JP2022548498A - 差動信号電流センサ - Google Patents

Abstract

さまざまな差動信号電流センサデバイスが開示される。いくつかの実施形態において、電流センサデバイスは、電流方向において電流を伝導するための導体を含み得る。導体は、第１の周縁から、導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、第２の周縁から中心軸の方に延在する第２のスロットを含み得る。電流センサデバイスは、第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサをさらに含み得る。

Description

本開示は、概して、一体型電流センサ構造の分野に関する。より詳細には、本開示の実施形態は差動信号電流センサに関する。

電流センサは、ワイヤで電流（ＡＣまたはＤＣ）を検出するデバイスであり、その電流に比例する信号を生成する。生成された信号は、アナログ電圧もしくは電流、またはさらにはデジタル出力であり得る。導電ワイヤにおける電流を検出かつ測定するための１つの方法には、ホール効果に基づくホールセンサを使用する。ホール効果は、材料における電流、および電流に対して垂直に加えられた磁場に対して横方向に、（ワイヤなどの）導電材にわたる電圧差（ホール電圧）の発生である。電圧差は測定可能であり、加えられた磁場が認識される場合、導電材における電流は演繹可能である。このような電流センサは磁気電流センサと呼ばれ得る。

多くの場合、浮遊磁場を磁気電流センサから除くまたは緩和することが望ましい。演繹された電流は磁気センサに加えられた局所磁場に左右されるため、いずれの未知のまたは望ましくない磁場も不正確な測定を引き起こす可能性がある。広範囲の周波数に対する直流および交流両方の測定時に一貫性のある精確な電流測定を提供することも望ましい。

従って、浮遊磁場がある環境における一貫性のある精確な電流測定を提供する電流センサ構造、および幅広い周波数範囲を有する電流が必要とされている。

１つの手法では、電流センサデバイスは、電流方向において電流を伝導するための導体であって、第１の周縁から、導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、第２の周縁から中心軸の方に延在する第２のスロットを含む導体であり得る。電流センサデバイスは、第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサをさらに含み得る。

別の手法では、差動信号電流センサデバイスは、電流方向において電流を伝導するための導体であって、第１の周縁から、導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、第２の周縁から中心軸の方に延在する第２のスロットを含む導体を含み得る。第１のスロットおよび第２のスロットは、導体の長さに沿って互いにオフセットされ得る。差動信号電流センサデバイスは、第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサをさらに含み得る。

さらに別の手法では、差動信号電流センサデバイスは、電流方向において電流を伝導するための導体であって、第１の周縁から、導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、第２の周縁から中心軸の方に延在する第２のスロットを含む導体を含み得る。第１のスロットおよび第２のスロットは、導体の長さに沿って互いにオフセットされ得る。差動信号電流センサデバイスは、第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサをさらに含み得、第１の電流センサおよび第２の電流センサは、導体を通る電流によって生成される垂直磁束を測定し、第１のスロットにおける垂直磁束は第１の方向に配向され、第２のスロットにおける垂直磁束は、第１の方向と反対の第２の方向に配向される。

添付の図面は、開示された実施形態の、これらの原理の実際的応用のためにこれまで案出された例示的な手法を示す。

本開示の実施形態による電流センサデバイスの上面図である。

本開示の実施形態による図１の電流センサデバイスの導体の斜視図である。

本開示の実施形態による磁束線を示す図２のバスバーの側面図である。

本開示の実施形態による図１の電流センサデバイスの回路図である。

本開示の実施形態によるハウジングを含む電流センサデバイスを示す図である。

図面は必ずしも一定の縮尺であるわけではない。図面は単なる表現であり、本開示の具体的なパラメータを描写することを意図するものではない。図面は、本開示の例示的な実施形態を示すことが意図され、従って、範囲の限定とみなされるように意図されていない。図面において、同様の番号付けは同様の要素を表す。

さらに、図のいくつかにおける特定の要素は省略され得、または説明を明確にするために原寸に比例させずに示され得る。断面図は、「スライス」、または「近視的な」断面図の形式であり得、説明を明確にするために、その他の場合は、「実際通りの」断面図では可視の特定の背景線が省略される。さらに、明確にするために、いくつかの参照番号は特定の図面で省略され得る。

本開示による電流センサデバイスについて、ここで、方法の実施形態が示される添付の図面を参照しつつ、以下により詳しく説明する。このデバイスは、多くの異なる形式で具現化され得、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるものではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が綿密かつ完全になるように、かつシステムおよび方法の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。

図１～図２に移って、本開示の実施形態による差動信号電流センサデバイス（以下「デバイス」）１００について説明する。示されるように、デバイス１００は、導体１０２を横切る一連の破線矢印で示されるように、電流方向において電流（Ｉ）を伝導するための導体１０２を含み得る。示されるように、バスバーであり得る導体１０２は、第１の端部１０４とこの反対側の第２の端部１０６、第１の側１０８とこの反対側の第２の側１１０、および、第１の主面１１２とこの反対側の第２の主面１１４を含む。第１の端部１０４と第２の端部１０６との間で（例えば、ｘ方向に沿って）延在する導体１０２の長さは、第１の側１０８と第２の側１１０との間で（例えば、ｙ方向に沿って）延在する導体１０２の幅を上回る場合がある。さらに、導体１０２の長さおよび幅はこの厚さを上回る場合があり、この厚さは、第１の主面１１２と第２の主面１１４との間で（例えば、ｚ方向に沿って）延在する。非限定的ではあるが、導体１０２は、複数の導体表面を有し得、かつ、材料、例えば、導電材の異なる電気的に絶縁された層を有する積層構造であり得る。

さらに示されるように、導体１０２は１つまたは複数の切欠きもしくはスロットを含み得る。いくつかの実施形態において、導体１０２は、第１の周縁１２２から、導体１０２の長さに沿って延在する中心軸（ＣＡ）の方に延在する第１のスロット１２０Ａを有する。導体１０２は、第２の周縁１２４から中心軸の方に延在する第２のスロット１２０Ｂをさらに含む。示されるように、第１の周縁１２２および第２の周縁１２４は、それぞれ、導体１０２の第１の側１０８および第２の側に対応する。第１のスロット１２０Ａおよび第２のスロット１２０Ｂは、例えば、第１の主面１１２と第２の主面１１４との間で、導体１０２の厚さを通して延在し得る。非限定的ではあるが、第１のスロット１２０Ａおよび第２のスロット１２０Ｂは、略長方形の形状または輪郭を有し得る。

示されるように、第１のスロット１２０Ａおよび第２のスロット１２０Ｂは、互いに対して中心軸に沿ってオフセットされ得る。言い換えれば、第１のスロット１２０Ａおよび第２のスロット１２０Ｂは、導体１０２の中央部分１３３で分離されて、互いに平行に延在し得る。中央部分１３３は、電流Ｉが加えられる時、導体１０２が第１のスロット１２０Ａおよび／または第２のスロット１２０Ｂの部位で過熱しないように保証し得る。

さらに示されるように、デバイス１００は、第１のスロット１２０Ａ内に位置付けられる第１の電流センサ１３０、および、第２のスロット１２０Ｂ内に位置付けられる第２の電流センサ１３２を含み得る。第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、全体的に、導体１０２の表面と直接接触しない。いくつかの実施形態において、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、パッケージにおいて成型可能であり、かつ印刷回路基板１３６または他の配線基板上に配置可能である集積回路であり得る。集積回路は、集積回路パッケージ上のリード線またはピン１４２（図２）を使用して、印刷回路基板１３６上のワイヤ、リードフレーム、半田バンプ、および他の導電体のいずれか１つまたは任意の組み合わせに電気的に接続可能である。示されるように、導体１０２は、印刷回路基板１３６上に位置付けられ得るおよび／または印刷回路基板１３６に結合され得る。他の実施形態において、導体１０２は、独立しており、印刷回路基板１３６のような別個のサポートを必要としない。

印刷回路基板１３６は、電流を検知する集積回路のみを含むことができる、または制御または信号処理能力を提供する他の集積回路を含むことができる。いくつかの実施形態において、垂直ホールセンサが使用される。他の実施形態において、（ホール効果、ＡＭＲ、ＧＭＲ、または任意の他の適した検知技術を用いる）二軸または三軸磁場センサが使用される。例えば、面内磁場を検知する、巨大磁気抵抗センサ（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗センサ（ＴＭＲ）、異方性磁気抵抗センサ（ＡＭＲ）、フラックスゲートまたはロゴスキーコイルなどの代替的な磁気センサ技術も、ホールセンサの代わりに使用可能である。

いくつかの実施形態において、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、単一チップ、単一集積回路、または単一のパッケージに一体化可能である。第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２のそれぞれは、中心軸からある距離でオフセットされ得る。例えば、第１の電流センサ１３０は第１の周縁１２２と中心軸との間に配置され、第２の電流センサ１３２は第２の周縁１２４と中心軸との間に配置される。さらに、上に論じられるように、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、導体１０２の中央部分１３３によって中心軸に沿って互いにオフセットされ得る。結果として、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、垂直磁束を測定するために導体１０２に対して配置される。

オフセットはされるが、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、導体１０２の両側に向かい合って配置される。このような配置において、デバイス１００は、第１の電流センサ１３０からの信号と第２の電流センサ１３２からの信号との差分をとって外部磁場を打ち消すことによって、デバイスの信号対雑音比が改善されるように差動的に動作可能である。このような実施形態は遮蔽の必要性を低減することができる。

図３に示されるように、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、導体１０２を通る電流によって生成される垂直磁束１４０を測定し、第１のスロット１２０Ａにおける垂直磁束１４０は第１の方向に（例えば、ｚ方向に沿って上から下に）配向され、第２のスロット１２０Ｂにおける垂直磁束１４０は、第１の方向と反対の第２の方向に（例えば、ｚ方向に沿って下から上に）配向される。言い換えれば、第１のスロット１２０Ａにおける垂直磁束１４０は、導体１０２を通る際に第１の主面１１２から第２の主面１１４の方に進み、第２のスロット１２０Ｂにおける垂直磁束１４０は、導体１０２を通る際に第２の主面１１４から第１の主面１１２の方に進む。これらの方向が代替的な実施形態では逆になり得ることは理解されるであろう。

図４は、本開示の実施形態による回路図としてのデバイス１００を示す。１つの非限定的な実施形態では、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２は、オペアンプ１４４によって受信される各電圧（ＶＯＵＴ１およびＶＯＵＴ２）を出力する。示されるように、第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２はホールセンサであり得る。オペアンプ１４４は、この２つの個々の入力（＋、－）に加えられる信号間の差異である出力信号１４５（ＶＯＵＴ）を生成する。差動出力信号１４５は有益には、外部漂遊磁場に影響されない。

ここで図５に移ると、導体１０２を部分的に含むまたは覆うハウジング１５０を含むデバイス１００の非限定的な例が示されている。いくつかの実施形態において、ハウジング１５０は、導体１０２を受けるための開口部１５２を含み得る。例えば、ハウジング１５０は、導体１０２の第１の主面１１２および第２の主面１１４に沿って延在して、導体１０２の第１の端部１０４および第２の端部１０６がハウジング１５０の外側に延在し得る。いくつかの実施形態において、ナイロンであり得るハウジング１５０は、この底面１５５に沿って印刷回路基板（図示せず）に結合可能である。さらに示されるように、デバイス１００は、ハウジング１５０が含む第１の電流センサ１３０および第２の電流センサ１３２の印刷回路基板アセンブリ（図示せず）をカプセル化するための熱硬化性材料１５７をさらに含み得る。

要するに、本明細書の実施形態は、高精度であり、温度の上昇に対して保護され、外部漂遊磁場による妨害の防止がなされた新規デバイスを提供する。さらに、本開示のデバイスは、例えば、外部漂遊磁場に影響されないための遮蔽としての集積磁気コンセントレータ（ＩＭＣ）を必要としない。またさらに、本デバイスには、磁束のさらなる遮蔽は必要とされず、これによって、部品、ひいては費用が低減する。

本明細書で使用される時、単数形で冠詞「ａ」または「ａｎ」を伴って挙げられた要素または段階は、このような排除が明示的に挙げられていない場合、複数の要素または段階を除外しないと理解されるものとする。さらに、本開示の「１つの実施形態」に対する言及は、挙げられた特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されることは意図されていない。

本明細書における「含む」、「備える」、または「有する」、およびこれらの変形の使用は、その後に列挙されるアイテムおよびこの等価物、ならびに追加のアイテムを包含することを意味している。それ故に、用語「含む」、「備える」、または「有する」、およびこれらの変形は、オープンエンド表現であり、本明細書において区別せずに使用可能である。

「少なくとも１つ」、「１つまたは複数」、および「および／または」という言い回しは、本明細書で使用される時、オープンエンド表現であり、実施において接続的および離接的の両方である。例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つまたは複数」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの１つまたは複数」、ならびに「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」の表現は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢをまとめて、ＡおよびＣをまとめて、ＢおよびＣをまとめて、またはＡ、Ｂ、およびＣをまとめて、を意味する。

全ての方向についての言及（例えば、近位、遠位、上部、下部、上方、下方、左、右、横方向、長手方向、前部、後部、頂部、底部、上、下、垂直、水平、半径方向、軸方向、時計回り、および反時計回り）は、読者の本開示の理解を助けるために識別目的のためだけに使用される。この方向についての言及は、特に、本開示の位置、向き、または使用に関する限定をもたらさない。接続についての言及（例えば、取り付けられた、結合された、接続された、および接合された）は、別段指示されない限り、広く解釈されるべきであり、要素の集合間の中間部材、および要素間の相対運動を含み得る。そのように、接続についての言及は、２つの要素が直接接続され、互いに対して固定されることを必ずしも推論するものではない。

さらに、識別についての言及（例えば、一次、二次、第１、第２、第３、第４など）は、重要性または優先度を意味することを意図されているのではなく、別のものから１つの特徴を区別するために使用される。図面は、例示を目的とし、本明細書に添付された図面に反映された寸法、位置、順序、および相対的なサイズは変化し得る。

さらに、「実質的な」または「およそ」という用語、および「近似」または「およそ」という用語は、いくつかの実施形態において区別せずに使用可能であり、当業者によって許容できる任意の相対的測定を使用して説明可能である。例えば、これらの用語は、意図された機能を提供可能である偏差を示すために、参照パラメータとの比較としての役割を果たす。非限定的ではあるが、参照パラメータからの偏差は、例えば、１％未満、３％未満、５％未満、１０％未満、１５％未満、および２０％未満などであり得る。

本開示の特定の実施形態が本明細書に説明されているが、本開示が、当技術分野が許容する限りの広い範囲にあり、かつ本明細書も同様に読まれ得るため、本開示はこれらに限定されない。従って、上記の説明は限定と解釈されるべきではない。むしろ、上記の説明は、特定の実施形態の例証に過ぎない。当業者は、本明細書に添付の請求項の範囲および主旨内で他の修正を想起するであろう。

Claims (20)

1. 電流方向において電流を伝導するための導体であって、
   第１の周縁から、前記導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、
   第２の周縁から前記中心軸の方に延在する第２のスロット
   を有する導体と、
   前記第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、前記第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサと
   を備える、電流センサデバイス。
2. 前記第１のスロットおよび前記第２のスロットは、前記導体の長さに沿って互いに対してオフセットされる、請求項１に記載の電流センサデバイス。
3. 前記導体はバスバーである、請求項１または２に記載の電流センサデバイス。
4. 前記導体の長さは前記導体の幅および厚さを上回る、請求項１から３のいずれか一項に記載の電流センサデバイス。
5. 前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサは集積回路である、請求項１から４のいずれか一項に記載の電流センサデバイス。
6. 印刷回路基板をさらに備え、前記導体は前記印刷回路基板上に位置付けられる、請求項１から５のいずれか一項に記載の電流センサデバイス。
7. 前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサは、垂直磁束を測定するために前記導体に対して配置され、前記第１のスロットにおける前記垂直磁束は第１の方向に配向され、前記第２のスロットにおける前記垂直磁束は、前記第１の方向と反対の第２の方向に配向される、請求項１から６のいずれか一項に記載の電流センサデバイス。
8. 前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサは、前記導体と直接接触しない、請求項１から７のいずれか一項に記載の電流センサデバイス。
9. 電流方向において電流を伝導するための導体であって、
   第１の周縁から、前記導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、
   第２の周縁から前記中心軸の方に延在する第２のスロットを有し、
   前記第１のスロットおよび前記第２のスロットは、前記導体の長さに沿って互いにオフセットされる、導体と、
   前記第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、前記第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサと
   を備える、差動信号電流センサデバイス。
10. 前記第１のスロットおよび前記第２のスロットは互いに垂直に延在する、請求項９に記載の差動信号電流センサデバイス。
11. 前記導体はバスバーである、請求項９または１０に記載の差動信号電流センサデバイス。
12. 前記導体の長さは幅および厚さを上回る、請求項９から１１のいずれか一項に記載の差動信号電流センサデバイス。
13. 前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサは集積回路である、請求項９から１２のいずれか一項に記載の差動信号電流センサデバイス。
14. 印刷回路基板をさらに備え、前記導体は前記印刷回路基板上に位置付けられる、請求項９から１３のいずれか一項に記載の差動信号電流センサデバイス。
15. 前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサは、垂直磁束を測定するために前記導体に対して配置され、前記第１のスロットにおける前記垂直磁束は第１の方向に配向され、前記第２のスロットにおける前記垂直磁束は、前記第１の方向と反対の第２の方向に配向される、請求項９から１４のいずれか一項に記載の差動信号電流センサデバイス。
16. 電流方向において電流を伝導するための導体であって、
    第１の周縁から、前記導体の長さに沿って延在する中心軸の方に延在する第１のスロット、および、
    第２の周縁から前記中心軸の方に延在する第２のスロットを有し、
    前記第１のスロットおよび前記第２のスロットは、前記導体の長さに沿って互いにオフセットされる、導体と、
    前記第１のスロット内に位置付けられる第１の電流センサ、および、前記第２のスロット内に位置付けられる第２の電流センサと
    を備え、
    前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサは、前記導体を通る前記電流によって生成される垂直磁束を測定し、前記第１のスロットにおける前記垂直磁束は第１の方向に配向され、前記第２のスロットにおける前記垂直磁束は、前記第１の方向と反対の第２の方向に配向される、差動信号電流センサデバイス。
17. 前記第１のスロットおよび前記第２のスロットは互いに平行に延在し、前記第１の電流センサは前記第１の周縁と前記中心軸との間に配置され、前記第２の電流センサは前記第２の周縁と前記中心軸との間に配置される、請求項１６に記載の差動信号電流センサデバイス。
18. 前記導体はバスバーであり、前記バスバーの長さは前記バスバーの幅および厚さを上回る、請求項１６または１７に記載の差動信号電流センサデバイス。
19. 前記第１の電流センサおよび前記第２の電流センサはホール効果センサである、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の差動信号電流センサデバイス。
20. 印刷回路基板をさらに備え、前記導体は前記印刷回路基板上に位置付けられる、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の差動信号電流センサデバイス。

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