JP2003149276A - 電子式電力量計 - Google Patents

電子式電力量計

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JP2003149276A
JP2003149276A JP2001346058A JP2001346058A JP2003149276A JP 2003149276 A JP2003149276 A JP 2003149276A JP 2001346058 A JP2001346058 A JP 2001346058A JP 2001346058 A JP2001346058 A JP 2001346058A JP 2003149276 A JP2003149276 A JP 2003149276A
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JP2001346058A
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Inventor
Takahiro Kudo
高裕 工藤
Takeshi Iwaida
武 岩井田
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流計測範囲の広い電子式電力量計を提供す
る。 【解決手段】 測定対象の電圧を電圧信号に変換する電
圧変換器と、測定対象の電流を電圧信号に変換する電流
変換器と、これら各変換器からの電圧信号をデジタル値
に変換するA/D変換器と、その出力にもとづき電力量
を求める演算手段とからなる電子式電力量計の上記電流
変換器を、磁気インピーダンス効果を有する磁気検出素
子1と、これに交流電流を印加する第1電流印加手段5
と、素子1に巻かれたコイル2と、このコイル2に電流
を印加する第2電流印加手段13aと、素子1のインピ
ーダンス変化を電圧変化に変えその電圧のピークを通過
させる検波手段6と、その出力を保持する保持手段8
と、その保持電圧を増幅する手段11とから構成するこ
とで、磁気飽和現象をなくし計測範囲の拡大を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は電子式電力量計、
特に電流変換器に磁気インピーダンス(MI)効果を利
用する磁気検出素子を用いた電子式電力量計に関する。
【0002】
【従来の技術】図13は従来の一般的な電子式電力量計
を示すブロック図である。
【0003】同図において、100は電流入力端子30
0に供給される測定対象(図示なし)からの電流を任意
の電圧信号に変換する電流変換器、200は測定対象か
ら電圧入力端子400に印加される電圧を任意の電圧信
号に変換する電圧変換器であり、トランス,抵抗器等か
ら構成される。500は電流変換器100および電圧変
換器200からの電圧信号をデジタル値に変換するA/
D変換器、600はその出力にもとづき所定の演算をし
て電力量を求める演算制御手段である。
【0004】従来、電流変換器としてはカレントトラン
スが広く用いられているが、低感度のため積層鉄芯が必
要であり、鉄芯による磁気飽和が発生するため、電流検
知範囲を広くとれないと言う問題がある。他に、ホール
素子や、磁気抵抗素子を用いる方式もあるが、感度が十
分でないため集磁用の鉄芯が必要となり、カレントトラ
ンス同様磁気飽和の問題がある。
【0005】そこで、ホール素子や磁気抵抗素子に代わ
る高感度な磁気検出素子として、例えば特開平06−2
81712号公報に開示されているアモルファスワイヤ
による磁気インピーダンス素子や、特開平08−075
835号公報に開示されている薄膜形状のものなどが提
案されている。
【0006】しかしながら、いずれの形状の磁気インピ
ーダンス素子を用いる場合でも、磁気インピーダンス素
子はその原理上、磁気インピーダンス効果を発生させる
ため、素子に少なくとも数MHz程度の高周波電流を数
mA印加する必要があることから消費電力が増大すると
言う問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
の課題は、電流計測範囲の広い電流変換器を持つ電子式
電力量計を提供すること、さらには低消費電力で電流計
測範囲の広い電流変換器を持つ電子式電力量計を提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項1の発明では、測定対象の電圧を電圧信
号に変換する電圧変換器と、前記測定対象の電流を電圧
信号に変換する電流変換器と、これら各変換器からの電
圧信号をデジタル値に変換するA/D変換器と、その出
力にもとづき電力量を求める演算器とからなる電子式電
力量計において、前記電流変換器を、磁気インピーダン
ス効果を有する磁気検出素子と、発振手段と第1電流印
加手段とからなり前記磁気検出素子に交流電流を印加す
る交流電流供給手段と、前記磁気検出素子に巻回された
バイアスコイルと第2電流印加手段とからなり前記バイ
アスコイルに電流を供給するバイアス電流供給手段と、
前記磁気検出素子のインピーダンス変化を電圧に変換し
その電圧のピークを通過させる検波手段と、この検波手
段の出力を保持する保持手段と、この保持した電圧を増
幅する増幅手段とから構成したことを特徴とする。
【0009】請求項2の発明では、測定対象の電圧を電
圧信号に変換する電圧変換器と、前記測定対象の電流を
電圧信号に変換する電流変換器と、これら各変換器から
の電圧信号をデジタル値に変換するA/D変換器と、そ
の出力にもとづき電力量を求める演算器とからなる電子
式電力量計において、前記電流変換器を、磁気インピー
ダンス効果を有する磁気検出素子と、発振手段と第1ス
イッチおよび第1電流印加手段とからなり前記第1スイ
ッチを介して前記磁気検出素子に交流電流を印加する交
流電流供給手段と、前記磁気検出素子に巻回されたバイ
アスコイルと第2スイッチと第2電流印加手段とからな
り前記バイアスコイルに前記第2スイッチを介して電流
を供給するバイアス電流供給手段と、前記磁気検出素子
のインピーダンス変化を電圧に変換しその電圧のピーク
を通過させる検波手段と、この検波手段の出力を保持す
る保持手段と、この保持した電圧を増幅する増幅手段と
から構成したことを特徴とする。
【0010】請求項3の発明では、測定対象の電圧を電
圧信号に変換する電圧変換器と、前記測定対象の電流を
電圧信号に変換する電流変換器と、これら各変換器から
の電圧信号をデジタル値に変換するA/D変換器と、そ
の出力にもとづき電力量を求める演算器とからなる電子
式電力量計において、前記電流変換器を、磁気インピー
ダンス効果を有する磁気検出素子と、発振手段と第1ス
イッチおよび第1電流印加手段とからなり前記第1スイ
ッチを介して前記磁気検出素子に交流電流を印加する交
流電流供給手段と、前記磁気検出素子に巻回されたバイ
アスコイルと第2電流印加手段と第2スイッチを介して
前記発振手段と接続されその出力を分周する分周手段と
からなり前記バイアスコイルに第1,第2のタイミング
で電流をそれぞれ供給するバイアス電流供給手段と、前
記磁気検出素子のインピーダンス変化を電圧に変換しそ
の電圧のピークを通過させる検波手段と、この検波手段
の出力を保持する第1保持手段と、この保持した電圧を
前記第1,第2のタイミングで選択する2つの第3スイ
ッチと、この選択された2つの電圧を保持する2つの第
2保持手段と、2つの第2保持手段の出力差を増幅する
増幅手段とから構成したことを特徴とする。
【0011】上記請求項2または3の発明においては、
前記第1スイッチを動作させたときのみ、前記第2スイ
ッチを動作させることができ(請求項4の発明)、また
は、前記発振手段の動作を前記第2スイッチの動作に連
動させることができる(請求項5の発明)。
【0012】また、これら請求項1〜5のいずれかの発
明においては、前記磁気検出素子と、この磁気検出素子
に交流電流を印加するための端子と、前記バイアスコイ
ルおよびこれにバイアス電流を供給するための端子とを
樹脂成形により一体化することができ(請求項6の発
明)、または、前記磁気検出素子と、この磁気検出素子
に交流電流を印加するための端子と、前記バイアスコイ
ルおよびこれにバイアス電流を供給するための端子と、
前記磁気検出素子の出力に比例した信号を出力する回路
部とを樹脂成形により一体化することができる(請求項
7の発明)。
【0013】さらに、請求項1〜7のいずれかの発明に
おいては、前記磁気検出素子として薄膜型のものを用い
ることができる(請求項8の発明)。
【0014】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の第1の実施の形
態を示すブロック図である。
【0015】これは電流変換器の構成を示すもので、1
は磁気インピーダンス素子(MI素子)であり、素子形
状はワイヤ,薄膜のいずれでも良い。2はMI素子1に
バイアスを印加するためのコイル、3は発振回路、5は
第1電流印加手段で、発振回路3の出力を第1電流印加
手段5を介しMI素子1に高周波の交流電流を印加す
る。6は電圧変化に変換されたMI素子1のインピーダ
ンス変化のピーク値を出力する検波手段、8は検波手段
6の出力を保持する保持手段、11は保持手段8の出力
を増幅する増幅手段、13aはコイル2にバイアス電流
を供給する第2電流印加手段である。
【0016】すなわち、磁気インピーダンス素子(MI
素子)1に対し、発振回路3および第1電流印加手段5
を介して高周波電流を印加するとともに、第2電流印加
手段13aを介してコイル2にバイアス電流を供給する
ようにしたもので、MI素子1のインピーダンス変化は
電圧信号の変化に変換され、そのピーク値が検波手段6
により検出され、保持手段8にて保持された後、増幅手
段11により増幅されて出力される構成となっている。
このように、MI素子を用いることで、現在広く用いら
れている電流変換器の問題である鉄芯による磁気飽和が
発生せず、その結果、電流検知範囲の広い電子式電力量
計を得ることが可能となる。
【0017】図2はこの発明の第2の実施の形態を示す
ブロック図である。
【0018】これも電流変換器の構成を示すもので、図
1に示すものに対し第1スイッチ4および第2スイッチ
14aを付加した点が特徴で、その他は図1と同様であ
る。また、600は演算制御手段で、第1スイッチ4を
動作させる制御信号A1、およびバイアス電流を流すた
めに第2スイッチ14aに与える制御信号B1を出力す
る。
【0019】すなわち、制御信号A1によりMI素子1
が、制御信号B1によりバイアス電流が印加されるの
で、消費電力の中で大部分を占めるMI素子に印加する
交流電流およびバイアス電流を、制御信号を選択した時
間のみ印加することができ、消費電流を最小限に抑える
ことが可能となる。例えば、第1スイッチ4がオンした
ときのみ、制御信号B1を出力して第2スイッチ14a
をオンすることにより、低消費電力化を実現できる。
【0020】図3に、図2の具体例を示す。
【0021】発振回路3は水晶振動子やトランジスタを
用いる種々の方式があるが、ここでは一例としてCMO
Sゲートにより構成し、第1電流印加手段5はCMOS
ゲートと電流制限抵抗により構成している。検波手段6
はアナログスイッチで構成できるが、ここでは一例とし
てダイオードにより構成し、第1保持手段8aは抵抗,
コンデンサにより構成する。増幅手段11aはトランジ
スタにより構成できるが、ここでは一例としてオペアン
プにより構成している。第1,2スイッチは、リレーま
たはアナログスイッチにより構成し、演算制御手段60
0はワンチップマイコン等により構成する。
【0022】上記図1,図2または図3に示すものは、
簡単な構成により磁気検出が可能であると言う特徴があ
るが、出力精度は余り良くない。これは、アモルファス
ワイヤ素子の磁界に対するインピーダンス変化が、例え
ば図14に示すように非線形性を有するためである。
【0023】図4に、上記のような非線形特性を改善し
た構成例を示す。これは、図2に示すものに対し、MI
素子1に正負のバイアス磁界を交互に印加し、それぞれ
のバイアス磁界を印加したときの検出電圧の差を演算す
ることにより、出力の直線性を改善するようにした点で
異なっている。
【0024】符号12は発振手段3の出力を分周する分
周手段で、MI素子1に印加する交流電流よりも低い周
波数の信号を出力する。13bは分周手段12からの正
負の出力タイミングに応じて正負のバイアス磁界を交互
に印加するための第2電流印加手段で、第2スイッチ1
4bを経て分周手段12で分周した発振手段3の出力を
バイアスコイル2に印加する。さらに、MI素子1の正
負バイアス磁界によるインピーダンス変化に対応する電
圧を保持する第1保持手段8bと、その出力を正負それ
ぞれのタイミングで保持する第2保持手段10a,10
bと、そのタイミングC1,C2で動作する第3スイッ
チ9a,9bと、第2保持手段10a,10bの出力を
差動増幅する差動増幅手段11b等を備えている。
【0025】図5は正負バイアスの動作説明図である。
なお、同図の磁界に対するセンサの特性は、一般的な磁
気インピーダンス素子の特性を示している。
【0026】同図のケース1は外部磁界が零の状態で、
MI素子の出力で見たプラス側の出力とマイナス側の出
力が等しくなっているので、図4の第2保持手段10
a,10bの各出力は等しく、差動増幅手段11bの出
力は零となる。
【0027】ケース2は外部磁界ΔHが印加された状態
で、MI素子の出力で見たプラス側の出力とマイナス側
の出力差はΔVとなるので、図4の第2保持手段10
a,10bの出力差はΔVとなり、差動増幅手段11b
の出力はα×ΔV(α:差動増幅手段のゲイン)とな
る。
【0028】図4の具体例を図6に示す。これは、図3
に示すものに対し第2保持手段10a,10b、差動増
幅手段11bおよび分周手段12等を付加したものに相
当するが、第2保持手段10a,10bはここではコン
デンサのみから、差動増幅手段11bはオペアンプによ
る差動増幅器から、また、分周手段12はフリップフロ
ップからそれぞれ構成している。
【0029】なお、図3,図6に示す発振手段の代わり
に、例えば図7のように制御信号B1がハイレベルのと
きだけ発振するものを用いれば、第1スイッチ4がオン
したときのみ、第2スイッチ14aまたは14bを信号
B1でオンさせることにより、さらなる低消費電力化が
可能となる。
【0030】次に、電流変換器に用いて好適な磁気検出
素子部の構成について、図8を参照して説明する。
【0031】同図において、21は薄膜状の磁気検出素
子、23は磁気検出素子21の外側に形成された樹脂製
のボビンで、インサート成形等で製作する。24は磁気
検出素子21にバイアス磁界を印加するためのコイル、
25は磁気検出素子21に負帰還磁界を印加するための
コイル、26は磁気検出素子21およびコイル24,2
5を環境から保護するための樹脂ケースで、これもイン
サート成形等で製作する。22は磁気検出素子21の両
端に高周波電流を印加するための端子、およびコイル2
4,25に電流を印加するための端子である。このよう
に構成される磁気検出素子部を、符号20で示す。な
お、ここでは磁気検出素子21に負帰還磁界を印加する
ためのコイルを設けた例を示したが、省略することもで
きる。
【0032】図9に上記の如き磁気検出素子部の組み立
てフロー例を示す。
【0033】まず、に示すリードフレーム27の1組
の端子間に、磁気検出素子21をのように接合する。
この接合方法としては半田付け,接着,ボンディング等
がある。次に、のように、磁気検出素子21を接合し
たリードフレーム27に、ボビン23を樹脂成形する。
次いで、のようにリードフレーム27をカットした
後、バイアスコイル24と負帰還用コイル25を巻く。
その上に、のようにケース26を樹脂成形し、のよ
うに端子22を折り曲げ加工して完成となる。
【0034】薄膜状の磁気検出素子は1mm角程度に製
作可能なので、磁気検出素子部20の外形をほぼ5mm
角にすることができ、磁気検出素子21とコイル24,
25との磁気抵抗を大幅に低減できる。
【0035】図10に上記の如き磁気検出素子部の実装
例を示す。同図(a)は斜視図、同図(b)は上面図で
ある。
【0036】同図(a)のように、電流30を導く配線
32を有する基板31に磁気検出素子部を実装したもの
で、電流30により発生する同(b)の点線のような磁
束に対する磁気検出素子部20の配置により、磁気検出
素子部20の出力感度が決定されるので、磁気検出素子
部20の配置を考慮することで、電流30の大きさに応
じた磁気検出素子部20の出力感度調整が可能となる。
【0037】図11に磁気シールド構成例を示す。
【0038】これは、図8に示すものに磁気シールド3
3を付加したもので、その形状はここでは楕円形状であ
るが、電流30の大きさに応じて適正化することが望ま
しい。なお、31は基板、32は配線を示す。
【0039】図12に上記の如き磁気検出素子部からな
る電流変換器の具体例を示す。
【0040】これは、図8のような磁気検出素子部20
に、変換のための回路部40を内蔵(一体化)した点が
特徴である。こうすることで、検出信号の高S/N化が
可能となり、図5で説明したような自動校正時の各種補
正データを磁気検出素子部毎に内蔵させることで、より
高精度化できる。
【0041】上記では、MI素子を1つ用いるものにつ
いて説明したが、MI素子は2つ以上でも良く、MI素
子は増えても消費電力は1素子の場合と殆ど変わらない
と言う利点がある。
【0042】
【発明の効果】この発明によれば、電子式電力量計の電
流変換器として、磁気インピーダンス効果を有する素子
(MI素子)を用いるようにしたので、現在広く用いら
れている電流変換器の問題である鉄芯による磁気飽和が
発生せず、その結果、電流検知範囲の広い電子式電力量
計を提供できる。
【0043】MI素子を用いるものは、その原理上、素
子に少なくとも数MHz程度の高周波電流を数mA印加
する必要があることから消費電力が増大すると言う問題
があったが、この発明の電流変換器によれば、電流測定
時にのみ高周波電流を印加できるので、低消費電力化が
可能となる。バイアス磁界発生用の電流も数十mAと大
きいが、素子に印加する電流と同期させてバイアス電流
を印加することにより、さらなる低消費電力化が可能と
なる。
【0044】また、磁気検出素子に正負のバイアスを交
互に印加し、正負のバイアスをそれぞれ印加したときの
検出電圧の差を演算することで、出力の直線性を改善す
ることができる。
【0045】さらに、磁気検出素子およびその交流電流
印加端子と、バイアス巻線およびその電流印加端子とを
樹脂成形により一体化することで、磁気抵抗およびバイ
アス電流を低減でき、小型で低消費電力の磁気検出装置
を提供できる。
【0046】磁気検出素子およびその交流電流印加端子
と、バイアス巻線およびその電流印加端子と、磁気検出
素子の出力に比例した信号を出力する回路部とを一体化
することで、高S/N化が可能となる。特に、各種補正
データを内蔵させて高機能化を図ることで、耐環境性に
優れた高精度で低消費電力の磁気検出装置を実現でき
る。また、磁気検出素子に薄膜タイプのものを用いるこ
とで、ワイヤタイプで問題となる歪による出力変化の影
響がなく、その結果、高精度で低消費電力の磁気検出装
置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による第1の実施の態様を示すブロッ
ク図である。
【図2】この発明による第2の実施の態様を示すブロッ
ク図である。
【図3】図2の具体化例を示す構成図である。
【図4】この発明による第3の実施の態様を示すブロッ
ク図である。
【図5】正負バイアスの説明図である。
【図6】図4の各構成要素を具体的に示す構成図であ
る。
【図7】発振手段の別の例を示す回路図である。
【図8】電流検出部の具体的な構成例を示す斜視図であ
る。
【図9】図8の電流検出部の製造過程説明図である。
【図10】図8の電流検出部の実装形態説明図である。
【図11】磁気シールド例の説明図である。
【図12】電流変換器の具体的な構成例を示す斜視図で
ある。
【図13】電子式電力量計の一般的な例を示すブロック
図である。
【図14】アモルファスワイヤの磁気インピーダンス特
性説明図である。
【符号の説明】
1,21…磁気検出素子(MI素子)、2…バイアスコ
イル、3…発振回路、4,9a,9b,14a,14b
…スイッチ、5,13a,13b…電流印加手段、6…
検波手段、8,8a,8b,10a,10b…保持手
段、11,11a,11b…増幅手段、12…分周手
段、20…磁気検出素子部、22…端子、23…ボビ
ン、24,25…コイル、26…樹脂製ケース、27…
リードフレーム、31…基板、32…配線、33…磁気
シールド、40…変換回路、100…電流変換器、20
0…電圧変換器、300…電流入力端子、400…電圧
入力端子、500…A/D変換器、600…演算制御手
段。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 測定対象の電圧を電圧信号に変換する電
    圧変換器と、前記測定対象の電流を電圧信号に変換する
    電流変換器と、これら各変換器からの電圧信号をデジタ
    ル値に変換するA/D変換器と、その出力にもとづき電
    力量を求める演算器とからなる電子式電力量計におい
    て、 前記電流変換器を、磁気インピーダンス効果を有する磁
    気検出素子と、発振手段と第1電流印加手段とからなり
    前記磁気検出素子に交流電流を印加する交流電流供給手
    段と、前記磁気検出素子に巻回されたバイアスコイルと
    第2電流印加手段とからなり前記バイアスコイルに電流
    を供給するバイアス電流供給手段と、前記磁気検出素子
    のインピーダンス変化を電圧に変換しその電圧のピーク
    を通過させる検波手段と、この検波手段の出力を保持す
    る保持手段と、この保持した電圧を増幅する増幅手段と
    から構成したことを特徴とする電子式電力量計。
  2. 【請求項2】 測定対象の電圧を電圧信号に変換する電
    圧変換器と、前記測定対象の電流を電圧信号に変換する
    電流変換器と、これら各変換器からの電圧信号をデジタ
    ル値に変換するA/D変換器と、その出力にもとづき電
    力量を求める演算器とからなる電子式電力量計におい
    て、 前記電流変換器を、磁気インピーダンス効果を有する磁
    気検出素子と、発振手段と第1スイッチおよび第1電流
    印加手段とからなり前記第1スイッチを介して前記磁気
    検出素子に交流電流を印加する交流電流供給手段と、前
    記磁気検出素子に巻回されたバイアスコイルと第2スイ
    ッチと第2電流印加手段とからなり前記バイアスコイル
    に前記第2スイッチを介して電流を供給するバイアス電
    流供給手段と、前記磁気検出素子のインピーダンス変化
    を電圧に変換しその電圧のピークを通過させる検波手段
    と、この検波手段の出力を保持する保持手段と、この保
    持した電圧を増幅する増幅手段とから構成したことを特
    徴とする電子式電力量計。
  3. 【請求項3】 測定対象の電圧を電圧信号に変換する電
    圧変換器と、前記測定対象の電流を電圧信号に変換する
    電流変換器と、これら各変換器からの電圧信号をデジタ
    ル値に変換するA/D変換器と、その出力にもとづき電
    力量を求める演算器とからなる電子式電力量計におい
    て、 前記電流変換器を、磁気インピーダンス効果を有する磁
    気検出素子と、発振手段と第1スイッチおよび第1電流
    印加手段とからなり前記第1スイッチを介して前記磁気
    検出素子に交流電流を印加する交流電流供給手段と、前
    記磁気検出素子に巻回されたバイアスコイルと第2電流
    印加手段と第2スイッチを介して前記発振手段と接続さ
    れその出力を分周する分周手段とからなり前記バイアス
    コイルに第1,第2のタイミングで電流をそれぞれ供給
    するバイアス電流供給手段と、前記磁気検出素子のイン
    ピーダンス変化を電圧に変換しその電圧のピークを通過
    させる検波手段と、この検波手段の出力を保持する第1
    保持手段と、この保持した電圧を前記第1,第2のタイ
    ミングで選択する2つの第3スイッチと、この選択され
    た2つの電圧を保持する2つの第2保持手段と、2つの
    第2保持手段の出力差を増幅する増幅手段とから構成し
    たことを特徴とする電子式電力量計。
  4. 【請求項4】 前記第1スイッチを動作させたときの
    み、前記第2スイッチを動作させることを特徴とする請
    求項2または3に記載の電子式電力量計。
  5. 【請求項5】 前記発振手段の動作を前記第2スイッチ
    の動作に連動させることを特徴とする請求項2または3
    に記載の電子式電力量計。
  6. 【請求項6】 前記磁気検出素子と、この磁気検出素子
    に交流電流を印加するための端子と、前記バイアスコイ
    ルおよびこれにバイアス電流を供給するための端子とを
    樹脂成形により一体化することを特徴とする請求項1な
    いし5のいずれかに記載の電子式電力量計。
  7. 【請求項7】 前記磁気検出素子と、この磁気検出素子
    に交流電流を印加するための端子と、前記バイアスコイ
    ルおよびこれにバイアス電流を供給するための端子と、
    前記磁気検出素子の出力に比例した信号を出力する回路
    部とを樹脂成形により一体化することを特徴とする請求
    項1ないし5のいずれかに記載の電子式電力量計。
  8. 【請求項8】 前記磁気検出素子として薄膜型のものを
    用いることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに
    記載の電子式電力量計。
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