(57)【要約】  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する第１磁気センサ(１２０)と、１次導体(１１０)と間隔を置いて１次導体(１１０)を囲む磁性体(１６０)とを備える。１次導体(１１０)は、互いに間隔を置いて対向する第１平板部(１１１ａ)および第２平板部(１１２)を含む。第１平板部(１１１ａ)および第２平板部(１１２)は、互いに電気的に直列に接続され、上記電流が互いに反対方向に流れる。第１磁気センサ(１２０)は、磁性体(１６０)に囲まれた領域内に位置している。第１磁気センサ(１２０)は、第１平板部(１１１ａ)と第２平板部(１１２)との間において、第１平板部(１１１ａ)と第２平板部(１１２)とが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する第１磁気センサと、
前記１次導体と間隔を置いて前記１次導体を囲む磁性体とを備え、
前記１次導体は、互いに間隔を置いて対向する第１平板部および第２平板部を含み、
前記第１平板部および前記第２平板部は、互いに電気的に直列に接続され、前記電流が互いに反対方向に流れ、
前記第１磁気センサは、前記磁性体に囲まれた領域内に位置し、
前記第１磁気センサは、前記第１平板部と前記第２平板部との間において、前記第１平板部と前記第２平板部とが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている、電流センサ。
【請求項２】
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する第２磁気センサをさらに備え、
前記１次導体は、前記第２平板部と間隔を置いて前記第１平板部とは反対側に位置し、前記第２平板部と対向する第３平板部をさらに含み、
前記第３平板部および前記第２平板部は、互いに電気的に直列に接続され、前記電流が互いに反対方向に流れ、
前記第２磁気センサは、前記磁性体に囲まれた領域内に位置し、
前記第２磁気センサは、前記第２平板部と前記第３平板部との間において、前記第２平板部と前記第３平板部とが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている、請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
前記１次導体は、前記第１平板部と前記第３平板部とをそれぞれ繋ぐ１対の側壁部をさらに含み、
前記第２平板部は、前記第１平板部、前記第３平板部および前記１対の側壁部によって構成される筒状部に対して同軸状に位置するように該筒状部の内側において前記筒状部に間隔を置いて位置し、
前記１次導体は、前記第２平板部と前記筒状部とを繋ぐ接続部をさらに含む、請求項２から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記１次導体は、前記第１平板部の端部と前記第２平板部の一端とを繋ぐ第１連結部、および前記第２平板部の他端と前記第３平板部の端部とを繋ぐ第２連結部をさらに含み、
前記第１連結部を前記電流が流れる方向と、前記第２連結部を前記電流が流れる方向とは同じである、請求項２から４のいずれか１項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、電流センサに関し、特に、測定対象の電流に応じて発生する磁界を検出することで測定対象の電流の値を測定する電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
出力信号が測定すべき電流に比例し、かつ温度および外部磁界により妨害され難く安定した感度を維持することを図ったセンサチップを開示した先行文献として、特開平６−２９４８５４号公報(特許文献１)がある。【０００３】
特許文献１に記載されたセンサチップには、磁界強度の勾配を測定するためのホイートストンブリッジ型のブリッジ回路が設けられている。センサチップは、中心軸線に対して間隔を置いた第１および第２の範囲に配置された第１〜第４磁気感応抵抗を有している。【０００４】
また、センサチップにおいては、第１磁気感応抵抗と第２磁気感応抵抗とが直列接続されて第１ブリッジ分路を形成するとともに、第３磁気感応抵抗と第４磁気感応抵抗とが直列接続されて第２ブリッジ分路を形成している。【０００５】
さらに、センサチップにおいては、第１の範囲に第１および第４磁気感応抵抗が配置されるとともに、第２の範囲に第２および第３磁気感応抵抗が配置され、第１の範囲に配置された第１および第４磁気感応抵抗と、第２の範囲に配置された第２および第３磁気感応抵抗とが、中心軸線を基準に対称的に配置されている。【０００６】
磁気センサを磁気シールドで被った電気装置を開示した先行文献として、特開２０１３−０１１４６９号公報(特許文献２)、および、特開２０１０−００８０５０号公報(特許文献３)がある。【０００７】
特許文献２に記載された電流センサは、センサ基板の一面に形成された磁電変換素子、および、センサ基板と被測定導体それぞれの周囲を囲む磁気シールド部を有する。【０００８】
特許文献３に記載された電流センサは、１次導体と、１次導体に流れる電流によって発生する磁界を検出するように１次導体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ている。磁気シールド体は、１次導体と磁気検出素子とを内側に囲む環状囲み部を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２９４８５４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０１１４６９号公報
【特許文献３】特開２０１０−００８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載されたセンサチップにおいては、第１〜第４磁気感応抵抗の各々が検出する磁界の強さは、１次導体からの距離の２乗に反比例する。そのため、１次導体に対して第１〜第４磁気感応抵抗を所望の位置に正確に配置する必要があり、センサチップの製造が困難である。【００１１】
また、センサチップにおいては、第１の範囲に配置された第１および第４磁気感応抵抗と、第２の範囲に配置された第２および第３磁気感応抵抗とに、外部磁界源からの距離の２乗に反比例した強度の外部磁界が印加される。【００１２】
センサチップの近傍に外部磁界源が存在する場合、第１の範囲に配置された第１および第４磁気感応抵抗と第２の範囲に配置された第２および第３磁気感応抵抗とにおいて外部磁界源からの距離が異なるため、外部磁界源から発せられる外部磁界がセンサチップの出力信号に作用を及ぼす。【００１３】
センサチップと外部磁界源との距離が近くになるに従って、第１〜第４磁気感応抵抗に印加される外部磁界の磁界強度が高くなるため、外部磁界によるセンサチップの出力信号への影響が大きくなる。【００１４】
たとえば、３相交流インバータの出力電流の制御などにおいて、大電流が流れる複数の経路が互いに集合して配置される場合に、各経路を流れる電流の値をセンサチップを用いて正確に検出するうえで、各経路を流れる電流によって発生する磁界の影響が障害となっていた。【００１５】
特許文献２，３に記載された電流センサにおいては、磁気シールド部が被測定導体に流れる電流で発生した磁束で飽和することにより磁気シールド部の磁気遮蔽効果が減退することを防ぐために、磁気シールド部に少なくとも１カ所の空隙を設けている。磁気シールド部内を流れる磁束は空隙にて放出され、外部に磁界を形成する。【００１６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、外部磁界による影響を低減でき、容易に製造可能な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】
【００１７】
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する第１磁気センサと、１次導体と間隔を置いて１次導体を囲む磁性体とを備える。１次導体は、互いに間隔を置いて対向する第１平板部および第２平板部を含む。第１平板部および第２平板部は、互いに電気的に直列に接続され、上記電流が互いに反対方向に流れる。第１磁気センサは、磁性体に囲まれた領域内に位置している。第１磁気センサは、第１平板部と第２平板部との間において、第１平板部と第２平板部とが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている。【００１８】
本発明の一形態においては、電流センサは、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する第２磁気センサをさらに備える。１次導体は、第２平板部と間隔を置いて第１平板部とは反対側に位置し、第２平板部と対向する第３平板部をさらに含む。第３平板部および第２平板部は、互いに電気的に直列に接続され、上記電流が互いに反対方向に流れる。第２磁気センサは、磁性体に囲まれた領域内に位置している。第２磁気センサは、第２平板部と第３平板部との間において、第２平板部と第３平板部とが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能に配置されている。【００１９】
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。算出部が減算器または差動増幅器である。【００２０】
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。算出部が加算器または加算増幅器である。【００２１】
本発明の一形態においては、１次導体は、第１平板部と第３平板部とをそれぞれ繋ぐ１対の側壁部をさらに含む。第２平板部は、第１平板部、第３平板部および１対の側壁部によって構成される筒状部に対して同軸状に位置するように筒状部の内側において筒状部に間隔を置いて位置する。１次導体は、第２平板部と筒状部とを繋ぐ接続部をさらに含む。【００２２】
本発明の一形態においては、１次導体は、第１平板部の端部と第２平板部の一端とを繋ぐ第１連結部、および第２平板部の他端と第３平板部の端部とを繋ぐ第２連結部をさらに含む。第１連結部を上記電流が流れる方向と、第２連結部を上記電流が流れる方向とは同じである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、外部磁界による影響を低減可能な電流センサを容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す斜視図である。
【図２】図１の電流センサのＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図３】図２の電流センサのＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体と外部配線とを接続する状態を示す斜視図である。
【図５】第１比較例に係る電流センサが備える１次導体の形状を示す平面図である。
【図６】第１比較例に係る電流センサの１次導体周辺に発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を、図５のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た断面に示した等高線図である。
【図７】第１比較例に係る電流センサにおいて、図６中の左右方向における第１平板部の中央部または第２平板部の中央部から図６中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体周辺に発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。
【図９】本発明の実施形態１に係る電流センサの１次導体周辺に発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す等高線図である。
【図１０】本発明の実施形態１に係る電流センサにおいて、図９中の左右方向における第２平板部の中央部から図９中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１の電流センサをＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１３】本発明の実施形態２に係る電流センサを図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の実施形態２に係る電流センサの１次導体周辺における、１次導体を流れる測定対象の電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。
【図１５】本発明の実施形態２に係る電流センサの１次導体周辺における、１次導体を流れる測定対象の電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す等高線図である。
【図１６】本発明の実施形態２に係る電流センサにおいて、図１３中の左右方向における第２平板部２１２の中央部から図１３中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態１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。
【００２６】
(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斜視図である。図２は、図１の電流センサのＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、図２の電流センサのＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、本実施形態に係る電流センサの１次導体と外部配線とを接続する状態を示す斜視図である。図３においては、第２平板部１１２の中心点１１２ｃを図示している。
【００２７】
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を備える。また、電流センサ１００は、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さを奇関数入出力特性を有して検出する、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１を備える。本実施形態においては、電流センサ１００は、２つの磁気センサを備えているが、少なくとも１つの磁気センサを備えていればよい。
【００２８】
さらに、電流センサ１００は、１次導体１１０と間隔を置いて１次導体１１０を囲む磁性体１６０を備える。また、電流センサ１００は、第１磁気センサ１２０の検出値と第２磁気センサ１２１の検出値とを減算することにより上記電流の値を算出する算出部である減算器１３０を備える。
【００２９】
以下、各構成について詳細に説明する。
１次導体１１０は、互いに間隔を置いて対向する第１平板部１１１ａおよび第２平板部１１２を含む。第１平板部１１１ａと第２平板部１１２とは、互いに平行に位置している。
【００３０】
また、１次導体１１０は、第２平板部１１２と間隔を置いて第１平板部１１１ａとは反対側に位置し、第２平板部１１２と対向する第３平板部１１１ｂを含む。第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとは、互いに平行に位置している。第１平板部１１１ａと第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとは、等間隔に配置されている。
【００３１】
すなわち、第１平板部１１１ａと第２平板部１１２との間の間隔の寸法Ｇ1と、第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとの間の間隔の寸法Ｇ2とは等しい。ただし、第１平板部１１１ａと第２平板部１１２との間の間隔の寸法Ｇ1と、第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとの間の間隔の寸法Ｇ2とが、互いに異なっていてもよい。
【００３２】
さらに、１次導体１１０は、第１平板部１１１ａと第３平板部１１１ｂとをそれぞれ繋ぐ側壁部１１１ｃおよび側壁部１１１ｄを含む。側壁部１１１ｃと側壁部１１１ｄとは、互いに平行に位置している。
【００３３】
また、１次導体１１０は、第１平板部１１１ａ、第３平板部１１１ｂおよび１対の側壁部１１１ｃ，１１１ｄによって構成される筒状部１１１と第２平板部１１２とを繋ぐ接続部１１３を含む。
【００３４】
筒状部１１１は、第２平板部１１２に間隔を置いて第２平板部１１２の周りを囲んで延在している。具体的には、筒状部１１１は、両端に開口を有する筒状の形状を有している。本実施形態においては、筒状部１１１は横断面にて矩形状の外形を有しているが、筒状部１１１の形状はこれに限られない。
【００３５】
接続部１１３は、筒状部１１１の一方の開口を塞ぐように位置しつつ第２平板部１１２の一端と連続して筒状部１１１と第２平板部１１２とを接続している。本実施形態においては、接続部１１３は、筒状部１１１の内面と連続する矩形状の外形を有しているが、接続部１１３の形状はこれに限られない。
【００３６】
第２平板部１１２は、筒状部１１１に対して同軸状に位置するように筒状部１１１の内側において筒状部１１１に間隔を置いて延在している。本実施形態においては、第２平板部１１２は、第１平板部１１１ａおよび第３平板部１１１ｂの各々に対して平行に対向する平板状の外形を有しているが、第２平板部１１２の形状はこれに限られない。第２平板部２１２の長さは、筒状部１１１の長さより僅かに短い。筒状部１１１および第２平板部１１２は、互いに電気的に直列に接続されている。
【００３７】
後述するように図１中の矢印１２０ａ，１２１ａで示す第１および第２磁気センサ１２０，１２１の検出軸の方向において、第２平板部１１２の幅の寸法Ｈは、互いに隣接する平板部同士の間の間隔の寸法Ｇ1，Ｇ2の最大値の１．５倍以上である。また、図２に示す第２平板部１１２の長さの寸法Ｌeは、第２平板部１１２の幅の寸法Ｈ以上である。
【００３８】
なお、１次導体１１０の形状は上記に限られず、たとえば、１次導体１１０が側壁部１１１ｃおよび側壁部１１１ｄを含まなくてもよい。この場合、１次導体１１０は、平面的に見てＥ字状の形状を有している。
【００３９】
本実施形態においては、１次導体１１０は、アルミニウムで構成されている。ただし、１次導体１１０の材料はこれに限られず、銀、銅などの金属、またはこれらの金属を含む合金でもよい。
【００４０】
また、１次導体１１０は、表面処理を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。
【００４１】
本実施形態においては、四角柱状のブロックを切削することにより１次導体１１０を一体で形成している。ただし、１次導体１１０の形成方法はこれに限られず、鋳造、鍛造またはプレス加工などの方法で１次導体１１０を形成してもよい。また、複数の部材を溶接、ろう付、嵌合または接着などの方法で接合することにより１次導体１１０を形成してもよい。
【００４２】
筒状部１１１を電流が流れる方向１１と、第２平板部１１２を電流が流れる方向１２とは反対である。よって、第１平板部１１１ａを電流が流れる方向１１、および第３平板部１１１ｂを電流が流れる方向１１と、第２平板部１１２を電流が流れる方向１２とは反対である。
【００４３】
図４に示すように、１次導体１１０と外部配線とを接続することで、上記のように電流が流れる。外部配線は、入力端子を有する入力配線１７０と、出力端子を有する出力配線１７１と、曲折した板状の接続導体１７２とを含む。入力配線１７０の入力端子と、出力配線１７１の出力端子とは、それぞれ、円環状の部分を有している。接続導体１７２の中心部には、接続導体１７２に入力配線１７０を接続するための第１貫通孔１７３が設けられている。接続導体１７２の両端部には、筒状部１１１に接続導体１７２を接続するための第２貫通孔１７４が設けられている。接続導体１７２においては、両端部と中心部とがそれぞれ互いに平行な２平面上に位置するように曲折している。
【００４４】
筒状部１１１の開口端に２つの第１雌ねじ１１１ｓが設けられている。２つの第１雌ねじ１１１ｓは、筒状部１１１の径方向において互いに反対側に位置している。２つの第１雌ねじ１１１ｓの各々は、筒状部１１１の中心軸方向と平行に延在している。
【００４５】
入力配線１７０の入力端子の円環状の部分と接続導体１７２の第１貫通孔１７３とにボルト１９０を挿通して、このボルト１９０とナット１８０とを締結することにより、入力配線１７０と接続導体１７２とが接続される。
【００４６】
接続導体１７２の各第２貫通孔１７４にボルト１９０を挿通して、これらのボルト１９０と第１雌ねじ１１１ｓとをそれぞれ締結することにより、筒状部１１１と接続導体１７２とが接続される。
【００４７】
出力配線１７１の出力端子の円環状の部分にボルト１９０を挿通して、このボルト１９０と第２雌ねじ１１２ｓとを締結することにより、第２平板部１１２と出力配線１７１とが接続される。
【００４８】
上記のように接続することにより、筒状部１１１に入力された電流は、接続部１１３を外側から中心に向かって流れて第２平板部１１２から出力される。
【００４９】
なお、１次導体１１０と外部配線との接続方法は上記に限られず、筒状部１１１を電流が流れる方向と、第２平板部１１２を電流が流れる方向とが反対となるように接続されていればよい。よって、筒状部１１１が出力配線に接続され、第２平板部１１２が入力配線に接続されていてもよい。
【００５０】
図１に示すように、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、筒状部１１１の内側において互いの間に第２平板部１１２を挟むように並んで位置している。
【００５１】
具体的には、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、筒状部１１１および第２平板部１１２の両方に対して間隔を置いて位置している。第１磁気センサ１２０は、第１平板部１１１ａと第２平板部１１２との間に位置している。第２磁気センサ１２１は、第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとの間に位置している。第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、磁性体１６０に囲まれた領域内に位置している。
【００５２】
第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、第１磁気センサ１２０と第２磁気センサ１２１とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２平板部１１２の延在方向に対して直交する方向に検出軸を有する。第１磁気センサ１２０は、図１中の矢印１２０ａで示す方向に検出軸を有する。第２磁気センサ１２１は、図１中の矢印１２１ａで示す方向に検出軸を有する。
【００５３】
第１磁気センサ１２０は、第１平板部１１１ａと第２平板部１１２とが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能である。第２磁気センサ１２１は、第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとが並ぶ方向に対して直交する方向の磁界を検出可能である。
【００５４】
第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１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。すなわち、１次導体１１０を流れる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１２０の検出値の位相と、第２磁気センサ１２１の検出値の位相とは、逆相である。
【００５５】
第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１としては、ＡＭＲ(Anisotropic  Magneto  Resistance)、ＧＭＲ(Giant  Magneto  Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel  Magneto  Resistance)、ＢＭＲ(Balistic  Magneto  Resistance)、ＣＭＲ(Colossal  Magneto  Resistance)などの磁気抵抗素子を有する磁気センサを用いることができる。特に、奇関数入出力特性を有するバーバーポール構造のＡＭＲ素子を用い、ホイートストンブリッジ型のブリッジ回路またはその半分の回路構成であるハーフ・ブリッジ回路を構成した磁気センサを用いることができる。
【００５６】
その他にも、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１として、ホール素子を有する磁気センサ、磁気インピーダンス効果を利用するＭＩ(Magneto  Impedance)素子を有する磁気センサまたはフラックスゲート型磁気センサなどを用いることができる。
【００５７】
第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１にバイアスをかける場合は、バーバーポール構造を用いる方法に限られず、コイルの周囲に発生する誘導磁界、永久磁石の磁界、またはこれらを組み合わせた磁界を用いてバイアスをかけてもよい。
【００５８】
第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１においては、励磁コイル部を有さない開ループ式の磁界測定を行なってもよい。この場合、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、上記の素子の出力を直線的に増幅するまたは補正しつつ増幅する増幅器および変換器を経由して出力する。
【００５９】
または、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１においては、励磁コイル部を有する閉ループ式の磁界測定を行なってもよい。この場合、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、励磁コイルの閉ループが構成されたセンサ回路を含む。
【００６０】
このセンサ回路においては、励磁コイル部に、励磁コイル駆動部から駆動電流が供給される。この駆動電流が励磁コイルを流れることにより発生する磁界は、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に印加される。第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１には１次導体１１０を流れた電流によって発生する磁界も印加される。そのため、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１には、励磁コイルから発生する磁界と１次導体１１０を流れた電流によって発生する磁界とが重なって印加される。
【００６１】
このように第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に重なって印加された磁界の強さは、いわゆる重ねの理にしたがって、それらを重ね合わせた値となる。励磁コイル駆動部は、負帰還の働きにより第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に重なって印加される磁界の強さが０となるように、励磁コイル部に駆動電流を供給する。このときの駆動電流を電流検出抵抗器と増幅器とによって測定することにより、１次導体１１０を流れた電流によって発生する磁界の強さを間接的に測定することができる。
【００６２】
このように、閉ループ式の磁界測定を行なう場合は、一定の強さ(略０)の磁界が第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に印加された状態で測定を行なうため、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の入出力特性(入力磁界と出力電圧との関係)の非線形性が測定結果の直線性に及ぼす影響を低減できる。
【００６３】
第１磁気センサ１２０は、第１接続配線１４１によって減算器１３０と電気的に接続されている。第２磁気センサ１２１は、第２接続配線１４２によって減算器１３０と電気的に接続されている。
【００６４】
減算器１３０は、第１磁気センサ１２０の検出値と、第２磁気センサ１２１の検出値とを減算することにより、１次導体１１０を流れる電流の値を算出する。なお、本実施形態においては、算出部として減算器１３０を用いているが、算出部はこれに限られず、差動増幅器などでもよい。
【００６５】
磁性体１６０は、筒状部１１１の外周側、および、接続部１１３の筒状部１１１側とは反対側を覆う、１面が解放した箱形状を有している。磁性体１６０は、筒状部１１１の他方の開口側に開口を有している。ただし、磁性体１６０の形状は、上記に限られず、１次導体１１０において第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々と対向している部分を少なくとも囲む形状であればよい。
【００６６】
本実施形態においては、磁性体１６０は、パーマロイで構成されているが、磁性体１６０の材料は、パーマロイに限られず、軟鉄鋼、ケイ素鋼、電磁鋼、ニッケル合金、鉄合金またはフェライトなどの、透磁率および飽和磁束密度の高い材料であればよい。
【００６７】
磁性体１６０と１次導体１１０との間には、磁気的空隙１５０が形成されている。磁気的空隙１５０には、比透磁率が１に近い低透磁率の材料が配置されていることが好ましい。また、磁気的空隙１５０に配置される材料は、電気絶縁性および耐熱性が高いことが望ましい。
【００６８】
磁気的空隙１５０に配置される材料は、ポリフェニレンスルファイド(ＰＰＳ)樹脂、液晶ポリマー(ＬＣＰ)、ポリブチレンテレフタレート(ＰＢＴ)樹脂若しくはポリアミド樹脂(ＰＡ)などのエンジニアリング・プラスチックス、または、エポキシ樹脂若しくはベークライトなどの熱硬化性樹脂などでもよい。さらに、磁気的空隙１５０に配置される材料は、アルミナ、ステアタイト、ガラスなどの無機物若しくはセラミックス、またはこれらの複合材料などでもよい。
【００６９】
磁気的空隙１５０に配置される材料は、上記以外にも、空気または非磁性の金属でもよい。ただし、磁気的空隙１５０に配置される材料を空気とした場合には、磁性体１６０と１次導体１１０との間の間隔を保持するための構造が必要になる。磁気的空隙１５０に配置される材料を非磁性の金属とした場合には、非磁性の金属と１次導体１１０との間の絶縁構造が必要になる。
【００７０】
本実施形態においては、磁気的空隙１５０にエポキシ樹脂を配置している。磁性体１６０と１次導体１１０とは、エポキシ樹脂からなる層によって互いに接着されている。
【００７１】
なお、１次導体１１０が上記の樹脂材料にインサート成形されていてもよい。この場合、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々を収容するための２つの凹部が、筒状部１１１と第２平板部１１２との間の樹脂部に設けられる。
【００７２】
以下、電流センサ１００の動作について説明する。
図３に示すように、第２平板部１１２に電流が流れることにより、いわゆる右ねじの法則によって図中の左回りに周回する磁界１１２ｅが発生する。その結果、第１磁気センサ１２０には、矢印１２０ａで示す検出軸の方向において、図中の左向きの磁界が印加される。一方、第２磁気センサ１２１には、矢印１２１ａで示す検出軸の方向において、図中の右向きの磁界が印加される。
【００７３】
よって、第１磁気センサ１２０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１２１の検出した磁界の強さは負の値となる。第１磁気センサ１２０の検出値と第２磁気センサ１２１の検出値とは、減算器１３０に送信される。
【００７４】
減算器１３０は、第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算する。その結果、第１磁気センサ１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１の検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、１次導体１１０を流れた電流の値が算出される。
【００７５】
本実施形態に係る電流センサ１００においては、第１磁気センサ１２０と第２磁気センサ１２１との間に、第２平板部１１２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１２０と第２磁気センサ１２１との間に位置することができない。
【００７６】
そのため、外部磁界源から第１磁気センサ１２０に印加される磁界のうちの矢印１２０ａで示す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１２１に印加される磁界のうちの矢印１２１ａで示す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１２０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１２１の検出した外部磁界の強さも正の値となる。
【００７７】
その結果、減算器１３０が第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、第１磁気センサ１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１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。
【００７８】
本実施形態の変形例として、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１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１２０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１２１の検出する外部磁界の強さは負の値となる。
【００７９】
一方、１次導体１１０を流れる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１２０の検出値の位相と、第２磁気センサ１２１の検出値の位相とは同相となる。
【００８０】
本変形例においては、算出部として減算器１３０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１２０の検出値と第２磁気センサ１２１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１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１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。
【００８１】
一方、１次導体１１０を流れる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１２０の検出値と第２磁気センサ１２１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１２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２１の検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、１次導体１１０を流れた電流の値が算出される。
【００８２】
このように、第１磁気センサ１２０と第２磁気センサ１２１との入出力特性を互いに逆の極性にしつつ、減算器１３０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。
【００８３】
なお、本実施形態における電流センサ１００においては、筒状部１１１は横断面において、第２平板部１１２の中心点１１２ｃを中心として点対称な形状を有している。かつ、筒状部１１１は横断面において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の検出軸の方向における第２平板部１１２の中心線を中心として線対称な形状を有している。
【００８４】
また、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は横断面において、第２平板部１１２の中心点１１２ｃを中心として互いに点対称に位置している。かつ、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は横断面において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の検出軸の方向における第２平板部１１２の中心線を中心として互いに線対称に位置している。
【００８５】
この配置の場合、第２平板部１１２を周回する磁界１１２ｅは、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に、等価で逆方向に印加される。その結果、減算器１３０により第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、磁界１１２ｅの検出値は２倍になる。
【００８６】
一方、外部磁界源が第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に対して十分遠方にある場合、外部磁界は、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に、等価で等方向に印加される。その結果、減算器１３０により第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより、外部磁界の検出値は０になる。
【００８７】
このように、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１は、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界を等しく反映した検出値を示す。そのため、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さとそれから算出される１次導体１１０を流れる電流の値との線形性を高めることができる。
【００８８】
本実施形態に係る電流センサ１００は、上記の点対称配置および線対称配置の両方を満たしているため、外部磁界源１０の位置に関わらず、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さとそれから算出される１次導体１１０を流れる電流の値との線形性を高めつつ、外部磁界の影響を低減することができる。
【００８９】
さらに、外部磁界のうちの高周波成分は、表皮効果によって筒状部１１１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、筒状部１１１の内側に配置された第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１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、筒状部１１１の厚さの寸法Ｔ1が決定されている。
【００９０】
オペアンプなどの差動増幅器を用いて第１磁気センサ１２０の検出値から第２磁気センサ１２１の検出値を減算することにより外部磁界の影響を低減する場合、差動増幅器の性能上の限界によって外部磁界の高周波成分を完全に減算することができない場合がある。上記のように、表皮効果によって外部磁界のうちの高周波成分の侵入を低減することにより、差動増幅器の性能上の限界にかかわらず外部磁界の影響を低減することができる。
【００９１】
ここで、本実施形態の電流センサの特性の理解を容易にするために、第１比較例に係る電流センサと比較しつつ本実施形態に係る電流センサについて説明する。
【００９２】
図５は、第１比較例に係る電流センサが備える１次導体の形状を示す平面図である。図６は、第１比較例に係る電流センサの１次導体周辺に発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を、図５のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た断面に示した等高線図である。
【００９３】
図７は、第１比較例に係る電流センサにおいて、図６中の左右方向における第１平板部の中央部または第２平板部の中央部から図６中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。図７においては、縦軸に磁束密度(ｍＴ)、横軸に１次導体の表面からの距離(ｍｍ)を示している。
【００９４】
図８は、本実施形態に係る電流センサの１次導体周辺に発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。図９は、本実施形態に係る電流センサの１次導体周辺に発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す等高線図である。図８，９においては、図３と同一の断面を示している。
【００９５】
図１０は、本実施形態に係る電流センサにおいて、図９中の左右方向における第２平板部の中央部から図９中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。図１０においては、縦軸に磁束密度(ｍＴ)、横軸に第２平板部の表面からの距離(ｍｍ)を示している。
【００９６】
図５に示すように、第１比較例に係る電流センサは、測定対象の電流が流れる１次導体９１０を備える。１次導体９１０は、互いに間隔を置いて平行に位置する第１平板部９１１と第２平板部９１２とを有する。第１平板部９１１の一端と第２平板部９１２の一端とは、連結部９１３により連結されている。図６に示すように、１次導体９１０は、薄板状に形成されている。電流は、第１平板部９１１から連結部９１３を通じて第２平板部９１２へ流れる。
【００９７】
シミュレーションにおいては、本実施形態および第１比較例における各平板部の横断面寸法を２ｍｍ×１０ｍｍとし、１次導体を流れる電流の値を１００Ａとした。
【００９８】
図６においては、磁束密度が、０．６ｍＴである線をＥ1、１．２ｍＴである線をＥ2、１．８ｍＴである線をＥ3、２．４ｍＴである線をＥ4、３．０ｍＴである線をＥ5、３．６ｍＴである線をＥ6、４．２ｍＴである線をＥ7、４．８ｍＴである線をＥ8、５．４ｍＴである線をＥ9、６．０ｍＴである線をＥ10で示している。
【００９９】
図９においては、磁束密度が、０．３ｍＴである線をＥ11、０．６ｍＴである線をＥ12、０．９ｍＴである線をＥ13、１．２ｍＴである線をＥ14、１．５ｍＴである線をＥ15、１．８ｍＴである線をＥ16、２．１ｍＴである線をＥ17、２．４ｍＴである線をＥ18で示している。
【０１００】
図６に示すように、第１比較例の１次導体９１０では、第１平板部９１１と第２平板部９１２との間において、第１平板部９１１と第２平板部９１２との中間の位置までは、第１平板部９１１の近傍から離れるに従って磁束密度が急激に低下しており、磁束密度がほとんど変化していない領域が存在しない。同様に、第１平板部９１１と第２平板部９１２との間において、第１平板部９１１と第２平板部９１２との中間の位置までは、第２平板部９１２の近傍から離れるに従って磁束密度が急激に低下しており、磁束密度がほとんど変化していない領域が存在しない。
【０１０１】
また、図７に示すように、第１比較例の１次導体９１０では、第１平板部９１１の中央部または第２平板部９１２の中央部から図６中の上下方向に離れるに従って磁束密度は急激に低下している。
【０１０２】
上述の通り、本実施形態においては、第２平板部１１２の幅の寸法Ｈは、互いに隣接する平板部同士の間の間隔の寸法Ｇ1，Ｇ2の最大値の１．５倍以上である。
【０１０３】
これにより、図９に示すように、筒状部１１１と第２平板部１１２との間に発生する磁界の磁束線は、図中の左右方向において第２平板部１１２に沿って略直線状に延びている。図中の左右方向は、第１および第２磁気センサ１２０，１２１の検出軸の方向である。
【０１０４】
図９，１０に示すように、筒状部１１１と第２平板部１１２との間において、図中の左右方向の中央部に、磁束密度が２．０ｍＴ程度でほとんど変化していない領域が形成されている。
【０１０５】
本実施形態に係る電流センサ１００において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々を、筒状部１１１より第２平板部１１２の近くに配置することにより、磁束密度がほとんど変化していない領域に第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１を位置させることができるとともに、上記のように筒状部１１１の表皮効果により第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１に外部磁界の高周波成分が及ぶことを抑制できる。
【０１０６】
この場合、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１が並ぶ方向、並びに、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の検出軸の方向において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の配置に高い精度が要求されないため、電流センサ１００を容易に製造できる。この効果は、第２平板部１１２の幅の寸法Ｈが１．５Ｇ1以上である場合に安定して得られ、２．０Ｇ1以上である場合に顕著となる。
【０１０７】
本実施形態においては、図１，２に示すように、第２平板部１１２の延在方向の長さの寸法Ｌeは、第２平板部１１２の幅の寸法Ｈ以上である。これにより、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１を接続部１１３から所定の距離以上離して配置することができる。その結果、第２平板部１１２の延在方向において、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の配置に高い精度は要求されない。よって、電流センサ１００を容易に製造できる。
【０１０８】
さらに、図６，９に示すように、本実施形態に係る１次導体１１０は、第１比較例の１次導体９１０に比較して、磁束密度が０．６ｍＴより低い領域が１次導体１１０の近くに形成されている。すなわち、本実施形態に係る１次導体１１０の漏れ磁界は、第１比較例の１次導体９１０の漏れ磁界より小さい。
【０１０９】
漏れ磁界を小さくすることにより、電流センサ１００自体が、電流センサ１００に近接して配置される他の電流センサなどに対して外部磁界源として与える影響を低減できる。
【０１１０】
よって、３相交流インバータの出力電流の制御などにおいて、大電流が流れる複数の経路が互いに集合して配置される場合に、本実施形態に係る電流センサ１００を用いることにより、各経路を流れる電流の値をより正確に検出することができる。
【０１１１】
本実施形態に係る電流センサ１００においては、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々は、筒状部１１１、磁気的空隙１５０および磁性体１６０に囲まれているため、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に誤差要因である外部磁界が到達することを抑制できる。その結果、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々が、不要な外部磁界を検出しないようにすることができる。
【０１１２】
また、１次導体１１０は、磁気的空隙１５０に囲まれているため、１次導体１１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁性体１６０に侵入する磁束が低減される。その結果、磁性体１６０が、１次導体１１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁気飽和することを抑制できる。よって、磁性体１６０を薄くした場合にも、外部磁界を遮蔽することができる。
【０１１３】
１次導体１１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁性体１６０に侵入する磁束が低減することにより、磁性体１６０の残留磁束密度の影響が、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に及ぶことを抑制できるため、ヒステリシスの小さい電流センサを実現できる。
【０１１４】
また、１次導体１１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁性体１６０に侵入する磁束が低減することにより、磁性体１６０に生ずる渦電流の影響が、第１磁気センサ１２０および第２磁気センサ１２１の各々に及ぶことを抑制できるため、応答性および周波数特性の良好な電流センサを実現できる。
【０１１５】
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。本実施形態に係る電流センサ２００は、１次導体の形状のみ実施形態１に係る電流センサ１００と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１１６】
(実施形態２)
図１１は、本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１２は、図１１の電流センサをＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１１，１２に示すように、本発明の実施形態２に係る電流センサ２００は、測定対象の電流が流れる１次導体２１０を備える。また、電流センサ２００は、１次導体２１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界の強さを奇関数入出力特性を有して検出する、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１を備える。
【０１１７】
さらに、電流センサ２００は、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各検出値を減算することにより上記電流の値を算出する算出部である、減算器２３０を備える。
【０１１８】
１次導体２１０は、電気的に直列に接続されている第１平板部２１１、第２平板部２１２および第３平板部２１３を含む。第１平板部２１１と第３平板部２１３とは、互いの間に間隔を置いて平行に並んで延在し、第２平板部２１２によって互いに接続されている。第２平板部２１２は、第１平板部２１１および第３平板部２１３の各々に対して間隔を置いて平行に並んで延在している。
【０１１９】
本実施形態においては、１次導体２１０は、第１平板部２１１の長手方向の他端と第２平板部２１２の長手方向の一端とを連結する第１連結部２１４と、第２平板部２１２の長手方向の他端と第３平板部２１３の長手方向の一端とを連結する第２連結部２１５とを含む。
【０１２０】
第１平板部２１１と第２平板部２１２と第３平板部２１３とは、等間隔に配置されている。すなわち、第１平板部２１１と第２平板部２１２との間の間隔の寸法Ｇ1と、第２平板部２１２と第３平板部２１３との間の間隔の寸法Ｇ2とは等しい。
【０１２１】
第１連結部２１４は、側面視にて直線状に延在して第１平板部２１１および第２平板部２１２の各々と直交している。第２連結部２１５は、側面視にて直線状に延在して第２平板部２１２および第３平板部２１３の各々と直交している。
【０１２２】
図１１，１２に示すように、第１磁気センサ２２０は、互いに対向する第１平板部２１１と第２平板部２１２との間に位置している。第２磁気センサ２２１は、互いに対向する第２平板部２１２と第３平板部２１３との間に位置している。
【０１２３】
本実施形態においては、第１磁気センサ２２０は、第１平板部２１１と第２平板部２１２と第３平板部２１３とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２平板部２１２の延在方向に対して直交する方向である、図１１中の矢印２２０ａで示す方向に検出軸を有する。
【０１２４】
第２磁気センサ２２１は、第１平板部２１１と第２平板部２１２と第３平板部２１３とが並ぶ方向に対して直交する方向、かつ、第２平板部２１２の延在方向に対して直交する方向である、図１１中の矢印２２１ａで示す方向に検出軸を有する。
【０１２５】
第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１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。
【０１２６】
第１磁気センサ２２０は、第１接続配線２４１によって減算器２３０と電気的に接続されている。第２磁気センサ２２１は、第２接続配線２４２によって減算器２３０と電気的に接続されている。
【０１２７】
減算器２３０は、第１磁気センサ２２０の検出値から、第２磁気センサ２２１の検出値を減算することにより、１次導体２１０を流れる測定対象の電流の値を算出する。
【０１２８】
図１１中の矢印２２０ａ，２２１ａで示す第１および第２磁気センサ２２０，２２１の検出軸の方向において、第１平板部２１１、第２平板部２１２および第３平板部２１３の各幅の寸法Ｈは、互いに隣接する平板部同士の間の間隔の寸法Ｇ1，Ｇ2の１．５倍である。
【０１２９】
よって、第１平板部２１１の幅の寸法Ｈ、第２平板部２１２の幅の寸法Ｈ、および、第３平板部２１３の幅の寸法Ｈは、各々１．５Ｇ1である。後述するように、第１平板部２１１の幅の寸法Ｈ、第２平板部２１２の幅の寸法Ｈ、および、第３平板部２１３の幅の寸法Ｈは、各々１．５Ｇ1以上であることが好ましく、各々２．０Ｇ1以上であることがさらに好ましい。なお、第１平板部２１１、第２平板部２１２および第３平板部２１３の各幅の寸法は、互いに異なっていてもよい。
【０１３０】
本実施形態においては、１つの板状の導電部材を曲げ加工することによって１次導体２１０が形成されている。
【０１３１】
第１平板部２１１を電流が流れる方向２１と、第３平板部２１３を電流が流れる方向２５とは同じである。第１平板部２１１を電流が流れる方向２１、および第３平板部２１３を電流が流れる方向２５と、第２平板部２１２を電流が流れる方向２３とは反対である。第１連結部２１４を電流が流れる方向２２と、第２連結部２１５を電流が流れる方向２４とは同じである。
【０１３２】
１次導体２１０は、入力配線と出力配線とを含む外部配線に接続されている。このため、第１平板部２１１に入力された電流は、第１連結部２１４、第２平板部２１２および第２連結部２１５をこの順に流れて第３平板部２１３から出力される。
【０１３３】
図１３は、本実施形態に係る電流センサを図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た断面図において、発生する磁界を模式的に示す図である。図１３においては、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の検出軸方向をＸ方向、第１平板部２１１と第２平板部２１２と第３平板部２１３とが並ぶ方向をＹ方向として示している。なお、第２平板部２１２の延在方向がＺ方向である。
【０１３４】
図１３に示すように、第１平板部２１１に電流が流れることにより、図中の右回りに周回する磁界２１１ｅが発生する。同様に、第２平板部２１２に電流が流れることにより、図中の左回りに周回する磁界２１２ｅが発生する。第３平板部２１３に電流が流れることにより、図中の右回りに周回する磁界２１３ｅが発生する。
【０１３５】
その結果、第１磁気センサ２２０には、矢印２２０ａで示す検出軸の方向において、図中の左向きの磁界が印加される。一方、第２磁気センサ２２１には、矢印２２１ａで示す検出軸の方向において、図中の右向きの磁界が印加される。
【０１３６】
よって、第１磁気センサ２２０の検出した磁界の強さを示す検出値を正の値とすると、第２磁気センサ２２１の検出した磁界の強さを示す検出値は負の値となる。第１磁気センサ２２０の検出値と第２磁気センサ２２１の検出値とは、減算器２３０に送信される。
【０１３７】
減算器２３０は、第１磁気センサ２２０の検出値から第２磁気センサ２２１の検出値を減算する。その結果、第１磁気センサ２２０の検出値の絶対値と、第２磁気センサ２２１の検出値の絶対値とが加算される。この加算結果から、１次導体２１０を流れた測定対象の電流の値が算出される。
【０１３８】
磁性体２６０は、両端が開口した筒形状を有している。磁性体２６０の一端側の開口から、第１平板部２１１の長手方向の一端が突出している。磁性体２６０の他端側の開口から、第３平板部２１３の長手方向の他端が突出している。ただし、磁性体２６０の形状は、上記に限られず、１次導体２１０において第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々と対向している部分を少なくとも囲む形状であればよい。
【０１３９】
本実施形態においては、磁性体２６０は、パーマロイで構成されているが、磁性体２６０の材料は、パーマロイに限られず、軟鉄鋼、ケイ素鋼、電磁鋼、ニッケル合金、鉄合金またはフェライトなどの、透磁率および飽和磁束密度の高い材料であればよい。
【０１４０】
磁性体２６０と１次導体２１０との間には、磁気的空隙２５０が形成されている。磁気的空隙２５０には、比透磁率が１に近い低透磁率の材料が配置されていることが好ましい。また、磁気的空隙２５０に配置される材料は、電気絶縁性および耐熱性が高いことが望ましい。
【０１４１】
磁気的空隙２５０に配置される材料は、ポリフェニレンスルファイド(ＰＰＳ)樹脂、液晶ポリマー(ＬＣＰ)、ポリブチレンテレフタレート(ＰＢＴ)樹脂若しくはポリアミド樹脂(ＰＡ)などのエンジニアリング・プラスチックス、または、エポキシ樹脂若しくはベークライトなどの熱硬化性樹脂などでもよい。さらに、磁気的空隙１５０に配置される材料は、アルミナ、ステアタイト、ガラスなどの無機物若しくはセラミックス、またはこれらの複合材料などでもよい。
【０１４２】
磁気的空隙２５０に配置される材料は、上記以外にも、空気または非磁性の金属でもよい。ただし、磁気的空隙２５０に配置される材料を空気とした場合には、磁性体２６０と１次導体２１０との間の間隔を保持するための構造が必要になる。磁気的空隙２５０に配置される材料を非磁性の金属とした場合には、非磁性の金属と１次導体２１０との間の絶縁構造が必要になる。
【０１４３】
本実施形態においては、磁気的空隙２５０にエポキシ樹脂を配置している。磁性体２６０と１次導体２１０とは、エポキシ樹脂からなる層によって互いに接着されている。
【０１４４】
なお、１次導体２１０が上記の樹脂材料にインサート成形されていてもよい。この場合、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々を収容するための２つの凹部が、第１平板部１１１ａと第２平板部１１２との間、および、第２平板部１１２と第３平板部１１１ｂとの間の各々の樹脂部に設けられる。
【０１４５】
図１４は、本実施形態に係る電流センサの１次導体周辺における、１次導体を流れる測定対象の電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す磁束線図である。図１５は、本実施形態に係る電流センサの１次導体周辺における、１次導体を流れる測定対象の電流により発生する磁界の磁束密度をシミュレーションした結果を示す等高線図である。図１４，１５においては、図１３と同一の断面を示している。
【０１４６】
図１６は、本実施形態に係る電流センサにおいて、図１３中の左右方向における第２平板部２１２の中央部から図１３中の上下方向に離れた距離と、磁束密度との関係を示すグラフである。図１６においては、縦軸に磁束密度(ｍＴ)、横軸に第２平板部の表面からの距離(ｍｍ)を示している。
【０１４７】
シミュレーションにおいては、本実施形態における各平板部の横断面寸法を２ｍｍ×１０ｍｍとし、１次導体を流れる測定対象の電流の値を１００Ａとした。
【０１４８】
図１５においては、磁束密度が、０．７ｍＴである線をＥ21、１．４ｍＴである線をＥ22、２．１ｍＴである線をＥ23、２．８ｍＴである線をＥ24、３．５ｍＴである線をＥ25、４．２ｍＴである線をＥ26、４．９ｍＴである線をＥ27、５．６ｍＴである線をＥ28、６．３ｍＴである線をＥ29で示している。
【０１４９】
上述の通り、本実施形態においては、第１平板部２１１、第２平板部２１２および第３平板部２１３の各幅の寸法Ｈは、互いに隣接する平板部同士の間の間隔の寸法Ｇ1，Ｇ2の１．５倍である。
【０１５０】
これにより、図１４に示すように、第１平板部２１１と第２平板部２１２との間に発生する磁界の磁束線、および、第２平板部２１２と第３平板部２１３との間に発生する磁界の磁束線は、図中の左右方向において各平板部に沿って略直線状に延びている。図中の左右方向は、第１および第２磁気センサ２２０，２２１の検出軸の方向である。
【０１５１】
図１５，１６に示すように、本実施形態に係る１次導体２１０では、第１平板部２１１と第２平板部２１２との間において、第１平板部２１１の近傍に磁束密度が６．３ｍＴより高い領域が形成されている。
【０１５２】
また、第１平板部２１１と第２平板部２１２との間において、第２平板部２１２側で図中の左右方向の中央部に、磁束密度が６．１ｍＴ程度でほとんど変化していない領域が形成されている。
【０１５３】
同様に、第２平板部２１２と第３平板部２１３との間において、第３平板部２１３の近傍に磁束密度が６．３ｍＴより高い領域が形成されている。
【０１５４】
また、第２平板部２１２と第３平板部２１３との間において、第２平板部２１２側で図中の左右方向の中央部に、磁束密度が６．１ｍＴ程度でほとんど変化していない領域が形成されている。
【０１５５】
よって、本実施形態に係る電流センサ２００において、第１磁気センサ２２０を第２平板部２１２より第１平板部２１１の近くに配置し、第２磁気センサ２２１を第２平板部２１２より第３平板部２１３の近くに配置することにより、磁束密度が高い領域に第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１を配置できるため、電流センサ２００のＳＮ比(signal-noise  ratio)を高くすることができる。この場合、電流センサ２００の感度を向上できる。
【０１５６】
または、本実施形態に係る電流センサ２００において、第１磁気センサ２２０を第１平板部２１１より第２平板部２１２の近くに配置し、第２磁気センサ２２１を第３平板部２１３より第２平板部２１２の近くに配置することにより、磁束密度がほとんど変化していない領域に第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１を配置できるため、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の配置に高い精度が要求されない。この場合、電流センサ２００を容易に製造できる。この効果は、第１平板部２１１、第２平板部２１２および第３平板部２１３の各幅の寸法Ｈが、１．５Ｇ1以上である場合に安定して得られ、２．０Ｇ1以上である場合に顕著となる。
【０１５７】
本実施形態においては、図１１，１２に示すように、第２平板部２１２の延在方向の長さの寸法Ｌ10は、第２平板部２１２の幅の寸法Ｈ以上である。このようにすることにより、第１磁気センサ２２０を第１連結部２１４から所定の距離以上離して配置することができる。また、第２磁気センサ２２１を第２連結部２１５から所定の距離以上離して配置することができる。その結果、第２平板部２１２の延在方向において、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の配置に高い精度は要求されない。よって、電流センサ２００は容易に製造できる。
【０１５８】
本実施形態に係る電流センサ２００においても、外部磁界の影響を低減することができる。また、上記のように、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の配置に高い精度を要求されないため、電流センサ２００は容易に製造可能である。
【０１５９】
さらに、図６，１５に示すように、本実施形態に係る１次導体２１０は、比較例の１次導体９１０に比較して、磁束密度が０．６ｍＴより低い領域が１次導体の近くに形成されている。すなわち、本実施形態に係る１次導体２１０の漏れ磁界は、比較例の１次導体９１０の漏れ磁界より小さい。
【０１６０】
１次導体の漏れ磁界を小さくすることにより、電流センサ２００自体が、電流センサ２００に近接して配置される他の電流センサなどに対して外部磁界源として与える影響を低減することができる。
【０１６１】
よって、３相交流インバータの出力電流の制御などにおいて、大電流が流れる複数の経路が互いに集合して配置される場合に、本実施形態に係る電流センサ２００を用いることにより、各経路を流れる電流の値をより正確に検出することができる。
【０１６２】
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２２０および第２磁気センサ２２１の各々は、１次導体２１０、磁気的空隙２５０および磁性体２６０に囲まれているため、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々に誤差要因である外部磁界が到達することを抑制できる。その結果、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々が、不要な外部磁界を検出しないようにすることができる。
【０１６３】
また、１次導体２１０は、磁気的空隙２５０に囲まれているため、１次導体２１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁性体２６０に侵入する磁束が低減される。その結果、磁性体２６０が、１次導体２１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁気飽和することを抑制できる。よって、磁性体２６０を薄くした場合にも、外部磁界を遮蔽することができる。
【０１６４】
１次導体２１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁性体２６０に侵入する磁束が低減することにより、磁性体２６０の残留磁束密度の影響が、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々に及ぶことを抑制できるため、ヒステリシスの小さい電流センサを実現できる。
【０１６５】
また、１次導体２１０を流れる電流によって発生する磁界によって磁性体２６０に侵入する磁束が低減することにより、磁性体２６０に生ずる渦電流の影響が、第１磁気センサ２２０および第２磁気センサ２２１の各々に及ぶことを抑制できるため、応答性および周波数特性の良好な電流センサを実現できる。
【０１６６】
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。
【符号の説明】
【０１６７】
１０  外部磁界源、１００，２００  電流センサ、１１０，２１０，９１０  １次導体、１１１  筒状部、１１１ａ，２１１，９１１  第１平板部、１１１ｂ，２１３  第３平板部、１１１ｃ，１１１ｄ  側壁部、１１１ｓ  第１雌ねじ、１１２，２１２，９１２  第２平板部、１１２ｃ  中心点、１１２ｅ，２１１ｅ，２１２ｅ，２１３ｅ  磁界、１１２ｓ  第２雌ねじ、１１３  接続部、１２０，２２０  第１磁気センサ、１２１，２２１  第２磁気センサ、１３０，２３０  減算器、１４１，２４１  第１接続配線、１４２，２４２  第２接続配線、１５０，２５０  磁気的空隙、１６０，２６０  磁性体、１７０  入力配線、１７１  出力配線、１７２  接続導体、１７３  第１貫通孔、１７４  第２貫通孔、１８０  ナット、１９０  ボルト、２１４  第１連結部、２１５  第２連結部、９１３  連結部。
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2016009807.tif 000015
【図１４】
2016009807.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2016009807.tif 000019
2016009807.tif 000020