(57)【要約】【課題】導体(1)を貫流する電流を、当該導体を包囲している磁界を検出することによって検出するための電流検出装置を提供する。【解決手段】本発明に係る電流検出装置は、磁界を検出するために支持体部(4)上に設けられた少なくとも一つのセンサ素子(3)と、導体(1)の所定の領域(S)であって、当該導体に接して少なくとも一つのセンサ素子(3)が設けられている所定の領域とを備えている。導体(1)は所定の領域(S)において複数の導体部(11,12;La,Lb)を有し、当該導体部には同じ方向に測定すべき電流が貫流していると共に、当該導体部は所定の距離の分だけ互いに離間されており、かつ中間空間(2)を形成している。支持体部(4)は中間空間に装入されており、それによって少なくとも一つのセンサ素子(3)は、導体(1)の磁界内の中間空間の外部に、当該中間空間に隣接して設けられている。【選択図】図１ａ
2010048809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体(１)を貫流する電流を、当該導体を包囲している磁界を検出することによって検出するための電流検出装置であって、
当該電流検出装置は、
前記磁界を検出するために支持体部(４)上に設けられた少なくとも一つのセンサ素子(３)と、
前記導体(１)の所定の領域(Ｓ)であって、当該導体に接して前記少なくとも一つのセンサ素子(３)が設けられている所定の領域と、を備え、
前記導体(１)は前記所定の領域(Ｓ)において複数の導体部(１１,１２;Ｌａ,Ｌｂ)を有し、当該導体部には同じ方向に測定すべき電流が貫流していると共に、当該導体部は所定の距離の分だけ互いに離間されており、かつ、中間空間(２)を形成し、
前記支持体部(４)は前記中間空間に装入されており、それによって前記少なくとも一つのセンサ素子(３)は、前記導体(１)の前記磁界内の前記中間空間の外部に、当該中間空間に隣接して設けられていることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記支持体部(４)上に互いに離間された複数のセンサ素子(３)が設けられており、前記支持体部が前記中間空間(２)に装入された位置において、前記中間空間に関してそれぞれ少なくとも一つのセンサ素子(３)が前記複数の部分からなる導体(１,１１,１２)の異なる側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の導体部(１１,１２)の横断面の総和は前記導体(１)の横断面に相当することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記導体部(１１,１２;Ｌａ,Ｌｂ)における電流(Ｉ１,Ｉ２)の総和は検出すべき電流(Ｉｇ)に等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の導体部(１１,１２;Ｌａ,Ｌｂ)は前記所定の領域(Ｓ)において、中央に共通の導体部要素(６)を有してなる概ね平行な三つの導体部要素(５,６,７)を備える二つのＵ字形の形成部を有し、当該導体部要素によって前記導体部要素同士の間に少なくとも二つのフィールド領域(８,９)が形成され、当該フィールド領域の開放側は、前記導体(１)の長手方向の延伸(Ｒ)に沿って、それぞれ反対の方向に向けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記中間空間(２)は前記所定の領域(Ｓ)内で、前記複数の導体部(１１,１２)の導体部要素(５,６,７)全体にわたって延在していることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記中間空間(２)は前記所定の領域(Ｓ)内で、所定の高さ(ｄ)を有して前記複数の導体部の導体部要素(５,６,７)全体にわたって延在していることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記支持体部(４)は前記中間空間(２)に装入されており、それによって前記少なくとも一つのセンサ素子(３)は、前記導体部要素(５,６,７)同士の間の前記フィールド領域(８,９)の一つに設けられていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記支持体部(４)は前記中間空間(２)に装入されており、それによって前記導体部要素(５,６,７)同士の間の前記フィールド領域(８,９)のそれぞれに少なくとも一つのセンサ素子(３)が設けられていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記支持体部(４)は前記所定の領域(Ｓ)において、前記所定の中間空間(２)を少なくとも部分的に充填することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記フィールド領域(８,９)のそれぞれに存在する磁界は、それぞれ該当する前記フィールド領域に隣接する前記導体部要素(５および６,６および７)における電流によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項１２】
前記導体部要素(５,６,７)の横断面は概ね等しいことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項１３】
複数の前記センサ素子(３)は前記支持体部(４)上の所定の場所に設けられており、前記支持体部(４)は前記中間空間(２)に装入され、それによって前記支持体部の長手方向縁部が前記導体(１)の長手方向(Ｒ)と共に所定の角度をなし、それぞれのフィールド領域(８,９)に少なくとも一つのセンサ素子(３)が設けられていることを特徴とする請求項５から請求項１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の導体部(１１,１２)は単一導体(Ｌａ,Ｌｂ)によって形成され、当該単一導体の全体が前記導体(１)を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも二つのセンサ素子(３)が設けられており、前記支持体部(４)が前記中間空間(２)に装入された後に少なくとも一つのセンサ素子が前記フィールド領域(８,９)のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項１または請求項５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数のセンサ素子(３)は共通の基板に設けられていることを特徴とする請求項２、請求項９および請求項１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記複数の導体部(１１,１２)は単一導体(Ｌａ,Ｌｂ)によって形成されており、当該単一導体は共通の固定部材(１３)に装入されており、前記中間空間(２)は少なくとも部分的に前記固定部材内で延在していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記導体(１)は前記所定の領域(Ｓ)においてケーシングに囲繞されており、当該ケーシングの内部は絶縁材料によって充填されていることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置、特に導体内に流れる電流を、当該導体を包囲している磁界を検出することによって検出するための電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
導体内に流れる電流の検出は相応の測定装置を用いて公知の方法で行うことができる。当該方法では、いわゆる分流抵抗(shunt)が用いられ、電流が流れるために当該抵抗に印加される電圧は、抵抗値が知られている場合に当該電流の基準として参照される。しかしながら、このような電流測定には不利点がある。すなわち適切な精度を得るために、測定すべき電流の電気回路内に、極めて正確なさらなる抵抗器を備えなければならない。それによって低効率を全体として増大させるのである。さらに、印加される電圧を検出するために、このような抵抗器に接続される測定器は電線のポテンシャル上にあり、当該電線の電流が測定されるのであるから、当該方法ではポテンシャルフリーな測定を実現することはできない。さらに分流抵抗の接合点には接点抵抗が生じ、当該接点抵抗があると測定結果が歪曲されるのを防ぐために特別な手段を講じなければならない。
【０００３】
磁界を感知し得るセンサ、たとえばホールセンサを用いて非接触式かつポテンシャルフリーな測定を行うことによって電流測定を改善することができる。導体に電圧を印加すると、当該導体が磁界内にある場合はホール効果によって電流が生じる。当該電流は磁界の強度を表す基準となるので、ホールセンサによって磁界を直接測定すること、および当該磁界と結合している電流を間接的に測定することが可能である。
【０００４】
特許文献１は直流電気的に分離され、それゆえポテンシャルフリーに行われる電流測定を開示している。当該電流測定において主たる導体は、ほぼ平行に設けられている導体分岐部に分割されており、当該導体分岐部の近くに一つまたは複数のホールセンサが取り付けられる。当該ホールセンサは導体分岐部を通過する電流によって生起する磁界に曝されており、ホールセンサの出力信号の評価に従って、導体分岐部を流れる電流を特定し、それと共に主たる導体を流れる電流を特定することができる。したがってホールセンサ(磁界を感知し得るセンサ)は導体分岐部の外側の非近接場において、平行な導体の上方または下方に設けられている。
【０００５】
さらに特許文献２が開示する、ホールセンサを備える電流測定器においては、電力供給システムの複数の位相に対するコンパクトな構造において、個々の位相のほぼ帯状の導体はそれぞれ、予め設定された箇所がＵ字形に湾曲されており、当該領域において共通のケーシングに設けられている。別個のプリント基板には各位相に対するホールセンサが設置されており、それによって当該プリント基板を個々の位相の導体を有してなるケーシングに載置すると、ホール素子の領域が個々の導体のＵ字形の湾曲部に装入される。このようにホールセンサは、個々の導体を包囲する磁界を検出し、それと共に個々の導体を流れる電流を、対応する評価に従って検出する。
【０００６】
しかしながら上記の二つの場合において、電流が貫流する導体の領域においてホールセンサを簡単かつ正確に設けることが保証されていないので、ホールセンサを配置するために比較的多くのコストを投下しなければならない。その一方で特に測定すべき電流が小さい場合は、センサの位置の許容誤差によって、測定の不正確さを回避することはほとんど不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第102 43 645号明細書
【特許文献２】独国特許発明第197 41 417号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような理由から本発明の解決すべき課題は、電流検出装置を構成し、それによって磁界を感知し得る少なくとも一つのセンサを簡単な方法で、磁界の好適な領域において電流が貫流する導体に接して設けるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば上記課題は特許請求の範囲に記載された特徴を備える電流測定装置によって解決される。
【００１０】
導体を包囲している磁界を検出することによって当該導体を貫流する電流を検出するための本発明に係る電流検出装置は、磁界を検出するために支持体部に設けられている少なくとも一つのセンサ素子と、導体の所定の領域とを含み、当該所定の領域に接して少なくとも一つのセンサ素子が設けられており、上記導体は上記所定の領域において複数の導体部を有し、当該導体部を測定すべき電流が同じ方向に貫流しており、当該導体部は互いに所定の距離だけ離間されていると共に中間空間を形成し、上記支持体部は上記中間空間内に装入されており、それによって上記少なくとも一つのセンサ素子は上記導体の磁界において、上記中間空間の外側に当該中間空間に隣接して設けられている。
【００１１】
したがって本発明によれば、電流を検出すべき導体は、当該導体の横断面全体が少なくとも二つの部分に分割されており、それによって導体の全電流は二つの導体部に分割される。二つの所定の導体部の間には相応のセンサ素子(すなわち少なくとも一つのセンサ素子)が装入され、当該センサ素子は操作を容易にすると共に正確に配置を行うために共通の支持体部を有している。このような構造によってセンサ素子は、導体、特に個々の導体部の非常に近くに設けられ得る。それにより、測定すべき電流によって導体部のすぐ周囲に発生する磁界はセンサ素子を貫流し、上述のホール効果によってセンサ素子を用いて、磁界の強度から導体を貫流する電流を推断することができる。このように電流が貫流する導体または電流が貫流する導体部を包囲する磁界が正確に検出され、このときセンサ素子は強い磁界の領域であって、かつ導体部の非常に近くに設けられており、そのためこのような構造によって精度が向上すると共に小さな電流を測定する可能性が生まれる。小さな電流を測定することによって構造全体の感度を向上させることができる。
【００１２】
本発明のさらなる構成は従属請求項に記載されている。
【００１３】
支持体部には複数の互いに離間されているセンサ素子が設けられていてもよく、支持体部が中間空間内に装入された位置にあるとき、少なくとも一つのセンサ素子は、それぞれ当該中間空間に関して、複数の部分からなる導体の異なる側に設けられている。このようにして当該構造の出力信号(測定信号)の強度を増大させることができ、それによって精度を向上させることができる。
【００１４】
導体部の抵抗の増大を回避するために、複数の導体部は導体の横断面に対応する横断面を有していてもよく、このとき導体部における電流の総和は検出すべき電流に等しい。
【００１５】
さらに複数の導体部は所定の領域において、中央に共通の導体部要素を有してなる、ほぼ平行な三つの導体部要素を備える二つのＵ字形の形成部を有し得る。当該三つの導体部要素によって少なくとも二つのフィールド領域が導体部要素同士の間に形成され、当該フィールド領域の開放側は、導体の長手方向の延伸に沿って、それぞれ反対の方向に向けられている。このような方法で磁界が強められた領域が形成され得る。
【００１６】
中間空間は所定の領域内で複数の導体部の導体部要素全体にわたって延在し得る。特に中間空間は所定の領域内で複数の導体部の導体部要素全体にわたって所定の高さを有して均一に延在し得る。
【００１７】
支持体部は、少なくとも一つのセンサ素子が導体部要素同士の間のフィールド領域のうちの一つに配置されているように中間空間内に設けられ得る。導体部要素同士の間のフィールド領域は比較的強い磁界を有し、それぞれのフィールド領域に存在する磁界は、該当するフィールド領域に隣接する導体部要素をそれぞれ流れる電流によって形成される。
【００１８】
支持体部は、導体部要素同士の間のフィールド領域のそれぞれに少なくとも一つのセンサ素子が設けられているように中間空間内に設けられ得る。支持体部はまた、所定の領域における所定の中間空間を少なくとも部分的に充填し得る。
【００１９】
導体部要素の横断面はほぼ等しく構成されているため、導体部要素においては、ほぼ等しい電流が流れる。
【００２０】
複数のセンサ素子は支持体部上で所定の場所に設けられていてもよく、支持体部は、当該支持体部の長手方向縁部が導体の長手方向と共に所定の角度をなすと共に、それぞれのフィールド領域に少なくとも一つのセンサ素子が設けられているように中間空間内に装入され得る。
【００２１】
複数のセンサ素子はまた、単一導体によって形成され得る。このとき単一導体の全体が導体を形成する。
【００２２】
少なくとも二つのセンサ素子が設けられていてもよく、支持体部を中間空間内に装入した後に少なくとも一つのセンサ素子が、フィールド領域のそれぞれに設けられていてもよい。
【００２３】
また、複数のセンサ素子を共通の基板に設けることもできる。
【００２４】
複数の支持体部は単一導体によって形成され得る。当該単一導体は共通の固定部材に装入されており、中間空間は少なくとも部分的に当該固定部材内で延在している。
【００２５】
導体の所定の領域はケーシングによって囲繞されていてもよく、当該ケーシングの内部は絶縁材料で充填されていてもよい。
【００２６】
以下に図面を参照しながら実施の形態に基づいて本発明をより詳しく説明する。図面に示すのは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】付属するセンサ素子を有してなる本発明の第１実施形態による導体構造の部分斜視図である。
【図１ｂ】図１ａに示す導体構造を線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。
【図２ａ】付属するセンサ素子を有してなる本発明の第２実施形態による導体構造の平面概略図である。
【図２ｂ】図２ａに示す導体構造の正面図および部分断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態による導体構造の斜視図である。
【図４】図３に示す導体構造を対向する側から見た斜視図である。
【図５】支持体部とセンサとを装入してなる図３および図４に示す導体構造の平面図である。
【図６ａ】二つの単一導体からなる本発明の第４実施形態による導体構造の断面図である。
【図６ｂ】図６ａに示す二つの単一導体からなる導体構造の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の第１実施形態による電流検出装置の導体構造を詳細に説明する。
【００２９】
個々に見ると図１ａは導体１を示しており、当該導体には図の右から左に向かって電流Ｉｇが流れている。電流Ｉｇは検出すべき電流であり、導体構造の全電流を表している。
【００３０】
導体１の所定の領域(所定の部分)Ｓにおいて導体１は複数の部分、本図の場合は例えば二つの部分から構成されており、それによって第１の導体部１１と第２の導体部１２が形成され、当該導体部は互いにほぼ平行に案内されており、さらに共同で導体１とほぼ同一の横断面を有している。導体１の複数部分からなる構造の所定の領域Ｓにおいて、第１の導体部１１と第２の導体部１２は所定の距離ｄだけ互いに離間している。このように複数部分から構成されている所定の領域Ｓにおいて二つの導体部１１および１２からなる導体１の外部断面形状は拡大されるため、導体１の等しい横断面(電流通過面)が保持され得る。
【００３１】
上記のように第１の導体部１１と第２の導体部１２との間の距離ｄは間隙または中間空間２を形成し、当該中間空間は好適に導体１の長手方向に延在すると共に均一な距離または高さｄを有して実現されている。
【００３２】
第１の導体部１１と第２の導体部１２はそれぞれ導体１の全電流Ｉｇの部分電流を受容している。二つの導体部１１および１２において電流が貫流する横断面はほぼ等しいので、全電流Ｉｇは二つのほぼ等しい部分電流Ｉ１およびＩ２に分割される。しかしながら本発明は本図に示す好適な実施の形態に限定されず、二つの導体部１１および１２の横断面(電流通過面)は所定の方法で異なっていてもよいので、それによって電流の分配が異なることもあり得る。本発明による構造の作用の仕方は電流の分配が異なることによって影響されない。いずれの場合でも好適に、導体部１１および１２の横断面の総和は導体１の横断面にほぼ等しい。
【００３３】
線Ｘ−Ｘに沿って切断した断面図である図１ｂが示すように、第１の導体部１１における第１の部分電流Ｉ１と第２の導体部１２における第２の部分電流Ｉ２は同じ方向に、図１ｂでは紙面から外に向かうように流れている。
【００３４】
電流のそれぞれによって生じさせられた磁界は、図１ｂにおいて誘導を表す磁力線部分Ｂ(ベクトル)によって暗示されている。
【００３５】
同じ方向に電流が貫流する二つの導体部１１および１２の磁界を検出するために磁界を感知し得るセンサ、たとえばホールセンサが設けられている。当該センサを以下にセンサ素子３と称する。図１ｂでは二つのセンサ素子３が示されており、第１の導体部１１と第２の導体部１２とを有してなる導体構造のそれぞれの側に好適に少なくとも、それぞれ一つのセンサ素子３が設けられている。しかしながら基本的に、一方の側に設けられた一つのセンサ素子３のみを用いて磁界の検出と、導体１を流れる電流の特定を行うことは可能である。
【００３６】
第１の導体部１１と第２の導体部１２のそれぞれの部分電流Ｉ１およびＩ２によって生じさせられた磁界Ｂは本実施の形態では二つのセンサ素子３を貫通しているので、当該磁界に応じてセンサ素子３から出力信号が読み取られ得る。センサ信号を相応に評価した後に、部分電流Ｉ１およびＩ２からなる全電流Ｉｇが特定され得る。
【００３７】
少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３は支持体部４に設けられている。支持体部４はセンサ素子３を担持および操作するために用いられる一方、センサ素子３を導体部１１および１２の直近に正確に位置決めするためにも用いられる。このとき支持体部４の上または内部の所定の場所にセンサ素子３が設けられているが、当該支持体部４は好適に第１の導体部１１と第２の導体部１２の間の中間空間２(間隙)に装入もしくは挿入される。導体部１１および１２の間に距離(高さ)ｄを有してなる中間空間２は好適に軸Ｘ−Ｘの方向において支持体部４の厚さより、ごく僅かに大きいだけである。
【００３８】
このように好ましくは複数のセンサ素子３を備える支持体部４は二つの導体部１１および１２の間の中間空間２に装入され得、それによって支持体部４の確実な納まりが保証されるとともに、支持体部４に設けられたセンサ素子３は、それぞれの導体部１１および１２に直接的に隣接するが、導体部１１および１２の間の中間空間の外部に設けられている。
【００３９】
導体部１１および１２における部分電流Ｉ１およびＩ２の磁気誘導Ｂ(ベクトル)の予想される磁界プロファイルによれば、センサ素子３は磁界の強い領域に設けられており、それによって導体１における全電流Ｉｇが小さい場合でも構造の測定感度が高いために、当該電流を十分かつ確実に検出することが保証されている。本実施の形態において好適に主送電線として形成され得る導体１の導体横断面全体から、このように二つの好適に同じ大きさであるが、必ずしも同じ大きさではない導体部が形成され、それによって全電流Ｉｇの分割が実現される一方、中間空間２によって距離ｄをなして離間された導体部１１および１２の間に、少なくとも一つのセンサ素子３および好適に少なくとも二つのセンサ素子３を有してなる支持体部４を確実に装入することができ、同時に部分電流Ｉ１およびＩ２の磁界全体においてセンサ素子３を正確かつ最適に位置決めすることが保証される。
【００４０】
センサ素子３の取り扱いを向上させるために、当該センサ素子は一つのチップまたは基板に共に設けられていてよく、当該チップまたは基板は支持体部４内に設けられていてもよい。このような共通のチップまたは基板上にはセンサ素子３のほか、さらなる電子工学的な構成素子および回路部材が設けられていてよく、当該電子工学的な構成素子および回路部材によってセンサ素子３の出力信号に対して少なくとも一つの前処理を行うことができる。このときセンサ素子およびさらなる電子工学的な構成素子および回路部材は基板上に集積的に設けられている。この場合、複数のセンサ素子３およびさらなる電子工学的な構成素子および回路部材は共通の基板上で共通の製造工程を用いて形成され得る。支持体部４は、例えば当該支持体部の長手方向縁部が、導体１の長手方向への延伸方向と、所定の角度をなすように中間空間２に装入され得る。
【００４１】
多数のセンサ素子３が設けられている場合、当該センサ素子３のそれぞれは独自のチップまたは基板上に、独自に付属する評価のための電子回路を有して設けられていてよい。このとき支持体部４において半導体チップにおける電子回路は必要に応じて互いに結合される。支持体部４はまた、センサ装置３の検出信号を出力するために、あるいは既に前処理された信号をさらなる(一般に中央の)評価装置または制御装置に対して出力するために相応の接続線を含む。表示を簡略化するために図面には当該接続線は示されていない。
【００４２】
上記のような方法で支持体部４を用いて少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３を構成すると、支持体部４が装入されている導体１のポテンシャルに対してセンサが絶縁されているようなセンサ構造が実現される。付加的な絶縁手段は不要である。導体部１１および１２の間の中間空間２の領域では、どんな場合でも実際に生じるポテンシャルの差は、ごく僅かであるためである。さらに導体１に対して直流電気による結合もなされないので、導体１に流れる電流をポテンシャルなしに、かつ非接触式に検出することが保証される。
【００４３】
中間空間２(距離または高さｄ)を介して離間された第１の導体部１１および第２の導体部１２を有してなる導体１の導体構造は、既に記載されているように、必要な導電横断面(電流通過面)を実質的に保持することによって、電流負荷容量に関して最適化されている。このように最適化されているために、センサ素子３を設ける場所、すなわち導体１の複数の部分からなる構造の所定の領域Ｓにおいて抵抗が高くなることがなく、そのために当該場所では発熱の増大が起こらず、そのために当該領域における熱極が回避される。
【００４４】
共通のチップまたは基板に設けられたさらなる回路部材はまた、当該基板上のセンサ素子３同士の間の領域に設けられており、したがって磁界の乏しい領域にある。導体部１１および１２の間の中間空間において、導体部１１および１２を流れる電流１１および１２のそれぞれの部分磁界は、異なる磁界の方向ゆえに少なくとも部分的に消滅するからである。
【００４５】
図１ａにおいてセンサ素子３を受容するための支持体部４は、中間空間２によって形成される空間の全体を占めていないが、支持体部４は中間空間２全体にわたって所定の領域Ｓ内に延在してもよい。
【００４６】
上記の点に関連して注意すべき点は、図１および図２は概略のみを示しており、本発明は図に示す寸法および比率に限定されるものではないということである。所定の領域Ｓにおける中間空間２の(図２ａにおける点線Ｒで示す導体１の延伸方向における)長さは、またそれと共に導体１の複数部分から構成された領域は、支持体部４の寸法ならびに強い磁界において直接的に、かつ導体部１１および１２に隣接するようになされた個々のセンサ素子３の配置に応じて特定される。
【００４７】
以下、本発明の第２実施形態による電流検出装置を図２ａおよび図２ｂを参照しながら説明する。
【００４８】
導体構造の平面図を示している図２ａにおいても、簡略に図示するために矩形の横断面(電流通過面)を有してなる棹体状の導体を基にしている。
【００４９】
図２ａおよび図２ｂにおいて、電流検出装置の同一または同種の構成部材に対しては、図１ａおよび図１ｂにおけるものと同一の参照番号が用いられている。
【００５０】
図２ｂは電流検出装置の導体構造の正面図を示しており、図２ｂの左側の部分断面図によって矩形の横断面(電流通過面)を有してなる導体が示されている。
【００５１】
図２ａによれば本実施形態において棒体状に構成された導体１は複数回曲げられ、それによって共通の導体部分を備える二つのＵ字形の導体部要素が成立し、当該導体部要素の開放側は導体の長手方向の延伸(図２ａにおける点線Ｒ)に沿って、それぞれ反対の方向に向けられている。図２ａは、概ね、導体１を二重に湾曲させることまたは相応に製造することによって生じた湾曲部の領域を示しており、導体１の当該部分は所定の領域Ｓと称され、第１実施形態の所定の領域Ｓに対応する(図１)。(例えば棹体状の)導体１は機械的な湾曲のほか、二つのＵ字形の導管を用いて製造する際に相応の方法で製造され得る。この点は図２ａおよび図２ｂに示されている。以上のことから図２ａに示す導体構造は、図２ａにおける点線Ｒ上の点および所定の領域Ｓの中心に対して好適に点対称である。
【００５２】
図１ａに示されているのと同様に、所定の領域Ｓにおいて導体１は複数部分、本図に示す場合には好適に二つの部分からなる構造を有している。このとき図２ｂに示される中間空間２(間隙)が形成されている。中間空間２は領域Ｓ内で導体１全体にわたって延在し、それによって図２ｂの上部には第１の導体部１１が、図２ｂの下部には第２の導体部１２が、その間に設けられた中間空間２を有して形成されている。導体１の湾曲部の領域Ｓ内で中間空間２は、当該中間空間２の開口部が幅および高さｄにおいて、二つのＵ字形の形成部である導体部全体にわたって延在している。この点は図２ｂに示されている。
【００５３】
以上のように二重のＵ字形として、かつ所定の領域Ｓにおいて二つの部分からなる形成によって、図２ａに示す平面図において、当該図の左側に第１の導体部要素５、当該図の中央に第２の導体部要素６、当該図の右側に第３の導体部要素７が導体１の第１の導体部１１からそれぞれ形成される。同様に第２の導体部１２の構造によっても、第１、第２および第３の導体部要素５から７が形成され、第１の導体部１１と第２の導体部１２のそれぞれの、第１、第２および第３の導体部要素５から７はそれぞれ図２ａに示す平面図において互いに一直線に並ぶ。第１の導体部と第２の導体部は同じように二重のＵ字形として形成されているためである。
【００５４】
このように導体１全体は所定の領域Ｓにおいて二つの導体部１１および１２からなり、当該導体部は同じように二重のＵ字形として形成されており、当該導体部１１および１２はそれぞれ導体部要素５から７からなる。
【００５５】
さらに本発明の第２実施形態による電流検出装置は、第１実施形態の場合と同様、支持体部４を含み、当該支持体部は図２ａに示す平面図において簡略に図示するために概ね矩形として示されているが、本発明はこの点について限定されるものではない。支持体部４は中間空間２の距離ｄよりも小さな厚みを有しているため、支持体部４は中間空間２に挿入され得、それによってそれぞれの第１から第３までの導体部要素５から７の領域内に設けられ得る。支持体部４は図２ｂには示されていない。
【００５６】
それぞれの導体部１１および１２を包囲する磁界を検出するために第１実施形態の場合と同様にセンサ素子３が設けられており、当該センサ素子３は図２ａではそれぞれ、第１の導体部１１の第１の導体部要素５と第２の導体部要素６との間、および第２の導体部要素６と第３の導体部要素７との間に示されている。
【００５７】
センサ素子３はまた磁界を感知し得るセンサ、たとえばホールセンサとして形成されており、個々の導体部要素５から７同士または導体部１１および１２同士の間に形成された磁界を検出する。
【００５８】
センサ素子はまた、基板上に、すなわちチップ上に配置され、かつ必要に応じて部分的にさらなる電子工学的な回路と共に設けられていてよい。このときセンサ信号のさらなる評価のために必要となる、外部に向かって中央制御および処理装置に至る接続線は、簡略に図示するために示されていない。
【００５９】
図２ａに示す導体構造によれば、第１のフィールド領域８が第１の導体部１１と第２の導体部１２のそれぞれの、第１の導体部要素５と第２の導体部要素６との間に形成され、当該第１のフィールド領域の磁界はセンサ素子３のうちの第１のセンサ素子によって検出される。導体部１１および１２の第２の導体部要素６と第３の導体部要素７との間に第２のフィールド領域９が形成され、当該第２のフィールド領域の磁界はもう一方のセンサ素子３によって検出される。したがって図２ａに示す二つのセンサ素子３はフィールド領域８または９のうちの一つにおいてそれぞれフィールド全体を検出し、検出されたフィールドの強度(磁気誘導Ｂ、ベクトル)に応じて相応の出力信号または検出信号を供給し、当該出力信号または検出信号は場合によって行われる前処理に加えて共通の基板上に設けられている回路を用いて、さらなる処理を行うために、図に示されていない中央制御および評価装置に送られる。
【００６０】
センサ素子３の構造においては基本的にフィールド領域８または９のうちの一つにセンサ素子が一つだけ設けられていてもよいが、当該構造によってフィールド領域８および９におけるセンサ素子３は(より大きな誘導Ｂを有する)より強い磁界の領域に設けられる。個々の導体部要素５から７に生じる電流経路および特に電流の方向に依存してフィールド領域８および９における磁界の増強が生じるためである。図２の表現では電流経路は第１の導体部要素５と第３の導体部要素７においては下方に向いており、第１の導体部１１と第２の導体部１２のそれぞれの、第２の導体部要素６においては上方に向いている。このようにフィールド領域８および９において磁界の増強が達成されるが、当該フィールド領域８および９における磁界の方向(磁気誘導Ｂ、ベクトル)は異なっている。フィールド領域８および９のそれぞれにおいて、電場はそれぞれの導体部要素５から７において同じ方向に重なり合い、それによってセンサ素子３はそれぞれのフィールド領域８および９において、これらの領域の磁界が強められたためにより弱い磁界およびそれと共に小さな電流も検出できる。
【００６１】
少なくとも一つのセンサ素子３の構造、特に本実施形態のようにフィールド領域８および９に二つの、または対をなすセンサ素子３が設けられ、磁界が強化(重畳)されている構造は、電流検出を行う際の構造全体の感度を著しく増大させるために、小さな電流も確実に検出され得る。それぞれのフィールド領域８および９におけるセンサ素子３のそれぞれの極性符号に注意しながら、センサ装置３の出力信号または検出信号を相応に評価すると、電流の方向も検出され得る。
【００６２】
このように図２ａおよび図２ｂに示す構造全体は感度を向上させ、磁界をより良く利用するという点について最適化されている。個々の導体部１１および１２の電流負荷容量に関しても、導体１の湾曲部(Ｕ字形の形成部)の所定の領域Ｓにおいて抵抗が増大すること、およびそれに関連して熱極が生じることを回避するために、第１実施形態(図１ａ)の場合と同じ方法で同様に最適化が実現される。それによって個々の導体部１１および１２の導体部要素５から７に関しては、概ねほぼ等しい電流密度が得られる。
【００６３】
場合によってセンサ素子３と共通する基板上にさらに設けられた回路は、第１実施形態の場合と同じ方法で導体部１１および１２の導体部要素５から７の領域に設けられ得る。当該領域で上記回路が曝されるポテンシャルは非常に僅かであり、当該回路は磁界の弱い領域に設けられているという理由による。したがって電圧に対する、さらなる絶縁手段または磁界に対する被覆は必要ではない。
【００６４】
それぞれのフィールド領域８および９におけるセンサ３の出力信号の処理は差分法を用いて実施され得る。このとき発生する出力信号全体の利用成分を異なるフィールド方向によって増大させることができると共に、外部から構造全体に対して同じように作用する干渉を概ね緩和するか、または完全に除去することができる。このような措置も本発明に係る電流検出装置の感度を向上させるために用いられ、それによって比較的小さな電流も確実かつ正確に測定され得る。
【００６５】
図２ａおよび図２ｂに示す構造は、導体線(すなわち一般には棒体状の導体)を二つのＵ字形の導体経路によって形成する可能性がある限り、いかなる種類の導体線においても使用され得る。同様に全ての導体部において一直線上に並ぶ中間空間２を設けることもできる。
【００６６】
したがって本発明に係る電流検出装置は電力供給装置および例えば自動車にも用いることができる。自動車に応用した場合、通常の自動車用バッテリに供給および当該バッテリから供給される電流および、ハイブリッド自動車において当該ハイブリッド自動車を運転するために必要とされる高出力バッテリに供給および当該バッテリから供給される電流を検出することができる。本発明に係る電流検出装置は感度が向上させられているために、電流の方向を検知しながら、ごく小さな電流も検出することができる。このようにバッテリのさらなる特性、例えば端子電圧、温度、始動時の充電状態などの特性と関連させてバッテリの一般的な充電状態(state of charge,ＳＯＣ)を連続的に、かつ一般的な自動車またはハイブリッド自動車の効率的な運転のための基礎として検出することが可能である。
【００６７】
以下に図３から図５を参照しながら本発明の第３実施形態を説明する。図３から図５において、同一または同種の構成部材に対しては、他の図１ａ、図１ｂおよび図２ａ、図２ｂにおけるものと同一の参照番号が用いられている。
【００６８】
図３から図５は斜視図において異なる表現によって、異なる視点から(図３および図４)、および平面図(図５)において、ほぼ棒体状の導体の導体構造を示している。当該導体は所定の領域Ｓにおいて複数部分から構成されている。当該構造は基本的に、図２ａおよび図２ｂに示されている、導体部１１および１２の二つの概ねＵ字形の形成部を有すると共に対応する二つのフィールド領域８および９を形成してなる構造に対応する。本実施形態においてフィールド領域８は第１の導体部要素５と第２の導体部要素６との間に設けられ、フィールド領域９は第２の導体部要素６と第３の導体部要素７との間に設けられている。中間空間２は所定の領域Ｓ内で同じ高さまたは厚みｄを有して、導体構造全体にわたって延在している。所定の領域Ｓにおいて導体１は複数の部分、本実施形態では二つの部分から構成されており、第１の導体部１１と第２の導体部１２はそれぞれ第１から第３の導体部要素５から７を有して形成され、当該導体部要素は当該第３実施形態では互いに対称的に構成されている。
【００６９】
図３に示す構造はフィールド領域８および９における磁界のフィールド密度およびフィールド強化に関して最適化されており、さらに構造全体、特に第１の導体部１１と第２の導体部１２のそれぞれの第２の(すなわち中央にあって、二重のＵ字形をなす形成部に関して共通の)導体部要素６の電流負荷容量に関して最適化されている。第２の導体部要素６は、第１の導体部要素５と第３の導体部要素７の元の電流密度を概ね維持するために、断面が拡大されており、それによって電流負荷容量が向上し、抵抗の増大による影響が緩和される。導体部１１および１２の抵抗が僅かに増大しても、そのために所定の領域Ｓにおいて熱極が形成されることは回避される。
【００７０】
図４も図３に示す導体構造を斜視図で示しているが、対向する側から見たものである。中間空間２が領域Ｓ全体において(図３参照)均一な高さまたは厚みｄを有して延在しているのが分かる。図４ではまた、電流負荷容量を向上させるために第１の導体部１１と第２の導体部１２の中央の導体部要素６の形成が最適化されていることが分かる。
【００７１】
図３および図４の表現においては表示を簡略化するために図１および図２に示されているセンサ素子３および当該センサ素子３を担持する支持体部４は示されていない。
【００７２】
図５は図３および図４に示す導体構造の平面図を示している。本図ではさらに支持体部４が表されており、当該支持体部４は中間空間(間隙)２に装入され、当該支持体部によってセンサ素子３は、それぞれのフィールド領域８および９に保持されるとともに配置(位置決め)される。
【００７３】
図１ａおよび図２ａにおいては、少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３を有してなる支持体部４は、導体の長手方向の延伸(図１ａ)または第１の導体部１１と第２の導体部１２の導体部要素５から７(図２ａ)に対して、ほぼ直角に装入されたが、支持体部４上の少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３の構成に応じて当該支持体部は任意の角度で中間空間２に装入されてもよい。その場合、一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３は、測定のために当該複数のセンサ素子に対して設けられているフィールド領域８または９のそれぞれに設けられていることが必要である。図５において支持体部４の斜め右上に向かって延伸する部材１０には、例えばセンサ素子３および場合によっては当該センサ素子３と共通の基板上にさらに設けられた回路への給電線が設けられていてよい。
【００７４】
図５に示す構造において、さらなる回路はセンサ素子３との共通の基板上にあり、支持体部４においても同様に第１の導体部１１と第２の導体部１２の領域、特に第２(中央)の導体部要素６の領域の、比較的磁界が弱く、かつポテンシャルもごく僅かである領域に設けられており、それによって電気的な絶縁のための付加的な手段または共通の基板上の構造全体を磁気に対して被覆することは必要ではない。
【００７５】
第２実施形態の場合と同様に、支持体部４上のセンサ素子３は強められた磁界の領域(フィールド領域８および９)に設けられており、それによって同様に小さい電流の場合でも電流検出装置の高い感度が保証されている。
【００７６】
以下に図６を参照しながら本発明の第４実施形態を説明する。
【００７７】
第４実施形態は作用の点で第２および第３実施形態に基づいているが、好適に円形横断面を有してなる任意の導体が用いられ得る。
【００７８】
断面図である図６に示すように、単一導体として構成されている上部導体Ｌａは図２ａにおいて示されているのと同様に二つのＵ字形の部分に応じて湾曲されているため、当該導体、すなわち上部導体Ｌａは断面図において導体の長手方向延伸に対して垂直に切断される。図６ｂは平面図において第１の導体Ｌａの形式の単一導体および付属する切断線を示している。第２の導体Ｌｂは同じように、かつ第１の導体Ｌａと一直線に並ぶように、図６ｂの平面図では第１の導体Ｌａの下方に設けられており、したがって認められない。当該第２の導体は二重のＵ字形として湾曲された形での同一の構成を有している。第１の導体Ｌａと第２の導体Ｌｂには同じ方向に電流が貫流し、図６ａには第１の導体Ｌａの電流の方向Ｉａと第２の導体Ｌｂの電流の方向Ｉｂが記載されている。
【００７９】
二つの別個の単一導体ＬａおよびＬｂは共同で導体(主導体)１を形成し、共通のケーシング１３に設けられており、当該共通のケーシング１３によって機械的に固定されるとともに相応の方法で上下に一直線に重なるように設けられ、それによって図２ａおよび図３から図５に示す、それぞれの導体１の複数部分からなる構造に対応している。
【００８０】
共通のケーシング１３は例えば絶縁的であるが磁気的でない材料からなり、それによって二つの別個の単一導体ＬａおよびＬｂは独自の絶縁を有さずに、相応に二重のＵ字形を成すように湾曲された後に装入され得る。ケーシングは好適にプラスチック材料からなり、一体として、または複数の部材から構成されている。ケーシング１３はまた二重のＵ字形をなす湾曲部の領域(図２ａにおける所定の領域Ｓに対応する)において、図２ａおよび図３および図４に示す構造に比肩しうる中間空間(間隙)２を有しており、当該中間空間は導体のＬａおよびＬｂの導体部全体に一貫して設けられており、均一な所定の距離または高さｄを有している。中間空間２には上記の実施形態の場合と同様に、少なくとも一つのセンサ素子３および好適に複数のセンサ素子３を有してなる支持体部４が装入され得る。このときセンサ素子３はそれぞれ、単一導体ＬａおよびＬｂのフィールド領域８または９(図６ｂ)内に、支持体部４上でのセンサ素子の配置および中間空間２における支持体部４の位置に応じて設けられる。
【００８１】
単一導体ＬａおよびＬｂのフィールド領域８または９において、当該単一導体ＬａおよびＬｂに流れる電流によって、強められた磁界が発生し、それによって当該磁界は少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３によって検出され得る。この場合も複数のセンサ素子３は共通のチップの形をなす共通の基板上に形成されていてもよく、同様に比較的弱い磁界を有する単一導体ＬａおよびＬｂの下方の領域に、少なくとも予備評価のために用いられる付加的な電子工学的回路が設けられていてもよい。表示を簡略化するために、中央処理および制御装置への接続は図面に示されていない。
【００８２】
以上のように本発明に係る電流検出装置の第４実施形態による構造は、第２および第３実施形態において説明された測定原理に基づく電流測定を実施することを可能とし、当該構造において全電流はそれぞれの単一導体ＬａおよびＬｂの二つの部分電流ＩａおよびＩｂに分割され、単一導体ＬａおよびＬｂは相応の方法で前もって湾曲されて共通のケーシング１３に、好適な導体構造(すなわち導体１)を形成するために装入され得る。付属するセンサ素子３を有してなる支持体部４がケーシング１３の中間空間１２に装入されると、上記の測定原理に従った導体およびセンサ素子の構造が実現される。このようにして単一導体においても本発明に係る有利な電流測定を実施することが可能である。
【００８３】
第４実施形態においても第２および第３実施形態の場合と同じ有利点が得られる。特に少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３の構造によって感度を上昇させることができ、それによって当該導体構造においては、どれほど小さい電流でも確実かつ正確に測定され得る。
【００８４】
図６ａは図６ｂの切断線Ｙ−Ｙで切断した断面図を示している。この場合、比較的薄い導体線であっても、平行であると共に同じ方向に電流が貫流する二つの導体線である限りは同様に湾曲され得る。
【００８５】
フィールド領域８および９の部分的に開放された二つの内部空間には、第４実施形態および図６ａの表示によれば磁気的でない材料(共通のケーシング１３の材料)が設けられているが、第１から第３実施形態の相応の領域には図面に示すように当該材料が設けられなくてもよい。
【００８６】
全ての実施形態に共通して、導体構造および特に、または少なくとも当該導体１の複数の部分からなる構成の所定の領域Ｓの周囲に、導体構造全体を包囲するケーシングを設けることが可能である。付属するセンサ素子３を有してなる支持体部４が装入され、かつ接続された後に、当該ケーシングの内部は、電気的な絶縁を行うが磁性的ではない材料によって埋められてよい。この場合、導体構造を密閉し、それによって完全に閉止することによって、負荷のかかった環境で運転した場合でも汚れや望ましくない異物の侵入を回避することができる。
【００８７】
上記の実施形態による電流検出装置の導体構造全体を保護するためだけに、(図面に示されていない)外部ケーシングが、少なくとも所定の領域Ｓに、絶縁的ではあるが非磁性的な密閉物質によって密閉をすることなく設けられる場合は、必要に応じて簡単な方法で付属するセンサ素子３を有してなる支持体部４を交換することができる。対応する支持体部４を中間空間２に装入することと、センサ素子３を二つのフィールド領域８または９に関して位置調整することと、相応に固定すること、とのみが必要であるためである。
【００８８】
これに対して構造全体(少なくとも所定の領域Ｓ)の周囲に設けられたケーシングの内部において、相応の密閉物質を用いて密閉を行うことが好適である場合は、密閉によって中間空間２における支持体部４の配置は相応に位置調整を行った後に、当該調整位置で持続的に固定することができる。これによって、支持体部４に望まないずれが生じ、付属するセンサ素子３が好適なフィールド領域８および９に正確に配設されていないか、もはや正確に配設されていないという状態が避けられる。センサ素子３を支持体部４上に設けることによっても、当該センサ素子３を簡単な方法で位置調整し、かつ固定することができる。
【００８９】
上記の実施形態の全てに該当する点であるが、本発明に係る電流検出装置によって、極めて弱い電流を測定するために強い磁界の領域において、個々のセンサ素子を導体の非常に近くに配置することの有利点と、簡単な構造および簡易化された操作の有利点とを結びつけることが可能である。簡易化された操作は主に、少なくとも一つのセンサ素子３または複数のセンサ素子３を共通の支持体部４、好適には共通の基板(チップ)上に設けることによって支援される。
【００９０】
センサ素子は強い磁界の領域(フィールド領域８および９)にあり、それによって磁界を強めるための、例えば鉄類またはフェライトなどのさらなる手段および部材または素子がなくても済む。本発明に係る電流検出装置によって、より廉価であると共に寸法はより小さい構造でありながら、同時により高い感度を有するものが成立する。それぞれのセンサ素子３が対をなすように設けられている場合、当該それぞれのセンサ素子の出力信号を差分処理することによって、当該センサ素子３に対して同じように作用する干渉は容易に除去されるか、当該干渉の作用が限定され得る。それによって測定の精度および感度が向上する。
【００９１】
本発明に係る電流検出装置は電力供給装置および付属する導体線または電導体のいかなる種類にも応用できる。この点は特に、自動車におけるバッテリの電流供給(充電)に関する自動車への前記の応用について当てはまる。この点は特に、高出力バッテリを有するハイブリッド自動車について重要である。それぞれのバッテリの充電状態は充電電流と放電電流および端子電圧とバッテリ温度とを検出することによって確実かつ持続的に特定され得る。
【００９２】
ここまで本発明を実施形態に基づいて図面に関連させながら説明したが、当該分野の当業者にとって自明であるように、既に説明された図面に従った本発明の構成と、図面および明細書においてそれぞれの構成部材および素子に対して用いられた参照番号と、例示的な記載とは、これらに限定して実現すべきものではない。個々の図面に記載された比率も例示的に、理解しやすくするためにのみ概略的に表示されたものである。本発明は記載された形と比率に限定されるものではなく、特許請求の範囲に該当する実施形態および変化形態の全てが本発明に属するものと見なされる。
【符号の説明】
【００９３】
１  導体
２  中間空間
３  センサ素子
４  支持体部
５  導体部要素
６  導体部要素
７  導体部要素
８  フィールド領域
９  フィールド領域
１０  部材
１１  導体部
１２  導体部
１３  ケーシング
Ｉｇ  全電流
Ｉ１  部分電流
Ｉ２  部分電流
Ｌａ  単一導体
Ｌｂ  単一導体
Ｓ  所定の領域
【図１ａ】
2010048809.tif 000003
【図１ｂ】
2010048809.tif 000004
【図２ａ】
2010048809.tif 000005
【図２ｂ】
2010048809.tif 000006
【図３】
2010048809.tif 000007
【図４】
2010048809.tif 000008
【図５】
2010048809.tif 000009
【図６ａ】
2010048809.tif 000010
【図６ｂ】
2010048809.tif 000011