JP2013130571A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、使用にあたっての据え付け性が良く、交流電流を高精度で測定可能な小型の電流センサを提供する。
【解決手段】多層基板２０に設けられた開口３０の周りに、多層基板２０の複数の配線層４０ａ〜４０ｃと該配線層４０ａ〜４０ｃ間を電気的に接続する接続導体７０とで、ロゴスキーコイル４０が形成されてなり、開口３０を貫通する導体１０に流れる交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、多層基板２０が、可撓性を有してなり、開口３０の外周と多層基板２０の外周を結ぶスリット状の切込部８０が、多層基板２０に設けられてなる電流センサ１００とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電流を非接触で検出可能な電流センサに関する。

交流電流を非接触で検出可能な電流センサが、例えば、特開２００９−８５６２０号公報（特許文献１）と特開２００８−２４１４７９号公報（特許文献２）に開示されている。

図１２は、特許文献１に開示されている電流センサ１、および該電流センサ１による電流検出の様子を示した斜視図である。

図１２に示す電流センサ１は、開口３を有する４層構造のプリント基板２と、該プリント基板２の内部に形成され、開口３の周囲に配置された検出コイル４を備える。検出コイル４は、所謂ロゴスキーコイルで、直列接続された巻き進みコイル４ａと巻き戻しコイル４ｂからなる空芯のトロイダルコイルで、高周波の損失要因となる磁性体コアを有していない。また、巻き進みコイル４ａと巻き戻しコイル４ｂは、二重となるように設置されており、これによって、両コイル４ａ、４ｂで検出される不要外部磁界を相殺する。

図１２に示す電流センサ１の検出コイル４は、プリント基板２の一構成層である絶縁性基板２ｂの両面に破線で示した複数の放射状ライン６を形成し、その両端部を貫通スルーホール７ａ〜７ｃで接続して形成される。また、プリント基板２の表面と裏面には、非磁性導体のシールド部５ａ，５ｂが形成されて検出用コイル４を覆っており、これによって不要外部磁界の遮蔽効果を向上している。

特開２００９−８５６２０号公報 特開２００８−２４１４７９号公報

図１２に示す電流センサ１は、配線層で形成された検出コイル４をプリント基板２の内部に備える小型の電流センサで、検出コイル４として、磁性体コアを有していないロゴスキーコイルを採用している。このため、図１２の電流センサ１は、磁性体コアによる損失が無く、特に高周波電流を高精度で測定することができる。

一方、図１２に示すように、電流センサ１は、交流電流（一次電流）が流れる電流ライン（一次導体）１０をプリント基板２の開口３に貫通させ、検出コイル４の両端に誘起する電圧波形を検出して交流電流を測定する。従って、電流センサ１の使用にあたっては、導体１０を一旦回路から取り外し、開口３に貫通させた後、再び回路に組み付ける必要がある。例えば、配線基板に搭載されている半導体素子に流れる電流を計測する場合には、配線基板に半田付けされている半導体素子のリードピン（導体１０）を取りはずしてから電流センサ１の開口３に貫通させ、再び半田付けする必要がある。このため、電流センサ１は、据え付けに手間がかかり、使用にあたっての据え付け性が良くない。

そこで本発明は、交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、使用にあたっての据え付け性が良く、交流電流を高精度で測定可能な小型の電流センサを提供することを目的としている。

本発明に係る電流センサは、多層基板に設けられた開口の周りに、多層基板の複数の配線層と該配線層間を電気的に接続する接続導体とで、ロゴスキーコイルが、Ｃ字状の切欠きを有するリング形状に形成されてなり、前記開口を貫通する導体に流れる交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、前記開口の外周と多層基板の外周を結ぶ切込部が、前記切欠きを横切るようにして、多層基板に設けられてなることを特徴としている。

上記電流センサは、多層基板の内部に電流検出用のロゴスキーコイルを備える、小型の電流センサである。ロゴスキーコイルは、多層基板の複数の配線層と該配線層間を電気的に接続する接続導体で形成されており、多層基板に設けられた開口の周りに、Ｃ字状の切欠きを有するリング形状に形成される。そして、測定対象回路の導体を該開口に貫通させ、導体に流れる交流電流を非接触で計測する。より詳細には、一次導体周辺に配置されたロゴスキーコイルにおいては、一次電流によってコイルの両端に電圧波形（一次電流の微分波形に比例）誘起され、それを積分することで電流を計測する。ロゴスキーコイルは、磁性体コアを有していないため、磁性体コアによる損失が無く、特に高周波電流を高精度で測定可能である。

上記電流センサにおいては、従来の電流センサと異なり、ロゴスキーコイルが形成されてなる多層基板において、前記開口の外周と多層基板の外周を結ぶ切込部が、切欠きを有するリング形状に形成されたロゴスキーコイルの前記切欠きを横切るようにして設けられている。逆に言えば、ロゴスキーコイルは、該切込部を避けるようにして、開口の周りに、Ｃ字状の切欠きを有するリング形状に形成されている。従って、上記電流センサの開口に測定対象回路の導体を貫通させて該電流センサを据え付ける際には、切込部を介して導体を開口に貫通させることができる。これによれば、基板に切込部が形成されていない従来の電流センサと異なり、測定対象の導体を一旦回路から取り外し開口に貫通させた後で再び回路に組み付ける手順を経なくてよい。このため、上記電流センサは、従来の電流センサのように据え付けに手間を要さず、使用にあたっての据え付け性に優れると共に、電流の測定精度も切込部が形成されていない従来の電流センサと同等に維持することができる。

以上のようにして、上記電流センサは、交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、使用にあたっての据え付け性が良く、交流電流を高精度で測定可能な小型の電流センサとすることができる。

上記電流センサにおけるロゴスキーコイルの前記リング形状は、代表的には、円形状である。しかしながらこれに限らず、楕円形状、長方形状あるいは六角形状のリング形状であってもよい。

また、上記電流センサにおける多層基板の前記切込部は、例えば、等幅のスリット状であってよい。

この場合には、多層基板が可撓性を有しており、前記切込部の幅が、被計測線である導体の最短幅より小さく設定されてなることが好ましい。

当該電流センサにおいては、従来の電流センサと異なり、ロゴスキーコイルが形成されてなる多層基板として、可撓性を有した多層基板が用いられている。このため、当該電流センサの開口に測定対象回路の導体を貫通させて該電流センサを据え付ける際には、多層基板の可撓性を利用して切込部の両側を上下に拡げ、該拡げられた切込部を介して導体を開口に貫通させた後、切込部を元の状態に戻すことができる。従って、切込部の幅が測定対象の導体の最短幅より小さく設定されていても、該切込部の両側を上下に拡げて導体を開口に貫通させることが可能である。

また、高感度の電流センサとするためには、切込部の幅は、上記のように導体の最短幅より小さく設定されてなることが好ましく、さらには加工可能な最小幅でできるだけ狭く設定されてなることが好ましい。

また、できるだけ高感度の電流センサとするためには、ロゴスキーコイルと前記切込部の最短間隔についても、切込部の幅より小さく設定されてなることが好ましい。

上記電流センサの多層基板における前記切込部は、測定対象の導体を貫通させる開口の外周と多層基板の外周を結ぶ任意の位置に設けることができる。

一方、基板上に搭載された半導体素子やＩＣの端子等の狭所の細い導体に流れる電流を計測する場合には、上記したロゴスキーコイルの前記切欠きや多層基板の前記切込部は、できるだけ大きく形成されていたほうが電流センサの据え付けが容易になる。しかしながら、ロゴスキーコイルの前記切欠きを大きくしていくと、感度が低下すると共に周りに形成されるシールドの特性が変化するため、電流検出精度が劣化する。

上記電流センサのシミュレーション結果によれば、市販品の電流センサにおける一般的な電流検出精度の保証値±５％を確保するためには、リング形状の周長さに対する切欠きの長さの割合が、１２．５％以下であることが好ましい。例えば、ロゴスキーコイルのリング形状を円形状とした場合には、リング形状の周長さに対する１２．５％の切欠きの長さの割合は、３６０°の円周に対する４５°の円弧部分に相当する。

また、上記した切欠きの長さの割合が比較的大きい場合には、被計測線である導体の中心が、前記開口において、ロゴスキーコイルのリング形状の中心と前記切欠きの中央を結ぶ第１直線に対して該リング形状の中心で直交する第２直線上、または前記切欠きと反対の第２直線より奥側に配置されていることが好ましい。

従って、導体の上記した位置を確保するためには、導体の中心の位置を制限するガイドが、電流センサに設けられてなることが好ましい。

上記ガイドとしては、例えば、多層基板が可撓性を有している場合、ガイドが、多層基板の絶縁体層で形成されていてもよい。また、ガイドが、多層基板と別体で形成されていてもよい。

また、上記電流センサにおいては、例えば、前記切込部が、多層基板におけるロゴスキーコイルの信号引き出し配線と反対側に設けられてなる構成とすることができる。この場合には、切込部の両側を上下に拡げ易く、導体の開口への貫通が容易である。

一方、上記電流センサにおいては、外部からの電磁ノイズの影響を受け難くするため、前記切込部を、逆にロゴスキーコイルの信号引き出し配線の近くに設けるようにしてもよい。また、例えば基板上に配置される半導体素子やＩＣの端子等の狭所の細い導体を被計測線とする場合には、前記切込部を、据え付け時において電流センサの全体が導体の周り構造と干渉しないように、適当な位置を選択して設けるようにする。

上記電流センサにおける前記ロゴスキーコイルは、例えば、トロイダル状に形成されたトロイダルコイル部と、多層基板の前記接続導体で該トロイダルコイル部に直列接続し、該トロイダルコイル部の中心軸に沿って配置されるリング部とで構成することができる。

この場合には、例えば、前記トロイダルコイル部が、多層基板の２つの内部配線層による前記開口に対して放射状に形成された配線パターンと接続導体とで形成されてなり、前記リング部が、前記２つの内部配線層の間に位置する別の内部配線層によって円弧状に形成された配線パターンである構成とする。

また、これに限らず、上記電流センサにおけるロゴスキーコイルは、例えば巻き進みと巻き戻しからなり、直列接続され二重に配置されたトロイダルコイルで構成するようにしてもよい。

上記電流センサにおいては、外部からの電磁ノイズを遮蔽するため、多層基板の両側表面に、基板面内でロゴスキーコイルを覆うようにして、外部配線層が形成されてなることが好ましい。

尚、多層基板の両側表面に形成される上記外部配線層は、電磁ノイズのシールド層として機能するため、多層基板の両側の全表面に亘って形成されることが好ましい。

さらに、外部からの電磁ノイズを遮蔽するためには、多層基板において、基板断面でロゴスキーコイルを覆うようにして、前記接続導体が、多層基板の外周と開口の外周に沿って形成されてなることが好ましい。尚、多層基板の断面における電磁ノイズのシールドとして、例えば導電ペーストのような導体を多層基板の側面に塗布するようにしてもよい。

上記電流センサにおける多層基板は、例えば、熱可塑性樹脂からなる複数枚の樹脂フィルムの積層体を加熱加圧して、該樹脂フィルムを一括して相互に貼り合わせて製造する多層基板であって、前記配線層が、樹脂フィルムの表面に形成された金属箔からなる導体パターンであり、前記接続導体が、樹脂フィルムの貫通穴に充填され、前記加熱加圧により焼結される導電ペーストである構成とすることが好ましい。

樹脂フィルムの一括貼り合わせによって製造される上記多層基板は、例えば絶縁層と配線層を交互に順次形成していくビルドアップ基板に較べて、高精度かつ安価に製造することができる。

また、上記多層基板の製造に用いられる前記樹脂フィルムは、ポリアリールケトン樹脂と、該ポリアリールケトン樹脂と完全相溶系をなすポリエーテルイミド樹脂とからなり、前記導体パターンが、銅箔からなり、前記導電ペーストが、銀と錫からなる導電性フィラーを有することが好ましい。前記ポリアリールケトン樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン樹脂が好適である。

上記樹脂フィルム、導体パターンおよび導電ペーストとして用いられる各材料は、加熱加圧による一括貼り合わせで製造される上記多層基板の製造に好適な材料であると共に、高周波損失が小さく、電流センサの構成材料としても好適である。

また、上記電流センサにおける多層基板の厚さは、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下が好適である。

多層基板を用いる上記電流センサは、このように薄型化が可能であり、例えば測定対象の導体の長さが５ｍｍ以下で据え付け領域が狭小である場合にも、容易に据え付け可能である。

上記電流センサは、特に、測定対象の交流電流が、１０ＭＨｚ以上の高周波電流である場合に好適である。

従って、例えば、前記電流センサは、インバータ回路の電流計測に用いられて好適である。

また、前述したように、上記電流センサは、被計測線である導体が、半導体素子のリードピンであってもよい。

以上のようにして、上記電流センサは、交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、使用にあたっての据え付け性が良く、交流電流を高精度で測定可能な小型の電流センサとすることができる。

従って、上記電流センサは、高精度かつ保守が容易で簡単な据え付け性が要求される、車載用として好適である。

本発明の一例である電流センサ１００を模式的に示した図で、（ａ）は、電流センサ１００の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）における一点鎖線Ａ−Ａでの断面図である。 測定対象回路の導体１０に図１の電流センサ１００を据え付ける様子を示した図で、（ａ）は、導体１０を開口３０に貫通させる途中の様子を示した図であり、（ｂ）は、導体１０を開口３０に貫通させた後の状態を示した図である。 電流センサ１００の特性評価結果を示す図で、（ａ）は、特性評価に用いた測定系の構成を示す図であり、（ｂ）は、評価結果である。 切込部の位置が異なる別の電流センサの例で、電流センサ１０１の上面図である。 電流センサ１００のインバータ回路の電流計測への適用例を示す図で、（ａ）は、インバータ回路の電流計測構成を示す図であり、（ｂ）は、電流計測結果である。 本発明に係る電流センサの別の例で、電流センサ１１０を模式的に示した上面図である。 図６に示した電流センサ１１０について、シミュレーションにより電流検出精度を評価した結果で、（ａ）は、シミュレーションの条件と評価パラメータを示す図であり、（ｂ）は、１０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚにおける電流検出精度を評価結果である。 図６に示した電流センサ１１０について、シミュレーションによる電流検出精度の別の評価結果を示す図で、（ａ）は、シミュレーションの条件と評価パラメータを示す図であり、（ｂ）は、１０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚにおける電流検出精度を評価結果である。 ガイドＧ１を有する電流センサ１１１を示す図で、（ａ）は、ガイドＧ１の上面図であり、（ｂ）は、ガイドＧ１を組み付けた電流センサ１１１を模式的に示した上面図である。 ガイドＧ２を有する電流センサ１１２を示す図で、（ａ）は、電流センサ１１２を模式的に示した上面図であり、（ｂ）は、（ａ）における一点鎖線Ｄ−Ｄでの断面図である。 ガイドＧ３を有する電流センサ１１３を示す図で、（ａ）は、電流センサ１１３を模式的に示した上面図であり、（ｂ）は、（ａ）における一点鎖線Ｅ−Ｅでの断面図である。 特許文献１に開示されている電流センサ１、および該電流センサ１による電流検出の様子を示した斜視図である。

以下、本発明に係る電流センサの実施形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の一例である電流センサ１００を模式的に示した図で、図１（ａ）は、電流センサ１００の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における一点鎖線Ａ−Ａでの断面図である。尚、図１（ａ）の上面図は、図１（ｂ）における一点鎖線Ｂ−Ｂでの断面位置から下方を透視した図となっている。

また、図２は、測定対象回路の導体１０に図１の電流センサ１００を据え付ける様子を示した図で、図２（ａ）は、導体１０を開口３０に貫通させる途中の様子を示した図であり、図２（ｂ）は、導体１０を開口３０に貫通させた後の状態を示した図である。尚、図２（ａ）,（ｂ）は、図１（ａ）における一点鎖線Ｃ−Ｃでの断面位置から内側を透視した図となっている。

図１に示す電流センサ１００は、多層基板２０の内部に電流検出用のロゴスキーコイル４０を備える、小型の電流センサである。ロゴスキーコイル４０は、図１（ａ）の二点鎖線で概略形状を示したように、切欠き９０を有するリング形状に形成されており、Ｃ字状である。尚、電流センサ１００におけるロゴスキーコイル４０の二点鎖線で示した上記リング形状は、中心Ｐ１の円形状である。しかしながらこれに限らず、楕円形状、長方形状あるいは六角形状のリング形状であってもよい。

また、ロゴスキーコイル４０は、図１（ｂ）に示すように、多層基板２０の複数の配線層４０ａ〜４０ｃと該配線層間４０ａ〜４０ｃを電気的に接続する接続導体７０で形成されており、図１（ａ）に示すように、多層基板２０の先端付近に設けられた開口３０の周りに形成される。尚、開口３０は、ロゴスキーコイル４０のリング形状と同じ、中心Ｐ１の同心円である。

図１の電流センサ１００におけるロゴスキーコイル４０は、トロイダル状に形成されたトロイダルコイル部４０Ｔと、接続導体７０でトロイダルコイル部４０Ｔに直列接続し、トロイダルコイル部４０Ｔの中心軸に沿って配置されるリング部４０Ｒとで構成されている。トロイダルコイル部４０Ｔは、多層基板２０の２つの内部配線層４０ａ,４０ｂによる開口３０に対して放射状に形成された配線パターンと接続導体７０とで形成されている。リング部４０Ｒは、２つの内部配線層４０ａ,４０ｂの間に位置する別の内部配線層４０ｃによって円弧状に形成された配線パターンである。

図１の電流センサ１００における多層基板２０は、図１（ｂ）において細い点線で貼り合わせ面を示したように、熱可塑性樹脂からなる複数枚の樹脂フィルム２０ａの積層体を加熱加圧して、該樹脂フィルム２０ａを一括して相互に貼り合わせて製造する。この製造方法によれば、多層基板２０の内部配線層４０ａ〜４０ｃや外部配線層４０ｄ，４０ｅは、樹脂フィルム２０ａの表面に形成された金属箔からなる導体パターンで形成される。また、多層基板２０の接続導体７０は、樹脂フィルム２０ａの貫通穴に充填され、前記加熱加圧により焼結される導電ペーストから形成される。

樹脂フィルム２０ａの一括貼り合わせによって製造される多層基板２０は、例えば絶縁層と配線層を交互に順次形成していくビルドアップ基板に較べて、高精度かつ安価に製造することができる。

また、上記多層基板２０の製造に用いられる樹脂フィルム２０ａは、ポリアリールケトン樹脂と、該ポリアリールケトン樹脂と完全相溶系をなすポリエーテルイミド樹脂とからなり、前記導体パターンが、銅箔からなり、前記導電ペーストが、銀と錫からなる導電性フィラーを有することが好ましい。ポリアリールケトン樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン樹脂が好適である。

上記樹脂フィルム、導体パターンおよび導電ペーストとして用いられる各材料は、加熱加圧による一括貼り合わせで製造される多層基板２０の製造に好適な材料であると共に、高周波損失が小さく、電流センサ１００の構成材料としても好適である。

また、上記電流センサにおける多層基板の厚さは、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下が好適である。

ロゴスキーコイル４０を備える図１の電流センサ１００は、図２（ｂ）に示すように、測定対象回路の導体１０を多層基板２０の開口３０に貫通させ、導体１０に流れる交流電流を非接触で計測する。より詳細には、一次導体１０周辺に配置された図１（ａ）に示すロゴスキーコイル４０においては、一次電流によってコイルの両端に電圧波形（一次電流の微分波形に比例）誘起され、それを積分することで電流を計測する。ロゴスキーコイル４０は、磁性体コアを有していないため、磁性体コアによる損失が無く、特に高周波電流を高精度で測定可能である。

図１に示す電流センサ１００においては、図１２に示した従来の電流センサ１と異なり、可撓性を有した多層基板２０が用いられる。また、該多層基板２０には、図１（ａ）に示すように、開口３０の外周と該多層基板２０の外周を結ぶ等幅のスリット状の切込部８０が、リング形状の切欠き９０を横切るようにして、ロゴスキーコイル４０の信号引き出し配線と反対側に設けられている。逆に言えば、ロゴスキーコイル４０は、該切込部８０を避けるようにして、開口３０の周りに、Ｃ字状の切欠き９０を有するリング形状に形成されている。

従って、電流センサ１００の開口３０に測定対象回路の導体１０を貫通させて該電流センサ１００を据え付ける際には、図２（ａ）の白抜き矢印で示すように、多層基板２０の可撓性を利用して切込部８０の両側を上下に拡げる。そして、拡げられた切込部８０を介して導体１０を開口３０に貫通させた後、図２（ｂ）に示すように、切込部８０を元の状態に戻すことができる。

これによれば、図１２に示した電流センサ１のように基板に可撓性がなく切込部も形成されていない従来の電流センサと異なり、測定対象の導体１０を一旦回路から取り外し、開口３０に貫通させた後で再び回路に組み付ける手順を経なくてよい。このため、図１の電流センサ１００は、従来の電流センサのように据え付けに手間を要さず、使用にあたっての据え付け性に優れる。また、電流センサ１００における切込部８０は、図２（ｂ）に示したように、導体１０を開口３０に貫通させた後で元の状態に戻されるため、据え付け性に優れるだけでなく、電流の測定精度も維持することすことができる。

図３は、上記した電流センサ１００の特性評価結果を示す図で、図３（ａ）は、特性評価に用いた測定系の構成を示す図であり、図３（ｂ）は、評価結果である。尚、図３（ｂ）では、比較のため、切込部を形成していない電流センサの特性を細線で示している。

図３（ｂ）に示すように、多層基板２０に切込部８０が形成された電流センサ１００であっても、切込部のない電流センサと同等の感度特性を得ることができる。

以上のようにして、図１に例示した本発明の電流センサ１００は、交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、使用にあたっての据え付け性が良く、交流電流を高精度で測定可能な小型の電流センサとすることができる。

次に、図１に示した電流センサ１００の細部について、より詳細に説明する。

図１の電流センサ１００においては、図２（ｂ）に示すように、切込部８０の幅Ｗが、被計測線である導体１０の最短幅Ｄより小さく設定されてなることが好ましい。

前述したように、電流センサ１００の多層基板２０は可撓性を有しており、図２（ａ）に示すように、切込部８０の幅Ｗが測定対象の導体１０の最短幅Ｄより小さく設定されていても、切込部８０の両側を上下に拡げて導体１０を開口に貫通させることができる。また、高感度の電流センサとするためには、切込部８０の幅Ｗは、加工可能な最小幅で、できるだけ狭く設定されてなることが好ましい。

また、できるだけ高感度とするためには、図２（ｂ）に示すロゴスキーコイル４０と切込部８０の最短間隔Ｌ１，Ｌ２についても、切込部８０の幅Ｗより小さく設定されてなることが好ましい。尚、図１（ａ）の二点鎖線で示したリング形状において、ロゴスキーコイル４０の切欠き９０の長さは、図２（ｂ）におけるＬ１＋Ｗ＋Ｌ２の長さに相当している。

図１の電流センサ１００においては、外部からの電磁ノイズを遮蔽するため、多層基板２０の両側表面に、基板面内でロゴスキーコイル４０を覆うようにして、外部配線層４０ｄ，４０ｅが形成されている。尚、多層基板２０の両側表面に形成される外部配線層４０ｄ，４０ｅは、電磁ノイズのシールド層として機能するため、多層基板２０の両側の全表面に亘って形成されることが好ましい。

さらに、外部からの電磁ノイズを遮蔽するため、図１の電流センサ１００においては、多層基板２０において、基板断面でロゴスキーコイル４０を覆うようにして、接続導体７０ａ，７０ｂが、多層基板２０の外周と開口３０の外周に沿って形成されている。尚、図１（ａ）では図を簡略化するため接続導体７０ａ，７０ｂを連続する層として図示しているが、一括多層によって製造される多層基板２０では、隣接して並んで配置されたスルーホールに接続導体７０ａ，７０ｂが形成される。また、これに限らず、多層基板の断面における電磁ノイズのシールドとして、例えば導電ペーストのような導体を多層基板の側面に塗布するようにしてもよい。

図１の電流センサ１００におけるロゴスキーコイル４０は、トロイダルコイル部４０Ｔとリング部４０Ｒとで構成されていた。これに限らず、本発明の電流センサにおけるロゴスキーコイルは、例えば図１２に示した電流センサ１のように、巻き進みと巻き戻しからなり、直列接続されて二重に配置されたトロイダルコイルで構成するようにしてもよい。

また、図１の電流センサ１００における切込部８０は、多層基板２０におけるロゴスキーコイル４０の信号引き出し配線と反対側に設けられていた。この場合には、切込部８０の両側を上下に拡げ易く、図２（ａ）に示すように、導体１０の開口３０への貫通が容易である。

しかしながら、上記した電流センサの多層基板における切込部は、測定対象の導体１０を貫通させる開口の外周と多層基板の外周を結ぶ任意の位置に設けることができる。

図４は、切込部の位置が異なる別の電流センサの例で、電流センサ１０１の上面図である。

図４の電流センサ１０１においては、外部からの電磁ノイズの影響を受け難くするため、切込部８１を、多層基板２１におけるロゴスキーコイル４１の信号引き出し配線の近くに設けている。また、例えば基板上に配置される半導体素子やＩＣの端子等の狭所の細い導体を被計測線とする場合には、切込部を、据え付け時において電流センサの全体が導体の周り構造と干渉しないように、適当な位置を選択して設けるようにする。

上記した本発明に係る電流センサは、特に、測定対象の交流電流が、図３（ｂ）に示したような１０ＭＨｚ以上の高周波電流である場合に好適である。

従って、例えば、本発明に係る電流センサは、インバータ回路の電流計測に用いられて好適である。

図５は、電流センサ１００のインバータ回路の電流計測への適用例を示す図で、図５（ａ）は、インバータ回路の電流計測構成を示す図であり、図５（ｂ）は、電流計測結果である。

前述したように、多層基板を用いる上記電流センサは、薄型化が可能である。従って、例えば図５（ａ）に示すインバータ回路のハイサイドとローサイドの高速スイッチングデバイス間のように、測定対象の導体の長さが５ｍｍ以下で据え付け領域が狭小である場合にも、容易に据え付け可能である。

また、図５（ｂ）に示すように、上記した電流センサ１００は、インバータ回路における高速スイッチングデバイスのＯＮ−ＯＦＦ電流だけでなく、高周波ノイズも高感度に検出することができる。

図６は、本発明に係る電流センサの別の例で、電流センサ１１０を模式的に示した上面図である。尚、図６に示す電流センサ１１０および以降に示す各電流センサの上面図も、図１（ａ）に示した電流センサ１００の上面図と同様で、図１（ｂ）の一点鎖線Ｂ−Ｂでの断面位置から下方を透視した図となっている。また、図６の電流センサ１１０および以降に示す各電流センサにおいて、図１（ａ）に示した電流センサ１００と同様の部分については、同じ符号を付した。

図６に示す電流センサ１１０は、図１（ａ）に示した電流センサ１００と同様で、多層基板２２の内部にリング形状に形成された電流検出用のロゴスキーコイル４２を備えている。しかしながら、図６のロゴスキーコイル４２における切欠き９１は、図１（ａ）のロゴスキーコイル４０における切欠き９０に較べて、大きく設定されている。また、図６の多層基板２２における切込部８２についても、図１（ａ）の多層基板２０における切込部８０のように等幅のスリット状ではなく、大きな切欠き９１に合わせて幅広に形成されている。

図５に示したインバータ回路の電流計測例のように、基板上に搭載された半導体素子やＩＣの端子等の狭所の細い導体に流れる電流を計測する場合には、図６に示す電流センサ１１０で例示したように、ロゴスキーコイル４２の切欠き９１や多層基板２２の切込部８２は、できるだけ大きく形成されていたほうが電流センサ１１０の据え付けが容易になる。しかしながら、ロゴスキーコイル４２の切欠き９１を大きくしていくと、感度が低下したり、周りに形成されるシールドの特性が変化したりして、電流検出精度が劣化する。

図７は、図６に示した電流センサ１１０について、シミュレーションにより電流検出精度を評価した結果を示す図である。図７（ａ）は、シミュレーションの条件と評価パラメータを示す図であり、図７（ｂ）は、１０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚにおける電流検出精度を評価結果である。

図７（ａ）に示すように、このシミュレーションでは、ロゴスキーコイル４２のリング形状を、内径３．２ｍｍ、外径８．８ｍｍの円形状とし、被計測線である導体１１を、円形状のロゴスキーコイル４２（および同軸で形成されている開口３０）の中心Ｐ１に配置している。また、二点鎖線で示したリング形状の円周長さに対する切欠き９１の円弧長さの割合（切欠き９１の３６０°に対する開き角度Φ）をパラメータとして、０°，２０°，３０°，４５°，６５°の各開き角度Φについて、シミュレーションしている。また、図７（ｂ）に示す電流検出精度の評価結果は、Φ＝０°，１０ＭＨｚにおける電流検出値を基準として、各パラメータで得られる各周波数での電流検出値の差分の比率を電流検出精度［％］としている。

前述したように、ロゴスキーコイル４２の切欠き９１を大きくしていくと、電流センサ１１０の据え付けが容易になる反面、電流検出精度が劣化する。図７（ｂ）の評価結果においても、比較的安定した電流検出が可能な１０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲において、切欠き９１の開き角度Φが増加していくと、電流検出値が、基準とするΦ＝０°の電流検出値より増大していく。尚、切欠き９１の開き角度Φが増加するのに伴って電流検出値が増大していくのは、図６に示す開口３０の外周に沿って形成されている接続導体７０ｃによるシールドの特性が変化して、該接続導体７０ｃにも導体１１からの誘起電流が流れ、導体１１に流れる電流と該誘起電流が重畳するためである。

図７（ｂ）のシミュレーション結果において、市販品の電流センサにおける一般的な電流検出精度の保証値±５％（図中のハッチング間）を確保するためには、切欠き９１の開き角度Φ＝４５°以下が必要である。この開き角度Φ＝４５°は、ロゴスキーコイル４２のリング形状を円形状とした場合において、３６０°の円周に対する４５°の円弧部分に相当しており、円形状の円周長さに対する切欠き９１の円弧長さの割合は、１２．５％に相当する。従って、楕円形状や長方形状等を含めた一般的なリング形状のロゴスキーコイルにおいて、電流検出精度の保証値±５％を確保するためには、リング形状の周長さに対する切欠きの長さの割合として、１２．５％以下であることが好ましい。

図８は、図６に示した電流センサ１１０について、シミュレーションによる電流検出精度の別の評価結果を示す図である。図８（ａ）は、シミュレーションの条件と評価パラメータを示す図であり、図８（ｂ）は、１０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚにおける電流検出精度を評価結果である。

図８（ａ）に示すように、このシミュレーションでは、図７（ａ）に示したロゴスキーコイル４２の切欠き９１の開き角度Φを２０°とし、被計測線である導体１１を、円形状に形成されたロゴスキーコイル４２（および同軸の開口３０）の中心Ｐ１からずらせて配置している。より詳しく説明すると、図８（ａ）に示すように、ロゴスキーコイル４２の円形状の中心Ｐ１と切欠き９１の中央Ｐ２を結ぶ直線を第１直線とし、該第１直線に対して開口の中心で直交する直線を第２直線とする。そして、導体１１の中心を第２直線上に配置し、ロゴスキーコイル４２の円形状の中心Ｐ１からの図中に示す距離Ｘをパラメータとして、＋１ｍｍ，−１ｍｍの各距離Ｘについて、シミュレーションしている。また、図８（ｂ）に示す電流検出精度の評価結果は、上記距離Ｘ＝＋１ｍｍ，−１ｍｍのシミュレーション結果について、図７（ｂ）に示した導体１１をロゴスキーコイル４２の中心Ｐ１に配置した場合の開き角度Φ＝０°，２０°の結果と比較して示している。

図８（ｂ）の評価結果に示すように、導体１１の中心を切欠き９１と反対の第２直線より奥側に配置したＸ＝＋１ｍｍのシミュレーション結果では、導体１１を中心Ｐ１に配置した場合の開き角度Φ＝０°，２０°の結果の中間の電流検出精度が得られている。これに対して、第２直線より切欠き９１に近い側に導体１１の中心を配置したＸ＝−１ｍｍのシミュレーション結果では、導体１１を中心Ｐ１に配置した場合の開き角度Φ＝０°，２０°の結果に較べて、電流検出値が大きく低下し、電流検出精度が劣化している。尚、導体１１の中心を第２直線より切欠き９１に近い側に配置した場合に電流検出値が低下するのは、ロゴスキーコイル４２による導体１１の取り囲みの割合が小さくなり、感度が低下するためである。

図８（ｂ）の評価結果では、比較的安定した電流検出が可能な１０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲において、図中に示した電流検出精度の保証値±５％を確保するためには、導体１１の中心が、第２直線上のＸ＝０ｍｍ、または切欠き９１と反対の第２直線より奥側のＸ＝＋１ｍｍに配置されている必要がある。このように、ロゴスキーコイルのリング形状の周長さに対する切欠きの長さの割合が比較的大きい場合には、被計測線である導体の中心が、開口において、ロゴスキーコイルのリング形状の中心と切欠きの中央を結ぶ第１直線に対して該リング形状の中心で直交する第２直線上、または切欠きと反対の第２直線より奥側に配置されていることが好ましい。

従って、導体１１の上記した位置を確保するためには、次の各例で示すように、導体１１の中心の位置を制限するガイドが、電流センサに設けられてなることが好ましい。

図９〜図１１は、それぞれ、上記したガイドを有する電流センサの例である。

図９は、ガイドＧ１を有する電流センサ１１１を示す図で、図９（ａ）は、ガイドＧ１の上面図であり、図９（ｂ）は、ガイドＧ１を組み付けた電流センサ１１１を模式的に示した上面図である。

図９（ａ）に示すガイドＧ１は、図９（ｂ）の電流センサ１１１を構成している多層基板２２と別体の樹脂で形成されており、被計測線の導体の中心の位置を制限する制限部Ｇ１ａを有している。尚、電流センサ１１１の本体は、図６に示した電流センサ１１０と同様である。そして、図９（ｂ）に示すように、電流センサ１１１の多層基板２２における切込部８２にガイドＧ１を配置して固定することで、ガイドＧ１の制限部Ｇ１ａが、被計測線の導体の中心の位置を前述した切欠きと反対の第２直線より奥側に配置する。

図１０は、ガイドＧ２を有する電流センサ１１２を示す図で、図１０（ａ）は、電流センサ１１２を模式的に示した上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における一点鎖線Ｄ−Ｄでの断面図である。

図１０（ａ）に示す電流センサ１１２においては、被計測線の導体の位置を制限するガイドＧ２が、多層基板２３の絶縁体層で、ロゴスキーコイル４２が形成されている本体部分と一体的に形成されている。ガイドＧ２は、制限部Ｇ２ａを有しており、該制限部Ｇ２ａが、被計測線の導体の中心の位置を前述した切欠きと反対の第２直線より奥側に配置する。尚、電流センサ１１２の切込部体８３は、スリット状である。しかしながら、多層基板２３は可撓性を有しており、図１０（ｂ）に示すように、ガイドＧ２の部位は、積層する樹脂フィルムの数を少なくして、より柔軟性を持たせている。このため、導体を開口３０に貫通させる際には、ガイドＧ２を変形させて、電流センサ１１２を簡単に据え付けることができる。

図１１は、ガイドＧ３を有する電流センサ１１３を示す図で、図１１（ａ）は、電流センサ１１３を模式的に示した上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における一点鎖線Ｅ−Ｅでの断面図である。

図１１（ａ）に示す電流センサ１１３においては、ガイドＧ３が、電流センサ１１３を構成している多層基板２２と別体の樹脂で形成されており、被計測線の導体の中心の位置を制限する制限部Ｇ３ａを有している。尚、電流センサ１１３の本体は、図６に示した電流センサ１１０と同様である。ガイドＧ３は、ロゴスキーコイル４２のリング形状の中心Ｐ１を通る軸に対して回転可能に形成されている。そして、切込部８２から被計測線の導体を開口３２に貫通させた後、ガイドＧ３を図１１（ａ）に破線で示した位置まで回転させる。これによって、開口３０に入れられた導体の位置を制限することができる。

以上のようにして、上記した本発明に係る電流センサは、いずれも、交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、使用にあたっての据え付け性が良く、交流電流を高精度で測定可能な小型の電流センサとすることができる。

従って、上記電流センサは、高精度かつ保守が容易で簡単な据え付け性が要求される、車載用として好適である。

１００，１０１，１１０〜１１３ 電流センサ
１０，１１ 導体
２０〜２３ 多層基板
３０ 開口
４０〜４２ ロゴスキーコイル
４０ａ〜４０ｅ 配線層
７０，７０ａ〜０ｃ 接続導体
８０〜８３ 切込部

Claims (23)

1. 多層基板に設けられた開口の周りに、前記多層基板の複数の配線層と該配線層間を電気的に接続する接続導体とで、ロゴスキーコイルが、Ｃ字状の切欠きを有するリング形状に形成されてなり、前記開口を貫通する導体に流れる交流電流を非接触で検出可能な電流センサであって、
   前記開口の外周と前記多層基板の外周を結ぶ切込部が、前記切欠きを横切るようにして、該多層基板に設けられてなることを特徴とする電流センサ。
2. 前記リング形状が、円形状であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記切込部が、等幅のスリット状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
4. 前記多層基板が、可撓性を有してなり、
   前記切込部の幅が、前記導体の最短幅より小さく設定されてなることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記ロゴスキーコイルと前記切込部の最短間隔が、前記切込部の幅より小さく設定されてなることを特徴とする請求項３または４に記載の電流センサ。
6. 前記リング形状の周長さに対する前記切欠きの長さの割合が、１２．５％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
7. 前記導体の中心が、前記開口において、
   前記ロゴスキーコイルのリング形状の中心と前記切欠きの中央を結ぶ第１直線に対して該リング形状の中心で直交する第２直線上、または前記切欠きと反対の前記第２直線より奥側に配置されてなることを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記導体の中心の位置を制限するガイドが、前記電流センサに設けられてなることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記多層基板が、可撓性を有してなり、
   前記ガイドが、前記多層基板の絶縁体層で形成されてなることを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
10. 前記ガイドが、前記多層基板と別体で形成されてなることを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
11. 前記切込部が、
    前記多層基板における前記ロゴスキーコイルの信号引き出し配線と反対側に設けられてなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電流センサ。
12. 前記ロゴスキーコイルが、
    トロイダル状に形成されたトロイダルコイル部と、前記接続導体で該トロイダルコイル部に直列接続し、該トロイダルコイル部の中心軸に沿って配置されるリング部とで構成されてなることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電流センサ。
13. 前記トロイダルコイル部が、前記多層基板の２つの内部配線層による前記開口に対して放射状に形成された配線パターンと前記接続導体とで形成されてなり、
    前記リング部が、前記２つの内部配線層の間に位置する別の内部配線層によって円弧状に形成された配線パターンであることを特徴とする請求項１２に記載の電流センサ。
14. 前記多層基板の両側表面に、基板面内で前記ロゴスキーコイルを覆うようにして、外部配線層が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電流センサ。
15. 前記多層基板において、基板断面で前記ロゴスキーコイルを覆うようにして、前記接続導体が、該多層基板の外周と前記開口の外周に沿って形成されてなることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電流センサ。
16. 前記多層基板が、
    熱可塑性樹脂からなる複数枚の樹脂フィルムの積層体を加熱加圧して、該樹脂フィルムを一括して相互に貼り合わせて製造する多層基板であって、
    前記配線層が、前記樹脂フィルムの表面に形成された金属箔からなる導体パターンであり、
    前記接続導体が、前記樹脂フィルムの貫通穴に充填され、前記加熱加圧により焼結される導電ペーストであることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電流センサ。
17. 前記樹脂フィルムが、ポリアリールケトン樹脂と、該ポリアリールケトン樹脂と完全相溶系をなすポリエーテルイミド樹脂とからなり、
    前記導体パターンが、銅箔からなり、
    前記導電ペーストが、銀と錫からなる導電性フィラーを有することを特徴とする請求項１６に記載の電流センサ。
18. 前記ポリアリールケトン樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン樹脂であることを特徴とする請求項１７に記載の電流センサ。
19. 前記多層基板の厚さが、０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の電流センサ。
20. 前記交流電流が、１０ＭＨｚ以上の高周波電流であることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の電流センサ。
21. 前記電流センサが、インバータ回路の電流計測に用いられることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の電流センサ。
22. 前記導体が、半導体素子のリードピンであることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の電流センサ。
23. 前記電流センサが、車載用であることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の電流センサ。

Images