JP6914671B2 - Current sensor - Google Patents
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Description
本発明は、電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor.
磁気センサを用いて電流の量を検出する電流センサが知られている。例えば、特許文献1には、電流が流れるバスバー及びバスバー上に配置されたセンサ素子を備え、バスバーはセンサ素子を挟んで外側に張り出る弧線上に形成された一対のスリットを有する、電流センサが開示されている。この電流センサでは、電流がセンサ素子を中心に孤を描くようにバスバー内を流れることで、バスバー上でのセンサ素子の回転による測定精度の低下が抑制される。また、特許文献2には、絶縁基板とこれに重ねられる主経路としてのバスバーとを有する回路基板、及び絶縁基板上に主経路と並列に抵抗素子を介した分流経路を設けて、主経路から分流した電流を検出する電流センサを備える回路構成体が開示されている。この回路構成体では、主経路の電流に比べ抵抗素子によって分流される電流が小さいため、容量の小さい電流センサで分流電流を検出することにより、主経路に流れる大電流を小さい抵抗損出で算出することが可能となる。
特許文献1 特開2016−70904号公報
特許文献2 特開2016−135039号公報
A current sensor that detects the amount of current using a magnetic sensor is known. For example,
本発明は、大きな電流を検出可能な電流センサを提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a current sensor capable of detecting a large current.
本発明の一態様においては、一軸方向の一側から他側に延びるとともに少なくとも一部に電流が流れる向きが変わる区間を含む経路に沿って、被測定電流が流れる導体板と、導体板の一面上に固定される基板と、基板上の区間に対応する位置に設けられ、区間を流れる電流により生じる磁場を検出する磁気センサと、を備える電流センサが提供される。 In one aspect of the present invention, a conductor plate through which the current to be measured flows and one surface of the conductor plate along a path including a section extending from one side in the uniaxial direction to the other side and changing the direction in which the current flows at least in a part. A current sensor comprising a substrate fixed on the substrate and a magnetic sensor provided at a position corresponding to a section on the substrate and detecting a magnetic field generated by a current flowing through the section is provided.
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 The outline of the above invention does not list all the features of the present invention. Sub-combinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the inventions that fall within the scope of the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
図1A及び図1Bは、本実施形態に係る電流センサ1の構成を示す。ここで、図1Aは電流センサ1の構成を上面視において示し、図1Bは、図1Aの基準線BBに関する電流センサ1の内部構成を示す。なお、図1Aにおける上下方向を縦方向、図1A及び図1Bにおける左右方向を横方向、及び図1Bにおける上下方向を高さ方向とする。また、高さ方向を上から下に視ることを上面視と呼ぶ。電流センサ1は、磁気センサを用いて電流(被測定電流とも呼ぶ)の大きさ(或いは電流の量とも呼ぶ)を検出するセンサであり、例えば数100A以上の大きな電流を検出することを目的とする。電流センサ1は、外部装置(不図示)の出力端子間に接続されてそれらの間を流れる被測定電流を測定するよう構成され、バスバー2、基板3、磁気センサ素子4a,4b、信号処理IC4c、パッケージ4、磁性材料5,6、及び絶縁部材7,8を備える。
1A and 1B show the configuration of the
バスバー2は、被測定電流が流れる導体板の一例である。ここで、被測定電流は、バスバー2上で横方向の一側から他側に延びて後述する2つの開口2dの間を結ぶ経路(電流経路とも呼ぶ)L1に沿って流れる。本実施形態では、一例として、被測定電流は、バスバー2上を横方向の左側から右側に流れる直流とする。バスバー2は、大きな電流を流すために後述する基板3より大きな厚み(例えば、1.0mm以上)を有するとともに、電流が流れることで発生する熱を効率良く放出するために、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属を用いて大きな表面を有する板状に成形される。バスバー2は、一例として横方向を長手とする矩形状に、開口2d及びスリット2a,2bを含んで成形される。
The
開口2dは、バスバー2の横方向の両端に各1つ、縦方向の中央に形成される。本実施形態では、一例として開口2dは円形状であり、後述するように固定具9をバスバー2の開口2dに通すことで、電流センサ1を、被測定電流を出力する外部装置の出力端子に固定することができる。
One opening 2d is formed at both ends of the
スリット2a,2bは、バスバー2に形成される少なくとも1つのスリットの一例であり、これによりバスバー2上で横方向に延びる電流経路L1の少なくとも一部に電流が流れる向きが変わる区間(偏向区間と呼ぶ)La,Lbが設けられる。スリット2a,2bは、各2つのスリットを含み、それぞれバスバー2の縦方向の下側及び上側外縁から内側に向かって少なくとも先端側の部分が横方向に交差する方向に延びる。それにより、各2つのスリット2a,2bの一方の先端の周囲に偏向区間La,Lbがそれぞれ形成され、バスバー2の表面積を大きく設けて放熱性を維持しつつ電流経路L1を横方向以外に向けることができる。つまり、被測定電流をバスバー2内を横方向以外の方向に向けて流すことができる。バスバー2上のスリット2a,2bの配置及び電流経路L1内の偏向区間La,Lbの配置の詳細については後述する。
The
なお、横方向に交差する方向は、本実施形態では横方向に直交する縦方向とするが、これに限らず横方向に交差する任意の方向であってよい。また、各2つのスリット2a,2bのそれぞれについて、横方向に交差する方向は縦方向であってもよいし、互いに異なる横方向以外の任意の方向であってもよい。
In the present embodiment, the direction of intersection in the horizontal direction is the vertical direction orthogonal to the horizontal direction, but the direction is not limited to this and may be any direction that intersects in the horizontal direction. Further, for each of the two
基板3は、磁気センサ素子4a,4b及び信号処理IC4cを内蔵したパッケージ4をバスバー2上に支持する薄板又はシート状部材であり、本実施形態では、一例として、厚み500μm以下のフレキシブルなプリント配線基板を採用する。基板3は、バスバー2の一面(すなわち、上面)上に、粘着層等を介して貼り付けることで固定される。基板3が薄いことにより、磁気センサ素子4a,4bのそれらの感磁部をバスバー2に近接して上面上に固定することができ、それにより、被測定電流がバスバー2内を流れることで発生する磁場を磁気センサ素子4a,4bの感磁部により多く集束して効率良く検出することができる。基板3は、本体部3a及び延伸部3bを有する。
The
本体部3aは、パッケージ4を支持する部分であり、その上面上にパッケージ4の入出力信号を伝送する配線パターン(不図示)が形成されている。本実施形態では、本体部3aは、一例として、縦方向に関してバスバー2より小さい幅を有し、横方向に関して2つの開口2dの離間距離より小さい幅を有する矩形状に成形されている。従って、基板3は、本体部3aにより、バスバー2に形成されたスリット2a,2bの少なくとも一部、特に先端側の部分の上方を覆うこととなる。
The
延伸部3bは、本体部3a上から延びる配線パターンが設けられてこれを電流センサ1外に延出する部分であり、一例として本体部3aの右上端部から図面上側に延伸する。延伸部3bは、縦方向を長手とする矩形状を有し、縦方向に関してバスバー2の幅と本体部3aの幅との差の2分の1より大きな長さを有する。従って、基板3は、延伸部3b(ただし、本体部3aに接続する基端を除く)がバスバー2の上面に固定されることなくその外に延伸する。それにより、本体部3aからバスバー2外に延伸する延伸部3bに設けられた配線パターンを介して、本体部3a上に支持されるパッケージ4の入出力信号を電流センサ1が実装される外部装置に伝送することができる。
The extending
なお、基板3の上面に設けられる配線パターンは、基板3を絶縁部材から成形する、基板3とバスバー2との間に後述する絶縁部材7を設けるなどにより、バスバー2から絶縁されている。
The wiring pattern provided on the upper surface of the
磁気センサ素子4a,4bは、磁気センサの一例であり、バスバー2内を流れる電流により生じる磁場を検出するセンサである。磁気センサ素子4a,4bとして、例えば、InAs、GaAs等から構成される化合物半導体ホール素子、シリコンから構成されるホール素子(或いは増幅回路と一体化されたホールIC)、及び磁気抵抗素子を採用することができる。磁気センサ素子4a,4bは、検出した磁場の強度に応じた電圧を出力信号として後述する信号処理IC4cに出力する。磁気センサ素子4a,4bと後述する信号処理IC4cとは同一のシリコン基板内に形成されてもよい。これにより磁気センサ素子4a,4bと信号処理IC4c間のワイヤボンドによる配線が必要なくなり、信頼性の向上が期待できる。
The
磁気センサ素子4a,4bは、それぞれ、偏向区間La,Lbに対応する基板3上の位置に設けられる。ここで、偏向区間La,Lbに対応する位置は、上面視において、電流経路L1の向きが変わる偏向区間La,Lbの内側の位置であり、本実施形態では一例として、偏向区間La,Lbをそれぞれ形成するスリット2a,2bの先端内側の位置とする。それにより、被測定電流がバスバー2内を電流経路L1に沿って流れると、偏向区間La,Lbを流れる電流によりバスバー2の一面に対して垂直な方向(すなわち、高さ方向)を向く磁場が発生し、これらの磁場を、バスバー2の一面上に基板3を介して偏向区間La,Lbの内側にそれぞれ設けられる磁気センサ素子4a,4bにより検出することで、被測定電流の大きさを測定することができる。
The
磁気センサ素子4a,4bは、後述するパッケージ4内に封止され、その感磁部(すなわち、磁場を検出する部分)と反対側の素子面を基板3に対向するパッケージ4の一面(すなわち、下面)上に露出する。パッケージ4を基板3上に搭載すると磁気センサ素子4a,4bの感磁部がバスバー2に近接し、それにより、被測定電流がバスバー2内を流れることで発生する磁場を磁気センサ素子4a,4bの感磁部により多く集束して高いSN比で検出することが可能となる。
The
信号処理IC4cは、磁気センサ素子4a,4bに対してバイアスを加えたり、磁気センサ素子4a,4bからの出力信号を処理してバスバー2内を電流経路L1に沿って流れる被測定電流の大きさを算出するデバイスである。なお、算出結果は、基板3上の配線パターンを介して外部装置等に出力される。信号処理IC4cは、メモリ、感度補正回路、出力のオフセットを補正するオフセット補正回路、磁気センサ素子4a,4cからの出力信号を増幅する増幅回路、磁気センサ素子4a,4bの出力信号の差分を演算する差分演算回路、温度に応じて出力を補正する温度補正回路等の少なくとも1つを内蔵してもよい。
The
本実施形態では、信号処理IC4cは、磁気センサ素子4a,4bと別個のデバイスとして構成され、例えばワイヤボンディングによって磁気センサ素子4a,4bに接続され、それらとともに後述するパッケージ4内に封止されている。それにより、信号処理IC4cが磁気センサ素子4a,4bと等しい温度下に置かれることで、信号処理IC4cの温度補正回路により温度に応じて磁気センサ素子4a,4bの出力信号を正確に補正することが可能となる。
In the present embodiment, the
パッケージ4は、磁気センサ素子4a,4b及び信号処理IC4cをその内部に封止して保護する部材である。パッケージ4は、例えば、エポキシなどの絶縁性に優れた樹脂等のモールド材を用いてモールド成形することで、矩形状の一面(すなわち、上面)及び上面の一辺より小さい厚さを有する直方体状に成形される。本実施形態では一例として、パッケージ4内で、磁気センサ素子4a,4bがそれぞれ横方向の一側(すなわち、図面左側)及び他側(すなわち、図面右側)に、それらの間に信号処理IC4cが配置されている。
The
パッケージ4は、一例として、リードレスパッケージとする。パッケージ4は、リードフレームの間隙にダイシングテープを設け、その上に感磁部を上に向けて磁気センサ素子4a,4bを載せ、リードフレーム上に信号処理IC4cを載せ、磁気センサ素子4a,4bと信号処理IC4cとリードフレームとをワイヤボンディングにより接続し、これらをモールド材により封止し、適当なサイズ及び形状にダイシングし、そしてダイシングテープを剥がすことで製造される。それにより、磁気センサ素子4a,4bの裏面がパッケージ4の下面に面一に露出し、またリードフレームの少なくとも一部が信号処理IC4cの入出力信号と接続する端子としてパッケージ4の下面に面一に露出するため、パッケージ4の端子を基板3上の配線に接続し、基板3を介してパッケージ4をバスバー2上に搭載することで、磁気センサ素子4a,4bの感磁部をバスバー2に近接することができる。
磁性材料5,6は、被測定電流がバスバー2内を流れることで発生する磁場を磁気センサ素子4a,4bの感磁部に効率良く集束させるための材料である。本実施形態では、磁性材料5,6として、例えばマンガン(Mn−Zn)系又はニッケル(Ni−Zn)系のフェライトを用いて成形されたものを使用する。磁性材料5は、パッケージ4の上面より小さい面積を有する矩形板状に成形され、基板3に対向するパッケージ4の一面(すなわち、下面)に対する他面(すなわち、上面)側で、磁気センサ素子4a,4bに対向して配置される。また、磁性材料6は、磁性材料5と同様に矩形板状に成形され、バスバー2の下面側で、磁気センサ素子4a,4bに対向して配置される。
The
なお、磁性材料5,6は、いずれも、パッケージ4内の磁気センサ素子4a,4bのそれぞれの上面又は下面を含む1つの大きな矩形状に成形し、それぞれの上面又は下面をともに覆うように配置することとしたが、これに限らず、磁気センサ素子4a,4bの上面又は下面をそれぞれ含む複数の矩形状に成形して、それぞれの上面又は下面を個別に覆うように配置することとしてもよい。また、磁性材料5,6は、磁気センサ素子4a,4bの感磁部に集束する磁場が飽和しない程度の大きさ及び形状に成形することとしてもよいし、磁場が十分に集束する場合には磁性材料5,6の少なくとも一方を設けなくてよい。
The
絶縁部材7は、バスバー2と基板3との間の耐圧を増強するための絶縁製部材である。本実施形態では、絶縁部材7として、例えばポリイミドを用いてシート状に成形されたものを使用する。絶縁部材7により、基板3上に設けられる磁気センサ素子4a,4b等のバスバー2に対する絶縁耐性が向上する。
The insulating
絶縁部材8は、バスバー2と磁性材料6との間に設けられる絶縁性の部材である。本実施形態では、絶縁部材8は、一例としてポリイミドを用いてシート状に成形されたものを使用する。絶縁部材8により、特に磁性材料6が導体である場合にこれを介して短絡することなく、被測定電流を、バスバー2内を電流経路L1に沿って流すことができる。
The insulating
図2は、バスバー2上のスリット2a,2bの配置及び電流経路L1内の偏向区間La,Lbの配置の詳細を示す。スリット2a,2bは、先述のとおり、各2つのスリットを含む。各2つのスリット2a,2bは、横方向に交互に並び、それぞれバスバー2の縦方向の異なる外縁(すなわち、下側及び上側外縁)から内側(すなわち、偏向区間La,Lb)に向かって縦方向に延びて形成されている。
FIG. 2 shows the details of the arrangement of the
各2つのスリット2a,2bはバスバー2の縦方向の幅の2分の1より大きい長さを有し、2つのスリット2aはバスバー2の両端に形成された2つの開口2dを結ぶ直線L0を図面下側から上側に超え、2つのスリット2bは直線L0を図面上側から下側に超えることとなる。それにより、電流経路L1は、各2つのスリット2a,2bのそれぞれの先端を避けてバスバー2上を蛇行して、2つの開口2dの間を結ぶ。つまり、電流経路L1は、図面左側の開口2dから、左側のスリット2bの先端を避けて直線L0の下側から上側に向きを変え、左側のスリット2aの先端を避けて直線L0の上側から下側に向きを変え、右側のスリット2bの先端を避けて直線L0の下側から上側に向きを変え、そして右側のスリット2aの先端を避けて向きを変えて右側の開口2dに達する。ここで、左側のスリット2aにより、その先端の周囲に、縦方向を下向きに向きを変える偏向区間Laが形成される。また、右側のスリット2bにより、その先端の周囲に、縦方向を上向きに向きを変える偏向区間Laが形成される。
Each of the two
上述のとおり、それぞれバスバー2の異なる外縁から内側に延びる各2つのスリット2a,2bがバスバー2上で横方向に交互に並び、それぞれの先端が2つの開口2dを結ぶ直線を超えることで、2つの偏向区間La,Lbが横方向に連なって並んで電流経路L1内に直列に含まれることとなる。従って、被測定電流がバスバー2内を電流経路L1に沿って左側の開口2dから右側の開口2dに流れると、電流経路L1内に直列に含まれる2つの偏向区間La,Lbをそれぞれ流れることとなり、それぞれの区間の内側に被測定電流の量に対応する強さの磁場をそれぞれ発生する。
As described above, the two
このとき、2つの偏向区間La,Lbは電流経路L1の向きを互いに異なる方向に変えるため、被測定電流が偏向区間Laを上面視において時計回りに流れることでその内側にバスバー2の上面に対して垂直な方向、すなわち高さ方向について下向きの磁場が発生し、偏向区間Lbを上面視において反時計回りに流れることでその内側に高さ方向について上向きの磁場が発生する。そこで、バスバー2の上面上に基板3を介して設けられた磁気センサ素子4a,4bによりそれぞれ偏向区間La,Lbの内側に発生する互いに逆向きの磁場を検出し、信号処理IC4cにより磁気センサ素子4a,4bの出力信号の差分を算出することで、電流センサ1外から入る外部磁場に由来するノイズが相殺されるとともに、磁気センサ素子4a,4bの一方の出力信号のみを用いる場合と比較して約2倍の感度で被測定電流の大きさを測定することができる。なお、電流センサ1は、約2倍の感度を有するので、比較的小さい被測定電流を測定することができる。
At this time, since the two deflection sections La and Lb change the directions of the current paths L1 in different directions, the current to be measured flows clockwise in the deflection section La when viewed from above, so that the current flows inside the deflection section La with respect to the upper surface of the
なお、本実施形態に係る電流センサ1では、電流経路L1が結ばれる2つの開口2dがバスバー2の縦方向の中央に形成されていることから、各2つのスリット2a,2bはバスバー2の縦方向の幅の2分の1より大きい長さを有することとしたが、2つの開口2dはバスバー2上の縦方向の任意の位置に形成してよく、これに対応して、スリット2a,2bは、和がバスバー2の縦方向の幅より大きく、それぞれの先端が直線L0を超える長さを有することとしてもよい。それにより、電流経路L1は、各2つのスリット2a,2bのそれぞれの先端を避けてバスバー2上を蛇行し、縦方向を互いに異なる方向に向きを変える偏向区間La,Lbを横方向に並んで含んで、2つの開口2dの間を結ぶ。
In the
なお、本実施形態に係る電流センサ1では、それぞれバスバー2の異なる外縁から内側に延びる各2つのスリット2a,2bをバスバー2上で横方向に交互に並べることで互いに異なる方向に向きを変える2つの偏向区間La,Lbを設けた。ここで、バスバー2の上側外縁から内側に延びる2つのスリット2bの先端の間にバスバー2の下側外縁から内側に延びる左側のスリット2aの先端を配置したことで、スリット2aの先端の周囲に形成される偏向区間Laが小さい曲率で向きを変えることとなる。同様に、バスバー2の下側外縁から内側に延びる2つのスリット2aの先端の間にバスバー2の上側外縁から内側に延びる右側のスリット2bの先端を配置したことで、スリット2bの先端の周囲に形成される偏向区間Lbが小さい曲率で向きを変えることとなる。それにより、被測定電流が偏向区間La,Lbに流れると、それらの内側に強い磁場が発生することとなる。
In the
なお、各2つのスリット2a,2bのそれぞれの横方向の離間距離を調整することで、磁気センサ素子4a,4bにより検出する磁場の強度を調整し、被測定電流の検出感度を調整してもよい。例えば、磁気センサ素子4a,4bにより検出する磁場を強くして検出感度を向上するために、各2つのスリット2a,2bのそれぞれの横方向の離間距離を小さくして偏向区間La,Lbの曲率を小さくしてもよい。また、磁気センサ素子4a,4bにより検出する磁場を弱くして検出感度の飽和を回避するために、各2つのスリット2a,2bのそれぞれの横方向の離間距離を大きくして偏向区間La,Lbの曲率を大きくしてもよい。また、各2つのスリット2a,2bのそれぞれの横方向の離間距離を調整することに代えて又は併せて、各2つのスリット2a,2bの長さ及び幅を調整してもよい。
By adjusting the lateral separation distance of each of the two
なお、本実施形態に係る電流センサ1では、各2つのスリット2a,2bをバスバー2上で横方向に交互に並べて横方向に並ぶ2つの偏向区間La,Lbを形成したが、これに代えて、2つのスリット2b及びそれらの先端の間に先端を配置するスリット2aをバスバー2上で横方向に交互に並べて1つの偏向区間Laのみを形成してもよいし、2つのスリット2a及びそれらの先端の間に先端を配置するスリット2bをバスバー2上で横方向に交互に並べることで1つの偏向区間Lbのみを形成してもよいし、2つのスリット2b及びそれらの先端の間に先端を配置するスリット2aをバスバー2上で横方向に交互に並べるとともに、別の2つのスリット2a及びそれらの先端の間に先端を配置する別のスリット2bをバスバー2上で横方向に交互に並べることで2つの偏向区間La,Lbを形成してもよい。
In the
図3A及び図3Bは、電流センサ1を外部装置(不図示)の出力端子10に接続した状態を示す。ここで、図3Aは電流センサ1の接続状態を上面視において示し、図3Bは、図3Aの基準線BBに関する断面において電流センサ1の接続状態を示す。外部装置は、例えば車載装置、産業機械等の比較的大きな電流を流し得る装置であり、2つの出力端子10間に被測定電流を流すものとする。2つの出力端子10は、例えば銅、アルミニウム等の金属により、互いに対向する先端の中央に各1つの開口10dを有する板状に成形されている。
3A and 3B show a state in which the
電流センサ1は、固定具9を用いて外部装置に固定することができる。本実施形態では、固定具9として、2組のボルト及びナットを使用する。電流センサ1を、パッケージ4等を搭載する基板3を2つの出力端子10の間に配して、バスバー2の両端をそれぞれ2つの出力端子10に下側から当接する。それにより、バスバー2の2つの開口2dが2つの出力端子10の開口10dにそれぞれ連通する。そして、2つの出力端子10の開口10dにそれぞれ上側からナットを挿入し、バスバー2の2つの開口2dの下側にそれぞれ配したナットに通す。それにより、電流センサ1が、2つの出力端子10間に固定される。
The
本実施形態に係る電流センサ1の製造方法について説明する。
A method of manufacturing the
まず、図4A及び図4Bに示すように、導体板をプレス加工、エッチング、削り出し等の方法により加工してバスバー2を成形する。ここで、バスバー2は、横方向を長手とする矩形状を有し、横方向の両端に各1つの開口2d及びそれぞれ縦方向の下側及び上側外縁から内側に向かって縦方向に延びる各2つのスリット2a,2bを含む。
First, as shown in FIGS. 4A and 4B, the conductor plate is processed by a method such as press working, etching, or shaving to form the
次に、図5A及び図5Bに示すように、バスバー2の一面(すなわち、上面)上に絶縁部材7を介して基板3を固定する。基板3及び絶縁部材7は、粘着層等を介してバスバー2の上面に貼り付けることができる。ここで、基板3を構成する本体部3aは、バスバー2に形成されたスリット2a,2bの少なくとも一部、特に先端側の部分の上方を覆い、延伸部3bは、本体部3aに接続する基端を除いて、バスバー2の上面に固定されることなくその外に突出する。なお、基板3のみで十分な絶縁性が得られる場合、絶縁部材7を設けなくてもよい。
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, the
次に、図6A及び図6Bに示すように、磁気センサ素子4a,4b及び信号処理IC4cを内部に封止したパッケージ4を基板3上に実装する。それにより、磁気センサ素子4a,4bは、それぞれ、電流経路L1に含まれる偏向区間La,Lbの内側であり、偏向区間La,Lbをそれぞれ形成するスリット2a,2bの先端内側に対応する基板3上の位置に配置される。
Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, the
最後に、電流センサ1の感度をさらに高める必要がある場合、図1A及び図1Bに示すように、磁性材料5をパッケージ4の上面上に平面視において磁気センサ素子4a,4bの上面を覆うように配置するとともに、磁性材料6をバスバー2の下面上に絶縁部材8を介して平面視において磁気センサ素子4a,4bの下面を覆うように配置する。これにより、電流センサ1が完成する。
Finally, when it is necessary to further increase the sensitivity of the
なお、本実施形態に係る電流センサ1では、磁性材料6を矩形板状に成形して、バスバー2の下面側で磁気センサ素子4a,4bに対向して配置したが、これに限らず、例えば、磁性材料をバスバー2に形成されたスリット2a,2b内に設けてもよい。
In the
図7Aは、本実施形態に係る電流センサ1における磁性材料6の別の例、すなわち磁性材料6a,6bを示す。磁性材料6a,6bは、それぞれ、バスバー2に成形された各2つのスリット2a,2bのうちの左側のスリット2a及び右側のスリット2bの先端の空間内にそれぞれ埋設されて、基板3上に支持された磁気センサ素子4a,4bに対向して配置される。磁性材料6a,6bは、バスバー2のスリット2a,2b内に埋設することから、非導電性材料、例えば抵抗の大きいニッケル系のフェライトを用いて成形されたものを使用する。これにより、電流経路L1が磁性材料6a,6bを介して短絡することなく、被測定電流がバスバー2内を流れることで発生する磁場を磁気センサ素子4a,4bの感磁部に集束することで、また磁性材料6a,6bと磁性材料5とを組み合わせて用いることで磁気センサ素子4a,4bが磁性体により挟まれる配置となり、より多くの磁場がそれぞれの感磁部を垂直に貫くことで、高い感度で磁場を検出することができる。
FIG. 7A shows another example of the
なお、磁性材料6a,6bの厚み(バスバー2の厚みに等しい)が磁性材料6の長さ(スリット2a,2bの離間距離及び磁気センサ素子4a,4bの離間距離に等しい)の2分の1に等しい場合、磁性材料6a,6bによる磁場の検出感度の向上は磁性材料6による感度の向上の程度に等しく、また大きい場合、磁性材料6a,6bによる磁場の検出感度の向上は磁性材料6による感度の向上の程度より良好となる。
The thickness of the
図7Bは、本実施形態に係る電流センサ1における磁性材料6のさらに別、すなわち磁性材料6cを示す。磁性材料6cは、平板部及び立設部を有する。平板部は、磁性材料6と同様に、矩形板状に成形され、バスバー2の下面側で磁気センサ素子4a,4bに対向して配置される。立設部は、平板部の横方向の両端上に立設し、磁性材料6a,6bと同様に、バスバー2に成形された各2つのスリット2a,2bのうちの左側のスリット2a及び右側のスリット2bの先端の空間内にそれぞれ挿入されて、基板3上に支持された磁気センサ素子4a,4bに対向して配置される。磁性材料6cは、立設部をバスバー2のスリット2a,2b内に配置することから、非導電性材料、例えば抵抗の大きいニッケル系のフェライトを用いて成形されたものを使用する。これにより、電流経路L1が磁性材料6cを介して短絡することなく、また小さいエアギャップにより、被測定電流がバスバー2内を流れることで発生する磁場を磁気センサ素子4a,4bの感磁部により多く集束するとともに垂直に入れることで、高い感度で磁場を検出することができる。
FIG. 7B shows yet another type of the
本実施形態に係る電流センサ1では、バスバー2に、それぞれ縦方向の下側及び上側外縁から内側に向かって縦方向に延びるとともに横方向に交互に並ぶ各2つのスリット2a,2bを設けることで、各2つのスリット2a,2bのうちの左側のスリット2a及び右側のスリット2bの先端の周囲に偏向区間La,Lbを形成し、これらを横方向に並べて電流経路L1内に直列に含める構成を採用したが、これに限らず、偏向区間La,Lbを縦方向に並べて電流経路内に並列に含む構成を採用してもよい。
In the
図8A及び図8Bは、変形例に係る電流センサ11の構成を示す。ここで、図8Aは電流センサ11の構成を上面視において示し、図8Bは、図8Aの基準線BBに関する電流センサ11の内部構成を示す。電流センサ11は、バスバー12、基板3、磁気センサ素子4a,4b、信号処理IC4c、パッケージ4、磁性材料5,6、及び絶縁部材7,8を備える。電流センサ11は、先の実施形態に係る電流センサ1に対してバスバー12の構成、これに対応して磁気センサ素子4a,4bの配置が異なる。そこで、電流センサ11の構成各部のうち、先の実施形態に係る電流センサ1と同一又は対応する部分については、同一の符号を付するとともに、その詳細説明を省略する。
8A and 8B show the configuration of the
バスバー12は、被測定電流が流れる導体板の一例である。ここで、被測定電流は、バスバー12上で縦方向に並び、横方向の一側から他側に延びて2つの開口2dの間を結ぶ2つの経路(電流経路とも呼ぶ)L21,L22に沿って分かれて流れる。本変形例では、一例として、被測定電流は、バスバー12上を横方向の左側から右側に流れる直流とする。バスバー12は、先の実施形態に係るバスバー2と同様に、大きな電流を流すために基板3より大きな厚み(例えば、1.0mm以上)を有するとともに、電流が流れることで発生する熱を効率良く放出するために、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属を用いて大きな表面を有する板状に成形される。バスバー12は、一例として横方向を長手とする矩形状に、開口12d及びスリット12a,12b,12cを含んで成形される。
The
開口12dは、バスバー12の横方向の両端に各1つ、縦方向の中央に形成される。これにより、図3A及び図3Bを用いて説明したように、固定具9を用いて、電流センサ11を、被測定電流を出力する外部装置の出力端子に固定することができる。なお、開口2dは、バスバー12の両端に各1つ形成するに限らず、両端に各2以上形成してもよい。
One
スリット12a,12b,12cは、バスバー12に形成される少なくとも1つのスリットの一例であり、これによりバスバー12上で横方向に延びる電流経路L21,L22の少なくとも一部に電流が流れる向きが変わる区間(偏向区間と呼ぶ)La,Lbが設けられる。スリット12a,12bは、それぞれバスバー12の縦方向の下側及び上側外縁から内側に向かって少なくとも先端側の部分が横方向に交差する方向に平行な直線に沿って延びる。スリット12cは、バスバー12の内側に閉じて形成された2つのスリット12cを含み、それぞれスリット12a,12bに対して横方向の一側及び他側に位置して、スリット12a,12bの先端の間の部分を横方向に挟むようにそれぞれ横方向に交差する方向に延びる。それにより、スリット12a,12bの先端の周囲に電流経路L21,L22にそれぞれ含まれる偏向区間La,Lbが形成され、バスバー12の表面積を大きく設けて放熱性を維持しつつ電流経路L21,L22を横方向以外に向けることができる。つまり、被測定電流をバスバー12内を横方向以外の方向に向けて流すことができる。
The
なお、横方向に交差する方向は、本変形例では横方向に直交する縦方向とするが、これに限らず、上述のスリット12a,12b,12c及び偏向区間La,Lbの相対的な配置を維持する限りにおいて、横方向に交差する任意の方向であってよい。また、スリット12a,12b,12cのそれぞれについて、横方向に交差する方向は縦方向であってもよいし、互いに異なる横方向以外の任意の方向であってもよい。
The direction of intersection in the horizontal direction is the vertical direction orthogonal to the horizontal direction in this modification, but is not limited to this, and the relative arrangement of the
磁気センサ素子4a,4bは、バスバー12内を流れる電流により生じる磁場を検出するセンサであり、先の実施形態に係る磁気センサ素子4a,4bと同様に、信号処理IC4cとともにパッケージ4内に封止されている。ただし、磁気センサ素子4a,4bは、それぞれ、偏向区間La,Lbに対応する基板3上の位置に設けられる。ここで、偏向区間La,Lbに対応する位置は、上面視において、電流経路L21,L22の向きが変わる偏向区間La,Lbの内側の位置であり、本実施形態では一例として、偏向区間La,Lbをそれぞれ形成するスリット12a,12bの先端内側の位置とする。それにより、被測定電流がバスバー12内を電流経路L21,L22に沿って分かれて流れる際に、偏向区間La,Lbをそれぞれ流れる電流により高さ方向を向く磁場が発生し、これらの磁場を、バスバー12の上面上に基板3を介して偏向区間La,Lbの内側にそれぞれ設けられる磁気センサ素子4a,4bにより検出することで、被測定電流の大きさを測定することができる。
The
図9は、バスバー12上のスリット12a,12b,12cの配置及び電流経路L21,L22内の偏向区間La,Lbの配置の詳細を示す。先述のとおり、スリット12a,12bは各1つのスリットを含み、スリット12cは2つのスリットを含む。スリット2a,2bは、それぞれバスバー12の縦方向の異なる外縁(すなわち、下側及び上側外縁)から内側(すなわち、偏向区間La,Lb)に向かって互いに近づくように、縦方向に延びて形成されている。2つのスリット12cは、バスバー12の内側に閉じ、それぞれスリット12a,12bに対して横方向の一側及び他側で、スリット12a,12bの先端の間の部分を横方向に挟むようにそれぞれ縦方向に延びて形成されている。
FIG. 9 shows the details of the arrangement of the
スリット12a,12bはバスバー12の縦方向の幅の2分の1より小さい長さを有し、2つのスリット12cはスリット12a,12bの先端の離間距離より大きい長さを有する。それにより、電流経路L21は、バスバー12の両端に形成された2つの開口12dを結ぶ直線L0の図面下側で、スリット12aの先端と2つのスリット12cの下端とをそれぞれ避けてバスバー12上を蛇行して、2つの開口2dの間を結ぶ。つまり、電流経路L21は、図面左側の開口2dから、左側のスリット12cの下端を避けて下側から上側に向きを変え、スリット12aの先端を避けて上側から下側に向きを変え、右側のスリット12cの下端を避けて下側から上側に向きを変えて右側の開口2dに達する。ここで、スリット12aにより、その先端の周囲に、縦方向を下向きに向きを変える偏向区間Laが形成される。また、電流経路L22は、直線L0の図面上側で、スリット12bの先端と2つのスリット12cの上端とをそれぞれ避けてバスバー12上を蛇行して、2つの開口2dの間を結ぶ。つまり、電流経路L22は、図面左側の開口2dから、左側のスリット12cの上端を避けて上側から下側に向きを変え、スリット12bの先端を避けて下側から上側に向きを変え、右側のスリット12cの上端を避けて上側から下側に向きを変えて右側の開口2dに達する。ここで、スリット12bにより、その先端の周囲に、縦方向を上向きに向きを変える偏向区間Lbが形成される。
The
上述のとおり、それぞれバスバー12の異なる外縁から内側に縦方向に延びるスリット12a,12bが、それぞれの先端を対向させてバスバー12上で縦方向に並ぶことで、2つの偏向区間La,Lbが縦方向に分かれて並んで電流経路L21,L22内にそれぞれ含まれることとなる。従って、被測定電流がバスバー12内を左側の開口2dから右側の開口2dに流れると、被測定電流が分流し、分流した電流がそれぞれ電流経路L21,L22に沿って流れ、それぞれの経路に含まれる偏向区間La,Lbを流れることとなり、それぞれの区間の内側に分流した電流の量にそれぞれ対応する強さであり、強さの和が被測定電流の大きさに対応する磁場が発生する。
As described above, the
このとき、2つの偏向区間La,Lbは電流経路L21,L22の向きを互いに異なる方向に変えるため、分流した電流が偏向区間Laを上面視で時計回りに流れることでその内側に高さ方向について下向きの磁場が発生し、分流した残りの電流が偏向区間Lbを上面視で反時計回りに流れることでその内側に高さ方向について上向きの磁場が発生する。そこで、バスバー12の上面上に基板3を介して設けられた磁気センサ素子4a,4bによりそれぞれ偏向区間La,Lbの内側に発生する互いに逆向きの磁場を検出し、信号処理IC4cにより磁気センサ素子4a,4bの出力信号の差分を算出することで、分流した電流により発生した磁場に由来する信号が足し合わされるとともに電流センサ11外から入る外部磁場に由来するノイズが相殺されて、高いSN比で被測定電流の大きさを測定することができる。なお、電流センサ11は、先の実施形態に係る電流センサ1に対して、比較的大きい被測定電流を測定することができる。
At this time, the two deflection sections La and Lb change the directions of the current paths L21 and L22 in different directions. A downward magnetic field is generated, and the remaining diverted current flows counterclockwise in the deflection section Lb when viewed from above, so that an upward magnetic field is generated in the height direction inside the deflection section Lb. Therefore, the
なお、スリット12a,12bに対する2つのスリット12cの横方向の離間距離を調整することで、磁気センサ素子4a,4bにより検出する磁場の強度を調整し、被測定電流の検出感度を調整してもよい。例えば、磁気センサ素子4a,4bにより検出する磁場を強くして検出感度を向上するために、2つのスリット12cの横方向の離間距離を小さくして偏向区間La,Lbの曲率を小さくしてもよい。また、磁気センサ素子4a,4bにより検出する磁場を弱くして検出感度の飽和を回避するために、2つのスリット12cの横方向の離間距離を大きくして偏向区間La,Lbの曲率を大きくしてもよい。また、スリット12a,12bに対する2つのスリット12cの横方向の離間距離を調整することに代えて又は併せて、スリット12a,12b,12cの長さ及び幅を調整してもよい。
By adjusting the lateral distance between the two
なお、変形例に係る電流センサ11では、バスバー12上で、互いの先端を対向させて、それぞれバスバー12の縦方向の下側及び上側外縁から内側に向かって縦方向に延びて形成されるスリット12a,12bに対して、バスバー12の内側に閉じて縦方向に延びて形成される2つのスリット12cをスリット12a,12bの先端の間の部分を横方向に挟んで配置したが、これに代えて、各2つのスリット12a,12bをそれぞれの先端を縦方向に対向させて横方向に並べ、縦方向に対向する一対のスリット12a,12bの先端の間の部分と縦方向に対向するもう一対のスリット12a,12bの先端の間の部分との間に、1つのスリット12cを2つの部分を分けるように配置してもよい。それにより、1つのスリット12cの両端の周囲に電流経路L21,L22にそれぞれ含まれる偏向区間La,Lbが形成され、バスバー12の表面積を大きく設けて放熱性を維持しつつ電流経路L21,L22を横方向以外に向けることができる。つまり、被測定電流をバスバー12内を横方向以外の方向に向けて流すことができる。
In the
なお、本実施形態の電流センサ1及び変形例に係る電流センサ11において、磁気センサ素子4a,4b並びに信号処理IC4cのそれぞれの上面を、例えばアルミニウム等の非磁性導電材料を用いて静電シールドすることとしてもよい。これにより、パッケージ4の上面側から来る静電ノイズを遮蔽することができる。また、非磁性導電材料において、磁気センサ素子4a,4bに対向する部分に、複数のスリットを設けてもよい。複数のスリットは、例えば、それぞれが長手を横方向に向けて縦方向に並ぶ、導電性の膜材の外縁に開口する複数の切欠きである。これにより、磁場が導電性の膜材に入ることで発生する渦電流が抑制され、渦電流が生じる磁場による磁気センサ素子4a,4bの応答の劣化を回避することができる。
In the
また、本実施形態のバスバー1に施されたスリット2a,2b、及び変形例に係るバスバー12において施されたスリット12a,12b,12cにおいて、スリット加工により幅が細められたバスバーの機械的強度を補強するために、スリットの溝の少なくとも一部に絶縁性の接着剤、樹脂等を充填してもよい。
Further, in the
なお、本実施形態の電流センサ1及び変形例に係る電流センサ11において、電流経路L1,L21,L22に通電する電流は、直流であっても交流であってもよい。また、直流の場合において、通電する電流の向きを任意に定めてよい。
In the
なお、本実施形態の電流センサ1及び変形例に係る電流センサ11では、2つの磁気センサ素子4a,4bを用いてそれらの検出結果の差分より被測定電流を測定する構成を採用したが、これに限らず、1つの磁気センサ素子を用いてその検出結果から被測定電流を測定する構成を採用してもよい。また、電流センサ1において、各2つのスリット2a,2bのうちの左側のスリット2a及び右側のスリット2bの先端内側に対応する基板3上の位置に磁気センサ素子4a,4bを設けるに限らず、さらに右側のスリット2a及び左側のスリット2bの先端内側に対応する基板3上に位置に各1つの磁気センサ素子を設けてもよい。斯かる場合に、各1つの磁気センサ素子の検出結果の差分を組み合わせて被測定電流を測定することとしてもよい。また図面においては、磁気センサ素子4a,4bと信号処理IC4cとは別々のものとして記載されているが、磁気センサ素子4a,4bと信号処理IC4cとは同一のシリコン基板内に一体のものとして形成されてもよい。
In the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the claims that such modified or improved forms may also be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of operations, procedures, steps, steps, etc. in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specification, and drawings is particularly "before" and "prior to". It should be noted that it can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the scope of claims, the specification, and the operation flow in the drawings are explained using "first", "next", etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It's not a thing.
1…電流センサ、2…バスバー、2a,2b,2c…スリット、2d…開口、3…基板、3a…本体部、3b…延伸部、4…パッケージ、4a,4b…磁気センサ素子、4c…信号処理IC、5,6,6a,6b,6c…磁性材料、7,8…絶縁部材、9…固定具、10…出力端子、10d…開口、11…電流センサ、12…バスバー、12a,12b,12c…スリット、12d…開口、L0…直線、L1,L21,L22…電流経路。 1 ... Current sensor, 2 ... Bus bar, 2a, 2b, 2c ... Slit, 2d ... Opening, 3 ... Substrate, 3a ... Main body, 3b ... Stretched part, 4 ... Package, 4a, 4b ... Magnetic sensor element, 4c ... Signal Processing ICs, 5, 6, 6a, 6b, 6c ... Magnetic materials, 7, 8 ... Insulating members, 9 ... Fixtures, 10 ... Output terminals, 10d ... Openings, 11 ... Current sensors, 12 ... Bus bars, 12a, 12b, 12c ... slit, 12d ... opening, L0 ... straight line, L1, L21, L22 ... current path.
Claims (22)
前記導体板の一面上に固定される基板と、
前記基板上の前記区間に対応する位置に設けられ、前記区間を流れる電流により生じる磁場を検出する磁気センサと、を備え、
前記区間は、前記一軸方向と交差する方向の一側及び他側にそれぞれ向きが変わる第1及び第2区間を含み、
前記導体板は、該導体板の外縁から内側に向かって、少なくとも先端側の部分が前記一軸方向と交差する方向に延び、前記導体板の前記他側の外縁から前記第1区間まで延びる第1のスリットと、該導体板の前記一側の外縁から前記第2区間まで延びる第2のスリットと、前記第1の開口と前記第1のスリットとの間に配置され、前記導体板の前記一側の外縁から内側に向かって延びる第3のスリットと、前記第2の開口と前記第2のスリットとの間に配置され、前記導体板の前記他側の外縁から内側に向かって延びる第4のスリットと、を形成され、
前記一軸方向と交差する方向について、前記第1のスリットおよび前記第4のスリットの両方が、それぞれの先端が前記導体板の表面に位置する前記第1の開口と前記第2の開口とを結ぶ直線に対して前記導体板の前記一側に位置するだけの長さを有するとともに、前記第2のスリットおよび前記第3のスリットの両方が、それぞれの先端が前記直線に対して前記導体板の前記他側に位置するだけの長さを有し、
前記磁気センサは、前記基板を介して前記導体板の上に設けられ、且つ、上面視において、前記第1のスリットの内側または前記第2のスリットの内側の少なくとも一方に配置され、
前記基板は、前記磁気センサが実装された面と反対側の面で前記導体板と固定されており、且つ、上面視において、前記第1のスリット、前記第2のスリット、前記第3のスリット、および前記第4のスリットと重なるように配置される、
電流センサ。 The current to be measured flows along a path including a section extending between the first opening and the second opening formed on one side and the other side in the uniaxial direction and at least partially changing the direction in which the current flows. Conductor plate and
A substrate fixed on one surface of the conductor plate and
A magnetic sensor provided at a position corresponding to the section on the substrate and detecting a magnetic field generated by a current flowing through the section is provided.
The section includes first and second sections whose directions change to one side and the other side in a direction intersecting the uniaxial direction, respectively.
The conductor plate extends inward from the outer edge of the conductor plate in a direction in which at least the tip end side intersects the uniaxial direction, and extends from the outer edge of the other side of the conductor plate to the first section. The slit, the second slit extending from the outer edge of the conductor plate on the one side to the second section, and the one of the conductor plate arranged between the first opening and the first slit. A fourth slit extending inward from the outer edge of the side, arranged between the second opening and the second slit, and extending inward from the outer edge of the other side of the conductor plate. Slits and are formed,
The direction crossing the axial direction, both of the first slit and the fourth slit, each tip connecting the said first opening and said second opening located on the surface of the conductor plate and has a length of just by position on the one side of the conductor plate with respect to the straight line, both of the second slit and the third slit, said conductive plate each of tip relative to the straight line Has a length sufficient to be located on the other side of the
The magnetic sensor is provided on the conductor plate via the substrate, and is arranged at least one of the inside of the first slit or the inside of the second slit in a top view.
The substrate is fixed to the conductor plate on a surface opposite to the surface on which the magnetic sensor is mounted, and the first slit, the second slit, and the third slit are viewed from above. , And are arranged so as to overlap the fourth slit.
Current sensor.
前記磁気センサの裏面側が、前記基板に対向する前記パッケージの一面上に露出する、請求項1から3のいずれか一項に記載の電流センサ。 Further provided with a package for sealing the magnetic sensor
The current sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the back surface side of the magnetic sensor is exposed on one surface of the package facing the substrate.
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