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公開番号2025023884
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-19
出願番号2023198417
出願日2023-11-22
発明の名称電流測定デバイス及びその製造方法
出願人テクトロニクス・インコーポレイテッド,TEKTRONIX,INC.
代理人個人,個人
主分類G01R 15/00 20060101AFI20250212BHJP(測定;試験)
要約【課題】シャントの電気経路長を最小限にする。
【解決手段】電流測定デバイスは、開口部1214と測定リード線を有する抵抗性コア1208からなるシャント抵抗と、抵抗性コア1208を囲む電気接点を有するロゴスキー・コイル1206と、抵抗性コア1208の第1及び第2面上の導電層1202、1204、1210と、導電層とロゴスキー・コイル1206との間の1つ以上の絶縁層とを具え、シャント抵抗とロゴスキー・コイル1206からの信号を組み合わせるように構成される。電流測定デバイスは、シャント抵抗器の周囲を少なくとも部分的に囲む、フレキシブル基板上のロゴスキー・コイル1206を有しても良い。電流測定デバイスは、硬質基板と、硬質基板を貫通して導電性材料で満たされたビアを有する。
【選択図】図19
特許請求の範囲【請求項１】
複数の測定リード線を有し、開口部のある抵抗性コアを含み、測定対象の電流経路中に配置されるように構成されるシャント抵抗器と、
電気的接点を有し、上記抵抗性コアを囲むロゴスキー・コイルと、
上記抵抗性コアの第１面上の導電層と、
上記第１面と反対側の上記抵抗性コアの第２面上の導電層と、
上記導電層の夫々とロゴスキー・コイルとの間の１つ以上の絶縁層と
を具え、
上記シャント抵抗と上記ロゴスキー・コイルからの信号を組み合わせるように構成される電流測定デバイス。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
上記抵抗性コアは、該抵抗性コアの上記第１面上の上記導電層を介して上記ロゴスキー・コイルの電気接点の１つに電気的に接続される請求項１に記載の電流測定デバイス。
【請求項３】
上記抵抗性コアは、上記１つ以上の絶縁層の間隙を通して、上記ロゴスキー・コイルの電気接点の１つに直接電気的に接続される請求項１に記載の電流測定デバイス。
【請求項４】
上記複数の測定リード線の中の１つが、上記抵抗性コアの上記第２面上の上記導電層を介して上記抵抗性コアに電気的に接続されるか又は上記１つ以上の絶縁層の間隙を介して上記抵抗性コアに直接電気的に接続されるかのいずれかである請求項１に記載の電流測定デバイス。
【請求項５】
上記抵抗性コアは、上記ロゴスキー・コイルがアクティブになる周波数を設定するために選択された厚さの壁を有する請求項１に記載の電流測定デバイス。
【請求項６】
検出リード線を有し、測定対象の電流経路中に配置されるように構成されるシャント抵抗器と、
該シャント抵抗器の周りを少なくとも部分的に囲う、フレキシブル基板上のロゴスキー・コイルと
を具え、
上記シャント抵抗器と上記ロゴスキー・コイルからの信号を組み合わせるように構成される電流測定デバイス。
【請求項７】
上記ロゴスキー・コイルは、上記ロゴスキー・コイルと垂直な次元にループ領域が存在しないように構成される請求項６に記載の電流測定デバイス。
【請求項８】
上記ロゴスキー・コイルは、
第１コイル・トレース・シリーズ及び第１接点を含む上記フレキシブル基板の第１層と、
上記第１コイル・トレース・シリーズ及び上記第１接点とｚ方向に少なくとも部分的に重なる第２コイル・トレース・シリーズ及び第２接点を含む上記フレキシブル基板の第２層と、
上記第１層と上記第２層との間のビアと
を具え、
上記第１コイル・トレース・シリーズ及び上記第１接点並びに上記第２コイル・トレース・シリーズ及び上記第２接点がロゴスキー・コイルを形成し、上記第１接点及び上記第２接点のいずれかが上記シャント抵抗器に接続されている請求項６に記載の電流測定デバイス。
【請求項９】
上記第１層と上記第２層との間に第３層を更に具え、該第３層は、上記フレキシブル基板内の他のトレースよりも幅が広いことを含め、上記フレキシブル基板に機械的安定性を提供するように構成される請求項８に記載の電流測定デバイス。
【請求項１０】
上記第１コイル・トレース・シリーズは、上記第２コイル・トレース・シリーズと重なり、上記第１接点と上記第２接点がｙ方向の次元で交互のＡ-Ｂ-Ａ-Ｂパターンを形成し、第１次元において磁場を局所的にキャンセルする請求項８に記載の電流測定デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、電流測定デバイスに関し、より具体的には電流測定デバイスと、電流測定デバイスの製造方法に関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
大電力スイッチング・デバイスは、多くの場合、モジュール形式で構築されており、大電流端子用のバスバーと接続するためのねじ留め式端子が付いている。スイッチング過渡時の急激な電流変化をサポートするため、通常、複数の大きなコンデンサから構成されるコンデンサ・バンクを、通常、バスバー上に、そして、通常、モジュールの近くに取り付けて、直列インダクタンスを最小限に抑えるようにしている。これにより、コンデンサ・バンクとモジュールの間に電流測定デバイスを挿入してスイッチング過渡を測定することが困難になる。これは、測定する過渡を変化させるほど多くのインダクタンスを挿入する可能性があるためである。
【０００３】
この問題に対処するには様々なアプローチがあるが、それぞれに欠点がある。例えば、１つの解決方法では、バスバーの周りにロゴスキー・コイルを採用している。ロゴスキー・コイルには、ＤＣ機能がなく、帯域幅が限られており、コイルの位置によっては精度の問題が発生する可能性がある。同様に、別の解決方法では、バスバーとモジュールの間の延長ポストの周りに変流器を使用する。しかし、変流器は、ＤＣ機能がないだけでなく、インダクタンスを追加する場合があり、通常、帯域幅が限られている。
【０００４】
別のアプローチは、バスバーの隙間に同軸シャントを挿入する。通常、これらの同軸シャントには、円筒形に３つの同心導体がある。即ち、外側の帰還経路（リターン・パス）と、中間にある抵抗シャント材料と、同軸シャントの最も内側の部分を通る検出（sense：センス）リード線である。このような同軸シャントは、外側と中間材料の間の磁場を抑制し、検出リード線に影響を与えるインダクタンスをキャンセルし、ＤＣ結合と広い測定帯域幅を可能にする。しかし、これらのシャントは、バスバーの隙間に挿入するのが難しい場合があり、電気経路を延長して不要なインダクタンスを電流経路に挿入する可能性がある。
【０００５】
ワイド・バンド・ギャップ半導体を使用するスイッチング電源やモータ駆動回路（そして、雷やその他のアーク放電）でよく見られるような、大きくて急速に変化する電流は、正確に測定するのが難しいことが知られている。
【０００６】
よく使用されるアプローチの１つは、電流経路に直列抵抗（又は「シャント」）を配置し、電流によって引き起こされる電圧降下を測定し、抵抗で除算することである。このアプローチは、ＤＣ周波数と低周波数を良好に処理するが、以下の周波数ｆ
c
を上回る周波数の場合、抵抗性電圧降下を超えるシャント両端間の誘導性電圧降下により、高周波数において悪影響を受ける。
TIFF
2025023884000002.tif
21
166
大電流を測定する場合、シャントの電圧降下及び電力損失を妥当な範囲内に保つために、比較的小さいシャント抵抗Ｒが必要であり、これにより、使用可能な帯域幅ｆ
c
が著しく低くなる。
【０００７】
誘導性電圧降下は、同軸シャントを使用することによって排除することができ、この同軸シャントでは、抵抗性素子は円筒であり、帰還（リターン）電流は、より大きい同心の外側円筒を通過し、電圧測定リード線は、抵抗性円筒の内側のシャントから外へ配線されている。この対称な性質と、外側帰還電流経路とにより、シャントと外側帰還経路との間の電流循環によって生成される磁界は、シャントの内側の測定電圧に誘導性電圧降下を与える磁界を確実に残らさないようになる。同軸シャントは、測定インダクタンス（測定される電圧降下に含まれるインダクタンス）は排除するが、シャントを通る長い電流経路が更に必要となり、よって、挿入インダクタンス（被試験システムの電流経路に挿入されるインダクタンス）が増加する。測定インダクタンスがない場合でも、同軸シャントは、シャント材料の表皮効果により帯域幅が制限される。周波数が増加すると、導体内の電流の表皮深さが減少する。表皮深さが抵抗円筒の厚さに近づくと、電流のかなり低い成分がシャントの内側を流れ、電圧が測定される内側での抵抗性電圧降下が小さくなる。
【０００８】
シャントの使用可能な帯域幅を改善する別の方法は、従来のシャントの電圧測定リードのリード・ドレスに相殺（canceling）相互インダクタンスＭ
c
を追加することである。すなわち、
TIFF
2025023884000003.tif
27
127
これにより、特定の帰還電流経路が不要になるため、挿入インダクタンスが最小限に抑えられるが、相殺（Ｍ
c
＝Ｌ）を実現するためのリード線の配置を決定するには、依然として帰還電流経路を知らなければならないので、実装するには更に扱いにくい。相殺（キャンセル）手法は、また、表皮効果により、高周波数において影響を受ける。すなわち、表皮深さがシャントの厚さに近づくにつれて、シャントを通過する電流経路の物理的な位置がシフトし、Ｍ
c
、Ｌ、及びＲが変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特開２００４－２５７９０５号公報
特開２０１２－０８８３１８号公報
特開２０２２－０５４４６１号公報
特開平７－４３３８７号公報
【非特許文献】
【００１０】
「Zirconia Materials」、「Yttria Partially Stabilized Zirconia（イットリア部分安定化ジルコニア）」に言及する資料、米国クアーズテック社、［online］、［２０２３年１１月２１日検索］、インターネット<https://www.coorstek.com/media/4256/zirconia-materials.pdf>
「シャント抵抗器（電流検出抵抗器）とは？」、エレクトロニクス豆知識、ローム株式会社、［online］、［２０２３年１１月２１日検索］、インターネット<https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/resistors/r_what14>
「Four-terminal sensing」の記事、ケルビン・センス（Kelvin sensing）とも呼ばれると記載、Wikipedia（英語版）、［online］、［２０２３年１１月２１日検索］、インターネット<https://en.wikipedia.org/wiki/Four-terminal_sensing>
「TRCPシリーズ・ロゴスキー電流プローブ」の紹介サイト、テクトロニクス、［online］、［２０２３年１１月２１日検索］、インターネット<https://www.tek.com/ja/datasheet/current-probes-0>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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