JP2006064462A - 電流センサ及び電流の検出方法並びに電流測定器 - Google Patents

Abstract

【要図】
【課題】電流に基づく磁界を内・外ノイズの影響をよく排除して高検出能で検出し、電流を高精度で検出できる電流センサを提供する。
【解決手段】２箇の磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂを共通の直線上に、しかも感磁方向を逆とするように設け、各磁気インピーダンス効果素子の出力を復調回路３ａ，３ｂで検波しその検波出力を差動増幅回路４で差動増幅する復調・増幅回路を設けた電流センサを被検出電流路を横断して移動させ、センサ出力の前記被検出電流路を挾んでの左右対称性から地磁気等の外部ノイズを排除し、復調回路から発生する内部ノイズを差動増幅により排除して電流を高精度で測定できるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は電流センサ及びその電流センサを使用しての電流の検出方法並びにその電流センサを用いた電流測定器に関するものである。

電流により発生する磁界を測定して電流を検出することが知られている。例えば、埋設金属管等の埋設金属体の埋設ルートを探知するのに、金属体に電流を流し、その電流により発生する磁界分布のピークの位置を検知し、そのピークを連ねた軌跡を求めて金属体の埋設ルートを探知することが知られている。
近来、高い磁界検出分解能、小型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、その素子を用いた磁界検出方法が提案されている（特許文献１）。
特開平７−１８１２３９号公報

被検出電流により発生する磁界を磁気インピーダンス効果センサにより検出し、その検出磁界から被検出電流を検出する場合、地磁気等の外部ノイズや検出回路のダイオード等の温度変化に基づく特性変化に起因する内部ノイズの影響を排除しなければ、磁気インピーダンス効果素子の高い磁界検出分解能を有効に利用し難い。

本発明の目的は、電流に基づく磁界を内・外ノイズの影響をよく排除して検出し、電流を高精度で検出できる電流センサを提供することにある。

請求項１に係る電流センサは、２箇の磁気インピーダンス効果素子を共通の直線上に、しかも感磁方向を逆とするように設け、各磁気インピーダンス効果素子の出力を検波しその検波出力を差動増幅する復調・増幅回路を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る電流センサは、請求項１の電流センサにおいて、２個の各磁気インピーダンス効果素子に代えて、出力が加重される複数箇の磁気インピーダンス効果素子を用いたことを特徴とする。
請求項３に係る電流センサは、請求項１または２の電流センサにおいて、狭巾突出部と広巾部を備えた基板の狭巾突出部に磁気インピーダンス効果素子を搭載し、広巾部上に検波・増幅回路を搭載したことを特徴とする。
請求項４に係る電流センサは、請求項１〜３何れかの電流センサにおいて、磁気インピーダンス効果素子に代え、ホール素子または磁気抵抗素子を用いたことを特徴とする。
請求項５に係る電流の検出方法は、請求項１〜４何れか記載の電流センサを被検出電流路を横断して移動させ、センサ出力の前記被検出電流路を挾んでの左右対称性から電流を検出することを特徴とする。
請求項６に係る電流測定器は、被検出電流路に接続されるコイルと請求項３または４の電流センサとからなり、センサ素子が搭載された基板狭巾突出部をコイル内に挿入したことを特徴とする。
請求項７に係る電流測定器は、請求項６の電流測定器において、コイルの外部に、センサ素子とで磁気回路を構成する透磁性部材を設けたことを特徴とする。

磁気インピーダンス効果センサを移動して得られる磁気分布の左右対称性から電流を検知する。而るに、磁気インピーダンス効果素子内を通過する地磁気成分等の外部ノイズは場所による変化が殆どなく、外部ノイズに曝されても、磁気分布の左右対称性を維持できる。また、各検波回路のダイオード等の回路素子の温度変化等に起因して発生する内部ノイズは差動増幅に対し同相であり、差動型磁気センサの使用により打ち消される。
従って、磁気インピーダンス効果素子を用いた磁気センサの高検出能を内外ノイズの影響を排除して効果的に発揮させ得、電流を高精度で検出できる。

図１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１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μθ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μθ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／wμθ）^１／２（μθ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μθにより変化し、このμθ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１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１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μθ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μθ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μθ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２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２の（ロ）に示すように出力特性を直線化している。図２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２の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図２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２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２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。
図２の（ニ）から理解できる通り、磁気インピーダンス効果素子の感磁方向を逆にすれば、出力が逆極性になる。

上記磁気インピーダンス効果素子としては、遷移金属と非金属の合金で非金属が１０〜３０原子％組成のもの、特に遷移金属と非金属との合金で非金属量が１０〜３０原子％を占め、遷移金属がＦｅとＣｏで非金属がＢとＳｉであるかまたは遷移金属がＦｅで非金属がＢとＳｉである組成のものを使用することができ、通常、組成がＣｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５、長さが２０００μｍ〜６０００μｍ、外径φが３０μｍ〜５０μｍのものが使用される。

上記において、高周波励磁電流には、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磁界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（信号波）で変調された高周波励磁電流波（搬送波）から被検出磁界を検波し得るもので適宜の検波手段を使用できる。

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３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３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３の（ロ）は同じく底面図、図３の（ハ）は図３の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図３において、１００は基板チップであり、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、磁気インピーダンス効果素子接続用突部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４は請求項１に係る電流センサの一実施形態の回路図を示している。
図４において、１ａ，１ｂは磁気インピーダンス効果素子であり、その感磁方向を互いに逆方向として共通の直線ｎ−ｎ上に設けてある。２は磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を通電するための高周波励磁電源である。３ａ，３ｂは各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの出力端に接続した復調回路、４０は両復調回路３ａ，３ｂの出力端に接続した演算差動増幅回路である。６０は増幅出力を磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに負帰還させてリニア出力特性を得るための負帰還回路、６ａ，６ｂは負帰還用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの感磁方向に応じた巻線方向または電流方向としてある。７ａ，７ｂは磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂにバイアス磁界をかけて出力特性を極性判別可能とするための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１ａ，１ｂの感磁方向に応じた巻線方向または電流方向としてあり、＋Ｖｃｃ電源が起磁力として用いられる。この＋Ｖｃｃ電源は励磁電流源回路２の電源としても使用される。

図４において、一方の磁気インピーダンス効果素子１ａに作用する被検出磁界をＨ、他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂに作用する被検出磁界をＨ’とすれば、感磁方向が互いに逆方向であるから検波出力がＨと−Ｈ’となり、差動増幅出力Ｅはｋ〔Ｈ−（−Ｈ’）〕（ｋは増幅ゲイン）、すなわち
〔数式１〕 Ｅ＝ｋ〔Ｈ＋Ｈ’〕
で与えられる。

図５の（イ）は請求項５に係る電流検知方法を示す平面図、図５の（ロ）は図５の（イ）におけるロ−ロ断面図を示している。
図５の（ロ）に示すように、表面下に導体ｃがあり、この導体ｃに電流が流れているとして、図５の（イ）、（ロ）の矢印線で示すように、前記の電流センサを両磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに対する前記の共通直線ｎ−ｎの方向に移動させていく。
この移動方向ｎ−ｎと導体ｃとの間の角度をα、導体電流をＩ、両素子１ａ，１ｂの中央点間の距離をａ、導体直上点ｐから両素子間中央位置までの距離をｘ、表面から導体中心までの距離をｈとすれば、一方の磁気インピーダンス効果素子１ａの軸方向に作用する磁界成分Ｈは、ｒ＝〔（ｘ−ａ／２）^２＋ｈ^２〕^１／２、sinθ＝ｈ／ｒとして、Ｈ＝Ｉsinα・sinθ／（２πｒ）より
Ｈ＝ｈＩsinα／｛２π〔（ｘ−ａ／２）^２＋ｈ^２〕｝
で与えられる。
同様に他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂの軸方向に作用する磁界成分Ｈ’は、
Ｈ’＝ｈＩsinα／｛２π〔（ｘ＋ａ／２）^２＋ｈ^２〕｝
で与えられる。
従って、〔数式１〕の差動増幅出力Ｅ＝ｋ〔Ｈ＋Ｈ’〕は、
Ｅ＝（２ｈＩｋsinα／π）・１／｛〔ｘ^２＋（ａ／２）^２＋ｈ^２〕−［ａ^２ｘ^２／〔ｘ^２＋（ａ／２）^２＋ｈ^２〕］｝
で与えられ、図示すれば図６の通り導体ｃを挾んで左右対称のパターンとなる。従って、最大ピーク点を探知することにより、電流導体直上位置を知ることができる。
この場合、両復調回路３ａ，３ｂの回路素子例えばダイオードの温度による特性変化は、同相であるために差動増幅で打消し得、いわゆる内部ノイズの影響を良好に排除できる。また、地磁気等の外部ノイズは位置が変わっても殆ど変化せずにほぼ一定であるから、図６に示す出力がｙ軸方向にシフトされるだけであり、左右対称性が維持されるので、外部ノイズの影響もよく排除できる。更に、電流値Ｉが小であったり、導体の地表面下深さｈが大であっても、磁気インピーダンス効果素子の検出能が高いこと、増幅ゲインｋを大する等により高感度で検出できる。

図７は請求項３に係る電流センサの一実施形態を示している。
図７において、８は絶縁基板であり、広巾の躯体部８１に狭巾部８２を突設してある。１ａ，１ｂは２箇の磁気インピーダンス効果素子であり、基板の先端狭巾部８２に長手方向線上に間隔を隔て、かつ感磁方向を逆方向にして搭載してある。３ａ，３ｂは各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに対して基板の広巾躯体部８１に搭載した復調回路である。４は差動増幅回路、５はセンサ出力端、２は高周波励磁電源回路、９はバイアス磁界や励磁電流の＋Ｖｃｃ電源であり、これらは全て基板の広巾躯体部８１に搭載してある。６ａ，６ｂは負帰還用コイル、７ａ，７ｂは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１ａ，１ｂと共に基板の先端狭巾部８２に搭載してある。

図８は請求項６に係る電流測定器の一実施形態を示している。
図８において、２１は被検出電流路に接続されるコイル、２１１はボビン、２１２は巻線である。Ｓは図７に示した電流センサであり、２箇の磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂを長手方向線上に間隔を隔てかつ感磁方向を逆方向にして搭載した先端狭巾部８２を、コイル２１のボビン２１１の孔に挿入してある。
コイルの巻き数をＮ、被測定電流をＩ、コイルにより発生する磁界がループする磁気回路の磁気抵抗をＲとすれば、発生磁界Ｈは
Ｈ＝ＮＩ／Ｒ
で与えられ、センサ出力Ｅは
〔数式２〕 Ｅ＝２ｋＮＩ／Ｒ
で与えられ、センサ出力Ｅから電流Ｉを知ることができる。

この電流測定器のコイル２１の外部に、コイル内の磁気インピーダンス効果素子とでループ磁気回路を構成する透磁性コアを設けることもでき、図９の（イ）及び（ロ）〔図９の（イ）におけるロ−ロ断面図〕はその一例を示している。
図９において、２１１はコイルのボビン、２１２は巻線である。２２は高透磁率のコアであり、２つ割りであってコイルのピン端子２１３，２１３を挿通する孔及びボビン孔に同心の中央孔２２１を有し、コイル２１上に粘着テープ等２２２で抱着してある。Ｓは図８で示した電流センサであり、先端狭巾部８２をコア２２の中心孔２２１よりコイル２１のホビン孔内に挿入してある。
この電流測定器では、高透磁率のコアのために数式２における磁気抵抗Ｒを低くでき測定感度を高くできる。

図４、図７及び図８に示した実施形態では、２箇の磁気インピーダンス効果素子を共通の直線上に感磁方向を逆にして設けているが、複数箇の磁気インピーダンス効果素子を２群に分けて直線上に配し、各群の磁気インピーダンス効果素子出力を重畳するように例えば同一群内の磁気インピーダンス効果素子を直列接続し、かつ両磁気インピーダンス効果素子群の感磁方向を互いに逆とするようにしてもよい。

また、磁気インピーダンス効果素子に代えホール素子または磁気抵抗素子を用いることも可能である。

図７に示す電流センサの先端狭巾部をコア付きコイルに挿入した図９に示す電流測定器を製作した。
２箇の磁気インピーダンス効果素子には合金組成Ｃｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５、長さ５０００μｍ、外径φ３０μｍ、ダイナミックレンジ±０．２５ｍＴのものを使用し、コイルには外径φ１００μｍのウレタン被覆軟銅線をコイル巻き回数１００回で巻回したコイル全長１０ｍｍのものを使用し、コアには透磁率４００のものを使用した。
コイルに１μＡの流してセンサ出力を測定したところ図１０の通りであり、１μＡ以下の微小電流でも充分に検出できる精度であった（コア非装着では、μＡオーダの高感度検出は困難であった。）。

磁気インピーダンス効果素子を使用した磁気センサの回路構成を示す図面である。 磁気インピーダンス効果素子を使用した磁気センサの出力特性を示す図面である。 磁気インピーダンス効果素子を使用した磁気センサの素子ユニットを示す図面である 請求項１に係る電流センサを示す回路図である。 請求項５に係る電流検出方法を示す図面である。 請求項５に係る電流検出方法での検知特性を示す図面である。 請求項３に係る電流センサを示す図面である。 請求項６に係る電流測定器を示す図面である。 請求項７に係る電流測定器を示す図面である。 請求項７に係る電流測定器を使用しての測定結果を示す図面である。

符号の説明

１ａ 磁気インピーダンス効果素子
１ｂ 磁気インピーダンス効果素子
２１ コイル
２２ 透磁性コア
２ 高周波励磁電源
３ａ 復調回路
３ｂ 復調回路
４ 演算差動増幅回路
８ 絶縁基板
８１ 広巾部
８２ 先端狭巾部

Claims (7)

1. ２箇の磁気インピーダンス効果素子を共通の直線上に、しかも感磁方向を逆とするように設け、各磁気インピーダンス効果素子の出力を検波しその検波出力を差動増幅する検波・増幅回路を設けたことを特徴とする電流センサ。
2. ２個の各磁気インピーダンス効果素子に代えて、出力が重畳される複数箇の磁気インピーダンス効果素子を用いたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
3. 狭巾突出部と広巾部を備えた基板の狭巾突出部に磁気インピーダンス効果素子を搭載し、広巾部上に検波・増幅回路を搭載したことを特徴とする請求項１または２記載の電流センサ。
4. 磁気インピーダンス効果素子に代え、ホール素子または磁気抵抗素子を用いたことを特徴とする請求項１〜３何れか記載の電流センサ。
5. 請求項１〜４何れか記載の電流センサを被検出電流路を横断して移動させ、センサ出力の前記被検出電流路を挾んでの左右対称性から電流を検出することを特徴とする電流の検出方法。
6. 被検出電流路に接続されるコイルと請求項３または４記載の電流センサとからなり、センサ素子が搭載された基板狭巾突出部をコイル内に挿入したことを特徴とする電流測定器。
7. コイルの外部に、磁気インピーダンス効果素子とで磁気回路を構成する透磁性部材を設けたことを特徴とする請求項６記載の電流測定器。

Images