JP2009002736A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ピックアップコイルの組み付けが容易に行えて組み立て作業性がよく、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、そしてヒステリシスを低減でき、出力特性を直線性よく良好に向上できて車載用途等に好ましく適用できる電流センサを提供すること
【解決手段】 圧電体リング１の表裏に第１磁性体リング２ａ，第２磁性体リング２ｂをそれぞれ接合させて略Ｃ字形状のリング本体とし、当該リング本体の内外に線材を巻き回してピックアップコイル３とする。第１，第２の磁性体リングには、略Ｃ字形状の連なり全体を所定に分割するギャップ５をそれぞれ設ける。スリット４の部分は磁性体の側では機能的にはギャップ５として機能する。圧電体リング１は電極間に所定の交流電圧を加えることで直径方向に振動させる。被測定電流Ｉが流れる電線６は環状部位内に位置させ、被測定電流Ｉによって発生する磁界の強さをピックアップコイル３により検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサに関するもので、より具体的には、ピックアップコイルを連係した磁性体材料には所定の振動力を加えることで逆磁歪効果（ビラリ効果）を起こさせて変調し、被測定電流に対応した磁界の変化を検出するような構成において、磁性体材料へ圧電体振動子を一体に接合させるセンサ本体の構造の改良に関する。

直流電流を非接触に検出する電流センサに関して、大電流の測定が行えること、そして比較的に高温となるような厳しい環境でも測定が行えること、などが強く求められる用途がある。例えば車載用途では、小型で堅牢であることおよび動作温度が広いことなど、一般産業用途を超える仕様となり、具体的には５０アンペア程度の電流が測定でき、車両のエンジン室では少なくとも１３０℃程度で動作できることが必要になる。また近年は、燃料電池車やハイブリッド車などに注目があり、電流センサは重要な部品になっている。

大電流の検出が行える電流センサとしては、例えばホール素子を用いたものがよく知られている。これは環状の磁性体コアに設けたギャップ部位にホール素子を配置し、被測定電流が流れる電線は環状部位の内側に位置させ、被測定電流によって発生する磁界の強さをホール素子により検出（ホール電圧）する構成を採る。しかし、ホール素子による電流センサは、磁性体コアのギャップ部位にホール素子を挟む構成のため小型化が難しく、高温環境で使用することに困難があり欠点が多い。

また、特許文献１や非特許文献１に見られるように、ビラリ効果を利用することで電流センサを構成するようにした技術の提案がある。この提案された電流センサは、図１に示すように、環状の磁性体リング２に対して圧電体リング１を接合させて一体化し、当該環状部位の内外に線材を巻き回してピックアップコイル３としており、直流電流Ｉによって発生する直流磁界の強さをピックアップコイル３により検出する構成を採る。ピックアップコイル３と交錯する磁束、つまり直流磁界の強さを検出するにはこれを変調する必要があり、このため圧電体リング１は所定の交流電圧を加えて直径方向に振動させ、磁性体リング２へ機械的な振動力を加えることで逆磁歪効果（ビラリ効果）を起こさせて磁束の変調を行う。これにより、被測定電流Ｉに対応した磁界の変化を検出することができ、電流の検出が行える。
特開２００６−９８３３２号公報

電気学会マグネティックス研究会 ＭＡＧ−０５−３４ ビラリ効果を利用した大電流センサ 忠津孝・笹田一郎

しかし、図１の構成のようなビラリ効果を利用した電流センサでは以下に示すような問題がある。ピックアップコイル３の組み付けに手間がかかり、組み立て作業性が悪いという問題がある。これは線材の巻き付けが、棒状体へ巻き付けるのと違って環状体に対して巻き付けを行うことになるため作業が容易ではなく、組み立てに手間がかかる。

そこで、環状のセンサ本体は２つに分割してしまい、ホルダ部材を用意して使用時には略半弧状の２つを突き合わせ状態に保持する構成にする考えがある。その場合、ピックアップコイル３は、２分割の一方へ組み付ければよいので組み立て作業性は向上するが、圧電体リング１が２分割であると、２つを同調させて駆動する必要が生じ、同調駆動のための構成が複雑になる。また、ホルダ部材で２つを突き合わせ状態に保持する際に位置ズレがあると特性を損ない、所望の性能が得られなくなる問題が起きる。このため、センサ本体を２分割の構成にする考えは、良好な解決策とは言えない。

ところで、磁性材料には残留磁化が大きいものがあり、残留磁束による出力が発生するため被測定電流Ｉが０であってもピックアップコイル３に出力電圧（オフセット）が生じてしまい、出力特性が悪化する問題がある。また、磁性体リング２には磁気特性にヒステリシスがあることから、電流センサの出力特性にその影響が出てしまう。

また、ピックアップコイル３の出力は、被測定電流Ｉに対して概ね良好な直線性を示すものの、直線性が得られる領域（被測定電流Ｉの範囲）が狭い。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、ビラリ効果による磁束の変調により検出動作する構成を採り、ピックアップコイルの組み付けが容易に行えて組み立て作業性がよく、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、そしてヒステリシスを低減でき、出力特性を直線性よく良好に向上できて車載用途等に好ましく適用できる電流センサを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る電流センサは、（１）被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサであって、略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリットとしてある圧電体リングと、略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリットとしてある第１磁性体リングとを接合して略Ｃ字形状のセンサ本体を形成し、センサ本体の内外に線材を巻き回してピックアップコイルとする構成にする。
（２）上記（１）の発明を前提とし、第１磁性体リングには、略Ｃ字形状の連なり全体を所定の領域に分割するギャップを設けることがよい。
（３）上記（１）あるいは（２）の発明を前提とし、略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリットとしてある第２磁性体リングをセンサ本体へ接合させて、当該第２磁性体リングと第１磁性体リングとで圧電体リングを挟み込む構成とすることもよい。
（４）上記（３）の発明を前提とし、第２磁性体リングには、略Ｃ字形状の連なり全体を所定の領域に分割するギャップを設けることもよい。

本発明では、センサ本体は環状の１ヶ所にスリットを有した略Ｃ字形状のものとなる。このため、ピックアップコイルの組み付けはスリットの部分から線材を挿入させて巻き付けることができ、作業が容易に行える。

センサ本体においてスリットの部分は、磁性体の側では機能的にはギャップとして機能することになる。磁性体では磁気抵抗がギャップの部分で変化するので、ギャップの幅や当該部分をなす物質に応じて磁性体リングの磁気抵抗を変更でき、磁性体リングについて磁気抵抗の調整が行える。そして、磁気抵抗を調整することにより磁束の発生を制御することができる。

また、（１）の発明では、圧電体リングのみが径方向に伸縮するので反りが発生する。そして、磁性体リングと圧電体リングの熱膨張係数が異なることでも反りが発生する。その場合、（３）の発明のように、２つの磁性体リングで圧電体リングを挟み込むことで、温度変化が生じても電流センサ全体での反りの発生を抑制できる。

本発明に係る電流センサでは、センサ本体は環状の１ヶ所にスリットを有した略Ｃ字形状のものとなるので、ピックアップコイルの組み付けはスリットの部分から線材を挿入させて巻き付けることができる。したがって、ピックアップコイルの組み付けが容易に行えて組み立て作業性がよい。

また、センサ本体においてスリットの部分は、磁性体の側では機能的にはギャップとして機能する。磁性体ではギャップの幅や当該部分をなす物質に応じて磁気抵抗を変更でき、このため磁性体リングについて磁気抵抗の調整が行える。そして、磁気抵抗を調整することにより磁束の発生を制御することができる。したがって、被測定電流によって発生する直流磁束を適正に制御でき、その結果、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、ヒステリシスの低減が行える。そして、出力特性を直線性よく良好に向上できて車載用途等に好ましく適用できる。

図２は本発明の第１の実施の形態を示している。本実施形態において電流センサは、圧電体リング１の表裏に第１磁性体リング２ａ，第２磁性体リング２ｂをそれぞれ接合させて略Ｃ字形状のリング本体とし、当該リング本体の内外に線材を巻き回してピックアップコイル３とする構成にしている。

圧電体リング１は、略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリット４としてある。第１磁性体リング２ａ，第２磁性体リング２ｂも同様であり、略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリット４としてある。そして、これらは重ね合わせて接合し、略Ｃ字形状のセンサ本体を形成するが、第１磁性体リング２ａと第２磁性体リング２ｂとで圧電体リング１を挟み込む構成とする。

第１磁性体リング２ａおよび第２磁性体リング２ｂには、略Ｃ字形状に連なった全体を所定に分割するギャップ５をそれぞれ設けている。スリット４の部分は、磁性体の側では機能的にはギャップ５として機能することになる。そして本形態では、ギャップ５はスリット４の部分を含めて４等分位置での表裏に設ける構成とし、合計８つのギャップ５を有するものとしている。もちろん、ギャップ５の形成位置および個数は任意に設定できる。

圧電体リング１は分極させてあり、電極間に所定の交流電圧を加えることにより直径方向に振動するようになっている。圧電体リング１の分極処理は具体的には、対向する２面に焼き付け用の銀ペーストを塗布して導電性皮膜（分極電極）を形成し、８０〜１２０℃に加熱したシリコンオイル中に入れて、分極電極間に２〜３ｋＶ／ｍｍの電圧を２０〜６０分間加える処理を行い、分極させる。

被測定電流Ｉが流れる電線６は環状部位の内側に位置させ、被測定電流Ｉによって発生する磁界の強さをピックアップコイル３により検出する。

この場合、電線６を環状部位内に位置させるので、被測定電流Ｉによる磁束は磁性体リング２ａ，２ｂについて周回方向に発生する。圧電体リング１に交流電圧を加えた場合、磁界が一定、つまり直流磁界の状態でも磁束密度は対応量の増減を起こし、磁束の変化が生じる。すなわち、磁性体リング２ａ，２ｂへ機械的な振動力を加えることで逆磁歪効果（ビラリ効果）を起こさせて磁束の変調を行う。そして、この磁束の変化のためピックアップコイル３では起電力を生じ、ピックアップコイル３の出力は、直流磁界の大きさ、つまり被測定電流Ｉの大きさに比例して増減する。したがって、被測定電流Ｉに対応した磁界の変化を検出することができ、電流の検出が行える。

ところで、磁性体リング２ａ，２ｂへギャップ５を設けた場合、磁束φは、
φ＝Ｎ・Ｉ／（Ｌ／μＳ）
となる。Ｉは被測定電流、Ｎは電線６のターン数、Ｌは磁路の長さ、Ｓは断面積である。ここでＮ・Ｉは起磁力、Ｌ／μＳは磁気抵抗となっている。そして磁束密度Ｂは、
Ｂ＝Ｎ・Ｉ／（Ｌ／μ）
となる。磁性体材料による磁路部位とギャップ５との磁気抵抗は直列なので、
Ｌ／μ＝ΔＬ／μｇ＋（Ｌ−ΔＬ）／μｓ
となる。ΔＬは磁束の流線方向でのギャップ５の長さ、μｇはギャップ５の透磁率、μｓは磁性体材料の透磁率である。

そして、ピックアップコイル３における起電力Ｖは、
ｅ＝Ｖｓｉｎωｔ
とおくとｅは、
ｅ＝−ｎ・Ｓ・δＢ／δｔ
なので、
｜ΔＢ｜＝１／（ｎ・Ｓ）∫ｅｄｔ
＝１／（ｎ・Ｓ）∫Ｖｓｉｎωｔｄｔ
＝Ｖ・１／（ｎ・Ｓ）・１／（π・ｆ）
∴ Ｖ＝ｎ・Ｓ・π・ｆ ．ｄＢ
＝（Ｎ・Ｉ・ｎ・Ｓ・π・ｆ）／（ΔＬ／μｇ＋（Ｌ−ΔＬ）／μｓ）

となる。以上により、起電力Ｖは、ギャップ５の長さΔＬ、ギャップ５の材質（透磁率μｇ）に応じて適宜に調整が行えることがわかる。

なお、ギャップ５は磁性体リング２ａ，２ｂに対して単に１つだけ設ける構成にすることでもよい。さらに、ギャップ５の部位には透磁率が相違する調整部材を配置する構成にすることもよい。また本形態では、圧電体リング１の表裏両側に磁性体リング２ａ，２ｂを接合するようにしたが、本発明はこれに限ることはなく、圧電体リング１の片側に磁性体リング２を接合してもよい。

同様に、図３のように筒状圧電体と筒状磁性体を同心に合わせて一体に接合してスリット、ギャップを設けた構成にしても同様の効果が得られる。

このように、本発明に係る電流センサは、圧電体材料と磁性体材料からなる構成なので、高温環境で使用することに何ら問題がなく、動作温度の範囲が広い。そして、電流の検出動作にはビラリ効果による磁束の変調を利用しているので、ホール素子による構成と違って小型化することができ、外乱磁界の影響を受けない検出が行える。また、ホール素子は半導体のため放射線耐性が弱い欠点があるが、本発明に係る電流センサは放射線耐性が強いと言える。

そして本発明では、センサ本体は環状の１ヶ所にスリット４を有した略Ｃ字形状のものとなる。このため、ピックアップコイル３の組み付けはスリット４の部分から線材を挿入させて巻き付けることができる。したがって、ピックアップコイル３の組み付けが容易に行えて組み立て作業性がよい。

センサ本体においてスリット４の部分は、磁性体の側では機能的にはギャップ５として機能することになる。磁性体では磁気抵抗がギャップの部分で変化するので、ギャップ５の幅や当該部分をなす物質に応じて磁性体リング２ａ，２ｂの磁気抵抗を変更でき、磁性体リング２ａ，２ｂについて磁気抵抗の調整が行える。そして、磁気抵抗を調整することにより磁束の発生を制御することができる。このため、被測定電流Ｉによって発生する直流磁束を適正に制御でき、その結果、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、ヒステリシスの低減が行える。そして、出力特性を直線性よく良好に向上でき、電流検出の帯域を広くすることができ、したがって、本発明に係る電流センサは車載用途等に好ましく適用することができる。

本発明の効果を実証するため、図２に示す電流センサを試作して出力特性の評価を行った。本発明に係る試作（ａ）は、スリット４の幅を１ｍｍとし、他の６ヶ所のギャップ５を０．２ｍｍとした。そして比較例の試料（ｂ）は、スリット４は設けないで、磁性体リング２ａ，２ｂについて８ヶ所にギャップ５を設け、各ギャップ５は０．２ｍｍとした。これら試料（ａ），（ｂ）それぞれに電流測定を行ったところ、図３に示す出力特性を得た。

図４から明らかなように、本発明に係る試料（ａ）では、ギャップのみの比較例の試料（ｂ）と比べて出力レベルはいくぶん低値になるものの、出力特性は残留磁束による出力のオフセットが低減し、ヒステリシスが低減できることを確認した。そして、被測定電流の変化に対して出力の直線性が得られる範囲、つまり、測定可能な電流領域が十分に広く得られることを確認した。

本発明では直流大電流の検出を非接触に行えて動作温度が広範囲となることから、ハイブリッド車や電気自動車などの車載用途に有効であり、そして太陽光発電，風力発電，燃料電池などの大電流センサの用途に有効である。

電流センサの従来の一例を示す斜視図である。 本発明に係る電流センサの好適な一実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係る電流センサの好適な一実施の形態を示す斜視図である。 電流センサの出力特性を示すグラフであり、特性（ａ）は１ヶ所の分断と８ヶ所のギャップとを設けた構成での出力特性、特性（ｂ）は単に８ヶ所のギャップを設けた構成での出力特性である。

符号の説明

１ 圧電体リング
２ａ 第１磁性体リング
２ｂ 第２磁性体リング
３ ピックアップコイル
４ スリット
５ ギャップ
６ 電線

Claims (4)

1. 被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサであって、
   略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリットとしてある圧電体リングと、略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリットとしてある第１磁性体リングとを接合して略Ｃ字形状のセンサ本体を形成し、前記センサ本体の内外に線材を巻き回して前記ピックアップコイルとすることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１磁性体リングには、略Ｃ字形状の連なり全体を所定の領域に分割するギャップを設けることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 略環状であるが当該環状の１ヶ所は分断してスリットとしてある第２磁性体リングを前記センサ本体へ接合させて、当該第２磁性体リングと前記第１磁性体リングとで前記圧電体リングを挟み込む構成とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記第２磁性体リングには、略Ｃ字形状の連なり全体を所定の領域に分割する複数のギャップを設けることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。

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