JPWO2016103502A1

JPWO2016103502A1 - 定励磁磁束方式電流センサ

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Publication number: JPWO2016103502A1
Application number: JP2016565840A
Authority: JP
Inventors: 孝忠津
Original assignee: YUGENKAISHA YYOFFICE
Current assignee: YUGENKAISHA YYOFFICE
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP6564395B2; WO2016103502A1

Abstract

磁性流体磁気ブリッジと磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルから構成され、さらに磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルを備えたセンサ部；及び励磁信号を増幅する可変増幅器と、増幅された励磁電流を励磁コイルに流す駆動回路と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルと、前記励磁磁束検出コイルで受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路とを備える負帰還制御機構から構成される定励磁磁束方式電流センサ。

Description

本発明は、定励磁磁束方式電流センサに関する。詳しくは、本発明は、負帰還制御機構を備える定励磁磁束方式電流センサに関する。

電力を効率よく安全に使うためには、電流・電圧の計測と制御が重要であり、正確な情報で細かく制御をすることが高効率化につながる。
より精密に電流を計測・制御する電力センサとして、磁性流体にヒステリシスがないという原理に着目し磁性流体をコアとした磁気ブリッジ式の電流センサ（磁性流体磁気ブリッジ型電流センサ）が開発されている（例えば、「特許文献１」。）。

一般の磁性体を用いた電流センサでは、被測定電流により発生したコア磁束により測定感度の低下が生じることがある。この様な測定感度の低下を抑制するため、磁性体コアに巻かれた二次巻線にフィードバック電流を流す方式（磁気平衡方式）等が適用される。
しかし磁気平衡方式では、被測定電流に相当するフィードバック電流を流す必要があるため、電気自動車や発電施設等において、１００アンペア以上の大電流を測定する場合は、被測定電流と同量の大電流が必要になり実用上問題がある。

特許４３１０３７３号公報

磁性流体磁気ブリッジ型電流センサでは、計測したい環境磁界や電流磁界の影響によって受ける励磁磁束の変化を検出している。よって影響を受けさせる本来の励磁磁束が不安定であると、検出する際に、本来の励磁磁束の不安定なのか、環境磁界や電流磁界の影響なのかが区別できないという課題がある。
この「本来の励磁磁束」は、温度による透磁率の変化により不安定になり、さらに計測しようとする環境磁界や電流磁界の強さによる透磁率の変化によって不安定になり、測定誤差が発生するものと考えられる。

本発明は、測定誤差の原因となる「本来の励磁磁束」の変化（不安定）を抑制し、測定感度を向上した定励磁磁束方式の磁性流体磁気ブリッジ型電流センサを提供することを目的とする。

すなわち本発明は、センサ部と負帰還制御機構とを備える定励磁磁束方式の電流センサであって、前記センサ部は、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と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルを備え、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性流体磁気ブリッジ；及び、
前記磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルから構成され、前記負帰還制御機構は、励磁信号を増幅する可変増幅器と、増幅された励磁電流を励磁コイルに流す駆動回路と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルと、前記励磁磁束検出コイルで受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路を備えることを特徴とする電流センサである。

本発明により、磁性流体磁気ブリッジの励磁磁束の大きさが常に一定となるように制御することができ、入出力特性が改善された磁性流体磁気ブリッジを用いた定励磁磁束方式電流センサを提供することが可能となる。さらに本発明により、大電力を使わず、数ミリアンペアの電流により測定感度を維持することが可能な磁性流体磁気ブリッジを用いた定励磁磁束方式電流センサを提供することが可能となる。

本発明の電流センサの一実施形態について、図を参照しながら説明する。
図１及び図３は、それぞれ本発明の一の実施態様における定励磁磁束方式電流センサのセンサ部１及び３を示す。

図１に示すセンサ部１は、磁性流体磁気ブリッジ１７と磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイル１８から構成され、磁性流体磁気ブリッジ１７の磁気回路に巻回された励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイル１６を備える。

磁性流体磁気ブリッジ１７は、磁性流体１２を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路１３ａ、１３ｂと該環状磁路を磁性材による接続磁路１４ａ、１４ｂ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１４ａに巻回された励磁コイル１５を備えており、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ものである。
励磁磁束検出コイル１６は、前記接続磁路１４ａに巻回されていて、接続磁路の励磁磁束を一か所で検出する。

図３に示すセンサ部３は、磁性流体磁気ブリッジ３７と磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイル３８から構成され、磁性流体磁気ブリッジ３７の磁気回路に巻回された励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂを備える。

磁性流体磁気ブリッジ３７は、磁性流体３２を容器で保型して形成した２つの離隔した環状磁路３３ａ、３３ｂと該環状磁路を磁性材による接続磁路３４ａ、３４ｂ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３４ａに巻回された励磁コイル３５を備えており、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ものである。
励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂは、前記環状磁路３３ａ、３３ｂの２か所に巻回されていて、接続磁路３４ａから左右方向に分かれて環状磁路に流れてくる励磁磁束を検出する。

励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂは、接続磁路３４ａから左右方向にほぼ等距離の位置に巻回すことで、接続磁路を通り左右に二分されたほぼ等量の励磁磁束を検出する。
図１に示す励磁磁束検出コイル１４ａで励磁磁束を検出する場合は、接続磁路を通るすべての励磁磁束を一か所で検出する。これに対して、図３に示す態様では、左右に分かれて環状磁路３３ａと環状磁路３４ａを伝ってくる励磁磁束を、励磁磁束検出コイル３６ａと励磁磁束検出コイル３６ｂの二か所で検出している。励磁磁束検出コイル３６ａと励磁磁束検出コイル３６ｂそれぞれの励磁磁束の量は、接続磁路を通る励磁磁束のほぼ２分の一の量となる。

磁性流体磁気ブリッジは、計測したい環境磁界や電流磁界の影響によって受ける励磁磁束の変化を検出しているので、影響を受けさせる「本来の励磁磁束」が不安定であると、検出する際に、本来の励磁磁束の不安定なのか、環境磁界や電流磁界の影響なのかが区別できない。
「本来の励磁磁束」は、温度による透磁率の変化により不安定になり、さらに計測しようとする環境磁界や電流磁界の強さによる透磁率の変化によって不安定になる。そこで本発明では、磁性流体磁気ブリッジと検出コイルから構成されるセンサ部に、図２に示すような構成の負帰還制御機構２を備えることで、励磁磁束の変化（不安定）を抑制して励磁磁束を一定に保っている（定励磁磁束方式）。

図２は、本発明の一実施形態の定励磁磁束方式電流センサの負帰還制御機構２の構成を示すブロック図である。
負帰還制御機構２０は、励磁信号を増幅する可変増幅器２２と、増幅された励磁電流を磁性流体磁気ブリッジ２１の励磁コイル２４に流す駆動回路２３と、励磁コイル２４の励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイル２５と、励磁磁束検出コイル２５で受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器２６と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路２７を備える。
磁性流体磁気ブリッジ、励磁コイル、ならびに励磁磁束検出コイルは、センサ部を構成する。図１に示すセンサ部１では、それぞれ磁性流体磁気ブリッジ１７、励磁コイル１５、ならびに励磁磁束検出コイル１６に相当し、図３に示すセンサ部３では、それぞれ磁性流体磁気ブリッジ３７、励磁コイル３５、ならびに励磁磁束検出コイル３６ａ、３６ｂに相当する。

負帰還制御機構２０では、励磁信号を増幅して駆動回路２３で励磁コイル２４に励磁電流を流している。そして、励磁磁束検出コイル２５で励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を得て、扱いやすい大きさまで増幅し、その大きさを直流電圧で表現できるように整流している。
この直流電圧で可変増幅器２２の増幅度を制御している。つまり、励磁磁束検出信号が大きくなると可変増幅器２２の増幅度を下げる。また逆に、励磁磁束検出信号が小さくなると可変増幅器２２の増幅度を上げる。

このような負帰還制御を行う回路で適切に調整する（定磁束励磁方式）ことにより、励磁磁束の変化（不安定）を抑制して励磁磁束を一定に保つことができるので、計測したい環境磁界や電流磁界のみによる影響を受けた励磁磁束の変化分を起電力として検出できる。また、この負帰還制御の際の励磁電流の増減は、数パーセント（数ミリアンペア）程度であり、磁気平衡式センサの様な大電流を必要としない。

本発明を構成する磁性流体磁気ブリッジ１７、３７について、図４〜図６を参照して以下詳細に説明する。
図４は、図１ならびに図３の磁性流体磁気ブリッジ１７、３７の正断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ矢視断面図である。図６は、図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。

図４〜図６に例示した磁路ケーシングＭＣは、断面が略Ｈ状をなす環状の容器本体４１と、この容器本体４１の上、下の環状開放面に被着して当該本体４１の閉鎖断面内に２つの環状流路を形成する上、下の蓋体４２、４３とから形成されている。

環状の容器本体４１は、内外周壁４１ａ、４１ｂとこの内外周壁４１ａ、４１ｂの対向面をその高さの中間部で接続する形態の仕切中底４１ｃと、この仕切底４１ｃに１８０度離隔して設けた２つの穴４１ｄ、４１ｅを備えている。一方、上下の蓋体４２、４３は、容器本体４１の上下の環状開放面に被着されて、さらに容器本体４１は仕切中底４１ｃにより仕切られているが２つの連通穴４１ｄ、４１ｅで通じた上、下２つの閉鎖環状空間（環状路）Ｒ１とＲ２を形成する。この蓋体４２、１３において、仕切中底４１ｃに設けた２つの連通穴４１ｄ、４１ｅに対面した蓋体４２、４３の面内には、それぞれ凹部４２ａ、４２ｂ、凹部４３ａ、４３ｂが形成されている。また、各凹部４２ａ〜４３ｂは、その上面（開口面）に、図には示されていないが、柔軟なフィルムなどの薄膜を張った気室に形成されている。以上により、磁路ケーシングＭＣの一例を形成する。各構成の機能、役割については、以下に説明する。

上記の磁路ケーシングＭＣは、一例として仕切板４１ｃの１８０度離れた２つの連通穴４１ｄ、４１ｅで通じた上、下２つの環状路に底になる蓋体４３を施着して磁性流体２を入れ、蓋体４２を天蓋として施着し封止する。本発明では、上、下の蓋体４２、４３を施着してから磁性流体２を注射針により環状路内に注入し、注入孔を封止することもある。このようにして、上、下２つの環状路に入っている磁性流体２によって、２つの離隔した環状磁路１３ａ、１３ｂが形成される。そして、この２つの磁路１３ａ、１３ｂを繋ぐ仕切中底４１ｃの連通穴４１ｄ、４１ｅに在る磁性流体２が２つの接続磁路１４ａ、１４ｂを形成する。

本発明では、前記凹部４２ａ〜４３ｂが、それに蓋をするように弾力のある膜（図示せず）を張って気室に形成されているが、この構成（凹部と膜）は、密閉された磁路ケーシングＭＣ内で磁性流体２の膨張や収縮が生じた場合に対応するためである。すなわち、磁性流体２に膨張や収縮が起きると、当該ケーシングＭＣを破壊する恐れがあるが、この気室があることにより気室内の空気（あるいはガス）と膜の弾性により内圧の極端な変動を吸収することができるからである。凹部４２ａ〜４３ｂとそれに張った膜による気室の作用は、上記のようにケーシング磁路内の内圧調整であるから、凹部４２ａ〜４３ｂを設ける位置は、磁路ケーシングＭＣの内部であれば、どこでもよく、また少なくとも１つあれば良い。

図４〜図６の磁路ケーシングＭＣに封じ込められた磁性流体２が形成する磁気回路は、磁路ケーシングＭＣを省略して磁性流体２だけで示すと、図１に模式的に示すように、上、下２つの環状磁路１３ａ、１３ｂと、これらの磁路１３ａ、１３ｂが２つの接続磁路１４ａと１４ｂとで接続された磁気回路に形成されている。

図７は、磁性流体型磁気ブリッジ型電流センサの典型的な基本的入出力特性（実線）と理想的特性（破線）示すグラフである。
この図は±１００アンペアを計測した時の入出力特性を示しているが、基本的入出特性を示すＳ字カーブの実線は、ＯＡ（実線グラフと点線が交わる中央の点）付近で傾斜が最も大きく感度が高いことを示している。そして、計測する電流（入力）の絶対値が大きくなるにつれて傾斜が緩やかになっている。これは電流（入力）の絶対値が大きくなるにつれて、測定感度が落ちていることを示している。破線（直線）は理想的特性を示している。

図８（ａ）は、本発明の定励磁磁束方式電流センサの入出力特性を示すグラフである。上述の通り、理想的特性は図７に示す破線（直線）であるので、本発明の定励磁磁束方式電流センサにより、センサの入出力特性の直線性が向上し測定感度をほぼ一定に保てることを示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）の値の直線性誤差を示すグラフである。グラフからわかるように、直線性の誤差は０．５％以内に収まっている。

本発明の負帰還制御機構を備える定励磁磁束方式電流センサにより、磁気平衡式の様な大電流を用いずに測定感度を向上した電流センサを提供することができる。そのため、オフセットが無いという磁性流体型磁気ブリッジの特性を活かし、大電流を用いる電気自動車やハイブリッド車の充放電の検出等にも利用可能な、電流センサを提供することができる。

本発明の一実施形態の定励磁磁束方式電流センサのセンサ部の構成を模式的に示した斜視図である。本発明の一実施形態の定励磁磁束方式電流センサの負帰還制御機構２０の構成を示すブロック図である。本発明の他の一実施形態の定励磁磁束方式電流センサのセンサ部の構成を模式的に示した斜視図である。図１の正断面図である。図４のＡ−Ａ矢視断面図である。図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。磁性流体磁気ブリッジ型電流センサの典型的な基本的入出力特性（実線）と理想的特性（破線）示すグラフである。図８（ａ）は、本発明の定励磁磁束方式電流センサの入出力特性を示すグラフである。図８（ｂ）は、図８（ａ）の値の直線性誤差を示すグラフである。

１、３定励磁磁束方式電流センサのセンサ部
２、１２、３２磁性流体
１３ａ、１３ｂ、３３ａ、３３ｂ環状磁路
１４ａ、１４ｂ、３４ａ、３４ｂ接続磁路
１５、３５励磁コイル
１６、３６ａ、３６ｂ励磁磁束検出コイル
１７、２１、３７磁性流体磁気ブリッジ
１８、３８検出コイル
２０負帰還制御機構
２２可変増幅器
２３駆動回路
２４交流増幅器
２５整流回路

Claims

センサ部と負帰還制御機構とを備える定励磁磁束方式電流センサであって、
前記センサ部は、
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と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルを備え、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性流体磁気ブリッジ；及び、前記磁性流体磁気ブリッジの磁気回路に巻回された検出コイルから構成され、
前記負帰還制御機構は、励磁信号を増幅する可変増幅器と、増幅された励磁電流を励磁コイルに流す駆動回路と、前記励磁コイルの励磁磁束の大きさに比例した励磁磁束検出信号（起電力）を受信する励磁磁束検出コイルと、前記励磁磁束検出コイルで受信した励磁磁束検出信号を扱いやすい大きさまで増幅する交流増幅器と、その大きさを直流電流で表現できるように整流する整流回路とを備えることを特徴とする定励磁磁束方式電流センサ。
前記励磁磁束検出コイルが、前記接続磁路に巻回されている請求項１に記載の定励磁磁束方式電流センサ。
前記励磁磁束検出コイルが、前記環状磁路の２か所に巻回されている請求項１に記載の定励磁磁束方式電流センサ。
前記励磁磁束検出コイルが、前記環状磁路の、前記接続磁路から左右方向にほぼ等距離の２か所に巻回されている請求項３に記載の定励磁磁束方式電流センサ。