JP2013108796A - 磁気センサおよびそれを用いた電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 導電路を切断することなく電流を検出可能な状態にセッティングすることが可能であり且つ精度が高い電流センサを実現可能な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】 互いに対向する円弧状磁路１１，１２と、互いに対向する円弧状磁路１３，１４と、円弧状磁路１１，１２の両端同士を接続する接続磁路２１，２２と、円弧状磁路１３，１４の両端同士を接続する接続磁路２３，２４と、接続磁路２１を囲むように巻かれたコイル３１と、円弧状磁路１１，１２を纏めて囲むように巻かれたコイル３２と、接続磁路２３を囲むように巻かれたコイル３３と、円弧状磁路１３，１４を纏めて囲むように巻かれたコイル３４とを少なくとも有し、円弧状磁路１１，１３が第１の円周上に配置され、円弧状磁路１２，１４が第２の円周上に配置され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。）。また、被測定電流が流れる導電路を切断することなく環状磁路の内側へ収容するために、分離可能な環状磁路を備えた電流センサが提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

特許第４３１０３７３号公報 特開２００６−８４１７６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は、高精度な電流測定ができるものの、被測定電流が流れる導電路を切断することなく環状磁路の内側へ収容することができないという問題があった。また、特許文献２にて提案された電流センサのように、環状磁路を分割可能にした場合には、分割部に生じる微少な隙間によって環状磁路の磁気抵抗が変化するため、電流の測定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、導電路を切断することなく電流を検出可能な状態にセッティングすることが可能であり且つ精度が高い電流センサを実現可能な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。

本発明の磁気センサは、所定の間隔を開けて互いに対向するように配置された第１および第２の円弧状磁路と、所定の間隔を開けて互いに対向するように配置された第３および第４の円弧状磁路と、前記第１および第２の円弧状磁路の一方端同士を接続する第１の接続磁路と、前記第１および第２の円弧状磁路の他方端同士を接続する第２の接続磁路と、前記第３および第４の円弧状磁路の一方端同士を接続する第３の接続磁路と、前記第３および第４の円弧状磁路の他方端同士を接続する第４の接続磁路と、前記第１の接続磁路を囲むように巻かれている第１のコイルと、前記第１および第２の円弧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第２のコイルと、前記第３の接続磁路を囲むように巻かれている第３のコイルと、前記第３および第４の円弧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第４のコイルとを少なくとも有しており、前記第１および第３の円弧状磁路が第１の円周上に配置されるとともに、前記第２および第４の円弧状磁路が第２の円周上に配置されることを特徴とするものである。

本発明の電流センサは、前記磁気センサを備え、前記第１および第２の円周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、導電路を切断することなく電流を検出可能な状態にセッティングすることが可能であり且つ精度が高い電流センサを実現可能な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、導電路を切断することなく電流を検出可能な状態にセッティングすることが可能であり且つ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例の電流センサを模式的に示す斜視図である。

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。

図１，図２は、本発明の実施の形態の例の電流センサを模式的に示す斜視図である。本例の電流センサは、図１、図２に示すように、円弧状磁路１１〜１４と、接続磁路２１〜２４と、コイル３１〜３４とを有している。なお、図１は、円弧状磁路１１，１３が同じ円周上に配置されるとともに互いに接合されて円環５１が形成され、円弧状磁路１２，１４が同じ円周上に配置されるとともに互いに接合されて円環５２が形成された状態を示している。そして、円環５１，５２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４１が配置されている。なお、本例の電流センサは、導電路４１が配置されない場合には、円環５１および円環５２の周回方向（図１のθ方向）の磁界を検出する磁気センサとして機能する。また、図２は、円弧状磁路１１と円弧状磁路１３とが分離され、円弧状磁路１２と円弧状磁路１４とが分離された状態を示しており、導電路４１の図示を省略している。

円弧状磁路１１〜１４は半円の円弧状の同一形状を有している。円弧状磁路１１，１２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いる。円弧状磁路１１，１２の一方端同士は接続磁路２１によって接続されており、円弧状磁路１１，１２の他方端同士は接続磁路２２によって接続されている。よって、円弧状磁路１１，１２および接続磁路２１，２２によって、環状の磁路が形成されている。円弧状磁路１３，１４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いる。円弧状磁路１３，１４の一方端同士は接続磁路２３によって接続されており、円弧状磁路１３，１４の他方端同士は接続磁路２４によって接続されている。よって、円弧状磁路１３，１４および接続磁路２３，２４によって、環状の磁路が形成されている。

コイル３１は、接続磁路２１を囲むように巻かれており、コイル３３は、接続磁路２３を囲むように巻かれている。また、コイル３２は、円弧状磁路１１，１２を纏めて囲むように巻かれており、コイル３４は、円弧状磁路１３，１４を纏めて囲むように巻かれている。なお、図１，図２においては、円弧状磁路１１，１２の一部にコイル３２が巻き付けられ、円弧状磁路１３，１４の一部にコイル３４が巻き付けられた例を示したが、センサの感度を高めるためには、円弧状磁路１１，１２の全体に渡ってコイル３２が巻き付けられ、円弧状磁路１３，１４の全体に渡ってコイル３４が巻き付けられることが望ましい。同様に、コイル３１は接続磁路２１の全体に渡って巻き付けられるのが望ましく、コイル３３は接続磁路２３の全体に渡って巻き付けられるのが望ましい。また、コイル３１の両端には端子３１ａ，３１ｂが設けられており、コイル３２の両端には端子３２ａ，３２ｂが設けられており、コイル３３の両端には端子３３ａ，３３ｂが設けられており、コイル３４の両端には端子３４ａ，３４ｂが設けられている。

また、本例の電流センサは、円弧状磁路１１，１２ならびに接続磁路２１，２２からなる環状の磁路の磁気抵抗と、円弧状磁路１３，１４ならびに接続磁路２３，２４からなる環状の磁路の磁気抵抗とが等しくされており、接続磁路２１と接続磁路２３とが隣接して配置されている。また、コイル３１，３３には交流が流されるが、コイル３１に電流が流れることによって接続磁路２１に発生する磁束の向きおよび大きさと、コイル３３に電流が流れることによって接続磁路２３に発生する磁束の向きおよび大きさとが、それぞれの時点において等しくされる。よって、コイル３１に電流が流れることによって接続磁路２１に発生する磁束は、円弧状磁路１１，１２ならびに接続磁路２１，２２からなる環状の磁路のみを通過し、コイル３３に電流が流れることによって接続磁路２３に発生する磁束は、円弧状磁路１３，１４ならびに接続磁路２３，２４からなる環状の磁路のみを通過する。

例えば、ある瞬間に、コイル３１に端子３１ａから入って端子３１ｂから出る向きに電流が流されると、コイル３１において、図１のｚ方向に向かう磁界が発生し、これによって、接続磁路２１において、図１のｚ方向に向かう磁束が発生する。この磁束は、円弧状磁路１１を図１の−θ方向に進み、接続磁路２２を図１の−ｚ方向に進み、円弧状磁路１２を図１のθ方向に進んで接続磁路２１に戻る。このようにして、円弧状磁路１１，１２および接続磁路２１，２２によって構成された環状の磁路を磁束が流れる。

また、同じ瞬間には、コイル３３に端子３３ａから入って端子３３ｂから出る向きに電流が流される。すると、コイル３３において、図１のｚ方向に向かう磁界が発生し、これによって、接続磁路２３において、図１のｚ方向に向かう磁束が発生する。この磁束は、円弧状磁路１３を図１のθ方向に進み、接続磁路２４を図１の−ｚ方向に進み、円弧状磁路１４を図１の−θ方向に進んで接続磁路２３に戻る。このようにして、円弧状磁路１３，１４および接続磁路２３，２４によって構成された環状の磁路を磁束が流れる。

この瞬間において、導電路４１に電流が流れていない場合には、コイル３２の内側において、円弧状磁路１１を図１の−θ方向に向かう磁束と、円弧状磁路１２を図１のθ方向に向かう磁束とが存在する。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コイル３２を貫く磁束は０となる。コイル３１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、コイル３２を貫く磁束は０のままである。よって、コイル３１に交流を流しても、コイル３２の両端の端子３２ａ，３２ｂ間に誘導起電力は生じない。同様に、導電路４１に電流が流れていない場合には、コイル３３に交流を流しても、コイル３４の両端の端子３４ａ，３４ｂ間には誘導起電力は生じない。

導電路４１に図１のｚ方向に向かう電流ｉが流れると、導電路４１の周囲に図１のθ方向の磁界が発生し、これによって、円弧状磁路１１，１２の両方において、図１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、コイル３１を流れる交流によって生じる磁束は、円弧状磁路１１と円弧状磁路１２とで逆向きになる。このため、円弧状磁路１１，１２の一方では、コイル３１を流れる交流による磁束の向きと導電路４１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、円弧状磁路１１，１２の他方では、コイル３１を流れる交流による磁束の向きと導電路４１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、コイル３１に流れる交流によって発生する円弧状磁路１１，１２の磁束が、導電路４１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４１を流れる電流ｉの大きさに応じた誘導起電力がコイル３２に発生する。同様に、導電路４１に図１のｚ方向に向かう電流ｉが流れると、電流ｉの大きさに応じた誘導起電力がコイル３４に発生する。

よって、コイル３２の両端に生じる電圧とコイル３４の両端に生じる電圧とが打ち消し
合わずに加算されるように、コイル３２とコイル３４とを直列に接続して、その両端の電圧を測定することにより、導電路４１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、本例の電流センサは電流センサとして機能する。なお、コイル３２の両端に設けられた端子３２ａ，３２ｂ間の電圧と、コイル３４の両端に設けられた端子３４ａ，３４ｂ間の電圧との、少なくとも一方の電圧を測定すれば、導電路４１を流れる電流の大きさを求めることができる。

本例の電流センサは、円弧状磁路１１と円弧状磁路１３とを分離し、円弧状磁路１２と円弧状磁路１４とを分離することができる。すなわち、円弧状磁路１１，１２および接続磁路２１，２２の接合体と、円弧状磁路１３，１４および接続磁路２３，２４の接合体とを分離することができる。よって、本例の電流センサは、導電路４１を切断することなく、導電路４１を流れる被測定電流を検出可能な状態にセッティングすることができる。

また、本例の電流センサは、円弧状磁路１１，１３が同じ円周上に配置されるとともに互いに接合されて円環５１が形成され、円弧状磁路１２，１４が同じ円周上に配置されるとともに互いに接合されて円環５２が形成されるとともに、円環５１および円環５２の内側に導電路４１が配置される。よって、円環５１および円環５２の内側の領域における導電路４１の位置にかかわらず、導電路４１を流れる電流を高精度で測定することができる。

さらに、本例の電流センサは、円弧状磁路１１，１２ならびに接続磁路２１，２２からなる第１の磁路の磁気抵抗と、円弧状磁路１３，１４ならびに接続磁路２３，２４からなる第２の磁路の磁気抵抗とが等しくされており、接続磁路２１と接続磁路２３とが隣接して配置されており、コイル３１に電流が流れることによって接続磁路２１に発生する磁束の向きおよび大きさと、コイル３３に電流が流れることによって接続磁路２３に発生する磁束の向きおよび大きさとが、それぞれの時点において等しくされる。これにより、円弧状磁路１１，１２が接合されて円環５１が形成され、円弧状磁路１３，１４が接合されて円環５２が形成された状態においても、円弧状磁路１１，１２ならびに接続磁路２１，２２からなる環状の磁路と、円弧状磁路１３，１４ならびに接続磁路２３，２４からなる環状の磁路とが分離されている。すなわち、コイル３１，３３に電流が流されることによって発生する磁束が、円環５１における円弧状磁路１１と円弧状磁路１３との接合面および円環５２における円弧状磁路１２と円弧状磁路１４との接合面を通過しない。これにより、円環５１における円弧状磁路１１と円弧状磁路１３との接合面および円環５２における円弧状磁路１２と円弧状磁路１４との接合面に隙間が存在しても電流の測定精度が低下しない。よって、本例の電流センサによれば、導電路を切断することなく電流を検出可能な状態にセッティングすることが可能であり且つ精度が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、円弧状磁路１１〜１４および接続磁路２１〜２４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円弧状磁路１１〜１４および接続磁路２１〜２４として機能する。さらに、固体状の超常磁性体を用いて円弧状磁路１１〜１４および接続磁路２１〜２４を構成しても構わない。

（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、接続磁路２１にコイル３１が巻き付けら
れ、接続磁路２３にコイル３３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。例えば、接続磁路２１，２２の両方にコイル３１を巻き付けるようにしても良く、接続磁路２３，２４の両方にコイル３３を巻き付けるようにしても構わない。この場合には、接続磁路２１に発生させる磁束の向きと接続磁路２２に発生させる磁束の向きとが逆になり、接続磁路２３に発生させる磁束の向きと接続磁路２４に発生させる磁束の向きとが逆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、円弧状磁路１１，１２によって円環５１が形成され、円弧状磁路１３，１４によって円環５２が形成された場合、すなわち、円弧状磁路１１，１２および接続磁路２１，２２からなる環状磁路と、円弧状磁路１３，１４および接続磁路２３，２４からなる環状磁路との、２つの環状磁路を有する場合を示したがが、これに限定されるものではない。円環５１および円環５２が、それぞれ４つ以上の偶数個の円弧状磁路から構成され、それぞれの円弧状磁路の両端が接続磁路によって接続されて、４つ以上の偶数個の環状磁路が形成されるようにしても構わない。なお、この場合には、隣り合う円弧状磁路の接合部の全てが分離可能である必要はない。また、分離可能でない接合部においては、１つの接続磁路が隣り合う環状磁路で共有されていても構わない。

またさらに、上述した実施の形態の例においては、円環５１，５２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４１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。円環５１，５２の周回方向（図１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。

１１，１２，１３，１４：円弧状磁路
２１，２２，２３，２４：接続磁路
３１，３２，３３，３４：コイル
４１：導電路
５１，５２：円環

Claims (4)

1. 所定の間隔を開けて互いに対向するように配置された第１および第２の円弧状磁路と、所定の間隔を開けて互いに対向するように配置された第３および第４の円弧状磁路と、
   前記第１および第２の円弧状磁路の一方端同士を接続する第１の接続磁路と、
   前記第１および第２の円弧状磁路の他方端同士を接続する第２の接続磁路と、
   前記第３および第４の円弧状磁路の一方端同士を接続する第３の接続磁路と、
   前記第３および第４の円弧状磁路の他方端同士を接続する第４の接続磁路と、
   前記第１の接続磁路を囲むように巻かれている第１のコイルと、
   前記第１および第２の円弧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第２のコイルと、
   前記第３の接続磁路を囲むように巻かれている第３のコイルと、
   前記第３および第４の円弧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第４のコイルとを少なくとも有しており、
   前記第１および第３の円弧状磁路が第１の円周上に配置されるとともに、前記第２および第４の円弧状磁路が第２の円周上に配置されることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１および第３の円弧状磁路が接続されて第１の円環が形成されるとともに、前記第２および第４の円弧状磁路が接続されて第２の円環が形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１および第２の円弧状磁路ならびに前記第１および第２の接続磁路からなる第１の磁路の磁気抵抗と、前記第３および第４の円弧状磁路ならびに前記第３および第４の接続磁路からなる第２の磁路の磁気抵抗とが等しくされており、前記第１の接続磁路と前記第３の接続磁路とが隣接して配置されており、前記第１のコイルに電流が流れることによって前記第１の接続磁路に発生する磁束の向きおよび大きさと、前記第３のコイルに電流が流れることによって前記第３の接続磁路に発生する磁束の向きおよび大きさとが、それぞれの時点において等しくされることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の磁気センサを備え、前記第１および第２の円周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。