磁束のゼロ点検出装置
【課題】トランスＴのコア３０内の磁束φが一方向に偏る直流偏磁が生じうること。
【解決手段】コア３０は、フェライト等によって構成される。コア３０の軸方向において、局所的に、軸方向の直交断面積が小さくなる部分が設けられている。この部分は、コア３０の突起部として検出用磁心３２が形成されており、これは、検出用コイルＷｄを貫く。検出用コイルＷｄに誘起される電圧は、電圧検出回路２２を介して制御装置２０に出力される。制御装置２０では、検出用コイルＷｄにパルス状の電圧が誘起されるタイミングを、コア３０の磁束φのゼロクロスタイミングとして検出する。そして、このタイミング間の間隔に基づき、直流偏磁の有無を判断する。
【解決手段】コア３０は、フェライト等によって構成される。コア３０の軸方向において、局所的に、軸方向の直交断面積が小さくなる部分が設けられている。この部分は、コア３０の突起部として検出用磁心３２が形成されており、これは、検出用コイルＷｄを貫く。検出用コイルＷｄに誘起される電圧は、電圧検出回路２２を介して制御装置２０に出力される。制御装置２０では、検出用コイルＷｄにパルス状の電圧が誘起されるタイミングを、コア３０の磁束φのゼロクロスタイミングとして検出する。そして、このタイミング間の間隔に基づき、直流偏磁の有無を判断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内の磁束について、そのゼロ点を検出するゼロ点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器に対する小型化の要求に伴って、機器に電力を供給するスイッチング電源装置も小型化することが求められている。スイッチング電源装置の小型化を実現するためには、その体格の多くを占める受動部品の体格を低減することが要求される。したがって、受動部品の設計に際しては必要最低限での機能実現に多大な努力が払われている。
【０００３】
しかしながら、スイッチング電源装置の出力負荷状態によって素子特性が変化しにくいコンデンサとは異なり、リアクトルやトランスに代表される磁気部品は通電電流の増大によって磁気特性を失う磁気飽和という現象がある。したがって、磁気部品の設計においては必要最低限の設計は安全面や品質確保の面で問題を発生することが多く、多くの場合において十分な通電電流で性能が確保されるよう、性能面で大きなマージンを設けることが一般的に行われてきた。
【０００４】
特に、絶縁コンバータに使用されるトランスは、性能面のマージンが大きい部品として知られている。トランスは、磁心内の磁束が交流磁束となるものであるものの、この磁束がいずれかの方向に偏る偏磁現象が生じうる。偏磁現象は磁気飽和の原因となるため、これを速やかに検出して対処することが望ましいものの、磁気飽和が生じる以前に偏磁現象を検出することは困難である。このため、磁気飽和が生じることでこれを検知し、磁気飽和を解消することが一般的である。この場合、磁気飽和の解消動作中には電力変換機能が維持できないため、トランスの設計に際しては、十分まれにしか磁気飽和が起こらないよう特に大きくマージンが設けられていた。このため、トランスに偏磁現象が生じることが、スイッチング電源装置を小型化するうえで大きな障害となっていた。
【０００５】
そこで従来、下記特許文献１に見られるように、磁気飽和が発生する前に偏磁を検知する技術も提案されている。これは、トランスに飽和磁束密度が低く、かつ、透磁率がトランスの磁心より高い材料からなる迂回磁路を設け、この迂回磁路に検出コイルを設け、検出コイルに誘起される電圧を検出するものである。
【０００６】
すなわち、磁心の磁束がゼロ近傍にあるときには、迂回経路の透磁率がトランスの磁心の透磁率よりも高いため、迂回経路の磁気抵抗よりも磁心の磁気抵抗の方が大きく、磁心内の磁束の一部を迂回磁路に分流させることができる。ここで、迂回経路は、飽和磁束密度が低いため、分流した磁束によって即座に飽和する。迂回経路に磁気飽和が生じると、その透磁率が小さくなるため、迂回磁路の磁気抵抗は磁心の磁気抵抗よりも十分に大きくなり、迂回磁路の磁束の変化が極端に小さくなる。このため、迂回磁路を通過する磁束は、トランスを通過する磁束がごく少ないときにしか変化せず、検出コイルにはパルス状の電圧が誘導される。このパルスが発生した時点は、磁心の磁束がほぼ0となった時点である。このパルスの間隔が不均一となる場合、磁心内の磁束がいずれか一方の方向である期間の方が他方の方向の期間よりも長くなっており、直流の磁束が発生している（偏磁している）と考えられる。このため、磁心が磁気飽和する以前に偏磁を検知することができ、偏磁を検出した場合には、生じている直流磁束をゼロにフィードバック制御することで偏磁を解消することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３５１８２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ただし、上記技術には、次のような問題がある。
【０００９】
まず第１に、迂回磁路を形成するためには、トランスの磁心材料と比べて飽和しやすく、かつ、透磁率が高い材料が別途必要となるという問題である。
【００１０】
第２に、磁心の磁束のゼロ点検出のためのパラメータとして、上記検出コイルの誘起電圧を用いることは、その信頼性の点から疑問の余地が残るという問題である。すなわち、この技術の通常動作ではトランスの磁心の飽和を回避しうるものの、万一磁心が磁気飽和に近い状態となった場合には、磁心の透磁率が小さくなることで、磁心と迂回磁路との磁気抵抗の差が小さくなり、磁心から迂回磁路に漏れ磁束が流入することから、迂回磁路の磁束の変化が大きくなる。これにより、磁心の磁束がゼロ点からはなれて大きくなっている状況においても、検出コイルに電圧が誘起されることとなる。
【００１１】
第３に、迂回磁路は構造上、トランス上に一体的に成型することが難しく、製造上の工程が増加しやすいという問題がある。
【００１２】
第４に、近年トランス磁心に一般的に用いられるフェライト磁心は、脆性を有するため、このような迂回磁路の敷設により構造的な強度が低下するという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内の磁束について、そのゼロ点を検出のための新たな磁束のゼロ点検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
【００１５】
請求項１記載の発明は、主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内における磁束のゼロ点検出装置において、前記磁心は、その断面積が縮小した縮小部分を有し、前記縮小部分に対応する前記ループ経路の断面は、前記磁心よりも透磁率の低い部分と、該部分よりも透磁率の高い高透磁率部材を備える部分とを含み、前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分の一部であって且つ前記高透磁率部材を含む部分が貫通する検出用コイルと、前記検出用コイルに誘起される電圧を検出する電圧検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
磁心内の磁束は、上記ループ経路のうち縮小部分に対応する部分においては、高透磁率部材に集中する。このため、高透磁率部材は、縮小部分以外における磁心が磁気飽和する以前に磁気飽和し、高透磁率部材が磁気飽和した後には、磁心の磁束の増加は、ループ経路のうちの縮小部分に対応する部分においては高透磁率部材以外の部分の磁束の増加につながる。このため、高透磁率部材内の磁束の変化は、縮小部分以外における磁心の磁束がゼロ近傍で変化するときに制限される。このため、検出用コイルに誘起される電圧は、縮小部分以外における磁心の磁束がゼロ近傍で変化する期間に大きくなり、それ以外では小さくなる。このため、検出用コイルの電圧の変化を、縮小部分以外における磁心の磁束のゼロクロスと相関を有するパラメータとすることができる。したがって、上記発明では、電圧検出手段によって検出される電圧に応じてゼロクロスを検出することができる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記高透磁率部材は、前記磁心と一体的に形成された該磁心の突起であることを特徴とする。
【００１８】
上記発明では、高透磁率部材を磁心の突起とすることで、ループ経路のうち縮小部分に対応する部分に低透磁率部材をはめ込む場合であっても、この突起を利用することで、その位置あわせが容易となる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記高透磁率部材は、前記磁心とは別体であることを特徴とする。
【００２０】
上記発明では、高透磁率部材を磁心と別体とすることで、この部分に力が加わる場合であっても、磁心の破損を好適に抑制することができる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記磁心は、金属薄板の積層体であり、前記縮小部分は、前記積層体を構成する金属薄板の一部が削除されて構成されるものであり、前記高透磁率部材は、前記積層体のうち前記削除されなかった残りの金属薄板によって構成されていることを特徴とする。
【００２２】
上記発明では、金属薄板のうち削除するものと、削除しないものとの区別によって、高透磁率部材を形成することができる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記縮小部分には、基板が埋め込まれており、該基板には、前記高透磁率部材が貫通する孔が形成されて且つ、該孔の周囲に前記検出用コイルが設けられていることを特徴とする。
【００２４】
上記発明では、基板に検出用コイルを設けることで、検出用コイルを容易に配置することができる。
【００２５】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記主コイルと前記磁心との間に、ボビンを備え、該ボビンは、前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分に埋め込まれる部分を有するとともに、該埋め込まれる部分に、前記検出用コイルが内蔵されていることを特徴とする。
【００２６】
上記発明では、主コイルの配置を容易とするボビン内に検出用コイルを内蔵することで、検出用コイルの配置も容易となる。
【００２７】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記磁心は、複数の経路に分岐する構造を有し、前記縮小部分は、前記分岐した磁心のそれぞれに設けられ、前記高透磁率部材および前記検出用コイルは、前記分岐した複数の部分の少なくとも１つに対応して設けられていることを特徴とする。
【００２８】
上記発明では、分岐した複数のそれぞれに縮小部分を設けることで、一部に縮小部分を設けない場合と比較して高透磁率部材の磁束の飽和が生じやすくなり、ひいては検出用コイルに誘起される電圧を磁心の磁束のゼロクロスを高精度に表現するパラメータとすることができる。
【００２９】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記電圧検出手段は、前記検出用コイルに誘起される電圧の絶対値を出力する絶対値検出手段であることを特徴とする。
【００３０】
上記発明では、電圧検出手段の出力信号を入力する手段が、入力可能電圧の極性が一方向に制限されたものであっても、出力信号を容易に入力させることができる。
【００３１】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記絶対値検出手段は、前記高透磁率部材内の磁束の変化に応じて誘起される電圧の極性が互いに逆となる端子に整流手段が接続された前記検出用コイルとしての一対のコイルと、該一対のコイルの出力電圧の最大値を選択する最大値選択手段とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態にかかるシステム構成図。
【図２】同実施形態にかかる偏磁検出原理を示すタイムチャート。
【図３】第２の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図４】第３の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図５】第４の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図６】第５の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図７】第６の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図８】第７の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図９】第８の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図１０】第９の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる磁束のゼロ点検出装置を絶縁型ＤＣＤＣコンバータに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。
【００３５】
図示されるコンバータは、直流電圧源（バッテリ１０）の電圧（入力電圧Ｖｉｎ）を変換して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力するものである。すなわち、バッテリ１０にはコンデンサ１２が並列接続され、コンデンサ１２の両端に、フルブリッジ回路を構成するスイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２の直列接続体と、スイッチング素子ＳＷ３およびスイッチング素子ＳＷ４の直列接続体とが並列接続されている。なお、本実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を採用するとともに、これらにフリーホイールダイオードＦＤ１〜ＦＤ４が逆並列に接続されている。
【００３６】
スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２の接続点とスイッチング素子ＳＷ３およびスイッチング素子ＳＷ４の接続点との間には、トランスＴの１次側コイルＷ１が接続されている。
【００３７】
一方、トランスＴの２次側コイルＷ２は、中点タップを備えており、これが出力用コンデンサ１６の負極側に接続されている。また、２次側コイルＷ２の両端には、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２、平滑用インダクタ１４を介して、出力用コンデンサ１６の正極側が接続されている。さらに、出力用コンデンサ１６には、ダイオードＤ３が逆並列接続されている。
【００３８】
制御装置２０は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のそれぞれに操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４を出力することで、電圧変換処理を行う。本実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態と、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態とを交互に且つ同時間ずつ実現する。そして、この処理の１周期に対するスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオンとなる時間（スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンとなる時間）の比率（時比率Ｄ）によって、出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。なお、時比率Ｄが「０．５」よりも小さい場合、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態、およびスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態の間と、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態、およびスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態の間とに、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を全てオフとする状態を設ける。そして、これら一対の期間を本実施形態では、同一時間に設定する。
【００３９】
上記トランスＴは、１次側コイルＷ１と２次側コイルＷ２とを、たとえばフェライトからなる磁心（コア３０）によって磁気結合させたものである。コア３０は、軸方向に直交する断面積が局所的に縮小された部分（検出用磁心３２）を備えている。そして、コア３０によって案内されるループ経路のうち検出用磁心３２が形成される部分に、コア３０よりも透磁率の低いプラスチック等の低透磁率部材Ｌμが埋め込まれている。検出用磁心３２は、検出用コイルＷｄを貫通する。ここで、検出用コイルＷｄは、コア３０のうち検出用磁心３２に接続される部分の断面を検出用磁心３２に延長したと想定した場合にその全てを貫通することができないように設定されている。これは、コア３０によって案内された磁束の全てが検出用コイルＷｄを貫通することができないようにするための設定である。
【００４０】
検出用コイルＷｄの両端の電圧は、反転増幅回路（電圧検出回路２２）に取り込まれ、所定に変換された後、制御装置２０に出力される。制御装置２０では、電圧検出回路２２の出力電圧に基づき、コア３０に直流偏磁が生じたか否かを判断する。以下、これについて図２に基づき説明する。
【００４１】
図２（ａ１）および図２（ａ２）は、１次側コイルＷ１の電圧の推移を示し、図２（ｂ１）および図２（ｂ２）は、コア３０内の磁束φの推移を示し、図２（ｃ１）および図２（ｃ２）は、検出用コイルＷｄの鎖交磁束の推移を示し、図２（ｄ１）および図２（ｄ２）は、検出用コイルＷｄに誘起される電圧の推移を示す。
【００４２】
ここでは、まず図２（ａ１）、図２（ｂ１）、図２（ｃ１）および図２（ｄ１）に基づき、コア３０に直流偏磁が生じていない場合について説明する。
【００４３】
図示されるように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態となることで、１次側コイルＷ１に入力電圧Ｖｉｎが印加され、コア３０内の磁束φが漸増する。また、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態となることで、１次側コイルＷ１に入力電圧Ｖｉｎとは逆符号の電圧が印加されることで、コア３０内の磁束φが漸減する。ここで、本実施形態では、磁束φの漸増期間と漸減期間とのそれぞれにおいて１次側コイルＷ１に印加される電圧の絶対値が互いに等しいため、磁束φの漸増速度と漸減速度とが互いに等しくなる。そして、磁束φの漸増期間と漸減期間とが等しく設定されているため、漸増総量と漸減総量とも互いに等しくなる。このため、図示されるように、コア３０に直流偏磁が生じていない場合、磁束φは、ゼロを中心に双方向に等量だけ変動する。
【００４４】
ここで、検出用磁心３２の部分については、低透磁率部材Ｌμと比較して透磁率が十分に大きい。したがって、磁束は低透磁率部材Ｌμよりも検出用磁心３２に集中しやすいため、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束密度よりも検出用磁心３２の磁束密度の方が迅速に大きくなる傾向があり、結果、検出用磁心３２は速やかに磁気飽和する。このため、検出用コイルＷｄを鎖交する磁束は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束φがゼロとなる近傍においてのみ大きく変化するものとなる。なお、実際には、検出用コイルＷｄと検出用磁心３２との間に隙間が生じる場合、検出用コイルＷｄに磁気飽和が生じても検出用コイルＷｄの鎖交磁束は変化しうるが、これによる磁束の変化は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束がゼロ近傍にあるときにおける検出用コイルＷｄの鎖交磁束の変化に比べて十分に小さいため、図ではこの現象の記載については割愛している。
【００４５】
上記のように、検出用コイルＷｄが速やかに磁気飽和するため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束が略ゼロのときに限ってある程度大きい絶対値を有する値となり、それ以外ではほぼゼロとなる。このため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束φのゼロ点検出信号となりうる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、コア３０内の磁束φが漸増する期間と漸減する期間とが同一であり、また、漸増する期間に引き続く期間である磁束φが変化しない期間と、漸減する期間に引き続く期間である磁束φが変化しない期間とも同一である。このため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧が大きくなるタイミング（ゼロクロス検出タイミング）は、等しい時間間隔毎に周期的に生じる。
【００４７】
これに対し、図２（ａ２）、図２（ｂ２）、図２（ｃ２）および図２（ｄ２）に、コア３０に直流偏磁が生じている場合を示す。この場合、磁束の振幅中心が磁束のゼロ点からずれるため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧が大きくなるタイミングは、等間隔からずれたものとなる。このため、このずれに基づき、直流偏磁を検出することができる。特に、コア３０の磁束φが漸増する際のゼロクロスタイミングからコア３０の磁束φが漸減する際のゼロクロスタイミングまでの時間間隔の伸長または短縮に応じて、直流成分の方向をも検出可能である。
【００４８】
ちなみに、万一、検出用磁心３２以外のコア３０に磁気飽和が生じたとしても、低透磁率部材Ｌμの透磁率の変化は小さい。これは、低透磁率部材Ｌμに仮に磁気飽和が生じたとしても、その透磁率が真空の透磁率を下回ることがないため、低透磁率部材Ｌμの透磁率の変化は小さく、特に、低透磁率部材Ｌμが非磁性であれば磁気飽和が発生しないためである。このため、検出用磁心３２に磁気飽和が生じているときのその磁気抵抗と低透磁率部材Ｌμの磁気抵抗との差の変動は抑制される。このため、検出用磁心３２以外のコア３０に磁気飽和が生じた場合であっても、検出用磁心３２の磁束が大きく増大することがなく、ひいては検出用コイルＷｄに誘起される電圧がゼロクロスタイミングの誤検出につながるほど大きくなることがない。このため、検出用磁心３２以外のコア３０に磁気飽和が生じた場合であっても、検出用磁心３２以外のコア３０の磁束φのゼロクロスタイミングを誤検出することを好適に回避することができる。
【００４９】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００５０】
（１）コア３０に検出用磁心３２を備えた。これにより、検出用磁心３２を迅速に磁気飽和する部分とすることができるため、コア３０内の磁束のゼロ点を好適に検出することができる。
【００５１】
（２）検出用磁心３２をコア３０と一体的に構成した。このため、低透磁率部材Ｌμの位置決めを検出用磁心３２によって行うことが容易となる。
（３）検出用コイルＷｄの迂回経路を低透磁率部材Ｌμとすることで、検出用磁心３２以外のコア２０が磁気飽和した場合であっても迂回経路の磁気抵抗と磁気飽和した検出用磁心３２の磁気抵抗との差の変動を抑制することができ、ひいてはゼロクロスタイミングの誤検出を回避することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５２】
図３に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図３において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００５３】
図示されるように、本実施形態では、検出用磁心３２がコア３０に一体的に構成されて、コア３０の突起部となっているものの、その先端部とコア３０との間に間隙を有する。そしてこの部分には、低透磁率部材Ｌμが埋め込まれている。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５４】
図４に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図４において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００５５】
図４（ａ）に示すように、本実施形態では、低透磁率部材Ｌμが埋め込まれる部分において、コア３０に突起部が複数設けられている。そして、このうちの１つが検出用磁心３２として検出用コイルＷｄを貫いている。
【００５６】
ここで、コア３０は、図４（ｂ）に示すように、２つに分割されたものを組み合わせて構成されるものである。また、低透磁率部材Ｌμは、図４（ｃ）に示すように、上記コア３０の突起部のそれぞれに対応する孔ｈを有するものとなっており、この孔ｈに突起部が挿入されることで固定配置される。なお、低透磁率部材Ｌμには、検出用コイルＷｄが形成されており、低透磁率部材Ｌμの端部には、検出用コイルＷｄの端子が引き出されている。なお、本実施形態にかかる低透磁率部材Ｌμは、プリント基板によって構成されている。このため、検出用コイルＷｄは、プリント基板上の配線パターンであってもよい。
＜第４の実施形態＞
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５７】
図５に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図５において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００５８】
図５（ａ）に示されるように、本実施形態では、低透磁率部材Ｌμ内に、検出用磁心３２が埋め込まれている。すなわち、検出用磁心３２は、コア３０とは分離された構成である。これにより、コア３０と検出用磁心３２とが一体的に構成されている場合（検出用磁心３２がコア３０の突起部とされる場合）と比較して、低透磁率部材Ｌμ部分等に力が加わったとしても、コア３０が破損する事態を回避することができる。
【００５９】
ここで、コア３０は、図５（ｂ）に示すように、２つに分割されたものを組み合わせて構成されるものである。また、低透磁率部材Ｌμには、図５（ｃ）に示すように、検出用磁心３２の周囲に検出用コイルＷｄが収納配置されており、検出用コイルＷｄの端部は、低透磁率部材Ｌμから引き出されている。
＜第５の実施形態＞
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６０】
図６に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図６において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６１】
本実施形態では、コア３０を、３つの足３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有するＥＥコアとする。そして、その１つの足３０ｂに、１次側コイルＷ１および２次側コイルＷ２の双方を貫通させるとともに、検出用磁心３２を設ける。なお、コア３０は、一対の磁心に分離可能となっており、分離状態で１次側コイルＷ１および２次側コイルＷ２がコア３０に巻き付けられる。
＜第６の実施形態＞
以下、第６の実施形態について、先の第５の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６２】
図７に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図７において先の図６に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６３】
図示されるように、本実施形態では、コア３０の３つの足のうち、１次側コイルＷ１および２次側コイルＷ２の双方を貫通する足３０ｂ以外の一対の足３０ａ，３０ｃにおいて、その軸方向に直交する断面が小さくなる部分を備える。詳しくは、足３０ａについては、断面がゼロとなる部分を備え、足３０ｃについては、断面が縮小するもののコア３０の突起部として検出用磁心３２が形成されている。
【００６４】
ここで、足３０ｂにおいても低透磁率部材Ｌμを設けたのは、検出用磁心３２を磁気飽和させやすくするためである。
＜第７の実施形態＞
以下、第７の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６５】
図８に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図８において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６６】
図８（ａ）に示されるように、本実施形態では、１次側コイルＷ１がボビン４０に巻かれるとともに、２次側コイルＷ２がボビン４２に巻かれている。これらボビン４０，４２は、コア３０に挿入されるものである。ここで、ボビン４２には、検出用コイルＷｄが収納されている。これは、図８（ｂ）に示されるように、ボビン４２の内径が検出用磁心３２を挟み込む部分において小さく設定されており、その部分に検出用コイルＷｄが埋め込まれる孔４４が形成されることで実現されている。
【００６７】
なお、図示されるように、コア３０は、２つの部分に分離されており、ボビン４０，４２の挿入後、これら一対の部品が組み合わされる。また、ボビン４０，４２は、コア３０と比較して、透磁率が小さい材料によって形成されることが望ましい。
＜第８の実施形態＞
以下、第８の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６８】
図９に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図９において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６９】
図示されるように、本実施形態では、コア３０を、薄い鋼板の積層体である電磁鋼板にて構成する。そして、鋼板をコア３０の軸線方向において局所的に切断するに際し、部分的に切断しない部分を設けてこれを検出用磁心３２とする。
＜第９の実施形態＞
以下、第９の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７０】
図示されるように、本実施形態では、互いに一方の端部同士が接続された一対の検出用コイルＷｄ１，Ｗｄ２を備える。これら検出用コイルＷｄ１，Ｗｄ２は、検出用磁心３２内の磁束変化に対して誘起される電圧の極性が互いに逆となるように設定されている。そして、互いに接続されていない側の端部がそれぞれダイオードＤ４，Ｄ５を介して電圧検出回路２２の一方の入力端子に接続され、互いに接続されている側の端部が電圧検出回路２２の他方の入力端子に接続されている。
【００７１】
こうした構成によれば、検出用磁心３２内の磁束の変化方向にかかわらず、電圧検出回路２２の出力電圧を一定方向とすることができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００７２】
「高透磁率部材について」
検出用コイルを貫く高透磁率部材としては、磁心と同一材料からなるものに限らず、その周囲（低透磁率部材Ｌμ）と比較して透磁率が高ければよい。ただし、縮小部分以外の磁心の磁束φがゼロ近傍にあるときとゼロ近傍から離れたときとで検出用コイルＷｄの誘起電圧の差を大きくする観点から、磁気飽和が生じる前後での透磁率の変化量が大きいものであることが望ましい。また、ゼロ点の検出精度を向上させる上では、磁束密度と磁場とのヒステリシスループのヒステリシス幅（磁束密度Ｂ＝０となる一対の磁場Ｈの値の差）が極力小さいものを用いることが望ましい。
【００７３】
「縮小部分について」
磁束のループ経路のうち縮小部分に対応する部分に埋め込まれる低透磁率部材Ｌμとしては、プリント基板に限らない。
【００７４】
低透磁率部材Ｌμやボビン４２が埋め込まれる部分とするものに限らない。たとえば周囲の気体によって満たされる部分としてもよい。
【００７５】
「基板について」
検出用コイルＷｄが搭載されて且つ電圧検出回路２２が搭載されないものに限らず、電圧検出回路２２をも搭載するものであってもよい。
【００７６】
「複数の経路に分岐する構造を有した磁心について」
上記第６の実施形態において、検出用コイルＷｄが設けられない低透磁率部材Ｌμ側についても、検出用磁心３２と同様の突起を設けてもよい。また、この突起をも検出用磁心として、検出用コイルＷｄをこれら一対の検出用磁心によって貫通するようにしてもよい。
【００７７】
複数の経路に分岐する構造としては、ＥＥコアに限らない。たとえば、さらに１つ分岐する経路を備えていてもよい。
【００７８】
「高透磁率部材の別体構造について」
上記第４の実施形態では、検出用磁心が低透磁率部材Ｌμに埋め込まれてコア３０に接触しない構成を例示したが、接触してもよい。
【００７９】
「金属薄板の積層体としての磁心について」
上記第８の実施形態では、金属薄板を切断するに際して切断せずに残した１枚を検出用磁心３２としたがこれに限らず、たとえば一部であって且つ複数の金属薄板によって検出用磁心を構成してもよい。また、検出用磁心とするもの以外でも、強度の観点から一部切断されない金属薄板があってもよい。
【００８０】
「絶対値検出手段について」
検出用コイルＷｄを１つとする代わりに、たとえば、これらの一対の端子のそれぞれを２組の配線に接続し、各組のうち一方ずつに、整流手段を備えるようにしてもよい。またたとえば、１つの検出用コイルＷｄの一対の端子と非反転入力端子および反転入力端子との接続が互いに逆となる２組の比較器と、これら比較器の出力のうち大きい方を選択する回路とを備えてもよい。
【００８１】
なお、整流手段としては、ダイオードに限らず、たとえばサイリスタ等であってもよい。
【００８２】
「電圧検出手段について」
オペアンプを備えて構成されるものに限らないことについては、「絶対値検出手段について」の欄に記載したとおりである。
【００８３】
「偏磁検出手法について」
ゼロクロス検出タイミング間の間隔に基づくものに限らない。ちなみに、たとえば１次側コイルＷ１に正の電圧を印加する場合と負の電圧を印加する場合とで印加電圧の絶対値が相違する場合等にあっては、ゼロクロス検出タイミング間の間隔が一定であることは偏磁が生じていないことを意味しない。このため、偏磁が生じていないと想定される場合のゼロクロス検出タイミングからのずれに基づき、適宜偏磁の有無を判断することが望ましい。
【００８４】
「磁心について」
フェライトや電磁鋼板に限らず、たとえばダストコア等であってもよい。
【符号の説明】
【００８５】
３０…コア、３２…検出用磁心、Ｗｄ…検出用コイル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内の磁束について、そのゼロ点を検出するゼロ点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器に対する小型化の要求に伴って、機器に電力を供給するスイッチング電源装置も小型化することが求められている。スイッチング電源装置の小型化を実現するためには、その体格の多くを占める受動部品の体格を低減することが要求される。したがって、受動部品の設計に際しては必要最低限での機能実現に多大な努力が払われている。
【０００３】
しかしながら、スイッチング電源装置の出力負荷状態によって素子特性が変化しにくいコンデンサとは異なり、リアクトルやトランスに代表される磁気部品は通電電流の増大によって磁気特性を失う磁気飽和という現象がある。したがって、磁気部品の設計においては必要最低限の設計は安全面や品質確保の面で問題を発生することが多く、多くの場合において十分な通電電流で性能が確保されるよう、性能面で大きなマージンを設けることが一般的に行われてきた。
【０００４】
特に、絶縁コンバータに使用されるトランスは、性能面のマージンが大きい部品として知られている。トランスは、磁心内の磁束が交流磁束となるものであるものの、この磁束がいずれかの方向に偏る偏磁現象が生じうる。偏磁現象は磁気飽和の原因となるため、これを速やかに検出して対処することが望ましいものの、磁気飽和が生じる以前に偏磁現象を検出することは困難である。このため、磁気飽和が生じることでこれを検知し、磁気飽和を解消することが一般的である。この場合、磁気飽和の解消動作中には電力変換機能が維持できないため、トランスの設計に際しては、十分まれにしか磁気飽和が起こらないよう特に大きくマージンが設けられていた。このため、トランスに偏磁現象が生じることが、スイッチング電源装置を小型化するうえで大きな障害となっていた。
【０００５】
そこで従来、下記特許文献１に見られるように、磁気飽和が発生する前に偏磁を検知する技術も提案されている。これは、トランスに飽和磁束密度が低く、かつ、透磁率がトランスの磁心より高い材料からなる迂回磁路を設け、この迂回磁路に検出コイルを設け、検出コイルに誘起される電圧を検出するものである。
【０００６】
すなわち、磁心の磁束がゼロ近傍にあるときには、迂回経路の透磁率がトランスの磁心の透磁率よりも高いため、迂回経路の磁気抵抗よりも磁心の磁気抵抗の方が大きく、磁心内の磁束の一部を迂回磁路に分流させることができる。ここで、迂回経路は、飽和磁束密度が低いため、分流した磁束によって即座に飽和する。迂回経路に磁気飽和が生じると、その透磁率が小さくなるため、迂回磁路の磁気抵抗は磁心の磁気抵抗よりも十分に大きくなり、迂回磁路の磁束の変化が極端に小さくなる。このため、迂回磁路を通過する磁束は、トランスを通過する磁束がごく少ないときにしか変化せず、検出コイルにはパルス状の電圧が誘導される。このパルスが発生した時点は、磁心の磁束がほぼ0となった時点である。このパルスの間隔が不均一となる場合、磁心内の磁束がいずれか一方の方向である期間の方が他方の方向の期間よりも長くなっており、直流の磁束が発生している（偏磁している）と考えられる。このため、磁心が磁気飽和する以前に偏磁を検知することができ、偏磁を検出した場合には、生じている直流磁束をゼロにフィードバック制御することで偏磁を解消することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３５１８２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ただし、上記技術には、次のような問題がある。
【０００９】
まず第１に、迂回磁路を形成するためには、トランスの磁心材料と比べて飽和しやすく、かつ、透磁率が高い材料が別途必要となるという問題である。
【００１０】
第２に、磁心の磁束のゼロ点検出のためのパラメータとして、上記検出コイルの誘起電圧を用いることは、その信頼性の点から疑問の余地が残るという問題である。すなわち、この技術の通常動作ではトランスの磁心の飽和を回避しうるものの、万一磁心が磁気飽和に近い状態となった場合には、磁心の透磁率が小さくなることで、磁心と迂回磁路との磁気抵抗の差が小さくなり、磁心から迂回磁路に漏れ磁束が流入することから、迂回磁路の磁束の変化が大きくなる。これにより、磁心の磁束がゼロ点からはなれて大きくなっている状況においても、検出コイルに電圧が誘起されることとなる。
【００１１】
第３に、迂回磁路は構造上、トランス上に一体的に成型することが難しく、製造上の工程が増加しやすいという問題がある。
【００１２】
第４に、近年トランス磁心に一般的に用いられるフェライト磁心は、脆性を有するため、このような迂回磁路の敷設により構造的な強度が低下するという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内の磁束について、そのゼロ点を検出のための新たな磁束のゼロ点検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
【００１５】
請求項１記載の発明は、主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内における磁束のゼロ点検出装置において、前記磁心は、その断面積が縮小した縮小部分を有し、前記縮小部分に対応する前記ループ経路の断面は、前記磁心よりも透磁率の低い部分と、該部分よりも透磁率の高い高透磁率部材を備える部分とを含み、前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分の一部であって且つ前記高透磁率部材を含む部分が貫通する検出用コイルと、前記検出用コイルに誘起される電圧を検出する電圧検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
磁心内の磁束は、上記ループ経路のうち縮小部分に対応する部分においては、高透磁率部材に集中する。このため、高透磁率部材は、縮小部分以外における磁心が磁気飽和する以前に磁気飽和し、高透磁率部材が磁気飽和した後には、磁心の磁束の増加は、ループ経路のうちの縮小部分に対応する部分においては高透磁率部材以外の部分の磁束の増加につながる。このため、高透磁率部材内の磁束の変化は、縮小部分以外における磁心の磁束がゼロ近傍で変化するときに制限される。このため、検出用コイルに誘起される電圧は、縮小部分以外における磁心の磁束がゼロ近傍で変化する期間に大きくなり、それ以外では小さくなる。このため、検出用コイルの電圧の変化を、縮小部分以外における磁心の磁束のゼロクロスと相関を有するパラメータとすることができる。したがって、上記発明では、電圧検出手段によって検出される電圧に応じてゼロクロスを検出することができる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記高透磁率部材は、前記磁心と一体的に形成された該磁心の突起であることを特徴とする。
【００１８】
上記発明では、高透磁率部材を磁心の突起とすることで、ループ経路のうち縮小部分に対応する部分に低透磁率部材をはめ込む場合であっても、この突起を利用することで、その位置あわせが容易となる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記高透磁率部材は、前記磁心とは別体であることを特徴とする。
【００２０】
上記発明では、高透磁率部材を磁心と別体とすることで、この部分に力が加わる場合であっても、磁心の破損を好適に抑制することができる。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記磁心は、金属薄板の積層体であり、前記縮小部分は、前記積層体を構成する金属薄板の一部が削除されて構成されるものであり、前記高透磁率部材は、前記積層体のうち前記削除されなかった残りの金属薄板によって構成されていることを特徴とする。
【００２２】
上記発明では、金属薄板のうち削除するものと、削除しないものとの区別によって、高透磁率部材を形成することができる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記縮小部分には、基板が埋め込まれており、該基板には、前記高透磁率部材が貫通する孔が形成されて且つ、該孔の周囲に前記検出用コイルが設けられていることを特徴とする。
【００２４】
上記発明では、基板に検出用コイルを設けることで、検出用コイルを容易に配置することができる。
【００２５】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記主コイルと前記磁心との間に、ボビンを備え、該ボビンは、前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分に埋め込まれる部分を有するとともに、該埋め込まれる部分に、前記検出用コイルが内蔵されていることを特徴とする。
【００２６】
上記発明では、主コイルの配置を容易とするボビン内に検出用コイルを内蔵することで、検出用コイルの配置も容易となる。
【００２７】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記磁心は、複数の経路に分岐する構造を有し、前記縮小部分は、前記分岐した磁心のそれぞれに設けられ、前記高透磁率部材および前記検出用コイルは、前記分岐した複数の部分の少なくとも１つに対応して設けられていることを特徴とする。
【００２８】
上記発明では、分岐した複数のそれぞれに縮小部分を設けることで、一部に縮小部分を設けない場合と比較して高透磁率部材の磁束の飽和が生じやすくなり、ひいては検出用コイルに誘起される電圧を磁心の磁束のゼロクロスを高精度に表現するパラメータとすることができる。
【００２９】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、前記電圧検出手段は、前記検出用コイルに誘起される電圧の絶対値を出力する絶対値検出手段であることを特徴とする。
【００３０】
上記発明では、電圧検出手段の出力信号を入力する手段が、入力可能電圧の極性が一方向に制限されたものであっても、出力信号を容易に入力させることができる。
【００３１】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記絶対値検出手段は、前記高透磁率部材内の磁束の変化に応じて誘起される電圧の極性が互いに逆となる端子に整流手段が接続された前記検出用コイルとしての一対のコイルと、該一対のコイルの出力電圧の最大値を選択する最大値選択手段とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態にかかるシステム構成図。
【図２】同実施形態にかかる偏磁検出原理を示すタイムチャート。
【図３】第２の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図４】第３の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図５】第４の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図６】第５の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図７】第６の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図８】第７の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図９】第８の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【図１０】第９の実施形態にかかるコアの断面構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる磁束のゼロ点検出装置を絶縁型ＤＣＤＣコンバータに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。
【００３５】
図示されるコンバータは、直流電圧源（バッテリ１０）の電圧（入力電圧Ｖｉｎ）を変換して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力するものである。すなわち、バッテリ１０にはコンデンサ１２が並列接続され、コンデンサ１２の両端に、フルブリッジ回路を構成するスイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２の直列接続体と、スイッチング素子ＳＷ３およびスイッチング素子ＳＷ４の直列接続体とが並列接続されている。なお、本実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を採用するとともに、これらにフリーホイールダイオードＦＤ１〜ＦＤ４が逆並列に接続されている。
【００３６】
スイッチング素子ＳＷ１およびスイッチング素子ＳＷ２の接続点とスイッチング素子ＳＷ３およびスイッチング素子ＳＷ４の接続点との間には、トランスＴの１次側コイルＷ１が接続されている。
【００３７】
一方、トランスＴの２次側コイルＷ２は、中点タップを備えており、これが出力用コンデンサ１６の負極側に接続されている。また、２次側コイルＷ２の両端には、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２、平滑用インダクタ１４を介して、出力用コンデンサ１６の正極側が接続されている。さらに、出力用コンデンサ１６には、ダイオードＤ３が逆並列接続されている。
【００３８】
制御装置２０は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のそれぞれに操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４を出力することで、電圧変換処理を行う。本実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態と、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態とを交互に且つ同時間ずつ実現する。そして、この処理の１周期に対するスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオンとなる時間（スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンとなる時間）の比率（時比率Ｄ）によって、出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。なお、時比率Ｄが「０．５」よりも小さい場合、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態、およびスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態の間と、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態、およびスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態の間とに、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を全てオフとする状態を設ける。そして、これら一対の期間を本実施形態では、同一時間に設定する。
【００３９】
上記トランスＴは、１次側コイルＷ１と２次側コイルＷ２とを、たとえばフェライトからなる磁心（コア３０）によって磁気結合させたものである。コア３０は、軸方向に直交する断面積が局所的に縮小された部分（検出用磁心３２）を備えている。そして、コア３０によって案内されるループ経路のうち検出用磁心３２が形成される部分に、コア３０よりも透磁率の低いプラスチック等の低透磁率部材Ｌμが埋め込まれている。検出用磁心３２は、検出用コイルＷｄを貫通する。ここで、検出用コイルＷｄは、コア３０のうち検出用磁心３２に接続される部分の断面を検出用磁心３２に延長したと想定した場合にその全てを貫通することができないように設定されている。これは、コア３０によって案内された磁束の全てが検出用コイルＷｄを貫通することができないようにするための設定である。
【００４０】
検出用コイルＷｄの両端の電圧は、反転増幅回路（電圧検出回路２２）に取り込まれ、所定に変換された後、制御装置２０に出力される。制御装置２０では、電圧検出回路２２の出力電圧に基づき、コア３０に直流偏磁が生じたか否かを判断する。以下、これについて図２に基づき説明する。
【００４１】
図２（ａ１）および図２（ａ２）は、１次側コイルＷ１の電圧の推移を示し、図２（ｂ１）および図２（ｂ２）は、コア３０内の磁束φの推移を示し、図２（ｃ１）および図２（ｃ２）は、検出用コイルＷｄの鎖交磁束の推移を示し、図２（ｄ１）および図２（ｄ２）は、検出用コイルＷｄに誘起される電圧の推移を示す。
【００４２】
ここでは、まず図２（ａ１）、図２（ｂ１）、図２（ｃ１）および図２（ｄ１）に基づき、コア３０に直流偏磁が生じていない場合について説明する。
【００４３】
図示されるように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフの状態となることで、１次側コイルＷ１に入力電圧Ｖｉｎが印加され、コア３０内の磁束φが漸増する。また、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ且つスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンの状態となることで、１次側コイルＷ１に入力電圧Ｖｉｎとは逆符号の電圧が印加されることで、コア３０内の磁束φが漸減する。ここで、本実施形態では、磁束φの漸増期間と漸減期間とのそれぞれにおいて１次側コイルＷ１に印加される電圧の絶対値が互いに等しいため、磁束φの漸増速度と漸減速度とが互いに等しくなる。そして、磁束φの漸増期間と漸減期間とが等しく設定されているため、漸増総量と漸減総量とも互いに等しくなる。このため、図示されるように、コア３０に直流偏磁が生じていない場合、磁束φは、ゼロを中心に双方向に等量だけ変動する。
【００４４】
ここで、検出用磁心３２の部分については、低透磁率部材Ｌμと比較して透磁率が十分に大きい。したがって、磁束は低透磁率部材Ｌμよりも検出用磁心３２に集中しやすいため、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束密度よりも検出用磁心３２の磁束密度の方が迅速に大きくなる傾向があり、結果、検出用磁心３２は速やかに磁気飽和する。このため、検出用コイルＷｄを鎖交する磁束は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束φがゼロとなる近傍においてのみ大きく変化するものとなる。なお、実際には、検出用コイルＷｄと検出用磁心３２との間に隙間が生じる場合、検出用コイルＷｄに磁気飽和が生じても検出用コイルＷｄの鎖交磁束は変化しうるが、これによる磁束の変化は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束がゼロ近傍にあるときにおける検出用コイルＷｄの鎖交磁束の変化に比べて十分に小さいため、図ではこの現象の記載については割愛している。
【００４５】
上記のように、検出用コイルＷｄが速やかに磁気飽和するため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束が略ゼロのときに限ってある程度大きい絶対値を有する値となり、それ以外ではほぼゼロとなる。このため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧は、検出用磁心３２以外のコア３０内の磁束φのゼロ点検出信号となりうる。
【００４６】
ここで、本実施形態では、コア３０内の磁束φが漸増する期間と漸減する期間とが同一であり、また、漸増する期間に引き続く期間である磁束φが変化しない期間と、漸減する期間に引き続く期間である磁束φが変化しない期間とも同一である。このため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧が大きくなるタイミング（ゼロクロス検出タイミング）は、等しい時間間隔毎に周期的に生じる。
【００４７】
これに対し、図２（ａ２）、図２（ｂ２）、図２（ｃ２）および図２（ｄ２）に、コア３０に直流偏磁が生じている場合を示す。この場合、磁束の振幅中心が磁束のゼロ点からずれるため、検出用コイルＷｄに誘起される電圧が大きくなるタイミングは、等間隔からずれたものとなる。このため、このずれに基づき、直流偏磁を検出することができる。特に、コア３０の磁束φが漸増する際のゼロクロスタイミングからコア３０の磁束φが漸減する際のゼロクロスタイミングまでの時間間隔の伸長または短縮に応じて、直流成分の方向をも検出可能である。
【００４８】
ちなみに、万一、検出用磁心３２以外のコア３０に磁気飽和が生じたとしても、低透磁率部材Ｌμの透磁率の変化は小さい。これは、低透磁率部材Ｌμに仮に磁気飽和が生じたとしても、その透磁率が真空の透磁率を下回ることがないため、低透磁率部材Ｌμの透磁率の変化は小さく、特に、低透磁率部材Ｌμが非磁性であれば磁気飽和が発生しないためである。このため、検出用磁心３２に磁気飽和が生じているときのその磁気抵抗と低透磁率部材Ｌμの磁気抵抗との差の変動は抑制される。このため、検出用磁心３２以外のコア３０に磁気飽和が生じた場合であっても、検出用磁心３２の磁束が大きく増大することがなく、ひいては検出用コイルＷｄに誘起される電圧がゼロクロスタイミングの誤検出につながるほど大きくなることがない。このため、検出用磁心３２以外のコア３０に磁気飽和が生じた場合であっても、検出用磁心３２以外のコア３０の磁束φのゼロクロスタイミングを誤検出することを好適に回避することができる。
【００４９】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００５０】
（１）コア３０に検出用磁心３２を備えた。これにより、検出用磁心３２を迅速に磁気飽和する部分とすることができるため、コア３０内の磁束のゼロ点を好適に検出することができる。
【００５１】
（２）検出用磁心３２をコア３０と一体的に構成した。このため、低透磁率部材Ｌμの位置決めを検出用磁心３２によって行うことが容易となる。
（３）検出用コイルＷｄの迂回経路を低透磁率部材Ｌμとすることで、検出用磁心３２以外のコア２０が磁気飽和した場合であっても迂回経路の磁気抵抗と磁気飽和した検出用磁心３２の磁気抵抗との差の変動を抑制することができ、ひいてはゼロクロスタイミングの誤検出を回避することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５２】
図３に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図３において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００５３】
図示されるように、本実施形態では、検出用磁心３２がコア３０に一体的に構成されて、コア３０の突起部となっているものの、その先端部とコア３０との間に間隙を有する。そしてこの部分には、低透磁率部材Ｌμが埋め込まれている。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５４】
図４に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図４において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００５５】
図４（ａ）に示すように、本実施形態では、低透磁率部材Ｌμが埋め込まれる部分において、コア３０に突起部が複数設けられている。そして、このうちの１つが検出用磁心３２として検出用コイルＷｄを貫いている。
【００５６】
ここで、コア３０は、図４（ｂ）に示すように、２つに分割されたものを組み合わせて構成されるものである。また、低透磁率部材Ｌμは、図４（ｃ）に示すように、上記コア３０の突起部のそれぞれに対応する孔ｈを有するものとなっており、この孔ｈに突起部が挿入されることで固定配置される。なお、低透磁率部材Ｌμには、検出用コイルＷｄが形成されており、低透磁率部材Ｌμの端部には、検出用コイルＷｄの端子が引き出されている。なお、本実施形態にかかる低透磁率部材Ｌμは、プリント基板によって構成されている。このため、検出用コイルＷｄは、プリント基板上の配線パターンであってもよい。
＜第４の実施形態＞
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５７】
図５に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図５において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００５８】
図５（ａ）に示されるように、本実施形態では、低透磁率部材Ｌμ内に、検出用磁心３２が埋め込まれている。すなわち、検出用磁心３２は、コア３０とは分離された構成である。これにより、コア３０と検出用磁心３２とが一体的に構成されている場合（検出用磁心３２がコア３０の突起部とされる場合）と比較して、低透磁率部材Ｌμ部分等に力が加わったとしても、コア３０が破損する事態を回避することができる。
【００５９】
ここで、コア３０は、図５（ｂ）に示すように、２つに分割されたものを組み合わせて構成されるものである。また、低透磁率部材Ｌμには、図５（ｃ）に示すように、検出用磁心３２の周囲に検出用コイルＷｄが収納配置されており、検出用コイルＷｄの端部は、低透磁率部材Ｌμから引き出されている。
＜第５の実施形態＞
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６０】
図６に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図６において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６１】
本実施形態では、コア３０を、３つの足３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有するＥＥコアとする。そして、その１つの足３０ｂに、１次側コイルＷ１および２次側コイルＷ２の双方を貫通させるとともに、検出用磁心３２を設ける。なお、コア３０は、一対の磁心に分離可能となっており、分離状態で１次側コイルＷ１および２次側コイルＷ２がコア３０に巻き付けられる。
＜第６の実施形態＞
以下、第６の実施形態について、先の第５の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６２】
図７に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図７において先の図６に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６３】
図示されるように、本実施形態では、コア３０の３つの足のうち、１次側コイルＷ１および２次側コイルＷ２の双方を貫通する足３０ｂ以外の一対の足３０ａ，３０ｃにおいて、その軸方向に直交する断面が小さくなる部分を備える。詳しくは、足３０ａについては、断面がゼロとなる部分を備え、足３０ｃについては、断面が縮小するもののコア３０の突起部として検出用磁心３２が形成されている。
【００６４】
ここで、足３０ｂにおいても低透磁率部材Ｌμを設けたのは、検出用磁心３２を磁気飽和させやすくするためである。
＜第７の実施形態＞
以下、第７の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６５】
図８に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図８において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６６】
図８（ａ）に示されるように、本実施形態では、１次側コイルＷ１がボビン４０に巻かれるとともに、２次側コイルＷ２がボビン４２に巻かれている。これらボビン４０，４２は、コア３０に挿入されるものである。ここで、ボビン４２には、検出用コイルＷｄが収納されている。これは、図８（ｂ）に示されるように、ボビン４２の内径が検出用磁心３２を挟み込む部分において小さく設定されており、その部分に検出用コイルＷｄが埋め込まれる孔４４が形成されることで実現されている。
【００６７】
なお、図示されるように、コア３０は、２つの部分に分離されており、ボビン４０，４２の挿入後、これら一対の部品が組み合わされる。また、ボビン４０，４２は、コア３０と比較して、透磁率が小さい材料によって形成されることが望ましい。
＜第８の実施形態＞
以下、第８の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００６８】
図９に、本実施形態にかかるコア３０等の構成を示す。なお、図９において先の図１に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。
【００６９】
図示されるように、本実施形態では、コア３０を、薄い鋼板の積層体である電磁鋼板にて構成する。そして、鋼板をコア３０の軸線方向において局所的に切断するに際し、部分的に切断しない部分を設けてこれを検出用磁心３２とする。
＜第９の実施形態＞
以下、第９の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７０】
図示されるように、本実施形態では、互いに一方の端部同士が接続された一対の検出用コイルＷｄ１，Ｗｄ２を備える。これら検出用コイルＷｄ１，Ｗｄ２は、検出用磁心３２内の磁束変化に対して誘起される電圧の極性が互いに逆となるように設定されている。そして、互いに接続されていない側の端部がそれぞれダイオードＤ４，Ｄ５を介して電圧検出回路２２の一方の入力端子に接続され、互いに接続されている側の端部が電圧検出回路２２の他方の入力端子に接続されている。
【００７１】
こうした構成によれば、検出用磁心３２内の磁束の変化方向にかかわらず、電圧検出回路２２の出力電圧を一定方向とすることができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００７２】
「高透磁率部材について」
検出用コイルを貫く高透磁率部材としては、磁心と同一材料からなるものに限らず、その周囲（低透磁率部材Ｌμ）と比較して透磁率が高ければよい。ただし、縮小部分以外の磁心の磁束φがゼロ近傍にあるときとゼロ近傍から離れたときとで検出用コイルＷｄの誘起電圧の差を大きくする観点から、磁気飽和が生じる前後での透磁率の変化量が大きいものであることが望ましい。また、ゼロ点の検出精度を向上させる上では、磁束密度と磁場とのヒステリシスループのヒステリシス幅（磁束密度Ｂ＝０となる一対の磁場Ｈの値の差）が極力小さいものを用いることが望ましい。
【００７３】
「縮小部分について」
磁束のループ経路のうち縮小部分に対応する部分に埋め込まれる低透磁率部材Ｌμとしては、プリント基板に限らない。
【００７４】
低透磁率部材Ｌμやボビン４２が埋め込まれる部分とするものに限らない。たとえば周囲の気体によって満たされる部分としてもよい。
【００７５】
「基板について」
検出用コイルＷｄが搭載されて且つ電圧検出回路２２が搭載されないものに限らず、電圧検出回路２２をも搭載するものであってもよい。
【００７６】
「複数の経路に分岐する構造を有した磁心について」
上記第６の実施形態において、検出用コイルＷｄが設けられない低透磁率部材Ｌμ側についても、検出用磁心３２と同様の突起を設けてもよい。また、この突起をも検出用磁心として、検出用コイルＷｄをこれら一対の検出用磁心によって貫通するようにしてもよい。
【００７７】
複数の経路に分岐する構造としては、ＥＥコアに限らない。たとえば、さらに１つ分岐する経路を備えていてもよい。
【００７８】
「高透磁率部材の別体構造について」
上記第４の実施形態では、検出用磁心が低透磁率部材Ｌμに埋め込まれてコア３０に接触しない構成を例示したが、接触してもよい。
【００７９】
「金属薄板の積層体としての磁心について」
上記第８の実施形態では、金属薄板を切断するに際して切断せずに残した１枚を検出用磁心３２としたがこれに限らず、たとえば一部であって且つ複数の金属薄板によって検出用磁心を構成してもよい。また、検出用磁心とするもの以外でも、強度の観点から一部切断されない金属薄板があってもよい。
【００８０】
「絶対値検出手段について」
検出用コイルＷｄを１つとする代わりに、たとえば、これらの一対の端子のそれぞれを２組の配線に接続し、各組のうち一方ずつに、整流手段を備えるようにしてもよい。またたとえば、１つの検出用コイルＷｄの一対の端子と非反転入力端子および反転入力端子との接続が互いに逆となる２組の比較器と、これら比較器の出力のうち大きい方を選択する回路とを備えてもよい。
【００８１】
なお、整流手段としては、ダイオードに限らず、たとえばサイリスタ等であってもよい。
【００８２】
「電圧検出手段について」
オペアンプを備えて構成されるものに限らないことについては、「絶対値検出手段について」の欄に記載したとおりである。
【００８３】
「偏磁検出手法について」
ゼロクロス検出タイミング間の間隔に基づくものに限らない。ちなみに、たとえば１次側コイルＷ１に正の電圧を印加する場合と負の電圧を印加する場合とで印加電圧の絶対値が相違する場合等にあっては、ゼロクロス検出タイミング間の間隔が一定であることは偏磁が生じていないことを意味しない。このため、偏磁が生じていないと想定される場合のゼロクロス検出タイミングからのずれに基づき、適宜偏磁の有無を判断することが望ましい。
【００８４】
「磁心について」
フェライトや電磁鋼板に限らず、たとえばダストコア等であってもよい。
【符号の説明】
【００８５】
３０…コア、３２…検出用磁心、Ｗｄ…検出用コイル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内における磁束のゼロ点検出装置において、
前記磁心は、その断面積が縮小した縮小部分を有し、
前記縮小部分に対応する前記ループ経路の断面は、前記磁心よりも透磁率の低い部分と、該部分よりも透磁率の高い高透磁率部材を備える部分とを含み、
前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分の一部であって且つ前記高透磁率部材を含む部分が貫通する検出用コイルと、
前記検出用コイルに誘起される電圧を検出する電圧検出手段とを備えることを特徴とする磁束のゼロ点検出装置。
【請求項２】
前記高透磁率部材は、前記磁心と一体的に形成された該磁心の突起であることを特徴とする請求項１記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項３】
前記高透磁率部材は、前記磁心とは別体であることを特徴とする請求項１記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項４】
前記磁心は、金属薄板の積層体であり、
前記縮小部分は、前記積層体を構成する金属薄板の一部が削除されて構成されるものであり、
前記高透磁率部材は、前記積層体のうち前記削除されなかった残りの金属薄板によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項５】
前記縮小部分には、基板が埋め込まれており、
該基板には、前記高透磁率部材が貫通する孔が形成されて且つ、該孔の周囲に前記検出用コイルが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項６】
前記主コイルと前記磁心との間に、ボビンを備え、
該ボビンは、前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分に埋め込まれる部分を有するとともに、該埋め込まれる部分に、前記検出用コイルが内蔵されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項７】
前記磁心は、複数の経路に分岐する構造を有し、
前記縮小部分は、前記分岐した磁心のそれぞれに設けられ、
前記高透磁率部材および前記検出用コイルは、前記分岐した複数の部分の少なくとも１つに対応して設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項８】
前記電圧検出手段は、前記検出用コイルに誘起される電圧の絶対値を出力する絶対値検出手段であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項９】
前記絶対値検出手段は、前記高透磁率部材内の磁束の変化に応じて誘起される電圧の極性が互いに逆となる端子に整流手段が接続された前記検出用コイルとしての一対のコイルと、該一対のコイルの出力電圧の最大値を選択する最大値選択手段とを備えることを特徴とする請求項８記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項１】
主コイルを貫くループ経路を構成する磁心内における磁束のゼロ点検出装置において、
前記磁心は、その断面積が縮小した縮小部分を有し、
前記縮小部分に対応する前記ループ経路の断面は、前記磁心よりも透磁率の低い部分と、該部分よりも透磁率の高い高透磁率部材を備える部分とを含み、
前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分の一部であって且つ前記高透磁率部材を含む部分が貫通する検出用コイルと、
前記検出用コイルに誘起される電圧を検出する電圧検出手段とを備えることを特徴とする磁束のゼロ点検出装置。
【請求項２】
前記高透磁率部材は、前記磁心と一体的に形成された該磁心の突起であることを特徴とする請求項１記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項３】
前記高透磁率部材は、前記磁心とは別体であることを特徴とする請求項１記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項４】
前記磁心は、金属薄板の積層体であり、
前記縮小部分は、前記積層体を構成する金属薄板の一部が削除されて構成されるものであり、
前記高透磁率部材は、前記積層体のうち前記削除されなかった残りの金属薄板によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項５】
前記縮小部分には、基板が埋め込まれており、
該基板には、前記高透磁率部材が貫通する孔が形成されて且つ、該孔の周囲に前記検出用コイルが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項６】
前記主コイルと前記磁心との間に、ボビンを備え、
該ボビンは、前記ループ経路のうち前記縮小部分に対応する部分に埋め込まれる部分を有するとともに、該埋め込まれる部分に、前記検出用コイルが内蔵されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項７】
前記磁心は、複数の経路に分岐する構造を有し、
前記縮小部分は、前記分岐した磁心のそれぞれに設けられ、
前記高透磁率部材および前記検出用コイルは、前記分岐した複数の部分の少なくとも１つに対応して設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項８】
前記電圧検出手段は、前記検出用コイルに誘起される電圧の絶対値を出力する絶対値検出手段であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁束のゼロ点検出装置。
【請求項９】
前記絶対値検出手段は、前記高透磁率部材内の磁束の変化に応じて誘起される電圧の極性が互いに逆となる端子に整流手段が接続された前記検出用コイルとしての一対のコイルと、該一対のコイルの出力電圧の最大値を選択する最大値選択手段とを備えることを特徴とする請求項８記載の磁束のゼロ点検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４４５４３（Ｐ２０１３−４４５４３Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０３２０（Ｐ２０１１−１８０３２０）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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