(57)【要約】測定場と称される、測定されるべき磁場の場の強さを測定するための装置であって、磁気の作用を受け得ると共に、前記測定場の前記場の強さが測定されるべき、測定位置と称される位置において前記測定場の力線との所定のアライメントでもたらされる角度センサと、磁気の作用を受け得る前記角度センサに、所定の場の強さ及び前記測定位置における前記測定場の前記力線の方向から外れる方向で磁気補助場が印加され得るので、前記測定位置において、合成磁場が前記測定場及び前記磁気補助場による作用を受ける力線方向で形成され、前記力線方向は、測定されるべき前記測定場の前記場の強さの単位として、磁気の作用を受け得る前記角度センサによって測定される前記測定位置において前記磁気補助場を生成するためのデバイスとによって測定するための装置が記載されている。上記手段により、磁場の強さを測定するための装置を提供する目的が達成され、当該装置は特に高い磁場の強さを測定するのにも適しており、更にリアクタンスの効果がないと共に信頼性が高く、更に好ましくは当該装置で磁気抵抗性の角度センサによる測定が可能になる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定場と称される、測定されるべき磁場の場の強さを測定するための装置であって、磁気の作用を受け得ると共に、前記測定場の前記場の強さが測定されるべき、測定位置と称される位置において前記測定場の力線との所定のアライメントでもたらされる角度センサと磁気の作用を受け得る前記角度センサに、所定の場の強さ及び前記測定位置における前記測定場の前記力線の方向から外れる方向で磁気補助場が印加され得るので、前記測定位置において、合成磁場が前記測定場及び前記磁気補助場による作用を受ける力線方向で形成され、前記力線方向は、測定されるべき前記測定場の前記場の強さの単位として、磁気の作用を受け得る前記角度センサによって測定される、前記測定位置において前記磁気補助場を生成するためのデバイスと、によって測定するための装置。
【請求項２】
前記測定位置において、前記磁気補助場の前記力線方向が、前記測定場の前記力線方向と少なくともほぼ直交するように選択される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記測定場が、期間に対して少なくともほぼ一定の場の強さを有する請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記測定場が磁気交流場である請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記磁気補助場を生成するための前記デバイスが永久磁石を有する請求項１、２、３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記永久磁石がほぼ棒状である請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記永久磁石がほぼ環状である請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記測定場が、測定されるべき電流強度で導電体に流れる電流によって生成され、前記測定場における前記合成磁場の前記力線の前記方向が、磁気の作用を受け得る前記角度センサによって測定されるべき前記電流の単位として測定される請求項１乃至７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
エアギャップを除いて前記導電体を少なくともほぼ囲むと共に磁気回路を構成する磁気伝導ヨークによって特徴付けられ、当該ヨークにおいて、磁気の作用を受け得る少なくとも前記角度センサが少なくともほぼ前記エアギャップ内に設けられる請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記エアギャップがほぼ環状の永久磁石の少なくともほぼ内部領域によって構成され、前記ほぼ環状の永久磁石が前記磁気伝導ヨークによって構成される前記磁気回路に挿入され、磁気の作用を受け得る前記角度センサが前記ほぼ環状の永久磁石の少なくともほぼ前記内部領域内に設けられる請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ほぼ環状の永久磁石が軟磁性材料のほぼ環状の層によって少なくともほぼ囲まれる請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ヨークは、前記ヨークによって少なくともほぼ囲まれる前記導電体の断面において前記導電体が延在する主方向と垂直な平面内に少なくともほぼ設けられる請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記ヨークが、少なくともほぼ軟磁性材料から形成される請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
磁気の作用を受け得る前記角度センサが磁気抵抗性センサ素子で構成される請求項１乃至１３の何れか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定されるべき磁場の場の強さ（以下、測定場（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）と称される）を測定するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に高い磁場の強さでの磁場がますます広く使用されつつあるため、当該場の強さを求め得ることが必要となってきている。
【０００３】
磁気の作用を受け得る角度センサが知られている。欧州特許第ＥＰ０６７１６０５Ａ２号には、互いに対する角度のオフセットを有して設けられている二つの非接触測定センサユニットを備える角度センサ（ａｎｇｌｅ  ｓｅｎｓｏｒ）が開示されている。当該センサの電圧は、回転可能な素子（ｒｏｔａｔａｂｌｅ  ｅｌｅｍｅｍｔ）について測定されるべき角度の関数となっている。特許第ＤＥ１９８３９４４６Ａ１号には、回転可能な素子の回転角を検出するための装置が開示されている。磁気の作用を受け得る、センサ装置の特性を評価する間、回転可能な素子によって生成されるか、又は作用される磁場が検出可能であり、前記回転角を求めるために使用され得る。当該装置は、小型且つロバストであると共に信頼性の高い回路素子であることが分かった磁気抵抗性素子（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を有している。
【０００４】
しかしながら、上記の角度センサは、磁場の強さではなく磁場の方向を測定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、特に高い磁場の強さを測定するのにも適している一方でリアクタンスの効果（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ）を有さないと共に信頼性が高く、好ましくは磁気抵抗性の角度センサによる測定が可能な、磁場の強さを測定するための装置を提供することにある。
【０００６】
本発明によれば当該目的は、測定場の場の強さが測定されるべき、測定位置と称される位置において前記測定場の力線（ｆｉｅｌｄ  ｌｉｎｅ）との所定のアライメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）でもたらされる、冒頭の段落に記載される種類の装置と、磁気の作用を受け得る前記角度センサに、所定の場の強さ及び前記測定位置における前記測定場の前記力線の方向から外れる方向で磁気補助場が印加され得るので、前記測定位置において、合成磁場（ｒｅｓｕｌｔａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）が前記測定場及び前記磁気補助場による作用を受ける力線方向で形成され、前記力線方向は、測定されるべき前記測定場の前記場の強さの単位として、磁気の作用を受け得る前記角度センサによって測定される、前記測定位置において前記磁気補助場（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｕｘｉｌｉａｒｙ  ｆｉｅｌｄ）を生成するためのデバイスとによって達成される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従って本発明によれば、線形的に依存性のない補助場（ｌｉｎｅａｒｌｙ  ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ａｕｘｉｌｉａｒｙ  ｆｉｅｌｄ）が、前記測定位置において前記測定場に合成（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅ）される。当該合成により合成場がもたらされる。当該合成場の方向、すなわち前記角度センサのアライメントを基準にした当該合成場の角度は、測定されるべき前記場の強さの関数となっている。前記合成場の当該力線方向は前記角度センサで非常に正確に測定され得るので、測定されるべき前記磁場の強さは前記関数を介して容易且つ正確に求められ得る。前記測定は更に、電位（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）によらないと共にリアクタンスの効果なしで実行され得る。
【０００８】
本発明による装置の好ましい実施例は、前記測定位置において、前記磁気補助場の前記力線方向が前記測定場の力線方向に少なくともほぼ直交するように選択されることを特徴としている。前記合成磁場の方向の回転の効果は、前記測定場にほぼ直交している補助場で非常によく評価され得る。
【０００９】
前記測定場は、期間に対して少なくともほぼ一定の場の強さを有していてもよいし、又は磁気交流場（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）であってもよい。従って本発明による装置の使用の更なる分野が可能となる。
【００１０】
本発明による装置において、磁気補助場を生成するための前記デバイスは好ましくは永久磁石を有している。これにより、より単純且つ小型の構造となる可能性がもたらされる。前記永久磁石は、有利なことに棒状又は環状となっていてもよい。変形例において、好ましくは期間に対して可変の磁場の強さを備える磁気補助場が可能となるべき場合、前記磁気補助場はコイル構造によって生成されてもよい。
【００１１】
等式
【数１】
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によって規定されるように、測定されるべき電流強度（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の場合、測定場Ｈは導電体に流れる電流ｉによって生成され得るためである。上記等式において、
【数２】
2004518955.tif 000004
は、前記測定場の力線の延長線に沿ったベクトル経路増加分（ｖｅｃｔｏｒｉａｌ  ｐａｔｈ  ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）を示している。当該場の強さは積分され、本発明の特に好ましい実施例により、ここでも前記測定場が生成される電流を測定するための測定場の磁場の強さの上記測定手段を用いる可能性がもたらされる。前記測定位置において、合成磁場を形成するための前記磁気補助場はここでも前記測定場に合成され、前記測定位置における前記合成磁場の力線方向は磁気の作用を受け得る前記角度センサによって、測定されるべき電流の単位として測定される。
【００１２】
多くの電気工学分野において、好ましくは自動車電子及び電気工学においても、高電流、特に１００アンペアより大きな電流値を有する電流の測定手段がますます必要となってきている。自動車の供給システムにおけるリアクタンスの効果のないこと（ｆｒｅｅｄｏｍ  ｏｆ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ）、干渉場に対する低感度（ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｔｏ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｉｅｌｄ）、位置決め許容誤差（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｔｏ  ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）、及び前記電流測定の精度に関して過酷な要求仕様が、特に本発明による装置によって満足され得る。前記装置は単純且つ小型であると共にロバストな構造を有しており、精度の高い測定結果をもたらす。
【００１３】
特に効率的且つ低感度であると共に干渉のない装置を得るために、本発明の更なる実施例は、エアギャップ（ａｉｒ  ｇａｐ）を除いて前記導電体を少なくともほぼ囲むと共に磁気回路を構成する磁気伝導ヨーク（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｙｏｋｅ）によって特徴付けられる。当該ヨークにおいて、少なくとも磁気の作用を受け得る角度センサが少なくともほぼ前記エアギャップ内に設けられる。更に前記磁気補助場を生成するためのデバイスが前記エアギャップにおいて少なくとも部分的に設けられてもよい。当該デバイスは好ましくは、特に棒状若しくは環状の磁石として形成されている永久磁石を備え、又は随意コイルの装置も備える。
【００１４】
漏れ磁場（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｔｒａｙ  ｆｉｅｌｄ）は前記磁気伝導ヨークによって容易且つ効率的にシールドされ得る。前記エアギャップの領域において前記磁場は非常に均一なので、例えば前記測定位置における前記永久磁石及び前記角度センサのような個々のコンポーネントの位置決めにおける製造許容誤差は無視され得る。
【００１５】
本発明の更なる有利な実施例において、前記エアギャップはほぼ環状の永久磁石の内部領域によって少なくともほぼ構成され、前記ほぼ環状の永久磁石は前記磁気伝導ヨークによって構成される前記磁気回路に挿入され、磁気の作用を受け得る前記角度センサがほぼ環状の永久磁石の内部領域内に少なくともほぼ設けられる。当該構造の利点は、完全な磁気及び同時に機械的なシールドによって得られる特定のロバスト性と、漏れ磁場の干渉が特にないこととにある。
【００１６】
本発明の更なる有利な実施例において、ほぼ環状の永久磁石が軟磁性材料（ｓｏｆｔ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）のほぼ環状の層によって少なくともほぼ囲まれている。当該層により、漏れ磁場からの前記永久磁石のシールドがもたらされ、その結果干渉がなくなるという更なる改善がもたらされる。確かなことに、前記磁気回路により、本発明による装置の当該実施例においてやや技巧的ではあるものの先行記載の実施例よりも非常によくシールドされていると共に均一な場をもたらす可能性がもたらされる。渦電流効果（ｅｄｄｙ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｅｆｆｅｃｔ）を回避するために、最小限の導電率を有するフェリ磁性材料（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）が軟磁性材料の前記環状層、すなわち前記シールドする軟磁性リングに使用されてもよい。
【００１７】
本発明の更なる実施例によれば、前記ヨークは、前記導電体の断面において前記導電体が延在する主方向と垂直な少なくともほぼ平面内に設けられている。当該導電体は前記ヨークによって少なくともほぼ囲まれており、このように前記測定場の前記磁力線の変動（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）に対して最適化されている。前記導電体が延在する主方向は、少なくともほぼ縦軸方向、すなわち導電体を介して電流が流れる電流方向に対応している。
【００１８】
有利なことに、前記ヨークは少なくともほぼ軟磁性材料から形成される。
【００１９】
本発明による特に有利な実施例は、磁気の作用を受け得る前記角度センサが磁気抵抗性センサ素子で構成されることにより実現される。当該センサ素子は小型且つロバストであると共に高い測定精度を有している。磁気抵抗性センサ素子を備える角度センサを使用することによって磁場測定の間の誤差は、当該センサ素子の極度に小さな温度係数のために非常に低減され得るので、高い測定精度が実現される。高い電流及び場の強さにおいて、再現可能且つほぼ線形な伝達特性が実現され得る。
【００２０】
軟磁性回路に関連して磁気抵抗性の角度センサを使用することにより、冒頭の段落に記載の要求仕様を満足するロバストな電流測定システムを実現する可能性がもたらされる。
【００２１】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載された実施例から明らかであり、これらの実施例を参照して説明される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１において、参照番号１は、測定されるべき磁場（測定場（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ））Ｈの力線を示している。当該力線は直交座標系のｙ軸方向と反対方向に延在する。図１において、当該測定場は少なくともほぼ均一であり、好ましい実施例にも対応している。
【００２３】
測定場１は、好ましくは磁気抵抗性の角度センサとして形成される角度センサ（ａｎｇｌｅ  ｓｅｎｓｏｒ）３（ＭＲ角度センサ（ＭＲ  ａｎｇｌｅ  ｓｅｎｓｏｒ）と称す）と共に、この場合棒状の磁石として形成される永久磁石２を有する装置を取り込んでいる。永久磁石２は磁気補助場を生成する。参照番号４によって示されている当該力線は、角度センサ３が位置されている測定位置領域における測定場１の力線と直交して延在する。前記測定場において測定場１と磁気補助場４とを合成することによって、参照番号５により示されている矢印によって図１に示されている合成磁場が得られる。当該合成磁場の（前記座標系における）アライメントは測定場１の場の強さにより変化する。前記合成磁場のアライメント、すなわち当該力線の方向は角度センサ３によって測定される。ここで角度測定値は測定されるべき磁場の強さの単位となっている。当該測定の精度は、角度センサ３の許容誤差によって決定され、非常に狭い範囲内に保持され得る。これにより、前記測定場の場の強さの非常に簡単且つ正確な測定がなされる。
【００２４】
図２は図１に示されている装置の変形例であり、棒状の永久磁石２の代わりに環状の永久磁石６が使用されている。前記磁場、特に補助場４のより均一な態様が当該磁石で実現され得る。
【００２５】
図３は、導電体７を介して流れる、測定されるべき電流ｉが磁場の強さＨの測定場１を生成する装置を概略的に示している。当該装置は、磁気ヨーク（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｙｏｋｅ）８で形成されている。当該ヨークはエアギャップ９を除いて導体７を囲んでおり、軟磁性材料から構成されている。ヨーク８は、好ましくは、図３に示されている座標系の座標ｘ及びｙによってもたらされる平面にほぼ沿って延在し、導体７は当該座標系のｚ軸にほぼ沿って延在する。図３における電流ｉは図面の平面から流れ出ていると仮定される。広範囲にわたる少なくともほぼ均一な測定場１がそのときエアギャップ９に形成される。
【００２６】
図４に示されている本発明の第三の実施例は、図１に示されている装置に関連して記載されているように、棒状の永久磁石２の構成及び角度センサ３を使用している間に電流ｉを測定するための装置である。当該構成はヨーク８のエアギャップ９に挿入されており、合成磁場５の力線が磁気補助場４の力線の方向に対して調整される角度（以下ｆと称す）を介して測定場１の前記場の強さを測定する。当該装置により、上記関係、すなわち
【数３】
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に基づいて電位によらない電流測定（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｆｒｅｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）がもたらされる。電流ｉが流れる導体７及び軟磁性ヨーク８をシールドすることによって、磁気干渉場（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｉｅｌｄ）はシールドされ、高い均一性を有する磁場の強さがエアギャップ９の領域に得られる。
【００２７】
エアギャップ９にもたらされている棒状の永久磁石２が使用される、図４に示されている実施例は、磁気回路を実現するためのより少数の機械的コンポーネントによって特徴付けられる。有利なことに、微小な導電率を有するフェリ磁性ヨーク材料がこのために使用され得る。このことは高周波の電流の測定における微小な渦電流効果において明らかとなる。
【００２８】
図５は、第四の実施例として、図４に示されている本発明の第三の実施例の変形例を概略的に示している。電流の電流強度も測定するための当該装置は棒状の永久磁石２を有していないが、図２において既に示されているように環状の永久磁石６を有している。更に環状の永久磁石６は軟磁性リング（ｓｏｆｔ−ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｉｎｇ）１０によって囲まれている。確かなことに、このようにヨーク８、永久磁石６、及び軟磁性リング１０から構成される前記磁気回路はやや技巧的であるものの、非常によくシールドされていると共により均一な場をもたらす。渦電流の悪影響を回避するため、最小限の導電率を有するフェリ磁性材料が、シールドする軟磁性リング１０のために使用される。
【００２９】
図６は、図５に示されている第四の実施例の装置を使用する場合の合成磁場の力線の変形例を示している。導電体７、磁気ヨーク８、環状の永久磁石６、及び軟磁性リング１０の等磁線（ｃｏｎｔｏｕｒ）が示されている。ヨーク８において前記測定場の力線は、環状の永久磁石６の内部に形成されているエアギャップ９に非常によく集中していると共に少なくともほぼ均一に分散されている。前記磁気補助場と共に前記合成場と合成される前記測定場もエアギャップ９において少なくともほぼ均一になっている。合成磁場５の力線がエアギャップ９において調整する角度は電流の関数である。当該角度は、好ましくは磁気抵抗性角度センサである角度センサ３によって測定される。
【００３０】
図７は、磁気補助場４の力線方向に対する合成磁場５の偏位（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）の角度ｆとして測定される合成磁場５の力線方向依存性の例を、図５及び６に示されている装置において測定されるべき電流ｉの電流強度の関数として示している。角度ｆに対する少なくともほぼ線形な関係が、測定されるべき電流ｉの電流強度について広範囲に渡ってもたらされている。これにより、前記装置の高い測定精度のための有利な条件がもたらされる。
【００３１】
電流の電流強度を測定するために使用される、本発明による装置は有利なことに、特に（好ましくは１００Ａよりも高い）高電流を測定するための電気技術及び自動車電子機器の分野において、増大する過酷な要求仕様を満足する。当該技術において、特に前記供給システムにおけるリアクタンスの効果がないこと、干渉場に対する低感度、位置決め許容誤差、及び電流測定の精度に関して過酷な要求仕様が課される。リアクタンスの効果がないと共に電位によらない高電流の測定に使用され、当該測定において測定されるべき電流強度が特別の磁気回路によって合成磁場に変換され、当該測定が所与の空間範囲（ｓｐａｔｉａｌ  ｒａｎｇｅ）において値及び角度によって特徴付けられ、当該測定において当該空間範囲における場の角度が、角度センサで測定される電流強度の単位になっている、本発明による装置の前記実施例において、好ましくは軟磁性回路に関連して磁気抵抗性角度センサの使用により、上記要求仕様に準拠するロバストな電流測定システムを実現する可能性がもたらされる。
【００３２】
磁場の強さによる電流強度の、電位によらない測定は、本発明による装置において磁気抵抗性角度センサを使用して、直流電流と交流電流との両方が測定され得るという利点を有している。漏れ磁場はヨークを使用することによってシールドされ得る。前記磁場は前記エアギャップの領域において非常に均一になっているので、個々のコンポーネントの位置決め許容誤差は無視され得る。非常に精度よく動作するＭＲ角度センサを使用することによって、前記測定における誤差は一般的に極度に小さな温度係数のためにここでも低減され得る。高い電流及び場の強さにおいて、再現可能であると共にほぼ線形な伝達特性が実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定場の磁場の強さを測定するための、本発明による装置の第一の実施例を概略的に示している。
【図２】測定場の磁場の強さを測定するための、本発明による装置の第二の実施例を概略的に示している。
【図３】測定されるべき電流が測定場を生成する磁気ヨークを備える装置を概略的に示している。
【図４】電流の電流強度を測定するための、本発明による装置の第三の実施例を概略的に示している。
【図５】電流の電流強度を測定するための、本発明による装置の第四の実施例を概略的に示している。
【図６】図５に示されている第四の実施例の装置を使用する場合の合成磁場の力線の変動を示している。
【図７】図５及び６に示されている装置において磁気補助場の力線方向に対する当該合成磁場の偏位角ｆとして測定される、合成磁場の力線方向の関数の例を示している。
【符号の説明】
１    測定されるべき磁場の力線（測定場）Ｈ
２    棒状の永久磁石
３    角度センサ
４    磁気補助場の力線
５    図１における矢印によって示されている合成磁場
６    環状の永久磁石
７    導電体
８    磁気ヨーク
９    エアギャップ
１０  軟磁性リング
ｆ    磁気補助場４の力線の方向に対する合成磁場５の偏位の角度
ｉ    測定されるべき電流
Ｈ    測定場１の磁場の強さ
【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７】
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【国際公開パンフレット】
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2004518955.tif 000013
2004518955.tif 000014
2004518955.tif 000015
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2004518955.tif 000019
2004518955.tif 000020
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2004518955.tif 000025
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【国際調査報告】
2004518955.tif 000028
2004518955.tif 000029