JP5607933B2 - 高帯域オープンループ電流センサー - Google Patents

Description

本発明は、オープンループ電流センサーに関する。

一次導体内を流れる電流の測定に、オープンループ電流センサーが広く使用されている。このようなセンサーは、典型的には、磁界検出器が内部に配置されたエアギャップを有しながら一次導体を囲む磁気コアを備える。

磁界検出器は、ホール効果センサー、磁気抵抗磁界センサー、フラックスゲートセンサー、又は他の種類の磁界センサーであってもよい。

一次導体内を流れる電流を測定するための従来のオープンループ電流センサーは、通常、一次導体を囲むのに適応した磁気伝導体によって形成される磁気回路と、磁気回路のエアギャップ内に配置され、一次電流を表す出力信号を生成する磁界センサーとを備える。一般的に使用される磁界検出器は、ＡＳＩＣに設けられたホール効果センサーである。一次電流によって生じた磁束が磁気回路内に集中することにより、エアギャップ内の磁束密度Ｂが一次電流に比例することとなる。

ホールセルは、エアギャップ内の磁束密度に比例する電圧を供給するため、一次電流に比例することとなる。ホールセルの電圧は、電流センサーの出力として供給される前に、処理及び増幅される。

一次電流によって生じた磁界を打ち消すために駆動される補償コイルを備えたクローズドループ電流センサーと比較すると、オープンループセンサーは、小型の構成で、より簡素な電子信号処理回路とより少ない電力で済むという利点を有する。オープンループセンサーは、一般的にクローズドループセンサーと比べてコストが低い。

しかしながら、オープンループセンサーは、信号応答時間が長いという欠点を有する。このため、動作周波数範囲は信号処理回路の性能及び磁気回路の品質によってある程度決まるとはいえ、このようなセンサーの使用可能な周波数の範囲が限定されてしまう。

磁気回路によって生じる信号遅延は、使用される材料や回路の構成によって決まる。渦電流が、磁束の変化を妨害するため、エアギャップ内に発生する磁気誘導に遅延が生じる。積層された薄板により構成される磁気回路に多くの場合使用される強磁性体材料（ケイ素鋼、ニッケル鋼）は、比較的良好な導体であるため、渦電流に対する抵抗が小さい。フェライト材は、その低い導電率から考えると、渦電流を低減させるという利点を有するが、急速に飽和し、飽和残留磁束密度が高い。

出力信号の遅延は、信号を処理する電子回路において、集積回路（ＡＳＩＣ）が搭載及び接続されたリードフレームにおける渦電流が原因となって生じる可能性もある。

要約すると、オープンループセンサーは、その低いコスト、簡素なエレクトロニクス、及び容易な操作が考慮されて広く使用されている。オープンループセンサーの欠点は、測定信号に対する応答時間の遅延である。この遅延は、様々な要因によって生じるが、その要因としては、磁気回路における渦電流や、磁界センサー及び信号処理回路における遅延に加えて、磁界センサーに接続されたリードフレーム、その他の回路、又は導体における渦電流などがある。遅延時間の短縮は、材料の慎重な選択や、磁気回路、信号処理回路の設計により可能であるが、そのような方法にはコストがかかり、またそのような方法では、ある一定の用途において許容される応答時間を実現できない。

そのような、特に短い応答時間を有する電流センサーが要求される用途の一つとして、電気モータの分野、とりわけ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって駆動される電気モータの分野におけるものがある。モータ制御回路に搭載された電流センサーの短い応答時間は、モータ故障の検出、又は電流変化率が高い（｜ｄｉ／ｄｔ｜が大きい）低インダクタンスのモータの制御に、特に有用である。このようなセンサーは、例えばモータ故障中に損傷を避けるために電源供給を遮断するようなスイッチの制御に使用される。

出力信号を生成するために、例えば高周波数範囲と低周波数範囲といった異なる周波数範囲にわたって動作する、複数の磁界検出器を採用した電流センサーを設けることが知られている。後者の手段によって、電流センサーの動作周波数帯域が広がる。しかしながら、典型的には、磁界検出器は、単一の構成要素に組み込まれるが、単一の構成要素は、センサーを測定対象の特定の環境及びパラメータに容易に適応させる能力を制限する。特定の用途を考慮して検知パラメータを調整するには、その構成要素の再設計を必要とするため、コストがかかってしまう。更に、そのように組み込まれたデバイスは、測定対象の電流によって生じた、或いは逆に測定対象の信号の大きさが制限された、弱い磁界の精密測定に対して充分な感度を有していない可能性がある。従来の動作帯域の広い電流センサーは、典型的には、所望の精度による測定の振幅範囲が制限されるという欠点を有する。

国際公開第０１／８６３０９号 国際公開第２００６／１３１４６８号 独国特許出願公開第１０２４０２４１明細書 米国特許出願公開第２００３／１１２０００明細書

上述の点に鑑みて、本発明の目的は、応答時間が短く経済的なオープンループ電流センサーを提供することである。

特定の用途で期待される信号特性との関連において、最適な動作のために容易な改造又は設定が可能な電流センサーを提供することは、有利である。

電流振幅測定範囲の広い電流センサーを提供することは、有利である。

小型であって、且つ簡易な信号処理回路を採用した電流センサーを提供することは、有利である。

電力消費が低い電流センサーを、特に自律的な装置との関連における使用に提供することは、更に有利である。

本発明の目的は、請求項１に記載の電流センサーを提供することによって達成された。

本願明細書において開示されるのは、一次導体内を流れる電流を測定するためのオープンループ電流センサーであって、エアギャップを有する磁気回路と、回路基板、前記回路基板に搭載される第一の磁界検出器、第二の磁界検出器及び前記回路基板上に設けられ、前記第一及び第二磁界検出器の出力信号を合成するための信号処理回路を含む磁界検知装置とを備え、前記回路基板、前記第一磁界検出器及び前記第二磁界検出器は、少なくとも部分的に同一の前記エアギャップ内に配置され、前記第二磁界検出器は、前記回路基板上に単数又は複数の導電路として形成された導電コイルを含み、前記第二磁界検出器を前記第一磁界検出器の出力に直列接続することによって、前記第一磁界検出器及び前記第二磁界検出器の出力信号（ＳＡ，Ｓ_coil）を前記回路基板上の前記信号処理回路との接続に適応させることで、前記第二磁界検出器の出力における信号（Ｓ２）を前記第一磁界検出器の出力における信号（Ｓ１）と前記導電コイルによって生じる信号（Ｓ_coil）との和とし、前記一次電流を表す出力信号（Ｓ３）を前記第二磁界検出器の出力における信号（Ｓ２）から生成することを特徴とする。

前記第一磁界検出器は、有利には、前記回路基板に搭載され、且つ前記回路基板上の電気線に接続された集積回路チップ（ＡＳＩＣ）に組み込まれるホール効果検出器であってもよい。前記回路基板は、有利には、プリント回路基板であってもよい。

前記第二磁界検出器は、前記導電コイルの形式において、有利には、前記プリント回路基板上に単数又は複数の導電路として形成されてもよい。この構成により、コイルは、第一磁界検出器の接続にも使用されるプリント回路基板であることの効果を得られ、必要に応じて、異なる用途に適応させるために低コストで容易に改造することが可能となる。第二磁界検出器の測定感度を高めるために、コイルは、プリント回路基板の両面、或いは回路基板の異なる層上に設けられてもよいし、例えばめっきスルーホールによって異なる層上の前記コイル部が相互接続されてもよい。

回路基板は、有利には、特に前記第一及び第二磁界検出器の出力信号を合成するための信号処理又は信号前処理用に、他の電気部品又は電子部品を設けてもよい。

本発明の更なる有利な目的及び特徴は、請求項、明細書、及び以下の図面から明らかになるであろう。

図１は、本発明にかかる電流センサーの斜視図である（カバーを取り外した状態）。 図２ａは、電流センサーの回路基板の、第一磁界検出器が搭載される面を示す平面図である。図２ｂは、磁界検出器を含まない回路基板の平面図である。図２ｃは、回路基板の裏面の平面図である。 図３ａは、本発明の他の実施形態にかかる回路基板の平面図である。図３ｂ及び３ｃは、それぞれ第二の実施形態の搭載面及び裏面の平面図である。 図４は、本発明にかかる電流センサーの実施形態の回路図である。 図５は、第一及び第二磁界検出器の出力信号、及び入力信号（測定対象の一次電流）を図示するグラフである。

図面、特に図１を参照すると、電流センサー１は、センサーの中央開口部２を横切る一次導体（図示せず）内を流れる電流を測定するものであり、エアギャップ４を有する磁気回路３と、少なくとも部分的に前記エアギャップ内に配置された磁界検知装置５とを備えている。当該技術分野において周知であるように、磁気回路３は、異なる形状及び寸法で異なる磁気伝導体により構成された積層された薄板又は立体のコアによって形成されてもよい。当該技術分野において周知であるように、センサーが一次導体を囲むようにして組み立てられるように、磁気回路は２つの部分に分割されてもよい。更に、当該技術分野において周知であるように、一次導体部がセンサーに組み込まれ、一次導体との接続用の端子を備えてもよい。

電流センサーには、第二のエアギャップと、少なくとも部分的に前記第二エアギャップに配置された第二の磁界検知装置とが設けられてもよい。

磁界検知装置は、回路基板７、当該回路基板上に搭載される第一磁界検出器８、第二磁界検出器１１、及び信号前処理回路６を備える。

信号前処理回路６は、回路基板７上に設けられ、磁界検出器８及び１１に接続される。

図２ａ〜２ｃを参照すると、第一磁界検出器８は、好ましい実施形態において、ホール効果センサーの形式であり、回路基板７上の回路配線９に例えばはんだ付けによって接続された接続端子１０を有する集積回路（ＡＳＩＣ）に含まれる。ただし、第一磁界検出器は、磁気抵抗磁界センサーやフラックスゲート磁界センサー等、他の種類の周知の磁界センサーによって構成されてもよい。

磁気検知装置の第二磁界検出器１１，１１’は、回路基板上に回路配線として形成される導電コイル１２，１２’を有する。コイルは、回路基板上に導電路を作成するための従来技術によって、このように回路基板上に形成することが可能であり、それゆえに、第一磁界検出器の接続用、及び信号処理回路又は信号前処理回路６用である回路基板による効果を得ている。

コイル１２，１２’の感度を高めるために、当該コイルは、複数のコイル部を有し、それぞれが回路基板の異なる面に位置してもよい。示される実施形態において、第一のコイル部１２ａ，１２ａ’が搭載面１３ａ上に設けられ、第二のコイル部１２ｂが裏面１３ｂ上に設けられ、第二コイル部１２ｂは導電性のめっきされたスルーホール１４によって第一コイル部１２ａに接続される。コイル部を相互接続するために、基板を貫通するように相互接続ピン又は経路を設けることも可能である。

好ましい変形において、コイル部は互いに直列接続される。

第一コイル部から伸びたコイルの第一の末端１６ａが、回路基板の前面１３ａ上の回路配線を介して、信号処理回路又は信号前処理回路６と直接相互接続される。第二コイル部１２ｂから伸びたコイルの第二の末端１６ｂが、導電性のめっきされたスルーホール１５を介して、回路基板の搭載面１３ａと電気的に相互接続される。

好ましくは、コイル１２は、エアギャップ４に境界を付ける磁気回路３の面によって定められる周囲１７内に収まるように配置されて構成される。ホール効果センサー８も、周囲１７内に完全に収まるように配置されることが好ましい。

検出感度を高めるために、追加のコイル部を、例えば多層ＰＣＢの異なる層上に設けることが可能である。

図２ａ〜ｃの実施形態では、コイル１２は、渦電流を低減するために、メタライズされていない中央領域１８を囲んでおり、一定の動作条件下では、ｄｉ／ｄｔの高い値において信号応答の遅延を増大させることが可能である。同様の目的のため、導電相互接続１４は、磁気回路周囲１７の外に配置される。

図３ａ〜３ｃに示されるような他の実施形態において、コイル部１２ａ’，１２ｂ’は、コイル部の基本的に中心に配置された導電性の被膜されたスルーホール１４’によって相互接続されてもよい。

図４を参照すると、磁界検知装置及び信号前処理回路の略図が図示されている。コイル１２は、第一磁界センサー８の出力端子１０ａに直列接続される。第一磁界センサーの信号を第二磁界センサーの信号に合わせるため、フィルタＲ１，Ｃ２が、コイルの出力１６ｂ端に接続される。センサーは、出力端子１８ｂ、電圧Ｖ_ccの電源供給端子１８ｃ、及び接地端子１８ａを有する。

図５を参照すると、一次電流によって生成される入力信号と、ホール効果センサー８及びコイル１２の出力信号とを図示するグラフが示されている。信号Ｓ１は、磁気回路のエアギャップ内の磁束密度を測定するホール効果センサーの出力電圧を表す。信号Ｓ_coilは、エアギャップ内の磁束密度の変化中にコイルによって生じる電圧を表す。この電圧は、一次導体内の電流に比例し、その信号の大きさは、コイルの巻数及びコイルの表面積によって決まる。

信号Ｓ２は、信号Ｓ１とＳ_coilの和である。

例えばモータ故障又は短絡に引き続いて発生する電流サージ等、一次電流が急速に上昇する間において、コイルの出力信号は３つの特性段階に分解することが可能である。

段階１において、一次電流の第二次導関数は０よりも大きく（ｄ²ｉ／ｄｔ²＞０）、これはコイルの信号が増大していることを意味する。
段階２において、一次電流の第二次導関数は０とほぼ等しく（ｄ²ｉ／ｄｔ²≒０）、これはコイルからの信号が一定であることを意味する。
段階３において、一次電流の第二次導関数は０よりも小さく（ｄ²ｉ／ｄｔ²＜０）、それによるとコイルの信号は減少している。

信号Ｓ３は、フィルタ後の信号Ｓ２を表す。図５に示されるような、一次電流Ｉｐと同相の出力信号Ｓ３を得るため、フィルタによってコイルからの信号Ｓ_coilをＡＳＩＣからの信号Ｓ１に適合及び合成させることが可能となる。

測定対象の一次電流からの出力信号及び入力信号は、例において示される１マイクロ秒よりも非常に小さい応答遅延に、こうして実質的に重畳される。

Claims (9)

1. 一次導体内を流れる電流を測定するためのオープンループ電流センサーであって、
   エアギャップを有する磁気回路と、回路基板、前記回路基板に搭載される第一の磁界検出器、第二の磁界検出器及び前記回路基板上に設けられ、前記第一及び第二磁界検出器の出力信号を合成するための信号処理回路を含む磁界検知装置とを備え、
   前記回路基板、前記第一磁界検出器及び前記第二磁界検出器は、少なくとも部分的に同一の前記エアギャップ内に配置され、
   前記第二磁界検出器は、前記回路基板上に単数又は複数の導電路として形成された導電コイルを含み、
   前記第二磁界検出器を前記第一磁界検出器の出力に直列接続することによって、前記第一磁界検出器及び前記第二磁界検出器の出力信号（ＳＡ，Ｓ_coil）を前記回路基板上の前記信号処理回路との接続に適応させることで、前記第二磁界検出器の出力における信号（Ｓ２）を前記第一磁界検出器の出力における信号（Ｓ１）と前記導電コイルによって生じる信号（Ｓ_coil）との和とし、前記一次電流を表す出力信号（Ｓ３）を前記第二磁界検出器の出力における信号（Ｓ２）から生成するオープンループ電流センサー。
2. 前記第一磁界検出器は、前記回路基板に搭載され、且つ前記回路基板上の電気線に接続された集積回路チップ（ＡＳＩＣ）に組み込まれるホール効果検出器である
   請求項１記載のセンサー。
3. 前記回路基板は、プリント回路基板である請求項１又は２記載のセンサー。
4. 前記第二磁界検出器の前記導電コイルは、複数のコイル部（１２ａ、１２ｂ）を有し、それぞれが前記回路基板の異なる層上又は面上に位置する請求項１〜３のいずれかに記載のセンサー。
5. 前記コイル部が、前記回路基板の両面に設けられる請求項４記載のセンサー。
6. 前記コイル部は、導電性スルーホールを介して相互接続される請求項４又は５記載のセンサー。
7. 前記コイル部は、直列接続される請求項４〜６のいずれかに記載のセンサー。
8. 前記第二磁界検出器の前記導電コイルは、前記エアギャップに境界を付ける前記磁気回路の面によって定められる周囲内に、基本的に完全に収まるように配置される請求項１〜７のいずれかに記載のセンサー。
9. 前記第一磁界検出器は、前記エアギャップに境界を付ける前記磁気回路の面によって定められる周囲内に、基本的に完全に収まるように配置される請求項１〜８のいずれかに記載のセンサー。

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