WO2015115472A1 - 電流量検出器 - Google Patents

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WO2015115472A1
WO2015115472A1 PCT/JP2015/052335 JP2015052335W WO2015115472A1 WO 2015115472 A1 WO2015115472 A1 WO 2015115472A1 JP 2015052335 W JP2015052335 W JP 2015052335W WO 2015115472 A1 WO2015115472 A1 WO 2015115472A1
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WO
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current
gap
current path
magnetic
magnetic field
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Application number
PCT/JP2015/052335
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English (en)
French (fr)
Inventor
高木　保規
泰典 阿部
川上　誠
Original Assignee
日立金属株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/202—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using Hall-effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used

Definitions

  • the present invention relates to a current amount detector that detects a current amount by detecting a magnetic field generated by a current using a magnetic sensor.
  • the current amount detector is capable of measuring current with high accuracy, and is used for high accuracy and low power consumption of vehicles, industrial machines, power devices and the like.
  • a current amount detector includes a current line and a magnetic sensor that detects a magnetic field generated by a current flowing in the current line.
  • magnetic sensors using cores and Hall elements, current transformers, shunt resistors, and the like have been used.
  • the magnetic field is collected by the ring-shaped core disposed around the current line and the magnetic field is detected by the hall element.
  • the core is saturated, and in order to prevent this, the core has to be enlarged. That is, in Patent Document 3, there is a problem that an increase in the size of the apparatus is unavoidable in order to measure a large current.
  • Patent Document 1 a magnetic field gradient is generated by a linear conductor having one or a plurality of hollow portions, and the magnetic field gradient is generated by a differential field measuring device.
  • An apparatus and method characterized by measuring the amount of current flowing through a conductor by detection is disclosed (Patent Document 1).
  • Patent Document 2 a magnetic field gradient attenuated from an originally generated magnetic field is generated by a linear conductor having a hollow portion, and measured by a magnetic sensor placed at a central portion having the highest attenuation effect.
  • An apparatus and method characterized by measuring a current value is disclosed (Patent Document 2).
  • Patent Documents 1 and 2 an attempt is made to solve the above-described enlargement problem by forming a hollow portion in a conductor to suppress a generated magnetic field even with the same amount of current.
  • Patent Document 1 Since a small magnetic field cannot be detected by the Hall element without the core itself from the magnetic sensor described in Patent Document 3, in Patent Document 1, a multilayer giant magnetoresistive element (GMR) that can be detected with high accuracy even with a small magnetic field. ), And a current amount detector using a high-sensitivity magnetoresistive element such as a tunnel magnetoresistive element (TMR).
  • GMR giant magnetoresistive element
  • TMR tunnel magnetoresistive element
  • Magnetic sensors using high-sensitivity GMR, TMR, etc. can measure changes in minute magnetic fields, so that changes in induced magnetic fields due to minute currents can be measured, while external magnetic fields due to geomagnetism, equipment, and environments can be measured. It is easy to be affected, and countermeasures against malfunction or detection due to noise caused by an external magnetic field are also necessary.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a current amount detector capable of detecting a current amount with high accuracy over a wide frequency range (especially in a high frequency range). There is to do.
  • a current amount detector has a gap portion between a branch position and a merge position, and is a first current path having the same cross-sectional area separated by the gap portion. And a current line having a second current path; A magnetic sensor that is provided in the gap and detects a magnetic field generated by a measurement current flowing through the current line;
  • the width g and the thickness t of the gap satisfy the relationship of thickness t / width g ⁇ 1, and the sensor is provided in a region of ⁇ g / 6 from the center in the width direction of the gap. It is characterized by that.
  • the gap g has a width g and a thickness t satisfying a relationship of thickness t / width g ⁇ 1, ⁇ g from the width direction center of the gap.
  • a uniform magnetic field gradient is formed regardless of the variation of the frequency of the measurement current, and the attenuation ratio r of the magnetic field component of the magnetosensitive axis at the position where the magnetic sensor is provided depends on the frequency. Without satisfying the relationship of 0.5 ⁇ r ⁇ 1.
  • the current amount detector according to the present invention includes at least two magnetic sensors, the magnetic sensitive axes of the magnetic sensors are parallel to each other, and the current amount is detected by the differential of the magnetic sensors.
  • the width g and the thickness t of the gap portion satisfy the relationship of t / g ⁇ 0.5, thereby
  • the attenuation ratio r of the magnetic field component of the magnetosensitive axis satisfies the relationship of 0.8 ⁇ r ⁇ 1 without depending on the frequency.
  • the attenuation ratio r of the magnetic field component of the magnetosensitive axis at the position of the magnetic sensor is It is characterized by approximately 1 (specifically, 0.95 ⁇ r ⁇ 1) without depending on the frequency.
  • the magnetic sensor having the magnetosensitive axis includes a magnetoresistive effect element that detects a magnetic field in the magnetosensitive surface, and the magnetosensitive axis is in the magnetosensitive surface, The magnetic sensor detects the amount of current based on the magnetic field component of the magnetosensitive axis of the combined magnetic field of the induction magnetic field generated from the first current path and the second current path.
  • the magnetic sensor is disposed at a position on the center line in the thickness direction of the air gap but not on the center line in the width direction, and the magnetosensitive axis is in a direction in which the current flows.
  • the magnetosensitive axis is in a direction in which the current flows.
  • the magnetic sensor is disposed on a center line in the width direction of the air gap but not on the center line in the thickness direction, and the magnetosensitive axis is in a direction in which the current flows.
  • the magnetosensitive axis is in a direction in which the current flows.
  • two magnetic sensors may be arranged symmetrically with respect to the center of the gap.
  • the current line has a step between an upper surface of the first current path and the second current path and an upper surface of the current path including the branch position or the merge position. It may be configured as follows.
  • the current amount detector according to the present invention is provided in the bypass current path, including a main current path, a current line branched from the main current path, and a bypass current path that merges with the main current path.
  • the above-described current amount detector can be provided.
  • a current amount detector capable of detecting a current amount with high accuracy over a wide frequency region (particularly even in a high frequency region).
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a current amount detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1A is a perspective view of the current amount detector, and FIGS. 1B and 1C are a side view and a top view, respectively.
  • 2A is a top view of the current amount detector according to Embodiment 1 of the present invention, FIGS. 2B and 2C are partially enlarged views in the vicinity of the gap, and AA ′, respectively.
  • FIG. 3 is a diagram showing a current density distribution at a frequency of 100 Hz.
  • FIG. 4 is a diagram showing a current density distribution at a frequency of 1 kHz.
  • FIG. 5 is a diagram showing a current density distribution at a frequency of 10 kHz.
  • FIG. 1A is a perspective view of the current amount detector
  • FIGS. 1B and 1C are a side view and a top view, respectively.
  • 2A is a top view of the current amount detector according to Embodiment 1 of
  • FIG. 6 is a diagram showing a current density distribution at a frequency of 100 kHz.
  • FIG. 7A is a graph showing the relationship between the position [mm] in the width direction of the current line and the magnetic flux density [T] in the thickness direction.
  • FIG. 7B is a graph showing the relationship between the position [mm] in the width direction of the current line and the magnetic flux density attenuation ratio.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the frequency [Hz] of the applied current and the differential magnetic flux density [T] at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the frequency [Hz] of the applied current and the differential magnetic flux density [T] at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the frequency [Hz] of the applied current and the differential magnetic flux density [T] at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap.
  • FIG. 9B is a graph showing the relationship between the frequency [Hz] of the applied current and the differential magnetic flux density [T] at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap.
  • FIG. 9C is a graph showing the relationship between the frequency [Hz] of the applied current and the differential magnetic flux density [T] at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the aspect ratio t / g and the attenuation ratio r.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the current amount detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of an aspect of the current amount detector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of another aspect of the current amount detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of still another aspect of the current amount detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing which place in the gap is measured.
  • FIG. 16 shows the relationship between the width direction position [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at a point of 1 mm in the height direction from the center of the conductor plate thickness direction and at a point of the width direction plate width center ⁇ 5 mm. It is the graph which showed the relationship.
  • FIG. 16 shows the relationship between the width direction position [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at a point of 1 mm in the height direction from the center of the conductor plate thickness direction and at a point of the width direction plate width center ⁇ 5 mm. It is the graph which showed the relationship.
  • FIG. 16 shows the relationship between the width direction position [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at
  • FIG. 17 shows the position in the width direction [mm] and the magnetic flux density in the thickness direction [T] at a point 1.5 mm in the height direction from the center in the thickness direction of the conductor plate and at the center of the width direction plate width ⁇ 5 mm. It is the graph which showed the relationship.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the width direction position [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at the point in the center portion of the conductor plate thickness direction and at the point of the width direction plate width center ⁇ 5 mm. It is.
  • FIG. 19 shows a position in the width direction [mm] and a thickness direction magnetic flux density [T] at a point of ⁇ 1 mm in the height direction from the center in the thickness direction of the conductor plate and at a point of ⁇ 5 mm in the width direction plate width center. It is the graph which showed this relationship.
  • FIG. 20 shows a position in the width direction [mm] and a magnetic flux density in the thickness direction [T] at a point of ⁇ 1.5 mm in the height direction from the center in the thickness direction of the conductor plate and at the center of the width direction plate width ⁇ 5 mm. It is the graph which showed the relationship with].
  • FIG. 21 is a diagram showing which place in the gap is measured.
  • FIG. 22 is a graph showing the relationship between the position [mm] in the thickness direction and the magnetic flux density [T] in the thickness direction.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a current amount detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1A is a perspective view of the current amount detector
  • FIGS. 1B and 1C are a side view and a top view, respectively.
  • the current amount detector 1 according to the first embodiment of the present invention has a branch position (corresponding to the Q region in FIG. 2) and a merging position (corresponding to the S region in FIG. 2).
  • This is a current amount detector 1 having a current line 3 having a gap 2 therebetween and a magnetic sensor 4 provided in the gap 2 and detecting a magnetic field generated by a measurement current flowing through the current line 3.
  • the width g and the thickness t of the gap 2 satisfy the relationship of thickness t / width g ⁇ 1, so that ⁇ g / 6 from the center of the gap 2 in the width direction.
  • a uniform magnetic field gradient is formed regardless of the variation of the frequency of the measurement current, and the attenuation ratio r of the magnetic field component of the magnetosensitive axis at the position where the magnetic sensor 4 is provided is 0 without depending on the frequency. It was found that the relationship of 5 ⁇ r ⁇ 1 is satisfied.
  • the amount of current can be detected with high accuracy over a wide frequency range by arranging the magnetic sensor 4 in the range of ⁇ g / 6.
  • the “attenuation ratio r” is a ratio of the magnetic flux density generated around the current line at a high frequency where the bias of the current density distribution due to the skin effect occurs to the magnetic flux density at a frequency near DC.
  • it means a ratio obtained by dividing the differential magnetic flux density Bh at a frequency of 1 MHz by the differential magnetic flux density B1 at a frequency of 10 Hz.
  • a detailed method for calculating the attenuation ratio r will be described later.
  • FIGS. 8 to 10 show that the attenuation ratio r of the magnetic field component of the magnetosensitive axis of the magnetic sensor arranged in the uniform magnetic field gradient satisfies the relationship of 0.5 ⁇ r ⁇ 1 without depending on the frequency. It is drawing for demonstrating.
  • a current path in a region before the current line 3 branches (that is, the region P) is referred to as “current path before branching” or “current path P before branching”, and current A current path in a region where the line 3 is branched (that is, a region Q) is referred to as a “branch position current path” or a “branch position current path Q”.
  • first current path or “first current path R1”
  • second current path or “second current path”.
  • the current path in the region where the current lines 3 are merged is referred to as “current path at the merge position” or “current path S at the merge position”, and the area after the current lines 3 merge (ie, the region T). ) Is referred to as “current path after merging” or “current path T after merging”.
  • the current line 3 includes a current path P before branching, a current path Q at a branching position, a first current path R1 and a second current path R2, a current path S at a merging position, and a current path T after merging. It is a combination.
  • the current line 3 as shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c), that is, the current line 3 that has the gap 2 and the current path branches at the gap 2 and then merges, is 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz,
  • an alternating current is passed at a frequency of 100 kHz, the following difference appears in the current density distribution depending on the frequency of the alternating current due to the skin effect.
  • the current path P before branching the current path Q at the branching position, the first current path R1 and the second current path R2, the current path S at the joining position, and the current after joining.
  • the current density is uniform, and also flows through the first current path R1 and the second current path R2 in the AB section (that is, the section passing through the first current path R1 and the second current path R2).
  • the current density of the current is uniform.
  • the present inventors In the high frequency (10 kHz or more) to low frequency (100 Hz or less), the present inventors have a bias in the distribution of current density flowing in the first current path R1 and the second current path R2 in the thickness direction of the gap 2. It was found that the magnetic flux density distribution in the gap 2 formed may change depending on the frequency.
  • the present inventors have found the following points.
  • the width of the gap 2 is defined as g, and ⁇ g / (right / left) from the width center line (corresponding to the longitudinal axis O of the gap 2 shown in FIG. 2 (a)).
  • ⁇ g / right / left
  • FIG. 9A to 9C are generated at the position of ⁇ g / 6 from the width direction center of the gap 2 and at the center position in the thickness direction with the width g and the thickness t of the gap 2 as variables. It is the graph showing the frequency characteristic of the perpendicular direction magnetic field to do.
  • FIG. 8 shows only data measured from FIG. 9A measured under conditions where the width g is 6 mm and the thickness t is 6 mm. As shown in FIG. 8, there is a region where the change in magnetic flux density is small with respect to the frequency at a low frequency of f1 or lower and a high frequency of f2 or higher.
  • FIG. 10 is a plot of attenuation ratio r and aspect ratio t / g based on the results of FIGS.
  • the attenuation ratio r can be determined as a function of the aspect ratio t / g.
  • the detected magnetic field becomes half (lower by 3 dB) of the low frequency side magnetic field regardless of the operating frequency if it is 1 MHz or less, and sufficient S in a wide band. / N ratio can be ensured.
  • the present invention is uniform in the region of ⁇ g / 6 from the center in the width direction of the gap regardless of the variation in the frequency of the measurement current.
  • a magnetic field gradient is formed, and the attenuation ratio r of the magnetic field component of the magnetosensitive axis at the position where the magnetic sensor 4 is provided satisfies the relationship of 0.5 ⁇ r ⁇ 1 without depending on the frequency. It has come to be completed.
  • the gap g has a width g and a thickness t satisfying the relationship of thickness t / width g ⁇ 0.25, so that the gap g is within a range of ⁇ g / 6 from the center of the gap in the width direction.
  • the magnetic field gradient attenuation ratio r at the position where the magnetic sensor 4 is provided satisfies the relationship of 0.95 ⁇ r ⁇ 1 without depending on the frequency. According to the above configuration, the current amount can be detected with high accuracy over a wide frequency range by appropriately adjusting the thickness t and the width g.
  • FIGS. 2A to 2C show the current line 3 of the current amount detector 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a gap 2 in which the magnetic sensor 4 is accommodated is provided at the center of the current line 3.
  • the longitudinal axis O of the gap 2 substantially coincides with the center line in the width direction of the current line 3 (longitudinal axis K of the current line 3). Therefore, the first current path R1 and the second current path R2 branched by the gap 2 have substantially the same cross-sectional area.
  • the shape of the first current path R1 and the shape of the second current path R2 are preferably substantially the same.
  • the same cross-sectional area and “the same shape” are not limited to the case where the cross-sectional area is completely the same, or the shape is completely the same, but the cross-sectional area is substantially the same and the shape is substantially the same. Cases are also included.
  • the cross-sectional area of the subsequent current path (current path T after merging) is preferably substantially the same as the sum of the cross-sectional area of the first current path R1 and the cross-sectional area of the second current path R2.
  • the cross-sectional area of the current path P before branching or the cross-sectional area of the current path T after merging is the sum of the cross-sectional area of the first current path R1 and the cross-sectional area of the second current path R2.
  • the heat generation amounts of the current path T, the first current path R1, and the second current path R2 are the same, and the fluctuation of the current density distribution due to the resistance change due to the heat generation can be suppressed. Therefore, measurement errors can be suppressed.
  • the gap 2 formed between the first current path R1 and the second current path R2 and between the current path Q at the branch position and the current path S at the merge position is as shown in FIG.
  • the current line 3 has a substantially rectangular shape having sides M and N substantially parallel to the longitudinal axis K.
  • the corners 31, 32, 33, 34, and 35 are curved or appropriately curved (having a curvature).
  • the resistance of the current flowing through the current line 3 can be reduced by making the corners 31, 32, 33, 34, and 35 curved or appropriately curved.
  • being substantially parallel to the longitudinal axis K of the current line 3 does not necessarily need to be completely parallel to the longitudinal axis K of the current line 3, as long as it does not affect the current density distribution. It may be inclined with respect to the longitudinal axis K of the current line 3.
  • the current line 3 includes a metal such as copper or aluminum; or the metal and tin, silver, zirconium, chromium, nickel, iron, zinc, silicon, phosphorus And an alloy with magnesium or the like; or a laminate of aluminum and copper, or a clad material made of aluminum and copper. Particularly preferred is copper. Copper is preferably used because it is inexpensive and has low electrical resistance.
  • any magnetic sensor may be used as long as it can output an electric signal according to the strength of the magnetic field as the magnetic sensor 4.
  • Magnetic sensors can be used.
  • an anisotropic magnetoresistive effect hereinafter sometimes referred to as an anisotropic magnetoresistive effect
  • GMR multi-layer giant magnetism Resistive effect
  • SVGMR spin valve magnetoresistive effect
  • tunneling tunnel magnetoresistive effect
  • a magnetosensitive axis is set in a direction perpendicular to the bias magnetic field, and the magnetosensitive axis direction
  • a magnetic sensor of a magnetic proportional type that outputs a voltage proportional to the magnetic field component of the magnetic field, and a coil for applying a magnetic field of the same strength in the opposite direction corresponding to the magnetic field component in the direction of the magnetosensitive axis
  • a magnetic balance type magnetic sensor that feeds back an element and outputs a voltage applied to the coil at that time can be used.
  • the element can be bridge-connected in consideration of the direction of the fixed layer, so that the detectable magnetic field range can be widened.
  • One magnetic sensor 4 may be used, or two or more magnetic sensors 4 may be used. When two or more magnetic sensors 4 are used, it is preferable that the magnetic sensitive axes of the magnetic sensors 4 are parallel to each other and the magnetic sensors 4 are output in a differential manner. In any case, it is necessary that the at least one magnetic sensor is not on the central axis of the gap 2.
  • a resin substrate such as glass epoxy generally used as a printed circuit board, alumina, LTCC (low temperature co-fired ceramics), or the like
  • the magnetic sensors 4 it is preferable to provide the magnetic sensors 4 such that the magnetic sensitive axes of the magnetic sensors 4 are parallel to both surfaces of the substrate 5, such as ceramics, because the detected magnetic field can be output efficiently and differentially.
  • two magnetic sensors may be formed on the same wafer and arranged in the same package. In this case, since it can be mounted on the substrate 5 at a time, the efficiency is high.
  • FIGS. 11A to 11G show cross-sectional forms of the current line 3 and the magnetic sensor 4 in a state where the magnetic sensor 4 is disposed in the gap 2 of the current line 3.
  • the magnetic sensor 4 may be disposed in the gap 2 by, for example, fixing the current line 3 and the magnetic sensor 4 with a non-magnetic joint or the like.
  • a member such as a resin covering the periphery may be provided to fix the current line 3 and the magnetic sensor 4.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view showing the configuration (i) of the current amount detector 1.
  • the current amount detector 1 has one magnetic sensor 4.
  • the magnetic sensor 4 has a magnetosensitive axis 21 in the longitudinal direction of the sensor, and the magnetosensitive axis 21 may be inclined with respect to a center line 22 passing through the center of the gap 2. More sensitive measurement can be realized, for example, a minute current measurement is possible when the inclination angle between the magnetosensitive axis 21 and the center line 22 is small.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view showing the configuration (ii) of the current amount detector 1.
  • the current amount detector 1 has two magnetic sensors 4.
  • the two magnetic sensors 4 need to be arranged substantially parallel to each other and at different positions in the width direction.
  • One of the two magnetic sensors 4 may be disposed on the center line 22 of the width g of the gap 2.
  • each magnetic sensor 4 has a magnetic sensitive axis 21 in the longitudinal direction, and the magnetic sensitive axis 21 is inclined with respect to a center line 22 passing through the center of the gap 2. Also good.
  • the two magnetic sensors 4 are arranged symmetrically from the center of the gap portion 2, the effect of attenuating the magnetic field generated by the current is the greatest, and particularly the operating range can be widened and a large current can be measured. preferable.
  • FIG. 11C is a cross-sectional view showing the configuration (iii) of the current amount detector 1.
  • the ratio t / g between the width g and the thickness t of the gap 2 of the current line 3 satisfies the relational expression t / g ⁇ 0.5.
  • the magnetic sensor 4 has one or two magnetic sensors 4, and the magnetic sensitive axis 21 is inclined with respect to the center line 22 passing through the center of the gap 2. good.
  • FIG. 11D is a cross-sectional view showing the configuration (iv) of the current amount detector 1.
  • the magnetosensitive axes 21 of the two magnetic sensors 4 are not inclined with respect to the center line 22 in the width direction of the gap 2.
  • the same conditions as in configuration (ii) may be used.
  • the magnetic sensor 4 is arranged in an area of ⁇ g / 6 from the center in the width direction of the gap portion 2, and an effect that highly sensitive measurement can be performed is obtained.
  • the magnetic sensitive axis 21 of the magnetic sensor 4 By arranging the magnetic sensitive axis 21 of the magnetic sensor 4 in parallel with the center line 22 in the width direction of the gap 2, it is possible to measure with higher sensitivity such as minute current measurement. This is preferable. Since the two magnetic sensors 4 are arranged at symmetrical positions with respect to the center line 22 in the width direction of the gap 2 as in the configuration (ii), the effect of attenuating the magnetic field generated by the current is large, and the large current This is particularly preferable because it can be measured. As a range that is regarded as a configuration that is not inclined with respect to the center line 22, an inclination angle between the magnetosensitive axis and the center line of ⁇ 15 ° to 15 ° is allowed, and 0 ° is most preferable.
  • FIG. 11E is a cross-sectional view showing the configuration (v) of the current amount detector 1.
  • the magnetosensitive axis 21 of the magnetic sensor 4 is configured except that it is not inclined with respect to the center line 22 in the width direction of the gap 2 ( Same condition as i).
  • the magnetic sensor 4 is arranged in the region of ⁇ g / 6 from the center in the width direction of the gap portion 2, so that it is possible to perform highly sensitive measurement.
  • a range regarded as a configuration that is not inclined with respect to the center line 22 a range in which the inclination angle between the magnetosensitive axis 21 and the center line 22 is ⁇ 15 ° to 15 ° is allowed, and 0 ° is most preferable.
  • FIG. 11F is a cross-sectional view showing the configuration (vi) of the current amount detector 1.
  • the magnetosensitive axes 21 of the two magnetic sensors 4 are inclined by 90 ° or ⁇ 90 ° with respect to the center line 22 in the width direction of the gap 2. Except for this, the same conditions as in the configuration (ii) may be used.
  • the magnetosensitive axes 21 of the two magnetic sensors 4 are inclined by 90 ° or ⁇ 90 ° with respect to the center line 22 in the width direction of the gap 2, thereby increasing or decreasing the current value. This is preferable because measurement with high linearity is possible.
  • the two magnetic sensors 4 are arranged at positions symmetrical with respect to the center line 23 in the thickness direction of the gap portion 2, the effect of attenuating the magnetic field generated by the current is greatest, and a large current can be measured.
  • the inclination angle between the magnetosensitive axis 21 and the center line 22 is 75 ° to 105 °, or ⁇ 105 ° to ⁇ 75 °. Ranges are acceptable, with 90 ° or -90 ° being most preferred.
  • FIG. 12A is a perspective view showing one aspect of the configuration (vi) of the current amount detector 1
  • FIG. 12B is a side view thereof
  • FIG. 12C is a top view thereof.
  • substrate 5 are the space
  • FIG. 13 is a perspective view showing another aspect of the configuration (vi) of the current amount detector 1.
  • a step portion 11 formed in a step shape is provided in the first current path R1 and the second current path R2.
  • the substrate 5 is provided by extending from the lower one of the current lines 3 to the gap portion, and the magnetic sensors 4 are respectively attached to both surfaces of the portion located in the gap portion of the substrate 5.
  • the two magnetic sensors 4 can be provided in the gap 2 of the current line 3 easily and with high positional accuracy.
  • the material of the detour current path is preferably made of a material having a specific resistance larger than that of the material of the large current line 10 because the amount of current can be further reduced.
  • FIG. 14 is a perspective view showing still another aspect of the configuration (vi) of the current amount detector 1.
  • This aspect is a modification of the above-described another aspect.
  • the detour current path 12 that detours from the large current line 10 through which a large current flows is formed, the first current path R1 and the second current path R2 described above are formed in the forward path 13 of the detour current path 12, and the first A gap 2 is provided between the current path R1 and the second current path R2.
  • a step portion 11 formed in a step shape is provided in the first current path R1 and the second current path R2.
  • substrate 5 is provided in the lower one among the level
  • a similar step 11 is provided on the return path 14 of the bypass current path 12.
  • FIG. 11G is a cross-sectional view showing the configuration (vii) of the current amount detector 1.
  • FIG. 11 (g) As shown in FIG. 4, in the configuration (vii), except that the magnetosensitive axis 21 of the magnetic sensor 4 is inclined by 90 ° or ⁇ 90 ° with respect to the center line 22 in the width direction of the gap 2 (i ) And the same conditions as above.
  • the magnetic sensing axis 21 of the magnetic sensor 4 is inclined by 90 ° or ⁇ 90 ° with respect to the center line 22 in the width direction of the air gap 2 so that the linearity with respect to increase / decrease of the current value is obtained. Is preferable because it is possible to measure high.
  • the inclination angle between the magnetosensitive axis 21 and the center line 22 is 75 ° to 105 °, or ⁇ 105 ° to ⁇ 75 °. Ranges are acceptable, with 90 ° or -90 ° being most preferred.
  • Simulation method J-MAG_STUDIOver.10 made by JSOL Corporation was used for electromagnetic field analysis.
  • the analysis method is a finite element method. In other words, this is a method of calculating, for each element, the magnetic field at a predetermined location generated by the current flowing through the subdivided conductor (product of the subdivided element cross-sectional area and the current density) and integrating all elements. In the method used, the current density distribution due to the eddy current is also taken into consideration.
  • the simulation was performed based on the embodiment of the present invention, and the effect of the configuration of the present invention was confirmed.
  • the simulation conditions are as shown in the following table.
  • a gap 2 having a width g, a length of 20 mm, and a thickness t is provided between the first current path R1 and the second current path R2 based on the conditions in Table 1, and the magnetic sensor 4 is arranged in the width direction.
  • the width of the current path P before branching and the current path T after joining are w
  • the width of the current path Q at the branching position and the current path S at the joining position is 31 mm
  • the first current path R1 and the second current path The width of the current path R2 is w / 2
  • the thickness of the current line 3 is t.
  • the corners 31, 32, 33, 34, and 35 of the current line 3 are rounded and have a radius of curvature of 1.5 mm.
  • the material of the current line 3 was oxygen-free copper.
  • the currents flowing in the first current path R1 and the second current path R2 having the same cross-sectional area and shape have the same amplitude, the same frequency, and the same phase, and the first current path R1 and the second current path R2 At least two magnetic sensors 4 are arranged in the gap 2 formed between the two.
  • FIG. 3 shows the current density when an alternating current is passed through the current line according to Example A1 at a frequency of 100 Hz.
  • the current density is 1.0 ⁇ 10 6 to 1.5 ⁇ 10 over the entire current path Q at the branching position and the current path S at the joining position. 6 A / m 2 .
  • portions other than the current path Q at the branch position and the current path S at the merge position that is, the current path P before the branch, the first current path R1, the second current path R2, and the current path T after the merge. In all, the current density was 1.5 ⁇ 10 6 to 2.0 ⁇ 10 6 A / m 2 . Further, as shown in FIGS.
  • the current density in the cross section AB is 1.5 ⁇ 10 6 to 2.0 ⁇ 10 6 in the first current path R1 and the second current path R2. 6 A / m 2 . As described above, at a frequency of 100 Hz, the current density was uniform over the entire current line 3.
  • FIG. 4 shows the current density when an alternating current is passed through the current line according to Example A1 at a frequency of 1 kHz.
  • a high current density region of 2.5 ⁇ 10 6 to 3.0 ⁇ 10 6 A / m 2 appeared outside the current line 3 in the width direction.
  • the current density was 1.0 ⁇ 10 6 to 1.5 ⁇ 10 6 A / m 2 .
  • the current density of the cross section AB is 2.0 ⁇ 10 6 to 2.5 ⁇ 10 6 A / m 2 in the outer region in the width direction. It was.
  • the current density of the AB cross section in the central region in the width direction was 1.0 ⁇ 10 6 to 1.5 ⁇ 10 6 A / m 2 .
  • a current density region with a high current density appeared outside the current line 3 in the width direction.
  • FIG. 5 shows the current density when an alternating current is passed through the current line according to Example A1 at a frequency of 10 kHz.
  • an extremely high current density region of 4.5 ⁇ 10 6 to 5.0 ⁇ 10 6 A / m 2 appeared outside the current line 3 in the width direction.
  • a high current density region of 3.5 ⁇ 10 6 to 4.0 ⁇ 10 6 A / m 2 appeared on the inner side in the width direction of the first current path R1 and the second current path R2.
  • the current density in the cross section AB has a high current density region on the outer side in the width direction and the inner side in the width direction of the first current path R1 and the second current path R2.
  • high current density regions appeared on the upper and lower sides in the thickness direction.
  • a high current density region appears on the outer side in the width direction of the current line 3
  • a high current density region appears on the upper side and the lower side in the thickness direction of the current line 3. I started.
  • FIG. 6 shows the current density when an alternating current is passed through the current line according to Example A1 at a frequency of 100 kHz.
  • an extremely high current density region of 4.5 ⁇ 10 6 to 5.0 ⁇ 10 6 A / m 2 appeared on the entire surface of the current line 3.
  • the current density in the cross section AB is 4.5 ⁇ 10 4 on the outer side in the width direction and on the inner side in the width direction of the first current path R1 and the second current path R2.
  • a high current density region of 6 to 5.0 ⁇ 10 6 A / m 2 appeared, and an extremely high current density region appeared on the upper and lower sides in the thickness direction.
  • the current density is It was as low as 0 to 0.5 ⁇ 10 6 A / m 2 .
  • the current density is It was as low as 0 to 0.5 ⁇ 10 6 A / m 2 .
  • the current density of the current flowing through the current line 3 changed significantly.
  • FIG. 7A shows the magnetic flux density distribution in the vertical direction of the gap 2 formed by the first current path R1 and the second current path R2 for each frequency of 100 Hz to 100 kHz in the current line according to Example A1.
  • the amount of current flowing through the current path P before branching and the current path T after joining is 120A.
  • the current density of the current flowing through the current line 3 greatly varies depending on the frequency.
  • the magnetic flux density generated by the current flowing through the current line 3 has a uniform magnetic field gradient in the frequency range from 100 Hz to 100 kHz in the range of ⁇ g / 6 in the gap width direction. I understood.
  • the arrangement in the thickness direction up to the vicinity of the gap 2 is less susceptible to the influence of AC and DC disturbance magnetic fields.
  • FIG. 7B shows the distribution of the magnetic flux density attenuation ratio in the gap width direction.
  • the horizontal axis indicates the position of the gap in the width direction, and the vertical axis indicates the magnetic flux density attenuation ratio r.
  • (2) indicates the ratio between the magnetic flux density at a frequency of 1 MHz and the magnetic flux density at 10 Hz.
  • ⁇ indicates the ratio between the magnetic flux density at a frequency of 100 kHz and the magnetic flux density at 100 Hz (that is, the ratio corresponds to the magnetic flux density attenuation ratio r).
  • the magnetic flux density attenuation ratio r exceeds 0.8, and when the magnetic sensor 4 is placed in such a range, a good current amount detector is obtained.
  • the output of the difference in magnetic flux density in the vertical direction at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap 2 is ⁇ 0.001 T, which is suitable for the operating range when a thin film magnetoresistive effect element is used as a magnetic field detection element, for example. It was confirmed that when it is arranged outside the current line 3 and the like, it becomes 0.003T and the detection element is saturated and falls outside the detectable range.
  • FIG. 8 shows the frequency characteristics of the difference in the magnetic flux density of the Z direction component at a position of ⁇ 1 mm from the center of the gap 2 of Example A2 at 10 Hz to 1 MHz.
  • the horizontal axis represents the frequency [Hz] of the applied current
  • the vertical axis represents the differential magnetic flux density [T] at a position ⁇ 1 mm from the center of the gap 2 in the width direction.
  • the measured current flowing in the current path P before branching and the current path T after joining is 120A.
  • region A the differential magnetic flux density is not attenuated, and the function of the differential magnetic flux density and the frequency of the applied current is a horizontal straight line at the frequency of region A.
  • the differential magnetic flux density begins to attenuate from 200 Hz, and the differential magnetic flux density and the applied current from around the inflection point f1 to near the inflection point f2.
  • the slope of the function with the frequency of becomes constant.
  • the function of the differential magnetic flux density and the frequency of the applied current can be approximated by a horizontal straight line.
  • the inflection point on the low frequency side is referred to as f1
  • the inflection point on the high frequency side is referred to as f2.
  • the value of (Bh / B1) is defined as an attenuation ratio r.
  • FIGS. 9A to 9C show other examples and comparative examples shown in Table 1 as well as the applied current and the differential magnetic flux density of Example A2 in FIG.
  • the vertical axis represents the differential magnetic flux density Bz [T] at a position ⁇ g / 6 from the center of the gap 2 in the width direction.
  • the above-mentioned inflection points f1 and f2 are provided under all conditions, and f1 and f2 change depending on the combination of each variable.
  • the damping ratio r is 0.5 ⁇ r ⁇ 1
  • the comparative example is not 0.5 ⁇ r ⁇ 1.
  • the distance in the direction in which the current flows in the gap 2 has a length sufficient to have a region in which the fluctuation of the current density distribution is small in the direction in which the current flows.
  • FIG. 10 shows the relationship between the ratio (aspect ratio (t / g)) of the width g and the thickness t of the gap 2 with respect to the damping ratio r.
  • the horizontal axis is the aspect ratio (t / g), and the vertical axis is the attenuation ratio r.
  • the plot of the aspect ratio and the attenuation ratio was on one curve regardless of the value of the width w.
  • an attenuation ratio r for exhibiting a good function as a current amount detector is required to be 0.5 or more.
  • FIG. 10 indicates that the aspect ratio t / g needs to satisfy t / g ⁇ 1 in order to achieve the damping ratio r ⁇ 0.5.
  • FIG. 15 to 20 are graphs for explaining that the magnetic flux density is uniform within the gap 2 based on Example A1.
  • FIG. 15 is a diagram showing which place in the gap 2 is measured.
  • FIG. 16 shows the position in the width direction [mm] and the thickness at a point +1 mm in the height direction from the center in the thickness direction of the conductor plate and ⁇ 5 mm from the center in the width direction plate width (that is, a point indicated by (i) in FIG.
  • FIG. 17 shows the relationship with the directional magnetic flux density [T], which is indicated by a point of +1.5 mm from the center of the conductor plate thickness direction to the height direction and ⁇ 5 mm from the center of the width direction plate width (ie, (ii) in FIG. 15).
  • FIG. 16 shows the position in the width direction [mm] and the thickness at a point +1 mm in the height direction from the center in the thickness direction of the conductor plate and ⁇ 5 mm from the center in the width direction plate width (that is, a point
  • FIG. 18 shows the relationship between the width direction position [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at the center portion of the conductor plate thickness direction and a point ⁇ 5 mm from the width direction plate width center (that is, FIG. 19 shows the relationship between the position in the width direction [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at the point indicated by (iii) in FIG. A point ⁇ 5 mm from the center of the direction plate width (ie, according to (iv) in FIG. 15)
  • FIG. 20 shows the relationship between the width direction position [mm] and the thickness direction magnetic flux density [T] at the point indicated in FIG.
  • FIG. 22 is a graph measured using the current line according to Example A1, and within the gap 2, the thickness direction magnetic flux density [T] changes so much regardless of the difference in the thickness direction. Indicates that no.
  • FIG. 21 shows two measurement positions (that is, a position (i) on the left side from the center line in the width direction of the gap 2 and a position (ii) on the right side from the center line in the width direction of the gap 2).
  • (I) in FIG. 22 is the thickness direction magnetic flux density [T] at a position on the left side from the center line in the width direction of the gap 2, and
  • FIG. 22 it was found that the magnetic flux density did not change due to the difference in the position in the thickness direction, that is, the magnetic field was uniform in the thickness direction.

Landscapes

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Abstract

　広い周波数領域に亘って高精度に電流量を検出可能である電流量検出器を提供すること。分岐位置と合流位置との間に空隙部を有し、前記空隙部により分離された、同一の断面積を有する第１電流路及び第２電流路を有する電流線と、前記空隙部に設けられ、前記電流線を流れる測定電流により発生する磁界を検出する磁気センサと、を有する電流量検出器であって、　前記空隙部の幅ｇと厚さｔとは、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満し、前記空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に前記磁気センサが設けられていることを特徴とする。

Description

電流量検出器
　本発明は、電流により発生する磁界を磁気センサにより検知して電流量を検出する電流量検出器に関する。
　電流量検出器は、電流を高精度に測定することができるものであり、車両、産業機械、電力用機器等の高精度化、低消費電力化のために用いられている。このような電流量検出器は、電流線と、電流線内を流れる電流により発生する磁界を検出する磁気センサと、を有する。これまで、磁気センサとしては、コアとホール素子を用いるもの、カレントトランス、シャント抵抗器などが使用されてきた。
特表２００２－５２３７５１号公報 特開平８－１３６５８７号公報 特開平７－１４０１８０号公報
　例えば特許文献３に開示されたコアとホール素子を用いた磁気センサでは、電流線の周囲に配置したリング状のコアで集磁してホール素子で磁界を検出する。しかしながら、この場合、測定電流が大電流である場合にはコアが飽和し、それを防ぐためにはコアを大型化せざるを得なかった。すなわち、特許文献３では、大電流を測定するためには装置の大型化が避けられないという問題があった。
　そこで、コアそのものをなくしサイズアップを抑制する構成として、特許文献１においては、１つ又は多数の中抜き部を有する直線状の導体によって磁界勾配を生成し、差動場測定装置により磁界勾配を検出することによって、導体内を流れる電流量を測定することを特徴とする装置及び方法が開示されている（特許文献１）。また、特許文献２においては、中抜き部を持つ直線状の導体によって、本来発生する磁界より減衰（アッテネート）させた磁界勾配を生成し、最もアッテネート効果の高い中心部位に置いた磁気センサにより測定電流値を測定することを特徴とする装置及び方法が開示されている（特許文献２）。これら特許文献１及び２では、導体に中抜き部を形成することにより、同じ電流量でも、発生する磁界を抑制して、上述の大型化の問題を解決しようとしている。
　特許文献３に記載の磁気センサから、コアそのものをなくしたホール素子では小さな磁界を検出できないため、特許文献１では、小さな磁界でも高精度に検出することができる、多層巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）等の高感度磁気抵抗効果素子を用いた電流量検出器などが記載されている。
　高感度のＧＭＲ及びＴＭＲ等を用いた磁気センサは微小磁界の変化が測定可能であることから、微小電流による誘導磁界の変化を測定可能である一方で、地磁気、機器及び環境などによる外部磁界の影響を受けやすく、外部磁界によるノイズに起因する誤動作あるいは誤検出への対策も必要である。
　このような高感度のＧＭＲ及びＴＭＲ等を用いた磁気センサにおいて、交流モーターとインバータ間の電流など、低周波領域から高周波領域まで周波数が変わるような場合には、表皮効果により、電流線の電流密度分布が変わってしまう。このため、安定して同じ精度で電流量の検出ができないという問題があった。
　本発明は、上記課題に鑑み成されたものであり、その目的とするところは、広い周波数領域に亘って（特に高周波領域においても）高精度に電流量を検出可能な電流量検出器を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明に係る電流量検出器は、分岐位置と合流位置との間に空隙部を有し、前記空隙部により分離された、同一の断面積を有する第１電流路及び第２電流路を有する電流線と、
　前記空隙部に設けられ、前記電流線を流れる測定電流により発生する磁界を検出する磁気センサと、を有する電流量検出器であって、
　前記空隙部の幅ｇと厚さｔとは、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満し、前記空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に前記センサが設けられていることを特徴とする。
　また、本発明に係る電流量検出器において、前記空隙部の幅ｇと厚さｔとが、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満たすことにより、前記空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に、前記測定電流の周波数の変動に拘わらず一様な磁界勾配が形成され、前記磁気センサが設けられた位置における感磁軸の磁界成分の減衰比ｒが周波数に依存することなく０．５≦ｒ≦１の関係を満たすことを特徴とする。
　また、本発明に係る電流量検出器において、少なくとも２つの磁気センサを有し、各磁気センサの感磁軸は互いに平行であり、各磁気センサの差動により電流量が検出されることを特徴とする。
　さらに、本発明に係る電流量検出器において、好適には、前記空隙部の幅ｇと厚さｔとが、ｔ／ｇ≦０．５の関係を満たすことにより、前記磁気センサの位置での感磁軸の磁界成分の減衰比ｒは周波数に依存することなく０．８≦ｒ≦１の関係を満たすことを特徴とする。
　さらに好適には、前記空隙部の幅ｇと厚さｔとが、ｔ／ｇ≦０．２５の関係を満たすことにより、前記磁気センサの位置での感磁軸の磁界成分の減衰比ｒは周波数に依存することなく略１（具体的には、０．９５≦ｒ≦１）であることを特徴とする。
　本発明に係る電流量検出器において、前記感磁軸を有する磁気センサは、感磁面内の磁界を検出する磁気抵抗効果素子を有し、前記感磁軸は感磁面内にあり、前記磁気センサにより、第１電流路及び第２電流路から発生する誘導磁界の合成磁界の感磁軸の磁界成分に基づいて電流量を検出することを特徴とする。
　また、本発明に係る電流量検出器において、前記磁気センサは、空隙部の厚み方向の中心線上であって、幅方向の中心線上でない位置に配置され、感磁軸は電流の流れる方向に対して垂直に配置されていることが好ましい。
　また、本発明に係る電流量検出器において、前記磁気センサは、空隙部の幅方向の中心線上であって、厚み方向の中心線上でない位置に配置され、感磁軸は電流の流れる方向に対して水平に配置されていることが好ましい。
　また、本発明に係る電流量検出器において、前記磁気センサは、空隙部の中心に対して対称に２つ配置されていてもよい。
　また、本発明に係る電流量検出器において、前記電流線は、前記第１電流路及び前記第２電流路の上面と、前記分岐位置あるいは前記合流位置を含む電流路上面と、が段差となるように構成されていてもよい。
　また、本発明に係る電流量検出器は、主電流路と、前記主電流路から分岐され前記主電流路と合流する迂回電流路と、を有する電流線と、前記迂回電流路に設けられた上述の電流量検出器と、を有してなる構成とすることができる。
　本発明によれば、広い周波数領域に亘って（特に高周波領域においても）高精度に電流量を検出可能な電流量検出器を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器の概略図である。図１（ａ）は、その電流量検出器の斜視図であり、図１（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、その側面図、上面図である。 図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器の上面図、図２（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、空隙部付近の部分拡大図、及びＡ－Ａ’断面図である。 図３は、周波数１００Ｈｚにおける電流密度分布を示した図である。 図４は、周波数１ｋＨｚにおける電流密度分布を示した図である。 図５は、周波数１０ｋＨｚにおける電流密度分布を示した図である。 図６は、周波数１００ｋＨｚにおける電流密度分布を示した図である。 図７（ａ）は、電流線の幅方向の位置[ｍｍ]と厚さ方向の磁束密度[Ｔ]との関係を示したグラフである。図７（ｂ）は、電流線の幅方向の位置[ｍｍ]と磁束密度減衰比との関係を示したグラフである。 図８は、印加電流の周波数[Ｈｚ]と空隙部の中央から±１ｍｍの位置における差分磁束密度[Ｔ]との関係を示したグラフである。 図９Ａは、印加電流の周波数[Ｈｚ]と空隙部の中央から±１ｍｍの位置における差分磁束密度[Ｔ]との関係を示したグラフである。 図９Ｂは、印加電流の周波数[Ｈｚ]と空隙部の中央から±１ｍｍの位置における差分磁束密度[Ｔ]との関係を示したグラフである。 図９Ｃは、印加電流の周波数[Ｈｚ]と空隙部の中央から±１ｍｍの位置における差分磁束密度[Ｔ]との関係を示したグラフである。 図１０は、アスペクト比ｔ／ｇと減衰比ｒとの関係を示したグラフである。 図１１は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器の断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器のある態様の概略図である。 図１３は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器の別の態様の概略図である。 図１４は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器のさらに別の態様の概略図である。 図１５は、空隙部のいずれの場所を測定したかを示した図である。 図１６は、導体板厚方向中央から高さ方向に１ｍｍの点であって、且つ幅方向板幅中央±５ｍｍの点における、幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を示したグラフである。 図１７は、導体板厚方向中央から高さ方向に１．５ｍｍの点であって、且つ幅方向板幅中央±５ｍｍの点における、幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を示したグラフである。 図１８は、導体板厚方向中央部の点であって、且つ幅方向板幅中央±５ｍｍの点における、幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を示したグラフである。 図１９は、導体板厚方向中央から高さ方向に-１ｍｍの点であって、且つ幅方向板幅中央±５ｍｍの点における、幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を示したグラフである。 図２０は、導体板厚方向中央から高さ方向に-１．５ｍｍの点であって、且つ幅方向板幅中央±５ｍｍの点における、幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を示したグラフである。 図２１は、空隙部のいずれの場所を測定したかを示した図である。 図２２は、厚さ方向の位置[ｍｍ]と厚さ方向磁束密度[Ｔ]との関係を示したグラフである。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向及び位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」およびそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。複数の図面に表れる同一符号は、特に断らない限り同一の部分又は部材を示す。
　図１は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器の概略図である。図１（ａ）は、その電流量検出器の斜視図であり、図１（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、その側面図、上面図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器１は、分岐位置（図２のＱ領域に相当する）と合流位置（図２のＳ領域に相当する）との間に空隙部２を有する電流線３と、空隙部２内に設けられ、電流線３を流れる測定電流により発生する磁界を検出する磁気センサ４と、を有する電流量検出器１である。このような電流量検出器１において、空隙部２の幅ｇと厚さｔとが、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満たすことで、空隙部２の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に、測定電流の周波数の変動に拘わらず一様な磁界勾配が形成され、磁気センサ４が設けられた位置における感磁軸の磁界成分の減衰比ｒが周波数に依存することなく０．５≦ｒ≦１の関係を満たすことを見出した。すなわち、本発明の実施の形態１に係る発明の構成によれば、前記磁気センサ４を±ｇ／６の領域内に配置することで、広い周波数領域に亘って高精度に電流量を検出可能である。ここで、「減衰比ｒ」とは、表皮効果による電流密度分布の偏りが発生する高周波における、電流線の周囲に発生する磁束密度と、直流付近の周波数における磁束密度と、の比であり、例えば周波数１ＭＨｚにおける差分磁束密度Ｂｈを周波数１０Ｈｚにおける差分磁束密度Ｂ１で除して得られた比を意味する。減衰比ｒの詳細な算出方法等については後述する。また、「周波数に依存することなく」とは、低周波（直流に近い領域、即ち１０Ｈｚ～１００Ｈｚ）における減衰比ｒが０．５≦ｒ≦１の範囲内にあるだけでなく、高周波（インバータなどの動作、あるいは制御に関する領域１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ）における減衰比ｒが０．５≦ｒ≦１の範囲内にある状態を意味し、減衰比ｒが周波数に依存しないことを意味する。
　図２～７は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器１が、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満たすことにより、空隙部２の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に、前記測定電流の周波数の変動に拘わらず一様な磁界勾配が形成されることを説明するための図面である。さらに図８～１０は、上記一様な磁界勾配に配置された磁気センサの感磁軸の磁界成分の減衰比ｒが周波数に依存することなく、０．５≦ｒ≦１の関係を満たすことを説明するための図面である。
　図２（ａ）に示すように、電流線３が分岐する前の領域（即ち領域Ｐ）における電流路を「分岐する前の電流路」又は「分岐する前の電流路Ｐ」と称し、電流線３が分岐している領域（即ち領域Ｑ）における電流路を「分岐位置の電流路」又は「分岐位置の電流路Ｑ」と称する。また、分岐が完了した後の領域（即ち領域Ｒ）の２つの電流路を「第１電流路」（又は「第１電流路Ｒ１」）、「第２電流路」（又は「第２電流路Ｒ２」）と称する（電流の進行方向に対して左側を第１電流路Ｒ１、右側を第２電流路Ｒ２とする）。電流線３が合流している領域（即ち領域Ｓ）における電流路を「合流位置の電流路」又は「合流位置の電流路Ｓ」と称し、電流線３が合流した後の領域（即ち領域Ｔ）における電流路を「合流した後の電流路」又は「合流した後の電流路Ｔ」と称する。ここで、電流線３は、分岐する前の電流路Ｐ、分岐位置の電流路Ｑ、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２、合流位置の電流路Ｓ、合流した後の電流路Ｔを合わせたものである。
　本発明者らは、電流量検出器について鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
　図２（ａ）～（ｃ）に示すような電流線３、すなわち、空隙部２を有し電流路が空隙部２で分岐しその後合流するような電流線３に、１００Ｈｚ、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚの周波数で交流電流を流した場合、表皮効果の影響で交流電流の周波数に依存して電流密度分布に以下のような相違が表れる。
　周波数１００Ｈｚでは、図３に示すように、分岐する前の電流路Ｐ、分岐位置の電流路Ｑ、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２、合流位置の電流路Ｓ、合流した後の電流路Ｔのそれぞれにおいて、電流密度は一様であり、Ａ－Ｂ断面（即ち第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２を通る断面）においても第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２を流れる電流の電流密度は一様である。
　周波数１ｋＨｚでは、図４に示すように、電流線３の幅方向外側において、高い電流密度領域が現れ、さらに高周波の周波数１０ｋＨｚでは、図５に示すように、上記の傾向が顕著になり、電流線３の幅方向外側において、極めて高い電流密度領域が現れるとともに、電流線３の厚さ方向についても上側及び下側に高い電流密度領域が現れ始める。
　さらに高周波の周波数１００ｋＨｚでは、図６に示すように、電流密度は、電流線３の表皮部分に極めて高い電流密度領域が現れ、表皮部分と中心部分とで電流密度の差が極めて大きくなる。
　本発明者らは、高周波（１０ｋＨｚ以上）～低周波（１００Ｈｚ以下）において、空隙部２の厚さ方向に、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２に流れる電流密度分布に偏りが生じ、形成される空隙部２における磁束密度分布も周波数に依存して変わる可能性があるとの知見を得た。
　本発明者らは、上記知見に基づき鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。
　すなわち、上述のように、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２に流れる電流密度分布に偏りが生じ、それにより空隙部２における磁束密度分布も周波数に依存して大きく変わり得るにも拘わらず、図７（ａ）に示すように、空隙部２の幅長をｇとして、幅中心線（図２（ａ）に示した空隙部２の長手方向軸Ｏに相当）から左右に±ｇ／６の間の範囲（すなわち、空隙部２の幅中心線から－ｇ／６離れた位置から当該中心線から＋ｇ／６離れた位置までの範囲）においては、いずれの周波数においても厚さ方向の磁束密度はほとんど変化が見られないことが分かった。これは空隙部２の長手方向（領域Ｒ）の全長にわたって確認された。すなわち、１００Ｈｚ～１００ｋＨｚまで周波数が変わるにしたがって磁束密度分布が大きく変わっているにも拘わらず、幅方向について±ｇ／６の範囲のみに着目すれば周波数に依存することなく一様な磁界勾配が空隙部２に形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、１００Ｈｚと１００ｋＨｚとの減衰比と、１０Ｈｚと１ＭＨｚとの減衰比と、を示した場合、±ｇ／６の範囲においては、減衰比ｒがｒ≧０．８であり、０．５≦ｒ≦１を満たす。
　図９Ａ～９Ｃは、空隙部２の幅ｇと厚さｔとを変数にして、空隙部２の幅方向中心より±ｇ／６の位置であって、且つ、厚さ方向の中心位置において発生する垂直方向磁界の周波数特性を表したグラフである。尚、図８は、図９Ａから、幅ｇが６ｍｍ、厚さｔが６ｍｍとなる条件において測定したデータだけを抜き出したものである。図８に示すようにｆ１以下の低周波とｆ２以上の高周波において周波数に対する磁束密度の変化の小さい領域が存在する。図１０は、図９Ａ～９Ｃの結果より、減衰比ｒとアスペクト比ｔ／ｇとをプロットしたものである。減衰比ｒはアスペクト比ｔ／ｇの関数として決定できる。ここで、アスペクト比ｔ／ｇ≦１を満たしさえすれば、１ＭＨｚ以下であれば使用周波数によらず検出磁界が低周波側の磁界の半分（３ｄＢ低くなる）以上になり、広帯域で十分なＳ／Ｎ比を確保することができる。
　本発明者らは、上記知見を得、ｔ／ｇ≦１を満たしさえすれば、空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に、測定電流の周波数の変動に拘わらず一様な磁界勾配が形成され、磁気センサ４が設けられた位置における感磁軸の磁界成分の減衰比ｒが周波数に依存することなく０．５≦ｒ≦１の関係を満たすことを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。
　さらに好ましくは、空隙部の幅ｇと厚さｔとは、厚さｔ／幅ｇ≦０．２５の関係を満たし、これにより、空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に一様な磁界勾配が形成され、磁気センサ４が設けられた位置における感磁軸の磁界成分の減衰比ｒが周波数に依存することなく０．９５≦ｒ≦１の関係を満たす。上記構成によれば、厚さｔと幅ｇを適宜調整することにより、広い周波数領域に亘って高精度に電流量を検出可能である。
　以下、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器の各構成部材について詳細に説明する。
（１）電流線
　図２（ａ）～（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る電流量検出器１の電流線３を示している。図２（ａ）～（ｃ）に示すように、電流線３の中央には、磁気センサ４が収容される空隙部２が設けられている。空隙部２の長手方向軸Ｏは、電流線３の幅方向についての中心線（電流線３の長手方向軸Ｋ）と略一致している。そのため、空隙部２により分岐された第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２とはそれぞれ略同じ断面積を有する。また、第１電流路Ｒ１の形状と第２電流路Ｒ２の形状は略同一であることが好ましい。このように、第１電流路Ｒ１の形状と第２電流路Ｒ２の形状とが、略同一であることにより、一様な磁界を得られる厚さ方向の範囲が広くなる。そのため、幅方向にも一定の磁束密度領域が増え、取り付け自由度が大きくなる。ここで、「同じ断面積」、「形状が同一」とは、断面積が完全に同じである場合、形状が完全に同一である場合に限られず、断面積が略同じ、形状が略同一の場合も含まれるものとする。
　また、第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２とに分岐される前の電流路（分岐する前の電流路Ｐ）の断面積及び第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２とから合流した後の電流路（合流した後の電流路Ｔ）の断面積は、第１電流路Ｒ１の断面積と第２電流路Ｒ２の断面積とを合算したものと略同じであることが好ましい。このように、分岐する前の電流路Ｐの断面積又は合流した後の電流路Ｔの断面積が、第１電流路Ｒ１の断面積と第２電流路Ｒ２の断面積を合算したものとが略同じである場合、電流路Ｔと、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２との発熱量が同一となり、発熱による抵抗変化によって電流密度分布が変動するのを抑制できる。そのため、測定誤差を抑制することができる。
　第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２との間であって分岐位置の電流路Ｑと合流位置の電流路Ｓとの間に形成された空隙部２は、図２（ａ）に示すように、電流線３の長手方向軸Ｋに対して略平行な辺Ｍ、Ｎを有する略矩形状であることが好ましい。また、角部３１、３２、３３、３４、３５は電流密度分布が偏りやすいため、曲面とするかもしくは適度に湾曲させる（曲率を持たせる）ことが好ましい。このように角部３１、３２、３３、３４、３５を曲面とするかもしくは適度に湾曲させることにより、電流線３を流れる電流の抵抗を低減することができる。ここで、電流線３の長手方向軸Ｋに対して略平行とは、必ずしも電流線３の長手方向軸Ｋに対して完全に平行である必要はなく、電流密度分布に影響を与えない限り、電流線３の長手方向軸Ｋに対して傾斜していてもよい。
　本発明の実施の形態１に係る電流量検出器１において、電流線３は、銅、アルミニウム等の金属；若しくは前記金属と、スズ、銀、ジルコニウム、クロム、ニッケル、鉄、亜鉛、ケイ素、リン、マグネシウム等との合金；若しくはアルミニウムと銅の貼り合わせ、又はアルミニウムと銅とからなるクラッド材等から構成されることが好ましい。特に好ましくは銅である。銅は安価である上に電気抵抗が低いため、好適に用いられる。
（２）磁気センサ
　本発明に係る電流量検出器１において、磁気センサ４として磁界の強度に応じて電気信号を出力できるものならば如何なる磁気センサを使用してもよく、現在知られている公知の磁気センサを使用することができる。しかしながら、本願発明は、垂直方向を検出することができる磁気センサとして、薄膜で形成できる異方性磁気抵抗効果（以下、異方性磁気抵抗効果をＡＭＲと称することもある）素子、多層巨大磁気抵抗効果（以下、多層巨大磁気抵抗効果をＧＭＲと称することもある）素子、スピンバルブ型磁気抵抗効果（以下、スピンバルブ型磁気抵抗効果をＳＶＧＭＲと称する）素子、トンネル磁気抵抗効果（以下、トンネル磁気抵抗効果をＴＭＲと称することもある）素子、ホール素子、磁気インピーダンス素子、磁気誘導素子、フラックスゲート素子等を用いることができる。
　例えば、巨大磁気抵抗効果素子を用いて、前記素子の位置にバイアス磁界がかかるようにコイル等を配することで、バイアス磁界に対して垂直な方向に感磁軸を設定し、感磁軸方向の磁界成分に対して比例する電圧を出力する磁気比例方式の磁気センサ、さらに前記感磁軸方向の磁界成分に対応して、反対方向に同じ強度の磁界をかけるためのコイルを配置し、前記素子にフィードバックをかけて、そのときにコイルにかけた電圧を出力する磁気平衡方式の磁気センサなどを用いることができる。その際、前記素子は固定層の方向を考慮してブリッジ接続することで、検出可能な磁界範囲を広くすることも可能である。
　磁気センサ４は、１つ用いてもよいし、２以上用いてもよい。２以上の磁気センサ４を用いる場合は、各磁気センサ４の感磁軸は互いに平行であり、磁気センサ４が差動により出力されることが好ましい。いずれの場合においても、少なくとも１つの磁気センサは、空隙部２の中心軸上にないことが必要である。
　磁気センサ４を２つ用いる場合は、図１（ａ）～（ｃ）に示すように、例えばプリント回路基板として汎用されるガラスエポキシ等の樹脂の基板、アルミナ又はＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミックス）等のセラミックスなどの、基板５の両面にそれぞれの磁気センサ４の感磁軸が平行になるように磁気センサ４を設けたほうが、検出した磁界を効率よく差動により出力できるため好ましい。また、前述した薄膜の磁気抵抗効果素子を利用する場合、同一ウエハ上に２つの磁気センサを形成し、これを同一パッケージ内に配置しても良い。この場合、基板５へ一度に実装できるため効率が良い。
（３）磁気センサと電流線の配置
　電流線３の空隙部２の幅ｇと厚さｔとの比率ｔ／ｇはｔ／ｇ≦１の関係式を満たし、磁気センサ４は空隙部２の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に配置され、電流線からの磁界を検出できる構成であれば良く、広い動作範囲で、高感度な測定ができる効果を得られる。以下にいくつかの構成について例示する。図１１（ａ）～（ｇ）は、電流線３の空隙部２に磁気センサ４を配置させた状態における電流線３及び磁気センサ４の断面の形態を示している。前記空隙部２への磁気センサ４の配置は、例えば、非磁性体の継ぎ手などで電流線３と磁気センサ４を固定しても良いし、空隙部２の磁界に影響しないように電流線の周囲を覆うような、例えば樹脂などの部材を設けて、電流線３及び磁気センサ４を固定しても良い。
（Ｉ）構成（i）
　図１１（ａ）は、電流量検出器１の構成（i）を示した断面図である。図１１（ａ）においては、電流量検出器１は、１つの磁気センサ４を有する。磁気センサ４を幅方向の中心線から±ｇ／６の範囲内に配置することにより、広い動作範囲において高感度な測定が可能となる。１つの磁気センサ４を用いる場合、磁気センサ４を幅方向の中心を通る中心線２２から少し離れた位置に配置することにより、磁界を検出しやすくなるため好ましい。磁気センサ４は、センサの長手方向に感磁軸２１を有し、当該感磁軸２１は、空隙部２の中心を通る中心線２２に対して傾斜しても良い。感磁軸２１と中心線２２との傾斜角が小さい場合微小電流測定が可能であるなど、より高感度な測定が実現できる。
（II）構成（ii）
　図１１（ｂ）は、電流量検出器１の構成（ii）を示した断面図である。図１１（ｂ）においては、電流量検出器１は、２つの磁気センサ４を有する。前記２つの磁気センサ４は、互いに略平行に配置され、幅方向に関して異なる位置に配置されている必要がある。２つの磁気センサ４のうち一方が、空隙部２の幅ｇの中心線２２上に配置されていてもよい。また、構成（i）と同様、磁気センサ４は、それぞれ、長手方向に感磁軸２１を有し、当該感磁軸２１は、空隙部２の中心を通る中心線２２に対して傾斜しても良い。さらに空隙部２の中心から対称な位置に２つの磁気センサ４を配置すると、電流によって発生する磁界を減衰する効果が最も大きく、特に動作範囲を広くでき、大電流の測定も可能となるため特に好ましい。
（III）構成（iii）
　図１１（ｃ）は、電流量検出器１の構成（iii）を示した断面図である。図１１（ｃ）に示すように、電流線３の空隙部２の幅ｇと厚さｔとの比率ｔ／ｇはｔ／ｇ≦０．５の関係式を満たす。磁気センサ４は、構成（i）又は（ii）と同じく、１つ又は２つの磁気センサ４を有し、感磁軸２１が空隙部２の中心を通る中心線２２に対して傾斜しても良い。
（IV）構成（iv）
　図１１（ｄ）は、電流量検出器１の構成（iv）を示した断面図である。図１１（ｄ）に示すように、構成（iv）においては、２つの磁気センサ４の感磁軸２１が空隙部２の幅方向の中心線２２に対して傾斜していない構成である以外は構成（ii）と同じ条件として良い。構成（ii）においても磁気センサ４を空隙部２の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に配置することにより高感度な測定を行うことができるという効果が得られるが、特に構成（iv）に示すように磁気センサ４の感磁軸２１を空隙部２の幅方向の中心線２２に対して平行に配置することにより、微小電流測定が可能であるなど、より高感度な測定が可能となるため好ましい。構成(ii)と同様に空隙部２の幅方向の中心線２２に対して対称な位置に２つの磁気センサ４を配置しているため、電流によって発生する磁界を減衰する効果も大きく、大電流の測定も可能となるため特に好ましい。中心線２２に対して傾斜していない構成としてみなされる範囲としては、感磁軸と中心線との傾斜角が－１５°～１５°の範囲が許容され、０°が最も好ましい。
（Ｖ）構成（v）
　図１１（ｅ）は、電流量検出器１の構成（v）を示した断面図である。図１１（ｅ）に示すように、構成（v）においては、磁気センサ４の感磁軸２１が空隙部２の幅方向の中心線２２に対して傾斜していない構成である以外は構成（i）と同じ条件として良い。構成（i）においても磁気センサ４を空隙部２の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に配置することにより高感度な測定を行うことができるという効果が得られるが、特に構成（v）に示すように磁気センサ４の感磁軸２１を空隙部２の幅方向の中心線２２に対して平行に配置することにより、微小電流測定が可能であるなど、より高感度な測定が可能となるため好ましい。中心線２２に対して傾斜していない構成としてみなされる範囲としては、感磁軸２１と中心線２２との傾斜角が－１５°～１５°の範囲が許容され、０°が最も好ましい。
（VI）構成（vi）
　図１１（ｆ）は、電流量検出器１の構成（vi）を示した断面図である。図１１（ｆ）に示すように、構成（vi）においては、２つの磁気センサ４の感磁軸２１が空隙部２の幅方向の中心線２２に対して９０°又は－９０°傾斜した構成である以外は構成（ii）と同じ条件として良い。特に構成（vi）に示すように２つの磁気センサ４の感磁軸２１を空隙部２の幅方向の中心線２２に対して９０°又は－９０°傾斜させることにより、電流値の増減に対し線形性の高い測定が可能であるため好ましい。さらに空隙部２の厚み方向の中心線２３に対して対称な位置に２つの磁気センサ４を配置すると、電流によって発生する磁界を減衰する効果が最も大きく、大電流の測定も可能となるため特に好ましい。中心線２２に対して９０°又は－９０°傾斜した構成としてみなされる範囲としては、感磁軸２１と中心線２２との傾斜角が７５°～１０５°、又は－１０５°～－７５°の範囲が許容され、９０°又は－９０°が最も好ましい。
　図１２（ａ）は、電流量検出器１の構成（vi）の一の態様を示した斜視図、図１２（ｂ）は、その側面図、図１２（ｃ）は、その上面図である。当該一の態様に示すように、電流線３の主面が、磁気センサ４の主面及び基板５の主面と平行となるように、磁気センサ４及び基板５が電流線３の空隙部２に設けられていてもよい。
　また、図１３は、電流量検出器１の構成（vi）の別の態様を示した斜視図である。一の態様の変形例である別の態様では、図１３に示すように、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２に、階段状に形成された段差部１１が設けられている。電流線３のうち低い方から空隙部に延伸して基板５が設けられ、基板５の空隙部に位置する部分の両面に磁気センサ４がそれぞれ取り付けられている。これにより、２つの磁気センサ４を、取り付けの位置精度良く、且つ、簡便に、電流線３の空隙部２に設けることができる。迂回電流路の材質は大電流線１０の材質よりも比抵抗の大きな材質で構成することで、さらに電流量を低減することができるため好ましい。また、迂回電流路全体を薄いシールドで覆うことで、外部ノイズをさらに低減できるため好ましい。
　図１４は、電流量検出器１の構成（vi）のさらに別の態様を示した斜視図である。当該態様は、上記別の態様の変形例である。当該態様では、大電流が流れる大電流線１０から迂回する迂回電流路１２が形成され、迂回電流路１２の往路１３に上述した第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２が形成され、第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２との間に空隙部２が設けられている。そして、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２に、階段状に形成された段差部１１が設けられている。段差部１１のうち低い方に基板５が設けられ、基板５の両面に磁気センサ４がそれぞれ取り付けられている。迂回電流路１２の復路１４にも同様の段差部１１が設けられている。
（VII）構成（vii）
　図１１（ｇ）は、電流量検出器１の構成（vii）を示した断面図である。図１１（ｇ）
に示すように、構成（vii）においては、磁気センサ４の感磁軸２１が空隙部２の幅方向の中心線２２に対して９０°又は－９０°傾斜した構成である以外は構成（i）と同じ条件として良い。特に構成（vii）に示すように磁気センサ４の感磁軸２１を空隙部２の幅方向の中心線２２に対して９０°又は－９０°傾斜させることにより、電流値の増減に対し線形性の高い測定が可能であるため好ましい。中心線２２に対して９０°又は－９０°傾斜した構成としてみなされる範囲としては、感磁軸２１と中心線２２との傾斜角が７５°～１０５°、又は－１０５°～－７５°の範囲が許容され、９０°又は－９０°が最も好ましい。
（４）シミュレーション方法
　電磁界解析は株式会社JSOL社製J-MAG_STUDIOver.10を用いた。解析手法は有限要素法である。すなわち細分化された導体に流れる電流（細分化要素断面積と電流密度の積）によって発生する所定の場所の磁界を要素ごとに計算し、全要素について積算する方法である。用いた本方法では渦電流による電流密度の分布も考慮されている。
　本発明の実施の形態に基づきシミュレーションを行い、本発明の構成による効果を確認した。シミュレーション条件は以下の表の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１、２は、実施の形態１に基づく電流線３を示している。合流した後の電流路Ｔの断面積の和と、分岐して流れる第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の断面積は略一致しており、発熱などによる熱損失、電流密度変動を抑制している。第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２との間には、表１の条件に基づいて幅ｇ、長さ２０ｍｍ、厚さｔを有する空隙部２が設けられ、磁気センサ４は、幅方向の中心線から±ｇ／６の位置、厚さ方向の中心線の位置に配置され、感磁軸が幅方向中心線と平行に設けられている。分岐する前の電流路Ｐ及び合流した後の電流路Ｔの幅長はｗ、分岐位置での電流路Ｑ及び合流位置での電流路Ｓの幅長は３１ｍｍ、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の幅長はｗ／２であり、電流線３の厚さはｔである。電流線３の角部３１、３２、３３、３４、３５は丸みを帯びており、その曲率半径は１．５ｍｍである。電流線３の材質は無酸素銅とした。
　断面の面積、形状が同一である第１電流路Ｒ１と、第２電流路Ｒ２とに流れるそれぞれの電流が同振幅、同周波数、同位相であり、第１電流路Ｒ１と第２電流路Ｒ２との間に形成された空隙部２に少なくとも２つの磁気センサ４が配置されている。
　図３は、上述の実施例Ａ１に係る電流線に交流電流を１００Ｈｚの周波数で流した時の電流密度を表している。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、分岐位置での電流路Ｑ及び合流位置での電流路Ｓの全体に亘って、電流密度は１．０×１０６～１．５×１０６Ａ／ｍ２であった。一方、分岐位置での電流路Ｑ及び合流位置での電流路Ｓ以外の部分、即ち、分岐する前の電流路Ｐ及び第１電流路Ｒ１、第２電流路Ｒ２、合流した後の電流路Ｔの全体において、電流密度は１．５×１０６～２．０×１０６Ａ／ｍ２であった。また、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ａ－Ｂ断面の電流密度は、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２において、１．５×１０６～２．０×１０６Ａ／ｍ２であった。以上のように、１００Ｈｚの周波数では、電流密度は、電流線３の全体に亘って一様であった。
　図４は、上述の実施例Ａ１に係る電流線に交流電流を１ｋＨｚの周波数で流した時の電流密度を表している。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、電流線３の幅方向外側に２．５×１０６～３．０×１０６Ａ／ｍ２の高い電流密度領域が現れた。電流線３の幅方向内側の中心領域では、電流密度は、１．０×１０６～１．５×１０６Ａ／ｍ２であった。また、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ａ－Ｂ断面の電流密度は、幅方向外側の領域において２．０×１０６～２．５×１０６Ａ／ｍ２であった。一方、幅方向中心領域においてＡ－Ｂ断面の電流密度は、１．０×１０６～１．５×１０６Ａ／ｍ２であった。以上のように、１ｋＨｚの周波数では、電流密度は、電流線３の幅方向外側に高い電流密度領域が現れた。
　図５は、上述の実施例Ａ１に係る電流線に交流電流を１０ｋＨｚの周波数で流した時の電流密度を表している。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、電流線３の幅方向外側に４．５×１０６～５．０×１０６Ａ／ｍ２の極めて高い電流密度領域が現れた。また、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の幅方向内側にも、３．５×１０６～４．０×１０６Ａ／ｍ２の高い電流密度領域が現れた。電流線３の幅方向内側の中心領域では、電流密度は、２．０×１０６～２．５×１０６Ａ／ｍ２と電流線３の幅方向外側及び第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の内側に比して低かった。また、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ａ－Ｂ断面の電流密度は、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の幅方向外側及び幅方向内側に高い電流密度領域が現れるとともに、厚さ方向上側及び下側にも高い電流密度領域が現れた。以上のように、１０ｋＨｚの周波数では、電流密度は、電流線３の幅方向外側に高い電流密度領域が現れるとともに、電流線３の厚さ方向についても上側及び下側に高い電流密度領域が現れ始めた。
　図６は、上述の実施例Ａ１に係る電流線に交流電流を１００ｋＨｚの周波数で流した時の電流密度を表している。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、電流線３の表面全体に４．５×１０６～５．０×１０６Ａ／ｍ２の極めて高い電流密度領域が現れた。また、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ａ－Ｂ断面の電流密度は、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の幅方向外側及び幅方向内側に４．５×１０６～５．０×１０６Ａ／ｍ２と高い電流密度領域が現れるとともに、厚さ方向上側及び下側にも極めて高い電流密度領域が現れた。これに対して、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の中心付近、すなわち、第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２の幅方向中心領域及び厚さ方向中心領域においては、電流密度は０～０．５×１０６Ａ／ｍ２と低かった。以上のように、１００ｋＨｚの周波数では、電流密度は、電流線３の表皮部分に極めて高い電流密度領域が現れ、表皮部分と中心部分とで電流密度の差は極めて大きかった。このように、周波数に依存して、電流線３を流れる電流の電流密度は顕著に変化した。
　図７（ａ）は、実施例Ａ１に係る電流線における、１００Ｈｚ～１００ｋＨｚの周波数毎の第１電流路Ｒ１及び第２電流路Ｒ２が形成する空隙部２の垂直方向の磁束密度分布を示している。分岐する前の電流路Ｐ及び合流した後の電流路Ｔを流れる電流量は１２０Ａである。上述したように、周波数に依存して電流線３を流れる電流の電流密度は大きく変化する。しかしながら、電流線３を流れる電流により発生する磁束密度は、空隙部幅方向の±ｇ／６の範囲には、１００Ｈｚ～１００ｋＨｚまでの周波数領域において、一様な磁界勾配が形成されていることが分かった。同じく、厚さ方向には空隙部２近傍までに配置される方が交流及び直流外乱磁場の影響を受けにくい。
　図７（ｂ）は、磁束密度減衰比の空隙部幅方向の分布を示している。横軸は空隙部の幅方向の位置を示しており、縦軸は磁束密度減衰比ｒを示している。■は、周波数１ＭＨｚの場合の磁束密度と１０Ｈｚの場合の磁束密度との比率を示している。◆は、周波数１００ｋＨｚの場合の磁束密度と１００Ｈｚの場合の磁束密度との比率（即ち、当該比率は磁束密度減衰比ｒに相当する）を示している。図７（ｂ）に示すように、±１ｍｍの範囲においては、磁束密度減衰比ｒは０．８を超えており、磁気センサ４をこのような範囲に置いた場合良好な電流量検出器とすることができることが確認された。即ち、空隙部２の中心から±１ｍｍの位置における垂直方向の磁束密度の差分の出力は、±０．００１Ｔとなり、例えば薄膜磁気抵抗効果素子を磁界検出素子とした場合の動作範囲に適している（電流線３の外側などに配置した場合０．００３Ｔとなり検出素子が飽和し検出可能範囲外となる）ことが確認された。
　図８は、１０Ｈｚ～１ＭＨｚにおいて実施例Ａ２の空隙部２の中心から±１ｍｍの位置におけるＺ方向成分の磁束密度の差分の周波数特性を示している。横軸は印加電流の周波数［Ｈｚ］であり、縦軸は空隙部２の幅方向中央から±１ｍｍの位置における差分磁束密度［Ｔ］である。分岐する前の電流路Ｐ及び合流した後の電流路Ｔに流れる測定電流は１２０Ａである。１０Ｈｚから２００Ｈｚまでの領域（この領域を領域Ａと称する）においては、差分磁束密度は減衰しておらず、差分磁束密度と印加電流の周波数との関数は、領域Ａの周波数において、水平な直線に近似できる。そして、２００Ｈｚから３０ｋＨｚまでの領域（この領域を領域Ｂと称する）において、差分磁束密度が２００Ｈｚから減衰し始め、変曲点ｆ１を過ぎた辺りから変曲点ｆ２近くまで差分磁束密度と印加電流の周波数との関数の傾きが一定になる。そして、約３０ｋＨｚから１ＭＨｚまでの領域（この領域を領域Ｃと称する）において、差分磁束密度と印加電流の周波数との関数は、水平な直線に近似できる。ここで、便宜的に低周波側の変曲点をｆ１、高周波側の変曲点をｆ２と称する。周波数１ＭＨｚにおける差分磁束密度をＢｈとし、周波数１０Ｈｚにおける差分磁束密度をＢ１とすると、（Ｂｈ／Ｂ１）の値を減衰比ｒと定義する。
　図８の実施例Ａ２の印加電流と差分磁束密度と同様に、表１に示す他の実施例及び比較例について、図９Ａ～９Ｃに示す。縦軸は、空隙部２の幅方向中心より±ｇ／６の位置における差分磁束密度Ｂｚ［Ｔ］である。すべての条件で上述の変曲点ｆ１、ｆ２を有し、各変数の組み合わせによりｆ１、ｆ２が変化している。以上の結果のうちｔ／ｇ≦１となる実施例は減衰比ｒが０．５≦ｒ≦１となっており、比較例は０．５≦ｒ≦１となっていない。なお、空隙部２の電流が流れる方向の距離については、電流が流れる方向において電流密度分布の変動が小さい領域を有するのに十分な長さを有するものとする。
　図９Ａに示すように、空隙部２の厚さｔが増加するに伴い差分磁束密度は減少するとともに、減衰比ｒが大きくなっていった。図９Ｂにおいても、図９Ａと同様、厚さｔが増加するに伴い差分磁束密度は減少するとともに、減衰比ｒが大きくなっていった。図９Ｃにおいても、図９Ａと同様、厚さｔが増加するに伴い差分磁束密度は減少し、減衰比ｒが大きくなっていった。
　減衰比ｒについて、空隙部２の幅ｇと厚さｔとの比率（アスペクト比（ｔ／ｇ））との関係を、図１０に示す。横軸はアスペクト比（ｔ／ｇ）であり、縦軸は減衰比ｒである。図１０に示すように、幅ｗの値に拘わらず、アスペクト比と減衰比とをプロットしたものは、一の曲線上にあることが分かった。通常、電流量検出器として良好な機能を発揮するための減衰比ｒは、０．５以上が要求される。そうすると、図１０から、減衰比ｒ≧０．５を達成するためには、アスペクト比ｔ／ｇは、ｔ／ｇ≦１を満たす必要があることが分かった。
　図１５～２０は、実施例Ａ１に基づいて、空隙部２の中であれば、磁束密度が一様であることを説明するためのグラフである。図１５は、空隙部２のいずれの場所を測定したかを示した図である。図１６は、導体板厚方向中央から高さ方向に＋１ｍｍ、幅方向板幅中央から±５ｍｍの点（すなわち、図１５において(i)により示される点）における幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を、図１７は、導体板厚方向中央から高さ方向に＋１．５ｍｍ、幅方向板幅中央から±５ｍｍの点（すなわち、図１５において(ii)により示される点）における幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を、図１８は、導体板厚方向中央部であって幅方向板幅中央から±５ｍｍの点（すなわち、図１５において(iii)により示される点）における幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を、図１９は、導体板厚方向中央から高さ方向に-１ｍｍ、幅方向板幅中央から±５ｍｍの点（すなわち、図１５において(iv)により示される点）における幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を、図２０は、導体板厚方向中央から高さ方向に-１．５ｍｍ、幅方向板幅中央から±５ｍｍの点（すなわち、図１５において(v)により示される点）における幅方向位置［ｍｍ］と厚さ方向磁束密度［Ｔ］との関係を示している。図１６～２０に示されているように、±ｇ／６の範囲においては、いずれの位置においても周波数の相違による変化は見られず、磁界が一様であることが分かった。
　図２２は、実施例Ａ１に係る電流線を用いて測定されたグラフであり、空隙部２の中であれば、厚さ方向の相違によらず、厚さ方向磁束密度［Ｔ］がそれ程変化しないことを示している。図２１は、２つの測定位置（すなわち、空隙部２の幅方向中心線から左側の位置(i)、及び、空隙部２の幅方向中心線から右側の位置(ii)）を示しており、図２２における（i）は、空隙部２の幅方向中心線から左側の位置における厚さ方向磁束密度［Ｔ］であり、図２２における（ii）は、空隙部２の幅方向中心線から右側の位置における厚さ方向磁束密度［Ｔ］である。図２２に示すように、厚さ方向の位置の相違により磁束密度が変化しないこと、すなわち、厚さ方向に関して、磁界が一様であることが分かった。
　１　電流量検出器
　２　空隙部
　３　電流線
　４　磁気センサ
　５　基板

Claims (11)

  1. 　分岐位置と合流位置との間に空隙部を有し、前記空隙部により分離された、同一の断面積を有する第１電流路及び第２電流路を有する電流線と、
    　前記空隙部に設けられ、前記電流線を流れる測定電流により発生する磁界を検出する磁気センサと、を有する電流量検出器であって、
    　前記空隙部の幅ｇと厚さｔとは、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満たし、前記空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に前記磁気センサが設けられることを特徴とする電流量検出器。
  2. 　前記空隙部の幅ｇと厚さｔとが、厚さｔ／幅ｇ≦１の関係を満たすことにより、前記空隙部の幅方向中心から±ｇ／６の領域内に、前記測定電流の周波数の変動に拘わらず一様な磁界勾配が形成され、前記磁気センサが設けられた位置における感磁軸の磁界成分の減衰比ｒが周波数に依存することなく０．５≦ｒ≦１の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電流量検出器。
  3. 　少なくとも２つの磁気センサを有し、各磁気センサの感磁軸は互いに平行であり、各磁気センサの差動により電流量が検出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流量検出器。
  4. 　前記空隙部の幅ｇと厚さｔとが、ｔ／ｇ≦０．５の関係を満たすことにより、前記磁気センサの位置での感磁軸の磁界成分の減衰比ｒは周波数に依存することなく０．８≦ｒ≦１の関係を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の電流量検出器。
  5. 　前記空隙部の幅ｇと厚さｔとが、ｔ／ｇ≦０．２５の関係を満たすことにより、前記磁気センサの位置での感磁軸の磁界成分の減衰比ｒは周波数に依存することなく０．９５≦ｒ≦１であることを特徴とする請求項４に記載の電流量検出器。
  6. 　前記感磁軸を有する磁気センサは、感磁面内の磁界を検出する磁気抵抗効果素子を有し、前記感磁軸は感磁面内にあり、前記磁気センサにより、第１電流路及び第２電流路から発生する誘導磁界の合成磁界の感磁軸の磁界成分に基づいて電流量を検出することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の電流量検出器。
  7. 　前記磁気センサは、空隙部の厚み方向の中心線上であって、幅方向の中心線上でない位置に配置され、感磁軸は電流の流れる方向に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の電流量検出器。
  8. 　前記磁気センサは、空隙部の幅方向の中心線上であって、厚み方向の中心線上でない位置に配置され、感磁軸は電流の流れる方向に対して水平に配置されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の電流量検出器。
  9. 　前記磁気センサは、空隙部の中心に対して対称に２つ配置されていることを特徴とする請求項７又は８のいずれかに記載の電流量検出器。
  10. 　前記電流線は、前記第１電流路及び前記第２電流路の上面と、前記分岐位置あるいは前記合流位置を含む電流路上面と、が段差となるように構成されていることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の電流量検出器。
  11. 　主電流路と、前記主電流路から分岐され前記主電流路と合流する迂回電流路と、を有する電流線と、当該迂回電流路に設けられた請求項１～１０のいずれかに記載の電流量検出器と、を有してなることを特徴とする電流量検出器。
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