JP6467696B2 - 電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流測定装置に関する。

電流導体は、様々な構成および変更形態で利用可能である。電流によって生成される磁場を検出する電流センサは、測定される電流が流れる電流導体を案内する従来のＩＣハウジング内に収容され、例えば、特許文献１、２、３、および４から公知である。このような電流センサは、電気端子の取り付けおよび形成に使用されるリードフレームの一部として配置される電流導体、およびリードフレームに取り付けられる半導体チップを含み、この半導体チップは、少なくとも１つの磁場センサ、ならびにその動作およびその出力信号の処理に必要な電子機器を備えている。

さらに、従来のＩＣハウジング内に収容される電流センサも、例えば、特許文献５から公知であり、この電流センサは、導電路の上のプリント回路基板に取り付けられ、導電路を流れる電流を測定する。

米国特許第７，１２９，６９１号 国際公開第２００５０２６７４９号パンフレット 国際公開第２００６１３０３９３号パンフレット 米国特許出願公開第２０１０１５６３９４号 日本国特開２００３−３０２４２８

本発明による電流測定装置は、
第１の電流導体を有する基板と、
第２の電流導体を有する電流センサとを備え、この電流センサが、
ＩＣハウジング内に収容され、かつ基板の第１の電流導体の上に取り付けられ、第２の電流導体が、第１および第２の端子リードに一体に取り付けられて成形され、電流センサが、第３の電気端子リードおよび半導体チップを備え、半導体チップが、磁場センサを有する活性表面、および磁場センサの動作のための電子回路を備え、半導体チップが、第２の電流導体に取り付けられ、
第１および第２の端子リードが、ハウジングの第１の側壁から突出し、第３の端子リードが、第１の側壁と反対側のハウジングの側壁から突出し、第１および第２の端子リードならびに第３の端子リードが、基板に向かって曲げられ、
半導体チップが、第２の電流導体の基板に面した側に取り付けられ、
半導体チップの電気端子が、ボンディングワイヤによって第３の端子リードに接続され、
磁場センサが、半導体チップの活性表面に対して平行に、かつ第２の電流導体に対して垂直に延在する磁場の成分に応答し、
第２の電流導体が、第１の電流導体の上に、この第１の電流導体に対して平行に延在し、動作中に、測定される第１の電流が、第１の電流導体を流れ、測定される第２の電流が、第２の電流導体を流れる。

第１の態様によると、測定される第１の電流および測定される第２の電流は同じ電流であり、第２の電流導体が、測定される電流が第１の電流導体を流れ、かつ反対方向に第２の電流導体を流れるように第２の端子リードに電気的に接続されている。

好ましくは、基板は、測定される電流が第１の電流導体および少なくとも１つの追加の電流導体を同じ方向に流れるように第１の電流導体に直列に接続された少なくとも１つの追加の電流導体を備えている。

第２の態様によると、装置は、動作中に、測定される第１の電流が、第１の電流導体を所定の方向に流れ、かつ測定される第２の電流が、第２の電流導体を同じ方向に流れ、これにより、第１の電流によって生成される磁場および第２の電流によって生成される磁場が、磁場センサの位置で反対方向を向くように構成され、第１の電流によって生成される磁場および第２の電流によって生成される磁場が、これら２つの電流が同じ強度の場合は、これらの磁場の量に関して、磁場センサの位置で等しくなるように、第１の電流導体の幅、第１の電流導体の磁場センサからの距離、第２の電流導体の幅、および第２の電流導体の磁場センサからの距離が互いに調整される。

好ましくは、磁気シールドが、半導体チップの反対側となる第２の電流導体の側に取り付けられている。

好ましくは、磁場センサは、少なくとも１つの磁場コンセントレータおよび少なくとも１つのホール素子を備え、このホール素子は、磁場コンセントレータの下のその縁の領域に配置される水平ホール素子であるか、または磁場コンセントレータの近傍のその縁の領域に配置される垂直ホール素子である。

あるいは、磁場センサは、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはフラックスゲートセンサである。

好ましくは、セラミックプレートが、電流センサの半導体チップと第２の電流導体との間に配置され、このセラミックプレートは電気絶縁体として使用される。

一実施形態では、セラミックプレートは、半導体チップの４つ全ての側面から少なくとも０．１ｍｍ突き出ている。

別の実施形態では、セラミックプレートは、半導体チップの４つ全ての側面から少なくとも０．４ｍｍ突き出ている。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の１つ以上の実施形態を例示し、詳細な説明と共に本発明の原理および実施を説明する役割を果たす。図面は、正確な縮尺ではない。

図１は、本発明による電流測定装置の実施形態の断面図を示している。 図２は、本発明による電流測定装置の実施形態の上面図を示している。 図３は、本発明による電流測定装置のさらなる実施形態の断面図を示している。 図４は、本発明による電流測定装置のさらなる実施形態の断面図を示している。 図５は、追加的に磁気フィールドを備えた本発明による装置を示している。

図１および図２はそれぞれ、本発明による電流測定装置１の実施形態の断面図および上面図である。装置１は、第１の電流導体３を有する基板２、および第２の電流導体５を有する電流センサ４を備えている。電流センサ４は、ＩＣハウジング６、例えば、ＳＯＩＣ−８またはＳＯＩＣ−１６ハウジング内に収容され、基板２の第１の電流導体３の上に取り付けられている。電流センサ４は、測定される電流の供給および放電に用いられる第１および第２の電気端子リード７および８に一体に取り付けられて形成された第２の電流導体５、第３の電気端子リード９、ならびに第２の電流導体５の基板２に面した側に取り付けられた半導体チップ１０を備えている。半導体チップ１０は、磁場センサ１１を有する活性表面、および磁場センサの動作のための電子回路を備えている。第１および第２の端子リード７および８は、ハウジング６の第１の側壁１２から突出し、第３の端子リード９は、側壁１２とは反対側のハウジング６の側壁１３から突出し、これらの端子リードは、基板２に向かって曲げられている。半導体チップ１０の電気端子は、ボンディングワイヤ１４によって第３の端子リード９に接続されている。電流センサ４は、第１の電流導体３および第２の電流導体５が、互いに対して平行に延在し、かつ互いに一定の距離で一方が他方の上に実質的に延在するように整合されて基板２に取り付けられている。２つの電流導体３および５は、これらの２つの電流導体３および５で測定される電流が反対方向に流れるように互いに電気的に接続されている。磁場センサは、半導体チップ１０の活性表面に対して平行、従って、基板２の表面に対しても平行に、かつ２つの電流導体３および５に対して垂直に延在する磁場の成分に応答する。

基板２は、測定される電流を電流センサ４に案内し、第１の電流導体３を介して電流センサ４に電力を供給し、そして電流センサ４の出力信号を適切な位置に案内するために使用されるいくつかの導電路を備えている。第１の電流導体３は、端子リード８が導電路１５に接触するように追加的に形成されたこのような導電路１５の一部である。測定される電流は、導電路１６を介して第１の端子リード７に案内され、電流センサ４内の第２の電流導体５を通り、次いで端子リード８を介して導電路１５へ、そして第１の電流導体３を流れる。電流が第１の電流導体３を流れるときに磁場センサの位置で生成される磁場、および電流が第２の電流導体５を流れるときに磁場センサの位置に生成される磁場は、同じ方向を示し、従って加算される。

図面に示されているように、磁場センサは、好ましくは、米国特許第５，９４２，８９５号から公知である磁場センサである。このような磁場センサは、狭い間隙によって分離された２つの磁場コンセントレータ１７、およびこの磁場コンセントレータ１７の縁の下側の間隙の両側に配置される２つの水平ホール素子１８（もしくはホール素子の集団）または磁場コンセントレータ１７間の間隙に配置される垂直ホール素子を備える。磁場センサは、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗センサ）、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗センサ）、フラックスゲートセンサ、または任意の他の磁気センサとすることもできる。

本発明による電流測定装置は、測定される電流が、まず電流センサの一部である電流導体を流れ、次いで電流センサの下側に配置された電流導体を流れ、これらの２つの電流導体が互いに平行に延在することを特徴とする。従って、測定される電流によって生成される磁場は、磁場センサの位置で増加する。

第１の電流導体３に平行に延在し、かつ第１の電流導体３の近傍または下側に配置される少なくとも１つの追加の電流導体１９を設けることも可能である。少なくとも１つの追加の電流導体１９は、測定される電流が、第１の電流導体３および少なくとも１つの追加の電流導体１９を同じ方向に流れるように第１の電流導体３と直列に接続される。このために必要な接続は、磁場センサの位置に磁場を生成しない、または磁場が生成されても相対的に非常に小さい磁場となるように電流センサ４の周りに案内される。

基板２は、特にプリント回路基板である。現在は、このようなプリント回路基板は、いくつかの金属化平面を備えることが多い。この場合、少なくとも１つの追加の金属化平面に追加の電流導体１９を設けることが有用であり得、この電流導体１９は、第１の電流導体３に対して平行に延在する。この少なくとも１つの追加の電流導体１９および第１の電流導体３は、順に直列に接続され、かつ第１の電流導体３および全ての別の電流導体１９で測定される電流が同じ方向に流れるように、導電路２０によって互いに接続されている。言い換えれば、第１の電流導体３と追加の電流導体１９がコイルを形成する。このような電流測定装置は、図３の断面図に示されている。

図４は、本発明による電流測定装置１の断面図を示し、セラミックプレート２１が、電流センサ４の半導体チップ１０と第２の電流導体５との間に配置され、このセラミックプレートは、電気絶縁体として使用される。セラミックプレート２１は、半導体チップ１０の４つ全ての側面から少なくとも０．１ｍｍ、好ましくは少なくとも０．４ｍｍ突き出ている。セラミックプレート２１の厚みは、典型的には０．４ｍｍ以上である。これにより、半導体チップ１０と第２の電流導体５との間に高い絶縁耐力が得られる。

任意選択で、半導体チップ１０の反対側となる第２の電流導体５の側に磁気シールド２２を設けることができる。このような実施形態が図面に示されている。磁気シールド２２は、半導体チップ１０の活性表面に対して平行、従って、基板２の表面に対しても平行に、かつ２つの電流導体３および５に対して垂直に延在する磁場から磁場センサ１１を保護するために使用される。磁気シールド２２は、電流センサ４のハウジング６と一体にしても良いし、または別個の強磁性要素としても良い。

本発明による電流測定装置１は、２つの電流の差を測定するために変更形態で使用することもできる。この変更は、基板２の第１の電流導体３と電流センサ４の第２の電流導体５とが互いに電気的に接続されていないことである。動作中、測定される第１の電流が、所定の方向に第１の電流導体３を流れ、測定される第２の電流が、同じ方向に第２の電流導体５を流れる。第１の電流によって生成される磁場と第２の電流によって生成される磁場が、磁場センサ１１の位置で反対方向を向くため、磁場センサ１１は、これらの２つの磁場間の差を測定する。また、２つの磁場の差が、２つの電流の差に確実に一致するようにするために、第１の電流によって生成される磁場は、２つの電流の強度が等しい場合は、その量に関して、磁場センサ１１の位置で第２の電流によって生成される磁場と同じ強度でなければならない。これは、それぞれの実現性によって単独で、または組み合わせて用いられる以下の方法で達成することができる。
−第１の電流導体３の磁場センサ１１からの距離が、第２の電流導体５の磁場センサ１１からの距離と等しくなるように第１の電流導体３を基板２の表面または内部に設ける構成。また、２つの電流導体３および５は、同じ幅を有し、一方の上に他方が延在する。
−第１の電流導体３の幅、第１の電流導体３の磁場センサ１１からの距離、第２の電流導体５の幅、および第２の電流導体５の磁場センサ１１からの距離の相互調整。

本発明の実施形態および適用例を図示し、説明してきたが、本開示の利益を享受する当業者には、上記以外の多数の変更が、本発明の概念から逸脱することなく可能であることが明らかであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物に限定されるものではない。

Claims (10)

1. 電流測定装置であって、
   第１の電流導体（３）を有する基板（２）と、
   第２の電流導体（５）及び磁場センサ（１１）を有する活性表面および前記磁場センサ（１１）の動作のための電子回路を備え、前記第２の電流導体（５）の前記基板（２）に面した側に取付けられる半導体チップ（１０）を有する電流センサ（４）とを備え、
   前記電流センサ（４）が、前記第１の電流導体（３）を流れる電流と、前記第２の電流導体（５）を流れる電流との和または差を測定するように構成され、ＩＣハウジング（６）内に収容されて、前記基板（２）の前記第１の電流導体（３）の上に配置され、
   前記第２の電流導体（５）が、第１および第２の端子リード（７、８）に一体に取り付けられて成形され、
   前記電流センサ（４）が、第３の端子リード（９）を備え、
   前記第１および第２の端子リード（７、８）が、前記ＩＣハウジング（６）の第１の側壁（１２）から突出し、第３の端子リード（９）が、前記第１の側壁（１２）と反対側の前記ＩＣハウジング（６）の第２の側壁（１３）から突出し、前記第１および第２の端子リード（７、８）ならびに前記第３の端子リード（９）が、前記基板（２）に向かって曲げられ、
   前記半導体チップ（１０）の電気端子が、ボンディングワイヤ（１４）によって前記第３の端子リード（９）に接続され、
   前記第２の電流導体（５）が、前記第１の電流導体（３）の上に、前記第１の電流導体に対して平行に延在し、動作中に、測定される第１の電流が、前記第１の電流導体（３）を流れ、測定される第２の電流が、前記第２の電流導体（５）を流れ、
   前記磁場センサ（１１）は、前記半導体チップ（１０）の前記活性表面に対して平行に、かつ、前記第２の電流導体（５）に流れる電流の方向に対して直角方向に延在する磁場の成分を感知し、前記第１の電流導体（３）を流れる電流によって生成される磁場、および、前記第２の電流導体（５）を流れる電流によって生成される磁場は、前記磁場センサ（１１）によって感知される、装置。
2. 前記測定される第１の電流および前記測定される第２の電流が同じ電流であり、前記第２の電流導体（５）が、前記測定される電流が前記第１の電流導体（３）を流れ、かつ反対方向に前記第２の電流導体（５）を流れるように前記第２の端子リード（８）に電気的に接続されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記基板（２）が、前記測定される電流が前記第１の電流導体（３）および少なくとも１つの追加の電流導体（１９）を同じ方向に流れるように前記第１の電流導体（３）に直列に接続された前記少なくとも１つの追加の電流導体（１９）を備える、請求項２に記載の装置。
4. 動作中に、前記測定される第１の電流が、前記第１の電流導体（３）を所定の方向に流れ、かつ前記測定される第２の電流が、前記第２の電流導体（５）を同じ方向に流れ、これにより、前記第１の電流によって生成される磁場および前記第２の電流によって生成される磁場が、前記磁場センサ（１１）の位置で反対方向を向くように、前記装置が構成され、前記第１の電流によって生成される前記磁場および前記第２の電流によって生成される前記磁場が、これら２つの電流が同じ強度の場合は、これらの磁場の量に関して、前記磁場センサ（１１）の位置で等しくなるように、前記第１の電流導体（３）の幅、前記第１の電流導体（３）の前記磁場センサ（１１）からの距離、前記第２の電流導体（５）の幅、および前記第２の電流導体（５）の前記磁場センサ（１１）からの距離が互いに調整される、請求項１に記載の装置。
5. 磁気シールド（２２）が、前記半導体チップ（１０）の反対側となる前記第２の電流導体（５）の側に取り付けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記磁場センサが、少なくとも１つの磁場コンセントレータ（１７）および少なくとも１つのホール素子（１８）を備え、前記ホール素子（１８）が、前記磁場コンセントレータ（１７）の下のその縁の領域に配置される水平ホール素子であるか、または前記磁場コンセントレータ（１７）の近傍のその縁の領域に配置される垂直ホール素子である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記磁場センサ（１１）が、ＡＭＲ、ＧＭＲ、またはフラックスゲートセンサである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
8. セラミックプレート（２１）が、前記電流センサ（４）の前記半導体チップ（１０）と前記第２の電流導体（５）との間に配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記セラミックプレート（２１）が、前記半導体チップ（１０）の４つ全ての側面から少なくとも０．１ｍｍ突き出ている、請求項８に記載の装置。
10. 前記セラミックプレート（２１）が、前記半導体チップ（１０）の４つ全ての側面から少なくとも０．４ｍｍ突き出ている、請求項８に記載の装置。