JP2012026966A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ノイズの影響を抑制すると共に磁気検出素子からの出力信号にノイズが混入することを抑制できる電流センサを提供することを目的の一とする。
【解決手段】電流を流すための導体１０２と、導体１０２に流れる電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気検出素子１０１、及び磁気検出素子１０１を駆動する駆動回路が形成されたセンサ基板１００と、駆動回路に電気的に接続された出力配線と、導体１０２とセンサ基板１００との間に設けられ、非磁性材料であって且つ金属材料で形成された金属シールド１０３ａ、１０３ｂとを設け、出力配線を信号線１０４ａ及び信号線１０４ａを取り囲む配線シールド１０４ｂを有するシールド線１０４で形成し、配線シールド１０４ｂを金属シールド１０３ａ、１０３ｂ及びセンサ基板１００のグランドから電気的に絶縁させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、導体の電流の大きさを測定する電流センサに関し、特に磁気検出素子を用いた電流センサに関する。

電気自動車においては、例えばリチウムイオンなどの２次電池に蓄えられた電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとして、導体の周囲に一部に切り欠き（コアギャップ）を有する磁性体コアを配置し、このコアギャップ内に磁気検出素子を配置してなるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電流センサにおいては、磁性体コアの中に生じた磁力線によりコアギャップに被測定電流に比例した磁界が通る。磁気検出素子がこの磁界を電圧信号に変換し、この磁気検出素子からの出力電圧を増幅回路にて増幅し、被測定電流に比例した出力電圧を発生する。

ところで、近年、電気自動車の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、電流センサにおいて大電流時の磁気飽和を回避する必要がある。磁気飽和を回避するためには磁性体コアを大きくする必要があるが、磁性体コアを大きくすると電流センサ自体が大型化するという問題がある。このような磁性体コアを用いた電流センサの課題を解決するために、磁性体コアを用いない電流センサが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２００７−２１２３０６号公報 特開２０００−２５８４６４号公報 特開２００６−１１２９６８号公報

特許文献２に開示されているように、電流センサにおいて、磁気検出素子に対する外部磁場の影響を抑制するために、磁性体材料で形成された磁気シールドが設けられている。磁気シールドを設けることにより、外部からの磁気干渉を抑制し、導体（バスバともいう）に流れる電流で生じる磁界を安定して検出することが可能となる。

しかし、本発明者がさらに検討を行ったところ、回路に高電圧・大電流の電源線を設ける場合や、回路素子を高密度に集積する場合には、導体と他の配線等の間の静電結合等により磁気シールドでは抑制できない電磁ノイズが発生し、磁気検出素子から出力される信号（出力電圧信号）等にノイズが混入してしまうことを見出した。特に、被測定電流が流れる導体で電磁ノイズが発生すると、近傍に設けられた磁気検出素子を含む電気回路に大きく影響を与えてしまう問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電磁ノイズの影響を抑制すると共に磁気検出素子からの出力信号にノイズが混入することを抑制できる電流センサを提供することを目的の一とする。

本発明の電流センサの一態様は、電流を流すための導体と、導体に流れる電流からの誘導磁界の印加により特性が変化する磁気検出素子、及び磁気検出素子を駆動する駆動回路が形成されたセンサ基板と、駆動回路に電気的に接続された出力配線と、導体とセンサ基板との間に設けられ、非磁性材料であって且つ金属材料で形成された金属シールドと、を有し、出力配線は、信号線及び信号線を取り囲む配線シールドを有するシールド線であり、配線シールドが金属シールド及び前記センサ基板のグランドと電気的に絶縁されていることを特徴とする。この構成によれば、導体等で発生する電磁ノイズの影響を金属シールドにより抑制できると共に、配線シールドに生じるノイズがセンサ基板に及ぼす影響を抑制することができる。その結果、センサ基板から出力される信号にノイズが混入することを抑制することが可能となる。

本発明の電流センサにおいて、金属シールドがセンサ基板のグランドに接地され、配線シールドがセンサ基板の外部に設けられたグランドに接地されることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、金属シールドがセンサ基板を包含するように設けられていることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、金属シールドは、アルミニウム、銅及び銀から選択される少なくとも一つの金属で形成されていることが好ましい。

本発明の電流センサにおいて、磁気検出素子が磁気抵抗効果素子であることが好ましい。

本発明の一態様によれば、電磁ノイズの影響を抑制すると共に磁気検出素子からの出力信号にノイズが混入することを抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る電流センサの一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの他の一例を示す図である。 本発明の実施例及び比較例に係る電流センサの出力電圧の測定結果を示す図である。

本発明者は、磁気検出素子を用いた電流センサにおいて、導体（バスバ）に電流が流れていない状態であっても、導体と他の配線等との間に形成される静電結合により電磁ノイズが発生して、近傍に設けられた磁気検出素子に影響を及ぼすことを見出した。そして、静電結合により発生する電磁ノイズの影響を抑制するために、被測定電流が流れる導体と磁気検出素子が形成されたセンサ基板との間に金属シールドを設けることを着想した。また、本発明者がさらに詳細に検討を行ったところ、センサ基板の出力配線としてシールド線を用いる場合に、当該シールド線を金属シールドと同様にセンサ基板のグランドに接地すると、センサ基板にノイズの影響が生じる問題に直面した。この問題について鋭意検討した結果、シールド線のシールド部分（配線シールド）に生じるノイズがセンサ基板に影響を及ぼしていることを突き止め、磁気検出素子の出力配線としてシールド線を用いる際にシールド線と金属シールドを分離し、シールド線の接地場所を制御することを着想して本発明を完成するに至った。

以下、本発明の実施の形態について、図１を参照して詳細に説明する。なお、図１において、図１（Ａ）は電流センサの上面図の模式図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ｂ間の断面の模式図を示している。

図１に示す電流センサは、電流を流すための導体１０２と、磁気検出素子１０１及び磁気検出素子１０１を駆動する駆動回路が形成されたセンサ基板１００と、センサ基板１００に形成された駆動回路に電気的に接続されたシールド線１０４と、導体１０２とセンサ基板１００との間に設けられた金属シールド１０３ａとを有している。また、シールド線１０４は、センサ基板１００の駆動回路に電気的に接続された信号線１０４ａと、当該信号線１０４ａを取り囲む配線シールド１０４ｂとで形成されており、配線シールド１０４ｂが金属シールド１０３ａ及びセンサ基板１００のグランドと分離して電気的に絶縁されて設けられている。

導体１０２は、電流センサで測定される被測定用電流が流れる部分であり、バスバと呼ばれる場合もある。導体１０２は、アルミニウム、銅、銅合金等を用いて形成することができる。

磁気検出素子１０１は、導体１０２に流れる電流からの誘導磁界の印加により特性が変化する素子（磁気センサ）であり、センサ基板１００上に形成されている。電流センサでは、磁気検出素子１０１の特性変化に基づいて電流の大きさを測定することができる。また、磁気検出素子１０１は、センサ基板１００に形成された駆動回路によって駆動され、磁気検出素子１０１から出力された信号は駆動回路に電気的に接続された出力配線（シールド線１０４）を介して外部に出力することができる。

また、磁気検出素子１０１は、少なくともある一方向に対して選択的に磁場感度を有し、当該一方向と異なる他の一方向に対して磁場感度を有さない又は非常に磁場感度が低いものを用いることが好ましい。この場合、導体１０２に電流が流れたときに発生する磁界の方向が、磁気検出素子１０１において感度方向（ある一方向）と一致するように、導体１０２と磁気検出素子１０１の設ける位置を制御する。磁気検出素子１０１としては、導体１０２に流れる電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化するＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）やＧＭＲ素子（巨大効果素子）等の磁気抵抗効果素子、ホール素子やホールＩＣ等の磁気センサを用いることができる。なお、図１に示す磁気検出素子１０１は、磁気センサと当該磁気センサを駆動するための周辺回路を含んだ構成となっている。

金属シールド１０３ａは、外部で発生した電磁ノイズが磁気検出素子１０１に及ぼす影響を低減する電磁シールドであり、金属材料を用いて形成する。また、導体１０２に電流が流れた際に発生する磁界の変化を磁気検出素子１０１が検出するために、金属シールド１０３ａは非磁性材料で形成する。例えば、アルミニウム、銅、銀等を用いて金属シールド１０３ａを形成することが好ましい。

また、金属シールドは、導体１０２とセンサ基板１００の間だけでなく、導体１０２が設けられた面と反対側の面側にも金属シールド１０３ｂを設け、金属シールド１０３ａ及び１０３ｂでセンサ基板１００を包含する構成とすることが好ましい。これにより、センサ基板１００に対する電磁ノイズの影響を効果的に抑制することが可能となる。

金属シールド１０３ｂを設ける場合は、金属シールド１０３ａと１０３ｂを電気的に接続して等電位とすればよい。例えば、金属シールド１０３ａ上にセンサ基板１００を配置し、当該センサ基板１００を覆う筐体に金属シールド１０３ｂを形成することができる。この場合、金属シールド１０３ｂは金属シールド１０３ａと同一の材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。金属シールド１０３ａ、１０３ｂは、センサ基板１００のグランドに接地する構成としてもよいし、フローティング状態としてもよい。

シールド線１０４は、センサ基板１００からの信号を出力するための出力配線として機能し、センサ基板１００に形成された駆動回路に電気的に接続される信号線１０４ａと、当該信号線１０４ａとの間に誘電体等を挟んで信号線１０４ａを取り囲む配線シールド１０４ｂとで形成することができる。

本実施の形態では、配線シールド１０４ｂと金属シールド１０３ａ、１０３ｂを同じ場所（例えば、センサ基板１００）のグランドに接地させるのではなく、配線シールド１０４ｂと金属シールド１０３ａ、１０３ｂを分離して電気的に絶縁させる。好ましくは、配線シールド１０４ｂをセンサ基板１００の外部に設けられたグランドに接地し、金属シールド１０３ａ、１０３ｂをセンサ基板１００のグランドに接地する。これにより、導体１０２等で発生する電磁ノイズの影響を抑制すると共に、配線シールド１０４ｂに生じるノイズがセンサ基板１００に及ぼす影響を抑制することができる。その結果、センサ基板１００から出力される信号にノイズが混入することを抑制することが可能となる。

また、上記図１で示した電流センサにおいて、磁性体材料から形成される磁気シールドを設けてもよい。この場合、図２に示すように、磁気シールド２００は、金属シールド１０３ａ、１０３ｂ及び導体１０２を包含するように外側に設ける。これにより、磁気シールド２００を用いてセンサ基板１００に形成された磁気検出素子１０１と駆動回路に作用する外部からの磁気干渉を抑制すると共に、金属シールド１０３ａ、１０３ｂを用いて電磁ノイズによる影響を抑制することができる。

以下、本発明の実施例に関して説明するが、本発明はこの実施例によりなんら制限されるものではない。

図１に示すように、導体１０２上に金属シールド１０３ａを介して磁気検出素子１０１及び駆動回路が設けられたセンサ基板１００を形成した。また、センサ基板１００の上方面（導体１０２が設けられた面と反対側の面）側にも金属シールド１０３ｂを設け、センサ基板１００を金属シールドで包含する構造とした。また、センサ基板１００の駆動回路に電気的に接続されたシールド線１０４の配線シールド１０４ｂをセンサ基板１００の外部に設けられたグランドに接地した。なお、各構成について、具体的に以下の材料を用いた。

導体１０２：表面に５μｍの錫めっきがなされた銅
磁気検出素子１０１：磁気抵抗素子（ＧＭＲ）
金属シールド１０３ａ、１０３ｂ：厚さ０．３ｍｍの銅板
配線シールド１０４ｂ：銅

（比較例）
上記実施例と同様に、導体１０２上に金属シールド１０３ａを介して磁気検出素子１０１が形成されたセンサ基板１００を設け、センサ基板１００の上方側にも金属シールド１０３ｂを設けてセンサ基板１００を金属シールドで覆う構造とした。なお、比較例では、シールド線の配線シールドと金属シールドをセンサ基板１００のグランドに接地した。つまり、実施例と比較例では、シールド線の配線シールドの接地場所が異なっている。

（評価）
次に、実施例と比較例の電流センサにおいて、導体１０２に電流を流した際に、磁気検出素子１０１から出力される出力電圧（信号線１０４ａの出力電圧）を測定した。測定結果を図３に示す。

図３中のｃが比較例であり、シールド線１０４の配線シールド１０４ｂと金属シールド１０３ａ、１０３ｂがセンサ基板１００のＧＮＤに接地された状態である。ｂおよびａが本発明の実施例であり、ｂが金属シールド１０３ａ、１０３ｂがセンサ基板１００のＧＮＤに接地されている。ａは、金属シールド１０３ａ、１０３ｂがフロート状態での結果を示している。なお、図３においては、図を見やすくするため、それぞれの出力信号の電圧値を０．２Ｖずつ、ずらして表示している。

いずれの条件においても配線で発生するノイズは周期的なスパイク状に発生し、０．３−０．４Ｖｐ−ｐ程度である。比較例と本発明の実施例で大きな違いが見られるのは、センサの出力そのものであるベースラインの揺らぎに差が見られる。図３中の比較例の出力において、点線で囲われた部分では特に大きな揺らぎが見られている。一方、実施例においては、前述のようなベースラインの揺らぎは見られない。

このベースラインの揺らぎは、磁気検出素子１０１を含むセンサ基板１００に電磁ノイズの影響を与えたために発生している。比較例では、シールド線１０４の配線シールド１０４ｂと金属シールド１０３ａ、１０３ｂと同電位であるため、シールド線１０４で受けた電磁ノイズが、磁気検出素子１０１を含むセンサ基板１００に影響を与えることになる。一方で、実施例では、シールド線１０４の配線シールド１０４ｂと金属シールド１０３ａ、１０３ｂとを電気的に分離させているため、シールド線１０４で受けた電磁ノイズが、磁気検出素子１０１を含むセンサ基板１００に影響を与えることを抑制することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。また、上記実施の形態における材料、電流センサの配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明は、電気自動車等において電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。

１００ センサ基板
１０１ 磁気検出素子
１０２ 導体
１０３ａ 金属シールド
１０３ｂ 金属シールド
１０４ シールド線
１０４ａ 信号線
１０４ｂ 配線シールド
２００ 磁気シールド

Claims (5)

1. 電流を流すための導体と、
   前記導体に流れる電流からの誘導磁界の印加により特性が変化する磁気検出素子、及び前記磁気検出素子を駆動する駆動回路が形成されたセンサ基板と、
   前記駆動回路に電気的に接続された出力配線と、
   前記導体と前記センサ基板との間に設けられ、非磁性材料であって且つ金属材料で形成された金属シールドと、を有し、
   前記出力配線は、信号線及び前記信号線を取り囲む配線シールドを有するシールド線であり、前記配線シールドが前記金属シールド及び前記センサ基板のグランドと電気的に絶縁されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記金属シールドが前記センサ基板のグランドに接地され、前記配線シールドが前記センサ基板の外部に設けられたグランドに接地されることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記金属シールドが前記センサ基板を包含するように設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記金属シールドは、アルミニウム、銅及び銀から選択される少なくとも一つの金属で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
5. 前記磁気検出素子が磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。