JP2015132567A

JP2015132567A - 電流センサ

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Publication number: JP2015132567A
Application number: JP2014004792A
Authority: JP
Inventors: 孝昌金原; Takamasa Kanehara; 金原　　孝昌; 江介野村; Kosuke Nomura; 亮輔酒井; Ryosuke Sakai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-23

Abstract

【課題】磁電変換素子から出力される電気信号の誤差を低減することができる構成を備えた電流センサを提供する。【解決手段】第１パッド２２、第２パッド２３、第３パッド３２、及び第４パッド３３は、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たときに第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０とが交差するように設けられている。これにより、磁電変換素子２１側の第１領域Ａ１と、処理回路部３１側の第２領域Ａ２が形成される。このため、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２に磁束が貫通したときに各領域Ａ１、Ａ２に発生した誘起起電力が互いに相殺されるので、磁電変換素子２１から出力される電気信号が誘起起電力の影響を受けにくくなる。したがって、磁電変換素子２１から処理回路部３１に出力される電気信号の誤差を低減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定電流を測定する電流センサに関する。

従来より、バスバーに流れる被測定電流を測定する電流センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、センサ基板、回路基板、及び搭載基板を備えた電流センサの構成が提案されている。センサ基板は、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を有している。回路基板は、磁電変換素子の電気信号に基づいて被測定電流の電流値を算出する処理回路を有している。また、搭載基板は一面を有し、この一面にセンサ基板と回路基板とを搭載している。

上記の構成において、センサ基板の磁電変換素子と回路基板の処理回路とは複数のワイヤを介して電気的に接続されている。複数のワイヤは並列に配置されている。これにより、処理回路から１本のワイヤ、磁電変換素子、及び他の１本のワイヤを経由して処理回路に戻る電気経路が形成されている。

特開２０１３−２４２３０１号公報

しかしながら、上記従来の技術では、バスバーに被測定電流として交流電流が流れた場合、交流電流によって発生した交流磁場が上記の電気経路に囲まれた領域を貫通する。これにより、交流磁場の変動に応じた誘導起電力が電気経路に発生してしまう。このため、磁電変換素子から処理回路に出力される電気信号に誘導起電力が重畳することで電気信号に誤差が生じてしまうという問題があった。

本発明は上記点に鑑み、磁電変換素子から出力される電気信号の誤差を低減することができる構成を備えた電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、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（２１）と、磁電変換素子（２１）に電気的に接続された第１パッド（２２）及び第２パッド（２３）と、が設けられたセンサチップ（２０）を備えている。

また、磁電変換素子（２１）から電気信号を入力して当該電気信号に基づいて被測定電流の電流値を取得する処理回路部（３１）と、処理回路部（３１）に電気的に接続された第３パッド（３２）及び第４パッド（３３）と、が設けられた回路チップ（３０）を備えている。

さらに、一面（１１）を有し、当該一面（１１）にセンサチップ（２０）及び回路チップ（３０）が搭載された搭載基板（１０）と、第１パッド（２２）と第３パッド（３２）とを電気的に接続する第１ワイヤ（４０）と、第２パッド（２３）と第４パッド（３３）とを電気的に接続する第２ワイヤ（５０）と、を備えている。

処理回路部（３１）から第３パッド（３２）、第１ワイヤ（４０）、第１パッド（２２）、磁電変換素子（２１）、第２パッド（２３）、第２ワイヤ（５０）、及び第４パッド（３３）を経由して処理回路部（３１）に戻る経路が形成されている。

第１パッド（２２）、第２パッド（２３）、第３パッド（３２）、及び第４パッド（３３）は、搭載基板（１０）の一面（１１）の上方から当該一面（１１）側を見たときに第１ワイヤ（４０）と第２ワイヤ（５０）とが交差するように設けられている。

そして、第１ワイヤ（４０）及び第２ワイヤ（５０）は、搭載基板（１０）の一面（１１）の上方から当該一面（１１）側を見たときに交差する部分が互いに離間していることを特徴とする。

これによると、搭載基板（１０）の一面（１１）の上方から当該一面（１１）側を見たときに、処理回路部（３１）、第１ワイヤ（４０）、磁電変換素子（２１）、及び第２ワイヤ（５０）を経由して処理回路部（３１）に戻る経路が八の字になる。すなわち、磁電変換素子（２１）側の第１領域（Ａ１）と、処理回路部（３１）側の第２領域（Ａ２）が形成される。このため、第１領域（Ａ１）及び第２領域（Ａ２）に磁束が貫通したときに各領域（Ａ１、Ａ２）に発生した誘起起電力が互いに相殺されるので、磁電変換素子（２１）から出力される電気信号が誘起起電力の影響を受けにくくなる。したがって、磁電変換素子（２１）から処理回路部（３１）に出力される電気信号の誤差を低減することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る電流センサの構成図である。図１の各ワイヤと各パッドの配置を具体的に示した平面図である。第１ワイヤと第２ワイヤを交差させない場合のセンサチップ及び回路チップの平面図である。第１ワイヤと第２ワイヤを交差させたときの効果を説明するためのセンサチップ及び回路チップの平面図である。第２実施形態に係る各パッドの配置を示した平面図である。第３実施形態に係る各パッドの配置を示した平面図である。第４実施形態に係る各パッドの配置を示した平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る電流センサは、例えば、三相交流電動機に接続されるバスバーに流れる被検出電流を検出するものである。

図１に示されるように、電流センサ１は、搭載基板１０、センサチップ２０、回路チップ３０、第１ワイヤ４０、第２ワイヤ５０、電源用ワイヤ６０、ＧＮＤ用ワイヤ７０、リード８０、及びモールド樹脂９０を備えて構成されている。

搭載基板１０は、一面１１を有している。搭載基板１０は、一面１１にセンサチップ２０及び回路チップ３０を搭載している。

センサチップ２０は、外部の磁場の影響を受けたときに抵抗値が変化する磁電変換素子２１を有する板状のチップ部品である。磁電変換素子２１は、検出対象であるバスバー１００に流れる被測定電流から生じる磁束を電気信号に変換する素子である。

磁電変換素子２１は、図示しない４つの磁気抵抗素子によって構成されたブリッジ回路を有している。したがって、磁電変換素子２１は、各磁気抵抗素子が外部の磁場の影響を受けたときの抵抗値の変化に基づいて電気信号を出力する。すなわち、この電気信号はブリッジ回路の各中点の電圧である。

また、センサチップ２０は、第１パッド２２、第２パッド２３、第１第１電源用パッド２４、及び第１ＧＮＤ用パッド２５を有している。これら第１パッド２２、第２パッド２３、第１電源用パッド２４、及び第１ＧＮＤ用パッド２５は、センサチップ２０の表面に金属薄膜がパターニングされることで形成されている。

第１パッド２２及び第２パッド２３は、磁電変換素子２１に電気的に接続されている。これにより、第１パッド２２から磁電変換素子２１を介して第２パッド２３に至る電気的な経路が形成されている。

第１電源用パッド２４は磁電変換素子２１のブリッジ回路に電源電圧を印加するためのパッドである。第１ＧＮＤ用パッド２５は磁電変換素子２１のブリッジ回路にＧＮＤ電圧を印加するためのパッドである。これら第１電源用パッド２４及び第１ＧＮＤ用パッド２５は、磁電変換素子２１のブリッジ回路に電気的に接続されている。

回路チップ３０は、処理回路部３１を有する板状のチップ部品である。処理回路部３１は、センサチップ２０の磁電変換素子２１から電気信号を入力して当該電気信号に基づいて被測定電流の電流値を取得するように形成されている。このような処理回路部３１は、電気信号を信号増幅して出力するように構成された信号増幅回路や、増幅処理された電気信号から電流値を演算する演算回路を有して構成されている。なお、処理回路部３１は、ブリッジ回路に電源電圧を印加するための電源回路等も有している。

また、回路チップ３０は、第３パッド３２、第４パッド３３、第２電源用パッド３４、及び第２ＧＮＤ用パッド３５を有している。これら第３パッド３２、第４パッド３３、第２電源用パッド３４、及び第２ＧＮＤ用パッド３５は、回路チップ３０の表面に金属薄膜がパターニングされることで形成されている。

第３パッド３２及び第４パッド３３は、処理回路部３１に電気的に接続されている。これにより、第３パッド３２から処理回路部３１の信号処理回路を介して第４パッド３３に至る電気的な経路が形成されている。

第２電源用パッド３４は磁電変換素子２１のブリッジ回路に電源電圧を印加するためのパッドである。第２ＧＮＤ用パッド３５は磁電変換素子２１のブリッジ回路にＧＮＤ電圧を印加するためのパッドである。第２電源用パッド３４及び第２ＧＮＤ用パッド３５は、処理回路部３１の電源回路に電気的に接続されている。

第１ワイヤ４０は、第１パッド２２と第３パッド３２とを電気的に接続する配線部品である。また、第２ワイヤ５０は、第２パッド２３と第４パッド３３とを電気的に接続する配線部品である。

これら第１ワイヤ４０及び第２ワイヤ５０によって、処理回路部３１から第３パッド３２、第１ワイヤ４０、第１パッド２２、磁電変換素子２１、第２パッド２３、第２ワイヤ５０、及び第４パッド３３を経由して処理回路部３１に戻る経路が形成されている。

電源用ワイヤ６０は、センサチップ２０の第１電源用パッド２４と回路チップ３０の第２電源用パッド３４とを電気的に接続する配線部品である。また、ＧＮＤ用ワイヤ７０は、センサチップ２０の第１ＧＮＤ用パッド２５と回路チップ３０の第２ＧＮＤ用パッド３５とを電気的に接続する配線部品である。

リード８０は、外部と回路チップ３０とを電気的に接続するための端子部品である。本実施形態では、複数のリード８０が当該リード８０の長手方向に垂直な方向に並べられている。そして、各リード８０がワイヤ８１を介して回路チップ３０と電気的に接続されている。

モールド樹脂９０は、リード８０のうち搭載基板１０側とは反対側の部分すなわちアウターリードの部分が露出するように、各部品を封止している。これにより、電流センサ１はモールドＩＣ化されている。モールド樹脂９０の材料として、例えばエポキシ樹脂等が採用される。

以上が、本実施形態に係る電流センサ１の全体構成である。上記の構成を有する電流センサ１は、図１に示されるように、バスバー１００に組み付けられる。

次に、センサチップ２０と回路チップ３０とを電気的に接続する第１パッド２２、第２パッド２３、第３パッド３２、第４パッド３３、第１ワイヤ４０、及び第２ワイヤ５０について説明する。

図１に示されるように、第１パッド２２、第２パッド２３、第３パッド３２、及び第４パッド３３は、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たときに第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０とが交差するようにそれぞれ設けられている。

具体的には、図２に示されるように、センサチップ２０の第１パッド２２及び回路チップ３０の第４パッド３３は、搭載基板１０の一面１１の面方向においてセンサチップ２０と回路チップ３０とが並べられた方向に平行な第１直線Ｌ１上に配置されている。また、センサチップ２０の第２パッド２３及び回路チップ３０第３パッド３２は、搭載基板１０の一面１１の面方向においてセンサチップ２０と回路チップ３０とが並べられた方向に平行な第２直線Ｌ２上に配置されている。

さらに、センサチップ２０において、第１パッド２２及び第２パッド２３は、搭載基板１０の一面１１の面方向において第１直線Ｌ１に垂直な第３直線Ｌ３上に配置されている。また、回路チップ３０において、第３パッド３２及び第４パッド３３は、搭載基板１０の一面１１の面方向において第２直線Ｌ２に垂直な第４直線Ｌ４上に配置されている。

このような各パッド２２、２３、３２、３３の配置によって、第１ワイヤ４０及び第２ワイヤ５０は搭載基板１０の一面１１の面方向において交差している。ここで、第１ワイヤ４０及び第２ワイヤ５０は、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たときに交差する部分が互いに離間している。すなわち、第１ワイヤ４０及び第２ワイヤ５０は、搭載基板１０の一面１１の面方向においては交差しているが、搭載基板１０の一面１１に垂直な方向においては接触しておらず、電気的に分離されている。

続いて、上記のように、第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０とを交差させた構造の作用効果について説明する。まず、図３に示されるように、第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０とが交差していない構造、すなわち第１ワイヤ４０が第１パッド２２と第４パッド３３とを繋ぐと共に、第２ワイヤ５０が第２パッド２３と第３パッド３２とを繋ぐ構造を考える。

この構造では、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たとき、第１パッド２２、磁電変換素子２１、第２パッド２３、第２ワイヤ５０、第３パッド３２、処理回路部３１、第４パッド３３、及び第１ワイヤ４０によって囲まれた一つの領域Ａ３が形成される。この領域Ａ３の面積をＳａとする。

そして、バスバー１００に流れた被測定電流によって交流磁場１１０が発生するとする。これにより、領域Ａ３に交流磁場１１０が印加されると、起電力εａ＝ｄΦａ／ｄｔ＝Ｓａ×（ｄＢ／ｄｔ）が発生する。ΦａはＳａを貫く磁束である。磁電変換素子２１から出力される電気信号の変化は非常に小さな信号であるので、この起電力εａが処理回路部３１に入力されることで電気信号に誤差が発生してしまう。

一方、図４に示されるように、本実施形態では第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０とが交差している。この構造では、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たとき、第１パッド２２、磁電変換素子２１、第２パッド２３、第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０との交点で囲まれた第１領域Ａ１が形成される。この第１領域Ａ１の面積を第１面積Ｓｂ１とする。

また、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たとき、第３パッド３２、処理回路部３１、第４パッド３３、第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０との交点で囲まれた第２領域Ａ２が形成される。この第２領域Ａ２の面積を第２面積Ｓｂ２とする。

これら各領域Ａ１、Ａ２に交流磁場１１０が印加されると、第１領域Ａ１には起電力εｂ１＝Ｓｂ１×（ｄＢ／ｄｔ）が発生する。また、第２領域Ａ２には起電力εｂ２＝Ｓｂ２×（ｄＢ／ｄｔ）が発生する。

しかしながら、これら各起電力εｂ１、εｂ２は互いに逆方向に発生するので、互いに打ち消し合う。これは、搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たときに、第１領域Ａ１の第１面積Ｓｂ１と第２領域Ａ２の第２面積Ｓｂ２とが同等になるように、各パッド２２、２３、３２、３３が配置されたことによる。これにより、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の各面積を同等にすることができる。

そして、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２は隣接しているため、各領域Ａ１、Ａ２を貫く磁束密度は同等であることから、各領域Ａ１、Ａ２の面積が同等になっていることにより各起電力の差を小さくすることができる。つまり、各起電力を相殺することが可能となり、ひいては電気信号の誤差を低減することができる。

以上説明したように、本実施形態では搭載基板１０の一面１１の上方から当該一面１１側を見たときに、第１ワイヤ４０と第２ワイヤ５０を交差させている。このため、処理回路部３１、第１ワイヤ４０、磁電変換素子２１、及び第２ワイヤ５０を経由して処理回路部３１に戻る経路を八の字に構成することができる。これにより、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２に磁束が貫通したときに各領域Ａ１、Ａ２に発生した誘起起電力を互いに相殺することができる。したがって、磁電変換素子２１から出力される電気信号が誘起起電力の影響を受けにくくなり、ひいては電気信号の誤差を低減することができる。

また、三相交流電動機は３本のバスバー１００が配置されているので、電流センサ１は測定対象のバスバー１００よりも測定対象外のバスバー１００から交流磁場１１０の影響を受けやすい。このような状況においては、本実施形態に係る構成は電気信号の誤差を低減することについて特に効果がある。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図５に示されるように、第１パッド２２が第３直線Ｌ３上を第２パッド２３から所定距離だけ離れて配置されている。一方、第３パッド３２が第４直線Ｌ４上を第４パッド３３から上記の所定距離と同じ距離だけ離れて配置されている。このように第１パッド２２及び第３パッド３２をずらしても、第１領域Ａ１の第１面積Ｓｂ１と第２領域Ａ２の第２面積Ｓｂ２とが同等になるようにすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図６に示されるように、第１パッド２２が第１直線Ｌ１上を回路チップ３０から所定距離だけ離れて配置されている。一方、第３パッド３２が第２直線Ｌ２上をセンサチップ２０から上記の所定距離と同じ距離だけ離れて配置されている。このように第１パッド２２及び第３パッド３２をずらしても、第１領域Ａ１の第１面積Ｓｂ１と第２領域Ａ２の第２面積Ｓｂ２とが同等になるようにすることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図７に示されるように、第１パッド２２が第２パッド２３から離れるように第１直線Ｌ１及び第３直線Ｌ３から所定距離だけ離れて配置されている。一方、第３パッド３２が第４パッド３３から離れるように第２直線Ｌ２及び第４直線Ｌ４から上記の所定距離と同じ距離だけ離れて配置されている。このようにしても、第１領域Ａ１の第１面積Ｓｂ１と第２領域Ａ２の第２面積Ｓｂ２とが同等になるようにすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された電流センサ１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、磁電変換素子２１が複数のブリッジ回路を備えている場合、ブリッジ回路毎に２本のワイヤを設け、これらを交差させれば良い。

第２〜第４実施形態では、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の面積を同等にしつつ、第１パッド２２及び第３パッド３２の位置を変更する例を示したが、これらは一例である。したがって、第２パッド２３及び第４パッド３３の位置を変更しても良いし、全てのパッド２２、２３、３２、３３の位置を適宜変更しても良い。

上記各実施形態では、電流センサ１は三相交流電動機に接続されるバスバー１００に流れる被検出電流を測定するように構成されていたが、これは電流センサ１の適用の一例である。したがって、測定対象はバスバー１００に限られず、他の用途に用いられる配線に電流センサ１を適用しても良い。

上記各実施形態では、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の面積が同様になるように構成されていたが、必ずしも同等でなくても良い。すなわち、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２が構成されたこと自体で誘起起電力を互いに打ち消し合わせることができ、ひいては電気信号の誤差を低減できるからである。

２０センサチップ
２１磁電変換素子
２２第１パッド
２３第２パッド
３０回路チップ
３１処理回路部
３２第３パッド
３３第４パッド
４０第１ワイヤ
５０第２ワイヤ

Claims

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（２１）と、前記磁電変換素子（２１）に電気的に接続された第１パッド（２２）及び第２パッド（２３）と、が設けられたセンサチップ（２０）と、
前記磁電変換素子（２１）から前記電気信号を入力して当該電気信号に基づいて前記被測定電流の電流値を取得する処理回路部（３１）と、前記処理回路部（３１）に電気的に接続された第３パッド（３２）及び第４パッド（３３）と、が設けられた回路チップ（３０）と、
一面（１１）を有し、当該一面（１１）に前記センサチップ（２０）及び前記回路チップ（３０）が搭載された搭載基板（１０）と、
前記第１パッド（２２）と前記第３パッド（３２）とを電気的に接続する第１ワイヤ（４０）と、
前記第２パッド（２３）と前記第４パッド（３３）とを電気的に接続する第２ワイヤ（５０）と、を備え、
前記処理回路部（３１）から前記第３パッド（３２）、前記第１ワイヤ（４０）、前記第１パッド（２２）、前記磁電変換素子（２１）、前記第２パッド（２３）、前記第２ワイヤ（５０）、及び前記第４パッド（３３）を経由して前記処理回路部（３１）に戻る経路が形成された電流センサであって、
前記第１パッド（２２）、前記第２パッド（２３）、前記第３パッド（３２）、及び前記第４パッド（３３）は、前記搭載基板（１０）の一面（１１）の上方から当該一面（１１）側を見たときに前記第１ワイヤ（４０）と前記第２ワイヤ（５０）とが交差するように設けられており、
前記第１ワイヤ（４０）及び前記第２ワイヤ（５０）は、前記搭載基板（１０）の一面（１１）の上方から当該一面（１１）側を見たときに交差する部分が互いに離間していることを特徴とする電流センサ。
前記搭載基板（１０）の一面（１１）の上方から当該一面（１１）側を見たときに、前記磁電変換素子（２１）、前記第１ワイヤ（４０）、前記第２ワイヤ（５０）によって囲まれた第１領域（Ａ１）の第１面積と、前記処理回路部（３１）、前記第１ワイヤ（４０）、前記第２ワイヤ（５０）によって囲まれた第２領域（Ａ２）の第２面積と、が同等になるように、前記第１パッド（２２）及び前記第２パッド（２３）が前記センサチップ（２０）に設けられていると共に、前記第３パッド（３２）及び前記第４パッド（３３）が前記回路チップ（３０）に設けら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。
前記第１パッド（２２）及び前記第４パッド（３３）は、前記搭載基板（１０）の一面（１１）の面方向において前記センサチップ（２０）と前記回路チップ（３０）とが並べられた方向に平行な第１直線（Ｌ１）上に配置されており、
前記第２パッド（２３）及び前記第３パッド（３２）は、前記搭載基板（１０）の一面（１１）の面方向において前記センサチップ（２０）と前記回路チップ（３０）とが並べられた方向に平行な第２直線（Ｌ２）上に配置されており、
前記第１パッド（２２）及び前記第２パッド（２３）は、前記センサチップ（２０）において、前記搭載基板（１０）の一面（１１）の面方向において前記第１直線（Ｌ１）に垂直な第３直線（Ｌ３）上に配置されており、
前記第３パッド（３２）及び前記第４パッド（３３）は、前記回路チップ（３０）において、前記搭載基板（１０）の一面（１１）の面方向において前記第２直線（Ｌ２）に垂直な第４直線（Ｌ４）上に配置されてい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。