KR101831800B1 - 전력계측장치 - Google Patents

Abstract

　본 발명은 고주파회로나 전지에서의 전력을 간단하고도 작은 구성으로 측정할 수 있는 여러 가지 박막 센서형의 전력계측장치를 제공한다. 본 전력계측장치는 부하전류가 흐르는 일차 도체에 대해서 평행이 되도록 배치된 자성 막과, 상기 자성 막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 상기 자성 막의 자화방향으로 평행 또는 수직 혹은 경사의 직류 자계를 인가시키는 바이어스 자계 인가부와, 상기 소자 전류의 방향에서의 상기 자성 막의 단부 간의 전압을 검출하는 검출부를 구비한다. 이 전력계측장치에서는 소자 전류의 방향에서의 상기 자성 막의 단부 간의 직류전압 성분만이 검출된다.

Description

전력계측장치{POWER MEASURING APPARATUS}

본 발명은 고주파회로나 전지에서의 전력을 간단하고도 작은 구성으로 측정할 수 있는 다양한 박막 센서형의 전력계측장치에 관한 것이다.

최근, 인터넷 등을 이용하는 환경이 구비된 가운데, 전력의 원격검침을 포함하는 계측시스템의 개발이 진행되고 있다. 종래부터 전력의 계측에 있어서는 사용한 전력을 원반의 회전수로 변환하여 적산 연산을 하는 적산 전력량계가 사용되고 있다. 최근에는 이 적산 전력량계에 회전을 검출하는 센서나 전류계(CT), 전압계(PT)를 새로이 부가하여, 전자회로나 마이크로 프로세서에 의한 곱셈 계산을 하여 전력을 계측하고 있다. 적산 전력량계의 경우 장치 구성이 복잡하고, 장치가 대형화할 뿐만 아니라 고가이며, 전력이 기계적으로 출력되기 때문에 디지털 관리할 수 없다. 또, 이들과 맞물려 여분의 에너지를 소비할 수도 있다.

그래서, 소비전력을 그대로 전기량으로서 측정할 수 있는 동시에 소형화 및 집적화가 가능한 전력계의 개발이 요망되고 있다.

또, 최근, 업무용 전기장치뿐만 아니라 가전에까지 고주파회로를 갖는 디바이스가 증대하고 있고, 고조파 전류의 발생에 의거한 여러 가지 폐해가 발생하고 있다. 예를 들어 고조파 전류의 누설을 차단하는 규제가 느슨한 지역에서는 누설 한 고조파 전류의 영향에 의한 주변 가전의 화재 등이 발생하고 있다. 따라서 고조파 전류의 발생을 간단하게 측정할 수 있는 센서, 전력측정장치의 사회적 요구도 높아지고 있다.

적산 전력량계의 대체수단으로는 예를 들어 자성 박막의 자기저항효과를 이용하여 소비전력을 전기량 그대로 측정할 수 있는 전력계측장치 및 자계 센서가 제안되어 있다(비 특허문헌 1, 2). 이것은 교류가 흐르는 일차 도체에 대해서 평행으로 배치된(기판상에 구성된) 자성 박막을 이용하여, 이 자성 박막의 양단에 저항을 개재하여 1차 전압이 인가되며, 자성 박막의 양단으로부터 출력을 인출하도록 한 전력계측장치 및 자계 센서이다. 이 전력계측장치 등에서는 2배 주파수 성분의 진폭 값으로부터 전력 IV를 인출하는 방식을 취하는 것이다.

이 전력계측장치 등에서는 자성 박막으로 이루어지는 강자성체 내에 있어서 전류와 자화가 이루는 각도에 의해 그 자성체의 전기저항값이 바뀌는 현상인 플레이너 홀 효과(Planar　Hall　effect(PHE))를 이용하여 바이어스 자계 없이 선형특성을 얻을 수 있다는 점에 주목하여, 전력에 비례하는 신호성분을 인출하도록 하고 있다(이 전력계측장치를 「플레이너 홀형 전력계측장치」또는 「PHE형 전력계측장치」라고 한다).

또, 여기서 이용되는 자계 센서는 외부 자계의 변화를 전기신호로 변환하는 소자이며, 강자성 박막이나 반도체 박막 등의 자성 박막을 패터닝 하여, 그 자성 박막의 패턴에 전류를 흘려서 전압 변화로 하여 외부 자계의 변화를 전기신호로 변환하는 것이다.

그러나 PHE형 전력계측장치에서는 자성 박막으로부터 검출하는 전압 출력을 일차 도체의 부하전류에 직교하는 방향으로 취해야 한다 . 즉, 자성 박막의 폭 방향의 양단에서 전압을 출력시켜야 한다. 따라서 PHE형 전력계측장치에서는 자성 박막이 어느 정도로 폭이 클 필요가 있으며, 폭이 좁은 형상(여기에서는 예를 들어 직선 형상·직사각형 형상의 길이방향으로 가는 형상을 의미한다)의 자성 박막을 사용할 수 없다. 또, PHE형 전력계측장치에서는 자성 박막을 브리지 회로 구성으로 구성해야 한다는 형상적인 제한도 존재한다. 이들은 PHE형 전력계측장치에서는 고주파회로에서 이용되는 마이크로 스트립선로나 코플레이너 선로(coplanar line) 등의 특수한 선로 상에 설치하기가 곤란하다는 것을 의미한다.

이 밖에 고주파용의 전력측정장치로는 볼로미터(bolometer) 계측기나 정밀 계측기도 존재하나, 이들은 복잡하고 대형인 구성이고, 동시에 매우 고가의 것이며, 각 디바이스나 각 시설별 전력 측정·검출에 견딜 수 있는 것은 아니다.

특허문헌 1 : 일본국 특개 평11-274598호 공보

비 특허문헌 1 : 자성 막을 이용한 박막 전력계(전기학회 마그네틱스 연구회 자료 VOL. MAG-05　No. 182) 비 특허문헌 2 : 자성 막을 이용한 박막 전력계(전기 학회 마그네틱스 연구회 자료 VOL. MAG-05　No. 192)

본 발명은 상기의 문제를 감안하여 창작된 것으로, 간단하고 값싼 구성으로 고주파회로를 포함하는 각종 회로나 전지 등의 전력 측정에 적합한 전력계측장치의 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1 발명의 전력계측장치는, 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 자성 막을 포함하는 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타단에 접속되는 계측저항과, 상기 센서 단자의 각각을 계측단자로 하여 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

이에 의해 종래의 적산 전력량계에 비해 소형이면서 값싼 전력계를 제공할 수 있다. 또, 이 전력계측장치에서는 자성 막의 길이방향의 전압을 출력하기 위해 자성 막을 좁으면서 길게 하는 쪽이 좋으며, 고주파회로에 다수 이용되는 마이크로 스트립선로 등의 선로 상에 설치하여 전력 측정을 하는 경우에도 적합하다. 이 점에서 자성 막의 폭 방향의 전압을 출력하며, 자성 막의 폭을 좁게 할 수 없는 PHE형 전력계측장치에 비해 큰 이점이 있다.

제 2 발명의 전력계측장치는, 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 직선 형태로 형성된 제 1 자성 막과 제 2 자성 막이 직렬로 접속되고, 상기 제 1 자성 막과 상기 제 2 자성 막의 접속점이 접지된 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과, 상기 센서 단자의 각각을 계측단자로 하여, 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전력계측장치에서는 자성 막에 인가하는 자계에 의해 오프셋이 발생한 경우에 있어서도 그것을 캔슬하여, 측정되는 자계의 변화분만을 검출할 수 있다.

제 3 발명의 전력계측장치는, 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 직선 형태로 형성되며, 동작점이 각각 다른 제 1 자성 막과 제 2 자성 막이 직렬로 접속되고, 상기 제 1 자성 막과 상기 제 2 자성 막의 접속점이 접지된 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과, 상기 센서 단자의 일단 및 타단을 저항을 개재하여 연결한 점과 상기 접지점을 각각 계측단자로 하여 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

제 3 발명의 전력계측장치는 동작점이 다른 센서소자를 조합시켜서 사용하므로 사용 시에 바이어스 자계가 불필요하게 된다.

제 4 발명의 전력계측장치는, 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 자성 막을 포함하는 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과, 상기 센서소자 및 전기 계측저항과 병렬로, 상기 센서소자와 동등의 저항값을 갖는 등가 센서저항과 상기 계측저항과 동일한 저항값을 갖는 등가 계측저항의 직렬 접속이 접속되며, 상기 센서소자와 상기 계측저항의 접속점과 상기 가변저항과 상기 등가 저항의 접속점을 계측단자로 하여 상기 각각의 계측단자 간의 전위를 검출하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

제 4 발명의 전력계측장치에서는 센서소자를 브리지 회로의 하나의 저항요소로서 이용하므로 교류 성분을 캔슬할 수 있고, 교류 성분에 실린 근소한 직류성분을 정밀도 높게 검출할 수 있다.

제 5 발명의 전력계측장치는, 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 직선 형태의 형성된 제 1 자성 막과 제 2 자성 막이 직렬로 접속되고, 상기 제 1 자성 막과 상기 제 2 자성 막의 접속점이 접지된 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과, 상기 센서소자가 상기 연결단의 일방에 접속된 상기 센서 단자와 상기 계측저항이 상기 연결단의 일방에 접속된 상기 타단에 상기 계측저항과 동일한 저항값을 갖는 등가 계측저항이 접속되며, 상기 센서 단자끼리를 계측단자로 하여 상기 각각의 계측단자 간의 전위를 검출하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

제 5 전력계측장치에 의하면 교류 성분을 캔슬할 수 있고, 교류 성분에 실린 근소한 직류성분을 정밀도 높게 검출할 수 있는데다가, 자성 막에 관한 오프셋을 캔슬할 수 있다.

제 6 발명의 전력계측장치는 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 직선 형태로 형성되어 동작점이 각각 다른 제 1 자성 막과 제 2 자성 막이 직렬로 접속되고, 상기 제 1 자성 막과 상기 제 2 자성 막의 접속점이 접지된 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과, 상기 센서소자가 상기 연결단의 일방에 접속된 상기 센서 단자와 상기 계측저항이 상기 연결단의 일방에 접속된 상기 타단에 상기 계측저항과 동일한 저항값을 갖는 등가 계측수저항이 접속되며, 상기 센서 단자끼리를 저항을 개재하여 연결한 점과 접지된 상기 접지점을 계측단자로 하여 상기 각각의 계측단자 간의 전위를 검출하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

제 6 발명의 전력계측장치는 사용할 때에 동작점을 조정하기 위한 자계를 필요로 하지 않고, 또한, 교류 성분을 캔슬할 수 있어서, 교류 성분에 실린 근소한 직류성분을 정밀도 높게 검출할 수 있다.

제 7 발명의 전력계측장치는 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로, 상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과, 자성 막을 포함하는 자성막부와, 상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며, 상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고, 상기 자성막부의 길이방향이 상기 접속선의 전류가 흐르는 방향과 대략 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와, 일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과, 상기 자성막부의 상기 센서 단자와 직각방향의 단부의 각각을 계측단자로 하여 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

제 7 발명의 전력계측장치는 플레이너 홀 효과를 센서소자로서 이용할 수 있다.

도 1은 자기저항효과의 설명 모식도이다.
도 2는 자기저항효과에 있어서 바이어스 자계가 필요하다는 것을 나타내는 그래프 도면이다.
도 3은 본 자기저항효과형의 전력계측장치의 측정원리 개요이다.
도 4는 본 자기저항효과형의 전력계측장치에서의 자계 센서부의 대략 사시 단면도이다.
도 5는 도 4의 자계 센서에서의 절연부와 자성 막을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 자기저항효과형의 전력계측장치의 계측회로 예이다.
도 7은 도 6의 계측회로의 개량 예이다.
도 8은 도 7의 계측회로의 측정결과이다.
도 9는 도 8의 다른 측정결과이다.
도 10은 도 8의 다른 측정결과이다.
도 11은 본 전력계측장치로 n차 고조파 측정의 적정 실증을 위한 계측회로 예이다.
도 12는 도 11의 계측회로에서의 측정결과이다.
도 13의 (a)는 도 12의 계측결과를 정리한 그래프 도이며, (b)는 0W 소비시를 기준으로 하여 V2 출력변화량을 고쳐 쓴 것이다.
도 14의 (a)는 도 12의 계측결과를 정리한 그래프도이며, (b)는 (a)의 계측결과를 부하저항(RLoad)에서의 소비전력을 횡축으로 하여 고쳐 쓴 것이다.
도 15는 밴드패스필터로 소망의 n차 고주파를 추출하여 출력시키는 전력계측장치 구성이다.
도 16은 자기저항효과와 플레이너 홀 효과를 설명하는 모식도이다.
도 17은 교류 바이어스 자계를 인가하지 않는 경우의 출력 측정결과이다.
도 18은 다른 교류 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력 측정결과이다.
도 19는 다른 교류 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력 측정결과이다.
도 20은 구형파에 교류 바이어스 자계를 인가하지 않는 경우의 출력 측정결과이다.
도 21은 구형파에 교류 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력 측정결과이다.
도 22는 직류 바이어스 자계를 인가하지 않은 경우와 다른 크기의 직류 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력 측정결과이다.
도 23은 자기저항효과의 소자를 직렬 접속하여 직류 입력을 측정하는 접속 방법이다.
도 24는 도 22의 접속방법의 개량 예이며, 전지의 방전량과 충전량을 모니터링 가능한 구성이다.
도 25의 (a)는 도 5와 같은 대략 도면, (b)는 본 전력계측장치를 마이크로 스트립선로의 측정에 이용한 모식도, (c)는 본 전력계측장치를 코플레이너 선로의 측정에 이용한 모식도이다.
도 26은 바버 폴 형의 자기저항효과형의 전력계측장치에서의 자성 막을 나타내고 있다.
도 27은 자성 막의 상부에 설치하는 경사 도체 막과 전극을 나타내고 있다.
도 28은 길이방향의 전압(V1)과 자계(H)와의 관계를 나타내고 있다.
도 29는 차동형 바버 폴형의 자기저항효과형의 전력계측장치를 나타내고 있고, (a)는 위에서 본 사진, (b)는 이 전력계측장치를 마이크로 스트립선로의 측정에 이용한 모식도이다.
도 30은 통상의 자기저항효과에 의한 자성 막의 전기저항의 변화의 모습을 나타내고 있다.
도 31은 기울기가 다른 바버 폴 패턴에 의해 바버 폴 자성 막의 자기저항효과가 자성 막의 좌우에서 정부(正負)로 다른 바이어스 자계가 인가되어 있는 것과 같은 특성을 나타내고 있다.
도 32는 차동형 바버 폴 자기저항효과형의 전력계측장치의 증폭회로의 접속의 모습을 나타내고 있다.
도 33은 도 32의 구체적인 측정계통을 나타내고 있다.
도 34는 도 33의A-B단자 간의 출력특성을 나타내고 있다.
도 35는 도 33의 C-B단자 간의 출력특성을 나타내고 있다.
도 36은 도 33의 연산증폭기의 출력전압을 나타내고 있다.
도 37은 장축과 평행으로 바이어스 자계를 인가한 때의 측정계통의 모식도를 나타내고 있다.
도 38은 도 37의 측정계통의 출력특성을 나타내고 있다.
도 39는 도 37의 측정계통의 출력특성을 나타내고 있다.
도 40은 도 37의 측정계통의 출력특성을 나타내고 있다.
도 41은 도체 막에 부하전류(I1)를 흘린 때의 전력계로서의 특성의 측정계통을 나타내고 있다.
도 42는 바이어스 자계를 인가하지 않고 도체 막에 부하전류(I1)를 흘린 때의 출력특성을 나타내고 있다.
도 43은 소자 길이방향(자성 막의 길이방향)에의 자계 인가에 의한 출력변화를 나타낸다.
도 44는 바이어스 자계를 인가한 때의 측정계통을 나타내고 있다.
도 45는 바이어스 자계를 인가한 때의 본 자기저항효과형의 전력계측장치의 출력특성을 나타내고 있다.
도 46은 자화 용이 축을 길이방향에 대해서 경사지게 한 자성 막을 이용한 센서소자를 나타내는 도면이다.
도 47의 (a)는 근소한 직류성분의 이미지도, (b)는 그 직류성분을 로패스필터나 앰프로 증폭시키는 이미지도, (c)는 더미 저항(VR)과 자성박막(Rmr)의 출력전압을 차동 증폭함으로써 직류전압 성분만 추출하는 이미지 도를 나타내고 있다.
도 48은 도 47의 구체적인 계측회로를 나타내고 있다.
도 49의 (a) (b)는 각각 참조 측의 입력 교류(부하전류)를 실행치 4.0V, 100㎐로 한 계측결과를 나타내고 있다.
도 50은 도 49 (b)와 동일한 방법으로 고조파 전류의 검출을 한 결과의 그래프도이다.
도 51은 센터 탭 전극이 있는 경우에 센서소자를 브리지 회로에 구성하는 경우의 결선을 나타내는 도면이다.
도 52는 센터 탭 전극이 있고, 양측의 자성 막의 동작점이 다른 센서소자를 브리지 회로에 구성하는 경우의 결선을 나타내는 도면이다.
도 53은 지그재그형의 자성 막을 이용한 센서소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 54는 지그재그형의 센터 탭 전극부(付) 센서소자의 구성을 나타내는 도면이다.

이어서, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 먼저, 본 발명의 전력계측장치의 측정원리에 대해서 설명한다.

본 발명의 전력계측장치는 강자성체나 반도체 내에서 전류와 자화(자발 자화)가 이루는 각도(방향)에 의해 그 자성체의 전기저항값이 변화하는 현상인 자기저항효과를 이용한 것이다. 도 1을 이용하여 보다 구체적으로 설명한다. 강자성체에는 전류(I)가 흐르고 있다.

여기서, 전류(I)가 흐르는 방향에 직각방향에서 자계(H)가 강자성체에 작용하면, 자화(M)가 자계(H)의 영향을 받아서 방향이 변화한다. 그러면, 전류 방향의 전압(V1)이 변화한다. 강자성체의 전류(I)와 같은 방향에서의 자기저항효과에 있어서는 자계(H)에 대한 출력전압(V1)은 도 2에 나타내는 것과 같은 우함수를 나타낸다. 도 2에서는 횡축이 강자성체에 작용하는 자계이며, 종축은 전류방향에서의 강자성체의 전압(V1)이다.

횡축은 방향에 따라서 정부(正負)가 정해진다. 예를 들어 도 1의 지면 아래쪽에서 위로 향하는 자계(H)를 정방향(正方向)으로 하면 지면 상에서 아래로 향해 작용하는 자계는 부(負)의 자계이다. 출력전압(V1)은 산 형상의 특성을 나타내며, 선형특성을 얻기 위해서는 정부 어느 한 방향으로 바이어스 자계를 인가할 필요가 있다. 도 2에서는 정의 방향으로 바이어스 자계를 인가하며, 동작점이 산 형상의 특성 곡선의 경사 부분으로 이동한 모습을 나타낸다.

≪자기저항형 전력계측장치의 측정원리 및 기본 구성(교류 입력의 경우)≫

다음에, 본 발명의 전력계측장치에서의 측정원리를 도 3을 참조하면서 설명한다. 이 회로 구성은 전원(Vin)으로부터의 전류를 전류(I1)와 I2로 나눈 병렬회로이다. 전원(Vin)으로부터의 전류는 1차 도체 막(Cu)과 소비전력이 측정되는 부하(R1)(Load　R1)에 전류(I1)를 흘리는 반송경로와 자성 막(1a)과 계측저항(R2)(12)에 전류(I2)를 흘리는 계측경로에 병렬로 흐르게 된다. 또한, 여기서 계측저항(R2)은 자성 막(1a)의 저항값(Rmr)보다 충분히 큰 것으로 한다.

부하(R1)에 흐르는 전류(I1)는 1차 도체(Cu)에 흐르면 1차 도체(Cu)의 주위에 자계(H)를 발생시킨다. 이 자계(H)에 의해 자성 막(1a)은 자기저항효과를 나타내며, 자성 막 양단의 전압(Vmr)도 변화한다. 이 출력전압(Vmr)은 부하(R1)에서의 소비전력에 비례한다. 따라서 출력전압(Vmr)을 측정하면 부하(R1)에서의 소비전력을 측정할 수 있다.

자성 막 양단의 전압(Vmr)이 부하(R1)에서의 소비전력을 나타내는 것은 이하와 같이 설명할 수 있다.

상기 계산식의 최종 식은 AC성분과 DC성분의 합으로 되어 있다. 즉, 자성 막(1a)의 길이방향의 출력전압(Vmr)에는 교류전압과 직류전압이 중첩되어 나타난다. 따라서 자성 막(1a)의 길이방향의 직류전압 성분만을 계측하면 교류 입력에 대한 부하(R1)의 소비전력 (P=I1*V1=V12/R1)을 측정할 수 있다. 또한, 상기 최종 식 중의 DC성분은 (V12/R1)cosθ에 비례하고 있다. 즉, Vmr의 직류성분을 측정하는 것은 역률 cosθ를 포함하는 유효전력을 측정하게 된다.

또, 도 3에 나타내는 본 전력계측장치의 원리를 나타내는 도에서 부하(R1)에 입력되는 교류전압 및 전류에 고조파가 포함되어 있는 경우의 전력계측에 대해서도 검토한다. 아래와 같이 수학식 2는 상기 수학식 1의 V1, I1에 n차 고조파를 포함하는 경우에 대한 출력전압(Vmr)을 구하는 계산식이다.

수학식 2의 최종 식은 각 주파수 성분의AC성분과 DC성분의 합으로 되어 있다. 따라서 본 발명의 전력계측장치에서는 측정원리적으로 전압 및 전류에 고주파를 포함하고 있는 경우에 대해서도 자성 막(1a)의 길이방향의 출력전압(Vmr)에는 교류전압과 직류전압이 중첩되어 나타난다. 이때 출력전압(Vmr)의 직류전압 성분은 기본파에 의한 소비전력에 비례한 직류전압과 고조파에 의한 소비전력에 비례한 직류전압이 합계된 직류전압이다.

따라서 본 발명의 전력계측장치에서는 전원이 고조파 성분을 포함하고 있는 경우라도 자성 막(1a)의 길이방향의 직류전압만을 계측하면 부하(R1)에서의 소비전력(역률을 포함하는 유효전력이다)을 측정할 수 있게 된다.

이상과 같은 측정원리에 의거 전력계측장치를 개략적으로 설명하면, 도 3을 참조하여, 자성 막(1a)을 포함하는 센서소자(1)와 계측저항(R2)과 센서소자(1)의 전압을 계측하는 전압 검출부(도 3에서는 생략)를 포함한다. 게다가 이들 구성을 전력이 계측되는 반송회로에 접속하기 위한 한 쌍의 연결 단(10A, 10b)을 갖는다.

본 전력계측장치에서는 검출하는 신호는 직류전압 신호이므로, 디지털 테스터(DMM) 등의 간단한 디바이스를 전압 검출부로 해도 소비전력 측정을 할 수 있다. 게다가 직류전압 신호는 본질적으로 고주파에 의한 유도 노이즈의 영향이 작다. 따라서 본 전력계측장치는 고주파회로에서의 전력 측정에 적합하다고 할 수 있다. 또, 본 전력계측장치에서는 자성 막의 길이방향(전류 방향)의 전압을 검출하기 위해서 폭이 좁고 긴 형상의 자성 막은 출력전압을 크게 한다(SNR을 높게 취한다).

따라서 본 전력계측장치는 거의 직선 모양의 소자를, 고주파회로로 많이 이용하는 마이크로 스트립선로, 스트립선로, 코플레이너 선로 등의 선로 형상으로 설치하는 것이 용이하다. 이 점에 있어서도 본 전력계측장치는 원리적으로 고주파회로의 전력 측정에 적합하다고 할 수 있다.

≪자기저항형 전력계측장치의 구체적인 구성 및 계측결과≫

다음에, 본 발명의 전력계측장치에 있어서 자성 막의 자기저항효과에 의한 교류전력 측정에 대해서 설명한다. 도 4에는 전력계측장치에 이용하는 센서소자(1)를 나타낸다. 센서소자(1)는 자성 막(1a)과 자성 막(1a)의 양 단변에 설치된 센서 단자(1t)로 구성된다. 또한, 도면 맞은편의 센서 단자(1t)는 본 도면에서는 보이지 않는다. 자성 막(1a)을 지지하기 위해서 절연체 등으로 이루어지는 기판이 포함되어 있어도 좋다. 도 4에서는 부하에 전류를 흘리는 접속선에 상당하는 도체 막(3)과 자성 막(1a) 사이에 절연막(2)을 삽입한 3층 구조를 일체로 형성한 상태를 나타내고 있다. 절연막(2)은 센서소자(1)를 접속선에 밀착시키기 위해서 설치하는 절연층이다.

자계(H)는 도체 막(3)에 흐르는 전류(I1)에 의해 형성된다. 예를 들어 도체 막(3), 절연막(2), 자성 막(1a)은 각각 동(Cu), 폴리이미드 기반, 퍼멀로이(permalloy)로 구성된다. 또, 센서소자(1)의 단면 상세 예를 나타내는 도 5에서는 유리기판(4) 상에 자성 막으로 퍼멀로이 막(1a)을 형성하고, 퍼멀로이 막(1a)의 양단에 접속하도록 동 막(3s, 3sa, 3sb)을 형성한다. 이 퍼멀로이 막(1a)과 동 막(3s)의 표면상에 폴리이미드 기판(2)을 형성하고, 폴리이미드 기판(2)의 표면상에 도체 막(3)을 더 형성하고 있다. 위쪽의 도체 막(3)을 좌측에서 우측으로 흐르는 전류(I1)와 동상의 전류(I2)(도 3 참조)가 동 막(3sa) 중을 흐른다. 이 전류는 자성 막(1a)(퍼멀로이) 내를 좌측 단에서 우측 단으로 향해 흘러서 동 막(3sb)으로 흐른다.

이 폴리이미드 기판(2) 측의 도체 막(1a)의 표면(종이면 표면)을 고주파전류(교류)가 흐르는 마이크로 스트립 라인이나 코플레이너 선로 등의 선로에 설치하면 선로에 의해 만들어지는 자계(H)가 자성 막(도 4의 자성 막(1a)에 상당)에 작용하며, 자성 막의 자기저항효과에 의해 전기적인 출력(직류 전력 성분)으로서 전력을 구할 수 있다.

도 25(a)에는 도 5와 같은 개략 도면, 도 25(b)에는 본 전력계측장치를 마이크로 스트립선로의 측정에 이용한 모식도, 도 25(c)에는 본 전력계측장치를 코플레이너 선로의 측정에 이용한 모식도를 나타내고 있다. 또한, 도 25에 있어서 도 5와 동일한 참조번호는 동일한 것을 의미하고 있다. 도 25(a) (b) 함께 스트립 라인(3)에 전류(I1)가 흐르고 자성 막(1a)에는 전류(I2)가 흐르게 된다. 또, 마이크로 스트립선로, 코플레이너 선로의 신호라인인 중앙의 스트립 라인(3)이 본 전력계측장치의 센서소자(1)가 배치되는 도체 막(3)을 겸하고 있다. 즉, 본 전력계측장치는 마이크로 스트립선로나 코플레이너 선로의 일부로서 일체로 형성될 수도 있다.

「계측회로 1」

여기서, 도 6 (a)에 자기저항효과형인 본 전력계측장치의 구성을 전력이 측정되는 회로(20)와 함께 나타낸다. 전력을 계측하는 회로(20)는 전원을 함수발생기(function generator)(22)와 앰프(24)로 구성하였다. 부하는 R1이다. 또한, 부하와 전원 사이는 접속선으로 접속된다. 그 접속선 중에 있어서 전력계측장치의 센서부가 배치되는 개소를 접속선(Rcu)으로 나타냈다. 함수발생기(22)로부터의 신호는 앰프(직류 증폭기)(24)에서 증폭되며, 교류 전원이 된다.

전력계측장치(15)는 센서소자(1)와 계측저항(12)(R2)과 전압 검출부(28)를 포함한다. 또, 전력계측장치(15)는 전력을 계측하는 회로의 전원에 대해서 병렬에 접속하기 위한 한 쌍의 연결 단(10, 10a, 10b)을 갖는다. 이 연결 단(10)은 전원에 대해서 부하(R1)와 병렬로 접속할 수 있으면 전력을 계측하는 회로의 어디에 연결해도 좋다. 연결단의 사이에는 자성 막을 포함하는 센서소자(1)와 계측저항(12)(R2)이 직렬로 접속된다. 계측저항(12)의 단자는 각각 부호 12a, 12b로 나타낸다.

센서소자(1)는 한 쌍의 센서 단자(1ta, 1tb)를 가지며, 센서 단자 간에 자성 막(1a)이 형성되어 있다. 도 6 (b)에는 센서소자(1)의 확대도를 나타낸다. 즉, 직사각형 형태의 자성 막이 서로 마주하는 짧은 변의 각각에 센서 단자가 설치된다. 또한, 양방의 센서 단자를 구별하지 않고 설명할 때에는 「센서 단자(1t)」로 나타내고, 따로따로 설명할 필요가 있는 경우에는 「센서 단자(1ta)」혹은 「센서 단자(1tb)」로 나타낸다. 또, 연결단(10) 및 계측저항(12)의 단자도 이와 같이 표기한다.

센서 단자의 일단 1tb는 연결단의 일방 10b에 접속된다. 센서소자(1)는 전력이 측정되는 회로의 접속선에, 자성 막의 길이방향이 접속선을 흐르는 전류와 같은 방향이 되도록 배치된다. 이때 센서소자(1)의 자성 막과 접속선 사이에는 절연층이 형성된다. 접속선에 흐르는 전류가 자성 막에 흐르지 않기 때문이다.

자성 막은 접속선에 흐르는 전류에 의한 자계의 작용을 받아 자기저항효과를 발휘한다. 자기저항효과는 작용하는 자계의 세기에 비례한다고 생각해도 좋으므로 센서소자는 가능한 한 접속선에 접근시켜 배치하는 것이 바람직하다.

센서소자(1)의 타단(1ta)는 계측저항(12)의 일단(12b)에 접속된다. 또 계측저항(12)의 타단(12a)은 연결단(10)의 타방(10a)에 접속된다. 이로써 연결단(10)의 일방(10b)으로부터 타방(10a)에 걸쳐서 센서소자(1)와 계측저항(12)이 직렬로 접속된다. 또, 각각의 센서 단자(1ta, 1tb)는 계측단자(13, 13a, 13b)가 되며, 이 계측단자(13) 간의 전압을 전압 검출부(28)에서 계측한다. 여기서, 전압 검출부(28)에서 계측하여 전력으로서 유효한 것은 직류전압이므로, 계측단자(13) 간에 로패스필터(26)를 연결한다. 또, 이 로패스필터는 본 발명의 모든 전극 계측장치에 설치할 수 있다.

전압은 로패스필터(26)에 대해서 고주파 성분이 커트 된다. 로패스필터(26)에서 고주파가 커트 된 출력전압은 디지털 테스터(28)(DMM=digital　multimeter)에 의해 직류성분이 측정된다. 즉, 전압 검출부(28)는 DMM로 구성되어 있다. 또한, 전압 검출부(28)는 DMM 이외의 수단으로 전압 검출을 해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

또한, 자기저항효과형의 경우는 센서소자(1)의 자성 막은 직사각형 형태가 바람직하다. 전류를 길이방향으로 흘림으로써 저항 변화를 크게 취할 수 있기 때문이다. 그러나 정사각형, 마름모형, 원형, 타원형과 같은 그 외의 형상이나, 구부러진 형상 등을 배제하는 것은 아니다. 자성 막은 부하에 흐르는 전류의 접속선의 형상에 맞출 필요가 있기 때문이다. 즉, 본 명세서에서는 직사각형 형태라고 한 경우에는 이들 형상도 포함되는 개념으로서 파악해도 좋다.

또, 본 명세서에서는 센서 단자는 직사각형 형상의 자성 막이 서로 마주하는 단변에 설치하는 것으로 설명을 하나, 실질적으로 자성 막의 길이방향으로 전류를 흘리기 위해 설치된 센서 단자이면, 직사각형 형상의 자성 막이 마주하는 단변 이외의 위치에 설치되어도 괜찮다. 부하에 전류를 흘리는 접속선의 형상에 따라서는 자성 막의 단변으로부터 떨어진 위치에 센서 단자를 배치해야 하는 경우도 있기 때문이다.

또, 도 2에서 나타내는 것과 같이, 자기저항효과에서는 선형인 동작점을 얻기 위해서는 센서소자의 길이방향에 직각인 방향으로 직류 바이어스 자계를 인가할 필요가 있다. 이 직류 바이어스 자계를 동작점조정 바이어스 자계라고 부르며, 동작점조정 바이어스 자계를 발생시키는 수단을 동작점조정 바이어스 자계 인가수단이라고 부른다. 동작점조정 바이어스 자계 인가수단은 영구자석이나 전자석 등으로 구성할 수 있다.

또한, 후술하는 바버 폴 자성 막이나 자화 용이 축 경사형 자성 막과 같이 동작점조정 바이어스 자계를 필요로 하지 않는 경우를 제외하고, 본 발명의 모든 전력계측장치에는 동작점조정 바이어스 자계 인가수단을 설치할 수 있다.

도 7에는 전력계측장치(15)의 다른 구성을 나타낸다. 도 7에서는 함수발생기(32)로부터의 신호를 2개의 앰프(직류 증폭기)(34, 35)에 입력하며, 앰프(35)(AMP2)의 오프셋의 변화가 센서소자(1)의 출력전압에 영향을 주지 않도록 구성되어 있다. 앰프(34)(AMP1), 앰프(35)(AMP2)에는 동위상의 교류가 출력되고 있다.

본 발명의 전력계측장치(15)에 흘리는 전류는 전력을 계측하는 회로에 흐르는 전류와 동일한 주파수의 전류를 흘리지 않으면 안 된다. 도 6에서는 전력계측장치는 연결단(10)에 의해 전력을 계측하는 회로에 병렬에 접속되었으므로, 이 조건은 만족하고 있었다. 그러나 전력이 계측되는 회로(반송경로)와 동일 전원에 연결하고 있지 않아도, 반송경로에 흐르는 전류와 동일한 주파수의 전류를 흘린다면 전력계측장치 자체가 전원을 구비하고 있어도 좋다. 이 전원은 전압원이라도 좋고, 전류원이라도 좋다.

또한, 본 발명의 전력계측장치에서는 전력이 계측되는 회로에 흐르는 전류와 동위상의 전류를 자성 막에 흘릴 필요가 있는 이유를 아래 수학식 3에 나타낸다. 수학식 3은 입력전압이 동일한 주파수가 아니면(ω1≠ω2) 출력전압이 교류 성분 만으로 이루어지는 점으로부터 이해된다. 또한, 수학식 3은 수학식 1 및 수학식 2와 마찬가지로 도 3의 전력측정원리에 의거한 것이다.

또, 도 7에 나타낸 구성에 있어서 자성 막으로부터의 출력전압을 밴드패스필터(26)로 고주파 성분을 커트하고, 디지털 테스터(28)로 출력전압의 직류성분을 측정하는 점은 도 6의 경우와 같다.

도 7의 구성에서의 전력계측의 결과를 도 8 내지 도 10에 나타낸다. 도 8, 도 9에서는 전원전압을 실효치 2.0V, 60㎐의 교류 전원으로 하고, 부하(R1)를 무한대(해방), 10Ω, 3.9Ω, 2Ω으로 200초마다 변화시키고, 다시 2Ω, 3.9Ω, 10Ω, 무한대(해방)로 변화시켜서 센서소자(1)의 출력전압을 측정한 결과를 그래프화하고 있다. 횡축은 시간이나, 실질적으로는 부하저항의 크기이다. 또 왼쪽 종축은 디지털 테스터(28)의 출력전압이며, 오른쪽 종축은 부하에 흐른 전류 값이다.

출력이 종축 방향으로 쏠리고 있는 것이 출력전압이며, 부호 「a」로 나타낸다. 저항이 작아짐에 따라서 흐르는 전류는 많아지며, 부하에서의 소비전력은 커진다. 출력전압A는 저항의 변화에 따라서 상승 및 강하하고 있다. 또, 출력전압A와 거의 같은 위치에 부하에 흐르는 전류 b가 표시되어 있다. 좌우의 종축은 공히 리니어이므로 부하에 흐른 전류(즉 소비전력)에 비례한 출력전압A를 얻고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 각 저항체의 저항값은 각각 R1≒150Ω, Rcu≪1, R2=4.7KΩ이며, 밴드패스필터(36)의 성능은 80dB 게인(DC 응답)이다.

다음에, 전원전압의 주파수를 변화시켜서 계측한 결과를 도 9에 나타낸다. 도 9(a)에서는 전원전압의 주파수가 100㎐이며, 도 9(b)에서는 200㎐의 측정결과를 나타내고 있다. 양 도면 모두 횡축은 시간(실질적으로는 저항값)이고, 또 왼쪽 종축이 출력전압, 오른쪽 종축이 부하에 흐르는 전류인 것은 도 8의 경우와 같다. 어느 주파수에 있어서도 계단형상으로 변화시킨 소비전력에 대응해서 출력전압이 변화하고 있는 것이 이해된다.

도 10은 각 주파수의 각각의 시간 구간(즉, 선택된 부하의 저항값)에서 출력전압의 평균치를 계산하여 소비전력과 출력전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 횡축은 소비전력, 종축은 각각의 출력전압의 평균치를 나타내고 있다. 이 그래프로부터도 비교적 재현성이 좋고 소비전력에 비례한 출력전압을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 또, 소비전력이 0W일 때의 출력전압이 각 주파수에서 다른 것은 앰프(35)(AMP2)의 오프셋이 계측시마다 변화한 때문이라고 생각된다.

≪임의의 n차 고조파별 전력계측장치(자기저항효과형, 플레이너 홀 효과형(PHE형), 홀 효과형의 전력계측장치에 적용)≫

앞에서 설명한 것과 같이 자기저항효과를 이용한 전력계측장치에서는 센서소자에 교류전압 성분과 직류전압 성분이 중첩하여 출력되며, 이 중 직류전압 성분을 DMM 등의 전압 검출부에서 검출한다. 그 외에, PHE형 전력계측장치나 반도체 박막을 이용하는 전력계측장치와 같은 박막소자를 이용하는 전력계측장치(「박막형 전력계측장치」라고도 한다)에 있어서 검출하는 출력신호는 직류전압이다.

상술한 수학식 2로부터도 명백한 것과 같이, 전원전압에 n차 고조파가 포함되어 있은 경우, 출력전압신호(Vmr) 중 직류전압 성분은 각 n차 고조파의 유효 소비전력(역률을 포함한다)의 총합인 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 전력계측장치의 경우, n차 고조파를 포함하는 전원에 대해서도 센서소자의 직류전압을 측정하는 것만으로 대응하는 각 고주파의 소비전력 합계를 측정할 수 있다. 이 점을 상세하게 설명한다.

도 11은 실증에 사용한 계측회로를 나타내고 있다. 또한, 도 3과 동일한 참조 기호, 부호를 부여한 것은 동일한 것으로 한다. 먼저, 부하저항(RLoad=R1)에는 교류 전원 V1이 접속되고, 그 결과 전류가 흐른다. 이 전류는 접속선인 도체 막(Rcu)에도 흐른다. 또, 전력측정장치 측에서는 센서소자(1)(저항은 Rmr)로부터의 출력전압은 밴드패스필터(26)에서 고주파 성분이 커트 된다. 여기에서는 전원 V1에서의 최저 발진주파수 이상의 성분을 커트한다. 밴드패스필터(26)에서 고주파 성분이 커트 된 출력전압은 디지털 테스터(28)(DMM=digital　multimeter)에서 직류성분이 측정된다. 또, 센서소자(1)에는 전원 V2로부터 전류가 흐르게 된다. 이것은 전력이 계측되는 회로 측에 흐르는 주파수의 전류와 다른 주파수의 전류를 센서부에 흘릴 수 있도록 한 것이다.

도 12는 도 11의 계측회로에서의 DMM(28)에서의 출력전압의 측정결과를 나타내고 있다. 먼저, 계측되는 측의 회로에서는 도 12의 좌측 상단에 기재하는 것과 같이 전원 V1은 크기의 동일한 100㎐ 성분과 200㎐ 성분을 중첩(「100㎐＋200㎐」라고 표기)하여 포함하고 있다. 즉, 도 12에서는 100㎐와 200㎐의 2개의 주파수 성분을 포함하는 전원전압을 이용한 경우에서의 소비전력 측정 예를 나타내게 된다.

또, 부하저항(RLoad)은 개방(=무한대), 3.9Ω, 1.9Ω으로 소정 시간마다 전환하였다. 전원전압과 부하에 의해 결정되는 전류가 부하(Rload)에 흐른다. 한편, 전력계측장치 측에서는 전원 V2의 신호로 (1) 100㎐＋200㎐, (2) 100㎐, (3) 200㎐, (4) 300㎐의 신호를 준비하여 센서소자(1)의 센서 단자(1ta, 1tb) 간에 전류를 흘렸다.

도 12는 횡축이 시간이고 왼쪽 종축은 전력계측장치의 검출전압(도 11의 DMM(28)에서의 측정치)이며, 오른쪽 종축은 부하에 흐른 전류이다. 횡축은 저항을 순차 바꾸었으므로, 직접적으로는 시간을 나타내나, 실질적으로는 전력을 계측하는 회로에서의 부하의 저항값이다. 또한, 부하가 무한대, 3.9Ω, 1.9Ω이 되는 영역을 사각으로 둘러싼 「1」, 「2」, 「3」의 숫자로 나타내었다. 부하가 작아짐에 따라서 부하에 흐르는 전류는 많아지므로 소비전력은 증가하게 된다. 또, 도 12에 있어서 부호 5로 나타내는 라인은 부하에 흐른 전류이며, 각각의 영역에 따라서 계단형상으로 증가하고 있다.

도 12로부터는 센서소자에 흐르는 전류가 (1) 100㎐＋200㎐, (2) 100㎐, (3) 200㎐의 각각에서 부하저항(RLoad)에서의 소비전력의 증가와 함께 계측된 전압 값(종축)이 증가하고 있는 모습을 알 수 있다. 한편, (4) 300㎐에서는 계측전압 값은 증가하고 있지 않다. 즉, 센서소자에 전류로서 공급하지 않았던 100㎐＋200㎐라고 하는 신호성분에 포함되지 않는 300㎐ 성분은 센서소자에 전류를 흘려도 검출되지 않는 것을 알 수 있다. 이에 의해 소비전력이 계측되는 측의 전원에 없는 주파수 성분은 본 발명의 전력계측장치에서는 직류성분으로서 출력되지 않는다는 것을 알 수 있다.

또, 센서소자에의 입력전류가 (1) 100㎐＋200㎐, (2) 100㎐는 거의 동일한 레벨의 노이즈가 포함되지만, (3) 200㎐에서는 약간 노이즈 레벨이 감소하고, (4) 300㎐에서는 노이즈 레벨이 더 감소하고 있는 모습을 알 수 있다. 따라서 본 전력계측장치는 고주파 전력의 측정일수록 적합한 방식이라는 것을 알 수 있다. 또, 오프셋 전압과 그 변동은 계측기기에서의 영향이라고 추측된다.

도 13 (a)는 도 11의 측정계통에서의 결과인 도 12의 계측결과를 정리한 그래프이다. 종축이 전력계측장치의 출력전압이고 횡축은 시간(실질적으로는 부하의 저항값)이다. 각각의 시간(부하의 저항값)마다 평균치를 플롯 했다.

도 13 (b)는 0W 소비시를 기준으로 하여 전력계측장치의 계측전압의 변화량을 고쳐 쓴 것이다. 횡축은 시간(실질적으로는 부하의 저항값)이고 종축은 전압이다. 도 13 (b)로부터 알 수 있는 것과 같이, 센서소자에 흘린 전류가 (2) 100㎐, (3) 200㎐에서의 계측결과는 잘 일치하고 있고, 그 직선성도 양호하다. 또, (1) 100㎐＋200㎐의 계측결과와 (6) 100㎐, 200㎐에서의 계측치를 가산한 것과는 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있다. 이로부터 본 전력계측장치는 모든 고조파에서의 전력 소비를 계측 가능하다는 것을 나타내고 있는 동시에 임의의 n차 고조파에서의 소비전력을 계측 가능하다는 것을 알 수 있다.

도 14 (a)는 도 11, 도 12의 계측결과를 정리한 그래프(도 13 (b)와 같다)이며, 도 14 (b)는 도 14 (a)의 계측결과를 부하저항(RLoad)에서의 소비전력을 횡축으로 하여 고쳐 쓴 것이다. 도 14 (b)로부터 알 수 있는 것과 같이, 모든 계측치는 일직선상에 있고, 계측결과는 잘 일치하고 있으며, 직선성은 양호하다.

또, 도 14 (a)에서 (1) 100㎐＋200㎐의 계측결과와 (6) 100㎐와 200㎐의 계측치를 가산한 것은 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있다. 이로부터 본 전력계측장치는 모든 고조파에서의 전력 소비를 계측 가능하다는 것을 나타내고 있는 동시에 임의의 n차 고조파에서의 소비전력을 계측 가능하다는 것을 알 수 있다.

도 15에 본 발명의 전력계측장치의 다른 구체적 구성 예를 나타낸다. 또한, 도 15에서는 센서소자로부터의 출력을 계측하는 전압 검출부는 기재를 생략했다. 이 구성에서는 n개의 밴드패스필터(41)가 병렬에 배치되고, 그 중 하나의 밴드패스필터를 선택하는 스위치(42)를 갖는 밴드패스필터 수단(40)이 센서소자(1) 및 계측저항(12)에 직렬로 접속되어 있다. 여기에서는 스위치(42)는 1개의 밴드패스필터를 선택하도록 설명하고 있으나, n개 이하의 밴드패스필터를 동시에 선택해도 좋다.

본 구성의 전력계측장치에서는 밴드패스필터(41)를 이용하여 임의의 n차 고조파에 비례한 전압을 검출할 수 있다. 본 전력계측장치에서는 부하(R1)를 흐르는 전류(I1)에 의해 발생하는 자계에 의해 인접하는 센서소자(1)의 전기저항(Rmr)을 변화시킨다. 이 점에서는 종래의 박막소자를 이용하는 전력계측장치와 동일하다. 다만, 본 전력계측장치에서는 교류 전원에 포함되는 고주파로부터 밴드패스필터(41)를 통해 임의의 n차 고조파 전압에 비례한 전류를 센서소자(1)에 흘린다.

밴드패스필터(41)는 필요한 범위의 주파수만을 통과시키고 다른 주파수는 통과시키지 않는(감쇠시키는) 기능을 갖는다. 예를 들어 도 15의 밴드패스필터(41)가 I2=120㎐의 전류를 통과시키는 경우 센서소자(1)의 출력전압도 Vmr=120㎐의 주파수 성분만이 출력된다.

따라서 도 15의 전력계측장치에서의 출력전압(Vmr)은 밴드패스필터(41)에서 선택된 n차 고조파 전압에 의해 소비된 전력에 비례한 직류전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 박막소자를 이용하는 전력계측장치에는 상술해 온 (1) 자기저항효과에 의한 자성 박막의 전기저항 변화를 이용하는 전력계측장치나, (2) 플레이너 홀 효과에 의한 자성 박막의 전기저항 변화를 이용하는 전력계측장치 외에, (3) 홀 효과에 의한 반도체 막의 전기저항 변화를 이용하는 전력계측장치에도 적용된다. 또한, 출력전압은 (1)에서는 부호 1a를 자성 막으로 하여 길이방향의 전압(Vmr)을, (2)에서는 부호 1a를 자성 막으로 하여 폭 방향의 전압(VPHE)을, (3)에서는 부호 1a를 반도체 막으로 하여 두께방향의 전압(VHE)을 각각 출력으로 하여 직류성분을 검출한다.

도 15의 전력계측장치는 전원의 고조파 성분에 의한 소비전력을 검출할 수 있다. 따라서 고주파 성분의 전력이 누설하는 것에 의한 전기제품의 화재 등이 다발하고 있는 지역에서는 주파수마다 고주파의 누설을 탐지하여 고주파 누설의 경고를 행하기 위한 수단으로서 이용이 가능하다.

또, 상기한 도 15의 구성의 전력계측장치에서는 입력전압이 n차 고조파인 경우에 대해서 설명하였으나, 도 15의 전력계측장치의 구성 예는 단일 주파수의 입력전압인 경우라도 좋다. 수학식 1 ~ 수학식 3에서 설명한 것과 같이 본 전력계측장치의 경우 측정 대상인 부하에서의 소비전력을 직류전압 성분만으로 측정할 수 있다. 따라서 밴드패스필터로 교류전압 성분을 제거함으로써 직류전압 성분만을 분리하여 부하의 소비전력을 측정할 수 있다. 또한, 저주파 혹은 고주파 영역의 출력전압 성분을 밴드패스필터에 의해 제거함으로써 필요한 주파수 영역의 소비전력도 측정할 수 있다.

≪직류전류(자계) 측정시의 출력전압 안정방법(자기저항효과형, 플레이너 홀 효과형 전력계측장치에 적용)≫

「교류 바이어스 자계를 인가(재현성 향상)」

다음에, 도 16 (a)에서는(이방성) 자기저항효과형의 전력계측장치의 자성 막 부분(강자성체)의 모식도를 나타내고, 도 16 (b)에서는 플레이너 홀 형(이하 「PHE형」이라고 부른다)의 전력계측장치의 자성 막 부분(강자성체)의 모식도를 나타내고 있다. PHE형에서는 자성 막에 흘리는 전류와 직각방향이 서로 마주하는 2 변 사이의 전압(V2)을 계측한다.

따라서 PHE형의 전력계측장치에서는 센서소자의 센서 단자가 형성되어 있지 않은 변에 전압을 인출하는 계측단자(13, 13a, 13b)를 형성한다. 이 점이 자기저항효과형의 전력계측장치(도 16 (a))와 다른 점이며, 다른 구성은 도 6 및 도 7에서 설명한 전력계측장치와 동일하다. 여기서, 도 16 (a)(b)의 양 전력계측장치의 센서소자를 이용한 직류 전력의 측정에 있어서, 통상 출력 V1, V2의 직류 출력전압은 불안정하게 된다(드리프트 한다)는 것을 알았다.

도 17에는 도 16 (b)와 같이 계측단자를 형성한 PHE형 전력계측장치로 직류 자계(H) 만을 계측하는 경우(교류 바이어스 자계의 인가 없음)의 전류(I1)에 대한 출력전압(V2)의 측정결과를 나타내고 있다. 여기서, 부하에는 직류전류만이 흐르게 된다. 또, 도 17의 실험 조건은 다음과 같다.

사용한 자성체 소자：직경 10㎜의 원형소자,

직류 인가 자계：-2A(-100A/m)~2A(100A/m),

측정：주기는 120sec, 이번에는 300prot/600sec,

또, 부하에 흐르는 전류가 직류전류만인 경우에는 교류 성분이 없으므로 전력계측장치에는 로패스필터(26)(도 6 참조)는 불필요하다. 즉, 본 발명의 전력계측장치에서는 전압 검출부(28)에는 로패스필터가 접속되지 않는 경우도 있다.

도 17에서는 횡축이 부하에 흐르는 전류이고 종축은 검출된 전압이다. PHE형 소자에서는 작용을 받는 자계에 대해서 출력전압 특성이 기함수가 되므로 전류 제로를 중심으로 우측으로 하강하는 출력전압 특성을 나타낸다. 수회의 측정을 반복하였으나 도 17에 나타낸 것과 같이 결과가 불일치했다. 도 17로부터, 일차 도체를 흐르는 부하전류(직류전류)에 의한 직류 자계 만의 작용으로 전력계측을 하는 경우에서는 드리프트에 의해 출력전압의 재현성이 악화하고 있다는 것을 알 수 있다.

이에 대해 도 18~도 19에는 PHE형 전력계측장치로 직류 자계(H)를 계측할 때에 계측하는 직류 자계와 평행으로 교류 바이어스 자계를 인가한 경우의 부하전류(I1)에 대한 출력전압(V2)의 측정결과를 나타내고 있다. 각각 복수 회 동일한 계측을 하였다. 도 18~도 19의 실험조건으로는 교류 바이어스 자계를 여분으로 인가한 것 이외는 도 17과 동일하다. 또한, 교류 바이어스 자계는 발진기와 증폭기의 조합에 의해 생성했다. 여기서 교류 바이어스 자계를 검출 자계와 평행으로 인가하는 수단을 교류 바이어스 자계 인가수단이라고 부른다.

또, 인가한 교류 바이어스 자계는, 도 18 (a)의 경우-0.1a(5A/m), 50㎐, 도 18 (b)의 경우-0.2A(10A/m), 50㎐, 도 18 (c)의 경우-0.3A(15A/m), 50㎐, 도 18 (d)의 경우-0.4A(20A/m), 50㎐, 도 18 (e)의 경우-0.5A(25A/m), 50㎐이다.

도 18, 도 19의 측정결과로부터, 교류 바이어스 자계가 5A/m, 10A/m, 15A/m일 때에는 교류 바이어스 자계가 없는 경우(도 17 참조)에 비해서 출력전압의 재현성이 좋아지고 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 20A/m, 25A/m로 교류 바이어스 자계를 크게 하면 계측되는 직류 자계에 대해서 상대적으로 교류 바이어스 자계가 커져서 출력전압의 재현성은 나빠지고 있다는 것을 알 수 있다(도 19). 따라서 자성 막의 자화를 약간 진동시키는 정도의 교류 바이어스 자계에 의해 출력전압의 재현성은 좋아지는 것을 알 수 있었다.

이 현상은 자성 막의 자화의 거동에 관계하는 현상이며, 자성 막을 센서소자에 이용하는 한 출력의 안정성에 효과가 있다. 즉, 상기의 설명에서는 PHE형 전력계측장치에 대해서 설명을 하였으나, 자성 막에 흘리는 전류와 동일한 방향의 전압을 계측하는 자기저항효과형 전력계측장치라도 계측되는 직류 자계와 평행한 교류 바이어스 자계를 인가하는 교류 바이어스 자계 인가수단은 유효하다.

「구형파의 교류 바이어스 자계를 인가(안정성 향상)」

다음에, 구형파 전류를 부하에 흘린 때의 소비전력을 측정할 때에 교류 바이어스 자계를 자성 막에 인가한 때의 측정결과를 나타낸다. 도 20~도 21의 (a)의 도면은 주기 120[sec]로 도체 막(Cu)(일차 도체)에 -2A(-100A/m)와 2A(-100A/m)의 구형파의 전류를 흘림으로써 직류 자계(도 16 참조)를 센서소자의 자성 막에 작용시켰을 때의 출력전압을 나타내고 있다. 도 20은 교류 바이어스 자계를 인가하지 않는 경우, 도 21은 교류 바이어스 자계(-0.3A(15A/m), 50㎐)를 도체 막(Cu)에서 발생하는 자계에 평행으로 자성 막에 인가(추가)한 경우를 나타내고 있다. 또한, 측정은 240[sec](2 주기)에서 240prot로 이루어졌다. 그래프의 횡축에 시간, 종축에 입력(직류 인가 자계), 출력전압을 표시하고 있다.

또, 도 20~도 21의 (b)의 도면은 (a)의 원으로 포위한 부분을 확대한 것이다. 이들 도면으로부터 분명한 것과 같이 교류 바이어스 자계를 인가하면 출력전압의 「불안정(분산)」이 작아지고 있다. 교류 바이어스 자계 인가의 유무에 의한 출력전압의 분산의 구체적인 값을 표 1에 나타내고 있다. 이 표로부터 교류 바이어스 자계에 의해 출력의 안정성이 약 1.5배 정도 개선되고 있다는 것을 알 수 있다.

	표본 수	분산
바이어스 자계 없음	58	2.2773E-13
0.3A, 50㎐ 바이어스 자계	58	1.5304E-13

「직류 바이어스 자계를 인가(감도 상승)」

도 17~도 21에서는 직류 자계의 측정에 있어서 교류 바이어스 자계를 인가한 경우의 효과에 대해서 설명하였다. 여기에서는 직류 바이어스 자계를 이용한 경우의 효과에 대해서 언급한다. 여기에서의 「직류 바이어스 자계」란, 자성 막의 자화 용이 축 방향에 평행으로 직류 자계를 인가하는 것을 말한다.

도 22에서는 직류 바이어스 자계를 인가하지 않는 경우(PHE형 전력계측장치에서 직류 자계(H) 만이 자성 막에 인가되고 있는 경우)와 직류 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력전압을 나타내고 있다. 또한, 직류 바이어스 자계를 인가한 경우의 계측에서는 크기가 다른 직류 바이어스 자계를 사용한 결과를 나타냈다.

구체적으로는,

(1) 직류 바이어스 자계를 인가하지 않는 경우, (2) 80A/m의 직류 바이어스 자계를 인가한 경우, (3) 240A/m의 직류 바이어스 자계를 인가한 경우, (4) 480A/m의 직류 바이어스 자계를 인가한 경우, (5) 800A/m의 직류 바이어스 자계를 인가한 경우, (6) 1200A/m의 직류 바이어스 자계를 인가한 경우의 측정결과를 나타내고 있다. 자성 막에 흘리는 직류전류는 10mA이다. 또한, 직류 바이어스 자계는 영구자석의 거리 조정에 의해 조절된다.

도 22에서는 횡축이 부하에 흘리는 직류전류에 의해 발생하는 직류 자계의 크기이고 종축은 전력계측장치의 출력이다. 이 도면으로부터 직류 바이어스 자계는 커짐에 따라서 출력 전위차를 크게 취한다는 것을 알 수 있다. 직류 바이어스 자계 인가는 전력계측장치의 감도를 향상시킬 수 있다고도 할 수 있다.

본 발명의 전력계측장치는 센서소자(1)에 대해서 그 자성 막의 자화 용이 축 방향으로 직류 바이어스 자계를 인가하는 직류 바이어스 자계 인가수단을 가질 수 있다. 자성 막의 자화 용이 축 방향은 자성 막의 길이방향으로 유도되는 경우가 많다. 그 경우, 직류 바이어스 자계 인가수단은 센서소자의 자성 막의 길이방향과 평행한 방향으로 자계를 인가한다. 또, 직류 바이어스 자계 인가수단은 자성 막이 후술하는 바버 폴 자성 막, 자화 용이 축 경사형 자성 막, 지그재그형 자성 막 및 이들의 조합으로 구성된 센서소자에 대해서도 적용할 수 있다.

물론, 후술하는 것과 같이 자성 막의 길이방향과 자화 용이 축을 일치시키지 않는 경우도 있다. 그 경우에는 외관상 자성 막의 길이방향과 다른 방향(자화 용이 축의 방향)으로 직류 바이어스 자계를 인가한다. 직류 바이어스 자계를 인가하는 구체적 수단으로는 영구자석 혹은 전자석에 의한 자계를 생각할 수 있다.

≪자기저항효과형 전력계측장치에서의 직류 측정방법 예(전지 등의 전력측정에의 적용)≫

자기저항효과형의 전력계측장치에서는 부하에 접속하는 전원이 직류전원인 경우에는 큰 직류 오프셋 전압이 나타난다. 이 때문에 1개의 자성 막(1a)에서는 직류전력 측정을 할 수 없다. 그러나 도 23에 나타내는 것과 같이 2개의 자성 막(1a 및 1p)을 직렬로 접속하고 또한, 접속점을 접지함으로써 각각의 자성 막에서 발생하는 오프셋 전압을 캔슬시킬 수 있다. 여기서 센서 단자(1t, 1ta, 1tb)는 자성 막(1a)과 자성 막(1p)의 양단이다. 또, 이 센서 단자(1t)는 계측단자(13, 13a, 13b)이기도 하며, 전압검출수단(28)이 접속된다. 또한, 도 23에서는 앰프가 전압검출수단(28)을 나타낸다.

즉, 이 센서소자(1)는 자성 막(1a)과 자성 막(1b)이 직렬로 접속되고, 그 접속점에 접지를 위한 센터 탭 전극(1m)이 설치되며, 센터 탭 전극(1m)을 사이에 두고 자성 막(1a, 1p)의 양단에 센터 단자(1ta, 1tb)가 설치된다. 따라서 이와 같은 센서소자(1)에서는 각 자성 막(1a, 1p)의 양단에서의 출력전압(Vmr)에는 오프셋 전압이 나타나지 않는다. 따라서 이와 같은 자성 막의 접속방법에 의하면 자기저항효과형의 전력계측장치의 결점이었던 직류전력 측정 불능이라는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 출력을 안정시키기 위해서 교류 바이어스 자계 인가수단을 병용해도 좋다. 교류 바이어스 자계 인가수단에 의한 교류 바이어스를 Hbac로 나타낸다. 또, 여기에서는 2개의 자성 막을 합쳐서 1개의 센서소자로 하고 있으나, 2개의 센서소자를 직렬로 접속하여 접속점을 접지해도 좋다.

도 24는 도 23의 전력계측장치를 2차 전지에 응용한 형태이며, 도 24의 센서소자(1), 계측저항(12) 및 전압검출수단(28)에 더하여 정류회로(37), 충전기(38), 전환스위치(39)가 부가되어 있다. 정류회로(37)는 교류전류를 직류전류로 변환하는 것이며, 브리지 회로가 간이 구성 예가 된다. 또, 충전기(38)는 교류전류를 충전하는 것이며, 도시하지 않으나 충전기(38)에는 외부 전원(교류)이 접속된다.

먼저, 전환스위치(39)를 부하(R1) 측에 접속한 경우, 도 23에서 설명한 것과 같이 직류전원인 전지의 소비전력을 검출할 수 있다. 한편, 전환스위치(39)를 충전기(38) 측에 접속하면 충전기(38)에 충전되는 전력을 검출할 수 있다.

따라서 도 24의 구성의 2차 전지에서는 전지에 의해 부하(R1)에 전력을 공급하는 경우와 전지에 외부 전원에 의해서 충전하는 경우의 전력에서의 전력의 이동량(방전량, 충전량)을 모니터링 할 수 있다.

또, 도 23, 도 24의 구성 이외에도 자기저항효과형의 전력계측장치의 직류 측정에서 나타나는 직류 바이어스 전압(오프셋 전압)을 빼는 방법으로 직류 바이어스 전압과 동등한 전압을 더미의 저항체에 의해 발생시키는 등의 방법도 생각할 수 있다.

《바버 폴 자기저항효과형의 전력계측장치》

다음에, 바버 폴 자기저항효과형의 전력계측장치에 대해 설명한다. 이 전력계측장치는 상술한 자기저항효과형의 전력계측장치의 변형 예이다.

도 26에는 바버 폴 형의 자기저항효과형의 전력계측장치에서의 센서소자의 자성 막을 나타내고 있다. 도 27은 자성 막의 표면에 설치하는 경사 도체 막(1c)과 전극을 나타내고 있다(이하, 바버 폴 전극이라고 부른다). 또 이하에서는 자성 막과 그 상부에 형성된 경사 도체(바버 폴 전극)의 일체형 자성 막을 「바버 폴 자성 막(1bbp)」라고 한다. 도 26은 바버 폴 자성 막(1bbp)을 위쪽에서 보았을 때의 전류방향과 자화방향을 나타내는 이미지 도를 (a)에, 바버 폴 자성 막(1bbp)을 (a)와 마찬가지로 위쪽에서 본 사진도면 (b)를 나타내고 있다. 또한, 부하에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자계(H)는 지면 아래쪽에서 위로 향하고 있는 것으로 하고 있다.

또, 도 27은 자성 막(1a)의 표면에 설치하는 경사 도체(1c)와 전극을 나타내고 있고, (a)에서는 전체 모습을, (b)에서는 (a)의 원으로 둘러싼 부분을 확대한 모습을 나타내고 있다. 경사 도체(1c)는 자성 막(1a)의 길이방향에 대해서 복수 개가 배치되어 있다.

또, 도 27에서는 중앙에서 좌우로 경사의 방향이 바뀌어 있다. 즉, 우측의 경사 도체를 제 1 그룹으로 하고 좌측의 경사 도체를 제 2 그룹으로 하면 각각의 경사의 방향은 역방향을 향하고 있다.

경사 도체의 제 1 그룹 및 제 2 그룹 사이(경계)에는 센터 탭 전극(1m)이 형성되어 있다. 즉, 바버 폴 자성 막(1bbp)을 2개 직렬로 접속하여 1개의 센서소자로 한 것은 사용시에 센터 탭 전극(1m)을 접지할 수 있다. 또, 경사 도체 양단에는 센서 단자(10, 10A, 10b)가 형성되어 있다. 자성 막(1c)에 전류를 흘리기 위해서이다. 이와 같이 센서 단자(10)는 자성 막(1c)의 양단에서 떨어진 위치에 형성되어 있어도 좋다. 또, 센서 단자(10)와 동일한 지점에서 계측단자(13)도 형성된다. 또한, 경사방향의 동일 도전 막을 형성한 자성 막을 2개 직렬로 접속하고, 센터 탭 전극을 설치해도 좋다. 그와 같은 센서소자는 각 자성 막의 오프셋 전압을 캔슬할 수 있다.

도 26 (b)의 구체적인 시작(試作) 예에는 자성 막으로 길이 30㎜, 폭 1㎜, 막 두께 약 0.1㎛의 퍼멀로이(NiFe) 막을 이용하고 있다. 바버 폴 자성 막(1bbp)에는 도 26~도 27에 나타내는 것과 같이 자성 막의 폭 방향(지면 상하 방향)으로 경사진 도체 막(1c)을 설치하고 있고, 동(Cu)을 이용하고 있다. 이 도체 막(1c)은 폭 0.5㎜, 길이 3mm, 막 두께 0.1㎛, 도체 막-도체 막의 간격 1㎜이다(도 27 참조).

도 26~도 27에 나타내는 센서소자(1)를 전력계측장치의 일부로서 이용하는 경우, 자성 막(1a)에는 전류를 흘릴 필요가 있다. 이때, 도체 막(1c)을 설치함으로써 자성 막 중에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있다. 즉, 전류는 전기저항이 더 작은 방향으로 흐르는 성질이 있으므로, 자성 막 중에 흐르는 전류는 도체 막(1c) 끼리의 최단 거리로 진행하며, 결과적으로 자성 막의 길이방향에 대해서 경사지게 전류를 흘릴 수 있다(도 26 (a) 참조).

더 상세하게 설명하면, 먼저, 자성 막(퍼멀로이 막)(1a)의 전기저항에 비해 도체 막(Cu 막)(1c)의 전기저항은 약 10분의 1 정도이다. 따라서 전류는 자성 막(1a)의 길이방향을 직진하는 것보다 도체 막-도체 막 간의 거리가 짧은 쪽과 도체 막(1c)을 흐르는 쪽이 전기저항이 작아진다. 자성 막에는 형상 이방성, 유도 이방성에 의해 미리 길이방향으로 자화방향(자화 용이 방향)이 유도되어 있으므로, 경사 도체(1c) 간의 자성 막 중에서 흐르는 전류의 방향과 자화방향에 각도가 생기게 된다.

그러므로 도 28 (b)에 나타내는 것과 같이 바버 폴 자성 막(1bbp)의 자기저항 특성은 통상의 자기저항효과에 의한 자계-저항 특성이 마치 바이어스 자계에 의해 바이어스되어 있는 것과 같은 특성을 나타낸다. 즉, 자기저항효과로부터 리니어 특성을 얻을 수 있는 동작점을 바이어스 자계가 없는 상태에서 작용 자계가 제로인 점으로 설정할 수 있다.

도 28은 길이방향의 전압(V1)과 자계(H)의 관계를 나타내고 있다. 도 28 (a)는 통상의 자기저항효과를 나타내고 있다. 자계(H)에 대한 출력전압(V1)은 우함수를 형성한다. 그 때문에 선형특성을 얻기 위해 바이어스 자계를 부여할 필요가 있다. 한편, 도 28 (b)는 바버 폴 자성 막의 자기저항효과를 나타내고 있고, 바이어스 자계가 불필요하다는 것을 알 수 있다. 따라서 바버 폴 자성 막을 이용한 센서소자를 갖는 전력계측장치는 센서소자의 길이방향에 직각인 방향의 직류 바이어스 자계를 필요로 하지 않는다. 또, 그와 같은 전력계측장치는 상기에서 설명한 전력계측장치와 동일하게 구성할 수 있다.

≪차동형 바버 폴 자기저항효과형 전력계측장치≫

도 29에 차동형 바버 폴 자기저항효과형 전력계측장치의 센서소자를 나타내고 있고, (a)에는 위쪽에서 본 사진, (b)에는 이 센서소자를 마이크로 스트립선로의 측정에 이용한 모식도를 나타내고 있다. 도 29 (a)에서는 자성 막 상에는 좌우에 경사가 다른 바버 폴이 제작되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 29 (b)는 도 25 (b)와 전극의 수가 다르다. 도 29 (b)는 센터 탭 전극을 갖는 타입의 센서소자이다.

도 30에 통상의 자기저항효과에 의한 자성 막의 전기저항의 변화의 모습을 나타낸다. 도 30 (a)는 직사각형 형상의 자성 막(1a)과 부하에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자계(H)를 나타내고 있다. 도 30 (b)는 이 직사각형 형상의 길이방향으로 전류가 흐른 때의 양단 전압(종축)과 자계(H)(횡축)의 관계를 나타낸다. 종축의 전압(Vmr)은 저항(R)에 비례한다. 이 출력전압 특성이 자계(H)가 제로인 점을 중심으로 우함수를 나타낸다는 것은 이미 설명한 것과 같다.

한편, 도 31 (a)를 참조하면 기울기가 다른 바버 폴 패턴에 의한 차동형 바버 폴 자성 막(1bbp)의 자기저항효과는 경사 도체의 경사방향에 따라서 정부(正負)로 다른 바이어스 자계가 인가되고 있는 것과 같은 특성을 나타낸다. 도 31에 나타내는 것과 같이 왼쪽의 바버 폴 자성 막(1bbpa)은 외부로부터의 인가 자계에 대해서 부로 바이어스되어 있는 특성(B)을 나타내고, 오른쪽의 바버 폴 자성 막(1bbpp)은 정으로 바이어스되어 있는 것과 같은 특성(A)을 나타낸다.

이 다른 바버 폴 자성 막(1bbpa, 1bbpp)을 직렬로 접속하여 동일 방향, 예를 들어 왼쪽에서 오른쪽방향으로 자계를 인가하면 각각의 바버 폴 자성 막의 저항은 일방에서는 감소하고, 또 일방에서는 증가하는 것과 같이 변화한다. 그들을 차동 출력시키면 도 31 (b)와 같이 자계 제로인 점을 동작점으로 하여 변화만을 인출할 수 있게 된다. 이것을 차동형 바버 폴 자성 막이라고 부른다.

또, 통상의 자기저항효과의 자성 막(1a)을 이용하는 경우에는 도 30에 나타내는 것 같은 큰 바이어스 자계를 인가하여 동작점을 직선성이 좋은 곳에 설정할 필요가 있다. 그러나 도 31에 나타내는 것과 같이 차동형 바버 폴 자성 막을 이용함으로써 동작점을 영 자계로 이동시킬 수 있다. 또 자계에 의한 전기저항의 변화도 2배로 확대할 수 있다. 또한, 무 바이어스 자계에 의해 출력전압을 얻을 수 있다.

도 32에 차동형 바버 폴 자성 막을 센서소자로서 이용한 차동형 바버 폴 자기저항효과형의 전력계측장치의 구성을 나타낸다. 전원으로부터는 부하(R1)에 전류가 공급된다. 부하와 전원의 사이는 접속선에 의해 접속되어 있다. 센서소자(1)는 접속선의 일부에 자성 막의 길이방향을 접속선의 방향에 일치시켜 배치한다. 도 32에서는 부하(R1)에 흘린 전류는 센서소자(1) 아래를 흐르는 모습을 나타낸다. 연결단(10A, 10b)은 전원과 부하가 만드는 회로에 부하(R1)와 병렬이 되도록 연결한다.

연결단(10A)에는 계측저항(12)의 일단(12A)이 접속된다. 타단(12b)은 센서 단자(1ta)에 접속된다. 센서 단자(1tb)는 접속단(10b)에 접속된다. 센서 단자 1ta와 1tb는 저항을 개재하여 접합되어 있다. 이 점이 계측단자(13a)이다. 한편, 센터 탭 전극(1m)은 접지되며, 계측단자(13b)가 된다. 전압 검출부(28)는 이 계측단자 13a와 13b 사이의 전위차를 검출한다.

도 32에서는 부귀환이 걸린 오피 앰프를 전압 검출부(28)로 나타내었으나 이외의 수단을 이용해도 괜찮다. 도 32의 B단자(센터 탭 전극)를 접지하고 A단자(센서 단자(1ta)), C단자(센서 단자(1tb))로부터의 전기신호를 연산증폭기로 가산함으로써 바이어스 전압이 없는, 자계의 변화만을 출력하는 전기신호를 얻을 수 있다.

도 33에 차동형 바버 폴 자성 막을 이용한 센서소자의 동작 확인을 한 실험의 측정계통을 나타낸다. 차동형 바버 폴 자성 막에 인가되는 자계는 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)에 의해 발생시켰다. 또, 자성 막에 흘리는 전류는 정전류원으로부터 공급했다. 또, 증폭기의 모든 저항값은 2kΩ로 하고 증폭 게인은 1이다.

다음에, 일정한 외부 자계에 대한 바버 폴 자성 막을 이용한 전력계측장치의 출력특성을 측정했다. 도 34는 도 33에 나타낸 측정계통의 A-B 단자 간의 출력특성을 나타내고, 도 35는 동 측정계통의 C-B 단자 간의 출력특성을 나타내며, 도 36 (c)는 동 측정계통의 오피 앰프의 출력전압을 나타내고 있다.

또, 도 34에 나타내는 A-B 단자 간의 출력특성에 대해서는 AB 간의 출력 오프셋이 742[mV], AB 간의 출력변화가 4[mV], AB의 출력변화율이 0.42[%], 저항변화율이 0.0031/0.7420*100=0.42[%]이다.

또, 도 35에 나타내는 C-B 단자 간의 출력특성에 대해서는 CB 간의 출력 오프셋이 743[mV], CB 간의 출력변화가 2.6[mV], CB 간의 출력변화율이 0.35[%], 저항변화율이 0.0026/0.7430*100=0.35[%])이다.

또, 도 36 (c)에 나타내는 도 33의 오피 앰프의 출력특성에 대해서는 AC 간의 출력 오프셋이 1.46[mV], AC 간의 출력변화가 0.11[mV], AC 간의 출력변화율이 7.5[%], 저항변화율 0.00011/0.00146*100=7.5[%])이다.

도 34, 도 35에서는 자계에 대해서 크게 저항이 변화하고 있다. 도 36 (c)에서는 도 34, 도 35에 비해 바이어스 전압이 크게 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 또 자계에 의한 출력전압의 변화는 작다. 따라서 자성 막(1c) 중의 자화의 방향이나 자구(磁區) 구조가 다자구상태가 되어 1축 이방성을 가진 단자구로 되어 있지 않다고 생각된다.

	A-B 간 (a)	C-B 간 (b)	평균 (c) ((a)+(b))/2	A-C 간 (d) 차동	차동/평균 (d)/(c)
출력 오프셋	742[mV]	743[mV]	742.5[mV]	1.5[mV]	0.20[%]
출력변화	4[mV]	2.6[mV]	3.3[mV]	0.11[mV]	3.3[%]
출력의 변화율 (변화/오프셋)	0.42[%]	0.35[%]	0.385[%]	7.5[%]	1950[%]

표 2에 차동형 바버 폴 자성 박막에 의한 출력개선결과를 나타낸다. 출력변화 및 출력변화율이 크게 감소하고 있는 것은 막 중의 자화가 충분히 소자 길이방향으로 정렬되지 않은 것이 원인이라고 추측된다. 그러나 오프셋 전압의 급격한 감소에 의해 저항변화율이 급격하게 개선되며, 바버 폴 자성 막의 차동 접속에 의해 디바이스로서의 성능이 크게 향상하고 있는 것을 알 수 있다. 오프셋 전압의 감소는 소자에 연결되는 증폭회로의 증폭률을 크게 할 수 있는 메리트를 가지며, 매우 유익한 결과이다.

또, 도 37에 자성 막의 길이방향과 평행으로 직류 바이어스 자계를 인가한 때의 측정계통의 모식도를 나타낸다. 이것은 전력계측장치의 센서소자의 자성 막에 대해서 센서소자의 길이방향에 직류 바이어스 자계를 인가하는 것이다. 여기에서는 차동형 바버 폴 자성 막을 나타내고 있으나, 차동형이 아니라도 좋다. 전력계측장치에 있어서는 직류 바이어스 자계 인가수단에 의해 실현된다. 앞에서 설명한 것과 같이 자화방향을 강제적으로 한 방향에 정렬함으로써 소자(디바이스)로서의 특성의 변화에 대해서 검토했다.

도 37의 측정계통의 출력특성을 도 38 내지 40에 나타내고 있다. 도 38은 바버 폴을 설치하지 않고 작성한 자성 막을 이용한 센서소자(차동 접속)에 있어서 자성 막의 길이방향으로 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력특성을 나타내고 있다. 횡축은 외부로부터 인가되는 자계이며 종축은 출력전압이다. 바버 폴이 없고, 바이어스 자계 있음인 경우의 저항 변화는 매우 작고, 그 저항변화율은 0.00022%로 매우 작은 값이다.

도 39에서는 바버 폴이 있고, 자성 막의 길이방향으로 바이어스 자계 없음의 소자의 경우의 출력특성, 즉 바버 폴 자성 막의 길이방향에 직류 바이어스 자계를 인가하지 않는 경우의 출력특성을 나타내고 있다.

도 40에서는 바버 폴이 있고, 자성 막의 길이방향에 바이어스 자계 있음의 소자의 출력특성, 즉 바버 폴 자성 막(1)의 길이방향에 직류 바이어스 자계를 인가한 경우의 출력특성을 나타내고 있다. 센서소자의 길이방향에 직류 바이어스 자계를 인가하는가 아닌가에 의해 출력특성이 크게 변화하고 있는 모습을 알 수 있다.

이것은 자성 막의 이방성의 강도가 충분하지 않은 것이 원인이다고 추측할 수 있다. 그 이방성의 강도를 보충하는 센서소자의 길이방향에의 직류 바이어스 자계에 의해 자화가 자계 방향으로 강하게 정렬될 수 있어서 자화와 전류에 명확한 각도가 발생한 것에 의한 것으로 추측된다. 저항변화율은 직류 바이어스 자계 없음의 경우는 0.6%, 직류 바이어스 자계 있음의 경우는 3.3% 이상이며, 직류 바이어스 자계가 매우 유효하다고 할 수 있다.

도 41에서는 도체 막에 부하전류(I1)를 흘린 때의 전력계로서의 특성의 측정계통을 나타내고 있다. 본래의 전력계측에서는 부하 전압의 크기에 비례한 전류(I2)를 자성 막에 흘려서 측정하는 경우가 많다. 그러나 여기에서는 I1과 I2를 개별적으로 설정할 수 있도록 하여 특성을 평가했다. 즉, 센서 단자 간에는 정전류 전원을 접속하고, 부하에 흐르는 전류와 관계없이 원하는 전류를 흘릴 수 있다.

도 42는 직류 바이어스 자계를 인가하지 않고 도체 막에 부하전류(I1)를 흘린 때의 출력특성을 나타내고 있다. 이 측정에서는 자성 막에 흘리는 직류전류(I2)는 2mA로 했다. 또, 부하전류(I1)는 부하저항에 접속한 직류전원을 이용해 설정했다. 부하전류를 0[A]~1[A]까지 0.2[A] 단위로 증가시키고, 그 후 0.2[A] 단위로 감소시키면서 각각 50[s] 간 측정했다. 따라서 도 42에서는 횡축은 시간이지만, 실질적으로는 부하전류를 나타낸다.

부하전류(I1)의 증가에 수반해 출력이 증가하고 있는 모습을 알 수 있다. 그러나 부하전류의 변화에 대해서 전력센서 출력의 변화는 명확하게 전류의 변화를 반영하고 있다고는 할 수 없는 상태이다. 자성 막의 자화의 방향이 인가되고 있는 자계에 비례해 움직이고 있지 않은 것이 그 한 요인이라고 생각된다.

도 43에 자성 막의 길이방향에의 자계 인가(직류 바이어스 자계)에 의한 출력변화를 나타낸다. 횡축은 자성 막에 작용하는 자계 강도를 나타내고 종축은 출력전압을 나타낸다. 무 바이어스 자계 상태에서는 자성 막의 이방성의 강도와 자화의 방향과의 관계에 의해 이 상태에서는 전력계로서의 출력은 고유하게 정해지지 않으며, 전력계로서 이용할 수 없다. 직류 바이어스 자계의 크기가 10Oe, 40Oe에서는 넓은 범위에서 직선성과 좋은 감도를 얻을 수 있으나, 100Oe의 직류 바이어스 자계의 경우에는 분명하게 감도의 저하를 보였다.

다만, 100Oe의 경우는 10Oe, 40Oe의 경우와 비교하면 직선영역이 넓어지고 있는 모습을 알 수 있다. 직류 바이어스 자계는 어느 정도의 크기까지는 막의 자구 구조를 정렬하여 고감도와 좋은 직선성을 얻을 수 있으나 큰 바이어스 자계는 감도를 저하시키는 것이 분명하다.

자성 막의 보자력을 약간 넘는 정도의 직류 바이어스 자계 인가는 전력계로서의 감도를 크게 개선하는 효과를 갖는 것과 이방성 자계 이상의 인가 자계는 감도를 감소시키지만 전력계로서의 동작 범위를 확대하는 효과를 갖는다고 할 수 있다. 인가 자계의 크기를 바꿈으로써 측정 가능한 전류(전력)를 설정할 수 있다고 할 수 있다. 다만, 감도는 감소한다.

도 44는 직류 바이어스 자계를 인가한 때의 측정계통을 나타내고 있다. 여기에서는 영구자석을 이용해서 직류 바이어스 자계를 인가했다. 자계의 크기는 자석의 거리를 조정함으로써 설정했다.

또, 도 45는 직류 바이어스 자계를 인가한 때의 자기저항효과형의 전력계측장치의 출력특성을 나타내고 있다. 직류 바이어스 자계의 크기는 40Oe이다. 그 외의 측정조건은 도 42의 경우와 같다. 도 45로부터 직류 바이어스 자계의 인가에 의해 출력전압의 전류 변화에의 추종성은 향상하고 있음이 분명하다.

또, 약간의 오차를 발생시키고 있으나, 막 특성의 향상이나 상기의 밴드패스필터의 사용이나 도 16~도 21에 기재하는 교류 바이어스의 인가에 의해 크게 개선할 수 있는 것으로 생각된다. 또 교류전력 계측에서는 전혀 문제없이 동작하는 것으로 생각된다.

이상의 결과로부터, 바버 폴형 자성 막 전력계측장치 및 차동형 바버 폴 자성 막 전력계측장치는 스마트 그리드, 스마트 배터리 등에의 응용이 최적이라고 결론지을 수 있고, 전력 부족 등의 회피에도 유리하다. 또, 바버 폴형 자성 막을 이용한 센서소자를 이용한 경우에도, 도 17, 18에 나타낸 것과 같이, 센서소자에 흐르는 전류와 직각방향의 교류 바이어스 자계가 더해진 경우에는 출력 안정의 효과가 있다. 즉, 바버 폴형 자성 막을 이용한 센서소자라도 교류 바이어스 자계 인가수단과 함께 전력계측장치를 구성할 수 있다.

또, 경사 도전체의 경사방향이 동일한 바버 폴형 자성 막 2개를 직렬로 접속하고, 접속점에 센터 탭 전극을 설치한 센서소자를 도 23과 같이 해서 사용할 수도 있다. 이와 같은 구성이면 각각의 바버 폴형 자성 막 부분에서 발생하는 오프셋을 캔슬할 수 있다.

바버 폴형 자성 박막을 이용하면, 도 28에 나타내는 것과 같이 마치 바이어스 자계가 있는 것과 같은 동작을 하는 것을 나타내었다. 이것은 외부로부터 자계가 인가되고 있지 않은 경우라도 길이방향으로 유도된 자화 용이 축에 대해 자성 막 중을 흐르는 전류의 방향이 다른 것과 같이 제어되기 때문이라고 생각된다. 즉, 외부 자계가 없는 경우라도 자화 용이 축과 전류가 흐르는 방향이 차이가 나면 도 28과 동일한 특성을 얻을 수 있다.

도 46 (a)에는 직사각형 형상의 길이방향에 대해서 자화 용이 축을 경사지게 한 자성 막을 갖는 센서소자(1)를 나타낸다. 형상은 직사각형 형상이며, 센서 단자는 직사각형 형상의 단변에 설치되어 있다. 한편, 자화 용이 축은 자성 막의 길이방향에 대해서 경사지게 유도시키고 있다. 이와 같은 자화 용이 축 경사형 자성 막도 바버 폴형 자성 막과 마찬가지로 도 28과 같은 특성을 나타낸다.

따라서 자화 용이 축 경사형 자성 막을 이용한 센서소자를 갖는 전력계측장치는 센서소자의 길이방향에 직각방향의 직류 바이어스 자계를 필요로 하지 않는다. 또, 그러한 전력계측장치는 상기에서 설명한 전력계측장치와 마찬가지로 구성할 수 있다.

또, 도 46 (b)에는 자화 용이 축 경사형 자성 막을 2개 직렬로 접속한 구성을 갖는 센서소자를 나타낸다. 직렬로 접속되어 직선상으로 배치된 2개의 자화 용이 축 경사형 자성 막은 길이방향에 대한 자화 용이 축의 경사방향이 각각 다르다. 이러한 센서소자는 도 31과 같이 각각의 자화 용이 축 경사형 자성 막의 동작특성이 어긋난다. 따라서 이러한 센서소자에 대해서 횡 방향으로부터 자계가 인가되면 도 31과 같은 효과를 얻을 수 있다.

또, 자성 막의 길이방향에 직류 바이어스 자계를 인가한 때에도 바버 폴형 자성 막을 이용한 센서소자와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 부하에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자계와 같은 방향의 교류 바이어스 자계를 부가한 경우에도 도 17, 18에서 나타내는 것과 같이 출력을 안정시키는 효과가 있다. 즉, 자화 용이 축 경사형 자성 막을 이용한 센서소자를 이용한 경우에서도 직류 바이어스 자계 인가수단 혹은 교류 바이어스 자계 인가수단과 함께 전력계측장치를 구성할 수 있다.

또, 자화 용이 축이 동일 방향으로 경사진 자화 용이 축 경사형 자성 막 2개를 직렬로 접속하고, 접속점에 센터 탭 전극을 마련한 센서소자를 도 23과 같이 하여 사용할 수도 있다. 이와 같은 구성으로 해도 각각의 자화 용이 축 경사형 자성 막에서 발생하는 오프셋을 캔슬할 수 있다.

≪전력계측회로(3) 및 그 측정결과≫

여기서 다시 자기저항효과형인 전력계측장치에 의한 실제의 전력계측회로를 설명한다.

도 7을 참조해서 설명한다. 상술한 것과 같이 도 7에서는 함수발생기(32)로부터의 신호를 2개의 앰프(직류 증폭기)(34)에 입력하여 증폭함으로써 이것을 교류 전원으로서 사용한다. 센서소자(1)로부터의 출력전압은 로패스필터(26)에서 고주파 성분을 커트한다. 로패스필터(26)에서 고주파 성분이 커트된 출력전압은 디지털 테스터(28)(DMM)로 직류성분을 측정한다.

이 회로에서는 앰프(34)(AMP1)의 오프셋의 변화가 센서소자(1)의 출력전압에 영향을 주지 않게 구성되어 있다. 앰프(34)(AMP1), 앰프(35)(AMP2)의 증폭률은 동일하고, 동일한 주파수의 교류가 출력되고 있다. 입력전압이 동일한 주파수가 아니면 출력전압이 교류 성분만으로 되기 때문이다.

환언하면 도 7에서의 전력계측에서는 출력전압 중 교류 성분에 중첩된 얼마 안되는 직류성분(도 47(a)의 이미지도면 참조)을 로패스필터(26)나 DMM(28)로 계측하고 있어서(도 47(b)의 이미지도면 참조) 정확하게 계측하기가 어렵다고 하는 문제점이 있다.

도 48에서는 본 발명의 전력계측장치의 다른 실시형태와 관련되는 구성의 일부를 나타내고 있다. 본 전력계측장치의 구성에서는 센서소자(1) 및 계측저항(13)과 병렬로 등가 센서저항(51) 및 등가 계측저항(52)이 접속된다.

그리고 계측저항(12)과 센서소자(1)의 접속점과 등가 센서저항(51) 및 등가 계측저항(52)의 접속점(53)을 각각 계측단자(13a, 13b)로 하여, 이 계측단자 간의 출력전압을 차동 증폭함으로써 직류전압 성분만 인출할 수 있다(도 47 (c)의 이미지도면 참조). 즉, 센서소자와 계측저항을 포함하는 브리지 회로를 구성함으로써 교류 전원의 소비전력을 정밀도 좋게 계측할 수 있다. 또, 각 저항체의 저항값은 각각, R1=2Ω, Rcu≪1, R2, R2'=360Ω이며, 60~80 dB 게인으로 차동 증폭한다.

도 7의 계측회로(2)와 상기 도 48의 계측회로(3)의 측정결과에 대해 설명한다. 도 49 (a)(b)의 계측결과는 각각 전력계측장치 측(도 7에서는AMP1(34) 측)의 입력 교류(부하전류)를 실행치 4.0V, 100㎐로 하여 양 계측회로 2, 3의 출력을 비교하고 있다. 횡축은 시간이지만 실질적으로 부하에 흐르는 전류이며, 종축은 앰프의 출력이다. 이 도 49로부터 게인 80dB의 차동 증폭에 의해 교류 성분에 의해 노이즈와 직류 오프셋이 개선되고 있는 것을 알 수 있다.

도 50은 도 49 (b)와 같은 방법으로 고조파 전류의 검출을 한 결과의 그래프이다. 이 그래프에서는 각각 전력계측장치의 자성 막에 입력하는 전류의 주파수를 (1) 100㎐＋200Hz＋300㎐, (2) 100㎐＋200㎐, (3) 100㎐, (4) 200㎐, (5) 300㎐로 한 경우의 출력의 계측결과를 나타내고 있다. 이 결과로부터, 각 주파수의 전류만 거의 정확하게 검출할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 51에는 센터 탭 전극이 설치되어 있는 경우에 센서소자 및 계측저항을 포함하는 브리지 회로를 형성하는 경우의 결선구조를 나타낸다. 부가하는 저항은 등가 계측저항(52)만이며, 센터 탭 전극의 양측의 자성 막부와 계측저항으로 브리지 회로를 구성한다. 또, 오프셋 조정을 위해 가변저항을 부가해도 좋다. 또, 자성 막은 바버 폴 자성 막의 조합이라도 좋고, 자화 용이 축 경사 자성 막의 조합이라도 좋으며, 또 통상의 길이방향으로 자화 용이 축이 유도된 것이라도 좋다. 또, 여기서 「조합」이란 다른 동작점의 자성 막을 직렬로 접속하여 센터 탭 전극을 설치하는 경우와 동작점이 동일한 자성 막을 직렬로 접속하여 센터 탭 전극을 설치하는 경우의 어느 쪽도 포함한다. 또, 이들 자성 막에 교류 바이어스 자계를 인가하면 출력은 보다 재현성 좋게 얻을 수 있다.

도 52에는 센터 탭 전극의 양측의 자성막부의 동작점이 다른 경우에 브리지 회로를 형성하는 경우의 결선구조를 나타낸다. 동작점이 다른 경우란 자화 용이 축 경사 자성 막이라도 좋고, 차동형 바버 폴 자성 막이라도 좋다. 이들 자화 용이 축 혹은 도전체의 경사방향이 각각의 자성막부에서 다르면 좋다.

도 53에는 자성 막을 평행으로 배열하고, 서로 이웃하는 자성 막의 지면으로 향해서 상단과 하단을 각각 연결한 타입의 자성막부로 이루어지는 센서소자를 나타낸다. 센서 단자(1ta, 1tb)는 양단의 자성 막의 상단과 하단에 형성된다. 즉, 모든 자성 막은 직렬로 접속되어 있다. 이와 같은 타입의 자성 막을 지그재그(꼬불꼬불)형 자성 막이라고 부른다.

자기저항효과형으로 자성 막을 사용하는 경우는 도 3에 나타낸 것과 같이 인가 자계에 대한 출력특성이 우함수가 된다. 따라서 자성 막 중을 흐르는 전류의 방향에 관계없이 막의 저항이 변화한다. 또, 자기저항효과형에서는 전류장이 길수록 출력전압을 높게 할 수 있다. 그래서 지그재그형 자성 막을 센서소자로 이용함으로써 출력전압의 감도를 높일 수 있다.

또, 지그재그형 자성 막을 2개 연결하고, 연결 점에 센터 탭 전극(1m)을 형성함으로써 센터 탭 전극을 갖는 센서소자로 해도 이용할 수 있다. 또, 지그재그형 자성 막은 자성 막 상에 바버 폴 전극을 형성할 수도 있다. 또, 도 53에서는 자성 막의 표면에 바버 폴 전극을 형성하고 있다. 또, 동일하게 자화 용이 축 경사형 자성 막을 이용해도 괜찮다.

도 54에는 차동형 바버 폴 자성 막을 지그재그형에 형성하고, 또, 센터 탭 전극도 형성한 센서소자를 나타낸다. 이와 같은 센서소자를 이용해도 본 발명의 전력계측장치는 구성할 수 있다. 또, 이 지그재그형 자성 막을 이용한 상기의 변형 예의 센서소자를 이용한 경우에도 동작점 조정 바이어스 자계 인가수단, 직류 바이어스 자계 인가수단, 교류 바이어스 자계 인가수단, 밴드패스필터 수단을 이용할 수 있다. 또, 바버 폴 자성 막 대신에 각각 자화 용이 축의 경사방향이 다른 자화 용이 축 경사형 자성 막을 2개 직렬로 접속하고 센터 탭 전극을 형성한 센서소자라도 좋다.

이상, 본 발명의 여러 가지 전력계측장치에 대한 실시형태 및 그 개념에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 및 명세서 등에 기재한 정신이나 교시를 일탈하지 않는 범위에서 다른 변형 예, 개량 예를 얻을 수 있음은 당업자는 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 전력계측장치로서 이용할 수 있음은 물론, 전력계측수단을 필요로 하는 보다 큰 장치 및 시스템에 이용할 수 있다.

1 센서소자
1a, 1p 자성 막
1c 도체 막
1t 센서 단자
1m 센터 탭 전극
2 절연막
3 도체 막
10 연결단
12 계측저항
13 계측단
15 전력계측장치
22, 32 함수발생기
24, 34, 35 앰프
26, 37 로패스필터
28, 38 DMM(디지털 테스터)
37 정류회로
38 충전기
39 스위치
40 밴드패스필터 수단
41 밴드패스필터
42 스위치
51 등가 센서저항
52 등가 계측저항

Claims (49)

1. 한 쌍의 센서 단자 사이에,
   자성 막의 길이방향으로 유도된 자화 용이 축을 가지며, 상기 자화 용이 축에 대해 경사진 복수의 도전 막이 상기 자성 막의 표면에 형성된 자성막부를 2개 결합하여 형성된 센서소자로,
   상기 도전 막의 경사방향이 상기 자성막부 끼리에서 다르게 형성되고,
   상기 자성막부 끼리의 결합부분에 센터 탭 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 센서소자.
2. 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 청구항 1에 기재된 센서소자를 이용한 전력계측장치로,
   상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과,
   상기 연결단의 일방에 상기 센서 단자의 일방이 접속되고, 상기 센터 탭 전극이 접지된 청구항 1에 기재된 센서소자와,
   일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타방에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과,
   상기 센서 단자 각각을 계측단자로 하여 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
3. 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 청구항 1에 기재된 센서소자를 이용한 전력계측장치로,
   상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과,
   상기 연결단의 일방에 상기 센서 단자의 일방이 접속되고, 상기 센터 탭 전극이 접지된 청구항 1에 기재된 센서소자와,
   일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타방에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과,
   상기 센서 단자의 일방과 저항을 개재하여 연결한 상기 센서 단자의 타방과 상기 접지된 점을 각각 계측단자로 하여 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
4. 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 청구항 1에 기재된 센서소자를 이용한 전력계측장치로,
   상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과,
   상기 연결단의 일방에 상기 센서 단자의 일방이 접속되고, 상기 센터 탭 전극이 접지된 청구항 1에 기재된 센서소자와,
   일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타방에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과,
   상기 연결단의 일방에 접속된 일방의 상기 센서소자의 상기 센서 단자와 상기 계측저항이 상기 연결단의 타방에 접속된 상기 계측저항의 타단 사이에 상기 계측저항과 동일한 저항값을 갖는 등가 계측저항이 접속되며,
   상기 센서 단자끼리를 계측단자로 하여 상기 각각의 계측단자 간의 전위를 검출하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
5. 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 청구항 1에 기재된 센서소자를 이용한 전력계측장치로,
   상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과,
   상기 연결단의 일방에 상기 센서 단자의 일방이 접속되고, 상기 센터 탭 전극이 접지된 청구항 1에 기재된 센서소자와,
   일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타방에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과,
   상기 연결단의 일방에 접속된 일방의 상기 센서소자의 상기 센서 단자와 상기 계측저항이 상기 연결단의 타방에 접속된 상기 타단의 사이에 상기 계측저항과 동일한 저항값을 갖는 등가 계측저항이 접속되며,
   상기 센서 단자끼리를 각각 저항을 개재하여 연결한 점과 접지된 상기 센터 탭 전극을 계측단자로 하여 상기 각각의 계측단자 간의 전위를 검출하는 전압 검출부를 갖는 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
6. 청구항 2 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자성막부의 길이방향과 동일한 방향의 직류 자계를 상기 자성막부에 인가하는 직류 바이어스 자계 인가수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
7. 청구항 2 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자성막부의 길이방향과 직각방향의 교류 자계를 상기 자성막부에 인가하는 교류 바이어스 자계 인가수단을 설치한 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
8. 청구항 2 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전압 검출부는 상기 계측단자 간에 로패스 필터를 배치한 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
9. 한 쌍의 센서 단자 간에 직렬로 접속된 복수 개의 직사각형 형상의 자성 막이 인접해 배치된 2개의 자성막부를 각각 상기 자성막부의 상기 직사각형 형상의 자성 막의 길이방향을 정렬하여 상기 자성막부 끼리를 종렬로 배치시키고,
   또한, 상기 자성막부 끼리를 직렬로 접속하는 접속점을 형성하여, 상기 접속점에 센터 탭 전극이 형성되며,
   상기 직사각형 형상의 자성 막의 표면에 상기 직사각형 형상의 길이방향에 대해서 경사를 갖는 도전 막이 복수 개 형성되고, 상기 자성막부 끼리의 상기 경사는 상기 길이방향에 대해서 다른 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 센서소자.
10. 전원에 접속선을 개재하여 접속된 부하에서 소비되는 전력을 측정하는 전력계측장치로,
    상기 전원에 대해서 상기 부하와 병렬로 연결하기 위한 한 쌍의 연결단과,
    자성을 포함하는 자성막부와,
    상기 자성막부의 양단에 설치된 한 쌍의 센서 단자를 가지며,
    상기 센서 단자의 일단은 상기 연결단의 일방에 접속되고,
    상기 자성막부를 통해서 센서 단자 사이에 흐르는 전류의 방향이 상기 접속선을 흐르는 전류의 방향과 평행이 되도록 상기 접속선에 절연층을 개재하여 인접 배치되는 센서소자와,
    일단이 상기 센서소자의 센서 단자의 타단에 접속되고, 타단이 상기 연결단의 타방에 접속되는 계측저항과,
    상기 센서 단자의 각각을 계측단자로 하여 상기 계측단자 간의 전압을 계측하는 전압검출부와,
    상기 계측저항과 상기 전압검출부 사이에 배치되며, 병렬로 배치된 n개의 밴드패스필터와, 상기 n개의 밴드패스필터 중에서 n개 이하의 밴드패스필터를 선택할 수 있는 스위치를 갖는 밴드패스필터 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 전력계측장치.
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