JP2013050330A - 磁気センサおよびそれを用いた電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 精度が高い磁気センサおよびそれを用いた電流センサを提供する。
【解決手段】 一対の環状磁路１０，２０と、第１および第２の接続磁路３１，３２と、第１乃至第３のコイル４１〜４３とを備え、一対の環状磁路１０，２０は、互いに間隔を開けて対向するように配置され、周回方向の一部分である第１部分１１，２１および第２部分１２，２２を有しており、第１の接続磁路３１は、一対の環状磁路１０，２０の第１部分１１，２１を接続し、第２の接続磁路３２は、一対の環状磁路１０，２０の第２部分１２，２２を接続し、第１のコイル４１は、第１の接続磁路３１を囲むように巻かれており、第２のコイル４２は、環状磁路１０，２０の間に配置されており、第３のコイル４３は、一対の環状磁路１０，２０の少なくとも一部を纏めて囲むように巻かれている磁気センサとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気センサおよびそれを用いた電流センサに関するものである。

２つの離隔した環状磁路およびそれらを接続する２つの接続磁路からなる磁気回路と、接続磁路に巻回された励磁コイルと、２つの環状磁路を一体的に取り巻くように巻き付けられた検出用コイルとを備えた電流センサが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特許第４３１０３７３号公報

しかしながら、特許文献１にて提案された電流センサにおいては、温度変化や測定電流の変化によって、センサの精度が低くなるという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、精度が高い磁気センサおよびそれを用いた電流センサを提供することにある。

本発明の第１の磁気センサは、一対の環状磁路と、第１および第２の接続磁路と、第１乃至第３のコイルとを備え、前記一対の環状磁路は、所定の間隔を開けて互いに対向するように配置されており、前記一対の環状磁路のそれぞれは、周回方向の一部分である第１部分および第２部分を有しており、前記一対の環状磁路における前記第１部分同士および前記第２部分同士は互いに対向しており、前記第１の接続磁路は、前記一対の環状磁路の前記第１部分同士を接続しており、前記第２の接続磁路は、前記一対の環状磁路の前記第２部分同士を接続しており、
前記第１のコイルは、前記第１の接続磁路を囲むように巻かれており、前記第２のコイルは、前記一対の環状磁路の間に配置されており、前記第３のコイルは、前記一対の環状磁路の少なくとも一部を纏めて囲むように巻かれていることを特徴とするものである。

本発明の第２の磁気センサは、前記第１の磁気センサにおいて、前記第２のコイルが、前記第１部分と前記第２部分との中央に対して前記第１部分に近い部分と前記第２部分に近い部分とで互いに逆向きに巻かれていることを特徴とするものである。

本発明の電流センサは、前記第１または第２の磁気センサを備え、前記一対の環状磁路の内側を通過するように、測定対象の電流を流すための導電路が配置されることを特徴とするものである。

本発明の磁気センサによれば、精度が高い磁気センサを得ることができる。
本発明の電流センサによれば、精度が高い電流センサを得ることができる。

本発明の実施の形態の第１の例の電流センサを模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態の第２の例の電流センサを模式的に示す平面図である。

以下、本発明の磁気センサおよびそれを用いた電流センサを添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態の第１の例）
図１は、本発明の実施の形態の第１の例の電流センサを模式的に示す斜視図である。なお、図１においては、構造をわかりやすくするために、環状磁路１０と環状磁路２０との間隔を極端に広げた状態を示している。

本例の電流センサは、図１に示すように、一対の環状磁路１０，２０と、第１の接続磁路３１と、第２の接続磁路３２と、第１のコイル４１と、第２のコイル４２と、第３のコイル４３とを備えている。また、一対の環状磁路１０，２０の内側を通過するように、測定対象の電流を流すための導電路５１が配置されている。なお、本例の電流センサは、導電路５１が配置されない場合には、一対の環状磁路１０，２０の周回方向（図のθ方向）の磁界を検出する磁気センサとして機能する。

一対の環状磁路１０，２０は、円環状（リング状）の同じ形状を有しているとともに、所定の間隔を開けて互いに対向するように配置されている。また、一対の環状磁路１０，２０のそれぞれは、周回方向の一部分である第１部分１１，２１と、第１部分１１，２１によって区切られた磁路を２等分する部分である第２部分１２，２２とを有している。すなわち、環状磁路１０は、周回方向の一部分である第１部分１１と、第１部分１１によって区切られた磁路を２等分する部分である第２部分１２とを有しており、環状磁路２０は、周回方向の一部分である第１部分２１と、第１部分２１によって区切られた磁路を２等分する部分である第２部分２２とを有している。環状磁路１０は、第１部分１１および第２部分１２によって２等分されており、環状磁路２０は、第１部分２１および第２部分２２によって２等分されている。

また、一対の環状磁路１０，２０における第１部分１１，２１同士および第２部分１２，２２同士は互いに対向している。すなわち、環状磁路１０の第１部分１１と環状磁路２０の第１部分２１とが対向しており、環状磁路１０の第２部分１２と環状磁路２０の第２部分２２とが対向している。

第１の接続磁路３１は、一対の環状磁路１０，２０の第１部分１１，２１同士を接続しており、第２の接続磁路３２は、一対の環状磁路１０，２０の第２部分１２，２２同士を接続している。すなわち、第１の接続磁路３１は、環状磁路１０の第１部分１１と環状磁路２０の第１部分２１とを接続しており、第２の接続磁路３２は、環状磁路１０の第２部分１２と環状磁路２０の第２部分２２とを接続している。

第１のコイル４１は、第１の接続磁路３１を囲むように巻かれており、第１の接続磁路３１の全体に渡って巻き付けられている。第２のコイル４２は、環状磁路１０および環状磁路２０の間に配置されている。より詳細には、第２のコイル４２は、環状磁路２０における環状磁路１０側の面に配置されている。なお、第２のコイル４２は、第２のコイル４２に電流を流したときに第２のコイル４２内に発生する磁界が、環状磁路１０および環状磁路２０の一方から他方へ向かう向きの成分を有するように巻かれている。第３のコイル４３は、一対の環状磁路１０，２０の一部を纏めて囲むように巻かれている。なお、図１においては、構造をわかりやすくするために、環状磁路１０，２０のごく一部に第３のコイル４３が巻き付けられた例を示したが、センサの感度を高めるには、環状磁路１０，２０の全体に渡って第３のコイル４３を巻き付けるのが望ましい。また、第１のコイル４１
の両端には、端子４１ａ，４１ｂが設けられており、第２のコイル４２の両端には、端子４２ａ，４２ｂが設けられており、第３のコイル４３の両端には、端子４３ａ，４３ｂが設けられている。

このような構成を備える本例の電流センサにおいて、第１のコイル４１には交流が流される。例えば、ある瞬間に、端子４１ｂから入って端子４１ａから出る向きに電流が流れると、第１のコイル４１において、図のｚ方向に向かう磁界が発生し、これによって、第１の接続磁路３１において、図のｚ方向に向かう磁束が発生する。この磁束は、環状磁路１０の第１部分１１において、図のθ方向と−θ方向とに分離し、環状磁路１０の第２部分１２において合流した後に、第２の接続磁路３２を図の−ｚ方向に進む。そして、環状磁路２０の第２部分２２において、図のθ方向と−θ方向とに再び分離し、環状磁路２０の第１部分２１において、再び合流した後に、第１の接続磁路３１を図のｚ方向に向かう。このようにして、一対の環状磁路１０，２０ならびに第１および第２の接続磁路３１，３２によって構成された磁路を磁束が流れる。

導電路５１に電流が流れていないとき、環状磁路１０には第３のコイル４３の内部を図の−θ方向に向かう磁束が存在し、環状磁路２０には第３のコイル４３の内部を図のθ方向に向かう磁束が存在する。この逆向きの２つの磁束は等しいため、互いに打ち消し合って第３のコイル４３を貫く磁束は０となる。第１のコイル４１に流れる電流の向きが逆になると、各磁路中の磁束の向きも逆になるが、同様に、第３のコイル４３を貫く磁束は０となる。よって、第１のコイル４１に交流を流しても、第３のコイル４３の両端の端子４３ａ，４３ｂ間に誘導起電力は生じない。

導電路５１に図のｚ方向に向かう電流ｉが流れると、導電路５１の周囲に図のθ方向の磁界が発生し、これによって、環状磁路１０，２０の両方において、図のθ方向に向かう磁束が発生する。これに対して、前述したように、第１のコイル４１を流れる交流によって生じる磁束は、環状磁路１０と環状磁路２０とで逆向きになる。このため、環状磁路１０，２０の一方では、第１のコイル４１を流れる交流による磁束の向きと導電路５１を流れる電流による磁束の向きとが一致して磁束が増加し、環状磁路１０，２０の他方では、第１のコイル４１を流れる交流による磁束の向きと導電路５１を流れる電流による磁束の向きとが逆になって磁束が減少する。

このとき、外部磁界の変化にともなう磁性体の透磁率の変化が線形でないことにより、第１のコイル４１に流れる交流によって発生する環状磁路１０，２０の磁束が、導電路５１を流れる電流ｉによって生じる磁界によって増加する量と減少する量とが等しくならない。これにより、導電路５１を流れる電流ｉの大きさに応じた誘導起電力が第３のコイル４３に発生する。よって、第３のコイル４３の両端に設けられた端子４３ａ，４３ｂ間の電圧を測定することにより、導電路５１を流れる電流ｉの大きさを求めることができる。このようにして、電流センサとして機能する。

第３のコイル４３の端子４３ａ，４３ｂ間に生じる電圧は、第１のコイル４１を流れる交流によって環状磁路１０，２０に生じる磁束の変化によっても変化してしまう。このため、導電路５１を流れる電流ｉの大きさを求めるためには、第１のコイル４１を流れる交流によって環状磁路１０，２０に生じる磁束を一定に保つ必要がある。ところが、温度変化等によって環状磁路１０，２０の透磁率が変化し、これによって、第１のコイル４１を流れる交流の大きさが一定であっても、第１のコイル４１を流れる交流によって環状磁路１０，２０に生じる磁束が変化するという問題が生じる。従来の電流センサは、環状磁路１０，２０における磁束の変化を検出できないため、第１のコイル４１を流れる交流によって環状磁路１０，２０に生じる磁束を一定に保つことができなかった。このため、導電路５１を流れる電流を正確に求められないという問題があった。

本例の電流センサによれば、環状磁路１０および環状磁路２０の間に配置された第２のコイル４２を有することから、第２のコイル４２に生じる誘導起電力を測定することにより、環状磁路１０，２０における磁束の変化を検出することができる。この理由を以下に説明する。

本例の電流センサにおいては、前述した、第１の接続磁路３１，環状磁路１０，第２の接続磁路３２，環状磁路２０を順次通過する磁束の流れの他に、環状磁路１０，２０の間に存在する空間を通過して環状磁路１０，２０の一方から他方へ直接向かう漏れ磁束が存在する。例えば、前述したように、第１の接続磁路３１→環状磁路１０の第１部分１１→環状磁路１０の第２部分１２→第２の接続磁路３２→環状磁路２０の第２部分２２→環状磁路２０の第１部分１１→第１の接続磁路３１の順に流れる磁束がある場合、環状磁路１０における、第１部分１１と第２部分１２との中央よりも第１部分１１側では、環状磁路１０から環状磁路２０へ直接向かう漏れ磁束が存在する。また、環状磁路２０の第１部分２１と第２部分２２との中央よりも第２部分２２側では、環状磁路２０から環状磁路１０へ直接向かう漏れ磁束が存在する。そして、これらの漏れ磁束の大きさは、環状磁路１０，２０を流れる磁束の大きさに比例する。

本例の電流センサは、環状磁路１０および環状磁路２０の間に配置された第２のコイル４２を有することから、第２のコイル４２に生じる誘導起電力を測定することにより、環状磁路１０，２０の一方から他方へ直接向かう漏れ磁束の大きさの変化を検出することができ、それによって、環状磁路１０，２０における磁束の変化を検出することができる。よって、環状磁路１０，２０に生じる磁束の変化を検出して補正することにより、第１のコイル４１を流れる交流によって環状磁路１０，２０に生じる磁束を一定に保つことが可能になるので、精度の高い電流センサを得ることができる。

本例の電流センサにおいて、環状磁路１０，２０および第１，第２の接続磁路３１，３２は、例えば、鉄，ニッケル，コバルト等の強磁性体を使用して形成することができる。また、特許文献１に記載されたように、内部に磁性流体が封入された構造体を使用しても構わない。この場合には、磁性流体が存在する部分が環状磁路１０，２０および第１，第２の接続磁路３１，３２として機能する。さらに、固体状の超常磁性体を用いて環状磁路１０，２０および第１，第２の接続磁路３１，３２を構成しても構わない。

（実施の形態の第２の例）
図２は、本発明の実施の形態の第２の例の電流センサを模式的に示す平面図である。なお、図２は、図１における＋ｚ方向からみた平面図であり、環状磁路１０，第１の接続磁路３１，第２の接続磁路３２，第１のコイル４１および第３のコイル４３の図示を省略している。また、本例においては、上述した実施の形態の例と異なる部分について説明し、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本例の電流センサは、図２に示すように、第２のコイル４２が、４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの４つの部分から構成されている。そして、第１部分２１と第２部分２２との中央に対して、第１部分１１，２１に近い部分である４２ｃ，４２ｄと、第２部分１２，２２に近い部分である４２ｅ，４２ｆとで、互いに逆向きに巻かれている。なお、「互いに逆向きに巻かれている」とは、第２のコイル４２に電流を流したときにコイル内に発生する磁界が、互いにほぼ逆向きなるように巻かれていることを意味する。すなわち、同じ側から見たときに、一方が時計回りに巻かれている場合には、他方は反時計回りに巻かれていることである。

前述したように、環状磁路１０，２０の間の漏れ磁束の向きは、第１部分１１，２１と
第２部分１２，２２との中央に対して、第１部分１１，２１に近い部分と、第２部分１２，２２に近い部分とで、互いに逆向きになる。本例の電流センサは、第２のコイル４２が、第１部分１１，２１に近い部分である４２ｃ，４２ｄと、第２部分１２，２２に近い部分である４２ｅ，４２ｆとで、互いに逆向きに巻かれていることから、各部の漏れ磁束の変化を同じ向きの起電力に変えることができる。よって、環状磁路１０，２０に生じる磁束の変化を精度良く検出できるので、高精度の電流センサを得ることができる。

（変形例）
本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

例えば、上述した実施の形態の例においては、１つの第１の接続磁路３１のみに第１のコイル４１が巻き付けられた例を示したが、これに限定されるものではない。第１の接続磁路３１および第２の接続磁路３２の両方に第１のコイル４１を巻き付けるようにしても構わない。この場合には、第１の接続磁路３１に発生させる磁束の向きと第２の接続磁路３２に発生させる磁束の向きとが、互いに逆向きになるようにする必要がある。

また、上述した実施の形態の例においては、１つの第１の接続磁路３１および１つの第２の接続磁路３２を備える例を示したが、これに限定されるものではなく、さらに多くの接続磁路を備えるようにしても構わない。例えば、環状磁路１０，２０をそれぞれ２分割するように、第１の接続磁路３１が２つ配置され、それぞれの磁路を２等分するように２つの第２の接続磁路３２が配置されるようにしてもよい。また、環状磁路１０，２０をそれぞれ３分割するように、第１の接続磁路３１が３つ配置され、それぞれの磁路を２等分するように３つの第２の接続磁路３２が配置されるようにしても構わない。

さらに、上述した実施の形態の例においては、１つの第２のコイル４２を有する例を示したが、これに限定されるものではなく、複数の第２のコイル４２を有するようにしても構わない。

またさらに、上述した実施の形態の例においては、第２のコイル４２が環状磁路２０の主面に配置された例を示したが、これに限定されるものではなく、第２のコイル４２は、環状磁路１０，２０の間に配置されていれば良い。例えば、環状磁路１０の環状磁路２０側の面に配置されていてもよく、また、環状磁路１０，２０と間隔を開けて配置されていても構わない。

さらにまた、上述した実施の形態の例においては、環状磁路１０，２０が真円の環状である例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、６角形や８角形等の多角形の環状であってもよいし、楕円の環状であっても構わない。

またさらに、上述した実施の形態の例においては、環状磁路１０，２０の内側を通過するように、測定対象の電流を流すための導電路５１が配置されて、電流センサとして用いられる例を示したが、これに限定されるものではない。環状磁路１０，２０の周回方向（図のθ方向）の磁界を検出する磁気センサとして用いても構わない。

１０，２０：環状磁路
１１，１２：第１部分
１２，２２：第２部分
３１：第１の接続磁路
３２：第２の接続磁路
４１：第１のコイル
４２：第２のコイル
４３：第３のコイル
５１：導電路

Claims (3)

1. 一対の環状磁路と、第１および第２の接続磁路と、第１乃至第３のコイルとを備え、
   前記一対の環状磁路は、所定の間隔を開けて互いに対向するように配置されており、
   前記一対の環状磁路のそれぞれは、周回方向の一部分である第１部分および第２部分を有しており、
   前記一対の環状磁路における前記第１部分同士および前記第２部分同士は互いに対向しており、
   前記第１の接続磁路は、前記一対の環状磁路の前記第１部分同士を接続しており、
   前記第２の接続磁路は、前記一対の環状磁路の前記第２部分同士を接続しており、
   前記第１のコイルは、前記第１の接続磁路を囲むように巻かれており、
   前記第２のコイルは、前記一対の環状磁路の間に配置されており、
   前記第３のコイルは、前記一対の環状磁路の少なくとも一部を纏めて囲むように巻かれていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第２のコイルは、前記第１部分と前記第２部分との中央に対して前記第１部分に近い部分と前記第２部分に近い部分とで互いに逆向きに巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁気センサを備え、前記一対の環状磁路の内側を通過するように、測定対象の電流を流すための導電路が配置されることを特徴とする電流センサ。

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