JP2002107384A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】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、コンパクト化も可能なＭＩ素子を用いた
電流センサを提供する。 【解決手段】抵抗値の異なる一次導体１と二次導体１’
に夫々切り欠きを設けて、一体化した導体の中央部が小
窓２なり、小窓２内には微小磁界領域が発生するのを利
用し、中央線Ｏと零磁界領域Ｇが一致しないことで、小
窓２内の中央線Ｏ上にＭＩ素子３を内蔵することで微小
磁場領域中の微小磁場勾配により、微小磁界を一つのＭ
Ｉ素子３又は１３で高精度に検出できる磁気センサとし
て、簡単な検出回路４によりセンサ値の出力を電流出力
６として簡単な電流出力回路で出力している。

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３において、３１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）、３２は一次導体
３１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、３３は該小窓３２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、３４は、磁気センサ
３３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３１の幅をＡ、厚
さをＢ、小窓の幅をＣ、長さをＤとし、一次導体３１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３１の幅Ａを２０mm、厚
さＢを３mm、小窓３２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５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５はその片側半分の磁界強度分布を示している。

【００１４】図５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３３を配置することにより、一次導体３
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３１の中央に小窓３２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
３３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３１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３１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３１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、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一体化する
ことで、電流通路を分岐する小窓を開口し、該小窓内に
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
ンパクト化も可能なＭＩ素子を用いた電流センサを提供
している。

【００２２】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＋数［Ｏｅ］で、詳細には、＋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。

【００２３】本発明においては、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ＨB［Ｏｅ］を小さくすることができ、簡単な電流
検出回路で電流検出が可能になった。

【００２４】更には、一次導体と二次導体を同一導電性
材料とすることで電流を１／２に分岐している。また、
一次導体と二次導体を異なる導電性材料とすることで導
電性材料の抵抗値が異なるので電流比をその抵抗値によ
って、分岐することができる。

【００２５】

【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、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
一体化することで、電流通路を分岐する小窓を開口し、
該小窓内に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、前記小窓内に微小磁場勾配を発生させ、該小窓内に
ＭＩ素子内蔵させることを特徴とする電流センサであ
る。

【００２６】請求項３では、前記ＭＩ素子は、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。

【００２７】請求項５は、前記一次導体と二次導体を異
なる導電性材料を用いることを特徴とする請求項１記載
の電流センサで、請求項６は、前記一次導体と二次導体
を同一導電性材料を用いることを特徴とする請求項１記
載の電流センサを提供している。

【００２８】

【発明の実施形態】以下、本発明の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。図１において、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と二次導体を一体
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、３は、磁気インピーダンス素子（薄膜ＭＩ素子）
は、その小窓２の中に、磁気インピーダンス素子３（薄
膜ＭＩ素子）からなる検出磁界感度が逆方向になるよう
に薄膜ＭＩ素子３を夫々内蔵する。４は、薄膜ＭＩ素子
３からなる磁気センサに接続した電流検出回路である。

【００２９】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。

【００３０】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、低抵抗の方に導体
に流れる電流の方が多くなるため電流密度にが高くな
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
強度が強くなるり、電流密度が低い高抵抗値が導体の磁
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。

【００３１】従って、中心線Ｏと微小磁界内の零磁界領
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る。その時、従来の
ように位置制度を必要としない。また、微小磁場内で、
微小磁場勾配が発生し一つの薄膜ＭＩ素子でも簡単な電
流検出回路４で高精度に簡単なセンサ値を出力できる。

【００３２】なお各薄膜ＭＩ素子３にて感知する磁界Ｈ
は、磁力線の半径をrとすると 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界領域となり微小磁場勾配
内が得られその中に薄膜ＭＩ素子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。

【００３３】従って、薄膜ＭＩ素子３、に微小磁場内に
微小磁場勾配により、検出回路４が形成することができ
る為、薄膜ＭＩ素子３により微小磁場を検出して、その
磁気センサにより電流検出ができる。

【００３４】また、薄膜ＭＩ素子３は、インピーダンス
変化率―外部磁界Ｈｅｘが、外部磁界の正負で、殆ど対
称となるためバイアス磁界ΔＨｅｘ［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。

【００３５】前述した検出電流によって小窓内に発生す
る微小磁界内の微小磁場領域内に対して、バイアス磁界
ΔＨbが印加さてれいるように配置されたＭＩ素子素子
３の両端電圧電圧Ｖ1を読み取り、Ｉ1の電流を得ること
で簡単な構造の検出回路４を用いて微小磁場領域の出力
を得ることが出来る。

【００３６】尚、薄膜ＭＩ素子３では、前述のＭＩ特性
があらかじめ対称となっているので、バイアス磁界ΔＨ
ｂ［Ｏｅ］を印加し、ＭＩ特性をシフトさせ非対称とし
ている。交差型薄膜ＭＩ素子１３では、ＭＩ特性が非対
称となっているのでその必要はない。薄膜ＭＩ素子３で
も、アモルファス薄膜を利用した積層型の軟磁性体薄膜
の磁化容易軸を利用した交差型薄膜ＭＩ素子１３は、特
に図示しないが、両端にアルミのワイヤボンディング、
Ａｕワイヤ等からなる電極又は直接半田によりリ−ド線
に接続し、高周波電流を両端に通電している。

【００３７】従って、従来は±数［Ｏｅ］の狭い磁界の
範囲でしか検出が出来なかったが、一次導体１と二次電
流１'に切り欠きを入れ一体化した導体の中央部に小窓
２を設けることで大電流が流れても、小窓２内に発生す
る磁場は、微小磁場領域となり、その内部の零磁界領域
（中心線Ｏ）が一致しないことで、微小磁場領域内で微
笑磁場勾配を得、零磁界領域にもＭＩ素子を夫々内蔵す
ることで、どの様な回路でもそれらの検出出力のセンサ
値を得て電流出力６が得られ、出力電圧ＶOUT［Ｖ］−
被検出電流値［Ａ］の関係を得ることが可能になった。

【００３８】また特に図示しないが、一次導体１と二次
導体１'が同じ導電体材料で一体化されている時は、当
然上記の中央線Ｏと零磁界領域Ｇが一致する。その時
は、中央線Ｏ上にＭＩ素子３を内蔵し、微小磁場領域内
の微小磁場勾配を利用して、中央線ＯよりずらしＭＩ素
子３を配置することで、高精度な微小磁界を検出しセン
サ値として出力して、簡単な電流検出回路６で電流出力
を得ることができ、ＭＩ素子設置位置の高精度化も必要
としない。

【００３９】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。

【００４０】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の構造は、
特に図示しないが、従来のようにバイアス磁界ΔＨｅｘ
［Ｏｅ］を印加する必要もなく、夫々異なる抵抗値をも
つ一次導体１、二次導体１'内に切り欠きを入れ一体化
し小窓２を設け、その小窓２内に交差型薄膜ＭＩ素子１
３を内蔵することで、検出回路４の出力のセンサ値をと
り電流出力６とすることも当然本出願に含まれる。

【００４１】このように、夫々抵抗値の異なる一次導体
と二次導体に切り欠きをいれ一体化することで小窓を設
け、その小窓が、一体化した導体の中央部であっても小
窓内に微小磁場領域をを発生させ、そのＭＩ素子を用い
た磁気センサ３を小窓２内に内蔵し、中央線Ｏと零磁界
領域Ｇを一致させず、微小磁場領域内に微小磁場勾配が
発生するので中央線Ｏ上に一つのＭＩ素子３又は１３を
小窓２内に内蔵することで配置位置に高精度化を必要と
せず、ＭＩ素子３又は１３を内蔵し高精度な微小磁界を
検出しセンサ値を電流検出回路で電流出力６として出力
する。

【００４２】また、導体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。しかも、外形寸法が超小形で
ある磁気センサは、一体化した導体の小窓２内に内蔵す
るように配置するため、車両用等などの高電流が流れる
電流センサに最適である。また、一つのＭＩ素子３又は
１３を用いた電流センサであり、コンパクト化も実現で
き、特別なスペースを確保する必要がない。

【００４３】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。

【００４４】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の構造は、
特に図示しないが、従来のようにバイアス磁界ΔＨｅｘ
［Ｏｅ］を印加する必要もなく、小窓２に内蔵すること
で、電流検出回路４の出力をセンサ値として電流出力６
とすることも当然本出願に含まれる。

【００４５】

【発明の効果】このように本発明では、一次導体と二次
導体に切り欠きを入れ一体化することで、小窓を設け小
窓内に微小磁場領域を発生させ、その小窓内の微小磁場
勾配を利用することで、抵抗値が異なる一次導体と二次
導体及び抵抗値が同じ一次導体と二次導体に流れる電流
によって発生する磁界強度により、ＭＩ素子でも微小磁
界を簡単な検出回路でセンサ値を出力し、簡単な電流検
出回路で電流検出をできる電流センサであり、小窓内で
の位置制度を従来のように高精度に合わせずとも簡単
に、安定な磁界検出をすることができる電流センサであ
る。また、バイアス磁界を印加しなくても同様な効果を
達成でき、更には、コンパクト化を達成でき車両用とし
ては余分なスペースを取る必要がなく大電流にも対応で
きる電流センサを達成できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関する実施形態にて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】本発明に関する図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】従来の一次導体を使い小窓を開口した電流セン
サを示す図である。

【図４】従来の一次導体の磁界を示す図である。

【符号の説明】

１、・・・一次導体 １’、・・・二次導体 ２、・・・小窓 ３、・・・薄膜ＭＩ素子 ４、・・・電流検出回路 ５、・・・電流検出出力 １３、・・・交差型薄膜ＭＩ素子 Ｏ・・・中心線 Ｇ・・・零磁界領域線

───────────────────────────────────────────────────── 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 AA01 AB07 AD51 2G025 AA05 AB01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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、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一体化することで、電流通路を
   分岐する小窓を開口し、該小窓内に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磁
   界検出をすることを特徴とする電流センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記小窓内に微小磁場
   勾配を発生させ、該小窓内にＭＩ素子内蔵させることを
   特徴とする電流センサ。
3. 【請求項３】前記ＭＩ素子は、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。
4. 【請求項４】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。
5. 【請求項５】前記一次導体と二次導体を異なる導電性材
   料を用いることを特徴とする請求項１記載の電流セン
   サ。
6. 【請求項６】前記一次導体と二次導体を同一導電性材料
   を用いることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。