特表 2024-533846 電流センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-12

(54)【発明の名称】電流センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/20 20060101AFI20240905BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

G01R15/20 C

G01R19/00 B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024520904

(86)(22)【出願日】2022-09-14

(85)【翻訳文提出日】2024-05-29

(86)【国際出願番号】 CN2022118643

(87)【国際公開番号】W WO2023056828

(87)【国際公開日】2023-04-13

(31)【優先権主張番号】202111171549.3

(32)【優先日】2021-10-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】514116947

【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄ ＆ Ｅ， Ｎｏ．２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｒｏａｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｆｒｅｅ Ｔｒａｄｅ Ｚｏｎｅ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２１５６３４ Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チー、ピン

(72)【発明者】

【氏名】シュエ、ソンション

(72)【発明者】

【氏名】チャン、チウユアン

【テーマコード（参考）】

2G025

2G035

【Ｆターム（参考）】

2G025AA04

2G025AA07

2G025AA11

2G025AB01

2G025AB02

2G025AC01

2G035AC02

2G035AD20

2G035AD28

2G035AD65

2G035AD66

(57)【要約】

本発明の実施形態は、電流センサを開示する。電流センサは、同一形状の第１の導体セクションおよび第２の導体セクションを備える、測定対象の電流導体を備える。第１の導体セクションおよび第２の導体セクションの延長形状によって取り囲まれるエリアはＵ字形であり、２つの導体セクションは、測定対象の電流導体の幾何学中心線を中心にして対称的に分配される。第１の磁気センサ群は、第１の導体セクションの１つまたは２つの側に配置される。第２の磁気センサ群も、第１の導体セクションの１つまたは２つの側に配置される。これら２つの磁気センサ群は、測定対象の電流導体の幾何学中心線を中心にして対称的に分配され、同じ感知方向を有する。すべての側は遮蔽カバーによって取り囲まれ、遮蔽カバーは、測定対象の電流導体、第１の磁気センサ群、第２の磁気センサ群、ならびに信号プロセッサおよび回路基板を包む、絶縁材料で作られたハウジング内に置かれる。本発明の実施形態によって提供される電流センサは、サイズが小さく、強力な耐干渉性、広い測定範囲、少ない温度ドリフト、高周波応答、および高い測定精度を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の電流導体であって、同一形状の第１の導体セクションおよび第２の導体セクションを含み、該第１の導体セクションおよび該第２の導体セクションの延長形状によって取り囲まれるエリアが「Ｕ」字形であり、該第１の導体セクションおよび該第２の導体セクションが該測定対象の電流導体の幾何学中心線を中心にして対称的に分配される、測定対象の電流導体と、
第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群であって、該第１の磁気センサ群が該第１の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、該第２の磁気センサ群が該第２の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、該第１の磁気センサ群および該第２の磁気センサ群が該測定対象の電流導体の該幾何学中心線を中心にして対称的に分配され、該第１の磁気センサ群および該第２の磁気センサ群が同じ感知方向を有する、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群と、
信号プロセッサ、回路基板、全面が囲まれた遮蔽カバーであって、該遮蔽カバーがハウジング内に置かれ、該測定対象の電流導体、該第１の磁気センサ群、該第２の磁気センサ群、該信号プロセッサ、および該回路基板を取り囲む、信号プロセッサ、回路基板、および遮蔽カバーと
を備え、
電流が前記測定対象の電流導体を流れた後、該第１の導体セクションおよび該第２の導体セクションがそれぞれ、該幾何学中心線の方向で上側および下側に測定対象の磁場を発生させ、該測定対象の磁場が、同じ大きさを有するとともに、該測定対象の電流導体の該幾何学中心線を中心にして反対方向で対称的に分配され、該第１の磁気センサ群が、該測定対象の電流導体の該第１の導体セクションを流れる該電流によって発生する測定対象の第１の磁場を検出するのに使用され、該第２の磁気センサ群が、該測定対象の電流導体の該第２の導体セクションを流れる該電流によって発生する測定対象の第２の磁場を検出するのに使用され、
該測定対象の第１の磁場および該測定対象の第２の磁場が測定対象の差分磁場を構築し、該測定対象の差分磁場が、該第１の磁気センサ群および該第２の磁気センサ群によって差分電圧信号に変換され、該差分電圧信号が、該信号プロセッサによって処理され、該測定対象の電流に比例するとともに該測定対象の電流と連動してリアルタイムで変化する出力信号に変換され、該出力信号が、該回路基板に接続された引出しリード線によって出力される、
電流センサ。

【請求項2】

前記測定対象の電流導体が、単一材料の金属導体または均質合金導体である、請求項１に記載の電流センサ。

【請求項3】

前記測定対象の電流導体の対称エリアの断面形状が、長方形、台形、円形、または半円形である、請求項１に記載の電流センサ。

【請求項4】

前記第１の磁気センサ群および前記第２の磁気センサ群が前記回路基板上に対称的に配置され、前記回路基板が前記測定対象の電流導体の１つまたは２つの側に対称的に分配され、
前記第１の磁気センサ群および前記第２の磁気センサ群がそれぞれ、前記第１の導体セクションの１つまたは２つの側に間隔を置いて並列に配置されたＭ個の磁気センサユニットで構成され、該磁気センサユニットが前記回路基板に取り付けられ、Ｍが正の整数であり、
前記第１の磁気センサ群の前記出力信号および前記第２の磁気センサ群の前記出力信号がそれぞれ、該Ｍ個の磁気センサユニットの変換された信号の平均値であり、前記第１の磁気センサ群の前記出力信号および前記第２の磁気センサ群の前記出力信号が差分電圧信号を構築する、
請求項１に記載の電流センサ。

【請求項5】

前記磁気センサユニットが、ホールセンサ、異方性磁気センサ、巨大磁気センサ、またはトンネル磁気センサである、請求項４に記載の電流センサ。

【請求項6】

前記遮蔽カバーの材料が、パーマロイ、ケイ素鋼、純鉄、導磁性金属材料、または合金である、請求項１に記載の電流センサ。

【請求項7】

前記信号プロセッサが、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、前記第１の磁気センサ群および前記第２の磁気センサ群によって変換された前記差分電圧信号が、該温度補償ユニット、該非線形補償ユニット、および該演算増幅器を順次通過して、前記電流センサの前記出力信号を形成する、請求項１に記載の電流センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、磁気センサ技術の分野に関し、特に、電流センサに関する。

【背景技術】

【0002】

長年にわたり、電力システム、風力発電、太陽光発電、周波数変換器、鉄道輸送、および産業用制御などの業界において、電流センサに対する大規模の重要な需要があった。人工知能およびスマートなモノのインターネットの躍進的な発展に伴い、電流センサに対する要件はさらに増大していく。小型化、統合、高周波数応答、および高速応答が、電流センサの今後の発展の方向である。

【0003】

現在、電流測定に一般に使用されるシャント、変流器、ホール電流センサ、およびフラックスゲート電流センサは、測定対象の導体によって発生する電場または磁場の変化を異なる方法で検出して、電流検出を達成している。特許出願ＣＮ２００４１００６９８３３．Ｘは、開ループ電流センサの製造方法を開示しており、その動作原理は、鉄芯の空隙内に置かれた磁場検出器を使用して、測定対象の導体によって発生する磁場の変化を検出し、それによって電流検出を達成するというものである。しかしながら、この解決策には、鉄芯のサイズが大きいため、電流センサ全体のサイズも比較的大きいこと、コストが高いこと、高周波特性に乏しいため、高周波成分があると鉄芯が渦電流を発生させる傾向にあり、安全上のリスクが生じること、といった欠陥がある。特許出願ＣＮ２０１２１０４０９１４９．６は電流センサを開示している。この電流センサは、磁気抵抗集積チップと、演算増幅器と、抵抗器と、プリント回路基板と、測定対象のＵ字形の電線とを含む。Ｕ字形の電線によって発生する差分磁場は、フルブリッジ構造の磁気抵抗集積チップによって検出され、それによって電流検出が達成される。しかしながら、上述の電流センサは、複数の軟磁性層および補償リード層を配置する必要があること、プロセスが複雑で、その要件が比較的高いこと、干渉防止性能が高くないこと、といった欠陥がある。電流センサを大電流が通過する場合、または周囲にある特定の強度の外部磁場による干渉がある場合、磁気抵抗集積チップの１つまたは２つのブリッジアームの飽和が簡単に起こり、それがセンサの測定精度に影響を及ぼす。

【0004】

変流器、ホール電流センサ、およびフラックスゲート電流センサは、磁場を増幅するとともに測定精度を改善し、それによって電流の絶縁測定を達成するのに、磁気リング構造を使用する必要がある。電流測定の間、測定される電流導体は磁気リングの中央穴を貫通する必要があり、そのため、測定デバイスの体積は、測定される電流導体および磁気リングのサイズに応じて決まる。一方、磁気リング自体の周波数特性は、測定デバイスの周波数応答特性を厳格に制限するため、測定デバイスが高速応答および広い測定帯域幅を達成することが困難になる。定格電流が大きいこれらのタイプのセンサは、嵩高で高価であり、広く使用することができない。さらに、解決策に柔軟性がないため、異なる電流測定のシナリオに柔軟に適応させることが困難になっている。

【発明の概要】

【0005】

本発明の実施形態は、測定範囲が狭い、高周波特性に乏しい、測定精度が低い、サイズが大きいなど、既存の電流センサの問題を解決する電流センサを提供する。

【0006】

本発明の一実施形態は、電流センサを提供し、電流センサは、
測定対象の電流導体であって、同一形状の第１の導体セクションおよび第２の導体セクションを含み、第１の導体セクションおよび第２の導体セクションの延長形状によって取り囲まれるエリアが「Ｕ」字形であり、第１の導体セクションおよび第２の導体セクションが測定対象の電流導体の幾何学中心線を中心にして対称的に分配される、測定対象の電流導体と、
第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群であって、第１の磁気センサ群が第１の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、第２の磁気センサ群が第２の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群が測定対象の電流導体の幾何学中心線を中心にして対称的に分配され、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群が同じ感知方向を有する、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群と、
信号プロセッサ、回路基板、および全面が囲まれた遮蔽カバーであって、遮蔽カバーがハウジング内に置かれ、測定対象の電流導体、第１の磁気センサ群、第２の磁気センサ群、信号プロセッサ、および回路基板を取り囲む、信号プロセッサ、回路基板、および遮蔽カバーとを備える。

【0007】

電流が測定対象の電流導体を流れた後、第１の導体セクションおよび第２の導体セクションはそれぞれ、幾何学中心線の方向で上側および下側に測定対象の磁場を発生させる。測定対象の磁場は、同じ大きさを有し、測定対象の電流導体の幾何学中心線を中心にして反対方向で対称的に分配される。第１の磁気センサ群は、測定対象の電流導体の第１の導体セクションを流れる電流によって発生する測定対象の第１の磁場を検出するのに使用され、第２の磁気センサ群は、測定対象の電流導体の第２の導体セクションを流れる電流によって発生する測定対象の第２の磁場を検出するのに使用される。測定対象の第１の磁場および測定対象の第２の磁場は、測定対象の差分磁場を構築する。測定対象の差分磁場は、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群によって、差分電圧信号に変換される。差分電圧信号は、信号プロセッサによって処理され、測定対象の電流に比例するとともに測定対象の電流と連動してリアルタイムで変化する出力信号に変換される。出力信号は、回路基板に接続された引出しリード線によって出力される。

【0008】

さらに、測定対象の電流導体は、単一材料の金属導体または均質合金導体である。

【0009】

さらに、測定対象の電流導体の対称エリアの断面形状は、長方形、台形、円形、または半円形である。

【0010】

さらに、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群は回路基板上に対称的に配置され、回路基板は測定対象の電流導体の１つまたは２つの側に対称的に分配され、
第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群はそれぞれ、第１の導体セクションの１つまたは２つの側に間隔を置いて並列に配置されたＭ個の磁気センサユニットで構成され、磁気センサユニットは回路基板に取り付けられ、Ｍは正の整数であり、
第１の磁気センサ群の出力信号および第２の磁気センサ群の出力信号はそれぞれ、Ｍ個の磁気センサユニットの変換された信号の平均値であり、第１の磁気センサ群の出力信号および第２の磁気センサ群の出力信号は差分電圧信号を構築する。

【0011】

さらに、磁気センサユニットは、ホールセンサ、異方性磁気センサ、巨大磁気センサ、またはトンネル磁気センサである。

【0012】

さらに、遮蔽カバーの材料は、パーマロイ、ケイ素鋼、純鉄、導磁性金属材料、または合金である。

【0013】

さらに、信号プロセッサは、温度補償ユニットと、非線形補償ユニットと、演算増幅器とを備える。第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群によって変換された差分電圧信号は、温度補償ユニット、非線形補償ユニット、および演算増幅器を順次通過して、電流センサの出力信号を形成する。

【0014】

本発明の実施形態では、電流センサの測定対象の電流導体はＵ字形である。第１の磁気センサ群は第１の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、第２の磁気センサ群は第２の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、集磁構造は不要であり、全体構造のサイズが小さく低コストになる一方で、電流センサの周波数応答特性が大幅に改善される。電流センサは、第１の磁気センサ群を使用して、第１の導体セクションにおける測定対象の磁場を検出し、第２の磁気センサ群を使用して、第２の導体セクションにおける測定対象の磁場を検出する。これら２つの測定対象の磁場は測定対象の差分磁場を構築し、それが、外部磁場干渉に対する電流センサの抵抗性を有効に改善することができる。遮蔽カバーを配置することによって、測定対象の電流の精密検出に影響を及ぼすことなく、周囲環境からの電磁干渉を有効に弱めるかまたはさらには排除することができ、それにより、外部干渉によって起こる磁気センサユニットの異常飽和が回避され、外部磁場干渉に対する電流センサの抵抗性がさらに改善される。複数の磁気センサ群が電流センサ内に配置されて、高い信号対雑音比および高い空間フォールトトレランスを有し、低周波および高周波電流測定における電流センサの高い精度および少ない温度ドリフトが担保される。これにより、電流の精密絶縁検出が達成され、測定範囲が拡張する。本発明の実施形態によって提供される電流センサは、サイズが小さく、強力な干渉耐性、広い測定範囲、少ない温度ドリフト、高周波応答、および高い測定精度を有する。

【0015】

本発明の実施形態または従来技術の技術的解決策をより明解に説明するために、実施形態または従来技術について記載するのに必要な添付図面について以下に簡潔に述べる。以下の記載における添付図面は本発明の特定の実施形態であるが、当業者にとって、それらの実施形態を、本発明の様々な実施形態によって開示され指示されるデバイス構造、駆動方法、および製造方法の基本概念に基づいて、他の構造および図面へと拡張し拡大することができ、これらが間違いなく本発明の特許請求の範囲内にあることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態による電流センサを示す概略図である。

【図2】本発明の一実施形態による測定対象の電流導体の形態を示す概略図である。

【図3】本発明の一実施形態による別の測定対象の電流導体の形態を示す概略図である。

【図4】本発明の一実施形態による別の電流センサを示す概略図である。

【図5】本発明の一実施形態によるさらに別の電流センサを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の目的、技術的解決策、および利点をより明確にするために、本発明の技術的解決策について、本発明の実施形態において添付図面を参照して、実現例を通して明確かつ十分に記載する。当然ながら、記載する実施形態は、本発明の実施形態の一部分であってすべてではない。本発明の実施形態によって開示され指示される基本概念に基づいて、当業者によって得られる他のすべての実施形態は本発明の保護範囲内にある。

【0018】

図１を参照すると、この図は、本発明の一実施形態による電流センサの概略図である。本実施形態で提供される電流センサは、測定対象の電流導体１０１であって、同一形状の第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３を備え、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３の延長形状によって取り囲まれるエリアが「Ｕ」字形であり、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３が測定対象の電流導体１０１の幾何学中心線１０４を中心にして対称的に分配される、測定対象の電流導体１０１と、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６であって、第１の磁気センサ群１０５が第１の導体セクション１０２の１つまたは２つの側に配置され、第２の磁気センサ群１０６が第２の導体セクション１０３の１つまたは２つの側に配置され、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６が測定対象の電流導体１０１の幾何学中心線１０４を中心にして対称的に分配され、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６が同じ感知方向を有する、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６と、信号プロセッサ１０８、回路基板１０７、および全面が囲まれた遮蔽カバー１１４であって、遮蔽カバー１１４がハウジング１１５内に置かれ、測定対象の電流導体１０１、第１の磁気センサ群１０５、第２の磁気センサ群１０６、信号プロセッサ１０８、および回路基板１０７を取り囲む、信号プロセッサ１０８、回路基板１０７、および遮蔽カバー１１４とを備え、ハウジング１１５が絶縁材料で作られる。電流が測定対象の電流導体１０１を流れた後、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３は、幾何学中心線１０４の方向で上側および下側に、測定対象の磁場をそれぞれ発生させる。測定対象の磁場は、同じ大きさを有し、測定対象の電流導体１０１の幾何学中心線１０４を中心にして反対方向で対称的に分配される。第１の磁気センサ群１０５は、測定対象の電流導体１０１の第１の導体セクション１０２を流れる電流によって発生する測定対象の第１の磁場を検出するのに使用され、第２の磁気センサ群１０６は、測定対象の電流導体１０１の第２の導体セクション１０３を流れる電流によって発生する測定対象の第２の磁場を検出するのに使用される。測定対象の第１の磁場および測定対象の第２の磁場は、測定対象の差分磁場を構築する。測定対象の差分磁場は、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６によって、差分電圧信号に変換される。差分電圧信号は、信号プロセッサ１０８によって処理され、測定対象の電流に比例するとともに測定対象の電流と連動してリアルタイムで変化する出力信号に変換される。出力信号は、回路基板１０７に接続された引出しリード線１０９によって出力される。

【0019】

本実施形態では、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３は同一形状を有して、「Ｕ」字形構造の測定対象の電流導体１０１を形成する。

【0020】

図２を参照すると、この図は、本発明の一実施形態による測定対象の電流導体の形態の概略図である。任意に、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３の延長形状はＬ字形であり、これら２つが「Ｕ」字形の測定対象の電流導体１０１を形成する。測定対象の電流導体１０１は幾何学中心線１０４を有し、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３は、幾何学中心線１０４を中心にして軸対称に分配される。

【0021】

図３を参照すると、この図は、本発明の一実施形態による別の測定対象の電流導体の形態の概略図である。任意に、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３の延長形状はＺ字形に類似し、これら２つが「Ｕ」に類似する形状の測定対象の電流導体１０１を形成する。測定対象の電流導体１０１は幾何学中心線１０４を有し、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３は、幾何学中心線１０４を中心にして軸対称に分配される。

【0022】

測定対象の電流導体１０１の延長形状は、Ｕ字形またはＵに類似する形状であってもよいことが分かる。これに基づいて、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３は、測定対象の電流導体１０１を形成するように合理的に選択されてもよい。ここで、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３は、２つの独立した導体セクションではなく、測定対象の電流導体１０１の部分である。具体的には、完全な測定対象の電流導体１０１を仮想的に分割した場合、Ｕ字形の測定対象の電流導体１０１は、対称的であって同一形状を有する第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３に分割されてもよい。

【0023】

Ｕ字形の測定対象の電流導体１０１が位置する面を、図１に示されるように、水平面Ｘ－Ｙとすると、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６は任意に、面Ｘ－Ｙにおいて測定対象の電流導体１０１が位置するのと同じ側に配置される。測定対象の電流導体１０１の面Ｘ－Ｙに直交する方向Ｚで、第１の磁気センサ群１０５は、測定対象の電流導体１０１が位置する面Ｘ－Ｙを垂直に投影する方向で第１の導体セクション１０２に重なり、つまり、Ｚ方向で、第１の磁気センサ群１０５は第１の導体セクション１０２の上方のエリアに位置する。第２の磁気センサ群１０６は、測定対象の電流導体１０１が位置する面Ｘ－Ｙを垂直に投影する方向で第２の導体セクション１０３に重なり、つまり、Ｚ方向で、第２の磁気センサ群１０６は第２の導体セクション１０３の上方のエリアに位置する。

【0024】

電流センサはまた、回路基板１０７を備える。任意に、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６はそれぞれ１つの磁気センサユニットで構成され、それぞれ回路基板１０７の上側表面上に対称的に配置される。具体的には、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６は、回路基板１０７の上側表面上に配置され、回路基板１０７は、磁気センサ群と測定対象の電流導体１０１との間に位置する。回路基板１０７の上側表面はさらに、信号プロセッサ１０８と引出しリード線１０９とを備える。第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６はそれぞれ、回路基板１０７を通して、信号プロセッサ１０８および引出しリード線１０９に電気的に接続される。回路基板１０７の上側表面上に位置する第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６はまた、測定対象の電流導体１０１の幾何学中心線１０４を中心にして軸対称に分配される。第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６は同じ感知方向を有する。

【0025】

他の実施形態では、第１の磁気センサ群はまた、任意に、第１の導体セクションの２つの側に配置されてもよく、第２の磁気センサ群は第２の導体セクションの２つの側に配置されてもよい。

【0026】

測定対象の電流導体１０１は通電される。具体的には、電流は、第１の導体セクション１０２の始端に流れ込み、第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３を通り、次に第２の導体セクション１０３の終端から流れ出る。図１に示されるように、電流が測定対象の電流導体１０１に流れ込む方向は１１０であり、電流が測定対象の電流導体１０１から流れ出る方向は１１１である。電流が第１の導体セクション１０２に流れ込むことにより、第１の導体セクション１０２は、幾何学中心線１０４の方向で見て２つの側で測定対象の第１の磁場を発生させる。回路基板１０７の位置における測定対象の第１の磁場の磁場方向は１１２である。電流が第２の導体セクション１０３に流れ込むことにより、第２の導体セクション１０３は、幾何学中心線１０４の方向で見て２つの側で測定対象の第２の磁場を発生させる。回路基板１０７の位置における測定対象の第２の磁場の磁場方向は１１３である。測定対象の第１の磁場の磁場方向１１２および測定対象の第２の磁場の磁場方向１１３は、同じ大きさを有するが反対方向であり、２つの磁場方向はさらに、測定対象の電流導体１０１の幾何学中心線１０４を中心にして反対方向で対称的に分配される。

【0027】

第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６は同じ感知方向を有し、それらは両方とも、測定対象の第１の磁場の磁場方向１１２と同じである。第１の磁気センサ群１０５は、測定対象の電流導体１０１の第１の導体セクション１０２を流れる電流によって発生する測定対象の第１の磁場を検出するのに使用されてもよく、第２の磁気センサ群１０６は、測定対象の電流導体１０１の第２の導体セクション１０３を流れる電流によって発生する測定対象の第２の磁場を検出するのに使用されてもよい。測定対象の第１の磁場および測定対象の第２の磁場は、測定対象の差分磁場を形成する。測定対象の差分磁場は、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６によって、差分電圧信号に変換される。

【0028】

電流センサはさらに、信号プロセッサ１０８を備える。信号プロセッサ１０８は、回路基板１０７に電気的に接続される。測定対象の第１の磁場および測定対象の第２の磁場に基づいて、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６によって変換され生成された差分電圧信号は、信号プロセッサ１０８によって処理され、測定対象の電流に比例するとともに測定対象の電流と連動してリアルタイムで変化する出力信号に変換される。出力信号は、回路基板１０７に接続された引出しリード線１０９によって出力される。

【0029】

電流センサはさらに、全面が囲まれた遮蔽カバー１１４を備える。遮蔽カバー１１４は、絶縁材料で作られたハウジング１１５の内部に置かれる。遮蔽カバー１１４は、測定対象の電流導体１０１、第１の磁気センサ群１０５、第２の磁気センサ群１０６、信号プロセッサ１０８、および回路基板１０７を取り囲む。絶縁材料で作られたハウジング１１５は、電流センサの電気的安全性を向上させることができる。電流センサの内部構造の一部のみが図１に示されていることが分かる。実際には、電流センサの内部構造全体が遮蔽カバー１１４によって完全に取り囲まれ、遮蔽カバー１１４は次に、絶縁性ハウジング１１５によって取り囲まれる。回路基板１０７に接続された引出しリード線１０９は、遮蔽カバー１１４を通してハウジング１１５から引き出されることが注目されるべきである。

【0030】

任意に、測定対象の電流導体１０１は、単一材料の金属導体または均質合金導体である。しかしながら、これに限定されず、測定対象の電流導体の材料は、測定対象の電流導体の機能を担保することに基づいて合理的に選択されてもよい。

【0031】

任意に、測定対象の電流導体１０１の対称エリアの断面形状は、長方形、台形、円形、または半円形である。つまり、測定対象の電流導体１０１の第１の導体セクション１０２および第２の導体セクション１０３の断面に対するＸ－Ｚ面を使用して、測定対象の電流導体１０１の断面形状は、任意に、長方形、台形、円形、または半円形であってもよい。しかしながら、これに限定されず、測定対象の電流導体の断面形状は、測定対象の電流導体の機能を担保することに基づいて合理的に設計されてもよい。

【0032】

任意に、遮蔽カバーの材料は、パーマロイ、ケイ素鋼、純鉄、導磁性金属材料、または合金である。しかしながら、これに限定されず、遮蔽カバーの材料は、遮蔽カバーの遮蔽機能を担保することに基づいて合理的に選択されてもよい。

【0033】

任意に、第１の磁気センサ群は、１つまたは複数の磁気センサユニットで構成され、第２の磁気センサ群も、１つまたは複数の磁気センサユニットで構成される。任意に、磁気センサユニットは、ホールセンサ、異方性磁気センサ、巨大磁気センサ、またはトンネル磁気センサである。しかしながら、これに限定されず、磁気センサ群を構成する磁気センサユニットは、電流センサの機能を担保することに基づいて合理的に選択されてもよい。

【0034】

任意に、信号プロセッサ１０８は、温度補償ユニットと、非線形補償ユニットと、演算増幅器とを備える。第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６によって変換された差分電圧信号は、温度補償ユニット、非線形補償ユニット、および演算増幅器を順次通過して、電流センサの出力信号を形成する。

【0035】

本実施形態では、信号プロセッサ１０８は、回路基板１０７に電気的に接続される。信号プロセッサ１０８の温度補償ユニットは、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６の電圧信号に対して温度補償を実施する。非線形補償ユニットは、温度補償された電圧信号に対して非線形補償を実施する。演算増幅器は、非線形補償された電圧信号に対して利得増幅を実施し、それにより、電流センサの高い精度および少ない温度ドリフトが担保され、電流の精密絶縁検出が達成されてもよい。任意に、信号プロセッサは、温度補償ユニットおよび非線形補償ユニットを備える、プログラマブル調整チップである。

【0036】

本発明の実施形態では、電流センサの測定対象の電流導体はＵ字形である。第１の磁気センサ群は第１の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、第２の磁気センサ群は第２の導体セクションの１つまたは２つの側に配置され、集磁構造は不要であり、全体構造のサイズが小さく低コストになる一方で、電流センサの周波数応答特性が大幅に改善される。電流センサは、第１の磁気センサ群を使用して、第１の導体セクションにおける測定対象の磁場を検出し、第２の磁気センサ群を使用して、第２の導体セクションにおける測定対象の磁場を検出する。これら２つの測定対象の磁場は測定対象の差分磁場を構築し、それが、外部磁場干渉に対する電流センサの抵抗性を有効に改善することができる。遮蔽カバーを配置することによって、測定対象の電流の精密検出に影響を及ぼすことなく、周囲環境からの電磁干渉を有効に弱めるかまたはさらには排除することができ、それにより、外部干渉によって起こる磁気センサユニットの異常飽和が回避され、外部磁場干渉に対する電流センサの抵抗性がさらに改善される。複数の磁気センサ群が電流センサ内に配置されて、高い信号対雑音比および高い空間フォールトトレランスを有し、低周波および高周波電流測定における電流センサの高い精度および少ない温度ドリフトが担保される。これにより、電流の精密絶縁検出が達成され、測定範囲が拡張する。本発明の実施形態によって提供される電流センサは、サイズが小さく、強力な耐干渉性、広い測定範囲、少ない温度ドリフト、高周波応答、および高い測定精度を有する。

【0037】

例えば、上述の技術的解決策に基づいて、任意に、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群は回路基板上に対称的に配置され、回路基板は測定対象の電流導体の１つまたは２つの側に対称的に分配される。第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群はそれぞれ、第１の導体セクションの１つまたは２つの側に間隔を置いて並列に配置されたＭ個の磁気センサユニットで構成される。磁気センサユニットは回路基板に取り付けられ、Ｍは正の整数である。第１の磁気センサ群の出力信号および第２の磁気センサ群の出力信号はそれぞれ、Ｍ個の磁気センサユニットの変換された信号の平均値である。第１の磁気センサ群の出力信号および第２の磁気センサ群の出力信号は、差分電圧信号を形成する。

【0038】

本実施形態では、任意に、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群はそれぞれ、並列に接続されたＭ個の磁気センサユニットで構成され、Ｍは正の整数である。

【0039】

図１に示されるように、Ｍ＝１であり、つまり、第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６はそれぞれ１つの磁気センサユニットで構成され、それらはそれぞれ回路基板１０７の上側表面上に対称的に配置される。第１の磁気センサ群１０５および第２の磁気センサ群１０６は同じ感知方向を有する。

【0040】

図４を参照すると、この図は、本発明の一実施形態による別の電流センサの概略図である。図４に示されるように、Ｍは１よりも大きく、任意にＭ＝３である。第１の磁気センサ群は、並列に接続された３つの磁気センサユニット４０５、４０６、および４０７で構成され、第２の磁気センサ群は、並列に接続された３つの磁気センサユニット４０８、４０９、および４１０で構成され、それらは、測定対象の電流導体４０１の幾何学中心線４０４を軸線として、回路基板４１１の上側表面上に対称的に分配される。第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群は同じ感知方向を有する。具体的には、磁気センサユニット４０５、４０６、４０７、４０８、４０９、および４１０は同じ感知方向を有する。

【0041】

回路基板４１１は、「Ｕ」字形の測定対象の電流導体４０１を形成する、第１の導体セクション４０２および第２の導体セクション４０３の上側に配置される。測定対象の電流４１２は、図面に示される矢印の方向で測定対象の電流導体４０１に流れ込み、第１の導体セクション４０２および第２の導体セクション４０３それぞれの上側に、測定対象の第１の磁場および測定対象の第２の磁場を発生させる。２つの測定対象の磁場は、同じ大きさと反対の方向を有し、測定対象の電流導体４０１の幾何学中心線４０４を中心にして対称的に分配されて、測定対象の差分磁場を形成する。第１の磁気センサ群の出力信号は、３つの磁気センサユニット４０５、４０６、および４０７の出力信号の平均値であり、第２の磁気センサ群の出力信号は、３つの磁気センサユニット４０８、４０９、および４１０の出力信号の平均値である。第１の磁気センサ群の出力信号および第２の磁気センサ群の出力信号は、測定対象の差分磁場を形成し、測定対象の差分磁場は、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群を通して差分電圧信号に変換される。

【0042】

本実施形態では、複数の磁気センサユニットが磁気センサ群に配置され、その結果、測定プロセスにおいて高い信号対雑音比および高い空間フォールトトレランスがもたらされる。これにより、低周波数および高周波数電流測定における、電流センサの高い精度および少ない温度ドリフトが担保され、それにより、電流の精密絶縁検出が達成され、測定範囲が拡張する。

【0043】

例えば、上述の技術的解決策に基づいて、第１の磁気センサ群はまた、任意に、第１の導体セクションの２つの側に配置されてもよく、第２の磁気センサ群は第２の導体セクションの２つの側に配置されてもよい。図５を参照すると、この図は、本発明の一実施形態によるさらに別の電流センサの概略図である。図１との違いは、図５に示される電流センサでは、第１の磁気センサ群が、並列に接続された２つの磁気センサユニット５０４および５０５で構成され、第２の磁気センサ群が、並列に接続された２つの磁気センサユニット５０６および５０７で構成され、それらが２つの回路基板５０８および５０９上でそれぞれ対称的に配置される点である。

【0044】

図５に示されるように、測定対象の電流導体は、第１の導体セクション５０１と第２の導体セクション５０２とを備える。第１の導体セクション５０１および第２の導体セクション５０２は、測定対象の電流導体の幾何学中心線５０３を中心にして対称的に分配される。第１の磁気センサ群における２つの磁気センサユニット５０４および５０５は、第１の導体セクション５０１が位置する面の上側および下側に位置し、第２の磁気センサ群における２つの磁気センサユニット５０６および５０７は、第２の導体セクション５０２が位置する面の上側および下側に位置する。磁気センサユニット５０４および５０６は同じ感知方向を有し、磁気センサユニット５０５および５０７は同じ感知方向を有し、磁気センサユニット５０４および５０７は反対の感知方向を有する。

【0045】

回路基板５０８は、「Ｕ」字形の測定対象の電流導体を構築する第１の導体セクション５０１および第２の導体セクション５０２の上側に配置され、回路基板５０９は、「Ｕ」字形の測定対象の電流導体を構築する第１の導体セクション５０１および第２の導体セクション５０２の下側に配置され、回路基板５０８および５０９は、第１の導体セクション５０１および第２の導体セクション５０２の上側および下側に対称的に配置される。任意に、磁気センサユニット５０４および磁気センサユニット５０６は、回路基板５０８の上側表面上に位置し、磁気センサユニット５０５および磁気センサユニット５０７は、回路基板５０９の下側表面上に位置する。

【0046】

測定対象の電流は、電流方向５１０で第１の導体セクション５０１に流れ込み、測定対象の電流は、第１の導体セクション５０１の上側および下側において、対称的であって方向が反対である測定対象の磁場５１２および５１３を発生させる。２つの測定対象の磁場５１２および５１３は、第１の導体セクション５０１を中心にして軸対称に分配され、同じ大きさおよび反対の方向を有し、したがって差分磁場を形成する。測定対象の電流は、電流方向５１１で第２の導体セクション５０２から流れ出て、測定対象の電流は、第２の導体セクション５０２の上側および下側において、対称的であって方向が反対である測定対象の磁場５１４および５１５を発生させる。２つの測定対象の磁場５１４および５１５は、第２の導体セクション５０２を中心にして軸対称に分配され、同じ大きさおよび反対の方向を有し、したがって差分磁場を形成する。

【0047】

測定対象の磁場５１２および５１３、ならびに測定対象の磁場５１４および５１５は、測定対象の電流導体の幾何学中心線５０３を中心にして対称的に分配され、同じ大きさと反対の方向を有し、したがって測定対象の差分磁場を形成する。第１の磁気センサ群の出力信号は、２つの磁気センサユニット５０４および５０５の差分磁場変換された信号の平均値であり、第２の磁気センサ群の出力信号は、２つの磁気センサユニット５０６および５０７の差分磁場変換された信号の平均値である。第１の磁気センサ群の出力信号および第２の磁気センサ群の出力信号は、測定対象の差分磁場を構築する。測定対象の差分磁場は、第１の磁気センサ群および第２の磁気センサ群を通して、差分電圧信号に変換される。

【0048】

本発明の実施形態によって提供される電流センサは、サイズが小さく、強力な耐干渉性、広い測定範囲、少ない温度ドリフト、高周波応答、および高い測定精度を有する。

【0049】

上述の記載は、本発明の好ましい実施形態および技術的原理にすぎないことに留意すべきである。当業者であれば、本発明は本明細書の特定の実施形態に限定されず、また当業者にとって、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、組合せ、および差替えが行われてもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は上述の実施形態を通して詳細に記載されるが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく、他の等価の実施形態がさらに含まれてもよい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】