CN102656471A - 磁场传感器、使用其的磁场测定方法、电力测量装置及电力测量方法 - Google Patents

Abstract

能够判定正负方向，能够实现可靠性高的磁场检测。本发明的磁场传感器具备：强磁性薄膜(3)；具有输入输出端子的供电部(5A、5B)，向上述强磁性薄膜供给元件电流；以及检测部(5C、5D)，检测与上述元件电流的方向正交的方向上的上述强磁性薄膜(端部之间)的电压；上述强磁性薄膜形成为相对于上述元件电流的方向对称。

Description

磁场传感器、使用其的磁场测定方法、电力测量装置及电力测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁场传感器、使用其的磁场测定方法、电力测量装置及电力测量方法，尤其涉及用于实现没有偏移的高精度的磁场测定的磁场传感器的电压读取及使用该磁场传感器的电力测量装置。

背景技术

近年来，利用互联网等的环境得以完善，包括电力的远程读表的测量系统的开发得到发展。

使用采用如下方法的电力计：在将所使用的电力转换为圆盘的转数来进行积分运算的现有积算电力计上，附设检测旋转的传感器，或另行附设电流计(CT)、电压计(PT)，进行基于电路、微处理器的乘法运算并测量电力等方法。但是，上述电力计的装置不仅大型化，而且昂贵，此外还会消耗过多的能量。

因此希望开发出能够将消耗电力直接作为电量来测定、且能够实现小型化及集成化的电力计。

尤其是提出了利用磁性薄膜的磁阻效应、能够将消耗电力直接测定为电量的电力测量装置(非专利文献1、2)。

其是如下电力测量装置，使用与交流所流过的一次导体平行放置(形成在基板上)的磁性薄膜，经由电阻向该磁性薄膜的两端施加一次电压，从磁性薄膜的(两端)读取输出。该电力测量装置采用根据二倍频成分的振幅值读取电力IV的方式。

在该电力测量装置中，利用由磁性薄膜构成的强磁性体内该磁性体的电阻值根据电流与磁化所成的角度而变化的现象即平面霍尔效应，关注于能够无偏置磁场地获得线性特性这一点，读取与电力成正比例的信号成分。

在此所使用的磁场传感器是将外部磁场的变化转换为电信号的元件，形成强磁性薄膜、半导体薄膜等磁性薄膜的图案，使电流在该磁性薄膜的图案中流过，作为电压变化，将外部磁场的变化转换为电信号。

在此输出信号如下式(1)所示。

[数学式1]

在此，输出分为直流成分的项和交流成分的项。

A1是与由电桥电阻的不平衡所产生的电力无关的多余项，A2是与电力成正比例的项(瞬时电力)。

为了实现这种磁场传感器的高灵敏度化，提出了各种方案。例如在专利文献1中，为了实现高灵敏度化，还提出了对环状图案的一部分设置开口而形成有通电部的磁场传感器。

专利文献1：日本特开平11-274598号公报

非专利文献1：磁性膜を用いた薄膜電力計(電気学会マグネティックス研究会資料VOL.MAG-05No.182)

非专利文献2：磁性膜を用いた薄膜電力計(電気学会マグネティックス研究会資料VOL.MAG-05No.192)

发明内容

但是，在上述电力测量装置中，采取测量2ω成分的振幅值I₁·V₁的值，并且另行测量功率因数cosθ，另行进行乘法运算，获得I₁·V₁·cosθ的方法，在功率因数不是1的情况下，需要另行测量功率因数并进行运算。此外，在具有高次谐波成分的电流波形的情况下，存在只能读取基波成分的电力的问题。

此外，磁传感器存在以下问题。例如，如图28所示，在具有强磁性特性的磁性薄膜100上沿着其直径方向配置的导体200中流过电流I₁，将由该电流产生的磁场设为H、将元件所具有的自发磁化设为M时，将对外部磁场矢量H和元件所具有的自发磁化矢量M进行合成而得到的磁通密度矢量设为B_M0，将电流密度矢量I与磁通密度矢量B_M0所成的角设为θ，将强磁性薄膜100的点A-B间的电阻设为R，将根据磁场变化的点A-B间的电阻值的最大值设为ΔR，则点A-B间的电压V_AB为

V_AB＝I₂(R+ΔRcos2θ)    (2)

在此，I₂为元件电流。

但是，在上述结构中存在施加交流磁场时无法判断正负方向的问题。这是由于，在上述式(2)中cos2θ的正负取相同的值。

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够判定正负方向、且能够实现可靠性高的磁场检测的磁场传感器。

此外，目的在于提供一种不必另行测量功率因数即能够简单地测量电力的电力测量装置。

因此，本发明的一种磁场传感器，其特征在于，具备：磁性薄膜；具有输入输出端子的供电部，向上述磁性薄膜供给元件电流；以及检测部，检测与上述元件电流的方向正交的方向上的上述磁性薄膜端部之间的电压；上述磁性薄膜形成为，相对于上述元件电流的方向对称。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜的外形为圆形。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜是环状体。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜由正方形的环状体构成，以在上述正方形的对角线方向上流过电流的方式设置有供电部。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜是环状体，且线宽恒定。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜在上述环状体的内部设置有由磁性膜构成的内部磁性薄膜。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述内部磁性薄膜用由与上述磁性薄膜相同的材料构成的磁性薄膜构成。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述内部磁性薄膜由与上述磁性薄膜不同的磁性薄膜构成。

此外，本发明的磁场测定方法，以磁性薄膜的图案相对于元件电流的方向对称的方式供给元件电流，在与上述元件电流的供给方向正交的方向上检测上述磁性薄膜端部之间的电压，从而测定磁场强度。

因此，本发明的电力测量装置，其特征在于，具备磁场传感器和直流成分提取部；上述磁场传感器具备：磁性薄膜，被配置为与交流所流过的一次导体平行；具有输入输出端子的供电部，与上述一次导体连接，并经由电阻体向上述磁性薄膜供给元件电流；以及检测部，检测上述磁性薄膜两端的输出；上述直流成分提取部从上述检测部的输出提取直流成分。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述磁场传感器和上述直流成分提取部形成在相同基板上。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述磁场传感器的上述磁性薄膜成膜在上述基板上，上述检测部与上述基板上的布线图案直接连接。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述磁场传感器包括：磁性薄膜，成膜在上述基板上；具有输入输出端子的供电部，向上述磁性薄膜供给元件电流；以及检测电极部，检测上述磁性薄膜两端的输出；上述布线图案由与上述供电部及上述检测电极部相同的导体层构成。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述磁性薄膜形成为，磁阻相对于上述元件电流的方向对称。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述磁性薄膜形成为，磁化方向与上述元件电流的方向一致。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述检测部形成在与上述元件电流的方向正交的方向上。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，上述直流成分提取部具有按商用频率f的f分之1的周期对输出值进行积算的积算部。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，具备检测上述元件电流的一次电压的零交叉点的零交叉点检测部，根据上述零交叉点检测部的输出确定上述直流成分提取部的驱动定时。

此外，本发明包括：在上述电力测量装置中，包括与上述检测部并联连接的电容器。

此外，本发明的电力测量方法，其包括如下步骤：使用上述电力测量装置以磁阻相对于元件电流的方向对称的方式对磁性薄膜的图案供给元件电流，读取通过供给上述元件电流而产生的输出的直流成分作为电力信息。

此外，本发明的电力测量装置中所使用的磁场传感器的特征在于，具备：磁性薄膜；具有输入输出端子的供电部，向上述磁性薄膜供给元件电流；以及检测部，检测与上述元件电流的方向正交的方向上的上述磁性薄膜(端部之间)的电压；上述磁性薄膜形成为磁阻相对于上述元件电流的方向对称。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜的外形为圆形。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜是环状体。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜由正方形的环状体构成，以电流在上述正方形的对角线方向上流过的方式设置有供电部。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜是环状体，且线宽恒定。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜由正方形的环状体构成，以电流在上述正方形的对角线方向上流过的方式设置有供电部。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述磁性薄膜在上述环状体的内部设置有由磁性膜构成的内部磁性薄膜。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述内部磁性薄膜以由与上述磁性薄膜相同的材料构成的磁性薄膜构成。

此外，本发明包括：在上述磁场传感器中，上述内部磁性薄膜由与上述磁性薄膜不同的磁性薄膜构成。

此外，本发明的电力测量装置的磁场测定方法，以磁阻相对于元件电流的方向对称的方式向磁性薄膜的图案供给元件电流，在与上述元件电流的供给方向正交的方向上检测上述磁性薄膜(端部之间)的电压，从而测定磁场强度。

发明效果

如上所述，根据本发明的磁场传感器，由于以非常简单的结构从与元件电流方向正交的点读取电压，因此能够检测出磁场的方向，而且能够实现没有偏移的可靠性高的磁场检测。

此外，根据本发明的电力测量装置，通过读取输出电压的直流成分，不需要另行测量功率因数，能够以非常简单的结构直接读取电力。

附图说明

图1是本发明的磁场传感器的原理说明图。

图2是本发明的实施方式1的磁场传感器的原理说明图。

图3是本发明的实施方式1的磁场传感器的俯视图。

图4是本发明的实施方式1的磁场传感器的剖视图。

图5是表示用于测定本发明的实施方式1的磁场传感器的元件特性的测定装置的电路说明图。

图6是表示本发明的实施方式1的磁场传感器的元件特性的测定结果的图。

图7是表示本发明的实施方式1的磁场传感器的元件特性的测定结果的图。

图8是表示本发明的实施方式1的磁场传感器的电流值与输出电压的关系的图。

图9是本发明的实施方式2的磁场传感器的原理说明图。

图10是本发明的实施方式2的磁场传感器的俯视图。

图11是本发明的实施方式2的磁场传感器的剖视图。

图12是本发明的实施方式2的变形例的磁场传感器的剖视图。

图13是本发明的实施方式2的变形例的磁场传感器的俯视图。

图14是本发明的实施方式3的磁场传感器的原理说明图。

图15是本发明的实施方式3的磁场传感器的俯视图。

图16是本发明的实施方式4的电力测定装置的概要说明图。

图17是该电力测定装置的等效电路图。

图18是该电力测量装置的说明图。

图19是该电力测量装置的剖视图。

图20是表示该电力测量装置的输出特性的图。

图21是表示该电力测量装置的输出读取方向的说明图，(a)及(b)是自发磁化的方向与元件电流I₂的方向平行的情况，(c)及(d)是自发磁化的方向与元件电流I₂的方向不平行的情况。

图22是表示该电力测量装置的外部磁场与输出电压的关系的图。

图23是该电力测量装置的检测部的说明图。

图24是该电力测量装置的检测部的说明图，(a)表示θ为0时的情况，(b)表示θ为π/4时的情况。

图25是表示将电力测量装置的电力作为输出来读取时的输出值的1个周期的图。

图26是本发明的实施方式5的电力测量装置的说明图。

图27是本发明的实施方式6的电力测量装置的说明图。

图28是现有例的磁场传感器的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

在说明本发明的实施方式之前，说明本发明的磁场传感器的测定原理。

在本发明的磁场传感器中，对于用作磁性薄膜的强磁性薄膜，在与元件电流方向正交的方向上进行输出读取，并且相对于输出读取方向大致对称。

即，如图1的原理说明图所示，将相对于圆形的强磁性薄膜3的图案的中心位于对称的位置且位于该强磁性薄膜图案的周缘上的点A、B设为通电部，将与该线段AB正交且通过圆的中心的线段CD设为输出读取方向。

此时，如图1所示，在强磁性薄膜3上沿着其直径方向所配置的导体200中流过电流I₁。将由该电流产生的磁场矢量设为H，将元件所具有的自发磁化矢量设为M时，将对磁场矢量H和元件所具有的自发磁化矢量M进行合成而得到的磁通密度矢量设为B_M0，并且将电流密度矢量I与磁通密度矢量B_M0所成的角设为θ，将强磁性薄膜3的点A-B间的电阻设为R，将根据磁场变化的点A-B间的电阻值的最大值设为ΔR，则点C-D间的电压V_CD能够用电压V_AC与电压V_AD之差来表示。

若将其表示成数学式，则可如下表示。

V_CD＝I₂(ΔRsin2θ)    (3)

其中I₂为元件电流。

即，在施加交流磁场时，能够判定正负。

此外，与式(1)所示的现有例的情况相比，未施加磁场时的偏移不存在而为零，因此能够简化电路结构。

根据该结构，在强磁性薄膜3上沿着其直径方向配置的导体200中流过电流I₁，将由该电流产生的磁场设为H，将元件所具有的自发磁化设为M时，将对外部磁场矢量H和元件所具有的自发磁化矢量M进行合成而得到的磁通密度矢量设为B_M0，并且将电流密度矢量I与磁通密度矢量B_M0所成的角设为θ，将强磁性薄膜3的点A-B间的电阻设为R，将根据磁场变化的点A-B间的电阻值的最大值设为ΔR，则点C-D间的电压V_CD能够用电压V_AC与电压V_AD之差来表示。

(实施方式1)

说明本实施方式1的磁场传感器。图2表示该磁场传感器的原理说明图，图3表示俯视图，图4表示剖视图。如图3及图4所示，该磁场传感器在由硅构成的基板1的表面上形成氧化硅膜作为绝缘膜2，在该绝缘膜2上形成由具有强磁性特性的强磁性薄膜3构成的环状图案，并且具有沿着该环状图案的直径方向构成供电部5A、5B的导体图案以及在与从该供电部5A、5B供给的元件电流的方向正交的方向上所形成的作为检测部5C、5D的导体图案。

即，如图2的原理说明图所示，将相对于圆形的强磁性薄膜3的图案的中心位于对称的位置且位于该强磁性薄膜图案的周缘上的点A、B设为通电部，将与该线段AB正交且通过圆的中心的线段CD设为输出读取方向。

此时，如图2所示，在强磁性薄膜3上沿着其直径方向所配置的导体200中流过电流I₁。将由该电流产生的磁场设为H，将元件所具有的自发磁化设为M时，将对外部磁场矢量H和元件所具有的自发磁化矢量M进行合成而得到的磁通密度矢量设为B_M0，并且将电流密度矢量I与磁通密度矢量B_M0所成的角设为θ，将磁性薄膜3的点A-B间的电阻设为R，将根据磁场变化的点A-B间的电阻值的最大值设为ΔR，则点C-D间的电压V_CD能够用电压V_AC与电压V_AD之差来表示。

因此上述式(3)成立，在施加交流磁场时，能够判定正负。

此外，未施加磁场时的偏移不存在而为零，因此能够简化电路结构。

在此，作为强磁性薄膜，除了单层结构的强磁性薄膜以外，从(强磁性体/非磁性导体)结构的反铁(结合)型薄膜、(高矫顽磁力强磁性体/非磁性导体/低矫顽磁力强磁性体)结构的感应铁(非结合)型薄膜、(半强磁性体/强磁性体/非磁性导体/强磁性体)结构的自旋阀型薄膜、Co/Ag系统的非固溶类颗粒型薄膜等中选择来形成。

此外，作为导体图案，使用金、铜、铝等。

接着，说明该磁场传感器的制造工序。

在作为基板1的硅基板表面上，形成作为绝缘膜2的氧化硅膜，在上层上通过溅射法形成强磁性薄膜3。此时，施加磁场并进行溅射，形成为自发磁化方向一致。

并且，通过光刻形成该强磁性薄膜3的图案，形成圆环状的图案。

之后，通过溅射法形成金等导体薄膜，通过光刻形成图案，形成如图3及图4所示的供电部5A、5B及检测部5C、5D。

并且，根据需要形成保护膜，制成磁场传感器。

根据本实施方式的磁场传感器，磁性薄膜的宽度减小，因此电阻增大，能够增大输出。

为了确认该磁场传感器的输出特性，采用图5所示的测定装置进行了实验。从交流电源507经由变压器506及电阻505向图2至图4所示的磁场传感器501的供电部A、B供给交流，并且在磁场传感器501的检测部C、D上经由放大器502连接有作为显示部的示波器504。503是稳定化电源。另外，该测定装置容纳在铁制的壳体500内。在此，将安装有该元件的元件基板铅垂地配置，将元件与待测定电线的分离距离设为约3mm而进行测定。

图6及图7表示该测定结果。图6是将元件电流I₁设为8.842A时的瞬时输出，图7是将元件电流I₁设为0A时的瞬时输出。

图8表示这样获得的电流值与元件输出电压的关系。在此，放大器所引起的偏移为5.888V，此外，没有偏移，可靠性高。

另外，在上述实施方式中，说明了使用在铅垂方向上配置的元件基板而进行测定的情况，但也可以通过将待测定电线放置于元件基板上而进行测定。

此外，在上述实施方式中，优选线宽恒定。在线宽不恒定的情况下，采取调整膜厚或附加辅助图案等方法以使电阻值对称也是有效的。

此外，磁性薄膜的外形为圆形，是对称形状，因此容易形成为相对于元件电流方向对称，能够提供可靠性高的磁场传感器。

此外，由于磁性薄膜形成为环状，因此磁性薄膜的宽度减小，电阻增大，能够不增大元件外形地增大电阻值，能够增大输出。

(实施方式2)

接着，说明本发明的实施方式2。在本实施方式中，特征在于，如图9至图11所示，沿着构成上述实施方式1的磁场传感器的环状图案的强磁性薄膜3的环的内周形成有强磁性薄膜的辅助图案4，作为相似形的圆形的内部磁性薄膜。

结构上仅附设该辅助图案4，其他结构与上述实施方式1相同，在此省略说明。相同部位标以相同标号。在此，图9表示该磁场传感器的原理说明图，图10表示俯视图，图11表示剖视图。该磁场传感器基本上与上述实施方式1相同，但由于存在该辅助图案4，在提高了电阻的状态下提高了磁灵敏度。强磁性薄膜3中外侧的环状图案与内部的辅助图案4没有电接触。因此，虽然电阻与上述实施方式1的磁场传感器相同，但磁性方面由于空间部被磁性薄膜填塞，因此能够引导更多的磁通，能够实现高灵敏度化。

这样，根据本实施方式，在磁性体之间形成有空间，因此对外部磁场的灵敏度降低。因此，在提高了电阻的状态下，为了仅提高磁灵敏度，与电性方面相独立地设置了内部磁性薄膜，因此能够进一步实现高灵敏度化。

另外，作为元件结构，也可以如图12所示的变形例，在形成磁性体薄膜图案之后，用由聚酰亚胺树脂构成的保护绝缘膜16覆盖整个基板表面，经由通孔形成供电部5A、5B及检测部5C、5D。根据该结构，能够防止磁性体薄膜老化，能够提供可靠性高的磁场传感器。

此外，作为在环状图案内部形成的辅助图案，可以由相同材料构成，也可以如图13所示地以由其他材料构成的磁性体薄膜形成辅助图案24。

通过以由与磁性薄膜相同的材料构成的磁性薄膜来构成内部磁性薄膜即辅助图案，制造变得容易，仅通过变更图案即可提供高灵敏度且高可靠性的磁场传感器。

此外，通过由与磁性薄膜不同的磁性薄膜来构成内部磁性薄膜即辅助图案，能够调整灵敏度。此外，在排列多个磁场传感器的情况下，为了使灵敏度一致，通过调整内部磁性薄膜的材料，也能够调整灵敏度。

另外，作为保护膜，除了氧化硅膜、酸化铝等无机膜以外，也可以使用聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等有机膜。

(实施方式3)

接着，说明本发明的实施方式3。在本实施方式中，特征在于，如图14及图15所示，强磁性薄膜由正方形的环状图案33构成，以电流在上述正方形的对角线方向上流动的方式设置有供电部5A、5B，在与此正交的方向上形成有检测部5C、5D。

在本实施方式中，仅替代上述实施方式1的磁场传感器的环状图案3而形成有正方形的环状图案33，其他结构与上述实施方式1相同，在此省略说明。相同部位标以相同标号。在此，图14是该磁场传感器的原理说明图，图15是俯视图。

在此，磁通密度矢量为元件所具有的自发磁化矢量M与外部磁场矢量H的合成矢量，在没有外部磁场的情况下，磁通密度矢量为自发磁化矢量方向。在外部磁场为交流磁场的情况下，以自发磁化矢量为中心在图的上下方向上振动。

根据该结构，传感器的输出Vmr可以用下式来表示。

其中，与上述同样地，将电流密度矢量与磁通密度矢量所成的角设为θ₁、θ₂，将AB与AC、AB与AD所成的角设为φ，将没有外部磁场时的AC间的电压设为V_AC0，将AD间的电压设为V_AD0，将磁阻效应引起的电压变化的最大值设为ΔVr。

[数学式2]

Vmr＝V_AC-V_AD

   ＝{V_AC0+ΔVr cos2θ₁}-{V_AD0+ΔVr cos2θ₂}

   ＝{V_AC0+ΔVr cos2θ₁}-{V_AD0+ΔVr cos2(θ₁-2φ)}    (4)

并且，当V_AC0＝V_AD0时，

Vmr＝ΔVr cos2θ₁-ΔVr cos2(θ₁-2φ)                  (5)

当2φ＝90度时得到最大值。

Vmr＝ΔVr cos2θ₁-ΔVr cos2(θ₁-90°)

   ＝ΔVr cos2θ₁-ΔVr cos(2θ₁-180°)

   ＝ΔVr cos2θ₁+ΔVr cos2θ₁

   ＝2ΔVr cos2θ₁                                   (6)

在圆形环状即圆环状时也能够用大致相同的数学式来表现，但在圆环状的情况下，电流密度矢量的方向在A到C、A到D之间变化，还存在输出成为最大的φ＝45度之外的成分，因此与正方形相比输出减小。

另外，在上述实施方式中，通过溅射法形成磁性体薄膜，但不限于溅射法，也可以通过真空蒸镀法或塗布法、浸渍法等形成。

此外，关于基板，除了硅等半导体基板之外，也可以使用蓝宝石、玻璃、陶瓷等无机类基板、或树脂等有机类基板等任意种类。其中尤其优选使用所谓挠性优良、薄且轻的基板，例如可以使用与作为印刷电路板等广泛使用的塑料薄膜相同的基板。更具体地说，可以利用作为塑料薄膜材质公知的各种材料，例如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、特氟龙(注册商标)等。通过使用挠性的基板，能够配置为包围待测定电线等，配置为获得更高的灵敏度。此外，考虑到通过锡焊来接合，也可以使用耐热性高的聚酰亚胺薄膜。另外，基板的厚度没有特别限定，但优选1～300μm左右的厚度。

此外，可以在玻璃基板等基板上直接形成磁性体薄膜图案来形成磁场传感器，但也可以先形成芯片，并将其通过引线接合法、倒装芯片法安装在玻璃基板、印刷电路板等上。此外，通过在芯片内还包含处理电路来集成化，能够提供高精度且高可靠性的磁场传感器。

另外，不限于上述实施方式，只要磁性薄膜的输出读取方向为与元件电流方向正交的方向，并且磁阻相对于元件电流的方向对称，即可适用，能够判定方向的正负，并且消除了未施加磁场时的偏移，因此能够简化电路结构。

此外，在上述实施方式中使用了采用强磁性薄膜的磁场传感器，但不限于此，也可以使用其他磁场传感器。

(实施方式4)

在说明本发明的实施方式之前，说明本发明的测定原理。

在该电力测量装置中，利用强磁性体内该磁性体的电阻值根据电流与磁化所成的角度而变化的现象即平面霍尔效应，关注于能够无偏置磁场地获得线性特性这一点，读取与电力成正比例的信号成分。图16及图17表示该测定原理。图16是该电力测定装置的概要说明图，图17是等效电路图。

在此使用的磁场传感器是将外部磁场的变化转换为电信号的元件，形成作为磁场检测膜的强磁性薄膜5的图案，在该磁场检测膜的图案中流过电流，作为电压变化，将外部磁场的变化转换为电信号。

在此，如图17所示，强磁性薄膜可以看作是由R1、R2、R3、R4构成的电阻电桥。

在此，当为平衡状态(R1＝R2＝R3＝R4)时，

[数学式3]

将元件中流过的电流设为Ia、Ib，

$\mathrm{Ia}=\frac{\mathrm{Vb}}{R1+R4},$ $\mathrm{Ib}=\frac{\mathrm{Vb}}{R2+R3}$

输出电压Vmr为，

$v_{\mathrm{mr}}=\mathrm{Ia}\·R1-\mathrm{Ib}\·R2$

$=R1\·\frac{\mathrm{Vb}}{R1+R4}-R2\·\frac{\mathrm{Vb}}{R2+R3}$

$=\frac{R1\·R3-R2\·R4}{(R1+R4)\·(R2+R3)}\·\mathrm{Vb}$

在此，当发生如下变化R1→R1+ΔR1时，

$v_{\mathrm{mr}}=\frac{(R1+\mathrm{\ΔR}1)\·R3-R2\·R4}{(R1+\mathrm{\ΔR}1+R4)\·(R2+R3)}\·\mathrm{Vb}$

用R1·R3除时，

$v_{\mathrm{mr}}=\frac{(1+\frac{\mathrm{\ΔR}1}{R1})-\frac{R2\·R4}{R1\·R3}}{(1+\frac{\mathrm{\ΔR}1}{R1}+\frac{R4}{R1})\·(\frac{R2}{R3}+1)}\·\mathrm{Vb}$

若R1＝R2＝R3＝R4，则

$v_{\mathrm{mr}}=\frac{\frac{\mathrm{\ΔR}1}{R1}}{(2+\frac{\mathrm{\ΔR}1}{R1})\·2}\·\mathrm{Vb}=\frac{\mathrm{\ΔR}1}{4R1+2\·\mathrm{\ΔR}1}\·\mathrm{Vb}---\left(7\right)$

若ΔR1＜＜R1，则

$v_{\mathrm{mr}}=\frac{\mathrm{\ΔR}1}{4R1}\·\mathrm{Vb}$

在此，

ΔR1＝k·I1，Vb＝R1·I2

$v_{\mathrm{mr}}=\frac{1}{4R1}\·(k\·I1)\·(R1\·I2)=\frac{1}{4R1}\·(k\·I1)\·(R1\·I2)$

$=\frac{k}{4}\·I1\·I2$

设为 $i_1\left(t\right)=\sqrt{2}{I}_1\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}),$ $i_2\left(t\right)=\sqrt{2}{I}_2\cos \mathrm{\ωt}$

若与磁阻效应的原理式同样地展开，则

$=\frac{k}{4}{I}_1{I}_2\cos \mathrm{\θ}+\frac{k}{4}{I}_1{I}_2\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

而且，变为

$I_2\≅\frac{V_2}{\mathrm{Ra}}$

$v_{\mathrm{mr}}=\frac{k}{4\·\mathrm{Ra}}\·I_1\·V_2\cos \mathrm{\θ}+\frac{k}{4\·\mathrm{Ra}}\·I_1\·V_2\cos (2\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(8\right)$

分为直流成分的项(第1项)和交流成分的项(第2项)。

即，在电阻电桥为零磁场的Vmr＝0的情况下(R1＝R2＝R3＝R4)，由施加磁场而产生的输出Vmr与电阻变化率成正比例。

其原因如下。

由于能够设计成电阻变化率ΔR1/R1与I₁成正比例、施加给强磁性薄膜的电压Vb与I₂成正比例，因此Vmr输出与I₁和I₂的积成正比例。即是与电力成正比例的信号成分。若将I₁和I₂展开为瞬时式，则Vmr为(DC项)+(2ω项)。

一般情况下电阻电桥是不平衡的，因此虽然表现为ω项，但该成分与电力无关。更确切地说，不平衡度越大则值越大，因此不能分离不平衡度与电力成分。

因此，通过读取第1项即直流成分的项，能够直接读取电力。

关于本发明的电力测量装置中所使用的磁场传感器，由于已在实施方式1中说明，因此在此省略说明。

说明本实施方式4的电力测量装置。图18表示该电力测量装置的说明图，图19表示剖视图，图20表示该电力测量装置的输出。该电力测量装置的特征在于，具备磁场传感器10和直流成分提取部50；上述磁场传感器10具有：与交流所流过的一次导体平行地配置的强磁性薄膜；与上述一次导体连接，并经由电阻体向上述强磁性薄膜供给元件电流的具有输入输出端子的供电部；以及检测上述强磁性薄膜两端的输出的检测部；上述直流成分提取部50从上述检测部的输出提取直流成分。

在此，磁场传感器10的供电部经由作为负载的电阻体9与交流电源8连接。此外，与检测部连接的直流成分提取部50由放大器20、A/D转换器30及CPU40构成。

此外，该电力测量装置由如下部件连接而成：经由布线图案3P安装于由印刷电路板构成的电路基板1上的磁场传感器10、由锡焊连接于该印刷电路板上的布线图案3P上的芯片部件构成的放大器20、A/D转换器30及CPU40。2为绝缘膜。

在此，如图18所示，磁场传感器和直流成分提取部50一起形成在电路基板1上，因此磁场传感器的强磁性薄膜和放大器20的输入线所包围的面S不会横切由一次导体电流I₁产生的磁通，因此能够降低由交链磁通引起的多余感应电动势的影响。

此外，能够实现薄型化及小型化。

图20表示这样获得的输出。从该输出Vmr获得DC成分，从而能够直接获得电力。

根据本实施方式的电力测量装置，利用强磁性体内该磁性体的电阻值根据电流与磁化所成的角度而变化的现象即平面霍尔效应，关注于能够无偏置磁场地获得线性特性这一点，读取与电力成正比例的信号成分，通过直流成分提取部从检测部的输出提取直流成分，所以提取的波形为电流×电压×功率因数成分，因此是电力，能够不需要进行乘法运算而根据波形直接进行测量，所以能够实现容易且高精度的电力检测。

此外，在本发明的上述电力测量装置中，上述强磁性薄膜形成为磁阻相对于上述元件电流的方向对称。

[数学式4]

此时，施加θ＝π/4的磁场时Vmr得到最大值，但为在输出读取点上对称的结构时能够最高效地读取信号。这样，根据上述结构，形成为磁阻相对于元件电流的方向对称，因此能够较大地取得Vmr输出的最大值，作为系统的S/N比提高。

因此，根据上述结构，能够实现高精度的电力测量。

此外，从高灵敏度化这一点考虑，优选强磁性薄膜形成为磁化方向与上述元件电流的方向一致。

这样，通过具有自发磁化，在强磁性薄膜上产生平面霍尔效应即磁阻效应(电阻值根据磁场而变化的现象)。在此，图21表示电流I₂矢量、自发磁化的方向即一次导体引起的磁场H、合成的磁通密度矢量B_M0的关系。从该图可知，通过使自发磁化的方向如图21(a)及(b)所示地与元件电流I₂的方向平行，一次导体引起的磁场方向上正的最大值与负的最小值的输出(绝对值)相等，能够使动态范围最大。图21(a)及(b)的下段是表示生成上段的合成磁化的说明图。另一方面，如图21(c)至(d)所示，若不平行，则正的最大值和负的最小值(绝对值)的任一个值减小，因此传感器的动态范围变小。在图22中，在元件输出与一次导体引起的磁场强度中，用粗线来表示动态范围。动态范围由元件输出的正侧和负侧中的较小的一方来规定，因此由于元件电流矢量I₂与自发磁化平行的情况下正侧和负侧相等，所以能够最有效地获得整体的动态范围。

在此，进行制造时，在通过溅射来成膜的情况下，施加磁场并进行溅射，从而自发磁化的方向与元件电流I₂的方向平行，因此能够容易形成。

根据上述结构，利用强磁性体内该磁性体的电阻值根据电流与磁化所成的角度而变化的现象即平面霍尔效应，关注于能够无偏置磁场地获得线性特性这一点，读取与电力成正比例的信号成分，通过直流成分提取部从检测部的输出提取直流成分，所以提取的波形为电流×电压×功率因数成分，因此是电力，能够不需要进行乘法运算而根据波形直接进行测量，所以能够实现容易且高精度的电力检测。

此外，在本发明的该电力测量装置中，优选检测部如图23至图24的说明图所示地形成在与元件电流的方向正交的方向上。

在此，图24(a)表示外部磁场矢量H为零时的情况，图24(b)表示外部磁场矢量H为π/4的角度时的情况。

根据该结构，施加θ＝π/4的磁场时Vmr得到最大值，因此为在输出读取点上对称的结构时能够最高效地读取信号。

此外，优选的是，直流成分提取部50具备按商用频率f的f分之1的周期对输出值进行积算的积算部。

根据上述结构，Vmr是直流成分+商用频率的公倍数，因此如图25表示的将该电力测量装置的电力作为输出来读取时的输出值的1个周期所示，若在商用频率的周期期间进行积算，则交流成分正负相抵，能够仅读取直流成分。能够以周期单位获得直流成分，适合于高速运算，因此暂态响应性能优良。此外，由于以周期来积算，因此能够去掉1次的多余项，能够读取电力的高次谐波成分。

(实施方式5)

接着说明本发明的实施方式5。

在本实施方式中，特征在于，如图26所示，在磁场传感器10的检测部上连接零交叉点检测部60及周期判定部70，根据该零交叉点检测部的输出，由周期判定部70检测输出的周期。在此，根据零交叉点检测部60的输出，由周期判定部70判定周期，根据该周期确定上述直流成分提取部50的驱动定时。其他结构与上述实施方式4相同，因此在此省略说明。

根据该结构，系统频率始终变动，因此为了准确地测量周期，使用系统电压时精度最好，对由于元件电流I₂流过而向基板引入电压信号的部位进行分支，从而能够不新附设外部电压信号线而从电压信号检测出周期。

(实施方式6)

接着说明本发明的实施方式6。

在本实施方式中，如图27所示，在电力测量装置中，在磁场传感器的检测部上并联连接有电容器80。其他结构与上述实施方式4相同，因此在此省略说明。

根据该结构，通过电容器使Vmr信号平滑化，从而能够以小于周期的较短时间读取直流成分，因此能够高速获得电力值，能够以简单的电路结构检测直流成分。

(实施方式7)

接着说明本发明的实施方式7。

在上述实施方式4中磁场传感器由芯片部件构成，并安装于构成电路基板的印刷电路板上，在构成电路基板的印刷电路板1上直接形成强磁性薄膜3的图案，构成供电部及检测部的导体图案和布线图案在相同工序中形成并集成化。并且，放大器、A/D转换器、CPU由芯片部件构成。或也可以在硅基板上集成处理电路，并且经由绝缘膜形成磁场传感器，成为单片元件。

根据该结构，能够进一步实现薄型化及小型化。

另外，在上述实施方式4至7中说明的电力测量装置中，当然也可以使用上述实施方式2至3中说明的磁场传感器。

在上述电力测量装置中，通过在基板上形成磁性薄膜，也能够在基板上将磁场传感器和处理电路一体化，能够进一步实现薄型化及小型化。

此外，在上述电力测量装置中，磁场传感器也可以构成为，具备在基板上成膜的磁性薄膜、向磁性薄膜供给元件电流的具有输入输出端子的供电部以及检测磁性薄膜两端的输出的检测电极部，布线图案由与供电部及检测电极部相同的导体层构成。

根据该结构，在通常的电路基板的结构上，只要形成磁性体薄膜的图案即可，因此能够非常容易地形成。

此外，在上述电力测量装置中，磁性薄膜也可以形成为，磁阻相对于元件电流的方向对称。

根据该结构，由于磁阻相对于元件电流的方向对称，因此能够较大地获得Vmr输出的最大值，作为系统的S/N比提高。

此外，在上述电力测量装置中，还可以具有与检测部并联连接的电容器。

根据该结构，通过利用电容器使Vmr信号平滑化，能够以小于周期的较短时间读取直流成分，因此能够高速获得电力值，能够以简单的电路结构检测直流成分。

此外，使用电力测量装置，以磁阻相对于元件电流的方向对称的方式向磁性薄膜的图案供给元件电流；读取通过供给上述元件电流而产生的输出的直流成分，作为电力信息。

根据该结构，不需要另行测量功率因数，能够简单地进行测量，并且与进行积算的情况相比，误差也降低。

此外，磁场传感器也可以包括磁性薄膜、向磁性薄膜供给元件电流的具有输入输出端子的供电部以及检测与元件电流的方向正交的方向上的上述磁性薄膜(端部之间)的电压的检测部，磁性薄膜形成为磁阻相对于元件电流的方向对称。

根据该结构，磁性薄膜的输出读取方向为与元件电流方向正交的方向，并且磁阻相对于元件电流的方向对称，从而能够判定方向的正负，并且消除了未施加磁场时的偏移，因此能够简化电路结构。

此外，在本发明的电力测量装置的磁场测定方法中，以磁阻相对于元件电流的方向对称的方式向磁性薄膜的图案供给元件电流，在与上述元件电流的供给方向正交的方向上检测上述磁性薄膜(端部之间)的电压，从而测定磁场强度。

根据该结构，磁性薄膜的输出读取方向为与元件电流方向正交的方向，并且磁阻相对于元件电流的方向对称，从而能够判定方向的正负，并且消除了未施加磁场时的偏移，因此能够简化电路结构。

本申请以2009年8月26日提出的日本专利申请(特愿2009-195103)及日本专利申请(特愿2009-195104)为基础，其内容被援引于此作为参考。

工业实用性

如上所述，根据本发明的磁场传感器，能够检测出高精度的磁场强度，因此能够适用于电流传感器及电力传感器等。

此外，根据本发明的电力测量装置，即使在功率因数不是1的情况或者是含有高次谐波电流的负载的情况下，也能够进行准确的电力测量，与使用变流器等电流传感器的现有电力测量装置相比，能够实现小型化、低成本化，因此能够适用于各种节能领域。

标号说明

1 基板

2 绝缘膜

3、33 强磁性薄膜((环状)图案)

4、24 辅助图案

5A、5B 供电部

5C、5D 检测部

100 强磁性薄膜

200 导体

Claims (20)

1.一种磁场传感器，其具备：

磁性薄膜；

具有输入输出端子的供电部，向上述磁性薄膜供给元件电流；以及

检测部，检测与上述元件电流的方向正交的方向上的上述磁性薄膜端部之间的电压；

上述磁性薄膜形成为相对于上述元件电流的方向对称。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其中，

上述磁性薄膜的外形为圆形。

3.根据权利要求1或2所述的磁场传感器，其中，

上述磁性薄膜是环状体。

4.根据权利要求3所述的磁场传感器，其中，

上述磁性薄膜由正方形的环状体构成，以电流在上述正方形的对角线方向上流过的方式设置有供电部。

5.根据权利要求3所述的磁场传感器，其中，

上述磁性薄膜的线宽恒定。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的磁场传感器，其中，

上述磁性薄膜在上述环状体的内部设置有由磁性膜构成的内部磁性薄膜。

7.根据权利要求6所述的磁场传感器，其中，

上述内部磁性薄膜以由与上述磁性薄膜相同的材料构成的磁性薄膜构成。

8.根据权利要求6所述的磁场传感器，其中，

上述内部磁性薄膜由与上述磁性薄膜不同的磁性薄膜构成。

9.一种磁场测定方法，其中，

以磁性薄膜的图案相对于元件电流的方向对称的方式供给元件电流，

在与上述元件电流的供给方向正交的方向上检测上述磁性薄膜端部之间的电压，从而测定磁场强度。

10.一种电力测量装置，其具备磁场传感器和直流成分提取部，

上述磁场传感器包括：磁性薄膜，被配置为与交流所流过的一次导体平行；具有输入输出端子的供电部，与上述一次导体连接，并经由电阻体向上述磁性薄膜供给元件电流；以及检测部，检测上述磁性薄膜两端的输出；

上述直流成分提取部从上述检测部的输出提取直流成分。

11.根据权利要求10所述的电力测量装置，其中，

上述磁场传感器和上述直流成分提取部形成在相同基板上。

12.根据权利要求11所述的电力测量装置，其中，

上述磁场传感器的上述磁性薄膜成膜在上述基板上，上述检测部与上述基板上的布线图案直接连接。

13.根据权利要求11所述的电力测量装置，其中，

上述磁场传感器具备：

磁性薄膜，成膜在上述基板上；

具有输入输出端子的供电部，向上述磁性薄膜供给元件电流；以及

检测电极部，检测上述磁性薄膜两端的输出；

上述布线图案由与上述供电部及上述检测电极部相同的导体层构成。

14.根据权利要求13所述的电力测量装置，其中，

上述磁性薄膜形成为，磁阻相对于上述元件电流的方向对称。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的电力测量装置，其中，

上述磁性薄膜形成为，磁化方向与上述元件电流的方向一致。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的电力测量装置，其中，

上述检测部形成在与上述元件电流的方向正交的方向上。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的电力测量装置，其中，

上述直流成分提取部具有按商用频率f的f分之1的周期对输出值进行积算的积算部。

18.根据权利要求10至16中任一项所述的电力测量装置，其中，

上述电力测量装置具备检测上述元件电流的一次电压的零交叉点的零交叉点检测部，

根据上述零交叉点检测部的输出，确定上述直流成分提取部的驱动定时。

19.根据权利要求18所述的电力测量装置，其中，

包括与上述检测部并联连接的电容器。

20.一种电力测量方法，其包括如下步骤：

使用权利要求10至19中任一项所述的电力测量装置，以磁阻相对于元件电流的方向对称的方式对磁性薄膜的图案供给元件电流，

读取通过供给上述元件电流而产生的输出的直流成分作为电力信息。

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