(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流測定方法であって、
被測定電流が流れる導体（１）の一部に前記被測定電流の流れる方向を主方向から別の方向に変更する方向変更領域（２；８；１３；９ａ；９ｂ；７ａ，７ｂ；７ｃ、７ｄ）として、前記被測定電流が流れない非導電領域（２；８；１３；７ａ，７ｂ；７ｃ、７ｄ）を設けるステップと、
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子（３；３ａ，３ｂ）を、前記非導電領域の近傍で、かつ、磁界検知感度の方向が前記被測定電流の主方向を向くように配置するステップと、
前記方向変更領域（２；８；１３；９ａ；９ｂ；７ａ，７ｂ；７ｃ、７ｄ）によって流れる方向を変更された前記被測定電流によって生じた磁界であって、前記非導電領域の外側を流れる迂回電流の前記被測定電流の主方向を向く磁界成分を検知する前記磁気検知素子によって検知するステップと、
前記磁気検知素子の出力から前記被測定電流の電流量を推定するステップと
を有することを特徴とする電流測定方法。
【請求項２】
前記方向変更領域によって流れる方向を変更された前記被測定電流によって生じた磁界を前記磁気検知素子によって検知するステップは、
前記主方向の軸に対して直交した軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子により、極性が異なる前記迂回電流の前記主方向の磁界成分を、それぞれ検知するステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流測定方法。
【請求項３】
前記方向変更領域によって流れる方向を変更された前記被測定電流によって生じた磁界を前記磁気検知素子によって検知するステップは、
前記主方向の軸と平行な軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子により、極性が異なる前記迂回電流の前記主方向の磁界成分を、それぞれ検知するステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流測定方法。
【請求項４】
前記方向変更領域によって流れる方向を変更された前記被測定電流によって生じた磁界を前記磁気検知素子によって検知するステップは、
前記主方向の軸に対して直交した軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子と、前記主方向の軸と平行な軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子とにより、極性が異なる前記迂回電流の前記主方向の磁界成分を、それぞれ検知するステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流測定方法。
【請求項５】
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子を配置するステップは、
前記非導電領域の中心を原点とし、前記被測定電流の主方向をＹ軸、該Ｙ軸に直交する幅方向をＸ軸とし、前記磁気検知素子の検知部を、前記非導電領域の中心から前記Ｘ軸と、前記Ｙ軸とでそれぞれ０．５ないし２．５ｍｍの距離だけ離した範囲に配置するステップを含むことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の電流測定方法。
【請求項６】
前記被測定電流が流れる導体の一部に前記被測定電流の流れる方向を主方向から別の方向に変更する方向変更領域を設けるステップは、
前記方向変更領域として、前記被測定電流が流れる導体（１）の、前記被測定電流が流れる主方向における前方に前記導体の主要部の幅（Ｗ０）よりも狭い幅（Ｗ２）の出口（９ｂ）を設け、前記導体（１）の後方に前記導体（１）の幅（Ｗ０）よりも狭い幅（Ｗ２）の入口（９ａ）を設けるステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流測定方法。
【請求項７】
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子を配置するステップは、
前記導体の中心から、前記磁気検知素子を前記主方向からオフセットして配置するとともに、前記主方向と直交した方向からもオフセットして配置するステップ
を含むことを特徴とする請求項６に記載の電流測定方法。
【請求項８】
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子を配置するステップは、
前記導体において、前記出口と前記入口とを結ぶ線を挟んで少なくとも２個の磁気検知素子を配置するステップ
を含むことを特徴とする請求項７に記載の電流測定方法。
【請求項９】
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子を配置するステップは、
前記導体において、前記主方向に対して直交した線を挟んで少なくとも２個の磁気検知素子を配置するステップ
を含むことを特徴とする請求項７に記載の電流測定方法。
【請求項１０】
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子を配置するステップは、
前記導体において、前記主方向に対して直交した線を挟んで少なくとも２個の磁気検知素子を配置し、前記主方向に対して直交した線を挟んで少なくとも２個の磁気検知素子を配置するステップ
を含むことを特徴とする請求項７に記載の電流測定方法。
【請求項１１】
前記導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子を配置するステップは、
前記磁気検知素子として、磁気インピーダンス素子又は直交フラックスゲート素子を配置するステップを含む
ことを特徴とする請求項１ないし１０の何れか１項に記載の電流測定方法。
【請求項１２】
電流測定装置であって、
被測定電流が流れる導体（１）と、
前記導体の一部に設けられ、前記被測定電流の流れる方向を主方向から別の方向に変更する方向変更領域（２；８；１３；９ａ；９ｂ；７ａ，７ｂ；７ｃ、７ｄ）である前記被測定電流が流れない非導電領域（２；８；１３；７ａ，７ｂ；７ｃ、７ｄ）と、
前記導体に対して配置された少なくとも１つの磁気検知素子（３；３ａ，３ｂ）と、
前記方向変更領域（２；８；１３；９ａ；９ｂ；７ａ，７ｂ；７ｃ、７ｄ）によって流れる方向を変更された前記被測定電流によって生じた磁界を検知した前記磁気検知素子の出力から前記被測定電流の電流量を推定する推定回路と
を有し、前記磁気検知素子は、前記非導電領域の近傍で、かつ、磁界検知感度の方向が前記被測定電流の主方向を向くように配置され、前記非導電領域の外側を流れる迂回電流の前記被測定電流の主方向を向く磁界成分を検知する磁気検知素子であることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１３】
前記磁気検知素子は、前記主方向の軸に対して直交した軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子であり、
前記少なくとも２個の磁気検知素子は、それぞれ極性が異なる前記迂回電流の前記主方向の磁界成分を検知することを特徴とする請求項１２に記載の電流測定装置。
【請求項１４】
前記磁気検知素子は、前記主方向の軸と平行な軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子であり、
前記少なくとも２個の磁気検知素子は、それぞれ極性が異なる前記迂回電流の前記主方向の磁界成分を検知することを特徴とする請求項１２に記載の電流測定装置。
【請求項１５】
前記磁気検知素子は、前記主方向の軸に対して直交した軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子と、前記主方向の軸と平行な軸であって、前記非導電領域の中心を通る軸に関して対称に配置された少なくとも２個の磁気検知素子であることを特徴とする請求項１２に記載の電流測定装置。
【請求項１６】
前記磁気検知素子は、前記非導電領域の中心を原点とし、前記被測定電流の主方向をＹ軸、該Ｙ軸に直交する幅方向をＸ軸とし、前記磁気検知素子の検知部を、前記非導電領域の中心から前記Ｘ軸と、前記Ｙ軸とでそれぞれ０．５ないし２．５ｍｍの距離だけ離した範囲に配置するステップを含むことを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項１７】
前記方向変更領域は、前記被測定電流が流れる導体（１）において、前記被測定電流が流れる主方向における前方に設けられた前記導体の主要部の幅（Ｗ０）よりも狭い幅（Ｗ２）の出口（９ｂ）と、前記導体（１）の後方に設けられた前記導体（１）の幅（Ｗ０）よりも狭い幅（Ｗ２）の入口（９ａ）とを含むことを特徴とする請求項１２に記載の電流測定装置。
【請求項１８】
前記磁気検知素子は、前記導体の中心から、前記主方向からオフセットして配置されているとともに、前記主方向と直交した方向からもオフセットして配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の電流測定装置。
【請求項１９】
前記磁気検知素子は、前記導体において、前記出口と前記入口とを結ぶ線を挟んで配置された少なくとも２個の磁気検知素子を含むことを特徴とする請求項１８に記載の電流測定装置。
【請求項２０】
前記磁気検知素子は、前記導体において、前記主方向に対して直交した線を挟んで配置された少なくとも２個の磁気検知素子を含むことを特徴とする請求項１８に記載の電流測定装置。
【請求項２１】
前記磁気検知素子は、前記導体において、前記主方向に対して直交した線を挟んで配置された少なくとも２個の磁気検知素子と、前記主方向に対して直交した線を挟んで配置された少なくとも２個の磁気検知素子とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の電流測定装置。
【請求項２２】
前記磁気検知素子は、磁気インピーダンス素子又は直交フラックスゲート素子であることを特徴とする請求項１２、１３ないし２１の何れか１項に記載の電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流が流れる一次導体の近傍において磁界を検知することにより、被測定電流の電流量を求める電流測定方法及び電流測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電流の測定では、被測定電流が印加される一次導体の近傍で、被測定電流による周回磁界を感度の良い磁気検知素子で検知する電流センサが従来から提案されている。【０００３】
その一例として、特開２００１−２６４３６１号公報のように、高感度の１個の磁気検知素子（ＭＩ素子）により、一次導体に流れる電流による周回磁界を検知する構成とされ、小型の電流センサが開示されている。【０００４】
この構成では、被測定電流を流す電線が孤立している場合に問題はないが、例えば三相電源のように隣相の電流が近接して平行して流れる場合では、隣接電流による磁界が重畳してしまい、測定精度を悪化させる問題がある。【０００５】
この影響を回避するためには、磁気検知素子の周囲をパーマロイ等の磁性体で囲む磁気シールドを設けることが一般的であるが、磁気シールドが磁気回路を構成し、電流からの磁場を歪めてしまう問題があり、完全に対処することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２６４３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開２００１−２６４３６１号公報のように、一次導体を流れる電流から発する周回磁界を磁気検知素子で直接検知する場合には、次のような問題がある。即ち、被測定電流が流れる一次導体に隣接して、異なる相の電流が流れる一次導体が平行に配置されている場合に、電流が流れる方向と直角方向の成分となる周回磁界を対象にすると、隣接する電流線からの磁界が加わり、十分な測定精度が得られない。これらの干渉を磁気シールドで防止するとしても、被測定電流からの磁束が磁場自体を乱してしまう虞れや、シールド部材の磁気飽和の心配があり、効果的な対策を施すことは極めて困難である。【０００８】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、異なる相の電流が平行して流れる設置環境であっても、磁気シールドに頼らず、被測定電流の測定精度を安定して確保できる電流測定方法及び電流測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、被測定電流が流れる導体の一部に被測定電流の流れる方向を主方向から別の方向に変更する方向変更領域が設けられる。さらに、導体に対して少なくとも１つの磁気検知素子が配置される。方向変更領域によって流れる方向を変更された被測定電流によって生じた磁界が磁気検知素子によって検知される。磁気検知素子の出力から被測定電流の電流量が推定される。【００１０】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
【図１】実施例１の構成図である。
【図２】一次導体内の電流と磁場の様子の説明図である。
【図３】一次導体と磁気検知素子の関係の断面図である。
【図４】検知回路の構成図である。
【図５】直径２ｍｍの貫通孔を用いたＹ軸方向磁界成分の分布等高線図である。
【図６】直径３ｍｍの貫通孔を用いたＹ軸方向磁界成分の分布等高線図である。
【図７】貫通孔の直径とＹ軸方向磁界成分のピーク位置との関係図である。
【図８】貫通孔の直径とＹ軸方向磁界成分のピーク値との関係図である。
【図９】変形例の構成図である。
【図１０】変形例の構成図である。
【図１１】変形例の構成図である。
【図１２】変形例の構成図である。
【図１３】実施例２の構成図である。
【図１４】磁気インピーダンス素子の特性図である。
【図１５】検知電流と測定誤差のグラフ図である。
【図１６】変形例の構成図である。
【図１７】実施例３の電流センサの基本的な構成の斜視図である。
【図１８】一次導体内の電流との磁場の様子の説明図である。
【図１９】一次導体と磁気検知素子の関係の断面図である。
【図２０】検知回路の構成図である。
【図２１】変形例の構成図である。
【図２２】実施例４の構成図である。
【図２３】変形例の構成図である。
【図２４】他の変形例の構成図である。
【図２５】実施例５の構成図である。
【図２６】変形例の構成図である。
【図２７】実施例６の電流センサの基本的な構成の斜視図である。
【図２８】一次導体内の電流との磁場の様子の説明図である。
【図２９】一次導体と磁気検知素子の関係の断面図である。
【図３０Ａ】電流の出入口の幅を変えたＹ軸方向磁界成分の分布等高線図である。
【図３０Ｂ】電流の出入口の幅を変えたＹ軸方向磁界成分の分布等高線図である。
【図３０Ｃ】電流の出入口の幅を変えたＹ軸方向磁界成分の分布等高線図である。
【図３０Ｄ】電流の出入口の幅を変えたＹ軸方向磁界成分の分布等高線図である。
【図３１】電流の出入口の幅とＹ軸方向磁界成分のピーク値の関係図である。
【図３２】変形例の構成図である。
【図３３】変形例の構成図である。
【図３４】変形例の構成図である。
【図３５】実施例７の構成図である。
【図３６】電流の出入口の位置とＹ軸方向磁界成分(固定点)の関係図である。
【図３７】実施例８の構成図である。
【図３８】出入口の幅を変えた際の測定電流と出力の関係のグラフ図である。
【図３９】変形例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。本発明では、被測定電流が流れる導体の一部に被測定電流の流れる方向を主方向から別の方向に変更する方向変更領域を設けることに１つの特徴がある。さらに、本発明では、方向変更領域によって流れる方向を変更された被測定電流によって生じた磁界を磁気検知素子によって検知することに特徴がある。
【００１３】
＜実施例１＞
図１は被測定電流に対する電流測定を行う実施例１の基本的な構成図である。一次導体１には検知対象の被測定電流Ｉが流れ、一次導体１は例えばプリント基板上の銅箔パターン又は銅板で形成されたバスバー等の形態とされている。
【００１４】
一次導体１のほぼ中央には、電流の遮断を部分的に行うために、非導電領域である円形の貫通孔２が設けられており、このため被測定電流Ｉの一部は図２に示すようにこの貫通孔２の両側において外側を対称的に回り込む迂回電流Ｉａとなっている。説明の便宜のために、一次導体１に座標軸を設定し、貫通孔２の中心を原点Ｏとして、被測定電流Ｉが流れる主方向をＹ軸、その直交軸である幅方向をＸ軸、厚み方向をＺ軸とする。
【００１５】
一次導体１上には、一方向にのみ磁界検知感度を有する磁気検知素子３が配置されている。磁気検知素子３の検知部４をＹ軸方向が磁界検知方向となるようにし、検知部４の中心位置は、貫通孔２の中心よりもＸ軸方向に距離ｄｘ、Ｙ軸方向にはＸ軸を挟んで距離ｄｙずらした個所に配置されている。
【００１６】
本来、電流により発生する磁束は電流方向と直交する方向を向くので、一次導体１の貫通孔２の影響がない個所では、被測定電流Ｉは主方向であるＹ軸方向に流れる。従って、図２に示す磁界ベクトル成分Ｈｃ０のように、一次導体１の幅ｗ内ではＸ軸方向のベクトル成分Ｈｘしか持たない磁場となる。
【００１７】
しかし貫通孔２の近傍では、迂回電流ＩａはＹ軸方向に対し傾くことから、この迂回電流Ｉａにより貫通孔２の両側で磁場が歪んだ磁界ベクトル成分Ｈｃ１が発生する。つまり、迂回電流Ｉａの傾き部分においては、Ｙ軸方向のベクトル成分Ｈｙ及びＸ軸方向のベクトル成分Ｈｘが発生する。ベクトル成分Ｈｙとベクトル成分Ｈｘのベクトル和は被測定電流Ｉの大きさに比例し、貫通孔２のＹ軸の正負両側では電流方向が対称形のため、ベクトル成分ＨｙはＸ軸を挟んで対称となり、極性は逆になる。
【００１８】
また図１に示すように、異なる相の電流が流れる一次導体１’が近接し、近接電流Ｉ’の方向が被測定電流Ｉと平行していても、近接電流Ｉ’による磁界ベクトル成分はＸ軸方向のみの成分であり、Ｙ軸方向成分を持たない。検知部４の磁界検知方向をＹ軸方向とすると、磁気検知素子３は近接電流Ｉ’による磁界による干渉は受けず、迂回電流Ｉａのベクトル成分Ｈｙのみを検知できる。従って、このベクトル成分Ｈｙを校正して換算すれば、被測定電流Ｉの電流量を求めることができる。
【００１９】
使用する磁気検知素子３として、Ｘ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｘを検知することは望ましくない。従って、指向性の高い磁気インピーダンス素子や直交フラックスゲート素子が好適であり、実施例１では磁気インピーダンス素子を用い、Ｙ軸方向にのみ磁界検知が可能とされている。検知部４として磁性薄膜のパターンが磁界検知方向のＹ軸方向につづら折りにより並列され、両端の電極５にＭＨｚ帯の高周波パルスを印加し、磁界の変化による検知部４の両端からの電圧振幅変化をセンサ信号として得ている。図示は省略しているが、検知部４の動作には、バイアス磁界が必要となるものがあり、必要に応じて近くにバイアス磁石の設置又はバイアスコイルを巻き付けて電流を流して設定する。
【００２０】
図３に示すように、一次導体１に対する磁気検知素子３の検知部４の高さｈは、一次導体１と磁気検知素子３の位置関係を保持する構造上、必要なスペースと空間距離、沿面距離等の絶縁耐圧の関係で決められる。
【００２１】
図４は電流測定装置として機能する検知回路１００の構成図を示す。ＣＲパルス発振回路３０に対しブリッジを構成する抵抗Ｒに、磁気検知素子３の検知部４が接続されている。検波回路３１は、検知部４の検知信号である両端電圧からの振幅変化を取り出して増幅回路３２へ出力する。増幅回路３２は、振幅変化を増幅して出力する。推定回路３３は、増幅回路３２の出力から被測定電流の電流量を推定する回路である。
【００２２】
図５、図６は貫通孔２による迂回電流Ｉａに係わるＹ軸方向の磁界成分Ｈｙのシミュレーションの結果を示している。一次導体１はＸ軸方向の幅ｗ＝１０ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さｔ＝７０μｍの断面で、Ｙ軸方向に計算上は無限長とした十分に長い銅板であり、Ｘ軸方向の中央に貫通孔２を穿けてある。検知部４は一次導体１から１．６ｍｍの高さｈに固定し、Ｙ軸方向に被測定電流Ｉを１アンペア（Ａ）流した際のＹ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｙの変化を調べた。
【００２３】
図５は貫通孔が２ｍｍの場合、図６は３ｍｍの場合におけるＹ軸方向磁界のベクトル成分Ｈｙの磁界分布の計算結果を等高線の分布として示している。座標はＸ≧０、Ｙ≧０の第１象限で、ベクトル成分Ｈｙの頂点を１００％として、１０％刻みで等高線を描いている。他の象限ではＸ軸又はＹ軸に関し対称な磁界分布が形成され、第３象限は第１象限と同一極性で、第２、第４象限は第１象限と逆極性の磁場が形成される。
【００２４】
図５、図６から磁界が最大となるピーク位置は、貫通孔２から約４５度方向にあり、直径２ｍｍの貫通孔２では（Ｘ、Ｙ）＝（１．５ｍｍ、１．６２５ｍｍ）、３ｍｍの貫通孔２では（Ｘ、Ｙ）＝（１．７５ｍｍ、１．７５ｍｍ）辺りにある。これらの磁界のピーク位置での磁界成分Ｈｙは、それぞれ電流１アンペア（Ａ）に対して、Ｈｙ＝２５．６ｍガウス（Ｇ）、Ｈｙ＝４７．９ｍガウス（Ｇ）となっている。
【００２５】
図７は貫通孔２の直径とＹ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｙのピーク位置の関係のグラフ図である。図５、図６に示す等高線図では図示を省略しているが、直径１ｍｍ、４ｍｍでの結果も併せて記載している。図７から分るように、貫通孔２の直径の大きさはピーク部の位置に殆ど依存することはない。幅ｗ＝５ｍｍでの貫通孔２の直径１ｍｍの結果も併せて考えると、実用的な一次導体１の使用範囲では、ベクトル成分Ｈｙのピークの範囲は、Ｘ、Ｙ軸方向共に１〜２ｍｍ程度であると云える。
【００２６】
また、ピーク位置から１０％下がった９０％の範囲が、半径０．５ｍｍ程度のサークルとなっていることから、設計的には図１の距離ｄｘ、ｄｙは共に０．５〜２．５ｍｍの範囲で、この範囲に磁気検知素子３の検知部４が掛かるようにすればよい。
【００２７】
図８は一次導体１の貫通孔２の径とＹ軸方向のベクトル成分Ｈｙのピーク値とのグラフ図であり、径が大となるにつれて、２次関数的にベクトル成分Ｈｙが大きくなってゆくことが分かる。つまり、図１で示す距離ｄｘ＝１．５ｍｍ、ｄｙ＝１．５ｍｍ辺りに、磁気検知素子３の検知部４を固定し、貫通孔２の径の大きさを変えるだけで、数倍もの測定レンジを選択できることが可能となる。
【００２８】
図１においては、磁気検知素子３はＸＹ平面上の第１象限に設けているが、対称性から当然のことながら、その他の象限に配置することもできる。
【００２９】
図９は変形例を示し、貫通孔２’を貫通孔２のある原点ＯからＸ軸方向に対して４５度方向に設けて、その中間位置に磁気検知素子３を配置することで、両貫通孔２、２’による迂回電流Ｉａによる効果を重ねＹ軸方向成分の磁界を増加し、感度を上げている。２つの貫通孔２、２’は同一の大きさである必要はなく、更に貫通孔２の数を増やすこともできるし、設置する角度位置は電流の検知仕様に応じて設計すればよい。
【００３０】
電流を迂回させる手段としては、貫通孔２だけではなく切欠孔を用いることにより非導電領域を形成し、大小の電流に対応させることができる。例えば図１０に示すように、一次導体１の幅方向の端部に切欠孔８を設けることでも迂回電流を生成できる。大電流により迂回電流による磁界を抑制したい場合には、この構成が好適である。
【００３１】
また、逆に図１１に示すように切欠孔８を深くし、迂回電流を集中させ、Ｙ軸方向成分の磁界を大きくし、小電流に対応させることも可能である。更に、図１２に示すように反対側からの端部からも切欠孔８をずらして設けることで、更に迂回電流を強めて、より小さな電流にも対応させることができる。
【００３２】
＜実施例２＞
図１３は実施例２の構成図である。例えば、厚さ１．６ｍｍのガラスエポキシ材のセンサ基板１１の片面に、Ｘ軸方向の幅１０ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さ７０μｍ、Ｙ軸方向の長手方向５０ｍｍの銅パターンから成る一次導体１２が設けられている。そして、一次導体１２のＸ軸方向の中央に例えば直径２ｍｍの貫通孔１３がエッチングにより形成されている。センサ基板１１の他面には、図１と同様の位置に、一体型の磁気検知ユニット１４が配置され、半田付けのための電極１５ａ〜１５ｂがセンサ基板１１上に引き出されている。
【００３３】
磁気検知ユニット１４には磁気インピーダンス素子が用いられ、Ｆｅ−Ｔａ−Ｃ系の磁性薄膜から成る検知部１６は、それぞれ例えば幅１８μｍ、厚さ２．６５μｍ、長さ１．２ｍｍの細長い１１本のパターンが並列に配置されている。そして、検知部１６の磁界検知方向はＹ軸方向のみとされている。
【００３４】
検知部１６の位置は、貫通孔１３の中心からＸ軸及びＹ軸方向に距離ｄｘ＝１．５ｍｍ、ｄｙ＝１．５ｍｍだけオフセットされて配置されている。検知部１６の複数本の磁性薄膜パターンは、図示は省略しているが電気的にはつづら折りで直列につながれて、両端はそれぞれの電極に接続され、センサ基板１１上の電極１５ａ、１５ｂに半田接合され、図示しないセンサ回路に接続されている。図１３では、電極１５ａ→１５ｂの流れにより高周波パルスを印加する。
【００３５】
磁気検知ユニット１４の磁性薄膜にはＸ軸方向の幅方向に磁化容易軸が設けられており、高周波のパルスを磁性薄膜のパターンに通電することで、外部磁界によりインピーダンスが変化し、磁気検知ユニット１４の両端電圧を振幅検波によりセンサ信号に変換する。
【００３６】
平行して流れる被測定電流Ｉ以外の電流の影響評価では、図１３に示すように、一次導体１２から１０ｍｍの間隔をおいて直径２ｍｍの銅棒１８を並行に配置し、１０Ａｒｍｓの５０Ｈｚの電流Ｉ’を流して、一次導体１２には電流を流さない条件で測定した。すると、磁気検知ユニット１４では銅棒１８を流れる電流Ｉ’の影響は観測されず、ノイズレベル以下（１０ｍＶｐｐ以下）であった。
【００３７】
隣接する平行な電流線からの磁界はＸ軸又はＺ軸方向となり、Ｙ軸方向の成分は持たないことと、磁気インピーダンス素子がＸ軸方向には感度を持たないことが効果的に作用し、隣接の電流による磁界の影響は問題とはならないレベルであることが確認された。
【００３８】
この磁気検知ユニット１４は５Ｖの５ＭＨｚのパルス駆動では、図１４に示すように磁界に対してＶ字のインピーダンス変化の特性を示し、感度の良い傾きの個所を利用している。そのためには、図１３に示すように磁気検知ユニット１４の背面にバイアス用磁石１７を配置して、検知部１６に１０ガウス（Ｇ）程度のバイアス磁界が掛かるように設定している。直線性の良好な範囲は、この磁気検知ユニット１４の場合ではバイアス動作点を挟んで±３ガウス（Ｇ）程度である。
【００３９】
図１５は一次導体１にＡＣ電流（５０Ｈｚ）を０．１〜４０Ａｒｍｓまで可変で通電させて、電流測定したデータを示している。１０Ａｒｍｓは２８．２８Ａｐｐの正弦波であり、そのときの磁界はシミュレーション結果から、７２４ｍＧｐｐとなる。図１５はこの１０Ａｒｍｓを基準に理想値と実測値の誤差を示し、５Ｖ電源で１０Ａｒｍｓ時に１Ｖｐｐとなるように調整したため、上限は４０Ａｒｍｓとした。精度として、０．２Ａｒｍｓ以上で±１％以内の誤差が保証される。
【００４０】
貫通孔１３の直径を２ｍｍとし、磁気検知ユニット１４の直線性範囲が６ガウス（Ｇ）の特性のものを使用した場合では、８０Ａｒｍｓ強の個所で越えてしまう。仮に、２００Ａｒｍｓまで対応させる場合では、貫通孔１３の直径を１ｍｍにするだけで、磁気検知ユニット１４に掛かる磁界は１／３になり、２７０Ａｒｍｓのような大電流にも同じレイアウトで可能になる。また、逆に小電流の仕様には、貫通孔１３を大きくするだけで対応できる。
【００４１】
実施例２では、一次導体１２をセンサ基板１１上に配置している例を想定している。しかし、図１６の変形例に示すように、一次導体が銅板から成るバスバー１９の場合は、図１３の形態から一次導体１２を除いたものをセンサ基板２０の上にモジュール化することもできる。この場合には、バスバー１９に穿けた貫通孔２１にセンサ基板２０を位置合わせして、センサ基板２０をバスバー１９に貼り合わせなどにより固定して使用することが可能である。なお、２２はセンサ基板２０上に設けられた回路素子、２３は磁気検知ユニット１４の信号を引き出す信号線である。
【００４２】
このような構成とすることにより、予めバスバー１９を布設した後においても、磁気検知ユニット１４をモジュール化してバスバー１９に組み付けることにより容易に組立てが可能となる。
【００４３】
なお、上述の各実施例においては、貫通孔、切欠孔による非導電領域を設けて電流を迂回させたが、必ずしも孔部ではなく、絶縁材料を配置することによっても電流を迂回させることができる。
【００４４】
＜実施例３＞
特開２００６−１８４２６９号公報によれば、２個の磁気検知素子を使用することで、差動検知により外乱磁界を回避しようとする提案がなされている。この特許文献では、被測定電流による磁界検知を単一の磁気センサで検知する場合の外部磁界の影響を回避するために、一次導体としてのバスバーの中央部に開口部を形成して被測定電流を分流している。そして、開口部内に２つの導体部近傍に電流からの磁界がそれぞれ逆相になるようにそれぞれ磁気検知素子を配し、差動増幅によりバスバーから発生する磁界のみを検知している。
【００４５】
しかしながら、この方法でも一様な磁界に対する影響は排除できても、隣接して電流線が平行して流れる場合には、２つの磁気検知素子にはその外乱となる磁界が等しく印加されず、結局は磁気シールドが不可欠となる。
この課題を解決する方法として、非導電領域を一次導体に設けるとともに、非導電領域の近傍に１つの磁気検知素子を設けることを実施例１、２で提案した。ここで、磁気検知素子は複数であってもよい。そこで、実施例３では、複数の磁気検知素子を設ける案について説明する。
【００４６】
図１７は被測定電流に対する電流測定を行う実施例３の基本的な電流センサの構成図である。一次導体１には検知対象の被測定電流Ｉが流れ、一次導体１は例えばプリント基板上の銅箔パターン又は銅板で形成されたバスバー等の形態とされている。
【００４７】
一次導体１のほぼ中央には、電流の遮断を部分的に行うため非導電領域である円形の貫通孔２が設けられており、このため被測定電流Ｉの一部は図１８に示すようにこの貫通孔２の両側において外側を対称的に回り込む迂回電流Ｉａとなっている。説明の便宜のために、一次導体１に座標軸を設定し、貫通孔２の中心を原点Ｏとして、被測定電流Ｉが流れる主方向をＹ軸、その直交軸である幅方向をＸ軸、厚み方向をＺ軸とする。
【００４８】
一次導体１上には、２つの磁気検知素子３ａ、３ｂがＹ軸方向に向けて直列的に配置されて差動検知が行われる。磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂをＹ軸方向が磁界検知方向となるようにし、検知部４ａ、４ｂの中心位置は、貫通孔２の中心よりもＸ軸方向に距離ｄｘ、Ｙ軸方向にはＸ軸を挟んで距離ｄｙずらした個所に配置されている。
図１７に示すように、異なる相の電流が流れる一次導体１’が近接し近接電流Ｉ’の方向が被測定電流Ｉと平行していても、近接電流Ｉ’の磁束Ｆによる磁界の影響はＸ軸方向のベクトル成分となり、Ｙ軸方向成分を持たない。検知部４ａ、４ｂの磁界検知方向をＹ軸方向に取ると、磁気検知素子３ａ、３ｂは近接電流Ｉ’による磁界による干渉は受けず、被測定電流Ｉのベクトル成分Ｈｙのみを検知できる。従って、このベクトル成分Ｈｙを校正して換算すれば、被測定電流Ｉの電流量を求めることができる。
【００４９】
使用する磁気検知素子３ａ、３ｂとして、Ｘ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｘを検知することは望ましくないため、指向性の高い磁気インピーダンス素子や直交フラックスゲート素子が好適であり、実施例１では磁気インピーダンス素子を用いている。検知部４ａ、４ｂとして磁性薄膜のパターンが磁界検知方向のＹ軸方向につづら折りにより並列され、両端の電極５にＭＨｚ帯の高周波パルスを印加し、磁界の変化による検知部４ａ、４ｂの両端からの電圧振幅変化をセンサ信号として得ている。
【００５０】
図１９に示すように、一次導体１に対する磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂの高さｈは、一次導体１と磁気検知素子３ａ、３ｂの位置関係を保持する構造上、必要なスペースと空間距離、沿面距離等の絶縁耐圧の関係で決められる。
【００５１】
図２０は検知回路の構成図を示し、ＣＲパルス発振回路３０に対しブリッジを構成する抵抗Ｒに、磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂが接続されている。検知部４ａ、４ｂの両端電圧からの振幅変化を検波回路３１により取り出した後に、差動増幅回路３２で検知部４ａ、４ｂの出力に対し差動増幅が行われて、電流センサとしての出力を得る。
【００５２】
この場合に、検知部４ａ、４ｂの出力は、感度が同じでＸ軸を挟んで対称な位置にあれば絶対値は同じになり、極性が異なるため、差動的に検知すると、出力は検知部４ａ又は４ｂの絶対値の２倍となる。また、外来の磁界ノイズは狭い範囲にある検知部４ａ、４ｂでは同相となり、検知部４ａ、４ｂの出力を差動的に捉えることにより、磁界ノイズは相殺されて、電流センサの出力に重畳されることはなく、迂回電流のベクトル成分Ｈｙのみが測定されることになる。なお、磁気検知素子の出力を差動的に検知するには、少なくとも２個の検知部を用いればよい。   なお、図２０と図４とを比較すれば明らかなように、ブリッジ回路を形成している４つの抵抗が検知部に置き換わることになる。たとえば、３つの検知部を採用するのであれば、４つある抵抗のうちの３つの抵抗が検知部に置換される。さらに、４つの検知部を採用するのであれば、すべての抵抗が検知部に置換されることになる。
【００５３】
図１７においては、磁気検知素子３ａ、３ｂはＸＹ平面上の第１、第４象限にそれぞれ設けているが、対称性から当然のことながら、その他の象限に隣接して配置することもできる。
【００５４】
図２１はこの場合の変形例を示し、磁気検知素子３ａは第１象限に、磁気検知素子３ｂは第２象限に設け、Ｙ軸に対して対称的に配置した場合においても同様の結果が得られる。迂回電流Ｉａによる磁界ベクトル成分Ｈｃ１は第１象限と第２象限においてＹ軸に関して対象ともなっている。従って、磁気検知素子３ａ、３ｂを第１象限、第２象限にそれぞれ配置し、絶対値が等しく極性が逆のＹ軸方向のベクトル成分Ｈｙをそれぞれ検知することができる。この場合においては、隣接して平行する電流線の影響は僅かに受けるが、磁気検知素子３同士の間隔が狭いために、ほぼ磁界ノイズを差動検知により相殺することができる。
【００５５】
＜実施例４＞
磁気検知素子である磁気インピーダンス素子や直交フラックスゲートセンサ等のように、磁気飽和や直線性の点で、検知磁界範囲を或る範囲内で管理しなくてはならない場合には、一次導体１の貫通孔２の径だけで測定レンジを調整できることが好ましい。
【００５６】
図２２は実施例４の電流センサの構成図である。図１７における磁気検知素子３、４の検知部４ａ、４ｂの距離は短いことから、同一の素子基板６にＸ軸に関して対称に配置した磁気検知素子３ａ、３ｂを一体型として取り付けた磁気検知ユニット７とされ、性能のばらつきが抑制可能となっている。
【００５７】
図２３の変形例に示すように、一次導体１のＸ軸の正の領域だけ使う発想で、幅方向の端部に切欠孔８を設けることでも迂回電流を利用できる。この切欠孔８によっても、図１７に示すように貫通孔２を設けた場合と同様に測定が可能である。なお、迂回電流をＸ軸に関して対称的に流すためには、切欠孔８はＸ軸に関して対称形であることが必要である。
【００５８】
図２４は他の変形例の構成図である。４個の磁気検知素子３ａ〜３ｄを一体化した磁気検知ユニット７において、第１、第２、第３、第４象限にそれぞれ検知部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを配置し、４素子によりブリッジ構成として動作させると、更にＳ／Ｎを向上させることができる。このように、貫通孔２の両側に検知部４ａ〜４ｄをＸ軸、Ｙ軸に対称に配置すると、ベクトル成分ＨｙがＸ軸、Ｙ軸にそれぞれ対称となる。
【００５９】
従って、Ｘ軸に関して検知部４ａと４ｄの出力を差動検知、検知部４ｂと４ｃの差動検知、Ｙ軸に関して検知部４ａと４ｂの差動検知、検知部４ｄと４ｃの差動検知を同時に行うことができ、これらの検知結果の平均を求めれば更に測定精度が向上する。
【００６０】
＜実施例５＞
図２５は実施例３の電流センサの構成図である。厚さ１．６ｍｍのガラスエポキシ材のセンサ基板１１の片面に、Ｘ軸方向の幅１０ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さ７０μｍ、Ｙ軸方向の長手方向５０ｍｍの銅パターンから成る一次導体１２が設けられている。そして、一次導体１２のＸ軸方向の中央に直径２ｍｍの貫通孔１３がエッチングにより形成されている。センサ基板１１の他面には、図２２と同様の位置に、一体型の磁気検知ユニット１４が配置され、半田付けのための電極１５ａ〜１５ｃがセンサ基板１１上に引き出されている。
【００６１】
磁気検知ユニット１４には磁気インピーダンス素子が用いられ、Ｆｅ−Ｔａ−Ｃ系の磁性薄膜から成る検知部１６ａ、１６ｂは、それぞれ幅１８μｍ、厚さ２．６５μｍ、長さ１．２ｍｍの細長い１１本のパターンが並列に配置されている。そして、検知部１６ａ、１６ｂの磁界検知方向はＹ軸方向とされている。
【００６２】
検知部１６ａ、１６ｂの位置は、貫通孔１３の中心からＸ軸方向に距離ｄｘ＝１．５ｍｍだけオフセットされ、検知部１６ａ、１６ｂの中心間隔は、ｄｙ＝３ｍｍとし、貫通孔１３の中心Ｏから幅方向に延びるＸ軸に対して対称的に配置されている。
【００６３】
検知部１６ａ、１６ｂの複数本の磁性薄膜パターンは、図示は省略しているが電気的にはつづら折りで直列につながれて、両端はそれぞれの電極に接続され、センサ基板１１上の電極１５ａ〜１５ｃに半田接合され、図示しないセンサ回路に接続されている。図２５では、センサ基板１１に引き出された電極１５ａ→１５ｃ及び電極１５ｂ→１５ｃの流れにより高周波パルスを印加する。
【００６４】
磁気検知ユニット１４はＸ軸方向の幅方向に磁化容易軸を設けておき、高周波のパルスを磁性薄膜のパターンに通電することで、外部磁界によりインピーダンスが変化し、磁気検知ユニット１４の両端電圧を振幅検波によりセンサ信号に変換する。
【００６５】
平行して流れる被測定電流Ｉ以外の電流の影響評価では、一次導体１２から１０ｍｍの間隔を離して直径２ｍｍの銅棒１８を並列に配置し、１０Ａｒｍｓの５０Ｈｚの電流Ｉ’を流して、一次導体１２には電流を流さない条件で測定した。すると、磁気検知ユニット１４では銅棒１８を流れる電流Ｉ’の影響は観測されず、ノイズレベル以下（１０ｍＶｐｐ以下）であった。隣接する平行な電流線からの磁界はＸ又はＺ軸方向となり、Ｙ軸方向の成分は持たないことと、検知部１６ａ、１６ｂと隣接する銅棒１８との距離が等しいことで差動除去機能が効果的に働き、ノイズ的な磁界の影響もほぼ完全に除去できていることが確認された。
【００６６】
実施例５では、一次導体１２をセンサ基板１１上に配置している例を想定した。しかし、図２６の変形例に示すように一次導体が銅板から成るバスバー１９の場合は、図２５の形態から一次導体１２を除いたものをセンサ基板２０の上にモジュール化することもできる。この場合には、バスバー１９に穿けた貫通孔２１にセンサ基板２０を位置合わせして、センサ基板２０をバスバー１９に貼り合わせなどにより固定して使用することが可能である。なお、２２はセンサ基板２０上に設けられた回路素子、２３は磁気検知ユニット１４の信号を引き出す信号線である。
【００６７】
このような構成とすることにより、予めバスバー１９を布設した後においても、磁気検知ユニット１４をモジュール化してバスバー１９に組み付けることにより容易に組立てが可能となる。
【００６８】
なお、上述の各実施例においては、貫通孔、切欠孔による非導電領域を設けて電流を迂回させたが、必ずしも孔部ではなく、絶縁材料を配置することによっても電流を迂回させることができる。そして、これらの非導電領域はＸ軸に関しその両側で形状が対称であることが必要である。
【００６９】
＜実施例６＞
実施例１ないし実施例５では、方向変更領域として非導電領域を採用した。つまり、実施例１ないし実施例５は、電流が非導電領域を迂回して流れることで発生する歪み磁界を検知し、検知した磁界から電流量を推定する発明である。実施例１ないし実施例５において共通した概念は、電流が非直線的に流れることを促進する領域を一次導体に設けることである。つまり、電流の流れる方向を曲げることができるのであれば、必ずしも非導電領域である必要はない。そこで、実施例６では、方向変更領域についての他の例について説明する。
【００７０】
図２７は被測定電流に対する電流測定を行う実施例６の基本的な電流センサの構成図である。一次導体１には検知対象の被測定電流Ｉが流れる。一次導体１の形態は例えばプリント基板上の銅箔パターン又は銅板で形成されたバスバー等の形態とされている。
【００７１】
一次導体１のうち磁界の検知対象とする部分（主要部）は、長さがＬで幅がＷ０で形成された矩形状の部分である。主要部において、電流が流れる後方と前方にはそれぞれ幅Ｗ１、Ｗ２の入口９ａ、出口９ｂが形成されている。幅Ｗ１、Ｗ２はいずれも幅Ｗ０よりも狭い。説明を判りやすくするため、入口９ａ、出口９ｂを幅Ｗ０に対して中央に設置しておく。
一次導体１に座標軸を設定する。ここでは、磁気検知部の中心を原点Ｏとする。図２７および図２８が示すように、入口９ａ、出口９ｂを結ぶ線であって、磁気検知部の幅Ｗ０を２分割する直線と、磁気検知部の長さＬを２分割する直線との交点を原点Ｏとしている。他の実施例と同様に、被測定電流Ｉが流れる主方向をＹ軸、その直交軸である幅方向をＸ軸、厚み方向をＺ軸とする。
【００７２】
一次導体１上には、２つの磁気検知素子３ａ、３ｂがＹ軸方向に向けて直列的に配置されて差動検知が行われる。なお、実施例１、２と同様に、磁気検知素子は１つでもよい。磁気検知素子３ａ、３ｂの構成は実施例１乃至５と同様である。磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂをＹ軸方向が磁界検知方向となるようにし、磁気検知素子３ａ、３ｂが配置される。検知部４ａ、４ｂの中心位置は、原点Ｏの中心よりもＸ軸方向に距離ｄｘ、Ｙ軸方向にはＸ軸を挟んで距離ｄｙ１、ｄｙ２ずつずらした個所に配置されている。
【００７３】
本来、電流により発生する磁束は電流方向と直交する方向を向く。そのため、一次導体１の幅方向を向く電流成分がない個所、つまり原点Ｏを通るＸ軸上ではＸ軸方向のベクトル成分Ｈｘしか持たない磁場ＨＣ１ができる。
【００７４】
しかし、原点Ｏよりもその電流が流れる前後方向でずれた位置での電流は、入口９ａ、出口９ｂに向けてＹ軸方向に対し傾いて流れる電流成分を持っている。これによって、Ｙ軸方向のベクトル成分Ｈｙが発生し、Ｈｃ２、Ｈｃ３のように磁場が蛇行する。Ｈｃ２、Ｈｃ３の磁場は、Ｘ軸に対して線対称である。ベクトル成分ＨｙはＸ軸を挟んで逆極性になっている。
【００７５】
図２７に示すように、異なる相の電流が流れる一次導体１’が近接し近接電流Ｉ’の方向が被測定電流Ｉと平行していても、近接電流Ｉ’による磁界の影響はＸ軸方向のベクトル成分となり、Ｙ軸方向成分を持たない。検知部４ａ、４ｂの磁界検知方向をＹ軸方向に取ると、磁気検知素子３ａ、３ｂは近接電流Ｉ’による磁界による干渉は受けず、被測定電流Ｉのベクトル成分Ｈｙのみを検知できる。従って、このベクトル成分Ｈｙを校正して換算すれば、被測定電流Ｉの電流量を求めることができる。
【００７６】
磁気検知素子３ａ、３ｂが、Ｘ軸方向の磁界ベクトル成分Ｈｘを検知すると電流の推定精度が低下する。そのため、磁気検知素子３ａ、３ｂとしては、たとえば、指向性の高い磁気インピーダンス素子や直交フラックスゲート素子がある。実施例６では磁気検知素子３ａ、３ｂとして磁気インピーダンス素子を用いている。検知部４ａ、４ｂとして磁性薄膜のパターンが磁界検知方向のＹ軸方向につづら折りにより並列されている。両端の電極５にＭＨｚ帯の高周波パルスを印加し、磁界の変化による検知部４ａ、４ｂの両端からの電圧振幅変化がセンサ信号として得られる。バイアス磁界が必要な場合は、不図示ではあるが、磁気検知素子３ａ、３ｂに近接した磁石または巻回したコイルにより印加する。
【００７７】
図２９に示すように、一次導体１に対する磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂの高さｈは、たとえば、発生する磁界の大小調整、一次導体１と磁気検知素子３ａ、３ｂの位置関係を保持する構造上必要なスペース、空間距離、および、沿面距離等の絶縁耐圧の関係で決められる。
【００７８】
電流検知装置として機能する検知回路１００の構成は、図２０に示した回路構成を採用できる。なぜなら、電流の流れる方向を変更する領域方向変更領域の具体的な構成が変わったとしても、本発明の電流検知装置の基本的な部分はそのまま使用できるからである。
【００７９】
図３０Ａないし図３０Ｄ、および、図３１は狭い出入口からの拡散電流に係わるＹ軸方向の磁界成分Ｈｙのシミュレーションの結果を示している。一次導体１はＸ軸方向の幅Ｗ０＝８ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さｔ＝０．８ｍｍの断面で、入口９ａ、出口９ｂは間隔Ｌを７．５ｍｍとし、その幅方向の位置を幅Ｗ０の中央にする。入口９ａ、出口９ｂの幅をＷ１＝Ｗ２＝ｄとして、ｄ＝０．８、  １．２、  ２．４、  ３．６ｍｍと振って、一次導体の表面（高さＨ＝１．６ｍｍ）で、電流が流れる主方向の磁界Ｈｙを計算した。被測定電流Ｉは１アンペア（Ａ）とした。   図３０Ａないし図３０Ｄは、ｄ＝０．８、  １．２、  ２．４、  ３．６ｍｍのそれぞれにおけるシミュレーション結果である。座標はＸ≧０、Ｙ≧０の第１象限で、ベクトル成分Ｈｙの頂点を１００％として、１０％刻みで等高線を描いている。他の象限ではＸ軸又はＹ軸に関し対称な磁界分布が形成され、第３象限は第１象限と同一極性で、第２、第４象限は第１象限と逆極性の磁場が形成される。
【００８０】
ピーク位置Ｐは、Ｙ方向が２．５ｍｍでほぼ変わらず、Ｘ方向は出入口の幅が広くなるに連れて１．７ｍｍから２．１５ｍｍまで緩やかに移動している。
【００８１】
出入口からのＹ方向の距離をＬとする。ピーク位置Ｐは、Ｌ＝７．５ｍｍで１．２５（＝Ｌ／２−２．５）ｍｍにあるが、Ｌ＝１１．５ｍｍで計算したところでも１．３５ｍｍとなり、両者は大きくは変わらない。実用的な距離Ｌの寸法としては、ピークが明確に形成でき、かつ、隣接の逆相となるピークと干渉しないことを考慮して決定する。たとえば、距離Ｌは、１．２５ｍｍの４倍の５ｍｍ以上は確保すべきである。
【００８２】
図３１はピーク位置での磁界Ｈｙを示したグラフである。図３１によれば、入口９ａ、出口９ｂの幅Ｗ１とＷ０との比が１０％（Ｗ０＝８ｍｍ、ｄ＝０．８ｍｍ）では、１Ａあたり０．０８ガウスの磁界を発生していることがわかる。ミリガウス以下を検知できる磁気検知素子では、ピーク位置に置くことで１Ａ以下の小さな被対象電流でも十分なＳ／Ｎで検知できる。
入口９ａ、出口９ｂの幅Ｗ１、Ｗ２を広げていくと、幅方向に広がる電流成分が減ることで、急激に磁界Ｈｙが下がる。よって、大電流を検知するには幅Ｗ１、Ｗ２を広げればよい。幅Ｗ１とＷ０との比が１００％、つまりｄ＝８ｍｍでは、磁界がゼロになる。これは、大電流に対しての調整範囲を広く取れることを意味する。以上のことより、Ｘ＝２ｍｍ、Ｙ＝２．５ｍｍのところに磁気検知素子を固定すれば、幅Ｗ１、Ｗ２を変えるだけでいろいろな電流検知範囲の仕様に対応できることを意味する。
このような特性は、磁気インピーダンス素子や直交フラックスゲートセンサ等のように、磁気飽和や直線性の点で、検知磁界範囲を或る範囲内で管理しなくてはならない素子には極めて都合が良い。生産性でも、素子の位置を固定しておいて、一次導体の出入口の幅を変えたものを数種類用意しておくことで、各種電流仕様に対応でき、電流センサのコスト低減に大きく寄与するだろう。
【００８３】
図２７においては、磁気検知素子３ａ、３ｂはＸＹ平面上の第１、第４象限にそれぞれ設けている。しかし、対称性から当然のことながら、その他の象限に隣接して配置することもできる。図３２は、磁気検知素子３ａを第１象限に配置し、磁気検知素子３ｂを第２象限に配置した例を紙滅している。図３３は、全ての象限に磁気検知素子を設けた例を示している。
【００８４】
図３３では、４個の磁気検知素子３ａ〜３ｄを一体化した磁気検知素子ユニットにおいて、第１、第２、第３、第４象限にそれぞれ検知部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを配置している。さらに、図２０に示したように検知部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをブリッジ構成として動作させると、検知回路１００のＳ／Ｎを向上させることができる。このように、２原点Ｏの両側に検知部４ａ〜４ｄをＸ軸、Ｙ軸に対称に配置すると、ベクトル成分ＨｙがＸ軸、Ｙ軸にそれぞれ対称となる。
【００８５】
従って、Ｘ軸に関して検知部４ａと４ｄの出力を差動検知、検知部４ｂと４ｃの差動検知、Ｙ軸に関して検知部４ａと４ｂの差動検知、検知部４ｄと４ｃの差動検知を同時に行うことができ、これらの検知結果の平均を求めれば更に測定精度が向上する。
【００８６】
入口９ａ、出口９ｂが一次導体１の幅方向の中央にある場合は、素子の感度を同等に調整した素子をＸ軸又はＹ軸に対称に設置して差動動作させることで、一次導体１からの磁界による出力は２倍となり、同相の外部磁界はキャンセルされることになる。
【００８７】
図３４は変形例を示している。入口９ａに至る導体の幅や、出口９ｂ以降の導体の幅が細すぎると、大電流印加時に発熱の問題が発生するかもしれない。そこで、図３４が示すように、電流の出入口をスリット溝７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで規制することで、発熱自体を抑えることができるとともに、熱拡散も良くすることができるだろう。なお、図３４から、一次導体１にスリット溝７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを入れることで、上述した主要部、入口９ａ、および、出口９ｂが形成されていることを理解できよう。
【００８８】
＜実施例７＞
実施例６では、座標位置で（２，  ２．５）と（２，  −２．５）の付近にそれぞれ磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂを置けば、入口９ａ、出口９ｂの幅Ｗ１、Ｗ２を変えることだけで被測定電流の仕様に対応できることを示した。別の方法としては入口９ａ、出口９ｂの配置位置を一次導体１の幅方向にオフセットさせても良い。図３５にそのレイアウトを示す。図２８のレイアウトから、入口９ａ、出口９ｂを幅方向にｄｗだけずらしたものである。これにより、電流の広がりが変わるため、磁気検知素子３ａ、３ｂの検知部４ａ、４ｂが配置された位置での磁界の方向を変えることができる。
【００８９】
図３６は、実施例７についてＹ軸方向の磁界成分Ｈｙのシミュレーションの結果を示している。一次導体１のＸ軸方向の幅Ｗ０＝８ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さｔ＝０．８ｍｍである。入口９ａ、出口９ｂは幅Ｗ１、Ｗ２ともに１．２ｍｍである。磁気検知部である一次導体１のＹ軸方向の長さＬを７．５ｍｍとしている。実施例６のように入口９ａ、出口９ｂの位置が幅Ｗ０の中央にした状態では、オフセット量ｄｗ＝０である。実施例７ではオフセット量ｄｗ＝−２、  −１、  ０、  １、  ２ｍｍのそれぞれについてシミュレーションを行った。
【００９０】
磁気検知素子３ａの座標位置をＸ＝２、Ｙ＝２．５ｍｍに固定している。電流が主に流れる方向の磁界成分Ｈｙの磁界は、図３６が示すとおり、オフセット量がマイナスになると調整シロが少ない。一方、オフセット量がプラスになると、つまり入口９ａ、出口９ｂと磁気検知素子との距離が縮まると、急激に磁界が低下し、反対の極性にまでいたる。よって、オフセット量がプラスになる領域では、磁界成分Ｈｙを大幅に調整可能である。
【００９１】
＜実施例８＞
図３７は実施例８の電流センサの構成図である。センサ基板１１は、ガラスエポキシ材であり、その厚さ１．６ｍｍである。センサ基板１１の片面に一次導体１２が設けられている。一次導体１２は、Ｘ軸方向の幅８ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが７．５ｍｍで、Ｚ軸方向の厚さ７０μｍの銅パターンである。Ｘ、Ｙ軸の原点Ｏは一次導体１２の中心に設定する。
【００９２】
一次導体１２の入口９ａ、出口９ｂは、Ｘ軸方向の幅Ｗの中央から幅Ｗ１＝Ｗ２＝１．２ｍｍでＹ軸に沿って引き出されている。入口９ａ、出口９ｂを１．２ｍｍの幅のままで長く引き出すと、大電流側では発熱が発生するかもしれない。そこで、実験では入口９ａ、出口９ｂの直ぐ近くで、芯線径１．６ｍｍのケーブル線を半田付けして、被測定電流を印加した。
センサ基板１１の他面には、２つの磁気検知素子が一体化された磁気検知ユニット１４が配置されている。磁気検知ユニット１４からは半田付けのための電極１５ａ〜１５ｃがセンサ基板１１上に引き出されている。
【００９３】
磁気検知ユニット１４には磁気インピーダンス素子が用いられている。Ｆｅ−Ｔａ−Ｃ系の磁性薄膜から成る検知部１６ａ、１６ｂは、それぞれ幅１８μｍ、厚さ２．６５μｍ、長さ１．２ｍｍの細長い並列に配置された１１本のパターンにより構成されている。そして、検知部１６ａ、１６ｂの磁界検知方向はＹ軸方向とされている。
【００９４】
図３７が示すように、検知部１６ａ、１６ｂの位置は、貫通孔１３の中心からＸ軸方向に距離ｄｘ＝２ｍｍだけオフセットされている。検知部１６ａ、１６ｂの中心間隔ｄｙは５ｍｍとしている。このように、磁気検知ユニット１４はＸ軸に対して対称的に配置されている。
【００９５】
検知部１６ａ、１６ｂの複数本の磁性薄膜パターンは、図示は省略しているが電気的にはつづら折りで直列につながれている。直列につながれた磁性薄膜パターンの両端はそれぞれの電極に接続されている。図３７が示すように、磁性薄膜パターンの端部は、センサ基板１１上の電極１５ａ〜１５ｃに半田接合され、検知回路１００に接続されている。図３７では、センサ基板１１に引き出された電極１５ａから電極１５ｃと、電極１５ｂから電極１５ｃとをペアとして高周波パルスを印加する。
【００９６】
磁気検知ユニット１４にはＸ軸方向（幅方向）に磁化容易軸を設けておく。高周波のパルスを磁性薄膜のパターンに通電することで、外部磁界によりインピーダンスが変化し、磁気検知ユニット１４の両端電圧を振幅検波によりセンサ信号に変換する。それぞれの素子のバイアス磁界や回路ゲインを、相対的に差が出ないよう合わせておくと、差動検知の効果が高まる。
【００９７】
平行して流れる被測定電流Ｉ以外の電流の影響評価では、一次導体１２の端から１０ｍｍの間隔を離して直径２ｍｍの銅棒１８を並列に配置した。１０Ａｒｍｓの５０Ｈｚの電流Ｉ’を銅棒１８に流して、一次導体１２には電流を流さない条件で測定を行った。磁気検知ユニット１４では銅棒１８を流れる電流Ｉ’の影響は、ノイズレベル以下（１０ｍＶｐｐ以下）であった。隣接する平行な電流線からの磁界はＸ又はＺ軸方向となり、Ｙ軸方向の成分は持たないことと、検知部１６ａ、１６ｂと隣接する銅棒１８との距離が等しいことで、差動除去機能が効果的に働き、ノイズ的な磁界の影響もほぼ完全に除去できていることが確認された。
【００９８】
図３８には、一次導体１の入口９ａ、出口９ｂの幅Ｗ１（＝Ｗ２）を１．２ｍｍと４．８ｍｍとしたときの測定電流と出力電圧との関係を示す。なお、検知回路１００を５Ｖの単電源で駆動したため、測定電流０Ａに対する出力電圧を２．５Ｖに合わせてある。
【００９９】
図３１で示したように素子に掛かるＹ方向の磁界Ｈｙは、１Ａあたり０．０７８ガウスであり、前述の直線性が±３ガウスの範囲で確保されたセンサでは、±３８．５Ａを越えると直線性が低下することになる。図３８に示した実測データでも４０Ａを越えたあたりから直線精度が低下していることが判る。この条件では、±４０Ａの仕様となる。
【０１００】
直線性の良い範囲を広げるためには、入口９ａ、出口９ｂの幅を大きくすれば良い。幅Ｗ１、Ｗ２を４．８ｍｍにしたものは、磁界Ｈｙは１Ａあたり０．０３８ガウスとなり、±７９Ａまでは直線精度が確保されることになり、実測のデータでも±８０Ａで直線精度が確保されていることが判る。感度の差は、差動増幅のゲインで調整すればよい。
【０１０１】
このことは使用する磁気検知素子や回路構成を同じにして、電流の出入口の幅だけを変えることで、所望の測定電流範囲で直線精度を確保することができることを意味する。
【０１０２】
実施例８では、一次導体１２をセンサ基板１１上に配置している例を想定した。しかし、図３９の変形例に示すように一次導体が銅板から成るバスバー１９の場合は、磁気検知素子と処理回路の電気部品や端子とを実装したセンサ基板２０とを位置合わせてしてモジュール化をしておくことができる。バスバー１９は相手の基板に挿して半田付けして使えるよう、先端が細く加工されている。磁気検知ユニット１４の保持は、簡単な図示ではあるが、樹脂モールド部材のような非導電部材２４に組み付けて、位置精度と絶縁性の両方を確保しておくことができる。
なお、２２はセンサ基板２０上に設けられた回路素子、２３は磁気検知ユニット１４の信号を他の回路基板と接続する端子である。
【０１０３】
このような構成により、バスバー１９には電流検知部の出入口２１となる切り欠き部分の幅や位置を変えたものを何種類か用意するだけで、幅広い電流仕様に対応でき、製品の自由度が確保できる。
【０１０４】
以上で説明したように、本発明によれば、被測定電流が流れる導体の一部に被測定電流の流れる方向を主方向から別の方向に変更する方向変更領域を設けることに１つの特徴がある。さらに、本発明では、方向変更領域によって流れる方向を変更された被測定電流によって生じた磁界を磁気検知素子によって検知することに特徴がある。これにより、電流の測定対象である一次導体と平行に配置された別の導体に流れる電流が発生する磁界の影響を受けにくくなる。つまり、電流の測定精度を向上させることができる。
【０１０５】
方向変更領域としては、電流の流れを妨げる非導電領域がある。上述した実施例では非導電領域として孔を採用したが、当該孔に絶縁体などの非導電性の部材が挿入されていてもよい。また、貫通した孔ではなく、底のある穴であってよい。孔に代わりに穴を形成する場合は、穴の底を形成する部分の厚さは、磁界の方向を十分に変更できるよう、穴の深さに対して十分に薄くなければならない。
【０１０６】
電流は非導電性領域を迂回する迂回電流になるため、非導電性領域の近傍では磁界がひずむ。とりわけ、電流の主方向（Ｙ軸方向）にのみ磁界検知感度を有した磁気検知素子を配置すれば、Ｘ軸方向など他の方向の磁界の影響を受けないため、測定精度が向上する。
【０１０７】
測定精度を向上させるために、磁気検知素子の数は複数であってもよい。たとえば、一次導体の中心を通るＹ軸に対して線対称となるように２個の磁気検知素子を配置したり、Ｘ軸に対して線対称となるように２個の磁気検知素子を配置したりしてもよい。さらに、これらを組み合わせて、合計で４個の磁気検知素子を配置してもよい。
【０１０８】
なお、実験結果から、磁気検知素子の検知部を、非導電領域の中心からＸ軸と、Ｙ軸とでそれぞれ０．５ないし２．５ｍｍの距離だけ離した範囲に配置すると、測定精度が向上する。
【０１０９】
また、方向変更領域としては、電流が流れる一次導体の主要部に対して、主要部の幅Ｗ０よりも狭い幅Ｗ２の出口９ｂと、主要部の後方に主要部の幅Ｗ０よりも狭い幅Ｗ２の入口９ａを設けてもよい。なお、精度は低下するが、入口９ａと出口９ｂとのうちいずれか一方のみを主要部に配置してもよい。なお、磁気検知素子の配置位置や数は、非導電領域についての配置位置や数と実質的に同様であってよい。
【０１１０】
また、被測定電流の検知範囲も、非導電領域の大きさを変えるだけで、容易に調整できるため、設計の自由度も大きい。
【０１１１】
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
【０１１２】
本願は、２０１０年３月２６日提出の日本国特許出願特願２０１０−０７１３６２と、２０１０年１０月２５日提出の日本国特許出願特願２０１０−２３８５６４と、を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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