WO2016203781A1

WO2016203781A1 - 電流センサ

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Publication number: WO2016203781A1
Application number: PCT/JP2016/052250
Authority: WO
Inventors: 清水　康弘; 仁志坂口
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2016-12-22
Also published as: JP6540802B2; JPWO2016203781A1

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)を流れる上記電流により発生する磁界の強さを検出し、検出軸を有する少なくとも１つの磁気センサ(１２０)と、磁気センサ(１２０)が実装される基板(１３０)と、基板(１３０)上に固定され、磁気センサ(１２０)の周りを囲むアーチ状の磁性体部(１４０)とを備える。磁性体部(１４０)が基板上に固定されて形成される１対の開口部(１４０ｈ)は、上記検出軸に沿う方向に並んで互いに対向している。

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。

　磁気シールドを備えた磁性体装置を開示した先行文献として、国際公開第２０１１／０４６０９１号(特許文献１)、および、特開２００３－３２９７４９号公報(特許文献２)がある。

　特許文献１に記載された磁性体装置は、基板と、基板の第１主面上に搭載された少なくとも１つの磁性体素子と、基板の第１主面側に配置された軟磁性体の磁気シールドとを備える。磁気シールドは、基板から見て凸になるように湾曲する湾曲領域を含む。その湾曲領域は、少なくとも、基板上面から見て磁気シールドと磁性体素子とがオーバーラップする領域を含む。磁気シールドと磁性体素子との間の空間は、磁気的に空洞である。

　特許文献２に記載された電流センサは、被測定導体と、被測定導体を流れる電流により発生した磁気を検出する磁気検出素子と、被測定導体を挟んで磁気検出素子の反対側に設けられた第１磁性体と、被測定導体および磁気検出素子を挟んで第１磁性体の反対側に設けられた第２磁性体とを備える。

国際公開第２０１１／０４６０９１号特開２００３－３２９７４９号公報

　特許文献１に記載された磁性体装置は、湾曲した磁気シールドによって、全方位に対するシールド効果を実現している。電流センサにおいては、磁気センサの検出軸と交差するように磁気シールドが配置された場合、磁気センサにおける入力磁界と出力電圧との線形性が低下し、電流センサの測定精度が低下する。

　特許文献２に記載された電流センサにおいては、磁気シールドによって、１次導体と磁気センサとを囲んでいる。磁気センサは、１次導体の発熱の影響の低減、および１次導体との絶縁距離の確保の観点から、１次導体に対して間隔を置いて配置される。そのため、磁気シールドと磁気センサとの間に比較的大きな隙間が存在し、この隙間によって外部磁界に対する磁気シールドの効果が低減し、電流センサの測定精度が低下する。

　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、外部磁界の影響を低減しつつ測定精度の高い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次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さを検出し、検出軸を有する少なくとも１つの磁気センサと、磁気センサが実装される基板と、基板上に固定され、磁気センサの周りを囲むアーチ状の磁性体部とを備える。磁性体部が基板上に固定されて形成される１対の開口部は、上記検出軸に沿う方向に並んで互いに対向している。

　本発明の一形態においては、電流センサは、磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを有し、磁性体部として第１磁性体部および第２磁性体部を有する。第１磁気センサは、１次導体の表面側に配置され、第１磁性体部に周りを囲まれている。第２磁気センサは、１次導体の裏面側に配置され、第２磁性体部に周りを囲まれている。上記電流は、１次導体を１次導体の長さ方向に流れる。第１磁気センサの検出軸および第２磁気センサの検出軸の各々は、１次導体の厚さ方向および上記長さ方向の両方に直交する方向である１次導体の幅方向に向いている。

　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次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサの検出値の位相と第２磁気センサの検出値の位相とが逆相である。算出部は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次導体を流れる上記電流により発生する磁界の強さについて、第１磁気センサの検出値の位相と第２磁気センサの検出値の位相とが同相である。算出部は加算器または加算増幅器である。

　本発明の一形態においては、第１磁気センサおよび第２磁気センサが、１つの基板に実装されている。基板は、１次導体の長さ方向と直交するように配置され、１次導体に貫通されている。

　本発明の一形態においては、磁性体部は電気的に接地されている。
　本発明の一形態においては、電流センサは、１次導体および基板の周りを囲む、第３磁性体部をさらに備える。

　本発明の一形態においては、電流センサは、１次導体と並び、測定対象外の電流が流れる他の１次導体をさらに備える。上記検出軸に沿う方向にて、磁気センサと他の１次導体との間に、第３磁性体部が位置している。

　本発明によれば、外部磁界の影響を低減しつつ電流センサの測定精度を高めることができる。

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の電流センサを矢印ＩＩＩ方向から見た側面図である。図２の電流センサをＩＶ－ＩＶ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。実施例に係る電流センサが備える磁気センサの配置を示す斜視図である。図６の磁気センサを矢印ＶＩＩ方向から見た平面図である。比較例１に係る電流センサが備える磁気センサの配置を示す斜視図である。図８の磁気センサを矢印ＩＸ方向から見た平面図である。比較例２に係る電流センサが備える磁気センサの配置を示す斜視図である。図１０の磁気センサを矢印ＸＩ方向から見た平面図である。実施例および比較例１の各々に係る電流センサにおける磁気センサの出力特性を示すグラフである。実施例および比較例２の各々に係る電流センサにおける磁気センサの出力電圧の誤差率の分布を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る電流センサの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構成を示す斜視図である。図１６の電流センサを矢印ＸＶＩＩ方向から見た正面図である。本発明の実施形態３に係る電流センサの回路基板を側面から見た側面図である。本実施形態に係る電流センサを３相３線式の配線に適用した構成を示す正面図である。図１９の電流センサの第１磁気センサに作用する磁束を模式的に示す正面図である。

　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の電流センサを矢印ＩＩＩ方向から見た側面図である。図４は、図２の電流センサをＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。図５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１～４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１～４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を流れる測定対象の電流１により発生する磁界の強さを検出し、検出軸を有する磁気センサ１２０と、磁気センサ１２０が実装される回路基板１３０と、回路基板１３０上に固定され、磁気センサ１２０の周りを囲むアーチ状の磁性体部１４０とを備える。磁性体部１４０が回路基板１３０上に固定されて形成される１対の開口部１４０ｈは、磁気センサ１２０の検出軸に沿う方向に並んで互いに対向している。測定対象の電流１は、１次導体１１０の長さ方向(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。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)および測定対象の電流１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。

　図５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、磁気抵抗素子である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。なお、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。磁気センサ１２０は、差動増幅器および受動素子の各々と電気的に接続されている。

　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。具体的には、ＡＭＲ素子は、バーバーポール型電極を含むことにより、ＡＭＲ素子における磁気抵抗膜の磁化方向に対して所定の角度をなす方向に測定対象の電流が流れるようにバイアスされている。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。

　磁気抵抗素子およびホール素子などの磁気センサ素子は、樹脂パッケージされていてもよく、または、シリコーン樹脂若しくはエポキシ樹脂などでポッティングされていてもよい。複数の磁気センサ素子がパッケージされている場合、複数の磁気センサ素子が１つにパッケージされていてもよいし、複数の磁気センサ素子の各々が別々にパッケージされていてもよい。また、複数の磁気センサ素子と電子部品とが集積された状態で、１つにパッケージされていてもよい。

　図１～４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１～４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。

　回路基板１３０は、１次導体１１０の表面上に載置されている。回路基板１３０は、プリント配線板であり、ガラスエポキシまたはアルミナなどの基材と、基材の表面上に設けられた銅などの金属箔がパターニングされて形成された配線とから構成されている。

　磁性体部１４０は、磁気センサ１２０において回路基板１３０と面していない表面のうち、磁気センサ１２０の検出軸に沿う方向と交差する面以外の部分を覆っている。磁性体部１４０は、回路基板１３０と対向する天井部１４１と、互いに間隔を置いて天井部１４１から突出し、回路基板１３０に接する１対の脚部１４２とを含む。天井部１４１は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)にて磁気センサ１２０と対向する。１対の脚部１４２の各々は、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)にて磁気センサ１２０と対向する。

　本実施形態においては、天井部１４１は平板形状を有し、天井部１４１と脚部１４２とは略直交している。ただし、天井部１４１が、外側に凸状の半球形状、または、半円筒形状などの湾曲した形状を有していてもよい。または、磁性体部１４０が、半円筒形状を有していてもよい。

　磁性体部１４０の内面と磁気センサ１２０の表面との間には、隙間が設けられており、磁性体部１４０と磁気センサ１２０とは互いに接触していない。磁性体部１４０は、接着剤または半田などにより回路基板１３０上に接着されている。なお、磁性体部１４０が、磁気センサ素子とともに１つのパッケージ内にて樹脂封止されていてもよい。

　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と磁性体部１４０との間の隙間が狭いため、外部磁界源は、物理的に磁気センサ１２０と磁性体部１４０との間に位置することができない。

　磁性体部１４０は、珪素鋼、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。磁性体部１４０を構成する材料として、電流センサ１００の測定範囲および磁気センサ１２０の入力ダイナミックレンジに応じて最適な磁性体材料を選択することにより、電流センサ１００の出力特性を制御することができる。また、磁性体部１４０と磁気センサ素子との間の距離、磁性体部１４０の厚さおよび磁性体部１４０のＸ軸方向の幅を適宜調整することにより、電流センサ１００の出力特性を最適化することができる。

　磁性体部１４０によって磁気センサ１２０を覆うことにより、磁気センサ１２０に外部磁界の影響が及ぶことを抑制できる。特に、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部１４０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、磁性体部１４０の内側に配置された磁気センサ１２０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、磁性体部１４０の厚さが決定されている。

　また、磁性体部１４０によって磁気センサ１２０を覆うことにより、磁気センサ１２０に作用するＹ軸方向およびＺ軸方向の磁界成分を低減することができるため、電流センサ１００の入力ダイナミックレンジを拡大することができる。

　磁性体部１４０が回路基板１３０上に固定されて形成される１対の開口部１４０ｈが、磁気センサ１２０の検出軸に沿う方向に並んで互いに対向していることにより、測定対象の電流１により発生する磁界の磁束は磁性体部１４０を通過せずに磁気センサ１２０に進入する。これにより、磁気センサ１２０における入力磁界と出力電圧との線形性を維持して、電流センサ１００の測定精度を高くすることができる。

　上記のように、本実施形態に係る電流センサ１００は、磁性体部１４０を備えることにより、外部磁界の影響を低減しつつ、磁気センサ１２０における入力磁界と出力電圧との線形性を高く維持して、電流センサ１００の測定精度を高くすることができる。

　次に、本発明の実施形態１に係る電流センサの作用および効果について検証するために、実施例に係る電流センサが備える磁気センサおよび比較例に係る電流センサが備える磁気センサについて実験した結果について説明する。

　図６は、実施例に係る電流センサが備える磁気センサの配置を示す斜視図である。図７は、図６の磁気センサを矢印ＶＩＩ方向から見た平面図である。図８は、比較例１に係る電流センサが備える磁気センサの配置を示す斜視図である。図９は、図８の磁気センサを矢印ＩＸ方向から見た平面図である。図１０は、比較例２に係る電流センサが備える磁気センサの配置を示す斜視図である。図１１は、図１０の磁気センサを矢印ＸＩ方向から見た平面図である。

　図６，７に示すように、実施例に係る電流センサにおいては、磁性体部１４０が回路基板１３０上に固定されて形成される１対の開口部１４０ｈは、磁気センサ１２０の検出軸に沿う方向２に並んで互いに対向している。図８，９に示すように、比較例１に係る電流センサにおいては、磁性体部１４０が設けられていない。図１０，１１に示すように、比較例２に係る電流センサにおいては、磁性体部１４０が回路基板１３０上に固定されて形成される１対の開口部１４０ｈは、磁気センサ１２０の検出軸に直交する方向に並んで互いに対向している。すなわち、比較例２に係る電流センサは、実施例に係る電流センサとは、回路基板１３０の面内における磁性体部１４０の取付角度が９０°異なっている。

　実験条件として、磁性体部１４０の材料を珪素鋼とし、磁性体部１４０の厚さを０．２ｍｍとし、磁気センサ１２０の検出軸に沿う方向２に±１０ｍＴの磁界を印加した。

　ここで、磁気センサの出力電圧の誤差率について定義する。まず、磁気センサに印加された磁界の磁束密度に対する出力電圧の変位を最小二乗法を用いて１次関数にて近似することにより、線形性を有する仮想出力電圧の変位を算出する。印加された磁界の磁束密度の範囲における仮想出力電圧の最大値と最小値との間の間隔であるフルスケールに対する、出力電圧と仮想出力電圧との差の比率を、磁気センサの出力電圧の誤差率とする。

　図１２は、実施例および比較例１の各々に係る電流センサにおける磁気センサの出力特性を示すグラフである。図１２においては、縦軸に磁気センサ１２０の出力電圧(Ｖ)、横軸に入力磁界(ｍＴ)を示している。図１２に示すように、磁性体部１４０が設けられている実施例に係る磁気センサ１２０の出力電圧は、磁性体部１４０が設けられていない比較例１に係る磁気センサ１２０の出力電圧と比較して低くなっているが、入力磁界との線形性は維持されていた。

　この結果から、磁気センサ１２０に、磁気センサ１２０の検出軸に沿う方向２に外部磁界が印加された場合にも、磁気センサ１２０の出力への外部磁界の影響を低減しつつ、磁気センサ１２０の入力磁界と出力電圧との線形性を維持できることが確認できた。

　図１３は、実施例および比較例２の各々に係る電流センサにおける磁気センサの出力電圧の誤差率の分布を示すグラフである。図１３においては、縦軸に磁気センサ１２０の出力電圧の誤差率(％ＦＳ)、横軸に入力磁界(ｍＴ)を示している。

　図１３に示すように、実施例に係る磁気センサ１２０の出力電圧の誤差率は、比較例２に係る磁気センサの出力電圧の誤差率と比較して小さかった。この結果から、入力磁界が磁性体部１４０を通過せずに磁気センサ１２０に進入するように磁性体部１４０を配置することにより、磁気センサ１２０における入力磁界と出力電圧との線形性を高く維持できることが確認できた。

　(実施形態２)
　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、実施形態１に係る電流センサ１００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。

　図１４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１５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１４においては、図３と同一の断面視にて図示している。

　図１４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の表面側に配置され、第２磁気センサ１２０ｂが、１次導体１１０の裏面側に配置されている。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、１次導体１１０の表面上に載置されている。第２磁気センサ１２０ｂを実装した第２回路基板１３０ｂが、１次導体１１０の裏面上に配置されている。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磁気センサ１２０ａは、第１回路基板１３０ａ上に固定されたアーチ状の第１磁性体部１４０ａによって周りを囲まれている。第１磁性体部１４０ａが第１回路基板１３０ａ上に固定されて形成される１対の第１開口部１４０ａｈは、第１磁気センサ１２０ａの検出軸に沿う方向に並んで互いに対向している。

　第２磁気センサ１２０ｂは、第２回路基板１３０ｂ上に固定されたアーチ状の第２磁性体部１４０ｂによって周りを囲まれている。第２磁性体部１４０ｂが第２回路基板１３０ｂ上に固定されて形成される１対の第２開口部１４０ｂｈは、第２磁気センサ１２０ｂの検出軸に沿う方向に並んで互いに対向している。

　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、ＰＰＳ(ポリフェニレンスルファイド)などの高温耐性を有するエンジニアリングプラスティックなどで形成されていることが好ましい。第１回路基板１６０ａおよび第２回路基板１６０ｂの各々と筐体とを固定する方法としては、螺子による締結、樹脂による熱溶着、または、接着剤による接合などを用いることができる。螺子を用いて第１回路基板１６０ａおよび第２回路基板１６０ｂの各々と筐体とを締結する場合には、磁界の乱れが生じないように、非磁性の螺子を用いることが好ましい。筐体は、１次導体１１０と一体に構成されていてもよいし、１次導体１１０に対して付け外し可能に構成されていてもよい。

　第１磁気センサ１２０ａは、差動増幅器および受動素子とともに第１回路基板１３０ａに実装されている。第２磁気センサ１２０ｂは、差動増幅器および受動素子とともに第２回路基板１３０ｂに実装されている。なお、図１４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)および測定対象の電流が流れる方向(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、磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向に対して所定の角度に測定対象の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電流センサ２００の出力精度の低下を小さくすることができる。

　図１５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を流れる測定対象の電流の値を算出する算出部２９０をさらに備える。算出部２９０は、差動増幅器である。ただし、算出部２９０が減算器であってもよい。

　１次導体１１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界によって、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は反対であるため、１次導体１１０を流れる測定対象の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２９０にて演算される。算出部２９０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を流れた測定対象の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２９０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を流れる測定対象の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２９０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を流れる測定対象の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を流れた測定対象の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は、第１磁性体部１４０ａおよび第２磁性体部１４０ｂを備えることにより、外部磁界の影響を低減しつつ、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々における入力磁界と出力電圧との線形性を高く維持して、電流センサ２００の測定精度を高くすることができる。

　(実施形態３)
　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３００は、１次導体および回路基板の周りを囲む第３磁性体部をさらに備える点、および、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２に係る電流センサ２００とは異なるため、実施形態２に係る電流センサ２００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。

　図１６は、本発明の実施形態３に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１７は、図１６の電流センサを矢印ＸＶＩＩ方向から見た正面図である。図１８は、本発明の実施形態３に係る電流センサの回路基板を側面から見た側面図である。

　図１６～１８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、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが、１つの回路基板３３０に実装されている。回路基板３３０の中央に、１次導体１１０が挿入される矩形状の貫通孔が設けられている。回路基板３３０は、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)と直交するように配置され、１次導体１１０に貫通されている。

　第１磁気センサ１２０ａは、差動増幅器である第１オペアンプ３８０ａおよび第１受動素子３９０ａとともに回路基板３３０に実装されている。第２磁気センサ１２０ｂは、差動増幅器である第２オペアンプ３８０ｂおよび第２受動素子３９０ｂとともに回路基板３３０に実装されている。

　電流センサ３００は、１次導体１１０および回路基板３３０の周りを囲む、第３磁性体部３５０をさらに備える。第３磁性体部３５０は、筒状の形状を有している。第３磁性体部３５０は、回路基板３３０と間隔を置いて、回路基板３３０の周りを囲んでいる。第３磁性体部３５０と回路基板３３０との間に、図示しない絶縁体からなるスペーサが挟まれている。第３磁性体部３５０は、第１磁気センサ１２０ａの表面のうち、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)と交差する面以外の部分を覆っている。第３磁性体部３５０は、第２磁気センサ１２０ｂの表面のうち、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)と交差する面以外の部分を覆っている。

　第３磁性体部３５０は、電気的に接地されていてもよい。この場合、第３磁性体部３５０は、電磁シールドとして機能する。

　本実施形態においては、図１８に示すように、回路基板３３０の裏面上に、第１磁性体部１４０ａと同様の形状および材料で形成された第４磁性体部３４０ａ、および、第２磁性体部１４０ｂと同様の形状および材料で形成された第５磁性体部３４０ｂが設けられている。第４磁性体部３４０ａおよび第５磁性体部３４０ｂの各々は、接着剤または半田などにより回路基板３３０に接着されている。

　第４磁性体部３４０ａは、回路基板３３０に関して第１磁性体部１４０ａと略面対称に配置されている。第５磁性体部３４０ｂは、回路基板３３０に関して第２磁性体部１４０ｂと略面対称に配置されている。

　第１磁気センサ１２０ａは、第４磁性体部３４０ａによって、回路基板３３０と面している表面を覆われている。第２磁気センサ１２０ｂは、第５磁性体部３４０ｂによって、回路基板３３０と面している表面を覆われている。なお、第４磁性体部３４０ａおよび第５磁性体部３４０ｂの各々の形状は、上記に限られず、たとえば、平板状であってもよい。また、第４磁性体部３４０ａおよび第５磁性体部３４０ｂは、必ずしも設けられていなくてもよい。

　１次導体１１０と回路基板３３０との間には、第１筐体３６０が配置されている。第１筐体３６０は、筒状の形状を有している。第１筐体３６０は回路基板３３０の貫通孔に挿入され、第１筐体３６０の内側に１次導体１１０が挿入されている。第１筐体３６０は、ＰＰＳなどの高温耐性を有するエンジニアリングプラスティックなどで形成されていることが好ましい。

　回路基板３３０と第１筐体３６０とを固定する方法としては、螺子による締結、樹脂による熱溶着、または、接着剤による接合などを用いることができる。螺子を用いて回路基板３３０と第１筐体３６０とを締結する場合には、磁界の乱れが生じないように、非磁性の螺子を用いることが好ましい。第１筐体３６０は、１次導体１１０と一体に構成されていてもよいし、１次導体１１０に対して付け外し可能に構成されていてもよい。

　第３磁性体部３５０の外側に第２筐体３７０が配置されている。第２筐体３７０は、筒状の形状を有している。第２筐体３７０の内側に第３磁性体部３５０が配置されている。第２筐体３７０は、たとえば、ＡＢＳ(Acrylonitrile　Butadiene　Styrene)樹脂などの樹脂で構成されている。第２筐体３７０と第３磁性体部３５０とが、インサート成形されて形成されていてもよい。

　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。

　第３磁性体部３５０によって第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂを覆うことにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に外部磁界の影響が及ぶことを抑制できる。

　１次導体１１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界は、第３磁性体部３５０の内側を周回して第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。そのため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々における入力磁界と出力電圧との線形性を維持することができる。

　本実施形態に係る電流センサ３００は、第１磁性体部１４０ａ、第２磁性体部１４０ｂ、第３磁性体部３５０、第４磁性体部３４０ａおよび第５磁性体部３４０ｂを備えることにより、外部磁界の影響を低減しつつ、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々における入力磁界と出力電圧との線形性を高く維持して、電流センサ３００の測定精度を高くすることができる。

　なお、１つの回路基板３３０に第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが実装されている構成に限られず、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００に第３磁性体部３５０を追加した構成としてもよい。

　次に、本実施形態に係る電流センサ３００を、たとえば、インバータなどの３相３線式の配線に適用した場合について説明する。図１９は、本実施形態に係る電流センサを３相３線式の配線に適用した構成を示す正面図である。

　図１９に示すように、本実施形態に係る電流センサ３００を３相３線式の配線に適用した場合、電流センサ３００は、１次導体１１０と並び、測定対象外の電流が流れる２本の他の１次導体４１０，４１１をさらに備える。第３磁性体部３５０は、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸に沿う方向にて、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々と他の１次導体４１０，４１１との間に位置している。なお、他の１次導体４１０，４１１の配置は、図１９に示すように１次導体１１０に対して平行に並んでいる場合に限られない。

　図２０は、図１９の電流センサの第１磁気センサに作用する磁束を模式的に示す正面図である。図２０においては、他の１次導体４１０に流れた測定対象外の電流により発生した磁界の磁束と、１次導体１１０に流れた測定対象の電流により発生した磁界の磁束１１０ｅとを示している。

　図１９，２０に示すように、他の１次導体４１０に流れた測定対象外の電流により発生した磁界の磁束４１０ｅは、第３磁性体部３５０を通過した後、第１磁気センサ１２０ａの検出軸に沿う方向２に対して斜め方向に進入する。

　磁束４１０ｅは、第１磁気センサ１２０ａより透磁率の高い第１磁性体部１４０ａの内部に主に進入して磁束４１１ｅとなり、第１磁性体部１４０ａを通過した後、第１磁性体部１４０ａから進出して磁束４１２ｅとなる。磁束４１２ｅは、磁束４１０ｅと同じ方向に進出する。

　このように、電流センサ３００を３相３線式の配線に適用した場合においては、第１磁性体部１４０ａによって、第１磁気センサ１２０ａに測定対象外の電流により発生した磁界の影響が及ぶことを抑制できる。第２磁気センサ１２０ｂにおいても、測定対象外の電流により発生した磁界の影響が及ぶことを第２磁性体部１４０ｂによって抑制できる。その結果、電流センサ３００の測定精度を高くすることができる。

　さらに、第３磁性体部３５０が電気的に接地されている場合、第３磁性体部３５０が電磁シールドとして機能するため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に測定対象外の電流により発生した磁界が及ぶことをより効果的に抑制できる。

　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

　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　測定対象の電流、１００，２００，３００　電流センサ、１１０，４１０，４１１　１次導体、１２０　磁気センサ、１２０ａ　第１磁気センサ、１２０ｂ　第２磁気センサ、１３０，３３０　回路基板、１３０ａ，１６０ａ　第１回路基板、１３０ｂ，１６０ｂ　第２回路基板、１４０　磁性体部、１４０ａ　第１磁性体部、１４０ａｈ　第１開口部、１４０ｂ　第２磁性体部、１４０ｂｈ　第２開口部、１４０ｈ　開口部、１４１　天井部、１４２　脚部、２９０　算出部、３４０ａ　第４磁性体部、３４０ｂ　第５磁性体部、３５０　第３磁性体部、３６０　第１筐体、３７０　第２筐体、３８０ａ　第１オペアンプ、３８０ｂ　第２オペアンプ、３９０ａ　第１受動素子、３９０ｂ　第２受動素子、４１０ｅ，４１１ｅ，４１２ｅ　磁束。

Claims

　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し、検出軸を有する少なくとも１つの磁気センサと、
　前記磁気センサが実装される基板と、
　前記基板上に固定され、前記磁気センサの周りを囲むアーチ状の磁性体部とを備え、
　前記磁性体部が前記基板上に固定されて形成される１対の開口部は、前記検出軸に沿う方向に並んで互いに対向している、電流センサ。
　前記磁気センサとして第１磁気センサおよび第２磁気センサを有し、
　前記磁性体部として第１磁性体部および第２磁性体部を有し、
　前記第１磁気センサは、前記１次導体の表面側に配置され、前記第１磁性体部に周りを囲まれ、
　前記第２磁気センサは、前記１次導体の裏面側に配置され、前記第２磁性体部に周りを囲まれ、
　前記電流は、前記１次導体を前記１次導体の長さ方向に流れ、
　前記第１磁気センサの検出軸および前記第２磁気センサの検出軸の各々は、前記１次導体の厚さ方向および前記長さ方向の両方に直交する方向である前記１次導体の幅方向に向いている、請求項１に記載の電流センサ。
　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。
　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。
　前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサが、１つの前記基板に実装されており、
　前記基板は、前記１次導体の前記長さ方向と直交するように配置され、前記１次導体に貫通されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
　前記磁性体部が電気的に接地されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電流センサ。
　前記１次導体および前記基板の周りを囲む、第３磁性体部をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の電流センサ。
　前記１次導体と並び、測定対象外の電流が流れる他の１次導体をさらに備え、
　前記検出軸に沿う方向にて、前記磁気センサと前記他の１次導体との間に、前記第３磁性体部が位置している、請求項７に記載の電流センサ。