JP2020085860A - 電流検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】シールド層を設けた構造であっても、ホール素子により検出される磁界を高めることができる電流検出装置を提供する。【解決手段】実施形態の電流検出装置は、コイルパターンと、磁界検出素子と、シールド層とを備える。コイルパターンは、円弧形状の平面コイルと、円弧形状の平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部とによって構成される。磁界検出素子は、平面コイルの平面に対して直交する方向においてコイルパターンから離間して配置され、コイルパターンが発生する第1の方向の磁界を受けるように配設されている。シールド層は、コイルパターンと磁界検出素子との間に設けられ、スリット部を備える。【選択図】図1

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。電流検出装置を高性能かつ安定的に動作させるために、コイルとホール素子との間にシールド層(シールドシート)を設ける構造は一般的に知られている。
シールド層を設けた構造の場合、シールド層上に渦電流が発生し、コイルから発生した磁界とは逆方向の磁界が発生する。そのため、コイルから発生した有効な磁界が、渦電流により発生した逆方向の磁界によって打ち消されるため、ホール素子で検出される磁界が不足となり、ホール素子の駆動回路からの出力電圧が低くなってしまう。そのため、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、シールド層を設けた構造であっても、ホール素子により検出される磁界を高め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、コイルパターンと、磁界検出素子と、シールド層とを備える。コイルパターンは、円弧形状の平面コイルと、円弧形状の平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部とによって構成される。磁界検出素子は、平面コイルの平面に対して直交する方向においてコイルパターンから離間して配置され、コイルパターンが発生する第1の方向の磁界を受けるように配設されている。シールド層は、コイルパターンと磁界検出素子との間に設けられ、スリット部を備える。
本実施形態に係る電流検出装置の全体構成図である。 本実施形態に係る電流検出装置の側面図である。 コイルパターンとシールド層の配置を説明するための正面図である。 シールド層に発生する渦電流の一例を説明するための図である。 2つのコイルパターン16a、16b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。 スリット部の他の構成を説明するための図である。 スリット部の他の構成を説明するための図である。 2つのコイルパターン16a、16b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。
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
まず、図1及び図2に基づき、本実施形態に係る電流検出装置の構成を説明する。
図1は、本実施形態に係る電流検出装置の全体構成図である。図2は、本実施形態に係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、積層することによって形成された1枚の基板11により構成されている。本実施形態の電流検出装置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等に用いられる。
なお、本実施形態では、積層することで1枚の基板11である電流検出装置1を形成するが、例えば、2枚の基板あるいは3枚以上の基板を貼り合わせることで本実施形態の電流検出装置1を形成するようにしてもよい。
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。なお、基板11の形状は、矩形の形状に限定されることなく、例えば円形の形状等、他の形状であってもよい。
面11a上には、後述するホール素子19で検出された電圧信号を増幅する増幅回路12と、ホール素子19を駆動する駆動回路13とが配設されている。
また、面11a上には、2つの配線L1を接続するためのパッド14a及び14bと、パッド14a及び14bから延出する配線パターン15a及び15bと、円弧形状の平面コイル及び平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部を有するコイルパターン16aとが形成されている。
コイルパターン16aは、一端部16a1と、他端部16a2を有し、一端部16a1が配線パターン15aに接続されている。これにより、配線L1から入力された電流Iがコイルパターン16aの一端部16a1から他端部16a2に流れる。
また、面11bには、円弧形状の平面コイル及び平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部を有するコイルパターン16bが形成されている。コイルパターン16bは、一端部16b1と、他端部16b2とを有する。コイルパターン16bの一端部16b1は、コイルパターン16aの他端部16a2に電気的に接続される。また、コイルパターン16bの他端部16b2は、配線パターン15bに電気的に接続されている。
具体的には、コイルパターン16bの一端部16b1は、複数の配線パターン20及び複数のコンタクトホール(すなわちビアホール)内に配設された複数の導体21を介して、コイルパターン16aの他端部16a2に電気的に接続されている。また、コイルパターン16bの他端部16b2は、複数の配線パターン22及び複数のコンタクトホール内に配設された複数の導体23を介して、配線パターン15bに電気的に接続されている。
これにより、コイルパターン16aの他端部16a2から入力された電流Iが、コイルパターン16bの一端部16b1から他端部16b2に流れる。その結果、コイルパターン16aにより発生する磁界の方向と、コイルパターン16bにより発生する磁界の方向は、同じとなる。以下の説明では、コイルパターン16a及び16bにより発生する磁界の方向を第1の方向と呼ぶ。
コイルパターン16aとホール素子19との間には、ホール素子19或いはホール素子19の駆動回路への電磁ノイズが入ることを遮蔽するためのシールド層17aが設けられている。同様に、コイルパターン16bとホール素子19との間には、ホール素子19或いはホール素子19の駆動回路への電磁ノイズが入ることを遮蔽するためのシールド層17bが設けられている。シールド層17a及び17bは、銅、アルミニウムなどの導電材料のシート部材である。
シールド層17a及び17bは、それぞれスリット部18a及び18bを備える。シールド17a及び17bには、コイルパターン16a及び16bによって第1の方向の磁界が発生した場合に渦電流が発生する。シールド層17a及び17bに発生した渦電流によって、第1の方向の磁界とは逆向きの第2の方向の磁界が発生する。シールド層17a及び17bに設けられたスリット部18a及び18bは、渦電流によって発生する第2の方向の磁界を小さくするための機能を有している。
基板11内には、磁気センサとしてのホール素子19が配設されている。ホール素子19は、2つのコイルパターン16aと16bの間に位置するように配置される。より具体的には、ホール素子19は、シールド層17aと17bの間に位置するように配置される。磁界検出素子であるホール素子19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16aと16bの各々は、円弧形状の平面コイル及び平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部を有している。ホール素子19は、2つのコイルパターン16aと16b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16a、16bから離間して配置され、2つのコイルパターン16aと16bに電流が流れたときに各コイルパターン16a、16bが形成する磁界を受けるように配設されている。
より具体的には、コイルパターン16aが発生する磁束の中心軸と、コイルパターン16bが発生する磁束の中心軸が同一軸上に位置し、ホール素子19は、コイルパターン16a、16bの間であって、上記同一軸上に配設されている。
ホール素子19の出力信号(電圧信号)は、基板11上及び基板11内に設けられた複数の配線パターン及び複数のコンタクトホール内に配設された複数の導体を介して、基板11上に配置された増幅回路12に入力され、増幅される。ホール素子19は、コイルパターン16a、16bに入力された電流Iによって発生した磁束を検知することで電圧信号を出力するが、電圧の振幅が小さい。そのため、増幅回路12によって電圧を増幅することで、コイルパターン16a、16bに入力された電流Iを観測することになる。
(コイルパターン及びシールド層の構成)
図3は、コイルパターンとシールド層の構成を説明するための正面図である。なお、図3では、コイルパターン16a及びシールド層17aの構成について説明するが、コイルパターン16b及びシールド層17bの構成は、それぞれコイルパターン16a及びシールド層17aの構成と同様である。
図3に示すように、コイルパターン16aは、中心に孔を有する円弧形状の平面コイル16a3と、円弧形状の平面コイル16a3の端部から延出する互いに平行な直線部16a4とによって構成されている。
シールド層17aは、渦電流によって発生する第2の方向の磁界を小さくするためのスリット部18aを備える。スリット部18aは、コイルパターン16aを平面視したときに円弧形状の平面コイル16a3の中心の孔を含むように(貫通するように)設けられた矩形の形状の開口部18a1と、開口部18a1から延出する少なくとも2つ以上のスリット18a2とを有して構成されている。少なくとも2つ以上のスリット18a2は、矩形の形状の開口部18a1の上下方向に対して対称に延出している。
図4は、シールド層に発生する渦電流の一例を説明するための図である。
シールド層17aに発生した渦電流は、スリット部18aの2つのスリット18a2の間に流れ込み、開口部18a1の縁によって反射する。このとき、2つのスリット18a2に流れ込む渦電流と、2つのスリット18a2の間から流れ出る渦電流とが打ち消し合うため、渦電流によって発生する第2の方向の磁界が小さくなる。特に、2つのスリット18a2に流れ込む渦電流と、2つのスリット18a2の間から流れ出る渦電流とが平行となるため、打ち消し効果が大きくなる。
本実施形態では、スリット部18aの各スリット18a2の形状は、矩形の形状となっている。この場合、2つのスリット18a2の間に流れ込む渦電流の方向と、2つのスリット18a2の間から流れ出る渦電流の方向とが完全な逆方向(180°)になるため、打ち消し効果が最も大きくなる。
なお、スリット部18aの各スリット18a2の形状は、矩形の形状に限定されることなく、他の形状であってもよい。この場合、2つのスリット18a2の間に流れ込む渦電流の方向と、2つのスリット18a2の間から流れ出る渦電流の方向とが完全な逆方向(180°)にならないこともあるが、流れ込む渦電流と流れ出る渦電流とを打ち消す効果は十分にある。
渦電流により発生する第2の方向の磁界は、コイルパターン16aによって発生する第1の方向の磁界とは逆向きである。そのため、ホール素子19によって検出するコイルパターン16aによって発生する第1の方向の磁界が、渦電流により発生する第2の方向の磁界によって打ち消され、小さくなってしまう。
本実施形態では、シールド層17aに設けられたスリット部18aによって、渦電流により発生する第2の方向の磁界を小さくすることができる。そのため、コイルパターン16aによって発生する第1の方向の磁界と、渦電流によって発生する、コイルパターン16aによって発生する第1の方向の磁界とは逆向きの第2の方向の磁界との打ち消し効果が小さくなる。この結果、電流検出装置1は、ホール素子19によって検知できる磁界を高めることができる。
同様に、シールド層17bのスリット部18bにおいても、渦電流により発生する第2の方向の磁界を小さくすることができる。これにより、コイルパターン16bによって発生する第1の方向の磁界と、渦電流によって発生する第2の方向の磁界との打ち消し効果が小さくなり、ホール素子19によって検知できる磁界を高めることができる。
図5は、2つのコイルパターン16a、16b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5には、シールド層17a、17bの材料と、スリット部18a、18bの有無とに応じた磁束密度の変化が示されている。
折れ線31は、シールド層17a、17bの材料がアルミニウムであり、スリット部18a、18bがある場合の磁束密度の変化を示している。また、折れ線32は、シールド層17a、17bの材料が銅であり、スリット部18a、18bがある場合の磁束密度の変化を示している。
一方、折れ線33は、シールド層17a、17bの材料がアルミニウムであり、スリット部18a、18bがない場合の磁束密度の変化を示している。また、折れ線34は、シールド層17a、17bの材料が銅であり、スリット部18a、18bがない場合の磁束密度の変化を示している。
図5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16a、16bにより生じる磁束密度は、シールド層17a、17bの材料、スリット部18a、18bの有無によって変化はない。
しかし、検出する電流の周波数が高くなると、2つのコイルパターン16a、16bにより生じる磁束密度は、スリット部18a、18bがある場合とない場合とで大きく違っている。例えば、周波数が1M(1.E+06)Hz以上の場合、スリット部18a、18bがある場合と、スリット部18a、18bがない場合とで磁束密度が大きく違っている。
具体的には、シールド層17a、17bの材料がアルミニウムであり、スリット部18a、18bがある場合(折れ線31)、シールド層17a、17bの材料がアルミニウムであり、スリット部18a、18bがない場合(折れ線33)に比べて、磁束密度が2倍以上大きくなっている。
このように、ノイズ低減用のシールド層17a、17bにスリット部18a、18bを設けることで、渦電流によって発生する第2の方向の磁界を低減させることができる。渦電流によって発生する第2の方向の磁界は、平面コイル16a3によって発生する第1の方向の磁界とは逆向きとなっている。
また、渦電流によって発生する第2の方向の磁界は、平面コイル16a3によって発生する第1の方向の磁界を弱めるものである。本実施形態では、渦電流によって発生する第2の方向の磁界を小さくすることができるため、第1の方向の磁界を打ち消す効果を小さくなり、ホール素子19によって高い磁界を検知することができる。
従って、上述した実施形態の電流検出装置によれば、ホール素子により検出される磁界を高めることができる。
本実施形態のシールド層17a、17bの役割は、ホール素子19或いはホール素子19の駆動回路への電磁ノイズが入ることを遮蔽するためのものであるため、シールド層17a、17bを電流検出装置1から完全に取り除く、或いは、ホール素子19の近辺のシールド層17a、17bに大きな開口を設けることができない。しかし、コイルパターン16aとホール素子19との間、及び、コイルパターン16bとホール素子19との間にシールド層17a、17bを設けると、ホール素子19によって検出される磁束が低減してしまう。
これに対して、本実施形態の電流検出装置1は、シールド層17a、17bに上述したスリット部18a、18bを設けることで、ホール素子19或いはホール素子19の駆動回路への電磁ノイズが入ることを遮蔽することができるとともに、図5に示すように、ホール素子19によって検出される磁束を高くすることができる。すなわち、本実施形態の電流検出装置1は、ホール素子19或いはホール素子19の駆動回路へ入る電磁ノイズを低減させること、及び、ホール素子19によって検出される磁束を増大させるという効果を両立させることができる。
なお、2つのコイルパターン16a、16bは、それぞれ中心に孔を有する円弧形状の平面コイルと、円弧形状の平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部とによって構成されているが、2つのコイルパターン16a、16bの形状はこれらの形状に限定されるものではない。例えば、2つのコイルパターン16a、16bの円弧形状の平面コイルは、複数の巻き数を有する渦巻き形状の平面コイルであってもよい。また、2つのコイルパターン16a、16bの円弧形状の平面コイルは、四角形状の平面コイルまたは三角形状の平面コイルであってもよい。さらにまた、2つのコイルパターン16a、16bの円弧形状の平面コイルの端部から延出する直線部は、互いに平行となっているが、これに限定されることなく、互いに平行になっていなくてもよい。
また、上述した実施形態では、2つのコイルパターン16a、16bがホール素子19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。さらに、上述した実施形態では、2つのシールド層17a、17bがホール素子19を挟むように設けられているが、シールド層は、1つでもよい。例えば、1つのコイルパターン及び1つのシールド層が電流検出装置1に設けられている場合、1つのコイルパターンとホール素子19との間に、1つのシールド層を配置すればよい。
(変形例1)
なお、上述した実施形態では、スリット部18aは、矩形の形状の開口部18a1と、開口部18a1の上下方向に対して対称に延出する少なくとも2つ以上のスリット18a2とを有して構成されているが、これに限定されることなく、スリット部18aは、図6及び図7に示す構成であってもよい。
図6は、スリット部の他の構成を説明するための図である。図6に示すシールド層41は、上述した実施形態と同様に、渦電流によって発生する第2の方向の磁界を小さくするためのスリット部42を備える。
スリット部42は、コイルパターン16aを平面視したときに円弧形状の平面コイル16a3の中心の孔を含むように(貫通するように)設けられた円形の形状の開口部43と、少なくとも2つ以上のスリット44とを有して構成されている。さらに、スリット部42は、少なくとも2つ以上のスリット44のうち、隣り合うスリット44の一端部または他端部を連結する連結部45を有して構成されている。
図7は、スリット部の他の構成を説明するための図である。なお、図7において、図6と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。図7に示すシールド層41aは、上述した実施形態と同様に、渦電流によって発生する第2の方向の磁界を小さくするためのスリット部42aを備える。スリット部42aは、少なくとも2つ以上のスリット44のうち、隣り合うスリット44を所定の位置で連結する連結部45aを有して構成されている。
(変形例2)
上述した実施形態の図5では、シールド層17a、17bの材料と、スリット部18a、18bの有無とに応じた磁束密度の変化について説明したが、変形例2では、シールド層17a、17bの厚みと、スリット部18a、18bの有無とに応じた磁束密度の変化について説明する。
図8は、2つのコイルパターン16a、16b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8には、シールド層17a、17bの厚みと、スリット部18a、18bの有無とに応じた磁束密度の変化が示されている。なお、シールド層17a、17bの材料はアルミニウムである。
折れ線51は、シールド層17a、17bの厚みが5umであり、スリット部18a、18bがある場合の磁束密度の変化を示している。また、折れ線52は、シールド層17a、17bの厚みが11umであり、スリット部18a、18bがある場合の磁束密度の変化を示している。
一方、折れ線53は、シールド層17a、17bの厚みが5umであり、スリット部18a、18bがない場合の磁束密度の変化を示している。また、折れ線54は、シールド層17a、17bの厚みが11umであり、スリット部18a、18bがない場合の磁束密度の変化を示している。
図8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16a、16bにより生じる磁束密度は、シールド層17a、17bの厚み、スリット部18a、18bの有無によって変化はない。
しかし、検出する電流の周波数が高くなると、2つのコイルパターン16a、16bにより生じる磁束密度は、スリット部18a、18bがある場合とない場合とで大きく違っている。例えば、周波数が1M(1.E+06)Hz以上の場合、スリット部18a、18bがある場合と、スリット部18a、18bがない場合とで磁束密度が大きく違っている。
さらに、スリット部18a、18bがない場合、シールド層17a、17bの厚みによっても、磁束密度が大きく違っている。すなわち、図8の折れ線53、54に示すように、シールド層17a、17bの厚みが厚くなるに従い、2つのコイルパターン16a、16bにより生じる磁束密度が大きく低下する。
一方、スリット部18a、18bがある場合、シールド層17a、17bの厚みによる磁束密度への依存性は低い。すなわち、図8の折れ線51、52に示すように、シールド層17a、17bの厚みが厚くなった場合でも、2つのコイルパターン16a、16bにより生じる磁束密度が大きく低下していない。
このように、シールド層17a、17bにスリット部18a、18bを設けることで、シールド層17a、17bの厚みに依存することなく、ホール素子19によって高い磁界を検知することができる。
発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、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。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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、12…増幅回路、13…検出回路、14a,14b…パッド、15a,15b…配線パターン、16a,16b…コイルパターン、16a1…一端部、16a2…他端部、16a3…平面コイル、16a4…部材、17a,17b…シールド層、18a、18b…スリット部、18a1…開口部、18a2…スリット、19…ホール素子、20,22…配線パターン、21,23…導体、31〜34…折れ線。

Claims (7)

  1. 円弧形状の平面コイルと、前記円弧形状の平面コイルの端部から延出する互いに平行な直線部とによって構成されるコイルパターンと、
    前記平面コイルの平面に対して直交する方向において前記コイルパターンから離間して配置され、前記コイルパターンが発生する第1の方向の磁界を受けるように配設された磁界検出素子と、
    前記コイルパターンと前記磁界検出素子との間に設けられ、スリット部を備えたシールド層と、
    を有することを特徴とする電流検出装置。
  2. 前記スリット部は、前記コイルパターンを平面視したときに、前記平面コイルの中心に設けられた孔を含む開口部と、前記開口部から延出する少なくとも2つ以上のスリットとを有することを特徴とする請求項1に記載の電流検出装置。
  3. 前記スリット部は、前記少なくとも2つ以上のスリットのうち、隣り合うスリットの一端部または他端部を連結する連結部を有することを特徴とする請求項2に記載の電流検出装置。
  4. 前記スリット部は、前記前記少なくとも2つ以上のスリットのうち、隣り合うスリットを所定の位置で連結する連結部を有することを特徴とする請求項2に記載の電流検出装置。
  5. 前記コイルパターンは、第1及び第2のコイルパターンを含み、
    前記第1のコイルパターンが発生する磁束の中心軸と、前記第2のコイルパターンが発生する磁束の中心軸は、同一軸上に位置し、
    前記磁界検出素子は、前記第1及び第2のコイルパターンの間であって、前記同一軸上に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の電流検出装置。
  6. 前記シールド層は、前記磁界検出素子或いは前記磁界検出素子の駆動回路へ入る電磁ノイズを遮蔽することを特徴とする請求項1に記載の電流検出装置。
  7. 前記磁界検出素子により検出された電圧信号を増幅する増幅回路と、
    前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、を有することを特徴とする請求項1に記載の電流検出装置。
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