(57)【要約】  非接触電流センサは、通電導体を取り囲むギャップがある磁性コアを含む。磁歪要素は、前記ギャップがある磁性コアに機械的に接合されている。前記通電導体内を流れる電流は、前記磁歪要素を流れる前記磁性コア内の磁場を誘導する。前記ギャップがある磁性コアは、前記磁歪要素が機械的に接合した取付部を備える。前記取付部は、前記磁歪要素内の磁束を増加させる形状を有する。歪みゲージは、磁束によって誘導された前記磁歪要素の変位を測定するために、前記磁歪要素に機械的に接合している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電導体を取り囲み、第１及び第２取付部の間に配置されたギャップを含み、前記第１取付部が磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部が磁場の方向に増加する断面積を有し、前記各取付部は略平面の取付面を含む磁性コアと、
前記通電導体によって発生した磁場の経路に配置され、前記取付面に機械的に結合した磁歪要素と、
前記磁歪要素に機械的に結合した歪みゲージと、を有する磁歪電流センサ。
【請求項２】
前記磁歪要素は、前記磁性コアの外部に機械的に結合している請求項１の磁歪電流センサ。
【請求項３】
前記磁歪要素は、前記取付面の表面部分を略覆うのに充分なサイズである請求項２の磁歪電流センサ。
【請求項４】
前記磁歪要素は、セミフレキシブルな接着剤で前記取付面に接着されている請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項５】
前記歪みゲージは、前記磁歪要素に強固に固定されている請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項６】
前記磁歪要素は、鉄ガリウム合金で構成される請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項７】
前記磁歪要素は、鉄テルビウムジスプロシウム合金で構成される請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項８】
前記磁歪要素は、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄを含有する請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項９】
中空磁性コアを選択することと、
前記中空磁性コアにギャップを形成することと、
前記磁性コアに第１及び第２取付部を形成し、前記第１取付部は、誘導された磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部は、誘導された磁場の方向に増加する断面積を有することと、
磁歪材料を前記第１及び第２取付部に接着することと、
歪みゲージを前記磁歪材料に固定することと、を含む磁歪電流センサを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年３月１０日に出願され、参照によりここに取り入れられた非接触磁歪電流センサと題された米国仮出願シリアル番号６１／９５０，８１５の利益を主張している。
【０００２】
本発明は、磁歪材料を用いる非接触電流感知のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
電流信号モニタは、特にチャレンジングである。ホール効果センサは、閉ループであるものの、より典型的な電流測定方法は、開ループである。電流測定に用いられる現在の方式は、抵抗分流器、電流トランスフォーマ、ホール効果（ローレンツ力）、および、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）の４つの主なカテゴリに分類される。これらの各アプローチは、それぞれ実際的な困難および制限がある。表１は、これらの各アプローチが直面するいくつかの問題をまとめている。
【表１】
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【０００４】
しかしながら、マグネトダイオード（高非線形且つ温度依存）やマグネトトランジスタ（ノイズ、非線形性、温度依存、大オフセット値のより高いレベル）などの個体ソリューションに対しては追加的な作業があり、現在まで、それらの性能によって、あらゆる商業的な発展が阻害されている。磁場センサに基づいた光ファイバの発展のためにファラデー効果を利用する利益もあるが、磁場センサは、取得するのが複雑かつ高価で、取り付けづらく、光電変換が必要であり、空間環境においてラッチアップを受けやすい。
【０００５】
多くのアプリケーションにとって、電流センサを取り付けることはよりチャレンジングになり得る。これは、測定ソリューションは、高ガルバニック絶縁、高精度、放射効果耐久性、広い温度作動、そして決定的には、非常に低い周波数まで交流電流及び直流電流の両方を測定可能なことが求められる場合があるためである。そして、効果が高く、コンパクトで、軽量で、低複雑な要求を満たすことができる熱効果を受けない電流センサに対するニーズがある。
【０００６】
本発明者等に知られた１つのアプローチは、磁歪材料の特性を利用することである。磁歪材料は、磁気的及び電気的挙動を結びつける材料である。特に、当該材料は磁場に晒される際に形状を変える。このような材料としては、テルフェロール（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ）やガルフェノール（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）がある。通電コンジットに隣接した磁歪要素を配置することによって、電流によって引き起こされた磁場が、歪み（ΔＬ／Ｌ）を誘導すべく磁歪材料と相互に作用する。図１は、自由端が通電ケーブル１に近接して配置され、それに付随した磁歪要素２を有する剛性支持部５を伴うカンチレバー梁４の装置である。圧電要素３は、磁歪要素２の片側に固定されている。電流１９が流れる際、マクスウェル方程式は、電流１９が、磁歪要素２で生じる軸方向歪みを引き起こす磁場を誘導することを述べている。そして、この歪みは、圧電性であり、電位を生み出す結合した圧電要素に移送される。この電圧は、監視されている電流１９の強度に比例するが、磁歪要素の歪みを誘導する電流は非常に小さい。圧電材料の直接効果誘電率は低いことが知られているため、磁歪挿入の歪みを圧電材料に結合させることは、無視可能でノイズやその他の測定阻害問題を解決しなければならない場所への既に非常に小さな信号を大幅に減少させる。
統計学的に充分な電流の範囲の測定を許容するために、電流のアンペア毎に磁歪要素の充分な大きさの歪みを誘導する磁歪に基づいた電流検知装置へのニーズは残る。磁歪要素の誘導された歪みの変換において、最小の信号損失を示す磁歪に基づいた電流検知装置へのニーズもある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、監視される電気ケーブル又は装置において、アンペア流れ毎の抵抗出力信号に格段に大きな変化を規定し、かつ、この増加した信号強度が温度に依存しないことを保証する直流及び交流の両方の測定を可能とする新規な電流センサを提供する。当該発明は、ケーブル又は装置内を流れる電流と電気抵抗の変化との間の比例関係を提供すべく、磁気的、磁歪的、抵抗式歪みゲージ材料の組み合わせを利用している。
ある態様において、磁歪電流センサは、通電導体を取り囲む磁気コアを含む。当該磁気コアは、第１及び第２取付部の間に配置されたギャップを含む。前記第１取付部は、前記導体によって誘導された磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部は、当該磁場の方向に増加する断面積を有する。磁歪要素は、磁場の経路に配置され、前記取付部の取付面に機械的に結合している。歪みゲージは、前記磁場によって誘導された前記磁歪要素の変位を測定すべく、前記磁歪要素に機械的に結合している。
別の態様において、磁歪電流センサを製造する方法は、中空磁気コアを選択することと、当該コアにギャップを形成することと、を含む。そして、第１及び第２取付部が、前記磁気コアに形成される。前記第１取付部は、前記誘導された磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部は、前記誘導された磁場の方向に増加する断面積を有する。そして、磁歪材料は、前記第１及び第２取付部に接着され、歪みゲージが当該磁歪材料に固定される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明者等に知られた磁歪電流センサを示している。
【図２】図は、本発明のある態様に応じた電流センサを示している。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明のある態様に応じた電流センサの上面図を描写している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの電流センサの側面図を描写している。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの電流センサの正面図を描写している。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のさらに別の態様に応じた電流センサの上面図を描写している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの電流センサの側面図を描写している。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａの電流センサの正面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、導体を流れる電流の変化から生じる磁歪要素の歪みの変化を測定する磁歪に基づいた電流センサに関する。通電導体内の電流は、「右手の法則」に従って磁場を誘導する。当該磁場は、閉磁路を形成するために、導体を取り囲むフェライトなどの任意の磁性材料によって閉じ込められる。また、当業者に知られるように、磁気エネルギーと機械的歪みとの結合が生じる場合の材料は磁歪であり、当該結合現象は双方向的である。このように、前記磁場は、方向に前記磁歪要素内に発生する歪みを引き起こす。また、略線形である磁歪材料における歪み対磁場の反応の有効な部分がある。
【００１０】
本発明は、通常、電気導体１を取り囲むギャップのある磁性コア１０を含む磁歪電流センサに関する。図２に示されるように、ページに流れ込む導体１内の電流１９は、磁歪要素２内に続く矢印１１によって表された方向に、磁性コア１０内に磁場を作り出す。磁性コア１０は、ギャップ１４と、ギャップ１４を跨って磁性コア１０に機械的に接合した磁歪要素２とを含む。歪みゲージは、磁歪要素２と機械的に接合している。
【００１１】
図２に示されるように、磁歪要素２は、ギャップ１４を橋渡しするために磁性コア１０に取り付けられる。本発明のある態様を踏まえて、磁歪要素２は、ギャップ１４において磁性コア１０の形状を規定するために磁性コア１０の外表面に取り付けられ、磁歪要素２のサイズは、磁歪要素２内の磁束密度を増加させるように選択される。従って、磁場１１は、磁性コア１０及び磁歪要素２を介した１つの連続した経路を形成する。磁場１１は、磁歪要素２の機械的変位を誘導するが、これは導体１を流れる電流１９に比例する。
【００１２】
本発明を踏まえて、磁歪要素２を磁性コア１０の外表面に取り付けることによって、磁歪要素２は、磁性コア１０を通過する磁場１１と一直線になった長手方向において、ほぼ自由な歪み特性を有することができる。磁歪要素２及び磁性コア１０は、同様に高い透磁率を有するため、磁場１１を含有する低抵抗経路を提供する。このように、当該磁場は、ギャップ１４を介してではなく、磁歪要素２を介して磁性コア１０から伝わってくるため、連続した閉磁路が提供される。
【００１３】
磁場コア１０のギャップ形状を介して磁歪要素２内の磁束密度を増加させることは、磁歪要素２の誘導された歪みの変化を引き起こす。すなわち、磁歪要素２に付与された磁場１１の密度は、磁歪要素２歪みの振幅と、導体１を流れる電流レベルと、の間での供給電圧に比例した関係を制御する。ケーブル１を流れる電流に対応する磁歪要素２の領域における磁場１１の集中は、電流センサ７のゲインの直接的な制御を提供する。また、磁歪要素２内の磁束密度が不充分であると、正確な測定に不適当な機械的歪みを引き起こす。
【００１４】
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の電流センサの高感度な態様を描写している。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、大きな磁歪要素７は、磁性コア１０ａに機械的に接合しており、磁性コア１０ａは、ページに流れ込む電流１９と共に、導体１を取り囲んでいる。磁性コア１は、第１及び第２取付部１５及び１６を含む。第１取付部１５は、磁場の方向に減少する断面積を有し、第２取付部１６は、磁場の方向に増加する断面積を有する。いくつかの態様では、第１及び第２取付部は、互いに鏡像である。各第１及び第２取付部は、磁歪要素２が機械的に接合された略平面の取付面２０，２２を含む。磁歪要素２は、略平面の取付面２０の全表面を実質的に覆うのに充分なサイズであってもよい。図３Ｃに描写されているように、大きな磁歪要素２と取付部１５及び１６の形状との組み合わせは、大きな磁歪要素２内で適度な磁束密度２１を引き起こし、電流センサに適度なゲインの結果をもたらす。
【００１５】
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の電流センサの低感度な態様を描写している。図４Ａ〜図４Ｃにおいて、小さな磁歪要素は、磁性コア１０ａに機械的に接合しており、磁性コア１０ａは、ページに流れ込む電流１９と共に、導体１を取り囲んでいる。磁性コア１は、第１及び第２取付部１５及び１６を含む。第１取付部１５は、磁場の方向に減少する断面積を有し、第２取付部１６は、磁場の方向に増加する断面積を有する。いくつかの態様では、第１及び第２取付部は、互いに鏡像である。各第１及び第２取付部は、磁歪要素２が機械的に接合された略平面の取付面２０，２２を含む。磁歪要素２は、略平面の取付面２０の全表面を実質的に覆うのに充分なサイズであってもよい。図４Ｃに描写されているように、小さな磁歪要素２と取付部１５及び１６の形状との組み合わせは、大きな磁歪要素２内で高い磁束密度２３を引き起こし、電流センサに高いゲインの結果をもたらす。
磁歪要素２の変位又は歪みを測定するために、歪みゲージ７が、磁歪要素２に機械的に接合している。図２は、高強度接着性を有する磁歪要素２の略平面への歪みゲージ７を示している。いくつかの態様では、歪みゲージ７は、弱い又は弾力的な接着だと歪みゲージ７と磁歪要素２との接合が悪くなるため、磁歪要素２に強固に接着してもよい。歪みゲージ７は、磁歪要素２に存在する歪みに比例する抵抗の変化を示すが、これは導体１を流れる電流を表す。いくつかの態様では、歪みゲージ７は、歪みゲージ内に存在する熱ドリフトを補填するために、ホイートストンブリッジの構成に設定することができる。その他の態様では、歪みゲージ７は、フォイル型であってもよい。
【００１６】
本発明は、磁歪装置を用いて電流を測定するための方法を実現している。通電ワイヤは、磁性コア１０のような磁性コアを通過し、当該コアが当該ワイヤに触れることなく当該ワイヤを取り囲むように配置されている。磁性コアは、ワイヤから磁歪要素２のような小さな磁歪要素内へ磁束部分を集中させている。当該磁束は、ワイヤ内の電流に比例する磁歪要素の変位を作り出す。当該磁歪要素の変位は、導体内の電流を算出するために使用されてもよい抵抗に変換する歪みゲージ７のような歪みゲージを使用して計測される。
【００１７】
本発明は、電流センサに基づいた磁歪材料を構成するための方法を実現している。エアギャップは、磁性コア１０のギャップ１４のような閉じた磁性コアに加工される。第１及び第２取付部は、磁性コアに形成され、各取付部は、略平面な取付面を具備する。小さな磁歪要素は、磁性コアのエアギャップのサイズより若干大きい寸法に加工される。磁歪要素が形成された後に、いくつかの態様において、装置の全体的な性能（磁場対歪み特性）を向上させるために、歪みはアニールされる。また、磁歪要素とゲージとの充分な接合を確保するために、磁歪要素が受けた範囲で歪みを測定することができるフォイル型又はホイートストンブリッジの歪みゲージが選択され、高強度な接着性又はその他の固定方式を有する磁歪要素に接合される。磁歪要素及び接合された歪みゲージは、図２の装置にあるようなセミフレキシブルな接着性を有する磁性コアに固定される。当該セミフレキシブルな接着性は、磁歪要素の動作を厳しく制限することなく装置が構造的に保持されることを可能にする。電気的接続が歪みゲージになされ、通電導体は磁性コアを通過する。導体内の電流は振幅を変化させるので、出力で測定される抵抗は比例的な変化を示し、そのため非接触検知性能が提供される。取付部１５及び１６は台形として図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜Ｃに描写されているが、本発明の態様に応じて、取付部１５及び１６は多くの異なる形状構造を有してもよい。同様に、磁歪要素２は、適度な磁束密度が、接合された歪みゲージで正確に測定される磁歪要素に現れるのであれば、様々なサイズかつ形状であってよい。磁性コアは、様々な考えられる磁性材料又は磁性複合物で製造されてよい。前述された磁性コアは、トロイダルであってよいが、コアが実質的に導体を取り囲んでいれば、大部分が正方形又は卵形などのその他の形状を選択することもできる。
【００１８】
ここで使用される用語は、個々の態様を記載する目的のためだけであり、本発明を限定する意図はない。ここで使用されるように、単数の形態である「ａ」，「ａｎ」，「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにその他を示していない限り、複数の形態も含むことを意図する。基礎的な用語の「ｉｎｃｌｕｄｅ」及び／又は「ｈａｖｅ」は、本明細書で使用される場合、言及された特徴、整数、段階、動作、要素及び／又は構成の存在を明示するが、少なくともその他の特徴、整数、段階、動作、要素、構成、及び／又はそのグループの存在も追加も除外しないことは、更に理解されるであろう。
【００１９】
下記の請求の範囲における全てのミーンズプラスファンクション要素に対応する構造、材料、行為、及び同等物は、具体的に主張されたその他の主張された要素との組み合わせでその機能を果たすために、任意の構造、又は材料を含むことを意図している。本発明の明細書は、実例及び記載の目的で提示されたが、網羅的であることも、開示された形式の発明に限定されることも意図しない。多くの改変及び変更は、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく当業者に明らかであろう。ここで議論された態様は、発明の原理及び実際的な応用を最も良く説明するため、かつ、当業者が、種々の変更を伴う種々の態様の発明は特定の使用に適していることを理解できるために、選択記載された。
【００２０】
種々の現在予見し難い又は予期されていない代替案、改変、変更又は改善が当業者によって引き続きなされている場合があり、それらが、下記の請求の範囲によって包含されることも意図されることは、理解されるだろう。
【図１】
2017510818.tif 000004
【図２】
2017510818.tif 000005
【図３Ａ】
2017510818.tif 000006
【図３Ｂ】
2017510818.tif 000007
【図３Ｃ】
2017510818.tif 000008
【図４Ａ】
2017510818.tif 000009
【図４Ｂ】
2017510818.tif 000010
【図４Ｃ】
2017510818.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月11日(2016.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年３月１０日に出願され、参照によりここに取り入れられた非接触磁歪電流センサと題された米国仮出願シリアル番号６１／９５０，８１５の利益を主張している。
【０００２】
本発明は、磁歪材料を用いる非接触電流感知のための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
電流信号モニタは、特にチャレンジングである。ホール効果センサは、閉ループであるものの、より典型的な電流測定方法は、開ループである。電流測定に用いられる現在の方式は、抵抗分流器、電流トランスフォーマ、ホール効果（ローレンツ力）、および、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）の４つの主なカテゴリに分類される。これらの各アプローチは、それぞれ実際的な困難および制限がある。表１は、これらの各アプローチが直面するいくつかの問題をまとめている。
【表１】
2017510818.tif 000012
【０００４】
しかしながら、マグネトダイオード（高非線形且つ温度依存）やマグネトトランジスタ（ノイズ、非線形性、温度依存、大オフセット値のより高いレベル）などの個体ソリューションに対しては追加的な作業があり、現在まで、それらの性能によって、あらゆる商業的な発展が阻害されている。磁場センサに基づいた光ファイバの発展のためにファラデー効果を利用する利益もあるが、磁場センサは、取得するのが複雑かつ高価で、取り付けづらく、光電変換が必要であり、空間環境においてラッチアップを受けやすい。
【０００５】
多くのアプリケーションにとって、電流センサを取り付けることはよりチャレンジングになり得る。これは、測定ソリューションは、高ガルバニック絶縁、高精度、放射効果耐久性、広い温度作動、そして、非常に低い周波数まで交流電流及び直流電流の両方を測定可能なことが求められる場合があるためである。そして、効果が高く、コンパクトで、軽量で、低複雑な要求を満たすことができる熱効果を受けない電流センサに対するニーズがある。
【０００６】
本発明者等に知られた１つのアプローチは、磁歪材料の特性を利用することである。磁歪材料は、磁気的及び電気的挙動を結びつける材料である。特に、当該材料は磁場に晒される際に形状を変える。このような材料としては、テルフェロール（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ）やガルフェノール（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）がある。通電コンジットに隣接した磁歪要素を配置することによって、電流によって引き起こされた磁場が、歪み（ΔＬ／Ｌ）を誘導すべく磁歪材料と相互に作用する。図１は、自由端が通電ケーブル１に近接して配置され、それに付随した磁歪要素２を有する剛性支持部５を伴うカンチレバー梁４の装置である。圧電要素３は、磁歪要素２の片側に固定されている。電流１９が流れる際、マクスウェル方程式は、電流１９が、磁歪要素２で生じる軸方向歪みを引き起こす磁場を誘導することを述べている。そして、この歪みは、圧電性であり、電位を生み出す結合した圧電要素に移送される。この電圧は、監視されている電流１９の強度に比例するが、磁歪要素の歪みを誘導する電流は非常に小さい。圧電材料の直接効果誘電率は低いことが知られているため、磁歪挿入の歪みを圧電材料に結合させることは、無視可能でノイズやその他の測定阻害問題を解決しなければならない場所への既に非常に小さな信号を大幅に減少させる。
統計学的に充分な電流の範囲の測定を許容するために、電流のアンペア毎に磁歪要素の充分な大きさの歪みを誘導する磁歪に基づいた電流検知装置へのニーズは残る。磁歪要素の誘導された歪みの変換において、最小の信号損失を示す磁歪に基づいた電流検知装置へのニーズもある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、監視される電気ケーブル又は装置において、アンペア流れ毎の抵抗出力信号に格段に大きな変化を規定し、かつ、この増加した信号強度が温度に依存しないことを保証する直流及び交流の両方の測定を可能とする新規な電流センサを提供する。当該発明は、ケーブル又は装置内を流れる電流と電気抵抗の変化との間の比例関係を提供すべく、磁気的、磁歪的、抵抗式歪みゲージ材料の組み合わせを利用している。
ある態様において、磁歪電流センサは、通電導体を取り囲む磁気コアを含む。当該磁気コアは、第１及び第２取付部の間に配置されたギャップを含む。前記第１取付部は、前記導体によって誘導された磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部は、当該磁場の方向に増加する断面積を有する。磁歪要素は、磁場の経路に配置され、前記取付部の取付面に機械的に結合している。歪みゲージは、前記磁場によって誘導された前記磁歪要素の変位を測定すべく、前記磁歪要素に機械的に結合している。
別の態様において、磁歪電流センサを製造する方法は、中空磁気コアを選択することと、当該コアにギャップを形成することと、を含む。そして、第１及び第２取付部が、前記磁気コアに形成される。前記第１取付部は、前記誘導された磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部は、前記誘導された磁場の方向に増加する断面積を有する。そして、磁歪材料は、前記第１及び第２取付部に接着され、歪みゲージが当該磁歪材料に固定される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明者等に知られた磁歪電流センサを示している。
【図２】図は、本発明のある態様に応じた電流センサを示している。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明のある態様に応じた電流センサの上面図を描写している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの電流センサの側面図を描写している。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの電流センサの正面図を描写している。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のさらに別の態様に応じた電流センサの上面図を描写している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの電流センサの側面図を描写している。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａの電流センサの正面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、導体を流れる電流の変化から生じる磁歪要素の歪みの変化を測定する磁歪に基づいた電流センサに関する。通電導体内の電流は、「右手の法則」に従って磁場を誘導する。当該磁場は、閉磁路を形成するために、導体を取り囲むフェライトなどの任意の磁性材料によって閉じ込められる。また、当業者に知られるように、磁気エネルギーと機械的歪みとの結合が生じる場合の材料は磁歪であり、当該結合現象は双方向的である。このように、前記磁場は、その方向に前記磁歪要素内に発生する歪みを引き起こす。また、略線形である磁歪材料における歪み対磁場の反応の有効な部分がある。
【００１０】
本発明は、通常、電気導体１を取り囲むギャップのある磁性コア１０を含む磁歪電流センサに関する。図２に示されるように、ページに流れ込む導体１内の電流１９は、磁歪要素２内に続く矢印１１によって表された方向に、磁性コア１０内に磁場を作り出す。磁性コア１０は、ギャップ１４と、ギャップ１４を跨って磁性コア１０に機械的に接合した磁歪要素２とを含む。歪みゲージは、磁歪要素２と機械的に接合している。
【００１１】
図２に示されるように、磁歪要素２は、ギャップ１４を橋渡しするために磁性コア１０に取り付けられる。本発明のある態様を踏まえて、磁歪要素２は、ギャップ１４において磁性コア１０の形状を規定するために磁性コア１０の外表面に取り付けられ、磁歪要素２のサイズは、磁歪要素２内の磁束密度を増加させるように選択される。従って、磁場１１は、磁性コア１０及び磁歪要素２を介した１つの連続した経路を形成する。磁場１１は、磁歪要素２の機械的変位を誘導するが、これは導体１を流れる電流１９に比例する。
【００１２】
本発明を踏まえて、磁歪要素２を磁性コア１０の外表面に取り付けることによって、磁歪要素２は、磁性コア１０を通過する磁場１１と一直線になった長手方向において、ほぼ自由な歪み特性を有することができる。磁歪要素２及び磁性コア１０は、同様に高い透磁率を有するため、磁場１１を含有する低抵抗経路を提供する。このように、当該磁場は、ギャップ１４を介してではなく、磁歪要素２を介して磁性コア１０から伝わってくるため、連続した閉磁路が提供される。
【００１３】
磁場コア１０のギャップ形状を介して磁歪要素２内の磁束密度を増加させることは、磁歪要素２の誘導された歪みの変化を引き起こす。すなわち、磁歪要素２に付与された磁場１１の密度は、磁歪要素２の歪みの振幅と、導体１を流れる電流レベルと、の間での供給電圧に比例した関係を制御する。ケーブル１を流れる電流に対応する磁歪要素２の領域における磁場１１の集中は、電流センサ７のゲインの直接的な制御を提供する。また、磁歪要素２内の磁束密度が不充分であると、正確な測定に不適当な機械的歪みを引き起こす。
【００１４】
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の電流センサの高感度な態様を描写している。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、大きな磁歪要素７は、磁性コア１０ａに機械的に接合しており、磁性コア１０ａは、ページに流れ込む電流１９と共に、導体１を取り囲んでいる。磁性コア１は、第１及び第２取付部１５及び１６を含む。第１取付部１５は、磁場の方向に減少する断面積を有し、第２取付部１６は、磁場の方向に増加する断面積を有する。いくつかの態様では、第１及び第２取付部は、互いに鏡像である。各第１及び第２取付部は、磁歪要素２が機械的に接合された略平面の取付面２０，２２を含む。磁歪要素２は、略平面の取付面２０の全表面を実質的に覆うのに充分なサイズであってもよい。図３Ｃに描写されているように、大きな磁歪要素２と取付部１５及び１６の形状との組み合わせは、大きな磁歪要素２内で適度な磁束密度２１を引き起こし、電流センサに適度なゲインの結果をもたらす。
【００１５】
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の電流センサの低感度な態様を描写している。図４Ａ〜図４Ｃにおいて、小さな磁歪要素は、磁性コア１０ａに機械的に接合しており、磁性コア１０ａは、ページに流れ込む電流１９と共に、導体１を取り囲んでいる。磁性コア１は、第１及び第２取付部１５及び１６を含む。第１取付部１５は、磁場の方向に減少する断面積を有し、第２取付部１６は、磁場の方向に増加する断面積を有する。いくつかの態様では、第１及び第２取付部は、互いに鏡像である。各第１及び第２取付部は、磁歪要素２が機械的に接合された略平面の取付面２０，２２を含む。磁歪要素２は、略平面の取付面２０の全表面を実質的に覆うのに充分なサイズであってもよい。図４Ｃに描写されているように、小さな磁歪要素２と取付部１５及び１６の形状との組み合わせは、大きな磁歪要素２内で高い磁束密度２３を引き起こし、電流センサに高いゲインの結果をもたらす。
磁歪要素２の変位又は歪みを測定するために、歪みゲージ７が、磁歪要素２に機械的に接合している。図２は、高強度接着性を有する磁歪要素２の略平面に取り付けられた歪みゲージ７を示している。いくつかの態様では、歪みゲージ７は、弱い又は弾力的な接着だと歪みゲージ７と磁歪要素２との接合が悪くなるため、磁歪要素２に強固に接着してもよい。歪みゲージ７は、磁歪要素２に存在する歪みに比例する抵抗の変化を示すが、これは導体１を流れる電流を表す。いくつかの態様では、歪みゲージ７は、歪みゲージ内に存在する熱ドリフトを補填するために、ホイートストンブリッジの構成に設定することができる。その他の態様では、歪みゲージ７は、フォイル型であってもよい。
【００１６】
本発明は、磁歪装置を用いて電流を測定するための方法を実現している。通電ワイヤは、磁性コア１０のような磁性コアを通過し、当該コアが当該ワイヤに触れることなく当該ワイヤを取り囲むように配置されている。磁性コアは、ワイヤから磁歪要素２のような小さな磁歪要素内へ磁束部分を集中させている。当該磁束は、ワイヤ内の電流に比例する磁歪要素の変位を作り出す。当該磁歪要素の変位は、導体内の電流を算出するために使用されてもよい抵抗に変換する歪みゲージ７のような歪みゲージを使用して計測される。
【００１７】
本発明は、電流センサに基づいた磁歪材料を構成するための方法を実現している。エアギャップは、磁性コア１０のギャップ１４のような閉じた磁性コアに加工される。第１及び第２取付部は、磁性コアに形成され、各取付部は、略平面な取付面を具備する。小さな磁歪要素は、磁性コアのエアギャップのサイズより若干大きい寸法に加工される。磁歪要素が形成された後に、いくつかの態様において、装置の全体的な性能（磁場対歪み特性）を向上させるために、歪みはアニールされる。また、磁歪要素とゲージとの充分な接合を確保するために、磁歪要素が受けた範囲で歪みを測定することができるフォイル型又はホイートストンブリッジの歪みゲージが選択され、高強度な接着性又はその他の固定方式を有する磁歪要素に接合される。磁歪要素及び接合された歪みゲージは、図２の装置にあるようなセミフレキシブルな接着性を有する磁性コアに固定される。当該セミフレキシブルな接着性は、磁歪要素の動作を厳しく制限することなく装置が構造的に保持されることを可能にする。電気的接続が歪みゲージになされ、通電導体は磁性コアを通過する。導体内の電流は振幅を変化させるので、出力で測定される抵抗は比例的な変化を示し、そのため非接触検知性能が提供される。取付部１５及び１６は台形として図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜Ｃに描写されているが、本発明の態様に応じて、取付部１５及び１６は多くの異なる形状構造を有してもよい。同様に、磁歪要素２は、適度な磁束密度が、接合された歪みゲージで正確に測定される磁歪要素に現れるのであれば、様々なサイズかつ形状であってよい。磁性コアは、様々な考えられる磁性材料又は磁性複合物で製造されてよい。前述された磁性コアは、トロイダルであってよいが、コアが実質的に導体を取り囲んでいれば、大部分が正方形又は卵形などのその他の形状を選択することもできる。
【００１８】
ここで使用される用語は、個々の態様を記載する目的のためだけであり、本発明を限定する意図はない。ここで使用されるように、単数の形態である「ａ」，「ａｎ」，「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにその他を示していない限り、複数の形態も含むことを意図する。基礎的な用語の「ｉｎｃｌｕｄｅ」及び／又は「ｈａｖｅ」は、本明細書で使用される場合、言及された特徴、整数、段階、動作、要素及び／又は構成の存在を明示するが、少なくともその他の特徴、整数、段階、動作、要素、構成、及び／又はそのグループの存在も追加も除外しないことは、更に理解されるであろう。
【００１９】
下記の請求の範囲における全てのミーンズプラスファンクション要素に対応する構造、材料、行為、及び同等物は、具体的に主張されたその他の主張された要素との組み合わせでその機能を果たすために、任意の構造、又は材料を含むことを意図している。本発明の明細書は、実例及び記載の目的で提示されたが、網羅的であることも、開示された形式の発明に限定されることも意図しない。多くの改変及び変更は、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく当業者に明らかであろう。ここで議論された態様は、発明の原理及び実際的な応用を最も良く説明するため、かつ、当業者が、種々の変更を伴う種々の態様の発明は特定の使用に適していることを理解できるために、選択記載された。
【００２０】
種々の現在予見し難い又は予期されていない代替案、改変、変更又は改善が当業者によって引き続きなされている場合があり、それらが、下記の請求の範囲によって包含されることも意図されることは、理解されるだろう。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電導体を取り囲み、第１及び第２取付部の間に配置されたギャップを含み、前記第１取付部が磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部が磁場の方向に増加する断面積を有し、前記各取付部は略平面の取付面を含む磁性コアと、
前記通電導体によって発生した磁場の経路に配置され、前記取付面に機械的に結合した磁歪要素と、
前記磁歪要素に機械的に結合した歪みゲージと、を有する磁歪電流センサ。
【請求項２】
前記磁歪要素は、前記磁性コアの外部に機械的に結合している請求項１の磁歪電流センサ。
【請求項３】
前記磁歪要素は、前記取付面の表面部分を略覆うのに充分なサイズである請求項２の磁歪電流センサ。
【請求項４】
前記磁歪要素は、セミフレキシブルな接着剤で前記取付面に接着されている請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項５】
前記歪みゲージは、前記磁歪要素に強固に固定されている請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項６】
前記磁歪要素は、鉄ガリウム合金で構成される請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項７】
前記磁歪要素は、鉄テルビウムジスプロシウム合金で構成される請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項８】
前記磁歪要素は、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄを含有する請求項１〜３のいずれかの磁歪電流センサ。
【請求項９】
中空磁性コアを選択することと、
前記中空磁性コアにギャップを形成することと、
前記磁性コアに第１及び第２取付部を形成し、前記第１取付部は、誘導された磁場の方向に減少する断面積を有し、前記第２取付部は、誘導された磁場の方向に増加する断面積を有することと、
磁歪要素を前記第１及び第２取付部に固定することと、
歪みゲージを前記磁歪材料に接着することと、を含む磁歪電流センサを製造するための方法。
【請求項１０】
前記磁歪材料を固定することは、前記磁歪要素をセミフレキシブルな接着性を有する前記磁性コアに固定することを含む請求項９の方法。
【請求項１１】
通電導体を取り囲み、第１及び第２台形取付部の間に配置されたギャップを含み、前記各取付部は略平面の取付面を含む磁性コアと、
前記通電導体によって発生した磁場の経路に配置され、前記第１及び第２台形取付面に機械的に接合しており、前記磁場が前記磁性コア及び磁歪要素の中の１つの連続した経路を進むように前記第１及び第２台形取付部の前記取付面の全表面を実質的に覆うのに充分なサイズであり、略平面の取付面を更に含む前記磁歪要素と、
前記磁歪要素と共に存在する歪みに比例する抵抗の変化を示す前記磁歪要素の前記取付面に強固に接着した歪みゲージと、を有する磁歪電流センサ。
【国際調査報告】
2017510818.tif 000013