特開 2024-144126 電流センサ及び測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024144126

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】電流センサ及び測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/18 20060101AFI20241003BHJP

   G01R 15/24 20060101ALI20241003BHJP

   G01R 15/20 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G01R15/18 C

G01R15/24 F

G01R15/20 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024014083

(22)【出願日】2024-02-01

(31)【優先権主張番号】P 2023051932

(32)【優先日】2023-03-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000227180

【氏名又は名称】日置電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中根 嵩幸

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 英雄

(72)【発明者】

【氏名】外谷 彰悟

(72)【発明者】

【氏名】横関 貴史

(72)【発明者】

【氏名】丸山 貴史

(72)【発明者】

【氏名】夏 沛宇

【テーマコード（参考）】

2G025

【Ｆターム（参考）】

2G025AA01

2G025AA13

2G025AB02

2G025AC01

(57)【要約】

【課題】電流センサの検出特性について漏れ磁束に起因する線形性の悪化を抑制する。
【解決手段】検出対象に流れる電流を検出する電流センサ１０は、検出対象が挿通される環状の磁気コア１１と、磁気コア１１に配置され、磁束の大きさを検出する磁気検出素子とを含む。また、電流センサ１０は、磁気コア１１に配置された磁気シールド１４と、磁気コア１１のポロイダル方向Ｙに沿って磁気コア１１及び磁気シール１４に巻かれ、一端１３ａに磁気検出素子の出力が接続された巻線として負帰還巻線１３を含む。そして負帰還巻線１３の一端１３ａには、磁気コア１１及び磁気シールド１４に生じる磁束を打ち消すように生成される負帰還電流Ｉｆが入力され、負帰還巻線１３の他端１３ｂから、検出対象に流れる電流の大きさに応じた検出量を示す信号が出力される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出対象に流れる電流を検出する電流センサであって、
前記検出対象が挿通される環状の磁気コアと、
前記磁気コアに配置され、磁束の大きさを検出する磁気検出素子と、
前記磁気コアに配置された磁気シールドと、
前記磁気コアのポロイダル方向に沿って前記磁気コア及び前記磁気シールドに巻かれ、一端に前記磁気検出素子の出力が接続された巻線と、を含み、
前記巻線の一端には、前記磁気コア及び前記磁気シールドに生じる磁束を打ち消すように生成される負帰還電流が入力され、
前記巻線の他端から、前記電流の大きさに応じた検出量を示す信号が出力される、
電流センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気検出素子は、ホール素子である、
電流センサ。

【請求項3】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気検出素子は、フラックスゲートである、
電流センサ。

【請求項4】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気シールドは、前記磁気コアに対して前記環状の径方向外側に配置される、
電流センサ。

【請求項5】

請求項４に記載の電流センサであって、
前記磁気シールドは、前記磁気コアのトロイダル方向の全周に亘って配置される、
電流センサ。

【請求項6】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気シールドは、前記磁気コアに対して前記環状の径方向内側に配置される、
電流センサ。

【請求項7】

請求項６に記載の電流センサであって、
前記磁気シールドは、前記磁気コアのトロイダル方向の全周に亘って配置される、
電流センサ。

【請求項8】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気シールドは、前記挿通される方向の一方又は両方に配置される、
電流センサ。

【請求項9】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気シールドは、前記磁気検出素子の一部又は全部を覆うように配置される、
電流センサ。

【請求項10】

請求項１に記載の電流センサであって、
前記磁気コアを収容する収容部は、非磁性の導体により構成される、
電流センサ。

【請求項11】

請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の電流センサと、
前記電流センサから出力される前記信号に基づいて前記検出対象についての測定量を演算する演算手段と、
を含む測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流センサ及び測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、環状の磁気コア内の磁束を検出するホール素子の出力信号に基づき生成される負帰還電流を、磁気コアに生成されるコイルに供給する電流センサが開示されている。この電流センサには、コイル及びホール素子の近傍にシールド部材が配設され、そのシールド部材にはギャップが形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１１４５５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の電流センサでは、環状の磁気コアに検出対象が挿通され、検出対象に流れる電流によって磁気コアに磁束が生じる。このときシールド部材にも磁束が生じ、このシールド部材のギャップから磁束が漏れ、この漏れ磁束が磁気コア内に混入してしまう。

【0005】

検出対象に流れる電流が大きくなるにつれて磁気コアに混入する漏れ磁束の磁束量も線形的に増加するが、検出対象に流れる電流がある程度まで大きくなると、シールド部材において磁気飽和が起こってしまう。この状態では、検出対象に流れる電流がさらに大きくなったとしても磁気コアに混入する漏れ磁束の磁束量は殆ど変化しない。

【0006】

このように、シールド部材の磁気飽和によって、検出対象に流れる電流と磁気コアに混入する漏れ磁束との線形的な関係が崩れてしまうため、電流センサの検出特性における線形性が悪くなるという問題がある。

【0007】

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、電流センサの検出特性について漏れ磁束に起因する線形性の悪化を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によれば、検出対象に流れる電流を検出する電流センサは、前記検出対象が挿通される環状の磁気コアと、前記磁気コアに配置されて磁束の大きさを検出する磁気検出素子と、前記磁気コアに配置された磁気シールドと、を含む。さらに電流センサは、前記磁気コアのポロイダル方向に沿って前記磁気コア及び前記磁気シールドに巻かれ、一端に前記磁気検出素子の出力が接続された巻線と、を含む。そして前記巻線の一端には、前記磁気コア及び前記磁気シールドに生じる磁束を打ち消すように生成される負帰還電流が入力され、前記巻線の他端から、前記電流の大きさに応じた検出量を示す信号が出力される。

【発明の効果】

【0009】

この態様によれば、磁気コアとともに磁気シールドを纏めて巻線で巻くことにより、巻線には、磁気コア及び磁気シールドの双方に生じる磁束を打ち消すための負帰還電流が流れる。この巻線に流れる負帰還電流により、磁気コアに生じる磁束だけでなく、磁気シールドに生じる磁束も打ち消されるので、磁気シールドから磁気コアに入り込む磁束を低減することができる。

【0010】

したがって、電流センサの検出特性に関して漏れ磁束に起因する線形性の悪化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第一実施形態に係る電流センサを備える測定装置の構成を示す図である。

【図2】図２は、第一実施形態に係る電流センサの構造を模式的に示す図である。

【図3】図３は、図２に示したＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

【図4】図４は、電流センサ及び測定部の接続構成の一例を示す図である。

【図5】図５は、第二実施形態に係る電流センサの構造を模式的に示す図である。

【図6】図６は、図５に示したＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。

【図7】図７は、第三実施形態に係る電流センサの構造を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照しながら本発明の各実施形態について説明する。本明細書においては、全体を通じて、同一又は同等の要素には同一の符号を付する。

【0013】

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係る電流センサを備える測定装置の構成を示す図である。図１では、電流センサのトロイダル方向をＸ方向とし、ポロイダル方向をＹ方向とする。

【0014】

測定装置１００は、測定対象Ｌｍについての物理量を測定するための装置である。測定対象Ｌｍは、例えば、直流又は交流の測定電流Ｉｍが流れる電路であり、この電路としては、例えば、単相又は三相の電源ケーブルなどが挙げられる。また、測定対象Ｌｍについての物理量としては、電流の大きさを示す電流値、磁束の大きさを示す磁束量、又は電力の大きさを示す電力値などの測定量が挙げられる。

【0015】

第一実施形態において、測定装置１００は、測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍの大きさを測定する。測定装置１００は、電流センサ１０及び測定部２０を備える。電流センサ１０と測定部２０との間は、信号ケーブルＬｓにより接続される。

【0016】

電流センサ１０は、測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍを検出するセンサであり、ゼロフラックス方式（磁気平衡方式）を採用する。測定対象Ｌｍは、電流センサ１０にとっての検出対象であり、以下では検出対象とも称する。

【0017】

電流センサ１０は、一又は複数の巻線が設けられた磁気コアによって構成され、磁気コアには磁気検出素子が配置されている。具体的には、磁気コアの間隙（ギャップ）の中に磁気検出素子の一種であるホール素子が配置されている。ホール素子は、磁気検出素子として用いられるフラックスゲートに比べてノイズレベルが低い。このため、磁気検出素子としてホール素子を用いることによって、フラックスゲートを用いた場合に比べ、電流センサ１０を低ノイズの電流センサにすることができる。なお、ホール素子は、磁気コアの間隙の近傍に配置されていてもよい。

【0018】

上述のように構成される電流センサ１０は、測定電流Ｉｍによって作られる磁束の磁束量を検出して得られる電気信号を、測定電流Ｉｍの大きさを示す検出量として出力する。

【0019】

電流センサ１０の構造は、測定対象Ｌｍをクランプする開閉可能なクランプ型の構造でもよく、測定対象Ｌｍを挿通する貫通型の構造であってもよい。第一実施形態の電流センサ１０は、センサ下部１０ｂに対しセンサ上部１０ａを平行にスライドさせることによって開閉される。

【0020】

測定部２０は、電流センサ１０の検出量を示す出力信号に基づいて、測定対象Ｌｍについての測定量を演算する演算手段として機能する。測定部２０は、例えば、電流測定器、電力解析器、又は磁界測定器により実現される。

【0021】

第一実施形態では、測定部２０は、電流センサ１０のホール素子の出力信号を増幅する増幅回路と、電流センサ１０の巻線から出力される電流の検出量を電圧値に変換するＩＶ変換回路と、を含む。なお、増幅回路及びＩＶ変換回路の一方又は両方は、測定部２０に代えて電流センサ１０に配置されてもよい。

【0022】

測定部２０は、測定電流Ｉｍによって作られる磁束の磁束量に振幅が比例する電圧信号を上記のＩＶ変換回路から取得し、取得した電圧信号の電圧値に基づいて測定電流Ｉｍの電流値を測定量として演算する。

【0023】

続いて、電流センサ１０の構成について図２及び図３を参照して説明する。

【0024】

図２は、第一実施形態に係る電流センサ１０の内部構造を模式的に示す図であり、測定対象Ｌｍが挿通される挿通方向に対して直交する方向に電流センサ１０の収容部１６を切断した断面図である。図３は、図２に示したＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

【0025】

電流センサ１０は、磁気コア１１と、ホール素子１２と、負帰還巻線１３と、磁気シールド１４と、遮断部１５と、収容部１６と、を備える。

【0026】

図２に示すように、磁気コア１１の全体は、測定対象Ｌｍが挿通可能となるよう環状に形成される。ここにいう環状には、円形状、楕円形状、矩形状、及び多角形状などが含まれる。第一実施形態では磁気コア１１が矩形状に形成されている。磁気コア１１は、センサ上部１０ａのコア上部１１ａと、センサ下部１０ｂのコア下部１１ｂと、によって構成される。

【0027】

図３に示すように、磁気コア１１の断面は、矩形状に形成されている。しかしながら、磁気コア１１の断面形状は、円形状、楕円形状又は多角形状などに形成されてもよい。磁気コア１１は、例えば、フェライト又はパーマロイ等の磁性体により構成され、第一実施形態ではフェライトによって形成されている。

【0028】

磁気コア１１には、測定電流Ｉｍによって磁気コア１１のトロイダル方向Ｘに磁束が生じる。以下では、測定電流Ｉｍによって磁気コア１１内に生じる磁束のことを「測定磁束」と称する。

【0029】

図２に示すように、ホール素子１２は、測定磁束をゼロに収束されるための負帰還電流を生成する目的で磁気コア１１に取り付けられる。第一実施形態のホール素子１２は、磁気コア１１においてトロイダル方向に形成された間隙にホール素子１２が配置されている。

【0030】

ホール素子１２は、測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍによって磁気コア１１内に生じる磁束の磁束量を検出する素子である。ホール素子１２は、磁気コア１１内の磁束量に応じて振幅が変化する電圧信号を出力する。

【0031】

第一実施形態のホール素子１２の出力端１２ａは、負帰還電流を生成する負帰還回路の入力端に接続され、ホール素子１２は出力信号を負帰還回路に供給する。負帰還回路は、例えば増幅回路により実現される。

【0032】

磁気シールド１４は、磁気コア１１の外部から侵入する磁束を抑制する機能を有する。磁気シールド１４は、フェライト又はパーマロイ等の高透磁率の磁性体であり、例えば、パーマロイにより形成される。磁気シールド１４は、センサ上部１０ａのシールド上部１４ａと、センサ下部１０ｂのシールド下部１４ｂと、によって構成される。磁気シールド１４の厚みは、例えば数ミリ［ｍ］程度である。

【0033】

磁気シールド１４は、磁気コア１１に配置される。具体的には、磁気シールド１４は、少なくとも磁気コア１１と負帰還巻線１３の内周との間に設けられる。

【0034】

第一実施形態の磁気シールド１４は、磁気コア１１に対して環状の径方向外側に配置される。ここにいう環状の径方向外側とは、測定対象Ｌｍを環状の磁気コア１１内に挿通した状態においては、測定対象Ｌｍから見て遠い方の側のことをいう。

【0035】

例えば、磁気コア１１のトロイダル方向Ｘの断面が多角形である場合は、磁気コア１１のうち測定対象Ｌｍの径方向外側の多角形を作る面、すなわち測定対象Ｌｍから遠い方の面に沿って磁気シールド１４が配置される。磁気コア１１のトロイダル方向Ｘの断面が円形、楕円形を含む非多角形である場合は、磁気コア１１の環状の径方向外側の表面に沿って磁気シールド１４が配置される。

【0036】

磁気シールド１４は、一例として磁気コア１１の外側面１１２に沿って配置されている。磁気コア１１の外側面１１２は、磁気コア１１の面のうち環状の径方向外側の面に該当する。さらに磁気シールド１４は、ホール素子１２の一部又は全部を覆うように配置されてもよい。

【0037】

第一実施形態の磁気シールド１４は、磁気コア１１に対し、環状の径方向外側に対して反対側の径方向内側には配置されていない。ここにいう環状の径方向内側とは、測定対象Ｌｍを環状の磁気コア１１内に挿通した状態において、測定対象Ｌｍから見て近い方の側のことをいう。なお、図２及び図３では、磁気コア１１の環状の径方向の一例として、磁気コア１１の負帰還巻線１３が巻かれた部位の径方向Ｕが示されている。

【0038】

また、磁気シールド１４は、磁気コア１１のトロイダル方向Ｘに沿って設けられる。第一実施形態の磁気シールド１４は、磁気コア１１の外側面１１２のトロイダル方向Ｘの全周に沿って配設されている。これにより、磁気シールド１４は、ホール素子１２の一部を覆うように配置される。

【0039】

遮断部１５は、磁気コア１１の外側面１１２と磁気シールド１４との間に配置され、磁気コア１１と磁気シールド１４との間の磁気的結合を低減する。遮断部１５は、磁気コア１１の透磁率に対しておおむね１／１００又はそれ以下の透磁率にする。例えば、遮断部１５は、空気や樹脂材料などの非磁性体で形成する。このように、遮断部１５は、磁気コア１１と磁気シールド１４との磁気的結合を実質的に遮断する機能を有する。

【0040】

また、遮断部１５は、電流が流れないよう絶縁体により形成してもよい。絶縁体としては、例えば、ガラス、ゴム、非導電性樹脂などが挙げられる。

【0041】

遮断部１５自体に電流が流れてしまうと、これに起因してノイズが発生したり、感電したりするおそれがある。この対策として遮断部１５を絶縁体で形成することにより、ノイズ及び感電の発生を回避することができる。

【0042】

遮断部１５は、磁気シールド１４と磁気コア１１との間に間隙を形成して間隙中の空気を遮断部１５として利用してもよい。遮断部１５は、センサ上部１０ａの遮断上部１５ａと、センサ下部１０ｂの遮断下部１５ｂと、によって構成される。

【0043】

負帰還巻線１３は、磁気コア１１のポロイダル方向Ｙに沿って磁気コア１１及び磁気シールド１４に巻かれる巻線である。また、負帰還巻線１３は、磁気コア１１内の測定磁束の向きと反対方向に磁束を発生させるように配置される。

【0044】

以下では、主にホール素子１２によって磁束を検出する低域側の周波数帯域のことを「低周波帯域」と称し、主に負帰還巻線１３によって磁束を検出する低周波帯域よりも高い周波数帯域のことを「高周波帯域」と称する。

【0045】

具体的には、負帰還巻線１３は、高周波帯域において磁気コア１１及び磁気シールド１４に生じる磁束の磁束量を検出し、検出した磁束量の磁束を打ち消すように負帰還電流を誘導する。

【0046】

負帰還巻線１３の一端１３ａには、ホール素子１２の出力端１２ａが直接的又は間接的に接続される。第一実施形態では、負帰還巻線１３の一端１３ａには、ホール素子１２の出力端１２ａが間接的に接続されている。具体的には、負帰還巻線１３の一端１３ａには、上記の負帰還回路の入力端がホール素子１２の出力端１２ａに接続された負帰還回路の出力端が接続されている。

【0047】

また、負帰還巻線１３の一端１３ａには、ホール素子１２及び負帰還巻線１３のうち少なくとも一方によって検出される磁束を打ち消すように生成される負帰還電流が入力される。

【0048】

例えば、低周波帯域においては、ホール素子１２によって検出される磁気コア１１の磁束を打ち消すような負帰還電流が負帰還巻線１３の一端１３ａに入力される。一方、高周波帯域においては、負帰還巻線１３により検出される磁気コア１１及び磁気シールド１４の両磁束を打ち消すように生成される負帰還電流が負帰還巻線１３の一端１３ａに入力される。

【0049】

また、負帰還巻線１３の他端１３ｂからは、測定電流Ｉｍの電流値に応じた検出量を示す信号が出力される。以下では、負帰還巻線１３の他端１３ｂから出力される信号のことを「検出信号」と称する。

【0050】

第一実施形態において、負帰還巻線１３の他端１３ｂは、入力電流をその電流値に比例する振幅の電圧に変換するＩＶ変換回路の入力端に接続され、負帰還巻線１３は、上記の検出信号をＩＶ変換回路に供給する。この検出信号は、ＩＶ変換回路に代えてデジタル回路を用いて数値化されてもよい。

【0051】

ＩＶ変換回路は、例えばシャント抵抗により実現される。この場合、負帰還巻線１３の他端１３ｂは、シャント抵抗の一端に接続され、シャント抵抗の他端が基準電位に接続される。

【0052】

負帰還巻線１３を構成する導線は、隣接する導線同士が導通しないよう絶縁性を有する絶縁膜により被覆されている。第一実施形態の負帰還巻線１３は、トロイダル方向Ｘに沿ってセンサ下部１０ｂに収容される磁気コア１１の一部に巻かれている。

【0053】

負帰還巻線１３は、図１に示したセンサ下部１０ｂに収容されるコア下部１１ｂのうち負帰還巻線１３に対向する部分にも同様に巻かれてもよく、センサ上部１０ａに収容されるコア上部１１ａに巻かれてもよい。または、電流センサ１０を貫通型の構造で実現する場合には、負帰還巻線１３は、磁気コア１１のトロイダル方向Ｘの全部に巻かれてもよい。

【0054】

図３に示すように、負帰還巻線１３は、巻き崩れ及び巻きズレなどの発生を抑制するためのボビン１３１に収容される。ボビン１３１は、負帰還巻線１３を磁気コア１１のポロイダル方向Ｙに巻くための筒であり、樹脂などの絶縁性を有する材料によって形成される。

【0055】

収容部１６は、磁気コア１１、ホール素子１２、負帰還巻線１３、磁気シールド１４及び遮断部１５を収容する。収容部１６は、センサ上部１０ａの収容部１６ａと、センサ下部１０ｂの収容部１６ｂと、によって構成される。収容部１６は、例えば、磁性体又は非磁性体により形成される。

【0056】

第一実施形態において、収容部１６は、電磁シールド効果が得られるよう、非磁性の導体、例えば非磁性の金属により構成される。なお、収容部１６は、静電シールド効果が得られるよう、基準電位としてグランド電位に接続されてもよい。

【0057】

また、収容部１６を非磁性で非導体のプラスチック等により形成してもよい。

【0058】

図４は、第一実施形態に係る測定部２０の構成例を示す図である。

【0059】

測定部２０は、負帰還回路としての増幅回路２１と、ＩＶ変換回路としてのシャント抵抗２２と、演算部２３と、を備える。

【0060】

増幅回路２１においては、入力端子がホール素子１２の出力端１２ａに接続され、出力端子が負帰還巻線１３の一端１３ａに接続されている。増幅回路２１は、ホール素子１２又は負帰還巻線１３の出力信号を増幅することにより、磁気コア１１及び磁気シールド１４に生じる磁束を打ち消すための負帰還電流Ｉｆを生成する。増幅回路２１は、生成した負帰還電流Ｉｆを負帰還巻線１３の一端１３ａに供給する。

【0061】

シャント抵抗２２においては、一端が負帰還巻線１３の他端１３ｂに接続され、他端が基準電位としてグランド電位Ｇに接続されている。シャント抵抗２２は、負帰還巻線１３の他端１３ｂから出力される検出信号Ｉｄにより生じる電圧降下によって、検出信号Ｉｄの電流値に振幅が比例する検出電圧信号Ｖｄを生成する。シャント抵抗２２は、生成した検出電圧信号Ｖｄを演算部２３に出力する。

【0062】

演算部２３は、シャント抵抗２２の一端に生じる検出電圧信号Ｖｄを用いることにより、測定量として測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍの電流値を算出する。また、演算部２３は、検出電圧信号Ｖｄを用いて測定対象Ｌｍについての電力値又は磁束量を算出するものであってもよい。

【0063】

続いて、第一実施形態に係る電流センサ１の動作について説明する。

【0064】

ここでは、測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍの周波数が高周波帯域に該当する場合における電流センサ１の動作について説明する。

【0065】

まず、測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍにより磁気コア１１に測定磁束が生じる。これと共に磁気シールド１４においても測定電流Ｉｍにより磁束が生じる。以下では、測定電流Ｉｍにより磁気シールド１４に生じる磁束のことを「シールド磁束」と称する。

【0066】

このとき、負帰還巻線１３においては、測定電流Ｉｍにより磁気コア１１に生じる測定磁束に対し、測定電流Ｉｍにより磁気シールド１４に生じる磁束が加味された磁束の合成量が検出される。これにより、磁気コア１１及び磁気シールド１４の各々に生じる磁束を打ち消すように負帰還電流Ｉｆが誘導され、増幅回路２１から負帰還電流Ｉｆが入力される。

【0067】

負帰還電流Ｉｆが負帰還巻線１３に入力されることにより、測定磁束及びシールド磁束の両者を打ち消すための反磁束が磁気コア１１に生じる。これにより、負帰還巻線１３内において測定磁束及びシールド磁束と反磁束とが合成され、負帰還巻線１３に鎖交する磁束がほぼゼロに収束する。

【0068】

すなわち、電流センサ１０は、測定電流Ｉｍが測定対象Ｌｍに流れている状態において、電流の大きさにかかわらず、磁気コア１１に生じる磁束がほぼゼロに収束するとともに、磁気シールド１４に生じる磁束もほぼゼロに収束するように負帰還動作を行う。

【0069】

そして、負帰還巻線１３の他端１３ｂからは反磁束の磁束量に振幅が比例する検出信号が出力される。反磁束の磁束量は、測定磁束とシールド磁束との合成量と同等であり、測定磁束とシールド磁束とは、いずれも測定電流Ｉｍの電流値（振幅）に比例して変化する。このため、測定磁束及びシールド磁束の両者を打ち消すための反磁束の磁束量も測定電流Ｉｍの電流値に比例する。

【0070】

したがって、負帰還巻線１３の他端１３ｂからは、測定電流Ｉｍの電流値に振幅が比例する電流値を示す検出信号Ｉｄが出力される。これにより、電流センサ１０において検出特性のリニアリティが確保される。

【0071】

続いて、測定対象Ｌｍに流れる測定電流Ｉｍの周波数が低周波帯域に該当する場合における電流センサ１の動作について簡単に説明する。

【0072】

ホール素子１２は、検出した磁束の磁束量に振幅が比例する電圧信号を出力する。第一実施形態のホール素子１２は、測定磁束の磁束量に比例する電圧信号を増幅回路２１に出力する。

【0073】

次に、第一実施形態による作用効果について説明する。

【0074】

第一実施形態において、検出対象としての測定対象Ｌｍに流れる電流を検出する電流センサ１０は、測定対象Ｌｍが挿通される環状の磁気コア１１と、磁気コア１１に取り付けられて磁束の大きさを検出する磁気検出素子と、を含む。また、電流センサ１０は、磁気コア１１に配置された磁気シールド１４と、磁気コア１１のポロイダル方向Ｙに沿って磁気コア１１及び磁気シールド１４に巻かれ、一端１３ａに磁気検出素子の出力が接続された負帰還電流Ｉｆが供給される負帰還巻線１３と、を含む。

【0075】

そして、負帰還巻線１３の一端１３ａには、磁気コア１１及び磁気シールド１４に生じる磁束を打ち消すように生成される負帰還電流Ｉｆが入力される。一方、負帰還巻線１３の他端１３ｂは、測定対象Ｌｍに流れる電流の大きさに応じた検出量を示す検出信号Ｉｄを出力する。

【0076】

この構成によれば、磁気コア１１とともに磁気シールド１４を纏めて負帰還巻線１３で巻くことにより、負帰還巻線１３には、磁気コア１１及び磁気シールド１４の双方に生じる磁束を打ち消すための負帰還電流Ｉｆが流れる。この負帰還巻線１３に流れる負帰還電流Ｉｆにより、磁気コア１１に生じる磁束だけでなく、磁気シールド１４に生じる磁束も打ち消されるので、磁気シールド１４から磁気コア１１に入り込む磁束を低減することができる。

【0077】

したがって、電流センサ１の検出特性について漏れ磁束に起因する線形性の悪化を抑制できる。

【0078】

また、第一実施形態において上記の磁気検出素子は、ホール素子１２により構成される。これにより、磁気検出素子としてフラックスゲートを用いる場合に比べて電流センサ１０に生じるノイズを低減することができる。

【0079】

また、第一実施形態の磁気シールド１４は、磁気コア１１に対して環状の径方向外側に該当する外側面１１２に配置される。これにより、電流センサ１０の検出特性における線形性を維持しつつ、電流センサ１０の外側面１１２から磁気コア１１へ侵入する磁気ノイズを抑制することができる。

【0080】

さらに、第一実施形態の磁気シールド１４は、磁気コア１１の外側面１１２のトロイダル方向Ｘの全周に亘って配置されている。これにより、電流センサ１０の外側から磁気コア１１の外側面１１２へ侵入する磁気ノイズを抑制する効果を高めることができる。

【0081】

また、第一実施形態の磁気シールド１４は、ホール素子１２の一部又は全部を覆うように配置される。これにより、ホール素子１２に侵入する外部からの磁気ノイズが低減されるので、ホール素子１２の出力信号のうち外部ノイズ成分を抑制することができる。それゆえ、電流センサ１０において、ゼロフラックス動作が精度よく行われる。

【0082】

また、第一実施形態の収容部１６は、図２に示すように、磁気コア１１を収容するものであり、非磁性の導体により構成される。

【0083】

例えば、収容部１６が磁性体により構成される場合は、外部から侵入する磁気ノイズにより収容部１６の表面に渦電流が生じて収容部１６が発熱することがある。この対策として、第一実施形態によれば、収容部１６が非磁性の導体によって構成されるため、収容部１６が電磁シールドとなると共に収容部１６の発熱を抑制することができる。さらに収容部１６を接地することにより、静電ノイズを抑制することができる。

【0084】

（第二実施形態）
次に、第二実施形態に係る電流センサについて図５及び図６を参照して説明する。第二実施形態においては、第一実施形態の電流センサ１０の構成に加えて磁気コア１１の内側面１１１に磁気シールドが配置されている点が異なる。磁気コア１１の内側面１１１は、磁気コア１１の面のうち環状の径方向内側の面に該当する。

【0085】

図５は、第二実施形態に係る電流センサ１０Ａの内部構造を模式的に示す図であり、図６は、図５に示したＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。図５では、便宜的にホール素子１２の出力端１２ａが省略されている。また、図５及び図６には、図２及び図３と同様、磁気コア１１の環状の径方向の一例として、磁気コア１１の負帰還巻線１３が巻かれた部位の径方向Ｕが示されている。

【0086】

電流センサ１０Ａは、第一実施形態の電流センサ１０の構成に加え、磁気シールド２４及び遮断部２５を備えている。以下では、主に磁気シールド２４及び遮断部２５について説明し、他の構成については電流センサ１０と同一又は同等の構成であるため、ここでの説明を省略する。

【0087】

磁気シールド２４は、磁気コア１１と負帰還巻線１３の内周との間に設けられ、第一実施形態の磁気シールド１４と同一又は同等の機能を有する。第二実施形態の磁気シールド２４は、磁性体であり、磁気シールド１４と同一の部材により形成されている。

【0088】

図５に示すように、磁気シールド２４は、磁気コア１１の内側面１１１に配置され、一例として磁気コア１１の内側面１１１に沿って配置されている。さらに磁気シールド２４は、ホール素子１２の一部又は全部を覆うように配置されてもよい。

【0089】

また、磁気シールド２４は、磁気コア１１のトロイダル方向Ｘに沿って設けられる。第二実施形態の磁気シールド２４は、センサ上部１０ａのシールド上部２４ａと、センサ下部１０ｂのシールド下部２４ｂと、によって構成され、磁気コア１１の内側面１１１のトロイダル方向Ｘの全周に沿って配設されている。すなわち、磁気シールド２４は、ホール素子１２の一部を覆うように配置される。

【0090】

図６に示すように、遮断部２５は、磁気コア１１の内側面１１１と磁気シールド２４との間に配置され、磁気コア１１と磁気シールド２４との間の磁気的結合を低減する。遮断部２５は、磁気コア１１の透磁率に対しておおむね１／１００又はそれ以下の透磁率であり、第一実施形態の遮断部１５と同一の部材により形成されている。

【0091】

図５に示すように、遮断部２５は、センサ上部１０ａの遮断上部２５ａと、センサ下部１０ｂの遮断下部２５ｂと、によって構成される。

【0092】

以上のように、第二実施形態の電流センサ１０Ａでは磁気コア１１の外側面１１２に配置される磁気シールド１４に加えて磁気コア１１の内側面１１１に磁気シールド２４が配置されているが、磁気シールド１４を配置することなく磁気シールド２４のみが配置されてもよい。

【0093】

なお、磁気コア１１のトロイダル方向Ｘの断面が多角形である場合は、磁気コア１１の環状の径方向内側の面、すなわち測定対象Ｌｍから近い方の面に沿って磁気コア１１が配置される。磁気シールド１４のトロイダル方向Ｘの断面が、円形、楕円形を含む非多角形である場合は、磁気コア１１の環状の径方向の内側、又はその近傍を含む内側の面に沿って磁気シールド１４が配置される。

【0094】

次に、第二実施形態による作用効果について説明する。

【0095】

第二実施形態の電流センサ１０Ａは、第一実施形態の電流センサ１０と同一又は同等の構成を有し、これらの構成については、第一実施形態の電流センサ１０と同一又は同等の作用効果を奏することができる。

【0096】

また、第二実施形態の磁気シールド２４は、磁気コア１１に対して環状の径方向内側に該当する内側面１１１に配置される。これにより、環状の磁気コア１１の内側である測定対象Ｌｍ側から磁気コア１１の内側面１１１へ侵入する磁気ノイズを抑制することができる。

【0097】

さらに磁気シールド２４は、磁気コア１１の内側面１１１のうちトロイダル方向Ｘの全周に亘って配置される。これにより、測定対象Ｌｍから磁気コア１１の内側面１１１へ侵入する磁気ノイズを抑制する効果を高めることができる。

【0098】

（第三実施形態）
次に、第三実施形態に係る電流センサについて図７を参照して説明する。第三実施形態においては、第二実施形態の電流センサ１０Ａの磁気シールド１４及び磁気シールド２４に代えて、これらを一体として形成する点が異なる。

【0099】

図７は、第三実施形態に係る電流センサ１０Ｂの内部構造を模式的に示す図である。図７には、図６と同様の断面視において、磁気コア１１、負帰還巻線１３、磁気シールド３４及び遮断部３５が示されている。

【0100】

以下では、主に磁気シールド３４及び遮断部３５について説明し、他の構成については電流センサ１０Ａと同一又は同等の構成であるため、ここでの説明を省略する。

【0101】

図７に示すように、磁気シールド３４は、負帰還巻線１３と磁気コア１１との間に配置され、磁気コア１１のポロイダル方向Ｙに周回するように形成される。第三実施形態の磁気シールド３４は、磁気コア１１のポロイダル方向Ｙに間隙を有する。なお、磁気シールド３４は、間隙がなく一周する構成であってもよい。

【0102】

遮断部３５は、磁気コア１１の内側面１１１と磁気シールド３４との間に配置され、磁気コア１１と磁気シールド３４との間の磁気的結合を低減する。遮断部３５は、磁気コア１１の透磁率に対しておおむね１／１００又はそれ以下の透磁率であり、第二実施形態の遮断部１５及び遮断部２５と同一の部材により形成されている。

【0103】

このように、磁気シールド３４は、磁気コア１１の内側面１１１及び外側面１１２に沿って配置されるとともに測定対象Ｌｍの挿通方向Ｚの両方の側面側にも配置される。なお、磁気シールド３４は、磁気コア１１の四つの側面のうち測定対象Ｌｍの挿通方向Ｚの一方又は両方の側面側にのみ配置されてもよい。

【0104】

次に、第三実施形態による作用効果について説明する。

【0105】

第三実施形態の磁気シールド３４は、遮断部３５により磁気コア１１と磁気シールド３４との間の磁気的結合が低減されるよう磁気コア１１との接触が遮断された状態で磁気コア１１の径方向内側及び外側に配置されている。これにより、電流センサ１０Ｂの内側及び外側の双方から侵入する磁気ノイズを抑制することができる。

【0106】

また、第三実施形態の磁気シールド３４は、磁気コア１１の径方向の内側及び外側に加え、測定対象Ｌｍの挿通方向Ｚの一方又は両方に配置される。これにより、挿通方向Ｚの一方又は両方から侵入する磁気ノイズを抑制することができる。

【0107】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0108】

例えば、上記実施形態では、磁気検出素子としてホール素子１２を用いたが、これに代えてフラックスゲートなどを用いてもよい。磁気検出素子としてフラックスゲートを用いることによって、ホール素子を用いた場合に比べ、電流センサ１０、１０Ａ及び１０Ｂをオフセットドリフトが少ない電流センサにすることができる。

【符号の説明】

【0109】

１０、１０Ａ、１０Ｂ 電流センサ
１１ 磁気コア
１２ ホール素子（磁気検出素子）
１３ 負帰還巻線
１４、２４、３４ 磁気シールド
１５、２５、３５ 遮断部
２０ 測定部（演算手段）
１００ 測定装置
Ｌｍ 測定対象（検出対象）
Ｉｍ 測定電流
Ｕ 径方向
Ｘ トロイダル方向
Ｙ ポロイダル方向
Ｚ 挿通方向（挿通される方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】