JP2013200251A - 電力計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源から負荷に供給される電力を計測するために使用する磁気センサに固有の出力特性のばらつきの影響を無くして正確な電力測定を行う。
【解決手段】磁気センサの出力特性を規定する固有のパラメータを求める係数付与手段が備えられる。係数付与手段は磁気センサへ互いに異なる第１基準電流と第２基準電流とを供給した時に磁気センサから出力される第１検出電圧と第２検出電圧とを求め、第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基準電流の差との比をパラメータとして算出する。得られたパラメータによって電力測定装置の較正が行われて、正確な負荷電力の演算が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、外部電源を負荷に接続する負荷線路を流れる負荷電流によって変動する磁界の変化を利用して負荷へ供給される負荷電力を計測するための電力計測装置に関するものである。

非特許文献１や非特許文献２に示されるように、磁気抵抗素子やホール素子等の磁気センサを使用して、負荷で消費される電力を求めるように設計された電力測定装置が従来から提案されている。この種の磁気センサは、電源から負荷に流れる電流によって発生する磁気によって影響うけて検出電圧が変化する現象を利用するものであり、検出電圧は電力を示す成分と、使用する磁気センサに固有の出力特性に起因する係数を含むため、求める電力は検出電圧だけでなく、磁気センサ固有の出力特性考慮することが必要である。しかしながら、個々の電力測定装置で使用する磁気センサの出力特性にばらつきがあることが多いため、個別の磁気センサの出力特性を予め決定することができず、正確な電力測定が難しくなるという問題点がある。

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） 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−０８Ｎｏ.１９２）

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、使用する磁気センサの出力特性のばらつきの影響を少なくして、外部電源から負荷に供給される電力の計測を正確に行うことができる電力測定装置を提供することである。

この目的を実現するために、本発明の電力測定装置は、使用する磁気センサに特有の出力特性によって変動する要因を打ち消す較正を行うことを技術的課題とする。

外部電源を負荷に接続する負荷線路を流れる負荷電流によって変動する磁界の変化を利用して負荷へ供給される負荷電力を計測するための電力計測装置である。この電力計測装置は、上記負荷線路の一部に近接配置される磁気センサと、前記磁気センサから出力される検出電圧に基づいて負荷電力を算出する電力演算器とを備える。前記磁気センサは外部電源からの電流が入力される電流入力端を有し、前記磁気センサは負荷線路に流れる負荷電流にて発生する磁界の影響を受けて電気抵抗値が変化する磁気抵抗素子で構成され、この電気抵抗の変化に応じた検出電圧を出力するように構成される。前記検出電圧は、前記磁気センサの出力特性を規定する固有のパラメータを含み、前記電力演算器は、上記検出電圧と上記パラメータに基づいて負荷電力を演算するように構成される。前記電力計測装置は、前記パラメータを求める係数決定部を備え、前記係数決定部は、前記パラメータを算出する係数付与手段と、前記係数演算器で算出されたパラメータを記憶する係数記憶部とで構成される。前記係数付与手段は、前記磁気センサへ互いに異なる第１基準電流と第２基準電流とを個別に供給した時に、上記磁気センサから出力される第１検出電圧と第２検出電圧と求める。その後、第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基
準電流の差との比を上記のパラメータとして算出するように構成されたことを特徴とする。

前記係数決定部は、第１パラメータと第２パラメータを記憶するように構成される。前記係数決定部は、第１パラメータと第２パラメータを選択的に前記電力演算器に与える係数切替回路を備える。前記係数付与手段は、前記磁気センサへ互いに異なる第１基準電流と第２基準電流とを個別に供給した時に、前記磁気センサから出力される第１検出電圧と第２検出電圧とを求め、第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基準電流の差との比を上記の第１センサ係数として算出するように構成される。前記係数付与手段は、第１基準電流と第２基準電流よりも大きく且つ互いに異なる第３基準電流と第４基準電流とを前記の磁気センサへ個別に供給した時に、前記磁気センサから出力される第３検出電圧と第４検出電圧とを求め、第３検出電圧と第４検出電圧の差と、第３基準電流と第４基準電流の差との比を上記第２パラメータとして算出するように構成される。前記係数切替回路は、前記検出電圧が所定値以下の時に第１パラメータを前記電力演算器に出力し、それ以外は第２パラメータを前記の電力演算器に出力するように構成されたことを特徴とする。

前記外部電源は、所定の周波数を有する交流電源である。前記電力演算器は、上記周波数に依存する所定の周期の整数倍である単位期間に亘って、前記検出電圧を加算した加算電圧を求める加算回路を備える。この加算電圧を単位期間で除算した平均検出電圧に基づいて電力を算出するように構成されたことを特徴とする。

前記磁気センサは、前記検出電圧にＤＣ電圧成分、基本周波数成分及び高調波成分が含まれるように構成される。前記電力演算器の前段に、前記検出電圧から基本周波数成分と高調波成分とを除去するフィルタが設けられたことを特徴とする。

前記外部電源は、所定の周波数を有する交流電源である。前記フィルタは、上記の交流電源の周波数未満の周波数成分を通過させるローパスフィルタであることを特徴とする。

前記磁気センサは、負荷電流にて発生する磁界の影響を受けて、電気抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子を備える。前記磁気抵抗素子の抵抗値の変化に応じた検出電圧を出力するように構成されたことを特徴とする。

好ましくは、前記磁気抵抗素子がフルブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路はその電流入力端が外部電源に接続され、ブリッジ回路の電圧出力端間に前記検出電圧が発生するように構成されたことを特徴とする。

好ましくは、前記磁気抵抗素子は薄膜抵抗素子であり、複数の薄膜抵抗素子が同一のセンサ配列面に配列され、前記負荷線路の一部を前記磁界センサ配列面と平行な状態に保持するための線路保持手段が備えられたことを特徴とする。

好ましくは、前記フルブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子に対して一定の外部直流磁界を与えるための磁界付与手段を備えたことを特徴とする。

好ましくは、前記の磁界付与手段は、前記磁界センサに近接する部位の負荷線路の周りに負荷線路を流れる負荷電流にて発生する磁界と直交する方向に前記外部直流磁界を作用させるように構成されたことを特徴とする。

前記フルブリッジ回路は、互いに９０度の角度で接続された４つの線分のそれぞれに、前記各磁気抵抗素子が位置するように構成され、各線分での前記の磁気抵抗素子がミアン
ダ形状とされたことを特徴とする。

前記磁気センサはホール素子で構成され、前記負荷線路の一部を前記ホール素子の面と垂直方向となるように保持する線路保持手段を備えたことを特徴とする。

磁気センサの出力特性を規定する固有のパラメータを求める係数付与手段が備えられる。係数付与手段は磁気センサへ互いに異なる第１基準電流と第２基準電流とを供給した時に磁気センサから出力される第１検出電圧と第２検出電圧とを求め、第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基準電流の差との比をパラメータとして算出する。得られたパラメータによって電力測定装置の較正が行われる。これにより、外部電源から負荷に供給される電力を計測するために使用する磁気センサに固有の出力特性のばらつきの影響を無くして正確な電力測定を行う。

本発明の一実施形態に係る電力計測装置を示す概略斜視図。 同上の電力測定装置の回路を示すブロック図。 同上の電力計測装置で使用する磁気センサから出力される検出電圧を示す波形図。 同上の磁気センサの出力特性のばらつきを補正する方式を説明するグラフ図。 （Ａ）同上の電力計測装置で使用する増幅器の増幅率を決定するゲイン切替回路スイッチにて増幅率を小さく設定した場合を示す回路図。（Ｂ）同上のゲイン切替回路スイッチにて増幅率を大きく設定した場合を示す回路図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）同上の電力計測装置で使用するオフセット電圧補正部にて電力計測モードから補正モードへ移行する場合の状態の変化を示す回路図。（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）同上のオフセット電圧補正部にて補正モードから電力測定モードへ移行する場合の状態の変化を示す回路図。 同上の磁気センサを構成する４つの磁気抵抗素子のフルブリッジ回路を示す概略図。 同上の磁気センサを含むセンサユニットを示す概略平面図。 本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの側面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの部分断面側面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの部分断面側面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの部分断面側面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの断面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの断面図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用するセンサユニットを示す平面図。（Ｂ）同上のセンサユニットの断面図。 同上のセンサユニットと負荷線路と一部との位置関係を示す概略図。 （Ａ）本発明の他の実施形態で使用する磁気センサを示す平面図。（Ｂ）同上の磁気センサで構成するブリッジ回路を示す概略図。 同上の各実施形態で使用する磁気センサと負荷線路との位置関係を示す概略図。 本発明の他の実施形態で使用する磁気センサがホール素子で構成された場合のホール素子と負荷線路の一部との位置関係を示す概略図。

（第１の実施形態）
本発明の電力計測装置１５０は、外部電源を負荷３００に接続する負荷線路３１０を流れる負荷電流によって変動する磁界の変化を利用して負荷３００へ供給される負荷電力３２０を計測するものである。磁界の変化を検出する素子として磁気抵抗素子１５やホール素子４５０が使用される。この種の磁気センサ１０に、外部電源からの電流を流すと共に、外部電源を負荷３００に接続する負荷線路３１０の一部を磁気センサ１０に近接配置すると、負荷線路３１０を流れる負荷電流によって発生する磁界の影響を受けて、磁気センサ１０に流れる電流が変化する。この変化に対応する電圧が磁気センサ１０から出力される。磁気センサ１０から出力される検出電圧（Ｖ）は、一般に、負荷３００に供給される電力を表す成分（Ｐ）と、磁気センサ１０に固有のパラメータ（Ｋ）との積として表される（Ｖ＝Ｐ・Ｋ）。従って、負荷電力（Ｐ）は、検出電圧（Ｖ）をパラメータ（Ｋ）で除算することによって求められる（Ｐ＝Ｖ／Ｋ）。本発明はこの原理を利用して、負荷で消費される電力を計測するように構成されたものある。

本発明の電力計測装置１５０は、図１に示すように、磁気センサ１０を内蔵したハウジング２００と、負荷線路３１０の一部を磁気センサ１０に近接させた状態に保持する線路保持具２１０とを備え、ハウジング２００には、磁気センサ１０から出力される検出電圧（Ｖ）を処理して負荷電力（Ｐ）を求めるための処理回路が内蔵される。線路保持具２１０に測定する負荷線路３１０の一部を保持することで、磁気センサ１０が負荷線路３１０に発生する磁界の影響を受ける構成としている。線路保持具２１０は、ハウジング２００の一端に形成した開閉自在のドア２２０を備え、ドア２２０を開いた状態で負荷線路３１０の一部がドア２２０の内部にできるガイド孔２１５に導かれる。ドア２２０の内側には、負荷線路３１０の一部を磁気センサ１０と一定の距離に維持するための位置決め手段が備えられる。位置決め手段としては、負荷線路３１０の一部をガイド孔２１５の周壁へ当接させるためバネ２１４が使用される。

図２は、本発明の電力計測装置１５０の一実施形態の回路を示すもので、電力計測装置１５０は、基本的に、磁気センサ１０、増幅器２０、ＡＤ変換器４０、電力演算器１００とで構成される。

この実施形態では、磁気センサ１０として４つの磁気抵抗素子１５のフルブリッジ回路を使用する。磁気抵抗素子１５は平面内に配列され、線路保持具２１０で保持される負荷線路３１０の一部が、図１に示すように、この平面と平行となるように、磁気抵抗素子１５に近接配置される。フルブリッジ回路の第１電流入力端１１と第２電流入力端１２は外部電源からの電流が入力されるように電流制限抵抗１１０を介して電源入力端子１１１で接続され、フルブリッジ回路の第１電圧出力端１３と第２電圧出力端１４は増幅器２０に接続される。フルブリッジ回路は、負荷線路３１０の一部に近接して配置される結果、負荷線路３１０を流れる電流によって磁気抵抗素子１５の抵抗値が変化し、ブリッジ回路の第１電圧出力端１３と第２電圧出力端１４の間に検出電圧が発生するように構成され、この検出電圧が増幅器２０に入力される。

磁気センサ１０から出力される検出電圧Ｖは、以下の式で表す。

前記の式は、磁気センサ１０から出力される検出電圧が、基本周波数成分（ω）と、ＤＣ電圧成分（ＤＣ）と、高調波数成分（２ω）で構成されていることを示している。Ｉ１は負荷線路３１０を流れる負荷電流を示し、Ｉ２は、磁気センサ１０に入力するセンサ電流を示している。Ｖ１は、負荷電力３２０を示す。Ｋ１Ｋ２Ｋ３は、磁気センサ１０の抵抗値によって固定される磁気センサ１０の固有のパラメータである。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、各磁気抵抗素子の抵抗値である。検出電圧の波形は、図３で示すような波形となる。図３では、ＤＣ電圧成分が２．５Ｖ、基本周波数成分（ω）と高調波数成分（２ω）を合わせたものが、点線で表されている波形となる。この波形が、増幅器２０の出力である。電流制限抵抗１１０を介することにより、負荷電力３２０を電流値が小さなセンサ電流Ｉ２と変換し、安定的に磁気センサ１０に電流を流すことが可能となる。

増幅器２０は、磁気センサ１０の第１電圧出力端１３と第２電圧出力端１４から出力されるアナログの検出電圧の増幅を行う。増幅器２０の出力は、ＡＤ変換器４０によってデジタル値に変換された後に、電力演算器１００に入力される。電力演算器１００は、ＡＤ変換器４０から出力された検出電圧と、磁気センサ１０の出力特性を示すパラメータ（Ｋ）から負荷電力値を演算する。

増幅器２０とＡＤ変換器４０との間には、フィルタ３０を設けられる。外部電源は、所定の周波数を有する交流電源である。このため、フィルタ３０には、交流電源の周波数未満の周波数成分を通過させるローパスフィルタを用いる。これにより、検出電圧（数１参照）からＤＣ電圧成分（ＤＣ）のみを取り出し、ＡＤ変換器４０に伝送する。以下、ＤＣ電圧成分を数式にて示す。

増幅器２０は、磁気センサ１０の第１電圧出力端１３と第２電圧出力端１４で出力された検出電圧をそのゲインに応じた可変の増幅率で増幅を行うように構成されている。増幅器２０は、図５のように、ゲイン切替スイッチ回路２１を備える。増幅器２０は、反転入力端子、非反転入力端子、出力端子とを有し、演算増幅回路（ＯＰアンプ）２５を備えたものである。磁気センサ１０の電圧出力端１３と演算増幅回路２５の反転入力端子との間には、直列に接続された第１抵抗２６と第２抵抗２７とを備える。さらに、演算増幅回路２５の出力端と反転入力端子との間には、第３抵抗２８が備えられる。増幅器２０の出力端がＡＤ変換器４０の入力端に接続される。ゲイン切替スイッチ回路２１は、第１の状態と第２の状態を切り替えるように構成されている。第１の状態は、図５（Ａ）に示すように、反転入力端子が第１抵抗２６と第２抵抗２７との直列回路を介して磁気センサ１０の電圧出力端１３に接続されると共に、第２抵抗２７と反転入力端子との間の接続点２４と演算増幅回路２５の出力端子との間に第３抵抗２８が接続される。第２の状態は、図５（Ｂ）に示すように、反転入力端子が第１抵抗２６を介して磁気センサ１０の電圧出力端１３に接続されると共に、演算増幅回路２５の出力端子と反転入力端子との間に、第２抵抗２７と第３抵抗２８との直列回路が帰還抵抗として接続される。ゲイン切替スイッチ回路
２１は、ゲインが所定値以下の時に第１の状態に切り替わり、それ以外の時には第２の状態に切り替えられるように構成している。ゲインの大きさは、素子の出力によって決まる。素子の出力が小さいときには高ゲインとなり、素子の出力が大きいときには、低ゲインとなる。ゲインの所定値の判断は、後に述べるゲイン判断回路６０で行われており、判断結果がゲイン切替スイッチ回路２１に伝達される。このように、磁気センサ１０から出力される検出電圧の大きさによって、ゲインの大きさを可変できることで、検出電圧が比較的小さい場合でも、電力測定を正確に行うことが可能となる。

一方、増幅器２０の増幅率を可変とする構成に加えて或いはこれに替えて、ＡＤ変換器４０はその分解能を検出電圧に合わせる、すなわち、ＡＤ変換器４０のステップ幅を、検出電圧に応じて変化させるように構成される。このために、ＡＤ変換器４０の下限基準電圧を０Ｖに固定し、ＡＤ変換器４０に与えられる上限基準電圧が、検出電圧に応じて変化するように構成される。例えば、ＡＤ変換器４０の分解能を１０ビットとした場合、検出電圧の値に応じて上限基準電圧を変化させることで、１０２３で割った値がステップ幅とすることができる。この結果、検出電圧が小さい時でも、検出電圧の変動を精密に認識して、正確な電力測定が可能となる。

ＡＤ変換器４０から出力される検出電圧は電力演算器１００にて、電力値に変換される。電力演算器１００は、図２に示すように、電圧平均出力部５０と係数決定部８０と電力値演算部９０を有する。

電圧平均出力部５０は、加算処理部５１と平均処理部５２を有する。加算処理部５１は、加算回路を有し、ＡＤ変換器４０から伝送される瞬時のＤＣ電圧成分を、ある単位時間に亘って加算し加算電圧を出力する。平均処理部５２は、加算処理部５１から出力された加算電圧を単位期間で除算することで平均検出電圧を算出する。単位時間は、例えば、負荷電力３２０所定の周波数を有する交流電源である負荷電源の周波数の周期の２倍と設定される。単位期間の開始及び終了制御は、発振器５３とタイマ５４で行う。

電力値演算部９０は、平均処理部５２から出力される平均検出電圧に基づいて、負荷で消費される電力値を決定し、決定された電力値は電力測定装置に備えられる或いは外部に設けられる表示手段９１に伝達されてここで電力値が表示される。

電力値演算部９０は、平均処理部５２から出力される平均検出電圧に基づいて、負荷で消費される電力値を算出する。電力値演算部９０は、係数決定部８０にて記憶されている磁気センサ１０の固有のパラメータ（Ｋ）で負荷電力を積算する。

パラメータ（Ｋ）は、係数決定部８０によって算出され、ここに記憶されている。係数決定部８０は、パラメータ（Ｋ）を算出する係数付与手段８１と、複数のパラメータ（Ｋ１、Ｋ２）を記憶しておく係数記憶手段８２と、電力値演算部９０へ適切なパラメータを選択的に出力する係数切替回路８３とで構成されている。

係数付与手段８１は、使用される磁気センサ１０に固有の出力特性に合致する適切なパラメータを求めるために構成され、既知の負荷電力を電力計測装置１５０で測定することによって、磁気センサ１０の較正を行い、個々の電力計測装置１５０で使用される磁気センサ１０の出力特性のばらつきの影響を無くす。このため、本発明の電力計測装置１５０では、このパラメータを決定するための較正モードを備え、この較正モードでは、電力値が大きい場合のパラメータと電力値が小さい場合についてそれぞれ適切なパラメータを求める。

既知の負荷電力３２０は、例えば、一定電圧のテスト用交流電源から与えられ、例えば
、２Ａ〜７Ａの小電流を流したときの第１パラメータと、１０Ａ〜３０Ａの大電流を流した時の第２パラメータが、係数付与手段８１によって求められる。図４に示すように、小電流を流した時の第１パラメータを求める場合は、例えば、２Ａの電流を第１基準電流、７Ａの電流を第２基準電流として、それぞれの場合に、係数付与手段８１は、磁気センサ１０から出力される第１検出電圧と第２検出電圧とを求める。第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基準電流の差との比を第１パラメータ（Ｋ１）として算出するように構成され、求められた第１パラメータ（Ｋ１）は、係数記憶手段８２に記憶される。

一方、同図に示すように、大電流を流した時の第２パラメータを求める場合は、１０Ａの電流を第３基準電流、３０Ａの電流を第４基準電流として、それぞれの場合に、係数付与手段８１は、磁気センサ１０から出力される第３検出電圧と第４検出電圧とを求め、第３検出電圧と第４検出電圧の差と、第３基準電流と第４基準電流の差との比を第２パラメータ（Ｋ２）として算出するように構成されている。

このようにして、較正モードにおいて求められて記憶される第１パラメータ（Ｋ１）と第２パラメータ（Ｋ２）は、実際の電力測定モードにおいて、係数切替回路８３によって選択的に電力値演算部９０に出力される。検出電圧が所定値以下の時、すなわち、検出電圧で示される負荷電力が所定値以下の時、係数切替回路８３は第１パラメータ（Ｋ１）を電力値演算部９０へ出力し、それ以外は第２パラメータ（Ｋ２）を電力値演算器９０へ出力するように構成される。より詳しくは、係数切替回路８３は、増幅器２０のゲイン切替スイッチ回路２１が第１の状態を示したときに、第１パラメータ（Ｋ１）を電力値出力部９０に出力し、ゲイン切替スイッチ回路２１が第２の状態を示したときに、第２パラメータ（Ｋ２）を電力値出力部９０に出力する。

電圧平均出力部５０と係数決定部８０との間には、ゲイン判断回路６０が備えられる。ゲイン判断回路６０は、電圧平均出力部５０から出力される平均検出電圧に対して、ゲインの大きさを判断する。ゲインに対して、一定の電圧値の範囲内であれば、低ゲインと判断し、一定の電圧値の範囲を超えれば、高ゲインと認識する構成としている。さらに、判断をした後、増幅器２０に低ゲイン信号もしくは高ゲイン信号を伝送する。この信号を伝送することで、増幅器２０はゲイン切替スイッチ回路２１の切り替えを行う。

電圧平均出力部５０と係数決定部８０との間には、オフセット電圧補正部７０を備える。オフセット電圧補正部７０は、増幅器２０やＡＤ変換器４０や電圧平均出力部５０の各回路で不可避に生じるＤＣ電圧であるオフセット電圧を求め、電力決定部９０へこれらの回路を経て入力される磁気センサ１０からの検出電圧からオフセット電圧を取り除く。すなわち、電圧平均出力部５０から出力される平均検出電圧からオフセット電圧を減じるように構成される。この結果、電力測定装置の較正が行われ、余分なオフセット電圧を平均検出電圧から削除され、求める負荷電力をより正確に反映する検出電圧が得られる。特に、増幅器２０には、使用する場所の温度によって変動するＤＣ電圧成分が含まれるため、このＤＣ電圧成分を取り除くことで、温度変化による出力誤差を無くすことができる。

このようなオフセット電圧補正を定期的に行うために、電力計測装置１５０はモード切替手段を含む。モード切替手段は、オフセット電圧の検出を行う補正モードと、負荷電力を計測する電力計測モードとを選択的に決定するように構成され、図６のように、電流制限抵抗１１０と第１電流入力端１１との間に挿入された入力切替スイッチ１２０を備える。入力切替スイッチ１２０は、主切替スイッチ１２１と副切替スイッチ１２５とで構成される。主切替スイッチ１２１は、外部電源と磁気センサ１０の第１電流入力端１１との間に挿入されて、外部電源と磁気センサ１０の第１電流入力端１１との接続と切断を選択的に行うように構成される。副切替スイッチ１２５は、主切替スイッチ１２１の前段で外部
電源とこの外部電源よりも低い基準電位（接地電位）１２９との接続と切断を選択的に行うように構成される。

モード切替手段は、図６Ａ、６Ｆに示すように、電力計測モードを選択したときには、外部電源から磁気センサ１０への電流を許可するように構成され、補正モードを選択した時に、図６Ｃ、６Ｄに示すように、外部電源から磁気センサ１０への電流を遮断した状態での、磁気センサ１０から出力されるＤＣ成分を取り出すように構成される。図６Ａに示す電力計測モードから図６Ｃに示す補正モードに切り替わる際には、図６Ｂに示すように、主切替スイッチ１２１が外部電源を磁気センサ１０の第１電流入力端１１に接続した状態で、副切替スイッチ１２５を動作させて外部電源を基準電位１２９に接続するように切り替えた後、主切替スイッチ１２１を外部電源から切り離すようにモード切替手段が構成される。

一方、図６Ｄに示す補正モードから図６Ｆに示す電力測定モードに切り替える際には、図６Ｅに示すように、副切替スイッチ１２５で外部電源を接地電位１２９に接続した状態で、主切替スイッチ１２１を外部電源に接続した後に、図６Ｆに示すように、副切替スイッチ１２５を動作させて外部電源を接地電位１２９から切断するようにモード切替手段が構成された。このように、モード切替手段は、電力計測モードと補正モードとの切替時に、図６Ｂや図６Ｅに示すような、暫定状態を作り出すように構成される。この結果、外部電源を磁気センサと基準電位とへ選択的に切り替えるために設けられるスイッチへ、モード切替時に大電流が瞬時に流れることがなく、スイッチを過大なストレスから保護できる。

以下、磁気センサ１０について詳細を述べる。

本実施形態の磁気センサ１０は、図７で示すように、４つの磁気抵抗素子１５のフルブリッジ回路で構成される。磁気抵抗素子１５は薄膜構造体であり、図８に示すように、薄膜として形成される。４つの磁気抵抗素子１５は、図７に示すように、同一平面内にブリッジ接続で配列され、ブリッジの４辺は互いに直交し、ブリッジの１辺を形成する磁気抵抗素子１５はミアンダ形状とされる。

ミアンダ形状とは、図７で示すように、ブリッジの１辺の線分と略垂直方向に電流を流す長さ（Ｌ）とブリッジの１辺の線分と略並行方向に電流を流す幅（Ｗ）とが順に繰り返されるよう形成された形状である。例えば、長さＬは１ｍｍ、幅Ｗは１０μｍである。このため、一つのミアンダ形状での電流方向は、ブリッジの１辺に対して垂直となる主線路と、ブリッジの１辺に対して平行となる副線路との２方向となっている。すなわち、主線路は、電流が１８０度異なる２方向の導体が存在する。さらに、ブリッジの各辺上にミアンダ形状の磁気抵抗素子１５を構成することで、限られた範囲の中で、磁気抵抗素子１５の有効長を増大させている。従って、磁気抵抗素子１５自体の抵抗値を大きくとれ、抵抗値の変動を表す出力電圧を大きくすることができる。

磁気センサ１０は、ブリッジの４辺が互いに９０度となっており、この結果、隣り合う磁気抵抗素子１５での抵抗変化が反対となり、効率よく抵抗値の不平衡を起こすことができて検出電圧を大きくすることが出来る。

磁気抵抗素子１５は、エポキシ樹脂などの保護膜で覆われているのが望ましい。この保護膜により磁気抵抗素子１５に雰囲気中に含まれる磁性粉が直接付着することを無くして、出力特性の安定化を図ることが可能となる。

磁気抵抗素子１５としては、単層構造の強磁性薄膜のほか、（強磁性体／非磁性導電体
）構造のアンチフェロ（結合）型薄膜、（高保磁力強磁性体／非磁性導電体／低保磁力強磁性体）構造の誘導フェリ（非結合）型薄膜、（半強磁性体／強磁性体／非磁性導電体／強磁性体）構造のスピンバルブ型薄膜、Ｃｏ／Ａｇ系統の非固溶系グラニュラー型薄膜などから選択して形成される。

上記の構成の磁気センサ１０から出力される検出電圧を大きくするために、一定の外部直流磁界を磁気センサ１０に与えることが可能である。

以下に、外部直流磁界を磁気センサ１０に与えるための種々の実施形態について説明する。各実施形態は、外部直流磁界を加えるための磁界付与手段を設けたこと以外は、上記の第１の実施形態と同一である。
（第２の実施形態）
本実施形態に係る電力計測装置は、磁気センサ１０に加えて、外部電源との接続のための端子及び増幅器２０との接続のための端子が一体に形成されたセンサユニット１８の外部に、磁界付与手段を配置した構成を備える。図９のように、磁界付与手段はセンサユニット１８の両側に配置された一対の永久磁石４００で規定され、４つの磁気抵抗素子１５が配列された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界（Ｈｂ）を与える。磁気センサ１０に近接配置される負荷線路３１０の一部は、ここを流れる電流によって発生する磁界とバイアス磁界（Ｈｂ）が直交するように、線路保持具２１０によって位置決めされる。この構成により、磁界付与手段によってバイアス磁界（Ｈｂ）が均等に磁気センサ１０に影響を与え、ぞれぞれの磁気抵抗素子１５からの出力特性を安定にすることができる。このように、磁気センサ１０へバイアス磁界（Ｈｂ）をかけることで、突入電流などの大電流が印加された場合も磁化反転が起こらず、安定した電力計測が可能である。この場合、磁気抵抗素子１５として強磁性の抵抗素子を使用するのが望ましい。
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る電力計測装置は、第２の実施形態で使用する構成の磁気センサ１０を使用し、図１０示すように、磁界付与手段としての単一の永久磁石４００をセンサユニット１８の背面に配置してセンサユニット１８と永久磁石４００とが一つのブロックとして実現されている。この実施形態においても、４つの磁気抵抗素子１５が配置された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界（Ｈｂ）を与え、このバイアス磁界（Ｈｂ）は、線路保持具２１０によって位置決めされる負荷線路３１０の一部を流れる電流によって発生する磁界と直交する。
（第４の実施形態）
本実施形態に係る電力計測装置は、基本的に、第３の実施形態と同一であり、異なる点は、図１１に示すように、センサユニット１８両側に一対のヨーク４１０を配置したことである。このヨーク４１０は、永久磁石４００の磁極端に対応する位置に配置され、永久磁石４００で発生する外部直流磁界の漏れ磁束を吸収し、効率的に磁気センサ１０へ外部直流磁界を作用させるもので、磁気効率を向上させる。この結果、比較的小さな永久磁石４００の使用が可能となり、センサユニット１８の小型化が達成される。この実施形態においても、磁気抵抗素子１５として強磁性抵抗素子を使用するのが望ましい。
（第５の実施形態）
本実施形態に係る電力計測装置では、第２の実施形態で使用する構成の磁気センサ１０を使用し、図１２に示すように、磁界付与手段を構成する一対の永久磁石４００をセンサユニット１８の前面と背面とに配置してセンサユニット１８と永久磁石４００とが一つのブロックとして実現されている。この実施形態においても、４つの磁気抵抗素子１５が配置された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界（Ｈｂ）を与え、このバイアス磁界（Ｈｂ）は、線路保持具２１０によって位置決めされる負荷線路３１０の一部を流れる電流によって発生する磁界と直交する。本実施形態においても、磁気抵抗素子１５として強磁性の抵抗素子を使用するのが望ましい。
（第６の実施形態）
本実施形態に係る電力計測装置は、基本的に第５の実施形態と同一であり、異なる点は、図１３に示すように、センサユニット１８両側に一対のヨーク４１０を配置したことである。このヨーク４１０は、２つの永久磁石４００の同極の磁極端間に配置され、永久磁石４００で発生する外部直流磁界の漏れ磁束を吸収し、効率的に磁気センサへ外部直流磁界を作用させるもので、磁気効率を向上させる。この結果、比較的小さな永久磁石の使用が可能となり、センサユニット１７の小型化が達成される。この実施形態においても、磁気抵抗素子１５として強磁性抵抗素子を使用するのが望ましい。
（第７の実施形態）
本実施形態に係る電力計測装置は、図１４に示すように、ガラス基板１６上に、第１の実施形態と同じ構成の磁気センサ１０と共に、一対の永久磁石４００を磁気センサ１０の両側に実装した構造を備える。永久磁石４００は、前述の実施形態と同様に、４つの磁気抵抗素子１５が配列された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界（Ｈｂ）を与える外部直流磁界付与手段を規定する。この実施形態においては、つや消しされたガラス基板１６上にＮｉＣｏ薄膜からなるミアンダ形状パターンの磁気抵抗素子１５と、ＮｄＦｅＢの永久磁石４００とが形成される。
（第８の実施形態）
本実施形態に係る電力計測装置では、図１５に示すように、第１の実施形態と同様の構成の磁気センサ１０が埋設された絶縁薄膜１７を一対の磁性薄膜１９で挟んだ構造のセンサユニット１８をガラス基板１６上に形成した構造を備える。磁性薄膜は、４つの磁気抵抗素子１５が配列された平面と平行な方向に、直流磁界であるバイアス磁界（Ｈｂ）を与える磁界付与手段を構成する。磁気センサ１０に近接配置される負荷線路３１０の一部は、ここを流れる電流によって発生する磁界とバイアス磁界（Ｈｂ）が直交するように、線路保持具２１０によって位置決めされる。この構成によれば、センサユニット１８を薄膜構造体とし実現でき、装置全体の薄型化が達成される。

第１乃至第８の実施形態では、増幅器２０やＡＤ変換器４０等の処理回路を構成する電子部品を実装するプリント配線基板へ、磁気センサ１０を実装したセンサユニット１８を搭載するよう構成が採用される。これに代えて、プリント配線基板上へ、上記の処理回路を構成する電子部品と共に、磁気センサ１０を規定する磁気抵抗素子１５を形成することも可能である。いずれの場合でも、増幅器２０やＡＤ変換器４０はチップ部品で構成して処理回路を集積化することができる。また、処理回路を実装するプリント配線基板上に、絶縁膜を介して磁気センサ１０を積層してモノリシック素子とすることも可能である。

前述の実施形態では、磁気センサ１０を複数のミアンダ形状の磁気抵抗素子で構成した例をしめしたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、その他の形状の磁気抵抗素子を使用することが可能である。
（第９の実施形態）
本実施形態は、図１６乃至図１８に示すように、４つの磁気抵抗素子１５が円環状に連続した磁気抵抗環５１０とその内側に配置された円形の補助抵抗素子５２０とが同一平面上に配列された磁気センサ１０を使用する。この磁気センサ１０に近接配置される負荷線路３１０の一部は、磁気抵抗環５１０の直径方向に沿うように配置され、この負荷線路３１０に平行となる磁気抵抗環５１０の直径方向の両端が外部電源への接続用の入力端５３０となり、負荷線路３１０と直行する方向に一致する磁気抵抗環５１０の直径方向の両端が検出電圧の出力端５４０となる。磁気抵抗環５１０及び補助抵抗素子５２０は、ガラス基板やシリコン基板の上に形成される薄膜によって形成される。磁気抵抗環５１０の内部空間に電気的に隔離された補助抵抗素子５２０は、磁気抵抗環５１０の電気抵抗値に影響を及ぼすものではないが、磁気的には磁性抵抗環５１０と結合することにより、多くの磁束を発生させることができ、磁気センサ１０の高感度化を図ることができる。
（第１０の実施形態）
本実施形態では、図１８に示すように、４つの磁気抵抗素子１５が正方形に配列された
磁気抵抗環５５０を備える磁気センサ１０が使用される。この磁気センサ１０に近接配置される負荷線路３１０の一部は、磁気抵抗環５５０の一つの対角線に沿うように配置され、この負荷線路３１０に平行となる磁気抵抗環５５０の対角線の両端が外部電源への接続用の入力端５７０となり、負荷線路３１０と直行する方向に一致する磁気抵抗環５５０の対角線の両端が検出電圧の出力端５８０となる。磁気抵抗環５５０及び補助抵抗素子５６０は、ガラス基板やシリコン基板の上に形成される薄膜によって形成される。

上記のいずれの実施形態においても、磁気センサ１０に近接配置される負荷線路３１０の一部は、磁気抵抗素子１５が配列された平面に対して一定の距離となるように線路保持具によって位置決めされ、負荷線路３１０の一部を流れる電流によって発生する磁界が、図１８（Ｂ）に示すように、磁気抵抗素子１５が配列された平面に及ぶように設定される。
（第１１の実施形態）
本実施形態は、磁気抵抗素子１５に代えてホール素子４５０で磁気センサ１０を構成した例を示す。その他の構成及び作用は、図２に示す実施形態と同様であるため、その説明を省略する。ここで使用するホール素子４５０も前述の実施形態の磁気センサ１０と同様に、入力端と出力端を備え、負荷線路の一部に近接配置される。このホール素子４５０の入力端は外部電源へ電流制限抵抗を介して接続されることで、外部電源からの電流が入力される。このホール素子４５０は負荷線路を流れる電流によって発生する磁界の影響を受けて変動する検出電圧を出力端から出力する。この検出電圧は、第１の実施形態と同様の成分を含むことから、第１の実施形態と同様の増幅器２０、ＡＤ変換器４０、フィルタ３０、電力演算器１００を使用して、負荷電力が算出される。この場合、図２０に示すように、ホール素子４５０の最も広い面に対して、負荷線路３１０を流れる電流によって発生する磁界が直行するように、線路保持具２１０によって、負荷線路３１０の一部をホール素子４５０に対して位置決めすることが望まれる。

外部電源から負荷に供給される電力を計測するために使用する磁気センサに固有の出力特性のばらつきの影響を無くして正確な電力測定を行う。

１０ 磁気センサ
１１ 電流入力端（第１電流入力端）
１２ 電流入力端（第２電流入力端）
１３ 電圧出力端（第１電圧出力端）
１４ 電圧出力端（第２電圧出力端）
１５ 磁気抵抗素子
３０ フィルタ
８０ 係数決定部
８１ 係数付与手段
８２ 係数記憶手段
８３ 係数切替回路
１００ 電力演算器
１５０ 電力計測装置
３１０ 負荷線路
３２０ 負荷電力
４５０ ホール素子

Claims (12)

1. 外部電源を負荷に接続する負荷線路を流れる負荷電流によって変動する磁界の変化を利用して負荷へ供給される負荷電力を計測するための電力計測装置であって、
   この電力計測装置は、
   上記負荷線路の一部に近接配置される磁気センサと、
   前記磁気センサから出力される検出電圧に基づいて負荷電力を算出する電力演算器とを備え、
   前記磁気センサは外部電源からの電流が入力される電流入力端を有し、
   前記磁気センサは負荷線路に流れる負荷電流にて発生する磁界の影響を受けて電気抵抗値が変化する磁気抵抗素子で構成され、この電気抵抗の変化に応じた検出電圧を出力するように構成され、
   前記検出電圧は、前記磁気センサの出力特性を規定する固有のパラメータを含み、
   前記電力演算器は、上記検出電圧と上記パラメータに基づいて負荷電力を演算するように構成され、
   前記電力計測装置は、前記パラメータを求める係数決定部を備え、
   前記係数決定部は、
   前記パラメータを算出する係数付与手段と、
   前記係数付与手段で算出されたパラメータを記憶する係数記憶手段とで構成され、
   前記係数付与手段は、前記磁気センサへ互いに異なる第１基準電流と第２基準電流とを個別に供給した時に、上記磁気センサから出力される第１検出電圧と第２検出電圧と求め、第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基準電流の差との比を上記のパラメータとして算出するように構成されたことを特徴とする電力計測装置。
2. 前記係数決定部は、第１パラメータと第２パラメータを記憶するように構成され、
   前記係数決定部は、第１パラメータと第２パラメータを選択的に前記電力演算器に与える係数切替回路を備え、
   前記係数付与手段は、前記磁気センサへ互いに異なる第１基準電流と第２基準電流とを個別に供給した時に、前記磁気センサから出力される第１検出電圧と第２検出電圧とを求め、第１検出電圧と第２検出電圧の差と、第１基準電流と第２基準電流の差との比を上記の第１センサ係数として算出するように構成され、
   前記係数付与手段は、第１基準電流と第２基準電流よりも大きく且つ互いに異なる第３基準電流と第４基準電流とを前記の磁気センサへ個別に供給した時に、前記磁気センサから出力される第３検出電圧と第４検出電圧とを求め、第３検出電圧と第４検出電圧の差と、第３基準電流と第４基準電流の差との比を上記第２パラメータとして算出するように構成され、
   前記係数切替回路は、前記検出電圧が所定値以下の時に第１パラメータを前記電力演算器に出力し、それ以外は第２パラメータを前記の電力演算器に出力するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力計測装置。
3. 前記外部電源は、所定の周波数を有する交流電源であり、
   前記電力演算器は、上記周波数に依存する所定の周期の整数倍である単位期間に亘って、前記検出電圧を加算した加算電圧を求める加算回路を備え、この加算電圧を単位期間で除算した平均検出電圧に基づいて電力を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力計測装置。
4. 前記磁気センサは、前記検出電圧にＤＣ電圧成分、基本周波数成分及び高調波成分が含まれるように構成され、
   前記電力演算器の前段に、前記検出電圧から基本周波数成分と高調波成分とを除去するフィルタが設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力計測装置。
5. 前記外部電源は、所定の周波数を有する交流電源であり、
   前記フィルタは、上記の交流電源の周波数未満の周波数成分を通過させるローパスフィルタであることを特徴とする請求項４に記載の電力計測装置。
6. 前記磁気センサは、負荷電流にて発生する磁界の影響を受けて、電気抵抗値が変化する複数の磁気抵抗素子を備え、前記磁気抵抗素子の抵抗値の変化に応じた検出電圧を出力するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力計測装置。
7. 前記磁気抵抗素子がフルブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路はその電流入力端が外部電源に接続され、ブリッジ回路の電圧出力端間に前記検出電圧が発生するように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の電力計測装置。
8. 前記磁気抵抗素子は薄膜抵抗素子であり、複数の薄膜抵抗素子が同一のセンサ配列面に配列され、
   前記負荷線路の一部を前記磁気センサの配列面と平行な状態に保持するための線路保持手段が備えられたことを特徴とする請求項６または７に記載の電力計測装置。
9. 前記フルブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子に対して一定の外部直流磁界を与えるための磁界付与手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の電力計測装置。
10. 前記の磁界付与手段は、前記磁気センサに近接する部位の負荷線路の周りに負荷線路を流れる負荷電流にて発生する磁界と直交する方向に前記外部直流磁界を作用させるように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の電力計測装置。
11. 前記フルブリッジ回路は、互いに９０度の角度で接続された４つの線分のそれぞれに、前記磁気抵抗素子が位置するように構成され、各線分での前記の磁気抵抗素子がミアンダ形状とされたことを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の電力計測装置。
12. 前記磁気センサはホール素子で構成され、
    前記負荷線路の一部を前記ホール素子の面と垂直方向となるように保持する線路保持手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力計測装置。