(57)【要約】      （修正有）【課題】外部の漂遊磁界を遮蔽し大きい電流も測定できる測定範囲をもつ測定装置を開発する。【解決手段】電流測定装置は電流導体１の中を流れている電流Ｉによって生成される磁界を測定するための磁界センサ２及び少なくとも１００の相対透磁率を有する磁性材料のヨーク３からなる。磁界センサ２好ましくは少なくとも１つのホール素子を有する半導体チップ及びホール素子の動作のための電子回路を備える。空隙によって切り離された磁界集線装置は、磁界線が少なくとも１つのホール素子を抜けるように半導体チップの表面に配置される。ヨーク３は屈曲によってヨーク３の端部１０、１１の前方側面が互いの反対側に位置し、空隙１４によって切り離される形状にされた２つの端部１０、１１を有する薄板金属または薄板金属層の長方形片から構成されている。ヨーク３の端部１０、１１はテーパがついているのでヨーク端部の幅はヨーク幅より狭い。【選択図】図１
2007192820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（２４）に包まれ、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；１９）と、少なくとも１００の相対透磁率を有する磁性材料のヨーク（３）からなる電流測定装置であって、ここにおいて、前記ヨーク（３）が、空隙（１４）によって分離され、互いの反対側に位置する前方側面（１２、１３）を有する２つの端部（１０、１１）を有し、前記ヨーク（３）は２つの側壁を有し、それが完全に前記空隙（１４）を除いては前記電流導体（１）に接するように形成され、前記磁界センサ（２）を有する前記ハウジング（２４）は、前記ヨーク（３）内部、および、前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）の外側に配置され、そして、前記電流導体（１）に直角で測定され、前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に並列である前記ヨーク（３）の長さは、前記空隙（１４）に垂直に測定された前記ヨーク（３）の高さと少なくとも同じサイズである、電流測定装置。
【請求項２】
前記ヨーク（３）の前記端部（１０、１１）はテーパがつけられる、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）は、拡大されまたは凹部を備え、または拡大されてかつ凹部を備える、請求項１に記載の電流測定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の電流測定装置であって、前記磁界センサ（２；１９）は、少なくとも１つのホール素子（５Ａ;５Ｂ）を有する半導体チップ（４）からなり、ここにおいて、さらなる空隙（６）によって切り離された２つの磁界集線装置（７、８）は、前記空隙（６）の近くで前記第１の磁界集線装置（７）を出て、前記空隙（６）の近くで前記第２の磁界集線装置（８）に当たる前記磁力線（９）が、前記少なくとも１つのホール素子を通り抜けるように、前記半導体チップ（４）の表面に配置される電流測定装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の電流測定装置であって、前記磁界センサ（２）は前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に面する前記電流導体（１）側に配置され、さらなる磁界センサ（１９）は前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に面しない前記電流導体（１）側に配置される電流測定装置。
【請求項６】
ハウジング（２４）に包まれ電流導体に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；１９）、および少なくとも１００の相対透磁率を有する磁性材料のヨーク（３）からな電流測定装置であって、ここにおいて、前記ヨーク（３）は、空隙（１４）によって切り離される２つの端部（１０、１１）を有しかつ互いの反対側に存在する（１２、１３）前方側面を有し、前記ヨーク（３）は２つの側壁を有し、完全に前記空隙（１４）を除いては前記電流導体（１）に接しているように形成され、前記磁界センサ（２）を有する前記ハウジング（２４）が、前記ヨーク（３）内部、および、前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）の外側に配置され、前記電流導体（１）に直角で測定され、前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に並列の前記ヨーク（３）の長さは、前記空隙（１４）に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、前記磁界センサ（１９）は、前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に面しない前記電流導体（１）側に配置される、電流測定装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の電流測定装置であって、さらに前記スクリーン（２１）は、前記中間部分が前記ヨーク（３）の前記空隙（１４）に並列し、３つの側面上で前記ヨーク（３）に接する少なくとも１００の相対透磁率を有する磁性材料のほぼＵ型スクリーン（２１）を含む、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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【外国語明細書】
Device for measuring current
FIELD OF THE INVENTION
[0001]   The invention concerns a device for measuring current.
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]   Such a device for measuring current can also be designated as a current sensor, in particular then if it can be sold in the trade as a product consisting of one single component. Such a one-piece current sensor is known from EP 772046. The current sensor consists of a current conductor, a magnetic field sensor for measuring the magnetic field produced by a current flowing through the current conductor and a ferromagnetic yoke. The magnetic field sensor contains a semiconductor chip with two magnetic field concentrators arranged on the surface of the semiconductor chip that are separated by an air gap and two Hall elements integrated in the semiconductor chip that are arranged on both sides of the air gap so that magnetic field lines pass therethrough that issue from the first magnetic field concentrator in the vicinity of the air gap and impinge on the second magnetic field concentrator in the vicinity of the air gap. The semiconductor chip contains in addition the electronic circuits necessary for the operation of the Hall elements and the amplification and processing of the voltage signals delivered by the Hall elements. The magnetic field sensor is arranged on the current conductor so that the magnetic field lines created by the current run approximately parallel to the surface of the semiconductor chip and therefore also parallel to the magnetic field concentrators. The yoke borders the current conductor on three sides and forms together with the two magnetic field concentrators a nearly closed magnetic circuit. The yoke and the two magnetic field concentrators form a magnetic amplifier that amplifies the magnetic field produced by the current. Disadvantages of this current sensor are that because of its construction as current sensor with integrated current conductor it is only suited for measuring relatively small currents of up to 20 A and that external magnetic fields are hardly screened.
[0003]   From CH 659138 a device for measuring the current flowing in a current conductor is known with which a screen of magnetic material with high permeability screens magnetic stray fields.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0004]   The object of the invention is to develop a device for measuring current that can be designed in a simple way for the measurement of currents in a relatively small measurement range from 0 to typically 20A or 50A or also 100A, as well as for the measurement of currents in a relatively big measuring range from 0 to 200A or 300A, that may be temporarily loaded with an overload current of up to 1000A and that is well screened against external magnetic stray fields.
The device for measuring current according to the invention comprises a magnetic field sensor for the measurement of the magnetic field produced by a current flowing through a current conductor and a yoke of a magnetic material with high permeability that borders the current conductor in the measurement area. In principle the yoke consists of an oblong piece of sheet metal with two ends that has been brought by bending into a form with which the front faces lie opposite each other and are separated by an air gap. Therefore the yoke is like a piece of a tube with a slit running in the direction of the tube. With the exception of the air gap the yoke borders the current conductor completely.
The magnetic field sensor is preferably a magnetic field sensor with a Hall element integrated in a semiconductor chip and an electronic circuit integrated in the semiconductor chip for the operation of the Hall element and with two magnetic field concentrators arranged on the active surface of the semiconductor chip and separated by an air gap wherein field lines of the magnetic field pass through the Hall element that issue from the first magnetic field concentrator in the vicinity of the air gap and impinge on the second magnetic field concentrator in the vicinity of the air gap.
However, the magnetic field sensor may also be another sensor, e.g. an AMR (anisotropic magnetic resistance) or GMR (giant magnetic resistance) sensor or a fluxgate sensor. 
The yoke serves on the one hand side for the amplification of the magnetic field produced by the current and on the other hand side for the screening of external magnetic stray fields. The magnetic field sensor and the yoke are adapted to each other such that the magnetic field sensor is only sensitive to a single component of the magnetic field, which is for example designated as x-component, and that the yoke screens exactly this x-component. Therefore the magnetic field sensor measures only the x-component of the magnetic field produced by the current flowing in the current conductor and does not measure the screened x-component of an external magnetic stray field. In order to achieve a high gain the ends of the yoke are tapered so that a width of the ends of the yoke is smaller than a width of the yoke. In addition the extension of the yoke in the direction to be screened (here in the x-direction) is at least as big as a height measured in thereto orthogonal direction. The screening can be further increased by an additional essentially u-shaped screen that borders the yoke on three sides.
The relation between the screening factor and the amplifying factor may be also enhanced in that the end of the yoke are either enlarged and/or are provided with a recess. A yoke of this form is also suited for the measurement of currents in a relatively big range from 0 to 200A or 300A, but also 1000A.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING FIGURES
[0005]   The accompanying drawings, which are incorporated into and constitute a part of this specification, illustrate one or more embodiments of the present invention and, together with the detailed description, serve to explain the principles and implementations of the invention. The figures are not to scale.
In the drawings:
Fig. 1shows in a perspective view a device for the measurement of a current according to the invention with a magnetic field sensor and a yoke,
Fig. 2               shows an embodiment of a preferred magnetic field sensor,
Fig. 3               shows a cross-section of the device for measuring current,
Fig. 4               shows a cross-section of a further device for measuring current,
Fig. 5               shows a cross-section of a further device for measuring current, 
Fig. 6               shows output signals of the device for measuring current according to the embodiment of Fig. 5, and
Figs. 7, 8           show a perspective view of further devices for measuring current with the magnetic field sensor and the yoke.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0006]   Figs. 1 and 3 show a perspective view or cross-section, respectively, of a device for measuring the current I flowing through a current conductor 1, that in accordance with the invention is designed for the measurement of a current in the range from 0 to typically 20A or 50A, or about 100 A in the maximum. The cross-section of the current conductor 1 is preferably rectangular, but it may also have an arbitrary other shape, for example a round shape.  The coordinates in a Cartesian coordinate system are designated with x, y and z. The current flows in the y-direction. The device for measuring current comprises a magnetic field sensor 2 that measures the magnetic field produced by the current I and a yoke 3 of a material with high magnetic permeability. High permeability means a relative permeability of at least 100 (the relative permeability of air is 1). The yoke 3 is formed for example from a piece of sheet metal of iron or Permalloy or Mumetal, that typically have a relative permeability in the range between 100 and 100'000. The yoke 3 is formed from an oblong piece of sheet metal with a thickness of about 0.5 to 2 mm with two ends 10 and 11 such that it nearly completely borders the current conductor 1, namely such that the two front faces 12 and 13 of the ends 10 and 11 of the sheet metal lie opposite each other and are separated by an air gap 14. The current conductor 1 and the magnetic field sensor 2 are completely located within the yoke 3. He ends 10 and 11 of the yoke 3 are tapered so that their width B0 is less than the width B of the sheet metal or yoke 3. Preferably, the current conductor 1 is tapered in the area of the yoke 3. 
[0007]   A preferred example for the magnetic field sensor 2 is shown in more detail in Fig. 2: It contains a semiconductor chip 4 with at least one Hall element, in the example two Hall elements 5A and 5B, and and electronic circuit for the operation of the at least one Hall element and the processing of the Hall voltage delivered by the at least one Hall element. On the active surface of the semiconductor chip 4, i.e. on the surface with the integrated circuits, two magnetic field concentrators 7, 8 separated by an air gap 6 are arranged such that field lines 9 of the magnetic field (see Fig. 3) that issue from the first magnetic field concentrator 7 in the vicinity of the air gap 6 and impinge on the second magnetic field concentrator 8 in the vicinity of the air gap 6 pass through the at least one Hall element. The structure of such a magnetic field sensor 2 is known from the European patent EP 772046. The Hall element (or the two Hall elements 5A and 5B) is a so-called horizontal Hall element that is sensitive to a magnetic field that runs perpendicular to the active surface of the semiconductor chip 4, here therefore in z-direction. The term Hall element does not only mean a single Hall element, but it may comprise also a group of Hall elements connected parallel or antiparallel and/or operated with time multiplex.  Such arrangements of Hall elements are used to reduce the offset of the Hall voltage. But the Hall element may also be a so-called vertical Hall element that is sensitive to a magnetic field that runs parallel to the active surface of the semiconductor chip 4 and perpendicular to the current direction, here therefore in x-direction.
[0008]   The magnetic field sensor 2 is encapsulated in a housing 24. The magnetic field sensor 2 is (if no yoke 3 is present) sensitive to a magnetic field that runs in x-direction, and insensitive to magnetic fields that run in y- and z-direction.  The two magnetic field concentrators 7 and 8 extend in x-direction.  The housing 24 needs more space than is available in the air gap 14 of the yoke 3. The housing 24 is therefore located inside the yoke 3, but outside the air gap 14.
[0009]   The air gap 14 present between the front faces 12 and 13 of the ends 10 and 11 of the yoke 3 is located ”above“ the air gap 6 between the two magnetic field concentrators 7 and 8, or, expressed geometrically: There exists a plane running perpendicular to the surface of the semiconductor chip 4 that runs through the air gap 6 as well as through the air gap 14. The yoke 3 and the two magnetic field concentrators 7 and 8 form thus a magnetic circuit interrupted through the air gap 6 and two further air gaps 15, 16 (see Fig. 3) wherein field lines 17 (see Fig. 3) of the magnetic field that issue from the first end 10 of the yoke 3 impinge on the first magnetic field concentrator 7, pass in the known manner through the air gap 6, leave the second magnetic field concentrator 8 and impinge on the second end 11 of the yoke 3. The device for measuring current is designed such that the two magnetic field concentrators 7 and 8 are not directly located in the air gap 14 of the yoke 3, but below the air gap 14, where they are essentially passed through by stray lines of the magnetic field that issue from the ends 10 and 11 of the yoke 3. In order to achieve this the distance D of the magnetic field sensor 2 to the air gap 14 of the yoke 3, as measured from the surface of the magnetic field concentrators 7 and 8, is preferably less than a distance E of the magnetic field sensor 2 to the sidewalls of the yoke 3, measured from the outer end of the magnetic field concentrators 7 and 8.
[0010]   The yoke 3 performs two functions, namely on the one hand side the magnetic amplification of the magnetic field produced by the current flowing in the current conductor and on the other hand side the screening of the magnetic field sensor against external magnetic stray fields. Because of its construction the magnetic field sensor 2 is insensitive to external magnetic fields that are directed in y- and/or z-direction. The amplification of the magnetic field produced by the current flowing in the current conductor at the location of the Hall element is characterized by an amplification factor. The amplification factor depends on the geometry of the yoke 3, but also on the frequency of the current I. In the following the amplification factor usually designates the amplification factor at DC current or AC currents below a certain limit frequency fG. The efficiency of the screening of the magnetic field sensor 2 against an external magnetic field directed in x-direction is characterized by a screening factor. The diminution of the ends 10 and 11 to the width B0 has the effect to increase the amplification factor by the factor B/B0 while the screening factor remains nearly unchanged. The amplification factor and the screening factor depend on the distance of the magnetic field sensor 2 to the air gap 14 between the ends 10 and 11 of the yoke 3. This situation is illustrated with the aid of Fig. 3 that shows a cross-section of the device for measuring current. The current conductor 1 and the yoke 3 have a rectangular cross-section and are arranged symmetrically in relation to a symmetry plane 18. The magnetic field sensor 2 is located on the side of the current conductor 1 facing the air gap 14 of the yoke 3 and is whithin mounting tolerances also placed symmetrically in relation to the symmetry plane 18 so that the symmetry plane 18 runs also through the air gap 6 between the two magnetic field concentrators 7 and 8. Die magnetic field concentrators 7 and 8 are located in the distance D to the air gap 14 of the yoke 3. The amplification factor of the yoke 3 decreases with increasing distance D because the proportion of the field lines 17 that issue from the one end 10 of the yoke 3 and arrive at the magnetic field concentrator 7 decreases with increasing distance D. Reversely, for the same reason the screening factor of the yoke 3 increases with increasing distance D. At a proper choice of the distance D the amplification factor typically amounts to about 10, the screening factor to about 100 to 1000.
[0011]   In order that the screening of an external magnetic field running in x-direction is effective, a length L of the yoke 3 measured orthogonally to the current conductor 1 and parallel to the air gap 14 is at least the same size as a height H of the yoke 3 measured orthogonally to the air gap 14. Preferably the length L is bigger than the height H by at least a factor 1.5.
[0012]   Fig. 4 shows a device for measuring current with which a magnetic field sensor 19 is placed on the side of the current conductor 1 not facing the air gap 14 of the yoke 3. The magnetic field sensor 19 is the same as the magnetic field sensor 2 of the previous example. The screening factor for the magnetic field sensor 19 is here also very big. The amplification factor of the yoke 3 for the magnetic field sensor 19, however, lies between 0 and 1, i.e. the yoke 3 does not amplify the magnetic field at the location of the second magnetic field sensor 19, but even reduces the magnetic field, if the amplification factor is smaller than 1. If the amplification factor is smaller than 1, this can be used in order to improve the frequency response of the magnetic field sensor 19. The output signal of the magnetic field sensor 19 without the yoke 3 as a function of the frequency of the current is constant in a frequency range from 0 to fG1 (fG1 amounts for example to 50 kHz) and then typically decreases with 20dB/octave. The yoke 3 changes the frequency response, because the amplification factor of the yoke 3 also decreases above a limit frequency fG2. If, however, the amplification factor of the yoke 3 for DC currents is already less than 1, then the damping of the amplification factor has less effect above the limit frequency fG2 so that all in all the damping above the limit frequency fG2 is reduced. This effect can be used in order to improve the frequency response of the current sensor. With the embodiment shown the yoke 3 consists of a single piece of sheet metal. The limit frequency fG2 of the yoke 3 depends on the thickness d of the sheet metal:
2007192820.tif 000011
The thickness d of the sheet metal is now selected so that fG2 is nearly equal to fG1. With decreasing thickness of the sheet metal and therefore of the yoke 3 the magnetic field that magnetically saturates the yoke 3 gets smaller. In order to avoid this the yoke 3 is formed as a laminate of several sheet metals of the thickness d that are separated by an isolation layer. The thickness d of one metal sheet typically amounts to about 0.02 to 0.1, in the maximum 0.2 mm.
[0013]   Fig. 5 shows a device for measuring current with which the magnetic field sensor 2 is arranged on the side of the current conductor 1 facing the air gap 14 of the yoke 3 and the magnetic field sensor 19 on the side of the current conductor 1 that does not face the air gap 14 of the yoke 3. The first magnetic field sensor 2 serves for a precise measurement of the current in a predefined working range from typically 0 to 50A or 0 to 100A, while the second magnetic field sensor 19 serves for the measurement of the current above the predefined working range, in a predefined overload range of here 50A or 100A to typically 1000A. With this embodiment the yoke 3 is shown as a laminate from sheet metals 20 separated by isolating layers.
[0014]   With all embodiments the screening factor can be increased by an additional, essentially ushaped screen 21 of a material with high magnetic permeability that borders the yoke 3 on three sides. The screen 21 consists of three sections of which the middle section runs parallel to the air gap 14 of the yoke 3. The screen 21 preferably consists of the same material as the yoke 3. The screen 21 is placed at the distance E to the yoke 3. The distance E is chosen so big, that the screen 21 does not reduce or only insignificantly reduces the amplification factor of the yoke 3.
[0015]   Fig. 6 shows the output signals 22 and 23 of the two magnetic field sensors 2 and 19 as a function of the current I  flowing in the current conductor 1. The output signal 22 of the first magnetic field sensor 2 is proportional to the current I in the predefined working range A. Above the working range A saturation effects of the magnetic field concentrators 7, 8 of the first magnetic field sensor 2 occur that lead to a flattening of the output signal 22. The output signal 23 of the second magnetic field sensor 19 is proportional to the current I in the overload range B, because as a result of the smaller amplification factor saturation effects of the magnetic field concentrators 7, 8 of the second magnetic field sensor 19 occur only with currents above the upper limit of the overload range B. 
[0016]   The device for measuring current according to the invention is characterized by a simple and compact construction and a simple assembly. The housing 24 with the magnetic field sensor 2 can be glued directly on the current conductor 1. Alternatively, the housing 24 can be mounted on a printed circuit board and the printed circuit board can be fixed on the current conductor 1. Equally the yoke 3 can be glued on the opposite lying side directly or eventually with an additional distance keeping means to the current conductor 1.
[0017]   The magnetic field sensor 2 or 19, respectively, should essentially be only sensitive to the x-component of an external magnetic field and insensitive to the y- and z-component of the external magnetic field. The magnetic field sensor with the two magnetic field concentrators and the Hall element described above fulfills these requirements to a high degree. The magnetic field sensor 2 or 19 may, however, with all embodiments also be another sensor that fulfills these requirements, for example an AMR (anisotropic magnetic resistance) or GMR (giant magnetic resistance) sensor. These sensors comprise a ferromagnetic  resistive element, the electrical resistance of which depends on the strength of the magnetic field. The magnetic field sensor 2 or 19 may further be a fluxgate sensor. A fluxgate sensor comprises a ferromagnetic core. The ferromagnetic resistive element or the ferromagnetic core is arranged on the active surface of the semiconductor chip 4. The ferromagnetic resistive element or the ferromagnetic core influences the course of the magnetic field lines in a way similar to the magnetic field concentrators 7, 8 with the preceding embodiment.
[0018]   Other, modified forms of the yoke are possible too. The two tapered ends of the yoke that lie opposite each other could for example also exist in the form of tongues punched free from the side walls of the yoke and bent.
[0019]   Fig. 7 and Fig. 8 show in perspective view two devices for measuring current that are designed according to the invention for the measurement of currents in a bigger range from 0 to 200A or 300A. With these devices the ends of the yoke 3 are formed such that the magnetic field at the location of the magnetic field sensor 2 is smaller than with a device for measuring current with a yoke 3 the ends of which are neither tapered nor enlarged nor have a recess, which therefore have a straight front side with the width B. With the embodiment of Fig. 7 the ends 10 and 11 of the yoke 3 have the width B, but the front sides 12 and 13 of the yoke 3 are provided with a recess of the width B1. With the embodiment of Fig. 8 the ends 10 and 11 of the yoke 3 are enlarged to the width B2. A combination is also possible, i.e. an enlargement of the ends to the width B2 > B and the formation of a recess of the width B1. Thus the amplification factor of the yoke 3 is significantly reduced, while the screening factor changes insignificantly. In doing so on the one hand side the ratio of the screening factor to the amplification factor can be augmented and on the other hand side the amplification factor diminished.
[0020]   The shown embodiments illustrate that the device for measuring current can be designed for the measurement of variably big maximum currents solely by changing the form of the ends of the yoke 3. The same magnetic field sensor 2 can be mounted in the same way and at the same position on the current conductor 1.
[0021]   While embodiments and applications of this invention have been shown and described, it would be apparent to those skilled in the art having the benefit of this disclosure that many more modifications than mentioned above are possible without departing from the inventive concepts herein. The invention, therefore, is not to be restricted except in the spirit of the appended claims and their equivalents.
CLAIMS 
1.            Device for measuring current, comprising a magnetic field sensor (2; 19) for measuring a magnetic field produced by a current flowing through a current conductor (1), the magnetic field sensor encapsulated into a housing (24), and a yoke (3) of a magnetic material with a relative permeability of at least 100, wherein the yoke (3) has two ends (10, 11) separated by an air gap (14) and with front sides (12, 13) that lie opposite each other, wherein the yoke (3) has two sidewalls and is formed such that it borders the current conductor (1) with the exception of the air gap (14) completely, wherein the housing (24) with the magnetic field sensor (2) is placed inside the yoke (3) and outside the air gap (14) of the yoke (3), and wherein a length of the yoke (3) measured at right angles to the current conductor (1) and parallel to the air gap (14) of the yoke (3) is at least the same size as a height of the yoke (3) measured perpendicularly to the air gap (14).
2.            Device for measuring current according to claim 1, wherein the ends (10, 11) of the yoke (3) are tapered.
3.            Device for measuring current according to claim 1, wherein the ends (10, 11) of the yoke (3) are enlarged or provided with a recess or are enlarged and provided with a recess.
4.            Device for measuring current according to any of claims 1 to 3, wherein the magnetic field sensor (2; 19) comprises a semiconductor chip (4) with at least one Hall element (5A; 5B), wherein two magnetic field concentrators (7, 8) separated by a further air gap (6) are arranged on a surface of the semiconductor chip (4), wherein field lines (9) of the magnetic field that issue from the first magnetic field concentrator (7) in the vicinity of the air gap (6) and impinge on the second magnetic field concentrator (8) in the vicinity of the air gap (6) pass through the at least one Hall element.
5.            Device for measuring current according to any of claims 1 to 4, wherein the magnetic field sensor (2) is placed on the side of the current conductor (1) facing the air gap (14) of the yoke (3) and that a further magnetic field sensor (19) is placed on the side of the current conductor (1) that does not face the air gap (14) of the yoke (3).
6.            Device for measuring current, comprising a magnetic field sensor (2; 19) for measuring a magnetic field produced by a current flowing through a current conductor, the magnetic field sensor encapsulated into a housing (24), and a yoke (3) of a magnetic material with a relative permeability of at least 100, wherein the yoke (3) has two ends (10, 11) separated by an air gap (14) and with front sides that (12, 13) lie opposite each other, wherein the yoke (3) has two sidewalls and is formed such that it borders the current conductor (1) with the exception of the air gap (14) completely, wherein the housing (24) with the magnetic field sensor (2) is placed inside the yoke (3) and outside the air gap (14) of the yoke (3), and wherein a length of the yoke (3) measured at right angles to the current conductor (1) and parallel to the air gap (14) of the yoke (3) is at least the same size as a height of the yoke (3) measured perpendicularly to the air gap (14) and wherein the magnetic field sensor (19) is placed on the side of the current conductor (1) that does not face the air gap (14) of the yoke (3).
7.            Device for measuring current according to any of claims 1 to 6, further comprising an essentially ushaped screen (21) of a magnetic material with a relative permeability of at least 100 that borders the yoke (3) on three sides, wherein the screen (21) has three sections of which the middle section runs parallel to the air gap (14) of the yoke (3).
ABSTRACT
A device for measuring current comprises a magnetic field sensor (2) for measuring the magnetic field produced by a current I flowing through a current conductor (1) and a yoke (3) of a magnetic material with a relative permeability of at least 100. The magnetic field sensor (2) preferably comprises a semiconductor chip with at least one Hall element and an electronic circuit for the operation of the Hall element. Two magnetic field concentrators (7, 8) separated by an air gap (6) are arranged on a surface of the semiconductor chip such that field lines (9) of the magnetic field (see Fig. 3) that issue from the first magnetic field concentrator (7) in the vicinity of the air gap (6) and impinge on the second magnetic field concentrator (8) in the vicinity of the air gap (6) pass through the at least one Hall element. The yoke (3) consists of an oblong piece of sheet metal or a laminate of sheet metals with two ends (10, 11) that has been brought by bending into a form with which the front sides of the ends (10, 11) of the yoke (3) lie opposite each other and are separated by an air gap (14). The ends (10, 11) of the yoke (3) are tapered so that a width of the ends of the yoke is less than a width of the yoke.
(Fig. 1) 
【図１】
2007192820.tif 000012
【図２】
2007192820.tif 000013
【図３】
2007192820.tif 000014
【図４】
2007192820.tif 000015
【図５】
2007192820.tif 000016
【図６】
2007192820.tif 000017
【図７】
2007192820.tif 000018
【図８】
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