JP2013238434A - 力率計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型であり、１つの素子で力率を計測できる力率計測装置が望まれている。
【解決手段】前記電源に対して前記負荷と並列に連結するための一対の連結端（１２）と、同一外部磁界によって電気抵抗の変化が異なる２つの磁性素子（２１、２２）と、前記２つの磁性素子の差動電圧を出力する一対の計測端子（１３）と、前記一対の連結端（１２）と接続される一対のセンサ端子（１０ｔ）を含む力率センサ部（１０）と、前記計測端子（１３）間の電圧を計測する電圧検出部（１５）と、前記電圧検出部（１５）の出力に接続されたローパスフィルタ（１６）と、前記電圧検出部（１５）の出力に接続されたハイパスフィルタ（１７）と、前記ハイパスフィルタ（１７）に接続された整流器（１８）と、前記ローパスフィルタ（１６）の出力と、前記整流器（１８）の出力を除算する除算手段（１９）を有することを特徴とする力率計測装置。
【選択図】図１

Description

本発明は誘導負荷を有する電気回路に置ける消費電力の力率を計測する装置に係るものであり、特に磁性膜の磁気抵抗効果を利用した力率計測装置に関するものである。

交流電源を用いてリアクタンス成分を有する負荷を駆動する場合は、電圧と電流に位相差が生じる。この位相差によって、消費される電力は、有効電力と無効電力が生じる。無効電力の増大は、電源の有効利用にならないため、当然低減し、有効電力を増大させることが望ましい。

電源から供給される電力に対して有効電力の割合を力率と呼び、通常ｃｏｓθで表す。ここでθは、電流−電圧の位相差である。有効電力をできるだけ大きくするためには、電力消費回路における力率を計測し、力率が大きくなるように回路を調整する必要がある。特に、省エネという観点からは、力率の表示が現在の運転効率を直接表示することになり、力率を高めて効率的な運転を目指すとともに、力率の直接計測が望まれる。

しかしながら、回路で消費される電力の力率は、無効電力を計測することで行われる場合が多い。これは、互いに９０°位相のずれた電圧、電流信号の積を取ることで求める。この９０°の位相シフトには、変圧器や積分回路といった要素が用いられていた。しかし、このような方法は、負荷変動の際には、無効電力の計算が複雑になるという課題があった。

この課題を解決するために特許文献１では、交流電路の電圧および電流をサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段によりサンプリングされた電圧データおよび電流データをサンプリングポイント毎に記憶するメモリ手段と、前記メモリ手段により記憶された電圧データおよび電流データから無効電力を演算する疑似無効電力演算手段とを備え、前記メモリ手段は前記電圧データおよび電流データを同位相で１周期分記憶し、前記疑似無効電力演算手段は前記メモリ手段により記憶された所定周期分の電圧データおよび電流データについて、各サンプリングポイントの電流データと９０°位相がずれたサンプリングポイントの電圧データをそれぞれ循環的に乗算し、それらの乗算値の平均から無効電力を演算する。

特開２００１−０７４７８８号公報

省エネという観点や、電力が自動車などの移動体の駆動へ利用されると、さまざまな箇所での力率計測が必要になる。そのような需要に応えるためには、小型のセンサと簡便な計測部を有する力率計測装置が必要となる。

特許文献１で開示された力率測定装置は、比較的簡単な構成で無効電力を演算することができるとされているが、交流電路の電圧および電流をサンプリングするサンプリング手段が必要であり、計測装置特にセンサ部分の大きさは、小さくできない。また、回路結線後に電流のサンプリング手段を配置させようとすると、接続線をクランプする必要があり、壁等の溝に埋め込み配設された接続線に対してサンプリング手段を配設するのは、容易ではないという課題が生じる。さらに、特許文献１の方法では、力率を直接測定できていないという課題がある。

本発明は上記のような課題に鑑み想到されたものであり、磁性膜の有する磁気抵抗効果を利用した力率計測装置である。より具体的に本発明の力率計測装置は、
電源に接続線を介して接続された負荷において消費される電力の力率を測定する力率計測装置であって、
前記電源に対して前記負荷と並列に連結するための一対の連結端と、
同一外部磁界によって電気抵抗の変化が異なる２つの磁性素子と、
前記２つの磁性素子の差動電圧を出力する一対の計測端子と、
前記一対の連結端と接続される一対のセンサ端子を含む力率センサ部と、
前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部と、
前記電圧検出部の出力に接続されたローパスフィルタと、
前記電圧検出部の出力に接続されたハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタに接続された整流器と、
前記ローパスフィルタの出力と、前記整流器の出力を除算する除算手段
を有することを特徴とする。

本発明による力率計測装置は、非接触（原理）、設置が容易（超小型、薄型）、省エネ（計測時のエネルギー消費小）、といった磁性薄膜電力センサのメリットを生かし、誘導電動機の細部において、力率を直接計測できる。したがって、電力消費状況の可視化が可能になり、誘導電動機などのリアクタンス要素を有する回路に応用することにより、運転状況や負荷状況に応じた省エネ駆動制御が可能となる。

本発明の力率計測装置の構成を示す図である。 本発明の力率センサ部の拡大を示す図である。 本発明の第１の磁性素子の動作原理を示す図である。 本発明の第２の磁性素子の動作原理を示す図である。 他の第１の磁性素子の構造を示す図である。 他の第２の磁性素子の構造を示す図である。 バーバーポールタイプの磁性素子を用いた力率センサ部の構成を示す図である。 バーバーポールタイプの磁性素子を用いた力率計測装置の構成を示す図である。 他の構成の磁性素子を用いた力率計測装置の構成を示す図である。

以下本発明に係る力率計測装置について図を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するのであり、以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態は変更することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の力率計測装置の構成を示したものである。本発明の力率計測装置１は、連結端１２と、力率センサ部１０と、電圧検出部１５と、ローパスフィルタ１６と、ハイパスフィルタ１７と、整流器１８と、除算手段１９を含む。また、本発明の力率計測装置１は、電源７に接続された負荷９（抵抗値はＲ１）で消費される電力の力率を計測する。ここで、電源７は交流である。なお、電源７と負荷９の間は接続線８（抵抗値はＲｃｕ）で接続される。

連結端１２は、計測対象となる回路の電源７に対して負荷９と並列に、力率計測装置１の力率センサ部１０を接続するための端子である。したがって、この連結端１２は１対あり、それぞれ区別する場合は、連結端１２ａ、１２ｂとよぶ。

図２には、力率センサ部１０と連結端１２だけを示す。力率センサ部１０は、磁性膜の磁気抵抗効果を利用した素子を２つ組み合わせ、それぞれの差動出力を取り出す端子（計測端子１３：それぞれ１３ａ、１３ｂ）が設けられている。また、連結端１２と接続されるセンサ端子１０ｔ（１０ｔａ、１０ｔｂ）が設けられる。力率センサ部１０の構成としては、第１の磁性素子２１と第２の磁性素子２２のそれぞれに、計測抵抗２３および２４（それぞれ抵抗値はＲ２）が直列に接続されたものが、並列に接続されている。

第１の磁性素子２１は、短冊状に形成された磁性膜２１ｊの両端に素子端子２１ａおよび２１ｂが形成され、バイアス手段２１ｃが配設されている。バイアス手段２１ｃは、第１の磁性素子２１の磁性膜２１ｊ中に形成される磁化を、素子端子２１ａ、２１ｂ間に流れる電流Ｉ_２の向きに対して、動作点まで変える（回転させる）ための手段である。例えば、図２の第１の磁性素子２１の場合は、矢印ＭＦの方向に磁界を印加する永久磁石である。この矢印ＭＦは磁性膜２１ｊの面内方向に印加される。

同様に第２の磁性素子２２も、短冊状に形成された磁性膜２２ｊの両端に素子端子２２ａおよび２２ｂが形成され、バイアス手段２２ｃが配設されている。ただし、第２の磁性素子２２では、バイアス手段２２ｃは、素子端子２２ａ、２２ｂ間に流れる電流Ｉ_２に対して、バイアス手段２１ｃとは逆方向にバイアスを印加する（矢印ＭＦ’）。なお、後述するようにバイアス手段２１ｃ、２２ｃは、このように永久磁石のように磁性膜２１ｊ、２２ｊに磁界を印加する手段だけでなく、磁性膜の磁化と磁性膜を流れる電流の向きを変更できる構成であればよい。

また、素子端子２１ａ（２２ａ）から素子端子２１ｂ（２２ｂ）に向かう方向を磁性素子２１（２２）の長手方向と呼ぶ。また、第１の磁性素子２１と第２の磁性素子２２は、接続線８の電流Ｉ_１方向（図１参照）に長手方向を揃えて配置される。接続線８の電流Ｉ_１の発生する磁界Ｈを磁性膜の面内に作用させるためである。また、それぞれの磁性素子２１、２２は、接続線８の表面から等距離に配置されるのが望ましい。接続線８を流れる電流Ｉ_１による磁界Ｈは、接続線８の中心からの距離で決まるからである。逆に、接続線８の断面が円形で、接続線８の中心からの距離が等しければ、第１の磁性素子２１と第２の磁性素子２２は、必ずしも１直線状に配置されていなくてもよい。

第１の磁性素子２１の一方端２１ａは、力率センサ部１０のセンサ端子１０ｔａと接続される。そして、第１の磁性素子２１の他方端２１ｂは、第１の計測抵抗２３と直列に接続される。第２の磁性素子２２の一方端２２ａは、同じく力率センサ部１０のセンサ端子１０ｔａと接続される。そして、第１の磁性素子２１同様、第２の磁性素子２２の他方端２２ｂは、第２の計測抵抗２４と直列に接続される。

第１の計測抵抗２３および第２の計測抵抗２４は、また、力率センサ部１０のセンサ端子１０ｔｂに接続される。すなわち、力率センサ部１０の一方端１０ｔａと他方端１０ｔｂの間で、第１の磁性素子２１と第１の計測抵抗２３、第２の磁性素子２２と第２の計測抵抗２４がブリッジ回路を構成する。

計測端子１３は、第１の磁性素子２１と第２の磁性素子２２の一方の素子端子２１ｂ、２２ｂに接続されている。ここで、第１の計測抵抗２３と第２の計測抵抗２４は、同一の抵抗値を有し、なおかつ、磁性素子２１、２２の素子端子（２１ａと２１ｂおよび２２ａと２２ｂ）間の抵抗Ｒｍｒと比較して十分大きな抵抗である。

したがって、計測端子１３ａ、１３ｂ間は、ブリッジ回路の差動出力となっている。また、計測抵抗２３、２４が磁性素子２１、２２の素子端子間の抵抗Ｒｍｒより十分に大きいので、力率計測装置１の連結端１２間に印加される電圧に係らず、一定の電流が流れるとみなせる。

次に図３、図４を用いて磁性素子２１、２２を詳説する。図３（ａ）には、第１の磁性素子２１だけを示す。第１の磁性素子２１では、磁性膜２１ｊの磁化容易軸は素子端子２１ａ、２１ｂ間の軸２１ＥＡ方向に形成されている。言い換えると、磁化容易軸は長手方向に誘導されている。この時の素子端子２１ａ、２１ｂ間の抵抗Ｒｍｒと、磁性膜２１ｊの面内直角方向にかかる磁界Ｈとの関係を図３（ｂ）に示す。

図３（ｂ）では、横軸が面内直角方向の磁界Ｈであり、縦軸は磁性膜２１ｊの長手方向の抵抗値Ｒｍｒ（Ω）である。なお、ここで、面内直角方向というのは、軸２１ＥＡ方向に対して磁性膜２１ｊ面内方向であってかつ直角方向に、外部から磁界が印加されることを意味する。磁気抵抗特性を表す曲線ＭＲＣは、外部磁界ゼロの点を対称軸とした偶関数となる。

第１の磁性素子２１はバイアス手段２１ｃによって、バイアス磁界ＭＦが軸２１ＥＡに直角方向に印加されている。このバイアス磁界ＭＦによって、磁性膜２１ｊの磁化Ｍは軸２１ＥＡから角度θだけ傾く（図３（ａ）参照）。これを図３（ｂ）でみると、バイアス磁界ＭＦの大きさＨｂａｉｓが磁性膜２１ｊに印加されているので、動作点が曲線ＭＲＣに沿って、Ｈｂａｉｓ分だけ変化する。なお、第１の磁性素子２１に流される電流は、素子端子２１ａ、２１ｂ間に印加されるので、ほぼ軸２１ＥＡ（長手方向）に沿って流れる。

この傾斜θによって磁性膜２１ｊの抵抗値は、Ｒｍ０まで下がる。この点が第１の磁性素子２１の動作点となる。言い換えると、動作点での抵抗値はＲｍ０である。

ここで、図３（ａ）の方向に磁界Ｈが印加されたとする。この外部磁界Ｈによって、磁化Ｍは軸２１ＥＡ方向に回転させられ、電流Ｉ_２となす角がθより小さくなる。図３（ｂ）を参照して、電流Ｉ_２と磁化Ｍとのなす角度が小さくなると、第１の磁性素子２１の抵抗値はΔＲｍｒだけ増加する（＋ΔＲｍｒ）。

図４には、図３同様第２の磁性素子２２だけを記載する。第２の磁性素子２２では、バイアス手段２２ｃの方向が図３の第１の磁性素子２１のバイアス手段２１ｃと電流Ｉ_２に対して方向が異なる。まず、バイアス磁界ＭＦ’によって磁化Ｍは軸２２ＥＡ方向から角度θだけ傾斜する。ただし、バイアス磁界ＭＦ’はバイアス磁界ＭＦと方向が異なるので、磁化Ｍの傾斜方向も図３の場合と逆となる。

そして、図３同様の方向から外部磁界Ｈが印加されたとする。磁化Ｍはもともと外部磁界Ｈの印加方向に傾斜していたので、外部磁界Ｈによって軸２２ＥＡから離れる方向に傾斜する。図４（ｂ）でこれを見ると、バイアス磁界Ｈｂａｉｓと同じ方向に印加された外部磁界Ｈによって第２の磁性素子２２の抵抗ＲｍｒはΔＲｍｒだけ小さくなる（‐ΔＲｍｒ）。

すなわち、これら２つの磁性素子２１、２２は、同一方向からの外部磁界Ｈに対して、抵抗の変化が異なる磁性素子であるといえる。これは言い換えると、異なるバイアス手段を有しているといってもよい。

再び図２を参照して、２つの磁性素子２１、２２は、すでに説明したように、計測抵抗２３、２４と共に、ブリッジ回路を形成し、計測端子１３ａ、１３ｂは２つの磁性素子２１、２２の抵抗変化を電圧変化として、差分出力する端子である。磁性素子２１、２２は、図３、図４で説明したように外部磁界Ｈによって抵抗値が（＋ΔＲｍｒ）、（−ΔＲｍｒ）だけ変化する。

計測抵抗２３、２４の抵抗値は、磁性素子２１、２２の抵抗値より十分大きく、また計測抵抗２３、２４は同じ大きさの抵抗であるので、磁性素子２１、２２には同じ電流Ｉ_２が流れるとみなせる。すると、計測端子１３ａ、１３ｂ間の出力電圧は、２×ΔＲｍｒ×Ｉ_２となる。

再度図３を参照して、出力の詳細について式を用いて説明を行う。まず、磁性素子が１つの場合（第１の磁性素子２１）について説明する。

力率センサ部１０は、測定対象である回路の接続線８に近接して配置される。そして接続線８に流れる電流によって発生する磁界Ｈを受ける。接続線８に流れる電流をＩ_１とすると、磁性膜に印加される磁界Ｈは、比例定数をαとして、（１）式のように表される。
Ｈ＝αＩ_１・・・・（１）

図３（ｂ）に示すように、第１の磁性素子２１の電気抵抗の変化ΔＲｍｒは、外部からの印加磁界Ｈに比例するので、比例定数をβとし、（１）式を考慮すると、（２）式のように表される。
ΔＲｍｒ＝βＨ＝β（αＩ_１）・・・・（２）

磁性膜２１ｊに磁界が印加されていない時の電気抵抗をＲｍ０とすると、磁界Ｈが印加された時の磁性膜全体の電気抵抗Ｒｍは、（３）式のように表される。
Ｒｍ＝Ｒｍ０＋ΔＲｍｒ＝Ｒｍ０＋αβＩ_１・・・・（３）

つまり、電流Ｉ_１が流れる接続線８に近接配置された力率センサ部１０の磁性膜２１ｊは、（３）式のような電気抵抗特性を有する。この磁性素子２１の素子端子２１ａ、２１ｂ間に電流Ｉ_２が流れると、素子端子２１ａ、２１ｂ間の電圧Ｖｍｒ^＋は（４）式のように表される。
Ｖｍｒ^＋＝ＲｍＩ_２＝（Ｒｍ０＋ΔＲｍ）Ｉ_２＝（Ｒｍ０＋αβＩ_１）Ｉ_２・・・・（４）

次に電源７（図１参照）の電圧Ｖｉｎは、振幅Ｖ_１、角周波数ωとすると、（５）式のように表される。また、被測定回路で負荷９はリアクタンスであるので、負荷９を流れる電流Ｉ_１は、電源電圧Ｖｉｎとは位相のズレが生じる。この位相のズレをθとする。一方、力率センサ部１０の第１の磁性素子２１は、通常の抵抗なので電源電圧Ｖｉｎと同位相である。したがって、電流Ｉ_１およびＩ_２は、（６）式、（７）式のように表される。

そこで、（４）式に（６）式および（７）式を代入すると（８）式のように変形される。

図２で説明したように磁性素子２１および２２は、差動増幅するように接続されており、同一磁界に対しては、それぞれ出力が異なる。すなわち、外部磁界Ｈに対する第１の磁性素子２１の電気抵抗の変化分が（２）式で示すΔＲｍｒと表されるとすると、第２の磁性素子２２の場合の外部磁界Ｈに対する電気抵抗の変化分は、（−ΔＲｍｒ）となる。すると第２の磁性素子２２の場合の出力Ｖｍｒ⁻は（９）式のように表される。

力率センサ部１０の出力は、差動出力（Ｖｍｒ^＋−Ｖｍｒ⁻）であるので、（８）式および（９）式より、（１０）式のように表される。

ここで、（１０）式の右項を（１１）式のようにＡとし、左項を（１２）式のようにＢとすると、Ａは、磁性素子２１、２２の差分出力の直流成分であり、Ｂは差分出力の交流成分である。またＡは、負荷９の消費電力Ｉ_１Ｖ_１にｃｏｓθが乗算された値に比例する。すなわち、Ａは、負荷９で消費される電力の有効電力に比例する。また、Ｂは、負荷９で消費する消費電力の皮相電力に比例する。

すなわち、図２を参照して、計測端子１３ａ、１３ｂの端子間には、直流成分として負荷９の有効電力に比例した電圧が得られ、交流成分として負荷９の皮相電力に比例した電圧を得ることができる。

よく知られているように、皮相電力は、複素数で表され、その実数成分を有効電力、虚数成分を無効電力と定義される。そして、力率は、皮相電力に対する有効電力の割合と定義される。したがって、力率（ｃｏｓθ）は、（１３）式に示すように、有効電力／皮相電力、すなわち、Ａ／Ｂで表される。

上記の説明をまとめると、計測端子１３ａと１３ｂ間には、直流成分として負荷９の有効電力に比例した電圧（Ａ）が生じ、交流成分として負荷９の皮相電力に比例した電圧（Ｂ）が生じている。そして、ＡとＢを除算した結果の電圧が力率に比例した電圧として得られる。

そこで、再度図１を参照して、計測端子１３ａと１３ｂの出力は、電圧検出部（アンプ）１５によって検出され、ローパスフィルタ１６によって直流成分（Ａ：有効電圧に相当）が抽出される。一方、ハイパスフィルタ１７によって交流成分（Ｂ：皮相電力に相当）が抽出され、整流器１８によって直流電圧に変換される。この操作で、（１３）式の比例定数Ｋは、電源角周波数ωに依存しない定数とみなせる。これらは除算手段１９によって、Ａ／Ｂが求められる。結果は、力率（ｃｏｓθ）に比例した電圧が得られる。

以上のように、図１で示した構成を有する力率計測装置１によって、誘導性の負荷９で消費される電力の力率が求めることができる。

（実施の形態２）
図５には、磁性素子のバリエーションについて説明する。上記の説明のように、本発明の力率計測装置１は、同一の外部磁界Ｈに対して、異なる電気抵抗の変化率を有する一対の磁性素子の差分出力から直流電圧（有効電力に比例）と交流電圧（皮相電力に比例）を求め、除算することで力率に比例した電圧を得ることができる。

磁性素子の磁性膜自体は、図３（ｂ）、図４（ｂ）でも示したように、外部から作用される磁界に対しては偶関数であり、そのままでは印加磁界に比例した抵抗値を得ることはできない。そこで、磁性素子２１、２２では、永久磁石のような磁界発生源をバイアス手段２１ｃ、２２ｃとして磁性膜２１ｊ、２２ｊの近傍に配置することによって、バイアス磁界を生成し、動作点を得た。しかし、磁石のような磁界発生源を用いなくても、動作点を得る方法がある。

図５には、第１の磁性素子２１の他の形態（第１の磁性素子３１）を示す。なお、磁性膜３１ｊの上に、縞模様の導体３５が形成されている。また、磁性膜３１ｊは、長手方向に磁化容易軸３１ＥＡが誘導されているとする。導体３５は、磁性膜３１ｊの電気抵抗と比べて十分に低い材料のものを使用するのが好ましい。具体的には銅若しくはアルミニウム、銀、金といった良導電性材料が好適に用いられる。導体３５は、長手方向に対して一定方向に傾斜し、複数個形成される。

このような磁性素子３１の動作について図３と対応させながら説明する。素子端子３１ａおよび３１ｂ間には、電流Ｉ_２が流される。素子端子３１ａから入力された電流Ｉ_２は、縞模様の導体３５から導体３５へ流れる際には、磁性膜３１ｊ上を流れなければならない。導電部分は磁性膜３１ｊしかないからである。

磁性膜３１ｊは、導体３５より抵抗が高いため、電流Ｉ_２は導体３５間の最短距離を流れる。これは磁性膜３１ｊの長手方向から見ると、傾斜した方向に電流が流れることとなる。ここで、磁性膜３１ｊの磁化容易軸３１ＥＡは第１の磁性素子３１の長手方向に誘導されているので、磁化Ｍと電流Ｉ_２の向きに傾斜ができる。

ここで、磁性膜３１ｊに対して紙面上から下方向に磁界Ｈが印加されると、磁化Ｍはそれにつれて回転する（実線白矢印）。すると、回転した磁化Ｍと電流Ｉ_２のなす角度が小さくなるので、磁性膜３１ｊの抵抗は高くなる。すなわち、図３の場合同様、＋ΔＲｍｒの電気抵抗の変化を示す。

図６には、縞模様の導体３５が図５の場合とは、逆向きに形成されている場合を示す。電流Ｉ_２の向きと磁化容易軸３２ＥＡの向きおよび外部から印加される磁界Ｈの向きは、図５の場合と同様である。図６の場合は、紙面上から下方向に印加される磁界Ｈによって、磁化Ｍ（実線矢印）は、電流Ｉ_２から離れる方向に回転する。これは図４の場合同様、電気抵抗は減少する方向に変化する。すなわち、図４の場合同様、（−ΔＲｍｒ）の電気抵抗の変化を示す。

このように、予め外部から印加磁界がない状態で、電流Ｉ_２の流れる方向と、磁化Ｍの方向に角度をつけておくと、見かけ上バイアス磁界をかけたのと同じ状態になる。すなわち、このような磁性膜３１ｊ（または３２ｊ）と導体３５の構成によってバイアス手段３１ｃ（若しくは３２ｃ）を形成することができる。

なお、図５および図６では、電流Ｉ_２の流れる方向が磁化容易軸３１ＥＡ、３２ＥＡの方向と変わるような構成としたが、例えば予め磁化容易軸３１ＥＡ、３２ＥＡを磁性膜３１ｊ（または３２ｊ）の長手方向に対して角度をつけて誘導しておいてもよい（実施形態３参照）。

図７には、図５および図６を組み合わせた磁性素子３０を示す。また、磁性素子３０を含む力率センサ部を符号５１で示す。磁性素子３０は、力率センサ部１０のセンサ端子５１ｔａと接続される素子端子３０ａと第１の計測抵抗２３と接続される素子端子３０ｂおよび第２の計測抵抗２４と接続される素子端子３０ｂ’を有する。

素子端子３０ａはセンタータップと言っても良い。磁性素子３０は、素子端子３０ａから素子端子３０ｂに向かう方向（これを「ｂ方向」と呼ぶ）と３０ｂ’に向かう方向（これを「ｂ’方向」と呼ぶ）けて配置された縞模様の導体３５の形成方向が異なる。したがって、磁性膜３０ｊ上で流れる電流Ｉ_２の向きは、ｂ方向とｂ’方向では異なる方向に電流が流れている。

このような磁性素子３０に対して外部磁界Ｈが作用し、図７のように磁化Ｍが回転したとすると、ｂ方向に向かう電流Ｉ_２からは、磁化Ｍと電流の向きが同じ方向になるので、図３同様電気抵抗は増加する（＋ΔＲｍｒ）。一方、ｂ’方向に流れる電流Ｉ_２からみると、磁化Ｍと電流の向きが離れる方向になるので、図４同様電気抵抗は減少する（−ΔＲｍｒ）。

また、ｂ方向およびｂ’方向にはそれぞれ、十分大きな計測抵抗２３、２４が直列に接続されており、それぞれの計測抵抗２３、２４は、力率センサ部１０の端子１０ｔｂに接続されている。従って、図７に示した磁性素子３０を含む力率センサ部５１は、図２に示した場合と同様に、ブリッジ回路を形成しており、測定端子１３ａ、１３ｂ間には、ｂ方向とｂ’方向の差分出力が現れる。

図８には、この力率センサ部５１を有する力率計測装置２の構成を示す。計測端子１３ａ、１３ｂを出力とし、電圧検出部１５、ローパスフィルタ１６、ハイパスフィルタ１７、整流器１８、除算手段１９は実施の形態１の場合と同じである。本実施の形態で示した力率センサ部５１は、バイアス手段に永久磁石等の磁界発生源を必要としないので、小型かつ薄膜化が可能となる。また、磁性素子３０はｂ方向とｂ’方向に磁性素子３１と３２を同時形成したものであるが、それぞれ別々に形成して導線で連結してもよい。

（実施の形態３）
図９に本実施の形態に関わる力率計測装置３の構成を示す。実施の形態１および２と同じ部分は同じ符号を用い、また説明も省略する。本実施の形態に係る力率計測装置３では、磁性素子４１、４２に特徴がある。磁性素子４１および４２は、長手方向に対して、磁化容易軸４１ＥＡ、４２ＥＡが傾斜して誘導されている。さらに、磁性素子４１および４２の磁化容易軸がそれぞれ磁性膜に流れる電流Ｉ_２に対して異なる方向に向けて誘導されている。

このような構成にすることによって、被測定回路に流れる電流Ｉ_１によって生成される磁界Ｈの影響を受け、磁性素子４１、４２の磁化Ｍは、Ｍ１およびＭ２のように回転する。磁性素子４１、４２に流れる電流Ｉ_２の向きは、素子端子間（４１ａ、４１ｂ間および４２ａ、４２ｂ間：長手方向）にあるので、磁性素子４１、４２において、電流の向きと磁化の向きの関係は、それぞれ接近する向きと離れる向きというように異なる向きとなる。

これは、実施の形態１および２の場合同様、それぞれの磁性素子４１、４２において、電気抵抗は増加（＋ΔＲｍｒ）と減少（−ΔＲｍｒ）となる。その後の信号処理に関しても、実施の形態１および２と同様であり、力率ｃｏｓθに比例する電圧を得ることができる。

以上のように本発明の力率計測装置３は、被測定回路中の誘導負荷９での消費電力の力率を電圧値として計測することができる。これは、誘導モータといった、運転状態で力率が変化する負荷の電力制御に大変有効である。

本発明は、家庭電気製品分野、自動車分野、産業機器分野など誘導負荷（リアクタンス）を制御する局面において広く利用することができる。

１、２、３ 力率計測装置
７ 電源
８ 接続線（抵抗）
９ 負荷
１０ 力率センサ部
１０ｔ（１０ｔａ、１０ｔｂ） センサ端子
１２（１２ａ、１２ｂ） 連結端
１３（１３ａ、１３ｂ） 計測端子
１５ 電圧検出部
１６ ローパスフィルタ
１７ ハイパスフィルタ
１８ 整流器
１９ 除算手段
２１ 第１の磁性素子
２１ａ、２１ｂ （第１の磁性素子の）素子端子
２１ｃ （第１の磁性素子の）バイアス手段
２１ｊ （第１の磁性素子の）磁性膜
２１ＥＡ （第１の磁性素子の）磁化容易軸
２２ 第２の磁性素子
２２ａ、２２ｂ （第２の磁性素子の）素子端子
２２ｃ （第２の磁性素子の）バイアス手段
２２ｊ （第２の磁性素子の）磁性膜
２２ＥＡ （第２の磁性素子の）磁化容易軸
２３ 第１の計測抵抗
２４ 第２の計測抵抗
２５ 絶縁層

３１ 第１の磁性素子
３１ａ、３１ｂ （第１の磁性素子の）素子端子
３１ｊ （第１の磁性素子の）磁性膜
３１ＥＡ （第１の磁性素子の）磁化容易軸
３２ 第２の磁性素子
３２ａ、３２ｂ （第２の磁性素子の）素子端子
３２ｊ （第２の磁性素子の）磁性膜
３２ＥＡ （第２の磁性素子の）磁化容易軸

４１ 第１の磁性素子
４１ａ、４１ｂ （第１の磁性素子の）素子端子
４１ｊ （第１の磁性素子の）磁性膜
４１ＥＡ （第１の磁性素子の）磁化容易軸
４２ 第２の磁性素子
４２ａ、４２ｂ （第２の磁性素子の）素子端子
４２ｊ （第２の磁性素子の）磁性膜
４２ＥＡ （第２の磁性素子の）磁化容易軸
５１、５２ 力率センサ部
５１ｔ（５１ｔａ、５１ｔｂ）、５２ｔ（５２ｔａ、５２ｔｂ） センサ端子

Claims (4)

1. 電源に接続線を介して接続された負荷において消費される電力の力率を測定する力率計測装置であって、
   前記電源に対して前記負荷と並列に連結するための一対の連結端と、
   同一外部磁界によって電気抵抗の変化が異なる２つの磁性素子と、
   前記２つの磁性素子の差動電圧を出力する一対の計測端子と、
   前記一対の連結端と接続される一対のセンサ端子を含む力率センサ部と、
   前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部と、
   前記電圧検出部の出力に接続されたローパスフィルタと、
   前記電圧検出部の出力に接続されたハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタに接続された整流器と、
   前記ローパスフィルタの出力と、前記整流器の出力を除算する除算手段
   を有することを特徴とする力率計測装置。
2. 前記２つの磁性素子は、
   短冊状の磁性膜の両端に設けられた素子端子と、
   前記磁性膜の膜面に平行に磁界が印加されるバイアス手段を有し、
   前記バイアス手段は、それぞれの磁性素子に流れる電流方向に対して、一方の磁性素子の面内方向に印加する磁界方向と他方の磁性素子の面内方向に印加する磁界方向が異なることを特徴とする請求項１に記載された力率計測装置。
3. 前記２つの磁性素子は、
   短冊状の磁性膜の両端に設けられた素子端子と、
   前記磁性膜の表面に前記素子端子間方向に対して傾斜した複数の導体が形成されたバイアス手段を有し、
   前記バイアス手段は、一方の磁性素子表面の導体の磁性素子に流れる電流方向に対する傾斜方向が、他方の磁性素子表面の導体の磁性素子に流れる電流方向に対する傾斜方向と異なることを特徴とする請求項１に記載された力率計測装置。
4. 前記２つの磁性素子は、
   短冊状の磁性膜の両端に設けられた素子端子と、
   前記素子端子間方向に対して傾斜した磁化容易軸が誘導されたバイアス手段を有し、
   前記バイアス手段は、一方の磁性素子の磁性素子に流れる電流方向に対する磁化容易軸の傾斜方向が、他方の磁性素子の磁性素子に流れる電流方向に対する磁化容易軸の傾斜方向と異なる方向であることを特徴とする請求項１に記載された力率計測装置。