(57)【要約】【課題】安定して被測定電流を測定可能な電流センサを容易に製造する。【解決手段】第１磁気センサ１２０ａは、１次導体１１０の厚さ方向において第１磁性体部１４１と第２磁性体部１４０ａとの間に位置し、かつ、１次導体１１０の幅方向において１次導体１１０の一端寄りに位置している。第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向において第１磁性体部１４１と第３磁性体部１４０ｂとの間に位置し、かつ、１次導体１１０の幅方向において１次導体１１０の他端寄りに位置している。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の主面と交差する方向に向いた検出軸２を有する。【選択図】図２
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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磁気センサおよび第２磁気センサと、
前記１次導体の主面と対向する第１磁性体部と、
前記１次導体の幅方向において互いに間隔をあけて、前記１次導体と前記第１磁性体部との間に配置された、第２磁性体部および第３磁性体部とを備え、
前記１次導体は、前記１次導体の長さ方向に前記電流が流れるように設けられており、
前記第１磁気センサは、前記１次導体の厚さ方向において前記第１磁性体部と前記第２磁性体部との間に位置し、かつ、前記幅方向において前記１次導体の一端寄りに位置し、
前記第２磁気センサは、前記厚さ方向において前記第１磁性体部と前記第３磁性体部との間に位置し、かつ、前記幅方向において前記１次導体の他端寄りに位置し、
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサの各々は、前記１次導体の主面と交差する方向に向いた検出軸を有する、電流センサ。
【請求項２】
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１に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記第１磁性体部が、平板状の外形を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記第１磁気センサおよび前記第２磁気センサが、１つの基板に実装されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記基板の主面と前記１次導体の主面とが互いに垂直である、請求項５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記基板の主面と前記１次導体の主面とが互いに平行である、請求項５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、被測定電流に応じて発生する磁界を測定することで被測定電流の値を検出する電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサと磁気収束板とを備えた電流センサを開示した先行文献として、特開２００３−２６２６５０号公報(特許文献１)、および、米国特許第５９４２８９５号明細書(特許文献２)がある。
【０００３】
特許文献１に記載された電流センサは、測定電流を流す測定用導体と、測定用導体に流れる測定電流によって発生する磁束を検出する磁気センサとを備えている。磁気センサの上面に、上記磁束を収束する軟磁性材料の磁気収束板が載置されると共に、磁気収束板の両端部に対応する位置のそれぞれに半導体ホール素子が配置されている。
【０００４】
特許文献２に記載された電流センサは、空隙により分離配置され、被測定磁界を強める、２つの磁気収束板を有する。２つのホール素子は、第１磁気収束板から第２磁気収束板に向けて導かれる磁束線の少なくとも一部が２つのホール素子を実質的に反対方向に通過するように、空隙の外側に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２６２６５０号公報
【特許文献２】米国特許第５９４２８９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に記載された電流センサにおいては、２つの磁気センサの各々が磁気収束板に対して配置される位置によって、２つの磁気センサの各々に印加される磁界の強度および向きが大きく変化している。そのため、２つの磁気センサの各々の磁気収束板に対する位置のばらつきにより、２つの磁気センサの各々の検出値が大きく変動する。よって、磁気収束板に対して２つの磁気センサの各々を正確に配置する必要があり、電流センサの製造が困難である。
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、安定して被測定電流を測定でき、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】
【０００８】
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磁気センサおよび第２磁気センサと、１次導体の主面と対向する第１磁性体部と、１次導体の幅方向において互いに間隔をあけて、１次導体と第１磁性体部との間に配置された、第２磁性体部および第３磁性体部とを備える。１次導体は、１次導体の長さ方向に上記電流が流れるように設けられている。第１磁気センサは、１次導体の厚さ方向において第１磁性体部と第２磁性体部との間に位置し、かつ、上記幅方向において１次導体の一端寄りに位置している。第２磁気センサは、上記厚さ方向において第１磁性体部と第３磁性体部との間に位置し、かつ、上記幅方向において１次導体の他端寄りに位置している。第１磁気センサおよび第２磁気センサの各々は、１次導体の主面と交差する方向に向いた検出軸を有する。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の一形態においては、第１磁性体部が、平板状の外形を有する。
本発明の一形態においては、第１磁気センサおよび第２磁気センサが、１つの基板に実装されている。
【００１２】
本発明の一形態においては、基板の主面と１次導体の主面とが互いに垂直である。
本発明の一形態においては、基板の主面と１次導体の主面とが互いに平行である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安定して被測定電流を測定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】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る電流センサの外観を示す斜視図である。
【図２】図１の電流センサをＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電流センサが備える磁気センサユニットの構成を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。
【図５】本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの構成を示す断面図である。
【図７】比較例に係る電流センサの構成を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサにおいて、１次導体に測定対象の電流を流した際に発生する磁界の磁束密度をシミュレーション解析した結果を、図６と同一の断面視にて示した磁束線図である。
【図９】本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサにおいて、１次導体に測定対象の電流を流した際に発生する磁界の磁束密度をシミュレーション解析した結果を、図６と同一の断面視にて示した等高線図である。
【図１０】比較例に係る電流センサにおいて、１次導体に測定対象の電流を流した際に発生する磁界の磁束密度をシミュレーション解析した結果を、図７と同一の断面視にて示した等高線図である。
【図１１】比較例に係る電流センサにおいて、図７に示す中心線Ｌ２上および中間線Ｌ４上におけるＺ軸方向成分の磁束密度の変位を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々において、図６に示す中心線Ｌ２上におけるＺ軸方向成分の磁束密度の変位を示すグラフである。
【図１３】本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々において、図６に示す中心線Ｌ３上におけるＺ軸方向成分の磁束密度の変位を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態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。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図２は、図１の電流センサをＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る電流センサが備える磁気センサユニットの構成を示す分解斜視図である。図４は、本発明の一実施形態に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１，２においては、後述する１次導体１１０の幅方向をＸ軸方向、１次導体１１０の長さ方向をＹ軸方向、１次導体１１０の厚さ方向をＺ軸方向として、図示している。
【００１７】
図１〜４に示すように、本発明の一実施形態に係る電流センサ１００は、測定対象の電流が流れる１次導体１１０と、１次導体１１０を流れる測定対象の電流により発生する磁界の強さをそれぞれ検出する第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂを含む磁気センサユニット１６０とを備える。磁気センサユニット１６０は、１次導体１１０に挿通され、ボルト１７０および図示しないナットにより１次導体１１０に固定されている。ボルト１７０およびナットは、非磁性材料で構成されている。
【００１８】
磁気センサユニット１６０は、１次導体１１０の主面と対向する第１磁性体部１４１と、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において互いに間隔をあけて、１次導体１１０と第１磁性体部１４１との間に配置された、第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂとをさらに含む。
【００１９】
本実施形態においては、１次導体１１０は平板状の外形を有している。１次導体１１０には、ボルト１７０の軸部が挿通される図示しない２つの貫通孔が設けられている。１次導体１１０は、矢印１で示すように１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)に測定対象の電流が流れるように設けられている。
【００２０】
本実施形態においては、１次導体１１０は、銅で構成されている。ただし、１次導体１１０の材料はこれに限られず、銀、アルミニウム若しくは鉄などの金属、またはこれらの金属を含む合金でもよい。
【００２１】
１次導体１１０は、表面処理が施されていてもよい。たとえば、ニッケル、錫、銀若しくは銅などの金属、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。
【００２２】
本実施形態においては、プレス加工により１次導体１１０を形成している。ただし、１次導体１１０の形成方法はこれに限られず、切削加工または鋳造などにより１次導体１１０を形成してもよい。
【００２３】
第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)に並んで配置されている。図３に示すように、本実施形態においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、1つの基板１３０に実装されている。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、アンプおよび受動素子などの電子部品と共に基板１３０に実装されている。なお、図１〜３においては、アンプおよび受動素子は図示していない。ただし、アンプおよび受動素子は、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が実装されている基板１３０とは異なる基板に、実装されていてもよい。
【００２４】
基板１３０は、プリント配線板であり、ガラスエポキシまたはアルミナなどの基材と、基材の表面上に設けられた銅などの金属箔がパターニングされて形成された配線とから構成されている。基板１３０の四隅のうちの２つの隅部のそれぞれに、貫通孔１３０ｈが設けられている。
【００２５】
基板１３０が電気絶縁性を有する筐体１５０内に、第１磁性体部１４１、第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂとともに固定されることにより、磁気センサユニット１６０が構成されている。すなわち、第１磁気センサ１２０ａ、第２磁気センサ１２０ｂ、電子部品、基板１３０、第１磁性体部１４１、第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂの各々は、筐体１５０に収容されている。
【００２６】
図１〜３に示すように、筐体１５０は、略直方体状の外形を有し、カバー部１５１と本体部１５２とから構成されている。カバー部１５１は、平板状の基部１５１ｍと、ボルト１７０の軸部が挿通される貫通孔１５１ｃを有する突出部１５１ａと、本体部１５２の後述する２つの穴部とそれぞれ嵌合する２つの段付きピン部１５１ｂとを含む。
【００２７】
基部１５１ｍには、１次導体１１０が挿通される開口部１５１ｈが設けられている。突出部１５１ａは、開口部１５１ｈの開口端の一部から、基部１５１ｍの外面と直交するように突出している。２つの段付きピン部１５１ｂの各々は、基部１５１ｍの内面と直交するように突出している。２つの段付きピン部１５１ｂの各々は、大径部および小径部を有している。大径部は、基板１３０の貫通孔１３０ｈと嵌合し、小径部は、後述する本体部１５２の対向部１５２ｍの内面側に設けられた穴部と嵌合する。
【００２８】
本体部１５２は、カバー部１５１の基部１５１ｍと対向する対向部１５２ｍと、対向部１５２ｍの縁から対向部１５２ｍの内面に直交するように筒状に突出した周壁部１５２ｃと、ボルト１７０の軸部が挿通される図示しない貫通孔を有する突出部１５２ａと、１次導体１１０が挿通される筒状部１５２ｈと、段付きピン部１５１ｂの小径部と嵌合する図示しない穴部とを含む。
【００２９】
対向部１５２ｍには、筒状部１５２ｈの内側の孔部と連続した開口部が設けられている。対向部１５２ｍの内面側に、段付きピン部１５１ｂの小径部と嵌合する穴部が設けられている。筒状部１５２ｈは、対向部１５２ｍの開口端から、対向部１５２ｍの内面と直交するように突出している。筒状部１５２ｈの外周面に、第２磁性体部１４０ａが嵌め込まれる溝部１５２ｓと、第３磁性体部１４０ｂが嵌め込まれる溝部１５２ｔとが設けられている。突出部１５２ａは、対向部１５２ｍの開口端の一部から、対向部１５２ｍの外面と直交するように突出している。
【００３０】
筐体１５０は、ＰＰＳ(ポリフェニレンスルファイド)、ＰＢＴ(ポリブチレンテレフタレート樹脂)、ＬＣＰ(液晶ポリマー)、ウレタンまたはナイロンなどのエンジニアリングプラスチックで構成されている。ＰＰＳは、耐熱性が高いため、１次導体１１０の発熱を考慮した場合、筐体１５０の材料として好ましい。
【００３１】
第１磁性体部１４１は、平板状の外形を有する。第１磁性体部１４１は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂを覆っている。第１磁性体部１４１は、電磁鋼で構成されているが、電磁鋼に限られず、軟鉄鋼、ケイ素鋼、ＰＢパーマロイ、ＰＣパーマロイ、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磁性体材料で構成されていてもよい。第１磁性体部１４１は、筐体１５０にインサート成形されていてもよい。
【００３２】
第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂの各々は、平板状の外形を有する。第２磁性体部１４０ａは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、第１磁気センサ１２０ａを覆っている。第３磁性体部１４０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)から見て、第２磁気センサ１２０ｂを覆っている。第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂの各々は、電磁鋼で構成されているが、電磁鋼に限られず、軟鉄鋼、ケイ素鋼、ＰＢパーマロイ、ＰＣパーマロイ、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磁性体材料で構成されていてもよい。第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂの各々は、筐体１５０にインサート成形されていてもよい。
【００３３】
ここで、磁気センサユニット１６０の組立方法および磁気センサユニット１６０を１次導体１１０に固定する方法について説明する。
【００３４】
まず、第２磁性体部１４０ａを溝部１５２ｓに嵌め込み、第３磁性体部１４０ｂを溝部１５２ｔに嵌め込んだ後、基板１３０を筒状部１５２ｈ上に載置する。さらに、基板１３０上に第１磁性体部１４１を載置した状態で、段付きピン部１５１ｂの大径部を基板１３０の貫通孔１３０ｈに挿入して嵌合させるとともに、段付きピン部１５１ｂの小径部を本体部１５２の穴部に挿入して嵌合させる。
【００３５】
これにより、カバー部１５１と本体部１５２とが一体に組み付けられて、磁気センサユニット１６０が組み立てられる。次に、カバー部１５１の基部１５１ｍの開口部１５１ｈ、筒状部１５２ｈ、および、本体部１５２の対向部１５２ｍの開口部を通過するように、磁気センサユニット１６０に１次導体１１０を挿入する。
【００３６】
１次導体１１０の一方の貫通孔とカバー部１５１の貫通孔１５１ｃとにボルト１７０を挿通させてナットと螺合させ、１次導体１１０の他方の貫通孔と本体部１５２の貫通孔とにボルト１７０を挿通させてナットと螺合させることにより、磁気センサユニット１６０を１次導体１１０に固定する。
【００３７】
上記のように磁気センサユニット１６０を１次導体１１０に固定した状態において、第１磁気センサ１２０ａは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において第１磁性体部１４１と第２磁性体部１４０ａとの間に位置し、かつ、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において１次導体１１０の一端寄りに位置している。第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において第１磁性体部１４１と第３磁性体部１４０ｂとの間に位置し、かつ、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において１次導体１１０の他端寄りに位置している。
【００３８】
本実施形態においては、基板１３０の主面と１次導体１１０の主面とが互いに垂直であるが、基板１３０の主面と１次導体１１０の主面とが互いに平行であってもよい。基板１３０の主面と１次導体１１０の主面とが互いに平行である場合、磁気センサユニット１６０を低背化して、電流センサ１００を小型化できる。
【００３９】
第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の主面と交差する方向に向いた検出軸２を有している。本実施形態においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸２は１次導体１１０の主面と直交する方向に向いているが、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸２が１次導体１１０の主面と斜めに交差する方向に向いていてもよい。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、１次導体１１０の厚さ方向(Ｙ軸方向)の磁界を検出する。
【００４０】
第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、検出軸２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２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。
【００４１】
図４に示すように、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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、４つのＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子からなるホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を有する。なお、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、ＡＭＲ素子に代えて、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していてもよい。
【００４２】
また、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、２つの磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路を有していてもよい。その他にも、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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。磁気抵抗素子およびホール素子などの磁気素子は、樹脂パッケージされていてもよく、または、シリコーン樹脂若しくはエポキシ樹脂などでポッティングされていてもよい。
【００４３】
複数の磁気素子がパッケージされている場合、複数の磁気素子が１つにパッケージされていてもよいし、複数の磁気素子の各々が別々にパッケージされていてもよい。また、複数の磁気素子と電子部品とが集積された状態で、１つにパッケージされていてもよい。
【００４４】
本実施形態においては、ＡＭＲ素子は、バーバーポール型電極を含むことによって、奇関数入出力特性を有している。具体的には、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の磁気抵抗素子は、バーバーポール型電極を含むことにより、磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向に対して所定の角度をなす方向に電流が流れるようにバイアスされている。
【００４５】
磁気抵抗膜の磁化方向は、磁気抵抗膜の形状異方性およびバイアス磁界の少なくとも一方によって決まる。なお、ＡＭＲ素子の磁化方向を決める方法として、ＡＭＲ素子を構成する磁気抵抗膜の近傍に永久磁石またはコイルを配置してバイアス磁界を印加する方法、または、ＡＭＲ素子を構成する磁気抵抗膜において交換結合を設ける方法などを用いてもよい。
【００４６】
第１磁気センサ１２０ａの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向と、第２磁気センサ１２０ｂの磁気抵抗素子における磁気抵抗膜の磁化方向とは、同一方向である。これにより、外部磁界の影響による出力精度の低下を小さくすることができる。
【００４７】
図４に示すように、電流センサ１００は、第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とを演算することにより１次導体１１０を流れる測定対象の電流の値を算出する算出部１９０をさらに備える。本実施形態においては、算出部１９０は、差動増幅器である。ただし、算出部１９０が減算器であってもよい。
【００４８】
後述するように、第１磁気センサ１２０ａの位置と、第２磁気センサ１２０ｂの位置とでは、Ｙ軸方向の磁束の向きが互いに反対方向となる。すなわち、第１磁気センサ１２０ａに作用する磁束の向きと、第２磁気センサ１２０ｂに作用する磁束の向きとが反対であるため、１次導体１１０を流れる測定対象の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１２０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１２０ｂの検出値の位相とは、逆相である。よって、第１磁気センサ１２０ａ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１２０ｂの検出した磁界の強さは負の値となる。
【００４９】
第１磁気センサ１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂの検出値とは、算出部１９０にて演算される。具体的には、算出部１９０は、第１磁気センサ１２０ａの検出値から第２磁気センサ１２０ｂの検出値を減算する。この結果から、１次導体１１０を流れた測定対象の電流の値が算出される。
【００５０】
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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが筐体１５０に収容されているため、外部磁界源は、物理的に第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの間に位置することができない。
【００５１】
そのため、外部磁界源から第１磁気センサ１２０ａに印加される磁界のうちの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１２０ｂに印加される磁界のうちの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１２０ａ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１２０ｂの検出した外部磁界の強さも正の値となる。
【００５２】
その結果、算出部１９０が第１磁気センサ１２０ａの検出値から第２磁気センサ１２０ｂの検出値を減算することにより、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。
【００５３】
本実施形態の第１変形例として、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａ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１２０ｂの検出する外部磁界の強さは負の値となる。
【００５４】
一方、１次導体１１０を流れる測定対象の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１２０ａの検出値の位相と、第２磁気センサ１２０ｂの検出値の位相とは同相となる。
【００５５】
本実施形態の第１変形例においては、算出部１９０として差動増幅器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１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａの検出値の絶対値と、第２磁気センサ１２０ｂ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。
【００５６】
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１２０ａの検出値と第２磁気センサ１２０ｂ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、１次導体１１０を流れた測定対象の電流の値が算出される。
【００５７】
このように、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの入出力特性を互いに逆の極性にしつつ、差動増幅器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。
【００５８】
上記のように、本実施形態に係る電流センサ１００は、外部磁界の影響を低減することができる。
【００５９】
本実施形態に係る電流センサ１００においては、第１磁性体部１４１は平板状の外形を有しているが、第１磁性体部の外形は、平板状に限られず、アーチ状であってもよい。ここで、第１磁性体部の外形のみ本実施形態に係る電流センサ１００と異なる、本実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本実施形態の第３変形例に係る電流センサについて説明する。
【００６０】
図５は、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサの構成を示す断面図である。図６は、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの構成を示す断面図である。図５，６においては、図２と同一の断面視にて示しており、基板１３０および筐体１５０は図示していない。図６においては、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの間の中央線をＬ１で示し、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の中心を通過する中心線をＬ２で示し、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａの中心を通過する中心線をＬ３で示している。中央線Ｌ１と中心線Ｌ２との交点をＣ１で示している。
【００６１】
図５に示すように、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサの磁気センサユニット１６０ｘにおいては、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における第１磁性体部１４１ｘの両端部に、１次導体１１０に近づくように１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に突出した延長部１４１ｘａが設けられている。延長部１４１ｘａは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の一部と重なっている。延長部１４１ｘａは、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)において、第１磁性体部１４１ｘの全体に亘って設けられている。
【００６２】
図６に示すように、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの磁気センサユニット１６０ｙにおいては、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における第１磁性体部１４１ｙの両端部に、１次導体１１０に近づくように１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)に突出した延長部１４１ｙａが設けられている。延長部１４１ｙａは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)から見て、１次導体１１０の一部と重なっている。延長部１４１ｙａは、１次導体１１０の長さ方向(Ｙ軸方向)において、第１磁性体部１４１ｙの全体に亘って設けられている。
【００６３】
ここで、本発明の一実施形態に係る電流センサ１００、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの作用効果について、比較例に係る電流センサと比較しつつ有限要素法により検証したシミュレーション解析結果に基づいて説明する。比較例に係る電流センサの磁気センサユニット９６０においては、第１磁性体部が設けられていない点のみ本実施形態に係る電流センサ１００の磁気センサユニット１６０と異なる。
【００６４】
図７は、比較例に係る電流センサの構成を示す断面図である。図７においては、図２と同一の断面視にて示しており、基板１３０、第１磁気センサ１２０ａ、第２磁気センサ１２０ｂおよび筐体１５０は図示していない。図７においては、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとの間の中央線をＬ１で示し、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の中心を通過する中心線をＬ２で示し、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂの各々と１次導体１１０との中間位置を通過する中間線をＬ４で示している。中央線Ｌ１と中心線Ｌ２との交点をＣ１で示し、中央線Ｌ１と中間線Ｌ４との交点をＣ２で示している。
【００６５】
シミュレーション解析の共通条件としては、１次導体１１０において、材質を銅、長さを１５０ｍｍ、幅を１３ｍｍ、厚さを１．５ｍｍとした。１次導体１１０に、８００Ａの電流を流した。第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂの各々において、材質を電磁鋼、長さを８ｍｍ、幅を３ｍｍ、厚さを０．５ｍｍとした。第２磁性体部１４０ａと第３磁性体部１４０ｂとを、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)において、中央線Ｌ１を基準として線対称に、互いに３．０ｍｍの間隔をあけて配置した。
【００６６】
第１磁性体部１４１、第１磁性体部１４１ｘおよび第１磁性体部１４１ｙの各々において、材質を電磁鋼、長さを８ｍｍ、幅を１９ｍｍ、厚さを２ｍｍとし、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)において第２磁性体部１４０ａおよび第３磁性体部１４０ｂに対して６．５ｍｍ上方に配置した。第１磁性体部１４１ｘにおいて、延長部１４１ｘａの突出高さを３ｍｍとした。第１磁性体部１４１ｙにおいて、延長部１４１ｙａの突出高さを８ｍｍとした。
【００６７】
図８は、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサにおいて、１次導体に測定対象の電流を流した際に発生する磁界の磁束密度をシミュレーション解析した結果を、図６と同一の断面視にて示した磁束線図である。図９は、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサにおいて、１次導体に測定対象の電流を流した際に発生する磁界の磁束密度をシミュレーション解析した結果を、図６と同一の断面視にて示した等高線図である。図１０は、比較例に係る電流センサにおいて、１次導体に測定対象の電流を流した際に発生する磁界の磁束密度をシミュレーション解析した結果を、図７と同一の断面視にて示した等高線図である。
【００６８】
図９，１０においては、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の一方に向いた磁界の磁束密度が高い順にＥ１〜Ｅ５、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の他方に向いた磁界の磁束密度が高い順にＥ１１〜Ｅ１５を示している。
【００６９】
図１１は、比較例に係る電流センサにおいて、図７に示す中心線Ｌ２上および中間線Ｌ４上におけるＺ軸方向成分の磁束密度の変位を示すグラフである。図１２は、本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々において、図６に示す中心線Ｌ２上におけるＺ軸方向成分の磁束密度の変位を示すグラフである。図１３は、本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々において、図６に示す中心線Ｌ３上におけるＺ軸方向成分の磁束密度の変位を示すグラフである。
【００７０】
図１１においては、縦軸にＺ軸方向成分の磁束密度(ｍＴ)、横軸にＸ軸方向における中央線Ｌ１からの位置(ｍｍ)を示している。交点Ｃ１，Ｃ２の位置が、横軸の０点である。図１２においては、縦軸にＺ軸方向成分の磁束密度(ｍＴ)、横軸にＸ軸方向における中央線Ｌ１からの位置(ｍｍ)を示している。交点Ｃ１の位置が、横軸の０点である。図１３においては、縦軸にＺ軸方向成分の磁束密度(ｍＴ)、横軸にＺ軸方向における中心線Ｌ２からの位置(ｍｍ)を示している。
【００７１】
図８，９に示すように、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサにおいては、第１磁性体部１４１ｙと第２磁性体部１４０ａとの間で、矢印３で示すように１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の一方に磁束が向いており、第１磁性体部１４１ｙの内部で、矢印４で示すように１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の一方に磁束が向いており、第１磁性体部１４１ｙと第３磁性体部１４０ｂとの間で、矢印５で示すように１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の他方に磁束が向いている。
【００７２】
すなわち、第１磁気センサ１２０ａの位置と、第２磁気センサ１２０ｂの位置とでは、Ｙ軸方向の磁束の向きが互いに反対方向となっている。本発明の一実施形態に係る電流センサ１００、および、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサについても、同様である。
【００７３】
図１０に示すように、比較例に係る電流センサにおいても、第１磁気センサ１２０ａの位置と、第２磁気センサ１２０ｂの位置とでは、Ｙ軸方向の磁束の向きが互いに反対方向となっている。ただし、図１１に示すように、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における中央線Ｌ１からの位置の変化に伴って、Ｚ軸方向成分の磁束密度が大きく変化している。そのため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の位置のばらつきにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出値が大きく変動する。
【００７４】
図１２に示すように、本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々においては、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における中央線Ｌ１からの位置が、−５ｍｍ以上−１．５ｍｍ以下の範囲、および、１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲は、Ｚ軸方向成分の磁束密度が略一定となり安定しているロバスト領域Ｔとなっている。
【００７５】
このロバスト領域Ｔに第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが配置されていることにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の位置のばらつきの影響が抑制され、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出値が安定する。
【００７６】
よって、本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々においては、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の配置(基板１３０の配置)に高い位置精度が求められないため、容易に製造可能である。
【００７７】
すなわち、本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの各々は、安定して被測定電流を測定でき、容易に製造可能である。
【００７８】
図１３に示すように、本発明の一実施形態に係る電流センサ、本発明の一実施形態の第２変形例に係る電流センサ、および、本発明の一実施形態の第３変形例に係る電流センサの中では、本発明の一実施形態に係る電流センサが、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)における中心線Ｌ２からの位置の変化に伴うＺ軸方向成分の磁束密度の変化が最も小さかった。
【００７９】
すなわち、本発明の一実施形態に係る電流センサ１００は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)の位置のばらつき、および、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)の位置のばらつきの両方の影響を抑制でき、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出値が極めて安定している。よって、本発明の一実施形態に係る電流センサ１００は、被測定電流の信頼性の高い測定を行なうことが可能である。
【００８０】
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特許請求の範囲によって示され、特許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】
【００８１】
２  検出軸、１００  電流センサ、１１０  １次導体、１２０ａ  第１磁気センサ、１２０ｂ  第２磁気センサ、１３０  基板、１３０ｈ，１５１ｃ  貫通孔、１４０ａ  第２磁性体部、１４０ｂ  第３磁性体部、１４１，１４１ｘ，１４１ｙ  第１磁性体部、１４１ｘａ，１４１ｙａ  延長部、１５０  筐体、１５１  カバー部、１５１ａ，１５２ａ  突出部、１５１ｂ  段付きピン部、１５１ｈ  開口部、１５１ｍ  基部、１５２  本体部、１５２ｃ  周壁部、１５２ｈ  筒状部、１５２ｍ  対向部、１５２ｓ，１５２ｔ  溝部、１６０，１６０ｘ，１６０ｙ，９６０  磁気センサユニット、１７０  ボルト、１９０  算出部、Ｃ１，Ｃ２  交点、Ｌ１  中央線、Ｌ２，Ｌ３  中心線、Ｌ４  中間線、Ｔ  ロバスト領域。
【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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