JP2023518885A - 磁気プローブ・ベースの電流測定デバイスおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気プローブ・ベースの電流測定デバイスおよび測定方法を提供すること。【解決手段】デバイスは、被測定電流用導体（１００）と、磁気プローブと、磁気バイアス構造（３００、３００ａ、３００ｂ）と、プログラマブル・チップ（４００）とを備える。導体（１００）は、第１の軸線（０１）、第２の軸線（０２）、および第３の軸線（０３）を有する。導体（１００）は、スルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）を備える。スルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）の方向は第３の軸線（０３）に対して平行である。第１の断面におけるスルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）の縦方向突出は、第１の軸線を中心にして対称である。スルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）の少なくとも１つは、第１の軸線（０１）上に位置する中心位置を有する。ならびに／あるいは、スルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）の各対は、第１の軸線（０１）を中心にして対称である中心位置を有する。磁気プローブは、スルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）内に設けられ、プログラマブル・チップ（４００）に電気的に接続される。磁気プローブの感受性中心位置は第１の断面に位置する。第１の断面における磁気プローブの縦方向突出は、第１の軸線（０１）を中心にして対称である。磁気バイアス構造（３００、３００ａ、３００ｂ）はスルー・ホール（１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ）内に設けられる。磁気バイアス構造（３００、３００ａ、３００ｂ）の磁化方向（３０１）は、磁気プローブの感受方向（２０１１）に対して垂直である。デバイスは小型であり、高い測定精度および高い適合性という利点を有する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電流測定技術に関し、特に、磁気プローブ・ベースの電流測定デバイスおよび測定方法に関する。

電流測定はユビキタスであり、電力システム、風力、太陽電池、周波数変換器、牽引機関車、電気自動車、および化学冶金学などの産業において非常に重要である。現在、一般に使用されている電流測定デバイスとしては、分流器、変流器、ホール電流センサ、フラックスゲート変流器などが挙げられる。

分流器は、低周波数低振幅の電流測定では非常に高い精度と高い応答速度を示すが、高周波数特性が不十分で温度ドリフトが大きいという問題を根本的に改善することができず、電流分離測定を実施することができない。

変流器、ホール電流センサ、およびフラックスゲート変流器は、電流分離測定を実現することはできるが、測定精度を改善するのに、磁気捕集（ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ）リング構造を用いて磁界を増幅する必要がある。電流測定の間、被測定電流用導体を測定デバイスの中心穴に通す必要があるため、測定デバイスの体積が被測定電流用導体のサイズに応じて変わることになる。高電流測定の間、測定デバイスは嵩高であって高価であり、そのため幅広い応用が制限される。更に、被測定電流用導体のサイズが異なると、異なる測定デバイスが必要になるので、単一の測定デバイスの応用範囲が制限される。一方、測定デバイスは、磁気捕集リングによって捕集された電流が発生する磁界に応じて変わり、測定ポイントにおける磁界を正確かつ有効に制御し利用することができない。

本発明の実施形態は、磁気プローブ・ベースの電流測定デバイスおよび測定方法を提供する。デバイスは小型であり、高い測定精度および高い適合性という利点を有する。

本発明の実施形態によって提供される磁気プローブ・ベースの電流測定デバイスは、被測定電流用導体と、磁気プローブと、磁気バイアス構造と、プログラマブル・チップとを含む。

被測定電流用導体は、第１の軸線、第２の軸線、および第３の軸線を有し、第１の軸線は、被測定電流用導体の電流方向に対して平行であり、第２の軸線および第１の軸線は、互いに対して垂直であるとともに第１の断面を形成し、第３の軸線は第１の断面に対して垂直である。

被測定電流用導体はスルー・ホールを備え、スルー・ホールの方向は第３の軸線に対して平行であり、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出は、第１の軸線を中心にして対称である。

スルー・ホールの少なくとも１つは、第１の軸線上に位置する中心位置を有し、ならびに／あるいはスルー・ホールの各対は、第１の軸線を中心にして対称である中心位置を有する。

磁気バイアス構造はスルー・ホール内に設けられ、プログラマブル・チップに電気的に接続され、磁気プローブの感受性中心位置は第１の断面に位置し、第１の断面における磁気プローブの縦方向突出は、第１の軸線を中心にして対称である。

磁気バイアス構造はスルー・ホール内に設けられ、磁気バイアス構造の磁化方向は、磁気プローブの感受方向に対して垂直である。

磁気プローブは、被測定電流用導体に導入された被測定電流によって発生する磁界信号を獲得し、磁界信号を電圧信号へと変換し、電圧信号をプログラマブル・チップに伝達するのに使用され、プログラマブル・チップは、電圧信号を処理して標的の電圧信号を得るのに使用され、標的の電圧信号は被測定電流に対応する。

任意に、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出は、第２の軸線を中心にして対称である。

任意に、第１の軸線が位置する方向において、被測定電流用導体の長さＬ_１およびスルー・ホールの長さＬ_２はＬ_１≧３Ｌ_２を満たす。

任意に、デバイスは、回路基板を更に含む。
磁気プローブは、Ｍ個のグループの磁気抵抗センサを含み、磁気抵抗センサの各グループはＮ対の磁気抵抗素子を備え、磁気抵抗素子は回路基板上に配置され、第１の断面における磁気抵抗素子の各対の縦方向突出は第１の軸線を中心にして対称であり、磁気抵抗素子の各対の感受方向は、互いに対して平行であって反対方向であり、ＭおよびＮは正の整数であり、Ｍ≧１、Ｎ≧１である。

任意に、磁気バイアス構造および磁気抵抗素子は、回路基板の同じ面に配置される。ならびに／あるいは、

磁気バイアス構造および磁気抵抗素子は、回路基板の２つの対向面にそれぞれ位置する。

任意に、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出の形状は、長方形、円形、および楕円形のうちいずれか１つを含む。

任意に、被測定電流用導体は金属であり、第１の軸線に対して垂直な断面の断面形状は、長方形および円形のうちいずれか１つを含む。

任意に、磁気バイアス構造は永久磁石であり、永久磁石は、ネオジム鉄ボロン、サマリウム・コバルト、アルミニウム・ニッケル・コバルト、およびフェライトのうちいずれか１つで作られる。

任意に、プログラマブル・チップは、温度補償ユニットと、非線形補償ユニットと、演算増幅器とを含む。

温度補償ユニットは磁気プローブに電気的に接続され、非線形補償ユニットは、温度補償ユニットと演算増幅器との間に電気的に接続される。

温度補償ユニットは、磁気プローブによって出力された電圧信号に対して温度補償を実施して、一次電圧信号を得るのに使用される。

非線形補償ユニットは、一次電圧信号に対して非線形補償を実施して、二次電圧信号を得るのに使用される。

演算増幅器は、二次電圧信号を線形的に増幅して標的の電圧信号を得るのに使用される。

本発明の実施形態は更に、電流測定デバイスを使用することによって実施される、磁気プローブ・ベースの電流測定方法を提供する。電流測定方法は以下のことを含む。

被測定電流を被測定電流用導体へとアクセスさせる。

被測定電流によって発生した磁界信号を、磁気プローブを通して獲得し、磁界信号を電圧信号へと変換し、電圧信号をプログラマブル・チップに伝達する。

電圧信号をプログラマブル・チップによって処理して、被測定電流に対応する標的の電圧信号を得る。

本発明の実施形態によれば、被測定電流用導体は、第１の軸線を中心にして鏡面対称であるスルー・ホールを備え、それにより、被測定電流が被測定電流用導体に導入された後、第１の軸線を中心にして対称である導体の２つの部分が同じ電流強度を有し、磁気プローブは、スルー・ホール内に設けられて、被測定電流用導体によって発生した磁界を検出し、磁界信号を電圧信号へと変換し、電圧信号は、プログラマブル・チップによって処理されて、被測定電流に対応する標的の電圧信号が得られるので、被測定電流の振幅および位相などの情報を標的の電圧信号にしたがって判定することができる。本発明の実施形態では、磁気プローブは、被測定電流用導体のスルー・ホール内に設けられるので、測定ポイントにおける磁界が利用され、外部磁界の干渉に抵抗する測定デバイスの能力が改善され、それによって測定結果の精度が改善される。加えて、本発明の実施形態は、磁気捕集リング構造を必要としないので、電流測定デバイスの体積に対する被測定電流用導体のサイズの制限が完全に排除される。したがって、測定デバイスは異なる適用環境に適しており、測定デバイスの適用可能性および実用可能性が改善され、測定デバイスの小型化設計に有益である。

本発明の実施形態による、被測定電流用導体の三次元構造を示す概略図である。

本発明の実施形態による、被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードを示す概略図である。 本発明の実施形態による、被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードを示す概略図である。 本発明の実施形態による、被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードを示す概略図である。

本開示の実施形態による、電流測定デバイスを示す概略構造図である。

図２ａの設定モードに対応する磁界分布を示す概略図である。

図２ｂの設定モードに対応する磁界分布を示す概略図である。

本発明の実施形態による、別の２つの被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードをそれぞれ示す概略図である。 本発明の実施形態による、別の２つの被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードをそれぞれ示す概略図である。

本発明の実施形態による、別の被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードを示す概略図である。

本発明の実施形態による、磁気プローブの設定モードを示す概略図である。

本発明の実施形態による、磁気バイアス構造の設定モードを示す概略図である。 本発明の実施形態による、磁気バイアス構造の設定モードを示す概略図である。 本発明の実施形態による、磁気バイアス構造の設定モードを示す概略図である。

本発明の実施形態による、プログラマブル・チップを示す概略構造図である。

本発明の実施形態による、電流測定方法を示す概略フローチャートである。

以下、本発明について、添付図面および実施形態を参照して更に詳細に記載する。本明細書に記載する特定の実施形態は、単に本発明を例証しようとするものであり、本発明を限定するものではないことを理解することができる。加えて、説明を容易にするため、全ての構造ではなく本発明に関連する部分のみが図面中に示されることに注目すべきである。

図１は、被測定電流用導体の軸レイアウトを示すようにした、本発明の実施形態による被測定電流用導体の三次元構造の概略図である。図２ａ～図２ｃは、本発明の実施形態による、被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードの概略図であり、スルー・ホールのいくつかの設定モードを提供している。図３は、本開示の実施形態による電流測定デバイスの概略構造図であり、図２ｃに示されるスルー・ホールの設定モードに対応している。本発明の実施形態によって提供される電流測定デバイス、およびその作動原理について、図１～図３を参照して記載する。

図３を参照すると、電流測定デバイス１０は、被測定電流用導体と、磁気プローブと、磁気バイアス構造３００と、プログラマブル・チップ４００とを含む。図１を参照すると、被測定電流用導体１００は、第１の軸線０１、第２の軸線０２、および第３の軸線０３を有し、第１の軸線０１は、被測定電流用導体１００の電流方向Ｉに対して平行であり、第２の軸線０２および第１の軸線０１は、互いに対して垂直であるとともに第１の断面を形成し、第３の軸線０３は第１の断面に対して垂直である。被測定電流用導体１００はスルー・ホール１０１を備え、スルー・ホール１０１の方向は第３の軸線０３に対して平行であり、第１の断面におけるスルー・ホール１０１の縦方向突出は、第１の軸線０１を中心にして対称である。図２ａ～図２ｃを参照すると、スルー・ホールの少なくとも１つは、第１の軸線０１上に位置する中心位置を有する。ならびに／あるいは、スルー・ホールの各対は、第１の軸線０１を中心にして対称である中心位置を有する。図３を参照すると、磁気プローブはスルー・ホール内に設けられ、プログラマブル・チップ４００に電気的に接続され、磁気プローブの感受性中心位置は第１の断面に位置し、第１の断面における磁気プローブの縦方向突出は、第１の軸線０１を中心にして対称である。磁気バイアス構造３００はスルー・ホール内に設けられ、磁気バイアス構造３００の磁化方向３０１は、磁気プローブの感受方向に対して垂直である。磁気プローブは、被測定電流用導体１００に導入された被測定電流によって発生する磁界信号を獲得し、磁界信号を電圧信号へと変換し、電圧信号をプログラマブル・チップ４００に伝達するのに使用される。ならびに、プログラマブル・チップ４００は、電圧信号を処理して標的の電圧信号を得るのに使用され、標的の電圧信号は被測定電流に対応する。

被測定電流は、被測定電流用導体に導入される電流である。電流の振幅および位相などの情報は、測定される回路の電流情報と一貫している。被測定電流用導体は、測定される回路に直列で接続されてもよい。電流測定デバイスは、被測定電流用導体の電流情報を検出して、測定される回路の電流情報を獲得する。任意に、被測定電流用導体は金属であり、第１の軸線０１に対して垂直なその断面の断面形状は、長方形および円形のうちいずれか１つを含む。例示的に、図１における被測定電流用導体１００の断面形状は長方形であり、図１に示される三次元構造を有する被測定電流用導体１００は、スルー・ホール１０１の処理をより単純にすることができる。

本発明の実施形態では、アンペアの法則およびビオ・サバールの法則に基づいて、電流が導入された後の被測定電流用導体の周りにおける磁界の分布に対して対称性の分析を行うので、以下の技術的解決策が得られる。スルー・ホールは、電流の傾向を変化させるような被測定電流用導体の特定の位置に形成され、それによってスルー・ホールにおける磁界の分布が変化し、磁気プローブは、スルー・ホールにおける磁界の強度を検出するのに使用され、それによって被測定電流用導体の電流が正確に測定される。

図１は単に、被測定電流用導体１００がスルー・ホール１０１を備える、構造例の図を示していることが注目されるべきである。この実施形態では、スルー・ホール１０１の数は１つまたは複数であってもよい。例示的に、図２ａ～図２ｃは、被測定電流用導体の第１の断面の概略構造図であり、それぞれ異なる数のスルー・ホールの設定モードを提供している。

第１の設定モードは次の通りである。図２ａを参照すると、被測定電流用導体１００はスルー・ホール１０１ａを備え、スルー・ホール１０１ａは第１の軸線０１を中心にして鏡面対称であり、スルー・ホール１０１ａの中心は第１の軸線０１上に位置する。スルー・ホールの中心が第１の軸線０１上に位置するとき、スルー・ホールの断面形状を第１の軸線０１を中心にして対称にするために、スルー・ホールの断面形状は、長方形、円形、または楕円形などの規則的形状である必要があることが注目されるべきである。

図２ａは、１つのスルー・ホールを一例として挙げているに過ぎないことが注目されるべきである。コストを考慮することなく、複数のスルー・ホールが設けられてもよく、全てのスルー・ホールの中心位置は第１の軸線上に位置し、全てのスルー・ホールは第１の軸線を中心にして鏡面対称である。

第２の設定モードは次の通りである。図２ｂを参照すると、被測定電流用導体１００は２つのスルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃを備え、２つのスルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃの断面形状は第１の軸線０１を中心にして対称であり、２つのスルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃの中心位置は第１の軸線０１を中心にして対称である。この設定モードでは、２つのスルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃの断面形状は、２つのスルー・ホールが第１の軸線０１を中心にして鏡面対称である限り、規則的形状または不規則形状であってもよい。

図２ｂは、２つのスルー・ホールを一例として挙げているに過ぎず、限定ではないことが注目されるべきである。他の実施形態では、第１の軸線を中心にして鏡面対称である複数対のスルー・ホールも、第２の軸線０２に対して平行な方向に沿って設けられてもよい。加えて、第１の軸線を中心にして鏡面対称である複数対のスルー・ホールも、第１の軸線に沿って間隔をおいて設けられてもよい。

第３の設定モードは次の通りである。図２ｃを参照すると、被測定電流用導体１００は３つのスルー・ホール１０１ａ、１０１ｂ、および１０１ｃを備え、第１の断面における３つのスルー・ホール１０１ａ、１０１ｂ、および１０１ｃの縦方向突出は第１の軸線０１を中心にして対称であり、スルー・ホール１０１ａの中心は第１の軸線０１上に位置し、他の２つのスルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃの中心は、第１の軸線０１を中心にして対称である。この設定モードは上記２つの設定モードを重ね合わせたものであり、図２ａおよび図２ｂに示される設定モードに関する上述の説明を参照してもよく、ここでは詳述しないものとする。

スルー・ホールがいくつ設けられたとしても、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出が第１の軸線０１を中心にして対称であるという原理は常に変わらないことが分かる。異なる設定モード間の違いは、異なる数のスルー・ホールの設定位置（中心位置）が異なるという点である。

図２ａ～図２ｃでは、違いを示すため、スルー・ホールの位置の違いにしたがって異なる参照番号がスルー・ホールに与えられていることが注目されるべきである。以下の図面では、同じ位置にあるスルー・ホールに対して同じ参照番号が使用される。スルー・ホールの設定モードは上述の３つのモードのうちいずれか１つを採用してもよく、これは本発明の実施形態において限定されない。

加えて、対応する測定位置における磁界の大きさは、スルー・ホールの直径を拡大縮小することによって調節されてもよいことが注目されるべきである。スルー・ホールの直径は、実際の要件にしたがって当業者によって設定されてもよく、これはここでは限定されない。

上述したように、スルー・ホールの設定により、磁界がスルー・ホール内で分布されるように被測定電流用導体の電流の傾向が変化し、被測定電流用導体に導入された電流は、スルー・ホール内の磁界の強度を検出することによって判定されてもよい。本発明の実施形態の技術的解決策を便宜的に理解するために、図２ａおよび図２ｂに示されるスルー・ホールの設定モードを一例として挙げることによって、スルー・ホール内の磁界の分布状況を以下で分析し、それによってスルー・ホール内における磁気プローブの設定モードが得られる。

図４ａは、図２ａの設定モードに対応する磁界分布の概略図であり、第１の軸線０１（電流方向Ｉ）に対して垂直な断面に沿った、スルー・ホール１０１ａにおける磁界分布状況を示している。図面中、磁気誘導線が点線によって示される。図４ａから、被測定電流用導体はスルー・ホール１０１ａによって、導体１００ａおよび１００ｂの２つの部分に部分的に分割され、２つの導体の電流方向は両方ともＩであることが分かる。被測定電流用導体の周りの電流によって発生する磁界の方向はＢであり、導体１００ａ付近のスルー・ホール１０１ａにおける磁界の方向はＢ１であり、導体１００ｂ付近のスルー・ホール１０１ａにおける磁界の方向はＢ２である。スルー・ホール１０１ａは、第１の軸線０１（第３の軸線０３）を中心にして鏡面対称なので、第１の軸線０１を中心にして対称である２つの導体１００ａおよび１００ｂは同じ電流強度を有する。重ね合わせの原理にしたがって、第３の軸線０３に沿ったスルー・ホール１０１ａの総磁界強度はゼロであり、第３の軸線０３の２つの側に沿った磁界は対称であり、強度が等しく、方向が反対であり、磁界差動構造（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成する。

図４ｂは、図２ｂの設定モードに対応する磁界分布の概略図であり、第１の軸線０１（電流方向Ｉ）に対して垂直な断面に沿った、スルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃにおける磁界分布状況を示している。図面中、磁気誘導線が点線によって示される。図４ｂから、被測定電流用導体はスルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃによって、導体１００ｃ、１００ｄ、および１００ｅの３つの部分に部分的に分割され、３つの導体の電流方向は全てＩであり、被測定電流用導体の周りの電流によって発生する磁界の方向はＢであり、スルー・ホール１０１ｂ内で発生する磁界の方向はＢ３であり、スルー・ホール１０１ｃ内で発生する磁界の方向はＢ４であり、スルー・ホール１０１ｂおよび１０１ｃは第１の軸線０１（第３の軸線０３）を中心にして鏡面対称なので、重ね合わせの原理にしたがって、スルー・ホール１０１ｂおよびスルー・ホール１０１ｃにおける磁界は第３の軸線０３を中心にして対称であり、強度が等しく、方向が反対であり、磁界差動構造を形成することが分かる。

上述の分析によれば、第３の軸線０３を中心にして鏡面対称であるスルー・ホールにおける磁界分布も、第３の軸線０３を中心にして対称であり、強度が等しく、方向が反対である。したがって、差動磁気プローブが形成され、スルー・ホールにおける磁界の強度が得られ、被測定電流用導体の電流が磁界の強度にしたがって測定されるように、磁気プローブがスルー・ホール内に配置されてもよい。図２ｃに示されるスルー・ホールの設定モードは、図２ａおよび図２ｂに示されるスルー・ホールの設定モードを包含し、図３に示される電流測定デバイスは、図２ｃに示されるスルー・ホールの設定モードに対応する。したがって、本発明の実施形態の技術的解決策は、単に図３に示される電流測定デバイスを一例として挙げることによって詳細に後述される。スルー・ホールの他の設定モード（図２ａおよび図２ｂ）では、電流測定デバイスの構造は図３を参照して設計されてもよい。

図３を参照すると、被測定電流用導体は、スルー・ホール１０１ａ、１０１ｂ、および１０１ｃによって、導体１００ｃ、１００ａ、１００ｂ、および１００ｅという４つの部分に分割される。スルー・ホールにおける磁界分布に関する上述の分析によれば、導体１００ａ付近におけるスルー・ホール１０１ａにおける磁界の方向はＢ１であり、導体１００ｂ付近のスルー・ホール１０１ａにおける磁界の方向はＢ２であり、スルー・ホール１０１ｂにおける磁界の方向はＢ３であり、スルー・ホール１０１ｃにおける磁界の方向はＢ４である。この実施形態では、磁気プローブは、複数の感磁デバイス２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、および２００ｄによって形成される。第１の断面における全てのデバイスによって形成される磁気プローブの縦方向突出は、第１の軸線０１を中心にして対称であり、または磁気プローブは、図３に示される断面において第３の軸線０３を中心にして鏡面対称なので、差動磁気プローブが、４つの導体１００ｃ、１００ａ、１００ｂ、および１００ｅに導入された電流によって発生する誘電磁界を重ね合わせた後に磁界を得るように形成され、磁界信号は電圧信号へと変換されて出力され、電圧信号は更に、プログラマブル・チップ４００によって処理されて、被測定電流を表す標的の電圧信号が得られる。例示的に、磁気プローブは、回路基板５００を通してプログラマブル・チップ４００に電気的に接続され、磁気プローブおよびプログラマブル・チップ４００の構造については詳細に後述し、ここでは詳述しないものとする。

同様に、図２ａに示されるスルー・ホールの設定モードの場合、磁気プローブは、デバイス２００ａおよび２００ｂを含んでもよく、図２ｂに示されるスルー・ホールの設定モードの場合、磁気プローブは、デバイス２００ｃおよび２００ｄを含んでもよく、特定の作動原理は図３に示される構造と同じであり、それについてはここでは詳述しないものとする。

電流測定デバイスは更に、外部磁界の干渉に抵抗する良好な能力を有する。原理について、スルー・ホール１０１ａのみが提供される例を一例として挙げることによって分析する。図３を参照すると、被測定電流のための電流測定デバイスがスルー・ホール１０１ａのみを備える場合、デバイス２００ａおよび２００ｂは差動磁気プローブを形成して、スルー・ホール１０１ａにおける磁界の強度を検出する。図面中、Ｂ’は外部干渉磁界の方向を表す。外部干渉磁界がスルー・ホール１０１ａに存在する場合、デバイス２００ａによって感知される磁界は、導体１００ａおよび１００ｂを通過する電流によって発生する誘導磁界を重ね合わせたものと外部干渉磁界との合計であり、デバイス２００ｂによって感知される磁界は、導体１００ａおよび１００ｂを通過する電流によって発生する誘導磁界を重ね合わせたものと外部干渉磁界との差である。デバイス２００ａおよび２００ｂは、第３の軸線０３を中心にして鏡面対称であり、一貫した特性を有するので、デバイス２００ａおよび２００ｂに対する外部干渉磁界の影響は相殺され、差動磁気プローブに対する影響はゼロであり、それによって、電流測定デバイスが外部磁界の干渉に抵抗する能力が改善される。

この実施形態では、磁気バイアス構造の磁化方向が磁気プローブの感受方向に対して垂直であるようにして、磁気バイアス構造が提供され、出力を安定化させることができ、それによって測定精度が改善される。

本発明の実施形態によれば、被測定電流用導体は、第１の軸線を中心にして鏡面対称であるスルー・ホールを備え、それにより、被測定電流が被測定電流用導体に導入された後、第１の軸線を中心にして対称である導体の２つの部分が同じ電流強度を有し、磁気プローブは、スルー・ホール内に設けられて、被測定電流用導体によって発生した磁界を検出し、磁界信号を電圧信号へと変換し、電圧信号は、プログラマブル・チップによって処理されて、被測定電流に対応する標的の電圧信号が得られるので、被測定電流の振幅および位相などの情報を標的の電圧信号にしたがって判定することができる。本発明の実施形態では、磁気プローブは、被測定電流用導体のスルー・ホール内に設けられるので、測定ポイントにおける磁界が利用され、外部磁界の干渉に抵抗する測定デバイスの能力が改善され、それによって測定結果の精度が改善される。加えて、本発明の実施形態は、磁気捕集リング構造を必要としないので、電流測定デバイスの体積に対する被測定電流用導体のサイズの制限が完全に排除される。したがって、測定デバイスは異なる適用環境に適しており、測定デバイスの適用可能性および実用可能性が改善され、測定デバイスの小型化設計に有益である。

上述の実施形態に基づいて、また説明の便宜上、単に被測定電流用導体に単一のスルー・ホール１０１ａ（図２ｂを参照）が設けられる例を一例として挙げることによって、本発明の実施形態の技術的解決策を更に説明し後述する。図２ｂおよび図２ｃに示されるモードにしたがってスルー・ホールが設けられる場合、それに対応して以下の内容を参照して特定のスキームが設定されてもよく、それについては以下で詳述しないものとする。

任意に、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出は第２の軸線０２を中心にして対称である。

例示的に、図５ａおよび図５ｂはそれぞれ、本発明の実施形態による、別の２つの被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードの概略図であり、図２ａに示される規則的な被測定電流用導体に基づいて更に最適化される。具体的には、図５ａでは、被測定電流用導体１００は、スルー・ホール１０１ａの対応する測定位置における磁界の強度が低減されるように、部分的に突出する構造を備え、図５ｂでは、被測定電流用導体１００は、スルー・ホール１０１ａの対応する測定位置における磁界の強度が増加されるように、部分的に窪んだ構造を備える。被測定電流用導体の第１の断面が不規則形状を有する場合、測定結果の精度を担保するために、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出は、第１の軸線０１を中心にして対称である必要があり、また第２の軸線０２を中心にして対称である必要がある。

図２ａ、図２ｂ、および図２ｃはそれぞれ、被測定電流用導体１００が規則的構造を有する場合、スルー・ホールが第１の軸線０１および第２の軸線０２を中心にして鏡面対称である、概略構造図を示していることが注目されるべきである。被測定電流用導体が図５ａまたは図５ｂに示される不規則構造を有する場合、スルー・ホールはそれに対応して、図２ａ、図２ｂ、および図２ｃを参照して設けられてもよい。被測定電流用導体１００が規則的構造を有する場合、スルー・ホールは第１の軸線０１を中心にして鏡面対称であればよく、スルー・ホールが第２の軸線０２を中心にして鏡面対称であるか否かは限定されない。

任意に、第１の断面におけるスルー・ホールの縦方向突出の形状は、長方形、円形、および楕円形のうちいずれか１つを含む。

例示的に、図６は、本発明の実施形態による、別の被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードの概略図である。図６は、被測定電流用導体１００が不規則形状を有し、スルー・ホール１０１ａの断面形状が楕円形である、概略構造図を示している。他の設定モードに関して、これが参照されてもよく、ここでは詳述しないものとする。

図２ａまたは図６を参照すると、任意に、第１の軸線０１が位置する方向で、被測定電流用導体の長さＬ_１およびスルー・ホールの長さＬ_２はＬ_１≧３Ｌ_２を満たす。このように、被測定電流用導体は、延長方向（第１の軸線０１）におけるスルー・ホールの直径長さの３倍である範囲を少なくとも包含することができるので、スルー・ホールの対称側を通過する被測定電流が均一に分布する。

ここで、本発明の実施形態における被測定電流用導体およびそのスルー・ホールの設定モードは、以下のように要約される。当業者であれば、実際の要件にしたがって、被測定電流用導体の第１の断面の形状、スルー・ホールの数、スルー・ホールの設定位置、およびスルー・ホールの第１の断面の形状を設定してもよいが、スルー・ホールは第１の軸線を中心にして鏡面対称であり、被測定電流用導体が不規則構造を有する場合、スルー・ホールは第２の軸線を中心にして鏡面対称である必要があり、加えて好ましくは、被測定電流用導体は、延長方向におけるスルー・ホールの直径長さの３倍である範囲を少なくとも包含するという原理にしたがうことが必要である。

磁気プローブの設定モードについていかに詳細に記載する。任意に、デバイスは、回路基板を更に含む。磁気プローブは、Ｍ個のグループの磁気抵抗センサを含み、磁気抵抗センサの各グループはＮ対の磁気抵抗素子を備え、磁気抵抗素子は回路基板上に配置され、第１の断面における磁気抵抗素子の各対の縦方向突出は第１の軸線０１を中心にして対称であり、磁気抵抗素子の各対の感受方向は、互いに対して平行であって反対方向であり、ＭおよびＮは正の整数であり、Ｍ≧１、Ｎ≧１である。

例示的に、上述の感磁デバイスは磁気抵抗素子を採用してもよい。磁気抵抗素子は、回路基板を通してプログラマブル・チップに固定し電気的に接続することができる。任意に、磁気抵抗素子は、ホール・センサ、異方性磁気抵抗センサ、巨大磁気抵抗センサ、またはトンネル磁気抵抗センサであってもよい。この実施形態では、磁気プローブは少なくとも１つのグループの磁気抵抗センサを含み、磁気抵抗センサの各グループは、１対の磁気抵抗センサを少なくとも含む。第１の断面における対にされた磁気抵抗素子の縦方向突出は、第１の軸線０１を中心にして対称であり、磁気抵抗素子の各対の感受方向は、互いに対して平行であって反対方向であり、したがって、磁気抵抗センサは、スルー・ホールにおける磁界の強度を検出する差動磁界検出ユニットを形成してもよい。

例示的に、図７は、本発明の実施形態による、磁気プローブの設定モードの概略図であり、磁気プローブの設定モードは、単一のスルー・ホール１０１ａが設けられる例を一例として挙げることによって記載される。図７では、磁気プローブは３つのグループの磁気抵抗センサを含み、磁気抵抗センサの各グループは、１対の磁気抵抗素子を含む。具体的には、図７を参照すると、被測定電流用導体１００の電流方向はＩであり、スルー・ホール１０１ａは、被測定電流用導体１００の第１の軸線０１に沿って上側部分および下側部分に均等に分割され、上側および下側半分の磁界の方向はそれぞれＢ１およびＢ２である。６つの磁気抵抗素子があり、それぞれ２０１ａ～２０１ｆによって表される。磁気抵抗素子２０１ａ、２０１ｃ、および２０１ｅは、回路基板５００の前面に間隔をおいて配置され、磁気抵抗素子２０１ｂ、２０１ｄ、および２０１ｆは、回路基板５００の後面に間隔をおいて配置され、磁気抵抗素子２０１ａ、２０１ｃ、および２０１ｅと磁気抵抗素子２０１ｂ、２０１ｄ、および２０１ｆとは、第１の軸線０１を中心にして鏡面対称である。磁気抵抗素子２０１ａ、２０１ｃ、および２０１ｅの感受方向はＢ１であって、スルー・ホール１０１ａの範囲に導入された電流によって発生する磁界の方向と同じであり、磁気抵抗素子２０１ｂ、２０１ｄ、および２０１ｆの感受方向はＢ２であって、スルー・ホール１０１ａの範囲に導入された電流によって発生する磁界の方向と同じである。磁気抵抗素子２０１ａおよび２０１ｂは第１のグループの磁気抵抗センサを形成し、磁気抵抗素子２０１ｃおよび２０１ｄは第２のグループの磁気抵抗センサを形成し、磁気抵抗素子２０１ｅおよび２０１ｆは第３のグループの磁気抵抗センサを形成し、したがって、磁気抵抗センサの各グループはそれぞれ、スルー・ホール１０１ａにおける磁界の強度を検出することができる差動磁界検出ユニットを形成してもよい。３つのグループの磁気抵抗センサによって形成される磁気プローブは、被測定電流用導体１００を通過する電流を測定するように、１つのグループの出力を形成する。出力信号は複数のセンサによって出力される平均値なので、測定デバイスは、高い信号対雑音比およびフォールト・トレランス率を有する。

磁気プローブの設定モードを便宜的に理解するために、図２ｂおよび図２ｃに示されるスルー・ホールの設定モードに対応する磁気プローブの設定モードについて、以下に簡潔に記載する。

図２ｃに示されるスルー・ホールの設定モードに関して、図３を参照すると、感磁デバイス２００ａおよび２００ｂは第１のグループの磁気抵抗センサを形成してもよく、感磁デバイス２００ｃおよび２００ｄは第２のグループの磁気抵抗センサを形成してもよく、第１のグループのセンサおよび第２のグループのセンサは磁気プローブを形成して、被測定電流用導体を通過する電流を測定する１つのグループの出力を形成する。第１のグループの磁気抵抗センサおよび第２のグループの磁気抵抗センサは、複数対の磁気抵抗素子を含んでもよいことが注目されるべきである。図７を参照すると、複数の磁気抵抗素子は、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、および２００ｄの対応する位置において、第１の軸線に沿って平行に間隔をおいて配置することができる。

図２ｂに示されるスルー・ホールの設定モードに関して、磁気プローブの設定モードは、図３における第２のグループの磁気抵抗センサの設定モードを指してもよく、それについてはここでは詳述しないものとする。

図７は、回路基板５００の磁気抵抗素子を備える表面が第１の軸線０１に対して平行である場合の、磁気プローブの設定モードを単に示していることが注目されるべきである。他の実施形態では、回路基板５００の磁気抵抗素子を備える表面は第２の軸線０２に対しても平行であってもよく、対にされた磁気抵抗素子が回路基板５００の同じ面に配置され、第１の軸線０１を中心にして鏡面対称であることを担保することができる。

磁気バイアス構造は、必要に応じて設定することができ、本発明の実施形態によって限定されない、異なる様々な設定モードを有する。ここで、本発明の実施形態は、磁気バイアス構造の３つの設定モードを提供する。任意に、磁気バイアス構造および磁気抵抗素子は回路基板の同じ面に配置され、ならびに／あるいは、磁気バイアス構造および磁気抵抗素子は回路基板の２つの対向面にそれぞれ位置する。

図８ａは、磁気バイアス構造の第１の設定モードの概略図である。図面中、磁気抵抗素子２０１および磁気バイアス構造３００は、回路基板５００の同じ面に配置される。磁気抵抗素子２０１の感受方向は２０１１であり、磁気バイアス構造３００の磁化方向は３０１であり、磁気抵抗素子の感受方向は磁気バイアス構造の磁化方向に対して垂直である。

図８ｂは、磁気バイアス構造の第２の設定モードの概略図である。図面中、磁気抵抗素子２０１および磁気バイアス構造３００は、回路基板５００の２つの面にそれぞれ配置される。磁気抵抗素子２０１の感受方向は２０１１であり、磁気バイアス構造３００の磁化方向は３０１であり、磁気抵抗素子の感受方向は磁気バイアス構造の磁化方向に対して垂直である。

図８ｃは、磁気バイアス構造の第３の設定モードの概略図である。図面中、磁気抵抗素子２０１は回路基板５００の一方の面に配置され、磁気バイアス構造３００ａおよび３００ｂは、回路基板５００の２つの面にそれぞれ配置される。磁気抵抗素子２０１の感受方向は２０１１であり、磁気バイアス構造３００ａおよび３００ｂの磁化方向は３０１であり、磁気抵抗素子の感受方向は磁気バイアス構造の磁化方向に対して垂直である。

任意に、磁気バイアス構造は永久磁石であり、永久磁石は、ネオジム鉄ボロン、サマリウム・コバルト、アルミニウム・ニッケル・コバルト、およびフェライトのうちいずれか１つで作られる。当業者であれば、磁気バイアス構造の材料を必要に応じて選ぶことができ、これは本発明の実施形態によって限定されるものではない。

図９は、本発明の実施形態による、プログラマブル・チップの概略構造図である。任意に、プログラマブル・チップ４００は、温度補償ユニット４０１と、非線形補償ユニット４０２と、演算増幅器４０３とを含み、温度補償ユニット４０１は磁気プローブに電気的に接続され、非線形補償ユニット４０２は温度補償ユニット４０１と演算増幅器４０３との間に電気的に接続され、温度補償ユニット４０１は、磁気プローブによって出力される電圧信号に対して温度補償を実施して、一次電圧信号を得るのに使用され、非線形補償ユニット４０２は、一次電圧信号に対して非線形補償を実施して、二次電圧信号を得るのに使用され、演算増幅器４０３は、二次電圧信号を線形的に増幅して標的の電圧信号を得るのに使用される。

磁気プローブによって出力される電圧信号には、プログラマブル・チップ４００によって温度補償、非線形補償、および線形増幅が行われるので、検出結果の精度を担保することができ、処理を通して得られる標的の電圧信号は、被測定電流の振幅および位相情報をリアル・タイムでフィード・バックすることができる。

本発明の実施形態は更に、上述の電流測定デバイスによって実施される、電流測定方法を提供する。例示的に、図１０は、本発明の実施形態による、電流測定方法の概略フローチャートである。図１０を参照すると、電流測定方法は以下のことを含む。

Ｓ１１：被測定電流が被測定電流用導体へとアクセスされる。

Ｓ１２：被測定電流によって発生した磁界信号が、磁気プローブを通して獲得され、磁界信号が電圧信号へと変換され、電圧信号がプログラマブル・チップに伝達される。

Ｓ１３：電圧信号がプログラマブル・チップによって処理されて、被測定電流に対応する標的の電圧信号が得られる。

本発明の実施形態によって提供される電流測定方法によれば、被測定電流によって発生する磁界信号は磁気プローブを通して獲得され、磁界信号は電圧信号へと変換され、電圧信号はプログラマブル・チップに伝達され、電圧信号はプログラマブル・チップによって処理されて、標的の電圧信号が得られる。標的の電圧信号は被測定電流に対応するので、被測定電流の振幅および位相などの情報を、標的の電圧信号にしたがって判定することができる。電流測定方法は、高い測定精度と、外部磁界の干渉に抵抗する高い能力とを有する。

上記は単に好ましい実施形態および適用される技術的原理であることが注目されるべきである。当業者であれば、本発明は本明細書に記載する特定の実施形態に限定されないことを理解するであろう。当業者であれば、本発明の保護範囲から逸脱することなく、様々な明白な変更、再調節、および置換を行うことができる。したがって、上述の実施形態を通して本発明について詳細に記載してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の概念から逸脱することなく他の更なる等価の実施形態を含み得る。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって決定される。

Claims (10)

1. 被測定電流用導体と、磁気プローブと、磁気バイアス構造と、プログラマブル・チップとを備える、磁気プローブ・ベースの電流測定デバイスであって、
   該被測定電流用導体が、第１の軸線、第２の軸線、および第３の軸線を有し、該第１の軸線が、該被測定電流用導体の電流方向に対して平行であり、該第２の軸線および該第１の軸線が、互いに対して垂直であるとともに第１の断面を形成し、該第３の軸線が該第１の断面に対して垂直であり、
   該被測定電流用導体がスルー・ホールを備え、該スルー・ホールの方向が該第３の軸線に対して平行であり、該第１の断面における該スルー・ホールの縦方向突出が、該第１の軸線を中心にして対称であり、
   該スルー・ホールの少なくとも１つが、該第１の軸線上に位置する中心位置を有し、ならびに／あるいは該スルー・ホールの各対が、該第１の軸線を中心にして対称である中心位置を有し、
   該磁気プローブが該スルー・ホール内に設けられ、該プログラマブル・チップに電気的に接続され、該磁気プローブの感受性中心位置が該第１の断面に位置し、該第１の断面における該磁気プローブの縦方向突出が、該第１の軸線を中心にして対称であり、
   該磁気バイアス構造が該スルー・ホール内に設けられ、該磁気バイアス構造の磁化方向が、該磁気プローブの感受方向に対して垂直であり、
   該磁気プローブが、該被測定電流用導体に導入された該被測定電流によって発生する磁界信号を獲得し、該磁界信号を電圧信号へと変換し、該電圧信号を該プログラマブル・チップに伝達するのに使用され、該プログラマブル・チップが、該電圧信号を処理して標的の電圧信号を得るのに使用され、該標的の電圧信号が該被測定電流に対応する、電流測定デバイス。
2. 前記第１の断面における前記スルー・ホールの前記縦方向突出が、前記第２の軸線を中心にして対称である、請求項１に記載の電流測定デバイス。
3. 前記第１の軸線が位置する方向において、前記被測定電流用導体の長さＬ_１および前記スルー・ホールの長さＬ_２がＬ_１≧３Ｌ_２を満たす、請求項２に記載の電流測定デバイス。
4. 回路基板を更に備え、
   前記磁気プローブが、Ｍ個のグループの磁気抵抗センサを備え、該磁気抵抗センサの各グループがＮ対の磁気抵抗素子を備え、該磁気抵抗素子が該回路基板上に配置され、前記第１の断面における該磁気抵抗素子の各対の縦方向突出が前記第１の軸線を中心にして対称であり、該磁気抵抗素子の各対の感受方向が、互いに対して平行であって反対方向であり、ＭおよびＮが正の整数であり、Ｍ≧１、Ｎ≧１である、請求項１に記載の電流測定デバイス。
5. 前記磁気バイアス構造および前記磁気抵抗素子が、前記回路基板の同じ面に配置され、ならびに／あるいは、
   前記磁気バイアス構造および前記磁気抵抗素子が、前記回路基板の２つの対向面にそれぞれ位置する、請求項４に記載の電流測定デバイス。
6. 前記第１の断面における前記スルー・ホールの前記縦方向突出の形状が、長方形、円形、および楕円形のうちいずれか１つを含む、請求項１に記載の電流測定デバイス。
7. 前記被測定電流用導体が金属であり、前記第１の軸線に対して垂直な断面の断面形状が、長方形および円形のうちいずれか１つを含む、請求項１に記載の電流測定デバイス。
8. 前記磁気バイアス構造が永久磁石であり、該永久磁石が、ネオジム鉄ボロン、サマリウム・コバルト、アルミニウム・ニッケル・コバルト、およびフェライトのうちいずれか１つで作られる、請求項１に記載の電流測定デバイス。
9. 前記プログラマブル・チップが、温度補償ユニットと、非線形補償ユニットと、演算増幅器とを備え、
   該温度補償ユニットが前記磁気プローブに電気的に接続され、該非線形補償ユニットが、該温度補償ユニットと該演算増幅器との間に電気的に接続され、
   該温度補償ユニットが、前記磁気プローブによって出力された前記電圧信号に対して温度補償を実施して、一次電圧信号を得るのに使用され、
   該非線形補償ユニットが、該一次電圧信号に対して非線形補償を実施して、二次電圧信号を得るのに使用され、
   該演算増幅器が、該二次電圧信号を線形的に増幅して標的の電圧信号を得るのに使用される、請求項１に記載の電流測定デバイス。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の電気測定デバイスを使用することによって実施される、磁気プローブ・ベースの電流測定方法であって、
    被測定電流を前記被測定電流用導体へとアクセスさせることと、
    該被測定電流によって発生した磁界信号を、前記磁気プローブを通して獲得し、該磁界信号を電圧信号へと変換し、該電圧信号を前記プログラマブル・チップに伝達することと、
    該電圧信号を前記プログラマブル・チップによって処理して、該被測定電流に対応する標的の電圧信号を得ることと、を含む電流測定方法。
    

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