JP2017026317A - センサ装置および電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサを用いた電流センサの過渡応答特性を向上させる。
【解決手段】電流路を流れる電流を検出するセンサ装置であって、電流路が配置されるべき位置に対向して設けられ、電流路を流れる電流によって生じる磁場を検出する磁気センサと、電流路が配置されるべき位置および磁気センサに面して設けられ、面内において電流路の延伸方向に対応する第１方向の長さが、面内において第１方向と垂直な第２方向の長さよりも大きい導電板と、を備えるセンサ装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置および電流センサに関する。

従来、電流路を流れる電流を検出する電流センサとして、磁気センサを有し、当該磁気センサが当該電流によって発生する磁場を検出するセンサが知られていた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 米国特許第５９４２８９５号明細書

このような電流センサは、流れる電流の急峻な立ち上がりおよび立ち下がり等の電流の過渡的な変化を検出すべく、良好な磁場の過渡応答特性が要求されることがある。しかしながら、良好な過渡応答特性を有する磁気センサを電流センサとして組み立てても、電流センサとして動作させると当該過渡応答特性が劣化してしまう場合があった。そして、当該過渡応答特性の劣化は、オーバーシュートが発生する場合と、遅延が発生する場合とがあり、原因が不明で良好な磁場の過渡応答特性を実現することが困難であった。

本発明の第１の態様においては、電流路を流れる電流を検出するセンサ装置であって、電流路が配置されるべき位置に対向して設けられ、電流路を流れる電流によって生じる磁場を検出する磁気センサと、電流路が配置されるべき位置および磁気センサに面して設けられ、面内において電流路の延伸方向に対応する第１方向の長さが、面内において第１方向と垂直な第２方向の長さよりも大きい導電板と、を備えるセンサ装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の態様のセンサ装置と、電流が流れることによって磁気センサに磁場を印加するように配置される電流路と、を備える電流センサを提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係るセンサ装置１００の構成例を、電流導体１０および固定基板２０と共に示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の断面の構成例を示す。 電流導体１０と導電板１３０の第１の配置例を示す。 磁気センサ１１０に過渡的に検出磁場が増加した場合の、過渡応答特性の一例を示す。 電流導体１０と導電板１３０の第２の配置例を示す。 磁気センサ１１０に過渡的に検出磁場が減少した場合の、過渡応答特性の一例を示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の構成例を示す。 本実施形態に係る導電板１３０に発生する渦電流の一例を示す。 本実施形態に係る導電板１３０を、９０°回転させた場合に発生する渦電流の一例を示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の変形例を示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の変形例の上面の構成例を示す。 本変形例に係る導電板１３０に発生する渦電流の一例を示す。 本変形例に係る導電板１３０を、９０°回転させた場合に発生する渦電流の一例を示す。 本変形例に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。 本実施形態に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。 本実施形態に係る導電板１３０の第１の変形例を示す。 本実施形態に係る導電板１３０の第２の変形例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るセンサ装置１００の構成例を、電流導体１０および固定基板２０と共に示す。図１は、センサ装置１００が電流導体１０を流れる電流を検出する電流センサとして用いられる例を示す。電流導体１０は、一例として、Ｙ軸方向に延伸し、＋Ｙ方向または−Ｙ方向の電流を流す。当該電流は、電流導体１０を中心としたＸＺ面と平行な面において、当該電流に対して右回りの（時計回りの）磁場を発生させる。図１の電流導体１０は電流が流れる方向に対して断面視したときにＺ方向が厚み方向となる（Ｚ方向が短辺となる）形状であるが、同断面視したときにＺ方向以外が（例えばＸ方向またはＹ方向が）厚み方向となる形状であってもよい。また、電流導体１０の電流が流れる方向に対する断面形状は、四角形、正方形、台形、多角形、円形、楕円形状等でよく、また、これらの組み合わせであってもよい。

センサ装置１００は、当該磁場が入力する位置に配置される。センサ装置１００は、例えば、固定基板２０の一方の面に設けられる。センサ装置１００は、固定基板２０の電流導体１０を向く面に配置されてよく、これに代えて、固定基板２０の電流導体１０とは反対側の面に配置されてもよい。固定基板２０は、回路等が形成され、センサ装置１００と電気信号等を授受してよい。また、固定基板２０は、センサ装置１００と、ＧＮＤライン、コモン電源ライン等が接続されてよい。これに代えて、固定基板２０は、センサ装置１００と無線接続または光接続されてもよい。固定基板２０は、プリント基板等でよい。

センサ装置１００は、電流導体１０といった電流路を流れる電流を検出する。センサ装置１００は、予め定められた方向に入力する磁場を検出する。図１は、センサ装置１００がＸ軸と略平行な方向に入力する磁場を検出する例を示す。即ち、図１は、センサ装置１００が電流導体１０の＋Ｙ方向に流れる電流に応じて発生する磁場のうち、−Ｘ方向の成分を検出する例を示す。

図２は、本実施形態に係るセンサ装置１００の断面の構成例を示す。図２は、図１の線分Ａ−Ａ'を通るＸＺ面と略平行な面の断面図の例を示す。センサ装置１００は、磁気センサ１１０と、基板１２０と、導電板１３０と、パッケージ部１４０とを備える。

磁気センサ１１０は、電流導体１０の延伸方向である電流路が配置されるべき位置に対向して設けられ、当該電流路を流れる電流によって生じる磁場を検出する。ここで対向とは、磁気センサ１１０の平面（図２においてはＸＹ平面）に対して垂直な方向に当該電流路の少なくとも一部が配置される位置関係を意味する。磁気センサ１１０は、電流路とは略垂直な方向の磁場を検出してよい。磁気センサ１１０は、ホール素子を有してよい。ホール素子は、ホール効果によって、予め定められた方向に入力される磁場を検出する素子である。なお、ホール素子は、不純物がドープされたウェル領域によって形成されてよい。また、磁気センサ１１０は、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子を有してもよい。

基板１２０は、磁気センサ１１０が形成される。基板１２０は、一方の面に磁気センサ１１０が形成されてよく、これに代えて、内部に磁気センサ１１０が形成されてもよい。基板１２０は、シリコン等を有する半導体基板でよく、この場合、当該半導体基板に不純物等をドープすることにより磁気センサ１１０が形成されてよい。基板１２０は、表面および／または内部に、磁気センサ１１０と電気的に接続される配線部を有する。基板１２０は、ＩＣチップであってよく、この場合、端子を備え、外部の基板、回路、および配線等と電気的に接続されてよい。

導電板１３０は、電流導体１０の電流路が配置されるべき位置および磁気センサ１１０に面して設けられる。導電板１３０は、磁気を発生させない材料で形成されることが望ましい。導電板１３０は、例えば、非磁性の銅合金を含んでよい。導電板１３０は、基板１２０と接して形成されてよく、また、基板１２０を支持してもよい。この場合、導電板１３０は基板１２０を支持できる程度の大きさを有してよい。導電板１３０は、リードフレームとして機能してよく、当該センサ装置１００の外部と、磁気センサ１１０とを電気的に接続してよい。この場合、導電板１３０は、外部と電気的に接続されるリード部を有してよい。

パッケージ部１４０は、磁気センサ１１０、基板１２０、および導電板１３０を内蔵する。パッケージ部１４０は、磁気を発生させない材料で形成されることが望ましい。パッケージ部１４０は、樹脂を含んでよく、磁気センサ１１０、基板１２０、および導電板１３０を覆うように形成されてよい。パッケージ部１４０は、導電板１３０がリード部を有する場合、当該リード部の少なくとも一部を外部に露出させて、当該導電板１３０を覆ってよい。

なお、図２は、導電板１３０の電流導体１０を向く面に基板１２０が形成され、当該基板１２０の電流導体１０を向く面に磁気センサ１１０が形成され、当該磁気センサ１１０、基板１２０、および導電板１３０をパッケージ部１４０が覆う例を示した。これに代えて、導電板１３０の電流導体１０とは反対側の面に基板１２０が形成され、当該基板１２０の電流導体１０とは反対側の面に磁気センサ１１０が形成されてもよい。

これに代えて、または、これに加えて、パッケージ部１４０は、電流導体１０を覆ってもよい。この場合、固定基板２０側から＋Ｚ方向に向けて、導電板１３０、基板１２０、磁気センサ１１０、電流導体１０の順にこれらが配列され、パッケージ部１４０が全体を覆ってよい。これに代えて、導電板１３０、基板１２０、電流導体１０、磁気センサ１１０の順にこれらが配列され、パッケージ部１４０が全体を覆ってもよい。これに代えて、磁気センサ１１０、基板１２０、導電板１３０、電流導体１０の順にこれらが配列され、パッケージ部１４０が全体を覆ってもよい。

以上のセンサ装置１００を組み立て、電流導体１０に流れる電流に応じた磁場を検出すると、磁場検出の過渡応答特性に劣化が生じる場合があった。そして、過渡応答特性の劣化は、オーバーシュートが発生する場合と、遅延が発生する場合とが発生し、原因が不明であった。そこで、まず、当該過渡応答特性の劣化の原因を解明した。そして、本実施形態のセンサ装置１００は、当該原因に基づいて、導電板１３０の配置を最適化し、磁場検出の過渡応答特性を向上させる。ここで、磁場検出における過渡応答特性の劣化に対して解明した原因を、図３から図６を用いて説明する。

図３は、電流導体１０と導電板１３０の第１の配置例を示す。図３において、電流導体１０はＹ軸方向と略平行に延伸し、導電板１３０は当該電流導体１０に面して設けられる例を示す。即ち、導電板１３０はＸＹ平面と略平行に配置され、長手方向がＸ軸方向と略平行となる例を示す。この場合、磁気センサ１１０は、導電板１３０の電流導体１０側の面に形成され、図中の点線で示される位置に配置される場合を説明する。

電流導体１０の電流路の＋Ｙ方向に電流が流れると、当該電流路を中心として、ＸＺ面と平行な右回りの磁場が発生する。そして、発生した磁場の一部は、導電板１３０に入力し、その後、導電板１３０から出力する。図３には、入力磁場をＢ_ｉｎとして示す。この場合、過渡的に電流路に電流が流れて急峻に電流値が立ち上がると、入力磁場Ｂ_ｉｎも同様に立ち上がる。このような急激な磁場の変化に応じて、導電板１３０内部に入力磁場Ｂ_ｉｎを中心とした渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが発生する。また、導電板１３０から出力する磁場も急峻な磁場となるので、当該導電板１３０内部に出力磁場を中心とした渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが発生する。

図３に示すように、渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、磁場の進行方向に対して反時計回り（左回り）に発生する。入力磁場および出力磁場の向きは互いに逆向きであることから、導電板１３０に発生する２つの渦電流は、互いに逆回りの電流となる。そして、当該２つの渦電流によって、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが発生する。当該磁場Ｂ_ｅｄｄｙは、２つの渦電流の略中心を通過するように発生し、図中の点線で示される磁気センサ１１０が配置される位置においては、電流導体１０に流れる電流によって当該磁気センサ１１０に入力する磁場と略同一方向（即ち、−Ｘ方向）の磁場となる。

即ち、図３に示すような配置で電流センサが形成されると、磁気センサ１１０は、磁場の急峻な立ち上がりの入力に応じて、当該入力磁場に過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが更に加わった磁場を検出することになる。したがって、磁気センサ１１０は、導電板がない場合よりも渦電流が流れている間は過渡的に増加した信号を出力することになり、過渡応答特性が劣化する。

図４は、磁気センサ１１０に過渡的に検出磁場が増加した場合の、過渡応答特性の一例を示す。図４の横軸は時間を示し、縦軸は入力磁場の強度および磁気センサ１１０の出力信号強度を示す。急峻な立ち上がりの入力磁場に対して、磁気センサ１１０の出力信号強度は、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが加わり、オーバーシュートが発生して過渡応答特性が劣化することがわかる。

図５は、電流導体１０と導電板１３０の第２の配置例を示す。図５において、電流導体１０はＹ軸方向と略平行に延伸し、導電板１３０は当該電流導体１０に面して設けられる例を示す。即ち、導電板１３０はＸＹ平面と略平行に配置され、長手方向がＸ軸方向と略平行となる例を示す。この場合、磁気センサ１１０は、導電板１３０の電流導体１０とは反対側の面に形成され、図中の点線で示される位置に配置される場合を説明する。

電流導体１０の電流路の＋Ｙ方向に電流が流れると、当該電流路を中心として、ＸＺ面と平行な右回りの磁場が発生する。そして、発生した磁場の一部は、導電板１３０に入力し、その後、導電板１３０から出力する。図５には、入力磁場をＢ_ｉｎとして示す。この場合、過渡的に電流路に電流が流れて急峻に電流値が立ち上がると、入力磁場Ｂ_ｉｎも同様に立ち上がる。このような急激な磁場の変化に応じて、導電板１３０内部に入力磁場Ｂ_ｉｎを中心とした渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが発生する。また、導電板１３０から出力する磁場も急峻な磁場となるので、当該導電板１３０内部に出力磁場を中心とした渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが発生する。

図５に示すように、渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、磁場の進行方向に対して反時計回り（左回り）に発生し、入力磁場および出力磁場の向きは互いに逆向きであることから、導電板１３０に発生する２つの渦電流は、互いに逆回りの電流となる。そして、当該２つの渦電流によって、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが発生する。当該磁場Ｂ_ｅｄｄｙは、２つの渦電流の略中心を通過するように発生し、図中の点線で示される磁気センサ１１０が配置される位置においては、電流導体１０に流れる電流によって当該磁気センサ１１０に入力する磁場と略反対方向（即ち、−Ｘ方向）の磁場となる。

即ち、図５に示すような配置で電流センサが形成されると、磁気センサ１１０は、磁場の急峻な立ち上がりの入力に応じて、当該入力磁場に過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙを差し引いた磁場を検出することになる。したがって、磁気センサ１１０は、導電板がない場合よりも渦電流が流れている間は過渡的に減少した信号を出力することになり、過渡応答特性が劣化する。

図６は、磁気センサ１１０に過渡的に検出磁場が減少した場合の、過渡応答特性の一例を示す。図６の横軸は時間を示し、縦軸は入力磁場の強度および磁気センサ１１０の出力信号強度を示す。急峻な立ち上がりの入力磁場に対して、磁気センサ１１０の出力信号強度は、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが差し引かれ、遅延が発生して過渡応答特性が劣化することがわかる。

以上のように、過渡応答特性の劣化は、電流導体１０、磁気センサ１１０、および導電板１３０の配置に応じて生じることが判明した。そこで、本実施形態に係るセンサ装置１００は、判明した劣化の原因に基づき、導電板１３０を適切に配置して、過渡応答特性の劣化を防止する。このようなセンサ装置１００について、図７および図８を用いて説明する。

図７は、本実施形態に係るセンサ装置１００の構成例を示す。図７は、図１および２に示したセンサ装置１００のＸＹ平面と略平行な面による断面図の一例である。即ち、図７は、固定基板２０から電流導体１０に向けて、導電板１３０、基板１２０、磁気センサ１１０の順に配置される例を示す。磁気センサ１１０は、電流導体１０との位置合わせを容易に実行すべく、パッケージ部１４０の略中央に配置されることが望ましい。また、磁気センサ１１０は、導電板１３０の略中央に配置されることが望ましい。なお、磁気センサ１１０のＸＹ面上の配置は、これに限定されるものではない。

導電板１３０は、複数のリード部１５０を有する。図７は、導電板１３０の＋Ｙ方向側および−Ｙ方向側の辺に、それぞれ４つのリード部１５０が配置された例を示す。リード部１５０のそれぞれは、一端がパッケージ部１４０の外側に露出し、他端がパッケージ部１４０の内部で導電板１３０、基板１２０、または磁気センサ１１０と電気的に接続される。即ち、リード部１５０の一端は、当該センサ装置１００の端子となる。また、リード部１５０の他端は、ワイヤボンディング等で各部と電気的に接続されてよい。また、リード部１５０は導電板１３０と接触または接続されなくてよい。

導電板１３０は、ＸＹ平面における面内において電流導体１０の電流路の延伸方向に対応する第１方向の長さが、面内において第１方向と垂直な第２方向の長さよりも大きい。導電板１３０は、例えば、ＸＹ平面において略長方形の形状を有し、長手方向が電流導体１０の延伸方向（即ち、Ｘ軸方向）と略平行に配置される。この場合、電流路の延伸方向に対応する第１方向は、導電板１３０の長手方向であり、第２方向は短手方向となる。このように配置された導電板１３０に発生する渦電流について、図８を用いて説明する。

図８は、本実施形態に係る導電板１３０に発生する渦電流の一例を示す。図８は、図７に示したセンサ装置１００の導電板１３０のリード部１５０を除いた矩形部分を示す。電流導体１０の電流路に電流が流れると、図８において電流方向とした＋Ｘ方向（長手方向）に電流が流れ、磁気センサ１１０はＹ方向（短手方向）の磁場を検出する。図８は、磁気センサ１１０が導電板１３０の略中央に配置され、電流導体１０の電流路が、当該磁気センサ１１０の配置に対応して、導電板１３０の短手方向の略中央をＸ軸方向に延伸するように配置される例を示す。

以上の本実施形態に係る導電板１３０は、図３で説明したように、急峻な磁場の入力に応じて、２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙを発生させる。当該渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、電流路で分割された２つの領域のそれぞれに発生し、電流路を挟んで互いに逆向きとなる。そして、当該２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの発生に応じて、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが発生する。磁場Ｂ_ｅｄｄｙが磁気センサ１１０に入力する方向は、電流路に電流が流れることに応じて磁気センサ１１０に入力する磁場の方向（即ち、＋Ｙ方向）と略同一の方向となる。

しかしながら、図８に示す導電板１３０は、短手方向の長さよりも長手方向の長さが大きいので、発生する２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、長軸の向きが長手方向と略平行となるような長円形状となる。したがって、電流路を流れる電流と反対向きに流れる２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが、当該電流路を流れる電流と並走することになる。

ここで、磁気センサ１１０に入力される過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙは、主に電流路と平行に並走する（すなわち図８のｘ方向に流れる）渦電流Ｉ_ｅｄｄｙによって引き起こされるものである。そして、磁場入力から一定時間後に、この渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが、電流路に流れる電流の方向と垂直な導電板１３０の断面を流れる量は、導電板１３０が長手方向（すなわち図８のｘ方向）の長さが長くなってもほとんど変わらない。一方、短手方向（すなわち図８のｙ方向）の長さが長くなれば大きくなる。そのため、図８に示すように導電板１３０が電流路の電流方向に長くなり、電流方向と垂直な方向に短くなることにより、渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの発生を低減させることができる。つまりこの場合、後述のように導電板１３０を９０°回転させた場合（図９）と比較して、渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの発生量を低減でき、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの発生を低減させることができる。

このように、本実施形態に係る導電板１３０は、磁気センサ１１０に入力する過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの大きさを低減させる。したがって、本実施形態に係るセンサ装置１００は、急峻な立ち上がりの入力磁場に対して、磁気センサ１１０の出力信号強度に発生するオーバーシュートを低減させ、過渡応答特性の劣化を防止することができる。

図９は、図８に示した本実施形態に係る導電板１３０を、９０°回転させた場合に発生する渦電流の一例を示す。即ち、図９は、電流導体１０の電流路の延伸方向に対応する第１方向（Ｘ方向）の長さが、面内において第１方向と垂直な第２方向（Ｙ方向）の長さよりも小さい場合の例を示す。

この場合、導電板１３０に発生する２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの長軸の長さは、図８に示す長円の長軸よりも小さくなる。この場合においても、電流路を流れる電流と反対向きに流れる２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙが、当該電流路を流れる電流と並走するが、当該並走する距離は、図８の例と比較して短くなり、電流方向と垂直な方向が長くなるので、渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの発生を抑制する効果が低減してしまう。即ち、発生する渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの大きさを小さくすることができないので、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの大きさも小さくすることができない。

同様に、発生する２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙによって発生する過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙは、図８の例と比較して大きくなり、磁気センサ１１０に入力する過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙを低減させることができない。したがって、本実施形態に係る導電板１３０とは異なる配置の導電板１３０は、磁気センサ１１０に入力する過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの大きさを低減させることができない。このような配置の導電板１３０は、センサ装置の実装形態、リード端子からの電気信号の授受に基づく固定基板上の当該センサ装置の配置等によって、通常に設計される配置であり、即ち、従来のセンサ装置の配置である。

図１０は、本実施形態に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。図１０の横軸は時間、縦軸は入力磁場の強度および磁気センサ１１０の出力信号強度を示す。図１０は、入力磁場の波高値の最大値（または最終目標値）を１００としたシミュレーション結果である。当該シミュレーションは、導電板１３０のサイズを４．２ｍｍ×２．５ｍｍとし、電流路は導電板１３０より２．６ｍｍ離間した位置に配置され、磁気センサ１１０は導電板１３０の中央から４００μｍ離間した位置に配置されたことを条件とした。なお、図１０は、図３に示すように、＋Ｚ方向に向けて順に導電板１３０、基板１２０、磁気センサ１１０、電流導体１０の順にこれらが配列されているものとしている。

当該シミュレーションより、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の短手方向とを略平行にした場合（即ち、図９に示す配置の場合）、入力磁場に対してオーバーシュートを発生することがわかる（「短手平行」と示された波形）。これに対し、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の長手方向とを略平行にした場合（即ち、図８に示す本実施形態に係る配置の場合）、当該オーバーシュートを改善する結果が得られた（「長手平行」と示された波形）。例えば、波高値の最大値は、短手平行の１１１（１１％のオーバーシュート）に対して、長手平行が１０７となり、３０％以上の改善を確認できた。

以上のように、本実施形態に係るセンサ装置１００は、検出すべき電流が流れる電流路と導電板１３０とを、渦電流の発生を低減させるように配置することで、過渡応答特性を向上させる。なお、以上において、導電板１３０は、ＸＹ平面における面内において電流導体１０の電流路の延伸方向に対応する第１方向の長さを、面内において第１方向と垂直な第２方向の長さよりも大きくすることを説明した。

この第１方向の長さは、垂直な第２方向の長さと比較して、好ましくは１．１倍以上であり、より好ましくは１．３倍以上であり、さらにより好ましくは１．７倍以上であり、さらにより好ましくは２．５倍以上である。

なお、図８の配置と図９の配置の比較で、第２方向の長さ（短手方向の長さ）を２．５ｍｍとし、第１方向の長さ（長手方向の長さ）を変化させた同様のシミュレーションでは、第１方向の長さが第２方向の長さと比較して、１．１倍の場合、略１０％のオーバーシュート改善効果が、１．３倍の場合、略２０％のオーバーシュート改善効果が１．７倍の場合、略３０％のオーバーシュート改善効果が、２．５倍の場合、略５０％のオーバーシュート改善効果が得られた。

これに代えて、または、これに加えて、導電板１３０は、長手方向が電流導体１０の延伸方向に対して予め定められた角度を有して配置されてもよい。この場合、導電板１３０は、電流路の延伸方向に対応する第１方向における平均の長さが、第２方向における平均の長さよりも大きく配置される。この場合、第１方向は、電流路の延伸方向と略一致してよい。導電板１３０の長手方向は、Ｘ軸方向と＋４５°から−４５°程度の範囲に配置されてよい。好ましくは、導電板１３０の長手方向が＋３０°から−３０°の範囲に配置されてよい。より好ましくは、導電板１３０の長手方向が＋１０°から−１０°の範囲に配置されてよい。導電板１３０の長手方向が＋５°から−５°の範囲に配置されると、なおよい。

また、導電板１３０は、略長方形の形状であることに限定されず、多角形であってもよい。この場合、導電板１３０に含まれる最大矩形における第１方向の長さが、最大矩形における第２方向の長さよりも大きく配置される。この場合、第１方向は、電流路の延伸方向と略一致してよい。本実施形態に係るセンサ装置１００は、以上のように、導電板１３０の配置および形状に自由度を持たせても、発生する渦電流の長軸を電流の流れる方向に合わせ、過渡応答特性を向上させることができる。

図１１は、本実施形態に係るセンサ装置１００の変形例を示す。図１１は、本変形例のセンサ装置１００のＹＺ面と平行な面における断面の構成例を示す。本変形例のセンサ装置１００において、図１および図２に示された本実施形態に係るセンサ装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。図１１は、センサ装置１００に＋Ｙ方向の磁場が入力する例を示す。センサ装置１００は、磁気センサ１１０と、磁気センサ１１２と、基板１２０と、磁気収束板１６０と、磁気収束板１６２とを備える。

磁気センサ１１０および磁気センサ１１２は、ＸＹ平面に略平行に形成され、Ｚ軸方向と略平行な磁場を検出する。即ち、当該２つの磁気センサは、電流路に面して設けられ、当該磁気センサの面に対して垂直方向の磁場をそれぞれ検出する。磁気センサ１１０および磁気センサ１１２は、一例として、ホール効果を発生させるホール素子である。磁気センサ１１０および磁気センサ１１２は、半導体等で形成されてよく、また、略同一形状に形成されてよい。

図１１は、磁気センサ１１０および磁気センサ１１２がＹ軸に略平行に配置される例を示す。このように、本変形例のセンサ装置１００は、第２方向に離間して設けられた複数の磁気センサを備える。なお、図１１に示す複数の磁気センサは、Ｚ方向の磁場を検出するように基板１２０に形成されるので、図１および図２で説明したＸ方向の磁場を検出する磁気センサ１１０と略同一のセンサが形成される場合であっても、異なる向きに形成されることになる。

磁気収束板１６０および磁気収束板１６２は、電流路の周囲に生じる磁場の向きを変えて、磁気センサの面に対する垂直方向の磁場成分を生じさせる。磁気収束板１６０および磁気収束板１６２は、磁性材料等で形成され、例えば、Ｘ軸方向および／またはＹ軸方向の磁場を、Ｚ軸方向の成分が発生するように曲げ、Ｚ軸方向に感度を有する磁気センサ１１０および磁気センサ１１２にそれぞれ入力させる。図１１は、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２が、＋Ｙ方向に入力する磁場を曲げ、磁気センサ１１０に＋Ｚ方向の磁場を、磁気センサ１１２に−Ｚ方向の磁場をそれぞれ発生させて入力させる例を示す。

図１２は、本実施形態に係るセンサ装置１００の変形例の上面の構成例を示す。即ち、図１２は、図１１におけるＸＹ平面を示し、＋Ｚ方向側からセンサ装置１００を見た平面視の一例を示す。本変形例の磁気収束板１６０および磁気収束板１６２は、ＸＹ平面において、台形形状を有する例を示す。なお、当該形状は、台形に限定されるものではなく、磁気センサ１１０および磁気センサ１１２の垂直方向に磁場を曲げて供給するように、長方形、円形、楕円形等の形状で設けられてよい。

例えば、電流導体１０の電流路の延伸方向（＋Ｘ方向）に電流が流れることにより、＋Ｙ方向の磁場がセンサ装置１００に入力する。磁気収束板１６０は、＋Ｙ方向に入力した磁場を曲げて磁気センサ１１０に＋Ｚ方向の磁場を入力させ、磁気収束板１６２は、＋Ｙ方向に入力した磁場を曲げて磁気センサ１１２に−Ｚ方向の磁場を入力させる。このようなセンサ装置１００の導電板１３０に発生する渦電流について、図１３を用いて説明する。

図１３は、本変形例に係る導電板１３０に発生する渦電流の一例を示す。図１３は、センサ装置１００の導電板１３０のリード部１５０を除いた矩形部分を示す。なお、本変形例においても、導電板１３０は、ＸＹ平面における面内において電流導体１０の電流路の延伸方向に対応する第１方向の長さが、面内において第１方向と垂直な第２方向の長さよりも大きくなるように配置される。即ち、導電板１３０は、例えば、ＸＹ平面において略長方形の形状を有し、長手方向が電流導体１０の延伸方向（即ち、Ｘ軸方向）と略平行に配置される。

したがって、本変形例に係る導電板１３０は、図３で説明したように、急峻な磁場の入力に応じて、２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙを発生させる。当該渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、電流路で分割された２つの領域のそれぞれに発生し、電流路を挟んで互いに逆向きとなる。そして、当該２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの発生に応じて、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙが発生する。磁場Ｂ_ｅｄｄｙが磁気センサ１１０に入力する方向は、電流路に電流が流れることに応じて磁気センサ１１０に入力する磁場の方向（即ち、＋Ｙ方向）と略同一の方向となる。そして、本変形例の導電板１３０においても、磁気センサ１１０に入力する過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの大きさを低減させる。

なお、本変形例のセンサ装置１００は、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２を備えるので、当該磁気収束板１６０および磁気収束板１６２が、導電板１３０に垂直に入力する磁場の成分を、当該導電板１３０と平行な成分に曲げる。即ち、本変形例のセンサ装置１００に発生する渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、導電板１３０の垂直方向に入力する磁場に応じて発生するので、図８で説明した渦電流Ｉ_ｅｄｄｙと比較して、より減少することになる。

図１４は、図１３に示した本変形例に係る導電板１３０を、９０°回転させた場合に発生する渦電流の一例を示す。即ち、図１４は、電流導体１０の電流路の延伸方向に対応する第１方向（Ｘ方向）の長さが、面内において第１方向と垂直な第２方向（Ｙ方向）の長さよりも小さい場合の例を示す。

本変形例の場合においても、図９の説明と同様に、導電板１３０に発生する２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの長軸の長さは、図１３に示す長円の長軸よりも小さくなる。したがって、電流路を流れる電流と反対向きに流れる２つの渦電流Ｉ_ｅｄｄｙは、当該電流路を流れる電流と並走し、当該並走する距離は、図１３の例と比較して短くなり、電流方向と垂直な方向が長くなるので、渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの発生を抑制する効果が低減してしまう。即ち、発生する渦電流Ｉ_ｅｄｄｙの大きさを小さくすることができないので、過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの大きさも小さくすることができない。また、磁気センサ１１０に入力する過渡的な磁場Ｂ_ｅｄｄｙの大きさを低減させることもできない。

なお、本変形例のセンサ装置１００は、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２を備えるので、図１４において発生する渦電流Ｉ_ｅｄｄｙも、図９で説明した渦電流Ｉ_ｅｄｄｙと比較して、より減少することになる。

図１５は、本変形例に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。図１５の横軸は時間、縦軸は入力磁場の強度および磁気センサ１１０の出力信号強度を示す。図１５は、入力磁場の波高値の最大値（または最終目標値）を１００としたシミュレーション結果である。当該シミュレーションの条件は、図１０のシミュレーションの条件と略同一である。また、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２は、上辺を４００μｍ、下辺を１１００μｍ、高さを１１００μｍとした台形形状で、厚さを３０μｍとした。

当該シミュレーションより、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の短手方向とを略平行にした場合（即ち、図１４に示す配置の場合）、入力磁場に対して出力信号強度が増加することがわかる（「短手平行」と示された波形）。これに対し、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の長手方向とを略平行にした場合（即ち、図１３に示す本実施形態に係る配置の場合）、当該出力信号強度の増加を改善する結果が得られた（「長手平行」と示された波形）。例えば、波高値の最大値は、短手平行の１０５に対して、長手平行が１０２となった。

以上のように、本変形例のセンサ装置１００の「長手平行」の結果は、図１０に示す磁気収束板のないセンサ装置１００の「短手平行」の結果と比較して、略８０％の改善を確認できた。即ち、電流路に流れる電流によって発生する磁場を、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２で曲げ、かつ、導電板１３０の長手方向を電流路に流れる電流と平行にすることで、センサ装置１００の過渡応答特性をより向上させることができる。

以上のように、本実施形態に係るセンサ装置１００が、磁気センサ１１０が導電板１３０および電流導体１０の間に設けられた場合において、過渡的に立ち上がる電流路の電流に応じて発生する出力信号のオーバーシュートを低減させる例を説明した。当該センサ装置１００は、過渡的に立ち上がる電流路の電流に応じて、導電板１３０に発生する渦電流を抑制することができるので、出力信号のオーバーシュートだけでなく、遅延による劣化も低減させることができる。即ち、センサ装置１００は、磁気センサ１１０が導電板１３０の電流導体１０とは反対側の面に設けられた場合において、過渡的に立ち上がる電流路の電流に応じて発生する出力信号の遅延を低減できる。

図１６は、本実施形態に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の別の一例を示す。図１６の横軸は時間、縦軸は入力磁場の強度および磁気センサ１１０の出力信号強度を示す。図１６は、入力磁場の波高値の最大値（または最終目標値）を１００としたシミュレーション結果である。当該シミュレーションは、導電板１３０のサイズを４．２ｍｍ×２．５ｍｍとし、電流路は導電板１３０より１．４４ｍｍ離間した位置に配置され、磁気センサ１１０は導電板１３０の中央から４００μｍ離間した位置に配置されたことを条件とした。なお、図１６は、図５に示すように、＋Ｚ方向にむけて順に電流導体１０、導電板１３０、基板１２０、磁気センサ１１０の順にこれらが配列されているものとしている。

図１６に示すように、当該シミュレーションより、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の短手方向とを略平行にした場合（即ち、図９に示す配置の場合）、入力磁場に対して遅延を発生することがわかる（「短手平行」と示された波形）。これに対し、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の長手方向とを略平行にした場合（即ち、図８に示す本実施形態に係る配置の場合）、当該遅延を改善する結果が得られた（「長手平行」と示された波形）。

図１７は、本実施形態に係るセンサ装置１００の過渡応答特性をシミュレートした結果の一例を示す。図１７の横軸は時間、縦軸は入力磁場の強度および磁気センサ１１０の出力信号強度を示す。図１７は、入力磁場の波高値の最大値（または最終目標値）を１００としたシミュレーション結果である。図１７は、図１６の配置のセンサ装置１００に、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２を有した場合を示す。なお、磁気収束板１６０および磁気収束板１６２は、図１５にて説明したものと同じ形状である。

磁気収束板１６０および磁気収束板１６２を有した場合においても、当該シミュレーションより、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の短手方向とを略平行にした場合（即ち、図１４に示す配置の場合）、入力磁場に対して遅延を発生することがわかる（「短手平行」と示された波形）。これに対し、電流路を流れる電流の方向と導電板１３０の長手方向とを略平行にした場合（即ち、図１３に示す本実施形態に係る配置の場合）、当該遅延を改善する結果が得られた（「長手平行」と示された波形）。

したがって、本実施形態に係るセンサ装置１００は、電流導体１０の近傍に設けられ、過渡応答特性を劣化させずに電流センサとして用いることができる。これに加えて、センサ装置１００は、電流が流れることによって磁気センサ１１０に磁場を印加するように配置される電流導体１０の電流路と、一体に形成されてもよい。この場合、電流導体１０およびセンサ装置１００は、電流センサとして機能してよい。

以上において、センサ装置１００に設けられる導電板１３０の形状を、長方形として説明したが、当該形状は、長手方向および短手方向で長さが異なる形状であれば、長方形に限定されるものではない。当該導電板１３０の形状は、台形、菱形、多角形等であってよい。また、当該導電板１３０の形状は、リード部１５０等の部材と一体に形成されてもよい。

図１８は、本実施形態に係る導電板１３０の第１の変形例を示す。第１の変形例の導電板１３０は、凸多角形形状を有する。即ち、導電板１３０は、凸部を有する。当該凸部は、リード部１３２またはリード部１３２の一部であり、導電板１３０と一体に形成され、導電板１３０から当該センサ装置１００の端子へと延伸する。これに代えて、当該リード部１３２の端部が当該センサ装置１００の端子であってもよい。

また、導電板１３０は、凹部を有してもよい。図１９は、本実施形態に係る導電板１３０の第２の変形例を示す。第２の変形例の導電板１３０は、凹部１３４および凹部１３６を有する。このように、本実施形態のセンサ装置１００は、導電板１３０に凸状および／または凹状の部位等が形成されても、入力する磁場に応じて発生する渦電流の大きさ等に影響を及ばさない程度の形状であれば、過渡応答特性を向上させ、電流路に流れる電流の急峻な立ち上がりおよび立ち下がり等を正確に検出することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 電流導体、２０ 固定基板、１００ センサ装置、１１０ 磁気センサ、１１２ 磁気センサ、１２０ 基板、１３０ 導電板、１３２ リード部、１３４ 凹部、１３６ 凹部、１４０ パッケージ部、１５０ リード部、１６０ 磁気収束板、１６２ 磁気収束板

Claims (8)

1. 電流路を流れる電流を検出するセンサ装置であって、
   前記電流路が配置されるべき位置に対向して設けられ、前記電流路を流れる電流によって生じる磁場を検出する磁気センサと、
   前記電流路が配置されるべき位置および前記磁気センサに面して設けられ、面内において前記電流路の延伸方向に対応する第１方向の長さが、面内において前記第１方向と垂直な第２方向の長さよりも大きい導電板と、
   を備えるセンサ装置。
2. 前記導電板は、前記第１方向における平均の長さが、前記第２方向における平均の長さよりも大きい請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記導電板は、凸多角形形状を有し、
   当該センサ装置は、前記導電板と一体に形成され、前記導電板から当該センサ装置の端子へと延伸するリード部を更に備える請求項１または２に記載のセンサ装置。
4. 前記導電板に含まれる最大矩形における前記第１方向の長さが、前記最大矩形における前記第２方向の長さよりも大きい請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
5. 前記磁気センサは、前記電流路に面して設けられ、当該磁気センサの面に対して垂直方向の磁場を検出し、
   当該センサ装置は、前記電流路の周囲に生じる磁場の向きを変えて、前記磁気センサの面に対する垂直方向の磁場成分を生じさせる磁気収束部を更に備える請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ装置。
6. 前記第２方向に離間して設けられた複数の前記磁気センサを備える請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ装置。
7. 前記磁気センサおよび前記導電板を内蔵するパッケージ部を更に備える請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ装置と、
   電流が流れることによって前記磁気センサに磁場を印加するように配置される電流路と、
   を備える
   電流センサ。

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