JP2015521745A - 電流測定のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、磁界に基づいた電流測定のための装置に関する。Ｕ字状の導体素子（２）における電流が、少なくとも１つの磁界感応センサ素子（１０）によって測定され、前記導体素子（２）は、電流測定に関わる少なくとも１つの導体部（４、３０）と、電流測定に寄生する少なくとも１つの導体部（５、３２）とを含む。前記センサ素子（１０）は、前記電流測定に関わる導体部（４、３０）の領域において、前記電流測定に関わる導体部（４、３０）の磁界が感応方向（７０）に方向づけられ、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）の磁界が前記感応方向（７０）に垂直に方向づけられるように、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）に対して回転され、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）に対して傾斜され、及び／又は、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）に対して垂直に変位されるように配向される。【選択図】図１４

Description

本発明は、通電導体の周囲の磁界の検出によって導体の電流を間接的に測定するための装置に関する。

この種の装置は先行技術により既知である。独国特許第４３００６０５号には、センサチップがグラジオメータ装置に設けられ、Ｕ字状導体素子上に設置された装置が記載されている。ここでは、記載のグラジオメータ装置が、均質干渉領域に対してセンサ素子の位置で大部分において不感応であるということが適用される。Ｕ導体の脚部同士の間の接続ブリッジ又はセンサの位置でＵ導体への供給部を通過する電流による、できるだけ小さい均質干渉領域を生成するために、Ｕ字状導体の脚部の長さは、センサチップの磁界に感応する素子の大きさと比較して大きくなるように通常は選択される。

さらに、この種の装置では、特に異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）を用いるセンサの場合に、補助磁石が磁界感応層に近接して設けられ、センサチップの磁界感応層の安定化又はベース磁化の役割を担う。この種のセンサ装置がますます小型化することで、例えばＵ導体の脚部同士の間の接続ブリッジにおける電流によって生じる干渉領域部分は、変化、又は磁界感応層の磁化の「反転（ｔｉｐｐｉｎｇ ｏｖｅｒ）」を引き起こす大きさを採用することがあり得る。これにより電流測定における深刻なエラーを生じるので、避ける必要がある。

本発明の目的は、上記の先行技術に基づき、既知の装置及び方法の不利な点を低減することである。

上述の不利な点は、請求項１による装置により克服される。本発明のさらなる有利な展開は従属請求項の課題である。

第１の態様では、角度を有する、特にＵ字形状の導体素子における、少なくとも１つの磁界感応センサ素子による磁界に基づいた電流測定が、装置によって提供され、該装置は、電流測定に関わる少なくとも１つの導体部と電流測定に寄生する少なくとも１つの導体部を含む。センサ素子は、電流測定に関わる導体部の磁界がセンサ値に大きな変化、特に抵抗における大きな変化をもたらし、電流測定に寄生する導体部の磁界が、電流測定に寄生する導体部に関連するセンサ素子の空間的方向のため、及び／又は、さらなる通電素子の磁界補償効果のため、センサ値にわずかな変化をもたらし、そして実質的に変化をもたらさないように、電流測定に関わる導体部の領域に配置される。このように、本発明は、測定される導体部に該当しない導体によって生じる寄生する磁界がセンサ素子を貫通しない、又は、センサ素子におけるセンサ値にいずれの変化ももたらさないような方向で貫通するようにして、センサ素子が電流導体の導体部に空間的に配置されるという、磁界測定に基づいた電流測定装置に関する。該装置は、電流測定に寄生する導体部（供給導電部）の電流伝導方向に関するセンサ素子の感応方向を傾斜させて、寄生する導体部の集中した線電流に関する磁界に感応するセンサ構造体層の垂直レベルを回転及び／又は変位させることによって得られる。傾斜角度、電流が流れる方向に関する回転、垂直変位、及び磁界補償の前記手段は個別に又は組合せで適用されてもよい。センサ値の直線的で、割当可能な挙動を得るために、寄生的な磁界成分が、最初にセンサ構造体の抵抗素子の内部磁化状態に負の影響を与え、次にセンサ値変化、抵抗値変化に影響しなくなるということが、これらの手段によって確実になる。

本発明によると、センサ素子は、磁界成分がセンサ値に大きい変化を引き起こす少なくとも１つの感応方向を有し、また、電流測定に関わる導体部の領域において、電流測定に寄生する導体部に対して特に回転、傾斜、及び／又は垂直に変位されるような方向に向けられるので、電流測定に関わる導体部の磁界が感応方向に実質的に配向され、電流測定に寄生する導体部の磁界が感応方向ではない方向、特に感応方向に垂直に、実質的に配向される。つまり、磁気抵抗センサ素子は、感応方向が垂直であり、感応方向における磁束によって貫通されるときに、センサ値の変化、通常はセンサ素子の抵抗の変化を引き起こす、少なくとも１つの磁界感応配向面を有すると考えられる。センサ素子の少なくとも１つのさらなる磁界中性配向面は、その法線が通常は感応方向に垂直に配向され、磁界における変化に不感応である。磁界中性配向面を垂直に通過する磁界は、センサ値を変化させない、特に、センサ素子の抵抗値を変化させない。

感応方向は、すべての寄生的磁界の重ね合わせが感応方向に正確には配向されていない、つまり、磁界中性配向面を垂直に通過して、センサ値にほとんど変化をもたらさない、またはまったく変化をもたらさないという、電流測定に寄生する導体部に関するセンサ素子の空間的位置により方向づけられるということが提案される。結果として、電流測定に関わる導体部、特にＵ字状導体素子の１つ又は両脚部によって生じた磁界のみによってセンサ値が変化する。

有利な実施形態においては、少なくとも１つの磁界感応センサ素子が、センサ素子に割り当てられた導体素子に対して傾斜して配置される。これには、センサ素子の磁界感応構造体が１つ又は２つの空間的方向においてのみ磁界に感応する、つまり、これらの好ましい磁界方向に垂直の磁界は磁界感応構造体には検出されないということが利用される。

磁気抵抗センサ素子は、例えばＡＭＲ（異方性磁気抵抗）効果、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果、又はＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果によって動作する、磁界感応センサ素子として有利に用いられる。ホール効果を利用するセンサ素子が同様に使用されてもよい。一般に、ＡＭＲ、ＴＭＲ、及びＧＭＲセンサは、センサ構造体面、通常はチップ面、多くの場合にセンサ構造体の電流方向に垂直に、そしてセンサ構造体の配置面の法線に垂直に位置する感応方向を有する。多くの場合、ホール効果に基づいたセンサはセンサ構造体の配置面に対して垂直である感応方向を有する。

少なくとも１つのセンサ素子は、Ｕ字状導体素子の２つの脚部同士の間の接続ブリッジの電流により発生する磁界の影響が最小化されるように、Ｕ字状導体素子に対して、有利に傾斜されていてもよい。これは、センサ素子の感応方向に位置し、Ｕ字状導体部の２つの脚部同士の間の接続ブリッジにおける電流により生じる磁界の成分が、センサ素子の位置で最小化されるようにして、少なくとも１つのセンサ素子が配置されることにおいて、有利に達成される。先行技術による薄膜技術を用いて製造されたＡＭＲセンサ素子は、例えば、センサ面に垂直に影響を与える磁界成分に不感応である。この種の例示的実施形態において、傾斜角度は、干渉磁界が少なくとも１つのＡＭＲセンサ素子に垂直に影響を与えるように選択される。Ｕ字状導体素子に関するセンサ素子の位置又は距離が変化する場合、干渉磁界がセンサ素子の感応方向においていずれの成分をも有さないように、最適な傾斜角度も調整される必要がある。センサ素子の距離も結果的な装置の測定感度を変化させるので、位置の最適化と最適な傾斜角度は、感応性、任意の必要な絶縁空間、及び装置の最終的な寸法の要件に基づいて定められてもよい。傾斜角度αの大きさは、有利には、０°＜α＜１２０°の範囲である。傾斜角度のさらなる拡大は、導体素子の大きさを超える最終的な寸法の拡大を生じ得り、これは適用における多くの場合にまさに避けるべきことである。

また、Ｕ字状導体素子の２つの脚部同士の間の接続ブリッジの電流によって生じる磁界に加え、接続ラインからＵ字状導体素子への電流によって生じる磁界は、測定の精密性に負の影響を与える。このため、センサ素子の位置における接続ブリッジと接続ラインとの磁界の重ね合わせが、センサ素子の感応方向において最小限の成分のみをもたらすように、さらなる例示的実施形態では、傾斜角度が特に有利に選択されてもよい。

さらなる有利な例示的実施形態では、装置が外部の均質干渉磁界に大部分において不感応であるように、少なくとも１つのセンサ素子は勾配センサであってよい。しかし、それぞれが絶対磁界を測定する複数のセンサ素子が設けられ、追加の評価電子装置がセンサ素子の出力信号を適切な方法で合成することも可能である。絶対磁界を測定する多数のセンサ素子を配置することによって、干渉効果を最適に抑制することが特に可能である。またここでは、個別のセンサ素子の最適な傾斜角度は異なり得る。

装置のＵ字状導体素子は、適切なスロットが導体の平坦で直線的な部分に設けられることで、特に有利に形成される。この種のＵ字状の部分的構造を備える直線導体は、その寸法と製造の簡易性とに関して有利である。

共通基板、特にチップ基板又はＰＣＢ上で、ホイートストン測定ブリッジ内において接続される２つの磁界感応センサユニット、特に磁界感応抵抗を備えるセンサ素子の装置と、小型で省スペースの変化形とを可能にするため、Ｕ字状導体素子の両脚部が平行に、短い距離で相互に配置されることは有利である。この方法では、磁界感応センサユニットは１つの小型部品内に配置されることができ、該小型部品の設置面積により両脚部は少なくとも部分的に被覆される。この種の部品は、係合要素又はスナップフィット要素などの締結手段により、共に両脚部に固定されてもよい。Ｕ字状導体素子の両脚部を被覆するこの種の小型センサ素子は、経済的に製造され、容易に設置されることが可能であり、また磁界測定装置の全体のサイズは小さい。さらなる有利な実施形態では、締結手段が設けられ、その上に少なくとも１つのセンサ素子が設置され、少なくとも１つのセンサ素子は、関連する導体素子に対して、傾斜、回転、及び／又は垂直変位した位置で固定されてもよい。締結手段は、組立てを簡素化し、許容公差を満たすために、導体素子上若しくは導体素子内に係合されるか、又は、関連する導体素子上に正確に配置可能にする改造された設置用若しくは調整用補助具を備えるように、特に設計されてもよい。電流センサ素子に関して正確に設置することができるように、例えば、ガイド溝又は調整ピンなどが設けられてもよい。締結手段は、有利にはプラスチック製であるか、又はプラスチックからなる要素を含む。これによって、締結手段が道具を使用せずに導体素子に取り付けられること、また、不具合の発生時に再び外されることが可能になる。

さらに、締結手段は、少なくとも１つのセンサ素子と接触する少なくとも１つの電導性トラックを有してもよい。導体トラックは締結手段に既に含まれているので、さらなる配線作業は必要ない。導体トラックは規定の方法で配置され、導体トラックの磁界が磁界測定にいずれの寄生的な影響も与えないか、又は導体トラックの寄生的磁界が相互に補償するように配置される。また、供給線はツイストペアの原理に従って締結手段内に引き回されてもよい。新規の技術、いわゆるＭＩＤ技術（ＭＩＤ：成形回路部品（ｍｏｕｌｄｅｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｄｅｖｉｃｅｓ））によって、プラスチック要素に、プラスチックに設置される電気部品と電気的な接触をさせる、さらなる導体トラックが設けられることが可能になる。さらなる例示的実施形態では、締結手段は、少なくとも１つのセンサ素子が接触する追加の導体トラックを有する。少なくとも１つのセンサ素子は、例えば、ボンディング技術又ははんだ付け接続によって、締結手段の導体トラックと接触させてもよい。

さらなる有利な実施形態において、装置は、例えばセンサ信号の供給のために必要である追加部品を備えてもよい。これら追加の部品も締結手段上に設置されることができ、例えばＭＩＤ技術またはボンディング技術によって、部品と少なくとも１つのセンサ素子との間で電気接続がおこなわれる。

また、有利な一装置では、例えば、センサ装置に電気接続がおこなわれるプラグインコネクタなどの追加の接続素子が含まれてもよい。さらなる実施形態では、プラグインコネクタは締結手段上に設置されてもよい。存在する部品、及び／又は、少なくとも１つのセンサ素子と電気接続をおこなうことは、上述と類似の方法、例えばボンディング又ははんだ付けなどによってなされてもよい。

しかしながらまた、提供される追加の回路キャリアが、上述された１つ以上の部品を受け、部品同士の間に必要とされ得る任意の電気接続をおこない、１つのユニットとして締結手段上に設置されることも可能である。部品が締結手段上に直接的、部分的に設置され、追加の回路キャリアが締結手段上に設置されるように設けられる、さらなる実施形態も考えられる。

さらなる有利な実施形態では、例えば汚れ若しくは湿気などに対する機械的な影響から保護するため、又は許容できない機械的応力を避けるために、センサ装置の素子は被覆されてもよい。関連する電気導体を共に含むシースは有利である。ユニットと接触させるために設けられるプラグインコネクタのコンタクトはシースの凹部にあってもよい。

有利な一実施形態においては、センサ素子と電流測定に寄生する導体部との３次元空間配置について、法線が感応方向に直角に配向されるセンサ素子の磁界中性配向面が、電流測定に寄生する導体部の電流分布によって生成される寄生的磁界の閉磁力線の接線に垂直に配向されるように、互いに配置されてもよい。言い換えると、本実施形態において、磁界中性配向面、多くの場合、センサ素子のセンサ構造体が包埋されている面は、寄生的磁界がこの面を直角に貫通するような配向の高さと角度に配置されるということが提案される。この方法では、寄生的磁界は、磁界中性配向面内に、特に感応方向に位置する成分を有さないので、例えばセンサ構造体の内部磁化に干渉することによってセンサの感応性を損なったり、また磁界感応方向に成分を構成したりしない。

導体素子は、好ましくは打ち抜きされ、折り曲げられた金属部品であり、電流測定に寄生する導体部にわたる電流密度分布の重心と法線が感応方向に垂直である磁界中性配向面とが、センサ素子の位置で、実質的に垂直方向に同じレベルｚであることが可能である。代替的に又は組合せで、センサ素子は電流測定に関わる湾曲した導体部上に配置されることができ、そこで電流測定に寄生する導体部と法線が感応方向に垂直である磁界中性配向面とは、センサ素子の位置で実質的に垂直方向に同じレベルｚである。接続ブリッジの電流測定に寄生する導体部と、Ｕ字状導体素子の脚部の電流測定に関わる導体部との間の高低差を生成するための、上述の変化形は、磁界中性配向面が電流測定に寄生する導体部に流れる集中した線電流のおよその高さに配置されるという効果がある。実際には、供給線電流は磁界中性配向面と同じ面に位置するので、寄生的磁界はこの配向面を実質的に垂直に貫通し、磁界測定においていずれの不利な影響も有さない。つまり、磁界感応配向面は、供給線電流の面とセンサ素子の磁界中性配向面とに対して変位されたｚ面における、脚部の電流測定に関わる導体部からの磁界によって貫通されるのみである。

さらなる実施形態では、電流測定に関わる導体部と電流測定に寄生する導体部との垂直に変位した配置は、ＰＣＢ（プリント回路基板）構造体、特に様々な層上の多層ＰＣＢの上又は内に提供される。こうして、センサ素子は、多層ＰＣＢの層上、好ましくは電流測定に寄生する導体部と同じ層上に有利に配置される。電流測定に寄生する導体部、特に電流供給線と電流放電線、そして２つの導電性脚部同士間の接続ブリッジを規定する導体構造は、多層ＰＣＢの第１のメタライゼーション面上に配置されることが可能であり、センサ素子もまたこの面に配置されてよい。電流測定感応導体部、特にＵ字状導体構造の脚部は、さらなるメタライゼーション面としての垂直に変位した別の面に配置されてもよい。面の導体部は、ビア又はスルーコンタクトによって接続されることができる。また、さらなる部品、補償磁石又は補償磁界コイル、及び／又は電子部品がＰＣＢ構造体上に配置されることが可能である。特に、評価及び／若しくは表示素子、並びに／又は接続インターフェイス、つまり、プラグ素子か、連結素子かの少なくとも一方が、部品を小型にするためにＰＣＢ上に配置されてもよい。ＰＣＢ層の製造は、通常のＰＣＢ生産方法を用いておこなわれ、製造上の精密性を備えた経済的な製作が可能である。ＰＣＢ構造体は安定的な部材として構成されるため、該構造体は電流測定装置を強化する。

本発明のさらなる有利性、特性及び詳細は、以下の例示的実施形態の記載、及び図面の参照により明らかになる。具体的に、図面は以下のように表される。

図１は、先行技術によるＵ字状導体を備える装置を示す。 図２は、先行技術において、電流が流れているＵ字状導体の磁界方向を表す。 図３は、短縮された脚部の長さ部分に電流が流れているＵ字状導体の磁力線を表す。 図４は、１つの磁界感応配向面と２つの磁界中性配向面とを備えるセンサ素子の概略図を示す。 図５は、補助領域が存在するときの生じた磁界ベクトルと磁力線を示す。 図６は、直線状電気導体素子を備える勾配センサの装置を示す。 図７は、最適な傾斜角度を表す、図６に対応する断面図を示す。 図８は、電気導体に設置される締結手段を備える、本発明における例示的実施形態を示す。 図９は、電流測定に寄生する導体部に関する電流測定に関わる導体部の種々の３次元配置を有する、センサ装置の実施形態の断面図を示す。 図１０は、打ち抜きされ、折り曲げられた部品としての電気導体を備えるセンサ装置の実施形態を示す。 図１１は、追加の設置部品を備えるさらなる例示的実施形態を示す。 図１２は、シースを備える電気導体のさらなる例示的実施形態を示す。 図１３は、複数のセンサ素子を備えるセンサ装置の例示的実施形態を示す。 図１４は、角度αで傾斜された複数のセンサ素子を備えるセンサ装置の例示的実施形態を示す。

図において、同一又は類似の種である部品を特定するために同一の参照符号が用いられる。提示される図は、正確な縮尺率ではなく、様々なセンサ装置を概略的、原理的に表す役割を担うのみである。

図１は、先行技術における電流測定のための装置を示す。装置１は、接続ライン３、脚部４、及び接続ブリッジ５、並びに電気導体２と平行である平面に配置されたセンサ素子１０を有する、ｘ−ｙ平面に位置する電気導体２からなる。センサ素子１０は、互いに離れて位置する２つのセンサ構造体１１を有し、Ｕ字状導体２の電流によって発生される勾配磁界の測定を可能にする。該装置は、１１におけるセンサ構造体を安定化させるために、センサ構造体１１の領域において補助磁界２２を発生する２つの永久磁石６を備える。センサ構造体は、例えば、電流抵抗がｘ−ｙ平面に位置する磁界成分に依存して変化する磁気抵抗素子を含んでもよい。

図２は、Ｕ字状導体素子２を流れ、電気導体の表面に示される矢印２１の方向に対応する磁界を発生する電流２０を示す。脚部４の領域における磁界の方向がそれぞれ反対の方向を向くので、先行技術では、適切なセンサ素子１０による勾配測定がこの領域において可能であるということが明らかにみてとれる。

図３は、スロット１３の導入によってＵ字状の部分的構造体２が形成されている直線状の電気導体１２を示す。図２に対応して電流２０が示され、例示の磁力線２１、２２、２３、２４で示される結果としての磁界を発生する。脚部４の領域では磁界勾配が再び発生し、空間的に近傍するために磁界による影響が、例えば磁界ベクトル２１及び２３などのように予期されるということが明らかに理解される。さらに、特に接続ブリッジ５と接続ライン３との領域では磁界が発生し、その磁界方向は脚部４の領域における磁界２２及び２４に対して直角である。特に、接続ブリッジ５による磁界はセンサ特性値において寄生効果を有する。

図４は、磁気抵抗性ＡＭＲ抵抗ストリップ５４（異方性磁気抵抗性抵抗ストリップ）として形成される４つのセンサ構造体１１を備えるセンサ素子１０の概略的斜視図を示す。抵抗ストリップは、好ましくは、１又は２つの部分的分岐抵抗として、ホイートストン測定ブリッジ内において接続されるとよい。抵抗ストリップ５４の位置と配向とは、基板の表面上の２つの磁界中性配向面４０ａ及び４０ｂを規定する。この位置と配向とは、明確にするために抵抗ストリップ５４の平面から移動して示されているが、該平面に割り当てられる。平面４０ａ及び４０ｂに垂直に配向される、つまり法線方向においてこれらの平面を貫通する磁界ベクトルＢ_ｙとＢ_ｚとは、抵抗ストリップ５４の抵抗の変化において有意な影響のない、少なくとも最大磁界強度までを有する。このため、平面４０ａを貫通する磁界成分はセンサ値に影響を与えない。平面４０ｂを貫通する磁界成分は、抵抗ストリップ５４の磁界感応性を変化させる、下げる、又は妨げ得るので、回避される。また、感応方向７０において磁界感応配向面４２に垂直であり、抵抗ストリップ５４の抵抗の変化において有意な影響を有する大きさの磁界ベクトル成分Ｂ_ｘでは挙動が異なる。以下は電気導体１２に関してセンサ構造体１１を受ける平面の３次元配向によって得られる。接続ブリッジ５、通電接続ライン３によって、そしてセンサ素子１０への供給線によって引き起こされる電流測定に寄生する磁界は、磁界中性配向面４０ａ、４０ｂを、特に配向面４０ａを、センサ構造体の位置で垂直に通過する。配向面４０ａはセンサ構造体１１の装置平面と同じ領域を被覆する。このように、寄生する磁界の干渉の影響は効果的に抑制され、センサ値は電流測定に関わる導体部３０の磁界によって主に又は排他的に影響を受ける。配向のため、電流測定に関わる導体部３０、特にＵ字状電気導体素子２の脚部４によって発生された磁界が磁界感応配向面４２を、好ましくは垂直に貫通する配置も試みられている。

図５は、図３に示される様々な磁界がセンサの位置で重なるとき、センサ構造体１１の位置で、結果として磁界２５と２６とが発生することを示す。磁界２５と２６とは、センサ構造体１１の位置で永久磁石６によって発生された補助磁界をも弱める成分を有するということが、明確に理解される。これにより、電流の大きくなるときに、測定の不正確性、一部の場合にはセンサ構造体１１の位置で脱磁プロセスが生じ得る。

図６は、接続ライン３、脚部４、及び接続ブリッジ５からなる部分的な構造を含む直線状電気導体１２からなる装置を示す。センサ構造体１１を備えるセンサ素子１０が電気導体１２の上部に配置されている。

図７は、図６の線Ａ−Ａに沿う縮尺を示す目的ではない断面図において、接続ブリッジ５における電流の流れによって発生される寄生的な磁力線２２を示す。センサ素子１０はＵ字状導体素子の脚部４の上に配置される。センサ素子１０が、例えば絶縁強度に必要なため、電気導体１２から離れて設置され、電気導体１２の面に平行である場合、磁力線２２はセンサ素子１０を垂直に貫通しない。このように、平面において感応するセンサ素子１０の測定信号を変化させるセンサ素子１０の平面の磁界成分が存在する。本発明による電気導体１２の平面に対して角度α１５であるセンサ素子１０の傾斜位置によって、磁力線２２がセンサ素子１０に垂直に影響を与えるということが達成される。センサ素子１０が、垂直に影響を与える磁界に不感応であるセンサ構造体を有する場合、接続ブリッジ５と接続ライン３とにおける電流によって生じる磁界は、干渉作用を有しない。センサ素子１０の位置が変化する、例えば閉磁力線に沿って変化する場合、本発明によると、傾斜角度の上昇はＵ字状導体素子２の脚部４への距離の増加とも関連する。図７は、関連する最適な傾斜角度βを有するが、電気導体１２との距離が増加したさらなる位置を解説の目的で示す。磁力線に沿うセンサ素子１０のさらなる回転は可能であり、装置１の感応性は距離の変更に対応して変化する。電気導体の平面に対して反転した配置、つまり電気導体１２の下で負の傾斜角度を有するセンサ素子１０は、等しく有利であることが図７から容易に認識される。

図８は、センサ素子１０を受け、図５及び図６において示される脚部４に対して傾斜位置に固定される締結手段８を概略的に示す。また、追加部品９が締結手段８に設置されてもよい。部品の電気的接続のため、ボンディングワイヤ１６及び導体トラック１７が実施例において示される。締結手段８は電気導体１２の特定の構造に係合するように設計されている。このため、例えば係合フック７が設けられ、締結手段８が設置されて電気導体１２を部分的に取り囲む。締結手段８は好ましくはプラスチックからなる。追加のプラグインコネクタ１８は、締結手段８に接続され、部品９及びセンサ素子１０の電気的接触を可能にする（詳細は図示せず）。また、部品９及びセンサ素子１０は最初に回路基板に設置され、次にその回路基板が締結手段８に設置されてもよい。示されている締結手段８の傾斜角度αはさらに最適化されてもよい。締結手段８若しくはその上に設置される回路基板に、少なくとも部分的に磁気異方的な材料を設けること、又は、磁界中性配向面４０に対して垂直方向に寄生的な磁路に影響する透磁率テンソルを有する磁気異方的な材料をセンサ素子１０の近傍に配置することは、代替又は追加で可能である。誘電率テンソル材によって規定されるフィールド線曲線に沿う寄生的な磁界は感応方向から有利に離れるように導かれるので、例えば、必要な機械的要件を満たすことができ、センサ装置の感応性はさらに改善される。

図９は、電流測定に寄生する部分に関して電流測定に関わる導体部の様々な３次元配置を伴うセンサ装置の複数の実施形態の、縮尺を表すためではない概略断面図を示す。図９ａは、図６において既に示されているような、電気導体１０のＵ字状電気導体素子２を通過する断面線Ａ−Ａを概略的に示し、図９ｂ〜図９ｄの断面図を規定する。また断面線Ｂ−Ｂは図９ｅの可視面を規定する。

図９ｂは、打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０としてのＵ字状電気導体素子２の第１の実施形態を示し、電流測定に関わる導体部３０としての脚部４がｙ方向の下方ｚ平面に配置され、電流測定に寄生する導体部３２としての接続ブリッジ５と接続ライン３とは、上方ｚ平面上のｘ方向に配向される。測定される電流Ｉの電流の流れ２０の方向は概略的に示される。センサ素子１０は、脚部４の中心領域に配置され、例えばｙ方向に方向づけられる抵抗ストリップ５４として設計されたセンサ構造体１１を含み、その磁界中性配向面はｙ／ｚ平面に配置され、脚部４、３０をｙ方向に流れる電流Ｉのｘ方向に配向された磁界成分によって貫通される。電流測定に寄生する導体部３２としての接続ブリッジ５と接続ライン３との磁気ベクトル成分は点線により示される。下方ｚ平面上の電流測定に関わる導体部３０と上方ｚ平面上の電流測定に寄生する導体部３２との配置のため、磁界中性配向面４０ａもｘ／ｙ平面上で上方ｚ平面上に配置され（図４を参照）、寄生的磁界成分は平面４０ａを垂直に貫通し、センサ素子１０のセンサ値の変化に影響しない。電流測定に関わる導体部３０と電流測定に寄生する導体部３２との間の垂直のｚ変位は、線電流に対応して電流測定に寄生する導体部３２で測定される電流２０の電流密度分布の重心が磁界中性配向面４０ａと同一のｚ垂直面上にあるように選択されるので、平面４０ａに直角である寄生的磁界成分の流路が確実になる。

図９ｃは、断面Ａ−Ａとしての図９ｂと同様の構成を示すが、Ｕ字状電気導体素子２は、大きい曲率半径を伴う緩やかに湾曲した導体部５２として設計され、小さい曲率半径を伴う打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０ではない。湾曲した導体部５２としての電流測定に関わる脚部４、３０の設計では、製造公差が平均化されることが可能であるか、又は、上述されたように、わずかに異なる曲率半径が磁界中性配向面４０ａの直角の貫通に軽微な影響を与えるのみであるという有利性がある。このため、電気導体素子は、製造において大きなエラー耐性を伴うか、又は後にアライメントされ得る。

図９ｄは、断面Ａ−Ａとしての図９ｂと類似の構成を示すが、この場合にはＵ字状電気導体素子２は、打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０ではなく、ＰＣＢ（プリント回路基板）装置６０又はチップ基板装置であり、電流測定に関わる導体脚部４、３０が、下方層面上又は基板層５６の下で、下方メタライゼーション層６２ｂとして配置され、電流測定に寄生する接続ブリッジおよび接続導体部３、５、３２は、上方メタライゼーション層６２ｂとして、上方層面又は基板層５６上に配置される。導体部３、４及び５は、ビア５８によって相互に接続される。センサ素子のセンサ構造体１１は基板表面５６に適用されるので、寄生的磁界成分は、基板表面に対して垂直にセンサ構造体１１を貫通する。

図９ｅは、ＰＣＢ装置６０の内部においてｚ方向で観察されるさらなる３次元Ｕ字状電気導体素子２を示す。ＰＣＢ装置６０は、複数の層５６ａ〜５６ｃを伴う多層ＰＣＢ６４である。メタライゼーション層６２ａは上方層５６ｃ面に適用され、Ｕ字状導体素子２の接続ブリッジ５と接続線３を形成し、電流測定に寄生する導体部３２を示す。ｚ方向に垂直に変位した層平面５６ｂでは、電流測定に関わる導体３０が、メタライゼーション層６２ａに脚部４として形成される。メタライゼーション層６２ａ、６２ｂはビア５８、つまり、ＰＢＣ基板層５６ｃのスルーコンタクトによって相互に電気的に接続される。磁界中性配向面４０ａ上の磁界感応性抵抗ストリップ５４の形態でセンサ構造体１１を含むセンサ素子１０は、脚部４の領域の層５６ｃ上に配置される。磁界中性配向面４０ａは、電流測定に寄生する導体部３２へ分散して流れる集中直線電流Ｉ２０のｚの高さと配向とに対応する高さｚで配置される。図７において示されるような、電流測定に寄生する導体部３２を包囲する同心円２２を通常構成する寄生的磁界は、磁界中性配向面４０ａに対して垂直に、４０ａを貫通する。センサ構造体１１は、ｘ方向を指す感応方向７０を有し、配向面４０ａ内に寄生的磁界２２の配向に対して直角に位置する。このセンサ配置は、図９ｂ〜図９ｄに示される配置のように、センサ素子１０の空間的に変位した配置に基づくので、寄生的磁界が感応方向でセンサ素子１０を貫通するのでなく、特にセンサ素子の感応方向に対して直角に貫通する。

図１０は、図９ｂの断面図の実施形態に対応して、打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０としてのＵ字状電流導体素子２を示し、電流測定に関わる脚部４、３０は、脚部と電流測定に寄生する接続導体部３、５、３２に対してｚ方向に後退しているので、寄生的磁界成分は、センサ素子１０のセンサ構造体１１上に配置される磁界中性配向面４０ａを実質的に垂直に通過する（図４参照）。脚部４が接続ライン３と接続ブリッジ５とに対してｚ方向に変位した配置により、寄生的磁界成分は磁界中性配向面４０ａを貫通するのみであるが、検出される電流測定に関わる磁界成分はセンサ素子１０の磁界感応配向面を貫通するということが確実になる。

図１１は、上から見た直線状の電気導体１２を示すさらなる有利な例示的実施形態を表し、締結手段８は、センサ素子１０と部品９との関連する部品と共に示され、シース１４によって外部からの機械的影響に対して保護される。

図１２は、締結手段８（ここでは不可視）がシース１４によって保護される、さらなる有利な例示的実施形態を示し、シース１４は直線状の電気導体１２と共に１つのユニットを形成する。少なくとも１つのセンサ素子１０及び存在し得る任意の部品９との接触は、図示されたプラグインコネクタ１８のコンタクトによってなされ、プラグインコネクタは別の方法ではシース１４に封入されている。

図１３に示されるように、１つのセンサ素子１０の代わりに複数のセンサ素子１０がＵ字状導体素子２の領域に配置されることも可能であり、本発明では、センサ素子１０は、センサ素子１０に割り当てられた導体素子２に対して傾斜して配置される。この種の実施形態は図１４にも示され、傾斜角度α１５は図７に表される構成に従って選択される。締結手段８は、既定されるように傾斜角度１５を調節するために設計され、所望の角度配向が設けられるように、導体１２又は脚部４に締結される。

導体素子３、４、及び５に関しセンサ素子１０を最適に配置することは、一方で単に経験若しくは経験的な試みに基づいて、又は、他方で特定の導体構造体１２における静磁界若しくは過渡的な磁界分布の、領域の数値シミュレーションによって決定される。特定の電気導体構造体１２の特定の電流の流れの磁界分布を測定可能である、数値シミュレーション方法、特に有限要素又は有限差分に基づく方法は、この目的に適している。例えば電流測定に寄生する導体部３２内のみに電流を挿入することによって個別に考慮される寄生的な磁界成分を基にして、導体素子同士の相互の規定された高さ関係において、寄生的磁界補償において、又は、これらの組合せにおいて、変更した傾斜角度に関してセンサ素子の適切な方向を決定することが可能である。

本発明は、通電導体の周囲の磁界の検出によって導体の電流を間接的に測定するための装置に関する。

この種の装置は先行技術により既知である。独国特許第４３００６０５号には、センサチップがグラジオメータ装置に設けられ、Ｕ字状導体素子上に設置された装置が記載されている。ここでは、記載のグラジオメータ装置が、均質干渉領域に対してセンサ素子の位置で大部分において不感応であるということが適用される。Ｕ導体の脚部同士の間の接続ブリッジ又はセンサの位置でＵ導体への供給部を通過する電流による、できるだけ小さい均質干渉領域を生成するために、Ｕ字状導体の脚部の長さは、センサチップの磁界に感応する素子の大きさと比較して大きくなるように通常は選択される。

さらに、この種の装置では、特に異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）を用いるセンサの場合に、補助磁石が磁界感応層に近接して設けられ、センサチップの磁界感応層の安定化又はベース磁化の役割を担う。この種のセンサ装置がますます小型化することで、例えばＵ導体の脚部同士の間の接続ブリッジにおける電流によって生じる干渉領域部分は、変化、又は磁界感応層の磁化の「反転（ｔｉｐｐｉｎｇ ｏｖｅｒ）」を引き起こす大きさを採用することがあり得る。これにより電流測定における深刻なエラーを生じるので、避ける必要がある。

独国特許第１０ ２００６ ０２１ ７７４ Ａ１号には、電流測定に関わる導体部に割り当てられた１つの感応方向に感応し、電流測定に寄生する導体部に不感応であるＸＭＲセンサ素子を備える電流センサ装置が記載されている。装置において、電流測定に寄生する導体部は、センサ素子の感応方向に垂直に配向される磁界を発生するということが理解される。

電流センサ装置は、電流が流れ、互いに９０度の角度を有する２つの脚部と、導体部として動作する２つの脚部のそれぞれに配置された磁界感応センサ素子とを備える導体素子を含む、米国特許第２００７／１８８９４６ Ａ１号により既知である。２つの脚部のセンサ素子は、それぞれのもう一方の脚部の磁界の影響を最小化するために、互いに関して回転される。

また、一般的な電流センサ装置は独国特許第４３ ００ ６０５ Ａ１号及び米国特許第１９９７／２５８７２１ Ａ１号によっても知られる。

本発明の目的は、上記の先行技術に基づき、既知の装置及び方法の不利な点を低減することである。

上述の不利な点は、請求項１による装置により克服される。本発明のさらなる有利な展開は従属請求項の課題である。

第１の態様では、角度を有する、特にＵ字形状の導体素子における、少なくとも１つの磁界感応センサ素子による磁界に基づいた電流測定が、装置によって提供され、該装置は、電流測定に関わる少なくとも１つの導体部と電流測定に寄生する少なくとも１つの導体部を含む。センサ素子は、電流測定に関わる導体部の磁界がセンサ値に大きな変化、特に抵抗における大きな変化をもたらし、電流測定に寄生する導体部の磁界が、電流測定に寄生する導体部に関連するセンサ素子の空間的方向のため、及び／又は、さらなる通電素子の磁界補償効果のため、センサ値にわずかな変化をもたらし、そして実質的に変化をもたらさないように、電流測定に関わる導体部の領域に配置される。このように、本発明は、測定される導体部に該当しない導体によって生じる寄生する磁界がセンサ素子を貫通しない、又は、センサ素子におけるセンサ値にいずれの変化ももたらさないような方向で貫通するようにして、センサ素子が電流導体の導体部に空間的に配置されるという、磁界測定に基づいた電流測定装置に関する。該装置は、電流測定に寄生する導体部（供給導電部）の電流伝導方向に関連するセンサ素子の感応方向を傾斜させることによって、及び／又は、寄生する導体部の集中した線電流に関する磁界に感応するセンサ構造体層の垂直レベルを変位させることによって規定される。傾斜角度、垂直変位、及び磁界補償の前記手段は個別に又は組合せで適用されてもよい。センサ値の直線的で、割当可能な挙動を得るために、寄生的な磁界成分が、最初にセンサ構造体の抵抗素子の内部磁化状態に負の影響を与え、次にセンサ値変化、抵抗値変化に影響しなくなるということが、これらの手段によって確実になる。

本発明によると、センサ素子は、磁界成分がセンサ値に大きい変化を引き起こす少なくとも１つの感応方向を有し、また、電流測定に関わる導体部の領域において、電流測定に寄生する導体部に対して特に回転、傾斜、又は垂直に変位されるような方向に向けられるので、電流測定に関わる導体部の磁界が感応方向に実質的に配向され、電流測定に寄生する導体部の磁界が感応方向ではない方向、特に感応方向に垂直に、実質的に配向される。つまり、磁気抵抗センサ素子は、感応方向が垂直であり、感応方向における磁束によって貫通されるときに、センサ値の変化、通常はセンサ素子の抵抗の変化を引き起こす、少なくとも１つの磁界感応配向面を有すると考えられる。センサ素子の少なくとも１つのさらなる磁界中性配向面は、その法線が通常は感応方向に垂直に配向され、磁界における変化に不感応である。磁界中性配向面を垂直に通過する磁界は、センサ値を変化させない、特に、センサ素子の抵抗値を変化させない。

感応方向は、すべての寄生的磁界の重ね合わせが感応方向に正確には配向されていない、つまり、磁界中性配向面を垂直に通過して、センサ値にほとんど変化をもたらさない、またはまったく変化をもたらさないという、電流測定に寄生する導体部に関するセンサ素子の空間的位置により方向づけられるということが提案される。結果として、電流測定に関わる導体部、特にＵ字状導体素子の１つ又は両脚部によって生じた磁界のみによってセンサ値が変化する。

有利な実施形態においては、少なくとも１つの磁界感応センサ素子が、センサ素子に割り当てられた導体素子に対して傾斜して配置される。これには、センサ素子の磁界感応構造体が１つ又は２つの空間的方向においてのみ磁界に感応する、つまり、これらの好ましい磁界方向に垂直の磁界は磁界感応構造体には検出されないということが利用される。

磁気抵抗センサ素子は、例えばＡＭＲ（異方性磁気抵抗）効果、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果、又はＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果によって動作する、磁界感応センサ素子として有利に用いられる。ホール効果を利用するセンサ素子が同様に使用されてもよい。一般に、ＡＭＲ、ＴＭＲ、及びＧＭＲセンサは、センサ構造体面、通常はチップ面、多くの場合にセンサ構造体の電流方向に垂直に、そしてセンサ構造体の配置面の法線に垂直に位置する感応方向を有する。多くの場合、ホール効果に基づいたセンサはセンサ構造体の配置面に対して垂直である感応方向を有する。

少なくとも１つのセンサ素子は、Ｕ字状導体素子の２つの脚部同士の間の接続ブリッジの電流により発生する磁界の影響が最小化されるように、Ｕ字状導体素子に対して、有利に傾斜されていてもよい。これは、センサ素子の感応方向に位置し、Ｕ字状導体部の２つの脚部同士の間の接続ブリッジにおける電流により生じる磁界の成分が、センサ素子の位置で最小化されるようにして、少なくとも１つのセンサ素子が配置されることにおいて、有利に達成される。先行技術による薄膜技術を用いて製造されたＡＭＲセンサ素子は、例えば、センサ面に垂直に影響を与える磁界成分に不感応である。この種の例示的実施形態において、傾斜角度は、干渉磁界が少なくとも１つのＡＭＲセンサ素子に垂直に影響を与えるように選択される。Ｕ字状導体素子に関するセンサ素子の位置又は距離が変化する場合、干渉磁界がセンサ素子の感応方向においていずれの成分をも有さないように、最適な傾斜角度も調整される必要がある。センサ素子の距離も結果的な装置の測定感度を変化させるので、位置の最適化と最適な傾斜角度は、感応性、任意の必要な絶縁空間、及び装置の最終的な寸法の要件に基づいて定められてもよい。傾斜角度αの大きさは、有利には、０°＜α＜１２０°の範囲である。傾斜角度のさらなる拡大は、導体素子の大きさを超える最終的な寸法の拡大を生じ得り、これは適用における多くの場合にまさに避けるべきことである。

また、Ｕ字状導体素子の２つの脚部同士の間の接続ブリッジの電流によって生じる磁界に加え、接続ラインからＵ字状導体素子への電流によって生じる磁界は、測定の精密性に負の影響を与える。このため、センサ素子の位置における接続ブリッジと接続ラインとの磁界の重ね合わせが、センサ素子の感応方向において最小限の成分のみをもたらすように、さらなる例示的実施形態では、傾斜角度が特に有利に選択されてもよい。

さらなる有利な例示的実施形態では、装置が外部の均質干渉磁界に大部分において不感応であるように、少なくとも１つのセンサ素子は勾配センサであってよい。しかし、それぞれが絶対磁界を測定する複数のセンサ素子が設けられ、追加の評価電子装置がセンサ素子の出力信号を適切な方法で合成することも可能である。絶対磁界を測定する多数のセンサ素子を配置することによって、干渉効果を最適に抑制することが特に可能である。またここでは、個別のセンサ素子の最適な傾斜角度は異なり得る。

装置のＵ字状導体素子は、適切なスロットが導体の平坦で直線的な部分に設けられることで、特に有利に形成される。この種のＵ字状の部分的構造を備える直線導体は、その寸法と製造の簡易性とに関して有利である。

共通基板、特にチップ基板又はＰＣＢ上で、ホイートストン測定ブリッジ内において接続される２つの磁界感応センサユニット、特に磁界感応抵抗を備えるセンサ素子の装置と、小型で省スペースの変化形とを可能にするため、Ｕ字状導体素子の両脚部が平行に、短い距離で相互に配置されることは有利である。この方法では、磁界感応センサユニットは１つの小型部品内に配置されることができ、該小型部品の設置面積により両脚部は少なくとも部分的に被覆される。この種の部品は、係合要素又はスナップフィット要素などの締結手段により、共に両脚部に固定されてもよい。Ｕ字状導体素子の両脚部を被覆するこの種の小型センサ素子は、経済的に製造され、容易に設置されることが可能であり、また磁界測定装置の全体のサイズは小さい。さらなる有利な実施形態では、締結手段が設けられ、その上に少なくとも１つのセンサ素子が設置され、少なくとも１つのセンサ素子は、関連する導体素子に対して、傾斜、回転、及び／又は垂直変位した位置で固定されてもよい。締結手段は、組立てを簡素化し、許容公差を満たすために、導体素子上若しくは導体素子内に係合されるか、又は、関連する導体素子上に正確に配置可能にする改造された設置用若しくは調整用補助具を備えるように、特に設計されてもよい。電流センサ素子に関して正確に設置することができるように、例えば、ガイド溝又は調整ピンなどが設けられてもよい。締結手段は、有利にはプラスチック製であるか、又はプラスチックからなる要素を含む。これによって、締結手段が道具を使用せずに導体素子に取り付けられること、また、不具合の発生時に再び外されることが可能になる。

さらに、締結手段は、少なくとも１つのセンサ素子と接触する少なくとも１つの電導性トラックを有してもよい。導体トラックは締結手段に既に含まれているので、さらなる配線作業は必要ない。導体トラックは規定の方法で配置され、導体トラックの磁界が磁界測定にいずれの寄生的な影響も与えないか、又は導体トラックの寄生的磁界が相互に補償するように配置される。また、供給線はツイストペアの原理に従って締結手段内に引き回されてもよい。新規の技術、いわゆるＭＩＤ技術（ＭＩＤ：成形回路部品（ｍｏｕｌｄｅｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｄｅｖｉｃｅｓ））によって、プラスチック要素に、プラスチックに設置される電気部品と電気的な接触をさせる、さらなる導体トラックが設けられることが可能になる。さらなる例示的実施形態では、締結手段は、少なくとも１つのセンサ素子が接触する追加の導体トラックを有する。少なくとも１つのセンサ素子は、例えば、ボンディング技術又ははんだ付け接続によって、締結手段の導体トラックと接触させてもよい。

さらなる有利な実施形態において、装置は、例えばセンサ信号の供給のために必要である追加部品を備えてもよい。これら追加の部品も締結手段上に設置されることができ、例えばＭＩＤ技術またはボンディング技術によって、部品と少なくとも１つのセンサ素子との間で電気接続がおこなわれる。

また、有利な一装置では、例えば、センサ装置に電気接続がおこなわれるプラグインコネクタなどの追加の接続素子が含まれてもよい。さらなる実施形態では、プラグインコネクタは締結手段上に設置されてもよい。存在する部品、及び／又は、少なくとも１つのセンサ素子と電気接続をおこなうことは、上述と類似の方法、例えばボンディング又ははんだ付けなどによってなされてもよい。

しかしながらまた、提供される追加の回路キャリアが、上述された１つ以上の部品を受け、部品同士の間に必要とされ得る任意の電気接続をおこない、１つのユニットとして締結手段上に設置されることも可能である。部品が締結手段上に直接的、部分的に設置され、追加の回路キャリアが締結手段上に設置されるように設けられる、さらなる実施形態も考えられる。

さらなる有利な実施形態では、例えば汚れ若しくは湿気などに対する機械的な影響から保護するため、又は許容できない機械的応力を避けるために、センサ装置の素子は被覆されてもよい。関連する電気導体を共に含むシースは有利である。ユニットと接触させるために設けられるプラグインコネクタのコンタクトはシースの凹部にあってもよい。

有利な一実施形態においては、センサ素子と電流測定に寄生する導体部との３次元空間配置について、法線が感応方向に直角に配向されるセンサ素子の磁界中性配向面が、電流測定に寄生する導体部の電流分布によって生成される寄生的磁界の閉磁力線の接線に垂直に配向されるように、互いに配置されてもよい。言い換えると、本実施形態において、磁界中性配向面、多くの場合、センサ素子のセンサ構造体が包埋されている面は、寄生的磁界がこの面を直角に貫通するような配向の高さと角度に配置されるということが提案される。この方法では、寄生的磁界は、磁界中性配向面内に、特に感応方向に位置する成分を有さないので、例えばセンサ構造体の内部磁化に干渉することによってセンサの感応性を損なったり、また磁界感応方向に成分を構成したりしない。

導体素子は、好ましくは打ち抜きされ、折り曲げられた金属部品であり、電流測定に寄生する導体部にわたる電流密度分布の重心と法線が感応方向に垂直である磁界中性配向面とが、センサ素子の位置で、実質的に垂直方向に同じレベルｚであることが可能である。代替的に又は組合せで、センサ素子は電流測定に関わる湾曲した導体部上に配置されることができ、そこで電流測定に寄生する導体部と法線が感応方向に垂直である磁界中性配向面とは、センサ素子の位置で実質的に垂直方向に同じレベルｚである。接続ブリッジの電流測定に寄生する導体部と、Ｕ字状導体素子の脚部の電流測定に関わる導体部との間の高低差を生成するための、上述の変化形は、磁界中性配向面が電流測定に寄生する導体部に流れる集中した線電流のおよその高さに配置されるという効果がある。実際には、供給線電流は磁界中性配向面と同じ面に位置するので、寄生的磁界はこの配向面を実質的に垂直に貫通し、磁界測定においていずれの不利な影響も有さない。つまり、磁界感応配向面は、供給線電流の面とセンサ素子の磁界中性配向面とに対して変位されたｚ面における、脚部の電流測定に関わる導体部からの磁界によって貫通されるのみである。

さらなる実施形態では、電流測定に関わる導体部と電流測定に寄生する導体部との垂直に変位した配置は、ＰＣＢ（プリント回路基板）構造体、特に様々な層上の多層ＰＣＢの上又は内に提供される。こうして、センサ素子は、多層ＰＣＢの層上、好ましくは電流測定に寄生する導体部と同じ層上に有利に配置される。電流測定に寄生する導体部、特に電流供給線と電流放電線、そして２つの導電性脚部同士間の接続ブリッジを規定する導体構造は、多層ＰＣＢの第１のメタライゼーション面上に配置されることが可能であり、センサ素子もまたこの面に配置されてよい。電流測定感応導体部、特にＵ字状導体構造の脚部は、さらなるメタライゼーション面としての垂直に変位した別の面に配置されてもよい。面の導体部は、ビア又はスルーコンタクトによって接続されることができる。また、さらなる部品、補償磁石又は補償磁界コイル、及び／又は電子部品がＰＣＢ構造体上に配置されることが可能である。特に、評価及び／若しくは表示素子、並びに／又は接続インターフェイス、つまり、プラグ素子か、連結素子かの少なくとも一方が、部品を小型にするためにＰＣＢ上に配置されてもよい。ＰＣＢ層の製造は、通常のＰＣＢ生産方法を用いておこなわれ、製造上の精密性を備えた経済的な製作が可能である。ＰＣＢ構造体は安定的な部材として構成されるため、該構造体は電流測定装置を強化する。

本発明のさらなる有利性、特性及び詳細は、以下の例示的実施形態の記載、及び図面の参照により明らかになる。具体的に、図面は以下のように表される。

図１は、先行技術によるＵ字状導体を備える装置を示す。 図２は、先行技術において、電流が流れているＵ字状導体の磁界方向を表す。 図３は、短縮された脚部の長さ部分に電流が流れているＵ字状導体の磁力線を表す。 図４は、１つの磁界感応配向面と２つの磁界中性配向面とを備えるセンサ素子の概略図を示す。 図５は、補助領域が存在するときの生じた磁界ベクトルと磁力線を示す。 図６は、直線状電気導体素子を備える勾配センサの装置を示す。 図７は、最適な傾斜角度を表す、図６に対応する断面図を示す。 図８は、電気導体に設置される締結手段を備える、本発明における例示的実施形態を示す。 図９は、電流測定に寄生する導体部に関する電流測定に関わる導体部の種々の３次元配置を有する、センサ装置の実施形態の断面図を示す。 図１０は、打ち抜きされ、折り曲げられた部品としての電気導体を備えるセンサ装置の実施形態を示す。 図１１は、追加の設置部品を備えるさらなる例示的実施形態を示す。 図１２は、シースを備える電気導体のさらなる例示的実施形態を示す。 図１３は、複数のセンサ素子を備えるセンサ装置の例示的実施形態を示す。 図１４は、角度αで傾斜された複数のセンサ素子を備えるセンサ装置の例示的実施形態を示す。

図において、同一又は類似の種である部品を特定するために同一の参照符号が用いられる。提示される図は、正確な縮尺率ではなく、様々なセンサ装置を概略的、原理的に表す役割を担うのみである。

図１は、先行技術における電流測定のための装置を示す。装置１は、接続ライン３、脚部４、及び接続ブリッジ５、並びに電気導体２と平行である平面に配置されたセンサ素子１０を有する、ｘ−ｙ平面に位置する電気導体２からなる。センサ素子１０は、互いに離れて位置する２つのセンサ構造体１１を有し、Ｕ字状導体２の電流によって発生される勾配磁界の測定を可能にする。該装置は、１１におけるセンサ構造体を安定化させるために、センサ構造体１１の領域において補助磁界２２を発生する２つの永久磁石６を備える。センサ構造体は、例えば、電流抵抗がｘ−ｙ平面に位置する磁界成分に依存して変化する磁気抵抗素子を含んでもよい。

図２は、Ｕ字状導体素子２を流れ、電気導体の表面に示される矢印２１の方向に対応する磁界を発生する電流２０を示す。脚部４の領域における磁界の方向がそれぞれ反対の方向を向くので、先行技術では、適切なセンサ素子１０による勾配測定がこの領域において可能であるということが明らかにみてとれる。

図３は、スロット１３の導入によってＵ字状の部分的構造体２が形成されている直線状の電気導体１２を示す。図２に対応して電流２０が示され、例示の磁力線２１、２２、２３、２４で示される結果としての磁界を発生する。脚部４の領域では磁界勾配が再び発生し、空間的に近傍するために磁界による影響が、例えば磁界ベクトル２１及び２３などのように予期されるということが明らかに理解される。さらに、特に接続ブリッジ５と接続ライン３との領域では磁界が発生し、その磁界方向は脚部４の領域における磁界２２及び２４に対して直角である。特に、接続ブリッジ５による磁界はセンサ特性値において寄生効果を有する。

図４は、磁気抵抗性ＡＭＲ抵抗ストリップ５４（異方性磁気抵抗性抵抗ストリップ）として形成される４つのセンサ構造体１１を備えるセンサ素子１０の概略的斜視図を示す。抵抗ストリップは、好ましくは、１又は２つの部分的分岐抵抗として、ホイートストン測定ブリッジ内において接続されるとよい。抵抗ストリップ５４の位置と配向とは、基板の表面上の２つの磁界中性配向面４０ａ及び４０ｂを規定する。この位置と配向とは、明確にするために抵抗ストリップ５４の平面から移動して示されているが、該平面に割り当てられる。平面４０ａ及び４０ｂに垂直に配向される、つまり法線方向においてこれらの平面を貫通する磁界ベクトルＢ_ｙとＢ_ｚとは、抵抗ストリップ５４の抵抗の変化において有意な影響のない、少なくとも最大磁界強度までを有する。このため、平面４０ａを貫通する磁界成分はセンサ値に影響を与えない。平面４０ｂを貫通する磁界成分は、抵抗ストリップ５４の磁界感応性を変化させる、下げる、又は妨げ得るので、回避される。また、感応方向７０において磁界感応配向面４２に垂直であり、抵抗ストリップ５４の抵抗の変化において有意な影響を有する大きさの磁界ベクトル成分Ｂ_ｘでは挙動が異なる。以下は電気導体１２に関してセンサ構造体１１を受ける平面の３次元配向によって得られる。接続ブリッジ５、通電接続ライン３によって、そしてセンサ素子１０への供給線によって引き起こされる電流測定に寄生する磁界は、磁界中性配向面４０ａ、４０ｂを、特に配向面４０ａを、センサ構造体の位置で垂直に通過する。配向面４０ａはセンサ構造体１１の装置平面と同じ領域を被覆する。このように、寄生する磁界の干渉の影響は効果的に抑制され、センサ値は電流測定に関わる導体部３０の磁界によって主に又は排他的に影響を受ける。配向のため、電流測定に関わる導体部３０、特にＵ字状電気導体素子２の脚部４によって発生された磁界が磁界感応配向面４２を、好ましくは垂直に貫通する配置も試みられている。

図５は、図３に示される様々な磁界がセンサの位置で重なるとき、センサ構造体１１の位置で、結果として磁界２５と２６とが発生することを示す。磁界２５と２６とは、センサ構造体１１の位置で永久磁石６によって発生された補助磁界をも弱める成分を有するということが、明確に理解される。これにより、電流の大きくなるときに、測定の不正確性、一部の場合にはセンサ構造体１１の位置で脱磁プロセスが生じ得る。

図６は、接続ライン３、脚部４、及び接続ブリッジ５からなる部分的な構造を含む直線状電気導体１２からなる装置を示す。センサ構造体１１を備えるセンサ素子１０が電気導体１２の上部に配置されている。

図７は、図６の線Ａ−Ａに沿う縮尺を示す目的ではない断面図において、接続ブリッジ５における電流の流れによって発生される寄生的な磁力線２２を示す。センサ素子１０はＵ字状導体素子の脚部４の上に配置される。センサ素子１０が、例えば絶縁強度に必要なため、電気導体１２から離れて設置され、電気導体１２の面に平行である場合、磁力線２２はセンサ素子１０を垂直に貫通しない。このように、平面において感応するセンサ素子１０の測定信号を変化させるセンサ素子１０の平面の磁界成分が存在する。本発明による電気導体１２の平面に対して角度α１５であるセンサ素子１０の傾斜位置によって、磁力線２２がセンサ素子１０に垂直に影響を与えるということが達成される。センサ素子１０が、垂直に影響を与える磁界に不感応であるセンサ構造体を有する場合、接続ブリッジ５と接続ライン３とにおける電流によって生じる磁界は、干渉作用を有しない。センサ素子１０の位置が変化する、例えば閉磁力線に沿って変化する場合、本発明によると、傾斜角度の上昇はＵ字状導体素子２の脚部４への距離の増加とも関連する。図７は、関連する最適な傾斜角度βを有するが、電気導体１２との距離が増加したさらなる位置を解説の目的で示す。磁力線に沿うセンサ素子１０のさらなる回転は可能であり、装置１の感応性は距離の変更に対応して変化する。電気導体の平面に対して反転した配置、つまり電気導体１２の下で負の傾斜角度を有するセンサ素子１０は、等しく有利であることが図７から容易に認識される。

図８は、センサ素子１０を受け、図５及び図６において示される脚部４に対して傾斜位置に固定される締結手段８を概略的に示す。また、追加部品９が締結手段８に設置されてもよい。部品の電気的接続のため、ボンディングワイヤ１６及び導体トラック１７が実施例において示される。締結手段８は電気導体１２の特定の構造に係合するように設計されている。このため、例えば係合フック７が設けられ、締結手段８が設置されて電気導体１２を部分的に取り囲む。締結手段８は好ましくはプラスチックからなる。追加のプラグインコネクタ１８は、締結手段８に接続され、部品９及びセンサ素子１０の電気的接触を可能にする（詳細は図示せず）。また、部品９及びセンサ素子１０は最初に回路基板に設置され、次にその回路基板が締結手段８に設置されてもよい。示されている締結手段８の傾斜角度αはさらに最適化されてもよい。締結手段８若しくはその上に設置される回路基板に、少なくとも部分的に磁気異方的な材料を設けること、又は、磁界中性配向面４０に対して垂直方向に寄生的な磁路に影響する透磁率テンソルを有する磁気異方的な材料をセンサ素子１０の近傍に配置することは、代替又は追加で可能である。誘電率テンソル材によって規定されるフィールド線曲線に沿う寄生的な磁界は感応方向から有利に離れるように導かれるので、例えば、必要な機械的要件を満たすことができ、センサ装置の感応性はさらに改善される。

図９は、電流測定に寄生する部分に関して電流測定に関わる導体部の様々な３次元配置を伴うセンサ装置の複数の実施形態の、縮尺を表すためではない概略断面図を示す。図９ａは、図６において既に示されているような、電気導体１０のＵ字状電気導体素子２を通過する断面線Ａ−Ａを概略的に示し、図９ｂ〜図９ｄの断面図を規定する。また断面線Ｂ−Ｂは図９ｅの可視面を規定する。

図９ｂは、打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０としてのＵ字状電気導体素子２の第１の実施形態を示し、電流測定に関わる導体部３０としての脚部４がｙ方向の下方ｚ平面に配置され、電流測定に寄生する導体部３２としての接続ブリッジ５と接続ライン３とは、上方ｚ平面上のｘ方向に配向される。測定される電流Ｉの電流の流れ２０の方向は概略的に示される。センサ素子１０は、脚部４の中心領域に配置され、例えばｙ方向に方向づけられる抵抗ストリップ５４として設計されたセンサ構造体１１を含み、その磁界中性配向面はｙ／ｚ平面に配置され、脚部４、３０をｙ方向に流れる電流Ｉのｘ方向に配向された磁界成分によって貫通される。電流測定に寄生する導体部３２としての接続ブリッジ５と接続ライン３との磁気ベクトル成分は点線により示される。下方ｚ平面上の電流測定に関わる導体部３０と上方ｚ平面上の電流測定に寄生する導体部３２との配置のため、磁界中性配向面４０ａもｘ／ｙ平面上で上方ｚ平面上に配置され（図４を参照）、寄生的磁界成分は平面４０ａを垂直に貫通し、センサ素子１０のセンサ値の変化に影響しない。電流測定に関わる導体部３０と電流測定に寄生する導体部３２との間の垂直のｚ変位は、線電流に対応して電流測定に寄生する導体部３２で測定される電流２０の電流密度分布の重心が磁界中性配向面４０ａと同一のｚ垂直面上にあるように選択されるので、平面４０ａに直角である寄生的磁界成分の流路が確実になる。

図９ｃは、断面Ａ−Ａとしての図９ｂと同様の構成を示すが、Ｕ字状電気導体素子２は、大きい曲率半径を伴う緩やかに湾曲した導体部５２として設計され、小さい曲率半径を伴う打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０ではない。湾曲した導体部５２としての電流測定に関わる脚部４、３０の設計では、製造公差が平均化されることが可能であるか、又は、上述されたように、わずかに異なる曲率半径が磁界中性配向面４０ａの直角の貫通に軽微な影響を与えるのみであるという有利性がある。このため、電気導体素子は、製造において大きなエラー耐性を伴うか、又は後にアライメントされ得る。

図９ｄは、断面Ａ−Ａとしての図９ｂと類似の構成を示すが、この場合にはＵ字状電気導体素子２は、打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０ではなく、ＰＣＢ（プリント回路基板）装置６０又はチップ基板装置であり、電流測定に関わる導体脚部４、３０が、下方層面上又は基板層５６の下で、下方メタライゼーション層６２ｂとして配置され、電流測定に寄生する接続ブリッジおよび接続導体部３、５、３２は、上方メタライゼーション層６２ｂとして、上方層面又は基板層５６上に配置される。導体部３、４及び５は、ビア５８によって相互に接続される。センサ素子のセンサ構造体１１は基板表面５６に適用されるので、寄生的磁界成分は、基板表面に対して垂直にセンサ構造体１１を貫通する。

図９ｅは、ＰＣＢ装置６０の内部においてｚ方向で観察されるさらなる３次元Ｕ字状電気導体素子２を示す。ＰＣＢ装置６０は、複数の層５６ａ〜５６ｃを伴う多層ＰＣＢ６４である。メタライゼーション層６２ａは上方層５６ｃ面に適用され、Ｕ字状導体素子２の接続ブリッジ５と接続線３を形成し、電流測定に寄生する導体部３２を示す。ｚ方向に垂直に変位した層平面５６ｂでは、電流測定に関わる導体３０が、メタライゼーション層６２ａに脚部４として形成される。メタライゼーション層６２ａ、６２ｂはビア５８、つまり、ＰＢＣ基板層５６ｃのスルーコンタクトによって相互に電気的に接続される。磁界中性配向面４０ａ上の磁界感応性抵抗ストリップ５４の形態でセンサ構造体１１を含むセンサ素子１０は、脚部４の領域の層５６ｃ上に配置される。磁界中性配向面４０ａは、電流測定に寄生する導体部３２へ分散して流れる集中直線電流Ｉ２０のｚの高さと配向とに対応する高さｚで配置される。図７において示されるような、電流測定に寄生する導体部３２を包囲する同心円２２を通常構成する寄生的磁界は、磁界中性配向面４０ａに対して垂直に、４０ａを貫通する。センサ構造体１１は、ｘ方向を指す感応方向７０を有し、配向面４０ａ内に寄生的磁界２２の配向に対して直角に位置する。このセンサ配置は、図９ｂ〜図９ｄに示される配置のように、センサ素子１０の空間的に変位した配置に基づくので、寄生的磁界が感応方向でセンサ素子１０を貫通するのでなく、特にセンサ素子の感応方向に対して直角に貫通する。

図１０は、図９ｂの断面図の実施形態に対応して、打ち抜きされ、折り曲げられた部品５０としてのＵ字状電流導体素子２を示し、電流測定に関わる脚部４、３０は、脚部と電流測定に寄生する接続導体部３、５、３２に対してｚ方向に後退しているので、寄生的磁界成分は、センサ素子１０のセンサ構造体１１上に配置される磁界中性配向面４０ａを実質的に垂直に通過する（図４参照）。脚部４が接続ライン３と接続ブリッジ５とに対してｚ方向に変位した配置により、寄生的磁界成分は磁界中性配向面４０ａを貫通するのみであるが、検出される電流測定に関わる磁界成分はセンサ素子１０の磁界感応配向面を貫通するということが確実になる。

図１１は、上から見た直線状の電気導体１２を示すさらなる有利な例示的実施形態を表し、締結手段８は、センサ素子１０と部品９との関連する部品と共に示され、シース１４によって外部からの機械的影響に対して保護される。

図１２は、締結手段８（ここでは不可視）がシース１４によって保護される、さらなる有利な例示的実施形態を示し、シース１４は直線状の電気導体１２と共に１つのユニットを形成する。少なくとも１つのセンサ素子１０及び存在し得る任意の部品９との接触は、図示されたプラグインコネクタ１８のコンタクトによってなされ、プラグインコネクタは別の方法ではシース１４に封入されている。

図１３に示されるように、１つのセンサ素子１０の代わりに複数のセンサ素子１０がＵ字状導体素子２の領域に配置されることも可能であり、本発明では、センサ素子１０は、センサ素子１０に割り当てられた導体素子２に対して傾斜して配置される。この種の実施形態は図１４にも示され、傾斜角度α１５は図７に表される構成に従って選択される。締結手段８は、既定されるように傾斜角度１５を調節するために設計され、所望の角度配向が設けられるように、導体１２又は脚部４に締結される。

導体素子３、４、及び５に関しセンサ素子１０を最適に配置することは、一方で単に経験若しくは経験的な試みに基づいて、又は、他方で特定の導体構造体１２における静磁界若しくは過渡的な磁界分布の、領域の数値シミュレーションによって決定される。特定の電気導体構造体１２の特定の電流の流れの磁界分布を測定可能である、数値シミュレーション方法、特に有限要素又は有限差分に基づく方法は、この目的に適している。例えば電流測定に寄生する導体部３２内のみに電流を挿入することによって個別に考慮される寄生的な磁界成分を基にして、導体素子同士の相互の規定された高さ関係において、寄生的磁界補償において、又は、これらの組合せにおいて、変更した傾斜角度に関してセンサ素子の適切な方向を決定することが可能である。

Claims (15)

1. 角度を有する、特にＵ字状の導体素子（２）において少なくとも１つの磁界感応センサ素子（１０）を備える、磁界に基づく電流測定のための装置であって、
   電流測定に関わる少なくとも１つの導体部（４、３０）と、電流測定に寄生する少なくとも１つの導体部（５、３２）とを含み、
   前記センサ素子（１０）は、磁界成分がセンサ値に大きな変化をもたらす少なくとも１つの感応方向（７０）を有し、
   前記センサ素子（１０）は、前記電流測定に関わる導体部（４、３０）の磁界が前記感応方向（７０）に実質的に方向づけられ、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）の磁界が前記感応方向（７０）ではない方向、特に前記感応方向（７０）に垂直に、実質的に方向づけられるように、前記電流測定に関わる導体部（４、３０）の領域において、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）に対して回転され、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）に対して傾斜され、及び／又は、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）に対して垂直に変位されるように特に配置される、装置。
2. 少なくとも１つの前記センサ素子（１０）は、前記センサ素子（１０）に割り当てられた前記導体素子（２）へ傾斜して配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記センサ素子（１０）の前記感応方向（７０）に配置され、前記Ｕ字状の導体素子（２）の２つの脚部（４）同士の間の接続ブリッジ（５）における電流によって発生される磁界の寄生的成分が、前記センサ素子（１０）の位置で最小化されるように、前記傾斜の角度（１５）が選択されるか、又は、前記センサ素子（１０）の前記感応方向（７０）に配置され、前記Ｕ字状の導体素子（２）の２つの前記脚部（４）同士の間の前記接続ブリッジ（５）における電流によって発生される磁界と、前記Ｕ字状の導体素子（２）への接続ライン（３）を通過する電流によって発生される磁界との重ね合わせによって生じた磁界の寄生的成分が、前記センサ素子（１０）の位置で最小化されるように、前記傾斜の角度（１５）が選択される、請求項２に記載の装置。
4. 前記センサ素子（１０）は、勾配センサ又は絶対磁界を測定するセンサであり、好ましくは、磁気抵抗センサである、請求項１〜３のうちの１項に記載の装置。
5. 前記角度を有する、特にＵ字状の導体素子（２）は、導体の平坦な直線部（１２）におけるスロット（１３）によって形成され、特に、前記Ｕ字状の導体素子（２）の２つの脚部は互いに平行に配置される、請求項１〜４のうちの１項に記載の装置。
6. 少なくとも１つの前記センサ素子（１０）を受ける少なくとも１つの締結手段（８）が設けられ、前記締結手段（８）は、関連する前記Ｕ字状の導体素子（２）に対して傾斜した位置に固定される、請求項１〜５のうちの１項に記載の装置。
7. 前記締結手段（８）は、前記導体の直線部（１２）若しくは前記Ｕ字状の導体素子（２）内に、又は、前記導体の直線部（１２）若しくは前記Ｕ字状の導体素子（２）上に係合される、請求項６に記載の装置。
8. 前記締結手段（８）は、少なくとも１つの前記センサ素子（１０）に電気的に接触する少なくとも１つの電導性トラック（１７）を含む、請求項６に記載の装置。
9. 前記締結手段（８）は、ＭＩＤ（成形回路部品）技術によって設計される、請求項６に記載の装置。
10. 少なくとも１つの前記センサ素子（１０）に割り当てられた電子部品（９）は、前記締結手段（８）上に配置される、請求項６に記載の装置。
11. 少なくとも１つの前記センサ素子（１０）を備える前記締結手段（８）の少なくとも周囲に保護シース（１４）が設けられ、好ましくは、前記保護シース（１４）は前記Ｕ字状の導体素子（２）の一部を封入する、請求項６に記載の装置。
12. 前記センサ素子（１０）と前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）との互いに関する３次元空間配置において、前記センサ素子（１０）の位置における前記感応方向（７０）が、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）の電流分布によって発生される寄生的磁界の閉磁力線の接線に垂直に配置される、請求項１〜１１のうちの１項に記載の装置。
13. 前記導体素子（２）は、打ち抜きされ、湾曲された金属部品（５０）であり、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）にわたる電流密度分布の重心と、法線が前記感応方向（７０）に垂直である磁界中性配向面（４０）とが、前記センサ素子（１０）の位置で実質的に垂直方向に同じレベルｚに配置される、請求項１２に記載の装置。
14. 前記センサ素子（１０）は、電流測定に関わる湾曲した導体部（４、３０、５２）上に配置され、前記電流測定に寄生する導体部（５、３２）にわたる電流密度分布の重心と、法線が前記感応方向（７０）に垂直である磁界中性配向面（４０）とが、前記センサ素子（１０）の位置で実質的に垂直方向に同じレベルｚに配置される、請求項１２に記載の装置。
15. 前記電流測定に関わる導体部と前記電流測定に寄生する導体部（４、５、３０、３２、５２）とは、ＰＣＢ（プリント回路基板）装置（６０）上又はＰＣＢ装置（６０）内、特に、垂直に変位された層（５６）上の多層ＰＣＢ（６４）内に配置される、請求項１２〜１４のうちの１項に記載の装置。