JP2013160549A - 直交励磁型電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気コアに磁性流体を用いることにより，残留磁化に起因するオフセットをなくし，電流センサの「不確かさ」を小さくする．
【解決手段】磁性流体よりなる磁気コア１を用いて，被計測電流 Ix により前記磁気コア１内に生じる被計測磁界 Hx に対して垂直方向に，交流成分を含む電流で励磁磁界 He を発生させ，この励磁磁界 He と前記被計測磁界 Hx との合成磁界による磁束を発生させ，この磁束と鎖交する検出コイル３によって前記磁束の変化を検出することにより被計測磁界 Hx ，すなわち被計測電流 Ix を計測する．
【選択図】図１

Description

本発明は，被計測電流回路と計測回路とを電気的に絶縁した状態で，前記被計測電流の値を計測する絶縁型の直流交流両用の電流センサに関するものである．

近年では太陽光や燃料電池による発電，自動車の電動化，あるいは家庭内直流給電など，直流電力が日常生活で利用される機会が増えつつある．新しい電力の普及にあたっては，その高効率化もさることながら，安全性と信頼性の向上はそれ以上に重要である．このような課題を解決するためには対象を正確に把握する必要があり，その中に電流計測がある．ところが従来の直流電流計測技術，すなわち従来の電流センサはそのような新しいニーズに応えられないのが実情である．

絶縁型の電流センサは，検出コイル方式と，磁界センサ素子方式に大別できる．検出コイル方式は磁束の変化による誘導起電力を利用したもので，交流用のＣＴが代表的である．検出コイル方式で直流電流を計測する場合は，被計測電流で変調を受ける交流の励磁磁束を発生させて，変調を受けた交流の励磁磁束による誘導起電力を得るのが一般的である．その代表例としてフラックスゲート方式がある．

磁界センサ素子方式は，被計測電流によって生じる磁界の強さを，磁界センサで計測することにより発生源の電流の大きさを計測するものである．原理的には全ての磁界センサで電流センサを作ることが可能であるが，よく使われている磁界センサは，ホール素子，磁気抵抗効果素子，ファラディー素子などである．中でもホール素子は圧倒的なシェアを占めており，前記した直流電力利用の新分野でも盛んに使われている．

電流センサに求められている昨今の新しいニーズは大きく二分できる．一つは，高い精度は求めないが低価格で高速応答のもの．もう一つは，応答速度は遅くて良いが高精度でダイナミックレンジがひろいものである．前段で述べたホール素子式はこの後者のニーズに応えることができない．それは，磁気コアやホール素子のヒステリシスが原因で生じるオフセットが大きくて，必要な精度を出せないのが理由である．市販品には磁気平衡式とも呼ばれるフィードバック方式で精度を上げているものもあるが，フィードバックの許容範囲を超えた場合や，通電していない状態などで，フィードバックが機能していない場合における着磁には対処できない．したがって，ヒステリシスや着磁が根本的に生じない電流センサが望まれている．

電流センサのオフセットが問題になる用途には次のようなものがある．例えばハイブリッド自動車の二次電池の充放電管理である．ここでは充放電電流を計測して積算することで充電量を推測しているが，電流センサにオフセットがあると，それが積算されて大きな誤差を生じる．この誤差は，過充電や過放電を引き起こす可能性をはらんでいて，リチウムイオン電池などを使用する場合には非常に危険である．また，二次電池のみで走行する電気自動車では残量を誤って表示すれば充電が間に合わずに走行できなくなることも起こりうる．

これらの対策の一つとして，電流センサのオフセット量を推測する手法がとられており各自動車メーカから特許の出願がなされている（特許文献１，特許文献２，特許文献３）．もう一つは最大のオフセットを見込んで，充電量を制御する方法がある．つまり，電流センサで計測した電流によって得られる充電量が，例えば３０％から７０％の範囲になるような制御を行う方法である．この方法では電池の利用範囲が狭くなり高価な電池の能力を充分に使えないという不経済が生じる．実際の自動車ではこれらの方法を併用することが多い．

また，電流センサの計測精度が悪く対応が不十分なニーズに直流漏電検出がある．昨今求められている漏電の検出レベルは数［ｍＡ］であるが，この分野で使用できる従来の絶縁型のセンサの精度は数十［ｍＡ］から数百［ｍＡ］しかなく性能的に不十分である．一般的によく使われているホール素子方式の場合は先に述べたヒステリシスが障害になる．また，コアに巻いたコイルのリアクタンスの変化を利用した方法も提案されているが性能が悪い（特許文献４）．ほかにも高感度なフラックスゲート方式の原理を応用した直流漏電検出装置が提案されているが，残留磁化の問題は解決していない．

これらの漏電検出方法は電路の往路と復路の電流の差分を計測することにより実現している．ところが直流回路では負荷側のリアクタンスのために，通電開始時に往路と復路の電流に大きな差が生じ，漏電検出装置の定格を遥かに超える大電流が，瞬間的ではあるが流れる事がある．この際，前記の高透磁材料を用いたものは着磁されて，その後は本来の性能が発揮できなくなる．

さらに従来の接触方式の漏電検出装置は電路の往路と復路をそれぞれ同じ値の抵抗で大地に接続して，大地の電位と電路の中間電位との電位差を計測する方法がある．漏電がなければ大地は電路の中間電位になるが，漏電があると大地から往路か復路に電流が流れ，大地の電位は電路の中間電位からずれる．この時の電位差で漏電を検出している．しかしこの方法は大地を検出回路の一部に取り込んでいるために，複数台を同時に運転すると相互干渉が生じて正確な検出ができないことがある．そこで，この方式では時分割運転をする方法があるが，この方法は台数が増えると応答時間が遅くなる問題が生じる．例えばメガソーラ発電所では数千箇所にもおよぶ漏電検出のニーズが有り時分割運転では全く対応できない．

このような，充放電管理の課題や直流漏電検出の課題を解決するには，０［Ａ］を確実に計測できること，高感度であること，様々な要因による着磁が生じないこと，すべて解決する必要がある．

着磁の課題を解決した電流センサも提案されているが（特許文献５），この電流センサは高感度では有るものの構造的要因により磁気コアから漏れる励磁磁束が多くて周辺環境の影響を受け易く，それを回避するために磁気シールドが必要になることが多い．つまり汎用的用途ではコストパフォーマンスがよくない．また，磁性流体の形状の可変性を活かし，これを磁気コアに用いた電流センサも提案されているが（特許文献６），磁界の検出方法に新規性はなく，推測できるその性能では前記のニーズには全く対応できるものではない．

また，本発明と似た構造の直流電流センサが過去に提案されている（特許文献７／以下「先願」という）が，本発明とは根本的な違いがあるので，その違いと先願の課題を述べる．

先願に用いている磁気コア用の磁性材は「軟質磁性材料」に限定されているが，本発明は磁性流体である．つぎに，先願の励磁は磁気コアを飽和させるのが基本であるが（先願段落００２５），かりに完全には飽和させなくても略飽和させる必要性が示されている（先願段落００２８）．この点に関して本発明は飽和の必要は全くない．

また先願でも他の従来の電流センサと同じく残留磁化が課題であることに触れており，そのヒステリシスが計測精度に悪影響を及ぼすことを示唆している（先願段落００３２）．それと同時に，先願は励磁で磁気飽和させるので残留磁化の影響が低減されると述べている一方で，他の段落では完全に飽和させなくても良いとも述べており，この両者は両立しない．

先願に用いている軟磁性材（軟質磁性材）と本発明に用いている磁性流体とは，センサでは重要な透磁率の特性が全く異なる．軟磁性材では初透磁率は小さく，磁界が強くなるとともに透磁率の徐々に高くなり，ある磁界の強さで最大に達し，さらに磁界が強くなると透磁率は減少する．透磁率が最も大きくなったときの値を最大透磁率と言う．このように軟磁性材は透磁率の傾きが正の領域と負の領域があり，センサに使う場合は注意を要する．一方磁性流体の透磁率は磁界零のときが最も大きく，磁界の増加とともに透磁率は低下の一途をたどる．つまりその傾きは負の領域のみである（図７参照）．また，軟磁性材は同じ磁界の強さでも，磁界が増加するときと減少するときとで透磁率が異なるが，磁性流体は同じである．さらに軟磁性材は比透磁率（真空の透磁率に対する比率）が数千から数万と大きいのに対して，磁性流体は10から30程度と小さい．

さらに，磁性流体は飽和磁界が軟磁性材の数十倍から数百倍以上あり，より大きな電流を計測できる．つまり，後述する説明のように零点付近の小さな電流を安定して計測できるとともに，大きな電流も測ることができるので，ダイナミックレンジの広い電流センサが実現できる．

このように先願と本発明は，材料・動作原理・原理的特性が全く異なる．また本発明の性能は先願を遥かに超えており，産業上の価値は先願のおよぶところではない．

特開２００２−１５１１６５号公報 特開２００４−２２６１５４号公報 特開２００７−３４５２号公報 特開２０００−００２７３８号公報 特許第４３１０３７３号 特開２００９−６３３６８号公報 特開平１０−１２３１８０号公報

解決しようとする課題は，磁性材や磁界センサ素子が持つヒステリシスによって，電流センサの出力に不特定のオフセットが生じ，測定の「不確かさ」が大きくなる問題点である．

本発明は，電流センサのコアに従来から用いられている軟磁性材の使用をやめて代わりに磁性流体を用い，さらに，磁界センサ素子を用いらずにコイルの電磁誘導を利用する．これらの条件を実現するために，磁性流体から成る磁気コアと，被計測電流によってその磁気コアに生じる磁束に平行な電流ベクトルを持つように配置した励磁コイルとを有し，この励磁コイルに交流成分を含む電流を流し，さらに前記磁束と鎖交するように検出コイルを巻いたことを最大の特徴とする．

本発明は構成要素のどの部分にも残留磁化やヒステリシスを生じるものがなく，検出要素ではオフセットが生じない．したがって「不確かさ」が小さくて，0［ A ］の精度も高く，ダイナミックレンジの広い電流センサが実現できる．さらに，定格電流値を遥かに超える大電流に曝されても，定格電流値内に復帰すれば元の特性が発現されて，電流センサの信頼性が従来よりも遥かに高くなる効果がある．

一部を切開した実施例による，本発明の構成要素の説明図 図１に示した実施例の，中心を含むＸ−Ｙ平面による断面図 図１に示した実施例の，中心を含むＹ−Ｚ平面による断面図 コア外殻４の断面を四角形にして励磁コイル２を扁平にした実施例の断面図 コア外殻４の断面を長円形状にして励磁コイル２を２連にした実施例の断面図 動作原理を説明する磁界と磁束のベクトル図 磁性流体のＢ−Ｈ特性図 実施例の特性グラフ コア部に磁気ギャップを設けた実施例の一部切開図 ２個のセンサユニットを用いてクランプ式にした実施例の一部を切開した説明図

まず構成と構造について説明する.

図１に一部を切開した一実施例による本発明の構成要素の説明図を示す．この図に示した磁気コア１，励磁コイル２，検出コイル３，コア外殻４，が本発明の構成要素である．導体６は被計測電流 Ix が本発明に対してどのように配置されるかを示すものである．なお，磁気コア１は磁性流体であって液体であるため明示していないが，以降の説明において特別の断りがない限りコア外殻４の内部は磁性流体で満たされ，磁性流体から成る磁気コア１であるものとする．

図１の断面図を図２に示す．図２は，図１に示した実施例の，中心を含むＸ−Ｙ平面による断面図である．この図においてコア外殻４の断面は円形をしているが，本発明では円形である必要は無く実施時の都合により四角形や楕円形など任意である．しかし，磁気的には円形が単純であり性能を上げ易い形状である．

図２において，励磁コイル２はコア外殻４の中心であり，すなわち磁気コア１の断面の中心に位置されているが，この位置は断面の中心である必要は無く，コア外殻４の内壁に接触してもよい．さらにはコア外殻４の外に配置してもよい．必要な条件は，励磁コイル２が発生する励磁磁界 He が被計測電流 Ix の発生する被計測磁界 Hx と磁気コア１内で直交する成分をもつことである．ただし．励磁コイル２が磁気コア１の外に出た場合は励磁磁束の漏れが生じるので，周辺環境の影響を受けやすくなり性能が著しく低下する．しかし，磁気シールドなどにより周辺環境からの影響は軽減できるために，励磁コイル２をコア外殻４の外に出すことによりほかのメリットがある場合はそのようにしても良い．たとえば，励磁コイル２をコア外殻４の外に置くことにより製造コストを低減する場合や，コア外殻４内の磁性流体の量を増やしたい場合などはその一例である．

図２において，検出コイル３はコア外殻４の外側から磁気コア１をトロイダル状に巻回している．これは，磁気コア１に発生する，被計測電流 Ix による被計測磁界 Hx を巻回するように巻くことが要件である．したがって，検出コイル３はコア外殻４の内側でも良く，あるいはコア外殻４の壁内にインサート成形されるような配置でもかまわない．さらには，磁気コア１の断面のすべてを巻回する必要もなく一部を巻回してもよい．

図２において，検出コイル３は励磁コイル２をトロイダル巻きで巻回しているが，検出コイル３が励磁コイル２を巻回する必要は無く，検出コイル３の外に励磁コイル２があっても良い．

図３に，図１に示した実施例の中心を含むＹ−Ｚ平面による断面図を示す．図３においてコア外殻４は円形をしているが，この形状も円形である必要は無く，導体６の形状に合わせて様々な形状にできる．ただし，磁気的には円形が最も単純で精度の向上には円形がよいことが多い．また，図３では検出コイル３は磁気コア１の一部に巻回されているが，性能的には磁気コア１の全体を均一に巻回する方が好ましい．ただしそれが必須ではない．

図４は，コア外殻４の断面を四角形にして励磁コイル２を扁平にした実施例の断面図である．図４において，コア外殻４および磁気コア１は四角形である．また励磁コイル２の断面も四角形になっている．

図５は，コア外殻４の断面を長円形状にして励磁コイル２を２連にした実施例の断面図である．図５では，コア外殻４および磁気コア１は長円形状になっている．さらに励磁コイル２は二つに分割され２連になっている．

図４および図５は，実施仕様に合わせて様々な形状や配置が可能であることを示すものである．例えば導体６に沿って長い筒状のものや，導体６の直径方向に広がった扁平なものなどが製作可能である．

次に動作原理について説明する．

図６に，動作原理を説明する磁界と磁束のベクトル図を示す．この図は磁気コア１内部の任意の点の磁界と磁束を示している．これを図１から図３に対応させると，図６に示した「被計測磁界方向」は，被計測電流 Ix が発生する被計測磁界 Hxの向きであるとともに，励磁コイル２の電流の向きでもある．励磁コイル２に電流を流すことによって生じる励磁磁界 He は，励磁コイル２と直角方向になるために，励磁磁界 He の向きは図６に示した「励磁磁界方向」の通り「被計測磁界方向」と直角になる．本発明において，実施時の製作誤差や使用時の導体６の配置誤差により，全ての磁界が前記の通りに直角に交わる訳ではないが，励磁磁界 He と被計測磁界 Hx とが，前記「励磁磁界方向」と「被計測磁界方向」の関係になる方向成分を必ず持ち，それにより以下に説明する動作原理の作用が生じる．

この説明では，励磁電流 Ie は直流成分を含まない正弦波で，励磁は継続して行われているものとする．被計測電流
Ix は図１に示したように導体６に流れるものとして，いま，被計測電流 Ix = 0 であれば，被計測電流
Ix によって生じる被計測磁界 Hx は 0 であり，図６の磁界のベクトルは「励磁磁界方向」に変化する励磁磁界 He だけである．したがって，前段で説明した通り被計測電流 Ix = 0 の時には検出コイル３に起電力は生じず，その出力は 0［Ｖ］ である．

次に，被計測電流 Ix が流れている場合を説明する．被計測電流 Ix が流れると被計測磁界 Hx が発生し，その方向は被計測電流 Ix の方向により異なる．この説明ではその一つの方向を取上げて説明するが，逆方向であっても原理作用は同じである．

図６の左側に描いた正弦波の曲線は，時刻が
ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ の順に過ぎたときの He の大きさを示している．ここで，被計測磁界 Hx が生じると，磁気コア１内部の任意の点では He と被計測磁界 Hx が同時に印加されて，そこに磁界のベクトル合成が生じる．その状態を前記時間軸の沿って分析する．

まず時刻ｉでは， He = 0 でありベクトル合成された磁界は被計測磁界 Hx だけになり，ベクトル図の Hc-i になる．時刻ｊでは He は正方向に最大で，ベクトル合成された磁界はベクトル図の Hc-j になる．時刻ｋでは再び He = 0 になり，時刻ｉと同じになる．次に時刻 l では He は負方向に最大で，ベクトル合成された磁界はベクトル図の Hc-ｌになる．さらに時刻ｍは He の周期が一周期して時刻ｉと全く同じになる．時刻
ｊ，時刻 ｋ，時刻 ｍ の時のベクトルは同じになるので，図６では，これらを Hc-j , k , m と表記した．

さらにこれらの磁界により生じる磁束を次のように示した．Hc-i , j , k による磁束を「Φc-i , j , k」，Hc-j による磁束を「Φc-j」，Hc-l
による磁束を「Φc-l」，とした．磁束は，磁束＝磁束密度×磁路の断面積，で表され磁路の断面積が一定であれば，定性的には磁束と磁束密度を同義ににした議論ができる．

磁界と磁束は比例関係にあり，単位面積当りの磁束の量を磁束密度と言い，磁束密度＝透磁率×磁界の強さ，で表すことができる．再度図６に戻って，被計測磁界 Hx が一定で He が時刻 ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ で同図のように変化した場合に，合成された磁界の強さの被計測磁界方向成分の大きさは，全ての時刻で同じである．したがって，前記の「磁束密度＝透磁率×磁界の強さ」の関係から，透磁率が一定であれば磁束密度も磁界の強さと同じ割合で変化するために，磁束の被計測磁界方向成分は磁界と同様に全ての時刻で同じ大きさになるはずである．しかし，実際には透磁率は一定ではなく磁界の強さによって変化して，図７に示すグラフようになる．したがって磁束密度の被計測磁界方向成分は時刻により異なるり次のようになる．

磁界，Hc-j や Hc-l は Hc-i ,
k , m に比べて大きい，図７から磁界が大きくなると透磁率は小さくなることが解る．したがって，図６の磁束，Φc-j
や Φc-l は Hc-j や Hc-l に対して，Hc-i , k , m の時よりも比率的に小さくなる．よって，磁束 Φc-j や Φc-l の被計測磁界方向の成分は，Φc-i , j , k よりも小さくなる．つまり，絶対値では Φc-j や Φc-l は Φc-i , j , k よりも必ず大きいが，被計測磁界方向の成分は小さくなる．

図６の右寄りに磁束のベクトルを抜き出して描いた．磁束の被計測磁界方向成分は，時刻 j や l では時刻 i , k ,
m の時より ΔΦx だけ小さくなる．この被計測磁界方向成分の磁束の大きさを時刻 i から時刻 m まで連続的に描くと，同磁束ベクトル図の下方に描いた正弦波状になる．この正弦波状の波形を励磁磁束の波形と比較すると，周波数が2倍になっている．この被計測磁界方向の磁束の変化は，検出コイル３と鎖交する磁束成分であり，電磁誘導により検出コイル３に起電力を生じる．

この被計測磁界方向の磁束の変化については，Hx = 0 のとき，すなわち被計測電流 Ix = 0 のときには絶対値も0であり当然変化もない．被計測電流 Ix が少しずつ大きくなれば被計測磁界 Hx も同様に大きくなり，被計測磁界方向の磁束の変化も徐々に大きくなる．つまり被計測電流 Ix の大きさに比例した起電力が検出コイル３に生じることになり，その出力で被計測電流
Ix の大きさを知ることができる．

さらに，被計測電流 Ix が反対向きだった場合は，前記の被計測磁界方向の磁束の変化は，変化の向きが反対になり，検出コイル３に誘起する起電力も正と負が反転する，したがって，この極性によって被計測電流 Ix の向きを計測することができる．すなわち検出コイル３に誘起される起電力の大きさから被計測電流 Ix の大きさがわかり，同じく Ie に対する位相から被計測電流 Ix の向きがわかる．検出コイル３に誘起される起電力の大きさと位相を同時に検出する手段の一つとして， Ie の位相を参照信号とする同期検波があるが，これは公知の技術である．

本発明に使用する磁性流体について説明する．まず，固体の磁性材には保持力の強い硬磁性材と保持力の弱い軟磁性材があり，硬磁性材は永久磁石や磁気記憶用に用いられ，軟磁性材はトランスやモータのヨークなどに用いられる．いずれも磁気ヒステリシスがある．これらの磁性材のＢ−Ｈ特性は磁性材により個性があり，単純な関数で表現することはできない．これに対して，磁性流体は超常磁性材とよばれ，磁気ヒステリシスが無く，そのＢ−Ｈ特性は図７に示したようになり，ランジュバン関数で明確に表すことができる．したがって磁性流体を使うと数学的演算を利用できて，マイクロコンピュータやデジタル・シグナル・プロセッサでデジタル信号処理をするのに向いている．

よく利用されている磁性流体は，強磁性ナノ粒子（例えば大きさが 10［ nm ］程度のマグネタイト）を分散液（たとえば油や水など）に分散されている．磁性材のナノ粒子は界面活性剤を用いて凝集しないようにもしてあるが，磁性材が小さいためにブラウン運動で常に撹拌され，重力や通常の強さの磁界では沈殿や分離をしない．本発明に用いる磁性流体はこのような特性を持っているのもであれば，磁性材の種類や分散液の種類は問わない．また，塩化鉄(III)酸1-ブチル-3-メチル-イミダゾリウムのような磁性イオン液体でもよい．このように本発明では実施時に液体様の磁性材であるものをまとめて代表的に磁性流体と呼んでいる．

図１は本発明の実施例である．この実施例の図に基づき試作をして特性を採った．図８はその特性グラフである．ただし，磁気コア１の断面は円形ではなく四角形にした．図８の特性グラフは縦軸が出力電圧 Vout で 横軸が被計測電流 Ix である．この特性は被計測電流 Ix の電流値を 0［ A ］から 100［ A ］まで上げて 0［ A ］に戻し，次に反対向きに 100［
A ］まで上げて再び 0［ A ］まで戻したときのセンサの出力を X-Y レコーダで記録したものである．被計測電流 Ix の変化速度は前記の一巡に約１０秒かけた．

この特性を得た実施例の仕様は次の通りである．磁気コア１の断面は直径方向が 8［ mm ］，Ｘ方向が 15［ mm ］の四角形で，このほぼ中央に励磁コイル２がある．この磁気コア１の内径は 19［ mm ］で，外径は 35［ mm ］である．この磁気コア１を保形するコア外殻４は壁の厚さを約1.5［ mm ］である．コイルの巻数は励磁コイル２が約 50 回，検出コイル３が約 700 回である．

検出コイル３から出力される電圧は，励磁電流 Ie の周波数である励磁周波数 fe の２倍で励磁周波数 fe に同期している．そこで，励磁周波数 fe に同期したその２倍の周波数の信号を参照信号としてロックインアンプで同期検波を行った．これによって，被計測電流 Ix の方向と大きさを計測することができ，図８に示した特性を得ることができた．なお励磁電流 Ie を，直流成分と交流成分とを含む脈流にして，励磁電流 Ie の方向が反転しないようにすると，検出コイル３に誘導される起電力は励磁周波数 fe の２倍にはならず，励磁周波数 fe と同じになる．このようにすると励磁周波数 fe で同期検波ができるメリットがあるが，直流電流を流す電力が必要になるデメリットもある．

図９に，コア部に磁気ギャップ５を設けた実施例の一部切開図を示した．この図は磁気ギャプ５を説明するものであり，コイルについては図示していない．また，図９のコア外殻４は矩形を基調とした形状にしているが，磁気ギャップ５とこの形状とは無関係である．

磁気ギャップ５は，磁気コア１に発生する被計測磁界 Hx による磁束の磁路を非磁性体によって遮るように設け，被計測磁界 Hx 方向の磁気抵抗を高めるようにしている．被計測磁界 Hx 方向の磁気抵抗が高まれば，磁気コア１に発生する被計測磁界 Hx による磁束は，磁気ギャップ５がない場合に比べて小さくなる．本発明に限らず，多くのセンサは計測できる値に上限がある．図８に示した本発明の実施例１の特性では，被計測電流 Ix が 50［ A ］を超える辺りから感度が徐々に下がっているのがわかる．この傾向から 100［ A ］以上ではさらに感度が低下することが容易に推測でき，直線性の改善対策を施しても限界がある．そこで，前記の磁気ギャップ５を設けて磁気コア内に発生する磁束を小さくし，励磁コイル２や検出コイル３から見た見かけ上の被計測電流 Ix を小さくする．つまり，磁気ギャップ５を設けると，磁気ギャップ５がない場合に比べてより大きな電流を計測できるようになる．前記の磁気ギャップ５はその厚さや配置する数により，目的の効果を制御できる．

図１０に，２個のセンサユニットを用いてクランプ式にした実施例の一部を切開した説明図を示す．ここで言う「センサユニット」とは，磁性流体で構成した磁気コアと，被計測電流によってその磁気コアに生じる磁束に平行な電流ベクトルを持つように配置した励磁コイルとを有し，この励磁コイルに交流成分を含む電流を流し，さらに前記磁束と鎖交するように検出コイルを巻いた特徴を満たした一つの系である．

このセンサユニットの磁気コア１が被計測電流 Ix を環状に取巻いた場合は実施例１になるが，磁気コア１が環状にならずに端部を持った場合は図１０に示したセンサユニット UＡ やセンサユニット UＢ になる．センサユニットの端部は実施例２で示した磁気ギャップ５が極端に広がったものとトポロジー的に同じである．

図１０の実施例はセンサユニットを２個連接することにより被計測電流 Ix を取巻く環状を形成するようになっている．これは切断が困難な導体６に流れる電流を計測する場合に便利であり，一般的にクランプ式と呼ばれているものである．導体６が例えば太いパイプラインで，そこに流れる防食電流を計測しようとする装置の場合にはセンサユニットの数を増やし，一個のセンサユニットを携行しやすい大きさにすることもできる．

図１０は２個のセンサユニットで構成しているが，このセンサユニットのどちらか一方を磁路ユニットにしても良い．「磁路ユニット」とは，少なくとも１個のセンサユニットと連接して，そのセンサユニットに被計測磁界 Hx による磁束を誘導するもので，磁性材によって成り，基本的にはセンサユニットと協調して環状の磁路を形成するように連接する．必要に応じて磁路を環状にせずに磁気ギャップ５にすることや，導体６を出し入れする開口部にしても良い．

図１０に示した実施例は半円形のセンサユニット２個から成り，これらを連接することにより円形の環状磁路を成している．図１０では前記２個のセンサユニットを接触させずに少し離して描いているが，これは図を解りやすくするためであり，実際に使用する際は接触するまで近づけて使用するのが基本である．この２個のセンサユニットの連接部分は磁気コア終端板７からなりこれはコア外殻４の一部分である．この連接部分はコア外殻４の中でも被計測磁界による磁束が貫通する特殊な部分であり，この磁気コア終端板７の材質は検出性能に大きな影響をおよぼす．

磁気コア終端板７の材質を非磁性材にした場合は磁気ギャップ５の機能を呈し，より大きな電流を計測する際には好ましい．一方，感度を高く保ちたい場合は磁性材にすることができる．例えばフェライト材やパーマロイ材などがある．この磁気コア終端板７を磁性材にするとその磁性材の残留磁束が少なからずオフセットを発生する．よって磁気コア終端板７はできるだけ薄くする方が好ましい．また，ここを通過する磁束は励磁周波数 fe に起因する変動磁束である．したがって磁気コア終端板７の面内にうず電流が発生してエネルギーを消費し結果的には感度の低下を招く．したがって電気抵抗の大きなフェライトなどは有望である．しかし，より薄くするために機械的強度に視点をおくとパーマロイや珪素鋼板などのほうが良い場合も有る．これらの選択は実施目的により選択されるべきものである．

本発明の電流検出原理では，絶対にオフセットが生じないこと，巨大電流に曝されてもヒステリシスが生じないこと，製造・輸送・保管等の非稼働時に強磁界に曝されても磁化が残留しないこと，など，高い信頼性を得るために必要な課題を原理的に解決しており，従来の電流センサがなし得なかったこの特性は，今日押し進められている直流電力利用に大きな貢献をすることが期待される．

人類が直面している大きな課題に，二酸化炭素や地球温暖化の問題，エネルギー不足の問題などがある．これらの解決策として，再生可能エネルギーの活用・エネルギー変換の集約による効率の向上と廃棄物質の散乱廃棄の抑制，等々，様々な知恵が絞られている．具体的には，太陽光発電や風力発電の利用，自動車の電動化，燃料電池の利用，直流送電や直流配電の推進，などがあげられる．ところがこれらは何れも直流電力を利用している．風力発電のように交流で発電する場合でも蓄電や同期を取るために一度直流に変換していることが多い．

このような直流電力を安全で効率よく利用するためには，より高精度な制御が必要である．高精度な制御をするには制御対象の状態を高精度で把握する必要があり，それがすなわち高精度なセンサを必要とするゆえんである．従来より一部の産業では直流電力が使われていたが，装置に頼る安全性やエネルギー効率はさほど重んじられなかった．なぜならば，従来から直流電力をよく使う産業としては，電車・メッキ工場・電気精錬・有線電話，等があったが，使用にあたっては専門の技術者が管理し常に監視しながら使っているからである．しかし，昨今の直流電力利用では状況が変わり，不特定多数の素人が利用するにも拘らず，リチュウムイオン二次電池のように高い精度で制御しなければ危険な製品が使われるなど，装置による安全性の確保が極めて重要で，従来に無く高精度な制御が必要とされている．このように状況にあるにも拘らず，直流電流をメンテナンスフリーで高精度に測られるセンサはなかった．

現在，二次電池の充電量を監視するための充放電電流を高い信頼性で測られるセンサはない．ここで求められる電流センサの特徴はオフセットがないことである．充電量は充放電電流を積算して電荷を求めることにより算出している．この際，オフセットは常に積算され時間とともに大きな誤差に拡大する．このオフセットが常に一定の値であれば補正は容易であるが，実際には残留磁化に起因するものであるために予測できない変化をする．一方，センサのゲイン誤差は充電と放電で相殺されるために，再現性さえあれば全く問題にはならない．それは，例えば100［ A ］を計測した際に，センサの出力を１［ V ］にするのか，2.5［ V ］にするのか，4［ V ］にするのか，それは任意であり物理的に意味のないことだからである．しかし，オフセットの有無はそうではない．

さらに，従来家庭で使用しているのは交流電力であるが，その使用にあたっては必ず漏電ブレーカを付けなければならないことになっている．しかし，直流電力ではまだそのような制約はない．昨今急速に増え続けている太陽光発電設備を始め，電気自動車の充電装置や燃料電池など，直流漏電の可能性は勿論あり，危険であることは言うまでもないのに，直流漏電を非接触で安価に検出できるセンサがないために，直流漏電ブレーカ設置の義務はなく，野放し状態のままで直流電力設備が一般家庭に普及し始めている．これは極めて危険な状態であり，一刻も早い対応が必要である．漏電検出では，数［ mA ］を確実に検出する必要があるが，漏電検出をしたい直流電路では，突入電流などアンバランスな電流が時折数十［ A ］も流れ残留磁化が発生するために，従来の電流センサでは残留磁化によるオフセットに埋れて，数［ mA ］は計測できない．その点，本発明は根本的にオフセットが無く計測が可能である．

このような社会の現状を鑑みると，本発明は直流大電流の安定した計測が可能で，産業上の利用可能性は明確であるばかりか，早急の供給が必要である．

１ 磁気コア
２ 励磁コイル
３ 検出コイル
４ コア外殻
５ 磁気ギャップ
６ 導体
７ 磁気コア終端板
Ix 被計測電流
Ie 励磁電流
H 磁界
Hc 合成磁界
Hx 被計測磁界
He 励磁磁界
B 磁束密度
Φc 合成磁束
ΔΦx 磁束の差分
μ 透磁率
ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ 時刻
Vout 検出コイルの出力電圧
UA，UB センサユニット
Ｘ，Ｙ，Ｚ 座標軸

Claims (4)

1. 磁性流体から成る磁気コアと，被計測電流によってその磁気コアに生じる磁束に平行な電流ベクトルを持つように配置した励磁コイルとを有し，この励磁コイルに交流成分を含む電流を流し，さらに前記磁束と鎖交するように検出コイルを巻いたことを特徴とする直交励磁型電流センサ．
2. 環状の励磁コイルと，この励磁コイルを覆う空洞を持つ保形容器であるコア外殻と，このコア外殻の空洞をトロイダル巻きした検出コイルとを有し，前記コア外殻内に磁性流体を充填したことを特徴とする請求項１の直交励磁型電流センサ．
3. コア外殻内に充填された磁性流体から成る環状の磁気コアの磁路の一部が，非磁性材から成る磁気ギャップを持つことを特徴とする請求項２の直交励磁型電流センサ．
4. 前記磁気コアと，前記励磁コイルと，前記検出コイルと，を備えたセンサユニットを，少なくとも１個有し，さらにこれと同様のセンサユニットかまたは磁性材による磁路ユニットのどちらか一方か，あるいは両方を前記センサユニットに連接して被計測電流を環状に取巻くことができるように構成した請求項１から請求項３の直交励磁型電流センサ．

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