JPH08304476A

JPH08304476A - 電流センサ

Info

Publication number: JPH08304476A
Application number: JP7113499A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nakanishi; 博昭中西; Kenichi Yoshimi; 健一吉見
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 1996-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】作業工程を簡略化できるとともに、集積化に
適し、基板上に容易に実装できる程度の小型の電流セン
サを提供する。【構成】１つの磁性体層１３からなる環状コア２と、
絶縁層１１、１１´を挟んで上記磁性体層１３の上下に
成膜された二つの導体層１０、１４をコンタクトホール
１２を通して結合することによって形成した一次コイル
３、二次コイル４が貫通孔１を設けたＳｉ基板８上に形
成されており、Ｓｉ基板８の貫通孔には表裏貫通電極７
が形成されている。この電流センサを使用する場合に
は、被検出電流線を電極７の上端及び下端に接続した
後、一次コイルパッド５を介して一次コイル３に信号を
入力し、二次コイル４に信号が伝達されているか否かを
判別することにより、電流の有無を検知することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ロボットの稼
働部モ−タの電流が通電されていないことを検出し、メ
ンテナンス時に安全を確保するため等に利用される、電
流の有無を検知する電流センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】このような電流センサとして、環状ヨー
クに電流線を通し、電流の大きさと向きをヨークの間隙
に生じる磁束の大きさと向きに変換し、それを上記間隙
に挿入した半導体磁気センサで検出するものがある。こ
のタイプの電流センサは電流があるときには出力が生じ
るが、センサに断線故障等の異常が生じた場合、実際に
電流が流れていても、この電流が検出されず、したがっ
て、電流非通電の誤りの検出信号が発生し、危険を報知
することができなかった。即ち、フェイルセーフ機構と
して使用することができなかった。

【０００３】一方、センサが故障した場合にも動作する
ものとして、従来、図５に示すように、一次コイル２
２、二次コイル２３が巻回された環状コア２１に被検出
電流線２４を貫通させ、被検出電流によってコア中の磁
束が飽和した時、一次コイルに入力した信号が二次コイ
ルに伝達されなくなることを検出することにより、電流
を検知するものがある。この方式では、一次側の信号が
二次側に伝達した時電流がないことを確定することがで
き、また、故障した場合にも、二次側信号が得られなく
なって異常を検出することができるので、フェイルセー
フ機構として利用することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような、フェイ
ルセーフ方式の電流センサとして、従来、例えば、厚さ
３ｍｍ、内径１４ｍｍ、外径１８ｍｍ程度のアモルファ
ス磁性材料の環状コアに一次コイルと二次コイルの巻線
を施したものが使用されている。この場合、巻線を施し
た仕上がり寸法は外径２０ｍｍ、内径１２ｍｍ、厚さ５
ｍｍ程度で、電子部品の中では比較的大きな体積を要す
るものとなるので、基板上に配置する際に大きな制約と
なり、基板上に実装する際の部品としては使用すること
が困難であるという問題があった。

【０００５】また、従来の電流センサでは、磁気コアに
導線を機械的に巻くことが困難であるために、通常は作
業者による手作業で行う必要があることや、個別部品を
組み込んで作成することになるので、作業工程に手間が
かかり、また、磁気コア等の微細化には限界があるの
で、集積化が困難であった。

【０００６】さらに、被測定電流が流れる部分と検出機
構部を構成する部分との一体化が困難であって、別部品
で構成するようになるものであるため、小型化に限界が
あった。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、作業工程を簡略化できるとともに、集
積化に適し、基板上に容易に実装できる程度の小型の電
流センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電流センサは、ガラス基板、Ｓｉ基板、あ
るいはポリイミド等の樹脂からなる基板上に、導体、絶
縁体及び磁性体をスパッタ、抵抗加熱による蒸着、電子
ビーム蒸着、めっきもしくはスピンコートによって成膜
し、フォトリソグラフィーによってそれらの膜を加工す
ることにより、環状コア、一次コイル、二次コイルを一
体として形成するとともに、基板に被検出電流線を貫通
させる貫通孔もしくは被検出電流線が接続される電極が
形成された貫通孔を設けたことを特徴とする。

【０００９】

【作用】上記のように、本発明の電流センサは、厚さ
０．３〜０．５ｍｍ程度の基板上に、厚さ数μｍの導体
層及び磁性体層を積層するので、基板の厚さを含めても
１ｍｍ以下にすることができる。また、フォトリソグラ
フィーによって微細に加工するため、縦、横も小さくで
き、電流センサの大きさをを１０ｍｍ×１０ｍｍ以下に
することができる。さらに、この電流センサはプリアセ
ンブリな状態で製作できるため、コアにコイルを巻きつ
けるという組立て作業が不要となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の電流センサの実施例について
説明する。図１は本発明の電流センサの実施例であり、
図１（イ）は絶縁層を除去した概念図、図１（ロ）は図
１（イ）中のＡ−Ａ断面図である。

【００１１】この電流センサは、１つの磁性体層からな
る環状コア２と、絶縁層を挟んで上記環状コア２の上下
に成膜された二つの導体層をコンタクトホールを通して
結合することによって形成した一次コイル３、二次コイ
ル４、および表面上に形成された一次コイルパッド５、
二次コイルパッド６により構成されている。

【００１２】これらの構成部品は貫通孔１が設けられた
Ｓｉ基板８の上に形成されており、このＳｉ基板８の表
面には熱酸化によって０．５〜１μｍの厚さのＳｉＯ₂
膜９が形成されている。また、一次コイル、二次コイル
を構成する導体層１０と１４はコンタクトホール１２に
よって結合しており、環状コアを構成する磁性体層１３
は導体層１０、１４から絶縁層１１、１１´、１１''に
よって絶縁されている。

【００１３】磁性体層１３は厚さ１〜１０μｍでパーマ
ロイあるいはＣｏＺｒＲｅ等の高透磁率なアモルファス
合金からなり、二つの導体層１０、１４は厚さ１〜１０
μｍでＡｌあるいは／およびＣｕからなり、絶縁層１
１、１１´、１１''は厚さ１〜１０μｍでポリイミドあ
るいはＳｉＯ₂などからなり、耐圧は１ｋＶ以上であ
る。また、コイル３、４の線幅は１０〜２０μｍ、線間
隔は５〜２０μｍで、一次コイル３、二次コイル４のそ
れぞれの両端のコンタクトパッド５、６はそれぞれの絶
縁に十分な距離をとってある。

【００１４】この電流センサを使用する場合には、被検
出電流線を貫通孔１に貫通させた後、一次コイルパッド
５を介して一次コイル３に信号を入力する。被検出電流
線に電流が流れていない場合には、二次コイル４から二
次コイルパッド６を介して信号が出力されているが、被
検出電流線に電流が流れ、被検出電流によって環状コア
２中の磁束が飽和すると、一次コイル３に入力した信号
が二次コイル４に伝達されなくなるので、これを検出す
ることにより、電流を検知することができる。また、一
次コイル、二次コイル等に断線等の故障が発生した場合
にも、二次コイルに信号が得られなくなるので異常を検
出することができる。

【００１５】一方、図２は本発明の電流センサの他の実
施例であり、図２（イ）は絶縁層を除去した概念図、図
２（ロ）は図２（イ）中のＢ−Ｂ断面図である。この実
施例の電流センサは、絶縁層１１、１１´、１１''に形
成された貫通孔の大きさとＳｉ基板８の貫通孔に電極７
が形成されている点を除いて図１の実施例の電流センサ
と基本的な構造は同じである。

【００１６】この実施例の電流センサは基板上に実装す
る場合など、被検出電流線を貫通孔に貫通させられない
場合に使用するものであり、この電流センサを使用する
場合には、被検出電流線を電極７の上端及び下端に接続
した後、図１の実施例の電流センサと同様に、一次コイ
ルパッド５を介して一次コイル３に信号を入力し、二次
コイル４に信号が伝達されているか否かにより、電流の
有無を検知する。

【００１７】なお、複数の配線の電流の有無を検知する
必要がある場合には、環状コアに囲まれた領域に複数個
の電極付き貫通孔を形成することにより、複数の被検出
電流の有無を検知することができる。

【００１８】次に、本発明の電流センサの作成プロセス
を説明する。図１の実施例と図２の実施例は、上記のよ
うに、電極７が設けられる点及び貫通孔の大きさを除い
て作成方法としてはほぼ同様であるので、以下、図２の
実施例の電流センサの作成プロセスを説明する。

【００１９】始めに、環状コア２及び一次コイル３、二
次コイル４の作成プロセスを図３により説明する。

【００２０】まず、図３（イ）に示すように、厚さ０．
３〜０．５ｍｍ程度のＳｉ基板８を熱酸化し、基板表面
に厚さ０．５〜１μｍの酸化膜９を形成する。続いて、
基板片面全体にＡｌもしくはＣｕ／Ａｌの積層膜を連続
スパッタ成膜することにより導体層を形成する。そし
て、この導体層上にレジスト、例えば、ヘキストジャパ
ン製Ａｚ４６２０等のポジ型レジスト、をスピンコート
し、それを露光・現像してマスクとし、イオンビームエ
ッチングを施すことによってコイル巻線の下側部分に対
応した導体層１０を形成する（ロ）。

【００２１】次に、ポリイミド前駆体、例えば、東レ製
フォトニース、デュポン製パイラリンなど、をスピンコ
ートすることで、厚さ１〜１０μｍの層間絶縁層１１を
形成すると同時に表面を平坦化する。

【００２２】このように層間絶縁層１１を形成した後、
フォトリソグラフィイーによりコンタクトホール１２及
び貫通孔に対応した孔１５を形成し（ハ）、絶縁層１１
を３５０℃の温度でキュアした後、コンタクトホール１
２にめっき等によって導体（Ｃｕ）を充填する（ニ）。

【００２３】次に、厚さ１〜１０μｍのパーマロイをス
パッタにより成膜し、導体層１０と同様にレジストをマ
スクとしたイオンビームエッチングにより環状コアとし
ての磁性体層１３を形成する（ホ）。

【００２４】さらに、再びポリイミド前駆体をスピンコ
ートすることにより絶縁層１１´を形成し、上記工程と
同様に、コンタクトホール及び貫通孔に対応した孔を形
成し、コンタクトホールに導体（Ｃｕ）を充填する
（ヘ）。

【００２５】そして、次に、厚み１〜１０μｍのＡｌあ
るいは／およびＣｕをスパッタ成膜し、フォトリソグラ
フィーによってパターニングして、コイル巻線の上側部
分に対応した導体層１４を形成する（ト）。

【００２６】次に、再び、ポリイミド前駆体をスピンコ
ートし、コイルを保護する絶縁層１１''を形成する。そ
して、この絶縁層１１''に貫通孔に対応した孔を形成す
る（チ）とともに、コイルパッドに相当する部分にコン
タクトホールを形成して導体（Ｃｕ）を充填し、最後
に、絶縁層１１´´の表面に厚み１〜１０μｍのＡｌあ
るいは／およびＣｕをスパッタ成膜し、フォトリソグラ
フィーによってパターニングして、一次コイルパッド
５、二次コイルパッド６を形成する。

【００２７】次に、この環状コア２及び一次コイル３、
二次コイル４、及び、貫通孔に相当する孔が形成された
基板に貫通孔及び電極７を形成するプロセスについて図
４により説明する。

【００２８】まず、図４（イ）に示す基板の裏面の酸化
膜にレジストをスピンコートし、それを露光・現像して
マスクとし、このマスクを保護膜にしてＨＦ水溶液を用
いて酸化膜をパターニングし、貫通孔に対応した部分の
酸化膜を除去する（ロ）。

【００２９】次に、上記の酸化膜をエッチングマスクと
し、ヒドラジン（Ｈ₂Ｎ₂）溶液をエッチャントとして
Ｓｉ基板のエッチングを行う。このとき、エッチングは
Ｓｉ基板の裏面側から進行し、上側の酸化膜に達した時
点でその進行が極端に遅くなりほぼ停止の状態となる
（ハ）。

【００３０】そして、残された上側の酸化膜を、表面の
貫通孔部以外をレジストで覆い、ウエットエッチングに
よって除去する（ニ）。この酸化膜は非常に薄いので、
ピンセット等によっても簡単に機械的に破ることができ
る。

【００３１】最後に、Ｓｉ基板８を再び熱酸化して基板
側面に酸化膜を形成した後、基板の上下の電極を形成す
る部分にレジストを塗布し、電極を形成する部分をリフ
トオフした後、基板の上下からＡｌもしくはＣｕ／Ａｌ
の積層膜を連続スパッタ成膜あるいは蒸着することによ
り電極７を形成する。このとき、基板の貫通孔が傾斜し
ているので、下側からのスパッタ成膜時に、基板の側面
にも電極７が形成される（ホ）。

【００３２】なお、図３、４の作成プロセスの実施例で
は基板上に多層膜を形成した後、基板に貫通孔を設けた
が、図４（ハ）の状態、即ち、基板の上側の酸化膜だけ
を残した状態まで予め基板に貫通孔を形成した後、この
基板上に環状コア、一次コイル、二次コイル等の薄膜を
形成することもできる。また、上記実施例では、Ｓｉ基
板のエッチャントとしてヒドラジン溶液を用いる例を説
明したが、ＴＭＡＨ（トリメチルアンモニウムハイドラ
イド）、ＫＯＨ、ＥＤＰ（Ehtyene diaminePyrocatecho
l）等の他の溶液を使用してもよく、さらに、Ｓｉ基板
のエッチングは異方性もしくは等方性エッチングのいず
れを適用してもよい。

【００３３】また、上記実施例では、基板としてＳｉ基
板を用いたが、ガラス基板、あるいはポリイミド等の樹
脂からなる基板を用いることもでき、また、導体層、磁
性体層をスパッタによって形成したが、抵抗加熱による
蒸着、電子ビーム蒸着等により形成することもできる。
さらに、導体層としては、Ａｌ単独、Ｃｕ単独、あるい
はＡｌ−Ｃｕ合金等に限られず、他の材料を使用するこ
ともでき、磁性体層、絶縁層の材料も適宜選択すること
ができる。

【００３４】また、上記実施例では、電流センサのみを
半導体製造手法で作成することを説明したが、この電流
センサを多層配線基板の中に埋め込み、他の回路と同時
に形成することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明の電流センサは上記のように、半
導体製造技術を使用して基板上に導体層及び磁性体層を
積層して作成しているので、非常に小型化することがで
き、電子部品として基板上に容易に実装することができ
る。さらに、この電流センサを多層配線基板の中に埋め
込み、他の回路と同時に形成することも可能であるの
で、実装上の自由度を格段に大きくすることができる。
また、基板に表裏貫通電極を設けた図２の実施例の場
合、この電極に被検出電流線を接続するだけで、電流の
有無を検知することができるので、被検出電流線を貫通
させる必要がなく、容易に回路基板上に実装することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電流センサの実施例を示す図である。

【図２】本発明の電流センサの他の実施例を示す図であ
る。

【図３】図２の電流センサの作成プロセスの前工程を示
す図である。

【図４】図２の電流センサの作成プロセスの後工程を示
す図である。

【図５】従来の電流センサを示す図である。

【符号の説明】

１貫通孔２環状コア３一次コイル４二次コイル５一次コイルパッド６２次コイルパッド７電極８Ｓｉ基板９ＳｉＯ₂膜１０導体層１１絶縁層１２コンタクトホール１３磁性体層１４導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検出電流線を貫通させる貫通孔が形成
された基板上に、薄膜を多層に積層することにより環状
コア、一次コイル、二次コイルを一体形成し、上記環状
コアの内部の磁束が基板状の貫通孔を貫通する被検出電
流線の電流によって飽和すると上記一次コイルに入力さ
れた信号が二次コイルに伝達しなくなることを利用する
ことにより電流を検出することを特徴とする電流セン
サ。
【請求項２】被検出電流線が接続される電極を形成し
た貫通孔が形成された基板上に、薄膜を多層に積層する
ことにより環状コア、一次コイル、二次コイルを一体形
成し、上記環状コアの内部の磁束が上記電極を流れる被
検出電流線の電流によって飽和すると上記一次コイルに
入力された信号が二次コイルに伝達しなくなることを利
用することにより電流を検出することを特徴とする電流
センサ。