(57)【要約】【課題】簡易な構成で、精度良く、電流路を周回する集磁コアを用いることなく導体に流れる電流を測定する。【解決手段】何れか一方を主センサ部とする第１センサ部１及び第２センサ部２は、磁束検出方向が互いに平行であって、両センサの検出中心と被測定電流が流れる対象導体２０の検出部位とが１つの基準直線上にあり、互いの位置関係が固定された状態で配置される。第１センサ部１の検出値と第２センサ部２の検出値との比に基づいて規定される検出値指標αに基づいて、対象導体２０と主センサ部との基準直線上における離間距離ｈ１の変化を補正する補正係数ｋを導出し、主センサ部の検出値と補正係数ｋとに基づいて、被測定電流を演算する。【選択図】図３
2012189506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流が流れる対象導体を周回する集磁コアを備えることなく、当該対象導体の検出部位から離間して設置され、所定の磁束検出方向の磁束を検出するセンサを用いて当該被測定電流を検出する電流検出装置であって、
前記センサは、何れか一方を主センサ部とする第１センサ部及び第２センサ部を有し、
前記第１センサ部及び前記第２センサ部は、前記磁束検出方向が互いに平行であって、両センサの検出中心と前記検出部位とが１つの基準直線上にあり、互いの位置関係が固定された状態で配置され、
前記第１センサ部の検出値と前記第２センサ部の検出値との比に基づいて規定される検出値指標に基づいて、前記対象導体と前記主センサ部との前記基準直線上における離間距離の変化を補正する補正係数を導出する補正係数導出部と、
前記主センサ部の検出値と前記補正係数とに基づいて、前記被測定電流を演算する電流演算部と、
を備える電流検出装置。
【請求項２】
前記補正係数導出部は、
前記主センサ部と前記検出部位との前記基準直線上における理想的な距離である基準検出距離と、
前記第１センサ部と前記第２センサ部との前記基準直線上における固定された距離であるセンサ間距離と、
前記検出値指標と、
により規定された式に基づいて前記補正係数を導出する請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記補正係数導出部は、
前記基準検出距離と、前記センサ間距離と、前記検出値指標と、さらに、
前記基準直線及び前記検出部位での前記対象導体の延在方向に対して直交する方向における前記対象導体の幅である導体幅と、
により規定された式に基づいて前記補正係数を導出する請求項２に記載の電流検出装置。
【請求項４】
前記第１センサ部及び前記第２センサ部は、１つの基板のそれぞれ異なる面において、当該基板の面に直交する方向視で互いに重複する位置に実装されている請求項１から３の何れか一項に記載の電流検出装置。
【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対象導体を周回する集磁コアを備えることなく、当該対象導体の検出部位から離間して設置され、所定の磁束検出方向の磁束を検出するセンサを用いて当該被測定電流を検出する電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
導体を流れる電流を、例えば、当該電流により発生する磁束をホール素子などの磁気検出素子で検出して電流値を求める電流検出装置（電流センサ）が知られている。磁束は右ネジの法則により、電流路を周回するように発生する。そこで、環状に形成された磁性体の集磁コアの中に電流路（導体）を通して、当該電流路を流れる電流によって発生する磁束を当該コアにより集磁することによって検出精度の向上が図られてきた。しかし、近年、センサの小型化、省部品化、低コスト化などの要請を受けて、電流路を周回する集磁コアを用いないコアレスセンサが実用化されてきている。
【０００３】
但し、このようなコアレスセンサでは、電流路とセンサとの位置ずれが測定精度に影響する可能性がある。特開２０１０−２８６４２５号公報（特許文献１）には、このような位置ずれに対して、測定精度の低下を抑制することが可能なセンサユニットが開示されている。このセンサユニットは、電流路となる導体が通る挿通穴を有する基板上に、平面視において対称に４つの電流センサを実装することによって構成されている。そして、これら４つの電流センサの出力を平均化することによって、位置ずれの影響を小さく抑えるように構成されている。但し、このセンサユニットは、導体の周囲を囲うように電流センサを配置しなければならず、基板に挿通穴を設けるなど、搭載上の制約が多くなる傾向がある。また、センサユニット（電流検出装置）の装置規模も大きくなる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８６４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記背景に鑑みて、より簡易な構成で、精度良く、電流路を周回する集磁コアを用いることなく導体に流れる電流を測定可能な技術の提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑みた本発明に係る電流検出装置の特徴構成は、
被測定電流が流れる対象導体を周回する集磁コアを備えることなく、当該対象導体の検出部位から離間して設置され、所定の磁束検出方向の磁束を検出するセンサを用いて当該被測定電流を検出する電流検出装置であって、
前記センサは、何れか一方を主センサ部とする第１センサ部及び第２センサ部を有し、
前記第１センサ部及び前記第２センサ部は、前記磁束検出方向が互いに平行であって、両センサの検出中心と前記検出部位とが１つの基準直線上にあり、互いの位置関係が固定された状態で配置され、
前記第１センサ部の検出値と前記第２センサ部の検出値との比に基づいて規定される検出値指標に基づいて、前記対象導体と前記主センサ部との前記基準直線上における離間距離の変化を補正する補正係数を導出する補正係数導出部と、
前記主センサ部の検出値と前記補正係数とに基づいて、前記被測定電流を演算する電流演算部と、を備える点にある。
【０００７】
この特徴構成によれば、互いの位置関係が固定された状態で、何れか一方を主センサ部とする第１センサ部及び第２センサ部を有して磁束を検出するセンサが構成される。そして、第１センサ部の検出値と第２センサ部の検出値との比に基づいて規定される検出値指標に基づいて、補正係数が導出される。第１センサ部と第２センサ部との位置関係は固定されているので、この補正係数は、第１センサ部及び第２センサ部の何れか一方である主センサ部と対象導体との基準直線上における離間距離の変化を補正する係数となる。従って、対象導体の検出部位と主センサ部との離間距離が変化しても、主センサ部の検出値と補正係数とに基づいて、精度良く被測定電流を演算することが可能となる。つまり、主センサ部を含め、少なくとも２つのセンサ部を設けることによって、センサ部と対象導体との位置ずれに起因する被測定電流の検出誤差を抑制し、検出精度を向上させることができる。即ち、本特徴構成によれば、より簡易な構成で、精度良く、電流路を周回する集磁コアを用いることなく導体に流れる電流を測定することが可能となる。
【０００８】
尚、１つの態様として、本発明に係る電流検出装置の前記補正係数導出部は、前記主センサ部と前記検出部位との前記基準直線上における理想的な距離である基準検出距離と、前記第１センサ部と前記第２センサ部との前記基準直線上における固定された距離であるセンサ間距離と、前記検出値指標と、により規定された式に基づいて前記補正係数を導出すると好適である。基準検出距離とセンサ間距離とは、電流検出装置の構造により予め既知な値であるから固定値である。従って、補正係数導出部は、規定された式に検出値指標を代入することによって、容易に補正係数を導出することができる。また、検出値指標は、上述したように、第１センサ部の検出値と第２センサ部の検出値との比に基づいて規定されるので、２つのセンサ部による実際の検出値である実測値を代入することによって、簡単に補正係数を導出することができる。このように、軽い演算負荷で、精度のよい電流検出が可能となる。
【０００９】
ところで、被測定電流が流れる対象導体は、断面形状が円形の棒状導体であるとは限らず、例えば断面形状が長方形の板状導体などの場合もある。棒状導体と板状導体とでは、対象導体の検出部位から離間して設置されるセンサにおける磁束の生じ方が異なる。従って、センサ（主センサ部）の検出値と補正係数とに基づく被測定電流の演算（例えば計算式）や、補正係数の構成も異なるものとなる。扁平な導体や板状導体など、対象導体の延在方向に対して直交する方向において対象導体に所定の幅を有する導体の場合には、以下のように補正係数を導出すると好適である。即ち、１つの態様として、本発明に係る電流検出装置の前記補正係数導出部は、前記基準検出距離と、前記センサ間距離と、前記検出値指標と、さらに、前記基準直線及び前記検出部位での前記対象導体の延在方向に対して直交する方向における前記対象導体の幅である導体幅と、により規定された式に基づいて前記補正係数を導出すると好適である。
【００１０】
第１センサ部及び第２センサ部は、一般的に基板に実装された状態で、対象導体の検出部位から離間して設置される。この際、第１センサ部及び第２センサ部が、それぞれ異なる基板に実装されてもよいが、同一の基板に実装されると、部品点数を減らすことができるので、電流検出精度の向上を図っても電流検出装置のコストの上昇を抑制することができる。また、第１センサ部及び第２センサ部が同一の基板に実装されることにより、両センサ部の位置関係を精度よく、且つ経年変化に対しても高い耐性を有して、固定することができる。その結果、電流の検出精度を向上させることができる。そのような好適な１つの態様として、本発明に係る電流検出装置の前記第１センサ部及び前記第２センサ部は、１つの基板のそれぞれ異なる面において、当該基板の面に直交する方向視で互いに重複する位置に実装されているとよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】棒状導体に対するセンサ部の配置例を模式的に示す斜視図
【図２】棒状導体に対するセンサ部の配置例を模式的に示す断面図
【図３】電流検出装置の構成例を模式的に示すブロック図
【図４】棒状導体の周りに生じる磁界を模式的に示す図
【図５】棒状導体に流れる電流を検出する手順の一例を模式的に示すフローチャート
【図６】板状導体に対するセンサ部の配置例を模式的に示す断面図
【図７】板状導体の周りに生じる磁界を模式的に示す図
【図８】板状導体に流れる電流を検出する手順の一例を模式的に示すフローチャート
【図９】導体に対するセンサ部の配置例の別形態を模式的に示す断面図
【図１０】導体に対するセンサ部の配置例の別形態を模式的に示す断面図
【図１１】電流検出装置を回転電機駆動装置に適用した例を模式的に示すブロック図
【図１２】導体を周回する集磁コアを用いた電流検出の原理を模式的に示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の電流検出装置の実施形態を図面に基づいて説明する。電流検出装置１０は、例えば、図１１に示すような、回転電機６０の駆動装置５０に適用される。駆動装置５０の制御装置５２は、直流と交流との間で電力変換を行うインバータ５３を制御することによって、回転電機６０を制御する。制御装置５２は、マイクロコンピュータやＤＳＰ（digital signal processor）を中核として構成されている。制御装置５２は、回転電機６０が電動機として機能する際には、直流電源５１の直流電力をインバータ５３を介して交流電力に変換して回転電機６０を駆動する。また、制御装置５２は、回転電機６０が発電機として機能する際には、発電された交流電力をインバータ５３を介して直流電力に整流して直流電源５１に回生させる。電流検出装置１０のセンサ３は、インバータ５３と回転電機６０とを接続し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相それぞれの電流が流れるバスバーなどの導体（対象導体）の近傍に設置される。つまり、センサ３は、バスバーにおける電流検出部位から離間して設置される。例えば、制御装置５２は、回転電機６０が電動機として機能する際には、回転電機６０に流す電流を、バスバーを流れる実電流と目標電流との偏差を求めてフィードバック制御する。このフィードバック制御のために実電流の検出が必要であり、当該実電流が電流検出装置１０によって検出される。
【００１３】
以下、電流検出装置１０の詳細について説明する。図１は、上述したようなバスバーなど、電流検出装置１０により検出される被測定電流が流れる測定対象の導体（対象導体）２０に対するセンサ３の配置関係を模式的に示す斜視図である。ここでは、導体２０として、断面形状が円形の棒状導体２１を例示している。所定の磁束検出方向Ｃの磁束を検出するセンサ３は、棒状導体２１の検出部位Ｔから離間して設置される。図２は、図１のII−II断面図、つまり、導体２０の延在方向（電流の通流方向）に対して直交する方向での検出部位Ｔにおける断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の電流検出装置１０は、導体２０を周回する集磁コアを備えることなく構成されている。
【００１４】
参考として、導体２０を周回する集磁コア９０を備える構成の一例を図１２に示している。この集磁コア９０は、ギャップを有した断面がＣ字状の磁性体コアであり、導体２０を流れる電流によって発生する磁束を収束させてギャップの間に設置したセンサ３Ａに導くものである。本実施形態の電流検出装置１０は、被測定電流が流れる導体２０を周回する集磁コアを備えることなく、導体２０の検出部位Ｔから離間して設置され、所定の磁束検出方向Ｃの磁束を検出するセンサ３を用いて被測定電流を検出する、いわゆるコアレス型の電流検出装置である。尚、磁束の方向を変更したり、磁束を局所的に集中させたりする磁性体をホール素子などと一体化したセンサデバイスも実用化されている。しかし、このようなセンサデバイスをセンサ３として用いた場合であっても、導体２０を周回する集磁コアを用いなければ、ここではコアレス型の電流検出装置として扱うものとする。
【００１５】
電流検出装置１０は、導体２０に電流が流れることによって発生する磁界（磁束密度）をセンサ３により検出し、その磁束密度に比例する電流を検出する。但し、例えば、上述したように回転電機６０に流れる電流を検出するような用途の場合、回転電機６０の振動によって、導体２０とセンサ３との距離が変動する可能性がある。また、回転電機６０が車両などの駆動源として利用される場合には、車両自体の振動によっても導体２０とセンサ３との距離が変動する可能性がある。これらは、一例であり、電流検出装置１０が回転電機６０以外の電流を検出する場合においても、種々の要因により導体２０とセンサ３との距離が変動する可能性がある。導体２０とセンサ３との距離が変動すると、センサ３が検出する磁界の強さ（磁束密度の大きさ）も変動するため、電流検出の精度が低下してしまうことになる。
【００１６】
このため、図１及び図２に示すように、センサ３は、少なくとも第１センサ部１及び第２センサ部２の２つのセンサ部を有して構成される。これら第１センサ部１及び第２センサ部２の何れか一方のセンサ部は、その検出結果を主に用いて被測定電流が演算される主センサ部として機能する。第１センサ部１及び第２センサ部２は、磁束検出方向Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）が互いに平行であって、両センサの検出中心Ｐ（Ｐ１，Ｐ２）と検出部位Ｔとが１つの基準直線Ｍ上にあり、互いの位置関係が固定された状態で配置されている。つまり、基準直線Ｍ上における第１センサ部１の検出中心Ｐ１と、第２センサ部２の検出中心Ｐ２との距離（センサ間距離ｔ）が固定されている。本実施形態では、第１センサ部１及び第２センサ部２は、１つの基板３０のそれぞれ異なる面において、基板３０の面に直交する方向視で互いに重複する位置に実装されている。第１センサ部１及び第２センサ部２が、集積回路（ＩＣ）などの電子部品で構成されている場合には、センサ間距離ｔは、ＩＣのパッケージ寸法と基板３０の寸法とにより、所定の公差（部品の寸法公差及び組み立て公差）の範囲内で規定される。
【００１７】
本実施形態では、第１センサ部１及び第２センサ部２の内、第１センサ部１を主センサ部とする。電流検出装置１０は、導体２０に電流が流れることによって発生する磁界（磁束密度）を主センサ部により検出し、その磁束密度に比例する電流を検出する。図２において導体２０（棒状導体２１）を中心とする一点鎖線の同心円は、導体２０を紙面表側から裏面側へ流れる電流により発生する磁束Φを示している。また、第１センサ部１の検出中心Ｐ１及び第２センサ部２の検出中心Ｐ２における中抜き矢印は、それぞれの検出中心Ｐにおける磁束密度Ｂ（Ｂ１，Ｂ２）を示している。当然ながら、導体２０に近いほど磁界は強く、磁束密度も大きいから、主センサ部は導体２０の近傍に配置されることが望ましい。従って、本実施形態では、図２に示すように、主センサ部である第１センサ部１が、第２センサ部２よりも導体２０の近傍に配置されている。そして、主センサ部である第１センサ部１と、導体２０の検出部位Ｔとの基準直線Ｍ上における理想的な距離を基準検出距離ｈ１と称する。ここで、基準検出距離ｈ１は、振動等の外力が第１センサ部１及び導体２０に作用していない静的な状態での、第１センサ部１と導体２０の検出部位Tとの、基準直線Ｍ上でｎ距離である。上述したように、第１センサ部１と第２センサ部２との基準直線Ｍ上におけるセンサ間距離ｔは固定値であるから、第２センサ部２と導体２０の検出部位Ｔとの基準直線Ｍ上における理想的な距離ｈ２は、基準検出距離ｈ１とセンサ間距離ｔとの和になる。
【００１８】
電流検出装置１０は、導体２０に対してこのように配置されるセンサ３（第１センサ部１及び第２センサ部２）を用いて、導体２０に流れる被測定電流を検出する。具体的には、回転電機６０における適用例である図１１を用いて上述したように、センサ３とマイクロコンピュータなどで構成された制御装置５２との協働により、電流検出装置１０が構成され、被測定電流が検出される。つまり、センサ３と、センサ３の検出結果を信号処理して検出電流値を算出する信号処理部４との協働により、電流検出装置１０が構成される。図３は、そのような電流検出装置１０の構成例を模式的に示すブロック図である。
【００１９】
センサ３（第１センサ部１及び第２センサ部２）は、例えば、ホール素子、ＭＲ（磁気抵抗効果）素子、ＭＩ（磁気インピーダンス）素子等の各種の磁気検出素子を用いて構成される。本実施形態においては、第１センサ部１及び第２センサ部２は、それぞれホール素子１１と、当該ホール素子１１の出力を少なくともインピーダンス変換するバッファアンプ１２とが集積されたＩＣとして構成される。
【００２０】
信号処理部４は、補正係数導出部５と、電流演算部８とを備えて構成されている。また、補正係数導出部５は、検出値指標演算部６と、補正係数演算部７とを備えて構成されている。検出値指標演算部６は、第１センサ部１の検出値と第２センサ部２の検出値との比に基づいて規定される検出値指標αを演算する機能部である。検出値指標αについては後述する。補正係数演算部７は、検出値指標αに基づいて、導体２０と主センサ部（ここでは第１センサ部１）との基準直線Ｍ上における離間距離（基準検出距離ｈ１）の変化を補正する補正係数ｋを演算する。つまり、検出値指標演算部６及び補正係数演算部７を備える補正係数導出部５は、第１センサ部１の検出値と第２センサ部２の検出値との比に基づいて規定される検出値指標αに基づいて、導体２０と主センサ部との基準直線Ｍ上における離間距離（基準検出距離ｈ１）の変化を補正する補正係数ｋを導出する。電流演算部８は、主センサ部の検出値と補正係数ｋとに基づいて、被測定電流を演算し、検出電流値を出力する。
【００２１】
このように、本実施形態の電流検出装置１０は、基準直線Ｍ上における離間距離（基準検出距離ｈ１）の変化を補正する機能を有して、主センサ部の検出値から検出電流値を演算するので、精度よく被測定電流を演算することができる。以下、検出値指標α及び補正係数ｋの導出方法について詳細に説明する。
【００２２】
はじめに、棒状導体２１を流れる電流より生じる磁界について説明する。図４は、棒状導体２１を流れる電流により生じる磁界を示している。無限に長いと仮定した直線状の棒状導体２１を流れている電流ｉが棒状導体２１から所定距離ｒの点Ｑに作る磁界の強さＨは、
Ｈ＝ｉ／２πｒ［Ａ／ｍ］＝［Ｎ／Ｗｂ］
である。電流ｉの作る磁界Ｈ［Ｎ／Ｗｂ］により、仮想的な概念としての＋１［Ｗｂ］の磁荷は、Ｆ＝１×Ｈ［Ｎ］の力を受ける。この力に逆らって当該磁荷を図４に破線で示す半径ｒの円周上を１周りさせるために要する仕事Ｗは、
Ｗ＝１×Ｈ×２πｒ［Ｊ］
である。アンペールの法則により、電流ｉが流れている導体２０の周りを、電流ｉにより生じる磁界から受ける力に逆らって、磁気量ｍ［Ｗｂ］の磁極（磁荷）を１周りさせるのに要する仕事は、道筋に関係なくＷ［Ｊ］である。従って、仕事Ｗは、
Ｗ［Ｊ］＝ｍｉ［Ｗｂ・Ａ］
である。磁荷が１［Ｗｂ］のとき、仕事Ｗは、
Ｗ［Ｊ］＝１［Ｗｂ］×ｉ［Ａ］＝１×Ｈ×２πｒ［Ｊ］
であり、磁界の強さＨは、
Ｈ＝ｉ／２πｒ［Ａ／ｍ］＝［Ｎ／Ｗｂ］
となる。
【００２３】
磁束密度Ｂ［ｗｂ／ｍ２］は、磁界の強さＨ［Ｎ／Ｗｂ］に透磁率μ［ｗｂ２／Ｎ・ｍ２］を乗じたものである。図１及び図２に示すように、導体２０とセンサ３との間が空気層の場合には、真空中の透磁率μ０（＝４π×１０−７）を用いて、
Ｂ＝μ０・ｉ／２πｒ［ｗｂ／ｍ２］
となる。第１センサ部１及び第２センサ部２を構成するＩＣは、この磁束密度Ｂに比例した電圧値を検出値として出力するものである。信号処理部４は、一定の演算式やマップ等を用いて、第１センサ部１及び第２センサ部２から受け取った電圧値から磁束密度Ｂに基づく電流値を演算可能である。以下においては、説明を解りやすくするために、第１センサ部１及び第２センサ部２の検出値が磁束密度Ｂであるものとして説明する。
【００２４】
ここで、図２を参照すると、導体２０からの所定距離ｒ（半径ｒ）は、第１センサ部１（主センサ部）と棒状導体２１の検出部位Ｔとの基準直線Ｍ上における基準検出距離ｈ１、及び、第２センサ部２と検出部位Ｔとの基準直線Ｍ上における距離ｈ２（＝基準検出距離ｈ１＋センサ間距離ｔ）に相当する。従って、第１センサ部１（主センサ部）が検出する磁束密度Ｂ１、及び第２センサ部２が検出する磁束密度Ｂ２は、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が基準検出距離ｈ１であるとき、それぞれ下記式(1)及び式(2)となる。
【００２５】
【数１】
2012189506.tif 000003
【００２６】
ここで、第１センサ部１（主センサ部）が検出する磁束密度Ｂ１と、第２センサ部２が検出する磁束密度Ｂ２との比（検出値の比）は、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が基準検出距離ｈ１であるとき、下記式(3)となる。式(3)から明らかなように、この比は、変動する可能性のある棒状導体２１と第１センサ部１との距離と、固定値であるセンサ間距離ｔによってのみ定まる値であり、この比を検出値指標αとする。尚、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が基準検出距離ｈ１であるときの検出値指標αの値は、検出値指標αの初期値（理想値）α０と称する。
【００２７】
【数２】
2012189506.tif 000004
【００２８】
ここで、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が、基準検出距離ｈ１に対して基準直線Ｍ上においてΔｈだけ大きくなった場合、センサ間距離ｔは固定値であるから、両センサ部における磁束密度Ｂ１及びＢ２は、それぞれ下記式(4)及び式(5)に示す磁束密度Ｂ１及びＢ２となり、検出値指標αは、下記式(6)に示す値となる。この検出値指標αは、第１センサ部１及び第２センサ部２の実際の検出値である実測値に基づく値であるので、以下これを検出値指標αの実測値αｈと称する。尚、式(4)〜式(6)は、変動分Δｈに負の値を代入することにより、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が縮まった場合にも適用可能である。
【００２９】
【数３】
2012189506.tif 000005
【数４】
2012189506.tif 000006
【００３０】
第１センサ部１と第２センサ部２は、センサ間距離ｔが「ｔ≠０」となるように配置されているので、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が変化した場合には、検出値指標αの初期値（理想値）α０と、実測値αｈとは異なる値となる。従って、例えば、マイクロコンピュータのプログラムメモリやパラメータメモリなどに格納された検出値指標αの初期値（理想値）α０と、第１センサ部１及び第２センサ部２による実測値に基づいて演算された検出値指標αの実測値αｈとを比較することによって、信号処理部４は、棒状導体２１とセンサ３との位置ずれの有無を判定することができる。また、棒状導体２１と第１センサ部１との距離の変動分Δｈは、式(6)を変形することにより、下記式(7)となる。
【００３１】
【数５】
2012189506.tif 000007
【００３２】
棒状導体２１と第１センサ部１（主センサ部）との距離が基準検出距離ｈ１に対して増減している場合、下記式(8)に示すように、第１センサ部１（主センサ部）による実測値である磁束密度Ｂ１に対して補正係数ｋを乗じることによって、棒状導体２１と第１センサ部１との距離が基準検出距離ｈ１であるときの磁束密度Ｂを求めることができる。つまり、基準検出距離ｈ１の変動による主センサ部の検出値の変動を、補正係数ｋを用いて補正することができる。補正係数ｋは、下記式(8)を変形することにより、下記式(9)に示すように定義される。
【００３３】
【数６】
2012189506.tif 000008
【数７】
2012189506.tif 000009
【００３４】
尚、棒状導体２１と第１センサ部１との距離の変動分Δｈは、上記式(7)に示したように、基準検出距離ｈ１、センサ間距離ｔ、及び両センサ部の実測値を用いて演算される検出値指標αの実測値αｈにより求められた値を用いる。即ち、補正係数演算部７は、検出値指標αに基づいて、導体２０と主センサ部（ここでは第１センサ部１）との基準直線Ｍ上における離間距離（基準検出距離ｈ１）の変化（変動分Δｈ）を補正する補正係数ｋを演算する。上記式(8)及び式(9)より、第１センサ部１において検出される磁束密度Ｂ１が定まる。この磁束密度Ｂ１より電流演算部８は、棒状導体２１を流れる電流ｉ、即ち被測定電流を演算することができる。つまり、電流演算部８は、主センサ部の検出値と補正係数ｋとに基づいて、被測定電流を演算し、検出電流値を出力する。
【００３５】
図３を例示して上述したように、電流検出装置１０の信号処理部４は、マイクロコンピュータなどの論理演算装置を中核として構成される。磁束密度Ｂ（磁束密度Ｂに比例した電圧値）はセンサ３によって検出されるが、検出された磁束密度Ｂ（Ｂ１，Ｂ２）に基づく電流の値は、例えばマイクロコンピュータのハードウェアと当該ハードウェア上で実行されるプログラム（ソフトウェア）との協働によって算出される。以下、そのようなマイクロコンピュータによる演算により電流を検出する手順の一例を図５のフローチャートを用いて説明する。尚、上記において説明した内容については適宜省略する。
【００３６】
はじめに初期化ステップとして、基準検出距離ｈ１、センサ間距離ｔ、検出値指標αの初期値α０がプログラムメモリやパラメータメモリなどから取得され、マイクロコンピュータの内部レジスタに格納される（＃０１）。これらの値は、固定値であるから、電流値の演算の都度、取得する必要はない。繰り返し実行される電流検出処理が継続する間は、初期化ステップ＃０１の次の処理であるステップ＃０２から終了判定ステップ＃０９までが繰り返される。電流検出の頻度、つまり、電流検出周期は、例えば図１１に示した回転電機６０の駆動装置５０など、制御対象の電流値を用いて制御を行う装置の要求仕様によって規定され、プログラムなどに設定されている。上述したステップ＃０２からステップ＃０９は、要求される電流検出周期以内に実行される。
【００３７】
繰り返し実行される電流検出処理のはじめに、第１センサ部１の検出値（磁束密度Ｂ１）及び第２センサ部２の検出値（磁束密度Ｂ２）が取得される（検出値取得ステップ＃０２）。第１センサ部１及び第２センサ部２がアナログデータで検出値を出力する場合には、例えばマイクロコンピュータに内蔵されたＡ／Ｄコンバータによりデジタルデータに変換されて内部レジスタに格納される。勿論、Ａ／Ｄコンバータはマイクロコンピュータと別の素子であってもよい。次に、第１センサ部１及び第２センサ部２の検出値を用いて検出値指標αの実測値αｈが演算され、内部レジスタに格納される（検出値指標演算ステップ＃０３）。
【００３８】
次に、初期化ステップ＃０１で取得された検出値指標αの初期値α０と、検出値指標演算ステップ＃０３で演算された検出値指標αの実測値αｈとが一致するか否かが判定される（位置ずれ判定ステップ＃０４）。上述したように、導体２０とセンサ３との間に位置ずれが生じると、両検出値指標αの値が異なるので、位置ずれの有無を判定することができる。尚、この際、センサ３におけるアナログ信号処理の誤差や、Ａ／Ｄ変換時の丸め誤差、検出値指標αの実測値αｈを演算する際の丸め誤差等を考慮して、判定を実行すると好適である。例えば、初期値α０と実測値αｈとの差Δαが所定の判定しきい値以下であるときに、両者が一致すると判定すると好適である。
【００３９】
位置ずれ判定ステップ＃０４において、位置ずれが発生していると判定されると「補正要」と判定されたことと等価であるから、次に補正係数ｋが演算され、内部レジスタに格納される（補正係数演算ステップ＃０５）。補正係数ｋは、式(7)〜式(9)を示して上述したように、基準検出距離ｈ１、センサ間距離ｔ、検出値指標αの実測値αｈの関数ｆ（ｈ１，ｔ，αｈ）である。ステップ＃０１〜ステップ＃０３において内部レジスタに格納済みのこれらの値を用いて、補正係数ｋが導出される。補正係数ｋが導出されると、式(8)に示したように、この補正係数ｋを用いて、主センサ部（ここでは第１センサ部１）の検出値（磁束密度Ｂ１）が補正され、内部レジスタに格納される（検出値補正ステップ＃０７）。そして、補正された検出値（磁束密度Ｂ１）を用いて、被測定電流の値が演算される（電流値演算ステップ＃０８）。
【００４０】
位置ずれ判定ステップ＃０４において、初期値α０と実測値αｈとが一致すると判定された場合には、位置ずれが発生しておらず、「補正不要」と判定されたことと等価である。従って、補正係数演算ステップ＃０５及び検出値補正ステップ＃０７をスキップして、電流値演算ステップ＃０８へ進み、補正されていない検出値（磁束密度Ｂ１）を用いて、被測定電流の値が演算される。但し、「α０＝αｈ」の場合には、式(7)において変動分Δｈが「０」となるので、式(9)において補正係数ｋは「１」となる。従って、位置ずれ判定ステップ＃０４を設けることなく、常に補正係数演算ステップ＃０５及び検出値補正ステップ＃０７を実行しても構わない。しかし、上述したように、初期値α０と実測値αｈとの差Δαが所定の判定しきい値以下であるときに、両者が一致すると判定することが好ましい。従って、位置ずれ判定ステップ＃０４において「補正不要」と判定された場合であっても、初期値α０と実測値αｈとの差Δαが「０」ではなく、式(7)における変動分Δｈが「０」とはならない場合がある。
【００４１】
このため、図５に示すように、位置ずれ判定ステップ＃０４を設けると好ましい。尚、位置ずれ判定ステップ＃０４において「補正不要」と判定された場合に、補正係数ｋを「１」に設定する補正係数設定ステップ＃０６Ａを設けて、この補正係数設定ステップ＃０６Ａの後に検出値補正ステップ＃０７を実行するようにしてもよい。また、位置ずれ判定ステップ＃０４において「補正不要」と判定された場合に、検出値指標αの実測値αｈを初期値α０に設定する検出値指標設定ステップ＃０６Ｂを設けて、この検出値指標設定ステップ＃０６Ｂの後に、補正係数演算ステップ＃０５及び検出値補正ステップ＃０７を実行するようにしてもよい。
【００４２】
以上、棒状導体２１を流れる被測定電流を検出する例を用いて、本発明の電流検出装置１０を説明した。しかし、導体２０は、このような棒状導体２１に限定されるものではない。例えば、図１１に示した回転電機６０の駆動装置５０などでは、大電流が導体２０を流れる場合があり、その場合には断面積の大きい導体２０を用いる必要がある。この際、設置効率や配線効率を考慮して、導体２０としてのバスバーが図６に示すように断面形状が長方形の平板状に形成される場合がある。このような、板状導体２２を流れる電流が形成する磁界は、棒状導体２１を流れる電流が形成する磁界とは異なるものとなる。
【００４３】
厳密には、ビオ・サバールの法則に基づき、板状導体２２の断面積の微小面積を通る電流により発生する磁界を求め、センサ３の検出中心Ｐにおける当該磁界の磁束検出方向Ｃのベクトル成分を求め、それを全断面積に亘って積分する必要がある。しかし、これは非常に煩雑であるので、実用性を考慮して近似式を用いると好適である。尚、棒状導体２１についての説明において引用したアンペールの法則は、ビオ・サバールの法則に基づく積分結果と等価である。従って、以下の実用性を考慮した近似式の説明においては、上述したアンペールの法則から導かれる磁界を用いて説明する。
【００４４】
図４を参照して説明したように、棒状導体２１を流れる電流ｉが棒状導体２１から所定距離ｒの点Ｑに作る磁界の強さＨは、
Ｈ＝ｉ／２πｒ［Ａ／ｍ］＝［Ｎ／Ｗｂ］
である。そして、電流ｉが流れている導体２０の周りを、電流ｉにより生じる磁界から受ける力に逆らって、磁気量が１［Ｗｂ］の磁極（磁荷）を１周りさせるのに要する仕事は、経路に関係なく、
Ｗ［Ｊ］＝１［Ｗｂ］×ｉ［Ａ］＝１×Ｈ×２πｒ［Ｗｂ・Ａ］
となる。ここで、図７に示すように、電流ｉが流れている板状導体２２の周りを、電流ｉにより生じる磁界から受ける力に逆らって、磁気量が１［Ｗｂ］の磁極（磁荷）を点Ｑから長方形上の経路を通って１周させるのに要する仕事Ｗを考える。この仕事Ｗは、図４に示す円周上の経路「２πｒ」を長方形上の経路「２（Ｙ＋２Ｘ）」に置き換えて、
Ｗ［Ｊ］＝１［Ｗｂ］×ｉ［Ａ］＝１×Ｈ×２（Ｙ＋２Ｘ）［Ｗｂ・Ａ］
となる。ここから、磁界の強さＨを求めると、
Ｈ＝ｉ／２（Ｙ＋２Ｘ）［Ａ／ｍ］＝［Ｎ／Ｗｂ］
となる。棒状導体２１と同様、図６に示すように、板状導体２２とセンサ３との間が空気層の場合には、真空中の透磁率μ０（＝４π×１０−７）［ｗｂ２／Ｎ・ｍ２］を用いて、磁束密度Ｂ［ｗｂ／ｍ２］は、
Ｂ＝μ０・ｉ／２（Ｙ＋２Ｘ）［ｗｂ／ｍ２］
となる。板状導体２２の幅（導体幅Ｙ）が、板状導体２２の中心から点Ｑまでの距離Ｘの数倍以上ある場合には、このように近似することが可能である。尚、図６を参照して以下に説明するように、点Ｑはセンサ３の検出中心Ｐに対応し、板状導体２２の中心から点Ｑまでの距離Ｘは基準検出距離ｈ１に対応する。
【００４５】
板状導体２２に対しても図６に示すように、第１センサ部１を主センサ部として、第１センサ部１及び第２センサ部２が配置される。そして、電流検出装置１０は、導体２０に電流が流れることによって発生する磁界Ｈ（磁束密度Ｂ）を主センサ部により検出し、その磁束密度Ｂに比例する電流を検出する。図２と同様に、一点鎖線の楕円は板状導体２２を紙面表側から裏面側へ流れる電流により発生する磁束Φを示している。また、第１センサ部１の検出中心Ｐ１及び第２センサ部２の検出中心Ｐ２における中抜き矢印は、それぞれの検出中心Ｐにおける磁束密度Ｂ（Ｂ１，Ｂ２）を示している。基準検出距離ｈ１は、棒状導体２１と同様に主センサ部である第１センサ部１の検出中心Ｐ１と板状導体２２の検出部位Ｔとの基準直線Ｍ上における理想的な距離である。また、基準直線Ｍ上におけるセンサ間距離ｔ、第２センサ部２の検出中心Ｐ２と板状導体２２の検出部位Ｔとの基準直線Ｍ上における距離ｈ２も同様である。第１センサ部１（主センサ部）が検出する磁束密度Ｂ１、及び第２センサ部２が検出する磁束密度Ｂ２は、板状導体２２の幅（導体幅）がＹであるとき、それぞれ下記式(10)及び式(11)となる。尚、導体幅Ｙは、検出部位Ｔでの導体２０の延在方向及び基準直線Ｍに対して直交する方向における導体２０の幅である。
【００４６】
【数８】
2012189506.tif 000010
【００４７】
式(10)及び式(11)により、検出値指標α、特に板状導体２２と第１センサ部１との距離が基準検出距離ｈ１であるときの検出値指標αの初期値（理想値）α０は下記式(12)となる。
【００４８】
【数９】
2012189506.tif 000011
【００４９】
ここで、板状導体２２と第１センサ部１との距離が、基準検出距離ｈ１に対して基準直線Ｍ上においてΔｈだけ大きくなった場合、両センサ部における磁束密度Ｂ１及びＢ２は、それぞれ下記式(13)及び式(14)に示す磁束密度Ｂ１及びＢ２となり、検出値指標αは、下記式(15)に示す実測値αｈとなる。尚、棒状導体２１と同様に、式(13)〜式(15)は、変動分Δｈに負の値を代入することにより、板状導体２２と第１センサ部１との距離が縮まった場合にも適用可能である
【００５０】
【数１０】
2012189506.tif 000012
【数１１】
2012189506.tif 000013
【００５１】
板状導体２２と第１センサ部１との距離の変動分Δｈは、式(15)を変形することにより、下記式(16)となる。
【００５２】
【数１２】
2012189506.tif 000014
【００５３】
板状導体２２と第１センサ部１（主センサ部）との距離が基準検出距離ｈ１に対して増減している場合、下記式(17)に示すように、第１センサ部１（主センサ部）による実測値である磁束密度Ｂ１に対して補正係数ｋを乗じることによって、板状導体２２と第１センサ部１との距離が基準検出距離ｈ１であるときの磁束密度Ｂ１に補正することができる。
【００５４】
【数１３】
2012189506.tif 000015
【００５５】
上記式(17)を変形することにより、補正係数ｋは下記式(18)となる。尚、板状導体２２と第１センサ部１との距離の変動分Δｈは、上記式(16)に示したように、基準検出距離ｈ１、センサ間距離ｔ、及び両センサ部の実測値を用いて演算される検出値指標αの実測値αｈにより求められた値を用いる。
【数１４】
2012189506.tif 000016
【００５６】
以上説明したように、被測定電流が流れる対象導体が板状導体２２であっても、好適な電流検出装置１０を構成することが可能である。尚、図３を参照して説明した電流検出装置１０の機能部については、棒状導体２１と同様であるので説明を省略する。尚、マイクロコンピュータによる演算によって電流を検出する手順も、基本的に棒状導体２１と同様であるが、図８のフローチャートを参照して相違点を中心に補足する。
【００５７】
はじめに初期化ステップ＃１１において、基準検出距離ｈ１、センサ間距離ｔ、検出値指標αの初期値α０に加えて、導体幅Ｙが、プログラムメモリやパラメータメモリなどから取得され、内部レジスタに格納される。そして、繰り返し実行される電流検出処理のはじめに、第１センサ部１の検出値（磁束密度Ｂ１）及び第２センサ部２の検出値（磁束密度Ｂ２）が取得される（検出値取得ステップ＃１２）。次に、第１センサ部１及び第２センサ部２の検出値を用いて検出値指標αの実測値αｈが演算され、内部レジスタに格納される（検出値指標演算ステップ＃１３）。次に、初期化ステップ＃１１で取得された検出値指標αの初期値α０と、検出値指標演算ステップ＃１３で演算された検出値指標αの実測値αｈとが一致するか否かが判定される（位置ずれ判定ステップ＃１４）。
【００５８】
位置ずれ判定ステップ＃１４において、位置ずれが発生している（補正要）と判定されると補正係数ｋが演算される（補正係数演算ステップ＃１５）。補正係数ｋは、式(16)〜式(18)を示して上述したように、導体幅Ｙ、基準検出距離ｈ１、センサ間距離ｔ、検出値指標αの実測値αｈの関数ｆ（Ｙ，ｈ１，ｔ，αｈ）である。補正係数ｋは、ステップ＃１１〜ステップ＃１３において内部レジスタに格納済みのこれらの値を用いて導出される。補正係数ｋが導出されると、式(17)に示したように、この補正係数ｋを用いて、主センサ部（ここでは第１センサ部１）の検出値（磁束密度Ｂ１）が補正される（検出値補正ステップ＃１７）。そして、補正された検出値（磁束密度Ｂ１）を用いて、被測定電流の値が演算される（電流値演算ステップ＃１８）。
【００５９】
〔その他の実施形態〕
（１）以上、棒状導体２１と板状導体２２とを例示して、本発明の電流検出装置１０が簡易な構成で、精度良く、導体２０に流れる電流を測定できることを説明した。上記説明を参酌すれば、導体２０の断面形状が楕円形状など、他の形状となっても、主センサの検出中心Ｐにおける磁界の強さＨや、磁束密度Ｂを立式することで本発明を適用可能である。従って、本発明は、上述した断面形状の導体２０に限定されるものではなく、種々の断面形状を有する導体２０に適用可能である。また、上記説明においては、板状導体２２の磁束密度Ｂを近似式によって定義したが、近似することなく、積分等を用いて厳密に定義してもよい。
【００６０】
（２）上記説明においては、補正係数ｋを計算式に基づいて求める例を示した。しかし、補正係数ｋは、計算式によって求める形態に限らず、検出値指標αの実測値αｈと補正係数ｋとの関係を定義したマップ（補正係数マップ）を参照して設定されてもよい。そのようなマップは、予め実験やシミュレーションによって用意されると好適である。特に、断面形状から導体２０の周囲に生成される磁界Ｈを演算する式が複雑になるような導体２０では、都度計算によって補正係数ｋを求めることが困難であったり、演算負荷が高くなったりする可能性がある。そのような導体２０の場合には、予め用意された補正係数マップを参照することによって補正係数ｋが設定されると演算負荷を抑制できて好適である。
【００６１】
（３）上記説明においては、第１センサ部１及び第２センサ部２が、１つの基板３０のそれぞれ異なる面において、基板３０の面に直交する方向視で互いに重複する位置に実装されている例を示した。しかし、第１センサ部１及び第２センサ部２は、磁束検出方向Ｃが互いに平行であって、両センサの検出中心Ｐ（Ｐ１，Ｐ２）と検出部位Ｔとが１つの基準直線Ｍ上にあり、互いの位置関係が固定された状態で配置されるのであれば、複数の基板に別れて実装されていてもよい。例えば、第１センサ部１及び第２センサ部２は、図９（ａ）に示すように導体２０を挟んで向かい合う基板３０（３１，３２）にそれぞれ実装されていてもよい。また、この場合においても、第１センサ部１と第２センサ部２とが導体２０を挟んで対向してそれぞれの基板３０に実装される形態に限定されるものではない。図９（ｂ）に示すように、第１センサ部１及び第２センサ部２は、導体２０を挟んで向かい合う基板３０（３１，３２）に同方向に実装されてもよい。
【００６２】
（４）また、第１センサ部１及び第２センサ部２が複数の基板３１及び３２に別れて実装される場合、図９に示したように、基板３１と基板３２とが導体２０を挟んで配置される形態に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、導体２０に対して同じ側において、別個の基板３３及び３４が備えられ、それぞれ一方に第１センサ部１が実装され、他方に第２センサ部２が実装されていてもよい。図１０では、基板３３及び基板３４が背中合わせに、つまり、センサ３の実装されていない面同士を対向させて配置される例を示しているが、勿論他の配置でもよい。例えば、基板３３及び基板３４は、センサ３の実装されている面同士を対向させて配置されても良いし、センサ３の実装されていない面とセンサ３の実装されている面とを対向させて、つまり、同一方向を向いて配置されてもよい。また、基板３３及び基板３４が背中合わせに配置される場合には、図１０に示す例では両基板の間に隙間を設けているが、この形態に限らず、センサ３の実装されていない面同士を密着させて配置されてもよい。
【００６３】
（５）上記説明においては、第１センサ部１の検出値と第２センサ部２の検出値との比である検出値指標αが、「Ｂ２／Ｂ１」により定義される場合を例示した。しかし、検出値指標αは、第１センサ部１の検出値と第２センサ部２の検出値との比であればよいので、「Ｂ１／Ｂ２」としてもよい。当然ながら、この場合には、補正係数ｋ等の式も上述した例とは異なることになるが、当業者であれば上記説明より容易に導出可能であるから詳細な説明は省略する。
【００６４】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成で、精度良く、電流路を周回する集磁コアを用いることなく導体に流れる電流を測定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、被測定電流が流れる対象導体を周回する集磁コアを備えることなく、当該対象導体の検出部位から離間して設置され、所定の磁束検出方向の磁束を検出するセンサを用いて当該被測定電流を検出する電流検出装置や電流検出方法、プログラムに適用することができる。また、そのような電流検出装置や電流検出補方を用い、検出された電流の値を用いて回転電機等を制御する駆動装置に適用することもできる。
【符号の説明】
【００６６】
α        ：検出値指標
１        ：第１センサ部
２        ：第２センサ部
３        ：センサ
５        ：補正係数導出部
８        ：電流演算部
１０      ：電流検出装置
２０      ：導体（対象導体）
２１      ：棒状導体（対象導体）
２２      ：板状導体（対象導体）
３０〜３４：基板
９０      ：集磁コア
Ｃ        ：磁束検出方向
Ｍ        ：基準直線
Ｐ        ：検出中心
Ｐ１      ：第１センサ部の検出中心
Ｐ２      ：第２センサ部の検出中心
Ｔ        ：検出部位
Ｙ        ：導体幅
ｈ１      ：基準検出距離（離間距離）
ｋ        ：補正係数
ｔ        ：センサ間距離
【図１】
2012189506.tif 000017
【図２】
2012189506.tif 000018
【図３】
2012189506.tif 000019
【図４】
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【図５】
2012189506.tif 000021
【図６】
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【図７】
2012189506.tif 000023
【図８】
2012189506.tif 000024
【図９】
2012189506.tif 000025
【図１０】
2012189506.tif 000026
【図１１】
2012189506.tif 000027
【図１２】
2012189506.tif 000028