(57)【要約】【課題】測定対象に流れる被測定電流によって生じる磁界を効率良く安定して磁性薄膜抵抗体に作用させると共に、活線状態で容易に測定対象に設置することが可能な磁気抵抗効果型電力センサを提供する。【解決手段】磁性体が混入された樹脂により形成され、測定対象である導体線４の外周よりも長尺で可撓性を有する樹脂ベルト２と、樹脂ベルト２の第１ベルト部２ａと第２ベルト部２ｂとの間に設けられ、第１ベルト部２ａと第２ベルト部２ｂとを磁気的に絶縁する非磁性体部３と、樹脂ベルト２の非磁性体部３に対応する位置に設けられ、磁性薄膜抵抗体が蒸着されたセンサ基板１とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体が混入された樹脂により形成され、測定対象である導体線の外周よりも長尺で可撓性を有する樹脂ベルトと、
前記樹脂ベルトの第１ベルト部と第２ベルト部との間に設けられ、当該第１ベルト部と当該第２ベルト部とを磁気的に絶縁する非磁性体部と、
前記樹脂ベルトの前記非磁性体部に対応する位置に設けられ、磁性薄膜抵抗体が蒸着されたセンサ基板と、を有する磁気抵抗効果型電力センサ。
【請求項２】
前記非磁性体部は、エアギャップにより構成されている請求項１に記載の磁気抵抗効果型電力センサ。
【請求項３】
前記エアギャップは、前記樹脂ベルトが前記導体線に巻き回された状態での前記導体線の延在方向直交断面において、前記導体線側の長さが他方側の長さよりも長い台形状となるように設けられている請求項２に記載の磁気抵抗効果型電力センサ。
【請求項４】
前記非磁性体部の全て又は一部が前記センサ基板により構成されている請求項１から３の何れか一項に記載の磁気抵抗効果型電力センサ。
【請求項５】
前記センサ基板は、４つの磁性薄膜抵抗体のそれぞれが４つのアームのそれぞれに配置されたホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を有し、
前記ブリッジ回路は、一対の対角間に測定電圧が印加され、別の一対の対角間から検出信号を取り出すものであり、
さらに、前記検出信号の信号処理を行う検出信号処理回路と、前記測定電圧から前記検出信号処理回路の駆動電源を生成する電源回路とを有する制御基板と、前記測定電圧を印加するための測定電圧印加用端子と、前記検出信号処理回路による信号処理後の前記検出信号を出力信号として出力する出力信号端子と、を備える請求項１から４の何れか一項に記載の磁気抵抗効果型電力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果型電力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー問題を背景として消費電力の低減化は勿論のこと、消費電力の管理機能の強化が重要となっている。このため、送電設備、変電設備、一般家庭における受電設備等において、電力の測定が重要となっている。現在、一般家庭の受電設備において広く用いられている電力量計は誘導型積算電力量計である。この誘導型積算電力量計は、装置が大型で複雑になること、機械出力を電気的出力に変換するために別のセンサを必要とすることなどの課題を有する。
【０００３】
一方、電力は、電圧と電流との積であるから、電圧と電流とをそれぞれ測定し、電子回路等で乗算を行って電力の測定値を得るという手法も知られている。この乗算には、ホール素子を利用することが可能である。但し、ホール素子は半導体であり、周囲温度の影響によって誤差を生じ易く、測定精度に課題が残る。
【０００４】
これに対し、近年、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した電力センサが提案されている。これは、磁気抵抗効果磁性膜（ＭＲ膜）を利用した磁性薄膜乗算素子を乗算素子として機能させた電力センサである。磁気抵抗効果とは、電流と平行な方向に配置された素子の電気抵抗変化である。現象的には、電流の流れる方向の電圧変化として観測される。例えば、磁気抵抗効果を利用した電力センサでは、被測定対象の導体線に平行に磁性薄膜抵抗体を配置して、磁性薄膜抵抗体の両端に電圧を印加する。そして、導電体に流れる電流により発生する磁界に応じて抵抗値が変化する磁性薄膜抵抗体に流れる電流の変化を測定することによって、電力を測定する。
【０００５】
特開２０１１−４７７３１号公報（特許文献１）には、このような磁気抵抗効果を利用した電力センサの一例が示されている。この文献には、磁性薄膜抵抗体をブリッジ接続することによって磁性薄膜抵抗体のばらつきを補正可能な構成が示されている（特許文献１：図１４〜図１７等）。しかし、磁性薄膜抵抗体に対して導体線を沿わせる構造では、導体線と磁性薄膜抵抗体との距離を一定に保つことは困難である。また、導体線の線径が変わると測定誤差を生じる可能性がある。
【０００６】
この対策として、例えば図１１に示すように、導電板１０２に磁性薄膜抵抗体を蒸着した基板１０１を貼り付ける構造が考えられる。しかし、この手法では、導電板１０２を導体線の途中に設ける必要がある。つまり、導電板１０２と磁性薄膜抵抗体との距離は一定に保つことが可能であるが、導電板１０２を導体線に取り付ける際に当該導体線を切断し、その間に導電板１０２を挿入する必要がある。このため、停電を生じさせることなく、活線状態で電力センサを導体線に取り付けることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４７７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記背景に鑑みて、測定対象に流れる被測定電流によって生じる磁界を効率良く安定して磁性薄膜抵抗体に作用させると共に、活線状態で容易に測定対象に設置することが可能な磁気抵抗効果型電力センサの提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサの特徴構成は、磁性体が混入された樹脂により形成され、測定対象である導体線の外周よりも長尺で可撓性を有する樹脂ベルトと、前記樹脂ベルトの第１ベルト部と第２ベルト部との間に設けられ、当該第１ベルト部と当該第２ベルト部とを磁気的に絶縁する非磁性体部と、前記樹脂ベルトの前記非磁性体部に対応する位置に設けられ、磁性薄膜抵抗体が蒸着されたセンサ基板と、を有する点にある。
【００１０】
この構成によれば、測定対象となる導体線の外周よりも長尺で可撓性を有し、磁性体が混入された樹脂ベルトを、当該導体線に活線状態で容易に巻き付けることができる。具体的には、導体線とほぼ密着した状態で樹脂ベルトを設置することができると共に、長尺であることから例えば樹脂ベルトの両方の末端を重複させることで導体線を完全に周回して隙間なく樹脂ベルトを設置することができる。このため、導体線を流れる電流によって誘起された磁束を樹脂ベルトによって良好に集める（集磁する）ことができる。また、センサ基板が非磁性体部の位置に配置されることによって、非磁性体部において生じる漏れ磁束を良好にセンサ基板に導くことができる。従って、センサ基板における検出感度が高くなり、検出精度も向上する。また、樹脂ベルトに磁性薄膜抵抗体が蒸着されたセンサ基板が設置されているので、導体線に密着される樹脂ベルトにセンサ基板が設けられているので、導体線とセンサ基板との位置関係を容易に固定することができる。従って、電力の検出精度が安定する。このように、本特徴構成によれば、測定対象に流れる被測定電流によって生じる磁界を効率良く安定して磁性薄膜抵抗体に作用させると共に、活線状態で容易に測定対象に設置することが可能な磁気抵抗効果型電力センサを提供することができる。
【００１１】
非常に大きい磁気抵抗を持つものとしては“真空”が知られており、実用上は“大気”が大きい磁気抵抗として用いられることが多い。例えば、非磁性体部は、大気を利用して構築されると好適である。この場合、第１ベルト部と第２ベルト部と断絶してしまうが、非磁性体部に対応する位置には、センサ基板が設置されるので、例えば、非磁性体部を架け越して第１ベルト部と第２ベルト部との間にセンサ基板が設置されれば（架け渡されれば）、連続した１つの樹脂ベルトとして形成可能である。従って、本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサは、１つの態様として、前記非磁性体部が、エアギャップにより構成されていると好適である。
【００１２】
上述したように、センサ基板が非磁性体部の位置に配置されることによって、非磁性体部において生じる漏れ磁束を良好にセンサ基板に導くことができる。従って、エアギャップは、より良く漏れ磁束がセンサ基板に導かれるような形状で設けられると好適である。１つの態様として、本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサは、前記非磁性体部がエアギャップにより構成されている場合に、前記エアギャップが、前記樹脂ベルトが前記導体線に巻き回された状態での前記導体線の延在方向直交断面において、前記導体線側の長さが他方側の長さよりも長い台形状となるように設けられていると好適である。
【００１３】
一般的な回路基板の基板材料も大きな磁気抵抗を有することが知られている。従って、第１ベルト部と第２ベルト部とを基板材料でつないで連続した樹脂ベルトが構成されてもよい。当然ながら、第１ベルト部と第２ベルト部の厚み（導体線に巻き付けた際の導体線の径方向の厚み）に対して、非磁性体部における基板材料の厚みが薄くてもよく、この場合には、非磁性体部は、基板材料と大気（エアギャップ）とによって構成されているとも言える。従って、１つの態様として、本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサは、前記非磁性体部の全て又は一部が前記センサ基板により構成されていると好適である。
【００１４】
磁気抵抗効果型電力センサは、磁性薄膜抵抗体から適切な信号を取り出すことができるような回路を構築されることによって電力を測定することができる。１つの好適な態様として、本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサは、前記センサ基板が、４つの磁性薄膜抵抗体のそれぞれが４つのアームのそれぞれに配置されたホイートストンブリッジ型のブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路が、一対の対角間に測定電圧が印加され、別の一対の対角間から検出信号を取り出すものであるとよい。さらに、本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサは、前記検出信号の信号処理を行う検出信号処理回路と、前記測定電圧から前記検出信号処理回路の駆動電源を生成する電源回路とを有する制御基板と、前記測定電圧を印加するための測定電圧印加用端子と、前記検出信号処理回路による信号処理後の前記検出信号を出力信号として出力する出力信号端子と、を備えて構成されていると好適である。当該磁気抵抗効果型電力センサを導体線に設置するのみで、簡単に電力を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電力センサを測定対象の電線に取り付けた状態の一例を示す断面図
【図２】センサ基板の構成を示す模式的回路図
【図３】非磁性体部の構造の一例を示す断面図
【図４】センサ基板を用いて非磁性体部を構成する一例を示す断面図
【図５】センサ基板収容箱を備えた電力センサの一例を示す斜視図
【図６】回路基板収容箱を備えた電力センサの一例を示す斜視図
【図７】センサ回路と制御回路との関係を示す模式的ブロック図
【図８】ヨークを用いた電力センサの構成例を示す断面図
【図９】ヨークを用いた電力センサの別の構成例を示す断面図
【図１０】ヨークを用いた電力センサの構成例を示す斜視図
【図１１】従来の電力センサの取り付け方法を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る磁気抵抗効果型電力センサの一例としての電力センサ１０を、測定対象の導体線４に取り付けた状態を、導体線４の延在方向に直交する方向での断面図で示している。導体線４は、導体４１と被覆４２とにより構成されている。電力センサ１０は、センサ基板１と、樹脂ベルト２とを有して構成されている。センサ基板１は、紙フェノール、ガラスエポキシ等のリジッド基板、或いはフィルム等のフレキシブル基板で構成され、当該基板上には、磁性薄膜抵抗体が蒸着されている。本実施形態では、図２に示すように、４つの薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）が蒸着されており、これらは、ブリッジ接続されている。つまり、４つの磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）のそれぞれが各アームに接続され、四角形の一辺が１つのアームに対応するブリッジ回路が形成されている（ホイーオストンブリッジ）。このようなブリッジ回路を構成することによって、各磁性薄膜抵抗体の抵抗値のばらつきによる測定結果への影響を軽減することができる。
【００１７】
ブリッジ回路の一対の対角間には、測定電圧が印加される。別の一対の対角間からは、検出信号が取り出される。磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）は、外部磁界Ｈによって抵抗値が変化する抵抗素子である。導体線４を流れる電流によって生じた磁界より、磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の抵抗値が変化し、この変化を検出信号として取り出すことによって電力を測定することができる。
【００１８】
より具体的には、電力を測定する測定対象回路の電圧を磁性薄膜抵抗体（ブリッジ回路）に印加する。測定対象回路の導体線４に流れる電流により生じた磁界によって磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の抵抗値が変化し、ブリッジ回路を流れる電流が変化する。この電流の変化を検出信号として取り出すことによって、測定対象回路の負荷により消費される消費電力を測定することができる。
【００１９】
樹脂ベルト２は、樹脂材料に磁性体を混入したものである。例えば、樹脂ベルト２は、磁性体金属粉を混入させたゴムにより構成されている。この樹脂ベルト２は、測定対象である導体線４の外周よりも長尺で可撓性を有する。また、樹脂ベルト２には、導体線４を周回する方向、つまり、樹脂ベルト２の長尺方向において非磁性体部３が設けられている。つまり、樹脂ベルト２は、第１ベルト部２ａと第２ベルト部２ｂとを有して構成されており、第１ベルト部２ａと第２ベルト部２ｂとの間には、非磁性体部３が設けられている。従って、第１ベルト部２ａと第２ベルト部２ｂとは、非磁性体部３によって磁気的に絶縁されている。センサ基板１は、樹脂ベルト２の非磁性体部３に対応する位置に固定されている。
【００２０】
センサ基板１が固定された樹脂ベルト２は、測定対象の導体線４に巻き回される。上述したように、樹脂ベルト２は、導体線４の外周よりも長尺である。従って、第１ベルト部２ａの末端、及び第２ベルト部２ｂの末端は互いに重複し、重複部６が形成される。重複部６が形成されることにより、第１ベルト部２ａ及び第２ベルト部２ｂは、その末端部において磁気的に導通する。また、重複部６により、第１ベルト部２ａ及び第２ベルト部２ｂの接合部における漏れ磁束の発生が抑制される。
【００２１】
導体線４に流れる電流によって発生する磁界は、樹脂ベルト２の内部に磁束として誘起される。この磁束は、非磁性体部３の位置では漏れ磁束となり、その一部が樹脂ベルト２の表面よりはみ出してセンサ基板１に蒸着された磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）に作用する。磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の抵抗値は、この磁束によって変化する。図２に示すように、磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の両端には、測定する電圧が印加されているので磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）に現れる電圧変化分は測定対象回路の消費電力に比例する。
【００２２】
非磁性体部３は、磁気抵抗が高い物質であれば、どのような物質によって構成されてもよいが、例えば図３に示すように、エアギャップ３Ａとすると好適である。この際、エアギャップ３Ａの断面形状（導体の延在方向直交断面）は、漏れ磁束を効率よくセンサ基板１の磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）に伝えるためにセンサ基板１側のギャップ長が相対的に短く、導体線４側のギャップ長が相対的に長くなるような台形状にすると好適である。
【００２３】
このような構造により、測定対象の導体線４で発生する磁界を効率よく磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）に導くことができる。その結果、抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の抵抗値が大きく変化して、電力に比例した電圧を大きな振幅の検出信号として取り出すことが可能となる。これにより、検出信号を受け取って信号処理を行う増幅回路やＡ／Ｄ変換器に掛かる負荷を軽減することができる。また、当然ながら、検出信号の振幅が大きければ、Ｓ／Ｎ比も向上する。
【００２４】
また、導体線４に隣接して他の電線が存在したり、導体線４の近傍にトランスが存在したりする場合においても、これら他の電線やトランスからの漏れ磁束は、樹脂ベルト２内で互いに異なる方向（例えば、左回りと右回り）の磁束となる。従って、これら他の電線やトランスからの漏れ磁束が相殺されて、測定結果への影響を小さくすることができる。
【００２５】
また、本発明の構成によれば、導体線４の周囲に発生する磁界を、樹脂ベルト２に混入した磁性体により効率よく磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）に導くことができるため導体線４の線径や被覆４２の厚さの影響を受けにくい。また、想定される導体線４の外周長さよりも充分に長く樹脂ベルト２を構成しておくことによって多くの種類の導体線４に対応させることができる。
【００２６】
近年、省エネルギーの実践などの要望も高くなり、電力の需給を把握することは、電力の供給者及び需要者の双方にとって重要である。そして、電力の需給を把握するためには、電力センサの設置が必要となるが、この際、電力設備を停電させることは好ましくなく、通電状態（導体線が活線状態）において電力センサを設置することが望まれる。本発明の電力センサ１０のように、導体線４を切断することなく、単に樹脂ベルト２を巻き付けるだけで測定ができることは、非常に利用価値が高い。例えば、既存のキュービクルの回路への設置、機器の消費電力を測定するための当該機器の電力線への設置、太陽光発電システムやコジェネレーションシステムでの発電状態を測定するための当該システムへの設置、蓄電システムにおける充放電状態や能力を測定するための当該システムへの設置、等において、本発明は広く適用可能である。また、当然ながら、本発明の電力センサは、直流、交流の区別なく適用可能であるから、広い適用範囲が期待される。
【００２７】
ところで、上記実施形態では、非磁性体部３をエアギャップ３Ａとする構成を例示したが、図４に示すように、非磁性体部３の全て又は一部がセンサ基板１により構成されている形態も好適な実施形態の１つである。この構成によれば、磁束をさらに効率よくセンサ基板１に蒸着された磁性薄膜抵抗体（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）に導くことが可能となる。
【００２８】
図５は、実用上好適な本発明の実施形態の一例を示している。この態様では、センサ基板１の機械的保護、及び電気的保護を図るためにセンサ基板収容箱５が設けられている。このセンサ基板収容箱５には、センサ基板１が収容されている。センサ基板１に測定電圧を印加するための測定電圧用リード線８、及びセンサ基板１からの検出信号を取り出すための検出信号用リード線９は、センサ基板収容箱５から外部に延出されている。
【００２９】
図６は、実用上好適な本発明の実施形態の他の例を示している。この態様では、図５のセンサ基板収容箱５に対応する収容箱として、回路基板収容箱１２が設けられている。この回路基板収容箱１２には、図７に示すように、センサ基板１の回路（センサ回路Ｓ）に加えて、検出信号処理回路１８や電源回路１９などの制御回路Ｃを備えた制御基板１３も収容されている。検出信号処理回路１８は、センサ回路Ｓから出力される検出信号の信号処理を行う回路である。例えば、検出信号処理回路１８は、センサ回路Ｓからの検出信号のインピーダンス変換や増幅を行うバッファ回路や、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータにより構成される。電源回路１９は、測定電圧を利用して検出信号処理回路１８の駆動電源を生成する回路である。回路基板収容箱１２には、この他、測定電圧を印加するための測定電圧印加用端子１４と、検出信号処理回路１８による信号処理後の検出信号を出力信号として出力する出力信号端子１５とが備えられている。
【００３０】
尚、センサ基板１と制御基板１３との２つの基板が回路基板収容箱１２に収容される必要はなく、同一の基板上に、これら全ての回路（Ｓ，Ｃ）が構築されており、当該１枚の基板が回路基板収容箱１２に収容される形態であってもよい。また、当然ながら、制御基板１３のみが回路基板収容箱１２に収容され、センサ基板１は回路基板収容箱１２の外部に配置されていてもよい。
【００３１】
上述したように、磁性体を混入され、センサ基板１が固定された樹脂ベルト２を導体線４の周りに巻き付けることによって、測定対象に流れる被測定電流によって生じる磁界を効率良く安定して磁性薄膜抵抗体に作用させると共に、活線状態で容易に測定対象に設置することが可能な磁気抵抗効果型電力センサを提供することができる。導体線４とセンサ基板１との位置関係を安定させること、磁束を効率よく集めることに着目すれば、このような可撓性を有した樹脂ベルト２ではなく、リジッドなヨークにセンサ基板１を固定して電力センサが構成されてもよい。
【００３２】
図８及び図９は、珪素鋼板やフェライトを材質とする磁性体ヨーク１６の一部に磁性薄膜抵抗体のセンサ基板１を埋め込んで電力センサ２０を構成した例である。磁性体ヨーク１６の一部に非磁性体部３が設けられると好適である。磁性体ヨーク１６は、接合面の形状が同一な２つの部材である第１ヨーク１６ａと第２ヨーク１６ｂとに分割可能に構成されている。導体線４は、第１ヨーク１６ａと第２ヨーク１６ｂとを分割した状態で、磁性体ヨーク１６の中に配置される。導体線４を磁性体ヨーク１６の中に配置させた後、第１ヨーク１６ａと第２ヨーク１６ｂとが接合面を合わせて密着される。第１ヨーク１６ａと第２ヨーク１６ｂとの接合には、結束バンドや図１０に示すような蝶番を用いると好適である。尚、この磁性体ヨーク１６にも、図６を参照して上述したように、回路基板収容箱１２を取り付けることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果型電力センサに適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１        ：センサ基板
２        ：樹脂ベルト
２ａ      ：第１ベルト部
２ｂ      ：第２ベルト部
３        ：非磁性体部
３Ａ      ：エアギャップ（非磁性体部）
４        ：導体線
１０      ：電力センサ（磁気抵抗効果型電力センサ）
１３      ：制御基板
１４      ：測定電圧印加用端子
１５      ：出力信号端子
１８      ：検出信号処理回路
１９      ：電源回路
２０      ：電力センサ（磁気抵抗効果型電力センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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