(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軟磁性材料からなり、巻芯部と、前記巻芯部の軸方向における両端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部とを有する第１のコアと、
前記第１の軟磁性材料とは異なる第２の軟磁性材料からなり、前記軸方向と平行な前記第１及び第２の鍔部の上面を覆う第２のコアと、
前記巻芯部に巻回されたコイルと、
前記コイルの一端が継線される第１の端子電極と、
前記コイルの他端が継線される第２の端子電極と、
前記第２のコアを介して前記第１及び第２の鍔部の前記上面を覆うことにより、前記第２のコアを前記第１のコアに位置決めする支持部材と、を備え、
前記支持部材は、前記第２のコアを収容する凹部が設けられた底面を有し、
前記第２のコアは、前記支持部材の前記凹部と前記第１及び第２の鍔部の前記上面に挟まれて位置決めされることを特徴とする磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項２】
前記支持部材は、前記第１のコアに固定されており、
前記第１のコアと前記第２のコアは、接着剤を介することなく、前記支持部材によって互いに位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項３】
前記支持部材の前記底面は、前記第１及び第２の鍔部の前記上面に接着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の鍔部は、前記上面と略直交する第１の側面をさらに有し、
前記支持部材は、前記第１及び第２の鍔部の前記第１の側面の少なくとも一部をさらに覆うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の鍔部は、前記上面及び前記第１の側面と略直交する第２の側面をさらに有し、
前記支持部材は、前記第１及び第２の鍔部の前記第２の側面の少なくとも一部をさらに覆うことを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項６】
前記第２のコアの前記軸方向と直交する方向における幅は、前記第１及び第２の鍔部の前記上面を覆う部分における幅よりも、前記巻芯部上における幅の方が狭いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項７】
前記第１の端子電極は前記第１の鍔部に設けられ、前記第２の端子電極は前記第２の鍔部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項８】
前記第１のコアが載置される支持基板をさらに備え、
前記第１及び第２の端子電極は、前記支持基板に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項９】
前記軸方向が前記支持基板と直交するよう、前記第１のコアが前記支持基板に立てて載置されていることを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項１０】
前記第１のコアは、前記第２のコアよりも磁気飽和に達する磁場強度が大きく、
前記第２のコアは、前記第１のコアよりも透磁率が大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項１１】
前記第１の軟磁性材料はフェライトであり、前記第２の軟磁性材料はアモルファス磁性金属であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気センサ用インダクタンス素子。
【請求項１２】
計測対象となる電流が流れるバスバーと、
前記バスバーの近傍に配置された請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の磁気センサ用インダクタンス素子と、
前記コイルの両端に現れる電圧をモニタする検出回路と、を備えることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気センサ及びこれを備える電流センサに関し、特に、フラックスゲート型の磁気センサ及びこれを備える電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
外部磁場を検出する磁気センサとして、フラックスゲート型の磁気センサが知られている。特許文献１，２には、フラックスゲート型の磁気センサの例が示されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたフラックスゲート型の磁気センサは、アモルファス磁性金属などからなるフラックスゲートコアにコイルを巻回した構成を有しており、バスバーに流れる電流に応じて発生する磁界を検出することができる。しかしながら、特許文献１に記載されたフラックスゲート型の磁気センサは、開磁路構造のため、十分なインダクタンスを得るためにはコイルの巻き数を増やす必要があり、小形化に適さないという問題がある。
【０００４】
特許文献２には、閉磁路構造を有するフラックスゲート型の磁気センサが開示されている。特許文献２に記載されたフラックスゲート型の磁気センサは、パーマロイからなる低抵抗部とフェライトからなる高抵抗部をリング状に接合することによって、閉磁路構造としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０９３１７８号
【特許文献２】特開２０１１−１１２６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、表面実装型のコイル部品において広く使用されるドラム型コアを用いて、閉磁路構造を有するフラックスゲート型の磁気センサを安価に作製すべく鋭意検討を行った。その結果、ドラム型である第１のコアと板状である第２のコアを互いに異なる軟磁性材料によって作製し、これらを互いに位置決めすることにより、閉磁路構造を有するフラックスゲート型の磁気センサを安価に作製できることを見いだした。しかしながら、ドラム型である第１のコアと板状である第２のコアを直接固定すると、固定が不十分となることがあった。
【０００７】
したがって本発明は、ドラム型である第１のコアに第２のコアを確実に位置決めすることが可能なフラックスゲート型の磁気センサ及びこれを備える電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による磁気センサは、第１の軟磁性材料からなり、巻芯部と、前記巻芯部の軸方向における両端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部とを有する第１のコアと、前記第１の軟磁性材料とは異なる第２の軟磁性材料からなり、前記軸方向と平行な前記第１及び第２の鍔部の上面を覆う第２のコアと、前記巻芯部に巻回されたコイルと、前記コイルの一端が継線される第１の端子電極と、前記コイルの他端が継線される第２の端子電極と、前記第２のコアを介して前記第１及び第２の鍔部の前記上面を覆うことにより、前記第２のコアを前記第１のコアに位置決めする支持部材と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による電流センサは、計測対象となる電流が流れるバスバーと、前記バスバーの近傍に配置された上記の磁気センサと、前記コイルに現れる電圧をモニタする検出回路とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、第２のコアを第１のコアに位置決めする支持部材を備えていることから、ドラム型である第１のコアに第２のコアを確実に位置決めすることができる。これにより、高い信頼性を有する磁気センサ及びこれを備える電流センサを提供することが可能となる。しかも、表面実装型のコイル部品において広く使用されるドラム型コアを使用できることから、低コスト化を図ることも可能となる。
【００１１】
本発明において、前記支持部材は前記第１のコアに固定されており、前記第１のコアと前記第２のコアは、接着剤を介することなく、前記支持部材によって互いに位置決めされていることが好ましい。これによれば、接着剤の収縮などによる応力が第２のコアにかからないことから、設計通りの磁気特性を得ることが可能となる。
【００１２】
本発明において、前記支持部材は、前記第２のコアを収容する凹部が設けられた底面を有し、前記第２のコアは、前記支持部材の前記凹部と前記第１及び第２の鍔部の前記上面に挟まれて位置決めされていても構わない。この場合、前記支持部材の前記底面は、前記第１及び第２の鍔部の前記上面に接着されていても構わない。
【００１３】
本発明において、前記第１及び第２の鍔部は、前記上面と略直交する第１の側面をさらに有し、前記支持部材は、前記第１及び第２の鍔部の前記第１の側面の少なくとも一部をさらに覆っていても構わない。また、前記第１及び第２の鍔部は、前記上面及び前記第１の側面と略直交する第２の側面をさらに有し、前記支持部材は、前記第１及び第２の鍔部の前記第２の側面の少なくとも一部をさらに覆っていても構わない。
【００１４】
本発明において、前記第２のコアの前記軸方向と直交する方向における幅は、前記第１及び第２の鍔部の前記上面を覆う部分における幅よりも、前記巻芯部上における幅の方が狭いことが好ましい。これによれば、幅の狭い中央部において磁気飽和が起こりやすくなるため、感度を高めることが可能となる。
【００１５】
本発明において、前記第１の端子電極は前記第１の鍔部に設けられ、前記第２の端子電極は前記第２の鍔部に設けられていても構わないし、前記第１のコアが載置される支持基板をさらに備え、前記第１及び第２の端子電極は、前記支持基板に設けられていても構わない。後者の場合、前記軸方向が前記支持基板と直交するよう、前記第１のコアを前記支持基板に立てて載置することが可能である。
【００１６】
本発明において、前記第１のコアは、前記第２のコアよりも磁気飽和に達する磁場強度が大きく、前記第２のコアは、前記第１のコアよりも透磁率が大きいことが好ましい。このように、第２のコアよりも磁気飽和に達する磁場強度の大きい第１のコアにコイルを巻回すれば、第２のコアが磁気飽和するような磁場中であっても磁気特性を維持することができる。これにより、高いインダクタンスを有し、且つ、計測範囲の広い磁気センサ及びこれを備える電流センサを提供することが可能となる。
【００１７】
本発明において、前記第１の軟磁性材料はフェライトであり、前記第２の軟磁性材料はアモルファス磁性金属であることが好ましい。これによれば、低コストで感度の高い磁気センサ及びこれを備える電流センサを提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明によれば、ドラム型である第１のコアに第２のコアが確実に位置決めされたフラックスゲート型の磁気センサ及びこれを備える電流センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１０Ａの構成を示す略斜視図である。
【図２】図２は、コイル３１，３２をバイファイラ巻きした例を示す図である。
【図３】支持部材８０を底面側から見た斜視図である。
【図４】図４は、第１のコア２１及び第２のコア２２の磁気特性を示すグラフである。
【図５】図５は、磁気センサ１０Ａの磁気特性を示すグラフである。
【図６】図６は、磁気センサ１０Ａと磁気センサ１０Ｘの磁気特性を比較したグラフであり、（ａ）は磁束密度Ｂが−２００〜２００ｍＴの範囲における特性を示し、（ｂ）は磁束密度Ｂが−１０〜１０ｍＴの範囲における特性を示している。
【図７】図７は、磁気センサ１０Ａの使用例を示す等価回路である。
【図８】図８は、外部磁場４０と検出コイル３２に現れる検出電圧Ｖ２との関係を示す波形図である。
【図９】図９は、励磁コイル３１と検出コイル３２の巻き数比と検出電圧Ｖ２との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、磁気結合係数ｋと検出電圧Ｖ２との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、磁気センサ１０Ａの別の使用例を示す等価回路である。
【図１２】図１２は、磁気センサ１０Ａを用いた電流センサの構成を示す略斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの構成を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの構成を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅの構成を示す斜視図である。
【図１７】図１７は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆの構成を示す斜視図である。
【図１８】図１８は、本発明の第７の実施形態による磁気センサ１０Ｇの構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１０Ａの構成を示す略斜視図である。
【００２２】
本実施形態による磁気センサ１０Ａは、表面実装が可能なフラックスゲート型の磁気センサであり、図１に示すように、ドラム型である第１のコア２１と、板状体である第２のコア２２と、第１のコア２１に巻回されたコイル３０（３１，３２）と、第２のコア２２を第１のコア２１に位置決めする支持部材８０とを備える。
【００２３】
第１のコア２１は、フェライトなどの軟磁性材料からなり、コイル３０が巻回された巻芯部２１ａと、巻芯部２１ａの軸方向における両端にそれぞれ設けられた第１及び第２の鍔部２１ｂ，２１ｃを有する。鍔部２１ｂ，２１ｃは、軸方向から見て巻芯部２１ａよりも径が大きく、これによりコイル３０の巻回作業が容易となるとともに、コイル３０の脱落が防止される。鍔部２１ｂ，２１ｃには、それぞれ１又は２以上の端子電極が設けられており、コイル３０の一端及び他端は、対応する端子電極に継線される。図１に示す例では、コイル３０が２本のコイル３１，３２からなり、これらの一端が鍔部２１ｂに設けられた端子電極Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ継線され、これらの他端が鍔部２１ｃに設けられた端子電極Ｅ３，Ｅ４（図示せず）にそれぞれ継線される。
【００２４】
コイル３０が２本のコイル３１，３２からなる場合、これら２本のコイル３１，３２のターン数は同じであっても構わないし、異なっていても構わない。２本のコイル３１，３２のターン数を同じとする場合、図２に示すように、これらコイル３１，３２をバイファイラ巻きすることが好ましい。これによれば、コイル３１，３２との磁気結合を高めることができる。
【００２５】
第１のコア２１の鍔部２１ｂ，２１ｃは、第２のコア２２と対向する上面２１Ｔを有する。上面２１Ｔは、巻芯部２１ａの軸方向と平行な平面であり、端子電極Ｅ１〜Ｅ４が形成される底面２１Ｂと反対側に位置する。尚、端子電極Ｅ１〜Ｅ４は、表面実装時にハンダのフィレットが形成されるよう、底面２１Ｂのみならず、軸方向と直交する側面２１Ｓ１にも形成されている。
【００２６】
第２のコア２２は、アモルファス磁性金属などの軟磁性材料からなる板状体であり、第１のコア２１の上面２１Ｔの一部を覆っている。本実施形態においては、第２のコア２２の幅が中央部２２ａにおいて狭くなっている。つまり、第２のコア２２の幅は、鍔部２１ｂ，２１ｃの上面２１Ｔを覆う部分において広く、巻芯部２１ａ上に位置する中央部２２ａにおいて狭く絞られている。詳細については後述するが、第２のコア２２をこのような形状とすることにより感度が高められる。
【００２７】
支持部材８０は、第２のコア２２を介して鍔部２１ｂ，２１ｃの上面２１Ｔを覆うことにより、第２のコア２２を第１のコア２１に位置決めする役割を果たす。支持部材８０は、例えば樹脂からなる。
【００２８】
支持部材８０は、反転させて底面側から見た図３に示すように、第２のコア２２を収容する凹部８１が設けられている。凹部８１の深さは、第２のコア２２の厚さと同等か、やや深く設定される。さらに、鍔部２１ｂ，２１ｃと対向する部分における第２のコア２２の幅は、鍔部２１ｂ，２１ｃの上面２１Ｔの幅よりも狭くなっており、幅の差分に相当するエリアにおいては、第２のコア２２が介在することなく、支持部材８０と第１のコア２１の鍔部２１ｂ，２１ｃが直接対向する。そして、この部分に接着剤を塗布することによって両者を接着すれば、接着剤を介在させることなく、第１のコア２１と第２のコア２２を互いに位置決めすることができる。
【００２９】
また、本実施形態においては、第２のコア２２の中央部２２ａが細く絞られた形状を有し、且つ、支持部材８０の凹部８１がこれに沿った形状を有しているため、支持部材８０を第１のコア２１に接着した後、第２のコア２２が脱落することもない。
【００３０】
以上が本実施形態による磁気センサ１０Ａの構成である。かかる構成により、第１のコア２１と第２のコア２２は閉磁路を構成し、第１のコア２１にコイル３０が巻回された構成となる。第２のコア２２にはコイル３０は巻回されていない。このように、第１のコア２１と第２のコア２２は閉磁路を構成していることから、特許文献１のような開磁路構造に比べ、少ない巻き数でも高いインダクタンスを得ることが可能となる。逆に言えば、同じインダクタンスを得るためには、閉磁路構造の方が少ないターン数で足りる。
【００３１】
第１のコア２１は、第２のコア２２よりも磁気飽和に達する磁場強度が大きく、且つ、透磁率の低い軟磁性材料からなる。すなわち、飽和磁束密度に達するまでに印加できる磁場が第２のコア２２よりも大きな磁性材料が選択される。特に限定されるものではないが、第１のコア２１を構成する軟磁性材料として、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、センダスト、パーマロイなどを用いることができ、特に、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを用いることが好ましい。Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトは絶縁抵抗が高いため、コイル３０を直接巻回しても電気的に短絡することがない。一方、絶縁抵抗の低いＭｎ−Ｚｎ系フェライト等を用いる場合には、コイル３０の皮膜が何らかの原因ではがれた場合に短絡する可能性があるため、パリレンコーティングなど、絶縁性を高める処理を第１のコア２１の表面に施すことが好ましい。
【００３２】
第２のコアは、第１のコア２１よりも磁気飽和に達する磁場強度が小さく、且つ、透磁率の大きい軟磁性材料からなる。特に限定されるものではないが、第２のコア２２の材料としては、Ｆｅ系／Ｃｏ系のアモルファス磁性金属を用いることが好ましい。Ｆｅ系／Ｃｏ系のアモルファス磁性金属を用いる場合、ロールツーロール法によって５０μｍ厚以下の薄板とすることが好ましい。ロールツーロール法を用いると、過熱されたアモルファス磁性板の原料は、熱容量の大きなロールに接することで急冷される。このときロールの接する面とロールに接しない面では、温度履歴が異なるため組成に差が生じる。そのため、一方の表面が高光沢面となり、他方の表面が低光沢面になる。そして、本実施形態においては、低光沢面が第１のコア２１と対向するよう、第２のコア２２を配置することが好ましい。このようにすると、第１のコア２１と第２のコア２２の磁気結合が良好となり、インダクタンスの低下を抑えることが可能となる。
【００３３】
Ｆｅ系／Ｃｏ系のアモルファス磁性金属は比較的脆いため、Ｆｅ系／Ｃｏ系のアモルファス磁性金属にコイル３０を巻回することは困難であるが、本実施形態においては比較的機械的強度の高い第１のコア２１にコイル３０を巻回し、第２のコア２２にはコイル３０を巻回していないことから、Ｆｅ系／Ｃｏ系のアモルファス磁性金属の厚さを例えば５０μｍ以下に薄くすることができる。
【００３４】
しかも、支持部材８０を用いていることから、第２のコア２２が脆い材料からなり、且つ、その厚さが薄い場合であっても、第２のコア２２を第１のコア２１に確実に位置決めすることが可能となる。また、第２のコア２２が支持部材８０によって覆われることから、第２のコア２２が支持部材８０によって保護されるという効果も得られる。
【００３５】
図４は、第１のコア２１及び第２のコア２２の磁気特性を示すグラフである。
【００３６】
図４に示すように、横軸を磁場強度Ｈ（Ａ／ｍ）、縦軸を磁束密度Ｂ（Ｔ）とすると、ヒステリシス性を考慮しない理想磁化のみを考えた場合、第１のコア２１の飽和磁束密度Ｂ２１と第２のコア２２の飽和磁束密度Ｂ２２との関係は、
Ｂ２１＜Ｂ２２
である。一方、飽和磁束密度に達する磁場強度は、第２のコア２２よりも第１のコア２１の方が十分に大きい。このため、第１のコア２１及び第２のコア２２からなる閉磁路の磁束密度は、第２のコア２２が磁気飽和しない磁場強度においては急峻な変化を示し、第２のコア２２が磁気飽和する磁場強度においては緩やかな変化を示す。
【００３７】
本実施形態による磁気センサ１０Ａの大きな特徴の一つは、コイル３０を第１のコア２１にのみ巻回している点である。逆に、第２のコア２２にコイル３０を巻回すると、第２のコア２２の磁気飽和によって磁気センサの計測範囲が制限されてしまい、計測可能な磁場強度範囲が狭くなってしまう。このような問題は、特許文献２に記載された磁気センサにおいて生じる問題である。これに対し、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、磁気飽和に達する磁場強度の大きい第１のコア２１にコイル３０を巻回していることから、第２のコア２２が完全に飽和しない弱い磁場中においては、第２のコア２２によって高感度な検出を行うことができるとともに、第２のコア２２が完全に飽和するような強い磁場中であっても、第１のコア２１が完全に飽和しない限り、第１のコア２１の磁気特性を利用して検出を行うことが可能となる。
【００３８】
図５は、本実施形態による磁気センサ１０Ａの磁気特性を示すグラフである。
【００３９】
図５に示すように、横軸を磁束密度Ｂ（ｍＴ）、縦軸をコイル３０の１ターンあたりのインダクタンス（ＡＬ−Ｖａｌｕｅ）とすると、磁束密度に応じた３つの領域を定義することができる。第１の領域（Ｉ）はインダクタンスの変化が急峻な領域であり、第２のコア２２が磁気飽和しない範囲に相当する。第２の領域（ＩＩ）はインダクタンスの変化が緩やかな領域であり、第２のコア２２が磁気飽和し、且つ、第１のコア２１が磁気飽和しない範囲に相当する。第３の領域（ＩＩＩ）はインダクタンスがほとんど変化しない領域であり、第１のコア２１が磁気飽和する範囲に相当する。磁気センサとして機能するのは、第１の領域（Ｉ）と第２の領域（ＩＩ）であり、このうち、第１の領域（Ｉ）においてより高感度な測定を行うことができる。
【００４０】
第１の領域（Ｉ）は、第１のコア２１及び第２のコア２２がいずれも磁気飽和していない領域であるが、フェライトなどからなる第１のコア２１の透磁率に比べ、アモルファス磁性金属などからなる第２のコア２２は透磁率（＝ｄＢ／ｄＨ）が著しく高いため、第１のコア２１よりも第２のコア２２の磁気特性が顕著に現れる。インダクタンスの定義より、インダクタンスは透磁率に比例するため、透磁率が高い条件の方がインダクタンスも大きくなる。上述の通り、アモルファス磁性金属などからなる第２のコア２２は透磁率が高く、磁気飽和しやすいことから、第１の領域（Ｉ）では非常に感度良く磁場（磁束密度）を検出することが可能となる。ところが、アモルファス磁性金属は、磁気飽和しやすいため、直ぐに透磁率が低くなり、変化が少なくなる。
【００４１】
第２の領域（ＩＩ）は、アモルファス磁性金属などからなる第２のコア２２の透磁率が十分に落ちた領域ではあるが、フェライトなどからなる第１のコア２１の透磁率は維持している領域である。この領域では、第１のコア２１の磁気特性が支配的である。フェライトは、低磁場領域中の透磁率についてはアモルファス磁性金属に比べて低いが、そのトレードオフとして、透磁率を維持できる磁場範囲が広い。したがって、第２の領域（ＩＩ）では、フェライトの磁気特性によって、磁界（磁束密度）を検出することが可能となる。
【００４２】
図６は第２のコア２２の形状と磁気特性との関係を説明するためのグラフであり、（ａ）は磁束密度Ｂが−２００〜２００ｍＴの範囲における特性を示し、（ｂ）は磁束密度Ｂが−１０〜１０ｍＴの範囲における特性を示している。また、図６に示す符号１０Ａは、図１に示した磁気センサ１０Ａの特性であり、図６に示す符号１０Ｘは、第２のコア２２の幅を一定とした磁気センサ１０Ｘの特性である。
【００４３】
図６に示すように、磁気センサ１０Ａと磁気センサ１０Ｘを比較すると、コイル３０の１ターンあたりのインダクタンス（ＡＬ−Ｖａｌｕｅ）の変化は、磁気センサ１０Ａの方が傾きｄＬ／ｄＢが急峻であることが分かる。つまり、磁束密度に対するセンサの感度は、この傾きｄＬ／ｄＢの大きさで決まるため、磁気センサ１０Ａのように第２のコア２２の中央部２２ａを絞った形状とすれば、微小磁束密度領域における感度を大幅に高めることができる。これは、細く絞られた中央部２２ａにおいて第２のコア２２の断面積が減少することから、この部分において磁気飽和が起こりやすくなるからである。
【００４４】
しかも、図６（ｂ）に示すように、磁束密度Ｂの変化に対してインダクタンスがあまり変化しない領域（矢印で示す範囲）は、磁気センサ１０Ｘよりも磁気センサ１０Ａの方が狭い。このため、非常に僅かな外部磁場であっても、磁気センサ１０Ａによればこれを検出することが可能となる。
【００４５】
尚、図１に示す磁気センサ１０Ａは、端部から中央部２２ａに向かうにつれて第２のコア２２の幅が徐々に狭くなるテーパー形状を有しているが、形状がこれに限定されるものではなく、第２のコア２２の幅が段階的に或いは一度に狭くなる形状であっても構わない。但し、テーパー形状とした方が傾きｄＬ／ｄＢが大きくなる。また、図１に示す磁気センサ１０Ａは、第２のコア２２の幅が中央部２２ａにおいてのみ狭くなっているが、幅を全体的に狭くしても構わない。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、フェライトなどからなる第１のコア２１と、Ｆｅ系／Ｃｏ系アモルファス磁性金属などからなる第２のコア２２をリング状に接続することで閉磁路を形成し、磁気飽和しにくい第１のコア２１にコイル３０を巻回している。このため、低磁束密度領域においては第２のコア２２の磁気特性によって非常に高感度な検出を行うことができるとともに、中磁束密度領域においても第１のコア２１の磁気特性によってインダクタンス（ＡＬ−Ｖａｌｕｅ）の変化を維持することができる。
【００４７】
しかも、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、第１のコア２１としてフェライトなどからなるドラム型コアを用いていることから、表面実装型コイル部品を転用することによって安価に製造することが可能となる。例えば、コモンモードフィルタ、パルストランス、トランスポンダコイル、ノーマルモード（ディファレンシャルモード）コイル等を転用することができる。いずれの場合も、ドラム型コアの巻芯部にコイル３０を巻回した後、フェライトなどからなる板状コアをドラム型コアに接着する代わりに、アモルファス磁性金属などからなる第２のコア２２を接着すればよく、他のコイル部品の製造ラインをほぼそのまま使用することができる。
【００４８】
そして、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、支持部材８０を用いていることから、第２のコア２２を第１のコア２１に確実に位置決めすることが可能となる。また、第２のコア２２が支持部材８０によって覆われることから、支持部材８０によって第２のコア２２を保護することもできる。
【００４９】
図７は、本実施形態による磁気センサ１０Ａの使用例を示す等価回路である。
【００５０】
図７に示す例では、磁気センサ１０Ａに２本のコイル３１，３２が巻回されており、その一方が励磁コイル３１、他方が検出コイル３２として用いられる。励磁コイル３１のインダクタンス成分と、検出コイル３２のインダクタンス成分は、所定の磁気結合係数ｋにて磁気結合している。厳密には、コイル３１，３２及びコア２１，２２の抵抗成分である銅損、鉄損（ヒステリシス損、渦電流損、残留損）や、寄生容量などのキャパシタンス成分も存在するが、説明を簡便にするため、これらの成分は図７に示す等価回路には示されていない。
【００５１】
励磁コイル３１には信号発生回路４１が接続される。信号発生回路４１は、矩形波、正弦波、三角波などの入力電圧Ｖ１を発生させることができる回路である。一方、検出コイル３２の一端は接地されるとともに、他端は検出回路４２に接続されている。したがって、検出回路４２には、検出コイル３２の両端にかかる検出電圧Ｖ２が入力される。
【００５２】
励磁コイル３１と検出コイル３２の巻数比については特に限定されないが、図７に示す例では、励磁コイル３１よりも検出コイル３２のターン数が多い場合を想定している。励磁コイル３１と検出コイル３２は、所定の磁気結合係数ｋにて互いに磁気結合している。磁気結合係数ｋが大きいほど、励磁コイル３１に入力された電気信号が大きく減衰することなく、検出コイル３２に伝播する。
【００５３】
そして、外部磁場４０が印加されると、図５に示した特性に従って、励磁コイル３１のインダクタンスと検出コイル３２のインダクタンスが低下する。その結果、外部磁場４０の強度に応じて検出コイル３２に出力される電圧波形が変化する。
【００５４】
図８は、外部磁場４０と検出コイル３２に現れる検出電圧Ｖ２との関係を示す波形図である。
【００５５】
図８に示す例では、信号発生回路４１から矩形波である入力電圧Ｖ１が生成され、これが励磁コイル３１に印加されている。
【００５６】
まず、外部磁場４０がない場合、検出コイル３２に現れる検出電圧Ｖ２は、図８の点線で示すように、平坦部分のレベルが時間とともにやや低下する矩形波となる。磁気飽和の傾向が全くなければ、この低下自体も生じないが、信号発生回路４１からの電流により、磁気センサ１０Ａが磁気飽和気味になることで、この低下が生じる。
【００５７】
次に、外部磁場４０が小さい場合、外部磁場４０によって磁気センサ１０Ａの飽和が早まるので、外部磁場４０がない場合に比べてインダクタンス値が低下し、図８の破線に示す波形となる。
【００５８】
さらに、外部磁場４０が大きい場合、外部磁場４０と信号発生回路４１からの電流によって、磁気センサ１０Ａはより強く飽和する。このため、図８の一点鎖線で示すように、立ち上がりの直後に急峻に立下がる波形となる。
【００５９】
このように、検出コイル３２に現れる検出電圧Ｖ２の波形は、外部磁場４０の強度によって変化する。かかる変化は検出回路４２によって検出され、検出電圧Ｖ２の波形を解析することによって外部磁場４０のレベルを測定することができる。
【００６０】
検出回路４２としては、コンパレータ（比較器）を用いることができる。コンパレータは、入力される電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに対して大きいか小さいかを判別する回路あるいは素子である。コンパレータによって基準電圧Ｖｒｅｆと検出電圧Ｖ２を比較すると、外部磁場４０がない場合は、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間と、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超えない期間が半周期ごとに交互に現れる。したがって、コンパレータから出力される信号のデューティは約５０％となる。
【００６１】
一方、外部磁場４０が小さい場合、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間が短くなり、その分、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超えない期間が長くなる。この場合、コンパレータから出力される信号のデューティは５０％よりも低くなる。
【００６２】
さらに、外部磁場４０が大きい場合、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間がさらに短くなり、その分、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超えない期間がさらに長くなる。この場合、コンパレータから出力される信号のデューティは５０％よりもさらに低くなる。
【００６３】
このように、外部磁場４０が大きいほど、検出電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆを超える期間が短くなるため、コンパレータから出力される信号のデューティもこれに応じて低くなる。したがって、コンパレータから出力される信号のデューティを解析すれば、外部磁場４０のレベルを推測することが可能となる。
【００６４】
図９は、励磁コイル３１と検出コイル３２の巻き数比と検出電圧Ｖ２との関係を示すグラフである。
【００６５】
図９に示すように、励磁コイル３１と検出コイル３２の巻き数比（検出コイル３２のターン数／励磁コイル３１のターン数）が大きいほど、検出電圧Ｖ２の立ち上がり電圧が大きく、且つ、変化量も大きいことが分かる。すなわち、巻き数比が大きいほど、検出電圧Ｖ２の変化を検出回路４２にて検出しやすくなる。そのため、励磁コイル３１のターン数よりも、検出コイル３２のターン数を多くすることが好ましい。
【００６６】
図１０は、磁気結合係数ｋと検出電圧Ｖ２との関係を示すグラフである。
【００６７】
図１０には、磁気結合係数ｋが０．５であるケースと、磁気結合係数ｋが０．８５であるケースが示されている。図１０から明らかなように、磁気結合係数ｋが大きいほど、検出コイル３２に現れる検出電圧Ｖ２の変化量ΔＶが大きくなる。したがって、磁気結合係数ｋは大きいことが好ましい。高い磁気結合係数ｋを得るためには、励磁コイル３１と検出コイル３２を図２のようにバイファイラ巻きすることが好ましい。励磁コイル３１と検出コイル３２のターン数が異なる場合には、励磁コイル３１と検出コイル３２が同じターン数の範囲でバイファイラ巻きすればよい。
【００６８】
本実施形態による磁気センサ１０Ａを用いた回路は、図７に示した回路に限定されるものではなく、他の回路構成を採用することも可能である。例えば、検出コイル３２に発生する検出電圧Ｖ２の二次高調波を測定する回路を設けても構わない。二次高調波を測定する回路は、電圧波形の非線形性特性の有無を検出するものであり、非線形性を有さない場合に、励磁コイル３１に入力電圧Ｖ１を印加すると、検出コイル３２には奇数次の高調波成分、すなわち、一次、三次、五次、七次・・・の高調波成分が出現するが、非線形性である場合には、励磁コイル３１に入力電圧Ｖ１を印加すると、検出コイル３２には奇数次の高調波成分だけでなく、二次、四次、六次・・・の偶数次の高調波成分が出現する。ここでいう非線形性とは、主に磁性体の磁気飽和特性による非線形性のことである。すなわち、磁気飽和現象により生じる偶数の高調波成分の二次を検出する。高次の偶数次の高調波成分も出現するが、高次ほど変化が少なくなる傾向があるので、二次の高調波成分のみが一般的に使われる。
【００６９】
より具体的には、信号発生回路４１によって正弦波である入力電圧Ｖ１を印加すると、その正弦波の周波数の偶数倍の周波数が検出コイル３２の検出電圧Ｖ２に出現し、この二次高調波を検出する。検出には、周波数が十分低ければ、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）などを用いてＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行うことで実現できるが、そうでなければ、二次高調波成分だけを帯域通過フィルタで抽出し、平均化（平滑化）することで電圧に変換し、この電圧をＤＡコンバータで読むことでも実現できる。信号発生回路４１から出力される入力電圧Ｖ１は、正弦波であれば二次高調波成分が分かりやすいが、必ずしも正弦波である必要はなく、矩形波や三角波であっても構わない。
【００７０】
さらに、コイル３０が１本のコイルからなる場合、つまり、励磁コイル３１が存在しない場合であっても、外部磁場４０を検出することができる。例えば、図１１に示すように、シュミットトリガインバータ４３の入力端と出力端の間に、磁気センサ１０Ａのコイル３０を接続し、さらに、抵抗４４を介してシュミットトリガインバータ４３の入力端を接地した回路を用いることもできる。図１１に示す回路を用いた場合、コイル３０のインダクタンスの変化によって、シュミットトリガインバータ４３から出力される信号の周波数が変化することから、これを解析することによって外部磁場４０の強度を測定することができる。
【００７１】
図１２は、本実施形態による磁気センサ１０Ａを用いた電流センサの構成を示す略斜視図である。
【００７２】
図１２に示す電流センサは、計測対象となる電流が流れるバスバー４５と磁気シールド４６とを備え、磁気シールド４６内に本実施形態による磁気センサ１０Ａが収容された構成を有している。バスバー４５は略Ｕ字状に折り曲げられており、バスバー４５の折り曲げ部分を囲うように磁気シールド４６が設けられている。磁気シールド４６はフェライトなどの磁性材料からなり、外部磁場を遮断する役割を果たす。
【００７３】
そして、計測対象となる電流をバスバー４５に流すと、電流量に応じた磁界が発生し、これが磁気センサ１０Ａによって検出される。磁気センサ１０Ａの検出コイル３２は、例えば図７に示した検出回路４２に接続されており、これにより検出コイル３２に現れる電圧がモニタされる。かかる構成により、バスバー４５に流れる電流の電流量を磁気センサ１０Ａによって検出することが可能となる。このように、本実施形態による磁気センサ１０Ａは、電流センサの一部として用いることが可能である。
【００７４】
以下、本発明の他の実施形態による磁気センサについて説明する。
【００７５】
図１３は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂの構成を示す斜視図である。
【００７６】
図１３に示す磁気センサ１０Ｂは、支持部材８０の形状が異なる点において、図１に示した第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと相違する。その他の点については、第１の実施形態による磁気センサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。以降の実施形態についても同様である。
【００７７】
本実施形態において使用する支持部材８０は、鍔部２１ｂ，２１ｃの側面２１Ｓ２の一部を覆う側板部８２を備えている。側面２１Ｓ２とは、巻芯部２１ａの軸方向と略平行であり、且つ、上面２１Ｔと略直交する表面である。このように、本実施形態においては、軸方向から見て支持部材８０がコの字型を有している。このため、支持部材８０と第１のコア２１との固定を、鍔部２１ｂ，２１ｃの側面２１Ｓ２にて行うことができる。したがって、例えば、鍔部２１ｂ，２１ｃの側面２１Ｓ２と支持部材８０の側板部８２との間に接着剤を塗布することにより、両者を固定することができる。この場合、鍔部２１ｂ，２１ｃの上面２１Ｔに接着剤を設ける必要が無くなるため、第２のコア２２の幅をより広げることが可能となる。或いは、支持部材８０のバネ性を利用して、一対の側板部８２によって鍔部２１ｂ，２１ｃを挟み込むことによって両者を固定しても構わない。この場合、接着剤を省略することも可能である。
【００７８】
また、本実施形態においては、支持部材８０が鍔部２１ｂ，２１ｃの側面２１Ｓ２にて固定されることから、支持部材８０に凹部８１を設けなくても構わない。図１３には、凹部８１が設けられていない支持部材８０が示されている。
【００７９】
図１４は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ１０Ｃの構成を示す斜視図である。
【００８０】
本実施形態において使用する支持部材８０は、鍔部２１ｂ，２１ｃの側面２１Ｓ１の一部を覆う側板部８３を備えている。側面２１Ｓ１とは、巻芯部２１ａと略直交する表面である。このように、本実施形態においては、軸方向と交差する方向から見て支持部材８０がコの字型を有している。このため、上述した第２の実施形態による磁気センサ１０Ｂと同様の効果を得ることが可能となる。
【００８１】
図１５は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ１０Ｄの構成を示す斜視図である。
【００８２】
本実施形態において使用する支持部材８０は、鍔部２１ｂ，２１ｃの側面２１Ｓ１，２１Ｓ２の一部を覆う側板部８２，８３の両方を備えている。つまり、支持部材８０がキャップ型構造を有している。本実施形態においては、キャップ型構造を有する支持部材８０を用いていることから、支持部材８０の脱落を確実に防止することが可能となる。しかも、第２のコア２２が完全に収容されることから、第２のコア２２をより確実に保護することが可能となる。
【００８３】
図１６は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ１０Ｅの構成を示す斜視図である。
【００８４】
図１６に示す磁気センサ１０Ｅは、第２のコア２２を第１のコア２１に位置決め固定する支持部材６０を備える。本実施形態においては、第１のコア２１の鍔部２１ｂ，２１ｃに切り欠き部６１が設けられており、第１のコア２１と支持部材６０との間に第２のコア２２を挟んだ状態で、切り欠き部６１に支持部材６０の係合部６２を係合させれば、第２のコア２２が固定される。
【００８５】
このような構成により、本実施形態においても第１のコア２１と第２のコア２２の接合性を高めることが可能となる。本実施形態においても、第１のコア２１と第２のコア２２との間に接着層を設ける必要はない。このため、接着剤の収縮などによる応力が第２のコア２２にかからないことから、設計通りの磁気特性を得ることが可能となる。
【００８６】
また、本実施形態では、第２のコア２２の幅が一定であり、第２のコア２２の中央部２２ａが細く絞られた形状を有していない。このように、本発明において、第２のコア２２の中央部２２ａを細く絞ることは必須でなく、一定幅である第２のコア２２を用いても構わない。
【００８７】
図１７は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ１０Ｆの構成を示す斜視図である。
【００８８】
図１７に示す磁気センサ１０Ｆは、第２のコア２２を覆う支持部材７０と、支持部材７０を固定する板バネ７１，７２を備える。本実施形態においては、板バネ７１は第１のコア２１の鍔部２１ｂと支持部材７０を挟み込み、板バネ７２は第１のコア２１の鍔部２１ｃと支持部材７０を挟み込む。これにより、接着層を用いることなく、第２のコア２２が位置決め固定される。
【００８９】
このような構成によっても、第１のコア２１と第２のコア２２の接合性を高めることが可能となり、第１〜第５の実施形態による磁気センサ１０Ａ〜１０Ｅと同様の効果を得ることが可能となる。また、本実施形態においては、板バネ７１，７２自体を端子電極として用いることも可能である。
【００９０】
図１８は、本発明の第７の実施形態による磁気センサ１０Ｇの構成を示す斜視図である。
【００９１】
本実施形態による磁気センサ１０Ｇは、軸方向から見た巻芯部２１ａ及び鍔部２１ｂ，２１ｃの形状が円形であり、第２のコア２２が鍔部２１ｂ，２１ｃの形状に沿って湾曲している点に特徴を有する。この場合、鍔部２１ｂ，２１ｃの軸方向と平行な外周面の任意の位置が上述した上面２１Ｔに相当する。また、本実施形態による磁気センサ１０Ｇは支持基板２３を備えており、軸方向が支持基板２３と直交するよう、第１のコア２１が支持基板２３に立てて載置されている。支持基板２３には端子電極Ｅ１，Ｅ２が設けられており、コイル３０の両端は、対応する端子電極Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ継線される。このように、本発明において端子電極を鍔部２１ｂ，２１ｃに設けることは必須でない。
【００９２】
さらに、本実施形態による磁気センサ１０Ｇは、第１のコア２１、第２のコア２２及びコイル３０のほぼ全体を覆う支持部材９０を備えている。支持部材９０は支持基板２３に固定されており、開口部９１を介してコイル３０が引き出されている。このように、第１のコア２１、第２のコア２２及びコイル３０のほぼ全体を覆うケース状の支持部材９０を用いれば、第２のコア２２を第１のコア２１の外周部分に位置決めすることができるとともに、第１のコア２１、第２のコア２２及びコイル３０が支持部材９０によって保護されるという効果を得ることが可能となる。
【００９３】
かかる構成により、実装基板（図示せず）に対して軸方向が垂直となるよう磁気センサ１０Ｇを搭載することができるので、実装基板に対して垂直方向の外部磁場４０を検出することが可能となる。
【００９４】
このように、本発明において第１のコア２１は軸方向から見て円形であっても構わない。この場合、第２のコア２２を湾曲させる必要があるが、第２のコア２２は厚さが非常に薄いため、容易に湾曲させることが可能である。また、第１のコア２１の形状は、これ以外の形状、例えば軸方向から見て六角形などであっても構わない。
【００９５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００９６】
例えば、単層構造を有する第２のコア２２ではなく、厚み方向に積層構造を有する第２のコア２２を用いても構わない。積層構造を有する第２のコア２２を用いると感度ｄＬ／ｄＢは低下するが、そのトレードオフとして飽和しにくくなるため、センシング可能な外部磁場（磁束密度）の範囲が広くなる。これは、Ｆｅ系／Ｃｏ系アモルファス磁性金属の断面積が、積層したことで等価的に広くなるためである。また、珪素鋼板などの応用でよく知られているように、複数の磁性体を積層すると、磁性体間に微小なギャップが発生し、渦電流が分断される。このため、渦電流損による損失を低下させることが可能となる。
【符号の説明】
【００９７】
１０Ａ〜１０Ｇ    磁気センサ
２１      第１のコア
２１ａ    巻芯部
２１ｂ，２１ｃ    鍔部
２１Ｔ    鍔部の上面
２１Ｂ    鍔部の底面
２１Ｓ１，２１Ｓ２    鍔部の側面
２２      第２のコア
２２ａ    第２のコアの中央部
２３      支持基板
３０      コイル
３１      励磁コイル
３２      検出コイル
４０      外部磁場
４１      信号発生回路
４２      検出回路
４３      シュミットトリガインバータ
４４      抵抗
４５      バスバー
４６      磁気シールド
６０，７０，８０，９０    支持部材
６１      切り欠き部
６２      係合部
７１，７２    板バネ
８１      凹部
８２，８３    側板部
９１      開口部
Ｅ１〜Ｅ４    端子電極
Ｖ１      入力電圧
Ｖ２      検出電圧
Ｖｒｅｆ  基準電圧
【要約】
【課題】ドラム型である第１のコアに第２のコアを確実に位置決めすることが可能なフラックスゲート型の磁気センサを提供する。
【解決手段】巻芯部２１ａの軸方向における両端にそれぞれ設けられた鍔部２１ｂ，２１ｃを有する第１のコア２１と、鍔部２１ｂ，２１ｃの上面２１Ｔを覆う第２のコア２２と、巻芯部２１ａに巻回されたコイル３０と、第２のコア２２を介して鍔部２１ｂ，２１ｃの上面２１Ｔを覆うことにより、第２のコア２２を第１のコア２１に位置決めする支持部材８０とを備える。本発明によれば、ドラム型である第１のコア２１に第２のコア２２を確実に位置決めすることができる。これにより、高い信頼性を有する磁気センサを提供することが可能となる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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