JP2002107385A

JP2002107385A - 電流センサ

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Publication number: JP2002107385A
Application number: JP2000304156A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sano; 寛幸佐野; Kimihiro Iritono; 公浩入戸野; Yasuo Itatsu; 康雄板津; Kazuhiko Ueno; 一彦上野; Takuya Kazama; 拓也風間
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2002-04-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】一次導体の中央部に小窓を開口し、ＭＩ素子を
中心部に置くと中心部では磁界が、零であるためＭＩ素
子の置く位置精度により磁場測定が正負にばらつき、測
定誤差が大きくなり、センサ設置位置に高精度を要す
る。【解決手段】本発明は、一次導体１と二次導体１’の中
央部に切り欠きを設け且つ一次導体１と二次導体１’を
一体化し、小窓２を開口部とし設け、検出感度方向の異
なる一対の薄膜ＭＩ素子３、３’からなる磁気センサを
小窓２内に設けた。一次導体１と二次導体１’からなる
導体に大電流が流れても、小窓２内には、微小磁場領域
であり薄膜ＭＩ素子３、３’の検出感度には最適であ
る。更に、微小磁場勾配に外乱ノイズや熱ドリフトをキ
ャンセルする事この一方の磁気センサ３と、他方の磁気
センサ３’を夫々異なる方向に検出感度を持つように配
置することにより、簡単な検出回路４、４’の出力のセ
ンサ値の差をとることで電流出力６が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気インピーダンス素
子（以下ＭＩ素子）を用いた電流センサに関するもの
で、特に過電流が流れても大丈夫な車載用の電流検出に
おいて、特に高感度で広範囲に渡って検出磁界をえられ
るＭＩ素子を用いた電流センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のオートブレーカでは、主回路の通
電導体を一次導体としてここに鉄心に二次コイルを巻回
した通常の変流器を採用して電流検出を行っている。こ
れらの配線用しゃ断器，漏電しゃ断器などのオートブレ
ーカは、市場要求として小形、コンパクト化された製品
が求められており、この要望に沿って各種部品の小形
化、部品の配置などを改良するなどして外形寸法の縮小
化を進めているがこれには限界がある。

【０００３】一方、各種の磁気センサが開発され、その
応用例としてホール素子、磁気抵抗素子などを使用し、
一次導体に流れる電流をその電流に比例した磁界強度の
形で計測する磁気センサ式変流器なども知られている。

【０００４】しかも、これら磁気センサは通常の変流器
に比べて比較にならない程の超小形であり、この磁気セ
ンサ式変流器を通常の変流器に置き換えて採用すれば、
前記したオートブレーカの小形、コンパクト化を推進す
る上で大いに期待される。

【０００５】しかしながら、配線用しゃ断器，漏電しゃ
断器などのオートブレーカは、フレームによって定格電
流が最小５Ａから最大６０００Ａ程度まで広範囲に系列
化されており、電子式オートブレーカでは定格電流を複
数段階に調整することが可能である。これに対して、前
記したホール素子、磁気抵抗素子などは、不平衡電圧な
どの影響により微小磁場の下では分解能が低下するとい
った特性面での固有の問題があり、定格電流の小さいフ
レームでは高精度な電流計測が難しい。

【０００６】これに対して、微小磁界を高い精度で検出
可能な磁気センサとしてフラックスゲート素子、あるい
はＭＩ素子などが知られている。とくに、フラックスゲ
ート素子、ＭＩ素子の動作範囲は高々１０ガウス以下の
微小磁界であり、このままでは定格電流の大きなオート
ブレーカへの適用が困難である。そこで、微小磁界の検
出に高い精度を発揮するフラックスゲート素子、ＭＩ素
子など磁気センサを採用して一次導体に流れる電流を広
範囲で精度良く計測できる磁気センサ応用の変流器を提
供する手段が用いられている。

【０００７】それらの手段は、一次導体の中央部分に電
流通路を二分する小窓を開口し、該小窓の中心部位にフ
ラックスゲート素子、あるいはＭＩ素子の磁気センサ
を配置することにより達成される。なお、前記の一次導
体には平角導体を用いて実施するのがよい。周知のよう
に、導体に電流が流れると導体の周辺に磁界が発生し、
その磁界の方向、磁界強度はビオ・サバールの法則によ
って決まる。また、並行に配置した２本の導体に同じ向
きに同じ電流を流すと、導体相互間の中央では磁界強度
がゼロとなり、その両側で導体に近づくにつれて磁界強
度が大きくなる。

【０００８】そこで、電流の流れる一次導体に平角導体
を採用し、この導体の中央部分を切欠して通電路を二分
するように小窓を開口すれば、この小窓を挟んだ両側の
導体部分が前記した２本の並行導体と同様な状態とな
り、小窓の空間における磁界強度はその中心でゼロ，両
サイド方向へ行くにしたがって磁界強度が高くなるよう
な分布を呈し、特に中心に近い部分に微小磁界領域が形
成される。

【０００９】したがって、前記小窓内の中心部位に形成
される微小磁界領域に位置を合わせてフラックスゲート
素子、あるいはＭＩ素子を設置すれば、これら磁気セ
ンサにより一次導体に流れる電流を小電流から大電流ま
での広範囲で精度よく検出できる。

【００１０】しかも、この小窓を磁気センサの外形寸法
に対応しておけば、磁気センサの素子は小窓内に収まる
ので、磁気センサを設置するために余分なスペースが不
要となる。

【００１１】これらの実施例を図面に基づいてわかりや
すく説明する。図７において、７１は配線用しゃ断器、
漏電しゃ断器などのオートブレーカに組み込まれた主回
路導体としての一次導体（平角導体）、７２は一次導体
７１の長手方向にそって通電路を二分するようにその中
央に切欠き開口した小窓、７３は該小窓７２の中の中央
部位に位置を合わせて配置したフラックスゲート素子、
あるいはＭＩ素子の磁気センサ、７４は、磁気センサ
７３に接続した電流検出回路である。

【００１２】なお、図中では一次導体７１の幅をＡ、厚
さをＢ、小窓の幅をＣ、長さをＤとし、一次導体７１の
長手方向（電流Ｉの通流方向）に沿った中心線をＯで表
している。

【００１３】例えば、一次導体７１の幅Ａを２０mm、厚
さＢを３mm、小窓７２の幅Ｃを５mm、長さＤを１０mmと
し、一次導体に１００Ａの電流を流した場合における小
窓７２の内部の磁界強度を計算により求めたところ、そ
の磁界強度分布は図８のようになる。なお、磁界強度分
布は前記中心線Ｏに対して導体の幅方向に対称であり、
図１はその片側半分の磁界強度分布を示している。

【００１４】図８に表した磁界強度分布図から明らかな
ように、中心線Ｏに沿った小窓２内の中心点では磁界強
度がゼロであり、その周域には幅方向に約１mm幅の範囲
で磁界強度が５ガウス以下の微小磁界領域（斜め破線で
表す）が存在している。

【００１５】したがって、この微小磁界領域に位置を合
わせて小窓内にフラックスゲート素子、あるいはＭＩ素
子の磁気センサ７３を配置することにより、一次導体７
１に流れる電流、つまりオートブレーカの主回路に流れ
る負荷電流を小電流から大電流まで広範囲に精度よく検
出することができる。

【００１６】このような構成にすることにより、一次導
体７１の中央に小窓７２を開口してその内方に微小磁界
領域を形成するとともに、この小窓内の中心部位に位置
を合わせてフラックスゲート素子、あるいはＭＩ素子
７３のように微小磁界の検出精度が高い磁気センサを設
置したことにより、一次導体７１に流れる電流を広範囲
で精度よく検出することができる。

【００１７】しかも、外形寸法が超小形である磁気セン
サは一次導体７１に開口した小窓内に収まるように配置
することができることから、通常の変流器のように一次
導体７１の周辺に変流器を設置するための特別スペース
を確保する必要がなく、したがって当該変流器を配線用
しゃ断器、漏電しゃ断器などのオートブレーカに採用す
ることで、オートブレーカの製品の小形，コンパクト化
が達成できる。

【００１８】このように、従来の技術では、一次導体に
流れる電流を、この電流に比例する磁界強度の形で計測
する磁気センサ応用の変流器において、平角導体として
なる一次導体部の中央部分に電流通路を二分する小窓を
有し、該小窓の中央部に微小磁界を形成し、この微小磁
界領域に磁気センサを配置して一次導体に流れる電流を
計測している。

【００１９】

【発明が解決するための課題】一次導体の中央部に小窓
を開口し、磁気センサを設置していた為、ＭＩ素子を中
心部に置くと中心部では磁界が、零であるためＭＩ素子
の置く位置精度により磁場測定が正負にばらつき、測定
誤差が大きくなってしまいセンサ設置位置にかなりの高
精度を要してしまう。

【００２０】また、一次導体の中央部に小窓を開口し、
磁気センサを一個設置していた為、外乱ノイズと信号の
区別また、熱ドリフトをキャンセルする事ができず、測
定信頼性に欠ける。

【００２１】そこで本出願人は、一次導体と二次導体を
一体化し、且つ一次導体と二次導体の中央部に切り欠き
をいれて、電流通路を分岐する小窓を開口部として設
け、検出感度方向が逆になる一対のＭＩ素子を用いた磁
気センサを設け、該一次導体と二次導体が異なる導電性
材料を用い、該ＭＩ素子を用いた磁気センサのセンサ値
をとることで、磁界検出をすることで、センサ設置位置
の精度を要せず、外乱ノイズと信号の区別を可能とし、
熱ドリフトをキャンセルする、安定性があり測定信頼性
の高いコンパクト化も可能なＭＩ素子を用いた電流セン
サを提供することを目的としている。

【００２２】前記小窓内に検出感度方向が逆になる２つ
のＭＩ素子を内蔵し、ＭＩ特性が対称であるＭＩ素子で
も構成できる電流センサであり、更には、ＭＩ特性が非
対称であるＭＩ素子を内蔵することで構成の煩雑化を防
止し、低コスト化も期待でき、２つのＭＩ素子を設ける
ことで、センサ設置位置の精度を要せず簡単な検出回路
で出力の差をとることで電流検出が可能である電流セン
サである。

【００２３】また、どのようなＭＩ素子でも確かに高精
度の磁気検出が可能であるが、ＭＩ素子のＭＩ特性のバ
ラツキや、インピーダンスの変化率のピークが±数［Ｏ
ｅ］であり、バイアス磁界を印加したりしてシフトさせ
ることで非対称としており、非対称とした特性のピーク
の一方も、＋３［Ｏｅ］付近であるため線形領域が、±
３［Ｏｅ］と狭く従来のＭＩ素子の検出回路では、±３
［Ｏｅ］の範囲でしかリニアリティを得ることが出来な
かった。また±４［Ｏｅ］、±５［Ｏｅ］と出力が飽和
する領域では、検出が不可能である。

【００２４】本発明においては、、一次導体と二次導体
を一体化し、且つ一次導体と二次導体の中央部に切り欠
きをいれて、電流通路を分岐する小窓を開口部として設
け、一次導体と二次導体を異なる導電性材料としたの
で、微小磁場領域を設けることによって、一次導体と二
次導体に流れる電流が大電流であっても小窓内に発生す
る外部磁界Ｈ_B［Ｏｅ］を小さくすることができ、簡単
な検出回路で電流検出が可能になった。

【００２５】更には、一次導体と二次導体を異なる導電
性材料とすることで電流をその抵抗値の比によって分岐
している。

【００２６】

【課題を解決するための手段】請求項１は、一次導体と
二次導体に流れる電流を、該電流に比例する磁界強度の
形で計測する電流センサにおいて、該一次導体と二次導
体を一体化し且つ一次導体と二次導体の中央部に切り欠
きをいれて、電流通路を分岐する小窓を開口部として設
け、該一次導体と二次導体を異なる導電性材料で設け、
検出感度方向が逆になる一対のＭＩ素子を用いた磁気セ
ンサを設け、該ＭＩ素子を用いた磁気センサでのセンサ
値の差をとることで、磁界検出をすることを特徴とする
電流センサであり、請求項２は、請求項１において、前
記小窓内に異なる検出感度方向が逆になる２つのＭＩ素
子を用いた磁気センサを内蔵することを特徴とすること
を特徴とする電流センサである。

【００２７】請求項３は、前記ＭＩ素子が、ＭＩ特性が
対称であることを特徴とする請求項１、２記載の電流セ
ンサであり、請求項４では、前記ＭＩ特性が非対称であ
ることを特徴とする請求項１、２記載の電流センサであ
る。

【００２８】

【発明の実施形態】以下、本発明の各実施形態を図面に
基づいて説明する。ここでは、磁性体薄膜からなる薄膜
磁気インピーダンス素子（以下薄膜ＭＩ素子）で説明す
るが、ワイヤータイプの磁気インピーダンス素子でも同
様である。

【００２９】第一の実施形態を図１（上面図）、図２
（断面図）に沿って説明する。１、１’は、磁界検出感
度が逆になる磁気インピーダンス素子からなる磁気セン
サを組み込んだ主回路導体としての一次導体１と二次導
体１’を一体化したした平角導体、２は、一次導体１、
二次導体１’の長手方向にそって通電路を分岐するよう
にその中央に切欠きをいれ、一次導体と二次導体を一体
化して設けた小窓、その小窓２の中に、磁気インピーダ
ンス素子３、３’（薄膜ＭＩ素子）からなる磁気センサ
を検出磁界感度が逆方向になるように内蔵する。４、
４’は、薄膜ＭＩ素子３、３’からなる磁気センサに接
続した電流検出回路である。

【００３０】なお、図中では一次導体１と二次導体１’
の長手方向（電流Ｉの通流方向）に沿った中心線をＯで
表している。また、図２では、図１のＡ−Ａ断面図を示
している。５は、その磁力線である。小窓２内では、そ
の磁界強度が微小磁場領域となっており、その磁力線５
も点線で示されている。

【００３１】また、一次導体１と二次導体１’が同一導
電性材料からなる場合は、磁界強度は前記中心線Ｏに対
して導体の幅方向に対称であるが、異なる導電性材料か
らなる場合は夫々の抵抗値が異なり、低抵抗の方の導体
に流れる電流が多くなるため電流密度が高くなり、磁界
強度は、前記中心線Ｏに対して導体の幅方向に対称には
ならず、電流密度が高い低抵抗値の導体の磁界強度が強
くなり、電流密度が低い高抵抗値の導体の磁界強度の方
が弱く、零磁界領域Ｇが高抵抗値をもつ導体側に発生す
る。

【００３２】従って、微小磁界内で中心線Ｏと零磁界領
域Ｇが一致しない。その為、中心線Ｏに沿って、薄膜Ｍ
Ｉ素子３を一つ配置することができ他方の薄膜ＭＩ素子
３’も適当に配置することができる。その時、従来のよ
うな位置精度を必要としない。また、微小磁場領域中
で、微小磁場勾配が発生するので、二つの薄膜ＭＩ素子
３、３’の簡単な電流検出回路４、４’で高精度に簡単
なセンサ値を夫々出力しその差をとることで外乱磁界や
熱ドリフトの影響を受けず電流出力６を検出できる。

【００３３】なお各薄膜ＭＩ素子３、３’にて感知する
磁界Ｈ、Ｈ’は、磁力線の半径をr、r’とするとＨ＝（Ｉ／２πｒ）Ｈ’＝（Ｉ／２πｒ’）で表れせられる磁界Ｈ［Ｏｅ］を形成する。この磁界は
薄膜ＭＩ素子に適した微小磁場勾配が得られその中に薄
膜ＭＩ素子３、３’を設けることを設けることで微小磁
場を検出している。

【００３４】次に、本発明の第二の実施形態を図３（上
面図）、図４（側面図）に沿って説明する。符号は、第
一の実施形態と同様なので省略する。また、ここでは、
素子の配置が違うだけで、他は同様である。一方の素子
を零磁界領域Ｇに配置している。この様な構造でも、微
小磁界中では、微小磁界勾配をもつので、検出回路４、
４'で、夫々の検出出力の差をとることで電流検出値６
を得ることができる。

【００３５】本発明の第三の実施形態を図５、図６に沿
って説明する。符号は、第一の実施形態と同様なので省
略する。また、ここでは、素子の配置が違うだけで、他
は同様である。一方の素子を微小磁場領域に置き、他の
素子に近づけて微小磁場勾配を形成している。この様な
構造でも、微小磁界中では、微小磁界勾配をもつので、
夫々の検出回路４、４'の検出出力の差をとることで電
流検出６を得ることができる。

【００３６】また、薄膜ＭＩ素子は、インピーダンス変
化率―外部磁界Ｈ_ｅｘが、外部磁界の正負で、殆ど対称
となるためバイアス磁界ΔＨ_ｅｘ［Ｏｅ］を必要とす
る。そして、そのバイアス磁界を印加し特性を非対称と
している。

【００３７】前述した被検出電流によって小窓内に発生
する磁界に対して、互いに逆方向のバイアス磁界Ｈ_bが
印加さてれいるように配置されたＭＩ素子素子３、３’
の両端電圧Ｖ₁、Ｖ’₂を読み取り、Ｉ₁、Ｉ’₂の電流を
得、それらの差をとることで簡単な構造の検出回路４、
４'を用いて微小磁場領域の出力を得ることが出来る。

【００３８】このように、一対のＭＩ素子３、３’を用
いた磁気センサは、夫々異なる方向に検出感度を持つよ
うに小窓２内に内蔵し、前記一方の磁気センサと他方の
磁気センサの差をとることでセンサ検出感度方向の外乱
ノイズをキャンセルする事ができ、コンパクト化も実現
できる。また、導体に流れる電流を微小磁場領域内で微
小磁場勾配をもたせセンサ設置精度に関係なく精度よく
簡単な検出回路４、４’でセンサ値を検出しその差を電
流検出６とすることができる。しかも、外形寸法が超小
形である磁気センサは、一次導体１に開口した小窓２内
に内蔵するように配置するため、車両用等でも高電流が
流れる電流センサに最適である。また、外乱ノイズ、熱
ドリフトを除去し、安定な磁界検出が可能なＭＩ素子を
用いた電流センサであり、特別スペースを確保する必要
がない。

【００３９】また、予め一次導体１と二次導体１’の中
央部に切り欠きをいれておくので、導体の加工もしやす
く、一体化するときもコネクタでも導電性の接着材料で
も簡単にできるといった利点がある。

【００４０】ＭＩ特性が薄膜ＭＩ素子同様対称となるＦ
ｅＣｏＳｉＢの磁性線ワイヤを利用した磁性線のＭＩ素
子は、特に図示しないが、本出願に含まれることは言う
までもない。

【００４１】ＭＩ特性が非対称となる軟磁性体薄膜を利
用した積層型である交差型薄膜ＭＩ素子１３、１３'の
構造は、特に図示しないが、従来のようにバイアス磁界
ΔＨ _ｅｘ［Ｏｅ］を印加する必要もなく、一次導体１内
に検出感度が逆となるように小窓２に内蔵することで、
検出回路４、４'の出力の差をとり検出出力６とするこ
とも当然本出願に含まれる。

【００４２】

【発明の効果】このように本発明では、一次導体と二次
導体の中央部に切り欠きをいれ且つ一次導体と二次導体
の中央部に小窓を開口し、小窓内に微小磁場領域を設
け、該小窓内に検出感度方向が逆になる一対のＭＩ素子
からなる磁気センサを設け、簡単な検出回路でセンサ値
の出力の差をとる電流検出ができ、一次導体と二次導体
のもつ抵抗値が異なるので、電流通路を抵抗値の比によ
って分岐することができる。また、外乱ノイズ、熱ドリ
フトを除去し、安定な磁界検出をすることを特徴とする
電流センサである。更に、バイアス磁界を印加しなくて
も同様な効果を達成できる。更に、コンパクト化を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する第一の実施形態にてＭＩ素子を
磁気センサとして設けた電流センサを示す上面図であ
る。

【図２】本発明に関する第一の実施形態にて図１のＡ−
Ａ断面図である。

【図３】本発明に関する第二の実施形態にてＭＩ素子を
磁気センサとして設けた電流センサを示す上面図であ
る。

【図４】本発明に関する第二の実施形態にて図３のＢ−
Ｂ断面図である。

【図５】本発明に関する第三の実施形態にてＭＩ素子を
磁気センサとして設けた電流センサを示す上面図であ
る。

【図６】本発明に関する第三の実施形態にて図５のＣ−
Ｃ断面図である。

【図７】従来のＭＩ素子を設置するこれらの磁気センサ
を用いたオートブレーカの斜視図を示す。

【図８】従来の磁界強度分布図を示す。

【符号の説明】

１、・・・一次導体１’・・・二次導体２、・・・小窓３、３’・・・薄膜ＭＩ素子４、４’・・・検出回路５、・・・磁力線６、・・・電流出力１３、１３’・・・交差型薄膜ＭＩ素子Ｏ、・・・中央線Ｇ、・・・零磁界領域

フロントページの続き (72)発明者上野一彦東京都目黒区中目黒２丁目９番地13号スタンレー電気株式会社内 (72)発明者風間拓也東京都目黒区中目黒２丁目９番地13号スタンレー電気株式会社内Ｆターム(参考） 2G017 AA10 AB01 AB05 AB07 AC02 AC04 AD54 2G025 AA08 AA11 AA12 AB01 AC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一次導体と二次導体に流れる電流を、該電
流に比例する磁界強度の形で計測する電流センサにおい
て、該一次導体と二次導体を一体化し且つ一次導体と二
次導体の中央部に切り欠きをいれて、該一次導体と二次
導体を異なる導電性材料を用い電流通路を分岐する小窓
を開口部として設け、検出感度方向が逆になる一対のＭ
Ｉ素子を用いた磁気センサを設け、該ＭＩ素子を用いた
磁気センサでのセンサ値の差をとることで、磁界検出を
することを特徴とする電流センサ。
【請求項２】請求項１において、前記小窓内に検出感度
方向が逆になる２つのＭＩ素子を用いた磁気センサを内
蔵することを特徴とすることを特徴とする電流センサ。
【請求項３】前記ＭＩ素子が、ＭＩ特性が対称であるこ
とを特徴とする請求項１、２記載の電流センサ。
【請求項４】前記ＭＩ素子が、ＭＩ特性が非対称である
ことを特徴とする請求項１、２記載の電流センサ。