JP2005172505A

JP2005172505A - Current detector, wattmeter, and watt-hour meter

Info

Publication number: JP2005172505A
Application number: JP2003410387A
Authority: JP
Inventors: Yuji Matsuzoe; 雄二松添; Masayoshi Nakano; 雅祥中野; Hideo Shimizu; 秀雄清水
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce manufacturing man-hours for a current sensor used for a wattmeter or the like, and to reduce a cost therefor. <P>SOLUTION: The current sensor using a current transformer is used in many cases in the prior art. Complicated processes (man-hours) such as bending are required to bring cost-increase, when the sensor is used. Taking this into account, an element (MI element) utilizing a magnetic impedance effect is used as the current sensor 1 to allow arrangement on an upper side of a conductive pattern 2 for measuring a current formed burriedly inside a printed circuit board 3, so as to eliminate the complicated, troublesome and expensive work such as the bending. A symbol 4 indicates a peripheral circuit such as a detection circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は電流検出装置、およびこれを用いた電子式の電力量測定装置，電力測定装置に関する。 The present invention relates to a current detection device, and an electronic power amount measurement device and a power measurement device using the current detection device.

図５に、例えば特許文献１に開示された従来の電子式電力量計の例を示す。
これは、図示のように電流センサ５１，電圧センサ５２からそれぞれ得られた電流信号５１１，電圧信号５２２をＡＤ（アナログ−ディジタル）変換器５３を介してＣＰＵ５４に取り込み、ＣＰＵ５４内で演算して電力量を求めるものである。また、ＣＰＵ５４は電力量に応じたパルスを発生させる計量パルス用ＬＥＤ（発光ダイオード）５６の制御や、電力量を表示する液晶ディスプレイなどの液晶表示５５の制御を行なっている。 FIG. 5 shows an example of a conventional electronic watt-hour meter disclosed in Patent Document 1, for example.
As shown in the figure, the current signal 511 and the voltage signal 522 obtained from the current sensor 51 and the voltage sensor 52 are taken into the CPU 54 via the AD (analog-digital) converter 53, and calculated in the CPU 54 for power consumption. The amount is to be calculated. The CPU 54 also controls a metering pulse LED (light emitting diode) 56 that generates a pulse corresponding to the amount of power and a liquid crystal display 55 such as a liquid crystal display that displays the amount of power.

図６に電流センサをプリント基板に搭載した電力量計の例を示す。
一般に、電力量計用電流センサとしては、図示のようなカレントトランス５１が用いられる。カレントトランス５１は中空形状になっており、中空内の導体を流れる電流から発生する磁界を検出するものである。そのため、例えば電力量計として用いる場合には、図示のようにプリント基板６２上に実装されたカレントトランス５１の中空内に、電流バー６０を複雑に曲げ加工して挿入する必要がある（ギャップ６４参照）。なお、電流バー６０は図示されない電力量計の筺体に接続され、筺体は外部への配線端子を有している。 FIG. 6 shows an example of a watt-hour meter in which a current sensor is mounted on a printed board.
In general, a current transformer 51 as shown is used as a current sensor for an electric energy meter. The current transformer 51 has a hollow shape, and detects a magnetic field generated from a current flowing through a conductor in the hollow. Therefore, for example, when used as a watt-hour meter, it is necessary to insert the current bar 60 into the hollow of the current transformer 51 mounted on the printed board 62 as illustrated in a complicated manner (gap 64). reference). The current bar 60 is connected to a watt-hour housing (not shown), and the housing has a wiring terminal to the outside.

特開２００３−１４９２７６号公報（第２頁，図１３）Japanese Patent Laying-Open No. 2003-149276 (second page, FIG. 13)

図６のような構成では、
（１）電流バーに複雑な曲げ加工を必要とする。
（２）カレントトランスに電流バーを挿入する組立加工が発生する。
等により、コストアップするという問題がある。
したがって、この発明の課題は、複雑な加工を不要にするとともにコストの低減化を図ることにある。 In the configuration as shown in FIG.
(1) The current bar requires complicated bending.
(2) Assembly processing for inserting the current bar into the current transformer occurs.
For example, there is a problem that the cost increases.
Accordingly, an object of the present invention is to eliminate the need for complicated processing and to reduce the cost.

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、プリント基板にパターニングされた配線パターンと、前記プリント基板上の前記配線パターンに対して垂直方向に実装された磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に加えられる磁界に応じた信号を出力する検出回路とを有することを特徴とする。 In order to solve such a problem, in the invention of claim 1, a wiring pattern patterned on a printed board, a magnetic impedance element mounted in a direction perpendicular to the wiring pattern on the printed board, and the magnetic And a detection circuit that outputs a signal corresponding to a magnetic field applied to the impedance element.

上記請求項１の発明においては、前記検出回路、または周辺回路、もしくは前記検出回路および周辺回路をＩＣ化した半導体チップと、前記磁気インピーダンス素子とをモールドパッケージ化することができる（請求項２の発明）。または、これら請求項１または２の発明による電流検出装置を用いて、電力計または電力量計を構成することができる（請求項３，４の発明）。 In the first aspect of the invention, the detection circuit, the peripheral circuit, or a semiconductor chip in which the detection circuit and the peripheral circuit are integrated into an IC, and the magneto-impedance element can be formed into a mold package. invention). Alternatively, a power meter or a watt hour meter can be configured by using the current detection device according to the invention of claim 1 or 2 (inventions of claims 3 and 4).

この発明によれば、プリント基板に埋め込んだパターン上に、ＭＩ素子からなる電流センサを配置する構成としたので、
（１）複雑な曲げ加工が必要な電流バーが不要となる。
（２）電流バーが不要なため、電流バーの組立工数が不要となる。
その結果、電力量計の低コスト化を実現できる。
また、ＭＩ素子を用いた電流センサは、カレントトランスを用いるものに比べて非常に小さくできるので、小型，低コストの電流検出装置や電力量計を提供することができる。 According to the present invention, since the current sensor composed of the MI element is arranged on the pattern embedded in the printed circuit board,
(1) A current bar that requires complicated bending is not required.
(2) Since no current bar is required, the assembly process of the current bar becomes unnecessary.
As a result, it is possible to reduce the cost of the watt-hour meter.
In addition, since the current sensor using the MI element can be made much smaller than that using the current transformer, it is possible to provide a small and low-cost current detection device and watt hour meter.

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
図１からも明らかなように、これは従来の電流バーの代わりに、プリント基板３内に電流バーを埋め込むか、または基板３上にパターニングした配線パターンなどの電力測定用パターン２と、このパターン２の上に実装された電流センサ１と、電流センサ制御用の周辺回路４とから構成される。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
As can be seen from FIG. 1, instead of the conventional current bar, this is a pattern for measuring power 2 such as a wiring pattern in which a current bar is embedded in the printed board 3 or patterned on the board 3, and this pattern. 2 includes a current sensor 1 mounted on 2 and a peripheral circuit 4 for current sensor control.

図２に図１の電流センサを拡大して示す。
電流センサ１は、図示されないリードフレーム上に実装された磁気インピーダンス素子（以下、単にＭＩ素子とも略記する）２０をモールドパッケージしたものである。ＭＩ素子２０は、磁気の変化に対してインピーダンスが変化する、いわゆる磁気インピーダンス効果を利用する電流センサ用素子であり、図２ではガラス基板２２上にソフト磁性膜２３でパターニングした構成となっている。なお、ＭＩ素子は、ホール素子や磁気抵抗素子に比べ磁界に対して高感度であるとして、例えば比嘉外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，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２，１９９７年において発表されている。 FIG. 2 shows an enlarged view of the current sensor of FIG.
The current sensor 1 is obtained by molding and packaging a magneto-impedance element (hereinafter also simply referred to as an MI element) 20 mounted on a lead frame (not shown). The MI element 20 is a current sensor element that utilizes a so-called magnetoimpedance effect in which the impedance changes in response to a change in magnetism. In FIG. 2, the MI element 20 has a configuration in which a soft magnetic film 23 is patterned on the glass substrate 22. . The MI element is more sensitive to the magnetic field than the Hall element or magnetoresistive element. For example, Higa et al., “Sputtered thin film micro MI sensor by pulse current excitation”, Journal of Japan Society of Applied Magnetics, vol. 21, no. It was announced in 4-2 and 1997.

図３に電流センサおよび周辺回路のブロック図を示す。なお、１は電流センサ、３０は発振回路、３１はＭＩ素子２０と固定抵抗からなる磁界（電流）検出回路、３２，３３は検出回路からの信号を処理する整流回路，増幅回路であり、増幅回路は例えばオペアンプ，抵抗，コンデンサからなる反転増幅回路である。３４は電流信号出力を示す。ここで、前記整流回路３２、増幅回路３３あるいは発振回路３０を含めて周辺回路を構成している。また、ＭＩ素子２０は図２に示すように、電力量測定用パターン２の電流が流れる方向に対し、垂直方向に一定の距離ｒ₀だけ離れた位置に配置するものとする。 FIG. 3 shows a block diagram of the current sensor and peripheral circuits. 1 is a current sensor, 30 is an oscillation circuit, 31 is a magnetic field (current) detection circuit comprising an MI element 20 and a fixed resistor, 32 and 33 are rectification circuits and amplification circuits for processing signals from the detection circuit. The circuit is, for example, an inverting amplifier circuit composed of an operational amplifier, a resistor, and a capacitor. Reference numeral 34 denotes a current signal output. Here, a peripheral circuit is configured including the rectifier circuit 32, the amplifier circuit 33, or the oscillation circuit 30. Further, as shown in FIG. 2, the MI element 20 is arranged at a position separated by a certain distance r _{0 in the} vertical direction with respect to the direction in which the current of the electric energy measurement pattern 2 flows.

いま、図３のＭＩ素子２０に発振回路３０から高周波信号を印加すると、ＭＩ素子２０はそのインピーダンスが、外部磁界に比例して変化する。そのため、整流回路３２の入力部の信号は、外部磁界に比例した振幅を持つ高周波信号となる。これを整流回路３２および増幅回路３３を経て、図２のパターン２に流れる電流Ｉに比例する出力信号Ｓ３４が次式のように得られる。なお、αは増幅回路３３の回路定数で決まる定数である。
Ｓ＝α（Ｉ／ｒ₀） Now, when a high frequency signal is applied from the oscillation circuit 30 to the MI element 20 of FIG. 3, the impedance of the MI element 20 changes in proportion to the external magnetic field. For this reason, the signal at the input of the rectifier circuit 32 is a high-frequency signal having an amplitude proportional to the external magnetic field. This is passed through the rectifier circuit 32 and the amplifier circuit 33, and an output signal S34 proportional to the current I flowing in the pattern 2 of FIG. Α is a constant determined by the circuit constant of the amplifier circuit 33.
S = α (I / r ₀ )

このように、電力量測定用パターン２の上にＭＩ素子からなる電流センサを配置することにより、
（１）複雑な曲げ加工が必要な電流バーが不要となる。
（２）電流バーの組立工数がなくなる。
電力量計の低コスト化を実現できる。 Thus, by arranging the current sensor made of the MI element on the electric energy measurement pattern 2,
(1) A current bar that requires complicated bending is not required.
(2) The number of assembly steps for the current bar is eliminated.
Lower cost of electricity meter can be realized.

図４にこの発明の第２の実施の形態を示す。
これは、図１または図３に示すような発振回路，整流回路，増幅回路などの周辺回路もＩＣチップ化し（符号４１参照）、ＭＩ素子４０とともにモールドパッケージしたものである。こうすることにより、プリント基板上に実装する必要がなくなり、小型化，低コスト化が可能となる。なお、図３に示すＭＩ素子２０と検出回路３１のみをＩＣチップ化してもよく、図４に示す周辺回路のうち少なくとも１つの回路とＭＩ素子４０とをＩＣチップ化するようにしてもよい。 FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
In this example, peripheral circuits such as an oscillation circuit, a rectifier circuit, and an amplifier circuit as shown in FIG. 1 or FIG. 3 are also formed as IC chips (see reference numeral 41) and molded together with the MI element 40. By doing so, it is not necessary to mount on a printed circuit board, and miniaturization and cost reduction are possible. Only the MI element 20 and the detection circuit 31 shown in FIG. 3 may be formed as an IC chip, or at least one of the peripheral circuits shown in FIG. 4 and the MI element 40 may be formed as an IC chip.

この発明の第１の実施の形態を示す構成図The block diagram which shows 1st Embodiment of this invention 図１の主要部の拡大図Enlarged view of the main part of FIG. 電流センサを含む周辺回路のブロック図Block diagram of peripheral circuit including current sensor この発明の第２の実施の形態を示す構成図The block diagram which shows 2nd Embodiment of this invention 従来例を示すブロック図Block diagram showing a conventional example 従来の電流センサ例を示す構造図Structure diagram showing an example of a conventional current sensor

Explanation of symbols

１，４５…電流センサ、２…電力測定用パターン、３…プリント基板、４…周辺回路、２０，４０…ＭＩ素子、２２…ガラス基板、２３…磁性膜、３０…発振回路、３１…磁界（電流）検出回路、３２…整流回路、３３…増幅回路、３４…電流信号出力、４１…周辺回路ＩＣチップ。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,45 ... Current sensor, 2 ... Power measurement pattern, 3 ... Printed circuit board, 4 ... Peripheral circuit, 20, 40 ... MI element, 22 ... Glass substrate, 23 ... Magnetic film, 30 ... Oscillator circuit, 31 ... Magnetic field ( Current) detection circuit, 32 ... rectification circuit, 33 ... amplification circuit, 34 ... current signal output, 41 ... peripheral circuit IC chip.

Claims

A wiring pattern patterned on a printed circuit board, a magnetic impedance element mounted in a direction perpendicular to the wiring pattern on the printed circuit board, and a detection circuit for detecting a signal corresponding to a magnetic field applied to the magnetic impedance element A current detection device comprising:

The current detection device according to claim 1, wherein the detection circuit, the peripheral circuit, or a semiconductor chip in which the detection circuit and the peripheral circuit are integrated into an IC, and the magnetic impedance element are packaged.

A power meter comprising the current detection device according to claim 1 or 2.

An electric energy meter comprising the current detection device according to claim 1 or 2.