CN103477235A - 功率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够以简易且小型的结构来对高频电路、电池等的功率进行测定的各种薄膜传感器型功率测量装置。本功率测量装置具备：磁性膜，所述磁性膜被配置成与流过负载电流的初级导体相平行；供电部，所述供电部具有向所述磁性膜提供元件电流的输入输出端子；偏置磁场施加部，所述偏置磁场施加部施加相对于所述磁性膜的磁化方向平行或垂直或倾斜的直流磁场；以及检测部，所述检测部在所述元件电流的方向上检测所述磁性膜的端部之间的电压。该功率测量装置在元件电流的方向上仅检测所述磁性膜的端部之间的直流电压分量。

Description

功率测量装置

技术领域

本发明涉及能够以简易且小型的结构来对高频电路、电池等的功率进行测定的各种薄膜传感器型功率测量装置。

背景技术

近些年，随着因特网等使用环境的不断成熟，包含远程功率探针的测量系统的开发正在不断地推进。一直以来的功率测量使用这样一种累计功率量表，它将所使用的功率转换成圆盘的旋转次数，进行累计运算。最近，在该累计功率量表上，新增检测旋转的传感器或电流表（CT）、电压表（PT），利用电子电路或微处理器等进行乘法运算，从而测量功率。对于累计功率量表，其装置结构复杂，装置不仅大而且价格高，由于功率是机械式输出，因此无法进行数字化管理。另外，与上述这些因素相伴随地，还可能会消耗多余的能量。

因此，希望开发这么一种功率表，其能够将消耗的功率原样地作为电气量来进行测定，并能够做到小型化和集成化。

另外，近年来，不仅商用电气装置，家电中具有高频电路的设备也在增大，会发生由于高次谐波电流所造成的各种弊端。例如，在对于切断高次谐波电流泄漏的限制不严的地区，由于所泄漏的高次谐波电流的影响，会发生周边家电的火灾等。因此，对于可以简单地测定高次谐波电流的产生的传感器、功率测定装置的社会需求正在增加。

作为累计功率量表的替代品，例如，建议了利用磁性薄膜的磁阻效应，能够原样地将消耗功率作为电气量测定的功率测量装置以及磁场传感器（非专利文献1、2）。该功率测量装置以及磁场传感器中，使用相对于流过交流的初级导体平行放置（形成在基板上）的磁性薄膜，在该磁性薄膜的两端经由电阻施加初级电压，从磁性薄膜的两端取出输出。该功率测量装置等采取的方式是从2倍频率分量的振幅值中取出功率IV。

该功率测量装置等利用了平面霍尔效应（Planar Hall effect(PHE)），着眼于在无偏置磁场的情况下能获得线性特性这一点，取出与功率成正比的信号成分（该功率测量装置被称为“平面霍尔型功率测量装置”或“PHE型功率测量装置”），所述平面霍尔效应是在由磁性薄膜构成的强磁性体内，其磁性体的电阻值会根据电流和磁化所成的角度而改变的现象。

这里所使用的磁场传感器，是将外部磁场的变化转换成电信号的元件，其将强磁性薄膜或半导体薄膜等磁性薄膜形成图案，在该磁性薄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成电信号。

然而，PHE型功率测量装置中，必须在与初级导体的负载电流垂直的方向上获取从磁性薄膜检测出的电压输出。即，必须在磁性薄膜的宽度方向的两端处输出电压。因此，PHE型功率测量装置中，磁性薄膜的必须要有一定的宽度，不能使用窄形（这里指的是例如直线形/长方形的长边方向上较细的形状）的磁性薄膜。此外，PHE型功率测量装置中，还存在必须用桥式电路结构来构成磁性薄膜的形状限制。这些情况意味着PHE型功率测量装置难以设置在高频电路所使用的微带线路或共面线路等特殊线路上。

其他还有辐射热测量器或精密测量器等高频用功率测量装置，它们的结构大型复杂，价格非常昂贵，并不适合用于各设备或各设施的功率测定/检测。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平11-274598号公报

非专利文献

非专利文献1：使用磁性膜的薄膜功率表（电气学会磁研究会资料Vol.MAG-05No.182）

非专利文献2：使用磁性膜的薄膜功率表（电气学会磁研究会资料Vol.MAG-05No.192）

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明针对上述问题而提出，其目的在于提供一种功率测量装置的结构，适合于以简单且廉价的结构来测定包含高频电路在内的各种电路、电池等的功率。

解决技术问题所采用的技术方案

第1项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，磁性膜部，所述磁性膜部包含磁性膜，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将各个所述传感器端子作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

由此，能够提供一种比已有的累计功率量表更小型、更廉价的功率表。该功率测量装置中，输出的是磁性膜长边方向的电压，因此磁性膜为细长形为佳，从而也适用于将其设置在高频电路经常使用的微带线路等线路上，进行功率测定的场合。与输出磁性膜宽度方向的电压，磁性膜的宽度无法做细的PHE型功率测量装置相比，这是比较大的优点。

第2项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将各个所述传感器端子作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

本发明的功率测量装置在由于施加于磁性膜的磁场而产生了偏移的情况下，也能将其消除，从而仅检测出所要测定磁场的变化量。

第3项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的、工作点相异的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将经由电阻连接所述传感器端子的一端和另一端的点以及所述接地点分别作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

第3项发明的功率测量装置组合使用了工作点不同的传感器元件，因此使用时不需要偏置磁场。

第4项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，磁性膜部，所述磁性膜部包含磁性膜，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，

与所述传感器元件以及所述测量电阻并联连接的、由等效传感器电阻和等效测量电阻构成的串联连接电路，所述等效传感器电阻的电阻值与所述传感器元件相同，所述等效测量电阻的电阻值与所述测量电阻相同，以及

电压检测部，所述电压检测部将所述传感器元件和所述测量电阻的连接点以及所述可变电阻与所述等效电阻的连接点作为测量端子，检测各所述测量端子间的电位。

第4项发明的功率测量装置使用了传感器元件作为桥式电路的一个电阻元素，因此能够消除交流分量，能够高精度地检测出加载于交流分量上的微量直流分量。

第5项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，

等效测量手电阻，所述等效测量手电阻连接在所述传感器元件与一个所述连接端相连接的所述传感器端子、以及所述测量电阻与另一个所述连接端相连接的所述另一端上，并且所述等效测量手电阻的电阻值与所述测量电阻相同，以及

电压检测部，所述电压检测部将所述传感器端子彼此作为测量端子，测量各所述测量端子间的电位。

第5功率测量装置除了能够消除交流分量，能够高精度地检测出加载于交流分量上的微量直流分量之外，还能够消除磁性膜的偏移。

第6项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的、工作点相异的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，

等效测量手电阻，所述等效测量手电阻连接在所述传感器元件与一个所述连接端相连接的所述传感器端子、以及所述测量电阻与另一个所述连接端相连接的所述另一端上，并且所述等效测量手电阻的电阻值与所述测量电阻相同，以及

电压检测部，所述电压检测部将经由电阻连接所述传感器端子彼此的点以及接地的所述接地点作为测量端子，检测各所述测量端子间的电位。

第6项发明的功率测量装置在使用时不需要用于调整工作点的磁场，还能够消除交流分量，能够高精度地检测出加载于交流分量上的微量直流分量。

第7项发明的功率测量装置是：

一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，磁性膜部，所述磁性膜部包含磁性膜，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将与所述磁性膜部的所述传感器端子垂直方向上的各端部作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

第7项发明的功率测量装置能够使用平面霍尔效应作为传感器元件。

附图说明

图1是磁阻效应的说明示意图。

图2是表示磁阻效应中需要偏置磁场的曲线图。

图3是本磁阻效应型功率测量装置的测定原理概要。

图4是本磁阻效应型功率测量装置中磁场传感器部的大致立体截面图。

图5是表示图4的磁场传感器中的绝缘部和磁性膜的截面图。

图6是本磁阻效应型功率测量装置的测量电路示例。

图7是图6的测量电路的改良例。

图8是图7的测量电路的测定结果。

图9是图8的其他测定结果。

图10是图8的其他测定结果。

图11是用本功率测量装置来合理验证n次谐波测定的测量电路例。

图12是使用图11的测量电路的测定结果。

图13（a）是汇总图12的测量结果的曲线图，图13（b）是以0W消耗时作为基准重新绘制V2输出变化量而得到的曲线图。

图14（a）是汇总图12的测量结果的曲线图，图13（b）是以负载电阻Rload的功耗作为横轴重新绘制左图（a）的测量结果而得到的曲线图。

图15是用带通滤波器提取并输出需要的n次谐波的功率测量装置结构。

图16是说明磁阻效应和平面霍尔效应的示意图。

图17是不施加交流偏置磁场时的输出测定结果。

图18是施加不同交流偏置磁场时的输出测定结果。

图19是施加不同交流偏置磁场时的输出测定结果。

图20是不对矩形波施加交流偏置磁场时的输出测定结果。

图21是对矩形波施加交流偏置磁场时的输出测定结果。

图22是不施加直流偏置磁场时和施加不同大小的直流偏置磁场时的输出测定结果。

图23是串联连接磁阻效应元件以测定直流输入的连接方法。

图24是图22的连接方法的改良例，是能够监视电池的放电量和充电量的结构。

图25（a）是与图5相同的简略图，图25（b）是将本功率测量装置用于微带线路测定的示意图，图25（c）是将本功率测量装置用于共面线路测定的示意图。

图26示出了螺旋纹柱（Barber Pole）型磁阻效应型功率测量装置中的磁性膜。

图27示出了在磁性膜的上部设置的斜导体膜和电极。

图28示出了长边方向上电压V1和磁场H的关系。

图29示出了差动型螺旋纹柱型磁阻效应型功率测量装置，图29（a）是从上方观察的照片，图29（b）是将该功率测量装置用于测定微带线路的示意图。

图30示出了通常磁阻效应所引起的磁性膜电阻变化的状态。

图31示出了由斜率不同的螺旋纹柱图案所产生的螺旋纹柱磁性膜磁阻效应在磁性膜的左右施加正负不同的偏置磁场的特性。

图32示出了差动型螺旋纹柱磁阻效应型功率测量装置的放大电路的连接状态。

图33示出了图32的具体测定系统。

图34示出了图33的A-B端子间的输出特性。

图35示出了图33的C-B端子间的输出特性。

图36示出了图33的运算放大器的输出电压。

图37示出了与长轴平行地施加偏置磁场时测定系统的示意图。

图38示出了图37的测定系统的输出特性。

图39示出了图37的测定系统的输出特性。

图40示出了图37的测定系统的输出特性。

图41示出了导体膜中流过负载电流（I1）时作为功率表的特性的测定系统。

图42示出了不施加偏置磁场的情况下导体膜中流过负载电流（I1）时的输出特性。

图43示出了向元件长边方向（磁性膜的长边方向）施加磁场所产生的输出变化。

图44示出了施加偏置磁场时的测定系统。

图45示出了施加了偏置磁场时本磁阻效应型功率测量装置的输出特性。

图46是示出了使用易磁化轴相对于长边方向倾斜的磁性膜的传感器元件的图。

图47（a）是微量直流分量的示意图，图47（b）是用低通滤波器或放大器等放大该直流分量的示意图，图47（c）示出了通过对虚设电阻VR和磁性薄膜Rmr的输出电压进行差动放大来仅取出直流电压分量的示意图。

图48示出了图47的具体测量电路。

图49（a）和图49（b）分别示出了将参照侧输入交流（负载电流）设为执行值4.0V、100Hz后的测量结果。

图50是用与图49（b）相同的方法对高次谐波电流进行检测后所得结果的曲线图。

图51是示出了在有中心抽头电极的情况下，在桥式电路中形成有传感器元件时的接线的图。

图52是示出了在有中心抽头电极、并在桥式电路中形成有两侧磁性膜的工作点不同的传感器元件时的接线的图。

图53是示出了使用了多次弯折型磁性膜的传感器元件结构的图。

图54是示出了多次弯折型带有中心抽头电极的传感器元件结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。

首先说明本发明的功率测量装置的测定原理。

本发明的功率测量装置利用了磁阻效应，所述磁阻效应是在强磁性体或半导体等内部，其磁性体的电阻值会根据电流和磁化（自发磁化）所成的角度（取向）而改变的现象。利用图1来具体说明。强磁性体中流过电流I。

这里，磁场H从与电流I的流动方向相垂直的方向作用于强磁性体，则磁化M受到磁场H的影响，其方向发生变化。于是，电流方向的电压V1变化。与强磁性体的电流I同向的磁阻效应中，输出电压V1与磁场H呈现图2所示的偶函数关系。图2中，横轴是作用于强磁性体的磁场，纵轴是电流方向上的强磁性体的电压V1。

横轴方向决定正负。例如，若将图1从纸面下方至上方的磁场H定为正方向，则从纸面上方至下方作用的磁场为负磁场。输出电压V1呈现山形特性，为了获得线性特性，需要在正或负某一个方向上提供偏置磁场。图2中，示出了在正方向施加偏置磁场、工作点移动到山形特性曲线的倾斜部分的状态。

《磁阻型功率测量装置的测定原理以及基本结构（交流输入的情况）》

接下来，参照图3说明本发明的功率测量装置的测定原理。该电路结构是将来自电源Vin的电流分为电流I1和I2的并联电路。来自电源Vin的电流并联地流经输送路径和测量路径，在输送路径上，初级导体膜Cu和测定功耗的负载R1（Load R1）中流过电流I1，在测量路径上，磁性膜1a和测量电阻R2（12）中流过电流I2。这里的测量电阻R2相比于磁性膜1a的电阻值Rmr充分大。

当流过负载R1的电流I1流过初级导体Cu时，就在初级导体Cu的周围产生磁场H。由于该磁场H，磁性膜1a呈现磁阻效应，磁性膜两端的电压Vmr也发生变化。该输出电压Vmr与负载R1的功耗成正比。因此，只要测定输出电压Vmr，就能够测定负载R1的功耗。

磁性膜两端的电压Vmr代表了负载R1的功耗可按照如下来进行说明。

数学式1

施加到磁性膜的磁场

H=αI₁

磁性膜的电阻变化

ΔR_m=βH=β(αI₁)

磁性膜整体的电阻

R_m=R_m0+ΔR_m=R_m0+αβI₁

磁性膜长边方向的电压

V_mr=R_mI₂=(R_m0+ΔR_m)I₂

=(R_m0+αβI₁)I₂

V_in=V₀sinωt

$\begin{array}{cc}{I}_1=\frac{V_0}{R_1}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})& I_2=\frac{V_0}{R_2}\sin \mathrm{\ωt}\end{array}$

$V_{\mathrm{mr}}=(R_{m0}+\mathrm{\α\β}{I}_1)I_2$

$=(R_{m0}+\mathrm{\α\β}\frac{V_0}{R_1}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ}))\frac{V_0}{R_2}\sin \mathrm{\ωt}$

$=\frac{R_{m0}{V}_0}{R_2}\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\α\β}\frac{V_0}{R_1}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\frac{V_0}{R_2}\sin \mathrm{\ωt}$

$=\frac{R_{m0}{V}_0}{R_2}\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\α\β}\frac{V_0}{R_1}\frac{V_0}{R_2}\frac{1}{2}\{\cos \mathrm{\θ}-\cos (2\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\}$

$=\frac{R_{m0}{V}_0}{R_2}\sin \mathrm{\ωt}-\mathrm{\α\β}\frac{V_0}{R_1}\frac{V_0}{R_2}\frac{1}{2}\cos (2\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})+\mathrm{\α\β}\frac{V_0}{R_1}\frac{V_0}{R_2}\frac{1}{2}\cos \mathrm{\θ}$

$=\mathrm{ACcompornent}+\mathrm{DCcompornent}(k*\frac{V_0^2}{R_1}\cos \mathrm{\θ})$

上述计算式的最终式为AC分量和DC分量之和。也就是说，磁性膜1a的长边方向的输出电压Vmr上重叠出现了交流电压和直流电压。因此，只要测量磁性膜1a长边方向的直流电压分量，就能够测定负载R1相对于交流输入的功耗(P=I1×V1=V1²/R1)。上述最终式中的DC分量与（V1²/R1）cosθ成正比。也就是说，测定Vmr的直流分量就是测定包含了功率因数cosθ在内的有效功率。

另外，还对在展现图3所示的本功率测量装置的原理的图中，输入到负载R1的交流电压和电流中包含有高次谐波情况下的功率测量进行研讨。下述数学式2是求取上述数学式1的V1、I1中包含n次谐波的情况下的输出电压Vmr的计算式。

数学式2

施加到磁性膜的磁场

H=αI₁

磁性膜的电阻变化

ΔR_m=βH=β(αI₁)

磁性膜整体的电阻

R_m=R_m0+ΔR_m=R_m0+αβI₁

磁性膜长边方向的电压

V_mr=R_mI₂=(R_m0+ΔR_m)I₂

=(R_m0+αβI₁)I₂

$V_m=\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{0n}\sin \mathrm{n\ωt}$

$\begin{array}{cc}{I}_1=\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\sin (\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n)& I_2=\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}\end{array}$

$V_{\mathrm{mr}}=(R_{m0}+\mathrm{\α\β}{I}_1)I_2$

$=(R_{m0}+\mathrm{\α\β}\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\sin (\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n))\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}$

$-R_{m0}\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}+\mathrm{\α\β}\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\sin (\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n)\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}$

$=R_{m0}\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}+\mathrm{\α\β}\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\sin (\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n)\·\frac{V_{0n}}{R_2}\sin \mathrm{n\ωt}$

$+{[\mathrm{\α\β}\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\sin (\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n)\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}]}_{n\≠m}$

$=R_{m0}\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}+\mathrm{\α\β}\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\frac{V_{0n}}{R_2}\[\cos {\mathrm{\θ}}_n-\cos (2\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n)]$

$+{[\mathrm{\α\β}\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}}{R_1}\sin (\mathrm{n\ωt}-{\mathrm{\θ}}_n)\·\underset{m=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0m}}{R_2}\sin \mathrm{m\ωt}]}_{n\≠m}$

$-\mathrm{ACcompornent}+\mathrm{DCcompornent}(k*\underset{n=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{V_{0n}^2}{R_1}\cos {\mathrm{\θ}}_n)$

数学式2的最终式为各频率分量的AC分量和DC分量之和。因此，本发明的功率测量装置从测定原理上来讲，即便在电压和电流中包含了高频的情况下，磁性膜1a的长边方向输出电压Vmr上也重叠出现了交流电压和直流电压。此时输出电压Vmr的直流电压分量为与基波功耗成正比的直流电压和与高次谐波功耗成正比的直流电压之和。

因此，本发明的功率测量装置即便在电源包含高次谐波分量的情况下，只要测量磁性膜1a长边方向的直流电压，也能够测定负载R1的功耗（包含功率因数的有效功率）。

基于以上测定原理，概述功率测量装置的话，参照图3，其包括传感器元件1、测量电阻R2和电压检测部（图3中省略），传感器元件1包含磁性膜1a，电压检测部测量传感器元件1的电压。另外，还具有用来将这些结构与测量功率的输送电路相连接的一对连接端（10a、10b）。

本功率测量装置中，由于检测信号是直流电压信号，因此将数字测试仪（DMM）等简单设备作为电压检测部就能够进行功耗测定。而且，直流电压信号实质上受到高频产生的感应噪声的影响较小。因此，本功率测量装置适合于高频电路中的功率测定。此外，本功率测量装置中，为了检测磁性膜长边方向（电流方向）的电压而使得磁性膜成为细长的形状，增大了输出电压（能够获得较高的SNR）。

因此，本功率测量装置容易将大致直线状的元件设置成高频电路中经常使用的微带线路、带状线、共面线路等线路形状。在这一点上，本功率测量装置也从原理上适合于高频电路中的功率测定。

《磁阻型功率测量装置的具体结构和测量结果》

接下来，说明本发明的功率测量装置测定磁性膜的磁阻效应所产生的交流功率的情况。图4中，示出了功率测量装置中所使用的传感器元件1。传感器元件1由磁性膜1a和设置在磁性膜1a的两个短边上的传感器端子1t所构成。该图中无法看到图上另一侧的传感器端子1t。为了保持磁性膜1a，也可以包含绝缘体等所构成的基板。图4中，示出了一体形成了在导体膜3和磁性膜1a之间插入绝缘膜2的3层结构的状态，导体膜3相当于在负载上流过电流的连接线。绝缘膜2是为了使传感器元件1与连接线紧密接触而设的绝缘层。

磁场H由流过导体膜3的电流I1形成。导体膜3、绝缘膜2、磁性膜1a分别例如由铜Cu、聚酰亚胺底座、坡莫合金构成。另外，图5示出了传感器元件1的详细截面例，其中，在玻璃基板4上形成了作为磁性膜的坡莫合金膜1a，并以连接在坡莫合金膜1a两端的方式形成了铜膜3s（3sa、3sb）。在该坡莫合金膜1a和铜膜3s的表面上形成了聚酰亚胺基板2，进而在聚酰亚胺基板2的表面上形成了导体膜3。铜膜3sa中流过电流I2（参照图3），该电流I2与在上侧导体膜3上从左侧流至右侧的电流I1同相。该电流在磁性膜1a（坡莫合金）内从左端流向右端，流至铜膜3sb。

若将导体膜1a靠近该聚酰亚胺基板2一侧的表面（纸面上表面）设置成流过高频电流（交流）的微带线或共面线路等线路，则线路所产生的磁场H作用于磁性膜（相当于图4的磁性膜1a），能够利用磁性膜的磁阻效应，作为电气输出（直流功率分量）求出功率。

图25（a）是与图5相同的简略图，图25（b）是将本功率测量装置用于微带线路测定的示意图，图25（c）中示出了将本功率测量装置用于共面线路测定的示意图。图25中与图5相同的附图标记表示相同的部件。图25（a）和图25（b）两者中，带状线3中流过电流I1，磁性膜1a中流过电流I2。另外，微带线路、共面线路的信号线，即，中央带状线3兼用作配置本功率测量装置的传感器元件1的导体膜3。即，本功率测量装置也能够作为微带线路或者共面线路的一部分一体形成。

“测量电路1”

这里图6（a）一并示出了磁阻效应型本功率测量装置的结构以及要进行功率测定的电路20。要进行功率测量的电路20中，由函数发生器22和放大器24构成电源。负载为R1。负载和电源之间用连接线连接。该连接线中，用连接线Rcu来表示功率测量装置的传感器部所设置的部位。函数发生器22的信号被放大器（直流放大器）24放大，成为交流电源。

功率测量装置15包含传感器元件1、测量电阻12（R2）以及电压检测部28。另外，功率测量装置15还具有用来与要进行功率测量的电路的电源并联连接的一对连接端10（10a、10b）。只要相对于电源能够与负载R1并联连接，该连接端10可以连接在要进行功率测量的电路的任何位置。在连接端之间，串联连接了包含磁性膜的传感器元件1和测量电阻12（R2）。分别用符号12a、12b来表示测量电阻12的端子。

传感器元件1具有一对传感器端子1ta、1tb，在传感器端子间形成有磁性膜1a。图6（b）中示出了传感器元件1的放大图。也就是说，长方形的磁性膜相对的短边上分别设置了传感器端子。在不需要区分两个传感器端子进行说明的时候记为“传感器端子1t”，在需要分别进行说明的情况下，记为“传感器端子1ta”或者“传感器端子1tb”。另外，对于连接端10和测量电阻12的端子也采用同样的记叙方式。

传感器端子的一端1tb与一个连接端10b相连。传感器元件1被设置在要进行功率测定的电路的连接线上，使得磁性膜的长边方向与流过连接线的电流方向相同。此时传感器元件1的磁性膜与连接线之间形成有绝缘层。这是为了使流过连接线的电流不会流至磁性膜。

磁性膜受到流过连接线的电流所产生的磁场的作用，发挥磁阻效应。可以认为磁阻效应与所作用的磁场强度成正比，因此，传感器元件尽可能配置得接近连接线比较好。

传感器元件1的另一端1ta与测量电阻12的一端12b相连。而测量电阻12的另一端12a与连接端10中的另一个连接端10a相连。因此，传感器元件1和测量电阻12串联连接在连接端10中的一个连接端10b和另一个连接端10a之间。而各传感器端子（1ta、1tb）被作为测量端子13（13a、13b），用电压检测部28对该测量端子13间的电压进行测量。这里，电压检测部28所进行的测量中，作为功率有效的是直流电压，因而，在测量端子13之间连接有低通滤波器26。该低通滤波器可以设置在本发明所涉及的所有电极测量装置中。

电压在低通滤波器26中被阻断了高频分量。用数字测试仪28（DMM=digital multimeter）测定用低通滤波器26阻断高频之后所得到的输出电压中的直流分量。即，电压检测部28由DMM构成。不言而喻，电压检测部28也可以用DMM以外的单元来进行电压检测。

对于磁阻效应型的情况而言，传感器元件1的磁性膜为长方形比较好。其原因在于，在长边方向流过电流的话，能够获得比较大的电阻变化。但是，本发明也并不排除正方形、菱形、圆形、椭圆形这样的其他形状，或者进行了弯折后的形状等。因为磁性膜的形状要与流过负载的电流的连接线形状相匹配。即，本说明书中提及长方形的情况下，可以被理解为也包含了上述这些形状。

本说明书中按照将传感器端子设置在长方形磁性膜相对的短边上进行了说明，但是只要将传感器端子设置成使得电流实质上在磁性膜的长边方向上流过，则也可以设置在长方形磁性膜相对的短边以外的位置上。因为根据让电流流过负载的连接线的形状的不同，有时也必须要在远离磁性膜短边的位置上设置传感器端子。

另外，如图2所示，磁阻效应中，为了获得线性工作点，需要在与传感器元件的长边方向垂直的方向上施加直流偏置磁场。将该直流偏置磁场称为工作点调整偏置磁场，将产生工作点调整偏置磁场的单元称为工作点调整偏置磁场施加单元。工作点调整偏置磁场施加单元能够由永磁铁或电磁铁等构成。

除了后述的螺旋纹柱磁性膜或者易磁化轴倾斜型磁性膜这样不需要工作点调整偏置磁场的情况之外，本发明所有的功率测量装置中，都能够设置工作点调整偏置磁场施加单元。

在图7中示出了功率测量装置15的其他结构。图7的结构中，将来自函数发生器32的信号输入至2个放大器（直流放大器）34、35，放大器35（AMP2）的偏移变化不会影响传感器元件1的输出电压。放大器34（AMP1）、放大器35（AMP2）输出同相位的交流。

本发明功率测量装置15中流过的电流与要测量功率的电路中流过的电流必须频率相同。图6中，由于用连接端10将功率测量装置与要测量功率的电路并联连接，因此满足该条件。但是，即便要测量功率的电路（输送路径）不与同一电源相连接，只要流过的是与输送路径中流过的电流相同频率的电流，功率测量装置也可以自带电源。该电源既可以是电压源也可以是电流源。

下述数学式3中示出了本发明的功率测量装置需要在磁性膜中流过与要测量功率的电路中流过的电流同相位的电流的理由。基于以下这一点来理解数学式3：如果输入电压不是相同频率（ω1≠ω2），输出电压就只有交流分量。与数学式1和数学式2一样，数学式3基于图3的功率测定原理。

数学式3

施加到磁性膜的磁场

H=αI₁

磁性膜的电阻变化

ΔR_m=βH=β(αI₁)

磁性膜整体的电阻

R_m=R_m0+ΔR_m=R_m0+αβI₁

磁性膜长边方向的电压

V_mr=R_mI₂=(R_m0+ΔR_m)I₂

=(R_m0+αβI₁)I₂

当V1、V2频率不同时

V1=V₀₁sinω₁t  V₂=V₀₂sinω₂t

$I_1=\frac{V_{01}}{R_1}\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t-{\mathrm{\θ}}_1),I_{02}=\frac{V_{02}}{R_2}\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t$

$V_{\mathrm{mr}}=(R_{m0}+\mathrm{\α\β}{I}_1)I_2$

$=(R_{m0}+\mathrm{\α\β}\frac{V_{01}}{R_1}\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t-{\mathrm{\θ}}_1))\frac{V_{02}}{R_2}\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t$

$=\frac{R_{m0}{V}_{02}}{R_2}\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t+\mathrm{\α\β}\frac{V_{01}}{R_1}\frac{V_{02}}{R_2}\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t-{\mathrm{\θ}}_1)\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t$

$=\frac{R_{m0}{V}_{02}}{R_2}\sin {\mathrm{\ω}}_{2}t+\mathrm{\α\β}\frac{V_{01}}{R_1}\frac{V_{02}}{R_2}\frac{1}{2}\cos (({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t+{\mathrm{\θ}}_1)-\mathrm{\α\β}\frac{V_{01}}{R_1}\frac{V_{02}}{R_2}\frac{1}{2}\cos (({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t-{\mathrm{\θ}}_1)$

$=\mathrm{ACcompornentonly}$

另外，图7所示的结构中，磁性膜的输出电压被低通滤波器26阻断高频分量，用数字测试仪28测定输出电压的直流分量，这一点和图6的情况相同。

图8至图10示出了图7结构的功率测量结果。图8、图9中，将电源电压设为有效值2.0V、60Hz的交流电源，使负载R1每隔200秒按照无穷大（开路）、10Ω、3.9Ω、2Ω变化，然后再按照2Ω、3.9Ω、10Ω、无穷大（开路）变化，将传感器元件1的输出电压的测定结果绘制成曲线。横轴为时间，但实质上是负载电阻的大小。左纵轴为数字测试仪28的输出电压，右纵轴为流过负载的电流值。

在纵轴方向上振动的输出是输出电压，用符号“a”表示。电阻变小，则流过的电流变多，负载的功耗变大。输出电压a随着电阻的变化而上升和下降。此外，与输出电压a大致相同的位置上显示了流过负载的电流b。左右的纵轴都是线性的，因此可知得到的输出电压a与流过负载的电流（即功耗）成正比。各电阻的电阻值分别为R1≒150Ω、Rcu《1、R2＝4.7KΩ，低通滤波器36的性能为80dB增益（DC响应）。

接着，图9示出了使电源电压频率变化的测量结果。图9（a）中电源电压频率为100Hz，图9（b）是200Hz的测定结果。两图中，横轴都是时间（实质上为电阻值），左纵轴都是输出电压、右纵轴都是流过负载的电流，与图8相同。可以理解，不管在哪个频率下，输出电压都是与阶梯状变化的功耗相对应地进行变化。

图10是在各个频率各自的时间区间（即，所选择的负载的电阻值）中计算输出电压的平均值，展示功耗与输出电压的关系的曲线图。横轴为功耗，纵轴表示各输出电压的平均值。从该曲线图也可以看出，能够得到相对再现性较好、与功耗成正比的输出电压。各频率下，功耗为0［W］时的输出电压不同的原因可以考虑是由于放大器35（AMP2）的偏移在每次测量时都会变化。

《任意n次谐波的功率测量装置（适用于磁阻效应型、平面霍尔效应型（PHE型）、霍尔效应型功率测量装置）》

利用了磁阻效应的上述这样的功率测量装置中，交流电压分量和直流电压分量重叠地输出到传感器元件，其中的直流电压分量由DMM等电压检测部检测。而除此以外，像PHE型功率测量装置或利用半导体薄膜的功率测量装置这样的、利用薄膜元件的功率测量装置（也被称为“薄膜型功率测量装置”）中，检测出的输出信号是直流电压。

已知的是，电源电压包含n次谐波的情况下，输出电压信号Vmr中的直流电压分量是各n次谐波的有效功耗（包含功率因数）的总和，这一点从上述数学式2也是显而易见的。因此，本发明的功率测量装置的情况下，对于包含n次谐波的电源，也能够仅通过测定传感器元件的直流电压来测定对应的各高频的功耗总和。以下，对这一点进行详细说明。

图11示出了用于验证的测量电路。与图3相同标号、记号代表相同的部件。首先，负载电阻（RLoad=R1）上连接了交流电源V1，因此，流过电流。该电流还流过作为连接线的导体膜Rcu。而在功率测定装置一侧，传感器元件1（电阻为Rmr）的输出电压在低通滤波器26中被阻断高频分量。这里阻断的是电源V1中最低振荡频率以上的分量。用数字测试仪28（DMM=digitalmultimeter）测定用低通滤波器26阻断高频分量之后所得到的输出电压中的直流分量。另外，电流从电源V2流至传感器元件1。使流过传感器部的电流频率与流过要测量功率的电路一侧的电流频率不同。

图12示出了图11的测量电路中DMM28的输出电压测定结果。首先，被测量一侧的电路中，如图12左上方所记载地，电源V1包含有大小相等的、相互重叠的100Hz分量和200Hz分量（记为“100Hz+200Hz”）。即，图12中示出的是使用了包含有100Hz和200Hz这两个频率分量的电源电压情况下的功耗测定例。

此外，负载电阻RLoad每隔规定时间按照开路（=无穷大）、3.9Ω、1.9Ω进行切换。由电源电压和负载所决定的电流流过负载Rload。而另一方面，在功率测量装置一侧，作为电源V2的信号准备了（1）100Hz+200Hz、（2）100Hz、（3）200Hz、（4）300Hz的信号，在传感器元件1的传感器端子（1ta、1tb）之间流过电流。

图12中，横轴为时间，左纵轴为功率测量装置的检测电压（图11中DMM28的测定值），右纵轴为流过负载的电流。由于依次切换电阻，因此横轴虽然直接表示的是时间，但实质上为要测量功率的电路中负载的电阻值。用方框围住数字“1”、“2”、“3”来表示负载为无穷大、3.9Ω、1.9Ω的区域。负载变小，则流过负载的电流变多，功耗增加。图12中符号（5）所表示的线条是流过负载的电流，随着各区域阶梯状增加。

由图12可知，流过传感器元件的电流为（1）100Hz+200Hz、（2）100Hz、（3）200Hz这几种情况下，负载电阻Rload的功耗增加，测量得到的电压值（纵轴）增加。而另一方面，在（4）300Hz的情况下测量电压值不增加。即，可知，即便没有作为电流提供给传感器元件的、100Hz+200Hz的信号分量中不包含的300Hz分量流过传感器元件，也无法检测得到。由此，可知测量功耗一侧的电源中所不具备的频率分量在本发明的功率测量装置中不会作为直流分量输出。

另外可知，对于输入到传感器元件的电流，（1）100Hz+200Hz、（2）100Hz包含大致相同水平的噪声，而（3）200Hz的噪声水平则减少若干，（4）300Hz的噪声水平则进一步减少。因此可知，本功率测量装置是适合于测定高频功率的方式。而偏移电压及其变动被推测为是因测量设备处的影响。

图13（a）是汇总了图11的测定系统的结果，即图12的测量结果的曲线图。纵轴为功率测量装置的输出电压，横轴为时间（实质上为负载的电阻值）。为各个时间段（负载的电阻值）绘制平均值曲线。

图13（b）为将0W消耗时作为基准重新绘制功率测量装置的测量电压变化量的图。横轴为时间（实质上为负载的电阻值），纵轴为电压。由图13（b）可知，流过传感器元件的电流在（2）100Hz、（3）200Hz的情况下的测量结果较好，且一致，其线性也良好。另外可知，（1）100Hz+200Hz的测量结果与（6）将100Hz、200Hz的测量值相加后得到的结果非常一致。由此可知，本功率测量装置在表现出能够测量所有高次谐波的功耗的同时，还能够测量任意n次谐波的功耗。

图14（a）是汇总图11、图12的测量结果的曲线图（与图13（b）相同），图14（b）是以负载电阻RLoad的功耗作为横轴重新绘制图14（a）的测量结果而得到的曲线图。由图14（b）可知，所有测量值都在一条直线上，测量结果非常一致，线性良好。

另外由图14（a）可知，（1）100Hz+200Hz的测量结果与（6）将100Hz和200Hz的测量值相加后得到的结果非常一致。由此可知，本功率测量装置在表现出能够测量所有高次谐波的功耗的同时，还能够测量任意n次谐波的功耗。

图15示出了本发明功率测量装置的其他具体结构例。图15中，省略了关于测量传感器元件的输出的电压检测部的记载。此结构中，在带通滤波器单元40并联配置了n个带通滤波器41，且具有选择其中一个带通滤波器的开关42，带通滤波器单元40与传感器元件1和测量电阻12串联连接。这里，按照选择1个带通滤波器的情况对开关42进行了说明，但是也可以同时选择n个以下的带通滤波器。

本结构的功率测量装置能够使用带通滤波器41来检测与任意n次谐波成正比的电压。本功率测量装置中，流过负载R1的电流I1所产生的磁场使得相邻传感器元件1的电阻Rmr变化。这一点与已有的使用薄膜元件的功率测量装置相同。只是本功率测量装置中交流电源所含的高频通过带通滤波器41，与任意n次谐波电压成正比的电流流过传感器元件1。

带通滤波器41具有仅通过所需范围的频率，而不通过（衰减）其它频率的功能。例如，图15的带通滤波器41在使I2=120Hz的电流通过的情况下，传感器元件1的输出电压也仅输出Vmr=120Hz的频率分量。

因此，图15的功率测量装置中的输出电压Vmr能够获得与带通滤波器41所选择的n次谐波电压所耗功率成正比的直流电压。除了上述（1）利用磁阻效应所产生的磁性薄膜电阻变化的功率测量装置，或者（2）利用平面霍尔效应所产生的磁性薄膜电阻变化的功率测量装置之外，利用该薄膜元件的功率测量装置也适用于（3）利用霍尔效应所产生的半导体膜电阻变化的功率测量装置。对于输出电压，分别将以下电压作为输出，检测出直流分量：（1）的情况下符号1a为磁性膜，此时的长边方向电压Vmr；（2）的情况下符号1a为磁性膜，此时的宽度方向电压VPHE；（3）的情况下符号1a为半导体膜，此时的厚度方向电压VHE。

图15的功率测量装置能够检测出电源高次谐波分量所产生的功耗。因此，在由于高频分量功率泄漏而造成电气产品火灾等多发的地区，能够将本发明用作探测各频率的高频泄漏，进行高频泄漏警告的装置。

另外，按照输入电压为n次谐波的情况对上述图15结构的功率测量装置进行了说明，但是图15的功率测量装置的结构例也可以使用于单一频率输入电压的情况。如数学式1～数学式3所说明地，本功率测量装置的情况下，能仅利用直流电压分量来测定作为测定对象的负载的功耗。因此，用带通滤波器除去交流电压分量，从而仅分离出直流电压分量，能够测定负载的功耗。另外，用带通滤波器除去低频或者高频区域的输出电压分量，从而还能够测定所需频率区域的功耗。

《直流电流（磁场）测定时的输出电压稳定方法（适用于磁阻效应型、平面霍尔效应型功率测量装置）》

“施加交流偏置磁场（提高再现性）”

接下来，图16（a）示出了（各向异性）磁阻效应型功率测量装置的磁性膜部分（强磁性体）的示意图，图16（b）示出了平面霍尔型（后面称为“PHE型”）功率测量装置的磁性膜部分（强磁性体）的示意图。PHE型中，对与流过磁性膜的电流相垂直方向上相对的2条边之间的电压V2进行测量。

因此，PHE型功率测量装置中，形成测量端子13（13a、13b），在没有形成传感器元件的传感器端子的边上取出电压。这一点与磁阻效应型功率测量装置（图16（a））不同，其它结构与图6和图7所说明的功率测量装置相同。此处，使用图16（a）和图16（b）这两个功率测量装置的传感器元件来测定直流功率时，已知输出V1、V2的直流输出电压通常会变得不稳定（漂移）。

图17中示出了利用图16（b）那样的形成了测量端子的PHE型功率测量装置来仅测量直流磁场H的情况下（不施加交流偏置磁场）输出电压V2相对于电流I1的测定结果。此处，负载上仅流过直流电流。图17的实验条件如下：

使用的磁性体元件：直径10mm的圆形元件

直流施加磁场：-2A(-100A/m)～2A(100A/m)

测定：周期为120sec，本次为300prot/600sec

另外，流过负载的电流仅为直流电流的情况下，由于没有交流分量，因此功率测量装置中不需要低通滤波器26（参照图6）。也就是说，本发明的功率测量装置有时候在其电压检测部28上不连接低通滤波器。

图17中，横轴是流过负载的电流，纵轴是检测出的电压。PHE型元件中，输出电压特性是受到作用的磁场的奇函数，因此以电流零点为中心，呈现出向右递减的输出电压特性。反复测定数次，如图17所示，结果有偏差。由该图17可知，仅仅依靠流过初级导体的负载电流（直流电流）所产生的直流磁场的作用来进行功率测量的情况下，输出电压的再现性会因为漂移而出现恶化。

与之相对，图18～图19中示出了利用PHE型功率测量装置来测量直流磁场H时，施加了与所测量的直流磁场相平行的交流偏置磁场的情况下输出电压V2相对于负载电流I1的测定结果。分别进行多次同样的测量。除了额外施加交流偏置磁场以外，图18～图19的实验条件与图17相同。交流偏置磁场由振荡器和放大器的组合生成。此处将施加与检测磁场相平行的交流偏置磁场的单元成为交流偏置磁场施加单元。

另外，所施加的交流偏置磁场如下：图18（a）的情况下为-0.1A(5A/m)、50Hz；图18（b）的情况下为-0.2A(10A/m)、50Hz；图18（c）的情况下为-0.3A(15A/m)、50Hz；图19（d）的情况下为-0.4A(20A/m)、50Hz；图18（e）的情况下为-0.5A(25A/m)、50Hz。

由图18、图19的测定结果可知，交流偏置磁场为5A/m、10A/m、15A/m时，与无交流偏置磁场的情况（参照图17）相比，输出电压的再现性更好。而另一方面，若为20A/m、25A/m这样继续增大交流偏置磁场，则相对于所测量的直流磁场而言，交流偏置磁场相对较大，输出电压的再现性变差（图19）。因此可知，利用其大小仅使磁性膜的磁化略微振动的交流偏置磁场，使得输出电压的再现性变好。

该现象是与磁性膜的磁化行为相关的现象，只要将磁性膜用于传感器元件，就对稳定输出有效。也就是说，上述说明中虽然对PHE型功率测量装置进行了说明，但即便对于测量与流过磁性膜的电流同向的电压的磁阻效应型功率测量装置，施加与所测量的直流磁场相平行的交流偏置磁场的交流偏置磁场施加单元仍然有效。

“施加矩形波的交流偏置磁场（提高稳定性）”

接下来，示出在测定负载上流过矩形波电流时的功耗的情况下，在磁性膜上施加交流偏置磁场时的测定结果。图20～图21的（a）图示出了以周期120[sec]在导体膜Cu（初级导体）上流过-2A(-100A/m)和2A(-100A/m)的矩形波电流，从而使得直流磁场（参照图16）作用于传感器元件的磁性膜时的输出电压。图20示出了不施加交流偏置磁场的情况，图21示出了向磁性膜施加（追加）与导体膜Cu所产生的磁场平行的交流偏置磁场（-0.3A(15A/m)、50Hz）的情况。测定在240[sec]（2个周期）下进行240prot。曲线图的横轴表示时间，纵轴表示输入（直流施加磁场）、输出电压。

另外，图20～图21的（b）图是（a）图中圆圈所围部分的放大图。由这些图可知，若施加了交流偏置磁场，则输出电压的“波动（离散）”变小。表1中示出了根据有无施加交流偏置磁场而造成的输出电压的离散的具体值。由该表可知，利用交流偏置磁场将输出稳定性改善了大约1.5倍。

[表1]

	标本数	离散
			无偏置磁场	58	2.2773E-13
0.3A、50Hz偏置磁场	58	1.5304E-13

“施加直流偏置磁场（提升灵敏度）”

图17～图21中说明了测定直流磁场时施加交流偏置磁场情况下的效果。这里将涉及使用直流偏置磁场情况下的效果。这里的“直流偏置磁场”是指与磁性膜的易磁化轴方向平行地施加直流磁场。

图22中，示出了在不施加直流偏置磁场的情况下（PHE型功率测量装置中为向磁性膜仅施加直流磁场H的情况下）和施加了直流偏置磁场的情况下的输出电压。对于施加了直流偏置磁场的情况下的测量，示出了使用大小不同的直流偏置磁场的结果。

具体而言，示出了以下几种情况下的测定结果：（1）不施加直流偏置磁场的情况；（2）施加80A/m的直流偏置磁场的情况；（3）施加240A/m的直流偏置磁场的情况；（4）施加480A/m的直流偏置磁场的情况；（5）施加800A/m的直流偏置磁场的情况；（6）施加1200A/m的直流偏置磁场的情况。流过磁性膜的直流电流为10mA。用永磁铁的距离调整来调节直流偏置磁场。

图22中，横轴为流过负载的直流电流所产生的直流磁场的大小，纵轴为功率测量装置的输出。由该图可知，直流偏置磁场越大，能够获得的输出电位差越大。也可以说是施加直流偏置磁场能够提高功率测量装置的灵敏度。

本发明的功率测量装置能够具有直流偏置磁场施加单元，用来向传感器元件1在其磁性膜的易磁化轴方向上施加直流偏置磁场。磁性膜的易磁化轴方向通常在磁性膜的长边方向上被感应。此时，直流偏置磁场施加单元在与传感器元件的磁性膜的长边方向平行的方向上施加磁场。另外，直流偏置磁场施加单元对于磁性膜由后述的螺旋纹柱磁性膜、易磁化轴倾斜型磁性膜、多次弯折型磁性膜及其组合而构成的传感器元件而言同样适用。

当然，如后所述，有时磁性膜的长边方向与易磁化轴并不一致。此时，直流偏置磁场看起来施加在与磁性膜的长边方向不同的方向上（易磁化轴方向）。施加直流偏置磁场的具体方式，可以考虑由永磁铁或电磁铁所产生的磁场。

《磁阻效应型功率测量装置中的直流测定方法例（适用于电池等的功率测定）》

对于磁阻效应型功率测量装置，在与负载连接的电源是直流电源的情况下，会出现较大的直流偏移电压。因此，用一个磁性膜1a将无法测定直流功率。但是，如图23所示，串联连接2个磁性膜1a和1p，并将连接点接地，这样能够消除各个磁性膜所产生的偏移电压。此处，传感器端子1t（1ta、1tb）是磁性膜1a和磁性膜1p的两端。另外，该传感器端子1t也是测量端子13（13a、13b），与电压检测单元28相连。图23中，放大器代表电压检测单元28。

即，该传感器元件1中，磁性膜1a和磁性膜1b串联连接，其连接点设有接地用的中心抽头电极1m，夹着中心抽头电极1m，在磁性膜1a、1p的两端设有中心端子1ta、1tb。因此，这样的传感器元件1在各磁性膜1a、1p两端处的输出电压Vmr中不会出现偏移电压。因而，利用这样的磁性膜连接方法，能够解决磁阻效应型功率测量装置的缺点，即无法测定直流功率的问题。为了稳定输出，也可以一并使用交流偏置磁场施加单元。交流偏置磁场施加单元所产生的交流偏置用Hbac来表示。另外，此处虽然将2个磁性膜合并作为一个传感器元件，但是也可以串联连接两个传感器元件，将连接点接地。

图24是将图23的功率测量装置运用于充电电池的状态，除了图24的传感器元件1、测量电阻12以及电压检测单元28之外，还添加了整流电路37、充电器38、切换开关39。整流电路37是将交流电流转换成直流电流的部件，桥式电路是一种简易结构例。充电器38是用交流电流进行充电的部件，虽未图示，充电器38与外部电源（交流）相连接。

首先，将切换开关39连接在负载R1一侧的情况下，如图23所说明地，能够检测作为直流电源的电池的功耗。而另一方面，若将切换开关39连接在充电器38一侧，则能够检测充电器38进行充电的功率。

因此，对于图24这样的结构的充电电池，能够监控由电池对负载R1供电的情况下以及由外部电源对电池进行充电的情况下功率中的功率移动量（放电量、充电量）。

除了图23、图24的结构以外，作为抵消磁阻效应型功率测量装置在直流测定过程中出现的直流偏置电压（偏移电压）的方法，也可以考虑用虚设电阻来产生与直流偏置电压等同的电压等方法。

《螺旋纹柱磁阻效应型功率测量装置》

接下来，对螺旋纹柱磁阻效应型功率测量装置进行说明。该功率测量装置是上述磁阻效应型功率测量装置的变形例。

图26示出了螺旋纹柱型磁阻效应型功率测量装置中的传感器元件的磁性膜。图27示出了设置于磁性膜表面的倾斜导体膜1c和电极（以下称为螺旋纹柱电极）。此外，以下将磁性膜和形成于其上部的倾斜导体（螺旋纹柱电极）所形成的一体型磁性膜称为“螺旋纹柱磁性膜1bbp”。图26（a）是从上方观察螺旋纹柱磁性膜1bbp时的电流方向和磁化方向的示意图，图26（b）是同图26（a）一样从上方观察螺旋纹柱磁性膜1bbp时的照片。流过负载所产生的磁场H为从纸面下方朝向上方。

图27示出了磁性膜1a的表面上设置的倾斜导体1c和电极，图27（a）是整体视图，图27（b）是圆圈围住部分的放大视图。在磁性膜1a的长边方向上配置多个倾斜导体1c。

此外，图27中，以中央为界左右两侧的倾斜方向不同。也就是说，若将右侧的倾斜导体作为第1组，将左侧的倾斜导体作为第2组，则它们各自的倾斜方向朝向相反的方向。

第1组倾斜导体和第2组倾斜导体之间（交界处）形成有中心抽头电极1m。也就是说，串联连接2个螺旋纹柱磁性膜1bbp作为1个传感器元件而形成的部件，在使用时能够将中心抽头电极1m接地。另外，倾斜导体两端形成有传感器端子10（10a、10b）。用于在磁性膜1c上流过电流。这样的话，传感器端子10也可以在远离磁性膜1c两端的位置形成。另外，在与传感器端子10相同的地点也形成了测量端子13。也可以串联连接施加了倾斜方向相同的导电膜的2个磁性膜，并加上中心抽头电极。这样的传感器元件能够消除各磁性膜的偏移电压。

在图26（b）的具体试样例中，作为磁性膜使用长30mm，宽1mm，膜厚约0.1μm的坡莫合金（NiFe）膜。如图26～图27所示，在螺旋纹柱磁性膜1bbp上沿磁性膜的宽度方向（纸面上下方向）设置有倾斜的导体膜1c，使用的是铜（Cu）。该导体膜1c宽0.5mm，长3mm，膜厚0.1μm，导体膜-导体膜的间隔为1mm（参照图27）。

在使用图26～图27所示的传感器元件1作为功率测量装置的一部分的情况下，需要在磁性膜1a中流过电流。此时，通过设置导体膜1，能够控制磁性膜中所流过的电流的方向。也就是说，由于电流具有向电阻更小的方向流动的性质，因此磁性膜中流过的电流走的是导体膜1c彼此间的最短距离，其结果是，能够让电流相对于磁性膜的长边方向倾斜地流过（参照图26（a））。

更详细说明的话，首先，与磁性膜（坡莫合金膜）1a的电阻相比，导体膜（Cu膜）1c的电阻为大约十分之一的程度。因此，与电流在磁性膜1a的长边方向上直线前进相比，导体膜-导体膜之间的距离更短，电流流过导体膜1c时的电阻更小。在磁性膜上，由于形状各向异性、感应各向异性，从而预先在长边方向上感应出磁化方向（易磁化方向），因此，在倾斜导体1c之间的磁性膜中流过的电流的方向和磁化方向产生了角度。

因此，如图28（b）所示，螺旋纹柱磁性膜1bbp的磁阻特性完全就像是通常的磁阻效应所产生的磁场-电阻特性因偏置磁场进行了偏置之后所得到的特性。即，在没有偏置磁场的状态下，能够将根据磁阻效应来获得线性特性的工作点设定在作用磁场为零的点。

图28示出了长边方向上电压V1和磁场H的关系。图28（a）表示通常的磁阻效应。输出电压V1相对于磁场H形成偶函数。因此，为了获得线性特性，需要提供偏置磁场。另一方面，图28（b）示出了螺旋纹柱磁性膜的磁阻效应，可知不需要偏置磁场。因此，具有使用了螺旋纹柱磁性膜的传感器元件的功率测量装置不需要在与传感器元件的长边方向相垂直方向上的直流偏置磁场。此外，这样的功率测量装置可以具有与上面所说明的功率测量装置相同的结构。

《差动型螺旋纹柱磁阻效应型功率测量装置》

图29示出了差动型螺旋纹柱磁阻效应型功率测量装置的传感器元件，图29（a）是从上方观察的照片，图29（b）是将该传感器元件用于测定微带线路的示意图。由图29（a）可知，磁性膜上，制作了左右倾斜方向不同的螺旋纹柱。图29（b）与图25（b）的电极数量不同。图29（b）是具有中心抽头电极类型的传感器元件。

图30示出了通常磁阻效应所引起的磁性膜电阻变化的状态。图30（a）示出了长方形的磁性膜1a以及流过负载的电流所产生的磁场H。图30（b）示出了在该长方形的长边方向上流过电流时的两端电压（纵轴）与磁场H（横轴）的关系。纵轴的电压V_MR与电阻R成正比。正如已经说明过的那样，该输出电压特性以磁场为零的点为中心呈偶函数。

另一方面，参照图31（a），示出了由斜率不同的螺旋纹柱图案所产生的差动型螺旋纹柱磁性膜1bbp的磁阻效应根据倾斜导体的倾斜方向而施加正负不同的偏置磁场的特性。如图31所示，左侧的螺旋纹柱磁性膜1bbpa呈现相对于外部施加磁场为负偏置的特性B，而右侧的螺旋纹柱磁性膜1bbpp呈现正偏置的特性A。

串联连接此不同的螺旋纹柱磁性膜1bbpa、1bbpp，在同一方向上——例如从左往右的方向上——施加磁场，则各个螺旋纹柱磁性膜的电阻以一方减少而另一方增加的方式变化。若将它们差动输出，则如图31（b）所示，能够将磁场零点作为工作点仅取出变化。将这称之为差动型螺旋纹柱磁性膜。

此外，在使用通常的磁阻效应的磁性膜1a的情况下，施加如图30所示的较大偏置磁场，需要将工作点设定在线性良好的位置。但是，如图31所示，通过使用差动型螺旋纹柱磁性膜，能够使工作点向零磁场移动。此外，磁场所引起的电阻变化也能够放大到2倍。进而，在无偏置磁场下能够获得输出电压。

图32中示出了将差动型螺旋纹柱磁性膜用作为传感器元件的差动型螺旋纹柱磁阻效应型功率测量装置的结构。从电源向负载R1提供电流。负载和电源之间用连接线连接。传感器元件1配置在一部分连接线上，使得磁性膜的长边方向与连接线的方向一致。图32示出了流过负载R1的电流在传感器元件1的下方流过的状态。连接端10a、10b与由电源和负载所形成的电路连接，并与负载R1并联。

连接端10a上连接有测量电阻12的一端12a。另一端12b与传感器端子1ta相连。传感器端子1tb与连接端10b相连。传感器端子1ta和1tb经由电阻相连。这一点是测量端子13a。另一方面，中心抽头电极1m接地，进而被作为测量端子13b。电压检测部28检测该测量端子13a和13b之间的电位差。

图32中，虽然示出了将进行负反馈的运算放大器作为电压检测部28，但也可以使用除此以外的单元。图32的B端子（中心抽头电极）接地，用运算放大器将来自A端子（传感器端子1ta）、C端子（传感器端子1tb）的电信号相加，从而能够获得没有偏置电压、仅输出磁场变化的电信号。

图33中示出了用于对使用了差动型螺旋纹柱磁性膜的传感器元件的工作进行确认的实验测定系统。施加给差动型螺旋纹柱磁性膜的磁场由亥姆霍姆线圈（ヘルムホルムコイル：helmholm coil）来产生。另外，流过磁性膜的电流由恒流源提供。而放大器的全部电阻值为2kΩ，放大增益为1。

接着，测定使用了螺旋纹柱磁性膜的功率测量装置对于一样的外部磁场的输出特性。图34示出了图33所示的测定系统的A-B端子间的输出特性，图35示出了同一测定系统的C-B端子间的输出特性，图36（c）示出了同一测定系统的运算放大器的输出电压。

关于图34所示的A-B端子间的输出特性，AB间的输出偏移为742[mV]，AB间的输出变化为4[mV]，AB的输出变化率为0.42[%]，电阻变化率为0.0031/0.7420*100=0.42[%]。

另外，关于图35所示的C-B端子间的输出特性，CB间的输出偏移为743[mV]，CB间的输出变化为2.6[mV]，CB的输出变化率为0.35[%]，电阻变化率为0.0026/0.7430*100=0.35[%]。

另外，关于图36（c）所示的图33的运算放大器的输出特性，AC间的输出偏移为1.46[mV]，AC间的输出变化为0.11[mV]，AC间的输出变化率为7.5[%]，电阻变化率为0.00011/0.00146*100=7.5[%]。

图34、图35中，电阻对于磁场的变化很大。图36（c）中，与图34、图35相比，可知偏置电压大幅减少。此外磁场所造成的输出电压的变化也小。因此，可以认为磁性膜1c中的磁化方向或磁区结构等为多磁区状态，而不会成为具有单轴各向异性的单磁区。

[表2]

表2中示出了差动型螺旋纹柱磁性薄膜所带来的输出改善结果。输出变化以及输出变化率大幅减少的原因可以推测为是由于膜中的磁化并没有在元件长边方向上充分对齐。然而，偏移电压急剧减少带来了电阻变化率的急剧改善，可以判断，螺旋纹柱磁性膜磁性膜的差动连接将显著提高设备性能。偏移电压的减少会带来增大与元件相连的放大电路的放大率这样的优点，是非常有益的效果。

另外，图37示出了与磁性膜长边方向平行地施加直流偏置磁场时测定系统的示意图。这是对功率测量装置的传感器元件的磁性膜在传感器元件的长边方向上施加直流偏置磁场。这里虽然示出了差动型螺旋纹柱磁性膜，但也可以不是差动型。功率测量装置中，利用直流偏置磁场施加单元来实现。如前所述，探讨了通过强制地使磁化方向在一个方向上而给元件（设备）带来的特性变化。

图38至图40示出了图37的测定系统的输出特性。图38示出了在使用了不设置螺旋纹柱而制成的磁性膜的传感器元件（差动连接）中，在磁性膜长边方向上施加偏置磁场情况下的输出特性。横轴为外部施加的磁场，纵轴为输出电压。没有螺旋纹柱，有偏置磁场情况下的电阻变化非常小，其电阻变化率为0.00022%，非常小。

图39中，示出了有螺旋纹柱、磁性膜长边方向上无偏置磁场的元件情况下的输出特性，即不在螺旋纹柱磁性膜的长边方向上施加直流偏置磁场的情况下的输出特性。

图40中，示出了有螺旋纹柱、磁性膜长边方向上有偏置磁场的元件的输出特性，即在螺旋纹柱磁性膜1的长边方向上施加直流偏置磁场的情况下的输出特性。可知，输出特性将随着是否在传感器元件长边方向上施加直流偏置磁场而产生较大变化。

其原因可以推测为是由于磁性膜的各向异性的强度不充分。利用补偿该各向异性强度的传感器元件长边方向上的直流偏置磁场，磁化在磁场方向上充分对齐，磁化和电流形成明确的角度，可以推测这造成了上述现象。电阻变化率在没有直流偏置磁场的情况下为0.6%，在有直流偏置磁场的情况下为3.3%以上，可以认为，直流偏置磁场非常有效。

图41示出了导体膜中流过负载电流（I1）时作为功率表的特性的测定系统。原有的功率测量中，多数要在磁性膜中流过与负载电压大小成正比的电流（I2）来进行测定。但是，这里将I1和I2设置为可以单独进行设定来进行特性评价。即，在传感器端子间连接恒流源，能够与流过负载的电流无关地流过所希望的电流。

图42示出了不施加直流偏置磁场的情况下导体膜中流过负载电流（I1）时的输出特性。该测定中，流过磁性膜的直流电流（I2）为2mA。另外，利用与负载电阻相连的直流电源来设定负载电流（I1）。使负载电流在0[A]～1[A]之间以0.2[A]为单位增加，然后以0.2[A]为单位减少，同时分别测定50[s]的时间。因此，图42中横轴为时间，实质上代表负载电流。

可知，伴随着负载电流（I1）的增加，输出也增加。然而，还不能认为相对于负载电流的变化，功率传感器输出的变化明确地反映了电流变化。可以认为，磁性膜的磁化方向的移动并不与所施加的磁场成正比是原因之一。

图43示出了向磁性膜长边方向施加磁场（直流偏置磁场）所产生的输出变化。横轴表示作用于磁性膜的磁场强度，纵轴表示输出电压。在没有偏置磁场的状态下，利用磁性膜的各向异性的强度与磁化方向的关系，并不能够唯一确定此状态下功率表的输出，因此并不能用作为功率表。直流偏置磁场的大小为10Oe、40Oe，则能够在较广的范围内得到线性和较好的灵敏度，但在100Oe的直流偏置磁场的情况下可以观察到灵敏度明显降低。

在100Oe的情况下，与10Oe、40Oe的情况相比较，可知线性区域扩大。显然，直流偏置磁场能在某种程度大小的范围内调整膜的磁区结构，可以获得高灵敏度和较好的线性，但是较大的偏置磁场会降低灵敏度。

可以认为，施加超过磁性膜的矫顽力若干程度的直流偏置磁场具有如下效果：大幅改善功率表的灵敏度，并且虽然施加各向异性磁场以上的磁场会降低灵敏度，但扩大了功率表的工作范围。可以认为，通过改变所施加磁场的大小，可以设定所能够测定的电流（功率）。只是灵敏度降低了。

图44示出了施加直流偏置磁场时的测定系统。此处使用永磁铁来施加直流偏置磁场。通过调整磁铁的距离来设定磁场的大小。

另外，图45示出了施加直流偏置磁场时的磁阻效应型功率测量装置的输出特性。直流偏置磁场的大小为40Oe。其他的测定条件与图42的情况相同。由该图45可知，通过施加直流偏置磁场，提高了输出电压对于电流变化的跟随性。

另外，虽然产生了若干误差，但仍然可以认为通过提高膜特性、使用上述带通滤波器、如图16～图21所示施加交流偏置等，本发明能够获得大幅改善。此外，可以认为，如果作为交流功率测量来使用则完全没有问题。

根据以上的结果，可以得出这样的结论，即，螺旋纹柱型磁性膜功率测量装置以及差动型螺旋纹柱磁性膜功率测量装置最适合应用于智能电网、智能电池等，有利于解决电力不足等问题。而即便在使用采用了螺旋纹柱型磁性膜的传感器元件的情况下，如图17、图18所示，当施加了与流过传感器元件的电流垂直的交流偏置磁场时具有稳定输出的效果。即，即便是采用了螺旋纹柱型磁性膜的传感器元件，也能够与交流偏置磁场施加单元一起构成功率测量装置。

此外，也可以如图23所示那样使用传感器元件，即，串联连接2个螺旋纹柱型磁性膜，其中，倾斜导体的倾斜方向相同，并在连接点上设置中心抽头电极。若采用这样的结构，则能够消除各个螺旋纹柱型磁性膜部所产生的偏移。

若使用螺旋纹柱型磁性薄膜，则如图28所示，其中示出了如同存在偏置磁场一般进行工作。这可以被认为是由于，即便没有从外部施加磁场，也可以相对于长边方向上感应出的易磁化轴将磁性膜中流过的电流方向控制成不同。也就是说，即便在没有外部磁场的情况下，如果易磁化轴与电流流动的方向不同，也能够得到与图28相同的特性。

图46（a）中示出了传感器元件1，其具有易磁化轴相对于长方形的长边方向倾斜的磁性膜。形状为长方形，传感器端子设置于长方形的短边。而易磁化轴被感应成相对于磁性膜的长边方向倾斜。这样的易磁化轴倾斜型磁性膜与螺旋纹柱型磁性膜同样地呈现图28所示的特性。

因此，具有使用了易磁化轴倾斜型磁性膜的传感器元件的功率测量装置不需要在与传感器元件的长边方向相垂直方向上的直流偏置磁场。此外，这样的功率测量装置可以具有与上面所说明的功率测量装置相同的结构。

另外，图46（b）中示出了具有串联连接2个易磁化轴倾斜型磁性膜的结构的传感器。串联连接且配置成直线状的2个易磁化轴倾斜型磁性膜它们的易磁化轴相对于长边方向的倾斜方向互不相同。与图31一样，这样的传感器元件中，各个易磁化轴倾斜型磁性膜的工作特性有偏差。因此，对于这样的传感器元件，若从横向施加磁场，则能够获得与图31相同的效果。

此外，在磁性膜的长边方向上施加直流偏置磁场时，也能够获得与使用了螺旋纹柱型磁性膜的传感器相同的效果。另外，在施加与流过负载的电流所生成的磁场相同方向的交流偏置磁场时，如图17、图18所示，也具有稳定输出的效果。即，即便是使用采用了易磁化轴倾斜型磁性膜的传感器元件的情况下，也能够与直流偏置磁场施加单元或者交流偏置磁场施加单元一起构成功率测量装置。

此外，也可以如图23所示那样使用传感器元件，即，串联连接2个易磁化轴倾斜型磁性膜，其中，易磁化轴在同一方向上倾斜，且在连接点上设置中心抽头电极。若采用这样的结构，则能够消除各个易磁化轴倾斜型磁性膜所产生的偏移。

《功率测量电路3及其测定结果》

此处再次示出了利用磁阻效应型功率测量装置时的实际功率测量电路。

参照图7进行说明。如上所述，图7中，将来自函数发生器32的信号输入至2个放大器（直流放大器）34并放大，将其用作为交流电源。传感器元件1的输出电压在低通滤波器26中被阻断高频分量。用数字测试仪28（DMM）测定用低通滤波器26阻断高频分量之后所得到的输出电压中的直流分量。

该电路结构中，放大器34（AMP1）的偏移变化不影响传感器元件1的输出电压。放大器34（AMP1）、放大器35（AMP2）的放大率相同，输出同频率的交流。其原因在于，输入电压如果不是相同频率，输出电压就只有交流分量。

换言之，图7的功率测量存在以下问题：用低通滤波器26和DMM28等来测量（参照图47（b）的示意图）输出电压中与交流分量相重叠的微量直流分量（参照图47（a）的示意图），难以进行正确的测量。

图48中，示出了本发明功率测量装置的其他实施方式的一部分结构。本功率测量装置的结构中，等效传感器电阻51与等效测量电阻52并联连接于传感器元件1与测量电阻13。

并且，将测量电阻12与传感器元件1的连接点以及等效传感器电阻51与等效测量电阻52的连接点53分别作为测量端子（13a、13b），通过对该测量端子间的输出电压进行差动放大，能够仅取出直流电压分量（参照图47（c）的示意图）。即，通过构成包含传感器元件和测量电阻的桥式电路，能够高精度地测量交流电源的功耗。各电阻的电阻值分别为R1=2Ω、Rcu《1、R2、R2’＝360Ω，以60～80dB增益进行差动放大。

下面对图7的测量电路2和上述图48的测量电路3的测定结果进行说明。图49（a）和图49（b）的测量结果分别是将功率测量装置侧（图7中AMP1(34)侧）的输入交流（负载电流）设为执行值4.0V、100Hz，比较两个测量电路2、3的输出。横轴为时间，但实质上为流过负载的电流，纵轴为放大器的输出。由该图49可知，利用80dB增益的差动放大，改善了交流分量所造成的噪声和直流偏移。

图50是用与图49（b）相同的方法对高次谐波电流进行检测后所得结果的曲线图。该曲线图示出了分别将输入至功率测量装置的磁性膜的电流频率设为以下几种情况下的输出测量结果：（1）100Hz+200Hz+300Hz、（2）100Hz+200Hz、（3）100Hz、（4）200Hz、（5）300Hz。从该结果可知，只能大致正确地检测出各频率的电流。

图51示出了在有中心抽头电极的情况下，形成包含传感器元件和测量电阻的桥式电路时的接线结构。增加的电阻只有等效测量电阻52，利用中心抽头电极两侧的磁性膜部和测量电阻构成桥式电路。另外，也可以添加用于调整偏移的可变电阻。此外，磁性膜既可以是螺旋纹柱磁性膜的组合，也可以是易磁化轴倾斜磁性膜的组合，另外也可以是在长边方向上感应出易磁化轴的普通磁性膜。此处，所谓“组合”，也包含了串联连接工作点不同的磁性膜并设置中心抽头电极的情况、以及串联连接工作点相同的磁性膜并设置中心抽头电极的情况中的任一种情况。另外，如果在这些磁性膜上施加交流偏置磁场，则能够得到再现性更好的输出。

图52示出了在中心抽头电极两侧的磁性膜部的工作点不同的情况下，形成桥式电路时的接线结构。工作点不同的情况下，既可以是易磁化轴倾斜磁性膜，也可以是差动型螺旋纹柱磁性膜。各个磁性膜部的易磁化轴或者导电体倾斜方向也可以不同。

图53中示出了如下类型的磁性膜部所构成的传感器元件：平行排列磁性膜，将相邻磁性膜在纸面上的上端和下端分别连接。传感器端子（1ta、1tb）在两端的磁性膜的上端和下端形成。也就是说，将所有的磁性膜串联连接。这种类型的磁性膜被称为多次弯折型磁性膜。

在使用磁阻效应型磁性膜的情况下，如图3所示，输出特性相对于施加磁场为偶函数。因此，不管流过磁性膜中的电流方向如何，膜的电阻都会变化。另外，如果是磁阻效应型，则电流长度越长，越能够提高输出电压。因此，通过使用多次弯折型磁性膜作为传感器元件，能够提高输出电压的灵敏度。

此外，通过连接2个多次弯折型磁性膜，并在连接点上形成中心抽头电极1m，还可以形成具有中心抽头电极的传感器元件来使用。此外，多次弯折型磁性膜中，也可以在磁性膜上形成螺旋纹柱电极。图53中，在磁性膜的表面施加了螺旋纹柱电极。另外，同样地，也可以使用易磁化轴倾斜型磁性膜。

图54中示出了将差动型螺旋纹柱磁性膜形成为多次弯折型，再形成中心抽头电极的传感器元件。即便使用这样的传感器元件，也能够构成本发明的功率测量装置。另外，在使用采用了该多次弯折型磁性膜的上述各种传感器元件时，也可以使用工作点调整偏置磁场施加单元、直流偏置磁场施加单元、交流偏置磁场施加单元、带通滤波器单元。此外，也可以是不使用螺旋纹柱磁性膜，而是将易磁化轴的倾斜方向互不相同的2个易磁化轴倾斜型磁性膜串联再形成中心抽头电极的传感器元件。

以上，说明了本发明各种功率测量装置的实施方式及其概念，但本发明并不限于此，本领域技术人员能够理解，在不脱离权利要求书以及说明书等所记载的精神及教导的范围内，可以得到其他的变形例、改良例。

工业上的实用性

本发明当然可以被用于功率测量装置，也可以被用于需要功率测量单元的更大型装置和系统。

标号说明

1           传感器元件

1a、1p      磁性膜

1c          导体膜

1t          传感器端子

1m          中心抽头电极

2           绝缘膜

3           导体膜

10          连接端

12          测量电阻

13          测量端

15          功率测量装置

22、32      函数发生器

23、34、35  放大器

26、37      低通滤波器

28、38      DMM（数字测试仪）

37          整流电路

38          充电器

39          开关

40          带通滤波器单元

41          带通滤波器

42          开关

51          等效传感器电阻

52          等效测量电阻

Claims (49)

1.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部包含磁性膜，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将各个所述传感器端子作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

2.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述磁性膜部施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

3.如权利要求1所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述磁性膜部施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述磁性膜部中，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向倾斜。

5.如权利要求1至3中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述磁性膜部中，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜。

6.如权利要求1至3中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述磁性膜部中，并排设置有多个磁性膜，各所述磁性膜全部串联连接。

7.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将各个所述传感器端子作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

8.如权利要求7所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

9.如权利要求7所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

10.如权利要求7至9中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜的至少一方中，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向倾斜，并且将各所述易磁化轴设置成相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

11.如权利要求7至9中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜的至少一方中，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜，并且将所述导电膜的斜率形成为相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

12.如权利要求7至9中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜的至少一方中，并排设置有多个磁性膜，各所述磁性膜全部串联连接。

13.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的、工作点相异的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将经由电阻连接所述传感器端子的一端和另一端的点以及所述接地点分别作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

14.如权利要求13所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

15.如权利要求13所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

16.如权利要求13至15中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜中，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向倾斜，并且将各所述易磁化轴设置成相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

17.如权利要求13至15中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜中，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜，并且将所述导电膜的斜率形成为相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

18.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部包含磁性膜，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，

与所述传感器元件以及所述测量电阻并联连接的、由等效传感器电阻和等效测量电阻构成的串联连接电路，所述等效传感器电阻的电阻值与所述传感器元件相同，所述等效测量电阻的电阻值与所述测量电阻相同，以及

电压检测部，所述电压检测部将所述传感器元件和所述测量电阻的连接点以及所述可变电阻与所述等效电阻的连接点作为测量端子，检测各所述测量端子间的电位。

19.如权利要求18所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述磁性膜部施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

20.如权利要求18所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述磁性膜部施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

21.如权利要求18至20中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述磁性膜部中，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向倾斜。

22.如权利要求18至20中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述磁性膜部中，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜。

23.如权利要求18至20中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述磁性膜部中，并排设置有多个磁性膜，各所述磁性膜全部串联连接。

24.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，

等效测量手电阻，所述等效测量手电阻连接在所述传感器元件与一个所述连接端相连接的所述传感器端子、以及所述测量电阻与另一个所述连接端相连接的所述另一端上，且所述等效测量手电阻的电阻值与所述测量电阻相同，以及

电压检测部，所述电压检测部将所述传感器端子彼此作为测量端子，测量各所述测量端子间的电位。

25.如权利要求24所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

26.如权利要求24所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

27.如权利要求24至26中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜的至少一方中，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向倾斜，并且将各所述易磁化轴设置成相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

28.如权利要求24至26中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜的至少一方中，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜，并且将所述导电膜的斜率形成为相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

29.如权利要求24至26中的任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜的至少一方中，并排设置有多个磁性膜，各所述磁性膜全部串联连接。

30.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部由形成为直线状的、工作点相异的第1磁性膜和第2磁性膜串联连接而成，所述第1磁性膜和所述第2磁性膜的连接点接地，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得所述磁性膜部的长边方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，

等效测量手电阻，所述等效测量手电阻连接在所述传感器元件与一个所述连接端相连接的所述传感器端子、以及所述测量电阻与另一个所述连接端相连接的所述另一端上，且所述等效测量手电阻的电阻值与所述测量电阻相同，以及

电压检测部，所述电压检测部将经由电阻连接所述传感器端子彼此的点以及接地的所述接地点作为测量端子，检测各所述测量端子间的电位。

31.如权利要求30所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

32.如权利要求30所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述第1和第2磁性膜施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

33.如权利要求30至32中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜中，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向倾斜，并且将各所述易磁化轴设置成相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

34.如权利要求30至32中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述第1和第2磁性膜中，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜，并且将所述导电膜的斜率形成为相对于所述磁性膜部的长边方向相互反向。

35.一种功率测量装置，所述功率测量装置测定经由连接线与电源相连接的负载中所消耗的功率，其特征在于，具有：

一对连接端，所述一对连接端用于与所述负载并联地连接至所述电源，

磁性膜部，所述磁性膜部包含磁性膜，以及

一对传感器端子，所述一对传感器端子设置于所述磁性膜部的两端，

所述传感器端子的一端连接于一个所述连接端，

所述功率测量装置还具有：

隔着绝缘层而与所述连接线相邻配置的传感器元件，使得流过所述磁性膜部的电流方向与所述连接线的电流流过的方向大致平行，

测量电阻，所述测量电阻的一端与所述传感器元件的传感器端子的另一端相连接，所述测量电阻的另一端与另一个所述连接端相连接，以及

电压检测部，所述电压检测部将与所述磁性膜部的所述传感器端子垂直方向上的各端部作为测量端子，测量所述测量端子间的电压。

36.如权利要求35所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有直流偏置磁场施加单元，所述直流偏置磁场施加单元向所述磁性膜部施加方向与所述磁性膜部的长边方向相同的直流磁场。

37.如权利要求35所述的功率测量装置，其特征在于，

设置有交流偏置磁场施加单元，所述交流偏置磁场施加单元向所述磁性膜部施加方向与所述磁性膜部的长边方向垂直的交流磁场。

38.如权利要求1至37中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

所述电压检测部中，在所述测量端子之间配置有低通滤波器。

39.如权利要求1至37中任一项所述的功率测量装置，其特征在于，

与所述传感器元件串联连接有带通滤波器单元，所述带通滤波器单元中，并联配置了n个带通滤波器，并且具有从所述n个带通滤波器中选择n个以下的带通滤波器的开关。

40.一种传感器元件，其特征在于，

在一对传感器端子之间形成有磁性膜部，在所述磁性膜部的长边方向上感应出易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴的方向倾斜的多个导电膜。

41.一种传感器元件，其特征在于，

在一对传感器端子之间耦合2个磁性膜部而形成所述传感器元件，所述磁性膜部具有在磁性膜的长边方向上感应出的易磁化轴，在所述磁性膜的表面，形成相对于所述易磁化轴倾斜的多个导电膜，

将所述导电膜的倾斜方向形成为在所述磁性膜部相互之间不同，

在所述磁性膜部相互耦合的部分形成中心抽头电极。

42.一种传感器元件，其特征在于，

在一对传感器端子之间形成有磁性膜，在相对于所述一对磁性膜部的长边方向倾斜的方向上感应出易磁化轴。

43.一种传感器元件，其特征在于，

在一对传感器端子之间耦合并形成有一对磁性膜部，所感应出的易磁化轴相对于所述磁性膜部的长边方向分别在不同方向上倾斜，在所述2种磁性膜部的耦合点形成中心抽头电极。

44.一种传感器元件，其特征在于，

在一对传感器端子之间相邻配置了多个串联连接的长方形的磁性膜。

45.如权利要求44所述的传感器元件，其特征在于，

在所述长方形磁性膜的表面形成相对于所述长方形的长边方向倾斜的多个导电膜。

46.如权利要求44所述的传感器元件，其特征在于，

所感应出的易磁化轴相对于所述长方形的磁性膜的长边方向倾斜。

47.一种传感器元件，其特征在于，

在一对传感器端子之间配置2个磁性膜部，所述磁性膜部中相邻配置了串联连接的多个长方形的磁性膜，各所述磁性膜部的所述长方形的磁性膜的长边方向对齐，并使所述磁性膜部彼此纵列配置，

进一步形成使所述磁性膜部彼此串联连接的连接点，在所述连接点形成中心抽头电极。

48.如权利要求47所述的传感器元件，其特征在于，

所感应出的易磁化轴相对于所述长方形的磁性膜的长边方向倾斜，相对于所述长边方向，所述2个磁性膜部的易磁化轴的方向相反。

49.如权利要求47所述的传感器元件，其特征在于，

在所述长方形磁性膜的表面形成相对于所述长方形的长边方向倾斜的多个导电膜，相对于所述长边方向，所述磁性膜部的所述倾斜彼此形成不同角度。

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