JP2008145220A - 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、振動子となる圧電体材料について引き出し電極を適正に配置して分極を容易，確実に行うことができ、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】 圧電体リング１の表裏に対して第１磁性体リング２と第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、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。圧電体リング１の表裏には電極膜を設け、それら電極膜面へ薄厚の金属板材６を貼り付けて当該圧電体リング１の外周からタブ部位が張り出す状態とし、外部への引き出し電極とする。引き出し電極（金属板材６）は圧電体リング１の表裏で外周から張り出す形態となり、電極の間隔を広くできる。これにより、高電圧に対する耐性を高くでき、分極処理を適正に行うことができる。
【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は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、磁性体材料へ振動力を加えるための圧電体振動子の電極の改良に関する。

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、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。
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

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。

圧電体リング１には対に電極を設け、所定方向について分極を施す必要がある。例えば圧電体リング１を厚み方向に分極させる場合は、圧電体リング１の表裏に導電膜を設けるとともに、外周に引き出し電極を対に設けておき、所定の高電圧を加えて分極処理を施すことになる。しかしそこで、分極処理は高電圧を加えるため、対になる引き出し電極が接近した配置では放電してしまい、分極を十分に施すことができないという問題がある。このため、圧電体材料に対しては、引き出し電極を適正に設けること、および分極を容易，確実に行えるような改善が求められている。

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、振動子となる圧電体材料について引き出し電極を適正に配置して分極を容易，確実に行うことができ、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、圧電体リングの表裏には電極膜を設け、それら電極膜面へ薄厚の金属板材を貼り付けて当該圧電体リングの外周からタブ部位が張り出す状態とし、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、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する構成にする（請求項１）。

また、本発明に係る電流センサは、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、圧電体筒体の外周，内周には電極膜を設け、それら電極膜面へ薄厚の金属板材を貼り付けて当該圧電体筒体の端縁からタブ部位が張り出す状態とし、圧電体筒体に対して磁性体筒体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（請求項２）。

また、金属板材は略長方形状に形成する（請求項３）。あるいは金属板材は、圧電体リングと同一形状のリング部位の一部に張り出し部位を有する形状に形成したり（請求項４）、圧電体筒体に重なる筒体部位の一部に張り出し部位を有する形状に形成する（請求項５）。

また金属板材は、導電性の接着剤あるいは非導電性の接着剤を用いて貼り付けする（請求項６）。

したがって本発明では、リング形状の構成においては、金属板材は圧電体リングの表裏で外周から張り出す形態となり、従来の形態つまり圧電体リングの外周に形成する形態に比べて引き出し電極の間隔を広くできる。また、筒体形状の構成においては、金属板材は圧電体筒体の表裏で端縁から張り出す形態となり、従来の形態つまり圧電体筒体の端縁に形成する形態に比べて引き出し電極の間隔を広くできる。

本発明に係る電流センサでは、リング形状の構成においては、引き出し電極は圧電体リングの表裏で外周から張り出す形態となり、電極の間隔を広くできる。また、筒体形状の構成においては、引き出し電極は圧電体筒体の表裏で端縁から張り出す形態となり、電極の間隔を広くできる。したがって、圧電体リングあるいは圧電体筒体が薄厚であっても電極間の距離を広くでき、高電圧に対する耐性を高くできるので、分極処理において高電圧を加えた際に放電，短絡を防止でき、分極を容易，確実に行うことができる。その結果、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。本実施形態の電流センサは、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とを備えて、圧電体リング１の表裏に対して第１磁性体リング２と第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、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。

圧電体リング１には、図２に示すように、表裏それぞれに電極膜５，５を設けており、それら電極膜面へ薄厚の金属板材６，６を貼り付けて当該圧電体リング１の外周からタブ部位が張り出す状態とし、外部への引き出し電極とする構成にしている。

この圧電体リング１は分極させてあり、引き出し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するようになっている。被測定電流Ｉが流れる電線７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。

具体的には、圧電体リング１には対向する２面に焼き付け用の銀ペーストを塗布することで導電性皮膜（電極膜５，５）を形成し、それら導電性皮膜面へ金属板材６，６を接着剤により固着させている。接着剤は導電性の接着剤あるいは非導電性の接着剤の何れを用いてもよく、これは非導電性の接着剤であっても、膜厚がごく薄くなるので相手側つまり電極膜５，５との導通は確保することができる。そして分極処理には、８０〜１２０℃に加熱したシリコンオイル中に入れて、引き出し電極（金属板材６，６）から電極膜５，５間に２〜３ＫＶ／ｍｍの電圧を２０〜６０分間加える処理を行い、圧電体リング１は厚み方向に分極を施している。あるいは、分極処理は、金属板を装着前に導電性皮膜を形成した圧電体リング単独で施すこともある。

金属板材６としては適宜な形状に形成することができ、例えば図２に示す例のように略長方形状に形成する。あるいはまた図３に示す例のように、圧電体リング１と同一形状のリング部位の一部に張り出し部位を有する形状に形成してもよい。また、金属板材６，６の接合は低融点の金属材により固着させる構成にすることもよい。

この場合、電線７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、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、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。

本発明にあっては、引き出し電極（金属板材６，６）は、圧電体リング１の表裏で外周から張り出す形態となり、従来の形態つまり圧電体リング１の外周に形成する形態に比べて引き出し電極の間隔を広くできる。したがって、圧電体リング１が薄厚であっても電極間の距離を広くでき、高電圧に対する耐性を高くできるので、分極処理において高電圧を加えた際に放電，短絡を防止でき、分極を容易，確実に行える。その結果、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。

（電流センサの筒型の構成例）
図４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、圧電体筒体１０に対して磁性体筒体１１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。

圧電体筒体１０には、図５に示すように、外周，内周それぞれに電極膜５，５を設けており、それら電極膜面へ薄厚の金属板材６，６を貼り付けて当該圧電体筒体１０の端縁からタブ部位が張り出す状態とし、外部への引き出し電極とする構成にしている。

この圧電体筒体１０は分極させてあり、引き出し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するようになっている。被測定電流Ｉが流れる電線７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。

なお、ここでは圧電体筒体１０の外側に磁性体筒体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の外側に圧電体筒体１０を同心に重ね合わせる構成にしてもよい。

この場合、圧電体筒体１０は直径方向に分極を施している。そして、金属板材６としては適宜な形状に形成することができ、例えば図５に示す例のように略長方形状に形成する。あるいはまた図６に示す例のように、圧電体筒体１０に重なる筒体部位の一部に張り出し部位を有する形状に形成してもよい。

図４に示す筒型の構成であっても、図１に示すリング型と同様な作用となり電流検出の動作は変わりなく、同様に大電流の検出が行える。

また、引き出し電極（金属板材６，６）は、圧電体筒体１０の表裏で端縁から張り出す形態となり、従来の形態つまり圧電体筒体１０の端縁に形成する形態に比べて引き出し電極の間隔を広くできる。したがって、圧電体筒体１０が薄厚であっても電極間の距離を広くでき、高電圧に対する耐性を高くできるので、分極処理において高電圧を加えた際に放電，短絡を防止でき、分極を容易，確実に行える。その結果、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。 圧電体リングの部分を説明する斜視図である。 金属板材の他例を示す平面図である。 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。 圧電体筒体の部分を説明する斜視図である。 金属板材の他例を示す斜視図である。

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 ピックアップコイル
５ 電極膜
６ 金属部材
７ 電線
１０ 圧電体筒体
１１ 磁性体筒体

Claims (6)

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、
   前記圧電体リングの表裏には電極膜を設け、それら電極膜面へ薄厚の金属板材を貼り付けて当該圧電体リングの外周からタブ部位が張り出す状態とし、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、当該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. 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、
   前記圧電体筒体の外周，内周には電極膜を設け、それら電極膜面へ薄厚の金属板材を貼り付けて当該圧電体筒体の端縁からタブ部位が張り出す状態とし、前記圧電体筒体に対して前記磁性体筒体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。
3. 前記金属板材は、略長方形状に形成してあることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記金属板材は、前記圧電体リングと同一形状のリング部位の一部に張り出し部位を有する形状に形成してあることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
5. 前記金属板材は、前記圧電体筒体に重なる筒体部位の一部に張り出し部位を有する形状に形成してあることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
6. 前記金属板材は、導電性の接着剤あるいは非導電性の接着剤を用いて貼り付けすることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電流センサ。
   

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