JP7204453B2

JP7204453B2 - 電流検出装置

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Publication number: JP7204453B2
Application number: JP2018225587A
Authority: JP
Inventors: 佳劉; 俊博辻村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: JP2020085853A; US20200174044A1; US11162982B2

Description

本発明の実施形態は、電流検出装置に関する。

電流検出装置は、検出すべき電流をコイルに流し、そのコイルから発生した磁界を検出することによって電流を検出する。発生した磁界は、例えばホール素子により検出される。コイルに発生する磁界が小さい場合、従来の電流検出装置では、ホール素子の駆動回路からの出力電圧を増幅回路により増幅して、電流の検出が行われる。

しかし、増幅回路の増幅率には限界があると共に、増幅回路の増幅率を大きくし過ぎると、ノイズもホール素子の駆動回路に混入し、電流検出装置の性能が低下する虞がある。

特開平５－１０９７９号公報

そこで、実施形態は、コイルに発生する磁界を増加させることができる電流検出装置を提供することを目的とする。

実施形態の電流検出装置は、第１の面と前記第１の面と反対側の第２の面とを有する第１の絶縁層と、前記第２の面に形成されている、少なくとも２巻き以上の巻き数を有する渦巻き形状であり、中心側の端部は、前記第１の絶縁層中の第１のコンタクトホール内に設けられた第１の導体を介して前記第１の面に形成されている第１の配線パターンと電気的に接続されている、平面形状の第１のコイルパターンと、第３の面と前記第３の面と反対側の第４の面とを有する第２の絶縁層と、前記第３の面に形成されている、少なくとも２巻き以上の巻き数を有する渦巻き形状であり、中心側の端部は、前記第２の絶縁層中の第２のコンタクトホール内に設けられた第２の導体を介して前記第４の面に形成されている第２の配線パターンと電気的に接続されている、平面形状の第２のコイルパターンと、前記第１のコイルパターンの外側の端部と、前記第２の導体と、を接続する配線と、前記第１のコイルパターンを流れる電流により発生する磁束の磁束密度が最も高い第１の点と、前記第２のコイルパターンを流れる電流により発生する磁束の磁束密度が最も高い第２の点と、を結ぶ軸上の前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に配設されている磁界検出素子と、前記磁界検出素子を駆動し、出力信号を出力する駆動回路と、を有する。

実施形態に関わる電流検出装置の全体構成図である。実施形態に関わる電流検出装置の側面図である。実施形態に関わる、電流検出装置の２つのコイルパターンの配置を説明するための斜視図である。実施形態に関わる、２枚の基板のうちの一方の基板の表面側からみたときの一方のコイルパターンの平面図である。実施形態に関わる、２枚の基板のうちの他方の基板の裏面である面側からみたときの他方のコイルパターンの平面図である。実施形態に関わる、２つのコイルパターンに流れる交流電流の周波数と、発生する磁界の磁束密度の関係を示すグラフである。実施形態の変形例３に関わる、各コイルパターンが矩形形状を有する平面コイルの平面図である。実施形態の変形例３に関わる、各コイルパターンが三角形状を有する平面コイルの平面図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。
（装置構成）
図１は、本実施形態に関わる電流検出装置の全体構成図である。図２は、本実施形態に関わる電流検出装置の側面図である。

電流検出装置１は、配線Ｌ１に流れる電流Ｉを検出する。検出する電流は、直流又は交流である。電流検出装置１は、各々が絶縁材料からなる３枚の基板１１、１２、１３を、複数のスペーサ部材１４を介して貼り合わせて構成されている。基板１３が基板１１と基板１２の間に配置されるように、３枚の基板は、貼り合わされる。電流検出装置１は、ＡＣ／ＤＣアダプタ、汎用インバータやモーター可変速機器での制御装置、パワーモジュールの過電流保護などに用いられる。

基板１１は、矩形の形状を有し、表側の平らな面１１ａと、裏側の平らな面１１ｂとを有している。配線Ｌ１を接続するためのパッド１５ａと、パッド１５ａから延出する配線パターン１６ａが、面１１ａ上に形成されている。

面１１ａとは反対側の基板１１の面１１ｂ上には、渦巻き形状のコイルパターン１７ａと、コイルパターン１７ａの外側端部から延出する配線パターン１８ａが形成されている。配線パターン１８ａは、基板１１の面１１ｂの縁部近傍まで延出している。

基板１１の面１１ａ上の配線パターン１６ａの先端部分と、面１１ｂ上のコイルパターン１７ａの中心側の先端部分は、基板１１を貫通するコンタクトホール（すなわちビアホール）１１ｃ内に配設された導体１９ａにより電気的に接続されている。

基板１１と基板１３は、基板１１の面１１ｂと、基板１３の一方の面が対向するように、複数のスペーサ部材１４を介してネジなどの固定部材（図示せず）により固定される。

基板１２は、基板１１と同様に、矩形の形状を有し、表面側の平らな面１２ａと、裏面側の平らな面１２ｂとを有している。配線Ｌ１を接続するためのパッド１５ｂと、パッド１５ｂから延出する配線パターン１６ｂが、面１２ａ上に形成されている。
なお、ここでは、各基板１１、１２は、矩形の形状を有しているが、円形などの他の形状であってもよい。

面１２ａとは反対側の基板１２の面１２ｂ上には、渦巻き形状のコイルパターン１７ｂと、コイルパターン１７ｂの外側端部から延出する配線パターン１８ｂが形成されている。配線パターン１８ｂは、基板１２の面１２ｂの縁部近傍まで延出している。

基板１２の面１２ａ上の配線パターン１６ｂの先端部分と、面１２ｂ上のコイルパターン１７ｂの中心側の先端部分は、基板１２を貫通するコンタクトホール（すなわちビアホール）１２ｃ内に配設された導体１９ｂにより電気的に接続されている。

基板１２と基板１３は、基板１２の面１２ｂと、基板１３の他方の面が対向するように、複数のスペーサ部材１４を介してネジなどの固定部材（図示せず）により固定される。

配線パターン１８ａの先端部分は、基板１１の面１１ｂの縁部に形成されたパッド１８ａ１に接続されている。配線パターン１８ｂの先端部分は、基板１２の面１２ｂの縁部に形成されたパッド１８ｂ１に接続されている。パッド１８ａ１と１８ｂ１間は、配線２０により接続されている。よって、検出すべき電流は、２つのコイルパターン１７ａと１７ｂに流れる。

なお、基板１３の両面上には、ホール素子２１の駆動回路２２への電磁ノイズが入ることを遮蔽するために、一点鎖線で示すシールド層１３ａ、１３ｂが設けられている。シールド層１３ａ、１３ｂは、アルミニウムなどの導電材料のシート部材である。

基板１３内には、磁気センサとしてのホール素子２１が埋め込まれている。ホール素子２１は、２つのコイルパターン１７ａと１７ｂの間に位置するように、基板１１，１２、１３は、貼り合わされて互いに固定される。磁界検出素子であるホール素子２１は、磁束密度に比例した起電力を発生し、起電力に応じた電圧信号を出力する。

すなわち、２つのコイルパターン１７ａと１７ｂの各々は、渦巻き形状を有する平面コイルである。ホール素子２１は、２つのコイルパターン１７ａと１７ｂの平面に対して直交する方向において、各コイルパターン１７ａ、１７ｂから離間して配置され、２つのコイルパターン１７ａと１７ｂに電流が流れたときに各コイルパターン１７ａ、１７ｂが形成する磁界を受けるように配設されている。

ホール素子２１の出力信号は、基板１３上に形成された増幅回路を含む駆動回路２２により増幅される。駆動回路２２の２つの出力端子間に、電流Ｉに応じた電圧Ｖが現れる。よって、駆動回路２２の２つの出力端子に接続した２本の配線Ｌ２間に生じた電圧Ｖは、電流Ｉの電流値に応じた電圧となる。すなわち、駆動回路２２は、ホール素子２１を駆動すると共に、磁界検出素子であるホール素子２１の出力信号を出力する。駆動回路２２の出力信号は、ホール素子２１に発生した起電力に応じた電圧値を有する。

なお、上述した例では、コイルパターン１７ａと１７ｂは、配線２０により接続されているが、図２において二点鎖線で示すように、コイルパターン１７ａと１７ｂは、絶縁材料からなる基板２３を基板１１と１２間に密着させて配設して、基板２３を貫通するコンタクトホール２３ａ内に配設された導体１９ｃによって電気的に接続するようにしてもよい。

さらになお、上述した例では、電流検出装置１は、３枚の基板１１、１２、１３を貼り合わせて形成されているが、各基板を絶縁層として形成し、１つの絶縁層の中に磁気センサを配置し、複数の絶縁層上に、コイルパターン１７ａ、１７ｂ、各配線パターン１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂなどを形成し、絶縁層内にコンタクトホール内の導体１９ａ、１９ｂなどを形成するようにして、１つの半導体装置として構成してもよい。
（コイルパターンの構成）
図３は、電流検出装置の２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの配置を説明するための斜視図である。図３は、電流検出装置１の４つの配線パターン１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂと、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの斜視図である。

コイルパターン１７ａ、１７ｂの各々は、渦を巻くように形成された平面コイルを形成している。コイルパターン１７ａ、１７ｂの各々は、少なくとも２巻き以上の巻き数を有する平面形状のコイルである。

そして、コイルパターン１７ａが設けられた基板１１の面１１ｂとコイルパターン１７ｂが設けられた基板１２の面１２ｂが対向し、かつ平行になるように、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂは配置される。

コイルパターン１７ａ、１７ｂを平面視したときに、各コイルパターン１７ａ、１７ｂは、渦巻きにおいて隣り合う２つのパターン間のスペースは一定である。さらに、コイルパターン１７ａ、１７ｂを平面視したときに、各コイルパターン１７ａ、１７ｂのパターン幅も一定である。すなわち、各コイルパターン１７ａ、１７ｂのパターン幅（すなわちライン）及びパターン間の距離（スペース）は、一定である。

ここでは、パッド１５ａからの電流Ｉは、導体１９ａを介して、コイルパターン１７ａの中心端部Ｃ１に供給される。すなわち、上述したように、コイルパターン１７ａの中心側の端部は、絶縁層である基板１１中に形成されたコンタクトホール１１ｃ内に設けられた導体１９ａを介して、検出すべき電流が流れる配線パターン１６ａと電気的に接続されている。

コイルパターン１７ａは、図３において上から見たときに左巻きであるので、電流Ｉは、矢印Ａ１で示す方向に沿って、コイルパターン１７ａの外周端部Ｐ１に向かって流れる。電流Ｉは、外周端部Ｐ１から、配線パターン１８ａ、配線２０及び配線パターン１８ｂを通って、コイルパターン１７ｂの外周端部Ｐ２に供給される。

コイルパターン１７ｂは、図３において上から見たときに右巻きであるので、電流Ｉは、矢印Ａ２で示す方向に沿って、コイルパターン１７ｂの中心端部Ｃ２に向かって流れる。その結果、コイルパターン１７ａにより生成される磁界の方向Ｂ１と、コイルパターン１７ｂにより生成される磁界の方向Ｂ２は、同じとなる。

ここでは、コイルパターン１７ｂの中心端部Ｃ２からの電流Ｉは、導体１９ｂを介して、配線パターン１６ｂに供給される。すなわち、上述したように、コイルパターン１７ｂの中心側の端部は、検出すべき電流が流れる配線パターン１６ｂと、絶縁層である基板１２に形成されたコンタクトホール１２ｃ内に設けられた導体１９ｂにより電気的に接続されている。

図４は、２枚の基板１１と１２のうちの一方の基板１１の表面側からみたときのコイルパターン１７ａの平面図である。図５は、２枚の基板１１と１２のうちの他方の基板１２の裏面である面１２ｂ側からみたときのコイルパターン１７ｂの平面図である。

コイルパターン１７ａ、１７ｂは、ここでは、上述したように、パターン幅（すなわちライン）及びパターン間の間隙（スペース）が一定な渦巻き形状を有している。コイルパターン１７ａは、基板１１に形成され、コイルパターン１７ｂは、基板１２に形成され、ホール素子２１は、基板１３に設けられている。そして、電流がコイルパターン１７ａに流れるときの磁束方向と、電流がコイルパターン１７ｂに流れるときの磁束方向が一致するように、コイルパターン１７ａと１７ｂは、電気的に接続されている。

図４において、点ＢＣａは、コイルパターン１７ａに流れる電流により発生する磁束の中心点である。点ＢＣａでは、コイルパターン１７ａに流れる電流により磁束密度が最も高い。

同様に、図５において、点ＢＣｂは、コイルパターン１７ｂに流れる電流により発生する磁束の中心点である。点ＢＣｂでは、コイルパターン１７ｂに流れる電流により磁束密度が最も高い。

すなわち、コイルパターン１７ａが生成する磁束の中心軸（点ＢＣａを通る）と、コイルパターン１７ｂが生成する磁束の中心軸（点ＢＣｂを通る）は、同一軸上に位置している。そして、ホール素子２１は、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの間であって、これら２つの中心軸と同一軸上に配設されている。

よって、ホール素子２１がコイルパターン１７ａと１７ｂによる磁束を最も多く受けるように、ホール素子２１の中心は、点ＢＣａとＢＣｂを通り、各々が平面コイルであるコイルパターン１７ａと１７ｂの平面に直交する線分上にくるように、ホール素子２１は、コイルパターン１７ａと１７ｂに対して配設される。

また、基板１１の面１１ａ側からみたとき、コンタクトホール１１ｃは、図４に示すように、点ＢＣａからずれた位置に配設されるように、基板１１に形成されている。同様に、基板１２の面１２ｂ側からみたとき、コンタクトホール１２ｃは、図５に示すように、点ＢＣｂからずれた位置に配設されるように、基板１２に形成されている。これは、磁束がコンタクトホール１１ｃ、１２ｃ内の導体内を通過して、磁束密度が低下することを防ぐためである。

図６は、上述した２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂに流れる交流電流の周波数と、発生する磁界の磁束密度の関係を示すグラフである。図６には、各コイルパターン１７ａ、１７ｂの巻き数が１巻き、２巻き、３巻き、４巻き及び５巻きである５つの場合の磁束密度の変化が示されている。

図６の横軸は、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂに流れる電流の周波数であり、縦軸は、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂにより生じる磁束密度である。各コイルパターン１７ａ、１７ｂの巻き数が２巻き以上であると、従来の１巻きの場合に比べて、発生する磁束密度は、倍以上になっている。

図６に示すように、検出する電流の周波数が低いときは、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂにより生じる磁束密度は、コイルパターン１７ａ、１７ｂの巻き数に応じて高くなっている。しかし、検出する電流の周波数が高くなると、発生する磁束密度は、コイルパターンの巻き数に比例して増加していない。

例えば、図６において、周波数が１００ＫＨｚを越えると、コイルパターン１７ａ、１７ｂの巻き数が３巻きの場合と、５巻きの場合で、発生する磁束密度は、大きく違っていない。

コイルパターン１７ａ、１７ｂの巻き数が多くなれば電流検出装置１のサイズも大きくなるが、電流の周波数が高くなると巻き数を多くしても発生する磁束密度は高くならない。よって、電流検出装置１の設計者は、電流検出装置１に要求されるサイズの制約を考慮して、各コイルパターン１７ａ、１７ｂの巻き数を設定することができる。

以上のように、各コイルパターン１７ａ、１７ｂは、少なくとも２巻き以上の巻き数を有しているので、ホール素子２１へ与える磁界の磁束密度を高めることができる。さらに、電流の周波数に応じて、適切な巻き数の平面コイルとすることができるので、設計者は、装置のサイズが不必要に大きくならないように電流検出装置１を設計することができる。

従って、上述した実施形態によれば、コイルに発生する磁界を増加させることができる電流検出装置を提供することができる。

次に、上述した実施形態の変形例について説明する。
（変形例１）
なお、上述した実施形態では、コイルパターン１７ａ、１７ｂは、ホール素子２１の近くに位置するように、基板１１の裏面である面１１ｂと、基板１２の裏面である面１２ｂに設けられているが、コイルパターン１７ａ、１７ｂは、基板１１の表面である面１１ａと、基板１２の表面である面１２ａに設けてもよい。

あるいは２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの内、一方は、基板１１，１２の一方の裏面に、他方は、基板１１，１２の他方の表面に設けてもよい。
（変形例２）
上述した実施形態では、ホール素子２１を挟む２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂにおいて、コイルパターン１７ａの巻き数と、コイルパターン１７ｂの巻き数は、共に３巻きであるが、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの少なくとも一方が、２巻き以上であればよい。

よって、例えば、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの一方が、１巻きで、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの他方は、２巻き以上でもよい。

あるいは、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの一方が２巻きで、他方は３巻きでもよい。あるいは、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂの一方が３巻きで、他方は４巻きでもよい。

（変形例３）
上述した実施形態では、各コイルパターン１７ａ、１７ｂは、隣り合うコイルパターンの間隔が等しい渦巻き形状を有しているが、２次元平面内に形成された、双曲螺旋形状、対数螺旋形状などのコイル形状であってもよい。

さらに、各コイルパターン１７ａ、１７ｂは、図７あるいは図８に示すような形状を有しているものでもよい。

図７は、各コイルパターンが矩形形状を有する平面コイルの平面図である。図７に示すように、各コイルパターン１７ａ、１７ｂは、曲線ではなく、直線を連結して、全体に矩形形状に形成された、３巻きの平面コイルである。

図８は、各コイルパターンが三角形状を有する平面コイルの平面図である。図８に示す各コイルパターン１７ａ、１７ｂも、曲線ではなく、直線を連結して、全体に三角形状に形成された、３巻きの平面コイルである。

図７及び図８に示すコイルパターンにおいても、各コイルパターン１７ａ、１７ｂに流れる電流により発生する磁束の中心点ＢＣの位置と、基板１１、１２に形成されたコンタクトホール内に配置された導体１９の位置は、各コイルパターン１７ａ、１７ｂを平面視したときに、ずれている。
（変形例４）
上述した実施形態では、２つのコイルパターン１７ａ、１７ｂがホール素子２１を挟むように設けられているが、コイルパターンは、１つでもよい。

すなわち、電流検出装置１は、少なくとも１つのコイルパターンを有していればよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として例示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１電流検出装置、１１基板、１１ａ、１１ｂ面、１１ｃコンタクトホール、１２基板、１２ａ、１２ｂ面、１２ｃコンタクトホール、１３基板、１３ａシールド層、１４スペーサ部材、１５ａ、１５ｂパッド、１６ａ、１６ｂ配線パターン、１７ａ、１７ｂコイルパターン、１８ａ配線パターン、１８ａ１パッド、１８ｂ配線パターン、１８ｂ１パッド、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ導体、２０配線、２１ホール素子、２２駆動回路、２３基板、２３ａコンタクトホール。

Claims

第１の面と前記第１の面と反対側の第２の面とを有する第１の絶縁層と、
前記第２の面に形成されている、少なくとも２巻き以上の巻き数を有する渦巻き形状であり、中心側の端部は、前記第１の絶縁層中の第１のコンタクトホール内に設けられた第１の導体を介して前記第１の面に形成されている第１の配線パターンと電気的に接続されている、平面形状の第１のコイルパターンと、
第３の面と前記第３の面と反対側の第４の面とを有する第２の絶縁層と、
前記第３の面に形成されている、少なくとも２巻き以上の巻き数を有する渦巻き形状であり、中心側の端部は、前記第２の絶縁層中の第２のコンタクトホール内に設けられた第２の導体を介して前記第４の面に形成されている第２の配線パターンと電気的に接続されている、平面形状の第２のコイルパターンと、
前記第１のコイルパターンの外側の端部と、前記第２のコイルパターンの外側の端部と、を接続する配線と、
前記第１のコイルパターンを流れる電流により発生する磁束の磁束密度が最も高い第１の点と、前記第２のコイルパターンを流れる電流により発生する磁束の磁束密度が最も高い第２の点と、を結ぶ軸上の前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に配設されている磁界検出素子と、
前記磁界検出素子を駆動し、出力信号を出力する駆動回路と、
を有する、電流検出装置。
前記第１の面側からみたとき、前記第１のコンタクトホールは前記第１の点からずれた位置に配設されており、
前記第４の面側からみたとき、前記第２のコンタクトホールは前記第２の点からずれた位置に配設されている、請求項１に記載の電流検出装置。
前記第１の絶縁層である第１の基板と、
前記第２の絶縁層である第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置されており、前記磁界検出素子が埋め込まれた第３の基板と、を有する、請求項１に記載の電流検出装置。
前記第１の基板と前記第３の基板との間、および、前記第２の基板と前記第３の基板との間、にそれぞれ配設されている複数のスペーサー部材を有する、請求項３に記載の電流検出装置。
前記磁界検出素子は、ホール素子である、請求項１に記載の電流検出装置。
前記駆動回路の前記出力信号は、前記ホール素子に発生した起電力に応じた電圧値を有
する、請求項５に記載の電流検出装置。