JP2011145273A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、多層プリント配線基板において、磁電変換素子と一次導体パターンを備えた電流センサに関するものである。 The present invention relates to a current sensor provided with a magnetoelectric conversion element and a primary conductor pattern in a multilayer printed wiring board.
従来、非接触で被測定電流を計測する手法としては、一般的に、磁気コアを用いたものがある。磁気コアを利用した電流センサは、磁気コアを被測定電流の流れる導体を取り囲む様に設置し、磁気コアに設けたギャップ部とともに磁気回路を形成する。ギャップ部に設置した磁電変換素子を通じて、被測定電流により磁気回路に生じた磁束の大きさを測定することで、非接触で被測定電流の大きさを測定する。 Conventionally, as a method for measuring a current to be measured in a non-contact manner, there is generally a method using a magnetic core. In a current sensor using a magnetic core, the magnetic core is installed so as to surround a conductor through which a current to be measured flows, and a magnetic circuit is formed together with a gap portion provided in the magnetic core. The magnitude of the current to be measured is measured in a non-contact manner by measuring the magnitude of the magnetic flux generated in the magnetic circuit by the current to be measured through the magnetoelectric conversion element installed in the gap portion.
近年、小型化や軽量化、あるいは高精度化等を目的とし、特に大電流計測において磁気コアを用いないコアレスタイプの電流センサが提案されている。コアレスタイプの電流センサとしては、金属製のU字型一次導体上に絶縁層、ならびにシールド層を介してホール素子を設置したものがある(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, a coreless type current sensor that does not use a magnetic core has been proposed for the purpose of miniaturization, weight reduction, high accuracy, and the like, particularly in large current measurement. As a coreless type current sensor, there is one in which a Hall element is installed on a metal U-shaped primary conductor via an insulating layer and a shield layer (see, for example, Patent Document 1).
また、別のコアレスタイプの電流センサとしては、基台を介して磁気抵抗素子と一次導体が設置され、基台側は導電体層、反基台側は金属ケースにより磁気抵抗素子を取り囲むようにシールド効果をもたせた構成のものがある(例えば、特許文献2参照)。 As another coreless type current sensor, a magnetoresistive element and a primary conductor are installed via a base, and the base side surrounds the magnetoresistive element by a conductor layer and the non-base side is surrounded by a metal case. There is a configuration having a shielding effect (see, for example, Patent Document 2).
さらにまた、別のコアレスタイプの電流センサとしては、クランク状に折り曲げられたU字型の一次導体のU字部近傍に、磁電変換素子を設置し、さらにU字型の一次導体と磁電変換素子の双方を挟み込むように強磁性材を略平行に配置したものがある(例えば、特許文献3参照)。 Furthermore, as another coreless type current sensor, a magnetoelectric conversion element is installed in the vicinity of the U-shaped portion of the U-shaped primary conductor bent in a crank shape, and further, the U-shaped primary conductor and the magnetoelectric conversion element There is one in which ferromagnetic materials are arranged substantially in parallel so as to sandwich both of them (see, for example, Patent Document 3).
前記特許文献1に開示されているコアレスタイプの電流センサは、ホール素子と一次導体間にシールド層を設置しており、主に一次導体から生じる電界ノイズを除去あるいは低減できる構成となっている。しかしながら、厳密にはホール素子に対して一次導体側からのみ電界ノイズが印加されるわけではなく、ホール素子周囲の一次導体側を除く他方向からの電界ノイズを除去あるいは低減できる構成ではないため、他方向からの電界ノイズによる検出誤差が発生し、高精度化に向かないという問題点があった。 The coreless type current sensor disclosed in
また前記特許文献2に開示されているコアレスタイプの電流センサにおいては、基台に設置された磁気抵抗素子は、基台側は導電体層、反基台側は金属ケースにより磁気抵抗素子を取り囲むようにシールド層が構成されており、一次導体からのみならず、あらゆる方向からの電界ノイズを除去あるいは低減できる構成となっている。しかしながら、凹凸のある基台上に別工程で導電体層を塗布しなければならず、低コスト化に向かないという問題点があった。また、別部材となる金属ケースが必要であり、低コスト化に向かないという問題点があった。さらに、金属ケースや基台を用いることで、電流センサが大型化し、設置場所が制限されるというという問題点があった。 In the coreless type current sensor disclosed in
また前記特許文献3に開示されているコアレスタイプの電流センサにおいては、U字型の一次導体と磁電変換素子を挟み込むように強磁性材を略平行に配置しており、効率よく磁電変換素子に磁束を集める構成となっている。しかしながら、磁電変換素子ならびに強磁性材を設置する手段や、絶縁を確保するためのスペース、およびシールド層についても特に開示されておらず、小型、低コスト化、高精度化には課題が少なくないという問題点があった。 Further, in the coreless type current sensor disclosed in
この発明は上記のような課題を鑑み、解決するためになされたもので、磁電変換素子と一次導体の絶縁耐圧が容易に確保され、かつ一次導体からの電界ノイズが除去あるいは低減され、測定レンジが容易に可変でき、小容量の被測定電流であっても精度良く検出でき、かつ小型で、低コストな電流センサを得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The dielectric breakdown voltage between the magnetoelectric conversion element and the primary conductor is easily secured, and electric field noise from the primary conductor is removed or reduced, so that the measurement range can be reduced. Therefore, an object of the present invention is to obtain a current sensor that can be easily varied, can accurately detect even a small current to be measured, and is small in size and low in cost.
この発明に係わる電流センサは、電子部品や半導体素子等を内蔵する、導体層と絶縁層とが交互に積層された多層プリント配線基板において、半導体素子は少なくとも一つの磁電変換素子であり、多層プリント配線基板の少なくとも一つの導体層に設けた一次導体パターンの近傍の異なる層に、磁電変換素子を配置したものである。 A current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board in which electronic layers, semiconductor elements, and the like are built in which conductor layers and insulating layers are alternately laminated. The semiconductor element is at least one magnetoelectric conversion element. Magnetoelectric transducers are arranged in different layers in the vicinity of the primary conductor pattern provided on at least one conductor layer of the wiring board.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置したものである。 In addition, the current sensor according to the present invention is provided in a multilayer printed wiring board with a conductive layer disposed on at least one upper layer of the electronic component built-in surface having a magnetoelectric conversion element and at least one lower layer of the electronic component built-in surface having the magnetoelectric conversion element. And a shield layer having a ground potential is installed.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面と一次導体パターン配置面との間に位置する少なくとも一つの多層プリント配線基板の内層面に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置したものである。 In addition, the current sensor according to the present invention has a conductive layer formed on the inner layer surface of at least one multilayer printed wiring board located between the electronic component built-in surface having the magnetoelectric conversion element and the primary conductor pattern arrangement surface in the multilayer printed wiring board. And a shield layer having a ground potential is installed.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、一次導体パターンは、前記磁電変換素子の近傍において前記一次導体パターン幅を縮小したものである。 In the current sensor according to the present invention, in the multilayer printed wiring board, the primary conductor pattern is obtained by reducing the width of the primary conductor pattern in the vicinity of the magnetoelectric transducer.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、一次導体パターンは、磁電変換素子の近傍を周回するように配置したものである。 The current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board in which the primary conductor pattern is arranged so as to circulate in the vicinity of the magnetoelectric transducer.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、複数の一次導体パターンを設置し、一次導体パターンは磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置したものである。 The current sensor according to the present invention has a plurality of primary conductor patterns on a multilayer printed wiring board, and the primary conductor pattern has at least one upper layer of an electronic component built-in surface having a magnetoelectric conversion element and a magnetoelectric conversion element. It is arranged in at least one lower layer of the electronic component built-in surface.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、複数の一次導体パターンを、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置し、複数の一次導体パターンをシリアルに接続したものである。 The current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board, wherein a plurality of primary conductor patterns are formed on at least one upper layer of an electronic component built-in surface having a magnetoelectric conversion element and at least an electronic component built-in surface having a magnetoelectric conversion element. It is arranged in one lower layer and a plurality of primary conductor patterns are serially connected.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、複数の一次導体パターンを、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置し、複数の一次導体パターンをパラレルに接続したものである。 The current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board, wherein a plurality of primary conductor patterns are formed on at least one upper layer of an electronic component built-in surface having a magnetoelectric conversion element and at least an electronic component built-in surface having a magnetoelectric conversion element. It is arranged in one lower layer and a plurality of primary conductor patterns are connected in parallel.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、一次導体パターンを有する内層面に対して、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面と対抗する少なくとも一つの内層面もしくは外層面、もしくはその両方に強磁性材層を設置したものである。 In addition, the current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board, wherein the inner layer surface having the primary conductor pattern is at least one inner layer surface or outer layer surface facing the electronic component built-in surface having the magnetoelectric transducer, or the Both are provided with a ferromagnetic material layer.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、少なくとも一つの前記磁電変換素子を含む多層プリント配線基板に設置された電子部品と外部端子とを接続するためのコネクタを設置したものである。 The current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board in which a connector for connecting an electronic component and an external terminal installed on the multilayer printed wiring board including at least one magnetoelectric conversion element is installed. is there.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、少なくとも一つの磁電変換素子をホールICとしたものである。 The current sensor according to the present invention is a multilayer printed wiring board in which at least one magnetoelectric conversion element is a Hall IC.
また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、内蔵される電子部品は二つのホールICであり、二つのホールICの差動出力手段を備えるとともに、一次導体パターンは二つのホールICをS字状に周回したものである。 In the current sensor according to the present invention, in the multilayer printed circuit board, the built-in electronic component is two Hall ICs, and includes differential output means of two Hall ICs, and the primary conductor pattern is two Hall ICs. Is circulated in an S shape.
以上のように、この発明によれば、多層プリント配線基板の少なくとも1つの内層の導体層パターンを使用して一次導体パターンを形成し、磁電変換素子も前記一次導体パターン形成面と異なる内層面に内蔵したことで、一次導体パターンと磁電変換素子間の絶縁耐圧が向上するとともに、一次導体パターンと磁電変換素子が露出した場合に比べて多層プリント配線基板が縮小でき、かつ低コスト化が図れ、一次導体パターンと磁電変換素子が接近可能となるため小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。 As described above, according to the present invention, the primary conductor pattern is formed using the conductor layer pattern of at least one inner layer of the multilayer printed wiring board, and the magnetoelectric conversion element is also formed on the inner layer surface different from the primary conductor pattern forming surface. By incorporating it, the withstand voltage between the primary conductor pattern and the magnetoelectric conversion element is improved, and the multilayer printed wiring board can be reduced and the cost can be reduced as compared with the case where the primary conductor pattern and the magnetoelectric conversion element are exposed. Since the primary conductor pattern and the magnetoelectric transducer can be approached, there is an effect that a small-capacity current to be measured can be accurately detected.
また、磁電変換素子と一次導体パターン形成面の間に位置する様に多層プリント配線基板内層にシールド層を設置することで、主に一次導体パターンに起因した一次導体パターンから磁電変換素子方向への電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。また、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および少なくとも一つの下層に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置することで、一次導体パターンの位置にかかわらず、外部から磁電変換素子に印加される電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。 In addition, by installing a shield layer on the inner layer of the multilayer printed wiring board so as to be positioned between the magnetoelectric conversion element and the primary conductor pattern forming surface, the primary conductor pattern caused mainly by the primary conductor pattern is moved in the direction of the magnetoelectric conversion element. There is an effect of removing or reducing electric field noise. In addition, a shield layer having conductivity and ground potential is provided on at least one upper layer and at least one lower layer of the electronic component built-in surface having the magnetoelectric conversion element, so that the primary conductor pattern is positioned. Regardless, there is an effect of removing or reducing electric field noise applied to the magnetoelectric transducer from the outside.
また、シールド層を多層プリント配線基板の内層に設置することで、シールド層設置の工程を簡略化でき、低コスト化の効果がある。 Also, by installing the shield layer on the inner layer of the multilayer printed wiring board, the process of installing the shield layer can be simplified, and the cost can be reduced.
また多層プリント配線基板に一次導体パターンを作製するため、一次導体パターンの幅、設置位置の可変が、金属導体の利用に比べて容易であり、磁電変換素子は同一なまま、電流検知範囲を可変できる効果がある。また、複数の一次導体パターンを同一の多層プリント配線基板に設け、被測定電流容量によってシリアルまたはパラレル等、接続ポイントを可変することで、多層プリント配線基板及び磁電変換素子は同一なまま、電流検知範囲を可変できる効果がある。 In addition, since the primary conductor pattern is produced on the multilayer printed wiring board, the width of the primary conductor pattern and the installation position can be easily changed compared to the use of a metal conductor, and the current detection range can be changed while the magnetoelectric transducer remains the same. There is an effect that can be done. In addition, by providing multiple primary conductor patterns on the same multilayer printed wiring board and changing the connection point, such as serial or parallel, depending on the current capacity to be measured, the multilayer printed wiring board and the magnetoelectric transducer remain the same, and current detection is performed. There is an effect that the range can be varied.
さらにまた、多層プリント配線基板に強磁性材を設置することで、磁性材の設置が簡略化されるとともに、磁電変換素子に対して容易に集磁できる効果があり、小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。 Furthermore, by installing a ferromagnetic material on the multilayer printed circuit board, the installation of the magnetic material is simplified, and there is an effect that the magnetic current can be easily collected on the magnetoelectric transducer, and a small-capacity measured current can be obtained. There is an effect that can be detected with high accuracy.
さらにまた、磁電変換素子にプログラム可能なホールICを用いた場合、電気的な調整のみで感度や温度特性等を調整できるため、電流センサとしての調整が簡略化でき、低コスト化の効果がある。 Furthermore, when a programmable Hall IC is used for the magnetoelectric conversion element, sensitivity and temperature characteristics can be adjusted only by electrical adjustment, so that adjustment as a current sensor can be simplified, and the cost can be reduced. .
さらにまた、磁電変換素子に二つのホールICを用い、一次導体パターンを二つのホールICをS字状に周回するように配置することで、二つのホールICそれぞれに逆方向の磁束を印加できるため、両者の差動出力をとることで一様な外部磁界を除去でき、高精度化できる効果がある。 Furthermore, by using two Hall ICs for the magnetoelectric conversion element and arranging the primary conductor pattern so that the two Hall ICs circulate in an S shape, a magnetic flux in the opposite direction can be applied to each of the two Hall ICs. By taking the differential output of both, it is possible to remove the uniform external magnetic field and to improve the accuracy.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による電流センサの斜視図を示すもので、図2は図1の平面図、図3は図1および図2におけるAA’断面(XZ面)を示す断面図である。図において、電流センサ1は、一次導体パターン3、ホールIC4、シールド層5を内蔵した多層プリント配線基板2により構成される。
本実施の形態1では、導体層と絶縁層が交互に積層された多層プリント配線基板2は5層の内層8を有しており、一次導体パターン3は内層8eに設けた導体層を利用して設置した構造をとる。また多層プリント配線基板2には、1つの磁電変換素子としてホールIC4を内蔵する。電流センサの入出力端子としてコネクタ7が多層プリント配線基板2の上面に設置される。多層プリント配線基板2の内層8a、8dには、シールド層5が設置される。
1 is a perspective view of a current sensor according to
In the first embodiment, the multilayer printed
まず、多層プリント配線基板2の構成について説明する。
図3は多層プリント配線基板2の図1および図2におけるAA’断面(XZ面)を示す断面図である。近年、電子機器の多機能化、小型化、薄型化への要求が高まる中、部品内蔵配線技術の開発、ならびに実用化が進展している。本実施の形態においてもその技術の一部を使用する。部品内蔵配線基板は、コンデンサ、抵抗、インダクタといった受動部品の造り込み、埋め込み技術から、さらにベアチップ、パッケージといった形態の能動部品の埋め込み技術へと進み、本実施の形態では能動部品であるホールIC4の基板内蔵を実施している。ホールICとは、ホール素子と処理回路とを一体化したベアチップあるいはパッケージ化したICのことであり、プログラム可能なホールICを用いることで、電気的な調整のみで感度や温度特性等の調整が可能であり、電流センサとしての調整が簡略化できるため、低コスト化の効果を有する。内層8b、8cに挟まれた絶縁層10に、ホールIC4を埋め込むためのキャビティ11を設け、ホールIC4を設置する。本実施の形態では、絶縁層10が電子部品内蔵面となる。ホールIC4の形態は、ベアチップでも、パッケージ品でも構わないが、薄型化とするためには、パッケージ品よりベアチップであることが望ましい。また、ホールIC4を埋め込む部位は、本実施の形態では絶縁層としたが、絶縁層に限るものではなく、絶縁層の代わりに銅コアとしてもよい。銅コアとすることで、放熱特性の向上や電界シールド効果の向上を見込むことができる。ホールIC4と多層プリント配線基板2の接続は、特に図には示していないが、ホールIC4上に形成した金属によるバンプで行う。バンプの材料は、例えば金、はんだである。バンプの形成方法は材料によっても異なるが、印刷法、めっき法、ボール搭載法、スタッドバンプ等がある。電気的に多層プリント配線基板2に接続する側は、絶縁層上にホールIC4を設置した場合は上、もしくは下の何れの導体層でも構わないが、銅コア上に設置した場合は、銅コア上に導体層を設けることは絶縁の観点から望ましくないため、上の導体層と接続することが望ましい。ホールIC4と多層プリント配線基板2の接続は、ワイヤボンディングでも可能であるが、小型化にはバンプを用いることが有利である。ホールIC4の入出力については特に図示していないが、貫通ビアを通じて多層プリント配線基板2の上面から取り出すものとする。本実施の形態では、図1に示したようにコネクタ7を介して外部の機器等と接続する構成としたが、これに限るものではなく、端子を設け、半田等により外部と接続してもよい。First, the configuration of the multilayer printed
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the AA ′ cross section (XZ plane) in FIGS. 1 and 2 of the multilayer printed
多層プリント配線基板2の第1の内層8a上および第4の内層8d上には、導電性を有するシールド層5aおよびシールド層5bをそれぞれ設置する。シールド層5bは、電流センサとしての性能を低下させるノイズとして、主に一次導体3に起因してホールIC4へ印加される電界ノイズを、除去あるいは低減するためのもので、少なくとも一層をホールIC4と一次導体3の間に設置するのが望ましい。またシールド層5aは、外部からホールIC4へ印加される電界ノイズを、除去あるいは低減するためのものである。シールド層5の材料は、導電性を有すればよく、例えば銅、アルミニウム等が考えられ、多層プリント配線基板2に設けた電気的なグランドと接続される。本実施の形態では、内蔵部品としてホールIC4のみを設置した構成であるが、他に回路部品を設置する場合、可能な限りホールIC4と同様に2層のシールド層5aおよび5b間に配置するのが望ましい。 On the first
図3に示すように、被測定電流を印加する一次導体パターン3は多層プリント配線基板2の第5の内層8eの導体層パターンを利用して設けられ、多層プリント配線基板2と一体となっており、図1に破線で示したように、一次導体パターン3の形状はZ方向から見てホールIC4の近傍を通過する同一幅の直線状となっている。一次導体パターン3の幅、厚みは、印加する被測定電流値に応じて決定され、ホールIC4の設置位置に対する一次導体パターン3の配置は、ホールIC4に付与したい磁束密度、つまりは被測定電流の大きさに応じて決定する。ホールIC4に付与したい磁束密度は、多層プリント配線基板2の内層厚みを可変することによっても調整可能であるが、本実施の形態では後述の別の例でも示すように、可能な限り、一次導体パターン3の配置や形状のみを可変することで、ホールIC4に付与したい磁束密度を調整する構成としている。ホールIC4の設置位置や多層プリント配線基板2の内層厚みは、被測定電流の大きさが変わっても可変せず、固定化する、つまり可変するパラメータを減らすことで、製造工程を単純化でき、低コスト化となる。なお被測定電流の入出力には、貫通ビア、もしくはスルーホール等により一次導体パターン3と接続された一次導体パターン入出力端部6を利用する。特に端子等を設けてはいないが、本形態に限るものではなく導電性の端子やコネクタにて接続してもよい。 As shown in FIG. 3, the
次に、電流センサ1の動作について、図3により説明する。
一次導体パターン3に被測定電流を印加すると、図3に破線で示した楕円状の磁束線12が、印加される被測定電流の大きさに応じて発生する。ここでは簡単のために一本の磁束線のみを示したが、一次導体パターン3の近傍には、一次導体パターン3に近いほど大きな磁束密度を有した、磁束線12と略相似形の磁束線が発生している。本実施の形態では、Z方向の磁束をホールIC4の内部に設けられたホール素子の面外で計測する、すなわち面外方向に感磁方向を有した磁電変換素子を利用する。ホールIC4を図3に示す位置に設置した場合、ホールIC4には図4に示す磁束ベクトル13が印加され、ホールIC4の感磁方向(Z軸方向)には、分解ベクトル13zが加わることになる。一次導体パターン3の断面形状や引き回しを可変せずに、ホールIC4に大きな磁束密度を印加するには、一次導体パターン3をホールIC4に接近させればよく、小さな磁束密度を印加するには、一次導体パターン3をホールIC4から遠ざければよい。Next, the operation of the
When a current to be measured is applied to the
図5はこの発明の実施の形態1における、別の一次導体パターン3を有した電流センサ平面図、図6はこの発明の実施の形態1における、別の一次導体パターン3を有した電流センサの図5のAA’断面(XZ面)を示す断面図である。図5、図6は、先に示した図2、図3と比較して、一次導体パターン3のみを変更した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図2の平面図からわかるように、先の例では一次導体パターン3の幅は可変せず一定のまま、多層プリント配線基板2の第5の内層8eの導体層パターンを利用して設けられたが、図5、図6に示すように別の例では、ホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の幅、つまりは断面積を縮小した構成である。一次導体パターン3の幅寸法を縮小することで、電流密度が増加、ひいては発生する磁束密度が増加し、ホールIC4に印加される磁束密度が増加することになる。このように、同じ被測定電流であっても、ホールIC4に印加する磁束密度を容易に可変できる。また、ホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の幅寸法を縮小することで、電流密度の増加による発熱を抑制することにもなる。FIG. 5 is a plan view of a current sensor having another
As can be seen from the plan view of FIG. 2, in the previous example, the width of the
図7はこの発明の実施の形態1における、さらに別の一次導体パターン3を有した電流センサ平面図、図8はこの発明の実施の形態1における、さらに別の一次導体パターン3を有した電流センサの図7のAA’断面(XZ面)断面図、図9はこの発明の実施の形態1における、さらに別の一次導体パターン3を有した電流センサの図7のBB’断面(YZ面)の断面図である。図7、図8、図9は、先に示した図2、図3と比較して、一次導体パターン3のみを変更した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図2の平面図からわかるように、先の例では一次導体パターン3の幅は可変せず一定のまま、多層プリント配線基板2の第5の内層8eの導体層パターンを利用して設けられたが、図7、図8、図9に示すように別の例では、ホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の幅、つまりは断面積を縮小し、かつホールIC4を周回する構成である。一次導体パターン3の幅、つまりは断面積を縮小することで、電流密度が増加、ひいては発生する磁束密度が増加し、ホールIC4に印加される磁束密度が増加することになる。また、図8、図9の断面図から明らかなように、一次導体パターン3がホールIC4の近傍を周回することで、この例では3方向から感磁方向の磁束密度が増加するように、ホールIC4に磁束密度が印加される。このように、一次導体パターン3の変更のみで、同じ被測定電流であっても、ホールIC4に印加する磁束密度を容易に可変できる。また、ホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の断面積を縮小することで、電流密度の増加による発熱を抑制することにもなる。なお、ホールIC4に印加される磁束の方向が、他の例と逆方向となっているが、出力の正負等はプログラム可能なホールICの電気的な調整により容易なため、特に問題とはならない。FIG. 7 is a plan view of a current sensor having still another
As can be seen from the plan view of FIG. 2, in the previous example, the width of the
以上のように、この実施の形態1によれば、センサ基板の内層の導体層パターンを使用して一次導体パターンを形成し、磁電変換素子であるホールICも内蔵したことで、一次導体パターンとホールIC間の絶縁耐圧が向上するとともに、一次導体パターンとホールICが露出した場合に比べて多層プリント配線基板が縮小でき、且つ低コスト化が図れ、一次導体パターンとホールICが接近可能となるため小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。 As described above, according to the first embodiment, the primary conductor pattern is formed using the conductor layer pattern of the inner layer of the sensor substrate, and the Hall IC that is a magnetoelectric conversion element is also built in. The dielectric strength between the Hall ICs is improved, and the multilayer printed wiring board can be reduced and the cost can be reduced as compared with the case where the primary conductor pattern and the Hall IC are exposed, and the primary conductor pattern and the Hall IC can be brought close to each other. Therefore, there is an effect that a small current to be measured can be accurately detected.
また、ホールICと一次導体パターン間の多層プリント配線基板内層にシールド層を設置することで、主に一次導体パターンに起因した一次導体パターンからホールIC方向への電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。また、一次導体パターンのないホールICの下層側にも、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置することで、外部からホールICに印加される電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。 Also, by installing a shield layer in the multilayer printed wiring board inner layer between the Hall IC and the primary conductor pattern, the effect of removing or reducing the electric field noise from the primary conductor pattern mainly due to the primary conductor pattern in the Hall IC direction There is. In addition, by installing a shield layer that is electrically conductive and has a ground potential on the lower layer side of the Hall IC without the primary conductor pattern, electric field noise applied to the Hall IC from the outside can be removed or reduced. There is an effect to.
また多層プリント配線基板に一次導体パターンを作製するため、一次導体パターンの幅、設置位置の可変が、金属導体の利用に比べて容易であり、ホールICの感度等仕様や設置位置は同一なまま、電流検知範囲を可変できる効果がある。またホールICの近傍のみ、一次導体パターンの幅を縮小することで、電流密度の増加による発熱を抑制する効果がある。 In addition, since the primary conductor pattern is produced on the multilayer printed wiring board, the width of the primary conductor pattern and the installation position can be easily changed compared to the use of a metal conductor, and the specifications such as the Hall IC sensitivity and the installation position remain the same. The current detection range can be varied. Further, by reducing the width of the primary conductor pattern only in the vicinity of the Hall IC, there is an effect of suppressing heat generation due to an increase in current density.
さらにまた、磁電変換素子にプログラム可能なホールICを用いたため、電気的な調整のみで感度や温度特性等を調整できるため、電流センサとしての調整が簡略化でき、低コスト化の効果がある。 Furthermore, since a programmable Hall IC is used for the magnetoelectric conversion element, sensitivity and temperature characteristics can be adjusted only by electrical adjustment, so that adjustment as a current sensor can be simplified and there is an effect of cost reduction.
実施の形態2.
図10は、この発明の実施の形態2による電流センサの平面図を示すもので、図11は図10におけるAA’断面(XZ面)を示す断面図である。図において、電流センサ1は、2つの一次導体パターン3、ホールIC4、シールド層5を内蔵した多層プリント配線基板2により構成される。
本実施の形態2では、導体層と絶縁層が交互に積層された多層プリント配線基板2は6層の内層8を有しており、一次導体パターン3は内層8aに設けた導体層を利用して設置した一次導体パターン3a、および内層8fに設けた導体層を利用して設置した一次導体パターン3bの2つの導体パターンを有する構造をとる。また多層プリント配線基板2には、1つの磁電変換素子としてホールIC4を内蔵する。多層プリント配線基板2の内層8b、8eには、シールド層5が設置される。
実施の形態2は、実施の形態1と比較して、一次導体パターン3を2つの層に設置した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
10 is a plan view of a current sensor according to
In the second embodiment, the multilayer printed
The second embodiment is a configuration in which the
図11に示すように、被測定電流を印加する一次導体パターン3は、多層プリント配線基板2の第1の内層8a、および第6の内層8fの2つの層の導体層パターンを利用して設けられ、多層プリント配線基板2と一体となっており、ホールIC4から各一次導体パターン3までの距離はほぼ同等となっている。また図10に破線で示したように、一次導体パターン3の形状は何れもZ方向から見てホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の幅寸法を縮小した構成となっている。一次導体パターン3の幅寸法、つまりは断面積を縮小することで、電流密度が増加、ひいては発生する磁束密度が増加し、ホールIC4に印加される磁束密度が増加することは、図5の構成と同様である。
まずは、被測定電流を同時に一次導体パターン入出力端部6a1、および6b1に接続し、分流して、つまりはパラレルにして、ホールIC4に磁束密度を印加する場合について説明する。この場合、分流により個々の一次導体パターン3a、3bに発生する磁束密度は低下するものの、2つの層の一次導体パターンで磁束が発生するため、同じ被測定電流を一次導体パターン入出力端部6a1のみ、あるいは6a2のみに接続した場合と、ホールIC4に印加される磁束密度値は同一である。しかしながら、分流することで、個々の一次導体パターン3a、3bにおける電流密度が低下するため、発熱を抑制することが可能となる。
次に、被測定電流を一次導体パターン入出力端部6a1に接続し、さらに一次導体パターン入出力端部6a2と6b1を接続し、シリアルにして、ホールIC4に磁束密度を印加する場合について説明する。この場合分流ではないため、個々の一次導体パターン3a、3bに発生する磁束密度は低下せず、同じ被測定電流を一次導体パターン入出力端部6a1のみ、あるいは6a2のみに接続した場合に比べて、2倍の磁束密度をホールIC4に印加することができる。つまり、構成を大きく変えることなく、電流センサとしての測定可能な定格を可変することが可能となる。As shown in FIG. 11, the
First, a case where the current to be measured is simultaneously connected to the primary conductor pattern input / output ends 6a1 and 6b1 and divided, that is, in parallel, to apply the magnetic flux density to the
Next, a case where the current to be measured is connected to the primary conductor pattern input / output end 6a1 and the primary conductor pattern input / output ends 6a2 and 6b1 are connected in series to apply the magnetic flux density to the
次に、本実施の形態2における、別の構成例を示す。図12はこの発明の実施の形態2における、強磁性材14を有した電流センサ断面図である。図12は、先に示した図10、図11と比較して、強磁性材14のみを新たに付加した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図12に示すようにこの別の例では、強磁性材14をホールIC4ならびに一次導体パターン3の近傍となる多層プリント配線基板2の上層および下層に設置した構成である。強磁性材14を設置することで、多層プリント配線基板2の外側に漏れていた磁束が、図12の太破線で示すように強磁性材14内に集磁され、ホールIC4に印加されることにより、磁束密度が増加することになる。このように、同じ被測定電流であっても、強磁性材14を付加することでホールIC4に印加する磁束密度を容易に増加できる。強磁性材14としては、パーマロイ等のバルク材が考えられるが、これに限るものではなく、箔状で形成できるアモルファス磁性材等を利用し、多層プリント配線基板2の内層に収めることも考えられる。設置方法は、パーマロイ等のバルク材の場合は接着やネジ止め等、種々の方法が考えられるが、多層プリント配線基板2の平面状の表面層への設置となるため、設置工程は容易である。Next, another configuration example according to the second embodiment is shown. FIG. 12 is a cross-sectional view of a current sensor having a ferromagnetic material 14 according to
As shown in FIG. 12, this another example has a configuration in which the ferromagnetic material 14 is disposed on the upper and lower layers of the multilayer printed
図13はこの発明の実施の形態2における、別の一次導体パターン3を有した電流センサ平面図、図14はこの発明の実施の形態2における、別の一次導体パターン3を有した電流センサ断面図である。図13、図14は、先に示した図10、図11と比較して、一次導体パターン3のみを変更した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図10、図11からわかるように、先の例ではそれぞれの一次導体パターン3は、ホールIC4からの距離はほぼ同等となっていたが、図13、図14に示すように別の例では、それぞれの一次導体パターン3をホールIC4から異なる距離に設置する構成である。
被測定電流を同時に一次導体パターン入出力端部6a1、および6b1に接続し、分流して、つまりはパラレルにして、ホールIC4に磁束密度を印加する場合について説明する。この場合、分流により個々の一次導体パターン3a、3bに発生する磁束密度は低下し、2つの層の一次導体パターンで磁束が発生するものの、個々の一次導体パターン3a、3bの設置位置が異なるため、同じ被測定電流を一次導体パターン入出力端部6a1のみ、あるいは6a2のみに接続した場合に比べて、ホールIC4に印加される磁束密度値は低下する。このように、同じ被測定電流であっても、分流し、一方の一次導体パターンのみをホールIC4から遠ざけることでホールIC4に印加する磁束密度を容易に低減できる。また分流することで、個々の一次導体パターン3a、3bにおける電流密度が低下するため、一次導体パターンの発熱を抑制することが可能となる。FIG. 13 is a plan view of a current sensor having another
As can be seen from FIGS. 10 and 11, in the previous example, each
A case will be described in which the current to be measured is simultaneously connected to the primary conductor pattern input / output ends 6a1 and 6b1 and divided, that is, in parallel to apply the magnetic flux density to the
以上のように、この実施の形態2によれば、複数の一次導体パターンを同一の多層プリント配線基板内に設け、被測定電流容量によってシリアルまたはパラレル等、接続ポイントを可変することで、多層プリント配線基板の構成やホールICの設置位置は同一なまま、ホールICに印加する磁束密度を可変でき、ひいては電流検知範囲を可変できる効果があるとともに、分流することで発熱を抑制する効果もある。 As described above, according to the second embodiment, a plurality of primary conductor patterns are provided in the same multilayer printed wiring board, and the connection point is varied such as serial or parallel depending on the current capacity to be measured. While the configuration of the wiring board and the installation position of the Hall IC are the same, the magnetic flux density applied to the Hall IC can be varied, and thus the current detection range can be varied.
また、多層プリント配線基板の表面層に強磁性材を設置することで、磁性材の設置が簡略化されるとともに、ホールICに対して容易に集磁できる効果があり、小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。 In addition, by installing a ferromagnetic material on the surface layer of the multilayer printed wiring board, the installation of the magnetic material is simplified, and there is an effect that the magnetic flux can be easily collected with respect to the Hall IC. Can be accurately detected.
実施の形態3.
図15は、この発明の実施の形態3による電流センサの平面図を示すもので、図16は図15におけるAA’断面(XZ面)を示す断面図、図17は図15におけるBB’断面(XZ面)を示す断面図、図18は図15におけるCC’断面(YZ面)を示す断面図である。図において、電流センサ1は、一次導体パターン3、2つのホールIC4、シールド層5を内蔵した多層プリント配線基板2により構成される。
本実施の形態3では、導体層と絶縁層が交互に積層された多層プリント配線基板2は5層の内層8を有しており、一次導体パターン3は内層8eに設けた導体層を利用して設置する構造をとる。また多層プリント配線基板2には、磁電変換素子として2つのホールIC4を内蔵する。多層プリント配線基板2の内層8a、8dには、シールド層5が設置される。
実施の形態3は、実施の形態1と比較して、ホールIC4を2個に設置した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
15 is a plan view of a current sensor according to
In the third embodiment, the multilayer printed
The third embodiment is a configuration in which two
図7の平面図からわかるように、先の例では1個のホールIC4が設置され、ホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の幅、つまりは断面積を縮小し、かつホールIC4を一次導体パターン3が周回する構成であった。図15に示すように本実施の形態では、2個のホールIC4を設置し、それぞれのホールIC4の近傍においてのみ、一次導体パターン3の幅、つまりは断面積を縮小し、かつそれぞれのホールIC4を一次導体パターン3が逆方向に周回する構成である。一次導体パターン3の幅寸法を縮小することで、一次導体パターン3の断面積が縮小し、電流密度が増加と同時に発生する磁束密度が増加し、ホールIC4に印加される磁束密度が増加すること、および一次導体パターン3がホールIC4の近傍を周回することで、感磁方向の磁束密度が増加するように、ホールIC4に磁束密度が印加されることは、図7の構成と同様である。
まずは、一方向に被測定電流を印加したとき、それぞれのホールIC4に印加される磁束の方向について説明する。図16において、一次導体パターン3からホールIC4aの感磁方向に印加される磁束の方向は+Z方向であり、図18において、一次導体パターン3aおよび3bからホールIC4aの感磁方向に印加される磁束の方向は+Z方向である。つまり、ホールIC4aを周回する一次導体パターン3から、ホールIC4aの感磁方向に印加される磁束の方向はすべて+Z方向であることがわかる。また図17において、一次導体パターン3からホールIC4bの感磁方向に印加される磁束の方向は−Z方向であり、図18において、一次導体パターン3bおよび3cからホールIC4bの感磁方向に印加される磁束の方向は−Z方向である。つまり、ホールIC4bを周回する一次導体パターン3から、ホールIC4bの感磁方向に印加される磁束の方向はすべて−Z方向であることがわかる。このように、二つのホールIC4を一次導体パターン3がS字上に周回、つまりは逆方向に周回することで、個々のホールIC4には、逆方向の磁束が印加されることになる。As can be seen from the plan view of FIG. 7, in the previous example, one
First, the direction of the magnetic flux applied to each
電流センサとしての出力は、二つのホールIC4の差動出力をとることで行う。個々のホールIC4には、逆方向の磁束が印加されるため、正負、逆の出力が個々のホールIC4から得られるため、差動処理を行うことでセンサの出力は2倍となり、同相である一様な外部磁界の影響やノイズ等は除去される。よって、センサ出力の高精度化が可能となる。なお差動処理を行う付加回路は、ホールIC4を設置した電子部品内蔵面に設置するのが望ましいが、付加回路部品の寸法、回路規模等により電子部品内蔵面の設置が困難な場合は、多層プリント配線基板2の表面、もしくは裏面に設置し、貫通ビア等により、ホールIC4と接続する。図19に、付加回路15を追加した本実施の形態による別の電流センサ1の断面図を示す。このように付加回路15を多層プリント配線基板2の外層(ここでは表面)に設ける場合は、一次導体パターン3と付加回路15の間に、内層8fを追加し、新たにシールド層5cを設置するのが望ましい。シールド層5cの設置により、一次導体パターン3に起因した一次導体パターン3から付加回路15の方向への電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。 Output as a current sensor is performed by taking the differential output of the two
以上のように、この実施の形態3によれば、磁電変換素子に二つのホールICを用い、一次導体パターンを二つのホールICをS字状に周回するように配置することで、二つのホールICそれぞれに逆方向の磁束を印加できるため、両者の差動出力をとることで、一様な外部磁界の影響やノイズ等を除去でき、高精度化できる効果がある。 As described above, according to the third embodiment, two Hall ICs are used for the magnetoelectric conversion element, and the primary conductor pattern is arranged so as to circulate around the two Hall ICs in an S shape. Since reverse magnetic fluxes can be applied to each IC, taking the differential output of both has the effect of eliminating the effects of uniform external magnetic fields, noise, etc., and improving accuracy.
1 電流センサ、2 多層プリント配線基板、3 一次導体パターン、4 ホールIC、5 シールド層、6 一次導体パターン入出力端部、7 コネクタ、8 内層、9 中心線、10 絶縁層、11 キャビティ、12 磁束線、18 磁束ベクトル、14 強磁性材、15 付加回路1 current sensor, 2 multilayer printed wiring board, 3 primary conductor pattern, 4 Hall IC, 5 shield layer, 6 primary conductor pattern input / output end, 7 connector, 8 inner layer, 9 center line, 10 insulating layer, 11 cavity, 12 Magnetic flux line, 18 Magnetic flux vector, 14 Ferromagnetic material, 15 Additional circuit
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