JP6218194B2 - 電力計測装置及びセンサ素子 - Google Patents
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Description
非特許文献2 : 磁性膜を用いた薄膜電力計(電気学会マグネティツクス研究会資料VOL.MAG−05 No.192)
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を測定する電力計測装置であって、
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、
磁性膜を含む磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ端子のそれぞれを計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部とを有することを特徴とする。
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を測定する電力計測装置であって、
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、
直線状に形成された第1の磁性膜と第2の磁性膜が直列に接続され、前記第1の磁性膜と前記第2の磁性膜の接続点が接地された磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ端子のそれぞれを計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部とを有することを特徴とする。
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を測定する電力計測装置であって、
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、
直線状に形成され、動作点のそれぞれ異なる第1の磁性膜と第2の磁性膜が直列に接続され、前記第1の磁性膜と前記第2の磁性膜の接続点が接地された磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ端子の一端および他端とを抵抗を介して連結した点と、前記接地点をそれぞれ計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部と
を有することを特徴とする。
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を測定する電力計測装置であって、
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、
磁性膜を含む磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ素子および前記計測抵抗と並列に、前記センサ素子と同等の抵抗値を有する等価センサ抵抗と、前記計測抵抗と同じ抵抗値を有する等価計測抵抗の直列接続が接続され、
前記センサ素子と前記計測抵抗の接続点と、前記可変抵抗と前記等価抵抗の接続点とを計測端子とし、前記それぞれの計測端子間の電位を検出する電圧検出部と
を有することを特徴とする。
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を測定する電力計測装置であって、
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、
直線状の形成された第1の磁性膜と第2の磁性膜が直列に接続され、前記第1の磁性膜と前記第2の磁性膜の接続点が接地された磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ素子が前記連結端の一方に接続された前記センサ端子と、前記計測抵抗が前記連結端の他方に接続された前記他端とに、前記計測抵抗と同じ抵抗値を有する等価計測手抵抗が接続され、
前記センサ端子同士を計測端子とし、前記それぞれの計測端子間の電位を検出する電圧検出部と
を有することを特徴とする。
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を測定する電力計測装置であって、
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、
直線状に形成され、動作点のそれぞれ異なる第1の磁性膜と第2の磁性膜が直列に接続され、前記第1の磁性膜と前記第2の磁性膜の接続点が接地された磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記センサ素子が前記連結端の一方に接続された前記センサ端子と、前記計測抵抗が前記連結端の他方に接続された前記他端とに、前記計測抵抗と同じ抵抗値を有する等価計測手抵抗が接続され、
前記センサ端子同士を抵抗を介して連結した点と、接地された前記接地点とを計測端子とし、前記それぞれの計測端子間の電位を検出する電圧検出部と
を有することを特徴とする。
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を測定する電力計測装置であって、
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、
磁性膜を含む磁性膜部と、
前記磁性膜部の両端に設けられた一対のセンサ端子を有し、
前記センサ端子の一端は前記連結端の一方に接続され、
前記磁性膜部の長手方向が前記接続線の電流が流れる方向と略平行になるように前記接続線に絶縁層を介して隣接配置されるセンサ素子と、
一端が前記センサ素子のセンサ端子の他端に接続され、他端が前記連結端の他方に接続される計測抵抗と、
前記磁性膜部の前記センサ端子と直角方向の端部のそれぞれを計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部と
を有することを特徴とする。
まずは本発明の電力計測装置の測定原理について説明する。
次に、本発明の電力計測装置における測定原理を図3を参照しつつ説明する。この回路構成は、電源Vinからの電流を電流I1とI2とに分けた並列回路である。電源Vinからの電流は、一次導体膜Cuと、消費電力が測定される負荷R1(Load R1)とに電流I1を流す搬送経路と、磁性膜1aと計測抵抗R2(12)とに電流I2を流す計測経路に並列に流される。なお、ここで計測抵抗R2は、磁性膜1aの抵抗値Rmrより十分に大きいとする。
次に、本発明の電力計測装置において、磁性膜の磁気抵抗効果による交流電力測定について説明する。図4には、電力計測装置に用いるセンサ素子1を示す。センサ素子1は、磁性膜1aと、磁性膜1aの両短辺に設けられたセンサ端子1tで構成される。なお、図面向こう側のセンサ端子1tはこの図では見えない。磁性膜1aを保持するために絶縁体などからなる基板が含まれていてもよい。図4では、負荷に電流を流す接続線に相当する導体膜3と磁性膜1aとの間に絶縁膜2を介挿した3層構造を一体として形成した状態を示している。絶縁膜2はセンサ素子1を接続線に密着させるために設ける絶縁層である。
ここで図6(a)に、磁気抵抗効果型である本電力計測装置の構成を、電力測定される回路20と共に示す。電力を計測される回路20は、電源をファンクションジェネレータ22とアンプ24で構成した。負荷はR1である。なお、負荷と電源の間は接続線で接続される。その接続線中において、電力計測装置のセンサ部が配設される箇所を接続線Rcuで表した。ファンクションジェネレータ22からの信号はアンプ(直流増幅器)24で増幅され、交流電源となる。
上述するように磁気抵抗効果を利用した電力計測装置では、センサ素子に交流電圧成分と直流電圧成分とが重畳して出力され、このうち直流電圧成分をDMM等の電圧検出部で検出する。その他、PHE型電力計測装置や半導体薄膜を利用する電力計測装置のごとき薄膜素子を用いる電力計測装置(「薄膜型電力計測装置」とも称する)において検出する出力信号は直流電圧である。
「交流バイアス磁界を印加(再現性向上)」
次に、図16(a)では(異方性)磁気抵抗効果型の電力計測装置の磁性膜部分(強磁性体)の模式図が示され、図16(b)ではプレナーホール型(以後「PHE型」と呼ぶ。)の電力計測装置の磁性膜部分(強磁性体)の模式図が示されている。PHE型では、磁性膜に流す電流と直角方向の相対する2辺の間の電圧V2を計測する。
使用した磁性体素子:直径10mmの円形素子
直流印加磁界:−2A(−100A/m)〜2A(100A/m)
測定:周期は120sec、今回は300prot/600sec
また、負荷に流れる電流が直流電流だけの場合は、交流成分がないため、電力計測装置には、ローパスフィルタ26(図6参照)は不要である。つまり、本発明の電力計測装置では、電圧検出部28にはローパスフィルタが接続されない場合もある。
次に、矩形波電流を負荷に流したときの消費電力を測定する際に、交流バイアス磁界を磁性膜に印加した時の測定結果を示す。図20〜図21の(a)図は、周期120[sec]で導体膜Cu(一次導体)に−2A(−100A/m)と2A(−100A/m)の矩形波の電流を流すことで直流磁界(図16参照)をセンサ素子の磁性膜に作用させたときの出力電圧を示している。図20は交流バイアス磁界を印加しない場合、図21は交流バイアス磁界(−0.3A(15A/m)、50Hz)を導体膜Cuから発生する磁界に平行に磁性膜に印加(追加)した場合を示している。なお、測定は、240[sec](2周期)で240prot行った。グラフの横軸に時間、縦軸に入力(直流印加磁界)、出力電圧を表示している。
図17〜図21では直流磁界の測定に際し交流バイアス磁界を印加した場合の効果について説明してきた。ここでは直流バイアス磁界を用いた場合の効果について言及する。ここでの「直流バイアス磁界」とは、磁性膜の磁化容易軸方向に平行に直流磁界を印加することをいう。
(1)直流バイアス磁界を印加しない場合、(2)80A/mの直流バイアス磁界を印加した場合、(3)240A/mの直流バイアス磁界を印加した場合、(4)480A/mの直流バイアス磁界を印加した場合、(5)800A/mの直流バイアス磁界を印加した場合、(6)1200A/mの直流バイアス磁界を印加した場合、の測定結果を示している。磁性膜に流す直流電流は10mAである。なお、直流バイアス磁界は、永久磁石の距離調整により調節される。
磁気抵抗効果型の電力計測装置では、負荷に接続する電源が直流電源の場合には、大きな直流オフセット電圧が現れる。このため1つの磁性膜1aでは直流電力測定ができない。しかしながら、図23に示すように2個の磁性膜1aおよび1pを直列に接続し、かつ接続点を接地することで、それぞれの磁性膜で発生するオフセット電圧をキャンセルさせることができる。ここでセンサ端子1t(1ta、1tb)は、磁性膜1aと磁性膜1pの両端である。また、このセンサ端子1tは計測端子13(13a、13b)でもあり、電圧検出手段28が接続される。なお、図23ではアンプが電圧検出手段28を表す。
次に、バーバーポール磁気抵抗効果型の電力計測装置について説明する。この電力計測装置は、上述する磁気抵抗効果型の電力計測装置の変形例である。
図29に差動型のバーバーポールの磁気抵抗効果型の電力計測装置のセンサ素子を示しており、(a)には上方から見た写真、(b)にはこのセンサ素子をマイクロストリップ線路の測定に用いた模式図が示されている。図29(a)からは、磁性膜上には、左右に傾きの異なるバーバーポールが作製されているのが分かる。なお、図29(b)は図25(b)と電極の数が違う。図29(b)は、センタータップ電極を有するタイプのセンサ素子である。
ここで再び磁気抵抗効果型である電力計測装置による実際の電力計測回路を示す。
1a、1p 磁性膜
1c 導体膜
1t センサ端子
1m センタータップ電極
2 絶縁膜
3 導体膜
10 連結端
12 計測抵抗
13 計測端
15 電力計測装置
22、32 ファンクションジェネレータ
24、34、35 アンプ
26、37 ローパスフィルタ
28、38 DMM(デジタルテスター)
37 整流回路
38 充電器
39 スイッチ
40 バンドパスフィルター手段
41 バンドパスフィルター
42 スイッチ
51 等価センサ抵抗
52 等価計測抵抗
Claims (5)
- 負荷において消費される電力を測定する電力計測装置であって、
直列に接続された複数のバーバーポール磁性膜と、
導体膜と、
前記バーバーポール磁性膜と前記導体膜との間に設けられた絶縁膜と、
前記複数のバーバーポール磁性膜のうち一端に位置するバーバーポール磁性膜と接続されている第1の端子と、
前記複数のバーバーポール磁性膜のうち他端に位置するバーバーポール磁性膜と接続されている第2の端子と、
前記複数のバーバーポール磁性膜のうち一端及び他端以外の位置に位置するバーバーポール磁性膜と接続されている第3の端子と、
前記第1の端子及び/または前記第2の端子と前記第3の端子との間の電圧、または前記第1の端子と前記第2の端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記バーバーポール磁性膜の長軸方向に沿って磁界を印加できるように設けられた複数の磁石と、
を備え、
前記第1の端子が電源の一端に接続され、前記第2の端子が前記電源の他端に接続されており、
前記バーバーポール磁性膜の磁化方向は長軸方向である
電力計測装置。 - 前記第3の端子を境にして、前記バーバーポール磁性膜の長手方向に対する前記導体膜の傾きが異なる
請求項1に記載の電力計測装置。 - 前記バーバーポール磁性膜は、複数の磁性体が直列に接続されたものであり、
前記複数の磁性体は、略平行に配置されている
請求項1または2に記載の電力計測装置。 - 前記バーバーポール磁性膜は、複数の磁性体が直列に接続され且つ当該複数の磁性体が略平行に配置されている第1の磁性膜部と、複数の磁性体が直列に接続され且つ当該複数の磁性体が略平行に配置されている第2の磁性膜部とを有し、
前記第1の磁性膜部と前記第2の磁性膜部は直列に接続されており、
前記第3の端子は、前記第1の磁性膜部と前記第2の磁性膜部が接続する位置に対応する位置の導体膜に接続されている
請求項1または2に記載の電力計測装置。 - 直列に接続された複数のバーバーポール磁性膜と、
導体膜と、
前記バーバーポール磁性膜と前記導体膜との間に設けられた絶縁膜と、
前記複数のバーバーポール磁性膜のうち一端に位置するバーバーポール磁性膜と接続されている第1の端子と、
前記複数のバーバーポール磁性膜のうち他端に位置するバーバーポール磁性膜と接続されている第2の端子と、
前記複数のバーバーポール磁性膜のうち一端及び他端以外の位置に位置するバーバーポール磁性膜と接続されている第3の端子と、
前記第1の端子あるいは前記第2の端子と前記第3の端子との間の電圧、または前記第1の端子と前記第2の端子との間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記バーバーポール磁性膜の長軸方向に沿って磁界を印加できるように設けられた複数の磁石と、
を備え、
前記バーバーポール磁性膜の磁化方向は長軸方向であるセンサ素子。
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