JP2010133737A - 電流センサ装置、及び電流センサ自己診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】故障を自己診断することができ、体格の増大が抑制された電流センサ装置、及び電流センサ自己診断装置を提供する。
【解決手段】空隙を有するリング形状とされ、該リング状の中心部に挿入された被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を集束する磁性体コアと、磁性体コアの空隙に配置され、磁束に応じた電気信号を出力するホール素子と、所定の検査電流を流すことで発生する所定の磁束をホール素子に印加する検査導線と、を有する電流センサ装置であって、被測定対象に被測定電流が流れていなく、検査導線に検査電流を流した状態とした時に、ホール素子から出力される電気信号に基づいて、ホール素子の故障が自己診断される。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を電気信号に変換し、当該電気信号に基づいて、被測定電流の電流量を検出する電流センサ装置、及び該電流センサ装置の故障を自己診断する電流センサ自己診断装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示すように、ギャップを有するリング形状の磁性体コアと、当該磁性体コアのギャップ内に配置された複数の磁気センサ（ホール素子）と、を有する電流センサ装置が提案されている。
特開２００６−２９２６９２号公報

特許文献１に示される電流センサ装置においては、複数のホール素子を有しているので、これらホール素子の電気信号を比較することで、ホール素子の故障を自己診断することも可能である。しかしながら、特許文献１に示される電流センサ装置は、ホール素子を複数有しているので、電流センサ装置の体格が増大する、という課題が生じる。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、故障を自己診断することができ、体格の増大が抑制された電流センサ装置、及び電流センサ自己診断装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の電流センサは、空隙を有するリング形状とされ、該リング状の部位に挿入された被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を集束する磁性体コアと、磁性体コアの空隙に配置され、磁束に応じた電気信号を出力するホール素子と、所定の検査電流を流すことで発生する所定の磁束をホール素子に印加する検査導線と、を有し、被測定対象に被測定電流が流れておらず、検査導線に検査電流を流した状態とした時の、ホール素子から出力される電気信号に基づいて、ホール素子の故障が自己診断されることを特徴する。

このように、本発明に係る電流センサ装置によれば、所定の検査電流を流すことで発生する所定の磁束をホール素子に印加する検査導線を有している。したがって、被測定対象に被測定電流が流れていなく、検査導線に検査電流を流した状態とした時に、一定の強さを有する磁束を、ホール素子に印加することができる。したがって、当該状態において、ホール素子から出力される電気信号が、所定値を取るか否かを診断することで、ホール素子の故障を自己診断することができる。また、上記したように、電気信号が、所定値を取るか否かを診断する構成となっているので、複数の電気信号を検出しなくとも良い。したがって、１つのホール素子を有する構成においても、ホール素子の故障を自己診断することができる。これにより、電流センサの体格の増大を抑制することができる。

以上のようにして、本発明に係る電流センサは、故障を自己診断することができ、体格の増大が抑制された電流センサ装置となっている。

請求項２に記載のように、検査導線の形状としては、ホール素子を取り囲むように巻回された形状が好ましい。これによれば、巻回された形状を有する検査導線の中心部に、検査導線に検査電流を流すことで生じる磁束を集束して、ホール素子に印加することができる。したがって、導線が直線形状とされた場合に比べて、小電流で、ホール素子に磁束を印加することができる。

請求項３に記載のように、ホール素子及び検査導線は、１つの半導体基板に形成された構成が好ましい。これによれば、ホール素子と検査導線それぞれが異なる部材に設けられた構成と比べ、ホール素子の近傍に検査導線を配置させることできる。これにより、小電流で、ホール素子に磁束を印加することができる。

また、請求項４に記載のように、ホール素子が、半導体基板における一面側の表層に形成され、検査導線が、半導体基板における一面上に形成された構成がより好ましい。これによれば、一面にホール素子が形成され、他面に検査導線が形成された構成と比べ、ホール素子のより近傍に検査導線を配置させることができる。したがって、より小電流で、ホール素子に磁束を印加することができる。

請求項５に記載のように、ホール素子が、半導体基板の表層に形成され、検査導線が、半導体基板を搭載するアイランドの表面、若しくは半導体基板を被覆保護するモールド部材の表面に、設けられた構成を採用することもできる。

ホール素子と検査導線とを同一の部材に構成する場合、ホール素子と検査導線とが電気的に接続しないように、レイアウトパターンを考慮しなければならない。しかしながら、請求項５に記載の発明によれば、ホール素子と検査導線が、それぞれ異なる部材に設けられた構成となるので、レイアウトパターンを考慮しなくとも良い。

なお、請求項６及び請求項７に記載の発明の作用効果は、請求項１に記載の発明の作用効果と同様なので、その記載を省略する。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電流センサ装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、磁気センサの概略構成を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、外部装置と電流センサの概略構成を示すブロック図である。

図１に示すように、電流センサ装置１００は、要部として、磁気センサ１０と、磁性体コア２０と、磁気センサ１０及び磁性体コア２０を収容する筐体３０と、磁気センサ１０及び磁性体コア２０を被覆・保護する封止部材４０と、を有している。

磁気センサ１０は、磁束をホール電圧（以下、ホール電圧を電気信号と示す）として出力するホール素子１３を有するものである。図２に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１０は、ホール素子１３が形成された半導体基板１１と、該半導体基板１１を搭載するアイランド１２と、ホール素子１３のホール信号を増幅する増幅器（図示略）と、検査導線１４と、ホール素子１３及び検査導線１４を、後述する電子部品１７と電気的に接続するリード１５と、ホール素子１３と検査導線１４を含む半導体基板１１、アイランド１２、及びリード１５におけるホール素子１３、検査導線１４との電気的な接続部を被覆・保護するモールド部材１６と、を有している。半導体基板１１は、例えばシリコンによって形成されており、半導体基板１１における表面１１ａ側の表層には、周知の構造のホール素子１３が形成されている。

検査導線１４は、検査電流を流すものである。検査導線１４の両端部には、パッド１４ａ，１４ｂが形成されており、パッド１４ａ，１４ｂは、当該パッド１４ａ，１４ｂに対応するリード１５とワイヤ（図示略）を介して電気的に接続されている。図２に示すように、本実施形態に係る検査導線１４は、ホール素子１３の周囲を取り囲むように、渦巻き形状に形成されており、当該渦巻きの中心部にホール素子１３が配置されている。このような検査導線１４は、例えば、半導体基板１１が、一枚のウェハから１チップ毎に分割される前の状態において、半導体基板１１の表面に形成された絶縁膜上に、金属蒸着によって堆積させたＡｌ層をパターニングすることで形成することができる。

リード１５は、ホール素子１３及び検査導線１４を、後述する電子部品１７に電気的に接続するものである。リードフレームの一部であるリード１５は、モールド部材１６によって、リード１５と半導体基板１１とを一体的に連結した後で、アイランド１２とリード１５、及び隣接するリード１５それぞれを連結している連結部を取り除くことで形成される。

モールド部材１６は、半導体基板１１、アイランド１２、及びリード１５におけるホール素子１３、検査導線１４との電気的な接続部を被覆・保護するものである。モールド部材１６は、以下の工程を経ることで形成される。先ず、半導体基板１１をアイランド１２に搭載し、ホール素子１３及び検査導線１４それぞれを、ワイヤ（図示略）を介して、リード１５と電気的に接続する。次に、半導体基板１１をアイランド１２及びリード１５を含むリードフレームと共に金型内に配置し、リード１５における電子部品１７との電気的な接続部位を金型によって挟持する。そして、当該状態において、金型の内部にモールド部材１６の形成材料である溶融したモールド樹脂を注入し、モールド樹脂を冷却固化する。これにより、モールド部材１６が形成される。

モールド部材１６から露出されたリード１５の端部には、ホール素子１３の駆動制御回路を有する電子部品１７が配線１８を介して電気的に接続されており、電子部品１７は、配線１９を介して、後述するコネクタ３２の端子３３と電気的に接続されている。

磁性体コア２０は、被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を集束するものである。磁性体コア２０は、図１に示すように、リング形状に形成されており、リングの一部に、磁気センサ１０を配置するための空隙２１が形成されており、リングの中心部に被測定対象である導電部材が挿入されるようになっている。磁性体コア２０は、薄板状のコア断片を複数積層し、当該コア断片をプレス加工することで形成され、空隙２１は、磁性体コア２０の一部分を切断・開放することで形成される。コア断片の形成材料としては、導電性磁性材料（例えば、鉄、パーマロイ等）を採用することができる。

筐体３０は、一面が開口された箱状の収容部３１と、磁気センサ１０を外部装置と電気的に接続するためのコネクタ３２とを有している。図１に示すように、筐体３０は、全体として略Ｌ字形状となっている。収容部３１には、磁気センサ１０、電子部品１７、配線１８，１９、及び磁性体コア２０が取り付け固定されており、コネクタ３２には、一端が配線１９と電気的に接続され、他端が封止樹脂４０から露出される端子３３が設けられている。

図４に示すように、電流センサ装置１００（端子３３）には、ホール素子１３から出力された電気信号に基づいて、被測定電流の電流量を検出する検出部２１０と、被測定電流の印加を制御する被測定電流制御部２２０と、被測定電流制御部２２０によって被測定電流の流れが停止とされている時に、検査導線１４に所定の検査電流を流す検査電流生成部２３０と、検査電流生成部２３０によって検査電流が流されている時に、ホール素子１３から出力される電気信号に基づいて、磁気センサ１０の故障を診断する故障診断部２４０と、を有する外部装置２００が接続されている。故障診断部２４０のメモリには、ホール素子１３が正常な状態において、被測定電流の流れが停止し、且つ検査導線１４に所定の検査電流が流れている状態において、ホール素子１３から出力されることが期待される電気信号の期待値が予め記憶されている。なお、この外部装置２００と電流センサ装置１００により、特許請求の範囲に記載の電流センサ自己診断装置が構成されている。

収容部３１は、略箱形状の回路収容部３４と、二重枠形状のコア収容部３５とを有している。回路収容部３４の底面３４ａには、磁気センサ１０、電子部品１７、及び配線１８，１９が取り付け固定されており、磁気センサ１０のリード１５と電子部品１７とが配線１８を介して電気的に接続され、電子部品１７と端子３３とが配線１９を介して電気的に接続されている。コア収容部３５の中央部には、平面略矩形状の挿入孔３６が開口されており、当該挿入孔３６を取り囲むように、磁性体コア２０がコア収容部３５に取り付け固定されている。挿入孔３６に被測定対象である導電部材が挿入される。

封止部材４０は、磁気センサ１０、電子部品１７、配線１８，１９、及び磁性体コア２０を被覆・保護するものである。封止部材４０は、磁気センサ１０、電子部品１７、配線１８，１９、及び磁性体コア２０を筐体３０に取り付け固定し、配線１８を介して磁気センサ１０と電子部品１７を電気的に接続し、配線１９を介して電子部品１７と端子３３とを電気的に接続した後で、封止部材４０の形成材料である溶融した封止樹脂を収容部３１に充填し、当該封止樹脂を冷却固化することで形成される。

次に、被測定電流を測定する原理を説明する。挿入孔３６に被測定対象である導電部材が挿通され、当該導電部材に被測定電流が流れると、被測定電流の流れる方向に対して垂直な方向に磁界が発生する。磁性体コア２０の周辺部に発生した磁界の一部（磁束）は、空気よりも透磁率が高い磁性体コア２０内に集束され、集束された磁束が、磁性体コア２０の空隙２１に配置された磁気センサ１０に印加される。

磁気センサ１０に磁束が印加されると、ホール効果によって、当該磁束の強さに対応した電気信号がホール素子１３に発生する。該電気信号は、増幅器によって増幅され、リード１５、配線１８、電子部品１７、配線１９、及び端子３３を介して、外部装置２００に入力される。そして、外部装置２００の検出部２１０にて、被測定電流の電流量が検出される。なお、被測定電流の電流方向も検出することができる。

次に、本実施形態の特徴点である、磁気センサ１０の自己診断について説明する。先ず、被測定電流制御部２２０によって被測定電流の流れを停止し、検査電流生成部２３０によって、検査導線１４に所定の検査電流を流す。すると、検査導線１４を流れる検査電流の流れ方向に対して垂直な方向に磁界が発生し、当該磁界を形成する磁束の一部が渦巻き形状である検査導線１４の中心部に集束され、渦巻きの中心部に形成されたホール素子１３に、所定の強さを有する磁束が印加される。

ホール素子１３に所定の磁束が印加されると、ホール効果によって、当該磁束の強さに対応した電気信号がホール素子１３に発生する。ホール素子１３から出力された電気信号は、増幅器によって増幅され、リード１５、配線１８、電子部品１７、配線１９、及び端子３３を介して、外部装置２００に入力される。そして、電気信号は、外部装置２００の故障診断部２４０に記憶された期待値と比較され、磁気センサ１０に故障が生じているか否かが診断される。

このように、本実施形態に係る電流センサ装置１００は、被測定電流の流れが停止され、検査導線１４に所定の検査電流が流れた状態で、ホール素子１３から出力される電気信号と、期待値とを比較することで、磁気センサ１０に故障が生じているか否かを自己診断することができる。すなわち、複数の電気信号を検出しなくとも、磁気センサ１０の自己診断を行うことができる。したがって、電流センサ装置１００が１つのホール素子１３を有する構成においても、磁気センサ１０の故障を自己診断することができるので、従来に比べて、電流センサ装置１００の体格の増大を抑制することができる。

以上のようにして、本発明に係る電流センサ装置１００は、故障を自己診断することができ、体格の増大が抑制された電流センサ装置となっている。

なお、本実施形態に係る電流センサ装置１００を、車両に搭載されたバッテリから供給される電流量を測定するために、バッテリと接続される配線（被測定対象）に配置する場合、被測定電流を制御する、被測定電流制御部２２０としての機能は、車両に搭載されたＣＰＵが担う。

また、本実施形態では、半導体基板１１に、ホール素子１３と検査導線１４が形成されている。すなわち、ホール素子１３の近傍に検査導線１４が配置された構成となっている。これにより、ホール素子１３と検査導線１４それぞれが異なる部材に設けられた構成と比べ、小電流で、ホール素子１３に検査の磁束を印加することができる。

また、検査導線１４が渦巻き形状とされ、当該渦巻きの中心部にホール素子１３が形成されている。したがって、渦巻きの中心部に集束された磁束をホール素子１３に印加することができるので、直線形状とされた検査導線１４の近傍にホール素子１３が形成された構成と比べ、小電流で、ホール素子１３に磁束を印加することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、外部装置２００が、被測定電流の印加を制御する被測定電流制御部２２０を有する例を示した。しかしながら、例えば図５に示すように、被測定電流制御部２２０の代わりに、被測定電流が流れているか否かを判定する被測定電流判定部２５０を、外部装置２００が有するようにしても良い。この場合、被測定電流判定部２５０によって被測定電流が流れていないと判定された時に、検査電流生成部２３０によって、検査導線１４に所定の検査電流を流す。図５は、外部装置と電流センサの変形例を示すブロック図である。

本実施形態では、検査導線１４に所定の検査電流を流す検査電流生成部２３０と、磁気センサ１０の故障を診断する故障診断部２４０と、を外部装置２００が有する例を示した。しかしながら、例えば、電流センサ装置１００内に、電子部品１７などにより、検査電流生成部２３０及び故障診断部２４０の少なくとも一方が構成されるようにしても良い。

本実施形態では、ホール素子１３が半導体基板１１における表面１１ａ側の表層に形成され、検査導線１４が半導体基板１１における表面１１ａに形成された例を示した。しかしながら、ホール素子１３と検査導線１４を、半導体基板１１に形成する場所としては、ホール素子１３と検査導線１４が電気的に接続されなければ、上記例に限定されない。例えば、ホール素子１３が半導体基板１１における裏面１１ｂの表層に形成され、検査導線１４が半導体基板１１の表面１１ａ若しくは裏面１１ｂに形成された構成としても良い。

本実施形態では、ホール素子１３と検査導線１４が、半導体基板１１に形成された例を示した。しかしながら、例えば、図６及び図７に示すように、ホール素子１３を半導体基板１１に形成し、検査導線１４をアイランド１２の表面、若しくはモールド部材１６の表面に設けても良い。本実施形態で示したように、ホール素子１３と検査導線１４とを同一の部材（半導体基板１１）に形成した場合、ホール素子１３と検査導線１４とが電気的に接続しないように、レイアウトパターンを考慮しなければならない。しかしながら、上記したように、ホール素子１３が半導体基板１１に形成され、検査導線１４がアイランド１２の表面若しくはモールド部材１６の表面に設けられた構成の場合、レイアウトパターンを考慮しなくとも良い。図６及び図７は、磁気センサの変形例を示す断面図である。

しかしながら、図６及び図７に示されるいずれの形態においても、本実施形態で示した、ホール素子１３と検査導線１４が半導体基板１１に形成された構成と比べ、ホール素子１３と検査導線１４との配置位置が遠くなるので、検査電流の電流量が増大する。したがって、本実施形態で示した、ホール素子１３と検査導線１４が半導体基板１１に形成された構成が好ましい。

なお、アイランド１２若しくはモールド部材１６に検査導線１４を形成する方法としては、予め検査導線１４をプレス加工によって形成しておき、加工された検査導線１４を、絶縁性を有する接着材（例えば、エポキシ系の接着材）によって、アイランド１２の表面若しくはモールド部材１６の表面に接着固定する方法と、モールド部材１６の表面に、検査導線１４を金属蒸着によって形成する方法と、を実施することができる。

第１実施形態に係る電流センサ装置の概略構成を示す斜視図である。 磁気センサの概略構成を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 外部装置と電流センサの概略構成を示すブロック図である。 外部装置と電流センサの変形例を示すブロック図である。 磁気センサの変形例を示す断面図である。 磁気センサの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・磁気センサ
１３・・・ホール素子
２０・・・磁性体コア
２１・・・空隙
３０・・・筐体
４０・・・モールド部材
１００・・・電流センサ装置
２００・・・外部装置

Claims (7)

1. 空隙を有するリング形状とされ、該リング状の部位に挿入された被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を集束する磁性体コアと、
   前記磁性体コアの空隙に配置され、磁束に応じた電気信号を出力するホール素子と、
   所定の検査電流を流すことで発生する所定の磁束を前記ホール素子に印加する検査導線と、を有し、
   前記被測定対象に前記被測定電流が流れておらず、前記検査導線に検査電流を流した状態とした時の、前記ホール素子から出力される前記電気信号に基づいて、前記ホール素子の故障が自己診断されることを特徴とする電流センサ装置。
2. 前記検査導線は、前記ホール素子を取り囲むように巻回された形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ装置。
3. 前記ホール素子及び前記検査導線は、１つの半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ装置。
4. 前記ホール素子は、前記半導体基板における一面側の表層に形成され、
   前記検査導線は、前記半導体基板における一面上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ装置。
5. 前記ホール素子は、半導体基板の表層に形成され、
   前記検査導線は、前記半導体基板を搭載するアイランドの表面、若しくは前記半導体基板を被覆保護するモールド部材の表面、に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ装置。
6. 空隙を有するリング形状とされ、該リング状の部位に挿入された被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を集束する磁性体コアと、
   前記磁性体コアの空隙に配置され、磁束に応じた電気信号を出力するホール素子と、
   所定の検査電流を流すことで発生する所定の磁束を前記ホール素子に印加する検査導線と、
   前記被測定電流の印加を制御する被測定電流制御手段と、
   前記電流制御手段による前記被測定電流の印加停止時に、前記検査導線に所定の検査電流を印加する検査電流印加手段と、
   前記検査電流印加手段による検査電流の印加時に、前記ホール素子から出力される電気信号に基づいて、ホール素子の故障を診断する故障診断手段と、を有することを特徴とする電流センサ自己診断装置。
7. 空隙を有するリング形状とされ、該リング状の部位に挿入された被測定対象を流れる被測定電流によって発生した磁束を集束する磁性体コアと、
   前記磁性体コアの空隙に配置され、磁束に応じた電気信号を出力するホール素子と、
   所定の検査電流を流すことで発生する所定の磁束を前記ホール素子に印加する検査導線と、
   前記被測定電流が流れているか否かを判定する被測定電流判定手段と、
   前記電流判定手段によって前記被測定電流が流れていないと判定された時に、前記検査導線に所定の検査電流を印加する検査電流印加手段と、
   前記検査電流印加手段による検査電流の印加時に、前記ホール素子から出力される電気信号に基づいて、ホール素子の故障を診断する故障診断手段と、を有することを特徴とする電流センサ自己診断装置。

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