JP2023133089A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定電流が流れる測定対象物の構成に制限されずに、測定対象物の電流値を高精度かつ測定可能な汎用性を有する電流検出装置を提供する。
【解決手段】被検出電流Ｂｉを流す主バスバーＢと、主バスバーＢと離間して配置されている半導体チップ２と、を有し、半導体チップ２は、主バスバーＢと並列に接続されている分岐バスバー３と、分岐バスバー３と隣接して配置され、主バスバーＢから分岐バスバー３に流れる分岐電流３ｉに基づいて発生する第１磁界Ｈ１を検出する検出部４と、検出部４が検出した第１磁界Ｈ１に基づいて電流値Ｉを演算し出力する出力部５と、を備える電流検出装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出装置に関する。

回路のバスバー等の導電体に流れる電流を検出する電流検出装置が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１に記載された電流検出装置は、非検出電流が流れる主バスバーと、主バスバーと分岐した分岐バスバーと、分岐バスバーに設けられた電流センサとを備えている。特許文献１に記載された電流検出装置は、分岐バスバーに流れる電流値に基づいて主バスバーの電流値を算出している。特許文献２に記載された電流検出装置は、湾曲部を備えたバスバーと、湾曲部内側に配置された磁気センサとを備えている。特許文献２に記載された電流検出装置は、磁気センサの検出値に基づいてバスバーの電流値を算出している。

特開２００２－２５７８６６号公報 特開２０１８－１７９９９４号公報

被測定対象電流が流れるバスバー等の導電体は、取り付け対象となる電気機器の用途や種類に応じて様々な形状に形成されると共に、被測定電流値のレンジも異なる。特許文献１及び特許文献２に記載された電流検出装置によれば、取り付け対象となる電気機器に応じて形状や被検出電流のレンジを設定する必要があり、設計工程及び製造工程が煩雑化する虞がある。

本発明の一つの側面では、このような状況に鑑みてなされたものであり、被測定電流が流れる測定対象物の構成に制限されずに、測定対象物の電流値を高精度かつ測定可能な汎用性を有する電流検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る電流検出装置は、被検出電流を流す主バスバーと、前記主バスバーと離間して配置されている半導体チップと、を有し、前記半導体チップは、前記主バスバーと並列に接続されている分岐バスバーと、前記分岐バスバーと隣接して配置され、前記主バスバーから前記分岐バスバーに流れる分岐電流に基づいて発生する第１磁界を検出する検出部と、前記検出部が検出した前記第１磁界に基づいて電流値を演算し出力する出力部と、を備える。

本発明の一つの側面によれば、被測定電流が流れる測定対象物の構成に制限されずに、測定対象物の電流値を高精度かつ測定可能な汎用性を有する電流検出装置を提供することができる。

実施形態に係る電流検出装置の一例を示す平面図である。 実施形態に係る検出部の一例を示す回路図である。 実施形態に係る出力部の構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る主バスバー、分岐バスバー、及び検出部の配置関係を示す図である。 実施形態に係る主バスバー、分岐バスバー、及び検出部の配置関係を示す図である。 変形例１に係る電流検出装置を示す平面図である。 変形例２に係る電流検出装置を示す平面図である。 変形例３に係る主バスバー、分岐バスバー、及び検出部の配置関係を示す平面図である。 変形例４に係る主バスバー、分岐バスバー、及び検出部の配置関係を示す平面図である。

図１から図３に示されるように、電流検出装置１は、被検出電流Ｂｉが流れる主バスバーＢと、主バスバーＢと離間して配置されている半導体チップと、を有する。半導体チップ２は、分岐バスバー３と、分岐バスバー３に隣接して設けられた検出部４と、出力部５とを備えている。この電流検出装置１は、主バスバーＢに流れる被検出電流Ｂｉの一部を分岐バスバー３で分岐させ、その分岐電流をモニタリングすることにより主バスバーＢに流れる被検出電流Ｂｉを測定する。
なお、図面において、便宜上それぞれ互いに直交するＸＹＺ軸が設定されている。

主バスバーＢは、例えば、矩形の板状体に形成された導電体である。主バスバーＢは、銅、真鍮、アルミニウム等の金属部材により形成されている。
主バスバーＢは、例えば、車両等において大容量の被検出電流Ｂｉが流れる端子部材である。主バスバーＢには、例えば、用途に応じて±数十Ａ～±１，０００Ａの被検出電流Ｂｉが流れる。主バスバーＢは、所定の電気抵抗値（第１抵抗値）を有している。主バスバーＢには、例えば、電流が入力される入力端子Ｂ１と、電流が出力される出力端子Ｂ２とが設けられている。電流検出装置１は、半導体チップ２上の、分岐バスバー３、検出部４及び出力部５、並びに主バスバーＢの一部が樹脂により封止されている。

半導体チップ２は、例えば、主バスバーＢと電気配線Ｗを介して電気的に並列に接続されている。半導体チップ２上には、主バスバーＢと分離して設けられた分岐バスバー３が配置されている。分岐バスバー３は、例えば、矩形の板状体に形成されている。

分岐バスバー３は、所定の電気抵抗値（第２抵抗値）を有している。第２抵抗値は、第１抵抗値に比して高い値である。第２抵抗値は、検出部４の検出性能を担保するように加熱し過ぎないように設定されている。第２抵抗値は、例えば、分岐バスバー３に流れる分岐電流３ｉに基づいて発生する熱量に基づいて検出部４に伝搬する温度が検出部４の検出性能を担保する温度しきい値に比して低くなるように調整されている。分岐バスバー３及び主バスバーＢは、形状における厚み、長さ、幅などのパラメータを変えることにより、第１抵抗値及び第２抵抗値との比率を調整し、分岐バスバー３に流れる分岐電流３ｉの大きさを任意に調整することができる。

分岐バスバー３は、例えば、金属ワイヤーにより形成された電気配線Ｗを介して主バスバーＢと電気的に並列に接続されている。電気配線Ｗは、金、銅、銀、半田、のいずれか一つの金属材料、又はこれらを組み合わせた複数種の金属材料により形成されたボンディングワイヤである。分岐バスバー３の一端側は、電気配線Ｗを介して主バスバーＢの入力端子Ｂ１側の一端側と接続されている。分岐バスバー３の他端側は、電気配線Ｗを介して主バスバーＢの出力端子Ｂ２側の他端側と接続されている。分岐バスバー３は、主バスバーＢと電気的に並列に接続され、被検出電流Ｂｉに比例した分岐電流３ｉが流れるように形成されている。分岐バスバー３に隣接して検出部４が配置されている。分岐バスバー３及び検出部４の両方を半導体プロセスで半導体チップ２の表面に形成していることにより、分岐バスバー３と検出部４との位置ばらつきを抑制することができるため、高い精度で電流を検出できる。

検出部４は、分岐バスバー３に対して所定距離ｒ離間して配置されている。検出部４は、例えば、分岐バスバー３に流れる分岐電流３ｉに基づいて発生する第１磁界Ｈ１を検出する磁気センサである。検出部４は、例えば、磁界の検出方向Ｄが半導体チップ２（表面）の法線方向（Ｚ軸方向）である。検出部４は、分岐バスバー３に隣接して配置され、分岐電流３ｉにより生じる第１磁界Ｈ１を検出する。分岐バスバー３と検出部４が半導体チップ２の表面（同一平面上）に形成されていることにより、最も感度の良い位置で第１磁界Ｈ１を検出することができるため、高い精度で電流を検出できる。
検出部４は、例えば、ホール素子により形成されている。検出部４は、ホール素子以外のＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）素子等の磁気センサとしてもよい。

検出部４は、例えば、所定方向（図のＺ軸方向）に沿った方向の磁界を検出する。検出部４は、例えば、分岐電流３ｉが流れる分岐バスバー３を中心に発生する同心円の第１磁界Ｈ１を検出するように姿勢及び位置が調整されている（図２参照）。また、主バスバーＢは、被検出電流Ｂｉに基づいて第２磁界を発生する。検出部４は、第１磁界Ｈ１の検出方向において第２磁界の成分を検出しにくい姿勢又は位置に配置されている。

また、検出部４と分岐バスバー３との間の所定距離ｒは、分岐電流３ｉに基づいて発生する熱量が検出部４の性能に影響を及ぼさないように設定されている。所定距離ｒは、例えば、分岐電流３ｉに基づいて発生する熱量に基づいて検出部４に伝搬する温度を、検出部４の検出性能を担保する温度しきい値に比して低くなる所定距離ｒ以上離間する値に設定されている。検出部４の配置については、後述する。検出部４は、磁界強度を電圧値に変換した電気信号を出力部５に送信する。

出力部５は、検出部４に隣接して配置されている。出力部５は、検出部４に電気的に接続され、検出部４の検出値に対応する電気信号を受信する。半導体チップ２には、複数の電極端子６が設けられている。電極端子６には、検出部４及び出力部５に供給する電気信号や信号電力が入出力される。複数の電極端子６は、例えば、ボンディングワイヤＷ１を介して電極部Ｅに電気的に接続される。電極部Ｅは、例えば、電気信号を入出力する一対の信号用電極Ｅ１と、電源電力を入出力する一対の電源用電極Ｅ２とを備えている。

出力部５は、演算機能を有する演算部５Ａと、メモリ機能を有する記憶部５Ｂとを備えている（図３参照）。演算部５Ａは、例えば、分岐バスバー３から生じた第１磁界の検出値と、電流を算出する演算式に基づいて、分岐バスバー３に流れる分岐電流３ｉを算出する。演算式は、予め記憶部５Ｂに記憶されている。演算式は、検出値の電気信号を磁界強度に変換する磁界強度演算式と、磁界強度と所定距離ｒとに基づいて分岐バスバー３に流れる分岐電流の第１電流値を算出する分岐電流演算式と、主バスバーＢに流れる被検出電流の第２電流値を算出する被検出電流演算式とを備えている。記憶部５Ｂには、例えば、演算式に用いられる主バスバーＢの第１抵抗値、分岐バスバー３の第２抵抗値、所定距離ｒ、等のデータが予め記憶されている。

演算部５Ａは、例えば、検出値と磁界強度演算式とに基づいて、第１磁界Ｈ１の磁界強度を算出する。磁界強度Ｈと電流値Ｉと所定距離ｒとの間にはＨ＝Ｉ／２ｒの関係があり、分岐電流演算式は、Ｉ＝２ｒＨにより示される。演算部５Ａは、第１磁界Ｈ１の磁界強度の算出結果と所定距離ｒのデータと分岐電流演算式とに基づいて分岐電流の第１電流値を算出する。演算部５Ａは、算出した第１電流値と、分岐バスバー３の第２抵抗値と、主バスバーＢの第１抵抗値と、被検出電流演算式に基づいて、主バスバーＢに流れる被検出電流を算出する。

記憶部５Ｂは、データを保持可能な所定のメモリ容量を有するメモリである。記憶部５Ｂには、磁界強度演算式、分岐電流演算式、被検出電流演算式が予め記憶されている。また、記憶部５Ｂには、例えば、主バスバーＢの第１抵抗値及び分岐バスバー３の第２抵抗値が記憶されている。第１抵抗値及び第２抵抗値は、例えば、事前に主バスバーＢ及び分岐バスバー３に所定値の試験電流をそれぞれ流すことにより測定される。製品特性検査時に分岐バスバー３を主バスバーＢに電気的に接続した後に試験電流を流し、第１抵抗値及び第２抵抗値に基づいて磁界強度演算式、分岐電流演算式、被検出電流演算式に補正係数や補正式が設定され、理論値と実測値との誤差が補正される。その後、記憶部５Ｂに補正係数や補正式が記憶される。試験電流は、１つ以上の値により測定される。

分岐バスバー３は、主バスバーＢに電気的に接続された後、試験電流に基づく初期化が行われ、記憶部５Ｂに第１抵抗値、第２抵抗値、補正係数、補正式が記憶されたことで、検出部４の検出値に基づいて被検出電流を正確に算出することができる。演算部５Ａは、初期化後、第１磁界の検出値と、記憶部５Ｂに記憶された第１抵抗値、第２抵抗値、補正された各演算式に基づいて被検出電流Ｂｉの電流値を算出することができる。上記構成により、金属部材である主バスバーＢ及び分岐バスバー３に生じる寸法のばらつきに基づいて生じる抵抗値の比率の個体差を演算部５Ａの演算により補正することができる。

図４に示されるように、検出部４は、分岐バスバー３が発生する第１磁界Ｈ１だけでなく、主バスバーＢが発生する第２磁界Ｈ２の成分も検出する。主バスバーＢに流れる被検出電流Ｂｉと分岐バスバー３に流れる分岐電流３ｉが流れる方向が同じである場合、第２磁界Ｈ２の成分は、例えば、以下の式Ｈ＝Ｉ／２Ｒ×ｃｏｓθにより示される。但し、Ｒは、主バスバーＢと検出部４との離間距離であり、θは、主バスバーＢの高さ位置と検出部４の高さ位置に対する方向角である。従って検出部４は、θが９０°に近いほど、第２磁界Ｈ２の影響を受けずに第１磁界Ｈ１を測定できる。検出部４は、例えば、θ＝９０°となる位置に配置されていてもよい。

検出部４は、第１磁界Ｈ１の検出方向Ｄにおいて第２磁界の成分を検出しない姿勢に配置されていてもよい。具体的には、図５に示されるように、検出部４は、半導体チップ２の表面の法線方向に検出方向Ｄとなるように形成されていてもよい。
検出部４は、例えば、検出方向Ｄにおいて被検出電流Ｂｉにより発生する第２磁界Ｈ２の方向と直交する姿勢及び位置に配置されると共に、分岐電流３ｉにより発生する第１磁界Ｈ１を検出する姿勢及び位置に配置されてもよい。検出部４の検出方向Ｄが半導体チップ２の表面に対して平行である場合も、検出方向Ｄにおいて被検出電流Ｂｉにより発生する第２磁界Ｈ２の方向と直交する姿勢及び位置に配置されると共に、分岐電流３ｉにより発生する第１磁界Ｈ１を検出する姿勢及び位置に配置されてもよい。
なお、本実施形態では、検出部４が半導体チップ２の表面の法線方向に検出方向Ｄとなるように形成されているとしたが、これに限ることなく、半導体チップ２の表面の面内方向に検出方向Ｄとなるようにしてもよい。この場合には、半導体チップ２の表面に分岐バスバー３を形成し、分岐バスバー３の直下の半導体チップ２内に、検出方向Ｄが面内方向である縦型ホール素子などを形成するとともに、主バスバーが半導体チップ２に隣接して配置されていてもよい。

上述したように、電流検出装置１によれば、電気配線Ｗを介して主バスバーＢに電気的に接続されることにより、主バスバーＢの形状や取付位置に依存せずに汎用性を有することができる。電流検出装置１によれば、多品種の主バスバーＢに容易に対応でき、開発工数や生産管理工数の削減が可能となり、コストダウンを図ることができる。
電流検出装置１によれば、主バスバーＢや自体の製品のばらつきが生じていても、製品特性検査時に、検査電流を測定して個体ごとに補正係数や補正式を求め、記憶部５Ｂに記憶することにより被検出電流を正確に算出し、個体差によるばらつきを解消すると共に精度も向上させることができる。

電流検出装置１によれば、少量多品種を取り扱う設計において設計工数及び設計時間を低減すると共に、設計費用を抑制することができる。電流検出装置１によれば、生産段階における段取り時間や部品管理などの工程を、電気配線Ｗの設計や記憶部５Ｂに記憶させるデータにより調整することで、開発工数や生産管理工数を大幅に削減することができる。電流検出装置１によれば、ハイブリッドカーや電気自動車のモータ制御、バッテリ監視用アイドリング制御、電動パワーステアリング用モータ制御など、使用温度範囲を広く設定でき、かつ非接触で比較的大きな電流（数十Ａ～百Ａ）を検出したい用途に適用することができる。

［変形例１］
以下、電流検出装置の変形例について説明する。以下の説明では、同一の構成については同一の名称及び符号を用い、重複する説明については適宜省略する。

図６に示されるように、変形例に係る電流検出装置１Ａは、検出部４の検出感度を向上させている。分岐バスバー３Ａは、例えば、検出部４の周囲に延在するようにアーチ型に形成されている。分岐電流３ｉは、分岐バスバー３Ａに沿ってアーチ型に流れる。電流検出装置１Ａによれば、分岐バスバー３Ａの内周側において、検出部４に入力される第１磁界Ｈ１の強度は、分岐バスバー３を用いる場合に比して向上する。

［変形例２］
図７に示されるように、変形例２に係る電流検出装置１Ｂは、電流検出装置１Ａにおいて、主バスバーと分岐バスバーとを電気的に接続する電気配線Ｗの配線数が上記実施形態の電気配線Ｗに比して異なっている。電気配線Ｗは、分岐バスバー３Ａの一端側及び他端側において、２本以上設けられていてもよい。電流検出装置１Ａにおいて、電気配線Ｗの配線数に基づいて分岐バスバー３Ａに流れる分岐電流３ｉを調整するようにしてもよい。また、電流検出装置１Ａにおいて、電気配線Ｗの断面の径に基づいて分岐バスバー３Ａに流れる分岐電流３ｉを調整するようにしてもよい。電気配線Ｗの配線数又は径を変えることは電流検出装置１にも適用してもよい。

［変形例３］
図８に示されるように、検出部４の磁界の検出方向Ｄが半導体チップ２の表面に対して平行（Ｘ軸方向）である場合、分岐バスバー３は、検出部４に重畳して配置されていてもよい。この場合、主バスバーＢは、分岐バスバー３に隣接して平行に配置してもよい。

［変形例４］
図９に示されるように、電流検出装置１の分岐バスバー３は、２本以上設けられていてもよい。分岐バスバー３は、例えば、主バスバーＢに電気的に並列に接続された第１分岐バスバー３－１と、第１分岐バスバー３－１に電気的に並列に接続された第２分岐バスバー３－２と、を備えていてもよい。検出部４は、第２分岐バスバー３－２に隣接して配置されていてもよい。上記構成により、電流検出装置１は、分岐バスバー３、検出部４の配置の自由度が向上する。

これらの変形例のほかに、半導体チップは、表面にＷＬＰ（Wafer Level Package）配線を備え、分岐バスバーがＷＬＰ配線に形成されているようにしてもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ 電流検出装置
３、３Ａ 分岐バスバー
３－１ 第１分岐バスバー
３－２ 第２分岐バスバー
３ｉ 分岐電流
４ 検出部
５ 出力部
５Ａ 演算部
５Ｂ 記憶部
Ｂ 主バスバー
Ｂｉ 被検出電流
Ｈ１ 第１磁界
Ｈ２ 第２磁界
Ｉ 電流値
ｒ 所定距離
Ｗ 電気配線

Claims (9)

1. 被検出電流を流す主バスバーと、
   前記主バスバーと離間して配置されている半導体チップと、
   を有し、
   前記半導体チップは、
   前記主バスバーと並列に接続されている分岐バスバーと、
   前記分岐バスバーと隣接して配置され、前記主バスバーから前記分岐バスバーに流れる分岐電流に基づいて発生する第１磁界を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した前記第１磁界に基づいて電流値を演算し出力する出力部と、
   を備えることを特徴とする電流検出装置。
2. 前記分岐バスバーは、前記主バスバーの第１抵抗値に比して高い第２抵抗値に調整されている、
   請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記分岐バスバーは、前記分岐電流に基づいて発生する熱量に基づいて前記検出部に伝搬する温度を、前記検出部の検出性能を担保する温度しきい値に比して低くなるように前記第２抵抗値を調整されている、
   請求項２に記載の電流検出装置。
4. 前記分岐バスバーは、前記分岐電流に基づいて発生する熱量に基づいて前記検出部に伝搬する温度を、前記検出部の検出性能を担保する温度しきい値に比して低くなるように前記検出部との間の距離が所定距離以上離間するように配置されている、
   請求項１に記載の電流検出装置。
5. 前記主バスバーは、前記被検出電流に基づいて第２磁界を発生し、
   前記検出部は、前記第１磁界の検出方向において前記第２磁界の成分を検出しにくい姿勢又は位置に配置されている、
   請求項１に記載の電流検出装置。
6. 金属ワイヤーにより形成され、前記主バスバーと前記分岐バスバーとを電気的に接続する電気配線を備える、
   請求項１に記載の電流検出装置。
7. 前記電気配線は、断面の径又は配線数に基づいて前記分岐電流を調整する、
   請求項６に記載の電流検出装置。
8. 前記分岐バスバーは、前記主バスバーに電気的に並列に接続された第１分岐バスバーと、
   前記第１分岐バスバーに電気的に並列に接続された第２分岐バスバーと、を備え、
   前記検出部は、前記第２分岐バスバーに隣接して配置されている、
   請求項１に記載の電流検出装置。
9. 前記半導体チップは、表面にＷＬＰ配線を備え、
   前記分岐バスバーは、前記ＷＬＰ配線に形成されている、
   請求項１に記載の電流検出装置。

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