JP5678285B2

JP5678285B2 - 電流センサ

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Publication number: JP5678285B2
Application number: JP2010038120A
Authority: JP
Inventors: 田村　学; 学田村
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: JP2011174775A

Description

本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関し、特に、導体を流れる電流を磁電変換素子を介して検出する電流センサに関する。

近年、電気自動車やソーラー電池などの分野では、電気自動車やソーラー電池装置の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、直流大電流を非接触で測定する電流センサが広く用いられている。このような電流センサとしては、検出対象となる導体に流れる電流を、導体周囲の磁界の変化を介して検出する電磁変換素子を備えたものが提案されている。

このような電流センサにおいて、電磁変換素子の両側に一対の集磁コアを配置し、この一対の集磁コアにより、導体から発生する磁束を集磁して、小型・高感度化した構成のものがある（特許文献１）。

特開２００５−１４７７５５号公報

しかしながら、特許文献１記載の電流センサでは、電磁変換素子の感度軸方向に直交する方向の外乱磁場などにより、感度が変化し易いという問題や、高感度化しているために電流検出レンジが狭くなるという課題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、外部磁場による誤差を低減しつつ、電流検出レンジが広い電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサは、電流を通電する導体の近傍に配設され、電流の通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ磁気センサと、前記感度軸方向において前記磁気センサの外側に配置された一対の集磁コアと、前記集磁コアより外側に配設され、前記通電方向に延在する一対の磁気シールドと、を具備し、前記集磁コアと前記磁気シールドとが一体的に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、感度軸方向に対して直交する方向（通電方向）の磁界の影響を排除しつつ、感度を上げることができる。これにより、低電流まで精度よく検出することが可能な電流センサを実現することができる。

本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気シールドの内側であって、前記感度軸方向において集磁コアを有しないで配設され、前記通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ他の磁気センサを具備することが好ましい。この構成によれば、集磁コアが配置された磁気センサにより、低電流を高感度で検出することができ、他の磁気センサにより、高電流を高精度で検出することができる。これにより、電流検出レンジの広い電流センサを実現することができる。

本発明の電流センサにおいては、電流を通電する導体の近傍に配設され、電流の通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ磁気センサと、前記感度軸方向において前記磁気センサの外側に配置された一対の集磁コアと、前記集磁コアより外側に配設され、前記通電方向に延在する一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シールドの内側であって、前記感度軸方向において集磁コアを有しないで配設され、前記通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ他の磁気センサと、を具備し、前記一対の磁気シールドの内側に他の一対の集磁コアを設け、前記他の一対の集磁コアは、前記他の磁気センサが前記通電方向において前記一対の集磁コアとの間に位置するように配設されることを特徴とする。

本発明の電流センサにおいては、前記磁気センサ及び／又は前記他の磁気センサは、互いに感度軸方向が１８０度異なる２つの磁気センサであることが好ましい。この構成によれば、互いに感度軸方向が１８０度異なる２つの磁気センサにより、温度ドリフトをキャンセルすることができるので、さらに高精度な電流検出が可能となる。

本発明の電流センサにおいては、上記一対の電流センサが、導体を挟んで対向して配設され、前記一対の電流センサにおける磁気センサの感度軸方向が互いに同じであることを特徴とする。この構成によれば、感度軸方向の外部磁場をキャンセルすることができるので、より高精度な電流検出が可能となる。

本発明の電流センサは、電流を通電する導体の近傍に配設され、電流の通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ磁気センサと、前記感度軸方向において前記磁気センサの外側に配置された一対の集磁コアと、前記集磁コアより外側に配設され、前記通電方向に延在する一対の磁気シールドと、を具備するので、外部磁場による誤差を低減しつつ、電流検出レンジを広くすることができる。

本発明の実施の形態１に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は内部透視側面図であり、（ｂ）は内部透視平面図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサの効果を説明するための図である。本発明の実施の形態２に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は内部透視側面図であり、（ｂ）は内部透視平面図である。本発明の実施の形態３に係る電流センサを示す内部透視平面図である。本発明の実施の形態４に係る電流センサを示す内部透視平面図である。本発明の実施の形態５に係る電流センサを示す内部透視平面図である。本発明の実施の形態６に係る電流センサを示す内部透視側面図である。本発明の実施の形態６に係る電流センサについての磁場方向を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は内部透視側面図であり、（ｂ）は内部透視平面図である。

図１（ａ）に示すように、電流が通電される導体２の近傍に電流センサ１が配設されている。この電流センサ１は、導体２上にスペーサ３を介して取り付けられている。なお、電流センサ１は、導体２を流れる電流が測定できれば、導体２上に直接配設されていなくても良い。

電流センサ１の基板１１上には、磁気センサ１２が配設されている。この磁気センサ１２は、図１（ｂ）に示すように電流センサ１の中央に配設されている。また、この磁気センサ１２は、電流の通電方向に対して直交する方向（電流により発生する磁場方向）の感度軸を有する。また、基板１１上において、感度軸方向における磁気センサ１２の外側には、一対の集磁コア１３が配設されている。すなわち、一対の集磁コア１３は、磁気センサ１２を挟むように配設されている。また、基板１１上において、集磁コア１３より外側には、一対の磁気シールド１４が配設されている。すなわち、一対の磁気シールド１４は、一対の集磁コア１３及び磁気センサ１２を挟むように配設されている。この一対の磁気シールド１４は、それぞれ通電方向に延在している。この他、基板１１上には、磁気センサ１２の出力を所望の出力信号形式に変換する信号処理回路（図示せず）が設けられており、この信号処理回路は磁気センサ１２と電気的に接続されている。この電流センサ１は、筺体１０によりパッケージングされている。

筺体１０としては、電子部品のパッケージに用いられるパッケージが用いられる。また、基板１１としては、電子部品の基板に用いられる基板が用いられる。スペーサ３としては、例えば、セラミックや絶縁性の樹脂などが用いられる。

磁気センサ１２としては、磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＡＭＲ素子（異方性磁気抵抗素子）、ホール素子などを用いることができる。

磁気シールド１４は、感度軸方向と直交する方向に延在しており、その長手方向に沿う外部磁場を長手方向に沿って集磁すると共に、感度軸方向の検出磁場を長手方向と直交する方向（幅方向）に通して一対の磁気シールド１４の内側の集磁コア１３に集める。このような磁気シールド１４の材料としては、フェライト、パーマロイ、ケイ素鋼などが挙げられる。

磁気シールド１４の厚さｔ_２は、磁気センサ１２の厚さｔ_１の１０倍以上であることが好ましい。ここで、磁気シールド１４の厚さｔ_２と磁気センサ１２の厚さｔ_１の比と感度軸方向と直交する方向の磁場シールド率との関係について調べた。具体的には、磁気シールド１４の厚さｔ_２と磁気センサ１２の厚さｔ_１を同じ（１倍）とした電流センサと、磁気シールド１４の厚さｔ_２を磁気センサ１２の厚さｔ_１の１０倍とした電流センサとについて、磁場シールド率を調べた。磁場シールド率は、シールド内に配置した磁気センサ（電流通電方向に感度軸が向くように配置）により、直交方向から加えられた磁場について、シールドを変えて測定することにより求めた。その結果を表１に示す。表１から分かるように、磁気シールド１４の厚さｔ_２が磁気センサ１２の厚さｔ_１の１０倍である場合に、磁場シールド率が非常に高かった（１／２程度の磁場シールド率が１／１０以下まで改善する）。

また、磁気センサ１２は、図１（ｂ）に示すように、通電方向における磁気シールド１４の略中央の位置に配設されていることが好ましい。このように、磁気シールド１４の厚さや磁気シールド１４に対する磁気センサ１２の位置を規定することにより、感度軸方向に直交する方向の磁場の影響をより低減することが可能であり、より高精度な電流検出が可能となる。

集磁コア１３は、磁気シールド１４を通過した検出磁場を磁気センサ１２に集束させるものである。すなわち、集磁コア１３は、磁気シールド１４と磁気センサ１２との間に磁束を集磁する。集磁コア１３の材料としては、例えば、フェライト、パーマロイ、ケイ素鋼などが挙げられる。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサの効果を説明するための図であり、図１に示す電流センサにおける磁場分布を示す図である。本実施の形態に係る電流センサに、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、図２（ａ）に示すように、外部磁場は、一対の磁気シールド１４に集磁される。このとき、磁気シールド１４は、通電方向に長く延在する形状を有しており、磁気センサ１２の寸法よりも十分に長く設けられているので、外部磁場は磁気センサ１２に到達することを防止できる。このため、磁気センサ１２は外部磁場の影響を受けず、外部磁場による検出誤差が小さくなる。一方、本実施の形態に係る電流センサに、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、図２（ｂ）に示すように、検出磁場が磁気シールド１４を通過して、集磁コア１３に集磁される。これにより、磁気センサ１２に加わる磁束が大きくなる。その結果、小さい電流で発生する磁場に対しても高感度で電流を検出することができる。

このように、本実施の形態に係る電流センサによれば、感度軸方向に対して直交する方向（通電方向）の磁界の影響を排除しつつ、感度を上げることができる。これにより、低電流まで精度よく検出することが可能な電流センサを実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る電流センサを示す図であり、（ａ）は内部透視側面図であり、（ｂ）は内部透視平面図である。なお、図３において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図３に示す電流センサ１においては、平面視において略Ｔ字形状の磁性層１５が形成されている。この磁性層１５は、通電方向に沿って延在する延在部１５ａと、延在部１５ａ側から磁気センサ１２側に延出する延出部１５ｂとから構成されている。このような磁性層１５は、集磁コアと磁気シールドとが一体的に形成されてなるものである。集磁コアの材料と磁気シールドの材料としては同じものを用いることができるので、本実施の形態のように集磁コアと磁気シールドを一体化させることができる。これにより、製造工程を簡略化することが可能となる。

本実施の形態に係る電流センサに、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁性層１５の延在部１５ａに集磁され、磁気センサ１２に到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサに、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が延在部１５ａを介して延出部１５ｂに集磁される。これにより、磁気センサ１２に加わる磁束が大きくなる。これにより、小さい電流で発生する磁場に対しても高感度で電流を検出することができる。このように、本実施の形態に係る電流センサにおいても、感度軸方向に対して直交する方向（通電方向）の磁界の影響を排除しつつ、感度を上げることができ、低電流まで精度よく検出することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る電流センサを示す内部透視平面図である。なお、図４において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図４に示す電流センサ１においては、一対の磁気シールド１４の内側であって、感度軸方向において集磁コアを有しないで配設された他の磁気センサ１６が配設されている。この磁気センサ１６も、通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ。すなわち、磁気センサ１６は、集磁コア１３の間の領域に位置していない。したがって、本実施の形態に係る電流センサ１は、一対の集磁コア１３の間に位置する磁気センサ１２と、一対の集磁コア１３の間に位置しない磁気センサ１６とを有する。この磁気センサ１６も基板１１上の信号処理回路に電気的に接続されている。この構成によれば、集磁コア１３が配置された磁気センサ１２により、低電流を高感度で検出することができ、他の磁気センサ１６により、高電流を高感度で検出することができる。これにより、電流検出レンジの広い電流センサを実現することができる。

本実施の形態に係る電流センサで低電流を測定する際に、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁気シールド１４に集磁され、磁気センサ１２に到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサで低電流を測定する際に、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が磁気シールド１４を通過して集磁コア１３に集磁される。これにより、磁気センサ１２に加わる磁束が大きくなる。これにより、小さい電流で発生する磁場に対しても高感度で電流を検出することができる。また、本実施の形態に係る電流センサで高電流を測定する際には、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁気シールド１４に集磁され、磁気センサ１２に到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサで高電流を測定する際に、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が磁気シールド１４を通過して磁気センサ１６で検出される。このとき、磁気センサ１６への検出磁場は、集磁コア１３により集磁されない。このように、磁気センサ１２により低電流の出力が得られ、磁気センサ１６により高電流の出力が得られるので、電流検出レンジを広くすることができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る電流センサを示す内部透視平面図である。なお、図５において、図４と同じ部分については図４と同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図５に示す電流センサ１においては、一対の磁気シールド１４の内側に他の一対の集磁コア１７を設けている。この他の一対の集磁コア１７は、他の磁気センサ１６が通電方向において一対の集磁コア１３との間に位置するように配設される。すなわち、感度軸方向において一対の集磁コア１７間には、磁気センサが存在していない。したがって、本実施の形態に係る電流センサ１は、感度軸方向において間に磁気センサ１２が存在する一対の集磁コア１３と、感度軸方向において間に磁気センサが存在しない一対の集磁コア１７とを有する。これにより、実施の形態３に係る構成よりもさらに高い電流を検出することが可能になる。

本実施の形態に係る電流センサで低電流を測定する際に、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁気シールド１４に集磁され、磁気センサ１２に到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサで低電流を測定する際に、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が磁気シールド１４を通過して集磁コア１３に集磁される。これにより、磁気センサ１２に加わる磁束が大きくなる。これにより、小さい電流で発生する磁場に対しても高感度で電流を検出することができる。また、本実施の形態に係る電流センサで高電流を測定する際には、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁気シールド１４に集磁され、磁気センサ１２に到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサで高電流を測定する際に、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が磁気シールド１４を通過して磁気センサ１６で検出される。このとき、磁気センサ１６への検出磁場は、集磁コア１３により集磁されない。また、磁気センサ１６に加わる磁場は、集磁コア１３及び集磁コア１７に集磁されるため小さくなる。このため、さらに高い電流を検出することが可能となる。このように、磁気センサ１２により低電流の出力が得られ、磁気センサ１６により高電流の出力が得られるので、電流検出レンジをさらに広くすることができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５に係る電流センサを示す内部透視平面図である。なお、図６において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６に示す電流センサ１においては、一対の集磁コア１３の内側に、互いに感度軸方向が１８０度異なる２つの磁気センサ１２，１８が配設されている。すなわち、磁気センサ１２，１８は、通電方向に対して直交する方法であって、１８０度異なる（反対方向）である方向にそれぞれ感度軸を持つ。この磁気センサ１８も基板１１上の信号処理回路に電気的に接続されている。これにより、それぞれの磁気センサ１２，１８に加わる温度ドリフトをキャンセルすることができる。その結果、さらに高精度な電流検出が可能となる。

本実施の形態に係る電流センサに、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁気シールド１４に集磁され、磁気センサ１２，１８に到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサに、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が磁気シールド１４を通過して集磁コア１３に集磁される。これにより、磁気センサ１２，１８に加わる磁束が大きくなる。これにより、小さい電流で発生する磁場に対しても高感度で電流を検出することができる。また、磁気センサ１２，１８の出力の差分をとることにより、感度を向上させることができ、温度ドリフトをキャンセルすることができる。このように、本実施の形態に係る電流センサにおいても、感度軸方向に対して直交する方向（通電方向）の磁界の影響を排除しつつ、さらに感度を上げることができ、低電流まで精度よく検出することができる。

（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６に係る電流センサを示す内部透視平面図である。なお、図７において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７に示す電流センサは、一対の電流センサ１ａ，１ｂを、導体２を挟んで対向して配設されてなるものである。すなわち、図７に示す電流センサは、基板１１ａ上に磁気センサ１２ａ、一対の集磁コア１３ａ、及び一対の磁気シールド１４ａを備え、筺体１０ａでパッケージングされた電流センサ１ａと、基板１１ｂ上に磁気センサ１２ｂ、一対の集磁コア１３ｂ、及び一対の磁気シールド１４ｂを備え、筺体１０ｂでパッケージングされた電流センサ１ｂとが、それぞれスペーサ３ａ，３ｂを介して導体２上に配設されている。そして、筺体１０ａ，１０ｂがボルト１９で固定されている。この場合において、電流センサ１ａの磁気センサ１２ａと電流センサ１ｂの磁気センサ１２ｂはそれぞれ信号処理回路に電気的に接続されている。また、一対の電流センサ１ａ，１ｂにおける磁気センサ１２ａ，１２ｂの感度軸方向が互いに同じである。この構成によれば、感度軸方向の外部磁場（地磁気などの外乱磁界）をキャンセルすることができるので、より高精度な電流検出が可能となる。

本実施の形態に係る電流センサ１ａ，１ｂに、通電方向と同じ方向（感度軸方向に直交する方向）の外部磁場が加わると、外部磁場は磁気シールド１４ａ，１４ｂに集磁され、磁気センサ１２ａ，１２ｂに到達することが防止される。一方、本実施の形態に係る電流センサに、感度軸方向の検出磁場（電流により発生する磁場）が加わると、検出磁場が磁気シールド１４ａ，１４ｂを通過して集磁コア１３ａ，１３ｂに集磁される。これにより、磁気センサ１２ａ，１２ｂに加わる磁束が大きくなる。これにより、小さい電流で発生する磁場に対しても高感度で電流を検出することができる。また、磁気センサ１２ａ，１２ｂの出力の差分をとることにより、地磁気などの外乱磁界をキャンセルすることができ、検出精度を向上させることができる（図８参照）。このように、本実施の形態に係る電流センサにおいても、感度軸方向に対して直交する方向（通電方向）の磁界の影響を排除しつつ、さらに感度を上げることができ、低電流まで精度よく検出することができる。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
図１に示す構成の電流センサ（実施例）について、感度軸方向に直交する方向の１ｍＴの外乱磁場がある環境下において、１００Ａの電流を導体２に通電したときの感度と、外乱磁場影響について調べた。その結果を表２に示す。また、図１に示す構成において磁気シールド１４を設けない電流センサ（比較例）について、実施例と同様にして感度及び外乱磁場影響について調べた。その結果を表２に併記する。

表２から分かるように、実施例の電流センサによれば、外部磁場による誤差を低減することができた。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、電気自動車やソーラー電池などの電流検出用の電流センサに適用することが可能である。

１，１ａ，１ｂ電流センサ
２導体
３，３ａ，３ｂスペーサ
１０，１０ａ，１０ｂ筺体
１１，１１ａ，１１ｂ基板
１２，１２ａ，１２ｂ，１６，１８磁気センサ
１３，１３ａ，１３ｂ，１７集磁コア
１４，１４ａ，１４ｂ磁気シールド
１５磁性層
１５ａ延在部
１５ｂ延出部
１９ボルト

Claims

電流を通電する導体の近傍に配設され、電流の通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ磁気センサと、前記感度軸方向において前記磁気センサの外側に配置された一対の集磁コアと、前記集磁コアより外側に配設され、前記通電方向に延在する一対の磁気シールドと、を具備し、
前記集磁コアと前記磁気シールドとが一体的に形成されていることを特徴とする電流センサ。
前記一対の磁気シールドの内側であって、前記感度軸方向において集磁コアを有しないで配設され、前記通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ他の磁気センサを具備することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
電流を通電する導体の近傍に配設され、電流の通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ磁気センサと、前記感度軸方向において前記磁気センサの外側に配置された一対の集磁コアと、前記集磁コアより外側に配設され、前記通電方向に延在する一対の磁気シールドと、
前記一対の磁気シールドの内側であって、前記感度軸方向において集磁コアを有しないで配設され、前記通電方向に対して直交する方向に感度軸を持つ他の磁気センサと、を具備し、
前記一対の磁気シールドの内側に他の一対の集磁コアを設け、前記他の一対の集磁コアは、前記他の磁気センサが前記通電方向において前記一対の集磁コアとの間に位置するように配設されることを特徴とする電流センサ。
前記磁気センサ及び／又は前記他の磁気センサは、互いに感度軸方向が１８０度異なる２つの磁気センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流センサ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の一対の電流センサが、導体を挟んで対向して配設され、前記一対の電流センサにおける磁気センサの感度軸方向が互いに同じであることを特徴とする電流センサ。