JPWO2015053174A1

JPWO2015053174A1 - 電流センサ

Info

Publication number: JPWO2015053174A1
Application number: JP2015541548A
Authority: JP
Inventors: 川浪　崇; 崇川浪
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: WO2015053174A1; JP6098729B2

Abstract

電流センサは、測定対象の電流が流れるバスバー(１１０)と、バスバー(１１０)を流れる電流により発生する磁界の強さを検出する少なくとも１つの磁気センサとを備える。バスバー(１１０)は、電気的に直列に接続されている第１バスバー部(１１１)および第２バスバー部(１１２)を含む。第１バスバー部(１１１)は、第２バスバー部(１１２)に間隔を置いて第２バスバー部(１１２)の周りを囲んで延在している。磁気センサは、第１バスバー部(１１１)と第２バスバー部(１１２)との間において、第２バスバー部(１１２)の延在方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている。

Description

本発明は、電流センサに関し、特に、測定対象の電流である被測定電流に応じて発生する磁界を検出することで被測定電流の値を測定する電流センサに関する。

ホール素子などの磁電変換素子の特性劣化を検出できる磁界検出用半導体集積回路を開示した先行文献として、特開２００８−１５１５３０号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された磁界検出用半導体集積回路においては、電流の経路となるバスバーがホール素子の周縁部に沿って形成されている。

出力信号が測定すべき電流に比例し、かつ温度および外部磁界により妨害され難く安定した感度を維持することを図ったセンサチップを開示した先行文献として、特開平６−２９４８５４号公報(特許文献２)がある。

特許文献２に記載されたセンサチップには、磁界強度の勾配を測定するためのホイートストンブリッジ型のブリッジ回路が設けられている。センサチップは、中心軸線に対して間隔を置いた第１および第２の範囲に配置された第１〜第４磁気感応抵抗を有している。

また、センサチップにおいては、第１磁気感応抵抗と第２磁気感応抵抗とが直列接続されて第１ブリッジ分路を形成するとともに、第３磁気感応抵抗と第４磁気感応抵抗とが直列接続されて第２ブリッジ分路を形成している。

さらに、センサチップにおいては、第１の範囲に第１および第４磁気感応抵抗が配置されるとともに、第２の範囲に第２および第３磁気感応抵抗が配置され、第１の範囲に配置された第１および第４磁気感応抵抗と、第２の範囲に配置された第２および第３磁気感応抵抗とが、中心軸線を基準に対称的に配置されている。

導体と磁気センサ間の位置ずれに対する耐性の向上を図った電流検出装置を開示した先行文献として、特開２０１０−２２３７２２号公報(特許文献３)がある。

特許文献３に記載された電流検出装置においては、１対の磁気センサが互いの間にバスバーを挟んで配置されている。また、１対の磁気センサの一方がバスバーに近づく場合、１対の磁気センサの他方がバスバーから離れる状態となるようにされている。

この状態における一対の磁気センサの出力においては、一方が増加して他方が減少することになるため、磁気算出部により一対の磁気センサの出力の和を算出することにより、バスバーと磁気センサとの位置ずれの影響の低減を図っている。

検出精度の向上を図った電流センサを開示した先行文献として、特開２００７−２１８７２９号公報(特許文献４)がある。特許文献４に記載された電流センサは、嵌合溝が形成されたバスバーと、ホール素子をモールドするとともにホール素子に接続されたリードフレームの端部が突出するように、嵌合溝に嵌合固定されたパッケージとを備えている。

磁気センサを磁気シールドで被った電気装置を開示した先行文献として、実開昭５９−６０８０６号公報(特許文献５)、特開２０１０−１２７８９６号公報(特許文献６)、および、特開２０１０−８０５０号公報(特許文献７)がある。

特許文献５に記載された電気装置は、ほぼ平行に配置された導電性を有する複数個の管状の容器と、この容器内において容器と同軸上に配置された導体と、容器の外周に配置された磁気センサと、磁気センサを被う磁気シールドとを備えている。

特許文献６に記載された電流検出装置は、電流路の近傍に配置された２つの磁気検出器と、電流路の一部と２つの磁気検出器とを内部に含むように電流路に装着される電磁シールド枠部材とを備えている。

特許文献７に記載された電流センサは、バスバーと、バスバーに流れる電流によって発生する磁界を検出するようにバスバーに対して固定配置された磁気検出素子と、磁気検出素子を磁気遮蔽する磁気シールド体とを備えている。磁気シールド体は、バスバーと磁気検出素子とを内側に囲む環状囲み部を有している。

特開２００８−１５１５３０号公報特開平６−２９４８５４号公報特開２０１０−２２３７２２号公報特開２００７−２１８７２９号公報実開昭５９−６０８０６号公報特開２０１０−１２７８９６号公報特開２０１０−８０５０号公報

特許文献１，４に記載された磁界検出用半導体集積回路，電流センサおよび電気装置の各々においては、磁気シールドに囲まれていない１つのホール素子を用いて、被測定電流に応じて発生する磁界を検出しているため、外部磁界により誤作動することがある。

特許文献２に記載されたセンサチップにおいては、第１〜第４磁気感応抵抗が検出する磁界の強さは、バスバーからの距離の２乗に反比例する。そのため、バスバーに対して第１〜第４磁気感応抵抗を所望の位置に正確に配置する必要があり、センサチップの製造が困難である。

また、センサチップにおいては、第１の範囲に配置された第１および第４磁気感応抵抗と、第２の範囲に配置された第２および第３磁気感応抵抗とに、外部磁界源からの距離の２乗に反比例した強度の外部磁界が印加される。

センサチップの近傍に外部磁界源が存在する場合、第１の範囲に配置された第１および第４磁気感応抵抗と第２の範囲に配置された第２および第３磁気感応抵抗とにおいて外部磁界源からの距離が異なるため、外部磁界源から発せられる外部磁界がセンサチップの出力信号に作用を及ぼす。

センサチップと外部磁界源との距離が近くになるに従って、第１〜第４磁気感応抵抗に印加される外部磁界の磁界強度が大きくなるため、外部磁界によるセンサチップの出力信号への影響が大きくなる。

たとえば、３相交流インバータの出力電流の制御などにおいて、大電流が流れる複数の経路が互いに集合して配置される場合に、各経路を流れる電流の値をセンサチップを用いて正確に検出するうえで、各経路を流れる電流によって発生する磁界の影響が障害となっていた。

特許文献３に記載された電流検出装置においては、一方の磁気センサの出力の増加量と他方の磁気センサの出力の減少量とが一致するための磁気センサ同士の位置関係が限られているため、互いに所望の位置関係となるように磁気センサ同士を正確に配置する必要があり、電流検出装置の製造が困難である。

特許文献５〜７に記載された電気装置においては、被測定電流の経路にはならない磁気シールドを用いている。そのため、部品点数が多くなって電気装置が複雑になる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、外部磁界の影響を低減でき、容易に製造可能な電流センサを提供することを目的とする。

本発明に基づく電流センサは、測定対象の電流が流れるバスバーと、バスバー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少なくとも１つの磁気センサとを備える。バスバーは、電気的に直列に接続されている第１バスバー部および第２バスバー部を含む。第１バスバー部は、第２バスバー部に間隔を置いて第２バスバー部の周りを囲んで延在している。第１バスバー部の一端と第２バスバー部の一端とが互いに電気的に接続され、かつ、第１バスバー部の他端と第２バスバー部の他端とがそれぞれ上記電流の入力側および出力側のうちの互いに異なる一方とされることにより、第１バスバー部を上記電流が流れる方向と第２バスバー部を上記電流が流れる方向とが反対である。磁気センサは、第１バスバー部と第２バスバー部との間において、第２バスバー部の延在方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている。

本発明の一形態においては、電流センサは、磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを含み、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。第１バスバー部は、両端に開口を有する筒状の形状を有する。第２バスバー部は、第１バスバー部に対して同軸状に位置するように第１バスバー部の内側において第１バスバー部に間隔を置いて延在している。第１磁気センサおよび第２磁気センサは、第１バスバー部の内側において互いの間に第２バスバー部を挟むように並んで位置している。第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々は、第１磁気センサと第２磁気センサとが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２バスバー部の延在方向に対して直交する方向に検出軸を有する。

本発明の一形態においては、第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々は、第１バスバー部より第２バスバー部の近くに位置している。

本発明の一形態においては、バスバー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、バスバー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、第１バスバー部は、互いに対向する１対の平板部を有する。第２バスバー部は、各平板部に対して対向する平板状の外形を有している。上記検出軸の方向において、第２バスバー部の幅の寸法は、第１バスバー部の各平板部と第２バスバー部との間の間隔の寸法の最大値の１．５倍以上である。

本発明の一形態においては、第１バスバー部の１対の平板部は横断面において、第２バスバー部の中心点を中心として互いに点対称に位置している。第１磁気センサおよび第２磁気センサは横断面において、第２バスバー部の中心点を中心として互いに点対称に位置している。

本発明の一形態においては、第１バスバー部の１対の平板部は横断面において、上記検出軸の方向における第２バスバー部の中心線を中心として互いに線対称に位置している。第１磁気センサおよび第２磁気センサは横断面において、上記検出軸の方向における第２バスバー部の中心線を中心として互いに線対称に位置している。

本発明の一形態においては、バスバーが、第１バスバー部および第２バスバー部を２分割した形状を有する２つのバスバー部材から構成されている。

本発明の一形態においては、バスバーは、第１バスバー部に上記電流を入力するための入力端子部と、第２バスバー部から上記電流を出力するための出力端子部を有している。入力端子部と出力端子部とは、同一平面上に位置し、かつ、上記検出軸の方向において互いに反対向きに延在している。

本発明によれば、外部磁界の影響を低減可能な電流センサを容易に製造できる。

本発明の実施形態１に係る電流センサの構成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バスバーと外部配線とを接続する状態を示す斜視図である。本発明の実施形態１に係る電流センサを図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。第１バスバー部が線対称な形状を有し、かつ、第１磁気センサと第２磁気センサとを互いに線対称に配置した状態を示す断面図である。本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す斜視図である。本発明の実施形態２に係る電流センサのバスバーと外部配線とを接続する状態を示す斜視図である。図５に示す本発明の実施形態２に係る電流センサをＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。本発明の実施形態２に係る電流センサを図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。第１比較例に係る電流センサが備えるバスバーの形状を示す平面図である。第１比較例に係る電流センサのバスバー周辺における、バスバーを流れる被測定電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を、図９のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面に示した等高線図である。第１比較例に係る電流センサにおいて、図１０中の左右方向における第１バスバー部の中央部または第２バスバー部の中央部から図１０中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る電流センサのバスバー周辺における、バスバーを流れる被測定電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。本発明の実施形態２に係る電流センサのバスバー周辺における、バスバーを流れる被測定電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す等高線図である。本発明の実施形態２に係る電流センサにおいて、図１２中の左右方向における第２バスバー部の中央部から図１２中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。本発明の実施形態２の変形例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３に係る電流センサの構成を示す斜視図である。第１バスバー部材および第２バスバー部材のプレス加工前の形状を示す平面図である。本発明の実施形態４に係る電流センサの構成を示す斜視図である。本発明の実施形態５に係る電流センサの構成を示す斜視図である。第２比較例に係る電流センサの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の各実施形態に係る電流センサ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。

以下、本発明の実施形態１に係る電流センサについて説明する。
(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構成を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る電流センサのバスバーと外部配線とを接続する状態を示す斜視図である。

図１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、測定対象の電流である被測定電流が流れるバスバー１１０を備える。また、電流センサ１００は、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さを奇関数入出力特性を有して検出する第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１を備える。

さらに、電流センサ１００は、第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより上記被測定電流の値を算出する算出部である減算器１３０を備える。

以下、各構成について詳細に説明する。
バスバー１１０は、電気的に直列に接続されている第１バスバー部１１１および第２バスバー部１１２を含む。第１バスバー部１１１は、第２バスバー部１１２に間隔を置いて第２バスバー部１１２の周りを囲んで延在している。具体的には、第１バスバー部１１１は、両端に開口を有する筒状の形状を有している。本実施形態においては、第１バスバー部１１１は円筒状の外形を有しているが、第１バスバー部１１１の形状はこれに限られない。

第２バスバー部１１２は、第１バスバー部１１１に対して同軸状に位置するように第１バスバー部１１１の内側において第１バスバー部１１１に間隔を置いて延在している。本実施形態においては、第２バスバー部１１２は円柱状の外形を有しているが、第２バスバー部１１２の形状はこれに限られない。第２バスバー部１１２の長さは、第１バスバー部１１１の長さより僅かに短い。

第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２とは、接続部１１３を通じて接続されている。接続部１１３は、第１バスバー部１１１の一方の開口を塞ぐように位置しつつ第２バスバー部１１２の一端と連続して第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２とを接続している。本実施形態においては、接続部１１３は、第１バスバー部１１１の内面と連続する円板状の外形を有しているが、接続部１１３の形状はこれに限られない。なお、第１バスバー部１１１の一端と第２バスバー部１１２の一端とが、直接接触することにより互いに電気的に接続されていてもよい。

本実施形態においては、バスバー１１０は、アルミニウムで構成されている。ただし、バスバー１１０の材料はこれに限られず、銀、銅などの金属、またはこれらの金属を含む合金でもよい。

また、バスバー１１０は、表面処理を施されていてもよい。たとえば、ニッケル、錫、銀、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、バスバー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、バスバー１１０は、円柱状のブロックが切削されることにより、第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２と接続部１１３とが一体で形成されている。ただし、バスバー１１０の形成方法はこれに限られず、鋳造、鍛造またはプレス加工などの方法でバスバー１１０が形成されていてもよい。また、複数の部材を溶接、ろう付、嵌合または接着などの方法で接合することによりバスバー１１０が形成されていてもよい。

第１バスバー部１１１の一端と第２バスバー部１１２の一端とが互いに電気的に接続され、かつ、第１バスバー部１１１の他端と第２バスバー部１１２の他端とがそれぞれ被測定電流の入力側および出力側のうちの互いに異なる一方とされることにより、第１バスバー部１１１を被測定電流が流れる方向１１と、第２バスバー部１１２を被測定電流が流れる方向１２とが反対である。図２に示すようにバスバー１１０と外部配線とが接続されていることにより、上記のように被測定電流が流れる。

外部配線は、入力端子を有する入力配線１７０と、出力端子を有する出力配線１７１と、曲折した板状の接続導体１７２とを含む。接続導体１７２の中心部には、接続導体１７２に入力配線１７０を接続するための第１貫通孔１７３が設けられている。接続導体１７２の長手方向の両端部には、第１バスバー部１１１に接続導体１７２を接続するための第２貫通孔１７４が設けられている。接続導体１７２は、接続導体１７２の長手方向の両端部と中心部とがそれぞれ互いに平行な異なる２つの平面上に位置するように曲折している。

第１バスバー部１１１の他端に２つの第１雌ねじ１１１ｓが設けられている。２つの第１雌ねじ１１１ｓは、第１バスバー部１１１の径方向において第１バスバー部１１１の中心軸に対して互いに反対側に位置している。２つの第１雌ねじ１１１ｓの各々は、第１バスバー部１１１の中心軸方向と平行な方向に延在している。

第２バスバー部１１２の他端に第２雌ねじ１１２ｓが設けられている。第２雌ねじ１１２ｓは、第２バスバー部１１２の径方向において第２バスバー部１１２の中心軸上に位置している。第２雌ねじ１１２ｓは、第２バスバー部１１２の中心軸方向と平行な方向に延在している。

入力配線１７０の入力端子は円環状の部分を有している。入力配線１７０の入力端子の円環状の部分および接続導体１７２の第１貫通孔１７３にボルト１９０を挿通して、そのボルト１９０とナット１８０とを締結することにより、入力配線１７０と接続導体１７２とが接続される。

接続導体１７２の第２貫通孔１７４のそれぞれにボルト１９０を挿通して、それらのボルト１９０と第１雌ねじ１１１ｓとをそれぞれ締結することにより、第１バスバー部１１１と接続導体１７２とが接続される。

出力配線１７１の出力端子は円環状の部分を有している。出力配線１７１の出力端子の円環状の部分にボルト１９０を挿通して、そのボルト１９０と第２雌ねじ１１２ｓとを締結することにより、第２バスバー部１１２と出力配線１７１とが接続される。

上記のようにバスバー１１０と外部配線とが接続されていることにより、第１バスバー部１１１に入力された被測定電流は、第１バスバー部１１１の他端から一端に向かって方向１１に流れ、矢印１３で示すように接続部１１３の外側から中心に向かって接続部１１３を流れ、第２バスバー部１１２の一端から他端に向かって方向１２に流れた後、第２バスバー部１１２から出力される。

なお、バスバー１１０と外部配線との接続方法は上記に限られず、第１バスバー部１１１を被測定電流が流れる方向と、第２バスバー部１１２を被測定電流が流れる方向とが反対となるように接続されていればよい。よって、第１バスバー部１１１が出力配線に接続され、第２バスバー部１１２が入力配線に接続されていてもよい。

図１に示すように、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、第１バスバー部１１１の内側において互いの間に第２バスバー部１１２を挟むように並んで位置している。

具体的には、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、第１バスバー部１１１および第２バスバー部１１２の両方に対して間隔を置いて位置している。

第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、第１磁気センサ１２０と第２磁気センサ１２１とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２バスバー部１１２の延在方向に対して直交する方向に検出軸を有する。第１磁気センサ１２０は、図１中の矢印１２０ａで示す方向に検出軸を有する。第２磁気センサ１２１は、図１中の矢印１２１ａで示す方向に検出軸を有する。

第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、検出軸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。すなわち、バスバー１１０を流れる被測定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１２０の検出値の位相と、第２磁気センサ１２１の検出値の位相とは、逆相である。

第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１としては、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)、ＢＭＲ(Balistic Magneto Resistance)、ＣＭＲ(Colossal Magneto Resistance)などの磁気抵抗素子を有する磁気センサを用いることができる。特に、奇関数入出力特性を有するバーバーポール構造のＡＭＲ素子を用い、ホイートストンブリッジ型のブリッジ回路またはその半分の回路構成であるハーフ・ブリッジ回路を構成した磁気センサを用いることができる。

その他にも、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１として、ホール素子を有する磁気センサ、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。

第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１にバイアスをかける場合は、バーバーポール構造を用いる方法に限られず、コイルの周囲に発生する誘導磁界、永久磁石の磁界、またはこれらを組み合わせた磁界を用いてバイアスをかけてもよい。

第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１においては、励磁コイル部を有さない開ループ式の磁界測定を行なってもよい。この場合、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、上記の素子の出力を直線的に増幅するまたは補正しつつ増幅する増幅器および変換器を経由して出力する。

または、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１においては、励磁コイル部を有する閉ループ式の磁界測定を行なってもよい。この場合、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、励磁コイルの閉ループが構成されたセンサ回路を含む。

このセンサ回路においては、励磁コイル部に、励磁コイル駆動部から駆動電流が供給される。この駆動電流が励磁コイルを流れることにより発生する磁界は、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に印加される。第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１にはバスバー１１０を流れた被測定電流によって発生する磁界も印加される。そのため、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１には、励磁コイルから発生する磁界とバスバー１１０を流れた被測定電流によって発生する磁界とが重なって印加される。

このように第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に重なって印加された磁界の強さは、いわゆる重ねの理にしたがって、それらを重ね合わせた値となる。励磁コイル駆動部は、負帰還の働きにより第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に重なって印加される磁界の強さが０となるように、励磁コイル部に駆動電流を供給する。このときの駆動電流を電流検出抵抗器と増幅器とによって測定することにより、バスバー１１０を流れた被測定電流によって発生する磁界の強さを間接的に測定することができる。

このように、閉ループ式の磁界測定を行なう場合は、一定の強さ(略０)の磁界が第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に印加された状態で測定を行なうため、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の入出力特性(入力磁界と出力電圧との関係)の非線形性が測定結果の直線性に及ぼす影響を低減できる。

第１磁気センサ１２０は、第１接続配線１４１によって減算器１３０と電気的に接続されている。第２磁気センサ１２１は、第２接続配線１４２によって減算器１３０と電気的に接続されている。

減算器１３０は、第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、バスバー１１０を流れる被測定電流の値を算出する。なお、本実施形態においては、算出部として減算器１３０を用いているが、算出部はこれに限られず、差動増幅器などでもよい。

以下、電流センサ１００の動作について説明する。
図３は、本実施形態に係る電流センサを図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。図３においては、第１磁気センサ１２０の中心と第２磁気センサ１２１の中心とを結ぶ仮想直線１、および、第２バスバー部１１２の中心点１１２ｃを通過して仮想直線１と直交する仮想直線２を図示している。また、第１バスバー部１１１の厚さを寸法Ｔ、第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２との間の間隔を寸法Ｇ、および、第２バスバー部１１２の直径を寸法Ｄで示している。

図３に示すように、第２バスバー部１１２に被測定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図中の左回りに周回する磁界１１２ｅが発生する。その結果、第１磁気センサ１２０には、矢印１２０ａで示す検出軸の方向において、図中の左向きの磁界が印加される。一方、第２磁気センサ１２１には、矢印１２１ａで示す検出軸の方向において、図中の右向きの磁界が印加される。

よって、第１磁気センサ１２０の検出した磁界の強さを示す検出値を正の値とすると、第２磁気センサ１２１の検出した磁界の強さを示す検出値は負の値となる。第１磁気センサ１２０の検出値と第２磁気センサ１２１の検出値とは、減算器１３０に送信される。

減算器１３０は、第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算する。その結果、第１磁気センサ１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１の検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、バスバー１１０を流れた被測定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、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２との間に位置しているため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ１２０と第２磁気センサ１２１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１２０に印加される磁界のうちの矢印１２０ａで示す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１２１に印加される磁界のうちの矢印１２１ａで示す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１２０の検出した外部磁界の強さを示す検出値を正の値とすると、第２磁気センサ１２１の検出した外部磁界の強さを示す検出値も正の値となる。

その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、第１磁気センサ１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１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。

本実施形態の変形例として、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１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１２０の検出した外部磁界の強さを示す検出値を正の値とすると、第２磁気センサ１２１の検出した外部磁界の強さを示す検出値は負の値となる。

一方、バスバー１１０を流れる被測定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１２０の検出値の位相と、第２磁気センサ１２１の検出値の位相とは同相となる。

本変形例においては、算出部として減算器１３０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、加算器または加算増幅器が第１磁気センサ１２０の検出値と第２磁気センサ１２１の検出値とを加算することにより、第１磁気センサ１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１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、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さについては、加算器または加算増幅器が第１磁気センサ１２０の検出値と第２磁気センサ１２１の検出値とを加算することにより、第１磁気センサ１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１の検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、バスバー１１０を流れた被測定電流の値が算出される。

このように、第１磁気センサ１２０と第２磁気センサ１２１との入出力特性を互いに逆の極性にしつつ、減算器１３０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。

なお、本実施形態における電流センサ１００においては、第１バスバー部１１１は横断面において、第２バスバー部１１２の中心点１１２ｃを中心として点対称な形状を有している。かつ、第１バスバー部１１１は横断面において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の検出軸の方向における第２バスバー部１１２の中心線を中心として線対称な形状を有している。この第２バスバー部１１２の中心線は、仮想直線２と重なっている。

また、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は横断面において、第２バスバー部１１２の中心点１１２ｃを中心として互いに点対称に位置している。かつ、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は横断面において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の検出軸の方向における第２バスバー部１１２の中心線を中心として互いに線対称に位置している。

ここで、上記の配置により得られる効果について説明する。
まず、点対称配置の効果について説明する。図３に示すように、第１バスバー部１１１は横断面において、第２バスバー部１１２の中心点１１２ｃを中心として点対称な形状を有している。また、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は横断面において、第２バスバー部１１２の中心点１１２ｃを中心として互いに点対称に位置している。

この配置の場合、第２バスバー部１１２に被測定電流が流れることにより発生する第２バスバー部を周回する磁界１１２ｅは、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に、等価で逆方向に印加される。その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、磁界１１２ｅの検出値は２倍になる。

一方、外部磁界源が第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に対して十分遠方にある場合、外部磁界は、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に、等価で等方向に印加される。その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、外部磁界の検出値は０になる。

このように点対称に配置された第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界を等しく反映した検出値を示す。そのため、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さとそれから算出されるバスバー１１０を流れる被測定電流の値との線形性を高めることができる。

次に、線対称配置の効果について説明する。図４は、第１バスバー部が線対称な形状を有し、かつ、第１磁気センサと第２磁気センサとを互いに線対称に配置した状態を示す断面図である。図４においては、図３と同一方向から見た断面を示している。

図４に示すように、第１バスバー部１１１は横断面において、第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの検出軸の方向における第２バスバー部１１２の中心線１１２ｘを中心として線対称な形状を有している。また、第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚは横断面において、第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの検出軸の方向における第２バスバー部１１２の中心線１１２ｘを中心として互いに線対称に位置している。

この配置の場合、第２バスバー部１１２に被測定電流が流れることにより発生する第２バスバー部１１２を周回する磁界１１２ｅは、第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの各々に、等価で逆方向に印加される。その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０ｚの検出値から第２磁気センサ１２１ｚの検出値を減算することにより、磁界１１２ｅの検出値は２倍になる。

一方、外部磁界源が第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚに対して十分遠方にある場合、外部磁界は、第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの各々に、等価で等方向に印加される。その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０ｚの検出値から第２磁気センサ１２１ｚの検出値を減算することにより、外部磁界の検出値は０になる。

さらに、外部磁界源１０が第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの近傍にあって外部磁界源１０の磁界が第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚに及んでいる場合、矢印１２０ａで示す第１磁気センサ１２０ｚの検出軸の方向における外部磁界源１０と第１磁気センサ１２０ｚとの距離Ｌ₁と、矢印１２１ａで示す第２磁気センサ１２１ｚの検出軸の方向における外部磁界源１０と第２磁気センサ１２１ｚとの距離Ｌ₂とは等しくなる。

よって、外部磁界源１０が近傍にある場合も、外部磁界は、第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの各々に、検出軸の方向において等価で等方向に印加される。その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０ｚの検出値から第２磁気センサ１２１ｚの検出値を減算することにより、外部磁界の検出値は０になる。

なお、矢印１２０ａで示す第１磁気センサ１２０ｚの検出軸の方向に対して直交する方向における外部磁界源１０と第１磁気センサ１２０ｚとの距離Ｌ₃と、矢印１２１ａで示す第２磁気センサ１２１ｚの検出軸の方向に対して直交する方向における外部磁界源１０と第２磁気センサ１２１ｚとの距離Ｌ₄とは異なるが、この方向の磁界成分は第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚにおいて検出されない。

このように線対称に配置された第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚは、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界を等しく反映した検出値を示す。そのため、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さとそれから算出されるバスバー１１０を流れる被測定電流の値との線形性を高めることができる。さらに、外部磁界源１０が第１磁気センサ１２０ｚおよび第２磁気センサ１２１ｚの近傍に位置する場合にも、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は、上記の点対称配置および線対称配置の両方を満たしているため、外部磁界源１０の位置に関わらず、バスバー１１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さとそれから算出されるバスバー１１０を流れる被測定電流の値との線形性を高めつつ、外部磁界の影響を低減することができる。

さらに、外部磁界のうちの高周波成分は、表皮効果によって第１バスバー部１１１の表皮深さの２〜３倍程度の深さまでしか侵入することができない。よって、第１バスバー部１１１の内側に配置された第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に外部磁界のうちの高周波成分が及ぶことを抑制できる。なお、想定される外部磁界の高周波成分の周波数に対応して、第１バスバー部１１１の厚さの寸法Ｔが決定されている。

オペアンプなどの差動増幅器を用いて第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより外部磁界の影響を低減する場合、差動増幅器の性能上の限界によって外部磁界の高周波成分を完全に減算することができない場合がある。上記のように、表皮効果によって外部磁界のうちの高周波成分の侵入を低減することにより、差動増幅器の性能上の限界にかかわらず外部磁界の影響を低減することができる。

また、電流センサ１００において、バスバー１１０を流れる被測定電流によって第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２との間に発生する磁界は、各バスバー部からの距離による変化が比較的小さい。そのため、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の配置に高い精度は要求されず、電流センサ１００を容易に製造できる。

なお、図３に示す第２バスバー部１１２の直径の寸法Ｄは、第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２との間の間隔の寸法Ｇの１．５倍以上であることが好ましい。この場合、電流センサ１００において、バスバー１１０を流れる被測定電流によって第１バスバー部１１１と第２バスバー部１１２との間に発生する磁界の各バスバー部からの距離による変化をより小さくすることができる。それにより、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の配置の自由度を高めて、電流センサ１００の製造をさらに容易にできる。

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２００は、バスバーの形状のみ実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
図５は、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００の構成を示す斜視図である。図６は、本実施形態に係る電流センサ２００のバスバーと外部配線とを接続する状態を示す斜視図である。図７は、図５に示す本実施形態に係る電流センサ２００をＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。

図５〜７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、測定対象の電流である被測定電流が流れるバスバー２１０を備える。また、電流センサ２００は、バスバー２１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さを奇関数入出力特性を有して検出する第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１を備える。

さらに、電流センサ２００は、第１磁気センサ２２０の検出値から第２磁気センサ２２１の検出値を減算することにより上記被測定電流の値を算出する算出部である図示しない減算器を備える。

バスバー２１０は、電気的に直列に接続されている第１バスバー部２１１および第２バスバー部２１２を含む。第１バスバー部２１１は、両端に開口を有する筒状の形状を有している。本実施形態においては、第１バスバー部２１１は横断面にて矩形状の外形を有している。

具体的には、第１バスバー部２１１は、互いに対向する１対の平板部２１１ａ，２１１ｂを有する。平板部２１１ａと平板部２１１ｂとは、互いに平行に位置している。また、第１バスバー部２１１は、平板部２１１ａと平板部２１１ｂとを繋ぐ１対の側壁部２１１ｃ，２１１ｄを有する。側壁部２１１ｃと側壁部２１１ｄとは、互いに平行に位置している。ただし、第１バスバー部２１１の形状はこれに限られない。

第２バスバー部２１２は、第１バスバー部２１１に対して同軸状に位置するように第１バスバー部２１１の内側において第１バスバー部２１１に間隔を置いて延在している。本実施形態においては、第２バスバー部２１２は、平板部２１１ａおよび平板部２１１ｂの各々に対して平行に対向する平板状の外形を有しているが、第２バスバー部２１２の形状はこれに限られない。第２バスバー部２１２の長さは、第１バスバー部２１１の長さより僅かに短い。

第１バスバー部２１１と第２バスバー部２１２とは、接続部１１３を通じて接続されている。接続部２１３は、第１バスバー部２１１の一方の開口を塞ぐように位置しつつ第２バスバー部２１２の一端と連続して第１バスバー部２１１の一端と第２バスバー部２１２の一端とを接続している。本実施形態においては、接続部２１３は、第１バスバー部２１１の内面と連続する矩形状の外形を有しているが、接続部２１３の形状はこれに限られない。

図５中の矢印２２０ａ，２２１ａで示す第１および第２磁気センサ２２０，２２１の検出軸の方向において、第２バスバー部２１２の幅の寸法Ｈは、図７に示す第１バスバー部２１１の各平板部２１１ａ，２１１ｂと第２バスバー部２１２との間の間隔の寸法Ｇ₁，Ｇ₂の最大値の１．５倍以上である。また、第２バスバー部２１２の長さの寸法Ｌ_eは、第２バスバー部の幅の寸法Ｈ以上である。

本実施形態においては、平板部２１１ａと第２バスバー部２１２との間の間隔の寸法Ｇ₁と、平板部２１１ｂと第２バスバー部２１２との間の間隔の寸法Ｇ₂とは同一である。ただし、寸法Ｇ₁と寸法Ｇ₂とは互いに異なっていてもよい。

本実施形態においては、バスバー２１０は、直方体状のブロックが切削されることにより、第１バスバー部２１１と第２バスバー部２１２と接続部２１３とが一体で形成されている。ただし、複数の部材を接合してバスバー２１０を構成してもよい。

第１バスバー部２１１の一端と第２バスバー部２１２の一端とが互いに電気的に接続され、かつ、第１バスバー部２１１の他端と第２バスバー部２１２の他端とがそれぞれ被測定電流の入力側および出力側のうちの互いに異なる一方とされることにより、第１バスバー部２１１を被測定電流が流れる方向２１と、第２バスバー部２１２を被測定電流が流れる方向２２とは反対である。図６に示すようにバスバー２１０と外部配線とを接続されていることにより、上記のように被測定電流が流れる。外部配線の構成は実施形態１と同様である。

第１バスバー部２１１の他端に２つの第１雌ねじ２１１ｓが設けられている。２つの第１雌ねじ２１１ｓは、第１バスバー部２１１の径方向において互いに反対側に位置している。本実施形態においては、各平板部２１１ａ，２１１ｂに第１雌ねじ２１１ｓが設けられている。２つの第１雌ねじ２１１ｓの各々は、第１バスバー部２１１の中心軸方向と平行に延在している。

第２バスバー部２１２の他端に第２雌ねじ２１２ｓが設けられている。第２雌ねじ２１２ｓは、第２バスバー部２１２の中心軸方向と平行な方向に延在している。

接続導体１７２の第２貫通孔１７４のそれぞれにボルト１９０を挿通して、それらのボルト１９０と第１雌ねじ２１１ｓとをそれぞれ締結することにより、第１バスバー部２１１と接続導体１７２とが接続される。

出力配線１７１の出力端子は円環状の部分を有している。出力配線１７１の出力端子の円環状の部分にボルト１９０を挿通して、そのボルト１９０と第２雌ねじ２１２ｓとを締結することにより、第２バスバー部２１２と出力配線１７１とが接続される。

上記のようにバスバー２１０と外部配線とが接続されていることにより、第１バスバー部２１１に入力された被測定電流は、第１バスバー部２１１の他端から一端に向かって方向２１に流れ、接続部２１３を流れ、第２バスバー部２１２の一端から他端に向かって方向２２に流れた後、第２バスバー部２１２から出力される。

なお、バスバー２１０と外部配線との接続方法は上記に限られず、第１バスバー部２１１を被測定電流が流れる方向と、第２バスバー部２１２を被測定電流が流れる方向とが反対となるように接続されていればよい。よって、第１バスバー部２１１が出力配線に接続され、第２バスバー部２１２が入力配線に接続されていてもよい。

図５に示すように、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１は、第１バスバー部２１１の内側において互いの間に第２バスバー部２１２を挟むように並んで位置している。

具体的には、図７に示すように、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々は、第１バスバー部２１１および第２バスバー部２１２の両方に対して間隔を置いて位置している。

第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々は、第１磁気センサ２２０と第２磁気センサ２２１とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２バスバー部２１２の延在方向に対して直交する方向に検出軸を有する。第１磁気センサ２２０は、図５中の矢印２２０ａで示す方向に検出軸を有する。第２磁気センサ２２１は、図５中の矢印２２１ａで示す方向に検出軸を有する。

第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１は、検出軸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。すなわち、バスバー２１０を流れる被測定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２２０の検出値の位相と、第２磁気センサ２２１の検出値の位相とは、逆相である。

第１磁気センサ２２０は、図示しない接続配線によって減算器と電気的に接続されている。第２磁気センサ２２１は、図示しない接続配線によって減算器と電気的に接続されている。

減算器は、第１磁気センサ２２０の検出値から第２磁気センサ２２１の検出値を減算することにより、バスバー２１０を流れる被測定電流の値を算出する。なお、本実施形態においては、算出部として減算器を用いているが、算出部はこれに限られず、差動増幅器などでもよい。

以下、電流センサ２００の動作について説明する。
図８は、本実施形態に係る電流センサを図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。

図８に示すように、第２バスバー部２１２に被測定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図中の左回りに周回する磁界２１２ｅが発生する。その結果、第１磁気センサ２２０には、矢印２２０ａで示す検出軸の方向において、図中の左向きの磁界が印加される。一方、第２磁気センサ２２１には、矢印２２１ａで示す検出軸の方向において、図中の右向きの磁界が印加される。

よって、第１磁気センサ２２０の検出した磁界の強さを示す検出値を正の値とすると、第２磁気センサ２２１の検出した磁界の強さを示す検出値は負の値となる。第１磁気センサ２２０の検出値と第２磁気センサ２２１の検出値とは、減算器に送信される。

減算器は、第１磁気センサ２２０の検出値から第２磁気センサ２２１の検出値を減算する。その結果、第１磁気センサ２２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ２２１の検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、バスバー２１０を流れた被測定電流の値が算出される。

本実施形態に係る電流センサ２００においては、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１は、第１バスバー部２１１と第２バスバー部２１２との間に位置しているため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ２２０と第２磁気センサ２２１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２２０に印加される磁界のうちの矢印２２０ａで示す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２２１に印加される磁界のうちの矢印２２１ａで示す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２２０の検出した外部磁界の強さを示す検出値を正の値とすると、第２磁気センサ２２１の検出した外部磁界の強さを示す検出値も正の値となる。

その結果、減算器が第１磁気センサ２２０の検出値から第２磁気センサ２２１の検出値を減算することにより、第１磁気センサ２２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ２２１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。

本実施形態における電流センサ２００においては、第１バスバー部２１１の平板部２１１ａおよび平板部２１１ｂは横断面において、第２バスバー部２１２の中心点２１２ｃを中心として互いに点対称に位置している。かつ、第１バスバー部２１１の平板部２１１ａおよび平板部２１１ｂは横断面において、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の検出軸の方向における第２バスバー部２１２の中心線２１２ｘを中心として互いに線対称に位置している。

また、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１は横断面において、第２バスバー部２１２の中心点２１２ｃを中心として互いに点対称に位置している。かつ、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１は横断面において、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の検出軸の方向における第２バスバー部２１２の中心線２１２ｘを中心として互いに線対称に位置している。

本実施形態に係る電流センサ２００は、上記のように点対称配置および線対称配置の両方を満たしているため、外部磁界源の位置に関わらず、バスバー２１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さとそれから算出されるバスバー２１０を流れる被測定電流の値との線形性を高めつつ、外部磁界の影響を低減することができる。

さらに、外部磁界のうちの高周波成分は、表皮効果によって第１バスバー部２１１の表皮深さの２〜３倍程度の深さまでしか侵入することができない。よって、第１バスバー部２１１の内側に配置された第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１に外部磁界のうちの高周波成分が及ぶことを抑制できる。なお、想定される外部磁界の高周波成分の周波数に対応して、第１バスバー部２１１の厚さの寸法が決定されている。

図８に示すように、外部磁界源からの交流磁束が、矢印９０ｅで示すように第１バスバー部２１１に到達すると、表皮効果によって矢印９１ｅで示すように磁束が第１バスバー部２１１の主に表面に侵入する。このとき、第１バスバー部２１１には、侵入した磁束を打ち消すように渦電流２１１ｉが発生している。渦電流２１１ｉによって減衰した磁束は、矢印９２ｅで示すように第１バスバー部２１１の表面に沿って進行する。よって、第１バスバー部２１１によって、外部磁界源からの交流磁束が第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１に及ぶことを抑制できる。

オペアンプなどの差動増幅器を用いて第１磁気センサ２２０の検出値から第２磁気センサ２２１の検出値を減算することにより外部磁界の影響を低減する場合、差動増幅器の性能上の限界によって外部磁界の高周波成分を完全に減算することができない場合がある。上記のように、表皮効果によって外部磁界のうちの高周波成分の侵入を低減することにより、差動増幅器の性能上の限界にかかわらず外部磁界の影響を低減することができる。

ここで、本実施形態の電流センサの特性の理解を容易にするために、第１比較例に係る電流センサと比較しつつ本実施形態に係る電流センサについて説明する。

図９は、第１比較例に係る電流センサが備えるバスバーの形状を示す平面図である。図１０は、第１比較例に係る電流センサのバスバー周辺における、バスバーを流れる被測定電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を、図９のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面に示した等高線図である。

図１１は、第１比較例に係る電流センサにおいて、図１０中の左右方向における第１バスバー部の中央部または第２バスバー部の中央部から図１０中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。図１１においては、縦軸に磁束密度(ｍＴ)、横軸にバスバーの表面からの距離(ｍｍ)を示している。

図１２は、本実施形態に係る電流センサのバスバー周辺における、バスバーを流れる被測定電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。図１３は、本実施形態に係る電流センサのバスバー周辺における、バスバーを流れる被測定電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す等高線図である。図１２，１３においては、図８と同一の断面を示している。

図１４は、本実施形態に係る電流センサにおいて、図１２中の左右方向における第２バスバー部の中央部から図１２中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。図１４においては、縦軸に磁束密度(ｍＴ)、横軸に第２バスバー部の表面からの距離(ｍｍ)を示している。

図９に示すように、第１比較例に係る電流センサは、測定対象の電流である被測定電流が流れるバスバー９１０を備える。バスバー９１０は、互いの間に間隔を置いて平行に位置する、第１バスバー部９１１および第２バスバー部９１２を含む。バスバー９１０においては、第１バスバー部９１１の一端と第２バスバー部９１２の一端とが、連結部９１３により連結されている。図１０に示すように、バスバー９１０は、薄板状に形成されている。被測定電流は、第１バスバー部９１１から連結部９１３を通じて第２バスバー部９１２へ流れる。

シミュレーションにおいては、本実施形態および第１比較例における各バスバー部の横断面寸法を２ｍｍ×１０ｍｍとし、バスバーを流れる被測定電流の値を１００Ａとした。

図１０においては、磁束密度が、０．６ｍＴである線をＥ₁、１．２ｍＴである線をＥ₂、１．８ｍＴである線をＥ_３、２．４ｍＴである線をＥ₄、３．０ｍＴである線をＥ₅、３．６ｍＴである線をＥ₆、４．２ｍＴである線をＥ₇、４．８ｍＴである線をＥ₈、５．４ｍＴである線をＥ₉、６．０ｍＴである線をＥ₁₀で示している。

図１３においては、磁束密度が、０．３ｍＴである線をＥ₁₁、０．６ｍＴである線をＥ₁₂、０．９ｍＴである線をＥ₁₃、１．２ｍＴである線をＥ₁₄、１．５ｍＴである線をＥ₁₅、１．８ｍＴである線をＥ₁₆、２．１ｍＴである線をＥ₁₇、２．４ｍＴである線をＥ₁₈で示している。

図１０に示すように、第１比較例のバスバー９１０では、第１バスバー部９１１と第２バスバー部９１２との間において、第１バスバー部９１１と第２バスバー部９１２との中間の位置までは、第１バスバー部９１１の近傍から離れるに従って磁束密度が急激に低下しており、磁束密度がほとんど変化していない領域が存在しない。同様に、第１バスバー部９１１と第２バスバー部９１２との間において、第１バスバー部９１１と第２バスバー部９１２との中間の位置までは、第２バスバー部９１２の近傍から離れるに従って磁束密度が急激に低下しており、磁束密度がほとんど変化していない領域が存在しない。

また、図１１に示すように、第１比較例のバスバー９１０では、第１バスバー部９１１の中央部または第２バスバー部９１２の中央部から図１０中の上下方向に離れるに従って磁束密度は急激に低下している。

上述の通り、本実施形態においては、第２バスバー部２１２の幅の寸法Ｈは、第１バスバー部２１１の各平板部２１１ａ，２１１ｂと第２バスバー部２１２との間の間隔の寸法Ｇ₁，Ｇ₂の最大値の１．５倍以上である。

これにより、図１２に示すように、第１バスバー部２１１と第２バスバー部２１２との間に発生する磁界の磁束線は、図中の左右方向において第２バスバー部２１２に沿って略直線状に延びている。図中の左右方向は、第１および第２磁気センサ２２０，２２１の検出軸の方向である。

図１３，１４に示すように、第１バスバー部２１１と第２バスバー部２１２との間において、図中の左右方向の中央部に、磁束密度が２．０ｍＴ程度でほとんど変化していない領域が形成されている。

本実施形態に係る電流センサ２００において、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々を、第１バスバー部２１１より第２バスバー部２１２の近くに配置することにより、磁束密度がほとんど変化していない領域に第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１を位置させることができるとともに、上記のように第１バスバー部２１１の表皮効果により第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１に外部磁界の高周波成分が及ぶことを抑制できる。

この場合、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１が並ぶ方向、並びに、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の検出軸の方向において、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の配置に高い精度が要求されないため、電流センサ２００を容易に製造できる。この効果は、第２バスバー部２１２の幅の寸法Ｈが１．５Ｇ₁以上である場合に安定して得られ、２．０Ｇ₁以上である場合に顕著となる。

本実施形態においては、図５，７に示すように、第２バスバー部２１２の延在方向の長さの寸法Ｌ_eは、第２バスバー部の幅の寸法Ｈ以上である。このようにすることにより、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１を接続部２１３から所定の距離以上離して配置することができる。その結果、第２バスバー部２１２の延在方向において、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の配置に高い精度は要求されない。よって、電流センサ２００を容易に製造できる。

さらに、図１０，１２に示すように、本実施形態に係るバスバー２１０では、第１比較例のバスバー９１０に比較して、磁束密度が０．６ｍＴより低い領域がバスバー２１０の近くに形成されている。すなわち、本実施形態に係るバスバー２１０の漏れ磁界は、第１比較例のバスバー９１０の漏れ磁界より小さい。

バスバー２１０の漏れ磁界を小さくすることにより、電流センサ２００自体が、電流センサ２００に近接して配置される他の電流センサなどに対して外部磁界源として与える影響を低減することができる。

よって、３相交流インバータの出力電流の制御などにおいて、大電流が流れる複数の経路が互いに集合して配置される場合に、本実施形態に係る電流センサ２００を用いることにより、各経路を流れる電流の値をより正確に検出することができる。

なお、第１バスバー部２１１に貫通孔またはスリットが設けられていてもよい。図１５は、本実施形態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１５に示すように、本実施形態の変形例に係る電流センサ２００ａにおいては、第１バスバー部２１１に複数の貫通孔２１１ｈおよびスリット２１１ｍが設けられている。

貫通孔２１１ｈの直径およびスリット２１１ｍの長さは、想定される外部磁界源からの電磁波の波長より短い。具体的には、貫通孔２１１ｈの直径およびスリット２１１ｍの長さは、想定される外部磁界源からの電磁波の波長の１／１００以下である。

このような複数の貫通孔２１１ｈおよびスリット２１１ｍを第１バスバー部２１１に設けても、第１バスバー部２１１の磁気シールドとしての性能は維持される。逆に、複数の貫通孔２１１ｈおよびスリット２１１ｍを第１バスバー部２１１に設けることにより、貫通孔２１１ｈおよびスリット２１１ｍが通風口として機能し、バスバー２１０を効率的に冷却することが可能となる。この変形例においては、バスバー２１０を製造する際に必然的に貫通孔２１１ｈまたはスリット２１１ｍが形成される製造方法を採用可能となる。

以下、本発明の実施形態３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３００は、バスバーが複数の部材から構成されている点が主に実施形態２に係る電流センサ２００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態３)
図１６は、本発明の実施形態３に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１６に示すように、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００は、測定対象の電流である被測定電流が流れるバスバー３１０を備える。

また、電流センサ３００は、バスバー３１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さを奇関数入出力特性を有して検出する第１磁気センサ３２０および第２磁気センサ３２１を備える。

さらに、電流センサ３００は、第１磁気センサ３２０の検出値から第２磁気センサ３２１の検出値を減算することにより上記被測定電流の値を算出する算出部である図示しない減算器を備える。

本実施形態においては、バスバー３１０が、第１バスバー部３１１および第２バスバー部３１２を２分割した形状を有する第１バスバー部材３１０ａと第２バスバー部材３１０ｂとから構成されている。第１バスバー部材３１０ａおよび第２バスバー部材３１０ｂは、金属板をプレス加工することにより形成されており、互いに同一の形状を有している。

図１７は、第１バスバー部材および第２バスバー部材のプレス加工前の形状を示す平面図である。図１７においては、プレス加工によって折り曲げられる位置を点線で示している。図１７に示すように、第１バスバー部材３１０ａおよび第２バスバー部材３１０ｂの各々は、１枚の板金を複数回プレスすることにより形成される。

また、バスバー３１０は、第１バスバー部３１１に被測定電流を入力するための入力端子部３１４と、第２バスバー部３１２から被測定電流を出力するための出力端子部３１５を有する。

バスバー３１０の入力端子部３１４は、第１バスバー部材３１０ａにおける入力端子部３１４ａと、第２バスバー部材３１０ｂにおける入力端子部３１４ｂとからなる。

バスバー３１０の出力端子部３１５は、第１バスバー部材３１０ａにおける出力端子部３１５ａと、第２バスバー部材３１０ｂにおける出力端子部３１５ｂとからなる。

入力端子部３１４と出力端子部３１５とは、同一平面上に位置し、かつ、第１磁気センサ３２０および第２磁気センサ３２１の検出軸の方向において互いに反対向きに延在している。図１６中の矢印３２０ａ，３２１ａで示す方向が、第１磁気センサ３２０および第２磁気センサ３２１の検出軸の方向である。

入力端子部３１４の端部に第１貫通孔３１４ｈが設けられており、出力端子部の３１５の端部に第２貫通孔３１５ｈが設けられている。第１貫通孔３１４ｈは入力配線を接続するための孔であり、第２貫通孔３１５ｈは出力配線を接続するための孔である。ただし、第１貫通孔３１４ｈを出力配線の接続に用い、第２貫通孔３１５ｈを入力配線の接続に用いてもよい。

バスバー３１０においては、第１バスバー部材３１０ａと第２バスバー部材３１０ｂとが入力端子部３１４および出力端子部３１５などの複数の箇所で互いに接合されることにより一体に構成されている。接合方法としては、ろう付、嵌合または接着などの方法を用いることができる。

本実施形態に係る電流センサ３００においては、入力端子部３１４と出力端子部３１５とが互いに反対方向に引き出されているため、バスバー３１０に接続する外部配線の短絡を抑制できるとともに、外部配線との接続を容易にできる。

本実施形態に係る電流センサ３００においても、外部磁界の影響を低減できる。また、第１磁気センサ３２０および第２磁気センサ３２１の配置に高い精度を要求されないため、電流センサ３００を容易に製造できる。

なお、絶縁樹脂を用いてバスバー３１０をインサート成型してもよい。この場合、第１貫通孔３１４ｈおよび第２貫通孔３１５ｈの周囲のみを露出させて、バスバー３１０のその他の部分を絶縁樹脂でモールドする。このようにすることにより、バスバー３１０の外部配線との接続部以外の部分を絶縁封止することができる。

絶縁樹脂の材料としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であって、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ＡＢＳ)樹脂、ポリフェニレンスルファイド(ＰＰＳ)樹脂、液晶ポリマー(ＬＣＰ)、ポリブチレンテレフタレート(ＰＢＴ)樹脂またはポリアミド樹脂(ＰＡ)などが，耐熱性およびモールド精度の観点から好ましい。

バスバー３１０をインサート成型する場合、バスバー３１０と共に磁気センサをインサート成型してもよいし、成型された絶縁樹脂に設けられた凹部に磁気センサが収容されるようにしてもよい。

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。本実施形態に係る電流センサ４００は、磁気センサの数のみ実施形態２に係る電流センサ２００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態４)
図１８は、本発明の実施形態４に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１８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、電流センサ２００と同様に、測定対象の電流である被測定電流が流れるバスバー２１０を備える。

電流センサ４００は、磁気センサとして、バスバー２１０を流れる被測定電流により発生する磁界の強さを奇関数入出力特性を有して検出する磁気センサ４２０のみを備える。磁気センサ４２０は、第１バスバー部２１１の内側に位置している。具体的には、図１８に示すように、磁気センサ４２０は、第１バスバー部２１１および第２バスバー部２１２の両方に対して間隔を置いて位置している。

磁気センサ４２０は、磁気センサ４２０と第２バスバー部２１２とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２バスバー部２１２の延在方向に対して直交する方向に検出軸を有する。すなわち、磁気センサ４２０は、図１８中の矢印４２０ａで示す方向に検出軸を有する。磁気センサ４２０は、検出軸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。

電流センサ４００は、図示しない接続配線によって算出部と電気的に接続されている。算出部は、磁気センサ４２０の検出値がバスバー２１０を流れる被測定電流の値に比例することを利用して、磁気センサ４２０の検出値より上記被測定電流の値を算出する。

本実施形態に係る電流センサ４００においては、外部磁界源を磁気センサ４２０の近傍に配置することが構造上難しいことから、外部磁界の影響を一定程度低減することができる。

さらに、外部磁界のうちの高周波成分は、表皮効果によって第１バスバー部２１１の表皮深さの２〜３倍程度の深さまでしか侵入することができない。よって、第１バスバー部２１１の内側に配置された磁気センサ４２０に外部磁界のうちの高周波成分が及ぶことを抑制できる。なお、想定される外部磁界の高周波成分の周波数に対応して、第１バスバー部２１１の厚さの寸法が決定されている。

本実施形態に係る電流センサ４００のように、１つの磁気センサのみを備えていても、外部磁界の影響を低減できる。また、磁気センサ４２０の配置に高い精度を要求されないため、電流センサ４００を容易に製造できる。

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。本実施形態に係る電流センサ５００は、磁気センサの検出軸のみ実施形態２に係る電流センサ２００と異なるため、他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５に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図２０は、第２比較例に係る電流センサの構成を示す斜視図である。

図１９に示すように、本発明の実施形態５に係る電流センサ５００においては、第１磁気センサ５２０および第２磁気センサ５２１の各々は、第１磁気センサ５２０と第２磁気センサ５２１とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２バスバー部２１２の延在方向に対して９０°より小さい角度で交差する方向に検出軸を有する。

ただし、第１磁気センサ５２０および第２磁気センサ５２１の各々の検出軸は上記に限られず、第１磁気センサ５２０および第２磁気センサ５２１の各々が第２バスバー部２１２の延在方向に対して直交する方向の磁界を検出することができるように構成されていればよい。

すなわち、第１磁気センサ５２０および第２磁気センサ５２１の各々の検出軸が、第２バスバー部２１２の延在方向に対して交差していれば、第１磁気センサ５２０と第２磁気センサ５２１とが並ぶ方向に対して直交していなくてもよい。

一方、図２０に示すように、第２比較例に係る電流センサ９００においては、第１磁気センサ９２０および第２磁気センサ９２１の各々の検出軸が、第２バスバー部２１２の延在方向に対して平行であり交差していない。そのため、第１磁気センサ９２０および第２磁気センサ９２１の各々は、第２バスバー部２１２の延在方向に対して直交する方向の磁界を検出することができない。

この場合、第１磁気センサ９２０および第２磁気センサ９２１は、バスバー２１０を流れる被測定電流により発生する磁界を検出できないため、第２比較例に係る電流センサ９００は機能しないこととなる。

よって、本実施形態に係る電流センサ５００のように、第１磁気センサ５２０および第２磁気センサ５２１の各々の検出軸が、第２バスバー部２１２の延在方向に対して交差していれば、バスバー２１０を流れる被測定電流により発生する磁界を検出可能となり、電流センサとして機能することとなる。

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。

１，２仮想直線、１０外部磁界源、１００，２００，２００ａ，３００，４００，５００，９００電流センサ、１１０，２１０，３１０，９１０バスバー、１１１，２１１，３１１，９１１第１バスバー部、１１１ｓ，２１１ｓ第１雌ねじ、１１２，２１２，３２２，９１２第２バスバー部、１１２ｃ，２１２ｃ中心点、１１２ｅ，２１２ｅ磁界、１１２ｓ，２１２ｓ第２雌ねじ、１１２ｘ，２１２ｘ中心線、１１３，２１３接続部、１２０，１２０ｚ，２２０，３２０，５２０，９２０第１磁気センサ、１２１，１２１ｚ，２２０，２２１，３２１，５２１，９２１第２磁気センサ、１３０減算器、１４１第１接続配線、１４２第２接続配線、１７０入力配線、１７１出力配線、１７２接続導体、１７３，３１４ｈ第１貫通孔、１７４，３１５ｈ第２貫通孔、１８０ナット、１９０ボルト、２１１ａ，２１１ｂ平板部、２１１ｃ，２１１ｄ側壁部、２１１ｈ貫通孔、２１１ｉ渦電流、２１１ｍスリット、３１０ａ第１バスバー部材、３１４，３１４ａ，３１４ｂ入力端子部、３１０ｂ第２バスバー部材、３１５，３１５ａ，３１５ｂ出力端子部、４２０磁気センサ、９１３連結部。

Claims

測定対象の電流が流れるバスバーと、
前記バスバー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少なくとも１つの磁気センサとを備え、
前記バスバーは、電気的に直列に接続されている第１バスバー部および第２バスバー部を含み、
前記第１バスバー部は、前記第２バスバー部に間隔を置いて前記第２バスバー部の周りを囲んで延在し、
前記第１バスバー部の一端と前記第２バスバー部の一端とが互いに電気的に接続され、かつ、前記第１バスバー部の他端と前記第２バスバー部の他端とがそれぞれ前記電流の入力側および出力側のうちの互いに異なる一方とされることにより、前記第１バスバー部を前記電流が流れる方向と前記第２バスバー部を前記電流が流れる方向とが反対であり、
前記磁気センサは、前記第１バスバー部と前記第２バスバー部との間において、前記第２バスバー部の延在方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている、電流センサ。
前記磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを含み、
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、
前記第１バスバー部は、両端に開口を有する筒状の形状を有し、
前記第２バスバー部は、前記第１バスバー部に対して同軸状に位置するように前記第１バスバー部の内側において前記第１バスバー部に間隔を置いて延在し、
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサは、前記第１バスバー部の内側において互いの間に前記第２バスバー部を挟むように並んで位置し、
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々は、前記第１磁気センサと前記第２磁気センサとが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、前記第２バスバー部の延在方向に対して直交する方向に検出軸を有する、請求項１に記載の電流センサ。
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々は、前記第１バスバー部より前記第２バスバー部の近くに位置している、請求項２に記載の電流センサ。
前記バスバー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２または３に記載の電流センサ。
前記バスバー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２または３に記載の電流センサ。
前記第１バスバー部は、互いに対向する１対の平板部を有し、
前記第２バスバー部は、各前記平板部に対して対向する平板状の外形を有し、
前記検出軸の方向において、前記第２バスバー部の幅の寸法は、前記第１バスバー部の各前記平板部と前記第２バスバー部との間の間隔の寸法の最大値の１．５倍以上である、請求項２から５のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記第１バスバー部の前記１対の平板部は横断面において、前記第２バスバー部の中心点を中心として互いに点対称に位置し、
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサは前記横断面において、前記第２バスバー部の前記中心点を中心として互いに点対称に位置している、請求項６に記載の電流センサ。
前記第１バスバー部の前記１対の平板部は横断面において、前記検出軸の方向における前記第２バスバー部の中心線を中心として互いに線対称に位置し、
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサは前記横断面において、前記検出軸の方向における前記第２バスバー部の前記中心線を中心として互いに線対称に位置している、請求項６に記載の電流センサ。
前記バスバーが、前記第１バスバー部および前記第２バスバー部を２分割した形状を有する２つのバスバー部材から構成されている、請求項２から８のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記バスバーは、前記第１バスバー部に前記電流を入力するための入力端子部と、前記第２バスバー部から前記電流を出力するための出力端子部を有し、
前記入力端子部と前記出力端子部とは、同一平面上に位置し、かつ、前記検出軸の方向において互いに反対向きに延在している、請求項９に記載の電流センサ。