CN114113739A - 电流传感器 - Google Patents

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Abstract

实施方式提供高性能的电流传感器。实施方式的电流传感器具有：U字形的导体，供电流流过；第一磁场传感器，所述导体产生的磁场从第一方向施加于该第一磁场传感器；以及第二磁场传感器，所述磁场从与所述第一方向相反的第二方向施加于该第二磁场传感器。

Description

电流传感器
本申请主张以2020-144909号日本专利申请(申请日：2020年8月28日)为基础申请的优先权。本申请通过引用该基础申请而包含其全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及磁场检测型的电流传感器。
背景技术
磁场检测型的电流传感器使电流流过导体，使用磁场传感器检测导体产生的磁场，由此检测电流。
已知将两个磁场传感器配置在导体产生的磁场的方向从相互相反的方向施加的位置，由此进行外部磁场(噪声)的影响少的电流检测的电流传感器。
发明内容
本发明的实施方式提供高性能的电流传感器。
实施方式的电流传感器具有：U字形的导体，供电流流过；第一磁场传感器，所述导体产生的磁场从第一方向施加于该第一磁场传感器；以及第二磁场传感器，所述磁场从与所述第一方向相反的第二方向施加于该第二磁场传感器。
附图说明
图1是用于说明实施方式的电流传感器的主要部分的配置的俯视图。
图2是沿着图1的II-II线的剖面图。
图3是实施方式的电流传感器的主要部分的斜视图。
图4是实施方式的磁场检测元件的透视斜视图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式的电流传感器1进行详细说明。
另外，基于实施方式的附图是示意性的图，各部分的厚度和宽度的关系、各部分间的厚度的比例及相对角度等与实际状况不同。在各附图之间也包含相互的尺寸的关系和比例不同的部分。并且，省略对一部分的构成要素赋予图示及标号。
如图1～图3所示，电流传感器1具有：U字形的导体30，供电流流过；第一磁场传感器10A，导体30产生的磁场从第一方向D1施加于该第一磁场传感器10A；以及第二磁场传感器10B，所述磁场从与所述第一方向D1相反的第二方向D2施加于该第二磁场传感器10B。
在磁场传感器10(第一磁场传感器10A及第二磁场传感器10B)和导体30之间配置有屏蔽层20。例如，由铜片构成的屏蔽层20与接地电位线连接。屏蔽层20屏蔽电磁噪声进入磁场传感器10及后述的电子部件50等周边电路。屏蔽层20还具有涡流的抑制效果，所以有助于频带特性改善。屏蔽层20的厚度例如是0.1μm，还可以是更薄的nm级厚度的蒸镀膜。屏蔽层的材料只要具有导电性即可，可以是铝等。
具有多个导体层(例如41、43)和多个绝缘层(例如42)的多层配线板60的一个导体层是导体30。
多层配线板60可以是在一片基板层叠的配线板，还可以是将多个基板贴合而成的配线板。例如，绝缘层42可以是两面配置有导体层41、43的双面配线板的基板。多层配线板60是矩形，但也可以是圆形等。在多层配线板60内置有磁场传感器10，并表面安装有至少一个电子部件50例如IC芯片。
U字形的导体30包括第一区域30A、第二区域30B、将第一区域30A的端部和第二区域30B的端部之间连接的第三区域30C。在都是大致矩形的第一区域30A及第二区域30B各自的端部，分别设置有供电流流入的连接器(未图示)。第一区域30A和第二区域30B中间夹着间隙G而对置配置。间隙G的间隔WG是第三区域30C的电流流路的长度。
具有间隙G的导体30通过铜片的蚀刻处理(消去法)或者图案镀铜(添加法)等进行制作。U字形的导体30面积小，所以电流传感器1是小型的。并且，U字形的导体30的电阻比具有多个折返部的导体小。
导体30产生的磁场的分布因导体的截面积(厚度及宽度)而变化。虽然导体30的厚度均匀，但是第三区域30C的电流流路的宽度W30C比第一区域30A的宽度及第二区域30B的电流流路的宽度窄。因此，第三区域30C对磁场传感器10施加比第一区域30A及第二区域30B强的磁场。
磁场传感器10是检测流过导体30的电流(DC或者AC)的霍尔元件。
第一磁场传感器10A和第二磁场传感器10B夹着第三区域30C对置配置。即，第一磁场传感器10A配置在第一区域30A和第二区域30B之间的间隙G之上。第二磁场传感器10B配置在第三区域30C的外周。
因此，如图3所示，导体30产生的磁场M从第一方向D1施加于第一磁场传感器10A，从与第一方向D1相反的第二方向D2施加于第二磁场传感器10B。
如果磁场从与用于检测的电流的朝向正交的方向施加于作为霍尔元件的磁场传感器10，则作为电流的载体的载流子受到洛伦兹力的影响。由于洛伦兹力，产生与电流及磁场的朝向正交的方向的霍尔电压。霍尔元件输出霍尔电压作为输出信号，由此检测磁场。霍尔电压与磁场强度成正比例地增加。并且，霍尔电压对于磁场方向相互相反的磁场正负反转。
第一磁场传感器10A及第二磁场传感器10B是相同的特性。在导体30流过电流时产生的磁场M施加的方向第一方向D1和第二方向D2相反。因此，第一磁场传感器10A输出的电压信号(霍尔电压)和第二磁场传感器10B输出的电压信号(霍尔电压)，是正负反转的相反相位。
由于第一磁场传感器10A的输出和第二磁场传感器10B的输出是相反相位，所以在施加于两者的磁场强度大致相同的情况下，在对两者进行差分合成(相减)时，输出成为单独输出的大致2倍。在电流传感器1整体施加有噪声磁场时，施加于第一磁场传感器10A的噪声磁场和施加于第二磁场传感器10B的噪声磁场同相。因此，通过对第一磁场传感器10A的输出和第二磁场传感器10B的输出进行差分合成，基于噪声磁场的输出抵消。输出的差分合成例如使用作为安装有运算放大器电路的IC芯片的电子部件50。
如图4所示，磁场传感器10包括具有四个外部电极12的下表面10SB、和与下表面10SB相反侧的上表面10SA。向四个外部电极12中的两个外部电极12输入用于检测的电流，从另外两个外部电极12输出输出信号(霍尔电压)。
磁场传感器10安装于导体层41的接近导体30侧的面(在图2中是下表面)。因此，与安装于导体层41的上表面的情况相比，更强的磁场施加于磁场传感器10。
磁感应部(磁感应区域)11是能够检测产生的磁通量的传感器。第一磁场传感器10A的磁感应部11配置在第一区域30A和第二区域30B之间的间隙G之上。第二磁场传感器10B的磁感应部11配置在第三区域30C的外周。即，在从与导体30和第一磁场传感器10A的层叠方向或者导体30和第二磁场传感器10B的层叠方向平行的方向观察时，磁场传感器10(10A、10B)的磁感应部11不与导体30重叠。
为了第一磁场传感器10A以更高灵敏度检测磁场，优选第一区域30A和第二区域30B的间隔WG与磁感应部11的尺寸(外径)D11大致相同。例如，优选间隔WG是磁感应部11的尺寸D11的90％以上120％以下。
另外，以外径规定了磁感应部11的尺寸，但是在磁感应部不是圆(圆柱)的情况下，通过使面积相同的圆的外径进行规定。
优选磁感应部11尽可能地接近第三区域30C进行配置。然而，磁场传感器10的配置是考虑磁场传感器10的外尺寸及多层配线板60的配线图案的配置而设计的。如果磁感应部11是不与第三区域30C重叠的配置，则两个磁场传感器10的侧面可以抵接。
另外，第三区域30C的宽度W30C越窄，则施加于磁场传感器10的磁场强度越大。但是，导体30的电阻提高。因此，基于电流传感器1的电阻的规格，宽度W30C的下限例如是300μm。另一方面，如果第三区域30C的宽度W30C宽，则施加于磁场传感器10的磁场强度减小。因此，宽度W30C的上限例如是500μm。
另外，在设计电流传感器1时，通过进行基于有限元素法的磁场分析，能够进行具有检测灵敏度及频带特性等的平衡的宽度W30C的优化。在检测电流例如是10MHz以上30MHz以下的高频信号的情况下，当然也不能忽视趋肤效应的影响。
另外，对于第一区域30A及第二区域30B的接近第二磁场传感器10B的位置的角部C30，为了缩短电流路径而进行直线或者曲线的所谓的倒角处理是有效的。但是，优选第一区域30A及第二区域30B是角部C30是大致直角的大致矩形。因为与角部C30倒角的情况相比，施加于第二磁场传感器10B的磁场强度更大。
作为磁场传感器10以霍尔元件为例进行了说明，但当然也可以使用磁阻效应元件(MR元件)。
作为电流传感器以电流检测装置为例进行了说明，但电流传感器1还能够作为绝缘耦合器使用。即，包括导体30的一次电路与包括磁场传感器10的二次电路电气绝缘。
对发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，并非意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种各样的省略、替换、变更。这些实施方式及其变形被包含在发明的范围或主旨中，并且被包含在权利要求书所记载的发明和其等价的范围中。

Claims (9)

1.一种电流传感器，其具有：
导体，具有第一区域、第二区域、及将所述第一区域的端部和所述第二区域的端部之间连接的第三区域；
第一磁场传感器，所述导体产生的磁场从第一方向施加于该第一磁场传感器；以及
第二磁场传感器，所述磁场从与所述第一方向相反的第二方向施加于该第二磁场传感器，
所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器夹着所述第三区域对置配置，所述第一磁场传感器及所述第二磁场传感器各自的磁感应部不与所述导体重叠。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，
所述导体具有U字形的形状。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，
所述第一区域和所述第二区域的间隔与所述磁感应部的尺寸大致相同。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其中，
所述第一区域及所述第二区域呈大致矩形。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其中，
所述电流传感器还具有多层配线板，所述多层配线板安装有所述第一磁场传感器、所述第二磁场传感器及电子部件，
所述多层配线板具有所述导体和屏蔽层，所述屏蔽层配置在所述导体与所述第一磁场传感器及所述第二磁场传感器之间。
6.根据权利要求5所述的电流传感器，其中，
所述电子部件对所述第一磁场传感器的输出和所述第二磁场传感器的输出进行差分合成。
7.根据权利要求5所述的电流传感器，其中，
所述第一磁场传感器及所述第二磁场传感器安装在所述多层配线板的导体层的接近所述导体侧的面。
8.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，
所述第三区域的宽度是300μm～500μm。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的电流传感器，其中，
所述第一磁场传感器及所述第二磁场传感器是霍尔元件。
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