(57)【要約】  ここに記載されているのは、導体（１９）における電流を測定するセンサ（１）であって、このセンサ（１）には層状プレートの形態の基板（２）が含まれており、この基板（２）には、第１メタライゼーション層、第２メタライゼーション層、及び第１メタライゼーション層と第２メタライゼーション層との間の絶縁層（３）が含まれており、基板（２）には、第１メタライゼーション層に平行なコイル軸（１０）に沿って巻回されておりかつ少なくとも１つの巻線を有するコイル（４）が含まれており、各巻線には、第１メタライゼーション層における第１トラック（５）が含まれており、この第１トラック（５）は、ヴィア（６）によって第１絶縁層を通されて、第２メタライゼーション層における第２トラック（７）に接続されており、基板（２）には、コイルにおける電流を測定する手段（１１）が含まれているセンサ（１）において、少なくとも１つの巻線が、非磁性体の周りにのみ巻回されている。
2017517734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体（１９）における電流を測定するセンサ（１）であって、前記センサ（１）には層状プレートの形態の基板（２）が含まれており、前記基板（２）には、第１メタライゼーション層、第２メタライゼーション層、及び、前記第１メタライゼーション層と前記第２メタライゼーション層との間の絶縁層（３）が含まれており、
前記基板（２）には、前記第１メタライゼーション層に平行なコイル軸（１０）に沿って巻回されておりかつ少なくとも１つの巻線を有するコイル（４）が含まれており、
各巻線には、前記第１メタライゼーション層における第１トラック（５）が含まれており、前記第１トラック（５）は、ヴィア（６）により、前記絶縁層（３）を通されて、前記第２メタライゼーション層における第２トラック（７）に接続されており、
前記基板（２）には、前記コイルにおける電流を測定する手段（１１）が含まれており、
前記少なくとも１つの巻線は、非磁性体の周りにのみ巻回されているセンサ（１）において、
前記センサは、電圧測定キャパシタを有しており、
前記電圧測定キャパシタには、前記第１メタライゼーション層における第１金属化領域（１２）と、前記第２メタライゼーション層における第２金属化領域と、が含まれており、
前記第１金属化領域（１２）及び前記第２金属化領域は、それらの間に前記絶縁層（３）の一部を挟み込んでおり、
前記センサ（１）には、前記電圧測定キャパシタに蓄えられたエネルギを測定する手段（１４）が含まれている、
センサ（１）。
【請求項２】
前記基板（２）は、プリント基板である、
請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項３】
前記基板（２）には、前記コイル（４）における電流の測定値又は前記電圧測定キャパシタに蓄えられたエネルギの測定値をワイヤレスで送信するワイヤレス送信器（１８）が含まれている、
請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項４】
前記基板（２）には、電力を誘導的にピックアップするように構成された電力ピックアップ回路が含まれており、
前記電力ピックアップ回路には、前記第１メタライゼーション層に垂直な別のコイル軸（２２）に沿って巻回された別のコイル（２１）が含まれており、かつ、ピックアップした電力を前記センサ（１）に供給する手段が含まれている、
請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ（１）。
【請求項５】
前記別のコイル（２１）には、少なくとも１つの別の巻線が含まれており、
前記別の巻線にはそれぞれ、前記第１メタライゼーション層における別の第１トラック（２３）が含まれており、前記別の第１トラック（２３）は、別のヴィア（２４）により、前記絶縁層（３）を通されて、前記第２メタライゼーション層における別の第２トラック（２５）に接続されている、
請求項４に記載のセンサ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体における電流を測定するセンサに関しており、このセンサには層状プレートの形態の基板が含まれており、この基板には、第１メタライゼーション層、第２メタライゼーション層、第１メタライゼーション層と第２メタライゼーション層との間の絶縁層が含まれており、基板には、第１メタライゼーション層に平行なコイル軸に沿って巻回されておりかつ少なくとも１つの巻線を有するコイルが含まれており、ここでは各巻線には、第１メタライゼーション層における第１トラックが含まれており、この第１トラックは、ヴィアにより、第１絶縁層を通されて、第２メタライゼーション層における第２トラックに接続されており、上記の基板は、コイルにおける電流を測定するための手段を有する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２０１３／０３４６６１号（WO2013/034661）には、導体に接触することなくこの導体における電流を測定するセンサが記載されている。このセンサの第１及び第２マグネットバーはそれぞれＰＣＢのスルーホールの反対側に配置されている。第１及び第２マグネットバーは互いに平行である。導体は、スルーホールを通してＰＣＢに差し込まれる。測定コイル及び励磁コイルが、第１マグネットバーの周りに巻回されている。同様に測定コイルと励磁コイルとが同心になるように、これらの測定コイル及び励磁コイルが第２マグネットバーの周りに巻回されている。励磁コイルは、対応するマグネットバーを一様に飽和させるように電源によって給電されている。これらのコイルはそれぞれ、ＰＣＢのメタライゼーション層における複数のトラックによって形成されており、これらのトラックはヴィアによって接続されている。導体における電流の変化は、４つのコイルを流れる電流を加算及び減算することによって特定される。
【０００３】
メンテナンスを行う場合、センサ及び導体を互いに取り外すため、導体を流れる電流を遮断する必要がある。導体における電流を測定する別のセンサは、米国特許出願公開第２０１０／３０１８３６号明細書（US2010/301836）から公知である。本発明の目的は、上記の問題を少なくとも部分的に解決するセンサを提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、本発明の第１実施形態によるセンサによって達成される。第１実施形態によれば、導体における電流を測定するセンサが提供され、このセンサには、層状プレートの形態の基板が含まれており、この基板には、第１メタライゼーション層、第２メタライゼーション層、第１メタライゼーション層と第２メタライゼーション層との間の絶縁層とが含まれており、この基板には、第１メタライゼーション層に平行なコイル軸に沿って巻回されておりかつ少なくとも１つの巻線を有するコイルが含まれており、各巻線には、第１メタライゼーション層における第１トラックが含まれており、この第１トラックは、ヴィアにより、第１絶縁層を通されて、第２メタライゼーション層における第２トラックに接続されており、上記の基板には、コイルにおける電流を測定する手段が含まれており、少なくとも１つの巻線は、非磁性体の周りにのみ巻回されている。
【０００５】
物理法則により、上記のコイルは、コイル軸に垂直な面の方向に延在する導体における電流の磁場変化をピックアップするように配置されている。コイルの軸は、第１メタライゼーション層に平行に延在しているため、導体は、コイル軸に垂直な面の方向に延在することが可能であり、基板の孔を通過する必要はなく、すなわちこの導体は、メタライゼーション層に平行であるがコイル軸に垂直に延在することが可能である。したがって基板及び導体は近傍で互いに取り外すことができ、その際に導体を通る電力を遮断する必要はない。
【０００６】
第１トラック、第２トラック及びヴィアは１つの巻線を形成するため、第１トラックを第１方向に流れる電流が、ヴィアを通過した後、第２トラックを第２方向に流れて、この第１方向の、コイル軸に垂直な断面への第１投影と、第２方向の、この断面への第２投影とが逆向きになるように、第１トラック、ヴィア及び第２トラックが配置されることが当業者には理解されよう。
【０００７】
コイルのこのような形成には新しい技術は不要であり、またこのような形成は、低価格で大規模に適用可能である。さらに層状プレートにコイルを形成することにより、センサを小型に維持することができる。
【０００８】
さらに上記の少なくとも１つの巻線には非磁性体が充填されるため、このコイルは、巻線含浸剤によって包囲される材料によって制限されることなく、多様な磁場の変化を測定することができる。したがって励磁コイルは不要であり、この励磁コイルに給電するための電源も不要である。このことが意味するのは、このセンサが容易に構成でき、小型化することができ、かつ、ほとんど電力を要しないことである。
【０００９】
上記の非磁性体は有利には、ガラス繊維及びエポキシ化物、セラミック材料又はポリイミド材料を含んでいてよい。
【００１０】
本発明の第２実施形態によれば、基板がプリント基板である、第１実施形態によるセンサが提供される。
【００１１】
プリント基板は、広く利用されている技術によって作製及び処理可能である。
【００１２】
本発明の第３実施形態によれば、第１又は第２実施形態によるセンサであって、第１メタライゼーション層における第１金属化領域と、第２メタライゼーション層における第２金属化領域とからなる電圧測定キャパシタを有しており、第１金属化領域及び第２金属化領域がそれらの間に絶縁層の一部を挟み込んでいるセンサが提供され、このセンサは、電圧測定キャパシタ内に蓄えられたエネルギを測定する手段を有する。
【００１３】
第１金属化領域及び第２金属化領域はそれらの間に絶縁層の一部を挟み込んでいるため、これらの領域は、メタライゼーション層に平行な方向に延在する導体からの電場をピックアップするように構成されるキャパシタを形成する。これには、コイル軸に垂直に延在する導体も含まれており、このことが意味するのは、センサ及び導体の相対的な向きを変更する必要なしに、電流と、この電流の電圧との両方を測定するためにこのセンサを使用できることである。
【００１４】
有利な実施形態では、電圧測定キャパシタに蓄えられたエネルギは、この電圧測定キャパシタの両端の電圧を測定することによって測定される。
【００１５】
本発明の第４実施形態によれば、第１、第２又は第３実施形態によるセンサであって、コイルにおける電流の測定値、又は電圧測定キャパシタに蓄えられたエネルギの測定値をワイヤレスで送信するワイヤレス送信器が基板に含まれているセンサが提供される。
【００１６】
測定値をワイヤレスで送信することにより、このセンサは、ワイヤレスで通信することができ、これにより、このセンサは高電圧配電系統又は低電圧配電系統において安全に使用できるようになる。
【００１７】
このワイヤレス送信器は、例えば、光学的手段又は高周波手段によって測定値を送信することができる。高周波手段が使用される場合、上記の電力コイルをアンテナとして使用することができ、又は別個のコイルを基板上に配置することができる。
【００１８】
上記のセンサが、第３実施形態によるものであり、かつ、ワイヤレス送信器が、コイルにおける電流の測定値と、電圧測定キャパシタ内に蓄えられたエネルギの測定値との両方を送信するように構成されている場合、このセンサは、ワイヤレスで通信することができ、この利点は、導体を流れる電流及び電圧の両方をワイヤレスで測定し、かつ、電流及び電圧測定値間で再変換することがないセンサに維持される。
【００１９】
本発明の第５実施形態によれば、上述のいずれか１つの実施形態によるセンサが提供され、ここでは基板には、電力を誘導的にピックアップするように構成された電力ピックアップ回路が含まれており、この電力ピックアップ回路には、第１メタライゼーション層に垂直な別のコイル軸に沿って巻回された別のコイルが含まれており、かつ、ピックアップした電力をセンサに供給する手段が含まれている。
【００２０】
上記の別のコイルのこの向きにおいて、この別のコイルは、外部給電系の導体から電力をピックアップするように構成されている。なぜならば、電力を誘導的にピックアップするためには、電気コンタクトは不要であり、かつ、これに接続することなくセンサに電力を供給できるからである。このことは、センサが高電圧配電系統又は低電圧配電系統に使用される場合に安全性に寄与する。
【００２１】
本発明の第６実施形態によれば、第５実施形態によるセンサが提供され、ここでは上記の別のコイルが、少なくとも１つの別の巻線を有しており、別の巻線にはそれぞれ、第１メタライゼーション層における別の第１トラックが含まれており、ここでこの別の第１トラックは、別のヴィアにより、第１絶縁層を通されて、第２メタライゼーション層における別の第２トラックに接続されている。
【００２２】
上記の別のコイルは、第１メタライゼーション層に垂直な別のコイル軸に沿って巻回されており、別のヴィアは、第１メタライゼーション層に垂直な方向に別の第１トラックと、別の第２トラックとを接続するため、別の第１トラック及び別の第２トラックは一緒に、単一の別の巻線もしくは単一の巻線の一部を形成し得るか、又は、それぞれが、複数の巻線を接続する別の複数のヴィアとは別に、１つの巻線を形成し得ることが当業者には理解されよう。
【００２３】
別のコイルのこのような形成には新しい技術は不要であり、またこのような形成は、低価格で大規模に適用可能である。
【００２４】
さらに層状プレートにこの別のコイルを形成することにより、センサを小型に維持することができる。
【００２５】
本発明によるセンサはさらに、目下の温度に基づいて、測定値を補償するため、温度センサを有することが可能である。これにより、本発明のセンサの精度が高められる。
【００２６】
ここで使用されている「メタライゼーション層」という語は、１つ以上の導電性のトラックが形成される層状プレート上の、異なる複数の電気コンポーネントを互いに電気的に接続する１つの層を示すために使用される。一般的にメタライゼーション層は、導電性材料、一般的には銅のような金属の均一な層をデポジットし、つぎにこの均一な層をエッチングして導電性トラックだけが残るようにすることによって得られる。
【００２７】
ここで使用されている「非磁性体」という語は、極めて磁化率が小さい材料、例えば１．０×１０−４Ｈ／ｍ未満の透磁率μを有する材料を示すために使用される。
【００２８】
ここで使用されている「低電圧系統」とは、一般的に交流１０００Ｖ又は直流１５００Ｖまでの電圧を扱うように構成された、送電網における電源の下流に使用される系統のことである。このような低電圧系統用のモジュールの一例は、エンジンスタータである。
【００２９】
ここで使用されている「高電圧系統」とは、「低電圧系統」の定義外にある系統のことである。
【００３０】
実施形態の例
本発明を以下、添付の略図を参照して説明する。複数の概略図面において対応する参照符号は、対応する部分を示している。これらの概略図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴によっては、より図示し易くするためまた本発明を説明し易くするため、誇張されていることもある。さらにこれらの例は、網羅的であることを意図しておらず、又はその他の点において図面に示しかつ以下の詳細な説明に開示した明確な構成に本発明を限定もしくは制限することを意図していない。
【００３１】
本発明を説明するため、すべて互いに直交しておりかつ右手方向系に選択されているｘ方向と、ｙ方向と、ｚ方向と、を使用する。ここでは、対応するデカルト座標系も使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるセンサを示す図である。
【図２】本発明によるセンサの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の一実施形態によるセンサ（１）には、プリント基板（ＰＣＢ）（２）が含まれている。ＰＣＢは、ｚ方向に積層された層を有する層状プレートとして形成されている。最大のｚ座標を有するＰＣＢ（２）の面をここでは、ＰＣＢ（２）の上面と称し、最小のｚ座標を有するＰＣＢ（２）の面をＰＣＢ（２）の下面と称する。このセンサの平面図（すなわちｚ軸の負方向に見た図）が図１に示されている。
【００３４】
このＰＣＢ（２）には、ガラス繊維もしくはエポキシ樹脂、セラミック材料、又はポリイミド材料のような非磁性体からなる絶縁層（３）が含まれている。この実施例において非磁性体は、エポキシ樹脂である。
【００３５】
ＰＣＢ（２）には、複数のプリントされたトラックとヴィアとによって形成されるコイル（４）が含まれている。導電性であり、直線状であり、かつ平行である第１の複数のトラックが、ＰＣＢ（２）の上面の第１メタライゼーション層に形成されている。これらの導電性のトラックは、銅から形成されている。銅は非磁性体である。導電性の第１の複数のトラックの各トラックは、矩形であり、かつ、第１ｙ座標から第２ｙ座標までｙ方向に沿って延在している。
【００３６】
このコイルの第１巻線をさらに一層詳細に説明する。この第１巻線には、第１の複数のトラックのうちの第１トラック（５）が含まれている。第１巻線にはさらにヴィア（６）が含まれており、このヴィア（６）は、第１ｙ座標において、第１トラックを、ＰＣＢ（２）の下面にある第２メタライゼーション層の第２の複数のトラックのうちの第２トラック（７）に接続している。ヴィア（６）及び第２トラック（７）は、図２に示されている。
【００３７】
中間のヴィアを無視すると、第２トラック（７）は、第１ｘ座標における第１トラック（５）を、第２ｘ座標における第３トラック（８）に接続している。第１トラック（５）及び第３トラック（８）は、第１メタライゼーション層において隣接している。第２トラック（７）と第３トラック（８）との間の接続は、第２ｙ座標における付加的なヴィア（９）によって行われる。この付加的なヴィア（９）は図２において点線で示されており、これにより、図示されてはいるもののその方向は、断面が形成されているｘ座標にないことが示されている。この付加的なヴィア（９）は、本発明を説明するという目的のため、及び、ＰＣＢ（２）において巻線がどのように構成されているかを示すためだけに図示されている。
【００３８】
第１巻線のこの構成は繰り返され、これによって複数の巻線を有しコイル軸（１０）に沿って巻回されるコイル（４）が形成される。このコイル軸は、第１及び第２メタライゼーション層に平行であり、かつ、ｘ軸に平行である。
【００３９】
ＰＣＢ（２）は、コイル（４）における電流を測定するための複数の手段（１１）をさらに有する。手段（１１）は、コイル（４）の最も外側の巻線に接続されている。これらの手段は、例えばアナログ・デジタル変換器であり、このアナログ・デジタル変換器によってコイルにおける電流を導出することができる。
【００４０】
使用時には導体（１９）がセンサ（１）の近傍に配置され、これによってこの導体（１９）が、ｙ軸方向に平行に延在するようにする。この導体（１９）は、対称軸（２０）に関して対称である。この対称軸（２０）は、ｘ軸に垂直な対称面の一部をなしている。この対称面は、コイル（４）を互いに対称な２つの部分に分割するため、このコイル（４）は、導体（１９）を流れる電流の変化によって生じる磁場の変化に対して最大限の感度を有する。
【００４１】
ＰＣＢ（２）には、第１メタライゼーション層の第１金属化領域（１２）と、第２メタライゼーション層の第２金属化領域とがさらに含まれている。第１金属化領域（１２）は第１輪郭（１３）を、また第２金属化領域は第２輪郭を有する。第１金属化領域（１２）の第１輪郭（１３）を、ｚ方向に（すなわち絶縁層（３）を通して）第２メタライゼーション層に投影することにより、第２輪郭が形成される。このことが意味するのは、絶縁層（３）が、第１金属化領域（１２）と第２金属化領域との間に挟み込まれていることである。したがって、ここでは電圧測定キャパシタと称されるキャパシタが形成される。この電圧測定キャパシタの両端の電圧は、導体（１９）の電圧に対応する電場と共に変化する。
【００４２】
第１金属化領域（１２）及び第２金属化領域は、第１金属化領域（１２）と第２金属化領域との間の電圧の差分を測定する手段（１４）に接続されている。図１及び図２では、第１金属化領域（１２）と第２金属化領域との間の電圧の差分を測定する手段（１４）と、コイル（４）における電流を測定する手段（１１）とが、ＰＣＢ（２）上の結合された領域を占有するように略示されている。
【００４３】
ＰＣＢ（２）には、コイル（４）において測定した電流の値、又は電圧測定キャパシタにおいて測定した電圧の差分の値を送信するように構成されたワイヤレス送信器（１８）がさらに含まれている。
【００４４】
図１及び図２において、第１金属化領域（１２）と第２金属化領域との間の電圧の差分を測定する手段（１４）、コイル（４）における電流を測定する手段（１１）、及びワイヤレス送信器（１８）は、ＰＣＢ（２）上で結合された領域を占有するように略示されている。これらの手段は、例えば、キャパシタ及び抵抗、ならびに複数のＩＣ、アンテナなどのようなＳＭＤ（surface mount component）を含んでいてよい。
【００４５】
ＰＣＢ（２）にはまた、ｚ方向に延在する別のコイル軸（２２）の周りに巻回される別のコイル（２１）が含まれている。この別のコイルには、第１メタライゼーション層における別の第１トラック（２３）が含まれている（図１）。この別の第１トラック（２３）は、コイル（４）と、コイル（４）における電流を測定する手段（１１）と、電圧測定キャパシタにおける電圧を測定する手段（１４）と、電圧測定キャパシタそれ自体と、ワイヤレス送信器（１８）との周りに曲げられている。この別の第１トラック（２３）は、別のヴィア（２４）により、第２のメタライゼーション層における別の第２トラック（２５）に接続されている。第２メタライゼーション層において、別の第２トラック（２５）も、コイル（４）と、コイル（４）における電流を測定する手段（１１）と、電圧測定キャパシタにおける電圧を測定する手段（１４）と、電圧測定キャパシタそれ自体と、ワイヤレス送信器（１８）との周りに曲げられている。別の第２トラック（２５）は、別の第１トラック（２３）と、別のヴィア（２４）と、この別の第２トラックとが一緒になって別のコイル（２１）を形成するように構成されている。
【００４６】
ＰＣＢ（２）には、コイル軸（１０）に平行な付加的なコイル軸（１５）の周りに巻回されている付加的なコイル（３４）がさらに含まれている。この付加的なコイル（３４）は、コイル（４）と同様である。この付加的なコイル（３４）には、第１メタライゼーション層における付加的な第１トラック（１６）が含まれている。付加的な第１トラック（１６）は、中間のヴィア（３６）により、ＰＣＢ（２）の下面の第２メタライゼーション層における付加的な第２トラック（３５）に接続されている。ヴィアを無視すると、付加的な第２トラック（３５）は、付加的な第１トラック（１６）を、第１メタライゼーション層における付加的な第３トラック（３７）に接続する。この付加的な第１トラック（１６）は、第１ｘ座標にあり、付加的な第３トラック（３７）は、第２ｘ座標にある。
【００４７】
付加的なコイル（３４）内のトラック（１６、３５、３７）の材料は銅である。付加的なコイル（３４）は、信号強度を増大させるため、上記のコイルに直列接続されている。比較的短いコイル（４）及び付加的なコイル（３４）を配置することにより、ｘ方向におけるＰＣＢ（２）のサイズが比較的小さく維持される。
【図１】
2017517734.tif 000003
【図２】
2017517734.tif 000004
【国際調査報告】
2017517734.tif 000005
2017517734.tif 000006
2017517734.tif 000007