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(In Japanese)電力計測装置 meetings

Patent code P150012451
Posted date Oct 21, 2015
Application number P2012-555846
Patent number P5885209
Date of filing Jan 27, 2012
Date of registration Feb 19, 2016
International application number JP2012051883
International publication number WO2012105459
Date of international filing Jan 27, 2012
Date of international publication Aug 9, 2012
Priority data
  • P2011-019639 (Feb 1, 2011) JP
  • P2011-251194 (Nov 17, 2011) JP
Inventor
  • (In Japanese)辻本 浩章
Applicant
  • (In Japanese)公立大学法人大阪
Title (In Japanese)電力計測装置 meetings
Abstract (In Japanese)本発明は、高周波回路や電池における電力を簡易でかつ小さな構成で測定することが可能な種々の薄膜センサ型の電力計測装置を提供する。
本電力計測装置は、負荷電流が流れる一次導体に対して平行になるように配置された磁性膜と、前記磁性膜に素子電流を供給する入出力端子を備えた給電部と、 前記磁性膜の磁化方向に平行または垂直あるいは斜めの直流磁界を印加させるバイアス磁界印加部と、前記素子電流の方向における前記磁性膜の端部間の電圧を検出する検出部と、を具備する。この電力計測装置では、素子電流の方向における前記磁性膜の端部間の直流電圧成分のみが検出される。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

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。従来より電力の計測においては、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積算電力量計が使用されている。最近ではこの積算電力量計に、回転を検出するセンサや電流計(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、電力を計測している。積算電力量計の場合、装置構成が複雑であり、装置が大型化するだけでなく高価であり、電力が機械的に出力されるためデジタル管理できない。また、これらと相俟って、余分なエネルギーを消費しかねない。

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。

また、近年、業務用電気装置のみならず家電にまで高周波回路を有するデバイスが増大しており、高調波電流の発生に基づく様々な弊害が発生している。例えば、高調波電流の漏洩をカットする規制が緩い地域では漏洩した高調波電流の影響による周辺家電の火災等が発生している。したがって、高調波電流の発生を簡単に測定し得るセンサ、電力測定装置の社会的ニーズも高まってきている。

積算電力量計の代替としては、例えば、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、および磁界センサが提案されている(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、および磁界センサである。この電力計測装置等では、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。

この電力計測装置等では、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ナーホール効果(Planar Hall effect(PHE))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(この電力計測装置を「プレナーホール型電力計測装置」または「PHE型電力計測装置」と称する)。

なお、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。

しかしながら、PHE型電力計測装置では、磁性薄膜から検出する電圧出力を一次導体の負荷電流に直交する方向にとらなければならない。すなわち、磁性薄膜の幅方向の両端で電圧を出力させなければならない。したがって、PHE型電力計測装置では、磁性薄膜がある程度の幅太である必要があり、幅細形状(ここでは例えば直線形状・長方形状の長手方向に細い形状を意味する)の磁性薄膜を使用することはできない。また、PHE型電力計測装置では磁性薄膜をブリッジ回路構成で構成しなければならないという形状的な制限も存在する。これらのことはPHE型電力計測装置では、高周波回路で用いられるマイクロストリップ線路やコプレナー線路等の特殊な線路上に設置することが困難であることを意味する。

この他に高周波用の電力測定装置としてはボロメータ計測器や精密計測器も存在するが、それらは複雑大型な構成で、かつ非常に高価なものであり、各デバイスや各施設ごとの電力測定・検出に耐え得るものではない。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、高周波回路や電池における電力を簡易でかつ小さな構成で測定することが可能な種々の薄膜センサ型の電力計測装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
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、
一端部が電源の一端に接続され、他端部が前記負荷を介して前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記導体膜と並列に前記電源と接続され、前記絶縁膜の設けられている磁性膜を含む磁性膜部と、
並列に配置されたn個(nは自然数)のバンドパスフィルターと前記n個のバンドパスフィルターのうちからn個以下のバンドパスフィルターを選択できるスイッチとを有し、前記電源の一端と他端との間で前記磁性膜部と直列に接続されたバンドパスフィルター手段と、
前記電源の一端と他端との間で前記バンドパスフィルター手段と直列に接続された計測抵抗と、
前記磁性膜の一端部と他端部を計測端子とし、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力計測装置。

【請求項2】
 
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、
一端部が前記負荷を介して電源の一端に接続され、他端部が前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記絶縁膜の設けられており、動作点がそれぞれ異なり直列に接続された第1の磁性膜と第2の磁性膜を有し、前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の一端部と前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の一端部が接続された接続点が接地された磁性膜部と、
一端が前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部に接続され、他端が前記電源の一端に接続された計測抵抗と、
前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部および前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部とを抵抗を介して連結した点と、前記接続点と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力計測装置。

【請求項3】
 
一端が前記電源の一端に接続され、他端が前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部に接続され、前記計測抵抗と同じ抵抗値を有する等価計測抵抗
を更に有することを特徴とする請求項2に記載の電力計測装置。

【請求項4】
 
前記第1および第2の磁性膜は、前記磁性膜部の長手方向に対して傾いた磁化容易軸が誘導され、かつそれぞれの前記磁化容易軸は、前記磁性膜部の長手方向に対して互いに逆向きとなるように配設されたことを特徴とする請求項2または3に記載された電力計測装置。

【請求項5】
 
前記第1および第2の磁性膜は、前記磁性膜部の長手方向に磁化容易軸が誘導され、前
記磁性膜の表面には、前記磁化容易軸の方向に対して傾斜した複数の導体膜が形成され、
前記導体膜の傾きは、前記磁性膜部の長手方向に対して互いに逆向きにとなるように形成
されたことを特徴とする請求項2または3に記載された電力計測装置。

【請求項6】
 
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、
一端部が前記負荷を介して電源の一端に接続され、他端部が前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記絶縁膜の設けられており、直列に接続された第1の磁性膜と第2の磁性膜を有し、前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の一端部と前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の一端部が接続された接続点が接地された磁性膜部と、
一端が前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部に接続され、他端が前記電源の一端に接続された計測抵抗と、
一端が前記電源の一端に接続され、他端が前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部に接続され、前記計測抵抗と同じ抵抗値を有する等価計測抵抗と、
前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部および前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部とを抵抗を介して連結した点と、前記接続点と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力計測装置。

【請求項7】
 
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、
一端部が前記負荷を介して電源の一端に接続され、他端部が前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記絶縁膜の設けられており、直列に接続された第1の磁性膜と第2の磁性膜を有し、前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の一端部と前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の一端部が接続された接続点が接地され、前記第1の磁性膜の他端部が前記電源の他端に接続された磁性膜部と、
一端が前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部に接続され、他端が前記電源の一端に接続される計測抵抗と、
前記第1の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部と前記第2の磁性膜の磁化容易軸方向の他端部を計測端子とし、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力計測装置。

【請求項8】
 
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、
一端が前記負荷を介して第1の電源の一端に接続され、他端が前記第1の電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記絶縁膜の設けられている磁性膜を含み、磁化容易軸方向の一端部が第2の電源の他端に接続された磁性膜部と、
一端が前記第2の電源の一端に接続され、他端が前記磁性膜部の磁化容易軸方向の他端部に接続される計測抵抗と、
一端が前記第2の電源の一端に接続され、前記計測抵抗と同じ抵抗値を有する等価計測抵抗と、
一端が前記等価計測抵抗の他端に接続され、他端が前記第2の電源の他端に接続され、前記磁性膜部と同等の抵抗値を有する等価センサ抵抗と、
前記磁性膜部と前記計測抵抗の接続点と、前記等価センサ抵抗と前記等価計測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力計測装置。

【請求項9】
 
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、
一端が前記負荷を介して電源の一端に接続され、他端が前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記絶縁膜の設けられている磁性膜を含み、他端部が前記電源の他端に接続されている磁性膜部と、
一端が前記磁性膜の一端部に接続され、他端が前記電源の一端に接続される計測抵抗と、
前記磁性膜に流れる電流と略直角方向に相対する前記磁性膜部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電力計測装置。

【請求項10】
 
前記磁性膜部の磁化容易軸方向と平行に直流磁界を前記磁性膜部に印加する直流バイアス磁界印加手段を設けた事を特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載された電力計測装置。

【請求項11】
 
前記磁性膜部の長手方向と直角方向の交流磁界を前記磁性膜部に印加する交流バイアス磁界印加手段を設けたことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載された電力計測装置。

【請求項12】
 
前記第1および第2の磁性膜の少なくとも一方は、前記磁性膜部の長手方向に対して傾いた磁化容易軸が誘導され、かつそれぞれの前記磁化容易軸は、前記磁性膜部の長手方向に対して互いに逆向きとなるように配設されたことを特徴とする請求項6または7に記載された電力計測装置。

【請求項13】
 
前記第1および第2の磁性膜の少なくとも一方は、前記磁性膜部の長手方向に磁化容易軸が誘導され、前記磁性膜の表面には、前記磁化容易軸の方向に対して傾斜した複数の導体膜が形成され、前記導体膜の傾きは、前記磁性膜部の長手方向に対して互いに逆向きにとなるように形成されたことを特徴とする請求項6または7に記載された電力計測装置。

【請求項14】
 
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、
一端部が電源の一端に接続され、他端部が前記負荷を介して前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記導体膜と並列に前記電源と接続され、前記絶縁膜の設けられている磁性膜を含む磁性膜部と、
一端が前記磁性膜の磁化容易軸方向の一端部に接続され、他端が前記電源の他端に接続された計測抵抗と、
前記磁性膜の一端部と他端部を計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部と
を有し、
前記磁性膜部の磁化容易軸方向と平行に直流磁界を前記磁性膜部に印加する直流バイアス磁界印加手段を設けた事を特徴とする電力計測装置。

【請求項15】
 
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、
一端部が前記負荷を介して電源の一端に接続され、他端部が前記電源の他端に接続された導体膜と、
前記導体膜の設けられている絶縁膜と、
前記導体膜と並列に前記電源と接続され、前記絶縁膜の設けられている磁性膜を含む磁性膜部と、
一端が前記磁性膜の磁化容易軸方向の一端部に接続され、他端が前記電源の他端に接続された計測抵抗と、
前記磁性膜の一端部と他端部を計測端子とし、前記計測端子間の電圧を計測する電圧検出部と
を有し、
前記磁性膜部の長手方向と直角方向の交流磁界を前記磁性膜部に印加する交流バイアス磁界印加手段を設けたことを特徴とする電力計測装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2012555846thum.jpg
State of application right Registered


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