(57)【要約】【課題】磁気抵抗素子を用いた電力センサーを提供する。【解決手段】電力センサー１は、負荷電流Ｉｉｎが流れる導体１１０の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子１１，１２を直列に接続して両端に所定の基準電圧Ｖｒｅｆが印加される第１の磁気抵抗素子群１０と、導体１１０及び第１の磁気抵抗素子群１０の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子２１，２２を直列に接続して両端に負荷電圧Ｖｉｎが印加される第２の磁気抵抗素子群２０と、第１の磁気抵抗素子群１０及び第２の磁気抵抗素子群２０の近傍位置に配置されるコイル３１とを有し、負荷電流Ｉｉｎに応じたコイル電流Ｉｃをコイル３１に流すことにより、第２の磁気抵抗素子群２０の中間点ｃに電力信号Ｖｏｕｔを生成させる。【選択図】図１
2016121941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷電流と負荷電圧とに基づいて負荷で消費される電力を計測する電力センサーであって、
前記負荷電流が流れる導体の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に所定の基準電圧が印加される第１の磁気抵抗素子群と、
前記導体及び前記第１の磁気抵抗素子群の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に前記負荷電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群と、
前記第１の磁気抵抗素子群及び前記第２の磁気抵抗素子群の近傍位置に配置されるコイルと、
前記負荷電流に応じたコイル電流を前記コイルに流すことにより、前記第２の磁気抵抗素子群の中間点に前記負荷電流と前記負荷電圧とを乗算した電力信号を生成させるコイル駆動回路と、
を備えることを特徴とする電力センサー。
【請求項２】
前記コイル駆動回路は、前記負荷電流に応じて前記導体から発生する磁界によって前記第１の磁気抵抗素子群の中間点に生ずる電圧に基づいて、前記導体から発生する磁界を打ち消すコイル磁界を生じさせるように前記コイル電流を前記コイルに流すことを特徴とする請求項１に記載の電力センサー。
【請求項３】
複数の磁気抵抗素子が直列に接続された磁気抵抗素子群を前記第１の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路と、
複数の磁気抵抗素子が直列に接続された磁気抵抗素子群を前記第２の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路と、
を更に備え、
前記コイルは、前記第１及び第２のブリッジ回路に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置され、
前記コイル駆動回路は、前記第１のブリッジ回路の２つの中点の電位差に基づいて前記コイル電流を流すことにより、前記第２のブリッジ回路の２つの中点に前記電力信号に対応する電位差を生じさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力センサー。
【請求項４】
前記第２のブリッジ回路の２つの中点の電位差を増幅して出力する出力回路を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電力センサー。
【請求項５】
前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの磁気検知方向を同一方向に揃えて配置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログ回路で構成される電力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気抵抗素子を利用して負荷で消費される電力を測定できるようにした電力センサーが提案されている（例えば特許文献１）。従来の電力センサーは、負荷に対して一次導体を直列に接続すると共に、その一次導体の近傍位置に配置した磁気抵抗素子を負荷と一次導体に対して並列に接続した構成である。そして一次導体が負荷に流れる電流に応じた磁界を発生させて磁気抵抗素子の抵抗値を変化させ、磁気抵抗素子の両端の電圧を検出することにより負荷で消費される電力を測定する。この電力センサーでは、磁気抵抗素子の両端に現れる電圧に直流成分と交流成分とが含まれており、負荷で消費される電力成分が直流成分にのみ含まれる。そのため、ローパスフィルタなどを用いて交流成分を除去し、負荷で消費される電力成分のみを出力するように構成される。
【０００３】
このような従来の電力センサーは、磁気抵抗素子の特性がそのまま出力値に現れるため、磁気抵抗素子の抵抗値がほぼ線形状に変化する線形領域では、ある程度の測定精度を確保することができるものの、線形領域から外れると測定精度が著しく低下する。また従来の電力センサーは、外部磁場の影響を受けやすく、外部磁場によって測定精度が著しく変動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１０５４５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、ローパスフィルタなどを用いることなく、負荷で消費される電力を測定して出力できるようにした電力センサーを提供することを目的とし、また外部磁場の影響などを受け難く、測定精度を向上させることができる電力センサーを提供することを更なる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１に、本発明は、負荷電流と負荷電圧とに基づいて負荷で消費される電力を計測する電力センサーであって、前記負荷電流が流れる導体の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に所定の基準電圧が印加される第１の磁気抵抗素子群と、前記導体及び前記第１の磁気抵抗素子群の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子を直列に接続して両端に前記負荷電圧が印加される第２の磁気抵抗素子群と、前記第１の磁気抵抗素子群及び前記第２の磁気抵抗素子群の近傍位置に配置されるコイルと、前記負荷電流に応じたコイル電流を前記コイルに流すことにより、前記第２の磁気抵抗素子群の中間点に前記負荷電流と前記負荷電圧とを乗算した電力信号を生成させるコイル駆動回路と、を備えることを特徴とする構成である。
【０００７】
第２に、本発明は、上記第１の構成を有する電力センサーにおいて、前記コイル駆動回路は、前記負荷電流に応じて前記導体から発生する磁界によって前記第１の磁気抵抗素子群の中間点に生ずる電圧に基づいて、前記導体から発生する磁界を打ち消すコイル磁界を生じさせるように前記コイル電流を前記コイルに流すことを特徴とする構成である。
【０００８】
第３に、本発明は、上記第１又は第２の構成を有する電力センサーにおいて、複数の磁気抵抗素子が直列に接続された磁気抵抗素子群を前記第１の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第１のブリッジ回路と、複数の磁気抵抗素子が直列に接続された磁気抵抗素子群を前記第２の磁気抵抗素子群と並列に接続して構成される第２のブリッジ回路と、を更に備え、前記コイルは、前記第１及び第２のブリッジ回路に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの近傍位置に配置され、前記コイル駆動回路は、前記第１のブリッジ回路の２つの中点の電位差に基づいて前記コイル電流を流すことにより、前記第２のブリッジ回路の２つの中点に前記電力信号に対応する電位差を生じさせることを特徴とする構成である。
【０００９】
第４に、本発明は、上記第３に構成を有する電力センサーにおいて、前記第２のブリッジ回路の２つの中点の電位差を増幅して出力する出力回路を更に備えることを特徴とする構成である。
【００１０】
第５に、本発明は、上記第１乃至第４のいずれかの構成を有する電力センサーにおいて、前記第１の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子及び前記第２の磁気抵抗素子群に含まれる複数の磁気抵抗素子のそれぞれの磁気検知方向を同一方向に揃えて配置することを特徴とする構成である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、出力段にローパスフィルタなどを用いることなく、負荷で消費される電力を測定して出力することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電力センサーの動作原理を示す図である。
【図２】電力センサーの一構成例を示すブロック図である。
【図３】電力センサーの具体的な回路構成を示す図である。
【図４】磁気抵抗素子の特性の一例を示す図である。
【図５】電力センサーを１チップデバイスとして構成する場合のレイアウト例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。
【００１４】
（電力センサーの動作原理）
図１は、本発明における電力センサー１の動作原理を示す図である。電力センサー１は、負荷に流れる負荷電流Ｉｉｎをコイル１２１，１２２などの磁界を発生させることができる導体１１０に流し、負荷電圧に応じた入力電圧Ｖｉｎと、コイル１２１，１２２から生じる磁界Ｈａとに基づいて負荷で消費される電力を測定し、電力信号Ｖｏｕｔを出力するセンサーである。この電力センサー１は、負荷電流Ｉｉｎが流れるコイル１２１，１２２の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子１１，１２を直列に接続して構成される第１の磁気抵抗素子群１０と、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２の近傍位置に配置される複数の磁気抵抗素子２１，２２を直列に接続して構成される第２の磁気抵抗素子群２０と、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２及び第２の磁気抵抗素子群２０に含まれる複数の磁気抵抗素子２１，２２の近傍位置に配置される複数のコイル３１（３１ａ，３１ｂ）と、それら複数のコイル３１にコイル電流Ｉｃを流すコイル駆動回路４とを有する。また第２の磁気抵抗素子群２０に含まれる複数の磁気抵抗素子２１，２２は、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２と同様、負荷電流Ｉｉｎが流れるコイル１２１，１２２の近傍位置に設けられる。尚、図１では、第１の磁気抵抗素子群１０が２つの磁気抵抗素子１１，１２で構成され、第２の磁気抵抗素子群２０もまた２つの磁気抵抗素子２１，２２で構成される場合を例示している。
【００１５】
磁気抵抗素子１１，１２，２１，２２は、所定の磁気検知方向に作用する磁界の強度に応じて電気抵抗を変化させる素子であり、例えば異方性磁気抵抗効果を示すＡＭＲ素子や巨大磁気抵抗効果を示すＧＭＲ素子などである。ただし、磁気抵抗素子１１，１２，２１，２２は、ＡＭＲ素子やＧＭＲ素子に限られるものではない。これら複数の磁気抵抗素子１１，１２，２１，２２は磁気検知方向を同一方向に揃えた状態に配置される。
【００１６】
コイル１２１，１２２に負荷電流Ｉｉｎが流れると、コイル１２１，１２２は、その周囲に負荷電流Ｉｉｎに応じた磁界Ｈａを発生させる。ただし、コイル１２１，１２２は、図１に示すように互いに巻き方向が逆向きとなるように配置される。そのため、各コイル１２１，１２２は、負荷電流Ｉｉｎが流れることにより、同じ強度で逆向きの磁界Ｈａを発生させる。各コイル１２１，１２２から発生する磁界Ｈａは、第１の磁気抵抗素子群１０及び第２の磁気抵抗素子群２０に対して均等に作用する。すなわち、コイル１２１から発生する磁界Ｈａが磁気抵抗素子１１，２１に対して均等に作用し、コイル１２２から発生する磁界Ｈａが磁気抵抗素子１２，２２に対して均等に作用する。
【００１７】
コイル駆動回路４によってコイル電流Ｉｃが流れる複数のコイル３１は、コイル電流Ｉｃに応じたコイル磁界Ｈｂを発生させる。ただし、各コイル３１ａ，３１ｂは、図１に示すように互いに巻き方向が逆向きとなるように配置される。そのため、各コイル３１ａ，３１ｂは、コイル電流Ｉｃが流れることにより、同じ強度で逆向きのコイル磁界Ｈｂを発生させる。各コイル３１ａ，３１ｂから発生するコイル磁界Ｈｂは、第１の磁気抵抗素子群１０及び第２の磁気抵抗素子群２０に対して均等に作用する。すなわち、コイル３１ａから発生するコイル磁界Ｈｂが磁気抵抗素子１１，２１に対して均等に作用し、コイル３１ｂから発生するコイル磁界Ｈｂが磁気抵抗素子１２，２２に対して均等に作用する。
【００１８】
複数の磁気抵抗素子１１，１２が直列に接続される第１の磁気抵抗素子群１０は、その両端に安定した基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。そのため、第１の磁気抵抗素子群１０は、基準電圧Ｖｒｅｆを複数の磁気抵抗素子１１，１２で分圧した分圧値Ｖａをその中間点ａに生成する。コイル１２１，１２２に負荷電流Ｉｉｎが流れているとき、複数の磁気抵抗素子１１，１２には負荷電流Ｉｉｎに応じた磁界Ｈａが作用するため、一方の磁気抵抗素子１１の抵抗値が上がると、他方の磁気抵抗素子１２の抵抗値が下がる。そのため、分圧値Ｖａは、負荷電流Ｉｉｎに応じて変化する。
【００１９】
コイル駆動回路４は、例えばオペアンプ４１を備えて構成され、第１の磁気抵抗素子群１０から出力される分圧値Ｖａと、基準電圧Ｖｒｅｆの中心電圧Ｖｒｅｆ／２とを比較し、分圧値Ｖａが基準電圧Ｖｒｅｆの中心電圧Ｖｒｅｆ／２となるように複数のコイル３１ａ，３１ｂにコイル電流Ｉｃを流す。すなわち、コイル駆動回路４は、コイル１２１，１２２に流れる負荷電流Ｉｉｎを複製したコイル電流Ｉｃを複数のコイル３１ａ，３１ｂに流すことにより、コイル１２１，１２２から発生する磁界Ｈａを打ち消すようにコイル磁界Ｈｂを発生させる。
【００２０】
複数の磁気抵抗素子２１，２２が直列に接続される第２の磁気抵抗素子群２０は、その両端に負荷電圧Ｖｉｎが印加される。そのため、第２の磁気抵抗素子群２０は、負荷電圧Ｖｉｎを複数の磁気抵抗素子２１，２２で分圧した分圧値をその中間点ｃに生成する。複数の磁気抵抗素子２１，２２に磁界Ｈａ及びコイル磁界Ｈｂが作用すると、複数の磁気抵抗素子２１，２２のそれぞれの抵抗値が変化するため、中間点ｃの電圧（電力信号Ｖｏｕｔ）は、負荷電流Ｉｉｎ及び負荷電圧Ｖｉｎに応じて変化する。
【００２１】
ここでコイル１２１，１２２とコイル３１ａ，３１ｂとが同じ特性であると仮定すると、コイル駆動回路４によってコイル３１ａ，３１ｂに流れるコイル電流Ｉｃは、負荷電流Ｉｉｎと等しくなる。そのため、コイル駆動回路４が磁界Ｈａを打ち消すコイル電流Ｉｃをコイル３１ａ，３１ｂに流しているときのオペアンプ４１の出力端子電圧Ｖｙは、コイル３１ａ，３１ｂの抵抗をＲcoilとすると、次式（１）で表される。
【００２２】
【数１】
2016121941.tif 000003
【００２３】
このとき、オペアンプ４１のゲインをＡとすると、オペアンプ４１の２つの入力端子間の電位差Ｖｘは、次式（２）で表される。
【００２４】
【数２】
2016121941.tif 000004
【００２５】
したがって、第１の磁気抵抗素子群１０における複数の磁気抵抗素子１１，１２の中間点ａの電圧（分圧値）Ｖａは、次式（３）で表される。
【００２６】
【数３】
2016121941.tif 000005
【００２７】
第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる磁気抵抗素子１１，１２と、第２の磁気抵抗素子群２０に含まれる磁気抵抗素子２１，２２とが全て同じ特性である場合、第１の磁気抵抗素子群１０と第２の磁気抵抗素子群２０には同じ磁界Ｈａ，Ｈｂが作用するので、第１の磁気抵抗素子群１０における分圧率と第２の磁気抵抗素子群２０における分圧率とが互いに等しくなり、Ｖｒｅｆ：Ｖａ＝Ｖｉｎ：Ｖｏｕｔの関係が成立する。したがって、第２の磁気抵抗素子群２０の中間点ｃに生成される電力信号Ｖｏｕｔは、次式（４）で表される。
【００２８】
【数４】
2016121941.tif 000006
【００２９】
上記式（３）及び式（４）より、電力信号Ｖｏｕｔは、次式（５）で表される。
【００３０】
【数５】
2016121941.tif 000007
【００３１】
上記式（５）における右辺第２項は、負荷電流Ｉｉｎと負荷電圧Ｖｉｎとを乗算した項であり、負荷で消費される電力を示す。したがって、図１に示す電力センサー１は、比較的簡単な構成で電力成分を検出して出力することができる。尚、式（５）における右辺第１項には負荷電圧Ｖｉｎが含まれるため、電力信号Ｖｏｕｔをより利用しやすいものとするためには、第１項をキャンセルできるセンサー構成を採用することが好ましい。
【００３２】
図１に示す電力センサー１は、第２の磁気抵抗素子群２０から出力される電力信号Ｖｏｕｔに磁気抵抗素子１１，１２，２１，２２の特性が現れないため、高精度な電力測定を行うことが可能である。また図１に示す電力センサー１は、第１の磁気抵抗素子群１０に含まれる複数の磁気抵抗素子１１，１２のそれぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置すると共に、第２の磁気抵抗素子群２０に含まれる複数の磁気抵抗素子２１，２２のそれぞれの磁気検知方向を同一方向に向けた状態に配置している。このような構成によれば、磁気抵抗素子１１，１２，２１，２２のそれぞれに外部磁場が作用すると、各磁気抵抗素子１１，１２，２１，２２の抵抗値は共に上昇したり、又は低下したりする。そのため、外部磁場が作用しても第１及び第２の磁気抵抗素子群１０，２０のそれぞれの中間点ａ，ｃにおける分圧値は変動することがなく、外部磁場の影響は生じない。
【００３３】
（電力センサーの具体的構成例）
図２は、本発明における電力センサー１の構成概念を示すブロック図である。この電力センサー１は、負荷１００が設けられた測定対象回路１３０の近傍位置に配置され、負荷１００に流れる負荷電流Ｉｉｎと、負荷１００にかかる負荷電圧ＶＬとを測定して乗算することにより、負荷１００で消費される電力を測定した電力信号Ｖｏｕｔを出力する。図１に示した動作原理図では、基準電圧Ｖｒｅｆの中心電圧Ｖｒｅｆ／２を基準に動作する場合を例示したが、図２では、電力センサー１が外部電源ＶＤＤの中心電圧ＶＤＤ／２を基準に動作し、電力信号Ｖｏｕｔとして中心電圧ＶＤＤ／２を基準にした信号を出力する構成例を示している。
【００３４】
測定対象回路１３０は、例えば、負荷１００に電力を供給する電源１０１と、負荷１００に対して直列に接続される導体１１０と、２つの外部抵抗１０２，１０３とを有する。導体１１０は、プリント基板などの基板上に形成された配線パターンやバスバーなどによって構成される。そして導体１１０は、負荷電流Ｉｉｎが流れることにより周囲に負荷電流Ｉｉｎに応じた磁界Ｈａを発生させる。一方、外部抵抗１０２，１０３は、負荷１００に応じた耐圧特性を有し、互いに直列に接続される。そして外部抵抗１０２，１０３は、負荷１００に対して並列に接続されることにより負荷電圧ＶＬを所定の抵抗比で分圧した電圧Ｖｉｎを出力する。電力センサー１は、導体１１０から発生する磁界Ｈａと、外部抵抗１０２，１０３から出力される電圧Ｖｉｎとを検知することにより、負荷１００で消費される電力を測定する。
【００３５】
電力センサー１は、電流検出部２と、電力検出部３と、コイル駆動回路４と、出力回路５と、ＬＤＯ（Low Drop Out）６と、基準電圧生成回路７とを有し、これら各部の回路を１つの基板上に形成した１チップデバイスとして構成される。この電力センサー１は、外部接続端子として、外部抵抗１０２，１０３によって生成される電圧Ｖｉｎを入力する入力端子９ａと、負荷１００で消費される電力を測定した電力信号Ｖｏｕｔを出力する出力端子９ｂと、外部電源ＶＤＤに接続される電源端子９ｃと、測定対象回路１３０と同じ接地電位ＧＮＤに接続される接地端子９ｄとを備えている。
【００３６】
電流検出部２は、上述した第１の磁気抵抗素子群１０を含み、導体１１０から発せられる磁界Ｈａに基づき、導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉｎを検出する。コイル駆動回路４は、電流検出部２によって検出される負荷電流Ｉｉｎに基づき、負荷電流Ｉｉｎを複製したコイル電流Ｉｃを複数のコイル３１に流し、磁界Ｈａを打ち消すコイル磁界Ｈｂを発生させる。電力検出部３は、上述した第２の磁気抵抗素子群２０を含み、導体１１０から発せられる磁界Ｈａと、コイル３１から発せられるコイル磁界Ｈｂとに基づき、電圧Ｖｉｎを分圧して負荷で消費される電力成分を検出する。出力回路５は、電力検出部３で検出される電力成分を増幅して電力信号Ｖｏｕｔを出力する回路である。ＬＤＯ６は、外部電源ＶＤＤに基づいて所定電圧である安定した基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。基準電圧生成回路７は、外部電源ＶＤＤと接地電位ＧＮＤとの中心電圧ＶＤＤ／２を生成して出力する回路である。
【００３７】
図３は、電力センサー１の具体的な回路構成の一例を示す図である。バスバーなどで形成される導体１１０は、図３に示すように概略Ｕ字状に構成される。この導体１１０は、所定間隔を隔てて互いに平行で且つ直線状に配線された一対の配線パターン１１１，１１２を有しており、それら一対の配線パターン１１１，１１２にそれぞれ異なる方向の負荷電流Ｉｉｎが流れるように構成される。したがって、導体１１０に負荷電流Ｉｉｎが流れると、配線パターン１１１，１１２の周囲にはそれぞれ異なる方向の磁界Ｈａが発生する。  
【００３８】
電流検出部２は、複数の磁気抵抗素子１１，１２，１３，１４がブリッジ接続された第１のブリッジ回路１５により構成される。第１のブリッジ回路１５は、第１の磁気抵抗素子群１０を構成する直列に接続された複数の磁気抵抗素子１１，１２と、直列に接続された複数の磁気抵抗素子１３，１４とを並列に接続したものである。これら複数の磁気抵抗素子１１，１２，１３，１４は全て磁気検知方向を同一方向に揃えた状態でＵ字状に構成された導体１１０の内側に配置される。具体的に説明すると、２つの磁気抵抗素子１１，１４は、Ｕ字形状において互いに平行に延びる２つの配線パターン１１１，１１２のうちの一方の配線パターン１１１の近傍位置に設けられ、別の２つの磁気抵抗素子１２，１３は、他方の配線パターン１１２の近傍位置に設けられる。このように第１のブリッジ回路１５は、磁気抵抗素子１１，１２を互いに接続すると共に、磁気抵抗素子１３，１４を互いに接続したクロス配線によって構成される。そして４つの磁気抵抗素子１１，１２，１３，１４を備える第１のブリッジ回路１５は、一端が安定した基準電圧Ｖｒｅｆに接続され、他端が接地電位ＧＮＤに接続される。
【００３９】
電力検出部３は、複数の磁気抵抗素子２１，２２，２３，２４がブリッジ接続された第２のブリッジ回路２５により構成される。第２のブリッジ回路２５は、第２の磁気抵抗素子群２０を構成する直列に接続された複数の磁気抵抗素子２１，２２と、直列に接続された複数の磁気抵抗素子２３，２４とを並列に接続したものである。これら複数の磁気抵抗素子２１，２２，２３，２４は全て磁気検知方向を同一方向に揃えた状態でＵ字状に構成された導体１１０の内側に配置される。具体的に説明すると、２つの磁気抵抗素子２１，２４は、Ｕ字形状において互いに平行に延びる２つの配線パターン１１１，１１２のうちの一方の配線パターン１１１の近傍位置に設けられ、第１のブリッジ回路１５の２つの磁気抵抗素子１１，１４が受ける磁界Ｈａと略均等な磁界Ｈａを受けるように配置される。また別の２つの磁気抵抗素子２２，２３は、他方の配線パターン１１２の近傍位置に設けられ、第１のブリッジ回路１５の他の２つの磁気抵抗素子１２，１３が受ける磁界Ｈａと略均等な磁界Ｈａを受けるように配置される。このように第２のブリッジ回路２５は、磁気抵抗素子２１，２２を互いに接続すると共に、磁気抵抗素子２３，２４を互いに接続したクロス配線によって構成される。そして４つの磁気抵抗素子２１，２２，２３，２４を備える第２のブリッジ回路２５は、その一端に負荷電圧ＶＬに応じた入力電圧Ｖｉｎが印加され、他端が接地電位ＧＮＤに接続される。
【００４０】
図４は、磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４の特性の一例を示す図である。尚、図４では、異方性磁気抵抗効果を示すＡＭＲ素子の特性を示している。例えば磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４がＡＭＲ素子である場合、図４に示すように、外部からの磁界Ｈが作用すると、その磁界Ｈの方向及び大きさに応じて抵抗値Ｒが変化する。尚、磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４がＡＭＲ素子でない場合、特性曲線は図４とは異なるものになるが、磁界Ｈの方向及び大きさに応じて抵抗値Ｒが変化する点は同様である。負荷電流Ｉｉｎによって導体１１０の周囲に磁界Ｈａが生じているとき、磁気抵抗素子１１，２１，１４，２４に作用する磁界Ｈａの方向と、磁気抵抗素子１２，２２，１３，２３に作用する磁界Ｈａの方向とが互いに逆向きであるため、磁気抵抗素子１１，２１，１４，２４の抵抗値Ｒが上がると、磁気抵抗素子１２，２２，１３，２３の抵抗値Ｒが下がる。そのため、第１のブリッジ回路１５の２つの中点ａ，ｂ及び第２のブリッジ回路２５の２つの中点ｃ，ｄには、負荷電流Ｉｉｎに応じた電位差が現れる。
【００４１】
また電力センサー１は、コイル駆動回路４によってコイル電流Ｉｃが流れる４つのコイル３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを有する。コイル３１ａは磁気抵抗素子１１，２１の近傍位置に、コイル３１ｂは磁気抵抗素子１２，２２の近傍位置に、コイル３１ｃは磁気抵抗素子１３，２３の近傍位置に、コイル３１ｄは磁気抵抗素子１４，２４の近傍位置に設けられる。またコイル３１ａ，３１ｄの巻き方向とコイル３１ｂ，３１ｃの巻き方向は互いに逆向きとなるように配置される。そのため、コイル３１ａ，３１ｄは、コイル駆動回路４から出力されるコイル電流Ｉｃを流すことにより、近傍位置に設けられた磁気抵抗素子１１，２１，１４，２４のそれぞれに対して所定方向のコイル磁界Ｈｂを作用させる。またコイル３１ｂ，３１ｃは、コイル駆動回路４から出力されるコイル電流Ｉｃを流すことにより、近傍位置に設けられた磁気抵抗素子１２，２２，１３，２３のそれぞれに対し、コイル３１ａ，３１ｄとは逆向きのコイル磁界Ｈｂを作用させる。したがって、第１のブリッジ回路１５の２つの中点ａ，ｂ及び第２のブリッジ回路２５の２つの中点ｃ，ｄには、導体１１０から発生する磁界Ｈａと各コイル３１ａ〜３１ｄから発生するコイル磁界Ｈｂとに応じた電位差が現れるようになる。
【００４２】
コイル駆動回路４は、オペアンプ４１と、複数の抵抗４２，４３，４４，４５とを備えた差動増幅回路として構成され、第１のブリッジ回路１５の２つの中点ａ，ｂの電位差を増幅して出力することにより、その出力電圧に応じたコイル電流Ｉｃを複数のコイル３１ａ〜３１ｄに流す。またコイル駆動回路４の動作基準点は、図３に示すように外部電源ＶＤＤの中心電圧ＶＤＤ／２に設定される。そのため、導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉｎが正負のいずれの値をとる場合であっても、コイル駆動回路４は、中心電圧ＶＤＤ／２を基準にして負荷電流Ｉｉｎを複製したコイル電流Ｉｃを各コイル３１ａ〜３１ｄに流すことができ、導体１１０から発生する磁界Ｈａを打ち消すコイル磁界Ｈｂを各コイル３１ａ〜３１ｄから生じさせることができる。
【００４３】
出力回路５は、オペアンプ５１と、複数の抵抗５２，５３，５４，５５とを備えた差動増幅回路として構成され、第２のブリッジ回路２５の２つの中点ｃ，ｄの電位差を所定の増幅率で増幅することにより、電力信号Ｖｏｕｔを生成して出力する。すなわち、出力回路５は、第２のブリッジ回路２５の一方の中点ｃの電位と他方の中点ｄの電位の差分をとって電力信号Ｖｏｕｔを生成するため、上記式（５）における右辺第１項をキャンセルし、且つ、右辺第２項を２倍にした電力信号Ｖｏｕｔを生成することができる。また出力回路５の動作基準点は、コイル駆動回路４と同様、外部電源ＶＤＤの中心電圧ＶＤＤ／２に設定される。そのため、出力回路５は、中心電圧ＶＤＤ／２を基準にした電力信号Ｖｏｕｔを出力する。すなわち、出力回路５から出力される電力信号Ｖｏｕｔは、次式（６）で表される。尚、次式（６）におけるＫは、一定の定数である。
【００４４】
【数６】
2016121941.tif 000008
【００４５】
したがって、電力センサー１は、出力段にローパスフィルタなどを設ける必要がなく、負荷１００で消費される電力を測定した電力信号Ｖｏｕｔを出力することができる。また電力センサー１は、負荷電圧ＶＬ及び負荷電流Ｉｉｎが正負双方向に振れる場合であっても、正負両電源を必要とせず、電源電圧ＶＤＤの単一電源で電力を測定することができるので利便性が高い。
【００４６】
また電力センサー１は、第１のブリッジ回路１５に外部から均等な外部磁界が作用した場合でも第１のブリッジ回路１５の２つの中点ａ，ｂの電位差が変化しない。また第２のブリッジ回路２５も同様であり、外部から均等な外部磁界が作用しても２つの中点ｃ，ｄの電位差が変化しない。そのため、図３に示す電力センサー１は、外部磁界による影響を受けることがなく、負荷１００で消費される電力を高精度に測定することが可能である。
【００４７】
またコイル駆動回路４は、第１のブリッジ回路１５における２つの中点ａ，ｂの電位差が０になるようにコイル電流Ｉｃをフィードバックするため、第１のブリッジ回路１５に含まれる複数の磁気抵抗素子１１〜１４及び第２のブリッジ回路２５に含まれる複数の磁気抵抗素子２１〜２４に対して常に外部磁界だけが作用している状態となる制御が行われる。それ故、各磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４の動作点を、例えば図４においてＸで示す位置に固定することができる。ここで、Ｘで示す位置は、例えば外部磁界だけが作用している状態の位置である。したがって、電力センサー１は、導体１１０に流れる負荷電流Ｉｉｎが変化しても各磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４の抵抗値Ｒを安定させた状態で消費電力を測定することができるという利点がある。
【００４８】
更に出力回路５は、１つのオペアンプ５１を備えて構成されるため、電力信号Ｖｏｕｔにおける遅延や位相誤差を小さくすることができ、より精度の高い電力測定が可能である。
【００４９】
次に図５は、電力センサー１を１チップデバイスとして構成する場合のレイアウト例を示す図である。図５に示すようにＵ字状の導体１１０の内側の領域に実装される電力センサー１は、４つの磁気抵抗素子１１，２１，１４，２４が一方の配線パターン１１１の近傍位置となり、且つ、他の４つの磁気抵抗素子１２，２２，１３，２３が他方の配線パターン１１２の近傍位置となるように、複数の磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４のそれぞれを１チップデバイスの左右両端部に配置する。そして複数のコイル３１をそれら磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４の内側の近傍位置に配置することにより、導体１１０から生じる磁界Ｈａを打ち消すコイル磁界Ｈｂを各磁気抵抗素子１１〜１４，２１〜２４に印加できるようにする。このようなレイアウト構成によれば、上述した電力センサー１を１チップデバイスとして実現することができ、タブレットＰＣやスマートフォンなどの電子機器に対しても実装可能なセンサーデバイスとなる。
【００５０】
尚、本発明に関する実施例について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。例えば、図２に示したＬＤＯ６や基準電圧生成回路７は、本発明の電力センサー１において必須のものではない。すなわち、ＬＤＯ６や基準電圧生成回路７は、電力センサー１の外部に設けられるものであっても構わない。
【符号の説明】
【００５１】
１…電力センサー、４…コイル駆動回路、５…出力回路、１０…第１の磁気抵抗素子群、２０…第２の磁気抵抗素子群、１５…第１のブリッジ回路、２５…第２のブリッジ回路、１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４…磁気抵抗素子、３１（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ）…コイル。
【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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