JP2005221492A - 電流センサおよび電力監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁気インピーダンス（ＭＩ）素子を用いた電流センサにおいて、磁路が磁気飽和しないようにして、電流検出レンジを拡大させる。
【解決手段】リング状の磁路８１，８２の一部を切り欠いた部分にＭＩ素子２３を配置し、このリング状磁路の内部に電線を通すように配置して電線を流れる電流を非接触にて検出するタイプの電流センサは、外部磁界によっては磁気飽和してしまうおそれがあるので、この発明では磁路８１，８２の一部にエア（磁気）ギャップ８３を設けることにより、磁気抵抗が大きくならないようにして磁気飽和を回避し、結果的に電流の検出レンジを広くできるようにする。なお、磁気ギャップの代わりにバイパス磁路を設けたり、両方とも設けたりすることでも、検出レンジを広げることができる。
【選択図】図８

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およびこれを用いた電力監視システム、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）効果を利用した電流センサおよびこれを用いた電力監視システムに関する。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．４−２，１９９７参照されたい）。

ＭＩ素子を用いた電流センサは、例えば特許文献１に示すように、既に提案されている。これは、特に小型化を図るために、ＭＩ素子の一部または全部を磁路内に埋め込むようにしたものである。
特開平１０−２３２２５９号公報（第２−３頁、図１−図２）

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、磁路の磁気飽和現象により、検出レンジが小さい（狭い）という問題がある。
したがって、この発明の課題は、ＭＩ素子を用いるものにおいてもその電流検出レンジを大きく（広く）することにある。

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を有し、前記磁路に磁気ギャップを形成したことを特徴とする。

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を有し、前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の外周部から径方向に所定の距離離れた位置、または前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の内周部から径方向に所定の距離離れた位置の少なくとも一方にバイパス磁路を形成したことを特徴とする。

請求項３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を有し、前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の外周部から径方向に所定の距離離れた位置、および前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の内周部から中心方向に所定の距離離れた位置にそれぞれバイパス磁路を形成したことを特徴とする。

請求項４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を有し、前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の内周部から中心方向に所定の距離離れた位置にバイパス磁路を形成したことを特徴とする。

上記請求項２から４のいずれかの発明においては、前記リング状の磁路に、磁気ギャップを形成することができる（請求項５の発明）。また、請求項１から５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（請求項６の発明）、または、請求項１から６のいずれかの発明においては、前記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（請求項７の発明）、さらに、この請求項７の発明においては、前記バイアス磁界印加手段を永久磁石とすることができる（請求項８の発明）。

上記請求項８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９の発明）。
請求項１から９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（請求項１０の発明）、また、請求項１から１０のいずれかの発明においては、電源として電池を用いることができる（請求項１１の発明）。さらには、前記請求項１から１１のいずれかに記載の電流センサを用いて電力監視を行なうことができる（請求項１２の発明）。

この発明によれば、磁路に磁気ギャップを設けるか、またはバイパス磁路の少なくとも一方を設けるようにしたので、電流検出レンジを広げることができる。特に、請求項２，３の発明のように、第２のバイパス磁路を配置することにより、上記効果に加えて電線の位置による電流センサの出力変動がなくなり、高精度な電流センサを得ることが可能となる。

図１はこの発明の原理構成を示す構成図である。図示のように、電流センサ１には貫通穴３が形成され、ここに電流線（電線）２を通してこの電線２に流れる電流を検出する。具体的には図２（ｂ），（ｃ）のように、リング状の磁路２４の一部を切り欠いた部分にＭＩ素子２３を配置して構成される。ＭＩ素子２３は図３に示すように、ガラス基板３１上にソフト磁性膜（軟磁性膜）３０をパターニングした簡単な構成となっている。なお、図２（ａ）は電流センサ１の筺体２５（蓋部）を示す。また、図２（ｂ），（ｃ）の２０は電源としての電池、２１は回路、２２は永久磁石である。

すなわち、回路２１は、電線２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２３のインピーダンス変化を検出するための検出回路で、プリント基板上にＭＩ素子とともに実装されている。電池２０はこの回路２１に電源を供給するものである。また、永久磁石２２は図２（ｃ）のように、回路２１の裏面側に配置され、ＭＩ素子２３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。これは、ＭＩ素子は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、このような磁石２２によりＭＩ素子のインピーダンスの変化が安定する領域にシフトして使用するためである。

図４に、電流センサの回路例を示す。
図示のように発振回路４０、整流回路４２および増幅回路４３等から構成される。ＭＩ素子２３に発振回路４０から高周波信号を印加すると、ＭＩ素子２３は外部磁界に比例してそのインピーダンスが変化する。そのため、整流回路４２の入力信号は、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４２および増幅回路４３を介して電圧信号とし、電流センサ出力信号４４として出力する。

以上の例では、貫通穴に電線を通す必要がある。そこで、図５（（ａ）は上下に開いた状態，（ｂ）は閉じた状態をそれぞれ示す）のように、貫通穴部を中心に上下が開く構造とすると好都合である。ここでは、可動部５１を軸にして開閉が可能な構造としているが、このような可動部５１ではなく、電流センサを２つの部分に解体できるような構造にしても良い。
この場合の電流センサ５０は図６のように、下ボディ５２と上ボディ５３からなる筺体６９の中に、ＭＩ素子２３、磁路６１、２つの磁路６２、回路２１、電池２０および永久磁石２２等が実装される。

磁路６１は図７のように、磁路の上半分であって上ボディ５３に収納され、磁路６２は磁路の下半分であって下ボディ５２に収納される。２つの磁路６２の一方の端面は磁路６１の長手方向の両端面にそれぞれ接触できるように配置され、もう一方の端面はＭＩ素子２３の感磁方向に対し、それぞれ所定の距離離して配置される。このように、上ボディと下ボディを開ければ電線を挿入でき、閉じたときには磁路６１，６２が接触して磁路が形成されるようなっている。これにより、電線を取り外す工事が不要となり、電流センサ設置費用を削減することができる。

以上、基本的な構成について説明したが、電線に大電流が流れると磁路が磁気飽和し、線形性が実現できなくなる。そこで、この発明では次のようにする。
図８はこのような問題を解決することが可能な、この発明の実施の形態を示す検出部の拡大図である。これは、図示のように磁路８１と８２の接触面を一定の距離離したエア（磁気）ギャップ８３を形成した点が特徴で、これにより磁気抵抗を増大させる磁気飽和が低減され、電線に大電流が流れても線形性を確保することが可能となる。なお、本実施例では、０．１〜０．５ｍｍのエアギャップを形成するようにした。このとき、ギャップを電流検出の規格に応じて変更するようにすれば、回路系の定数を変更することなく電流検出規格を最適化することができる。磁気ギャップを、ここでは２箇所としたが１箇所以上いくつでも良い。なお、その他の点は上記と同様に構成することができる。

ＭＩ素子は８００〜１６００Ａ／ｍ近傍で印加磁場に対するインピーダンスの変化が大きく、２４００Ａ／ｍを超えると印加磁場に対するインピーダンスの変化が小さくなる。そのため、電流センサの印加電流に対するセンサ出力信号の線形性を確保することが困難になる。
図９はこのような問題を解決することが可能な、この発明の別の実施の形態を示す検出部の拡大図で、ＭＩ素子２３に対し、その感磁方向と並行にバイパス磁路９０を形成した点が特徴である。本実施例では、バイパス磁路９０は磁路Ｄ８２から０．０１〜１ｍｍの磁気ギャップを介して配置するようにした。

これにより、ＭＩ素子２３に印加される磁束の一部がバイパス磁路９０を通過し、ＭＩ素子２３に印加される磁場を８００〜１６００Ａ／ｍの範囲まで弱めることが可能となる。その結果、電流センサの印加電流に対するセンサ出力信号の線形性の良いところで動作させることが可能となり、電流センサの電流測定精度を向上させることができる。なお、磁気ギャップ８３も形成されているがこれは無くても良く、バイパス磁路だけ設けるようにしてもよい。また、バイパス磁路９０を、ＭＩ素子２３に対し外側に設けたが内側でも良く、両方に設けるようにしても良い。上述した図８および図９の電流検出部は、いままでに説明した実施形態の筺体に収納される。

図１０はバイパス磁路を両方に設ける例で、上側磁路８１，下側磁路８２，バイパス磁路９０およびＭＩ素子２３の構成，配置やエアギャップについてはこれまでと同じであるため説明は省略する。
図示のように、ここでは電線２とＭＩ素子２３を挟む位置に、バイパス磁路としての電線変動対策磁路１０を配置し、下側磁路８２間をバイパスさせる構造にした点が特徴である。こうすることで、電線２からＭＩ素子２３に直接印加される磁界の影響を低減することができる。その結果、電線２の配置位置による電流センサの出力変動を小さくでき、高精度な電流センサを提供することが可能となる。

すなわち、図５のように上ボディ５３と下ボディ５２からなる貫通穴を挟み込むように形成する電流センサでは、図９にも示すように電線２の位置がＰ１位置になったり、またはＰ２位置になったりして固定されない。特に、Ｐ２位置のような場合には、電流によって発生した磁束の一部が、磁路を介さずにＭＩ素子２３に直接印加されるため、位置Ｐ１と位置Ｐ２とでは電流測定値が異なり、ＭＩ素子２３による電流測定精度が低下するというおそれが生じる。図１０は、このような場合にも、測定精度を低下させることなく対処することが可能となる。

図１１は電流センサ回路の他の例を示すもので、通信回路１０１を付加した点が特徴で、その他は図４と同様である。これにより、電流センサの出力信号１０２を無線にて送信することが可能となる。
また、以上のような電流センサを電圧センサと併用することで、電力監視システムを形成することも可能である。

この発明の原理構成を示す外観図 図１の内部構成を示す構成図 図１の電流検出部の拡大図 図１のセンサ回路例を示すブロック図 図１の変形例を示す外観図 図５の内部構成を示す構成図 図５の電流検出部の部分拡大図 この発明の第１の実施の形態を示す部分拡大図 この発明の第２の実施の形態を示す部分拡大図 この発明の第３の実施の形態を示す部分拡大図 センサ回路の別の例を示すブロック図

符号の説明

１，５０，１００…電流センサ、２…電流線（電線）、３…貫通穴、１０，６１，６２，８１，８２…磁路、２０…電池、２１…回路、２２…永久磁石、２３…磁気インピーダンス（ＭＩ）素子，２４…磁路、２５，６９…筺体、３０…磁性膜、３１…ガラス、４０…発振回路、４１…固定抵抗、４２整流回路、４３…増幅回路、４４，１０２…電流センサ出力、５１…可動部、５２…下ボディ、５３…上ボディ、８３…エア（磁気）ギャップ、１０１…通信回路。

Claims (12)

1. 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を有し、前記磁路に磁気ギャップを形成したことを特徴とする電流センサ。
2. 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を有し、前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の外周部から径方向に所定の距離離れた位置にバイパス磁路を形成したことを特徴とする電流センサ。
3. 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を有し、前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の外周部から径方向に所定の距離離れた位置、および前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の内周部から中心方向に所定の距離離れた位置にそれぞれバイパス磁路を形成したことを特徴とする電流センサ。
4. 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を有し、前記磁気インピーダンス素子近傍の磁路の内周部から中心方向に所定の距離離れた位置にバイパス磁路を形成したことを特徴とする電流センサ。
5. 前記リング状の磁路に、磁気ギャップを形成することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の電流センサ。
6. 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したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電流センサ。
7. 前記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たことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電流センサ。
8. 前記バイアス磁界印加手段は永久磁石であることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
9. 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を特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
10. 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たことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の電流センサ。
11. 電源として電池を用いることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の電流センサ。
12. 前記請求項１から１１のいずれかに記載の電流センサを用いて電力監視を行なうことを特徴とする電力監視システム。
    
    

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