TWI480566B - 磁場感測器、利用該磁場感測器之磁場測定方法、電功率量測裝置及電功率量測方法 - Google Patents

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Description

磁場感測器、利用該磁場感測器之磁場測定方法、電功率量測裝置及電功率量測方法
本發明係關於磁場感測器、利用該磁場感測器之磁場測定方法、電功率量測裝置及電功率量測方法，尤關於取得用來實現無偏移且高精度磁場測定之磁場感測器電壓，及利用此磁場感測器之電功率量測裝置。
近年，在利用網際網路等環境的整合中，正進行包含電功率遠距抄錶之量測系統的開發。
現在有人使用一種電功率計，其採用以下方法：在將所用電功率為轉換圓盤的旋轉數並進行累計運算之既存累算式電功率計中，附加偵測旋轉的感測器，或者，新增附加電流計(CT)、電壓計(PT)並由電路或微處理器進行乘法計算來量測電功率等。但是，此種電功率計不僅裝置大型化、價格高昂，而且難免會浪費額外的能量。
所以希望開發一種電功率計，能將消耗電功率就此測定為電量，並且能夠小型化及積體化。
尤其，已有人提案一種電功率量測裝置，利用磁性薄膜的磁阻效應，能將消耗電功率就此測定為電量(非專利文獻1，2)。
此係一種電功率量測裝置，採用相對於交流電流通的一次導體而平行設置的(構成於基板上的)磁性薄膜，並在此磁性薄膜之兩端通過電阻而施加一次電壓，並從磁性薄膜(兩端)取得其輸出。此電功率量測裝置採用從2倍頻率分量的振幅值中取得電功率Ⅳ之方式。
此電功率量測裝置中，注重在由磁性薄膜構成的強磁性體內，利用電流與磁化所成角度造成該磁性體之電阻值變化的現象，即利用平面霍爾效應，能在無偏壓磁場下獲得線性特性，而取得正比於電功率之信號分量。
在此採用的磁場感測器，係將外部磁場的變化轉換成電子信號之元件，且係將強磁性薄膜或半導體薄膜等磁性薄膜圖案化，並令電流流通該磁性薄膜的圖案而以電壓變化將外部磁場的變化轉換成電子信號。
在此輸出信號如下式(1)。
在此輸出分成直流分量項，與交流分量項。
A1係由電橋阻抗的不平衡所產生之與電功率無關的無關項，A2係正比於電功率的項(瞬時電功率)。
如此，為了磁場感測器高感度化，有各種提案。例如專利文獻1中，亦提案一種磁場感測器，意圖高感度化，而將環狀圖案的一部分予以開口形成通電部。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
專利文獻1：日本特開平11-274598號公報
【非專利文獻】
非專利文獻1：Thin film power meter using magnetic thin film(Papers of technical Meeting on Magnetics,IEE Japan. VOL.MAG-05 No.182)
非專利文獻2：Thin film power meter using magnetic thin film(Papers of technical Meeting on Magnetics,IEE Japan. VOL.MAG-05 No.192)
但是，在上述電功率量測裝置中，係採用量測2ω分量的振幅值I1 ‧V1 之值，並且另外量測功率因數cosθ而另外進行乘算以獲得I1 ‧V1 ‧cosθ之方法，在功率因數非1時必須另外量測功率因數並運算。又，在電流波形具有高次諧波分量時，則有只能取得基頻波分量之電功率的問題。
又，對於磁感測器，則有以下所示的問題。例如，如圖28所示，令電流I1 流通在具有強磁性特性之磁性薄膜100上沿直徑方向配置的導體200，在該電流產生的磁場為H，且元件具有的自發磁化為M時，令外部磁場向量H與元件具有的自發磁化向量M所合成之磁通量密度向量為BM0 ，電流密度向量I與磁通量密度向量所成角度為θ，強磁性薄膜100的點A-B間之電阻為R，因磁場而變化的點A-B間之電阻值的最大值為ΔR，則
點A-B間之電壓VAB 為
VAB =I2 (R+ΔRcos2θ)　...(2)
在此I2 係元件電流。
但是，在上述構成中，具有無法判別施加交流磁場時的正負方向之問題。此係因為上述式(2)中cos2θ為正負同值。
本發明有鑑於該實情，目的在於提供一種磁場感測器，能進行正負方向的判定，且能進行高可靠度的磁場偵測。
又，目的在於提供一種電功率量測裝置，不另外量測功率因數，而能簡單地量測電功率。
所以本發明之磁場感測器，其特徵在於，包含：磁性薄膜；供電部，具有輸入輸出端子將元件電流供給到該磁性薄膜；以及偵測部，偵測位在該元件電流方向之正交方向的該磁性薄膜端部間電壓；並且該磁性薄膜以相對於該元件電流方向成對稱的方式形成。。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜外形為圓形。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜係環狀體。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜係由正方形之環狀體構成，且設有供電部使得電流在該正方形之對角線方向流動。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜係環狀體且係固定線寬。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜在該環狀體內部設有由磁性膜構成的內部磁性薄膜。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該內部磁性薄膜係由與該磁性薄膜相同材料構成的磁性薄膜所構成。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該內部磁性薄膜係由與該磁性薄膜不同的磁性薄膜所構成。
又，本發明之磁場測定方法係對於磁性薄膜的圖案，以相對於元件電流方向成對稱的方式供給元件電流，並藉由在該元件電流供給方向的正交方向來偵測該磁性薄膜端部間電壓以測定磁場強度。
所以，本發明之電功率量測裝置，其特徵在於，包含磁場感測器以及直流分量抽出部，該磁場感測器包含：磁性薄膜，以相對於交流電流通的一次導體成平行的方式配置；供電部，具有輸入輸出端子連接到該一次導體且通過電阻體而將元件電流供給到該磁性薄膜；以及偵測部，偵測該磁性薄膜兩端的輸出；並且該直流分量抽出部從該偵測部之輸出中抽出直流分量。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中該磁場感測器係與該直流分量抽出部形成在同一基板上。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中該磁場感測器的該磁性薄膜係成膜於該基板上，且該偵測部與該基板上的配線圖案直接連接。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中該磁場感測器包含：磁性薄膜，成膜於該基板上；供電部，具有輸入輸出端子將元件電流供給到該磁性薄膜；以及偵測電極部，偵測該磁性薄膜兩端之輸出；並且該配線圖案與該供電部及該偵測電極部係由同一導體層構成。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中係以磁阻相對於該元件電流方向成對稱的方式形成。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中該磁性薄膜係以磁化方向與該元件電流方向一致的方式形成。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中該偵測部係形成在該元件電流方向的正交方向。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中該直流分量抽出部具有累計部將輸出值以商用頻率f的毎f分之1周期進行累計。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中包含：零交叉點偵測部，偵測該元件電流的一次電壓之零交叉點，並且因應於該零交叉點偵測部之輸出來決定該直流分量抽出部的驅動時序。
又，本發明包含：上述電功率量測裝置中具有電容器並聯在該偵測部。
又，本發明之電功率量測方法係使用上述電功率量測裝置，對於磁性薄膜的圖案，進行以下步驟：以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式供給元件電流；以及取得來自該元件電流供給所產生的輸出之直流分量，作為電功率資訊。
又，用於本發明之電功率量測裝置中的磁場感測器，其特徵在於，包含：磁性薄膜；供電部，具有輸入輸出端子將元件電流供給到該磁性薄膜；以及偵測部，偵測位在該元件電流方向之正交方向的該磁性薄膜端部間電壓；並且該磁性薄膜以相對於該元件電流方向成對稱的方式形成。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜外形為圓形。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜為環狀體。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜係由正方形之環狀體構成，且設有供電部使得電流在該正方形之對角線方向流動。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜係環狀體且係固定線寬。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜係由正方形之環狀體構成，且設有供電部使得電流在該正方形之對角線方向流動。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該磁性薄膜在該環狀體內部設有由磁性膜構成的內部磁性薄膜。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該內部磁性薄膜係由與該磁性薄膜相同材料構成的磁性薄膜所構成。
又，本發明包含：上述磁場感測器中該內部磁性薄膜係由與該磁性薄膜不同的磁性薄膜所構成。
又，本發明之電功率量測裝置中的磁場測定方法，係對於磁性薄膜的圖案，以相對於元件電流方向成對稱的方式供給元件電流，並藉由在該元件電流供給方向的正交方向來偵測該磁性薄膜端部間電壓以測定磁場強度。
如以上說明，依據本發明之磁場感測器，因為能利用極簡單的構成，從與元件電流方向正交的點取得電壓，能偵測磁場的方向，亦無偏移，能進行高可靠度的磁場偵測。
又，依據本發明之電功率量測裝置，藉由取得輸出電壓的直流分量，能以極簡單的構成且不必另外量測功率因數而直接取得電功率。
(實施發明之最佳形態)
以下參照圖式詳細說明本發明之實施形態。
在本發明之實施形態的說明之前，先說明本發明之磁場感測器的測定原理。
本發明之磁場感測器中，對於用來作為磁性薄膜的強磁性薄膜，在元件電流方向的正交方向進行取得輸出，並且相對於取得輸出方向約成對稱。
亦即如圖1中原理說明圖所示，以位在相對於圓形強磁性薄膜3之圖案中心而對稱的位置，且位在此強磁性薄膜圖案周緣上的點A、B作為通電部，並將正交於此線段AB且通過圓之中心的線段CD定為取得輸出方向。
此時，如圖1所示，令電流I1 流通在強磁性薄膜3上沿直徑方向配置的導體200。在該電流產生的磁場向量為H，元件具有的自發磁化向量為M時，令磁場向量H與元件具有的自發磁化向量M所合成的磁通量密度向量為BM0 ，並且令電流密度向量I與磁通量密度向量BM0 所成角度為θ，強磁性薄膜3的點A-B間之電阻為R，因磁場而變化的點A-B間之電阻值的最大值為ΔR，則點C-D間之電壓VCD 能以電壓VAC 與電壓VAD 之差予以表示。
將其算式化，則能以下式表示：
VCD =I2 (ΔRsin2θ)　...(3)
在此I2 係元件電流。
亦即在施加交流磁場時能判定正負。
又，相較於式(1)所表示的習知例而言，因無未施加磁場時的偏移而成為零值，故能使電路構成變簡單。
依據此構成，令電流I1 流通在強磁性薄膜3上沿直徑方向配置的導體200，在該電流產生的磁場為H，元件具有的自發磁化為M時，令外部磁場向量H與元件具有的自發磁化向量M所合成的磁通量密度向量為BM0 ，並且令電流密度向量I與磁通量密度向量BM0 所成角度為θ，強磁性薄膜3的點A-B間之電阻為R，因磁場而變化的點A-B間之電阻值的最大值為ΔR，則點C-D間之電壓VCD 能以電壓VAC 與電壓VAD 之差予以表示。
(實施形態1)
以下說明本實施形態1之磁場感測器。圖2顯示此磁場感測器之原理說明圖，圖3顯示俯視圖，圖4顯示剖面圖。此磁場感測器如圖3及4所示，在由矽構成的基板1表面形成氧化矽膜作為絕緣膜2，在此絕緣膜2上形成由具有強磁性特性之強磁性薄膜3構成的環狀圖案，並包含沿此環狀圖案的直徑方向構成供電部5A、5B之導體圖案，以及形成在此供電部5A、5B所供給之元件電流方向的正交方向作為偵測部5C、5D之導體圖案。
亦即如圖2之原理說明圖所示，以位在相對於圓形強磁性薄膜3的圖案中心而對稱的位置，且在此強磁性薄膜圖案周緣上的點A、B作為通電部，將正交於此線段AB並且通過圓之中心的線段CD定為取得輸出方向。
此時，如圖2所示，令電流I1 流通在強磁性薄膜3上沿直徑方向配置的導體200。在該電流產生的磁場為H，元件具有的自發磁化為M時，令外部磁場向量H與元件具有的自發磁化向量M所合成的磁通量密度向量為BM0 ，並且令電流密度向量I與磁通量密度向量BM0 所成角度為θ，磁性薄膜3的點A-B間之電阻為R，因磁場而變化的點A-B間之電阻值的最大值為ΔR，則點C-D間之電壓VCD 能以電壓VAC 與電壓VAD 之差予以表示。
所以在該式(3)成立並施加交流磁場時，能判定正負。
又，因無未施加磁場時的偏移而成為零值，故能使電路構成簡單。
在此，就強磁性薄膜而言，在單層構造的強磁性薄膜之外，亦從(強磁性體/非磁性導電體)構造的反鐵磁性(結合)型薄膜，(高保磁力強磁性體/非磁性導電體/低保磁力強磁性體)構造的感應亞鐵磁性(非結合)型薄膜，(半強磁性體/強磁性體/非磁性導電體/強磁性體)構造的自旋閥型薄膜，Co/Ag系統之非固溶系顆粒(granular)型薄膜等之中選擇形成。
又，就導體圖案而言，使用金、銅、鋁等等。
其次說明此磁場感測器的製造步驟。
將氧化矽膜形成在作為基板1的矽基板表面以作為絕緣膜2，其上層藉由濺鍍法形成強磁性薄膜3。此時，施加磁場同時進行濺鍍，以自發磁化方向以排列整齊的方式形成。
並且藉由光微影將此強磁性薄膜3圖案化，成為圓環狀的圖案。
其後，藉由濺鍍法形成金之類的導電體薄膜，並藉由光微影予以圖案化，形成如圖3及圖4所示的供電部5A、5B及偵測部5C、5D。
並因應於需求來形成保護膜，完成磁場感測器。
依據本實施型態之磁場感測器，因為磁性薄膜的寬度變小，故電阻增大，能使輸出加大。
為了確認此磁場感測器的輸出特性，採用如圖5所示的測定裝置進行實驗。係從交流電源507經由變壓器506及電阻505，將交流電供給到圖2至4所示的磁場感測器501之供電部A、B，並且將放大器502經由作為顯示部的示波器504而連接到磁場感測器501之偵測部C、D。503係穩壓電源。另，此測定裝置收納在鐵製外殼500內。在此以垂直的方式配置裝載有此等元件的元件基板，並將元件與待測定的電流線之分開距離定為約3mm並進行測定。
此測定結果顯示在圖6及圖7。圖6係令元件電流I1 為8.842A時的瞬時輸出，圖7係令元件電流I1 為0A時的瞬時輸出。
如此獲得的電流值，其與元件輸出電壓之關係顯示在圖8。在此，放大器造成的偏移為5.888V，但除此之外並無偏移，成為高可靠度的結果。
另，該實施形態中，雖說明採用配置在垂直方向的元件基板之測定，但亦可藉由將待測定的電線裝載在元件基板上來進行測定。
又該實施形態中希望線寬定為固定。在非固定時採取調整膜厚使得電阻值成對稱，或者附加輔助圖案等方式，亦為有效。
又，磁性薄膜因為外形係圓形且為對稱形狀，所以容易以相對於元件電流方向成對稱的方式形成，而能提供高可靠度的磁場感測器。
又，藉由將磁性薄膜定為環狀，使磁性薄膜的寬度變小，電阻增大，能不擴大元件的外形而增加電阻值，能使輸出加大。
(實施形態2)
其次，說明本發明之實施形態2。本實施形態中，如圖9至圖11所示，其特徵為，沿著前述實施形態1之構成磁場感測器環狀圖案之強磁性薄膜3的環之內周，形成強磁性薄膜的輔助圖案4作為相似形狀的內部磁性薄膜，即圓狀。
構成上而言，僅附加此輔助圖案4，其他構成與前述實施形態1相同，在此省略其說明。相同部位標註相同元件符號。在此圖9顯示此磁場感測器之原理說明圖，圖10顯示俯視圖，圖11顯示剖面圖。此磁場感測器基本上與前述實施形態1相同，但由於此輔助圖案4的存在而在提高電阻的狀態下提高磁氣感度。強磁性薄膜3之中，外側的環狀圖案與內部的輔助圖案4並未電性接觸。因此，電阻與前述實施形態1的磁場感測器相同，但磁性質方面因為空間部包設有磁性薄膜，能導引更多的磁通量，而能達到高感度化。
如此，依據本實施形態，因為在磁性體之間形成有空間，對於外部磁場的感度降低。所以在提高電阻的狀態下，僅欲提升磁性上的感度，藉由電性上獨立並設置內部磁性薄膜而能達成更高感度化。
另，就元件構造而言，亦可如圖12中變形例所示，在形成磁性體薄膜圖案後，將基板表面全體利用由聚醯亞胺樹脂構成的保護絕緣膜16來被覆，並藉由通孔而形成供電部5A、5B及偵測部5C、5D。依據此構成，能防止磁性體薄膜之劣化並提供高可靠度的磁場感測器。
再者，在環狀圖案之內部形成的輔助圖案可利用相同材料構成，亦可如圖13所示利用由其他材料構成的磁性體薄膜形成輔助圖案24。
藉由利用與磁性薄膜相同材料構成的磁性薄膜來構成內部磁性薄膜，即輔助圖案，能提供製造容易且僅有圖案變更又高感度而高可靠度的磁場感測器。
又，藉由利用與磁性薄膜不同的磁性薄膜來構成輔助圖案即內部磁性薄膜，能調整感度。又，排列設置多數磁場感測器時，亦能為了統整感度而藉由調整內部磁性薄膜的材料達成感度調整。
另，就保護膜而言，在氧化矽膜或氧化鋁等無機膜之外亦能採用聚醯亞胺樹脂、酚醛樹脂等有機膜。
(實施形態3)
其次說明本發明之實施形態3。本實施形態中，如圖14及15所示，其特徵在於，強磁性薄膜利用正方形的環狀圖案33構成，並設有供電部5A、5B令電流流通該正方形的對角線方向，其正交方向形成有偵測部5C、5D。
本實施形態中，形成正方形之環狀圖案33取代前述實施形態1的磁場感測器之環狀圖案3，其他構成上係亦與前述實施形態1相同，在此省略說明。相同部位標註相同元件符號。在此圖14係此磁場感測器之原理說明圖，圖15係俯視圖。
在此，磁通量密度向量係元件所具有的自發磁化向量M與外部磁場向量H的合成，無外部磁場時，磁通量密度向量成為自發磁化向量方向。外部磁場係交流磁場時，以自發磁化向量為中心朝圖的上下方向振動。
依據此構成，感測器之輸出Vmr能以下式表示。
此處與前述相同，令電流密度向量與磁通量密度向量所成角度為θ1 、θ2 ，AB與AC、及AB與AD所成角度為φ，無外部磁場時的AC間電壓為VAC0 、AD間電壓為VAD0 ，磁阻效應造成的電壓變化之最大值為ΔVr。
Vmr =V AC -V AD ={V AC 0 +ΔV r cos2θ1 }-{V AD 0 +ΔV r cos2θ2 }={V AC 0 +ΔV r cos2θ1 }-{V AD 0 +ΔV r cos2(θ1 -2φ}...(4)
並且VAC0 =VAD0 時
V mr =ΔV r cos2θ1 -ΔV r cos2(θ1 -2φ)...(5)
2φ=90度時得最大值
V mr =ΔV r cos2θ1 -ΔV r cos2(θ1 -90°)=ΔV r cos2θ1 -ΔV r cos(2θ1 -180°)=ΔV r cos2θ1 +ΔV r cos2θ1 =2ΔV r cos2θ1 ...(6)
在圓形環狀即圓環狀中亦能以約略相同的算式表現，但因為在圓環狀時，電流密度向量的方向在A到C、A到D之間產生變化，亦存在有輸出成為最大的φ=45度以外之分量，因此相較於正方形而言，輸出較小。
另，前述實施形態中係藉由濺鍍法形成磁性體薄膜，但不限定於濺鍍法，亦可藉由真空蒸鍍法、塗布法或浸漬法等方式形成。
又，就基板而言有矽等半導體基板，此外藍寶石，玻璃，陶瓷材料等無機系基板，或者樹脂等有機系基板均可使用。其中尤其宜採用可撓性優異、薄且輕者，例如，可採用與廣泛用作為印刷配線板等的塑膠薄膜相同的基板。更具體而言，可利用公知作為塑膠薄膜材質的各種材料，例如聚醯亞胺、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚丙烯(PP)、鐵氟龍(註冊商標)等。藉由採用可撓性之基板，能以包圍待測定電線的方式來配置，而以成為更高感度的方式配置。又，亦可考慮利用軟銲接合並採用高耐熱性的聚醯亞胺薄膜。另基板厚度並無特別限定，但宜為1～300μm左右的厚度。
再者，可在玻璃基板等基板上直接形成磁性體薄膜圖案而形成磁場感測器，亦可先形成晶片並利用打線接合法或覆晶封裝法將其安裝到玻璃基板或印刷配線基板等。又，能藉由令晶片內包含處理電路並積體化以提供更高精度且高可靠度的磁場感測器。
另，並不限定於前述實施形態，只要是將磁性薄膜的取得輸出方向定為元件電流方向的正交方向，並且以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成者即可應用，能判定方向之正負，並且因無未施加磁場時的偏移而能使電路構成變簡單。
又，前述實施形態中係採用利用強磁性薄膜之磁場感測器，但並不限定於此，亦可使用其他磁場感測器。
(實施形態4)
在本發明之實施形態的說明之前，先說明本發明之測定原理。
此電功率量測裝置中，著眼於在強磁性體內，利用電流與磁化所成角度造成該磁性體之電阻值變化的現象，即利用平面霍爾效應，能在無偏壓磁場下獲得線性特性，而取得正比於電功率的信號分量。圖16及17顯示此測定原理。圖16係此電功率測定裝置之概要說明圖，圖17係等效電路圖。
在此採用的磁場感測器，係將外部磁場變化轉換成電子信號的元件，將作為磁場偵測膜之強磁性薄膜5圖案化，並令電流流通該磁場偵測膜之圖案而以電壓變化將外部磁場之變化轉換成電子信號。
在此如圖17所示，強磁性薄膜能視為由R1 、R2 、R3 、R4 構成的電阻橋。
在此，位於平衡狀態(R1 =R2 =R3 =R4 )時，成為：
將元件流通的電流定為Ia,Ib
輸出電壓V mr 寫
在此，R 1→R 1＋ΔR 1變化時
同除R1‧R3，則
若R1=R2=R3=R4，則
當ΔR1<<R1時
在此，
代入
與磁阻效應原理式同樣展開，則
並且，分成直流分量項(第1項)，與交流分量項(第2項)。
亦即，電阻橋在零磁場且Vmr=0時(R1 =R2 =R3 =R4 )，藉由施加磁場而展現的輸出Vmr係正比於電阻變化率。
此係由於以下理由。
因為可設計成電阻變化率ΔR1 /R1 正比於I1 ，且強磁性薄膜上的電壓Vb正比於I2 ，故Vmr輸出正比於I1 與I2 之乘積。亦即正比於電功率的信號分量。將I1 與I2 展開成瞬時式時，Vmr係(DC項)+(2ω項)。
因為普通電阻橋為不平衡故展現為ω項，但此分量與電功率無關。更正確而言，因為不平衡度高則值變大，無法分離不平衡程度與電功率分量。
所以，藉由取第1項即直流分量項，而能取得直接電功率。
本發明之電功率量測裝置中採用的磁場感測器，因在實施形態1中已說明，故在此省略說明。
現說明本實施形態4之電功率量測裝置。圖18顯示此電功率量測裝置之說明圖，圖19顯示剖面圖，圖20顯示此電功率量測裝置之輸出。此電功率量測裝置包含磁場感測器10與直流分量抽出部50，該磁場感測器10包含：強磁性薄膜，以相對於交流電流通的一次導體成平行的方式配置；供電部，具有輸入輸出端子連接到該一次導體並通過電阻體將元件電流供給到該強磁性薄膜；以及偵測部，偵測該強磁性薄膜兩端之輸出；並且，該直流分量抽出部50從該偵測部之輸出抽出直流分量。
在此磁場感測器10之供電部，通過作為負載之電阻體9連接在交流電源8。又，連接在偵測部的直流分量抽出部50係由放大器20、A/D轉換器30以及CPU40所構成。
又，此電功率量測裝置係連接以下部分構成：磁場感測器10，經由配線圖案3P而安裝在由印刷配線基板構成的電路基板1上；放大器20，由軟銲連接在此印刷配線基板上配線圖案3P的晶片零件構成；A/D轉換器30；CPU40。元件符號2係絕緣膜。
在此如圖18所示，磁場感測器與直流分量抽出部50一起形成在電路基板1上，故磁場感測器的強磁性薄膜與放大器20的輸入線所圍成的面S未受到一次導體電流I1 所產生的磁通量橫切，所以能降低鎖交磁通量所造成之不要的感應電功率之影響。
又，能薄型化及小型化。
如此獲得之輸出顯示在圖20。藉由從該輸出Vmr獲得DC分量，能直接獲得電功率。
依據本實施形態之電功率量測裝置，著眼於利用在強磁性體內，電流與磁化所成角度造成該磁性體之電阻值變化的現象，即利用平面霍爾效應，而能在無偏壓磁場下獲得線性特性；並因為取得正比於電功率的信號分量且藉由直流分量抽出部從偵測部的輸出中抽出直流分量，所以抽出的波形為電流×電壓×功率因數分量，即電功率，不用從波形進行乘算即能直接量測，故能實現容易且高精度的電功率偵測。
又，本發明上述電功率量測裝置中，該強磁性薄膜係以磁阻相對於該元件電流方向成對稱的方式形成。
此時，因為在θ=π/4的磁場施加時Vmr獲得最大值，故在以相對於取得輸出點成對稱的構成時，能以效率最佳的方式取得信號。依據上述此種構成，因為以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成，故能使得Vmr輸出之最大值變大，提升對於系統而言的S/N比。
所以依據上述構成，能進行高精度的電功率量測。
又，強磁性薄膜從高感度化而言，希望以磁化方向與該元件電流方向一致的方式形成。
如此，藉由令其具有自發磁化，而在強磁性薄膜產生平面霍爾效應亦即磁阻效應(藉由磁場造成電阻值變化之現象)。在此由電流I2 向量與自發磁化方向即一次導體造成的磁場H所合成之磁通量密度向量之關係顯示在圖21中。從此圖中，藉由使自發磁化方向如圖21(a)及(b)所示平行於元件電流I2 方向，能在一次導體所造成的磁場方向上使正向最大值與負向最小值在輸出(絕對值)上相等而使得動態範圍為最大。圖21(a)及(b)的下段顯示上段合成磁化產生之說明圖。另一方面，若非如圖21(c)至(d)所示的平行，則正向最大值與負向最小值(絕對值)均變小，使感測器的動態範圍變小。圖22係元件輸出與一次導體造成的磁場強度，以圖中粗線表示將動態範圍。因為動態範圍係規定為元件輸出之正側與負側之中較小者，在使得元件電流向量I2 與自發磁化成平行時，正側與負側變成相等，故最能有效取得全體之動態範圍。
在此，製造中藉由濺鍍而成膜時，藉由施加磁場並且進行濺鍍，能使得自發磁化方向以平行於元件電流I2 方向的方式形成，而容易地形成。
依據此構成，在強磁性體內，著眼於利用電流與磁化所成角度造成該磁性體之電阻值變化的現象，即利用平面霍爾效應，能在無偏壓磁場下獲得線性特性，且因為取得正比於電功率的信號分量並藉由直流分量抽出部從偵測部的輸出中抽出直流分量，抽出的波形為電流×電壓×功率因數分量，即電功率，不用從波形進行乘算即能直接量測，故能實現容易且高精度的電功率偵測。
又，本發明，在電功率量測裝置中，宜使偵測部如圖23至圖24中說明圖所示，形成在元件電流方向的正交方向。
在此圖24(a)係顯示外部磁場向量H為零值時，圖24(b)係顯示外部磁場向量H成π/4之角度時。
依據此構成，因為在θ=π/4的磁場施加時使得Vmr為最大值，而能在取得輸出點成對稱的構成時以效率最佳的方式取得信號。
又，較佳者為，直流分量抽出部50具有累計部將輸出值以商用頻率f的每f分之1周期進行累計。
依據上述構成，由於Vmr係直流分量+商用頻率的公倍數，故如圖25中所示，取得此電功率量測裝置之電功率作為輸出時的輸出值之1周期份額並在商用頻率的周期當中進行累計，則交流部分正負抵銷而能僅取得直流部分。因為能以周期為單位來獲得直流分量而適於高速運算，故過渡反應性優異。又，藉由以周期進行累計，能去除不要的1次項，而能取得電功率到高次諧波分量。
(實施形態5)
其次說明本發明之實施形態5。
本實施形態如圖26所示，其特徵係將零交叉點偵測部60及周期判定部70連接在磁場感測器10的偵測部，依據此零交叉點偵測部的輸出而利用周期判定部70來偵測輸出的周期。在此係因應於零交叉點偵測部60的輸出而利用周期判定部70來判定周期，並依據此周期決定該直流分量抽出部50的驅動時序。至於其他構成，因係與該實施形態4相同，故在此省略其說明。
依據此構成，因為系統頻率經常變動，故對於正確測量周期而言採用系統電壓時精度為最佳，為了元件電流I2 而將電壓信號在導入基板之處進行分岐，能無須新增外部電壓信號線而從電壓信號來偵測周期。
(實施形態6)
其次說明本發明之實施形態6。
本實施形態中，如圖27所示，係在電功率量測裝置中將電容器80並聯在磁場感測器的偵測部。至於其他構成係與前述實施形態4相同，故省略其說明。
依據此構成，因為藉由電容器使Vmr信號平滑化，能在未滿一周期的短時間內取得直流分量，故能快速獲得電功率值，能以簡單的電路構成來偵測直流分量。
(實施形態7)
其次說明本發明之實施形態7。
前述實施形態4中，磁場感測器係利用晶片零件構成，並裝載在構成電路基板之印刷配線基板，但亦可構成電路基板之印刷配線基板1上直接形成強磁性薄膜3之圖案，並使構成供電部及偵測部之導體圖案與配線圖案在同一步驟形成且積體化。並且放大器或A/D轉換器、CPU係利用晶片零件所構成。或者亦能將處理電路積體化在矽基板上，並且隔著絕緣膜形成磁場感測器，而成為單晶(monolithic)元件。
依據此構成，能更加薄型化小型化。
另，在前述實施形態4至7所說明的電功率量測裝置中，當然亦可採用前述實施形態2至3所說明的磁場感測器。
在上述電功率量測裝置中，亦藉由將磁性薄膜形成在基板上，而使磁場感測器與處理電路能在基板一體化且能更加薄型化‧小型化。
又，在上述記電功率量測裝置中，亦可將磁場感測器利用以下方式構成，即，包含：磁性薄膜，成膜於基板上；供電部，具有輸入輸出端子將元件電流供給磁性薄膜；以及偵測電極部，偵測磁性薄膜兩端的輸出；並且配線圖案係與供電部及偵測電極部由同一導體層構成。
依據此構成，因為只要在普通的電路基板構成加上形成磁性體薄膜的圖案，故能極容易地形成。
又，在上述電功率量測裝置中，磁性薄膜亦能以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成。
依據此構成，因為以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成，故能使得Vmr輸出之最大值變大，提升對於系統而言的S/N比。
又，上述電功率量測裝置亦可具有並聯到偵測部的電容器。
依據此構成，因為藉由電容器使Vmr信號平滑化，而能在未滿一周期的短時間內取得直流分量，故能快速獲得電功率值，能以簡單電路構成來偵測直流分量。
又，使用電功率量測裝置，以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式，將元件電流供給到磁性薄膜的圖案之步驟，並取得來自該元件電流供給所產生的輸出之直流分量，作為電功率資訊。
依據此構成，不須另外量測功率因數並能簡單地進行量測，且相較於使用累計時而言，誤差亦減少。
又，亦可使磁場感測器包含：磁性薄膜；供電部，具有輸入輸出端子將元件電流供給到磁性薄膜；以及偵測部，偵測位於元件電流方向之正交方向的該磁性薄膜(端部間)的電壓；並且，磁性薄膜，係以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成。
依據此構成，藉由將磁性薄膜的取得輸出方向定為元件電流方向的正交方向，並且以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成，而能判定方向之正負，且無未施加磁場時的偏移，故能使電路構成變簡單。
又，本發明之電功率量測裝置中的磁場測定方法，以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式，將元件電流供給到磁性薄膜的圖案，並藉由在該元件電流之供給方向的正交方向，偵測該磁性薄膜(端部間)的電壓來測定磁場強度。
依據此構成，藉由將磁性薄膜之取得輸出方向定為元件電流方向的正交方向，並且以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式形成，而能判定方向之正負，且無未施加磁場時的偏移，故能使電路構成變簡單。
本申請案係依據2009年8月26日申請之日本專利申請(特願2009-195103號案)及日本專利申請(特願2009-195104號案)，並引用其全部內容。
(產業上利用性)
如以上說明，依據本發明之磁場感測器，由於能偵測高精度的磁場強度，而能應用在電流感測器或電功率感測器。
又，依據本發明之電功率量測裝置，在功率因數非為1時或對於含有高次諧波電流之負載亦能進行正確的電功率量測，相較於使用變流器等電流感測器的習知電功率量測裝置而言，能小型化、低成本化，因而能應用在各種節能工具。
1．．．基板
2．．．絕緣膜
3、33．．．強磁性薄膜((環狀)圖案)
3P．．．配線圖案
4、24．．．輔助圖案
5A、5B．．．供電部
5C、5D．．．偵測部
8．．．交流電源
9．．．電阻體
10．．．磁場感測器
10U．．．電功率量測裝置
16．．．保護絕緣膜
20．．．放大器
30．．．A/D轉換器
40．．．CPU
50．．．直流分量抽出部
60．．．零穿越點偵測部
70．．．周期判定部
80．．．電阻器
100．．．強磁性薄膜
200．．．導體
500．．．鐵製外殼
501．．．磁場感測器
502．．．放大器
503‧‧‧穩壓電源
504‧‧‧示波器
505‧‧‧電阻
506‧‧‧變壓器
507‧‧‧交流電源
A、B‧‧‧供電部
C、D‧‧‧偵測部
BMO ‧‧‧合成磁通量密度(向量)
F‧‧‧商用頻率
H‧‧‧外部磁場(向量)
I‧‧‧電流密度向量
I1 ‧‧‧一次導體電流
I2 ‧‧‧元件電流
M‧‧‧自發磁化(向量)
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
S‧‧‧面
V1 ‧‧‧一次電壓
Vmr‧‧‧電壓
ZL ‧‧‧負載
△R‧‧‧電阻
圖1係本發明之磁場感測器之原理說明圖。
圖2係本發明之實施形態1之磁場感測器之原理說明圖。
圖3係本發明之實施形態1之磁場感測器之俯視圖。
圖4係本發明之實施形態1之磁場感測器之剖面圖。
圖5係顯示用於測定本發明之實施形態1之磁場感測器之元件特性的測定裝置之電路說明圖。
圖6係顯示本發明之實施形態1之磁場感測器之元件特性的測定結果。
圖7係顯示本發明之實施形態1之磁場感測器之元件特性的測定結果。
圖8係顯示本發明之實施形態1之磁場感測器之電流值與輸出電壓之關係。
圖9係本發明之實施形態2之磁場感測器之原理說明圖。
圖10係本發明之實施形態2之磁場感測器之俯視圖。
圖11係本發明之實施形態2之磁場感測器之剖面圖。
圖12係本發明之實施形態2變形例之磁場感測器之剖面圖。
圖13係本發明之實施形態2變形例之磁場感測器之俯視圖。
圖14係本發明之實施形態3之磁場感測器之原理說明圖。
圖15係本發明之實施形態3之磁場感測器之俯視圖。
圖16係本發明之實施形態4之電功率測定裝置的概要說明圖。
圖17係其等價電路圖。
圖18係該電功率量測裝置之說明圖。
圖19係該電功率量測裝置之剖面圖。
圖20係顯示該電功率量測裝置之輸出特性。
圖21係顯示該電功率量測裝置之取得輸出方向的說明圖，(a)及(b)係自發磁化方向與元件電流I2 方向平行時，(c)及(d)係自發磁化方向與元件電流I2 方向非平行時。
圖22係顯示該電功率量測裝置之外部磁場與輸出電壓之關係
圖23係該電功率量測裝置之偵測部的說明圖。
圖24係同電功率量測裝置之偵測部的說明圖，(a)顯示θ為0時，(b)顯示θ為π/4時。
圖25係顯示取得電功率量測裝置之電功率作為輸出時的輸出值之1周期大小。
圖26係本發明之實施形態5之電功率量測裝置之說明圖。
圖27係本發明之實施形態6之電功率量測裝置之說明圖。
圖28係習知例之磁場感測器之說明圖。
3．．．強磁性薄膜((環狀)圖案)
A、B．．．供電部
C、D．．．偵測部
I2 ．．．元件電流
200．．．導體

Claims (18)

  1. 一種磁場感測器，包含：磁性薄膜，為環狀體，在該環狀體內部設有由磁性膜構成的內部磁性薄膜；供電部，具有將元件電流供給到該磁性薄膜之輸入輸出端子；以及偵測部，偵測沿該元件電流方向之正交方向的該磁性薄膜端部間之電壓；並且該磁性薄膜係形成為相對於該元件電流之方向成對稱的形式。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中，該磁性薄膜之外形為圓形。
  3. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中，該磁性薄膜係由正方形之環狀體構成，且設有供電部使得電流在該正方形之對角線方向流動。
  4. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中，該磁性薄膜係線寬為固定。
  5. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中，該內部磁性薄膜係由與該磁性薄膜相同材料構成的磁性薄膜所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中，該內部磁性薄膜係由與該磁性薄膜不同的磁性薄膜所構成。
  7. 一種磁場測定方法，係以使為環狀體，在該環狀體內部設有由磁性膜構成的內部磁性薄膜之磁性薄膜的圖案相對於元件電流之方向成對稱的方式，供給元件電流，並藉由在該元件電流之供給方向的正交方向偵測該磁性薄膜端部間之電壓，以測定磁場強度。
  8. 一種電功率量測裝置，其包含磁場感測器以及直流分量抽出部，該磁場感測器包含：磁性薄膜，以相對於有交流電流通的一次導體成平行的方式 配置；供電部，具有輸入輸出端子，連接到該一次導體並將元件電流經由電阻體供給到該磁性薄膜；以及偵測部，偵測該磁性薄膜兩端的輸出；且該直流分量抽出部從該偵測部之輸出中抽出直流分量。
  9. 如申請專利範圍第8項之電功率量測裝置，其中，該磁場感測器係與該直流分量抽出部形成在同一基板上。
  10. 如申請專利範圍第9項之電功率量測裝置，其中，該磁場感測器的該磁性薄膜係成膜於該基板上，且該偵測部與該基板上的配線圖案直接連接。
  11. 如申請專利範圍第9項之電功率量測裝置，其中，該磁場感測器包含：磁性薄膜，成膜於該基板上；供電部，具有將元件電流供給到該磁性薄膜的輸入輸出端子；以及偵測電極部，偵測該磁性薄膜兩端之輸出；並且該配線圖案係與該供電部及該偵測電極部由同一導體層構成。
  12. 如申請專利範圍第11項之電功率量測裝置，其中，該磁性薄膜係形成為令其磁阻相對於該元件電流的方向成對稱。
  13. 如申請專利範圍第8項之電功率量測裝置，其中，該磁性薄膜係以磁化方向與該元件電流方向一致的方式形成。
  14. 如申請專利範圍第8項之電功率量測裝置，其中，該偵測部係形成於該元件電流方向的正交方向。
  15. 如申請專利範圍第8項之電功率量測裝置，其中，該直流分量抽出部具有累計部，將輸出值以商用頻率f的每f分之1周期進行累計。
  16. 如申請專利範圍第8項之電功率量測裝置，其包含：零交叉點偵測部，偵測該元件電流的一次電壓之零交叉點，並且因應於該零交叉點偵測部之輸出來決定該直流分量抽出部的驅動時序。
  17. 如申請專利範圍第16項之電功率量測裝置，其具有電容器並聯在該偵測部。
  18. 一種電功率量測方法，其係使用如申請專利範圍第8至17項中任一項之電功率量測裝置，對於磁性薄膜的圖案，進行以下步驟：以磁阻相對於元件電流方向成對稱的方式供給元件電流；以及取得由該元件電流之供給所產生的輸出之直流分量，作為電功率資訊。
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