JP7253343B2 - 電流検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流検出装置に関する。

従来、複数の絶縁層（セラミック層）が積層された積層体に電流検出用の抵抗素子が内蔵された抵抗素子内蔵基板からなる電流検出装置が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１では、積層された複数の絶縁層を貫通するビア内に金属ビアを埋め込んで抵抗器の電極と接続させることで、積層基板内に内蔵されている抵抗器の放熱効果を向上させるようにしている。

特許文献２では、特許文献１と同様の構造において、所定方向に配列される複数の第１（第２）のセンス用ビア導体の数を調整することにより、第１（第２）のセンス用ビア導体それぞれのビア径を調整せずとも、複数の第１（第２）のセンス用ビア導体を並列接続することで疑似的に抵抗器の抵抗膜の幅Ｗを大きくして、疑似的に抵抗膜の幅を調整する技術が開示されている。

これにより、電流検出用抵抗が有する抵抗膜に接続される各第１、第２のセンス用ビア導体の径を変更することなく積層体に設けられる電流検出用抵抗の抵抗値の設計を容易に行うことができる。

特開２０１４－２３９１４２号公報 特開２０１５－００２３３３号公報

このように、電流検出装置を小型化していく上で、抵抗器の内蔵化が進んでおり、内層として厚銅パターンの形成が可能になってきていることから、比較的大電流が流れるシャント抵抗器において、基板実装型の代わりに積層基板内への内蔵化も検討されている。
ところが、従来の基板実装型では、シャント抵抗器の適切な使用方法として、電流パターン及び、電圧検出パターンの引き回しが検証されているものの、基板内蔵型の電流検出装置に対しては、適切な電圧検出構造およびそれに関する電流検出精度の向上についてはほとんど提案がなされていなかった。

本発明は、基板内蔵型の抵抗器を用いた電流検出装置における、電流検出精度の向上を目的とする。

本発明の一観点によれば、複数の絶縁層が積層された積層体と、前記積層体の内層に設けられた電流検出素子と、前記電流検出素子と層間絶縁層を介して設けられ、前記電流検出素子に電流を流す電流用配線と、前記電流検出素子と前記電流用配線とを前記層間絶縁層を貫通して接続する複数の電流用ビアと、前記電流検出素子と電気的に接続され、電流検出素子の電圧降下を取得するための電圧検出用ビアと、を有する電流検出装置が提供される。

さらに、前記電圧検出用ビアにより前記電流用配線と接続される電圧用配線が設けられていることが好ましい。
前記複数の電流用ビアは、前記電流検出素子の抵抗体に近接する位置に設けられている近接ビアを含むことが好ましい。
前記電圧検出用ビアは、前記近接ビアに少なくとも一部が重なるように配置されていても良い。

前記近接ビアと前記電圧検出用ビアとは、前記電流用配線を介在させて接続されているようにすると良い。
前記近接ビアの径は、前記電圧検出用ビアの径よりも大きいようにしても良い。

本発明によれば、基板内蔵型の抵抗器を用いた電流検出装置において、電流検出精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す分解斜視図である。 図１の構造の断面図である。 電流用配線が形成されたシートの一構成例を示す斜視図である。 シャント抵抗器とビアとの構成例を示す斜視図である。 図４Ａにおける電流用ビアと電圧検出用ビアとの位置関係の一例を示す図である。 電流検出装置の回路構成例を示す機能ブロック図である。 図４Ａの構造の第１変形例による斜視図である。 図４Ａの構造の第２変形例による斜視図である。 図４Ａの構造の第３変形例による斜視図である。

以下、本発明の一実施の形態による電流検出装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態による電流検出装置の一構成例を示す分解斜視図である。図２は、図１の構造の断面図である。図４Ａは、電流用配線が形成されたシートの一構成例を示す斜視図である。図４は、パッシブデバイス、例えば、シャント抵抗器とビアとの詳細な構成例を示す斜視図である。図４Ｂは、図４Ａにおける電流用ビアと電圧検出用ビアとの位置関係の一例を示す図である。
図１，図２および図３に示すように、本実施の形態による電流検出装置Ａは、複数の絶縁層、例えば、酸化バリウム、シリカ、アルミナなどを主成分とするセラミック材料により形成された複数のセラミックグリーンシート１１…，１７，２１，３１が下から順番に積層され、焼成されることにより形成されるセラミック積層体として構成されている。なお、セラミック材料の他に、樹脂系の基板を多層にした樹脂多層基板により本発明を構成してもよい。

ベース基板Ｂは、例えば、セラミックグリーンシート１１－１，２、３，…，ｎ（ｎは１以上の整数）の積層体から構成されている。この積層体からなるベース基板には、それぞれのセラミックグリーンシート１１－３，…，ｎに、例えば、積層したときに同じ領域に開口部１５－３，…，ｎが形成されている。
このように、開口部は、必ずしも全てのセラミックグリーンシート１１－１，２，３，…，ｎに形成しなくても良い。例えば、下層のセラミックグリーンシート１１－１，２には開口部を設けない例を図１に示した。この場合には、シャント抵抗器１は、開口部１５が形成されていない第１のベース基板Ｂ１上であって、開口部１５が形成されている第２のベース基板Ｂ２内の当該開口部１５に配置されている。

この開口部１５－３，…，ｎ内であってセラミックグリーンシート１１－１，２上に、シャント抵抗器１が埋め込まれる。シャント抵抗器１は、例えば、抵抗体３と、その両端に接続される第１の電極５ａ、第２の電極５ｂを有している。
第１の電極５ａ、第２の電極５ｂは、Ｃｕなどの導電性の金属材からなる。抵抗体３用の材料としては、Ｃｕ－Ｎｉ系、Ｃｕ－Ｍｎ系、Ｎｉ－Ｃｒ系などの金属材料を用いることができる。シャント抵抗器１は、Ｃｕ－Ｎｉ系などの単体の金属でもよく、また抵抗金属材からなる被膜構造のものでもよい。これらを電流検出素子と総称する。

さらに、セラミックグリーンシート１１－１～ｎの上には、セラミックグリーンシート１７，２１，３１などが配置されて積層体を構成している。このようにして、シャント抵抗器１は、積層体の内層に設けられる。
上記の構造を形成した後に、プレス処理、低温焼成処理を行うことで、セラミックグリーンシートが一体化する。セラミックグリーンシートにガラスを混ぜておくことで、８００℃程度の比較的低温で焼成を行うことができる。従って、シャント抵抗器１や後述するＡｇなどを含む金属配線などを形成した後に一体化のための焼成処理を行うことが可能になる。

セラミックグリーンシート１７には、シャント抵抗器１の第１の電極５ａ、第２の電極５ｂを含む領域の上に、それぞれ第１の電流用配線４１ａと第２の電流用配線４１ｂが形成されている。第１の電流用配線４１ａと第２の電流用配線４１ｂは、例えばスクリーン印刷などにより形成される。
セラミックグリーンシート１７には、第１の電極５ａと第１の電流用配線４１ａとが積層方向に重なっている領域に、複数の貫通孔（コンタクトホール：ＣＨ）内にそれぞれ埋められている導電性のビア（金属ビア，導電ビアなどとも称する。）１８ａ－１，２，３，…，１８ａ－９（１８ａと総称する）が形成されている。

さらに、セラミックグリーンシート１７には、第２の電極５ｂと第２の電流用配線４１ｂとが積層方向に重なっている領域に、それぞれがセラミックグリーンシート１７の面内方向に離間した領域に設けられた比較的狭い面積の複数の貫通孔内にそれぞれ埋められている導電性のビア１８ｂ－１，２，３，…１８ｂ－９（１８ｂと総称する）が形成されている。また、電流用ビアを総称して符号１８で示す。
例えば、針状の部材を配列した孔形成用の治具を用いてセラミックグリーンシート１７を穿孔することにより、貫通孔を形成し、導電性金属を充填することで、導電性のビアを形成することができる。
以上のように、セラミックグリーンシート１７、２１は、配線とシャント抵抗器との間の層間絶縁層としても機能する。

セラミックグリーンシート２１は、セラミックグリーンシートの積層シート２１－１，２１－２，…２１－ｍから構成されている。積層シート２１－１，２１－２，…２１－ｍのそれぞれには、電流ビア１８ａ－２、１８ｂ－２のそれぞれに、垂直方向に対応する位置に設けられたビア導体２３－１ａ～２３－ｍａ、ビア導体２３－１ｂ～２３－ｍｂが設けられている。このビア導体２３－１ａ～２３－ｍａ、ビア導体２３－１ｂ～２３－ｍｂは、セラミックグリーンシート３１に設けられた電圧用配線３３ａ，３３ｂに電気的に接続される。

ビア１８ａ、１８ｂの数は任意であるが、例えば、３×３、或いは、７×３などのように整列されて配置されていても良い。以下、このビア１８ａ、１８ｂを、「電流用ビア」と称する。また、複数の電流用ビアの面内での配置例としては、例えば、シャント抵抗器１の長手方向（電極－抵抗－電極の配置方向）に対して、平行な方向とこれと直交する方向にそれぞれの電流用ビア間に所定の距離をおいて整列配置することができる。図１以下の例では、３×３の配列を基本例として説明する。

図２でも示すとおり、複数の電流用ビア１８により、第１の電極５ａと第１の電流用配線４１ａ、第２の電極５ｂと第２の電流用配線４１ｂとをそれぞれ電気的に接続されている。従って、第１の電流用配線４１ａと第２の電流用配線４１ｂ間に流れる電流をシャント抵抗器１により検出することができる。ビア導体２３－１ａ～２３－ｍａ、ビア導体２３－１ｂ～２３－ｍｂはそれぞれ電圧検出用ビア１９を構成している。一方の電圧検出用ビア１９は、第１の電流用配線４１ａを介して、電流ビア１８ａ－２と略直線状となるように積層形成されている。他方の電圧検出用ビア１９は、第２の電流用配線４１ｂを介して電流ビア１８ｂ－２と略直線状となるように積層形成されている。

このように、セラミックグリーンシート１７内に形成されている多数の電流用ビア１８によりシャント抵抗器１の電極と電流用配線４１ａ、４１ｂとを絶縁性のセラミックグリーンシート１７を介して電気的に接続することで、シャント抵抗器１に大電流を安定して流すことができる。

従って、電流検出装置Ａの動作を安定させることができ、電流検出装置Ａの動作に関する信頼性を向上させることができる。また、電流検出装置Ａにおける電流検出精度を向上させることができる。

図４Ａは、シャント抵抗器１と電流用ビア１８との詳細な一構成例を示す斜視図である。併せて、第１の電極５ａと第２の電極５ｂとの間の電圧降下を取得するための電圧検出用ビアを示している。図４Ｂは、図４Ａにおける電流用ビアと電圧検出用ビアとの位置関係の一例を示す図である。

図４Ａにおける左半分の領域には、電流用配線４１ａを点線で示してビア構造を明示しており、右半分の領域には電流用配線４１ｂを実線で示して電圧用配線３３ｂを点線で示している。図６～図８においても同様である。電流用配線４１の下方に位置するビア１８は、電流用ビアである。電流用配線４１ａ，４１ｂを介在して、電流用ビア１８と電圧検出用ビア１９とが、セラミックグリーンシート１７の積層方向に積み重ねられた構造を有している。

シャント抵抗器１の抵抗体３に最も近い電流用ビアである例えば近接ビア１８ａ－１から３，近接ビア１８ｂ－１から３までのうちの１つである近接ビア１８ａ－２、１８ｂ－２の上方に、それぞれ電圧検出用ビア１９が積み重ねられている。
そして、電圧検出用ビア１９上には、電圧用配線３３ａ，３３ｂが形成されている。このように構成することで、第１の電極５ａ，第２の電極５ｂのそれぞれのうち、抵抗体３に最も近い位置に電圧検出用ビア１９を配置することができる。従って、電圧検出用ビア１９と抵抗体３との距離を短くすることができ、シャント抵抗器１のＣｕ等で形成された電極５ａ，５ｂによるＴＣＲの影響を抑制することができる。図４Ｂは、電圧検出用ビア１９と、その下方に位置する電流用ビア１８との位置関係を示している。図４Ｂ（ａ）は、電圧検出用ビア１９と、電流用ビア１８がＸ方向にずれた例である。ただし、電圧検出用ビア１９と電流用ビア１８は重なり部分を有しているため、電流検出精度は維持できる。一方、図４Ｂ（ｂ）は、電圧検出用ビア１９と電流用ビア１８がＹ方向にずれた例であり、重なり部分を有していない。図示は省略しているが、電圧検出用ビア１９と電流用ビア１８は、配線４１により導通している。電流検出用ビア１９は、電極５における可能な限り抵抗体３に近接した部分に接続することが望ましい。しかし、図４Ｂ（ｂ）の例は、電流用ビア１８とずれた分だけ、電流経路を構成するＣｕの配線４１を経由することになり、実質的に電圧検出用ビアが抵抗体３から離れた位置に接続される構造となる。よって、配線４１等のＴＣＲの影響を受けることとなり、高精度の電流検出においては好ましくない。

図５は、電流検出装置の回路構成例を示す機能ブロック図であり、シャント抵抗器１を実装した状態の一例を示す図である。セラミックグリーンシート１７に形成された配線４１ａ，４１ｂ間に、シャント抵抗器１が配置されている。シャント抵抗器１の電極５ａ，５ｂには、電圧測定のための電圧用配線１９，１９がそれぞれ接続されている。電圧用配線１９，１９の他端は、ＩＣに接続されている。なお、ＩＣは図１、図２等では省略しているが、積層体で構成した電流検出装置Ａに搭載したり、内蔵したり、あるいは電流検出装置Ａとは別体とされ、配線接続される。全体として電流検出用モジュールＸを構成する。ＩＣは、Ａ／Ｄ変換回路６３、増幅回路６５、マイコン６７等が組み込まれ、電圧信号に応じた信号を各種機器に出力する。この構造により、配線４１ａ，４１ｂの電流をシャント抵抗器１により計測することができる電流検出用モジュールＸを構成することができる。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、基板内蔵型のシャント抵抗器を用いた電流検出装置において、電流検出精度を向上させることが可能である。また、電流検出装置の信頼性を高めることができる。さらに、ＴＣＲの影響を抑制することができる。
以下に、本実施の形態の電流検出装置の変形例について説明する。

（第１変形例）
図６は、本実施の形態の第１変形例による電流検出装置におけるシャント抵抗器とビアの構造を説明する斜視図であり、図４Ａに対応する図である。図６に示すように、第１変形例によれば、電流用ビア１８ａ－２の径Ｒ１（図では１８－７のところに符号を付している。）よりも、電圧検出用ビア１９の径Ｒ２を小さくしている。電流用ビア１８ｂ－２も同様である。

このようにすることで、電圧検出用ビア１９を電流用ビア１８の面内に収めやすく、電圧検出用ビア１９と電流用ビア１８との相対位置がセラミックグリーンシート（１７）の面内方向に多少ずれて積層されてしまった場合でも、位置ずれに起因する電流検出精度への影響を抑制することができる。

（第２変形例）
図７は、本実施の形態の第２変形例による電流検出装置におけるシャント抵抗器とビアの構造を説明する斜視図であり、図４Ａに対応する図である。
図７に示すように、第２変形例によれば、電圧検出用ビア１９を、電流用配線４１ａ，４１ｂを介在させずに、シャント抵抗器１の電極５ａ，５ｂに直接接続するようにしている。すなわち、電流用ビア１８は、抵抗体３に近い領域ＡＲ１、ＡＲ２には設けられていない。電流用ビア１８は複数設けられている。

このようにすれば、電流用ビア１８と電圧検出用ビア１９との位置合わせ工程が不要になるという利点がある。
ただし、電流用配線４１ａ，４１ｂの接続有効面積は、電圧検出用ビア１９の専用領域を確保する必要があるため、本実施の形態の他の例と比べて小さくなる。

（第３変形例）
図８は、本実施の形態の第３変形例による電流検出装置におけるシャント抵抗器とビアの構造を説明する斜視図であり、図４Ａに対応する図である。
図８に示すように、第３変形例によれば、電流用ビア１８は複数形成されており、電流用配線４１ａ，４１ｂの接続有効面積は確保されている。電圧検出用ビア１９を、電流用ビア１８ａ－２と１８ａ－３との間であって抵抗体３と電極５ａ，５ｂとの接続面が延在する方向に関して距離Ｌ３だけずらして配線している。電極５ｂ側も同様である。

このようにすれば、電流用ビア１８は複数形成されているため、安定した電流経路を確保できる。また、電圧検出用ビア１９が、電流用ビア１８ａ－２とも、電流用ビア１８ａ－３とも重なっていないため、電流用ビア１８と電圧検出用ビア１９とを位置合わせしなくて良いという利点があるものの、本実施の形態の他の例と比べ電流の検出精度は劣る。

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。 また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、電流検出装置に利用可能である。

Ａ 電流検出装置
Ｂ ベース基板
Ｘ 電流検出用モジュール
１ シャント抵抗器
３ 抵抗体
５ａ 第１の電極
５ｂ 第２の電極
１１－ｎ，…，１ ベース基板用セラミックグリーンシート（絶縁層）
１５－３，…，ｎ 開口部
１７，２１ セラミックグリーンシート（層間絶縁層）
１８ａ－１，２，３，…９ 電流用ビア
１８ｂ－１，２，３，…９ 電流用ビア
１８ａ－１，２，３ 近接ビア
１８ｂ－１，２，３ 近接ビア
１９ 電圧検出用ビア
３１ セラミックグリーンシート（電圧用配線を形成する上層絶縁層）
３３ａ 第１の電圧用配線
３３ｂ 第２の電圧用配線
４１ａ 第１の電流用配線
４１ｂ 第２の電流用配線

Claims (6)

1. 複数の絶縁層が積層された積層体と、
   前記積層体の内層に設けられ、絶縁層に形成された開口部内に配置された電流検出素子であって、前記電流検出素子は、抵抗体およびその両端に接続された電極を備えた、電流検出素子と、
   前記電流検出素子と層間絶縁層を介して設けられ、前記電流検出素子に電流を流す電流用配線と、
   前記電極と前記電流用配線とを前記層間絶縁層を貫通して接続する複数の電流用ビアであって、前記複数の電流用ビアは、前記抵抗体に近い位置で前記電極に接続されたビアと、このビアよりも抵抗体から離れた位置で前記電極に接続されたビアとを含む、複数の電流用ビアと、
   前記電流検出素子と電気的に接続され、電流検出素子の電圧降下を取得するための電圧検出用ビアと、を有する
   電流検出装置。
2. さらに、前記電圧検出用ビアにより前記電流用配線と接続される電圧用配線が設けられている請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記複数の電流用ビアは、前記電流検出素子の抵抗体に近接する位置に設けられている近接ビアを含む請求項１又は２に記載の電流検出装置。
4. 前記電圧検出用ビアは、前記近接ビアに少なくとも一部が重なるように配置されている請求項３に記載の電流検出装置。
5. 前記近接ビアと前記電圧検出用ビアとは、前記電流用配線を介在させて接続されている請求項３または４に記載の電流検出装置。
6. 前記近接ビアの径は、前記電圧検出用ビアの径よりも大きい請求項３から５までのいずれか１項に記載の電流検出装置。

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