(57)【要約】【課題】  被測定電流に対応した直流磁界をビラリ効果による磁束の変調により検出する構成を採り、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、出力特性について直線性を向上でき、ヒステリシスを低減できて車載用途等に好適な電流センサを提供すること【解決手段】  環状に形成した圧電体リング１と、環状に形成した第１磁性体リング２および第２磁性体リング３とを備えて、２つの磁性体リング２，３は圧電体リング１の表裏へそれぞれ接合させて一体化し、当該環状部位の内外に線材を巻き回してピックアップコイル４とする。第１，第２の磁性体リング２，３には少なくとも１つにつて当該環状部位を遮断するギャップ５を設ける。圧電体リング１は電極間に所定の交流電圧を加えることで直径方向に振動させる。被測定電流Ｉが流れる電線６は環状部位の内側に位置させ、被測定電流Ｉによって発生する磁界の強さをピックアップコイル４により検出する。【選択図】          図１
2008281364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサであって、
環状に形成した圧電体リングと、環状に形成した第１磁性体リングとを接合して１つの環状体を形成し、
前記第１磁性体リングに当該環状部位を遮断するギャップを設け、
前記環状体の内外に線材を巻き回して前記ピックアップコイルとすることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
環状に形成した第２磁性体リングを前記圧電体リングに接合し、その第２磁性体リングと前記第１磁性体リングとで前記圧電体リングを挟み込むように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記第２磁性体リングに環状部位を遮断するギャップを設けたことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサであって、筒状に形成した圧電体筒体と、筒状に形成した磁性体筒体とを備えて、
前記磁性体筒体には当該筒状部位を遮断するギャップを設け、
当該磁性体筒体と前記圧電体筒体とを同心に重ね合わせて一体に接合し、当該筒状部位の内外に線材を巻き回して前記ピックアップコイルとすることを特徴とする電流センサ。
【請求項５】
前記ギャップ部位には透磁率が相違する調整部材を配置することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサに関するもので、より具体的には、ピックアップコイルを連係した磁性体材料には所定の振動力を加えることで逆磁歪効果（ビラリ効果）を起こさせて変調し、被測定電流に対応した磁界の変化を検出するような構成における出力特性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電流を非接触に検出する電流センサに関して、大電流の測定が行えること、そして比較的高温となるような厳しい環境でも測定が行えることが強く求められる用途がある。例えば車載用途などでは、小型で堅牢であること、および動作温度が広いことなど、一般産業用途を超える仕様となり、具体的には５０アンペア程度の電流が測定でき、車両のエンジン室では少なくとも１３０℃程度で動作できることが必要になる。また近年は、燃料電池車やハイブリッド車などが注目され、電流センサは重要な部品になっている。
【０００３】
大電流の検出が行える電流センサとしては、例えばホール素子を用いたものがよく知られている。これは環状の磁性体コアに設けたギャップ部位にホール素子を配置し、被測定電流が流れる電線は環状部位の内側に位置させ、被測定電流によって発生する磁界の強さをホール素子により検出（ホール電圧）する構成を採る。しかし、ホール素子による電流センサは、磁性体コアのギャップ部位にホール素子を挟む構成のため小型化が難しく、高温環境で使用することに困難があり欠点が多い。
【０００４】
また、特許文献１や非特許文献１に見られるように、ビラリ効果を利用することで電流センサを構成するようにした技術の提案がある。このものは、図１に示す本発明に係る代表的な構成例を援用して説明するが、環状の磁性体リング２（３）に対して圧電体リング１を接合させて一体化し、当該環状部位の内外に線材を巻き回してピックアップコイル４としており、直流電流Ｉによって発生する直流磁界の強さをピックアップコイル４により検出する構成を採る。ピックアップコイル４と交錯する磁束、つまり直流磁界の強さを検出するにはこれを変調する必要があり、このため圧電体リング１は所定の交流電圧を加えて直径方向に振動させ、磁性体リング２（３）へ機械的な振動力を加えることで逆磁歪効果（ビラリ効果）を起こさせて磁束の変調を行う。これにより、被測定電流Ｉに対応した磁界の変化を検出することができ、電流の検出が行える。
【特許文献１】特開２００６−９８３３２号公報
【０００５】
【非特許文献１】電気学会マグネティックス研究会  ＭＡＧ−０５−３４  ビラリ効果を利用した大電流センサ  忠津孝・笹田一郎
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１に見られるようなビラリ効果を利用した電流センサにあっては、以下に示すような問題がある。磁性材料によっては、残留磁化が大きいものがあり、残留磁束による出力が発生し被測定電流Ｉが０であってもピックアップコイル４に出力電圧（オフセット）が生じてしまい、出力特性が悪い。
【０００７】
磁性体リング２（３）には磁気特性についてヒステリシスがあることから、電流センサの出力特性にその影響がでることは避けられないという問題があり、磁気特性のヒステリシスをより低減させる改善が求められている。
【０００８】
また、ピックアップコイル４の出力は、被測定電流Ｉに対して概ね良好な直線性を示すものの、直線性が得られる領域（被測定電流Ｉの範囲）が狭い。そこで、直線性が得られる被測定電流領域を拡大したいという要求がある。
【０００９】
この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、被測定電流に対応した直流磁界をビラリ効果による磁束の変調により検出する構成を採り、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、出力特性について直線性を良好に向上でき、そしてヒステリシスを低減できて車載用途等に好ましく適用できる電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、本発明に係る電流センサは、（１）被測定電流によって発生する磁界の強さをピックアップコイルにより検出する電流センサであって、環状に形成した圧電体リングと、環状に形成した第１磁性体リングとを接合して１つの環状体を形成し、前記第１磁性体リングに当該環状部位を遮断するギャップを設け、前記環状体の内外に線材を巻き回して前記ピックアップコイルとする構成とした。
【００１１】
（２）上記の（１）の発明を前提とし、環状に形成した第２磁性体リングを前記圧電体リングに接合し、その第２磁性体リングと前記第１磁性体リングとで前記圧電体リングを挟み込むように構成するとよい。換言すると、２つの磁性体リングを、圧電体リングの表裏へそれぞれ接合させて一体化する。（１）の発明では、圧電体リングのみが径方向に伸縮するので、反りが発生するが、更に磁性体リングと圧電体リングの熱膨張係数が異なる場合、このように、２つの磁性体リングで圧電体リングを挟み込むことで、温度変化が生じても電流センサ全体での反りの発生を抑制できる。
【００１２】
（３）さらに、上記の（２）の発明を前提とし、第２磁性体リングに環状部位を遮断するギャップを設けるとよい。
【００１３】
（４）また、電流センサは、筒状に形成した圧電体筒体と、筒状に形成した磁性体筒体とを備えて、磁性体筒体には当該筒状部位を遮断するギャップを設け、当該磁性体筒体と圧電体筒体とを同心に重ね合わせて一体に接合し、当該筒状部位の内外に線材を巻き回してピックアップコイルとする構成にすることもできる。
【００１４】
（５）上記の各発明において、ギャップ部位には透磁率が相違する調整部材を配置する構成にするとよい。
【００１５】
本発明では、磁性体リング（磁性体筒体）にギャップを設けたため、磁気抵抗を調整することができる。磁性体リング（磁性体筒体）の磁気抵抗は、ギャップ部位の幅や当該部位をなす物質に応じて変更でき、磁気抵抗を調整することにより磁束の発生を制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る電流センサでは、磁性体リング（磁性体筒体）にギャップを設けたため磁気抵抗を変更でき、磁束の発生を制御することができる。このため、被測定電流によって発生する直流磁束を適正に制御できる。その結果、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、出力特性について直線性を良好に向上でき、電流検出の帯域を広くすることができ、ヒステリシスの低減が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施形態において電流センサは、環状に形成した圧電体リング１と、環状に形成した第１磁性体リング２および第２磁性体リング３とを備え、これら２つの磁性体リング２，３は圧電体リング１の表裏へそれぞれ接合させて一体化し、当該環状部位の内外に線材を巻き回してピックアップコイル４とする構成にしている。
【００１８】
第１磁性体リング２，第２磁性体リング３には、少なくとも一方に当該環状部位を遮断するギャップ５を設けている。ギャップの形成位置並びに個数は任意に設定できる。圧電体リング１は分極させてあり、電極間に所定の交流電圧を加えることにより直径方向に振動するようになっている。圧電体リング１の分極処理は具体的には、対向する２面に焼き付け用の銀ペーストを塗布して導電性皮膜（分極電極）を形成し、８０〜１２０℃に加熱したシリコンオイル中に入れて、分極電極間に２〜３ｋＶ／ｍｍの電圧を２０〜６０分間加える処理を行い、分極させる。
【００１９】
被測定電流Ｉが流れる電線６は環状部位の内側に位置させ、被測定電流Ｉによって発生する磁界の強さをピックアップコイル４により検出する。
【００２０】
この場合、電線６を環状部位内に位置させるので、被測定電流Ｉによる磁束は磁性体リング２，３について周回方向に発生する。圧電体リング１に交流電圧を加えた場合、磁界が一定、つまり直流磁界の状態でも磁束密度は対応量の増減を起こし、磁束の変化が生じる。すなわち、磁性体リング２，３へ機械的な振動力を加えることで逆磁歪効果（ビラリ効果）を起こさせて磁束の変調を行う。この磁束の変化のためピックアップコイル４では起電力を生じ、ピックアップコイル４の出力は、直流磁界の大きさ、すなわち被測定電流Ｉの大きさに比例して増減する。したがって、被測定電流Ｉに対応した磁界の変化を検出することができ、電流の検出が行える。
【００２１】
ところで、磁性体リング２（３）についてギャップ５を設けた場合、図２に該当部分を示して説明するが磁束φは、
φ＝Ｎ・Ｉ／（Ｌ／μＳ）
となる。Ｉは被測定電流、Ｎは電線６のターン数、Ｌは磁路の長さ、Ｓは断面積である。ここでＮ・Ｉは起磁力、Ｌ／μＳは磁気抵抗となっている。そして磁束密度Ｂは、
Ｂ＝Ｎ・Ｉ／（Ｌ／μ）
となる。磁性体材料による磁路部位とギャップ５との磁気抵抗は直列なので、
Ｌ／μ＝ΔＬ／μｇ＋（Ｌ−ΔＬ）／μｓ
となる。ΔＬはギャップ５の長さ、μｇはギャップ５の透磁率、μｓは磁性体材料の透磁率である。
【００２２】
そして、ピックアップコイル４における起電力Ｖは、
ｅ＝Ｖｓｉｎωｔ
とおくとｅは、
ｅ＝−ｎ・Ｓ・δＢ／δｔ
なので、
｜ΔＢ｜＝１／（ｎ・Ｓ）∫ｅｄｔ
＝１／（ｎ・Ｓ）∫Ｖｓｉｎωｔｄｔ
＝Ｖ・１／（ｎ・Ｓ）・１／（π・ｆ）
∴  Ｖ＝ｎ・Ｓ・π・ｆ  ．ｄＢ
＝（Ｎ・Ｉ・ｎ・Ｓ・π・ｆ）／（ΔＬ／μｇ＋（Ｌ−ΔＬ）／μｓ）
となる。以上により、起電力Ｖは、ギャップ５の長さΔＬ、ギャップ５の材質（透磁率μｇ）に応じて適宜に調整が行えることがわかる。
【００２３】
また、ギャップ５は磁性体リング２（３）に対して複数を設ける構成にすることもよい。さらに、ギャップ５の部位には透磁率が相違する調整部材を配置する構成にすることもよい。
【００２４】
このように、本発明に係る電流センサは、圧電体材料と磁性体材料からなる構成なので、高温環境で使用することに何ら問題がなく、動作温度の範囲が広い。そして、電流の検出動作にはビラリ効果による磁束の変調を利用しているので、ホール素子による構成と違って小型化することができ、外乱磁界の影響を受けない検出が行える。また、ホール素子は半導体のため放射線耐性が弱い欠点があるが、本発明に係る電流センサは放射線耐性が強いと言える。
【００２５】
この場合、磁性体リング２にはギャップ５を設けるので、磁気抵抗を調整することができ、磁性体リング２の磁気抵抗は、ギャップ５部位の幅や当該部位をなす物質に応じて変更でき、磁気抵抗を調整することにより磁束の発生を制御することができる。このため、被測定電流Ｉによって発生する直流磁束を適正に制御でき、その結果、残留磁束による出力のオフセットを低減でき、出力特性について直線性を良好に向上でき、電流検出の帯域を広くすることができ、ヒステリシスの低減が行える。したがって、本発明に係る電流センサは車載用途等に好ましく適用することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、圧電体リングの表裏両側に磁性体リングを接合するようにしたが、本発明はこれに限ることはなく、圧電体リングの片側に磁性体リングを接合しても良い。
【００２７】
（電流センサの筒型の構成例）
図３は、本発明に係る電流センサの他例を示す斜視図である。この電流センサは、筒状に形成した圧電体筒体１０と、筒状に形成した磁性体筒体１１とを備えて、磁性体筒体１１と圧電体筒体１０とを同心に重ね合わせて一体に接合し、当該筒状部位の内外に線材を巻き回してピックアップコイル４とする構成にしている。また、磁性体筒体１１には当該筒状部位を遮断するギャップ５を設けている。そして、圧電体リング１０は、電極間に所定の交流電圧を加えることにより直径方向あるいは筒体の長さ方向に振動するようになっている。ここでは圧電体筒１０の外側に磁性体筒１１を同心に重ね合わせているが、これは逆に磁性体筒体１１の外側に圧電体筒１０を同心に重ね合わせる構成にしてもよい。あるいは、磁性体筒体は、圧電体筒の内外に同時に接合する構成としてもよい。
【００２８】
本発明にあっては、電流センサは図３に示す筒型に構成しても電流検出の動作は変わりなく、図１に示すリング型と同様な作用となり同様に大電流の検出が行える。
【実施例】
【００２９】
本発明の効果を実証するため、図１に示す電流センサを試作し、その出力特性の評価を行った。試作は磁性体リング２に対してギャップ５を設けた構成（ａ）と、ギャップ５を設けない構成（ｂ）との２つを製作し、両者それぞれに電流測定を行った。その結果、図４（ａ），（ｂ）に示す出力特性を得た。
【００３０】
図４（ａ），（ｂ）から明らかなように、ギャップ５を設けた構成（ａ）では、ギャップ５を設けない構成（ｂ）に比べて、出力特性は残留磁束による出力のオフセットが低減し、ヒステリシスが低減できることを確認した。さらにギャップ５を設けた構成（ａ）では、被測定電流の変化に対して出力の直線性が得られる範囲、つまり、測定可能な電流領域を拡大することができることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明では直流大電流の検出を非接触に行えて動作温度が広範囲となることから、ハイブリッド車や電気自動車などの車載用途、そして太陽光発電，風力発電，燃料電池などの大電流センサの用途に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る電流センサの好適な一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】磁性体リングにおけるギャップの作用を説明する斜視図である。
【図３】本発明に係る電流センサの他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】電流センサの出力特性を示すグラフ図であり、（ａ）はギャップを設けた構成での出力特性、（ｂ）はギャップを設けない構成での出力特性である。
【符号の説明】
【００３３】
１  圧電体リング
２  第１磁性体リング
３  第２磁性体リング
４    ピックアップコイル
５  ギャップ
６  電線
１０  圧電体筒体
１１  磁性体筒体
【図１】
2008281364.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008281364.tif 000006