JPH11514438A

JPH11514438A - Ａｃ電流センサ

Info

Publication number: JPH11514438A
Application number: JP9514363A
Authority: JP
Inventors: フロル，フレッド; ヒバート，グレイ
Original assignee: ザットコーポレーション
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1999-12-07
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: CA2233879A1; AU718111B2; EP0855036A4; EP0855036A1; WO1997013156A1; MX9802615A; US5736846A; CA2233879C; AU7251296A; KR19990064069A; KR100534420B1; JP4481369B2

Abstract

(57)【要約】電気回路の負荷インピーダンス（１４）を経由するＡＣ電流を検出する電流センサ（１０）を提供する。センサの要素は多層基板（第３図）内に組まれる。センサは、電気回路の電流経路（１６、１８）に直列に接続された１次コイル（３２）を含む変換回路を備える。１次コイル（３２）は伝導体配線を形成する電流経路（２０Ａ、２０Ｂ）を含む。２次変換器（３０）は電流経路に誘導的に接続された１次および２次の伝導コイル（３０ａ、３０ｂ）を備える。２次コイルはお互いに直列に接続され、電流経路上の電流に応じてコイルに生成される電圧が印加され、同一基板上における外部磁界または隣接したセンサ間のクロストークによって誘起される干渉電圧をキャンセルすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】ＡＣ電流センサ発明の分野本発明は、電気回路の負荷インピーダンスを流れる交流電流（ＡＣ）の大きさを検出し、決定するデバイスに関する。発明の背景電気回路の負荷インピーダンスを流れる交流電流の大きさ（振幅）が決定できることが好ましい場合がある。導電体を流れるＡＣ電流が導電体の周りに交番磁場を生成し、導体からの半径距離が増加するに従って磁束密度が減少することは良く知られている。瞬間磁場強度（Instantaneous magnetic field strong）は、瞬間電流振幅に比例する。この磁場は、開口の電気的な導電ループ、即ちコイルを磁界内に置くことによって検出することができる。磁場の強度に比例する交番電圧が開口ループの両端子に誘導される。導電ループによって囲まれた磁場が導体を流れる電流に起因する範囲において、ループの端子間の電圧がループの電流に比例する。それ故に、導体を流れる電流はループ間の電圧を測定することによって測定することができる。このような電流検出器の感度を、１回又はそれ以上密接して巻かれたコイルを導体の一部として形成することによって増加することができる（巻く回数は、磁場を検知するのに用いるセンサの所望の感度に依存する。）。周知の如く、より多くの巻き数は任意の電流に対してより大きな磁場を生成する。電流が巻かれたコイルを流れるので、前述したように、検知することができる磁場が生成される。測定される磁場を生成すべく測定されるべき電流をコイルへ運ぶ導体の部分を形成することの欠点は、コイルが、測定される電流の経路に更なるインピーダンスを追加し、これにより電流の値と同様に電流の位相に影響を与えることである。多くの場合において、電流に相当の影響を与えることなく負荷に流れる電流を測定することが好ましく、センサのインピーダンスは非常に小さくすることが要求される。電流に影響を与えずに導線を流れる電流を検知するような邪魔にならないデバイスとして、ホール効果センサ（Hall-effect sensor）やトロイダル検知コイル（Toroidal sensing coil）が知られている。例えば、トロイダル検知コイルは、電流を運ぶ導体の周りに位置するトロイダル形状の磁性コアを用いて、導線の周りに発生する磁場の少なくとも一部について回路経路を生成する。開口コイルをコアの周りに巻き付け、導体を流れるＡＣ電流に応じてコア内に生成された磁束を検知する。その電流に影響を与えることなく、導線を通る電流に比例する電圧が開口コイルの両端に誘起される。しかしながら、そのような電流検知デバイスは分厚くかさばり、また高価なものであり、それらを特定の応用、特にプリント回路基板やその他の小型化の応用、即ち小型の電流センサを提供するのに好ましい応用で用いるのには好ましくない。例えば、大きなビルディングの非常事態警告システムで用いる電力増幅器の複数のチャネルを流れるＡＣ電流をモニタすることは、システムが適切に動作していることを保証する点で好ましい。このような非常事態警告システムにおいては、中央の位置から複数のチャネルを介して、遠隔地にある複数の拡声器へ可聴メッセージが伝送される。位置の１つで火災が生じたときのように、伝送の中断が生じると、可聴信号がその位置へ伝送されないことを知ることは有益である。なぜならば、拡声器によって再生された音響信号の忠実度は、電力増幅器と拡声器との低インピーダンス接続に依存するものであり、音響信号はＡＣ電圧又はＡＣ電流で生成されているので、それ故に、費用がかからず、邪魔にならない方法で、電力増幅器と各遠隔位置との間を流れるＡＣ電流をモニタすることが好ましい。発明の目的従って、本発明の目的は、電流経路のインピーダンスに重要な影響を与えることがなく、小型であり、邪魔にならず、高精度である、ＡＣ電流を検出するデバイスを提供することである。本発明の他の目的は、プリント回路基板のような、経済的な方法で作成可能な電流センサを提供することである。本発明の他の目的は、可聴周波数範囲で、好ましくは全可聴周波数範囲で、信号エネルギーを有する電流を検出するのに用いることができる電流センサを提供することである。本発明の他の目的は、センサを流れる測定される電流に対して本質的に低インピーダンスを有する電流センサを提供することである。本発明の他の目的は、実質的に周波数に依存しない電気回路を流れる電流を測定する電流センサを提供することである。本発明の他の目的は、多層基板上に組み立てられて、センサ間のクロストークが実質的に最小化されるかあるいは排除されるような、複数のセンサを含む電流センサシステムを提供することである。発明の概要一側面に従い、本発明は、負荷に相当の影響を与えることなく電気回路の負荷インピーダンスへ供給される電流を検出する小型の電流センサを提供する。回路は、電源と、電源と負荷インピーダンスの間で電流を導通させる電流経路とを含む。センサは、好ましくは、電気回路の負荷インピーダンスをセンサへ結合して、変圧回路の一次コイルを形成するとともに、電流経路の一部を形成する少なくとも１つの電流要素と、該電流経路要素の近くで該一次コイルと磁気的に密結合するように配置された、該変圧回路の少なくとも１つの二次コイルと、電流経路要素を介して流れる電流に応じて、該負荷インピーダンスを介して流れる電流を表す出力信号を提供する、該二次コイルに結合された一対の出力端子を含み、該電流経路要素は、該センサによって該電気回路に負荷されたレジスタンスとインダクタンスを最小化するように、電源と負荷インピーダンスとに直列に結合された導電体からなる実質的に短い細長状の要素である。本発明の他の側面によれば、センサの構成要素の部分は多層基板上で生成される。本発明の他の側面によれば、均一の外部磁場によってセンサ内に誘起される干渉信号を消去する手段が提供される。本発明の他の側面によれば、複数のセンサの要素が同じ多層ボード上に備えられ、他のセンサによって生成された磁場からのクロストークによって各センサに誘起された干渉信号を消去する手段が提供される。本件発明のこれら及び他の目的や、本発明の利点は、一部は明確であり、また他の一部は以下に説明することになる。従って、本発明は構造と、要素の結合と、部分の配列とを有する装置であり、これらは以下に詳細な開示として例示的に説明され、これらの範囲は請求の範囲によって規定される。図面の簡単な説明本発明の本質と目的を十分理解するために、別紙に添付の図面との関連でされる以下の詳細な記述を参照すべきである。第１図は、本発明の電流センサを使用する電気回路の概略を示す図である。第２Ａ図は、本発明の好ましい電流センサの部分として規定される２つの電流経路をなす電源と負荷が接続された多層接続ボードの一次層の平面図である。第２Ｂ図は、第２Ａ図の多層接続ボードの他の一次層の平面図であり、本件発明の好ましい電流センサの部分として２つの電流経路が示されている。第２Ｃ図は、多層接続ボードの二次層の平面図を示すものであり、電流センサコイルの一対がそれぞれ、第２Ａ図に示されている接続ボードの一次層の電流経路を介して流れるＡＣ電流によって生成される磁場の中に位置している。第２Ｄ図は、多層接続ボードの他の二次層の平面図を示すものであり、電流センサコイルの他の一対がそれぞれ、第２Ｂ図に示される接続ボードの一次層の電流経路を流れるＡＣ電流によって生成される磁場内に位置している。第３図は、第２Ａ図から第２Ｄ図の区分線３−３を介してとられた断面図を示すものであり、本件発明の電流センサを適用する多層電気回路が組み立てられている。第４図は、センサの種々の部分の相互結合の詳細を示す第１図の回路の概略を示す図である。第５図は、電流センサの二次コイルの出力の出力信号の周波数依存性を排除する追加の回路を含む第１図に記載の回路の概略を示す図である。第６図は、隣接するセンサからの干渉信号を消去する追加の回路を含む第５図に示された回路の概略を示す図である。図面の詳細な説明本発明の電流センサが、好ましくはプリント回路基板(Printed Circuit Board ：ＰＣＢ)技術を用いて、多層ボード上に組み立てられている。プリント回路基板技術は、電流センサの基本的な要素部分をボードの部分としてそしてボードと集積化するように組み立てることを可能とし、実質的に回路とセンサ要素との費用を実質的に減少することができ、そして、非貫入デバイスを提供することができる。この方法においては、複数の可聴チャネル、例えは、遠隔位置にある複数の拡声器をそれぞれ接続する単一のボードに多層センサの要素部分を挿入することができる。第１図に概略的に示されるように、本発明の電流センサを採用する電気回路１０は、電力源１２と、負荷インピーダンス１４と、これらを接続する電流経路１６、１８とを含む。１６及び１８によって示される電流経路は電力源を負荷に接続する。以下に、より明示されるように、電気回路は、電流を運び、かつ使用の際、少なくともセンサの一部を形成するコードレス変圧器の一次側として機能するループを提供する。一次ループの電流は、電流経路の周りに同軸方向に延びる少なくとも１つの磁界（以下に記載される）を生成する。本発明に従って、１次側の電流経路の少なくとも１つの部分、好ましくは２つの部分は、第１図の２０Ａ、２０Ｂの電流経路の要素によって各々示されるように、コネクタボード２２の一部を通過する。一次側の１つの電流経路要素は発明の目的を達成するのに十分であるけれども、後に明示されるように、センサーの出力を増加するために、好ましくは、２以上の電流経路要素が複数の２次側センサーコイルと共に使用される。本発明の電流センサは、交流の流れによって発生される磁界内の電導体の開ループの配置はＡＣ電流の流れに応じて、ループの端子に電圧を誘起するという観察可能な現象に基づいて、動作する。好ましい電流センサは、第１図の２０Ａ、２０Ｂにて示されるように、１次側の電流経路要素に誘導的に結合される１以上の導電性の２次コイルに誘起される電圧を測定することによって動作する。従って、各センサの２次コイルは、電気回路の電流経路要素２０Ａ、２０Ｂを通るＡＣ電流の流れる間に確立される磁界の軌跡内に配置される。センサのコイルは、電気回路の各電流経路要素２０Ａ、２０ＢをＡＣ電流が流れる結果としてセンサの２次側に誘起される実質的に全ての電圧が加算されるように形成される。誘起電圧の和は、負荷インピーダンスを通して流れる電流の大きさを表し、かつそれに比例する。第２Ａ図−第２Ｄ図及び第３図は本発明に係る少なくとも１つの電流センサ２４を採用する多層ボード２２の好ましい実施態様を示す。第２Ａ図及び第２Ｂ図は、各々、多層ボードの導電材料の１次層２６ａ、２６ｂの上面図を示す。これらの１次層は各々、センサの構成品及びワイヤー接続を含み、変圧器の１次コイルの電流経路要素２０Ａ、２０Ｂを形成しかつ、例えば、導電層をエッチング及び／又はメッキすることによって形成され得る。第２Ｃ図及び第２Ｄ図は対照的に、多層ボードの導電材料の２次層２８ａ、２８ｂを示し、それらの各々は、変圧器の１以上の２次側の電流センサコイル３０を含み、そして例えば、導電材料の層をエッチング及び／又はメッキすることにより形成することもできる。第３図は多層コネクタボード２２の好ましい実施態様の側面図を示す。まず、第１図を参照して、ＡＣ電流は電力源１２及び負荷１４間を電流経路要素２０Ａ、２０Ｂの両方を通して流れる。好ましい実施態様の第２Ａ図及び第２Ｂ図に示されるように、各々の電流経路要素２０Ａ、２０Ｂは、導電材料の１次層２６ａ、２６ｂの各々において、比較的幅のある導電性ストリップ３２によって規定される。導電材料の１次層２６ａ、２６ｂの各々は、対向端にて、３８にて示される２つの導電コネクタに各々、電気的に接続され、本発明に基づくボードを通して外部構成部品に接続するための接続ピン、ワイヤー、又は類似のデバイスを受け入れる。これらの幅のある導電ストリップ３２の各々は、回路を通して流れる電流に対して、比較的低インピーダンスを提供し、従ってそれを通って流れる電流の位相又は大きさに対して最小限の影響を有する。後に理解される理由に示されるように、導電ストリップ３２ａ、３２ｃは同じコネクタ３８の対向端にて接続され、電流のための２つの平行路を形成する。同様に、要素２０Ｂは同じコネクタ３８に対向端にて接続される２つの導電ストリップ３２ｂ、３２ｄを含み、その要素を通過する電流のための２つの平行路を形成する。しかしながら、各電流経路要素はより大きい感度を提供するために多数の電流経路を含むが、１つの電流経路でも本発明の目的を得るのに十分であることに留意されたい。第２Ａ図−第２Ｄ図は別々に示されるが、それらは互いに重ね合わせて、第３図に最も良く見られるように示され、上部に１次回路層２６ａが第２Ａ図に示され、かつ底部に１次回路層２６ｂが第２Ｂ図に示される。２次回路層２８ａ、２８ｂは第２Ｃ図及び第２Ｄ図に示され、１次回路層間に挟持される。理解を容易にするために、回路接続、１次接続点１、２、３、４及び端子Ａ− Ｈは第２Ａ図−第２Ｄ図に付され、センサの構成部品の接続は第４図に示される。各コイル３０の内側端子は「Ｉ」によって示され、外側端子は「Ｏ」によって示される。第４図の概略図に示されるように、接続点Ａ−Ｈは、センサコイル３０に誘起される総電圧の測定がなされ得る出力端子である。第１の電流センサコイル３０ａは端子Ａ、Ｂ間に配置される。このセンサコイル３０ａは導電ストリップ３２ａ、３２ｃに誘導的に密に結合される。例示される実施態様では、第２のセンサコイル３０ｂは端子Ｃ、Ｄ間に配置される。このセンサコイル３０ｂは導電ストリップ３２ａ、３２ｃに緊密に誘導的に結合され、電流センサコイル３０ａに直列に電気的に接続され、そしてコイル３０ａの内側端子「Ｉ」はコイル３０ｂの外側端子「Ｏ」に接続される。第３の電流センサコイル３０ｃは端子Ｅ、Ｆ間に配置される。このセンサコイル３０ｃは導電ストリップ３２ｂ、３２ｄに緊密に誘導的に結合され、コイル３０ａ、３０ｂの第１のセットに直列に電気的に接続される。例示の実施態様では、第４のセンサコイル３０ｄは端子Ｇ、Ｈ間に配置される。このセンサコイル３０ｄもまた、導電ストリップ３２ｂ、３２ｄに緊密に誘導的に結合され、コイル３０ｃに直列に電気的に接続され、そしてコイル３０ｃの外側端子「Ｏ」はコイル３０ｄの内側端子「Ｉ」に接続される。接続点Ｂ−Ｃ、Ｄ−Ｅ、Ｆ−Ｇは、第２Ａ図、第２Ｂ図に３４にて示されるように、各センサコイル３０ａ−３０ｄ間の電気的接続である。電気的接続は、第２Ａ図及び第２Ｂ図に示されるように、１次回路層２６ａ、２６ｂ上に配置され、例えば、エッチング及び／又はメッキにより形成され得る。それらは、２次回路層のセンサコイル３０ａ−３０ｄのセンサコイルを互いに連係する有用な目的を果たす。２次センサコイル３０は、電源１２、負荷１４、及び１６、１８で示される電流経路からなる１次電気回路に電気的に接続されることを認識することが重要である。それらは、単に電流経路に誘導的に結合され、それらは電流が流れる間、電流経路要素２０Ａ、２０Ｂの周りに生成される磁界を検出することができる。従って、これらのコイルは回路のインピーダンスに対して、ほとんどまたは全く影響を有さない。他方、コードレス変圧器の１次側を形成する回路の電流経路要素では、４つのコイル３２が直列に接続される端子Ａから端子Ｈから生成される接続により形成される開ループはその変圧器の２次側を形成する。第３図は多層コネクタボードの４つの層の断面図であり、１つの電流経路要素及び電流センサの関連したコイルを示す。要素２０Ｂ及び関連したコイルは実質的に同一であることを理解されたい。各回路層は好ましくは電気的に絶縁する材料３６の層により分離されている。頂部の１次回路層２６ａは、絶縁材料３６ａの層に直接形成される導電ストリップ３２ｂを含む。絶縁層３６ａの下方の２磁界路層２８ａは、導電ストリップ３２ｂ、３２ｄに誘導的に密結合されるセンサコイル３０ｄを含む。センサーコイル３０ｄは、コイルを電流経路からそして付加的なセンサーコイルから分離する別の絶縁材料層３６ｄに直接形成される。例示の実施態様では、別の２次回路層２８ｂは絶縁層３６ｂの下方にあり、別のセンサコイル３０ｄに直列に電気的に接続される別のセンサコイル３０ｃを前の２次回路層に含む。前の２次回路層におけるように、センサコイル３０ｃは導電ストリップ３２ｂ、３２ｄに誘導的に密結合される。センサコイル３０ｃは絶緑材料の層３６ｃに直接形成される。付加的なセンサコイルを含む付加的な２次回路層は、１次回路層間にて多層コネクタボードに合体できる。最後に、底部層２６ｂは導電ストリップ３２ｄを含み、それは導電ストリップ３２ｄと共に、電流経路要素２０Ａを規定する。電子部品のリードとコネクタボードのメッキされたスルーホール３８との間の半田接続は１次層２６ａ、２６ｂにてなされる。各導電性コイル３０は開ループ変圧器の２次側のコイルを構成する。対応導電ストリップ３２及び離れている任意の別の導電ストリップを通る交流電流の流れにより生成される磁界に応じて、電圧が生成される。少なくとも１つのコイルは回路の電流経路の各導電ストリップの近くに配置される。各導電ストリップ近くのコイルは、ストリップに規定される電流経路に誘導的に密に結合されるが、同じ回路において、他の導電ストリップにより規定される他の電流経路に対しては少し疎に誘導的に結合される。換言すれば、コイルはストリップを通る電流が流れる間に生成される磁界の軌跡内にある。これに関して、第２Ａ図−第２Ｄ図及び第３図において最良に示されるように、各コイルは好ましくは、やや矩形形状に形成され、コイルの開口の長さは長くかつ幅が狭い。また、導電ストリップ又はそれに結合される導電ストリップは、コイルの長辺側に直接に垂直に整列されるコイルの上方又は下方に配設される。開口のより長い長さにより、電流が流れた時に導電ストリップ３２の周りに生成される（第３図に見られる）磁界４０Ａのより大きい部分を遮蔽できる。コイル３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び３０ｄは、いずれの拡張因子にも誘電的に結合された第２のコイルへの電流パス中を流れる電流の結果としてコイル中に誘導されるすべての電圧が加えられるように構成される。特に、第３図に示されるように、束線４０Ａは、導電ストリップ３２ｂを通って流れる電流により生じる電解によって形成される。束線４０Ｂは、導電ストリップ３２ｄを通って流れる電流により生じる電解によって形成される。いずれも、第３図における時計回り方向（すなわち、電流が図の平面てきな方向においてストリップ中を流れる場合）伸びることが示される。従って、二つのコイルを通って生じる電圧は、同じ極性を有する。コイル３０ｃおよび３０ｄは、コイル３０ｃの外方端部がコイル３０ｃの内方端部へＦで結合される状態で、二つのコイル電圧が加えられる。同様な効果は、４つすべての第２のコイルを通る電圧が加えられるように導電ストリップ３２ａ及び３２ｃを通って流れる同電流によって生じる。センサコイル中の誘導された電圧は、ロードを通る電流の大きさで表され、以下の式に従い、各センサコイルの各ループについて計算される。式中、Ｅは定数であり、その値は主要な導電路及びセンサコイルの間の特殊な関連性をもって、それらのジオメトリーに依存する。ＶＯＵＴはセンサコイルの各ループ中に誘導された電圧の瞬間値である。μは磁界が生じる媒体の磁気透過性を示す。ｌは電流が流れる電流路の長さを示す。（センサコイルの一部を形成する導電ループの長さでもある。）I_oは負荷インピーダンスを通るピーク電流を示す。Ｗは電流経路の幅を示す。ｆはヘルツ（Ｈz）で表される交替電流の周波数を示す。センサは、電流経路を通る瞬間電流を瞬間電圧出力であらわす。平均電圧（すなわち電圧のｒｍｓ値）又は瞬間電圧の測定から得られるピーク電圧のような他の電圧値を容易に測定できる。本発明のセンサは、増大する周波数に比例して増加する周波数応答を有する。顕著に高い周波数、例えば８０ＭＨzと１２０ＭＨzの間の周波数で、ＰＣＢ変圧器は、無線周波数回路で用いられ、この場合の最高周波数と最低周波数の比はかなり小さく（例えば、１．５：１）周波数依存性は臨界的ではない。オーディオレンジ（２０Ｈz−２０ＫＨz）でみられるような比較的低周波数では、最低周波数に対する最高周波数の比は、１０００：１であり、従って周波数依存性は顕著である。センサの周波数依存性を除去し、高オーディオ周波数での応答を正常化するために、第２のコイルからの出力信号は、周波数の逆数に比例する周波数応答を有する増幅器へ供給される。第５図に示されるように、第２のコイルの一端は動作増幅器Ｏ₁の反転入力へ入力抵抗５０を通って結合され、一方、他端は増幅器Ｏ₁の非反転入力へ抵抗５２を通って結合される。増幅器の非反転入力は、抵抗５４及びコンデンサ５６を通ってシステムグランドに結合される。フィードバック抵抗５８及びフィードバックコンデンサ６０は、構成が集積増幅器を形成するように、増幅器Ｏ₁の出力及び反転入力間に平行に結合される。好ましい態様としては、抵抗５０及び５２は等しい値（Ｒ₁）であり、抵抗５４及び５８は等しい値（Ｒ₂）であり、コンデンサ５６および６０は等しい値（Ｃ₁）であることが好ましい。増幅器Ｏ₁、入力抵抗５０、フィードバック抵抗５８及びフィードバックコンデンサ６０は、−１／（２πＲ₁Ｃ₁）に等しい周波数応答ｋを有する集積器を形成する。増幅器Ｏ₁からの出力電圧Ｕ_1xは、以下のように表される。 (２) Ｕ_1x＝（Ｖ_OUT)（−１／(２πＲ₁Ｃ₁f)）従って、出力信号Ｕ_1xは、周波数ｆに依存しない。出力信号Ｕ_1xの反転値は、増幅器Ｏ₁の出力を受けるように反転増幅器Ｏ₃の出力により表される出力信号− Ｕ_1xを提供するように導かれる。回路中の４つの第２のセンサコイル３０は、上記したように連続して結合される。このコイルの構成から得られる利点は、回路のセンサのコイルを通る均一な外部磁界の影響が実質的に解除されることにある。そういった磁界は、例えば類似の変圧器や他の同様な装置によって形成される。例えば第３図の束線４２により示されるような外部磁界は、しばしばノイズや雑音として現れる希望しない干渉信号として回路中に生じるセンサコイル中の迷電圧を形成じる。実際の問題として、そういった外部磁界の大きさや強度は、回路において実質的に均一であることが考慮される。しかしながら、本発明において構成されるコイルにおいては、電圧は、実質的に排除される外部磁界により各一対のセンサ３０ａ−３０ｂ及び３０ｃ−３０ｄ（第３図に示される）を通って形成される。これは、２つのコイル３０ａ及び３０ｂ及び二つのコイル３０ｃおよび３０ｄがそれぞれ独立に形状およびサイズが決められ、同数のターンで他のコイルの上方に形成される場合であって、１セットのコイルのいずれもが、外部磁界からのフラックスを同量感知する場合にあてはまる。従って、コイル３０ａ及び３０ｄ（又は３０ｂ及び３０ｃ）を通る外部磁界からのフラックスは、効果的に他を排除する二つのコイルを通って電圧を誘導する。これは、直列に接続された２つのコイルが他方と向かい合って巻かれているためである。これとの関連で、第４図に示されるように、導電ストリップ３２ｂ及び３２ｄからの磁束は、コイル３０ａ及び３０ｂにより感知され、導電ストリップ３２ａ及び３２ｃ周辺の磁界により生成される磁束から誘導される電圧を減じる、コイル３０ａ及び３０ｂを通る外部エラー電圧を誘導する。しかしながら、コイル３０ａ及び３０ｂが、導電ストリップ３２ａ及び３２ｃよりも大きい放射状の距離をとって導電ストリップ３２ｂ及び３２ｄから間隔を置いて設けられるゆえに、感知されるエラー磁界は実質的に導電ストリップ３２ａ及び３２ｃから感知される磁界よりも小さい。これは、コイル３０ｃ及び３０ｄが導電ストリップ３２ｂ及び３２ｄの間にあるような、ボード２２の導電層の好ましい配置を与える。電気回路中のセンサーコイルの上記構成による効果は、電流が回路中を流れるＡＣ電流の結果としてセンサコイル中に誘導される電圧から正確に決定されることにあるが、外部電解の存在に起因する干渉信号は、効果的に排除される。従って、第２図、第２Ａ−２Ｄ図、第３図及び第４図に示される態様においては、端部Ａ及びＨの間の４つの電流センサ３０ａ−３０ｄが示されるが、少なくとも一つのセンサコイルが各電流導電要素２０の少なくとも１つの導電ストリップに誘電的に結合される場合には、より少ないセンサコイル用いられる。例えば、センサが外部磁界により顕著に影響を受けず、一のセンサコイル３０による信号が十分である場合（例えば、コネクタボードが十分に保護されている場合）には、必要なストリップへ誘電的に結合された１つの導電ストリップ３２及び１つのコイル３０が使用される。更に、同様な環境下では、１つの電流路２０が１つのコイルとともに使用される。センサーは、例えばコイルを通って誘導される電圧が供給される限り、導電要素２０を形成するコイル及び導電ストリップの数を増やすことにより更に感度を上げることができる。センサの数及び、単一の多重増コネクターボードに集積的に形成されたセンサ当たりのコイル及び導電ストリップの数は、コスト及びコネクタボードの有用な高さ、幅及び厚さと関係する。より多くのセンサの使用により、例えば、検出のダイナミックレンジ及び感度を増大できる。従って、効率的な利用が要求される。上記のごときデバイスは、電流路のインピーダンスに顕著に影響を与えることなく、コンパクトで、侵入的でなく、電流検出のための高精度センサであって、センサを通る電流の低インピーダンス路を保証する。センサは、信号エネルギー、好ましくは、オーディオ周波数レンジを有する電流の検出に特に有用性を有する。大切なことは、電流センサがプリント回路ボードの集積部として容易に作成されることである。従って、例えば、多くのセンサが、緊急警告システムの電力増幅の多チャネルを有する単一コネクタボードに低費用で合体できる。一つの例において、８つの分離したセンサが、８つの離れた部位への電流をモニタリングするため、電力増幅の単一コネクタボードに集積される。本発明のセンサ及び電流経路形態の別の利点は、ボード上の近接するセンサにて誤って誘起される磁界電圧により生成される干渉信号（いわゆる「クロストーク」）が排除できることである。所定のセンサの出力信号に対する任意のセンサからの干渉信号の影響を測定でき、かつボード内の他のセンサにより乗じる干渉信号を実質的に相殺するためにその所定のセンサからの出力に、適切な訂正信号が印加される。訂正信号の大きさは経験的に決定されねばならないが、１次信号の周波数に比例し、かつボード内の１次導電路及びセンサコイルの幾何学及び内空間的な関係から決定され得る。好ましい信号の訂正方法が第６図に示される。Ｕ_1xは所定センサのコイルＳ_x からの（第５図の演算増幅器からの）出力電圧である。Ｕ_x+1、Ｕ_x+2、．．．、Ｕ_x+aは、所定のセンサ５の１つの辺の各付加的なセンサＳ_x+1 、Ｓ_x+2、．．．Ｓ_x+aからの出力電圧を表す。出力電圧Ｕ_x-1、Ｕ_x-2、．．．、Ｕ_x-bは所定のセンサ５の他辺の各付加的なセンサＳ_x-1、Ｓ_x-2、．．．、Ｓ_x-b からの出力電圧を表す。式（３）からの出力信号Ｕ_1xは、センサ及び比較的に離れた電流経路間の２次の誘導結合の結果として、干渉すなわちクロストーク信号を含み、として表すことができる。である）。全てのセンサＵ_2xからの出力信号はＵ_1xの値に等しく、全ての他のセンサからの全ての干渉信号の総和に等しい。この関係は、として表すことができる。式（５）中の第１行および第２行は、チャネルＸにおけるセンサＳ_xの望ましい信号および望ましくない信号（すなわち、干渉）を表している。第３行および第４行は、訂正信号を表す他のセンサＳ_x-1、・・・、Ｓ_x-bおよびＳ_x+1、・・・、Ｓ_xからの干渉信号の総和を表している。“ｍ_x-1”は、チャネルｘ−ｉからチャネルｘの各々の干渉信号の相対的な大きさを表すためのスケールファクタである。チャネルの合計数はａ＋ｂ＋１に等しい。Ｒ_x-1、・・・、Ｒ_x-bおよびＲ_x+1、・・・、Ｒ_x+a（経験値）の適切な抵抗値を選択することによって、各々の訂正信号は、センサＳ_xの一方のセンサからの干渉信号Ｕ_x-1、・・・、Ｕ_x-bと他方のセンサＳ_xの他方のセンサからの干渉信号Ｕ_x+1、・・・、Ｕ_x+bと絶対値が等しく、かつ、符号が反対となる。結果的に、基板上の隣接するセンサによって生成された干渉信号がキャンセルされ、センサＳ_xによる“真の”望ましい信号だけが残ることになる。この信号は以下のように表される (６) Ｕ_2x＝−（Ｒ₃／Ｒ₄）ｃＩ_ox 第６図に示されるように、第５図の周波数補償回路からのすべての出力電圧は演算増幅器Ｏ₂の負の入力端子に入力させられる。前述したように、本発明における電流センサのコイルの構造によれば、回路の他の部分からの信号と逆極性を有する回路の部分からの信号を識別することができる。従って、センサコイル３０ｃおよび３０ｄに誘起される干渉信号のいずれもが、例えば、コイル３０ａおよび３０ｂ、３０ｃおよび３０ｄを通過する実質的に均一な外部磁界に起因して、それらの外部磁界によりコイル３０ａおよび３０ｂに誘起された干渉信号によって相殺されそしてキャンセルされる。よって、上述したように、いずれかのセンサＳ_xからの出力信号Ｕ_2xは、入力信号に比例し、周波数に依存せず、かつ、実質的に均一な外部磁界もしくは隣接したセンサのクロストークの干渉による外部の信号要素を含まない。本願発明の要旨を変更しない限りにおいて、変更をなすことを妨げず、また、本願明細書および図面に示された記述は本願発明を解釈する上で考慮される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．検知可能な影響を負荷に与えることなく電気回路の負荷のインピーダンスに供給される電流を検出する電流センサであって、前記回路は電源と、当該電源および前記負荷インピーダンスの間において電流を流す電流経路とを備え、前記センサは：変圧回路の１次コイルを形成するように前記センサを前記電気回路の前記負荷インピーダンスに接続させるとともに、電流経路の一部をなす少なくとも１つの電流要素と；前記電流経路の要素の近傍の前記１次コイルに磁気的に密に結合されるように配置された、前記変圧回路の少なくとも１つの２次コイルと；前記電流経路の要素を経由する電流に応じて、負荷インピーダンスを経由する電流を表す出力信号を供給するとともに、前記２次コイルに結合された一対の出力端子とを備え；前記電流経路要素は、前記センサによって前記電気回路に印加されるレジスタンスおよびインダクタンスが最小になるように前記電源および前記負荷インピーダンスに直列に結合された実質的に短い細長状の導電体である電流センサ。２．特許請求の範囲第１項に記載の電流センサにおいて、前記２次コイルおよび前記電流経路の前記一部は、前記２次コイルおよび前記電流経路の前記一部をなす導電体を含む多層基板上に配置された電流センサ。３．特許請求の範囲第１項に記載の電流センサにおいて、前記電流経路と磁気的に疎に結合されるように前記１次コイルの前記電流経路の前記一部から離れて配置された他の２次コイルをさらに備え、前記両２次コイルを経由する実質的に均一な磁束に応じて、前記出力端子において異なる位相の信号要素を供給するように、複数の前記２次コイルは電気的に結合され、当該異なる位相の信号要素が互いに実質的に除去される電流センサ。４．特許請求の範囲第３項に記載の電流センサにおいて、複数の前記２次コイルおよび前記電流経路は、前記２次コイルおよび前記電流経路の前記一部をなす伝導体を含む多層基板上に配置された電流センサ。５．特許請求の範囲第３項に記載の電流センサにおいて、前記少なくとも１つの２次コイルは、前記電流経路の他の部分の少なくとも１つの近傍の前記１次コイルに磁気的に密に結合されるように配置され、前記他の２次コイルは前記電流経路のうちの先述の一部に磁気的に疎に結合され、前記出力端子の信号要素は、前記電流経路の両部分を経由する電流に応じて、実質的に互いに加えられ、前記電流経路の他の一部は、前記センサによって前記電気回路に印加されるレジスタンスおよびインダクタンスが最小になるように前記電源および前記負荷インピーダンスに直列に結合された実質的に短い細長状の伝導体である電流センサ。６．特許請求の範囲第１項に記載の電流センサにおいて、前記２次コイルおよび前記出力端子の間に結合されるとともに、周波数に実質的に依存しない前記出力信号を生成する手段をさらに備える電流センサ。７．負荷インピーダンスと、当該負荷インピーダンスに結合された電流経路とを含む電気回路における負荷インピーダンスを経由する電流を検出する電流センサシステムであって、当該電流センサシステムは、変圧回路を含む少なくとも１つのセンサを備え：前記変圧回路は；前記電流経路および負荷インピーダンスに直列に結合された１次コイルと；２つの２次コイルであって、一方のコイルが、前記電流経路の少なくとも一部の近傍の前記１次コイルに電気的に密に結合されるように配置され、他方の２次コイルが、前記一方の２次コイルと前記電流経路の前記部分とが磁気的に疎になるように前記１次コイルの前記電流経路の前記一部から離れて配置された２つの２次コイルと；前記電流経路を経由する電流に応じて、負荷インピーダンスを経由する電流を表す出力信号を供給するとともに、複数の前記２次コイルに結合された一対の出力端子とを備え；複数の前記２次コイルおよび前記電流経路の前記一部は、前記電流経路の前記一部および複数の前記２次コイルをなす導電体を含む多層基板上に配置された電流センサシステム。８．特許請求の範囲第７項に記載の電流センサシステムにおいて、複数の各々の前記センサの前記２次コイルおよび前記電流経路の前記一部が、前記電流経路の前記一部および複数の前記２次コイルをなす導電体を含む多層基板上に配置されたセンサを複数備える電流センサシステム。９．特許請求の範囲第８項に記載の電流システムにおいて、複数のセンサの各々が、前記多層基板上に配置された他の複数の前記センサの１次コイルによって生成された磁界に寄与する複数のセンサの各々の出力端子におけるクロストークを最小、もしくは実質的に除去するための手段を備える電流センサシステム。