JP4310373B1 - 磁性流体を用いたセンサ用の磁気ブリッジ、及び、この磁気ブリッジを用いた電流センサ並びに磁界センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁性流体を容器11で保型して形成した2つの離隔した環状磁路mr1,mr2を磁性材による接続磁路cr1,cr2で接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路cr1,cr2に巻回された励磁コイルL1,L2を備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記2つの環状磁路mr1,mr2の磁束の和がゼロになる(磁束の大きさが同じで方向が逆になる)磁気平衡状態を発現させるようにしたこと。
【選択図】図5
Description
因みに,フラックスゲート型は励磁磁束そのものが検出コイルと交錯し、被計測電流が零であってもコイルから出力が現れる。
これを換言すると、従来方法では被計測電流の情報と常時発生している励磁磁束の情報が混在し、且つ被計測電流の情報量よりも励磁磁束の情報のほうがはるかに多く、全情報の中から被計測電流の情報のみを分離し取り出すのは容易ではない。
また、この個体軟磁性材による磁気ブリッジを用いた電流センサでは、数μAを検出できる高感度を発揮する一方、数百mAでは直線性やオフセット誤差が顕著になる。特に問題なのは、磁気ブリッジに使用している軟磁性材の残留磁化に起因する出力のオフセットである。
すなわち、固体軟磁性材の透磁率は初透磁率から最大透磁率まで増大するが、最大透磁率を超えると緩やかに下がる、つまり、最大透磁率を過ぎると特性曲線の傾きが反転して真空の透磁率に近づく。一方、磁性流体の透磁率は初透磁率が最も大きく、磁界の強さが大きくなるに連れて単調に減少し、徐々に真空の透磁率に近づくという、磁化初期には個体軟磁性体とは反対の挙動を示すと共に変異点がない。
ここで、本発明磁気ブリッジは、外部磁界によるブリッジ辺(ブリッジを構成する辺)の透磁率の変化を利用して磁気を検出するものであるが、固体軟磁性材と磁性流体は、上記のように透磁率の変化の傾きが反対であり、かつ変異点がないため、検出動作における磁束の振舞には根本的な違いがある。
また、2つの環状磁路を接続する磁性体、好ましくは磁性流体で形成した接続磁路は、少なくとも1つあれば足りるが、2つ以上の複数であってもよい。なお、接続磁路に配備する励磁コイルは、すべての接続磁路に配備するか、又は、複数の接続磁路の中のいくつかに配備するかは任意である。接続磁路と励磁コイルは多い方が感度をあげることができる。
また、本発明では磁路ケーシングとして、磁性流体が収容されて環状蓋体が施着されると断面が閉じられる2つの環状容器本体と、前記2つの容器本体に収められた磁性流体と磁気的に接続される接続磁路とを具備した形態のものとすることもできる。この場合、接続磁路には、軟磁性材又は容器状のケーシングに収容した磁性流体で接続磁路を形成したものを使用することができる。
ここで、前記磁路ケーシングの内部には、当該ケーシング内面壁に凹部を設けると共に、該凹部を柔軟膜材で塞いだ中空部を形成して、磁路ケーシング内の内圧調整機能を持たせることが望ましい。
本発明では、図2に示した磁性流体の残留磁化のない磁気特性を利用するものである。
磁性流体のこのような特性は、磁気ブリッジ方式と相性が良い。つまり、小さな磁界で大きく変化する透磁率は、磁気ブリッジのバランスを小さな磁界で容易に崩すことになり、高感度化が期待できる。一方、強い磁界まで透磁率の変化が続くことと、透磁率の変化の傾きが単一方向であること、そして残留磁化がないことは、センサのダイナミックレンジを広げるために好適である。
図9〜図11に例示した本発明磁路ケーシングMC は、断面が略H状をなす環状の容器本体11と、この容器本体11の上,下の環状開放面に被着して当該本体11の閉鎖断面内に2つの環状流路を形成する上,下の蓋体12,13とから形成されている。
ここで、図5の本発明磁気ブリッジは、図20の先に提案した電流センサの磁気ブリッジと磁気回路の接続が等価(磁気的特性は異なる)であるから、図20に使用した符号をカッコを付けて図5に示している。従って、図5における各磁気回路において、各磁気回路の磁気抵抗を適宜選択して、上記励磁コイルL1に交番電流を通すと、前記2つの環状磁路mr1,mr2の磁束の和はゼロ、換言すれば、2つの環状磁路mr1,mr2の磁束の大きさは同じであるが方向が逆向きであるため、磁束の和がゼロになる磁気平衡状態を発現できる。
すなわち、磁性流体には残留磁化がないため、電流センサとしての出力オフセットが生じないのがその特長の第1点であり、次に、磁性流体のμ‐H特性の関係は、固体軟磁性材のように変異点(最大透磁率で傾きが反転する点)がないので、特に大電流による強磁界での計測に特定の制限がなく好適である。因みに、固体軟磁性材を用いた電流センサの計測限界は、先にも述べたが最大透磁率(変異点)までである。
なお、すべての磁路cr1〜cr6に、励磁コイルL1〜L6を設ける場合もある(図8参照)。センサとしての感度と安定度を増すためである。また、図8において、コイルL1〜L6に流す励磁電流は、発生磁束が隣りのコイルとは互に逆向きになるように流れるが、励磁電流は交番電流であるために励磁電流が正のときの磁束の方向に対し、電流が逆向きのときは磁束は逆方向になる。図8の磁路および励磁コイルに図示した矢印は、励磁磁束が例えば正の場合の向きを示している。
図12は、図5に例示した電流センサ用の磁気ブリッジを説明するため、図5の電流センサを接続磁路cr2で2つの磁路cr2-1,cr2-2に縦断分割し、環状磁路mr1とmr2を平面状に展開した図5の電流センサの展開平面図である。図13は図12の等価回路図である。なお、図13の等価回路図に破線で示した磁路は、実際には図5の向う側の接続磁路cr2の中に共有され、磁路の長さゼロとして存在する。さらに、図12の両側に分けて図示した検出コイルDLは、展開前の図5では展開位置(接続磁路cr2の位置)で連続して巻回されている。なお、検出コイルDLの巻き始めと巻き終わりは、図5あるいは図12 に図示する位置である必要は無く、任意である。
図12の磁気回路はホイートストンブリッジを構成しており、各磁気回路の磁気抵抗がRm1×Rm4=Rm2×Rm3のとき、磁気平衡状態になる。また、以下の説明ではグラフや説明を簡素化するため、全く磁化されていない状態では、Rm1=Rm2=Rm3=Rm4の磁気ブリッジとして説明する。
図14は平衡状態のときの磁気ブリッジのB‐H特性を示している。図14の曲線B1とB2はそれぞれRm1とRm2の特性である。B1については一般的に見られるグラフであるので説明を省くが、B2について以下に説明する。
B1では正方向にバイアスがかかることになり、励磁磁界の中心が正方向にずれる。これを励磁磁界を基準にすると、B1のB‐Hカーブが左ヘシフトすることになる。次にB2では、励磁磁界に対して負方向にバイアスがかかることになり、B1の場合と同様な考え方で、B2のB‐Hカーブは右方向にシフトする。この関係を表したのが図15である。
この動作は、Rm3とRm4においても全く同じである。
ところで、上記の環状磁路mr1,mr2を備えた電流センサ用の磁気ブリッジを磁界センサとして機能させるには、磁束を捉える環状磁路の一部を空間に対し解放する形態(環状磁路の解放形態の例としては図12も参照)に形成して、空間の磁束を磁気ブリッジの磁路内に効率よく取り込めるようにする必要がある。
しかし、図18,図19に符号Hで示す磁界の方向の成分を持った磁界中に図18 の磁界センサを曝露すると、磁気回路11aと磁気回路11bおよび、当該両磁気回路11aと11bを結ぶ磁気回路21a,21b と22b,22a に磁束が生じる。つまり、被検出磁界による磁束が磁界センサの磁気ブリッジを通る。この結果、磁気ブリッジを通る当該磁束によりこの磁気ブリッジの平衡が崩れ、検出コイルDL と鎖交する励磁磁束の総和が零でなくなる。なお、図18,図19において、図19の等価回路に示す磁路1は漏れ磁束の磁路として空間が形成している。
ここで、励磁コイルL1による磁束は交番磁束であるため、磁気ブリッジを通る検出コイルDL と鎖交する磁束も交番磁束になり検出コイルDLに起電力が生じる。このとき、磁気ブリッジを通る検出コイルDLと鎖交する磁束は、先に述べた本発明電流センサと同様に励磁コイルL1の励磁周波数の2倍の周波数成分を多く含む。
11 容器本体
11c 仕切中底
11d,11e 連通穴
12a〜13b 凹部
mr1,mr2 環状磁路
cr1,cr2 接続磁路
L1,L2 励磁コイル
DL 検出コイル
Claims (15)
- 磁性流体を容器で保型して形成した2つの離隔した環状磁路と該環状磁路を磁性材による接続磁路で接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路に巻回された励磁コイルを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記2つの環状磁路の磁束の和がゼロになる(磁束の大きさが同じで方向が逆になる)磁気平衡状態を発現させるようにしたことを特徴とする磁気ブリッジ。
- 接続磁路の磁性材は、容器で保型した磁性流体である請求項1の磁気ブリッジ。
- 磁気回路は、磁気ギャップを有する請求項1又は2の磁気ブリッジ。
- 磁気ギャップは、接続磁路を縦断する方向に配置した請求項3の磁気ブリッジ。
- 磁気ギャップは接続磁路を横断する方向に配置した請求項3の磁気ブリッジ。
- 2つの離隔した環状磁路は、同心状、又は、積層状、若しくは、非同心状や非積層状などの配置態様で配備し、接続磁路で接続した請求項1〜5のいずれかの磁気ブリッジ。
- 2つの環状磁路を接続する接続磁路は、環状磁路上に少なくとも2つ配備した請求項1〜6のいずれかの磁気ブリッジ。
- 接続磁路に配備する励磁コイルは、すべての接続磁路に配備するか、又は、複数の接続磁路の中から選択したいくつかに配備した請求項1〜7のいずれかの磁気ブリッジ。
- 容器で保型された磁性流体による2つの離隔した環状磁路と、両環状磁路を接続する容器で保型された磁性流体による接続磁路は、磁性流体を保型するための容器である磁路ケーシングにより、それぞれの形態の磁路に保持した請求項2〜7のいずれかの磁気ブリッジ。
- 断面が略H状をなす仕切底を有する環状容器本体と、当該容器本体における両側の開口面に被着される2つの環状蓋体とを備え、前記容器本体の仕切底には少なくとも1つの連通孔を設けたことを特徴とする磁性流体を用いる磁気ブリッジ用の磁路ケーシング。
- 磁性流体が収容されて環状蓋体が施着されると閉じられた断面になる2つの環状容器本体と、前記2つの環状容器本体に収められた磁性流体と磁気的に接続される接続磁路とを具備したことを特徴とする磁性流体を用いる磁気ブリッジ用の磁路ケーシング。
- 接続磁路は、個体軟磁性材又は密閉容器状のケーシングに収容した磁性流体で形成した請求項11 の磁路ケーシング。
- 磁路ケーシングの内面壁には凹部を形成すると共に該凹部を膜で塞いだ請求項10〜12のいずれかの磁路ケーシング。
- 請求項1〜8におけるいずれかの磁気ブリッジと、該磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルとを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択すると共に前記励磁コイルを駆動して前記2つの環状磁路の磁束の和がゼロになる(磁束の大きさが同じで方向が逆になる)磁気平衡状態を発現させているとき、前記環状磁路に、その環状磁路を貫通する被検出導線を配置し、当該導線に流れる被計測電流を計測するようにしたことを特徴とする電流センサ。
- 磁性流体を容器で保型した2つの直線状磁路を並列配置すると共に前記2つの磁路の両端部位と中央部位の対応部位同士をそれぞれ接続磁路で接続した磁気回路と、励磁駆動手段により駆動される前記接続磁路に巻回された励磁コイルとを備え、前記磁気回路における磁気抵抗を適宜選択して前記2つの直線状磁路の磁束の和がゼロになる(磁束の大きさが同じで方向が逆になる)磁気平衡状態を発現させるようにした磁気ブリッジに検出コイルを巻回し、前記2つの直線状磁路を被計測磁界に曝露し、被計測磁界を計測するようにしたことを特徴とする磁界センサ。
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