JP2013242301A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定電流の検出精度の低下が抑制された電流センサを提供する。
【解決手段】被測定電流を測定する電流センサであって、被測定電流から生じる磁束を電気信号に変換する磁電変換素子（１１）と、該磁電変換素子を収納する絶縁性の収納部（２０）と、該収納部と被測定電流の流れる被測定対象（９０）とを連結する連結部（３０）と、を有し、連結部は金属から成り、被測定対象と連結部とは金属結合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定電流を測定する電流センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、バスバーと、バスバーから発生する磁気を検出し、検出した磁気に基づいてバスバーに流れる電流の値を算出するセンサ本体と、を備える電流検出装置の組付け構造が提案されている。バスバーに係合部が形成され、センサ本体に係止部が形成され、係合部が係止部に係合されることで、バスバーにセンサ本体が固定される。センサ本体は、磁気検出素子を有し、合成樹脂材料などの非磁性及び非導電性の材料で一体成形されたものであり、係止部も合成樹脂材料から成る。

特開２０１０−７８５８６号公報

ところで、上記したように、特許文献１に示される電流検出装置の組み付け構造では、バスバーの係合部が、合成樹脂材料から成る係止部に係合されることで、バスバーにセンサ本体が固定される。バスバーは、自身を流れる電流のために発熱し、その熱がセンサ本体に伝達される。この熱のために係止部が熱膨張を繰り返すと、経年劣化する、という問題があった。係止部が劣化すると、係止部と係合部との固定が不安になり、磁気検出素子とバスバーとの相対位置が変動する。この結果、電流の検出精度が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、被測定電流の検出精度の低下が抑制された電流センサ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、本発明は、被測定電流を測定する電流センサであって、被測定電流から生じる磁束を電気信号に変換する磁電変換素子（１１）と、該磁電変換素子を収納する絶縁性の収納部（２０）と、該収納部と被測定電流の流れる被測定対象（９０）とを連結する連結部（３０）と、を有し、連結部は金属から成り、被測定対象と連結部とは金属結合されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、連結部（３０）が金属から成り、被測定対象（９０）と連結部（３０）とが金属接合されることで、磁電変換素子（１１）を収納する収納部（２０）が被測定対象（９０）に固定されている。これによれば、連結部が樹脂材料から成る構成と比べて、連結部（３０）の線膨張係数が低く、且つ、強度が高いので、連結部（３０）の経年劣化が抑制される。したがって、連結部（３０）と被測定対象（９０）との固定が不安定となることが抑制され、磁電変換素子（１１）と被測定対象（９０）との相対位置の変動が抑制される。この結果、被測定電流の検出精度の低下が抑制される。

更に、本発明においては、磁電変換素子は、印加磁界によって抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子であり、磁化方向が固定されたピン層と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、該自由層と前記ピン層との間に設けられた非磁性の中間層と、を有し、自由層にバイアス磁界を印加するバイアス磁石（５０）と、該バイアス磁石の温度を測定する温度センサ（４１）と、該温度センサの出力信号に基づいて、磁電変換素子の出力信号の温度特性を補正する補正部（４２）と、を有する構成が好適である。被測定対象（９０）が、自身を流れる被測定電流のために発熱し、バイアス磁石（５０）の温度が上昇すると、バイアス磁石（５０）から発せられる磁束が変化する。この結果、磁電変換素子（１１）の出力信号が変動する虞がある。これに対して、上記したように、バイアス磁石（５０）の温度を測定する温度センサ（４１）と、温度センサ（４１）の出力信号に基づいて、磁電変換素子（１１）の出力信号の温度特性を補正する補正部（４２）と、を有する構成であれば、磁電変換素子（１１）の出力信号の変動を抑制することができる。この結果、被測定電流の検出精度の低下が抑制される。

第１実施形態に係る電流センサの概略構成を示す平面図である。 電流センサがバスバーに取り付けられた状態を示す断面図である。 電流センサの変形例を示す断面図である。 電流センサの変形例を示す断面図である。 電流センサの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１及び図２に基づいて、本実施形態に係る半導体装置を説明する。なお、図１では、収納部２０によって被覆された部位を破線で示している。

電流センサ１００は、要部として、被測定電流から発せられる磁界（磁束）を電気信号に変換する磁電変換素子１１を有するセンサ基板１０と、該センサ基板１０を収納する収納部２０と、該収納部２０を被測定対象であるバスバー９０に連結する連結部３０と、を有する。電流センサ１００は、被測定電流から発せられる磁界（以下、被測定磁界と示す）によって変動する磁電変換素子１１の出力信号に基づいて、被測定電流を測定する。本実施形態に係る電流センサ１００は、上記した構成要素１０〜３０の他に、回路基板４０、バイアス磁石５０、搭載基板６０、及び、ターミナル７０を有する。

センサ基板１０は、半導体基板に磁電変換素子１１が形成されたものである。センサ基板１０は、搭載基板６０の一面６０ａに搭載されており、ワイヤ７１を介して、回路基板４０と電気的に接続されている。センサ基板１０の出力信号は、このワイヤ７１を介して回路基板４０に出力される。

磁電変換素子１１は、印加磁界を電気信号に変換するものである。本実施形態における磁電変換素子１１は、印加磁界によって抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子である。磁電変換素子１１は、図示しないが、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、非磁性の中間層と、磁化方向が固定されたピン層と、ピン層の磁化方向を固定する磁石層と、が順次積層されて成る。本実施形態に係る中間層は、絶縁性を有しており、磁電変換素子１１は、トンネル磁気抵抗効果素子である。自由層と固定層との間に電圧が印加されると、トンネル効果によって、自由層と固定層との間の中間層に電流（トンネル電流）が流れる。トンネル電流の流れ易さは、自由層と固定層の磁化方向に依存しており、自由層と固定層それぞれの磁化方向が平行の場合に最も流れ易く、反平行の場合に最も流れ難い。したがって、自由層と固定層それぞれの磁化方向が平行の場合に磁電変換素子１１の抵抗値が最も小さく変化し、反平行の場合に抵抗値が最も大きく変化する。

本実施形態では、２つの磁電変換素子１１によって、ハーフブリッジ回路が構成され、２つのハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成されている。ハーフブリッジ回路を構成する２つの磁電変換素子１１の固定層の磁化方向が反平行となっており、２つの磁電変換素子１１の抵抗値の変化は、反対方向になっている。すなわち、２つの磁電変換素子１１の内の一方の抵抗値が小さくなる場合、他方の抵抗値が大きくなるようになっている。フルブリッジ回路を構成する、２つのハーフブリッジ回路の中点電位の差分が、回路基板４０に出力される。

収納部２０は、絶縁性を有し、センサ基板１０を収納するものである。本実施形態に係る収納部２０は、非磁性と絶縁性とを有するモールド樹脂から成り、センサ基板１０とともに、連結部３０、回路基板４０、バイアス磁石５０、搭載基板６０、及び、ターミナル７０を被覆保護する。図１に示すように、センサ基板１０、回路基板４０、バイアス磁石５０、搭載基板６０それぞれの全て、及び、連結部３０、ターミナル７０それぞれの一部が収納部２０によって被覆保護されている。図２に示すように、収納部２０の断面形状は六角形の形状を成し、その下面２０ａが、バスバー９０の上面９０ａと接触している。

連結部３０は、金属から成り、収納部２０とバスバー９０とを連結するものである。連結部３０は、バスバー９０に金属接合される一端３１と、収納部２０に収納（被覆保護）された他端３２と、一端３１と他端３２とを連結する足部３３と、を有する。本実施形態では、一端３１がバスバー９０の上面９０ａに溶接され、他端３２が収納部２０の側面２０ｂの中央に埋設されている。このように、連結部３０がバスバー９０と収納部２０それぞれに機械的に固定されることで、収納部２０がバスバー９０に固定されている。

回路基板４０は、半導体基板に温度センサ４１と処理回路４２が形成されたものである。回路基板４０は、センサ基板１０と並んで、搭載基板６０の一面６０ａに搭載されており、ワイヤ７２を介して、ターミナル７０と電気的に接続されている。回路基板４０の出力信号は、ワイヤ７２を介してターミナル７０に出力される。

温度センサ４１は、バイアス磁石の温度を測定するものである。本実施形態に係る温度センサ４１は、ＰＮ接合を有するダイオードであり、その順方向電圧の温度特性に基づいて、温度が測定される。

処理回路４２は、磁電変換素子１１によって構成されたフルブリッジ回路の出力信号に基づいて、被測定電流の電流値を算出するものである。本実施形態に係る処理回路４２は、温度センサ４１の出力信号に基づいて、磁電変換素子１１の出力信号（フルブリッジ回路の出力信号）の温度特性を補正する機能も果たす。処理回路４２は、特許請求の範囲に記載の補正部の機能を含むものである。

バイアス磁石５０は、永久磁石であり、自由層にバイアス磁界を印加するものである。バイアス磁界により、自由層の磁化方向の初期値（ゼロ点）が定められる。バイアス磁石５０は、搭載基板６０の裏面６０ｂに搭載されており、バイアス磁界は温度特性を有する。

搭載基板６０は、センサ基板１０、回路基板４０、バイアス磁石５０それぞれを搭載するものであり、収納部２０よりも伝熱性の高い材料から成る。図２に示すように、搭載基板６０の一面６０ａが収納部２０の一部を介してバスバー９０の上面９０ａと対向し、センサ基板１０と回路基板４０それぞれが収納部２０の一部を介して上面９０ａと対向している。

ターミナル７０は、外部からの信号を基板１０，４０に入力するとともに、回路基板４０にて処理されたセンサ基板１０の出力信号を外部に出力するためのものである。ターミナル７０、搭載基板６０、及び、連結部３０それぞれは、もともとは一つのリードフレームの構成要素であり、同一材料から成る。リードフレームを収納部２０によって被覆した後、ターミナル７０、搭載基板６０、及び、連結部３０それぞれを連結する部位を除去することで、ターミナル７０、搭載基板６０、及び、連結部３０それぞれが電気的に独立とされる。なお、複数のターミナル７０の内の一つは、搭載基板６０と一体化されており、同電位となっている。この搭載基板６０と一体化されたターミナル７０は、グランド電位に固定される。

次に、本実施形態に係る電流センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、連結部３０は金属から成り、バスバー９０と連結部３０とが金属接合され、連結部３０の一部が収納部２０に埋設されることで、収納部２０がバスバー９０に固定されている。これによれば、連結部が樹脂材料から成る構成と比べて、連結部３０の線膨張係数が低く、且つ、強度が高いので、連結部３０の経年劣化が抑制される。したがって、連結部３０とバスバー９０との固定が不安定となることが抑制され、磁電変換素子１１とバスバー９０との相対位置の変動が抑制される。この結果、被測定電流の検出精度の低下が抑制される。

バスバー９０は、自身を流れる被測定電流のために発熱する。上記したように、収納部２０はバスバー９０に接触しているために、バスバー９０の熱が収納部２０に伝達される。これによってバイアス磁石５０の温度が変動し、バイアス磁石５０から発せられるバイアス磁界も変動する。そのため、センサ基板１０の出力信号が変動する虞がある。これに対して、本実施形態では、バイアス磁石５０の温度を測定する温度センサ４１と、温度センサ４１の出力信号に基づいて、センサ基板１０の出力信号（フルブリッジ回路の出力信号）の温度特性を補正する処理回路４２と、を有する。この構成であれば、バイアス磁石５０の温度変動によるセンサ基板１０の出力信号の変動が抑制され、被測定電流の検出精度の低下が抑制される。

収納部２０の下面２０ａがバスバー９０の上面９０ａに接触され、連結部３０の他端３２が収納部２０に埋設されている。これによれば、バスバー９０の熱が、収納部２０に直接伝達されるだけではなく、連結部３０を介して収納部２０に間接的に伝達される。したがって、収納部２０がバスバー９０の温度に追随し易くなり、収納部２０の温度分布にムラが生じ難くなる。そのため、回路基板４０とバイアス磁石５０とに温度差が生じることが抑制される。この結果、バイアス磁石５０の温度変動によるセンサ基板１０の出力信号の変動が抑制され、被測定電流の検出精度の低下が抑制される。

搭載基板６０は、収納部２０よりも伝熱性の高い材料から成り、一面６０ａに温度センサ４１を有する回路基板４０が搭載され、裏面６０ｂにバイアス磁石５０が搭載されている。これによれば、搭載基板が収納部と同等の伝熱性を有する構成と比べて、回路基板４０とバイアス磁石５０とに温度差が生じることが抑制される。この結果、センサ基板１０の出力信号の変動が抑制され、被測定電流の検出精度の低下が抑制される。

２つの磁電変換素子１１によって、ハーフブリッジ回路が構成され、２つのハーフブリッジ回路によって、フルブリッジ回路が構成されている。そして、フルブリッジ回路を構成する、２つのハーフブリッジ回路の中点電位の差分が、回路基板４０に出力される。これによれば、１つのハーフブリッジ回路の中点電位に基づいて電流を検出する構成と比べて、電流の検出精度が向上される。

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、連結部３０の他端３２が収納部２０の側面２０ｂの中央に埋設された例を示した。しかしながら、図３に示すように、連結部３０の他端３２が収納部２０の側面２０ｂの上方に埋設された構成を採用することもできる。

図３に示す変形例では、他端３２とバスバー９０との間に、バイアス磁石５０と回路基板４０（温度センサ４１）とが位置している。この構成によれば、バスバー９０の熱が、バスバー９０から収納部２０に向かう方向（図３に示す実線矢印の示す方法）に流れ、連結部３０に伝熱されたバスバー９０の熱が、収納部２０からバスバー９０に向かう方向（図３に示す破線矢印の示す方法）に流れる。そして、この流れの異なる２つの熱が、バイアス磁石５０と温度センサ４１それぞれに印加される。これにより、上記した２つの熱の流れる方向それぞれが、バスバー９０から収納部２０に向かう方向である構成と比べて、バイアス磁石５０と温度センサ４１とに温度差が生じることが抑制され、センサ基板１０の出力信号の変動が抑制される。この結果、被測定電流の検出精度の低下が効果的に抑制される。

なお、図３では、連結部３０の他端３２とバスバー９０とが、バイアス磁石５０と回路基板４０（温度センサ４１）とを介して対向した構成となっている。これによれば、他端とバスバーとが、バイアス磁石と温度センサとを介さずに、収納部の一部のみを介して対向する構成と比べて、バスバー９０の熱と、連結部３０に伝達されたバスバー９０の熱それぞれが、バイアス磁石５０と温度センサ４１それぞれに印加され易くなる。これにより、バイアス磁石５０と温度センサ４１とに温度差が生じることが抑制され、センサ基板１０の出力信号の変動が抑制される。この結果、被測定電流の検出精度の低下が効果的に抑制される。

本実施形態では、溶接によって、一端３１とバスバー９０とが金属接合された例を示した。しかしながら、図４に示すように、リベット３４を用いたかしめによって、一端３１とバスバー９０とが金属接合された構成、若しくは、図５に示すように、ねじ３５を用いたねじ締結によって、一端３１とバスバー９０とが金属接合された構成を採用することができる。

本実施形態では、中間層が絶縁性を有し、磁電変換素子１１はトンネル磁気抵抗効果素子である例を示した。しかしながら、中間層が導電性を有し、磁電変換素子１１は巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）でも良い。更に言えば、磁電変換素子１１はホール素子や磁気抵抗素子（ＮＭＲ）でもよい。この場合、バイアス磁石５０と温度センサ４１とは不要になる。

本実施形態では、磁電変換素子１１によって、フルブリッジ回路が構成された例を示した。しかしながら、磁電変換素子１１によって、ハーフブリッジ回路が構成された構成を採用することもできる。

本実施形態では、バイアス磁石５０が永久磁石である例を示した。しかしながら、バイアス磁石５０はソレノイドでも良い。

本実施形態では、回路基板４０とセンサ基板１０とがワイヤ７１を介して電気的に接続され、回路基板４０とセンサ基板１０と並んで、搭載基板６０に搭載された例を示した。しかしながら、回路基板４０にセンサ基板１０が積層され、電気的及び機械的に接続されたスタック構造を採用することもできる。

本実施形態では、収納部２０が非磁性と絶縁性とを有するモールド樹脂から成る例を示した。しかしながら、熱伝導性を向上するために、モールド樹脂の中に、モールド樹脂よりも熱伝導性の高いフィラーを混入させてもよい。これによれば、回路基板４０とバイアス磁石５０とに温度差が生じることがより効果的に抑制される。この結果、センサ基板１０の出力信号の変動がより効果的に抑制され、被測定電流の検出精度の低下がより効果的に抑制される。なお、モールド樹脂に混入させるフィラーの材料としては、モールド樹脂よりも熱伝導性が高いものであれば適宜採用することができるが、具体的には、銅などの金属材料を採用することができる。

１１・・・磁電変換素子
２０・・・収納部
３０・・・連結部
９０・・・バスバー
１００・・・電流センサ

Claims (10)

1. 被測定電流を測定する電流センサであって、
   前記被測定電流から生じる磁束を電気信号に変換する磁電変換素子（１１）と、
   該磁電変換素子を収納する絶縁性の収納部（２０）と、
   該収納部と前記被測定電流の流れる被測定対象（９０）とを連結する連結部（３０）と、を有し、
   前記連結部は金属から成り、
   前記被測定対象と前記連結部とは金属結合されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記磁電変換素子は、印加磁界によって抵抗値が変動する磁気抵抗効果素子であり、磁化方向が固定されたピン層と、印加磁界に応じて磁化方向が変化する自由層と、該自由層と前記ピン層との間に設けられた非磁性の中間層と、を有し、
   前記自由層にバイアス磁界を印加するバイアス磁石（５０）と、
   該バイアス磁石の温度を測定する温度センサ（４１）と、
   該温度センサの出力信号に基づいて、前記磁電変換素子の出力信号の温度特性を補正する補正部（４２）と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記収納部に、前記バイアス磁石と前記温度センサとが収納され、
   前記収納部の一部が、前記被測定対象と接触しており、
   前記連結部は、前記被測定対象に金属接合される一端（３１）と、前記収納部に収納された他端（３２）と、前記一端と前記他端とを連結する足部（３３）と、を有することを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記他端と前記被測定対象との間に、前記バイアス磁石と前記温度センサとが位置していることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記連結部の他端と前記被測定対象とが、前記バイアス磁石と前記温度センサとを介して対向していることを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記バイアス磁石と前記温度センサとを搭載する、前記収納部よりも伝熱性の高い搭載基板（６０）を有し、
   前記搭載基板の一面（６０ａ）に前記温度センサが搭載され、前記一面の裏面（６０ｂ）に前記バイアス磁石が搭載されていることを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記収納部は、非磁性と絶縁性とを有するモールド樹脂、及び、前記モールド樹脂に混入された、前記モールド樹脂よりも熱伝導性の高いフィラーから成ることを特徴とする請求項３〜６いずれか１項に記載の電流センサ。
8. 溶接によって、前記被測定対象と前記連結部とが金属接合されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の電流センサ。
9. リベット（３４）を用いたかしめによって、前記被測定対象と前記連結部とが金属接合されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の電流センサ。
10. ねじ（３５）を用いたねじ締結によって、前記被測定対象と前記連結部とが金属接合されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の電流センサ。

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