(57)【要約】【課題】センサ素子に対して被検出電線を位置合わせすることなく被検出電線を流れる電流を精度よく検出できる電流センサを提供する。【解決手段】電流センサ１０は、被検出電線４を通す挿通部２１が形成された基板２と、基板２の厚み方向の両面における挿通部２１の周囲に２個ずつ配置されたセンサ素子１と、演算部３とを備えている。センサ素子１は、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する。基板２に設けられた４個のセンサ素子１は、基板２の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なっている。演算部３は、素子群を構成する４個のセンサ素子１の各検出値と、既知であるこれら４個のセンサ素子１の位置および向きとを用いて、被検出電線４を流れる電流の大きさを求める。【選択図】図１
2014048065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向に被検出電線を通す挿通部が形成された基板と、前記基板における挿通部の周囲に設けられ、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する複数個のセンサ素子からなる素子群と、前記素子群に電気的に接続された演算部とを備え、前記被検出電線を流れる電流の大きさを検出する電流センサであって、
前記素子群は、前記基板の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる４個以上の前記センサ素子からなり、
前記演算部は、前記複数個の前記センサ素子の前記検出値と、既知である前記複数個の前記センサ素子の位置および向きとを用いて、前記被検出電線を流れる電流の大きさを求める
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記基板の厚み方向の両面に前記センサ素子が少なくとも２個ずつ配置されるように、前記複数個の前記センサ素子は前記基板の厚み方向の両面に分かれて配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記基板の厚み方向の一面に設けられた前記センサ素子と、前記基板の厚み方向の他面に設けられた前記センサ素子とは、前記基板の厚み方向において重なる位置に配置されており、
前記基板の厚み方向において重なる位置に配置された一対の前記センサ素子は、前記基板の板面に沿う平面内での向きが互いに異なる
ことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記複数個の前記センサ素子の各々は、磁性体ワイヤと、前記磁性体ワイヤの表皮層に電流を流すように前記磁性体ワイヤに通電する給電部と、前記磁性体ワイヤに通電されている状態で外部磁界の作用による前記磁性体ワイヤのインピーダンス変化に応じて前記検出値を出力する出力部とを有する磁気インピーダンス素子である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記素子群は、前記複数個の前記センサ素子の前記磁性体ワイヤに順次通電する
ことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記給電部は、前記磁性体ワイヤに高周波電流またはパルス電流を流すことにより前記センサ素子を駆動する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記磁性体ワイヤは、円柱状に形成され円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金である
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記磁性体ワイヤは、前記基板に対して超音波溶着または超音波はんだにより接合されている
ことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出電線を流れる電流の大きさを検出する電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の電流センサとして、測定対象である被検出電線を流れる電流により生じる磁界（磁場）の大きさから、被検出電流を流れる電流を検出する電流センサが提供されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の電流センサは、被検出電線の軸心から所定の距離に位置するセンサ素子（マグネト−インダクティブ磁気検出器）を有している。このセンサ素子は、作用する磁界の強さ（大きさ）から被検出電線を流れる電流に対応する電圧信号を出力する。ただし、電流が流れることで発生する磁界の強さは被検出電線からセンサ素子までの距離に反比例するので、この種の電流センサは、センサ素子に対して被検出電線を位置合わせし、被検出電線からセンサ素子までの距離を所定の距離に保持する必要がある。特に、センサ素子の出力を大きくするために被検出電線をセンサ素子に近づけると、被検出電線とセンサ素子との相対位置のずれによる検出誤差は大きくなる。
【０００４】
特許文献１においては、被検出電線からセンサ素子までの距離を所定の距離に保持する一の方法として、センサ素子に対する被検出電線の相対位置が固定的に定まるように、被検出電線とセンサ素子とが一体化された構成が開示されている。この構成では、既設の電線を流れる電流を検出する場合、施工者は、この電線を一旦切断して電流センサを挿入する電気工事が必要となる。
【０００５】
また、被検出電線からセンサ素子までの距離を所定の距離に保持する他の方法として、特許文献１には、被検出電線がスペーサの溝部に当接するようにピンチ機構により被検出電線を挟み込む構成が開示されている。ただし、この構成では、対応可能な被検出電線の線径が制限されることになり、スペーサの溝部に比べて被検出電線の線径が小さいあるいは大きい場合、被検出電線を定位置に固定することができず、被検出電線からセンサ素子までの距離が安定しない可能性がある。
【０００６】
さらにまた、別の電流センサとして、スリットが形成された基板を備え、このスリットに板状のバスバーが挿通されることにより、バスバーを流れる電流を検出する電流センサが提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【０００７】
特許文献２に記載の電流センサでは、バスバーの表裏の板面および一側面が、スリットの相対向する内壁面および底面に密着することにより、バスバーがスリットに対して位置決めされる。さらに、基板の表面にはバスバーを挟んでセンサ素子（磁気抵抗素子）が配置され、基板の裏面には各センサ素子の真裏にバイアス磁石が配置されている。したがって、センサ素子に対するバスバーの相対位置が固定的に定まることになる。この電流センサは、バスバーを挟んで配置された一対のセンサ素子および一対のバイアス磁石のペア性により、センサ素子の取付位置がＸ軸方向（バイアス磁石の磁極中心間を結ぶ線と直交する方向）にずれた場合であっても、電流の検出精度の低下を少なくできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１７００９１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４２２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に記載の電流センサであっても、センサ素子の取付位置がＸ軸方向以外の方向にずれた場合などで、センサ素子とバスバーとの距離が変化した場合には、電流の検出精度は低下する。そのため、この電流センサにおいては、電流を精度よく検出するにはスリットに対してバスバーが位置決めされていることが必須であり、スリットに対して位置決め可能なバスバー以外を被検出電線として用いることはできない。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されており、センサ素子に対して被検出電線を位置合わせすることなく被検出電線を流れる電流を精度よく検出できる電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の電流センサは、厚み方向に被検出電線を通す挿通部が形成された基板と、前記基板における挿通部の周囲に設けられ、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する複数個のセンサ素子からなる素子群と、前記素子群に電気的に接続された演算部とを備え、前記被検出電線を流れる電流の大きさを検出する電流センサであって、前記素子群は、前記基板の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる４個以上の前記センサ素子からなり、前記演算部は、前記複数個の前記センサ素子の前記検出値と、既知である前記複数個の前記センサ素子の位置および向きとを用いて、前記被検出電線を流れる電流の大きさを求めることを特徴とする。
【００１２】
この電流センサにおいて、前記基板の厚み方向の両面に前記センサ素子が少なくとも２個ずつ配置されるように、前記複数個の前記センサ素子は前記基板の厚み方向の両面に分かれて配置されていることが望ましい。
【００１３】
この電流センサにおいて、前記基板の厚み方向の一面に設けられた前記センサ素子と、前記基板の厚み方向の他面に設けられた前記センサ素子とは、前記基板の厚み方向において重なる位置に配置されており、前記基板の厚み方向において重なる位置に配置された一対の前記センサ素子は、前記基板の板面に沿う平面内での向きが互いに異なることがより望ましい。
【００１４】
この電流センサにおいて、前記複数個の前記センサ素子の各々は、磁性体ワイヤと、前記磁性体ワイヤの表皮層に電流を流すように前記磁性体ワイヤに通電する給電部と、前記磁性体ワイヤに通電されている状態で外部磁界の作用による前記磁性体ワイヤのインピーダンス変化に応じて前記検出値を出力する出力部とを有する磁気インピーダンス素子であることがより望ましい。
【００１５】
この電流センサにおいて、前記素子群は、前記複数個の前記センサ素子の前記磁性体ワイヤに順次通電することがより望ましい。
【００１６】
この電流センサにおいて、前記給電部は、前記磁性体ワイヤに高周波電流またはパルス電流を流すことにより前記センサ素子を駆動することがより望ましい。
【００１７】
この電流センサにおいて、前記磁性体ワイヤは、円柱状に形成され円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金であることがより望ましい。
【００１８】
この電流センサにおいて、前記磁性体ワイヤは、前記基板に対して超音波溶着または超音波はんだにより接合されていることがより望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、素子群が、基板の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる４個以上のセンサ素子からなり、演算部が、複数個のセンサ素子の検出値と、既知である複数個のセンサ素子の位置および向きとを用いて電流の大きさを求める。したがって、センサ素子に対して被検出電線を位置合わせすることなく被検出電線を流れる電流を精度よく検出できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る電流センサの要部の構成を示す平面図である。
【図２】実施形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。
【図３】実施形態に用いるセンサ素子の原理の説明図である。
【図４】実施形態に用いるセンサ素子の動作説明図である。
【図５】実施形態に用いるセンサ素子の動作説明図である。
【図６】実施形態に用いるセンサ素子の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本実施形態の電流センサ１０は、図２に示すように、挿通部２１が形成された基板２と、基板２における挿通部２１の周囲に設けられた複数個のセンサ素子１０１〜１０４（図１参照）からなる素子群と、素子群に電気的に接続された演算部３とを備えている。
【００２２】
素子群を構成する複数個のセンサ素子１０１〜１０４（以下、各々を特に区別しない場合「センサ素子１」という）は、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する検出値を出力する。素子群は、基板２の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる少なくとも４個以上のセンサ素子１からなる。
【００２３】
基板２は厚み方向に被検出電線４を通す挿通部２１が形成されており、電流センサ１０は、挿通部２１に挿通された被検出電線４を流れる電流Ｉの大きさを検出する。挿通部２１は、基板２の板面に沿う平面内において一方向に開放された形状に形成されている。言い換えれば、挿通部２１は、基板２の板面に沿う平面内において、開放部２１１にて基板２の外部空間と連通しており、この開放部２１１を通して被検出電線４を導入可能である。
【００２４】
本実施形態では、基板２は、一方向に長く、且つ長手方向の一端部が半円状を成すような形に形成されており、この一端部に挿通部２１が形成されている。演算部３は、基板２の一面（表面）の長手方向における中央部と他端部との間に実装されている。以下では、基板２の短手方向をＸ軸方向、基板２の長手方向をＹ軸方向、基板２の厚み方向をＺ軸方向として説明する。
【００２５】
詳しく説明すると、挿通部２１は、基板２の半円部分の円周の一部を開放部２１１とするように、半円部分の円周の一部からＹ軸方向に沿って基板２の内側に向けて延長されており、その幅寸法は被検出電線４の線径（外径）よりも大きく設定されている。また、挿通部２１の長手方向（Ｙ軸方向）における開放部２１１とは反対側の端部は、半円状を成しており、挿通部２１の周縁は基板２の板面に沿う平面内で略Ｕ字状に形成されている。
【００２６】
なお、基板２は、非磁性体材料から形成されており、たとえばガラスエポキシ基板からなる。
【００２７】
次に、基板２に実装されるセンサ素子１の構成について図３を参照して説明する。
【００２８】
本実施形態においては、センサ素子１は、高透磁率磁性体から円柱状に形成された磁性体ワイヤ１１と、磁性体ワイヤ１１に巻かれたピックアップコイル１２と、磁性体ワイヤ１１に電流を流すように磁性体ワイヤ１１に通電する給電部１３とを有している。ピックアップコイル１２は、磁性体ワイヤ１１に通電されている状態で、外部磁界の作用による磁性体ワイヤ１１のインピーダンス変化に応じて検出値を出力する出力部として機能する。すなわち、本実施形態におけるセンサ素子１は磁気インピーダンス（ＭＩ）素子である。
【００２９】
磁性体ワイヤ１１としては、ここでは円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金のワイヤが用いられる。また、磁性体ワイヤ１１がアモルファスワイヤである（アモルファス合金からなる）場合、その組成はたとえば４％Ｆｅ６８％Ｃｏ１３％Ｓｉ１５％Ｂなどが望ましい。本実施形態では、磁性体ワイヤ１１の直径は一例として３０μｍ〜１２０μｍ程度とするが、この値に限定する趣旨ではない。この種の磁性体ワイヤ１１は、磁歪がなく、円周方向の透磁率が大きく変化する特性を持つ。さらに、この種の磁性体ワイヤ１１は機械的強度が強く、高い引っ張り強度を持つ。なお、磁性体ワイヤ１１はたとえばパーマロイなど、アモルファス合金以外の高透磁磁性体から形成されていてもよい。
【００３０】
給電部１３は、磁性体ワイヤ１１の軸方向の両端間に、高周波電流またはパルス電流を流すことによりセンサ素子１を駆動する。つまり、センサ素子１は、給電部１３から磁性体ワイヤ１１への通電時に動作し、外部磁界に応じた検出値をピックアップコイル１２から出力する。
【００３１】
本実施形態においては、センサ素子１は、高透磁率磁性体からなる磁性体ワイヤ１１のインピーダンス（交流電圧と交流電流との比）が外部磁界に応じて敏感に変化する磁気インピーダンス（ＭＩ）効果を利用している。すなわち、給電部１３が磁性体ワイヤ１１に高周波電流や立ち上がりの鋭いパルス電流を流している状態では、電流は、表皮効果により磁性体ワイヤ１１の表面付近（表皮層）を流れることになる。ここで、電流が流れる表皮層の深さδは、電気抵抗率ρ、通電電流の角周波数ω、通電電流に直角方向の最大微分透磁率μを用いて式（１）で表され、外部磁界により最大微分透磁率μが変化することで、磁性体ワイヤ１１のインピーダンスは変化する。
【００３２】
【数１】
2014048065.tif 000003
【００３３】
具体的に説明すると、磁性体ワイヤ１１に高周波成分を含むパルス電流を流したとき、磁性体ワイヤ１１のインピーダンスＺは、磁性体ワイヤ１１の直径ａ、直流抵抗Ｒｄｃ、通電電流の角振動数ω、外部磁界Ｈｅｘ、透磁率μ（Ｈｅｘ）を用いて式（２）で表される。
【００３４】
【数２】
2014048065.tif 000004
【００３５】
ここで、透磁率μ（Ｈｅｘ）は磁性体ワイヤ１１の軸方向の外部磁界Ｈｅｘによって変化するので、センサ素子１は、磁性体ワイヤ１１のインピーダンスＺの変化から外部磁界Ｈｅｘの強さを検知可能である。磁性体ワイヤ１１において磁気インピーダンス効果が顕著に現れるのは、磁性体ワイヤ１１表面の電子スピンの配列が円周方向に並んでいる特殊な磁区構造に起因する。つまり、磁性体ワイヤ１１は、表層部に円周方向の磁化容易軸（磁化容易方向）を有する磁区構造を持ち、高周波電流の通電により表皮効果が生じることによりインピーダンス特性が大きく変化する。ここで、外部磁界Ｈｅｘの強さに応じてインピーダンスＺが大きく変化するように、インピーダンス特性は変化する。
【００３６】
以下に、上記構成のセンサ素子１の基本的な動作について図３を参照して説明する。
【００３７】
センサ素子１の磁性体ワイヤ１１は、通電前においては、上述した磁区構造により電子スピンが揃って円周方向を向いているが、外部磁界Ｈｅｘが加わると電子スピンの向きに傾きが生じる。
【００３８】
次に、給電部１３が、高周波成分を含むパルス電流（立ち上がり時間は１０ｎｓ程度）を磁性体ワイヤ１１に流すと、磁性体ワイヤ１１表面の電子スピンが回転して外部磁界Ｈｅｘ印加前の状態（円周方向に揃った状態）に戻る。このように電子スピンが回転するとき、磁性体ワイヤ１１の外側に配置されているピックアップコイル１２には、磁性体ワイヤ１１の軸方向の磁気ベクトル変化の速度に比例した誘起電圧が発生する。センサ素子１はこの誘起電圧をピックアップコイル１２で測定して出力電圧（検出値）として演算部３へ出力する。
【００３９】
演算部３は、センサ素子１の出力電圧（検出値）の大きさから、磁性体ワイヤ１１に印加されている外部磁界Ｈｅｘの強さを求める。出力電圧ｖは、センサ素子定数αおよび外部磁界Ｈｅｘを用いて、ｖ＝α・Ｈｅｘで表される。
【００４０】
さらに、外部磁界Ｈｅｘは、被検出電線４を流れる電流Ｉに比例し、磁性体ワイヤ１１から被検出電線４（の軸心）までの距離ｒに反比例するから、式（３）で表される。したがって、距離ｒが既知であれば、演算部３は、求めた外部磁界Ｈｅｘの強さから被検出電線４を流れる電流Ｉの大きさを算出できる。
【００４１】
【数３】
2014048065.tif 000005
【００４２】
ところで、上述した例では、外部磁界Ｈｅｘが磁性体ワイヤ１１の軸方向に印加される場合について説明しているが、センサ素子１は、磁性体ワイヤ１１の軸心（軸方向）と外部磁界Ｈｅｘの方向との間の角度により、出力電圧ｖが変動する。すなわち、ピックアップコイル１２に発生する誘起電圧（出力電圧ｖ）は、磁性体ワイヤ１１の軸心と外部磁界Ｈｅｘの方向との成す角度θを用いて式（４）で表される。
【００４３】
【数４】
2014048065.tif 000006
【００４４】
したがって、図４に示すようにθ＝０°であれば出力電圧ｖ＝α・Ｈｅｘとなり、図５に示すようにθ＝４５°であれば出力電圧ｖ＝α／√２・Ｈｅｘとなり、図６に示すようにθ＝１３５°であれば出力電圧ｖ＝−α／√２・Ｈｅｘとなる。要するに、センサ素子１は、各々に作用する外部磁界の強さおよび向きに応じて変化する出力電圧（検出値）を出力する。
【００４５】
以上より、被検出電線４を流れる電流Ｉは、センサ素子１の出力電圧ｖ、センサ素子定数α、磁性体ワイヤ１１から被検出電線４までの距離ｒ、磁性体ワイヤ１１の軸心の角度θを用いて式（５）で表される。
【００４６】
【数５】
2014048065.tif 000007
【００４７】
本実施形態の電流センサ１０は、上述したような構成のセンサ素子１が、基板２の厚み方向の両面に対して複数個ずつ配置されている。本実施形態においては、合計４個のセンサ素子１が、基板２の一面（表面）と他面（裏面）との各々に２個ずつ、基板２の厚み方向の両面に分かれて配置されている。具体的には、図１に示すように４個のセンサ素子１０１〜１０４のうち、第１および第２のセンサ素子１０１，１０２は一面に配置され、第３および第４のセンサ素子１０３，１０４は基板２の他面に配置されている。
【００４８】
ここで、各センサ素子１における磁性体ワイヤ１１は、基板２に対して超音波溶着または超音波はんだにより接合されている。これにより、スパッタやメッキによって磁性体ワイヤ１１を基板２に接合した構成に比べて、比較的太いワイヤでも、良好な性能を維持したまま基板２に実装可能である。
【００４９】
各センサ素子１は、基板２の板面（一面あるいは他面）内において、挿通部２１の周囲における所定の位置に配置されている。また、各センサ素子１は、基板２の板面（一面あるいは他面）内において、センサ素子１０１〜１０４ごとに決められた所定の向きで配置されている。ここでいうセンサ素子１の位置は、各センサ素子１の磁性体ワイヤ１１の長手方向の中心、つまり磁性体ワイヤ１１の軸心の中点の位置を指す。さらに、ここでいうセンサ素子１の向きは、Ｙ軸方向に対する各センサ素子１の磁性体ワイヤ１１の軸心の傾きを指す。そのため、この電流センサ１０においては、第１および第２の各面に設けられた各一対のセンサ素子１間の距離と、Ｙ軸に対して各磁性体ワイヤ１１の軸心の成す角度とは既知である。
【００５０】
ここで、本実施形態においては、図１に示すように、基板２の一端部に形成された半円部分の円周と、挿通部２１の半円部分の円周とは、同心円上に形成されている。以下では、これらの同心円の中心を座標位置（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）である基準点Ｐ０とし、図１の右方をＸ軸方向の正、図１の上方をＹ軸方向の正として説明する。
【００５１】
図１に示す例では、基板２の一面に設けられた第１のセンサ素子１０１および第２のセンサ素子１０２は、挿通部２１の幅方向（Ｘ軸方向）の両側であって、両者の中間に基準点Ｐ０が位置するように配置されている。つまり、第１のセンサ素子１０１は（Ｘ，Ｙ）＝（−ｘ，０）に位置し、第２のセンサ素子１０２は（Ｘ，Ｙ）＝（ｘ，０）に位置している（ｘは定数）。
【００５２】
ここにおいて、第１のセンサ素子１０１と第３のセンサ素子１０３とは基板２の厚み方向において重なる位置に配置され、第２のセンサ素子１０２と第４のセンサ素子１０４とは基板２の厚み方向において重なる位置に配置されている。つまり、図１に示すように、第３のセンサ素子１０３は（Ｘ，Ｙ）＝（−ｘ，０）に位置し、第４のセンサ素子１０４は（Ｘ，Ｙ）＝（ｘ，０）に位置している。このような配置により、挿通部２１に挿通された被検出電線４から磁性体ワイヤ１１までの距離ｒは、第１のセンサ素子１０１と第３のセンサ素子１０３とで同値（ｒ１）になり、且つ、第２のセンサ素子１０２と第４のセンサ素子１０４とで同値（ｒ２）になる。
【００５３】
さらに、第１のセンサ素子１０１は、Ｙ軸に対して磁性体ワイヤ１１の軸心を４５°傾ける向きで配置され、第２のセンサ素子１０２は、Ｙ軸に対して磁性体ワイヤ１１の軸心を−４５°傾ける向きで配置されている。一方、基板２の他面に設けられたセンサ素子１０３，１０４は、Ｙ軸に対する磁性体ワイヤ１１の軸心の角度を、各々の裏に位置するセンサ素子１０１，１０２とはξ１，ξ２だけずらした向きで配置されている。要するに、基板２の厚み方向において重なる位置に配置された一対のセンサ素子１は、基板２の板面に沿う平面内での向きが互いに異なっている。
【００５４】
本実施形態ではξ１＝ξ２＝９０°と仮定する。つまり、第１のセンサ素子１０１の裏の第３のセンサ素子１０３は、Ｙ軸に対して磁性体ワイヤ１１を１３５°傾ける向きで配置され、第２のセンサ素子１０２の裏の第４のセンサ素子１０４は、Ｙ軸に対して磁性体ワイヤ１１を４５°傾ける向きで配置されている。
【００５５】
上述したように、素子群を構成する複数個（ここでは４個）のセンサ素子１０１〜１０４は、基板２の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なっている。ここに、素子群を構成する４個のセンサ素子１０１〜１０４は、全て同一の形状、構造を採用し、且つセンサ素子定数αも共通であると仮定する。この場合、各センサ素子１０１〜１０４における磁性体ワイヤ１１の軸方向と外部磁界Ｈｅｘの方向との間の角度をそれぞれθ１〜θ４とし、各センサ素子１０１〜１０４の出力電圧をそれぞれｖ１〜ｖ４とすれば、式（５）より、式（６），（７）が導出される。なお、θ１〜θ４は、ξ１，ξ２を用いて式（８），（９）で表される。
【００５６】
【数６】
2014048065.tif 000008
【００５７】
次に、上述した構成の電流センサ１０により、挿通部２１に挿通された被検出電線４を流れる電流Ｉを検出する方法について説明する。
【００５８】
まず、電流センサ１０は、基板２の挿通部２１に対して開放部２１１から被検出電線４が導入された状態で、演算部３にて、基板２に実装されている複数個のセンサ素子１の出力電圧ｖ（ｖ１〜ｖ４）をそれぞれ測定する。演算部３は、各センサ素子１０１〜１０４の出力電圧ｖ１〜ｖ４より、式（６）〜（９）に基づいて、各センサ素子１０１〜１０４における磁性体ワイヤ１１の軸方向と外部磁界Ｈｅｘの方向との間の角度θ１〜θ４を算出する。なお、式（８），（９）におけるξ１，ξ２は既知（本実施形態ではξ１＝ξ２＝９０°）である。
【００５９】
ここで、基板２の板面に沿う平面内での複数個のセンサ素子１の位置はいずれも既知であるので、各センサ素子１０１〜１０４の磁性体ワイヤ１１と外部磁界Ｈｅｘとの成す角度θ１〜θ４が求まれば、これらの角度θ１〜θ４から被検出電線４の位置が特定される。被検出電線４の位置が特定されると、被検出電線４と各センサ素子１０１〜１０４との位置関係から、各センサ素子１０１〜１０４における磁性体ワイヤ１１から被検出電線４までの距離ｒ（ｒ１，ｒ２）が求まる。このようにして磁性体ワイヤ１１の軸方向と外部磁界Ｈｅｘの方向との成す角度θ（θ１〜θ４）と、磁性体ワイヤ１１から被検出電線４までの距離ｒが求まれば、式（５）より、被検出電線４を流れる電流Ｉが求まる。
【００６０】
そこで、演算部３は、素子群を構成する複数個（ここでは４個）のセンサ素子１０１〜１０４の各検出値（出力電圧ｖ１〜ｖ４）と、既知であるこれら複数個のセンサ素子１０１〜１０４の位置および向きとを用いて、被検出電線４を流れる電流Ｉの大きさを求める。要するに、演算部３は、センサ素子１０１〜１０４の各出力電圧ｖ１〜ｖ４と、各センサ素子１０１〜１０４の位置および向きとを用いることにより、センサ素子１と被検出電線４との位置関係が既知でなくても被検出電線４を流れる電流Ｉを求めることができる。
【００６１】
以上説明した本実施形態の電流センサ１０によれば、センサ素子１と被検出電線４との位置関係によらず、センサ素子１の出力電圧ｖから、非接触で被検出電線４を流れる電流Ｉの計測が可能である。つまり、本実施形態の電流センサ１０は、センサ素子１１に対して被検出電線４を位置合わせすることなく、被検出電線４を流れる電流Ｉを精度よく検出できるという利点がある。そのため、この電流センサ１０は、挿通部２１に被検出電線４を導入する際に、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのいずれにおいてもセンサ素子１に対する被検出電線４の位置を正確に合わせることなく、被検出電線４を流れる電流Ｉを精度よく検出できる。
【００６２】
したがって、電流センサ１０は、既設の（配線済みの）電線を被検出電線４とする場合に、電線を切断することなく後付けで取り付けることができ、しかも電線に対する位置を細かく調整する必要もない。その結果、施工者は、電線を開放部２１１から挿通部２１に導入するという非常に簡単な作業で、既設の電線に対して電流センサ１０を取り付けることができ、作業の手間を大幅に低減できる。
【００６３】
また、本実施形態の電流センサ１０によれば、被検出電線４の線径（外径）は固定ではなく、挿通部２１の幅寸法以下であれば任意に選択可能である。すなわち、この電流センサ１０では、センサ素子１に対する被検出電線４の位置合わせが必要ないので、被検出電線４は挿通部２１に挿通されていればよく、挿通部２１内での位置まで制限されることはない。そのため、本実施形態の電流センサ１０は、挿通部２１の幅寸法と同一の線径の被検出電線４だけでなく、挿通部２１の幅寸法よりも小さい線径の被検出電線４にも対応できる。
【００６４】
ここで、複数個のセンサ素子１は、基板２の厚み方向の両面にセンサ素子１が少なくとも２個ずつ配置されるように、基板２の厚み方向の両面に分かれて配置されている。したがって、電流センサ１０は、基板２の片面に全てのセンサ素子１が配置された構成に比べると、基板２の板面に沿う面内での小型化を図ることができる。
【００６５】
また、基板２の厚み方向の一面に設けられたセンサ素子１０１，１０２と、基板２の厚み方向の他面に設けられたセンサ素子１０３，１０４とは、基板２の厚み方向において重なる位置に配置されている。さらに、基板２の厚み方向において重なる位置に配置された一対のセンサ素子１は、基板２の板面に沿う平面内での向きが互いに異なっている。これにより、基板２の表裏に位置する一対のセンサ素子１においては、被検出電線４までの距離が同一とみなせるから、演算部３は、比較的簡単な演算で被検出電線４を流れる電流Ｉを求めることができる。
【００６６】
また、給電部１３は磁性体ワイヤ１１に高周波電流またはパルス電流を流すことによりセンサ素子１を駆動するので、電流センサ１０は、表皮効果による磁性体ワイヤ１１のインピーダンス特性の大きな変化に起因して、電流Ｉを高精度で計測することができる。さらに、本実施形態では、磁性体ワイヤ１１として、円周方向に磁化容易軸を有するアモルファス合金のワイヤが用いられるので、磁気特性に加えて、機械的強度にも優れたセンサ素子１を実現できる。
【００６７】
ところで、各センサ素子１に設けられている給電部１３は、磁性体ワイヤ１１に対して数ＭＨｚ程度の高周波電流を流すことによりセンサ素子１を駆動する。一方で、電流センサ１０の検出対象である被検出電線４を流れる電流Ｉは、たとえば５０Ｈｚ（または６０Ｈｚ）の商用系統の交流である。このように、磁性体ワイヤ１１を流れる電流の周波数が、被検出電線４を流れる電流Ｉの周波数よりも十分に高い場合、センサ素子１は、給電部１３から磁性体ワイヤ１１に高周波電流を間欠的に流し、間欠的に計測を行っても精度よく電流Ｉを測定可能である。
【００６８】
たとえば、電流センサ１０は、高周波電流源としての１つの給電部１３を４個のセンサ素子１にて共用し、駆動するセンサ素子１を切り替えながら、給電部１３から各センサ素子１の磁性体ワイヤ１１に順次通電する構成であってもよい。この構成では、４個のセンサ素子１が個々に給電部１３を有し各々の磁性体ワイヤ１１に高周波電流を流し続ける場合に比べて、構成の簡略化、且つ低電力化を図ることができる。
【００６９】
また、センサ素子１は、磁界を検出できる素子であればよく、磁気インピーダンス素子に限らず、ホール素子や磁気抵抗（ＭＲ）素子やフラックスゲート素子などを用いることも考えられる。ただし、磁気インピーダンス素子に比べると、ホール素子や磁気抵抗素子では感度が不十分でなく、フラックスゲート素子ではサイズが大きく消費電力も大きい、というデメリットがある。したがって、小型、高感度の点では、センサ素子１としては磁気インピーダンス素子を用いることが望ましい。
【００７０】
特に、センサ素子１は、直径が１００μｍ程度で、長さ寸法が２ｍｍ程度に形成された磁性体ワイヤ１１を採用することにより、比較的小型且つ低コストな素子を実現できる。この場合、基板２にセンサ素子１が４個設けられていても、必要な磁性体ワイヤ１１の合計長さは８ｍｍ（２ｍｍ×４）でよいため、特に磁性体ワイヤ１１にかかるコストを抑えることができる。
【００７１】
なお、上記実施形態では、基板２の厚み方向の一面に設けられたセンサ素子１と、基板２の厚み方向の他面に設けられたセンサ素子１とが、基板２の厚み方向において重なる位置に配置された例を示したが、センサ素子１の配置はこの配置に限定されない。たとえば、センサ素子１は５個以上設けられていてもよいし、基板２の厚み方向の一面と他面とでセンサ素子１の個数が異なっていてもよい。また、素子群を構成する複数個のセンサ素子１は、全て基板２の厚み方向の片面に配置されていてもよい。
【００７２】
このような構成であっても、基板２の板面に沿う平面内での位置と向きとの少なくとも一方が異なる４個以上のセンサ素子１が設けられていれば、電流センサ１０は、センサ素子１と被検出電線４との位置関係によらず、被検出電線４を流れる電流Ｉを検出できる。すなわち、演算部３は、これら複数個のセンサ素子１の検出値と、既知である複数個のセンサ素子１の位置および向きとを用いて、被検出電線４を流れる電流Ｉの大きさを求めることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１，１０１〜１０４  センサ素子
２  基板
２１  挿通部
３  演算部
４  被検出電線
１０  電流センサ
１１  磁性体ワイヤ
１２  ピックアップコイル（出力部）
１３  給電部
Ｉ  電流
ｖ，ｖ１〜ｖ４  出力電圧（検出値）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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