JP4575153B2 - 電流測定方法および電流測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流センサを基板に実装し、基板上の被測定導体を流れる電流を測定する方法および装置に係り、特に、電気的絶縁の確保が容易であるとともに、電流センサの小型化を図ることができ、しかも発熱を防止して信頼性を向上するのに好適な電流測定方法および電流測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プリント基板上の電流を測定する技術としては、シャント抵抗、磁気抵抗素子またはホール素子を用いたものが広く知られている。
ホール素子を用いて電流を測定する技術としては、例えば、特開平８−２３３８６５号公報に開示されている電流検知ユニット（以下、第１の従来例という。）、特開平１０−２６７９６５号公報に開示されている電流センサを用いた電流測定方法（以下、第２の従来例という。）、およびＵＳ特許５９４２８９５号公報に開示されている電流センサを用いた電流測定方法（以下、第３の従来例という。）が知られている。
【０００３】
第１の従来例は、プリント基板と、プリント基板の一面側に凹部を形成し、他の一面側からはこの凹部に連通する孔を設け、一面側の孔上またはその孔中に配置した磁気センサと、プリント基板の上部に設けられるコイル部と、コイル部の上部に設けられ、磁気センサと対向する側に突起部を設けた第１の磁性体コアと、磁気センサと対向するよう凹部内に設けた第２の磁性体コアとで構成されている。電流検知ユニットのコイル部をプリント基板上の電流導体と直接接続することにより、電流検知効率が高く、表面実装可能な構造となっている。
【０００４】
第２の従来例は、被測定電流を流す導体、磁性体の薄片および磁電変換素子からなり、導体の中間部に扁平な凸部を設けその下部内側に被測定電流に対し垂直となるように磁電変換素子を固定し、かつ電流によって発生する磁界を磁電変換素子に収束させるための磁性体の薄片から構成されている。電流センサの被測定導体とプリント基板上の電流導体を直列に接続して基板実装することによって外来ノイズを遮断し得る高効率の電流センサを実現できる。
これら従来例にも見るように、電流センサ内に設けられている電流導体（以下、一次側電流導体という。）と、プリント基板上に設けられかつ測定対象となる電流導体（以下、被測定導体という。）とを直列に直接接続し、被測定導体を流れる電流を一次側電流導体に流すことにより、被測定導体を流れる電流を高精度に測定する方法が広く行われてきた。
【０００５】
また、シャント抵抗を用いた電流測定方法にあっても、シャント抵抗と被測定導体とを直列に直接接続し、被測定導体を流れる電流をシャント抵抗に流して電圧降下を生じさせ、その電位差を測定することにより、被測定導体を流れる電流を高精度に測定している。
さらに、最新の技術ではＧＭＲ等の高感度磁気センサを電流導線の上に、貼り付けて、非接触で電流を測定する方法が考案されてきている。
【０００６】
しかしながら、第１ないし第３の従来例にあっては、一次側電流導体と被測定導体とを直接接続する構成であるため、電流センサ内に設けられかつセンサ信号を出力するための信号線（以下、二次側電流導体という。）と被測定導体との間に電気的絶縁を十分に確保しなければならず、電流センサの実装に一定の制約があるという問題があった。電気的絶縁が十分でない場合は、例えば、電流センサからのセンサ信号を利用する回路側にノイズや過大な入力が伝わる可能性がある。また、被測定導体を流れる電流が大きい場合は、それに合わせて一次側電流導体のサイズも大きくする必要があり、電流センサが大型になるという問題もあった。さらに、一次側電流導体と被測定導体とを直接接続すると、接続部分の接触抵抗に電流が流れることにより発熱し、その発熱量が大きければ、電流センサの信頼性を損なう可能性があるという問題もあった。
【０００７】
また、シャント抵抗を用いた電流測定方法にあっても同様に、センサ信号を出力するための信号線と被測定導体との間に電気的絶縁がとれず、実装に一定の制約があるという問題があった。また、被測定導体を流れる電流が大きい場合は、それに合わせてシャント抵抗のヒートシンクのサイズも大きくする必要があり、電流センサが大型になるという問題もあった。さらに、シャント抵抗と被測定導体とを直接接続すると、抵抗に電流が流れることにより発熱し、その発熱量が大きければ、電流センサの信頼性を損なう可能性があるという問題もあった。さらに、シャント抵抗の場合、精密な抵抗値をもつことが必要であるため、選別しなければならないという問題もあった。
【０００８】
さらに、最新のＧＭＲ等を用いた高感度磁気センサによる非接触電流測定方法では、磁気センサとしてのヒステリシスが大きく、充分に精度を出せなかったり、バイアスマグネットを利用する必要があるため、取り付け精度が厳しかったり、実装場所が限定されたり、さらには電流の向きが検出できなかったりといった問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、電気的絶縁の確保が容易であるとともに、電流センサの小型化を図ることができ、しかも発熱を防止して信頼性を向上するのに好適な電流測定方法および電流測定装置を提供することを目的としている。
【０００９】
［発明の開示］
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の電流測定方法は、被測定導体を有する基板に電流センサを実装し、前記電流センサにより前記被測定導体を流れる電流を測定する方法であって、前記基板は、両面にプリント配線が形成されたプリント基板であり、前記被測定導体は、前記プリント基板の一方の面に形成された前記プリント配線で構成され、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面であって、前記被測定導体を幅方向に見てその両端部より内側に位置するように実装し、前記電流センサは、磁気を検出するホール素子と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束手段とを一体に内蔵した構成を備え、前記被測定導体を流れる電流により発生した磁束が前記ホール素子の感磁面に収束するように前記ホール素子と前記基板面との間に前記磁気収束手段を設けた。
ここで、電流を測定することには、被測定導体を流れる電流の大きさを得ること、電流の有無を検出すること、電流値が所定値を超えたかを検出することが含まれる。以下、請求項８記載の電流測定装置において同じである。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項２記載の電流測定方法は、請求項１記載の電流測定方法において、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面でかつ前記基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に実装した。
さらに、本発明に係る請求項３記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記被測定導体の外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設ける。
さらに、本発明に係る請求項４記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記電流センサの外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設ける。
【００１１】
さらに、本発明に係る請求項５記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記電流センサと前記基板との間に、前記被測定導体を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性体を設ける。
さらに、本発明に係る請求項６項記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記磁気収束手段は、複数の磁気収束板からなり、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように設けた。
【００１２】
さらに、本発明に係る請求項７記載の電流測定方法は、請求項６記載の電流測定方法において、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するようにかつ前記基板の面方向からみて前記磁気収束板が前記被測定導体の中心線の両側に位置するように、前記複数の磁気収束板を、間隔をあけて設けた。
【００１３】
一方、上記目的を達成するために、本発明に係る請求項８記載の電流測定装置は、被測定導体を有する基板と、前記基板面上に実装する電流センサとを備え、前記被測定導体を流れる電流を測定する装置であって、前記基板は、両面にプリント配線が形成されたプリント基板であり、前記被測定導体は、前記プリント基板の一方の面に形成された前記プリント配線で構成され、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面であって、前記被測定導体を幅方向に見てその両端部より内側に位置するように実装し、前記電流センサは、磁気を検出するホール素子と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束手段とを一体に内蔵した構成を備え、前記被測定導体を流れる電流により発生した磁束が前記ホール素子の感磁面に収束するように前記ホール素子と前記基板面との間に前記磁気収束手段を設けた。
このような構成であれば、被測定導体に電流が流れると、被測定導体を流れる電流により磁気が発生し、発生した磁気が被測定導体に対して基板の反対面に到達し、電流センサにより、到達した磁気を受けて被測定導体を流れる電流が非接触で測定される。したがって、被測定導体に対して基板の反対面に電流センサを実装し、反対面から電流を測定することができる。
【００１４】
また、磁気収束手段により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束がホール素子の感磁面に収束し、ホール素子により、収束した磁束が電圧に変換される。したがって、ホール素子からの出力電圧により、被測定導体を流れる電流を非接触で測定することができる。
さらに、本発明に係る請求項９記載の電流測定装置は、請求項８記載の電流測定装置において、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面でかつ前記基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に実装した。
このような構成であれば、被測定導体を流れる電流により発生した磁気は、被測定導体に対して基板の反対面のうち、基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に到達しやすいので、その位置に電流センサを設けることにより、被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサで検出しやすくなる。
【００１５】
さらに、本発明に係る請求項１０記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記被測定導体の外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けた。
このような構成であれば、被測定導体の外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体が設けられているので、軟磁性体により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に収束しやすくなる。
さらに、本発明に係る請求項１１記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記電流センサの外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けた。
【００１６】
このような構成であれば、電流センサの外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体が設けられているので、軟磁性体により、電流センサのその反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽される。
さらに、本発明に係る請求項１２記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記電流センサと前記基板との間に、前記被測定導体を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性体を設けた。
このような構成であれば、電流センサと基板との間に複数の軟磁性体が設けられているので、複数の軟磁性体により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に収束しやすくなる。
【００１７】
さらに、本発明に係る請求項１３記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記磁気収束手段は、複数の磁気収束板からなり、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように設けた。
【００１８】
このような構成であれば、磁気収束板の面が基板面と対向するように磁気収束板が設けられているので、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を磁気収束板で受けやすくなる。そのため、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を効果的にホール素子の感磁面に収束させることができる。
さらに、本発明に係る請求項１４記載の電流測定装置は、請求項１３記載の電流測定装置において、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するようにかつ前記基板の面方向からみて前記磁気収束板が前記被測定導体の中心線の両側に位置するように、前記複数の磁気収束板を、間隔をあけて設けた。
このような構成であれば、基板の面方向からみて磁気収束板が被測定導体の中心線の両側に位置するように磁気収束板が間隔をあけて設けられているので、磁気収束板で受けた磁束を効果的にホール素子の感磁面に収束させることができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る請求項１５記載の電流測定装置は、請求項８乃至１４のいずれかに記載の電流測定装置において、前記基板は、複数の前記被測定導体を有し、前記各被測定導体との距離が所定関係となる位置に前記電流センサを実装した。
このような構成であれば、各被測定導体との距離が所定関係となる位置に電流センサが実装されているので、各被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサで受けた場合、電流センサの出力値および所定関係に基づいて各被測定導体を流れる電流を測定することができる。各電流の測定は、例えば、演算等により行うことができる。
【００２０】
さらに、本発明に係る請求項１６記載の電流測定装置は、請求項８乃至１５のいずれかに記載の電流測定装置において、前記ホール素子の感磁部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂからなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１〜図１２は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１ないし図３を参照しながら説明する。図１および図２は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。図３は、図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１および図２に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、プリント基板３の面上に実装する電流センサ１００とを備え、電流センサ１００を、プリント基板３の表面のうち被測定導体４が設けられている面とは反対側の面９２（以下、単に裏面という。）に実装している。
【００２２】
電流センサ１００は、図１に示すように、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２をモールドパッケージ１に内蔵して構成されている。モールドパッケージ１の内部には、モールドパッケージ１の外装面のうち実装時にプリント基板３と対向することとなる面９０（以下、単に対向面という。）側に磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２が設けられている。
また、モールドパッケージ１には、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２をダイボンドするためのリードフレーム６が設けられている。リードフレーム６の端部は、プリント基板３に実装できるように曲げてある。また、モールドパッケージ１内に設けられたリードフレーム６には、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２が接着用ペースト５により接着されている。
【００２３】
磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２は、図２および図３に示すように、信号処理回路１０の外装面のうち実装時にプリント基板３と対向することとなる面に２つのホール素子９を設けるとともに、信号処理回路１０と対向面９０との間に２つの磁気収束板１１を設けてなる。ここで、ホール素子９は、２つ１組のペアであれば、２組以上設けても構わない。磁気収束板１１は、実装時に磁気収束板１１の面がプリント基板３の面と対向するようにかつプリント基板３の面方向からみて磁気収束板１１が被測定導体４のセンサ実装面への射影の中心線の両側に位置する最適位置にするか、少なくとも被測定導体４のセンサ実装面への射影に近接するように所定の間隔をあけて設ける。磁気収束板１１の間隔をあけることにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束は、両側の磁気収束板１１により、ホール素子９の感磁面に向けて収束される。なお、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２の構造については、第３の従来例に詳しい。
【００２４】
プリント基板３は、紙フェノール、紙エポキシまたはガラスエポキシ等の材質で構成されている。もちろん、これらに限定されるものではないが、ポリイミド系材料であれば、プリント基板３の厚さを小さくできてよい。なお、プリント基板３の厚さは、いかなる大きさであってもよいが、厚さが小さければ小さいほどセンサ感度を上げることができるので、極力小さい方が好ましい。ただし、絶縁性と実装位置の自由度を得るためには、必要最小限の厚みは必要とされる。
【００２５】
被測定導体４は、例えば、Ｃｕ等の金属箔からなる電流導線であり、被測定導体４を流れる電流値、要求される電流感度に応じて最適な形状とすることができる。電流値が大きければ、被測定導体４の厚みを増し、電流感度を向上する場合は、被測定導体４の幅を小さくする。被測定導体４の長さは、センサ感度をほぼ一定にするためには、所定の長さ以上あればよい。なお、被測定導体４の幅とは、プリント基板３の面方向に沿った長さであって被測定導体４を流れる電流の向きと直交する長さをいい、被測定導体４の長さとは、プリント基板３の面方向に沿った長さであって被測定導体４を流れる電流の向きの長さをいい、被測定導体４の厚さとは、プリント基板３の面方向と直交する方向に沿った長さをいう。以下、同じである。
【００２６】
図４は、電流センサ１００をプリント基板３上に実装した場合を示す斜視図である。
電流センサ１００は、図４に示すように、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装する。この場合、被測定導体４を流れる電流が作る磁場の様子は、図２における符号１２，１３および図４における符号１３に示すようになる。ホール素子９の下方には、磁気収束板１１が所定の間隔をもって、ホール素子９に平行になるように配置されているので、被測定導体４を図面裏側から図面表側に向けて電流が流れているとき、電流により発生する磁界は、図２および図４における符号１３に示すようになり、特に、ホール素子９近傍の磁界は、磁気収束板１１により符号１２に示すように収束される。これにより、ホール素子９の感磁面の磁束密度を大きくすることができる。
信号処理回路１０は、ホール素子９により磁電変換して得られるホール起電力を加算増幅する。なお、ホール素子９と信号処理回路１０とは、必ずしも、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２としてモノリシックに構成されている必要はなく、ハイブリッドに構成されていても構わない。また、ホール素子９の感磁部の材質として、Ｓｉ以外にＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等のＩＩＩＶ族系の高感度化合物半導体を利用すれば、さらに電流感度を向上させることができる。
【００２７】
このように、電流センサ１００は、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２およびリードフレーム６をモールド樹脂で一体加工したものであり、汎用的なプロセスで大量生産に適した構造になっている。
なお、本実施の形態では、リードフレーム６を用いているが、リードフレーム６を使用しなくとも、ホール素子９の感磁面が絶縁層を介して被測定導体４に近接または接触できれば、フリップチップとし、フリップチップボンディングタイプのものとして構成しても構わない。また、この場合、図１のようにフェイスダウン構造でなくともよく、磁気収束板、ホール素子、基板、電流導体の順番であっても構わない。この場合、モールド樹脂で一体加工する必要はない。さらに、電流センサ１００は上記形態以外にもプリント基板３面に平行な磁界を本願実施例と同程度以上の性能で検出できるものであれば使用できる。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明に係る実施例を図５ないし図１２を参照しながら説明する。
プリント基板３の厚さを１．６［ｍｍ］とし、厚さ３５［μｍ］および幅１５［ｍｍ］の銅箔からなる被測定導体４をプリント基板３上に形成し、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と対称となる位置に実装した。この実装により、電流センサ１００と被測定導体４との間に電気的絶縁を十分に確保することができる。
【００２９】
電流センサ１００には、一般に広く利用されているＴＳＳＯＰ−１６パッケージをモールドパッケージ１として使用した。モールドパッケージ１の厚さは、およそ１［ｍｍ］で、底面からおよそ３００［μｍ］の位置にホール素子９を配置する構造とし、被測定導体４に極力近接するように配置した。ホール素子９の表面には、軟磁性材料からなる複数の磁気収束板１１を配置し、対向面９０に平行な磁気をホール素子９に収束させる機能を持たせている。ホール素子９より得られたセンサ信号をモールドパッケージ１内に内臓した信号処理回路１０で演算増幅することによって、最終的な電流センサ１００単体での磁気感度を１６０［ｍＶ／ｍＴ］にできる電流センサ１００を利用した。信号処理回路１０の増幅率または電流センサ１００内部の磁気回路の変更によっては、１６００［ｍＶ／ｍＴ］までの磁気感度を実現できたが、本発明では、標準の電流センサとして、１６０［ｍＶ／ｍＴ］の磁気感度を持つものを使用した。
【００３０】
図５は、電流センサ１００と被測定導体４との距離を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、横軸の距離は、被測定導体４と電流センサ感磁部の距離である。図５は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図５のグラフによれば、電流センサ１００と被測定導体４との距離が小さくなるほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。したがって、センサ感度を向上する観点からは、電流センサ１００と被測定導体４との距離を小さくし、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。一方、被測定導体４の幅を広くすると距離が変化しても感度の変化が少なくなり、距離の変化に対して均一な感度が得られるというメリットがある。
【００３１】
図６は、被測定導体４の長さを変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ］とした。また、センサ感度は、基板の面方向からみたとき、被測定導体４の中心位置に電流センサ１００を配置したときの値である。図６は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図６のグラフによれば、被測定導体４の長さが大きくなるほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。ただし、被測定導体４の長さについては、いずれの幅Ｗにおいても被測定導体４の長さが１０［ｍｍ］より大きくなるとセンサ感度の変化はほぼない。したがって、センサ感度を向上する観点からは、被測定導体４の長さを１０［ｍｍ］より大きくし、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。
【００３２】
図７は、被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ」とした。図７は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図７のグラフによれば、電流センサ１００の実装位置が被測定導体４の幅方向の中心位置に近づくほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。ただし、電流センサ１００の実装位置については、被測定導体４の幅Ｗの１／２、すなわち、被測定導体４を幅方向にみてその両端付近までのずれであれば、要求される測定精度によってはセンサ感度の低下を許容することができる。これは、電流センサ１００を必ずしも被測定導体４の真下に配置することはなく、被測定導体４を幅方向にみてその両端付近までは自由に実装位置を決められることを意味し、実装の自由度が向上することがわかる。したがって、センサ感度を向上する観点からは、電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向の中心位置に近づけ、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。
【００３３】
一方、図７に示すように、プリント基板３上の被測定導体４が生成する磁界は、被測定導体４の幅が広くなればなるほど均一性が高くなり、本発明の高精度な電流センサ１００を利用することで、横（ｘ）方向の位置ずれに対して感度の変化が極めて少ない。特に数［Ａ］以上の電流を流すような場合、被測定導体４の幅が数［ｍｍ］以上になるが、この場合横方向に１［ｍｍ］以上ずれても大きな感度変化は認められなくなるため、電流センサ１００実装時の位置ずれを気にする必要はなくなる。結論としては、精度上求められる電流感度が決まったら、必要以上に被測定導体４の幅を狭くせず、広めに設計する方が電流センサ実装位置の自由度が増える。
【００３４】
図８は、幅２［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。図９は、幅１５［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。ただし、図８および図９の双方とも、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ］とした。変位はともに、基板の面方向からみたときの被測定導体４の中心位置から被測定導体横方向の変位である。
【００３５】
さらに、図７からいえることは、電流センサ１００と被測定導体４のずれが「０」のとき、最も電流感度が高くなるが、図８および図９に示すように、ある程度、位置ずれがあっても被測定導体４の幅程度の位置ずれでは感度の変化率は被測定導体４と同一面に実装する表面実装の場合と比較しても緩やかな変化となる。被測定導体４の幅の半分程度の位置ずれを起こしても位置ずれなしの最大電流感度のおよそ５０％以上を維持することができる。また、被測定導体４の幅程度の位置ずれの場合、感度の低下は大きいものの、その近傍での位置ずれに対する変化が小さいことが分かる。このことから意図的に電流センサ１００を被測定導体４の端部近傍あるいは端部から離して実装する（被測定導体４の幅方向に位置を移動し実装する）ことで充分な精度で電流を測定することができることが分かる。このことは、被測定導体４の実装面とは逆の面に実装したことによって、被測定導体４に対し電流センサ１００を配置する自由度が高くできることを意味しており、回路基板の設計者に対して設計の自由度を大きく広げることにつながる。プリント基板３を隔て、自らの実装面とは逆面上の被測定導体４中の電流を非接触で測定するようにしたことで、絶縁性を確保しつつ、プリント基板３面に平行な磁場成分の均一性が向上し、かつ電流センサ１００がプリント基板３面に平行な均一磁界を精度よく測定できるものであるため、実装位置の自由度を大きく向上させることができる。
【００３６】
図１０は、被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の長さ方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ］とし、被測定導体４の長さを２０［ｍｍ］とした。図１０は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図１０のグラフによれば、電流センサ１００の実装位置が被測定導体４の長さ方向の中心位置に近づくほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。したがって、センサ感度を向上する観点からは、電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の長さ方向の中心位置に近づけ、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。
【００３７】
図１１は、電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向（ｘ座標）および厚さ方向（ｙ座標）に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、厚み１．６［ｍｍ］のプリント基板３に電流センサ１００を実装した状態がｙ座標＝０［ｍｍ］に対応し、ｙ軸方向が、被測定導体４とプリント基板３の距離が大きくなる方向を示している。センサ感度が最大になるｘ座標が、被測定導体４の中心位置に相当する。図１１のグラフをｘ軸方向、ｙ軸方向からみた図が図５と図７である。
【００３８】
また、図５のグラフを参照すると、被測定導体４がプリント基板３の厚さに対して十分広い場合、電流センサ１００とプリント基板３の距離が多少ずれてもセンサ感度の変化率は少なく、被測定導体幅Ｗ＝１５［ｍｍ］のときで約１．３［％］／０．１［ｍｍ］であった。また、図７のグラフを参照すると、被測定導体４の電流の流れに対して９０°になる横方向に電流センサ１００が位置ずれした場合もセンサ感度の変化は、被測定導体幅Ｗ＝１５［ｍｍ］のときで約０．３［％］／１［ｍｍ］であった。電流の量を測定するのに必要な被測定導体４の長さは２０［ｍｍ］以上あっても、それ以上の長さについてはセンサ感度への影響はほとんどない。そのため、被測定導体４の長さとしては、図６のグラフを参照すると、２０［ｍｍ］程度確保できれば十分である。
【００３９】
本実施例による電流測定方法では、被測定導体４の形状と相対位置により、センサ感度が決まるが、１５［ｍｍ］幅の被測定導体４を電流センサ１００で測定したときのセンサ感度は、５．６［ｍＶ／Ａ］であった。一般の電流スイッチとしては、十分に機能できるほか、高感度の電流センサ１００を使用すればセンサ感度をおよそ１０倍にも向上させることができ、制御用にも十分使用できる。
図１２は、被測定導体４の電流密度を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、図１２の結果は、プリント基板３の厚さを１．６［ｍｍ］とし、被測定導体４に流す電流値を一定（Ｉ＝５、１０、３０、６０［Ａ］）にした場合である。
【００４０】
センサ感度を向上させるためには、図５ないし図１０の結果が示す通り、被測定導体４の幅Ｗをできるだけ小さくしたいが、一般的に３５［μｍ］厚の銅箔板からなる被測定導体４は、幅１［ｍｍ］あたりに流せる電流値として最大１［Ａ］を基準に設計されている。これは、発熱による問題を考慮したためである。すなわち、電流量によっては、むやみに被測定導体４の幅を小さくすることができない。被測定導体４の幅Ｗを小さくする場合は、発熱の問題を回避するために被測定導体４の厚さを大きくする必要がある。図１２の結果が示すように、測定電流範囲によらず、電流密度を１５［Ａ／ｍｍ］より大きくしてもセンサ感度はさほど大きくならない。最大Ｉｍａｘ［Ａ］の電流を流すようにしたとき、１５［Ａ／ｍｍ］の電流密度になるようにするには、被測定導体４の幅をＩｍａｘ／１５［ｍｍ］とする必要がある。
【００４１】
したがって、最大電流値を６０［Ａ］とすると、被測定導体４の幅Ｗは、およそ４［ｍｍ］にすればよいが、被測定導体４の厚さを３５［μｍ］から１５倍以上にする必要がある。被測定導体４の厚さをおよそ５００［μｍ］〜１［ｍｍ］とすれば、６０［Ａ］程度の電流を良好なセンサ感度で測定するためには、被測定導体４の幅Ｗを４〜５［ｍｍ］とすればよい。被測定導体４の幅Ｗがこのような範囲にあれば、センサ感度が向上するため、被測定導体４を流れる電流をより高精度に測定することができる。
【００４２】
また、電流センサ１００を使用した場合、１５［ｍＶ／Ａ］のセンサ感度を得るためには、被測定導体４を流れる電流として１５［Ａ／ｍｍ］の電流密度が必要である。最大Ｉｍａｘ［Ａ］の電流を流すようにしたとき、１５［Ａ／ｍｍ］の電流密度になるようにするには、被測定導体４の幅をＩｍａｘ／１５［ｍｍ］とする必要がある。ただし、被測定導体４の厚さは、最低でも３５［μｍ］×１５以上にする必要がある。厚さもできるだけ小さい方がセンサ感度の低下が少なくなるので、０．５［ｍｍ］以上でかつ１［ｍｍ］以下の厚さが好ましい。したがって、数十［Ａ］の電流を考えた場合、最大電流をＩｍａｘ［Ａ］とすると、被測定導体４の形状は、幅Ｉｍａｘ／１５［ｍｍ］以下、長さ１０［ｍｍ］以上、厚さ１．０［ｍｍ］以下とするのが適当である。
【００４３】
このようにして、本実施の形態では、被測定導体４を有するプリント基板３と、プリント基板３面上に実装する非接触型の電流センサ１００とを備え、電流センサ１００を裏面９２に実装した。
これにより、電流センサ１００を裏面９２に実装するので、従来に比して、電流センサ１００の二次側導体と被測定導体４との間に電気的絶縁を比較的容易に確保することができる。また、被測定導体４を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体４を流れる電流が大きくなっても電流センサ１００のサイズを大きくしなくて済むので、電流センサ１００の小型化を図ることができる。さらに、被測定導体４を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体４との接触抵抗による発熱がないため、従来に比して、電流センサ１００の信頼性を損なう可能性を低減することができる。
【００４４】
被測定導体４を一体に内蔵するような従来型の電流センサでは、高精度に電流を測定するためには、一次導体と磁気センサの間に位置ずれが発生しないように一次導体と磁気センサを一体成型したり、組立した後にキャリブレーションを行ったりする必要があった。特にバイアスマグネットを使用する必要のある磁気センサを利用するものでは、電流を正確に測定するためには、バイアスマグネット、一次導体、磁気センサ等の構成部品の位置精度を充分に確保し、バイアスマグネットの特性や磁気センサ感度のばらつき等の影響でさらに校正をする必要があった。また、被測定導体４を内蔵しないような電流センサを使用するような場合では、プリント基板３の被測定導体４のある面と同一面に電流センサを実装する場合、被測定導体４の幅が大きくなると電流センサのパッケージサイズやパッケージ種類（ＳＯＰ、ＱＦＰ、ＱＦＮ、ＢＧＡ等）の問題でパターン上に実装できなかったり、電流感度が実装位置により大きく変化したりするため、実装場所を選ぶ必要があった。
【００４５】
本発明に係る電流測定方法および電流測定装置は、これらの問題に対して極めて有効であることを見出してなし得たものである。裏面実装は、パッケージサイズやパッケージ種類による位置の制約がない上に、広いエリアで緩やかに変化し、比較的均一な電流感度が得られるのに加え、電流センサの実装基板面に平行な磁界をヒステリシス等なく精度よく検出する電流センサを使用することによって、電流感度の校正なしでも充分な精度を実現できるようになった。このことにより、実装位置に関する自由度が広くなり、電流センサの使用者は、プリント基板３上に回路を設計する際の自由度が大きくなったといえる。
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と対称となる位置に実装した。
【００４６】
これにより、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と対称となる位置に実装するので、被測定導体４を流れる電流により発生した磁気を電流センサ１００で検出しやすくなり、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００は、磁気を検出するホール素子９と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束板１１とを備え、電流センサ１００の外装面のうち実装時にプリント基板３面と対向することとなる面側にホール素子９を設け、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束がホール素子９の感磁面に収束するように磁気収束板１１を設けた。
【００４７】
これにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束がホール素子９の感磁面に収束しやすくなるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。また、電流センサ１００を通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造でき、非接触で被測定導体４の電流を測定することができるので、小型化を図ることができるとともに、被測定導体４と電流センサ１００との電気的絶縁を保ちつつ、電流の向きを含めて比較的高精度に被測定導体４の電流を測定することができる。さらに、ホール素子９および磁気収束板１１を通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造できるので、生産効率を高くすることができる。さらに、一次側導体を同一パッケージに内蔵しないため、プリント基板３の導線パターンに間隔を設け、そこに直列に実装する必要もなく比較的小型にすることができる。さらに、導線パターン上部から間接的に電流を測定できるため、設計後に部品の取り外しを行っても、導線パターンの修正変更が必要にならず、実装を取りやめることが比較的容易である。
【００４８】
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００は、ホール素子９および磁気収束板１１を一体に内蔵し、ホール素子９と対向面９０との間に磁気収束板１１を設けた。
これにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を効果的にホール素子９の感磁面に収束させることができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができる。
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００の実装時に磁気収束板１１の面がプリント基板３面と対向するようにかつプリント基板３の面方向からみて磁気収束板１１が被測定導体４の中心線の両側に位置するように、複数の磁気収束板１１を、間隔をあけて設けた。
【００４９】
これにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束をさらに効果的にホール素子９の感磁面に収束させることができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができる。
上記第１の実施の形態において、磁気収束板１１は、請求項１、６、８、または１３記載の磁気収束手段に対応している。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１３は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第２の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１３を参照しながら説明する。図１３は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１３に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備え、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に薄板形状の軟磁性材料２０を設けた。軟磁性材料２０としては残留磁気が少なければ少ない物ほどよい。
【００５１】
このような構成であれば、軟磁性材料２０により、被測定導体４を流れる電流により発生した磁界のうち、被測定導体４からみて電流センサ１００の反対側に放射するものを電流センサ１００の側に収束しやすくなる。また、軟磁性材料２０は、被測定導体４の作る磁界以外の外乱磁界の影響を低減する効果がある。
このようにして、本実施の形態では、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に軟磁性材料２０を設けた。
これにより、軟磁性材料２０によって、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に効果的に収束することができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を向上させかつ外乱磁気を低減することができる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１４は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第３の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１４を参照しながら説明する。図１４は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１４に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備え、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に薄板形状の軟磁性材料２０を設けるとともに、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に薄板形状の軟磁性材料２２を設けた。軟磁性材料２０，２２としては残留磁気が少なければ少ない物ほどよい。
【００５３】
このような構成であれば、軟磁性材料２２により、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽される。また、軟磁性材料２０により、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束のうち、被測定導体４からみて電流センサ１００の反対側に放射するものを電流センサ１００の側に収束しやすくなる。
【００５４】
次に、本発明に係る第１の実施例を説明する。
外乱磁気の影響を低減する手法として、図１４に示すように、モールドパッケージ１の表面に軟磁性材料２２を装着した。磁気シールドすることによって、外乱磁気を軟磁性材料２２の面方向に収束させ、ホール素子９に対する外乱磁気の影響を低減できるようにするようにした。使用した軟磁性材料２２は、サイズが４×４×０．１５［ｍｍ］で、材質が７８．７［％］Ｎｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙである。その結果、最も問題になるのは、モールドパッケージ１上部からの外乱磁気の影響であるが、モールドパッケージ１から５［ｃｍ］上の電流導体が与える影響を調べたところ、軟磁性材料２２を設けない場合に比して、外乱磁気の影響を１／３に低減することができた。また、モールドパッケージ１から８［ｃｍ］上の電流導体が与える影響を調べたところ、軟磁性材料２２を設けない場合に比して、外乱磁気の影響を１／５に低減することができた。
【００５５】
次に、本発明に係る第２の実施例を説明する。
上記第１の実施例における電流測定方法は、磁気シールドすることによって、外乱磁気の影響を低減することができるが、軟磁性材料２２の実装によって、本来測定すべき被測定導体４に対するセンサ感度そのものも低下させてしまう。軟磁性材料２２をホール素子９から約１［ｍｍ］以上離隔すれば、センサ感度の低下も抑えられるが、小型化するためＴＳＳＯＰ−１６パッケージを使用したので、ホール素子９と軟磁性材料２２との距離が約０．７［ｍｍ］となり、上記第１の実施例では、センサ感度の低下は、軟磁性材料２２を設けない場合に比しておよそ５０［％］ダウンであった。
【００５６】
そのため、センサ感度を改善させることを検討した。被測定導体４を流れる電流により発生する磁気をうまく収束させることによって、センサ感度を向上させるため、被測定導体４に軟磁性材料２２を近接させ、電流センサ１００に磁気を効率よく収束できる配置になるように、サイズが１０×７×０．４［ｍｍ］で、材質が７８．７［％］Ｎｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙの軟磁性材料２０を被測定導体４の上に接着剤で貼付けた。軟磁性材料２０の配置は、上記第２の実施の形態と同じ要領で行うことができる。軟磁性材料２０を設けた場合、初期センサ感度に比較して、センサ感度を約５０［％］向上させることができた。また、軟磁性材料２０のサイズを２０×２０×１［ｍｍ］とするとセンサ感度が８０［％］向上した。軟磁性材料２２を装備した状態でも、５０［％］ダウンであったセンサ感度が１０［％］〜２０［％］ダウンに改善された。
【００５７】
このようにして、本実施の形態では、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に軟磁性材料２２を設けた。
これにより、軟磁性材料２２により、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽されるので、従来に比して、外部磁気に対する耐性を向上することができる。
さらに、本実施の形態では、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に軟磁性材料２０を設けた。
これにより、軟磁性材料２０によって、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に効果的に収束することができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。
【００５８】
次に、本発明の第４の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１５は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第４の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１５を参照しながら説明する。図１５は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１５に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備え、電流センサ１００とプリント基板３との間に、被測定導体４を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性材料２４を設けた。軟磁性材料２４としては残留磁気が少なければ少ない物ほどよい。
このような構成であれば、複数の軟磁性材料２４により、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に収束しやすくなる。
【００５９】
次に、本発明に係る実施例を説明する。
センサ感度をさらに増加させるため、電流センサ１００とプリント基板３の間に、図１５に示すように軟磁性材料２４を装着するようにした。使用した軟磁性材料２２は、サイズが４×４×０．１５［ｍｍ］で、材質が７８．７［％］Ｎｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙであり、これを２枚使用した。２枚の間のギャップを２［ｍｍ］とし、幅５［ｍｍ］のモールドパッケージ１の下に接着した。その結果、初期センサ感度を約４０［％］向上させることができた。
【００６０】
この状態にさらに、被測定導体４側に２０×２０×１［ｍｍ］のＮｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙを実装するとセンサ感度は約２１０［％］まで向上できた。
このようにして、本実施の形態では、電流センサ１００とプリント基板３との間に、被測定導体４を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性材料２４を設けた。
これにより、軟磁性材料２４によって、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に効果的に収束することができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。
【００６１】
次に、本発明の第５の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１６は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第５の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１６を参照しながら説明する。図１６は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１６に示すように、複数の被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備える。ここで、電流センサ１００は、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に実装する。
【００６２】
プリント基板３は、絶縁層、配線層、絶縁層および配線層をその順に積層してなる４層構造をとり、各配線層には、被測定導体４が平行に形成されている。
なお、電流センサ１００には、図示しないが、電流センサ１００からのセンサ信号に基づいて各被測定導体４を流れる電流をそれぞれ測定する演算回路が接続されている。演算回路は、電流センサ１００からのセンサ信号を入力し、入力したセンサ信号、および電流センサ１００と各被測定導体４との位置関係に基づいて、各被測定導体４を流れる電流値を演算により算出するようになっている。
このような構成であれば、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に電流センサ１００が実装されているので、各被測定導体４を流れる電流により発生した磁気を電流センサ１００で受けた場合、演算回路により、電流センサ１００からのセンサ信号、および電流センサ１００と各被測定導体４との位置関係に基づいて、各被測定導体４を流れる電流値を演算により算出することができる。
【００６３】
次に、本発明に係る実施例を説明する。
上記第１ないし第４の実施の形態における電流測定方法は、被測定導体４を流れる電流が生成する微弱な磁場を変換して電流を測定するため、被測定導体４に流れる電流のほか、１０［ｃｍ］四方の比較的広い空間に広がる電流も測定可能となる。これに着目し、１つの電流センサ１００により複数の被測定導体４を流れる電流をそれぞれ測定する検討を行った。
【００６４】
図１６に示すように、内層が３５［μｍ］および外層が１７５［μｍ］で総板厚３．２［ｍｍ］の４層のプリント基板３中に、異なる電流を流す幅１５［ｍｍ］の被測定導体４を２つ平行になるように形成し、上記第１の実施例と同様の電流センサ１００を裏面９２に実装した。このとき、電流センサ１００は、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に実装する。ホール素子９までの距離は、一方の被測定導体４についてはおよそ１［ｍｍ］であり、他方の被測定導体４についてはおよそ３．２［ｍｍ］である。このとき、各被測定導体４が電流センサ１００に与えるセンサ感度は、それぞれ５０．４［ｍＶ／Ａ］と４３．２［ｍＶ／Ａ］であった。
【００６５】
一方の被測定導体４には、周波数が５０［Ｈｚ］および振幅が１０［Ａ］の交流電流を流し、他方の被測定導体４には、周波数が１［Ｈｚ］および振幅が１０［Ａ］の矩形波の電流を流した。すると、電流センサ１００からは、期待通り理論値に極めて近い出力を取り出すことができた。センサ信号をアナログ信号処理またはデジタル信号処理することによって、２つの信号を分離することが可能なので、電流センサ１００により双方の被測定導体４を流れる電流をそれぞれ測定することができる。
このようにして、本実施の形態では、プリント基板３は、複数の被測定導体４を有し、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に電流センサ１００を実装した。
【００６６】
これにより、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に電流センサ１００が実装されているので、各被測定導体４を流れる電流により発生した磁気を電流センサ１００で受けた場合、演算回路により、電流センサ１００からのセンサ信号、および電流センサ１００と各被測定導体４との位置関係に基づいて、各被測定導体４を流れる電流値を演算により算出することができる。
なお、上記第５の実施の形態においては、プリント基板３の厚さ方向に２つの被測定導体４が形成されている場合に、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装したが、これに限らず、図１７に示すように、プリント基板３の面方向に複数の被測定導体４が形成されている場合に、電流センサ１００を、裏面９２でかつ被測定導体４の近傍に位置するように実装してもよい。
図１７は、電流センサ１００をプリント基板３の裏面に実装した場合を示す斜視図である。
【００６７】
［産業上の利用可能性］
以上説明したように、本発明に係る請求項１乃至７記載の電流測定方法、または請求項８乃至１６記載の電流測定装置によれば、電流センサを、基板面のうち被測定導体が設けられている面とは反対側の面に実装するので、従来に比して、電流センサの二次側導体と被測定導体との間に電気的絶縁を比較的容易に確保することができるという効果が得られる。また、被測定導体を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体を流れる電流が大きくなっても電流センサのサイズを大きくしなくて済むので、電流センサの小型化を図ることができるという効果も得られる。さらに、被測定導体を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体との接触抵抗による発熱がないため、従来に比して、電流センサの信頼性を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、電流センサを、基板面のうち被測定導体が設けられている面とは反対側の面に実装するので、被測定導体を流れる電流により発生した均一な磁気を電流センサで検出できる。さらに、磁気収束手段により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束がホール素子の感磁面に収束しやすくなるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装するとセンサ感度を向上させることができるという効果も得られる。
【００６８】
さらに、本発明に係る請求項２記載の電流測定方法、または請求項９記載の電流測定装置によれば、電流センサを、基板面のうち被測定導体が設けられている面とは反対側の面でかつ基板を挟んで被測定導体と対称となる位置に実装するので、被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサでさらに検出しやすくなり、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項３記載の電流測定方法、または請求項１０記載の電流測定装置によれば、被測定導体の外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に設けた軟磁性体によって、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に効果的に収束することができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。
【００６９】
さらに、本発明に係る請求項４記載の電流測定方法、または請求項１１記載の電流測定装置によれば、電流センサの外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に設けた軟磁性体により、電流センサのその反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽されるので、従来に比して、外部磁気に対する耐性を向上することができるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項５記載の電流測定方法、または請求項１２記載の電流測定装置によれば、電流センサと基板との間に設けた複数の軟磁性体によって、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に効果的に収束することができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。
【００７０】
さらに、本発明に係る電流測定方法、または電流測定装置によれば、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を効果的にホール素子の感磁面に収束させることができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項６又は７記載の電流測定方法、または請求項１３又は１４記載の電流測定装置によれば、被測定導体を流れる電流により発生した磁束をさらに効果的にホール素子の感磁面に収束させることができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
【００７１】
一方、本発明に係る請求項８乃至１６記載の電流測定装置によれば、磁気収束手段により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束がホール素子の感磁面に収束しやすくなるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。また、電流センサを通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造でき、非接触で被測定導体の電流を測定することができるので、小型化を図ることができるとともに、被測定導体と電流センサとの電気的絶縁を保ちつつ、発熱を抑え、電流の向きを含めて比較的高精度に被測定導体の電流を測定することができるという効果も得られる。さらに、ホール素子および磁気収束手段を通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造できるので、生産効率を高くすることができるという効果も得られる。さらに、一次側導体を同一パッケージに内蔵しないため、基板の導線パターンに間隔を設け、そこに直列に実装する必要もなく比較的小型にすることができるという効果も得られる。さらに、導線パターン上部から間接的に電流を測定できるため、設計後に部品の取り外しを行っても、導線パターンの修正変更が必要にならず、実装を取りやめることが比較的容易であるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項１５記載の電流測定装置によれば、各被測定導体との距離が所定関係となる位置に電流センサが実装されているので、各被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサで受けた場合、電流センサの出力値および所定関係に基づいて各被測定導体を流れる電流を測定することができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図２】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図４】電流センサ１００をプリント基板３上に実装した場合を示す斜視図である。
【図５】電流センサ１００と被測定導体４との距離を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図６】被測定導体４の長さを変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図７】被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図８】幅２［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。
【図９】幅１５［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。
【図１０】被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の長さ方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図１１】電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向（ｘ座標）および厚さ方向（ｙ座標）に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図１２】被測定導体４の電流密度を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図１３】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１４】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１５】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１６】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１７】電流センサ１００をプリント基板３の裏面に実装した場合を示す斜視図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流センサを基板に実装し、基板上の被測定導体を流れる電流を測定する方法および装置に係り、特に、電気的絶縁の確保が容易であるとともに、電流センサの小型化を図ることができ、しかも発熱を防止して信頼性を向上するのに好適な電流測定方法および電流測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プリント基板上の電流を測定する技術としては、シャント抵抗、磁気抵抗素子またはホール素子を用いたものが広く知られている。
ホール素子を用いて電流を測定する技術としては、例えば、特開平８−２３３８６５号公報に開示されている電流検知ユニット（以下、第１の従来例という。）、特開平１０−２６７９６５号公報に開示されている電流センサを用いた電流測定方法（以下、第２の従来例という。）、およびＵＳ特許５９４２８９５号公報に開示されている電流センサを用いた電流測定方法（以下、第３の従来例という。）が知られている。
【０００３】
第１の従来例は、プリント基板と、プリント基板の一面側に凹部を形成し、他の一面側からはこの凹部に連通する孔を設け、一面側の孔上またはその孔中に配置した磁気センサと、プリント基板の上部に設けられるコイル部と、コイル部の上部に設けられ、磁気センサと対向する側に突起部を設けた第１の磁性体コアと、磁気センサと対向するよう凹部内に設けた第２の磁性体コアとで構成されている。電流検知ユニットのコイル部をプリント基板上の電流導体と直接接続することにより、電流検知効率が高く、表面実装可能な構造となっている。
【０００４】
第２の従来例は、被測定電流を流す導体、磁性体の薄片および磁電変換素子からなり、導体の中間部に扁平な凸部を設けその下部内側に被測定電流に対し垂直となるように磁電変換素子を固定し、かつ電流によって発生する磁界を磁電変換素子に収束させるための磁性体の薄片から構成されている。電流センサの被測定導体とプリント基板上の電流導体を直列に接続して基板実装することによって外来ノイズを遮断し得る高効率の電流センサを実現できる。
これら従来例にも見るように、電流センサ内に設けられている電流導体（以下、一次側電流導体という。）と、プリント基板上に設けられかつ測定対象となる電流導体（以下、被測定導体という。）とを直列に直接接続し、被測定導体を流れる電流を一次側電流導体に流すことにより、被測定導体を流れる電流を高精度に測定する方法が広く行われてきた。
【０００５】
また、シャント抵抗を用いた電流測定方法にあっても、シャント抵抗と被測定導体とを直列に直接接続し、被測定導体を流れる電流をシャント抵抗に流して電圧降下を生じさせ、その電位差を測定することにより、被測定導体を流れる電流を高精度に測定している。
さらに、最新の技術ではＧＭＲ等の高感度磁気センサを電流導線の上に、貼り付けて、非接触で電流を測定する方法が考案されてきている。
【０００６】
しかしながら、第１ないし第３の従来例にあっては、一次側電流導体と被測定導体とを直接接続する構成であるため、電流センサ内に設けられかつセンサ信号を出力するための信号線（以下、二次側電流導体という。）と被測定導体との間に電気的絶縁を十分に確保しなければならず、電流センサの実装に一定の制約があるという問題があった。電気的絶縁が十分でない場合は、例えば、電流センサからのセンサ信号を利用する回路側にノイズや過大な入力が伝わる可能性がある。また、被測定導体を流れる電流が大きい場合は、それに合わせて一次側電流導体のサイズも大きくする必要があり、電流センサが大型になるという問題もあった。さらに、一次側電流導体と被測定導体とを直接接続すると、接続部分の接触抵抗に電流が流れることにより発熱し、その発熱量が大きければ、電流センサの信頼性を損なう可能性があるという問題もあった。
【０００７】
また、シャント抵抗を用いた電流測定方法にあっても同様に、センサ信号を出力するための信号線と被測定導体との間に電気的絶縁がとれず、実装に一定の制約があるという問題があった。また、被測定導体を流れる電流が大きい場合は、それに合わせてシャント抵抗のヒートシンクのサイズも大きくする必要があり、電流センサが大型になるという問題もあった。さらに、シャント抵抗と被測定導体とを直接接続すると、抵抗に電流が流れることにより発熱し、その発熱量が大きければ、電流センサの信頼性を損なう可能性があるという問題もあった。さらに、シャント抵抗の場合、精密な抵抗値をもつことが必要であるため、選別しなければならないという問題もあった。
【０００８】
さらに、最新のＧＭＲ等を用いた高感度磁気センサによる非接触電流測定方法では、磁気センサとしてのヒステリシスが大きく、充分に精度を出せなかったり、バイアスマグネットを利用する必要があるため、取り付け精度が厳しかったり、実装場所が限定されたり、さらには電流の向きが検出できなかったりといった問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、電気的絶縁の確保が容易であるとともに、電流センサの小型化を図ることができ、しかも発熱を防止して信頼性を向上するのに好適な電流測定方法および電流測定装置を提供することを目的としている。
【０００９】
［発明の開示］
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の電流測定方法は、被測定導体を有する基板に電流センサを実装し、前記電流センサにより前記被測定導体を流れる電流を測定する方法であって、前記基板は、両面にプリント配線が形成されたプリント基板であり、前記被測定導体は、前記プリント基板の一方の面に形成された前記プリント配線で構成され、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面であって、前記被測定導体を幅方向に見てその両端部より内側に位置するように実装し、前記電流センサは、磁気を検出するホール素子と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束手段とを一体に内蔵した構成を備え、前記被測定導体を流れる電流により発生した磁束が前記ホール素子の感磁面に収束するように前記ホール素子と前記基板面との間に前記磁気収束手段を設けた。
ここで、電流を測定することには、被測定導体を流れる電流の大きさを得ること、電流の有無を検出すること、電流値が所定値を超えたかを検出することが含まれる。以下、請求項８記載の電流測定装置において同じである。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項２記載の電流測定方法は、請求項１記載の電流測定方法において、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面でかつ前記基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に実装した。
さらに、本発明に係る請求項３記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記被測定導体の外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設ける。
さらに、本発明に係る請求項４記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記電流センサの外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設ける。
【００１１】
さらに、本発明に係る請求項５記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記電流センサと前記基板との間に、前記被測定導体を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性体を設ける。
さらに、本発明に係る請求項６項記載の電流測定方法は、請求項１及び２のいずれかに記載の電流測定方法において、前記磁気収束手段は、複数の磁気収束板からなり、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように設けた。
【００１２】
さらに、本発明に係る請求項７記載の電流測定方法は、請求項６記載の電流測定方法において、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するようにかつ前記基板の面方向からみて前記磁気収束板が前記被測定導体の中心線の両側に位置するように、前記複数の磁気収束板を、間隔をあけて設けた。
【００１３】
一方、上記目的を達成するために、本発明に係る請求項８記載の電流測定装置は、被測定導体を有する基板と、前記基板面上に実装する電流センサとを備え、前記被測定導体を流れる電流を測定する装置であって、前記基板は、両面にプリント配線が形成されたプリント基板であり、前記被測定導体は、前記プリント基板の一方の面に形成された前記プリント配線で構成され、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面であって、前記被測定導体を幅方向に見てその両端部より内側に位置するように実装し、前記電流センサは、磁気を検出するホール素子と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束手段とを一体に内蔵した構成を備え、前記被測定導体を流れる電流により発生した磁束が前記ホール素子の感磁面に収束するように前記ホール素子と前記基板面との間に前記磁気収束手段を設けた。
このような構成であれば、被測定導体に電流が流れると、被測定導体を流れる電流により磁気が発生し、発生した磁気が被測定導体に対して基板の反対面に到達し、電流センサにより、到達した磁気を受けて被測定導体を流れる電流が非接触で測定される。したがって、被測定導体に対して基板の反対面に電流センサを実装し、反対面から電流を測定することができる。
【００１４】
また、磁気収束手段により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束がホール素子の感磁面に収束し、ホール素子により、収束した磁束が電圧に変換される。したがって、ホール素子からの出力電圧により、被測定導体を流れる電流を非接触で測定することができる。
さらに、本発明に係る請求項９記載の電流測定装置は、請求項８記載の電流測定装置において、前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面でかつ前記基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に実装した。
このような構成であれば、被測定導体を流れる電流により発生した磁気は、被測定導体に対して基板の反対面のうち、基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に到達しやすいので、その位置に電流センサを設けることにより、被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサで検出しやすくなる。
【００１５】
さらに、本発明に係る請求項１０記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記被測定導体の外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けた。
このような構成であれば、被測定導体の外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体が設けられているので、軟磁性体により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に収束しやすくなる。
さらに、本発明に係る請求項１１記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記電流センサの外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けた。
【００１６】
このような構成であれば、電流センサの外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体が設けられているので、軟磁性体により、電流センサのその反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽される。
さらに、本発明に係る請求項１２記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記電流センサと前記基板との間に、前記被測定導体を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性体を設けた。
このような構成であれば、電流センサと基板との間に複数の軟磁性体が設けられているので、複数の軟磁性体により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に収束しやすくなる。
【００１７】
さらに、本発明に係る請求項１３記載の電流測定装置は、請求項８及び９のいずれかに記載の電流測定装置において、前記磁気収束手段は、複数の磁気収束板からなり、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように設けた。
【００１８】
このような構成であれば、磁気収束板の面が基板面と対向するように磁気収束板が設けられているので、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を磁気収束板で受けやすくなる。そのため、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を効果的にホール素子の感磁面に収束させることができる。
さらに、本発明に係る請求項１４記載の電流測定装置は、請求項１３記載の電流測定装置において、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するようにかつ前記基板の面方向からみて前記磁気収束板が前記被測定導体の中心線の両側に位置するように、前記複数の磁気収束板を、間隔をあけて設けた。
このような構成であれば、基板の面方向からみて磁気収束板が被測定導体の中心線の両側に位置するように磁気収束板が間隔をあけて設けられているので、磁気収束板で受けた磁束を効果的にホール素子の感磁面に収束させることができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る請求項１５記載の電流測定装置は、請求項８乃至１４のいずれかに記載の電流測定装置において、前記基板は、複数の前記被測定導体を有し、前記各被測定導体との距離が所定関係となる位置に前記電流センサを実装した。
このような構成であれば、各被測定導体との距離が所定関係となる位置に電流センサが実装されているので、各被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサで受けた場合、電流センサの出力値および所定関係に基づいて各被測定導体を流れる電流を測定することができる。各電流の測定は、例えば、演算等により行うことができる。
【００２０】
さらに、本発明に係る請求項１６記載の電流測定装置は、請求項８乃至１５のいずれかに記載の電流測定装置において、前記ホール素子の感磁部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂからなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１〜図１２は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１ないし図３を参照しながら説明する。図１および図２は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。図３は、図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１および図２に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、プリント基板３の面上に実装する電流センサ１００とを備え、電流センサ１００を、プリント基板３の表面のうち被測定導体４が設けられている面とは反対側の面９２（以下、単に裏面という。）に実装している。
【００２２】
電流センサ１００は、図１に示すように、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２をモールドパッケージ１に内蔵して構成されている。モールドパッケージ１の内部には、モールドパッケージ１の外装面のうち実装時にプリント基板３と対向することとなる面９０（以下、単に対向面という。）側に磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２が設けられている。
また、モールドパッケージ１には、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２をダイボンドするためのリードフレーム６が設けられている。リードフレーム６の端部は、プリント基板３に実装できるように曲げてある。また、モールドパッケージ１内に設けられたリードフレーム６には、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２が接着用ペースト５により接着されている。
【００２３】
磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２は、図２および図３に示すように、信号処理回路１０の外装面のうち実装時にプリント基板３と対向することとなる面に２つのホール素子９を設けるとともに、信号処理回路１０と対向面９０との間に２つの磁気収束板１１を設けてなる。ここで、ホール素子９は、２つ１組のペアであれば、２組以上設けても構わない。磁気収束板１１は、実装時に磁気収束板１１の面がプリント基板３の面と対向するようにかつプリント基板３の面方向からみて磁気収束板１１が被測定導体４のセンサ実装面への射影の中心線の両側に位置する最適位置にするか、少なくとも被測定導体４のセンサ実装面への射影に近接するように所定の間隔をあけて設ける。磁気収束板１１の間隔をあけることにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束は、両側の磁気収束板１１により、ホール素子９の感磁面に向けて収束される。なお、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２の構造については、第３の従来例に詳しい。
【００２４】
プリント基板３は、紙フェノール、紙エポキシまたはガラスエポキシ等の材質で構成されている。もちろん、これらに限定されるものではないが、ポリイミド系材料であれば、プリント基板３の厚さを小さくできてよい。なお、プリント基板３の厚さは、いかなる大きさであってもよいが、厚さが小さければ小さいほどセンサ感度を上げることができるので、極力小さい方が好ましい。ただし、絶縁性と実装位置の自由度を得るためには、必要最小限の厚みは必要とされる。
【００２５】
被測定導体４は、例えば、Ｃｕ等の金属箔からなる電流導線であり、被測定導体４を流れる電流値、要求される電流感度に応じて最適な形状とすることができる。電流値が大きければ、被測定導体４の厚みを増し、電流感度を向上する場合は、被測定導体４の幅を小さくする。被測定導体４の長さは、センサ感度をほぼ一定にするためには、所定の長さ以上あればよい。なお、被測定導体４の幅とは、プリント基板３の面方向に沿った長さであって被測定導体４を流れる電流の向きと直交する長さをいい、被測定導体４の長さとは、プリント基板３の面方向に沿った長さであって被測定導体４を流れる電流の向きの長さをいい、被測定導体４の厚さとは、プリント基板３の面方向と直交する方向に沿った長さをいう。以下、同じである。
【００２６】
図４は、電流センサ１００をプリント基板３上に実装した場合を示す斜視図である。
電流センサ１００は、図４に示すように、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装する。この場合、被測定導体４を流れる電流が作る磁場の様子は、図２における符号１２，１３および図４における符号１３に示すようになる。ホール素子９の下方には、磁気収束板１１が所定の間隔をもって、ホール素子９に平行になるように配置されているので、被測定導体４を図面裏側から図面表側に向けて電流が流れているとき、電流により発生する磁界は、図２および図４における符号１３に示すようになり、特に、ホール素子９近傍の磁界は、磁気収束板１１により符号１２に示すように収束される。これにより、ホール素子９の感磁面の磁束密度を大きくすることができる。
信号処理回路１０は、ホール素子９により磁電変換して得られるホール起電力を加算増幅する。なお、ホール素子９と信号処理回路１０とは、必ずしも、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２としてモノリシックに構成されている必要はなく、ハイブリッドに構成されていても構わない。また、ホール素子９の感磁部の材質として、Ｓｉ以外にＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等のＩＩＩＶ族系の高感度化合物半導体を利用すれば、さらに電流感度を向上させることができる。
【００２７】
このように、電流センサ１００は、磁気収束板付きホールＡＳＩＣ２およびリードフレーム６をモールド樹脂で一体加工したものであり、汎用的なプロセスで大量生産に適した構造になっている。
なお、本実施の形態では、リードフレーム６を用いているが、リードフレーム６を使用しなくとも、ホール素子９の感磁面が絶縁層を介して被測定導体４に近接または接触できれば、フリップチップとし、フリップチップボンディングタイプのものとして構成しても構わない。また、この場合、図１のようにフェイスダウン構造でなくともよく、磁気収束板、ホール素子、基板、電流導体の順番であっても構わない。この場合、モールド樹脂で一体加工する必要はない。さらに、電流センサ１００は上記形態以外にもプリント基板３面に平行な磁界を本願実施例と同程度以上の性能で検出できるものであれば使用できる。
【００２８】
【実施例】
次に、本発明に係る実施例を図５ないし図１２を参照しながら説明する。
プリント基板３の厚さを１．６［ｍｍ］とし、厚さ３５［μｍ］および幅１５［ｍｍ］の銅箔からなる被測定導体４をプリント基板３上に形成し、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と対称となる位置に実装した。この実装により、電流センサ１００と被測定導体４との間に電気的絶縁を十分に確保することができる。
【００２９】
電流センサ１００には、一般に広く利用されているＴＳＳＯＰ−１６パッケージをモールドパッケージ１として使用した。モールドパッケージ１の厚さは、およそ１［ｍｍ］で、底面からおよそ３００［μｍ］の位置にホール素子９を配置する構造とし、被測定導体４に極力近接するように配置した。ホール素子９の表面には、軟磁性材料からなる複数の磁気収束板１１を配置し、対向面９０に平行な磁気をホール素子９に収束させる機能を持たせている。ホール素子９より得られたセンサ信号をモールドパッケージ１内に内臓した信号処理回路１０で演算増幅することによって、最終的な電流センサ１００単体での磁気感度を１６０［ｍＶ／ｍＴ］にできる電流センサ１００を利用した。信号処理回路１０の増幅率または電流センサ１００内部の磁気回路の変更によっては、１６００［ｍＶ／ｍＴ］までの磁気感度を実現できたが、本発明では、標準の電流センサとして、１６０［ｍＶ／ｍＴ］の磁気感度を持つものを使用した。
【００３０】
図５は、電流センサ１００と被測定導体４との距離を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、横軸の距離は、被測定導体４と電流センサ感磁部の距離である。図５は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図５のグラフによれば、電流センサ１００と被測定導体４との距離が小さくなるほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。したがって、センサ感度を向上する観点からは、電流センサ１００と被測定導体４との距離を小さくし、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。一方、被測定導体４の幅を広くすると距離が変化しても感度の変化が少なくなり、距離の変化に対して均一な感度が得られるというメリットがある。
【００３１】
図６は、被測定導体４の長さを変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ］とした。また、センサ感度は、基板の面方向からみたとき、被測定導体４の中心位置に電流センサ１００を配置したときの値である。図６は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図６のグラフによれば、被測定導体４の長さが大きくなるほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。ただし、被測定導体４の長さについては、いずれの幅Ｗにおいても被測定導体４の長さが１０［ｍｍ］より大きくなるとセンサ感度の変化はほぼない。したがって、センサ感度を向上する観点からは、被測定導体４の長さを１０［ｍｍ］より大きくし、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。
【００３２】
図７は、被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ」とした。図７は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図７のグラフによれば、電流センサ１００の実装位置が被測定導体４の幅方向の中心位置に近づくほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。ただし、電流センサ１００の実装位置については、被測定導体４の幅Ｗの１／２、すなわち、被測定導体４を幅方向にみてその両端付近までのずれであれば、要求される測定精度によってはセンサ感度の低下を許容することができる。これは、電流センサ１００を必ずしも被測定導体４の真下に配置することはなく、被測定導体４を幅方向にみてその両端付近までは自由に実装位置を決められることを意味し、実装の自由度が向上することがわかる。したがって、センサ感度を向上する観点からは、電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向の中心位置に近づけ、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。
【００３３】
一方、図７に示すように、プリント基板３上の被測定導体４が生成する磁界は、被測定導体４の幅が広くなればなるほど均一性が高くなり、本発明の高精度な電流センサ１００を利用することで、横（ｘ）方向の位置ずれに対して感度の変化が極めて少ない。特に数［Ａ］以上の電流を流すような場合、被測定導体４の幅が数［ｍｍ］以上になるが、この場合横方向に１［ｍｍ］以上ずれても大きな感度変化は認められなくなるため、電流センサ１００実装時の位置ずれを気にする必要はなくなる。結論としては、精度上求められる電流感度が決まったら、必要以上に被測定導体４の幅を狭くせず、広めに設計する方が電流センサ実装位置の自由度が増える。
【００３４】
図８は、幅２［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。図９は、幅１５［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。ただし、図８および図９の双方とも、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ］とした。変位はともに、基板の面方向からみたときの被測定導体４の中心位置から被測定導体横方向の変位である。
【００３５】
さらに、図７からいえることは、電流センサ１００と被測定導体４のずれが「０」のとき、最も電流感度が高くなるが、図８および図９に示すように、ある程度、位置ずれがあっても被測定導体４の幅程度の位置ずれでは感度の変化率は被測定導体４と同一面に実装する表面実装の場合と比較しても緩やかな変化となる。被測定導体４の幅の半分程度の位置ずれを起こしても位置ずれなしの最大電流感度のおよそ５０％以上を維持することができる。また、被測定導体４の幅程度の位置ずれの場合、感度の低下は大きいものの、その近傍での位置ずれに対する変化が小さいことが分かる。このことから意図的に電流センサ１００を被測定導体４の端部近傍あるいは端部から離して実装する（被測定導体４の幅方向に位置を移動し実装する）ことで充分な精度で電流を測定することができることが分かる。このことは、被測定導体４の実装面とは逆の面に実装したことによって、被測定導体４に対し電流センサ１００を配置する自由度が高くできることを意味しており、回路基板の設計者に対して設計の自由度を大きく広げることにつながる。プリント基板３を隔て、自らの実装面とは逆面上の被測定導体４中の電流を非接触で測定するようにしたことで、絶縁性を確保しつつ、プリント基板３面に平行な磁場成分の均一性が向上し、かつ電流センサ１００がプリント基板３面に平行な均一磁界を精度よく測定できるものであるため、実装位置の自由度を大きく向上させることができる。
【００３６】
図１０は、被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の長さ方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、被測定導体４の厚みを３５［μｍ］とし、プリント基板３の厚みを１．６［ｍｍ］とし、被測定導体４の長さを２０［ｍｍ］とした。図１０は、被測定導体４の幅Ｗを、２［ｍｍ］、４［ｍｍ］、６［ｍｍ］、１０［ｍｍ］、１５［ｍｍ］、２０［ｍｍ］、２５［ｍｍ］、４０［ｍｍ］、５０［ｍｍ］および６０［ｍｍ］とした場合についてセンサ感度の変化を調べたものである。図１０のグラフによれば、電流センサ１００の実装位置が被測定導体４の長さ方向の中心位置に近づくほど、および被測定導体４の幅Ｗが小さくなるほど、センサ感度が向上していることが分かる。したがって、センサ感度を向上する観点からは、電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の長さ方向の中心位置に近づけ、被測定導体４の幅Ｗを小さくすることが好ましい。
【００３７】
図１１は、電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向（ｘ座標）および厚さ方向（ｙ座標）に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、厚み１．６［ｍｍ］のプリント基板３に電流センサ１００を実装した状態がｙ座標＝０［ｍｍ］に対応し、ｙ軸方向が、被測定導体４とプリント基板３の距離が大きくなる方向を示している。センサ感度が最大になるｘ座標が、被測定導体４の中心位置に相当する。図１１のグラフをｘ軸方向、ｙ軸方向からみた図が図５と図７である。
【００３８】
また、図５のグラフを参照すると、被測定導体４がプリント基板３の厚さに対して十分広い場合、電流センサ１００とプリント基板３の距離が多少ずれてもセンサ感度の変化率は少なく、被測定導体幅Ｗ＝１５［ｍｍ］のときで約１．３［％］／０．１［ｍｍ］であった。また、図７のグラフを参照すると、被測定導体４の電流の流れに対して９０°になる横方向に電流センサ１００が位置ずれした場合もセンサ感度の変化は、被測定導体幅Ｗ＝１５［ｍｍ］のときで約０．３［％］／１［ｍｍ］であった。電流の量を測定するのに必要な被測定導体４の長さは２０［ｍｍ］以上あっても、それ以上の長さについてはセンサ感度への影響はほとんどない。そのため、被測定導体４の長さとしては、図６のグラフを参照すると、２０［ｍｍ］程度確保できれば十分である。
【００３９】
本実施例による電流測定方法では、被測定導体４の形状と相対位置により、センサ感度が決まるが、１５［ｍｍ］幅の被測定導体４を電流センサ１００で測定したときのセンサ感度は、５．６［ｍＶ／Ａ］であった。一般の電流スイッチとしては、十分に機能できるほか、高感度の電流センサ１００を使用すればセンサ感度をおよそ１０倍にも向上させることができ、制御用にも十分使用できる。
図１２は、被測定導体４の電流密度を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。ただし、図１２の結果は、プリント基板３の厚さを１．６［ｍｍ］とし、被測定導体４に流す電流値を一定（Ｉ＝５、１０、３０、６０［Ａ］）にした場合である。
【００４０】
センサ感度を向上させるためには、図５ないし図１０の結果が示す通り、被測定導体４の幅Ｗをできるだけ小さくしたいが、一般的に３５［μｍ］厚の銅箔板からなる被測定導体４は、幅１［ｍｍ］あたりに流せる電流値として最大１［Ａ］を基準に設計されている。これは、発熱による問題を考慮したためである。すなわち、電流量によっては、むやみに被測定導体４の幅を小さくすることができない。被測定導体４の幅Ｗを小さくする場合は、発熱の問題を回避するために被測定導体４の厚さを大きくする必要がある。図１２の結果が示すように、測定電流範囲によらず、電流密度を１５［Ａ／ｍｍ］より大きくしてもセンサ感度はさほど大きくならない。最大Ｉｍａｘ［Ａ］の電流を流すようにしたとき、１５［Ａ／ｍｍ］の電流密度になるようにするには、被測定導体４の幅をＩｍａｘ／１５［ｍｍ］とする必要がある。
【００４１】
したがって、最大電流値を６０［Ａ］とすると、被測定導体４の幅Ｗは、およそ４［ｍｍ］にすればよいが、被測定導体４の厚さを３５［μｍ］から１５倍以上にする必要がある。被測定導体４の厚さをおよそ５００［μｍ］〜１［ｍｍ］とすれば、６０［Ａ］程度の電流を良好なセンサ感度で測定するためには、被測定導体４の幅Ｗを４〜５［ｍｍ］とすればよい。被測定導体４の幅Ｗがこのような範囲にあれば、センサ感度が向上するため、被測定導体４を流れる電流をより高精度に測定することができる。
【００４２】
また、電流センサ１００を使用した場合、１５［ｍＶ／Ａ］のセンサ感度を得るためには、被測定導体４を流れる電流として１５［Ａ／ｍｍ］の電流密度が必要である。最大Ｉｍａｘ［Ａ］の電流を流すようにしたとき、１５［Ａ／ｍｍ］の電流密度になるようにするには、被測定導体４の幅をＩｍａｘ／１５［ｍｍ］とする必要がある。ただし、被測定導体４の厚さは、最低でも３５［μｍ］×１５以上にする必要がある。厚さもできるだけ小さい方がセンサ感度の低下が少なくなるので、０．５［ｍｍ］以上でかつ１［ｍｍ］以下の厚さが好ましい。したがって、数十［Ａ］の電流を考えた場合、最大電流をＩｍａｘ［Ａ］とすると、被測定導体４の形状は、幅Ｉｍａｘ／１５［ｍｍ］以下、長さ１０［ｍｍ］以上、厚さ１．０［ｍｍ］以下とするのが適当である。
【００４３】
このようにして、本実施の形態では、被測定導体４を有するプリント基板３と、プリント基板３面上に実装する非接触型の電流センサ１００とを備え、電流センサ１００を裏面９２に実装した。
これにより、電流センサ１００を裏面９２に実装するので、従来に比して、電流センサ１００の二次側導体と被測定導体４との間に電気的絶縁を比較的容易に確保することができる。また、被測定導体４を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体４を流れる電流が大きくなっても電流センサ１００のサイズを大きくしなくて済むので、電流センサ１００の小型化を図ることができる。さらに、被測定導体４を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体４との接触抵抗による発熱がないため、従来に比して、電流センサ１００の信頼性を損なう可能性を低減することができる。
【００４４】
被測定導体４を一体に内蔵するような従来型の電流センサでは、高精度に電流を測定するためには、一次導体と磁気センサの間に位置ずれが発生しないように一次導体と磁気センサを一体成型したり、組立した後にキャリブレーションを行ったりする必要があった。特にバイアスマグネットを使用する必要のある磁気センサを利用するものでは、電流を正確に測定するためには、バイアスマグネット、一次導体、磁気センサ等の構成部品の位置精度を充分に確保し、バイアスマグネットの特性や磁気センサ感度のばらつき等の影響でさらに校正をする必要があった。また、被測定導体４を内蔵しないような電流センサを使用するような場合では、プリント基板３の被測定導体４のある面と同一面に電流センサを実装する場合、被測定導体４の幅が大きくなると電流センサのパッケージサイズやパッケージ種類（ＳＯＰ、ＱＦＰ、ＱＦＮ、ＢＧＡ等）の問題でパターン上に実装できなかったり、電流感度が実装位置により大きく変化したりするため、実装場所を選ぶ必要があった。
【００４５】
本発明に係る電流測定方法および電流測定装置は、これらの問題に対して極めて有効であることを見出してなし得たものである。裏面実装は、パッケージサイズやパッケージ種類による位置の制約がない上に、広いエリアで緩やかに変化し、比較的均一な電流感度が得られるのに加え、電流センサの実装基板面に平行な磁界をヒステリシス等なく精度よく検出する電流センサを使用することによって、電流感度の校正なしでも充分な精度を実現できるようになった。このことにより、実装位置に関する自由度が広くなり、電流センサの使用者は、プリント基板３上に回路を設計する際の自由度が大きくなったといえる。
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と対称となる位置に実装した。
【００４６】
これにより、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と対称となる位置に実装するので、被測定導体４を流れる電流により発生した磁気を電流センサ１００で検出しやすくなり、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００は、磁気を検出するホール素子９と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束板１１とを備え、電流センサ１００の外装面のうち実装時にプリント基板３面と対向することとなる面側にホール素子９を設け、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束がホール素子９の感磁面に収束するように磁気収束板１１を設けた。
【００４７】
これにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束がホール素子９の感磁面に収束しやすくなるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。また、電流センサ１００を通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造でき、非接触で被測定導体４の電流を測定することができるので、小型化を図ることができるとともに、被測定導体４と電流センサ１００との電気的絶縁を保ちつつ、電流の向きを含めて比較的高精度に被測定導体４の電流を測定することができる。さらに、ホール素子９および磁気収束板１１を通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造できるので、生産効率を高くすることができる。さらに、一次側導体を同一パッケージに内蔵しないため、プリント基板３の導線パターンに間隔を設け、そこに直列に実装する必要もなく比較的小型にすることができる。さらに、導線パターン上部から間接的に電流を測定できるため、設計後に部品の取り外しを行っても、導線パターンの修正変更が必要にならず、実装を取りやめることが比較的容易である。
【００４８】
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００は、ホール素子９および磁気収束板１１を一体に内蔵し、ホール素子９と対向面９０との間に磁気収束板１１を設けた。
これにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を効果的にホール素子９の感磁面に収束させることができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができる。
さらに、本実施の形態では、電流センサ１００の実装時に磁気収束板１１の面がプリント基板３面と対向するようにかつプリント基板３の面方向からみて磁気収束板１１が被測定導体４の中心線の両側に位置するように、複数の磁気収束板１１を、間隔をあけて設けた。
【００４９】
これにより、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束をさらに効果的にホール素子９の感磁面に収束させることができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができる。
上記第１の実施の形態において、磁気収束板１１は、請求項１、６、８、または１３記載の磁気収束手段に対応している。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１３は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第２の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１３を参照しながら説明する。図１３は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１３に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備え、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に薄板形状の軟磁性材料２０を設けた。軟磁性材料２０としては残留磁気が少なければ少ない物ほどよい。
【００５１】
このような構成であれば、軟磁性材料２０により、被測定導体４を流れる電流により発生した磁界のうち、被測定導体４からみて電流センサ１００の反対側に放射するものを電流センサ１００の側に収束しやすくなる。また、軟磁性材料２０は、被測定導体４の作る磁界以外の外乱磁界の影響を低減する効果がある。
このようにして、本実施の形態では、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に軟磁性材料２０を設けた。
これにより、軟磁性材料２０によって、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に効果的に収束することができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を向上させかつ外乱磁気を低減することができる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１４は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第３の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１４を参照しながら説明する。図１４は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１４に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備え、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に薄板形状の軟磁性材料２０を設けるとともに、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に薄板形状の軟磁性材料２２を設けた。軟磁性材料２０，２２としては残留磁気が少なければ少ない物ほどよい。
【００５３】
このような構成であれば、軟磁性材料２２により、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽される。また、軟磁性材料２０により、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束のうち、被測定導体４からみて電流センサ１００の反対側に放射するものを電流センサ１００の側に収束しやすくなる。
【００５４】
次に、本発明に係る第１の実施例を説明する。
外乱磁気の影響を低減する手法として、図１４に示すように、モールドパッケージ１の表面に軟磁性材料２２を装着した。磁気シールドすることによって、外乱磁気を軟磁性材料２２の面方向に収束させ、ホール素子９に対する外乱磁気の影響を低減できるようにするようにした。使用した軟磁性材料２２は、サイズが４×４×０．１５［ｍｍ］で、材質が７８．７［％］Ｎｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙである。その結果、最も問題になるのは、モールドパッケージ１上部からの外乱磁気の影響であるが、モールドパッケージ１から５［ｃｍ］上の電流導体が与える影響を調べたところ、軟磁性材料２２を設けない場合に比して、外乱磁気の影響を１／３に低減することができた。また、モールドパッケージ１から８［ｃｍ］上の電流導体が与える影響を調べたところ、軟磁性材料２２を設けない場合に比して、外乱磁気の影響を１／５に低減することができた。
【００５５】
次に、本発明に係る第２の実施例を説明する。
上記第１の実施例における電流測定方法は、磁気シールドすることによって、外乱磁気の影響を低減することができるが、軟磁性材料２２の実装によって、本来測定すべき被測定導体４に対するセンサ感度そのものも低下させてしまう。軟磁性材料２２をホール素子９から約１［ｍｍ］以上離隔すれば、センサ感度の低下も抑えられるが、小型化するためＴＳＳＯＰ−１６パッケージを使用したので、ホール素子９と軟磁性材料２２との距離が約０．７［ｍｍ］となり、上記第１の実施例では、センサ感度の低下は、軟磁性材料２２を設けない場合に比しておよそ５０［％］ダウンであった。
【００５６】
そのため、センサ感度を改善させることを検討した。被測定導体４を流れる電流により発生する磁気をうまく収束させることによって、センサ感度を向上させるため、被測定導体４に軟磁性材料２２を近接させ、電流センサ１００に磁気を効率よく収束できる配置になるように、サイズが１０×７×０．４［ｍｍ］で、材質が７８．７［％］Ｎｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙの軟磁性材料２０を被測定導体４の上に接着剤で貼付けた。軟磁性材料２０の配置は、上記第２の実施の形態と同じ要領で行うことができる。軟磁性材料２０を設けた場合、初期センサ感度に比較して、センサ感度を約５０［％］向上させることができた。また、軟磁性材料２０のサイズを２０×２０×１［ｍｍ］とするとセンサ感度が８０［％］向上した。軟磁性材料２２を装備した状態でも、５０［％］ダウンであったセンサ感度が１０［％］〜２０［％］ダウンに改善された。
【００５７】
このようにして、本実施の形態では、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に軟磁性材料２２を設けた。
これにより、軟磁性材料２２により、電流センサ１００の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽されるので、従来に比して、外部磁気に対する耐性を向上することができる。
さらに、本実施の形態では、被測定導体４の外装面のうちプリント基板３と対向する面とは反対側の面に軟磁性材料２０を設けた。
これにより、軟磁性材料２０によって、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に効果的に収束することができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。
【００５８】
次に、本発明の第４の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１５は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第４の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１５を参照しながら説明する。図１５は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１５に示すように、被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備え、電流センサ１００とプリント基板３との間に、被測定導体４を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性材料２４を設けた。軟磁性材料２４としては残留磁気が少なければ少ない物ほどよい。
このような構成であれば、複数の軟磁性材料２４により、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に収束しやすくなる。
【００５９】
次に、本発明に係る実施例を説明する。
センサ感度をさらに増加させるため、電流センサ１００とプリント基板３の間に、図１５に示すように軟磁性材料２４を装着するようにした。使用した軟磁性材料２２は、サイズが４×４×０．１５［ｍｍ］で、材質が７８．７［％］Ｎｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙであり、これを２枚使用した。２枚の間のギャップを２［ｍｍ］とし、幅５［ｍｍ］のモールドパッケージ１の下に接着した。その結果、初期センサ感度を約４０［％］向上させることができた。
【００６０】
この状態にさらに、被測定導体４側に２０×２０×１［ｍｍ］のＮｉ ｐｅｒｍａｌｌｏｙを実装するとセンサ感度は約２１０［％］まで向上できた。
このようにして、本実施の形態では、電流センサ１００とプリント基板３との間に、被測定導体４を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性材料２４を設けた。
これにより、軟磁性材料２４によって、被測定導体４を流れる電流により発生した磁束を電流センサ１００の側に効果的に収束することができるので、被測定導体４に対してプリント基板３の反対面から電流センサ１００を実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができる。
【００６１】
次に、本発明の第５の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１６は、本発明に係る電流測定方法および電流測定装置の第５の実施の形態を示す図である。以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明をし、重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、本発明に係る電流測定装置の構造を図１６を参照しながら説明する。図１６は、電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
本発明に係る電流測定装置は、図１６に示すように、複数の被測定導体４を有するプリント基板３と、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装した電流センサ１００とを備える。ここで、電流センサ１００は、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に実装する。
【００６２】
プリント基板３は、絶縁層、配線層、絶縁層および配線層をその順に積層してなる４層構造をとり、各配線層には、被測定導体４が平行に形成されている。
なお、電流センサ１００には、図示しないが、電流センサ１００からのセンサ信号に基づいて各被測定導体４を流れる電流をそれぞれ測定する演算回路が接続されている。演算回路は、電流センサ１００からのセンサ信号を入力し、入力したセンサ信号、および電流センサ１００と各被測定導体４との位置関係に基づいて、各被測定導体４を流れる電流値を演算により算出するようになっている。
このような構成であれば、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に電流センサ１００が実装されているので、各被測定導体４を流れる電流により発生した磁気を電流センサ１００で受けた場合、演算回路により、電流センサ１００からのセンサ信号、および電流センサ１００と各被測定導体４との位置関係に基づいて、各被測定導体４を流れる電流値を演算により算出することができる。
【００６３】
次に、本発明に係る実施例を説明する。
上記第１ないし第４の実施の形態における電流測定方法は、被測定導体４を流れる電流が生成する微弱な磁場を変換して電流を測定するため、被測定導体４に流れる電流のほか、１０［ｃｍ］四方の比較的広い空間に広がる電流も測定可能となる。これに着目し、１つの電流センサ１００により複数の被測定導体４を流れる電流をそれぞれ測定する検討を行った。
【００６４】
図１６に示すように、内層が３５［μｍ］および外層が１７５［μｍ］で総板厚３．２［ｍｍ］の４層のプリント基板３中に、異なる電流を流す幅１５［ｍｍ］の被測定導体４を２つ平行になるように形成し、上記第１の実施例と同様の電流センサ１００を裏面９２に実装した。このとき、電流センサ１００は、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に実装する。ホール素子９までの距離は、一方の被測定導体４についてはおよそ１［ｍｍ］であり、他方の被測定導体４についてはおよそ３．２［ｍｍ］である。このとき、各被測定導体４が電流センサ１００に与えるセンサ感度は、それぞれ５０．４［ｍＶ／Ａ］と４３．２［ｍＶ／Ａ］であった。
【００６５】
一方の被測定導体４には、周波数が５０［Ｈｚ］および振幅が１０［Ａ］の交流電流を流し、他方の被測定導体４には、周波数が１［Ｈｚ］および振幅が１０［Ａ］の矩形波の電流を流した。すると、電流センサ１００からは、期待通り理論値に極めて近い出力を取り出すことができた。センサ信号をアナログ信号処理またはデジタル信号処理することによって、２つの信号を分離することが可能なので、電流センサ１００により双方の被測定導体４を流れる電流をそれぞれ測定することができる。
このようにして、本実施の形態では、プリント基板３は、複数の被測定導体４を有し、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に電流センサ１００を実装した。
【００６６】
これにより、各被測定導体４との距離が所定関係となる位置に電流センサ１００が実装されているので、各被測定導体４を流れる電流により発生した磁気を電流センサ１００で受けた場合、演算回路により、電流センサ１００からのセンサ信号、および電流センサ１００と各被測定導体４との位置関係に基づいて、各被測定導体４を流れる電流値を演算により算出することができる。
なお、上記第５の実施の形態においては、プリント基板３の厚さ方向に２つの被測定導体４が形成されている場合に、電流センサ１００を、裏面９２でかつプリント基板３を挟んで被測定導体４と反対側の位置に実装したが、これに限らず、図１７に示すように、プリント基板３の面方向に複数の被測定導体４が形成されている場合に、電流センサ１００を、裏面９２でかつ被測定導体４の近傍に位置するように実装してもよい。
図１７は、電流センサ１００をプリント基板３の裏面に実装した場合を示す斜視図である。
【００６７】
［産業上の利用可能性］
以上説明したように、本発明に係る請求項１乃至７記載の電流測定方法、または請求項８乃至１６記載の電流測定装置によれば、電流センサを、基板面のうち被測定導体が設けられている面とは反対側の面に実装するので、従来に比して、電流センサの二次側導体と被測定導体との間に電気的絶縁を比較的容易に確保することができるという効果が得られる。また、被測定導体を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体を流れる電流が大きくなっても電流センサのサイズを大きくしなくて済むので、電流センサの小型化を図ることができるという効果も得られる。さらに、被測定導体を流れる電流を非接触で測定することにより、被測定導体との接触抵抗による発熱がないため、従来に比して、電流センサの信頼性を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、電流センサを、基板面のうち被測定導体が設けられている面とは反対側の面に実装するので、被測定導体を流れる電流により発生した均一な磁気を電流センサで検出できる。さらに、磁気収束手段により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束がホール素子の感磁面に収束しやすくなるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装するとセンサ感度を向上させることができるという効果も得られる。
【００６８】
さらに、本発明に係る請求項２記載の電流測定方法、または請求項９記載の電流測定装置によれば、電流センサを、基板面のうち被測定導体が設けられている面とは反対側の面でかつ基板を挟んで被測定導体と対称となる位置に実装するので、被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサでさらに検出しやすくなり、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項３記載の電流測定方法、または請求項１０記載の電流測定装置によれば、被測定導体の外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に設けた軟磁性体によって、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に効果的に収束することができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。
【００６９】
さらに、本発明に係る請求項４記載の電流測定方法、または請求項１１記載の電流測定装置によれば、電流センサの外装面のうち基板面と対向する面とは反対側の面に設けた軟磁性体により、電流センサのその反対側の面に向かって到来する外部磁気が少なくとも遮蔽されるので、従来に比して、外部磁気に対する耐性を向上することができるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項５記載の電流測定方法、または請求項１２記載の電流測定装置によれば、電流センサと基板との間に設けた複数の軟磁性体によって、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を電流センサの側に効果的に収束することができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。
【００７０】
さらに、本発明に係る電流測定方法、または電流測定装置によれば、被測定導体を流れる電流により発生した磁束を効果的にホール素子の感磁面に収束させることができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項６又は７記載の電流測定方法、または請求項１３又は１４記載の電流測定装置によれば、被測定導体を流れる電流により発生した磁束をさらに効果的にホール素子の感磁面に収束させることができるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性をさらに低減することができるという効果も得られる。
【００７１】
一方、本発明に係る請求項８乃至１６記載の電流測定装置によれば、磁気収束手段により、被測定導体を流れる電流により発生した磁束がホール素子の感磁面に収束しやすくなるので、被測定導体に対して基板の反対面から電流センサを実装してもセンサ感度を損なう可能性を低減することができるという効果も得られる。また、電流センサを通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造でき、非接触で被測定導体の電流を測定することができるので、小型化を図ることができるとともに、被測定導体と電流センサとの電気的絶縁を保ちつつ、発熱を抑え、電流の向きを含めて比較的高精度に被測定導体の電流を測定することができるという効果も得られる。さらに、ホール素子および磁気収束手段を通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で製造できるので、生産効率を高くすることができるという効果も得られる。さらに、一次側導体を同一パッケージに内蔵しないため、基板の導線パターンに間隔を設け、そこに直列に実装する必要もなく比較的小型にすることができるという効果も得られる。さらに、導線パターン上部から間接的に電流を測定できるため、設計後に部品の取り外しを行っても、導線パターンの修正変更が必要にならず、実装を取りやめることが比較的容易であるという効果も得られる。
さらに、本発明に係る請求項１５記載の電流測定装置によれば、各被測定導体との距離が所定関係となる位置に電流センサが実装されているので、各被測定導体を流れる電流により発生した磁気を電流センサで受けた場合、電流センサの出力値および所定関係に基づいて各被測定導体を流れる電流を測定することができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図２】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図４】電流センサ１００をプリント基板３上に実装した場合を示す斜視図である。
【図５】電流センサ１００と被測定導体４との距離を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図６】被測定導体４の長さを変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図７】被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図８】幅２［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。
【図９】幅１５［ｍｍ］の被測定導体４を使用したときの電流センサ１００の実装位置と感度の関係を示した図である。
【図１０】被測定導体４の基板の面方向からみたときの中心位置を基準として電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の長さ方向に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図１１】電流センサ１００の実装位置を被測定導体４の幅方向（ｘ座標）および厚さ方向（ｙ座標）に変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図１２】被測定導体４の電流密度を変化させたときに電流センサ１００のセンサ感度が変化する様子を示したグラフである。
【図１３】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１４】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１５】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１６】電流センサ１００の厚さ方向の断面図である。
【図１７】電流センサ１００をプリント基板３の裏面に実装した場合を示す斜視図である。
Claims (16)
- 被測定導体を有する基板に電流センサを実装し、前記電流センサにより前記被測定導体を流れる電流を測定する方法であって、
前記基板は、両面にプリント配線が形成されたプリント基板であり、前記被測定導体は、前記プリント基板の一方の面に形成された前記プリント配線で構成され、
前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面であって、前記被測定導体を幅方向に見てその両端部より内側に位置するように実装し、
前記電流センサは、
磁気を検出するホール素子と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束手段とを一体に内蔵した構成を備え、
前記被測定導体を流れる電流により発生した磁束が前記ホール素子の感磁面に収束するように前記ホール素子と前記基板面との間に前記磁気収束手段を設けたことを特徴とする電流測定方法。 - 請求項１において、
前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面で且つ前記基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に実装したことを特徴とする電流測定方法。 - 請求項１及び２のいずれかにおいて、
前記被測定導体の外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けることを特徴とする電流測定方法。 - 請求項１及び２のいずれかにおいて、
前記電流センサの外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けることを特徴とする電流測定方法。 - 請求項１及び２のいずれかにおいて、
前記電流センサと前記基板との間に、前記被測定導体を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性体を設けることを特徴とする電流測定方法。 - 請求項１及び２のいずれかにおいて、
前記磁気収束手段は、複数の磁気収束板からなり、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように設けたことを特徴とする電流測定方法。 - 請求項６において、
前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように且つ前記基板の面方向からみて前記磁気収束板が前記被測定導体の中心線の両側に位置するように、前記複数の磁気収束板を、間隔をあけて設けたことを特徴とする電流測定方法。 - 被測定導体を有する基板と、前記基板面上に実装する電流センサとを備え、前記被測定導体を流れる電流を測定する装置であって、
前記基板は、両面にプリント配線が形成されたプリント基板であり、前記被測定導体は、前記プリント基板の一方の面に形成された前記プリント配線で構成され、
前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面であって、前記被測定導体を幅方向に見てその両端部より内側に位置するように実装し、
前記電流センサは、
磁気を検出するホール素子と、磁束を所定方向に収束させる磁気収束手段とを一体に内蔵した構成を備え、
前記被測定導体を流れる電流により発生した磁束が前記ホール素子の感磁面に収束するように前記ホール素子と前記基板面との間に前記磁気収束手段を設けたことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８において、
前記電流センサを、前記基板面のうち前記被測定導体が設けられている面とは反対側の面で且つ前記基板を挟んで前記被測定導体と対称となる位置に実装したことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８及び９のいずれかにおいて、
前記被測定導体の外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けたことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８及び９のいずれかにおいて、
前記電流センサの外装面のうち前記基板面と対向する面とは反対側の面に軟磁性体を設けたことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８及び９のいずれかにおいて、
前記電流センサと前記基板との間に、前記被測定導体を流れる電流の向きと平行となるように複数の軟磁性体を設けたことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８及び９のいずれかにおいて、
前記磁気収束手段は、複数の磁気収束板からなり、前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように設けたことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項１３において、
前記電流センサの実装時に前記磁気収束板の面が前記基板面と対向するように且つ前記基板の面方向からみて前記磁気収束板が前記被測定導体の中心線の両側に位置するように、前記複数の磁気収束板を、間隔をあけて設けたことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８乃至１４のいずれかにおいて、
前記基板は、複数の前記被測定導体を有し、
前記各被測定導体との距離が所定関係となる位置に前記電流センサを実装したことを特徴とする電流測定装置。 - 請求項８乃至１５のいずれかにおいて、
前記ホール素子の感磁部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ又はＩｎＳｂからなることを特徴とする電流測定装置。
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