JP2011047731A - 電力計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この電力計測装置は、交流が流れる一次導体に対し、平行となるように配置された強磁性薄膜と、前記一次導体に接続され、前記強磁性薄膜に抵抗体を介して素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、前記強磁性薄膜端両端の出力を検出する検出部とを具備した磁界センサ10と、前記検出部の出力から直流成分を抽出する直流成分抽出部50とを具備している。
【選択図】図2
Description
使用した電力を円盤の回転数に変換し、積算演算を行うという既存の積算電力計に、回転を検出するセンサを付加したり、電流計(CT)、電圧計(PT)を新たに付加し、電子回路やマイクロプロセッサによる乗算計算を行い、電力を計測するなどの方法が用いられている。しかし、このような電力計は、装置が大型化するだけでなく、高価なものとなり、また、余計なエネルギーを消費しかねないという状況である。
そこで消費電力をそのまま電気量として測定することができるとともに、小型化および集積化の可能な電力計の開発が望まれている。
ここで用いられる磁界センサは、外部磁界の変化を電気信号に変換する素子であり、強磁性薄膜や半導体薄膜等の磁界検出膜をパターニングし、その磁界検出膜のパターンに電流を流し電圧変化として外部磁界の変化を電気信号に変換するものである。
A1はブリッジ抵抗のアンバランスで生ずる電力と関係のない不要な項、A2は電力に比例する項(瞬時電力)である。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、力率を別途計測することなく、簡単に電力を計測することができる電力計測装置を提供することを目的とする。
上記構成によれば、磁性体内において、電流と磁化のなす角度によりその磁性体の電気抵抗値が変わる現象であるプレーナホール効果を利用し、バイアス磁界なしで線形特性を得ることができる点に着目し、電力に比例する信号成分を取り出すようにし直流成分抽出部によって、検出部の出力から直流成分を抽出するようにしているため、抽出した波形は電流×電圧×力率成分となっているため、電力であり、波形から掛け算をすることなく直接計測することができるため、容易でかつ高精度の電力検出が実現可能である。
上記構成によれば、磁界センサが実装用の基板上に構成されるため、磁界センサと直流成分抽出部で囲む面が一次導体電流によって生ずる磁束を横切らないため、鎖交磁束による不要な誘導起電力の影響を減らすことができる。また、直流成分抽出部を含む処理回路と磁界センサとを基板上で同一面に形成できるため、電力計測装置を薄型に構成することができる。
上記構成によれば、基板上に磁性薄膜を形成しているため、磁界センサと処理回路が基板で一体化でき更なる薄型化・小型化が可能となる。
上記構成によれば、通常の回路基板の構成に加えて、磁性体薄膜のパターンを形成するだけでよいため、極めて容易に形成可能である。
上記構成によれば、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成されているため、Vmr出力の最大値を大きく取ることができ、システムとしてのS/N比が向上する。
上記構成によれば、自発磁化をもたせることにより、磁性薄膜に、プレーナホール効果すなわち磁気抵抗効果(磁界により抵抗値が変化する現象)が生ずる。従って自発磁化の方向を素子電流I2の方向に平行としておくことにより、一次導体による磁界方向正の最大値と、負の最小値で出力(絶対値)が等しくなりダイナミックレンジを最大にすることができる。一方、平行でなければ正負いずれかが出力され、出力(絶対値)が小さくなり、センサのダイナミックレンジが狭くなる。
上記構成によれば、θ=π/4の磁界印加のときにVmrは最大値をとるため、出力取り出し点において対称である構成のときに最も効率よく信号を取り出すことができる。
上記構成によれば、Vmrは、直流成分+商用周波数の公倍数であるから、商用周波数の周期期間中積算すれば交流分はプラスマイナスが相殺されて直流分だけを取り出すことができる。直流成分を周期単位で得ることができ高速演算に適うので、過渡応答性に優れる。また、周期で積算することで、1次の不要な項を落とすことができ、電力の高調波成分まで取り出すことができる。
上記構成によれば、系統周波数は常時変動しているので周期を正しく測るには系統電圧を用いるのが最も精度が良く、素子電流I2のために電圧信号を基板に取り込んでいる箇所を分岐することで、新規に外部電圧信号線を施すことなく電圧信号から周期を検出することが可能となる。
上記構成によれば、コンデンサでVmr信号を平滑化することで、周期未満の短期間で直流成分を取り出すことができるので高速で電力値を得ることができ、直流成分を簡単な回路構成で検出することが可能となる。
この構成によれば、力率を別途計測する必要がなく、簡単に計測することができ、かつ積算による場合に比べ、誤差も低減される。
上記構成によれば、磁性薄膜の出力取り出し方向を素子電流方向に対し直交する方向とするとともに、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成することで、方向の正負を判定することができ、かつ磁界を印加しないときのオフセットがなくなるため回路構成を簡単にすることができる。
この構成によれば、対称形であり、磁気抵抗が対称となるように形成しやすく、信頼性の高い磁界センサを提供することが可能となる。
この構成によれば、磁性薄膜の幅が小さくなるため、電気抵抗が増大し、素子の外形を大きくすることなく抵抗値を大きくすることができ、出力を大きくすることが可能となる。
この構成によれば、説明は後述するが、センサの出力Vmrは角度90度の時に最大となる。
丸形環状においても略同式にて表現できるが、円形状の場合、電流密度ベクトルの方向がAからC、AからDの間で変化し、出力最大となるφ=45度以外の成分も存在するためひし形に比べて出力が小さくなる。
この構成によれば、磁界を印加しないときの電圧が等しくなり、電圧出力がゼロとなるため、後段の回路において増幅をした時にオフセットによる飽和を抑制することができ、回路構成が簡単となり、かつ高精度の磁界検出が可能となる。
この構成により、磁性体の間に空間が形成されるため、外部磁界に対する感度が低下する。そこで電気抵抗を高めたままで、磁気的な感度のみを向上すべく、電気的に独立して内部磁性体膜を設けたことで、より高感度化を図ることができる。
この構成によれば、製造が容易でパターンの変更のみで高感度で信頼性の高い磁界センサを提供することができる。
この構成によれば、感度を調整することができ、また、多数の磁界センサを並べて配列する場合、感度をそろえるために、内部磁性薄膜の材料を調整することによっても感度の調整を図ることが可能となる。
この構成によれば、磁性薄膜の出力取り出し方向を素子電流方向に対し直交する方向とするとともに、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成することで、方向の正負を判定することができ、かつ磁界を印加しないときのオフセットがなくなるため回路構成を簡単にすることができる。
本発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明の測定原理について説明する。
ここで用いられる磁界センサは、外部磁界の変化を電気信号に変換する素子であり、磁界検出膜としての強磁性薄膜5をパターニングし、その磁界検出膜のパターンに電流を流し電圧変化として外部磁界の変化を電気信号に変換するものである。
ここで図2に示すように、強磁性薄膜はR1,R2,R3,R4からなる抵抗ブリッジとみなすことができる。
すなわち、抵抗ブリッジが零磁界でVmr=0の場合(R1=R2=R3=R4)、印加磁界により現れる出力Vmrは抵抗変化率に比例する。
抵抗変化率ΔR1/R1はI1に比例し、強磁性薄膜にかかる電圧VbはI2に比例するよう設計可能であるため、Vmr出力はI1とI2の積に比例する。すなわち電力に比例する信号成分である。I1とI2を瞬時式に展開すると、Vmrは、(DC項)+(2ω項)である。
本発明では、磁性薄膜として用いる強磁性薄膜に対し、素子電流方向に対し直交する方向に出力取り出しを行うようにするとともに、出力取り出し方向に対してほぼ対称となるようにしている。
点C−D間の電圧VCDは、電圧VACと電圧VADとの差で表すことができる。
これを数式化すると、
VCD=I2(ΔRsin2θ) (4)
で表すことができる。ここでIは電流密度ベクトル、BM0は磁束密度ベクトル、I2は素子電流である。
つまり交流磁界を印加した時、正負を判定することができる。
この構成によれば、強磁性薄膜(端部間)の電圧を検出する検出部(C,D)との間に電流I1を流し、その電流によって生じる磁界をH、素子の持つ自発磁化をMとしたとき、磁界H、素子の持つ自発磁化Mを合成した磁束密度ベクトルをBM0とするとともに電流密度ベクトルと磁束密度ベクトルのなす角をθと、強磁性薄膜3の点A−B間の抵抗をR、磁界によって変化する点A−B間の抵抗値の最大値をΔRとすると、点C−D間の電圧VCDは、電圧VACと電圧VADとの差で表すことができる。
本実施の形態1の電力計測装置について説明する。図4にこの電力計測装置の説明図、図5に断面図、図6にこの電力計測装置の出力を示す。この電力計測装置は、交流が流れる一次導体に対し、平行となるように配置された強磁性薄膜と、前記一次導体に接続され、前記強磁性薄膜に抵抗体を介して素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、前記強磁性薄膜両端の出力を検出する検出部とを具備した磁界センサ10と、前記検出部の出力から直流成分を抽出する直流成分抽出部50とを具備したことを特徴とする。
また、この電力計測装置は、プリント配線基板からなる回路基板1上に配線パターン2を介して実装された磁界センサ10と、このプリント配線基板上の回路パターン2に半田接続されたチップ部品からなるアンプ20と、A/D変換器30と、CPU40とが接続されて構成されている。
また薄型化および小型化が可能となる。
本実施の形態の電力計測装置によれば、強磁性体内において、電流と磁化のなす角度によりその磁性体の電気抵抗値が変わる現象であるプレーナホール効果を利用し、バイアス磁界なしで線形特性を得ることができる点に着目し、電力に比例する信号成分を取り出すようにし直流成分抽出部によって、検出部の出力から直流成分を抽出するようにしているため、抽出した波形は電流×電圧×力率成分となっているため、電力であり、波形から掛け算をすることなく直接計測することができるため、容易でかつ高精度の電力検出が実現可能である。
従って上記構成によれば、高精度の電力計測が可能となる。
このように、自発磁化をもたせることにより、強磁性薄膜に、プレーナホール効果すなわち磁気抵抗効果(磁界により抵抗値が変化する現象)が生ずる。ここで電流I2ベクトルと、自発磁化の方向すなわち一次導体による磁界Hと、合成された磁束密度ベクトルBMOとの関係を図7に示す。この図から、従って自発磁化の方向を図7(a)および(b)に示すように素子電流I2の方向に平行としておくことにより、一次導体による磁界方向で正の最大値と、負の最小値で出力(絶対値)が等しくなりダイナミックレンジを最大にすることができる。図7(a)および(b)の下段は上断の合成磁化の生成を示す説明図である。一方、図7(c)乃至(d)に示すように平行でなければ正の最大値と、負の最小値(絶対値)のいずれかが小さくなるため、センサのダイナミックレンジが狭くなる。図8は素子出力と一次導体による磁界強度において、ダイナミックレンジを図中太線で示したものである。ダイナミックレンジは素子出力の正側と負側のいずれか小さい方で規定されるために、素子電流ベクトルI2と自発磁化が平行になるようにした場合に正側と負側が等しくなるので全体のダイナミックレンジが最も有効に取り得るものとなる。
ここで図10(a)は磁界Hがゼロの時、図10(b)は磁界Hがπ/4の角度をなすときであるときを示す。
この構成によれば、θ=π/4の磁界印加のときにVmrは最大値をとるため、出力取り出し点において対称である構成のときに最も効率よく信号を取り出すことができる。
上記構成によれば、Vmrは、直流成分+商用周波数の公倍数であるから、図11にこの電力計測装置の電力を出力としてとりだしたときの出力値の1周期分を示すように、商用周波数の周期期間中積算すれば交流分はプラスマイナスが相殺されて直流分だけを取り出すことができる。直流成分を周期単位で得ることができ高速演算に適うので、過渡応答性に優れる。また、周期で積算することで、1次の不要な項を落とすことができ、電力の高調波成分まで取り出すことができる。
次に本発明の実施の形態2について説明する。
本実施の形態では、図12に示すように、磁界センサ10の検出部にゼロクロス検出部60および周期判定部70を接続し、このゼロクロス検出部の出力に基づいて周期判定部70で出力の周期を検出するようにしたことを特徴とするものである。ここではゼロクロス点検出部60の出力に応じて、周期判定部70で周期が判定され、この周期によって前記直流成分抽出部50の駆動タイミングが決定される。他の構成については前記実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
この構成によれば、系統周波数は常時変動しているので周期を正しく測るには系統電圧を用いるのが最も精度が良く、素子電流I2のために電圧信号を基板に取り込んでいる箇所を分岐することで、新規に外部電圧信号線を施すことなく電圧信号から周期を検出することが可能となる。
次に本発明の実施の形態3について説明する。
本実施の形態では、図13に示すように、電力計測装置において、磁界センサの検出部にコンデンサ80を並列接続したものである。他の構成については前記実施の形態1と同様であるため、ここでは説明を省略する。
この構成によれば、コンデンサでVmr信号を平滑化することで、周期未満の短期間で直流成分を取り出すことができるので高速で電力値を得ることができ、直流成分を簡単な回路構成で検出することが可能となる。
次に本発明の実施の形態4について説明する。
前記実施の形態1では磁界センサはチップ部品で構成し、回路基板を構成するプリント配線板に搭載するようにしたが、回路基板を構成するプリント配線板1上の直接強磁性薄膜3のパターンを形成し、給電部および検出部を構成する導体パターンを配線パターンと同一工程で形成し、集積化したものである。そして増幅器やA/D変換器、CPUはチップ部品で構成する。あるいはシリコン基板上に処理回路を集積化するとともに、絶縁膜を介して磁界センサを形成し、モノリシック素子とすることも可能である。
この構成によれば、より薄型化小型化が可能となる。
以下、本実施の形態1乃至4で説明した電力計測装置に用いられる磁界センサについて説明する。図14にこの磁界センサの原理説明図、図15に上面図、図16に断面図を示す。この磁界センサは図15及び16に示すように、シリコンからなる基板1表面に絶縁膜2として酸化シリコン膜を形成し、この絶縁膜2上に強磁性特性を有する強磁性薄膜3からなる環状パターンを形成し、この環状パターンの直径方向に沿って給電部5A,5Bを構成する導体パターン、および、この給電部5A,5Bから供給される素子電流の方向に直交する方向に形成された検出部5C,5Dとしての導体パターンとを具備したものである。
点C−D間の電圧VCDは、電圧VACと電圧VADとの差で表すことができる。
従って前記式(2)が成り立ち、交流磁界を印加した時、正負を判定することができる。
また、磁界を印加しないときのオフセットがなく、ゼロとなるため回路構成を簡単にすることができる。
また導体パターンとしては金、銅、アルミニウムなどが用いられる。
基板1としてのシリコン基板表面に、絶縁膜2としての酸化シリコン膜を形成し、この上層に、スパッタリング法により、強磁性薄膜3を形成する。このとき、磁界を印加しつつスパッタリングを行い、自発磁化方向が揃うように形成する。
そして、フォトリソグラフィによりこの強磁性薄膜3をパターニングし、円環状のパターンとする。
こののち、スパッタリング法により、金などの導電体薄膜を形成し、フォトリソグラフィによりパターニングし、図15及び図16に示すような給電部5A、5Bおよび検出部5C、5Dを形成する。
そして必要に応じて保護膜を形成し、磁界センサが完成する。
この測定結果を、図18および図19に示す。図18は素子電流I1を8.842Aとしたときの瞬時出力であり、図19は素子電流I1を0Aとしたときの瞬時出力である。
次に、本発明の実施の形態6について説明する。本実施の形態では、図21乃至図23に示すように、前記実施の形態5の磁界センサの環状パターンを構成する強磁性薄膜3の環の内周に沿って相似形である円状の強磁性薄膜の補助パターン4を形成したことを特徴とするものである。構成としてはこの補助パターン4が付加されただけで、他の構成については前記実施の形態1と同様であり、ここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。ここで図21はこの磁界センサの原理説明図、図22に上面図、図23に断面図を示す。この磁界センサは基本的には前記実施の形態5と同様であるが、この補助パターン4の存在により、電気抵抗は高めたままで磁気的な感度を高めるようにしたものである。外側の環状パターン(3)と内部の補助パターン4とは電気的に接触していないため、電気抵抗は前記実施の形態1の磁界センサと同様であるが、磁気的には空間部が磁性薄膜で埋められるため、より多くの磁束を導くことができ、高感度化を図ることができる。
次に、本発明の実施の形態7について説明する。本実施の形態では、図26および27に示すように、強磁性薄膜は、正方形の環状パターン33で構成され、前記正方形の対角線方向に電流が流れるように給電部5A,5Bが設けられ、これらに直交する方向に検出部5C,5Dが形成されたことを特徴とする。
本実施の形態でも、前記実施の形態5の磁界センサの環状パターン3に代えて正方形の環状パターン33を形成しただけで、他の構成については前記実施の形態5と同様であり、ここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。ここで図26はこの磁界センサの原理説明図、図27に上面図を示す。
外部磁界が交流磁界の場合は、自発磁化ベクトルを中心に図の上下方向に振動する。
ただし、電流密度ベクトルと磁束密度ベクトルのなす角をθ1、θ2、
ACとADのなす角をφ、
外部磁界がない時のAC間の電圧をVAC0、AD間の電圧をVAD0、
磁気抵抗効果による電圧変化の最大値をΔVrとする。
丸形環状においても略同式にて表現できるが、円形状の場合、電流密度ベクトルの方向がAからC、AからDの間で変化し、出力最大となるφ=45度 以外の成分も存在するため正方形に比べて出力が小さくなる。
また前記実施の形態では強磁性薄膜を用いた磁界センサを用いたが、これに限定されることなく他の磁界センサを用いてもよい。
2 絶縁膜
3、33 強磁性薄膜((環状)パターン)
4、24 補助パターン
5A,5B 給電部
5C,5D 検出部
100 強磁性薄膜
200 導体
Claims (11)
- 交流が流れる一次導体に対し、平行となるように配置された磁性薄膜と、
前記一次導体に接続され、前記磁性薄膜に抵抗体を介して素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、
前記磁性薄膜両端の出力を検出する検出部とを具備した磁界センサと、
前記検出部の出力から直流成分を抽出する直流成分抽出部とを具備した電力計測装置。 - 請求項1に記載の電力計測装置であって、
前記磁界センサは、前記直流成分抽出部と同一基板上に形成された電力計測装置。 - 請求項2に記載の電力計測装置であって、
前記磁界センサの前記磁性薄膜は、前記基板上に成膜され、前記検出部が前記基板上の配線パターンと直接接続された電力計測装置。 - 請求項2に記載の電力計測装置であって、
前記磁界センサは、
前記基板上に成膜された磁性薄膜と、
前記磁性薄膜に素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、
前記磁性薄膜両端の出力を検出する検出電極部とを具備し、
前記配線パターンが前記給電部と前記検出電極部と同一の導体層で構成された電力計測装置。 - 請求項4に記載の電力計測装置であって、
前記磁性薄膜は、前記素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成された電力計測装置。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の電力計測装置であって、
前記磁性薄膜は、磁化方向が前記素子電流の方向と一致するように形成された電力計測装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の電力計測装置であって、
前記検出部は、前記素子電流の方向に直交する方向に形成された電力計測装置。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の電力計測装置であって、
前記直流成分抽出部は、出力値を商用周波数fのf分の1の周期毎に積算する積算部を具備した電力計測装置。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の電力計測装置であって、
前記素子電流の一次電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部を具備し、
前記ゼロクロス点検出部の出力に応じて、前記直流成分抽出部の駆動タイミングが決定される電力計測装置。 - 請求項9に記載の電力計測装置であって、
前記検出部に並列接続されたコンデンサを具備した電力計測装置。 - 請求項1乃至10のいずれかに記載の電力計測装置を用い、
磁性薄膜のパターンに対し、
素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように、素子電流を供給する工程と、
前記素子電流の供給によって生起された出力の直流成分を取り出し、電力情報とする電力測定方法。
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