JPH01235213A - 磁気センサー及び電流センサー並びにこれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、磁界の強さや方位を測定する等の用途に用い
られている磁気センサー、漏電警報器や電流値を測定す
る等の用途にに用いられる電流センサー並びにこれらの
センサーを用いた各種装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、磁界や電流を検出する磁性体を用いたセンサー材
としては、高透磁率特性を示す、パーマロイ合金や、Ｃ
Ｏ基アモルファス合金が用いられていた。又、低周波の
磁界や電流を検出する場合、珪素鋼等を使用する場合も
あった。

これらの材料を用いたセンサーは通常環状磁心やほぼ直
線状のワイヤー、リボン状の合金を用いた磁心に励磁及
び又は検出用の導線を巻いた構造を有しており、外部磁
界又は導線に流れる電流により生ずる磁界により前記磁
性体の磁化状態が変化することを利用し、検出巻線に生
ずる電気信号を処理し、磁界及び／又は電流を検出する
。

このような電流センサー、磁気センサーの例は例えば、
「アモルファス合金その物性と応用」（アグネ社）ｐ、
１７２〜ｐ、１８０、特開昭６０−１７３４７５号公報
、特開昭６０−１７３４７６号公報、特開昭５９−１１
６０６８号公報、特開昭６２−１２４７０３号公報等に
記載されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記材料を用いた磁気センサー、電流セ
ンサーは種々の問題点がある。

珪素鋼を用いた磁気センサー、電流センサーは、磁心材
の透磁率が低いため感度が十分でない問題や、周波数が
高くなると感度が落ちる問題がある。

パーマロイを用いた磁気センサー、電流センサーは珪素
鋼等に比べ感度は良好であるが衝撃や撮動変形により特
性が劣化する問題がある。

ＣｏＭアモルファス合金を用いた磁気センサー、電流セ
ンサーは感度が高いが、経時変化が大きい問題があり、
高い温度で長時間使用すると特性劣化があり問題がある
。

Ｆｅ基アモルファスを用いた磁気センサー、電流センサ
ーはＣＯ基アモルファス合金を用いたセンサーより感度
が低く、合金の磁歪が大きいため、磁心が変形した場合
に特性劣化する欠点がある。

又、経時変化もＣｏ基アモルファスはど大きくないが問
題がある。

［問題点を解決する手段］ 上記問題点を解決するために、鋭意検討の結果本発明者
等は、 一般式： ％式％ （但し、ＭはＣＯ及び／又はＮｉであり、Ｍ′はＮｂ、
Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、　Ｈｒ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から
選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ“・はＶ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、ＡＩ、白金属元素、ＳＣ，Ｙ、。

Ａす、　Ｚｎ　、３ｎ　、Ｒｅからなる群から選ばれた
。

少ナクトも１種の元素、ＸはＣ，Ｐ、Ｇｅ　、Ｇａ５゜
Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ａｓからなる群から選ばれた少なく
とも１種の元素であり、ａ、ｘ、ｙ、ｚ。

α、β、及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５．　０．１≦
Ｘ≦３．０≦ｙ≦３０．０≦２≦２５，５≦ｙ＋ｚ≦３
０、　０．１≦α≦３０，０≦β≦１０及び　０≦γ≦
１０を満たす。） により表わされる組成を有し、組織の少なくとも５０％
が微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大寸法で麹室し
た粒径の平均が１０００Å以下であるＦｅ基合金用いた
磁気センサー、電流センサーが感度が畠く、経時変化が
小さく信頼性の高いこと、又、上記センサーを用いた装
置が信頼性が高いことを見い出し本発明に想到した。

本発明に係る合金においてＣｕは必須の元素でであり、
その含有ｆｌｌＸは０．１〜３原子％の範囲である。

Ｍ′はｃｕとの複合添加により析出する結晶粒を微細化
する作用を有するものであり、Ｎｂ　、Ｗ。

Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭＯからなる群から選ばれ
た少なくとも１種の元素である。Ｎｂ等は合金の結晶化
温度を上昇させる作用を有するが結晶化温度を低下させ
結晶核を形成し易くする作用を有するＣｕとの相互作用
により、結晶粒の成長を抑え、結晶粒が微細化するもの
と考えられる。

Ｍ′のｍαは０．１〜３０原子％である。

好ましいαの値は１〜１０原子％である。

Ｓｉ及びＢは合金組成の微細化に有用な元素であり、５
ｉ（Ｄ含有ｍｙ　、Ｂの含Ｗｆｌｚ　ｉ、ｔ、ｙカ３゜
原子％以下、２が２５原子％以下、ｙ＋ｚが５〜３゜原
子％が望ましい。Ｍ　ｎはＶ、Ｃｒ　、Ｍｎ　、ＡＩ　
。

白金属元素、Ｓｃ　、Ｙ、Ａｕ　、Ｚｎ　、Ｓｎ　、Ｒ
ｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり
、耐蝕性を改善したり、磁気特性を調整したり、磁歪を
調整したりする目的のために添加することができるもの
であり、その含有量βは、０≦β≦１０である。

ＸはＣ，Ｐ、Ｑｅ、Ｑａ、ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ。

Ａｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であ
り、非晶質化や磁歪調整、キュリー温度調整に有効な元
素であり、その含有量γは、０≦γ≦１０である。

残部は不純物を除き実質的にＦｅであるがＦｅの１／２
までをＣＯ及び／又はＮｉで置換しても良い。

尚、Ｎ、Ｏ，Ｓ、Ｍ（１、Ｃａ等の不可避的不純物につ
いては含有していても本発明と同等とみなせることはも
ちろんである。

上記組成を有する本発明に係るＦｅ基合金は、又組成の
少なくとも５０％以上が微細な結晶粒からなる。

この結晶粒はｂｃｃ構造のＦｅ固溶体を主体とするもの
で、ＳｉやＢ等が固溶していると考えられ１０００Å以
下と著しく小さな平均粒径を有しており、合金組織中に
均一に分布している。より好ましくは、平均粒径は５０
０Å以下であり、特に好ましくは、２００Å以下である
。

合金組織のうち微細結晶粒以外の部分は主に非晶質であ
るが、微細結晶粒の割合が実質的に１００％になっても
良い。

次に、本発明センサーの製造方法を説明する。

単ロール法、双ロール法、回転液中紡糸法等によりリボ
ン状あるいは線状の前記組成の非晶質合金を作製する。

環状磁心をセンサーとして用いる場合は、トロイダル状
に合金薄帯やワイヤーを巻き回したり、打ち抜き積層す
る等し、熱処理を行い、前記合金からなる環状磁心を作
製する。この磁心は通常コアケースに入れたり、表面を
樹脂コーティングした後、励磁用の巻線及び／又は検出
用の巻線を施しセンサーを形成する。

巻線のやり方は、電流センサー、磁気センサーの使用目
的により異なり、１つの巻線だけの場合や１タ一ン貫通
の場合もある。

環状磁心の構造は、単純な閉磁路磁心だけでなく、カッ
トコアや閉磁路磁心のセンサーに更に磁路を形成した構
造にしたりすることもできる。又、他の軟磁性材料や磁
石材料、半硬質磁性材料等と組合わせたセンサーを構成
することもできる。

リボン状線状のワイヤーで使用する場合は通常適当な良
さに前記合金を加工し、巻線を行いセンサーを構成する
。

本発明電流センサーには、電流値を検出する目的に使用
するもの以外に漏電警報器やカレントトランス加工記の
工具・ワークの接触見地センサー等電流を検出するセン
サーは全て含まれる。

又、本発明磁気センサーには、地磁気を検出する方位セ
ンサー、磁石等と組合わせた回転数を検出するセンサー
や位置、距離検出用センサー、心電図等を測定するのに
用いられるセンサー等磁界を検出するセンサーは全て含
まれる。

本発明磁気センサー及び電流センサーは、前記合金を用
いており、ＣＯ基アモルファスに匹敵する高透磁率材で
あるため、検出感度が良く、又、飽和磁束密度が大きい
ため高磁界あるいは高電流まで精度よく検出できる。又
、磁気特性の経時変化がＣＯ基アモルファスより著しく
小さく、センサーの検出感度の変化が小さいため信頼性
の高いセンサーを得ることができる。

又、パーマロイを用いたセンサー等に比べて変形、振動
等による特性劣化が小さい特徴があり、振動等が大きい
機械装置に取り付けても、感度の低下が小さい。

又、温度特性に関してもキュリー温度がフェライトやア
モルファスに比べ高いため優れており、かなり広い温度
馳囲での使用が可能である。

前記センサーを用いた装置の例としては、工具・ワーク
の接触検知装置、自動中や船舶の方位計、漏電遮断器、
モーター等の回転計、ガウスメーター、エンジン回転計
、方向接地継電器、電力計、位置検出装置、高速電流モ
ニター、陽電子加速器、ＦＥＬ用加速器のビームモニタ
ー、心電図測定装置等種々な装置がある。

［実施例］ 以下、本発明を実施例に従って説明するが本発明はこれ
らに限定されるものではない。

実施例１ 第１図は本発明の電流センサーの構成の一例を示したも
ので、１はＦｅ　７３　、５　Ｃｌ　ＩＳｉ＋３．５Ｂ
ｓＮｂｓ　　（原子％）の組成の前記合金リボンからな
るトロイダルコア、２は被検出電流が流れる１次導体、
３は２次側の検出用導体、４は絶縁物である。

１次側溝体２に交流やパルス電流が流れるトロイダルコ
ア１は磁化され、磁束変化により２次側溝体３のＡ、Ｂ
端子間に電圧パルスが発生する。

第２図は上記トロイダルコアのヒステリシス曲線の形状
を模式的に示したもので保磁力に相当する磁界付近の微
分透磁率が大きく磁束の変化速度が大きいため第３図に
示すようなパルス電圧が発生する。このパルスを後段の
処理回路により処理し１次導体に流れる電流を検出する
。

本発明センサーの場合、用いる磁心材のＨｃがＣＯ基ア
モルファス並に小さく、）ｌｃに相当する磁界付近の磁
束の変化速度が大きいため、弱い電流でもパルスが発生
し、かつそのパルス電圧も大きくなるため高感度のセン
サーとなる。

５０Ｈ７の正弦波電流に対して約１／３の電流でパルス
が発生し、しかも２倍のパルス電圧が得られた。

実施例２ Ｆｅ１２．５ＣｕｌＮｂ５Ｓｊ１３．５Ｂ９（原子％）
の組成の幅１０ｍｍ、板厚１９μｍの非晶質合金薄帯単
ロール法により作製し、外径１８ｍｍ、内径１２Ｉｌｌ
Ｉｎに巻きｉ・ロイダル磁心とした。次にこの磁心を６
００℃、１時間の熱処理後１００ｅの直流磁場を磁路方
向に印加しながら室温まで５℃／　ｍｉｎの冷却速度で
冷却し、第４図に示す電流検出用センサーを構成した。

尚、熱処理後のコア材７はミクロ組織観察の結果組織の
大部分が粒径１００人位のｂｃｃＦｅ固溶体粒からなっ
ていた。

次に、導体５に５０Ｈ７の交流電流を流したときの検出
巻線６に発生するパルス電圧の波高値を測定し、単位断
面積、検出巻線１ターン当りのパルス電圧の値Ｖを測定
した。得られた結果を第５図に承り。

本発明電流センサーはＣＯＭアモルファスを使用したセ
ンサーに匹敵する電流が得られ非常に高感度の電流セン
サーであることがわかる。

実施例３ 第６図に示す構成のＦｅ　７２　、　、ＣＯ＋　、　ｓ
Ｓｉ　＋　ａ　Ｂ７　Ｎｂ　４　”ｒａ　Ｉ　　（原子
％　）　（７）　組成（１）　：１アからなるセンサー
を用いた漏電警報器を作製し漏洩電流による回路の動作
実験を行ったところ１１ＩＩＡというわずかな漏洩電流
でも動作し、優れた特性を示すことが確認された。

実施例４ 単ロール法により幅５ＩＩｌ１１厚さ２５μｍＦｅ７＋
、＠Ｃｕ＋、２Ｎｂ３Ｗ＋Ｓ！＋ｔＢｅ、ｓＧｅ　ｏ、
ｓ　　（原子％）の組成を有する非晶質合金薄帯を作製
し、外径　３００ｍｍ、内径２７９１に巻きトロイダル
磁心を作製した。次にこの磁心を窒素ガス雰囲気中５７
０℃、１時間保持後傾から取り出し空冷する熱処理を行
った。熱処理後の磁心材はミクロ組織観察の結果１００
人程度の粒径の超微細粒組織を有していることが確認さ
れた。

次に、この磁心をエポキシ樹脂で粉体コーティングを行
い更に樹脂性のコアケースに入れ第９図に示すようなコ
アを２ケ作製した。

図中２０はコアケース、２１はコーティング層、２２は
磁心材である。

次にこの２ケの磁心のうち、励磁用に用いられる１ケの
磁心は２０ターン、検出用のもう１つの磁心には１５０
ターンの巻線を施した。

それぞれのコアを第７図１１に示す加工機の位置に重ね
て取り付け、第８図に示すような回路を構成した。１６
は励磁用コアであり巻線１８により周波数１００ｋＨｚ
　、デユーティ−０，１の矩形波で励磁される。

上記測定条件下で工具１３がワーク１４に接触すると第
８図に示すＳＷが閉じられた状態になり、１タ一ン貫通
の回路が形成され高周波電流が加工機本体１５、スピン
ドル１２、工具１３、ワーク１４と流れる。この電流に
より検出用コア１７が励磁され、検出巻線１つに電圧が
生ずる。この電圧により工具とワークの接触が検知され
る。

本発明電流センサーと従来のパーマロイ、Ｃ０基アモル
ファスを巻いたセンサーからなる工具・ワークの接触検
知センサー回路の出力電圧の機械稼動時間に対する変化
を第１０図に示す。

本発明電流センサーを用いた工具・ワークの接触検知セ
ンサーはほとんど出力電圧の変化がないのに対して、従
来のＣｏ基アモルファス、パーマロイ使用のものはＶＡ
導導磁気力方性生じたり、撮動によるコアの変形により
出力電圧が低下しており、本発明センサーの優位性が確
認された。

実施例５ 第１１図は本発明電流センサーの応用例の１つ、方向接
地継電器を構成した例を示している。同図において、２
３は本発明電流センサーを構成しているコアであり、１
次導体２４−１．２４−２．２４−３、及び検出用の２
次導体２Ｇにより電流センサーが構成されている。電流
センサーの２次導体に誘起される電圧は検出回路に加え
られる。

接地変圧器２９は、その２次側に零相電圧を発生する。

この零相電圧出力はコア２８．１次導体２５．２次導体
２７からなるもう１つの本発明の電流センサーの１次導
体２５に抵抗を経て接続され、２次導体２７に誘起され
た電圧は検出回路に加えられる。

負荷又は電路３０において、地絡を生じ電流Ｉｇが電源
３１の接地点又は漂遊容量ＣＯを介して流れる。

この地絡電流１（＋により２次導線２６に誘起電圧パル
スを発生する。この零相電圧は接地変圧器２９により検
出され、１次導体２５に電流が流れ２次導体２７にパル
ス電圧を誘起する。この電圧を検出回路にて増幅し処理
する。

これらの信号を処理することにより電１ｌ１３１からみ
た地絡点の方向を判定し地絡を検出し、警報を出したり
、電源の遮断を行わせることができる。

本発明の電流センサーを用いれば高感度で小型でかつ経
時安定性に優れた信頼性の高い方向接地継電器を得るこ
とができる。

実施例６ 第１２図はＦｅ７ａ、ｓＣｕ＋ＷａＳ！　＋ａＢ・、５
　（原子％）の組成の合金からなるトロイダルコア磁心
３２と、低透磁率の磁心３３とを組合わせてブリッジ磁
路を構成し、電流センサーを構成した。

電流ＩＣに対する出力電圧Ｅの関係を第１３図に示す。

起磁力Ｎｃｌｃと出力電圧Ｅは４００Ａ　Ｔ付近まで直
線関係にあり良好な電流センサーとなる。

実施例７ 単ロール法により幅２■、厚さ２５μｍ　Ｆｅ　ｙ　ａ
ＣＯＩＳ！　＋　ｉＳｓ　Ｎｂ　３Ｖ＋　　（原子％）
の組成を有する非晶質合金リボンを作製した。次にこの
合金リボンを長さ５０ｍｍに切断し、５６０℃、１時間
の熱処理をＡｒガス雰囲気中で行った。熱処理後の合金
は粒度１００人程度の超微細なりｃｃＦｅ固溶体固溶組
粒のほとんどを占めており結晶主体の合金であった。

この合金からなる磁心３４を用い第１４図に示すような
磁気マルチセンサーを作製した。

第１５図に外部磁界と出力電圧ＥＯの関係を示す。

本発明センサーはアモルファスやパーマロイを用いたも
のに比べて感度が良く外部磁界に対する出力電圧の比例
関係も良好であった。

実施例８ 第１６図は平行フラックスゲート型の本発明磁気センサ
ーの構成例、第１７図は直交フラックスゲート型の本発
明磁気センサーの構成例である。

３５．３８は磁心であり、３６．３９は励磁用導線、３
１．４０は検出用導線である。外部磁界が印加されると
検出用導線に出力電圧ＥＯが誘起され磁場を検出するこ
とができる。

このような構造のセンサーにおいてもＣｏ基アモルファ
スを用いたセンサーと同等の感度を有していた。又、１
５０℃に１００時間保持した後もほとんど出力電圧の変
化はなく安定であった。これに対してＣｏｎアモルファ
スを用いた平行フラックスゲート型センサーは出力電圧
が同じ磁界に対して約１０％低下していた。

実施例９ 第１８図は本発明コンバータ型磁気マルチセンサーの構
成例、第１９図はマルチバイブレータ型磁気マルヂセン
ナーの構成例、第２０図は共娠型磁気マルチセンサーの
構成例を示したものである。

どのタイプの回路においても本発明磁気センサーの方が
従来のアモルファスを用いたものより出力の経時変化が
小さく優れていることが確認された。これに対しＣＯ基
アモルファスを用いたセンサーの場合は１５０℃に１０
０時間保持した後の外部磁界に対する出力電圧が５〜１
５％程度変化していた。

実施例１０ 第２１図は本発明磁気マルチセンサーを応用した方位セ
ンサーの構造の１例を示したものである。

本発明方位センサーは前記Ｆｅ基合金からなる閉磁路磁
心と励磁用１次コイル、図に示すように互いに直交する
２次コイルから構成される。

１次コイルは高周波のパルス電圧で励磁し、地磁気によ
る２つの２次コイルに生ずるパルス電圧の変化により角
度θを求め方位を決定する。

このような方位センサーは自動車や船舶等に使用される
が、振動等により特性劣化しないことや、経時変化が小
さいこと、温度特性が良好なことが要求される。

従来の方ＩＧ　センサーはフェライト、パーマロイやＣ
Ｏ基アモルファスが使用されているが、フェライトを使
用した場合は温度特性が悪く、パーマロイを使用したも
のは振動により特性劣化する、ＣＯ基アモルファスを使
用したものは８０℃を越えるような温度では経時変化が
起こる等の問題があったが、本発明方位センサーは温度
特性、経時変化、耐衝撃性ともに良好であった。

［発明の効宋コ 本発明によれば、従来よりも高感度で高信頼性の磁気セ
ンサー及び電流センサー並びにこれを用いた装置を提供
することができるため、その効果は著しいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電流センサーの構成の１例を示した図、
第２図は本発明に用いられるコアのＢ−Ｈ曲線を模式的
に示した図、第３図は１次側の電流波形と出力電圧波形
を示した図、第４図は本発明電流センサーの構造の１例
を示した図、第５図は本発明電流センサーの電流と出力
電圧Ｖの関係を示した図、第６図は本発明電流センサー
を用いた漏電警報器の回路例を示した図、第７図は本発
明による電流センサーを用いた工具・ワークの接触検知
センサーの配置図の１例を示した図、第８図は工具・ワ
ークの接触検知センサーの原理を説明するための回路図
、第９図は工具・ワークの接触検知センサーに用いられ
る磁心の構造の１例を示した図、第１０図は工具・ワー
クの接触検知センサーの出力電圧の機械稼動時間依存性
の１例を示した図、第１１図は本発明の方向接地継電器
の構造の１例を示した図、第１２図は本発明の電流セン
サーの構造の１例を示した図、第１３図は出力電圧と起
磁力の関係を示した図、第１４図は本発明磁気マルチセ
ンサーの回路構成の１例を示した図、第１５図は本発明
磁気センサーと従来の磁気センサーの出力電圧と外部磁
界の関係を示した図、第１６図〜第２０図は本発明磁気
センサーの構成例を示した図、第２１図は本発明磁気セ
ンサーを利用した方位セン第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 ＋　（Ａ） 第６図 第７図　　　　第８図 第９図 第１０図 機械開動時間（ｈｒ） 第１１図 第１２図 負荷 第１３図 ＮＣＩｃ（ＡＴ） 釘　外部磁界 第１５図 外部磁界（Ｏｅ） 第１６図　　　　　第１７図 第１８図 第１９図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一般式： （Ｆｅ＿１＿−＿ａＭ＿ａ）＿１＿０＿０＿−＿ｘ＿−
   ＿ｙ＿−＿ｚ＿−＿α＿−＿β＿−＿γＣｕ＿ｘＳｉ＿
   ｙＢ＿ｚＭ′＿αＭ″＿βＸ＿γ（原子％） （但し、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ′はＮｂ，
   Ｗ，Ｔａ．Ｚｒ．Ｈｆ，Ｔｉ及びＭｏからなる群から選
   ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ″はＶ，Ｃｒ．Ｍｎ，
   Ａｌ，白金属元素，Ｓｃ，Ｙ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｒｅ
   からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ
   ，Ｐ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｂｅ，Ａｓからなる群
   から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ，ｘ，ｙ
   ．ｚ，α，β，及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５，０．
   １≦ｘ≦３，０≦ｙ≦３０，０≦ｚ≦２５，５≦ｙ＋ｚ
   ≦３０，０．１≦α≦３０，０≦β≦１０及び０≦γ≦
   １０を満たす。） により表わされる組成を有し、組織の少なくとも５０％
   が微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大寸法で測定し
   た粒径の平均が１０００Å以下であるＦｅ基合金を用い
   たことを特徴とする磁気センサー。
2. （２）前記Ｆｅ基合金を用いたことを特徴とする電流セ
   ンサー。
3. （３）前記磁気センサー又は電流センサーを用いたこと
   を特徴とする装置。