[go: up one dir, main page]

JP2014048065A - Electric current sensor - Google Patents

Electric current sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2014048065A
JP2014048065A JP2012189023A JP2012189023A JP2014048065A JP 2014048065 A JP2014048065 A JP 2014048065A JP 2012189023 A JP2012189023 A JP 2012189023A JP 2012189023 A JP2012189023 A JP 2012189023A JP 2014048065 A JP2014048065 A JP 2014048065A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor
substrate
wire
current
sensor elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012189023A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshifumi Suehiro
善文 末広
Kosaku Kitada
耕作 北田
Atsushi Okita
篤志 沖田
Osamu Akasaka
修 赤坂
Mitsuharu Hosokawa
満春 細川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to JP2012189023A priority Critical patent/JP2014048065A/en
Publication of JP2014048065A publication Critical patent/JP2014048065A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

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1
A 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 Patent Document 1 has a sensor element (magnet-inductive magnetic detector) located at a predetermined distance from the axis of the detected electric wire. This sensor element outputs a voltage signal corresponding to the current flowing through the detected electric wire from the strength (magnitude) of the magnetic field that acts. However, since the strength of the magnetic field generated by the flow of current is inversely proportional to the distance from the detected wire to the sensor element, this type of current sensor aligns the detected wire with the sensor element and detects it. It is necessary to keep the distance from the electric wire to the sensor element at a predetermined distance. In particular, when the detected electric wire is brought close to the sensor element in order to increase the output of the sensor element, a detection error due to a shift in the relative position between the detected electric wire and the sensor element increases.

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 Patent Document 1, as one method for maintaining the distance from the detected wire to the sensor element at a predetermined distance, the detected wire and the sensor element are fixed so that the relative position of the detected wire with respect to the sensor element is fixedly determined. And a configuration in which are integrated with each other. In this configuration, when the current flowing through the existing electric wire is detected, the installer needs to perform an electrical work of once cutting the electric wire and inserting a current sensor.

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, Patent Document 1 describes a configuration in which the detected electric wire is sandwiched by a pinch mechanism so that the detected electric wire comes into contact with the groove portion of the spacer. Is disclosed. However, in this configuration, the wire diameter of the detected electric wire that can be handled is limited, and when the wire diameter of the detected electric wire is smaller or larger than the groove portion of the spacer, the detected electric wire is fixed at a fixed position. The distance from the detected wire to the sensor element may not be stable.

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 Patent Document 2, the front and back plate surfaces and one side surface of the bus bar are brought into close contact with the opposed inner wall surface and bottom surface of the slit, whereby the bus bar is positioned with respect to the slit. Further, a sensor element (magnetoresistance element) is disposed on the front surface of the substrate with a bus bar interposed therebetween, and a bias magnet is disposed on the back surface of the substrate directly behind each sensor element. Therefore, the relative position of the bus bar with respect to the sensor element is fixedly determined. In this current sensor, the mounting position of the sensor element is in the X-axis direction (the direction perpendicular to the line connecting the magnetic pole centers of the bias magnet) due to the paired nature of the pair of sensor elements and the pair of bias magnets arranged across the bus bar. Even in the case of deviation, the decrease in current detection accuracy can be reduced.

特開2004−170091号公報JP 2004-170091 A 特開2011−242270号公報JP 2011-242270 A

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 Patent Document 2, when the distance between the sensor element and the bus bar is changed, for example, when the mounting position of the sensor element is shifted in a direction other than the X-axis direction, Detection accuracy decreases. For this reason, in this current sensor, it is essential that the bus bar is positioned with respect to the slit in order to detect the current accurately, and any other than the bus bar that can be positioned with respect to the slit cannot be used as the detected electric wire. .

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.

実施形態に係る電流センサの要部の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the principal part of the current sensor which concerns on embodiment. 実施形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the current sensor which concerns on embodiment. 実施形態に用いるセンサ素子の原理の説明図である。It is explanatory drawing of the principle of the sensor element used for embodiment. 実施形態に用いるセンサ素子の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the sensor element used for embodiment. 実施形態に用いるセンサ素子の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the sensor element used for embodiment. 実施形態に用いるセンサ素子の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the sensor element used for embodiment.

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 current sensor 10 of the present embodiment includes a substrate 2 on which an insertion portion 21 is formed, and a plurality of sensor elements 101 to 104 provided around the insertion portion 21 in the substrate 2 (FIG. 1). And an arithmetic unit 3 electrically connected to the element group.

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 sensor elements 101 to 104 constituting the element group (hereinafter referred to as “sensor element 1” unless otherwise distinguished from each other) has detection values that change according to the strength and direction of the external magnetic field acting on each element. Output. The element group includes at least four or more sensor elements 1 that differ in at least one of position and orientation in a plane along the plate surface of the substrate 2.

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 board 2 has an insertion portion 21 through which the detected electric wire 4 is passed in the thickness direction, and the current sensor 10 detects the magnitude of the current I flowing through the detected electric wire 4 inserted through the insertion portion 21. The insertion portion 21 is formed in a shape opened in one direction within a plane along the plate surface of the substrate 2. In other words, the insertion portion 21 communicates with the external space of the substrate 2 at the open portion 211 in a plane along the plate surface of the substrate 2, and the detected electric wire 4 can be introduced through the open portion 211.

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 substrate 2 is formed in a shape that is long in one direction and has one end in the longitudinal direction forming a semicircular shape, and an insertion portion 21 is formed in the one end. The arithmetic unit 3 is mounted between the central portion and the other end portion in the longitudinal direction of one surface (front surface) of the substrate 2. In the following, the short direction of the substrate 2 is described as the X-axis direction, the long direction of the substrate 2 is defined as the Y-axis direction, and the thickness direction of the substrate 2 is described as the Z-axis direction.

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 insertion part 21 is arranged on the inner side of the substrate 2 along the Y-axis direction from a part of the circumference of the semicircular part so that a part of the circumference of the semicircular part of the substrate 2 is an open part 211. The width dimension is set larger than the wire diameter (outer diameter) of the detected electric wire 4. Further, the end of the insertion part 21 opposite to the opening part 211 in the longitudinal direction (Y-axis direction) has a semicircular shape, and the periphery of the insertion part 21 is within a plane along the plate surface of the substrate 2. It is formed in a substantially U shape.

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 | substrate 2 is formed from the nonmagnetic material, for example, consists of a glass epoxy board | substrate.

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 sensor element 1 mounted on the substrate 2 will be described with reference to FIG.

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 sensor element 1 causes a magnetic wire 11 formed in a cylindrical shape from a high permeability magnetic material, a pickup coil 12 wound around the magnetic wire 11, and a current to flow through the magnetic wire 11. As described above, the power supply unit 13 that energizes the magnetic wire 11 is provided. The pickup coil 12 functions as an output unit that outputs a detection value in accordance with a change in impedance of the magnetic wire 11 due to the action of an external magnetic field while the magnetic wire 11 is energized. That is, the sensor element 1 in the present embodiment is a magnetic impedance (MI) element.

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 magnetic body wire 11, an amorphous alloy wire having an easy magnetization axis in the circumferential direction is used. When the magnetic wire 11 is an amorphous wire (made of an amorphous alloy), the composition is preferably 4% Fe 68% Co 13% Si 15% B, for example. In the present embodiment, the diameter of the magnetic wire 11 is about 30 μm to 120 μm as an example, but is not limited to this value. This type of magnetic wire 11 has a characteristic that there is no magnetostriction and the magnetic permeability in the circumferential direction changes greatly. Further, this type of magnetic wire 11 has a high mechanical strength and a high tensile strength. The magnetic wire 11 may be formed of a highly permeable magnetic material other than an amorphous alloy, such as permalloy.

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 power feeding unit 13 drives the sensor element 1 by flowing a high-frequency current or a pulse current between both ends of the magnetic wire 11 in the axial direction. That is, the sensor element 1 operates when the magnetic wire 11 is energized from the power supply unit 13 and outputs a detection value corresponding to the external magnetic field from the pickup coil 12.

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 sensor element 1 has a magnetic impedance (MI) effect in which the impedance (ratio of AC voltage and AC current) of the magnetic wire 11 made of a high permeability magnetic material changes sensitively according to an external magnetic field. Is used. That is, in a state where the power feeding unit 13 is passing a high-frequency current or a sharply rising pulse current through the magnetic wire 11, the current flows near the surface (skin layer) of the magnetic wire 11 due to the skin effect. Here, the depth δ of the skin layer through which the current flows is expressed by Equation (1) using the electrical resistivity ρ, the angular frequency ω of the energized current, and the maximum differential permeability μ perpendicular to the energized current. As a result of the change in the maximum differential permeability μ, the impedance of the magnetic wire 11 changes.

Figure 2014048065
Figure 2014048065

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 magnetic wire 11, the impedance Z of the magnetic wire 11 is the diameter a of the magnetic wire 11, the DC resistance Rdc, and the angular frequency ω of the energization current. The external magnetic field Hex and the magnetic permeability μ (Hex) are expressed by the equation (2).

Figure 2014048065
Figure 2014048065

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 magnetic wire 11, the sensor element 1 can detect the strength of the external magnetic field Hex from the change in the impedance Z of the magnetic wire 11. It is. The magnetic impedance effect appears prominently in the magnetic wire 11 due to a special magnetic domain structure in which the arrangement of electron spins on the surface of the magnetic wire 11 is arranged in the circumferential direction. That is, the magnetic wire 11 has a magnetic domain structure having a circumferential easy magnetization axis (easy magnetization direction) in the surface layer portion, and impedance characteristics are greatly changed due to the skin effect caused by energization of a high-frequency current. Here, the impedance characteristics change so that the impedance Z changes greatly according to the strength of the external magnetic field Hex.

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 sensor element 1 having the above configuration will be described below with reference to FIG.

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 magnetic body wire 11 of the sensor element 1 is oriented in the circumferential direction with the electron spins aligned by the magnetic domain structure before energization. However, when the external magnetic field Hex is applied, the direction of the electron spin is inclined.

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 power supply unit 13 supplies a pulse current including a high frequency component (rise time is about 10 ns) to the magnetic wire 11, the electron spin on the surface of the magnetic wire 11 is rotated and the state before the application of the external magnetic field Hex ( Return to the state aligned in the circumferential direction). When the electron spin rotates in this way, an induced voltage proportional to the speed of change in the magnetic vector in the axial direction of the magnetic wire 11 is generated in the pickup coil 12 arranged outside the magnetic wire 11. The sensor element 1 measures this induced voltage with the pickup coil 12 and outputs it as an output voltage (detected value) to the computing unit 3.

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 magnetic wire 11 from the magnitude of the output voltage (detected value) of the sensor element 1. The output voltage v is expressed by v = α · Hex using the sensor element constant α and the external magnetic field Hex.

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 electric wire 4 and inversely proportional to the distance r from the magnetic wire 11 to the detected electric wire 4 (the axis thereof). . Therefore, if the distance r is known, the calculation unit 3 can calculate the magnitude of the current I flowing through the detected electric wire 4 from the obtained strength of the external magnetic field Hex.

Figure 2014048065
Figure 2014048065

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 magnetic body wire 11, the sensor element 1 is the axis center (axial direction) of the magnetic body wire 11, and the external magnetic field Hex. The output voltage v varies depending on the angle with respect to the direction of. That is, the induced voltage (output voltage v) generated in the pickup coil 12 is expressed by Expression (4) using an angle θ formed by the axis of the magnetic wire 11 and the direction of the external magnetic field Hex.

Figure 2014048065
Figure 2014048065

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 sensor element 1 outputs an output voltage (detection value) that changes in accordance with the strength and direction of the external magnetic field acting on each sensor element 1.

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 wire 4 is the output voltage v of the sensor element 1, the sensor element constant α, the distance r from the magnetic wire 11 to the detected wire 4, and the angle θ of the axis of the magnetic wire 11. Is represented by the formula (5).

Figure 2014048065
Figure 2014048065

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 current sensor 10 of the present embodiment, a plurality of sensor elements 1 having the above-described configuration are arranged on both surfaces of the substrate 2 in the thickness direction. In the present embodiment, a total of four sensor elements 1 are arranged separately on both surfaces in the thickness direction of the substrate 2, two on each of the one surface (front surface) and the other surface (back surface) of the substrate 2. . Specifically, as shown in FIG. 1, among the four sensor elements 101 to 104, the first and second sensor elements 101 and 102 are arranged on one surface, and the third and fourth sensor elements 103 and 104 are arranged. Is disposed on the other surface of the substrate 2.

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 magnetic wire 11 in each sensor element 1 is joined to the substrate 2 by ultrasonic welding or ultrasonic soldering. Thereby, compared with the structure which joined the magnetic body wire 11 to the board | substrate 2 by sputtering or plating, even a comparatively thick wire can be mounted in the board | substrate 2, maintaining favorable performance.

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 sensor element 1 is disposed at a predetermined position around the insertion portion 21 in the plate surface (one surface or the other surface) of the substrate 2. Each sensor element 1 is arranged in a predetermined direction determined for each of the sensor elements 101 to 104 in the plate surface (one surface or the other surface) of the substrate 2. The position of the sensor element 1 here refers to the center in the longitudinal direction of the magnetic body wire 11 of each sensor element 1, that is, the position of the midpoint of the axis of the magnetic body wire 11. Furthermore, the direction of the sensor element 1 here refers to the inclination of the axis of the magnetic wire 11 of each sensor element 1 with respect to the Y-axis direction. Therefore, in this current sensor 10, the distance between each pair of sensor elements 1 provided on the first and second surfaces and the angle formed by the axis of each magnetic wire 11 with respect to the Y axis Known.

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 substrate 2 and the circumference of the semicircular portion of the insertion portion 21 are formed concentrically. Has been. In the following, the center of these concentric circles is defined as a reference point P0 at the coordinate position (X, Y) = (0, 0), the right side of FIG. 1 is positive in the X-axis direction, and the upper side in FIG. It will be described as positive.

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 first sensor element 101 and the second sensor element 102 provided on one surface of the substrate 2 are on both sides in the width direction (X-axis direction) of the insertion portion 21, and intermediate between the two. Are arranged so that the reference point P0 is located at the center. That is, the first sensor element 101 is located at (X, Y) = (− x, 0), and the second sensor element 102 is located at (X, Y) = (x, 0) (x Is a constant).

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(r)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(r)になる。 Here, the first sensor element 101 and the third sensor element 103 are arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate 2, and the second sensor element 102 and the fourth sensor element 104 are arranged in the thickness direction of the substrate 2. In FIG. That is, as shown in FIG. 1, the third sensor element 103 is positioned at (X, Y) = (− x, 0), and the fourth sensor element 104 is (X, Y) = (x, 0). Is located. With such an arrangement, the distance r from the detected wire 4 inserted through the insertion portion 21 to the magnetic wire 11 is the same value (r 1 ) between the first sensor element 101 and the third sensor element 103. In addition, the second sensor element 102 and the fourth sensor element 104 have the same value (r 2 ).

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ξ,ξ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 first sensor element 101 is arranged in a direction in which the axis of the magnetic wire 11 is inclined by 45 ° with respect to the Y axis, and the second sensor element 102 is an axis of the magnetic wire 11 with respect to the Y axis. It is arranged in a direction that tilts the mind by -45 °. On the other hand, the sensor elements 103 and 104 provided on the other surface of the substrate 2, the angle of the axis of the magnetic wire 11 relative to the Y-axis, the sensor elements 101 and 102 located at the back of each xi] 1, xi] 2 It is arranged in the direction shifted only. In short, the pair of sensor elements 1 arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate 2 are different from each other in a plane along the plate surface of the substrate 2.

本実施形態ではξ=ξ=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 third sensor element 103 on the back side of the first sensor element 101 is arranged in a direction in which the magnetic wire 11 is inclined by 135 ° with respect to the Y axis, and the fourth sensor on the back side of the second sensor element 102. The element 104 is arranged in a direction in which the magnetic wire 11 is inclined by 45 ° with respect to the Y axis.

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θ〜θとし、各センサ素子101〜104の出力電圧をそれぞれv〜vとすれば、式(5)より、式(6),(7)が導出される。なお、θ〜θは、ξ,ξを用いて式(8),(9)で表される。 As described above, the plurality (four in this case) of sensor elements 101 to 104 constituting the element group differ in at least one of position and orientation in a plane along the plate surface of the substrate 2. Here, it is assumed that the four sensor elements 101 to 104 constituting the element group all adopt the same shape and structure, and the sensor element constant α is also common. In this case, the angles between the axial direction of the magnetic wire 11 and the direction of the external magnetic field Hex in the sensor elements 101 to 104 are θ 1 to θ 4 , respectively, and the output voltages of the sensor elements 101 to 104 are v 1 , respectively. if to v 4, the equation (5), equation (6) is derived is (7). Note that θ 1 to θ 4 are expressed by equations (8) and (9) using ξ 1 and ξ 2 .

Figure 2014048065
Figure 2014048065

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 wire 4 inserted through the insertion portion 21 by the current sensor 10 having the above-described configuration will be described.

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(v〜v)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v〜v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θ〜θを算出する。なお、式(8),(9)におけるξ,ξは既知(本実施形態ではξ=ξ=90°)である。 First, the current sensor 10 includes a plurality of sensor elements 1 mounted on the substrate 2 by the calculation unit 3 in a state where the detected wire 4 is introduced from the open portion 211 to the insertion portion 21 of the substrate 2. Output voltages v (v 1 to v 4 ) are measured. The calculation unit 3 calculates the axial direction and the external magnetic field of the magnetic body wire 11 in each of the sensor elements 101 to 104 based on the equations (6) to (9) based on the output voltages v 1 to v 4 of the sensor elements 101 to 104. The angles θ 1 to θ 4 with the direction of Hex are calculated. Note that ξ 1 and ξ 2 in equations (8) and (9) are known (in this embodiment, ξ 1 = ξ 2 = 90 °).

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θ〜θが求まれば、これらの角度θ〜θ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(r,r)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(θ〜θ)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 sensor elements 1 in a plane along the plate surface of the substrate 2 are all known, the angle θ formed between the magnetic wire 11 of each of the sensor elements 101 to 104 and the external magnetic field Hex. if 1 through? 4 are determined, the position of the detected wire 4 is identified from these angles theta 1 through? 4. When the position of the detected wire 4 is specified, the distance r (from the magnetic wire 11 to the detected wire 4 in each of the sensor elements 101 to 104 is determined from the positional relationship between the detected wire 4 and each of the sensor elements 101 to 104. r 1 , r 2 ) is obtained. In this way, if the angle θ (θ 1 to θ 4 ) between the axial direction of the magnetic wire 11 and the direction of the external magnetic field Hex and the distance r from the magnetic wire 11 to the detected wire 4 are obtained, the equation From (5), the current I flowing through the detected electric wire 4 is obtained.

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v〜v)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v〜v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 sensor elements 101 to 104 constituting the element group, and the plurality of known sensor elements. The magnitude | size of the electric current I which flows through the to-be-detected electric wire 4 is calculated | required using the position and direction of 101-104. In short, the calculation unit 3 uses the output voltages v 1 to v 4 of the sensor elements 101 to 104 and the positions and orientations of the sensor elements 101 to 104 to determine the position of the sensor element 1 and the detected electric wire 4. Even if the relationship is not known, the current I flowing through the detected electric wire 4 can be obtained.

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 current sensor 10 of the present embodiment described above, the current I flowing through the detected wire 4 in a non-contact manner from the output voltage v of the sensor element 1 regardless of the positional relationship between the sensor element 1 and the detected wire 4. Can be measured. That is, the current sensor 10 of this embodiment has an advantage that the current I flowing through the detected wire 4 can be detected with high accuracy without positioning the detected wire 4 with respect to the sensor element 11. Therefore, the current sensor 10 does not accurately align the position of the detected wire 4 with respect to the sensor element 1 in both the X-axis direction and the Y-axis direction when the detected wire 4 is introduced into the insertion portion 21. The current I flowing through the detected electric wire 4 can be detected with high accuracy.

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 electric wire 4, the current sensor 10 can be attached later without cutting the electric wire, and it is not necessary to finely adjust the position with respect to the electric wire. As a result, the installer can attach the current sensor 10 to the existing electric wire by a very simple operation of introducing the electric wire from the opening portion 211 to the insertion portion 21, and can greatly reduce the labor of the operation. .

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 current sensor 10 of the present embodiment, the wire diameter (outer diameter) of the detected electric wire 4 is not fixed and can be arbitrarily selected as long as it is equal to or smaller than the width dimension of the insertion portion 21. That is, in this current sensor 10, since it is not necessary to align the detected electric wire 4 with respect to the sensor element 1, the detected electric wire 4 only needs to be inserted into the insertion portion 21, and is limited to a position within the insertion portion 21. Never happen. Therefore, the current sensor 10 of the present embodiment supports not only the detected wire 4 having the same wire diameter as the width of the insertion portion 21 but also the detected wire 4 having a wire diameter smaller than the width of the insertion portion 21. it can.

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 sensor elements 1 are separately arranged on both sides of the substrate 2 in the thickness direction so that at least two sensor elements 1 are arranged on both sides of the substrate 2 in the thickness direction. Therefore, the current sensor 10 can be reduced in size in the plane along the plate surface of the substrate 2 as compared with the configuration in which all the sensor elements 1 are arranged on one surface of the substrate 2.

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 sensor elements 101 and 102 provided on one surface in the thickness direction of the substrate 2 and the sensor elements 103 and 104 provided on the other surface in the thickness direction of the substrate 2 are arranged at positions overlapping in the thickness direction of the substrate 2. Has been. Further, the pair of sensor elements 1 arranged at the overlapping positions in the thickness direction of the substrate 2 are different from each other in the plane along the plate surface of the substrate 2. As a result, in the pair of sensor elements 1 positioned on the front and back of the substrate 2, the distance to the detected wire 4 can be regarded as the same, so that the calculation unit 3 can calculate the current I flowing through the detected wire 4 with a relatively simple calculation. Can be requested.

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 power feeding unit 13 drives the sensor element 1 by passing a high frequency current or a pulse current through the magnetic wire 11, the current sensor 10 is caused by a large change in the impedance characteristic of the magnetic wire 11 due to the skin effect. The current I can be measured with high accuracy. Furthermore, in the present embodiment, an amorphous alloy wire having an easy magnetization axis in the circumferential direction is used as the magnetic wire 11, so that the sensor element 1 having excellent mechanical strength in addition to magnetic characteristics can be realized. .

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 power feeding unit 13 provided in each sensor element 1 drives the sensor element 1 by flowing a high-frequency current of about several MHz through the magnetic wire 11. On the other hand, the current I flowing through the detected electric wire 4 that is the detection target of the current sensor 10 is, for example, AC of a commercial system of 50 Hz (or 60 Hz). As described above, when the frequency of the current flowing through the magnetic wire 11 is sufficiently higher than the frequency of the current I flowing through the detected wire 4, the sensor element 1 intermittently applies a high-frequency current from the power feeding unit 13 to the magnetic wire 11. The current I can be measured with high accuracy even if the measurement is performed intermittently and intermittent measurement is performed.

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 current sensor 10, one power supply unit 13 as a high-frequency current source is shared by four sensor elements 1, and the magnetic wire of each sensor element 1 is switched from the power supply unit 13 while switching the sensor element 1 to be driven. 11 may be configured to energize sequentially. In this configuration, the configuration can be simplified and the power consumption can be reduced as compared with the case where the four sensor elements 1 individually have the power feeding portions 13 and the high frequency current is continuously supplied to the magnetic wires 11. .

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 sensor element 1 may be any element that can detect a magnetic field, and is not limited to a magnetic impedance element, and a Hall element, a magnetoresistive (MR) element, a fluxgate element, or the like may be used. However, compared with the magnetic impedance element, the Hall element and the magnetoresistive element are not sufficiently sensitive, and the flux gate element has a demerit that the size is large and the power consumption is large. Therefore, it is desirable to use a magnetic impedance element as the sensor element 1 in terms of small size and high sensitivity.

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 sensor element 1 can realize a relatively small and low-cost element by using the magnetic wire 11 having a diameter of about 100 μm and a length dimension of about 2 mm. In this case, even if four sensor elements 1 are provided on the substrate 2, the total length of the necessary magnetic wires 11 may be 8 mm (2 mm × 4). Can do.

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 sensor element 1 provided on one surface in the thickness direction of the substrate 2 and the sensor element 1 provided on the other surface in the thickness direction of the substrate 2 are overlapped in the thickness direction of the substrate 2. Although the example of arrangement | positioning was shown, arrangement | positioning of the sensor element 1 is not limited to this arrangement | positioning. For example, five or more sensor elements 1 may be provided, or the number of sensor elements 1 may be different between one surface in the thickness direction of the substrate 2 and the other surface. In addition, the plurality of sensor elements 1 constituting the element group may all be arranged on one side in the thickness direction of the substrate 2.

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 sensor elements 1 having different positions and orientations in a plane along the plate surface of the substrate 2 are provided, the current sensor 10 is The current I flowing through the detected electric wire 4 can be detected regardless of the positional relationship between the electric wire 1 and the electric wire 4 to be detected. That is, the calculation unit 3 obtains the magnitude of the current I flowing through the detected electric wire 4 using the detected values of the plurality of sensor elements 1 and the known positions and orientations of the plurality of sensor elements 1. be able to.

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,v〜v 出力電圧(検出値)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101-104 Sensor element 2 Board | substrate 21 Insertion part 3 Operation part 4 Wire to be detected 10 Current sensor 11 Magnetic body wire 12 Pickup coil (output part)
13 Feeder I Current v, v 1 to v 4 Output voltage (detected value)

Claims (8)

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
JP2012189023A 2012-08-29 2012-08-29 Electric current sensor Pending JP2014048065A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012189023A JP2014048065A (en) 2012-08-29 2012-08-29 Electric current sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012189023A JP2014048065A (en) 2012-08-29 2012-08-29 Electric current sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014048065A true JP2014048065A (en) 2014-03-17

Family

ID=50607912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012189023A Pending JP2014048065A (en) 2012-08-29 2012-08-29 Electric current sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014048065A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
KR102798812B1 (en) * 2024-08-05 2025-04-23 모건인프라주식회사 Wire inspection device for tool maintenance

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
JP2019196963A (en) * 2018-05-09 2019-11-14 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
KR102798812B1 (en) * 2024-08-05 2025-04-23 모건인프라주식회사 Wire inspection device for tool maintenance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6522703B2 (en) Method and apparatus for a magnetic field sensor having an integrated coil
CN105408756B (en) Multi-component magnetic field sensor
CN104749536B (en) Device, magnetic sensor device and method
US10184959B2 (en) Magnetic current sensor and current measurement method
US9063185B2 (en) Current sensor
US9400315B2 (en) Current sensor
JP2016525216A (en) Method and apparatus for a magnetic sensor for generating a varying magnetic field
CN108489379A (en) The angular transducer inhibited with Perturbation
JP6300506B2 (en) Position sensor using variable magnetic collector
JP6311790B2 (en) Current sensor
JP2014048065A (en) Electric current sensor
WO2016056135A1 (en) Current detection device and current detection method
JP2019074522A (en) Integrated magnetic structure
JP2021148625A (en) Magnetic sensor device
CN109328307A (en) Magnetic sensor and current sensor provided with the same
JP2014089088A (en) Magnetoresistive effect element
JP2012063203A (en) Magnetic sensor
US20240142404A1 (en) Detection device
WO2016056137A1 (en) Electric current detection device and electric current detection method
JP2013047610A (en) Magnetic balance type current sensor
JP2013142569A (en) Current sensor
EP2924397B1 (en) Systems and methods for a magnetic target with magnetic bias field
JP5154335B2 (en) Current sensor
JP2002082135A (en) Current sensor
JP2018179775A (en) Thin film magnetic sensor module