(57)【要約】【課題】直流または交流の電流を測定するための可変の磁気励磁を備えた改善された電流センサを備える電流測定装置を提供する。【解決手段】開示内容は、電流センサを有する電流測定装置であって、・磁気回路と、・前記磁気回路の励磁によって充電される少なくとも１つの励磁巻線を含む複数の巻線と、・少なくとも１つの検出巻線と、を有し、前記センサは、測定される電流Ｉが入るように設計され、磁気回路に対向する少なくとも１つの一次巻線、および反作用磁界を作ることができ、磁気回路に対向する少なくとも１つの二次巻線によるトランスを形成する巻線を備える、装置に関わる。【選択図】図２Ｅ
2008032723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの磁気回路と、さらに該磁気回路に対向する複数の巻線とを有し、少なくとも１つの電流センサを備えた電流測定装置であって、
・前記磁気回路の励磁によって充電される少なくとも１つの励磁巻線と、
・測定される電流Ｉが通過するよう設計され、所与の磁界を作ることができる少なくとも１つの「電流」巻線と、
・少なくとも１つの検出巻線と、
・前記検出巻線から分離され、所与の磁界に抵抗して反作用磁界を作るよう設計された少なくとも１つの「反作用」巻線と、
センサの前記反作用および電流巻線のうち、前記磁気回路に対向して位置して互いに並列に接続された複数の第１の導電性区画を有する少なくとも１つの第１の巻線が、前記磁気回路に対向して位置して互いに直列に接続された複数の第２の導電性区画を有する少なくとも１つの第２の巻線に磁気的に結合されて存在する、ことを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
１つの磁気回路と、さらに該磁気回路に対向する複数の巻線とを有し、少なくとも１つの電流センサを備えた電流測定装置であって、
・前記磁気回路の励磁によって充電される少なくとも１つの励磁巻線と、
・測定される電流Ｉが通過するよう設計され、所与の磁界を作ることができる少なくとも１つの「電流」巻線と、
・少なくとも１つの検出巻線であって、該検出巻線が所与の磁界に対向する反作用磁界を作るよう設計された反作用巻線としてさらに動作する検出巻線と、
センサの前記反作用および電流巻線のうち、磁気回路に対向して位置して互いに並列に接続された複数の第１の導電性区画を有する少なくとも１つの第１の巻線が、磁気回路に対向して位置して互いに直列に接続された複数の第２の導電性区画を有する少なくとも１つの第２の巻線に磁気的に結合されて存在する、ことを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
前記複数の第１の導電性区画の少なくともいくつかの導電性区画が、それぞれ、前記複数の第２の導電性区画に属する同じ表面の導電性区画に対向して位置することを特徴とする請求項１または２に記載の電流測定装置。
【請求項４】
前記第１の巻線が「電流巻線」の巻線として動作し、前記第２の巻線が「反作用巻線」として動作する「高電流測定」形態を採用することができることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項５】
前記第１の巻線が「反作用巻線」として動作し、前記第２の巻線が「電流巻線」として動作する「低電流測定」形態を採用することができることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項６】
「低電流測定」形態と「高電流測定」形態との間でデバイスを切り換えることができる切り換え手段をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の電流測定装置。
【請求項７】
前記磁気回路は、少なくとも１つの第１の磁気コアと、該第１のコアに並列な少なくとも１つの第２の磁気コアとによって形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項８】
励磁巻線のレイアウトは、前記第１のコアにおける所与の方向の１つの第１の励磁磁界成分と、前記第２のコアに与えられた方向と同じ方向を備える１つの第２の励磁磁界成分と、を作り出すように提供されることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置。
【請求項９】
前記励磁巻線は、前記磁気回路に対向して位置して互いに直列に接続された複数の導電性区画を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項１０】
検出巻線のレイアウトは、前記第１のコアにおける１つの磁界と前記第２のコアにおける１つの磁界との間の差分の測定を実行するように提供されることを特徴とする請求項９に記載の電流測定装置。
【請求項１１】
前記検出巻線は互いに接続された複数の導電性のリングによって形成され、その状況で、前記磁気回路は少なくともいくつかの前記リングの内側に位置することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項１２】
前記検出巻線に接続されて前記反作用巻線に反作用電流を供給することができる反作用電子回路をさらに有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項１３】
前記励磁巻線の入力において励磁信号を供給することができる励磁回路をさらに有することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電流測定装置。
【請求項１４】
前記励磁回路は、前記励磁巻線の入力において、一連の電流パルスの形態で前記励磁信号を発することができるパルス生成手段を有することを特徴とする請求項１３に記載の電流測定装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置を有するマイクロエレクトロニクスデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電流測定の分野に関し、直流または交流の電流を測定するための可変の磁気励磁を備えた改善された電流センサを備える電流測定装置に関する。本発明の電流測定装置は、同じサポート（支持体）上に、励磁および検出巻線と、さらに測定される電流が通過するよう設計された少なくとも１つの巻線を有する。本発明はマイクロエレクトロニクスとマイクロ技術の分野に該当し、電圧サージ（急変化）に関して頑丈であって、特に帯域幅、消散パワー、およびまわりの電磁妨害に対する耐性、に関して改善された性能を持つマイクロ電流センサの製造を提供する。
【背景技術】
【０００２】
電流を測定するための多くの様々な技術がある。特に、電流の測定が間接的で、その電流によって作られた磁界の検出によって実行されるような、抵抗分離技術(resistance isolation technologies)が使われる。高電流の測定は、特にシャント(shunt；分路)または変流器(current transformer)を使ってなされる。その役割は、測定される高電流を部品に適合される。伝統的に使われてきた他の方法は、例えば「ホール効果」タイプ、または「フラックスゲート(fluxgate；磁束磁力センサ)」タイプ、または「ロゴウスキー(Rogowski)」タイプのようなアンペア測定磁気セルクリップ(ampere metric magnetic cell clip)である。電流を測定するのに使われるセンサのタイプは、特定の用途のニーズによって選択されることになる:つまり、
・測定レンジ、測定される最大電流のピークまたは有効値
・要求される精度および／または解像度
・帯域幅、最大周波数、直流の測定の有無
【０００３】
正確な低い値の抵抗にはシャントが取り入れられうる。測定される電流はこの抵抗を通過して、その端子間に電圧降下を起こさせ、それは例えばアナログ／デジタル変換器のような信号処理デバイスに伝達される。精密抵抗体は、一般に、望まれない接続の寄生効果を避けるために４つの端子を有する。シャントは電流回路と接続するための２つの端子と、電圧降下を測定するための２つの接点端子とを有することができる。シャントは直流測定をなすことを可能にするが、特に通常数ｋＨｚに限定された帯域幅を持ち、干渉を招く。
【０００４】
変流器は、一般に、磁気回路の周りに「一次巻線」と「二次巻線」とを有する。測定されるべき電流は、大きな断面の所与の巻き数Ｎ１、一般には一巻きを持った一次側を通って流れ、一方、二次側は小さな断面の巻き数Ｎ２を持つ。このようなタイプのセンサは、電圧サージ、またはショートに良好に耐え、例えば５０Ｈｚから５０ｋＨｚまで拡張できる帯域幅を持っている。しかしながら、変流器センサは、直流の測定を可能にしない、という不利点を持っている。
【０００５】
電流クリップデバイスは、一般に、開路可能な磁気回路、例えばホール効果タイプの磁気センサ、および反作用巻線によって形成される。このクリップは、測定される電流が通過する導電体または導電体のセットを囲む。このようなデバイスでは、測定は、いかなる接触も全くなしに、また測定される電流が通過する導電体への物理的な接続なしになされる。
【０００６】
電流クリップデバイスに関して、「ロゴウスキー」タイプセンサのための特定の電流クリップが存在し、それは磁気回路が備えられない。非特許文献１は、このようなセンサのタイプを紹介している。１つまたはいくつかのコイルが、測定される電流が通過してある電圧を誘発できる導電体に結合される。このようなタイプのセンサにより、測定オフセット（ずれ）および利得が多くの物理的かつ幾何学的なパラメータに依存する。それらパラメータとしては、空隙のサイズ、空隙におけるセンサの相対的位置、チップにおける導電体のセンタリング、磁気回路の透磁率、可能性のある何らかの磁気的物体への近接度、外部の干渉する磁界の大きさと方向がある。
【非特許文献１】「PCB Rogowski coil designs and performances for novel protective relaying」，Kojovic，Power Engineering Society General Meeting，IEEE Volume 2, 第１３〜１７頁，２００３年７月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フラックスゲート(fluxgate)センサは非常に感度のよい磁界センサであって、その帯域幅は連続から数十ｋＨｚに及ぶ。フラックスゲートセンサは、非常に高い透磁率を備えた磁気回路の周りに励磁コイルと検出コイルを有する。励磁コイルは、正磁界および負磁界の下で交互に磁気回路を飽和させる。検出コイルは正磁界と負磁界の間でのアンバランスに敏感である。このアンバランスは外部の磁気の源（わきだし）、例えば磁界センサの場合における地磁気によって起こされる。フラックスゲートセンサを備えた電流クリップのケースでは、このアンバランスは中心導体に流れる測定される電流によって起こる。測定される電流が流れる導電体と、センサとが、独立であるか、または接触状態にない２つの要素を形成する。そのような１つのデバイスにおいて、測定性能は導電体に対するセンサの相対的な位置の制御に依存する。さらに、測定される電流の導電体の間の距離が約１ミリメートルであり、非常に小さい値に縮小することが難しい。
【０００８】
従って、上記で言及したような不利点を持たない、新しい電流センサデバイスを見い出すことについての問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、少なくとも１つの電流センサを備えた電流測定装置であって、
・磁気回路と、
・前記磁気回路の励磁によって充電される少なくとも１つの励磁巻線を含んだ、該磁気回路に対向する複数の巻線と、
・測定される電流Ｉが通過するよう設計され、所与の磁界を作ることができる少なくとも１つの「電流」巻線と、
・少なくとも１つの検出巻線と、
を有することを特徴とする電流測定装置に関係する。
【００１０】
このセンサは、場合によって、電流のゼロへの低下の検出に関係して測定される情報の場合に開ループで動作させることができる。
【００１１】
１つの実施の態様において、このセンサは、所与の磁界に抵抗して反作用磁界を作るよう設計された少なくとも１つの「反作用」巻線を有することができる。この場合、この電流測定装置は閉ループで動作させるようなものである。
【００１２】
１つの第１の可能性のある実施の態様において、検出巻線は反作用巻線でありうる。
【００１３】
１つの第２の可能性のある実施の態様において、検出巻線と反作用巻線は別々の巻線でありうる。
【００１４】
このセンサは、前記磁気回路に対向して位置して互いに並列に接続された複数の第１の導電性区画を有する少なくとも１つの第１の巻線と、該第１の巻線に磁気的に結合されることができ、前記磁気回路に対向して位置して互いに直列に接続された複数の第２の導電性区画を有する少なくとも１つの第２の巻線と、を有することができる。
【００１５】
１つの可能性のある実施の態様において、複数の第１の導電性区画の少なくともいくつかの導電性区画が、複数の第２の導電性区画に属する同じ表面の導電性区画に対して、それぞれに対向して位置するか、あるいはそれぞれに重ね合わせられる。
【００１６】
本発明の電流測定装置は、前記第１の巻線が「電流」巻線であり、前記第２の巻線が「反作用」巻線である「高電流測定」と呼ばれる第１の形態を採用することができる。
【００１７】
本発明の電流測定装置は、前記第１の巻線が「反作用巻線」であり、前記第２の巻線が「電流巻線」である「低電流測定」と呼ばれる第２の形態を採用することができる。これらの２つの形態では、反作用電流は変圧比を乗じて測定される電流に等しい。
【００１８】
この電流測定装置は、第１の形態または第２の形態に電流測定装置を置くことができ、そして、第１の形態から第２の形態へと、または第２の形態から第１の形態へと電流測定装置を換えることができる切り換え手段をさらに有することができる。
【００１９】
１つの可能性のある実施の態様において、センサの磁気回路は、少なくとも１つの第１の磁気コアと、該第１のコアに並列な少なくとも１つの第２の磁気コアとによって形成されうる。
【００２０】
励磁巻線のレイアウトは、第１のコアにおいて所与の方向の第１の励磁磁界成分と、第２のコアの同じ方向における第２の励磁磁界成分と、を作り出すように提供される。
【００２１】
励磁巻線は、磁気回路に対向して位置して互いに直列に接続された複数の導電性区画を有することができる。
【００２２】
検出巻線のレイアウトは、第１のコアにおける１つの磁界と第２のコアにおける１つの磁界との間の差分の測定を実行するように提供されうる。
【００２３】
検出巻線は互いに接続された複数の導電性のリングによって形成され、その状況で、磁気回路は少なくともいくつかの前記リングの内側に位置することができる。
【００２４】
本発明の電流測定装置は、検出巻線に接続されて反作用巻線に反作用電流を供給することができる反作用電子回路をさらに有することができる。
【００２５】
本発明の電流測定装置は、励磁巻線の入力において励磁信号を供給することができる励磁回路をさらに有することができる。
【００２６】
１つの好都合な実施の態様において、励磁回路は、励磁巻線の入力において、一連の電流パルスの形態で励磁信号を発することができるパルス生成手段を有することができる。
【００２７】
この電流測定装置は、センサに直列接続され、測定される電流Ｉが通るか、または通るように設計された導電体をさらに有することができる。
【００２８】
本発明は、上記で定義されたようなデバイスを有するマイクロエレクトロニクスデバイスにも関係する。
【００２９】
本発明は、シャントタイプセンサと変流器タイプの利点を含む。本発明のセンサは、トランスと対照的に、直流を測定することを可能にする。本発明の装置は、連続から数十ｋＨｚまでであるような高帯域と、非常に低い消散パワーとを有し、電圧サージに関して非常に頑丈である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、添付の図面を参照した、純粋に例示的であって、決して限定的には提供されていない実施形態の説明を読んだ後に、より理解しやすくなるであろう。
【００３１】
様々な図面における同一の、類似の、または同等の部材は、１の図面から次の図面への進行をより容易にするように同じ参照符号を有する。
【００３２】
図面に示された様々な部分は、図を一層容易に理解させるために、必ずしも統一された縮尺ではない。
【００３３】
さて、本発明の電流測定装置の１つの動作原理を、図１を参照しながら提供する。この装置は、磁気回路と、同じサポート上、例えばマイクロエレクトロニクス基板上に作られたいくつかの巻線とを備える電流センサ有する。本明細書では、コイルまたは巻線という用語は、ソレノイドを形成する巻回物のセットに限定されない。ここでのこの説明を通じて、互いに接続し、磁界を作ることができる導電性要素のセットのことを、コイルまたは巻線と呼ぶ。
【００３４】
磁気回路は１つまたはいくつかの磁気コアで、例えば第１の磁気コア１０２と第２の磁気コア１０４とによって、例えば２つの平行アームの形態で形成することができる。電流測定装置は、フラックスゲートセンサタイプの装置のように、磁気回路の励磁によって充電され、またセンサに一体化された少なくとも１つの励磁巻線を有する励磁手段（図示しない）を、さらに有する。励磁手段は、例えば交互に正および負となる交流励磁磁界内で磁気回路を飽和させるために備えられる。励磁巻線は、例えば交流、あるいは好都合には交互に逆の符号となる一連の電流パルスの形態の励磁電流を供給することのできる励磁回路に接続されうる。磁気回路に関係する励磁巻線のレイアウトは、励磁磁界＋Ｈｅの１つの成分が第１のコア１０２において生成でき、そして励磁磁界の実質的に同じ強度と同じ方向である１つの成分＋Ｈｅが第２のコア１０４において生成できるようなものである。
【００３５】
電流測定装置は、少なくとも１つの受信器、または電流センサに一体化された検出巻線を備えた検出手段（図示しない）をも有する。検出巻線は、コア１０２、１０４に沿ってスペースをあけられた、直列に接続された複数の導電性要素によって形成される。検出巻線は、コア１０２における磁界成分とコア１０４における磁界成分との間の測定差が作られうるようにレイアウトされる。励磁磁界Ｈｅと、外部磁界Ｈｏ、例えばセンサの環境にリンクされた地磁気の追加成分と同等のものに等しいもの、とは、互いにキャンセルし、そして磁気回路のアームをアンバランスにしない。このように、このセンサは、地磁気および環境的干渉に対して敏感ではない。
【００３６】
電流センサは、測定される電流Ｉが通過するよう設計された少なくとも１つの「電流巻線」（図示しない）をも備える。「電流巻線」において電流Ｉが通過することは、「主要な磁界」と呼ばれる磁界を作ることを可能にする。電流巻線は、主要な磁界の１つの成分＋Ｈｉが第１のコア１０２において生成でき、そして実質的に同じ強度で反対の方向である主要な磁界の１つの成分−Ｈｉが第２のコア１０４において生成できるようにレイアウトされる。
【００３７】
センサは閉ループで動作するよう提供されることができる。出力信号は、主要な磁界に抗する反作用磁界Ｈｃｒを作るよう提供された、反作用を形成する手段に再入力することができ、磁界なしで動作する。
【００３８】
反作用を形成する手段はセンサに一体化された少なくとも１つの反作用巻線を有することができる。反作用磁界は、反作用巻線における反作用電流の通過によって起こされ、その状況で、反作用電流は変圧比を掛けられて測定される電流に等しい。「電流」と「反作用」の巻線はトランスを形成することができる。センサを形成する巻線のうち、少なくとも１つの第１の巻線は、磁気回路に対向して位置する直列の複数の導電性要素によって形成され、そして磁気回路に対向して位置する並列の複数の導電性要素によって形成された少なくとも１つの第２の巻線に磁気的に結合される。
【００３９】
電流測定装置の１つの第１の可能性のある形態では、例えば１０ｍＡから１０Ａの間の高電流測定に適合され、並列に接続された複数の導電性要素によって形成されたセンサの第１の巻線が「電流巻線」として動作することができ、その状況で、直列の複数の導電性要素によって形成された第２の巻線が「反作用巻線」として動作する。この場合、並列に接続された複数の導電性要素によって形成された巻線がトランスの一次巻線を形成することができ、その状況で、他の巻線が直列の複数の導電性要素によって形成され、トランスの二次巻線を形成する。この形態においては、「電流巻線」の導電性要素または導電性のアームは、測定される電流Ｉの一部分または細分部分に等しい電流Ｉｊをそれぞれ受け取る。電流のそれぞれの細分部分によって生成された信号は、直列の検出巻線の導電性要素に重ねられる。検出巻線の出力信号は、小信号で測定される電流の合計に比例する。
【００４０】
電流測定装置の１つの第２の可能性のある形態では、例えば１００ｎＡから１００ｍＡの間の低電流測定に適合され、並列に接続された複数の導電性要素によって形成された第１の巻線が「反作用巻線」として動作することができ、その状況で、並列の複数の導電性要素によって形成された第２の巻線が「電流巻線」として動作する。従って、同じセンサで、非常に良好な解像度で以って、例えば１００ｎＡから１０Ａの間の広範囲な電流を測定することができる。
【００４１】
電流測定装置を第１の形態または第２の形態に置くために、また第１の形態から第２の形態、あるいはその逆に切り換えるために、切り換え手段を提供することができる。切り換え手段は無接点リレー、電気的−機械的スイッチ、またはＥＭＭＳ（電気機械的マイクロシステム）を有することができる。
【００４２】
本発明の電流センサはマイクロ技術分野に適用され、また、例えば薄層製造技術、および／または、マイクロエレクトロニクスで使われるものを使ってミニチュア形態で作ることができる。この場合、電流センサはマイクロセンサと呼ばれることになる。
【００４３】
さて、本発明のマイクロ電流センサの１つの例で、「高電流測定」と呼ぶ第１の形態のものについて、図２Ａから図２Ｅ（平面図でセンサを示す）、および図３Ａから図３Ｄ（横断面図でセンサを示す）を参照しながら提供する。
【００４４】
この例では、マイクロセンサは磁気回路と、同じサポート上に作られた４つの独立した巻線１１０、１２０、１４０、１６０とを備えるが、上記サポートは、薄層のスタック１０１によってカバーされた、例えば半導体などの基板１００とすることができる。磁気回路は、所与の主方向を備える第１の磁気コア１０２と、第１のコア１０２のそれに並行な主方向を備える第２の磁気コア１０４と、によって形成される（ここで、第１のコア１０２と第２のコアの１０４の主方向は、直交座標
【００４５】
【数１】
2008032723.tif 000003
【００４６】
のベクトル
【００４７】
【数２】
2008032723.tif 000004
【００４８】
に平行な方向によって定義される）。第１のコア１０２と第２のコア１０４は基板の主平面に平行な同じ平面内に位置する（ここで、基板の主平面は、基板を通り、平面
【００４９】
【数３】
2008032723.tif 000005
【００５０】
に平行な平面と定義される）。第１の磁気コア１０２と第２の磁気コア１０４は、ＳｉＯ２などの誘電体材料層の上に設けた、例えばＦｅＮｉをベースとする磁性材料で、例えば平行パイプのようなブロックの形態でありうる。コア１０２と１０４はそれぞれの長さ（ベクトル
【００５１】
【数４】
2008032723.tif 000006
【００５２】
に平行な方向に測定したもの）を持っており、それは、例えば１００μｍから１００００μｍの間、または１０００μｍ程度でありうる。コア１０２と１０４のそれぞれの幅（ベクトル
【００５３】
【数５】
2008032723.tif 000007
【００５４】
に平行な方向に測定したもの）は、例えば１０μｍから１０００μｍの間、または１００μｍ程度でありうる。コア１０２と１０４はそれぞれの厚さ（ベクトル
【００５５】
【数６】
2008032723.tif 000008
【００５６】
に平行な方向に測定したもの）を持っており、それは、例えば０．１μｍから５０μｍの間、または１μｍから５μｍの間でありうる。１つの可能性のある実施形態では、コア１０２、１０４は分離されているか、または別々とすることができ、またはお互いに連結されないようにできる。２つのコアの間の外部磁場の勾配を減らすために、また干渉する磁界に対してより良好な抵抗を提供するために、２つのコア１０２と１０４は最大でも数十マイクロメートル程度離されうる。一変形例（図示しない）において、センサの磁気回路は閉回路であって、その状況で、コア１０２と１０４は互いに結合（連結）されている。巻線１１０、１２０、１４０、１６０、およびコア１０２、１０４の間の最短距離は１マイクロメートルまたは１マイクロメートル未満とすることができる。
【００５７】
マイクロ電流センサは第一に励磁巻線１１０（図２Ａと図３Ａ、この状況では、他の巻線１２０、１４０、１６０は上記図には示されていない）を備える。励磁巻線１１０は、接続ピン１１１、１１２を用いて励磁回路２１０（図２Ｅに示す）に接続されている。励磁回路２１０は、正弦関数(sinusoidal)信号、または正方形か三角形の信号、あるいは好都合には、例えば交互に正と負になる一連の電流パルス、の形態で、励磁信号を供給するように提供できる。励磁巻線１１０は、励磁回路２１０から励磁信号を受け取る時に、励磁磁界を作って、コア１０２、１０４を飽和させるように提供される。励磁巻線１１０は一連の導電性要素によって形成でき、コア１０２と１０４に沿って直列に取り付けられる。励磁巻線１１０のレイアウトは、励磁磁界成分が第１のコア１０２において生成されるよう設計され、そして実質的に同じ強度と同じ方向である励磁磁界の１つの成分が第２のコア１０４において生成されるよう設計されるように提供される。励磁巻線１１０は、第１のコア１０２と第２のコア１０４に対向して位置し、そして基板１００とコア１０２、１０４との間に位置する第１の平面にある平らな導電性区画１１４を有する。励磁巻線１１０は、第１のコア１０２と第２のコア１０４に対向して位置し、そして第２の平面にある平らな導電性区画１１５を有する。第２の平面とは、コア１０２、１０４が第１の平面と第２の平面の間に置かれるようなものである（図３Ａは、図２Ａに示した横断面図Ａ’Ａを示す）。巻線１１０のレイアウトは、少なくとも１つの縦の相互継手または金属化ビア(via)１１７を用いて、第１の平面にある平らな導電性区画１１４が、第２の平面にある少なくとも１つの平らな導電性区画１１５にそれぞれ接続されるようなものでありうる。また、励磁巻線１１０は、接続ピン１１１、１１２に接続された平らな導電性区画を別として、第１の平面にある平らな導電性区画１１４が第２の平面にある平らな導電性区画１１５にそれぞれ連結され、重ねられるようなものでもありうる。このレイアウトは、コア１０２、１０４に対向して、平行で反対方向の電流層が通過することによって、コア１０２、１０４の迅速な飽和が得られるようにする。
【００５８】
マイクロ電流センサは、接続ピン１２１、１２２を用いて電子検出および反作用回路２２０（図２Ｅに示す）に接続された検出巻線１２０（図２Ｂと３Ｂ、この状況では、他の巻線１１０、１４０、１６０は上記図には示されていない）をも備える。電子検出回路２２０は増幅器を形成する手段および積分器を形成する手段を有することができる。検出巻線は、第１のコア１０２において生成される磁界と第２のコア１０４において生成される磁界との間の測定差または検出がなされうるようにレイアウトされる。検出巻線１２０は、コア１０２、１０４を取り巻いている一連の導電性の輪郭１２３または導電性のリング１２３によって形成され、そしてコア１０２と１０４に沿って直列に互いに接続される。導電性の輪郭１２３は、等しい大きさの２つの半輪郭によってそれぞれ形成でき、その状況で、第１の導電性の半輪郭が第１のコア１０２を囲み、また第２の導電性の半輪郭が第２のコア１０４を囲む。検出巻線１２０の導電性の輪郭１２３（図２Ｂに示したＢ’Ｂに沿う横断面である図３Ｂに示す）は、第１の平面に置かれてコア１０２、１０４、に対向する第１の平らな導電性区画１２４、第２の平面に置かれてコア１０２、１０４、に対向する第２の平らな導電性区画１２５、第１の平らな導電性区画１２４を第２の平らな導電性区画１２５に接続する第１の縦相互継手１２６、さらに第１の平らな導電性区画１２４を第２の平らな導電性区画１２５に接続する第２の縦相互継手１２７、によって形成することができる。コア１０２と１０４は，一方で第１の相互継手１２６と第２の相互継手１２７との間に、また他方で第１の平らな導電性区画１２４と第２の平らな導電性区画１２５との間に置かれる。検出巻線１２０の導電性の輪郭１２３は、コア１０２、１０４の間に置かれて第１の平面にありコアの主方向に平行な第１の接続部１２８と、コアの主方向に平行で、コア１０２、１０４の間に置かれ、そして第２の平面にある第２の接続部１２９とを用いて、互いに接続することができる。第１の接続部１２８と第２の接続部１２９とは、コア１０２、１０４の間に位置する縦相互継手またはビア１３０を用いて互いに接続することができる。検出巻線１２０は、前記導電性の輪郭の１つに到達する電流が、輪郭導電体１２３を形成する２つの半輪郭の間で２つの電流成分に分かれるようにレイアウトされる。検出巻線１２０を通過する電流は、第１のコア１０２と第２のコア１０４の周りの前記２つの半輪郭の間で、同時に分けられる。
【００５９】
マイクロ電流センサは、複数の導電性要素または導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６によって形成され、接続されるか、またはお互いに並列に接続され、コア１０２と１０４に沿って位置する巻線１４０（図２Ｃと図３Ｃ、この状況では、他の巻線１１０、１２０、１６０は上記図には示されていない）をも有する。導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６は、第１のコア１０４に対向して通過し前記第１または第２の平面の１つに位置する平らな導電性区画によって、それぞれ形成することができ、その状況で、平らな導電性区画は、第２のコア１０４に対向して通過し前記第２または第１の平面の他の１つに位置する他方の平らな導電性区画に対して、例えば１つまたはいくつかのビア１４８を用いて接続される（図３Ｃは、図２Ｃに示した巻線１４０のＣ’Ｃに沿う横断面図を示す）。巻線１４０は、コア１０２、１０４に沿った一連の導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６によって形成される。そして、第１のコア１０４に対向して通過し第２の平面に位置する第１の平らな導電性区画１４４によって形成され、第２のコア１０４に対向して通過し第１の平面に位置する他の平らな導電性区画１４５に接続される導電性のアームと、さらに、第１のコア１０２に対向して通過し第１の平面に位置する第３の平らな導電性区画１４６によって形成され、第２のコア１０４に対向して通過し第２の平面に位置する第４の平らな導電性区画１４７に連結される１つの導電性のアームと、を交互に有する。平らな導電性区画のレイアウトに起因して、導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６は、第１のコアにおける、また第２のコアにおける第１の基本的な磁界と、第１の基本的な磁界に実質的に等しいが反対方向である第２の基本的な磁界と、を作るためにそれぞれ提供される。導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６は、それぞれ、１つまたはいくつかのビア１４９を用いて入力ピンと出力ピンに接続することができる。
【００６０】
高電流測定形態においては、巻線１４０は「電流巻線」として作用し、複数の入力導体ピン１４１１、．．．、１４１６を用いて、測定される電流Ｉが導入されるよう設計されたワイヤー、またはライン、または導電性トラック、またはコネクタでありうるところの１つの導電性区画Ｆに接続される。入力導体ピン１４１１、．．．、１４１６は電気的に接続されるか、または互いに接続される。測定される電流Ｉは、電流巻線の１４０の導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６の間で分割されるよう設計される。センサを完全に通過する、測定される電流の細分された並列層が作られる。導電性のアーム１４３１、．．．、１４３６は、それぞれ、測定したい電流Ｉの１つの小部分Ｉｊを受け取るよう設計される。お互い電気的に接続された複数の出力導体ピン１４２１、．．．、１４２６も提供される。高電流測定形態では、巻線１４０はトランスの一次巻線を形成することができる。
【００６１】
センサは巻線１６０（図２Ｄと図３Ｄ、この状況では、他の巻線１１０、１２０、１４０は上記図には示されていない）をも有する。巻線１６０は、接続されるか、またはお互いに直列に接続され、コア１０２と１０４に沿って位置する複数の導電性要素１６３を有する。導電性要素１６３は、第１の平らな導電性区画１６４、直列に接続された第２の平らな導電性区画１６５、直列に接続された第３の平らな導電性区画１６６、直列に接続された第４の平らな導電性区画１６７、によってそれぞれ形成することができる。第１の平らな導電性区画１６４は第２のコア１０４に対向して通過し、第１の平面に位置する。第２の平らな導電性区画１６５は第１のコア１０２に対向して通過し、第２の平面に位置する。第３の平らな導電性区画１６６は第１のコア１０２に対向して通過し、第１の平面に位置する。第４の平らな導電性区画１６７は第２のコア１０４に対向して通過し、第２の平面に位置する。ビア１６９は、導体要素が巻線１６０の次の導体要素に接続されることを可能にし、導体要素の平らな導電性区画１６４、１６５、１６６、１６７を巻線１６０の他の平らな導電性区画に接続することを可能にする（図３Ｄは、図２Ｄに示した一次巻線のＤ’Ｄに沿う横断面図を示す）。「高電流測定」形態においては、巻線１６０は反作用巻線として動作する。巻線１６０は、反作用回路２２０において導体ピン１６１と１６２を用いて接続される（図２Ｅに示す）。この回路２２０から送られた反作用電流は巻線１６０に再注入される。平らな導電性区画のレイアウトに起因して、導電性要素１６３は、第１のコア１０２における、また第２のコア１０４における第１の反作用磁界成分を作るためにそれぞれ提供され、その状況で、第２の反作用磁界成分は第１の反作用磁界成分に実質的に等しいが、第１の成分の方向と反対方向にある。
【００６２】
巻線１６０と巻線１４０は、好ましくは、コア１０２、１０４に対向して位置する巻線１６０の区画１６４、１６５、１６６、１６７が、それぞれ、コア１０２と１０４に対向して位置する巻線１４０の平らな導電性区画１４５、１４４、１４６、１４７に重ねられるようにレイアウトされる。コア１０２、１０４に対向して位置する領域において、巻線１６０の区画１６４、１６５、１６６、１６７、および巻線１４０の平らな導電性区画１４５、１４４、１４６、１４７は、等しい表面Ｓを持つことができる（平面
【００６３】
【数７】
2008032723.tif 000009
【００６４】
内で測定される）。従って反作用電流は、測定される電流のそれぞれの細分部分によって作られた局所電場を正確に補償することができる。前述した形態において、１０Ａの電流に対する消散パワーは、電流巻線１４０において例えば約５０ｍＷであり、反作用巻線１６０において例えば約２２ｍＷでありうる。そしてその状況では、トータルの消散パワーは約７２ｍＷである。センサによって費やされるパワーは、例えば、測定される１０Ａの電流と１００ｍｖの電圧降下に対して、約１Ｗのパワーを消散させるようなシャントでのものより低い。
【００６５】
低電流が測定されるケースにおいては、「電流」と「反作用」の巻線は逆転しうる。図４において、本発明のマイクロ電流センサは、「低電流測定」と呼ぶ第２の形態に置かれる。巻線１６０は、直列に接続された導電性要素の形を呈し、測定される電流Ｉを通す「電流巻線」として動作する。巻線１４０は並列に接続された導電性要素の形成であって、この時反作用巻線として動作し、そして反作用回路２２０に接続される。第１の形態から第２の形態へと切り換えるための、またその逆を同様に行なうための切り換え手段を備えることができる。ＦＰＧＡ（磁界のプログラム可能なゲートアレイ(field programmable gate array)）またはＡＳＩＣ（アプリケーション特定集積回路(application specific integrated circuit)）または個別の電子部品により、切り換え方法の管理が、定格を保護し、ゼロ磁界反作用を実行し、そして場合によっては測定結果表示装置を命令することが、可能になる。
【００６６】
図５は、本発明のセンサの実施形態の一変形を示す。センサは、並列な別々の２つのアームの形態にある２つの磁気コア３０２、３０４によって形成された磁気回路を有する。この変形例に対して、巻線３２０は検出および反作用の両方の巻線として動作する。検出巻線３２０は、直列に接続され第１のコア３０２に対向して通過する複数の導電性要素、および、直列に連結され第２のコア３０４に対向して通過する他の複数の導電性要素、によって形成することができる。センサは、直列に接続され第１のコア３０２に対向して通過する複数の導電性要素、および、直列に接続され第２のコア３０４に対向して通過する他の複数の導電性要素、によって形成される励磁巻線３１０をも有する。測定される電流Ｉは、ピン３４１１、３４１２、３４１３、３４１４において等しい部分に分割され、「電流」巻線３４０内を通過し、そしてピン３４２１、３４２２、３４２３、３４２４を介して出る。電流巻線３４０は、並列に接続され、第１のコア３０４上を通過し、電流Ｉの第１の入力導体ピン３４１１と第１の出力導体ピン３４２１とを接続する複数の導電性要素を有する。並列に接続された複数の導電性要素は、第１のコア３０４上を通過し、電流Ｉの第２の入力導体ピン３４１２と第２の出力導体がピン３４２２とを接続する。電流巻線３４０は、第２のコア３０４上を通過し、電流Ｉの第３の入力導体ピン３４１３と第３の出力導体ピン３４２３とを接続する並列に接続された複数の導電性要素と、さらに、第２のコア３０４上を通過し、電流Ｉの第４の入力導体ピン３４１４と第４の出力導体ピン３４２４とに接続され並列に接続された複数の導電性要素、をも有する。
【００６７】
別々の検出および反作用の巻線を備える実施形態に関して、特に測定の正確さの観点から装置の小型化が望まれる時に、この実施形態を使うことができる。
【００６８】
図７は、検出巻線から検出信号ＳＤを受け取ることができる検出回路５３０に接続され、また検出巻線に検出信号ＳＣＲを発することができる反作用回路５３０を備えた、検出巻線３２０を示す（この図にはセンサの他の巻線は示されていない）。高帯域フィルター５３２は検出巻線３２０の出力と検出回路５３０との間に提供することができるが、一方、低帯域フィルター５２２は検出巻線３２０の出力と反作用回路５２０との間に提供することができる。検出巻線の入力において、一定電圧、例えば０ボルトを印加することができる。
【００６９】
図６Ａは、図５を参照して既に説明したような、コネクタ２００、２０２、強電流が通過することを可能にできる硬い、または柔らかいプリント回路を備えたマイクロセンサＣ２の組み立て体の一例を示す。このセンサは、電流Ｉが通過して測定されるような導電性ラインまたは導電性区画に直列に置かれるよう設計される。導電性区画はコネクタ２００、２０２を用いて溶接またはろう付けによって組み立てることができる。また、マイクロセンサは、励磁および検出機能を実行するように提供された１つまたはいくつかの電子回路、あるいはＡＳＩＣ（アプリケーション特定集積回路）に接続される。
【００７０】
図６Ａでは、一次巻線３４０の入力における入力ピン３４１１、．．．、３４１４と出力ピン３４２１、．．．３４２６は、ワイヤボンディッグ２１０、例えば金ワイヤーを用いてコネクタ２００、２０２にそれぞれ接続されている。他の巻線３１０、３２０のピン（図６Ａでは図示しない）は、電子回路ＡＳＩＣに接続されている。図６Ｂは、図２Ｅを参照して説明したような、コネクタ２００、２０２、強電流が通過することを可能にできる硬い、または柔らかいプリント回路を備えたマイクロセンサＣ１の組み立て体の一例を示す。センサＣ１は、電流Ｉが通過して測定されるような導電性ラインまたは導電性区画に直列に置かれるよう設計される。導電性区画はコネクタ２００、２０２を用いて溶接またはろう付けによって組み立てることができる。また、マイクロセンサは、励磁および検出機能を実行するように提供された１つまたはいくつかの電子回路、あるいはＡＳＩＣ（アプリケーション特定集積回路）に接続される。
【００７１】
図６Ｂでは、一次巻線１４０の入力における入力ピン１４１１、．．．、１４１６と出力ピン１４２１、．．．１４２６は、導電性の合金ボール２３０、例えばフリップチップ技術を用いてコネクタ２００、２０２にそれぞれ接続されている。ピンの対称性、接続、電流供給ライン、センサの溶接またはろう付けは、好ましくは、測定される電流の細分部分を最適にバランスさせるために、測定される電流によって作られる磁界を最適に均一化するために、この電流を可能な限り正確に補正するために、そしてそれにより、いかなる静的オフセット、時間ドリフト、または出力信号中への動的誤差をも導入することなく、測定される電流を測定するために、考慮される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態であって、電流測定装置の動作原理を示す。
【図２Ａ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、平面図で示す。
【図２Ｂ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、平面図で示す。
【図２Ｃ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、平面図で示す。
【図２Ｄ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、平面図で示す。
【図２Ｅ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、平面図で示す。
【図３Ａ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、断面図で示す。
【図３Ｂ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、断面図で示す。
【図３Ｃ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、断面図で示す。
【図３Ｄ】高電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、断面図で示す。
【図４】低電流測定形態における本発明の電流測定マイクロセンサの例の巻線を、断面図で示す。
【図５】１つの巻線が検出と反作用の両方を実行する、本発明の電流測定マイクロセンサの一変形例を示す。
【図６Ａ】測定される電流Ｉが通過するよう設計された導体を備えた、本発明の電流センサの組み立ての例を示す。
【図６Ｂ】測定される電流Ｉが通過するよう設計された導体を備えた、本発明の電流センサの組み立ての例を示す。
【図７】１つの巻線が検出と反作用の両方を実行し、そして検出回路および反作用回路に接続された、本発明の電流測定マイクロセンサの一変形例を示す。
【符号の説明】
【００７３】
１００  基板
１０１  スタック
１０２  コア
１０４  コア
１１０  巻線
１１１  接続ピン
１１４  導電性区画
１１５  導電性区画
１２０  巻線
１２１  接続ピン
１２３  導電性の輪郭（リング）
１２４  導電性区画
１２５  導電性区画
１３０  ビア
１４０  巻線
１４４  導電性区画
１４５  導電性区画
１４６  導電性区画
１４７  導電性区画
１４８  ビア
１４９  ビア
１６０  巻線
１６１  導体ピン
１６３  導電性要素
１６４  導電性区画
１６５  導電性区画
１６６  導電性区画
１６７  導電性区画
１６９  ビア
２００  コネクタ
２１０  励磁回路
２２０  反作用回路
２３０  合金ボール
３０２  磁気コア
３１０  巻線
３２０  巻線
３４０  巻線
５２０  反作用回路
５２２  低帯域フィルター
５３０  検出回路
５３２  高帯域フィルター
１４１１、．．．、１４１６  入力ピン
１４２１、．．．、１４２６  出力ピン
１４３１、．．．、１４３６  アーム
３４１１、．．．、３４１４  入力ピン
３４２１、．．．、３４２４  出力ピン
Ｃ１  マイクロセンサ
Ｃ２  マイクロセンサ
【図１】
2008032723.tif 000010
【図２Ａ】
2008032723.tif 000011
【図２Ｂ】
2008032723.tif 000012
【図２Ｃ】
2008032723.tif 000013
【図２Ｄ】
2008032723.tif 000014
【図２Ｅ】
2008032723.tif 000015
【図３Ａ】
2008032723.tif 000016
【図３Ｂ】
2008032723.tif 000017
【図３Ｃ】
2008032723.tif 000018
【図３Ｄ】
2008032723.tif 000019
【図４】
2008032723.tif 000020
【図５】
2008032723.tif 000021
【図６Ａ】
2008032723.tif 000022
【図６Ｂ】
2008032723.tif 000023
【図７】
2008032723.tif 000024
【外国語明細書】
2008032723.tif 000025
2008032723.tif 000026
2008032723.tif 000027
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