JP2002516396A - ホールセンサによって導体を流れる電流を非接触で測定する方法およびホールセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、導体（１）を流れる電流（Ｉ）をホールセンサ（２）によって非接触で測定する方法と、ホールセンサ装置とに関する。ホールセンサ（２）による非接触の電流測定では、ホール電圧振幅は極めて小さく、外部の電磁界から妨害を受けやすい。ホールセンサ（２）がホールセンサ（２）を少なくとも部分的に取り囲むことによって、有効な導体区分（１．１，１．２，１．３）の長さが伸び、信号振幅が増大する。ここでは２つのホールセンサが、前記導体に、電流に対して垂直に設けられた長孔の各端部に相互に間隔を置かれて配置され、かつ信号値としてこれらの２つのホールセンサのホール電圧の差分を検出するように接続されている。これに加えてこれらの２つのホールセンサによって信号振幅がさらに増大され、外部の電磁界の影響を受けないようにすることができる。本発明はまた自動車のバッテリ短絡保護装置への使用法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念に記載されたホールセンサ装置と、その使用法
とに関する。

【０００２】 電流を流す導体の物理的な原理から、電流に比例する電磁界がこれら導体の周
りに発生することは非接触の電流測定についてもすでに公知である。この電流測
定は、ホールセンサを、電磁界を検知する素子として導体の近傍で電磁界に配向
して配置することによって行われる。電界強度は、円形の導体断面ではつねに減
少し、任意の形状の導体では、所定の距離からは導体との間隔をＲとすると１／
Ｒに比例して減少する。

【０００３】 これによりホールセンサで測定可能な信号振幅は極めてわずかである。ここで
は電磁界を増大するために強磁性体が利用され、電磁界が集中される。しかしな
がらホールセンサの信号は必ずしも格段には増大されず、またこの場合に外部電
磁界、例えば隣接する電流の流れる導体または無線信号などの影響を極めて受け
易い。

【０００４】 本発明の課題は、ホールセンサによって非接触で電流測定を行うホールセンサ
装置を改善して、できる限り簡単に高い信号振幅が得られるようにすることであ
る。さらに外部の電磁界による妨害の受け易さを低減しなければならない。さら
に殊に有利なホールセンサ装置を提供しなければならない。

【０００５】 この課題は、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成によって解決される
。別の有利な特徴的構成は従属請求項に記載されている。

【０００６】 本発明の基本的な出発点は、１つのホールセンサ（または有利な実施形態では
２つのホールセンサ）に効果的に作用する導体長を長くすることである。これは
導体によってホールセンサを、コイルの原理にしたがって少なくとも部分的に包
囲することによって行われる。個々の導体区分はそれぞれ電磁界成分を形成し、
これらの成分は中央部で加算的に重畳される。したがってそこに配置されるホー
ルセンサは、格段に強力な、理想的にもほぼ３倍の強度の電磁界を測定すること
が可能である。

【０００７】 導体のＵ字形は、導体ケーブルを曲げることによって、または導体板からの打
ち抜きによって極めて簡単に形成することができる。

【０００８】 Ｕ字形に対して長孔は格段に高い機械的安定性を有する。この導体にはこの長
孔の両側で相互に平行に向いた電流成分が流れるため、ここでは各電磁界の方向
が長孔の内部で代わる。したがって間隔に強く依存する電界振幅に基づき、長孔
が十分に大きければ、ホールセンサのある長孔の端部で電磁界はさほど弱まらな
い。

【０００９】 しかしながら極めて有利であるのは、実施形態が手法として２つのホールセン
サを有することであり、ここでこれらの２つのホールセンサは、導体の長孔の反
対側の両端部に配置されている。この場合に逆方向を向いた２つの電磁界は、長
孔の内部でそれぞれその最高強度の箇所が測定される。ここで極めて有利である
ことが分かったのは、これらのホールセンサによって測定した２つの信号の差分
を評価することである。それは電磁界が逆方向に配向されることによって、値が
従来の測定方法よりもさらに２倍も大きな、ほぼ６倍もの大きな信号が、流れる
電流に比例して得られるからである。この差分による手法の重要な利点は、外部
の電磁界に対する妨害耐性も改善されていることである。それはこれらの外部の
電磁界が、電流の流れる導体の固有の電磁界とは異なり、長孔の内部領域におい
てほぼ一定であるからである。その理由はこれらの外部の電磁界の距離は、この
長孔の長さに比して比較的大きいことが多く、したがって相対的な電磁界変化は
比較的小さいからである。

【００１０】 相互に間隔が置かれた２つのホールセンサからなる、長孔に対するこのような
ホールセンサ装置は極めて簡単に製作することができ、かつ簡単に取り付け可能
である。両者のホールセンサには相互に直列に単一の動作電流によって給電可能
であり、ここで電流はこれらの２つのセンサを逆平行に流れ、すなわち一方は導
体の電流の方向に流れ、他方は逆に流れ、これによって符号が変化するため、２
つの信号成分の差分が得られ、長孔に関して外側にある、ホールセンサのタップ
にホール電圧が検出される。これに対して内部にあるホールセンサのタップは相
互に接続されている。

【００１１】 電磁界集中器としての強磁性体によって、少なくともホールセンサの領域で電
界強度をさらに高めることができる。

【００１２】 本発明を以下、実施例および図面を用いて詳しく説明する。

【００１３】 図の簡単な説明： 図１は、ホールセンサをＵ字形に取り囲む湾曲した導体ケーブルを有する非接
触形電流測定装置を示しており、 図２は、切り込み部によってＵ字形に構造化された、ホールセンサを有する導
体板を示しており、 図３は、図２のホールセンサを横方向にシフトした場合のホール電圧経過を示
しており、 図４は、軽微な製作公差に対してごくわずかしか影響を受けないことを示すた
めに図３の最適領域を拡大して示しており、 図５は、長孔を有する導体板と、２つのホールセンサとを示しており、 図６は、ホールセンサを図５の長孔に沿って横方向にシフトした場合のホール
電圧経過を示しており、 図７は、２つのホールセンサのホール電圧の線形な差分信号経過を電流に依存
して示しており、 図８は、長孔の両端部に電気的に直列に接続された２つのホールセンサと、電
磁界増大のための強磁性体とを有するホールセンサ装置とを示しており、 図９は、軽微な製作公差に対してごくわずかしか影響を受けないことを図８の
ホールセンサの場合に示しており、 図１０は、種々の電流測定装置を相互に比較して示している。

【００１４】 図１は、電流Ｉが流れる導体ケーブル１ａを示しており、これはＵ字形にホー
ルセンサ２を取り囲んで形成されている。ここでは３つの導体区分１．１，１．
２，１．３が得られており、それらの各電磁界成分Φ１，Φ２，Φ３は中央部で
加算的に重畳される。ホールセンサ２で取り出されるホール電圧は、導体１ａの
電流Ｉに比例する。ここでホールセンサ２は、詳しく図示しない定電流源によっ
て駆動される。導体に約４０Ａの電流が流れる場合、ホールセンサが上質であれ
ば、この装置において１００ｍＶを上回るホール電圧が得られる。これに対して
同じホールセンサで同じ導体断面であっても直線形状であれば最大約３０ｍＶし
か得られない。

【００１５】 図２は導体板１ｂを示しており、これは３つの切り込み部３，４，５によって
、同様に３つの導体区分１．１，１．２，１．３を有するＵ字形に形成されてい
る。中央の切り込み部４には同様にホールセンサ２があり、これに対して外部の
切り込み部３および５は、できる限り長い導体区分１．１および１．３を一定の
電流密度で形成する。ここでは電気抵抗はできる限り少なく保たれ、これによっ
て効率の損失が最小化される。図１および２によってすでに明らかなように、ほ
ぼすべての可能的な導体形状に対して上記のように部分的にホールセンサを取り
囲むことは可能である。当然、原理的にはＶ字形に取り囲むことも本発明の基本
原理に応じて可能であるが、この場合にはＵ字形のようには良好ではない。それ
はＶ字形によって、Ｕ字形の場合の３つの線路区分ではなくほぼ２つの導体区分
しか作用しないからである。

【００１６】 図２に書き込んだ、ホールセンサ２のｘ方向シフトの作用が図３に示されてい
る。ここで明瞭に分かるのは、中央切り込み部４のまさに内側端部で電界強度Ｂ
、ひいてはホール電圧Ｕ_Hallが最大であることである。電流が流れる導体１の外
部では当然、電磁界の符号が変化する。図３の拡大図が図４で示しているのは、
最適位置（ｘ＝０）の、すなわち中央切り込み部４の内側端部の近接領域（±０
．４ｍｍ）で、ホール電圧Ｕ_Hallが比較的にわずかしか減少せず、したがってこ
の手法が通例の製作公差の範囲内でごくわずかにしか影響を受けないことを示し
ている。

【００１７】 図５は導体装置１ｃを示しており、これは長孔６の形状で（矢印によって示さ
れた）電流方向に垂直に分けられる。電流成分Ｉ／２は、２つの導体区分に相互
に平行に流れる。しかしここでは長孔に各端部に、図１および２の構成と同様に
、この長孔の長手方向軸に平行に延在する各導体区分も作用する。このように形
成される導体区分を相応に厚く形成すれば、切り抜き部によって有効な導体区分
を減少させる必要はない。導体の厚さないしは断面は基本的に測定に対しては関
連せず、電気抵抗だけ影響し、ひいては損出電力に影響する。したがってＵ字形
の導体区分ないしは長孔の周りにおける導体の熱を回避するためには、断面また
はそこに使用される材料を相応に低抵抗に設計することが推奨される。

【００１８】 図６には再度、ホール電圧Ｕ_Hallの変化が、図５に示したｘ方向のシフトにつ
いて示されている。ここでは２つの電磁界は、相互に逆方向を向いており、長孔
の内部で部分的に重畳され、この長孔の両端部でそれぞれ最大に達していること
が明確に分かる。長孔の両端部に相互に間隔を置かれて配置された２つのホール
センサ２．１と２．ｂとによって、この最大値が検出される。相異なる符号を有
するこれら２つのホール電圧から差分ΔＵ_Hall＝Ｕ_hall（２．１）−Ｕ_hall（２
．２）を形成すると、値が２倍に大きい、電流に比例して依存する信号値が図７
に示されているように得られる。ここで殊に有利であるのは、わずかな相対的な
電界強度変化を有する外部電磁界、すなわち離れた電磁界は、その絶対的な電界
強度とは無関係に信号値には影響しないことである。

【００１９】 図８はホールセンサ装置を示しており、これは例えば自動車バッテリーの保護
領域における非接触の電流測定に使用される。接続は概略的に示されている。

【００２０】 ここでは長孔を有する導体装置１ｃが使用され、この長孔にホールセンサ装置
がはめ込まれる。長孔は当然、並列に接続されかつ長孔の領域で相応に拡開され
た平板導体によって実現することができる。図８のホールセンサ装置は２つのホ
ールセンサ２．１および２．２を有しており、これらはそれぞれ長孔の両端部に
関して相互に間隔を置かれて配置されている。ホールセンサ２．１および２．ｂ
は、共通の動作電流Ｉ_constによって駆動される。この動作電流は、第１ホール
センサ２．１を、隣接する導体区分の電流の方向に流れ、第２ホールセンサ２．
２を逆方向に流れる。ホール電圧差分ΔＵ_Hallは、長孔に関して外側にある、ホ
ールセンサのタップで検出され、これに対してこれらのホールセンサ２．１，２
．２の内側にあるタップは相互に接続されている。このホールセンサ装置は、少
なくとも一方の側に、有利には環状に導体を取り囲んで、最も簡単な場合は鉄製
の強磁性体１０を有している。これは力線を少なくともホールセンサの領域にお
いて集中させるためである。ホールセンサ装置を一方の側に形成することによっ
て極めて簡単な取り付けが可能であり、これはホールセンサ装置を長孔に挿入す
ることによって行われる。当然両方の側に形成することも可能である。

【００２１】 図９は、取り付け公差に対する相対的な耐性を図８のホールセンサ装置につい
ても示している。

【００２２】 図１０によってホール電圧特性曲線の比較が種々のホールセンサおよびその装
置に対して可能である。関数ｆ１ではホールセンサはまだ直線部に、U字形構成
の外部に設けられており、したがって４０Ａの電流時にの最大３０ｍＶのホール
電圧しか得られていないのに対して、Ｕ字形の切り込み部内にある同じホールセ
ンサは格段に急勾配の経過と、４０Ａの場合に１００ｍＶを上回るホール電圧と
を有している（ｆ２を参照されたい）。上等の高いホールセンサによればこの値
を関数ｆ３のようにさらに改善することができる。極めて有利なのは当然、強磁
性体も用いて電磁界を増大することであり、これは関数ｆ４で示されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ホールセンサをＵ字形に取り囲む湾曲した導体ケーブルを有する非接触形電流
測定装置を示す図である。

【図２】 切り込み部によってＵ字形に構造化された、ホールセンサを有する導体金属板
を示す図である。

【図３】 図２のホールセンサを横方向にシフトした場合のホール電圧経過を示す線図で
ある。

【図４】 軽微な製作公差に対してごくわずかしか影響を受けないことを示す図３の最適
領域の拡大線図である。

【図５】 長孔を有する導体板と、２つのホールセンサとを示す図である。

【図６】 ホールセンサを図５の長孔に沿って横方向にシフトした場合のホール電圧経過
を示す線図である。

【図７】 ２つのホールセンサのホール電圧の線形な差分信号経過を電流に依存して示す
線図である。

【図８】 長孔の両端部に電気的に直列に接続された２つのホールセンサと、電磁界増大
のための強磁性体とを有するホールセンサ装置とを示す図である。

【図９】 軽微な製作公差に対してごくわずかしか影響を受けないことを図８のホールセ
ンサの場合に示す線図である。

【図１０】 種々の電流測定装置を相互に比較して示す線図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年２月２６日（２０００．２．２６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項２】 前記ホールセンサは、力線を集中する強磁性体（１０）に載
置されている 請求項１に記載のホールセンサ装置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導体を流れる電流を非接触で測定するホールセンサ装置であ
   って、 該ホールセンサ装置は少なくとも１つのホールセンサと導体とを有しており、 該導体は部分的に相異なる方向を有する導体区分（１．１，１．２，１．３）
   を有しており、 該導体区分（１．１，１．２，１．３）は前記ホールセンサを少なくとも３つ
   の側でＵ字形に取り囲み、これによって個別の導体区分の磁界をホールセンサの
   箇所において増大して重畳する形式のホールセンサ装置において、 前記導体は、導体板から打ち抜かれていることを特徴とする ホールセンサ装置。
2. 【請求項２】 前記導体は、少なくとも１つのホールセンサを両側でＵ字形
   に取り囲んでおり、これによって導体は、長孔（６）の形状で電流方向に垂直に
   分けられており、かつ少なくとも１つのホールセンサが前記長孔の内部に配置さ
   れている 請求項１に記載のホールセンサ装置。
3. 【請求項３】 前記ホールセンサは、力線を集中するための強磁性体（１０
   ）に載置されている 請求項１または２に記載のホールセンサ装置。
4. 【請求項４】 前記長孔の対向する端部にそれぞれホールセンサ（２．１，
   ２．２）が配置されている 請求項２または３に記載のホールセンサ装置。
5. 【請求項５】 前記の２つのホールセンサ（２．１，２．２）は、その動作
   電流（Ｉconst）に関して相互に直列に接続されており、個別のホールセンサの
   ２つのホール電圧は、個別のホール電圧の値が加算されるように接続されている 請求項４に記載のホールセンサ装置。
6. 【請求項６】 自動車のバッテリ短絡防護装置に、請求項１から５までのい
   ずれか１項に記載のホールセンサ装置を使用する使用法。