JP2005061980A - Conductor current measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は導体電流を磁界検出により測定する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for measuring a conductor current by magnetic field detection.
アモルファス合金ワイヤとして、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが開発されている。
かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μθは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。
而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と被検出磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μθが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。
而して、この変動現象が磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流(搬送波)が被検出波(変調波)で変調される現象ということができる。
As an amorphous alloy wire, an amorphous alloy wire having zero magnetostriction or negative magnetostriction has been developed that has an outer shell portion in which magnetic domains whose spontaneous magnetization directions are opposite to each other in the circumferential direction of the wire are separated by a domain wall. Yes.
The inductance voltage component in the output voltage across the wire generated when a high frequency excitation current is applied to the zero magnetostrictive or negative magnetostrictive amorphous magnetic wire is generated in the circumferential direction by the circumferential magnetic flux generated in the cross section of the wire. This occurs because the easily magnetizable outer shell is magnetized in the circumferential direction. Therefore, the circumferential magnetic permeability mu theta depends on the circumferential direction of magnetization of Dosotokara portion.
Therefore, when a detected magnetic field is applied in the axial direction of the amorphous wire being energized, the outer circumferential direction magnetic field is easily magnetized by the synthesis of the circumferential magnetic flux and the detected magnetic flux generated by the energization. shift direction of the magnetic flux acting on the shell from the circumferential direction, correspondingly hardly occur magnetization in the circumferential direction, the circumferential permeability mu theta changes, the inductance voltage content will vary.
Thus, this fluctuation phenomenon is called a magnetic inductance effect, which can be said to be a phenomenon in which the high-frequency excitation current (carrier wave) is modulated by a detected wave (modulated wave).
更に、上記通電電流の周波数がMHzオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ=(2ρ/wμθ)1/2(μθは前記した通り、円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμθにより変化し、このμθが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。
而して、この変動現象が磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流(搬送波)が被検出波(変調波)で変調される現象ということができる。
Further, when the frequency of the energization current is in the order of MHz, a high-frequency skin effect appears greatly, and the skin depth δ = (2ρ / wμ θ ) 1/2 (μ θ is the circumferential permeability, as described above, ρ is electrical resistivity, w is shows the angular frequency, respectively) is changed by mu theta, as the mu theta is the so changed by the detected magnetic field, the resistance voltage division even be detected in the wire between both ends output voltage Fluctuates with a magnetic field.
Thus, this fluctuation phenomenon is called a magnetic impedance effect, which can be said to be a phenomenon in which the high-frequency excitation current (carrier wave) is modulated by a detected wave (modulated wave).
そこで、この磁気インピーダンス効果エレメントを利用した被検出磁界検出法(例えば、特許文献1参照)及び磁気インダクタンス効果を使用した被検出磁界検出方法(例えば、特許文献2参照)が提案されている。 Therefore, a detected magnetic field detection method using the magneto-impedance effect element (for example, see Patent Document 1) and a detected magnetic field detection method using the magnetic inductance effect (for example, see Patent Document 2) have been proposed.
導体電流Iの測定方法として、この電流Iに基づく周囲空間の磁界強度Hを検出することによりその導体電流Iを測定することが周知されている。すなわち、導体を囲む任意の閉曲線cのある点の磁界強度をH、閉曲線のある点での微小長さをΔl、導体電流をIとすると、アンペアの周回路の法則により As a method for measuring the conductor current I, it is well known that the conductor current I is measured by detecting the magnetic field strength H of the surrounding space based on the current I. That is, if the magnetic field strength at a point of an arbitrary closed curve c surrounding the conductor is H, the minute length at a point of the closed curve is Δl, and the conductor current is I, the law of the ampere circuit
∫cHdl=I ∫cHdl = I
が成立し、導体中心を中心とする半径rの閉曲線(円周)に沿っての磁界強さHが And the magnetic field strength H along the closed curve (circumference) having a radius r centered on the conductor center is
H=I/(2πr) H = I / (2πr)
で与えられ、、磁界強さHを計測すればこの式から導体電流Iを求めることができる。
そこで、この磁界強さHを磁気インピーダンス効果磁界検出法により検出して上記導体電流Iを測定することが提案されている。
If the magnetic field strength H is measured, the conductor current I can be obtained from this equation.
Therefore, it has been proposed to measure the conductor current I by detecting the magnetic field strength H by a magnetic impedance effect magnetic field detection method.
しかしながら、磁気インピーダンス効果アモルファスワイヤと導体との間の距離が上記半径rに対しずれたり、磁気インピーダンス効果アモルファスワイヤの軸方向が上記円周の接線からずれたりして測定誤差が発生し易いという不都合がある。
そこで、導体の周りに環状磁芯からなる導磁路を設け、この導磁路の途中に空隙を設け、この空隙内に磁気インピーダンス効果エレメントを配設することが考えられている。この場合、導体が環状磁芯の中心からずれて環状磁芯に対し磁界分布が変化しても、環状磁芯を通る磁束がその磁芯の強い導磁性のために元の状態に保持されようとし、導体位置が多少ずれても、環状磁芯途中の空隙の磁束、すなわち磁気インピーダンス効果エレメントを通る磁束を充分に元の一定状態に保持でき、磁界強度も充分に一定にできる。従って、導体の位置のずれによる導体電流の測定誤差をよく抑えることができる。
しかしながら、環状磁芯にその強い導磁性のために地磁気等のノイズ磁界が通り、ノイズ磁界の影響が避けられない。
However, the inconvenience that the measurement error is likely to occur because the distance between the magneto-impedance effect amorphous wire and the conductor is deviated from the radius r or the axial direction of the magneto-impedance effect amorphous wire is deviated from the tangent of the circumference. There is.
Therefore, it is considered to provide a magnetic path made of an annular magnetic core around the conductor, provide a gap in the middle of the magnetic path, and dispose the magneto-impedance effect element in the gap. In this case, even if the conductor is displaced from the center of the annular magnetic core and the magnetic field distribution changes with respect to the annular magnetic core, the magnetic flux passing through the annular magnetic core will be maintained in its original state due to the strong magnetic conductivity of the magnetic core. Even if the conductor position is slightly deviated, the magnetic flux in the air gap in the middle of the annular magnetic core, that is, the magnetic flux passing through the magneto-impedance effect element can be kept sufficiently original and the magnetic field strength can be made sufficiently constant. Therefore, the measurement error of the conductor current due to the displacement of the conductor position can be well suppressed.
However, due to the strong magnetic conductivity of the annular magnetic core, a noise magnetic field such as geomagnetism passes and the influence of the noise magnetic field is inevitable.
本発明の目的は、磁気インピーダンス効果を利用して磁界を検出する方法により導体電流に基づく磁界を導体位置の多少のずれやノイズの影響を排除して高精度で検出し、導体電流の高精度の測定を可能にすることにあり、ノイズには地磁気等の外部磁界ノイズの外、回路素子の温度変化等に起因して生じる内部ノイズも含んでいる。 An object of the present invention is to detect a magnetic field based on a conductor current with high accuracy by eliminating a slight shift in the conductor position and the influence of noise by a method of detecting a magnetic field using the magneto-impedance effect. In addition to external magnetic field noise such as geomagnetism, the noise includes internal noise caused by a temperature change of the circuit element.
請求項1に係る導体電流測定方法は、被検出磁界を磁気インピーダンス効果エレメントを使用して極性判別可能なリニア出力特性で検出する磁界センサにより、導体電流に基づく周回路磁界を検出してその導体電流を測定する方法であり、導体を囲む円周上に2n箇(nは偶数)の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするn組の対で設け、これらn組の対のうちのn/2組の対の第1磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのn/2組の対の第2磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように設置し、この逆相出力を減算し、この減算出力に基づき導体電流を測定することを特徴とする。 The conductor current measuring method according to claim 1 detects a peripheral circuit magnetic field based on a conductor current by a magnetic field sensor that detects a magnetic field to be detected with a linear output characteristic capable of discriminating polarity by using a magneto-impedance effect element. This is a method of measuring current, and 2n (n is an even number) magneto-impedance effect elements are provided on the circumference surrounding the conductor in n pairs with the center of the circle as the center of symmetry. N / 2 pairs of the first magneto-impedance effect element groups are obtained so that the sum of the magneto-impedance effect element outputs is obtained, and the remaining n / 2 pairs of the second magneto-impedance effect element groups are also used as the magneto-impedance effect element. Install the former sum output and the latter sum output in opposite phase to obtain the sum of outputs, subtract this opposite phase output, and subtract this And measuring the conductor current based on the force.
請求項2に係る導体電流測定方法は、請求項1の導体電流測定方法において、リニア出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍に負帰還用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントの負帰還用コイルを直列に接続し、各磁気インピーダンス効果エレメント群の各和出力を各直列接続負帰還用コイル群を介して各磁気インピーダンス効果エレメント群に負帰還させることを特徴とする。
請求項1または2記載の導体電流測定方法において、極性判別可能な出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍にバイアス磁界用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントのバイアス磁界用コイルを直列に接続することができる。
The conductor current measuring method according to
3. The conductor current measuring method according to
請求項4に係る導体電流測定方法は、被検出磁界を磁気インピーダンス効果エレメントを使用して極性判別可能なリニア出力特性で検出する磁界センサにより、導体電流に基づく周回路磁界を検出してその導体電流を測定する方法であり、導体を囲む円周上に2n箇(nは偶数)の磁気インピーダンス効果エレメントを円周中心を対称中心とするn組の対で設け、これらn組の対のうちのn/2組の対の第1磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、同じく残りのn/2組の対の第の磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように、しかも前者の和出力と後者の和出力とを逆相とするように設置し、この逆相出力を差動増幅し、この差動増幅出力に基づき導体電流を測定することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a conductor current measuring method for detecting a peripheral circuit magnetic field based on a conductor current by a magnetic field sensor that detects a magnetic field to be detected with a linear output characteristic capable of discriminating polarity using a magneto-impedance effect element. This is a method of measuring current, and 2n (n is an even number) magneto-impedance effect elements are provided on the circumference surrounding the conductor in n pairs with the center of the circle as the center of symmetry. In order to obtain the sum of the output of the magneto-impedance effect element of the n / 2 pairs of the first magneto-impedance effect element group, the remaining n / 2 pairs of the magneto-impedance effect element groups of the n / 2 pairs of magneto-impedance effect elements In order to obtain the sum of outputs, the former sum output and the latter sum output are placed in opposite phases, and this opposite phase output is differentially amplified. And measuring the conductor current based on the dynamic amplification output.
請求項5に係る導体電流測定方法は、請求項4記載の導体電流測定方法において、リニア出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍に負帰還用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントの負帰還用コイルを直列に接続し、差動増幅出力を直列接続負帰還用コイル群を介して全磁気インピーダンス効果エレメント群に負帰還させることを特徴とする。
The conductor current measuring method according to
請求項6に係る導体電流測定方法は、請求項1〜5何れかの導体電流測定方法において、磁気インピーダンス効果エレメント群を磁気インピーダンス効果エレメント出力の和を得るように設置することを磁気インピーダンス効果エレメントの直列接続により行なうことを特徴とする。
請求項4〜6記載の導体電流測定方法において、極性判別可能な出力特性を得るために各磁気インピーダンス効果エレメントの近傍にバイアス磁界用コイルを配設し、各磁気インピーダンス効果エレメントのバイアス磁界用コイルを直列に接続することができる。
The conductor current measuring method according to claim 6 is the conductor current measuring method according to any one of
7. The conductor current measuring method according to
請求項8に係る導体電流測定方法は、請求項1〜7何れかの導体電流測定方法において、磁気インピーダンス効果エレメントを基板片の片面に配設し、基板片の他面に前記磁気インピーダンス効果エレメントとで磁気回路を構成するように鉄芯を配設し、該鉄芯にバイアス磁界用コイル片及び負帰還用コイル片を巻装してなる磁気インピーダンス効果ユニットを有する磁界センサを使用することを特徴とする。
The conductor current measuring method according to
導体を囲む円周上に磁気インピーダンス効果エレメントを多数箇配し、これらの磁気インピーダンス効果エレメント群によりほぼ環状の導磁路を形成しているから、導体電流に基づき磁気インピーダンス効果エレメントの軸方向を通過する磁界Hをこの磁界分布の多少の変化があっても導磁性環で元のままによく保持でき、導体位置に多少のずれが生じても、磁界Hの安定保持のために導体電流の測定誤差を充分に軽減できる。
また、磁気インピーダンス効果エレメントを導体を囲む円周の中心を対称中心とする対で配設しているから、外部ノイズ磁界が同一対での2箇の磁気インピーダンス効果エレメントに対し同一値・逆相となり、極性判別可能なリニア出力特性のために、その対をなす磁気インピーダンス効果エレメントの外部磁界ノイズの和出力が零となって出力されず、外部磁界ノイズの影響を排除できる。
更に、2n箇の磁気インピーダンス効果エレメントを2群に分け、各組の磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力を減算または差動増幅しているから、同相で減算器または差動増幅器に入力される内部ノイズは出力されず、内部ノイズの影響を排除できる。
A large number of magneto-impedance effect elements are arranged on the circumference surrounding the conductor, and the group of these magneto-impedance effect elements forms a substantially annular magnetic path. Therefore, the axial direction of the magneto-impedance effect element is determined based on the conductor current. Even if there is a slight change in the magnetic field distribution, the passing magnetic field H can be held as it is by the magnetic conducting ring, and even if there is a slight shift in the conductor position, the conductor current can be kept stable in order to keep the magnetic field H stable. Measurement error can be reduced sufficiently.
In addition, since the magneto-impedance effect elements are arranged in pairs with the center of the circle surrounding the conductor as the center of symmetry, the external noise magnetic field has the same value and opposite phase to two magneto-impedance effect elements in the same pair. Therefore, because of the linear output characteristics that allow polarity discrimination, the sum output of the external magnetic field noise of the paired magneto-impedance effect elements becomes zero and is not output, thereby eliminating the influence of the external magnetic field noise.
Furthermore, since the 2n magneto-impedance effect elements are divided into two groups and the sum output of each set of magneto-impedance effect elements is subtracted or differentially amplified, the internal input to the subtractor or differential amplifier in the same phase Noise is not output and the influence of internal noise can be eliminated.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は磁気インピーダンス効果を利用して磁界検出を行なう場合の基本的な回路図を示し、磁気インピーダンス効果エレメント1に高周波励磁電流を加えるための高周波電源2と、磁気インピーダンス効果エレメント1と、磁気インピーダンス効果エレメント1の軸方向に加わる被検出磁界(変調波)Hで前記高周波励磁電流(搬送波)を変調させた被変調波を復調する復調回路3と、復調波を増幅する増幅回路4と、出力端5と、負帰還用コイル6と、バイアス磁界用コイル7等から構成されている。
磁気インピーダンス効果エレメントには、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等を使用できる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a basic circuit diagram in the case of detecting a magnetic field using the magneto-impedance effect. The high-
For the magneto-impedance effect element, zero magnetostrictive or negative magnetostrictive amorphous wire, amorphous ribbon, amorphous sputtered film or the like can be used.
磁気インピーダンス効果エレメント1においては、前記した通り励磁電流に基づく円周方向磁束と被検出磁界による軸方向磁束との合成により、円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれされるために、周方向透磁率μθが変化し、インダクタンスが変動され、この円周方向透磁率μθの高周波表皮効果の表皮深さの変化でインピーダンスが変動される。従って、被検出磁界の±により上記合成磁界による周方向ずれφも±φになるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμθの減少度は被検出磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、被検出磁界−出力特性は、図2の(イ)のように被検出磁界をx軸に、出力をy軸にとると、y軸に対してほぼ左右対称となる。この被検出磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、高感度の測定が困難である。そこで、図1の負帰還用コイル6で負帰還をかけて図2の(ロ)に示すように特性を直線化している。図2の(ロ)において、Δwは、負帰還無しのときの利得Aが非常に大きく帰還率βのみにより利得が定まるリニア範囲である。しかし、この出力特性では、被検出磁界の極性判別を行ない得ないので、図1のバイアス用コイル7でバイアス磁界をかけ、図2の(ハ)に示すように極性判別可能としている。すなわち、図2の(ロ)の特性を、バイアス磁界によりx軸のマイナス方向に移動させ、被検出磁界の最大範囲−Hmax〜+Hmaxを単斜め線領域の範囲内に納めている。更に、図2の(ニ)に示すように0点調整により原点を通る直線特性としている。従って、図2の(ニ)において被検出磁界を+Heとすると出力が+Eoとなり、被検出磁界を−Heとすると出力が−Eoとなって被検出磁界を極性判別のもとで正確に測定できる。
In the magneto-
図3は請求項1〜2に係る導体電流測定方法の実施例を示す図面である。
図3の(イ)は2n箇(nは偶数)の磁気インピーダンス効果エレメントの配設パターンを示し、導体eを囲む円周c上に円周中心を対称中心とする対のn組で配設してある。
この対をなす磁気インピーダンス効果エレメントの向きは導体電流Iに基づく周回路磁界Hに対し同極性とするようにしてある。これらのn組の磁気インピーダンス効果エレメントの対を図3の(ロ)に示すようにn/2対づつの2群に分け、これら2群の各磁気インピーダンス効果エレメント群を直列に接続し、かつ一方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力と他方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力とを逆相とするように両磁気インピーダンス効果エレメント群の向きを逆にしてある。2は高周波励磁電流源、3(3’)は各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の出力端に接続した復調回路、4,4’は各復調回路3,3’に接続した増幅器である。
61,61’、62,62’、……及び63,63’、64,64’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……の近傍に配設した負帰還用コイルであり、前記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群と同様に直列に接続し、各増幅器4及び4’の出力を各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……に負帰還させている。71,71’、72,72’、……及び73,73’、74,74’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……の近傍に配設したバイアス磁界用コイルであり、上記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群と同様に直列に接続し、直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の極性に応じた極性でバイアス磁界をかけている。バイアス磁界用コイル71,71’、72,72’、……及び73,73’、74,74’、……を直列に接続することも可能である。
8は両増幅器4,4’の出力を減算する減算器である
FIG. 3 is a drawing showing an embodiment of a conductor current measuring method according to
FIG. 3 (a) shows an arrangement pattern of 2n (n is an even number) magneto-impedance effect element, arranged on a circumference c surrounding the conductor e in n pairs of pairs with the circumference center as a symmetrical center. It is.
The direction of the paired magneto-impedance effect elements is set to have the same polarity with respect to the circumferential circuit magnetic field H based on the conductor current I. These n sets of magneto-impedance effect element pairs are divided into two groups of n / 2 pairs as shown in (b) of FIG. 3, and the two groups of magneto-impedance effect element groups are connected in series, and The directions of the two magneto-impedance effect element groups are reversed so that the sum output of one series-connected magneto-impedance effect element group and the sum output of the other series-connected magneto-impedance effect element group are in opposite phases.
61, 61 ', 62, 62', ... and 63, 63 ', 64, 64', ... are the magneto-
8 is a subtractor for subtracting the outputs of both
図3の(イ)において、Hを導体eの電流Iに基づく周回路磁界とすると、図3の(ロ)に示すように各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……に作用する磁界Hは、強さが等しくかつ同相であり、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……と13,13’、14,14’、……の向きが逆であるから、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力は同一値・逆相の逆相分のみとなる。従って、その逆相出力を減算器8に入力し、Hに比例した出力を得る。
この磁界Hに対する直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……(13,13’、14,14’、……)の和出力は磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’、……(13,13’、14,14’、……)の長さの総計にほぼ比例し、その長さをwとすると、長さwの磁気インピーダンス効果エレメントに磁界Hが作用するときの出力にほぼ一致し、かかる磁気インピーダンス効果エレメントの図2の(ニ)に示すような極性判別可能の直線出力特性を予め求めておくことにより、その出力を容易に検出することができ、前記円周cの半径をrとすれば、
In FIG. 3A, when H is a peripheral circuit magnetic field based on the current I of the conductor e, the series-connected magneto-impedance
The sum output of the series-connected magneto-impedance
I=2πrH I = 2πrH
から導体電流を測定できる。 The conductor current can be measured from
この場合、図3の(イ)において、磁気インピーダンス効果エレメントが配設された円周cの周回路の相当部分が導磁率の高いアモルファス磁性体で占められているので、その周回路の導磁性が充分に高く、導体の位置ずれにより磁界分布が変化しても、高導磁性周回路を通る磁束が元のままに保持されようとし、その結果導体の位置ずれによる出力の変度をよく抑えることができるから、導体の位置ずれによる導体電流の測定誤差を充分に軽減でき、導体電流を充分に高精度で測定できる。 In this case, in FIG. 3A, since a substantial portion of the circumference circuit of the circumference c where the magneto-impedance effect element is disposed is occupied by an amorphous magnetic material having a high magnetic permeability, the magnetism of the circumference circuit is Is sufficiently high, even if the magnetic field distribution changes due to the displacement of the conductor, the magnetic flux passing through the highly conductive peripheral circuit tends to be kept as it is, and as a result, the output variation due to the displacement of the conductor is well suppressed. Therefore, the measurement error of the conductor current due to the displacement of the conductor can be sufficiently reduced, and the conductor current can be measured with sufficiently high accuracy.
また、図3の(イ)に示すように、外部磁界ノイズH’において、同一対の磁気インピーダンス効果エレメント1m,1m’の軸方向に作用する成分は、強さが等しく(強さ│H’cosθ│、θは磁界H’と当該磁気インピーダンス効果エレメントとの間の角度)、位相が逆であるから、前記した図2の(ニ)に示す極性判別可能なリニア出力特性のもとでは出力されず、従って、外部ノイズ磁界は減算器8の出力端には出力されない。
Further, as shown in FIG. 3A, in the external magnetic field noise H ′, the components acting in the axial direction of the same pair of magneto-
また、復調回路3,3’や増幅器4,4’に温度変化等に基づく内部ノイズが発生しても、復調回路3及び増幅回路4と復調回路3’及び増幅回路4’に発生する内部ノイズが相互に同相であるために減算器8の出力端には出力されない。
従って、請求項1〜2によれば、内外ノイズの影響を排除して導体電流を充分に高精度で測定できる。
Even if internal noise based on a temperature change or the like occurs in the
Therefore, according to the first and second aspects, the conductor current can be measured with sufficiently high accuracy by eliminating the influence of the internal and external noise.
図4は請求項3〜4に係る導体電流測定方法の実施例を示す図面である。
図4の(イ)は2n箇(nは偶数)の磁気インピーダンス効果エレメントの配設パターンを示し、前記と同様に、導体eを囲む円周c上に円周中心を対称中心とする対のn組で配設してある。この対をなす磁気インピーダンス効果エレメントの向きは導体電流Iに基づく周回路磁界Hに対し同極性とするようにしてある。これらのn組の磁気インピーダンス効果エレメントの対を図3の(ロ)に示すようにn/2対づつの2群11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……に分け、これら2群の各磁気インピーダンス効果エレメント群を直列に接続し、かつ一方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……の和出力と他方の直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群13,13’、14,14’、……の和出力とを逆相とするように両磁気インピーダンス効果エレメント群の向きを逆にしてある。3(3’)は各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の出力端に接続した復調回路、40は両復調回路3,3’の出力端を接続した差動増幅器である。
61,61’、62,62’、……及び63,63’、64,64’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……の近傍に配設した負帰還用コイルであり、全負帰還用コイル61,61’、62,62’、……及び63,63’、64,64’、……を直列に接続し、差動増幅器40の出力を直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……と13,13’、14,14’、……に負帰還させている。負帰還用磁界の方向は被検出磁界Hの方向と逆方向であり、直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……と13,13’、14,14’、……に対する被検出磁界Hの方向が同じであるから、負帰還用コイル61,61’、62,62’、……が発生する負帰還磁界の方向と負帰還用コイル63,63’、64,64’、……が発生する負帰還磁界の方向を同一方向としてある。71,71’、72,72’、……及び73,73’、74,74’、……は各磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……の近傍に配設したバイアス磁界用コイルであり、上記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群と同様に直列に接続し、直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の極性に応じた極性でバイアス磁界をかけている。図5に示すように、バイアス磁界用コイル71,71’、72,72’、……及び73,73’、74,74’、……は直列に接続することも可能であり、この場合、バイアス磁界用コイル71,71’、72,72’、……と73,73’、74,74’、……とは、巻回方向を逆にする等により極性が逆にされる。
図4の(イ)において、Hを導体電流Iに基づく周回路磁界とすると、図4の(ロ)に示すように各直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……及び13,13’、14,14’、……に作用する磁界Hは、強さが等しくかつ同相であり、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……と13,13’、14,14’、……の向きが逆であるから、両直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力は同一値・逆相の逆相分のみとなる。従って、その逆相出力を差動増幅器40に入力し、Hに比例した出力を得る。
この磁界Hに対する直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……(13,13’、14,14’、……)の和出力は磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’、……(13,13’、14,14’、……)の長さの総計にほぼ比例し、その長さをwとすると、長さwの磁気インピーダンス効果エレメントに磁界Hが作用するときの出力にほぼ一致し、かかる磁気インピーダンス効果エレメントの図2の(ニ)に示すような極性判別可能の直線出力特性を予め求めておくことにより、その出力を容易に検出することができ、前記円周cの半径をrとすれば、
FIG. 4 is a drawing showing an embodiment of a conductor current measuring method according to claims 3-4.
FIG. 4A shows an arrangement pattern of 2n (n is an even number) magneto-impedance effect element. Similarly to the above, on the circumference c surrounding the conductor e, a pair of symmetrical centers of the circumference center is shown. n sets are arranged. The direction of the paired magneto-impedance effect elements is set to have the same polarity with respect to the circumferential circuit magnetic field H based on the conductor current I. These n sets of magnetoimpedance effect element pairs are divided into two
61, 61 ', 62, 62', ... and 63, 63 ', 64, 64', ... are the magneto-
4 (a), if H is a peripheral circuit magnetic field based on the conductor current I, as shown in FIG. 4 (b), the series-connected magnetoimpedance
The sum output of the series-connected magneto-impedance
I=2πrH I = 2πrH
から導体電流を測定できる。 The conductor current can be measured from
この場合、図4の(イ)において、磁気インピーダンス効果エレメントが配設された円周cの周回路の相当部分が導磁率の高いアモルファス磁性体で占められているので、その周回路の導磁性が充分に高く、導体の位置ずれにより磁界分布が変化しても、高導磁性周回路を通る磁束が元のままに保持されようとし、その結果導体の位置ずれによる出力の変度をよく抑えることができるから、導体の位置ずれによる導体電流の測定誤差を充分に軽減でき、導体電流を充分に高精度で測定できる。
また、図4の(イ)に示すように、外部磁界ノイズH’において、同一対の磁気インピーダンス効果エレメント1m,1m’の軸方向に作用する成分は、強さが等しく、位相が逆であるから、前記した図2の(ニ)に示す極性判別可能なリニア出力特性のもとでは出力されず、従って、外部ノイズ磁界は差動増幅器の出力端には出力されない。
また、復調回路3,3’に温度変化等に基づく内部ノイズが発生しても、復調回路3と復調回路3’に発生する内部ノイズが相互に同相であるために差動増幅器の出力端には出力されない。
従って、請求項3〜4によれば、内外ノイズの影響を排除して導体電流を充分に高精度で測定できる。
In this case, in FIG. 4A, since a substantial portion of the circumference circuit of the circumference c where the magneto-impedance effect element is disposed is occupied by an amorphous magnetic material having a high magnetic permeability, the magnetism of the circumference circuit is Is sufficiently high, even if the magnetic field distribution changes due to the displacement of the conductor, the magnetic flux passing through the highly conductive peripheral circuit tends to be kept as it is, and as a result, the output variation due to the displacement of the conductor is well suppressed. Therefore, the measurement error of the conductor current due to the displacement of the conductor can be sufficiently reduced, and the conductor current can be measured with sufficiently high accuracy.
Further, as shown in FIG. 4A, in the external magnetic field noise H ′, the components acting in the axial direction of the same pair of magneto-
Even if internal noise based on a temperature change or the like is generated in the
Therefore, according to
上記何れの実施例においても、出力特性のリニア化のために負帰還をかけているが、差動増幅法の場合、図6に示すように一方の磁気インピーダンス効果エレメントにかけるバイアス磁界Hbの方向と他方の磁気インピーダンス効果エレメントにかけるバイアス磁界Hbの方向とが逆方向とされ、互いに逆相の復調出力(磁界検出信号)がE+、E−で表わされ、その差がE±で示すように直線に近づくので、負帰還を省略することも可能である。 In any of the above embodiments, negative feedback is applied to linearize the output characteristics. However, in the case of the differential amplification method, the direction of the bias magnetic field Hb applied to one magnetoimpedance effect element as shown in FIG. And the direction of the bias magnetic field Hb applied to the other magneto-impedance effect element are opposite directions, and demodulated outputs (magnetic field detection signals) having opposite phases to each other are represented by E + and E − , and the difference is represented by E ± . Thus, it is possible to omit the negative feedback.
上記何れの実施例においても、磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力を磁気インピーダンス効果エレメント群を直列接続することによって得ているが、これに限定されるものではなく、例えば磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’、……(13,13’、14,14’、……)の各磁気インピーダンス効果エレメント1m(1m’)の出力電流を一箇の検出インピーダンスに合流させ、この電流に基づく検出インピーダンス電圧を取出すことも可能である。
In any of the above-described embodiments, the sum output of the magneto-impedance effect element group is obtained by connecting the magneto-impedance effect element group in series. However, the present invention is not limited to this. For example, the magneto-impedance
上記円周c上への磁気インピーダンス効果エレメントの配設間隔は、上記した導磁性環による磁界Hの安定保持のために等間隔とすること、または/及び可及的に狭い間隔とすることが有効である。 The arrangement interval of the magneto-impedance effect elements on the circumference c may be equal intervals in order to stably maintain the magnetic field H by the above-described magnetic conducting ring, and / or may be as narrow as possible. It is valid.
上記n対の磁気インピーダンス効果エレメントを2群の対に分ける組合せは、対を11−11’、12−12’、……1m−1m’、……1N1n’とすれば、nC2通りであり、n=1の場合、11−11’と12−12’の1組の1通りである。従って、n=1の場合、磁気インピーダンス効果エレメント群の和出力は磁気インピーダンス効果エレメント11(11’)と磁気インピーダンス効果エレメント12(12’)との和出力となる。 The combination of the n pairs of magneto-impedance effect elements into two groups of pairs is nC2 as long as the pairs are 11-11 ', 12-12', ... 1m-1m ', ... 1N 1 n'. Yes, when n = 1, there is one set of 11-11 ′ and 12-12 ′. Therefore, when n = 1, the sum output of the magneto-impedance effect element group is the sum output of the magneto-impedance effect element 11 (11 ′) and the magneto-impedance effect element 12 (12 ′).
図7は本発明において使用する磁界センサの一例(n=2の場合)を示し、絶縁基板91に導体挿通用の切欠き部921付き孔92を穿設し、この孔を囲む円周上に孔中心を対称中心とする磁気インピーダンス効果エレメントの対を2組(11−11’、12−12’)配設し、高周波励磁電流源2と復調回路3,3’と増幅器4,4’と加算器等8、または高周波励磁電流源と復調回路と差動増幅器等を搭載してある。61、61’、62、62’は負帰還用コイルを、71、71’、72、72’はバイアス磁界用コイルを、eは導体をそれぞれ示している。
FIG. 7 shows an example of a magnetic field sensor (in the case of n = 2) used in the present invention. A
この場合、前記磁気インピーダンス効果エレメントと負帰還用コイルとバイアス磁界用コイルとをユニット化してセンサ本体部を小型にし、磁気センサ全体をコンパクト化することが好ましい。
図8は磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図8の(ロ)は同じく底面図、図8の(ハ)は図8の(ロ)におけるハ−ハ断面図である。
図8において、100は基板片であり、例えばセラミックス板を使用できる。101は基板片の片面に設けた電極であり、エレメント接続用突部102を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。1xは電極101,101の突部102,102間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果エレメントであり、前記した零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。103はC型鉄芯、6xはC型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、7xは同じくバイアス磁界用コイルであり、界磁気インピーダンス効果エレメント片1xとC型鉄芯103とでループ磁気回路を構成するように、C型鉄芯103の両端を基板片100の他面に接着剤等で固定してある。
記鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。
In this case, it is preferable that the magneto-impedance effect element, the negative feedback coil, and the bias magnetic field coil are unitized to reduce the size of the sensor body and to make the entire magnetic sensor compact.
FIG. 8 is a side view showing an example of the magneto-impedance effect unit, FIG. 8B is a bottom view, and FIG. 8C is a cross-sectional view of FIG.
In FIG. 8,
The iron core material may be a magnetic material having a small residual magnetic flux density, and examples thereof include permalloy, ferrite, iron, amorphous magnetic alloy, magnetic powder mixed plastic, and the like.
上記において、C型鉄芯の長さをla、断面積をSa、透磁率をμaとすれば、C型鉄芯の磁気抵抗Raは In the above, if the length of the C-type iron core is l a , the cross-sectional area is S a , and the magnetic permeability is μ a , the magnetic resistance R a of the C-type iron core is
Ra=la/(Saμa) R a = l a / (S a μ a )
で与えられ、また、磁気回路の構成部分となる磁気インピーダンス効果エレメント部分の長さをlb、断面積をSb、透磁率をμbとすれば、磁気インピーダンス効果エレメント部分の磁気抵抗Rbは Further, if the length of the magneto-impedance effect element portion that is a component of the magnetic circuit is l b , the cross-sectional area is S b , and the magnetic permeability is μ b , the magneto-resistance R b of the magneto-impedance effect element portion is given. Is
Rb=lb/(Sbμb) R b = l b / (S b μ b )
で与えられ、更に、C型鉄芯両端と磁気インピーダンス効果エレメントとの間の磁気抵抗をRcとすると、磁気回路の磁気抵抗Rmは Further, if the magnetic resistance between the both ends of the C-type iron core and the magneto-impedance effect element is R c , the magnetic resistance R m of the magnetic circuit is
Rm=Ra+Rb+Rc R m = R a + R b + R c
で与えられ、従って、負帰還磁界発生用コイルの自己インダクタンスL1は、そのコイル巻数をN1として Therefore, the self-inductance L 1 of the negative feedback magnetic field generating coil is represented by N 1 as the number of turns of the coil.
L1=N1 2/Rm L 1 = N 1 2 / R m
で与えられ、バイアス磁界用コイルの自己インダクタンスL2は、そのコイル巻数をN2として The self-inductance L 2 of the bias magnetic field coil is expressed as N 2
L2=N2 2/Rm L 2 = N 2 2 / R m
で与えられる。
而るに、前記基板100の厚みが薄くRcを小さくでき、また、C型鉄芯の脚部の高さを巻線の直径よりやや高くする程度にとどめてC型鉄芯の長さを短くできるから、前記磁気回路の磁気抵抗Rmを充分に低くでき、それだけ各コイルの巻数Nを少なくできる結果、コイル自体も小型化できる。
Given in.
The而Ru, the can reduce the thickness is thin R c of the
この磁気インピーダンス効果ユニットを用いた磁界センサの構成は、例えばn=2の場合、図9に示す通りであり、磁気インピーダンス効果ユニットU1,U1’、U2,U2’を導体挿通用孔92を有する基板91の孔92を囲む円周c上に複数箇、円周中心を挾む対U1−U1’、U2−U2’で、かつ磁気インピーダンス効果エレメントの感磁方向を同一方向として搭載し、前記磁気インピーダンス効果ユニットの対U1−U1’及びU2−Uのそれぞれにおいて磁気インピーダンス効果エレメント、負帰還用コイル、バイアス磁界用コイルをそれぞれ直列に接続し、直列接続の磁気インピーダンス効果エレメントに対する励磁電流源回路2を搭載し、磁界検出信号から被検出磁界に相当する被検出量を取り出すための復調回路3、3’や増幅回路4,4’または差動増幅器を搭載し、前記と同様にして直列接続の負帰還用コイルを経て負帰還をかけ、バイアス磁界用コイルによりバイアス磁界をかけて図2の(ニ)に示すような極性判別可能な直線出力が得られるようにしてある。
この磁気インピーダンス効果ユニットの基板への搭載にあたっては、磁気インピーダンス効果エレメントの機械的保護のために、ユニットの磁気インピーダンス効果エレメント側を基板に向け、ユニット基板を基板に接着剤で固定することが望ましい。
図8における、導体電流磁界Hに対する磁気インピーダンス効果ユニットの磁気抵抗Rwは、C型鉄芯の磁気抵抗をRa、磁気インピーダンス効果エレメント部分の磁気抵抗をRbとして
The configuration of the magnetic field sensor using the magneto-impedance effect unit is, for example, as shown in FIG. 9 when n = 2, and the magneto-impedance effect units U1, U1 ′, U2, U2 ′ are provided with conductor insertion holes 92. A plurality of pairs U1-U1 ′, U2-U2 ′ sandwiching the center of the circumference on the circumference c surrounding the
When mounting this magneto-impedance effect unit on a substrate, it is desirable to fix the unit substrate to the substrate with an adhesive so that the magneto-impedance effect element side of the unit faces the substrate for mechanical protection of the magneto-impedance effect element. .
In Figure 8, a magnetic resistance R w of the magneto-impedance effect units for the conductor current magnetic field H, the magnetic resistance of the C-type iron core R a, the magnetic resistance of the magneto-impedance effect element portion as R b
Rw=RaRb/(Ra+Rb) R w = R a R b / (R a + R b )
で与えられ、磁気インピーダンス効果エレメント単体の磁気抵抗Rbに較べて低くできるから、周回路cの導磁性を更に高くでき、被検出磁界Hの分布状態の一層の安定化による導体電流の測定精度のアップを図ることができる。 Since the magnetic resistance Rb of the magneto-impedance effect element alone can be lowered, the conductivity of the peripheral circuit c can be further increased, and the measurement accuracy of the conductor current can be improved by further stabilizing the distribution state of the detected magnetic field H. Can be improved.
磁気インピーダンス効果ユニットの他の例としては、絶縁基礎板の面に磁気インピーダンス効果エレメントを配設し、絶縁基礎板の他面に負帰還用コイル及びバイアス磁界用コイルを印刷により設けたものを挙げることができる。 As another example of the magneto-impedance effect unit, a magneto-impedance effect element is provided on the surface of the insulating base plate, and a negative feedback coil and a bias magnetic field coil are provided on the other surface of the insulating base plate by printing. be able to.
上記高周波励磁電流としては、例えば連続正弦波、パスル波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、CMOS−ICを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。 As the high-frequency exciting current, for example, a normal high frequency such as a continuous sine wave, a pulse wave, or a triangular wave can be used. In addition to the normal oscillation circuit, a rectangular wave generator that integrates the square wave output of the crystal oscillator via a DC component cut-off capacitor by an integration circuit and amplifies the triangular wave of the integration output by an amplification circuit, and a CMOS-IC as an oscillation unit The used triangular wave generator etc. can be used.
上記の復調回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列RC回路またはRCローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列RC回路またはRCローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。
上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出量を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果エレメントに作用する被検出磁界による磁界検出信号から被検出磁界に相当する被検出量を取り出し得るもので適宜の回路構成を使用できる。
The demodulating circuit includes, for example, a configuration in which a modulated wave is half-wave rectified by an operational amplifier circuit, and this half-wave rectified wave is processed by a parallel RC circuit or an RC low-pass filter to obtain an envelope output of the half-wave rectified wave. A configuration in which the modulated wave is half-wave rectified by a diode and the half-wave rectified wave is processed by a parallel RC circuit or an RC low-pass filter to obtain an envelope output of the half-wave rectified wave can be used.
In the above embodiment, the detected amount is extracted by demodulating the modulated wave. However, the present invention is not limited to this, and the detected amount corresponding to the detected magnetic field is detected from the magnetic field detection signal by the detected magnetic field acting on the magneto-impedance effect element. Any suitable circuit configuration can be used.
上記の実施例では、負帰還用コイルとバイアス磁界用コイルとを別体としているが、例えば、図3の(ロ)や図4の(ロ)の回路の上側サイドに対し、各磁気インピーダンス効果エレメント11,11’、12,12’の近傍に単一のコイル671,671’、672,672’を配設し、図10に示すように、各単一のコイル671,671’、672,672’を直列に接続し、直流バイアス信号と負帰還信号の重畳信号を演算回路Qにより直列接続のコイル671,671’、672,672’に送入して前記直列接続磁気インピーダンス効果エレメント群11,11’、12,12’に負帰還とバイアスをかけて前記した図2の(ニ)に示すような極性判別可能な直線出力特性を得ることもできる。
図10の例では、出力より反転入力端子に負帰還をかけた演算増幅器(負帰還路挿入インピーダンスZ2、入力側挿入インピーダンスZ1)を使用しており、直列接続コイルに挿入した抵抗をR、直列接続コイルの巻数をN、長さをL、復調増幅部Bの利得をA、被検出磁界をHex、出力をEoutとすると、
In the above embodiment, the negative feedback coil and the bias magnetic field coil are separated from each other. For example, each magnetic impedance effect is applied to the upper side of the circuit shown in FIG. A
In the example of FIG. 10, an operational amplifier (negative feedback path insertion impedance Z 2 , input side insertion impedance Z 1 ) with negative feedback applied to the inverting input terminal from the output is used, and the resistance inserted in the series connection coil is R When the number of turns of the series connection coil is N, the length is L, the gain of the demodulation amplification unit B is A, the detected magnetic field is Hex, and the output is Eout,
A≫Z1RL/(Z2N) A >> Z 1 RL / (Z 2 N)
のもとで Under
Eout=RLZ1Hex/(NZ2)+VccZ1R/〔Z2(Z2+R)〕 Eout = RLZ 1 Hex / (NZ 2 ) + VccZ 1 R / [Z 2 (Z 2 + R)]
が成立し、この出力特性は緒定数(Z1,Z2,抵抗R,コイル巻数N等)の調整によりx軸の±方向にシフトさせることができ、その調整により極性判別可能な斜め直線部を最大被検出磁界の範囲±Hmax内に位置させることが可能となり、更にy軸方向の0点調整により図2の(ニ)に示すような極性判別可能な直線性の出力特性を得ることができる。
This output characteristic can be shifted in the ± direction of the x-axis by adjusting the constants (Z 1 , Z 2 , resistance R, coil turns N, etc.), and the diagonal straight line portion whose polarity can be discriminated by the
磁気インピーダンス効果エレメントの磁界検出感度が高いから微弱磁界の高感度検出による微弱電流の高精度測定が可能となる。 Since the magnetic impedance detection element has a high magnetic field detection sensitivity, it is possible to measure a weak current with high accuracy by high sensitivity detection of a weak magnetic field.
11,12,… 磁気インピダンス効果エレメント
11’,12’,… 磁気インピダンス効果エレメント
11−11’,12−12’ 磁気インピダンス効果エレメントの対
2 高周波励磁電流源
3,3’ 復調回路
4,4’ 増幅回路
40 差動増幅器
61,62… 負帰還用コイル
61’,62’… 負帰還用コイル
71,72… バイアス磁界用コイル
71’,72’… バイアス磁界用コイル
H 被検出磁界
H’ 外部ノイズ磁界
e 導体
11, 12, ... Magnetic impedance effect element 11 ', 12', ... Magnetic impedance effect element 11-11 ', 12-12' Magnetic impedance
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