JP2015059838A

JP2015059838A - 配線電流検出構造

Info

Publication number: JP2015059838A
Application number: JP2013193963A
Authority: JP
Inventors: 寛之高辻; Hiroyuki Takatsuji
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】配線パターンを伝搬する信号の品位が劣化するおそれなく、また、ＥＭＣ問題を発生させることなく、多層配線基板の内層に存在する配線パターンに流れる電流を簡単に検出する。【解決手段】多層配線基板１１の内層には、配線パターン１３に近接したループ状部１６ａを有する磁界検出パターン１６が形成されている。ループ状部１６ａの両端部の各側の磁界検出パターン１６には、一対のビア１７，１８の各一端部が接続され、各他端部は、多層配線基板１１の基板表面に露出して、抵抗素子２２が抵抗成分として接続されている。配線パターン１３と磁界検出パターン１６との間には、接地電位に接続されるシールド電極パターン１９が形成されている。配線電流検出構造は、磁界検出パターン１６と、一対のビア１７，１８と、抵抗素子２２とを備えて、構成される。【選択図】図４

Description

本発明は、多層配線基板に形成された配線パターンに流れる電流を検出する配線電流検出構造に関するものである。

従来、この種の配線電流を検出するものとしては、例えば、特許文献１に開示された、図１（ａ）に平面図、同図（ｂ）に断面図が示される電流検出機構がある。この電流検出機構では、両面配線基板上に渦巻き状に配線パターン１が形成され、渦巻き状配線パターン１は、スルーホール５で一端２が基板裏面に引き出される。渦巻き状配線パターン１の中心付近の基板表面には磁気センサ４が配置され、磁気センサ４は配線パターン３によって不図示の回路に接続される。磁気センサ４は、渦巻き状配線パターン１に流れる電流Ｉに比例して発生する磁束Φの密度を検出し、電気信号に変換する。

また、従来、特許文献２に開示された図２に示される密着固定型近磁界プローブＰを用いて、配線電流を検出するものもある。近磁界プローブＰは、フレキシブルなプリント配線板上にループコイルが形成されて構成され、プリント配線基板９に密着、固定して使用される。プリント配線基板９上には、多数のハーネス１０やコネクタ等が配置されている。近磁界プローブＰに備えられた高周波コネクタに高周波同軸ケーブル６の同軸コネクタ７が嵌められることで、配線パターンに電流が流れて生じる高周波誘導起電力は、近磁界プローブＰのループコイルによって検知されて、計測器８で計測される。

特開２００８−２０４０２号公報特開２０００−１４７０３４号公報

しかしながら、上記従来の特許文献１に開示された電流検出機構は、電流を検出したい配線のパターンを渦巻き状に形成する必要がある。このため、電流を検出したい配線のパターンにインダクタンス分が生じ、配線パターンを伝搬する信号の品位が劣化するおそれがある。また、配線のパターンを渦巻き状に形成することで、直線状に形成する場合に比較して配線パターンから磁界が放射し易くなるので、ＥＭＣ(Electro Magnetic Compatibility)問題が発生する可能性がある。

また、特許文献２に開示された近磁界プローブＰを用いて配線電流を検出する従来技術では、プリント配線基板９の表面に近磁界プローブＰを密着、固定して使用するため、多層配線基板の内層に存在する配線パターンを流れる電流を検出することは、困難である。特に、信号が伝搬する配線パターンの上下層がグランドプレーンに挟まれるストリップラインでは、配線パターンに生じる電磁界がグランドプレーンによって基板内部に閉じ込められてしまうため、配線パターンを流れる電流は全く検出することが出来ない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、多層配線基板の内層に存在する配線パターンに近接して形成されたループ状部を有する磁界検出パターンと、ループ状部の両端部の各側の磁界検出パターンに各一端部が接続され多層配線基板の基板表面に各他端部が露出する一対のビアと、この一対のビアの各他端部間に接続された抵抗成分とを備えて、配線電流検出構造を構成した。

本構成によれば、多層配線基板の内層に存在する配線パターンに電流が流れることによって生じる磁界は、その配線パターンに近接して形成された磁界検出パターンのループ状部に起電力を誘起する。従って、このループ状部の両端部が一対のビアによって多層配線基板の基板表面に引き出され、引き出された各部分の間に抵抗成分が設けられることで、抵抗成分の両端には、配線パターンに電流が流れることによってループ状部に誘起された起電力に対応する電圧が現れる。このため、この電圧を計測することで、多層配線基板の内層に存在する配線パターンに流れる電流を算出することが出来る。

よって、電流を検出したい配線のパターンを渦巻き状に形成することなく、配線パターンに流れる電流を検出できるので、配線パターンを伝搬する信号の品位が劣化するおそれなく、また、ＥＭＣ問題を発生させることなく、配線パターンに流れる電流を簡単に検出することが出来る。また、配線パターンに流れる電流を検出する磁界検出パターンは、配線パターンと共に多層配線基板の内層に形成されるため、多層配線基板の内層に存在する配線パターンを流れる電流を検出することが可能になる。

また、本発明は、配線パターンが形成された基板層と多層配線基板の基板表面との間に基準電位に接続されるプレーン層が存在することを特徴とする。

本構成によれば、ストリップラインのように、信号等が伝搬する配線パターンが形成された基板層と多層配線基板の基板表面との間に、基準電位に接続されるプレーン層が存在していても、信号等が伝搬する配線パターンに近接して磁界検出パターンのループ状部が形成されるので、基準電位に接続されるプレーン層の存在にかかわらず、配線パターンを流れる電流に応じて生じる磁界を、磁界検出パターンのループ状部に鎖交させることが出来る。このため、ストリップラインのように、信号等が伝搬する配線パターンが形成された基板層と多層配線基板の基板表面との間に、基準電位に接続されるプレーン層が存在していても、信号等が伝搬する配線パターンを流れる電流を検出することが出来る。

また、本発明は、配線パターンと磁界検出パターンとの間に基準電位に接続されるシールド電極パターンを備えることを特徴とする。

本構成によれば、電流を検出したい配線パターンから放出される電界は、配線パターンと磁界検出パターンとの間に備えられたシールド電極パターンによって遮蔽され、磁界検出パターンに及ぼす影響が減じられる。このため、磁界検出パターンは、配線パターンから放出される電界の影響をほとんど受けずに、配線パターンを流れる電流に応じて生じる磁界を精度よく検出することが出来る。よって、抵抗成分の両端には、配線パターンに流れる電流に応じた電圧が正確に現れ、配線パターンに流れる電流は正確に検出されるようになる。

本発明によれば、上記のように、配線パターンを伝搬する信号の品位が劣化するおそれなく、また、ＥＭＣ問題を発生させることなく、多層配線基板の内層に存在する配線パターンに流れる電流を簡単に検出することが出来る。

（ａ）は、配線電流を検出する第１の従来技術による電流検出機構の平面図、（ｂ）はその断面図である。近磁界プローブを用いて配線電流を検出する第２の従来技術の構成図である。本発明の一実施の形態による配線電流検出構造を用いて構成された多層配線基板の断面図である。（ａ）は、図３に示す多層配線基板の基板表面の平面図、（ｂ）は、図３に示す多層配線基板の内層の基板層の平面図である。本発明の一実施形態による配線電流検出構造において生じる磁気現象を説明するための平面図である。

次に、本発明の配線電流検出構造を実施するための形態について、説明する。

図３は、本発明の一実施の形態による配線電流検出構造を用いて構成された多層配線基板１１の断面図である。

多層配線基板１１の内層にはストリップライン１２が形成されている。ストリップライン１２は、信号が伝搬する、多層配線基板１１の内層に存在する配線パターン１３と、この配線パターン１３を挟んで配線パターン１３の上下層に形成された一対のグランドプレーン１４，１５とから構成される。グランドプレーン１４，１５は、銅箔等が基板面に一面にわたって形成されたベタ層として構成されており、基準電位である接地電位に接続される。グランドプレーン１４は、配線パターン１３が形成された基板層と多層配線基板１１の基板表面との間において、基準電位に接続されるプレーン層を構成する。

図４（ｂ）は、配線パターン１３が形成された多層配線基板１１の内層の基板層の平面図である。この基板層には磁界検出パターン１６が形成されている。磁界検出パターン１６は、流れる電流を測定したい配線パターン１３に近接して形成されたループ状部１６ａを有する。ループ状部１６ａの両端部の各側の磁界検出パターン１６には、一対のビア１７，１８の各一端部が接続されている。一対のビア１７，１８の各他端部は、多層配線基板１１の基板表面に露出している。また、配線パターン１３と磁界検出パターン１６との間には、シールド電極パターン１９が形成されている。このシールド電極パターン１９は、両端部が一対のビア２０，２１によってグランドプレーン１４に接続され、接地電位に接続される。

図４（ａ）は、多層配線基板１１の基板表面の平面図である。基板表面に露出している一対のビア１７，１８の各他端部間には、抵抗素子２２が抵抗成分として接続されている。本実施形態の配線電流検出構造は、磁界検出パターン１６と、一対のビア１７，１８と、抵抗素子２２とを備えて、構成される。

このような本実施形態の配線電流検出構造によれば、多層配線基板１１の内層に存在する配線パターン１３に電流Ｉ_１が流れることによって生じる磁界Ｈは、図５に示され、磁界検出パターン１６のループ状部１６ａに起電力を誘起する。なお、図５において図４と同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。従って、このループ状部１６ａの両端部が一対のビア１７，１８によって多層配線基板１１の基板表面に引き出され、引き出された各部分の間に抵抗素子２２が設けられることで、抵抗素子２２の両端には、配線パターン１３に電流Ｉ_１が流れることによってループ状部１６ａに誘起された起電力に対応する電圧Ｖが現れる。このため、この電圧Ｖを計測することで、多層配線基板１１の内層に存在する配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１を次のように算出することが出来る。

磁界Ｈを生じさせる磁束密度Ｂは、配線パターン１３からループ状部１６ａの中心までの距離をｒ（例えば、数ｍｍまたは数ｍｍ無い程度）とすると、次の（１）式に表される。

従って、磁束密度Ｂによってループ状部１６ａに生じる磁束φは、ループ状部１６ａの面積をＳ、ループ状部１６ａの半径をａ（例えば、数100μｍ〜数ｍｍ）とすると、次の（２）式に表される。

よって、磁束φによってループ状部１６ａを流れる電流Ｉ_２は、次の（３）式に表される。

また、抵抗素子２２の両端に現れる電圧をＶ、抵抗素子２２のインピーダンスをＺとすると、電流Ｉ_２は次の（４）式に表される。

従って、（３）式および（４）式から次の（５）式が導かれる。

（５）式の両辺を時間ｔで積分すると、次の（６）が導かれる。

よって、配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１は、次の（７）式によって算出される。

このため、電流Ｉ_１を検出したい配線のパターン１３を渦巻き状に形成することなく、配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１を検出できるので、配線パターン１３を伝搬する信号の品位が劣化するおそれなく、また、ＥＭＣ問題を発生させることなく、配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１を簡単に検出することが出来る。また、配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１を検出する磁界検出パターン１６は、配線パターン１３と共に多層配線基板１１の内層に形成されるため、多層配線基板１１の内層に存在する配線パターン１３を流れる電流Ｉ_１を検出することが可能になる。

また、本実施形態の配線電流検出構造によれば、信号等が伝搬する配線パターン１３が形成された基板層と多層配線基板１１の基板表面との間に、接地電位に接続されるグランドプレーン１４が存在していても、配線パターン１３に近接して磁界検出パターン１６のループ状部１６ａが形成されるので、接地電位に接続されるグランドプレーン１４の存在にかかわらず、配線パターン１３を流れる電流Ｉ_１に応じて生じる磁界Ｈを、磁界検出パターン１６のループ状部１６ａに鎖交させることが出来る。このため、信号等が伝搬する配線パターン１３が形成された基板層と多層配線基板１１の基板表面との間に、接地電位に接続されるグランドプレーン１４が存在していても、信号等が伝搬する配線パターン１３を流れる電流Ｉ_１を検出することが出来る。

また、本実施形態の配線電流検出構造によれば、電流Ｉ_１を検出したい配線パターン１３から放出される電界Ｅは、配線パターン１３と磁界検出パターン１６との間に備えられたシールド電極パターン１９によって遮蔽され、磁界検出パターン１６に及ぼす影響が減じられる。このため、磁界検出パターン１６は、配線パターン１３から放出される電界Ｅの影響をほとんど受けずに、配線パターン１３を流れる電流Ｉ_１に応じて生じる磁界Ｈを精度よく検出することが出来る。よって、抵抗素子２２の両端には、配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１に応じた電圧Ｖが正確に現れ、配線パターン１３に流れる電流Ｉ_１は正確に検出されるようになる。

なお、上記の実施形態では、一対のビア１７，１８の各他端部間に抵抗素子２２が抵抗成分として接続される場合について、説明した。しかし、抵抗成分は抵抗素子２２といった外付け部品に限られることはなく、配線パターンによって基板表面にパターン形成することも出来る。

また、上記の実施形態では、磁界検出パターン１６が１ターンに満たないループ状部１６ａを有する場合について説明したが、１ターン以上の複数ターンを有するようにループ状部１６ａを形成してもよい。また、ループ状部１６ａは円形状に限らず、多角形状等に形成してもよい。

また、上記の実施形態では、電流Ｉ_１を検出したい配線パターン１３がストリップライン１２を構成する場合について説明したが、本発明はこれに限られることはない。例えば、配線パターン１３と多層配線基板１１の基板表面との間にだけグランドプレーン１４が存在するマイクロストリップラインについても、同様に本実施形態の配線電流検出構造を適用することが出来る。また、配線パターン１３と多層配線基板１１の基板表面との間に、基準電位に接続されるプレーン層が存在しない場合においても、同様に本実施形態の配線電流検出構造を適用することが出来、多層配線基板１１の内層に存在する配線パターン１３に流れる電流を検出することが出来る。

また、上記の実施形態では、電流Ｉ_１を検出したい配線パターン１３に高周波信号が伝搬する場合について説明したが、信号周波数は高周波に限られることはなく、低周波であってもよい。また、配線パターン１３は信号を伝搬する配線に限られず、電源ラインを構成する電源供給に用いられる配線であってもよい。

本発明による配線電流検出構造によれば、配線パターン１３に重畳する高周波ノイズの電流を測定することが出来、本発明による配線電流検出構造は、ノイズ対策の解析に好適な産業上の利用可能性を有する。

１１…多層配線基板
１２…ストリップライン
１３…配線パターン
１４，１５…グランドプレーン
１６…磁界検出パターン
１６ａ…ループ状部
１７，１８，２０，２１…ビア
１９…シールド電極パターン
２２…抵抗素子

Claims

多層配線基板の内層に存在する配線パターンに近接して形成されたループ状部を有する磁界検出パターンと、前記ループ状部の両端部の各側の前記磁界検出パターンに各一端部が接続され前記多層配線基板の基板表面に各他端部が露出する一対のビアと、この一対のビアの前記各他端部間に接続された抵抗成分とを備えて構成される配線電流検出構造。
前記配線パターンが形成された基板層と前記多層配線基板の基板表面との間に基準電位に接続されるプレーン層が存在することを特徴とする請求項１に記載の配線電流検出構造。
前記配線パターンと前記磁界検出パターンとの間に基準電位に接続されるシールド電極パターンを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の配線電流検出構造。