小型・低消費電力を実現するグリーンＭＥＭＳセンサの開発

多芯電線上で電流計測を可能にする
貼付型電流センサの開発

横河電機（株）三戸 慎也

ＮＭＥMＳ技術研究機構

発表内容

１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．開発内容と取り組み
４．電流計測技術の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的＜背景＞
工場やオフィスビル、商業施設等の省エネ化を目的として、非接触型の電流センサにより電流使用量の可視化し、機器の電力使用量と使用状況を把握する活動が行われている。
電流センサとして、従来はＣＴ型が用いられているが、以下の課題がある。
ＣＴ型電流センサ

ＣＴ型電流センサの課題⇒ 端末の設置に制限がある① 単芯電線上でしか、電流計測ができない② 電線をコア（パーマロイ、等）で囲む必要がある③ コア部が大きくて重い
ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的＜目的＞
本開発テーマでは、高感度磁気センサにより、以下の３つを特徴とする電流センサを開発することを目的としている。
（１）多芯電線上で測定できる（２）電線に貼り付けるだけで測定できる（３）小型・軽量である（１） ⇒ 分電盤外の多芯電線上でも設置できる（２、３） ⇒ 電線が束ねられた場所
でも容易に設置できる

電力ケーブル（分電盤外なので多芯電線）

束ねられた
電力ケーブルＮＭＥMＳ技術研究機構

２．開発テーマ概要・目標
Ｈ２３年度：磁気計測方式の決定

Ｈ２４年度：小型磁気センサの試作

ＭＲ＆ＭＩ方式を評価⇒ＭＲ方式に決定

磁気センサ（1.5×0.6mm）

磁気センサ評価用
ヘルムホルツコイル

Ｈ２５年度：電流計測技術の開発＜多芯電線用の電流計測技術＞

Ｈ２６年度：無線式端末の試作と動作実証
30

多芯電線

＜単芯電線用の電流計測技術＞

消費電流 [A]

2520
15105

単芯電線

01/26 0:00

1/31 0:00
日時

ＮＭＥMＳ技術研究機構

３．開発内容と取り組み
超小型で軽量な電流計測技術開発①多芯電線用＆貼り付け型
電流センサ端末

＜技術的課題＞⇒貼付型形状にする上、電線径の違いにより生じる誤差②単芯電線用＆貼り付け型
電流センサ端末＜解決法＞
センサレイアウトと回路構成技術、電流計測アルゴリズムにより、上記課題を解決した。

③単芯電線用＆高精度
電流センサ端末

＜技術的課題＞⇒高精度化する上で、センサと電線の位置ずれによって生じる誤差＜解決法＞
センサレイアウトと回路構成技術により、上記課題を解決した。
ＮＭＥMＳ技術研究機構

４．多芯電線用電流センサの開発
電線に対して平行に配置した磁気センサと、電線の情報をもとに伝達関数を決定する計測アルゴリズムにより、多芯電線上で電流計測が可能な貼付型センサを実現した。
＜要素技術の構成部の概略図＞
磁気センサ素子

磁気センサ×４＜電流センサの試作機＞
電流センサ基板
磁気センサ×４

局所的な磁界バイアス
印加用磁石
多芯電線

無線式端末
センサ出力

伝達関数

太陽電池

電流値

搭載
電線情報

電流センサ基板・ＲＦ

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４．多芯電線用電流センサの開発
本電流センサを搭載した無線式電流センサ端末を試作し、実環境下での機能検証を行った。
実証場所レイアウト

ポンプ①エッチング
装置成膜装置

ポンプ③ポンプ②

照度：322Lux

受信機

電力供給用
多芯電線

照度：363Lux

電流センサ端末 照度：417Lux

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４．多芯電線用電流センサの開発
実環境下での検証の結果、多芯電線上で電流計測ができることと、太陽電池で駆動するメンテナンスフリーな端末であることを確認した。
電流モニタリング結果
30

ポンプ①3025

ポンプ②3025252020

ポンプ③15105２min/Sp

0日時

消費電流 [A]消費電流 [A]消費電流 [A]

照明：点灯・消灯
20151015105500日時

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日時４．単芯電線用電流センサの開発（貼付型）
電線の中心からの距離が異なる２つの磁気センサと電流計測アルゴリズムにより、貼り付けるだけで電流計測ができるセンサを実現した。
＜要素技術の構成部の概略図＞＜電流センサの試作機＞

Gap

磁気センサＡ

単芯電線

センサ出力Ａ、Ｂ伝達関数を自動的に決定磁気センサＢ

伝達関数

電流値

ギャップつき磁気センサ

センサ出力Ａ、Ｂ ＆ ビオ・サバールの法則

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４．単芯電線用電流センサの開発（貼付型）
直径5.0mm～11.5mmの各電線での測定において、電線径の違いによる測定誤差を5％以下に低減できることを確認した。
無線式電流センサ端末

各電線における電流計測の評価結果
70太陽電池

電流センサ・ＲＦ
単芯電線

電流測定値 [A]605040302010001020 30 40 50
電流設定値 [A]D5.0mmＮＭＥMＳ技術研究機構

D7.6mm

60D11.5mm70４．単芯電線用電流センサの開発（高精度版）
４つの磁気センサで構成したセンサ部とブリッジ回路構成により、小型・軽量・高精度な電流センサを実現した。
＜要素技術の構成部の概略図＞＜電流センサの試作機＞

磁気センサ（ＭＲＥ）×４

単芯電線
Vin
MRE1

MRE2

MRE4MRE3Vout

磁気センサ×４

バイアス磁界の方向

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４．単芯電線用電流センサの開発（高精度版）
電線とセンサとの相対的な位置ずれ（2mm以下）による誤差を１％以下を達成した。
位置ずれによる誤差の評価結果

無線式電流センサ端末

20%

太陽電池・ＲＦ

θ=0°（開発品）
θ=45°（開発品）
θ=0°（単一MRE）
θ=45°（単一MRE）

測定誤差 [%]

15%
電流センサ

評価用の座標系
MRE15%

21.2 mm
MRE2

電線MRE3

最大で１/19に低減

0%(r, θ)

MRE410%00.5
11.5
位置ずれ距離 ｒ [mm]2

※単一MREの結果は、MRE1のみで測定した場合の誤差の理論値である。

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４．ベンチマーク（単芯用電流センサ）
ＣＴ型と比較して小型・軽量であり、貼り付けるだけでも電流計測ができる。
特に、測定電流が大きいほど、小型・軽量化の効果は大きい。
＜ベンチマーク＞
単芯用電流センサ（貼付型）

単芯用電流センサ（高精度版）

ＣＴ型
電流センサ取付方法

貼付クランプクランプ

サイズ[cm]（定格100A）

2×5×2

3×3×1

3×5×3

サイズ[cm]（定格600A）

2×5×2

5×5×1

6×10×4重量（定格100A）

15 g

15 g

75 g

重量（定格600A）

15g

50 g

430 g

消費電力

100 μW

51 μW

0W

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４．ベンチマーク（多芯用電流センサ）
多芯電線上で計測できる電流センサは、本開発品以外にない。

多芯電線用
貼付型電流センサ
適用電線

多芯取付方法貼付

サイズ[cm]（定格100A）

2×5×2

サイズ[cm]（定格600A）

2×5×2

重量（定格100A）

15 g

重量（定格600A）

15g

消費電力

100 μWＮＭＥMＳ技術研究機構

５．ネットワーク・応用分野（省エネ用途）
工場における生産工程の見直し等の省エネ活動に応用されることを想定している。
本電流センサにより、省エネ活動に必要な機器ごとの消費電流のデータを取得する。
＜分電盤と装置の関係図＞
機器
機器1

分電盤

機器2・・・

機器N

機器ごとの消費電流の測定

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５．ネットワーク・応用分野（省エネ以外の用途）
主要機器がコントロールする複数の周辺機器について、それぞれの消費電流を切り分けてモニタリングすることで、周辺機器の不具合・不良の検知ができる。
＜電力ラインと機器の構成の概略図＞

分電盤

主要機器

周辺機器

機器1

機器1-1～1-n

機器2

機器2-1～2-n・・・・・・

機器N

機器N-1～N-n＜具体例＞
主要機器（成膜装置）
周辺機器（ポンプ）

このラインの電流をモニタリング⇒周辺機器の不具合・不良を検知する。

開発品により測定が可能となったライン

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６．まとめ・本研究で考案した磁気センサのレイアウトと計測アルゴリズム
により、単芯電線と多芯電線のそれぞれに対応した電流センサの開発に成功した。
・本研究で考案した新規計測アルゴリズムと回路構成の最適化
により低消費電力化を図り、自立電源で駆動するメンテナンスフリー端末を実現した。
・無線式センサ端末により、実環境下において、電流使用量を可視化できることを確認した。

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