JP2005345267A - Current sensor - Google Patents
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Description
この発明は、導体に流れる電流を非接触で検出する電流センサ、特に電流検出素子として、磁気の変化に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス(MI)効果を利用し、電池電源が不要か電池寿命を延ばすことができる電流センサに関する。なお、MI素子はホール素子や磁気抵抗素子に比べて高感度のものとして、最近脚光を浴びているものである(必要ならば、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を参照されたい)。 The present invention uses a magnetic impedance (MI) effect in which an impedance changes in response to a change in magnetism as a current sensor for detecting a current flowing through a conductor in a non-contact manner, particularly as a current detection element. The present invention relates to a current sensor that can extend the lifetime. The MI element has recently been in the spotlight as it has a higher sensitivity than the Hall element and the magnetoresistive element (if necessary, for example, five members of Higa and others "sputtered thin film micro MI sensor by pulse current excitation") (See Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, Vol. 21, No. 4-2, 1997).
図5は出願人が先に提案した電流測定方式を示す概要図である(特願2004−002822号参照:提案方式ともいう)。
同図に示す電流センサ30は、貫通穴35を中心に可動部34を軸にして開閉可能に構成されており、電線(電流線)33を挟み込める構造となっている。電流センサの上側の筺体を上ボディ31、下側の筺体を下ボディ32と呼び、図5(a)は上,下ボディを開いた状態、同(b)は閉じた状態を示す。なお、MI素子を用いた電流センサは例えば下記特許文献1に示すように、また、電流センサを開閉可能にする構成は例えば下記特許文献2に示すように、それぞれ公知である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the current measurement method previously proposed by the applicant (see Japanese Patent Application No. 2004-002822: also called the proposed method).
The current sensor 30 shown in the figure is configured to be openable and closable around a through hole 35 and a movable part 34 as an axis, and has a structure in which an electric wire (current line) 33 can be sandwiched. The upper casing of the current sensor is referred to as the upper body 31, and the lower casing is referred to as the lower body 32. FIG. 5 (a) shows a state where the upper and lower bodies are opened, and FIG. 5 (b) shows a closed state. A current sensor using an MI element is known, for example, as shown in Patent Document 1 below, and a configuration that enables opening and closing of the current sensor is shown in, for example, Patent Document 2 below.
図6に電流センサの構成例を示す。
図6(a),(b)のように、電流センサ30は上ボディ31、下ボディ32、MI素子41、センサ回路43、電池44、磁路45、2つの磁路46および永久磁石49等から構成される。磁路は下ボディ32に配置された2つの磁路46と、上ボディ31に配置された磁路45とから構成され、貫通穴35に沿って配置される。すなわち、磁路46はその一部が欠けた構成となっている。なお、図6(a)は上蓋部、図6(b)は本体部をそれぞれ示す。
FIG. 6 shows a configuration example of the current sensor.
6A and 6B, the current sensor 30 includes an upper body 31, a lower body 32, an MI element 41, a
MI素子41は磁気の変化に対して磁気インピーダンスが変化する、磁気インピーダンス効果を利用した電流センサ用素子であり、ここでは図6(d)に示すように、ガラス48上にソフト(軟)磁性膜47でパターニングした簡単な構成となっている。このMI素子41は、上記磁路46の一部が欠けたところに、MI素子41の感磁方向と磁路方向が平行になるよう配置される。 The MI element 41 is a current sensor element using a magnetic impedance effect in which the magnetic impedance changes with respect to the change of magnetism. Here, as shown in FIG. 6D, soft (soft) magnetism is formed on the glass 48. It has a simple structure patterned with the film 47. The MI element 41 is disposed at a location where a part of the magnetic path 46 is missing so that the magnetic sensing direction of the MI element 41 and the magnetic path direction are parallel to each other.
永久磁石49は、センサ回路43を介してMI素子41の裏面側に配置され(図6(c)参照)、MI素子41の感磁方向(磁路に対して平行方向)に約800〜1600A/mの磁場を印加する。MI素子41は0磁場付近では、外部磁場に対してリニアリティが安定しないものや、感度変化が大きいために、このように永久磁石49によりMI素子41のインピーダンス変化が安定する領域にシフトさせて使用している。
センサ回路43は、電流線33(図5参照)に流れる電流によって発生する磁界により変化するMI素子41のインピーダンスの変化を電圧出力信号として処理するためのものであり、電池44はセンサ回路43に電源を供給するためのものである。
The permanent magnet 49 is disposed on the back surface side of the MI element 41 via the sensor circuit 43 (see FIG. 6C), and is approximately 800 to 1600 A in the magnetosensitive direction (parallel to the magnetic path) of the MI element 41. A magnetic field of / m is applied. Since the MI element 41 has a linearity that is not stable with respect to the external magnetic field in the vicinity of the zero magnetic field, and the sensitivity change is large, the permanent magnet 49 is used by shifting to a region where the impedance change of the MI element 41 is stabilized in this way. doing.
The
図7に電流センサの回路ブロックを示す。
電流センサ回路は、大きくは電源回路56と、検出回路57とから構成される。電源回路56は電池44と定電圧回路50から構成され、定電圧回路50は電池44の寿命等によって電池出力が変動しても、所定の電圧に昇圧または降圧させることができる回路であり、電池44の寿命等によって出力変動させないようにするためのものであり、検出回路57はMI素子41のインピーダンス変化を、電圧信号として出力させるためのものである。
FIG. 7 shows a circuit block of the current sensor.
The current sensor circuit is mainly composed of a power supply circuit 56 and a detection circuit 57. The power circuit 56 includes a battery 44 and a constant voltage circuit 50. The constant voltage circuit 50 is a circuit that can step up or step down to a predetermined voltage even if the battery output fluctuates due to the life of the battery 44, etc. The detection circuit 57 is for outputting the impedance change of the MI element 41 as a voltage signal.
検出回路の動作は次の通りである。
MI素子41に発振回路51から高周波信号を印加すると、MI素子41は外部磁界に比例してそのインピーダンスが変化する。つまり、整流回路53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53および増幅回路34を介して、電圧出力の電流センサ出力信号Sとして出力する。
The operation of the detection circuit is as follows.
When a high frequency signal is applied to the MI element 41 from the oscillation circuit 51, the impedance of the MI element 41 changes in proportion to the external magnetic field. That is, the signal at the input of the rectifier circuit 53 is a high-frequency signal having an amplitude proportional to the external magnetic field. This is output as a current sensor output signal S of voltage output via the rectifier circuit 53 and the amplifier circuit 34.
しかしながら、上記のようなMI素子からなる電流センサは、CT(変流器)等の電流センサに比べて、数MHz〜数百MHzの高周波発振回路を必要とするために、CMOS(相補型金属酸化物半導体)回路で構成される電子回路の消費電力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、MI素子を用いるセンサ回路の消費電力を低減し、電源として電池を用いなくても済むようにするか、または電池を必要とする場合にはその寿命を長くすることにある。
However, a current sensor composed of the above-described MI element requires a high-frequency oscillation circuit of several MHz to several hundred MHz compared to a current sensor such as a CT (current transformer), so that a CMOS (complementary metal) There is a problem that power consumption of an electronic circuit including an oxide semiconductor circuit increases.
Therefore, an object of the present invention is to reduce the power consumption of the sensor circuit using the MI element so that it is not necessary to use a battery as a power source, or to extend the life when a battery is required. It is in.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、測定対象となる電線を通すための貫通穴が形成された筺体と、この筺体の前記貫通穴に沿って配置されたリング状の磁路と、この磁路内に形成された切り欠き部に配置される電流検出用素子と、この電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する検出回路と、この検出回路に電源を供給する電源回路とを備え、前記電源回路は前記筺体の周囲にわたって配置された磁性体からなる外乱対策シールドにコイルを巻いて形成される電源用カレントトランスと、定電圧回路とからなることを特徴とする。 In order to solve such a problem, in the invention of claim 1, a housing in which a through-hole for passing an electric wire to be measured is formed, and a ring-shaped magnet arranged along the through-hole of the housing. A current detection element disposed in a notch formed in the magnetic path, a detection circuit for converting a signal from the current detection element into a voltage signal proportional to an external magnetic field, and the detection circuit A power supply circuit for supplying power to the power supply, and the power supply circuit includes a power supply current transformer formed by winding a coil around a disturbance countermeasure shield made of a magnetic material disposed around the casing, and a constant voltage circuit. It is characterized by that.
請求項2の発明では、測定対象となる電線を通すための貫通穴が形成された筺体と、この筺体の前記貫通穴に沿って配置されたリング状の磁路と、この磁路内に形成された切り欠き部に配置される電流検出用素子と、この電流検出用素子からの信号を外部磁界に比例する電圧信号に変換する検出回路と、この検出回路に電源を供給する電源回路とを備え、前記電源回路は前記筺体の周囲にわたって配置された磁性体からなる外乱対策シールドにコイルを巻いて形成される電源用カレントトランスと、電池と、電源切替回路と、定電圧回路とからなることを特徴とする。 In the invention of claim 2, a housing in which a through-hole for passing an electric wire to be measured is formed, a ring-shaped magnetic path disposed along the through-hole of the housing, and formed in the magnetic path A current detection element disposed in the cut-out portion, a detection circuit that converts a signal from the current detection element into a voltage signal proportional to an external magnetic field, and a power supply circuit that supplies power to the detection circuit And the power supply circuit comprises a current transformer for power supply formed by winding a coil around a disturbance countermeasure shield made of a magnetic material arranged around the casing, a battery, a power supply switching circuit, and a constant voltage circuit. It is characterized by.
上記請求項2の発明においては、前記前記電源切替回路は、検出電流値に応じて電池または電源用カレントトランスのいずれか一方に切り替えることができ(請求項3の発明)、これら請求項2または3の発明においては、前記前記電源切替回路は、検出電流値が所定値以下のときは前記電池を選択し、検出電流値が所定値を超えるときは前記電源用カレントトランスを選択することができる(請求項4の発明)。また、請求項1〜4のいずれかの発明においては、前記貫通穴を含む部分で前記筺体を開閉または分離可能に構成することができる(請求項5の発明)。さらに、請求項1〜5のいずれかの発明においては、前記電流検出用素子は磁気インピーダンス素子であり、この磁気インピーダンス素子にバイアス磁界を印加するためのバイアス磁界印加手段を設けることができる(請求項6の発明)。 In the invention of claim 2, the power supply switching circuit can be switched to either a battery or a current transformer for power supply according to a detected current value (invention of claim 3). In the third aspect of the invention, the power supply switching circuit can select the battery when the detected current value is a predetermined value or less, and can select the current transformer for the power supply when the detected current value exceeds the predetermined value. (Invention of Claim 4). Moreover, in any invention of Claims 1-4, the said housing can be comprised so that opening and closing or isolation | separation is possible in the part containing the said through-hole (Invention of Claim 5). Furthermore, in the invention according to any one of claims 1 to 5, the current detecting element is a magnetic impedance element, and bias magnetic field applying means for applying a bias magnetic field to the magnetic impedance element can be provided. Item 6).
上記請求項6の発明においては、前記バイアス磁界印加手段は永久磁石であることができ(請求項7の発明)、この請求項7の発明においては、前記磁気インピーダンス素子と前記検出回路とを1つの基板上に実装し、その裏面に前記永久磁石を配置することができる(請求項8の発明)。さらに、請求項1〜8のいずれかの発明においては、前記検出回路内に、センサ出力信号を外部に送信可能な通信手段を設けることができる(請求項9の発明)。 In the invention of claim 6, the bias magnetic field applying means can be a permanent magnet (invention of claim 7). In the invention of claim 7, the magneto-impedance element and the detection circuit are combined into one. It is possible to mount on one substrate and arrange the permanent magnet on the back surface thereof (Invention of Claim 8). Furthermore, in the invention of any one of claims 1 to 8, communication means capable of transmitting a sensor output signal to the outside can be provided in the detection circuit (invention of claim 9).
この発明によれば、外乱対策用磁気シールドにコイルを巻いた簡単な構成のカレントトランスを用いるようにしたので、電源としての電池が不要になり、電池の保守等から開放される。
また、カレントトランスと電池とを併用すれば、電池の寿命を大幅に延ばすことが可能となる。
According to the present invention, since a current transformer having a simple configuration in which a coil is wound around a magnetic shield for disturbance countermeasures is used, a battery as a power source becomes unnecessary, and it is freed from battery maintenance and the like.
Further, if the current transformer and the battery are used in combination, the battery life can be greatly extended.
図1にこの発明による電流センサの構成を示す。基本的な構成は先の図5〜図7の提案方式と同じなので、以下では、異なる点につき主として説明する。
すなわち、この発明による電流センサは、上ボディ17に配置された磁路13、および下ボディ7内に配置された2つの磁路141,142からなる磁路、センサ回路5、磁路141,142間に配置されたMI素子11および永久磁石12のほかに、外乱対策シールド19を筺体18の周囲に施した点が特徴である。
FIG. 1 shows the configuration of a current sensor according to the present invention. Since the basic configuration is the same as that of the proposed method shown in FIGS. 5 to 7, different points will be mainly described below.
That is, the current sensor according to the present invention includes a magnetic path 13 including the magnetic path 13 disposed in the
外乱対策シールド19は例えば磁性体からなり、電流センサの近傍に配置される電線からの影響を除去するために、上ボディ17,下ボディ7の外周を覆うように配置される。この外乱対策シールド19には、電源用カレントトランス10を構成するコイルが巻かれるが、通常のトランスに比べて著しく簡素化(巻線数,巻線密度など)したものにし、できる限り低コストとなるようにされており、前記電源用カレントトランス10と定電圧回路21とで電源回路28を構成するようにしている。
The disturbance countermeasure shield 19 is made of, for example, a magnetic material, and is disposed so as to cover the outer peripheries of the
このような構成により、測定対象となる電線または電流線からの磁場は磁路13,141,142だけでなく、外乱対策シールド19においても集磁可能となる。このため、シールド19に図1(b)のようにコイルを巻いてカレントトランス10を形成すれば、電力を得ることができ電源として利用することができる。その結果、図2のセンサ回路5の電源回路28からは、図7に示すような電池を省略することができる。
したがって、貫通穴1を通る電線によって発生する磁界により、磁路13,141,142を介してMI素子11に対し、電線に流れる電流に比例する磁場が印加されると、図2に示す検出回路29からは、電線に流れる電流に比例する出力信号Sを、提案方式の場合と全く同様にして得ることができる。
With such a configuration, the magnetic field from the electric wire or current line to be measured can be collected not only in the magnetic paths 13, 141, and 142 but also in the disturbance countermeasure shield 19. Therefore, if the
Therefore, when a magnetic field proportional to the current flowing through the electric wire is applied to the MI element 11 via the magnetic paths 13, 141, 142 by the magnetic field generated by the electric wire passing through the through hole 1, the detection circuit shown in FIG. From 29, an output signal S proportional to the current flowing through the electric wire can be obtained in exactly the same manner as in the proposed method.
図3にこの発明による電流センサの別の構成を示す。
これは、図1に示すものに対し電池3を設けた点が特徴である。つまり、図1ではカレントトランス10のみから電源を供給するようにしているため、非常に小さい電流を測定する場合は電力不足となり、検出回路を駆動できなくなる場合が生じる。そこで、図3のように電池3を設置することにより、小電流の測定時には電池3を用いて電源を供給し、大電流の測定時にはカレントトランス10から電源を供給するようにする。
FIG. 3 shows another configuration of the current sensor according to the present invention.
This is characterized in that a battery 3 is provided with respect to that shown in FIG. That is, in FIG. 1, since power is supplied only from the
図4にセンサ回路を示す。
同図からも明らかなように、カレントトランス10と電池3とを設けるとともに、電源系を切り替えるための電源切替回路281を付加し、小電流時でも安定に測定ができるようにしている。
なお、図2または図4のセンサ回路に通信回路を付加することにより、センサ出力Sを外部に送信することもできる。
FIG. 4 shows a sensor circuit.
As is clear from the figure, a
The sensor output S can also be transmitted to the outside by adding a communication circuit to the sensor circuit of FIG. 2 or FIG.
1…貫通穴、3…電池、5…電流センサ回路、7…下ボディ、10…電源用カレントトランス、11…磁気インピーダンス(MI)素子、12…永久磁石、13,141,142…磁路、16…可動部、17…上ボディ、18…筺体、19…外乱対策用磁気シールド)、21…定電圧回路、22…発振回路、23…固定抵抗、25…整流回路、26…増幅回路、S…電流センサ出力。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Through-hole, 3 ... Battery, 5 ... Current sensor circuit, 7 ... Lower body, 10 ... Current transformer for power supplies, 11 ... Magnetic impedance (MI) element, 12 ... Permanent magnet, 13, 141, 142 ... Magnetic path, DESCRIPTION OF SYMBOLS 16 ... Movable part, 17 ... Upper body, 18 ... Housing, 19 ... Magnetic shield for disturbance countermeasures), 21 ... Constant voltage circuit, 22 ... Oscillator circuit, 23 ... Fixed resistor, 25 ... Rectifier circuit, 26 ... Amplifier circuit, S ... Current sensor output.
Claims (9)
前記電源回路は前記筺体の周囲にわたって配置された磁性体からなる外乱対策シールドにコイルを巻いて形成される電源用カレントトランスと、定電圧回路とからなることを特徴とする電流センサ。 A housing in which a through hole for passing an electric wire to be measured is formed, a ring-shaped magnetic path disposed along the through hole of the housing, and a notch formed in the magnetic path A current detection element, a detection circuit that converts a signal from the current detection element into a voltage signal proportional to an external magnetic field, and a power supply circuit that supplies power to the detection circuit,
The current sensor comprises a power source current transformer formed by winding a coil around a disturbance countermeasure shield made of a magnetic material disposed around the casing, and a constant voltage circuit.
前記電源回路は前記筺体の周囲にわたって配置された磁性体からなる外乱対策シールドにコイルを巻いて形成される電源用カレントトランスと、電池と、電源切替回路と、定電圧回路とからなることを特徴とする電流センサ。 Arranged in a housing in which a through hole for passing an electric wire to be measured is formed, a ring-shaped magnetic path disposed along the through hole of the housing, and a notch formed in the magnetic path A current detection element, a detection circuit that converts a signal from the current detection element into a voltage signal proportional to an external magnetic field, and a power supply circuit that supplies power to the detection circuit,
The power supply circuit includes a current transformer for power supply formed by winding a coil around a disturbance shield made of a magnetic material disposed around the casing, a battery, a power supply switching circuit, and a constant voltage circuit. And current sensor.
The current sensor according to claim 1, wherein communication means capable of transmitting a sensor output signal to the outside is provided in the detection circuit.
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