(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な電流導体（１）と、ハウジング（２４）に包まれた、前記電流導体（１）を流れる電流によって生じる磁界を測定するための磁界センサ（２）と、ヨーク（３）とを備える電流測定装置であって、前記電流導体（１）は長方形の横断面を有し、前記ヨーク（３）は、底面と、２つの側壁と、空隙（１４）を有する上面とを有するように長方形の板金片又は板金の積層体から形成され、前記上面は前記底面に対して並行に走り、前記ヨーク（３）の２つの端部（１０、１１）の正面は、前記空隙（１４）を挟んで互いに向かい合い、前記ヨーク（３）は、前記空隙（１４）を除いて前記電流導体（１）を完全に取り囲み、前記板金は、少なくとも１００の相対透磁率を有する磁性材料であり、前記磁界センサ（２）を備えた前記ハウジング（２４）は、前記ヨーク（３）の内側であり且つ前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）の外側に配置され、
前記ハウジング（２４）は、さらに前記電流導体（１）の上部面に直接接着される、または前記電流導体（１）の前記上部面に固定されたプリント回路板に取り付けられ、前記電流導体（１）の前記上部面は前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に面しており、
前記磁界センサ（２）は、前記空隙（１４）から第１の距離であり且つ前記ヨーク（３）の前記側壁から第２の距離に配置され、前記磁界センサ（２）を通過するのが実質的に前記ヨーク（３）の前記端部（１０、１１）から出る磁界の漂遊線となるように前記第１の距離は前記第２の距離より短く、そのため前記ヨーク（３）は、一方で前記電流導体（１）を流れる電流によって生じる磁界を増幅し、他方で外部磁性の漂遊磁界を遮蔽する効果を持ち、前記第１の距離を増加させるとヨークの磁界の増幅率は減少し、前記電流導体（１）を流れる電流の方向に対して直角且つ前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に対して平行に測定される前記ヨーク（３）の長さは、前記電流導体（１）を流れる電流の方向に対して直角且つ前記空隙（１４）に対して垂直に測定される前記ヨーク（３）の高さと少なくとも同じサイズであり、前記ヨーク（３）は、前記電流導体（１）に直接又は距離保持手段を用いて固定される電流計測装置。
【請求項２】
前記ヨーク（３）の前記端部（１０、１１）にテーパがつけられている、請求項１に記載の電流測定装置。
【請求項３】
前記ヨーク（３）の前記端部（１０、１１）が、拡大されている若しくは凹部を備えている又は拡大され且つ凹部を備えている、請求項１に記載の電流測定装置。
【請求項４】
前記磁界センサ（２、１９）が、少なくとも１つのホール素子（５Ａ、５Ｂ）を備えた半導体チップ（４）を備え、更なる空隙（６）によって隔てられた２つの磁界集線装置（７、８）が前記半導体チップ（４）の表面上に配置され、前記空隙（６）の近傍にて前記第１の磁界集線装置（７）から出て、前記空隙（６）の近傍にて前記第２の磁界集線装置（８）に衝突する磁界の磁力線（９）が、少なくとも１つの前記ホール素子を通過する、請求項１〜３のいずれかに記載の電流測定装置。
【請求項５】
更なる磁界センサ（１９）が、前記電流導体（１）の、前記ヨーク（３）の底面に面する側に配置される、請求項１〜４のいずれかに記載の電流測定装置。
【請求項６】
少なくとも１００の相対透磁率を有する磁性材料から成る、三方で前記ヨーク（３）と境を接する実質的にＵ型のスクリーン（２１）を更に備え、前記スクリーン（２１）が３つの部分を有し、その中間部分が、前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に並行に走る、請求項１〜５のいずれかに記載の電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような電流測定装置はまた、特に１つの単一の構成要素から構成される製品として販売される場合、電流センサと称することができる。そのような一体成形の電流センサは、ＥＰ７７２０４６から公知である。電流センサは、電流導体、電流導体に流れる電流によって生成される磁界を測定するための磁界センサ、および、強磁性のヨークから構成されている。磁界センサは、空隙によって切り離される半導体チップ、および、空隙の両側に配置される半導体チップにおいて一体化される２つのホール素子を含むので、空隙の近くで第１の磁界集線装置から出て、空隙の近くで第２の磁界集線装置に当たる磁力線はそれを通して通過する。半導体チップは、さらにホール素子の動作およびホール素子によって供給される電圧信号の増幅および処理のために必要な電子回路を含む。磁界センサは電流導体に配置されるので、電流によって生じる磁力線は半導体チップの表面にほぼ並列に走り、したがって、磁界集線装置に対しても並列である。ヨークは、３つの側面上の電流導体に接し、２つの磁界集線装置と共にほぼ閉じた磁回路を形成する。ヨークと２つの磁界集線装置は電流によって生じる磁界を増幅する磁気増幅器を形成する。この電流センサの欠点は、一体型の電流導体を有する電流センサとしてのその構造により、それは、最高２０Ａまでの比較的小さい電流の測定に適しているだけであり、その外部磁界はほとんど遮蔽されないということである。
【０００３】
ＣＨ６５９、１３８から、これにより高い透磁率の磁性材料のスクリーンが漂遊磁界を遮蔽する、電流導体を流れる電流を測定する装置は公知である。
【発明の要約】
【０００４】
本発明の目的は、一時的に最高１０００Ａの過負荷電流がかかり、外部磁性の漂遊磁界に対してよく遮蔽される０から２００Ａまたは３００Ａまでの比較的大きい測定範囲の電流の測定は勿論のこと、０から一般に２０Ａまたは５０Ａまたは１００Ａまでの比較的小さい測定範囲における電流測定のために簡単な方法で設計することができる電流測定装置を開発することである。
本発明による電流測定装置は、電流導体を流れる電流によって生成される磁界の測定のための磁界センサ、および、測定領域の電流導体に接している高い透磁率を有する磁性材料のヨークからなる。原則として、ヨークは、屈曲によって、正面が互いの反対側に存在し、空隙によって切り離されるような２つの端を有する長方形の薄板金属片から構成されている。それゆえに、ヨークは管の方向に走るスリットを有する管片のようである。空隙を除いては、ヨークは完全に電流導体に接している。
磁界センサは好ましくは、半導体チップに一体化されるホール素子、および、ホール素子の動作のための半導体チップに一体化される電子回路を有し、半導体チップの活性表面に配置されそして空隙によって分離される２つの磁界集線装置を有し、ここで、磁界の磁力線は、それが、空隙の近くで第１の磁界集線装置から出て、空隙の近くで第２の磁界集線装置に当たるホール素子を通過する。
しかしながら、磁界センサはまた、例えば、ＡＭＲ（異方性の磁気抵抗）、または、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサまたは磁束ゲート・センサのような別のセンサであってもよい。
ヨークは、一方で電流によって生じる磁界の増幅に役立ち、他方で外部磁性の漂遊磁界を遮蔽するために役立つ。磁界センサおよびヨークは、磁界センサは、例えばｘ構成要素と称される磁界の単一の構成要素にのみ感度が高く、ヨークが正確にこのｘ構成要素を遮蔽するように互いに適応する。それゆえに、磁界センサは、電流導体を流れる電流によって生じる磁界のｘ構成要素のみを測定し、外部磁性の漂遊磁界の遮蔽されたｘ構成要素を測定しない。高いゲインを達成するため、ヨークの端はテーパをつけられるので、ヨークの端の幅はヨークの幅より小さい。加えて、遮蔽される方向（ここではｘ方向）のヨークの拡張部分は、それに直角方向において測定される高さと少なくとも同じく大きい。遮蔽は、３つの側面上でヨークに接している追加的なほぼＵ型のスクリーンによってさらに増加することができる。
遮蔽率および増幅率間の関係もまた、ヨークの端が拡大されおよび／または凹部を備えることで改良される。この形状のヨークはまた、０から２００Ａまたは３００Ａの比較的大きい範囲の電流の測定、また１０００Ａの電流の測定にも適している。
【好適な実施例の詳細な説明】
【０００５】
図１および図３はそれぞれ、本発明による一般に０から２０Ａまたは５０Ａ、または最大約１００Ａの範囲における電流の測定のために設計される電流導体１の中を流れる電流１を測定する装置の斜視図または横断面を示す。電流導体１の横断面は好ましくは長方形であるが、例えば、円形形状のような任意の別の形状でもよい。デカルト座標系の座標は、ｘ、ｙおよびｚで指示される。電流は、ｙ方向に流れる。電流測定装置は、電流１によって生じる磁界を測定する磁界センサ２および高い透磁率を有する材料のヨーク３から構成される。高い透磁率は、少なくとも１００（空気の相対透磁率を１として）の相対透磁率を意味する。ヨーク３は、一般に１００および１００、０００間の範囲の相対透磁率を有する例えば鉄またはパーマロイ、またはミューメタルの薄板金属片から形成される。ヨーク３は、２つの端１０および１１がほとんど完全に電流導体１に接しているように、言い換えれば薄板金属の端１０および１１の２つの正面１２および１３が、互いに反対側に存在し、空隙１４によって切り離されるように２つの端部１０及び１１を有する約０．５から２ｍｍの厚みを有する薄板金属の長方形片から形成される。電流導体１および磁界センサ２は、ヨーク３の中に完全に配置される。ヨーク３の端部１０および１１はテーパをつけられるので、それらの幅Ｂ０は、薄板金属またはヨーク３の幅Ｂより狭くなる。電流導体１はヨーク３の領域内でテーパをつけられることが好ましい。
【０００６】
磁界センサ２のための好適な例は、図２においてさらに詳細に示される：それは、２つの５Ａホール素子および５Ｂの例において、少なくとも１つのホール素子を有する半導体チップ４、および、少なくとも１つのホール素子の動作および少なくとも１つのホール素子によって供給されるホール電圧の処理のための電子回路を含む。半導体チップ４の活性の表面上、すなわち集積回路を有する表面上において、空隙６によって切り離される２つの磁界集線装置７、８は、空隙６の近くで第１の磁界集線装置７から出て、空隙６の近くで第２の磁界集線装置８に当たる磁力線９（図３参照）が少なくとも１つのホール素子を通過するように配置される。このような磁界センサ２の構造は、欧州特許ＥＰ ７７２、０４６から公知である。ホール素子（または２つのホール素子５Ａおよび５Ｂ）は、半導体チップ４の活性表面に対して垂直に走る磁界、それゆえに、ここではｚ方向に感度が高いいわゆる水平ホール素子である。ホール素子という用語は、単一のホール素子のみを意味せず、それはまた、並列または反並列で連結され、および／または、時分割で作動する一群のホール素子でもよい。ホール素子のこのような配置は、ホール電圧のオフセットを減少するために用いられる。しかしながら、ホール素子はまた、半導体チップ４の活性表面に並列に走り、電流方向に対して垂直、それゆえにここではｘ方向である磁界に感度が高いいわゆる垂直ホール素子であってもよい。
【０００７】
磁界センサ２は、ハウジング２４の内部に閉じ込められる。磁界センサ２は（ヨーク３がない場合）ｘ方向に走る磁界に感度が高く、ｙおよびｚ方向に走る磁界に無感応である。２つの磁界集線装置７および８は、ｘ方向に伸びる。ハウジング２４は、ヨーク３の空隙１４において得られるものよりも多くの空間を必要とする。ハウジング２４はそれゆえに、ヨーク３内に位置するが、空隙１４の外側に位置する。
【０００８】
ヨーク３の端部１０および１１の正面１２および１３の間に存在する空隙１４は、２つの磁界集線装置７および８間、または、幾何学的に表した空隙６より“上”に位置する：そこで、空隙１４を通るのと同様に空隙６を通過する半導体チップ４の表面に対して垂直に走る平面が存在する。ヨーク３および２つの磁界集線装置７および８は、したがって空隙６および、２つのさらなる空隙１５、１６（図３参照）で遮られる磁界を形成し、ここにおいて、ヨーク３の第１の端部１０から出る磁界の磁力線１７（図３参照）は、第１の磁界集線装置７に当たり、空隙６を周知の方法で通過し、第２の磁界集線装置８を出て、ヨーク３の第２の端部１１に当たる。電流測定装置は、２つの磁界集線装置７および８が直接ヨーク３の空隙１４に位置しないが、ヨーク３の端部１０および１１から出る磁界の漂遊線によって基本的に通過する空隙１４の下に位置するように設計される。これを達成するため、磁界集線装置７および８の表面からヨーク３の空隙１４までの磁界センサ２の距離Ｄは好ましくは、磁界集線装置７および８の外端部からヨーク３の側壁までの磁界センサ２の距離Ｅよりも短い。
【０００９】
ヨーク３は、２つの機能、すなわち一方で電流導体を流れる電流によって生じる磁界の磁性の増幅、他方では外部磁性の漂遊磁界に対して磁界センサの遮蔽を実行する。その構造のため、磁界センサ２は、ｙおよび／またはｚ方向の外部磁界に反応しない。ホール素子の場所で電流導体を流れる電流によって生じる磁界の増幅は、増幅率によって特徴付けられる。増幅率は、ヨーク３の形状次第であり、電流１の周波数次第でもある。以下において、増幅率は通常、特定の限界周波数ｆ０以下でＤＣ電流またはＡＣ電流で増幅率を指定する。ｘ方向の外部磁界に対する磁界センサ２の遮蔽効率は、遮蔽率によって特徴付けられる。幅Ｂ０に対する端部１０および１１の縮小は、率Ｂ／Ｂ０によって増幅率を増加させる効果を有し、一方で、遮蔽率はほとんど変化しないままである。増幅率および遮蔽率は、ヨーク３の端部１０および１１の間の空隙１４までの磁界センサ２の距離次第である。この状態は、電流測定装置の横断面を示す図３を用いて図示される。電流導体１およびヨーク３は、長方形の横断面を有し、対称平面１８に関して対称に配置される。磁界センサ２は、ヨーク３の空隙１４に面している電流導体１側に位置し、および対称平面１８に関して対称にまた配置される取付け誤差の範囲内であるので、対称平面１８は、２つの磁界集線装置７および８間の空隙６を通ってまた走る。金型磁界集線装置７および８は、ヨーク３の空隙１４への距離Ｄに位置する。ヨーク３の１つの端部１０から出て、磁界集線装置７に到達する磁力線１７の比率が距離Ｄの増加と共に減少するので、ヨーク３の増幅率は距離Ｄの増加と共に減少する。これに反して、同じ理由から、ヨーク３の遮蔽率は距離Ｄの増加と共に増加する。距離Ｄの適当な選択により、増幅率は一般に約１０に達し、遮蔽率は約１００から１０００に達する。
【００１０】
ｘ方向に走る外部磁界の遮蔽が効果的であるように、電流導体１に直交し、空隙１４に並列で測定されるヨーク３の長さＬは、空隙１４に直交して測定されるヨーク１３の高さＨと少なくとも同じサイズである。好ましくは、長さＬは高さＨの少なくとも１．５倍より大きい。
【００１１】
図４は、磁界センサ１９がヨーク３の空隙１４に面していない電流導体１側に配置される電流測定装置を示す。磁界センサ１９は、先の例の磁界センサ２と同様である。磁界センサ１９の遮蔽率は、ここでもきわめて大きい。磁界センサ１９のためのヨーク３の増幅率は、しかしながら、０および１の間に存在する、すなわち、ヨーク３は第２の磁界センサ１９の場所で磁界を増幅しないが、増幅率が１より小さい場合、磁界を減少させる。増幅率が１より小さい場合、これは、磁界センサ１９の周波数応答を改善するために用いることができる。電流の周波数の機能としてヨーク３のない磁界センサ１９の出力信号は、０からｆＧ１（ｆＧ１は例えば５０ｋＨｚに達する）の周波数範囲において一定であり、一般に２０ｄＢ／オクターブで減少する。ヨーク３の増幅率も限界周波数ｆＧ２より上で低下するので、ヨーク３は周波数応答を変える。しかしながら、ＤＣ電流のためのヨーク３の増幅率がすでに１より小さい場合、増幅率の減衰は限界周波数ｆＧ２より上ではほとんど効果を有しないので、全般的に見て、限界周波数ｆＧ２より上の減衰は、減少する。この効果は、電流センサの周波数応答を改善するために用いることができる。図示された実施例において、ヨーク３は薄板金属の単一片から構成される。ヨーク３の限界周波数ｆＧ２は、薄板金属の厚みｄ次第である：
ｆＧ２〜１／ｄ
薄板金属の厚みｄを選ぶことにより、ｆＧ２はほとんどｆＧ１に等しくなる。薄板金属、したがってヨーク３の厚みの減少と共に、磁気的にヨーク３を飽和させる磁界はより小さくなる。これを回避するため、ヨーク３は、絶縁層によって切り離される厚みｄのいくつかの薄板金属の積層体として形成される。１つの金属シートの厚みdは一般に、約０.０２から０.１まで、最大０.２ｍｍに達する。
【００１２】
図５は、磁界センサ２が、ヨーク３の空隙１４に面する電流導体１側に配置され、磁界センサ１９が、ヨーク３の空隙１４に面しない電流導体１側に配置される電流測定装置を示す。第１の磁界センサ２は、一般に０から５０Ａ、または０から１００Ａまでのあらかじめ定義された動作範囲における電流の精密な測定のために役に立ち、一方で、第２の磁界センサ１９は、ここで５０Ａまたは１００Ａから一般に１０００Ａのあらかじめ定義された過負荷範囲においてあらかじめ定義された動作範囲より上の電流の測定の役に立つ。この実施例において、ヨーク３は、絶縁層によって分離された薄板金属２０からの積層体として示される。
【００１３】
すべての実施例に関して、遮蔽率は、３つの側面上のヨーク３に接している高い透磁率を有する材料の追加的なほぼＵ型のスクリーン２１により増加させることができる。スクリーン２１は、中間部分がヨーク３の空隙１４に並列である３つの部分から構成される。スクリーン２１は、好ましくはヨーク３と同じ材料から構成される。スクリーン２１は、ヨーク３までの距離Ｅに配置される。距離Ｅは非常に大きく選択されるので、スクリーン２１はヨーク３の増幅率を減少せず、または、わずかに減少させるのみである。
【００１４】
図６は、電流導体１を流れる電流の機能として、２つの磁界センサ２および１９の出力信号２２および２３を示す。第１の磁界センサ２の出力信号２２は、あらかじめ定義された動作範囲Ａにおける電流１に比例している。作業範囲Ａより上において、第１の磁界センサ２の磁界集線装置７、８の飽和効果が起こり、それは、出力信号２２を平坦にする。より小さい増幅率の結果として、磁界集線装置７、８の飽和状態の効果は過負荷範囲Ｂの上限以上の電流のみによって起こるので、第２の磁界センサ１９の出力信号２３は、過負荷範囲Ｂの電流１に比例する。
【００１５】
発明の電流測定装置は、単純かつ小型の構造および単純なアセンブリによって特徴付けられる。磁界センサ２を有するハウジング２４は、電流導体１上に直接接着することができる。代替的に、ハウジング２４はプリント回路板に載置することができ、プリント回路板は電流導体１に固定することができる。同じく、ヨーク３は、直接対向する側面上に接着されるかまたは最終的に電流導体１までの追加的な距離保持手段で接着することができる。
【００１６】
磁界センサ２または１９はそれぞれ、基本的に外部磁界のｘ構成要素のみに感度が高くあるべきであり、外部磁界のｙおよびｚ構成要素に反応しない。上記の２つの磁界集線装置およびホール素子を有する磁界センサは、高度にこれらの必要条件を満たす。磁界センサ２または１９は、しかしながら、すべての実施例においてこれらの必要条件を満たし、例えば、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗）または、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサのような別のセンサであってもよい。これらのセンサは、その電気抵抗が磁界の強度次第である強磁性の抵抗性素子からなる。磁界センサ２または１９はさらに磁束ゲート・センサであってもよい。磁束ゲート・センサは、強磁性のコアから構成される。強磁性の抵抗性素子または強磁性のコアは、半導体チップ４の活性表面に配置される。強磁性の抵抗性素子または強磁性のコアは、先行する実施例における磁界集線装置７、８に類似した方法で磁力線の発生に影響する。
【００１７】
ヨークの他の変更された形状もまた可能である。互いの反対側に存在するヨークの２つのテーパのついた端部も例えば、ヨークの側壁から解放されかつ湾曲した穴をあけられた舌部の形で存在することができる。
【００１８】
図７および図８は、本発明による０から２００Ａまたは３００Ａのより大きい範囲の電流測定用に設計された電流を測定するため２つの装置の斜視図を示す。これらの装置については、その端部が磁界センサ２の場所の磁界が、テーパもつけられず、拡張もされず、凹部を有さず、それゆえに、幅Ｂを有する直線の前方側面を有するヨーク３を有する電流測定装置においてよりも小さいように形成される。図７の実施例については、ヨーク３の端部１０および１１は幅Ｂを有するが、ヨーク３の前方側面１２および１３は、幅Ｂ１の凹部を備える。図８の実施例については、ヨーク３の端部１０および１１は幅Ｂ２に拡大される。組合せもまた可能である、すなわち、幅Ｂ２ ＞ Ｂで端部を拡大し、および幅Ｂ１で凹部を形成する。したがって、遮蔽率がわずかに変化する一方、ヨーク３の増幅率はかなり減少する。そうする際に、一方で増幅率に対する遮蔽率の比率は増やすことができ、他方で、増幅率は低下する。
【００１９】
示された実施例は、単にヨーク３の端部の形状を変えることによって、電流測定装置が可変の大きい最大電流の測定のために設計することができることを図示する。同じ磁界センサ２は、同じ方法で、電流導体１上の同じ位置に取り付けることができる。
【００２０】
本発明の実施例および用途が図と共に記載される一方、本願明細書における発明の概念から逸脱することなく、前述したものより多くの変更が可能であることは、この開示の利点を有する当業者には明白である。本発明はそれゆえに、添付の請求の範囲およびそれらの同等物の趣旨を除いて制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
明細書に組み込まれ、この明細書の部分を構成する添付の図面、は、本発明の１つまたはそれ以上の実施例を図示し、詳細な説明と共に、この発明の原則および実施を説明するのに役立つ。図は、一定の縮尺ではない。
図面の説明は以下の通りである：
【図１】磁界センサおよびヨークを有する発明による電流測定装置の斜視図を示す。
【図２】好適な磁界センサの実施例を示す。
【図３】電流測定装置の横断面を示す。
【図４】さらなる電流測定装置の横断面を示す。
【図５】さらなる電流測定装置の横断面を示す。
【図６】図５の実施例による電流測定装置の出力信号を示す。
【図７】磁界センサおよびヨークを有するさらなる電流測定装置の斜視図を示す。
【図８】磁界センサおよびヨークを有するさらなる電流測定装置の斜視図を示す。
【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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