JP3579040B2

JP3579040B2 - 電流測定装置及び電流測定方法

Info

Publication number: JP3579040B2
Application number: JP2002522688A
Authority: JP
Inventors: ホーヘ、ハンス−ペーター; ヴェーバー、ノルベルト; サオエラー、ヨーゼフ
Original assignee: フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2020-01-17
Also published as: DE19910801B4; US6583613B1; CA2357023A1; DK1114325T3; PT1114325E; CA2357023C; DE50000122D1; DE19910801A1; EP1114325B1; ES2171384T3; EP1114325A1; ATE214482T1; WO2000054063A1; JP2004507747A; WO2000054063A8

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流測定装置及び電流測定方法、特に、互いに近接して配置された複数の導電体からなるアレイのうち、一つ又は複数の導電体を流れる電流を測定する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来技術と課題】
電位差に関係のない電流測定のために、二つの磁界センサを導電体の両側に配置することが知られている。このような装置の概略を図１に示す。図１において、二つの磁界センサ２，４が導電体６の両側に配置されている。磁界センサ２，４により、導電体６を流れる電流によって生じる磁界を測定する。導電体の電流は、二つの磁界センサ２，４の出力信号の差を求めることで決定する。この原理は、電流測定の際、存在する勾配のない磁界を除去することを可能にする。前述の装置は、ｎ個の導電体の電流を同時に測定する際には２ｎ個のセンサが必要であるという点で不利である。この公知の方法は、また、複数の導電体を流れる電流を測定する際、導電体が互いに空間的に密接して配置されている場合には問題がある。ある導電体の位置に、隣接する導電体の電流による磁界の勾配が発生し、これにより電流測定が妨げられるおそれがある。隣接する導電体の電流により引き起こされる磁界勾配の影響を補正することができない。
【０００３】
本発明の目的は、ｎ個の導電体からなるアレイのうちの一つ又は複数の導電体を流れる電流を、少ない数の磁界センサを用いて測定する装置及び方法で、導電体アレイのそれぞれの導電体が互いに密接して配置されていても、それらの導電体のうちの一つを流れる電流を正確に検知できるものを提供することにある。
【０００４】
この目的は、請求項１に係る電流測定装置及び請求項８に係る方法により達成できる。
【０００５】
【発明の構成、作用及び効果】
本発明は、ｎ個の導電体（ｎは２以上の自然数）からなるアレイのうちの一つ又は複数の導電体を流れる電流を測定する電流測定装置であり、ｎ＋１個の磁界センサが、それぞれ二つの磁界センサが各導電体に隣接するように配列されたものを提供する。さらに、磁界センサの出力信号を読み取るユニットを備えている。最終的には、この電流測定装置は、読み取られた出力信号を基に、ｎ個の導電体のそれぞれを流れる電流及びある一定の磁界が各磁界センサの出力信号に与える影響を表す係数とに基づいて、一つ又は複数の導電体を流れる電流を計算するユニットを備えている。
【０００６】
本発明によれば、このように、ｎ個の導電体を流れる電流を測定する際に必要な磁界センサの数を、２ｎからｎ＋１に減少することができる。さらに、本発明は、空間的に密接して電流を流す導電体の、ある一つの導電体の電流測定への影響の補正を可能にする。つまり、本発明は、比較的簡単な構成であるが、互いに密接に配置された導電体の場合でも正確な結果を得ることができる、電流測定装置を提供する。
【０００７】
磁界センサは、評価電子部品、つまり、読取りユニットと計算ユニットと共に、そして好ましくはさらに係数を記憶するためのメモリと共に、半導体基板上に一体的に形成されるホールセンサであることが好ましい。
【０００８】
本発明は、さらに、ｎ個の導電体（ｎは２以上の自然数）からなるアレイのうちの一つ又は複数の導電体を流れる電流を測定する方法であり、最初に、それぞれ二つの磁界センサが各導電体に接するように配列されたｎ＋１個の磁界センサの出力信号を読み取る方法を提供する。次に、読み取られた出力信号を基に、ｎ個の導電体のそれぞれを流れる電流及びある一定の磁界が各磁界センサの出力信号に与える影響を表す係数とに基づいて、一つ又は複数の導電体を流れる電流が計算される。
【０００９】
本発明に係る好ましい実施形態は、さらに、前記係数を算出するためにキャリブレーションを実行するステップを備えている。その際、各導電体にある特定の電流が流れ、他の導電体には全く電流が流れないようにしてキャリブレーションが行われ、前記係数はマトリクス係数として決定される。さらに、いずれの導電体にも電流が流れていず、一定の磁界、つまり、公知の規模の勾配のない磁界が磁界センサに与えられている状況で、キャリブレーションが実行される。一つ又は複数の導電体を流れる電流を計算するために、全ての磁界センサのセンサ信号が、決定された係数マトリクスを使用するマトリクス演算により、線状に互いに結ばれることになる。
【００１０】
前述したように、磁界センサはホールセンサであることが好ましい。これらのホールセンサは、垂直に入射する磁界を感知するので、導電体の間にあるいは導電体の間の空間で上方に又は下方にずらして配置される。
【００１１】
本発明において、また、面、例えば、磁界検知面に平行に入射する磁界を感知するセンサを使用することも可能である。これらのセンサは、導電体に対して、導電体によって生じる磁界がその面に対して略平行に入射するように配置されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図２は、互いに密接に配置された３個の導電体Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の電流を測定するために使用される、本発明に係る磁界センサのアレイを概略的に示す。図２に示されているように、導電体Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の電流を測定するのに、単に４個の磁界センサが必要なだけである。これらの４個のセンサは、これらのセンサのうちのそれぞれ２個が、例えば、Ｓ１とＳ２が一つの導電体、例えばＬ１に隣接するように、配列されている。これらの導電体のうちの一つを流れる電流を検知するには、全ての磁界センサＳ１〜Ｓ４の出力信号をマトリクス演算によって線状に互いに結ぶ。その際、各導電体が、他の導電体には電流が流れていない状態で、その導電体には特定の電流が生じるという状況でキャリブレーションを行って、マトリクス係数が決定される。
【００１４】
さらに、キャリブレーションは、これらの導電体に電流が流れていない状態で、ある一定の磁界を導電体アレイに与えて行う。
【００１５】
結果としての係数マトリクスは下記のものとする。
【００１６】
【式１】

【００１７】
係数ａ_１１〜ａ_１４は、ある特定の電流が導電体Ｌ１だけに流れているときに得られるもので、係数ａ_２１〜ａ_２４は、ある特定の電流が導電体Ｌ２だけに流れているときに得られるもので、係数ａ_３１〜ａ_３４は、ある特定の電流が導電体Ｌ３だけに流れているときに得られるものである。係数ａ_ｇ１〜ａ_ｇ４は、どの導電体にも電流が流れておらず、ある一定の磁界が与えられているときに得られるものである。
【００１８】
それぞれの係数の指標の最初の数字は導電体を表し、指標の２番目の数字はセンサを表している。例えば、係数ａ_１１は、導電体Ｌ１を流れる電流がセンサＳ１の出力信号に与える影響を示している。係数ａ_ｇ１〜ａ_ｇ４の場合は、文字ｇはそれぞれ一定の磁界を表し、これらの係数は一定の磁界がそれぞれのセンサの出力信号に与える影響を表している。
【００１９】
前記係数を使って、４個の磁界センサＳ１〜Ｓ４の出力信号Ａ_１〜Ａ_４は下記のように形成される。
【００２０】
Ａ_１＝ａ_１１・Ｉ_１＋ａ_２１・Ｉ_２＋ａ_３１・Ｉ_３＋ａ_ｇ１・Ｈｇ
Ａ_２＝ａ_１２・Ｉ_１＋ａ_２２・Ｉ_２＋ａ_３２・Ｉ_３＋ａ_ｇ２・Ｈｇ
Ａ_３＝ａ_１３・Ｉ_１＋ａ_２３・Ｉ_２＋ａ_３３・Ｉ_３＋ａ_ｇ３・Ｈｇ
Ａ_４＝ａ_１４・Ｉ_１＋ａ_２４・Ｉ_２＋ａ_３４・Ｉ_３＋ａ_ｇ４・Ｈｇ
【００２１】
Ｉ_１は導電体Ｌ１を流れる電流を表し、Ｉ_２は導電体Ｌ２を流れる電流を表し、Ｉ_３は導電体Ｌ３を流れる電流を表し、Ｈｇは印加される一定の磁界を表す。
【００２２】
前記方程式は下記のように行列又はベクトルの形で表すことができる。
【００２３】
【式２】

【００２４】
係数の行列を逆転した後、導電体Ｌ１〜Ｌ３を流れる個々の電流Ｉ_１〜Ｉ_３は以下のように求められる。
【００２５】
【式３】

【００２６】
このように、導電体Ｌ１〜Ｌ３のそれぞれを流れる電流は、本発明により正確に計算され、ｎ個の導電体を流れる電流を測定する際に必要な磁界センサは単にｎ＋１個である。前述の計算方法はさらに、一定の磁界の検出を可能にする。
【００２７】
図３は、３個の導電体の電流を測定する際の、一つの可能な磁界センサの配列方法を説明する概略図である。この場合も、３個の導電体に対して４個のセンサＳ１〜Ｓ４が、２個の磁界センサがそれぞれ１個の導電体に隣接するように配列されている。しかし、この場合、センサは導電体の配列ラインに対して垂直にずれて配置されている。例えば、センサは導電体に対して上方にあるいは下方にずれている。このような配置は、例えば、これらのセンサがホールセンサであり、導電体と共に半導体基板上に一体的に形成される場合に、容易に実現できる。導電体Ｌ１〜Ｌ３は、図３中、円形の断面としてのみ示されているだけであるが、導電体上に誘電体層が配置され、そして磁界センサはこの誘電体層上に配置されていてもよい。図３に示す配置、または導電体の間への直接的なセンサの配置は、これらのセンサが垂直に入射してくる磁界を感知するものである場合である。
【００２８】
図４は、センサが面、例えば磁界感知面と平行に入射してくる磁界を感知するものである場合の、導電体に関するセンサの配置を示す。この配置において、導電体Ｌ１〜Ｌ３を流れる電流によって生じる磁界の磁力線が、センサＳ１〜Ｓ４の主面と平行に伸びている。この場合もまた、ｎ個の導電体を流れる電流を測定するために必要な磁界センサの数は、単にｎ＋１である。
【００２９】
図５は、本発明に係る電流測定装置の概略総括図である。３個の導電体Ｌ１〜Ｌ３と４個の磁界センサＳ１〜Ｓ４の配置が、この図にも示されている。磁界センサＳ１〜Ｓ４はそれぞれ評価ユニット１０に接続されている。さらに詳しくは、センサＳ１〜Ｓ４は評価ユニット１０の読取りユニット１２に接続されている。評価ユニット１０では、前述したようなそれぞれの導電体Ｌ１〜Ｌ３を流れる電流の計算が行われる。さらに、評価ユニット１０は、前述の係数を決定するためのキャリブレーションユニット１４を備えていることが好ましい。この目的のために、キャリブレーションユニット１４は、導電体Ｌ１〜Ｌ３にある特定の電流を流すのに適するように、それぞれの導電体Ｌ１〜Ｌ３に接続されている。このことは、図５中、キャリブレーションユニット１４とそれぞれの導電体Ｌ１〜Ｌ３の間に概略的に示されている。さらに、係数ａ_ｇ１〜ａ_ｇ４を決定するために、ある特定の磁界（図示せず）を生じさせる手段を備えていることが好ましい。あるいは、これらの係数のそれぞれは、値１又は他の予め決められた値として与えられてもよい。さらに、評価ユニット１０は、決定された係数を好ましくは行列の形で保存するためのメモリ１６を備えていることが好ましい。これらの係数は決定された形のまま保存してもよい。しかし、まず、決定された係数から反転行列の素子を計算し、これらの素子をメモリ１６に保存することが好ましい。図５では、メモリ１６は評価ユニット１０とは別体として示されているが、もちろん、メモリ１６を評価ユニット１０に組み込んでもよい。
【００３０】
つまり、本発明は、電流測定装置及び電流測定方法を提供し、これらの装置及び方法において、ｎ個の導電体を流れる電流を測定するために必要な磁界センサの数は単にｎ＋１のみである。添付図面では、並置された導電体Ｌ１〜Ｌ３を示しているのみであるが、本発明は導電体が互いに垂直に伸びている導電体アレイ、例えば多層構造の基板にも応用可能である。この場合もまた、ｎ＋１個の磁界センサが必要なだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電流測定装置を示す概略図。
【図２】本発明に係る電流測定装置を示す概略図。
【図３】本発明に係る電流測定方法を実行するためのホールセンサの可能な配置を示す概略図。
【図４】本発明に係る電流測定方法を実行するための磁界検知面の配置を示す概略図。
【図５】本発明に係る電流測定装置を示す概略図。

Claims

ｎ個（ｎ∈Ｎ，ｎ≧２、Ｎは自然数）の導電体（Ｌ１〜Ｌ３）からなるアレイのうちの一つ又は複数の導電体を流れる電流を測定するための電流測定装置であり、下記のものを含む、
それぞれ二つの磁界センサがそれぞれの導電体に隣接するように配列されているｎ＋１個の磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）、
磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号を読み取るユニット（１２）、
読み取られた出力信号を基に、ｎ個の導電体のそれぞれを流れる電流及びある一定の磁界が各磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号に与える影響を表す係数に基づいて、一つ又は複数の導電体（Ｌ１〜Ｌ３）を流れる電流を計算するユニット（１０）。
請求項１に記載の電流測定装置であって、磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）は、各導電体（Ｌ１〜Ｌ３）が該磁界センサのうちの二つの間に位置するように、配列されている。
請求項１に記載の電流測定装置であって、磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）は、二つの導電体を結ぶ想像上の線に関して垂直にずれるように配列されている。
請求項１、請求項２又は請求項３に記載の電流測定装置であって、磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）はホールセンサである。
請求項４に記載の電流測定装置であって、ホールセンサは、読取りユニット（１２）及び計算ユニット（１０）と共に半導体基板上に一体的に形成されている。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の電流測定装置であって、マトリクス状の係数がメモリ手段（１６）に保存されている。
請求項６に記載の電流測定装置であって、メモリ手段（１６）は半導体基板上に一体的に形成されている。
ｎ個（ｎ∈Ｎ，ｎ≧２、Ｎは自然数）の導電体（Ｌ１〜Ｌ３）からなるアレイのうちの一つ又は複数の導電体を流れる電流を測定するための電流測定方法であり、下記のステップを含む、
それぞれ二つの磁界センサが各導電体に隣接するように配列されているｎ＋１個の磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号を読み取る、
読み取られた出力信号を基に、ｎ個の導電体のそれぞれを流れる電流及びある一定の磁界が各磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号に与える影響を表す係数に基づいて、一つ又は複数の導電体（Ｌ１〜Ｌ３）を流れる電流を計算する。
請求項８に記載の電流測定方法であって、ある特定の電流を各導電体に順に発生させ、その間、他の導電体には全く電流が流れない状態での各磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号に基づき、また、ある特定の一定の磁界が印加され、導電体には全く電流が流れない状態での各磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号に基づき、前記係数を決定するステップをさらに含む。
請求項９に記載の電流測定方法であって、係数を保存するステップをさらに含む。
請求項８、請求項９又は請求項１０に記載の電流測定方法であって、計算ステップは、マトリクス演算により磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号の線状の相互連結の実行を含み、該係数はｎ個の導電体（Ｌ１〜Ｌ３）のそれぞれを流れる電流及びある一定の磁界が各磁界センサ（Ｓ１〜Ｓ４）の出力信号に与える影響を表す係数がマトリクス係数として使用される。