JP2023104335A - 電流センサ、電気制御装置、電流センサモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い測定精度を有すると共に、装着すべき箇所により簡便に装着できる電流センサを提供する。【解決手段】電流センサは、磁気検出部と、第１軟磁性体とを備える。磁気検出部は、導体を第１方向に沿って流れる電流により発生する第２方向の磁束が付与される。第１軟磁性体は、第１方向と直交する第３方向において磁気検出部から見て導体と反対側に位置する底部と、底部にそれぞれ立設すると共に第２方向に導体および磁気検出部を挟むように対向配置された一対の壁部とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、電流センサ、電気制御装置、ならびに電流センサモジュールおよびその製造方法、に関する。

近年、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ: Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（ＥＶ: Electric Vehicle）等のバッテリーの残量の測定、モータの駆動電流の測定や、コンバータ、インバータ等の電力制御機器に、電流センサが用いられている。電流センサとしては、バスバー等の一次導体に電流が流れることにより発生する磁場を検出可能な磁気検出素子を含む磁気式の電流センサが知られている。磁気式の電流センサは、磁気検出素子として、例えば、ＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistive effect）素子、ＧＭＲ（GiantMagnetoResistive effect）素子、ＴＭＲ（TunnelMagnetoResistive effect）素子等の磁気抵抗効果素子や、ホール素子等を有する。電流センサでは、それらの磁気抵抗効果素子や磁気検出素子により、バスバー等の一次導体に流れる電流が非接触状態で検出されるようになっている。

例えば特許文献１には、空隙（ギャップ）を有するリング状の磁性体コアと、その空隙に配置された磁気検出素子を含む磁気センサとを備えた電流センサが開示されている。特許文献１の電流センサでは、導体から発生する磁束を磁性体コアに集束させ、空隙に配置されている磁気検出素子に、磁性体コアにより集束された磁束を印加させることができる。

特開２０１９－７８５４２号公報

ところで、磁気センサを有する電流センサについては、高い測定精度を有することに加え、装着すべき箇所により簡便に装着できることが望まれる。

よって、高い測定精度を有すると共に、装着すべき箇所により簡便に装着できる電流センサを提供することが望まれる。

本発明の一実施態様としての電流センサは、磁気検出部と、第１軟磁性体とを備える。磁気検出部は、導体を第１方向に沿って流れる電流により発生する第２方向の磁束が付与される。第１軟磁性体は、第１方向と直交する第３方向において磁気検出部から見て導体と反対側に位置する底部と、底部にそれぞれ立設すると共に第２方向に導体および磁気検出部を挟むように対向配置された一対の壁部とを有する。

本発明の一実施態様としての電気制御装置および電流センサモジュールは、上記の一実施態様としての電流センサを備える。

本発明の一実施態様としての電流センサモジュールの製造方法は、導体と、その導体を第１方向に流れる電流により発生する第２方向の磁束が付与される磁気検出部と、第１軟磁性体と、筐体とを備える電流センサモジュールの製造方法であって、第１方向および第２方向に沿って広がる底部と、その底部にそれぞれ立設すると共に第２方向に導体および磁気検出部を挟むように対向配置された第１壁部および第２壁部とを有する第１軟磁性体、を用意することと、第１方向に並ぶ一対の凹部を含むと共に第１軟磁性体および磁気検出部が設けられた筐体、を用意することと、一対の凹部に導体を嵌合させることとを含む。

本発明の一実施態様としての電流センサによれば、検出対象とする電流が流れる導体に対し、磁気検出部と第１軟磁性体との相対位置を変えることなく取り付けることができる。よって、高い測定精度を確保しつつ、簡便に取り付けることができる。
なお、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、以下に記載のいずれの効果であってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る電流センサの全体構成例を表す斜視図である。 図１に示した電流センサの主要部と導体とを模式的に表す斜視図である。 図１に示した電流センサの断面を表す模式図である。 図１に示した電流センサの概略構成を示すブロック図である。 図１に示した磁気検出部の回路構成を概略的に表す回路図である。 本発明の第１の実施の形態の第１変形例としての電流センサの断面を表す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の第２変形例としての電流センサの断面を表す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の第３変形例としての電流センサの断面を表す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の第４変形例としての電流センサの断面を表す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の第５変形例としての電流センサの断面を表す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電気制御装置の構成例を表すブロック図である。 本発明の実施例１－１の電流センサの断面構造を表す模式図である。 本発明の実施例１－１～１－５を説明する説明図である。 本発明の実施例２－１～２－３を説明する説明図である。 本発明の実施例３－１～３－２を説明する説明図である。 本発明の実施例４－１～４－２を説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．経緯
１．第１の実施の形態
導体の近傍に配置される電流センサの例。
２．第１の実施の形態の変形例
２．１ 変形例１
２．２ 変形例２
２．３ 変形例３
２．４ 変形例４
２．５ 変形例５
３．第２の実施の形態
電流センサを備えた電気制御装置の例。
４．実施例

＜０．経緯＞
いわゆる磁気式の電流センサの測定精度は、検出対象の電流が流れる一次導体(バスバー) 、磁気検出素子、磁気ヨークおよび磁気シールドの各々の形状のばらつきや相対位置の誤差の影響を受ける。磁気式の電流センサの測定精度は、さらに、磁気検出素子の感度や磁気ヨークの磁気特性にも影響される。したがって、電流センサが高い測定精度を実現するために、例えば複数の磁気検出素子のオフセットや感度のばらつきなどの、測定精度に影響する要素を電流センサの製造過程や電流センサの設置の過程において調整する必要がある。そのような測定精度に影響する要素の調整は、現状、例えば磁気検出素子と統合された集積回路によって電気的に行う方法が主流である。

ところで、そのような電気的調整の前段階として、一次導体と磁気検出素子と磁気シールド（もしくは磁気ヨーク）との相対位置を固定しておくことが望ましい。しかしながら、従来の磁気式の電流センサでは、一次導体が、磁気検出素子と磁気シールド（もしくは磁気ヨーク）との間に挿通される構成となっている。このため、磁気検出素子と磁気シールド（もしくは磁気ヨーク）とが一体化された電流センサの開口部に一次導体を挿通させる必要があり、一次導体を部分的に一旦取り外すなどの作業の手間がかかる。あるいは一次導体を動かすことができない態様であったり、一次導体を部分的に取り外すことができない態様であったりする場合には、一次導体を挟んで対向するように磁気検出素子と磁気シールド（もしくは磁気ヨーク）とを個別に設置したのち、上述した測定精度に影響する要素の電気的な調整をユーザが行う必要がある。このように、従来の電流センサでは、一次導体の近傍への設置手順が限定されたり、電流センサの測定精度に関わる電気的な調整をユーザが行う必要があったりするなど、作業性が悪いうえ、高い測定精度を確保することが困難となる場合があった。

そこで本出願人は、上記課題に鑑みて検討および改良を重ねることにより、高い測定精度を有すると共に、装着すべき箇所により簡便に装着できる電流センサ、およびそれを備えた電気制御装置を提供するに至った。

＜１．第１の実施の形態＞
［電流センサ１の構成］
最初に、図１から図３を参照して、本発明の第１の実施の形態としての電流センサ１の構成について説明する。図１は、電流センサ１の全体構成例を表す斜視図である。図１に示したように、電流センサ１は、例えば磁気検出部２と、磁気シールド４とを備える。電流センサ１は、例えば導体５の近傍に配置される。導体５は、例えばＺ軸方向に延在している。導体５には、Ｚ軸方向に沿って、電流センサ１の検出対象である電流Ｉｍが流れるようになっている。なお、電流センサ１と導体５とを備えたものが本発明の電流センサモジュールに対応する。

電流センサ１は、筐体３をさらに備えていてもよい。筐体３は、例えば樹脂などの絶縁材料からなり、例えば導体５が延在するＺ軸方向に並ぶ一対の凹部３１，３２を含んでいる。一対の凹部３１，３２は導体５と嵌合可能に構成されている。導体５には例えば一対の凹部３１，３２と対応する位置に孔が設けられており、導体５は、例えばねじ６により一対の凹部３１，３２にねじ止めされるようになっている。また、磁気検出部２および磁気シールド４は筐体３に設けられている。なお、磁気シールド４の一部は筐体３に埋設されている。このため、導体５が筐体３に固定されることにより、導体５と、磁気検出部２および磁気シールド４との相対位置が固定されるようになっている。また、導体５と、磁気検出部２および磁気シールド４とは、筐体３によって電気的に絶縁されている。導体５には例えば数百Ｖ以上の高電圧が印加されるのに対し、磁気検出部２は例えば数Ｖ程度の低電圧で駆動するデバイスである。但し、導体５および磁気検出部２にそれぞれ印加される電圧は上記に限定されるものではなく、任意に選択可能である。
なお、図１では、筐体３および磁気検出部２を明示するため、導体５は破線で示している。また、本実施の形態では、導体５は、電流センサ１の構成要素に含まれない場合を例示している。

図２は、電流センサ１の主要部と導体５とを模式的に表す斜視図である。具体的には、図２は、導体５と、電流センサ１のうちの磁気検出部２および磁気シールド４との位置関係、ならびに磁気シールド４の外観を表している。また、図３は、電流センサ１の、Ｚ軸方向と直交するＸＹ面の断面を表す模式図である。図２および図３では、いずれも筐体３の図示を省略している。

図３に示したように、電流センサ１では、導体５に電流ＩｍがＺ軸方向に沿って＋Ｚの向きに流れると、導体５の周囲には磁束Ｂｍが誘導される。磁束Ｂｍは、例えば磁気シールド４および磁気検出部２の内部を通過する。磁束Ｂｍは、磁気検出部２に対し、例えばＸ軸方向に沿った＋Ｘの向きに印加されるようになっている。すなわち、磁気検出部２は、電流Ｉｍが＋Ｚの向きに流れる場合、磁束Ｂｍが＋Ｘの向きに通過することとなる位置に配置される。本実施の形態では、導体５の幅に沿った方向をＸ軸方向とし、導体５の厚さ方向をＹ軸方向とする。
本実施の形態の「Ｚ軸方向」、「Ｘ軸方向」、および「Ｙ軸方向」は、それぞれ、本発明の「第１方向」、「第２方向」、および「第３方向」に対応する一具体例である。

（導体５）
導体５は、例えばＣｕ（銅）などの高導電性非磁性材料により構成される。導体５は、例えばＺ軸方向を長手方向とするように延在し、Ｙ軸方向を厚み方向とする略板状体である。導体５は、おおよそＵ字状をなす磁気シールド４により囲まれた空間を挿通するように配置されている。

（磁気シールド４）
磁気シールド４は、外乱磁場から磁気検出部２を磁気的に保護する部材である。すなわち、磁気シールド４は、検出対象とする磁束Ｂｍ以外の外部からの不要な磁場（磁束）の、磁気検出部２に対する影響を緩和する軟磁性体である。磁気シールド４は、導体５を流れる電流Ｉｍによって誘導される磁束Ｂｍが、外乱磁場によって乱されるのを防ぐように作用する。図３に示したように、磁気シールド４は、ＸＹ断面において全体として略Ｕ字形状を有している。磁気シールド４は、導体５と物理的に接触することなく離間して配置されている。さらに、磁気シールド４は、導体５と電気的に絶縁されている。

磁気シールド４は、底部４１と、第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂとを含んでいる。底部４１は、例えばＸＺ面に沿って広がる板状の部分である。第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂは、それぞれ例えばＹＺ面に沿って広がる板状の部分である。第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂは、底部４１にそれぞれ立設すると共にＸ軸方向に導体５および磁気検出部２を挟むように対向配置されている。磁気シールド４は、例えば、珪素鋼、電磁鋼、純鉄（ＳＵＹ）、パーマロイ、フェライト等の軟磁性材料を主たる構成材料として含んでいる。
磁気シールド４は、本発明の「第１軟磁性体」に対応する一具体例である。底部４１は本発明の「底部」に対応する一具体例である。第１壁部４２Ａは、本発明の「第１壁部」に対応する一具体例である。第２壁部４２Ｂは、本発明の「第２壁部」に対応する一具体例である。

（磁気検出部２）
磁気検出部２は、Ｙ軸方向において導体５と磁気シールド４の底部４１との間に設けられている。すなわち、磁気検出部２は、Ｙ軸方向において、導体５および磁気シールド４の底部４１の双方と重なり合う位置に設けられている。したがって、底部４１は、Ｙ軸方向において磁気検出部２から見て導体５と反対側に位置する。なお、本実施形態では、磁気検出部２のＸ軸方向の中心位置は、導体５のＸ軸方向の中心位置と一致すると共に、磁気シールド４のＸ軸方向の中心位置とも一致していることが望ましい。但し、本発明はこれに限定されるものではない。また、図３では磁気検出部２が磁気シールド４と離間するように記載されているが、磁気検出部２と磁気シールド４とは接していてもよい。但し、磁気検出部２と導体５とは物理的に接触することなく互いに離間すると共に互いに電気的に絶縁されている。磁気検出部２には、導体５に電流Ｉｍが流れることで導体５の周囲に誘導される磁束Ｂｍが印加されるようになっている。磁気検出部２は、磁束Ｂｍの大きさや向きを検出するようになっている。なお、磁気検出部２の詳細な構成については後述する。

電流センサ１では、図３に示したように、底部４１から第１壁部４２Ａの第１頂部４２ＡＴまでの第１距離Ｈ４２Ａおよび底部４１から第２壁部４２Ｂの第２頂部４２ＢＴまでの第２距離Ｈ４２Ｂは、それぞれ、底部４１と導体５との第３距離Ｈ５の２倍以上であるとよい。すなわち、導体５の中心位置は、底部４１の上面を基準として、第１壁部４２Ａの高さの半分以下であって第２壁部４２Ｂの高さの半分以下の位置にあるとよい。不要な外乱磁場（特にＹ軸方向の外乱磁場）の磁気検出部２への影響をより低減できるからである。なお、図３では、第１壁部４２Ａの高さである第１距離Ｈ４２Ａと、第２壁部４２Ｂの高さである第２距離Ｈ４２Ｂとが等しい場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなない。第１距離Ｈ４２Ａと第２距離Ｈ４２Ｂとが互いに異なっていてもよい。

さらに、電流センサ１では、図３に示したように、底部４１と磁気検出部２との第４距離Ｈ２は、底部４１と導体５との第３距離Ｈ５の半分未満であるとよい。磁気検出部２に対する外乱磁場からの遮蔽効果をより高めることができるからである。

図４は、磁気検出部２の概略構成を示すブロック図である。図４に示したように、磁気検出部２は、磁気検出素子部２０および信号処理部６０を有する。信号処理部６０は、例えばＡ／Ｄ（アナログ－デジタル）変換部６１と、演算部６２とを含む。Ａ／Ｄ変換部６１は、磁気検出素子部２０から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。演算部６２は、Ａ／Ｄ変換部６１によりデジタル変換されたデジタル信号を演算処理する。なお、信号処理部６０は、演算部６２の下流側にＤ／Ａ（デジタル－アナログ）変換部をさらに含んでいてもよい。Ｄ／Ａ変換部を含むことにより、信号処理部６０は、演算部６２にて演算処理された演算処理結果をアナログ信号として出力することができる。

図５は、図４に示した磁気検出素子部２０の回路構成を概略的に表す回路図である。図５に示したように、磁気検出素子部２０は、例えば第１抵抗部Ｒ１、第２抵抗部Ｒ２、第３抵抗部Ｒ３、および第４抵抗部Ｒ４の４つの抵抗部をブリッジ接続してなるホイートストンブリッジ回路Ｃを有する。但し、磁気検出素子部２０は、第１抵抗部Ｒ１および第２抵抗部Ｒ２の２つの抵抗部をハーフブリッジ接続してなる回路を有するものであってもよい。第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４は、それぞれ一の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を含んでいてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子を含んでいてもよい。磁気抵抗効果素子は、例えばＡＭＲ素子、ＧＭＲ素子、またはＴＭＲ素子などである。

磁気検出素子部２０が有するホイートストンブリッジ回路Ｃは、例えば電源ポートＶと、グランドポートＧと、２つの出力ポートＥ１，Ｅ２と、直列に接続された第１抵抗部Ｒ１および第２抵抗部Ｒ２と、直列に接続された第３抵抗部Ｒ３および第４抵抗部Ｒ４とを含む。第１抵抗部Ｒ１および第３抵抗部Ｒ３の各一端は、電源ポートＶに接続される。第１抵抗部Ｒ１の他端は、第２抵抗部Ｒ２の一端と出力ポートＥ１とに接続される。第３抵抗部Ｒ３の他端は、第４抵抗部Ｒ４の一端と出力ポートＥ２とに接続される。第２抵抗部Ｒ２および第４抵抗部Ｒ４の各他端は、グランドポートＧに接続される。電源ポートＶには、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧはグランドに接続される。

第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４を構成する磁気抵抗効果素子は、例えば下部電極と、上部電極と、それら下部電極と上部電極との間に挟まれた磁気抵抗効果膜とを有する。磁気抵抗効果膜は、例えば下部電極側から順に積層された自由層、非磁性層、磁化固定層および反強磁性層を含んでいる。ＴＭＲ素子の場合、非磁性層はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子の場合、非磁性層は非磁性導電層である。

第１～第４抵抗部Ｒ１～Ｒ４がＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子により構成される場合、磁気検出素子部２０のホイートストンブリッジ回路Ｃ（図５）において、導体５から発生するＸ方向の磁場の磁界強度の変化に応じて、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差が変化し、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差に対応する信号がセンサ信号Ｓとして信号処理部６０に出力される。差分検出器により、出力ポートＥ１，Ｅ２の電位差に対応する信号を増幅し、センサ信号Ｓとして信号処理部６０のＡ／Ｄ変換部６１に出力するとよい。

Ａ／Ｄ変換部６１は、磁気検出部２から出力されるセンサ信号Ｓ（電流に関するアナログ信号）をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号が演算部６２に入力される。演算部６２は、Ａ／Ｄ変換部６１によりアナログ信号から変換されたデジタル信号についての演算処理を行う。この演算部６２は、例えば、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などにより構成される。

なお、本実施の形態の電流センサ１では、磁気検出素子部２０が磁気抵抗効果素子を含む場合に限定されるものではない。例えばホール素子を含むものであってもよい。
ホール素子は、例えばＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，またはＧａＡｓなどのキャリア移動度の大きな半導体膜の４辺に電極を設けるようにした構造を有する。

［電流センサモジュールの製造方法］
なお、電流センサモジュールは以下のように製造され得る。まず、導体５と、磁気シールド４と、磁気検出部２とをそれぞれ用意する。次に、筐体３を用意する。具体的には、例えばモールド成型によって、磁気シールド４の一部を埋設すると共に一対の凹部３１，３２を含むように筐体３を形成する。そののち、筐体３のうち、磁気シールド４の底部４１と対応する位置に磁気検出部２を載置する。最後に、一対の凹部３１，３２に導体５を嵌合させ、ねじ６により締結するなどして導体５を筐体３に固定する（図１参照）。以上により、電流センサ１を備えた電流センサモジュールが完成する。

［電流センサ１の作用効果］
本実施の形態の電流センサ１によれば、磁気シールド４が、Ｙ軸方向において磁気検出部２から見て導体５と反対側に位置する底部４１と、底部４１にそれぞれ立設すると共にＸ軸方向に導体５および磁気検出部２を挟むように対向配置された第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂとを有するようにしている。このため、電流センサ１を、検出対象とする電流Ｉｍが流れる導体５に対し、磁気検出部２と磁気シールド４との相対位置を変えることなく取り付けることができる。よって、電流センサ１は、高い測定精度を確保しつつ、導体５に対し簡便に取り付けることを可能としている。あるいは、予め設置されている電流センサ１に対し、導体５を簡便に取り付けることができる。

特に、本実施の形態の電流センサ１では、筐体３に磁気検出部２および磁気シールド４を設け、筐体３を介して磁気検出部２および磁気シールド４を一体化するようにしている。このため、電流センサ１の製造段階において磁気検出部２と磁気シールド４との相対位置が固定され、その後位置ずれが発生することはない。さらに、電流センサ１では、筐体３に予め形成されている一対の凹部３１，３２に、導体５を所定の精度で嵌合させて固定するようにしている。このため、磁気検出部２と磁気シールド４の相対位置は製造段階の状態で維持されるうえ、電流センサ１の設置作業に起因する磁気検出部２および磁気シールド４に対する導体５の相対位置の誤差も非常に小さくできる。すなわち、磁気検出部２および磁気シールド４が所定の精度で固定された筐体３の凹部３１，３２に対し導体５を再現性良く所定の精度で取り付けることができることから、電流センサ１の取り付け段階において、電流センサ１の測定精度に関わる電気的な調整をユーザが行わなくて済むこととなる。

また、本実施の形態の電流センサ１では、磁気シールド４の第１壁部４２Ａの高さである第１距離Ｈ４２Ａおよび第２壁部４２Ｂの高さである第２距離Ｈ４２Ｂが底部４１と導体５との第３距離Ｈ５の２倍以上であれば、電流Ｉｍの測定精度がより向上する。特にＹ軸方向の不要な外乱磁場の磁気検出部２への影響をより低減できるからである。また、第３距離Ｈ５を第１距離Ｈ４２Ａおよび第２距離Ｈ４２Ｂの半分以下とすることで、導体５と磁気検出部２とのＹ軸方向の距離を狭めることができる。このため、磁気検出部２に付与される磁束Ｂｍの強度を高めることができ、電流センサ１における電流Ｉｍの検出感度が向上するうえ、磁気検出部２と導体５との相対位置ずれに起因する測定誤差を低減できる。

また、本実施の形態の電流センサ１では、底部４１と磁気検出部２との第４距離Ｈ２が底部４１と導体５との第３距離Ｈ５の半分未満であれば、磁気シールド４による磁気検出部２に対する外乱磁場からのシールド効果をより高めることができる。

＜２．第１の実施の形態の変形例＞
［２．１ 変形例１］
図６は、上記第１の実施の形態の第１変形例（変形例１）としての電流センサ１Ａを表す断面模式図である。電流センサ１Ａは、図６に示したように、導体５と磁気検出部２との間に設けられた磁気ヨーク７をさらに有するようにしたものである。電流センサ１Ａの構成は、磁気ヨーク７をさらに備えるようにしたことを除き、電流センサ１の構成と実質的に同じである。磁気ヨーク７は、自らを磁束Ｂｍが通過するように磁束Ｂｍを集束する軟磁性体である。磁気ヨーク７は、例えばＸＺ平面に沿った主面を有し、Ｚ軸方向に延在する板状の部材である。但し、磁気ヨーク７の形状は板状に限定されるものではない。また、電流センサ１Ａでは、磁気ヨーク７のＸ軸方向の寸法Ｗ７は、導体５のＸ軸方向の寸法Ｗ５よりも大きい（Ｗ７＞Ｗ５）ことが望ましい。磁気ヨーク７は、磁気シールド４と同様に、例えば珪素鋼、電磁鋼、純鉄（ＳＵＹ）、パーマロイ等の軟磁性材料を主たる構成材料として含んでいる。なお、磁気ヨーク７は、本発明の「第２軟磁性体」に対応する一具体例である。

このように、第１変形例としての電流センサ１Ａ（図６）では、磁気ヨーク７をさらに備えるようにしたので、磁気ヨーク７を備えていない電流センサ１（図１など）と比較して、磁気検出部２と導体５との相対位置ずれに起因する測定誤差をより低減することができる。

［２．２ 変形例２］
図７は、上記第１の実施の形態の第２変形例（変形例２）としての電流センサ１Ｂを表す断面模式図である。電流センサ１Ｂは、図７に示したように、第１軟磁性体として、２つに分割された磁気シールド４Ａ，４Ｂを有するようにしたものである。電流センサ１Ｂの構成は、磁気シールド４の代わりに磁気シールド４Ａ，４Ｂを有するようにしたことを除き、電流センサ１の構成と実質的に同じである。磁気シールド４Ａと磁気シールド４Ｂとは、Ｘ軸方向に離間して対向するように配置されている。磁気検出部２は、Ｙ軸方向において磁気シールド４Ａと磁気シールド４Ｂとの隙間４１Ｓと対応する位置にある。なお、隙間４１Ｓは、Ｚ軸方向に延在している。すなわち、磁気シールド４Ａと磁気シールド４Ｂとは、物理的に接触することなく互いに離間して配置されている。
磁気シールド４Ａが本発明の「第１部分」に対応する一具体例であり、磁気シールド４Ｂが本発明の「第２部分」に対応する一具体例である。

このように、第２変形例としての電流センサ１Ｂ（図７）では、磁気シールド４の代わりに、隙間４１Ｓを隔てて対向するように配置された磁気シールド４Ａおよび磁気シールド４Ｂを備えるようにした。このため、図７に示したように、磁気シールド４Ａと磁気シールド４Ｂとの対向部分から磁束Ｂｍが漏れることとなり、磁気検出部２において検出される磁束Ｂｍの磁束密度が増大する。よって、電流センサ１（図１など）と比較して、磁気検出部２における電流Ｉｍの検出感度をより高めることができる。また、磁気検出部２へ付与される磁束Ｂｍの磁束密度が向上するので、磁気検出部２の磁気検出素子部２０としてＭＲ素子の代わりに一般的にＭＲ素子よりも感度の低いホール素子などを用いることもでき、設計の自由度が向上する。なお、電流センサ１Ｂでは、磁気シールド４Ａの一部と磁気シールド４Ｂの一部とがつながっていてもよい。但し、その場合には、磁気検出部２において検出される磁束Ｂｍの密度が増大する効果は限定的になる。

［２．３ 変形例３］
図８は、上記第１の実施の形態の第３変形例（変形例３）としての電流センサ１Ｃを表す断面模式図である。電流センサ１Ｃは、図８に示したように、図６の電流センサ１Ａと図７の電流センサ１Ｂとを組み合わせた構成を有する。すなわち、磁気ヨーク７をさらに備えると共に、第１軟磁性体として、磁気シールド４の代わりに２つに分割された磁気シールド４Ａ，４Ｂを有するようにしたものである。

このように、第３変形例としての電流センサ１Ｃ（図８）では、電流センサ１（図１など）と比較して、磁気検出部２と導体５との相対位置ずれに起因する測定誤差をより低減することができる。さらに、磁気検出部２における電流Ｉｍの検出感度をより高めることができる。また、磁気検出部２へ付与される磁束Ｂｍの磁束密度が向上するので、磁気検出部２の磁気検出素子部２０としてＭＲ素子の代わりに一般的にＭＲ素子よりも感度の低いホール素子などを用いることもでき、設計の自由度が向上する。また、電流センサ１Ｃ（図８）では、Ｙ軸方向の磁気ノイズ（外乱磁場）の磁気検出部２への影響を低減する効果も認められた。なお、電流センサ１Ｃにおいても、磁気シールド４Ａの一部と磁気シールド４Ｂの一部とがつながっていてもよい。但し、その場合には、磁気検出部２において検出される磁束Ｂｍの密度が増大する効果は限定的になる。

［２．４ 変形例４］
図９は、上記第１の実施の形態の第４変形例（変形例４）としての電流センサ１Ｄを表す断面模式図である。電流センサ１Ｄは、図９に示したように、第１壁部４２Ａのうちの底部４１と反対側の第１上端部４３Ａと、第２壁部４２Ｂのうちの底部４１と反対側の第２上端部４３Ｂとが、互いに近づく方向に、すなわち内側に曲がっている。電流センサ１Ｄの構成は、第１壁部４２Ａの形状および第２壁部４２Ｂの形状が異なることを除き、電流センサ１の構成と実質的に同じである。なお、第１上端部４３Ａと第２上端部４３Ｂとの間隔Ｗ４３は、幅Ｗ５よりも大きいことが望ましい（Ｗ４３＞Ｗ５）。導体５の近傍への電流センサ１Ｄの取り付け作業が容易となるからである。
ここで、第１上端部４３Ａが本発明の「第１上端部」に対応する一具体例であり、第２上端部４３Ｂが本発明の「第２上端部」に対応する一具体例である。

このように、第４変形例としての電流センサ１Ｄ（図９）では、第１壁部４２Ａの第１上端部４３Ａおよび第２壁部４２Ｂの第２上端部４３Ｂを内側に曲げるようにした。このため、電流センサ１（図１など）と比較して、特にＸ軸方向の磁気ノイズ（外乱磁場）の磁気検出部２への影響を低減することができ、測定精度をより高めることができる。

［２．５ 変形例５］
図１０は、上記第１の実施の形態の第５変形例（変形例５）としての電流センサ１Ｅを表す断面模式図である。電流センサ１Ｅは、図９の電流センサ１Ｄの構成に磁気ヨーク７をさらに追加すると共に、第１軟磁性体として、磁気シールド４の代わりに２つに分割された磁気シールド４Ａ，４Ｂを採用するようにしたものである。したがって、電流センサ１（図１など）と比較して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方の磁気ノイズ（外乱磁場）の磁気検出部２への影響を低減することができ、測定精度をよりいっそう高めることができる。また、隙間４１Ｓを設けるようにしたので、磁気検出部２における電流Ｉｍの検出感度をより高めることができる。

＜３．第２の実施の形態＞
図１１は、電流センサ１などを備えた電気制御装置の構成例を表すブロック図である。上記第１の実施の形態およびいくつかの変形例で説明した電流センサ１，１Ａ～１Ｅは、いずれも、例えば図１１に示した電気制御装置１１０に搭載することができる。

電気制御装置１１０は、例えば電流センサ１１１と、電源装置１１２と、制御回路１１３とを備える。電流センサ１１１は、電源装置１１２から出力される電流Ｉout、あるいは電源装置１１２に入力される電流Ｉinを測定するようになっている。なお、図１１では、２つの電流センサ１１１を配置しているが、いずれか一方のみに電流センサ１１１が配置されたものであってもよい。電流センサ１１１において測定された電流値に関する情報は、制御回路１１３に送信されるようになっている。制御回路１１３は、例えば電流センサ１１１の動作および電源装置１１２の動作を制御する装置である。制御回路１１３は、例えば電流センサ１１１からの情報に基づいて電源装置１１２からの出力電流の調整を行う。電流センサ１１１には、上記実施の形態等で説明した電流センサ１，１Ａ～１Ｅを適用することができる。なお、本発明の電気制御装置としては、例えば、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ: Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（ＥＶ: Electric Vehicle）等のバッテリマネジメントシステム、インバータ及びコンバータ等が挙げられる。

＜４．実施例＞
次に、図１などに示した上記第１の実施の形態の電流センサ１の性能と、図６，７，８，１０にそれぞれ示した変形例１～３，５の電流センサ１Ａ～１Ｃ，１Ｅの性能との比較を行った。

（実施例１－１）
上記第１の実施の形態の電流センサ１について、導体５に６００Ａの電流Ｉｍを流したときの磁気検出部２の中心位置に付与される磁束Ｂｍの強度と、Ｙ軸方向の磁気ノイズの影響と、Ｘ軸方向の磁気ノイズの影響と、位置ずれ耐性とについてシミュレーションにより求めた。ここで、導体５および磁気シールド４の各部位の寸法は図１２に示した通りである。なお、測定点である磁気検出部２の中心位置は、底部４１の表面から１．５ｍｍの高さの位置とした。また、Ｙ軸方向の磁気ノイズの影響とは、Ｙ軸方向に１ｍＴの外部磁場がある場合の出力誤差である。Ｘ軸方向の磁気ノイズの影響とは、Ｘ軸方向に１ｍＴの外部磁場がある場合の出力誤差である。位置ずれ耐性とは、基準位置から磁気検出部２がＸ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向に０．３ｍｍずれた際の最大の出力誤差をいう。

（実施例１－２）
上記第１の実施の形態の変形例１の電流センサ１Ａの性能について、実施例１－１と同様にして求めた。但し、磁気ヨーク７の材質は磁気シールド４の材質と同一とし、磁気ヨーク７のＸ軸方向の寸法は１２ｍｍとし、磁気ヨーク７のＹ軸方向の寸法は１．５ｍｍとした。また、磁気ヨーク７は、底部４１と磁気シールド４との中間位置に存在するものとした。

（実施例１－３）
上記第１の実施の形態の変形例２の電流センサ１Ｂの性能について、実施例１－１と同様にして求めた。但し、隙間４１Ｓの幅は２ｍｍとした。

（実施例１－４）
上記第１の実施の形態の変形例３の電流センサ１Ｃの性能について、実施例１－１と同様にして求めた。但し、磁気ヨーク７の材質は磁気シールド４の材質と同一とし、磁気ヨーク７のＸ軸方向の寸法は１２ｍｍとし、磁気ヨーク７のＹ軸方向の寸法は１．５ｍｍとした。また、磁気ヨーク７は、底部４１と磁気シールド４との中間位置に存在するものとした。隙間４１Ｓの幅は２ｍｍとした。

（実施例１－５）
上記第１の実施の形態の変形例５の電流センサ１Ｅの性能について、実施例１－１と同様にして求めた。但し、磁気ヨーク７の材質は磁気シールド４の材質と同一とし、磁気ヨーク７のＸ軸方向の寸法は１２ｍｍとし、磁気ヨーク７のＹ軸方向の寸法は１．５ｍｍとした。また、磁気ヨーク７は、底部４１と磁気シールド４との中間位置に存在するものとした。隙間４１Ｓの幅は２ｍｍとした。さらに、第１壁部４２Ａの第１上端部４３Ａと第２壁部４２Ｂの第２上端部４３Ｂとの間隔Ｗ４３を１４ｍｍとした。

実施例１－１～１－５の各電流センサについての性能をまとめて図１３に示す。但し、図１３では、実施例１－１の各パラメータの特性値を１として規格化し、実施例１－２～１－５の各性能を示している。なお、磁束Ｂｍについては数値が高いほうが望ましい。Ｘ軸方向の磁気ノイズおよびＹ軸方向の磁気ノイズについては、数値が低いほうが誤差の少ないことを表すので望ましい。位置ずれ耐性についても数値が低いほうが望ましい。

図１３に示したように、実施例１－２では、実施例１－１と比較すると、磁束Ｂｍ、Ｘ軸方向の磁気ノイズ、およびＹ軸方向の磁気ノイズの各性能が低いが、位置ずれ耐性は向上していることがわかる。すなわち、磁気ヨークを設けることで、位置ずれ耐性を向上させることができることが確認された。

図１３に示したように、実施例１－３では、実施例１－１と比較すると、Ｘ軸方向の磁気ノイズの影響を受けやすいものの、Ｙ軸方向の磁気ノイズおよび位置ずれ耐性の各性能は向上していることがわかる。さらに、磁気検出部２に付与される磁束Ｂｍの強度は大幅に向上することが確認できた。すなわち、隙間を設けた磁気シールドを用いることにより、Ｘ軸方向の磁気ノイズ以外の性能を向上させることができることが確認された。

図１３に示したように、実施例１－４では、実施例１－３と比較すると、磁束Ｂｍの強度は低下するものの、位置ずれ耐性の性能がさらに向上していることがわかる。

図１３に示したように、実施例１－５では、実施例１－４と比較すると、磁束Ｂｍの強度、Ｘ軸方向の磁気ノイズ、および位置ずれ耐性の各性能を向上させることができることがわかる。

（実施例２－１～２－３）
次に、上記第１の実施の形態の電流センサ１について、導体５のＹ軸方向の位置を変化させた場合の各性能への影響をシミュレーションにより求めた。実施例２－１の構成は、底部４１と導体５との間隔を３．０ｍｍとしたことを除き、実施例１－１の構成と同じである。実施例２－２の構成は、底部４１と導体５との間隔を９．０ｍｍとしたことを除き、実施例１－１の構成と同じである。実施例２－３の構成は、底部４１と検出点である磁気検出部２の中心位置との間隔を４．５ｍｍとしたことを除き、実施例１－１の構成と同じである。

実施例２－１～２－３の各電流センサについての性能を実施例１－１の結果と併せてまとめて図１４に示す。但し、図１４では、実施例１－１の各パラメータの特性値を１として規格化し、実施例２－１～２－３の各性能を示している。

図１４に示したように、導体５を底部４１に近づけるようにした実施例２－１では、実施例１－１と比較すると、磁気検出部２に付与される磁束Ｂｍの強度が向上するうえ、Ｘ軸方向の磁気ノイズおよびＹ軸方向の磁気ノイズの各性能も向上することがわかる。ただし、位置ずれ耐性については、実施例１－１のほうが実施例２－１よりも良好であることがわかった。

一方、導体５を底部４１から遠ざけるようにした実施例２－２では、実施例１－１と比較すると、磁気検出部２に付与される磁束Ｂｍの強度、Ｘ軸方向の磁気ノイズおよびＹ軸方向の磁気ノイズの各性能がいずれも低下することがわかる。ただし、位置ずれ耐性については、実施例１－１よりも実施例２－２のほうが良好であることがわかった。

また、磁気検出部２を底部４１から遠ざける（すなわち導体５に近づける）ようにした実施例２－３では、実施例１－１と比較すると磁束Ｂｍの強度が向上するうえ、Ｘ軸方向の磁気ノイズおよびＹ軸方向の磁気ノイズの各性能も向上することがわかる。ただし、位置ずれ耐性については、実施例１－１，２－１よりも低下することがわかる。

（実施例３－１～３－２）
次に、上記第１の実施の形態の変形例５の電流センサ１Ｅについて、磁気ヨーク７の幅を変化させた場合の各性能への影響をシミュレーションにより求めた。実施例３－１の構成は、磁気ヨーク７の幅を導体５の幅よりも狭くしたことを除き、実施例１－５の構成と同じである。実施例３－２の構成は、磁気ヨーク７の幅を導体５の幅よりも広くしたことを除き、実施例１－５の構成と同じである。

実施例３－１～３－２の各電流センサについての性能を実施例１－５の結果と併せてまとめて図１５に示す。但し、図１５では、実施例１－５の各パラメータの特性値を１として規格化し、実施例３－１～３－２の各性能を示している。

図１５に示したように、導体５の幅よりも磁気ヨーク７の幅を狭めるようにした実施例３－１では、実施例１－５と比較すると、磁束Ｂｍの強度が僅かに向上するものの、位置ずれ耐性が低下することがわかった。一方、導体５の幅よりも磁気ヨーク７の幅を広げるようにした実施例３－２では、実施例１－５と比較すると、磁束Ｂｍの強度が僅かに低下するものの、位置ずれ耐性が向上することがわかった。

（実施例４－１～４－２）
次に、上記第１の実施の形態の変形例３の電流センサ１Ｃについて、磁気シールド４Ａの第１壁部４２Ａおよび磁気シールド４Ｂの第２壁部４２Ｂをそれぞれ傾斜させるようにした場合の各性能への影響をシミュレーションにより求めた。実施例４－１の構成は、第１壁部４２Ａおよび磁気シールド４Ｂの第２壁部４２Ｂをそれぞれ外側に傾斜させるようにしたことを除き、実施例１－４の構成と同じである。実施例４－２の構成は、第１壁部４２Ａおよび磁気シールド４Ｂの第２壁部４２Ｂをそれぞれ内側に傾斜させるようにしたことを除き、実施例１－４の構成と同じである。

実施例４－１～４－２の各電流センサについての性能を実施例１－４，１－５の結果と併せてまとめて図１６に示す。但し、図１６では、実施例１－１の各パラメータの特性値を１として規格化し、実施例４－１，４－２，１－４，１－５の各性能を示している。

図１６に示したように、実施例４－１では、実施例１－４と比較すると、磁束Ｂｍの強度が僅かに向上すると共にＸ軸方向の磁気ノイズの影響が改善されるものの、位置ずれ耐性の性能が低下することがわかった。一方、実施例４－２では、実施例１－４と比較すると、Ｘ軸方向の磁気ノイズ、および位置ずれ耐性の各性能がいずれも低下することがわかった。

以上説明した実施形態および変形例は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態等に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。すなわち、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば上記実施の形態の電流センサ１（図１～３）では、磁気シールド４において底部４１に第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂがそれぞれ物理的に接触した構造を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば底部４１と、第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂの少なくとも一方とが物理的に離間されていてもよい。すなわち、本発明の底部と、第１壁部および第２壁部とは、物理的に接触していなくとも、互いに磁気的に連結されていればよい。

また、上記実施の形態の電流センサ１（図１～３）では、磁気シールド４のうちの底部４１と第１壁部４２Ａおよび第２壁部４２Ｂとの各々の連結部分が、いずれも湾曲した形状を有している。しかしながら、本発明はこの態様に限定されるものではない。例えば、それらの連結部は、屈曲した形状を有していてもよいし、角が面取りされた面取り形状であってもよい。

なお、本発明は、電流センサを検出対象とする電流が流れる導体に対し取り付ける態様に限定されるものではなく、電流センサが設置されているところに、検出対象とする電流が流れる導体を取り付ける場合をも包含する概念である。

１…電流センサ、２…磁気検出部、２０…磁気検出素子部、６０…信号処理部、３…筐体、４…磁気シールド、４１…底部、４２Ａ…第１壁部、４２Ｂ…第２壁部、５…導体、６…ねじ、７…磁気ヨーク、Ｂｍ…磁束、Ｉｍ…電流。

Claims (13)

1. 導体を第１方向に沿って流れる電流により発生する第２方向の磁束が付与される磁気検出部と、
   前記第１方向と直交する第３方向において前記磁気検出部から見て前記導体と反対側に位置する底部と、前記底部にそれぞれ立設すると共に前記第２方向に前記導体および前記磁気検出部を挟むように対向配置された第１壁部および第２壁部とを有する第１軟磁性体と
   を備える
   電流センサ。
2. 前記導体と前記磁気検出部との間に設けられた第２軟磁性体をさらに有する
   請求項１記載の電流センサ。
3. 前記第２軟磁性体の前記第２方向の寸法は、前記導体の前記第２方向の寸法よりも大きい
   請求項２記載の電流センサ。
4. 前記第１軟磁性体は、前記第２方向に離間して対向するように配置された第１部分および第２部分を含む
   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。
5. 前記磁気検出部は、前記第１部分と前記第２部分との隙間と前記第３方向に重なり合う位置にある
   請求項４記載の電流センサ。
6. 前記第１壁部のうちの前記底部と反対側の第１上端部と、前記第２壁部のうちの前記底部と反対側の第２上端部とが、互いに近づく方向に曲がっている
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電流センサ。
7. 前記底部から前記第１壁部の第１頂部までの第１距離および前記底部から前記第２壁部の第２頂部までの第２距離は、それぞれ、前記底部と前記導体との第３距離の２倍以上である
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電流センサ。
8. 前記底部と前記磁気検出部との第４距離は、前記底部と前記導体との前記第３距離の半分未満である
   請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記第１方向に並ぶ一対の凹部を含む筐体をさらに備え、
   前記一対の凹部は、前記導体と嵌合可能に構成されている
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電流センサ。
10. 前記導体と、前記磁気検出部および前記第１軟磁性体とは、前記筐体によって電気的に絶縁されている
    請求項９に記載の電流センサ。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電流センサを備えた電気制御装置。
12. 導体と、
    前記導体を第１方向に沿って流れる電流により発生する第２方向の磁束が付与される磁気検出部と、
    前記第１方向と直交する第３方向において前記磁気検出部から見て前記導体と反対側に位置する底部と、前記底部にそれぞれ立設すると共に前記第２方向に前記導体および前記磁気検出部を挟むように対向配置された第１壁部および第２壁部とを有する第１軟磁性体と
    を備える
    電流センサモジュール。
13. 導体と、前記導体を第１方向に流れる電流により発生する第２方向の磁束が付与される磁気検出部と、第１軟磁性体と、筐体とを備える電流センサモジュールの製造方法であって、
    前記第１方向および前記第２方向に沿って広がる底部と、前記底部にそれぞれ立設すると共に前記第２方向に前記導体および前記磁気検出部を挟むように対向配置された第１壁部および第２壁部とを有する前記第１軟磁性体、を用意することと、
    前記第１方向に並ぶ一対の凹部を含むと共に前記第１軟磁性体および前記磁気検出部が設けられた前記筐体、を用意することと、
    前記一対の凹部に前記導体を嵌合させることと
    を含む
    電流センサモジュールの製造方法。

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