JP2016142652A - 電力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響を受け難くして高精度な電力測定を可能にすると共に、小型化が可能な電力センサーを提供する。【解決手段】電力センサー１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に流れる電流によって発生する第１の磁界Ｈ１を検出して負荷電流Ｉｉを測定する電流測定回路２と、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に流れる電流によって発生する第２の磁界Ｈ２を検出して前記負荷電圧を測定する電圧測定回路３と、電流測定回路２から出力される負荷電流と、電圧測定回路３から出力される負荷電圧とを乗算して負荷電力を出力する乗算回路４と、を備え、電流測定回路２、電圧測定回路３及び乗算回路４は、負荷１００が接続された回路と絶縁された回路構成である。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷で消費される電力を検出する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）。この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。

国際公開第２０１２／１０５４５９号

しかしながら、従来の電力センサーは、負荷の消費電力を測定する測定回路が負荷に電流を流す測定対象回路に組み込まれており、測定回路が負荷と共通の電源によって動作する。そのため、測定対象回路に対してノイズが混入すると、そのノイズが測定回路側に入り込み、測定精度が低下するという問題がある。

また上記従来の電力センサーでは、磁気抵抗素子の両端に現れる電圧の直流成分を検出する必要があるため、ローパスフィルタを設ける必要がある。そのため、測定回路の回路規模が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ノイズの影響を受け難くして高精度な電力測定を可能にすると共に、小型化が可能な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、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、負荷電流が流れる第１の導体の近傍位置に配置され、前記第１の導体に流れる電流によって発生する第１の磁界を検出して前記負荷電流を測定する電流測定回路と、負荷電圧に応じた電流が流れる第２の導体の近傍位置に配置され、前記第２の導体に流れる電流によって発生する第２の磁界を検出して前記負荷電圧を測定する電圧測定回路と、前記電流測定回路から出力される前記負荷電流と、前記電圧測定回路から出力される前記負荷電圧とを乗算して負荷電力を出力する乗算回路と、を備え、前記電流測定回路、前記電圧測定回路及び前記乗算回路は、前記負荷が接続された回路と絶縁された回路構成である。

第２に、本発明は、上記第１の構成において、前記電流測定回路は、前記第１の磁界に応じて抵抗値を変化させる複数の磁気抵抗素子を備えた第１のブリッジ回路を有し、前記第１のブリッジ回路の出力に基づいて前記負荷電流を検出し、前記電圧測定回路は、前記第２の磁界に応じて抵抗値を変化させる複数の磁気抵抗素子を備えた第２のブリッジ回路を有し、前記第２のブリッジ回路の出力に基づいて前記負荷電圧を検出することを特徴とする構成である。

第３に、本発明は、上記第１又は第２の構成において、前記電流測定回路は、前記第１のブリッジ回路における前記複数の磁気抵抗素子の近傍位置に設けられる複数の第１コイルを更に備え、前記第１のブリッジ回路の出力に応じて前記複数の第１コイルに電流を流すことにより前記第１の磁界を打ち消す磁界を発生させると共に、前記電圧測定回路は、前記第２のブリッジ回路における前記複数の磁気抵抗素子の近傍位置に設けられる複数の第２コイルを更に備え、前記第２のブリッジ回路の出力に応じて前記複数の第２コイルに電流を流すことにより前記第２の磁界を打ち消す磁界を発生させることを特徴とする構成である。

第４に、本発明は、上記第１乃至第３のいずれかの構成において、前記第１の導体は、所定の間隔で互いに平行に配置され、且つ、直列に接続された一対の第１配線パターンを有し、前記第２の導体は、所定の間隔で互いに平行に配置され、且つ、直列に接続されると共に、前記第１配線パターンと交叉する一対の第２配線パターンを有し、前記電流測定回路と前記電圧測定回路とは、前記第１配線パターンと前記第２配線パターンとが交叉して形成される矩形領域の内側に配置されることを特徴とする構成である。

第５に、本発明は、上記第１乃至第４のいずれかの構成において、所定の正電圧を入力され、前記正電圧の極性を反転させた負電圧を出力するチャージポンプを更に備え、前記電流測定回路及び前記電圧測定回路は、前記正電圧と前記チャージポンプから出力される前記負電圧とを電源電圧として利用することを特徴とする構成である。

本発明によれば、負荷で消費される電力を測定するための、電流測定回路、電圧測定回路及び乗算回路が負荷の接続されている回路と絶縁された回路構成であるため、ノイズの影響を受け難く、高精度な電力測定を行うことが可能である。またローパスフィルタなどを設ける必要がないため、電力センサーの小型化が可能である。

第１実施形態における電力センサーの構成例を示すブロック図である。 第１実施形態における電流測定回路及び電圧測定回路の詳細な構成を示す回路図である。 磁気抵抗素子の抵抗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した場合の配置例を示す図である。 第２実施形態における電力センサーの一構成例を示すブロック図である。 第２実施形態における電流測定回路及び電圧測定回路の詳細な構成を示す回路図である。

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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における電力センサー１の一構成例を示す図である。この電力センサー１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で消費される電力を非接触で測定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、負荷１００に対して並列に接続される第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１０２とを有する。抵抗１０２は、負荷電圧ＶＬに応じた電流Ｉｖを第２の導体１２０に流すためのものである。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１は、それら第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測定する。

電力センサー１は、電流測定回路２と、電圧測定回路３と、乗算回路４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１は、それら複数の回路を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１は、外部接続端子として、負荷１００で消費される電力を測定した測定信号Ｖｏｕｔを出力する出力端子７と、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。ここで、電源端子８は、所定の正電圧である電源電圧ＶＤＤを出力する電圧源に接続され、電源端子９はグランドＧＮＤに接続される。

電流測定回路２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２は、磁界検出部１０と負荷電流検出部２０とを備えている。磁界検出部１０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２０へ出力する。負荷電流検出部２０は、磁界検出部１０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Ｖ１を出力する。

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３０と負荷電圧検出部４０とを備えている。磁界検出部３０は、第２の導体１２０から生じる第２の磁界Ｈ２を検出し、第２の磁界Ｈ２に応じた信号を負荷電圧検出部４０へ出力する。負荷電圧検出部４０は、磁界検出部３０から出力される信号に基づいて負荷電圧ＶＬを検知し、負荷電圧ＶＬに応じた電圧検知信号Ｖ２を出力する。

乗算回路４は、電流測定回路２から出力される電流検知信号Ｖ１と、電圧測定回路３から出力される電圧検知信号Ｖ２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４は、負荷１００で消費される電力を測定した測定信号Ｖｏｕｔを出力する。

基準電圧生成回路５は、電源電圧ＶＤＤを分圧して基準電圧ＶＤＤ／２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基準電圧ＶＤＤ／２を出力する構成である。

図２は、電流測定回路２及び電圧測定回路３の詳細な構成を示す回路図である。第１及び第２の導体１１０，１２０は、図２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、所定の間隔で互いに平行に配置され、且つ、直列に接続された一対の第１配線パターン１１１，１１２を有しており、それら一対の第１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。また第２の導体１２０も同様に、所定の間隔で互いに平行に配置され、且つ、直列に接続された一対の第２配線パターン１２１，１２２を有しており、それら一対の第２配線パターン１２１，１２２にそれぞれ異なる方向の電流Ｉｖが流れるように構成される。

電流測定回路２の磁界検出部１０は、第１の導体１１０の近傍位置に設けられる。この磁界検出部１０は、複数の磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６を備えて構成される第１のブリッジ回路１１を有している。第１のブリッジ回路１１では４つの磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６がブリッジ接続されている。これらの磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６は、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３は、磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６の抵抗特性の一例を示す図である。尚、図３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。磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６がＡＭＲ素子である場合、図３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が変化する。また磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６がＡＭＲ素子でない場合、特性曲線は図３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１３，１４，１５，１６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。尚、この点は、後述する電圧測定回路３に設けられる複数の磁気抵抗素子３３，３４，３５，３６についても同様である。

図２に戻り、磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６は、感度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１３，１４は、Ｕ字形状において互いに平行に延びる２つの第１配線パターン１１１，１１２のうちの一方の第１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１５，１６は、他方の第１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１３，１４，１５，１６がブリッジ接続された第１のブリッジ回路１１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。また第１のブリッジ回路１１は、磁気抵抗素子１３，１６を互いに接続すると共に、磁気抵抗素子１５，１４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、第１のブリッジ回路１１における２つの中点ａ，ｂ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、一方の第１配線パターン１１１の近傍位置にある磁気抵抗素子１３，１４には、例えば図２に示すように右向き方向の磁界Ｈａが作用し、他方の第１配線パターン１１２の近傍位置にある磁気抵抗素子１５，１６には、その磁界Ｈａと大きさが等しく、且つ、逆向きの磁界Ｈｂが作用する。そして一方の第１配線パターン１１１の近傍位置にある磁気抵抗素子１３，１４の抵抗値が磁界ＨａによってΔＲだけ増加すると、他方の第１配線パターン１１２の近傍位置にある磁気抵抗素子１５，１６の抵抗値は磁界ＨｂによってΔＲだけ減少し、第１のブリッジ回路１１の２つの中点ａ，ｂのうち、第１の中点ａの電位が上がり、第２の中点ｂの電位が下がる。したがって、第１のブリッジ回路１１の２つの中点ａ，ｂ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１３，１４，１５，１６には、第１の導体１１０から発生する第１の磁界Ｈ１（すなわち、Ｈａ，Ｈｂ）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１３，１４，１５，１６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１３，１４，１５，１６の抵抗値は、外部磁界に対して等しい割合で増減し、第１のブリッジ回路１１の２つの中点ａ，ｂ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２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２０は、差動アンプ２１と、出力抵抗２２と、４つのコイル（第１コイル）２３，２４，２５，２６とを備えており、第１のブリッジ回路１１の２つの中点ａ，ｂ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Ｖ１を出力する。４つのコイル２３，２４，２５，２６は、それぞれ同一の特性を有し、第１のブリッジ回路１１を構成する４つの磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６の近傍位置に１対１で設けられる。そして各コイル２３，２４，２５，２６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２２を介して差動アンプ２１の出力端に接続され、他端が基準電圧生成回路５によって生成される基準電圧ＶＤＤ／２に接続される。差動アンプ２１は、２つの中点ａ，ｂの電位差に応じて電流検知信号Ｖ１を出力することにより、出力抵抗２２を介して４つのコイル２３，２４，２５，２６にコイル電流を流す。このコイル電流は、各コイル２３，２４，２５，２６から各磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６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、差動アンプ２１は、２つの中点ａ，ｂ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。

例えば、第１の導体１１０に負荷電流Ｉｉが流れていないとき、磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６には外部磁界だけが作用する。この外部磁界を例えば図３に示すＸであると仮定する。第１の導体１１０に負荷電流Ｉｉが流れ、第１の磁界Ｈ１が磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６に作用すると、各磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６の抵抗値は、図３に示す外部磁界Ｘに対応する抵抗値を中心（動作点）に、第１の磁界Ｈ１の大きさ及び方向に応じて変化する。そして磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６は、第１のブリッジ回路１１を構成することにより、外部磁界Ｘだけが作用している状態を中心とする抵抗変化を、線形とみなせる部分で動作させることができる。すなわち、第１の導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉにより磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６の抵抗がそれぞれ線形に変化するので、負荷電流検出部２０は、コイル２３，２４，２５，２６に流すコイル電流を正確に決めることができ、第１の磁界Ｈ１をコイル電流でキャンセルすることができる。これにより、４つの磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６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１３，１４，１５，１６の動作点を、例えば図３においてＸで示す位置に固定することができる。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１３，１４，１５，１６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。

電圧測定回路３は、電流測定回路２と同様の構成である。すなわち、電圧測定回路３の磁界検出部３０は、第２の導体１２０の近傍位置に設けられ、複数の磁気抵抗素子３３，３４，３５，３６を備えて構成される第２のブリッジ回路３１を有している。磁気抵抗素子３３，３４，３５，３６は、例えば上述した磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６と同様の特性を有する。そして磁気抵抗素子３３，３４，３５，３６は、感度方向を同一方向に揃えた状態でＵ字状に構成された第２の導体１２０の内側に配置され、第２の導体１２０に電流Ｉｖが流れていないときには、第２のブリッジ回路３１における２つの中点ｃ，ｄ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２の導体１２０に電流Ｉｖが流れると、第２の導体１２０の周囲に第２の磁界Ｈ２が発生し、互いに平行である一対の第２配線パターン１２１，１２２のうちの一方の第２配線パターン１２１の近傍位置にある磁気抵抗素子３３，３４には、例えば図２に示すように右向き方向の磁界Ｈｃが作用し、他方の第２配線パターン１２２の近傍位置にある磁気抵抗素子３５，３６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。そして一方の第２配線パターン１２１の近傍位置にある磁気抵抗素子３３，３４の抵抗値が磁界ＨｃによってΔＲだけ増加すると、他方の第２配線パターン１２２の近傍位置にある磁気抵抗素子３５，３６の抵抗値は磁界ＨｄによってΔＲだけ減少し、第２のブリッジ回路３１の２つの中点ｃ，ｄのうち、第１の中点ｃの電位が上がり、第２の中点ｄの電位が下がるため、第２のブリッジ回路３１の２つの中点ｃ，ｄには第２の導体１２０に流れる電流Ｉｖに応じた電位差が現れる。このような第２のブリッジ回路３１は、第１のブリッジ回路１１と同様、外部磁界による影響を打ち消し、電流Ｉｖが流れる第２の導体１２０から発生する第２の磁界Ｈ２（Ｈｃ，Ｈｄ）に対してのみ感度を有する。

負荷電圧検出部４０は、差動アンプ４１と、出力抵抗４２と、４つのコイル（第２コイル）４３，４４，４５，４６とを備えており、負荷電流検出部２０と同様の構成を有している。すなわち、負荷電圧検出部４０は、第２のブリッジ回路３１の２つの中点ｃ，ｄに現れる電位差に基づいて第２の導体１２０に流れる電流Ｉｖに応じた電圧検知信号Ｖ２を出力し、出力抵抗４２を介して、第２のブリッジ回路３１を構成する４つの磁気抵抗素子３３，３４，３５，３６の近傍位置に１対１で設けられた４つのコイル４３，４４，４５，４６のそれぞれにコイル電流を流す。すなわち、差動アンプ４１は、２つの中点ｃ，ｄ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ことにより、４つの磁気抵抗素子３３，３４，３，５，３６の動作点を安定させるように制御する。

差動アンプ２１，４１は、電源電圧ＶＤＤとグランドＧＮＤに接続される。またコイル２４，４４の一端は基準電圧ＶＤＤ／２に接続される。そのため、電流測定回路２が出力する電流検知信号Ｖ１は基準電圧ＶＤＤ／２を基準にした信号となり、負荷電流Ｉｉに応じた電圧をＶｉとすると、Ｖ１＝Ｖｉ＋ＶＤＤ／２として表される。同様に、電圧測定回路３が出力する電圧検知信号Ｖ２も基準電圧ＶＤＤ／２を基準にした信号となり、負荷電圧ＶＬに応じた電圧をＶｖとすると、Ｖ２＝Ｖｖ＋ＶＤＤ／２として表される。そして乗算回路４は、電流検知信号Ｖ１と電圧検知信号Ｖ２とを乗算し、負荷１００で消費される電力を測定した測定信号Ｖｏｕｔを出力する。

図４は、電力センサー１を１チップデバイスとして構成した場合の配置例を示す図である。例えば図４に示すように、電力センサー１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を構成する一対の第１配線パターン１１１，１１２と、第２の導体１２０を構成する一対の第２配線パターン１２１，１２２とが直交するように交叉させた状態に配線される。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１は、第１配線パターン１１１，１１２と第２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。そして磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６は、１チップデバイスの周縁部に配置され、第１配線パターン１１１，１１２又は第２配線パターン１２１，１２２の近傍位置に設けられる。例えば、磁気抵抗素子１３，１４は一方の第１配線パターン１１１の近傍位置に配置され、磁気抵抗素子１５，１６は他方の第１配線パターン１１２の近傍位置に配置される。また磁気抵抗素子３３，３４は一方の第２配線パターン１２１の近傍位置に配置され、磁気抵抗素子３５，３６は他方の第２配線パターン１２２の近傍位置に配置される。このような配置によれば、磁気抵抗素子１３，１４は、第１配線パターン１１１から発生する磁界に対して高い感度を有し、他の配線パターン１１２，１２１，１２２から発生する磁界に対する感度が低くなるため、他の配線パターン１１２，１２１，１２２から発生する磁界と干渉することなく、第１配線パターン１１１から発生する磁界を検知することが可能である。また磁気抵抗素子１５，１６は、第１配線パターン１１２から発生する磁界に対して高い感度を有し、他の配線パターン１１１，１２１，１２２から発生する磁界に対する感度が低くなるため、他の配線パターン１１１，１２１，１２２から発生する磁界と干渉することなく、第１配線パターン１１２から発生する磁界を検知することが可能である。また磁気抵抗素子３３，３４は、第２配線パターン１２１から発生する磁界に対して高い感度を有し、他の配線パターン１１１，１１２，１２２から発生する磁界に対する感度が低くなるため、他の配線パターン１１１，１１２，１２２から発生する磁界と干渉することなく、第２配線パターン１２１から発生する磁界を検知することが可能である。さらに磁気抵抗素子３５，３６は、第２配線パターン１２２から発生する磁界に対して高い感度を有し、他の配線パターン１１１，１１２，１２１から発生する磁界に対する感度が低くなるため、他の配線パターン１１１，１１２，１２１から発生する磁界と干渉することなく、第２配線パターン１２２から発生する磁界を検知することが可能である。したがって、一対の第１配線パターン１１１，１１２と一対の第２配線パターン１２１，１２２とを互いに交叉させ、各磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６を上記のように配置することにより、各磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６は、第１の導体１１０又は第２の導体１２０に電流が流れることによって発生する磁界を良好に検知することができるようになる。また磁気抵抗素子以外の回路素子は、１チップデバイスの中央に配置される。尚、図４では、一対の第１配線パターン１１１，１１２と、一対の第２配線パターン１２１，１２２とが直交する場合を例示しているが、各磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６において検知対象となる磁界を他の磁界と干渉させることなく検知することができるのであれば、一対の第１配線パターン１１１，１１２と一対の第２配線パターン１２１，１２２とは、必ずしも直交するものに限られない。

上記のように構成される電力センサー１は、センサー内部において、電流測定回路２、電圧測定回路３、乗算回路４及び基準電圧生成回路５のそれぞれを、負荷１００が接続された測定対象回路１３０と絶縁させた回路構成である。また電力センサー１に接続される電源（電源電圧ＶＤＤとグランドＧＮＤ）は、負荷１００に電力を供給する電源１０１とは異なる電源である。そのため、測定対象回路１３０に対してノイズが混入した場合であっても、電力センサー１は、そのようなノイズの影響を受け難く、負荷１００で消費される電力の測定精度を向上させることができる。また電力センサー１は、乗算回路４が電流検知信号Ｖ１と電圧検知信号Ｖ２とを乗算して測定信号Ｖｏｕｔを出力するため、乗算回路４の出力側にローパスフィルタを設ける必要がなく、回路規模を小さくすることが可能である。

また電力センサー１は、電流測定回路２が複数の磁気抵抗素子１３，１４，１５，１６を備えた第１のブリッジ回路１１を有し、電圧測定回路３が複数の磁気抵抗素子３３，３４，３５，３６を備えた第２のブリッジ回路３１を有している。そのため、外部磁場の影響を受けることなく、負荷１００で消費される電力を測定することが可能である。また電力センサー１は、第１及び第２のブリッジ回路１１，３１のそれぞれで生ずる電位差に応じて複数のコイル２３〜２６，４３〜４６に対してコイル電流を流すことにより、第１及び第２の導体１１０，１２０のそれぞれで発生する磁界Ｈ１，Ｈ２を打ち消す磁界を発生させるため、複数の磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６の動作点を安定させることができ、より高精度な電力測定が可能である。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、電流測定回路２及び電圧測定回路３のそれぞれが基準電圧ＶＤＤ／２を基準に動作して電流検知信号Ｖ１及び電圧検知信号Ｖ２を出力するため、乗算回路４から出力される測定信号Ｖｏｕｔには、基準電圧ＶＤＤ／２による余分な信号成分が含まれる。本実施形態では、そのような余分な信号成分を含むことなく、負荷１００で消費される電力成分だけを含む測定信号Ｖｏｕｔを出力することが可能な構成例について説明する。

図５は、第２実施形態における電力センサー１ａの一構成例を示す図である。本実施形態の電力センサー１ａが第１実施形態で説明した構成と異なる点は、基準電圧生成回路５に代わり、チャージポンプ６を備える点である。このチャージポンプ６は、電源端子８から入力される所定の正電圧である電源電圧ＶＤＤに基づき、その電源電圧ＶＤＤの極性を反転させた負電圧−ＶＤＤを生成する。そしてチャージポンプ６は、負電圧−ＶＤＤを電流測定回路２及び電圧測定回路３に供給する。

図６は、第２実施形態における電流測定回路２及び電圧測定回路３の構成例を示す回路図である。図６に示すように電力センサー１ａは、電源電圧ＶＤＤとチャージポンプ６によって生成される負電圧−ＶＤＤとを電源電圧として利用する。すなわち、第１及び第２のブリッジ回路１１，３１の一端が電源電圧ＶＤＤに接続され、他端がチャージポンプ６によって出力される負電圧−ＶＤＤに接続される。図示はしないが乗算回路４及び差動アンプ２１，４１は、電源電圧ＶＤＤと負電圧−ＶＤＤに接続され、コイル２４，４４の一端はグランドＧＮＤに接続される。このように電流測定回路２、電圧測定回路３及び乗算回路４は、外部から入力される電源電圧ＶＤＤとチャージポンプ６によって生成される負電圧−ＶＤＤとを電源電圧として動作する。そのため、電流測定回路２が出力する電流検知信号Ｖ１はグランドＧＮＤを基準にした信号となり、負荷電流Ｉｉに応じた電圧をＶｉとすると、Ｖ１＝Ｖｉとして出力される。同様に、電圧測定回路３が出力する電圧検知信号Ｖ２もグランドＧＮＤを基準にした信号となり、負荷電圧ＶＬに応じた電圧をＶｖとすると、Ｖ２＝Ｖｖとして出力される。そして乗算回路４において電流検知信号Ｖ１と電圧検知信号Ｖ２とが乗算されることにより、測定信号ＶｏｕｔがＶｏｕｔ＝Ｖｉ・Ｖｖとなり、負荷１００で消費される電力成分だけを含む測定信号Ｖｏｕｔを出力することができるようになる。尚、乗算回路４は、外部から入力される電源電圧ＶＤＤとチャージポンプ６によって生成される負電圧−ＶＤＤとを電源電圧として動作することにより、電流検知信号Ｖ１及び電圧検知信号Ｖ２が正負いずれの値であっても測定信号Ｖｏｕｔを正常に出力することができる。

このように本実施形態の電力センサー１ａは、電源電圧ＶＤＤの極性を反転させた負電圧−ＶＤＤを出力するチャージポンプ６を備えており、電流測定回路２及び電圧測定回路３を電源電圧ＶＤＤと負電圧−ＶＤＤとに基づいて動作させることにより、乗算回路４から負荷１００で消費される電力成分だけを含む測定信号Ｖｏｕｔを出力させることができるので、第１実施形態よりも測定信号Ｖｏｕｔが利用しやすい信号となる。

第２実施形態におけるその他の点は、第１実施形態で説明したものと同様である。そのため、電力センサー１ａは、第１実施形態で説明した電力センサー１と同様の作用効果を奏するものである。

（変形例）
以上、本発明に関する幾つかの実施形態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、上記実施形態では、電流測定回路２と、電圧測定回路３と、乗算回路４と、基準電圧生成回路５又はチャージポンプ６とが１つの基板上に形成された１チップデバイスとして構成される場合を例示した。しかし、これに限られるものではなく、少なくとも電流測定回路２と電圧測定回路３とが１つのチップ上に形成されるものであれば良い。すなわち、少なくとも電流測定回路２と電圧測定回路３とが１つのチップ上に形成されていれば、そのチップを図４に示したように配置することにより、負荷電流Ｉｉと負荷電圧ＶＬとを同時に測定することができるようになる。

また上記実施形態では、第１及び第２のブリッジ回路１１，３１を構成する４つの抵抗が全て磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６で構成される場合を例示したが、これに限られるものではなく、例えば第１及び第２のブリッジ回路１１，３１のそれぞれに磁気抵抗素子を２つずつ設けた構成としても良い。この場合、各ブリッジ回路１１，３１における他の２つの抵抗は固定抵抗として設けられる。各ブリッジ回路１１，３１に設ける磁気抵抗素子の数を２つにすれば、それら磁気抵抗素子の近傍に配置するコイルの数を低減することができるため、回路規模をより小さくできるという利点がある。ただし、磁気抵抗素子の数を２つにすると、各ブリッジ回路１１，３１において外部磁場の影響を良好に打ち消すことができなくなる。そのため、第１及び第２のブリッジ回路１１，３１は、４つの抵抗が全て磁気抵抗素子１３〜１６，３３〜３６で構成することが好ましい。

また上記実施形態では、電流測定回路２が第１のブリッジ回路１１の２つの中点ａ，ｂの電位差に基づいて負荷電流を検出すると共に、コイル２３〜２６にコイル電流を流す構成であり、また電圧測定回路３が第２のブリッジ回路３１の２つの中点ｃ，ｄの電位差に基づいて負荷電圧を検出すると共に、コイル４３〜４６にコイル電流を流す構成である場合を例示した。しかし、これに限られるものではなく、例えば電流測定回路２は、第１のブリッジ回路１１の１つの中点の電位に基づいて負荷電流を検出したり、コイル２３〜２６にコイル電流を流したりすることが可能であり、また電圧測定回路３は、第２のブリッジ回路３１の１つの中点の電位に基づいて負荷電圧を検出したり、コイル４３〜４６にコイル電流を流したりすることが可能である。そのため、電流測定回路２は、第１のブリッジ回路１１の出力に基づいて負荷電流を検出したり、コイル２３〜２６にコイル電流を流す構成であれば良い。同様に、電圧測定回路３についても、第２のブリッジ回路３１の出力に基づいて負荷電圧を検出したり、コイル４３〜４６にコイル電流を流す構成であれば良い。

１…電力センサー、２…電流測定回路、３…電圧測定回路、４…乗算回路、５…基準電圧生成回路、６…チャージポンプ、１１…第１のブリッジ回路、１３〜１６…磁気抵抗素子、２３〜２６…コイル（第１コイル）、３１…第２のブリッジ回路、３３〜３６…磁気抵抗素子、４３〜４６…コイル（第２コイル）、１１０…第１の導体、１１１，１１２…第１配線パターン、１２０…第２の導体、１２１，１２２…第２配線パターン、１００…負荷。

Claims (5)

1. 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、
   負荷電流が流れる第１の導体の近傍位置に配置され、前記第１の導体に流れる電流によって発生する第１の磁界を検出して前記負荷電流を測定する電流測定回路と、
   負荷電圧に応じた電流が流れる第２の導体の近傍位置に配置され、前記第２の導体に流れる電流によって発生する第２の磁界を検出して前記負荷電圧を測定する電圧測定回路と、
   前記電流測定回路から出力される前記負荷電流と、前記電圧測定回路から出力される前記負荷電圧とを乗算して負荷電力を出力する乗算回路と、
   を備え、
   前記電流測定回路、前記電圧測定回路及び前記乗算回路は、前記負荷が接続された回路と絶縁された回路構成であることを特徴とする電力センサー。
2. 前記電流測定回路は、前記第１の磁界に応じて抵抗値を変化させる複数の磁気抵抗素子を備えた第１のブリッジ回路を有し、前記第１のブリッジ回路の出力に基づいて前記負荷電流を検出し、
   前記電圧測定回路は、前記第２の磁界に応じて抵抗値を変化させる複数の磁気抵抗素子を備えた第２のブリッジ回路を有し、前記第２のブリッジ回路の出力に基づいて前記負荷電圧を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力センサー。
3. 前記電流測定回路は、前記第１のブリッジ回路における前記複数の磁気抵抗素子の近傍位置に設けられる複数の第１コイルを更に備え、前記第１のブリッジ回路の出力に応じて前記複数の第１コイルに電流を流すことにより前記第１の磁界を打ち消す磁界を発生させると共に、
   前記電圧測定回路は、前記第２のブリッジ回路における前記複数の磁気抵抗素子の近傍位置に設けられる複数の第２コイルを更に備え、前記第２のブリッジ回路の出力に応じて前記複数の第２コイルに電流を流すことにより前記第２の磁界を打ち消す磁界を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力センサー。
4. 前記第１の導体は、所定の間隔で互いに平行に配置され、且つ、直列に接続された一対の第１配線パターンを有し、
   前記第２の導体は、所定の間隔で互いに平行に配置され、且つ、直列に接続されると共に、前記第１配線パターンと交叉する一対の第２配線パターンを有し、
   前記電流測定回路と前記電圧測定回路は、前記第１配線パターンと前記第２配線パターンとが交叉して形成される矩形領域の内側に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力センサー。
5. 所定の正電圧を入力され、前記正電圧の極性を反転させた負電圧を出力するチャージポンプを更に備え、
   前記電流測定回路及び前記電圧測定回路は、前記正電圧と前記チャージポンプから出力される前記負電圧とを電源電圧として利用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力センサー。

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