WO2011024923A1

WO2011024923A1 - 磁界センサ、これを用いた磁界測定方法、電力計測装置および電力計測方法

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Publication number: WO2011024923A1
Application number: PCT/JP2010/064532
Authority: WO
Inventors: 秀樹武長; 英司岩見; 知行澤田; 浩章辻本; 啓介吉川; 卓福井
Original assignee: パナソニック電工株式会社; 公立大学法人大阪市立大学
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2011-03-03
Also published as: KR20120047975A; TWI480566B; US20120229131A1; EP2461174A4; TW201133015A; CN102656471A; EP2461174A1; KR101314365B1; CN102656471B

Abstract

　正負方向の判定が可能で、信頼性の高い磁界検出を可能にする。　本発明の磁界センサは、強磁性薄膜３と、前記強磁性薄膜に素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部５Ａ、５Ｂと、前記素子電流の方向に直交する方向における前記強磁性薄膜（端部間）の電圧を検出する検出部５Ｃ、５Ｄとを具備し、前記強磁性薄膜は、前記素子電流の方向に対して対称となるように形成される。

Description

磁界センサ、これを用いた磁界測定方法、電力計測装置および電力計測方法

　本発明は、磁界センサ、これを用いた磁界測定方法、電力計測装置および電力計測方法にかかり、特にオフセットがなく、高精度の磁界測定を実現するための磁界センサの電圧取り出し、およびこの磁界センサを用いた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。
　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する、あるいは、電流計（ＣＴ）、電圧計（ＰＴ）を新たに付加し、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を用いた電力計が使用されている。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、小型化および集積化の可能な電力計の開発が望まれている。

　特に、磁性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）。

　これは、交流が流れる一次導体に対し、平行に置かれた（基板上に構成された）磁性薄膜を用い、この磁性薄膜の両端に抵抗を介して一次電圧が印加され、磁性薄膜の（両端）から出力を取り出すようにした電力計測装置である。この電力計測装置は、２倍周波数成分の振幅値から電力ＩＶを取り出す方式をとるものである。

　この電力計測装置では、磁性薄膜からなる強磁性体内において、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、バイアス磁界なしで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。
　ここで用いられる磁界センサは、外部磁界の変化を電気信号に変換する素子であり、強磁性薄膜や半導体薄膜等の磁性薄膜をパターニングし、その磁性薄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。

　ここで出力信号は次式（１）のようになる。

　ここで出力は、直流成分の項と、交流成分の項に分けられる。
　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。

　このような、磁界センサの高感度化のために、種々の提案がされている。例えば特許文献１では、高感度化を企図して、環状パターンの一部を開口して通電部を形成した磁界センサも提案されている。

日本国特開平１１－２７４５９８号公報

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－０５　No.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－０５　No.１９２）

　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の値を計測するとともに、別途力率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、磁気センサについては、以下に示すような問題があった。例えば、図２８に示すように、強磁性特性を有する磁性薄膜１００にその直径方向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をＨ、素子の持つ自発磁化をＭとしたとき、外部磁界ベクトルＨ、素子の持つ自発磁化ベクトルＭを合成した磁束密度ベクトルをＢ_Ｍ０とし、電流密度ベクトルＩと磁束密度ベクトルＢ_ＭＯのなす角をθ、強磁性薄膜１００の点Ａ－Ｂ間の抵抗をＲ、磁界によって変化する点Ａ－Ｂ間の抵抗値の最大値をΔＲとすると、
点Ａ－Ｂ間の電圧Ｖ_ＡＢは
Ｖ_ＡＢ＝Ｉ_２（Ｒ＋ΔＲｃｏｓ２θ）　　　（２）
となる。ここでＩ_２は素子電流である。

　しかしながら、上記構成では、交流磁界を印加した際の正負方向の判別ができないという問題がある。これは、上記式（２）中でｃｏｓ２θが正負で同じ値をとるためである。
　本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、正負方向の判定が可能で、信頼性の高い磁界検出を可能にする磁界センサを提供することを目的とする。
　また、力率を別途計測することなく、簡単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。

　そこで本発明の磁界センサは、磁性薄膜と、前記磁性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、前記素子電流の方向に直交する方向における前記磁性薄膜端部間の電圧を検出する検出部とを具備し、前記磁性薄膜は、前記素子電流の方向に対して対称となるように形成されたことを特徴とする。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記磁性薄膜は、外形が円形であるものを含む。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記磁性薄膜は、環状体であるものを含む。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記磁性薄膜は、正方形の環状体で構成され、前記正方形の対角線方向に電流が流れるように給電部が設けられたものを含む。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記磁性薄膜は、環状体であり、線幅が一定である。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記磁性薄膜は、前記環状体の内部に、磁性膜からなる内部磁性薄膜が設けられたものを含む。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記内部磁性薄膜は、前記磁性薄膜と同一材料からなる磁性薄膜で構成されたものを含む。

　また本発明は、上記磁界センサにおいて、前記内部磁性薄膜は、前記磁性薄膜と異なる磁性薄膜で構成されたものを含む。

　また本発明の磁界測定方法は、磁性薄膜のパターンが、素子電流の方向に対して対称となるように、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。

　そこで本発明の電力計測装置は、交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薄膜と、前記一次導体に接続され、前記磁性薄膜に抵抗体を介して素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、前記磁性薄膜端両端の出力を検出する検出部とを具備した磁界センサと、前記検出部の出力から直流成分を抽出する直流成分抽出部とを具備したことを特徴とする。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記磁界センサが、前記直流成分抽出部と同一基板上に形成されたものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記磁界センサの前記磁性薄膜は、前記基板上に成膜され、前記検出部が前記基板上の配線パターンと直接接続されたものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記磁界センサは、前記基板上に成膜された磁性薄膜と、前記磁性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、前記磁性薄膜両端の出力を検出する検出電極部とを具備し、前記配線パターンが前記給電部と前記検出電極部と同一の導体層で構成されたものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記磁性薄膜は、前記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たものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記磁性薄膜は、磁化方向が前記素子電流の方向と一致するように形成されたものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記検出部は、前記素子電流の方向に直交する方向に形成されたものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記直流成分抽出部は、出力値を商用周波数ｆのｆ分の１の周期毎に積算する積算部を具備したものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記素子電流の一次電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部を具備し、前記ゼロクロス点検出部の出力に応じて、前記直流成分抽出部の駆動タイミングが決定されるものを含む。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記検出部に並列接続されたコンデンサを具備したものを含む。

　また、本発明の電力計測方法は、上記電力計測装置を用い、磁性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。

　また、本発明の電力計測装置に用いられる磁界センサは、磁性薄膜と、前記磁性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、前記素子電流の方向に直交する方向における前記磁性薄膜（端部間）の電圧を検出する検出部とを具備し、前記磁性薄膜は、前記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たことを特徴とする。

　また本発明の電力計測装置における磁界測定方法は、磁性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。

　以上説明してきたように、本発明の磁界センサによれば、極めて簡単な構成で、電圧を素子電流方向と直交する点から取り出すようにしているため、磁界の方向を検出でき、オフセットもなく、信頼性の高い磁界検出が可能となる。

　また、本発明の電力計測装置によれば、出力電圧の直流成分を取り出すことで、極めて簡単な構成で、力率を別途計測する必要がなく、直接電力を取り出すことができる。

本発明の磁界センサの原理説明図本発明の実施の形態１の磁界センサの原理説明図本発明の実施の形態１の磁界センサの上面図本発明の実施の形態１の磁界センサの断面図本発明の実施の形態１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１の磁界センサの素子特性の測定結果を示す図本発明の実施の形態１の磁界センサの素子特性の測定結果を示す図本発明の実施の形態１の磁界センサの電流値と出力電圧との関係を示す図本発明の実施の形態２の磁界センサの原理説明図本発明の実施の形態２の磁界センサの上面図本発明の実施の形態２の磁界センサの断面図本発明の実施の形態２の変形例の磁界センサの断面図本発明の実施の形態２の変形例の磁界センサの上面図本発明の実施の形態３の磁界センサの原理説明図本発明の実施の形態３の磁界センサの上面図本発明の実施の形態４の電力測定装置の概要説明図同等価回路図同電力計測装置の説明図同電力計測装置の断面図同電力計測装置の出力特性を示す図同電力計測装置の出力取り出し方向を示す説明図であり、（ａ）および（ｂ）は自発磁化の方向が素子電流Ｉ_２の方向と平行である場合、（ｃ）および（ｄ）は自発磁化の方向が素子電流Ｉ_２の方向と平行でない場合同電力計測装置の外部磁界と出力電圧との関係を示す図同電力計測装置の検出部の説明図同電力計測装置の検出部の説明図であり、（ａ）はθが０のとき、（ｂ）はθがπ/４のときを示す電力計測装置の電力を出力としてとりだしたときの出力値の１周期分を示す図本発明の実施の形態５の電力計測装置の説明図本発明の実施の形態６の電力計測装置の説明図従来例の磁界センサの説明図

　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。
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明の磁界センサの測定原理について説明する。
　本発明の磁界センサでは、磁性薄膜として用いる強磁性薄膜に対し、素子電流方向に対し直交する方向に出力取り出しを行うようにするとともに、出力取り出し方向に対してほぼ対称となるようにしている。

　つまり図１に原理説明図を示すように、円形の強磁性薄膜３のパターンの中心に対して対称な位置にあり、この強磁性薄膜パターンの周縁上にある点Ａ、Ｂを通電部とし、この線分ＡＢに直交するとともに、円の中心を通る線分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、強磁性薄膜３にその直径方向に沿って配置された導体２００に電流Ｉ_１を流すものとする。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としたとき、磁界ベクトルＨ、素子の持つ自発磁化ベクトルＭを合成した磁束密度ベクトルをＢ_Ｍ０とするとともに電流密度ベクトルＩと磁束密度ベクトルＢ_Ｍ０のなす角をθと、強磁性薄膜３の点Ａ－Ｂ間の抵抗をＲ、磁界によって変化する点Ａ－Ｂ間の抵抗値の最大値をΔＲとすると、点Ｃ－Ｄ間の電圧Ｖ_ＣＤは、電圧Ｖ_ＡＣと電圧Ｖ_ＡＤとの差で表すことができる。
　これを数式化すると、
Ｖ_ＣＤ＝Ｉ_２（ΔＲｓｉｎ２θ）　　　（３）
で表すことができる。ここでＩ_２は素子電流である。
　つまり交流磁界を印加した時、正負を判定することができる。

　また、式（１）で表した従来例の場合に比べて、磁界を印加しないときのオフセットがなく、ゼロとなるため回路構成を簡単にすることができる。
　この構成によれば、強磁性薄膜３にその直径方向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をＨ、素子の持つ自発磁化をＭとしたとき、外部磁界ベクトルＨ、素子の持つ自発磁化ベクトルＭを合成した磁束密度ベクトルをＢ_Ｍ０とするとともに電流密度ベクトルＩと磁束密度ベクトルＢ_Ｍ０のなす角をθと、強磁性薄膜３の点Ａ－Ｂ間の抵抗をＲ、磁界によって変化する点Ａ－Ｂ間の抵抗値の最大値をΔＲとすると、点Ｃ－Ｄ間の電圧Ｖ_ＣＤは、電圧Ｖ_ＡＣと電圧Ｖ_ＡＤとの差で表すことができる。

(実施の形態１)
　本実施の形態１の磁界センサについて説明する。図２にこの磁界センサの原理説明図、図３に、上面図、図４に断面図を示す。この磁界センサは図３及び４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強磁性薄膜３からなる環状パターンを形成し、この環状パターン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、および、この給電部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た検出部５Ｃ、５Ｄとしての導体パターンとを具備したものである。

　つまり図２に原理説明図を示すように、円形の強磁性薄膜３のパターンの中心に対して対称な位置にあり、この強磁性薄膜パターンの周縁上にある点Ａ、Ｂを通電部とし、この線分ＡＢに直交するとともに、円の中心を通る線分ＣＤを出力取り出し方向としている。

　このとき、図２に示すように、強磁性薄膜３にその直径方向に沿って配置された導体２００に電流Ｉ_１を流すもとのする。その電流によって生じる磁界をＨ、素子の持つ自発磁化をＭとしたとき、外部磁界ベクトルＨ、素子の持つ自発磁化ベクトルＭを合成した磁束密度ベクトルをＢ_Ｍ０とするとともに電流密度ベクトルＩと磁束密度ベクトルＢ_Ｍ０のなす角をθと、磁性薄膜３の点Ａ－Ｂ間の抵抗をＲ、磁界によって変化する点Ａ－Ｂ間の抵抗値の最大値をΔＲとすると、点Ｃ－Ｄ間の電圧Ｖ_ＣＤは、電圧Ｖ_ＡＣと電圧Ｖ_ＡＤとの差で表すことができる。
　従って前記式（３）が成り立ち、交流磁界を印加した時、正負を判定することができる。
　また、磁界を印加しないときのオフセットがなく、ゼロとなるため回路構成を簡単にすることができる。

　ここで強磁性薄膜としては、単層構造の強磁性薄膜のほか、（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、強磁性薄膜３を形成する。このとき、磁界を印加しつつスパッタリングを行い、自発磁化方向が揃うように形成する。
　そして、フォトリソグラフィによりこの強磁性薄膜３をパターニングし、円環状のパターンとする。
　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３及び図４に示すような給電部５Ａ、５Ｂおよび検出部５Ｃ、５Ｄ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。

　本実施の磁界センサによれば、磁性薄膜の幅が小さくなるため、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５に示すような測定装置を用いて実験を行った。図２乃至４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とともに、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。
　この測定結果を、図６および図７に示す。図６は素子電流Ｉ_１を８．８４２Ａとしたときの瞬時出力であり、図７は素子電流Ｉ_１を０Ａとしたときの瞬時出力である。

　このようにして得られた電流値と、素子出力電圧との関係を図８に示す。ここでは、アンプによるオフセットが５．８８８Ｖとなっているが、それ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、線幅は一定とするのが望ましい。一定ではない場合は、抵抗値が対称となるように、膜厚を調整する、あるいは、補助パターンを付加するなどの手段をとることも有効である。
　また、磁性薄膜は、外形が円形であり、対称形であるため、素子電流方向に対して対称となるように形成しやすく、信頼性の高い磁界センサを提供することが可能となる。
　また、磁性薄膜を環状とすることで、磁性薄膜の幅が小さくなり、電気抵抗が増大し、素子の外形を大きくすることなく抵抗値を大きくすることができ、出力を大きくすることが可能となる。

（実施の形態２）
　次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、図９乃至図１１に示すように、前記実施の形態１の磁界センサの環状パターンを構成する強磁性薄膜３の環の内周に沿って相似形である円状の内部磁性薄膜として強磁性薄膜の補助パターン４を形成したことを特徴とするものである。
　構成としてはこの補助パターン４が付加されただけで、他の構成については前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。ここで図９はこの磁界センサの原理説明図、図１０に上面図、図１１に断面図を示す。この磁界センサは基本的には前記実施の形態１と同様であるが、この補助パターン４の存在により、電気抵抗は高めたままで磁気的な感度を高めるようにしたものである。強磁性薄膜３のうち外側の環状パターンと内部の補助パターン４とは電気的に接触していない。このため、電気抵抗は前記実施の形態１の磁界センサと同様であるが、磁気的には空間部が磁性薄膜で埋められるため、より多くの磁束を導くことができ、高感度化を図ることができる。
　このように、本実施の形態によれば、磁性体の間に空間が形成されるため、外部磁界に対する感度が低下する。そこで電気抵抗を高めたままで、磁気的な感度のみを向上すべく、電気的に独立して内部磁性薄膜を設けたことで、より高感度化を図ることができる。

　なお、素子構造としては、図１２に変形例を示すように、磁性体薄膜パターンを形成した後、基板表面全体をポリイミド樹脂からなる保護絶縁膜１６で被覆し、スルーホールを介して給電部５Ａ、５Ｂおよび検出部５Ｃ、５Ｄを形成してもよい。この構成によれば、磁性体薄膜の劣化を防止し、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、環状パターンの内部に形成される補助パターンとしては、同一材料で構成してもよいし、図１３に示すように別の材料からなる磁性体薄膜で補助パターン２４を形成してもよい。

　内部磁性薄膜すなわち補助パターンを、磁性薄膜と同一材料からなる磁性薄膜で構成することで、製造が容易でパターンの変更のみで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。

　また内部磁性薄膜すなわち補助パターンを、磁性薄膜と異なる磁性薄膜で構成することで、感度を調整することができる。また、多数の磁界センサを並べて配列する場合、感度をそろえるために、内部磁性薄膜の材料を調整することによっても感度の調整を図ることが可能となる。

　なお、保護膜としては、酸化シリコン膜や酸化アルミニウムなどの無機膜の他、ポリイミド樹脂、ノボラック樹脂等の有機膜を用いることも可能である。

（実施の形態３）
　次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態では、図１４および１５に示すように、強磁性薄膜は、正方形の環状パターン３３で構成され、前記正方形の対角線方向に電流が流れるように給電部５Ａ、５Ｂが設けられ、これらに直交する方向に検出部５Ｃ、５Ｄが形成されたことを特徴とする。
　本実施の形態でも、前記実施の形態１の磁界センサの環状パターン３に代えて正方形の環状パターン３３を形成しただけで、他の構成については前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。同一部位には同一符号を付した。ここで図１４はこの磁界センサの原理説明図、図１５は、上面図である。

　ここで磁束密度ベクトルは素子が持つ自発磁化ベクトルＭと外部磁界ベクトルＨの合成であり、外部磁界がない場合には磁束密度ベクトルは自発磁化ベクトル方向となる。外部磁界が交流磁界の場合は、自発磁化ベクトルを中心に図の上下方向に振動する。

　この構成によれば、センサの出力Ｖmrは次式で表すことができる。
　ただし、前述したのと同様に、電流密度ベクトルと磁束密度ベクトルのなす角をθ₁、θ₂、ＡＢとＡＣおよびＡＢとＡＤのなす角をφ、外部磁界がない時のＡＣ間の電圧をＶ_ＡＣ０、ＡＤ間の電圧をＶ_ＡＤ０、磁気抵抗効果による電圧変化の最大値をΔＶrとする。

　丸形環状すなわち円環状においても略同式にて表現できるが、円環状の場合、電流密度ベクトルの方向がＡからＣ、ＡからＤの間で変化し、出力最大となるφ＝４５度以外の成分も存在するため正方形に比べて出力が小さくなる。

　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、磁性薄膜の出力取り出し方向を素子電流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。

（実施の形態４）
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、本発明の測定原理について説明する。
　この電力計測装置では、強磁性体内において、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、バイアス磁界なしで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。図１６および１７にこの測定原理を示す。図１６はこの電力測定装置の概要説明図、図１７は等価回路図である。
　ここで用いられる磁界センサは、外部磁界の変化を電気信号に変換する素子であり、磁界検出膜としての強磁性薄膜５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。
　ここで図１７に示すように、強磁性薄膜はＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４からなる抵抗ブリッジとみなすことができる。

　ここで、平衡状態(Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝Ｒ_４)であるとき、

　となり、直流成分の項(第１項)と、交流成分の項(第２項)とに分けられる。
　すなわち、抵抗ブリッジが零磁界でＶmr=0の場合（Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝Ｒ_４）、印加磁界により現れる出力Ｖｍｒは抵抗変化率に比例する。

　これは以下の理由による。
　抵抗変化率ΔＲ_１／Ｒ_１はＩ_１に比例し、強磁性薄膜にかかる電圧ＶｂはＩ_２に比例するよう設計可能であるため、Ｖｍｒ出力はＩ_１とＩ_２の積に比例する。すなわち電力に比例する信号成分である。Ｉ_１とＩ_２を瞬時式に展開すると、Ｖｍｒは、（ＤＣ項）＋（２ω項）である。

　一般に抵抗ブリッジは不平衡であるため、それはω項として現れるがこの成分は電力には無関係である。さらに正確にいうと、不平衡度が多ければ大きい値になるので、不平衡度合いと電力成分を分離できない。

　そこで、第１項である直流成分の項をとりだすことで、直接電力を取り出すことが可能となる。
　本発明の電力計測装置で用いられる磁界センサについては、実施の形態１で説明したのでここでは説明を省略する。

　本実施の形態４の電力計測装置について説明する。図１８にこの電力計測装置の説明図、図１９に断面図、図２０にこの電力計測装置の出力を示す。この電力計測装置は、交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強磁性薄膜と、前記一次導体に接続され、前記強磁性薄膜に抵抗体を介して素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、前記強磁性薄膜両端の出力を検出する検出部とを具備した磁界センサ１０と、前記検出部の出力から直流成分を抽出する直流成分抽出部５０とを具備したことを特徴とする。

　ここで磁界センサ１０の給電部は、負荷としての抵抗体９を介して交流電源８に接続されている。また検出部に接続された直流成分抽出部５０は、アンプ２０と、Ａ／Ｄ変換器３０と、ＣＰＵ４０とで構成される。
　また、この電力計測装置は、プリント配線基板からなる回路基板１上に配線パターン３Ｐを介して実装された磁界センサ１０と、このプリント配線基板上の配線パターン３Ｐに半田接続されたチップ部品からなるアンプ２０と、Ａ／Ｄ変換器３０と、ＣＰＵ４０とが接続されて構成されている。２は絶縁膜である。

　ここで図１８に示すように、磁界センサが直流成分抽出部５０とともに、回路基板１上に形成されているため磁界センサの強磁性薄膜とアンプ２０の入力線とで囲む面Ｓが一次導体電流Ｉ_１によって生じる磁束を横切らないので、鎖交磁束による不要な誘導記電力の影響を低減することができる。
　また薄型化および小型化が可能となる。

　このようにして得られた出力を図２０に示す。この出力ＶｍｒからＤＣ成分を得ることで、直接電力を得ることができる。
　本実施の形態の電力計測装置によれば、強磁性体内において、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、バイアス磁界なしで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直流成分抽出部によって、検出部の出力から直流成分を抽出するようにしているため、抽出した波形は電流×電圧×力率成分となっているため、電力であり、波形から掛け算をすることなく直接計測することができるため、容易でかつ高精度の電力検出が実現可能である。

　また、本発明は、上記電力計測装置において、前記強磁性薄膜は、前記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る。

としたとき、θ=π/4の磁界印加のときにＶｍｒは最大値をとるが、出力取り出し点において対称である構成のときに最も効率よく信号を取り出すことができる。このように上記構成によれば、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。
　従って上記構成によれば、高精度の電力計測が可能となる。

　また、強磁性薄膜は、高感度化の点からは磁化方向が前記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。
　このように、自発磁化をもたせることにより、強磁性薄膜に、プレーナホール効果すなわち磁気抵抗効果(磁界により抵抗値が変化する現象)が生ずる。ここで電流Ｉ_２ベクトルと、自発磁化の方向すなわち一次導体による磁界Ｈと、合成された磁束密度ベクトルＢ_ＭＯとの関係を図２１に示す。この図から、従って自発磁化の方向を図２１（ａ）および（ｂ）に示すように素子電流Ｉ_２の方向に平行としておくことにより、一次導体による磁界方向で正の最大値と、負の最小値で出力(絶対値)が等しくなりダイナミックレンジを最大にすることができる。図２１（ａ）および（ｂ）の下段は上断の合成磁化の生成を示す説明図である。一方、図２１（ｃ）乃至（ｄ）に示すように平行でなければ正の最大値と、負の最小値(絶対値)のいずれかが小さくなるため、センサのダイナミックレンジが狭くなる。図２２は素子出力と一次導体による磁界強度において、ダイナミックレンジを図中太線で示したものである。ダイナミックレンジは素子出力の正側と負側のいずれか小さい方で規定されるために、素子電流ベクトルＩ_２と自発磁化が平行になるようにした場合に正側と負側が等しくなるので全体のダイナミックレンジが最も有効に取り得るものとなる。

　ここで製造に際し、スパッタリングによって成膜する場合には、磁界をかけながらスパッタリングを行うことで、自発磁化の方向が素子電流Ｉ_２の方向に平行となるように形成することで容易に形成可能である。

　かかる構成によれば、強磁性体内において、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、バイアス磁界なしで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直流成分抽出部によって、検出部の出力から直流成分を抽出するようにしているため、抽出した波形は電流×電圧×力率成分となっているため、電力であり、波形から掛け算をすることなく直接計測することができるため、容易でかつ高精度の電力検出が実現可能である。

　また、本発明は、この電力計測装置において、検出部は、図２３乃至図２４に説明図を示すように、素子電流の方向に直交する方向に形成されるのが望ましい。
　ここで図２４（ａ）は外部磁界ベクトルＨがゼロの時、図２４（ｂ）は外部磁界ベクトルＨがπ／４の角度をなすときであるときを示す。
　この構成によれば、θ=π/4の磁界印加のときにＶmrは最大値をとるため、出力取り出し点において対称である構成のときに最も効率よく信号を取り出すことができる。

　また、望ましくは、直流成分抽出部５０は、出力値を商用周波数ｆのｆ分の１の周期毎に積算する積算部を具備している。
　上記構成によれば、Ｖmrは、直流成分＋商用周波数の公倍数であるから、図２５にこの電力計測装置の電力を出力としてとりだしたときの出力値の１周期分を示すように、商用周波数の周期期間中積算すれば交流分はプラスマイナスが相殺されて直流分だけを取り出すことができる。直流成分を周期単位で得ることができ高速演算に適うので、過渡応答性に優れる。また、周期で積算することで、１次の不要な項を落とすことができ、電力の高調波成分まで取り出すことができる。

(実施の形態５)
　次に本発明の実施の形態５について説明する。
　本実施の形態では、図２６に示すように、磁界センサ１０の検出部にゼロクロス点検出部６０および周期判定部７０を接続し、このゼロクロス点検出部の出力に基づいて周期判定部７０で出力の周期を検出するようにしたことを特徴とするものである。ここではゼロクロス点検出部６０の出力に応じて、周期判定部７０で周期が判定され、この周期によって前記直流成分抽出部５０の駆動タイミングが決定される。他の構成については前記実施の形態４と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　この構成によれば、系統周波数は常時変動しているので周期を正しく測るには系統電圧を用いるのが最も精度が良く、素子電流Ｉ_２のために電圧信号を基板に取り込んでいる箇所を分岐することで、新規に外部電圧信号線を施すことなく電圧信号から周期を検出することが可能となる。

(実施の形態６)
　次に本発明の実施の形態６について説明する。
　本実施の形態では、図２７に示すように、電力計測装置において、磁界センサの検出部にコンデンサ８０を並列接続したものである。他の構成については前記実施の形態４と同様であるため、ここでは説明を省略する。
　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。

(実施の形態７)
　次に本発明の実施の形態７について説明する。
　前記実施の形態４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、回路基板を構成するプリント配線基板１上の直接強磁性薄膜３のパターンを形成し、給電部およ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し、集積化したものである。そして増幅器や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４乃至７で説明した電力計測装置においても、前記実施の形態２乃至３で説明した磁界センサを用いてもよいことはいうまでもない。

　上記電力計測装置においても、基板上に磁性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、磁界センサを、基板上に成膜された磁性薄膜と、磁性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、磁性薄膜両端の出力を検出する検出電極部とを具備し、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してもよい。
　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、電力計測装置を用い、磁性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、磁性薄膜と、磁性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、素子電流の方向に直交する方向における前記磁性薄膜（端部間）の電圧を検出する検出部とを具備し、磁性薄膜は、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。
　この構成によれば、磁性薄膜の出力取り出し方向を素子電流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ことで、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。

　また本発明の電力計測装置における磁界測定方法は、磁性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、磁性薄膜の出力取り出し方向を素子電流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ことで、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。

　本出願は、２００９年８月２６日出願の日本特許出願（特願２００９－１９５１０３）および日本特許出願（特願２００９－１９５１０４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　以上説明してきたように、本発明の磁界センサによれば、高精度の磁界強度を検出できることから、電流センサや電力センサなどに適用可能である。
　また、本発明の電力計測装置によれば、力率が１でない場合あるいは高調波電流が含まれた負荷であっても正しい電力計測を行うことができ、変流器などの電流センサを用いた従来の電力計測装置に比較して小型化、低いコスト化が可能となることから、種々の省エネツールに適用可能である。

１　基板
２　絶縁膜
３、３３　強磁性薄膜（（環状）パターン）
４、２４　補助パターン
５Ａ、５Ｂ　給電部
５Ｃ、５Ｄ　検出部
１００　強磁性薄膜
２００　導体

Claims

　磁性薄膜と、
　前記磁性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、
　前記素子電流の方向に直交する方向における前記磁性薄膜端部間の電圧を検出する検出部とを具備し、
　前記磁性薄膜は、前記素子電流の方向に対して対称となるように形成された磁界センサ。
　請求項１に記載の磁界センサであって、
　前記磁性薄膜は、外形が円形である磁界センサ。
　請求項１または２に記載の磁界センサであって、
　前記磁性薄膜は、環状体である磁界センサ。
　請求項３に記載の磁界センサであって、
　前記磁性薄膜は、正方形の環状体で構成され、前記正方形の対角線方向に電流が流れるように給電部が設けられた磁界センサ。
　請求項３に記載の磁界センサであって、
　前記磁性薄膜は、線幅が一定である磁界センサ。
　請求項２乃至５のいずれか１項に記載の磁界センサであって、
　前記磁性薄膜は、前記環状体の内部に、磁性膜からなる内部磁性薄膜が設けられた磁界センサ。
　請求項６に記載の磁界センサであって、
　前記内部磁性薄膜は、前記磁性薄膜と同一材料からなる磁性薄膜で構成された磁界センサ。
　請求項６に記載の磁界センサであって、
　前記内部磁性薄膜は、前記磁性薄膜と異なる磁性薄膜で構成された磁界センサ。
　磁性薄膜のパターンが、
　素子電流の方向に対して対称となるように、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磁界測定方法。
　交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薄膜と、
　前記一次導体に接続され、前記磁性薄膜に抵抗体を介して素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、
　前記磁性薄膜両端の出力を検出する検出部とを具備した磁界センサと、
　前記検出部の出力から直流成分を抽出する直流成分抽出部とを具備した電力計測装置。
　請求項１０に記載の電力計測装置であって、
　前記磁界センサは、前記直流成分抽出部と同一基板上に形成された電力計測装置。
　請求項１１に記載の電力計測装置であって、
　前記磁界センサの前記磁性薄膜は、前記基板上に成膜され、前記検出部が前記基板上の配線パターンと直接接続された電力計測装置。
　請求項１１に記載の電力計測装置であって、
　前記磁界センサは、
　前記基板上に成膜された磁性薄膜と、
　前記磁性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、
　前記磁性薄膜両端の出力を検出する検出電極部とを具備し、
　前記配線パターンが前記給電部と前記検出電極部と同一の導体層で構成された電力計測装置。
　請求項１３に記載の電力計測装置であって、
　前記磁性薄膜は、前記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た電力計測装置。
　請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の電力計測装置であって、
　前記磁性薄膜は、磁化方向が前記素子電流の方向と一致するように形成された電力計測装置。
　請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の電力計測装置であって、
　前記検出部は、前記素子電流の方向に直交する方向に形成された電力計測装置。
　請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の電力計測装置であって、
　前記直流成分抽出部は、出力値を商用周波数ｆのｆ分の１の周期毎に積算する積算部を具備した電力計測装置。
　請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の電力計測装置であって、
　前記素子電流の一次電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出部を具備し、
　前記ゼロクロス点検出部の出力に応じて、前記直流成分抽出部の駆動タイミングが決定される電力計測装置。
　請求項１８に記載の電力計測装置であって、
　前記検出部に並列接続されたコンデンサを具備した電力計測装置。
　請求項１０乃至１９のいずれか１項に記載の電力計測装置を用い、
磁性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、電力情報とする電力計測方法。