CN104871018B

CN104871018B - 电能测量装置

Info

Publication number: CN104871018B
Application number: CN201380062123.1A
Authority: CN
Inventors: 辻本浩章
Original assignee: Co Ltd Sirc
Current assignee: Co Ltd Sirc
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2017-10-31
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: EP2927701B1; CN104871018A; EP2927701A1; JPWO2014083812A1; US20150316591A1; US10048298B2; JP6464342B2; EP2927701A4; WO2014083812A1

Abstract

对于使用磁性薄膜的电能计，需要能够之后在已设置的状态的配线上安装，并且无论设置在配线的何处，都能够确定配线和磁性薄膜的位置关系。电能测量装置的特征在于，具有：一对连接端子，用于将所述负载并联连接于所述电源；传感器部，其具有在磁性膜的两端设有元件端子的磁性元件、与所述磁性元件串联连接的测量电阻、检测所述磁性元件的电压变化并输出规定的成分的检测装置，该传感器部经由所述一对连接端子与所述被测量电路连接；传感器单元，其由多个所述传感器部构成；加法装置，其将所有所述传感器部的所述检测装置的输出相加；固定装置，其将所述传感器部的所述磁性元件固定于距成为配置一所述电线的位置基准的假想轴等距离的位置，并且以与所述假想轴相对的朝向。

Description

电能测量装置

技术领域

本发明涉及可以以简易且小的结构测定被高频电路或电池消耗的电能的各种薄膜传感器型的电能测量装置。

背景技术

近年来，在完备利用因特网等的环境方面，正在进行包含电能的远距离检测的测量系统的开发。目前，在电能的测量中，使用将使用的电能量变换为圆盘的旋转数并进行积算运算的积算电量表。最近，对该积算电量表新附加检测旋转的传感器或电流计(CT)、电压计(PT)，通过进行电子电路或微处理机的乘法计算，测量电能。

但是，积算电量表的装置构成复杂，装置大型化。另外，积算电量表因机械地输出电能，所以存在不能进行数字管理的课题。另外，由于将使用的电能变换为圆盘的旋转，所以产生损失，可能会消耗多余的能量。

因此，期望可以将消耗电能直接作为电气量进行测定，并且可以小型化及集成化的电能计的开发。

作为可小型化及集成化的电能计，例如提案有利用磁性薄膜的磁阻效应，可将消耗电能直接作为电气量进行测定的电能测量装置或磁场传感器(非专利文献1、2)。这是使用相对于流过交流的一次导体平行安置的(基板上构成的)磁性薄膜，经由电阻在该磁性薄膜的两端施加一次电压，从磁性薄膜的两端获取输出的电能测量装置及磁场传感器。该电能测量装置等中，采用从2倍频率成分的振幅值获取电能IV的方式。

该电能测量装置等中，在由磁性薄膜构成的强磁性体内，着眼于利用通过电流和磁化形成的角度改变该磁性体的电阻值的现象即平面霍尔效应(Planar Hall effect(PHE))，可以没有偏置磁场地获得线形特性这一点，获取与电能成比例的信号成分(将该电能测量装置称作“平面霍尔型电能测量装置”或“PHE型电能测量装置”。)。

此外，在此使用的磁场传感器是将外部磁场的变化变换成电信号的元件，构图强磁性薄膜或半导体薄膜等磁性薄膜，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变换成电信号。

但是，在PHE型电能测量装置中，必须要在与一次导体的负载电流正交的方向上获取由磁性薄膜检测的电压输出。即，必须要在磁性薄膜的宽度方向的两端输出电压。因此，在PHE型电能测量装置中，需要磁性薄膜为某种程度的宽幅，而不能使用窄幅形状(在此，例如是指在直线形状·长方形状的长度方向细的形状)的磁性薄膜。

另外，PHE型电能测量装置中，也存在必须要由桥接电路结构构成磁性薄膜的形状的限制。这意味着，在PHE型电能测量装置中，难以在高频电路所使用的微波传输线路或共面线路等特殊的线路上进行设置。

另外，作为高频用的电能测定装置，也存在辐射热测量器或精密测量器，它们为复杂大型的结构，且价格非常高昂，不能耐受各器件或各设施各自的电能测定·检测。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10－232259号公报

非专利文献

非专利文献1：使用磁性膜的薄膜电能计(电气学会磁性研究会资料VOL.MAG－05No.182)

非专利文献2：使用磁性膜的薄膜电能计(电气学会磁性研究会资料VOL.MAG－05No.192)

发明所要解决的课题

就使用磁性薄膜的电能计而言，电流流通的导线和磁性薄膜的位置关系至为重要。作为公开磁性薄膜和导线间的关系的情况，专利文献1的漏电检测装置是简便的，另外，也可以实现某种程度的小型化。但是，由于使用环状的磁性体，所以必然其小型化受限。另外，由于需要使来自电源的电线A及电线B通过环的孔，所以在电线粗的情况下，环状的磁性体自身增大。另外，要对已配置好的电线配置环状的磁性体未必是容易的。例如，如夹持型电流计那样，可以开放环状磁性体的一部分，从开放部分将电线放入孔中，环状磁性体要再次形成磁通的闭路，需要还原的时间。

另外，为了小型化而将电路基板自身集成化时，必须将来自电源的电源线图案2线同时地用磁性体包围，因此，之后的安装极其困难。使用磁性薄膜的电能计也需要可以之后在已设置的状态的配线上安装，并且无论设置在配线的何处，都能够确定配线和磁性薄膜的位置关系。

发明内容

用于解决课题的技术方案

本发明是鉴于上述的课题而创立的，提供一种电能测量装置，即使在已配线了的电路中，之后也可以容易地设置，另外，也可以小型化。

更具体而言，本发明提供一种电能测量装置，测量被由电源、负载、连接所述电源及所述负载之间的一对电线构成的被测量电路消耗的电能，其特征在于，该电能测量装置具有：

一对连接端子，用于将所述负载并联连接于所述电源；

传感器部，其具有在磁性膜的两端设有元件端子的磁性元件、与所述磁性元件串联连接的测量电阻、检测所述磁性元件的电压变化并输出规定的成分的检测装置，该传感器部经由所述一对连接端子与所述被测量电路连接；

传感器单元，其由多个所述传感器部构成；

加法装置，其将所有所述传感器部的所述检测装置的输出相加；

固定装置，其将所述传感器部的所述磁性元件固定于距成为配置一所述电线的位置基准的假想轴等距离的位置，并且以与所述假想轴相对的朝向。

发明效果

本发明的电能测量装置由于具有使用磁性薄膜的传感器部，所以可以减薄制作传感器部。因此，对于已完成的被测量电路，之后也可以进行配设。另外，由于采用由传感器部分夹持作为被测量对象的导线的构造，所以能够以充分的测量精度确保传感器位置和导线的位置关系。

附图说明

图1是表示本发明所使用的磁性元件的结构的图；

图2是说明磁性元件的动作的图；

图3是表示实施了条纹形状的导体图案的磁性元件(螺旋条纹型)的图；

图4是表示使用了磁性元件的电能测量装置的结构的图；

图5是示例本发明的电能测量装置的外观的立体图；

图6是表示磁性元件和电线的配置关系的图；

图7是表示磁性元件为一个的情况和磁性元件为两个的情况下的测量误差的坐标图；

图8是表示磁性元件和电线的配置关系(还有X坐标和Y坐标)的图；

图9是表示对电线在X方向错位时的电能测量结果造成的影响的坐标图；

图10是表示实施方式1的电能测量装置的接线图的图；

图11是示例框架的其它形状的图；

图12是示例框架的其它形状的图；

图13是示例框架的其它形状的图；

图14是示例框架的其它形状的图；

图15是表示实施方式2的框架实现的磁性元件的配置关系的示意图；

图16是表示使用了三个磁性元件的情况下的电能测量值的变动的坐标图；

图17是表示使用了两个磁性元件的情况下的电能测量值的变动的坐标图；

图18是表示使用了四个磁性元件的情况下的磁性元件的配置关系的示意图；

图19是表示使用了四个磁性元件的情况下的电能测量值的变动的坐标图；

图20是表示电线93a从假想轴17的错位和电能测量的最大误差的关系的坐标图；

图21是表示磁性元件的个数和最大误差的关系的坐标图；

图22是在磁性元件之间配置了永久磁铁或高磁导率材料的框架10f的示意图；

图23是示例传感器部30的其它结构的图；

图24是示例传感器部30的其它结构的图；

图25是示例传感器部30的其它结构的图。

符号说明

1、2 电能测量装置

10 传感器单元

12a、12b 连接端子

14(14a、14b、14c、14d) 磁性元件

17 假想轴

21 检测器电源

22(22a、22b) 测量电阻

25(25a、25b) 差分放大器

26(26a、26b) 后处理装置

27(27a、27b) 检测装置

28 加法装置

28z 放大器

30(30a、30b、30c、30d) 传感器部

34 控制装置

35 显示装置

50 筐体

51 支架

52 框架

53 止动件

56 框架

56f 平面部

56w 固定壁

57 框架

57a、57b 框架片

57m、57n 边框(bind)

58a、58b (框架片的)倾斜面

59a、59b 切线

90 被测量电路

91 电源

92 负载

93(93a、93b) 电线(电源线)

93c 导线

94 屏蔽铠装(shield)

140a、140b 磁性元件

141 基板

142 磁性膜

143(143a、143b)、144(144a、144b) 元件端子

145(145a、145b) 偏置装置

148 导体

149 永久磁铁

1430a、1430b、1440a、1440b 元件端子

1450a、1450b 偏置装置

EA 易磁化轴

L 电线的间隔

M 磁化

H 外部磁场

Hbias 偏置磁场

Hinv 电线93b产生的磁场

R28a、R28b 接收电阻

凸棱的角度

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的电能测量装置。此外，以下的说明是示例本发明的一实施方式，而不限于以下的实施方式。只要不脱离本发明的宗旨，就能够变更以下的实施方式。

(实施方式1)

首先，简单说明用于本发明的磁性元件14。参照图1，磁性元件14在基板141上形成有磁性膜142，在其两端形成有元件端子(电极)143、144。形状为短片状，将形成元件端子143、144的方向称为长度方向。磁性膜142优选在长度方向感应出易磁化轴EA。

从检测器电源21向该磁性元件14中流过电流I₂。电流I₂在磁性膜142中沿长度方向流通。此时，如果从与长度方向成直角的方向施加外部磁场H，则磁性膜142的电阻发生变化。将其称作磁阻效应。磁阻效应认为是因在磁性膜142中流通的电流I₂和磁性膜142中的磁化的方向发生变化而产生。此外，在此，“外部磁场H”是指从磁性膜142的外侧施加的磁场的意思。

图2(a)表示图1的磁性元件14的平面图，图2(b)表示对磁性元件14施加的外部磁场H和磁性膜142的电阻值R_mr的关系。横轴为对磁性膜142施加的外部磁场H，纵轴为磁性膜142的电阻值(Ω)。磁阻效应认为因电流I₂与磁化M的方向错位而产生，因此，对于所施加的外部磁场H具有偶函数的特性。

但是，如果从外部磁场H为零的状态开始施加外部磁场H，则不能将外部磁场H的方向作为电阻值的变化进行识别。因此，在相对于长度方向成直角方向作用偏置磁场Hbias。动作点因该偏置磁场Hbias而移动，电阻值R_mr因外部磁场H的方向而增减。图2(b)中表示的是，在动作点的电阻值R_m0时，施加外部磁场H，其结果产生了+ΔR_mr的电阻变化。此外，符号MRC是表示磁阻效应的曲线。

该偏置磁场Hbias由永久磁铁149可以容易地赋予。当然，也可以是电磁铁。这样，将对磁性元件14赋予偏置磁场Hbias的装置称作偏置装置145。该偏置装置145也可以不是直接产生磁场的装置。

图3表示的是将由良导电物质形成于磁性膜142上的导体148形成为带状的条纹构造。条纹构造是指将导体148设为带状，且相对于磁性膜142的长度方向倾斜形成的构造。此外，导体148间期望平行且等距离地形成。在这种构造中，在带状的导体148间以最短距离流过电流I₂。而且，在磁性膜142上，沿磁性元件14的长度方向感应出易磁化轴EA。于是，即使在外部磁场H为零的情况下，磁化M和电流I₂的方向也不同。即，只要与磁阻效应相关，就能够得到与施加偏置磁场相同的状况。

从纸面上向下方向对这种构造的磁性元件14施加外部磁场H(白箭头H)。没有外部磁场H的状态的磁化M(黑色箭头)朝向与电流I₂不同的角度，但因外部磁场H而向与电流I₂相同的方向旋转(白箭头)。磁化M相对于电流I₂的运动与图2中说明的磁化M的运动相同，图3的磁性元件14的电阻值如图2(b)所示，电阻值变化。

本说明书中，这样，即使实际上不产生磁场，实质上显示与施加偏置磁场Hbias相同的效果的情况也包含于偏置装置145。图3中的导体148和易磁化轴EA的组合也可以说是偏置装置145。将图3中的构造的磁性元件14称作螺旋条纹型。另外，作为其它例，也可以将磁性膜142的易磁化轴EA从长度方向倾斜地感应。因为该情况下，电流流通的方向(长度方向)和磁化的朝向也预先倾斜。

图4表示使用螺旋条纹型的磁性元件14的电能测量的原理。将磁性元件14和测量电阻22串联，并将其与和被测量电路90的电源91连结的负载92并联连结。连结的点为连接端子12a、12b。而且，磁性元件14与连接电源91和负载92之间的电线93a平行地相邻配置。在此，平行是指磁性元件14的面内方向与形成于电线93a的周围的同轴状的磁场平行。另外，测量电阻22相对于磁性元件14的电阻值R_mr非常大。另外，电线93a的电阻非常小。

首先，在电源91为直流的情况下，在将流过电线93a、93b的电流设为I₁时，将比例常数设为α，对磁性元件14施加的外部磁场H如(1)式表示。

H＝αI₁····(1)

也如图2(b)所示，磁性元件14的电阻的变化ΔR_mr与来自外部的施加磁场H成比例，因此，如果将比例常数设为β，考虑(1)式，则如(2)式那样表示。

ΔR_mr＝βH＝β(αI₁)····(2)

如果将未对磁性膜142施加外部磁场H时(动作点)的电阻设为R_m0，则施加外部磁场H时的磁性元件14整体的电阻R_m如(3)式那样表示。

R_m＝R_m0+ΔR_mr＝R_m0+αβI₁····(3)

即，与电流I₁流过的电线93a接近配置的磁性膜142具有(3)式那样的电阻特性。如果在磁性元件14的元件端子143、144间流过电流I₂，则元件端子143、144间的电压V_mr如(4)式那样表示。

V_mr＝R_mI₂＝(R_m0+ΔR_mr)I₂＝(R_m0+αβI₁)I₂····(4)

其次，由于将电源91设为直流，所以如果将电压V_in设为V₁，则如(5)式那样表示。而且，电线93a、93b的电阻非常小，另外，磁性元件14的电阻R_m也比测量电阻22(值为R₂)小很多。如果将负载92的电阻设为R₁，则流过电线93a的电流I₁和流过磁性元件14的电流I₂分别如(6)式、(7)式。

因此，磁性元件14的元件端子143、144间的电压V_mr如(8)式那样表示。此外，在(8)式的式变形的中途使用R_m0＜＜R₂的关系。另外，K₁为比例常数。根据(8)式的结果，可获得在磁性元件14的元件端子143、144间，与被负载92消耗的电能I₁V₁成比例的电压、和测量电阻22(R₂)和磁性元件14的动作点的电阻R_m0确定时唯一地确定的偏置电压之和。

[数1]

即使电源91为交流，这样的关系也成立。下面说明电源91为交流，负载92为电抗的情况。(1)式～(4)式的关系如上述说明。由于电源91为交流，所以在设定振幅V₁、角频率ω时，电压V_in如(9)式那样表示。另外，由于在被测量电路90中负载92为电抗，所以流过负载92的电流I₁与电源91(电压V_in)产生相位错位。将该相位错位设为θ。另一方面，磁性元件14由于为通常的电阻，所以与电源91(电压V_in)为同相位。因此，电流I₁及I₂如(10)式、(11)式那样表示。

因此，如果将(10)式及(11)式代入(4)式，则如(12)式那样变形。

[数2]

V_in＝V₁sinωt…(9)

观察(12)式，可知最终项将被负载92消耗的有效电能作为直流成分表现。即，使元件端子143、144间的输出通过低通滤波器获得的直流电压是与被负载92消耗的有效电能成比例的电压。如上，使用磁性元件14，不仅可以测量流过作为电源线的电线93的电流，而且还能够根据连接的方法测量与电源91连接的负载92的消耗电能。

这样，在图4的构成中，电源91是直流或是交流，都能够将与电源91连接的负载92所消耗的电能作为电压获取。将检测磁性元件14的元件端子143、144间的电压，除去直流的偏置成分或交流成分并检测与负载92的消耗电能成比例的电压的装置称作检测装置27。检测装置27由差分放大器25和后处理装置26构成。

后处理装置26是在将交流或直流偏置电压与差分放大器25的输出重叠时将交流或直流偏置电压除去的装置。具体而言，在重叠交流的情况下是低通滤波器，在重叠直流偏置电压的情况下是赋予绝对值为同电压且极性相反的电压的装置，可以通过恒电压电源或电池等实现。

另外，将从被测量电路90的电线93a产生的磁场获取与被负载92消耗的电能成比例的电压的部分称作传感器部30。另外，传感器部30也可以包含差分放大器25及后处理装置26。图4中，传感器部30由磁性元件14、测量电阻22、差分放大器25及后处理装置26构成。

再次参照图4，磁性元件14所致的电阻的变化依赖于所施加的外部磁场H。施加的外部磁场H是指被测量电路90中的电线93a中所流通的电流在电线93a的外部产生的磁场。即，测定电能的电线93a和磁性元件14的配置决定电能测量的精度。但是，由于磁性元件14薄且形成为小型，所以不易在电线93a上正确地安装磁性元件14。

图5中表示电能的测量结果不受磁性元件14对电线93a的安装精度大幅影响的电能测量装置1。被测量电路90由电源91、电线93a、负载92、电线93b构成。此外，电线93a将一部分屏蔽铠装94和导线93c放大记载，在其它的部分省略屏蔽铠装94，导线93c由线表示。

电能测量装置1包含实现配设于电线93a上的传感器单元10和被测量电路90的连接的连接端子12a、12b。传感器单元10由多个传感器部30构成，图5中由2组传感器部30a、30b构成。另外，差分放大器25或接线这样的电路部分被收纳于筐体50。连接端子12a、12b也在筐体50内连接。

从筐体50上利用接线连接由形成为截面コ字状的框架52和封闭开口面的至少一部分的止动件53构成的支架51。而且，将传感器部30a、30b的磁性元件14a、14b配设于框架52的相对的壁的内壁面。在此，可以假想磁性元件14a和磁性元件14b成为轴对称的位置关系的假想轴17。换言之，在距假想轴17等距离的位置，以与假想轴17相对的方式配置磁性元件14a和磁性元件14b。另外，也可以在距假想轴17等距离的位置包围假想轴17。

在该意味下，框架52是将磁性元件14a及磁性元件14b固定于距假想轴等距离的位置的固定装置。另外，框架52也以使磁性元件14a和磁性元件14b与假想轴17相对的朝向固定。而且，如果以电线93a的中心与该框架52内的假想轴重合的方式进行配置，则在距电线93a的中心等距离的位置配置磁性元件14a、14b。

电线93a期望以中心与磁性元件14a和磁性元件14b之间的假想轴17重合的方式配置。因为可以对各磁性元件14a、14b施加相同的磁场。但是，有时夹持着异物、或在将支架51安装于电线93a时在与磁性元件14a、14b之间产生空间等，不能以电线93a的中心与假想轴17重合的方式配置。

这样，如果磁性元件14和电线93a的位置关系不是想定的位置关系，则测量的消耗电能产生误差。因为消耗电能通过由磁性元件14检测电线93a产生的磁场的变化而求出。

但是，如果设为在电线93a的周围配置多个磁性元件14的构造，则可减小电线93a相对于磁性元件14a和磁性元件14b的位置所致的对电能的测量结果的影响。下面，说明其原理。

图6(a)表示磁性元件14a及磁性元件14b、假想轴17、要与假想轴17重叠配置的电线93a的截面状态。也可以说是配置有电线93a的支架51的截面。此外，也将磁性元件14a称为磁性元件A，也将磁性元件14b称为磁性元件B，且通过“A”、“B”区别磁场、电阻、电压等。

将磁性元件14a和磁性元件14b的间隔设为2r，将电线93a从假想轴17的错位设为Δr。即，虽然要将电线93a与假想轴17重叠配置，但表示仅错开Δr的情况。结果是，电线93a从磁性元件14a离开r+Δr，且从磁性元件14b离开r－Δr。

此时，形成于磁性元件14a及磁性元件14b的磁场H_A、磁场H_B根据安培环路定律，如(13)式、(14)式那样表示。各磁性元件14a、14b的电阻的变化ΔR_mrA及ΔR_mrB与来自外部的施加磁场H成比例，因此，如果将比例常数设为β，且考虑(13)式、(14)式，则如(15)式及(16)式那样表示。此外，ΔR_mrA是磁性元件14a的电阻变化，ΔR_mrB表示磁性元件14b的电阻变化。

另外，如果在磁性元件14a及磁性元件14b中流过相同程度的电流I₂，则相当于该电阻变化量的电压ΔV_mrA和电压ΔV_mrB如(17)式及(18)式那样表示。此外，ΔV_mrA是磁性元件14a的电压变化，ΔV_mrB表示磁性元件14b的电压变化。

[数3]

在此，求电压ΔV_mrA和电压ΔV_mrB的加法运算，则如(19)式。

[数4]

根据(19)式，在Δr/r＝0.1(10％)的情况下，将磁性元件14a、14b的输出电压相加所得的值的输出比为1.01，变动率为0.01(％)程度，可以使安装位置的变动(误差)所致的电压变化的变动(误差)极小。

图7表示求出了要在磁性元件14a、磁性元件14b的假想轴17上配置电线93a的情况和相对于电线93a仅配置了磁性元件14a的情况下的设置误差和测量误差的关系的图表。横轴是设置误差(Δr/r)，纵轴表示测量误差(|1－1/(1+Δr/r)|)。即，纵轴是(19)式的分数部分的绝对值。此外，仅配置了磁性元件14a的情况是指仅求(19)式中的电压ΔV_mrA。具体的结构为图6(b)的结构。

观察图7，可知，相较于仅磁性元件14a的情况，在磁性元件14a、14b的假想轴17上重合配置电线93a的结构能够将设置误差的测量误差抑制得极低。

另外，迄今为止对电线93a的磁性元件14a和磁性元件14b之间的距离方向的错位进行了探讨，接着，对磁性元件14a和磁性元件14b的宽度方向的错位进行探讨。

图8表示与图6(a)相同的电线93a和磁性元件14a和磁性元件14b的剖面图。图8中，将磁性元件14a和磁性元件14b的距离方向上的沿着磁性元件宽度中心的方向设为Y轴，在Y轴的直角方向上，将磁性元件14a和磁性元件14b的宽度方向设为X轴。如果这样假定坐标轴，则原点为假想轴17。

此外，X轴也可以是从磁性元件14a和磁性元件14b正好离开距离r的点的集合。将电线93a存在的位置在该坐标中设为坐标(x、y)，计算电线93a的位置变动时的磁性元件14a、14b的中心点(分别为点a、点b)的磁场。将磁性元件14a、14b的宽度设为2w。

图9表示其计算结果。磁性元件14a、14b间设为4mm(r＝2mm)。图中的○(白圈)表示使电线93a(电流)在y＝0的直线上(X轴)左右移动的情况下的点a的X轴方向的磁场的大小(Hpara)，□(白四角)表示使电线93a(电流)在y＝0.2mm的直线上左右移动的情况下的点a的X轴方向的磁场的大小(Hpara)，△(白三角)表示使电线93a(电流)在y＝－0.2mm的直线上左右移动的情况下的点a的X轴方向的磁场的大小(Hpara)。另外，▽(白逆三角形)是将□：y＝0.2mm和△：y＝－0.2mm平均。

就X轴上的变化量(移动量)而言，考虑到从中心(假想轴17)到磁性元件14a、14b的距离r＝2mm和上述的上下的变动幅度0％～20％，设为其±20％(±0.4mm)。图9中的y轴值是电线93a(电流)在(x＝0，y＝0)、(x＝0，y＝0.2)、(x＝0，y＝－0.2)的磁场Ho(y＝0)、Ho(y＝0.2)、Ho(y＝－0.2)的标准值(Hpara/Ho)。图9中，横轴表示X轴，纵轴以标准值(Hpara/Ho)表示X轴方向的磁场。

根据图9发现，相对于X轴方向的10％(±0.2mm)的变动，X轴方向的外部磁场减少1％程度，相对于X轴方向的20％(±0.4mm)的变动，X轴方向的外部磁场减少4％程度。但是，即使电线93a(电流)在磁性元件14a和磁性元件14b的中心(假想轴17)附近(x＝0，y＝0)左右移动(设置误差、或振动)，也能够了解磁性元件14a、14b间的中心附近的磁场的大小不那么大地变动的样子。

如上，将磁性元件14a、14b配置于相对于假想轴17轴对称的位置，并以被测量电路90的电线93a与假想轴17重合的方式配置，且加上各磁性元件14a、14b的电压变化，由此，可以减小磁性元件14和电线93a的位置误差对电能测量值带来的影响。即，通过由磁性元件14a和磁性元件14b夹持电线93a，可以减小电能测量的误差。

此外，如上述，来自磁性元件14a和磁性元件14b的输出需要加上同特性的输出。因此，在夹持电线93a时，磁性元件14a和磁性元件14b的偏置装置(分别设为145a及145b。但未图示。)需要以相对于电线93a生成的外部磁场H在同方向作用的方式形成。

图10表示图5所示的电能测量装置1的各部的具体的接线关系。基本上为将图4所示的电能测量装置的磁性元件14并列设置2组，通过加法装置加上各自的输出的结构。

首先，电能测量装置1包含第一传感器部30a和第二传感器部30b和加法装置28。另外，也可以附加显示加法装置28的输出的显示装置35。第一及第二传感器部30a、30b分别由磁性元件14a、测量电阻22a、差分放大器25a、后处理装置26a、及磁性元件14b、测量电阻22b、差分放大器25b、后处理装置26b构成。由传感器部30a和传感器部30b构成传感器单元10。

参照图5，至少传感器部30a及传感器部30b的磁性元件14a和磁性元件14b被配置于截面コ字型的框架52的相对的内壁。测量电阻22a、22b也可以配置于框架52内。

再次参照图10，将磁性元件14a及磁性元件14b的元件端子143a、144a和143b、144b分别作为测量端子23a、24a和23b、24b获取电压。各测量端子23a、24a和23b、24b的输出通过差分放大器25a、25b放大，通过后处理装置26a、26b成为与消耗电能成比例的电压。由差分放大器25a、25b和后处理装置26a、26b分别形成检测装置27a、27b。

检测装置27a和检测装置27b的输出通过加法装置28相加。加法装置28由接收电阻R28a、R28b接收检测装置27a、27b的输出，并由放大器28z相加。

加法装置28的输出也可以被送入控制装置34，并在与控制装置34连结的显示装置35进行显示。显示装置35没有特别限制，可适宜利用具有二维画面的显示器装置、仅显示数值的液晶或数字图块、图输出(绘图机)等。另外，显示内容也可以显示规定时间内的消耗电能或瞬时的消耗电能或从规定时刻的消耗累积电能。这些显示项目通过接收加法装置28的输出的控制装置34的规定的运算求出。

传感器部30a及传感器部30b的磁性元件14a及磁性元件14b固定于框架52的相对壁(参照图5)。在磁性元件14a、14b上，假定相互为轴对称的位置关系的假想轴17，被测量电路90的电线93a的中心与假想轴17重叠地配置。而且，传感器部30a及传感器部30b与负载92并联连接于电源91。

因此，电能测量装置1具有用于此的连接端子12a、12b。即，连接端子12a、12b是用于将传感器部30a、30b分别与负载92并联连接于电源91的端子。此外，连接端子12a、12b可以为可拆卸的状态，也可以通过焊接等焊接住。

如上，电能测量装置1由于在一对传感器部30a、30b的假想轴17的位置配置被测量电路90的电线93a(参照图5)，所以即使磁性元件14a、14b和电线93a的位置关系稍微偏差，对电能测量结果而言也不会产生大的误差。

图11表示磁性元件14a、14b的固定装置即框架52(也可以说是支架51。)的其它方式。框架52至少通过合页构造可摆动地形成配置磁性元件14a的一侧。由于具有这种结构，从而磁性元件14a、14b相对于电线93a的安装变得容易。

(实施方式2)

图12表示本实施方式的电能测量装置2所使用的框架56的剖面图。电能测量装置2仅作为固定装置的框架56不同，其它与实施方式1的电能测量装置1相同。因此，整体结构的图示省略。本实施方式的电能测量装置2的框架56不仅固定被测量电路90的电线93a，而且电线93b和磁性元件14a和14b的位置关系也是固定的。图12中，电线93a从纸面背侧朝向纸面表侧流过电流I₁，电线93b从纸面表侧朝向纸面背侧流过电流I₁。

框架56的截面コ字的相对的一壁直接延设，形成固定电线93b的平面部56f。此外，也可以设置用于容易固定电线93b的位置的固定壁56w。通常从电源91向负载92延伸的电线93a、93b多数情况为一对组。这种情况下，在为测量电能而使用的安装于电线93a上的磁性元件14a、14b的附近配置另一电线93b。由于在与电线93a相邻配置的电线93b中也流过电流I₁，所以产生磁场Hinv。

该磁场Hinv对磁性元件14a及磁性元件14b也带来影响。但是，磁性元件14a和14b形成为薄膜状，因长度方向的磁化M和沿长度方向流过的电流I₂的角度而产生磁阻效应。而且，相对于从膜厚方向施加的磁场，磁阻效应的灵敏度极低。因此，通过以从磁性元件14a、14b的膜厚方向施加来自相邻配置的电线93b的磁场Hinv的方式配置磁性元件14a及14b，可以减小磁场Hinv的影响，提高电能测量的精度。

如图12，框架56由于可以将电线93b与电线93a平行地固定，所以可以保证以接近磁性元件14a及磁性元件14b的膜厚方向的状态施加电线93b产生的磁场Hinv。因此，可以提高电能测量的精度。

图13表示可固定与磁性元件14a及磁性元件14b垂直地施加电线93b产生的磁场Hinv的位置关系的框架57的截面。与框架56相同的固定装置即框架57由截面V字形状的一对框架片57a、57b和连结它们的边框57m、57n形成。

框架片57a和框架片57b使截面V字的凸棱的部分分别相对，利用边框57m和边框57n以使从凸棱连续的倾斜面58a、58b彼此相对的方式固定。在该倾斜面58a、58b彼此和边框57m、57n与凸棱之间保持电线93a和电线93b。

磁性元件14a和磁性元件14b被设于框架片57a及57b的相对的倾斜面的一侧。该相对的倾斜面58a、58b被设置为包含从电线93a及电线93b的中心引到另一电线93a的表面的切线59a、59b。因此，电线93b产生的磁场Hinv必定相对于倾斜面58a、58b成垂直方向。因此，能够抑制磁性元件14a及14b受到来自相邻配置的电线93b产生的磁场Hinv的影响。

图14表示加宽了电线93a和电线93b的间隔L的情况的框架57的截面。如果加宽这样保持的电线93a和电线93b的间隔L，则框架片57a及框架片57b的凸棱的角度加大。

(实施方式3)

实施方式1所示的电能测量装置1(接线图为图10)，使两个磁性元件14a、14b相对，夹持被测量电路90的电线93a，通过加上磁性元件14a、14b的电压变化，降低配置引起的误差。这样的考虑方法中，通过增加磁性元件14的数量，可以得到更高的效果。

图15表示将磁性元件14配置于电线93a的周围的三处的情况下的磁性元件14和电线93a的位置关系的截面。这相当于由具有三角形的内壁的框架形成支架51的情况。支架51的长度只要比磁性元件14的长度方向的长度长即可。以在内部假定X轴及Y轴，并将一个磁性元件14a配置于Y轴上的方式观察。轴的原点为假想轴17。

磁性元件14b及磁性元件14c配置在从Y轴分别各错开120°的位置的、距假想轴17距离r的圆周上。此外，各磁性元件14按与半径r的圆周相接的朝向进行调整。这是以与假想轴17相对的朝向配置。

电线93a原本期望配置在假想轴17的位置。但是，在将支架51安装于电线93a上时，磁性元件14和电线93a之间的位置关系产生误差。目前，电线93a处于从假想轴17离开Δr的圆周上。而且，将电线93a处于假想轴17时的加法装置28(参照图10)的输出称为“真值”，将电线93a处于半径Δr上时的加法装置28的输出称为“误差值”。于是，半径Δr上的电线93a实现的加法装置28的输出依赖于与X轴的角度

此外，各磁性元件14a、14b、14c代表三个传感器部30a、30b、30c，加法装置28将来自三个传感器部30a、30b、30c的输出相加。

图16表示磁性元件14有一个时的加法装置28的输出和磁性元件14有3个时的加法装置28的输出的比较。磁性元件14有3个时，将加法装置28的输出设为1/3，进行标准化。纵轴是加法装置28的输出(标准化了的值)，横轴是电线93a距X轴的角度表示了Δr/r为0.1时、0.2时、0.3时的值。

Δr/r增大是指框架10f的内部的电线93a在远离假想轴17的位置被固定。在磁性元件14为一个的情况下，相较于一个的情况，可知输出变动极小。

图17表示磁性元件14有两个时的情况下的加法装置28的输出的变动程度。磁性元件为两个的如实施方式1所示是夹持电线93a的情况。

图18是磁性元件14有四个的情况下的磁性元件14a、14b、14c、14d和电线93a的关系的支架51的剖面图。各磁性元件是传感器部30a、30b、30c、30d的构成要素。在配置四个磁性元件14的情况下，使用截面的内壁为正方形的支架51。与磁性元件14为三个的情况相同，在内部空间设定X轴和Y轴。假想轴17为几何学上截面形状的中心。在X轴及Y轴上配置各磁性元件14。四个磁性元件14配置于与假想轴17等距离(r)的位置。

图19表示图18所示的磁性元件14有四个的情况下的与图16相同的输出结果。磁性元件14为四个时的加法装置28的输出通过设为1/4而标准化。根据图19可知，相较于磁性元件为三个时的加法装置28的输出，变动被抑制得更小。

图20表示横轴取表示电线93a和磁性元件14间的距离变动的Δr/r，将纵轴设为最大误差时的关系。最大误差是指“误差值/真值”表示的值。坐标图中的圆标记表示磁性元件14为一个的情况，四角表示为两个的情况，三角表示为三个的情况，倒三角形表示为四个的情况，菱形表示为五个的情况。

根据该坐标图，如果使用三个以上的磁性元件14，则即使在Δr/r为0.25的情况下，也能够将最大误差抑制在2％以下。

另外，图21表示磁性元件数和最大误差的关系。此外，坐标图中的黑圆标记表示Δr/r为0.1的情况，黑四角表示为0.2的情况，黑三角表示为0.3的情况，白三角形表示为0.4的情况。在此，可知，要将最大误差设为5％以下测量电能，则只要将Δr/r抑制在0.1以内，即使为两个磁性元件也能够充分进行测量。

当然，增加磁性元件14的数量(这相当于传感器部30的数量)，且使用以在假想轴17的周围轴对称的方式，且以与假想轴17相对的方式固定的支架51(固定装置)，配置成在假想轴17上重叠电线93a，由此，测量的电能的最大误差可以进一步降低。

图22(a)表示在磁性元件14彼此之间配置了永久磁铁的情况的支架51的截面。另外，图22(b)表示配置有铁素体等高磁导率材料的支架51的截面。无论哪种配置，因配置于与磁性元件14同一圆周内的永久磁铁或高磁导率材料而来自外部的磁场都难以通过磁性元件14。此外，永久磁铁是所谓的硬磁性体，是可产生图2的偏置磁场Hbias的程度的磁性体。另外，高磁导率材料是所谓的软磁性体，可适宜利用磁导率相对于电源的频率为10以上的磁性体。

如果设为这样的结构，则不易受到来自相邻配置的电线93b的磁场Hinv的影响。另外，在使用永久磁铁的情况下，也可以作为对于磁性元件14的偏置装置145利用。这样的支架51相当于由内壁具有正六边形的形状的框架构成的结构。

(实施方式4)

对实施方式1～3中传感器单元10的磁性元件14的配置的变化进行说明。在此，传感器单元10由多个传感器部30构成。传感器部30由一个磁性元件14和一个测量电阻22构成。但是，为提高传感器部30的灵敏度，通过变更磁性元件14和测量电阻22的构成，可以提高传感器部30自身的灵敏度。在本实施方式中，表示传感器部30的变形。在此所示的传感器部30的变形可以直接使用多个，并作为实施方式1～3的传感器单元10的传感器部30加以利用。

图23为将磁性元件140a及140b直接并排并设置将各元件的结合点接地的中心抽头的结构。在电线93a上相邻配置磁性元件140a、140b。即，代替实施方式1～3的磁性元件14a、14b等，使用将磁性元件140a、140b串联连接的元件。换言之，在一个传感器部30中使用串联连接有磁性元件140a、140b的元件。

该情况下，测量端子23、24是磁性元件140a的元件端子1430a和磁性元件140b的元件端子1440b。如果将传感器部30设为这样的结构，则差分放大器25的输出中仅出现磁性元件140a、140b的变化量。即，即使电源为交流，也不需要在差分放大器25的输出中加入低通滤波器。

另外，即使磁性元件140a、140b产生偏置，由于将元件间接地，所以也能够消除偏置。

图24中，将磁性元件140a及140b的偏置装置1450a、1450b设为逆特性并串联连接。测量电阻220a及220b相对于各磁性元件140a、140b设置。相对于差分放大器25的测量端子23、24与图23的情况相同，是磁性元件140a的元件端子1430a和磁性元件140b的元件端子1440b。

另外，设置中心抽头。该接线不外乎是通过测量电阻220a、220b和磁性元件140a、140b形成桥接电路。如果进行这样的接线，则磁性元件140a和140b的偏置装置1450a及1450b成为逆向，因此，对于差分放大器25，相较于磁性元件140为一个的情况，可以获得2倍的输出。此外，由于被测量电路90的电源被接地，所以另一连接端子12b为接地点。

另外，由于设有中心抽头，所以即使电源为交流，也能够仅输出元件电压的变化量。即，不需要低通滤波器。另外，在电源91为直流的情况下，也具有可消除偏置的效果。

图25中，准备与测量电阻220a和磁性元件140a相对应的模拟测量电阻220z和模拟电阻220y，并由这四个元件形成电桥。在此，电阻220z设为与测量电阻220a相同的值(R₂)，电阻220y与磁性元件140a的电阻(R_mr)相同。在这样构成电路的情况下，就差分放大器26的输出而言，即使在电源中重叠交流，也能够直接得到与负载92的消耗电能相当的直流电压。

产业上的可利用性

本发明被作为家庭电气产品领域、汽车领域、产业设备领域等电能测量用的电能测量装置广泛利用。

Claims

1.一种电能测量装置，测量被由电源、负载、连接所述电源及所述负载之间的一对电线构成的被测量电路消耗的电能，其特征在于，该电能测量装置具有：

一对连接端子，用于将所述负载并联连接于所述电源；

传感器部，其具有在磁性膜的两端设有元件端子并在长度方向感应出易磁化轴的磁性元件、与所述磁性元件串联连接的测量电阻、检测所述磁性元件的电压变化并基于检测到的电压变化输出电压成分的检测装置，该传感器部经由所述一对连接端子与所述被测量电路连接；

传感器单元，其由多个所述传感器部构成；

固定装置，其将所述传感器部的所述磁性元件以沿该磁性元件的膜厚方向施加来自另一电线的磁场的方式固定于一电线。

2.根据权利要求1所述的电能测量装置，其特征在于，

所述传感器单元由2组所述传感器部构成，

所述固定装置将所述2组传感器部固定于相对于成为配置一所述电线的位置基准的假想轴轴对称的位置，

在配置一所述传感器部的平面上延设有配置另一所述电线的平面部。

3.根据权利要求1所述的电能测量装置，其特征在于，

所述传感器单元由2组所述传感器部构成，

所述固定装置，在将所述一电线的中心配置于成为配置一所述电线的位置基准的假想轴上且将另一所述电线与所述一电线相邻固定时，

在包含从所述另一电线的中心朝向所述一电线的表面的切线的一对倾斜面上分别固定所述磁性元件。

4.根据权利要求1所述的电能测量装置，其特征在于，

所述固定装置将所述传感器部的所述磁性元件固定于相对于成为配置一所述电线的位置基准的假想轴轴对称的位置，

进而，在与从所述假想轴至所述磁性元件的距离相同的距离，且所述磁性元件间的位置固定磁性体。

5.根据权利要求4所述的电能测量装置，其特征在于，

所述磁性体为硬磁性体。

6.根据权利要求4所述的电能测量装置，其特征在于，

所述磁性体为软磁性体。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的电能测量装置，其特征在于，

对于所述传感器部，

将所述磁性元件的未与所述测量电阻连接的一侧的所述元件端子与一所述连接端子连接，

将所述测量电阻的未与所述磁性元件连接的一侧的端子与另一所述连接端子连接，

将所述元件端子间作为测量端子。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的电能测量装置，其特征在于，

对于所述传感器部，

将所述磁性元件的未与所述测量电阻连接的所述元件端子和第二磁性元件的一元件端子连接，

将所述第二磁性元件的另一端与一所述连接端子连接，

进而，将所述第二磁性元件的所述一元件端子接地。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的电能测量装置，其特征在于，

对于所述传感器部，

且所述传感器部具有一端连接于所述一连接端子的模拟电阻、和一端连接于所述模拟电阻的另一端且另一端连接于所述另一连接端子的模拟测量电阻，

将所述磁性元件和所述测量电阻的连接点、所述模拟电阻和所述模拟测量电阻的连接点作为测量端子。

10.根据权利要求1所述的电能测量装置，其特征在于，

具有显示所述加法装置的结果的显示装置。