JP5926911B2 - フラックスゲート電流センサ用ループコア、及びフラックスゲート電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象に流れる電流を測定するためのフラックスゲート電流センサ、及びフラックスゲート電流センサ用のループコアに関する。

測定対象に流れる電流を測定するためのセンサとして、フラックスゲート電流センサが知られており、実用に供されている。この種のフラックスゲート電流センサの具体的構成は、例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載のフラックスゲート電流センサは、フラックスゲートコア（１８）を有し、その周囲にフラックスゲートコイル（２０）が巻回された磁界センサ（８）を備えている。また、二つのコア部分（２８ａ、２８ｂ）により形成される磁気コア（４）を有している。コア部分（２８ａ、２８ｂ）の枝部部分（３２ａ、３２ｂ）は、側壁部（４６ａ、４６ｂ、４６ａ’、４６ｂ’）によって結合された内壁部（４０ａ、４０ｂ）と外壁部（４２ａ、４２ｂ）を有している。コア部分（２８ａ）の枝部部分（３２ａ）の壁部（４０ａ、４２ａ、４６ａ、４６ａ’）と、コア部分（２８ｂ）の枝部部分（３２ｂ）の壁部（４０ｂ、４２ｂ、４６ｂ、４６ｂ’）は、互いの自由端縁部（５３ａ、５３ｂ）間に所定のエアギャップ（５４）を空けつつ、空洞部（４４）を部分的に囲うように形成されている。空洞部（４４）には、磁界センサ（８）が収容され支持されている。

特表２０１１−５１０３１８公報

特許文献１に記載のフラックスゲート電流センサでは、磁界センサ（８）が地磁気の影響を受けることにより、測定対象の電流を精度良く検出できないことがある。特許文献１に記載のフラックスゲート電流センサにおいては、例えば地磁気の向きが枝部部分（３２ａ、３２ｂ）の長軸方向の場合、エアギャップ（５４）にて、空気よりも磁気抵抗の低い磁界センサ（８）を介して地磁気が流れる。また、例えば地磁気の向きがコア部分（２８ａ、２８ｂ）の側方枝部（３６、３４）の長軸方向の場合、地磁気は、側方枝部（３６、３４）から枝部部分（３２ａ、３２ｂ）に流れ、エアギャップ（５４）にて、空気よりも磁気抵抗の低い磁界センサ（８）を介して流れる。

このように、従来のフラックスゲート電流センサは、地磁気の影響を受けやすいため、測定対象の電流を精度良く検出できないという問題を抱えていた。本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、地磁気の影響を受けにくいフラックスゲート電流センサ、及び、このようなフラックスゲート電流センサに適したフラックスゲート電流センサ用ループコアを提供することである。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係るフラックスゲート電流センサ用ループコアは、略コの字形状に曲折された２つの板形状を一体に連ねた、一対の略３の字状のコアと、一対のコアよりも透磁率の高い軟磁性介挿部材とを有している。一対のコアは、互いの第１外脚部同士の少なくとも一部が接触するとともに、互いの第２外脚部同士の少なくとも一部が軟磁性介挿部材を介して接触しつつ、２つの略コの字形状の互いの連結部分の間に所定のギャップが保たれて、中途が括れた環状ループが形成されるように、対向配置されている。環状ループは、ギャップ部分を境に、第１外脚部側に、測定対象の電線が挿入され通されるスペースを規定する第１環部を有し、第２外脚部側に、電線に流れる電流により誘導される磁界を検出するための磁気プローブを配置するスペースを規定する第２環部を有している。

本発明によれば、磁気プローブを囲う第２環部を構成する一対の第２外脚部が、コアよりも透磁率の高い軟磁性介挿部材を介して接触しているため、一対の第２外脚部間の接触部分における磁気抵抗が小さい値に抑えられる。そのため、この接触部分に達した地磁気は、磁気プローブを経由することなく、磁気抵抗のより小さい接触部分を経由して流れていく。すなわち、本発明に係るフラックスゲート電流センサ用ループコアは、磁気プローブに対する地磁気の影響を抑えるのに好適に構成されている。

軟磁性介挿部材は、例えば、一対の第２外脚部の間に介挿されたときに変形する軟性材である。

また、軟磁性介挿部材は接着性を有しており、第２外脚部同士を接着固定する構成としてもよい。

第２外脚部同士の少なくとも一部は、第２外脚部の板厚方向に、軟磁性介挿部材を間に介挿したうえで重ね合わせられている構成としてもよい。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係るフラックスゲート電流センサは、上記フラックスゲート電流センサ用ループコアと、その第２環部によって囲われるスペースに配置される磁気プローブと、フラックスゲート電流センサ用ループコアに絶縁体を介して巻回されたコイルとを有することを特徴としたものである。

上記絶縁体は、例えば、第２外脚部の板厚方向に重ね合わせられた一対の第２外脚部の側面の少なくとも一部を囲うボビンである。この場合、第２外脚部同士は、ボビンによる圧接狭持により、軟磁性介挿部材を圧接狭持するとともに、互いが固定されている構成としてもよい。

本発明によれば、地磁気の影響を受けにくいフラックスゲート電流センサ、及び、このようなフラックスゲート電流センサに適したフラックスゲート電流センサ用ループコアが提供される。

本発明の実施形態に係るフラックスゲート電流センサの回路図を示す。 本発明の実施形態に係るフラックスゲート電流センサの断面図を示す。 本発明の実施形態（本実施例１）に係るフラックスゲート電流センサが備えるフィードバックコア単体の斜視図を示す。 本発明の実施例１のフラックスゲート電流センサの組立を説明する図である。 本発明の実施例２に係るフラックスゲート電流センサが備えるフィードバックコア単体の断面図を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るフラックスゲート電流センサについて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るフラックスゲート電流センサ１の回路図を示す。本実施形態のフラックスゲート電流センサ１は、フィードバックコア３０に、プローブ１０及びフィードバックコイル２０を取り付けた構造を有している。フィードバックコア３０は、例えば、透磁率の高い、軟磁性合金の一つであるＰＣパーマロイによって形成されている。フィードバックコア３０には、測定対象となる電流が流れるケーブルＣＬが近接して配置されている。フラックスゲート電流センサ１は、ケーブルＣＬを流れる電流によってフィードバックコア３０内に発生する磁界の大きさを検出することにより、ケーブルＣＬを流れる電流の大きさを測定する。

図２（ａ）は、プローブ１０、フィードバックコイル２０、及びフィードバックコア３０を備えるフラックスゲート電流センサ１の主要部の断面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面を示し、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。図３は、フィードバックコア３０単体の斜視図を示す。図２又は図３に示されるように、フィードバックコア３０は、第１コア部３１、第２コア部３２、及び軟磁性介挿部材３５を組み合わせることにより、ループを形成している。第１コア部３１、第２コア部３２は、それぞれ、フィードバックコア３０のループの内側に向かって大きく屈曲する屈曲部３１ａ、３２ａを持ち、略コの字形状に曲折された２つの幅広の板材を一体に連ねた、略３の字形状を有している。図２に示されるように、フィードバックコア３０のループ形状は、２つの略コの字形状を連結する連結部分を含む屈曲部３１ａ及び３２ａによって、第１環部３３と第２環部３４からなる、中途で括れた環状（略８の字状）となっている。

プローブ１０は、フラックスゲートコア１１の周囲に巻線１２が巻回された磁気プローブである。フラックスゲートコア１１は、例えば、透磁率の高い、軟磁性合金の一つであるアモルファスによって形成されている。フラックスゲートコア１１と巻線１２は、図示省略された絶縁体によって絶縁されている。図２に示されるように、プローブ１０は、第２環部３４内の、フィードバックコア３０によって囲われたスペースに配置されている。巻線１２に電流が流されると、フラックスゲートコア１１内に磁界が発生する。

フィードバックコイル２０は、第１巻線２１及び第２巻線２２を有している。第１巻線２１は、第１環部３３の一部（第１コア部３１の第１外脚部３１ｃ、及び第２コア部３２の第１外脚部３２ｃ）を囲うよう配置された、絶縁性を有する第１ボビン４１に巻回されている。第２巻線２２は、第２環部３４及び屈曲部３１ａ、３２ａ全体を囲うように配置された、絶縁性を有する第２ボビン４２に巻回されている。第１巻線２１と第２巻線２２は、電気的に直列となるよう互いに接続されている。

フラックスゲート電流センサ１の動作について、以下に説明する。なお、測定対象となる電流が流れるケーブルＣＬは、第１環部３３内の、第１巻線２１と第２巻線２２との間のスペースに挿入され通されている。

図１に示されるように、プローブ１０の巻線１２には、パルス電源５１が接続されている。パルス電源５１から巻線１２には、パルス状の高周波の矩形波電流が供給される。高周波矩形波電流が巻線１２に供給されると、フラックスゲートコア１１内の磁束密度が周期的に飽和する。そのため、ケーブルＣＬを流れる電流によってフィードバックコア３０内に磁界が発生すると、巻線１２に印加される電圧の波形には、外部磁界（フィードバックコア３０内に発生した磁界）によって歪みが生じるようになる。

巻線１２は、インターフェース回路５２に接続されている。インターフェース回路５２は、巻線１２間の電圧をＰＷＭ信号に変換する。インターフェース回路５２から出力されるＰＷＭ信号は、フラックスゲートコア１１に外部磁界が加えられていない状態（すなわち、ケーブルＣＬに電流が流れていない状態）ではデューティ比５０％の信号となる。ＰＷＭ信号のデューティ比は、フラックスゲートコア１１に加えられる外部磁界に応じて変化する。

インターフェース回路５２から出力されたＰＷＭ信号は、ローパスフィルタ５３に入力する。ローパスフィルタ５３は、ＰＷＭ信号をアナログ信号（デューティ比に応じた出力電圧）に変換し、変換した出力電圧をドライバ５４に出力する。

ドライバ５４は、エラーアンプとフィードバック回路を備えている。ドライバ５４の出力段には、フィードバックコイル２０が接続されている。エラーアンプは、ローパスフィルタ５３からの出力電圧と所定の基準電圧Ｖ_refとの差分を検出する。フィードバック回路は、検出された差分に基づく大きさの電流をフィードバックコイル２０に流す。フィードバックコイル２０を流れる電流によってフィードバック磁界が発生することにより、ケーブルＣＬを流れる電流によって誘導されたフィードバックコア３０内の磁界が打ち消される。すなわち、フィードバックコイル２０には、フラックスゲートコア１１に加わる外部磁界がゼロになるように負帰還電流が流れるようになる。

フラックスゲート電流センサ１は、フィードバックコイル２０に流れる電流（言い換えると、出力電圧Ｖ_OUT）をシャント抵抗Ｒｓで測定することにより、ケーブルＣＬを流れる電流の大きさを測定する。なお、フィードバックコイル２０に流れる電流は、上記の負帰還によって高速で周期的に変化する。しかし、差分増幅回路５５は、ドライバ５４に対して応答速度が数桁低い。そのため、出力電圧Ｖ_OUTの波形は測定対象の電流波形と一致し、実質的に、ケーブルＣＬに流れる電流の大きさと相関する値となる。

本実施形態のフラックスゲート電流センサ１は、地磁気に基づく電流測定誤差を有効に抑えるため、第１コア部３１と第２コア部３２との接触部分の磁気抵抗が小さくなるように構成されている。以下、フラックスゲート電流センサ１の具体的実施例を複数例説明する。

図２は、本実施例１のフラックスゲート電流センサ１の断面図を兼ね、図３は、本実施例１のフィードバックコア３０単体の斜視図を兼ねている。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施例１のフラックスゲート電流センサ１の組立を説明する図である。

図２（ａ）、図２（ｂ）及び図３に示されるように、フィードバックコア３０は、中途の括れ位置側から見て、第１コア部３１の第２外脚部３１ｂ、軟磁性介挿部材３５、第２コア部３２の第２外脚部３２ｂの順に配置されており、第２外脚部３１ｂの上面３１ｂＵと、第２外脚部３２ｂの下面３２ｂＤとが軟磁性介挿部材３５を介して互いに重ね合わせられている。軟磁性介挿部材３５は、第１コア部３１及び第２コア部３２よりも透磁率の高い軟磁性材であり、例えばニッケル合金を主とした磁性体をフォイル状にしたパーマロイテープである。軟磁性介挿部材３５は、柔軟性を有するとともに、一面が接着性を有する接着面となっている。また、図２（ａ）、図２（ｃ）、及び図３に示されるように、フィードバックコア３０は、中途の括れ位置側から見て、第１コア部３１の第１外脚部３１ｃ、第２コア部３２の第１外脚部３２ｃの順に配置されており、第１外脚部３１ｃの下面３１ｃＤと、第１外脚部３２ｃの上面３２ｃＵとが互いに重ね合わせられている。

図４に示されるフラックスゲート電流センサ１の組立工程に沿って説明すると、第１コア部３１の第２外脚部３１ｂの上面３１ｂＵに軟磁性介挿部材３５が接着固定されたうえで、第２外脚部３１ｂが第２ボビン４２の内側に挿入され通されるとともに、第１コア部３１の第１外脚部３１ｃが第１ボビン４１の内側に挿入され通される（図４（ａ）参照）。第２環部３４内の、フィードバックコア３０によって囲われたスペース内に、プローブ１０が組み付けられると（図４（ｂ）参照）、第２コア部３２の第２外脚部３２ｂが第２ボビン４２内の残りのスペースに挿入され通されるとともに、第２コア部３２の第１外脚部３２ｃが第１ボビン４１内の残りのスペースに挿入され通される（図４（ｃ）参照）。このとき、軟磁性介挿部材３５は、第１コア部３１の第２外脚部３１ｂの上面３１ｂＵと、第２コア部３２の第２外脚部３２ｂの下面３２ｂＤの各面に面接触した状態で介挿される。なお、軟磁性介挿部材３５は、下面３２ｂＤと面接触する側の面も接着面となっていてもよい。また、第１ボビン４１、第２ボビン４２はそれぞれ、第１巻線２１、第２巻線２２とフィードバックコア３０との絶縁が担保されるように、第１巻線２１、第２巻線２２とフィードバックコア３０との間の少なくとも一部を囲うように形成されている。本実施例１では、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示されるように、第１ボビン４１、第２ボビン４２はともに、長軸方向と直交する断面が略ロの字状となっている。

図２（ａ）又は図２（ｂ）に示されるように、第２コア部３２の第２外脚部３２ｂの上面３２ｂＵから屈曲部３１ａ（又は３２ａ）の下面３１ａＤ（又は３２ａＤ）までの幅ｗ１は、第２ボビン４２の、対向する内壁面間の距離ｄ１と略等しい。また、第１コア部３１の第２外脚部３１ｂの上面３１ｂＵから下面３１ａＤ（又は３２ａＤ）までの幅ｗ２と、第２コア部３２の第２外脚部３２ｂの板厚ｔ１と、軟磁性介挿部材３５の層厚ｔ２との和も、距離ｄ１と略等しい。幅ｗ１（及び幅ｗ２と板厚ｔ１と層厚ｔ２との和）と距離ｄ１は、例えばはめあい公差（中間ばめ又はしまりばめ）で規定されている。そのため、第２ボビン４２をフィードバックコア３０に取り付けると（図２（ａ）又は図４（ｃ）参照）、第２環部３４、屈曲部３１ａ、及び３２ａの全体が第２ボビン４２の内壁面間に挟み込まれて、適度な締め付け力を受ける。これにより、第２外脚部３１ｂの上面３１ｂＵと、第２外脚部３２ｂの下面３２ｂＤとが軟磁性介挿部材３５を介挿した状態で互いに密着し、固定状態となる。

また、第１ボビン４１の、対向する内壁面間の距離ｄ２は、第１コア部３１の第１外脚部３１ｃと、第２コア部３２の第１外脚部３２ｃの板厚の合計と略等しい。この板厚の合計と距離ｄ２は、例えばはめあい公差（中間ばめ又はしまりばめ）で規定されている。そのため、第１ボビン４１をフィードバックコア３０に取り付けると（図２（ａ）又は図４（ｃ）参照）、第１外脚部３１ｃ及び３２ｃが第１ボビン４１の内壁面間に挟み込まれて、適度な締め付け力を受ける。これにより、第１外脚部３１ｃの下面３１ｃＤと、第１外脚部３２ｃの上面３２ｃＵとが互いに密着し、固定状態となる。

本実施例１においては、第１コア部３１の第２外脚部３１ｂの上面３１ｂＵと、第２コア部３２の第２外脚部３２ｂの下面３２ｂＤとの隙間を埋めるように、第１コア部３１及び第２コア部３２よりも透磁率の高い軟磁性介挿部材３５が接着され介挿されている。そのため、第１コア部３１と第２コア部３２との（軟磁性介挿部材３５を介した）接触部分における磁気抵抗が小さい値に抑えられる。例えば地磁気の向きがプローブ１０の長軸方向の場合を考える。この場合において、第１コア部３１と第２コア部３２との接触部分に達した地磁気は、フラックスゲートコア１１を経由することなく、磁気抵抗のより小さい接触部分を経由して流れていく。また、地磁気の向きがプローブ１０の長軸方向と直交する場合を考える。例えば図２（ａ）の紙面と直交する向きの場合、地磁気は、フラックスゲートコア１１を経由することなく、磁気抵抗のより小さいフィードバックコア３０内に引き寄せられて流れていく。図２（ａ）の紙面と平行（図面上下方向）な場合、地磁気は、フラックスゲートコア１１を経由することなく、磁気抵抗のより小さいフィードバックコア３０内を略３の字形状に沿って流れていく。このように、フラックスゲートコア１１は、地磁気の影響を実質的に受けない、若しくは非常に受け難くなる。そのため、フラックスゲート電流センサ１は、ケーブルＣＬを流れる電流を精度良く検出することができる。

また、本実施例１においては、上面３１ｂＵ、下面３２ｂＤの各面と、軟磁性介挿部材３５との密着性をより一層高めるため、第２ボビン４２によって、第２外脚部３１ｂ、軟磁性介挿部材３５、及び第２外脚部３２ｂの三部材を圧接狭持している。これにより、第１コア部３１と第２コア部３２との接触部分における磁気抵抗がより一層小さい値に抑えられている。

本実施例２のフラックスゲート電流センサ１は、フィードバックコア以外の構成が本実施例１と共通である。そのため、以下においては、本実施例２のフィードバックコア単体についてだけ説明する。また、本実施例２において、本実施例１と同様の構成には同様の名称及び符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図５は、本実施例２のフィードバックコア１３０単体の断面図を示す。図５に示されるように、本実施例２のフィードバックコア１３０は、第１コア部１３１、第２コア部１３２、及び軟磁性介挿部材１３５からなる。軟磁性介挿部材１３５は、第１コア部３１及び第２コア部３２よりも透磁率の高い軟磁性材であり、例えば柔軟性を有するアモルファス薄帯である。図５に示されるように、軟磁性介挿部材１３５は、一方の端部付近が第１コア部１３１の第２外脚部１３１ｂの先端と、第２コア部１３２の側脚部１３２ｓとの間に挟み込まれるとともに、残りの部分が、第２外脚部１３１ｂの上面１３１ｂＵと、第２外脚部１３２ｂの下面１３２ｂＤとの間に、第２ボビン４２による圧接を介して狭持されている。軟磁性介挿部材１３５は、第１コア部１３１と第２コア部１３２との間に、全体として略Ｌ字状に屈曲した状態で介挿されている。

本実施例２においては、第１コア部１３１の第２外脚部１３１ｂの上面１３１ｂＵと、第２コア部１３２の第２外脚部１３２ｂの下面１３２ｂＤとの隙間に加えて、第２外脚部１３１ｂの先端と、第２コア部１３２の側脚部１３２ｓとの隙間も埋めるように、第１コア部３１及び第２コア部３２よりも透磁率の高い軟磁性介挿部材３５が介挿されている。そのため、第１コア部１３１と第２コア部１３２との接触部分における磁気抵抗がより一層抑えられ、フラックスゲートコア１１は、地磁気の影響を実質的に受けない、若しくは非常に受け難くなる。従って、本実施例２のフラックスゲート電流センサ１は、ケーブルＣＬを流れる電流を精度良く検出することができる。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施の形態は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。例えば、軟磁性介挿部材３５や１３５の介挿位置、材質等は、本実施例１や２にて例示したものに限らない。

１ フラックスゲート電流センサ
１０ プローブ
２０ フィードバックコイル
３０、１３０ フィードバックコア
３５、１３５ 軟磁性介挿部材

Claims (6)

1. 略コの字形状に曲折された２つの板形状を一体に連ねた、一対の略３の字状のコアと、
   前記一対のコアよりも透磁率の高い軟磁性介挿部材と、
   を有し、
   前記一対のコアは、
   互いに離れて並ぶ前記略コの字形状に曲折された２つの板形状の端部同士を連結する連結部分をそれぞれ備え、
   互いの第１外脚部同士の少なくとも一部が接触するとともに、互いの第２外脚部同士の少なくとも一部が前記軟磁性介挿部材を介して接触しつつ、互いの前記連結部分の間に所定のギャップが保たれて、中途が括れた環状ループが形成されるように、対向配置され、
   前記環状ループは、前記ギャップ部分を境に、前記第１外脚部側に、測定対象の電線が挿入され通されるスペースを規定する第１環部を有し、前記第２外脚部側に、該電線に流れる電流により誘導される磁界を検出するための磁気プローブを配置するスペースを規定する第２環部を有することを特徴とする、フラックスゲート電流センサ用ループコア。
2. 前記軟磁性介挿部材は、一対の前記第２外脚部の間に介挿されたときに変形する軟性材であることを特徴とする、請求項１に記載のフラックスゲート電流センサ用ループコア。
3. 前記軟磁性介挿部材は接着性を有しており、前記第２外脚部同士を接着固定することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のフラックスゲート電流センサ用ループコア。
4. 前記第２外脚部同士の少なくとも一部は、該第２外脚部の板厚方向に、前記軟磁性介挿部材を間に介挿したうえで重ね合わせられていることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のフラックスゲート電流センサ用ループコア。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載のフラックスゲート電流センサ用ループコアと、
   前記第２環部によって囲われるスペースに配置される磁気プローブと、
   前記フラックスゲート電流センサ用ループコアに絶縁体を介して巻回されたコイルと、
   を有することを特徴とする、フラックスゲート電流センサ。
6. 前記絶縁体は、前記第２外脚部の板厚方向に重ね合わせられた一対の該第２外脚部の側面の少なくとも一部を囲うボビンであり、
   前記第２外脚部同士は、前記ボビンによる圧接狭持により、前記軟磁性介挿部材を圧接狭持するとともに、互いが固定されていることを特徴とする、請求項４を引用する請求項５に記載のフラックスゲート電流センサ。

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