JP6361740B2

JP6361740B2 - 電流センサ

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Publication number: JP6361740B2
Application number: JP2016558966A
Authority: JP
Inventors: 川浪　崇; 崇川浪; 仁志坂口; 清水　康弘; 康弘清水
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
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Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2018-07-25
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Description

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。

電流センサの構成を開示した先行文献として、特開２０１１−１４９８２７号公報(特許文献１)、特開２０１２−１１７８３９号公報(特許文献２)、特開２０１０−２２７７号公報(特許文献３)、特開２０１３−１７１０１３号公報(特許文献４)、および、特開２０１０−２２３９２９号公報(特許文献５)がある。

特許文献１に記載された電流センサは、磁界センサと、被測定体としての電路を構成する一次導体に対して所定の位置関係を維持するように磁界センサを保持する第１のケース部と、第１のケース部に相対向して配置され、電路を囲むように保持する第２のケース部とを具備している。第１および第２のケース部は、それぞれ断面コの字状の磁性材料からなる第１および第２のシールド部材を有している。第１および第２のシールド部材は、電路と磁界センサとを覆うように相対向して配置され、その先端部は対向を避けてずらして配置されている。第１および第２のシールド部材の重なりを変化させるように、第２のケース部は第１のケース部に対して移動可能である。

特許文献２に記載された電流センサは、超常磁性体で形成された第１のシールド部材と、第１のシールド部材の外側を取り囲むように軟磁性体で形成された第２のシールド部材とを備える。

特許文献３に記載された電流センサは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各々について、バスバーと、絶縁基板と、磁気検出素子としてのホールＩＣと、磁気シールド体とを備える。磁気シールド体は、上側磁気シールド部材および下側磁気シールド部材によって、バスバーと絶縁基板とホールＩＣとを環状に囲む環状囲み部を構成することで、外部磁界から磁気遮蔽するものである。上側磁気シールド部材および下側磁気シールド部材の間に空隙が形成されている。空隙の高さ方向の位置は、バスバーの高さ方向の位置と同じまたは近傍であり、バスバーの側面と対向する部分に空隙が位置している。ホールＩＣはバスバーの中央部の上方に配置されている。

特許文献４に記載された電流センサは、バスバーと、２つの空隙を介して相互に対向する２つの磁性体と、２つの磁性体の間であって空隙を除く位置に設けられ、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感磁素子と、バスバーに流れる電流によって発生する磁界が印加され、当該磁界の変化に応じた誘導起電力を発生する導体部とを備える。

特許文献５に記載された電流センサは、磁気コアと、ギャップ部に設置される少なくとも一つの磁電変換素子と、磁電変換素子に接続するセンサ回路部とを備える。磁気コアは、少なくとも１枚の板状の磁性材が略環状に屈曲させられて磁性材の端部間に設けられた空隙による１つのギャップ部により磁気回路が形成された構造を有する。磁性材の両端部は、互いに所定の距離かつ所定の面積をもって対向してギャップ部を形成する。少なくとも一つの端部の対向面は、凸状に加工されている。

特開２０１１−１４９８２７号公報特開２０１２−１１７８３９号公報特開２０１０−２２７７号公報特開２０１３−１７１０１３号公報特開２０１０−２２３９２９号公報

特許文献１，３，４に記載された電流センサにおいては、磁気シールドに設けられた空隙が、外部磁界に対して遮蔽されていない。そのため、磁気シールドに設けられた空隙から外部磁界が侵入して、電流センサに測定誤差が生じる可能性がある。

特許文献２に記載された電流センサにおいては、第１のシールド部材に磁気ギャップが設けられていないため、電流センサの測定対象の電流により発生した磁界によって第１のシールド部材が磁気飽和する可能性がある。第１のシールド部材が磁気飽和した場合、第２のシールド部材の残留磁化によって発生する磁界の影響により、測定対象の電流の値０Ａの状態においてもセンサ出力が発生し、測定誤差が生じる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、残留磁化により発生する磁界および外部磁界による測定誤差を低減できる電流センサを提供することを目的とする。

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少なくとも１つの磁気センサと、１次導体および磁気センサの周りを囲む第１磁性体部と、第１磁性体部の周りを囲む第２磁性体部とを備える。第１磁性体部は、空隙が設けられており、この空隙により周方向において不連続となった筒形状を有する。

本発明の一形態においては、第２磁性体部は、空隙が設けられており、この空隙により周方向において不連続となった筒形状を有する。

本発明の一形態においては、第２磁性体部は、全周に亘って繋がった筒形状を有する。
本発明の一形態においては、第１磁性体部は、少なくとも１つの第１磁性体部材で構成されている。第２磁性体部は、少なくとも１つの第２磁性体部材で構成されている。第２磁性体部材を構成する材料の初透磁率は、第１磁性体部材を構成する材料の初透磁率より高い。

本発明の一形態においては、第２磁性体部材が、第１磁性体部材より薄い。
本発明の一形態においては、１次導体は、平板形状を有する。磁気センサは、１次導体の厚さ方向および上記電流が流れる方向の両方と直交する方向の磁界を検出可能とされている。

本発明の一形態においては、磁気センサは、１次導体の幅方向における中央部の、１次導体の厚さ方向における一方側および他方側の少なくとも一方に配置されている。

本発明の一形態においては、電流センサは、磁気センサとして第１磁気センサと第２磁気センサとを備える。第１磁気センサと第２磁気センサとは、１次導体を挟んで互いに対向して位置している。

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。

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。

本発明によれば、残留磁化により発生する磁界および外部磁界による電流センサの測定誤差を低減できる。

本発明の実施形態１に係る電流センサの外観を示す斜視図である。図１の電流センサを矢印ＩＩ方向から見た側面図である。図２の電流センサをＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る電流センサの回路基板の外観を示す斜視図である。本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。比較例１に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。実施例１に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。実施例１に係る１次導体の周囲に発生する磁界を模式的に示す断面図である。比較例１および実施例１に係る１次導体の幅方向の中央部の直上または直下に位置する基準線上における、１次導体の表面または裏面からの距離と１次導体の幅方向(Ｘ軸方向)の磁束密度との関係を示すグラフである。磁気抵抗素子に作用する磁束密度と磁気抵抗素子の出力電圧との関係を示すグラフである。磁性材料の比透磁率と磁界の強さとの関係を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す断面図である。本発明の実施形態３に係る電流センサの構成を示す断面図である。本発明の実施形態４に係る電流センサにおいて、プリント基板および磁性体部材を１次導体に対して取り付けた状態を示す断面図である。本発明の実施形態４に係る電流センサにおいて、プリント基板および磁性体部材を１次導体に対して取り付ける前の状態を示す断面図である。本発明の実施形態５に係る電流センサの構成を示す断面図である。本発明の実施形態６に係る電流センサの構成を示す断面図である。本発明の実施形態７に係る電流センサの構成を示す断面図である。本発明の実施形態８に係る電流センサの構成を示す断面図である。

以下、本発明の各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。

(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外観を示す斜視図である。図２は、図１の電流センサを矢印ＩＩ方向から見た側面図である。図３は、図２の電流センサをＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、本発明の実施形態１に係る電流センサの構成を示す分解斜視図である。図５は、本発明の実施形態１に係る電流センサの回路基板の外観を示す斜視図である。図６は、本発明の実施形態１に係る電流センサの回路構成を示す回路図である。図１〜３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。

図１〜６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と、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界の強さを検出する２つの磁気センサとを備える。２つの磁気センサは、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂから構成されている。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、これに限られず、少なくとも１つの磁気センサを備えていればよい。

さらに、電流センサ１００は、１次導体１１０および２つの磁気センサの周りを囲む第１磁性体部１７０と、第１磁性体部１７０の周りを囲む第２磁性体部１８０とを備える。第１磁性体部１７０は、空隙１７３が設けられており、空隙１７３により周方向において不連続となった筒形状を有する。

本実施形態においては、第１磁性体部１７０は、２つの第１磁性体部材１７１，１７２から構成されている。ただし、第１磁性体部１７０の構成は上記に限られず、少なくとも１つの第１磁性体部材で構成されていればよい。２つの第１磁性体部材１７１，１７２は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、互いの端部同士の間に空隙１７３が設けられた矩形形状を成し、１次導体１１０および２つの磁気センサの周りを囲んでいる。具体的には、２つの第１磁性体部材１７１，１７２は、後述する、第１回路基板１６０ａ、第２回路基板１６０ｂ、および、第１回路基板１６０ａと第２回路基板１６０ｂとに挟まれた部分の１次導体１１０に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。

本実施形態においては、第２磁性体部１８０は、全周に亘って繋がった筒形状を有する。第２磁性体部１８０は、１つの第２磁性体部材で構成されている。ただし、第２磁性体部１８０の構成は上記に限られず、少なくとも１つの第２磁性体部材で構成されていればよい。第２磁性体部材は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、矩形形状を成し、２つの第１磁性体部材１７１，１７２に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。

１次導体１１０、第１回路基板１６０ａ、第２回路基板１６０ｂ、２つの第１磁性体部材１７１，１７２、および、第２磁性体部材の各々の相対位置は、図示しないケースなどにより維持されている。ケースは、ポリフェニレンスルファイドなどの高温耐性を有するエンジニアリングプラスティックなどで形成されていることが好ましい。第１回路基板１６０ａおよび第２回路基板１６０ｂの各々とケースとをネジにより締結する場合には、磁場の乱れが生じないように、非磁性材料からなるネジで締結されていることが好ましい。

以下、各構成について詳細に説明する。
本実施形態においては、１次導体１１０は、平板形状を有している。１次導体１１０は、１次導体１１０の表面から裏面まで貫通した１つの貫通部を有している。具体的には、１次導体１１０の幅方向における中央部に、平面視にて円形の貫通孔１１０ｈが設けられている。電流は、１次導体１１０をＹ軸方向に流れる。

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、アルミニウムなどの金属またはこれらの金属を含む合金でもよい。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、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。

本実施形態においては、薄板をプレス加工することにより１次導体１１０が形成されている。ただし、１次導体１１０の形成方法はこれに限られず、切削、鍛造または鋳造などの方法によって１次導体１１０が形成されてもよい。

本実施形態においては、第１磁気センサ１２０ａは、第１オペアンプ１４０ａおよび第１受動素子１５０ａとともに第１プリント基板１３０ａに実装されている。第１磁気センサ１２０ａは、第１プリント基板１３０ａの中央に配置されている。第１磁気センサ１２０ａ、第１プリント基板１３０ａ、第１オペアンプ１４０ａおよび第１受動素子１５０ａは、第１回路基板１６０ａを構成している。第１プリント基板１３０ａは、ガラスエポキシまたはアルミナからなる基板、および、基板上に銅箔などの金属箔がパターニングされて形成された配線を含む。第１回路基板１６０ａには、第１磁気センサ１２０ａからの信号を演算する演算回路が構成されている。

第２磁気センサ１２０ｂは、第２オペアンプ１４０ｂおよび第２受動素子１５０ｂとともに第２プリント基板１３０ｂに実装されている。第２磁気センサ１２０ｂは、第２プリント基板１３０ｂの中央に配置されている。第２磁気センサ１２０ｂ、第２プリント基板１３０ｂ、第２オペアンプ１４０ｂおよび第２受動素子１５０ｂは、第２回路基板１６０ｂを構成している。第２プリント基板１３０ｂは、ガラスエポキシまたはアルミナからなる基板、および、基板上に銅箔などの金属箔がパターニングされて形成された配線を含む。第２回路基板１６０ｂには、第２磁気センサ１２０ｂからの信号を演算する演算回路が構成されている。

第１回路基板１６０ａは、１次導体１１０の表面上に載置されている。第１磁気センサ１２０ａは、第１プリント基板１３０ａを１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直上に位置している。第２回路基板１６０ｂは、１次導体１１０の裏面上に配置されている。第２磁気センサ１２０ｂは、第２プリント基板１３０ｂを１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直下に位置している。

すなわち、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとは、１次導体１１０を挟んで互いに反対側に位置している。第１磁気センサ１２０ａは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における中央部の、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)における一方側(上方側)に配置されている。第２磁気センサ１２０ｂは、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における中央部の、１次導体１１０の厚さ方向(Ｚ軸方向)における他方側(下方側)に配置されている。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸の方向(感磁方向)は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)である。すなわち、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(Ｚ軸方向)および１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)の両方と直交する方向(Ｘ軸方向)の磁界を検出可能とされている。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、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、入出力特性を有している。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、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。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。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の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ＡＭＲ素子は、バーバーポール型電極を含むことにより、所定の角度に電流が流れるようにバイアスされている。第１磁気センサ１２０ａのＡＭＲ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ＡＭＲ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。

図６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を流れる電流の値を算出する算出部１９０を備える。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。

図１，３，４に示すように、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材１７１，１７２は、それぞれＬ字形状を有する。第１磁性体部材１７１，１７２の各々は、第１板状部と、第１板状部に直交している第２板状部とを有している。第１磁性体部材１７１，１７２の各々の第１板状部と１次導体１１０とは、互いに平行に位置している。

２つの空隙１７３の各々は、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)において、第１磁性体部１７０の一端から他端まで延在している。２つの空隙１７３の各々は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材１７１，１７２が成す矩形形状の対角に位置している。１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材１７１，１７２が成す矩形形状の中心位置と、１次導体１１０の貫通孔１１０ｈの位置とは重なっている。

第１磁性体部材１７１，１７２の各々は、ＰＢパーマロイで構成されている。第２磁性体部材は、ＰＣパーマロイで構成されている。ＰＢパーマロイは、Ｎｉ成分を約４５％含み、残部が主にＦｅ成分である合金である。ＰＣパーマロイはＮｉ成分を約８０％含み、残部が主にＦｅ成分である合金である。第２磁性体部材を構成する材料の初透磁率が、第１磁性体部材１７１，１７２の各々を構成する材料の初透磁率より高い方が好ましい。第１磁性体部材１７１，１７２および第２磁性体部材の各々の材料としては、上記に限られず、軟鉄鋼、ケイ素鋼、電磁鋼、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が好ましい。

本実施形態においては、第２磁性体部材は、第１磁性体部材１７１，１７２の各々より薄い。ただし、第２磁性体部材は、第１磁性体部材１７１，１７２の各々と同等以上に厚くてもよい。

本実施形態においては、薄板をプレス加工することにより第１磁性体部材１７１，１７２および第２磁性体部材の各々が形成されている。ただし、第１磁性体部材１７１，１７２および第２磁性体部材の各々の形成方法はこれに限られず、切削、鍛造または鋳造などの方法によって第１磁性体部材１７１，１７２および第２磁性体部材の各々が形成されてもよい。

第１磁性体部材１７１，１７２と第２磁性体部材との間の隙間は、比透磁率が１に近い材料で満たされていることが好ましい。具体的には、樹脂、無機物、セラミックス、若しくはこれらの複合材料、または空気などで、上記隙間が満たされていることが好ましい。樹脂では、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、液晶ポリマー、ポリアミド系樹脂、エポキシ樹脂、または、フェノール樹脂などを用いることができる。無機物では、ガラスなどを用いることができる。セラミックスでは、アルミナまたはステアタイトなどを用いることができる。

ここで、貫通部を有さない比較例１の１次導体１１０、および、貫通孔１１０ｈが設けられた実施例１の１次導体１１０について、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)における中央部の直上または直下の位置における、１次導体１１０の表面１１０ｓまたは裏面１１０ｔからの距離と磁束密度との関係をシミュレーション解析した結果について説明する。

図７は、比較例１に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。図８は、実施例１に係る１次導体の横断面形状を示す断面図である。図７，８に示すように、比較例１および実施例１において、１次導体１１０の横断面の外形は、幅３０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとした。実施例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部に、直径２ｍｍの貫通孔１１０ｈを設けた。比較例１および実施例１において、１次導体１１０を流れる電流の値を１００Ａとして、図７，８に示すように、１次導体１１０の幅方向の中央部の直上または直下に位置する基準線１上における磁束密度分布をシミュレーション解析により算出した。なお、比較例１および実施例１においては、第１磁性体部材１７１，１７２および第２磁性体部材は配置していない。

図９は、実施例１に係る１次導体の周囲に発生する磁界を模式的に示す断面図である。図９においては、図８と同一の断面視にて図示している。図１０は、比較例１および実施例１に係る１次導体の幅方向の中央部の直上または直下に位置する基準線上における、１次導体の表面または裏面からの距離と１次導体の幅方向(Ｘ軸方向)の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１次導体１１０の表面１１０ｓまたは裏面１１０ｔからの距離(ｍｍ)を示している。また、図１０においては、実施例１に係る１次導体１１０のデータを実線で、比較例１に係る１次導体１１０のデータを点線で示している。

図９に示すように、いわゆる右ねじの法則によって、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により磁界１１０ｅが発生する。同様に、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により磁界１１０ｅが発生する。

１次導体１１０の幅方向の中央部の直上に位置する基準線１上においては、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＺ軸方向の磁束密度ＬＺと、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＺ軸方向の磁束密度ＲＺとが、打ち消し合う。一方、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＸ軸方向の磁束密度ＬＸと、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＸ軸方向の磁束密度ＲＸとが、組み合わされる。

１次導体１１０の幅方向の中央部の直下に位置する基準線１上においては、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＺ軸方向の磁束密度ＬＺと、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＺ軸方向の磁束密度ＲＺとが、打ち消し合う。一方、貫通孔１１０ｈの左側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＸ軸方向の磁束密度ＬＸと、貫通孔１１０ｈの右側に位置する１次導体１１０を流れる電流１０により発生した磁界１１０ｅによるＸ軸方向の磁束密度ＲＸとが、組み合わされる。

図１０に示すように、比較例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離が大きくなるに従って低下している。一方、実施例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離が４ｍｍに到達するまでは距離が大きくなるに従って増加し、１次導体１１０の表面１１０ｓから４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の位置においては略一定になっている。

実施例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の表面１１０ｓからの距離に関わらず、比較例に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直上に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度より低くなっている。これは、貫通孔１１０ｈの部分に、電流が流れていないためである。

同様に、比較例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直下に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の裏面１１０ｔからの距離が大きくなるに従って低下している。一方、実施例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直下に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の裏面１１０ｔからの距離が４ｍｍに到達するまでは距離が大きくなるに従って増加し、１次導体１１０の裏面１１０ｔから４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の位置においては略一定になっている。

実施例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直下に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度は、１次導体１１０の裏面１１０ｔからの距離に関わらず、比較例に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直下に位置する基準線１上におけるＸ軸方向の磁束密度より低くなっている。これは、貫通孔１１０ｈの部分に、電流が流れていないためである。

このシミュレーション解析の結果から分かるように、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を、１次導体１１０の貫通孔１１０ｈの直上の位置に配置することにより、第１磁気センサ１２０ａに作用する磁束密度を低減することができる。よって、１次導体１１０に大電流が流れた場合においても、第１磁気センサ１２０ａの磁気抵抗素子が磁気飽和することを抑制することができる。

同様に、第２磁気センサ１２０ｂを、１次導体１１０の貫通孔１１０ｈの直下の位置に配置することにより、第２磁気センサ１２０ｂに作用する磁束密度を低減することができる。よって、１次導体１１０に大電流が流れた場合においても、第２磁気センサ１２０ｂの磁気抵抗素子が磁気飽和することを抑制することができる。

図１１は、磁気抵抗素子に作用する磁束密度と磁気抵抗素子の出力電圧との関係を示すグラフである。図１１においては、縦軸に磁気抵抗素子の出力電圧、横軸に磁気抵抗素子に作用する磁束密度を示している。

図１１に示すように、磁気抵抗素子が磁気飽和していない第１領域Ｔ₁においては、磁気抵抗素子に作用する磁束密度の増加に比例して磁気抵抗素子の出力電圧が増加する。磁気抵抗素子が磁気飽和している第２領域Ｔ₂においては、磁気抵抗効果素子に作用する磁束密度が増加しても磁気抵抗素子の出力電圧はほとんど増加しない。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、複雑な回路によらずに１次導体１１０に貫通孔１１０ｈを設けた簡易な構造で磁気抵抗素子に作用する磁束密度を低減することにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂを第１領域Ｔ₁にて動作させることができる。その結果、電流センサ１００の入力ダイナミックレンジを拡大させることができ、電流センサ１００によって大電流を正確に測定することが可能となる。

また、第１磁気センサ１２０ａを１次導体１１０の貫通孔１１０ｈの直上の位置に配置し、第２磁気センサ１２０ｂを１次導体１１０の貫通孔１１０ｈの直下の位置に配置することにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に作用するＸ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ１００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

上記のように、実施例１に係る１次導体１１０の幅方向の中央部の直上または直下に位置する基準線１上において、１次導体１１０の表面１１０ｓまたは裏面１１０ｔから４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の位置は、Ｘ軸方向の磁束密度が略一定になっているロバスト領域である。

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が、第１プリント基板１３０ａを１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直上に位置していることにより第１磁気センサ１２０ａがロバスト領域内に位置している。すなわち、第１磁気センサ１２０ａがロバスト領域内に位置するように、第１プリント基板１３０ａの厚さを適宜設定している。

同様に、電流センサ１００においては、第２磁気センサ１２０ｂが、第２プリント基板１３０ｂを１次導体１１０との間に挟んで、貫通孔１１０ｈの直下に位置していることにより第２磁気センサ１２０ｂがロバスト領域内に位置している。すなわち、第２磁気センサ１２０ｂがロバスト領域内に位置するように、第２プリント基板１３０ｂの厚さを適宜設定している。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々をロバスト領域内に位置させることにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを安定して抑制できる。その結果、電流センサ１００によって被測定電流の大きさをさらに安定して測定することができる。なお、１次導体１１０に貫通孔１１０ｈを設ける代わりに、絞り加工などにより凹部を設けた場合にも同様にロバスト領域を形成することができる。

図９に示すように、第１磁気センサ１２０ａに作用するＸ軸方向の磁束の向きと、第２磁気センサ１２０ｂに作用するＸ軸方向磁束の向きとが反対であるため、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。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に送信される。

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。その結果、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。

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と第２磁気センサ１２０ｂとの間に、１次導体１１０、第１プリント基板１３０ａ、および第２プリント基板１３０ｂ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。

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。

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、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。

本実施形態の変形例として、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。

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。

本変形例においては、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。

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、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。

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。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、上記のように、第１磁性体部材１７１，１７２の各々はＰＢパーマロイで構成され、第２磁性体部材はＰＣパーマロイで構成されている。図１２は、磁性材料の比透磁率と磁界の強さとの関係を示すグラフである。図１２においては、縦軸に磁性材料の比透磁率、横軸に磁界の強さを示している。磁性材料の磁気シールドとしての効果は、磁性材料の透磁率が高いほど大きくなる。図１２に示すように、磁界の強さが１．０(Ｏｅ)程度であるとき、ＰＢパーマロイおよびＰＣパーマロイは、軟鉄鋼および電磁鋼と同程度の比透磁率まで低下する。よって、上記の算出部１９０によって外部磁界源からの磁界をほとんど検出されなくすることにより、外部磁界の強さに関わらず外部磁界の影響を低減することができる。

図１，３に示すように、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の各々は、第１磁性体部１７０および第２磁性体部１８０によって周りを２重に囲まれているため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に誤差要因である外部磁界が到達することを確実に抑制できる。その結果、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、不要な外部磁界を検知しないようにすることができる。すなわち、第１磁性体部１７０および第２磁性体部１８０の各々が、磁気シールドとして機能する。

第１磁性体部１７０に空隙１７３が設けられることにより、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって第１磁性体部１７０内を周回する磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、第１磁性体部材１７１，１７２が、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって磁気飽和することを抑制できる。これにより、第２磁性体部材の残留磁化によって発生する磁界が第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に到達することを抑制できる。また、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって、第２磁性体部材が磁気飽和することを抑制できる。

よって、本実施形態に係る電流センサ１００は、第１磁性体部１７０および第２磁性体部１８０を有することにより、ヒステリシスの増加を抑制しつつ入力と出力との線形性を確保して、測定誤差を低減することができる。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、２つの空隙１７３の各々が、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材１７１，１７２が成す矩形形状の対角に位置していることにより、第１磁性体部材１７１，１７２の残留磁化により発生する磁界による測定誤差を低減することができる。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、第２磁性体部１８０が全周に亘って繋がった筒形状を有していることにより、第２磁性体部１８０の周方向に外部磁界の侵入路となる空隙が存在しない。そのため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に誤差要因である外部磁界が到達することをより確実に抑制できる。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、第２磁性体部材を構成する材料の初透磁率が、第１磁性体部材１７１，１７２の各々を構成する材料の初透磁率より高いため、外部磁界を効果的に遮蔽することができる。

本実施形態に係る電流センサ１００においては、第２磁性体部材は、第１磁性体部材１７１，１７２の各々より薄いため、電流センサ１００が小型および軽量になり、電流センサ１００を廉価に製造可能となる。

また、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の各々をロバスト領域内に位置させることにより、電流センサ１００の組み立てに高い精度が要求されないため、電流センサ１００を容易に製造可能である。

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。なお、実施形態２に係る電流センサ２００は、第２磁性体部に空隙が設けられている点のみ実施形態１に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
図１３は、本発明の実施形態２に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１３においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。

図１３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、第２磁性体部２８０は、空隙２７３が設けられており、空隙２７３により周方向において不連続となった筒形状を有する。本実施形態においては、第２磁性体部２８０は、２つの第２磁性体部材２８１，２８２から構成されている。２つの第２磁性体部材２８１，２８２は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、互いの端部同士の間に空隙２７３が設けられた矩形形状を成し、２つの第１磁性体部材１７１，１７２に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。

図１３に示すように、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第２磁性体部材２８１，２８２は、それぞれＬ字形状を有する。第２磁性体部２８０の空隙２７３は、第１磁性体部材１７１，１７２の各々の角部１７１ｒ，１７２ｒの外側に位置している。

第２磁性体部材２８１，２８２の各々は、第３板状部と、第３板状部に直交している第４板状部とを有している。第２磁性体部材２８１，２８２の各々の第３板状部と１次導体１１０とは、互いに平行に位置している。第２磁性体部材２８１の第３板状部と、第１磁性体部材１７２の第１板状部とは、互いに間隔を置いて平行に位置している。第２磁性体部材２８２の第３板状部と、第１磁性体部材１７１の第１板状部とは、互いに間隔を置いて平行に位置している。

第２磁性体部材２８１の第４板状部と、第１磁性体部材１７１の第２板状部とは、互いに間隔を置いて平行に位置している。第２磁性体部材２８２の第４板状部と、第１磁性体部材１７２の第２板状部とは、互いに間隔を置いて平行に位置している。

２つの空隙２７３の各々は、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)において、第２磁性体部２８０の一端から他端まで延在している。２つの空隙２７３の各々は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第２磁性体部材２８１，２８２が成す矩形形状の対角に位置している。１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第２磁性体部材２８１，２８２が成す矩形形状の中心位置と、１次導体１１０の貫通孔１１０ｈの位置とは重なっている。

第２磁性体部材２８１，２８２の各々は、ＰＣパーマロイで構成されているが、第２磁性体部材２８１，２８２の各々の材料は、ＰＣパーマロイに限られず、軟鉄鋼、ケイ素鋼、電磁鋼、ＰＢ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が好ましい。

本実施形態においては、薄板をプレス加工することにより第２磁性体部材２８１，２８２の各々が形成されている。ただし、第２磁性体部材２８１，２８２の各々の形成方法はこれに限られず、切削、鍛造または鋳造などの方法によって第２磁性体部材２８１，２８２の各々が形成されてもよい。

図１３に示すように、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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、第１磁性体部１７０および第２磁性体部２８０によって周りを２重に囲まれているため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、不要な外部磁界を検知しないようにすることができる。すなわち、第１磁性体部１７０および第２磁性体部２８０の各々が、磁気シールドとして機能する。

また、第２磁性体部２８０の空隙２７３が、第１磁性体部材１７１，１７２の各々の角部１７１ｒ，１７２ｒの外側に位置していることにより、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの周りを、第１磁性体部１７０および第２磁性体部２８０によって略完全に囲むことができる。そのため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に誤差要因である外部磁界が到達することを確実に抑制できる。

本実施形態に係る電流センサ２００においては、第２磁性体部２８０に空隙２７３が設けられることにより、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界または外部磁界によって第２磁性体部２８０内を周回する磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、第２磁性体部材２８１，２８２が、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界または外部磁界によって磁気飽和することを抑制できる。これにより、第２磁性体部２８０の磁気シールドとしての機能を維持できるため、外部磁界が第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に到達することを抑制できる。

本実施形態に係る電流センサ２００においても、第１磁性体部１７０および第２磁性体部２８０を有することにより、ヒステリシスの増加を抑制しつつ入力と出力との線形性を確保して、測定誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態３に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態３に係る電流センサ３００は、１つのプリント基板に２つの磁気センサが実装されている点のみ実施形態２に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態３)
図１４は、本発明の実施形態３に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１４においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。図１４に示すように、本発明の実施形態３に係る電流センサ３００においては、プリント基板３３０ｃは、貫通孔３３０ｈに１次導体１１０を挿入された状態で保持される。すなわち、プリント基板３３０ｃは、１次導体１１０に垂直に位置している。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、差動増幅器および受動素子と共にプリント基板３３０ｃに実装されている。なお、図１４においては、差動増幅器および受動素子は図示していない。差動増幅器および受動素子は、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂが実装されているプリント基板３３０ｃとは異なるプリント基板に、実装されていてもよい。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂは、貫通孔３３０ｈを挟んで互いに反対側に位置している。第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々は、貫通孔３３０ｈに対して間隔を置いて位置している。プリント基板３３０ｃの貫通孔３３０ｈに１次導体１１０が挿入された状態において、第１磁気センサ１２０ａは貫通孔３３０ｈの直上に位置し、第２プリント基板１３０ｂは貫通孔３３０ｈの直下に位置している。すなわち、第１磁気センサ１２０ａと第２磁気センサ１２０ｂとは、１次導体１１０を挟んで互いに反対側に位置している。

本実施形態に係る電流センサ３００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、ロバスト領域内に位置している。すなわち、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂがロバスト領域内に位置するように、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々と貫通孔３３０ｈとの間隔を適宜設定している。

第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々の検出軸の方向(感磁方向)は、１次導体１１０の幅方向(Ｘ軸方向)である。本実施形態に係る電流センサ３００においても、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に作用するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の磁束密度を低減することができるため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂに加わる磁界の強度にばらつきが生ずることを抑制できる。その結果、電流センサ３００によって被測定電流の大きさを安定して測定することができる。

以下、本発明の実施形態４に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態４に係る電流センサ４００は、プリント基板および磁性体部材が１次導体に対して付け外し可能に構成されている点のみ実施形態３に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態４)
図１５は、本発明の実施形態４に係る電流センサにおいて、プリント基板および磁性体部材を１次導体に対して取り付けた状態を示す断面図である。図１６は、本発明の実施形態４に係る電流センサにおいて、プリント基板および磁性体部材を１次導体に対して取り付ける前の状態を示す断面図である。図１５，１６においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。

図１５，１６に示すように、本発明の実施形態４に係る電流センサ４００においては、第１磁性体部材１７１、第２磁性体部材２８１、および、プリント基板４３０ｃが、樹脂または接着剤などからなる第１接合部材４９１により互いに接合されて一体になっている。第１磁性体部材１７２および第２磁性体部材２８２が、樹脂または接着剤などからなる第２接合部材４９２により互いに接合されて一体になっている。

具体的には、プリント基板４３０ｃの周面と第１磁性体部材１７１の内面とが、第１接合部材４９１により互いに接合されている。互いに対向している、第１磁性体部材１７１の第２板状部の外面と第２磁性体部材２８１の第４板状部の内面とが、第１接合部材４９１により互いに接合されている。互いに対向している、第１磁性体部材１７２の第２板状部の外面と第２磁性体部材２８２の第４板状部の内面とが、第２接合部材４９２により互いに接合されている。第１接合部材４９１および第２接合部材４９２の各々が樹脂で構成されている場合には、熱溶着により上記の部材同士が接合される。

プリント基板４３０ｃの周面のうち、第１磁性体部材１７１および第２磁性体部材２８１に囲まれていな端面側から、反対側の端面に向けて貫通溝４３０ｈが設けられている。プリント基板４３０ｃと第２磁性体部材２８１の第３板状部との間には、第１磁性体部材１７２の第１板状部が挿入可能な隙間が設けられている。

プリント基板４３０ｃ、第１磁性体部材１７１，１７２および第２磁性体部材２８１，２８２を１次導体１１０に対して取り付ける際には、プリント基板４３０ｃの貫通溝４３０ｈに１次導体１１０が挿入されるように、矢印４１で示す方向にプリント基板４３０ｃ、第１磁性体部材１７１および第２磁性体部材２８１を１次導体１１０に対して接近させる。また、プリント基板４３０ｃと第２磁性体部材２８１の第３板状部との間の隙間に第１磁性体部材１７２の第１板状部が挿入されるように、矢印４２で示す方向に第１磁性体部材１７２および第２磁性体部材２８２を１次導体１１０に対して接近させる。

図１５に示すように、プリント基板４３０ｃおよび磁性体部材を１次導体１１０に対して取り付けた状態においては、プリント基板４３０ｃは、貫通溝４３０ｈに１次導体１１０を挿入された状態で保持される。すなわち、プリント基板４３０ｃは、１次導体１１０に垂直に位置している。

本実施形態においては、２つの空隙１７３および２つの空隙２７３の各々は、第１接合部材４９１および第２接合部材４９２の少なくとも一方によって埋められている。本実施形態に係る電流センサ４００においては、プリント基板４３０ｃおよび磁性体部材が１次導体１１０に対して付け外し可能に構成されているため、電流センサ４００の組み立ておよび分解が容易である。

本実施形態に係る電流センサ４００においても、２つの空隙１７３の各々が、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材１７１，１７２が成す矩形形状の対角に位置していることにより、第１磁性体部材１７１，１７２の残留磁化により発生する磁界による測定誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態５に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態５に係る電流センサ５００は、第１磁性体部の構造のみ実施形態１に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態５)
図１７は、本発明の実施形態５に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１７においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。図１７に示すように、電流センサ５００は、１次導体１１０および２つの磁気センサの周りを囲む第１磁性体部５７０と、第１磁性体部５７０の周りを囲む第２磁性体部１８０とを備える。第１磁性体部５７０は、空隙５７３が設けられており、空隙５７３により周方向において不連続となった筒形状を有する。

本実施形態においては、第１磁性体部５７０は、２つの第１磁性体部材５７１，５７２から構成されている。２つの第１磁性体部材５７１，５７２は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、互いの端部同士の間に空隙５７３が設けられた矩形形状を成し、１次導体１１０および２つの磁気センサの周りを囲んでいる。具体的には、２つの第１磁性体部材５７１，５７２は、第１回路基板１６０ａ、第２回路基板１６０ｂ、および、第１回路基板１６０ａと第２回路基板１６０ｂとに挟まれた部分の１次導体１１０に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。

１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材５７１，５７２は、それぞれＵ字形状を有する。第１磁性体部材５７１，５７２の各々は、第１板状部と、第１板状部に直交している第２板状部と、第２板状部に直交して第１板状部と対向している他の第１板状部を有している。第１磁性体部材５７１，５７２の各々の第１板状部および他の第１板状部と、１次導体１１０とは、それぞれ互いに平行に位置している。

２つの空隙５７３の各々は、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)において、第１磁性体部５７０の一端から他端まで延在している。２つの空隙５７３の各々は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第１磁性体部材５７１，５７２が成す矩形形状の互いに対向する２辺に位置している。具体的には、第１磁性体部材５７１の第１板状部と、第１磁性体部材５７２の第１板状部との間に、一の空隙５７３が形成されている。第１磁性体部材５７１の他の第１板状部と、第１磁性体部材５７２の他の第１板状部との間に、他の空隙５７３が形成されている。

図１７に示すように、本実施形態に係る電流センサ５００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、第１磁性体部５７０および第２磁性体部１８０によって周りを２重に囲まれているため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、不要な外部磁界を検知しないようにすることができる。すなわち、第１磁性体部５７０および第２磁性体部１８０の各々が、磁気シールドとして機能する。

第１磁性体部５７０に空隙５７３が設けられることにより、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって第１磁性体部５７０内を周回する磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、第１磁性体部材５７１，５７２が、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって磁気飽和することを抑制できる。これにより、第２磁性体部材の残留磁化によって発生する磁界が第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に到達することを抑制できる。また、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって、第２磁性体部材が磁気飽和することを抑制できる。

よって、本実施形態に係る電流センサ５００は、第１磁性体部５７０および第２磁性体部１８０を有することにより、ヒステリシスの増加を抑制しつつ入力と出力との線形性を確保して、測定誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態６に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態６に係る電流センサ６００は、第２磁性体部に空隙が設けられている点のみ実施形態５に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態６)
図１８は、本発明の実施形態６に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１８においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。図１８に示すように、本発明の実施形態６に係る電流センサ６００は、第２磁性体部６８０は、空隙６７３が設けられており、空隙６７３により周方向において不連続となった筒形状を有する。本実施形態においては、第２磁性体部６８０は、２つの第２磁性体部材６８１，６８２から構成されている。２つの第２磁性体部材６８１，６８２は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、互いの端部同士の間に空隙６７３が設けられた矩形形状を成し、２つの第１磁性体部材５７１，５７２に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。

図１８に示すように、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第２磁性体部材６８１，６８２は、それぞれＵ字形状を有する。第２磁性体部材６８１，６８２の各々は、第３板状部と、第３板状部に直交している第４板状部と、第４板状部に直交して第３板状部と対向している他の第３板状部を有している。第２磁性体部材６８１，６８２の各々の第３板状部および他の第３板状部と、１次導体１１０とは、それぞれ互いに平行に位置している。第２磁性体部材６８１の第４板状部と、第１磁性体部材５７１の第２板状部とは、互いに間隔を置いて平行に位置している。第２磁性体部材６８２の第４板状部と、第１磁性体部材５７２の第２板状部とは、互いに間隔を置いて平行に位置している。

２つの空隙６７３の各々は、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)において、第２磁性体部６８０の一端から他端まで延在している。２つの空隙６７３の各々は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、第２磁性体部材６８１，６８２が成す矩形形状の互いに対向する２辺に位置している。具体的には、第２磁性体部材６８１の第３板状部と、第２磁性体部材６８２の第３板状部との間に、一の空隙６７３が形成されている。第２磁性体部材６８１の他の第３板状部と、第２磁性体部材６８２の他の第３板状部との間に、他の空隙６７３が形成されている。また、第１磁性体部材５７２の第１板状部と、第２磁性体部材６８１の第３板状部とが対向している。第１磁性体部材５７２の他の第１板状部と、第２磁性体部材６８１の他の第３板状部とが対向している。

図１８に示すように、本実施形態に係る電流センサ６００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、第１磁性体部５７０および第２磁性体部６８０によって周りを２重に囲まれているため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、不要な外部磁界を検知しないようにすることができる。すなわち、第１磁性体部５７０および第２磁性体部６８０の各々が、磁気シールドとして機能する。

第２磁性体部６８０に空隙６７３が設けられることにより、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界または外部磁界によって第２磁性体部６８０内を周回する磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、第２磁性体部材６８１，６８２が、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界または外部磁界によって磁気飽和することを抑制できる。これにより、第２磁性体部６８０の磁気シールドとしての機能を維持できるため、外部磁界が第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に到達することを抑制できる。

本実施形態に係る電流センサ６００においても、第１磁性体部５７０および第２磁性体部６８０を有することにより、ヒステリシスの増加を抑制しつつ入力と出力との線形性を確保して、測定誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態７に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態７に係る電流センサ７００は、第１磁性体部の構造のみ実施形態１に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態７)
図１９は、本発明の実施形態７に係る電流センサの構成を示す断面図である。図１９においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。図１９に示すように、電流センサ７００は、１次導体１１０および２つの磁気センサの周りを囲む第１磁性体部７７０と、第１磁性体部７７０の周りを囲む第２磁性体部１８０とを備える。第１磁性体部７７０は、空隙７７３が設けられており、空隙７７３により周方向において不連続となった筒形状を有する。

本実施形態においては、第１磁性体部７７０は、１つの第１磁性体部材から構成されている。第１磁性体部材の端部同士は、間隔を置いて対向している。第１磁性体部材は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、端部同士の間に空隙７７３が設けられた矩形形状を成し、１次導体１１０および２つの磁気センサの周りを囲んでいる。具体的には、第１磁性体部材は、第１回路基板１６０ａ、第２回路基板１６０ｂ、および、第１回路基板１６０ａと第２回路基板１６０ｂとに挟まれた部分の１次導体１１０に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。空隙７７３は、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)において、第１磁性体部７７０の一端から他端まで延在している。

図１９に示すように、本実施形態に係る電流センサ７００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、第１磁性体部７７０および第２磁性体部１８０によって周りを２重に囲まれているため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、不要な外部磁界を検知しないようにすることができる。すなわち、第１磁性体部７７０および第２磁性体部１８０の各々が、磁気シールドとして機能する。

第１磁性体部７７０に空隙７７３が設けられることにより、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって第１磁性体部７７０内を周回する磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、第１磁性体部材が、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって磁気飽和することを抑制できる。これにより、第２磁性体部材の残留磁化によって発生する磁界が第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に到達することを抑制できる。また、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界によって、第２磁性体部材が磁気飽和することを抑制できる。

よって、本実施形態に係る電流センサ７００は、第１磁性体部７７０および第２磁性体部１８０を有することにより、ヒステリシスの増加を抑制しつつ入力と出力との線形性を確保して、測定誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態８に係る電流センサについて説明する。なお、実施形態８に係る電流センサ８００は、第２磁性体部に空隙が設けられている点のみ実施形態７に係る電流センサと異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態８)
図２０は、本発明の実施形態８に係る電流センサの構成を示す断面図である。図２０においては、図３と同様の方向から電流センサを見た断面視にて図示している。図２０に示すように、本発明の実施形態８に係る電流センサ８００は、第２磁性体部８８０は、空隙８７３が設けられており、空隙８７３により周方向において不連続となった筒形状を有する。本実施形態においては、第２磁性体部８８０は、１つの第２磁性体部材から構成されている。第２磁性体部材の端部同士は、間隔を置いて対向している。第２磁性体部材は、１次導体１１０を流れる電流が流れる方向(Ｙ軸方向)から見て、互いの端部同士の間に空隙８７３が設けられた矩形形状を成し、第１磁性体部材に対して間隔を置いて周りを囲んでいる。空隙８７３は、１次導体１１０を電流が流れる方向(Ｙ軸方向)において、第２磁性体部８８０の一端から他端まで延在している。

図２０に示すように、本実施形態に係る電流センサ８００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、第１磁性体部７７０および第２磁性体部８８０によって周りを２重に囲まれているため、第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂ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１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々が、不要な外部磁界を検知しないようにすることができる。すなわち、第１磁性体部７７０および第２磁性体部８８０の各々が、磁気シールドとして機能する。

第２磁性体部８８０に空隙８７３が設けられることにより、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界または外部磁界によって第２磁性体部８８０内を周回する磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、第２磁性体部材が、１次導体１１０を流れる電流により発生する磁界または外部磁界によって磁気飽和することを抑制できる。これにより、第２磁性体部８８０の磁気シールドとしての機能を維持できるため、外部磁界が第１磁気センサ１２０ａおよび第２磁気センサ１２０ｂの各々に到達することを抑制できる。

本実施形態に係る電流センサ８００においても、第１磁性体部７７０および第２磁性体部８８０を有することにより、ヒステリシスの増加を抑制しつつ入力と出力との線形性を確保して、測定誤差を低減することができる。

今回開示された実施形態および実施例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。

１基準線、１０電流、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００電流センサ、１１０１次導体、１１０ｅ磁界、１１０ｈ，３３０ｈ貫通孔、１１０ｓ表面、１１０ｔ裏面、１２０ａ第１磁気センサ、１２０ｂ第２磁気センサ、１３０ａ第１プリント基板、１３０ｂ第２プリント基板、１４０ａ第１オペアンプ、１４０ｂ第２オペアンプ、１５０ａ第１受動素子、１５０ｂ第２受動素子、１６０ａ第１回路基板、１６０ｂ第２回路基板、１７０，５７０，７７０第１磁性体部、１７１，１７２，５７１，５７２第１磁性体部材、１７１ｒ，１７２ｒ角部、１７３，２７３，５７３，６７３，７７３，８７３空隙、１８０，２８０，６８０，８８０第２磁性体部、１９０算出部、２８１，２８２，６８１，６８２第２磁性体部材、３３０ｃ，４３０ｃプリント基板、４３０ｈ貫通溝、４９１第１接合部材、４９２第２接合部材、ＩＣホール、ＬＸ，ＬＺ，ＲＸ，ＲＺ磁束密度、Ｔ₁ 第１領域、Ｔ₂ 第２領域。

Claims

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少なくとも１つの磁気センサと、
前記１次導体および前記磁気センサの周りを囲む第１磁性体部と、
前記第１磁性体部の周りを囲む第２磁性体部とを備え、
前記第１磁性体部は、空隙が設けられており、該空隙により周方向において不連続となった筒形状を有し、
前記第２磁性体部は、全周に亘って繋がった筒形状を有する、電流センサ。
前記第１磁性体部は、少なくとも１つの第１磁性体部材で構成され、
前記第２磁性体部は、１つの第２磁性体部材で構成され、
前記第２磁性体部材を構成する材料の初透磁率は、前記第１磁性体部材を構成する材料の初透磁率より高い、請求項１に記載の電流センサ。
前記第２磁性体部材が、前記第１磁性体部材より薄い、請求項２に記載の電流センサ。
前記１次導体は、平板形状を有し、
前記磁気センサは、前記１次導体の厚さ方向および前記電流が流れる方向の両方と直交する方向の磁界を検出可能とされている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記磁気センサは、前記１次導体の幅方向における中央部の、前記１次導体の厚さ方向における一方側および他方側の少なくとも一方に配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記磁気センサとして第１磁気センサと第２磁気センサとを備え、
前記第１磁気センサと前記第２磁気センサとは、前記１次導体を挟んで互いに対向して位置している、請求項１から５のいずれか１項に記載の電流センサ。
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６に記載の電流センサ。
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６に記載の電流センサ。