JP4997146B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流センサに関する。

１９９９年の省エネ法改正以降、モータやコンプレッサの制御に省エネ化に有効なベクトル制御技術が広く用いられるようになってきている。特に数量の多い家電分野において省エネ化の波及効果は絶大であり、エアコンや冷蔵庫を中心に比較的消費電流の大きな家電製品からベクトル制御が浸透し始めている。このベクトル制御を実現するためには、モータやコンプレッサの電流検出が不可欠であり、小型で信頼性が高くＤＣ領域までカバーできる安価な電流検出手段が求められている。

現在、主に工場や事務所向けで採用されている大型エアコンには、ホール素子をはじめ多くの電子部品で構成されたモジュール型電流センサが用いられており、一方、比較的消費電流の小さい一般家庭用の小型エアコンや冷蔵庫には、シャント抵抗が用いられている。

特許文献１には（図５参照）、部品点数を減らして形状を小型化し、組立性の向上を図る電流センサが記載されている。この電流センサは、電流経路２に電流が流れることによって発生する磁束の検出手段である磁気センサ１を有する。磁性体４は、一方が開口部、他方が閉口部であるＵ字形状断面構造を有し、その空隙部には、電流経路２と磁気センサ１とが配置されている。この磁気センサ１は、磁性体４の開口部の内側に配置され、電流経路２は、磁気センサ１と磁性体４の閉口部との間に配置されているとともに、磁性体４のＵ字形状断面に対して略垂直方向に電流が流れるように配置されている。磁気センサ１のリードフレーム５ａ、５ｂは非磁性体で、このリードフレームの一部５ａが電流経路２であり、モールド樹脂などの絶縁梱包体３により磁気センサ１とともに一体成形されている。

特開２００４−３５４２５４号公報

従来タイプのスタンドアローン型電流センサでは構成部品の点数が多く、製造工程が複雑なことにより高価で大きくなるため、比較的高価な機種への波及に留まっている。一方一般家庭用の小型エアコン等の電流検出に使われているシャント抵抗方式は、安価に実現可能ではあるものの、自身の抵抗による電力ロスが無視できず、省エネ効果に限界があった。また性能的にも制御電源とモータ駆動電源の絶縁が原理的に出来ないことや、先に記載した電力ロスを低く抑える目的で抵抗値を大きく出来ないことから、得られる信号レベルが小さく充分なＳ／Ｎを確保することが難しいため、実現に際してはレイアウトやフィルタ回路等に関して多大な設計時間が必要になる。

また最近では小型化を追求するため、一部の用途で磁性体コアを具備しないコアレス電流検出素子が使われ始めているが、精度を落とさないためには、センサの実装ズレに伴う感度バラツキや外来磁場による影響、感度の周波数依存性等、磁性体コアが無いことによる諸所の問題を解決する必要がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高精度かつ小型であり、電力ロスの低減された電流センサを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ワイヤーボンディングにより形成された被測定電流路と、前記被測定電流路を流れる被測定電流が発生する磁束を検出する磁気検出手段であって、第１のリードフレームの上に配置された磁気検出手段と、前記磁気検出手段の出力を読み出すための第２のリードフレーム及び第３のリードフレームと、前記ワイヤーボンディング、前記磁気検出手段、前記第１のリードフレーム、前記第２のリードフレーム、および前記第３のリードフレームを内包する封止パッケージと
を備え、前記第１のリードフレームの一部は、前記封止パッケージの前記第２のリードフレーム及び前記第３のリードフレームが引き出された第１の面と対向する第２の面から引き出され、前記ワイヤーボンディングを囲むように前記封止パッケージの外表面に延在して、前記被測定電流が発生する磁束を集磁する磁性体コアであることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記第１のリードフレームの前記一部は、前記第１の面まで延在することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記第１のリードフレームの前記一部、前記第２のリードフレーム及び前記第３のリードフレームは、プリント配線基板への半田付けの際に、前記封止パッケージの前記第１のリードフレームの前記一部が延在しない面が露出するようにフォーミングされていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記第１のリードフレームの前記一部は、前記封止パッケージの前記外表面に設けられた溝に沿って延在することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかにおいて、前記第１のリードフレームの前記一部は、強磁性体材料で構成されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかにおいて、前記第１のリードフレームの前記一部に、磁性体メッキ処理が施されていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかにおいて、前記磁気検出手段は、ホール効果を利用したホールセンサであることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかにおいて、前記磁気検出手段の出力を電流に換算する換算手段を有することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかにおいて、前記磁気検出手段の上に、磁性体部品をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、リードフレームの一部を引き伸ばして磁性体コアを形成するため、磁性体コアのための新たな部品が不要であり小型化が図れる。磁性体コアを除くことなく小型化が図れるので、磁性体コアを具備しない従来の電流センサにおいて生じていた外来磁気ノイズの影響等も抑制され、高精度が得られる。また、電流検出に抵抗を用いるものでもないので、電力ロスが増大しない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電流センサを示している。電流センサ１００は、リードフレーム１、リードフレーム２、およびワイヤーボンディング８により形成された被測定電流路と、この被測定電流路をリードフレーム１からリードフレーム２へ流れる被測定電流が発生する磁束を検出する磁気検出手段であって、リードフレーム４のアイランド部４Ａ上に配置された磁気検出手段１０と、磁気検出手段１０の出力を読み出すためのリードフレーム３及びリードフレーム５とを備え、封止パッケージ７がこれらを内包する。

リードフレーム４の一部４Ｂ（以下「外部リードフレーム」という。）は、封止パッケージ７のリードフレーム３及び５が引き出された第１の面７Ａと対向する第２の面７Ｂから引き出され、ワイヤーボンディング８を囲むように封止パッケージ７の外表面に延在して、被測定電流が発生する磁束を集磁する磁性体コアとして機能する。磁気検出手段１０は、検出した磁性体コアの漏れ磁束を電流に換算（磁電変換）するための信号処理回路等の換算手段をさらに備えることもできる。

外部リードフレーム４Ｂが磁性体コアとして機能するためには、リードフレーム４全体が４２アロイなどの強磁性体材料で構成されているか、外部リードフレーム４Ｂの部位に磁性体メッキ処理を施す等によって、外部リードフレーム４Ｂの部位が磁気特性を有することが必要である。

本実施形態に係る電流センサは、リードフレームの一部を引き伸ばして磁性体コアを形成するため、磁性体コアのための新たな部品が不要であり小型化が図れる。磁性体コアを除くことなく小型化が図れるので、磁性体コアを具備しない従来の電流センサにおいて生じていた外来磁気ノイズの影響等も抑制され、高精度が得られる。また、電流検出に抵抗を用いるものでもないので、電力ロスが増大しない。電力ロスの低減は、温暖化等地球レベルの環境維持に多大な貢献をもたらす。

なお、封止パッケージ７の外表面に溝１２を設け、溝１２に沿って外部リードフレーム４Ｂを延在させてもよい。磁性体コアが外力により容易に位置ズレを生じるの防ぐことができる。

また、磁気検出手段１０は、ホール効果を利用したホールセンサとすることができる。

また、磁気検出手段１０の上に、磁性体メッキや磁性体チップ等の磁性体部品をさらに備えることができる。これにより、磁気検出手段１０にかかる磁束密度を高め、電流センサ１００の精度向上が可能である。

（実施形態２）
図２は、実施形態２に係る電流センサを示している。電流センサ２００は、実施形態１に係る電流センサ１００とリードフレーム４を除いて同一である。電流センサ２００では、外部リードフレーム１６Ｂを、封止パッケージ１９のリードフレーム１５及び１７が引き出された第１の面１９Ａと対向する第２の面１９Ｂから引き出し、そしてワイヤーボンディング２０を囲むように、封止パッケージ１９の外表面に第１の面１９Ａまで延在させる。

リードフレーム１５及び１７と同様に外部リードフレーム１６Ｂをプリント配線基板のランドに半田付け実装することにより、外部リードフレーム１６Ｂ（磁性体コア）と封止パッケージ１９との間を接着固定することなく外部リードフレーム１６Ｂを固定することが可能となるので、外部リードフレーム１６Ｂの位置ズレを防ぐことができる。

また、外部リードフレーム１６Ｂ（磁性体コア）をＧＮＤ電位（０Ｖ電位）に接続することにより、磁性体コア全体が静電シールドの役割を果たして磁気検出手段３３を外部の静電ノイズから保護できるようになるため、より高い信頼性が得られる。

（実施形態３）
図３は、実施形態３に係る電流センサを示している。電流センサ３００は、電流センサ３００は、実施形態２に係る電流センサ２００とリードフレーム１６を除いて同一である。電流センサ３００では、外部リードフレーム２８Ｂを、封止パッケージ３１のリードフレーム２７及び２９が引き出された第１の面３１Ａと対向する第２の面３１Ｂから引き出し、そしてワイヤーボンディング３２を囲むように、封止パッケージ３１の外表面に第１の面３１Ａまで延在させる。加えて、外部リードフレーム２８Ｂ、リードフレーム２７及びリードフレーム２９は、プリント配線基板への半田付けの際に、封止パッケージ３１の外部リードフレーム２８Ｂが延在しない面３１Ｃが露出するようにフォーミングされている。

このような構成は、プリント配線基板への半田付けの際に、封止パッケージの外部リードフレームが延在する面が露出するようにフォーミングされている場合（図２参照）に比べて、外部リードフレームの長さが短くなる。また、外部リードフレームが延在しない面が露出しフラットであるため、封止パッケージの上面を吸着・移載する自動ピックアップや容易に行える。

（実施形態４）
図４は、実施形態２に係る電流センサの組立方法を示している。まず、リードフレーム１３、１４、１５、１６、１７を用意する（１）。ついで、リードフレーム１６が強磁性体材料で構成されていない場合は、外部リードフレーム１６Ｂの部位に磁性体メッキ処理等の着磁処理を施す（２）。次に、磁気検出手段２２をアイランド部１６Ａに配置する（３）。ワイヤーボンディングによって、磁気検出手段２２の端子接続と、被測定電流路の形成を行う（４）。そして、モールドを充填して封止パッケージ１９を形成し（５）、必要な長さにリードカットする（６）。最後に、リードフレームを適宜フォーミングする（７）。

この組立方法は、封止パッケージ１９の内部で磁性体コアを形成する場合に比べて、外部リードフレーム１６Ｂを封止パッケージ１９の外表面に沿ってフォーミングするという簡素な工程を用いるので、信頼性が高く、高精度な磁性体コアを得ることができる。

実施形態１に係る電流センサを示す図である。 実施形態２に係る電流センサを示す図である。 実施形態３に係る電流センサを示す図である。 実施形態２に係る電流センサの組立方法を示す図である。 従来の電流センサを示す図である。

符号の説明

１００ 電流センサ
１、２ リードフレーム
３ リードフレーム（第２のリードフレームに対応）
４ リードフレーム（第１のリードフレームに対応）
４Ａ アイランド部
４Ｂ 外部リードフレーム（磁性体コアに対応）
５ リードフレーム（第３のリードフレームに対応）
７ 封止パッケージ
７Ａ 第１の面
７Ｂ 第２の面
８ ワイヤーボンディング
１０ 磁気検出手段
１１ 磁性体部品
２００ 電流センサ
１３、１４ リードフレーム
１５ リードフレーム（第２のリードフレームに対応）
１６ リードフレーム（第１のリードフレームに対応）
１６Ａ アイランド部
１６Ｂ 外部リードフレーム（磁性体コアに対応）
１７ リードフレーム（第３のリードフレームに対応）
１９ 封止パッケージ
１９Ａ 第１の面
１９Ｂ 第２の面
２０ ワイヤーボンディング
２２ 磁気検出手段
２３ 磁性体部品
３００ 電流センサ
２５、２６ リードフレーム
２７ リードフレーム（第２のリードフレームに対応）
２８ リードフレーム（第１のリードフレームに対応）
２８Ａ アイランド部
２８Ｂ 外部リードフレーム（磁性体コアに対応）
２９ リードフレーム（第３のリードフレームに対応）
３１ 封止パッケージ
３１Ａ 第１の面
３１Ｂ 第２の面
３２ ワイヤーボンディング
３３ 磁気検出手段
３４ 磁性体部品

Claims (9)

1. ワイヤーボンディングにより形成された被測定電流路と、
   前記被測定電流路を流れる被測定電流が発生する磁束を検出する磁気検出手段であって、第１のリードフレームの上に配置された磁気検出手段と、
   前記磁気検出手段の出力を読み出すための第２のリードフレーム及び第３のリードフレームと、
   前記ワイヤーボンディング、前記磁気検出手段、前記第１のリードフレーム、前記第２のリードフレーム、および前記第３のリードフレームを内包する封止パッケージと
   を備え、
   前記第１のリードフレームの一部は、前記封止パッケージの前記第２のリードフレーム及び前記第３のリードフレームが引き出された第１の面と対向する第２の面から引き出され、前記ワイヤーボンディングを囲むように前記封止パッケージの外表面に延在して、前記被測定電流が発生する磁束を集磁する磁性体コアであることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１のリードフレームの前記一部は、前記第１の面まで延在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のリードフレームの前記一部、前記第２のリードフレーム及び前記第３のリードフレームは、プリント配線基板への半田付けの際に、前記封止パッケージの前記第１のリードフレームの前記一部が延在しない面が露出するようにフォーミングされてい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のリードフレームの前記一部は、前記封止パッケージの前記外表面に設けられた溝に沿って延在することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記第１のリードフレームの前記一部は、強磁性体材料で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電流センサ。
6. 前記第１のリードフレームの前記一部に、磁性体メッキ処理が施されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電流センサ。
7. 前記磁気検出手段は、ホール効果を利用したホールセンサであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電流センサ。
8. 前記磁気検出手段の出力を電流に換算する換算手段を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電流センサ。
9. 前記磁気検出手段の上に、磁性体部品をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電流センサ。

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