JP2005017017A - Magnetic field/current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁界または電流を計測することができる磁界・電流センサに関する。以下では、電流センサについて説明するが、磁界センサについても全く同様に適用することができる。
【0002】
【従来の技術】
従来、電流センサとしてはホール素子や磁気抵抗素子を用いるものがあるが、最近はMagneto Inpedance(MI)効果を利用する磁気インピーダンス素子(MI素子)が、特許文献1,非特許文献1等において開示されている。
図17にMI素子を用いる計測例を示す。
これは、測定対象となる導線10から所定の距離r0だけ離れた位置に、MI素子21を配置したもので、このMI素子21はここではガラス基板23に磁性膜22を形成して構成される。
【0003】
図18にMI素子を用いる回路例を示す。
MI素子21に発振器24から正弦波またはパルス波信号を印加すると、図17の導線10に流れる電流に比例する下記(1)式のような出力信号Soを得ることができる。
So=α×(I/r0) …(1)
ここに、αは係数、Iは導線10に流れる電流、r0は導線10とMI素子21との距離を示している。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−243766号公報(第2頁、図1)
【非特許文献1】
比嘉、外5名,「パルス電流励磁によるスパッタ薄膜マイクロMIセンサ」,日本応用磁気学会誌,1997,vol.21,No.4−2
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、導線10とMI素子21との距離r0が、その設計間隔rに対して誤差rEを含む、つまりr0=r+rEとし、その出力誤差をΔSとすると、真の出力S(=αI/r)に対し上記(1)式は、
So=S+ΔS=α×[I/(r+rE)] …(2)
となり、ΔSの計測誤差が生じて精度が低下すると言う問題がある。なお、この誤差を回避するためには、導線から設計距離rの位置に正確にMI素子を配置する必要があるが、その調整のためのコストが大きくなるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、導線とMI素子との距離調整を不要としつつ、電流計測精度を向上させることある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、リング状の円筒体と、この円筒体の外周または内周に沿って配置され磁気インピーダンス素子として機能する帯状の磁性体と、この磁性体の前記円筒体の一部で切断された部分に接続され磁性体に加えられる磁界に応じた信号を取出す信号取出線とを有することを特徴とする。
請求項2の発明では、開口部と支点となる可動部とを持つリング状の円筒体と、この円筒体の外周または内周に沿って配置され磁気インピーダンス素子として機能する帯状の磁性体と、この磁性体の前記開口部近傍に接続され磁性体に加えられる磁界に応じた信号を取出す信号取出線とを有することを特徴とする。
上記請求項2の発明においては、前記開口部は、前記可動部を支点として開放可能にされていることができる(請求項3の発明)。
【0007】
請求項4の発明では、長手方向に切欠きを有する円筒体と、この円筒体に取り付けられ磁気インピーダンス素子として機能する磁性体とを備え、磁性体に加えられる磁界に応じた信号を取出すことを特徴とする。この請求項4の発明においては、前記磁性体を複数個設けることができ(請求項5の発明)、この請求項5の発明においては、前記複数個の磁性体からの出力の総和または平均値を利用することができる(請求項6の発明)。さらに、請求項1ないし6のいずれかの発明においては、前記円筒体は、樹脂またはプラスチックからなることができる(請求項7の発明)
【0008】
請求項8の発明では、導電線から導電線の垂直方向に距離r0だけ離れた位置に配置される第1の磁気インピーダンス素子と、導電線から導電線の垂直方向に距離r0+Δrだけ離れた位置に配置される第2の磁気インピーダンス素子と、前記第1,第2磁気インピーダンス素子にそれぞれ接続され、前記導電線から発生し各磁気インピーダンス素子に印加される磁界に応じた検出信号をそれぞれ出力する2つの検出回路と、この2つの検出回路からの出力と2つの磁気インピーダンス素子間距離とから、前記導電線を流れる電流を演算する演算回路とを設けたことを特徴とする。
【0009】
請求項8の発明においては、前記演算回路では、前記2つの検出回路からの出力をそれぞれS1,S2、2つの磁気インピーダンス素子間距離をΔr、比例定数をαとして、求めるべき電流Iを、
I=Δr/α[S1・S2/(S1−S2)]
なる演算をして求めることができ(請求項9の発明)、請求項8または9の発明においては、前記第1,第2磁気インピーダンス素子を同一基板上に配置することができ(請求項10の発明)、請求項8ないし10のいずれかの発明においては、前記第1,第2磁気インピーダンス素子の磁性体をつづら折れ形状に構成することができる(請求項11の発明)。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す斜視図、図2はその平面(上面)図である。
これは、樹脂やプラスチックなどで作られたリング1に磁性体2を形成したもので、磁性体2はリング1の外周または内周のいずれに形成しても良い。リング1に取り付けられた磁性体2は、図2に示すようにリング1の一部で切断されており、この切断部から信号を取出せるように、信号取出線3が設けられている。なお、この信号取出線3により、図18に示す回路上に電流センサ(MI素子)21として取り付けられる。
【0011】
図3に、図1の電流センサAを測定対象とする導線10に取り付けた例を示す。なお、ここでは磁性体2がMI素子として機能する。
以上のように構成することにより、リング上の磁性体の微小領域と導線との距離の積を、磁性体の微小領域で積分したものは一定となる。このことから、リング内のどの位置に導線を配置しても、導線間との距離による誤差が除去され、電流検出精度が向上するとともに、調整コストの削減を図ることができる。
【0012】
図4はこの発明の第2の実施の形態を示す斜視図である。
図1では、導線10に樹脂やプラスチック製のリング1を挿入する場合、導線10の切断または取り外しなどの作業が必要になるが、この例ではそのような作業が不要となる。
すなわち、リング1の一部には支点としての可動部4が設けられ、この可動部4と対向する位置に開口部5が設けられる。図5にその開口部5を開いたときの状態を示す。開口部5は例えば留め金式に係合され、この留め金の係合を解除することで可動部4を支点として、リング1を止め輪のように開くことができるようにされている。このため、可動部4としては、例えば2つの半円リングの端部にそれぞれ穴(輪)を形成しこの2つの穴(輪)をリベット等で結合することで、リング1を可動部4の周りで動かし得るように形成される。
【0013】
図6に、図4の電流センサBを測定対象とする導線10に取り付ける直前の例を示す。ここでは、開口部5を開いて導線10に取り付ける様子を示す。また、図7には電流センサを導線に取り付けた後の状態を示す。
以上のように構成することで、図1の場合のように導線10を切断,取り外す等の作業をすることなく、導線10に簡単に取り付けられるようになる。
【0014】
図8はこの発明の第3の実施の形態を示す斜視図、図9は図8のA−A断面図である。
この電流センサCは、樹脂またはプラスチックなどで作られた円筒体6に切欠き7が設けられ、この切欠きと対向する位置に磁性体2を取り付けて構成される。切欠き7によって図4,図5の止め輪構造と同様になり、これにより円筒体6を図9の白抜き矢印の方向に広げることが可能である。
図10に、上記電流センサを測定対象となる電線に取り付けた場合を示す。電線11は円筒体6の内径よりも少し大きな径を持っており、したがって電流センサの切欠き7を広げることによって、図示のように電線11に取り付けることが可能である。なお、図10(b)に示す磁性体2AはMI素子として機能させ、図18のような回路で電流センサとして用いるものである。
【0015】
以上のようにすることにより、図11に示すように、MI素子として機能する磁性体と電線内部の導線との距離(r0)を調整無しで決定することができ、調整コストの低減に寄与することができる。なお、図11は図10のB−B断面図である。
【0016】
図12はこの発明の第4の実施の形態を示す斜視図、図13は図12のC−C断面図である。
つまり、この電流センサDは図10のように円筒体6の周囲に1つの磁性体2Aを設けるのではなく、4つの磁性体2Aを取り付けたものである。これらの磁性体2AもMI素子として機能させ、図18のような回路で電流センサとして用いられるのは図10の場合と同様である。ただし、この場合は4つの出力信号が得られるので、全部を用いるかその平均値を出力値とするなどの処理が必要であるが、いずれにしても、図13のように中心位置からのずれによる誤差や、被覆8の厚みのバラツキによる誤差、または円筒体の厚みのバラツキによる誤差などの影響を低減することが可能となる。
【0017】
図14はこの発明の第5の実施の形態を示す斜視図である。
これは、導線10から導線10の垂直方向に距離r0だけ離れた位置に配置されたMI素子21Aと、同じく距離r0+Δrだけ離れた位置に配置されたMI素子21Bとから構成する。なお、MI素子21Aと21Bとは別々に配置し、距離ΔrはMI素子21A,21Bと導線10との間隔に対して十分小さいものとする。
【0018】
図14に示すものを図18の回路に適用し、MI素子21Aの出力をS1,MI素子21Bの出力をS2とすると、先の(1)式と同様の関係から、
S1=α×(I/r0) …(3)
S2=α×[I/(r0+Δr)] …(4)
と表わされる。(3),(4)式からr0を消去すると、次式が得られる。
I=(Δr/α)[S1・S2/(S1−S2)] …(5)
【0019】
したがって、(5)式の演算をして電流Iを求めれば、導線10とMI素子間の距離r0とは無関係となり、設置誤差による影響が除去されて電流計測精度を向上させることができる。
図15はこの発明の第6の実施の形態を示す斜視図である。
これは、同一基板上に2つの磁性膜2D,2Eを形成した点が特徴で、2つの磁性膜2D,2Eを例えばフォトプロセスなどで作ることにより、Δrをサブマイクロメートル(10−6m)以下で管理することができ、電流計測精度がより向上する。
図16はこの発明の第7の実施の形態を示す斜視図である。
これは、図15の構成で、さらに磁性膜2F,2Gをつづら折れ構造として、電流計測精度だけでなく検出感度をも向上させるものである。
【0020】
以上では、主として電流センサの場合について説明したが、この発明は上記と同様にして磁界センサにも適用することができる。
【0021】
【発明の効果】
この発明によれば、導線と電流センサとの間の位置調整が不要となり、そのためのコストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す斜視図
【図2】図1の上面図
【図3】図1,2の計測態様を示す構成図
【図4】この発明の第2の実施の形態を示す斜視図
【図5】図4で開口部を開いた場合を示す説明図
【図6】センサ装着前の様子を示す構成図
【図7】図4,図5の計測態様を示す構成図
【図8】この発明の第3の実施の形態を示す斜視図
【図9】図8のA−A断面図
【図10】図8,図9の計測態様を示す構成図
【図11】図10のB−B断面図
【図12】この発明の第4の実施の形態を示す斜視図
【図13】図12のC−C断面図
【図14】この発明の第5の実施の形態を示す斜視図
【図15】この発明の第6の実施の形態を示す斜視図
【図16】この発明の第7の実施の形態を示す斜視図
【図17】従来例を示す斜視図
【図18】図17で用いられる回路例を示す回路図
【符号の説明】
1…リング、2,2A,2B,2C,2D,2E,2F,2G,22…磁性膜、3…信号取出線、4…可動部、5…開口部、6…円筒体、7…切欠き、
8…被覆、10…導線、11…電線、12…バイアスコイル、
21,21A,21B,21C…MI素子(磁気インピーダンス素子)、
23…ガラス基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic field / current sensor capable of measuring a magnetic field or current. In the following, the current sensor will be described, but the present invention can be applied to the magnetic field sensor in the same manner.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, some current sensors use Hall elements or magnetoresistive elements. Recently, however, a magneto-impedance element (MI element) using the Magneto Impedance (MI) effect is disclosed in Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and the like. Has been.
FIG. 17 shows a measurement example using the MI element.
In this example, an MI element 21 is arranged at a position away from the conducting
[0003]
FIG. 18 shows a circuit example using the MI element.
When a sine wave or pulse wave signal is applied to the MI element 21 from the oscillator 24, an output signal So represented by the following equation (1) proportional to the current flowing through the conducting
So = α × (I / r 0 ) (1)
Here, α is a coefficient, I is a current flowing through the
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-243766 (2nd page, FIG. 1)
[Non-Patent Document 1]
Higa, 5 others, “Sputtered thin film micro-MI sensor by pulse current excitation”, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, 1997, vol. 21, no. 4-2
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, if the distance r 0 between the
So = S + ΔS = α × [I / (r + r E )] (2)
Therefore, there is a problem that a measurement error of ΔS occurs and the accuracy is lowered. In order to avoid this error, it is necessary to accurately arrange the MI element at the position of the design distance r from the conductor, but there is a problem that the cost for the adjustment increases.
Therefore, an object of the present invention is to improve the current measurement accuracy while making it unnecessary to adjust the distance between the conductor and the MI element.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in the invention of claim 1, a ring-shaped cylindrical body, a belt-shaped magnetic body that is disposed along the outer periphery or inner periphery of the cylindrical body and functions as a magnetic impedance element, and the magnetic And a signal extraction line connected to a portion of the body cut at a part of the cylindrical body and taking out a signal corresponding to a magnetic field applied to the magnetic body.
In the invention of claim 2, a ring-shaped cylindrical body having an opening and a movable portion serving as a fulcrum, and a belt-shaped magnetic body that is disposed along the outer periphery or inner periphery of the cylindrical body and functions as a magnetic impedance element; And a signal extraction line that is connected to the vicinity of the opening of the magnetic body and extracts a signal corresponding to a magnetic field applied to the magnetic body.
In the invention of claim 2, the opening can be opened with the movable part as a fulcrum (invention of claim 3).
[0007]
The invention according to
[0008]
In the invention of
[0009]
In the invention of
I = Δr / α [S1 · S2 / (S1-S2)]
In the invention of
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan (top) view thereof.
In this case, a magnetic body 2 is formed on a ring 1 made of resin or plastic, and the magnetic body 2 may be formed on either the outer periphery or the inner periphery of the ring 1. The magnetic body 2 attached to the ring 1 is cut at a part of the ring 1 as shown in FIG. 2, and a signal lead-out line 3 is provided so that a signal can be taken out from the cut portion. The signal lead-out line 3 is attached as a current sensor (MI element) 21 on the circuit shown in FIG.
[0011]
FIG. 3 shows an example in which the current sensor A of FIG. 1 is attached to a conducting
By configuring as described above, the product of the distance between the minute region of the magnetic body on the ring and the conductive wire integrated in the minute region of the magnetic body is constant. For this reason, no matter the position of the conductor in the ring, the error due to the distance between the conductors is removed, the current detection accuracy is improved, and the adjustment cost can be reduced.
[0012]
FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention.
In FIG. 1, when the resin or plastic ring 1 is inserted into the
That is, a
[0013]
FIG. 6 shows an example immediately before attaching the current sensor B of FIG. 4 to the
With the configuration as described above, the
[0014]
FIG. 8 is a perspective view showing a third embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
This current sensor C is configured by providing a notch 7 in a cylindrical body 6 made of resin or plastic, and attaching a magnetic body 2 at a position facing the notch. The notch 7 is similar to the retaining ring structure shown in FIGS. 4 and 5, whereby the cylindrical body 6 can be expanded in the direction of the white arrow in FIG. 9.
In FIG. 10, the case where the said current sensor is attached to the electric wire used as a measuring object is shown. The electric wire 11 has a slightly larger diameter than the inner diameter of the cylindrical body 6, and therefore can be attached to the electric wire 11 as shown by widening the notch 7 of the current sensor. Note that the magnetic body 2A shown in FIG. 10B functions as an MI element and is used as a current sensor in a circuit as shown in FIG.
[0015]
By doing so, as shown in FIG. 11, the distance (r 0 ) between the magnetic body functioning as the MI element and the conductor inside the electric wire can be determined without adjustment, which contributes to the reduction of adjustment cost. can do. 11 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
[0016]
FIG. 12 is a perspective view showing a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a sectional view taken along the line CC of FIG.
That is, this current sensor D is not provided with one magnetic body 2A around the cylindrical body 6 as shown in FIG. 10, but with four magnetic bodies 2A attached. These magnetic bodies 2A also function as MI elements, and are used as current sensors in the circuit as shown in FIG. 18 as in the case of FIG. However, in this case, since four output signals are obtained, processing such as using all of them or using the average value as the output value is necessary, but in any case, the deviation from the center position as shown in FIG. It is possible to reduce the influence of errors due to, errors due to variations in the thickness of the
[0017]
FIG. 14 is a perspective view showing a fifth embodiment of the present invention.
This is composed of an MI element 21A arranged at a position separated by a distance r 0 from the
[0018]
When the one shown in FIG. 14 is applied to the circuit of FIG. 18 and the output of the MI element 21A is S1 and the output of the MI element 21B is S2, the relationship similar to the above equation (1)
S1 = α × (I / r 0 ) (3)
S2 = α × [I / (r 0 + Δr)] (4)
It is expressed as When r 0 is eliminated from the equations (3) and (4), the following equation is obtained.
I = (Δr / α) [S1 · S2 / (S1-S2)] (5)
[0019]
Therefore, if the current I is obtained by the calculation of the equation (5), the distance r 0 between the
FIG. 15 is a perspective view showing a sixth embodiment of the present invention.
This is characterized in that two magnetic films 2D and 2E are formed on the same substrate, and Δr is submicrometer (10 −6 m) by making the two magnetic films 2D and 2E by, for example, a photo process. It can be managed as follows, and the current measurement accuracy is further improved.
FIG. 16 is a perspective view showing a seventh embodiment of the present invention.
This is a structure in which the magnetic films 2F and 2G are further folded in the configuration of FIG. 15 to improve not only the current measurement accuracy but also the detection sensitivity.
[0020]
In the above, the case of the current sensor has been mainly described, but the present invention can also be applied to the magnetic field sensor in the same manner as described above.
[0021]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is not necessary to adjust the position between the conducting wire and the current sensor, and the cost for that can be greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view of FIG. 1. FIG. 3 is a block diagram showing a measurement mode of FIGS. FIG. 5 is an explanatory view showing a case where an opening is opened in FIG. 4. FIG. 6 is a configuration diagram showing a state before a sensor is mounted. FIG. 7 is a measurement mode shown in FIGS. FIG. 8 is a perspective view showing a third embodiment of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 8. FIG. 10 is a block diagram showing the measurement mode of FIGS. 11 is a sectional view taken along line BB in FIG. 10. FIG. 12 is a perspective view showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 13 is a sectional view taken along line CC in FIG. FIG. 15 is a perspective view showing a sixth embodiment of the present invention. FIG. 16 is a perspective view showing a seventh embodiment of the present invention. FIG. 17 is a perspective view showing a conventional example. Figure Circuit diagram showing an example of a circuit used in FIG. 18] FIG. 17 [Description of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ring, 2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 22 ... Magnetic film, 3 ... Signal extraction line, 4 ... Movable part, 5 ... Opening part, 6 ... Cylindrical body, 7 ... Notch ,
8 ... covering, 10 ... conductor, 11 ... electric wire, 12 ... bias coil,
21, 21A, 21B, 21C ... MI element (magnetic impedance element),
23: Glass substrate.
Claims (11)
I=Δr/α[S1・S2/(S1−S2)]
なる演算をして求めることを特徴とする請求項8に記載の磁界・電流センサ。In the arithmetic circuit, the outputs I from the two detection circuits are S1, S2, the distance between the two magnetic impedance elements is Δr, the proportionality constant is α, and the current I to be obtained is:
I = Δr / α [S1 · S2 / (S1-S2)]
The magnetic field / current sensor according to claim 8, wherein the magnetic field / current sensor is obtained by performing the following calculation.
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