WO2016194911A1 - 電流センサ - Google Patents

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WO2016194911A1
WO2016194911A1 PCT/JP2016/066057 JP2016066057W WO2016194911A1 WO 2016194911 A1 WO2016194911 A1 WO 2016194911A1 JP 2016066057 W JP2016066057 W JP 2016066057W WO 2016194911 A1 WO2016194911 A1 WO 2016194911A1
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WO
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current
magnetic
sensor
current path
frequency
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/066057
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English (en)
French (fr)
Inventor
蛇口　広行
Original Assignee
アルプス・グリーンデバイス株式会社
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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

Definitions

  • the present invention relates to a current sensor for detecting a measured current flowing in a current path.
  • the present invention relates to a current sensor suitable for measuring a current flowing through an inverter for motor control.
  • a current sensor including a magnetic sensor for detecting a magnetic field generated by a current to be measured has been used to measure the magnitude of a current flowing between various devices such as a battery, particularly a bus bar.
  • a magnetic sensor is arranged in a container closed by a case together with a bus bar, thereby constituting a current sensor as a whole and measuring the magnitude of the current flowing through the bus bar.
  • a current sensor having a configuration that suppresses the influence of an external magnetic field and improves frequency characteristics has been used.
  • the magnetic field is changed by the alternating current, and an eddy current is generated.
  • the current flowing through the bus bar passes outside the bus bar due to the skin effect, and as a result, a frequency characteristic occurs in which the magnetic field distribution generated by the current flowing through the bus bar varies depending on the frequency of the current to be measured.
  • the measurement accuracy was affected.
  • Patent Document 1 two magnetic shields made of a magnetic material on a flat plate are provided in a current sensor.
  • the magnetic sensor is arranged close to the end to improve the frequency characteristics of the current sensor.
  • the asymmetrical holes are formed in the bus bar and the magnetic sensor is arranged close to the end to improve the frequency characteristics of the current sensor.
  • the measurement position of the magnetic flux density is set in the vicinity of the bus bar where the magnetic flux density is measured to be the largest. Basically, it is considered that the measurement accuracy is higher when a large measurement value is obtained, and therefore the magnetic sensor is arranged around the bus bar.
  • Patent Document 1 discloses a parallel plate type current sensor. However, if the position of the magnetic sensor is shifted, the magnetic sensor is shifted from the center of the shield. For this reason, it becomes easy to receive the influence of an external magnetic field, and S / N deteriorates. On the other hand, since the frequency characteristics are not particularly taken into consideration when arranging the magnetic sensor, the magnitude of the magnetic field to be measured changes every time the frequency of the current to be measured is changed, which causes a problem in measurement accuracy.
  • Patent Document 2 discloses a current sensor that can measure the magnitude of the current regardless of the frequency of the current by shifting the position of the magnetic sensor from the center in consideration of the frequency characteristics.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a current sensor with improved measurement accuracy by avoiding the influence of an external magnetic field and factors that lower the magnetic field measurement accuracy due to the frequency of the current to be measured. Is to provide.
  • a current sensor includes a magnetic sensor for measuring an induced magnetic field generated by a current to be measured flowing in a current path, and two magnetic shields disposed so as to face each other with the current path and the magnetic sensor sandwiched from both sides.
  • the magnetic shield is a magnetic body and a conductor, and the magnetic sensor is disposed between one of the magnetic shields and the current path, and is orthogonal to a current direction in which the current to be measured flows in the current path.
  • the magnetic sensor is arranged in the center of the width in the width direction of the cross section, and the magnetic sensor detects the magnetic sensor detected by the magnetic sensor at the first frequency of the current and the magnetic sensor at a second frequency higher than the first frequency. Is disposed at a position where the magnetic field detected by the coincides with the magnetic field.
  • the magnetic shield since the magnetic shield is provided, when the current to be measured flows in the current path, an eddy current flows in the magnetic shield due to the magnetic field generated by the current to be measured, and both by the current to be measured and the eddy current. A magnetic field is generated between the current path and the magnetic shield.
  • the magnetic sensor since the magnetic sensor is arranged at the center of the width of the current path, the positional relationship is such that the influence of the magnetic field generated due to the current to be measured is increased, and the shielding effect is increased, so that the external magnetic field is increased. Can be reduced, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • the magnetic sensor is arranged at a position where the magnitude of the magnetic field detected by the magnetic sensor is the same at both the first frequency and the second frequency. Regardless of the magnitude of the frequency, the magnetic field can be measured with high accuracy, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • the magnetic sensor is disposed at a position closer to the one magnetic shield than the current path, between the one magnetic shield and the current path.
  • the magnitude of the measurement magnetic field decreases according to the distance from the current path, the change in the measurement magnetic field is moderate for high-frequency currents compared to low-frequency currents due to the skin effect. Therefore, by setting the magnetic field measurement position on the magnetic shield side of the current path, the magnitude of the magnetic field can be measured at a position where the fluctuation of the measurement magnetic field is small due to the influence of the frequency, thereby improving the accuracy of the current measurement. Can do.
  • a first central axis passing through a center of the current path in the width direction and extending in a direction orthogonal to the current direction, and a center of the cross section of the magnetic shield in the width direction.
  • the second central axis extending in a direction perpendicular to the current direction coincides with the magnetic sensor, and the magnetic sensor is disposed at a position passing through the first central axis and the second central axis.
  • the current path, the magnetic shield, and the magnetic sensor can be arranged at the same position in the center in the width direction to measure the current, the influence of the magnetic field generated due to the current to be measured As the positional relationship increases and the shielding effect increases, the influence of the external magnetic field can be reduced, thereby improving the accuracy of current measurement. Moreover, the measurement accuracy can be improved by arranging the magnetic field distribution in the center and stabilizing the magnetic field distribution.
  • the relative permeability of the magnetic shield is 1,000 or more, and the conductivity of the magnetic shield is 1.0 ⁇ 10 6 [S / m] or more.
  • the generated eddy current can be further increased, and the influence of the eddy current can be increased to the extent that it can be offset with the skin effect. be able to.
  • the relative permeability of the magnetic shield is 1,000,000 or less, and the conductivity of the magnetic shield is 100 ⁇ 10 6 [S / m] or less.
  • the first frequency is a minimum frequency defined in advance for a current flowing through the current path
  • the second frequency is a maximum frequency defined in advance for a current flowing through the current path.
  • the magnetic sensor is arranged at a position where the magnetic fields coincide with each other regardless of whether the magnetic field distribution generated by the highest frequency or the lowest frequency differs depending on the skin effect. Therefore, the magnetic field can be measured with high accuracy regardless of the magnitude of the frequency, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • a current sensor includes a magnetic sensor for measuring an induced magnetic field generated by a current to be measured flowing in a current path, and two magnetic shields disposed so as to face each other with the current path and the magnetic sensor sandwiched from both sides.
  • the magnetic shield is a magnetic body and a conductor, and an eddy current is generated inside when an alternating current flows through the current path, and the magnetic sensor is between one of the magnetic shields and the current path.
  • the current density at the center of the width in the width direction of the cross section of the current path generated according to the skin effect in the current path through which the current to be measured flows is the measured current
  • influence on the magnetic field generated by the flow is in a position between one and the current path of the magnetic shield is offset in a predetermined frequency band, wherein the magnetic sensor is arranged.
  • the magnetic shield since the magnetic shield is provided, when the current to be measured flows in the current path, an eddy current flows in the magnetic shield due to the magnetic field generated by the current to be measured, and the magnetic field is between the current path and the magnetic shield. Occurs.
  • the magnetic sensor since the magnetic sensor is arranged at the center of the width of the current path, the positional relationship is such that the influence of the magnetic field generated due to the current to be measured is increased, and the shielding effect is increased, so that the external magnetic field is increased. Can be reduced, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • the magnetic field distribution in the magnetic sensor also changes, but the magnetic sensor is arranged at a position where the influence of the eddy current on the magnetic field and the influence of the current path on the magnetic field are offset in a predetermined frequency band. Regardless of the magnitude of the frequency, the magnetic field can be measured with high accuracy, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • the present invention it is possible to provide a current sensor with improved measurement accuracy by avoiding the influence of an external magnetic field and factors that reduce the magnetic field measurement accuracy due to the frequency of the current to be measured.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the positional relationship between the current path 100 and the current sensor 200.
  • the current sensor 200 is disposed at a predetermined location of the current path 100.
  • the current sensor 200 includes a first magnetic shield 210, a second magnetic shield 310, and a magnetic sensor 220, and is a main body having a configuration necessary for measuring a current to be measured.
  • the current path 100 is also called a bus bar, is made of a material having good conductivity such as copper (Cu), and is formed in a flat plate shape that is wider than the thickness.
  • the material of the current path 100 is not limited to copper (Cu) and may be any material having good conductivity, such as aluminum (Al).
  • One end of the current path 100 is attached to the vehicle equipment side, and the other end is integrally attached to the battery terminal. When the power is turned on, a large current for supplying power flows through the current path 100, and this becomes the current to be measured. Since the present invention is not particularly limited to vehicle applications, the present invention can also be applied to current paths used in other power supply devices.
  • the first magnetic shield 210 and the second magnetic shield 310 are arranged to face each other with the current path 100 and the magnetic sensor 220 sandwiched from both sides, and are a magnetic body and a conductor.
  • the first magnetic shield 210 and the second magnetic shield 310 are also called ground conductors or shield layers, are made of metal extending in a planar shape, and may be grounded.
  • the first magnetic shield 210 and the second magnetic shield 310 are collectively referred to as a magnetic shield.
  • the main purpose of the magnetic shield is to reduce the influence of the magnetic field generated when there are magnets and adjacent current paths in the vicinity of the current sensor, that is, to suppress the influence of external noise. Has the effect of absorbing the induced magnetic field generated by the current to be measured. Normally, the action of absorbing this induced magnetic field reduces S from the viewpoint of the S / N ratio, and may be undesirable in design.
  • the magnetic sensor 220 is disposed between the first magnetic shield 210, which is one of the magnetic shields, and the current path 100, and measures an induced magnetic field generated by the current to be measured flowing through the current path 100.
  • the magnetic sensor 220 is an element that detects a magnetic field generated when a current flows in the current path 100, and uses, for example, a magnetic detection element (GMR (Giant Magneto Resistive) element) using a giant magnetoresistance effect. . Since this GMR element has a property that the resistance value of the GMR element changes according to the change of the magnetic field, the magnetic sensor 220 calculates the current to be measured flowing in the current path 100 from the change of the resistance value. Thus, the current to be measured flowing in the current path 100 can be measured.
  • GMR Magnetic Magnetic Magnetic
  • the magnetic detection element is not limited to a GMR element, but may be a Hall element.
  • the current sensor 200 measures the magnitude of the current to be measured when an alternating current flows through the current path 100.
  • the current to be measured is an alternating current
  • the frequency may be high or low.
  • the distribution of the current to be measured flowing through the current path differs depending on the frequency, and the resulting distribution of the magnetic field also changes.
  • the magnetic shield is provided, an eddy current is generated in the magnetic shield as a result of the current to be measured, and this eddy current also changes depending on the frequency.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the current density of the magnetic shield and the current path 100 when the frequency of the current to be measured is changed.
  • the current path 100, the first magnetic shield 210, and the second magnetic shield 310 are assigned the signs A and B, respectively, and the case where a low frequency current is passed and the case where a high frequency current is passed are divided. For the sake of explanation, they are only shown separately for convenience.
  • the diagram on the left side shows a case where a low-frequency current flows through the current path 100A.
  • the low frequency is, for example, in the range of 1-100 Hz. Since the frequency is low, a phenomenon caused by the high frequency does not occur in particular, and the current density is distributed almost uniformly throughout the current path 100A.
  • a magnetic field is generated by the current to be measured, it is the same as a situation where a direct current flows because the frequency is low, and almost no eddy current flows through the first magnetic shield 210A and the second magnetic shield 310A.
  • the high frequency is, for example, in the range of 10 kHz or more.
  • the current density distribution when the frequency of the current to be measured is increased is shown on the right side. Since the frequency of the current flowing through the current path 100B is high, the magnitude of the current to be measured decreases toward the inside of the current path 100B due to the skin effect, and the magnitude of the current to be measured increases toward the surface. As a result, the current flows in a concentrated manner near the surface of the current path 100B.
  • the magnetic field change affects the first magnetic shield 210B and the second magnetic shield 310B. Since these shields have high conductivity, an eddy current flows in a direction to cancel the magnetic flux passing through the shield. Flows near the surface of the magnetic shield.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the magnetic shield and the magnetic flux density of the current path 100 when the frequency of the current to be measured is changed.
  • the left side shows the case where the frequency of the current to be measured is low as in the case of FIG. This is the same as the case where a direct current flows because the frequency is low, and the current density flowing through the current path 100A is uniform as shown in FIG. Magnetic flux is generated.
  • the skin effect is generated by increasing the frequency, and current flows through the skin portion of the current path 100B. Since the magnetic flux is generated due to these, the magnetic flux is generated biased toward the end of the current path 100B due to the current generated biased at the end of the current path 100B. Also, in the first magnetic shield 210B, an eddy current concentrated in the skin portion flows, and the induced magnetic field due to the current to be measured does not enter the shield, and the magnetic flux distribution is concentrated outside.
  • the magnetic flux distribution also changes.
  • the magnitude of the current is measured based on this changing magnetic flux, but the magnitude of the magnetic flux is between the first magnetic shield 210 and the current path 100, even though the absolute value of the current is the same. It depends on the size.
  • the magnitude of the magnetic flux to be measured changes depending on the measurement position.
  • the magnitude of the magnetic flux density at this measurement position will be described with reference to the graphs of FIGS. Both are measured at the center of the width in the width direction of the cross section perpendicular to the current direction in which the current to be measured flows in the current path 100.
  • FIG. 4 is a graph showing the magnetic flux distribution by measurement position and frequency when eddy current does not occur in the magnetic shield.
  • the magnitude of the magnetic flux density measured varies depending on the frequency of the current to be measured and the measurement position.
  • the conductivity is low (about 1.0 [S / m]) in FIG. A case where a magnetic material that does not generate current is used as a magnetic shield will be described.
  • the distance is a distance from the center of the current path 100 and is 1 mm on the surface of the current path 100.
  • the position exceeds 3 mm, and reaches the magnetic shield 210 when it exceeds 5 mm. Since the current path 100 is not subject to measurement, when measured from the current path 100, the magnetic flux density is highest on the surface of the current path 100 due to the influence of the current to be measured, and the magnetic flux density decreases as the distance from the current path 100 increases. .
  • the change is shown in the graph 400 for the case of 0.1 Hz.
  • the magnetic flux density is highest on the surface of the current path 100, and the magnitude of the magnetic flux density decreases from there to the position of the first magnetic shield 210 in proportion to the distance from the center of the current path 100.
  • the surface of the current path 100 starts from a position lower than the graph 400, and the magnetic flux density decreases in proportion to the distance as in the graph 400.
  • the graph 420 starts at a position lower than the graphs 400 and 410, and similarly, the magnetic flux density decreases in proportion to the distance and converges to the same position as the graph 400.
  • a graph 430 is shown as an example of 100 kHz, and the same applies to this case.
  • FIG. 5 is a graph showing magnetic flux distributions by measurement position and frequency when eddy current is generated in the magnetic shield.
  • the relationship between the distance and the magnetic flux density is the same as in the case of FIG. 4, but FIG. 5 shows a high conductivity (1.03 ⁇ 10 7 [S / m]) as the first magnetic shield 210.
  • a case where the generated magnetic material is used for the first magnetic shield 210 will be described.
  • a graph 500 is the same as the graph 400 in FIG. 4 and shows a case where the frequency is 0.1 kHz.
  • FIG. 5 shows the case where eddy current is generated, when the frequency is small, the eddy current is small, and therefore the influence is small. Therefore, the graph 500 shows the same result as the case of the graph 400 of FIG.
  • a graph 510 shows a case where the frequency is 1 kHz as in the graph 410.
  • the change is basically the same as that of the graph 410, an eddy current is generated in the first magnetic shield 210 at a relatively low frequency, and the amount of absorption of the induced magnetic field by the first magnetic shield 210 is reduced by the eddy current.
  • the graph 510 exceeds the magnetic flux density of the graph 500 as it approaches the first magnetic shield 210. Therefore, the graph 510 changes in the same way as the graph 500, but it is difficult to understand.
  • the graph 510 shows a higher magnetic flux density value than the graph 500 due to the influence of the eddy current of the first magnetic shield.
  • the position 550 is a point having a distance of about 3.6 mm. If the “middle point between the first magnetic shield 210 and the current path 100” is a point having a distance of 3 mm, the “position 550 closer to the middle point than the first magnetic shield 210” is preferably a point of about 3.6 mm as described above. However, if a width is given, a range of 3 mm-4 mm corresponds to this positional relationship.
  • a graph 520 shows the case where the frequency is 10 kHz as in the graph 420.
  • Graph 520 becomes clearer since it starts at a lower magnetic flux density, but crosses graph 500, graph 510 at position 550. After this point, the graph 520 shows a higher magnetic flux density value than the graph 510 due to the influence of the eddy current of the first magnetic shield.
  • a graph 530 is shown.
  • the current path 100 and the magnetic field are centered in the width direction of the cross section perpendicular to the current direction in which the current to be measured flows in the current path 100.
  • There is a position between the shields 210 where the value of the magnetic flux density is constant regardless of the frequency. Therefore, an example in which the magnetic sensor 220 is disposed at the position 550 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the current sensor 200.
  • the current sensor 200 is a main body that includes the first magnetic shield 210, the second magnetic shield 310, and the magnetic sensor 220, and has a configuration necessary for measuring the current to be measured. 6, the arrangement of the magnetic sensor 220 shown in FIG. 1 will be described in more detail.
  • the magnetic sensor 220 is disposed between the first magnetic shield 210 and the current path 100 by being fixed to the current sensor 200 by the fixing unit 230.
  • the magnetic sensor 220 is disposed at a position where the magnetic field detected by the magnetic sensor 220 at the first frequency of the current to be measured matches the magnetic field detected by the magnetic sensor 220 at the second frequency higher than the first frequency.
  • the “matching position” refers to the position 550 with reference to FIG. 5, and the magnetic sensor 220 is disposed at the position 550 shown in FIG.
  • the first frequency and the second frequency may be in a relationship where the second frequency is higher than the first frequency.
  • the first frequency is the first frequency.
  • the second frequency can be 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, etc.
  • the first frequency is 1 kHz
  • the second frequency can be 10 kHz, 100 kHz, etc.
  • the first frequency is 10 kHz
  • the second frequency can be 100 kHz or the like.
  • the inverter for motor control uses a frequency of 0.1 kHz or more and 100 kHz
  • the first frequency is 0.1 kHz, which is the lowest frequency used for the inverter for motor control.
  • the second frequency is 100 kHz, which is the highest frequency used in the motor control inverter.
  • the magnetic sensor 220 is arranged at a position 550 where a plurality of waveforms of at least two of these frequencies overlap.
  • the magnetic sensor 220 is disposed at the center of the width in the width direction of the cross section perpendicular to the current direction in which the current to be measured flows in the current path 100.
  • FIG. 6 shows a “cross section perpendicular to the direction of current flowing through the current to be measured in the current path 100”.
  • the magnetic sensor 220 is disposed at the center with respect to the horizontal direction as the width direction. When described using the central axis 600, the central axis 600 passes through the center in the width direction of the current path 100, the center in the width direction of the first magnetic shield 210, and the center in the width direction of the magnetic sensor 220.
  • the central axis 600 is a first central axis that passes through the center of the current path 100 in the width direction and extends in a direction orthogonal to the current direction, passes through the center of the cross section of the first magnetic shield 210 in the width direction, and in the current direction. It can be said that the second central axis extends in a direction perpendicular to the axis.
  • the magnetic sensor 220 is disposed at a position passing through the first central axis and the second central axis.
  • the relative magnetic permeability of the magnetic shield (the first magnetic shield 210 and the second magnetic shield 310) is 1,000 or more and 1,000,000 or less.
  • the conductivity of the magnetic shield is 1.0 ⁇ 10 6 [S / m] or more and 100 ⁇ 10 6 [S / m] or less.
  • the relative permeability of pure iron is 5,000 (99.8% pure iron) to 200,000 (99.95% pure iron), and the conductivity is 1.03 ⁇ 10 7 [S / m], silicon steel relative permeability 4,000, conductivity 1.6 ⁇ 10 6 [S / m], permalloy relative permeability 8,000, conductivity 1.7 ⁇ 10 6 [S / m] ]
  • the influence of the skin effect in the current path 100 can be accurately offset by the influence of the eddy current of the magnetic shield.
  • the distribution of magnetic flux density detected by arranging the magnetic sensor 220 as described above will be described.
  • FIG. 7 is a graph illustrating the distribution of magnetic flux density at a position 2.7 mm from the center of the current path 100.
  • the vertical axis in FIG. 7 indicates the magnitude of the magnetic flux distribution
  • the horizontal axis indicates the position in the width direction of the cross section orthogonal to the current direction in which the current to be measured flows in the current path 100.
  • This center is at a position of 0 mm, and it goes away from -2 mm and -4 mm as it goes to the left in the width direction. Moreover, it goes away with 2 mm and 4 mm as it goes to the right of the width direction.
  • the position is 2.7 mm, it is located in the current path 100 further than the “intermediate point between the first magnetic shield 210 and the current path 100” at a distance of 3 mm, and the frequency described with reference to FIG. It is not the point that the waveforms of each match. Specifically, a graph 500 showing 1 kHz shows the highest magnetic flux density at this central position, a graph 510 showing 10 kHz shows the next highest magnetic flux density at this central position, and a graph 520 showing 100 kHz shows this The smallest magnetic flux density is shown at the center position.
  • the condition is satisfied in terms of matching for each frequency, but it is far from the center in the width direction, so that it is easily affected by an external magnetic field. At the center in the width direction where the influence of the external magnetic field can be suppressed, variation occurs for each frequency.
  • FIG. 8 is a graph for explaining the magnetic flux density distribution at the center in the width direction at a position 2.7 mm from the center of the current path 100.
  • FIG. 7 shows the distribution of the magnetic flux density along the width direction, but here, the change in the magnetic flux density for each frequency is shown limited to the center in the width direction among the positions shown in FIG. As shown in FIG. 8, the magnetic flux density is changed at 1 kHz to 10 kHz, and there is no coincidence between the frequency of 1 kHz or less and the magnetic flux density of 10 kHz or more.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the distribution of magnetic flux density at a position 3.6 mm from the center of the current path 100. As described with reference to FIG. 5, a point having a distance of about 3.6 mm is the position 550 where the graphs for each frequency coincide.
  • the horizontal axis indicates the position in the width direction of the cross section orthogonal to the current direction in which the current to be measured flows in the current path 100.
  • the heights of the graph 510 and the graph 520 also decrease, they do not decrease as much as the graph 600, respectively, and become the positions shown in the graph 610 and the graph 620, respectively, and the waveforms of the respective frequencies overlap at the position 630 in the center in the width direction.
  • FIG. 10 is a graph for explaining the distribution of the magnetic flux density at the center in the width direction at a position of 3.6 mm from the center of the current path 100. Similarly to FIG. 8, FIG. 10 shows the change of the magnetic flux density for each frequency limited to the center in the width direction. Since this indicates a change in magnetic flux density for each frequency at the position 630 in FIG. 9, the magnitude of the magnetic flux density has a substantially uniform value at any frequency as shown in FIG.
  • the magnetic flux density distribution for each distance from the current path 100 does not cross for each frequency as shown in FIG.
  • the value is not high, but the conductivity is high and eddy current is generated, the crossing occurs at the position 550 as shown in FIG. 5, and at the specific position 550, the magnetic flux density is the same regardless of the frequency value. It can be seen that the value is measured and therefore the value of the current measured based on the value of the magnetic flux density is stable regardless of the value of the frequency.
  • the position of the magnetic field detected by the magnetic sensor at the first frequency which is a low frequency and the second frequency which is a high frequency coincide with each other at a position 550.
  • the magnetic flux density measured for each frequency varies as shown in FIGS. 7 and 8 except for the position 550, but the frequency differs at the position 550 as shown in FIGS.
  • a constant magnetic flux density can be measured. Since the magnetic flux density is constant as described above, the current can be stably measured by arranging the magnetic sensor 220 at the position 550, and the measurement accuracy can be improved.
  • the measurement position of the magnetic flux density is set in the vicinity of the current path 100 where the magnitude of the measured magnetic flux density is the largest, but in this embodiment, the frequency is measured for each frequency rather than the magnitude of the measured magnetic flux density.
  • the magnetic sensor 550 is arranged at a position 550 that is far from the current path 100.
  • the influence of the skin effect is applied to the high-frequency current while the magnitude of the measurement magnetic field decreases with the distance from the current path. Since the change in the measurement magnetic field becomes gentle compared to the low-frequency current, the measurement magnetic field changes due to the influence of the frequency by setting the magnetic field measurement position 550 closer to the first magnetic shield 210 than the current path 100. It is possible to measure the magnitude of the magnetic field at a small position, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • the magnetic sensor 220 has a magnetic field generated due to the current to be measured by aligning the current path 100, the first magnetic shield 210, and the magnetic sensor 220 at the center in the left and right width direction as seen from the cross section shown in FIG.
  • the positional relationship is such that the influence of As a result, the shielding effect of the first magnetic shield 210 is increased, so that the influence of the external magnetic field can be reduced, thereby improving the accuracy of current measurement.
  • the measurement accuracy can be improved by arranging the magnetic field distribution in the center and stabilizing the magnetic field distribution.
  • the point that the current sensor 200 is arranged at a position of the current path 100 is the same.
  • the current density distribution as shown in FIG. 2 and the magnetic flux density distribution as shown in FIG. 3 are shown.
  • the change of the magnetic flux density for every frequency as shown in FIG. 5 is shown.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating another configuration of the current sensor 200.
  • the current sensor 200 is a main body that includes the first magnetic shield 210, the second magnetic shield 310, and the magnetic sensor 220, and has a configuration necessary for measuring the current to be measured.
  • the magnetic sensor 220 is directly fixed by the fixing portion 230.
  • the third fixing portion 233 is supported by the first fixing portion 231 and the second fixing portion 232, and By attaching the magnetic sensor 220 to the three fixing portions 233, the magnetic sensor 220 is arranged at the position 550 shown in FIG.
  • the magnetic sensor 220 is arranged by the fixing portion 230, when the position adjustment of the magnetic sensor 220 is not successful, the fixing portion 230 is replaced with a different size, or the magnetic sensor 220 is shaved depending on the case.
  • the magnetic sensor 220 is attached to the third fixing portion 233 so that the heights of the first fixing portion 231 and the second fixing portion 232 are high.
  • the height By adjusting the height, the position of the magnetic sensor 220 can be adjusted appropriately.
  • the height can be adjusted by the degree of tightening thereof, so that the position of the magnetic sensor 220 is appropriately set. The position can be adjusted.
  • the first fixing portion 231, the second fixing portion 232, and the third fixing portion 233 are used.
  • the position situation is the same as that described in the first embodiment.
  • a constant magnetic flux density can be measured even if the frequencies are different. Since the magnetic flux density is constant as described above, the current can be stably measured by arranging the magnetic sensor 220 at the position 550, and the measurement accuracy can be improved.
  • a magnetic sensor 220 that measures an induced magnetic field generated by a current to be measured flowing through the current path 100
  • a first magnetic shield 210 that is disposed facing the current path 100 and the magnetic sensor 220 from both sides
  • the first magnetic shield 210 and the second magnetic shield 310 are magnetic and conductive
  • the magnetic sensor 220 is between the first magnetic shield 210 and the current path 100.
  • the magnetic sensor 220 is disposed at a position between the first magnetic shield 210 and the current path 100.
  • the present invention is not particularly limited to a vehicle application, and is used for a current sensor for a current path in which a so-called relatively large current is generated. be able to.

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Abstract

電流センサ２００は、電流路１００を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する磁気センサ２２０と、電流路１００及び磁気センサ２２０を両側から挟んで対向させて配置された第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０とを備える。第１磁気シールド２１０及び第２磁気シールド３１０は、磁性体且つ導電体である。磁気センサ２２０は、第１磁気シールド２１０と電流路１００の間に配置され、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置される。磁気センサ２２０は、電流の第１の周波数において磁気センサ２２０が検出する磁場と、第１の周波数より高い第２の周波数において磁気センサ２２０が検出する磁場とが一致する位置に配置される。

Description

電流センサ
　本発明は、電流路を流れる被測定電流を検出する電流センサに関するものである。特にモーター制御用のインバーターに流れる電流を計測するのに適した電流センサに関するものである。
　従来、バッテリなどの各種機器の間、特にバスバーを流れる電流の大きさを測定するために、被測定電流により生じる磁界を検出する磁気センサを備えた電流センサが用いられてきた。このような磁気センサは、バスバーとともにケースにより閉じられた容器内に配置することにより、全体として電流センサを構成し、バスバーを流れる電流の大きさを測定する。
　バスバーを流れる電流の測定精度を向上させるためには、電流によって生ずる磁界の測定精度を向上させる必要がある。そのために、外部磁界の影響を抑制し、周波数特性を改善するような構成の電流センサが用いられてきた。特に、バスバーに交流電流を流す場合、交流電流によって磁界の変化が生じ、渦電流が生じる。渦電流が生じた結果、表皮効果によってバスバーを流れる電流がバスバーの外側を通ることとなり、その結果、バスバーを流れる電流により生じる磁界分布が被測定電流の周波数により変動するという周波数特性が発生することとなり、測定精度に影響を与えていた。
　例えば特許文献１によると、平板上の磁性体からなる２枚の磁気シールドを電流センサに設けている。特許文献２によると、端に寄せて磁気センサを配置して電流センサの周波数特性を向上させた。また特許文献３によると、バスバーに左右非対称な穴を開けて、端に寄せて磁気センサを配置して、電流センサの周波数特性を向上させた。いずれの先行技術文献においても、磁束密度の測定位置は、磁束密度の大きさが最も大きく測定されるバスバーの近傍とされている。基本的に大きな測定値が得られる方が測定精度は高くなると考えられ、そのため磁気センサはバスバーの周辺に配置される。
特開２０１３－２４６００５号公報 特開２００５－７００３７号公報 特開２０１４－５５７９０号公報
　特許文献１では、平行平板型の電流センサを開示しているが、磁気センサの位置をずらすと、磁気センサが、シールドの中央からずれてしまう。この為、外部磁場の影響を受けやすくなり、Ｓ／Ｎが悪化する。その一方で磁気センサの配置に際し特に周波数特性を考慮したものではないので、被測定電流の周波数が変わるごとに測定される磁界の大きさが変わり、測定精度上の問題があった。また特許文献２では、周波数特性を考慮して、磁気センサの位置を中心からずらすことにより、電流の周波数にかかわらず電流の大きさを測定できるような電流センサを開示している。しかしながら、磁気センサの位置が中心軸からずれてしまっているため、外部磁界の影響を受けやすい位置となってしまっており、測定精度上の問題があった。また特許文献３の場合も同様に、磁気センサの位置が中心軸からずれてしまっているため、外部磁界の影響を受けやすい位置となってしまっており、測定精度上の問題があった。
　本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部磁場の影響や、被測定電流の周波数による磁界測定精度を低下させる要因を回避することにより、測定精度を改善した電流センサを提供することにある。
　本発明に係る電流センサは、電流路を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する磁気センサと、前記電流路及び前記磁気センサを両側から挟んで対向させて配置された２つの磁気シールドとを備え、前記磁気シールドは、磁性体且つ導電体であり、前記磁気センサは、前記磁気シールドの一方と前記電流路の間に配置され、前記電流路の前記被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置され、前記磁気センサは、前記電流の第１の周波数において前記磁気センサが検出する磁場と、前記第１の周波数より高い第２の周波数において前記磁気センサが検出する磁場とが一致する位置に配置される。
　この構成によれば、磁気シールドが備えられているので、電流路に被測定電流が流れるときに、被測定電流によって生じる磁場により磁気シールドに渦電流が流れ、被測定電流と渦電流の両方により、電流路と磁気シールドの間に磁場が生じる。ここで、磁気センサは電流路の幅中央に配置されることから、被測定電流に起因して生じた磁場の影響が大きくなるような位置関係となり、またシールド効果が高くなることにより、外部磁場の影響を小さくすることができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。一方で電流路を流れる被測定電流の周波数を変化させた場合には、周波数の変化に応じていわゆる表皮効果により電流路を流れる電流の分布が変化し、その結果として電流路と磁気シールドの間における磁場の分布も変化するが、これに対して磁気センサは、第１の周波数においても第２の周波数においても磁気センサが検出する磁場の大きさが一致するような位置に配置されるので、周波数の大きさにかかわらず磁場を高い精度で測定することができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。
　好適には、前記磁気センサは、前記一方の磁気シールドと前記電流路の間のうち、前記電流路よりも前記一方の磁気シールドに近い位置に配置される。
　この構成によれば、測定磁場の大きさが電流路からの距離に応じて減少する中で、高周波の電流については表皮効果の影響で低周波の電流と比べた測定磁場の変化が緩やかとなることから、磁場の測定位置を電流路よりも磁気シールド側とすることで、周波数の影響により測定磁場の変動の小さい位置で磁場の大きさを測定でき、それにより電流測定の精度を向上することができる。
　好適には、前記磁気センサによれば、前記電流路の前記幅方向の中央を通り且つ前記電流方向に直交する方向に延びる第１の中心軸と、前記磁気シールドの断面の幅方向の中央を通り且つ前記電流方向と直交する方向に延びる第２の中心軸とが一致し、前記磁気センサは、前記第１の中心軸と前記第２の中心軸を通る位置に配置されている。
　この構成によれば、電流路と、磁気シールドと、磁気センサとを幅方向において中央で一致する位置に配置して電流測定することができるので、被測定電流に起因して生じた磁場の影響が大きくなるような位置関係となり、またシールド効果が高くなることにより、外部磁場の影響を小さくすることができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。また、中央に配置することで磁場分布が左右対称となって安定することで、測定精度を向上させることができる。
　好適には、前記磁気シールドの比透磁率は、１，０００以上であり、前記磁気シールドの導電率は、１．０×１０6[Ｓ／ｍ]以上である。
　この構成によれば、比透磁率、導電率が通常よりも大きい磁気シールドが用いられるので、発生する渦電流をさらに大きくすることができ、渦電流の影響を表皮効果と相殺できる程度に大きくすることができる。
　好適には、前記磁気シールドの比透磁率は、１，０００，０００以下であり、前記磁気シールドの導電率は、１００×１０6[Ｓ／ｍ]以下である。
　この構成によれば、磁気シールドの比透磁率、導電率が過度に大きくならないことから、発生する渦電流の大きさが適切に抑制され、適切な範囲で磁場測定をすることができる。
　好適には、前記第１の周波数は、前記電流路を流れる電流についてあらかじめ規定された最低周波数であり、前記第２の周波数は、前記電流路を流れる電流についてあらかじめ規定された最高周波数である。
　この構成によれば、あらかじめ規定された最高周波数によっても最低周波数によっても、それぞれによって生ずる磁場分布は表皮効果に起因して異なるにもかかわらず、それぞれに磁場が一致する位置に磁気センサが配置されるので、周波数の大きさにかかわらず磁場を高い精度で測定することができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。
　本発明に係る電流センサは、電流路を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する磁気センサと、前記電流路及び前記磁気センサを両側から挟んで対向させて配置された２つの磁気シールドとを備え、前記磁気シールドは、磁性体且つ導電体であり、前記電流路に交流電流が流れることにより内部に渦電流が生じ、前記磁気センサは、前記磁気シールドの一方と前記電流路の間であり、前記電流路の前記被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置され、前記磁気シールドに流れる渦電流が前記被測定電流に応じて生じる磁場に与える影響と、前記被測定電流が流れる前記電流路における表皮効果に応じた生じる前記電流路の前記断面の幅方向における当該幅の中央の電流密度が、前記被測定電流によって生じる磁場に与える影響とが、所定の周波数帯域において相殺される前記磁気シールドの一方と前記電流路との間の位置に、前記磁気センサが配置されている。
　この構成によれば、磁気シールドが備えられているので、電流路に被測定電流が流れるときに、被測定電流によって生じる磁場により磁気シールドに渦電流が流れ、電流路と磁気シールドの間に磁場が生じる。ここで、磁気センサは電流路の幅中央に配置されることから、被測定電流に起因して生じた磁場の影響が大きくなるような位置関係となり、またシールド効果が高くなることにより、外部磁場の影響を小さくすることができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。
　一方で電流路を流れる被測定電流の周波数を変化させた場合には、周波数の変化に応じていわゆる表皮効果により電流路を流れる電流の分布が変化し、その結果として電流路と磁気シールドの間における磁場の分布も変化するが、これに対して磁気センサは、渦電流が磁場に与える影響と電流路が磁場に与える影響が、所定の周波数帯域において相殺される位置に配置されることから、周波数の大きさにかかわらず磁場を高い精度で測定することができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。
　本発明によれば、外部磁場の影響や、被測定電流の周波数による磁界測定精度を低下させる要因を回避することにより、測定精度を改善した電流センサを提供することができる。
本発明の実施形態における電流路と電流センサの位置関係を示した斜視図である。 本発明の実施形態における被測定電流の周波数を変化させた場合の磁気シールド及び電流路の電流密度を説明する図である。 本発明の実施形態における被測定電流の周波数を変化させた場合の磁気シールド及び電流路の磁束密度を説明する図である。 本発明の実施形態における磁気シールドに渦電流が発生しない場合の測定位置及び周波数別の磁束分布を示すグラフである。 本発明の実施形態における磁気シールドに渦電流が発生する場合の測定位置及び周波数別の磁束分布を示すグラフである。 本発明の実施形態における電流センサの構成を説明する断面図である。 本発明の実施形態における電流路の中心から２．７ｍｍの位置での磁束密度の分布を説明するグラフである。 本発明の実施形態における電流路の中心から２．７ｍｍの位置の幅方向中央での磁束密度の分布を説明するグラフである。 本発明の実施形態における電流路の中心から３．６ｍｍの位置での磁束密度の分布を説明するグラフである。 本発明の実施形態における電流路の中心から３．６ｍｍの位置の幅方向中央での磁束密度の分布を説明するグラフである。 本発明の実施形態における電流センサの他の構成を説明する断面図である。
（第１の実施形態）
　以下、本発明の実施形態に係る電流センサについて説明する。図１は、電流路１００と電流センサ２００の位置関係を示した斜視図である。電流路１００を流れる電流の大きさを測定するために、電流路１００の所定の箇所に電流センサ２００が配置される。電流センサ２００は、第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０、磁気センサ２２０を備え、被測定電流の測定に必要な構成を備える本体である。
　電流路１００は、バスバーとも呼ばれ、銅（Ｃｕ）等の導電性の良い材質が用いられ、　厚みに比べて幅が広い平板状に形成されている。電流路１００の材質は銅（Ｃｕ）に限定されるものではなく、導電性の良い材質であれば良く、例えばアルミニウム（Ａｌ）等でも良い。電流路１００の一方の端部が、車両用機器側に取付けられるとともに、他方の端部がバッテリーのターミナルに一体に取付けられる。電源投入時には電流路１００を電力供給用の大電流が流れ、これが被測定電流となる。本発明は特に車両用途に限定するものではないので、その他の電力供給用の機器に用いられる電流路にも適用できる。
　第１磁気シールド２１０と第２磁気シールド３１０の２つは、電流路１００及び磁気センサ２２０を両側から挟んで対向させて配置され、磁性体且つ導電体である。第１磁気シールド２１０と第２磁気シールド３１０の２つは、接地導体又はシールド層とも呼ばれ、面状に延在した金属からなり、接地される場合もある。第１磁気シールド２１０と第２磁気シールド３１０の２つをまとめて磁気シールドと呼ぶ。磁気シールドは電流センサの近傍に磁石や隣接電流路がある場合に、それらが発生する磁場の影響を低減する、すなわち外来ノイズの影響を抑制することが主目的であるが、本発明の構成においては被測定電流によって生ずる誘導磁界も吸収する作用がある。通常は、この誘導磁界を吸収する作用はＳ／Ｎ比の観点ではＳを小さくすることになるので、設計上望ましくない場合もある。
　磁気センサ２２０は、磁気シールドの一方である第１磁気シールド２１０と電流路１００の間に配置され、電流路１００を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する。磁気センサ２２０は、電流路１００に電流が流れたときに発生する磁界を検出する素子であって、例えば、巨大磁気抵抗効果を用いた磁気検出素子（ＧＭＲ(Giant Magneto Resistive)素子という）を用いる。このＧＭＲ素子は、磁界の変化に応じてＧＭＲ素子における抵抗値が変化する性質を有しているので、磁気センサ２２０は、この抵抗値の変化から電流路１００に流れる被測定電流を算出することにより、電流路１００に流れる被測定電流を測定することができる。なお、磁気センサ２２０内すべてがＧＭＲ素子によって形成されているわけではなく、磁気センサ２２０自体はＩＣパッケージであり、その中にＧＭＲ素子部分が含まれる。磁気検出素子はＧＭＲ素子に限らず、ホール素子などでもよい。
　上述のように電流路１００及び電流センサ２００を配置することにより、電流路１００に交流電流が流れたときの、被測定電流の大きさを電流センサ２００により測定する。ここで被測定電流は交流電流なので、周波数は高い場合と低い場合がある。そして、周波数の高低により、電流路を流れる被測定電流の分布は異なり、その結果として生ずる磁場の分布も変化することになる。また一方で磁気シールドが備えられているので、被測定電流の結果として磁気シールドに渦電流が生じ、この渦電流についても周波数の高低によって変化することになる。これらの変化について、図２及び図３を参照して説明する。
　図２は、被測定電流の周波数を変化させた場合の磁気シールド及び電流路１００の電流密度を説明する図である。電流路１００、第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０にはそれぞれＡとＢの符号を振っているが、それぞれ低周波数の電流を流した場合と高周波数の電流を流した場合を分けて説明するために便宜上分けて示したに過ぎない。まず、電流路１００Ａに低周波数の電流が流れた場合について左側の図に示す。低周波数とは、例えば１－１００Ｈｚの範囲とする。低周波数なので、周波数の高さによって起因する現象は特に発生せず、電流路１００Ａ全体に概ね均一に電流密度が分布する。また被測定電流によって磁場が発生するが、周波数が低いため直流電流が流れている状況と同じであり、第１磁気シールド２１０Ａ、第２磁気シールド３１０Ａを流れる渦電流はほとんど発生しない。
　ここで被測定電流の周波数を高くする。高周波数とは、例えば１０ｋＨｚ以上の範囲とする。このように被測定電流の周波数が高くなった場合の電流密度の分布が右側の図となる。電流路１００Ｂを流れる電流の周波数が高いことから、表皮効果により電流路１００Ｂの内側に行くほど被測定電流の大きさが小さくなり、表面に行くほど被測定電流の大きさが大きくなるように働き、結果として、電流路１００Ｂの表面付近に集中して電流が流れる配置となる。その一方で磁場変化の影響は第１磁気シールド２１０Ｂ、第２磁気シールド３１０Ｂにも及び、これらシールドは導電率が大きいためシールドを通る磁束を打ち消す方向に渦電流が流れるが、この渦電流も同様に磁気シールドの表面付近を流れるようになる。
　図３は、被測定電流の周波数を変化させた場合の磁気シールド及び電流路１００の磁束密度を説明する図である。左側は図２の場合と同様に被測定電流の周波数が低い場合について示す。周波数が低いということであるから直流電流が流れている場合と同様ということであり、図２に示したように電流路１００Ａを流れる電流密度は均一であることから、電流路１００Ａの近傍全体にわたって磁束が発生する。
　ここで被測定電流の周波数を高くする。図２で説明したように、周波数を高くしたことで表皮効果が発生し、電流路１００Ｂの表皮部分を電流が流れるようになる。そして磁束はこれらに起因して発生することから、電流路１００Ｂの端部に偏って発生した電流により、電流路１００Ｂの端部側に偏って磁束が発生することになる。また、第１磁気シールド２１０Ｂについても、表皮部分に集中した渦電流が流れ、被測定電流による誘導磁界がシールド内部まで入らなくなり磁束分布は外側に集中することになる。
　このように電流の分布が周波数により変化することにより、磁束の分布も変化するということになる。電流の大きさは、この変化する磁束に基づいて測定されるが、電流の絶対値としては同じであるとしても、磁束の大きさは第１磁気シールド２１０と電流路１００の間で、周波数の大きさにより異なる。
　それと同時に、測定位置によって測定される磁束の大きさが変化することになる。この測定位置による磁束密度の大きさについて図４及び図５のグラフを参照して説明する。いずれも、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央で測定したものである。
　図４は、磁気シールドに渦電流が発生しない場合の測定位置及び周波数別の磁束分布を示すグラフである。上述のように、被測定電流の周波数及び測定位置によって測定される磁束密度の大きさは変化する。その一方でこの変化は渦電流によっても引き起こされる面があるので、渦電流の影響について測定するために、図４では導電率が低く（１．０[Ｓ／ｍ]程度）、その結果として渦電流が発生しない磁性体を磁気シールドに用いた場合について説明する。
　ここでの距離とは、電流路１００の中心からの距離であり、電流路１００の表面で距離１ｍｍとなる。電流路１００と第１磁気シールド２１０の中間点で３ｍｍを超えた位置となり、磁気シールド２１０には５ｍｍを超えたところで到達する。
　電流路１００内部は測定対象外なので、電流路１００から測定すると、被測定電流の影響により電流路１００表面において最も磁束密度は大きくなり、電流路１００から離れるにつれて磁束密度の大きさは下がっていく。
　まず最も周波数が低い場合として、０．１Ｈｚの場合についてグラフ４００にその変化を示す。電流路１００表面において最も磁束密度は高くなり、そこから電流路１００の中心からの距離に比例して第１磁気シールド２１０の位置まで磁束密度の大きさは下がっていく。次に周波数の小さい１ｋＨｚの場合は、グラフ４１０に示すように電流路１００表面においてグラフ４００よりも低い位置から始まり、グラフ４００と同様に距離に比例しながら磁束密度が下がり、グラフ４００と同じ位置へ収束していく。
　さらに周波数が高い例として１０ｋＨｚの場合はグラフ４２０は、グラフ４００、グラフ４１０よりもさらに低い位置から始まり、同様に距離に比例しながら磁束密度が下がり、グラフ４００と同じ位置へ収束していく。１００ｋＨｚの例として、グラフ４３０を示すが、この場合も同様である。このように、周波数の高低によって磁束密度の大きさは異なるが、一様に第１磁気シールド２１０に近づくにつれてその大きさは下がる。
　図５は、磁気シールドに渦電流が発生する場合の測定位置及び周波数別の磁束分布を示すグラフである。距離と磁束密度の関係は図４の場合と同様であるが、図５は、第１磁気シールド２１０として伝導率が高く（１．０３×１０７[Ｓ／ｍ]）その結果として渦電流が発生する磁性体を第１磁気シールド２１０に用いた場合について説明する。グラフ５００は、図４のグラフ４００の場合と同じで周波数が０．１ｋＨｚの場合について示す。図５では渦電流が発生する場合について示すが、周波数が小さい場合は渦電流が小さく、したがって影響が小さいため、グラフ５００は、図４のグラフ４００の場合と同様の結果を示す。
　次にグラフ５１０は、グラフ４１０と同様に周波数が１ｋＨｚの場合について示す。基本的にはグラフ４１０と同様の変化を示すが、比較的低い周波数ではあるが、第１磁気シールド２１０に渦電流が生じ、渦電流により第１磁気シールド２１０による誘導磁界の吸収量が減る。その結果、第１磁気シールド２１０に近づくにつれてグラフ５１０がグラフ５００の磁束密度を上回るしたがってグラフ５１０ではグラフ５００と同様の変化をするため分かりづらいが、第１磁気シールド２１０と電流路１００の中間点と、第１磁気シールド２１０との間のうち、第１磁気シールド２１０よりも中間点に近い位置５５０でクロスする。
　この地点を過ぎると、第1磁気シールドの渦電流の影響により、グラフ５１０はグラフ５００よりも高い磁束密度の値を示す。位置５５０は具体的には距離３．６ｍｍ程度の地点となる。「第１磁気シールド２１０と電流路１００の中間点」が距離３ｍｍの地点とすると、「第１磁気シールド２１０よりも中間点に近い位置５５０」は好ましくは上述のように３．６ｍｍ程度の地点となるが、幅を持たせると、３ｍｍ－４ｍｍの範囲がこの位置関係に該当する。
　グラフ５２０は、グラフ４２０と同様に周波数が１０ｋＨｚの場合について示す。グラフ５２０は低い磁束密度から開始するのでより明確になるが、グラフ５００、グラフ５１０と位置５５０でクロスする。この地点を過ぎると、第１磁気シールドの渦電流の影響により、グラフ５２０はグラフ５１０よりも高い磁束密度の値を示す。１００ｋＨｚの例として、グラフ５３０を示すが、この場合も同様である。
　このように、磁気シールドとして磁性体且つ導電体である材料を用いた場合、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央で、電流路１００と磁気シールド２１０の間に、周波数にかかわらず磁束密度の値が一定となる位置が存在する。そこで、この位置５５０に磁気センサ２２０を配置する例について、図６を参照して説明する。
　図６は、電流センサ２００の構成を説明する断面図である。図１を参照して説明したように、電流センサ２００は、第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０、磁気センサ２２０を備え、被測定電流の測定に必要な構成を備える本体である。図６では、図１に示した磁気センサ２２０の配置をさらに詳細に説明する。
　磁気センサ２２０は、固定部２３０によって電流センサ２００に固定されることにより、第１磁気シールド２１０と電流路１００の間に配置される。特に磁気センサ２２０は、被測定電流の第１の周波数において磁気センサ２２０が検出する磁場と、第１の周波数より高い第２の周波数において磁気センサ２２０が検出する磁場とが一致する位置に配置される。この「一致する位置」とは図５を参照すると位置５５０のことであり、磁気センサ２２０は、図５に示した位置５５０に配置される。
　第１の周波数及び第２の周波数は、第２の周波数の方が第１の周波数よりも高い関係であればよく、例えば図４及び図５を参照して説明した例では、第１の周波数を０．１ｋＨｚとしたときには、第２の周波数は１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚなどとすることができ、第１の周波数を１ｋＨｚとしたときには、第２の周波数は１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚなどとすることができ、第１の周波数を１０ｋＨｚとしたときには、第２の周波数は１００ｋＨｚなどとすることができる。
　例えば、モーター制御用のインバーターでは、０．１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚの周波数が用いられるので、第１の周波数は、モーター制御用のインバーターで用いられる最低周波数の０．１ｋＨｚである。また、第２の周波数は、モーター制御用のインバーターで用いられる最高周波数の１００ｋＨｚである。これらの周波数のうち少なくとも２つ以上の複数の波形が重なるような位置５５０に、磁気センサ２２０が配置される。
　また磁気センサ２２０は、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置される。図６は、「電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面」を示す。この幅方向となる左右方向を基準として、その中央に磁気センサ２２０は配置されている。
　中心軸６００を用いて説明すると、電流路１００の幅方向の中心と、第１磁気シールド２１０の幅方向の中心と、磁気センサ２２０の幅方向の中心を、中心軸６００が通る形になる。この中心軸６００は、電流路１００の幅方向の中央を通り且つ電流方向に直交する方向に延びる第１の中心軸であり、第１磁気シールド２１０の断面の幅方向の中央を通り且つ電流方向と直交する方向に延びる第２の中心軸であるといえる。そして、磁気センサ２２０は、第１の中心軸と第２の中心軸を通る位置に配置されている。
　なお、磁気シールド（第１磁気シールド２１０及び第２磁気シールド３１０）の比透磁率は、１，０００以上であり、１，０００，０００以下である。また、磁気シールドの導電率は、１．０×１０6[Ｓ／ｍ]以上であり、１００×１０６［Ｓ／ｍ］以下である。比較例を挙げると、純鉄の比透磁率は、５，０００（９９．８％純鉄）～２００，０００（９９．９５％純鉄）、導電率は１．０３×１０７[Ｓ／ｍ]程度、珪素鋼の比透磁率４，０００、導電率１．６×１０6[Ｓ／ｍ]程度、パーマロイの比透磁率８，０００、導電率１．７×１０6[Ｓ／ｍ]程度である。このような材料を用いることにより、電流路１００での表皮効果の影響を、磁気シールドの渦電流による影響で的確に相殺することができる。
　以上のように磁気センサ２２０を配置することにより検出される磁束密度の分布について説明する。
　図７は、電流路１００の中心から２．７ｍｍの位置での磁束密度の分布を説明するグラフである。図７の縦軸は磁束分布の大きさを示しており、横軸は、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向の位置を示す。この中央が０ｍｍの位置にあり、幅方向の左に行くにつれて－２ｍｍ、－４ｍｍ、と離れていく。また、幅方向の右に行くにつれて２ｍｍ、４ｍｍ、と離れていく。ここで、２．７ｍｍの位置であるので、距離３ｍｍの地点にある「第１磁気シールド２１０と電流路１００の中間点」よりもさらに電流路１００にあり、図５を参照して説明した周波数ごとの波形が一致する点ではない。
　具体的には、１ｋＨｚを示すグラフ５００が、この中心位置において最も大きい磁束密度を示し、１０ｋＨｚを示すグラフ５１０が、この中心位置において次に大きい磁束密度を示し、１００ｋＨｚを示すグラフ５２０が、この中心位置において最も小さい磁束密度を示している。＋２ｍｍ、－２ｍｍの地点では交差しているので、周波数ごとの一致という意味では条件を満たしているが、幅方向の中央からは離れているので、外部磁場の影響を受けやすくなってしまう。外部磁場の影響を抑制できる幅方向中央では、周波数ごとにばらつきが出てしまう。
　図８は、電流路１００の中心から２．７ｍｍの位置の幅方向中央での磁束密度の分布を説明するグラフである。図７では幅方向に沿って磁束密度の分布を示したが、ここでは、図７に示した各位置のうちの幅方向中心に限定して、周波数ごとの磁束密度の変化を示した。図８に示すように、１ｋＨｚから１０ｋＨｚのところで磁束密度に変化がみられ、１ｋＨｚ以下の周波数と、１０ｋＨｚ以上の磁束密度に一致関係がみられない。
　図９は、電流路１００の中心から３．６ｍｍの位置での磁束密度の分布を説明するグラフである。図５を参照して説明したように、距離３．６ｍｍ程度の地点が、周波数ごとのグラフが一致する位置５５０である。図９では、図７と同様に、横軸は、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向の位置を示す。図９では、図７のグラフ５００の高さが下がってグラフ６００の配置となる。グラフ５１０及びグラフ５２０の高さも下がるが、グラフ６００ほどには下がらずそれぞれグラフ６１０、グラフ６２０に示す位置となり、幅方向中央において、位置６３０においてそれぞれの周波数の波形が重なる。
　図１０は、電流路１００の中心から３．６ｍｍの位置の幅方向中央での磁束密度の分布を説明するグラフである。図１０も図８と同様に幅方向中央に限定して周波数ごとの磁束密度の変化を示した。これは図９の位置６３０における周波数ごとの磁束密度の変化を示すものであるので、図１０に示すようにどの周波数でも磁束密度の大きさはほぼ均一な値を取ることとなった。
　以上説明した通り、図１に示したように電流路１００、電流センサ２００を配置して高周波数の電流を電流路１００に流したとき、電流路１００と第１磁気シールド２１０に渦電流が発生し、表皮効果により図２に示したような電流密度の分布が示される。被測定電流と渦電流の両方により、電流路と磁気シールドの間に磁場が生じ、図３に示したような磁束密度の分布が示される。渦電流の大きさは周波数に応じて変化することから、周波数が低い場合と高い場合とで、磁場の空間的な分布が変化する。
　電流路１００からの距離ごとの磁束密度の分布は、第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０の導電性が低い場合は、図４に示すように周波数ごとに交差することがなく、共通の値をとらないが、導電性が高く、渦電流が発生する場合には、図５に示すように位置５５０で交差し、特定の位置５５０においては、周波数の値に関わらず、同じ磁束密度の値が測定され、したがって磁束密度の値に基づいて測定される電流の値も周波数の値に関わらず安定することが分かる。
　以上の考察に基づき、図６に示すように、低周波数である第１の周波数においても高周波数である第２の周波数においても磁気センサが検出する磁場の大きさが一致するような位置５５０に磁気センサ２２０を配置することにより、位置５５０以外では図７、図８に示すように周波数別に測定される磁束密度にばらつきは出るものの、位置５５０では図９、図１０に示すように周波数が異なっても一定な磁束密度を測定することができる。
　このように磁束密度が一定となることで、磁気センサ２２０を位置５５０に配置することで電流を安定的に測定することができ、測定精度を向上させることができる。
　磁束密度の測定位置は、通常であれば測定される磁束密度の大きさが最も大きい電流路１００の近傍とされるが、この実施の形態では、測定される磁束密度の大きさよりも、周波数ごとの測定値のばらつきを抑制するために、あえて電流路１００から離れた位置５５０に磁気センサ５５０を配置している。
　磁気センサ２２０の位置５５０は、電流路１００よりも第１磁気シールド２１０に近いため、測定磁場の大きさが電流路からの距離に応じて減少する中で、高周波の電流については表皮効果の影響で低周波の電流の比べて測定磁場の変化が緩やかとなることから、磁場を測定する位置５５０を電流路１００よりも第１磁気シールド２１０側とすることで、周波数の影響により測定磁場の変動の小さい位置で磁場の大きさを測定でき、それにより電流測定の精度を向上することができる。
　一方で磁気センサ２２０は、図６に示す断面から見た左右の幅方向の中央に電流路１００、第１磁気シールド２１０、磁気センサ２２０を揃えることにより、被測定電流に起因して生じた磁場の影響が大きくなるような位置関係となる。その結果、第１磁気シールド２１０によるシールド効果が高まることにより、外部磁場の影響を小さくすることができ、それにより電流測定の精度を向上することができる。また、中央に配置することで磁場分布が左右対称となって安定することで、測定精度を向上させることができる。
（第２の実施形態）
　上述の電流センサ２００の他の構成例について説明する。第１の実施の形態では、図６を参照して電流センサ２００における磁気センサ２２０の配置につい説明したが、この実施の形態では磁気センサ２２０の配置は同じ位置としながら、その配置構成を実現するための構成の変形例について説明する。
　第２の実施の形態においても、図１を参照して説明したように、電流路１００のある位置において電流センサ２００を配置する点は同じである。その結果、同様に図２に示したような電流密度の分布、図３に示したような磁束密度の分布を示す。そして、図５に示したような周波数ごとの磁束密度の変化を示す。そして、断面の構成について、図６に替えて図１１に示す断面の構成となる。
　図１１は、電流センサ２００の他の構成を説明する断面図である。図１を参照して説明したように、電流センサ２００は、第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０、磁気センサ２２０を備え、被測定電流の測定に必要な構成を備える本体である。第１の実施の形態では固定部２３０によって磁気センサ２２０を直接固定していたところ、図１１では、第１の固定部２３１及び第２の固定部２３２によって第３の固定部２３３を支え、第３の固定部２３３に磁気センサ２２０を取り付けることによって、図５に示した位置５５０に磁気センサ２２０を配置している。
　第１の実施の形態では固定部２３０によって磁気センサ２２０を配置していたので、磁気センサ２２０の位置調整がうまくいかない場合に、固定部２３０を別の大きさのものに取り換えたり、場合によっては削ったりしなければならず、不都合があったが、第２の実施の形態では磁気センサ２２０は第３の固定部２３３に取り付けておき、第１の固定部２３１及び第２の固定部２３２の高さ調節によって、磁気センサ２２０の位置を適切に調節することができる。特に、第１の固定部２３１及び第２の固定部２３２としてねじのような部材を用いることにより、その締め具合によって高さを調節することが可能であるため、磁気センサ２２０の位置を適切な位置に調節することが可能となる。
　第２の実施の形態では、磁気センサ２２０の位置関係を実現するために、第１の固定部２３１、第２の固定部２３２、第３の固定部２３３を用いたものであり、磁気センサ２２０の位置事態は第１の実施の形態で説明したものと同じである。その結果、図９及び図１０に示したように周波数が異なっても一定な磁束密度を測定することができる。このように磁束密度が一定となることで、磁気センサ２２０を位置５５０に配置することで電流を安定的に測定することができ、測定精度を向上させることができる。
　本発明は上述した実施形態には限定されない。具体的には、電流路１００を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する磁気センサ２２０と、電流路１００及び磁気センサ２２０を両側から挟んで対向させて配置された第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０とを備える構成として、第１磁気シールド２１０、第２磁気シールド３１０とを、磁性体且つ導電体とし、磁気センサ２２０を、第１磁気シールド２１０と電流路１００の間であり、電流路１００の被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置する限りにおいて、様々な構成とすることが考えられる。
　こうした構成のもとで、電流路１００に交流電流が流れることにより内部に渦電流が生じるので、第１磁気シールド２１０に流れる渦電流が被測定電流に応じて生じる磁場に与える影響と、被測定電流が流れる電流路１００における表皮効果に応じた生じる電流路１００の断面の幅方向における当該幅の中央の電流密度が、被測定電流によって生じる磁場に与える影響とが、所定の周波数帯域において相殺される第１磁気シールド２１０と電流路１００との間の位置に、磁気センサ２２０を配置する。このような構成の範囲内において、第１の実施の形態、第２の実施の形態に限られず、様々な形態を採用することが可能である。
　その他、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
　前記実施の形態では、車両用機器を対象として説明されているが、本発明は、特に車両用途に限定することなく、いわゆる比較的大きな電流が発生する電流路を対象とした電流センサに使用することができる。
１００…電流路
２００…電流センサ
２１０…第１磁気シールド
２２０…磁気センサ
２３０…固定部
２３１…第１の固定部
２３２…第２の固定部
２３３…第３の固定部
３１０…第２磁気シールド
６００…中心軸

Claims (8)

  1. 　電流路を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する磁気センサと、
    　前記電流路及び前記磁気センサを両側から挟んで対向させて配置された２つの磁気シールドとを備え、
    　前記磁気シールドは、磁性体且つ導電体であり、
    　前記磁気センサは、前記磁気シールドの一方と前記電流路の間に配置され、前記電流路の前記被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置され、
    　前記磁気センサは、前記電流の第１の周波数において前記磁気センサが検出する磁場と、前記第１の周波数より高い第２の周波数において前記磁気センサが検出する磁場とが一致する位置に配置される
    　電流センサ。
  2. 　前記磁気センサは、前記一方の磁気シールドと前記電流路の間のうち、前記電流路よりも前記一方の磁気シールドに近い位置に配置される請求項１に記載の電流センサ。
  3. 　前記電流路の前記幅方向の中央を通り且つ前記電流方向に直交する方向に延びる第１の中心軸と、前記磁気シールドの断面の幅方向の中央を通り且つ前記電流方向と直交する方向に延びる第２の中心軸とが一致し、
    　前記磁気センサは、前記第１の中心軸と前記第２の中心軸を通る位置に配置されている請求項１又は請求項２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記磁気シールドの比透磁率は、１，０００以上であり、
    　前記磁気シールドの導電率は、１．０×１０6[Ｓ／ｍ]以上である
    請求項１～３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
  5. 　前記磁気シールドの比透磁率は、１，０００，０００以下であり、
    　前記磁気シールドの導電率は、１００×１０6[Ｓ／ｍ]以下である
    請求項４に記載の磁気センサ。
  6. 　前記第１の周波数は、モーター制御用のインバーターで用いられる最低周波数であり、
    　前記第２の周波数は、モーター制御用のインバーターで用いられる最高周波数である
    　請求項１～５のいずれか１つに記載の電流センサ。
  7. 　前記磁気センサは、前記一方の磁気シールドと前記電流路の中間点と、前記一方の磁気シールドとの間に配置され、
    　前記一方の磁気シールドよりも前記中間点に近い位置に配置される
    　請求項２に記載の電流センサ。
  8. 　電流路を流れる被測定電流によって生ずる誘導磁界を測定する磁気センサと、
    　前記電流路及び前記磁気センサを両側から挟んで対向させて配置された２つの磁気シールドとを備え、
    　前記磁気シールドは、磁性体且つ導電体であり、前記電流路に交流電流が流れることにより内部に渦電流が生じ、
    　前記磁気センサは、前記磁気シールドの一方と前記電流路の間であり、前記電流路の前記被測定電流が流れる電流方向と直交する断面の幅方向において当該幅の中央に配置され、
    　前記磁気シールドに流れる渦電流が前記被測定電流に応じて生じる磁場に与える影響と、前記被測定電流が流れる前記電流路における表皮効果に応じた生じる前記電流路の前記断面の幅方向における当該幅の中央の電流密度が、前記被測定電流によって生じる磁場に与える影響とが、所定の周波数帯域において相殺される前記磁気シールドの一方と前記電流路との間の位置に、前記磁気センサが配置されている
    　電流センサ。
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