WO2015174247A1 - 電流センサ - Google Patents

Abstract

　電流センサは、測定対象の電流が流れる１次導体(１１０)と、１次導体(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(１２０)とを備える。１次導体(１１０)は、１次導体(１１０)の表面から裏面まで貫通した少なくとも１つの貫通部(１１０ｈ)、または、１次導体(１１０)の表面若しくは裏面に設けられた少なくとも１つの凹部を有する。磁気センサ(１２０)は、１次導体(１１０)の表面側若しくは裏面側において貫通部(１１０ｈ)または凹部の外側の位置、かつ、平面視にて貫通部(１１０ｈ)または凹部と重なる位置に配置され、１次導体(１１０)の表面と裏面とを最短で結ぶ方向および上記電流が流れる方向の両方と直交する方向の磁界を検出可能とされている。

Description

電流センサ

　本発明は、電流センサに関し、特に、大電流を計測する電流センサに関する。

　従来、被測定電流が流れる１次導体と磁気センサとを備える電流センサが、開発されている。磁気センサは、磁気抵抗素子を有し、１次導体の周囲に配置される。電流センサは、１次導体を流れる被測定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り、被測定電流の大きさを測定する。

　電流センサにおいては、被測定電流により発生する磁界とは異なる外部磁界の影響が小さいことが望ましい。外部磁界の影響を小さくするために複数の磁気センサを用いた電流センサを開示した先行文献として、特開２００５－１９５４２７号公報(特許文献１)、特開２０１３－１３４２０２号公報(特許文献２)および特開２００１－７４７８２号公報(特許文献３)がある。

　特許文献１に記載された電流センサにおいては、２つの磁気センサを備え、２つの磁気センサの出力の差分から被測定電流値を算出している。

　特許文献２に記載された電流センサにおいては、被測定電流により発生する磁界の向きに平行な主感度軸を有する２つの磁気センサと、被測定電流により発生する磁界の向きに直交する主感度軸を有する２つの磁気センサとを備え、それらの出力を演算処理することにより被測定電流値を算出している。

　特許文献３に記載された電流センサにおいては、１次導体に貫通孔が設けられることにより第１分岐路および第２分岐路が形成され、貫通孔に外部磁界検出用の第１磁気センサが配置され、第１分岐路および第２分岐路を含む平面と同一平面上であって第１分岐路または第２分岐路の外側に第２磁気センサが配置されている。第２磁気センサの出力から第１磁気センサの出力を除去することにより、被測定電流値を算出している。

　１次導体に凹部または貫通孔を設けた電流センサを開示した先行文献として、特開２０１２－７８２３２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においては、磁気センサを１次導体の凹部内または貫通孔内に配置することにより、磁気センサの感度を調整している。

特開２００５－１９５４２７号公報 特開２０１３－１３４２０２号公報 特開２００１－７４７８２号公報 特開２０１２－７８２３２号公報

　特許文献１，２に記載された電流センサにおいては、被測定電流により発生する磁界の強度が位置によって大きく変化する場合、２つの磁気センサの各々が配置される位置によっては、磁気センサに加わる磁界の強度にばらつきが生ずる。そのため、２つの磁気センサの測定結果の再現性が劣るため、被測定電流の大きさを安定して測定することができない。

　特許文献３に記載された電流センサにおいては、第１分岐路と第２分岐路との非対称性、および、１次導体の厚さと磁気センサの高さとの制約などにより、貫通孔の内部において磁束が打ち消し合う位置に第１磁気センサを配置することは困難である。

　特許文献４に記載された電流センサにおいては、磁気センサの感磁方向がＸ軸方向であり、磁気センサは凹部または貫通孔内のＸ－Ｙ平面に配置されている。磁気センサと電源とを接続する配線と、磁気センサと検出部とを接続する配線とが、Ｘ－Ｙ平面に配置されている場合、磁気センサと電源とを接続する配線により形成されたループ内、および、磁気センサと検出部とを接続する配線により形成されたループ内を、Ｚ軸方向の磁束が貫くことにより誘導起電力が発生する。この誘導起電力がノイズとなって、電流センサの出力信号に重畳することにより、電流センサの精度が低下することがある。

　磁気センサは感磁方向以外の方向の磁界も検出することがある。また、感磁方向以外の方向の磁界は、磁気センサの感度に影響を及ぼす。このため、磁気センサが配置される位置に感磁方向以外の方向の大きな磁界が存在する場合、感磁方向以外の方向の磁界がノイズとなって電流センサの精度を低下させる。このため、磁気センサが配置される位置における感磁方向以外の方向の磁界は、できる限り小さいことが望ましい。

　特許文献４に記載された電流センサにおいて磁気センサが配置されている１次導体の凹部内または貫通孔内においては、感磁方向の磁界であるＸ軸方向の磁界がＹ軸方向の磁界およびＺ軸方向の磁界より大きい領域は、狭い。

　これは、凹部または貫通孔の内周壁が磁気センサの近くに存在するためである。凹部または貫通孔の内周壁からはＺ軸方向の磁界が発生し、その磁界の強度は内周壁の高さの中心線上であって、凹部または貫通孔の中心点以外の位置で高くなる。

　このため、特許文献４に記載された電流センサにおいては、感磁方向の磁界であるＸ軸方向の磁界がＹ軸方向の磁界およびＺ軸方向の磁界よりも大きい領域内に磁気センサを配置することが困難である。

　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、安定して被測定電流を測定でき、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１次導体と、１次導体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。１次導体は、１次導体の表面から裏面まで貫通した少なくとも１つの貫通部、または、１次導体の表面若しくは裏面に設けられた少なくとも１つの凹部を有する。磁気センサは、１次導体の表面側若しくは裏面側において貫通部または凹部の外側の位置、かつ、平面視にて貫通部または凹部と重なる位置に配置され、１次導体の表面と裏面とを最短で結ぶ方向および上記電流が流れる方向の両方と直交する方向の磁界を検出可能とされている。

　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磁気センサと第２磁気センサとを備える。第１磁気センサと第２磁気センサとは、１次導体を挟んで互いに反対側に位置している。

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

　本発明の一形態においては、電流センサは、第１磁気センサの検出値と第２磁気センサの検出値とを演算することにより上記電流の値を算出する算出部をさらに備える。１次導体を流れる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、１次導体と間隔を置いて、１次導体との間に磁気センサを挟んで位置する磁性体をさらに備える。

　本発明によれば、安定して被測定電流を測定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分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す平面図である。 図２の電流センサをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。 比較例に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。 実施例に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。 実施例に係る１次導体の周囲に発生する磁界を模式的に示す断面図である。 比較例および実施例に係る１次導体の中央の直上に位置する基準線上における、１次導体の表面からの距離とＸ軸方向の磁束密度との関係を示すグラフである。 磁気抵抗素子に作用する磁束密度と磁気抵抗素子の出力電圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る電流センサにおいて、回路基板に実装された電子部品と磁気センサとを配線で接続した状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の第１変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の第２変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の第３変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の第４変形例に係る電流センサの１次導体の外形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構成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回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３に係る電流センサの外観を示す斜視図である。 図１７の電流センサをＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態４に係る電流センサの外観を示す斜視図である。 図１９の電流センサをＸＸ－ＸＸ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態５に係る電流センサの構成を示す断面図である。

　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。

　(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分解斜視図である。図２は、本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す平面図である。図３は、図２の電流センサをＩＩＩ－ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１～３においては、後述する１次導体１１０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１１０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１１０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。

　図１～３に示すように、本発明の実施形態１に係る電流センサ１００は、測定対象の電流が流れる１次導体１１０と、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さを検出する磁気センサ１２０とを備える。

　本実施形態においては、１次導体１１０は、１次導体１１０の表面から裏面まで貫通した１つの貫通部を有している。具体的には、平板状の１次導体１１０の中央に、平面視にて円形の貫通孔１１０ｈが設けられている。電流は、１次導体１１０をＹ軸方向に流れる。

　本実施形態においては、１次導体１１０は、銅で構成されている。ただし、１次導体１１０の材料はこれに限られず、銀、アルミニウムなどの金属またはこれらの金属を含む合金でもよい。

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

　本実施形態においては、薄板をプレス加工することにより１次導体１１０を形成している。ただし、１次導体１１０の形成方法はこれに限られず、切削または鋳造などの方法によって１次導体１１０を形成してもよい。

　磁気センサ１２０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。磁気センサ１２０の検出軸の方向(感磁方向)は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)である。

　図４に示すように、本実施形態に係る電流センサ１００において、磁気センサ１２０は、４つのＡＭＲ(Anisotropic　Magneto　Resistance)素子からなるホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を有する。磁気センサ１２０は、差動増幅器および受動素子と接続されている。

　ＡＭＲ素子は、バーバーポール型電極を含むことによって、奇関数入出力特性を有している。なお、磁気センサ１２０が、ＡＭＲ素子に代えて、ＧＭＲ(Giant　Magneto　Resistance)若しくはＴＭＲ(Tunnel　Magneto　Resistance)などの磁気抵抗素子またはホール素子を有していてもよい。また、磁気センサ１２０が、２つの磁気抵抗素子からなるハーフ・ブリッジ回路を有していてもよい。

　図１～３に示すように、磁気センサ１２０は、差動増幅器および受動素子と共に回路基板１３０に実装されている。なお、図１～３においては、差動増幅器および受動素子は図示していない。差動増幅器および受動素子は、磁気センサ１２０が実装されている回路基板１３０とは異なる回路基板に、実装されていてもよい。

　本実施形態においては、磁気センサ１２０は、１次導体１１０の表面側において貫通部の外側の位置かつ平面視にて貫通部と重なる位置に配置されている。具体的には、回路基板１３０が、１次導体１１０の表面上に載置されている。磁気センサ１２０は、回路基板１３０を１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直上に位置している。

　上記のように、磁気センサ１２０の検出軸の方向(感磁方向)は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)である。すなわち、磁気センサ１２０は、１次導体１１０の表面と裏面とを最短で結ぶ方向(Ｚ軸方向)および電流が流れる方向(Ｙ軸方向)の両方と直交する方向(Ｘ軸方向)の磁界を検出可能とされている。

　ここで、貫通部を有さない比較例の１次導体１１０、および、貫通孔１１０ｈが設けられた実施例の１次導体１１０について、１次導体１１０の中央の直上の位置における、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離と磁束密度との関係をシミュレーション解析した結果について説明する。

　図５は、比較例に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。図６は、実施例に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。図５，６に示すように、比較例および実施例において、１次導体１１０の横断面の外形は、幅３０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとした。実施例に係る１次導体１１０の中央に、直径２ｍｍの貫通孔１１０ｈを設けた。比較例および実施例において、１次導体１１０を流れる電流の値を１００Ａとして、図５，６に示すように、１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上における磁束密度分布をシミュレーション解析により算出した。

　図７は、実施例に係る１次導体の周囲に発生する磁界を模式的に示す断面図である。図７においては、図６と同一の断面視にて図示している。図８は、比較例および実施例に係る１次導体の中央の直上に位置する基準線上における、１次導体の表面からの距離とＸ軸方向の磁束密度との関係を示すグラフである。図８においては、縦軸に磁束密度(ｍＴ)、横軸に１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離(ｍｍ)を示している。また、図８においては、実施例に係る１次導体１１０のデータを実線で、比較例に係る１次導体１１０のデータを点線で示している。

　図７に示すように、いわゆる右ねじの法則によって、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により磁界１１０ｅが発生する。同様に、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により磁界１１０ｅが発生する。

　１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上においては、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＺ軸方向の磁束密度ＬＺと、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＺ軸方向の磁束密度ＲＺとが、打ち消し合う。一方、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＸ軸方向の磁束密度ＬＸと、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＸ軸方向の磁束密度ＲＸとが、組み合わされる。

　図８に示すように、比較例に係る１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離が大きくなるに従って低下している。一方、実施例に係る１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離が４ｍｍに到達するまでは距離が大きくなるに従って増加し、１次導体１１０の表面１１０ｓから４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の位置においては略一定になっている。

　実施例に係る１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離に関わらず、比較例に係る１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度より低くなっている。これは、貫通孔１１０ｈの部分に、電流が流れていないためである。

　このシミュレーション解析の結果から分かるように、本実施形態に係る電流センサ１００においては、磁気センサ１２０を、１次導体１１０の表面側において貫通孔１１０ｈの外側の位置かつ平面視にて貫通孔１１０ｈと重なる位置に配置することにより、磁気センサ１２０に作用する磁束密度を低減することができる。よって、１次導体１１０に大電流が流れた場合においても、磁気センサ１２０の磁気抵抗素子が磁気飽和することを抑制することができる。

　図９は、磁気抵抗素子に作用する磁束密度と磁気抵抗素子の出力電圧との関係を示すグラフである。図９においては、縦軸に磁気抵抗素子の出力電圧、横軸に磁気抵抗素子に作用する磁束密度を示している。

　図９に示すように、磁気抵抗素子が磁気飽和していない第１領域Ｔ₁においては、磁気抵抗素子に作用する磁束密度の増加に比例して磁気抵抗素子の出力電圧が増加する。磁気抵抗素子が磁気飽和している第２領域Ｔ₂においては、磁気抵抗効果素子に作用する磁束密度が増加しても磁気抵抗素子の出力電圧はほとんど増加しない。

　本実施形態に係る電流センサ１００においては、複雑な回路によらずに１次導体１１０に貫通孔１１０ｈを設けた簡易な構造で磁気抵抗素子に作用する磁束密度を低減することにより、磁気センサ１２０を第１領域Ｔ₁にて動作させることができる。その結果、電流センサ１００の入力ダイナミックレンジを拡大させることができ、電流センサ１００によって大電流を正確に測定することが可能となる。

　また、磁気センサ１２０を、１次導体１１０の表面側において貫通孔１１０ｈの外側の位置かつ平面視にて貫通孔１１０ｈと重なる位置に配置することにより、磁気センサ１２０に作用するＸ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、磁気センサ１２０に加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ１００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

　上記のように、実施例に係る１次導体１１０の中央の直上に位置する基準線１上において、１次導体１１０の表面１１０ｓから４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の位置は、Ｘ軸方向の磁束密度が略一定になっているロバスト領域である。

　本実施形態に係る電流センサ１００においては、磁気センサ１２０が、回路基板１３０を１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直上に位置していることにより、磁気センサ１２０がロバスト領域内に位置している。すなわち、磁気センサ１２０がロバスト領域内に位置するように、回路基板１３０の厚さを適宜設定している。

　磁気センサ１２０をロバスト領域内に位置させることにより、磁気センサ１２０に加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを安定して抑制できる。その結果、電流センサ１００によって被測定電流の大きさをさらに安定して測定することができる。

　図１０は、本実施形態に係る電流センサにおいて、回路基板に実装された電子部品と磁気センサとを配線で接続した状態を示す斜視図である。図１０に示すように、電源または検出部などの電子部品１４０を回路基板１３０に実装して、磁気センサ１２０と電子部品１４０とを配線１５０で接続した場合、配線１５０により形成されたループ内を、Ｚ軸方向の磁束ＢＺが貫くことにより誘導起電力が発生する。

　しかし、本実施形態に係る電流センサ１００においては、磁気センサ１２０を、１次導体１１０の表面側において貫通孔１１０ｈの外側の位置かつ平面視にて貫通孔１１０ｈと重なる位置に配置することにより、Ｚ軸方向の磁束ＢＺが少ない位置に、配線１５０により形成されたループを位置させることができる。その結果、配線１５０により形成されたループ内をＺ軸方向の磁束ＢＺが貫くことにより発生する誘導起電力に起因するノイズを低減できるため、電流センサ１００の精度が低下することを抑制できる。

　また、図７に示すように、１次導体１１０の表面側において貫通孔１１０ｈの外側の位置においては、磁気センサ１２０の感磁方向の磁界であるＸ軸方向の磁界がＹ軸方向の磁界およびＺ軸方向の磁界より大きい領域が広い。よって、磁気センサ１２０の感磁方向の磁界であるＸ軸方向の磁界がＹ軸方向の磁界およびＺ軸方向の磁界より大きい領域内に、磁気センサ１２０を容易に配置することができる。その結果、電流センサ１００を容易に製造することができる。

　なお、本実施形態に係る電流センサ１００においては、１次導体１１０に平面視にて円形の貫通孔１１０ｈを設けたが、貫通部の形状はこれに限られず、また、貫通部の代わりに凹部が設けられていてもよい。さらに、１次導体１１０に複数の貫通部または凹部が設けられていてもよい。

　以下、本実施形態の変形例に係る電流センサについて説明する。なお、以下の変形例に係る電流センサは、１次導体１１０に設けられる貫通部または凹部の形状のみ、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。

　図１１は、本実施形態の第１変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。図１２は、本実施形態の第２変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。図１３は、本実施形態の第３変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。図１４は、本実施形態の第４変形例に係る電流センサの１次導体の外形を示す斜視図である。

　図１１に示すように、１次導体１１０に、平面視にて楕円形の貫通孔１１０ｈ₁が設けられていてもよい。図１２に示すように、１次導体１１０に、平面視にて矩形の貫通孔１１０ｈ₂が設けられていてもよい。この他にも、貫通孔の平面形状は、三角形などの多角形であってもよい。

　図１３に示すように、１次導体１１０に、Ｙ軸方向に延びる貫通溝１１０ｈ₃が設けられていてもよい。磁気センサ１２０のＹ軸方向の位置決めの観点から、貫通孔の直上に磁気センサ１２０を配置する場合に比較して、貫通溝１１０ｈ₃の直上に磁気センサ１２０を配置する方が容易である。そのため、貫通孔に代えて１次導体１１０に貫通溝１１０ｈ₃を設けることによって、電流センサをさらに容易に製造することができる。

　図１４に示すように、１次導体１１０の表面に、平面視にて矩形の凹部１１０ｈ₄が設けられていてもよい。凹部１１０ｈ₄の平面形状は、矩形に限られず、円形、楕円形または三角形などの多角形であってもよい。第４変形例においては、凹部１１０ｈ₄の底部の上面は、平面であるが、湾曲面であってもよい。

　凹部１１０ｈ₄が設けられた１次導体１１０においては、凹部１１０ｈ₄の底部にて、他の部分に比較して流れる電流が少なくなる。そのため、１次導体１１０の表面側において凹部１１０ｈ₄の外側の位置かつ平面視にて凹部１１０ｈ₄と重なる位置においては、Ｘ軸方向の磁束密度が低減する。

　よって、磁気センサ１２０を、１次導体１１０の表面側において凹部１１０ｈ₄の外側の位置かつ平面視にて凹部１１０ｈ₄と重なる位置に配置することにより、磁気センサ１２０に作用するＸ軸方向の磁束密度を低減することができるため、磁気センサ１２０に加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサによって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

　上記のように、１次導体１１０に貫通部または凹部を設けることにより、磁気センサ１２０に作用する磁束密度を低減することができる。貫通部または凹部の平面形状、大きさおよび形成数などを変更することにより、電流センサの入力ダイナミックレンジを調整できる。

　なお、１次導体１１０における損失の観点からは、１次導体１１０に占める貫通部または凹部の体積は小さい方が好ましい。１次導体１１０に占める貫通部または凹部の体積が大きい場合、１次導体１１０を流れる電流密度が高くなって発熱し、電気エネルギーがジュール熱として消費されて損失が大きくなる。磁気センサ１２０の配置の容易さの観点からは、貫通部または凹部が１次導体１１０の中央付近に設けられていることが好ましい。

　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。なお、本実施形態に係る電流センサは、２つの磁気センサを備える点が主に実施形態１に係る電流センサ１００とは異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

　(実施形態２)
　図１５は、本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１６は、本発明の実施形態２に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１５においては、図３と同一の断面視にて図示している。

　図１５に示すように、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００においては、第１磁気センサ１２０ａが、１次導体１１０の表面側において貫通部の外側の位置かつ平面視にて貫通部と重なる位置に配置され、第２磁気センサ１２０ｂが、１次導体１１０の裏面側において貫通部の外側の位置かつ平面視にて貫通部と重なる位置に配置されている。

　具体的には、第１回路基板１３０ａが、１次導体１１０の表面上に載置されている。第１磁気センサ１２０ａは、第１回路基板１３０ａを１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直上に位置している。第２回路基板１３０ｂが、１次導体１１０の裏面上に配置されている。第２磁気センサ１２０ｂは、第２回路基板１３０ｂを１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直下に位置している。すなわち、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとは、１次導体１１０を挟んで互いに反対側に位置している。第１回路基板１３０ａおよび第２回路基板１３０ｂの各々は、図示しない筐体に固定されている。筐体は、たとえば、ＡＢＳ(Acrylonitrile　Butadiene　Styrene)樹脂などの樹脂で構成されている。なお、１次導体１１０に貫通部の代わりに凹部が設けられていてもよい。

　第１磁気センサ１２０ａは、差動増幅器および受動素子と共に第１回路基板１３０ａに実装されている。第２磁気センサ１２０ｂの各々は、差動増幅器および受動素子と共に第２回路基板１３０ｂに実装されている。なお、図１５においては、差動増幅器および受動素子は図示していない。

　第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸の方向(感磁方向)は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)である。すなわち、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の表面と裏面とを最短で結ぶ方向(Ｚ軸方向)および電流が流れる方向(Ｙ軸方向)の両方と直交する方向(Ｘ軸方向)の磁界を検出可能とされている。

　第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、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、入出力特性を有している。具体的には、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の磁気抵抗素子は、バーバーポール型電極を含むことにより、所定の角度に電流が流れるようにバイアスされている。第１磁気センサ１２０ａの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向と、第２磁気センサ１２０ｂの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向とは、同一方向である。これにより、外部磁界の影響による出力精度の低下を小さくすることができる。

　図１６に示すように、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、４つの磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路を有している。電流センサ２００は、第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とを演算することにより１次導体１１０を流れる電流の値を算出する算出部１９０を備える。算出部１９０は、差動増幅器である。ただし、算出部１９０が減算器であってもよい。

　図７に示すように、１次導体１１０の表面側において貫通部の外側の位置かつ平面視にて貫通部と重なる位置と、１次導体１１０の裏面側において貫通部の外側の位置かつ平面視にて貫通部と重なる位置とでは、Ｘ軸方向の磁束の向きが互いに反対方向となる。

　すなわち、第１磁気センサ１２０ａに作用する磁束の向きと、第２磁気センサ１２０ｂに作用する磁束の向きとが反対であるため、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサ１２０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１２０ｂの検出値の位相とは、逆相である。

　よって、第１磁気センサ１２０ａの検出した磁界の強さを正の値とすると、第２磁気センサ１２０ｂの検出した磁界の強さは負の値となる。第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とは、算出部１９０に送信される。

　算出部１９０は、第１磁気センサ１２０ａの検出値から第２磁気センサ１２０ｂの検出値を減算する。この結果から、１次導体１１０を流れた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１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの間に、第１回路基板１３０ａ、第２回路基板１３０ｂおよび１次導体１１０が位置しているため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの間に位置することができない。

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

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

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

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

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

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

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

　本実施形態に係る電流センサ２００においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに作用するＸ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ２００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

　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。なお、本実施形態に係る電流センサは、磁性体を備える点が主に実施形態１に係る電流センサ１００とは異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

　(実施形態３)
　図１７は、本発明の実施形態３に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図１８は、図１７の電流センサをＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１７，１８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、１次導体１１０と間隔を置いて、１次導体１１０との間に磁気センサ１２０を挟んで位置する磁性体１７０をさらに備える。

　具体的には、磁気センサ１２０を実装した回路基板１３０が載置された１次導体１１０を、電気絶縁性を有する筐体１６０内に配置している。筐体１６０は、１次導体１１０を支持する支持部１６１を内側に有する。筐体１６０の天井部および底部の両方に、板状の磁性体１７０が埋設されている。筐体１６０の天井部に埋設された磁性体１７０は、１次導体１１０の表面側に位置している。筐体１６０の底部に埋設された磁性体１７０は、１次導体１１０の裏面側に位置している。

　磁性体１７０は、フェライトまたはパーマロイなどの磁性体で構成されている。磁性体１７０を１次導体１１０の表面側と裏面側とに配置して、磁性体１７０によって磁気センサ１２０を挟むことにより、磁気センサ１２０の周囲の磁場分布をＺ軸方向において圧縮することができる。その結果、電流センサ３００を低背化できる。また、磁気センサ１２０に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、電流センサ３００の入力ダイナミックレンジを拡大することができる。

　本実施形態に係る電流センサ３００においては、磁気センサ１２０に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、磁気センサ１２０に加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ３００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

　また、１次導体１１０と磁性体１７０との間隔を変更することにより、ロバスト領域の位置、および、磁気センサ１２０に作用する磁束密度の各々を調整できる。

　以下、本発明の実施形態４に係る電流センサについて説明する。なお、本実施形態に係る電流センサは、磁性体を備える点が主に実施形態２に係る電流センサ２００とは異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

　(実施形態４)
　図１９は、本発明の実施形態４に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図２０は、図１９の電流センサをＸＸ－ＸＸ線矢印方向から見た断面図である。図１９，２０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、１次導体１１０と間隔を置いて、１次導体１１０との間に第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂをそれぞれ挟んで位置する磁性体１７０をさらに備える。

　具体的には、第１磁気センサ１２０ａを実装した第１回路基板１３０ａが表面上に載置され、第２磁気センサ１２０ｂを実装した第２回路基板１３０ｂが裏面上に配置された１次導体１１０を、電気絶縁性を有する筐体１６０内に配置している。第１回路基板１３０ａおよび第２回路基板１３０ｂの各々は、筐体１６０に固定されている。

　筐体１６０は、１次導体１１０を支持する支持部１６１を内側に有する。筐体１６０の天井部および底部の各々に、２枚の板状の磁性体１７０が埋設されている。筐体１６０の両側部の各々に、１枚の板状の磁性体１７０が埋設されている。筐体１６０の天井部に埋設された磁性体１７０は、１次導体１１０の表面側に位置している。筐体１６０の底部に埋設された磁性体１７０は、１次導体１１０の裏面側に位置している。

　磁性体１７０は、フェライトまたはパーマロイなどの磁性体で構成されている。磁性体１７０を１次導体１１０の表面側と裏面側とに配置して、磁性体１７０によって第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂを挟むことにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの周囲の磁場分布をＺ軸方向において圧縮することができる。その結果、電流センサ４００を低背化できる。また、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、電流センサ４００の入力ダイナミックレンジを拡大することができる。

　本実施形態に係る電流センサ４００においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ４００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

　また、１次導体１１０と磁性体１７０との間隔を変更することにより、ロバスト領域の位置、および、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに作用する磁束密度の各々を調整できる。

　さらに、磁性体１７０によって、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの周囲を囲むことにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに外部磁界が及ぶことを抑制できる。

　また、外部磁界のうちの高周波成分は、表皮効果によって磁性体１７０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、磁性体１７０の内側に配置された第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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、磁性体１７０の厚さの寸法が決定されている。

　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。なお、本実施形態に係る電流センサは、１つの回路基板に２つの磁気センサが実装されている点が主に実施形態４に係る電流センサ４００とは異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

　(実施形態５)
　図２１は、本発明の実施形態５に係る電流センサの構成を示す断面図である。なお、図２１においては、図２０と同一の断面視にて図示している。図２１に示すように、本発明の実施形態５に係る電流センサ５００は、１次導体１１０と間隔を置いて、１次導体１１０との間に第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂをそれぞれ挟んで位置する磁性体１７０をさらに備える。

　具体的には、１次導体１１０が筐体１６０にネジ止めなどにより固定されている。回路基板１３０ｃの中央に、１次導体１１０が挿入される矩形状の貫通孔１３０ｈが設けられている。回路基板１３０ｃは、貫通孔１３０ｈに１次導体１１０を挿入された状態で、筐体１６０内に配置される。すなわち、回路基板１３０ｃは、１次導体１１０に垂直に位置している。

　第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、差動増幅器および受動素子と共に回路基板１３０ｃに実装されている。なお、図２１においては、差動増幅器および受動素子は図示していない。差動増幅器および受動素子は、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが実装されている回路基板１３０ｃとは異なる回路基板に、実装されていてもよい。

　第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、貫通孔１３０ｈを挟んで互いに反対側に位置している。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、貫通孔１３０ｈに対して間隔を置いて位置している。回路基板１３０ｃの貫通孔１３０ｈに１次導体１１０が挿入された状態において、第１磁気センサ１２０ａは貫通孔１１０ｈの直上に位置し、第２回路基板１３０ｂは貫通孔１１０ｈの直下に位置している。すなわち、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとは、１次導体１１０を挟んで互いに反対側に位置している。

　本実施形態に係る電流センサ５００においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、ロバスト領域内に位置している。すなわち、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂがロバスト領域内に位置するように、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々と貫通孔１３０ｈとの間隔を適宜設定している。

　第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸の方向(感磁方向)は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)である。すなわち、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の表面と裏面とを最短で結ぶ方向(Ｚ軸方向)および電流が流れる方向(Ｙ軸方向)の両方と直交する方向(Ｘ軸方向)の磁界を検出可能とされている。

　具体的には、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の磁気抵抗素子は、バーバーポール型電極を含むことにより、所定の角度に電流が流れるようにバイアスされている。第１磁気センサ１２０ａの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向と、第２磁気センサ１２０ｂの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向とは、同一方向である。これにより、外部磁界の影響による出力精度の低下を小さくすることができる。

　本実施形態にいては、筐体１６０の天井部、底部および両側部の各々に、１枚の板状の磁性体１７０が埋設されている。筐体１６０の天井部に埋設された磁性体１７０は、１次導体１１０の表面側に位置している。筐体１６０の底部に埋設された磁性体１７０は、１次導体１１０の裏面側に位置している。

　本実施形態に係る電流センサ５００においても、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ５００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

　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　基準線、１０　電流、１００，２００，３００，４００，５００　電流センサ、１１０　１次導体、１１０ｅ　磁界、１１０ｈ₁，１１０ｈ₂，１１０ｈ　貫通孔、１１０ｈ₃　貫通溝、１１０ｈ₄　凹部、１１０ｓ　表面、１２０　磁気センサ、１２０ａ　第１磁気センサ、１２０ｂ　第２磁気センサ、１３０，１３０ｃ　回路基板、１３０ａ　第１回路基板、１３０ｂ　第２回路基板、１３０ｈ　貫通孔、１４０　電子部品、１５０　配線、１６０　筐体、１６１　支持部、１７０　磁性体、１９０　算出部、ＢＺ　磁束、ＬＸ，ＬＺ，ＲＸ，ＲＺ　磁束密度、Ｔ₁　第１領域、Ｔ₂　第２領域。

Claims (5)

1. 　測定対象の電流が流れる１次導体と、
   　前記１次導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さを検出する少なくとも１つの磁気センサとを備え、
   　前記１次導体は、前記１次導体の表面から裏面まで貫通した少なくとも１つの貫通部、または、前記１次導体の前記表面若しくは前記裏面に設けられた少なくとも１つの凹部を有し、
   　前記磁気センサは、前記１次導体の表面側若しくは裏面側において前記貫通部または前記凹部の外側の位置、かつ、平面視にて前記貫通部または前記凹部と重なる位置に配置され、前記１次導体の前記表面と前記裏面とを最短で結ぶ方向および前記電流が流れる方向の両方と直交する方向の磁界を検出可能とされている、電流センサ。
2. 　前記磁気センサとして第１磁気センサと第２磁気センサとを備え、
   　前記第１磁気センサと前記第２磁気センサとは、前記１次導体を挟んで互いに反対側に位置している、請求項１に記載の電流センサ。
3. 　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１次導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さについて、前記第１磁気センサの検出値の位相と前記第２磁気センサの検出値の位相とが逆相であり、
   　前記算出部が減算器または差動増幅器である、請求項２に記載の電流センサ。
4. 　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１次導体を流れる前記電流により発生する磁界の強さについて、前記第１磁気センサの検出値の位相と前記第２磁気センサの検出値の位相とが同相であり、
   　前記算出部が加算器または加算増幅器である、請求項２に記載の電流センサ。
5. 　前記１次導体と間隔を置いて、前記１次導体との間に前記磁気センサを挟んで位置する磁性体をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の電流センサ。

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