JP4286686B2 - 電線の導体欠陥検知用センサ - Google Patents

Description

本発明は電線の撚線導体の欠陥を検知するのに使用するセンサに関し、通電・活線状態で断線、傷、不導体化並びに応力腐食割れ等の劣化といった不良を検知するのに有用なセンサである。

断線、傷、不導体化並びに応力腐食割れ等の劣化といった不良（欠陥）を検知する方法の一つとして、実際に流されている負荷電流が欠陥部分で乱れを生じ、それによって発生する磁場の変化を検出する方法が知られている。
電線の撚線導体に欠陥が発生すると、その箇所の導体断面の輪郭が非円形化され、同断面の電流路中心がずれる結果、導体電流に基づく周回路磁界の分布が変化する。
そこで、この周回路磁界分布の変化や電流路断面の中心変位を検出して前記撚線導体の欠陥を検知することが提案されている。（特許文献１、非特許文献１）

特開平１０−７３６３１号公報 野中崇、他２名，「配電線の非破壊磁気探傷に関する基礎的検討」Ｔ，ＩＥＥjapan,Ｖｏｌ，１２１−Ａ，Ｎｏ．３，２００１，ｐ２８２−２８７

特許文献１では、図１１に示す、電線の周囲にサーチコイル１ｏ，１ｏ’を１８０°隔てた対の複数対にて電線中心から等距離の位置に配設し、サーチコイルのコア方向と電線同心円の接線方向とを一致させ、各対の両サーチコイルの出力の差をセンサ出力としている。
図１１において、撚線導体の電流路断面の中心の変位がゼロ、すなわち周回路磁界分布変化が無い場合、両コイルの出力が等しくセンサ出力が０となり欠陥無しと評価される。周回路磁界分布変化が生じている場合、両コイルの出力が等しくならずにセンサ出力が発生し、欠陥有りと判定される。

非特許文献１では、図１２に示すように電流路断面の中心Ｃ1(Cx1,Cy1)が任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)とそれら任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)での磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及び(Ｂｘ2，Ｂy2)から次式で与えられることから
すなわち、図１２に示すように電流路断面の中心Ｃ1(Cx1,Cy1)が任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x1,y1)とそれら任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)での磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及び(Ｂｘ2，Ｂy2)から次式で与えられることから

任意座標点ｐ1(x1,y1)における磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及びｐ1(x2,y2)における磁束密度(Ｂｘ2，Ｂy2)をサーチコイルにより測定し、これらの測定値から電流路断面の中心座標Ｃ1(Cx1,Cy1)を計算し、この中心座標の変位から撚線導体の欠陥を評価しようとしている。

導体電流をＩとすると、導体中心から距離ｒにおける磁束密度Ｂは、
Ｂ＝μ_０Ｉ／（２πｒ）
で与えられ、導体中心のずれ距離をΔＬとすれば、磁束密度変化ΔＢはΔＢ∝ＢΔＬ／ｒとなる。
架線された電線には、数１０Ａ〜数１００Ａの電流が通電されており、電線外周上での磁束密度は極めて高い。例えば、電流値を１５０Ａ、電線半径を１５ｍｍとすると、電線表面での磁束密度は１６００Ａ／ｍもの高磁束密度となる。サーチコイル等の磁界センサには、測定限度があり１６００Ａ／ｍもの高磁界を測定することは困難である。

しかるに、上記従来例では、サーチコイルをその感磁方向を電線の周回路磁界の方向に向けて配設しており、１５０Ａもの高導体電流に対しては、レンジ上、サーチコイルを電線中心からかなり隔てた位置に配置する必要があり、センサの大型化が避けられない。
更に、特許文献１記載の従来例では、電線の周囲にサーチコイルを１８０°隔てた対で電線中心から等距離を隔てた位置に２箇配設し、撚線導体の導電路断面の電流中心がずれたときの両サーチコイルの出力差をセンサ出力としているが、前記のΔＢ∝ＢΔＬ／ｒから理解できる通り、サーチコイルを電線中心からかなり隔てた位置に配置してｒを大きくすると、それだけ両サーチコイルの出力差が小さくなってセンサ出力が低減し、充分な検出感度を保証し難い。

近来、高い磁界検出分解能、微小寸法の磁界センサ素子として磁気インピーダンス効果素子が開発されている。

本発明の目的は、電線の導体の欠陥を該電線の導体電流に基づく周回路磁界の導体欠陥無しのときの基準周回路磁界に対する分布変化から検出する方法に使用するセンサにおいて、センサ素子に磁気インピーダンス効果素子を用いてセンサの検出精度の向上及び小型化を図ることにある。

請求項１に係る電線の導体欠陥検知センサは、電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法に使用するセンサであり、高周波電流に基づく出力が軸方向に加えられる被検出磁界で変調される磁気インピーダンス効果素子を、撚合導体電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て、しかも、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向にして一対（１ａ、１ａ’）配設し、この一対に対し電線の周方向に所定の角度を隔てて更に一対（１ｂ、１ｂ’）配設し、各対における磁気インピーダンス効果素子（１ａと１ａ’、１ｂと１ｂ’）を感磁方向を逆極性とするように直列に接続し、素子１ａと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ａ及び素子１ｂと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ｂを設け、両復調回路の出力を減算または差動増幅してセンサ出力とすることを特徴とする。

請求項２に係る電線の導体欠陥検知センサは、電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法に使用するセンサであり、軸方向に加えられる被検出磁界で高周波電流に基づく出力が変調される磁気インピーダンス効果素子を、撚合導体電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て、しかも、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした対の磁気インピーダンス効果素子１ａ、１ａ’及び１ｂ、１ｂ’を素子１ａと素子１ｂとの間の電線周方向角度及び素子１ａ’と素子１ｂ’との間の電線周方向角度を共に所定の角度βとするように配設し、素子１ａと１ｂ’とを同極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを同極性とするように直列に接続するか、または素子１ａと１ｂ’とを逆極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを逆極性とするように直列に接続し、しかも素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子と素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子とを逆極性となるようにし、素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ａ及び素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ｂを設け、両復調回路の出力を加算または重畳してセンサ出力とすることを特徴とする。

請求項３に係る電線の導体欠陥検知センサは、電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法に使用するセンサであり、軸方向に加えられる被検出磁界で高周波電流に基づく出力が変調される磁気インピーダンス効果素子を、撚合導体電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て、しかも、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした対の磁気インピーダンス効果素子１ａ、１ａ’及び１ｂ、１ｂ’を素子１ａと素子１ｂとの間の電線周方向角度及び素子１ａ’と素子１ｂ’との間の電線周方向角度を共に所定の角度βとするように配設し、素子１ａと１ｂ’とを同極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを同極性とするように直列に接続するか、または素子１ａと１ｂ’とを逆極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを逆極性とするように直列に接続し、しかも素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子と素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子とを逆極性となるようにし、素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ａ及び素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ｂを設け、両復調回路の出力を減算または差動増幅してセンサ出力とすることを特徴とする。

電線の周回路磁界分布の変化を電線と同心円の周方向に直角方向の磁界成分から検出しており、この検出磁界成分が電線外周近傍の周方向磁界よりも充分に小であって測定限度内に収め得、電線外周に接近してセンサ素子を配設でき、センサを小型にできる。そして、磁気インピーダンス効果素子の高検出能と、磁気インピーダンス効果素子の１８０°を隔てての対配置による外部ノイズの除去乃至は差動増幅回路または減算回路の使用による内外ノイズの除去等とで高感度検出が可能であり、前記離隔した箇所での周回路磁界分布の変化を高感度で検知できる。

図１は本発明の導体欠陥検知の対象とされる電線の一例を示し、硬銅線等の導体素線ａを撚合せた撚合導体ｂ上にポリエチレンやポリ塩化ビニル等の合成樹脂ｃを押出し被覆してある。
この電線の撚合導体の何れかの導体素線に欠陥が生じたとする。素線間の接触抵抗が素線間の電流導通を完全に遮断し得る程度に高抵抗であると仮定すれば、欠陥に基づく導電路断面の電流中心のずれは電線全長ににわたって発生し、従って導体電流に基づく周回路磁界分布の変化が電線全長にわたって発生する。
図２において、導電路断面の電流中心のずれが発生していないときの電線中心ｏから距離ｒでの基準周回路磁界の強度Ｈは

Ｈ＝Ｉ／（２πｒ）

で与えられる。
１ａ，１ａ’は電線中心からの距離が共にｒで、かつ電線中心と同心の円上で１８０°隔てられ、軸方向（最大感磁方向）が前記同心円に直角な方向とされた磁気インピーダンス効果素子を示し、前記の基準周回路磁界には感磁しない。磁気インピーダンス効果素子の軸方向とずれの方向とがなす角度をα、ずれ距離をΔＬとすれば、

ｘ^２＝ｒ^２＋（ΔＬ）^２−２ｒ・ΔＬcosα
sinγ/ΔＬ＝sinα/ｘ

が成立し、導電路断面中心ｏ’のもとでの距離ｘでの周回路磁界強さＨ’＝Ｉ／（２πｘ）における磁気インピーダンス効果素子１ａの感磁成分、すなわち最大感磁方向成分ｈａは、

ｈａ＝Ｈ’sinγ

で与えられる。
上記の諸式からｈａを求めると

〔式１〕 ｈａ≒Ｈ（ΔＬ／ｒ）sinα／〔１−２（ΔＬ／ｒ）cosα〕

が成立する。
他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’の感磁成分ｈａ’は、前記ｈａにおいてαを（π＋α）と置き、周回路磁界の方向が逆方向であることを考慮して

〔式２〕 ｈａ’≒Ｈ（ΔＬ／ｒ）sinα／〔１＋２（ΔＬ／ｒ）cosα〕

で与えられる。

上記対をなす磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’に対し、１ｂ，１ｂ’で示すように前記と同様の対を前記円周方向に角度β隔てた位置に配設すると、
この追加した対の一方の磁気インピーダンス効果素子１ｂの前記周回路磁界の分布変化による感磁成分ｈｂは、前記ｈａにおいてαを（α＋β）と置くことにより与えられ

〔式３〕 ｈｂ≒Ｈ（ΔＬ／ｒ）sin（α＋β）／〔１−２（ΔＬ／ｒ）cos（α＋β）〕
が成立する。
他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂ’の感磁成分ｈｂ’は、前記ｈｂにおいて（α＋β）を〔π＋（α＋β）〕と置くことにより与えられ

〔式４〕 ｈｂ’≒Ｈ（ΔＬ／ｒ）sin（α＋β）／〔１＋２（ΔＬ／ｒ）cos（α＋β）〕

が成立する。

本発明は、周回路磁界分布の変化により生じる周回路磁界と直角方向の小さい感磁成分を磁気インピーダンス効果素子の高い検出能で検出し、対をなす磁気インピーダンス効果素子の感磁方向の逆極性化により、または減算乃至は差動増幅での同相打消作用によりノイズを除去して、前記導体欠陥に基づく周回路磁界分布の変化を高感度で検出し、前記撚合導体の欠陥箇所から相当に遠く離隔した箇所でもその周回路磁界の分布変化の検知を可能としている。

図３は磁気インピーダンス効果素子を使用した磁気センサの基本的構成を示している。
図３において、１は磁気インピーダンス効果素子であり、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが使用されている。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流を流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μ_θは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向（最大感磁方向）に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と被検出磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μ_θが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（信号波）で変調される現象ということができる。更に、上記通電電流の周波数がＭＨｚオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμ_θ）^１／２（μ_θは前記した通り円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（信号波）で変調される現象ということができる。

図３において、２は磁気インピーダンス効果素子に高周波励磁電流を加えるための高周波電源、３は磁気インピーダンス効果素子の軸方向に作用する被検出磁界（信号波）で前記高周波励磁電流（搬送波）を変調させた被変調波を復調する復調回路、４は復調波を増幅する増幅回路、５は出力端、６は負帰還用コイル、７はバイアス磁界用コイルである。磁気インピーダンス効果素子１には、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。

磁気インピーダンス効果素子においては、前記した通り励磁電流に基づく円周方向磁束と被検出磁界による軸方向磁束との合成により、円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれされるために、周方向透磁率μ_θが変化し、インダクタンスが変動され、この円周方向透磁率μ_θの高周波表皮効果の表皮深さの変化でインピーダンスが変動される。従って、被検出磁界の±により上記合成磁界による周方向ずれφも±φになるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμ_θの減少度は被検出磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、被検出磁界−出力特性は、図４の（イ）のように被検出磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。この被検出磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、高感度の測定が困難である。そこで、負帰還用コイルで負帰還をかけて図４の（ロ）に示すように特性を直線化している。図４の（ロ）において、Δｗは、負帰還無しのときの利得Ａが非常に大きく帰還率βのみにより利得が定まるリニア範囲である。しかし、この出力特性では、被検出磁界の極性判別を行ない得ないので、バイアス用コイル７でバイアス磁界をかけ、図４の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図４の（ロ）の特性を、バイアス磁界によりｘ軸のマイナス方向に移動させ、被検出磁界の最大範囲−Ｈmax〜＋Ｈmaxを単斜め線領域の範囲内に納めている。更に、図４の（ニ）に示すように０点調整により原点を通る直線特性としている。従って、図４の（ニ）において被検出磁界を＋Ｈeとすると出力が＋Ｅoとなり、被検出磁界を−Ｈeとすると出力が−Ｅoとなって被検出磁界を極性判別のもとで正確に測定できる。

前記極性判別可能なリニア出力特性を得るのに図５に示すように、出力より反転入力端子に負帰還をかけた演算増幅器(負帰還路挿入インピーダンスＺ_２、入力側挿入インピーダンスＺ_１)を使用することもできる。この場合、負帰還用コイルに挿入した抵抗をＲ、同コイルの巻数をｎ、長さをＬ、復調増幅部Ｂの利得をＡ、被検出磁界をＨex、出力をＥoutとすると、

Ａ≫Ｚ_１ＲＬ／（Ｚ_２ｎ）

のもとで

Ｅout＝ＲＬＺ_１Ｈex／（ｎＺ_２）＋ＶccＺ_１Ｒ／〔Ｚ_２（Ｚ_２＋Ｒ）〕

が成立し、この出力特性を諸定数（Ｚ_１，Ｚ_２，抵抗Ｒ，コイル巻数ｎ等）の調整によりｘ軸の±方向にシフトさせることができ、その調整により極性判別可能な斜め直線部を最大被検出磁界の範囲±Ｈmax内に位置させることが可能となり、更にｙ軸方向の０点調整により図４の（ニ）に示すような極性判別可能な直線性の出力特性を得ることもできる。

上記高周波励磁電流としては、例えば連続正弦波、パスル波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、ＣＯＭＳ−ＩＣを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。

上記の復調回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。

上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出量を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果素子に作用する被検出磁界による磁界検出信号から被検出磁界に相当する被検出量を取り出し得るものであれば、適宜の回路構成を使用できる。
前記負帰還用コイル及びバイアス磁界用コイルは磁気インピーダンス効果素子に巻き付けることができる。また、図６に示すように磁気インピーダンス効果素子とループ磁気回路を構成する鉄芯に負帰還用コイル及びバイアス磁界用コイルを巻き付けることもできる。

図６の（イ）は鉄芯付き磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図６の（ロ）は同じく底面図、図６の（ハ）は図６の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図６において、１００は基板チツプであり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、エレメント接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３はＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、７ｘは同じくバイアス磁界用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。

図７の（イ）は本発明者等が提案した電線の導体欠陥検知用センサの一実施例を示す図面、図７の（ロ）は同センサの回路図である。
図７において、８は電線、９はセンサ基板であり、電線の周りに１８０°の角度を隔て、かつ電線中心から等距離を隔て、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした一対の磁気インピーダンス効果素子を電線の周方向に所定の角度βを隔ててａ，ｂの２対で配設し、対をなす磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’及び１ｂ，１ｂ’を感磁方向を逆極性とするように直列に接続し、各直列接続磁気インピーダンス効果素子による出力を加算若しくは重畳してセンサ出力としている。３ａ，３ｂは復調回路を、Ａｄは加算若しくは重畳回路を示している。
対ａの一方の磁気インピーダンス効果素子１ａの前記した周回路磁界分布の変化による感磁成分をｈａ、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮａとすると、この磁気インピーダンス効果素子１ａが感磁する磁界強さＨａは、Ｈａ＝ｈａ＋Ｎａである。
対ａの他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’が感磁する磁界強Ｈａ’さは、両素子１ａ，１ａ’の感磁方向を逆極性としてあるから、Ｈａ’＝−（ｈａ’＋Ｎａ）である。
従って、直列接続された対ａの磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’が感磁する磁界強さ（Ｈａ＋Ｈａ’）は、（Ｈａ＋Ｈａ’）＝（ｈａ−ｈａ’）であり、ノイズを排除でき、その磁界強さ（Ｈａ＋Ｈａ’）は、前記式（１）と（２）から

（ｈａ−ｈａ’）≒４Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sinαcosα＝２Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin２α

で与えられる。
他方の対ｂの一方の磁気インピーダンス効果素子１ｂの前記した周回路磁界分布の変化による感磁成分をｈｂ、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮｂとすると、この磁気インピーダンス効果素子が感磁する磁界強さＨｂは、Ｈｂ＝ｈｂ＋Ｎｂである。

対ｂの他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂ’が感磁する磁界強Ｈｂ’さは、両素子の感磁方向を逆極性としてあるから、Ｈｂ’＝−（ｈｂ’＋Ｎｂ）である。
従って、直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ，１ｂ’が感磁する磁界強さ（Ｈｂ＋Ｈｂ’）は、（Ｈｂ＋Ｈｂ’）＝（ｈｂ−ｈｂ’）であり、外部ノイズを排除でき、その磁界強さ（Ｈｂ＋Ｈｂ’）は、前記式（１）と（２）から

（ｈｂ−ｈｂ’）≒４Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin（α＋β）cos（α＋β）＝２Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin２（α＋β）で与えられる。

図７に示した実施例では、直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’と直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ，１ｂ’との極性を同極性とするようにそれら磁気インピーダンス効果素子の向きを設定してある。従って、センサ出力Ｅoutは、図４の（ニ）に示した出力特性の比例係数をｋとして

Ｅout＝ｋ（ｈａ−ｈａ’）＋ｋ（ｈｂ−ｈｂ’）≒２ｋＨ（ΔＬ／ｒ）^２〔sin２α＋sin２（α＋β）〕

で与えられる。
直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’と直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ，１ｂ’との極性を逆極性とするようにそれら磁気インピーダンス効果素子の向きを設定する場合は、

Ｅout＝ｋ（ｈａ−ｈａ’）−ｋ（ｈｂ−ｈｂ’）≒２ｋＨ（ΔＬ／ｒ）^２〔sin２α−sin２（α＋β）〕
が成立する。
前記の感磁量（ｈａ−ｈａ’）及び（ｈｂ−ｈｂ’）は、ΔＬ≪ｒのために小であり、センサを小型にできる。各被検出量（ｈａ−ｈａ’）、（ｈｂ−ｈｂ’）が小さくても、磁気インピーダンス効果素子の高検出分解能のために各直列接続素子の出力を素子の高検出分解能のために高くでき、高精度の検出が可能である。
従って、電線の導体欠陥箇所から遠くなって導体の導電路断面の電流中心のずれΔＬが小さくなっても、その高感度のために検出可能であり、導体欠陥箇所から数１０ｍ離隔した箇所の磁界検知でも、欠陥の検知が可能となる。

図８の（イ）は請求項１に係る電線の導体欠陥検知用センサの一実施例を示す図面、図８の（ロ）は同センサの回路図である。
図８において、８は電線、９はセンサ基板であり、電線の周りに１８０°の角度を隔て、かつ電線中心から等距離を隔て、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした一対の磁気インピーダンス効果素子を電線の周方向に所定の角度βを隔ててａ，ｂの２対で配設し、対をなす磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’及び１ｂ，１ｂ’を感磁方向を逆極性とするように直列に接続し、各直列接続磁気インピーダンス効果素子による出力を減算または差動増幅してセンサ出力としている。３ａ，３ｂは復調回路を、Ｄｍは差動増幅器を示している。
対ａの一方の磁気インピーダンス効果素子１ａの前記した周回路磁界分布の変化による感磁成分をｈａ、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮａとすると、この磁気インピーダンス効果素子１ａが感磁する磁界強さＨａは、Ｈａ＝ｈａ＋Ｎａである。
対ａの他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’が感磁する磁界強Ｈａ’さは、両素子１ａ，１ａ’の感磁方向を逆極性としてあるから、Ｈａ’＝−（ｈａ’＋Ｎａ）である。
従って、直列接続された対ａの磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’が感磁する磁界強さ（Ｈａ＋Ｈａ’）は、（Ｈａ＋Ｈａ’）＝（ｈａ−ｈａ’）であり、ノイズを排除でき、その磁界強さ（Ｈａ＋Ｈａ’）は、前記式（１）と（２）から

（ｈａ−ｈａ’）≒４Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sinαcosα＝２Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin２α

で与えられる。
他方の対ｂの一方の磁気インピーダンス効果素子１ｂの前記した周回路磁界分布の変化による感磁成分をｈｂ、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮｂとすると、この磁気インピーダンス効果素子が感磁する磁界強さＨｂは、Ｈｂ＝ｈｂ＋Ｎｂである。

対ｂの他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂ’が感磁する磁界強Ｈｂ’さは、両素子の感磁方向を逆極性としてあるから、Ｈｂ’＝−（ｈｂ’＋Ｎｂ）である。
従って、直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ，１ｂ’が感磁する磁界強さ（Ｈｂ＋Ｈｂ’）は、（Ｈｂ＋Ｈｂ’）＝（ｈｂ−ｈｂ’）であり、外部ノイズを排除でき、その磁界強さ（Ｈｂ＋Ｈｂ’）は、前記式（１）と（２）から

（ｈｂ−ｈｂ’）≒４Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin（α＋β）cos（α＋β）＝２Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin２（α＋β）で与えられる。

図８に示した実施例では、直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’と直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ，１ｂ’との極性を逆極性とするようにそれら磁気インピーダンス効果素子の向きを設定してある。従って、センサ出力Ｅoutは、

Ｅout＝ｋ（ｈａ−ｈａ’）−〔−ｋ（ｈｂ−ｈｂ’）〕≒２ｋＨ（ΔＬ／ｒ）^２〔sin２α＋sin２（α＋β）〕

で与えられる。
直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ａ’と直列接続された対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ，１ｂ’との極性を同極性とするようにそれら磁気インピーダンス効果素子の向きを設定する場合は、

Ｅout＝ｋ（ｈａ−ｈａ’）−ｋ（ｈｂ−ｈｂ’）≒２ｋＨ（ΔＬ／ｒ）^２〔sin２α−sin２（α＋β）〕
が成立する。
前記の感磁量（ｈａ−ｈａ’）及び（ｈｂ−ｈｂ’）は、ΔＬ≪ｒのために小であり、センサを小型にできる。各被検出量（ｈａ−ｈａ’）、（ｈｂ−ｈｂ’）が小さくても、磁気インピーダンス効果素子の高検出分解能のために各直列接続素子の出力を素子の高検出分解能のために高くでき、高精度の検出が可能である。
従って、電線の欠陥箇所から遠くなって導体の導電路断面の電流中心のずれΔＬが小さくなっても、その高感度のために検出可能であり、導体欠陥箇所から数１０ｍ離隔した箇所の磁界検知でも、欠陥の検知が可能となる。

図９−１は請求項２に係る電線の導体欠陥検知用センサの一実施例を示す回路図である。
請求項１のセンサと同様に、電線の周りに１８０°の角度を隔て、かつ電線中心から等距離を隔て、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした一対の磁気インピーダンス効果素子を電線の周方向に所定の角度βを隔てて二対配設してある。
請求項３のセンサでは、図９−１に示すように異なる対ａ，ｂの一方の磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂ’を同極性または逆極性とするように直列に接続し、同じく他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’，１ｂを同極性または逆極性とするように直列に接続し、しかも、１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子と１ａ’と１ｂの直列接続磁気インピーダンス効果素子との極性を逆極性となるようにし、両直列接続磁気インピーダンス効果素子による出力を加算若しくは重畳してセンサ出力としている。Ａｄは加算または重畳回路を示している。
図９−１において、前記と同様に周回路磁界の分布変化により対ａの磁気インピーダンス効果素子１ａの感磁成分がｈａ、同じく対ａの磁気インピーダンス効果素子１ａ’の感磁成分がｈａ’、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮａ、対ｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂの感磁成分がｈｂ、同じく対Ｗｂの磁気インピーダンス効果素子１ｂ’の感磁成分がｈｂ’、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮｂとすると、
各磁気インピーダンス効果素子に対する被感磁磁界は、ｈａ＋Ｎａ、ｈａ’＋Ｎａ、ｈｂ＋Ｎｂ、ｈｂ’＋Ｎｂとなり、異なる対の一方の磁気インピーダンス効果素子の同極性または逆極性直列接続磁気インピーダンス効果素子の感磁磁界Ｈ_１は

〔式５〕 Ｈ_１＝（ｈａ＋Ｎａ）±（ｈｂ’＋Ｎｂ）

となり、この感磁磁界Ｈ_１に基づく検出出力はＥ_１は

Ｅ_１＝ｋＨ_１＝ｋ〔（ｈａ＋Ｎａ）±（ｈｂ’＋Ｎｂ）〕
で与えられ、異なる対の他方の磁気インピーダンス効果素子が前記直列接続磁気インピーダンス効果素子とは逆極性の直列接続であるから、この直列接続磁気インピーダンス効果素子の感磁磁界Ｈ_２は

〔式６〕 Ｈ_２＝−〔（ｈｂ＋Ｎｂ）±（ｈａ’＋Ｎａ）〕

となり、これら感磁磁界Ｈ_２に基づく検出出力はＥ_２は
Ｅ_２＝ｋＨ_２＝−ｋ〔（ｈｂ＋Ｎｂ）±（ｈａ’＋Ｎａ）〕

で与えられる。
両検出出力Ｅ_１とＥ_２との加算もしくは重畳であるセンサ出力Ｅoutは

Ｅout＝ｋ〔（ｈａ−ｈａ’）−（ｈｂ−ｈｂ’）〕

または

Ｅout＝ｋ〔（ｈａ＋ｈａ’）−（ｈｂ＋ｈｂ’）〕

であり、地磁気等の外部ノイズＮａ，Ｎｂに対する感磁成分が出力されない。
前記センサ出力Ｅoutは

〔式７〕 Ｅout≒ｋＨ（ΔＬ／ｒ）〔sinα−sin（α＋β）〕
または

〔式８〕 Ｅout≒２ｋＨ（ΔＬ／ｒ）^２〔sin２α−sin２（α＋β）〕

で与えられる。
図９−２は請求項３に係る電線の導体欠陥検知用センサの一実施例を示す図面である。
図９−２においても、図９−１と同様に電線の周りに１８０°の角度を隔て、かつ電線中心から等距離を隔て、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした一対の磁気インピーダンス効果素子を電線の周方向に所定の角度βを隔てて二つの対ａ，ｂで配設し、対ａの一方の磁気インピーダンス効果素子１ａと対ｂの一方の磁気インピーダンス効果素子１ｂ’とを同極性または逆極性とするように直列に接続ししている。対ａの一方の磁気インピーダンス効果素子１ａと対ｂの一方の磁気インピーダンス効果素子１ｂ’との同極性または逆極性直列接続磁気インピーダンス効果素子の感磁磁界Ｈ_１は、図９−１のセンサと同様に、式５から

Ｈ_１＝（ｈａ＋Ｎａ）±（ｈｂ’＋Ｎｂ）

である。
しかし、図９−１のセンサでは、他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’と１ｂとを前記直列接続磁気インピーダンス効果素子（１ａ＋１ｂ’）と逆極性とするように直列に接続しているのに対し、図９−２では他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’と１ｂとを前記直列接続磁気インピーダンス効果素子（１ａ＋１ｂ’）と同極性とするように直列に接続している。対ａ，ｂの他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’と１ｂとの直列接続素子（１ａ’＋１ｂ）が前記直列接続磁気インピーダンス効果素子１ａと１ｂ’との直列接続素子（１ａ＋１ｂ’）とが同極性であるから、この直列接続磁気インピーダンス効果素子（１ａ’＋１ｂ）の感磁磁界Ｈ_２は前記の式６とは逆符号となり

Ｈ_２＝＋〔（ｈｂ＋Ｎｂ）±（ｈａ’＋Ｎａ）〕
で与えられる。
これらの感磁磁界Ｈ_１、Ｈ_２を信号波とする被変調波が復調回路３a'b、３ab'で復調され、それらの復調波が差動増幅器Ｄmで差動増幅されてセンサ出力Ｅoutとされるから、

Ｅout＝ｋＨ_１−ｋＨ_２＝ｋ〔（ｈａ＋ｈａ’）−（ｈｂ＋ｈｂ’）〕

で与えられ、センサ出力Ｅoutは、前記の式７と同様に

Ｅout≒ｋＨ（ΔＬ／ｒ）〔sinα−sin（α＋β）〕

または、前記の式８と同様に

Ｅout≒２ｋＨ（ΔＬ／ｒ）^２〔sin２α−sin２（α＋β）〕

で与えられる。
本発明に係る電線の導体欠陥検知用センサにおいては、感磁強さがsin２α（またはsinα）の波形で変化し、αが０、９０°及び１８０°（または０、１８０°及び３６０°）で０となる。
而るに、撚合導体には撚りがかけられており、半ピッチの間にαが０から１８０°に変化し、αが０、９０°及び１８０°（またはαが０、１８０°及び３６０°）となる箇所では前記検知を満足に行ない得ないから、センサを電線の撚合導体の数ピッチ分、このましくは３〜５ピッチ分だけスキャンすることが有効である。

請求項１または３のセンサのように増幅を差動増幅により行なう場合、図１０に示すように一方の磁気インピーダンス効果素子にかけるバイアス磁界Ｈｂの方向と他方の磁気インピーダンス効果素子にかけるバイアス磁界Ｈｂの方向とが逆方向とされ、互いに逆相の復調出力（磁界検出信号）がＥ＋、Ｅ−で表わされ、その差がＥ±で示すように直線に近づくので、負帰還を省略することも可能である。
本発明は４個以上の磁気インピーダンス効果素子を使用して実施することも可能である。

電線を示す断面図である。 本発明における１８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子の感磁成分を示す図面である。 磁界インピーダンス効果素子を用いた磁界検出の基本的回路を示す図面である。 磁界インピーダンス効果素子を用いた磁界検出の出力特性を示す図面である。 磁界インピーダンス効果素子を用いた磁界検出の基本的回路の別例を示す図面である。 Ｃ型鉄心付き磁界インピーダンス効果素子を示す図面である。 参考例としてのセンサを示す図面である。 請求項１に係るセンサを示す図面である。 請求項２に係るセンサを示す図面である。 請求項３に係るセンサを示す図面である。 請求項１または３のセンサの直線特性を示すための図面である。 特許文献１の内容を示す図面である。 非特許文献１の内容を示す図面である。

符号の説明

１，１’ １８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子
１ａ，１ａ’ １８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子
１ｂ，１ｂ’ １８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子
Ｄm 差動増幅器
Ａd 加算若しくは重畳回路
８ 電線

Claims (3)

1. 電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法に使用するセンサであり、高周波電流に基づく出力が軸方向に加えられる被検出磁界で変調される磁気インピーダンス効果素子を、撚合導体電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て、しかも、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向にして一対（１ａ、１ａ’）配設し、この一対に対し電線の周方向に所定の角度を隔てて更に一対（１ｂ、１ｂ’）配設し、各対における磁気インピーダンス効果素子（１ａと１ａ’、１ｂと１ｂ’）を感磁方向を逆極性とするように直列に接続し、素子１ａと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ａ及び素子１ｂと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ｂを設け、両復調回路の出力を減算または差動増幅してセンサ出力とすることを特徴とする電線の導体欠陥検知センサ。
2. 電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法に使用するセンサであり、軸方向に加えられる被検出磁界で高周波電流に基づく出力が変調される磁気インピーダンス効果素子を、撚合導体電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て、しかも、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした対の磁気インピーダンス効果素子１ａ、１ａ’及び１ｂ、１ｂ’を素子１ａと素子１ｂとの間の電線周方向角度及び素子１ａ’と素子１ｂ’との間の電線周方向角度を共に所定の角度βとするように配設し、素子１ａと１ｂ’とを同極性または逆極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを同極性とするように直列に接続するか、または素子１ａと１ｂ’とを逆極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを逆極性とするように直列に接続し、しかも素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子と素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子とを逆極性となるようにし、素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ａ及び素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ｂを設け、両復調回路の出力を加算または重畳してセンサ出力とすることを特徴とする電線の導体欠陥検知センサ。
3. 電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法に使用するセンサであり、軸方向に加えられる被検出磁界で高周波電流に基づく出力が変調される磁気インピーダンス効果素子を、撚合導体電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て、しかも、感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした対の磁気インピーダンス効果素子１ａ、１ａ’及び１ｂ、１ｂ’を素子１ａと素子１ｂとの間の電線周方向角度及び素子１ａ’と素子１ｂ’との間の電線周方向角度を共に所定の角度βとするように配設し、素子１ａと１ｂ’とを同極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを同極性とするように直列に接続するか、または素子１ａと１ｂ’とを逆極性とするように直列に接続し素子１ｂと１ａ’とを逆極性とするように直列に接続し、しかも素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子と素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子とを同極性となるようにし、素子１ａと１ｂ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ａ及び素子１ｂと１ａ’との直列接続磁気インピーダンス効果素子端の出力を入力して復調させる復調回路３ｂを設け、両復調回路の出力を減算または差動増幅してセンサ出力とすることを特徴とする電線の導体欠陥検知センサ。

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