(57)【要約】【課題】磁束変化によるコイルの誘起電圧を利用して検出する方式の電流センサにおいて，トロイダル巻きのコイルを必要とせず，ソレノイド巻きのコイルで検出することにより，巻線工程の製造コストの低減と，巻線の簡素化による小型化とを可能にする．【解決手段】  交流成分を含む励磁電流を流すソレノイド巻きの励磁コイルと，誘起電圧を出力するソレノイド巻きの検出コイルとを，それぞれ少なくとも一つ具備し，真空中においた前記検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束上の任意の点を含むように置いた磁気異方性を持つ磁気コアを，その磁気コアの磁化容易軸の向きが，前記任意の点において，その点を通る前記磁束の磁束方向と，前記検出コイルの巻線方向との双方の方向成分を持つように，前記磁束方向に対して前記巻線方向に傾斜させて設置し，前記励磁コイルと，前記検出コイルと，前記磁気コアと，を全てが相互に磁気結合するように配置する．【選択図】図２
2013238500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流成分を含む励磁電流を流すソレノイド巻きの励磁コイルと，
誘起電圧を出力するソレノイド巻きの検出コイルとを，
それぞれ少なくとも一つ具備し，
真空中においた前記検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束上の任意の点を含むように置いた磁気異方性を持つ磁気コアを，
該磁気コアの磁化容易軸の向きが，前記任意の点において，該点を通る前記磁束の磁束方向と，前記検出コイルの巻線方向との双方の方向成分を持つように，前記磁束方向に対して前記巻線方向に傾斜させて設置し，
前記励磁コイルと，前記検出コイルと，前記磁気コアとを全てが相互に磁気結合するように配置したことを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項２】
交流成分を含む励磁電流を流すソレノイド巻きの励磁コイルと，
誘起電圧を出力するソレノイド巻きの検出コイルとを，
それぞれ少なくとも一つ具備し，
前記検出コイルのコイル面の法線に対して，該検出コイルの巻線方向に傾斜した磁化容易軸を有する，磁気異方性を持つ磁気コアを具備し，
前記励磁コイルと前記検出コイルと前記磁気コアとが全て相互に磁気結合するように配置したことを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項３】
請求項１および２において，前記傾斜の傾斜角が正の角度の磁気コアと，該傾斜角が負の角度の磁気コアとを有し，前記正の角度の磁気コアと，前記負の角度の磁気コアとの，それぞれの磁化容易軸に沿った磁路が直列接続になるように磁気的の連結して連結磁気コアとして設置し，
該連結磁気コアに磁気結合した励磁コイルと，前記連結磁気コアを構成する傾斜角が正の角度の磁気コアの方により強く磁気結合した検出コイルと，同じく傾斜角が負の角度の磁気コアの方により強く磁気結合した検出コイルと，を具備したことを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項４】
請求項３において，複数の連結磁気コアを有し，該連結磁気コアの磁路が相互に並列になるように並列配置したことを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項５】
請求項３および４において，連結磁気コアの磁路の直列接続部の傾斜角が連続的で湾曲していることを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項６】
請求項１および２において２つの励磁コイルを有し，それぞれの該励磁コイルが，磁気コアのそれぞれ異なる部位に，他の部分に比較してより強く磁気結合するように設置し，前記２つの励磁コイルに，相互に反対向きの磁束が発生するように励磁電流を流すことを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項７】
請求項１から６において，少なくとも一つのコイルが被計測電流を巻回するように構成した傾斜コア型電流センサ．  
【請求項８】
請求項１から６において，全てのコイルが被計測電流を巻回しないように構成した傾斜コア型電流センサ．  
【請求項９】
請求項８の構成を一単位として，該単位を少なくとも２単位具備し，各該単位が相互に離合可能に構成して，被計測電流をクランプできるようにした傾斜コア型電流センサ．
【請求項１０】
請求項１から９において，磁気コアの傾斜角が，磁化容易軸に沿って連続的に変化していることを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【請求項１１】
請求項１から１０において，励磁コイルと検出コイルの少なくとも一つをスパイラル巻きにしたことを特徴とする傾斜コア型電流センサ．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，被計測電流回路と計測回路とを電気的に絶縁した状態で，前記被計測電流の値を計測する絶縁型の直流交流両用の電流センサに関するものである．
【背景技術】
【０００２】
電流センサは電気装置や電子装置でよく使われていて，近年は自然エネルギー発電電力の電池による平準化や自動車の電動化，あるいは省エネルギーのための直流給電化などで，直流電力を利用することが多くなってきており，直流電力利用の高効率化や安全性と信頼性の向上などが避けられない課題になっている．この課題を解決するためには様々な場面で電流を計測して制御する必要であるが，従来の電流センサを，コスト，寸法，安定性などから評価した場合，まだ市場ニーズを満たすまでには至っていない．
【０００３】
電流センサは，検出コイル方式と，磁界センサ素子方式に大別できる．最もシンプルな検出コイル方式の電流センサは交流用ＣＴやロゴスキーコイルであるが，これらは直流を計測する事はできず，本発明の目的である直流も計測できる電流センサではない．直流も計測できる検出コイル方式の電流センサでよく知られたものには，フラックスゲート方式などの磁気変調方式があり，小さな電流の計測によく利用されている．直流を計測できる検出コイル方式の特徴は磁気コアを励磁していることである．つまり，本来変化のない直流電流の磁束に，励磁磁束を加えて磁束変化を与え，その磁束変化分をコイルで検出する際にその中に含まれる直流磁束の情報も同時に取得するものである．これで重要なのは，励磁磁束変化の中に直流磁束の情報をどのようにして含ませるかであり，その手法がすなわち検出原理の根幹である．
【０００４】
磁界センサ素子方式は，被計測電流が発生する磁界を計測することにより発生源の電流を計測するものであって，原理的には全ての磁界センサで電流センサを作ることが可能である．よく知られた磁界センサには，ホール素子，磁気抵抗効果素子，磁気インピーダンス素子，ファラディー素子などがあり，さらに細かく分類できる．しかし，実際には磁界センサの特徴により，電流センサに向くものとそうでないものが生じる．
【０００５】
そのような理由から電流センサに最も多く使われている磁界センサはホール素子で，市場規模では圧倒的なシェアを占めている．特に１０Ａ程度を超える電流の計測では専らホール素子方式が使われている．これは，他の磁界センサに比べて感度が低く大電流計測に向いていることや，計測する磁界の方向が素子の薄手方向であり構造的に使いやすい特徴に加え，量産効果によって低コストで製造できるようになったことなどの相乗効果によるものである．
【０００６】
このホール素子を電流センサに用いる場合は，通常は被計測電流を周回するリング状の磁気コアを用い，そのリングの一部を切り欠きその間隙にホール素子を挟み込む．ところが，ホール素子は半導体であり，熱や湿気などの環境ストレスに弱く電流センサの信頼性を向上できない．これと比較して，検出コイル方式は磁性材とコイルだけで構成できるために，その点ではホール素子方式よりも信頼性が高い．
【０００７】
しかし，従来の検出コイル方式の電流センサは，検出コイルをトロイダル巻きにする必要があり，トロイダル巻きの製造コストが高くなることが問題になっている．さらに，トロイダル巻きは小型化の障害になり，例えば携帯用電子機器で需要があるチップ素子サイズの電流センサを作ることは困難である．ちなみに，フラックスゲート方式でチップ素子サイズを試みた研究はあり，非特許文献１で報告されている．しかし同文献で筆者も述べているように精度が悪くフェールセーフ用途程度にしか使えない．また，検出コイル方式ではないがホール素子を用いた小型の提案があり，特許文献１で開示されている．これはホール素子を被計測電流に接近させることにより，計測目的としていない他の磁界，すなわち外乱の影響を小さくしようとしているが，その効果は充分ではなく，計測値の信頼性には欠ける．また，ホール素子の短所も勿論残っている．
【０００８】
従ってチップ素子サイズが必要な携帯用電子機器などではシャント抵抗方式が使われている．しかし，シャント抵抗方式は被計測電流回路と計測回路とが絶縁されていないために，回路電位が異なる場合には電位の整合が必要になり，設計の自由度が制限される問題や，被計測電流回路から計測回路を通して制御回路にノイズが侵入して，制御の信頼性を低下させるなどの問題がある．さらに電源電流を計測する場合には，シャント抵抗による電圧降下が電源電圧の有効利用の妨げになり，限られた電源で動作させる携帯用電子機器などでは重要な課題になっている．この課題の解決策としてシャント抵抗の抵抗値をより小さくする試みがあるが，そのようにすると検出電圧が小さくなり信号処理回路の高性能化が求められることに加え，Ｓ／Ｎ比の悪化が生じ，制御の信頼性を低下させる問題が生じる．
【０００９】
つまり市場は，トロイダル巻きが不要の省スペースで低コストな，絶縁型の高性能な電流センサや，絶縁型でチップ素子化が可能な信頼性のある電流センサを求めている．しかしそれらを可能にする電流センサの方式が今までなかった．次の先行技術文献に示す，非特許文献２から４は先行技術の一例である．
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１‐７５５７６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】藤山陽一，荒井賢一，他３名  「可飽和型リングコアを用いた薄膜電流センサの試作」日本応用磁気学会  22，705&#8722;708（1998）
【非特許文献２】武士田健一，毛利佳年雄  「アモルファス磁性ワイヤＭＩ素子によるコルピッツ自己発振形高感度・高速応答電流センサ」日本応用磁気学会誌  20，629&#8722;632（1996）
【非特許文献３】忠津孝，笹田一郎  「磁気ブリッジを用いた非接触μA 電流センサの開発」日本応用磁気学会  311，421-426（2007）
【非特許文献４】Journal of Advanced Science, Vol.17,No.3&4,2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
解決しようとする課題は，磁束変化をコイルで検出する検出コイル方式の電流センサにおいて，コイルがトロイダル巻きである問題点と，チップ素子サイズまで小さくできない問題点である．
【課題を解決するための手段】
【００１３】
交流成分を含む励磁電流を流すソレノイド巻きの励磁コイルと，誘起電圧を出力するソレノイド巻きの検出コイルとを，それぞれ少なくとも一つ具備し，真空中においた前記検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束上の任意の点を含むように置いた磁気異方性を持つ磁気コアを，その磁気コアの磁化容易軸の向きが，前記任意の点において，その点を通る前記磁束の磁束方向と，前記検出コイルの巻線方向との双方の方向成分を持つように，前記磁束方向に対して前記巻線方向に傾斜させて設置し，前記励磁コイルと，前記検出コイルと，前記磁気コアとを全てが相互に磁気結合するように配置する．
【発明の効果】
【００１４】
本発明の傾斜コア型電流センサは，検出コイル方式の電流センサであるにもかかわらず検出コイルがソレノイド巻きであるために，従来のトロイダル巻きを必要とした検出コイル方式の電流センサに比べて作りやすく製造コスト下がるという利点と，同じくより小さな製品を作ることができるという利点とがある．つまり，トロイダル巻きは磁気コアとコイル回路とがトポロジー的に絡み合っているが故にコイルの巻回に手間がかかる．しかしソレノイド巻きは磁気コアとコイル回路とがトポロジー的に分離しているために巻線が容易である．同様の理由で小さな巻線にするにはトロイダル巻きは圧倒的に劣勢である．このように必要なコイルをトロイダル巻きにすることにより大きな産業上の効果が生じる．
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】検出コイル３と磁気コア１との相互配置関係を示した原理説明図．
【図２】原理的な一形態を示した斜視図．
【図３】図２をコイル面方向から見た動作説明図．
【図４】合成磁界 Hc に含まれる励磁磁界 He と被計測磁界 Hx の比率の，磁気コアの傾きによる違いを示した説明図．
【図５】被計測電流 Ix の傾きによる，磁気コアが受ける磁界の強さの違いを示した説明図．
【図６】磁気コアが一つの場合の，磁気コアと励磁コイルと検出コイルと被計測電流 Ix との相互関係を示した説明図．
【図７】磁気コアが複数の場合の，磁気コアと励磁コイルと検出コイルと被計測電流 Ix との相互関係を示した説明図．
【図８】図６において，被計測電流がコイルの外にある場合を示した説明図．
【図９】被計測電流がコイルの外にある場合で，複数の磁気コアを配置するとともにコイルを変形した場合の説明図．
【図１０】被計測磁界 Hx と励磁磁界 He から合成磁束 Φc が生じることを磁気コアのB-H特性で示した説明図．
【図１１】一つの検出電圧 Vd から計測値を求める方法を示した説明図．
【図１２】連結コア型差動方式の構成と動作説明図．
【図１３】連結コア型差動方式の磁気コア１a と１b の合成磁束およびその差動値の波形を示した説明図．
【図１４】対向励磁型差動方式の構成と動作説明図．
【図１５】対向励磁型差動方式の磁気コア内の合成磁束およびその差動値の波形を示した説明図．
【図１６】単一の検出電圧 Vd から計測値を求める方法を実現する駆動回路の例を示した説明図．
【図１７】連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例と駆動回路のブロック図を示した説明図．
【図１８】連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例と差動信号を得る方法の一例を示した説明図．
【図１９】連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例と差動信号を得る方法の一例を示した説明図．
【図２０】連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例を示した説明図．
【図２１】対向励磁型差動方式のコイルの接続方法と駆動回路のブロック図を示した説明図．
【図２２】連結磁気コアとその並列配置の例を示した説明図．
【図２３】磁気回路を閉じるための閉磁路コアの説明図．
【図２４】連結磁気コアを用いた閉磁路コアの説明図．
【図２５】結晶磁気異方性の磁性材を用いた連結磁気コア集合体の説明図．
【図２６】連結コア型差動方式の実施例の説明図．
【図２７】閉磁路コアを採用した連結コア型差動方式の実施例の説明図．
【図２８】閉磁路コアに連結磁気コア構造を採用した連結コア型差動方式の実施例の説明図．
【図２９】連結コア型差動方式で，クランプ式にした実施例の説明図．
【図３０】センサユニットを６個用いたクランプ式の実施例の説明図．
【図３１】一部を切開および透視して内部が解るようにした，チップ素子サイズの実施例の説明図．
【図３２】図３１のＡ&#8722;Ａ断面図．
【図３３】図３１の磁気コアの説明図．
【図３４】図３１の磁気コアの説明図．
【図３５】磁気コアの材料をアモルファスリボンにした実施例１の入出力特性の実測値のグラフ．
【図３６】磁気コアの材料をフェライトにした実施例１の入出力特性の実測値のグラフ．
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず動作原理と構成要素について説明する．
【００１７】
検出コイル方式の電流センサは検出コイルと鎖交する磁束の変化を誘起電圧として捉えるものである．したがって次の条件が必要である．一つ目は検出コイルに磁束が鎖交すること，二つ目は被計測電流が直流であっても鎖交した磁束が変化すること，三つ目はその磁束の変化が被計測電流の大きさと方向の影響を受けていることである．こうすれば，被計測電流の情報を含んだ誘起電圧を得ることができるため，誘起電圧から被計測電流を知ることができる．
【００１８】
電流による磁束は電流を周回するように発生する．従ってその磁束を効率よく利用するためには電流を周回するリング状の磁気コアを設けるのが最適である．そうするとこの磁束と鎖交する検出コイルを配置するためには，コイルは必然的にトロイダル巻きになる．このように従来の検出コイル方式の検出コイルがトロイダル巻きになっているのは，被計測電流の磁束と検出コイルとを鎖交させるためである．したがって，被計測電流の磁束と検出コイルとを鎖交させることができればトロイダル巻きである必要は無い．
【００１９】
そこで，ソレノイド巻きで前記の三つの条件を満たすことができないか検討する．検討にあたり課題を単純化して，直線状に流れる被計測電流が，円形のソレノイド巻きの検出コイルの中心軸上を流れていると仮定する．そうすると，この位置関係では被計測電流の磁束はソレノイド巻きの検出コイルと鎖交しない．ところが，磁束が磁性材に誘導される性質を利用すれば，被計測電流の磁束が前記検出コイルを貫通し鎖交するように誘導することは可能である．この際，この説明では原理を理解し易くする目的で，検出コイル等の巻線材料や被計測電流導体など，磁気コア以外のものは全て非磁性材として扱う．しかし，この発明はこれを条件とするものではない．
【００２０】
図１は，検出コイル３と磁気コア１との相互配置関係を示した原理説明図である．これは，真空中においた検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束上の任意の点Ｐを設定して，この点Ｐ含むように置いた磁気異方性を持つ磁気コアを，その磁気コアの磁化容易軸の向きが，前記任意の点Ｐにおいて，その点を通る前記磁束の磁束方向と前記検出コイルの巻線方向との双方の方向成分を持つように，前記磁束方向に対して前記巻線方向に傾斜させて設置したものである．
【００２１】
ここで前記の「真空中においた検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束上の任意の点Ｐ」という表現について説明する．まず「真空中においた検出コイルに電流を流した場合」というのは，実施時に実際に検出コイルに電流を流すわけではないが，「任意の点Ｐ」の性格を明らかにするための説明である．この際「真空中」と表現しているのは，広い空間において透磁率が均一であることを意味している．仮に，コイルの近傍において，本発明の要素以外の原因で透磁率が均一でない場合は，原理説明に支障が生じるためである．したがって，本発明の実施においてはこの条件は必要ではない．
【００２２】
次に，「磁気異方性を持つ磁気コア」という表現について説明する．磁気異方性とは，「磁性体中の内部エネルギーが磁気モーメントの向きによって異なる性質」のことをいうが，要は磁化されやすい向きとされ難い向きがあるということで，換言すれば磁束の通りやすい方向とそうでない方向がある性質である．例えば釘を無造作に磁石に接触させて離した場合では，極めて高い確率で釘の頭部分と先端部分に磁極が現れる．これは形状磁気異方性と呼ばれ，長手方向に磁化されやすい性質をいう．この場合，磁化されやすい長手方向の軸を，磁化容易軸と言い，磁化され難い軸を磁化困難軸と言う．このような磁気異方性は，形状磁気異方性の他に，結晶磁気異方性や誘導磁気異方性がある．本発明ではこのような磁気異方性を持つ材料であればどれでも使用できる．本説明では図３１，図３２，図３３，図面３４の他は形状磁気異方性を利用した磁気コアを想定しており，図に示した磁気コアの長手方向に磁化容易軸がある．
【００２３】
前記任意の点Ｐに前記磁気コアを置く場合の被計測電流による磁界と磁気コアの関係を説明する．前記したように円形の検出コイルの中心軸上を被計測電流が流れる場合，被計測電流による磁界および磁束の方向は検出コイルの巻線方向と重なる．このような位置関係では，前記「検出コイルに電流を流した場合」に発生する磁束の方向は，被計測電流による磁束と直角になる．この関係は全ての位置で成り立ち，前記任意の点Ｐでも同様である．
【００２４】
この任意の点Ｐに前記磁気コアを置くとき，その磁気コアの磁化容易軸が，被計測電流による磁束の方向と直角になるように置くと，その磁気コアを通る被計測電流の磁束は，「検出コイルに電流を流した場合」の磁束の方向の成分は発生しない．したがって検出コイルと鎖交する磁束は生じない．また，前記磁気コアを被計測電流の磁束の方向と平行になるように置いた場合も，「検出コイルに電流を流した場合」に発生する磁束の方向の成分は発生しない．したがってこの場合も検出コイルと鎖交する磁束は生じない．つまり，磁気コアの磁化容易軸が被計測電流による磁束の方向と直角か平行の場合は，被計測電流の磁束は検出コイルと鎖交しない．因みに，トロイダルコアは前記の平行の場合に相当する．
【００２５】
ここで，前記磁気コアを，真空中においた検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束の方向と，検出コイルの巻線方向との双方の方向成分を持つように，前記磁束方向に対して前記巻線方向に傾斜させて設置した場合，換言すれば，前記磁気コアの容易磁化軸が，「検出コイルに電流を流した場合」に発生する磁束に対して傾きを持ち，かつ，その傾きの方向が検出コイルの巻線方向，すなわち被計測電流の磁束方向の成分を持つように設置した場合，前記磁気コアは容易磁化軸方向に磁化されて容易磁化軸方向に磁束が生じ，被計測電流の磁束が検出コイルと鎖交するようになる．これにより被計測電流と検出コイルは磁気的結合をする．
【００２６】
以上の通り被計測電流とソレノイド巻きの検出コイルとを傾斜した磁気コアにより磁気的に結合させることができる．仮に被計測電流が交流であれば，これだけでソレノイド巻きの検出コイルに誘起電圧が発生して出力を得ることができる．つまり，従来の交流用ＣＴの機能を有する．しかし本発明の目的は直流も検出することであり，このままでは直流電流の検出はできない．そこで，磁気コアを交流で励磁することにより直流電流も検出できるようにしたのが本発明の原理である．
【００２７】
図２は本発明の原理的な一形態を示した斜視図である．図２はいずれもソレノイド巻きの，励磁コイル２と検出コイル３とを同軸上に配置して，被計測電流が前記両コイルを貫通して流れるようにしている．さらに，磁気コア１を，形状磁気異方性の磁化容易軸である長手方向が前記説明の傾斜をするように，前記両コイルの内側に配置している．
【００２８】
図３は図２をコイル面の方向（側面）から見た動作説明図である．被計測電流 Ix によって生じる被計測磁界 Hx は磁気コア１の内部に被計測磁束 Φx を生じる．一方，励磁コイル２には交流成分を持つ励磁電流 Ie を流し，これによって励磁コイル２の内側に強さが変動する励磁磁界 He を生じる．よって磁気コア１の内部に励磁磁束 Φe が生じる．なお，以下の説明では原理を解りやすくするために，励磁電流 Ie は交流成分のみとして説明する．ところで，前記被計測磁束 Φx と前記励磁磁束 Φe は同一磁気コア内に同時に生じるために，実際には両者が合成された一つの磁束として存在する．よってこれを合成磁束 Φc と称する．この合成磁束 Φc は被計測磁束 Φx と励磁磁束 Φe とが同じ方向を向いている時間帯には大きくなる．しかし，励磁磁界 He が交流であるために励磁磁束 Φe は反対を向く時間帯があり，この時間帯には合成磁束 Φc は小さくなる．したがって合成磁束 Φc は励磁電流 Ie の励磁周波数 fe に同期して大きさが変動する．そして，この合成磁束 Φc は鎖交している検出コイル３に誘起電圧を生じさせる．この誘起電圧が出力できるように配線して，その出力を検出電圧 Vd と称する．このようにして被計測電流 Ix の影響を受けた検出電圧 Vd を得ることができる．この検出電圧 Vd から被計測電流 Ix の値を計測できるが，その原理と方法については後述する．
【００２９】
図４は，合成磁界 Hc に含まれる励磁磁界 He と被計測磁界 Hx の比率の，磁気コアの傾きによる違いを示した説明図である．前記では磁束の観点から説明したが，ここでは磁界を用いて説明する．この図の合成磁界 Hc はすべて同じ大きさに描いた．これは合成磁界 Hcを構成する励磁磁界 He と被計測磁界 Hx 割合の，磁気コアの傾斜角による違いを比較するためである．
【００３０】
図４では被計測磁界 Hx と励磁磁界 He とが直角の場合として説明する．また，磁気コア１の特性を単純化して，磁化容易軸方向にのみ磁化され，磁化困難軸方向には磁化されないものとして説明する．この条件の下で磁気コア１の傾斜角θが０度であれば，合成磁界 Hc に被計測磁界 Hx は成分は含まれず，検出コイルの誘起電圧から被計測磁界 Hx の情報を得ることはできない．また，傾斜角θが９０度の場合には合成磁界 Hc に励磁磁界 He 成分が含まれない．したがって，検出コイルに励磁磁界 He に起因する誘起電圧は生じず，検出コイルの誘起電圧で被計測磁界 Hx の情報を得ることはできない．被計測磁界 Hx の影響は傾斜角θが大きい方が強く，センサとしての感度が良くなる方に働く，しかし，励磁磁界 He の影響は傾斜角θが小さい方が強く，その点では傾斜角θが小さい方が，感度が良くなる．総合すると，双方が最も良い関係になる角度が存在することがわかる．そしてその角度は，小さな電流を感度よく計測するのか，それとも大電流を計測するのか，あるいは励磁電流をどの程度にするのかなど，製品仕様により最適値が異なる．また，磁気コア１を直線状にせず曲線状や屈折状にすることにより部分的に傾斜角を変え，傾斜角による特性の長所を複合的に利用することも可能である．この考え方を用いれば，後述する連結磁気コアの連結部を屈曲させずに曲線状にして，連続的に連結することができて設計の最適化に利用できる設計要素になる．
【００３１】
図５は，被計測電流 Ix の傾きによる，磁気コアが受ける磁界の強さの違いを示した説明図である．この図で，コイル面に垂直な一つの被計測電流 Ix-B を基準にして，被計測電流 Ix-A は被計測磁界の磁気コア方向成分Hx-a が大きく，同様に被計測電流 Ix-C は被計測磁界の磁気コア方向成分Hx-c が小さくなる．したがって，単一の磁気コアでは被計測電流 Ix の角度によりセンサの感度が変わることがわかる．この問題を改善するためには後述の図７に示すように被計測電流 Ix を中心に，対面する位置にも磁気コアを設置する方法や，図１２の説明で明らかにする連結磁気コアが有効である．
【００３２】
図６は，磁気コアが一つの場合の，磁気コアと励磁コイルと検出コイルと被計測電流 Ix との相互関係を示した説明図である．この図は検出コイル３と励磁コイル２がコイルの軸方向に重なり，被計測電流 Ix はコイルの軸上を流れているように描いてある．つまり，図３を右側面から見た図である．この図で磁気コア１は紙面奥の方が下で手前側が上になるように傾いていて，そこに，磁気コアの端が見える．被計測電流 Ix は紙面の表から裏に向かっていて，慣習に従いその方向を×印で示した．
【００３３】
図７は，磁気コアが複数の場合の，磁気コアと励磁コイルと検出コイルと被計測電流 Ix との相互関係を示した説明図である．この図は図６における磁気コア１を複数個にして，被計測電流 Ix を周回するように配置したものである．これにより，励磁コイル２と検出コイル３と被計測電流 Ix との磁気結合は強くなり，磁気コアが一つの場合に比べてより安定した計測ができるようになる．またこの様にすると，図５で説明した被計測電流 Ix の傾きの影響は，円周上で被計測電流 Ix を挟んで対向する磁気コアで相殺する働きが生じ，影響が小さくなる効果もある．
【００３４】
図８は，図６において，被計測電流がコイルの外にある場合を示した説明図である．この図に示した被計測磁界 Hx と磁気コア１との関係は図６および図３に示した両者の関係と同じであり，被計測電流
Ix がコイルの外にあっても機能することがわかる．しかし，被計測電流 Ix と磁気コア１との距離が離れるために感度が下がる．
【００３５】
図９は，被計測電流がコイルの外にある場合で，複数の磁気コアを配置するとともにコイルを変形した場合の説明図である．図８では被計測電流 Ix と磁気コア１との距離が離れている．そこで，これを改善するためにコイルを変形して被計測電流 Ix を磁気コア１に近づけた．さらに，磁気コア１を増やしてより安定するようにした．これはひとまとまりのセンサユニットとして捉えることができ，この応用を図２９と図３０で説明する．
【００３６】
図１０は，被計測磁界 Hx と励磁磁界 He から合成磁束 Φc が生じることを磁気コアの B-H
特性で示した説明図である．この B-H 特性は 正と負の領域を画いた一般的な磁性材の特性であるが，磁性材の B-H 特性は図に示すように原点対称である．この図では，説明を解りやすくするためにヒステリシスを省略して模式的に示している．実際の特性にはヒステリシスがあり磁束の波形が歪むものの，動作原理で重要な対称性や非線形性は変わらない．この図には，被計測磁界 Hx が０の時の励磁磁界 He の波形とその際の励磁磁束 Φe の波形を破線で示した．また，励磁磁界 He と被計測磁界 Hxとが加算され，中心がずれた磁界を合成磁界 Hc として実線で示した．そして，合成磁界 Hc による磁束を合成磁束 Φc として実線で示した．
【００３７】
磁性材の B-H 特性は原点対称であるために，励磁磁界 He が例えば正弦波のように正負対称であれば，励磁磁界 He だけの励磁磁束 Φe は正負対称になる．これは被計測磁界 Hx が０のときの合成磁界 Hc と合成磁束 Φc の関係でもある．ところが被計測磁界 Hx が０でない場合は，励磁磁界 He が正負対称であっても合成磁束 Φc は正負対称にならない．つまり，励磁磁界 He と被計測磁界 Hx の和である合成磁界 Hc は磁性材の B-H 特性の対称点からずれたところを中心に振れるためである．これを利用して合成磁束 Φc の正負の非対称の度合いを計測すれば被計測磁界 Hx の大きさを知ることができる．すなわち被計測電流 Ix の値を知ることができる．なお，この説明では被計測磁界 Hx の周波数は，励磁電流 Ie の周波数つまり励磁周波数 fe に対して充分に低いか，または直流である．
【００３８】
次に合成磁束 Φc の非対称性の度合いを検出する方法について述べる．合成磁束 Φc は励磁周波数 fe を基本周波数とした歪み波である．したがってこの合成磁束 Φc と鎖交するコイルがあれば誘起電圧を得ることができる．そのコイルがすなわち検出コイルで，図１および図２にも示した検出コイル３である．コイルの誘起電圧は磁束の微分値になるため，この場合も検出電圧 Vd は合成磁束 Φc の微分波形になる．よって検出コイル３の検出電圧 Vd を積分すれば合成磁束 Φc と同じ波形を得ることができる．ただし，検出電圧 Vd には合成磁束 Φc の直流成分が含まれていないために，検出電圧 Vd の積分値は合成磁束 Φc から直流成分を省いた波形になる．この波形やタイミングを示したのが図１１である．しかし，必ずしも積分しなければならないということではなく，積分したほうが精度向上が期待できるものの積分しなくても検出することはできる．
【００３９】
図１１は，一つの検出電圧 Vd から計測値を求める方法を示した説明図である．ここで言う「計測値」とは被計測磁界
Hx の値に比例し延いては被計測電流 Ix の値に比例した値である．同図に示した二つの検出電圧積分値 Vix および Vi0 は検出電圧
Vd を積分した電圧波形である．この検出電圧積分値には合成磁束 Φc の直流成分の情報は含まれてない．そこで，この交流波形だけから直流成分の情報を得る工夫が必要である．
【００４０】
図１１の計測値を求める方法は，被計測電流 Ix が任意の値のときの検出電圧積分値 Vix の波形上で， Ix = 0 の時の位置を求め，その位置の値が Vix の 0 V からどれだけずれているかを求める方法である．Vix の波形は Ix が任意の値のときであるが，この図では Ix が０でない時を示している．また破線で示した Vi0 は， Ix = 0 の時の検出電圧の積分波形である．Vi0 は正負が対称で，そのゼロクロスタイミングと励磁電流 Ie の立上がりタイミングまたは立ち下がりタイミングは一致する．つまり，立ち上がりタイミングの瞬時値と，立ち下がりタイミングの瞬時値とは同じ値で，0 V になると言うことである（ただし，磁性材や回路の特性で位相がずれる場合は調整が必要）．この性質を利用して，Vix の波形において，立ち上がりタイミングの時の瞬時値と，立ち下がりタイミングの時の瞬時値が同じになるタイミングを求めれば，その時の瞬時値は Vix の 0 V からずれた値を示す．この値は波形のひずみの度合いを反映しており，被計測電流 Ix の大きさに比例する．前記の瞬時値を求める具体的な方法は，前記の立ち上がりタイミングと立ち下がりタイミングの瞬時値をそれぞれサンプルホールドして，その両方の値が同じになるように，Vix の位相に対する Ie のタイミングを移相して調整する．このようにして得た瞬時値から計測値を求めることができる．この方法については後述の図１６の説明でさらに具体的に説明する．
【００４１】
以上説明した原理により，磁気コア１と励磁コイル２と検出コイル３とがあり，全てが相互に磁気結合するように配置して，これらと磁気結合する位置に被計測電流 Ix を配置すれば，被計測電流 Ix を計測することができる．しかし，この方法では瞬時値を扱っており実用回路では瞬時値にノイズが入ることもあり精度を上げにくい可能性がある．そこで本発明を差動方式にして，より精度の向上が期待できる方法を次に提示する．差動方式は大きく２つに分類できる．一つは傾きが対称になるような一対の磁気コアを設けて，それぞれから得られる出力の差動値を求める方法であり，もう一つは一方向の傾きの磁気コアを，部位ごとに反対方向に励磁する方法である．以下説明図に基づいて詳細な説明をする．
【００４２】
図１２は，連結コア型差動方式の構成と動作説明図であり，請求項３の発明の一例である．この方式に用いている連結磁気コアとは，図４に示した傾斜角θが正の磁気コア１a と，負の磁気コア１b
とを，双方のコアのそれぞれの磁化容易軸に沿った磁路が，直列接続になるように連結した磁気コアである．この図の連結部は励磁コイル２で隠れているが，磁気コア１aと磁気コア１bとは，機械的に接触している場合の他に，機械的には接触していなくても磁気ギャップをもって磁気的に結合した連結でも良い．この連結磁気コアの正の傾斜角の部分つまり磁気コア１a に検出コイル３a を巻き，同様に負の傾斜角の部分つまり磁気コア１b に検出コイル３b を巻く．さらに，磁気コア１a と磁気コア１b の双方つまり連結磁気コア全体に励磁磁束が発生するように励磁コイル２を巻く．この図に示したこれらのコイルは一部分にしか巻いていないが，これは説明が解りやすいようにするためであり，実際には図２６に示す実施例の様にする方が実用的である．
【００４３】
図１２において，被計測電流 Ix が流れると被計測磁界 Hx が生じる．この被計測磁界 Hx は磁気コア１a の被計測磁束Φxa と磁気コア１b の被計測磁束Φxb とを生じる．この際，Φxa とΦxb とは，図中に示したX-Y 座標の Y座標では同じ向きになるが，X座標では相互に反対向きになる．一方，励磁電流 Ie による励磁磁界 He は磁気コア１a に励磁磁束
Φea を生じ，磁気コア１b には励磁磁束 Φeb を生じる．この際，Φea とΦeb とは，Y座標では相互に反対向きになり，X座標では同じ向きになる．その結果，磁気コア１a の Φxa と Φea は互いに同じ向きになり，磁気コア１b の Φxb と Φeb は互いに反対向きになる．磁気コア１a には検出コイル３a が巻いてあり，磁気コア１b には検出コイル３b が巻いてある．検出コイル３a の誘起電圧をコイルから出力して検出電圧 Vda とし，検出コイル３b の誘起電圧をコイルから出力して検出電圧 Vdb とする．連結コア型差動方式はこの検出電圧 Vda と Vdb との差動値を利用する方式である．
【００４４】
ここで，励磁電流 Ie は励磁周波数 fe の正弦波か，あるいはそれに近い波形として説明する．しかし，本発明を実施する場合は三角波などでも良く正弦波に限るものではない．また，被計測電流 Ix の周波数は励磁周波数 fe よりも充分に低いかあるいは直流の場合で説明する．
【００４５】
図１３は，連結コア型差動方式の磁気コア１a と１b の合成磁束およびその差動値の波形を示した説明図である．磁気コア１a の合成磁束を Φca で示し，磁気コア１b の合成磁束を Φcb で示した．また，Φca と Φcb の差動値として，Φca
&#8722; Φcb の波形を Φdif で示した．磁気コアの合成磁束
Φc は図１０で説明したように，被計測磁界 Hx が０でない場合は正と負で対象にはならずに，正側と負側で振幅が異なる．図１０の特性で合成磁束 Φc の振幅は，被計測磁界 Hx と励磁磁界 He が同じ方向を向いた時には大きくなり，反対を向いた時に小さくなる．連結コア型差動方式の場合，図１２で示したように，磁気コア内の被計測磁界 Hx は，磁気コア１a と磁気コア１b
とでは，X 座標上で反対向きになる．従って，励磁磁界 He が向きを変えると，磁気コア１a と磁気コア１b 内では，励磁磁束は励磁磁界 He の半サイクルごとに被計測磁束に対して交互に同じ向きになったり反対向きになったりする．従って，それぞれの磁気コアの合成磁束は図１３に示したΦca およびΦcb のようになる．この図は被計測電流 Ix が０でないときの波形であるが，Ix = 0 の場合は Φca と Φcb の波形は重なり，その差動値は０になる． なお，上記説明ではX 座標上の向きについてのみ議論したが，これは，Y座標方向の磁束は図１２の検出コイルでは起電力に寄与せず無視できるからである．
【００４６】
図１２では，磁気コア１a の合成磁束をΦca と，磁気コア１b
の合成磁束をΦcb を別々に検出して，それぞれ検出電圧 Vda
と検出電圧 Vdb を得ている．Φca とΦcb の差動値Φdif を求めるためには， Vda と Vdb をそれぞれ積分してそれらの差分を得る方法や，Vda と Vdb の差分を求めてから積分する方法がある．このようにして磁気コア１a の合成磁束Φca と磁気コア１b の合成磁束Φcb の差動値Φdif を求めることにより，その大きさから被計測電流 Ix の大きさが求まり，励磁電流 Ie との位相関係により被計測電流 Ix の向きが判る．よって被計測電流 Ix の計測できる．これを具現化する方法については，電子回路のよる方法を後述する図１７から図２０で説明する．
【００４７】
図１４は，対向励磁型差動方式の構成と動作説明図である．この方式は，一方向の傾きを持つ磁気コア１を，部分的に反対向きに励磁することを特徴としている．この図に示した例では磁気コア１の両端付近にそれぞれ励磁コイル２a と励磁コイル２bとを配置して反対向きに励磁し，検出コイル３は磁気コア１の全体の磁束変化を捉えられるように配置している．この図においては，励磁コイル２a による，磁気コア１の左部分に発生する励磁磁束 Φe2a は，磁気コア１内の被計測磁束 Φx に対して同じ向きで，他方の磁気コア１の右部分に発生する励磁磁束 Φe2b は，磁気コア１内の被計測磁束 Φx に対して反対向きである．ここで，Φe2a と Φx の合成磁束を Φc2a とし，Φe2b
と Φx の合成磁束を Φc2b とする．この構造では，Φe2a と Φe2b とは反対向きになるために，打ち消して励磁磁束が得られないようであるが，実際には磁気コア１の中央付近から磁気コア１の外に漏れだして磁気コア１の両端付近につながる磁束を生じる．したがって，励磁磁束が打ち消し合って消滅することはない．次にこれらの磁束の関係と検出電圧 Vd について説明する．
【００４８】
図１５は，対向励磁型差動方式の磁気コア内の合成磁束およびその差動値の波形を示した説明図である．この図では，図１４の磁気コア１の右部分に生じる合成磁束 Φc2a を細い実線で示した．また磁気コア１の右部分に生じる合成磁束 Φc2b を細い破線で示した．Φc2a も Φc2b も，Ix が０でない場合は，何れも正と負が非対称になるが，図１５はその状態を示した．因みに図１３に示した連結コア型差動方式のΦca と Φcb とは，図１２で説明した通り，単一の励磁コイル２で励磁しているために同相である．しかし．対向励磁型差動方式のΦc2a と Φc2b とは励磁方向が反対向きで，図１５に示すように位相が反転している．よって，この両磁束の和が差動値になる．この磁束の和を得るためには，Φc2a と Φc2b の誘起電圧を単一の検出コイルに発生させればよい．ただし，磁束の差動値Φdif の波形を得るためには積分が必要である．さらに，検出電圧 Vd には直流成分は含まれていない．このようにして対向励磁型差動方式で差動値 Φdif を求めることができ，その大きさから被計測電流 Ix の大きさが求まり，励磁電流 Ie との位相関係により被計測電流 Ix の向きが判る．よって被計測電流 Ix の計測ができる．これを具現化する方法については，電子回路による方法を後述する図２１で説明する．
【００４９】
次に駆動回路について説明する．
【００５０】
図１６は，単一の検出電圧 Vd から計測値を求める方法を実現する駆動回路の例を示した説明図である．この方法の原理については図１１でも説明した．そこで，ここではそれを実現する電子回路について説明する．図１６において，左側の変成器の記号で示したコアとコイル群は本発明のセンサであり，磁気コア１と励磁コイル２と検出コイル３，および被計測電流 Ix と被計測導体６を表している．励磁コイル２には発振回路５１で発生させた交流信号を励磁アンプ５２で電力増幅して励磁電流 Ie を流す．検出コイル３の出力である検出電圧 Vd は積分回路５３で積分して磁気コア１内の磁束の波形を再現する．この信号は図１１で示した Vix または Vi0 であるが，ここでは Vi と表現する．Vi はサンプルホールド回路Ａ ５７a とサンプルホールド回路Ｂ ５７b に送られる．一方，発振回路５１の信号は移相回路５６によって位相調整された後，その立上りタイミングをサンプルホールド回路Ａ
５７a に供給し，同様に立下りタイミングをサンプルホールド回路Ｂ ５７b に供給する．
【００５１】
サンプルホールド回路Ａ
５７a の出力とサンプルホールド回路Ｂ ５７b の出力は比較回路５８で比較する．比較回路５８の出力は移相回路５６に帰還して移相量を調整する信号とし，比較回路５８の出力が零になるように移相量が決まる．この比較回路５８の出力が零のときの，サンプルホールド回路Ｂ
５７b の出力電圧とサンプルホールド回路Ａ ５７a の出力電圧とは同じで，図１１に示したタイミング波形の立上がりと立ち下がりのそれぞれのときの Vi の値が一致した時の電圧である．この値は被計測電流 Ix に比例した値である．この電圧をローパスフィルター（ＬＰＦ）５５を通して計測値出力を得る．
【００５２】
図１７は，連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例と駆動回路のブロック図を示した説明図である．連結コア型差動方式では検出コイル３a の検出電圧 Vda と検出コイル３b
検出電圧 Vdb との位相は同じである．従って両検出コイルを反対向きの極性で直列接続することにより，差動検出電圧 Vdd を得ることができる．図１７の検出コイルの接続はそのようになっている．得られた差動検出電圧 Vdd を積分することにより磁束の差動値 Φdif に比例した電圧を得ることが出来る．この Φdif に比例した電圧を励磁周波数 fe の2倍の周波数を参照信号として同期検波し，さらにローパスフィルターでその参照信号の周波数成分を除去すれば，その出力は，大きさが被計測電流 Ix の強さに比例し極性が向きを表す計測値出力になる．この図に示した，発振回路５１，励磁アンプ５２，積分回路５３，同期検波回路５４，LPF（ローパスフィルタ回路）５５の５つの回路は，後述の図１８，図１９，図２０に示した差動検出電圧 Vdd の信号処理，および図２１の検出電圧 Vd の信号処理で共通である．
【００５３】
図１８は，連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例と差動信号を得る方法の一例を示した説明図である．この図に示した検出コイルの接続方法は，検出コイル３a の検出電圧 Vda と検出コイル３b
の検出電圧 Vdb を，それぞれオペアンプの反転入力と非反転入力に接続して差動検出電圧 Vdd を得る方法である．
【００５４】
図１９は，連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例と差動信号を得る方法の一例を示した説明図である．この図に示した接続方法は，検出コイル３b の極性を反転させて接続することにより負極性の検出電圧&#8722;Vdb を得る．そして，検出コイル３a の検出電圧 Vda と加算することにより差動検出電圧 Vdd を得る．なお，この回路ではオペアンプで反転増幅されているために差動検出電圧
Vdd の極性が反転するが本質的な問題では無い．
【００５５】
図２０は，連結コア型差動方式のコイルの接続方法の一例を示した説明図である．この図に示した検出コイルの接続方法は図１９と同じであるが，オペアンプを使用しなくても差動検出電圧 Vdd を容易に得られることを示している．この回路では検出コイル３a と３bとの感度に差がある場合に，図の二つの抵抗の大きさの比率を変えることでバランス調整できる．これに対して，図１７に示した直列接続の場合は，差動検出電圧 Vdd を容易に得ることについては同じであるが，前記のバランスの調整はできない．
【００５６】
図１７から図２０に，連結コア型差動方式のコイルの接続方法の例と差動信号を得る方法の例を示したが，これらのコイルの接続方法は電子回路技術ではよく知られた方法である．この目的を達成する回路は他にもあり，ここに挙げた例に限られるものではない．
【００５７】
図２１は，対向励磁型差動方式のコイルの接続方法と駆動回路のブロック図を示した説明図である．この図に示したセンサ部分の接続は，図１４および図１５で説明した通りである．その一つ実施例としては，励磁コイル２a と励磁コイル２b でそれぞれ磁気コア１の異なる半分を反対向きに励磁して，磁気コア１の全体の磁束変化を検出コイル３で検出する．この対向励磁型差動方式では検出コイル３の検出電圧 Vd がすでに差動検出電圧 Vdd になっている．よって，検出電圧 Vd をそのまま信号処理すればよい．信号を処理する回路は連結コア型差動方式の場合と同じである．
【００５８】
次に磁気コアの実施例について説明する．
【００５９】
図２２は，連結磁気コアとその並列配置の例を示した説明図である．この図では黒く塗りつぶした部分が磁性材で，他の部分は非磁性材である．またこの図に示した磁気コアは形状磁気異方性の磁性材である．ここに示した例では，磁気コア１a と磁気コア１b は反対向きに傾斜しており，図の中央で連結している．このように磁気コア１a と磁気コア１b とが連結した状態のものが連結磁気コアである．連結磁気コアは一つでも連結コア型差動方式を実現できるが，これを複数使うことで感度や安定性の向上につながる．その際，この図に示したように配置すると効果的である．この配置にすると磁気回路は並列になる．そこでこれを並列配置と称する．
【００６０】
物質の磁化し易さには差があり，磁化され易いものを磁性材と呼ぶ．磁化され易さはすなわち磁気の通り易さでもあり，その度合いは磁化率や透磁率で表すことができる．磁気回路の考え方は磁界や磁束を電圧や電流の様に見立てて電気回路と同様に扱う考え方である．電気回路の抵抗に相当するものは磁気抵抗と呼ばれ，磁気の通り難さを表す．すなわち，磁気の通り易さである透磁率の逆数を磁気抵抗と呼び，通り難さを表す．磁気回路では磁束は電気回路の電流に相当し，必ず閉じたループになっている．しかし，磁気回路には電気回路と大きく異なる特徴がある．それは，磁気抵抗は電気抵抗のように大きな抵抗値を実現できないことである．最も大きな磁気抵抗は「真空」であるが，それでも最も磁気抵抗の小さい物質と比較して５桁程度の違いしかない．したがって，磁気回路においては特段の磁性材が存在しなくても，非磁性材や空気中を通って無視できない大きさの磁束がループを作る．これを励磁磁束について考えると，先に説明した磁気コアの励磁磁束は磁気コア内を容易磁化軸に沿って通り，磁気コアの端の部分などから空気中などに出て，反対側の端の部分などに入っている．ここで，「端の部分など」と言うのは，磁束は端の部分に集まり易いが他の部分からも出入りするからである．特に差動方式の場合は中央付近に磁束の出入りが集中する部分が生じる．また，「空気中など」と言うのは，センサの置き場所によっては真空中であったり他のガスであったり，あるいは樹脂などの充填材である可能性があるためである．
【００６１】
前記の説明でも解る通り，ここまでの説明では磁気コアを含む磁気回路には空気などの磁気抵抗の大きな部分がある．一定の磁界の下では磁気抵抗が大きいほど磁束は小さくなる．すなわち，所定の大きさの励磁磁束を得るためには，磁気抵抗が小さい方が励磁磁界が弱くて良いことになる．励磁磁界が弱くて良ければ励磁電流は小さくてよく効率的である．したがって，励磁磁束の磁気回路から空気などの高磁気抵抗の部分を減らすことが有意義である．そこで，その対策を次に説明する．以下の説明で「磁気回路を閉じる」と言うのは，磁気回路の磁路の殆どの部分を磁性材で構成して，空気中などに磁束が広がり難いようにすることを指している．前出の「閉じたループ」とは趣旨が異なる．
【００６２】
図２３は，磁気回路を閉じるための閉磁路コアの説明図である．この図の閉磁路コア４は磁気コア１a および １b の連結していない方の端，つまり連結磁気コア１０の両端を磁気的につないでいる．ここで，磁気的なつなぎや接続あるいは連結などは，必ずしも両方の磁性材が密着している必要は無く間隙があっても良い．それは前記の説明でも解るように磁気回路中に非磁性材の部分があっても磁気回路は充分に成り立つからである．したがって，図２３の場合も連結磁気コア１０と閉磁路コア４とは多少の間隙はあってもよい．この図のように閉磁路コア４を設ければ，連結磁気コア１０の両端間の磁気抵抗は閉磁路コア４がない時に比べ極端に小さくなる．このようにすると，励磁電流が小さくて良くなるとともに励磁磁束が周囲の空間に広がらなくなり周囲の影響を受け難くなる．なお，励磁コイルや検出コイルは連結磁気コア１０と閉磁路コア４の間に挟まった状態にする．この状態は図２７や図２８，または図３１に示す通りである．なお，連結磁気コアと閉磁路コアは入れ替ってもよい．
【００６３】
図２３の連結磁気コア１０は図２２に示した並列配置になっている．そして，連結磁気コア１０の連結部と，隣接する閉磁路コア４とは丁度重なるように配置してある．これは必要条件ではないが，磁気コアの連結部付近から漏れる磁束を閉磁路コア４で受け止めるためである．これにより磁気回路はより閉じられた状態になる．
【００６４】
図２４は，連結磁気コアを用いた閉磁路コアの説明図である．これは閉磁路コアを連結磁気コア１０と同様の形状にしたものである．このようにすると，図２３で説明した閉磁路コアの役目の他に，連結磁気コア１０と同様に検出機能を有するようになる．この図の場合でも閉磁路コア４の中央部分と連結磁気コア１０の中央部分とは重ねていて，図２３で説明した中央部分から漏れる磁束を捕捉するようにしている．
【００６５】
図２３および図２４で説明した閉磁路コアと連結磁気コアとの重なり方については，厳密でなくても閉磁路コアの機能は発揮される．しかし性能を向上するためには閉磁路コアを採用する目的を発揮できるように配置を最適化する必要がある．
【００６６】
図２５は，結晶磁気異方性の磁性材を用いた連結磁気コア集合体の説明図である．結晶磁気異方性の磁性材は電磁鋼の方向性鋼板などに使われていて，珪素鋼板を圧延して作る時に結晶が並ぶようにして圧延方向に磁化軸を整列させている．この材料は変圧器のカットコアによく利用され，磁束密度を上げ漏れ磁束を少なくするために用いられる．図２５の左側の図は，そのような結晶磁気異方性磁性材の薄い鋼板の図である．この図において磁化容易軸は多数の細い線を引いた方向であり，その方向を図中に太い矢印でも示した．この鋼板を図中の二点鎖線で示した「切出し線」に沿って切断して切出す．切出された鋼板は斜めに磁化容易軸を持ち，無数の磁気コアを並列配置した状態になる．これを磁気コア集合体と称する．図２５の右側の図は，切出した磁気コア集合体を２枚並べた図であるが，これは連結磁気コアを無数に並列配置した状態と同じである．これを連結磁気コア集合体と称する．なお，磁気コア集合体１２は切出した後裏返しにしている．
【実施例１】
【００６７】
図２６は，連結コア型差動方式の実施例の説明図である．ただし，駆動回路は示していない．同図において中心線「ハ」で示した図は完成図である．中心線「イ」で示した図は組立てる前の各要素を示している．中心線「ロ」で示した図は組立て中の図である．この実施例では，円筒形の支持体に複数の連結磁気コア１０を取付けている．取付け方法は磁性材により異なるが，例えば，ねじ止め，貼付け，蒸着，メッキ，一体成形，インサート成形などあり，磁気的条件を満たせば取付け方法は問わない．この連結磁気コア１０の磁気コア１a 側の外周に検出コイル３aを配置し，磁気コア１b の外周に検出コイル３b を配置する．配置方法は直接巻回する方法や，予め空芯コイルを作っておき挿入する方法などあるが，方法は問わない．さらにこの外側に励磁コイル２を配置する．励磁コイル２の配置方法も特定の方法を指定するものではない．なお，励磁コイル２は検出コイル３の内側に配置してもよく，必要なことは，コイルや磁気コアが動作原理で説明した通りに磁気結合していれば良い．したがって各コイルが磁気コアの内側にあってもよく，内側と外側に別けてもよい．なお，同図に示す実施例１では磁気コアの材料はアモルファスリボンを用いて，ガラスエポキシでできた円筒形の支持体の外側に粘着材で貼付けた．コイル類は同図に示す順序で直接巻回した．この実施例では磁気コアと検出コイルと励磁コイルと閉磁路コア，および，スペーサや固定に用いた材料を全て合わせても検出部分の厚さは１ｍｍ
程度である．
【００６８】
図２７は，閉磁路コアを採用した連結コア型差動方式の実施例の説明図である．前記の図２６に示した状態でセンサ機能は発現するが，図２３で説明したように閉磁路コアを設けると性能の向上が期待できる．そこで，図２６の実施例に閉磁路コア４を配置したのがこの図２７である．この図の閉磁路コアは図２３で説明した通りであり，円周方向には磁気ギャップがある．これは被計測電流 Ix による磁気飽和が起り難い効果があるが，被計測電流 Ix が小さい場合など磁気飽和を問題としなければ磁気ギャップをなくして全体がつながった状態でもよい．
【００６９】
図２８は，閉磁路コアに連結磁気コア構造を採用した連結コア型差動方式の実施例の説明図である．この実施例は図２６で説明した実施例の外周に，図２４で説明した閉磁路コアを配置している．このようにすると，磁気回路が閉じる効果のほかに，閉磁路コアの検出機能が働くために検出能力が向上する効果がある．
【実施例２】
【００７０】
図２９は，連結コア型差動方式で，クランプ式にした実施例の説明図である．この実施例は図９で説明した原理的構造を実施した例である．全体としては円筒状をしており，その円筒を円周上で２分割して，センサユニットUaとセンサユニットUbとに分ける．センサユニットUaとセンサユニットUbはそれぞれ単独で本発明の電流センサの機能を有する一単位である．よって，ここではセンサユニットUbを代表にしてその構造を説明する．この実施例の磁気コアは，フェライト磁性材で連結磁気コア１０の形状に製作し，これを図に示すように円弧上に並列配置して固定する．この際各連結磁気コア１０は隙間を設けて固定する．次に検出コイル３a とを検出コイル３b を巻くが，図２６で説明した実施例１と異なるのは，各コイルは円周上を周回せずに，円弧上に配置した連結磁気コア１０の外周側と内周側を通って巻いていることである．さらに励磁コイル２も同様に巻回する．この様にすれば被計測電流 Ix をクランプすることができて既設の配線の電流を計測するのに便利である．この実施例の駆動回路はセンサユニットごとに２系統設けても良いが，実用的にはセンサユニットUaとセンサユニットUbのコイルを接続するなど，既知の技術で処理して１系統の駆動回路にすることができる．
【００７１】
図３０は，図２９で説明した実施例２の考え方を拡張して多数のセンサユニットUaからUfを設けた実施例である．この実施例の長所は直径の大きな導体に流れる電流を計測する際に便利である．例えば直径が１ m 程度にもおよぶような既設のパイプラインの防食電流を，パイプラインを切断すること無く計測する場合に便利である． 鋼管はその周辺との電位を適正に保つことで腐食を防ぐことができる．そこで，パイプラインには電圧を印加しているが，パイプラインは絶縁被覆はしてあるものの，ピンホールや傷の部分を通して電流が流れる．この電流を知ることでそのパイプラインの腐食状態などを知る技術があり，電流センサを設置して集中監視することが考えられている．この様にすれば腐食だけではなく，災害や事故による障害を即座に知ることができて安全性が向上する．ところが，パイプラインは非常に長い設備であるために，電源部分で電流を測っても異常個所の位置を判断することができず有益ではない．そこで，２&#12316;３ｋｍの間隔で計測して，任意の区間の両側の電流の差からその区間内で漏れている電流が判り，その区間の状態を知ることができる．このような用途に使う電流センサはパイプラインの敷設作業でセンサを壊さないためにも，また，既設のパイプラインに設置する場合にもクランプ式が求められる．さもなければパイプラインを切断しなくてはならなくなり実用にはならない．
【００７２】
前記の防食電流は通常は数十ｍＡ程度であり，さらにパイプの直径が数十ｃｍを越えるとそこに発生する磁界は小さく，従来のホール素子型の電流センサでは計測ができなかった．また，他の従来の電流センサでもクランプ式にできなかったり感度不足であるなどして，実用化できていない．したがって，前記の監視システムは研究は続けられているがまだ実用化にはおよんでいない．本発明の電流センサは，被計測電流 Ix が発生する磁束方向には始めからコアの間隙があり，クランプ式にしても新たな課題が生じることがない．また，励磁の方向はセンサの軸方向であり，センサの直径やクランプ構造とは関係がなく，実施例では数ｍＡの電流を計測ができることが判っている．このように本発明はパイプラインの防食電流の計測にも有用である．
【実施例３】
【００７３】
図３１は，一部を切開および透視して内部が解るようにした，チップ素子サイズの実施例を示す説明図である．この実施例では被計測電流 Ix を流す被計測電流導体６は予め配置されており，図２６の実施例１のように使用時に貫通するものではない．この実施例の磁気コアは図２５で説明した磁気コア集合体または連結磁気コア集合体を用いることで，小さな磁気コアを一つずつ配置する必要はなく，製作を容易にすることができる．他にも各要素をMEMS技術で製作することができより小さく作ることができる．従来の検出コイル方式ではトロイダル巻きが必要で，トロイダルコアやコイルの製作方法だけでなく，被計測電流を流す導体とコアやコイルの空間的位置や向きの都合で，チップ素子サイズにまで小さくすることは実用的コストでは製作に困難があった．しかしこの実施例は，コアは平板でよく，コイルはソレノイド巻きでよいために製作は容易であり，トロイダル巻きに比較してより小さくできる．さらに，駆動回路を集積回路にして，センサ部分と同一のパッケージ内に収納することもできる．
【００７４】
図３２は，図３１のＡ&#8722;Ａ断面図である．また図３３および図３４は被計測電流導体６と連結磁気コア集合体１３と閉磁路コア集合体４３の三者の配置関係を示している．この実施例の構造は中央に被計測電流導体６があり，この被計測電流導体６を挟むように２枚の連結磁気コア集合体１３を被計測電流導体６の上下に配置する．その上から図３１に示すように検出コイル３と励磁コイル２を巻く．さらにその上下に閉磁路コア集合体４３を配置する．この実施例の実際の厚みについて説明する．まず，被計測電流導体６が 0.5 mm の銅板，連結磁気コア集合体１３と閉磁路コア集合体４３がそれぞれ 0.05
mm の絶縁処理した極薄珪素鋼帯，コイルが直径 0.07 mm で２層，この寸法を図２３にしたがって合計すると， 0.98 mm になる．この寸法に製造上の余裕やエポキシパッケージなどの寸法を入れても
3mm の厚さには充分に収まる．この厚さはモバイル機器等の部品として許容される寸法である．さらに，この寸法の算出例は離散的部品を組立てた例であるが，MEMS 技術を用いればさらに小型化できる．
【００７５】
次に一実施例の実験とその結果を示す．
【００７６】
図３５は，磁気コアの材料をアモルファスリボンにした実施例１の入出力特性の実測値のグラフである．実験に用いた実施例の構造は図２７と同じである．この特性測定における差動検出電圧の求め方は，図２０に示した接続方法で行った．また駆動回路は図１７に示した回路構成から積分回路５３を省いた構成で行った．本発明を駆動する回路は磁気コア内の合成磁束 Φc を再現してから検波した方が高精度にできるが，励磁電流 Ie が正弦波かそれに近い場合は積分回路５３が無くても充分に機能する．この図のグラフにおいて，縦軸は差動検出電圧 Vdd の実効値である．横軸は被計測電流 Ix である．この特性測定に用いた実施例１は直径が約20 mm で長さも約20 mm である．励磁コイルの巻数は70ターンで，２つの検出コイルはそれぞれ30ターンずつである．励磁周波数 fe は49 kHz，励磁電流 Ie は66 mA である．この入出力特性グラフから，この実施例１は 70 mV/A の感度であることがわかる．また，ヒステリシスは比較的小さく，フルスケールに対して0.01 % 以下であった．図３５のグラフは，被計測電流 Ix を 0 A から 10 A にして，次に再び 0 A を経由して -10 A にし，最後に 0 A に戻している．このようにすると，ヒステリシスが顕著な特性では，Ix = 0 A
近傍で上下に膨らんだループ状の特性グラフになる．しかし，このグラフではそのような傾向は見出せず，前記とおりヒステリシスが小さいことがグラフからも伺える．
【００７７】
図３６は，磁気コアの材料をフェライトにした実施例１の入出力特性の実測値のグラフである．この特性測定の差動信号の求め方も，図２０に示した接続方法で行った．また駆動回路は図１７に示した回路構成から積分回路５３を省いた構成で行った．本発明を駆動する回路は磁気コア内の合成磁束 Φc を再現してから検波した方が高精度にできるが，励磁電流 Ie が正弦波かそれに近い場合は積分回路５３が無くても充分に機能する．この図のグラフにおいて縦軸は差動検出電圧 Vdd の実効値である．横軸は被計測電流 Ix である．この特性測定に用いた実施例１は円筒形ではなく正方形の筒状にした．この正方形の一片の長さは約 20 mm で，筒の長さは約 25 mm である．また，閉磁路コアは採用していない．励磁コイルの巻数は70ターンで，２つの検出コイルはそれぞれ30ターンずつである．励磁周波数は10 kHzで，励磁電流 Ie は150
mA である．
【００７８】
前記，図３５および図３６の特性から，磁性材の材料や形状およびコイルの巻数や励磁周波数が変わることで特性が大きく変化することがわかる．これは，設計に自由度があり，ニーズに合わせた最適化が可能であることを示唆してる．
【産業上の利用可能性】
【００７９】
二酸化炭素排出抑制やエネルギー枯渇などの問題解決の一手段として，太陽光発電や電気自動車等の実用化が進められ，徐々に普及しているのは周知の通りである．また，家庭で使う従来の交流電力も消費する際はほとんどが直流に変換して使用されている．この交流から直流への変換を家電品が個別に行うよりも一括して行った方がはるかに効率が良く，屋内直流給電も開発が進んでいる．このように例挙に事欠かないほどに直流電力の利用が進んでいる．しかし，直流電力を安全で効率よく利用するにはまだ課題があり，その一つに直流電流計測の課題がある．これには，従来は専ら交流を利用していたために直流の計測技術が交流に比べて遅れている歴史的背景もある．
【００８０】
現状は，比較的大きな電流の計測ではホール素子方式が圧倒的主流であり，ほぼ全てと言ってもいいくらいである．したがって，現在の直流大電流センサの課題はホール素子方式の課題とも言える．具体的には，１）ホール素子自体と集磁コアの双方にヒステリシスがあり精度が低い．２）これを押さえるための磁気平衡式では逆磁界発生のためのトロイダル巻きが必要で，その巻数は，フルスケール１００Ａの場合２０００ターン以上におよぶ．３）集磁コアの断面積の確保と逆磁界発生のためのトロイダル巻きのために寸法が大きくなる．あるいはチップ素子サイズまでは小さくできない．４）ホール素子は半導体であるために使用温度範囲が狭く，高温では極端に寿命が短くなる．その他，電流センサの種類と課題は冒頭の背景技術でも述べた通りである．
【００８１】
本発明は，１）ヒステリシスがフルスケールに対して0.01 % 以下と小さくできて，ホール素子方式に比べて数十分の一でありより高精度にできる．２）この性能から逆磁界発生のためのトロイダル巻きは不要であり，製造コストが上がらない．３）実施例１でも述べた通り，検出部分の厚さは従来のものに比べて薄く，実用では被計測電流用のケーブルよりも僅かに直径が膨らむ程度の寸法でよく占有空間が少ない．また，実施例３で示したようにさらに小さくでき，従来の方法ではできなかったチップ素子サイズの非接触電流センサが実現できる．これはモバイル機器などで有用である．４）原理が検出コイル方式であるために，検出部分には半導体は使用していない．必要なのは磁性材とコイルであり，劣化し難く対環境性がある．放射線にも強く宇宙や原子炉，あるいは電子や素粒子の加速器でも使用できる．また，１００℃を越えるような環境でも長期間使用できる．ただし，磁性材のキュリー点以下の温度に限られる．
【００８２】
さらに，実施例２で示したようにプラン式もできるが，この際，円周上に配置された各連結磁気コアがそれぞれセンサとして働き，ホール素子方式のように，検出機能が特定の場所に集中しないために，感度と耐外乱性で優位である．
【００８３】
このように本発明は，直流交流両用で，精度，コスト，寸法，安定性をバランスよく向上しており，従来の技術では困難だった新しいニーズに対応でき，直流電力利用技術の向上の足枷になっている直流電流計測問題を改善することにより，関連製品の実用化や高性能化に貢献し，ひいてはエネルギー問題にも貢献する有益な技術である．
【符号の説明】
【００８４】
１              磁気コア
10              連結磁気コア
11              磁気コア集合体
12              磁気コア集合体
13              連結磁気コア集合体
1a              磁気コア
1b              磁気コア
2               励磁コイル
2a              励磁コイル
2b              励磁コイル
3               検出コイル
3a              検出コイル
3b              検出コイル
4               閉磁路コア
43              閉磁路コア集合体
51              発振回路
52              励磁アンプ
53              積分回路
54              同期検波回路
55              ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
56              移相回路
57a             サンプルホールド回路A
57b             サンプルホールド回路B
58              電圧差分演算機能
59              オペアンプ
6               被計測電流導体
【００８５】
a               磁気コア群
b               磁気コア群
Ie              励磁電流
Ix              被計測電流
Ix-A            被計測電流
Ix-B            被計測電流
Ix-C            被計測電流
B               磁束密度
Ds              差動信号
H               磁界
Hc              合成磁界
He              励磁磁界
Hea             励磁コイル２aが発生する励磁磁界＠
Heb             励磁コイル２bが発生する励磁磁界＠
Hx              被計測磁界
Hx-A            Ix-A
による磁界
Hx-B            Ix-B
による磁界
Hx-C            Ix-C
による磁界
Hx-a            Hx-A の磁気コア１方向の成分
Hx-b            Hx-B の磁気コア１方向の成分
Hx-c            Hx-C の磁気コア１方向の成分
P               真空中においた検出コイルに電流を流した場合に生じる磁束上の任意の点        
Ua              センサユニット
Ub              センサユニット
Uc              センサユニット
Ud              センサユニット
Ue              センサユニット
Uf              センサユニット
Vd              検出電圧
Vda             検出コイル３aの検出電圧
Vdb             検出コイル３bの検出電圧
Vdd             差動検出電圧
Vi              検出電圧積分値で Vix と Vi0 の両方を含む
Vix             Ix
≠ 0 のときの検出電圧積分値
Vi0             Ix
= 0 のときの検出電圧積分値
X               直交座標のX軸
Y               直交座標のY軸
Φc             合成磁束
Φc2a           Φe2a
と Φx の合成磁束
Φc2b           Φe2b
と Φx の合成磁束
Φca            合成磁束
Φcb            合成磁束
Φdif           磁束の差動値
Φe             磁気コア内の励磁磁束
Φe2a           対向励磁型差動方式において励磁コイル 2a により発生する励磁磁束
Φe2b           対向励磁型差動方式において励磁コイル 2b により発生する励磁磁束
Φea            磁気コア１a内の励磁磁束
Φeb            磁気コア１b内の励磁磁束
Φx             磁気コア内の被計測磁束
Φxa            磁気コア１a内の被計測磁束
Φxb            磁気コア１b内の被計測磁束
θ              励磁磁界と磁気コアが成す角で，励磁磁界に対する磁気コアの傾斜角
【００８６】
イ              実施例１の各要素を示した図の中心線
ロ              実施例１の各要素を組立てる途中を示した図の中心線
ハ              実施例１の各要素組立完成図の中心線
ニ              実施例１の各要素組立完成品に閉磁路コアを付加した図の中心線
【図１】
2013238500.tif 000003
【図２】
2013238500.tif 000004
【図３】
2013238500.tif 000005
【図４】
2013238500.tif 000006
【図５】
2013238500.tif 000007
【図６】
2013238500.tif 000008
【図７】
2013238500.tif 000009
【図８】
2013238500.tif 000010
【図９】
2013238500.tif 000011
【図１０】
2013238500.tif 000012
【図１１】
2013238500.tif 000013
【図１２】
2013238500.tif 000014
【図１３】
2013238500.tif 000015
【図１４】
2013238500.tif 000016
【図１５】
2013238500.tif 000017
【図１６】
2013238500.tif 000018
【図１７】
2013238500.tif 000019
【図１８】
2013238500.tif 000020
【図１９】
2013238500.tif 000021
【図２０】
2013238500.tif 000022
【図２１】
2013238500.tif 000023
【図２２】
2013238500.tif 000024
【図２３】
2013238500.tif 000025
【図２４】
2013238500.tif 000026
【図２５】
2013238500.tif 000027
【図２６】
2013238500.tif 000028
【図２７】
2013238500.tif 000029
【図２８】
2013238500.tif 000030
【図２９】
2013238500.tif 000031
【図３０】
2013238500.tif 000032
【図３１】
2013238500.tif 000033
【図３２】
2013238500.tif 000034
【図３３】
2013238500.tif 000035
【図３４】
2013238500.tif 000036
【図３５】
2013238500.tif 000037
【図３６】
2013238500.tif 000038