(57)【要約】【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、電源としての電池を不要とするか、または消費電流を低減し電池寿命を延ばす。【解決手段】リング状の磁路１４１，１４２の一部を切り欠いた部分にＭＩ素子１１を配置し、このリング状磁路の内部に被測定対象の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の電源として、磁気シールド１９に簡単なカレントトランス１０を設けた構成とするだけで、電源として利用できるようにする。これにより、電池を使用しなくても済むようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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電流センサ。
【請求項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電流センサ。
【請求項３】
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を特徴とする請求項２または３に記載の電流センサ。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項６】
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たことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項７】
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６に記載の電流センサ。
【請求項８】
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７に記載の電流センサ。
【請求項９】
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１〜８のいずれかに記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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）。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２３２２５９号公報（第２−３頁、図１−図２）
【特許文献２】特開平１０−１８５９６２号公報（第４頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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）。
【００１３】
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）。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明によるセンサを示す構成図
【図２】図１のセンサ回路を示すブロック図
【図３】この発明によるセンサの別の例を示す構成図
【図４】図３に対応するセンサ回路を示すブロック図
【図５】提案方式のセンサを示す概要図
【図６】図５で用いられる電流センサの内部構成を示す構成図
【図７】図６の電流センサのブロック図
【符号の説明】
【００２１】
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。
【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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【図７】
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