JP6782793B2 - 電流検出用の耐熱性素子 - Google Patents
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Description
本開示は、電流検出用の耐熱性素子に関する。
特許文献１は、セラミック基板に電極を埋設し、例えば、排熱性を高めることを開示する。
特許文献２は、焼成によりセラミック基板内に変圧器を埋設することを開示する。
特許文献３は、プリント基板を用いて巻線が構築されたロゴスキーコイルを開示する。
自動車のエンジンが置かれるエンジンルームといった過酷な環境においても複数の電子部品から構築されるシステムの動作の信頼性を高めるニーズがある。電子部品としては、集積回路（ＩＣ（Integrated Circuit））、パワートランジスタ、コンデンサ、インダクタ等が挙げられる。このようなシステム内に流れる電流をモニタリングすることによりシステムのフィードバック制御が行われ、システムの動作の信頼性が高められ、若しくは、システムの動作の異常を瞬時に検出することができる。
プリント基板が用いられた電流センサが過酷な環境に置かれる場合、プリント基板が熱膨張及び／又は熱変形し、配線の幾何学形状の変化により電流センサの電流センシング能が低下してしまうおそれがある。
本開示の一態様に係る耐熱性素子は、セラミック材料を含む耐熱性基板と、
前記耐熱性基板に埋設される１以上の電力配線と、
前記１以上の電力配線に流れる電流を検出するためのコイル構造を備え、
前記コイル構造は、始点と終点の間を延びるコイル配線から構築され、前記コイル配線の始点と終点の間で、前記コイル配線の一巻きを含む又は前記コイル配線の一巻きに対応するコイル部が前記１以上の電力配線を周囲する周方向に配列される、コイル構造を含み、
前記コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第１導体と、
前記第１導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第２導体と、
同一のコイル部内で前記第１及び第２導体を接続する第１接続配線と、
前記周方向において隣接するコイル部間で前記第１及び第２導体を接続する第２接続配線を含み、
前記第１導体、前記第２導体、前記第１接続配線、及び第２接続配線が、前記耐熱性基板に埋設され、少なくとも前記第１導体及び前記第２導体が、前記耐熱性基板外に露出しない。
前記耐熱性基板に埋設される１以上の電力配線と、
前記１以上の電力配線に流れる電流を検出するためのコイル構造を備え、
前記コイル構造は、始点と終点の間を延びるコイル配線から構築され、前記コイル配線の始点と終点の間で、前記コイル配線の一巻きを含む又は前記コイル配線の一巻きに対応するコイル部が前記１以上の電力配線を周囲する周方向に配列される、コイル構造を含み、
前記コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第１導体と、
前記第１導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第２導体と、
同一のコイル部内で前記第１及び第２導体を接続する第１接続配線と、
前記周方向において隣接するコイル部間で前記第１及び第２導体を接続する第２接続配線を含み、
前記第１導体、前記第２導体、前記第１接続配線、及び第２接続配線が、前記耐熱性基板に埋設され、少なくとも前記第１導体及び前記第２導体が、前記耐熱性基板外に露出しない。
幾つかの実施形態例では、前記第１導体、前記第２導体、前記第１接続配線、又は前記第２接続配線に接続した少なくとも一つの外部接続配線を更に備える。
幾つかの実施形態例では、前記セラミック材料は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、コージェライトを含む。
幾つかの実施形態例では、前記耐熱性基板は、ガラス材料を含む。
幾つかの実施形態例では、前記電力配線と前記コイル構造は、同一の金属材料を含む。
幾つかの実施形態例では、前記電力配線と前記コイル構造は、銅を含む。
幾つかの実施形態例では、複数の前記電力配線が設けられる。前記電力配線の延在方向に直交する平面において前記複数の電力配線を囲む外周線に関して、各第１導体が等しい距離をあけて配される。
幾つかの実施形態例では、前記周方向で隣接する前記コイル部は、前記コイル部よりも小型な少なくとも一つの中継コイル部を介して接続され、
前記コイル部の第２接続配線は、前記周方向において隣接するコイル部間で前記第１及び第２導体を接続することに代えて、前記第１又は第２導体を前記中継コイル部に接続する。
前記コイル部の第２接続配線は、前記周方向において隣接するコイル部間で前記第１及び第２導体を接続することに代えて、前記第１又は第２導体を前記中継コイル部に接続する。
幾つかの実施形態例では、前記中継コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第３導体と、
前記第３導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第４導体と、
前記第３及び第４導体を接続する第３接続配線と、
前記第３又は第４導体を前記第１又は第２導体に接続する第４接続配線を含む。
前記電力配線に沿って延びる第３導体と、
前記第３導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第４導体と、
前記第３及び第４導体を接続する第３接続配線と、
前記第３又は第４導体を前記第１又は第２導体に接続する第４接続配線を含む。
幾つかの実施形態例では、前記第１乃至第４導体が、同一平面に存在する。
幾つかの実施形態例では、耐熱性素子は、前記コイル部内を通過する態様において、前記コイル構造のコイル配線の終点から始点に向かう周方向に延びる戻り配線を更に備える。
本開示の一態様によれば、耐熱性に優れた電流検出用の耐熱性素子を提供することができる。
以下、図１乃至図１２を参照しつつ、本発明の非限定の例示の実施の形態について説明する。開示の１以上の実施形態及び実施形態に包含される各特徴は、個々に独立したものではない。当業者は、過剰説明を要せず、各実施形態及び／又は各特徴を組み合わせることができ、また、この組み合わせによる相乗効果も理解可能である。実施形態間の重複説明は、原則的に省略する。参照図面は、発明の記述を主たる目的とするものであり、作図の便宜のために簡略化されている場合がある。
図１は、本開示の一態様に係る耐熱性素子の概略的な斜視模式図であり、耐熱性基板に埋設された電力配線及びコイル構造等が透視される。図１は、主に電力配線及びコイル構造の構成を明示するための模式図である。コイル構造は、耐熱性基板に埋設される。図２は、図１に示した耐熱性素子の概略的な上面模式図であり、耐熱性基板に埋設された配線が破線にて模式的に示される。一つの第１導体と一つの第２導体も破線にて模式的に示される。二点鎖線Ｌ１は、第１導体が配される小径仮想円を示す。二点鎖線Ｌ２は、第２導体が配される大径仮想円を示す。
図１及び図２に示すように、電流検出用の耐熱性素子１は、耐熱性基板１０と、耐熱性基板１０に埋設される１以上の電力配線２０と、１以上の電力配線２０に流れる電流を検出するためのコイル構造３０を備える。コイル構造３０は、トロイダルコイル及び／又はロゴスキーコイルと呼ばれることがある。
耐熱性基板１０は、セラミック材料を主成分とし、従って、単にセラミック基板と呼ばれ得る。セラミック材料が主成分であることは、他の材料と比較してセラミック材料の質量％（重量％）が最も高いことを意味する。耐熱性基板１０がセラミック材料を含む場合、耐熱性基板１０の耐熱性が高められ、仮に高温環境に置かれても大きく熱膨張及び／又は熱変形することが回避又は抑制される。
耐熱性基板１０の主成分のセラミック材料は、幾つかの場合、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、チタニア（ＴｉＯ2）、マグネシア（ＭｇＯ）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）から成る群から選択される１以上の材料である。
耐熱性基板１０は、主成分のセラミック材料に加えて、非主成分の他の材料も含む。本図示例を含む幾つかの場合、耐熱性基板１０は、主成分のセラミック材料に加えて、非主成分のガラス材料を含む。ガラス材料の含有量は３１ｗｔ％以上であり、好ましくは３６ｗｔ％以上であり、更に好ましくは４１ｗｔ％以上である。セラミック材料よりも低融点のガラス材料が耐熱性基板１０に含まれ、耐熱性素子１の製造方法に関して後述する焼成温度の低下が促進される。アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とガラス材料の混合物から成る耐熱性基板１０は、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）と呼ばれている材料の一つである。耐熱性基板１０がＬＴＣＣから成る場合、電力配線２０及び／又はコイル構造３０のために銅又は銀、若しくは、銅又は銀を主成分として含む合金を使用することが促進される。ＬＴＣＣは、９００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成され、耐熱性基板１０の機械的な強度及び耐熱性が達成される。また、耐熱性基板１０の電力配線２０及び／又はコイル構造３０の一部と、電子部品の集積回路（ＩＣ（Integrated Circuit））、パワートランジスタ、コンデンサ、インダクタ等に含まれ得る銅配線とが同一材料となり、電子部品と耐熱性素子１の高温環境下での高い信頼性の電気的接続の確保が促進される（例えば、耐熱性基板１０の銅部分と電子部品の銅部分の同一金属の銅部分に対して最適な組成の半田が選定できる）。
電力配線２０は、銅又は銀から成り、若しくは、銅又は銀を主成分として含み、若しくは、銅又は銀を主成分として含む合金を含む。コイル構造３０は、銅又は銀から成り、若しくは、銅又は銀を主成分として含み、若しくは、銅又は銀を主成分として含む合金を含む。必ずしもこの限りではないが、実施形態によっては、電力配線２０とコイル構造３０は、同一の金属材料を含む。
電力配線２０は、耐熱性基板１０に埋設される。図１及び図２は、一つの電力配線２０が設けられる例を示すが、後述の記述から分かるように複数の電力配線２０が設けられる変形例も想定される。図示例に係る電力配線２０は、耐熱性基板１０の厚み方向に延びる。耐熱性基板１０の第１面１８と第２面１９から耐熱性基板１０の厚みが規定される。電力配線２０は、耐熱性基板１０の第１面１８と第１面１８の反対側の第２面１９を貫通する態様で設けられるが、別例においては、電力配線２０が完全に又は部分的に耐熱性基板１０に埋設され得る。電力配線２０は、円柱部として図示されるが、その延在方向に直交する断面において円形以外の様々な形状、例えば、三角形、矩形、五角形などの多角形や星形等を取り得る。電力配線２０の直径又は幅が、その延在方向において変化する態様も想定される。
耐熱性基板１０の電力配線２０の各端部に対する外部接続配線８３の接続は様々な態様が想定される。図２は、耐熱性基板１０の第１面１８に形成された外部接続配線８３が電力配線２０の第１端部に接続する一例を示す。耐熱性基板１０の第２面１９に形成された外部接続配線８３が電力配線２０の第２端部に接続されることも同様に理解される。外部接続配線８３が省略され、他の電子部品の端子が、電力配線２０の第１及び／又は第２端部にバンプ接続される態様も想定される。
電力配線２０は、上述のように、銅又は銀から成り、若しくは、銅又は銀を主成分として含み、若しくは、銅又は銀を主成分として含む合金を含む。耐熱性基板１０として少なくともセラミック材料とガラス材料の混合物が用いられる幾つかの場合、電力配線２０のために銅又は銀を用いることが許容される。
コイル構造３０は、１以上の電力配線２０に流れる電流を検出するために設けられる。当該分野で良く知られているように、コイル構造３０に対して不図示の積分回路を接続することにより１以上の電力配線２０に流れる電流を観測することが可能である。出願時の技術水準に照らせば、そのような電流検出法自体が公知であり、従って、その説明は割愛する。
図１から良く分かるように、コイル構造３０は、始点Ｐ１から終点Ｐ２まで延びるコイル配線３１により構築される。コイル構造３０のコイル配線３１は、１以上の電力配線２０を周囲する周方向に螺旋状に延びる。コイル構造３０は、コイル配線３１の一巻きを含む又はコイル配線３１の一巻きに対応する複数のコイル部４０を含む。複数のコイル部４０は、コイル配線３１の始点Ｐ１と終点Ｐ２の間で、１以上の電力配線２０を周囲する周方向に配列される。なお、後述の記述から分かるように、コイル構造３０内には後述のように定義されるコイル部４０に満たない配線構造、言うなれば、半コイル部４０’も含まれ得る。
コイル構造３０に含まれる各コイル部４０は、第１導体５１、第２導体５２、第１接続配線６１、及び第２接続配線６２を有する。第１導体５１は、電力配線２０に沿って延び、オプションとして、電力配線２０に実質的に平行に延びる。第２導体５２は、第１導体５１よりも１以上の電力配線２０から離間して配される。第２導体５２は、電力配線２０に沿って延び、オプションとして、電力配線２０に実質的に平行に延びる。第１接続配線６１は、同一のコイル部４０内で第１及び第２導体５１，５２を接続する。第２接続配線６２は、周方向において隣接するコイル部４０間で第１及び第２導体５１，５２を接続する。
図２に示すように、各第１導体５１は、電力配線２０の延在方向に直交する平面において電力配線２０の外周の輪郭から等しい距離をあけて配される。第１導体５１は、電力配線２０を中心とする二点鎖線Ｌ１で示される小径仮想円上に等間隔で配列される。各第２導体５２は、電力配線２０の延在方向に直交する平面において電力配線２０の外周の輪郭から等しい距離をあけて配される。第２導体５２は、電力配線２０を中心とする二点鎖線Ｌ２で示される大径仮想円上に等間隔で配列される。小径及び大径仮想円は、同心状に配される。
第１導体５１は、耐熱性基板１０の第１面１８側の第１端部と、その第２面１９側の第２端部を有する。第２導体５２も、同様、耐熱性基板１０の第１面１８側の第１端部と、その第２面１９側の第２端部を有する。幾つかの場合、各導体は、電力配線２０に平行に延びる柱状部である。同一のコイル部４０において第１導体５１に瞬間的に流れる電流の方向と、第２導体５２に瞬間的に流れる電流の方向が逆である。これにより、誘導電流における同相ノイズの低減が促進される。なお、幾つかの場合、電力配線２０には交流電流が流れる。幾つかの場合、電力配線２０には１００Ａ以上の高周波交流電流が流れる。
第１接続配線６１は、同一のコイル部４０内で第１及び第２導体５１，５２を接続する。第１接続配線６１は、第１導体５１の第２端部と第２導体５２の第２端部を接続する。第１接続配線６１は、第１導体５１の第２端部から第２導体５２の第２端部に向けて上述の仮想円に関して径方向外側へ直線的に延びる。
第２接続配線６２は、周方向において隣接するコイル部４０間で第１及び第２導体５１，５２を接続する。第２接続配線６２は、あるコイル部４０に属する第２導体５２の第１端部と、そのコイル部４０に周方向で隣接するコイル部４０に属する第１導体５１の第１端部を接続する。第１接続配線６１は、第２導体５２の第１端部から第１導体５１の第１端部に向けて上述の仮想円に関して径方向内側へ直線的に延びる。
コイル構造３０に含まれるコイル部４０の数は様々であり、図示例に限定されるべきではない。コイル部４０の第２接続配線６２の周方向間隔（配置角）は様々であり、図示例に限定されるべきではない。第１接続配線６１についても同様である。第１導体５１の軸方向長は、電力配線２０よりも短い必要はなく、長い態様も想定される。第２導体５２についても同様である。電力配線２０が、第１及び第２導体５１，５２と比較して大径である必要はない。電力配線２０が複数の小径の電力配線に分割される態様も想定される。なお、複数の小径の電力配線は、共通の電流入力側端子に結合し、同様、共通の電流出力側端子に結合する。
図１に示す非限定の例に係る耐熱性基板１０は、コイル部４０内を通過する態様において、コイル構造３０のコイル配線３１の終点Ｐ２から始点Ｐ１に向かう周方向に延びる戻り配線７０を更にオプションとして有する。戻り配線７０は、耐熱性基板１０に埋設される。コイル構造３０のコイル配線３１に流れる電流の流れる方向と逆方向に向かう電流が戻り配線７０に流れ、同相ノイズ成分が低減され得る。後述の変形例のように、戻り配線７０が省略される形態も想定される。戻り配線７０は、始点Ｐ３から終点Ｐ４まで周方向にコイル部４０内を通って延びる。戻り配線７０は、電力配線２０に直交する一つの平面に存在する。
戻り配線７０の終点Ｐ４には外部接続配線８２が接続される。外部接続配線８２は、戻り配線７０の終点Ｐ４に接続した柱状部８２ｊと、柱状部８２ｊの一端に結合し、耐熱性基板１０の第１面１８上を延びる直線部８２ｋから成る。戻り配線７０に対するコンタクトの取り方は、様々な態様が検討される。外部接続配線８２の直線部８２ｋが省略され、他の電子部品の端子が外部接続配線８２の柱状部８２ｊにバンプ接続される態様も想定される。
セラミック材料を主成分とする耐熱性基板１０にコイル構造３０が埋設されない場合、熱膨張によりコイル構造３０と電力配線２０の位置がずれてしまうおそれがある。本実施形態においては、電力配線２０とコイル構造３０が耐熱性基板１０に埋設される。コイル構造３０のコイル配線３１は、耐熱性基板１０外に露出しない、又は耐熱性基板１０外に部分的に露出する。従って、コイル構造３０と電力配線２０の熱膨張は、耐熱性基板１０のセラミック材料／セラミック部によって抑制されるため、コイル構造３０と電力配線２０の位置や、コイル部４０と電力配線２０の位置に対する熱影響が効果的に低減される。その結果、検出電流の精度が向上する。
セラミック材料を主成分とする耐熱性基板１０にコイル構造３０が埋設されない場合、熱膨張によりコイル構造３０により囲まれる面積が変化してしまうおそれがある。換言すれば、電力配線２０が延びる方向に直交する断面において複数の第１導体５１により囲まれる面積が変化してしまうおそれがある。本実施形態においては、コイル部４０の第１導体５１、第２導体５２、第１接続配線６１、及び第２接続配線６２が、耐熱性基板１０に埋設される。コイル部４０の第１導体５１及び第２導体５２は、耐熱性基板１０外に露出しない。コイル部４０の第１接続配線６１及び第２接続配線６２は、耐熱性基板１０外に露出せず、又は、耐熱性基板１０の第１面１８又は第２面１９において耐熱性基板１０外に少なくとも部分的に露出する。耐熱性基板１０よりも熱影響を受けやすいコイル構造３０やコイル部４０の耐熱性基板１０からの露出が回避又は低減され、コイル構造３０やコイル部４０の幾何学的形状に対する熱影響が効果的に低減される。その結果、検出電流の精度が向上する。
コイル構造３０に電流を流すための外部接続配線８１が様々な態様で設けられ得る。例えば、少なくとも一つの外部接続配線８１が、コイル部４０の第１導体５１、第２導体５２、第１接続配線６１、又は第２接続配線６２に接続される。図１の例では、外部接続配線８１は、コイル部４０の第１導体５１の延長部分として設けられた柱状部８１ｊと、柱状部８１ｊの一端に結合し、耐熱性基板１０の第１面１８上を延びる直線部８１ｋから成る。外部接続配線８１の直線部８１ｋが省略され、他の電子部品の端子が外部接続配線８１の柱状部８１ｊにバンプ接続される態様も想定される。
冒頭で述べたように、コイル構造３０内には上述の定義されるコイル部４０に満たない配線構造、言うなれば、半コイル部４０’も含まれ得る。例えば、外部接続配線８１が、コイル部４０の第１導体５１に接続される場合、そのコイル部４０の第１接続配線６１、第２導体５２、及び第２接続配線６２が省略される。外部接続配線８１が、コイル部４０の第１接続配線６１に接続される場合、そのコイル部４０の第２導体５２、及び第２接続配線６２が省略される。外部接続配線８１が、コイル部４０の第２導体５２に接続される場合、第２接続配線６２が省略される。第１導体５１、第１接続配線６１、第２導体５２、及び第２接続配線６２の全てを具備しないコイル部４０を半コイル部４０’と命名する。幾つかの場合、コイル構造３０は、複数の半コイル部４０’を含む。
様々な製造方法を用いて、図１及び図２に示した耐熱性素子１を製造することができる。図３乃至図６は、耐熱性素子１の非限定の一例の製造方法を模式的に示す。図３は、耐熱性素子の非限定の一例の製造工程を説明する概略図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略的な断面に対応する。図４は、耐熱性素子の非限定の一例の製造工程を説明する概略図であり、図２のＩＶ−ＩＶに沿う概略的な断面に対応する。図５は、図３に示したグリーンシートの積層及び焼成後の構造を示す概略的な模式図である。図６は、図４に示したグリーンシートの積層及び焼成後の構造を示す概略的な模式図である。
概要として、図３及び図４に図示されるグリーンシート１１〜１６が準備され、続いてこれらが積層及び焼成される。
各グリーンシート１１〜１６は、セラミック粉体（例えば、アルミナ粉体）、ガラス粉体、バインダー粉体（例えば、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール））、及び溶剤（例えば、ブタノールやエタノール）を含む。焼成によりグリーンシート１１〜１６に含まれる有機物成分（バインダー粉体及び溶剤）が除去され、セラミックとガラスの混合物の焼成体が得られる。
各グリーンシート１１〜１６は、グリーンシート１１〜１６の積層及び焼成後に図１及び図２に示したコイル構造３０や戻り配線７０等を構築するように構成される。例えば、各グリーンシート１１〜１６には、必要箇所に孔が形成され、この孔が導電性ペーストにより充填される。各グリーンシート１１〜１６のシート面上には導電性ペーストが所望のパターンを描くように層状に形成される。つまり、各グリーンシート１１〜１６のシート面上には導電性ペーストのパターンが形成される。グリーンシート１１〜１６の焼成過程で導電性ペーストの有機物成分が除去され、導電性ペースト由来の金属粒子が互いに焼結し、電力配線２０又はコイル構造３０等の一部が形成される。
導電材ペーストは、導電性ペーストに含まれる導電材として、電力配線２０及び／又はコイル構造３０に含まれるべき一群の金属粒子を含む。幾つかの場合、導電材ペーストに含まれる金属粒子は、銅又は銀を主成分として含み、若しくは、銅又は銀を主成分として含む合金を含む。導電性ペーストは、銅又は銀といった金属粒子の他、有機物成分のバインダー及び／又は溶剤を含み得る。印刷技術を用いれば、グリーンシートのシート面上に導電性ペーストのパターンを効率的及び高精度に形成することができる。なお、グリーンシート１１〜１６に孔を形成する方法は、打ち抜き、切削又はレーザーアブレーション等の様々な方法が採用可能である。
耐熱性素子１の非限定の一例の製造方法は、次の工程を含み得る。
第１工程：セラミック粉体（例えば、アルミナ粉体）とガラス粉体を混合する。任意の混合機が用いられる。
第２工程：第１工程で得られたセラミック及びガラスの混合粉体、バインダー粉体、及び溶剤を撹拌槽内で混合してスラリーを得る。撹拌槽内で撹拌翼を回転することにより、材料の十分な混合が促進される。
第３工程：スラリーを所定厚のシートに成形し、続いて、加熱により乾燥し、これによりグリーンシートが得られる。
第４工程：グリーンシートを所定サイズに切断する。
第５工程：所定サイズのグリーンシートに所定の孔を形成する。
第６工程：グリーンシートの孔に導電材ペーストを充填し、また、グリーンシートのシート面上に導電材ペーストを層状に形成する。幾つかの場合、導電性ペーストがグリーンシートのシート面上に印刷される。印刷は、スクリーン印刷等が例示できる。
第７工程：導電材ペーストが孔に充填され、及び／又は、シート面上に導電性ペーストのパターンが形成されたグリーンシートを積層する。必要に応じて、このグリーンシートの積層物を積層方向において加圧し、これにより各グリーンシートが積層方向で密着したグリーンシートの積層物が得られる。
第８工程：グリーンシートの積層物を非酸化雰囲気にて脱脂・焼成する。
第１工程：セラミック粉体（例えば、アルミナ粉体）とガラス粉体を混合する。任意の混合機が用いられる。
第２工程：第１工程で得られたセラミック及びガラスの混合粉体、バインダー粉体、及び溶剤を撹拌槽内で混合してスラリーを得る。撹拌槽内で撹拌翼を回転することにより、材料の十分な混合が促進される。
第３工程：スラリーを所定厚のシートに成形し、続いて、加熱により乾燥し、これによりグリーンシートが得られる。
第４工程：グリーンシートを所定サイズに切断する。
第５工程：所定サイズのグリーンシートに所定の孔を形成する。
第６工程：グリーンシートの孔に導電材ペーストを充填し、また、グリーンシートのシート面上に導電材ペーストを層状に形成する。幾つかの場合、導電性ペーストがグリーンシートのシート面上に印刷される。印刷は、スクリーン印刷等が例示できる。
第７工程：導電材ペーストが孔に充填され、及び／又は、シート面上に導電性ペーストのパターンが形成されたグリーンシートを積層する。必要に応じて、このグリーンシートの積層物を積層方向において加圧し、これにより各グリーンシートが積層方向で密着したグリーンシートの積層物が得られる。
第８工程：グリーンシートの積層物を非酸化雰囲気にて脱脂・焼成する。
幾つかの場合、グリーンシート１１は、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）シートである。換言すれば、グリーンシート１１は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、チタニア（ＴｉＯ2）、マグネシア（ＭｇＯ）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）から成る群から選択される１以上のセラミック材料と、ガラス材料の両方を含む。一例では、グリーンシート１１は、アルミナとガラス材料を含む。これらの材料の組み合わせから得られる利益は、上述のとおりである。
図示例を含む幾つかの場合、グリーンシート１１には第１未焼成部分９２１が埋設され、グリーンシート１１の上面には第１未焼成接続配線９６１が形成されている。一例においては、第１未焼成部分９２１が上述の導電性ペーストから成り、焼成を経て電力配線２０の第１部分になる。同様、第１未焼成接続配線９６１が上述の導電性ペーストから成り、焼成を経て第１接続配線６１になる。第１未焼成接続配線９６１の上面がグリーンシート１１の上面に一致するように、第１未焼成接続配線９６１をグリーンシート１１に埋設しても良い。
グリーンシート１２には第２未焼成部分９２２と、コイル部４０の第１及び第２導体５１，５２の一部になるべき未焼成部分９５１，９５２が埋設される。一例においては、第２未焼成部分９２２が上述の導電性ペーストから成り、焼成を経て電力配線２０の第２部分になる。同様、未焼成部分９５１が上述の導電性ペーストから成り、焼成を経て第１導体５１の一部になる。同様、未焼成部分９５２が上述の導電性ペーストから成り、焼成を経て第２導体５２の一部になる。
グリーンシート１３には電力配線２０の第３部分２３になるべき第３未焼成部分９２３と、コイル部４０の第１及び第２導体５１，５２の一部になるべき未焼成部分９５１，９５２が埋設される。グリーンシート１３の上面には戻り配線７０になるべき未焼成戻り配線９７０が設けられる。グリーンシート１４には電力配線２０の第４部分２４になるべき第４未焼成部分９２４と、コイル部４０の第１及び第２導体５１，５２の一部になるべき未焼成部分９５１，９５２が埋設される。グリーンシート１５には電力配線２０の第５部分２５になるべき第５未焼成部分９２５と、コイル部４０の第１及び第２導体５１，５２の一部になるべき未焼成部分９５１，９５２が埋設される。グリーンシート１５の上面には第２接続配線６２になるべき第２未焼成接続配線９６２が設けられる。グリーンシート１６には電力配線２０の第６部分２６になるべき第６未焼成部分９２６が埋設される。電力配線２０の第３乃至第６未焼成部分９２３〜９２６も、上述と同様、一例においては、上述の導電性ペーストから成る。第１及び第２導体５１，５２の一部になるべき未焼成部分９５１，９５２、及び第２未焼成接続配線９６２についても同様、一例においては、上述の導電性ペーストから成る。
かかるグリーンシート１１〜１６を積層した状態で焼成することにより積層方向において隣接するグリーンシートが互いに焼結する。具体的には、積層方向で隣接するグリーンシート１１のセラミック材料が焼結し、電力配線２０を形成するべく未焼成部分同士が焼結し、第１導体５１を形成するべく未焼成部分同士が焼結し、第２導体５２を形成するべく未焼成部分同士が焼結する。第１導体５１と第１接続配線６１の焼結、第１導体５１と第２接続配線６２の焼結、第２導体５２と第１接続配線６１の焼結、第２導体５２と第２接続配線６２の焼結も生じる。コイル構造３０の終点Ｐ２と戻り配線７０の焼結も生じる。必要に応じて、コイル構造３０と外部接続配線８１の焼結や、戻り配線７０と外部接続配線８２の焼結が生じる。
金属線材の加工から得られた電力配線２０や、金属線材の加工から得られたコイル構造３０と戻り配線７０の結合体が埋設されたセラミック粉体を焼成して耐熱性素子１を製造する別例も想定される。戻り配線７０が省略される場合、セラミック粉体に埋設される金属構造体の構成が簡素化される。３次元プリンターを活用すれば、セラミック粉体に埋設される金属構造の幾何学形状を高精度に決定することができる。
図７は、本開示の別態様に係る耐熱性素子の概略的な斜視模式図であり、耐熱性基板に埋設された電力配線及びコイル構造等が透視される。図７は、主に電力配線及びコイル構造の構成を明示するための模式図である。この実施形態においても、上述の形態若しくは例と同じく、コイル構造３０は、耐熱性基板１０に埋設される。従って、上述の形態若しくは例と同一の効果を得ることができる。
図７に示す場合、戻り配線７０が省略される。上述の形態又は例で述べたように、同一のコイル部４０において第１導体５１に瞬間的に流れる電流の方向と、第２導体５２に瞬間的に流れる電流の方向が逆であり、これにより、誘導電流における同相ノイズの低減が促進される。
図８は、耐熱性素子の概略的な上面模式図であり、耐熱性基板に埋設されるコイル構造の第１の変形例を示す。図８の変形例においては、周方向において第１導体５１がジグザグ状に配列される。同様に、周方向において第２導体５２がジグザグ状に配列される。換言すれば、１以上の電力配線２０に対する第１導体５１の距離が周方向において第１距離と第２距離の間で変動する。第２距離は、第１距離よりも大きい。同様、１以上の電力配線２０に対する第２導体５２の距離が周方向において第３距離と第４距離の間で変動する。第４距離は、第３距離よりも大きい。かかる場合、１以上の電力配線２０に近接して多数の第１導体５１を配置することが許容され、電流検出能の向上が促進される。
図９は、耐熱性素子の概略的な上面模式図であり、耐熱性基板に埋設されるコイル構造の第２の変形例を示す。図９の変形例においては、２つの第１導体５１が周方向で隣接した第１導体ペアが、周方向においてジグザグ状に配列される。図９は、２以上の第１導体５１が周方向で隣接した第１導体の単位集合が、周方向においてジグザグ状に配列される更なる変形例も示唆する。１以上の電力配線２０に近接して多数の第１導体５１を配置することが促進される。
図１０は、耐熱性素子に含まれる電力配線とコイル構造の一部を示す概略図であり、電力配線を周囲する周方向に隣接するコイル部が中継コイル部を介して接続する例を示す。図１０に示す変形例においては、周方向で隣接するコイル部４０は、コイル部４０よりも小型な少なくとも一つの中継コイル部４５を介して接続される。コイル部４０の第２接続配線６２は、周方向において隣接するコイル部４０間で第１及び第２導体５１，５２を接続することに代えて、第１又は第２導体５１，５２を中継コイル部４５に接続する。中継コイル部４５の追加により、コイル構造３０におけるコイル部の高密度配置が促進され、電流検出能の向上が促進される。
中継コイル部４５は、電力配線２０に沿って延びる第３導体５３と、第３導体５３よりも１以上の電力配線２０から離間して配され、電力配線２０に沿って延びる第４導体５４と、第３及び第４導体５３，５４を接続する第３接続配線６３と、第３又は第４導体５３，５４を第１又は第２導体５１，５２に接続する第４接続配線６４を含む。第３及び第４導体５３，５４は、電力配線２０に実質的に平行に延びる。
図１０の図示例では、第４接続配線６４は、第４導体５４と第１導体５１を接続する。図１０の図示例では、第１乃至第４導体５１，５２，５３，５４が、同一平面に存在する。この平面は、電力配線２０に平行に延びる面であり、面内に電力配線２０が存在する。
周方向で隣接するコイル部４０が２以上の中継コイル部を介して接続する更なる変形例も想定される。
図１１は、耐熱性素子の概略的な部分的な上面模式図であり、複数の電力配線が設けられる変形例を示す。図１１に示すように、電力配線２０の延在方向に直交する平面において複数の電力配線２０を囲む外周線Ｌ３に関して、各第１導体５１が等しい距離をあけて配される。別に表現すれば、３以上の電力配線２０から成る電力配線群の延在方向に直交する平面において電力配線群を囲む外周線Ｌ３に関して、各第１導体５１が等しい最小間隔をあけて配される。電力配線２０に高周波電流が流れる場合、表皮効果が生じ、つまり、高周波電流が電力配線２０の配線表面に多く流れる現象が生じる。電力配線２０が、１本の太い配線ではなく複数の細い配線から構成される場合、電力配線２０の合計の配線表面の表面積が大きくなり、高周波電流に対する電力配線２０の配線抵抗を低減できる。
外周線Ｌ３は、周方向にて隣接する電力配線２０の外周に接する接線が周方向に連続して成る。図１１の場合、外周線Ｌ３は、周方向に隣接した電力配線２０の外周に接する合計６本の接線が周方向に連続して成る。図１１の場合、外周線Ｌ３は、矩形状であるが、別の形態においては、三角形状、五角形状、六角形状、八角形状、九角形状等の多角形状であり得る。
外周線Ｌ３の幾何学形状、第１導体５１の断面形状、外周線Ｌ３に対する第１導体５１の配置態様に応じて、及び／又は製造誤差に応じて、外周線Ｌ３と第１導体５１の距離又は最小間隔が、ある範囲内で変化することも想定される。この範囲は、例えば、外周線Ｌ３と第１導体５１の最小間隔ｄの最大値ｄｍａｘとし、外周線Ｌ３と第１導体５１の最小間隔ｄの最小値ｄｍｉｎとする時、０．７＜（ｄｍｉｎ／ｄｍａｘ）、０．７５＜（ｄｍｉｎ／ｄｍａｘ）、０．８＜（ｄｍｉｎ／ｄｍａｘ）、０．８５＜（ｄｍｉｎ／ｄｍａｘ）、０．９＜（ｄｍｉｎ／ｄｍａｘ）、０．９５＜（ｄｍｉｎ／ｄｍａｘ）の少なくとも一つにより規定される。距離又は最小間隔が等しいことは、厳密に又は完全に等しい場合に限られず、上述したバラツキも包含するように解釈されることが意図される。
図１２は、耐熱性素子が組み込まれたアセンブリ例を示す模式図である。図１２に示すように、耐熱性素子１の耐熱性基板１０が、複数の電子部品が実装される配線基板として用いられる。耐熱性基板１０の下面には複数の第１電子部品３３２が実装される。耐熱性基板１０の上面には複数の第２電子部品３３３が実装される。第１電子部品３３２は、ＳｉＣ基準のＭＯＳＦＥＴなどの能動素子であり得る。第２電子部品３３３は、コンデンサ、抵抗器などの受動素子であり得る。
各第１電子部品３３２は、ヒートシンク３３１に接続され、端的には、ヒートシンク３３１に実装される。第１電子部品３３２の動作時に発生する熱がヒートシンク３３１に伝わり、第１電子部品３３２の過熱が抑制される。ヒートシンク３３１は、一例として空冷式である。図１２に示すアセンブリは、高度の能動的な冷却装置を含まない。これは、アセンブリに含まれる各部品の耐熱性が高められていることの帰結である。
上述の教示を踏まえると、当業者をすれば、各実施形態に対して様々な変更を加えることができる。請求の範囲に盛り込まれた符号は、参考のためであり、請求の範囲を限定解釈する目的で参照されるべきものではない。
１ 耐熱性素子
１０ 耐熱性基板
２０ 電力配線
３０ コイル構造
４０ コイル部
５１ 第１導体
５２ 第２導体
５３ 第３導体
５４ 第４導体
６１ 第１接続配線
６２ 第２接続配線
６３ 第３接続配線
６４ 第４接続配線
１０ 耐熱性基板
２０ 電力配線
３０ コイル構造
４０ コイル部
５１ 第１導体
５２ 第２導体
５３ 第３導体
５４ 第４導体
６１ 第１接続配線
６２ 第２接続配線
６３ 第３接続配線
６４ 第４接続配線
Claims (11)
- セラミック材料を含む耐熱性基板と、
前記耐熱性基板に埋設される１以上の電力配線と、
前記１以上の電力配線に流れる電流を検出するためのコイル構造にして、始点と終点の間を延びるコイル配線から構築され、前記コイル配線の始点と終点の間で、前記コイル配線の一巻きを含む又は前記コイル配線の一巻きに対応するコイル部が前記１以上の電力配線を周囲する周方向に配列され、前記周方向で隣接する前記コイル部は、前記コイル部よりも小型な少なくとも一つの中継コイル部を介して接続されるコイル構造を備え、
前記コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第１導体と、
前記第１導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第２導体と、
同一のコイル部内で前記第１及び第２導体を接続する第１接続配線と、
前記第１又は第２導体を前記中継コイル部に接続する第２接続配線を含み、
前記第１導体、前記第２導体、前記第１接続配線、及び第２接続配線が、前記耐熱性基板に埋設され、少なくとも前記第１導体及び前記第２導体が前記耐熱性基板外に露出せず、
前記中継コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第３導体と、
前記第３導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第４導体と、
同一の中継コイル部内で前記第３及び第４導体を接続する第３接続配線と、
前記第３又は第４導体を前記コイル部に接続する第４接続配線を含み、
前記第１乃至第４導体が、同一平面に存在する、電流検出用の耐熱性素子。 - セラミック材料を含む耐熱性基板と、
前記耐熱性基板に埋設される１以上の電力配線と、
前記１以上の電力配線に流れる電流を検出するためのコイル構造を備え、
前記コイル構造は、始点と終点の間を延びるコイル配線から構築され、前記コイル配線の始点と終点の間で、前記コイル配線の一巻きを含む又は前記コイル配線の一巻きに対応するコイル部が前記１以上の電力配線を周囲する周方向に配列され、
前記コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第１導体と、
前記第１導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第２導体と、
同一のコイル部内で前記第１及び第２導体を接続する第１接続配線と、
前記周方向において隣接するコイル部間で前記第１及び第２導体を接続する第２接続配線を含み、
前記第１導体、前記第２導体、前記第１接続配線、及び第２接続配線が、前記耐熱性基板に埋設され、少なくとも前記第１導体及び前記第２導体が前記耐熱性基板外に露出しない、電流検出用の耐熱性素子。 - 前記１以上の電力配線に接続された第１外部接続配線のペアと、
前記コイル構造に接続された第２外部接続配線のペアと、
を更に備え、
少なくとも一方の前記第１外部接続配線と少なくとも一方の前記第２外部接続配線が、前記耐熱性基板の所定面上に形成され、前記所定面上の第１外部接続配線は前記コイル構造を構築する前記コイル配線に重畳しないように設けられる、請求項１又は２に記載の耐熱性素子。 - 前記第２外部接続配線は、前記耐熱性基板の所定面上において前記第１外部接続配線と同一方向に延びる部分を含む、請求項３に記載の耐熱性素子。
- 前記セラミック材料は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、コージェライトを含み、前記耐熱性基板は、ガラス材料を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の耐熱性素子。
- 前記電力配線と前記コイル構造は、同一の金属材料を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の耐熱性素子。
- 前記電力配線と前記コイル構造は、銅を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の耐熱性素子。
- 前記１以上の電力配線として複数の電力配線が設けられ、前記複数の電力配線に対して共通の電流入力側端子と電流出力側端子が設けられる、請求項１又は２に記載の耐熱性素子であって、
前記電力配線の延在方向に直交する平面において前記複数の電力配線を囲む外周線に関して、各第１導体が等しい距離をあけて配される、耐熱性素子。 - 前記周方向で隣接する前記コイル部は、前記コイル部よりも小型な少なくとも一つの中継コイル部を介して接続され、
前記コイル部の第２接続配線は、前記周方向において隣接するコイル部間で前記第１及び第２導体を接続することに代えて、前記第１又は第２導体を前記中継コイル部に接続する、請求項２に記載の耐熱性素子。 - 前記中継コイル部は、
前記電力配線に沿って延びる第３導体と、
前記第３導体よりも前記１以上の電力配線から離間して配され、前記電力配線に沿って延びる第４導体と、
前記第３及び第４導体を接続する第３接続配線と、
前記第３又は第４導体を前記第１又は第２導体に接続する第４接続配線を含む、請求項９に記載の耐熱性素子。 - 前記コイル部内を通過する態様において、前記コイル構造のコイル配線の終点から始点に向かう周方向に延びる戻り配線を更に備える、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の耐熱性素子。
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