CN102187234A - 使用了磁性流体的传感器用的磁桥、以及使用了该磁桥的电流传感器和磁场传感器 - Google Patents

使用了磁性流体的传感器用的磁桥、以及使用了该磁桥的电流传感器和磁场传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够消除传感器的偏差问题的使用了磁性流体的传感器即电流传感器和磁场传感器、在这些传感器中使用并由有用的磁性流体形成的磁桥、以及用于将原样未定形的磁性流体形成为所要求形态的磁桥的磁路壳体。具备磁回路和励磁线圈L1、L2，所述磁回路通过由磁性材料形成的连接磁路cr1、cr2连接由容器11使磁性流体保持形状而形成的2个隔离开的环状磁路mr1、mr2，所述励磁线圈由励磁驱动单元驱动、并卷绕于所述连接磁路cr1、cr2，适当选择所述磁回路的磁阻，使得呈现所述两个环状磁路mr1、mr2的磁通量的和变为零(磁通量的大小相同、方向相反)的磁平衡状态。

Description

使用了磁性流体的传感器用的磁桥、以及使用了该磁桥的电流传感器和磁场传感器
技术领域
本发明涉及不与被检测导线连接而在绝缘状态下直接测定电流的电流传感器，涉及完全实现排除对于以往直流大电流传感器而言难以排除的偏差(offset)并进而也能够测定微弱电流的、动态范围宽的电流传感器、用于构成该电流传感器的使用了磁性流体的磁桥、以及使用了该磁桥的磁场传感器。
背景技术
作为众所周知的绝缘型直流电流传感器的代表性传感器，在使用磁力检测元件的电流传感器中有霍尔元件型的电流传感器，更广泛的是，在被称为磁力调制方式的利用了磁性材料的磁特性的电流传感器中有磁通量闸门型(flux gate)电流传感器。在面向大电流的测量方面是以霍尔元件型为代表的使用磁力检测元件的电流传感器，以磁通量闸门型为代表的磁力调制方式面向微弱电流的检测，而非面向大电流检测。
霍尔元件型为如下构造：切开导磁率高的软磁性材料的环的一部分，制作具有间隙的磁轭(yoke)，在该间隙中夹持霍尔元件。(使用磁力检测元件的电流传感器，其构造基本上都为相同的构造。)然而，构成磁轭的软磁性材料具有滞后特性，会产生剩余磁化。该剩余磁化成为偏移误差的原因。这是使用磁轭和磁力检测元件的方式的共同缺点。
从磁轭的目的来看，对磁轭的材料来说，仅使用高导磁率的软磁性材料，不见得不会发生剩余磁化。即，面向大电流测量的霍尔元件型，由于剩余磁化的问题和低灵敏度这两方面的原因，难以进行微弱电流测量，因此，难以制作动态范围宽的电流传感器。
磁通量闸门型，通过使环状的磁性材料的全部或一部分饱和磁化来显现检测功能，但是对于被测量电流来说使用不饱和的磁性材料，必须进一步在更强的磁场中使其饱和。即，若想要测量大电流则必须以更大的电流进行励磁，由于发热和/或电力消耗大的问题，因而不实用。
然而，近年来，保护环境成为社会问题，太阳能发电、燃料电池等直流电流的重要性提高，预计对电动车、混合动力车等使用二次电池的直流电力设备的需求增大。另外，从节省能量的观点出发，在使用以往的分流电阻器的领域中，期望利用能量消耗接近于零的磁场来进行电流检测。此外，在高电压电子管等中使用的直流高电压电路中，电压高的部分有电流变小的倾向，对于这样的电路来说若可以在绝缘状态下测定高压电路的电流，则有诸多利处。
但是，在以往的传感器技术中，没有具有可以应对所述要求的灵敏度和动态范围、且可廉价制造并可广泛普及的电流传感器和电流检测方法。
本发明的发明者，鉴于所述那样的以往技术的问题，作为可以解决该问题的技术，提出了日本特愿2002-176894号、日本特愿2003-101353号、日本特愿2004-513784号的发明。
提出的发明的一例，如图20、图21所例示，具备：具有两端的1个磁回路1；磁回路21a、21b，其各自具有两端，各自两端的其中一端与该磁回路1的一端连接；磁回路22b、22a，其各自具有两端，各自两端的一端与所述磁回路1的另一端连接并且各自两端的另一端与所述磁回路21a、21b连接；1个磁回路2，其具有两端，该两端分别与所述磁回路21a和22b的连接点以及所述磁回路21b和22a的连接点连接；1个励磁单元3，其配设成能够在该磁回路2中产生磁通量；磁通检测单元4，其配设成能够检测所述磁回路1的磁通量；和驱动所述励磁单元3的励磁驱动单元；通过适当选择所述磁回路21a、21b、22a、22b的磁阻并使磁回路1的两端的磁位相同，从而呈现在磁回路1中不存在由励磁单元3产生的磁通量的磁平衡状态。
所述提出的发明，因为将磁桥的磁状态设为了磁平衡状态，所以具有在被测量电流为零时通过磁通检测单元4的磁通量的和变为零这一特长。
另外，对磁通量闸门型而言，励磁磁通其本身与检测线圈交错，即使被测量电流为零，也会从线圈呈现输出。
换言之，在以往方法中，被测量电流的信息与平常产生的励磁磁通的信息掺杂在一起，并且与被测量电流的信息量相比，励磁磁通的信息要多得多，从所有信息中仅分离取出被测量电流的信息并不容易。
这一点，在提案发明中，将磁桥的磁状态设为了磁平衡状态，因此能够将检测结果的大小和极性分量全部视为被测量电流的信息，检测结果的频率分量为励磁磁通的频率分量信息。即，在提案发明中，只要在利用检测结果的大小和极性的范围内就没有必要进行信息的分离，其结果，即使是小的信息，也可能够容易地取出。换言之，具备能够更加容易地进行更高灵敏度的电流检测这样的优点。
另一方面，在以往的技术以及提案发明中，检测灵敏度与被检测导线的作为贯通次数的卷绕数成比例地变高，在被检测导线的卷绕数越多则灵敏度变得越高这一点上是共同的。但是，在以磁通量闸门型为代表的以往方法中，在卷绕被检测导线的磁回路中通常产生励磁磁通，因此由于该励磁磁通在被检测导线中产生电动势，由于该电动势产生的电流与被测量电流重叠。被测量电流越小，则由于励磁磁通而重叠于被测量电流的电流相对变得越大，对被测量电流来说成为噪声，这是有害的。
然而，被测量电流越小则越需要高灵敏度，因此，想要增多被检测导线的卷绕数，但在以往技术中，受被检测导线的卷绕数越多则由于励磁磁通而重叠于被测量电流的电流变得越大这样的问题的影响，不能解决该问题。即，在以磁通量闸门型为代表的以往技术中，在通过增加被检测导线的卷绕数而提高灵敏度方面存在极限。
这一点，在提案发明中，在卷绕有被检测导线的磁回路中，在磁平衡状态和磁再平衡状态下不存在励磁磁通，因此具有不会产生由于励磁磁通而重叠于被测量电流的电流这样的特别的优点。另外，即使在磁亚平衡状态下也仅存在极其微小的励磁磁通，因此由于励磁磁通而重叠于被测量电流的电流也极其微小。
而且，就提案发明的方法而言，即使1次贯通被检测导线也能够检测微小电流，当然，由于所述的特性而能够容易地增加被检测导线的卷绕数，因此，能够检测更加微小的电流，另外，具有不会产生对被测量电流有害的噪声这样的优点。而且，因为提案发明的励磁磁通可以在磁性材料的最大的导磁率以下工作，所以励磁所需要的能量可以为少量，能够实现节省能量的电流传感器。
然而，本发明者以前提出的传感器，在磁桥的芯材料上使用固体软磁性材料、例如铁氧体(ferrite)芯。但是，固体软磁性材料，伴随磁场增加的导磁率的变化，具有从导磁率的增加方向到减小方向在途中反转的变异点，因此，变异点以下的区域的测定和超过变异点的区域的测定不能由相同的测定器执行。换言之，具有不能进行强磁场(大电流)的测量这样的问题。
另外，使用由该固体软磁性材料形成的磁桥的电流传感器，一方面可发挥出可检测数μA的高灵敏度，另一方面，在为数百mA的情况下直线性和/或偏移误差变得显著。特别成问题的是由于在磁桥中使用的软磁性材料的剩余磁化所引起的输出的偏差。
即，这是因为：事实上在传感器工作中测量传感器输出的偏差量是不可能的，从而也不能对其进行修正，因此在必须连续使用传感器的用途和使用状况下成为大问题。
本发明的发明者着眼于剩余磁化的要因在于软磁性材料的磁畴壁这一点并对其进行了研究，其结果，得到了由不具有该磁畴壁的磁性流体制作磁桥的芯的构思。因此，实际上由磁性流体制作成磁桥并对磁场检测能力进行实验，结果确认没有发生偏差，并且能够验证，与固体软磁性材料相比对强磁场也可以进行检测。其理由如下。
由磁性流体制成的磁桥在原理以及外观形态上也与由软磁性材料制成的磁桥相同，但由于固体软磁性材料和磁性流体的“导磁率(μ)”相对于“磁场强度(H)”的特性(以下称为“μ-H特性”)不同，所以由磁性流体制成的磁桥的磁特性与固体软磁性材料的磁桥不同。
即，固体软磁性材料的导磁率从初始导磁率增大到最大导磁率，但若超过最大导磁率，则会慢慢下降，即若超过最大导磁率则特性曲线的倾斜发生反转而向真空的导磁率接近。另一方面，磁性流体的导磁率，初始导磁率最大，随着磁场的强度变大而单调递减，慢慢接近真空的导磁率，在磁化初期呈现与固体软磁性体相反的特性，并且没有变异点。
固体软磁性材料的磁桥，若外部磁场和励磁磁场的和超过最大导磁率的磁场，则磁阻的变化发生反转，因此输出的变化也发生反转。因此，超过最大导磁率的外部磁场的测量并不容易。例如，就实际的电流传感器而言，直到最大导磁率程度的磁场的强度，为用由固体软磁性材料制成的磁桥进行测量的上限。即，对于使用了软磁性材料的磁桥的电流传感器而言，存在不能进行大的电流的测定这样的实际情况。
与此相对，磁性流体的导磁率仅随着磁场的增大而降低，不象固体软磁性材料那样具有倾斜的变异点。因此，由磁性流体制成的磁桥，没有如固体软磁性材料的情况那样的由于最大导磁率的存在所导致的测量值的制约。这一情况示出了在强磁场即大电流的测定方面是有利的。
另外，不论由哪种材料形成的磁桥，在外部磁场影响到磁桥的平衡这一点上是相同的，在通过观察该平衡的破坏程度(不平衡)来测量外部磁场这一点上也与使用的磁性材料的不同无关，而是相同的。
在此，本发明的磁桥是利用由外部磁场所产生的桥边(构成桥的边)的导磁率的变化来检测磁力的磁桥，固体软磁性材料和磁性流体如所述那样导磁率的变化的倾斜相反、磁性流体的导磁率没有变异点，所以在检测工作中磁通的表现上存在根本性的不同。
专利文献1：日本特开平10-10161号公报
专利文献2：日本特开平10-332745号公报
专利文献3：日本特开2000-55940号公报
发明内容
本发明鉴于使用了所述的固体软磁性材料的以往的传感器中存在偏差这样的问题，作为该课题，提供一种能够消除该传感器的偏差问题的使用了磁性流体的传感器即电流传感器和磁场传感器、在这些传感器中使用且由有用的磁性流体形成的磁桥、以及用于将原样未定形的磁性流体形成为所要求形态的磁桥的磁路壳体。
以解决所述课题为目的而制成的传感器用的本发明磁桥的构成，其特征在于，具备磁回路和励磁线圈，所述磁回路通过由磁性材料形成的连接磁路连接以容器使磁性流体保持形状而形成的2个隔离开的环状磁路，所述励磁线圈由励磁驱动单元驱动、并卷绕于所述连接磁路，适当选择所述磁回路的磁阻，使得呈现所述2个环状磁路的磁通量的和变为零(磁通量的大小相同、方向相反)的磁平衡状态。
在所述构成中，连接磁路的磁性材料优选由以容器保持形状的磁性流体形成。另外，在所述磁回路中，有时设置磁隙，但为了大电流用而希望磁隙优选是纵向配置在励磁线圈的中央部。这是为了使得在励磁磁场的磁路中没有磁隙，而对于被测量电流的磁场而言存在磁隙。
此外，在所述的本发明的磁桥中，由磁性流体形成的2个环状磁路可以是同心状地隔离配置、或者层叠状地隔离配置、或者既非同心状也非层叠状而是两者的复合配置的任一种配置方式。
另外，连接2个环状磁路的磁性体、优选由磁性流体形成的连接磁路，至少1个足够，也可以是2个以上的多个。另外，配置于连接磁路的励磁线圈可以配置于全部的连接磁路或者配置于多个连接磁路中的几个连接磁路，这是任意的。连接磁路和励磁线圈越多，则越能够提高灵敏度。
在本发明中，由保持了形状的磁性流体形成的2个隔离开的环状磁路、和连接两环状磁路的由保持了形状的磁性流体形成的连接磁路，通过具备如下构成的磁路壳体，形成为各自形态的磁路并保持各磁路的形态。
即，为了形成使用了磁性流体的磁桥而优选的本发明的磁路壳体的构成，其特征在于，具备环状容器本体和2个环状盖体，所述环状容器本体的截面为大致H形、并具有分隔底，所述2个环状盖体覆盖于该容器本体的两侧的开口面，在所述容器本体的分隔底至少设置1个连通孔。通过在该壳体的内部收容磁性流体，将该磁性流体形成为隔离开的2个环状磁路和连接两磁路的连接磁路，固定保持各个磁路的形态。
另外，在本发明中，作为磁路壳体，也可以设为具备2个环状容器本体和连接磁路，所述2个环状容器本体收容磁性流体并当安装了环状盖体时成为封闭截面的2个环状容器本体，所述连接磁路与收容在所述2个容器本体的磁性流体磁连接。在这种情况下，连接磁路可以使用由软磁性材料或者收容在容器状的壳体的磁性流体形成。
在此，优选的是，在所述磁路壳体的内部，在该壳体内面壁设置凹部，并且形成由柔软膜材料封闭该凹部的中空部，使其具有磁路壳体内的内压调整功能。
在本发明中，形成了下述磁桥，所述磁桥具备磁回路和励磁线圈，所述磁回路通过由磁性材料形成的连接磁路连接以容器使磁性流体保持形状而形成的2个隔离开的环状磁路，所述励磁线圈由励磁驱动单元驱动、并卷绕于所述连接磁路，适当选择所述磁回路的磁阻，使得呈现所述2个环状磁路的磁通量的和变为零(磁通量的大小相同、方向相反)的磁平衡状态，因此，能够配置成使被测量电流环绕所述磁桥的环状磁路的封闭的形态，而且，通过在该环状磁路配设检测线圈并对所述励磁线圈进行励磁，能够使该磁桥作为电流传感器起作用。
另外，本发明的磁桥，由被保持在形状已定的磁路壳体的磁性流体形成，所以没有剩余磁化，因此能够制作并提供完全没有偏差的电流传感器和磁场传感器。
附图说明
图1是示意表示固体软磁性材料的B-H特性的磁滞曲线。
图2是示意表示磁性流体的B-H特性的磁滞曲线。
图3是表示固体软磁性材料的“导磁率”相对于“磁场强度”的特性(μ-H特性)曲线。
图4是表示磁性流体的“导磁率”相对于“磁场强度”的特性(μ-H特性)曲线。
图5是示意表示使用本发明的磁桥形成的本发明的电流传感器的一例的构成的立体图。
图6是示意表示与图5的电流传感器磁等效的本发明的电流传感器的另一例的立体图。
图7是用于说明在使用本发明的磁桥的本发明的电流传感器中将环绕被测量电流的环状磁路形成为大直径并且用于提高作为传感器的灵敏度和稳定性的构成例的示意立体图。
图8是示意表示图7的例子的变形型的立体图。
图9是用于形成使用了图5的磁性流体的磁桥的磁路壳体的一例的组装状态的主剖视图。
图10是图9的A-A箭头方向剖视图。
图11是图10的B-B箭头方向剖视图。
图12是由连接磁路纵向切断本发明电流传感器并将其展开的一例的展开平面图。
图13是图12的等效电路图。
图14是表示磁平衡状态时的磁桥的B-H特性的曲线图。
图15是表示有外部磁场时的磁桥的B-H特性的曲线图。
图16是表示被测量电流和合成B-H特性的关系的曲线图。
图17是表示基于合成B-H特性Bc的励磁磁场和磁通的关系的曲线图。
图18是本发明磁场传感器的一例的平面图。
图19是图18的等效电路图。
图20是用等效电路表示以前提出的电流传感器的形态例的磁回路图。
图21是图20的电流传感器的等效电路图。
附图标记说明：
MC：磁路壳体；11：容器本体；11c：分隔中底；11d、11e：连通孔；12a～13b：凹部；mr1、mr2：环状磁路；cr1、cr2：连接磁路；L1、L2：励磁线圈；DL：检测线圈。
具体实施方式
接着，参照附图，对本发明的磁桥和使用了该磁桥的电流传感器和磁场传感器的实施方式例进行说明。图1是示意表示固体软磁性材料的B-H特性的磁滞曲线，图2是示意表示磁性流体的B-H特性的磁滞曲线。
在本发明中，利用图2所示的磁性流体的无剩余磁化的磁特性。
示出所述特性的固体软磁性材料(例如铁素体)和磁性流体的各自的μ-H特性的倾斜，如图3和图4所示意性表示那样完全不同。
即，磁性流体被称为超顺磁性体，初始导磁率极高，但是通过稍稍磁化则导磁率就会急剧降低。而且，随着磁场的增加，以真空的导磁率为渐近线而一路下降，但饱和磁场与坡莫合金(permalloy)或硅钢板相比要高得多，另外在磁性流体中没有磁畴壁，不会产生剩余磁化。
磁性流体这样的特性与磁桥方式匹配性良好。即，以小的磁场产生大的变化的导磁率，使得以小的磁场容易地打破磁桥的平衡，可期待高灵敏度。另一方面，导磁率的变化持续直到强磁场，导磁率的变化的倾斜为单一方向，而且没有剩余磁化，这在用于扩大传感器的动态范围方面是优选的。
在本发明中，提供了使用活用了如所述的磁性流体的特性的由磁性流体制成的磁桥、并在以往技术中不可能实现的高灵敏度且高精度的电流传感器和磁场传感器。以下，参照图5～图13，对本发明的传感器的具体例子进行说明。
图5是示意表示使用本发明的磁桥形成的本发明的电流传感器的基本构成的立体图，图6是示意表示与图5的电流传感器磁等效的本发明的电流传感器的立体图，图7是用于说明在使用了本发明的磁桥的本发明的电流传感器中将环绕被测量电流的环状磁路形成为大直径并且用于提高作为传感器的灵敏度和稳定性的构成例的示意立体图，图8是示意表示图7的例子的改良型的例子的立体图，图9是用于形成图5的使用了磁性流体的磁桥的磁路壳体的一例的组装状态的主剖视图，图10是图9的A-A箭头方向剖视图，图11是图10的B-B箭头方向剖视图，图12是表示将本发明用于电流传感器的本发明的磁桥的一例的平面图，图13是用于说明图12的磁桥的等效电路图。
在进行本发明的实施方式例的说明之前，通过图20、21对以前提出的电流传感器的一例进行说明。
在图20、图21所示的以前提出的电流传感器中，制成为如下形状：在展开形成为大致圆形的2组外脚磁回路21a、21b和22a、22b各自的端部，插入1个励磁单元3而连接双方的磁回路21a、21b和22a、22b。
现在，在将图20、图21的电流传感器的磁桥保持在磁平衡状态时，若被测量电流在被检测导线6中流动，则在所述磁回路21a、2b和21b、22b中产生新的磁通量。在此，若各磁回路的磁阻为Rma1×Rma2＝Rmb1×Rmb2，则通过中脚磁回路1的磁通量在被测量电流为零时为零。若被测量电流在所述导线6中流动，则产生通过中脚磁回路1的磁通量，若被检测电流变大，则磁阻的变化也变大，磁桥的平衡的破坏也变大，通过中脚磁回路1的励磁磁通量也变大。
即，通过中脚磁回路1的励磁磁通量的大小与被测量电流的大小成比例。而且，在中脚磁回路1中产生的励磁磁通量在磁通量检测线圈4中产生电动势，在该检测线圈4中产生的电动势与在中脚磁回路1中产生的励磁磁通量的大小成比例，因此，利用这一情况，图20、图21的电流传感器可以测量在被检测导线6中流动的电流。
如所述那样以前提出的电流传感器为通过检测由被测量电流引起并在其周边产生的磁力来检测电流，因此，由用于电流检测的固体软磁性材料所制成的磁桥，基本上具有磁检测能力，因此，所述电流传感器的电流检测能力依赖于形成该传感器的磁桥的磁检测能力。
然而，在以往的传感器技术中，为了要极力抑制所使用的软磁性材料的剩余磁化的影响，还提出了通过软磁性材料的选择和/或驱动电路的控制等来抑制剩余磁化的影响的电流传感器，但这样的改良手法即使可以减小偏差，也无法使偏差消失。
另外，所述的软磁性材料，若其μ-H特性超过最大导磁率，则关系曲线的倾斜反转，因此，由使用固体软磁性材料的磁桥形成的电流传感器，只能测量直到产生其最大导磁率的磁场的电流。
本发明的发明者，如前所述，尝试使用没有剩余磁化的磁性流体形成磁桥来检测磁场，结果得到了没有产生偏差这样的情况。另外，得到了下述的情况并完成了本发明：磁性流体的μ-H特性与软磁性材料不同，为单向的倾斜，因此在产生强磁场的大电流的测量中也没有任何问题。
然而，磁性流体为流体状，因此不能自行保持其形状。于是在本发明中，为了使用磁性流体形成磁桥，将该磁性流体放入适当形状的容器中而形成固定了的磁性材料，由此构成了磁桥。
即，在本发明中，首先作为用于收容磁性流体来形成本发明的磁桥的容器的例子，完成了磁路壳体MC的发明，因此，参照图9～图11，下面对该磁路壳体MC的实施方式的例子进行说明。
图9～图11所示的本发明的磁路壳体MC由环状的容器本体11和上下盖体12、13形成，所述环状的容器本体11截面形成为大致H状，所述上下盖体12、13覆盖于该容器本体11的上下的环状开放面并在该本体11的封闭截面内形成2个环状流路。
环状的容器本体11具备：将内外周壁11a、11b和该内外周壁11a、11b的对向面由其高度的中间部进行连接的形态的分隔中底11c、和在该分隔中底11c上以相距180度设置的2个孔11d、11e。另一方面，上下盖体12、13覆盖于容器本体11的上下的环状开放面，此外容器本体11形成由分隔中底11c分隔但由2个连通孔11d、11e连通的上下2个封闭环状空间(环状路)R1和R2。在该盖体12、13中，与设置在分隔中底11c上的2个连通孔11d、11e相对的盖体12、13的面内，分别形成有凹部12a、12b、凹部13a、13b。另外，各凹部12a～13b，在其上面(开口面)虽然没有图示但形成有贴有柔软的膜等薄膜的气室。通过以上所述，形成本发明的磁路壳体MC的一例。以下对各构成的功能、作用依次进行说明。
所述的磁路壳体MC，作为一例在由分隔板11c的相隔180度的2个连通孔11d、11e连通的上下2个环状路R1、R2处安装成为底的盖体13并放入磁性流体mf，安装盖体12作为顶盖进行密封。在本发明中，有时也在安装上下盖体12、13后、通过注射针将磁性流体mf注入环状路R1、R2内，封闭注入孔。这样做，通过进入上下2个环状路R1、R2的磁性流体mf，形成2个隔离开的环状磁路mr1、mr2。而且，在连接该2个磁路mr1、mr2的分隔中底11c的连通孔11d、11e中存在的磁性流体mf形成2个连接磁路cr1、cr2。
在本发明中，所述凹部12a～13b，以在其上设置盖的方式张贴具有弹力的膜(未图示)来形成气室，该构成(凹部和膜)是为了应对在密封的磁路壳体MC内磁性流体mf发生了膨胀或收缩的情况。即，这是因为：在磁性流体mf发生膨胀或收缩时，有可能破坏该壳体MC，但通过具有该气室而借助气室内的空气(或者气体)与膜的弹性，可以吸收内压极端的变动。由凹部12a～13b和张贴在其上的膜所构成的气室的作用，如所述那样为进行壳体磁路内的内压调整，因此设置凹部12a～13b的位置只要是在磁路壳体MC的内部，在哪都可以，另外至少有1个即可。
封入图9～图11的磁路壳体MC的磁性流体mf形成的磁回路，省略磁路壳体MC而仅表示磁性流体mf，则如图5示意所示，形成为上下2个环状磁路mr1、mr1、和由2个连接磁路cr1、cr2连接这两磁路mr1、mr2的磁回路。
因此，通过在图5的磁回路的连接磁路cr1上安装励磁线圈L1，形成由磁性流体mf制成的本发明的磁桥的一例。
在此，图5的本发明的磁桥与图20的以前提出的电流传感器的磁桥，在磁回路的连接上是等效的(磁特性不同)，因此将图20中使用的附图标记带括弧地表示在图5中。因此，在图5的各磁回路中，适当选择各磁回路的磁阻，当在所述励磁线圈L1中通以交流电流时，所述2个环状磁路mr1、mr2的磁通量的和为零，换言之，2个环状磁路mr1、mr2的磁通量的大小相同但方向相反，因此呈现磁通量的和变为零的磁平衡状态。
现在，图5所示的本发明的磁桥，若在励磁线圈L1中流过交流电流而处于磁平衡状态，则即使将检测线圈DL以与该磁路mr1、mr2交链的方式卷绕安装于2个环状磁路mr1、mr2，也不会在该检测线圈DL中检测出磁通量。因此，若贯通隔着图5的磁桥的连接磁路cr1、cr2而处于层叠状态的2个环状磁路mr1、mr2来配置流过被测量电流的导线6，则在该磁桥中产生新的磁通量，因此该磁桥的磁平衡状态被打破，与检测线圈DL交链的励磁磁通量在mr1和mr2中大小不同，其和不为零，在检测线圈DL中产生电动势，其结果，可以进行在导线6中流动的电流的测量。在这一点上，是与以前提出的电流传感器相同的测量原理。
本发明中用于磁桥的磁性流体mf，如前面所述那样与固体软磁性材料在B-H特性、μ-H特性上完全不同，因此与利用了由固体软磁性材料形成的磁桥的以前的电流传感器相比，本发明的电流传感器可发挥如下的特长。
即，在磁性流体中没有剩余磁化，因此，不会产生作为电流传感器的输出偏差为其特长的第一点，接着，磁性流体的μ-H特性的关系不象固体软磁性材料那样具有变异点(倾斜在最大导磁率处反转的点)，因此在特别是大电流的强磁场的测量上没有特定的限制，故而优选。另外，使用了固体软磁性材料的电流传感器的测量极限如先前所述为直到最大导磁率(变异点)。
另外，图5中例示的本发明的磁桥，采用夹着连接磁路cr1和cr2而层叠了大致相同直径的2个环状磁路mr1和mr2的方式，本发明的磁桥，如图6所示，也可以将不同直径的环状磁路mr1和mr2配设成同心状且用连接磁路cr1和cr2连接它们的方式。此外，虽然未图示，不限于层叠状或同心状，也可以是错开相同直径或不同直径的2个环状磁路的中心点的配置、或者不同直径或相同直径的环状磁路的非同心的配置、或者以使包含两磁路的面交叉的方式配置相同直径或不同直径的2个环状磁路等的配置方式。另外，在图6中，对与图5相同的部件、相同的部位使用相同的附图标记。
图7为：将磁路壳体形成为大直径，将由磁性流体形成的2个环状磁路mr1和mr2形成为大直径，另一方面，通过3个以上在图7的例中为6个连接磁路cr1～cr6连接连接磁路cr1和cr2而构成的用于形成大型的电流传感器的磁桥回路。在图7的例子中，连接磁路cr多，因此如图7所示可以使用3个励磁线圈L1～L3，若设为该构成，则1个励磁线圈负担的磁回路变短，因此可以得到大型且灵敏度和稳定性良好的电流传感器。
另外，有时也在所有的磁路cr1～cr6设置励磁线圈L1～L6(参照图8)。这是为了增加作为传感器的灵敏度和稳定度。另外，在图8中，在线圈L1～L6中流动的励磁电流以使得产生的磁通在相邻的线圈变为相互反向的方式流动，但由于励磁电流为交流电流，因此相对于在励磁电流为正时的磁通量的方向，在电流为反向时磁通量变为反方向。在图8的磁路和励磁线圈中图示出的箭头表示励磁磁通量为例如正时的朝向。
另外，在本发明的电流传感器中，在各种磁回路设置磁隙，通过适当调整该磁隙，可以与作为检测目标的被测量电流的强度相匹配地自由设计制作各种各样的灵敏度的电流传感器。
参照图5、图12～图17，对使用了以上说明了的本发明的磁桥的电流传感器进行概括说明。
图12是用于说明图5中例示的电流传感器用的磁桥的、在连接磁路cr2将图5的电流传感器纵切分割成2个磁路cr2-1、cr2-2、并将环状磁路mr1和mr2展开成平面状的图5的电流传感器的展开平面图。图13是图12的等效电路图。另外，在图13的等效电路图中用虚线表示的磁路实际上为图5的里面侧的连接磁路cr2所共有，作为长度零的磁路而存在。此外，在图12的两侧分开图示的检测线圈DL，在展开前的图5中在展开位置(连接磁路cr2的位置)被连续卷绕。另外，检测线圈DL的卷绕头和卷绕尾没有必要是图5或图12中所示的位置，而是任意的。
图12的磁回路构成惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)，当各磁回路的磁阻为Rm1×Rm4＝Rm2×Rm3时，成为磁平衡状态。另外，在以下的说明中，为了简化图和说明，在没有被完全磁化的状态下，作为Rm1＝Rm2＝Rm3＝Rm4的磁桥来进行说明。
在图12的磁桥方式中，通过在励磁线圈L1流过交流电流而在磁桥磁路产生的励磁磁通量在检测线圈DL中产生电动势而构成。图12的磁桥以励磁线圈L1为中心呈左右对称。因此，使用图12的左半部分、即Rm1和Rm2和左侧的检测线圈DL来进行说明。
图14表示平衡状态时的磁桥的B-H特性。图14的曲线B1和B2分别为Rm1和Rm2的特性。就B1而言，为一般的可见的曲线，因此省略说明，以下对B2进行说明。
首先，在励磁线圈L1中将朝下方向产生的励磁磁场的方向定义为正方向，在检测线圈DL中，将通向右方的磁场定义为正方向。于是，正方向的励磁磁场，从检测线圈DL观察，在Rm1中为正方向，在Rm2中为负方向。即，若励磁磁场向正方向变大，则Rm2的励磁磁通量向负方向变大。因此，根据励磁磁场的方向和检测线圈DL的方向的定义，Rm2的B-H特性变为上下反转，得到图14的B2。
接着，考察从检测线圈DL观察的B-H特性。检测线圈DL，一起卷绕Rm1和Rm2，因此从检测线圈DL观察的B-H特性为B1和B2的合成。以下，将其称为合成B-H特性。由于B2是B1上下反转得到的，因此绝对值相等，其合成在整个区域为零。图16的Bc表示该合成B-H特性。如从该特性了解到的那样，在磁平衡状态下不论进行怎样的励磁，也不会在检测线圈DL中产生电动势。
在此，尝试考虑如下情况：被测量电流Ix在图5所示的被测量导线6中流动，在环状磁路mr1、mr2产生了磁场。若电流Ix在图5所示的方向上流动，则其磁场为图12中朝向右方的磁场。作为这种情况下的合成B-H特性的Bc变为如下。
对于B1来说，向正方向施加偏压，励磁磁场的中心向正方向偏移。若对其以励磁磁场为基准，则B1的B-H曲线向左移动。接着，对于B2来说，对励磁磁场向负方向施加偏压，以与B1的情况同样的考虑方式，B2的B-H曲线向右方移动。示出该关系的为图15。
这样B1和B2移动了的结果，Bc成为使磁场H＝0变为峰值的突起状的特性。该特性的突起，被测量电流Ix越大，则移动量变得越大，峰值也变得越高。
图16示出被测量电流Ix和合成B-H特性Bc的关系。图16的(c)为Ix＝0时、即磁平衡状态时。图16的(a)和图16的(b)为电流Ix为负时，图16(a)一方为负的电流值大的情况。另一方面，图16的(d)和图16的(e)为电流Ix为正时，图16(e)一方为正的电流值大的情况。这样通过改变被测量电流Ix的大小和方向，合成B-H特性Bc变化。
图17是表示励磁磁场和贯通检测线圈DL的磁通量的、基于合成B-H特性Bc的关系的图。励磁磁场以Bc的峰值点为中心摆动。因此，励磁磁场为0时的磁通量最大，若产生励磁磁场，则不管极性为何磁通量都减少。其结果，在励磁磁场的一个周期中磁通量发生两个周期量变化。
这样，在被测量电流Ix流动的情况下，在检测线圈DL呈现励磁频率率2倍的频率的输出。该输出的大小与Ix的大小成比例，相位依赖于Ix的方向。因此，可以通过对检测线圈DL的输出进行相敏检波来测量电流。另外，也可以使用带通滤波器和/或共振回路，在只要求出Ix的大小信息即可的情况下，也可以是全波或半波的整流。
该动作在Rm3和Rm4中也全部相同。
由使用了以上所述的磁性流体的磁桥形成的本发明的电流传感器，需要高效率地捕捉由被检测电流产生的磁通量，因此，形成磁桥的磁路形成为封闭为环状的环状磁路mr1、mr2。
然而，要使具备所述的环状磁路mr1、mr2的电流传感器用的磁桥作为磁场传感器起作用，需要：将捕捉磁通量的环状磁路的一部分形成为相对于空间开放的形状(作为环状磁路的开放状态的例子，也参照图12)，使得可以高效率地将空间的磁通量纳入磁桥的磁路内。
因此，在本发明的磁场传感器用的磁桥中，与图12所示的电流传感器用磁桥同样，采用了在连接磁路cr2纵切分割图5的磁桥而将环状磁路mr1和mr2展开成平面形状的方式(参照图18)。图19是图18的等效电路图。因此。图18的磁场传感器用的磁桥与先前说明了的展开本发明的电流传感器用的磁桥的图12的磁桥对应。但是，在图19的磁场传感器的等效电路图中以虚线表示的磁路1，实际上是空间泄漏磁通量的磁路，因此不是作为磁性材料的存在。另外，因为构成为磁场传感器，因此也没有被检测导线6。此外，检测线圈DL作为等效电路图被表示为磁路1，但实际上卷绕于磁桥部21a、21b、22a、22b。
图18、图19示意示出的本发明的磁场传感器的一例，通过从图18的开放的磁路cr2-1、cr2-2进入的磁场或磁通量，检测出在该传感器中起磁作用的磁场或可贯通该磁场传感器的磁通量的大小和方向。本发明的磁场传感器也与前面所述的用于本发明电流传感器的磁桥同样，为利用了磁检测功能的装置。即，在图5的本发明的电流传感器中，由于因电流在被检测导线6中流动产生的微弱的磁场，在由环绕被检测导线6的磁性流体形成的磁路中产生磁通量，在卷绕于磁桥的检测线圈DL中检测出该磁通量的大小和方向，图18、图19例示的磁场传感器用的磁桥，被检测的磁通量不论是外来磁通量或者磁场的哪一个，对该磁桥都起到与电流检测时的磁通量相同的作用。
因此，成为磁力导入部的开放的磁路cr2-1、cr2-2，如图18所示形成为容易将被检测磁场导入该磁桥的磁回路的一部分。以下，将所述磁路cr2-1、cr2-2设为磁回路11a和11b，另外，将磁路mr1和mr2夹着磁路cr1设为磁回路21a、21b、以同样的方式设为磁回路21b、22a，在图18、图19中带着括弧来表示。
现在，在对于图18、图19所示的磁场传感器的磁桥而不存在外部磁场，获得该磁桥的磁平衡的情况下，在检测线圈DL中不会产生电动势。
但是，若将图18的磁场传感器曝露在具有图18、图19中用附图标记H表示的磁场的方向的成分的磁场中，则在磁回路11a和磁回路11b以及连接该两磁回路11a和11b的磁回路21a、21b和22b、22a中产生磁通量。即，由被检测磁场所产生的磁通量通过磁场传感器的磁桥。其结果，由于通过磁桥的该磁通量，打破了该磁桥的平衡，与检测线圈DL交链的励磁磁通量的总和变得不为零。另外，在图18、图19中，图19的等效电路中所示的磁路1作为泄漏磁通量的磁路而形成空间。
在此，由励磁线圈L1产生的磁通量为交变磁通量，因此，通过磁桥的与检测线圈DL交链的磁通量也变为交变磁通量，在检测线圈DL中产生电动势。此时，通过磁桥的与检测线圈DL交链的磁通量，与前面所述的本发明的电流传感器同样，含有大量励磁线圈L1的励磁频率的2倍的频率成分。
在检测线圈L1中产生的电动势与通过磁桥且与检测线圈DL交链的励磁磁通量的总和的强度成比例关系，与检测线圈DL交链的励磁磁通量的总和的强度与从磁桥泄漏的励磁磁通量、即在图19中通过磁路1的励磁磁通量的强度成比例关系。此外，从磁桥泄漏的励磁磁通量的强度与被测量磁场的强度成比例关系。即，可以从检测线圈DL得到与被测量磁场的强度成比例关系的电动势。
这样，在本发明的磁场传感器中，通过测定检测线圈DL的所述电动势，可以检测出放置该磁场传感器的空间的磁场的强度。在此，在检测线圈DL中产生的电动势，以连接11a和11b的磁桥的方向为基准，与被检测磁场方向相比较相位反转。其结果，可知该磁场传感器除了可以检测出磁场的强度之外还可以检测出磁场的方向。
使用了本发明的磁桥的磁场传感器，在分类上属于线圈拾波传感器(coil pickup sensor)，在可以仅由使用磁性流体调整成一定形状的磁性体和线圈构成这一点上是较大的特点。磁性流体和线圈，可以由市售的一般的原材料制造，因此材料也便宜，制造设备也不要求特殊的设备，因此，具有可以廉价地制作并提供高精度的磁场传感器制品这样的特点。
在使用了本发明的磁桥的磁场传感器中，也与电流传感器的情况同样，在检测线圈中产生期望的电动势的磁通量为由励磁线圈所产生的磁通量。另外，被检测磁场与电流传感器的被测量电流同样地起到破坏磁桥的磁平衡的作用。若磁平衡破坏，则与检测线圈交链的磁通量的总和变得不为零，该差量的磁通量以该磁场传感器周边的空间为磁路，以从11a、11b及其附近泄漏磁通量的形态，形成磁回路。因此，若使励磁线圈的励磁力增强，则检测线圈的电动势也变大。此时，可以使在检测线圈中产生电动势的励磁磁通量比被检测磁场的磁通量大得多。
产业上的利用可能性
本发明如上所述，具备磁回路和励磁线圈，所述磁回路通过由磁性材料形成的连接磁路连接以容器使磁性流体保持形状而形成的2个隔离开的环状磁路，所述励磁线圈由励磁驱动单元驱动，并卷绕于所述连接磁路，适当选择所述磁回路的磁阻，使得呈现所述2个环状磁路的磁通量的和变为零(磁通量的大小相同、方向相反)的磁平衡状态，没有剩余磁化，由此形成了没有偏差的磁桥，因此可以制作对于由固体软磁性材料形成的磁桥来说不能实现的无输出偏差的电流传感器或者磁场传感器。
另外，磁性流体的“导磁率”相对于“磁场强度”的关系(μ-H特性)与固体软磁性材料的特性不同，而且没有变异点，因此，在测量的磁场强度方面可以没有特别的制约地测量直到饱和区域，因此，本发明的电流传感器具备如下这样的大特长：可以实现对于软磁性材料的磁桥来说不可能的、对大电流的测量。此外，最大导磁率理论上是无限大，因此还具备如下这样的大特长：在微弱的磁场中可实现高灵敏度，可实现对于软磁性材料的磁桥来说不可能的、动态宽度宽的测量。

Claims (15)

1.一种磁桥，其特征在于，具备磁回路和励磁线圈，所述磁回路通过由磁性材料形成的连接磁路连接以容器使磁性流体保持形状而形成的2个隔离开的环状磁路，所述励磁线圈由励磁驱动单元驱动、并卷绕于所述连接磁路，适当选择所述磁回路的磁阻，使得呈现所述2个环状磁路的磁通量的和变为零(磁通量的大小相同、方向相反)的磁平衡状态。
2.根据权利要求1所述的磁桥，其中，连接磁路的磁性材料为由容器保持了形状的磁性流体。
3.根据权利要求1或2所述的磁桥，其中，磁回路具有磁隙。
4.根据权利要求3所述的磁桥，其中，磁隙配置在纵贯连接磁路的方向上。
5.根据权利要求3所述的磁桥，其中，磁隙配置在横贯连接磁路的方向上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁桥，其中，2个隔离开的环状磁路，以同心状、层叠状、或既非同心状也非层叠状等的配置方式配置，由连接磁路连接。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁桥，其中，连接2个环状磁路的连接磁路在环状磁路上至少配置有2个。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的磁桥，其中，配置于连接磁路的励磁线圈，配置于全部的连接磁路、或者配置于从多个连接磁路中选择出的几个连接磁路。
9.根据权利要求2～7中任一项所述的磁桥，其中，通过由容器保持了形状的磁性流体形成的2个隔离开的环状磁路、和连接两环状磁路的通过由容器保持了形状的磁性流体形成的连接磁路，通过作为用于使磁性流体保持形状的容器的磁路壳体，保持为各自形态的磁路。
10.一种使用磁性流体的磁桥用的磁路壳体，其特征在于，具备环状容器本体和2个环状盖体，所述环状容器本体的截面为大致H状并具有分隔底，所述2个环状盖体覆盖于该容器本体的两侧的开口面，在所述容器本体的分隔底设置有至少1个连通孔。
11.一种使用磁性流体的磁桥用的磁路壳体，其特征在于，具备2个环状容器本体和连接磁路，所述2个环状容器本体收容磁性流体、并当安装了环状盖体时成为封闭的截面，所述连接磁路与收容在所述2个环状容器本体的磁性流体磁连接。
12.根据权利要求11所述的磁路壳体，其中，连接磁路由固体软磁性材料或收容在密封容器状的壳体中的磁性流体形成。
13.根据权利要求10～12中任一项所述的磁路壳体，其中，在磁路壳体的内面壁形成有凹部，并且由膜封闭该凹部。
14.一种电流传感器，其特征在于，具备权利要求1～8中任一项所述的磁桥、和卷绕于该磁桥的磁回路的检测线圈，在适当选择所述磁回路的磁阻并且驱动所述励磁线圈、呈现所述2个环状磁路的磁通量的和变为零(磁通量的大小相同、方向相反)的磁平衡状态时，在所述环状磁路配置贯通该环状磁路的被检测导线，测量在该导线中流动的被测量电流。
15.一种磁场传感器，其特征在于，在磁桥卷绕检测线圈，所述磁桥具备磁回路和励磁线圈，所述磁回路并列配置由容器使磁性流体保持了形状的2个直线状磁路、并且分别由连接磁路将所述2个磁路的两端部位和中央部位的对应部位彼此连接，所述励磁线圈由励磁驱动单元驱动、并卷绕于所述连接磁路，将所述2个直线状磁路曝露在被测量磁场中，对被测量磁场进行测量。
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