(57)【要約】【課題】被検出電流を交流、直流を問わずに高精度に検出することのできる電流センサを提供する。【解決手段】貫通孔２１、及び貫通孔２１の両サイドに設けられた被検出電流が流れる一対の導電部２２を有する導電体２と、貫通孔２１に設けられた磁気検出素子３と、を備え、導電体２の厚み又は導電部２２の幅が、表皮深さの２倍以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔、及び前記貫通孔の両サイドに設けられた被検出電流が流れる一対の導電部を有する導電体と、
前記貫通孔に設けられた磁気検出素子と、
を備え、
前記導電体の厚み又は前記導電部の幅が、表皮深さの２倍以下であること、
を特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記導電部に流れる被検出電流は、交流成分を有すること、
を特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記導電部に流れる被検出電流は、直流電流であること、
を特徴とする請求項１又は２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記導電体の厚み又は前記導電部の幅は、１．３２ｍｍ以下であること、
を特徴とする請求項１〜３の何れか記載の電流センサ。
【請求項５】
前記導電体の厚み又は前記導電部の幅は、０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ以下であること、
を特徴とする請求項１〜４の何れか記載の電流センサ。
【請求項６】
前記磁気検出素子は、前記貫通孔の中心を挟んで前記導電部が並ぶ方向に２つ対称に設けられていること、
を特徴とする請求項１〜５の何れか記載の電流センサ。
【請求項７】
リアクトル又はインバータに設けられたこと、
を特徴とする請求項１〜６の何れか記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電流センサは、被検出電流の導通によって生じる磁場を磁性体からなるコアで収束し、その磁場をホール素子等の磁気検出素子が検出して電圧信号に変換することによって電流値を検出する。
【０００３】
このような電流センサは、製造コストの多くがコアに充てられ、コスト面に与える影響が小さくない。また、電流センサ全体の重量のうち、コアが占める割合が高く、小型化や軽量化が求められる条件下では問題となり得る。そのため、電流検出には、コアを用いないコアレス型の電流センサが用いられる場合がある。コアレス型の電流センサは、被検出電流が流れる導体に貫通孔が設けられ、この貫通孔に磁気検出素子を設けた構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２２８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電流センサでは、導電体に流れる被検出電流に交流成分が含まれていると、表皮効果の影響により、導電体内の電流密度分布に偏りが生じる結果、磁気検出素子が検出する磁場も変化する。そのため、導電体に流れた電流に対して電流センサが出力する出力電圧にも変化が生じ、検出精度が悪化する場合があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、被検出電流を交流、直流を問わずに高精度に検出することのできる電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流センサは、貫通孔、及び前記貫通孔の両サイドに設けられた被検出電流が流れる一対の導電部を有する導電体と、前記貫通孔に設けられた磁気検出素子と、を備え、前記導電体の厚み又は前記導電部の幅が、表皮深さの２倍以下であること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、被検出電流を交流、直流を問わずに高精度に検出することのできる電流センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】リアクトルに適用した実施形態に係る電流センサの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】実施例の導電体の解析モデルを示し、貫通孔を含んだ導電体の断面図である。
【図４】実施例の解析に使用した電流波形を示す図である。
【図５】貫通孔の幅ｗ＝４ｍｍのときの磁束密度分布を示す図であり、（ａ）は導電体の厚さｔ＝０．８ｍｍ、（ｂ）はｔ＝１．０ｍｍ、（ｃ）はｔ＝１．２ｍｍ、（ｄ）はｔ＝２．８５ｍｍ、（ｅ）はｔ＝５．０ｍｍである。
【図６】貫通孔の幅ｗ＝５．８ｍｍのときの磁束密度分布を示す図であり、（ａ）は導電体の厚さｔ＝０．８ｍｍ、（ｂ）はｔ＝１．０ｍｍ、（ｃ）はｔ＝１．２ｍｍ、（ｄ）はｔ＝２．８５ｍｍ、（ｅ）はｔ＝５．０ｍｍである。
【図７】貫通孔の幅ｗ＝７ｍｍのときの磁束密度分布を示す図であり、（ａ）は導電体の厚さｔ＝０．８ｍｍ、（ｂ）はｔ＝１．０ｍｍ、（ｃ）はｔ＝１．２ｍｍ、（ｄ）はｔ＝２．８５ｍｍ、（ｅ）はｔ＝５．０ｍｍである。
【図８】電流に対する差分磁束密度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の電流センサについて説明する。
【００１１】
［１．実施形態］
［１−１．構成］
図１は、リアクトルに適用した実施形態に係る電流センサの平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。
【００１２】
図１及び図２に示すように、本実施形態の電流センサ１は、導電体２と、磁気検出素子３と、処理部４を備える。電流センサ１は、導電体２に被検出電流が流れることで、被検出電流により生じた磁場を磁気検出素子３が検出し、被検出電流に応じた電圧を出力する。
【００１３】
具体的には、導電体２は、貫通孔２１と、一対の導電部２２、導電部２３、２４を有する。ここでは導電体２は、銅等から構成された導電板である。貫通孔２１は、導電体２に設けられており、電流が通らない非導電部である。ここでは、貫通孔２１は、長円状であり、導電体２の中央部に設けられている。
【００１４】
導電部２２は、貫通孔２１の両サイドに設けられており、被検出電流が流れる部位である。すなわち、導電部２２は、被検出電流が流れる方向に延びており、貫通孔２１を挟んで対称に設けられ、延び方向に直交する断面形状が同じである。一対の導電部２２の一端が導電部２３に電気的に接続され、一対の導電部２２の他端が導電部２４に電気的に接続されている。導電部２３、２４は、外部機器等と電気的に接続され、電流の流入、流出口となる。例えば、導電部２３から導電部２４の方に被検出電流が流れるとすると、導電部２３に流れる電流Ｉは、一対の導電部２２に分流する。すなわち、導電部２２には、電流Ｉ／２がそれぞれ流れ、導電部２２の他端の導電部２４で合流し、導電部２４に電流Ｉが流れる。導電部２４は、後述するリアクトル５のコイル５３に電気的に接続されている。
【００１５】
導電体２の厚み又は導電部２２の幅は、表皮深さの２倍以下である。ここでいう「導電体２の厚み」とは、貫通孔２１の貫通方向（図２中ではＹ方向）と平行な導電体２の大きさをいい、「導電部２２の幅」とは、貫通孔２１の貫通方向と直交する導電部２２の大きさをいう。導電部２２の幅は、導電体２の幅と貫通孔２１の幅の差の半分である。表皮深さδとは、導電体２表面からの深さであり、導電体２表面の電流密度の１／ｅ倍となる深さをいい、δ＝｛１／（πσμｆ）｝１／２である。σは、導電体２の導電率、ｆは、交流電流の周波数、μは、導電体２の絶対透磁率である。
【００１６】
導電体２の厚み又は導電部２２の幅は、１．３２ｍｍ以下であることが好ましく、０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ以下であると更に好ましい。
【００１７】
磁気検出素子３は、貫通孔２１に設けられており、磁場を検出し、検出した磁場に応じた電圧を出力する。例えば、磁気検出素子３は、導電部２２に被検出電流が流れたことにより発生する磁場を検出し、その検出した磁場を電圧に変換して出力する。そのため、電流センサ１への入力は、被検出電流であり、電流センサ１の出力は、電圧である。
【００１８】
磁気検出素子３としては、検出した磁場を電圧に変換するホール素子を用いることができる。図２に示すように、磁気検出素子３は、貫通孔２１の中心を挟んで導電部２２が並ぶ方向に２つ対称に設けられている。ここでは、２つの磁気検出素子３が並ぶ方向は、図２中のＸ方向である。各磁気検出素子３は、感度軸が反対になるように設けられている。例えば、図２中の右側の磁気検出素子３の感度軸がＹ方向正側に向けられ、図２中の左側の磁気検出素子３の感度軸は、Ｙ方向負側に向けられている。
【００１９】
処理部４は、２つの磁気検出素子３の出力電圧の差を演算する。処理部４は、例えば、コンピュータ又は専用の電子回路により構成することができる。また、電流センサ１は、磁気検出素子３の出力電圧、又は処理部２１が演算した電圧差を増幅するオペアンプ等を有する増幅回路を備えていても良い。この電流センサ１には、例えば導電体２（導電部２２）に流れる被検出電流により発生する磁場を収束するコアは設けられていない。
【００２０】
本実施形態の電流センサ１は、リアクトル５に設けられている。すなわち、リアクトル５は、環状のコア５１と、コア５１に巻回された一対のコイル５２、５３を備えている。コア５１は、磁性体を含み構成される。コイル５２、５３は、一端部同士が電気的に接続され、他端部がコア１の外部に引き出されている。ここでは、コイル５３の他端部に導電体２が溶接等により電気的に接続されることで電流センサ１がリアクトル５に取り付けられている。
【００２１】
［１−２．作用］
本実施形態の電流センサ１の作用を説明する。一例として、導電体２に電流Ｉが導電部２３から導電部２４に流れるものとする。
【００２２】
図１に示すように、導電体２の導電部２３からの電流Ｉは、貫通孔２１の両サイドの一対の導電部２２にＩ／２ずつ分流される。図２中左側の導電部２２を導電部２２ａとも称し、図２中の右側の導電部２２を導電部２２ｂとも称する。
【００２３】
ここで、各導電部２２に流れる電流に交流成分が含まれていると、電流密度が導電部２２の表面側に偏って大きくなり、中心部が小さくなるという表皮効果が現れる可能性がある。すなわち、導電部２２の表面から表皮深さまでが電流が流れやすく、中心部が流れにくくなる。交流成分の周波数が大きくなるほど、その傾向は顕著になる。
【００２４】
これに対し、本実施形態では、導電体２の厚み又は導電部２２の幅を、表皮深さの２倍以下にしているので、導電体２の電流密度を均一にすることができ、表皮効果の影響を防止している。
【００２５】
導電部２２ａに流れる電流により、導電部２２ａの周囲に電流方向に対する右ネジの方向に磁場Ｂ１が発生し、導電部２２ｂに流れる電流により、導電部２２ｂの周囲に電流方向に対する右ネジの方向に磁場Ｂ２が発生する。各導電部２２に流れる電流はＩ／２であり、同方向に同じ大きさであるので、貫通孔２１内における各磁場Ｂ１、Ｂ２は、導電部２２ａ又は導電部２２ｂからの距離が同じであれば、大きさが同じで向きが逆となる。すなわち、磁場Ｂ１の、導電部２２ａ側に設けられた磁気検出素子３（以下、単に、磁気検出素子３ａとも称する。）の位置における磁場をＢａ、磁場Ｂ１の、導電部２２ｂ側に設けられた磁気検出素子３（以下、単に、磁気検出素子３ｂとも称する。）の位置における磁場をＢａ’とし、磁場Ｂ２の磁気検出素子３ｂの位置における磁場をＢｂ、磁場Ｂ２の磁気検出素子３ａにおける磁場をＢｂ’とすると、磁気検出素子３ａの位置には、磁場（Ｂａ−Ｂｂ’）が発生し、磁気検出素子３ｂの位置には、磁場（Ｂｂ−Ｂａ’）が発生する。
【００２６】
また、導電部２４に流れた電流は、コイル５２、５３に流れるため、コイル５２、５３にも磁場が発生する。これらの磁場が、外乱磁場となる。すなわち、コイル５２、５３への通電により、磁気検出素子３ａの位置には、磁場（Ｂａ−Ｂｂ’）の他に、外乱磁場Ｂｃが生じ、磁気検出素子３ｂの位置には、磁場（Ｂｂ−Ｂａ’）の他に、外乱磁場Ｂｄが生じる。つまり、磁気検出素子３ａが検出する磁場は、（Ｂａ−Ｂｂ’）＋Ｂｃであり、磁気検出素子３ｂが検出する磁場は、（Ｂｂ−Ｂａ’）＋Ｂｄである。
【００２７】
磁気検出素子３ａの磁場（Ｂａ−Ｂｂ’）、Ｂｃによる出力電圧をＶａ、Ｖｃ、磁気検出素子３ｂの磁場（Ｂｂ−Ｂａ’）、Ｂｄによる出力電圧をＶｂ、Ｖｄとすると、磁気検出素子３ａは、電圧Ｖａ＋Ｖｃを処理部４に出力し、磁気検出素子３ｂは、電圧Ｖｂ＋Ｖｄを処理部４に出力する。
【００２８】
処理部４は、各磁場に対する出力電圧を線形として、式（１）に示すように、各素子３ａ、３ｂからの出力電圧の差分を演算し、電圧差Ｖを出力する。
（数１）
Ｖ＝（Ｖａ＋Ｖｃ）−（Ｖｂ＋Ｖｄ）
＝（Ｖａ−Ｖｂ）＋（Ｖｃ−Ｖｄ）  …（１）
ここで、磁気検出素子３ａ、３ｂ間の距離が短いので、外乱磁場Ｂｃ、Ｂｄは、向きが同じで大きさも略同じの磁場である。そのため、各素子３ａ、３ｂの差分を演算することで、外乱磁場の影響を相殺することができ、高精度の電流検出が可能となる。
【００２９】
［１−３．効果］
（１）本実施形態の電流センサ１は、貫通孔２１、及び貫通孔２１の両サイドに設けられた被検出電流が流れる一対の導電部２２を有する導電体２と、貫通孔２１に設けられた磁気検出素子３と、を備え、導電体２の厚み又は導電部２２の幅を、表皮深さの２倍以下とした。
【００３０】
これにより、入出力の関係を線形にすることができ、被検出電流が交流、直流を問わずに高精度に検出することができる。電流センサ１で直流電流を検出する場合、入力である被検出電流と、出力である出力電圧とは線形である。
【００３１】
一方、導電体２、すなわち導電部２２に流れる電流が、交流成分を有する場合、導電体２（導電部２２）の大きさや、交流成分の周波数によっては表皮効果による悪影響が発生する虞がある。すなわち、導電部２２の電流密度分布に偏りが生じることにより、入力である被検出電流に対して発生する磁束密度が、交流成分がない場合と比べて変化が生じる。その結果、磁場検出素子３により検出される磁場にも変化が生じるため、電流センサ１が出力する電圧にも変化が生じる。これにより、入出力の関係が、被検出電流が直流である場合と異なり線形とならず、測定結果に誤差が生じる場合があった。
【００３２】
これに対し、本実施形態では、導電体２の厚み又は導電部２２の幅を、表皮深さの２倍以下にしているので、被検出電流に交流成分が含まれていても、表皮効果の影響を受けず、被検出電流を検出することができる。したがって、本実施形態の電流センサ１によれば、被検出電流が直流であっても交流であっても精度良く検出することができる。
【００３３】
（２）磁気検出素子３は、貫通孔２１の中心を挟んで導電部２２が並ぶ方向に２つ対称に設けるようにした。これにより、外乱磁場の影響を相殺して高精度に被検出電流を検出することができる。
【００３４】
［１−４．実施例］
本発明の実施例を、図３〜図８を参照して、（１）電流に交流成分が含まれる場合の影響、（２）差分磁束密度と電流との間の線形特性の観点から説明する。なお、下記の実施例は、下記の条件により得られる電流センサ１のコンピュータによるシミュレーション結果である。
【００３５】
（１）電流に交流成分が含まれる場合の影響について
（ａ）解析モデル
図３は、実施例の導電体２の解析モデルを示し、貫通孔２１を含んだ導電体２の断面図である。図３に示すように、実施例の解析モデルは、導電部２２の断面積を一定とし、導電体２の貫通孔２１の幅ｗ、導電体２の厚さｔをパラメータとした。すなわち、導電部２２の断面積を８．１ｍｍ２とし、貫通孔２１の幅ｗを４ｍｍ、５．８ｍｍ、７ｍｍとしたとき、導電体２の厚さｔをそれぞれ０．８ｍｍ、１ｍｍ、１．２ｍｍ、２．８５ｍｍ、５ｍｍとした。なお、以下では、幅ｗが延びる方向を幅方向、厚さｔが延びる方向を厚み方向とも称する。
【００３６】
（ｂ）解析条件
各解析モデルの導電体２に、電流を流して発生する磁束密度分布を解析した。電流は、交流成分と直流成分の合成電流と、直流電流の２通りとして解析した。
【００３７】
図４に、実施例の解析に使用した電流波形を示す。図４に示すように、合成電流は、駆動周波数が１０ｋＨｚで振幅１００Ａで最大値が７００Ａとなる三角波の電流である。直流電流は、７００Ａであり、各導電部２２に３５０Ａずつ分流するものとした。磁束密度分布は、貫通孔２１内の幅方向の中心線（図３に示す点線）上の磁束密度であり、磁束密度は、合成電流及び直流電流が７００Ａとなる０．０２５ｍｓの時の磁束密度としている。
【００３８】
合流電流を流す場合の解析条件は、下記の通りである。
使用ソフト：  ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ．Ｖｅｒ．１７．０
解析      ：  二次元過渡応答磁界解析
解法      ：  有限要素法（ＦＥＭ）
駆動周波数：  ｆ＝１０ｋＨｚ
電流      ：  Ｉｐｅａｋ＝７００Ａ（三角波）
振幅      ：  １００Ａ
表皮深さ  ：  δ＝６６０μｍ（ｆ＝１０ｋＨｚ）
材料      ：(1)導電部２２：銅（ρ＝１．６８×１０−８Ωｍ、μｒ＝１）、(2)貫通孔２１：空気（ρ＝∞Ωｍ、μｒ＝１）
【００３９】
直流電流を流す場合の解析条件は、下記の通りである。
使用ソフト：  ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ．Ｖｅｒ．１７．０
解析      ：  二次元静磁界解析
解法      ：  有限要素法（ＦＥＭ）
電流      ：  ＩＤＣ＝７００Ａ
材料      ：(1)導電部２２：銅（ρ＝１．６８×１０−８Ωｍ、μｒ＝１）、(2)貫通孔２１：空気（ρ＝∞Ωｍ、μｒ＝１）
【００４０】
（ｃ）解析結果
貫通孔２１の幅ｗを４ｍｍ、５．８ｍｍ、７ｍｍとしたときの解析結果を図５〜図７に示す。図５〜図７の（ａ）〜（ｅ）は、厚みｔを、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、２．８５ｍｍ、５ｍｍとした磁束密度分布であり、合成電流を流した場合の磁束密度分布（太い点線）、直流電流を流した場合の磁束密度分布（細い実線）を示している。
【００４１】
図５の（ａ）〜（ｅ）に示す２．３ｍｍ、２．０ｍｍ、１．８ｍｍ、１．３ｍｍ、１．５ｍｍの数値、図６の（ａ）〜（ｅ）に示す３．５ｍｍ、３．１ｍｍ、２．８ｍｍ、２．０ｍｍ、２．１ｍｍの数値、及び、図７の（ａ）〜（ｅ）に示す４．３ｍｍ、３．８ｍｍ、３．５ｍｍ、２．５ｍｍ、３．２ｍｍの数値は、差分磁束密度が１５ｍＴとなる素子３ａ、３ｂ間の距離を示す。なお、差分磁束密度が１５ｍＴのとき、出力電圧は２．０Ｖである。
【００４２】
図５〜図７の（ａ）〜（ｃ）に示すように、磁束密度分布は合成電流の場合と直流電流の場合とで重なり合っており、表皮効果の影響を受けていないことが確認できる。すなわち、直流電流の場合は表皮効果が現れないため、合成電流の磁束密度分布が、直流電流のものに重なることで表皮効果の影響を受けないことが示される。また、図５〜図７の（ａ）〜（ｃ）に示す導電体２の厚さｔは、０．８ｍｍ、１ｍｍ、１．２ｍｍであり、表皮深さの２倍である１．３２ｍｍより薄いため、表皮効果の影響が抑制されたものと考えられる。
【００４３】
一方、図５〜図７の（ｄ）、（ｅ）は、磁束密度分布は合成電流の場合と直流電流の場合とで、貫通孔２１の中心（ｘ＝０）で重なり合うものの、中心から離れると分布に違いが生じている。すなわち、導電体２の厚さｔが、２．８５ｍｍ、５ｍｍであり、表皮深さの２倍である１．３２ｍｍより厚いため、表皮効果、近接効果の影響が表面化したものと考えられる。また、図５〜図７の（ｄ）、（ｅ）は、導電部２２の幅が２．８５ｍｍ、１．６２ｍｍであり、表皮深さの２倍である１．３２ｍｍより幅広のため、表皮効果、近接効果の影響が生じていると考えられる。
【００４４】
（２）差分磁束密度と電流との間の線形特性について
ｗ＝４ｍｍ、ｔ＝１．２ｍｍとした導電体２の解析モデルにおいて、１００Ａ〜７００Ａの電流を流したときの差分磁束密度と電流との間の関係を最小二乗法により解析した。差分磁束密度は、磁気検出素子３ａ、３ｂが設けられた位置での磁束密度の差分である。なお、合成電流は、上記（ｂ）解析条件と同様に、最大値が１００Ａ〜７００Ａとなる三角波である。
【００４５】
この解析結果を表１及び図８に示す。表１は各電流に対する差分磁束密度の表であり、図８は、表１をグラフ化したものである。
【表１】
2020139899.tif 000003
【００４６】
表１及び図８に示すように、合成電流を流した場合のグラフは、直流電流を流した場合のグラフに重なっている。また、１００Ａ〜７００Ａにおいて、直流電流を流した場合、合成電流を流した場合の差分磁束密度Ｂ１、Ｂ２の計算値と、直流電流を流した場合、合成電流を流した場合の近似直線との比較により得られる誤差率は１％以内を満たすことが分かった。合成電流を流した場合と直流電流を流した場合は、ともに差分磁束密度と電流との間に線形特性を有することが分かる。
【００４７】
［２．他の実施形態］
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、下記に示す他の実施形態も包含する。また、本発明は、上記実施形態及び下記の他の実施形態を全て又はいずれかを組み合わせた形態も包含する。さらに、これらの実施形態を発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができ、その変形も本発明に含まれる。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、電流センサ１をリアクトル５に設けたが、インバータ回路中に設けても良い。インバータにも交流成分を有する電流が流れ、その電流を検出することができるからである。また、磁気検出素子３としては、ホール素子以外に、磁気抵抗素子（ＭＲ）を用いても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１          電流センサ
２          導電体
２１        貫通孔
２２        導電部
２３、２４  導電部
３          磁気検出素子
４          処理部
５          リアクトル
５１        コア
５２、５３  コイル
【図１】
2020139899.tif 000004
【図２】
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【図３】
2020139899.tif 000006
【図４】
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【図５】
2020139899.tif 000008
【図６】
2020139899.tif 000009
【図７】
2020139899.tif 000010
【図８】
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