WO2016056137A1 - 電流検出装置、及び電流検出方法 - Google Patents

電流検出装置、及び電流検出方法 Download PDF

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WO2016056137A1
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magnetic detection
wirings
magnetic
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将希 野口
二口 尚樹
健 奥山
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日立金属株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/207Constructional details independent of the type of device used

Definitions

  • the present invention relates to a current detection device and a current detection method for detecting a current flowing in a current path using a magnetic detection element.
  • a current detection device capable of measuring a large current in a non-contact manner.
  • a current detection device there is one that uses a magnetic detection element to detect the magnitude of a current to be measured by detecting the intensity of a magnetic field generated by the current to be measured.
  • a magnetic detection element a Hall element using the Hall effect, an AMR element using Anisotropic Magneto-Resistive effect (AMR), and a Giant Magneto-Resistive effect (GMR) are used.
  • GMR elements used, TMR elements using the tunnel magnetoresistive effect (TMR), and the like.
  • the magnetic detection element is installed close to the current path to be measured, and wiring for inputting / outputting signals to / from the magnetic detection element is also installed close to the current path. For this reason, when a high-frequency current value fluctuation of several tens kHz to several hundred kHz occurs in the current path, an induced electromotive force is generated between the wirings of the magnetic detection element, and electromagnetic induction noise is added to the output of the magnetic detection element. , Detection accuracy decreases. Conventionally, when two magnetic detection elements are used, noise components due to voltage fluctuations have been canceled by adjusting the impedance of the two output wirings to the conductive pattern (see, for example, Patent Document 1).
  • the present invention detects a magnetic detection element that detects the intensity of a magnetic field generated by a current flowing through a current path, and detects the magnitude of the current flowing through the current path from the output of the magnetic detection element.
  • a plurality of wirings connected to the magnetic detection element and extending away from the current path, wherein the magnetic detection element has a direction of the magnetosensitive axis parallel to the energization direction of the current path and a plurality of wirings
  • the current detection device is disposed so as to exist on the first surface parallel to the direction in which the wiring extends, and the plurality of wirings are arranged on the same surface of the second surface orthogonal to the first surface.
  • the present invention provides a magnetic detection element for detecting the strength of a magnetic field generated by a current flowing in a current path, and a plurality of elements connected to the magnetic detection element and extending in a direction away from the current path.
  • the magnetic sensing element is installed on the first surface so that the direction of the magnetosensitive axis is parallel to the energizing direction of the current path and parallel to the extending direction of the plurality of wirings.
  • a current detection method is provided in which a plurality of wirings are arranged on the same surface of the second surface orthogonal to the first surface, and the magnitude of the current flowing through the current path is detected from the output of the magnetic detection element. To do.
  • the present invention it is possible to provide a current detection device and a current detection method capable of reducing the size of the device and reducing electromagnetic induction noise due to an induced electromotive force between wirings. Therefore, with a small configuration, the magnetic field generated by the current flowing through the current path can be detected with high accuracy, and the current flowing through the current path can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a perspective view of a current detection device according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a top view of a current detection device according to a first example of the present invention.
  • 2 is a diagram showing a configuration of a magnetic detection unit 2.
  • FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in FIG. 3.
  • 2 is a diagram showing each wiring layer of the wiring board 10.
  • FIG. It is a figure explaining the electric current detection apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a perspective view of the electric current detection apparatus which concerns on the 2nd Example of this invention. It is a top view of the electric current detection apparatus which concerns on the 2nd Example of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a current detection device according to a first embodiment of the present invention.
  • a current flows through the current path 1 indicated by a broken line in the direction of arrow I (X direction)
  • a magnetic field is generated in the direction of arrow B (Y direction) at a position directly below the current path 1.
  • the magnetic detection unit 2 of the current detection device detects the strength of the magnetic field generated by the current flowing through the current path 1.
  • the magnetic detection unit 2 includes one or a plurality of magnetic detection elements, and the magnetosensitive axis of each magnetic detection element has a direction indicated by an arrow D1 (positive in the Y direction) or a direction indicated by an arrow D2 (negative in the Y direction). Direction).
  • each of the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f extends in the Y direction orthogonal to the energization direction (X direction) of the current path 1.
  • the current path 1 is parallel to the energization direction (X direction) and parallel to the direction in which the plurality of wirings 13 a, 13 b, 13 c, 13 d, 13 e, and 13 f extend (Y direction in this embodiment).
  • the first surface 20 is indicated by a broken line.
  • the first surface 20 is a plane extending in the X direction and the Y direction.
  • the second surface 30 orthogonal to the energization direction (X direction) of the current path 1 is indicated by a broken line.
  • the second surface 30 is a flat surface extending in the Y direction and the Z direction.
  • the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 is installed so that the direction of the magnetosensitive axis (the directions of the arrows D1 and D2) exists on the first surface 20.
  • the wirings 13 a, 13 b, 13 c, 13 d, 13 e, and 13 f are arranged on the same surface of the second surface 30.
  • the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 is installed so that the direction of the magnetosensitive axis exists on the first surface 20, the magnetic detection element is disposed on the second surface 30 (for example, Compared with Patent Document 1), the direction perpendicular to the energizing direction (X direction) of the current path 1 and the plurality of wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f extend (in this embodiment, the Y direction) ) In the direction perpendicular to (Z direction) can be reduced.
  • a plurality of current paths are installed in parallel, such as a current path for supplying current to a three-phase motor, it is desired that the current detection device be as small as possible in the parallel direction of the current paths. .
  • each wiring 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f is arrange
  • the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 is installed so that the direction of the magnetosensitive axis (the direction of the arrows D1 and D2) is the same as or opposite to the direction of the magnetic field generated by the current flowing through the current path 1. Has been. Thereby, the magnetic field generated by the current flowing in the current path 1 is detected with higher sensitivity than when the direction of the magnetosensitive axis intersects the direction of the magnetic field.
  • the direction of the magnetosensitive axis of the magnetic detection element is preferably on the first surface 20 and along the second surface 30, but is about ⁇ 10 ° with respect to the second surface 30. It may be slightly inclined as long as it is about.
  • the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 is configured such that the direction of the magnetosensitive axis is parallel to the energization direction (X direction) of the current path 1 and the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f Since it is installed on the first surface 20 parallel to the extending direction (Y direction), it is orthogonal to the energizing direction (X direction) of the current path 1 and a plurality of wirings 13a, 13b, 13c, It is possible to reduce the dimension in the direction (Z direction) orthogonal to the direction (Y direction) in which 13d, 13e, and 13f extend.
  • each wiring 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f is arrange
  • the direction of the magnetosensitive axis of the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 (the direction of the arrows D1 and D2) is the same as or opposite to the direction of the magnetic field generated by the current flowing through the current path 1.
  • the magnetic field generated by the current flowing through the path 1 can be detected with high sensitivity.
  • FIG. 2 is a perspective view of the current detection device according to the first embodiment of the present invention.
  • a plurality of wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are provided on a wiring board 10 having a multilayer structure composed of a plurality of wiring layers, and magnetic A magnetic detection unit 2 including a detection element is mounted.
  • the wiring board 10 is installed below the current path 1 through which current flows in the direction of arrow I (X direction).
  • the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 has a direction of the magnetosensitive axis on the first surface 20 in FIG. 1. It is installed to exist.
  • the wiring board 10 is installed so as to exist on the first surface 20 of FIG.
  • FIG. 3 is a top view of the current detection device according to the first embodiment of the present invention.
  • a plurality of first terminals 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, and 11f to which the magnetic detection elements of the magnetic detection unit 2 are connected, and signals are input to and output from the magnetic detection elements.
  • a plurality of second terminals 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, and 12f are provided.
  • the wiring board 10 includes a plurality of first terminals 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f and a plurality of second terminals 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f.
  • Wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are provided. Of the plurality of wirings, only the wiring 13a is disposed on the upper surface of the wiring board 10.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the magnetic detection unit 2.
  • the magnetic detection unit 2 has a full bridge structure having four magnetic detection elements 3, 4, 5, and 6.
  • Each of the magnetic detection elements 3, 4, 5, and 6 is composed of a GMR element and detects the strength of the magnetic field generated by the current flowing through the current path.
  • the GMR element is more sensitive than the Hall element. More specifically, the Hall element has a minimum magnetic field detection sensitivity of 0.5 Oe (0.05 mT in terms of magnetic flux density in air), whereas a GMR element has 0.02 Oe (magnetic flux in air). It is 0.002 mT in terms of density.
  • the GMR element has a faster response speed than other magnetic detection elements such as a Hall element. Since the GMR element directly detects the magnetic field itself, for example, unlike a coil that captures a change in the magnetic field, for example, the GMR element can respond sensitively to minute changes in the magnetic field. Therefore, by using a GMR element as each of the magnetic detection elements 3, 4, 5 and 6, the detection accuracy of the magnetic field generated by the current flowing through the current path is improved.
  • the magnetic detection element 3 and the magnetic detection element 4 are connected in series, and the magnetic detection element 5 and the magnetic detection element 6 are connected in series. And the serial connection part of the magnetic detection elements 3 and 4 and the serial connection part of the magnetic detection elements 5 and 6 are connected in parallel.
  • the magnetic detection element 3 and the magnetic detection element 6 positioned in the diagonal direction are arranged such that the directions of the magnetosensitive axes indicated by arrows are the same as each other.
  • the magnetic detection element 4 and the magnetic detection element 5 positioned in the other diagonal direction have the same direction of the magnetosensitive axis indicated by the arrows, and the magnetosensitive axes of the magnetic detection element 3 and the magnetic detection element 6. It is arrange
  • a drive voltage is applied between the terminal Vcc and the terminal GND to the series connection part of the magnetic detection elements 3 and 4 and the series connection part of the magnetic detection elements 5 and 6.
  • the first output is output from the terminal Vout1 between the magnetic detection element 3 and the magnetic detection element 4, and the second output is output from the terminal Vout2 between the magnetic detection element 5 and the magnetic detection element 6. Is done.
  • the detection circuit 7 detects the magnitude of the current flowing through the current path 1 from the difference between the first output output from the terminal Vout1 and the second output output from the terminal Vout2.
  • the magnetic detection unit 2 is provided with a bias coil (not shown) that generates a bias magnetic field for the GMR element, and two terminals (not shown) for applying a voltage to the bias coil are provided. Accordingly, in this embodiment, the magnetic detection unit 2 is provided with a total of six terminals.
  • the first terminal 11a is connected to the terminal Vcc, for example.
  • the first terminal 11b is connected to the terminal GND, for example.
  • the first terminal 11c is connected to the terminal Vout1, for example.
  • the first terminal 11d is connected to the terminal Vout2, for example.
  • the first terminals 11e and 11f are connected to terminals for a bias coil, for example. Connection between each terminal of the magnetic detection unit 2 and the first terminals 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, and 11f is performed by, for example, wire bonding.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the wiring board 10 has a multilayer structure composed of a plurality of wiring layers 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, and 14f.
  • the thickness of each wiring layer 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f is, for example, about 0.2 mm.
  • a wiring 13a is arranged in the wiring layer 14a.
  • a wiring 13b is arranged in the wiring layer 14b.
  • a wiring 13c is arranged in the wiring layer 14c.
  • a wiring 13d is arranged in the wiring layer 14d.
  • a wiring 13e is arranged in the wiring layer 14e.
  • a wiring 13f is arranged in the wiring layer 14f.
  • An insulating material is filled on the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f of the wiring layers 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, and 14f.
  • the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are arranged at the same position in the horizontal direction of the drawing, and are arranged on the same surface of the second surface 30 in FIG. Accordingly, the plurality of wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are arranged apart from each other in the thickness direction of the wiring board 10 on the plurality of wiring layers 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, and 14f of the wiring board 10. Has been.
  • the wirings connected to the bias coils of the magnetic detection elements 3, 4, 5, and 6 are not necessarily arranged at the same positions as the other wirings. Therefore, for example, when the wirings 13e and 13f are connected to the bias coil, the wirings 13e and 13f are installed in one of the wiring layers 14a, 14b, 14c, and 14d in parallel with the other wirings of the layer. Also good.
  • FIG. 6 is a diagram showing each wiring layer of the wiring board 10.
  • FIG. 6 is a perspective view when the plurality of wiring layers 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, and 14f shown in FIG. 5 are separated and arranged in the vertical direction.
  • the wiring 13a has one end connected to the first terminal 11a and the other end connected to the second terminal 12a.
  • the wiring 13b has one end connected to the first terminal 11b and the other end connected to the second terminal 12b.
  • the first terminal 11 b of the wiring layer 14 b and the first terminal 11 b of the wiring layer 14 a are connected by a through hole provided in the thickness direction of the substrate 10.
  • the second terminal 12b of the wiring layer 14b and the second terminal 12b of the wiring layer 14a are connected by a through hole provided in the thickness direction of the substrate 10.
  • the wiring 13c has one end connected to the first terminal 11c and the other end connected to the second terminal 12c.
  • the first terminal 11 c of the wiring layer 14 c and the first terminal 11 c of the wiring layer 14 a are connected by a through hole provided in the thickness direction of the substrate 10.
  • the second terminal 12 c of the wiring layer 14 c and the second terminal 12 c of the wiring layer 14 a are connected by a through hole provided in the thickness direction of the substrate 10.
  • the wiring layers 14d to 14f have the same configuration.
  • the magnetic detection elements 3, 4, 5, 6 are mounted on the wiring substrate 10 having a multilayer structure composed of a plurality of wiring layers, and a plurality of wirings 13a, 13b, 13c,
  • the plurality of wirings are orthogonal to the energizing direction (X direction) of the current path 1.
  • the dimension in the direction (Z direction) orthogonal to the direction (Y direction) in which 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f extend can be further reduced.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a current detection device according to the second embodiment of the present invention.
  • the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are inclined in the X direction by an angle ⁇ with respect to the Y direction orthogonal to the energizing direction (X direction) of the current path 1. It is growing.
  • a second surface 30 ′ inclined by an angle ⁇ in the X direction with respect to the surface 30 orthogonal to the energizing direction (X direction) of the current path 1 is indicated by a broken line.
  • Each wiring 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f is arranged on the same surface of the second surface 30 ′.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
  • the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 Since the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 is installed so that the direction of the magnetosensitive axis exists on the first surface 20, a plurality of magnetic detection elements are orthogonal to the energization direction (X direction) of the current path 1.
  • the dimension in the direction (Z direction) perpendicular to the direction in which the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f extend in this embodiment, the direction tilted by the angle ⁇ in the X direction with respect to the Y direction). It can be made smaller.
  • each wiring 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f is arrange
  • electromagnetic induction noise due to the induced electromotive force between the wirings is reduced.
  • the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are inclined by an angle ⁇ in the energization direction (X direction) of the current path 1 with respect to the plane 30 orthogonal to the energization direction (X direction) of the current path 1.
  • the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f can be extended in a desired direction, and the degree of freedom of the device configuration is increased.
  • FIG. 8 is a perspective view of a current detection apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • a plurality of wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are provided on a wiring board 10 ′ having a multilayer structure composed of a plurality of wiring layers.
  • a magnetic detection unit 2 including a magnetic detection element is mounted.
  • the wiring board 10 is installed such that the longitudinal direction is the Y direction.
  • the wiring board 10 ′ is installed such that the longitudinal direction is inclined by the angle ⁇ in the X direction with respect to the Y direction.
  • FIG. 9 is a top view of the current detection apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the magnetic detection unit 2 mounted on the wiring board 10 ′ is installed at an angle ⁇ with respect to the direction in which the wirings 13 a, 13 b, 13 c, 13 d, 13 e, and 13 f extend.
  • the wires 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are extended in a direction inclined by an angle ⁇ in the X direction with respect to the Y direction orthogonal to the energizing direction (X direction) of the current path 1.
  • the direction of the magnetic sensing axis of the magnetic detection element of the magnetic detection unit 2 can be the same as or opposite to the direction of the magnetic field generated by the current flowing through the current path 1.
  • the multilayer structure of the wiring board 10 ' is the same as the structure of the first embodiment shown in FIGS.
  • a detection circuit (7) for detecting the magnitude of the current flowing through the current path (1) and a plurality of wires connected to the magnetic detection elements (3, 4, 5, 6) and extending in a direction away from the current path (1) (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f), and the magnetic detection element (3, 4, 5, 6) has the direction of the magnetosensitive axis parallel to the energization direction of the current path (1).
  • the plurality of wirings (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) are disposed on the first surface (20) parallel to the extending direction of the plurality of wirings (13a, 13b, 13c, 13e, 13f).
  • 13d, 13e, and 13f) are second surfaces (30/30) orthogonal to the first surface (20). 0 ') disposed on the same surface of the current detecting device.
  • the second surface (30 ′) is inclined in the energization direction of the current path (1) with respect to the plane orthogonal to the energization direction of the current path (1). apparatus.
  • a wiring board (10/10 ′) on which magnetic detection elements (3, 4, 5, 6) are mounted is provided, and the wiring board (10/10 ′) has a multilayer structure including a plurality of wiring layers.
  • the plurality of wirings (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) are separated from the plurality of wiring layers of the wiring board (10/10 ′) in the thickness direction of the wiring board (10/10 ′). Arranged current detection device.
  • a plurality of wirings (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f) extending in a direction away from the current path (1) are provided, and the magnetic detection elements (3, 4, 5, 6) are arranged in the direction of the magnetosensitive axis. Exists on the first surface (20) parallel to the energizing direction of the current path (1) and parallel to the extending direction of the plurality of wirings (13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f).
  • the magnetic detection elements (3, 4, 5, 6) are mounted on a wiring board (10/10 ′) having a multilayer structure composed of a plurality of wiring layers, and a plurality of wirings (13a, 13b, 13c, 13d) are mounted. , 13e, 13f) are arranged in a plurality of wiring layers of the wiring board (10/10 ') at a distance from each other in the thickness direction of the wiring board (10/10').
  • a GMR element is used as each of the magnetic detection elements 3, 4, 5 and 6.
  • other magnetic detection elements such as a Hall element, an AMR element, a TMR element, etc. may be used.
  • the four magnetic detection elements 3, 4, 5, and 6 are provided, the number of magnetic detection elements is not restricted to this.
  • the wiring board 10/10 ′ and the wirings 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are linearly separated from the current path.
  • an arc shape, a sawtooth shape, and a comb shape are used. You may leave

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Abstract

【課題】装置の小型化が可能で、かつ配線間の誘導起電力による電磁誘導ノイズを低減することができる電流検出装置、及び電流検出方法を提供する。 【解決手段】電流路1を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子3,4,5,6と、磁気検出素子の出力から、電流路1を流れる電流の大きさを検出する検出回路7と、磁気検出素子に接続され、電流路1から離れる方向へ伸びる複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fと、を備える。磁気検出素子3,4,5,6は、感磁軸の方向が、電流路1の通電方向と平行で、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向とも平行な第1の面20上に存在するように設置され、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、第1の面と直交する第2の面30/30'の同一面上に配置されている。

Description

電流検出装置、及び電流検出方法
 本発明は、磁気検出素子を用いて電流路に流れる電流を検出する電流検出装置、及び電流検出方法に関する。
 例えば、ハイブリット車や電気自動車等におけるモータ駆動技術等の分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定可能な電流検出装置が要求されている。このような電流検出装置として、磁気検出素子を用い、被測定電流によって生じた磁界の強度を検出して、被測定電流の大きさを検出するものがある。磁気検出素子としては、ホール効果を利用したホール素子や、異方性磁気抵抗効果(AMR:Anisotropic Magneto-Resistive effect)を利用したAMR素子、巨大磁気抵抗効果(GMR:Giant Magneto-Resistive effect)を利用したGMR素子、トンネル磁気抵抗効果(TMR:Tunnel Magneto-Resistive effect)を用いたTMR素子等がある。
 磁気検出素子は、測定対象の電流路に近接して設置され、磁気検出素子に対して信号を入出力するための配線も、電流路に近接して設置される。そのため、電流路に数十kHz~数百kHzほどの高周波の電流値変動が生じると、磁気検出素子の配線間に誘導起電力が発生し、電磁誘導ノイズが磁気検出素子の出力に上乗せされて、検出精度が低下する。従来、2つの磁気検出素子を用いる場合に、2つの出力配線の導電パターンへのインピーダンスを調整して、電圧変動によるノイズ成分をキャンセルすることが行われていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2012-225872号公報
 特許文献1に記載の電流センサでは、2つの磁気検出素子が、電流線の延在方向に対して主表面が略直交するように配置された、配線基板の主表面に配置されている。従って、磁気検出素子及び配線基板が、いずれも電流線と略直交する面上に広がり、装置の小型化の妨げとなっていた。特に、3相モータへ電流を供給する電流路等のように、複数の電流路が並列して設置される場合、電流検出装置は、電流路の並列方向において、できるだけ小型化することが望まれる。
 また、特許文献1に記載の電流センサでは、磁気検出素子の出力配線についてのみ考慮され、駆動電流の配線や接地線等の他の配線については考慮されていなかった。
 本発明は、装置の小型化が可能で、かつ配線間の誘導起電力による電磁誘導ノイズを低減することができる電流検出装置、及び電流検出方法を提供することを目的とする。
 本発明は、上記課題を解決することを目的として、電流路を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子と、磁気検出素子の出力から、電流路を流れる電流の大きさを検出する検出回路と、磁気検出素子に接続され、電流路から離れる方向へ伸びる複数の配線と、を備え、磁気検出素子は、感磁軸の方向が、電流路の通電方向と平行で、かつ複数の配線の伸びる方向とも平行な第1の面上に存在するように設置され、複数の配線は、第1の面と直交する第2の面の同一面上に配置された、電流検出装置を提供する。
 また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、電流路を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子と、磁気検出素子に接続され、電流路から離れる方向へ伸びる複数の配線と、を設け、磁気検出素子を、感磁軸の方向が、電流路の通電方向と平行で、かつ複数の配線の伸びる方向とも平行な第1の面上に存在するように設置し、複数の配線を、第1の面と直交する第2の面の同一面上に配置して、磁気検出素子の出力から、電流路を流れる電流の大きさを検出する、電流検出方法を提供する。
 本発明によれば、装置の小型化が可能で、かつ配線間の誘導起電力による電磁誘導ノイズを低減することができる電流検出装置、及び電流検出方法を提供することが可能となる。従って、小型の構成で、電流路を流れる電流により発生する磁界を高精度に検出して、電流路を流れる電流を精度良く検出することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る電流検出装置を説明する図である。 本発明の第1の実施例に係る電流検出装置の斜視図である。 本発明の第1の実施例に係る電流検出装置の上面図である。 磁気検出部2の構成を示す図である。 図3のA-A線断面図である。 配線基板10の各配線層を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る電流検出装置を説明する図である。 本発明の第2の実施例に係る電流検出装置の斜視図である。 本発明の第2の実施例に係る電流検出装置の上面図である。
[第1の実施の形態]
 図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電流検出装置を説明する図である。破線で示す電流路1を、矢印Iの方向(X方向)に電流が流れるとき、電流路1の真下の位置では、矢印Bの方向(Y方向)に磁界が発生する。電流検出装置の磁気検出部2は、電流路1を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する。
 磁気検出部2は、1つ又は複数の磁気検出素子を含み、各磁気検出素子の感磁軸は、矢印D1の方向(Y方向に正の方向)、または矢印D2の方向(Y方向に負の方向)となっている。
 磁気検出部2の近傍には、磁気検出素子に接続され、電流路1から離れる方向へ伸びる、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fが設置されている。本実施の形態では、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、電流路1の通電方向(X方向)と直交するY方向へ伸びている。
 図1には、電流路1の通電方向(X方向)と平行で、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向(本実施の形態では、Y方向)とも平行な第1の面20が、破線で示されている。本実施の形態では、第1の面20は、X方向及びY方向へ広がる平面である。また、図1には、電流路1の通電方向(X方向)と直交する第2の面30が、破線で示されている。本実施の形態では、第2の面30は、Y方向及びZ方向へ広がる平面である。
 磁気検出部2の磁気検出素子は、感磁軸の方向(矢印D1,D2の方向)が、第1の面20上に存在するように設置されている。そして、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、第2の面30の同一面上に配置されている。
 磁気検出部2の磁気検出素子を、感磁軸の方向が、第1の面20上に存在するように設置しているので、磁気検出素子を第2の面30上に配置した場合(例えば、特許文献1)に比べて、電流路1の通電方向(X方向)と直交し、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向(本実施の形態では、Y方向)とも直交する方向(Z方向)の寸法を小さくすることが可能となる。特に、3相モータへ電流を供給する電流路等のように、複数の電流路が並列して設置される場合、電流検出装置は、電流路の並列方向において、できるだけ小型化することが望まれる。
 そして、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、第2の面30の同一面上に配置しているので、複数の配線を第1の面20上に配置した場合に比べて、配線間の誘導起電力による電磁誘導ノイズが低減する。即ち、複数の配線を第1の面20上に配置した場合、電流路の真下からY方向へ離れた位置において、配線と配線の間で、電流路1を流れる電流値の変動により発生した磁界が、第1の面20と交差する。そのため、配線間にループが形成されて、誘導起電力が発生する。これに対し、複数の配線を第2の面30の同一面上に配置した場合、磁界が配線と配線との間で第2の面30と交差しないので、配線間の誘導起電力の発生が抑制される。
 また、磁気検出部2の磁気検出素子は、感磁軸の方向(矢印D1,D2の方向)が、電流路1を流れる電流により発生する磁界の方向と同じ方向又は逆方向となるように設置されている。これにより、感磁軸の方向が磁界の方向と交差する場合に比べて、電流路1を流れる電流により発生する磁界がより高感度で検出される。なお、磁気検出素子の感磁軸の方向は、第1の面20上であって第2の面30に沿うように存在することが好ましいが、第2の面30に対して約±10°程度までであれば若干傾斜していてもよい。
(第1の実施の形態の作用及び効果)
 以上説明した第1の実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。
(1)磁気検出部2の磁気検出素子を、感磁軸の方向が、電流路1の通電方向(X方向)と平行で、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向(Y方向)とも平行な第1の面20上に存在するように設置しているので、電流路1の通電方向(X方向)と直交し、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向(Y方向)とも直交する方向(Z方向)の寸法を小さくすることが可能となる。そして、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、電流路1の通電方向(X方向)と直交する第2の面30の同一面上に配置しているので、配線間の誘導起電力による電磁誘導ノイズが低減する。従って、小型の構成で、電流路1を流れる電流により発生する磁界を高精度に検出して、電流路1を流れる電流を精度良く検出することが可能である。
(2)磁気検出部2の磁気検出素子の感磁軸の方向(矢印D1,D2の方向)が、電流路1を流れる電流により発生する磁界の方向と同じ方向又は逆方向であるので、電流路1を流れる電流により発生する磁界を高感度で検出することが可能となる。
(3)各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、電流路1の通電方向(X方向)と直交する第2の面30上に配置しているので、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを所望の位置まで伸ばす場合に、必要な配線の長さを最小限に抑えて、装置をさらに小型化することができる。
(第1の実施例)
 図2は、本発明の第1の実施例に係る電流検出装置の斜視図である。本実施例は、第1の実施の形態に対応して、複数の配線層からなる多層構造を有する配線基板10に、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを設けて、磁気検出素子を含む磁気検出部2を搭載したものである。
 矢印Iの方向(X方向)に電流が流れる電流路1の下方に、配線基板10が設置されている。配線基板10には、後述する磁気検出素子を含む磁気検出部2が搭載されており、磁気検出部2の磁気検出素子は、感磁軸の方向が、図1の第1の面20上に存在するように設置されている。配線基板10も同様に図1の第1の面20上に存在するように設置されている。
 図3は、本発明の第1の実施例に係る電流検出装置の上面図である。配線基板10の上面には、磁気検出部2の磁気検出素子が接続される複数の第1の端子11a,11b,11c,11d,11e,11fと、磁気検出素子に対して信号を入出力するための複数の第2の端子12a,12b,12c,12d,12e,12fとが設けられている。また配線基板10には、複数の第1の端子11a,11b,11c,11d,11e,11fと複数の第2の端子12a,12b,12c,12d,12e,12fとの間をつなぐ、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fが設けられている。なお、配線基板10の上面には、これらの複数の配線の内の、配線13aのみが配置されている。
 図4は、磁気検出部2の構成を示す図である。本実施例において、磁気検出部2は、4つの磁気検出素子3,4,5,6を有するフルブリッジ構造となっている。各磁気検出素子3,4,5,6は、GMR素子からなり、電流路を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する。
 GMR素子は、ホール素子に比べて、高感度である。より具体的には、ホール素子の最小磁界検出感度は0.5Oe(空気中での磁束密度に換算して0.05mT)であるのに対し、GMR素子では0.02Oe(空気中での磁束密度に換算して0.002mT)である。また、GMR素子は、例えばホール素子等の他の磁気検出素子に比べて、応答速度が速い。そして、GMR素子は、例えば磁界の変化を捉えるコイル等とは異なり、磁界そのものを直接検出するため、磁界の微小な変化にも敏感に対応することが可能である。従って、各磁気検出素子3,4,5,6としてGMR素子を用いることにより、電流路を流れる電流により発生した磁界の検出精度が向上する。
 磁気検出素子3と磁気検出素子4とは、直列に接続されており、磁気検出素子5と磁気検出素子6とは、直列に接続されている。そして、磁気検出素子3,4の直列接続部と、磁気検出素子5,6の直列接続部とが、並列に接続されている。
 対角線の方向に位置する磁気検出素子3と磁気検出素子6とは、矢印で示す感磁軸の方向が、互いに同じ方向となるように配置されている。もう一方の対角線の方向に位置する磁気検出素子4と磁気検出素子5とは、矢印で示す感磁軸の方向が、互いに同じ方向で、かつ磁気検出素子3及び磁気検出素子6の感磁軸の方向とは、逆方向となるように配置されている。
 磁気検出素子3,4の直列接続部、及び磁気検出素子5,6の直列接続部には、端子Vccと端子GNDとの間に駆動電圧が印加される。そして、第1の出力が、磁気検出素子3と磁気検出素子4との間の端子Vout1から出力され、第2の出力が、磁気検出素子5と磁気検出素子6との間の端子Vout2から出力される。検出回路7は、端子Vout1から出力された第1の出力と、端子Vout2から出力された第2の出力との差から、電流路1を流れる電流の大きさを検出する。
 さらに、磁気検出部2には、GMR素子に対するバイアス磁界を発生する、図示しないバイアスコイルが設けられており、バイアスコイルへ電圧を印加するための図示しない2つの端子が設置されている。従って、本実施例において、磁気検出部2には、合計6つの端子が設置されている。
 図3において、第1の端子11aは、例えば、端子Vccに接続される。第1の端子11bは、例えば、端子GNDに接続される。第1の端子11cは、例えば、端子Vout1に接続される。第1の端子11dは、例えば、端子Vout2に接続される。第1の端子11e,11fは、例えば、バイアスコイルのための端子にそれぞれ接続される。磁気検出部2の各端子と、第1の端子11a,11b,11c,11d,11e,11fとの接続は、例えば、ワイヤーボンディング等で行われる。
 図5は、図3のA-A線断面図である。配線基板10は、複数の配線層14a,14b,14c,14d,14e,14fからなる多層構造を有している。本実施例では、各配線層14a,14b,14c,14d,14e,14fの厚さは、例えば0.2mm程度である。配線層14aには、配線13aが配置されている。配線層14bには、配線13bが配置されている。配線層14cには、配線13cが配置されている。配線層14dには、配線13dが配置されている。配線層14eには、配線13eが配置されている。配線層14fには、配線13fが配置されている。各配線層14a,14b,14c,14d,14e,14fの配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの上には、絶縁材が充填されている。
 各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、図面横方向の同じ位置に配置され、図1の第2の面30の同一面上に配置されている。従って、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、配線基板10の複数の配線層14a,14b,14c,14d,14e,14fに、配線基板10の厚さ方向に離れて配置されている。
 なお、磁気検出素子3,4,5,6のバイアスコイルに接続される配線は、必ずしも他の配線と同じ位置に配置される必要はない。従って、例えば、配線13e,13fがバイアスコイルに接続される場合、配線13e,13fを、配線層14a,14b,14c,14dのいずれかに、その層の他の配線と並列して設置してもよい。
 図6は、配線基板10の各配線層を示す図である。図6は、図5に示す複数の配線層14a,14b,14c,14d,14e,14fを、引き離して上下方向に配置したときの斜視図である。配線層14aにおいて、配線13aは、一端が第1の端子11aに接続され、他端が第2の端子12aに接続されている。
 配線層14bにおいて、配線13bは、一端が第1の端子11bに接続され、他端が第2の端子12bに接続されている。配線層14bの第1の端子11bと、配線層14aの第1の端子11bとは、基板10の厚さ方向に設けたスルーホールにより接続されている。また、配線層14bの第2の端子12bと、配線層14aの第2の端子12bとは、基板10の厚さ方向に設けたスルーホールにより接続されている。
 配線層14cにおいて、配線13cは、一端が第1の端子11cに接続され、他端が第2の端子12cに接続されている。配線層14cの第1の端子11cと、配線層14aの第1の端子11cとは、基板10の厚さ方向に設けたスルーホールにより接続されている。また、配線層14cの第2の端子12cと、配線層14aの第2の端子12cとは、基板10の厚さ方向に設けたスルーホールにより接続されている。以下、配線層14d~14fも同様の構成である。
(第1の実施例の効果)
 以上説明した第1の実施例によれば、磁気検出素子3,4,5,6を、複数の配線層からなる多層構造を有する配線基板10に搭載し、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、配線基板10の複数の配線層に、配線基板10の厚さ方向に離して配置することにより、電流路1の通電方向(X方向)と直交し、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向(Y方向)とも直交する方向(Z方向)の寸法をさらに小さくすることができる。
[第2の実施の形態]
 図7は、本発明の第2の実施の形態に係る電流検出装置を説明する図である。本実施の形態では、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、電流路1の通電方向(X方向)と直交するY方向に対して、X方向に角度θだけ傾いた方向へ伸びている。図7には、電流路1の通電方向(X方向)と直交する面30に対して、X方向に角度θだけ傾いた第2の面30’が、破線で示されている。各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fは、第2の面30’の同一面上に配置されている。その他の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同様である。
 磁気検出部2の磁気検出素子を、感磁軸の方向が、第1の面20上に存在するように設置しているので、電流路1の通電方向(X方向)と直交し、かつ複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向(本実施の形態では、Y方向に対して、X方向に角度θだけ傾いた方向)とも直交する方向(Z方向)の寸法を小さくすることが可能となる。
 そして、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、第2の面30’の同一面上に配置しているので、複数の配線を第1の面20上に配置した場合に比べて、配線間の誘導起電力による電磁誘導ノイズが低減する。
(第2の実施の形態の作用及び効果)
 以上説明した第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態について説明した(1)及び(2)の作用及び効果と同様の作用及び効果が得られる。
 さらに、配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、電流路1の通電方向(X方向)と直交する面30に対して、電流路1の通電方向(X方向)に角度θだけ傾いた第2の面30’に配置しているので、配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを所望の方向へ伸ばすことが可能となり、装置構成の自由度が増す。
(第2の実施例)
 図8は、本発明の第2の実施例に係る電流検出装置の斜視図である。本実施例は、第2の実施の形態に対応して、複数の配線層からなる多層構造を有する配線基板10’に、複数の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを設けて、磁気検出素子を含む磁気検出部2を搭載したものである。
 図2に示した第1の実施例では、配線基板10は、長手方向がY方向となるように設置されている。それに対し、本実施例では、配線基板10’は、長手方向がY方向に対してX方向に角度θだけ傾いた方向となるように設置されている。
 図9は、本発明の第2の実施例に係る電流検出装置の上面図である。配線基板10’に搭載された磁気検出部2は、配線13a,13b,13c,13d,13e,13fの伸びる方向に対し、角度θだけ傾けて設置されている。これにより、各配線13a,13b,13c,13d,13e,13fを、電流路1の通電方向(X方向)と直交するY方向に対して、X方向に角度θだけ傾いた方向へ伸びるように設置しても、磁気検出部2の磁気検出素子の感磁軸の方向を、電流路1を流れる電流により発生する磁界の方向と同じ方向又は逆方向とすることができる。配線基板10’の多層構造は、図5及び図6に示した第1の実施例の構造と同様である。
(第2の実施例の効果)
 以上説明した第2の実施例によれば、第1の実施例について説明した効果と同様の効果が得られる。
(実施の形態のまとめ)
 次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
[1]電流路(1)を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子(3,4,5,6)と、磁気検出素子(3,4,5,6)の出力から、電流路(1)を流れる電流の大きさを検出する検出回路(7)と、磁気検出素子(3,4,5,6)に接続され、電流路(1)から離れる方向へ伸びる複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)と、を備え、磁気検出素子(3,4,5,6)は、感磁軸の方向が、電流路(1)の通電方向と平行で、かつ複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)の伸びる方向とも平行な第1の面(20)上に存在するように設置され、複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)は、第1の面(20)と直交する第2の面(30/30’)の同一面上に配置された、電流検出装置。
[2]上記[1]において、第2の面(30)は、電流路(1)の通電方向と直交する、電流検出装置。
[3]上記[1]において、第2の面(30’)は、電流路(1)の通電方向と直交する面に対して、電流路(1)の通電方向に傾いている、電流検出装置。
[4]磁気検出素子(3,4,5,6)が搭載された配線基板(10/10’)を備え、配線基板(10/10’)は、複数の配線層からなる多層構造を有し、複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)は、配線基板(10/10’)の複数の配線層に、配線基板(10/10’)の厚さ方向に離れて配置された、電流検出装置。
[5]電流路(1)を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子(3,4,5,6)と、磁気検出素子(3,4,5,6)に接続され、電流路(1)から離れる方向へ伸びる複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)と、を設け、磁気検出素子(3,4,5,6)を、感磁軸の方向が、電流路(1)の通電方向と平行で、かつ複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)の伸びる方向とも平行な第1の面(20)上に存在するように設置し、複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)を、第1の面(20)と直交する第2の面(30/30’)の同一面上に配置して、磁気検出素子(3,4,5,6)の出力から、電流路(1)を流れる電流の大きさを検出する、電流検出方法。
[6]上記[5]において、第2の面(30)を、電流路(1)の通電方向と直交させた、電流検出方法。
[7]上記[5]において、第2の面(30’)を、電流路(1)の通電方向と直交する面に対して、電流路(1)の通電方向に傾けた、電流検出方法
[8]磁気検出素子(3,4,5,6)を、複数の配線層からなる多層構造を有する配線基板(10/10’)に搭載し、複数の配線(13a,13b,13c,13d,13e,13f)を、配線基板(10/10’)の複数の配線層に、配線基板(10/10’)の厚さ方向に離して配置する、電流検出方法。
 以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
 本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施例では、各磁気検出素子3,4,5,6としてGMR素子を使用しているが、他の磁気検出素子、例えばホール素子、AMR素子、TMR素子等を用いてもよい。また、上記実施例では、4つの磁気検出素子3,4,5,6が設けられているが、磁気検出素子の数は、これに限るものではない。
 そして、以上説明した実施の形態では、6本の配線13a,13b,13c,13d,13e,13fが設けられているが、配線の数はこれに限らず、本発明は、磁気検出素子に接続された複数の配線を備える場合に適用される。
 上述の実施の形態では、配線基板10/10’及びその配線13a,13b,13c,13d,13e,13fが直線状に電流路から離れる場合について説明したが、例えば、円弧状、鋸歯状、櫛歯状等のように非直線的に電流路から離れるようになっていてもよい。
1…電流路
2…磁気検出部
3,4,5,6…磁気検出素子
7…検出回路
10,10’…配線基板
11a,11b,11c,11d,11e,11f…第1の端子
12a,12b,12c,12d,12e,12f…第2の端子
13a,13b,13c,13d,13e,13f…配線
14a,14b,14c,14d,14e,14f…配線層
20…第1の面
30,30’…第2の面

Claims (8)

  1.  電流路を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子と、
     前記磁気検出素子の出力から、前記電流路を流れる電流の大きさを検出する検出回路と、
     前記磁気検出素子に接続され、前記電流路から離れる方向へ伸びる複数の配線と、を備え、
     前記磁気検出素子は、感磁軸の方向が、前記電流路の通電方向と平行で、かつ前記複数の配線の伸びる方向とも平行な第1の面上に存在するように設置され、
     前記複数の配線は、前記第1の面と直交する第2の面の同一面上に配置された、
     電流検出装置。
  2.  前記第2の面は、前記電流路の通電方向と直交する、
     請求項1に記載の電流検出装置。
  3.  前記第2の面は、前記電流路の通電方向と直交する面に対して、前記電流路の通電方向に傾いている、
     請求項1に記載の電流検出装置。
  4.  前記磁気検出素子が搭載された配線基板を備え、
     前記配線基板は、複数の配線層からなる多層構造を有し、
     前記複数の配線は、前記配線基板の複数の配線層に、前記配線基板の厚さ方向に離れて配置された、
     請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電流検出装置。
  5.  電流路を流れる電流により発生する磁界の強度を検出する磁気検出素子と、
     前記磁気検出素子に接続され、前記電流路から離れる方向へ伸びる複数の配線と、を設け、
     前記磁気検出素子を、感磁軸の方向が、前記電流路の通電方向と平行で、かつ前記複数の配線の伸びる方向とも平行な第1の面上に存在するように設置し、
     前記複数の配線を、前記第1の面と直交する第2の面の同一面上に配置して、
     前記磁気検出素子の出力から、前記電流路を流れる電流の大きさを検出する、
     電流検出方法。
  6.  前記第2の面を、前記電流路の通電方向と直交させた、
     請求項5に記載の電流検出方法。
  7.  前記第2の面を、前記電流路の通電方向と直交する面に対して、前記電流路の通電方向に傾けた、
     請求項5に記載の電流検出方法。
  8.  前記磁気検出素子を、複数の配線層からなる多層構造を有する配線基板に搭載し、
     前記複数の配線を、前記配線基板の複数の配線層に、前記配線基板の厚さ方向に離して配置する、
     請求項5乃至7のいずれか1項に記載の電流検出方法。
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