(57)【要約】      （修正有）【課題】ケーブルに流れる電流を測定するための電流変換器を提供する。【解決手段】電流変換器は、外部磁界の影響を低減するように最適化された強磁性コアを有するヘッドを備え、さらに磁界センサ１および電子回路を備える。電子回路は、少なくとも１つの電流源２、変圧器３、変圧器３に結合した完全差動前置増幅器４、前置増幅器４に結合した位相検波器６、および１つまたは複数の磁界センサを制御して、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック５を備える。１つまたは複数の磁界センサは、好ましくはホール素子１またはＡＭＲセンサまたはフラックスゲートセンサである。【選択図】図１
2014016346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気変換器であって、
磁界センサ、および
電子回路を備え、前記電子回路が、
供給電流を提供する電流源（２）、
２つの入力端子および２つの出力端子を備える変圧器（３）、
２つの入力端子および２つの出力端子を備え、前記２つの入力端子が前記変圧器（３）の前記２つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器（４）、
前記前置増幅器（４）の前記出力端子に結合した２つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器（６）、および
磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック（５、５ａ、５ｃ）を備え、
前記磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるホール素子（１）であり、前記論理ブロック（５）が、所定のスピニングカレント方式に従って、前記ホール素子（１）を前記電流源（２）に、および前記変圧器（３）の前記入力端子に結合させる回路を備える、または
前記磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子、および前記出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ２つの端子を備えるＡＭＲセンサ（１９）であり、供給電流を受け取るのに役立つ前記端子が前記電流源（２）に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が、前記変圧器（３）の前記入力端子に結合され、セットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ前記端子が前記論理ブロック（５）に結合され、前記論理ブロック（５ａ）が、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与える回路を備える、または
前記磁界センサが、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるフラックスゲートセンサであり、前記励磁電流を受け取るのに役立つ前記端子が前記電流源（２）に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が前記変圧器（３）の前記入力端子に結合され、前記論理ブロック（５ｃ）が、前記電流源（２）を制御して、所定の周波数を有する交流電流として前記供給電流を提供する回路を備える磁気変換器。
【請求項２】
磁気変換器であって、
第１の磁界センサおよび第２の磁界センサ、ならびに
電子回路を備え、前記電子回路が、
第１の供給電流を提供する第１の電流源（２）、
第２の供給電流を提供する第２の電流源（２９）、
少なくとも１つのコア、２つの一次巻線、および少なくとも１つの二次巻線を備える変圧器（３）、
２つの入力端子および２つの出力端子を備え、前記２つの入力端子が前記変圧器（３）の前記少なくとも１つの二次巻線の２つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器（４）、
前記前置増幅器（４）の前記出力端子に結合した２つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器（６）、ならびに
前記磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック（５、５ａ、５ｃ）を備え、
前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサがそれぞれ、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるホール素子（１、２８）であり、前記論理ブロック（５）が、所定のスピニングカレント方式に従って、前記第１のホール素子（１）を前記第１の電流源（２）に、および前記変圧器（３）の前記第１の一次巻線に結合させる、ならびに前記所定のスピニングカレント方式に従って、前記第２のホール素子（２８）を第２の電流源（２９）に、および前記変圧器（３）の前記第２の一次巻線に結合させる回路を備える、または
前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサがそれぞれ、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子、および前記出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ２つの端子を備えるＡＭＲセンサ（１９、３１）であり、前記第１のＡＭＲセンサ（１９）の供給電流を受け取るのに役立つ前記端子が前記第１の電流源（２）に結合され、前記第１のＡＭＲセンサ（１９）の出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が前記変圧器（３）の前記第１の一次巻線に結合され、前記第２のＡＭＲセンサの（３１）供給電流を受け取るのに役立つ前記端子が前記第２の電流源（２９）に結合され、前記第２のＡＭＲセンサ（３１）の出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が前記変圧器（３）の前記第２の一次巻線に結合され、第１および第２のＡＭＲセンサ（１９、３１）のセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ前記端子が前記論理ブロック（５ａ）に結合され、前記論理ブロック（５ａ）が、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与える回路を備える、または
前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサがそれぞれ、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるフラックスゲートセンサ（３２、３３）であり、前記第１のフラックスゲートセンサ（３２）の前記励磁電流を受け取るのに役立つ前記端子が前記第１の電流源（２）に結合され、前記第１のフラックスゲートセンサ（３２）の出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が前記変圧器（３）の前記第１の一次巻線に結合され、前記第２のフラックスゲートセンサ（３３）の前記励磁電流を受け取るのに役立つ前記端子が前記第２の電流源（２９）に結合され、前記第２のフラックスゲートセンサ（３３）の出力電圧を与えるのに役立つ前記端子が前記変圧器（３０）の前記第２の一次巻線に結合され、前記論理ブロック（５ｃ）が、前記電流源（２、２９）を制御して、所定の周波数を有する交流電流として前記供給電流を提供する回路を備える磁気変換器。
【請求項３】
前記それぞれの磁界センサの前記第１の電圧端子に出現する電圧および前記第２の電圧端子に出現する電圧が、接地ＧＮＤを基準として、大きさがほぼ等しいが、反対符号を有するように、前記１つまたは複数の電流源（２、２９）が構成される、請求項１または２に記載の磁気変換器。
【請求項４】
ケーブル（４５）を通って流れる電流を測定するための電流変換器であって、請求項１または３に記載の磁気変換器、およびエアギャップ（Ｇ１）を有する単一の強磁性コア（４６）を備えるヘッド（４０）を備え、前記磁界センサ（１、１９）が、前記強磁性コア（４６）の前記エアギャップ（Ｇ１）の内部または近傍に固定される電流変換器。
【請求項５】
ケーブル（４５）を通って流れる電流を測定するための電流変換器であって、請求項２または３に記載の磁気変換器、およびエアギャップ（Ｇ１）を有する第１の強磁性コア（４６）およびエアギャップ（Ｇ２）を有する第２の強磁性コアを備えるヘッド（４０）を備え、前記第１の磁界センサ（１；１９；３２）が前記第１の強磁性コア（４６）の前記エアギャップ（Ｇ１）の内部または近傍に固定され、前記第２の磁界センサ（２８；３１；３３）が前記第２の強磁性コア（４７）の前記エアギャップ（Ｇ２）の内部または近傍に固定される電流変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブルを通って流れる電流を測定するための磁気変換器および電流変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気変換器の１つの重要な用途が、電流により作り出される磁界を測定することによる（電流を伝えるケーブルを切断することのない）非侵襲的電流測定である。このような電流測定を行う便利な方法が、いわゆるクランプオン電流変換器を含む電流変換器を使用することによる。直流および交流の電流を測定することができる電流変換器が通常、電流を伝えるケーブルを囲む強磁性コアと磁気変換器の組合せからなる。付随する磁界を介して測定することができる電流の最小値が、磁気変換器の固有雑音、および外部磁界に対する測定システムの感度に決定的に依存する。クランプオン電流計の精度はまた、強磁性コアの対称軸に対して囲まれたケーブルの位置に対する特定結果の依存性により制限される。
【０００３】
たとえば発電機のようなすべての種類の、異なる目的のための大型電気機械が、製造中またはやがては、最悪の場合には短絡をもたらすことがある漏電電流経路を発達させる場合がある。短絡が発生した場合、機械が損傷するリスクが大きい。リスクを低減するためには、漏電電流経路を検出し、検出された場合には場所を突き止めるために、大型電気機械が定期的に検査される。このような検査では、非常に感度が高く、外乱の影響をそれほど受けないクランプオン電流計が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の第１の目的が、以下の特徴を有する磁気変換器を開発することである：
−１ｎＴまでまたはそれ以下での非常に高い直流および低周波交流の磁気分解能；
−特定の場所での磁界、または２つの場所での磁界の差を測定する能力；
−１ｍｍまでまたはそれ以下の、変換器（さらに磁気センサと呼ばれる）の非常に小さな寸法の磁界に高感度な部分（その結果、センサが強磁性コアのエアギャップの中に合う、またはエアギャップに近接することができ、ギャップは１ｍｍのオーダである）。
【０００５】
本発明の第２の目的が、
−１００μＡまでまたは１μＡのオーダまでもの直流および交流の非常に弱い電流を測定することができ、
−妨害する磁界、特に電流を伝える他のケーブルにより作り出される妨害する磁界に対して高い耐性を有し
−囲まれた、電流を伝えるケーブルの位置に対して感度が低い
電流変換器を開発することである。
【０００６】
本発明のさらに他の目的が、電気機械内の高い電気抵抗の漏電電流経路を検出し、かつ位置を突き止めるためのシステムおよび方法を開発することである。高い電気抵抗は、大きさが１００Ｍオームのオーダの抵抗を意味する。したがって、システムは、直流電流を１００μＡまで、または１μＡのオーダまでさえも測定することができるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の様態によれば、本発明は、ケーブルを通って流れる電流を測定するための電流変換器であって、電流変換器は、ケーブルを囲む少なくとも２つの強磁性コアを備えるヘッドを備え、各コアは、エアギャップ、およびエアギャップに配置された磁界センサを有し、強磁性コアが、互いにほぼ平行に位置決めされ、軸に沿って互いに所定の距離だけ間隔を置かれ、互いに対して軸の周りに所定の回転角だけ回転させられ、その結果、強磁性体のエアギャップが異なる角度に位置する電流変換器を対象とする。
【０００８】
好ましい一実施形態では、ヘッドの強磁性コアの数が２つであり、所定の回転角がほぼ１８０°であり、その結果、２つの強磁性コアのエアギャップが、軸に対して直径方向に反対側に位置する。
【０００９】
他の好ましい一実施形態では、ヘッドの強磁性コアの数が４つであり、所定の回転角がほぼ９０°であり、その結果、４つの強磁性コアのエアギャップが、ほぼ９０°の角度で相互に回転させられる。
【００１０】
各強磁性コアが、少なくとも２つの部品からなってもよく、その結果、ケーブルを切断することなく強磁性コアをケーブルの周りに組み立てることができる。
【００１１】
好ましくは、磁界センサは、ホール素子、または磁気抵抗センサ、たとえばＡＭＲセンサであり、これらのセンサは、強磁性コアのエアギャップの内部または近傍に配置される。
【００１２】
このような電流変換器は、
磁界センサに結合した変圧器、
変圧器に結合した完全差動前置増幅器、
前置増幅器に結合した位相検波器、および
磁界センサを動作させて、交流出力信号を提供するように構成された論理ブロック
をさらに備えてもよい。
【００１３】
第２の様態によれば、本発明は、磁界センサ、および
電子回路を備える磁気変換器に関し、電子回路が、
供給電流を提供する電流源、
２つの入力端子および２つの出力端子を備える変圧器、
２つの入力端子および２つの出力端子を備え、２つの入力端子が変圧器の前記２つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器、
前置増幅器の出力端子に結合した２つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器、および
磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック
を備え、
磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるホール素子であり、論理ブロックが、所定のスピニングカレント方式に従って、ホール素子を電流源に、および変圧器の入力端子に結合させる回路を備える、または
磁界センサが、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子、および出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ２つの端子を備えるＡＭＲセンサであり、供給電流を受け取るのに役立つ端子が電流源に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の入力端子に結合され、セットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ端子が論理ブロックに結合され、論理ブロックが、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与える回路を備える、または
磁界センサが、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるフラックスゲートセンサであり、励磁電流を受け取るのに役立つ端子が電流源に結合され、出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の入力端子に結合され、論理ブロックが、電流源を制御して、所定の周波数を有する交流電流として供給電流を提供する回路を備える。
【００１４】
第３の様態によれば、本発明は、
第１の磁界センサおよび第２の磁界センサ、ならびに
電子回路を備える磁気変換器に関し、電子回路が、
第１の供給電流を提供する第１の電流源、
第２の供給電流を提供する第２の電流源、
少なくとも１つのコア、２つの一次巻線および少なくとも１つの二次巻線を備える変圧器、
２つの入力端子および２つの出力端子を備え、２つの入力端子が変圧器の少なくとも１つの二次巻線の２つの出力端子に結合した完全差動前置増幅器、
前置増幅器の出力端子に結合した２つの入力端子を備え、直流出力電圧を提供する位相検波器、および
磁界センサを動作させて、交流出力電圧を提供するように構成された論理ブロック
を備え、
第１の磁界センサおよび第２の磁界センサがそれぞれ、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるホール素子であり、論理ブロックが、所定のスピニングカレント方式に従って、第１のホール素子を第１の電流源に、および変圧器の第１の一次巻線に結合させ、かつ所定のスピニングカレント方式に従って、第２のホール素子を第２の電流源に、および変圧器の第２の一次巻線に結合させる回路を備える、または
第１の磁界センサおよび第２の磁界センサがそれぞれ、供給電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子、および出力電圧の極性を変えるセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ２つの端子を備えるＡＭＲセンサであり、第１のＡＭＲセンサの供給電流を受け取るのに役立つ端子が第１の電流源に結合され、第１のＡＭＲセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第１の一次巻線に結合され、第２のＡＭＲセンサの供給電流を受け取るのに役立つ端子が第２の電流源に結合され、第２のＡＭＲセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第２の一次巻線に結合され、第１および第２のＡＭＲセンサのセットおよびリセット電流パルスを受け取るのに役立つ端子が論理ブロックに結合され、論理ブロックが、所定の周波数に従ってセットおよびリセット電流パルスを与える回路を備える、または
第１の磁界センサおよび第２の磁界センサがそれぞれ、励磁電流を受け取り、かつ出力電圧を与えるのに役立つ４つの端子を備えるフラックスゲートセンサであり、第１のフラックスゲートセンサの励磁電流を受け取るのに役立つ端子が第１の電流源に結合され、第１のフラックスゲートセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第１の一次巻線に結合され、第２のフラックスゲートセンサの励磁電流を受け取るのに役立つ端子が第２の電流源に結合され、第２のフラックスゲートセンサの出力電圧を与えるのに役立つ端子が変圧器の第２の一次巻線に結合され、論理ブロックが、電流源を制御して、所定の周波数を有する交流電流として供給電流を提供する回路を備える。
【００１５】
好ましくは、１つまたは複数の電流源が、第１の電圧端子に出現する電圧、およびそれぞれの磁界センサの第２の電圧端子に出現する電圧が、接地ＧＮＤを基準として、大きさがほぼ等しいが、反対符号を有するように構成される。
【００１６】
このような磁気変換器が、エアギャップを有する単一の強磁性コアを備えるヘッドを有する電流変換器内で使用されてもよく、磁界センサが、強磁性コアのエアギャップの内部または近傍に固定され、磁界センサが、磁気変換器の変圧器に結合される。
【００１７】
このような磁気変換器が同じく、エアギャップを有する第１の強磁性コアおよびエアギャップを有する第２の強磁性コアを備えるヘッドを有する電流変換器内で使用されてもよく、第１の磁界センサが、第１の強磁性コアのエアギャップの内部または近傍に固定され、第２の磁界センサが、第２の強磁性コアのエアギャップの内部または近傍に固定される。
【００１８】
一般に、本発明の磁気変換器、および本発明の強磁性コアを有するヘッドを、考えられる任意のやり方で組み合わせることができる。
【００１９】
本明細書に組み入れられ、本明細書の一部を構成する添付図面が、本発明の１つまたは複数の実施形態を例示し、詳細な説明と共に、本発明の原理および実装形態を説明するのに役立つ。図面は一定の縮尺ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による磁気変換器の第１の実施形態を示す。
【図２】磁気変換器の第１の実施形態の一変形形態を示す。
【図３】磁気変換器の第１の実施形態の一変形形態を示す。
【図４】スピニングカレント法の１つの位相を示す。
【図５】スピニングカレント法の１つの位相を示す。
【図６】スピニングカレント法の１つの位相を示す。
【図７】スピニングカレント法の１つの位相を示す。
【図８】スピニングカレント法を例示する図を示す。
【図９】定電流源の好ましい一実施形態を示す。
【図１０】本発明による磁気変換器の第２の実施形態を示す。
【図１１】セットおよびリセット電流パルスを作り出すことができる回路を示す。
【図１２】本発明による磁気変換器の第３の実施形態を示す。
【図１３】磁気変換器の第３の実施形態の一変形形態を示す。
【図１４】本発明による磁気変換器の第４の実施形態を示す。
【図１５】本発明による磁気変換器の第５の実施形態を示す。
【図１６】本発明による磁気変換器の第６の実施形態を示す。
【図１７】１つの強磁性コアおよび１つの磁気センサを有する従来技術のヘッドを示す。
【図１８】１つの強磁性コアおよび２つの磁気センサを有する従来技術のヘッドを示す。
【図１９】１つの強磁性コアを有するヘッドの一実施形態の概略図を示す。
【図２０】１つの強磁性コアを有するヘッドの一実施形態の概略図を示す。
【図２１】１つの強磁性コアを有するヘッドの一実施形態の概略図を示す。
【図２２】１つの強磁性コアを有するヘッドの一実施形態の概略図を示す。
【図２３】２つの強磁性コアを有するヘッドの概略図を示す。
【図２４Ａ】図２３のようなヘッドの一実施形態を示す。
【図２４Ｂ】図２３のようなヘッドの一実施形態を示す。
【図２５】ＡＭＲセンサを備えるヘッドを示す。
【図２６】ＡＭＲセンサを備えるヘッドの詳細を示す。
【図２７】ＡＭＲセンサを備えるヘッドの詳細を示す。
【図２８】４つの強磁性コアを有するヘッドの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による磁気変換器の第１の実施形態の図を示す。磁気変換器は、磁界センサ、および磁界センサを動作させる電気回路を備える。この第１の実施形態では、磁界センサはホール素子１である。電気回路は、ホール素子１に供給電流を提供する第１の電流源２、変圧器３、前置増幅器４、論理ブロック５および位相検波器６を備える。変圧器３は、２つの入力端子を備える一次巻線および２つの出力端子を備える二次巻線を有する。前置増幅器４は、２つの入力端子および２つの出力端子を有する完全差動増幅器である。変圧器３の第１の出力端子が、前置増幅器４の第１の入力端子に結合され、変圧器３の第２の出力端子が、前置増幅器４の第２の入力端子に結合される。
【００２２】
ホール素子が、４つの端子を、すなわち、ホール素子を通って流れるホール電流を供給するための２つの端子、およびホール電圧を取り出すための２つの端子を有する磁界センサである。用語「ホール素子」は単一のホール素子を意味する場合もあるが、クラスタを形成するホール素子のグループを含むものとして同じく理解されなければならない。ホール素子のクラスタが、オフセット低下および他の有利な特性を有する。ホール素子は：デバイス表面に高感度な磁界に敏感な従来のプレーナ型ホール素子；またはデバイス表面に平行な磁界に高感度な縦型ホール素子；または同じくデバイス表面に平行な磁界に高感度な１つまたは複数の磁気コンセントレータと組み合わせられたホール素子（またはホール素子のクラスタ）であってもよい。
【００２３】
論理ブロック５は、一般に、以下でさらに説明されるように、交流出力信号を作り出すなどのために、磁界センサを、この実施形態ではホール素子１を動作させるのに役立つ。変圧器３は、信号に対して雑音を大幅に追加することなく磁界センサの交流出力信号を増幅し、かつセンサのオフセット電圧および低周波雑音を遮断するのに役立つ。変圧器３により提供される磁界センサの交流出力信号の電圧利得が、二次巻線と一次巻線の巻数の比に等しい。たとえば、この比はほぼ１０とすることができるが、同じく任意の他の好都合な値とすることができる。
【００２４】
前置増幅器４は、低雑音入力電流のために設計されている。前置増幅器４は、２つの別個の増幅器から、すなわち、非反転入力、反転入力および出力端子をそれぞれ有する第１の増幅器８および第２の増幅器９からなってもよい。増幅器８、９は、好ましくは差動増幅器または計測増幅器である。第１の増幅器８の非反転入力が、第２の増幅器９の反転入力に、および前置増幅器４の第１の入力端子に結合される。第１の増幅器８の反転入力が、第２の増幅器９の非反転入力に、および前置増幅器４の第２の入力端子に結合される。第１の増幅器８の出力端子に出現する電圧Ｖ１および第２の増幅器９の出力端子に出現する電圧Ｖ２が、ほぼ同一の大きさであるが、接地ＧＮＤに対して反対符号である、すなわちＶ１≒−Ｖ２である。第１の増幅器８の出力端子および第２の増幅器９の出力端子が、前置増幅器４の出力端子を形成し、位相検波器６の入力端子に結合される。位相検波器６は、交流電圧Ｖ１およびＶ２の差を直流電圧に変換し、磁界センサにより測定された磁界に比例する直流出力信号を提供する。位相検波器６は、一般に適切なフィルタを含む。変圧器３は１つのコアを備える単一の構成要素である、または２つの個々の変圧器からなってもよい。さらに、変圧器３は、外部の妨害に対して適切に遮蔽される。
【００２５】
図２は、変圧器３が３つの出力端子を備える二次巻線を有する、第１の実施形態の第１の変形形態を示し、出力端子の１つが中間端子である。中間端子が、接地ＧＮＤに直接、または図示されるように前置増幅器４の接地端子ＧＮＤに結合される。
【００２６】
図３は、変圧器３が２つの変圧器３ａおよび３ｂからなる、第１の実施形態の第２の変形形態を示す。２つの変圧器３ａおよび３ｂの一次巻線が、並列方式で結合され、変圧器３ａおよび３ｂの４つの出力端子のうち２つが中間端子を形成するように二次巻線が結合される。中間端子が、接地ＧＮＤに直接、または図示されるように前置増幅器４の接地端子ＧＮＤに結合される。
【００２７】
これらすべての実施形態では、ホール素子１がスピニングカレント法に従って動作させられ、この目的のために役立つのが論理ブロック５である。スピニングカレント法は、４つの位相、すなわち位相１、位相２、位相３および位相４（図４〜図７に示す）、または２つの位相だけ、すなわち位相１および位相３を通って所定のタイムクロックに従って動作する周期的なやり方で電流源２および変圧器３にホール素子１を結合させることにある。論理ブロック５は、クロック発生器、および位相の間を変えるための複数の電子スイッチ７、および制御回路を備える。論理ブロック５は、クロック発生器から得られる周期的クロックで実行される所定の結合シーケンスである所定のスピニングカレント方式に従って、電流源２に、および変圧器３の入力端子にホール素子１の端子を結合させるために、電子スイッチ７を開閉するように構成される。好ましい結合シーケンスが４つの位相を備える。図４〜図７は、ホール素子１、電流源２および変圧器３について例示的に４つの位相におけるスイッチの状態を示す。位相１および位相２におけるホール電圧の極性が、位相３および位相４におけるホール電圧の極性と反対であり、その結果、ホール電圧が、交流電圧として変圧器に供給される。スピニングカレント法は、ホール電圧をオフセット電圧から分離するのに役立つ。ホール電圧を交流電圧として、およびホール素子１のオフセット電圧を直流電圧として、変圧器３の入力端子に与える限り、４つの位相の任意の結合方式が可能である。変圧器３により直流電圧が通過することができなくなるので、ホール素子１のオフセット電圧が除去される。論理ブロック５が、位相検波器６に結合され、クロック発生器から得られるタイミングまたはクロック信号を位相検波器６に送り出す。
【００２８】
図８は、ホール素子１に対するスピニングカレント法の動作を示す。上から下へ図は以下を示す：
−論理ブロック５（図１）のスイッチ７（図４〜図７）の状態変化を起動する（クロック発生器２７から得られる）内部クロック信号、
−４つの位相が動作状態にある時間（換言すれば、各位相が活動状態にある位相である時間）、および
−最後の２つの図が、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔと呼ばれる、ホール素子の出力信号の直流成分、およびホール電圧Ｖｈａｌｌと呼ばれる、ホール素子の出力信号の交流成分を示す。
この場合、４つの位相のシーケンスが、最小限のスイッチが、一方の位相から次の位相に遷移するときにスイッチの状態を変えなければならないように選ばれ、その結果、ホール電圧Ｖｈａｌｌの周波数がクロック信号の半分の周波数となる。
【００２９】
図９は、定電流源として作動する電流源２（および電流源２９）の好ましい一実施形態を示す。また、電流源２の端子の１１および１２に直接結合したホール素子１が、電流源２の作動方法を理解するために示されている。電流源２は、第１の演算増幅器１３、トランジスタ１４および抵抗器１５を備える第１の部分回路、ならびに第２の演算増幅器１６ならびに２つの抵抗器１７および１８を備える第２の部分回路からなる。トランジスタ１４および抵抗器１５が直列に結合され、演算増幅器１３の反転入力が、トランジスタ１４および抵抗器１５の接続点に結合される。演算増幅器１３の非反転入力に、基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。この第１の部分回路が、「従来型」定電流源と呼ぶことができる回路を形成し、任意の他のタイプの従来の定電流源により置換されてもよい。また、この好ましい実施形態で実現される本発明の電流源２が、第２の部分回路を備える。抵抗器１７および１８が直列に結合される。抵抗器１７の第１の端子が電流源２の第１の端子を形成し、抵抗器１８の第１の端子がトランジスタ１４に結合され、電流源の第２の端子を形成する。抵抗器１７および１８の第２の端子が互いに結合され、演算増幅器１６の反転入力に結合される。演算増幅器１６の非反転入力が接地ＧＮＤに結合される。演算増幅器１６の出力が、抵抗器１７の第１の端子に結合される。第２の部分回路により、ホール素子１の第１のホール電圧端子に出現する電圧ＶＨ１および第２のホール電圧端子に出現する電圧ＶＨ２が、接地ＧＮＤを基準として、大きさがほぼ等しいが、反対符号を有するようになる。そのために、ホール電圧をＶＨと示す場合、よい近似でＶＨ１＝（１／２）ＶＨおよびＶＨ２＝−（１／２）ＶＨが得られる。したがって、コモンモード信号が発生しないように、定電流源２の第２の部分回路がホール素子１にバイアスをかける。この電流源が同じく、供給電流をＡＭＲセンサに与えるために使用されてもよい。
【００３０】
図１０は、本発明による磁気変換器の第２の実施形態の図を示す。この第２の実施形態では、磁界センサは異方性磁気抵抗（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＡＭＲ）センサ１９である。ＡＭＲセンサ１９の磁界に高感度な部分が、ホイートストンブリッジの中に接続された４つの強磁性薄膜抵抗器からなる。ブリッジ回路に加えて、ＡＭＲセンサ１９は、内部セット／リセットストラップ２６または外部コイル、およびセットおよびリセット電流パルスをセット／リセットストラップ２６または外部コイルに印加することにより、ブリッジ出力電圧の極性を反転することが可能になる、対応する回路のような構成要素をさらに備える。セット電流パルスが、センサブリッジの極性が正の磁界に対して正であるように、ＡＭＲセンサ１９の磁区を順方向の磁化容易軸方向に整列させる正電流パルスと定義され、ブリッジ出力接続両端に正電圧をもたらす。リセット電流パルスが、センサブリッジの極性が正の磁界に対して負であるように、ＡＭＲセンサ１９の磁区を逆方向の磁化容易軸方向に整列させる負電流パルスと定義され、ブリッジ出力接続両端に負電圧をもたらす。
【００３１】
したがって、ＡＭＲセンサが、６つの端子を、すなわち供給電流をホイートストンブリッジに供給するための２つの端子、ホイートストンブリッジの出力電圧を取り出すための２つの端子、ならびにセットおよびリセット電流パルスをセット／リセットストラップ２６または外部コイルに印加するための２つの端子を有する磁界センサである。この意味で、外部コイルはＡＭＲセンサの一部である。このようなＡＭＲセンサ１９が、たとえばＨｏｎｅｙｗｅｌｌ社から入手可能である（ＨＭＣ１００１として販売されている）。磁気変換器の電気回路が、第１の実施形態と同一構成要素を備え、図１〜図３に示される異なる変形形態のいずれかで実現されてもよいが、論理ブロック５が、部分的に異なる機能を有し、したがって、第１の実施形態と異なる論理ブロック５ａとして構成される。
【００３２】
ＡＭＲセンサ１９の出力電圧が交流出力信号となるように、論理ブロック５ａが、所定の周波数に従ってセットおよびリセットパルスを作り出すように構成される。論理ブロック５ａが、位相検波器６に結合され、セットおよびリセットパルスの周波数に従ってタイミングまたはクロック信号を位相検波器６に送り出す。図１１は、大きなピーク電流を有するセットおよびリセットパルスを作り出すことができる回路の一実施形態を示す。回路は、２つの相補型パワーＭＯＳＦＥＴを、すなわち、ｐチャネルのＰ−ＭＯＳＦＥＴ２０およびｎチャネルのＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１（たとえばＩＲＦ７１０５という商品名で入手可能）、２つの抵抗器２２、２３および２つのコンデンサ２４、２５を備える。第１の抵抗器２２および２つのパワーＭＯＳＦＥＴ２０、２１が直列に結合され、２つのパワーＭＯＳＦＥＴ２０、２１がＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）インバータとして結合される。第１のコンデンサ２４が、第１の抵抗器２２およびＰ−ＭＯＳＦＥＴ２０の間に位置するノードを接地と接続する。第２のコンデンサ２５が、２つのパワーＭＯＳＦＥＴ２０、２１の共通ノード、およびＡＭＲセンサ１９のストラップ２６または外部コイルに結合される。第２の抵抗器２３が、正の供給電圧Ｖｄｄ、およびパワーＭＯＳＦＥＴ２０、２１のゲートに結合される。クロック発生器２７の出力が、同じくパワーＭＯＳＦＥＴ２０、２１のゲートに結合される。例示的値が、抵抗器２２＝２２０オーム、抵抗器２３＝２０ｋオーム、コンデンサ２４＝１０μＦ、コンデンサ２５＝２２０ｎＦである。クロック発生器２７が、所定の周波数のパルスを与える。発生器２７のパルスレベルのあらゆる変化がセットまたはリセットパルスを作り出す：しばらくの間、クロック発生器２７の出力電圧が低い場合、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１が非導通となり、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ２０が導通し、その結果、コンデンサ２５が、抵抗器２２およびＰ−ＭＯＳＦＥＴを介してＶｄｄにほとんど等しい正電圧に充電される。クロック発生器２７の出力電圧が高くなると、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ２０が非導通となり、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１が導通となり、コンデンサ２５が、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１を介して急速に放電される。放電電流がストラップ２６を通って流れ、ＡＭＲセンサ１９のためのリセットパルスを作り出す。クロック発生器２７の出力電圧が高いままでいる間、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ２０が非導通となり、コンデンサ２４が抵抗器２２を介してＶｄｄにほとんど等しい正電圧に充電される。クロック発生器２７の出力電圧が低くなると、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１が非導通となり、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ２０が導通となり、コンデンサ２５が、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ２０を介してコンデンサ２４から急速に放電される。放電電流がストラップ２６を通って流れ、ＡＭＲセンサ１９のためのセットパルスを作り出す。セットまたはリセットパルスの継続時間は、クロック信号の１サイクルの継続時間と比較して、相対的に短い。
【００３３】
図１２は、本発明による磁気変換器の第３の実施形態の図を示す。この実施形態では、磁気変換器が、２つのホール素子１および２８、第１のホール素子１に第１の供給電流を提供する第１の電流源２、ならびに第２のホール素子２８に第２の供給電流を提供する第２の電流源２９を備えるが、電気回路の他の構成要素は、第１および第２の実施形態と本質的に同一である。この実施形態では、変圧器が、２つの入力端子を備える一次巻線および２つの出力端子を備える二次巻線をそれぞれ有する２つの変圧器３および３０から本質的になる。論理ブロック５が、第１の電流源２、および第１の変圧器３の一次巻線を第１のホール素子１に、ならびに第２の電流源２９、および第２の変圧器３０の一次巻線を第２のホール素子２８に結合して、スピニングカレント法に従ってホール素子１、２８を動作させ、その結果、ホール素子１、２８がそれぞれ交流出力信号を作り出す。図１３は、変圧器３が、１つの共通の磁気コアおよび２つだけの出力端子を有する単一の構成要素として形成されるが、接地ＧＮＤに結合されるように構成された第３の中間出力をさらに有してもよい、第３の実施形態の一変形形態を示す。
【００３４】
図１４は、本発明による磁気変換器の第４の実施形態の図を示す。この実施形態では、磁気変換器が、２つのホール素子の代わりに２つのＡＭＲセンサ１９および３１を備える。ＡＭＲセンサ１９および３１が、第１の電流源２または第２の電流源２９に、および第１の変圧器３または第２の変圧器３０の一次巻線に直接結合される。論理ブロック５ａが、第２の実施形態と同じ方法でＡＭＲセンサ１９および３１を動作させる、すなわち、論理ブロック５ａが、所定の周波数に従って、ＡＭＲセンサ１９および３１のストラップ２６または外部コイルに、セットおよびリセットパルスを印加する。また、変圧器３および３０が、第１〜第３の実施形態で示される異なる方法のいずれかで構成されてもよい。
【００３５】
１つもしくは複数のホール素子または１つもしくは複数のＡＭＲセンサの代わりに、磁気変換器はまた、たとえば１つもしくは複数のＧＭＲ（ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、巨大磁気抵抗）センサまたは１つもしくは複数のフラックスゲートセンサのような任意の他のタイプの磁気抵抗センサを備えてもよい。フラックスゲートセンサが、ワイヤで作った２つのコイルにより巻きつけられた小型の磁気的に感度の高いコアからなる。電流源が、第１のコイルを通過した、所定の周波数を有する、交番する電流を提供し、磁気飽和の交番するサイクルを通してコアを駆動する、すなわち、磁化される、非磁化される、逆方向に磁化される、非磁化される、磁化されるなどである。この絶えず変化する磁化が第２のコイル内に電圧を誘導し、電圧の位相が、測定される外部磁界に依存する。図１５は、本発明による磁気変換器の第５の実施形態の図を示す。この実施形態では、磁気変換器が、２つのフラックスゲートセンサ３２および３３を備える。フラックスゲートセンサ３２の第１のコイルが電流源２に結合され、フラックスゲートセンサ３２の第２のコイルが、第１の変圧器３の一次巻線に結合される。フラックスゲートセンサ３３の第１のコイルが電流源２９に結合され、フラックスゲートセンサ３３の第２のコイルが、第２の変圧器３０の一次巻線に結合される。論理ブロック５ｃが、電流源２の出力の周波数を制御するクロック発生器を備える。位相検波器６が同期復調器として動作する。図１５に示される磁気変換器が、２つのフラックスゲートセンサを備える。しかしながら、１つのフラックスゲートセンサだけを有する磁気変換器が、第１〜第４の実施形態と類似する形で形成されてもよい。
【００３６】
図１６は、本発明による磁気変換器の第６の実施形態の図を示す。この実施形態では、磁界センサがＡＭＲセンサである。ＡＭＲセンサ１９が、第１〜第５の実施形態と同一構成要素を備え、かつ文字「ａ」でラベルをつけられた第１の増幅チェーンに結合され、ＡＭＲセンサ３１が、第１〜第５の実施形態と同一構成要素を備え、かつ文字「ｂ」でラベルをつけられた第２の増幅チェーンに結合される。位相検波器６ａおよび６ｂの出力が、電圧計３４またはアナログ−デジタル変換器に結合される。しかしながら、変圧器が、第１〜第５の実施形態のいずれかの形のように構成されてもよい。また、磁界センサを、ホール素子またはフラックスゲートセンサとすることができ、この場合、論理ブロック５ａが、上記で示されるように、ホール素子またはフラックスゲートセンサのために修正されなければならない。
【００３７】
任意の種類の２つのセンサを備えるすべての実施形態において、１つの単一の磁気コア、２つの一次巻線および（図１３のような）１つの二次巻線または場合によっては２つの二次巻線を有する１つの変圧器を有することが好ましいが、実施形態のいくつかで示されるような２つの別個の変圧器も同じく可能である。この理由は、２つのセンサ信号の差または和が、好ましくは信号チェーン内でできるだけ早く作られるべきであり、したがって、このことが（磁束レベルで）変圧器コア内で最もよく行われるためである。
【００３８】
本発明の磁気変換器は、さまざまな用途で使用されてもよい。磁気変換器が２つの磁界センサを備える場合、本発明の磁気センサは、たとえば磁気勾配計として使用されてもよい。磁気勾配計が磁界の勾配を測定する。軸勾配計では、磁気変換器の２つの磁界センサが、共通軸上に、互いの上方に配置される。磁気変換器から得られる結果が、１次空間導関数に対応する、空間におけるこの地点の磁束密度の差である。プレーナ型勾配計では、２つの磁界センサが互いに隣に配置される。磁気変換器はまた、導体を通って流れる電流により作り出される磁界の強さを特定するという点で、電流変換器として使用されてもよい。この場合、電流変換器は、好ましくは、磁気変換器の１つまたは複数の磁界センサが配置される、少なくとも１つのエアギャップを有する磁気回路を備える。このような電流変換器が、クランプオン電流変換器または電流計として形成されてもよい。
【００３９】
２つの磁界センサを使用するどの用途でも、測定される磁界の方向が、両方の磁界センサについて同一である場合、関連する変圧器への第２の磁界センサの結合を、さまざまな実施形態で示されるように行うことができる。２つの磁界センサの場所における磁界方向が反対方向に延びる場合、第２の磁界センサの出力信号の極性が、第１の磁界センサの出力信号の極性に対して反転させられる。この場合、２つの磁界センサのうち一方の入力電流または出力電圧が反転させられる必要がある（これは、たとえば、電流源もしくは変圧器への結合方式を変えることにより、または変圧器の巻線方向を修正することにより行うことができる）。
【００４０】
以下の実施形態および図では、例示目的のために、磁気変換器内で使用される１つまたは複数の磁界センサが、１つまたは複数のホール素子であるが、磁界センサはまた、１つまたは複数のＡＭＲセンサまたはフラックスゲートセンサであってもよい。以下で使用される磁気変換器が、１つまたは複数の磁界センサ、および１つまたは複数の磁界センサを動作させるための電気回路を備える。
【００４１】
図１７は、最新技術による電流変換器の主要な機械的構成の概略図を示す。電流変換器が、エアギャップＧ１を備える環状の強磁性コア４６を備え、エアギャップ内には、磁気変換器の磁界センサ、たとえばホール素子１が配置される。コア４６が、測定される電流Ｉが流れるケーブル４５を囲む。クランプオン電流変換器では、コア４６が、ケーブル４５の周りに組み立てられる（クランプされる）ことができる、少なくとも２つのほぼ同一の半円形部品５４および５５からなる。好ましい実施形態では、コア４６の部品５４および５５の間に２つのエアギャップＧ１、Ｇｐが存在する。エアギャップＧ１が磁界センサを受け入れるために使用されるが、エアギャップＧｐは、互いに接触する、コア４６の部品５４および５５の表面の不完全さのために存在する寄生エアギャップである。恒久的な非クランプオン用途のために設計された電流変換器では、強磁性コア４６が通常１つの部品から作られ、寄生エアギャップＧｐが存在しない。ケーブル４５を通って流れる電流Ｉが、エアギャップＧ１内に磁界Ｂを作り出し、磁界Ｂが磁気変換器の磁界センサにより測定される。磁気変換器の出力が電流Ｉに比例する。比例定数が電流変換器の感度と呼ばれる。
【００４２】
このような電流変換器には２つの重大な欠陥が存在する。一方の欠陥が、電流変換器の感度がコア４６内部の囲まれたケーブル４５の位置に依存することである。たとえば、ケーブル４５がコア４６の中心からエアギャップＧ１に向かって移動する場合、磁気センサが電流Ｉに関連する、より強い磁界に曝され、電流変換器により測定される電流がより大きく出現する。他方の欠陥が、電流変換器の出力信号が外部磁界に依存することである。たとえば、図１７を参照すると、内部磁界Ｂと同一方向を有する外部磁界Ｂｅｘｔが、エアギャップＧ１内に寄生磁界Ｂｐａｒを作り出す。寄生磁界Ｂｐａｒは、測定されるべき内部磁界Ｂと区別することができない。非常に高い透磁率の材料から作られ、かつ非常に小さなエアギャップを備えるコアでは、寄生磁界Ｂｐａｒがほぼ以下の式により与えられる：
Ｂｐａｒ≒Ｄｅｘｔ２／（ａ×ｂ）×（ｇｐ／ｇ１）×Ｂｅｘｔ
ここで、Ｄｅｘｔはコア４６の外径を示し、ａおよびｂはコア４６の矩形断面の寸法であり、ｇ１およびｇｐは、それぞれエアギャップＧ１およびＧｐの厚さである。Ｄｅｘｔ２／（ａ×ｂ）の項は、コア４６の中へ外部磁束が集中する効果に起因する。この項は、さらに磁気集中（ｍａｇｎｅｔｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）効果と呼ばれる。（ｇｐ／ｇ１）の項は、２つのエアギャップＧ１およびＧｐの間の集中した磁束の分担率（ｓｈａｒｉｎｇ  ｒａｔｉｏ）を表す。
【００４３】
図１７に示される構造がクランプオン電流変換器で使用されるとき、クランプオン電流変換器は第３の重大な欠陥を示し、この欠陥は、コア４６のクランプオンおよびオフを繰り返した後の感度の再現性が悪いことである。これは、電流変換器の感度が係数１／（ｇ１＋ｇｐ）に比例し；数パーセントよりもよい和（ｇ１＋ｇｐ）の再現性を保証する、クランプオン機構の機械的精度を達成することが非常に困難であるという事実に起因する。
【００４４】
最初の２つの欠陥を軽減しようとする公知の試みが図１８に示されている。変換器のコア４６が、間に２つの同一のエアギャップＧ１、Ｇ２を有するほぼ同一サイズの２つの半円形部分５４および５５からなり、ギャップの各々の中には、磁界センサが、たとえば図示されるようにホール素子１または２８が存在する。このような構造は、ケーブル４５の位置決めに関してより強固である。しかし、外部磁界の寄生的な影響を抑制するためには、システムのギャップＧ１−ホール１およびギャップＧ２−ホール２の完全な対称性が必要であり、この対称性は、特にクランプオン型の電流変換器では達成困難である。さらに、クランプオン変換器の場合、この構造はまた、再現性が悪いという問題点がある。
【００４５】
図１９は、電流変換器の測定ヘッド４０の第１の実施形態を示す。ヘッド４０は、３つの強磁性部品５３〜５５からなるほぼ円形のコア４６を有する。部品５３は、半円形よりも長い円弧の形を有する。２つの部品５４および５５は、円形の１／４より短い円弧である。部品５３および５４の間、ならびに部品５３および５５の間の接触面が、互いにほぼ並行である。これらの測定結果が以下の通りである：
−強磁性部品５３の形が文字Ｃのように見える。これは、外部磁界Ｂｅｘｔにより生じた外部磁束Φｅｘｔが、エアギャップのない（図１９では左側である）磁気コア４６の側面に向けられるという結果をもたらす。言い換えると、部品５３がホール素子１を外部磁界Ｂｅｘｔから遮蔽する；Ｃ字型部品５３を備えるこのようなコアには自己遮蔽効果がある。
−２つの部品５４および５５を互いに固定して接続することができるが（図示されていない非磁気的手段による）、エアギャップＧ１が部品５４および５５の間に形成され、磁界センサがエアギャップＧ１内に配置される。この解決策により、エアギャップＧ１の幅が、常に同一のままであり、したがって、ヘッドが再度組み立てられたときにどのような機械的整列誤差とも無関係であるように、エアギャップＧ１以外の場所でヘッドを２つの部分に分解することが可能になる。
−部品５３および５４の間、ならびに部品５３および５５の間の接触面にそれぞれある２つの寄生エアギャップＧｐ１およびＧｐ２の領域が、図１９に示される場合よりはるかに大きいことが好ましい。このことはまた、クランプオン動作のよりよい再現性をもたらす。
−部品５３の円弧が半円よりも長くない場合、コア４６のクランプオンの隙間が、コア４６の内径と同じ大きさである隙間の最大値に達する。
【００４６】
図２０は、図１９に示される実施形態の一変形形態を示し、この場合、コア４６の部品５３が、電流を伝えるケーブル４５を３つの側面で完全に囲むＵ字型を有する。部品５４、５５が短く、ほぼ直線である。この解決策は、外部磁束が部品５３の丸い部分を優先的に通過し、したがって、磁界センサを回避するので、外部磁界に対してさらに改善された耐性を提供する。言い換えると、Ｕ字型部品５３を備えるこのようなコア４６には強い自己遮蔽効果がある。部品５４、５５が、たとえばこれらの部品の間にエアギャップＧ１を形成するために、非磁性的手段５６により互いに固定して接続され、磁界センサがエアギャップＧ１内に配置される。
【００４７】
図２１は、コア４６が２つの部品５３および５４からなる一実施形態を示し、第１の部品５３がＵ字型を有し、部品５４が直線部品である。Ｕ字型部品５３の形状および／または断面が、たとえば長方形である。エアギャップＧ１、Ｇ２を有する磁気回路部分が、Ｕ字型部品５３に対して９０°回転させられるように、部品５４がＵ字型部品５３の脚部の一方に位置決めされる。したがって、囲まれたケーブル４５内を流れる電流Ｉにより作り出される磁界Ｂが、ホール素子１および２８の位置でケーブル４５の長手方向の軸（示される座標系ではｙ軸である）と平行な方向に向く。この構造は、部品５３、５４により、外部磁界Ｂｅｘｔのｘおよびｚ成分から自己遮蔽される。外部磁界のｙ成分だけが、ホール素子１および２８から「とらえられる」。しかし、強磁性コア４６の部品５３、５４が、ｙ方向で短く、その結果、この方向での磁気集中効果が最も小さい。さらに、電流Ｉにより作り出される磁界Ｂの方向が、２つのホール素子１および２８で反対であり、かつ外部磁界Ｂｅｘｔのｙ成分の方向が同一であるので、外部磁界Ｂｅｘｔによる信号を相殺することができる。したがって、この解決策は、外部磁界に対して、特に、実質的にｙ成分を有しない、ケーブル４５と平行に位置決めされた他のケーブルにより作り出される磁界に対して、さらに改善された耐性を提供する。
【００４８】
図２２は、図２１の実施形態の一変形形態の上面図を示し、この場合、コア４６の部品５３の脚部の両側に２つの直線状の部品５４ａ、５４ｂが位置決めされ、その結果、１つのホール素子１ａまたは１ｂ、２８ａ、２８ｂ（見えない）をそれぞれ有する４つのエアギャップ（２つのエアギャップＧ１ａ、Ｇ１ｂだけが見える）が形成される。電流Ｉにより作り出される磁界Ｂａ、Ｂｂの方向が、ホール素子１ａ、１ｂで反対であり、かつ外部磁界Ｂｅｘｔのｙ成分の方向が同一であるので、外部磁界による信号を相殺することができる。したがって、この解決策は、外部磁界の方向と無関係に外部磁界に対してさらになお改善された耐性を提供する。さらに、コア４６の部品５３に対してホール素子１ａまたは１ｂ、２８ａ、２８ｂの位置が対称であるために、クランプオン動作の再現性がはるかに改善される。この解決策があれば、２つの部品５４ａ、５４ｂが、部品５３の両側で部品５３の対称平面に対して対称に配置される。
【００４９】
図１９〜図２２に示される電流変換器のような電流変換器の複数のヘッドが、並列に使用されてもよい。ヘッドが、ケーブル４５の軸に沿って互いにほぼ平行に位置決めされる。ヘッドの各々が、個々のまたは同一の角度で、たとえば角度９０°または１８０°でケーブル４５の軸の周りに回転させられてもよい。ヘッドの磁気センサを並列に動作させることができる。あるいは、各磁気センサまたは１対の磁気センサが、いくつかの磁気変換器を構築するために別個の電子回路に接続されてもよく；すべての磁気変換器の信号出力が合計され、信号のこの合計が、電流変換器システム全体の出力信号を表す。図１９〜図２２に示される個々の電流変換器と比較して、この解決策は、よりよい信号対雑音比、外部磁界に対して改善された耐性、および囲まれた、電流を伝えるケーブル４５の位置に対するより低い感度を提供する。
【００５０】
図２３は、図１７に示される構造に類似する２コア構造からなる電流変換器のヘッド４０の一例を示す。２コア構造が、軸５０に沿って互いにほぼ平行に位置決めされ、軸５０に沿って互いに所定の距離だけ間隔を置かれる。ケーブル４５が軸５０に沿って延びる。第２のコア４７が、第１のコア４６に対してほぼ１８０°の角度でケーブル４５の軸の周りに回転させられる。
【００５１】
図２３のヘッド４０は、２つの磁気回路を形成する強磁性コア４６および４７を備え、各々が、エアギャップＧ１またはＧ２をそれぞれ有し、寄生エアギャップＧ１ｐまたはＧ２ｐをそれぞれ有する。コア４６、４７が、ケーブル４５の方向に沿って互いに離れて配置される。第１のホール素子１が第１のコア４６のエアギャップ内に配置され、第２のホール素子２８が第２のコア４７のエアギャップ内に配置される。ケーブル４５を通って流れる電流が磁界Ｂを作り出す。ケーブル４５内を流れる電流Ｉにより作り出される磁界Ｂが、ホール素子１および２８の場所で反対方向に向く（反対方向に向く矢印により示される）ように、２つのコア４６、４７のエアギャップＧ１およびＧ２が、好ましくは、中心軸５０に対して直径方向に反対側に位置する。したがって、２つのホール素子１および２８の出力信号の差が、存在する場合がある外部磁界Ｂｅｘｔと無関係である。図２３に示される強磁性コア４６および４７を、図１９〜図２２に示されるコアのいずれかと容易に置換することができる。さらに、他のこのようなコアを追加することができる。これにより、外部磁界に対する耐性および信号対雑音比がさらに改善され、囲まれた、電流を伝えるケーブル４５の位置に対する感度がより低くなり、再現性がよりよくなる。
【００５２】
クランプオン用途で、たとえばクランプオン電流計で使用するために、ケーブル４５の周りにヘッド４０を搭載することが可能であるように、ヘッド４０が互いに取り外し可能な少なくとも２つの部分から機械的になる。これは、コア４６、４７がそれぞれ少なくとも２つの強磁性部品からなることを意味する。図２４Ａおよび図２４Ｂは、コア４６、４７の各々が、半円形形状の、ほぼ同一サイズの２つの強磁性コア半分を備える好ましい一実施形態によるヘッド４０の２つの部分を示す。ヘッド４０の２つの部分が、コア半分が浮動的なやり方で搭載され、かつコア半分の間に再現性のある接触を保証するためにばねが提供される基本的本体をそれぞれ備える。第１のホール素子１が、コア４６のコア半分の端部に搭載され、第２のホール素子２８が、同一ヘッド部分のコア４７のコア半分の端部に、かつ図から理解することができるように、コア半分の反対側にある端部に搭載される。ヘッド４０の２つの部分が組み立てられたとき、コア４６の第１のコア半分の第１の端部および第２のコア半分の第１の端部が互いに接触するが、第１のコア半分の第２の端部および第２のコア半分の第２の端部がエアギャップにより分離される。コア４７について同じことがあてはまる。ホール素子１、２８がそれぞれ、突き出るフレーム、またはヘッド４０が組み立てられた状態でそれぞれのエアギャップの幅を規定する他の間隔保持手段により縁取られる。２つの部分の基本的本体が、自己整列手段を、たとえばピンおよびピンを受け入れる円錐状の開口、ならびに接続された状態で２つの部分の間に弾性引力を発生させるばねを有する。これにより、一方では、コア半分の第１の端部が再現性よく接触することが保証され、他方では、ヘッド４０の２つの部分がケーブル４５の周りにクランプされたときにエアギャップの幅が常に同一であることが保証される。
【００５３】
ヘッド４０が取り外し可能である必要がない用途で使用するためには、強磁性コア４６、４７が、どんな寄生エアギャップも避けるために、できるだけ強磁性ではない部品からなってもよい。
【００５４】
高い比透磁率が、任意のあり得る環境磁界からホール素子１、２８を遮蔽するのに役立つので、強磁性コア４６、４７の材料が、少なくとも１０００の高い比透磁率を有しなければならない。さらに、強磁性コア４６、４７が、理想的には残留磁界を有するべきではない。これを達成するのは困難であるので、強磁性コア４６、４７が容易に消磁可能であるべきである。このために、コイル５２が４つのコア半分の各々で巻かれ、ヘッド４０が、強磁性コア４６、４７を消磁する消磁モードでコイル５２を動作させるために必要な電子回路を備える。コアを消磁する古典的方法が、励磁を徐々に低下させて反対方向に数回コアを磁化することである。これは、たとえば、コイル５２およびコンデンサを備える共振回路を使って、共振回路の共振周波数に達するまで、共振回路を通って流れる電流の周波数を線形に増大させ、そこに数周期留まり、次いで、指数関数的に電流を低減することにより行うことができる。
【００５５】
クランプオン電流計が、いわゆる開ループモードで、または閉ループモードで動作させられてもよい。閉ループモードでは、コイル５２には、ケーブル４５を通って流れる電流により生み出された磁界と反対の磁界をそれぞれの磁気コアのエアギャップ内に生み出すコイル電流を測定中に供給される。コイル電流の大きさが、それぞれのエアギャップ内に配置されたホール素子のホール電圧がゼロに等しくなるように調節される。
【００５６】
ヘッド４０のこれらすべての実施形態では、ヘッド４０がさらに、ホール素子１に隣接するエアギャップ内に配置された第２のおよび／または第３のなどのホール素子を有してもよい。追加の１つまたは複数のホール素子を使用することにより、信号対雑音比が増大する。さらに、いくつかの図で示されるように、強磁性コア４６および４７の形状がトロイダル形状に限定されない。１つまたは複数の強磁性コアが、任意の他の適切な形状を、たとえば長方形の形状またはＤ字型を有してもよい。
【００５７】
１つまたは複数のホール素子が、１つもしくは複数のＡＭＲ（異方性磁気抵抗）センサまたは１つもしくは複数のＧＭＲセンサまたは１つもしくは複数のフラックスゲートセンサまたは１つもしくは複数の任意の他の適切な磁界センサと置換されてもよい。図２５は、ＡＭＲセンサ１９、３１を備えるこのようなヘッド４０の一実施形態を示す。ＡＭＲセンサ１９、３１は通常、ＡＭＲセンサ１９、３１のＩＣハウジングの上面に平行に延びる磁界の方向に高感度であるので、好ましくは、エアギャップを小さく保つことができるように、強磁性コア４６、４７のエアギャップ内ではなく、エアギャップに隣接して配置される。したがって、ＡＭＲセンサ１９、３１が、エアギャップ近傍の空間を取り囲む漂遊磁界内に置かれる。図２６に示されるように、コア４６の上面図では、これにより、４つのＡＭＲセンサ１９ａ〜１９ｄが、エアギャップへ向くコア４６、４７の面を限定する４つの縁部に搭載されることが可能になってもよい。４つのＡＭＲセンサ１９ａ〜１９ｄが、並列に結合され、１つのＡＭＲセンサのように動作させられてもよい。図２７は、ＡＭＲセンサを搭載するさらに他の方法を示す。この場合、コア４６の端面が、互いに平行に伸びるのではなく、ＡＭＲセンサ１９のハウジングが端面間のエアギャップ内に十分な空間を見いだすように角度を含む。ＡＭＲセンサ１９のハウジングが、ＡＭＲセンサ１９をエアギャップ内の磁力線５１と整列させるように適切な方法で向けられ、この磁力線５１は、コア４６の端面をほとんど垂直に離れ、したがって、湾曲する。ＡＭＲセンサがＧＭＲセンサと置換されてもよい。
【００５８】
明確にするために、縮尺どおりに描かれていない図２８は、ヘッド４０が、４つのほとんど同じ強磁性コア４６、４７、４８および４９を備える一実施形態を示し、各強磁性コアが、それぞれエアギャップＧ１またはＧ２またはＧ３またはＧ４を有する磁気回路を形成し、磁界センサ５７．１〜５７．４（たとえばホール素子、ＡＭＲもしくはＧＭＲセンサ、またはフラックスゲートセンサ、または任意の他の適切な磁界センサ）がエアギャップに配置される。強磁性コア４６、４７、４８および４９が、１つの強磁性コアから、または図示されるように、強磁性コア４６、４７、４８および４９をケーブル４５に容易にクランプオンし、そこから取り外すことができるように２つの強磁性部品からなってもよい。２つの強磁性部品からなる場合、寄生エアギャップＧｐ１またはＧｐ２またはＧｐ３またはＧｐ４がコアの２つの部品間に存在する。強磁性コア４６、４７、４８および４９が、互いにほぼ平行に位置決めされ、軸５０に沿って互いに所定の距離だけ間隔を置かれ、互いに対して軸５０の周りに所定の回転角だけ回転させられ、その結果、強磁性コア４６、４７、４８および４９のエアギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３およびＧ４が異なる角度で位置する。図２８に示される実施形態では、回転角がほぼ９０°である。ヘッド４０が、任意の数の、たとえば２、３、４または５つ以上の強磁性コアを備えてもよい。好ましい回転角がほぼ３６０°／（強磁性コアの数）であるが、任意の他の回転角が同じく選ばれてもよい。個々の強磁性コアが、自分の隣の１つまたは複数のコアに対しておよそどのような任意の個々の回転角でも回転させられてもよい。
【００５９】
ヘッド４０では、１つまたは複数の磁界センサがエアギャップに配置され、このことは、ホール素子が、好ましくは、エアギャップ内に配置され、ＡＭＲセンサ、フラックスゲートセンサおよび磁気インピーダンスセンサが、好ましくはエアギャップに隣接して配置されることを意味する。しかし、磁界のチップ内平面成分に高感度なホール磁気センサ（縦型ホールまたはプレーナ型磁気コンセントレータと組み合わせられたホール）が存在する；このようなホールセンサが、同じくエアギャップに隣接して配置されるべきである。また、磁界のチップ平面に垂直な平面成分に敏感なＡＭＲ磁気センサ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社のタイプＨＭＣ１０５１ｚなど）が存在する；このようなＡＭＲセンサが、同じくエアギャップ内に配置されるべきである。
【００６０】
各ヘッド４０が２つのコア４６および４７ならびに２つのホール素子１、２８を有する上述のシステムが、ほぼ１μＡ（マイクロアンペア）までの漏洩電流を検出することができる。エアギャップ内またはエアギャップのそばにエアギャップおよび１つの磁界センサが配置された１つの強磁性コア４６だけを各ヘッド４０が有するシステムが漂遊磁界中で使用される場合、１００μＡのオーダまでの漏洩電流を検出することができる。図１７は、１つの磁界センサだけを、この場合、ホール素子１を有するこのようなヘッド４０の主要な機械的構成の概略図を示す。
【００６１】
本発明による電流変換器が、いくつかの特徴および利点を提供する：
−いくつかの手段が、これらの手段の中でも、特に、ヘッド当たり２つのホール素子またはＡＭＲもしくはフラックスゲートもしくは磁気インピーダンスセンサを備える２つの強磁性コアの使用、完全差動動作のための電子回路の設計、等しいサイズではあるが接地に対して反対符号の電圧として磁界センサの端子に出力電圧を提供する磁界センサバイアス法、磁界センサおよび前置増幅器の間の変圧器結合が、コモンモード信号の相殺に寄与する。
−磁界センサの電圧端子を前置増幅器に変圧器で結合することにより、電子回路が、磁界センサの抵抗の熱雑音に非常に近い等価入力雑音を達成することができるようになる。
−電子回路が完全差動モードで動作する。各電流計の動作が、差動増幅器の動作に類似し、この場合、有用な磁界が差動電圧に対応し、外部磁界が、求められている磁界を外部磁界から効果的に分離することができるようになるコモンモード電圧に対応する。
−２つ以上の強磁性コアを使用することにより、外部磁界の影響が著しく低減され、したがって、電流変換器の感度が高まる。
【００６２】
いくつかの用途では、それぞれの強磁性コアのエアギャップ内に合うように十分小さい任意の適切な磁界センサをヘッドに装備してもよい。磁界センサの出力信号が変圧器に結合される用途では、磁界センサが、ホール効果、ＡＭＲおよびフラックスゲートセンサについて上記で示されたように、交番する電圧または電流の出力信号を作り出すように変調することができるタイプでなければならない。
【００６３】
本発明の実施形態および用途が示され、説明されたが、本明細書における本発明の概念を逸脱することなく、上述よりも多くの修正形態が可能であることが、本開示の恩恵を受ける当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の精神以外で制限されない。
【符号の説明】
【００６４】
１、１ａ、１ｂ、２８、２８ａ、２８ｂ  ホール素子
２、２９  電流源
３、３ａ、３ｂ、３０  変圧器
４  前置増幅器
５、５ａ、５ｃ  論理ブロック
６、６ａ、６ｂ  位相検波器
７  電子スイッチ
８、９  増幅器
１３、１６、１７、１８  演算増幅器
１４  トランジスタ
１５、１７、１８、２２、２３  抵抗器
１９、１９ａ、１９ｄ、３１  ＡＭＲセンサ
２０  Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ
２１  Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ
２４、２５  コンデンサ
２６  セット／リセットストラップ
２７  クロック発生器
３２、３３  フラックスゲートセンサ
３４  電圧計
４０  ヘッド
４５  ケーブル
４６、４７、４８、４９  強磁性コア
５０  軸
５１  磁力線
コイル  ５２
５３、５４、５４ａ、５４ｂ、５５  強磁性部品
５７．１〜５７．４  磁界センサ
Ｇ１、Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、  エアギャップ
Ｇｐ、Ｇ１ｐ、Ｇ２ｐ、Ｇ３ｐ、Ｇ４ｐ  寄生エアギャップ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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