JP2008020402A

JP2008020402A - 電流検出機構

Info

Publication number: JP2008020402A
Application number: JP2006194317A
Authority: JP
Inventors: Kenji Suzuki; 健治鈴木; Kenji Kuriyama; 憲治栗山
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】シャント抵抗を利用する電流検出から置き換え可能で、より動作が安定な、比較的少ない電流の検出機構を構成すること。
【解決手段】両面もしくは多層プリント配線基板上に、少なくとも２ターン以上の渦巻き状に配置された配線パターンと、前記配線パターンの中心もしくは当該配線パターンに囲まれた領域の、前記配線基板の表面もしくは裏面に実装された磁気センサとを備え、前記配線パターンに流れる電流の大きさを前記磁気センサからの出力に基づいて検出可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線基板上の配線パターンに流れる電流を、磁気センサにより高感度に検出する機構に関し、より詳細には、構成部品数を可能な限り少なくして電流検出機能の小型・薄型・軽量化を図るとともに、容易な機構実現と電流検出の高感度化を実現可能な電流検出機構に関する。

１９９９年の省エネ法改正以降、モータやコンプレッサの制御に省エネ化に有効なベクトル制御技術が広く用いられるようになってきている。特に数量の多い家電分野において省エネ化の波及効果は絶大であり、エアコンや冷蔵庫を中心に比較的消費電流の大きな家電製品からベクトル制御が浸透し始めている。このベクトル制御を実現するためには、モータやコンプレッサの電流検出が不可欠である。この電流検出として、現段階では、工場や事務所向け等に採用されている大型エアコンには、ホール素子を利用した従来タイプのスタンドアローン型電流センサが用いられており（たとえば、特許文献１から４を参照）、比較的消費電流の小さい一般家庭用の小型エアコンや冷蔵庫には、電流が少ないことから、シャント抵抗を利用するものが用いられている。

再表０３／０３８４５３号公報特開２００３−２６２６５０号公報特開２００３−３２９７４７号公報再表０３／１０７０１８号公報

しかしながら、従来タイプのスタンドアローン型電流センサでは構成部品の点数が多く、高価で大きくなるため、比較的高価な機種への波及に留まっている。一方一般家庭用の小型エアコン等の電流検出に使われているシャント抵抗方式は、安価に実現可能ではあるものの、自身の抵抗による電力ロスが無視できず、省エネ効果に限界があった。また、性能的にも制御電源とモータ駆動電源の間の電気的絶縁が原理的にできないことや、先に記載した電力ロスを低く抑える目的で抵抗値を大きくできないことから、得られる信号レベルが小さく、充分なＳ／Ｎを確保することが難しいため、実現に際してはレイアウトやフィルタ回路等に関して多大な設計時間が必要になるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みて考案されたもので、その目的とするところは、インバータ回路用に用意された既存のプリント配線基板上の配線パターンを有効活用し、少ない部品点数で信頼性を高め、しかも小型で高感度な電流検出を、電力ロスを伴わず実現させることが可能な電流検出機構を提供することにある。また、従来、シャント抵抗を利用した電流検出が行われてきた製品に対しても利用可能で、さらに安定な電流検出を可能とする電流検出機構を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電流検出機構であって、両面もしくは多層プリント配線基板上に、少なくとも２ターン以上の渦巻き状に配置された配線パターンと、前記配線パターンの中心もしくは当該配線パターンに囲まれた領域の、前記配線基板の表面もしくは裏面に実装された磁気センサとを備え、前記配線パターンに流れる電流の大きさを前記磁気センサからの出力に基づいて検出可能とすることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電流検出機構であって、前記配線パターンの形状は、渦巻き形状、円形状、または多角形状であり、前記両面もしくは多層プリント配線基板の複数のパターン層を使用して構成され、スルーホールやビアにより前記パターンのターン数多段化や折り返しの実現可能な形状を有することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電流検出機構であって、前記磁気センサは、センサ素子と当該センサ素子近傍に配置された磁性体材料を備え、当該磁性体材料は、前記配線パターンに流れる電流により発生する磁場を前記ホール素子部に効率的に集磁させるように配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の電流検出機構であって、板状またはブロック状の磁性体材料をさらに備え、当該磁性体材料は、前記パターンの中心部に実装される磁気センサの、前記基板側の面の反対側の面上で、前記パターンに流れる電流により発生する磁場をセンサ素子に効率的に集磁させるように配置されることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の電流検出機構であって、前記プリント基板上の前記配線パターンを挟み込むことが可能なＣ型またはコ型形状の磁性体コアをさらに備え、当該磁性体コアの開口部を形成する２つの端部の間に前記磁気センサが配置されるように、前記磁性体コアが前記プリント基板に対して固定可能に形成されることを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の電流検出機構であって、さらにダイオードを備え、当該ダイオードの２つの端子は、渦巻き状に配置された前記配線パターンの電流路の上流および下流にカソードおよびアノードをそれぞれ接続され、前記ダイオードは、前記配線パターンに流れる電流によって発生する逆起電力による電圧サージを抑えることを特徴とするものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の電流検出機構であって、前記磁気センサは、ホール効果を利用したホール素子、あるいは増幅回路または信号処理回路機能を有する処理ＩＣと組み合わせたホールＩＣであることを特徴とするものである。

本発明を利用することで、一般家庭用の小型エアコン等において、工場や事務所向け等に採用されている大型エアコン等で一般的に使われていたような「電流センサ」を使用せずに、また「シャント抵抗」を利用する電流検出よりも動作が安定な電流検出機構を構成することが可能となる。また、この構成の電流検出機構は、その組み立てをユーザが容易に実現することが可能という特徴を有する。したがって、一般家庭用の小型エアコン等に使用することが可能になり、これにより、温暖化等地球レベルの環境維持に多大な貢献をもたらすことができる。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明の電流検出機構の第１の実施形態を示す図であり、両面配線基板の表面図と、表面図上の一点鎖線部の断面図を示す図である。
図１は、電流検出のための配線パターンが、円形の渦巻き形状の場合を示し、図２は、電流検出のための配線パターンが四角形の渦巻き形状の場合を示している。いずれも一方の層に渦巻き状配線パターン１、６を形成し、もう一方のプリント層に、点線で示した渦巻き状配線パターンの一方である２、７、及び不図示の回路と磁気センサ４、９との接続に必要な配線パターン３、８を引き出している。配線パターン１、６は、電流容量に適したスルーホール・アレー５、１０で裏面のパターン２、７と電気的に接続される。磁気センサ４、９は、渦巻き状の配線パターンの中心付近に配置され、渦巻き状の配線パターンに流れる電流に比例して発生する磁束密度を検出し、電気信号に変換する。

図２に示した四角形の渦巻き形状の配線パターンは、その変曲部位が滑らかになるように、符号１１に示すようなある程度のＲが設けれ、表皮効果による電流集中の影響を低減させている。

図１および図２に示しように、渦巻き状に配線パターンを形成してその中心にセンサを配置しているので、上述した引用文献１のような電流センサと較べて、感度を高くすることができる。また、配線パターンについては、被測定電流の大きさに応じてその厚さや幅をユーザが、設計時に設定することが可能な特徴を有する。電流が少ない場合は、渦巻きのターン数を大きくし、電流が多い場合はそのターン数を少なくすることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示す図である。この図は、３層の多層プリント配線基板を使って表面層の渦巻き状配線パターン１２だけでなく裏面層にも渦巻き状の配線パターン１３を形成し、２つの渦巻き状の配線パターンをスルーホール・アレー１４で直列に接続して、少ない被測定電流の場合でも、発生磁束を増加させることが可能な構成例を示している。この例では、磁気センサ１６と不図示の回路との接続線は、プリント配線基板の渦巻きパターンを形成していない内層に形成した配線パターンを使って引き出している。

この実施形態の構成は、図１また図２に示した構成における感度の約倍の感度を得ることが可能であり、被測定電流が、図１また図２に示した構成よりも比較的小電流の場合に適用することができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態を示す図である。この図は、多層プリント配線基板を使って小電流を、効率よく検出する例を示している。具体的には、電流値に適した幅の渦巻き状配線パターン１７と、ビア・アレー１８により、裏面層もしくは内層と直列接続し総ターン数を稼いでいる。内層間の電気的な接続も内層に形成されたビア・アレーにて実現させることができる。

この実施形態の構成は、上述した第２の実施形態の構成よりも、少ない被測定電流を正確に安定した状態で、検出することができる。

（第４の実施形態）
図５、図６、図７は、上述した各実施形態で使用することが可能な磁気センサの各種の構造を示す図である。被測定電流により形成される磁束の引き込みおよび収束効果により、ホール素子に磁束を集中させて測定感度を上げるために、磁気センサのパッケージ内部に磁性体材料を形成もしくは配置した例を示している。符号１９、２４、２９は、リード・フレームであり、この上にホール素子を形成したウェーハ２０、２５、３０がダイ・ボンディングされている。ウェーハには、ホール素子部２１、２６、３１が形成され、その上部に電気的に絶縁されたパッシベーション層２２、２７、３２を介して磁性材料が配置されている。図５の符号２３は磁性体メッキまたは磁性体薄膜テープの例を示し、図６の符号２８は磁性体樹脂のポッティング例を示し、図７の符号３３は磁性体小片ブロックをパッシベーション層３２を介して感磁部直上に接着した例を示している。

（第５の実施形態）
図８は、磁気センサのパッケージ３４の外部表面に磁性体板３５を貼り付けた例を示す図である。この場合、パッケージ３４の磁気センサには、図５〜図７に示した構造を有する磁気センサを使用することも、また内部に磁性体材料を有しない磁気センサを使用することもできる。これらのいずれの場合であっても、この図に示す構造とすることにより、被測定電流により形成される磁束の引き込みおよび収束効果により、磁気センサ内部のホール素子に磁束を集中させて測定感度を上げることが可能になる。

また、この実施形態の場合、ホール素子からみて磁性体版３５の方向から到来する外部磁気が、磁性体版３５によって少なくとも遮蔽されるという特徴がある。

（第６の実施形態）
図９は、被測定電流によって形成される磁束を、磁気センサ部に収束させる効果をさらに高めるために実施した例を示す図であり、基板面の平面方向と基板の断面方向の図を示している。この図では、プリント配線基板３６上に形成された渦巻き状の配線パターン３７の中心部に穴３８を開け、磁気センサ３９をリード・フレームを支えにしてパッケージ面を穴３８部に落とし込むことにより、基板３６の厚みも含めた磁気センサ３９部分の厚みを最小限にすることを示している。さらに、磁気センサ部分を基板を含めて挟み込むようにＣ型の磁性体コア４０を配置している。この磁性体コアの形状は、被測定電流パターン３７に流れる電流により発生した磁束Φが磁性体コア４０によって、磁気センサの部分に効率よく収束される構造であれば、任意の形状とすることができる。このような磁性体コアを設けることにより、磁気センサ３９の部分で高い磁束の収束がもたらされ、少ない被測定電流を効率よく安定に検出することが可能になる。

図において、一体に形成された磁性体コア４０を示しているが、同様な形状を構成する複数の形状に分割し、これらの複数による、図に示した形状とすることも可能であり、効果としてはほぼ同様の効果を得ることができる。

また、図において、穴３８の内部には磁気センサのみが配置され、磁性体もなく空間が形成されているが、この空間部分を別形状（たとえば円柱形状の）の磁性体で埋めることも可能であり、より効果的に磁束の収束を磁気センサ部分とすることができる。

（第７の実施形態）
図１０は、上述の図９に示した構成の電流検出機構を、ＤＣブラシレス・モータをインバータを使って３相駆動制御する場合に適用した実施形態を示す図である。インバータを形成するＩＧＢＴモジュールのコモン・ライン４１に、プリント配線パターンで形成した渦巻き状の配線パターンの一端４２を接続し、スルーホール・アレー４４を介して裏面の渦巻きパターンと接続され、その一端４３がモータ駆動電源の０Ｖ側に接続される。コモン・ラインを流れる電流は、渦巻き状の配線パターンの中心部に実装された磁性材料を内蔵する磁気センサ４５により、モータ駆動電源とは絶縁された電気信号として、高い検出感度で出力される。ダイオード４７は、コモン電流が急峻に変化をした場合に渦巻き状の配線パターンの一端４２に発生する負電圧サージをクランプさせるためのもので、ＩＧＢＴをはじめとする電子部品を保護するためのものである。

渦巻き状の配線パターンは、無視し得ないインダクタンスを有し、また流れる電流も、比較的少ないと言ってもある程度の値を有しているため、ダイオード４７は有効に機能する。

本発明の電流検出機構の第１の実施形態例を示す図である。本発明の電流検出機構の第１の実施形態例の別の例を示す図である。本発明の第２の実施形態を示す図である。本発明の第３の実施形態を示す図である。本発明の各実施形態で使用することが可能な磁気センサの構造例を示す図である。本発明の各実施形態で使用することが可能な磁気センサの構造例を示す図である。本発明の各実施形態で使用することが可能は、磁気センサの構造例を示す図である。磁気センサのパッケージ３４の外部表面に磁性体板３５を貼り付けた例を示す図である。被測定電流によって形成される磁束を、磁気センサ部に収束させる効果をさらに高めるために実施した例を示す図である。図９に示した構成の電流検出機構を、ＤＣブラシレス・モータをインバータを使って３相駆動制御する場合に適用した実施形態を示す図である。

符号の説明

Ｉ（被測定）電流
１、６渦巻き状配線パターン
２、７渦巻き状配線パターンの一方の端部
３、８磁気センサからの引き出しパターン
４、９磁気センサ
５、１０スルーホール
１２表面層の巻き状配線パターン
１３裏面層の巻き状配線パターン
１４スルーホール
１５磁気センサからの引き出しパターン
１６磁気センサ
１７巻き状配線パターン
１８ビア・アレー
２０、２５、３０ウェーハ
２１、２６、３１ホール素子部
２２、２７、３２パッシベーション層
２３磁性体メッキまたは磁性体薄膜テープ
２８磁性体樹脂のポッティング
３３磁性体小片ブロック
３５磁性体板
３６磁気センサ
３６プリント配線基板
３７渦巻き状の配線パターン
３８穴
３９磁気センサ
４０磁性体コア
Φ 磁束
４１ＩＧＢＴモジュールのコモン・ライン
４２渦巻き状の配線パターンの一端
４３渦巻き状の配線パターンの他端
４４スルーホール
４５磁気センサ
４６磁性体コア
４７ダイオード

Claims

両面もしくは多層プリント配線基板上に、少なくとも２ターン以上の渦巻き状に配置された配線パターンと、
前記配線パターンの中心もしくは当該配線パターンに囲まれた領域の、前記配線基板の表面もしくは裏面に実装された磁気センサと
を備え、前記配線パターンに流れる電流の大きさを前記磁気センサからの出力に基づいて検出可能とすることを特徴とする電流検出機構。
前記配線パターンの形状は、渦巻き形状、円形状、または多角形状であり、前記両面もしくは多層プリント配線基板の複数のパターン層を使用して構成され、スルーホールやビアにより前記パターンのターン数の多段化や折り返しの実現可能な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電流検出機構。
前記磁気センサは、センサ素子と当該センサ素子近傍に配置された磁性体材料を備え、当該磁性体材料は、前記配線パターンに流れる電流により発生する磁場を前記ホール素子部に効率的に集磁させるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電流検出機構。
板状またはブロック状の磁性体材料をさらに備え、当該磁性体材料は、前記パターンの中心部に実装される磁気センサの、前記基板側の面の反対側の面上で、前記パターンに流れる電流により発生する磁場をセンサ素子に効率的に集磁させるように配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電流検出機構。
前記プリント基板上の前記配線パターンを挟み込むことが可能なＣ型またはコ型形状の磁性体コアをさらに備え、当該磁性体コアの開口部を形成する２つの端部の間に前記磁気センサが配置されるように、前記磁性体コアが前記プリント基板に対して固定可能に形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電流検出機構。
さらにダイオードを備え、当該ダイオードの２つの端子は、渦巻き状に配置された前記配線パターンの電流路の上流および下流にカソードおよびアノードをそれぞれ接続され、前記ダイオードは、前記配線パターンに流れる電流によって発生する逆起電力による電圧サージを抑えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電流検出機構。
前記磁気センサは、ホール効果を利用したホール素子、あるいは増幅回路または信号処理回路機能を有する処理ＩＣと組み合わせたホールＩＣであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電流検出機構。