(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号が供給される励振用１次コイルと、受信用２次コイル、および信号線コイルが可飽和磁性体リングコアに巻回され、信号線コイルに電流が流れたときに可飽和磁性体リングコアが飽和状態となって、励振用１次コイルから受信用２次コイルへの信号伝達が減衰することを利用して、信号線コイルに流れる電流の有無を検出する電流センサにおいて、
上記励振用１次コイル、受信用２次コイルおよび可飽和磁性体リングコアがそれぞれ薄膜によって形成され、これら１次および２次コイルは、それぞれ、リングコアの内側／外側を交互に通って当該リングコアに対してつる巻き状に巻回されているとともに、導線からなる信号線コイルが、その可飽和磁性体リングコアの周囲を、局部的に集中した状態で外巻きされていることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は信号線に電流が流れているか否かを検出するための電流センサに関し、例えば工作機械や産業用ロボット等の可動部の可動状態をモニタするためのフェールセーフ用センサ等として用いるのに適した電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば産業用ロボット等においては、ティーチング作業や保守点検作業時等におけるロボットの誤動作による危険を防止するために、一般に、ロボットの可動部の駆動用モータに流れる電流をモニタし、電流が流れることによって直ちにロボットの駆動電源を遮断するフェールセーフ機構あるいはインターロック機構が設けられている。
【０００３】
このような電流モニタ用のセンサとして、従来、モニタすべき電流が流れる信号線と、高周波信号が供給される励振用１次コイル、および受信用２次コイルとを共通の可飽和磁性体リングコアに巻回し、信号線に電流が流れることによって可飽和磁性体リングコアが飽和状態となって励振用１次コイルから受信用２次コイルへの信号伝達が減衰することを利用して、信号線の電流の有無を検出するようにした電流センサが提案されている（特開平６−２０１７３３号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した提案においては、可飽和磁性体リングコアはバルク状のものであり、そのリングコアに対して、それぞれが導線からなる１次，２次コイルおよび信号線コイルが、それぞれつる巻き状に、つまりリングコアの内側と外側を交互に通るように巻回される。
【０００５】
ここで、信号線コイルをリングコアにつる巻き状に巻回した場合、信号線からの発生磁界Ｈは、信号線コイルのターン数をＮ、その信号線コイルへに流れる電流をＩ、リングコアの全周長をＬとすると、
Ｈ＝Ｎ・Ｉ／Ｌ    ・・（１）
で見積もられる。今、信号線に５０ｍＡの電流が流れたときにこれを検知し得るような電流センサを作る場合、信号線に５０ｍＡの電流が流れることによって可飽和磁性体リングコアを飽和させる必要がある。この場合、可飽和磁性体リングコアが、例えば１Ｏｅで飽和するとし、その全周長を２４ｍｍとしたとき、可飽和磁性体リングコアに対して信号線を４０ターンさせる必要がある。すなわち、実素子の製造に当たっては微小なリング内に４０回にわたって信号線を挿入する必要があり、多大な労力を要し現実的でない。
【０００６】
本発明の目的は、可飽和磁性体リングコアに対して励振用１次コイルと受信用２次コイルを巻回して、信号線に対する通電を検出する方式の電流センサにおいて、信号線に例えば５０ｍＡ程度の微小な電流が流れたときにこれを確実に検知することができ、しかもその製造が容易な電流センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電流センサでは、高周波信号が供給される励振用１次コイルと、受信用２次コイル、および信号線コイルが可飽和磁性体リングコアに巻回され、信号線コイルに電流が流れたときに可飽和磁性体リングコアが飽和状態となって、励振用１次コイルから受信用２次コイルへの信号伝達が減衰することを利用して、信号線コイルの電流の有無を検出する電流センサにおいて、以下の構成を採用することによって、上記した目的を達成している。
【０００８】
すなわち、実施の形態を表す図１に示すように、本発明の電流センサでは、励振用１次コイル５、受信用２次コイル６および可飽和磁性体リングコア３をそれぞれ薄膜によって形成し、これら１次および２次コイル５および６は、それぞれリングコア３の内側／外側を交互に通って当該リングコア３に対してつる巻き状に巻回されたものとする一方、信号線コイルについては、これを導線として、その信号線７を、可飽和磁性体リングコア３の周囲を局部的に集中した状態で外巻きにした構造とする。
【０００９】
本発明は、信号線７を可飽和磁性体リングコア３の内側を通さず、リングコア３を外巻きにした構成とすることによって、巻回の作業を軽減すると同時に、信号線に流れる電流によってリングコア３全体を飽和状態とするのではなく、リングコア３を局部的に飽和させることで、励振用１次コイル５から受信用２次コイル６への信号伝達を減衰させ、これによって信号線７のリングコア３に対する外巻き回数をも減少させようとするものである。
【００１０】
このような本発明の構成によって、信号線７に微小な電流が流れたときにこれを検知し得ることを、以下に証明する。
まず、リングコアの一部のみを飽和させることで、励振用１次コイルから受信用２次コイルへの信号伝達の抑制し得るかについて、図４に示すようなモデルを用いて考察する。図４のようにリングコア中に長さＬg のギャップがある場合、１次コイルに電流ｉs が流れたときの磁束φg は下記の（２）式で表される。
【００１１】
【数１】
0003655700.tif 000002
【００１２】
で表される。ただし、（２）式においてＡはコア断面積、Ｎは１次コイルのターン数、Ｌｃはコア部の周長（コア全周長Ｌ0 −ギャップ長さＬg ）、μr はコア材料の透磁率、μ0 は真空透磁率である。
【００１３】
一方、ギャップがない場合は、１次コイルへの印加電流ｉs による磁束φ0 は
【００１４】
【数２】
0003655700.tif 000003
【００１５】
となる。
コアを部分的に飽和させることによって、図４のギャップに相当する飽和領域を作ったとき、その飽和領域の形成によって１次コイルから２次コイルへの信号伝達を１／１０にすることができれば、電流センサとして十分に機能させることができる。
【００１６】
すなわち、
【００１７】
【数３】
0003655700.tif 000004
【００１８】
となればよいわけであるが、そのためには、
Ｌg ＞（９／μr ）×Ｌ0   ・・（５）
にわたって飽和領域を形成すればよいことになる。例えばリングコアの直径（最外径）を９．６ｍｍとし、μr を２０００とすると、コア中に長さ０．１４ｍｍの飽和領域を形成すればよことになる。
【００１９】
次に、このような飽和領域を、コアの周囲に局部的に集中して信号線を外巻きすることによって形成し得るかについて検討する。
図５（Ａ）に模式的外観図を、（Ｂ）にそのＢ−Ｂ断面図を示すように、薄膜からなるリングコアに対して信号線を外巻きしたモデルを考える。この場合、信号線とコアの関係は同図（Ｃ）に模式的に示され、各信号線の半径をＲ、コア薄膜と最下層の信号線との間の絶縁層の厚さをｔ、コア薄膜の厚さをＴとして、コア薄膜の中心から各信号線までの距離をｒとすると、信号線に電流ｉが流れることによって１ターン当たりの信号線が発生する磁界のコア薄膜に平行な成分Ｈx は、
【００２０】
【数４】
0003655700.tif 000005
【００２１】
で表される。ただし、Ｈx の単位はＯｅである。コア薄膜が１Ｏｅで飽和するとすれば、（６）式で示される１ターン当たりの磁界を信号線のターン数だけ合成した磁界ΣＨx が１Ｏｅ以上となればよいことになる。
【００２２】
図６に、信号線を６ターン単層巻きとし、図５のモデルにおける信号線の半径Ｒを０．０５ｍｍ、コア薄膜の厚さＴを２０μ、信号線に流れる電流ｉを５０ｍＡとしたとき、絶縁層の厚さｔのみを変更した場合の電流ｉによる発生磁界ΣＨx の計算結果を示す。
【００２３】
この図６より、絶縁層の厚さｔを５００μｍ以下としたとき、発生磁界ΣＨx は１Ｏｅを越える。
次に、上記した条件のもとに、絶縁層の厚さｔを５００μｍとしたとき、図５に示したようにコア薄膜の中央を原点としたｘ方向各点での磁界を計算すると、図７に示す通りとなる。
【００２４】
この図７から明らかなように、コア薄膜に対して、厚さ５００μｍの絶縁層を介して半径０．０５ｍｍの信号線を６ターン単層で外巻きすることにより、この信号線に５０ｍＡの電流が流れたとき、コア材料の透磁率μr を２０００、コア直径を９．６ｍｍとして前記した（５）式を計算して得られる０．１４ｍｍ（±７０μｍ）の長さの飽和領域を十分に形成することができる。
【００２５】
そして、他の条件を上記と同等にして、信号線を絶縁層に密着して６ターン、その上に４ターンの２層巻き合計１０ターンとするとともに、絶縁層の厚さｔを９００μｍとした場合には、ｘ方向各点での磁界は図８に示す通りとなり、リングコア中に±２００μｍ（０．４ｍｍの長さ）にわたって飽和領域を形成することが可能となり、１次コイルから２次コイルへの信号伝達を十分に減衰させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の構成図で、全体構成を示す模式的平面図（Ａ）と、そのそのＢ矢視図（Ｂ）並びにＣ−Ｃ拡大断面図（Ｃ）である。なお、図１（Ａ）は、可飽和磁性体リングコア  よりも上方に存在する石英基板１ｂおよび絶縁層４を透視した状態で示している。
【００２７】
この例においては、図１（Ｃ）に示すように、石英基板１ａの上に絶縁層２を介して薄膜からなる可飽和磁性体リングコア３が形成されており、その可飽和磁性体リングコア３の上に絶縁層４を介して更に石英基板１ｂを配置しているとともに、各絶縁層２，４内に、それぞれが薄膜からなる励振用１次コイル５と受信用２次コイル６を形成している。励振用１次コイル５および受信用２次コイル６は、図１（Ａ）に模式的に示されるように、可飽和磁性体リングコア３の内側および外側において絶縁層２，４を貫通して、それぞれがつる巻き状にリングコア３に巻回されているものであり、その製法の詳細は後述する。
【００２８】
被覆導線からなる信号線７は、可飽和磁性体リングコア３を挟み込んだ上下の石英基板１ａ，１ｂの外側に局部的に集中して巻きつけられ、これによって可飽和磁性体リングコア３を外巻きしている。この信号線７の直径は５０μｍであり、石英基板１ａ，１ｂに６ターン、その直上に４ターンの合計１０ターンの２層巻きとしている。
【００２９】
石英基板１ａおよび１ｂの厚さはそれぞれ５００μｍであり、絶縁層２および４の厚さはそれぞれ４００μｍ以下であり、従って可飽和磁性体リングコア３と信号線７間に介在する絶縁層全体の厚さは９００μｍ以下となっている。
【００３０】
可飽和磁性体リングコア３の材質は、高透磁率材料であれば任意であるが、例えばパーマロイやＣo 系材料とすることができ、これらを使用することによって１Ｏｅ程度の磁界が作用することにより飽和する。また、この例において可飽和磁性体リングコア３の最外周の直径は９．６ｍｍ、最内周の直径は７．６ｍｍであり（中心直径８．６ｍｍ）、その膜厚は２０μｍである。
【００３１】
また、励振用１次コイル５および受信用２次コイル６の材質については、例えばＣu 等を用いることができる。
以上の実施の形態においては、励振用１次コイル５には外部回路から高周波信号が励振信号として供給され、これによってリングコア３中に磁束が発生し、受信用２次コイル６に高周波信号が伝達される。受信用２次コイル６の両端は、例えば検波器ないしは整流回路に接続され、その検波器ないしは整流回路の出力かに基づいて信号線７に電流が流れているか否かが判別される。
【００３２】
信号線７に電流が流れていない状態では、高透磁率材料からなる可飽和磁性体リングコア３を介して励振用１次コイル５に供給されている高周波信号が高い伝達率のもとに受信用２次コイル６に伝達される。
【００３３】
信号線７に５０ｍＡの電流が流れると、前記した図８に示した通り、その電流が発生する磁界により、可飽和磁性体リングコア３には、信号線７の直下部分においてｘ方向に４００μｍ（±２００μｍ）の長さにわたって１Ｏｅ以上の磁界が作用する。この可飽和磁性体リングコア３の材質を先に例示したように１Ｏｅ以上の磁界で飽和する材料としておけば、このリングコア３には長さ４００μｍにわたる飽和領域が形成される。リングコア３中にこのような部分的な飽和領域が形成された状態では、その部分の透磁率が非常に小さくなり、励振用１次コイル５に供給される高周波信号により発生する磁束φg は、飽和領域が形成されない状態での磁束をφ0 としたとき、前記した（１）〜（３）式に準じて、
【００３４】
【数５】
0003655700.tif 000006
【００３５】
に減衰する。ここで、Ｌ0 はリングコア３の全周長であり、Ｌg は飽和領域の周方向長さ、Ｌc ＝Ｌ0 −Ｌg 、μｒは可飽和磁性体リングコア３の透磁率であって、Ｌ0 ＝π×８．６ｍｍ、μｒを２０００としたとき、前記したように４００μｍの飽和領域が形成されると、φg ／φ0 は約０．０３２となる。
【００３６】
従って、信号線７に５０ｍＡの電流が流れると、受信用用２次コイル６に伝達される高周波信号は、信号線７に電流が流れていない状態に比して３／１００に減衰し、これによって信号線７への通電を検知することが可能となる。
【００３７】
以上の実施の形態において特に注目すべき点は、信号線は可飽和磁性体リングコアに対して外巻きされるが故にリングコア内を通す必要がなくなる点と、リングコアはこの信号線によって部分的に飽和させるために、その巻き数も従来に比して大幅に少なくすることができ点であり、これらによって実際の素子の製造に要する工数を大幅に低減することができる。
【００３８】
また、信号線がリングコア全体を外巻きすることによって、１本の信号線から発生する磁界のリングコアに対して作用する強度は、従来の構成に比して約２倍となりまた、飽和領域はリングコアの２箇所において形成されるため、実際には前記した計算よりも大きな信号減衰量を見込むことができる。
【００３９】
更に、以上の実施の形態のように、可飽和磁性体リングコアおよび励振用１次コイル並びに受信用２次コイルからなる薄膜部を、２枚の石英基板によって挟み込んだ状態で、外側に信号線を巻き付けた構成を採用することにより、信号線と薄膜部との絶縁耐圧を大きくとれるという利点がある。
【００４０】
次に、以上の本発明の実施の形態の製造方法の例について述べる。
図２はその製造手順の説明図である。
まず、石英基板１ａの表面にＣu をスパッタによって成膜した後パターニングすることにより、励振用１次コイル５および受信用２次コイル６の下層側のパターンＰu を形成し、パターン間をポリイミド等の絶縁材料Ｉ1 によって平坦化する（Ａ）。このパターンＰu は、各コイル５または６について図３（Ａ）に例示されるようなパターンとする。次に、（Ｂ）に示すように、更にその上にポリイミド等によって絶縁層Ｉ2 を形成した後、パーマロイ等の高透磁率材料を成膜して可飽和磁性体リングコア３をパターニングする。
【００４１】
次に、その上方から全体的に絶縁層Ｉ3 を形成した後（Ｃ）、絶縁層Ｉ2 ，Ｉ3 をイオンミリング等でエッチングし、（Ｄ）のようにパターンＰu の各一端部に連通するコンタクトホールｈを形成する。その後、その上から一様にＣu をスパッタによってル成膜し（Ｅ）、励振用１次コイル５および受信用２次コイル６の上層側のパターンＰa を形成する（Ｆ）。これにより、図３（Ｂ）に模式的斜視図で示すようなＣu 薄膜からなる励振用１次コイル５ないしは受信用２次コイル６が得られる。
【００４２】
その後、パターンＰa の上からポリイミド等の絶縁層Ｉ4 を形成し、必要に応じて平坦化した後、（Ｇ）に示すようにその上から石英基板１ｂを被着して、最後に信号線７を外巻きすることにより、図１に示した構造の本発明の実施の形態を得ることができる。
【００４３】
なお、本発明は、可飽和磁性体リングコア３の寸法や材質、絶縁層２，４の厚さ、あるいは信号線７の線径やターン数等については、前記した実施の形態に限られないことは勿論であり、要は、ある一定以上の電流が信号線７に流れたときに、その電流によってリングコア３が部分的に飽和して、励振用１次コイル５から受信用２次コイル６に伝達される高周波信号が、確実に判別可能なまでに減衰するような組み合わせとすればよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、薄膜製の可飽和磁性体リングコアに対して同じく薄膜製の励振用１次コイルおよび受信用２次コイルを巻回するとともに、導線からなる信号線をリングコアに対して局部的に集中して外巻きすることによって、信号線に電流が流れたときに可飽和磁性体リングコアを部分的に飽和させて受信用２次コイルへの信号伝達を減衰させるから、信号線のリングコアに対する巻き数を従来に比して大幅に減少させることができると同時に、信号線は外巻きであるが故にリングコア内を通す必要がなくなり、実素子の製作時における工数を大幅に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明図で、（Ａ）は可飽和磁性体リングコア３よりも上方に存在する石英基板１ｂおよび絶縁層４を透視した状態で示す模式的平面図、、（Ｂ）はそのＢ矢視図、（Ｃ）はそのＣ−Ｃ拡大断面図
【図２】本発明の実施の形態の製造方法の一例の手順説明図
【図３】図２の手順により得られる励振用１次コイル５または受信用２次コイル６の説明図
【図４】リングコア中に部分的な飽和領域が形成されたときに、励振用１次コイルに流れる電流により発生する磁束の変化を計算するためのモデル説明図
【図５】リングコアに対して信号線を外巻きすることによって得られる飽和領域の計算のためのモデル説明図
【図６】図５のモデルにおける絶縁層の厚さと信号線を流れる電流によるリングコア内への発生磁界との関係の計算結果の例を示すグラフ
【図７】図５のモデルにおいて絶縁層の厚さを５００μｍ、信号線のターン数を単層６ターンとしたとき、信号線を流れる電流による発生磁界のリングコア膜厚方向への分布の計算結果の例を示すグラフ
【図８】図５のモデルにおいて絶縁層の厚さを９００μｍとし、かつ、信号線の巻き数を２層１０ターンとしたとき、信号線を流れる電流による発生磁界のリングコア膜厚方向への分布の計算結果の例を示すグラフ
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  石英基板
２，４  絶縁層
３  可飽和磁性体リングコア
５  励振用１次コイル
６  受信用２次コイル
７  信号線
【図１】
0003655700.tif 000007
【図２】
0003655700.tif 000008
【図３】
0003655700.tif 000009
【図４】
0003655700.tif 000010
【図５】
0003655700.tif 000011
【図６】
0003655700.tif 000012
【図７】
0003655700.tif 000013
【図８】
0003655700.tif 000014