KR20120047975A - 자계 센서, 이것을 이용한 자계 측정 방법, 전력 계측 장치 및 전력 계측 방법 - Google Patents

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Abstract

정부 방향의 판정이 가능하고, 신뢰성이 높은 자계 검출을 가능하게 한다. 본 발명의 자계 센서는, 강자성 박막(3)과, 상기 강자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부(5A, 5B)와, 상기 소자 전류의 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 강자성 박막(단부간)의 전압을 검출하는 검출부(5C, 5D)를 구비하고, 상기 강자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 대칭으로 되도록 형성된다.

Description

자계 센서, 이것을 이용한 자계 측정 방법, 전력 계측 장치 및 전력 계측 방법{MAGNETIC FIELD SENSOR, AS WELL AS MAGNETIC FIELD MEASUREMENT METHOD, POWER MEASUREMENT DEVICE, AND POWER MEASUREMENT METHOD USING THE SAME}
본 발명은, 자계 센서, 이것을 이용한 자계 측정 방법, 전력 계측 장치 및 전력 계측 방법에 관한 것으로, 특히 오프셋이 없이, 고정밀도의 자계 측정을 실현 하기 위한 자계 센서의 전압 취출, 및 이 자계 센서를 이용한 전력 계측 장치에 관한 것이다.
최근, 인터넷 등을 이용하는 환경이 성립되어 온 동안에, 전력의 원격 검침을 포함한 계측 시스템의 개발이 진행되고 있다.
사용한 전력을 원반의 회전수로 변환시켜 적산 연산을 행한다고 하는 기존의 적산 전력계에, 회전을 검출하는 센서를 부가하거나, 혹은, 전류계(CT), 전압계(PT)를 새롭게 부가하고, 전자 회로나 마이크로프로세서에 의한 승산 계산을 행하여, 전력을 계측하는 등의 방법을 이용한 전력계가 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 전력계는, 장치가 대형화될 뿐만 아니라, 고가의 것으로 되고, 또한, 불필요한 에너지를 소비할지도 모른다고 하는 상황이다.
따라서 소비 전력을 그대로 전기량으로서 측정할 수 있음과 함께, 소형화 및 집적화가 가능한 전력계의 개발이 요망되고 있다.
특히, 자성 박막의 자기 저항 효과를 이용하여, 소비 전력을 전기량인 그대로 측정하는 것이 가능한 전력 계측 장치가 제안되어 있다(비특허 문헌 1, 2).
이것은, 교류가 흐르는 1차 도체에 대해, 평행하게 놓여진(기판 상에 구성된) 자성 박막을 이용하고, 이 자성 박막의 양단에 저항을 통하여 1차 전압이 인가되고, 자성 박막의 (양단)으로부터 출력을 취출하도록 한 전력 계측 장치이다. 이 전력 계측 장치는, 2배 주파수 성분의 진폭값으로부터 전력 IV를 취출하는 방식을 취하는 것이다.
이 전력 계측 장치에서는, 자성 박막으로 이루어지는 강자성체 내에 있어서, 전류와 자화가 이루는 각도에 의해 그 자성체의 전기 저항값이 변하는 현상인 플래너 홀 효과를 이용하여, 바이어스 자계 없이 선형 특성을 얻을 수 있는 점에 주목하고, 전력에 비례하는 신호 성분을 취출하도록 하고 있다.
여기서 이용되는 자계 센서는, 외부 자계의 변화를 전기 신호로 변환하는 소자이며, 강자성 박막이나 반도체 박막 등의 자성 박막을 패터닝하고, 그 자성 박막의 패턴에 전류를 흘려 전압 변화로서 외부 자계의 변화를 전기 신호로 변환하는 것이다.
여기서 출력 신호는 다음의 식(1)과 같게 된다.
Figure pct00001
여기서 출력은, 직류 성분의 항과, 교류 성분의 항으로 나눌 수 있다.
A1은 브릿지 저항의 언밸런스로 생기는 전력과 관계가 없는 불필요한 항, A2는 전력에 비례하는 항(순간 전력)이다.
이와 같은, 자계 센서의 고감도화 때문에, 다양한 제안이 이루어져 있다. 예를 들면 특허 문헌 1에서는, 고감도화를 기도하여, 고리 형상 패턴의 일부를 개구하여 통전부를 형성한 자계 센서도 제안되어 있다.
일본 특허 공개 평11-274598호 공보
자성막을 이용한 박막 전력계(전기학회 마그네틱 연구회 자료 VOL.MAG-05 No.182) 자성막을 이용한 박막 전력계(전기학회 마그네틱 연구회 자료 VOL.MAG-05 No.192)
그러나, 상기 전력 계측 장치에 있어서는, 2ω 성분의 진폭값 I1ㆍV1의 값을 계측함과 함께, 별도 역율 cosθ를 계측하고, 별도 승산을 행하여, I1ㆍV1ㆍcosθ를 얻는다고 하는 방법을 취하고 있고, 역율이 1이 아닌 경우에는 역율을 별도 계측하여 연산할 필요가 있었다. 또한, 고조파 성분을 갖는 전류 파형의 경우, 기본파 성분의 전력밖에 취출할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또한, 자기 센서에 대해서는, 이하에 기재하는 바와 같은 문제가 있었다. 예를 들면, 도 28에 도시하는 바와 같이, 강자성 특성을 갖는 자성 박막(100)에 그 직경 방향을 따라서 배치된 도체(200)에 전류 I1을 흘리고, 그 전류에 의해 생기는 자계를 H, 소자가 갖는 자발 자화를 M으로 하였을 때, 외부 자계 벡터 H, 소자가 갖는 자발 자화 벡터 M을 합성한 자속 밀도 벡터를 BM0로 하고, 전류 밀도 벡터 I와 자속 밀도 벡터 BMO가 이루는 각을 θ, 강자성 박막(100)의 점 A-B간의 저항을 R, 자계에 의해 변화되는 점 A-B간의 저항값의 최대값을 ΔR로 하면,
점 A-B간의 전압 VAB는
Figure pct00002
로 된다. 여기서 I2는 소자 전류이다.
그러나, 상기 구성에서는, 교류 자계를 인가하였을 때 정부(正負) 방향의 판별을 할 수 없다고 하는 문제가 있다. 이것은, 상기 식(2) 중에서 cos2θ가 정부에서 동일한 값을 취하기 때문이다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 정부 방향의 판정이 가능하고, 신뢰성이 높은 자계 검출을 가능하게 하는 자계 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 역율을 별도 계측하지 않고, 간단히 전력을 계측할 수 있는 전력 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서 본 발명의 자계 센서는, 자성 박막과, 상기 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 상기 소자 전류의 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 자성 박막 단부간의 전압을 검출하는 검출부를 구비하고, 상기 자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 대칭으로 되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 외형이 원형인 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 고리 형상체인 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 정사각형의 고리 형상체로 구성되고, 상기 정사각형의 대각선 방향으로 전류가 흐르도록 급전부가 설치된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 고리 형상체이며, 선 폭이 일정하다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 상기 고리 형상체의 내부에, 자성막으로 이루어지는 내부 자성 박막이 형성된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 내부 자성 박막은, 상기 자성 박막과 동일 재료로 이루어지는 자성 박막으로 구성된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 내부 자성 박막은, 상기 자성 박막과 다른 자성 박막으로 구성된 것을 포함한다.
또한 본 발명의 자계 측정 방법은, 자성 박막의 패턴이, 소자 전류의 방향에 대하여 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하고, 상기 소자 전류의 공급 방향에 직교하는 방향에서, 상기 자성 박막 단부간의 전압을 검출함으로써 자계 강도를 측정한다.
따라서 본 발명의 전력 계측 장치는, 교류가 흐르는 1차 도체에 대해, 평행하게 되도록 배치된 자성 박막과, 상기 1차 도체에 접속되고, 상기 자성 박막에 저항체를 통하여 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 상기 자성 박막 양단의 출력을 검출하는 검출부를 구비한 자계 센서와, 상기 검출부의 출력으로부터 직류 성분을 추출하는 직류 성분 추출부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 자계 센서가, 상기 직류 성분 추출부와 동일 기판 상에 형성된 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 자계 센서의 상기 자성 박막은, 상기 기판 상에 성막되고, 상기 검출부가 상기 기판 상의 배선 패턴과 직접 접속된 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 자계 센서는, 상기 기판 상에 성막된 자성 박막과, 상기 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 상기 자성 박막 양단의 출력을 검출하는 검출 전극부를 구비하고, 상기 배선 패턴이 상기 급전부와 상기 검출 전극부와 동일한 도체층으로 구성된 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성된 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 자성 박막은, 자화 방향이 상기 소자 전류의 방향과 일치하도록 형성된 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 검출부는, 상기 소자 전류의 방향에 직교하는 방향으로 형성된 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 직류 성분 추출부는, 출력값을 상용 주파수 f의 f분의 1의 주기마다 적산하는 적산부를 구비한 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 소자 전류의 1차 전압의 제로 크로스점을 검출하는 제로 크로스점 검출부를 구비하고, 상기 제로 크로스점 검출부의 출력에 따라서, 상기 직류 성분 추출부의 구동 타이밍이 결정되는 것을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 검출부에 병렬 접속된 컨덴서를 구비한 것을 포함한다.
또한, 본 발명의 전력 계측 방법은, 상기 전력 계측 장치를 이용하여, 자성 박막의 패턴에 대해, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하는 공정과, 상기 소자 전류의 공급에 의해 발생(生起)된 출력의 직류 성분을 취출하여, 전력 정보로 한다.
또한, 본 발명의 전력 계측 장치에 이용되는 자계 센서는, 자성 박막과, 상기 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 상기 소자 전류의 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 자성 박막(단부간)의 전압을 검출하는 검출부를 구비하고, 상기 자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 외형이 원형인 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 고리 형상체인 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 정사각형의 고리 형상체로 구성되고, 상기 정사각형의 대각선 방향으로 전류가 흐르도록 급전부가 설치된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 고리 형상체이며, 선 폭이 일정하다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 정사각형의 고리 형상체로 구성되고, 상기 정사각형의 대각선 방향으로 전류가 흐르도록 급전부가 설치된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 자성 박막은, 상기 고리 형상체의 내부에, 자성막으로 이루어지는 내부 자성 박막이 형성된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 내부 자성 박막은, 상기 자성 박막과 동일 재료로 이루어지는 자성 박막으로 구성된 것을 포함한다.
또한 본 발명은, 상기 자계 센서에 있어서, 상기 내부 자성 박막은, 상기 자성 박막과 다른 자성 박막으로 구성된 것을 포함한다.
또한 본 발명의 전력 계측 장치에 있어서의 자계 측정 방법은, 자성 박막의 패턴에 대해, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하고, 상기 소자 전류의 공급 방향에 직교하는 방향에서, 상기 자성 박막(단부간)의 전압을 검출함으로써 자계 강도를 측정한다.
이상 설명해 온 바와 같이, 본 발명의 자계 센서에 따르면, 매우 간단한 구성으로, 전압을 소자 전류 방향과 직교하는 점으로부터 취출하도록 하고 있기 때문에, 자계의 방향을 검출할 수 있고, 오프셋도 없어, 신뢰성이 높은 자계 검출이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 전력 계측 장치에 따르면, 출력 전압의 직류 성분을 취출함으로써, 매우 간단한 구성으로, 역율을 별도 계측할 필요가 없으며, 직접 전력을 취출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 자계 센서의 원리 설명도.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 원리 설명도.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 상면도.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 소자 특성을 측정하기 위한 측정 장치를 도시하는 회로 설명도.
도 6은 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 소자 특성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 소자 특성의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1의 자계 센서의 전류값과 출력 전압과의 관계를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 실시 형태 2의 자계 센서의 원리 설명도.
도 10은 본 발명의 실시 형태 2의 자계 센서의 상면도.
도 11은 본 발명의 실시 형태 2의 자계 센서의 단면도.
도 12는 본 발명의 실시 형태 2의 변형예의 자계 센서의 단면도.
도 13은 본 발명의 실시 형태 2의 변형예의 자계 센서의 상면도.
도 14는 본 발명의 실시 형태 3의 자계 센서의 원리 설명도.
도 15는 본 발명의 실시 형태 3의 자계 센서의 상면도.
도 16은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 측정 장치의 개요 설명도.
도 17은 본 발명의 실시 형태 4의 등가 회로도.
도 18은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 설명도.
도 19는 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 단면도.
도 20은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 출력 특성을 도시하는 도면.
도 21은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 출력 취출 방향을 도시하는 설명도로서, (a) 및 (b)는 자발 자화의 방향이 소자 전류 I2의 방향과 평행한 경우, (c) 및 (d)는 자발 자화의 방향이 소자 전류 I2의 방향과 평행하지 않은 경우.
도 22는 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 외부 자계와 출력 전압과의 관계를 나타내는 도면.
도 23은 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 검출부의 설명도.
도 24는 본 발명의 실시 형태 4의 전력 계측 장치의 검출부의 설명도로서, (a)는 θ가 0일 때, (b)는 θ가 π/4일 때를 나타내는 도면.
도 25는 전력 계측 장치의 전력을 출력으로서 취출하였을 때 출력값의 1주기분을 나타내는 도면.
도 26은 본 발명의 실시 형태 5의 전력 계측 장치의 설명도.
도 27은 본 발명의 실시 형태 6의 전력 계측 장치의 설명도.
도 28은 종래예의 자계 센서의 설명도.
이하 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시 형태의 설명에 앞서서, 본 발명의 자계 센서의 측정 원리에 대해서 설명한다.
본 발명의 자계 센서에서는, 자성 박막으로서 이용하는 강자성 박막에 대해, 소자 전류 방향에 대하여 직교하는 방향으로 출력 취출을 행하도록 함과 함께, 출력 취출 방향에 대하여 거의 대칭으로 되도록 하고 있다.
즉 도 1에 원리 설명도를 도시하는 바와 같이, 원형의 강자성 박막(3)의 패턴의 중심에 대하여 대칭한 위치에 있고, 이 강자성 박막 패턴의 주연 상에 있는 점 A, B를 통전부로 하고, 이 선분 AB에 직교함과 함께, 원의 중심을 통하는 선분 CD를 출력 취출 방향으로 하고 있다.
이때, 도 1에 도시하는 바와 같이, 강자성 박막(3)에 그 직경 방향을 따라서 배치된 도체(200)에 전류 I1을 흘리는 것으로 한다. 그 전류에 의해 생기는 자계 벡터를 H, 소자가 갖는 자발 자화 벡터를 M으로 하였을 때, 자계 벡터 H, 소자가 갖는 자발 자화 벡터 M을 합성한 자속 밀도 벡터를 BM0로 함과 함께 전류 밀도 벡터 I와 자속 밀도 벡터 BM0가 이루는 각을 θ와, 강자성 박막(3)의 점 A-B간의 저항을 R, 자계에 의해 변화되는 점 A-B간의 저항값의 최대값을 ΔR로 하면, 점 C-D간의 전압 VCD는, 전압 VAC와 전압 VAD와의 차로 나타낼 수 있다.
이것을 수식화하면,
Figure pct00003
로 나타낼 수 있다. 여기서 I2는 소자 전류이다.
즉 교류 자계를 인가하였을 때, 정부를 판정할 수 있다.
또한, 식(1)로 나타낸 종래예의 경우에 비해, 자계를 인가하지 않을 때 오프셋이 없어, 제로로 되므로 회로 구성을 간단히 할 수 있다.
이 구성에 따르면, 강자성 박막(3)에 그 직경 방향을 따라서 배치된 도체(200)에 전류 I1을 흘리고, 그 전류에 의해 생기는 자계를 H, 소자가 갖는 자발 자화를 M으로 하였을 때, 외부 자계 벡터 H, 소자가 갖는 자발 자화 벡터 M을 합성한 자속 밀도 벡터를 BM0로 함과 함께 전류 밀도 벡터 I와 자속 밀도 벡터 BM0가 이루는 각을 θ로, 강자성 박막(3)의 점 A-B간의 저항을 R, 자계에 의해 변화되는 점 A-B간의 저항값의 최대값을 ΔR로 하면, 점 C-D간의 전압 VCD는, 전압 VAC와 전압 VAD와의 차로 나타낼 수 있다.
(실시 형태 1)
본 실시 형태 1의 자계 센서에 대해서 설명한다. 도 2에 이 자계 센서의 원리 설명도, 도 3에 상면도, 도 4에 단면도를 도시한다. 이 자계 센서는 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 실리콘으로 이루어지는 기판(1) 표면에 절연막(2)으로서 산화 실리콘막을 형성하고, 이 절연막(2) 상에 강자성 특성을 갖는 강자성 박막(3)으로 이루어지는 고리 형상 패턴을 형성하고, 이 고리 형상 패턴의 직경 방향을 따라서 급전부(5A, 5B)를 구성하는 도체 패턴, 및, 이 급전부(5A, 5B)로부터 공급되는 소자 전류의 방향에 직교하는 방향으로 형성된 검출부(5C, 5D)로서의 도체 패턴을 구비한 것이다.
즉 도 2에 원리 설명도를 도시하는 바와 같이, 원형의 강자성 박막(3)의 패턴의 중심에 대하여 대칭인 위치에 있고, 이 강자성 박막 패턴의 주연 상에 있는 점 A, B를 통전부로 하고, 이 선분 AB에 직교함과 함께, 원의 중심을 통하는 선분CD를 출력 취출 방향으로 하고 있다.
이때, 도 2에 도시하는 바와 같이, 강자성 박막(3)에 그 직경 방향을 따라서 배치된 도체(200)에 전류 I1을 흘리는 것으로 한다. 그 전류에 의해 생기는 자계를 H, 소자가 갖는 자발 자화를 M으로 하였을 때, 외부 자계 벡터 H, 소자가 갖는 자발 자화 벡터 M을 합성한 자속 밀도 벡터를 BM0로 함과 함께 전류 밀도 벡터 I와 자속 밀도 벡터 BM0가 이루는 각을 θ로, 자성 박막(3)의 점 A-B간의 저항을 R, 자계에 의해 변화되는 점 A-B간의 저항값의 최대값을 ΔR로 하면, 점 C-D간의 전압 VCD는, 전압 VAC와 전압 VAD와의 차로 나타낼 수 있다.
따라서 상기 식(3)이 성립하여, 교류 자계를 인가하였을 때, 정부를 판정할 수 있다.
또한, 자계를 인가하지 않을 때 오프셋이 없어, 제로로 되므로 회로 구성을 간단히 할 수 있다.
여기서 강자성 박막으로서는, 단층 구조의 강자성 박막 외에, (강자성체/비자성 도전체) 구조의 반강자성(antiferro)(결합)형 박막, (고보자력 강자성체/비자성 도전체/저보자력 강자성체) 구조의 유도 페리(비결합)형 박막, (반강자성체/강자성체/비자성 도전체/강자성체) 구조의 스핀 밸브형 박막, Co/Ag 계통의 비고용계미립자(granular)형 박막 등으로부터 선택하여 형성된다.
또한 도체 패턴으로서는 금, 구리, 알루미늄 등이 이용된다.
다음으로, 이 자계 센서의 제조 공정에 대해서 설명한다.
기판(1)으로서의 실리콘 기판 표면에, 절연막(2)으로서의 산화 실리콘막을 형성하고, 이 상층에, 스퍼터링법에 의해, 강자성 박막(3)을 형성한다. 이때, 자계를 인가하면서 스퍼터링을 행하여, 자발 자화 방향이 일치하도록 형성한다.
그리고, 포토리소그래피에 의해 이 강자성 박막(3)을 패터닝하여, 원환상의 패턴으로 한다.
이 중, 스퍼터링법에 의해, 금 등의 도전체 박막을 형성하고, 포토리소그래피에 의해 패터닝하고, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같은 급전부(5A, 5B) 및 검출부(5C, 5D)를 형성한다.
그리고 필요에 따라서 보호막을 형성하고, 자계 센서가 완성된다.
본 실시의 자계 센서에 따르면, 자성 박막의 폭이 작아지기 때문에, 전기 저항이 증대되어, 출력을 크게 할 수 있다.
이 자계 센서의 출력 특성을 확인하기 위해, 도 5에 도시하는 바와 같은 측정 장치를 이용하여 실험을 행하였다. 도 2 내지 도 4에 도시한 자계 센서(501)의 급전부 A, B에, 교류 전원(507)으로부터 변압기(506) 및 저항(505)을 통하여 교류를 공급함과 함께, 자계 센서(501)의 검출부(C, D)에 앰프(502)를 통하여 표시부로서의 오실로스코프(504)를 접속한 것이다. 부호 503은 안정화 전원이다. 또한 이 측정 장치는 철제의 케이싱(500) 내에 수납되어 있다. 여기서는, 이 소자를 탑재한 소자 기판을 연직으로 배치하고, 소자와, 측정해야 할 전류선과의 이격 거리를 약 3㎜로서 측정을 행하였다.
이 측정 결과를, 도 6 및 도 7에 나타낸다. 도 6은 소자 전류 I1을 8.842A로 하였을 때 순시 출력이며, 도 7은 소자 전류 I1을 0A로 하였을 때 순시 출력이다.
이와 같이 하여 얻어진 전류값과, 소자 출력 전압과의 관계를 도 8에 나타낸다. 여기서는, 앰프에 의한 오프셋이 5.888V로 되어 있지만, 그 이외에는 오프셋도 없어, 신뢰성이 높은 것으로 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 연직 방향에 배치한 소자 기판을 이용한 측정에 대해서 설명하였지만, 측정해야 할 전선을 소자 기판 상에 적재함으로써 측정을 행하도록 해도 된다.
또한 상기 실시 형태에 있어서, 선 폭은 일정하게 하는 것이 바람직하다. 일정하지 않는 경우는, 저항값이 대칭으로 되도록, 막 두께를 조정하거나, 혹은, 보조 패턴을 부가하는 등의 수단을 취하는 것도 유효하다.
또한, 자성 박막은, 외형이 원형이고, 대칭형이므로, 소자 전류 방향에 대하여 대칭으로 되도록 형성하기 쉬워, 신뢰성이 높은 자계 센서를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 자성 박막을 고리 형상으로 함으로써, 자성 박막의 폭이 작아져, 전기 저항이 증대되고, 소자의 외형을 크게 하지 않고 저항값을 크게 할 수 있어, 출력을 크게 하는 것이 가능하게 된다.
(실시 형태 2)
다음으로, 본 발명의 실시 형태 2에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에서는, 도 9 내지 도 11에 도시하는 바와 같이, 상기 실시 형태 1의 자계 센서의 고리 형상 패턴을 구성하는 강자성 박막(3)의 고리의 내주를 따라서 상사형인 원 형상의 내부 자성 박막으로서 강자성 박막의 보조 패턴(4)을 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.
구성으로서는 이 보조 패턴(4)이 부가된 것일 뿐, 다른 구성에 대해서는 상기 실시 형태 1과 마찬가지이며, 여기서는 설명을 생략한다. 동일 부위에는 동일 부호를 붙였다. 여기서 도 9는 이 자계 센서의 원리 설명도, 도 10에 상면도, 도 11에 단면도를 도시한다. 이 자계 센서는 기본적으로는 상기 실시 형태 1과 마찬가지이지만, 이 보조 패턴(4)의 존재에 의해, 전기 저항은 높인 상태로 자기적인 감도를 높이도록 한 것이다. 강자성 박막(3) 중 외측의 고리 형상 패턴과 내부의 보조 패턴(4)과는 전기적으로 접촉하고 있지 않다. 이 때문에, 전기 저항은 상기 실시 형태 1의 자계 센서와 마찬가지이지만, 자기적으로는 공간부가 자성 박막으로 매립되므로, 보다 많은 자속을 유도할 수 있어, 고감도화를 도모할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 자성체의 사이에 공간이 형성되기 때문에, 외부 자계에 대한 감도가 저하된다. 따라서 전기 저항을 높인 상태로, 자기적인 감도만을 향상시키기 위해, 전기적으로 독립하여 내부 자성 박막을 형성함으로써, 보다 고감도화를 도모할 수 있다.
또한, 소자 구조로서는, 도 12에 변형예를 나타내는 바와 같이, 자성체 박막 패턴을 형성한 후, 기판 표면 전체를 폴리이미드 수지로 이루어지는 보호 절연막(16)으로 피복하고, 쓰루홀을 통하여 급전부(5A, 5B) 및 검출부(5C, 5D)를 형성해도 된다. 이 구성에 따르면, 자성체 박막의 열화를 방지하여, 신뢰성이 높은 자계 센서를 제공하는 것이 가능하게 된다.
게다가 또한, 고리 형상 패턴의 내부에 형성되는 보조 패턴으로서는, 동일 재료로 구성해도 되고, 도 13에 도시하는 바와 같이 다른 재료로 이루어지는 자성체 박막으로 보조 패턴(24)을 형성해도 된다.
내부 자성 박막 즉 보조 패턴을, 자성 박막과 동일 재료로 이루어지는 자성 박막으로 구성함으로써, 제조가 용이하고 패턴의 변경만으로 고감도로 신뢰성이 높은 자계 센서를 제공할 수 있다.
또한 내부 자성 박막 즉 보조 패턴을, 자성 박막과 다른 자성 박막으로 구성함으로써, 감도를 조정할 수 있다. 또한, 다수의 자계 센서를 나열하여 배열하는 경우, 감도를 일치시키기 위해, 내부 자성 박막의 재료를 조정함으로써도 감도의 조정을 도모하는 것이 가능하게 된다.
또한, 보호막으로서는, 산화 실리콘막이나 산화 알루미늄 등의 무기막 외, 폴리이미드 수지, 노볼락 수지 등의 유기막을 이용하는 것도 가능하다.
(실시 형태 3)
다음으로, 본 발명의 실시 형태 3에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에서는, 도 14 및 도 15에 도시하는 바와 같이, 강자성 박막은, 정사각형의 고리 형상 패턴(33)으로 구성되고, 상기 정사각형의 대각선 방향으로 전류가 흐르도록 급전부(5A, 5B)가 설치되고, 이들에 직교하는 방향으로 검출부(5C, 5D)가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 실시 형태에서도, 상기 실시 형태 1의 자계 센서의 고리 형상 패턴(3) 대신에 정사각형의 고리 형상 패턴(33)을 형성한 것일 뿐, 다른 구성에 대해서는 상기 실시 형태 1과 마찬가지이며, 여기서는 설명을 생략한다. 동일 부위에는 동일 부호를 붙였다. 여기서 도 14는 이 자계 센서의 원리 설명도, 도 15는, 상면도이다.
여기서 자속 밀도 벡터는 소자가 갖는 자발 자화 벡터 M과 외부 자계 벡터 H의 합성이며, 외부 자계가 없는 경우에는 자속 밀도 벡터는 자발 자화 벡터 방향으로 된다. 외부 자계가 교류 자계인 경우는, 자발 자화 벡터를 중심으로 도면의 상하 방향으로 진동한다.
이 구성에 따르면, 센서의 출력 Vmr은 다음 식으로 나타낼 수 있다.
단, 전술한 바와 마찬가지로, 전류 밀도 벡터와 자속 밀도 벡터가 이루는 각을 θ1, θ2, AB와 AC 및 AB와 AD가 이루는 각을 φ, 외부 자계가 없을 때 AC간의 전압을 VAC0, AD간의 전압을 VAD0, 자기 저항 효과에 의한 전압 변화의 최대값을 ΔVr로 한다.
Figure pct00004
원형 고리 형상 즉 원환상에 있어서도 대략 동일 식으로 표현할 수 있지만, 원환상의 경우, 전류 밀도 벡터의 방향이 A에서 C, A에서 D의 사이에서 변화되고, 출력 최대로 되는 φ=45도 이외의 성분도 존재하기 때문에 정사각형에 비해 출력이 작아진다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 자성체 박막을 스퍼터링법으로 형성하였지만, 스퍼터링법에 한정되지 않고, 진공 증착법 혹은, 도포법, 침지법 등에 의해서도 형성 가능하다.
또한 기판에 대해서도, 실리콘 등의 반도체 기판 외에, 사파이어, 글래스, 세라믹 등의 무기계 기판 혹은, 수지 등의 유기계 기판 등 어느 하나를 이용해도 된다. 이들 중에서는 특히, 소위 가요성이 우수하고, 얇고 가벼운 것을 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 인쇄 배선판 등으로서 널리 사용되고 있는 플라스틱 필름과 마찬가지의 기판을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 플라스틱 필름 재질로서 공지의 각종 재료, 예를 들면, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 테플론(등록 상표) 등이 이용 가능하다. 가요성의 기판을 이용함으로써, 측정해야 할 전선을 둘러싸도록 배치하는 등, 보다 고감도로 되도록 배치하는 것이 가능하게 된다. 또한, 땜납에 의한 접합을 고려하여, 내열성이 높은 폴리이미드 필름을 이용하도록 해도 된다. 또한 기판의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 1?300㎛ 정도의 두께의 것이 바람직하다.
게다가 또한, 글래스 기판 등의 기판 상에 직접 자성체 박막 패턴을 형성하여 자계 센서를 형성해도 되지만, 일단 칩을 형성하고, 이것을 글래스 기판이나 프린트 배선 기판 등에 와이어 본딩법이나, 플립 칩법으로 실장하도록 해도 된다. 또한 칩 내에, 처리 회로도 포함시켜 집적화함으로써 보다 고정밀도로 신뢰성이 높은 자계 센서를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 자성 박막의 출력 취출 방향을 소자 전류 방향에 대하여 직교하는 방향으로 함과 함께, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성하는 것이면 적용 가능하며, 방향의 정부를 판정할 수 있고, 또한 자계를 인가하지 않을 때 오프셋이 없어지므로 회로 구성을 간단히 할 수 있다.
또한 상기 실시 형태에서는 강자성 박막을 이용한 자계 센서를 이용하였지만, 이에 한정되지 않고 다른 자계 센서를 이용해도 된다.
(실시 형태 4)
본 발명의 실시 형태의 설명에 앞서서, 본 발명의 측정 원리에 대해서 설명한다.
이 전력 계측 장치에서는, 강자성체 내에 있어서, 전류와 자화가 이루는 각도에 의해 그 자성체의 전기 저항값이 변하는 현상인 플래너 홀 효과를 이용하여, 바이어스 자계 없이 선형 특성을 얻을 수 있는 점에 주목하고, 전력에 비례하는 신호 성분을 취출하도록 하고 있다. 도 16 및 도 17에 이 측정 원리를 도시한다. 도 16은 이 전력 측정 장치의 개요 설명도, 도 17은 등가 회로도이다.
여기서 이용되는 자계 센서는, 외부 자계의 변화를 전기 신호로 변환하는 소자이며, 자계 검출막으로서의 강자성 박막(5)을 패터닝하고, 그 자계 검출막의 패턴에 전류를 흘려 전압 변화로서 외부 자계의 변화를 전기 신호로 변환하는 것이다.
여기서 도 17에 도시하는 바와 같이, 강자성 박막은 R1, R2, R3, R4로 이루어지는 저항 브릿지로 간주할 수 있다.
여기서, 평형 상태(R1=R2=R3=R4)일 때,
Figure pct00005
로 되고, 직류 성분의 항(제1항)과, 교류 성분의 항(제2항)으로 나뉘어진다.
즉, 저항 브릿지가 0 자계에서 Vmr=0인 경우(R1=R2=R3=R4), 인가 자계에 의해 나타나는 출력 Vmr은 저항 변화율에 비례한다.
이것은 이하의 이유에 의한다.
저항 변화율 ΔR1/R1은 I1에 비례하고, 강자성 박막에 관한 전압 Vb는 I2에 비례하도록 설계 가능하기 때문에, Vmr 출력은 I1과 I2의 곱에 비례한다. 즉 전력에 비례하는 신호 성분이다. I1과 I2를 순시식으로 전개하면, Vmr은, (DC항)+(2ω항)이다.
일반적으로 저항 브릿지는 불평형이므로, 그것은 ω항으로서 나타나지만 이 성분은 전력에는 무관하다. 더욱 정확하게 말하면, 불평형도가 많으면 큰 값으로 되므로, 불평형 정도와 전력 성분을 분리할 수 없다.
따라서, 제1항인 직류 성분의 항을 취출함으로써, 직접 전력을 취출하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 전력 계측 장치에서 이용되는 자계 센서에 대해서는, 실시 형태 1에서 설명하였으므로 여기서는 설명을 생략한다.
본 실시 형태 4의 전력 계측 장치에 대해서 설명한다. 도 18에 이 전력 계측 장치의 설명도, 도 19에 단면도, 도 20에 이 전력 계측 장치의 출력을 도시한다. 이 전력 계측 장치는, 교류가 흐르는 1차 도체에 대해, 평행하게 되도록 배치된 강자성 박막과, 상기 1차 도체에 접속되고, 상기 강자성 박막에 저항체를 통하여 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 상기 강자성 박막 양단의 출력을 검출하는 검출부를 구비한 자계 센서(10)와, 상기 검출부의 출력으로부터 직류 성분을 추출하는 직류 성분 추출부(50)를 구비한 것을 특징으로 한다.
여기서 자계 센서(10)의 급전부는, 부하로서의 저항체(9)를 통하여 교류 전원(8)에 접속되어 있다. 또한 검출부에 접속된 직류 성분 추출부(50)는, 앰프(20)와, A/D 변환기(30)와, CPU(40)로 구성된다.
또한, 이 전력 계측 장치는, 프린트 배선 기판으로 이루어지는 회로 기판(1) 상에 배선 패턴(3P)을 통하여 실장된 자계 센서(10)와, 이 프린트 배선 기판 상의 배선 패턴(3P)에 땜납 접속된 칩 부품으로 이루어지는 앰프(20)와, A/D 변환기(30)와, CPU(40)가 접속되어 구성되어 있다. 부호 2는 절연막이다.
여기서 도 18에 도시하는 바와 같이, 자계 센서가 직류 성분 추출부(50)와 함께, 회로 기판(1) 상에 형성되어 있기 때문에 자계 센서의 강자성 박막과 앰프(20)의 입력선으로 둘러싸는 면 S가 1차 도체 전류 I1에 의해 생기는 자속을 가로 지르지 않으므로, 쇄교 자속에 의한 불필요한 유도 기전력의 영향을 저감할 수 있다.
또한 박형화 및 소형화가 가능하게 된다.
이와 같이 하여 얻어진 출력을 도 20에 도시한다. 이 출력 Vmr로부터 DC 성분을 얻음으로써, 직접 전력을 얻을 수 있다.
본 실시 형태의 전력 계측 장치에 따르면, 강자성체 내에 있어서, 전류와 자화가 이루는 각도에 의해 그 자성체의 전기 저항값이 변하는 현상인 플래너 홀 효과를 이용하여, 바이어스 자계 없이 선형 특성을 얻을 수 있는 점에 주목하고, 전력에 비례하는 신호 성분을 취출하도록 하여 직류 성분 추출부에 의해, 검출부의 출력으로부터 직류 성분을 추출하도록 하고 있으므로, 추출한 파형은 전류×전압×역율 성분으로 되어 있기 때문에, 전력이며, 파형으로부터 승산을 하지 않고 직접 계측할 수 있기 때문에, 용이하면서 고정밀도의 전력 검출이 실현 가능하다.
또한, 본 발명은, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 상기 강자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성된다.
Figure pct00006
으로 하였을 때, θ=π/4의 자계 인가일 때에 Vmr은 최대값을 취하지만, 출력 취출점에 있어서 대칭인 구성일 때에 가장 효율적으로 신호를 취출할 수 있다. 이와 같이 상기 구성에 따르면, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성되어 있기 때문에, Vmr 출력의 최대값을 크게 취할 수 있어, 시스템으로서의 S/N비가 향상된다.
따라서 상기 구성에 따르면, 고정밀도의 전력 계측이 가능하게 된다.
또한, 강자성 박막은, 고감도화의 점으로부터는 자화 방향이 상기 소자 전류의 방향과 일치하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 자발 자화를 갖게 함으로써, 강자성 박막에, 플래너 홀 효과 즉 자기 저항 효과(자계에 의해 저항값이 변화되는 현상)가 생긴다. 여기서 전류 I2 벡터와, 자발 자화의 방향 즉 1차 도체에 의한 자계 H와, 합성된 자속 밀도 벡터 BMO와의 관계를 도 21에 도시한다. 이 도면으로부터, 따라서 자발 자화의 방향을 도 21의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같이 소자 전류 I2의 방향에 평행하게 해 둠으로써, 1차 도체에 의한 자계 방향으로 플러스의 최대값과, 마이너스의 최소값으로 출력(절대값)이 동등하게 되어 다이내믹 레인지를 최대로 할 수 있다. 도 21의 (a) 및 (b)의 하단은 상단의 합성 자화의 생성을 나타내는 설명도이다. 한편, 도 21의 (c) 내지 (d)에 도시하는 바와 같이 평행이 아니면 플러스의 최대값과, 마이너스의 최소값(절대값) 중 어느 하나가 작아지기 때문에, 센서의 다이내믹 레인지가 좁아진다. 도 22는 소자 출력과 1차 도체에 의한 자계 강도에 있어서, 다이내믹 레인지를 도면 중 태선으로 나타낸 것이다. 다이내믹 레인지는 소자 출력의 플러스측과 마이너스측의 어느 작은 쪽으로 규정되기 때문에, 소자 전류 벡터 I2와 자발 자화가 평행하게 되도록 한 경우에 플러스측과 마이너스측이 동등하게 되므로 전체의 다이내믹 레인지를 가장 유효하게 취할 수 있는 것으로 된다.
여기서 제조 시에, 스퍼터링에 의해 성막하는 경우에는, 자계를 걸면서 스퍼터링을 행함으로써, 자발 자화의 방향이 소자 전류 I2의 방향에 평행하게 되도록 형성함으로써 용이하게 형성 가능하다.
이러한 구성에 따르면, 강자성체 내에 있어서, 전류와 자화가 이루는 각도에 의해 그 자성체의 전기 저항값이 변하는 현상인 플래너 홀 효과를 이용하여, 바이어스 자계 없이 선형 특성을 얻을 수 있는 점에 주목하고, 전력에 비례하는 신호 성분을 취출하도록 하여 직류 성분 추출부에 의해, 검출부의 출력으로부터 직류 성분을 추출하도록 하고 있기 때문에, 추출한 파형은 전류×전압×역율 성분으로 되어 있기 때문에, 전력이며, 파형으로부터 승산을 하지 않고 직접 계측할 수 있기 때문에, 용이하면서 고정밀도의 전력 검출이 실현 가능하다.
또한, 본 발명은, 이 전력 계측 장치에 있어서, 검출부는, 도 23 내지 도 24에 설명도를 도시하는 바와 같이, 소자 전류의 방향에 직교하는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서 도 24의 (a)는 외부 자계 벡터 H가 제로일 때, 도 24의 (b)는 외부 자계 벡터 H가 π/4의 각도를 이룰 때를 나타낸다.
이 구성에 따르면, θ=π/4의 자계 인가일 때에 Vmr은 최대값을 취하기 때문에, 출력 취출점에 있어서 대칭인 구성일 때에 가장 효율적으로 신호를 취출할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 직류 성분 추출부(50)는, 출력값을 상용 주파수 f의 f분의 1의 주기마다 적산하는 적산부를 구비하고 있다.
상기 구성에 따르면, Vmr은, 직류 성분+상용 주파수의 공배수이므로, 도 25에 이 전력 계측 장치의 전력을 출력으로서 취출하였을 때 출력값의 1주기분을 나타내는 바와 같이, 상용 주파수의 주기 기간 동안 적산하면 교류분은 플러스마이너스가 상쇄되어 직류분만을 취출할 수 있다. 직류 성분을 주기 단위로 얻을 수 있어 고속 연산에 적합하므로, 과도 응답성이 우수하다. 또한, 주기로 적산함으로써, 1차의 불필요한 항을 떨어뜨릴 수 있어, 전력의 고조파 성분까지 취출할 수 있다.
(실시 형태 5)
다음으로 본 발명의 실시 형태 5에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 도 26에 도시하는 바와 같이, 자계 센서(10)의 검출부에 제로 크로스점 검출부(60) 및 주기 판정부(70)를 접속하고, 이 제로 크로스점 검출부의 출력에 기초하여 주기 판정부(70)에 의해 출력의 주기를 검출하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다. 여기서는 제로 크로스점 검출부(60)의 출력에 따라서, 주기 판정부(70)에서 주기가 판정되고, 이 주기에 의해 상기 직류 성분 추출부(50)의 구동 타이밍이 결정된다. 다른 구성에 대해서는 상기 실시 형태 4와 마찬가지이므로, 여기서는 설명을 생략한다.
이 구성에 따르면, 계통 주파수는 상시 변동하고 있으므로 주기를 올바르게 측정하기 위해서는 계통 전압을 이용하는 것이 가장 정밀도가 좋고, 소자 전류 I2 때문에 전압 신호를 기판에 넣고 있는 개소를 분기함으로써, 신규로 외부 전압 신호선을 실시하지 않고 전압 신호로부터 주기를 검출하는 것이 가능하게 된다.
(실시 형태 6)
다음으로 본 발명의 실시 형태 6에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서는, 도 27에 도시하는 바와 같이, 전력 계측 장치에 있어서, 자계 센서의 검출부에 컨덴서(80)를 병렬 접속한 것이다. 다른 구성에 대해서는 상기 실시 형태 4와 마찬가지이므로, 여기서는 설명을 생략한다.
이 구성에 따르면, 컨덴서로 Vmr 신호를 평활화함으로써, 주기 미만의 단기간에 직류 성분을 취출할 수 있으므로 고속으로 전력값을 얻을 수 있어, 직류 성분을 간단한 회로 구성에 의해 검출하는 것이 가능하게 된다.
(실시 형태 7)
다음으로 본 발명의 실시 형태 7에 대해서 설명한다.
상기 실시 형태 4에서는 자계 센서는 칩 부품으로 구성하고, 회로 기판을 구성하는 프린트 배선 기판에 탑재하도록 하였지만, 회로 기판을 구성하는 프린트 배선 기판(1) 상의 직접 강자성 박막(3)의 패턴을 형성하고, 급전부 및 검출부를 구성하는 도체 패턴을 배선 패턴과 동일 공정으로 형성하여, 집적화한 것이다. 그리고 증폭기나 A/D 변환기, CPU는 칩 부품으로 구성한다. 혹은 실리콘 기판 상에 처리 회로를 집적화함과 함께, 절연막을 개재하여 자계 센서를 형성하고, 모놀리식 소자로 하는 것도 가능하다.
이 구성에 따르면, 보다 박형화 소형화가 가능하게 된다.
또한, 상기 실시 형태 4 내지 7에서 설명한 전력 계측 장치에 있어서도, 상기 실시 형태 2 내지 3에서 설명한 자계 센서를 이용해도 되는 것은 물론이다.
상기 전력 계측 장치에 있어서도, 기판 상에 자성 박막을 형성함으로써, 자계 센서와 처리 회로가 기판으로 일체화할 수 있어 한층 더한 박형화ㆍ소형화가 가능하게 된다.
또한, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 자계 센서를, 기판 상에 성막된 자성 박막과, 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 자성 박막 양단의 출력을 검출하는 검출 전극부를 구비하고, 배선 패턴이 급전부와 검출 전극부와 동일한 도체층으로 구성된 것으로 구성해도 된다.
이 구성에 따르면, 통상적인 회로 기판의 구성 외에, 자성체 박막의 패턴을 형성하는 것만이어도 되므로, 매우 용이하게 형성 가능하다.
또한, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 자성 박막은, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성해도 된다.
이 구성에 따르면, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성되어 있기 때문에, Vmr 출력의 최대값을 크게 취할 수 있어, 시스템으로서의 S/N비가 향상된다.
또한, 상기 전력 계측 장치에 있어서, 검출부에 병렬 접속된 컨덴서를 갖고 있어도 된다.
이 구성에 따르면, 컨덴서로 Vmr 신호를 평활화함으로써, 주기 미만의 단기간에 직류 성분을 취출할 수 있으므로 고속으로 전력값을 얻을 수 있어, 직류 성분을 간단한 회로 구성에 의해 검출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 전력 계측 장치를 이용하여, 자성 박막의 패턴에 대해, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하는 공정과, 상기 소자 전류의 공급에 의해 발생된 출력의 직류 성분을 취출하여, 전력 정보로 한다.
이 구성에 따르면, 역율을 별도 계측할 필요가 없고, 간단히 계측할 수 있고, 또한 적산에 의한 경우에 비해, 오차도 저감된다.
또한, 자계 센서는, 자성 박막과, 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와, 소자 전류의 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 자성 박막(단부간)의 전압을 검출하는 검출부를 구비하고, 자성 박막은, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성되어 있어도 된다.
이 구성에 따르면, 자성 박막의 출력 취출 방향을 소자 전류 방향에 대하여 직교하는 방향으로 함과 함께, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성함으로써, 방향의 정부를 판정할 수 있고, 또한 자계를 인가하지 않을 때 오프셋이 없어지므로 회로 구성을 간단히 할 수 있다.
또한 본 발명의 전력 계측 장치에 있어서의 자계 측정 방법은, 자성 박막의 패턴에 대해, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하고, 상기 소자 전류의 공급 방향에 직교하는 방향에서, 상기 자성 박막(단부간)의 전압을 검출함으로써 자계 강도를 측정한다.
이 구성에 따르면, 자성 박막의 출력 취출 방향을 소자 전류 방향에 대하여 직교하는 방향으로 함과 함께, 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성함으로써, 방향의 정부를 판정할 수 있고, 또한 자계를 인가하지 않을 때 오프셋이 없어지므로 회로 구성을 간단히 할 수 있다.
본 출원은, 2009년 8월 26일 출원된 일본 특허 출원(일본 특원 제2009-195103) 및 일본 특허 출원(일본 특원 제2009-195104)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 인용된다.
이상 설명해 온 바와 같이, 본 발명의 자계 센서에 따르면, 고정밀도의 자계 강도를 검출할 수 있으므로, 전류 센서나 전력 센서 등에 적용 가능하다.
또한, 본 발명의 전력 계측 장치에 따르면, 역율이 1이 아닌 경우 혹은 고조파 전류가 포함된 부하라도 올바른 전력 계측을 행할 수 있어, 변류기 등의 전류 센서를 이용한 종래의 전력 계측 장치에 비해 소형화, 낮은 코스트화가 가능하게 되므로, 다양한 에너지 절약 툴에 적용 가능하다.
1 : 기판
2 : 절연막
3, 33 : 강자성 박막((고리 형상)패턴)
4, 24 : 보조 패턴
5A, 5B : 급전부
5C, 5D : 검출부
100 : 강자성 박막
200 : 도체

Claims (20)

  1. 자성 박막과,
    상기 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와,
    상기 소자 전류의 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 자성 박막 단부간의 전압을 검출하는 검출부를 구비하고,
    상기 자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 대칭으로 되도록 형성된 자계 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 외형이 원형인 자계 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 고리 형상체인 자계 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 정사각형의 고리 형상체로 구성되고, 상기 정사각형의 대각선 방향으로 전류가 흐르도록 급전부가 설치된 자계 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 선 폭이 일정한 자계 센서.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 상기 고리 형상체의 내부에, 자성막으로 이루어지는 내부 자성 박막이 형성된 자계 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부 자성 박막은, 상기 자성 박막과 동일 재료로 이루어지는 자성 박막으로 구성된 자계 센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 내부 자성 박막은, 상기 자성 박막과 다른 자성 박막으로 구성된 자계 센서.
  9. 자성 박막의 패턴이,
    소자 전류의 방향에 대하여 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하고,
    상기 소자 전류의 공급 방향에 직교하는 방향에서, 상기 자성 박막 단부간의 전압을 검출함으로써 자계 강도를 측정하는 자계 측정 방법.
  10. 교류가 흐르는 1차 도체에 대해, 평행하게 되도록 배치된 자성 박막과,
    상기 1차 도체에 접속되고, 상기 자성 박막에 저항체를 통하여 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와,
    상기 자성 박막 양단의 출력을 검출하는 검출부를 구비한 자계 센서와,
    상기 검출부의 출력으로부터 직류 성분을 추출하는 직류 성분 추출부를 구비한 전력 계측 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자계 센서는, 상기 직류 성분 추출부와 동일 기판 상에 형성된 전력 계측 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자계 센서의 상기 자성 박막은, 상기 기판 상에 성막되고, 상기 검출부가 상기 기판 상의 배선 패턴과 직접 접속된 전력 계측 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 자계 센서는,
    상기 기판 상에 성막된 자성 박막과,
    상기 자성 박막에 소자 전류를 공급하는 입출력 단자를 구비한 급전부와,
    상기 자성 박막 양단의 출력을 검출하는 검출 전극부를 구비하고,
    상기 배선 패턴이 상기 급전부와 상기 검출 전극부와 동일한 도체층으로 구성된 전력 계측 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 상기 소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록 형성된 전력 계측 장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성 박막은, 자화 방향이 상기 소자 전류의 방향과 일치하도록 형성된 전력 계측 장치.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 소자 전류의 방향에 직교하는 방향으로 형성된 전력 계측 장치.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류 성분 추출부는, 출력값을 상용 주파수 f의 f분의 1의 주기마다 적산하는 적산부를 구비한 전력 계측 장치.
  18. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소자 전류의 1차 전압의 제로 크로스점을 검출하는 제로 크로스점 검출부를 구비하고,
    상기 제로 크로스점 검출부의 출력에 따라서, 상기 직류 성분 추출부의 구동 타이밍이 결정되는 전력 계측 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 검출부에 병렬 접속된 컨덴서를 구비한 전력 계측 장치.
  20. 제10항 내지 제19항 중 어느 한 항에 기재된 전력 계측 장치를 이용하여, 자성 박막의 패턴에 대해,
    소자 전류의 방향에 대하여 자기 저항이 대칭으로 되도록, 소자 전류를 공급하는 공정과,
    상기 소자 전류의 공급에 의해 발생된 출력의 직류 성분을 취출하여, 전력 정보로 하는 전력 계측 방법.
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