JP5793681B2 - 電力計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力計測装置にかかり、特に磁性体薄膜をセンサとして用い、電流及び電圧を入力して、両入力から得られる電力に相当する信号を直接出力する電力計測装置に関する。

近年、インターネット等を利用する環境が整ってきた中で、電力の遠隔検針を含めた計測システムの開発が進められている。
例えば使用した電力を円盤の回転数に変換し、積算演算を行うという既存の積算電力計に、回転を検出するセンサを付加したり、電流計（ＣＴ）、電圧計（ＰＴ）を新たに付加するものが提案されている。このような計測システムでは、電子回路やマイクロプロセッサによる乗算計算を行い、電力を計測するなどの方法が用いられる。しかし、このような電力計は、装置が大型化するだけでなく、高価なものとなり、また、余計なエネルギーを消費しかねないという状況である。
そこで消費電力をそのまま電気量として測定することができるとともに、小型化及び集積化の可能な電力計の開発が望まれている。

そして最近では、磁性体薄膜の磁気抵抗効果を利用し、消費電力を電気量のまま測定することの可能な電力計測装置が提案されている（非特許文献１，２）。

この電力計測装置では、交流が流れる一次導体に対し、平行となるように基板上に配された磁性体薄膜を用いたもので、この磁性体薄膜の両端に抵抗を介して一次電圧が印加され、磁性体薄膜の両端から出力を取り出す電力センサを用いている。そしてこの電力計測装置は、電力センサから、２倍周波数成分の振幅値に基づき電力Ｐを取り出す方式をとる。

この電力計測装置では、強磁性体等の磁性体内において、電流と磁化のなす角度によりその磁性体の電気抵抗値が変わる現象であるプレーナホール効果を利用し、線形特性を得ることができる点に着目し、電力に比例する信号成分を取り出すようにしている。
ここで用いられる電力センサは、外部磁界の変化を電気信号に変換する素子であり、強磁性体薄膜や半導体薄膜等の磁界検出膜をパターニングし、その磁界検出膜のパターンに電流を流し電圧変化として外部磁界の変化を電気信号に変換するものである。

ここで出力信号は、抵抗値Ｒ１が磁気抵抗変化によりＲ１+ΔＲ１に変化するとして、次式（１）のようになる。

（式１）
Ｖ_１：電圧、Ｉ_１：計測電流、ｃｏｓθ：力率、ω：角周波数、
Ｉ_２：素子電流(膜を流れる電流)、Ｒ１−Ｒ４：端子間の各抵抗
ｋ：膜固有の特性で決まる係数
ここで出力は、直流成分の項（ＤＣ）と、交流成分の項（ω、２ω）に分けられる。
Ａ１はブリッジ抵抗のアンバランスで生ずる電力と関係のない不要な項、Ａ２は電力に比例する項（瞬時電力）である。
しかしながら、上記電力計測装置においては、２ω成分の振幅値Ｉ_１・Ｖ_１の値を計測し、別途ｃｏｓθを計測し、別途掛け算を行って、Ｉ_１・Ｖ_１・ｃｏｓθを得るという方法をとっており、力率が１でない場合は力率を別途計測し演算する必要があった。また、高調波成分を有する電流波形の場合、基本波成分の電力しか取り出すことができないという問題があった。
また、プレーナホール効果を利用した電力計測手法では出力値が小さく，また検出電流として突入電流などの大きな電流が流れると，磁性体薄膜が磁化反転を起こし出力特性が変わるという問題があった。

また、測定精度を向上するには、磁気抵抗素子パターンとコアとの寸法精度の向上が重要な条件となっている。そこで、特許文献１では、レーザを用いて切り込みを入れることによりブリッジの抵抗値を調整する技術が提案されている。
また、この方法において、高感度化をはかるために、ブリッジを構成する抵抗の抵抗値を調整する技術も提案されている（特許文献２)。

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）

特開２００３−１３０８８８号公報 特開平１−１０５１７８号公報

特にブリッジ回路を用いた磁気抵抗素子では、磁気抵抗の変化を出力特性として取り出すため、ブリッジ回路を構成する各エレメントは高精度に抵抗値を調整する必要がある。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、高精度でかつ安定的に電力を計測することができる電力計測装置を提供することを目的とする。

そこで本発明は、電流が流れる一次導体に対し、平行となるように配置された磁性体薄膜と、前記一次導体に接続され、前記磁性体薄膜に素子電流を供給する電流入出力端子を備えた給電部と、前記電流入出力端子の中間位置に接続されるとともに、電圧入出力端子を備え、前記磁性体薄膜両端の出力を検出する検出部とを、具備した電力計測装置であって、前記磁性体薄膜あるいはその周辺部の抵抗値を調整する調整部を具備し、前記調整部は、前記磁性体薄膜にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部であり、前記磁性体薄膜はブリッジ構造をとるように順次配列された第１乃至第４の磁性体成分で構成され、前記第１乃至第４の磁性体成分の少なくとも一つが前記磁性体薄膜の磁気抵抗を調整する前記調整部を具備し、電流が流れる一次導体に対し、平行となるように、前記磁性体薄膜に素子電流を供給し、前記調整部は、前記第１乃至第４の磁性体成分を選択酸化可能に形成された領域であることを特徴とする。

また本発明は、上記電力計測装置であって、前記バイアス磁界印加部は磁石であるものを含む。

本発明によれば、磁性体薄膜の磁気抵抗を調整する調整部を具備しているため、直接高感度でかつ信頼性の高い電力測定が実現可能となる。

本発明の電力測定装置の原理説明図 同等価回路図 （ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態１の電力計測装置のトリミング方法を示す拡大図 本発明の実施の形態１の電力計測装置のトリミング方法を示す拡大図 同等価回路の要部説明図 電力計測装置の比較例を示す説明図，（ａ）はシングル抵抗を用いた場合、（ｂ）はハーフブリッジ回路を用いた場合を示す図 電力計測装置における磁化方向を示す説明図 （ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態１の電力計測装置における磁気抵抗効果の説明図 （ａ）及び（ｂ）はブリッジに対してθが０°のバイアス磁界があった場合とθが９０°のバイアス磁界があった場合の実施の形態１の電力計測装置における計測電流を示す説明図 同電力計測装置における計測磁界と抵抗値との関係を示す図 同電力計測装置における計測磁界強度と素子出力電圧との関係を示す図 本発明の実施の形態２の電力計測装置の上面図 本発明の実施の形態２の電力計測装置の断面図 本発明の実施の形態２の電力計測装置の磁界センサの磁性体薄膜パターンの要部拡大図 本発明の実施の形態２の電力計測装置の磁界センサの素子特性を測定するための測定装置を示す回路説明図 本発明の実施の形態２の電力計測装置の磁界センサの要部断面を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態３の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態４の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態４の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態５の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態５の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態６の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態６の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図 本発明の実施の形態７の電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示す図

以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の電力計測装置では、図１に概念図を示すように、強磁性体薄膜などの磁性体薄膜パターンからなる第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄでブリッジ構造を構成する。図２はこの電力計測装置の原理説明図である。そしてこの第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれが、抵抗値を調整するための抵抗値調整部３ｔを具備したことを特徴とするものである。すなわち、電流が流れる一次導体２００に対し、平行となるように、ブリッジ構造をとり、対称な第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄで構成される磁性体薄膜パターンを配置する。そして、この一次導体２００から、ブリッジ構造における電流入出力端子Ａ，Ｂを介してこの磁性体薄膜に素子電流を供給するとともに、この電流入出力端子Ａ，Ｂの中間位置に電圧入力端子Ｃ及び電圧出力端子Ｄを接続し、出力を検出する。この電力計測装置では、ブリッジ構造を構成する第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれに抵抗体薄膜からなる調整パターンｐを形成し、調整部３ｔを構成している。そしてこの調整パターンｐをレーザトリミングすることで、抵抗値を調整している。そして強磁性体薄膜のブリッジに対し、素子電流を供給する方向に対し直交する方向に出力取り出しを行い、直接電力を取り出すようにしている。

本実施の形態１の第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄは、通常の線状パターンで構成されている。製造後、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれの抵抗値を測定し、ブリッジ構造の各抵抗値が一定の基準値Ｒとなるように調整パターンｐをレーザトリミングすることでブリッジ構造の不平衡を調整する。この調整パターンｐはたとえばアルミニウムパターンで構成されている。

例えば、図１に示す、第１の磁性体成分３ａにおいて測定された抵抗値の測定値ｒがｒ＜Ｒであるとき、レーザトリミングを行う。図３（ａ）及び（ｂ）にトリミング方法の拡大図を示す。つまり、図３（ａ）に示す状態のとき、レーザトリミングを行い、図３（ｂ）に示すように、除去部Ｃを形成する。このようにレーザトリミングにより除去部Ｃを形成することで調整パターンｐのパターン幅が小さく、かつ長くなり、第１の磁性体成分３ａの抵抗値は大きくなって、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はＲにそろう。

また、さらに抵抗値を大きくしたい場合には、図４に示すように、この除去部Ｃをさらに深くすることで、調整パターンｐのパターン幅がさらに小さく、かつ長くなり、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はさらに大きくなる。
一方、第１の磁性体成分３ａの抵抗値がＲよりも大きい時は、たとえば半田を滴下するなど抵抗体パターンに低抵抗の金属を重ねることで、抵抗値を小さくし、Ｒにそろえるようにすることができる。
このようにブリッジ構造を構成する各磁性体成分の各抵抗値をそろえることができ、容易に高感度で信頼性の高い磁界センサを提供することができる。従ってこの磁界センサを用いることにより信頼性の高い電力計測装置を提供することができる。

なお、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐに非磁性体であるアルミニウムパターンを用いているため、磁性体部分の磁気特性を変化させることなく抵抗値を調整することが可能である。
また、使用する調整パターンｐは磁性体薄膜と、温度特性が同等であるものを用いるのが望ましい、これにより温度変化が生じた場合にもブリッジの平衡を保つことが可能となる。

つまりこの電力計測装置の電力計測について説明する。この電力計測装置は、図２に原理説明図を示すように、ブリッジ構造をなす４つのパターンからなる磁性体薄膜（第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄ）が中心に対して対称な位置にあり、この強磁性体薄膜パターン上にある電流入出力端子Ａ、Ｂを通電部とし強磁性体薄膜パターンの中心を通る直線上にＣＤを設け、線分ＣＤを電圧入出力端子ＣＤとし出力取り出しを行う。電圧入出力端子ＣＤを結ぶ線分ＣＤは、この電流入出力端子Ａ、Ｂを結ぶ線分に直交する。そして線分ＡＤ、線分ＡＣ、線分ＣＢ、線分ＢＤがブリッジ構造をとる第１乃至第４の磁性体成分を構成する。つまり素子電流を供給する方向ＡＢに直交する方向ＣＤを出力取り出し方向としている。

このとき、図１に示すように、磁性体薄膜（第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄ）の電流入出力端子Ａ、Ｂに沿って配置された導体２００に電流Ｉ_１を流し、その電流によって生じる磁界ベクトルを（Ｈ）、素子の持つ自発磁化ベクトルを（Ｍ）とする。このとき、磁界ベクトル、素子の持つ自発磁化ベクトルを合成した磁束密度ベクトルをＢ_Ｍ―０とするとともに電流密度ベクトルと磁束密度ベクトルＢ_Ｍ―０のなす角をθとする。そして、磁性体薄膜３の点Ａ−Ｂ間の各部抵抗をＲ、磁界によって変化する点Ａ−Ｂ間の各部抵抗値変化の最大値をΔＲとする。このとき、点Ｃ−Ｄ間の電圧Ｖ_Ｃ−Ｄは、電圧Ｖ_Ａ−Ｃと電圧Ｖ_Ａ−Ｄとの差で表すことができる。
これをプレーナホール効果により、数式化すると、
Ｖ_Ｃ―Ｄ＝Ｉ_２（ΔＲｓｉｎ２θ） （式２）
で表すことができる。ここで、Ｂ_Ｍ―０は磁束密度ベクトル、Ｉ_２は素子電流である。
従って、交流磁界を印加した時、正負を判定することができる。

次に、図２に示すように、この強磁性体薄膜３のパターンを４つのブリッジ成分Ｒ_１−Ｒ_４とした場合を考える。この電力計測装置の要部を等価回路説明図として図５に示す。４つのブリッジ成分Ｒ_１−Ｒ_４に固定抵抗Ｒ_０を介して負荷Ｌが接続され、交流電源Ｐに接続されている。まず、図２に示す等価回路図において、次の（式３）が成立し、点Ｃ−Ｄ間の電圧Ｖ_Ｃ−Ｄは、点Ｂ−Ａ間の電圧Ｖ_Ｂ−Ａに比例する（式３）参照）。Ｖ_Ｂ―Ａは負荷電圧に比例する。

（式３）

そしてこの抵抗のアンバランスの度合いは負荷電流に比例する。従って、Ｃ−Ｄ間電圧Ｖ_Ｃ―Ｄは、負荷電流に比例する。
従って、Ｃ−Ｄ間電圧Ｖ_Ｃ―Ｄは負荷で消費される電力に比例することになる。

このように、フルブリッジ回路の場合、出力は、負荷電流による抵抗変化分と負荷電圧の積となるため、（式３）から明らかなように、出力がダイレクトに電力信号Ｉ・Ｖに比例した値となる。従って、適切な定数１／ｋを乗じることにより、Ｃ−Ｄ間電圧Ｖ_Ｃ―Ｄから電力情報（Ｉ・Ｖ）を得ることができる。

これに対し、図６（ａ）及び（ｂ）に電力計測装置の比較例を示す。図６（ａ）は、シングル抵抗を用いた場合、図６（ｂ）は、ハーフブリッジ回路を用いた場合である。
シングル抵抗を用いた場合、固定抵抗をＲ、磁性体薄膜による抵抗成分をＲ_１としたとき、磁性体薄膜の抵抗成分Ｒ_１両端の電圧Ｖｍは以下のとおりとなる。

(式４)
ここでＲ_１は負荷電流に比例するが、Ｖｍは電力に比例しない。
負荷電流が０であるときも、Ｖ≠０であれば出力ＶｍはＶｍ≠０。

一方、図６（ｂ）に示すように、ハーフブリッジ回路を用いた場合を考える。
ハーフブリッジ回路を用いた場合、磁性体薄膜による２つの抵抗成分をＲ_１、Ｒ_２としたとき、これら２つの抵抗成分をＲ_１、Ｒ_２両端の出力電圧Ｖ_１（、Ｖ_２）は以下のとおりとなる。

(式５)

ハーフブリッジ回路において、出力は磁性体薄膜抵抗の中心値に負荷電流磁界による抵抗変化分を加えた値と負荷電圧との積に比例する。
そのため、出力には負荷電流によらない項（０．５Ｖ）が含まれ、出力値は電力値とならない。
通常、ｋＩ＜０．０１となり、Ｖ_１中の電力情報は、１／５０以下であり、信号処理で電力信号だけ取り出せたとしても、Ｓ／Ｎ比が極めて小さくなるという問題がある。ここでｋは比例定数である。

このように、シングル抵抗の場合、あるいはハーフブリッジの場合は、直接電力信号として取り出すことができないことがわかる。
これに対し、本発明のフルブリッジ回路を用いた場合、出力は負荷電流による抵抗変化分と、負荷電圧の積となるため、出力がそのまま電力信号となっている。従って、容易に電力成分の取り出しを行うことが出来ることが分かる。

以上説明してきたように、本実施の形態１の電力計測装置によれば、高抵抗の第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれに調整部３ｔを具備している。この調整部３ｔを構成する調整パターンｐをトリミングすることで、抵抗値をそろえることができ、容易に抵抗値調整が可能で信頼性の高い調整部を備えた、高感度の電力計測装置を提供することが可能となる。

また、本発明の電力計測装置に、さらに小型のバイアス磁石を配置することで、より高感度化を図ることができる。

次に、本発明の電力計測装置において、磁性体薄膜に対して一方向に直流磁界を印加する磁界印加手段を有するのが望ましい点について説明する。
図７は磁化方向を示す説明図である。磁石などの磁界印加手段によりバイアス磁界（Ｈｂ）を印加して、計測を行う場合、磁性体薄膜[４つの成分]中の磁化（Ｊ）は、計測電流に応じて発生する磁界である計測磁界（Ｈｅｘ）との和となる。
磁化（Ｊ）＝Ｈｂ＋Ｈｅｘ

ところで、磁性体薄膜の電気抵抗値は、図８（ａ）及び（ｂ）に説明図を示すように、Ｒ_１−Ｒ_４の４個の磁性体薄膜成分からなるブリッジを考えた場合、電流ｉと磁化Ｊ間の角度をθとしたとき、
Ｒｍｒ＝Ｒ＋ΔＲｃｏｓ^２θ
となり、抵抗Ｒｍｒはθが０の場合抵抗値は最大となり、θが９０°の場合、最小となることがわかる。つまり、電流ｉと磁化Ｊ間の角度をθが０であるとき、抵抗値は最大となり、検出感度は最大となる。

また、Ｒ_１−Ｒ_４の４個の磁気抵抗成分からなるブリッジに対してバイアス磁界のみを印加した場合と，バイアス磁界方向に対して９０°方向の計測磁界がバイアス磁界に重畳されている場合を，図９（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。計測磁界は，計測電流に由来して発生している磁界である。

又、外部からの計測磁界強度の変化に対する抵抗値の変化を図１０に示す。Ｒ_１はＨｅｘ＝０の場合，磁化ベクトルＪの方向はバイアス磁界Ｈｂと同じ方向となる。この時Ｒ_１に流れる電流方向と磁化ベクトルがなす角度は４５°であり，Ｒｍｒ＝Ｒ＋０．５ΔＲとなる。計測電流が流れ，図９（ｂ）のＨｅｘ正方向に磁界が印加されると，磁化方向ＪはＨｂ方向からＨｅｘ方向に傾いてくる。傾きが大きくなるにつれＲ_１を流れる電流と磁化方向Ｊのなす角θが大きくなり、Ｒ_１の抵抗値は減少する。ＨｅｘがＨｂと等しくなった時，磁化方向ＪとＲ_１を流れる電流のなす角度が９０°となり，Ｒｍｒ＝Ｒとなり抵抗値は最小値をとる。さらに強いＨｅｘを与えると、磁化方向ＪとＲ_１を流れる電流のなす角は９０°を超えるので、抵抗値は上昇する。計測電流が逆方向に流れる。一方、−Ｈｅｘ方向の磁界が加わる場合は、−Ｈｅｘの絶対値の増加と共に磁化方向ＪはＨｂ方向から−Ｈｅｘ方向に傾き、抵抗値は上昇する。Ｈｂ＝｜−Ｈｅｘ｜のとき磁化方向ＪとＲ_１に流れる電流方向が平行（θ＝０）となり抵抗値は最大値Ｒｍｒ＝Ｒ＋ΔＲとなる。さらに−Ｈｅｘの絶対値を大きくすると磁化方向Ｊはさらに−Ｈｅｘ側に傾き、Ｒ_１を流れる電流方向と磁化方向Ｊのなす角が広がり、抵抗値は小さくなる。Ｒ_３はＲ_１と同じ電流方向であるため、Ｈｅｘに対してＲ_１と同じ抵抗変化を示す。Ｒ_２，Ｒ_４に流れる電流方向はＲ_１に流れる電流方向と９０°違うため、Ｈｅｘに対してＲ_１と逆の抵抗変化を示す。
さらに素子に印加される電圧が一定のとき、計測磁界強度と素子出力電圧との関係を図１１に示す。先に求めたＨｅｘに対するＲ_１〜Ｒ_４の値を（式３）に当てはめた。また、入力電圧Ｖ_Ｂ−Ｄは一定とした。

（式６）

以上のように，ブリッジ構成を成す４区間が、それぞれの区間において長手方向が隣り合う区間の長手方向とのなす角が９０°の関係をなすように構成し，一次導体による磁界に略直交する方向にバイアス磁界を印加することで、出力を大きくすることが出来る。

このように、ブリッジ構造をもつ磁性体薄膜に対して一方向に直流磁界を印加する磁界印加手段を有することで、磁性体薄膜の磁化方向を容易に制御することができ、出力が大きくなり、線形性を得ることができる。なお、この構成によれば、一方向に直流磁界を印加すればよいため、ブリッジ構成を成す４区間の磁性体薄膜に対し、ひとつの磁界印加手段でよく、電力計測装置の装置構成の簡略化を図ることが可能となる。これに対し前述した非特許文献２の薄膜電力計の場合は、隣接要素毎に計測磁界の方向を変えるかあるいは一次導体を曲げる必要があり、装置構成が複雑となる。
また、交流の素子電流により生ずる磁界よりも大きい直流磁界を設けることで、薄膜両端の出力のふらつきを抑制することができる。

さらにまた、４区間を構成する高抵抗の第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのうち、抵抗値Ｒからのずれを生じた磁性体薄膜に対し、必要な区間のみバイアス磁界を印加することにより、出力特性を調整することができる。
なお、本実施の形態１では、抵抗体薄膜を用いた調整部３ｔに加え、バイアス磁界を印加するバイアス印加手段を用いたが、調整部３ｔを用いることなく、バイアス磁界を印加するバイアス印加手段のみを用いるようにしてもよい。

(実施の形態２)
本実施の形態２の電力計測装置について説明する。図１２にこの電力計測装置で用いられる磁界センサの上面図、図１３に断面図を示す。図１３は図１２のＸ１−Ｘ１断面図である。この磁界センサは図１２及び１３に示すように、シリコンからなる基板１表面に絶縁膜２として酸化シリコン膜を形成し、この絶縁膜２上に強磁性特性を有する磁性体薄膜３からなる第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄを形成している。第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄは、４つのミアンダパターンＲ_ｍ１、Ｒ_ｍ２、Ｒ_ｍ３，Ｒ_ｍ４を形成している。このミアンダパターンＲ_ｍ１、Ｒ_ｍ２、Ｒ_ｍ３，Ｒ_ｍ４の直径方向に沿って給電部５Ａ、５Ｂを構成する導体パターンと、検出部５Ｃ、５Ｄとしての導体パターンとを具備したものである。この検出部５Ｃ、５Ｄとしての導体パターンは、給電部５Ａ、５Ｂから供給される素子電流の方向に直交する方向に形成される。そして各導体パターンの先端にはパッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄが設けられており、この各パッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄに、調整部５ｔを構成する調整パターンｐが接続されている。ここでは各パッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄが調整パターンｐからなる調整部５ｔを構成するようになっている。

なお、本実施の形態でも、実施の形態１と同様、図２に原理説明図を示したように、ブリッジ構造をなす４つの磁性体薄膜３のパターンの中心に対して対称な位置にあり、この強磁性体薄膜パターンの周縁上にある点Ａ、Ｂを通電部としている。そして、この線分ＡＢを素子電流の供給方向とし、この方向ＡＢに直交するとともに、線分ＡＢを２等分する線分ＣＤを出力取り出し方向すなわち検出方向としている。ここで素子電流を供給する給電部５Ａ、５Ｂを結ぶ線分と、検出部５Ｃ、５Ｄを結ぶ線分は直交している。

ここで磁性体薄膜としては、単層構造の強磁性体薄膜のほか、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。
また導体パターンとしては金、銅、アルミニウムなどが用いられる。

次に、この磁界センサの製造工程について説明する。
基板１としてのシリコン基板表面に、絶縁膜２としての酸化シリコン膜を形成し、この上層に、スパッタリング法により、磁性体薄膜３を形成する。
そして、フォトリソグラフィによりこの磁性体薄膜３をパターニングし、ミアンダ形状パターンを４つ、互いに隣接するミアンダ形状パターンの主パターンの方向が９０°ずつずれるように形成する。
こののち、スパッタリング法により、金などの導電体薄膜を形成し、フォトリソグラフィによりパターニングし、図１２及び図１３に示すような、調整部５ｔ、給電部５Ａ、５Ｂ及び検出部５Ｃ、５Ｄを形成する。またこれら給電部及び検出部に相当する位置にパッド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを形成する。
そして必要に応じて保護膜を形成し、磁界センサが完成する。

ここで、ミアンダ形状パターンの幅Ｗは１０μm、長さＬは１ｍｍであった。このようにミアンダ形状パターンを構成することにより、電流方向はひとつのミアンダ形状パターンの中では、長手方向に沿った主パターンと短い副パターンの組み合わせとなっている。主パターンは副パターンに対して十分に大きいため、２方向の主パターンとみなすことができる。つまり長手方向に沿ったパターンの繰り返しパターンであるとみなすことができる。すなわち、図１４に要部拡大図を示すように、主パターンは、互いに１８０°異なる方向のパターンの組み合わせパターンとなる。従って、パターン長がそのままＲｍｒの増大につながることになる。

このように本実施の電力計測装置によれば、磁界センサを構成する磁性体薄膜の各ブロックをミアンダ形状パターンとしているため磁性体薄膜の幅が小さくなるだけでなく、パターン長が増大することになる。従って、そのままＲｍｒの増大につながるため、電気抵抗が増大し、出力を大きくすることができる。

この磁界センサの出力特性を確認するため、図１５に示すような測定装置を用いて実験を行った。図１２乃至１４に示した磁界センサ５０１の給電部Ａ、Ｂに、交流電源５０７から変圧器５０６及び抵抗５０５を介して交流を供給する。そして、磁界センサ５０１の検出部Ｃ、Ｄにアンプ５０２を介して表示部としてのオシロスコープ５０４を接続したものである。５０３は安定化電源である。なおこの測定装置は鉄製のケーシング５００内に収納されている。ここでは、この素子を搭載した素子基板を鉛直に配置し、素子と、測定すべき電流線との離間距離を約３ｍｍとして測定を行った。

このようにして得られた電流値と、素子出力電圧によれば、アンプによるオフセット以外はオフセットもなく、信頼性の高いものとなる。

なお、前記実施の形態では、鉛直方向に配置した素子基板を用いた測定について説明したが、測定すべき電線を素子基板上に載せることによって測定を行うようにしてもよい。

また前記実施の形態において、各ミアンダ形状パターンにおいて幅及び膜厚は一定とするのが望ましい。
また、磁性体薄膜は、ミアンダ形状パターンのブリッジ構造であることから、専有面積当りの長さを大きくとることができ、高抵抗化をはかることができ、素子の外形を大きくすることなく、出力を大きくすることが可能となる。また、長い対称形であるため、素子電流方向に対して平行となるように形成することができ、高感度で、信頼性の高い磁界センサを提供することが可能となる。

さらにまた、ここでミアンダパターンは、ブリッジ構成を成す４区間が、それぞれの区間において長手方向が隣り合う区間の長手方向とのなす角が９０°の関係となるように構成されている。従って隣り合う区間で抵抗変化が反対となり、もっとも効率よく抵抗値の不平衡が起こるため、出力を大きくすることが出来る。

ここで磁性体薄膜３は、図１６に示すようにエポキシ樹脂などの保護膜１１で覆われているのが望ましい。この構成によれば、磁力により表面に付着しやすい磁性粉を直接付着させないようにすることで出力特性の安定化を図ることが可能となる。
また、この電力計測装置においては磁界センサの入出力パッド１０Ａ−１０Ｄをパッケージの４隅に配置することで端子をパッケージ内部で分離形成することができ、絶縁性を確保することが可能となる。
本実施の形態では、計測磁界を印加していないが、本実施の形態１の電力計測装置に対し、以下の実施の形態に示すように、一方向に小さな計測磁界を印加することで、より安定に電力計測を行うことが可能となる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の電力計測装置について説明する。
本実施の形態では、図１７（ａ）及び（ｂ）にこの電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示すように、調整部３ｔを、抵抗値の調整量が確認できるように、目盛ｍを持つ調整パターンｐで構成する。
この場合も製造後、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれの抵抗値を測定し、ブリッジ構造の各抵抗値が一定の基準値Ｒとなるように調整パターンｐをレーザトリミングすることでブリッジ構造の不平衡を調整する。この調整パターンｐはたとえばアルミニウムパターンで構成され、目盛ｍをもつ導体パターンで構成されている。

例えば、図１に示す、第１の磁性体成分３ａにおいて測定された抵抗値の測定値ｒがｒ＜Ｒであるとき、図１７（ａ）及び（ｂ）にトリミング方法の拡大図を示すように、レーザトリミングを行う。つまり、図１７（ａ）に示す初期状態から、レーザトリミングを行い、図１７（ｂ）に示すように、除去部Ｃを形成する。このとき、あらかじめ測定された抵抗値と基準値との差から除去すべき範囲を決定し、除去位置の目盛ｍを決定しておくことで、より効率よく所望の抵抗値を得ることが可能となる。このようにレーザトリミングにより所望の目盛ｍまで除去部Ｃを形成することで調整パターンｐのパターン幅が小さく、かつ長くなり、第１の磁性体成分３ａの抵抗値は目盛ｍ分だけ大きくなって、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はＲにそろう。

なお、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐに非磁性体であるアルミニウムパターンを用いているため、磁性体部分の磁気特性を変化させることなく抵抗値を調整することが可能である。
また、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐに非磁性体である銅パターンを用いているため、磁性体部分の磁気特性を変化させることなく抵抗値を調整することが可能である。
また、使用する調整パターンｐは磁性体薄膜と、温度特性が同等であるものを用いるのが望ましい、これにより温度変化が生じた場合にもブリッジの平衡を保つことが可能となる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４の電力計測装置について説明する。
本実施の形態では、図１８及び１９にこの電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示すように、調整部３ｔを、レーザトリミングすることで、電流が通過する領域の膜厚を調整する。図１８及び１９において、（ａ）が平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
この場合も製造後、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれの抵抗値を測定し、ブリッジ構造の各抵抗値が一定の基準値Ｒとなるように調整パターンｐをレーザトリミングすることでブリッジ構造の不平衡を調整する。この調整パターンｐはたとえば銅パターンで構成されている。

例えば、図１に示す、第１の磁性体成分３ａにおいて測定された抵抗値の測定値ｒがｒ＜Ｒであるとき、図１８及び１９にトリミング方法の拡大図を示すように、レーザトリミングを行う。つまり、図１８（ａ）及び（ｂ）に示す初期状態から、レーザトリミングを行い、図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、調整パターンｐの膜厚を小さくし、抵抗値を増大させる。このとき、あらかじめ測定された抵抗値と基準値との差から除去すべき範囲を決定し、厚さの変化量を決定しておくことで、より効率よく所望の抵抗値を得ることが可能となる。このようにレーザトリミングにより膜厚を薄くすることで調整パターンｐの抵抗値が大きくなり、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はこの分だけ大きくなって、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はＲにそろう。

なお、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐに非磁性体である銅パターンを用いているため、磁性体部分の磁気特性を変化させることなく抵抗値を調整することが可能である。
また、使用する調整パターンｐは磁性体薄膜と、温度特性が同等であるものを用いるのが望ましい、これにより温度変化が生じた場合にもブリッジの平衡を保つことが可能となる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５の電力計測装置について説明する。
本実施の形態では、図２０及び２１にこの電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示すように、調整部３ｔとして独立した調整部設けるのではなく、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄを構成する磁性体薄膜自身をレーザトリミングすることで、磁性体成分の膜厚を調整する。図２０及び２１において、（ａ）が平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である

この場合も製造後、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれの抵抗値を測定し、ブリッジ構造の各抵抗値が一定の基準値Ｒとなるように第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄそのものをレーザトリミングすることでブリッジ構造の不平衡を調整する。
例えば、図１に示す、第１の磁性体成分３ａにおいて測定された抵抗値の測定値ｒがｒ＜Ｒであるとき、図２０及び２１にトリミング方法の拡大図を示すように、レーザトリミングを行う。つまり、図２０（ａ）及び（ｂ）に示す初期状態から、レーザトリミングを行い、図２１（ａ）及び（ｂ）に示すように、膜厚を小さくし、抵抗値を増大させる。このとき、あらかじめ測定された抵抗値と基準値との差から除去すべき範囲を決定し、厚さの変化量を決定しておくことで、より効率よく所望の抵抗値を得ることが可能となる。このようにレーザトリミングにより磁性体薄膜の膜厚が小さくなり、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はこの分だけ大きくなって、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はＲにそろう。

なお、本実施の形態の電力計測装置では、調整部として磁性体薄膜そのものを用いているが、パターンを変更するのではなく膜厚を変更しているため、磁気特性を変化させることなく抵抗値を調整することが可能である。

また、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐの作用を磁性体薄膜そのものの膜厚調整で達成しているため、別途調整パターンｐを設ける必要がなく、専有面積の低減を図ることができ、より小型化が可能となる。
なお、前記実施の形態では、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄそのものをレーザトリミングすることでブリッジ構造の不平衡を調整したが、別途調整パターンｐを付加しても良い。この場合も同様にレーザトリミングを用いて抵抗値を調整することができる。
また、調整部が磁性体薄膜と、温度特性及び磁気特性が同等であるため、これにより温度変化が生じた場合にもブリッジの平衡を保つことが可能となる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６の電力計測装置について説明する。
本実施の形態では、図２２及び２３にこの電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示すように、調整部３Ｑを、選択酸化により抵抗値が増大する金属パターンからなる調整パターンｐで構成し、選択酸化により、電流通過部の膜厚を調整する。図２２及び２３において、（ａ）が平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である

この場合も製造後、まず、第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄのそれぞれの抵抗値を測定する。そして、ブリッジ構造の各抵抗値が一定の基準値Ｒとなるように第１乃至第４の磁性体成分３ａ乃至３ｄに対応する調整部３Ｑの調整パターンｐを選択酸化し、一部の抵抗値を増大させることでブリッジ構造の不平衡を調整する。

例えば、図１に示す、第１の磁性体成分３ａにおいて測定された抵抗値の測定値ｒがｒ＜Ｒであるとき、図２２及び２３にトリミング方法の拡大図を示すように、選択酸化を行う。つまり、図２２（ａ）及び（ｂ）に示す初期状態から、選択酸化を行い、図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように、一部を表面酸化させ、導体部分の膜厚を小さくし、抵抗値を増大させる。調整パターンｐの表面が表面酸化により酸化膜パターンｏｐとなり、実質的に抵抗が増大する。このとき、あらかじめ測定された抵抗値と基準値との差から除去すべき範囲を決定し、厚さの変化量を決定しておくことで、より効率よく所望の抵抗値を得ることが可能となる。このように選択酸化により、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はこの分だけ大きくなって、第１の磁性体成分３ａの抵抗値はＲにそろう。

なお、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐに非磁性体であるアルミニウムパターンを用いているため、磁気特性を変化させることなく抵抗値を調整することが可能である。

また、本実施の形態の電力計測装置では、調整パターンｐを選択酸化したが、磁性体薄膜そのものを選択酸化してもよい。このため、別途調整パターンｐを設ける必要がなく、専有面積の低減を図ることができ、より小型化が可能となる。
また、使用する調整パターンｐは磁性体薄膜と、温度特性が同等であるものを用いるのが望ましい、これにより温度変化が生じた場合にもブリッジの平衡を保つことが可能となる。

（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７の電力計測装置について説明する。
本実施の形態では、図２４にこの電力計測装置の磁界センサの抵抗値調整工程を示すように、調整部１３を、磁性体成分に並列接続されたチップ抵抗からなる調整用抵抗１３ｃで構成したものである。この構成により、チップ抵抗の抵抗値を選択することで一部の抵抗値を増大あるいは低減させることでブリッジ構造の不平衡を調整する。
この構成によれば、容易にブリッジ出力の調整を行うことが可能となる。

実施の形態１乃至７では磁界センサはチップ部品で構成し、回路基板を構成するプリント配線基板に搭載するようにしたが、本実施の形態では回路基板を構成するプリント配線基板あるいはガラス基板上に直接磁性体薄膜のパターンを形成し集積化したものである。そして、給電部及び検出部を構成する導体パターンを配線パターンと同一工程で形成する。なお増幅器やＡ／Ｄ変換器、ＣＰＵはチップ部品で構成する。あるいはシリコン基板上に処理回路を集積化するとともに、絶縁膜を介して磁界センサを形成し、モノリシック素子とすることも可能である。
この構成によれば、より薄型化小型化が可能となる。
なお、前記実施の形態１乃至７で説明した電力計測装置においても、磁性体薄膜と磁界印か手段としての磁石を同一基板上に形成したモノリシック素子を用いてもよいことはいうまでもない。なおここでは磁性体薄膜として強磁性体薄膜を使用するのが望ましい。

上記電力計測装置においても、基板上に磁性体薄膜を形成することで、磁界センサと処理回路が基板で一体化でき更なる薄型化・小型化が可能となる。

また、上記電力計測装置において、配線パターンが給電部と検出電極部と同一の導体層で構成されたもので構成してもよい。この場合も磁界センサは、基板上に成膜された磁性体薄膜と、磁性体薄膜に素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、磁性体薄膜両端の出力を検出する検出電極部とを具備している。
この構成によれば、通常の回路基板の構成に加えて、磁性体薄膜のパターンを形成するだけでよいため、極めて容易に形成可能である。

また、上記電力計測装置において、磁性体薄膜は、素子電流を供給する方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成されるのが望ましい。ここで磁気抵抗が対称となる構成は、電気抵抗値が等しく、かつ同一形状の磁性体薄膜パターンで構成することで得られる。
この構成によれば、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成されているため、Ｖｍｒ出力の最大値を大きく取ることができ、システムとしてのＳ／Ｎ比が向上する。

また、上記電力計測装置において、検出部に並列接続されたコンデンサを有していてもよい。
この構成によれば、コンデンサでＶｍｒ信号を平滑化することで、周期未満の短期間で直流成分を取り出すことができるので高速で電力値を得ることができ、直流成分を簡単な回路構成で検出することが可能となる。

また、上記電力計測装置を用い、磁性体薄膜のパターンに対し、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように、素子電流を供給する工程と、前記素子電流の供給によって生起された出力の直流成分を取り出し、電力情報とする。
この構成によれば、力率を別途計測する必要がなく、簡単に計測することができ、かつ積算による場合に比べ、誤差も低減される。

また、磁界センサは、磁性体薄膜は、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成されていてもよい。ここで、磁界センサは、磁性体薄膜と、磁性体薄膜に素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、素子電流の供給方向に直交する方向における前記磁性体薄膜（端部間）の電圧を検出する検出部とを具備している。
この構成によれば、方向の正負を判定することができ、かつ磁界を印加しないときのオフセットがなくなるため回路構成を簡単にすることができる。

また本発明の磁界測定方法は、磁性体薄膜のパターンに対し、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように、素子電流を供給し、前記素子電流の供給方向に直交する方向で、前記磁性体薄膜（端部間）の電圧を検出することで磁界強度を測定する。
この構成によれば、方向の正負を判定することができ、かつ磁界を印加しないときのオフセットがなくなるため回路構成を簡単にすることができる。なおここでは磁性体薄膜として強磁性体薄膜を使用するのが望ましい。

なお、前記実施の形態では、磁性体薄膜をスパッタリング法で形成したが、スパッタリング法に限定されることなく、真空蒸着法あるいは、塗布法、浸漬法などによっても形成可能である。

また基板についても、シリコンなどの半導体基板のほか、サファイア、ガラス、セラミック等の無機系基板あるいは、樹脂等の有機系基板などいずれを用いてもよい。これらのなかでは特に、いわゆる可撓性に優れ、薄くて軽いものを用いることが好ましく、例えば、印刷配線板等として広く使用されているプラスチックフィルムと同様の基板を使用することができる。より具体的には、プラスチックフィルム材質として公知の各種の材料、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリポロピレン（ＰＰ）、テフロン（登録商標）等が利用可能である。可撓性の基板を用いることにより、測定すべき電線を囲むように配置するなど、より高感度となるように配置することが可能となる。また、ハンダによる接合を考慮して、耐熱性の高いポリイミドフィルムを用いるようにしてもよい。なお基板の厚さは、特に限定されるものではないが、１〜３００μｍ程度の厚さのものが好ましい。

さらにまた、ガラス基板などの基板上に直接磁性体薄膜パターンを形成して磁界センサを形成してもよいが、一旦チップを形成し、これをガラス基板やプリント配線基板などにワイヤボンディング法や、フリップチップ法で実装するようにしてもよい。またチップ内に、処理回路も含めて集積化することでより高精度で信頼性の高い磁界センサを提供することが可能となる。

なお前記実施の形態に限定されるものではなく、磁性体薄膜の出力取り出し方向を素子電流の供給方向に対し直交する方向とするとともに、素子電流の方向に対して磁気抵抗が対称となるように形成するものであれば適用可能である。これにより、方向の正負を判定することができ、かつ磁界を印加しないときのオフセットがなくなるため回路構成を簡単にすることができる。
また前記実施の形態では強磁性体薄膜を用いた磁界センサを用いたが、これに限定されることなく他の磁界センサを用いてもよい。

また、磁界センサを構成する磁性体薄膜は、高感度化の点からは磁化方向が素子電流の方向と一致するように形成されるのが望ましい。ブリッジを構成する場合の磁性体薄膜は、高感度化の点からは磁化方向が各ブリッジを流れる電流の方向に対して絶対値で４５°あるいは１３５°の角度をなすように形成されるのが望ましい。

１ 基板
２ 絶縁膜
３、３３ 磁性体薄膜（（環状）パターン）
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 磁性体成分
３ｔ、３Ｑ 調整部
ｐ 調整パターン
ｍ 目盛
Ｃ 除去部
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ パッド
Ｒ_ｍ１、Ｒ_ｍ２、Ｒ_ｍ３、Ｒ_ｍ４ ミアンダパターン
５Ａ、５Ｂ 給電部
５Ｃ、５Ｄ 検出部
５ｔ 調整部
１１ 保護膜
１３ 調整部
１３ｃ 調整用抵抗
２００ 一次導体
５００ ケーシング
５０１ 磁界センサ
５０２ アンプ
５０３ 安定化電源
５０４ オシロスコープ
５０５ 抵抗
５０６ 変圧器
５０７ 交流電源

Claims (2)

1. 電流が流れる一次導体に対し、平行となるように配置された磁性体薄膜と、
   前記一次導体に接続され、前記磁性体薄膜に素子電流を供給する電流入出力端子を備えた給電部と、
   前記電流入出力端子の中間位置に接続されるとともに、電圧入出力端子を備え、前記磁性体薄膜両端の出力を検出する検出部とを具備した電力計測装置であって、
   前記磁性体薄膜あるいはその周辺部の抵抗値を調整する調整部を具備し、
   前記調整部は、前記磁性体薄膜にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加部であり、
   前記磁性体薄膜はブリッジ構造をとるように順次配列された第１乃至第４の磁性体成分で構成され、前記第１乃至第４の磁性体成分の少なくとも一つが前記磁性体薄膜の磁気抵抗を調整する前記調整部を具備し、電流が流れる一次導体に対し、平行となるように、前記磁性体薄膜に素子電流を供給し、
   前記調整部は、前記第１乃至第４の磁性体成分を選択酸化可能に形成された領域である電力計測装置。
2. 請求項１に記載の電力計測装置であって、
   前記バイアス磁界印加部は磁石である電力計測装置。

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