磁気コア側の磁電変換部（磁電変換素子）および負帰還コイルが配設されていない部分と対応する特定部分の体積を他の部分よりも大きくする（具体的には、磁気シールドケースに付加磁性体を貼り付ける）という構成が開示されている。

特開２００６−４６９２２号公報（第２−６頁、第１，５−６図）

しかしながら、上記した特許文献１に開示されているような構成（付加磁性体を貼り付ける構成）とは異なり、別の磁性体の使用を不要としつつ、検出感度のリニアリティを確保し得る構成の提案が望まれている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、検出感度のリニアリティを確保し得る電流センサ、およびこの電流センサを使用した測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく、請求項１記載の電流センサは、測定対象電路を内包する第１の閉磁気回路を形成する環状の磁気コア、前記磁気コア内の磁束を検出して当該磁束の磁束量に応じた振幅の電気信号を出力する磁電変換部、前記磁気コアに形成されると共に前記電気信号に基づいて生成された負帰還電流が供給されるコイル、並びに前記磁気コア、前記磁電変換部および前記コイルの近傍に配設されたシールド部材を備えている電流センサであって、前記シールド部材には、前記磁気コアからの漏れ磁束についての閉磁気回路であって、当該シールド部材、当該磁気コアにおける前記コイルの形成部位、および前記磁電変換部を含んで構成される第２の閉磁気回路の磁気抵抗を増加させるギャップが形成されている。

請求項２記載の電流センサは、請求項１記載の電流センサにおいて、前記シールド部材は、前記磁気コア、前記磁電変換部および前記コイルのほぼ全体を覆う形状に構成されている。

請求項３記載の電流センサは、請求項１または２記載の電流センサにおいて、前記シールド部材は、前記磁気コア、前記磁電変換部および前記コイルのほぼ全体を覆う形状に構成された内側シールド部材、および当該内側シールド部材のほぼ全体を当該内側シールド部材とは非接触の状態で覆う外側シールド部材を備え、前記ギャップは、前記内側シールド部材にのみ形成されている。

請求項４記載の測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電流センサと、前記電気信号に基づいて前記負帰還電流を生成して前記コイルの一端に供給するアンプと、前記コイルの他端に接続されて前記負帰還電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部とを備えている。

請求項１記載の電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、漏れ磁束についての閉磁気回路であって磁電変換部を含む第２の閉磁気回路の磁気抵抗を増加させるギャップをシールド部材に設けたことにより、測定対象電路に流れる測定電流の電流値が大きな高電流領域においてもこの第２の閉磁気回路の磁気飽和を回避できることから、十分に良好なリニアリティを確保することができる。

また、請求項２記載の電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、閉状態において、磁気コア、磁電変換部およびコイルのほぼ全体を覆う形状にシールド部材が構成されているため、磁気コア、磁電変換部およびコイルへの外部磁界の影響を十分に低減した状態で、測定対象電路に流れる測定電流の電流値を測定することができる。

また、請求項３記載の電流センサおよび請求項４記載の測定装置によれば、内側シールド部材の外側に、閉状態において内側シールド部材のほぼ全体を覆う外側シールド部材を配置した２重シールド構造としたことにより、内側シールド部材に上記したようなギャップを設けて良好なリニアリティを確保しつつ、磁気コア、磁電変換部およびコイルへの外部磁界の影響を外側シールド部材によってより一層低減することができる。したがって、この電流センサおよび測定装置によれば、測定対象電路に流れる測定電流の電流値をより一層正確に測定することができる。

電流センサ１の正面図である。 第１コアユニット２に対して第２コアユニット３を相対的に摺動させた状態での電流センサ１の正面図である。 第１コアユニット２に対して第２コアユニット３を回転軸Ｌを中心として回動させた状態での電流センサ１の正面図である。 電流センサ１の構造を説明するための分解斜視図である。 第１コアユニット２の斜視図である。 第２コアユニット３の斜視図である。 電流センサ１の斜視図である。 電流センサ１の図７におけるＷ１−Ｗ１線断面図（第１ホルダ１２、第２ホルダ４２、第１窓枠１７および第２窓枠４５の図示を省略した状態での断面図）、および電流検出装置９１の構成図である。 電流センサ１の図７におけるＷ２−Ｗ２線断面図（第１ホルダ１２および第２ホルダ４２の図示を省略した状態での断面図）である。 図９における第１ギャップＧ１を無くした比較例についての断面図である。 １つの第２コアユニット３を複数の第１コアユニット２と組み合わせて構成した電流センサ１についての測定電流Ｉに対するｒｄｇ誤差のバラツキを示す特性図である。 １つの第２コアユニット３を従来の構成の複数の第１コアユニットと組み合わせて構成した電流センサについての測定電流Ｉに対するｒｄｇ誤差のバラツキを示す特性図である。

以下、電流センサおよび測定装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電流センサ１の構成について説明する。

電流センサ１は、一例として図１に示すように、第１コアユニット２、および不図示の開閉機構によって第１コアユニット２に対して開閉自在に支持された第２コアユニット３を備え、第１コアユニット２に形成された凹溝（窓部）４内に導入された測定対象電路５を各コアユニット２，３間で内包（クランプ）可能に構成されている。この場合、開閉機構としては、図２に示すように、第１コアユニット２に対して第２コアユニット３を相対的に摺動させる（直線的に移動させる）開閉機構とすることもできるし、図３に示すように、第１コアユニット２に対して第２コアユニット３を回転軸Ｌを中心として回動させる開閉機構とすることもできる。

また、本例の電流センサ１は、一例として、図８に示すように、環状の磁気コアＣＲに設けられた第２ギャップＧ２に磁電変換部（ホール素子やフラックスゲート型の磁気検出素子）１５が配設されると共に、磁気コアＣＲにコイル（負帰還コイル）１６が形成（巻回）された構成を有している。この第２ギャップＧ２は、後述するようにして、磁気コアＣＲによって形成される閉磁気回路（測定対象電路５に測定電流Ｉが流れることによって測定対象電路５の周囲に発生する磁束についての閉磁気回路：「第１の閉磁気回路」の一例）中に形成されることで、この閉磁気回路の磁気抵抗を増加させる機能を備えているが、後述の第１ギャップＧ１も含めて「閉磁気回路中に設けられるギャップ」とは、間隔が数ミリ程度であって、ギャップを挟んで対向する磁性体の端面同士間での磁気的な結合が強い状態に維持される間隔をいうものとする。

この電流センサ１は、図８に示すように、アンプ９２および電流電圧変換部（例えば、抵抗）９３と組み合わされることにより、測定装置の一例である電流検出装置９１として機能する。具体的には、この電流検出装置９１では、電流センサ１は、一例として、磁電変換部１５から磁気コアＣＲ内の磁束の磁束量に応じた振幅で出力される電気信号（電圧信号）をアンプ９２に入力し、このアンプ９２がこの電圧信号を電流信号（負帰還電流）に変換してコイル１６の一端に供給し、かつこの電流信号をコイル１６の他端とグランドとの間に接続された抵抗９３で電圧に変換するようにして使用される。

この場合、磁電変換部１５は、磁気コアＣＲに内包された測定対象電路５に測定電流Ｉが流れることによって磁気コアＣＲ（測定対象電路５の周囲に発生する磁束についての閉磁気回路（第１の閉磁気回路）を構成する磁気コア）に生じる第１磁束φ１と、アンプ９２からの電流信号によってコイル１６を介して磁気コアＣＲに生じさせる第２磁束φ２（第１磁束を打ち消す方向の磁束）との合成磁束（φ１−φ２）を検出すると共にこの合成磁束（φ１−φ２）の磁束量に応じた振幅の電圧信号を出力する。アンプ９２は、磁電変換部１５から出力される電圧信号に基づいて、磁電変換部１５が検出している合成磁束（φ１−φ２）がゼロになるような電流信号を生成してコイル１６に供給する。このようなゼロフラックス式（磁気平衡式（クローズドループ式）ともいう）の回路構成においては、アンプ９２からの電流信号は測定電流Ｉと比例する関係となるため、抵抗９３で変換された電圧を測定することで、測定電流Ｉが測定される。

第１コアユニット２は、一例として図４に示すように、第１外側シールド部材１１、第１ホルダ１２、第１内側シールド部材１３、第１コア部材１４、磁電変換部１５、コイル１６および第１窓枠１７を備えている。

第１外側シールド部材１１は、パーマロイなどの高透磁率磁性材を用いて、第２コアユニット３との対向面（図４中の上面）が開口する直方体状の箱体に形成されている。具体的には、第１外側シールド部材１１は、平面視長方形の底壁２１、この底壁２１の対向する一対の辺部（長辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁２２，２３、およびこの底壁２１の他の対向する一対の辺部（短辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁２４，２５を備えて上記した構成の箱体に形成されている。

また、一対の側壁２２，２３には、凹溝４の正面形状に対応した正面形状の切欠き部２６，２６が、各側壁２２，２３における第２コアユニット３と対向する縁部（図４中の上縁部）に開口する状態で形成されている。このように切欠き部２６，２６が各側壁２２，２３に形成されている構成のため、第１外側シールド部材１１の正面視形状（図４中の矢印Ａ方向から見た形状をいうものとする）は、後述するように正面視形状がコ字状に形成された第１コア部材１４全体を覆うことが可能なほぼＵ字状（またはコ字状）に形成されている。また、側壁２５には、磁電変換部１５に関する不図示の配線を第１外側シールド部材１１の外部に引き出すための不図示の回路基板が取り付けられる挿通孔２７が形成されている。

第１ホルダ１２は、後述するようにして第１内側シールド部材１３と共に第１外側シールド部材１１内に収納されて、第１外側シールド部材１１に対して第１内側シールド部材１３を両シールド部材１１，１３が互いに直接接触しない状態（非接触の状態）で保持する。また、第１ホルダ１２は非磁性材料で形成されている。このため、両シールド部材１１，１３は、相互間での磁気的な結合が極めて小さい状態に維持されている。

第１内側シールド部材１３は、第１外側シールド部材１１と同等の高透磁率磁性材を用いて、第２コアユニット３との対向面（図４中の上面）が開口する直方体状の箱体に形成されている。具体的には、第１内側シールド部材１３は、平面視長方形の底壁３１、この底壁３１の対向する一対の辺部（長辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁３２，３３、およびこの底壁３１の他の対向する一対の辺部（短辺部）のうちの一方の辺部から起立する側壁３４を備えて上記した構成の箱体に形成されている。

このようにして、本例の第１内側シールド部材１３では、底壁３１の他の対向する一対の辺部（短辺部）のうちの他方の辺部には、側壁を形成しない構成を採用して、磁電変換部１５に関する上記の配線をこの部分から第１内側シールド部材１３の外部に引き出すようにしている。なお、第１外側シールド部材１１と同様にして、この一対の辺部（短辺部）のうちの他方の辺部にも側壁を設けると共に、磁電変換部１５に関する上記の配線を引き出すための挿通孔をこの側壁に形成する構成を採用することもできる。

また、一対の側壁３２，３３には、凹溝４の正面形状に対応した正面形状（切欠き部２６，２６と同じ形状）の切欠き部３６，３６が、各側壁３２，３３における第２コアユニット３と対向する縁部（図４中の上縁部）に開口する状態で形成されている。このように切欠き部３６，３６が各側壁３２，３３に形成されている構成のため、第１内側シールド部材１３の正面視形状は、正面視形状がコ字状に形成された第１コア部材１４全体を覆うことが可能なほぼＵ字状（またはコ字状）に形成されている。

第１コア部材１４は、フェライトなどの高透磁率磁性材（本例の各シールド部材に使用されるパーマロイよりも低い透磁率の磁性材）を用いて、正面視形状がコ字状に形成されている。また、第１コア部材１４におけるコ字状の互いに平行な一対の辺に相当する２つの部位１４ａ，１４ａ（以下、それぞれを「脚部１４ａ」ともいう）には、コイル１６がそれぞれ配設されている。また、第１コア部材１４における各脚部１４ａ，１４ａを連結する連結部１４ｂと、各脚部１４ａ，１４ａのうちの一方の脚部１４ａ（本例では一例として、正面視した状態での右側の脚部１４ａ）との間には第２ギャップＧ２（図８参照）が形成されて、この第２ギャップＧ２内に磁電変換部１５が配設されている。

上記した第１コアユニット２の第１外側シールド部材１１、第１ホルダ１２、第１内側シールド部材１３および第１コア部材１４（磁電変換部１５およびコイル１６が上記したように配設され、かつ挿通孔２７に取り付けられる上記の回路基板と配線（いずれも図示せず）で接続された状態の第１コア部材１４）は、第１内側シールド部材１３の底壁３１と側壁３２と側壁３４とに一方の第１ホルダ１２を密着させると共に第１内側シールド部材１３の底壁３１と側壁３３と側壁３４とに他方の第１ホルダ１２を密着させた状態で、まず、第１内側シールド部材１３および一対の第１ホルダ１２を第１外側シールド部材１１内に装着する。

次いで、第１コア部材１４を不図示のホルダを介在させた状態で第１内側シールド部材１３内に装着すると共に、第１外側シールド部材１１の挿通孔２７に回路基板を取り付ける。続いて、第１窓枠１７を第１外側シールド部材１１に形成された切欠き部２６，２６および第１内側シールド部材１３に形成された切欠き部３６，３６に嵌め込むことにより、第１コア部材１４の各脚部１４ａ，１４ａ間に配設する。最後に、第１外側シールド部材１１内にエポキシ樹脂などのポッティング材（図示せず）を充填して硬化させることで、第１外側シールド部材１１、第１ホルダ１２、第１内側シールド部材１３、第１コア部材１４および第１窓枠１７を一体化させる。これにより、図５に示す構成の第１コアユニット２が完成する。

このようにして構成された第１コアユニット２では、図５，８に示すように、第１外側シールド部材１１の各側壁２２，２３，２４，２５における第２コアユニット３と対向する縁部（図５，８中の上縁部）、第１内側シールド部材１３の各側壁３２，３３，３４における第２コアユニット３と対向する縁部（図５，８中の上縁部）、および第１コア部材１４の各脚部１４ａ，１４ａにおける第２コアユニット３と対向する端面（図５，８中の上端面）は、第１外側シールド部材１１の底壁２１および第１内側シールド部材１３の底壁３１と平行な共通の平面内に位置した状態になっている。

第２コアユニット３は、一例として図４に示すように、第２外側シールド部材４１、第２ホルダ４２、第２内側シールド部材４３、第２コア部材４４および第２窓枠４５を備えている。

第２外側シールド部材４１は、第１外側シールド部材１１と共に外側シールド部材ＳＨ１を構成する。この第２外側シールド部材４１は、第１外側シールド部材１１と同等の高透磁率磁性材を用いて、第１コアユニット２との対向面（図４中の下面）が開口する直方体状の箱体に形成されている。具体的には、第２外側シールド部材４１は、平面視形状が第１外側シールド部材１１の底壁２１と同形状の底壁５１、この底壁５１の対向する一対の辺部（長辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁５２，５３、およびこの底壁５１の他の対向する一対の辺部（短辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁５４，５５を備えて上記した構成の箱体に形成されている。

また、一対の側壁５４，５５には、第２窓枠４５が嵌め込まれる切欠き部５６がそれぞれ形成されているが、この切欠き部５６は浅く形成されている。このため、第２外側シールド部材４１の正面視形状は、ほぼ長方形に形成されている。

第２ホルダ４２は、後述するようにして第２内側シールド部材４３と共に第２外側シールド部材４１内に収納されて、第２外側シールド部材４１に対して第２内側シールド部材４３を両シールド部材４１，４３が互いに直接接触しない状態（非接触の状態）で保持する。また、第２ホルダ４２は非磁性材料で形成されている。このため、両シールド部材４１，４３は、相互間での磁気的な結合が極めて小さい状態に維持されている。

第２内側シールド部材４３は、第１内側シールド部材１３と共に内側シールド部材ＳＨ２を構成する。この第２内側シールド部材４３は、第１外側シールド部材１１と同等の高透磁率磁性材を用いて、第１コアユニット２との対向面（図４中の下面）が開口する直方体状の箱体に形成されている。具体的には、第２内側シールド部材４３は、平面視形状が第１内側シールド部材１３の底壁３１と同形状の底壁６１、この底壁６１の対向する一対の辺部（長辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁６２，６３、およびこの底壁６１の他の対向する一対の辺部（短辺部）から起立する互いに平行な一対の側壁６４，６５を備えて上記した構成の箱体に形成されている。

また、一対の側壁６２，６３には、第２窓枠４５が嵌め込まれる切欠き部６６がそれぞれ形成されているが、この切欠き部６６は浅く形成されている。このため、第２内側シールド部材４３の正面視形状は、ほぼ長方形となっている。なお、各側壁６２，６３におけるこの切欠き部６６を基準とした側壁６５側の部位Ｂ１は、各側壁６２，６３における切欠き部６６を基準とした側壁６４側の部位Ｂ２よりも、底壁６１からの高さが第１ギャップＧ１（本例では一例として５００μｍ）の分だけ低くなるように形成されている。

第２コア部材４４は、第１コア部材１４と同等の高透磁率磁性材を用いて直方体状に形成されて、第１コア部材１４と共に磁気コアＣＲを構成する。また、第２コア部材４４の第１コアユニット２との対向面（図４中の下面）には、第２窓枠４５が嵌め込まれる凹溝４４ａが形成されているが、この凹溝４４ａの深さは、上記した切欠き部５６，６６の深さと同等であって浅く形成されている。このため、第２コア部材４４は、正面視形状がコ字状に形成されている。

上記した第２コアユニット３の第２外側シールド部材４１、第２ホルダ４２、第２内側シールド部材４３および第２コア部材４４は、第２内側シールド部材４３の底壁６１と側壁６２と側壁６４とに一方の第２ホルダ４２を密着させると共に第２内側シールド部材４３の底壁６１と側壁６３と側壁６４とに他方の第２ホルダ４２を密着させた状態で、まず、第２内側シールド部材４３および一対の第２ホルダ４２を第２外側シールド部材４１内に装着する。

次いで、第２コア部材４４を不図示のホルダを介在させた状態で第２内側シールド部材４３内に装着する。続いて、第２窓枠４５を、第２外側シールド部材４１に形成された切欠き部５６，５６、第２内側シールド部材４３に形成された切欠き部６６，６６および第２コア部材４４に形成された凹溝４４ａに嵌め込む。最後に、第２外側シールド部材４１内にエポキシ樹脂などのポッティング材（図示せず）を充填して硬化させることで、第２外側シールド部材４１、第２ホルダ４２、第２内側シールド部材４３、第２コア部材４４および第２窓枠４５を一体化させる。これにより、図６に示す構成の第２コアユニット３が完成する。

このようにして構成された第２コアユニット３では、図６，８に示すように、第２外側シールド部材４１の各側壁５２，５３，５４，５５における第１コアユニット２と対向する縁部（図６中の上縁部、図８中の下縁部）、第２内側シールド部材４３の各側壁６２，６３における部位Ｂ２の第１コアユニット２と対向する縁部（図６中の上縁部、図８中の下縁部）、第２内側シールド部材４３の側壁６４における第１コアユニット２と対向する縁部（図６中の上縁部、図８中の下縁部）、および第２コア部材１４の第１コアユニット２と対向する端面（図６中の上縁部、図８中の下縁部）における凹溝４４ａを除く部位は、第２外側シールド部材４１の底壁５１および第２内側シールド部材４３の底壁６１と平行な共通の平面内に位置した状態になっている。

一方、第２内側シールド部材４３の各側壁６２，６３における部位Ｂ１の第１コアユニット２と対向する縁部（図６中の上縁部、図８中の下縁部）、および第２内側シールド部材４３の側壁６５における第１コアユニット２と対向する縁部（図６中の上縁部、図８中の下縁部）は、各側壁５２，５３，５４，５５における第１コアユニット２と対向する縁部などが位置する上記の平面と平行な別の平面（第１ギャップＧ１分だけ底壁５１により近い平面）内に位置している。

次いで、電流センサ１を備えた電流検出装置９１の動作について説明する。

まず、図２，３のいずれかに示すようにして、第１コアユニット２に対して第２コアユニット３を移動させることにより、電流センサ１を開状態に移行させて、凹溝４内に測定対象電路５を収容させる。次いで、第１コアユニット２に対して第２コアユニット３を移動させることにより、電流センサ１を図１，７に示す閉状態に移行させる（なお、図７では測定対象電路５の図示を省略している）。

この閉状態の電流センサ１では、第１コアユニット２の第１外側シールド部材１１の各側壁２２，２３，２４，２５における第２コアユニット３と対向する縁部などが位置する平面と、第２コアユニット３の第２外側シールド部材４１の各側壁５２，５３，５４，５５における第１コアユニット２と対向する縁部などが位置する平面とが一致した状態になる。

このため、第１外側シールド部材１１の各側壁２２，２３，２４，２５における第２コアユニット３と対向する縁部は、第２外側シールド部材４１の対応する各側壁５２，５３，５４，５５における第１コアユニット２と対向する縁部と接触した状態になっている（図８参照）。また、第１内側シールド部材１３の側壁３４における第２コアユニット３と対向する縁部は、第２内側シールド部材４３の側壁６４における第１コアユニット２と対向する縁部と接触した状態になっている（図８参照）。また、第１コア部材１４の各脚部１４ａ，１４ａにおける第２コアユニット３と対向する端面は、第２コア部材１４の第１コアユニット２と対向する端面（凹溝４４ａを除く端面）と接触した状態になっている（図８参照）。

一方、第１内側シールド部材１３の各側壁３２，３３における第２コアユニット３と対向する縁部については、各側壁３２，３３のこの縁部のうちの第２内側シールド部材４３の各側壁６２，６３における部位Ｂ２と対向する縁部はこの部位Ｂ２の縁部と接触した状態になるものの、各側壁３２，３３のこの縁部のうちの第２内側シールド部材４３の各側壁６２，６３における部位Ｂ１と対向する縁部はこの部位Ｂ１の縁部から第１ギャップＧ１分だけ離間した状態になっている（図８参照）。

この閉状態において、電流センサ１では、第１コア部材１４と第２コア部材４４とで構成される磁気コアＣＲが測定対象電路５を内包する閉磁気回路（第１の閉磁気回路）を形成すると共に、第１内側シールド部材１３と第２内側シールド部材４３とで構成される内側シールド部材ＳＨ２もまた、測定対象電路５を内包する閉磁気回路をそれぞれ形成する。なお、第１外側シールド部材１１と第２外側シールド部材４１とで構成されて、内側シールド部材ＳＨ２のほぼ全体を内側シールド部材ＳＨ２とは非接触の状態で覆う外側シールド部材ＳＨ１については、測定対象電路５の周囲に発生する磁束の殆どが、磁気コアＣＲ内および内側シールド部材ＳＨ２内を通過することになるため、実質的には測定対象電路５を内包する閉磁気回路を形成していない。

一方、磁気コアＣＲを直接的に覆う内側シールド部材ＳＨ２については、第１内側シールド部材１３と第２内側シールド部材４３とがギャップとしての第１ギャップＧ１が形成された状態で、つまり、磁気抵抗の大きな状態で閉磁気回路を形成している。このため、磁気コアＣＲと共に測定対象電路５の周囲に発生する磁束の影響を直接的に受ける内側シールド部材ＳＨ２の全体に亘って形成される閉磁気回路（凹溝４を囲むように形成される閉磁気回路）については、第１ギャップＧ１が形成されていない従来の構成と比較して、測定対象電路５を流れる測定電流Ｉの電流値が増加したときでも、磁気飽和しにくい構成となっている。

また、背景技術において説明したように、電流センサ１では、磁気コアＣＲにおけるコイル１６の形成部位での磁気抵抗が増加しているため、この形成部位において図８に示すように、内側シールド部材ＳＨ２に向かう漏れ磁束φ３が発生している。本例では、第１コア部材１４における各脚部１４ａ，１４ａにコイル１６が形成されているため、この漏れ磁束φ３は、同図に示すように、各脚部１４ａ，１４ａにおいてそれぞれ発生している。

この場合、この２つの漏れ磁束φ３のうちの一方の漏れ磁束φ３（図８中の右側の漏れ磁束φ３）についての閉磁気回路（「第２の閉磁気回路」の一例）は、図８，９に示すように、一方の脚部１４ａ、第２コア部材４４の両端部のうちのこの一方の脚部１４ａと接する端部、内側シールド部材ＳＨ２におけるこの一方の脚部１４ａの近傍に配設されている部位（第１内側シールド部材１３および第２内側シールド部材４３におけるこの一方の脚部１４ａに近接する各部位）、連結部１４ｂの両端部のうちのこの一方の脚部１４ａと接する端部、および第２ギャップＧ２（この第２ギャップＧ２内に配設された磁電変換部１５）を経由して一方の脚部１４ａに至る経路に形成される。また、他方の漏れ磁束φ３（図８中の左側の漏れ磁束φ３）についての閉磁気回路は、他方の脚部１４ａ、連結部１４ｂの両端部のうちのこの他方の脚部１４ａと接する端部、内側シールド部材ＳＨ２におけるこの他方の脚部１４ａの近傍に配設されている部位、および第２コア部材４４の両端部のうちのこの他方の脚部１４ａと接する端部を経由して他方の脚部１４ａに至る経路に形成される。

ここで、この電流センサ１では、図８中の左側の他方の漏れ磁束φ３についての閉磁気回路には、磁気的なギャップが設けられていないため、測定電流Ｉの電流値が増加したときに磁気飽和するおそれがある。しかしながら、図８中の右側の一方の漏れ磁束φ３についての閉磁気回路（磁電変換部１５が配設されている閉磁気回路（第２の閉磁気回路））の一部を構成する内側シールド部材ＳＨ２には、図９に示すように、この閉磁気回路の磁気抵抗を増加させる第１ギャップＧ１が設けられている。このため、この図９に示される閉磁気回路の磁気抵抗は、図９の構成において第１ギャップＧ１を設けないとしたときの構成（図１０に示す構成）での漏れ磁束φ３についての閉磁気回路の磁気抵抗と比較して、大きな状態になっている。これにより、一方の漏れ磁束φ３についての閉磁気回路（磁電変換部１５が配設されている閉磁気回路）は、上記した測定対象電路５の周囲に発生する磁束についての閉磁気回路と同じように、測定電流Ｉの電流値が増加したときでも磁気飽和しにくい構成となっている。

このように構成された電流センサ１を備えた電流検出装置９１では、磁電変換部１５が、上記したように磁気コアＣＲ内の合成磁束（φ１−φ２）を検出すると共に、この合成磁束（φ１−φ２）に応じた電圧信号を出力し、アンプ９２が、磁電変換部１５から出力されるこの電圧信号に基づいて、この電圧信号のレベルがゼロになるような（つまり、磁電変換部１５が検出している合成磁束（φ１−φ２）がゼロになるような）電流信号を生成してコイル１６に供給する。

この場合、磁気コアＣＲに内包された測定対象電路５に流れている測定電流Ｉの電流値が増加したときには、測定対象電路５の周囲に発生する磁束の磁束量も増加する。この際には、磁気コアＣＲ内の第１磁束φ１も増加するが、電流検出装置９１では、第１磁束φ１の増加に応じて第２磁束φ２も増加させられるため、磁気コアＣＲ内の合成磁束（φ１−φ２）はほぼゼロの状態に維持される。したがって、磁気コアＣＲは磁気飽和しない状態に維持される。

一方、磁気コアＣＲと同様にして測定対象電路５を内包する閉磁気回路を形成する内側シールド部材ＳＨ２では、測定対象電路５の周囲に発生する磁束の磁束量の増加に伴い、この閉磁気回路についての磁束の磁束量が増加する。また、この磁束の磁束量の増加に伴い、磁気コアＣＲにおける各コイル１６の形成部位での漏れ磁束φ３（コイル１６の近傍に位置する内側シールド部材ＳＨ２に向かう磁束）の磁束量も増加する。

ここで、これらの磁束量の増加に起因して内側シールド部材ＳＨ２が磁気飽和を起こしたとすると、内側シールド部材ＳＨ２内の磁束量が一定量に制限されることから、磁気コアＣＲ内の磁束量が増加する（磁気飽和が起きないときに内側シールド部材ＳＨ２において増加する磁束量の分だけさらに増加する）。このため、このような電流センサを備えた電流検出装置では、コイルに供給される電流信号（負帰還電流）の電流値が、内側シールド部材ＳＨ２が磁気飽和しないときの電流値（本来の電流値）よりも増加することから、検出感度が上昇する（つまり、リニアリティが悪くなる）。

しかしながら、この電流センサ１は、上記したように、測定対象電路５の周囲に発生する磁束についての閉磁気回路（第１の閉磁気回路）、および一方の漏れ磁束φ３についての閉磁気回路（磁電変換部１５が配設されている閉磁気回路：第２の閉磁気回路）が、測定電流Ｉの電流値が増加したとき（閉磁気回路の磁束の磁束量が増加したとき）でも磁気飽和しにくい構成となっている。したがって、この電流センサ１を備えた電流検出装置９１は、測定電流Ｉの電流値が増加したときであっても、内側シールド部材ＳＨ２が磁気飽和しない状態に維持されるため、検出感度がほぼ一定の状態（つまり、リニアリティが良好な状態）で、測定電流Ｉの電流値を検出することが可能になっている。以下において、実験結果に基づいて、電流検出装置９１のこの動作について検証する。

この実験では、同じ仕様で作製した複数の第１コアユニット２と１つの第２コアユニット３とを組み合わせて構成した各電流センサ１を、上記のようにしてアンプ９２および電流電圧変換部材（例えば、抵抗）９３と組み合わせて複数（第１コアユニット２と同数）の電流検出装置９１を作製し、測定対象電路５に流れる測定電流Ｉの電流値（基準電流値）を正確に変化させながら、各基準電流値での各電流検出装置９１において実際に測定された電流値のｒｄｇ誤差（測定誤差）のバラツキを測定した。この実験結果を図１１に示す。ここで、ｒｄｇ誤差とは、基準電流値Ｘ［Ａ］でのｒｄｇ誤差がＹ［％］であったときに、実際に測定された電流値は、Ｘ＋Ｘ×Ｙ／１００であることを示す値である。

また、図１１（以下において述べる図１２についても同じ）では、電流検出装置９１で測定された電流値毎に、基準電流値が１［Ａ］のときのｒｄｇ誤差を基準ｒｄｇ誤差（０）としたときの他の基準電流値でのｒｄｇ誤差（基準ｒｄｇ誤差との差）を示している。例えば、１つの電流検出装置で測定された電流値の基準電流値０．１［Ａ］でのｒｄｇ誤差が２．８５１［％］であり、０．５［Ａ］でのｒｄｇ誤差が２．８２２［％］であり、１．０［Ａ］でのｒｄｇ誤差が２．８４４６［％］であり、５．０［Ａ］でのｒｄｇ誤差が２．９５４［％］のときには、図１１では、基準電流値０．１［Ａ］でのｒｄｇ誤差は０．００６４（＝２．８５１−２．８４４６）と表され、基準電流値０．５［Ａ］でのｒｄｇ誤差は−０．０２２６（＝２．８２２−２．８４４６）と表され、基準電流値１．０［Ａ］でのｒｄｇ誤差は０（＝２．８４４６−２．８４４６）と表され、基準電流値５．０［Ａ］でのｒｄｇ誤差は０．１０９４（＝２．９５４−２．８４４６）と表される。

この図１１では、斜線を付した領域が、各基準電流値での各電流検出装置９１において測定された電流値のｒｄｇ誤差の存在する範囲を示しており、各基準電流値でのこの斜線を付した領域の幅の大きさが、測定された電流値のｒｄｇ誤差の存在するバラツキを示している。例えば、この図１１においてｒｄｇ誤差のバラツキの幅が最も大きくなる基準電流値が５［Ａ］のときには、各電流検出装置において実際に測定された電流値のｒｄｇ誤差が幅Ｃ１の領域（最小が０．０４で、最大が０．１１の領域）内に含まれていて、この幅Ｃ１の大きさ０．０７（＝０．１１−０．０４）でばらついていることを示している。

また、この図１１では、各基準電流値でのｒｄｇ誤差の最大値のうちの最も大きい値と、各基準電流値でのｒｄｇ誤差の最小値のうちの最も小さい値との差の多少は、電流検出装置９１での電流測定についてのリニアリティを示している。このため、電流センサ１を備えた電流検出装置９１でのこのリニアリティは、基準電流値が０．１［Ａ］から５［Ａ］の範囲内において、図１２に示す後述の比較例の電流検出装置よりも十分に良好なリニアリティが確保されている。

一方、比較例として、内側シールド部材ＳＨ２の第１ギャップＧ１を無くした（ゼロにした）構成（図１０に示すような構成）以外の構成については上記した電流センサ１の第２コアユニット３と同じ仕様の第２コアユニットを作製し、この第２コアユニットを使用して同様の実験を実施した。この実験結果を図１２に示す。図１２においても、斜線を付した領域が、各基準電流値での各電流検出装置において測定された電流値のｒｄｇ誤差の存在する範囲を示しており、各基準電流値でのこの斜線を付した領域の幅の大きさが、測定された電流値のｒｄｇ誤差の存在するバラツキを示している。例えば、この図１２においてｒｄｇ誤差のバラツキの幅が最も大きくなる基準電流値が５［Ａ］のときには、各電流検出装置において実際に測定された電流値のｒｄｇ誤差が幅Ｃ２の領域（最小が０．２４〜最大が０．５３の領域）内に含まれていて、この幅Ｃ２の大きさ０．２９（＝０．５３−０．２４）でばらついていることを示している。

この図１２でも上記した図１１のときと同様にして、各基準電流値でのｒｄｇ誤差の最大値のうちの最も大きい値と、各基準電流値でのｒｄｇ誤差の最小値のうちの最も小さい値との差の多少が、電流検出装置での電流測定についてのリニアリティを示している。このため、この電流センサ（第１ギャップＧ１の無い構成の電流センサ）を備えた電流検出装置でのこのリニアリティは、基準電流値が０．１［Ａ］から５［Ａ］の範囲内において、図１１に示す電流検出装置９１のリニアリティよりも大きく悪化していることが確認される。

このように、この電流センサ１およびこの電流センサ１を備えた電流検出装置９１によれば、漏れ磁束φ３についての閉磁気回路であって磁電変換部１５を含む第２の閉磁気回路の磁気抵抗を増加させる第１ギャップＧ１を内側シールド部材ＳＨ２に設けたことにより、比較例の電流センサを使用した各電流検出装置においてリニアリティが若干悪化する基準電流値の小さな低電流領域（本例では、０．１［Ａ］〜１［Ａ］の領域）において極めて良好なリニアリティを確保することができると共に、比較例の電流センサを使用した各電流検出装置においてリニアリティが大きく悪化する基準電流値の大きな高電流領域（本例では、１［Ａ］〜５［Ａ］の領域）においても、第２の閉磁気回路の磁気飽和を回避できることから十分に良好なリニアリティを確保することができる。

また、この電流センサ１およびこの電流検出装置９１によれば、比較例の電流センサを使用した各電流検出装置と比較して、低電流領域から高電流領域の全領域に亘って、ｒｄｇ誤差のバラツキを大幅に低減することができる。また、このようにこの電流センサ１およびこの電流検出装置９１では、同じ仕様で作製するものの相互間に部品の加工精度や組み立て精度の許容範囲内において機械的なバラツキのある複数の第１コアユニット２と１つの第２コアユニット３とを組み合わせて構成でのｒｄｇ誤差のバラツキが図１１に示すように大幅に低減できている。したがって、この電流センサ１およびこの電流検出装置９１によれば、１つの第１コアユニット２に対して１つの第２コアユニット３を開閉させたときに、両コアユニット２，３間に機械的な位置ずれが生じたとしても、測定される測定電流Ｉの電流値のこの機械的な位置ずれに起因したばらつきを大幅に低減することができる（つまり、測定の再現性を向上させることができる）。

また、この電流センサ１および電流検出装置９１によれば、閉状態において、磁気コアＣＲ、磁電変換部１５およびコイル１６のほぼ全体を覆う形状に内側シールド部材ＳＨ２が構成されているため、磁気コアＣＲ、磁電変換部１５およびコイル１６への外部磁界の影響を十分に低減した状態で、測定対象電路５に流れる測定電流Ｉの電流値を測定することができる。

また、この電流センサ１および電流検出装置９１によれば、内側シールド部材ＳＨ２の外側に、閉状態において内側シールド部材ＳＨ２のほぼ全体を覆う外側シールド部材ＳＨ１を配置した２重シールド構造としたことにより、内側シールド部材ＳＨ２に上記したような第１ギャップＧ１を設けて良好なリニアリティを確保しつつ、磁気コアＣＲ、磁電変換部１５およびコイル１６への外部磁界の影響を外側シールド部材ＳＨ１によってより一層低減することができる。したがって、この電流センサ１および電流検出装置９１によれば、測定対象電路５に流れる測定電流Ｉの電流値をより一層正確に測定することができる。

なお、上記の例では、形成が容易なことから、内側シールド部材ＳＨ２を構成する第１内側シールド部材１３および第２内側シールド部材４３の連結部位（磁気的に連結する部位）のうちの磁電変換部１５寄りの連結部位に第１ギャップＧ１を形成しているが、第１ギャップＧ１の形成位置はこの位置に限定されるものではなく、漏れ磁束φ３についての閉磁気回路（磁電変換部１５を含む閉磁気回路：第２の閉磁気回路）の磁気抵抗を増加させる可能性がある場所である限り、第１内側シールド部材１３を分割して第１内側シールド部材１３内に第１ギャップＧ１を形成したり、第２内側シールド部材４３を分割して第２内側シールド部材４３内に第１ギャップＧ１を形成したりする構成を採用することもできる。また、第１ギャップＧ１の数は上記の例では１つとしたが、これに限定されず、複数とすることもできる。

１ 電流センサ
５ 測定対象電路
１５ 磁電変換部
１６ コイル
ＣＲ 磁気コア
Ｇ１ 第１ギャップ
ＳＨ１ 外側シールド部材
ＳＨ２ 内側シールド部材

Claims (4)

1. 測定対象電路を内包する第１の閉磁気回路を形成する環状の磁気コア、前記磁気コア内の磁束を検出して当該磁束の磁束量に応じた振幅の電気信号を出力する磁電変換部、前記磁気コアに形成されると共に前記電気信号に基づいて生成された負帰還電流が供給されるコイル、並びに前記磁気コア、前記磁電変換部および前記コイルの近傍に配設されたシールド部材を備えている電流センサであって、
   前記シールド部材には、前記磁気コアからの漏れ磁束についての閉磁気回路であって、当該シールド部材、当該磁気コアにおける前記コイルの形成部位、および前記磁電変換部を含んで構成される第２の閉磁気回路の磁気抵抗を増加させるギャップが形成されている電流センサ。
2. 前記シールド部材は、前記磁気コア、前記磁電変換部および前記コイルのほぼ全体を覆う形状に構成されている請求項１記載の電流センサ。
3. 前記シールド部材は、前記磁気コア、前記磁電変換部および前記コイルのほぼ全体を覆う形状に構成された内側シールド部材、および当該内側シールド部材のほぼ全体を当該内側シールド部材とは非接触の状態で覆う外側シールド部材を備え、
   前記ギャップは、前記内側シールド部材にのみ形成されている請求項１または２記載の電流センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電流センサと、
   前記電気信号に基づいて前記負帰還電流を生成して前記コイルの一端に供給するアンプと、
   前記コイルの他端に接続されて前記負帰還電流を電圧信号に変換する電流電圧変換部とを備えている測定装置。

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