JP6826994B2 - 電流センサ - Google Patents

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Description

本発明は、電流センサに関する。
電流センサは、磁気センサの代表的なアプリケーションである。その原理は、検出電流を一次コイルに流し、そこから検出磁界を発生し、磁気センサを用いて磁界の強度を感知し、検出された磁界を出力のための電圧信号に変換することによって、入力電流と出力電圧信号との間の関係性を確立することである。集積型電流センサは、磁気センサと一次コイルとを統合し、それらを電流センサチップにパッケージする。現在、2種類の典型的な集積型電流センサが存在する。図1は、NVE社のAAV003集積型電流センサ1を示す。測定される電流は最大5Aであってよく、磁気センサ2はGMR型であり、フルブリッジ勾配センサを形成する。一次コイル3はU字形であり、2つの直線ストリップ31および32を含み、フルブリッジを構成する2セットの磁気抵抗センサユニットのブリッジアーム22および21はそれぞれ直線ストリップ31および32の下に配置される。図2に示すように、ブリッジアームR0およびR1は直線ストリップ31に対応し、ブリッジアームR3およびR4は直線ストリップ32に対応し、R0およびR1の位置付近で直線ストリップ31によって生じる磁界がHx1であり、R3およびR4の位置付近で直線ストリップ32によって生じる磁界がHx2であり、2つの磁界は反対の磁界方向を有するが同じマグニチュードである。GMR磁気抵抗センサユニットR0、R1、R3、およびR4は、同じX磁界感応方向を有する。ブリッジ接続構造は、図3に示すように典型的な差動構造であり、2つの出力信号端はそれぞれV+およびV−である。
図4は、他の種類の集積型電流センサ、すなわちインフィニオン社のTL14970集積型電流センサ4を示す。測定される電流は−50A〜+50Aの範囲である。この集積型電流センサは、ホール勾配センサ5、線形ストリップ一次コイル6、ホール勾配センサ5を線形ストリップ一次コイル6から隔絶するためのセラミックセパレータ7、および信号出力インタフェース8を含み、ストリップ一次コイル6および信号出力インタフェース8はどちらもリードフレーム材で作られる。また、ホール勾配センサ5は、線形ストリップ一次コイル6の上に直接配置される。図5は、リードフレーム一次コイルを含む集積型電流センサの平面構造図である。ホールセンサユニットR0およびR1は、それぞれ一次コイル6の中心線9の両側に対称に位置する。R0の位置およびR1の位置で一次コイル6内の電流によって生じるZ方向磁界成分はそれぞれHz1およびHz2であり、これらは同じマグニチュードであるが反対方向である。この差動接続構造は図6に示すものであり、ハーフブリッジ構造の中間出力信号がVoutである。
比較すると、差動磁界を実現するために逆方向電流を有する2本の直線ワイヤを必要とするU字形一次コイルとは異なり、線形ストリップ一次コイルはより大きな幅を有し、リードフレーム材で作られているため、より大きな電流を流すことができ、より大きな電流測定のために役立つということが分かる。
ホールセンサおよびGMRセンサと比べて、TMRセンサは、高い磁界感度、低い電力消費、小さなサイズ、および他の利点を有する。したがって、TMRセンサを用いることにより、高精度の集積型電流センサが作成され得る。一方、線形ストリップ一次コイルとともにリードフレームを用いることにより、より高振幅の電流が実現され得る。TMRセンサおよびリードフレーム一次コイルの利点を組み合わせることで、高精度およびより大きな電流範囲を有する新たな種類の集積型電流センサがもたらされ得る。
したがって、高感度および低電力消費のTMR磁気抵抗センサを結合する集積型電流センサが本明細書において提案され、これは、以下のように実装される。
Z軸磁気抵抗グラジオメータおよびリードフレーム電流を用いる集積型電流センサは、Z軸グラジオメータおよびリードフレーム一次コイルを含み、Z軸グラジオメータは磁気抵抗Z軸勾配センサであり、基板と、基板の上に配置され、離間勾配特徴間隔Lgを有する2つの細長い軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1と、軟磁性磁束コンセントレータの上面または下面において、軟磁性磁束コンセントレータの長軸中心線から等距離にある2つの側方位置Y1およびY2に設けられた磁気抵抗センサストリングとを含み、その結果、結合された磁気抵抗感知ユニットは、長軸中心線に垂直な磁界を検出し、グラジオメータセンサブリッジとして構成され、リードフレーム一次コイルは、Z軸グラジオメータの上または下に直接配置された細長い電流検出帯を含み、2つの軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1は、軟磁性磁束コンセントレータの長軸中心線に平行な細長い電流検出帯の帯中心線の両側に対称に配置され、細長い電流検出帯における検出電流の方向は、軟磁性磁束コンセントレータの長軸中心線の方向と平行である。
好適には、集積型電流センサは二次コイルを更に含み、二次コイルは、直列に接続され反対の巻き方向を有する2つのサブコイルを含み、サブコイルの各々は、軟磁性磁束コンセントレータの長軸中心線の両側に対称に配置され、反対の帰還電流方向を有する2本の直線ワイヤを含む。
好適には、サブコイルは、基板とZ軸グラジオメータとの間に配置され、またはZ軸グラジオメータの磁気抵抗感知ユニットと軟磁性磁束コンセントレータとの間に配置される。
好適には、磁気抵抗感知ユニットは、GMR、TMR、またはAMR磁気抵抗感知ユニットである。
好適には、勾配センサブリッジは、フルブリッジ、ハーフブリッジ、または疑似ブリッジ構造である。
好適には、二次コイルにおける帰還電流によって磁気抵抗感知ストリングにおいて生じる帰還磁界の方向は、リードフレーム一次コイルにおける検出電流によって磁気抵抗感知ストリングにおいて生じる検出磁界の方向と反対である。
好適には、集積型電流センサは信号処理回路を更に含み、集積型電流センサがZ軸グラジオメータおよびリードフレーム一次コイルを含む場合、Z軸グラジオメータの信号出力端は信号処理回路に接続され、信号処理回路は、Z軸グラジオメータによって測定される検出磁界勾配に従って検出電流の値を決定する。
好適には、集積型電流センサは信号処理回路を更に含む。集積型電流センサが、Z軸グラジオメータ、リードフレーム一次コイル、および二次コイルを含む場合、信号処理回路は負帰還回路であり、信号増幅器と、電力コントローラと、帰還電流集電器とを含み、Z軸グラジオメータの信号出力端は信号増幅器に接続される。検出電流は、リードフレーム一次コイルにおいて入力され、Z軸グラジオメータにおいて検出磁界を発生し、信号増幅器による信号増幅の後、二次コイルに接続された電力コントローラへ帰還信号として入力される。電力コントローラは、磁気抵抗感知ユニットにおける検出磁界および帰還磁界が相殺し合い、Z軸グラジオメータにおける出力信号が0になるように、二次コイルにおける帰還電流を調整する。帰還電流集電器は電力コントローラに接続され、検出電流の値は、帰還電流の値に従って決定される。
好適には、信号処理回路はASICチップであってよい。
好適には、パッケージ時、リードフレーム一次コイルおよびZ軸グラジオメータが一体にパッケージされ、または、リードフレーム一次コイル、Z軸グラジオメータ、二次コイル、およびASICチップが一体にパッケージされる。
好適には、パッケージ後、集積型電流センサは、Z軸グラジオメータの上に配置された軟磁性遮蔽物を更に含んでよい。
好適には、検出電流の振幅は5A〜50Aの範囲である。
好適には、軟磁性磁束コンセントレータは、Co、Fe、およびNiのうち1または複数の元素から成る軟磁性合金である。
好適には、二次コイルは、Au、Cu、Ag、またはAlで作られる。
U字形一次コイル集積型電流センサの3次元構造図である。 U字形一次コイル集積型電流センサの平面構造図である。 U字形一次コイル集積型電流センサの磁気抵抗勾配センサのフルブリッジ電気接続の図である。 リードフレーム一次コイル集積型電流センサの3次元構造図である。 リードフレーム一次コイル集積型電流センサの平面構造図である。 リードフレーム一次コイル集積型電流センサの磁気抵抗勾配センサのハーフブリッジ電気接続の図である。 Z軸磁気抵抗勾配センサの構造図である。 Z成分外部磁界の測定原理の図である。 Z軸磁気抵抗グラジオメータのフルブリッジ構造電気接続の図である。 Z軸磁気抵抗グラジオメータのフルブリッジ構造電気接続の図である。 Z軸グラジオメータおよびリードフレーム一次コイル集積型電流センサの構造図である。 リードフレーム一次コイルの電流磁界を試験するZ軸グラジオメータの原理の図である。 Z軸グラジオメータおよびリードフレーム一次コイルおよび2次コイル集積型電流センサの構造図である。 リードフレーム一次コイルおよび二次コイルの電流磁界を試験するZ軸グラジオメータの原理の図である。 集積型電流センサの信号処理の図である。 ASIC信号処理回路を備えた集積型電流センサを示す。 集積型電流センサのパッケージの構造図である。
Z軸ホール勾配センサに関して、先行特許において、磁気抵抗Z軸勾配センサチップ(特許出願第2014102384186号)が提案されている。図7に示すように、磁気抵抗Z軸勾配センサチップは、基板10と、基板の上に配置され離間勾配特徴間隔Lgを有する2つの細長い軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1とを含む。細長い軟磁性磁束コンセントレータは、Y方向に長軸を有し、X方向に短軸を有する。磁気抵抗センサストリングは、軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1の上面または下面において、軟磁性磁束コンセントレータの長軸中心線11から等距離にある2つの位置Y1およびY2に配置される。Z軸外部磁界の成分を測定する原理は図8に示すとおりである。Z軸からの外部磁界成分Hzがそれぞれ軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1の位置に作用する場合、Hz成分は歪められ、同じ振幅かつX方向および−X方向を有する外部磁界成分Hx1および−Hx1となる。位置Y1およびY2における磁気抵抗センサストリングは全て磁界感応X方向または−X方向にあるので、Z磁界成分における差動測定が実行される。磁気抵抗センサストリングは電気的に接続され、図9に示すような勾配センサのフルブリッジ構造を形成する。図9(a)において、A1における磁気抵抗センサストリングは、ハーフブリッジ構造を形成するように接続され、中間信号出力端V−を介して出力し、それによってA1におけるZ磁界成分の測定を実行する。B1における磁気抵抗センサストリングは、ハーフブリッジ構造を形成するように接続され、中間信号出力端V+を介して出力し、それによってB1におけるZ磁界成分の測定を実行する。A1およびB1におけるZ磁界信号成分間の差は、2つの信号出力端V+とV−との間の差であり、それによってZ磁界勾配における測定が実行される。図9(b)は、典型的な勾配センサ構造を示す。A1およびB1の同じ側にある位置Y1またはY2における磁気抵抗センサストリングは、それぞれハーフブリッジ構造を形成するように接続され、2つのハーフブリッジ間に差が実現され、出力は、A1およびB1におけるZ磁界差成分である。
したがって、本発明は、ホールZ軸勾配センサの代わりに上記の磁気抵抗Z軸勾配センサを用い、リードフレーム電流と組み合わせて集積型電流センサを実装する。集積型電流センサは、高精度および高電流振幅という利点を有する。
本発明は、以下で、添付図面および実施形態を参照して詳述される。
実施形態1
図10は、Z軸グラジオメータおよびリードフレーム電流を用いる集積型電流センサの構造図であり、Z軸グラジオメータ13およびリードフレーム一次コイル15を含む。リードフレーム一次コイル15は、Z軸グラジオメータ13の上または下に直接配置された細長い電流検出帯151を含み、他の電流リード部分(図10には不図示)を更に含んでもよい。Z軸グラジオメータ13は、図7に示す磁気抵抗Z軸勾配センサである。これに含まれる2つの細長い軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1は、電流方向17に沿って細長い電流検出帯151の中心線18の両側に対称に配置される。ピンパッド16およびZ軸グラジオメータ13は、リードを介して接続される。ピンパッド16およびリードフレーム一次コイル15はともにリードフレーム14を構成する。
図11は、リードフレーム一次コイル15の電流磁界を試験するZ軸グラジオメータの原理の図である。細長い軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1において細長い電流検出帯151内の電流によって生じるZ軸磁界成分はそれぞれHZ1および−HZ1であり、その磁界差動信号は2HZ1であり、Z軸グラジオメータの信号出力端において信号応答Voutが生じる。HZ1は電流信号Iに正比例するので、Voutは電流信号Iに正比例し、それによってZ軸グラジオメータは電流Iを測定することができる。図11に示す集積型電流センサは、開ループ集積型電流センサに直接適用され得る。
図12は、Z軸グラジオメータおよびリードフレーム一次コイルおよび二次コイル集積型電流センサの構造図であり、二次コイルを備えた集積型電流センサ19は、閉ループ集積型電流センサに適用される。図11に示す集積型電流センサ12に基づいて、Z軸グラジオメータ13に二次コイル20が追加される。二次コイル20は、2つのサブコイル21および22を含み、これらは反対の巻き方向を有し、直列に接続される。また、サブコイル21および22の各々は2本の直線ワイヤを含む。サブコイル21は直線ワイヤ23および24を含み、サブコイル22は直線ワイヤ25および26を含む。直線ワイヤは全て、Y1およびY2において磁気抵抗センサストリングに平行であり、2本の直線ワイヤは、A1またはB1の長軸中心線11または11´に関して対称であり、2本の直線ワイヤにおける帰還電流は反対の電流方向を有する。
図13は、二次コイルを備えた集積型電流センサの測定原理の図である。リードフレーム一次コイル15によってA1およびB1で生じるZ軸磁界成分はそれぞれHZ1および−HZ1である。軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1による歪みの後、2つのX方向磁界成分、すなわちHx1および−Hx1がそれぞれY1およびY2において磁気抵抗センサストリングで生じ、磁界成分Hx1は電流方向Iに正比例する。二次コイルの直線ワイヤ23、24、25、および26は図13に示すとおりであり、この図において、磁気抵抗センサストリングの下かつ基板の上に配置される。直線ワイヤにおける電流I1の方向は図13に示すとおりであり、23および24は反対の電流方向を有し、25および26は反対の電流方向を有し、内側にある2本の直線ワイヤ24および26は、外側にある2本の直線ワイヤ23および25の電流方向とは反対の同じ電流方向を有する。二次コイルにおいて電流I1によって磁気抵抗センサストリングにおいて生じるX磁界成分はそれぞれ−Hx1およびHx1であり、同じ磁気抵抗センサストリングにおいてIによって生じる電流磁界の方向とは反対である。その結果、各磁気抵抗センサストリングにおける合計X方向磁界は0であり、Z軸グラジオメータの出力は0であり、この時点で、一次コイルにおける検出電流Iは、二次コイルにおける帰還電流I1に従って決定され得る。
図14は、集積型電流センサを含む信号回路の図である。信号処理回路29は、信号増幅器204、電力コントローラ202、および電流検出器205を含む。検出電流は、リードフレーム一次コイル15に入力され、Z軸グラジオメータ200において検出磁界を発生し、信号増幅器204による信号増幅の後、二次コイル20の両端において電力コントローラ202を調整するための制御信号として用いられ、それによって二次コイル20内の電流は、Z軸グラジオメータ200において検出される磁界が0になるまで、反転磁界を発生する。この時点で、集電器205は二次コイル20における電流を検出し、電流を、一次コイル電流に対応する信号出力Voutに変換する。電力コントローラ202およびZ軸グラジオメータ200の電源はどちらもVsおよびGNDによって供給される。
図15は、ASICを含む集積型電流センサの構造図であり、Z軸磁気抵抗センサ200の信号出力端および電力端、および二次コイル20の電流入力端および電流出力端は全て、ASICユニット29に接続される。一方、ASICの3つの外部ポート201、202、および203、すなわち外部電流センサの3つのポートは、それぞれ電力端Vs、接地端GND、および電流信号出力端Voutに対応する。最初の2つは集積型電流センサの電力入力に適用され、最後の1つは検出電流の信号出力に適用される。
図16は、集積型電流センサのパッケージの構造図である。一次コイル15を含むリードフレームと、その上に配置され、基板10、細長い軟磁性磁束コンセントレータA1およびB1、およびその上または下に配置された磁気抵抗センサストリングを含むZ軸勾配センサと、二次コイル20とが一体にパッケージされる。27はパッケージ材であり、個別に使用され得る。また、パッケージ材は、Z軸勾配センサのすぐ上を、外部磁界からの干渉を遮断するための遮蔽層28で被覆されてもよい。
上記説明は、本発明の好適な実施形態にすぎず、本発明を限定することが意図されるものではない。当業者には、本発明の様々な修正および変更を行うことが可能である。本発明における実装は、異なるように組み合わせおよび変更されてもよい。本発明の主旨および原理の範囲内で行われる任意の修正、等価的置換、改善などは全て、本発明の保護範囲に収まるものとする。

Claims (11)

  1. ラジオメータと第1コイルと第2コイルと信号処理回路とを備え、
    記グラジオメータは、基板と、2つの細長い板状の軟磁性磁束コンセントレータA1および軟磁性磁束コンセントレータB1と、4つの磁気抵抗センサストリングとを有し、前記磁気抵抗センサストリングは、TMR型の複数の磁気抵抗検知ユニットにより構成され、
    前記第1コイルは、リードフレームで形成された単一の細長い電流検出帯を有し、
    前記第2コイルは、直列に接続された、反対の巻き方向を有する2つのサブコイルを有し、
    前記基板の表面に直交する軸をZ軸、前記Z軸に直交する軸をX軸、前記X軸と前記Z軸とに直交する軸をY軸としたとき、
    前記第1コイルと前記グラジオメータとは、前記Z軸の方向に積層され、
    前記電流検出帯は、前記Y軸に沿って第1電流が流れるように、長軸が前記Y軸と平行になるように配置され、
    前記軟磁性磁束コンセントレータA1および前記軟磁性磁束コンセントレータB1は、前記基板の表面又は前記基板の表面から離間したXY平面内において、前記電流検出帯の前記X軸方向に関する中心位置を通るYZ平面を挟んだ両側の対称な位置であって、前記X軸方向に離間勾配特徴間隔Lgを隔てた位置に、長軸が前記Y軸と平行になり、短軸が前記X軸と平行になる向きにそれぞれ配置され、
    前記4つの磁気抵抗センサストリングのうち2つの磁気抵抗センサストリングは、前記軟磁性磁束コンセントレータA1の表面又は裏面の、前記軟磁性磁束コンセントレータA1の幅中央を通り前記Y軸に平行な中心線から等距離な位置にそれぞれ設けられ、
    前記4つの磁気抵抗センサストリングのうち残りの2つの磁気抵抗センサストリングは、前記軟磁性磁束コンセントレータB1の表面又は裏面の、前記軟磁性磁束コンセントレータB1の幅中央を通り前記Y軸に平行な中心線から等距離な位置にそれぞれ設けられ、
    前記磁気抵抗検知ユニットの全ては、前記X軸に平行な磁界感応方向を有し、前記磁気抵抗センサストリングは、前記グラジオメータのセンサブリッジを構成するように電気的に接続され、
    前記電流検出帯に流れる第1電流により発生された前記Z軸に平行な方向の磁界は、前記軟磁性磁束コンセントレータA1及び前記軟磁性磁束コンセントレータB1において前記X軸に平行な向きに歪められ、前記磁気抵抗検知ユニットの全てにより検出され、
    前記2つのサブコイルのうち一方は、前記軟磁性磁束コンセントレータA1の幅中央を通るYZ平面を挟んだ両側に対称に配置された2本の直線ワイヤを有し、前記信号処理回路により前記2本の直線ワイヤには互いに逆向きに第2電流が流され、
    前記2つのサブコイルのうち他方は、前記軟磁性磁束コンセントレータB1の幅中央を通るYZ平面を挟んだ両側に対称に配置された2本の直線ワイヤを有し、前記信号処理回路により前記2本の直線ワイヤには互いに逆向きに前記第2電流が流され、
    前記信号処理回路は、前記サブコイルに流す前記第2電流の値に基づいて前記第1電流の値を決定する、電流センサ。
  2. 前記サブコイルは、前記基板と前記磁気抵抗センサストリングとの間に配置され、または前記磁気抵抗センサストリングと前記軟磁性磁束コンセントレータとの間に配置される、請求項に記載の電流センサ。
  3. 前記センサブリッジは、フルブリッジ構造またはハーフブリッジ構造である、請求項1に記載の電流センサ。
  4. 前記第2コイルにおける前記第2電流によって前記磁気抵抗検知ユニットにおいて生じる第2磁界の方向は、前記第1コイルにおける前記第1電流によって前記磁気抵抗検知ユニットにおいて生じる第1磁界の方向と反対である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電流センサ。
  5. 前記信号処理回路は負帰還回路であり、信号増幅器と、電力コントローラと、電検出器とを備え、前記グラジオメータは前記第1コイルに流れた前記第1電流により発生された第1磁界を検出し、前記第1磁界に応じた電圧信号を発生し、前記グラジオメータにより発生された電圧信号は、前記信号増幅器による信号増幅の後、前記第2コイルに接続された前記電力コントローラへ帰還信号として入力され、前記電力コントローラは、前記磁気抵抗検知ユニットにおける前記第1磁界および前記第2磁界が相殺し合い、前記グラジオメータにより発生された電圧信号が0になるように、前記第2コイルにおける前記第2電流を調整し、前記電流検出器は前記電力コントローラにより調整された前記第2電流を検出し、前記検出した第2電流の値に基づいて、前記第1電流の値を決定する、請求項に記載の電流センサ。
  6. 前記信号処理回路はASICチップである、請求項に記載の電流センサ。
  7. パッケージ時、前記第1コイルおよび前記グラジオメータが一体にパッケージ材によりパッケージされ、または、前記第1コイル、前記グラジオメータ、前記第2コイル、および前記ASICチップが一体にパッケージ材によりパッケージされる、請求項に記載の電流センサ。
  8. 前記パッケージ材の、前記グラジオメータを挟んで前記第1コイルの反対側に位置する部分には、外部磁界からの干渉を遮断するための軟磁性遮蔽物が設けられる、請求項に記載の電流センサ。
  9. 前記第1電流の振幅は5A〜50Aの範囲である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電流センサ。
  10. 前記軟磁性磁束コンセントレータは、Co、Fe、およびNiのうち1または複数の元素を含む軟磁性合金で形成される請求項1乃至9のいずれか一項に記載の電流センサ。
  11. 前記第2コイルは、Au、Cu、Ag、またはAlで形成される、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の電流センサ。
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