九州大学大学院総合理工学報告第31巻 第4号 1-7頁 平成22年3月

Engineering Sciences Reports, Kyushu University
Vol. 31, No. 4, pp. 1-7, MAR, 2010

磁性流体磁気ブリッジを用いた電流センサの開発
忠津 孝 *1 †・笹田 一郎 *2（平成 22 年 2 月 10 日受理）

Development of a Current Sensor
Based on a Magnetic Fluid Magnetic Bridge
Takashi TADATSU, Ichiro SASADA†

E-mail of corresponding author : t.-tadatsu@loyalport.com

Demans for the dc current sensor have been increasing recently. We have developed a hysteresis
free current sensor based on a magnetic bridge by using a magnetic fluid as a core material which issuperparamagnetic and has on magnetic hysteresis. In the experiment, the core size is 42mm in outer
diameter,28mm in inner diameter, 3.5mm in height. The sensor gets saturated at ±200 A input currennt,
but hysteresis was not observed in the whole measurement range. In the measurement range of ±20 A, thesensitivity was 0.603 mV/A, the linearity error was ±0.7%, and the temperature error characteristic was-0.2 %/°C at from 0 °C to 30 °C. This hysteresis free current sensor would be useful in energe efficient powersystems for accurate cuurent monitoring, especially dc power distribution systems.

Key words: magnetic bridge,

current sensor,

hysteresis,

1．は じ め にmagnetic fluid.

なっている．例えば電気自動車の二次電池では，充電

化石燃料の大量消費による気象や環境への影響は，量を充放電電流の時間積分で求めているが，この際セ

昨今人々の平和な生活を脅かすまでになってしまい対策

ンサのオフセットは累積されて誤差を拡大する．充電量

は緊急を要している．その対策の一つとして，最近は様々の誤差が大きくなると適切な管理ができず電池の劣化をなエネルギーを電気エネルギーに変換して使用すること招いたり，電力不足で走行不能に落ちいたりする危険性が増えてきた．

がある．

このような背景から，太陽電池，燃料電池，直流配電，

著者らはこのような背景を踏まえて，根本的にヒステリ

電気自動車などに象徴されるいわゆるエコエネルギーのシスが発生しない非接触直流電流センサの開発を目標

技術が急速に向上して，すでに普及も始まっている．そに研究をして来た．そして磁性流体には原理的にヒステして，これらに共通した直流電力技術は今後益々重要にリシスがないことに着目し，これをコアとしてヒステリシなってくるものと思われる．

スが極めて小さいか，あるいは無い磁気ブリッジ方式の電力を効率よく安全に使うためには電流・電圧の計測

電流センサを開発した．本稿ではその原理と構造およびと制御が重要であり，正確な情報で細かく制御をするこ

実験結果について報告する．この実験の目標値は現在とが高効率化につながる．この分野で広く使われている

市販されている同レンジ程度の大電流センサの値を負帰ホール素子方式の電流センサは軟磁性材で環状のコア

還や補正無しで越えることである．

を作り，その一部に設けたギャップにホール素子を挟み込んでいる．軟磁性材には磁気ヒステリシスがあり，これによりセンサの出力にも厄介なヒステリシスが生じ零点の不確かさの問題があった．

2．原

2.1

理

磁性流体

磁性流体は 10 nm 程度のマグネタイト (Fe3O4) などの高度な制御が求められる最近の太陽光発電設備や電磁性体微粒子の表面に，オレイン酸などの長鎖不飽和

気自動車などに組み込まれる電流計測では，この零点脂肪酸の界面活性剤吸着層を設け，水や油などの分散の不確かさが装置全体の性能を左右する大きな障害と液に混濁させたコロイド分散液である．磁性流体は界面活性剤の働きによって磁気力やファンデルワールス力に＊1

量子プロセス理工学専攻博士課程

よる凝集が起らず，重力や永久磁石程度の吸引力では＊2

融合創造理工学部門

沈殿することもなく非常に安定した流体である．磁性流2

磁性流体磁気ブリッジを用いた電流センサの開発

体の磁化は磁性体粒子内部の磁化軸の回転と粒子の機その結果 Fig. 3 に示す構造が出来上がり，このリング械的回転および粒子の配列等が複合的に作用しているとを貫通する電流の磁界を検出できるようになる．

考えられている ．
1）

磁性流体の定性的な B-H 特性と，µ-H 特性を Fig. 1に示す．固体軟磁性材に比べて特徴的なところは，磁電流検出機能2.3

磁気抵抗を Rm で表すと，Fig. 2 に示す磁気ブリッ性流体の透磁率は初透磁率が最も大きく磁界が大きく

ジの平衡条件は次の通りである．

なるに連れて単調に減少する点と，磁気ヒステリシスが

Rm1 × Rm4 = Rm2 × Rm3(1)

無い点である．磁性流体に分散している微粒子は固体

本稿では解析を簡素化するために全ての磁気抵抗の軟磁性材であり，各々磁気ヒステリシスがあるが，微粒特性が同一であるとする．よって磁化されていない状態

子はブラウン運動により常に撹拌や回転が起きているのでは，で，磁化の向きは不特定になりマクロ的にはヒステリシ
スが現れない．但し，磁性流体の粘性や磁性体微粒子

Rm1 = Rm2 = Rm3 = Rm4

(2)

である．

の濃度などによってはヒステリシスが生じるものもある．

このようにすると，Fig. 2 (b) に示す磁気ブリッジは励

またマグネタイトでできた磁性流体の比透磁率はせいぜ

磁コイルを基準にして上下も左右も対称になる．従ってこい 10 ～ 20 程度で，パーマロイや珪素鋼板の数千から

こでは左側半分について解析する．

数万に比べると遥かに小さい．

まず Fig. 2 (b) において，検出コイルにおける磁束は理想的な磁性流体は超常磁性体で磁化特 性はラン

X 方向を正とする．そして励磁磁界は励磁コイルの内部

ジュバン関数で表すことができる 2）．Fig. 1 はこれに基で Y 方向を正とする．これを Fig. 3 にも適用して，励づいて画いている．

磁磁界を基準にした検出コイルから見た Rm1 と Rm2 の
B-H 特性を説明する．励磁磁界 He と被検出電流によ

磁気ブリッジ

2.2

る磁界 Hx の正の向きを Fig. 3 のように定める．またコ

磁気ブリッジは磁気コアを用いて，Fig. 2 (a) に示す

アの磁束密度の正の向きも Hx の正の向きとする．まずホイートストンブリッジを構成したものである 3），4）．この平衡状態すなわち被計測電流 Ix による磁界 Hx が 0

巻線構造を同図 (b) に示す．検出機能は磁性体の透磁Rm2 の B-H 特性は，Fig. 4 (a) の曲線 B2 になる．のとき，率が磁束密度によって変化することを利用している．こ

一方 Rm1 においては励磁磁束の方向が反対になるので，の特性は磁性流体でも同様で Fig. 1 に示す通である．

B-H 特性は同図の曲線 B1 になる．

この特性を利用するとブリッジの素子の磁気抵抗を電流検出コイルは Rm1 と Rm2 の両方に一 括して一様にによる磁界によって変化さることができ，磁気ブリッジに巻いてあるので検出コイルを貫く磁束は Rm1 の磁束と平衡状態や非平衡状態を作り出し外部磁界を検出する機能を持たせることができる．
電流センサとするために磁気ブリッジの構造図 Fig. 2(b) において，左右の端面 End face 1 と End face 2 は磁気的に結合して，コア中央の結合のあり様としては，磁性材による磁路の他に空芯コイルよるものでも良い．

Rm1

Rm3

Rm2

Rm4

1.0

Permeability, μ(a)BMagnetic flux density, B

0.8

Detection coil
End face 1

0.6

0.4

Y

μ

0.2

5

10

15

Field strength, H

20

25

Dependences of the magnetic flux density B andthe permeability μ of a magnetic fluid on the applied magnetic field H.

Rm1

Rm3

Rm2

Rm4

End face 2

Magnetic substance (Magnetic fluid)(b)30

Fig. 2
Fig. 1

X

Exciting coil

Wheatstone bridge circuit representation ofa magnetic bridge (a) and a basic structure ofa magnetic bridge (b), in which Rm 1~Rm 4 aremagnetic reluctance on the each branch.

Measured current, Ix
Magnetic fluid core

Connecting position ofmagnetic bridge end face

B1

3

B2

B

九州大学大学院総合理工学報告 第31巻 第4号

B

平成21年度

B1

0.5

B2

0.5

BCOMP

BCOMP
15

Hx

Rm
Rm

1

He

10

Rm3

5

He
10

15

15

10

5

0.5

B2
2

Exciting coil

B1

B2

B

Model of magnetic flux density response of theeach branch of a magnetic bridge. No input
current in (a) and an input current causing Hx
field present in (b). Addition of B1 and B2 gives asignal.

(1)

In case of Ix1：BCOMP1と B2 の絶対値は等しく，その和は H の値に関わりなく

In case of Ix2：BCOMP2

0.1

(2)

常に 0 であり合成した B-H 特性は Fig. 4 (a) の BCOMP =次に被 計測電流 Ix が Fig. 3 に示したように上向きに流れた場 合について説明する．Ix による磁界 Hx はFig. 2 (b) に示す X 方向の磁界である．したがって Rm2を通る磁束は He と向きは同じになり，Hx は He に加算

15

(b)

0.2

Rm2 の磁束の和になるが，式 2 が成り立っていれば B1のが磁気ブリッジ方式の特徴である．

10

B1

(a)

Basic form of a current sense. A magnetic bridge
consists of a ring shaped plastic case in whichmagnetic fluid is filled. Vertical segments have ahole inside where magnetic fluid is filled too. An
excitation coil is wound on a vertical segment anda sensing coil is wound toroidally on the ring.

生じない．このように平衡状態では何も出力に現れない

He

Hx

Detection coil

0 で与えられる．したがって，検出コイルに励起電圧は

5

0.5

Rm4

Fig. 4
Fig. 3

5

15

10

5

In case of Ix3：BCOMP3

5

10

(3)

He

15

0.1

In case of Ix4：BCOMP4

(4)
0.2

Exciting magnetic field

的になり B2 の動作点は Hx 分だけ左の方向にずれる．

Ripple of output
magnetic flux.

一方 Rm1 では Hx は He と反対向きになり，B1 の動作
点は Hx 分だけ右の方向にずれる．このようにしてずれ

Fig. 5た B1 と B2 を Fig. 4 (b) に示す．そして Fig. 4 (b) の B1と B2 を合成した BCOMP は，H = 0 で最大になる突起状の特性になる．
任意の Ix に対して BCOMP を He に対して重ねて画い

BCOMP vs He curves (transfer curves) of the current
sensor. The exciting magnetic field produces thesecond harmonic component of the magnetic flux
to the sensing coil. The phase of the second harmonic component is reversed when the sign of thecurrent is reversed.

たのが Fig. 5 である．BCOMP の突起の高さは Ix の大きさに比例する．図中の各 Ix の相互関係は，Ix1 > Ix2 > 0

は大きさだけでなくその符号も計測できる．ただし，計> Ix3 > Ix4 である．また，同図の (1) から (4) の波形は測できる周波数の上限は励磁周波数の 1/2 で，実用的磁束密度 B の時間軸上の変化であり励磁磁界 He によには 1/10 以下である．

るものである．これは Ix による磁束密度を中心にして，励磁信号の 2 倍の周波数で変化する磁束密度成分であ
る．

3．実

3.1

試作

験

この成 分による検 出コイル の 誘 起 電 圧を，He の 2

始めに磁気コアを製作した．コアに使用する磁性流体

倍の周期に同期して同期検 波する．この検 波出力は，は液状なので容器が必要である．そこで内部の空洞のFig. 5 からも解る通り，大きさは Ix の大きさに比例し，形状が Fig. 3 に示したコアの形状になるようなプラスチッ

極性は Ix の向きに依存する．従って，磁気ブリッジでク容器を作った．Fig. 6 (a) に容器を形成する部品の図

4

磁性流体磁気ブリッジを用いた電流センサの開発

Isolation wall

Exciting coil

Measured current Ix
Exciting current
Polarity changing switch
DC Current source

Amplifier+SensorOscillator

Connecting hole
(b)

(a)

Output signal

Measured current
control signal

LockinamplifierX

SignalgeneratorY

X-Y RecorderFig. 7 Experimental set-up.
(c)Fig. 6(d)

Structure of a ring-shape plastic case used as acontainer of magnetic fluid. (a) shows a central
section, and top and bottom cover. (b) shows adetail of the central section. (c) shows magnetic
fluid. (d) sensing coil is wound.

設けておいて，そこから磁性流体を充填した．充填方法はデシケータ内で真空引きして空気と磁性流体を置換した．充填した穴はプラスチック製のねじと接着剤で密閉した．充填した磁性流体は約 5.51 cc である．このコアの断面積は 24.5 mm2 で，断面の中心の磁路長は110 mm である．磁性流体を充填したコアの写真を Fig.

を示す．図において中央の部品は，内側と外側の二つの6 (c) に示す．写真では試作の蓋が透明であるため，内円筒の高さの中心部を円盤状の隔離壁で接続した構造

部の磁性材が黒く見えている．この写真で黒い部分のになっている．つまりリングの断面では “H” 状の形状を手前と奥の方に丸く見えるのは，ケースと磁性流体の膨している．

張率の違いによる，大気圧との圧力差を下げ，ケースの

この隔離壁には真反対の位置に貫通穴を設けた．二つの貫通穴は Fig. 3 では励磁コイル部と端面の接合部に相当する．Fig. 3 において励磁コイル部を通 過する
磁束と端面の接合部を通過する磁束は，向きが反対で破損を防ぐための構造である．これは各 Rm 上の中央部に位置している．
このコアに線径 0.2 mm で 670 回の検出コイルをトロ
イダル状に巻いた．その写真を Fig. 6 (d) に示す．

大きさは同じである．ただしこれが成り立つのは漏れ磁束の無い理想的な場合であって実際には漏れ磁束があり Fig. 3 の様な片側だけの励磁では，双方の貫通孔で対称性がない．そこで試作品では双方の貫通孔に同一

3.2

3.2.1

入出力特性測定
実験方法

実験回路を Fig. 7 に示す．被計測電流源には外部信の励磁コイルを磁束の方向が反対向きになるように配置号で電流量を制御できる電流発生器を用い，信号発生

し，これを直列結線して同じ電流で駆動した．このよう器で作った制御信号の電圧で電流量の掃引を行った．

にすることで双方の貫通孔の磁束は同じ大きさになり，

実験では正負の電流が必要だが，実験に用いた電流発漏れ磁束があっても対称性を確保することができる．励

生器は単極性なので，電流方向の切換えは外部のスイッ磁コイルは内寸が 5 mm × 6 mm の矩形にして，線径チで行った．

0.1 mm を 200 回巻いた．隔離壁およびコイルの厚さは何れも 2 mm である．

励磁信号は 40 kHz の正弦波とし，Ix = 0 A の時に20.0 mA RMS になるように励磁電流を設定した．その後

次に Fig. 6 (a) の上下に示した蓋を上記のリングに接はその出力電圧のままで定電圧駆動にした．検出コイル

着して容器にした．隔離壁と蓋とで形成された空洞はの出力は入力抵抗が 10 M Ω のロックインアンプに接続

Fig. 3 の磁気ブリッジの Rm1 から Rm4 を形成する部分

し，励磁信号に同期して且つその 2 倍の周波数である

で，空洞の寸法は内径 28 mm ，外 径 42 mm ，厚さ

80 kHz の信号で同期検波した．

3.5 mm である．従って空洞の断面の寸法は 7 mm × 3.5
mm である．これは Rm の磁路の断面でもある．
この容器の外側面には予め直径 1.5 mm 程度の穴をヒステリシスの実験は，Ix を± 200 A にしてそれぞれの値から Ix の回路を開放して 0 A の状態にし，その時のロックインアンプのデジタルの出力表示を記録した．

平成21年度

九州大学大学院総合理工学報告 第31巻 第4号

Table 1 Measurement result of hysteresis.

1 (6)

2 (7)

3 (8)

4 (9)

5 (10)

Ix
[A]

0

+200

0

–200

0

0.00

48.85

0.00

49.09

0.00

[mV]

Output voltage [mV]50

Sequence

Output voltage

5

0

-50
-200

直線性の実験では，被計測電流源の制御信号とロッ

-100

0

100

200

Input current Ix [A]クインアンプの出力をそれぞれ X 軸と Y 軸に入力した
X-Y レコーダで記録した．これにより，X 軸が入力で Y

Fig. 8軸が出力のグラフを画くことができる．

Input output characteristics for a large input
current.

この実験方法では電流発生器の制御電圧を被計測電流値とみなしているので，実験結果の入力電流値の精度
い．ただし，ヒステリシス特性の実験の 0 A はスイッチをオフにして被計測電流回路を開いているので正確である．この実験は約 27 ºC の実験室の木製の卓上にセンサを置いて行った．
3.2.2

実験結果と評価（1）ヒステリシス

ヒステリシスの確認はこの開発で10

Output voltage [mV]は低い．従って，この実験では精度については評価しな

5
0
-5

-10

最も重要である．実験の結果を Table 1 に示す．この-20

実験は同じ操作を 2 回繰り返したが結果は同じ数値であった．Ix = 0 A は回路を開放しているので精度が高い
が，±200 A は実測した値ではなく，信号発生器の出Fig. 9

フセットの保証は 1 % である．実験結果の ±200 A のと
きの，センサの出力の絶対値の差は，0.24 mV で全出
力幅 97.94 mV の約 0.49 % である．この値は Ix 電流

サなのかの判断はできない．しかし，0 A のときの値はInput output characteristics of practical range.

0
-0.5
-1.0

-20

-10

0

10

20

Input current Ix [A]Fig. 10回路が開放されていて Ix 電流発生系が関与していない
ので信頼性が高い .

20

0.5

発生系の保証精度より良いので，出力信号処理系の誤差がないとしても，この誤差の原因が計測系なのかセン

10

1.0

Error ratio [%](23ºC) で，これを制御する信号発生器の出力の DC オ

0

Input current Ix [A]

力電圧で電流発生器に設定した値なので精度が低い．
電 流 発生器の電 流出力精度は仕様 書によると 0.5 %-10Linearity error which is calculated from the data
in Fig. 9. Full scale is 20 A in this evaluation.

双方が加わっても 2 kA/ m 程度でる．従ってこの入出力

0 A のときのヒステリシスは計測限界値 0.01 mV 未満

特性の飽和は磁性材の磁気飽和が原因ではなく，透磁なので，200 A のときの値に対して約 0.02 % 未満であ率の特性やブリッジの原理的特性など，他の原因が考えると言える．この値は高性能に属する市販のホールセン
サ型磁気平衡式電流センサの ±0.4 % を凌ぐ値である 5）．

られる．
Fig. 9 に ±20 A を一往復したときの入出力特性を示±200 A の入出力特性を Fig. 8 に示す．

す．そしてこのグラフを読み取って数値化したデータをもこのグラフは Ix を 0 A からスタートして ±200 A を経由とに算出した誤差率を Fig. 10 に示す．この誤差率は入して，再び 0 A に戻る一往復を記録している．このグラ力が 20 A の時の出力値を 100 % として，感度を +14 A

フでは直線性が 100 A 付近から飽和傾向になっている．

で正規化している．Fig. 9 では一見直線に見えるが，正使用した磁性流体は，メーカの資料によると磁化 M

確には Fig. 10 に示した直線性誤差がある．この誤差率が飽和磁化 MS の 50 % になる磁界強度が 20 kA/ m 程の曲線は Fig. 8 の結果と似ており，このセンサの入出力（2）直線性度である．これに対して，このセンサが受けるおおよそ

特性は全範囲に渡り Fig. 8 で見られるような曲線の特の磁界の強さは，励磁による磁界が 73 A / m で，Ix によ性を持ってるいると考えられる．そうであれば前記したる磁界が Ix = 200 A のときに 1.82 kA / m である．この飽和特性の支配的原因を明らかにすることにより，この6

磁性流体磁気ブリッジを用いた電流センサの開発

直線性誤差も改善できると考えられる．

10のところで大きなずれが生じているが，これはセンサの5特性ではなく，ヒステリシス特性の項目でも触れた Ixの精度が原因と思われる．また，グラフが滑らかでないのは X-Y レコーダの記録から数値化する際の読み取り誤差と考えられる．読み取り方法は，グラフをスキャナ

Gain error [%]Fig. 10 の直線性誤差のグラフについて，0 A と –1 A

でコンピュータに取込み拡大表示して，グラフの線のほ

0Enlargement-5-10

ぼ中央を数値化した．ちなみに，グラフの線幅は 20 A

-15の出力値に対しておおよそ 0.5 % 相当ある．

-20

（3）感度

入出力特性が Fig.8 の通りの曲線になっ-25ているので入力値により感度が違う．そこで，比較的直線性のよい 20 A 入力のときの感度を見ると，おおよそ-20 -10

励磁電流の大きさの２乗に比例することが判っている．

10

20

30

40

50

60

70

Temperature [°C]

0.59 mV / A である．感度はもう少し高い方が扱いやす
いが，このセンサの感度は，検出コイルの巻数に比例し，0

Fig. 11さらに磁性流体の透磁率にも比例し高透磁率では高感度になることが確認されている．従って用途に応じた設計で最適化ができる．

Temperature dependence of the sensitivity
error. The sensitivity error is percentage
divination from the sensitivity at 30 degree
C. Six cases (10, 20, 30, 40, 50, 60 A input)
are plotted, as shown in the inset.

また，零位法と呼ばれる負帰還をする方式を採用した
場合には，センサは Ix の大きさに関わらず入力電流がさえるための構造的工夫も施している．温度試験にはこ

ほぼ 0 A の状態で動作するので，Ix が 20 A 以上でもほの機能の有効性の確認も含まれているが，–20 ºC から

ぼ一定のこの感度で動作する．従って直線性も改善され+70 ºC の範囲で壊れることなく動作した．

ることになる．
3.3

3.3.1

温度特性の測定
実験方法

実験回路は Fig. 7 と同じにした．そしてセンサとこれ

Fig. 11 に 感 度 の 温 度 特 性 を 示 す． このグラフは30 ºC の時の出力値を基準にして，各設定温度における出力の基準からのずれをパーセントで示した．同図は10 A から 60 A までの 10 A ステップのデータを示しているが，誤差率は全ての Ix で近い値になりグラフが重なっに接 続している導 線および Ix を流す導 線の一 部を恒たところが多い．グラフは最も手前が 10 A で最も奥が温恒湿槽に入れた．湿度設定は 40 % にした．そして60 A の順番になっていて，– 20 ℃では順番にずれてい− 20 ºC から 10 ºC ステップで +70 ºC まで実験した．こる．

の温度範囲については，試作の容器の材料が硬質塩化

この実験結果では丁度 0 ºC で最高の感度になり，他

ビニールなので，高温側はこの程度が限界であり，低温では感度が下がっている．実際には –10 ºC から +10 ºC側は使用した恒温槽の能力の限界である．

の間に最も高感度なところがあると思われる．このセン計測は恒温恒湿槽が各設定値に安定してから 10 分間

サでは磁性流体の透磁率が感度に大きく影響し，透磁以上放置して，その後 10 A から 60 A までを 10 A ス

率が下がると感度が落ちる．これは透磁率の違う磁性テップで計測した．計測値は検出コイルの出力電圧を流体で実験をして判っている．従って感度が落ちる所でロックインアンプの表示値で読んだ．この実 験では負は透磁率が下がっている可能性がある．それを思わせる

方向の電流は計測しなかった．また励磁は 0 ºC の時の現象として，感度が落ちる所では励磁電流が大きくなる．

Ix = 0 A で，入出力特性の実験と同様に行い以後は調つまり， − 20 ºC では約 0.3 mA ほど，+70 ºC では約整しなかった．従って励磁電流は Ix や温度の設定変更

3 mA ほど 0 ℃ の時に比べてそれぞれ励磁電流が大きによって変化する可能性があり，実際に変化した．

くなった．これは，透磁率が下がり励磁コイルのインダ

3.3.2

実験結果と評価

クタンスが下がったためと考えられる．励磁電流が大き

センサは固体のプラスチックのケースの中に液体の磁くなるだけなら感度は上がるが，それが透磁率が下がっ

性流体を入れて気体が入らないように密閉しているので，たためであれば感度は上がらない．つまり，この磁性流

プラスチックと磁性流体の膨張率の違いにより内部の圧体の透磁率は 0 ℃ 付近に最高点があるのではないかと力が大きく変化する．従って対策をとらなければケース思われる．

が破損する恐れがある．そこでケースには圧力変化を押実 験に使 用した磁 性 流体の 磁 性 材はマグネタイト

平成21年度

九州大学大学院総合理工学報告 第31巻 第4号(Fe3O4) で，温度が上がると透磁率が下がる．またこの7達した．そして当初の目標を充分に達成した．

磁性流体の分散液の粘度は温度の低下と共に指数関数

入出力特性では，充分に実用的な感度を確認できた．

的に上ることが解っていて，粘度が上がれば磁性材粒子

一方で，特性の曲線の原因を明らかにして，直線性の改が動き難くなり交流励磁では透磁率が下がる．このよう善をすることは今後の課題である．

に磁性流体の透磁率は温度上昇で下がる要因と，温度温度特性では，温度変化により感度が著しく変化する

低下で下がる要因があり，これらの相互作用で Fig.11 のことがわかった．その原因は磁性材や分散液の温度特

ような温度特性になるのではないかと考えられる．そう性にあるものと思われるが，今後の確認が必要である．

であれば，磁性材の密度や寸法および分散液の選択によって温度特性を制御できると考えられる．
これらの推測については今後の実験で確かめる必要がある．
一方で，室温付近では温度特性は Ix に無関係なこと

従来の用途の磁性流体には，スピーカのボイスコイルに充填するものや真空シール用のものがあり，これらは大気に曝される用途であるため，気化や酸化しないことに特に注意が払われていて，飽和磁束密度はおおよそ
10 ～ 40 mT 程度である．

がわかる．しかし –10 ºC 以下や +70 ºC 近くでは出力

しかし，この電流センサでは磁性流体を密閉して使うが温度と Ix に依存していて，Ix が大きい程温度の影響ので，気化や酸化への配慮を低減して，磁性材や分散が小さくなっている．

液の特性をこのセンサに最適化しやすい．この際配慮したい特性は粘性と耐熱性である．因みに車載用など

3.4

地磁気の影響では，–40 ℃ から +120 ℃ 程度の耐熱性が求められ地磁気による影響を簡易に調べた．方法は Fig. 7 にている．最近窒化鉄を用いた磁性流体で飽和磁束密度示した実験回路から被計測電流回路を取り除き，センサ

が 117 mT で比初透磁率が 182 が報告されている 6）が，を様々な方向に向け最大出力と最小出力の差を求めた．

たとえばこのような磁性材を用い，合わせて分散液の粘その結果 0.026 mV RMS が得られた．この出力を 20 A

性なども最適化すれば，この電流センサの性能は数段のときの感度 0.59 mV/A を用いて Ix の値に換算すると向上すると思われる．

約 44 mA に相当することがわかった．地磁気の影響は

この磁性流体磁気ブリッジを用いた電流センサは，改他の電流センサでもよく課題になるが，磁気ブリッジ方良の余地はあるものの，実用的にはヒステリシスがない

式の場合は磁性材の透磁率とセンサの形状が地磁気のことや充分な感度があること，また，再現性がよく解析

影響の大小を左右する．具体的には磁性流体の透磁率しやすい特性を示すことから，今度の直流電流センサとを上げ，形状と寸法の調整で，漏れ磁束をより小さくす

しての実用化が期待できる．特に，ヒステリシスが障害ることが有効である．

となっている直流電力分野では，この電流センサの特

さらに，センサを磁気シールドケースに入れて地磁気の影響を少なくして微弱電流の計測も試みた．その結果
この試作品では，地磁気の影響は電流換算で少なくとも10 mA 以上になることが確認できた．分解能が 10 mAにとどまるのは信号に含まれるノイズのためであるが，ノ性が充分に発揮できるものと期待している．

謝辞

試作作業についてご協力下さったアイショー電子の明石治様に感謝の意を表します．

イズの発生源はまだ解明していない．可能性としては，

参考文献

環境磁気ノイズや磁性流体のブラウン運動などによるノイズが考えられる．その他の電界ノイズや計測回路のノイズなどはセンサを外したときの値によって，十分に小さ

1）稲葉信幸，宮島英紀，武富荒，近角聡信，日本応用磁気学会誌，13，pp.245-248，1989．

いことを確かめた．

2）太 田 惠 造，“ 造 磁 気 工 学 の 基 礎 １”， 共 立 全 書 (1973)

4．ま と め3）忠津孝，笹田一郎，電気学会研究資料，マグネティック

ホール素子方式の電流センサについて，コアの磁気ヒステリシスが零点の不確かさを大きくしていると述べたが，本開発で最も重要な「ヒステリシスの解消」については，市販の同程度のレンジの電流センサの 10 分の 1
以下の，実験で用いた計測器では測定できない値にまで

pp.137．
ス研究会，2004(53)．
4） 忠 津 孝， 笹 田 一 郎， 磁 気 学 会，31(5)，pp.421-426，
2007．
5）TDK 株式会社カタログ，ハイブリッドカー・電気自動車用
高精度電流センサ SAA series，2008．
6）中谷功，Japan Nanonet Bulletin，（第 94 号），2005．