JP5121679B2 - フラックスゲート型磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、微小磁界の検出が可能なフラックスゲート型磁気センサに関する。

一般に、フラックスゲート型磁気センサは、磁気センサであるホール素子や磁気抵抗素子に比べ磁界検出感度が高く、地磁気等の微小磁界の検出に適しており、また、ホール素子や磁気抵抗素子に比べて温度依存性も優れている。このため、市販されているホール素子や磁気抵抗素子を利用した電流センサは、Ａ（アンペア）オーダの電流検出用に幅広く利用されているのに対し、フラックスゲート型電流センサは、ｍＡ（ミリアンペア）オーダの電流検出に幅広く利用されているのが現状である。

従来のフラックスゲート型電流センサは、フラックスゲート型磁気センサを応用したものであり、例えば、特許文献１の第２図に示されているように、高透磁率材からなる磁性体リングコアに励磁巻線及び検出巻線を巻回した構造であり、被測定電流が流れる導体をリングコア内に貫通させている。

この動作原理に関して、励磁巻線に交流励磁電流を通電し、磁性体リングコアを周期的に磁気飽和させる。被測定電流値が零である場合、励磁電流により発生する磁界変化は、磁性体リングコアを構成する材料のＢ−Ｈ曲線の原点に関して対称となる。このとき検出巻線には、ファラデーの電磁誘導則に従って、検出巻線を巻回した磁性体リングコア内の磁束量の変化に伴って出力電圧が発生するため、磁性体リングコアが十分飽和した磁界領域においては、出力電圧が零となる。すなわち、Ｂ−Ｈ曲線が原点に関して対称曲線であり、ある一定周期で磁性体リングコアを励磁した場合、出力電圧が零である時間及び周期は一定間隔となり、その周期はＢ−Ｈ曲線の原点対称性から励磁周波数の２倍となる。

一方、被測定電流値が零でない場合、励磁電流による発生する励磁磁界に加え、被測定電流が発生する磁界が重畳されるため、その磁界変化は、磁性体リングコアのＢ−Ｈ曲線の原点に関して非対称になる。そのため、ある一定周期の励磁磁界で磁性体リングコアを励磁したとしても、出力電圧が零である時間は一定間隔とならず、磁界の変化が正側もしくは負側に変化した際に異なってしまう。そこで、出力電圧が零である時間間隔の差分から、被測定電流値を求めることができる。こうしてフラックスゲート型電流センサは、被測定電流線と非接触で被測定電流値を計測することができる。

さらに、近年では、フラックスゲート型電流センサの検出精度を向上させるために、検出巻線を鎖交する磁界変化に対し、励磁磁界の影響を除去もしくは相殺させるような構造、例えば特許文献２の図２に示されているように、励磁磁界と被測定電流が発生する磁界の向きを直交させた構造、あるいは特許文献３の図２に示されているように、２つの磁性体リングコアにそれぞれ逆向きの励磁磁界を印加し、検出巻線を一体巻回し差動化させた構造が提案されている。

実開昭５９−９２５３２号公報 特開平６−１９４３８９号公報 特開２００１−２２８１８１号公報 特開２００４−２５７９０４号公報 特開２００４−１８４０９８号公報 特開平６−７４９７８号公報

フラックスゲート型電流センサは、原理上、磁性体コアを磁気飽和させるために、励磁巻線に十分な励磁電流を通電させる必要があることから、消費電力の低減が課題となる。

本発明の目的は、磁性体コアの形状の工夫により消費電力を低減できるフラックスゲート型磁気センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るフラックスゲート型磁気センサは、磁性体からなる環状のコアであって、断面積Ｓ１を有する第１部分および、断面積Ｓ１より小さい断面積Ｓ２を有する第２部分を含むコアと、
コアの第１部分に巻回された励磁巻線と、コアの第２部分に巻回された検出巻線とを備え、
前記コアは、複数の磁性部材を積層して構成され、
前記コアは、周方向に閉じたリング形状の第１磁性部材と、周方向に一部が開いたＣ字状の第２磁性部材とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、励磁電流により発生した磁界がコアの周方向に通過する際、断面積Ｓ２を有する第２部分での磁束密度は、断面積Ｓ１を有する第１部分より高くなるため、第２部分は第１部分よりも容易に磁気飽和に達する。その結果、コアの磁気飽和に必要な励磁電流を低減できるため、消費電力の低減化が図られる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るフラックスゲート型磁気センサを動作させるための電気的構成を示すブロック図である。測定装置１０１は、本発明に係る磁気センサを含む電流検出部１０２と、励磁回路１０と、増幅器２０と、フィルタ３０などを備える。

電流検出部１０２は、磁性体コア３と、コア３を励磁するための励磁巻線１と、コア３内の磁束変化を検出するための検出巻線２とを含む。コア３は、環状に形成されており、電流センサとして用いる場合、測定対象である導体がコア３の内側を貫通するように配置され、導体に流れる電流によって生成される磁界を計測できる。

励磁回路１０は、周波数ｆの交流電源を搭載しており、その出力は励磁巻線１に供給される。増幅器２０は、検出巻線２からの検出信号を増幅する。フィルタ３０は、増幅器２０からの信号のうち周波数２ｆの成分を抽出する。フィルタ３０の後段には、Ａ／Ｄ変換器、波形アナライザ、測定値表示器などが接続されている。

次に、動作を説明する。励磁回路１０は、周波数ｆの励磁電流を励磁巻線１に通電する。測定対象である導体の被測定電流値が零である場合、励磁電流により発生する磁界変化は、コア３を構成する材料のＢ−Ｈ曲線の原点に関して対称となる。このとき検出巻線２には、ファラデーの電磁誘導則に従って、検出巻線２を巻回した磁性体コア３内の磁束量の変化に伴って出力電圧が発生するため、コア３が十分飽和した磁界領域においては出力電圧が零となる。すなわち、Ｂ−Ｈ曲線が原点に関して対称曲線であり、ある一定周期でコア３を励磁した場合、出力電圧が零である時間及び周期は一定間隔となり、その周期はＢ−Ｈ曲線の原点対称性から励磁周波数の２倍となる。この出力電圧を増幅器２０で増幅し、フィルタ３０によって周波数２ｆ成分を抽出する。

一方、測定対象である導体の被測定電流値が零でない場合、励磁電流による発生する励磁磁界に加え、被測定電流が発生する磁界が重畳されるため、その磁界変化は、コア３のＢ−Ｈ曲線の原点に関して非対称になる。そのため、ある一定周期の励磁磁界で磁性体コア３を励磁したとしても、出力電圧が零である時間は一定間隔とならず、磁界の変化が正側もしくは負側に変化した際に異なってしまう。そこで、波形アナライザを用いて、出力電圧が零である時間間隔の差分から、被測定電流値を求めることができる。こうして測定対象の導体と非接触の状態で、導体の被測定電流値を計測することができる。

図２は、電流検出部１０２の構成の一例を示す斜視図である。磁気センサは、断面積Ｓ１を有する第１部分３ａおよび、断面積Ｓ１より小さい断面積Ｓ２（Ｓ２＜Ｓ１）を有する第２部分３ｂを含むコア３と、コア３の第１部分３ａに巻回された励磁巻線１と、コア３の第２部分３ｂに巻回された検出巻線２などを備える。電流センサとして用いる場合、測定対象である導体Ｗがコア３の内側を貫通するように配置される。

コア３は、複数の磁性部材４，５を積層して構成することが好ましい。磁性部材４は、周方向に閉じたリング形状に形成される。磁性部材５は、周方向に一部が開いたギャップを有するＣ字状に形成される。図２に示すように、磁性部材４の上面および下面に、２つの磁性部材５をギャップ位置が互いに一致するように積み重ねたサンドイッチ構造を形成することにより、全体として単一の磁性体コアが得られる。ここで、磁性部材４，５の両方が積層した部分は、断面積Ｓ１を有する第１部分３ａに相当する。一方、磁性部材４だけの部分は、磁性部材５のギャップが存在し、断面積Ｓ２を有する第２部分３ｂに相当する。

こうした構成において、励磁巻線１に励磁電流を通電して、コア３に励磁磁界を印加した場合、磁性部材５のギャップから空気中への漏れ磁束が若干生ずるものの、発生した磁束の大部分が断面積の小さい第２部分３ｂに集中するようになる。このとき、断面積Ｓ２を有する第２部分３ｂでの磁束密度は、断面積Ｓ１を有する第１部分３ａより高くなるため、第２部分３ｂは第１部分３ａよりも容易に磁気飽和に達する。その結果、コア３の磁気飽和に必要な励磁電流を低減できるため、消費電力の低減化が図られる。

また、コア３を複数の磁性部材４，５を積層して構成することにより、高周波磁界が通過する際に渦電流の低減化が図られ、しかも、発熱によるエネルギー損失の低減、励磁電流の更なる高周波化も可能となり、幅広い周波数領域に対応した被測定電流の計測が可能となる。

図３（ａ）と図３（ｂ）は、磁性部材５のギャップ形状の各種例を示す平面図である。図３（ａ）は、リング中心から半径方向に延びる２本の線で磁性部材５を切断したようなギャップ形状を示す。図３（ｂ）は、リング中心から等距離の２本の平行線で磁性部材５を切断したようなギャップ形状を示す。何れのギャップ形状であっても、検出巻線２が位置する部分の磁束密度を増加させることができる。また、磁性部材４，５のサンドイッチ構造の順番、磁性部材の積層枚数、励磁巻線１の位置、検出巻線２の位置ついても種々の構成が可能である。個々の磁性部材４，５は、単一の磁性体で形成してもよく、あるいは、さらに積層した磁性体で形成してもよい。

実施の形態２．
図４は、コア３の他の構成例を示す斜視図である。コア３は、リング形状の磁性部材４と、Ｃ字状の磁性部材５とを１つずつ積層して構成される。磁性部材４，５の両方が積層した部分は、断面積Ｓ１を有する第１部分３ａに相当し、励磁巻線１が巻回される。一方、磁性部材４だけの部分は、磁性部材５のギャップが存在し、断面積Ｓ２（Ｓ２＜Ｓ１）を有する第２部分３ｂに相当し、検出巻線２が巻回される。

こうした構成により、検出巻線２が位置する部分の磁束密度を増加させることができる。その結果、コア３の磁気飽和に必要な励磁電流を低減できるため、消費電力の低減化が図られる。

実施の形態３．
本実施形態では、図２または図４に示すコア３を構成する磁性部材４，５として、互いに異なる磁気特性を有する磁性材料を使用する。具体的には、リング形状の磁性部材４は、Ｃ字状の磁性部材５より低い保磁力で、高い透磁率の磁気特性を有する磁性材料で形成している。

検出巻線２が巻回される磁性部材４として、低保磁力材料を用いることによって、交流磁気特性によるヒステリシス損失を低減でき、さらに、高透磁率材料を用いることによって、検出巻線２を巻回している部分の磁気飽和をより促進できる。その結果、被測定電流の検出精度の向上を図ることができる。また、コア３の一部のみに高磁気特性材料を用いることから、コストの低減も図ることができる。

実施の形態４．
図５は、コア３のさらに他の構成例を示す平面図である。コア３は、単一のリング状磁性部材４で形成され、例えば、ワイヤカット等を用いて、磁性部材４の一部が細くなるように切削加工を施している。これにより未加工部分は、断面積Ｓ１を有する第１部分３ａに相当し、励磁巻線１が巻回される。一方、切削加工した部分は、断面積Ｓ２（Ｓ２＜Ｓ１）を有する第２部分３ｂに相当し、検出巻線２が巻回される。なお、図５では、磁性部材４の半径方向の厚みを減らすように加工した例を示したが、磁性部材４の母線方向（紙面垂直方向）の厚みを減らすように加工してもよく、あるいは、両方向の厚みを減らすように加工してもよい。

こうした構成により、検出巻線２が位置する部分の磁束密度を増加させることができる。その結果、コア３の磁気飽和に必要な励磁電流を低減できるため、消費電力の低減化が図られる。

また、磁性部材４は、単一の磁性体で形成してもよく、あるいは、さらに積層した磁性体で形成してもよい。積層磁性体の採用により、高周波磁界が通過する際に渦電流の低減化が図られ、エネルギー損失の低減、励磁電流の高周波化が図られる。

本発明に係るフラックスゲート型磁気センサを動作させるための電気的構成を示すブロック図である。 電流検出部１０２の構成の一例を示す斜視図である。 磁性部材５のギャップ形状の各種例を示す平面図である。 コア３の他の構成例を示す斜視図である。 コア３のさらに他の構成例を示す平面図である。

符号の説明

１ 励磁巻線、 ２ 検出巻線、 ３ コア、 ４，５ 磁性部材、
１０ 励磁回路、 ２０ 増幅器、 ３０ フィルタ、
１０１ 測定装置、 １０２ 電流検出部、 Ｗ 導体。

Claims (3)

1. 磁性体からなる環状のコアであって、断面積Ｓ１を有する第１部分および、断面積Ｓ１より小さい断面積Ｓ２を有する第２部分を含むコアと、
   コアの第１部分に巻回された励磁巻線と、
   コアの第２部分に巻回された検出巻線とを備え、
   前記コアは、複数の磁性部材を積層して構成され、
   前記コアは、周方向に閉じたリング形状の第１磁性部材と、周方向に一部が開いたＣ字状の第２磁性部材とを含むことを特徴とするフラックスゲート型磁気センサ。
2. 第１磁性部材は、第２磁性部材より低い保磁力で、高い透磁率の磁気特性を有する磁性材料で形成されることを特徴とする請求項１記載のフラックスゲート型磁気センサ。
3. 前記コアを貫通する導体に流れる電流値が測定可能であることを特徴とする請求項１または２記載のフラックスゲート型磁気センサ。

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