JP2014048065A - Electric current sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】センサ素子に対して被検出電線を位置合わせすることなく被検出電線を流れる電流を精度よく検出できる電流センサを提供する。
【解決手段】電流センサ10は、被検出電線4を通す挿通部21が形成された基板2と、基板2の厚み方向の両面における挿通部21の周囲に2個ずつ配置されたセンサ素子1と、演算部3とを備えている。センサ素子1は、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する。基板2に設けられた4個のセンサ素子1は、基板2の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なっている。演算部3は、素子群を構成する4個のセンサ素子1の各検出値と、既知であるこれら4個のセンサ素子1の位置および向きとを用いて、被検出電線4を流れる電流の大きさを求める。
【選択図】図1A current sensor capable of accurately detecting a current flowing through a detected electric wire without aligning the detected electric wire with respect to a sensor element.
A current sensor 10 includes a substrate 2 on which insertion portions 21 for passing a wire to be detected 4 are formed, and two sensor elements 1 arranged around the insertion portions 21 on both surfaces of the substrate 2 in the thickness direction. And an arithmetic unit 3. The sensor element 1 outputs a detection value that changes according to the strength and direction of the external magnetic field acting on each of the sensor elements 1. The four sensor elements 1 provided on the substrate 2 are different in at least one of position and orientation in a plane along the plate surface of the substrate 2. The calculation unit 3 uses the detected values of the four sensor elements 1 constituting the element group and the known positions and orientations of the four sensor elements 1 to determine the magnitude of the current flowing through the detected electric wire 4. I ask for it.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、被検出電線を流れる電流の大きさを検出する電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor that detects the magnitude of a current flowing through a detected electric wire.
従来から、この種の電流センサとして、測定対象である被検出電線を流れる電流により生じる磁界(磁場)の大きさから、被検出電流を流れる電流を検出する電流センサが提供されている(たとえば特許文献1参照)。 Conventionally, as this type of current sensor, a current sensor that detects the current flowing through the detected current from the magnitude of the magnetic field (magnetic field) generated by the current flowing through the detected electric wire to be measured has been provided (for example, a patent) Reference 1).
特許文献1に記載の電流センサは、被検出電線の軸心から所定の距離に位置するセンサ素子(マグネト−インダクティブ磁気検出器)を有している。このセンサ素子は、作用する磁界の強さ(大きさ)から被検出電線を流れる電流に対応する電圧信号を出力する。ただし、電流が流れることで発生する磁界の強さは被検出電線からセンサ素子までの距離に反比例するので、この種の電流センサは、センサ素子に対して被検出電線を位置合わせし、被検出電線からセンサ素子までの距離を所定の距離に保持する必要がある。特に、センサ素子の出力を大きくするために被検出電線をセンサ素子に近づけると、被検出電線とセンサ素子との相対位置のずれによる検出誤差は大きくなる。
The current sensor described in
特許文献1においては、被検出電線からセンサ素子までの距離を所定の距離に保持する一の方法として、センサ素子に対する被検出電線の相対位置が固定的に定まるように、被検出電線とセンサ素子とが一体化された構成が開示されている。この構成では、既設の電線を流れる電流を検出する場合、施工者は、この電線を一旦切断して電流センサを挿入する電気工事が必要となる。
In
また、被検出電線からセンサ素子までの距離を所定の距離に保持する他の方法として、特許文献1には、被検出電線がスペーサの溝部に当接するようにピンチ機構により被検出電線を挟み込む構成が開示されている。ただし、この構成では、対応可能な被検出電線の線径が制限されることになり、スペーサの溝部に比べて被検出電線の線径が小さいあるいは大きい場合、被検出電線を定位置に固定することができず、被検出電線からセンサ素子までの距離が安定しない可能性がある。
Further, as another method for maintaining the distance from the detected electric wire to the sensor element at a predetermined distance,
さらにまた、別の電流センサとして、スリットが形成された基板を備え、このスリットに板状のバスバーが挿通されることにより、バスバーを流れる電流を検出する電流センサが提案されている(たとえば特許文献2参照)。 Furthermore, as another current sensor, a current sensor that includes a substrate having a slit formed therein and detects a current flowing through the bus bar by inserting a plate-like bus bar into the slit has been proposed (for example, Patent Documents). 2).
特許文献2に記載の電流センサでは、バスバーの表裏の板面および一側面が、スリットの相対向する内壁面および底面に密着することにより、バスバーがスリットに対して位置決めされる。さらに、基板の表面にはバスバーを挟んでセンサ素子(磁気抵抗素子)が配置され、基板の裏面には各センサ素子の真裏にバイアス磁石が配置されている。したがって、センサ素子に対するバスバーの相対位置が固定的に定まることになる。この電流センサは、バスバーを挟んで配置された一対のセンサ素子および一対のバイアス磁石のペア性により、センサ素子の取付位置がX軸方向(バイアス磁石の磁極中心間を結ぶ線と直交する方向)にずれた場合であっても、電流の検出精度の低下を少なくできる。
In the current sensor described in
しかし、特許文献2に記載の電流センサであっても、センサ素子の取付位置がX軸方向以外の方向にずれた場合などで、センサ素子とバスバーとの距離が変化した場合には、電流の検出精度は低下する。そのため、この電流センサにおいては、電流を精度よく検出するにはスリットに対してバスバーが位置決めされていることが必須であり、スリットに対して位置決め可能なバスバー以外を被検出電線として用いることはできない。
However, even in the current sensor described in
本発明は上記事由に鑑みて為されており、センサ素子に対して被検出電線を位置合わせすることなく被検出電線を流れる電流を精度よく検出できる電流センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a current sensor that can accurately detect a current flowing through a detected wire without positioning the detected wire with respect to a sensor element.
本発明の電流センサは、厚み方向に被検出電線を通す挿通部が形成された基板と、前記基板における挿通部の周囲に設けられ、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する複数個のセンサ素子からなる素子群と、前記素子群に電気的に接続された演算部とを備え、前記被検出電線を流れる電流の大きさを検出する電流センサであって、前記素子群は、前記基板の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる4個以上の前記センサ素子からなり、前記演算部は、前記複数個の前記センサ素子の前記検出値と、既知である前記複数個の前記センサ素子の位置および向きとを用いて、前記被検出電線を流れる電流の大きさを求めることを特徴とする。 The current sensor according to the present invention is provided around the insertion portion of the substrate on which the insertion portion for passing the detected electric wire is passed in the thickness direction, and changes according to the strength and direction of the external magnetic field acting on each of the substrates. A current sensor that detects a magnitude of a current flowing through the detected electric wire, and includes an element group including a plurality of sensor elements that output detection values to be detected and an arithmetic unit electrically connected to the element group. The element group includes four or more sensor elements having at least one of position and orientation in a plane along the plate surface of the substrate, and the calculation unit includes the plurality of sensor elements. Using the detected value and the known positions and orientations of the plurality of sensor elements, the magnitude of the current flowing through the detected electric wire is obtained.
この電流センサにおいて、前記基板の厚み方向の両面に前記センサ素子が少なくとも2個ずつ配置されるように、前記複数個の前記センサ素子は前記基板の厚み方向の両面に分かれて配置されていることが望ましい。 In the current sensor, the plurality of sensor elements are arranged separately on both surfaces of the substrate in the thickness direction so that at least two sensor elements are disposed on both surfaces of the substrate in the thickness direction. Is desirable.
この電流センサにおいて、前記基板の厚み方向の一面に設けられた前記センサ素子と、前記基板の厚み方向の他面に設けられた前記センサ素子とは、前記基板の厚み方向において重なる位置に配置されており、前記基板の厚み方向において重なる位置に配置された一対の前記センサ素子は、前記基板の板面に沿う平面内での向きが互いに異なることがより望ましい。 In this current sensor, the sensor element provided on one surface in the thickness direction of the substrate and the sensor element provided on the other surface in the thickness direction of the substrate are arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate. More preferably, the pair of sensor elements arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate have different directions in a plane along the plate surface of the substrate.
この電流センサにおいて、前記複数個の前記センサ素子の各々は、磁性体ワイヤと、前記磁性体ワイヤの表皮層に電流を流すように前記磁性体ワイヤに通電する給電部と、前記磁性体ワイヤに通電されている状態で外部磁界の作用による前記磁性体ワイヤのインピーダンス変化に応じて前記検出値を出力する出力部とを有する磁気インピーダンス素子であることがより望ましい。 In the current sensor, each of the plurality of sensor elements includes a magnetic wire, a power feeding unit that energizes the magnetic wire so that a current flows through a skin layer of the magnetic wire, and a magnetic wire. It is more desirable that the magnetic impedance element has an output unit that outputs the detected value in accordance with an impedance change of the magnetic wire due to the action of an external magnetic field in the energized state.
この電流センサにおいて、前記素子群は、前記複数個の前記センサ素子の前記磁性体ワイヤに順次通電することがより望ましい。 In this current sensor, it is more preferable that the element group sequentially energizes the magnetic wires of the plurality of sensor elements.
この電流センサにおいて、前記給電部は、前記磁性体ワイヤに高周波電流またはパルス電流を流すことにより前記センサ素子を駆動することがより望ましい。 In this current sensor, it is more preferable that the power feeding unit drives the sensor element by passing a high-frequency current or a pulse current through the magnetic wire.
この電流センサにおいて、前記磁性体ワイヤは、円柱状に形成され円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金であることがより望ましい。 In this current sensor, the magnetic wire is more preferably an amorphous alloy formed in a cylindrical shape and having an easy magnetization axis in the circumferential direction.
この電流センサにおいて、前記磁性体ワイヤは、前記基板に対して超音波溶着または超音波はんだにより接合されていることがより望ましい。 In this current sensor, the magnetic wire is more preferably bonded to the substrate by ultrasonic welding or ultrasonic soldering.
本発明は、素子群が、基板の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる4個以上のセンサ素子からなり、演算部が、複数個のセンサ素子の検出値と、既知である複数個のセンサ素子の位置および向きとを用いて電流の大きさを求める。したがって、センサ素子に対して被検出電線を位置合わせすることなく被検出電線を流れる電流を精度よく検出できるという利点がある。 In the present invention, the element group includes four or more sensor elements in which at least one of the position and orientation in a plane along the plate surface of the substrate is different, and the calculation unit includes detection values of the plurality of sensor elements, The magnitude of the current is determined using the known positions and orientations of the plurality of sensor elements. Therefore, there is an advantage that the current flowing through the detected wire can be accurately detected without aligning the detected wire with the sensor element.
本実施形態の電流センサ10は、図2に示すように、挿通部21が形成された基板2と、基板2における挿通部21の周囲に設けられた複数個のセンサ素子101〜104(図1参照)からなる素子群と、素子群に電気的に接続された演算部3とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
素子群を構成する複数個のセンサ素子101〜104(以下、各々を特に区別しない場合「センサ素子1」という)は、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する。素子群は、基板2の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる少なくとも4個以上のセンサ素子1からなる。
The plurality of
基板2は厚み方向に被検出電線4を通す挿通部21が形成されており、電流センサ10は、挿通部21に挿通された被検出電線4を流れる電流Iの大きさを検出する。挿通部21は、基板2の板面に沿う平面内において一方向に開放された形状に形成されている。言い換えれば、挿通部21は、基板2の板面に沿う平面内において、開放部211にて基板2の外部空間と連通しており、この開放部211を通して被検出電線4を導入可能である。
The
本実施形態では、基板2は、一方向に長く、且つ長手方向の一端部が半円状を成すような形に形成されており、この一端部に挿通部21が形成されている。演算部3は、基板2の一面(表面)の長手方向における中央部と他端部との間に実装されている。以下では、基板2の短手方向をX軸方向、基板2の長手方向をY軸方向、基板2の厚み方向をZ軸方向として説明する。
In the present embodiment, the
詳しく説明すると、挿通部21は、基板2の半円部分の円周の一部を開放部211とするように、半円部分の円周の一部からY軸方向に沿って基板2の内側に向けて延長されており、その幅寸法は被検出電線4の線径(外径)よりも大きく設定されている。また、挿通部21の長手方向(Y軸方向)における開放部211とは反対側の端部は、半円状を成しており、挿通部21の周縁は基板2の板面に沿う平面内で略U字状に形成されている。
Explaining in detail, the
なお、基板2は、非磁性体材料から形成されており、たとえばガラスエポキシ基板からなる。
In addition, the board |
次に、基板2に実装されるセンサ素子1の構成について図3を参照して説明する。
Next, the configuration of the
本実施形態においては、センサ素子1は、高透磁率磁性体から円柱状に形成された磁性体ワイヤ11と、磁性体ワイヤ11に巻かれたピックアップコイル12と、磁性体ワイヤ11に電流を流すように磁性体ワイヤ11に通電する給電部13とを有している。ピックアップコイル12は、磁性体ワイヤ11に通電されている状態で、外部磁界の作用による磁性体ワイヤ11のインピーダンス変化に応じて検出値を出力する出力部として機能する。すなわち、本実施形態におけるセンサ素子1は磁気インピーダンス(MI)素子である。
In the present embodiment, the
磁性体ワイヤ11としては、ここでは円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金のワイヤが用いられる。また、磁性体ワイヤ11がアモルファスワイヤである(アモルファス合金からなる)場合、その組成はたとえば4%Fe68%Co13%Si15%Bなどが望ましい。本実施形態では、磁性体ワイヤ11の直径は一例として30μm〜120μm程度とするが、この値に限定する趣旨ではない。この種の磁性体ワイヤ11は、磁歪がなく、円周方向の透磁率が大きく変化する特性を持つ。さらに、この種の磁性体ワイヤ11は機械的強度が強く、高い引っ張り強度を持つ。なお、磁性体ワイヤ11はたとえばパーマロイなど、アモルファス合金以外の高透磁磁性体から形成されていてもよい。
Here, as the
給電部13は、磁性体ワイヤ11の軸方向の両端間に、高周波電流またはパルス電流を流すことによりセンサ素子1を駆動する。つまり、センサ素子1は、給電部13から磁性体ワイヤ11への通電時に動作し、外部磁界に応じた検出値をピックアップコイル12から出力する。
The
本実施形態においては、センサ素子1は、高透磁率磁性体からなる磁性体ワイヤ11のインピーダンス(交流電圧と交流電流との比)が外部磁界に応じて敏感に変化する磁気インピーダンス(MI)効果を利用している。すなわち、給電部13が磁性体ワイヤ11に高周波電流や立ち上がりの鋭いパルス電流を流している状態では、電流は、表皮効果により磁性体ワイヤ11の表面付近(表皮層)を流れることになる。ここで、電流が流れる表皮層の深さδは、電気抵抗率ρ、通電電流の角周波数ω、通電電流に直角方向の最大微分透磁率μを用いて式(1)で表され、外部磁界により最大微分透磁率μが変化することで、磁性体ワイヤ11のインピーダンスは変化する。
In the present embodiment, the
具体的に説明すると、磁性体ワイヤ11に高周波成分を含むパルス電流を流したとき、磁性体ワイヤ11のインピーダンスZは、磁性体ワイヤ11の直径a、直流抵抗Rdc、通電電流の角振動数ω、外部磁界Hex、透磁率μ(Hex)を用いて式(2)で表される。
More specifically, when a pulse current containing a high frequency component is passed through the
ここで、透磁率μ(Hex)は磁性体ワイヤ11の軸方向の外部磁界Hexによって変化するので、センサ素子1は、磁性体ワイヤ11のインピーダンスZの変化から外部磁界Hexの強さを検知可能である。磁性体ワイヤ11において磁気インピーダンス効果が顕著に現れるのは、磁性体ワイヤ11表面の電子スピンの配列が円周方向に並んでいる特殊な磁区構造に起因する。つまり、磁性体ワイヤ11は、表層部に円周方向の磁化容易軸(磁化容易方向)を有する磁区構造を持ち、高周波電流の通電により表皮効果が生じることによりインピーダンス特性が大きく変化する。ここで、外部磁界Hexの強さに応じてインピーダンスZが大きく変化するように、インピーダンス特性は変化する。
Here, since the magnetic permeability μ (Hex) changes according to the external magnetic field Hex in the axial direction of the
以下に、上記構成のセンサ素子1の基本的な動作について図3を参照して説明する。
The basic operation of the
センサ素子1の磁性体ワイヤ11は、通電前においては、上述した磁区構造により電子スピンが揃って円周方向を向いているが、外部磁界Hexが加わると電子スピンの向きに傾きが生じる。
The
次に、給電部13が、高周波成分を含むパルス電流(立ち上がり時間は10ns程度)を磁性体ワイヤ11に流すと、磁性体ワイヤ11表面の電子スピンが回転して外部磁界Hex印加前の状態(円周方向に揃った状態)に戻る。このように電子スピンが回転するとき、磁性体ワイヤ11の外側に配置されているピックアップコイル12には、磁性体ワイヤ11の軸方向の磁気ベクトル変化の速度に比例した誘起電圧が発生する。センサ素子1はこの誘起電圧をピックアップコイル12で測定して出力電圧(検出値)として演算部3へ出力する。
Next, when the
演算部3は、センサ素子1の出力電圧(検出値)の大きさから、磁性体ワイヤ11に印加されている外部磁界Hexの強さを求める。出力電圧vは、センサ素子定数αおよび外部磁界Hexを用いて、v=α・Hexで表される。
The computing unit 3 obtains the strength of the external magnetic field Hex applied to the
さらに、外部磁界Hexは、被検出電線4を流れる電流Iに比例し、磁性体ワイヤ11から被検出電線4(の軸心)までの距離rに反比例するから、式(3)で表される。したがって、距離rが既知であれば、演算部3は、求めた外部磁界Hexの強さから被検出電線4を流れる電流Iの大きさを算出できる。
Further, the external magnetic field Hex is proportional to the current I flowing through the detected
ところで、上述した例では、外部磁界Hexが磁性体ワイヤ11の軸方向に印加される場合について説明しているが、センサ素子1は、磁性体ワイヤ11の軸心(軸方向)と外部磁界Hexの方向との間の角度により、出力電圧vが変動する。すなわち、ピックアップコイル12に発生する誘起電圧(出力電圧v)は、磁性体ワイヤ11の軸心と外部磁界Hexの方向との成す角度θを用いて式(4)で表される。
By the way, although the example mentioned above demonstrated the case where the external magnetic field Hex was applied to the axial direction of the
したがって、図4に示すようにθ=0°であれば出力電圧v=α・Hexとなり、図5に示すようにθ=45°であれば出力電圧v=α/√2・Hexとなり、図6に示すようにθ=135°であれば出力電圧v=−α/√2・Hexとなる。要するに、センサ素子1は、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する出力電圧(検出値)を出力する。
Therefore, as shown in FIG. 4, if θ = 0 °, the output voltage v = α · Hex, and if θ = 45 ° as shown in FIG. 5, the output voltage v = α / √2 · Hex. As shown in FIG. 6, when θ = 135 °, the output voltage v = −α / √2 · Hex. In short, the
以上より、被検出電線4を流れる電流Iは、センサ素子1の出力電圧v、センサ素子定数α、磁性体ワイヤ11から被検出電線4までの距離r、磁性体ワイヤ11の軸心の角度θを用いて式(5)で表される。
From the above, the current I flowing through the detected
本実施形態の電流センサ10は、上述したような構成のセンサ素子1が、基板2の厚み方向の両面に対して複数個ずつ配置されている。本実施形態においては、合計4個のセンサ素子1が、基板2の一面(表面)と他面(裏面)との各々に2個ずつ、基板2の厚み方向の両面に分かれて配置されている。具体的には、図1に示すように4個のセンサ素子101〜104のうち、第1および第2のセンサ素子101,102は一面に配置され、第3および第4のセンサ素子103,104は基板2の他面に配置されている。
In the
ここで、各センサ素子1における磁性体ワイヤ11は、基板2に対して超音波溶着または超音波はんだにより接合されている。これにより、スパッタやメッキによって磁性体ワイヤ11を基板2に接合した構成に比べて、比較的太いワイヤでも、良好な性能を維持したまま基板2に実装可能である。
Here, the
各センサ素子1は、基板2の板面(一面あるいは他面)内において、挿通部21の周囲における所定の位置に配置されている。また、各センサ素子1は、基板2の板面(一面あるいは他面)内において、センサ素子101〜104ごとに決められた所定の向きで配置されている。ここでいうセンサ素子1の位置は、各センサ素子1の磁性体ワイヤ11の長手方向の中心、つまり磁性体ワイヤ11の軸心の中点の位置を指す。さらに、ここでいうセンサ素子1の向きは、Y軸方向に対する各センサ素子1の磁性体ワイヤ11の軸心の傾きを指す。そのため、この電流センサ10においては、第1および第2の各面に設けられた各一対のセンサ素子1間の距離と、Y軸に対して各磁性体ワイヤ11の軸心の成す角度とは既知である。
Each
ここで、本実施形態においては、図1に示すように、基板2の一端部に形成された半円部分の円周と、挿通部21の半円部分の円周とは、同心円上に形成されている。以下では、これらの同心円の中心を座標位置(X,Y)=(0,0)である基準点P0とし、図1の右方をX軸方向の正、図1の上方をY軸方向の正として説明する。
Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the circumference of the semicircular portion formed at one end of the
図1に示す例では、基板2の一面に設けられた第1のセンサ素子101および第2のセンサ素子102は、挿通部21の幅方向(X軸方向)の両側であって、両者の中間に基準点P0が位置するように配置されている。つまり、第1のセンサ素子101は(X,Y)=(−x,0)に位置し、第2のセンサ素子102は(X,Y)=(x,0)に位置している(xは定数)。
In the example shown in FIG. 1, the
ここにおいて、第1のセンサ素子101と第3のセンサ素子103とは基板2の厚み方向において重なる位置に配置され、第2のセンサ素子102と第4のセンサ素子104とは基板2の厚み方向において重なる位置に配置されている。つまり、図1に示すように、第3のセンサ素子103は(X,Y)=(−x,0)に位置し、第4のセンサ素子104は(X,Y)=(x,0)に位置している。このような配置により、挿通部21に挿通された被検出電線4から磁性体ワイヤ11までの距離rは、第1のセンサ素子101と第3のセンサ素子103とで同値(r1)になり、且つ、第2のセンサ素子102と第4のセンサ素子104とで同値(r2)になる。
Here, the
さらに、第1のセンサ素子101は、Y軸に対して磁性体ワイヤ11の軸心を45°傾ける向きで配置され、第2のセンサ素子102は、Y軸に対して磁性体ワイヤ11の軸心を−45°傾ける向きで配置されている。一方、基板2の他面に設けられたセンサ素子103,104は、Y軸に対する磁性体ワイヤ11の軸心の角度を、各々の裏に位置するセンサ素子101,102とはξ1,ξ2だけずらした向きで配置されている。要するに、基板2の厚み方向において重なる位置に配置された一対のセンサ素子1は、基板2の板面に沿う平面内での向きが互いに異なっている。
Further, the
本実施形態ではξ1=ξ2=90°と仮定する。つまり、第1のセンサ素子101の裏の第3のセンサ素子103は、Y軸に対して磁性体ワイヤ11を135°傾ける向きで配置され、第2のセンサ素子102の裏の第4のセンサ素子104は、Y軸に対して磁性体ワイヤ11を45°傾ける向きで配置されている。
In this embodiment, it is assumed that ξ 1 = ξ 2 = 90 °. That is, the
上述したように、素子群を構成する複数個(ここでは4個)のセンサ素子101〜104は、基板2の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なっている。ここに、素子群を構成する4個のセンサ素子101〜104は、全て同一の形状、構造を採用し、且つセンサ素子定数αも共通であると仮定する。この場合、各センサ素子101〜104における磁性体ワイヤ11の軸方向と外部磁界Hexの方向との間の角度をそれぞれθ1〜θ4とし、各センサ素子101〜104の出力電圧をそれぞれv1〜v4とすれば、式(5)より、式(6),(7)が導出される。なお、θ1〜θ4は、ξ1,ξ2を用いて式(8),(9)で表される。
As described above, the plurality (four in this case) of
次に、上述した構成の電流センサ10により、挿通部21に挿通された被検出電線4を流れる電流Iを検出する方法について説明する。
Next, a method for detecting the current I flowing through the detected
まず、電流センサ10は、基板2の挿通部21に対して開放部211から被検出電線4が導入された状態で、演算部3にて、基板2に実装されている複数個のセンサ素子1の出力電圧v(v1〜v4)をそれぞれ測定する。演算部3は、各センサ素子101〜104の出力電圧v1〜v4より、式(6)〜(9)に基づいて、各センサ素子101〜104における磁性体ワイヤ11の軸方向と外部磁界Hexの方向との間の角度θ1〜θ4を算出する。なお、式(8),(9)におけるξ1,ξ2は既知(本実施形態ではξ1=ξ2=90°)である。
First, the
ここで、基板2の板面に沿う平面内での複数個のセンサ素子1の位置はいずれも既知であるので、各センサ素子101〜104の磁性体ワイヤ11と外部磁界Hexとの成す角度θ1〜θ4が求まれば、これらの角度θ1〜θ4から被検出電線4の位置が特定される。被検出電線4の位置が特定されると、被検出電線4と各センサ素子101〜104との位置関係から、各センサ素子101〜104における磁性体ワイヤ11から被検出電線4までの距離r(r1,r2)が求まる。このようにして磁性体ワイヤ11の軸方向と外部磁界Hexの方向との成す角度θ(θ1〜θ4)と、磁性体ワイヤ11から被検出電線4までの距離rが求まれば、式(5)より、被検出電線4を流れる電流Iが求まる。
Here, since the positions of the plurality of
そこで、演算部3は、素子群を構成する複数個(ここでは4個)のセンサ素子101〜104の各検出値(出力電圧v1〜v4)と、既知であるこれら複数個のセンサ素子101〜104の位置および向きとを用いて、被検出電線4を流れる電流Iの大きさを求める。要するに、演算部3は、センサ素子101〜104の各出力電圧v1〜v4と、各センサ素子101〜104の位置および向きとを用いることにより、センサ素子1と被検出電線4との位置関係が既知でなくても被検出電線4を流れる電流Iを求めることができる。
Therefore, the calculation unit 3 includes the detected values (output voltages v 1 to v 4 ) of a plurality (four in this case) of
以上説明した本実施形態の電流センサ10によれば、センサ素子1と被検出電線4との位置関係によらず、センサ素子1の出力電圧vから、非接触で被検出電線4を流れる電流Iの計測が可能である。つまり、本実施形態の電流センサ10は、センサ素子11に対して被検出電線4を位置合わせすることなく、被検出電線4を流れる電流Iを精度よく検出できるという利点がある。そのため、この電流センサ10は、挿通部21に被検出電線4を導入する際に、X軸方向とY軸方向とのいずれにおいてもセンサ素子1に対する被検出電線4の位置を正確に合わせることなく、被検出電線4を流れる電流Iを精度よく検出できる。
According to the
したがって、電流センサ10は、既設の(配線済みの)電線を被検出電線4とする場合に、電線を切断することなく後付けで取り付けることができ、しかも電線に対する位置を細かく調整する必要もない。その結果、施工者は、電線を開放部211から挿通部21に導入するという非常に簡単な作業で、既設の電線に対して電流センサ10を取り付けることができ、作業の手間を大幅に低減できる。
Therefore, when the existing (wired) electric wire is used as the detected
また、本実施形態の電流センサ10によれば、被検出電線4の線径(外径)は固定ではなく、挿通部21の幅寸法以下であれば任意に選択可能である。すなわち、この電流センサ10では、センサ素子1に対する被検出電線4の位置合わせが必要ないので、被検出電線4は挿通部21に挿通されていればよく、挿通部21内での位置まで制限されることはない。そのため、本実施形態の電流センサ10は、挿通部21の幅寸法と同一の線径の被検出電線4だけでなく、挿通部21の幅寸法よりも小さい線径の被検出電線4にも対応できる。
Further, according to the
ここで、複数個のセンサ素子1は、基板2の厚み方向の両面にセンサ素子1が少なくとも2個ずつ配置されるように、基板2の厚み方向の両面に分かれて配置されている。したがって、電流センサ10は、基板2の片面に全てのセンサ素子1が配置された構成に比べると、基板2の板面に沿う面内での小型化を図ることができる。
Here, the plurality of
また、基板2の厚み方向の一面に設けられたセンサ素子101,102と、基板2の厚み方向の他面に設けられたセンサ素子103,104とは、基板2の厚み方向において重なる位置に配置されている。さらに、基板2の厚み方向において重なる位置に配置された一対のセンサ素子1は、基板2の板面に沿う平面内での向きが互いに異なっている。これにより、基板2の表裏に位置する一対のセンサ素子1においては、被検出電線4までの距離が同一とみなせるから、演算部3は、比較的簡単な演算で被検出電線4を流れる電流Iを求めることができる。
In addition, the
また、給電部13は磁性体ワイヤ11に高周波電流またはパルス電流を流すことによりセンサ素子1を駆動するので、電流センサ10は、表皮効果による磁性体ワイヤ11のインピーダンス特性の大きな変化に起因して、電流Iを高精度で計測することができる。さらに、本実施形態では、磁性体ワイヤ11として、円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金のワイヤが用いられるので、磁気特性に加えて、機械的強度にも優れたセンサ素子1を実現できる。
Further, since the
ところで、各センサ素子1に設けられている給電部13は、磁性体ワイヤ11に対して数MHz程度の高周波電流を流すことによりセンサ素子1を駆動する。一方で、電流センサ10の検出対象である被検出電線4を流れる電流Iは、たとえば50Hz(または60Hz)の商用系統の交流である。このように、磁性体ワイヤ11を流れる電流の周波数が、被検出電線4を流れる電流Iの周波数よりも十分に高い場合、センサ素子1は、給電部13から磁性体ワイヤ11に高周波電流を間欠的に流し、間欠的に計測を行っても精度よく電流Iを測定可能である。
By the way, the
たとえば、電流センサ10は、高周波電流源としての1つの給電部13を4個のセンサ素子1にて共用し、駆動するセンサ素子1を切り替えながら、給電部13から各センサ素子1の磁性体ワイヤ11に順次通電する構成であってもよい。この構成では、4個のセンサ素子1が個々に給電部13を有し各々の磁性体ワイヤ11に高周波電流を流し続ける場合に比べて、構成の簡略化、且つ低電力化を図ることができる。
For example, in the
また、センサ素子1は、磁界を検出できる素子であればよく、磁気インピーダンス素子に限らず、ホール素子や磁気抵抗(MR)素子やフラックスゲート素子などを用いることも考えられる。ただし、磁気インピーダンス素子に比べると、ホール素子や磁気抵抗素子では感度が不十分でなく、フラックスゲート素子ではサイズが大きく消費電力も大きい、というデメリットがある。したがって、小型、高感度の点では、センサ素子1としては磁気インピーダンス素子を用いることが望ましい。
The
特に、センサ素子1は、直径が100μm程度で、長さ寸法が2mm程度に形成された磁性体ワイヤ11を採用することにより、比較的小型且つ低コストな素子を実現できる。この場合、基板2にセンサ素子1が4個設けられていても、必要な磁性体ワイヤ11の合計長さは8mm(2mm×4)でよいため、特に磁性体ワイヤ11にかかるコストを抑えることができる。
In particular, the
なお、上記実施形態では、基板2の厚み方向の一面に設けられたセンサ素子1と、基板2の厚み方向の他面に設けられたセンサ素子1とが、基板2の厚み方向において重なる位置に配置された例を示したが、センサ素子1の配置はこの配置に限定されない。たとえば、センサ素子1は5個以上設けられていてもよいし、基板2の厚み方向の一面と他面とでセンサ素子1の個数が異なっていてもよい。また、素子群を構成する複数個のセンサ素子1は、全て基板2の厚み方向の片面に配置されていてもよい。
In the above embodiment, the
このような構成であっても、基板2の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる4個以上のセンサ素子1が設けられていれば、電流センサ10は、センサ素子1と被検出電線4との位置関係によらず、被検出電線4を流れる電流Iを検出できる。すなわち、演算部3は、これら複数個のセンサ素子1の検出値と、既知である複数個のセンサ素子1の位置および向きとを用いて、被検出電線4を流れる電流Iの大きさを求めることができる。
Even in such a configuration, if at least four
1,101〜104 センサ素子
2 基板
21 挿通部
3 演算部
4 被検出電線
10 電流センサ
11 磁性体ワイヤ
12 ピックアップコイル(出力部)
13 給電部
I 電流
v,v1〜v4 出力電圧(検出値)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101-104
13 Feeder I Current v, v 1 to v 4 Output voltage (detected value)
Claims (8)
前記素子群は、前記基板の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる4個以上の前記センサ素子からなり、
前記演算部は、前記複数個の前記センサ素子の前記検出値と、既知である前記複数個の前記センサ素子の位置および向きとを用いて、前記被検出電線を流れる電流の大きさを求める
ことを特徴とする電流センサ。 A board on which an insertion part for passing the detected electric wire in the thickness direction is formed, and a plurality of detection values that are provided around the insertion part in the board and change depending on the strength and direction of the external magnetic field acting on each of the board A current sensor that includes a group of sensor elements and a calculation unit electrically connected to the group of elements, and detects a magnitude of a current flowing through the detected wire;
The element group is composed of four or more sensor elements in which at least one of the position and orientation in a plane along the plate surface of the substrate is different,
The calculation unit obtains the magnitude of the current flowing through the detected electric wire using the detection values of the plurality of sensor elements and the known positions and orientations of the plurality of sensor elements. A current sensor.
ことを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。 The plurality of sensor elements are arranged separately on both surfaces of the substrate in the thickness direction so that at least two sensor elements are disposed on both surfaces of the substrate in the thickness direction. Item 2. The current sensor according to Item 1.
前記基板の厚み方向において重なる位置に配置された一対の前記センサ素子は、前記基板の板面に沿う平面内での向きが互いに異なる
ことを特徴とする請求項2に記載の電流センサ。 The sensor element provided on one surface in the thickness direction of the substrate and the sensor element provided on the other surface in the thickness direction of the substrate are arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate,
The current sensor according to claim 2, wherein the pair of sensor elements arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate are different from each other in a plane along the plate surface of the substrate.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電流センサ。 Each of the plurality of sensor elements includes a magnetic wire, a power feeding portion for energizing the magnetic wire so that a current flows through a skin layer of the magnetic wire, and a state in which the magnetic wire is energized 4. The magneto-impedance element according to claim 1, further comprising: an output unit that outputs the detection value according to an impedance change of the magnetic wire due to an action of an external magnetic field. Current sensor.
ことを特徴とする請求項4に記載の電流センサ。 The current sensor according to claim 4, wherein the element group sequentially energizes the magnetic wires of the plurality of sensor elements.
ことを特徴とする請求項4または5に記載の電流センサ。 6. The current sensor according to claim 4, wherein the power feeding unit drives the sensor element by causing a high-frequency current or a pulse current to flow through the magnetic wire.
ことを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の電流センサ。 The current sensor according to any one of claims 4 to 6, wherein the magnetic wire is an amorphous alloy formed in a cylindrical shape and having an easy axis in the circumferential direction.
ことを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の電流センサ。 The current sensor according to claim 4, wherein the magnetic wire is bonded to the substrate by ultrasonic welding or ultrasonic soldering.
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|---|---|---|---|---|
| JP2016045089A (en) * | 2014-08-22 | 2016-04-04 | リンテック株式会社 | Current sensor |
| JP6450044B1 (en) * | 2018-05-09 | 2019-01-09 | 音羽電機工業株式会社 | Surge current detection sensor |
| JP2022167857A (en) * | 2021-04-22 | 2022-11-04 | メソード・エレクトロニクス・マルタ・リミテッド | current sensor |
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