JPWO2016002500A1 - 電流センサ - Google Patents

Abstract

電流センサ（１）は、測定対象となる電流が流れる１次導体（１０）と、１次導体近傍に配置された２つの磁気センサ（２０Ａ，２０Ｂ）と、２つの磁気センサの出力信号を減算することによって電流の値を演算する演算部（３０）と、演算部と２つの磁気センサとをそれぞれ接続する２つの配線部（４０Ａ，４０Ｂ）とを含む。２つの配線部（４０Ａ，４０Ｂ）の各々は、各磁気センサから入力された２つの電圧信号を平衡出力するための２本の信号線を含む、平衡型信号線である。

Description

本発明は、電流センサに関し、特に、複数の磁気センサを備えた電流センサに関する。

従来より、磁気センサを備える電流センサが知られている。磁気センサを備える電流センサは、測定対象である１次電流が流れる１次導体（バスバー）の周囲に磁気センサを設置し、１次電流により発生する磁界を磁気センサによって検出することによって１次電流の値を検出する。したがって、磁気センサを備える電流センサでは、１次電流により発生する磁界とは異なる磁界、すなわち、不要な外部磁界の影響を低減することが求められる。

特開２０１２−９８２０２号公報（特許文献１）には、第１の磁気センサと、第２の磁気センサと、第１の配線および第２の配線を介してそれぞれ第１の磁気センサおよび第２の磁気センサに接続される演算回路とを備える、電流センサが開示されている。第１の磁気センサおよび第２の磁気センサの各々は、４つの磁気抵抗素子からなるブリッジ回路と、ブリッジ回路の出力を差動増幅したシングルエンド信号を演算回路に出力する回路とを備える。演算回路は、第１の磁気センサ内で差動増幅されたシングルエンド信号と第２の磁気センサ内で差動増幅されたシングルエンド信号とを差動増幅した信号を、電流センサの最終的な出力信号として出力する。これにより、１次電流により発生する磁界に起因する信号（本来検出すべき信号）が増幅されるとともに、不要な外部磁界に起因して第１の磁気センサ内および第２の磁気センサ内で生じたノイズを除去（キャンセル）することができるため、不要な外部磁界の影響を低減できる、とされている。

特許第５４１１２８５号公報（特許文献２）には、２つの磁気センサと、２つの磁気センサにそれぞれ接続される２つのフィードバックコイルと、２つのフィードバックコイルに接続される演算部とを備える電流センサが開示されている。２つの磁気センサの各々は、２つの磁気抵抗素子と２つの固定抵抗素子からなるブリッジ回路と、ブリッジ回路の出力を差動増幅した信号をフィードバックコイルを介して演算部に出力する回路とを備える。

特開２０１２−９８２０２号公報 特許第５４１１２８５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電流センサにおいては、第１の磁気センサ内で差動増幅されたシングルエンド信号および第２の磁気センサ内で差動増幅されたシングルエンド信号がそれぞれ第１の配線および第２の配線を介して差動増幅回路に伝達される際に、第１の配線および第２の配線の少なくとも一方に不要な外部磁場に起因するノイズが重畳するおそれがある。この対策として、第１の配線および第２の配線の配線容量を等しくしたり、あるいは第１の配線および第２の配線の長さを等しくしたり、あるいは第１の配線および第２の配線の形状を同一としたりするなどの方法によって重畳したノイズを除去しやすくすることが考えられる。しかしながら、上記の方法では、第１の配線および第２の配線の設計自由度が低下し、第１の磁気センサおよび第２の磁気センサの配置の自由度が低くなるおそれがある。

特許文献２に開示された電流センサにおいては、２つのフィードバックコイルと演算部との接続が、一方の端子が接地されている不平衡型となっている。不平衡型の接続は、不要な外部磁界による誘導起電力によるノイズを受けやすいという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の磁気センサを備えた電流センサにおいて、複数の磁気センサの配置の自由度を損なうことなく、不要な外部磁界による影響を低減することである。

この発明に係る電流センサは、導体を流れる電流を検出する。電流センサは、各々が導体と磁気的に結合可能な位置に配置された複数の磁気センサと、複数の磁気センサの出力に基づいて導体を流れる電流の大きさを演算する演算部と、演算部と複数の磁気センサとをそれぞれ接続する複数の配線部とを含む。複数の磁気センサの各々は、磁束に応じた２つの電圧信号を平衡出力する平衡出力部を有する。複数の配線部の各々は、平衡出力部によって平衡出力された２つの電圧信号を演算部にそれぞれ出力するための２本の信号線を含む。

好ましくは、複数の配線部の各々に含まれる２本の信号線は、互いに近接した位置に略平行に並べて配置される。

好ましくは、複数の配線部の各々に含まれる２本の信号線は、２本の信号線が形成する面が特定の一方向と略平行になるように配置される。

好ましくは、複数の配線部の各々に含まれる２本の信号線は、導体を流れる電流の向きを法線とする単一面内に配置される。

好ましくは、複数の配線部の各々に含まれる２本の信号線は、互いにより合わされている。

好ましくは、複数の磁気センサの各々は、磁束に応じた２つの電圧信号を出力するブリッジ回路をさらに備える。平衡出力部は、ブリッジ回路から入力された２つの電圧信号を平衡増幅して出力する。

好ましくは、複数の磁気センサは、２つの磁気センサから成る。演算部は、２つの磁気センサの一方から平衡出力された２つの電圧信号を差動増幅する第１差動増幅部と、２つの磁気センサの他方から平衡出力された２つの電圧信号を差動増幅する第２差動増幅部と、第１差動増幅部の出力と第２差動増幅部の出力とを差動増幅した信号を導体を流れる電流値を示す信号として出力する第３差動増幅部とを備える。

好ましくは、複数の配線部は、外部に対して静電シールドされている。
好ましくは、複数の磁気センサおよび演算部は、異なる複数の基板上にそれぞれ形成されている。

好ましくは、演算部は、外部に対して磁気シールドされている。

本発明によれば、複数の磁気センサを備えた電流センサにおいて、複数の磁気センサの配置の自由度を損なうことなく、不要な外部磁界による影響を低減することができる。

電流センサの全体構成を示す図（その１）である。 電流センサの回路図（その１）である。 電流センサ周辺に発生する磁束を模式的に示す図である。 電流センサを三相交流に適用する例を示す図である。 電流センサの全体構成を示す図（その２）である。 電流センサの回路図（その２）である。 電流センサの全体構成を示す図（その３）である。 電流センサの全体構成を示す図（その４）である。 電流センサの回路図（その３）である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。実施の形態の説明において、個数、量などに言及する場合、特に記載ある場合を除き、必ずしもその個数、量などに限定されない。実施の形態の図面において、同一の参照符号や参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、実施の形態の説明において、同一の参照符号等を付した部分等に対しては、重複する説明は繰り返さない場合がある。

本明細書において、「平衡出力（バランス出力）」とは、入力された２つの信号をそれぞれ出力することを意味するものとする。「平衡増幅（バランス増幅）」とは、平衡出力の一態様であって、入力された２つの信号をそれぞれ増幅させた２つの信号を出力することを意味するものとする。「差動増幅」とは、入力された２つの信号の一方から他方を減算して得られた１つの信号、あるいは減算して得られた１つの信号を増幅させた信号を出力することを意味するものとする。

図１は、本実施の形態による電流センサ１の全体構成を示す図である。図１（ａ）は電流センサ１の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉにおける電流センサ１の断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩにおける電流センサ１の断面図である。

電流センサ１は、１次導体（バスバー）１０と、２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂと、演算部３０と、２つの配線部４０Ａ，４０Ｂとを含む。

１次導体１０には、測定対象である１次電流ｉが流れる。本実施の形態による１次導体１０は、四角柱状の金属板である。１次導体１０の材質としては、銅、銀、アルミニウムなどの金属を用いることができる。１次導体１０は、プレスや切削、鋳造、鍛造などの工法で製作することができる。１次導体１０の表面には、ニッケル、スズ、銅、銀などにより、めっきなどによる表面処理を施してもよい。

以下では、１次導体１０の主表面と平行な面をＸＹ面とし、測定対象である１次電流ｉの流れる向きをＹ方向とし、ＸＹ面と垂直な方向をＺ方向とする３次元直交座標系を用いて電流センサ１の構成を説明する。

２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、１次導体１０を挟んで互いに対向するようにＺ方向に並べて配置される。２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、１次導体１０に対してそれぞれ一定の距離を隔てて配置される。このように２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂを配置することによって、２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、１次導体１０との絶縁を保ちつつ、１次導体１０と磁気的に結合可能となる。

なお、磁気センサ２０Ａと１次導体１０との間および磁気センサ２０Ｂと１次導体１０との間には、それぞれ別々のプリント基板（図示せず）が設けられる。各プリント基板は、絶縁材料でできている。なお、各プリント基板の一方の面には１次導体１０にはんだ付けで貼り付けられ、各プリント基板の他方の面には磁気センサ２０Ａあるいは磁気センサ２０Ｂがはんだ実装されている。プリント基板の材質としては、ガラスエポキシ、あるいはベークライト、紙エポキシ、アルミナなどのセラミックを用いることができる。

２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ感度軸Ｄａ，Ｄｂを有する。磁気センサ２０Ａの感度軸Ｄａは、Ｘ方向の正方向に設定されている。同様に、磁気センサ２０Ｂの感度軸Ｄｂも、Ｘ方向の正方向に設定される。各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、各感度軸Ｄａ，Ｄｂの一方向に向いた磁束が印加された場合に正の値を出力し、各感度軸Ｄａ，Ｄｂの一方向とは反対の方向に向いた磁束が印加された場合に負の値を出力する特性（以下「奇関数入出力特性」ともいう）を有している。

各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂの配置は、１次電流ｉによる右ねじの磁界が発生した場合の磁気センサ２０Ａの出力と磁気センサ２０Ｂの出力とが大きさ（絶対値）は等しくかつ位相が逆になるように、予め決められている。

なお、各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、出力信号を直線的または補正関数的に演算する増幅器や変換器を介して出力するタイプ（開ループ型）としてもよいし、増幅器や変換器を介して励磁コイルを駆動することで１次電流ｉによる磁界と励磁コイルによる磁界との重ねの磁界がゼロ磁界や一定の磁界に固定されるように常にフィードバックをかけるタイプ（閉ループ型）としてもよい。

演算部３０は、２つの配線部４０Ａ，４０Ｂによってそれぞれ２つの磁気センサ２０Ａ，２０Ｂに接続される。演算部３０は、磁気センサ２０Ａの出力信号と磁気センサ２０Ｂの出力信号とを減算（差動増幅）することによって１次電流ｉの値を算出する。

本実施の形態においては、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、演算部３０は、異なる３つの基板上にそれぞれ形成される。具体的には、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、演算部３０は、それぞれが独立して、基板状、モジュール状、モノリシック集積回路状、混成集積回路状に形成される。なお、図示していないが、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、演算部３０は、１つの筺体内に絶縁性の樹脂でモールドされて相互の位置関係が固定される。モールド用の樹脂の種類としては、熱硬化性であってもよく、熱可塑性であってもよい。代表的には、耐熱やモールド精度に優れる、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＣＴ（ポリシクロへキシレンジメチレンテレフタレート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ナイロン、エポキシ樹脂などが適する。

２つの配線部４０Ａ，４０Ｂは、どちらも平衡型信号線である。すなわち、配線部４０Ａは、磁気センサ２０Ａから入力された２つの電圧信号を演算部３０に平衡出力（バランス出力）するための２本の信号線４１Ａ，４２Ａを含む。同様に、配線部４０Ｂは、磁気センサ２０Ｂから入力された２つの電圧信号を演算部３０に平衡出力（バランス出力）するための２本の信号線４１Ｂ，４２Ｂを含む。

配線部４０Ａに含まれる２本の信号線４１Ａ，４２Ａは、互いに近接した位置に略平行に並べて配置される。２本の信号線４１Ａ，４２Ａは、Ｚ方向から見て重なるように配置される（図１（ａ）参照）。すなわち、２本の信号線４１Ａ，４２Ａが形成する面は、ＸＺ平面（１次電流ｉの向きを法線とする平面）と略平行な単一平面内に配置される。

同様に、配線部４０Ｂに含まれる２本の信号線４１Ｂ，４２Ｂは、互いに近接した位置に略平行に並べて配置される。２本の信号線４１Ｂ，４２Ｂは、Ｚ方向から見て重なるように配置される（図１（ａ）参照）。すなわち、２本の信号線４１Ｂ，４２Ｂは、ＸＺ平面（１次電流ｉの向きを法線とする平面）と略平行な単一平面内に配置される。

さらに、本実施の形態においては、配線部４０Ａ，４０Ｂに含まれる各信号線４１Ａ，４２Ａ，４１Ｂ，４２Ｂが、Ｚ方向から見て重なるように配置される（図１（ａ）参照）。すなわち、各信号線４１Ａ，４２Ａ，４１Ｂ，４２Ｂが、いずれも１次電流ｉの向きを法線とする単一のＸＺ面内に配置される。なお、ＸＺ平面は、１次電流ｉによって生じる磁束Φの向きと略平行な平面である（後述の図３参照）。

図２は、電流センサ１の回路図である。磁気センサ２０Ａは、ブリッジ回路２１Ａと、平衡増幅回路２２Ａとを含む。

ブリッジ回路２１Ａは、磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を備える、ホイートストンブリッジ型のフルブリッジ回路である。磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)、ＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)、ＢＭＲ(Ballistic Magneto Resistance)、ＣＭＲ(Colossal Magneto Resistance)などの磁気抵抗系素子、特に、ＡＭＲにバーバーポール構造を設けて奇関数入出力特性を持たせた素子で構成することができる。

磁気抵抗素子Ｒ１，Ｒ３の一端は電源ノードＮ１と接続され、他端はそれぞれ出力ノードＮ３，Ｎ４と接続される。磁気抵抗素子Ｒ２，Ｒ４の一端は電源ノードＮ２と接続され、他端はそれぞれ出力ノードＮ３，Ｎ４と接続される。

電源ノードＮ１，Ｎ２は、図示しない直流電源の正極および負極にそれぞれ接続される。出力ノードＮ３，Ｎ４は、それぞれ、信号線Ｌ１，Ｌ２を介して、平衡増幅回路２２Ａの正極入力部および負極入力部に接続される。

ブリッジ回路２１Ａは、感度軸Ｄａ（図１参照）の方向に磁束が印加されると、磁束の大きさに応じた２つの電圧信号を生成し、それぞれ信号線Ｌ１，Ｌ２を介して平衡増幅回路２２Ａの正極入力部および負極入力部に出力する。

平衡増幅回路２２Ａは、ブリッジ回路２１Ａから信号線Ｌ１，Ｌ２を介して入力された２つの電圧信号を平衡増幅（バランス増幅）し、配線部４０Ａの信号線４１Ａ，４２Ａにそれぞれ出力する。

同様に、磁気センサ２０Ｂは、ブリッジ回路２１Ｂと、平衡増幅回路２２Ｂとを含む。ブリッジ回路２１Ｂおよび平衡増幅回路２２Ｂの構成は、ブリッジ回路２１Ａおよび平衡増幅回路２２Ａの構成と基本的に同じである。すなわち、ブリッジ回路２１Ｂは、感度軸Ｄｂ（図１参照）の方向に磁束が印加されると、磁束の大きさに応じた２つの電圧信号を生成し、それぞれ信号線Ｌ１，Ｌ２を介して平衡増幅回路２２Ｂの正極入力部および負極入力部に出力する。平衡増幅回路２２Ｂは、ブリッジ回路２１Ｂから入力された２つの電圧信号を平衡増幅（バランス増幅）し、配線部４０Ｂの信号線４１Ｂ，４２Ｂにそれぞれ出力する。

演算部３０は、３つの差動増幅回路３１Ａ，３１Ｂ，３２を含む。演算部３０は、まず各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂの出力信号をそれぞれ差動増幅回路３１Ａ，３１Ｂで差動増幅してシングルエンド信号にした上で、差動増幅回路３１Ａから出力されるシングルエンド信号と、差動増幅回路３１Ｂから出力されるシングルエンド信号とを差動増幅回路３２で減算（差動増幅）する。差動増幅回路３２によって差動増幅された信号が、電流センサ１の最終的な出力信号（１次電流ｉの値を示す信号）として出力される。

図３は、１次電流ｉによって電流センサ１周辺に発生する磁束Φを模式的に示す図である。図３を参照して、本実施の形態による電流センサ１の作用効果について説明する。

図３に示すように、１次導体１０に１次電流ｉが流れることにより、１次導体１０の周囲には、いわゆる右ねじの法則によって図３（ｂ）上において１次電流ｉを中心として時計回りに周回する磁界（磁束Φ）が発生する。その結果、磁気センサ２０Ａには感度軸Ｄａの一方向（Ｘ方向の正方向）に向いた磁束Φが印加され、磁気センサ２０Ｂには感度軸Ｄａの一方向とは反対の方向（Ｘ方向の負方向）に向いた磁束Φが印加される。そのため、磁気センサ２０Ａの出力と磁気センサ２０Ｂの出力とは、大きさ（絶対値）は等しく、かつ位相は逆になる。

本実施の形態においては、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂと演算部３０とがそれぞれ平衡型の配線部４０Ａ，４０Ｂで接続される。そのため、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂと演算部３０とが不平衡型の信号線で接続される場合に比べて、ノイズに強い電流センサ１を実現することができる。

特に、本実施の形態においては、磁気センサ２０Ａからの２つの電圧信号は、平衡型の配線部４０Ａを介して演算部３０の差動増幅回路３１Ａにそれぞれ入力され、差動増幅回路３１Ａで差動増幅される。同様に、磁気センサ２０Ｂからの２つの電圧信号は平衡型の配線部４０Ｂを介して演算部３０の差動増幅回路３１Ｂにそれぞれ入力され、差動増幅回路３１Ｂで差動増幅される。

したがって、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂからの各電圧信号が演算部３０に伝達される際に配線部４０Ａ，４０Ｂの少なくとも一方に不要な外部磁場に起因する同相ノイズが重畳したとしても、その同相ノイズは、それぞれ演算部３０の差動増幅回路３１Ａ，３１Ｂによって差動増幅されることで相殺されて除去される。すなわち、磁気センサ２０Ａの出力信号と磁気センサ２０Ｂの出力信号とを差動増幅回路３２で減算（差動増幅）する前に、差動増幅回路３１Ａ，３１Ｂによってノイズを除去することができる。

これにより、配線部４０Ａ，４０Ｂの設計上の制約（たとえば配線部４０Ａの長さと配線部４０Ｂの長さとを略同一とする制約や、配線部４０Ａの形状と配線部４０Ｂの形状とを略同一とする制約など）を受けずに、配線部４０Ａ，４０Ｂに重畳した同相ノイズを除去することができる。そのため、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂおよび演算部３０の配置の自由度が高くなり、磁気回路上や計測上のＳ／Ｎ比（Signal-to-Noise ratio）が有利になる設計とすることや、利便性の高い形状および配置とすることが可能となる。その結果、本実施の形態による電流センサ１は、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂの配置の自由度を損なうことなく、不要な外部磁界による影響を低減することができる。

本実施の形態においては、配線部４０Ａを略平行に配置された信号線４１Ａ，４２Ａとしたことにより、磁気センサ２０Ａ、信号線４１Ａ，４２Ａ、演算部３０によって閉ループが形成されることになる。この閉ループを通過する磁束密度の時間変化に伴い発生する誘導起電力はノイズとして重畳するため、電流センサ１の測定精度を低下させる要因となり得る。

そこで、本実施の形態においては、配線部４０Ａに含まれる２本の信号線４１Ａ，４２Ａが互いに近接した位置に配置される。これにより、信号線４１Ａ，４２Ａの間に形成される閉ループの面積を小さくすることができる。そのため、信号線４１Ａ，４２Ａの間に形成される閉ループを通過する磁束を小さくすることができ、配線部４０Ａが受ける磁気ノイズを抑制することができる。

同様に、配線部４０Ｂに含まれる２本の信号線４１Ｂ，４２Ｂが互いに近接した位置に配置される。そのため、信号線４１Ｂ，４２Ｂの間に形成される閉ループを通過する磁束を小さくすることができ、配線部４０Ｂが受ける磁気ノイズを抑制することができる。

さらに、本実施の形態においては、配線部４０Ａに含まれる２本の信号線４１Ａ，４２Ａは、１次電流ｉの向きを法線とするＸＺ平面と略平行な単一平面内に配置される。したがって、信号線４１Ａ，４２Ａが形成する面（信号線４１Ａ，４２Ａの間に形成される閉ループ）は、１次電流ｉによって生じる磁束Φの向きと略平行になるように配置される。これにより、１次電流ｉによって右ねじの磁界による磁束Φが１次導体１０の周囲に発生したとしても、その磁束Φが信号線４１Ａ，４２Ａの間に形成される閉ループを横切らないようにすることができる。そのため、配線部４０Ａが受ける磁気ノイズを最小限に抑えることができる。

同様に、配線部４０Ｂに含まれる２本の信号線４１Ｂ，４２Ｂも、ＸＺ平面と略平行な単一平面内に配置される。これにより、１次電流ｉによって右ねじの磁界による磁束Φが１次導体１０の周囲に発生したとしても、その磁束Φが信号線４１Ｂ，４２Ｂの間に形成される閉ループを横切らないようにすることができる。そのため、配線部４０Ｂが受ける磁気ノイズを最小限に抑えることができる。

特に、本実施の形態においては、配線部４０Ａ，４０Ｂに含まれる信号線４１Ａ，４２Ａ，４１Ｂ，４２Ｂのすべてが、１次電流ｉの向きを法線とするＸＺ平面と略平行な単一平面内に配置される。そのため、配線部４０Ｂが受ける磁気ノイズと配線部４０Ｂが受ける磁気ノイズとの差をより小さくすることができる。

さらに、本実施の形態による磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは、各ブリッジ回路２１Ａ，２１Ｂの出力信号を予め各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ内で平衡増幅してから配線部４０Ａ，４０Ｂに出力する。そのため、各ブリッジ回路２１Ａ，２１Ｂの出力信号を単に平衡出力する場合（各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ内で平衡増幅しない場合）に比べて、配線部４０Ａ，４０Ｂ以降を通過する信号を大きくすることができ、結果的に、配線部４０Ａ，４０Ｂ以降の部分で受けるノイズの影響を相対的に小さくすることができる。そのため、ノイズにより強い電流センサ１を実現することができる。

さらに、本実施の形態においては、演算部３０は、差動増幅回路３１Ａで差動増幅された後のシングルエンド信号（磁気センサ２０Ａの出力信号）と、差動増幅回路３１Ｂで差動増幅された後のシングルエンド信号（磁気センサ２０Ｂの出力信号）とを、差動増幅回路３２で減算（差動増幅）して、１次電流ｉの値を演算する。そのため、差動増幅回路３１Ａ，３１Ｂで除去されなかったノイズも差動増幅回路３２で減算した時点で除去され、結果として外乱ノイズに対する耐性の非常に高い電流センサ１を実現することができる。

さらに、本実施の形態においては、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂおよび演算部３０は、異なる３つの基板上にそれぞれ形成されている。そのため、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂおよび演算部３０の配置の自由度がより高く、かつ外乱耐性の高い電流センサ１を実現することができる。

以上のように、本実施の形態による電流センサ１においては、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂと演算部３０とがそれぞれ平衡型の配線部４０Ａ，４０Ｂで接続される。そのため、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂの配置の自由度を損なうことなく、不要な外部磁界による影響を低減することができる。

なお、本実施の形態は、たとえば以下のように変形することができる。
＜変形例１＞
上述の実施の形態においては、１つの電流センサ１を設ける場合を説明したが、複数の電流センサ１を隣接して配置する場合においても本発明は有効である。

図４は、上述の実施の形態による電流センサを三相交流に適用する例を示す図である。
図４に示す３つの電流センサ１ｕ，１ｖ，１ｗは、三相交流電流（Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗ）がそれぞれ流れる３本の１次導体１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを備える。３本の１次導体１０ｕ，１０ｖ，１０ｗは、Ｘ方向に所定間隔を隔てて平行に並べて配置される。

各電流センサ１ｕ，１ｖ，１ｗに含まれる平衡型の配線部４０Ａ，４０Ｂは、いずれも各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの向きを法線とする単一のＸＺ面内に配置される。電流センサ１ｕ，１ｖ，１ｗの基本的な構造は上述の実施の形態による電流センサ１と同じである。

各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをそれぞれ別々に検出する場合、３つの電流センサ１ｕ，１ｖ，１ｗを図４に示すように平行に並べて配置するとよい。このように配置すると、Ｕ相電流ｉｕによる右ねじの磁界による磁束Φｕ、Ｖ相電流ｉｖによる右ねじの磁界による磁束Φｖ、Ｗ相電流ｉｗによる右ねじの磁界による磁束Φｗがそれぞれ発生する。この影響で、各１次導体の周囲には、当該１次導体を流れる電流による磁界の他に、隣接する１次導体を流れる電流による磁界が周回する。たとえば、図４に示すように、１次導体１０ｖの周囲には、１次導体１０ｖを流れるＶ相電流ｉｖによる磁界の他に、１次導体１０ｕを流れるＵ相電流ｉｕによる磁界および１次導体１０ｗを流れるＷ相電流ｉｗによる磁界が周回する。

しかしながら、各電流センサ１ｕ，１ｖ，１ｗの配線部４０Ａ，４０Ｂに含まれる各信号線は、いずれも各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの向きを法線とする単一のＸＺ面内に配置される。そのため、各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗによる各磁束Φｕ，Φｖ，Φｗが各配線部４０Ａ，４０Ｂ内の平衡型信号線間に形成される閉ループを横切らないようにすることができる。そのため、各配線部４０Ａ，４０Ｂが受ける磁気ノイズを最小限に抑えることができる。

＜変形例２＞
上述の実施の形態においては、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、演算部３０がそれぞれが独立して形成されていた。

しかしながら、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、演算部３０は必ずしも独立して形成されている必要はない。たとえば、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、演算部３０のすべてまたは一部が一体的に、基板状、モジュール状、モノリシック集積回路状、あるいは混成集積回路状に形成されるようにしてもよい。

図５は、磁気センサ２０Ｂと演算部３０とを一体的にモジュール状にした電流センサ１−１の全体構成を示す図である。図５（ａ）は電流センサ１−１の平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩ−Ｉにおける電流センサ１−１の断面図である。図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＩＩ−ＩＩにおける電流センサ１−１の断面図である。

図５に示す電流センサ１−１においては、磁気センサ２０Ｂと演算部３０とが１つのモジュール３０−１として一体的に構成され、このモジュール３０−１と磁気センサ２０Ａとが平衡型の配線部４０Ａ−１で接続される。

図６は、図５に示す電流センサ１−１の回路図である。図６に示すように、磁気センサ２０Ｂと演算部３０とが１つのモジュール３０−１内に配置される。そのため、磁気センサ２０Ｂと演算部３０とは、モジュール３０−１内において平衡型の配線部４０Ｂ−１で接続される。

このように、設計上の都合などによって磁気センサ２０Ｂと演算部３０とを一体的に構成する場合には、配線部４０Ａ−１，４０Ｂ−１の長さおよび形状が異なってしまう。しかしながら、配線部４０Ａ−１，４０Ｂ−１を平衡型信号線としているため、ノイズの影響を抑制することができる。

さらに、配線部４０Ａ−１に含まれる２本の信号線を１次電流ｉの向きを法線とする単一のＸＺ面内に配置する（図５（ａ）参照）ことで、磁気ノイズを最小限に抑えることができる。

＜変形例３＞
上述の実施の形態においては、各配線部４０Ａ，４０Ｂをそれぞれ平行線としていた。しかしながら、各配線部４０Ａ，４０Ｂを、より合わせて交差を繰り返す２つの線、いわゆるツイストペア線としてもよい。

図７は、各々がツイストペア線とされた配線部４０Ａ−２，４０Ｂ−２を備える電流センサ１−２の全体構成を示す図である。図７（ａ）は電流センサ１−２の平面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＩ−Ｉにおける電流センサ１−２の断面図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）のＩＩ−ＩＩにおける電流センサ１−２の断面図である。

図７に示すように、配線部４０Ａ−２はツイストペア線とされ、配線部４０Ｂ−２もツイストペア線とされる。ツイストペア線は、被覆銅線などを互いにより合わせて実現される。なお、ツイストペア線は、プリント基板などの表裏両面を用いて実現するようにしてもよいし、更にスルーホールも用いるなどして交差を実現するようにしてもよい。

このように各配線部４０Ａ−２，４０Ｂ−２をツイストペア線とすることで、外部からの磁束が各配線部４０Ａ−２，４０Ｂ−２に印加された場合でも、互いに隣接する交差面が発生する誘導起電力の極性が逆で、かつ大きさが略等しくなる。これにより、発生した誘導起電力同士が打ち消し合うため、全体として不要な誘導起電力を抑制することができる。

特に、ツイストペア線においては、外部から印加される磁束の向きがどのような向きであっても、発生する誘導起電力同士が打ち消し合う。そのため、不特定の方向から印加される磁束によって受ける磁気ノイズを最小限に抑制することができる。

＜変形例４＞
上述の実施の形態においては、各配線部４０Ａ，４０Ｂを静電シールドしていなかったが、これらを外部に対して静電シールドするようにしてもよい。

図８は、静電シールド部材４３Ａ，４３Ｂでそれぞれ覆われた配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３を備える電流センサ１−３の全体構成を示す図である。図８（ａ）は電流センサ１−３の平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＩ−Ｉにおける電流センサ１−３の断面図である。図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＩＩ−ＩＩにおける電流センサ１−３の断面図である。図９は、図８に示す電流センサ１−３の回路図である。

図８および図９に示すように、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３は、上述の変形例３で示した配線部４０Ａ−２，４０Ｂ−２（ツイストペア線）をそれぞれ静電シールド部材４３Ａ，４３Ｂで覆ったものである。したがって、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３は、外部電位に対して静電シールドされている。静電シールド部材４３Ａ，４３Ｂとしては、銅板、銅箔、銅網、アルミ板、アルミ箔、アルミ網などを用いることができる。

なお、図８に示す例では、静電シールド部材４３Ａ，４３Ｂは接地されている。そのため、静電シールド部材４３Ａ，４３Ｂの電位はグランドレベルに固定される。すなわち、各磁気センサ２０Ａ，２０Ｂ、静電シールド部材４３Ａ，４３Ｂ、演算部３０の接地電位が一定となる。

このように、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３を外部電位に対して静電シールドすることによって、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３が受ける静電ノイズを最小限に抑えることができる。

さらに、図８に示す電流センサ１−３においては、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３の各々に含まれる平衡型信号線が上述の変形例３で示したツイストペア線とされている。そのため、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３が受ける静電ノイズに加えて、配線部４０Ａ−３，４０Ｂ−３が受ける磁界ノイズをも最小限に抑えることができる。その結果、外乱ノイズ除去能力をさらに高めることができる。

なお、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂおよび演算部３０にも、静電シールドを施してもよい。そのようにすることで、最大限の耐静電ノイズ性を得ることができる。

＜変形例５＞
上述の実施の形態においては演算部３０を磁気シールドしていなかったが、演算部３０を磁気シールドするようにしてもよい。これにより、電磁障害による誤動作を受けにくい電流センサを実現できる。

なお、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂは計測対象である１次電流ｉによる磁束と磁気結合させる必要があるため、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂに磁気シールドの影響が及ぼされることは望ましくない。そのため、演算部３０に磁気シールドを施す場合には、上述の実施の形態で述べたように、演算部３０と磁気センサ２０Ａ，２０Ｂとを互いに離して配置し、これらを平衡型信号線で接続することで、磁気ノイズおよび静電ノイズの影響を最小限としながらの計測が可能となる。

＜その他の変形例＞
（１） 上述の実施の形態においては１次導体１０は電流センサ１の構成の一部であるが、１次導体１０は必ずしも電流センサ１の構成の一部であることに限定されない。すなわち、１次導体１０は、電流センサ１の構成には含まれず、電流センサ１の使用者が電流センサ１と適宜組合せて使用するものであってもよい。

（２） 上述の実施の形態においては磁気センサ２０Ａ，２０Ｂに含まれるブリッジ回路２１Ａ，２１Ｂをホイートストンブリッジ型のフルのブリッジ回路としたが、ブリッジ回路２１Ａ，２１Ｂをホイートストンブリッジ型の半分のブリッジ回路としてもよい。その他にも、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂとして、ホール素子を用いた磁気センサ、ＭＩ(Magneto Impedance)磁気センサまたはフラックスゲート磁気センサなどを用いるようにしてもよい。

また、磁気センサ２０Ａ，２０Ｂにバイアスをかける場合は、上述した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。

（３） 上述の実施の形態においては演算部３０として３つの差動増幅回路３１Ａ，３１Ｂ，３２を用いたが、演算部３０の構成はこれに限られるものではない。たとえば、演算部３０として１つの平衡入力型の差動増幅回路を用いるようにしてもよい。また、演算部３０として、２つの平衡入力型のアナログデジタル変換器を用いて、これらの出力を減算するようにしてもよい。

（４） 上述の実施の形態においては、配線部４０Ａ，４０Ｂに含まれる信号線４１Ａ，４２Ａ，４１Ｂ，４２Ｂのすべてが単一平面内に配置されていた。しかしながら、信号線４１Ａ，４２Ａが配置される平面と、信号線４１Ａ，４２Ａが配置される平面とが異なる平面であってもよい。

（５） 上述の実施の形態においては、電流センサに含まれる磁気センサの数を２つとしたが、電流センサに含まれる磁気センサの数は３つ以上であってもよい。

なお、上述した実施の形態およびその変形例については、適宜組合せることも可能である。

今回開示された実施の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。

１，１ｕ，１ｖ，１ｗ，１−１，１−２，１−３ 電流センサ、１０，１０ｕ，１０ｖ，１０ｗ １次導体、２０Ａ，２０Ｂ 磁気センサ、２１Ａ，２１Ｂ ブリッジ回路、２２Ａ，２２Ｂ 平衡増幅回路、３０ 演算部、３０−１ モジュール、３１Ａ，３１Ｂ，３２ 差動増幅回路、４０Ａ，４０Ａ−１，４０Ａ−２，４０Ａ−３，４０Ｂ，４０Ｂ−１，４０Ｂ−２，４０Ｂ−３ 配線部、４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，Ｌ１，Ｌ２ 信号線、４３Ａ，４３Ｂ 静電シールド部材。

Claims (10)

1. 導体を流れる電流を検出するための電流センサであって、
   各々が前記導体と磁気的に結合可能な位置に配置された複数の磁気センサと、
   前記複数の磁気センサの出力に基づいて前記導体を流れる電流の大きさを演算する演算部と、
   前記演算部と前記複数の磁気センサとをそれぞれ接続する複数の配線部とを含み、
   前記複数の磁気センサの各々は、磁束に応じた２つの電圧信号を平衡出力する平衡出力部を有し、
   前記複数の配線部の各々は、前記平衡出力部によって平衡出力された前記２つの電圧信号を前記演算部にそれぞれ出力するための２本の信号線を含む、電流センサ。
2. 前記複数の配線部の各々に含まれる前記２本の信号線は、互いに近接した位置に略平行に並べて配置される、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記複数の配線部の各々に含まれる前記２本の信号線は、前記２本の信号線が形成する面が特定の一方向と略平行になるように配置される、請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記複数の配線部の各々に含まれる前記２本の信号線は、前記導体を流れる電流の向きを法線とする単一面内に配置される、請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記複数の配線部の各々に含まれる前記２本の信号線は、互いにより合わされている、請求項１に記載の電流センサ。
6. 前記複数の磁気センサの各々は、磁束に応じた２つの電圧信号を出力するブリッジ回路をさらに備え、
   前記平衡出力部は、前記ブリッジ回路から入力された前記２つの電圧信号を平衡増幅して出力する、請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサ。
7. 前記複数の磁気センサは、２つの磁気センサから成り、
   前記演算部は、
   前記２つの磁気センサの一方から平衡出力された２つの電圧信号を差動増幅する第１差動増幅部と、
   前記２つの磁気センサの他方から平衡出力された２つの電圧信号を差動増幅する第２差動増幅部と、
   前記第１差動増幅部の出力と前記第２差動増幅部の出力とを差動増幅した信号を前記導体を流れる電流値を示す信号として出力する第３差動増幅部とを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の電流センサ。
8. 前記複数の配線部は、外部に対して静電シールドされている、請求項１〜７のいずれかに記載の電流センサ。
9. 前記複数の磁気センサおよび前記演算部は、異なる複数の基板上にそれぞれ形成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の電流センサ。
10. 前記演算部は、外部に対して磁気シールドされている、請求項１〜９のいずれかに記載の電流センサ。

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