JP2015190781A - 基板 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象である電流経路を切り離すことなく、精度良く電流値を測定可能な電流センサーを有し、配線を流れる電流の電流値を精度良く測定可能な基板を提供する。【解決手段】表面に配線２００が設けられた配線基板１００と、平面視で配線２００と重なり、配線２００から離間して配線２００の上方に配置された電流センサー１と、を備え、電流センサー１は、素子基板１０と、素子基板１０の表面１０ａに設けられた一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂと、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂと配線基板１００とを接続する外部接続端子３１〜３４と、を有し、素子基板１０は、法線方向が配線２００の延在方向と同方向となるように配置され、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、感度方向Ｄａ，Ｄｂが配線２００の法線方向と同方向に設定され、配線２００の幅方向に配列し、配線２００の端部と平面的に重なって配置している基板１０００。【選択図】図１

Description

本発明は、基板に関するものである。

従来、バスバーに流れた電流により生じる磁界の強度を、磁気検出素子を用いて検出することで、磁界の強度と相関する電流の値を測定する測定装置が知られている。以下、このような測定装置のことを電流センサーと称する。

特許文献１の電流センサーは、平面視略Ｕ字状に形成された導電部材と、導電部材のうち互いに対向する導電路の間に配置された２つの磁気素子と、を有している。特許文献１の電流センサーにおいては、導電部材を流れる電流により発生する磁界の強度を２つの磁気素子でそれぞれ検出し、得られた磁界の強度から、磁界の強度と相関する電流値を求めている。また、特許文献１の電流センサーは、２つの磁気素子を差動動作させることにより、測定誤差の原因となる外乱磁界の影響を打ち消す構成となっている。

特開２０１２−６３２８５号公報

上記構成の電流センサーは、測定対象である電流経路を切り離し、当該電流経路に電流センサーの導電部材を挿入することで、測定対象の電流経路を流れる電流値を測定可能となる。そのため、上記電流センサーでは、既存の電流経路を切り離すことなく、電流を測定することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、測定対象である電流経路を切り離すことなく、精度良く電流値を測定可能な電流センサーを有し、配線を流れる電流の電流値を精度良く測定可能な基板を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係る基板は、表面に配線が設けられた配線基板と、平面視で前記配線と重なり、前記配線から離間して前記配線の上方に配置された電流センサーと、を備え、前記電流センサーは、素子基板と、前記素子基板の両面のうち一方の面に設けられた一対の磁気検出素子と、前記一対の磁気検出素子と前記配線基板とを接続する外部接続端子と、を有し、前記素子基板は、前記一方の面の法線方向が前記配線の延在方向と同方向となるように配置され、前記一対の磁気検出素子は、感度方向が前記配線の法線方向と同方向に設定され、前記配線の幅方向に配列し、前記配線の端部と平面的に重なって配置している。

本発明の一態様においては、前記一対の磁気検出素子は、前記配線からの高さ位置が等しい構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記一対の磁気検出素子は、平面視で前記配線の中心線に対して線対称に配置している構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記磁気検出素子が、磁気抵抗効果素子である構成としてもよい。

本発明によれば、測定対象である電流経路を切り離すことなく、精度良く電流値を測定可能な電流センサーを有し、配線を流れる電流の電流値を精度良く測定可能な基板を提供することができる。

第１実施形態の基板について示す概略斜視図である。 ＧＭＲ素子である一対の磁気検出素子の構成を示す模式図である。 第１実施形態の基板が有する電流センサーの機能を説明する説明図である。 配線から発生する磁界におけるｚ軸方向の成分の強度についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 図４に示す結果を模式的に示した図である。 配線から発生する磁界におけるｙ軸方向の成分の強度についてのシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、図１〜図６を参照しながら、本発明の実施形態に係る基板について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の基板１０００について示す概略斜視図である。図に示すように、基板１０００は、電流センサー１と、表面に配線２００が設けられた配線基板１００とを有している。

以下の図では、ｘｙｚ座標系を設定し、このｘｙｚ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。ｘｙｚ座標系において、配線基板１００の表面内に設定するｘ軸方向に対し、表面内において直交する方向をｙ軸方向、ｘ軸方向とｙ軸方向のそれぞれと直交する方向をｚ軸方向とする。すなわち、配線基板１００の表面と同じ面方向にｘｙ平面が設定され、配線基板１００の法線方向にｚ軸が設定されている。
また、本明細書において、「平面視」とは＋ｚ方向上方から−ｚ方向に見たときの視野を指す。

電流センサー１は、素子基板１０と、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂと、外部接続端子３１〜３４と、を有している。

素子基板１０は、矩形の基板である。図では、素子基板１０は、表面（一方の面）１０ａがｙｚ平面の面方向と同方向、表面１０ａの法線が、配線２００の延在方向と同方向となるように配置されている。素子基板１０は、例えば、ＳｉＯ_２／Ｓｉ、ガラス、石英を形成材料としている。

素子基板１０の表面１０ａには、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂが配置されている。磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、素子基板１０の表面１０ａにおいて、互いに離間してｙ軸方向に配列して設けられている。磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、表面１０ａの法線方向からの視野において、後述する外部接続端子３１〜３４の延在方向と交差する方向に配列している。

なお、図では磁気検出素子２０ａ，２０ｂをそれぞれ直方体状の構成として１つずつ示しているが、より詳細には、磁気検出素子２０ａが２個の素子から構成され、また磁気検出素子２０ｂが２個の素子から構成されており、これら４個の素子の出力をブリッジ結線させたものを用いることとするとよい。

一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂとしては、ホール素子や磁気抵抗効果素子などの素子を用いることができる。磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance、巨大磁気抵抗）素子、ＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance、トンネル磁気抵抗）素子などを挙げることができる。本実施形態では、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂとして、ＧＭＲ素子を用いることとして説明する。一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂについては、後に詳述する。

外部接続端子３１〜３４は、磁気検出素子２０ａに接続された外部接続端子３１，３２と、磁気検出素子２０ｂに接続された外部接続端子３３，３４と、を有している。外部接続端子３１〜３４は、表面１０ａの法線と交差する方向に延在している。図では、外部接続端子３１〜３４は、一端が素子基板１０に接続するとともに、他端が表面１０ａの法線と直交する方向（−ｚ方向）に延在し、配線基板１００の接続配線（不図示）に接続されている。電流センサー１の使用時には、磁気検出素子２０ａ，２０ｂには、配線基板１００の接続配線を介して電流が供給される。

なお、本発明において、外部接続端子３１，３２は、磁気検出素子２０ａに直接接続されていてもよく、電流センサー１に設けられた増幅回路を介して間接的に接続されていてもよい。外部接続端子３３，３４も同様に、磁気検出素子２０ｂに直接接続されていてもよく、増幅回路を介して間接的に接続されていてもよい。

また、本実施形態では、外部接続端子３１，３２は磁気検出素子２０ａと接続し、外部接続端子３３，３４は磁気検出素子２０ｂと接続していることとしたが、外部接続端子３１〜３４が接続する磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、任意に変更してよい。

また、上述の様に、外部接続端子と磁気検出素子とが増幅回路を介して接続している場合、外部接続端子の数を増やしてもよい。

また、磁気検出素子２０ａが２個の素子から構成され、磁気検出素子２０ｂが２個の素子から構成されており、電流センサー１において、磁気検出素子２０ａ，２０ｂを構成する４個の素子をブリッジ結線させて出力を得る場合、外部接続端子を増やしてもよい。

図２は、ＧＭＲ素子である一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂの構成を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。

図に示すように、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、互いに隣り合って平行に配置された複数（図では６本）の帯状部２１と、帯状部２１を接続するリード層２２と、を有している。

帯状部２１は、巨大磁気抵抗効果を示す金属薄膜の積層体で形成されている。帯状部２１としては、素子基板１０側から順に積層された、フリー層と、導電性のスペーサ層と、ピンド層と、キャッピング層と、を有している。

フリー層は、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層である。フリー層は、例えば、素子基板１０の表面に、コバルト−ジルコニウム−ニオブ（Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ）アモルファス磁性層と、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）磁性層と、コバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）層と、がこの順に積層された層を示すことができる。Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂアモルファス磁性層の層厚は、例えば８．０ｎｍである。Ｎｉ−Ｆｅ磁性層の層厚は、例えば３．３ｎｍである。Ｃｏ−Ｆｅ層の層厚は、例えば１．２ｎｍである。

Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂアモルファス磁性層およびＮｉ−Ｆｅ磁性層は、軟質強磁性体薄膜層を構成している。Ｃｏ−Ｆｅ層は、磁気検出素子に外部磁界を加えたときの抵抗変化率を示すＭＲ比を高める機能を有する。

導電性のスペーサ層としては、例えば、膜厚２．４ｎｍの銅（Ｃｕ）層を示すことができる。

ピンド層は、磁化の向きが所定の向きに固定された（ピンド）層である。ピンド層は、例えば、スペーサ層の表面に、コバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）磁性層と、白金−マンガン（Ｐｔ−Ｍｎ）反強磁性層と、がこの順に積層された層を示すことができる。コバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）磁性層の層厚は、例えば２．２ｎｍである。白金−マンガン（Ｐｔ−Ｍｎ）反強磁性層は、白金を４５〜５５ｍｏｌ％含む白金−マンガン（Ｐｔ−Ｍｎ）合金を形成材料とした層であって、層厚は例えば４．０ｎｍである。

Ｃｏ−Ｆｅ磁性層は、着磁（磁化）されたＰｔ−Ｍｎ反強磁性層に交換結合的に裏打ちされることにより磁化（磁化ベクトル）の向きが固定されるピンド層を構成している。

キャッピング層としては、例えば、膜厚２．４ｎｍのタンタル（Ｔａ）層を示すことができる。

リード層２２は、複数の帯状部２１の両端に複数配置され、複数の帯状部２１を直列に接続している。リード層２２としては、例えば、膜厚０．３μｍのクロム（Ｃｒ）層を示すことができる。

上述のような磁気検出素子２０ａ，２０ｂにおいては、外部からの磁場による巨大磁気抵抗効果により、ピンド層の磁化の向きと、フリー層の磁化の向きの相対関係に応じてスペーサ層の電気抵抗が変化する。そのため、スペーサ層に導電させたときの抵抗値を出力として示すことにより、外部からの磁場の強さを検出することができる。

図に示す磁気検出素子２０ａ，２０ｂでは、平面視で長手方向に直交する方向にピンド層の磁化の向きが固定されている。図では、ピンド層の磁化の向きを符号Ｐ（ピンド層の磁化方向Ｐ）で示す矢印で示している。また、磁界無印加時におけるフリー層の磁化の向きを符号Ｆ（フリー層の磁化方向Ｆ）で示す矢印で示している。

また、磁気検出素子２０ａ，２０ｂでは、磁界無印加時において、フリー層の磁化方向Ｆが平面視で長手方向と同方向となっている。フリー層の磁化方向Ｆはピンド層の磁化方向Ｐと直交している。

ここで、本明細書では、磁気検出素子において、外部から印加される磁界を、最も好感度に検出可能な方向を「感度方向」と称することとする。ＧＭＲ素子である磁気検出素子２０ａ，２０ｂでは、外部からの磁場がフリー層の磁化方向Ｆと同方向となる場合に無感度となる。一方で、外部からの磁場がフリー層の磁化方向Ｆと直交する方向である場合に、フリー層の磁化方向Ｆは最も外部磁場による影響を受ける。したがって、図に示す磁気検出素子２０ａ，２０ｂにおいて、感度方向はフリー層の磁化方向Ｆと直交する方向に設定されたピンド層の磁化方向Ｐと同方向となる。

図では、磁気検出素子２０ａ，２０ｂの感度方向を、符号Ｄａ，Ｄｂを用いて示す。

図１にもどって、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、素子基板１０の表面１０ａにおいて、長手方向がｙ軸方向と同方向となるように配置している。

このような一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、配線２００の幅方向に配列し、配線２００の中心線Ｌに対して両側に配置している。本実施形態の基板１０００では、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、中心線Ｌに対して線対称に配置している。

また、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、配線２００に対するｚ軸方向の位置（配線２００からの高さ位置）が等しく、配線２００の端部と平面的に重なって（ｚ方向の視野において重なって）配置している。

さらに、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂにおいては、感度方向Ｄａ，Ｄｂが配線２００の法線方向と同方向、すなわち＋ｚ方向に設定されている。

図１に示すように、配線基板１００は、表面に配線２００が設けられている。図１において、配線２００はｘ軸方向に延在することとして示している。また、電流センサー１は、平面視で配線２００と重なり、配線２００から配線基板１００の法線方向（＋ｚ方向）に離間して設けられている。

図３は、電流センサー１の機能を説明する説明図である。図３（ａ）は、−ｘ方向の視野における断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）と同視野における、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂの拡大図である。

図３（ａ）に示すように、配線２００に対し、−ｘ方向に流れる電流を供給すると、配線２００には、右ねじの法則またはアンペールの法則に基づいた誘導磁界が生じる。図では、配線２００に生じる誘導磁界を符号Ｍで示している。

このとき、磁気検出素子２０ａでは誘導磁界Ｍの接線成分Ｍａを、磁気検出素子２０ｂでは誘導磁界Ｍの接線成分Ｍｂを、それぞれ検出する。

図３（ｂ）に示すように、接線成分Ｍａおよび接線成分Ｍｂは、さらにｙ方向の成分Ｍａｙ，Ｍｂｙ、およびｚ方向の成分Ｍａｚ，Ｍｂｚに分解することができる。上述のように磁気検出素子２０ａ，２０ｂのフリー層の磁化方向Ｆａ，Ｆｂは、ｙ方向に設定されているため、磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、接線成分Ｍａ，Ｍｂのうちｙ方向の成分Ｍａｙ，Ｍｂｙに対して無感度である。したがって、磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、ｙ方向の成分Ｍａｙ，Ｍｂｙを検出せず、ｚ方向の成分Ｍａｚ，Ｍｂｚを検出する。

配線２００に対する磁気検出素子２０ａ，２０ｂの位置（仰角、離間距離）は既知である。そのため、検出されるｚ方向の成分Ｍａｚ，Ｍｂｚから配線２００を流れる電流の値を求めることが可能となる。

ここで、磁気検出素子２０ａ，２０ｂが検出する磁界の強度についてのシミュレーション結果を示す。
図４は、配線２００に対して−ｘ方向に電流を流したときに、配線２００から発生する磁界におけるｚ軸方向の成分の強度についてのシミュレーション結果であり、０．１ｍｍ厚の配線に５０Ａの電流を流したときの発生磁界の強度を示すグラフを示している。

図４（ａ）は、２ｍｍ幅の配線２００についてのシミュレーション結果である。同様に、図４（ｂ）は、４ｍｍ幅の配線２００について、図４（ｃ）は、８ｍｍ幅の配線２００についてのシミュレーション結果である。

横軸は、配線２００の幅方向（ｙ方向）の磁界強度算出位置（単位：ｍｍ）を示している。横軸においては、配線２００の表面中心を原点としている。
縦軸は、磁界強度（単位：Ｔ）を示す。
１つのグラフに示した３種の結果は、それぞれ配線２００の高さ方向（ｚ方向）の磁界強度算出位置（単位：ｍｍ）を示している。ｚ方向の算出位置においては、配線２００の表面を原点としている。

図５は、図４に示す結果を模式的に示した図である。図５、６に示すように、ｚ方向の磁界分布は、原点に対して点対称であり、配線２００を断面視したときに幅方向の端部において磁界強度の絶対値がピークを示すことがわかる。したがって、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、配線２００の幅方向の端部に平面的に重なるように配置することが好ましい。

また、上記説明では、ｙ方向の成分Ｍａｙ，Ｍｂｙに対して無感度であることとしたが、製造誤差等に起因して、ｙ方向の成分を検出したとしても、下記理由によりｙ方向の成分は低減、または相殺される。

図６は、図４と同様に配線２００に対して−ｘ方向に電流を流したときに、配線２００から発生する磁界におけるｙ軸方向の成分の強度についてのシミュレーション結果である。各グラフにおいて、横軸、縦軸および１つのグラフに示した３種の結果については、図４と同じものを示す。

図６（ａ）は、２ｍｍ幅の配線２００についてのシミュレーション結果である。同様に、図６（ｂ）は、４ｍｍ幅の配線２００について、図５（ｃ）は、６ｍｍ幅の配線２００についてのシミュレーション結果である。

図６に示すように、ｙ方向の磁界分布は、原点を含むｘｚ平面に対して線対称であることがわかる。すなわち、ｙ方向の磁界成分は、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂを差動させることにより、低減させることができる。本実施形態の基板１０００のように、配線２００の中心線Ｌに対して対称に一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂを配置させることにより、ｙ方向の磁界成分は相殺させることができることがわかる。

本実施形態の電流センサー１では、配線２００に対する磁気検出素子２０ａおよび磁気検出素子２０ｂのそれぞれの相対距離が等しく、さらにｚ軸方向の位置が等しくなるように設定されている。そのため、上記シミュレーション結果から、磁気検出素子２０ａで検出される接線成分Ｍａと、磁気検出素子２０ｂで検出される接線成分Ｍｂとは、大きさが等しく、ｚ軸方向の成分の正負が異なる値（逆位相の値）となると予想できる。

さらに、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂが外乱磁界ＤＭの影響を受ける場合、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂは、外乱磁界ＤＭを互いに同位相のノイズ成分として検出する。電流センサー１では、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂを差動させることで、磁気検出素子２０ａ，２０ｂで検出する互いに逆位相の値であるｚ軸方向の成分を加算処理して増幅するとともに、外乱磁界ＤＭを減算処理してノイズを除去することが可能となる。
本実施形態の基板１０００は、以上のような構成となっている。

以上のような構成の基板１０００においては、測定対象である電流経路（配線２００）を切り離すことなく、精度良く電流値を測定可能な電流センサー１を有し、配線２００を流れる電流の電流値を精度良く測定可能な基板を提供することができる。

なお、本実施形態においては、基板１０００の配線２００の中心線に対して、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂが線対称に同じ高さ位置に配置されていることとしたが、これに限らない。配線２００に対する一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂの相対位置が既知であり、接線成分Ｍａ，Ｍｂからそれぞれのｚ成分を算出可能であれば、一対の磁気検出素子２０ａ，２０ｂの姿勢としては、本実施形態の姿勢からずれていても動作可能である。

また、本実施形態においては、電流センサー１および基板１０００において、素子基板１０は、表面（一方の面）１０ａがｙｚ平面の面方向と同方向となるように配置されていることとしたが、これに限らず、素子基板１０がｙ軸周りに傾斜した姿勢で配置されていてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態で説明した基板１０００においては、配線２００の＋ｚ方向上方に配置された電流センサー１を１個有することとしたが、これに限らず、複数の電流センサーを有する基板としてもよい。

例えば、２個の電流センサー１を有する基板では、２個の電流センサー１を、配線２００の＋ｚ方向上方であって図１の電流センサー１と同様な位置に配置する。この場合、２個の電流センサーを近接して配置し、２個の電流センサー１が有する２個の磁気検出素子２０ａと、２個の磁気検出素子２０ｂとをブリッジ結線してもよい。

１…電流センサー、１０…素子基板、１０ａ…表面（一方の面）、２０ａ，２０ｂ…磁気検出素子、３１〜３４…外部接続端子、１００…配線基板、２００…配線、１０００…基板、Ｄａ，Ｄｂ…感度方向、Ｌ…中心線

Claims (4)

1. 表面に配線が設けられた配線基板と、
   平面視で前記配線と重なり、前記配線から離間して前記配線の上方に配置された電流センサーと、を備え、
   前記電流センサーは、素子基板と、
   前記素子基板の両面のうち一方の面に設けられた一対の磁気検出素子と、
   前記一対の磁気検出素子と前記配線基板とを接続する外部接続端子と、を有し、
   前記素子基板は、前記一方の面の法線方向が前記配線の延在方向と同方向となるように配置され、
   前記一対の磁気検出素子は、感度方向が前記配線の法線方向と同方向に設定され、前記配線の幅方向に配列し、前記配線の端部と平面的に重なって配置している基板。
2. 前記一対の磁気検出素子は、前記配線からの高さ位置が等しい請求項１に記載の基板。
3. 前記一対の磁気検出素子は、平面視で前記配線の中心線に対して線対称に配置している請求項１または２に記載の基板。
4. 前記磁気検出素子が、磁気抵抗効果素子である請求項１から３のいずれか１項に記載の基板。

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