JP2010536013A - 導電体を流れる電流を測定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、導電体（１）を流れる電流を測定する装置に関し、該装置は、導電体（１）と結合するための磁気回路（２）を有し、該磁気回路（２）は空隙（３）を有する。導電体（１）によって生成された磁場を測定するための、磁場を感知する構成要素（４）は、磁気回路（２）の腕部の間に位置する。２つの制御コア（５ａ、５ｂ）は磁気回路（２）の空隙（３）に配置され、各制御コア（５ａ、５ｂ）は、該制御コア（５ａ、５ｂ）を磁気的に飽和させるための制御巻線（６）を有し、導電体（１）の両側に配置される。
【選択図】図１

Description

特許文献１は、導電体を流れる電流を測定する装置を開示している。

独国特許第１０２００５０２４０７５号明細書

１つの達成すべき目的は、外部磁気の影響とは無関係に正確な測定を可能にする、導電体を流れる電流を測定する装置および方法を示すことである。

この目的は、請求項１に記載の導電体を流れる電流を測定する装置によって達成される。

さらに、この目的は、請求項１２に記載の方法によって達成される。

装置は、空隙を持ち導電体に結合するための磁気回路を有する。導電体によって生成される磁場を測定するための、磁場を感知する構成要素が磁気回路内に位置する。好ましくは、磁場を感知する構成要素は磁気回路に直接組み込まれる。２つの制御コアが磁気回路の空隙内に位置し、各制御コアは、該制御コアを磁気的に飽和させるための制御巻線を有し、導電体の両側に配置される。

好ましい一実施例では、磁気回路はＵ字型の軟磁性コアを有し、そこに磁場を感知する構成要素が直接組み込まれる。好ましくは、磁場を感知する構成要素はＵ字型のコアの２つの腕部の間の中央に位置する。

２つの制御コアは、前記制御コアに取り付けられた巻線によって、互いに独立して制御電流によって飽和されうる。

好ましい一実施例では、第１の制御コアが導電体の第１の側に位置し、第２の制御コアが導電体の第２の側に位置する。

好ましくは、第２の制御コアは、好ましくはＵ字型である磁気回路の２つの腕部の間の、磁場を感知する構成要素と平行に位置する。

一実施例では、磁気回路が追加の巻線を有する。

好ましい一実施例では、２つの制御コアが共通の平面上にある。好ましくは、２つの制御コアはＵ字型のコアの２つの腕部の間に、そして導電体の両側に配置される。

好ましくは、磁気回路は導電体の周囲に延伸する。

好ましい一実施例では、制御コアはフェライトコアとして形成される。この場合、特に好ましくは、フェライトコアは長方形のフレームとして形成され、該コアは該フレームの少なくとも１つの側にフェライトコアを飽和させるための制御巻線を有する。特に効率的な変形例では、制御巻線はフレームの互いに反対の２つの側に配置される。この形態で制御コアを形成すると、制御コアの効率的な飽和を達成することが可能である。

磁気回路において、２つの制御コアは縦に並んで配置されてはおらず、互いに並列に、すなわち、導電体の両側に配置されている。このことによって、２つの制御コアは、上下に配置された２つの制御コアを有する構造と比較して、２倍以上の巻数の制御コアを有することができる。その結果として、制御巻線の線の直径が同じ場合、巻数を２倍にすることが可能である。このことは、制御コアの飽和が一次電流によって阻止されることなく、非常に大きな電流を測定することを可能とする。従来は、およそ１０００Ａの範囲の非常に大きな電流の場合、一次電流は制御コアのリムのうち１つにおける制御電流と反対に作用して、制御コアの飽和を阻止していた。

好ましくは、磁場を感知する構成要素はホールセンサである。

ホールセンサがそこを通って流れる電流を有し、電流と垂直に走る磁場に置かれる場合、ホールセンサは磁場の強さと電流との積に比例した出力電圧を生成する。

導電体を流れる電流を決定するために、さまざまな測定がホールセンサを用いて行われる。

導電体を流れる電流を測定する方法は、上記装置を用いて行われる。

本方法では、磁場を感知する構成要素を通り抜ける磁束密度は、第１に、制御コアが非飽和の場合に測定される。

第２の測定において、第１の制御コアは飽和しており第２の制御コアは非飽和のままであり、磁場を感知する構成要素を通り抜ける磁束密度が測定される。

第３の測定において、第２の制御コアは飽和しており第１の制御コアは非飽和である。磁場を感知する構成要素を通り抜ける磁束密度は第３の測定値を与える。

第４の、そして最後の測定において、磁場を感知する構成要素を通り抜ける磁束密度は両方の制御コアが飽和している場合に測定される。

導電体を流れる電流はこれまでに実施された測定によって決定された４つの測定値から計算される。

５０Ａ未満の電流の場合、第１および第３の測定は大体同一の電流感度を有する。第２の制御コアは第１の測定において非飽和であり第３の測定において飽和している。したがって、両方の測定において磁場を感知する構成要素で同じＨ磁場が存在する。それゆえ、磁場を感知する構成要素において、Ｈ磁場は印加された電圧に類似した振る舞いをする。磁気回路の磁気リラクタンスおよび制御コアの磁気リラクタンスは電気抵抗に類似した振る舞いをする。

したがって、以下の３つの方程式が成立する。
Ｉ． ｒ_４＝ｎ＋ｓ_４＊Ｉ_ＤＣ＋Ｓ_Ｂ４＊Ｂ_Ｓ
ＩＩ． ｒ_３＝ｎ＋ｓ_３＊Ｉ_ＤＣ＋Ｓ_Ｂ３＊Ｂ_Ｓ
ＩＩＩ． ｒ_２＝ｎ＋ｓ_２＊Ｉ_ＤＣ＋Ｓ_Ｂ２＊Ｂ_Ｓ

測定において、物理量はアナログの電気量に変換されることがある。量子化の間、アナログ量の測定領域は有限個の相互に隣接した部分領域（区間）に分割され、それらは各々有限の記号系（例えば整数）の値を割り当てられる。分解能という言葉は、用いられるアナログ量の部分領域の個数を意味し、バイナリ記号系の場合には２のべき乗を意味し（ビットの分解能）、区間のサイズが等しい場合には区間自体のサイズを意味する。

量子化ステップは測定信号の値を離散的な形式で表す。

上記方程式において、ｒ_２は第１の制御コアが飽和している場合の、測定の間の量子化ステップの数を示す。ｒ_３は第２の制御コアが飽和している場合の、測定の間の量子化ステップの数を示す。ｒ_４は両方の制御コアが飽和している場合の、測定の間の量子化ステップの数を示す。変数ｓ_２、ｓ_３、およびｓ_４は、導電体を流れる電流に対するホールセンサの感度をそれぞれ示す。変数ｎは量子化ステップにおける磁場を感知する構成要素のゼロ点を示す。この場合には０Ａの電流が導電体に存在し、０テスラの磁束密度が磁場を感知する構成要素に存在する。変数Ｓ_Ｂ２、Ｓ_Ｂ３、およびＳ_Ｂ４はそれぞれ、第１の制御コアが飽和している場合、第２の制御コアが飽和している場合、および両方の制御コアが飽和している場合の、磁場を感知する構成要素の感度を示す。変数Ｂ_Ｓは外部妨害磁場の磁束密度を表す。変数Ｉ_ＤＣは導電体を流れる電流を表し、該電流は測定において決定されることが意図されている。

すべての感度は装置の生産の間に決定され、評価ユニットに恒久的に記憶されている。

次いで、以下のようにｎを消去する。
Ｉ−ＩＩ ｒ_４−ｒ_３＝（ｓ_４−ｓ_３）＊Ｉ_ＤＣ＋（Ｓ_Ｂ４−Ｓ_Ｂ３）＊Ｂ_Ｓ
Ｉ−ＩＩＩ ｒ_４−ｒ_２＝（ｓ_４−ｓ_２）＊Ｉ_ＤＣ＋（Ｓ_Ｂ４−Ｓ_Ｂ２）＊Ｂ_Ｓ

この２つの方程式Ｉ−ＩＩおよびＩ−ＩＩＩはＩ_ＤＣに関して解かれ、次いで等号で結ばれ、さらにＢ_Ｓに関して解かれる。
Ｂ_Ｓ＝ｒ_３＊（ｓ_２−ｓ_４）＋ｒ_４＊（ｓ_３−ｓ_２）＋ｒ_２＊（ｓ_４−ｓ_３）／（ｓ_Ｂ４＊（ｓ_３−ｓ_２）＋ｓ_Ｂ３＊（ｓ_２−ｓ_４）＋ｓ_Ｂ２＊（ｓ_４−ｓ_３））

Ｉ_ＤＣおよびｎを決定するために、方程式Ｉ−ＩＩまたはＩ−ＩＩＩにＢ_Ｓを代入し、次に方程式ＩからＩＩＩのうちひとつにＩ_ＤＣおよびＢ_Ｓを代入することによって解法プロセスが実行される。ｎは方程式ＩＩＩを解くことによって決定され、Ｉ_ＤＣは方程式ＩＩを解くことによって決定される。方程式ＩはＢ_Ｓを決定するために最も適している。

代替手段として、Ｂ_Ｓは方程式ＩＩまたはＩＩＩにおいて無視されうる。わずかに不正確に決定された主要電流Ｉ_ＤＣが、必要があれば、Ｂ_Ｓを決定するために用いられうる。

ホールセンサは多くの理由によってドリフトされうることが知られている。それらの理由のいくつかは、より詳細に以下に記載される。

好ましくは、ホールセルは、モノリシック構造の場合、シリコン基板またはエピタキシャル層内の弱くドープされた拡散領域として実施される。好ましくは、ショットノイズが除去されるように導電板が上に置かれている。弱くドープされた拡散領域は逆方向にバイアスされなければならない寄生ダイオードを形成する。いわゆる「バックバイアス効果」である、空間電荷領域のドリフト運動（可変容量ダイオードに類似している）が発生する。空間電荷領域の厚み変動はホールセルの感度に直接影響する（およそ＋３〜５％／Ｖ）。通常、ホールセルの上の導電板は同様にバイアス電圧を印加されている。同様に、このバイアス電圧は、弱くドープされた拡散領域の空間電荷領域の厚み変動をもたらす（０．０１％／Ｖ）。バイアス電圧が、例えば経年変化の結果としてドリフトする場合、ホールセルの感度もまたドリフトする。

さらに、ホール素子はピエゾ抵抗効果に高感度である。外部の圧力や水分の吸収の結果としての機械的な変形は、ホールセルの感度を変化させる。ハウジングが射出成型される前にシリコンチップが軟質プラスチックでコーティングされている場合、感度の長期ドリフトは０．２５％に減少されうる。機械的な変形はわずかな動作時間（１０〜１００時間）の後で発生し、いくつかの場合には可逆であり、通常は長期ドリフトの最大の部分を占める。

不純物、例えば弱く結合された水素の格子間拡散が、半導体における拡散された抵抗の抵抗ドリフトとして知られている。長期ドリフトは１％／１０００００時間の値をとりうる。

１３０ｎｍＢＩＣＭＯＳ処理のｎ＋にドープされた拡散領域はおよそ１５００〜２０００ｐｐｍ／Ｋの温度係数を有する。最新のホールセンサは切り替え温度を測定すること、および温度を補償された測定値を計算することによって温度ドリフトを補償する。

装置内で使用されるホールセンサの感度は経年変化を示す。方程式に用いられるホールセンサの感度（Ｓ_Ｂ２、Ｓ_Ｂ３およびＳ_Ｂ４）は、機械的な構造に排他的に依存する。例えば完全なカプセル化の結果として、機械的な系が変化し得ない場合、磁場センサ自身が時間とともにより高感度またはより低感度になる場合に感度が変化しうるのみである。それによって、ホールセンサの感度に関する全部で４つの方程式からなる方程式系を解くことによる解法プロセスを実行することによって、磁場センサの感度の経年変化を決定することが可能となる。より正確な測定を可能にするために、ホールセンサの感度はすべての感度に共通の係数として示され、ホールセンサの感度ｓ_ｈａｌｌは以下の方程式によって計算される。
ｒ_ｘ＝ｎ＋ｓ_ｈａｌｌ（Ｉ＊ｓ_ｘ＋Ｂ＊ｓ_Ｂｘ）

上記方程式において、ｒ_ｘは各状態ｘにおける量子化ステップの数を示す。変数ｘは４つの場合（ｘ＝１〜４）のうち１つを意味する。第１の場合は、両方の制御コアが非飽和である。第２の場合は、第１の制御コアのみが飽和している。第３の場合は、第２の制御コアのみが飽和している。第４の場合は、両方の制御コアが飽和している。変数ｎは量子化ステップにおける磁場を感知する構成要素のゼロ点を示す。この場合には０Ａの電流が導電体に存在し、０テスラの磁束密度が磁場を感知する構成要素に存在する。変数Ｓ_Ｂｘは対応する状態での磁場を感知する構成要素の感度を示す。変数Ｂは外部妨害磁場の磁束密度を示す。

したがって、磁場を感知する構成要素の感度ｓ_ｈａｌｌは以前に得られた測定値から計算されうる。

装置は、典型実施例および添付の図面に基づいて、以下により詳細に説明される。

以下に記載された図面は原寸に比例していると見なされるべきではない。原寸に比例するのではなく、記載を改良するために、個々の寸法は拡大されたり縮小されたり歪められたりして記載されることがある。

互いに類似する要素または同じ機能を果たす要素は同一の参照符号によって示されている。

導電体を流れる電流を測定する装置の典型例を示す図である。 制御コアが非飽和の場合に導電体を流れる電流を測定する第１の構造物を示す図である。 第１の制御コアが飽和の場合に導電体を流れる電流を測定する第２の構造物を示す図である。 第２の制御コアが飽和の場合に導電体を流れる電流を測定する第３の構造物を示す図である。 両方の制御コアが飽和の場合に導電体を流れる電流を測定する第４の構造物を示す図である。

図１は導電体１を流れる電流を測定する装置の典型例の１つの可能な変形例を示し、フェライトからなってよい磁気回路２が導電体１の周りに延伸している。磁気回路２は一方の側に空隙３を有し、そこに２つの制御コア５ａ、５ｂが位置する。好ましくは、制御コア５ａ、５ｂは導電体１の両側に配置される。この場合、第２の制御コア５ｂは磁場を感知する構成要素４の近隣に配置され、好ましくは磁場を感知する構成要素４と平行に配置される。Ｕ字型磁気回路２において、導電体１を流れる電流を測定する役割を果たす、磁場を感知する構成要素４は、好ましくは、磁気回路２の腕部の間に位置する。各制御コア５ａ、５ｂは、制御コア５ａ、５ｂを飽和させる役割を果たす制御巻線６を有する。好ましくは、前記制御巻線６は、制御コア５ａ、５ｂのフレームの１つのまたは複数の側に、好ましくは互いに反対の側に位置する。

図２は、導電体１を流れる電流を測定する第１の測定の構造物を示す。好ましくは、制御コア５ａ、５ｂは導電体１の両側に配置される。第１の測定において、制御コア５ａ、５ｂの両方が非飽和である。Ｕ字型磁気回路２の腕部の間に配置された、磁場を感知する構成要素４は、導電体１を流れる電流を測定する。

導電体１を流れる電流によってもたらされるＨ磁場は、Ｕ字型磁気回路２の２つの腕部内および制御コア５ａ、５ｂ内にＢ磁場を生成する。第１の制御コア５ａの磁気リラクタンスが磁気回路２の磁気リラクタンスおよび第２の制御コア５ｂの磁気リラクタンスよりも著しく小さくはない場合は、磁場を感知する構成要素４には、第２の制御コア５ｂが存在しないか飽和しているのと同じくらいにＢ磁場が通り抜ける。本構造物の電流感度は結果として非常に高い。磁気回路２の全体は制御コア５ａ、５ｂによって閉じられており、それによって外部妨害磁場に対する感度は低い。知られているゼロ点の場合および知られている外部妨害磁場の場合の小さな電流を正確に測定するために、制御コア５ａ、５ｂに電圧を加える必要は全くない。この場合、磁場を感知する構成要素４はなおもＢ磁場を測定することが可能である。

図３は導電体１を流れる電流を測定する第２の構造物を示す。磁場を感知する構成要素４を流れる電流の第２の測定において、第１の制御コア５ａは飽和している。第２の制御コア５ｂは非飽和のままである。

第２の制御コア５ｂの磁気リラクタンスが、この場合、磁気回路２において有効な磁気リラクタンスよりも著しく小さいため、第１の制御コア５ａの磁気リラクタンスは大きく上昇し、磁場を感知する構成要素４において磁束（Ｂ磁場）が実質的に全く記録されない。構造物を流れる磁力線の主要な部分が、良好な透磁率を有する第２の制御コア５ｂを流れるため、外部妨害磁場に対する感度は低い。

図４は、導電体１を流れる電流が磁場を感知する構成要素４によって測定される第３の構造物を示す。第３の測定において、第２の制御コア５ｂは飽和している。第１の制御コア５ａは非飽和である。

この構造物では、第１の制御コア５ａの磁気リラクタンスは低く、一方第２の制御コア５ｂの磁気リラクタンスは高いため、構造物はやはり磁気的に閉じている。磁場を感知する構成要素４を流れる磁力線は、図２に記載された第１の測定の場合よりもわずかに多い。

図５は、導電体１を流れる電流を測定する第４の構造物を示す。第４の測定において、制御コア５ａ、５ｂの両方が飽和している。この構造物では磁気回路は開いている。ほとんどすべての磁力線がＵ字型磁気回路２の空隙３を流れ、該磁気回路２には磁場を感知する構成要素４が位置する。外部妨害磁場と、導電体１を流れる電流によって生成された磁場とが、高感度の磁場を感知する構成要素４によって検出される。導電体１を流れる電流における感度は、図２および４に記載された測定における感度から約１０の１乗のオーダーで低く、図３に記載された測定の場合における感度から約１０の１乗のオーダーで高い。しかしながら、外部妨害磁場に対する感度は他の３つの測定における感度から１０の１乗のオーダーを超えて高くなりうる。

典型実施例において、本願発明の可能な発展を限られた数しか記載することができなかったが、本願発明はそれらに限定されるものではない。原則として、装置において異なる数の制御巻線または異なる形態の磁気回路を用いることが可能である。本願発明は概略的に記載された要素の数に限定されない。

本明細書で特定された主題事項および方法の記載は、個々の特定の実施例に限定されるものではない。むしろ、個々の実施形態の特徴は、技術的に目的に適っている限りにおいて、所望のように互いに組み合わせることができる。

１ 導電体
２ 磁気回路
３ 空隙
４ 磁場を感知する構成要素
５ａ 第１の制御コア
５ｂ 第２の制御コア
６ 制御巻線

Claims (17)

1. 空隙（３）を持ち導電体（１）に結合するための磁気回路（２）と、
   前記導電体（１）によって生成される磁場を測定するための、前記磁気回路（２）に配置された磁場を感知する構成要素（４）と、
   ２つの制御コア（５ａ、５ｂ）と、を有し、
   前記各制御コア（５ａ、５ｂ）が、該制御コア（５ａ、５ｂ）を磁気的に飽和させるための制御巻線（６）を有し、前記導電体（１）の両側の空隙（３）に配置される、
   導電体（１）を流れる電流を測定する装置。
2. 第１の制御コア（５ａ）が前記導電体（１）の第１の側に配置され、第２の制御コア（５ｂ）が前記導電体（１）の第２の側に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 第２の制御コア（５ｂ）が前記磁場を感知する構成要素（４）に平行に配置される、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記磁気回路（２）が追加の巻線を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記２つの制御コア（５ａ、５ｂ）が共通の平面上にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記磁気回路（２）が前記導電体（１）の周囲に延伸している、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記制御コア（５ａ、５ｂ）がフェライトコアとして形成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記制御コア（５ａ、５ｂ）が、長方形のフレームを有し、該フレームの少なくとも１つの側に制御コア（５ａ、５ｂ）を飽和させるための制御巻線（６）を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記制御コア（５ａ、５ｂ）が、互いに反対の２つの側にそれぞれ制御巻線（６）を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 飽和した前記制御コア（５ａ、５ｂ）が、非常に大きな電流の場合であっても飽和状態である、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記磁場を感知する構成要素（４）がホールセンサである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の導電体（１）を流れる電流を測定するための装置を用いて、導電体（１）を流れる電流を測定する方法であって、前記制御コア（５ａ、５ｂ）が非飽和の場合に、前記磁場を感知する構成要素（４）を通り抜ける磁束密度が測定される、方法。
13. 第１の制御コア（５ａ）が飽和の場合に、前記磁場を感知する構成要素（４）を通り抜ける磁束密度が測定される、請求項１２に記載の方法。
14. 第２の制御コア（５ｂ）が飽和の場合に、前記磁場を感知する構成要素（４）を通り抜ける磁束密度が測定される、請求項１３に記載の方法。
15. 両方の制御コア（５ａ、５ｂ）が飽和の場合に、前記磁場を感知する構成要素（４）を通り抜ける磁束密度が測定される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記導電体（１）を流れる電流が、得られた測定値から計算される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記磁場を感知する構成要素（４）の感度が、得られた測定値から計算される、請求項１６に記載の方法。

Images