JP2008145267A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【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、接合のための接着剤を適切に選定することができ、接着剤の性能を使用温度の範囲内で保持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
【解決手段】 環状の圧電体リング１の表裏に対して、同一形状の第１磁性体リング２および第２磁性体リング３とを挟み合わせに接合させて一体化してセンサ体４とし、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５とする。圧電体リング１の表裏には電極膜を設けて厚み方向へ分極させる。接合のための接着剤は、使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを使用し、接着剤の膜層の厚みを３μｍから５μｍとする。また、接着剤はガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上の性質のものを用いる。接合部分の硬さを所定に保持でき、振動を磁性体部材側へ効率よく伝達できる。
【選択図】 図１

Description

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所定に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いて、磁性体材料へ圧電体振動子を一体に接合させるための接着剤の改良に関する。

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、そして比較的に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。例えば車両に搭載する車載用途などでは、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ト車などに注目があり、電流センサは重要な部品になっている。

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。

また、特許文献１に見られるように、逆磁歪効果（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、環状の磁性体部材に対して圧電体部材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としており、直流電流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により検出する構成を採る。ピックアップコイルと交錯する磁束、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、このため圧電体部材は所定の交流電圧を加えて直径方向に振動させ、磁性体部材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。
特開２００６−９８３３２号公報

しかし、特許文献１に見られるような逆磁歪効果（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。

磁性体部材と圧電体部材との接合には接着剤を使用することから、接着剤には所定の性質が必要になる。この場合、接着剤は圧電体振動子の振動を磁性体部材側へ確実に伝達できる必要があり、使用温度の範囲内で性能を保持できることが重要になる。

接着剤の性能評価には、例えばガラス転移温度Ｔｇを指針にすることが行われている。そこで、車載用途に対応する使用温度１３０℃に比べてガラス転移温度Ｔｇの高い接着剤を選定し、評価試験を行ったのであるが、電流センサとして要求性能が得られないことがあり、ガラス転移温度Ｔｇのカタログ値だけでは適切な選定が行えない問題が判明した。

この発明は上記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、接合のための接着剤を適切に選定することができ、接着剤の性能を使用温度の範囲内で保持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。

上記した目的を達成するために、本発明に係る電流センサは、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磁性体リングおよび第２磁性体リングとを備えて、圧電体リングは表裏に電極膜を設け、その圧電体リングの表裏に対して第１磁性体リングと第２磁性体リングとを挟み合わせに接合させて一体化してセンサ体とし、接合のための接着剤は使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを用い、接着剤はガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上の性質のものを用い、センサ体の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とする構成にした（請求項１）。また、好ましくは、前記接着剤の膜層の厚みを、ショアＤとの関係で、図４に示す曲線（点（ショアＤ４０、厚み５μｍ）、（ショアＤ８０、厚み１００μｍ）、（ショアＤ９５、厚み１５０μｍ）を結んだ線）の下側の範囲の厚みとすることである。

したがって本発明では、接着剤は、使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを使用するので、接合部分の硬さを所定に保持でき、圧電体振動子の振動を磁性体部材側へ効率よく伝達でき、磁性体部材に対して磁束の変調を適正に行うことができる。また、接着剤は、膜層の厚みを３μｍから５μｍ（ショアＤ４０のとき）及び図４曲線の下の範囲とした場合、磁性体部材への変位量をおおきく確保できる。

本発明に係る電流センサでは、接着剤は、使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを使用するので、接合部分の硬さを所定に保持でき、圧電体振動子の振動を磁性体部材側へ効率よく伝達でき、磁性体部材に対して磁束の変調を適正に行うことができる。また、接着剤は、膜層の厚みを厚みを３μｍから５μｍ（ショアＤ４０のとき）及び図４曲線の下の範囲とした場合、磁性体部材への変位量を大きく確保でき、耐熱性を高く得ることができる。

したがって、接合のための接着剤は適切に選定できるものであり、接着剤の性能を使用温度の範囲内で保持することができる。その結果、接着剤の耐熱性を高く得ることができ、本発明に係る電流センサは車載用途等に好ましく適用できる。

図１は本発明の好適な一実施の形態を示している。本形態において電流センサは、環状の圧電体リング１の表裏に対して、同一形状の第１磁性体リング２および第２磁性体リング３とを挟み合わせに接合させて一体化してセンサ体４とし、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５とする構成にしている。圧電体リング１の表裏には電極膜を設けて厚み方向へ分極させている。

接合のための接着剤は、使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを使用し、接着剤の膜層の厚みをショアＤとの関係で、図４に示す曲線（点（ショアＤ４０、厚み５μｍ）、（ショアＤ８０、厚み１００μｍ）、（ショアＤ９５、厚み１５０μｍ）を結んだ線）の下側の範囲の厚みとした。また、接着剤はガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上の性質のものを用いることが好ましい。

圧電体リング１は厚み方向へ分極させてあるので、表裏の電極膜の間に所定の交流電圧を加えることで直径方向に振動する。そして、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５により検出する。

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に交流電圧を加えることでは、磁界が一定であるとき、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。この磁束の変化によりピックアップコイル５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、つまり被測定電流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。

この電流センサは、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く低い欠点があるが、この電流センサは放射線耐性が強く高いと言える。さらに、ホール素子は磁性体コアのギャップに配置する構成のため感度が低く、これに対してビラリ効果による電流検出の構成では高感度になり、大電流の検出が行える。

接合のための接着剤は、性質が相違した複数のものを用意してそれぞれ試料（センサ体４）を製作し、それら試料について接着特性の測定を行い、その測定結果から最適条件を決定したものである。つまり測定は、圧電体リング１へ定電圧を加える駆動を行い、このとき磁性体リング２，３における変位量をレーザドップラ計により計測してセンサ動作のための実際の変位量を測定することにした。

まず、接着剤のショアＤ硬さと厚みとの関係を調査した。接着剤はショアＤ硬さ４０，ショアＤ硬さ８３，ショアＤ硬さ９５のものを用意し、それぞれ試料を製作して変位量の測定を行った。図２はショアＤ硬さ４０の接着剤での測定結果を示し、図３はショアＤ硬さ８３の接着剤での測定結果を示すグラフ図である。各図において、特性（３）は接着剤の膜層が３μｍであり、特性（５０）は接着剤の膜層が５０μｍであり、特性（１００）は接着剤の膜層が１００μｍである。これらから明らかなように、膜層が薄い３μｍにおいて変位量が大きく、そして、ショアＤ硬さ８３ではショアＤ硬さ４０よりも変位量が大きい特性になっている。

以上から、接着剤のショアＤ硬さと厚みとの関係は、図４に示すような正比例の関係となり、変位量を所定に得るには、少なくともショアＤ硬さは４０以上とし、膜層は薄く設定したい。また、膜層を厚く設定する場合は、ショアＤ硬さが大きくより硬い性質の接着剤を選定することになる。

次に、接着剤の温度特性を調査した。接着剤はガラス転移温度Ｔｇ５３℃，ガラス転移温度Ｔｇ１４０℃，ガラス転移温度Ｔｇ１６０℃，ガラス転移温度Ｔｇ１８０℃のものを用意し、それぞれ試料を製作して変位量の測定を行った。図５はガラス転移温度Ｔｇ５３℃の接着剤での測定結果を示し、図６はガラス転移温度Ｔｇ１６０℃の接着剤での測定結果を示し、図７はガラス転移温度Ｔｇ１８０℃の接着剤での測定結果を示すグラフ図である。これら各図において、特性（１４０）は温度が１４０℃、特性（１２０）は温度が１２０℃、特性（１００）は温度が１００℃、特性（８０）は温度が８０℃、特性（５０）は温度が５０℃である。これらから明らかなように、ガラス転移温度Ｔｇ５３℃の接着剤は、温度５０℃において変位量がピーク値となり、それ以上の温度では変位量が低減する特性になっている。ガラス転移温度Ｔｇ１６０℃の接着剤は、温度１００℃において変位量がピーク値となり、それ以上の温度では変位量が低減する特性になっている。ガラス転移温度Ｔｇ１８０℃の接着剤は、温度１２０℃において変位量がピーク値となり、それ以上の温度では変位量が低減する特性になっている。

以上から、接着剤の温度特性は、図８に示すように、あるピーク値よりも高温側で低減する特性となり、同図において、特性（５３）はガラス転移温度Ｔｇ５３℃の接着剤、特性（１４０）はガラス転移温度Ｔｇ１４０℃の接着剤、特性（１６０）はガラス転移温度Ｔｇ１６０℃の接着剤、特性（１８０）はガラス転移温度Ｔｇ１８０℃の接着剤をそれぞれ示している。すなわち、特性（５３）は温度５０℃程度から低減し、特性（１４０）は温度８０℃程度から低減し、特性（１６０）は温度１００℃程度から低減し、特性（１８０）は温度１２０℃程度から低減しており、ガラス転移温度Ｔｇ−６０℃程度の温度から低減する特性になっていることを確認した。

なお、温度特性において、変位量が温度の上昇とともに幾分増加し、ピーク値を有する特性を示す理由は、圧電体リング１（圧電体振動子）に対する駆動方式に原因がある。つまり、定電圧の駆動では、電圧が一定であるため温度が上がると、圧電体振動子の容量（ωＣ）が増してインピーダンス（１／ωＣ）が低下し、このため圧電体振動子それ自身の振動量が増加する。そこで、圧電体振動子は定電流による駆動に変更することにより、温度特性を平坦にでき、磁性体リング側の変位量も温度に対して平坦な特性にすることができる。

このように、接着剤は、使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを使用するので、接合部分の硬さを所定に保持でき、圧電体リング１の振動を磁性体部材側へ効率よく伝達できる。したがって、磁性体リング２，３に対して磁束の変調を適正に行うことができ、接着剤の性能を使用温度の範囲内で保持することができる。

また、接着剤は、膜層の厚みを厚みを３μｍから５μｍ（ショアＤ４０のとき）及び図４曲線の下の範囲とし、ガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上の性質のものを用いることから、磁性体リング２，３への変位量を大値に確保でき、耐熱性を高く得ることができる。

すなわち本発明にあっては、接合のための接着剤を適切に選定することができ、接着剤の性能を使用温度の範囲内で保持できる。その結果、接着剤の耐熱性を高く得ることができ、本発明に係る電流センサは車載用途等に好ましく適用できる。

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。

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。 ショアＤ硬さ４０の接着剤について磁性体の変位量の測定結果（接着特性）を示すグラフ図である。 ショアＤ硬さ８３の接着剤について磁性体の変位量の測定結果（接着特性）を示すグラフ図である。 接着剤のショアＤ硬さと厚みとの関係を示すグラフ図である。 ガラス転移温度Ｔｇ５３℃の接着剤について磁性体の変位量の測定結果（温度特性）を示すグラフ図である。 ガラス転移温度Ｔｇ１６０℃の接着剤について磁性体の変位量の測定結果（温度特性）を示すグラフ図である。 ガラス転移温度Ｔｇ１８０℃の接着剤について磁性体の変位量の測定結果（温度特性）を示すグラフ図である。 接着剤のガラス転移温度Ｔｇに関して温度特性を示すグラフ図である。

符号の説明

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 センサ体
５ ピックアップコイル
６ 電線

Claims (2)

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磁性体リングおよび第２磁性体リングとを備え、
   前記圧電体リングは表裏に電極膜を設け、前記圧電体リングの表裏に対して前記第１磁性体リングと前記第２磁性体リングとを挟み合わせに接合させて一体化してセンサ体とし、
   当該接合のための接着剤は使用温度の範囲内でショアＤ硬さ４０以上を保ち得る性質のものを用い、
   前記接着剤はガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上の性質のものを用い、
   前記センサ体の環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。
2. 前記接着剤の膜層の厚みを、ショアＤとの関係で、図４に示す曲線（点（ショアＤ４０、厚み５μｍ）、（ショアＤ８０、厚み１００μｍ）、（ショアＤ９５、厚み１５０μｍ）を結んだ線）の下側の範囲の厚みとすることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
   

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