(57)【要約】【課題】被測定磁束の誤検出が抑制された電流センサを提供する。【解決手段】被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換部（１０）と、磁電変換部、および、被測定電流の流動するバスバー（１１０）それぞれを囲む磁気シールド部（３０）と、を有し、磁気シールド部は、筒状を成し、バスバーの周囲を囲む壁部（３３〜３５）に開口部（３１ａ）が形成された第１磁気シールド部（３１）と、開口部を閉塞する第２磁気シールド部（３２）と、を有し、第２磁気シールド部は、第１磁気シールド部よりも透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体から成り、第１磁気シールド部と第２磁気シールド部それぞれが磁気飽和した後、第１磁気シールド部に生じる残留磁束を吸い込むべく、第２磁気シールド部は第１磁気シールド部よりも磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易くなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流の流動によって生じる被測定磁束に基づいて、前記被測定電流を検出する電流センサであって、
前記被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換部（１０）と、
前記磁電変換部、および、前記被測定電流の流動するバスバー（１１０）それぞれを囲む磁気シールド部（３０）と、を有し、
前記磁気シールド部は、筒状を成し、前記バスバーの周囲を囲む壁部（３３〜３５）に開口部（３１ａ）が形成された第１磁気シールド部（３１）と、前記開口部を閉塞する第２磁気シールド部（３２）と、を有し、
前記第２磁気シールド部は、前記第１磁気シールド部よりも透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体から成り、
前記第１磁気シールド部と前記第２磁気シールド部それぞれが磁気飽和した後、前記第１磁気シールド部に生じる残留磁束を吸い込むべく、前記第２磁気シールド部は前記第１磁気シールド部よりも磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易くなっていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記第２磁気シールド部は前記第１磁気シールド部よりも体積が小さいことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記第２磁気シールド部と前記第１磁気シールド部とは所定の間隔を置いて対向配置され、非接触状態となっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記第１磁気シールド部は前記開口部を１つ有し、前記第２磁気シールド部は板状を成していることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記被測定電流の流動方向に直交する規定平面において、前記第１磁気シールド部はＣ字形状を成し、前記第２磁気シールド部は直線形状を成すことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記第１磁気シールド部は、互いに対向する第１板部（３３）と第２板部（３４）、および、前記第１板部と前記第２板部それぞれが互いに対向する２つの端部の内の一方を連結する連結部（３５）を有し、前記規定平面においてＣ字形状を成しており、
前記第２磁気シールド部は、前記第１板部と前記第２板部それぞれが互いに対向する２つの端部の内の他方によって構成される前記開口部を閉塞するように平板形状を成していることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記第２磁気シールド部は、前記開口部と対向する対向部（３６）と、前記対向部よりも前記第１板部側に延設された第１延設部（３７）と、前記対向部よりも前記第２板部側に延設された第２延設部（３８）と、を有し、
前記第１延設部、および、前記第２延設部それぞれは、前記規定平面においてＬ字を成すように屈曲しており、
前記第１延設部の一部は前記第１板部の他方の端部の端面と対向し、前記第１延設部の残りは前記第１板部における前記第２板部との対向面の裏面と対向しており、
前記第２延設部の一部は前記第２板部の他方の端部の端面と対向し、前記第２延設部の残りは前記第２板部における前記第１板部との対向面の裏面と対向していることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流の流動によって生じる被測定磁束に基づいて、被測定電流を検出する電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、バスバーと、バスバーに流れる電流によって発生する磁界が感磁面に印加されるようにバスバーに対して固定配置された磁気検出素子と、磁気検出素子を磁気遮蔽する磁気シールド体と、を備える電流センサが提案されている。上記した磁気シールド体はバスバーと磁気検出素子それぞれを内側に囲む環状囲み部を有し、この環状囲み部は上側磁気シールド部材と下側磁気シールド部材とによって構成されている。これら磁気シールド部材としてはコの字型の珪素鋼板、パーマロイ、あるいはフェライトが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように特許文献１に示される電流センサでは２つの磁気シールド部材がコの字型の珪素鋼板、パーマロイ、あるいはフェライトから成る。したがって透磁率、飽和磁束密度、および、保磁力それぞれが両者で同一となっている。これにより、例えばバスバーを流れる電流（被測定電流）によって生じた磁界（被測定磁束）によって２つの磁気シールド部材それぞれが磁気飽和した場合、２つの磁気シールド部材それぞれに残留磁束が生じる。そして残留磁界の消失する速さは両者で同一となる。このため、被測定磁束（被測定電流）がゼロになったとしても上記した残留磁束を磁気検出素子が検出してしまう。この結果、被測定電流がゼロであるにも関わらず被測定電流が流れている、と誤検出する虞がある。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、被測定磁束の誤検出が抑制された電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために本発明は、被測定電流の流動によって生じる被測定磁束に基づいて、被測定電流を検出する電流センサであって、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換部（１０）と、磁電変換部、および、被測定電流の流動するバスバー（１１０）それぞれを囲む磁気シールド部（３０）と、を有し、磁気シールド部は、筒状を成し、バスバーの周囲を囲む壁部（３３〜３５）に開口部（３１ａ）が形成された第１磁気シールド部（３１）と、開口部を閉塞する第２磁気シールド部（３２）と、を有し、第２磁気シールド部は、第１磁気シールド部よりも透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体から成り、第１磁気シールド部と第２磁気シールド部それぞれが磁気飽和した後、第１磁気シールド部に生じる残留磁束を吸い込むべく、第２磁気シールド部は第１磁気シールド部よりも磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易くなっていることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、被測定磁束によって第１磁気シールド部（３１）と第２磁気シールド部（３２）が磁気飽和した後、被測定磁束（被測定電流）がゼロとなった場合、第２磁気シールド部（３２）は第１磁気シールド部（３１）よりも磁束が早く抜ける。そのため、磁気飽和のために第１磁気シールド部（３１）にて残留磁束が生じたとしても、それを第２磁気シールド部（３２）によって吸い込むことができる。この結果、残留磁束を磁電変換部（１０）が検出することが抑制され、被測定電流がゼロであるにも関わらず、被測定電流が流れていると誤検出することが抑制される。
【０００８】
また、第１磁気シールド部（３１）は筒状を成す壁部（３３〜３５）と、この壁部（３３〜３５）に形成された開口部（３１ａ）と、を有し、その開口部（３１ａ）は第２磁気シールド部（３２）によって閉塞されている。このように筒状を成す第１磁気シールド部（３１）によって磁電変換部（１０）の主要部が囲まれるので、外部磁束によって第２磁気シールド部（３２）が磁気飽和したとしても、第１磁気シールド部（３１）によって外部磁束を遮蔽することができる。
【０００９】
なお、第１磁気シールド部（３１）の壁部（３３〜３５）は筒状を成すので、その構造上２つの開口部を有するが、上記した壁部（３３〜３５）に形成された開口部（３１ａ）は、これら２つの開口部とは異なる開口部である。この開口部（３１ａ）は、被測定電流の流動方向に直交する方向に開口しており、筒状の壁部（３３〜３５）が有する２つの開口部は被測定電流の流動方向に開口している。
【００１０】
第２磁気シールド部は、第１磁気シールド部よりも体積が小さい。通常、透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体は、これとは異なる軟質磁性体と比べて材料費が高い。これに対して、上記のように第２磁気シールド部（３２）は第１磁気シールド部（３１）よりも体積が小さい。そのためにコストが嵩張ることが抑制される。また体積が同一である構成と比べて、第２磁気シールド部（３２）はより磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易い。そのため、第１磁気シールド部（３１）の残留磁束を第２磁気シールド部（３２）によってより迅速に吸い込むことができる。
【００１１】
第２磁気シールド部と第１磁気シールド部とは所定の間隔を置いて対向配置され、非接触状態となっている。これによれば、第２磁気シールド部と第１磁気シールド部とが接触状態となっている構成とは異なり、両者の磁気的連結が弱まる。そのため、第１磁気シールド部と第２磁気シールド部それぞれの磁気的性質の独立性が高まり、両者の機能が低減することが抑制される。すなわち、外部磁束を遮蔽するという第１磁気シールド部の機能、および、残留磁束を吸い込むという第２磁気シールド部の機能それぞれの低減が抑制される。
【００１２】
なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけているが、この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る電流センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】弱電流が流れた場合の磁束密度分布を示す分布図である。
【図３】図２に示す破線で囲まれた領域の磁束密度分布を示す分布図である。
【図４】検出磁束と被測定電流との関係を示すグラフである。
【図５】強電流が流れた場合の磁束密度分布を示す分布図である。
【図６】図５に示す破線で囲まれた領域の磁束密度分布を示す分布図である。
【図７】検出磁束と被測定電流との関係を示すグラフである。
【図８】電流センサの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図７に基づいて、本実施形態に係る電流センサを説明する。なお図１では板部３３，３４と連結部３５との境界を破線で示している。
【００１５】
以下においては互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。ｘ方向とｙ方向とによって規定される平面をｘ−ｙ平面、ｙ方向とｚ方向とによって規定される平面をｙ−ｚ平面、ｚ方向とｘ方向とによって規定される平面をｚ−ｘ平面と示す。なお、ｙ方向が特許請求の範囲に記載の流動方向に相当する。そしてｚ−ｘ平面が特許請求の範囲に記載の規定平面に相当する。以下においてはｚ−ｘ平面を単に規定平面と示す。
【００１６】
電流センサ１００は、バスバー１１０の被測定電流の流動によって生じる被測定磁束に基づいて、被測定電流を検出するものである。図１に示すように、電流センサ１００は磁電変換部１０と磁気シールド部３０を有する。磁電変換部１０は被測定磁束を電気信号に変換し、磁気シールド部３０は磁電変換部１０とバスバー１１０それぞれを囲む。バスバー１１０および磁気シールド部３０それぞれはｙ方向に延びた形状を成し、ｙ方向に直交する規定平面の形状が一定となっている。
【００１７】
被測定電流はバスバー１１０の延びる方向、すなわちｙ方向に流動する。したがって被測定電流のｙ方向の流動によって、ｙ方向に直交する規定平面にて右ねじの法則にしたがった被測定磁束が生じる。この被測定磁束を磁電変換部１０は電気信号に変換する。こうすることで電流センサ１００は被測定電流を検出する。
【００１８】
磁電変換部１０は、半導体基板に磁電変換素子が形成されたものである。磁電変換素子としては磁束の透過によって抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子や、磁束の透過によってホール電圧が変動するホール素子が採用できる。磁電変換素子は、半導体基板の一面の表層に形成されており、この一面に沿う磁束を検出する。一面は後述する第１板部３３の内面と対向し、ｘ−ｙ平面に沿っている。磁電変換素子はこのｘ−ｙ平面に沿う磁束を検出する。なお、上記したように被測定磁束は規定平面（ｚ−ｘ平面）に沿うので、磁電変換素子は被測定磁束におけるｘ方向に沿う成分を検出する。
【００１９】
磁気シールド部３０は、第１磁気シールド部３１と第２磁気シールド部３２を有する。第１磁気シールド部３１は、規定平面において２つの開口部（図示略）を有する筒状を成す。また、第１磁気シールド部３１は、上記した２つの開口部とは異なる開口部３１ａを有する。図１に示すように本実施形態では第１磁気シールド部３１はｘ方向に開口する１つの開口部３１ａを有し、規定平面における第１磁気シールド部３１の断面形状は、ギャップを有する環状を成している。この開口部３１ａが第２磁気シールド部３２によって閉塞され、磁電変換部１０とバスバー１１０それぞれの周囲が磁気シールド部３１，３２それぞれよって囲まれる。この構成により、磁電変換部１０とバスバー１１０それぞれが外部磁界から遮蔽される。なお、第２磁気シールド部３２と第１磁気シールド部３１とは所定の間隔を置いて対向配置され、非接触状態となっている。また、図示しないが、磁電変換部１０、磁気シールド部３０、および、バスバー１１０それぞれは非磁性材料によって一体的に固定されている。
【００２０】
第１磁気シールド部３１は、ｚ方向において互いに対向する第１板部３３と第２板部３４、および、これら２つの板部３３，３４を連結する連結部３５を有する。板部３３，３４それぞれは規定平面における断面形状が矩形を成し、その最も面積の大きい主面がｚ方向に直交し、その最も面積の小さい端面がｘ方向に直交している。これに対して連結部３５も規定平面における断面形状が矩形を成しているが、その最も面積の大きい主面はｘ方向に直交し、その最も面積の小さい端面がｚ方向に直交している。板部３３，３４それぞれは２つの端面を有するが、その一方（紙面左方に位置する端面）が連結部３５の主面と連結され、その他方（紙面右方に位置する端面）が第２磁気シールド部３２と所定の間隔をおいて対向している。この構成により、第１磁気シールド部３１の規定平面における断面形状がＣ字形状を成し、上記した開口部３１ａが板部３３，３４それぞれの他方の端面を含む端部によって構成されている。なお、上記した第１磁気シールド部３１の構成要素３３〜３５が、特許請求の範囲に記載の壁部に相当する。
【００２１】
第２磁気シールド部３２は開口部３１ａを閉塞する形状を成しており、本実施形態では平板形状を成している。第２磁気シールド部３２は、開口部３１ａと対向する対向部３６と、対向部３６よりも第１板部３３側に延設された第１延設部３７と、対向部３６よりも第２板部３４側に延設された第２延設部３８と、を有する。延設部３７，３８それぞれは規定平面においてＬ字を成すように屈曲している。したがって第１延設部３７の一部が第１板部３３における他方の端面と対向し、第１延設部３７の残りは第１板部３３における第２板部３４との対向面の裏面と対向している。また第２延設部３８の一部は第２板部３４の他方の端面と対向し、第２延設部３８の残りは第２板部３４における第１板部３３との対向面の裏面と対向している。なお、延設部３７，３８における屈曲部位（ｘ方向に沿う部位）は、第２磁気シールド部３２における主要部位（ｚ方向に沿う部位）と比べて極めて小さい。そのため、第２磁気シールド部３２は、規定平面において概略的に言って直線形状を成している。
【００２２】
次に、磁気シールド部３１，３２それぞれの磁気的性質を説明する。第２磁気シールド部３２は第１磁気シールド部３１よりも透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体から成る。例えば、第２磁気シールド部３２の材料としてはＰＣパーマロイやアモルファス磁性材料などが採用される。これに対して第１磁気シールド部３１の材料としては純鉄や電磁鋼板などが採用される。
【００２３】
また、第２磁気シールド部３２は第１磁気シールド部３１よりも厚さが薄く、その体積が小さくなっている。これにより、第２磁気シールド部３２は第１磁気シールド部３１よりも磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易くなっている。したがって第１磁気シールド部３１に残留磁束が生じたとしても、その残留磁束を第２磁気シールド部３２によって吸い込むことが可能となっている。
【００２４】
次に、磁気飽和、および、バスバー１１０を流れる被測定電流と磁電変換部１０にて検出された磁束（以下、検出磁束と示す）との関係それぞれを図２〜図７に基づいて説明する。図２および図３は第２磁気シールド部３２が磁気飽和しない程度の被測定電流（弱電流）をバスバー１１０に流した場合の磁束密度分布を示している。図３に示すように、第１磁気シールド部３１に比べて第２磁気シールド部３２を透過する磁束密度は若干高くなっている。しかしながら、この状態において第２磁気シールド部３２は磁気飽和しておらず、被測定磁束のほとんどが磁気シールド部３０の外部に漏れていない状態となっている。この場合、図４に示すように、検出磁束は被測定電流に対して線形に変化する。しかしながら、被測定電流の電流値が図３にて一点鎖線で示す値Ｉ０に達すると、その傾きが変化する。これは、第２磁気シールド部３２が磁気飽和したためであるが、その線形性はほぼ一定に保たれている。
【００２５】
図５および図６は第２磁気シールド部３２が磁気飽和する程度の被測定電流（強電流）をバスバー１１０に流した場合の磁束密度分布を示している。図６に示すように、第１磁気シールド部３１に比べて第２磁気シールド部３２を透過する磁束密度は高く、磁気飽和している。この場合、第２磁気シールド部３２は磁束を吸い込むことができないので、実質的に非磁性材料と同等の性質を有している。しかしながらこの場合においても、図７に示すように、検出磁束は被測定電流に対して線形に変化する。なお、図７には図４が含まれている。図７からもわかるように、図４にて示した傾きの変化はきわめて微小である。
【００２６】
以上、図２〜図７に示すように、第２磁気シールド部３２の磁気飽和に関わらず、本実施形態に係る電流センサ１００の場合、被測定電流に対して検出磁束は線形の性質を示す。なお、図２〜図７に示すグラフの値は任意単位であるが、その磁束密度分布、および、グラフはシミュレーションによって得られたものである。
【００２７】
次に、本実施形態に係る電流センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、第２磁気シールド部３２は、第１磁気シールド部３１よりも透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体から成る。そして第２磁気シールド部３２は第１磁気シールド部３１よりも磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易くなっている。これによれば、被測定磁束によって第１磁気シールド部３１と第２磁気シールド部３２が磁気飽和した後、被測定磁束（被測定電流）がゼロとなった場合、第２磁気シールド部３２は第１磁気シールド部３１よりも磁束が早く抜ける。そのため、磁気飽和のために第１磁気シールド部３１にて残留磁束が生じたとしても、それを第２磁気シールド部３２によって吸い込むことができる。この結果、残留磁束を磁電変換部１０が検出することが抑制され、被測定電流がゼロであるにも関わらず、被測定電流が流れていると誤検出することが抑制される。
【００２８】
また、第１磁気シールド部３１の開口部３１ａが第２磁気シールド部３２によって閉塞され、磁電変換部１０とバスバー１１０それぞれの周囲が磁気シールド部３１，３２それぞれよって囲まれている。このように筒状を成す第１磁気シールド部３１によって磁電変換部１０の主要部が囲まれるので、外部磁束によって第２磁気シールド部３２が磁気飽和したとしても、第１磁気シールド部３１によって外部磁束を遮蔽することができる。
【００２９】
第２磁気シールド部３２は、第１磁気シールド部３１よりも体積が小さくなっている。通常、透磁率が高く、飽和磁束密度と保磁力それぞれが低い軟質磁性体は、これとは異なる軟質磁性体と比べて材料費が高い。これに対して、上記のように第２磁気シールド部３２は第１磁気シールド部３１よりも体積が小さい。そのためにコストが嵩張ることが抑制される。また体積が同一である構成と比べて、第２磁気シールド部３２はより磁気飽和し易く、残留磁束が抜け易い。そのため、第１磁気シールド部３１の残留磁束を第２磁気シールド部３２によってより迅速に吸い込むことができる。
【００３０】
第２磁気シールド部３２と第１磁気シールド部３１とは所定の間隔を置いて対向配置され、非接触状態となっている。これによれば、第２磁気シールド部３２と第１磁気シールド部３１とが接触状態となっている構成とは異なり、両者の磁気的連結が弱まる。そのため、第１磁気シールド部３１と第２磁気シールド部３２それぞれの磁気的性質の独立性が高まり、両者の機能が低減することが抑制される。すなわち、外部磁束を遮蔽するという第１磁気シールド部３１の機能、および、残留磁束を吸い込むという第２磁気シールド部３２の機能それぞれの低減が抑制される。
【００３１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３２】
本実施形態では磁電変換部１０の有する磁電変換素子がｘ−ｙ平面に沿う磁束を検出する例を示した。しかしながら被測定磁束を検出しつつ、磁気シールド部３０によって磁気遮蔽し難い外部磁束の透過方向を避けることができれば、磁電変換素子の検出方向としては上記例に限定されない。
【００３３】
本実施形態では第１磁気シールド部３１がｘ方向に開口する１つの開口部３１ａを有し、板部３３，３４と連結部３５を有する例を示した。しかしながら第１磁気シールド部３１が有する開口部３１ａの数としては上記例に限定されない。例えば図８に示すように第１磁気シールド部３１は２つの開口部３１ａを有してもよい。この場合、２つの開口部３１ａそれぞれを閉塞するために、磁気シールド部３０は２つの第２磁気シールド部３２を有する。なお、開口部３１ａを第２磁気シールド部３２によって閉塞することができれば、第２磁気シールド部３２の数としては上記例に限定されない。すなわち、開口部３１ａの数に第２磁気シールド部３２の数は依存しない。
【００３４】
本実施形態では第２磁気シールド部３２と第１磁気シールド部３１とが非接触状態となっている例を示した。しかしながら磁気シールド部３１，３２は互いに接触していても良い。
【００３５】
本実施形態では第１磁気シールド部３１の規定平面における断面形状がＣ字形状を成している例を示した。しかしながら被測定磁束の漏れを抑制しつつ、外部磁束を遮蔽することができれば、第１磁気シールド部３１の形状としては上記例に限定されない。
【００３６】
本実施形態では第２磁気シールド部３２は規定平面において概略的に言って直線形状を成している例を示した。しかしながら第１磁気シールド部３１の残留磁束を吸い込むことができれば、第２磁気シールド部３２の形状としては上記例に限定されない。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・磁電変換部
３０・・・磁気シールド部
３１・・・第１磁気シールド部
３１ａ・・・開口部
３２・・・第２磁気シールド部
３３・・・第１板部
３４・・・第２板部
３５・・・連結部
１００・・・電流センサ
【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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