JP2016115240A - 乗算回路及びそれを備えた電力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗素子を用いた乗算回路を提供する。【解決手段】乗算回路１は、複数の磁気抵抗素子１１，１２を直列に接続して両端に所定電圧Ｖｒｅｆが印加される第１の磁気抵抗素子群１０と、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２のそれぞれの近傍位置に配置される複数のコイル１３，１４と、所定電圧Ｖｒｅｆが分圧された分圧信号Ｖ３と第１の入力信号Ｖ１とを比較して複数のコイル１３、１４に電流Ｉｃを流すことにより複数の磁気抵抗素子１１，１２のそれぞれにコイル磁界Ｈａ，Ｈｂを作用させ、分圧信号Ｖ３を第１の入力信号Ｖ１に応じた電位に制御するコイル駆動回路１５と、複数のコイル１３，１４の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子１７，１８を直列に接続して両端に第２の入力信号Ｖ２に応じた電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群１６とを備える構成である。【選択図】図１

Description

本発明は、アナログ回路で構成される乗算回路及びそれを備えた電力センサーに関する。

従来、磁気抵抗素子を利用して負荷で消費される電力を測定できるようにした電力センサーが提案されている（例えば特許文献１）。従来の電力センサーは、負荷に対して一次導体を直列に接続すると共に、その一次導体の近傍位置に配置した磁気抵抗素子を負荷と一次導体に対して並列に接続した構成である。そして一次導体が負荷に流れる電流に応じた磁界を発生させて磁気抵抗素子の抵抗値を変化させ、磁気抵抗素子の両端の電圧を検出することにより負荷で消費される電力を測定する。この電力センサーでは、磁気抵抗素子の両端に現れる電圧に直流成分と交流成分とが含まれており、負荷で消費される電力成分が直流成分にのみ含まれる。そのため、ローパスフィルタなどを用いて交流成分を除去し、負荷で消費される電力成分のみを出力するように構成される。

このような従来の電力センサーは、磁気抵抗素子の特性がそのまま出力値に現れるため、磁気抵抗素子の抵抗値がほぼ線形状に変化する線形領域では、ある程度の測定精度を確保することができるものの、線形領域から外れると測定精度が著しく低下する。また従来の電力センサーは、外部磁場の影響を受けやすく、外部磁場によって測定精度が著しく変動する。

国際公開第２０１２／１０５４５９号

ところで、負荷で消費される電力は、負荷に流れる負荷電流と負荷にかかる負荷電圧との乗算によって算出される。そこで負荷電流と負荷電圧とを測定し、それらをアナログ乗算回路によって乗算するように構成すれば、ローパスフィルタなどを用いることなく、負荷で消費される電力を出力することができる。この場合、電力センサーに磁気抵抗素子を用いて負荷電流や負荷電圧を検出するのであれば、乗算回路にも磁気抵抗素子を用いることで同一のチップ上に同一工程で乗算回路を作成できるため、比較的安価に乗算回路を形成することができる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗素子を用いた乗算回路を提供すると共に、そのような乗算回路を備えた電力センサーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１に、本発明は、第１の入力信号と第２の入力信号とを乗算して出力する乗算回路であって、複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に所定電圧が印加される第１の磁気抵抗素子群と、前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置される複数のコイルと、前記所定電圧が前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子によって分圧された分圧値と前記第１の入力信号とを比較して前記複数のコイルに電流を流すことにより前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれにコイル磁界を作用させ、前記分圧値を前記第１の入力信号に応じた電位に制御するコイル駆動手段と、前記複数のコイルのそれぞれの近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に前記第２の入力信号に応じた電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群と、を備え、前記第２の磁気抵抗素子群は、前記コイル磁界に応じて複数の磁気抵抗素子の抵抗値を変化させることにより前記第２の磁気抵抗素子群の中間点に前記第１の入力信号と前記第２の入力信号との乗算値に応じた信号を生成して出力することを特徴とする構成である。

第２に、本発明は、第１の構成を有する乗算回路において、複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第１の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路の２つの中点の電位を検知して前記コイル駆動手段へ出力する検知回路と、複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第２の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路と、前記第２のブリッジ回路の２つの中点の電位に基づいて前記第１の入力信号と前記第２の入力信号との乗算信号を生成して出力する出力回路と、を更に備えることを特徴とする構成である。

第３に、本発明は、第１又は第２の構成を有する乗算回路において、前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置されると共に、前記第２の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置され、前記複数のコイルは、それぞれ異なる方向に巻き回した構成であることを特徴とする構成である。

第４に、本発明は、負荷で消費される電力を測定する電力センサーであって、前記負荷に流れる負荷電流を測定して電流検知信号を出力する電流測定回路と、前記負荷にかかる負荷電圧を測定して電圧検知信号を出力する電圧測定回路と、前記電流検知信号と前記電圧検知信号とを乗算して電力信号を出力する乗算回路と、を有し、前記乗算回路は、複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に所定電圧が印加される第１の磁気抵抗素子群と、前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置される複数のコイルと、前記電流検知信号及び前記電圧検知信号のうちのいずれか一方の信号と、前記所定電圧が前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子によって分圧された分圧値とを比較して前記複数のコイルに電流を流すことにより前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれにコイル磁界を作用させ、前記分圧値を前記一方の信号に応じた電位に制御するコイル駆動手段と、前記複数のコイルのそれぞれの近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続し、両端に、前記電流検知信号及び前記電圧検知信号のうちの他方の信号に応じた電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群と、を備え、前記第２の磁気抵抗素子群は、前記コイル磁界に応じて複数の磁気抵抗素子の抵抗値を変化させることにより前記第２の磁気抵抗素子群の中間点に前記電流検知信号と前記電圧検知信号とを乗算した電力信号を生成して出力することを特徴とする構成である。

第５に、本発明は、第４の構成を有する電力センサーにおいて、前記乗算回路は、複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第１の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路の２つの中点の電位を検知して前記コイル駆動手段へ出力する検知回路と、複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第２の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路と、前記第２のブリッジ回路の２つの中点の電位に基づいて前記電力信号を生成して出力する出力回路と、を更に備えることを特徴とする構成である。

第６に、本発明は、第４又は第５の構成を有する電力センサーにおいて、前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置されると共に、前記第２の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置され、前記複数のコイルは、それぞれ異なる方向に巻き回した構成であることを特徴とする構成である。

本発明によれば、外部磁場などの影響を受けることなく、高精度に乗算値を出力することが可能な磁気抵抗素子を用いた乗算回路を提供することができる。また本発明によれば、外部磁場などの影響を受けることなく、高精度に電力を測定することができる電力センサーを提供することができる。

乗算回路の動作原理を示す図である。 乗算回路の具体的な一構成例を示す回路図である。 電力センサーの一構成例を示す図である。 電力センサーの具体的な回路構成の一例を示す図である。 磁気抵抗素子の特性の一例を示す図である。 電力センサーを１チップデバイスとして構成する場合のレイアウト例を示す図である。 図４とは異なる電力センサーの構成例を示す図である。 電力センサーを１チップデバイスとして構成する場合のレイアウト例を示す図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

（乗算回路の動作原理）
図１は、本発明における乗算回路１の動作原理を示す図である。乗算回路１は、第１の入力信号Ｖ１と、第２の入力信号Ｖ２とを乗算して出力信号Ｖｏｕｔを出力する回路である。この乗算回路１は、複数の磁気抵抗素子１１，１２を直列に接続して構成される第１の磁気抵抗素子群１０と、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２のそれぞれの近傍位置に配置される複数のコイル１３，１４と、複数のコイル１３，１４に電流を流して駆動するコイル駆動回路１５と、複数のコイル１３，１４の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子１７，１８を直列に接続して構成される第２の磁気抵抗素子群１６とを有する。図例では、第１の磁気抵抗素子群１０が２つの磁気抵抗素子１１，１２で構成され、第２の磁気抵抗素子群１６もまた２つの磁気抵抗素子１７，１８で構成される。そしてコイル１３が磁気抵抗素子１１，１７の近傍位置に配置され、コイル１４が磁気抵抗素子１２，１８の近傍位置に配置される。

磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８は、強磁性材を含んでおり、外部磁場の向き及び大きさに応じて磁化方向を回転させることにより電気抵抗を変化させる素子である。これら複数の磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態で各コイル１３，１４の近傍位置に配置される。尚、各磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８は同一の特性を有する素子である。

複数の磁気抵抗素子１１，１２が直列に接続された第１の磁気抵抗素子群１０は、その両端に所定の基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。そのため、第１の磁気抵抗素子群１０は、基準電圧Ｖｒｅｆを複数の磁気抵抗素子１１，１２で分圧した分圧値Ｖ３をその中間点ａに生成する。

コイル駆動回路１５は、例えばオペアンプなどによって構成され、第１の入力信号Ｖ１と、第１の磁気抵抗素子群１０で生成される分圧値Ｖ３とを比較し、その比較結果に基づいて複数のコイル１３，１４にコイル電流Ｉｃを流す。ここで、磁気抵抗素子１１，１７の近傍位置に設けられているコイル１３と、磁気抵抗素子１２，１８の近傍位置に設けられているコイル１４とは、互いに巻き回し方向が逆向きとなるように配置される。そのため、コイル１３は、コイル電流Ｉｃに応じて所定方向のコイル磁界Ｈａを発生させ、そのコイル磁界Ｈａを磁気抵抗素子１１，１７に作用させる。またコイル１４は、そのコイル電流Ｉｃに応じてコイル１３で発生するコイル磁界Ｈａと同じ大きさであり、且つ、逆向きのコイル磁界Ｈｂを発生させ、そのコイル磁界Ｈｂを磁気抵抗素子１２，１８に作用させる。

第１の磁気抵抗素子群１０を構成する複数の磁気抵抗素子１１，１２は、コイル１３，１４からのコイル磁界Ｈａ，Ｈｂが作用することにより、抵抗値を変化させる。このとき、複数の磁気抵抗素子１１，１２にはそれぞれ異なる方向のコイル磁界Ｈａ，Ｈｂが作用するため、例えば一方の磁気抵抗素子１１の抵抗値が上昇すると、他方の磁気抵抗素子１２の抵抗値が低下する。その結果、複数の磁気抵抗素子１１，１２の中間点ａにおける分圧値Ｖ３は、コイル電流Ｉｃに応じて変動する。コイル駆動回路１５は、分圧値Ｖ３と第１の入力信号Ｖ１とが互いに等しくなるように複数のコイル１３，１４に流すコイル電流Ｉｃを調整する。そして分圧値Ｖ３と第１の入力信号Ｖ１とが互いに等しくなると、コイル電流Ｉｃが安定し、複数のコイル１３，１４には第１の入力信号Ｖ１に応じたコイル電流Ｉｃが流れる。このときの磁気抵抗素子１１の抵抗値が（Ｒ＋ΔＲ）、磁気抵抗素子１２の抵抗値が（Ｒ−ΔＲ）であるとすると、次式（１）が成立する。

一方、複数の磁気抵抗素子１７，１８が直列に接続された第２の磁気抵抗素子群１６は、その両端に第２の入力信号Ｖ２に応じた電圧が印加される。そのため、第２の磁気抵抗素子群１６は、第２の入力信号Ｖ２を複数の磁気抵抗素子１７，１８で分圧した分圧値をその中間点ｃに生成し、その分圧値を出力信号Ｖｏｕｔとして出力する。複数のコイル１３，１４にコイル電流Ｉｃが流れているとき、それら複数のコイル１３，１４から発生するコイル磁界Ｈａ，Ｈｂは、第２の磁気抵抗素子群１６の磁気抵抗素子１７，１８にも作用する。このとき、複数の磁気抵抗素子１７，１８にはそれぞれ異なる方向のコイル磁界Ｈａ，Ｈｂが作用するため、例えば一方の磁気抵抗素子１７の抵抗値が上昇すると、他方の磁気抵抗素子１８の抵抗値が低下する。その結果、複数の磁気抵抗素子１７，１８の中間点ｃにおける出力信号Ｖｏｕｔは、複数のコイル１３，１４から発生するコイル磁界Ｈａ，Ｈｂに応じて変動する。このときの磁気抵抗素子１７の抵抗値が（Ｒ＋ΔＲ）、磁気抵抗素子１８の抵抗値が（Ｒ−ΔＲ）であるとすると、次式（２）が成立する。

上記式（１）及び式（２）より、出力信号Ｖｏｕｔは、次式（３）で表すことができる。

つまり、第２の磁気抵抗素子群１６は、２つの磁気抵抗素子１７，１８の中間点ｃに、第１の入力信号Ｖ１と第２の入力信号Ｖ２との乗算値Ｖ１・Ｖ２に応じた出力信号Ｖｏｕｔを生成する。したがって、乗算回路１は、第１の入力信号Ｖ１と第２の入力信号Ｖ２との乗算値を出力信号Ｖｏｕｔとして出力することが可能である。そして乗算回路１の出力信号Ｖｏｕｔには磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８の特性が現れないため、高精度な乗算値を出力することが可能である。

また図１に示す乗算回路１は、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２のそれぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置すると共に、第２の磁気抵抗素子群１６に含まれる複数の磁気抵抗素子１７，１８のそれぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置している。このような構成によれば、磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８のそれぞれに外部磁場が作用すると、各磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８の抵抗値は共に上昇したり、又は低下したりする。そのため、外部磁場が作用しても第１及び第２の磁気抵抗素子群１０，１６のそれぞれの中間点ａ，ｃにおける分圧値は変動することがなく、外部磁場の影響は生じない。一方、複数のコイル１３，１４は、コイルを構成する導体をそれぞれ異なる方向に巻き回した状態で、磁気抵抗素子１１，１７及び磁気抵抗素子１２，１８の近傍位置に配置される。したがって、第１及び第２の磁気抵抗素子群１０，１６は、外部磁場の影響を打ち消しつつ、コイル電流Ｉｃに応じて各コイル１３，１４から発生するコイル磁界Ｈａ，Ｈｂだけに感度を有する構成である。

（乗算回路の具体的構成例）
図２は、乗算回路１の具体的な一構成例を示す回路図である。図２に示す乗算回路１は、複数の抵抗２１，２２が直列に接続された抵抗素子群を第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路２０と、第１のブリッジ回路２０の２つの中点ａ，ｂの電位差を検知してコイル駆動回路１５へ出力する検知回路２６と、複数の抵抗２４，２５が直列に接続された抵抗素子群を第２の磁気抵抗素子群１６に含まれる複数の磁気抵抗素子１７，１８と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路２３と、第２のブリッジ回路２３の２つの中点ｃ，ｄの電位に基づいて第１の入力信号Ｖ１と第２の入力信号Ｖ２とを乗算した出力信号Ｖｏｕｔを生成して出力する出力回路３０とを備えている。抵抗２１，２２，２４，２５の抵抗値は同じである。そして第１のブリッジ回路２０の両端には所定電圧である基準電圧Ｖｒｅｆが印加され、第２のブリッジ回路２３の両端には第２の入力信号Ｖ２に応じた電圧が印加される。

検知回路２６は、抵抗２７，２８とオペアンプ２９とを備える反転増幅回路によって構成され、第１のブリッジ回路２０の２つの中点ａ，ｂの電位を検知して出力信号Ｖ４をコイル駆動回路１５へフィードバックする。そしてコイル駆動回路１５は、検知回路２６の出力信号Ｖ４が第１の入力信号Ｖ１と等しくなるように複数のコイル１３，１４にコイル電流Ｉｃを流す。これにより、各コイル１３，１４からコイル磁界Ｈａ，Ｈｂが発生し、磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８の抵抗値が変化する。ここで、抵抗２７，２８の抵抗値が互いに等しく、磁気抵抗素子１１の抵抗値が（Ｒ＋ΔＲ）、磁気抵抗素子１２の抵抗値が（Ｒ−ΔＲ）であるとすると、次式（４）が成立する。

また出力回路３０は、検知回路２６と同様、抵抗３１，３２とオペアンプ３３とを備える反転増幅回路によって構成され、第２のブリッジ回路２３の２つの中点ｃ，ｄの電位を検知して出力信号Ｖｏｕｔを生成する。ここで、抵抗３１，３２の抵抗値が互いに等しく、磁気抵抗素子１７の抵抗値が（Ｒ＋ΔＲ）、磁気抵抗素子１８の抵抗値が（Ｒ−ΔＲ）であるとすると、次式（５）が成立する。

上記式（４）及び式（５）より、出力信号Ｖｏｕｔは、次式（６）で表すことができる。

したがって、図２に示す乗算回路１は、出力回路３０から第１の入力信号Ｖ１と第２の入力信号Ｖ２との乗算値Ｖ１・Ｖ２に応じた出力信号Ｖｏｕｔを出力することができる。特に、図２に示す乗算回路１は、第１の磁気抵抗素子群１０を含む第１のブリッジ回路２０と、第２の磁気抵抗素子群１６を含む第２のブリッジ回路２３とを形成し、検知回路２６と出力回路３０とを用いて出力信号Ｖｏｕｔを生成するため、出力信号Ｖｏｕｔを任意の電位を基準にして生成することができるという利点がある。そのため、例えば第１の入力信号Ｖ１及び第２の入力信号Ｖ２のいずれか一方若しくは双方が負電圧側に振れる場合であっても、乗算回路１が所定の正電位を基準にして出力信号Ｖｏｕｔを生成するように構成すれば、乗算回路１に負電源を接続する必要がないため、利便性が高くなる。このような乗算回路１は、多種多様な回路に適用可能であるが、以下においては一例として電力センサーに適用した例について説明する。

（電力センサーの構成例）
図３は、本発明における電力センサー２の一構成例を示す図である。この電力センサー２は、負荷１００が設けられた測定対象回路１３０の近傍位置に配置され、負荷１００に流れる負荷電流Ｉｉと、負荷１００にかかる負荷電圧ＶＬとを測定して乗算することにより、負荷１００で消費される電力を測定した電力信号Ｖｏｕｔを出力するセンサーである。測定対象回路１３０は、例えば、負荷１００に電力を供給する電源１０１と、負荷１００に対して直列に接続される第１の導体１１０と、２つの外部抵抗１０２，１０３とを有する。第１の導体１１０は、プリント基板などの基板上に形成された配線パターンやバスバーなどによって構成される。そして第１の導体１１０は、負荷電流Ｉｉが流れることにより周囲に負荷電流Ｉｉに応じた第１の磁界Ｈ１を発生させる。一方、外部抵抗１０２，１０３は、負荷１００に応じた耐圧特性を有し、互いに直列に接続される。そして外部抵抗１０２，１０３は、負荷１００に対して並列に接続されることにより負荷電圧ＶＬを所定の抵抗比で分圧した分圧信号（分圧値）Ｖｄを出力する。電力センサー２は、第１の導体１１０から発生する第１の磁界Ｈ１と、外部抵抗１０２，１０３から出力される分圧信号Ｖｄとを検知することにより、負荷１００で消費される電力を測定する。

電力センサー２は、電圧測定回路３と、電流測定回路４と、乗算回路１と、基準電圧生成回路５とを備える構成である。例えば電力センサー２は、これら複数の回路を１つの基板上に形成した１チップデバイスとして構成される。この電力センサー２は、外部接続端子として、外部抵抗１０２，１０３による分圧信号Ｖｄを入力する入力端子６と、負荷１００で消費される電力を測定した電力信号Ｖｏｕｔを出力する出力端子７と、グランドＧＮＤ（接地電位）を基準に所定の正電圧ＶＤＤを出力する外部直流電源に接続される一対の電源端子８，９とを備えている。電源端子８は電源電圧ＶＤＤに接続され、電源端子９はグランドＧＮＤに接続される。

電圧測定回路３は、外部抵抗１０２，１０３によって負荷電圧ＶＬが分圧された分圧信号Ｖｄに基づき、負荷電圧ＶＬを測定する回路であり、負荷電圧ＶＬに応じた電圧検知信号Ｖｖを出力する。本実施例では、この電圧検知信号Ｖｖが上述した第１の入力信号Ｖ１に相当する。

電流測定回路４は、負荷電流Ｉｉが流れる第１の導体１１０の近傍位置に配置され、第１の導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉによって発生する第１の磁界Ｈ１を検出して負荷電流Ｉｉを測定する回路である。この電流測定回路４は、磁界検出部４０と負荷電流検出部５０とを備えている。磁界検出部４０は、第１の導体１１０から生じる第１の磁界Ｈ１を検出し、第１の磁界Ｈ１に応じた信号を負荷電流検出部５０へ出力する。負荷電流検出部５０は、磁界検出部４０から出力される信号に基づいて負荷電流Ｉｉを検知し、負荷電流Ｉｉに応じた電流検知信号Ｖｉを出力する。本実施例では、この電流検知信号Ｖｉが上述した第２の入力信号Ｖ２に相当する。

乗算回路１は、電圧測定回路３から出力される電圧検知信号Ｖｖと、電流測定回路４から出力される電流検知信号Ｖｉとを乗算することにより、負荷１００で消費される電力を算出する回路である。そして乗算回路１は、負荷１００で消費される電力を測定した電力信号Ｖｏｕｔを出力する。

基準電圧生成回路５は、電源電圧ＶＤＤを分圧することにより、電源電圧ＶＤＤとグランドＧＮＤとの中間電位である第１の基準電圧ＶＤＤ／２と、その第１の基準電圧ＶＤＤ／２に対して所定電圧Ｖｒｅｆ分だけ異なる電位である第２の基準電圧（ＶＤＤ／２＋Ｖｒｅｆ）とを生成する回路である。この基準電圧生成回路５は、例えばボルテージフォロアなどのバッファ回路から第１の基準電圧ＶＤＤ／２と、第２の基準電圧（ＶＤＤ／２＋Ｖｒｅｆ）を出力する。

図４は、電力センサー２の具体的な回路構成の一例を示す図である。まず、電圧測定回路３は、例えばオペアンプ３５と複数の抵抗３６，３７，３８，３９とを備える差動増幅回路によって構成される。この電圧測定回路３は、第１の基準電圧ＶＤＤ／２を基準にした電圧検知信号Ｖｖを生成して出力する。すなわち、負荷電圧ＶＬが正のときには電圧検知信号Ｖｖが第１の基準電圧ＶＤＤ／２よりも大きくなり、負荷電圧ＶＬが負のときには電圧検知信号Ｖｖが第１の基準電圧ＶＤＤ／２よりも小さくなる。また負荷電圧ＶＬが０のときには電圧検知信号Ｖｖが第１の基準電圧ＶＤＤ／２と等しくなる。そして電圧測定回路３は、負荷電圧ＶＬに応じて第１の基準電圧ＶＤＤ／２を中心に変動する電圧検知信号Ｖｖを乗算回路１のコイル駆動回路１５へ出力する。

一方、第１の導体１１０は、図４に示すように概略Ｕ字状に構成される。そして第１の導体１１０は、所定間隔を隔てて互いに平行で且つ直線状に配線された一対の配線パターン１１１，１１２を有しており、それら一対の配線パターン１１１，１１２にそれぞれ異なる方向の負荷電流Ｉｉが流れるように構成される。

電流測定回路４の磁界検出部４０は、第１の導体１１０の近傍位置に設けられ、第１の導体１１０から生じる第１の磁界Ｈ１を非接触で検知する。この磁界検出部４０は、複数の磁気抵抗素子４３，４４，４５，４６を備えて構成されるブリッジ回路４１を有している。ブリッジ回路４１では４つの磁気抵抗素子４３，４４，４５，４６がブリッジ接続されている。これらの磁気抵抗素子４３，４４，４５，４６は、乗算回路１に設けられる磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８と同様、磁気抵抗効果によって電気抵抗が変化する素子であり、第１の導体１１０から発生する第１の磁界Ｈ１に応じて抵抗値を変化させる。図５は、磁気抵抗素子の特性の一例を示す図である。尚、図５では、異方性磁気抵抗効果を示すＡＭＲ素子の特性を示している。例えば磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８，４３〜４６がＡＭＲ素子である場合、図５に示すように、外部からの磁界Ｈが作用すると、その磁界Ｈの方向及び大きさに応じて抵抗値Ｒが変化し、その抵抗値Ｒは外部から作用する磁界Ｈに応じて偶関数を示す。また磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８，４３〜４６がＡＭＲ素子でない場合、特性曲線は図５とは異なるものになるが、磁界Ｈの方向及び大きさに応じて抵抗値Ｒが変化する点は同様である。そのため、磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８，４３〜４６は、ＡＭＲ素子以外の素子（例えば巨大磁気抵抗効果を示すＧＭＲ素子など）であっても良い。

図４に戻り、磁気抵抗素子４３〜４６は、磁気検知方向を同一方向に揃えた状態でＵ字状に構成された第１の導体１１０の内側に配置される。具体的に説明すると、２つの磁気抵抗素子４３，４４は、Ｕ字形状において互いに平行に延びる２つの配線パターン１１１，１１２のうちの一方の配線パターン１１１の近傍位置に設けられ、別の２つの磁気抵抗素子４５，４６は、他方の配線パターン１１２の近傍位置に設けられる。そして４つの磁気抵抗素子４３〜４６がブリッジ接続されたブリッジ回路４１は、一端が電源電圧ＶＤＤに接続され、他端がグランドＧＮＤに接続される。またブリッジ回路４１は、磁気抵抗素子４３，４６を互いに接続すると共に、磁気抵抗素子４５，４４を互いに接続したクロス配線によって構成される。

第１の導体１１０に負荷電流Ｉｉが流れていないときには、ブリッジ回路４１における２つの中点ｅ，ｆの電位は互いに等しくなり、電位差は生じない。これに対し、第１の導体１１０に負荷電流Ｉｉが流れると、第１の導体１１０の周囲には負荷電流Ｉｉの方向に対して右回り方向に第１の磁界Ｈ１が発生する。このとき、一方の配線パターン１１１の近傍位置にある磁気抵抗素子４３，４４には、例えば図４に示すように右向き方向の磁界Ｈｃが作用し、他方の配線パターン１１２の近傍位置にある磁気抵抗素子４５，４６には、その磁界Ｈｃと大きさが等しく、且つ、逆向きの磁界Ｈｄが作用する。そして一方の配線パターン１１１の近傍位置にある磁気抵抗素子４３，４４の抵抗値が磁界ＨｃによってΔＲだけ増加すると、他方の配線パターン１１２の近傍位置にある磁気抵抗素子４５，４６の抵抗値は磁界ＨｄによってΔＲだけ減少し、ブリッジ回路４１の２つの中点ｅ，ｆのうち、第１の中点ｅの電位が上がり、第２の中点ｆの電位が下がる。したがって、ブリッジ回路４１の２つの中点ｅ，ｆには第１の導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉに応じた電位差が現れる。

ところで、４つの磁気抵抗素子４３〜４６には、第１の導体１１０から発生する第１の磁界Ｈ１（すなわち、Ｈｃ，Ｈｄ）だけではなく、外部環境からの外部磁界が作用する。しかし、そのような外部磁界は、４つの磁気抵抗素子４３〜４６のそれぞれに対して同一方向で且つ均一に作用するため、各磁気抵抗素子４３〜４６の抵抗値は、外部磁界に対して等しい割合で増減し、ブリッジ回路４１の２つの中点ｅ，ｆには外部磁界による電位差は生じない。すなわち、電流測定回路４は、外部磁界による影響を打ち消し、負荷電流Ｉｉが流れる第１の導体１１０から発生する第１の磁界Ｈ１に対してのみ感度を有するように構成される。

負荷電流検出部５０は、オペアンプ５１と、出力抵抗５２と、４つのコイル５３，５４，５５，５６とを備えており、ブリッジ回路４１の２つの中点ｅ，ｆに現れる電位差に基づき第１の導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉに応じた電流検知信号Ｖｉを出力する。４つのコイル５３〜５６は、それぞれ同一の特性を有し、ブリッジ回路４１を構成する４つの磁気抵抗素子４３〜４６の近傍位置に１対１で設けられる。そして各コイル５３〜５６は直列に接続された回路構成を有し、その回路の一端が出力抵抗５２を介してオペアンプ５１の出力端に接続され、他端が第１の基準電圧ＶＤＤ／２に接続される。オペアンプ５１は、２つの中点ｅ，ｆの電位差に応じて電流検知信号Ｖｉを出力することにより、出力抵抗５２を介して４つのコイル５３〜５６にコイル電流を流す。このコイル電流は、各コイル５３〜５６から各磁気抵抗素子４３〜４６に作用している第１の磁界Ｈ１を打ち消す磁界を発生させる。つまり、オペアンプ５１は、２つの中点ｅ，ｆの電位差が０になるようにコイル電流をフィードバックするのである。これにより、４つの磁気抵抗素子４３〜４６に対して常に外部磁界だけが作用している状態となる制御が行われ、磁気抵抗素子４３〜４６の動作点を、例えば図５においてＸで示す位置に固定することができる。ここで、Ｘで示す位置は、例えば外部磁界だけが作用している状態の位置である。したがって、第１の導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉが変化しても磁気抵抗素子４３〜４６の抵抗値Ｒを安定させた状態で負荷電流Ｉｉを測定することができる。

オペアンプ５１は、第１の基準電圧ＶＤＤ／２を基準とした電流検知信号Ｖｉを出力する。つまり、オペアンプ５１から出力される電流検知信号Ｖｉは、負荷１００に流れる負荷電流Ｉｉの方向及び大きさに応じて第１の基準電圧ＶＤＤ／２を中心にして正負双方向に変動する信号となり、負荷電流Ｉｉが０のときには電流検知信号Ｖｉは第１の基準電圧ＶＤＤ／２に等しい信号となる。

乗算回路１は、図２に示した構成と同様である。ただし、この電力センサー２における乗算回路１は、第１の基準電圧ＶＤＤ／２を基準にした電力信号Ｖｏｕｔを出力することができるように構成されている。すなわち、第１のブリッジ回路２０の一端には第２の基準電圧（ＶＤＤ／２＋Ｖｒｅｆ）が印加され、他端には第１の基準電圧ＶＤＤ／２が印加される。また第２のブリッジ回路２３の一端には電流測定回路４から出力される電流検知信号Ｖｉが印加され、他端には第１の基準電圧ＶＤＤ／２が印加される。そしてコイル駆動回路１５によるコイル電流Ｉｃが流れる複数のコイル１３，１４のうち、コイル１４の一端には第１の基準電圧ＶＤＤ／２が印加される。このような乗算回路１は、第１の基準電圧ＶＤＤ／２を基準にして動作するため、電圧検知信号Ｖｖと電流検知信号Ｖｉとを乗算した電力信号Ｖｏｕｔを次式（７）で表すことができる。

したがって、電力センサー２は、負荷電圧ＶＬ及び負荷電流Ｉｉが正負双方向に振れる場合であっても、正負両電源を必要とせず、電源電圧ＶＤＤの単一電源で電力を測定することができるので利便性が高い。また上述した電力センサー２は、磁気抵抗素子４３〜４６，１１，１２，１７，１８を用いているものの、外部磁場の影響を受け難い構成であるため、高精度な電力測定が可能である。

図６は、電力センサー２を１チップデバイスとして構成する場合のレイアウト例を示す図である。上述したように電流測定回路４の磁気抵抗素子４３〜４６は第１の導体１１０の一対の配線パターン１１１，１１２の近傍位置に配置され、ブリッジ回路４１を構成する。一方、乗算回路１に設けられる磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８には、第１の導体１１０から発せられる第１の磁界Ｈ１が均一に作用することが好ましいため、例えば図６に示すように一対の配線パターン１１１，１１２のうちのいずれか一方に近接した状態に配置されることが好ましい。これにより、乗算回路１では、第１の導体１１０から発せられる第１の磁界Ｈ１の影響を受けず、外部磁場と同様に取り扱うことが可能となる。

（電力センサーの別の構成例）
図７は、上記とは異なる電力センサー２ａの構成例を示す図である。この電力センサー２ａは、負荷１００が接続された測定対象回路１３０と絶縁された構成であり、負荷１００で消費される電力を非接触で測定する点に特徴を有するものである。すなわち、測定対象回路１３０は、例えば、負荷１００に電力を供給する電源１０１と、負荷１００に対して直列に接続される第１の導体１１０と、第２の導体１２０と、第２の導体１２０に対して直列に接続される抵抗１０４とを有し、第２の導体１２０と抵抗１０４とが負荷１００に対して並列に接続される。第１及び第２の導体１１０，１２０は、プリント基板などの基板上に形成される配線パターンやバスバーなどによって構成される。そして第１の導体１１０には負荷１００に流れる負荷電流Ｉｉが流れ、第２の導体１２０には負荷１００にかかる負荷電圧ＶＬに応じた電流Ｉｖが流れる。第１の導体１１０は、負荷電流Ｉｉが流れることにより周囲に負荷電流Ｉｉに応じた第１の磁界Ｈ１を発生させる。また第２の導体１２０は、負荷電圧ＶＬに応じた電流Ｉｖが流れることにより周囲に電流Ｉｖに応じた第２の磁界Ｈ２を発生させる。電力センサー２ａは、測定対象回路１３０のグランドとは絶縁された別のグランドＧＮＤに接続され、第１及び第２の磁界Ｈ１，Ｈ２を検知することにより、負荷１００で消費される電力を非接触で測定する。

この電力センサー２ａが図３に示した電力センサー２と異なる点は、電圧測定回路３である。すなわち、電圧測定回路３は、負荷電圧ＶＬに応じた電流Ｉｖが流れる第２の導体１２０の近傍位置に配置され、第２の導体１２０に流れる電流Ｉｖによって発生する第２の磁界Ｈ２を検出して負荷電圧ＶＬを測定する回路である。この電圧測定回路３は、磁界検出部６０と負荷電圧検出部７０とを備えている。磁界検出部６０は、図４に示した電流測定回路４の磁界検出部４０と同様の構成を有し、また負荷電圧検出部７０は、図４に示した電流測定回路４の負荷電流検出部５０と同様の構成を有する。したがって、電圧測定回路３は、第２の導体１２０から発生する第２の磁界Ｈ２に応じた電圧検知信号Ｖｖを出力することができる。電力センサー２ａのその他の点は、図３に示した電力センサー２と同様である。このような電力センサー２ａは、測定対象回路１３０から絶縁された状態で電力を測定することができるため、測定対象回路１３０のグランドにノイズなどが混入した場合でもそのノイズの影響を受けることがない。そのため、より高精度に電力を測定することが可能である。

図８は、電力センサー２ａを１チップデバイスとして構成する場合のレイアウト例を示す図である。例えば図８に示すように、電力センサー２ａが実装される基板上において第１及び第２の導体１１０，１２０は、互いに絶縁された状態で上下方向に重ね合わせられ、第１の導体１１０を構成する一対の配線パターン１１１，１１２と、第２の導体１２０を構成する一対の配線パターン１２１，１２２とが直交するように配線される。そして１チップデバイスとして構成される電力センサー２ａは、配線パターン１１１，１１２と配線パターン１２１，１２２とが交叉して形成される矩形領域の内側に配置される。そして電流測定回路４に含まれる４つの磁気抵抗素子４３〜４６は、１チップデバイスの周縁部において第１の導体１１０の一対の配線パターン１１１，１１２の近傍位置に設けられ、電圧測定回路３に含まれる４つの磁気抵抗素子６３〜６６は、１チップデバイスの周縁部において第２の導体１２０の一対の配線パターン１２１，１２２の近傍位置に設けられる。このような配置態様とすることにより、電圧測定回路３及び電流測定回路４のそれぞれが適切に第１の磁界Ｈ１又は第２の磁界Ｈ２を検知することが可能な状態で１チップデバイスを実現することができる。尚、この場合、乗算回路１に設けられる複数の磁気抵抗素子１１，１２，１７，１８は、第１の磁界Ｈ１と第２の磁界Ｈ２との双方が均一に作用する位置（例えばデバイスの中央位置など）に設けることが好ましい。

（変形例）
以上、本発明に関する実施例について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。例えば、上記実施例における電力センサー２，２ａでは、電圧検知信号Ｖｖを乗算回路１のコイル駆動回路１５へ導き、電流検知信号Ｖｉを乗算回路１の第２のブリッジ回路２３へ導く態様を例示したが、これに限られるものではなく、電圧検知信号Ｖｖを乗算回路１の第２のブリッジ回路２３へ導き、電流検知信号Ｖｉを乗算回路１のコイル駆動回路１５へ導くようにしても良い。

１…乗算回路、２，２ａ…電力センサー、３…電圧測定回路、４…電流測定回路、５…基準電圧生成回路、１０…第１の磁気抵抗素子群、１６…第２の磁気抵抗素子群、１１，１２，１７，１８…磁気抵抗素子、１３，１４…コイル、１５…コイル駆動回路（コイル駆動手段）、２０…第１のブリッジ回路、２３…第２のブリッジ回路、２６…検知回路、３０…出力回路。

Claims (6)

1. 第１の入力信号と第２の入力信号とを乗算して出力する乗算回路であって、
   複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に所定電圧が印加される第１の磁気抵抗素子群と、
   前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置される複数のコイルと、
   前記所定電圧が前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子によって分圧された分圧値と前記第１の入力信号とを比較して前記複数のコイルに電流を流すことにより前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれにコイル磁界を作用させ、前記分圧値を前記第１の入力信号に応じた電位に制御するコイル駆動手段と、
   前記複数のコイルのそれぞれの近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に前記第２の入力信号に応じた電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群と、
   を備え、
   前記第２の磁気抵抗素子群は、前記コイル磁界に応じて複数の磁気抵抗素子の抵抗値を変化させることにより前記第２の磁気抵抗素子群の中間点に前記第１の入力信号と前記第２の入力信号との乗算値に応じた信号を生成して出力することを特徴とする乗算回路。
2. 複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第１の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路と、
   前記第１のブリッジ回路の２つの中点の電位を検知して前記コイル駆動手段へ出力する検知回路と、
   複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第２の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路と、
   前記第２のブリッジ回路の２つの中点の電位に基づいて前記第１の入力信号と前記第２の入力信号との乗算信号を生成して出力する出力回路と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の乗算回路。
3. 前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置されると共に、
   前記第２の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置され、
   前記複数のコイルは、それぞれ異なる方向に巻き回した構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の乗算回路。
4. 負荷で消費される電力を測定する電力センサーであって、
   前記負荷に流れる負荷電流を測定して電流検知信号を出力する電流測定回路と、
   前記負荷にかかる負荷電圧を測定して電圧検知信号を出力する電圧測定回路と、
   前記電流検知信号と前記電圧検知信号とを乗算して電力信号を出力する乗算回路と、
   を有し、
   前記乗算回路は、
   複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に所定電圧が印加される第１の磁気抵抗素子群と、
   前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置される複数のコイルと、
   前記電流検知信号及び前記電圧検知信号のうちのいずれか一方の信号と、前記所定電圧が前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子によって分圧された分圧値とを比較して前記複数のコイルに電流を流すことにより前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれにコイル磁界を作用させ、前記分圧値を前記一方の信号に応じた電位に制御するコイル駆動手段と、
   前記複数のコイルのそれぞれの近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続し、両端に、前記電流検知信号及び前記電圧検知信号のうちの他方の信号に応じた電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群と、
   を備え、
   前記第２の磁気抵抗素子群は、前記コイル磁界に応じて複数の磁気抵抗素子の抵抗値を変化させることにより前記第２の磁気抵抗素子群の中間点に前記電流検知信号と前記電圧検知信号とを乗算した電力信号を生成して出力することを特徴とする電力センサー。
5. 前記乗算回路は、
   複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第１の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路と、
   前記第１のブリッジ回路の２つの中点の電位を検知して前記コイル駆動手段へ出力する検知回路と、
   複数の抵抗が直列に接続された抵抗素子群を前記第２の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路と、
   前記第２のブリッジ回路の２つの中点の電位に基づいて前記電力信号を生成して出力する出力回路と、
   を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の電力センサー。
6. 前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置されると共に、
   前記第２の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子は、それぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置され、
   前記複数のコイルは、それぞれ異なる方向に巻き回した構成であることを特徴とする請求項４又は５に記載の電力センサー。

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