JP2022039744A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な電流センサ１を提供する。【解決手段】実施形態の電流センサ１は、電流が流れるＵ字形の導体３０と、前記導体３０が発生する磁界が第１の方向Ｄ１から印加される第１の磁界センサ１０Ａと、前記磁界が、前記第１の方向Ｄ１と逆の第２の方向Ｄ２から印加される第２の磁界センサ１０Ｂと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁界検出型の電流センサに関する。

磁界検出型の電流センサは、電流を導体に流し、導体が発生する磁界を、磁界センサを用いて検出することによって電流を検出する。

２つ磁界センサを、導体が発生する磁界の方向が互いに逆向きに印加される位置に配置することによって、外部磁界（ノイズ）の影響の少ない電流検出を行う電流センサが知られている。

特開２００１－３３９１０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、高性能の電流センサを提供することである。

実施形態の電流センサは、電流が流れるＵ字形の導体と、前記導体が発生する磁界が第１の方向から印加される第１の磁界センサと、前記磁界が前記第１の方向と逆の第２の方向から印加される第２の磁界センサと、を有する。

実施形態の電流センサの要部の配置を説明するための平面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線にそった断面図である。 実施形態の電流センサの要部の斜視図である。 実施形態の磁界検出素子の透視斜視図である。

以下、図面を参照して実施形態の電流センサ１について詳細に説明する。

なお、実施形態に基づく図面は、模式的であり、各部分の厚さと幅との関係、夫々の部分の厚さの比率および相対角度などは現実のものとは異なる。図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、一部の構成要素の図示および符号の付与を省略する。

図１から図３に示すように、電流センサ１は、電流が流れるＵ字形の導体３０と、導体３０が発生する磁界が第１の方向Ｄ１から印加される第１の磁界センサ１０Ａと、前記磁界が前記第１の方向Ｄ１と逆の第２の方向Ｄ２から印加される第２の磁界センサ１０Ｂと、を有する。

磁界センサ１０（第１の磁界センサ１０Ａおよび第２の磁界センサ１０Ｂ）と導体３０との間には、シールド層２０が配置されている。例えば、銅シートからなるシールド層２０は、接地電位線と接続されている。シールド層２０は、磁界センサ１０および後述する電子部品５０等の周辺回路に電磁ノイズが入ることを遮蔽する。シールド層２０は、さらに、渦電流の抑制効果があるため帯域特性改善に寄与する。シールド層２０の厚さは、例えば、０．１μｍであるが、さらに薄く、ｎｍオーダー厚の蒸着フイルムでもよい。シールド層の材料は、導電性があれば、アルミニウム等でもよい。

複数の導体層（例えば、４１，４３）と複数の絶縁層（例えば、４２）とを有する多層配線板６０の１つの導体層が、導体３０である。

多層配線板６０は、１枚の基板に積層された配線板でも、複数の基板を貼り合わせた配線板でもよい。例えば、絶縁層４２は両面に導体層４１、４３が配設された両面配線板の基板でもよい。多層配線板６０は矩形であるが、円形等であってもよい。多層配線板６０には、磁界センサ１０が内蔵されており、少なくとも１つの電子部品５０、例えば、ＩＣチップが表面実装されている。

Ｕ字形の導体３０は、第１領域３０Ａと、第２領域３０Ｂと、第１領域３０Ａの端と第２領域３０Ｂの端との間を接続している第３領域３０Ｃと、を含む。ともに略矩形の第１領域３０Ａおよび第２領域３０Ｂのそれぞれの端部には、電流が流入するコネクタ（不図示）が、それぞれ配設されている。第１領域３０Ａと第２領域３０ＢとはギャップＧを間にはさんで対向配置されている。ギャップＧの間隔ＷＧが、第３領域３０Ｃの電流流路の長さである。

ギャップＧを有する導体３０は、銅シートのエッチング処理（サブトラクティブ法）またはパターン銅めっき（アディティブ法）等によって作製される。Ｕ字形の導体３０は、面積が小さいため、電流センサ１は小型である。またＵ字形の導体３０は、複数の折り返し部のある導体よりも、電気抵抗が小さい。

導体３０が発生する磁界の分布は、導体の断面積（厚さおよび幅）によって変化する。導体３０の厚さは均一であるが、第３領域３０Ｃの電流流路の幅Ｗ３０Ｃは、第１領域３０Ａの幅および第２領域３０Ｂの電流流路の幅よりも狭い。このため、第３領域３０Ｃは、第１領域３０Ａおよび第２領域３０Ｂよりも強い磁界を磁界センサ１０に印加する。

磁界センサ１０は、導体３０に流れる電流（ＤＣまたはＡＣ）を検出するホール素子である。

第１の磁界センサ１０Ａと第２の磁界センサ１０Ｂとは、第３領域３０Ｃをはさんで対向配置されている。すなわち、第１の磁界センサ１０Ａは、第１領域３０Ａと第２領域３０Ｂとの間のギャップＧの上に配置されている。第２の磁界センサ１０Ｂは、第３領域３０Ｃの外周に配置されている。

このため、図３に示すように、導体３０が発生する磁界Ｍは、第１の磁界センサ１０Ａには第１の方向Ｄ１から印加され、第２の磁界センサ１０Ｂには、第１の方向Ｄ１と逆の第２の方向Ｄ２から印加される。

ホール素子である磁界センサ１０に、検出のための電流の向きと直交方向に磁界が印加されると、電流の担い手であるキャリアがローレンツ力の影響を受ける。ローレンツカにより、電流および磁界の向きに対して直交方向のホール電圧が発生する。ホール素子は、ホール電圧を出力信号として出力することによって、磁界を検知する。ホール電圧は、磁界強度に比例して増加する。また、ホール電圧は、磁界方向が互いに逆向きの磁界に対しては、正負が反転する。

第１の磁界センサ１０Ａおよび第２の磁界センサ１０Ｂは同一特性である。導体３０に電流が流れたときに発生する磁界Ｍが印加される方向は、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とは逆である。このため、第１の磁界センサ１０Ａが出力する電圧信号（ホール電圧）と第２の磁界センサ１０Ｂが出力する電圧信号は、正負が反転した逆位相である。

第１の磁界センサ１０Ａの出力と第２の磁界センサ１０Ｂの出力とは逆位相であるから、両者に印加される磁界強度が略同じ場合には、両者を差動合成（引き算）したとき、出力は単独出力の略２倍になる。電流センサ１の全体にノイズ磁界が印加されているとき、第１の磁界センサ１０Ａに印加されるノイズ磁界と、第２の磁界センサ１０Ｂに印加されるノイズ磁界とは同相である。従って第１の磁界センサ１０Ａの出力と、第２の磁界センサ１０Ｂの出力とを差動合成することによって、ノイズ磁界に基づく出力は打ち消される。出力の差動合成には、例えば、オペアンプ回路が実装されているＩＣチップである電子部品５０が用いられる。

図４に示すように、磁界センサ１０は４つの外部電極１２を有する下面１０ＳＢと下面１０ＳＢの反対側の上面１０ＳＡとを有する。４つの外部電極１２のうちの、２つの外部電極１２には検出のための電流が入力され、別の２つの外部電極１２から出力信号（ホール電圧）が出力される。

磁界センサ１０は、導体層４１の導体３０に近い側の面（図２では下面）に実装されている。このため、磁界センサ１０には、導体層４１の上面に実装されている場合よりも、強い磁界が印加される。

感磁部（感磁領域）１１は、発生した磁束を検知できるセンサである。第１の磁界センサ１０Ａの感磁部１１は、第１領域３０Ａと第２領域３０Ｂとの間のギャップＧの上に配置されている。第２の磁界センサ１０Ｂの感磁部１１は、第３領域３０Ｃの外周に配置されている。すなわち、導体３０と第１の磁界センサ１０Ａとの積層方向、または、導体３０と第２の磁界センサ１０Ｂとの積層方向に対して平行な方向から見たときに、磁界センサ１０（１０Ａ、１０Ｂ）の感磁部１１は、導体３０と重畳していない。

第１の磁界センサ１０Ａが、より高感度に磁界を検出するために、第１領域３０Ａと第２領域３０Ｂとの間隔ＷＧは、感磁部１１の大きさ（外径）Ｄ１１と略同じであることが好ましい。例えば、間隔ＷＧは、感磁部１１の大きさＤ１１の９０％以上１２０％以下であることが好ましい。

なお、感磁部１１の大きさを外径で規定しているが、感磁部が円（円柱）ではない場合には、面積が同じになる円の外径によって規定される。

感磁部１１は第３領域３０Ｃとできるだけ近接配置されていることが好ましい。しかし、磁界センサ１０の配置は、磁界センサ１０の外寸および多層配線板６０の配線パターンの配置を考慮して設計される。感磁部１１が第３領域３０Ｃと重ない配置であれば、２つの磁界センサ１０の側面が当接していてもよい。

なお、第３領域３０Ｃの幅Ｗ３０Ｃが狭いほど、磁界センサ１０に印加される磁界強度は大きくなる。しかし、導体３０の電気抵抗が高くなる。このため、幅Ｗ３０Ｃの下限は、電流センサ１の電気抵抗の仕様にもとづき、例えば３００μｍである。一方、第３領域３０Ｃの幅Ｗ３０Ｃが広いと、磁界センサ１０に印加される磁界強度は小さくなる。このため、幅Ｗ３０Ｃの上限は、例えば５００μｍである。

また、電流センサ１の設計にあたっては、有限要素法による磁界解析を行うことによって、検出感度、および、帯域特性等のバランスのとれた幅Ｗ３０Ｃの最適化を行うことができる。検出電流が、例えば、１０ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の高周波信号の場合には、表皮効果の影響も無視できないことは言うまでも無い。

なお、第１領域３０Ａおよび第２領域３０Ｂの第２の磁界センサ１０Ｂに近い位置の角部Ｃ３０は、直線または曲線のいわゆる面取りすることが電流経路を短くするために、有効とも考えられる。しかし、第１領域３０Ａおよび第２領域３０Ｂは、角部Ｃ３０が略直角の略矩形であることが好ましい。角部Ｃ３０が面取りされている場合よりも、第２の磁界センサ１０Ｂに印加される磁界強度が大きくなるためである。

磁界センサ１０としてホール素子を例に説明したが、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いてもよいことは言うまでも無い。

電流センサとして電流検出装置を例に説明したが、電流センサ１は、絶縁カプラとしても使用できる。すなわち、導体３０を含む１次回路と、磁界センサ１０を含む２次回路とは、電気的に絶縁されている。

発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１… 電流センサ
１０Ａ… 第１の磁界センサ
１０Ｂ… 第２の磁界センサ
１０ＳＡ… 上面
１０ＳＢ… 下面
１１… 感磁部
１２… 外部電極
２０… シールド層
３０… 導体
３０Ａ… 第１領域
３０Ｂ… 第２領域
３０Ｃ… 第３領域
５０… 電子部品
６０… 多層配線板

Claims (9)

1. 第１領域と、第２領域と、前記第１領域の端と前記第２領域の端との間を接続している第３領域と、を有する導体と、
   前記導体が発生する磁界が、第１の方向から印加される第１の磁界センサと、
   前記磁界が、前記第１の方向と逆の第２の方向から印加される第２の磁界センサと、を有し、
   前記第１の磁界センサと前記第２の磁界センサとは、前記第３領域をはさんで対向配置されており、前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサのそれぞれの感磁部は、前記導体と重畳していないことを特徴とする電流センサ。
2. 前記導体はＵ字形の形状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. 前記第１領域と前記第２領域との間隔は、前記感磁部の大きさと略同じであることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１領域および前記第２領域は、略矩形であることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記第１の磁界センサ、前記第２の磁界センサ、および、電子部品が実装されている多層配線板を更に具備し、
   前記多層配線板は、前記導体と、前記導体と前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサとの間に配設されたシールド層とを有することを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記電子部品は、前記第１の磁界センサの出力から前記第２の磁界センサの出力を 差動合成することを特徴とする請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサは、前記多層配線板の導体層の、前記導体に近い側の面に実装されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記第３領域の幅が３００μｍ～５００μｍであることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の電流センサ。
9. 前記第１の磁界センサおよび前記第２の磁界センサが、ホール素子であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電流センサ。

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