JP2006500561A - 集積電流センサ - Google Patents

Abstract

集積電流センサ（１０）は、ホール効果センサのような磁界変換器（１２）、磁気コア（２４）及び電導体（１６）を含む。導体は、ホール効果センサの部分及びコアを受け入れる切欠部を含み、素子は、素子の間の相対運動がほとんどないか、全くないような寸法である。

Description

本発明は、一般に電流センサに関し、さらに詳細には、集積導体を有する最小限の電流センサに関する。

この技術分野で知られるように、従来の電流センサの１つのタイプの電流センサは、電流搬送導体の近傍にホール効果電界変換器を使用している。ホール効果素子は、導体を通る電流によって誘導された磁界に比例した大きさを有する出力信号を発生する。このタイプの典型的な電流センサは、ギャップを有するトロイド（環状、ドーナツ状）磁束集中器を含み、ホール効果素子は、トロイドギャップ内に配置されている。ホール効果素子及びトロイドは、プリント回路基板の上に取り付けることのできるハウジング内に組み立てられる。使用に際し、ワイヤのような分離した電流搬送導体が、トロイドの中心を通過し、ワイヤの露出端をメッキされた貫通孔にハンダ付けすることによってプリント回路基板に溶接される。このようなデバイスは、高さや回路基板の双方について、大型化するという望ましくない傾向がある。

感度及び線形性を含む種々のパラメータによって、電流検出用途のホール効果デバイスの性能が特徴づけられる感度は、導体を通る１アンペアの変化に対応するホール効果素子の出力信号の変化であり、線形性は、導体を通る電流に正比例して出力信号が変化する度合いである。ホール効果素子の使用における重要課題として、デバイス性能に対して漂遊磁界及び外部磁界ノイズの影響があることが含まれる。

本発明によれば、集積電流センサは、第２の切欠部（ノッチ）に実質的に整列した第１の切欠部を有する導体と、第１の切欠部内に配置された少なくとも一部を有する磁界変換器と、磁気コアとを有する導体を備えている。磁気コアは、実質的にＣ形状であり、中央部分と、当該中央部分から延在する実質的に一対の平行な脚部を備えている。磁気コアの中央領域の少なくとも一部は、各脚部が磁界変換器の各面の少なくとも一部を覆うように第２の切欠部内に配置されている。この実施形態において、磁界変換器は、ホール効果素子を含むホール効果センサである。

この構成によれば、ホール効果センサ、導体及び磁気コアは、基本的には第１と第２の切欠部によって及び素子の寸法的な特徴によって互いに対して所定の位置に固定される。素子の正確な機械的な位置決めの結果、電流センサの感度は、高度に反復可能であり、従って、厳密に制御される。磁気コアは、通常より、高い感度を提供し、実質的に均一であるホール効果素子の磁界を提供する。

１つの実施形態において、磁気コアの脚部の各々は、ホール効果センサの実質的に全面を覆う。この構成は、Ｃ形状の磁気コアとの組み合わせにおいて、漂遊磁界と外部磁界ノイズを起こす可能性を低減し、感度を増大し、ホール効果素子の磁界の均一性を改良する。

ホール効果センサ、導体及び磁気コアの少なくとも一部は、絶縁材料によって包囲される。導体は、貫通孔のようにプリント回路基板に電流センサを取り付けるための機構を備えており、この貫通孔は、プリント回路基板貫通孔に挿入するために又はパッドへの表面取り付け溶接のために、ハードウエア、リード線、タブを受け入れるようになっている。その結果、集積化された電流センサは、従来のギャップを有するトロイド構成に対して非常に小さい単一の部品を提供する。

さらなる集積化を達成するために、ホール効果センサは、１つ又は複数の信号増幅器を含むホール効果素子の出力信号を処理するための回路を含む。好ましくは、回路は、感度及び静止（クイセント）オフセット電圧のような性能パラメータを調整するために制御することができるデジタルアナログ変換器及びカウンタのような追加された素子を含む。

本発明の前述した特徴ならびに本発明自体は、図面の次の詳細な説明からさらに完全に説明される。

図１を参照すると、最小化された集積電流センサ１０は、ホール効果センサ１２と、電流伝送導体１６及び磁気コア２４の形態の磁界変換器を含む。導体１６は、素子が互いに対して固定位置で維持されるようにホール効果センサ１２及び磁気コア２４の部分を受け入れるための機能を含む。図示した実施形態において、導体１６は、第１の切欠部１８ａ及び当該第１の切欠部と実質的に整列した第２の切欠部１８ｂを有する。組み立てにおいて、ホール効果センサ１２の少なくとも一部は、第１の切欠部１８ａ内に配置される。磁気コア２４は、実質的にＣ形状であり、中央領域２４ａ及び当該中央領域から延在する実質的に平行な一対の脚部２４ｂ、２４ｃを有する。組み立てにおいて、中央領域２４ａの少なくとも一部が各脚部２４ｂ、２４ｃが、ホール効果センサ１２の各表面の少なくとも一部を覆うように導体の第２の切欠部１８ｂ内に配置されている。

ホール効果センサ１２は、絶縁材料で囲まれるセンサダイ１４を含む集積回路の形態で提供される。集積ホール効果センサ１２は、１．６ｍｍ台の厚さを有するライン（ＳＩＰ）の「Ｋ」シングルのような異なるパッケージタイプで提供することができる。有効なエアギャップは、パッケージの厚さに等しく、センサダイは、エアギャップの実質的に中央に載置している。

ホール効果センサは、印刷回路基板（図示せず）に取り付けるようになっている導線１５を有する。図６と関連して説明された導線１５は、さらに、電源、即ち、Ｖｃｃ、接続線、接地接続、及び導体１６を通って電流に比例して出力信号を伝送するようになっている出力接続部を含む。出力信号は、電流又は電圧であるとよい。

センサダイ１４は、ホール効果素子１４ａ（図１Ｂ及び図６）及びホール効果素子の出力信号を処理するためのホール回路１４ｂ（図１Ｂ及び図６）を含む。図示した実施形態において、ホール回路１４ｂは、増幅器、フィルタ、出力駆動部及びオフセット相殺回路を含む。ホール回路１４ｂ内には図示するように、及び図６に関連して以下に示すように感度及び静止作動電圧を調整するためのトリム（調製）制御回路が設けられている。このようなホール効果センサ１２は、部品ナンバーＡ３５２５としてＡｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州、Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ）から市販されている。他の回路も、集積ホール効果センサ１２内に設けられていることは当業者によって理解されるであろう。ホール効果センサ１２の使用は、プリント基板に取り付けられている別々の部品によって別々に設けられている回路部品を組み込むことによって電流センサ１０の集積化を向上させる。

ホール効果センサ１２は、図１の電流センサ１０で使用されるが、代替案として異方性（非等方性）磁気抵抗（ＡＭＲ）素子又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を使用することができる。

導体１６は、銅のような種々の導電材料から構成され、測定電流を導体１６に提供するプリント回路基板に取り付けるようになっている。この目的のために、回路基板バイアスに溶接するために適している屈曲導線即ちタブ１６ａ、１６ｂ（１６ｂは図示せず）が、導体の端部に設けられている。ネジ端子及び関連するハードウエア又は平坦なリード線又は図２及び図２Ａのタブ５２ａ、５２ｂなど屈曲タブ１６ａ、１６ｂ以外の機構を用いて電流センサ１０を回路基板に取り付けてもよい。別の実施形態において、電流センサ１０を回路基板以外に取り付けることを可能にするために使用することができる。例えば、電流センサ１０をワイヤで直列に接続することができるワイヤ結合（図示せず）を有することができる。

好ましくは、屈曲タブ１６ａ、１６ｂを除く導体１６は、プリント回路基板の電流センサ１０の高さを増大するｚ軸２１内に延在する特徴部分を除いて、図示したように実質的に平坦である。使用において、導体１６の平面は、プリント回路基板に接近して配置され、小さい輪郭の電流センサを提供する。

導体１６の第１の切欠部１８ａは、幅ｗ１を有するホール効果センサ１２の少なくとも一部を受け入れるために選択された幅ｗ２を有する。好ましくは、幅ｗ１及び幅ｗ２は、組み立てにおいてｘ軸内での導体１６に対するホール効果センサ１２の可能な移動が無視できるように実質的に同じである。さらに詳細には、公称幅ｗ１は、公称幅ｗ２よりわずかに、例えば０．２８ｍｍだけ小さく、最も低い公差において、最も大きな幅ｗ１は、最も小さい幅ｗ２より０．４ｍｍ小さい。図示した実施形態において、公称幅ｗ１は、５．１８ｍｍであり、公称幅ｗ２は、５．４６ｍｍである。従って、幅ｗ１及びｗ２は、等しくなるという特徴がある。

導体の第２の切欠部１８ｂは、磁気コア２４の少なくとも一部を受け入れるために選択された幅ｗ３を有する。好ましくは、磁気コアの中央領域２４ａの幅ｗ３及び幅ｗ４は、組み立てにおいて、ｘ軸内での導体１６に対する磁気コア２４の可能な移動が無視できるように十分に似ている。さらに詳細には、公称幅ｗ４は、公称幅ｗ３よりわずかに、例えば０．２ｍｍだけ小さく、最もよくない公差でも、最も低い幅ｗ４は、最も大きい幅ｗ３より０．３４ｍｍ小さく、最も大きな幅ｗ４は、最も小さい幅ｗ３より０．０８ｍｍ大きい。図示した実施形態において、公称幅ｗ３は、５．４６ｍｍであり、公称幅ｗ４は、５．２５ｍｍである。従って、幅ｗ３及びｗ４は、実質的に等しいという特徴がある。

磁気コア脚部２４ｂ、２４ｃの間の間隔ｈ３、導体１６の厚さ即ち高さｈ２及びホール効果センサ１２の厚さ即ち高さｈ１は、ｚ軸２１において互いに対する部品の可能な運動が制限されるようにすべて実質的に同様である。さらに詳細には、導体の公称高さｈ２及びセンサの高さｈ１は、公称高さｈ３よりわずかに、例えば０．１ｍｍだけ小さく、最も低い公差の場合、最も低い高さｈ１及び高さｈ２は、最も高い高さｈ３より０．２２ｍｍ低く、最も高い高さｈ１及び高さｈ２は、最も低い高さｈ３より０．０１ｍｍ低い。図示した実施形態において、公称高さｈ１は、１．５５ｍｍであり、公称高さｈ２は、１．５０ｍｍであり、公称高さｈ３は、１．６４ｍｍである。

しかしながら、他の実施形態において、間隔ｈ３は、他の要因によって選択される。例えば、１つの他の実施形態において、間隔ｈ３は、リラクタンスを増大するために、従って、電流センサ１０を飽和させる搬送導体１６を通る電流を増大するためにホール効果センサ１２の高さｈ１より実質的に大きい。従って、この別の実施形態は、大きな電流搬送容量を有する。

磁気コア２４は、センサダイ１４の磁界を調整し、これは、あるいは磁界集中器と称される。磁気コア２４は、フェライト、鋼、鉄成分及びパーマロイを含むが、それには制限されない種々の材料からなる。磁気コア２４の材料は、Ｃ形状の磁気コア２４によって提供された最大測定電流及び所望量の磁気シールドのような要因に基づいて選択される。他の要因は、温度及びヒステリシス（残留磁気、リマネンス）上の相対的な透磁性の安定性を含む。例えば、低いヒステリシスは、導体１６を通る小さい電流の場合、大きな精度を保証する。磁気コア２４の材料及び寸法は、導体１６を通る所望の最大規模の電流によって選択され、この場合、大きな飽和磁束密度（Ｂｓａｔ）を有する磁気コア材料は、導体１６を通って流れる所望の電流の場合、小さいコアを使用できることを可能にする。図４を参照して明らかになるように、磁気コア２４の使用は、磁界をそらすために電流センサ１０の磁化率（感受性）を著しく低減する。

磁気コア２４は、脚部２４ｂ、２４ｃの各々が、センサダイ１４の各全面を実質的に覆うように深さｄ１を有する。この構成によって、センサダイ１４に設けられたホール効果素子１４ａ（図１Ｂ）に実質的に均一の磁界が提供され、それによって、装置の感度を増大し、磁界をそらす磁化率を低減する。

従って、導体の切欠部１８ａは、導体から半径方向外側に延在しているタブ１６ｄ、１６ｅによって形成される。切欠部１８ｂは、導体から延在するタブ１６ｆ、１６ｇとの組み合わせにおいて導体の狭い領域１６ｃによって形成される。第１の切欠部１８ａと第２の切欠部１８ｂとの間の狭い領域１６ｃの幅ｗ５は、導電体１６の最大電流搬送能力に基づいて選択される。ここで幅ｗ５は、１．７ｍｍ台であり、導体１６の電流搬送能力は、１００アンペア台である。切欠部１８ａ、１８ｂは、狭い導体領域１６ｃを提供することなく、半径タブ１６ｄ、１６ｅ及び１６ｆ、１６ｇによって形成することができ、狭い領域１６ｃの使用は、ｙ軸２０に沿って電流センサ１０の全体寸法を最小限にする。また、狭い領域は、ホール効果センサ１２にさらに接近させて導体１６を通して電流を提供する。他の実施形態において、切欠部１８ａ、１８ｂは、タブ１６ｄ〜１６ｇを使用することなく形成され、狭い領域１６ｃによってのみ提供される。

図１Ａを参照すると、同じ部品には同じ参照符号が付されている。組み立てられた一例としての電流センサ１０が示されている。明らかなように、ホール効果センサ１２の一部は、同様の寸法の導体切欠部１８ａ（図１）に配置されており、磁気コア２４の中央領域２４ａは、同様の寸法の導体切欠部１８ｂ（図１）に配置されている。導線１５は、プリント回路基板に電流センサ１０の取り付けを容易にするために曲げられている。有利なことに、電流センサ１０は、小さい輪郭の組立体であり、電流センサの高さは、成型本体２８の厚さだけプリント回路基板から離れている。

絶縁材料を含む成型本体２８は、図示されている導体１６の一部、ホール効果センサ１２及び磁気コア２４上に配置されている。さらに成型本体２８は、ｘ軸１９、ｙ軸２０、ｚ軸２１の方向にさらに移動することを防止することによって、互いに対して素子の運動を低減する。

この構成によって、磁気コア２４、導体１６及びホール効果センサ１２は、互いに対して所定の位置で固定される。この機械的な「相互固定」の結果は、高度に反復可能であり、電流センサの性能を厳密に制御する。

同じ部品に、図１及び図１Ａの参照符号と同様の符号が付された図１Ｂを参照すると、センサダイ１４は、ｘ軸１９に沿った幅ｗ７、ｙ軸２０に沿った幅ｗ８及び中央標示部１４ｃを有するホール効果センサ１４ａを含むように示されている。また、センサダイ１４は、回路１４ｂを含み、ホール効果素子１４ａに接続された代表的なブロックとして示されている。ホール効果素子１４ａ及び回路１４ｂは、図６にさらに詳細に示されている。

ホール効果素子１４ａ及び回路１４ｂは、単一のダイの上に形成され、この単一のダイは、単一の集積回路ホール効果センサ１２の形態で提供される。他の実施形態において、ホール効果素子１４ａ及び１４ｂは、ワイヤボンド等によって接続された分離した集積回路として形成することができる。ホール回路１４ｂは、ホール効果センサ１２の導線１５（図１、図１Ａ）に電気的に接続されている。

図２及び図２Ａを参照すると、図１及び図１Ａの同様の素子は、同様の参照符号が付されている。別の例示的な回路センサ５０は、ホール効果センサ１２、導体５２及び磁気コア５４を含む。図１及び図１Ａの導体１６と同様の導体５２は、第１の切欠部６０ａ及び第１の切欠部と整列した第２の切欠部６０ｂを有する。第１の切欠部６０ａは、幅ｗ２を有し、これは、ｘ軸１９の素子の相対運動を制限するように、ホール効果センサ１２の幅ｗ１と非常に似ており、第２の切欠部６０ｂは幅ｗ３を有し、これは、ｘ軸の部品の相対運動を制限するために磁気コア５４の幅ｗ４と非常に類似している。

磁気コア５４は、幅ｗ４の中央領域５４ａと、中央領域から延在しており高さｈ３により分離されている実質的に平行な一対の脚部５４ｂ、５４ｃを有する。磁気コア５４の深さｄ２は、脚部５４ｂ、５４ｃの各々がセンサダイ１４の各表面全体を実質的に覆うように選択される。

ホール効果センサ１２の高さｈ１、導体５２の高さｈ２及び平行な脚部５４ｂ、５４ｃの分離ｈ３は、十分に類似しており、その結果、組み立てにおいて、脚部５４ｂ、５４ｃは、ｚ軸２１に沿って部品の相対運動を阻止する。幅ｗ１、ｗ２、ｗ３、ｗ４及び高さｈ１、ｈ２及びｈ３は、図１の電流センサ１０で同様の寸法と実質的に同一である。

組み立てにおいて、図２Ａに示すように、ホール効果センサ１２の一部は、第１の切欠部６０ａ内に配置され、磁気コア５４の一部は、図示したように第２の切欠部６０ｂ内に配置される。この構成によって、磁気コア５４、導体５２及びホール効果センサ１２は、ｘ軸１９及びｚ軸２１に沿って互いに対して移動することが防止される。成型本体２８が、磁気コア５４、導体５２及びホール効果センサ１２の上に設けられ、ｘ軸１９、ｙ軸２０及びｚ軸２１に沿って互いに対して部品の運動をさらに減少させる。

電流センサ５０は、導体５２及び磁気コア５４の特徴部分で一般的に図１及び図１Ａの電流センサ１０と異なる。特に、導体５２は、回路基板（図示せず）に導体５２を取り付けるための取り付け機構として作用する平坦なリード即ちタブ５２ａ、５２ｂを有する。使用において、プリント回路基板に孔又は凹部（窪み）が設けられる。成型本体２８は、従来の表面取り付け技術によってタブ５２ａ、５２ｂがハンダ付けされるめっきパッド上でプリント回路基板の表面上にタブ５２ａ、５２ｂが平坦に載置するように孔又は凹部内に配置される。

導電体５２は、第１の切欠部６０ａ、６０ｂを分離する狭い範囲５２ｃを有する。ここで、切欠部５２ａは、導体から半径方向外側に延在するタブ５２ｅ、５２ｆによって形成され、切欠部５２ｂは、半径方向タブ５２ｇ、５２ｈ及び領域５２ｃの組み合わせによって形成される。狭い領域５２ｃは、幅ｗ６を有し、この幅ｗ６は、狭い領域１６ｃの幅ｗ５より大きい（図１及び図１Ａ）。従って、切欠部６０ｂは、切欠部１８ｂより深くはない（図１及び図１Ａ）。従って、狭い領域５２ｃの電気抵抗は、図１の狭い領域１６ｃの抵抗以下である。従って、狭い領域５２ｃを通って流れるアンペア毎により小さい電力が消散される。狭い領域６０ｃの幅ｗ６は、センサ５０の最大電流搬送機能に関連するので、導体５２は図１の導体１６より大きい電流を伝達するようになっている。図示した実施形態において、幅ｗ６は、３ｍｍであり、導体５２の最大電流搬送性能は、２００アンペアである。他の実施形態において、切欠部６０ａ、６０ｂは、タブ５２ｄ〜５２ｇを用いないで形成され、狭い領域５２ｃによってのみ提供される。

磁気コア５４は、中央領域５４ａが平行な脚部５４ｂ、５４ｃに対して湾曲しているという点で、図１及び図１Ａの磁気コア２４と異なる。磁気コア５４の形状、ここでＣ形状は、磁気コア５４の材料を含むが、それには制限されない種々の要因に従って選択される。コア５４の材料を選択するために使用される要因は、図１の磁気コア２４について上述した内容と同じである。１つの例示的な実施形態において、コア５４は、フェライトより大きい飽和磁束密度を有するシリコン鋼合金からなる。また、深さｄ２は、図１の例示的な実施形態の深さｄ１より深く、図１の実施形態の深さｗ５より深いｗ６について適用される。

図３を参照すると、グラフ８０は、図２及び図２Ａの例示的な電流センサの導体５２を１００Ａが流れるとき、センサダイ１４のｘ軸１９に沿った磁束密度を示す。センサダイ１４（図１Ｂ）内のホール効果素子１４ａの中心１４ｃは、横座標８４のゼロミリメートルに対応する。

磁束曲線８６は、基本的に平坦な中央部分８８と、傾斜端部分９０ａ、９０ｂとを有することを特徴としている。曲線８６を考えることによって、磁束が中央部分８８で一定であり、磁束が４ｍｍ台の間隔で、ホール効果素子１４ａの素子の中心１４ｃの周りに中心があることが分かる。ｘ軸１９に沿ってホール効果の中心１４ｃから２ｍｍ以上の距離に配置されたホール効果素子１４ａの部分は、磁束密度が減少されている。図示したホール効果センサ素子１４ａは、典型的には、１．６ｍｍと３ｍｍの寸法を有するセンサダイ１４の中心に０．２ｍｍ台のｘ軸の幅ｗ７を有し、従って、ホール効果素子１４ａ全体は、中心部分８８内にある。中央部分８８の幅は、ホール効果素子１４ａの幅ｗ７（図１Ｂ）より実質的大きく、ホール効果素子１４ａは、ホール効果素子１４ａが磁界の最も大きな量内にあることを保証するために中央部分８８内に中心がある。

ホール効果素子１４ａに対する磁気コア５４の寸法は、ｘ軸１９のホール効果素子１４ａの磁束密度の均一性に大きな影響を与えることは当業者には理解できるであろう。特に、ホール効果素子１４ａの幅ｗ７に対して磁気コア５４が広ければ広いほど（幅ｗ４が広ければ広いほど）、曲線８６の中央部分８８は長くなり、磁気コアは狭くなり、中央部分８８は短くなる。

曲線８６は、磁気コア５４及びホール効果素子１４ａが、整列した導体の切欠部６０ａ、６０ｂに対する固定された位置によって保証されるようにｘ軸１９内で互いに対して中央になると仮定する。ｘ軸１９に沿った磁気コア５４に対するホール効果素子１４ａの運動は、曲線８６が横座標８４に沿って移動し、ホール効果素子１４ａの領域において、２ｍｍ以上その中心１４ｃに接近し、十分な磁束密度を生じる。この効果は、ホール効果センサ１２と磁気コア５４との相対運動を制限することが望ましいことを強調している。さらに、ホール効果センサ１２内でのセンサダイ１４の場所及び関連するホール効果素子１４ａ（図１Ｂ）に関連する公差があるので、磁気コア５４に対するホール効果センサ１２の位置を固定することは重要である。

また、図３Ａを参照すると、グラフ１００は、図２及び図２Ａの例示的な電流センサ５０の導体を１００Ａが流れるとき、センサダイ１４のｙ軸２０に沿った磁束密度を示している。ホール効果素子１４ａの中心１４ｃは、横座標８４の０ミリメートルに対応している。

磁束曲線１０６は、基本的には平坦な中央部分１０８と、傾斜端部分１１０ａ、１１０ｂとを有することを特徴としている。曲線１０６を考えると、磁束は、中央部分１０８が実質的に一定であり、２．５ｍｍ台の幅を有し、ホール効果素子１４ａの中心１４ｃの周りに中心があることがわかる。ｙ軸２０に沿ってホール効果素子の中心１４ｃから１．２５ｍｍ以上離れたホール効果素子１４ａの部分は、磁束密度が減少している。図示したホール効果素子１４ａの部分は、典型的には１．６ｍｍと３ｍｍの寸法を有するセンサダイ１４の上に中心がある０．２ｍｍ台のｙ軸の幅ｗ８を有し、従って、ホール効果素子１４ａ全体は、中心部分１０８内にある。中心部分１０８の幅は、ホール効果素子１４ａの幅ｗ８（図１Ｂ）よりかなり大きく、ホール効果素子１４ａは、ホール効果素子１４ａが大きな量の磁界内にあることを保証するために中央部分１０８内の十分な中心にある。

ホール効果素子１４ａに対する磁気コア５４の寸法が、ｙ軸２０のホール効果素子１４ａの磁束密度の均一性に大きな影響を与えることは当業者には理解できるであろう。特に、ホール効果素子１４ａの幅ｗ８に対する磁気コア５４が深くなれば深くなるほど（即ち、図２における深さｄ２が大きくなればなるほど）、曲線１０６の中央部分１０８は長くなる。それに対し、磁気コアが浅くなればなるほど、中央部分１０８は短くなる。

曲線１０６は、磁気コア５４及びホール効果素子１４ａが整列された導体の切欠部６０ａ、６０ｂに対する固定位置によって保証されると同様に、ｙ軸２０で互いに対して中央にあることを仮定している。ｙ軸２０に沿った磁気コア５４に対するホール効果素子１４ａの動きは、曲線１０６が横軸１０４に沿って移動することを示し、従って、ホール効果素子１４ａの領域において、１．２５ｍｍよりさらにその中央１４ｃに接近し、十分低減された磁束密度を示す。この効果は、ホール効果センサ１２と磁気コア５４との相対運動を制限することが望ましいことを強調する。

図４を参照すると、グラフ１２０は、ストレイ即ち外部磁界の効果を低減する際に磁気コア２４（図１、図１Ａ）の重要性を示すものである。横座標１２４は、導体１６を通過する電流によって発生する磁界に対して図１Ａの電流センサ１０へｚ軸２１（図１）に沿って加えられる外部磁界を表し、縦座標１２２は、電流センサ１０によって検出された磁界を表している。曲線１２８は、図１及び図１Ａに示すタイプであり、Ｃ形状の磁気コア２４のないタイプの電流センサに対応するが、曲線１３０は、磁気コア２４を有する電流センサ１０に対応する。曲線１２８は、ホール効果センサ１２によって検出された磁界が、外部磁界と実質的に同じであり、それに対し、曲線１３０は、磁気コア２４によって、電流センサ１０によって検出された磁界が外部磁界より著しく小さいことを示している。

図５を参照すると、グラフ１４０は、図１及び図１Ａの電流センサ１０の正確な性能を示す。その精度は、その理想的な値から実際のセンサ出力の最大変動を示している。導体１６を通る電流は、横軸１４４に示されており、電流センサ出力信号の電圧は、縦軸１４２に示されている。

導体と出力電圧との間の理想的な関係は、曲線１５０、ここでは直線によって示されている。曲線１４６ａ及び１４６ｂは、一定の温度範囲の電流を検出する精度境界を表す。さらに詳細には、曲線１４６ａ及び１４６ｂは、−４０℃から＋８５℃の温度範囲を通る電流を検出する精度境界を表す。曲線１４８ａ及び１４８ｂは、２５℃の固定温度で電流を検出する精度境界を表す。

図６を参照すると、図１、図１Ａ及び図１Ｂの例示的なホール効果センサ１０の概略図は、回路基板取り付け機構１６ａ、１６ｂを有するライン、トロイド（環状体）１６２によって表される磁気コア２４によって表される導体１６を含む。図示したホール効果センサ１２は、センサダイ１４、及び符号１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃで表される導線１５を含む。導線１５ａは、ホール効果センサ１２への電力接続を提供し、導線１５ｂは、電流センサ出力信号への接続を示し、導線１５ｃは、電流センサへの基準、又は設置接続を提供する。

ホール効果素子１４ａは、導体１６内の電流によって誘導される磁界１６４を検出し、磁界１６４に比例する電圧を生成する。ホール効果素子１４ａは、動的オフセット相殺回路１７０に接続されており、これは、ホール効果素子１４ａに関連するＤＣ電圧エラー用のＤＣオフセット調整を行う。導体１６を通る電流がゼロの場合、動的オフセット相殺回路１７０の出力は、ゼロに調整される。

動的オフセット相殺回路１７０は、オフセット調整されたホール出力信号を増幅する増幅器１７２に接続される。増幅器１７２は、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ及び／又は切欠部フィルタであり得るフィルタ１７４に接続されている。このフィルタは、所望の応答時間、ホール効果素子１４ａに関連するノイズの周波数スペクトル、動的オフセット相殺回路１７０及び増幅器１７２を含むが、それには制限されない種々の要因に関連して選択される。１つの特定の実施形態において、フィルタ１７４は、ローパスフィルタである。フィルタ１７４は、他の電子素子（図示せず）への送信用の向上された電力出力を提供する出力駆動部１７６に接続されている。

作動中、電力が提供される導線１５ａにトリム制御回路１８４が接続されている。また、導線１５ａは、典型的に製造中、種々の電流センサパラメータを調整することができる。この目的のために、トリム制御回路１８４は、導線１５ａに加えられる適当な信号によって可能になる１つ又は複数のカウンタを含む。

トリム制御回路１８４は、静止出力電圧（Ｑｖｏ）回路１８２に接続される。静止出力電圧は、導体１６を通る電流がゼロになるとき、出力導線１５ｂでの電圧である。公称的には、ユニポーラ供給電圧Ｑｖｏの場合、Ｑｖｏは、Ｖｃｃ／２に等しい。Ｑｖｏは、トリム制御回路１８４内の第１のトリム制御回路カウンタに導線１５ａを通して適当なトリム制御回路１８４を送ることによって調整することができ、調整制御回路は、Ｑｖｏ回路１８２内のデジタルアナログ回路を制御する。

トリム制御回路１８４は、さらに、感度温度補償回路１７８に接続されている。感度調整回路１７８は、電流センサ１０の感度を調整するために増幅器１７２の利得を調整することができる。感度は、トリム制御回路１８４内の第２のトリム制御回路カウンタに導線１５ａを通して適当なトリム信号を加えることによって調整することができ、トリム調整回路１８４は、感度調整回路１７８内のＤＡＣ（デジタルアナログ変換器）を制御する。

トリム制御回路１８４は、さらに感度温度補償回路１８０に接続される。感度温度補償回路１８０は、温度による利得の変化を補償するために増幅器１７２の利得の調整を可能にする。感度温度補償は、トリム制御回路１８４内の第３のトリム制御回路カウンタに導線１５ａを通して適当なトリム信号を加えることによって調整することができ、トリム調整回路１８４は、感度調整回路１８０内のＤＡＣを制御する。

図６に示す回路は、図１のホール効果センサ１０と同様に、ホール効果センサに関連し集積化された例示的な回路のみであることは当業者には理解できるであろう。他の実施形態において、追加の回路は、電流センサを「デジタルヒューズ」に変換するために提供され、この「デジタルヒューズ」は、導体１６を通る電流によって誘導された磁界１６４が所定の閾値水準以上又は以下であるかどうかに依存して高出力信号又は低出力信号を提供する。この他の実施形態のための追加の回路は、コンパレータ及び／又はラッチ及び／又はリレイを含むことができる。デジタルヒューズの例示的な実施形態が図７に示されている。

さらに、導体接続１６ａ、１６ｂは、電流センサ導線１５ａ、１５ｂ及び１５ｃから絶縁されており、電流センサ１０は、光絶縁器、変圧器のような他の絶縁技術を使用することなく電気的な絶縁を必要とするアプリケーションにおいて使用することができる。

図６の同様な部品は、同じ符号を有する図７を参照すると、例示的なデジタルヒューズ回路２００は、導体１６、コア１６２、センサダイ１４’を含むホール効果センサ１２’を含む。ダイ１４’は、フィルタ１７４に接続されたシュミットトリガー２０２を含む。シュミットトリガーは、磁界１６４が第１の閾値の下にあるとき、第１のデジタル状態の出力信号を提供し、磁界１６４が第２の閾値の上にあるとき、第２のデジタル状態を提供する。第１のデジタル状態は、導体１６を通る低い電流に対応する。第２のデジタル状態は、導体１６を通る高い電流に対応する。シュミットトリガー出力信号は、制御信号をトランジスタ２０６に提供する制御回路２０４に提供される。制御信号は、シュミットトリガー出力信号が２つのデジタル状態の一方にあるときトランジスタ２０６を導通し、シュミットトリガー出力信号が２つのデジタル状態の他の一方にあるとき、トランジスタ２０６をオフにする。電流制限回路２１０と組み合わされた抵抗器２０８は、トランジスタ２０６を通る電流を制限する。

出力導線１５ｂ（図１）は、負荷２１２に接続することができ、デジタルヒューズ回路２００の部分ではなく、従って、付加２１２は、トランジスタ２０６の条件のオンオフに対応して電源Ｖｃｃからの電流を受け入れる。例えば、１つの実施形態において、負荷２１２は、磁界１６４が第１の閾値以下になるとき、導体１６を通る低い電流に対応して全電流を受け、磁界１６４が第２の閾値以上にあるとき、導体を通る高い電流に対応してゼロ電流を受け入れる。トランジスタ２０６の状態をオン又はオフ条件のいずれかにラッチすることができるようにフリップフロップ又はラッチを含むことができることは当業者には理解できるであろう。

図８を参照すると、集積電流センサ２５０が、ここでは、ホール効果センサ２５２、電流搬送導体２５４、及び磁気コア２５６の形態の磁界変換器を含む。磁気コア２５６は、図１に示す磁気コア２４のタイプであり、ホール効果センサ２５２は、図１に示すセンサ１２のタイプである。この実施形態において、電流搬送導体２５４は、１つの切欠部２５８のみを有する。切欠部２５８は、図１の切欠部１８ｂに比較することができ、同じ性能と利点を提供する。従って、切欠部２５８は、同様の寸法の磁気コア２５６の一部を受け、図１に関連して説明した方法と基本的には同様な方法で磁気コアに整列するようになっている。

図１Ａの成型本体２８と同様の成型本体（図示せず）は、互いに関する部品の移動を低減するために提供される。導体２５４は、ｚ軸方向中に延在する特徴部を有することなく、実質的に平坦である。使用において、導体は、プリント回路基板の表面に接近して配置され、従って、プリント回路基板の高さをさらに加えることを回避する。

磁気コア２５６に関して１つの切欠部２５８を有する電流センサ２５０を示しているが、他の実施形態において、図１の切欠部１８ａと比較可能な別の電流センサは、切欠部（ノッチ）を１つだけ有し、同様の寸法のホール効果センサ（例えば、ホール効果センサ１５２）を受け入れるようになっている。

図８と同じ部品には同じ参照符号を有する図８Ａを参照すると、集積電流センサ３００は、ここでは、ホール効果センサ２５２、電流搬送導体３０２、及び磁気コア２５６の形態の磁界変換器を含む。この実施形態において、電流搬送導体３０２は、センサ２５４及び／又はコア２５６の一部を受け入れるために図１の切欠部１８ａ、１８ｂに比較できる切欠部はない。むしろホール効果センサ２５２は、図示するように導体３０２の縁部に対して並置され、磁気コアは、コアの脚部の各々がホール効果センサの各表面の実質的な部分を覆うように、導体３０２の反対の縁部を跨ぐように配置される。導体３０２は、実質的に平坦である。

図１Ａの成型本体２８と同様の成型本体（図示せず）は、互いに対して素子の動きを低減するために提供することができる。従って、この特定の実施形態は、この部品を実質的に固定された相対位置に保持するために成型本体に依存することができる。

本発明の好ましい実施形態を説明したが、それらの概念を組み込んだ他の実施形態を使用することができることは当業者においては明らかになる。従って、これらの実施形態は開示された実施形態に制限されるべきではなく、特許請求の範囲の精神及び観点によってのみ制限されなければならない。ここの引用した文献は全体を参照することによってここに組み込まれている。

本発明による電流センサの等角分解図である。 図１の組み立てられた電流センサの等角図である。 図１Ａのホール効果センサのセンサダイの平面図である。 本発明による他の電流センサの等角分解図である。 図２の組み立てられた電流センサの等角図である。 ホール効果素子平面のｘ軸で測定された図１及び図２の電流センサ内に含まれるホール効果素子の磁界のグラフである。 ホール効果素子平面のｙ軸で測定されたような図１及び図２の電流センサに含まれるホール効果素子の磁界のグラフである。 磁気コアを有するか、有しない図２のホール効果センサによって検出された磁界を示すグラフである。 図２の電流センサの精度を示すグラフである。 図１の電流センサのブロック図である。 コアと図１の導体を含むが、図面に示すような他のホール効果センサを含む図１の電流センサと同じ形態に設けることができる１つの例示的なデジタルヒューズ回路のブロック図である。 本発明による電流センサの他の構成を示す平面図である。 本発明による電流センサの他の変形例を示す平面図である。

Claims (20)

1. 第１の切欠部及び当該第１の切欠部と実質的に整列する第２の切欠部を有する導体と、
   少なくとも前記第１の切欠部に配置される一部を有する磁界変換器と、
   中央領域を有するとともに当該中央領域から延在する実質的に平行な一対の脚部を有する磁気コアであって、前記中央領域の少なくとも一部は、前記第２の切欠部に配置され、各脚部の少なくとも一部は、前記磁界変換器の各面の少なくとも一部を覆う、磁気コアとを有する、電流センサ。
2. 前記磁界変換器は、ホール効果素子及び磁気抵抗素子から選択された１つを含む、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記磁界変換器は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子及び異方性の磁気抵抗（ＡＭＲ）素子から選択された１つを含む、請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１の切欠部に配置された前記磁界変換器の前記一部の幅は、前記磁界変換器が前記導体に対して実質的に固定された位置になるように、前記第１の切欠部の幅に実質的に等しい、請求項１に記載の電流センサ。
5. 前記第２の切欠部に配置された前記磁気コアの前記中央領域の幅は、前記磁気コアが前記導体に対して実質的に固定された位置になるように、前記第２の切欠部の幅に実質的に等しい、請求項１に記載の電流センサ。
6. 前記磁気コアの前記脚部の各々は、前記磁界変換器の実質的に全面を覆う、請求項１に記載の電流センサ。
7. 前記第１の切欠部及び前記第２の切欠部は、前記導体の中央領域に配置され、前記導体は、当該導体の端部領域に取り付け機構を含む、請求項１に記載の電流センサ。
8. 前記取り付け機構は、基板取り付けハードウエアを受け入れるようになっている貫通孔を含む、請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記取り付け機構は、プリント回路基板の貫通孔に挿入されるようになっている屈曲リードを含む、請求項７に記載の電流センサ。
10. 前記取り付け機構は、プリント回路基板のパッドにハンダ付けするための平坦なリードを含む、請求項７に記載の電流センサ。
11. 前記取り付け機構は、ワイヤ取り付け機構を含む、請求項７に記載の電流センサ。
12. 前記導体は、第１の軸線に沿って延長され、前期磁界変換器は、前記第１の軸線と実質的に直角な第２の軸線に沿って延在する少なくとも１つの電気的リードを有する、請求項１に記載の電流センサ。
13. 前記磁界変換器は、少なくとも１つの増幅器を含む、請求項１に記載の電流センサ。
14. 前記少なくとも１つの増幅器は、調整されるようになっている利得を有する、請求項１３に記載の電流センサ。
15. 前記磁気コアは、フェライト、鋼、鉄成分及びパーマロイを含む群から選択される材料から構成される、請求項１に記載の電流センサ。
16. 前記磁界変換器と前記導体と前記磁気コアとの少なくとも一部を包囲する成型本体を含む、請求項１に記載の電流センサ。
17. 前記実質的に平行な一対の脚部は、前記磁界変換器の厚さに実質的に等しい距離、間隔を置いている、請求項１に記載の電流センサ。
18. 前記実質的に平行な一対の脚部は、前記磁界変換器の厚さより大きい距離、間隔を置いている、請求項１に記載の電流センサ。
19. 実質的に平坦な導体と、
    前記導体の縁部に対して並置された磁界変換器と、
    中央領域及び当該中央領域から延在する実質的に平行な一対の脚部を有する磁気コアであって、前記中央領域は、前記導体の対向する縁部に対して並置され、前記一対の脚部は、前記導体を跨ぎ、各脚部が前記磁界変換器の各面の少なくとも一部を覆う、磁気コアとを有する、電流センサ。
20. 前記導体は切欠部を有し、前記磁界変換器及び磁気コアの一方の少なくとも一部が、前記切欠部に配置されている、請求項１９に記載の電流センサ。

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