JP6152557B2

JP6152557B2 - フレキシブル電力センサー

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Publication number: JP6152557B2
Application number: JP2012262481A
Authority: JP
Inventors: 毅張; 伊藤　寿浩; 寿浩伊藤; 龍太郎前田; 原田　武; 武原田
Original assignee: MICROMACHINE CENTER; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: MICROMACHINE CENTER; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: JP2014109445A

Description

本発明は電流センサーに関し、特に、フレキシブル電力センサーに関する。

近年、急速に、店舗、工場、オフィスビル内でのエネルギーの利用と管理の向上のために、ワイヤレスセンサーネットワーク技術を用いた電力の消費量の監視に対する関心と試みが増加している。電力のワイヤレスリアルタイム監視は、エネルギー効率を向上させ、コストを減少させるだけでなく、ビジネスマネージメントの最適化、従ってより良い仕事と生活スタイルの確立を助ける。

変流器、ロゴスキー（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）コイル、線積分光電流センサーを含む、電流を測定する技法がいくつかある（特許文献１参照）。これらの技法において、変流器技法は次の利点を有する。
１）簡易な構造；
２）外部ノイズに対する高電磁波耐性；
３）可能な限り電源内蔵型、すなわち超低電力消費型。

変流器技法は、導体中を流れる電流の変化は磁束を誘導するという原理に依存している。そして磁束は、隣接した巻線の電流を誘導する。性能を増強するために、高磁気透過性のコアが一般的に使用され、磁気が増強される。よって、変流器は通常、高感度と使用のしやすさのために、クランプ型の形状に製造される。しかし、他の電流センサー技法と比較すると、変流器技法は、サイズがかさばり、よってコストがかかるという不利な点を有し、電力消費のワイヤレス監視の主要な適用には適していない。適用は、１つのシステム内の、数十の電力センサーに関している。よって、ＭＥＭＳ技法を用いた電流センサー開発により多くの感心が集まっている。例えば、磁気点センサーの、サブ計量システムへの利用が試みられている（特許文献２）。Ｃｈｅｎらは、最高３１μＶ／Ａの感度を有する、フレキシブルＰＥＴ基板内に２つの検出電極を結合した５０巻コイルの開発に成功した（非特許文献１）。しかし、１つのシステム内に必要な多くのワイヤレスセンサーノードのために、バッテリーの限られた使用時間とそれに伴うコストのために電源内蔵型のセンサー技術が推奨される。ＬｅｌａｎｄとＷｒｉｇｈｔは、その自由端側に磁石が取り付けられた、カンチレバーが取り付けられた圧電バイモルフを開発した（非特許文献２）。磁石は電力コードを取り巻く交流磁場に接続され、バイモルフを駆動し、電流測定または電力生成に使用される電圧を生成する。電磁的から力学的への、およびその逆のエネルギー変換に関して、効率は限界があり、それは予想されることが出来る。加えて、電流センサーに対してはエネルギー変換の高効率が要求されるため、電気製品のコードからのエネルギーのリークは制限される。変流器技法は、いまだ他の技法に対して抗し難い利点を有している。

変流器技法の電源内蔵技法に努力がなされているが、それは主に高電流／高電圧電力線に関している。主にアセンブリと回路に集中している。言い換えると、いまだにかさばり、高価である。主な障害は、かさばり固いコアの存在によって、クランプ構造が使用されていることである。かさばるコアは、高コストの原因であるだけでなく、時には取り付けが困難であり、なぜならば通常、電気分電箱内のスプリットコードを利用したいとするとき、電気製品のコード付近には限られたスペースしかないからである。よって、フレキシブルクランプ電流センサーが常に推奨される。特許文献３には、伝導ループと、ループを機械的に接続するヒンジを含む、フレキシブル誘導センサーが開示されている。ヒンジは、薄い金属膜がコーティングされた薄いポリイミド（ＰＩ）シートから作られている。高い出力信号を得るために、多くのコイルの巻き数が要求され、そのため開示された構造は、アライメントが必要なため、閉磁路を形成することは困難であろう。よって、出力信号／感度は制限されるであろう。

米国特許第７１６４２６３号明細書米国特許出願公開第２００８／００７９４３７号明細書米国特許第７４９８８０２号明細書

Y.C.Chen, W.H.Hsu, S.H.Cheng, and Y.T.Cheng, "A flexible, non-intrusive power sensor tag for the electricity monitoring of two-wire household appliances", in Proc. IEEE MEMS 2012, Paris, France, Jan 29-Feb 2, 2012 E.S.Leland, C.T.Sherman, P.Minor, R.M.White, and P.K.Wright, "A New MEMS Sensor for AC Electric Current", in Proc. IEEE Sensors Conf., Waikoloa, Hawaii, USA, Nov. 1-4, 2010, pp.1177-1182 D.H.Kim et al., "Stretchable and foldable silicon integrated circuits", Science 320, 507(2008), 1154367

図１に示すように、電気製品のコードにフレキシブル電流センサーを巻きつける方法は２通りある。図１（ａ）はフレキシブル電流センサーが互いに重ならないように巻きつけた場合、図１（ｂ）はフレキシブル電流センサーが互いに重なるように巻きつけた場合を示す図である。図１（ｂ）を用いて閉磁路が形成され、高感度が実現される。電磁場が変化することによる巻線内の誘導電場は、巻線の巻数に関係し、高感度のためには多くの巻線の巻数が必要である。電流センサーをコードに巻きつける理由は、コード周りに閉磁路を形成するためである。高磁気透過性コアが存在しているため、コイルの巻き数の多い巻線を折れ曲げる操作の間、深刻な局所的圧力および歪みが起きかねない。さらに悪いことに、変流器では最良と考えられている、ソレノイド構造を形成するために、電流センサー内で多くのスルーホール構造があることがある。磁場に対して連続的な経路を形成するためには、高磁気透過性コアは配線によって取り囲まれていなければならず、これによってソレノイド構造が実現される。従って、スルーホール構造は配線に必要である。しかし、スルーホール構造は、通常、フレキシブル回路では、曲げられる領域では避けられる。曲げ半径に対するフレキシブル回路の伸び（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）は、次の式を用いて算出される：

Ｒは曲げ半径であり、ｔはフレキシブル回路の厚さである。このことは、フレキシブル回路をコードに巻きつけるには、曲げ半径と共に、フレキシブル回路の厚さを減少させなければならないことを示している。回路層の厚さが１５０μｍ、コードの半径が約２ｍｍのとき、最大伸びは４パーセントに達すると計算される。高出力信号を得るためには、電流センサーは曲げることが出来る場合に、出来るだけ薄くなるであろう。フレキシブル電流センサーの最大厚さは１５０μｍの数倍（〜２ｍｍ）であろう。局所的な圧力と歪を止めることが出来ない限り、巻線は不具合を被り、スルーホールの周囲ではさらに大きな圧力と歪があるであろう。ＭＥＭＳデバイスおよびその応用に対するフレキシブル接続の開発に、多くの努力がなされている。通常、転写印刷プロセスは、硬いＳｉウエハからフレキシブルな高分子基板へ、準備された接続とマイクロ構造を転写することに適応される。例えば、伸縮自在の構造は、局所的な圧力と歪を調整するために適応される（非特許文献３）。しかし、報告された技法は、（１）超薄型構造（１．７μｍほどの厚さ）、（２）大きい曲率半径（１２．９ｍｍ）に分類される。数百μｍの厚みで、数ｍｍの曲率半径での報告や試みはない。

次のような試みがある：高感度を得るために、多数のコイル、スルーホールおよびソレノイドインダクタが要求される。しかし、折り曲げ操作のために、局所的な圧力と歪によって電気的接続は破壊される。よって、フレキシブルクランプ電力センサーを実現するために、新しい構造又は方法が開発されるべきである。言い換えれば、スルーホールが曲げ領域に存在するように、新たな構造が開発されるべきであり、さもなければソレノイド構造は形成されない。

このような目的を達成するために、本発明における請求項１記載の発明は、フレキシブル電流センサーであって、フレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の上に、銅からなる第１の層と高分子材料から作製される第２の層とが順に形成された底部層と、前記底部層の上に接合された高分子材料によって取り囲まれた磁気透過性のコアと、前記コアの上に接合された最上層であって、高分子材料から作製される第３の層と銅からなる第４の層とが順に形成され、鉛直方向に波構造を有している最上層とを備え、前記第１の層および前記第４の層とは、前記コアの長手方向とは垂直に帯状にパターニングされ、前記第１の層のパターンの一端と前記第４の層のパターンの一端とが、前記第２の層、前記コアを取り囲む高分子材料および前記第３の層を貫通する複数のスルーホールにより電気的に接続され、前記コアの周囲を取り巻く巻線が形成されて、フレキシブルコイルを成すことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明であって、前記波構造の波の高さは、前記最上層の厚さより小さいことを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明であって、前記第２の層および前記第３の層はポリイミドから作製されることを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明であって、前記第１の層のパターンは、前記第１の層の鉛直方向に波構造を形成している事を特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、フレキシブル電流センサーを作製する方法であって、高分子材料から作製される第３の層の鉛直方向に波構造を形成するステップと、高分子材料によって取り囲まれた磁気透過性のコアを、銅からなる第１の層と高分子材料から作製される第２の層とが順に形成された底部層の前記第２の層と、前記第３の層とにより挟んで接合するステップと、前記第２の層、前記コアを取り囲む高分子材料および前記第３の層を貫通する複数のスルーホールを形成するステップと、前記第３の層の上に、銅からなる第４の層を形成するステップとを備え、前記第１の層および前記第４の層とは、前記コアの長手方向とは垂直に帯状にパターニングされており、前記第１の層のパターンの一端と前記第４の層のパターンの一端とが、前記スルーホールにより電気的に接続され、前記コアの周囲を取り巻く巻線が形成されて、フレキシブルコイルを成すことを特徴とする。

電気製品のコードにフレキシブル電流センサーを巻きつける方法を示した図であり、（ａ）はフレキシブル電流センサーが互いに重ならないように巻きつけた場合、（ｂ）はフレキシブル電流センサーが互いに重なるように巻きつけた場合を示す図である。本発明のフレキシブル電流センサーの概略図であり、（ａ）はフレキシブル変流器センサーを電気製品のコードに巻きつけた様子を示す図、（ｂ）はフレキシブル変流器センサーの概略図、２（ｃ）はフレキシブル電流センサー上に集積されたアンテナおよび他のマイクロ電子部品の拡大図である。本発明のフレキシブル電流センサーのフレキシブルコイルおよびコアの概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。本発明の波構造の一例であり、（ａ）はヒンジ型、（ｂ）は波型の波構造を示す図である。本発明のフレキシブル電流センサーの製作プロセスの模式図である。

容易な利用と低コストを目的として、本願は、図２に示すような、電気製品のコードに直接巻きつけられる、新しいフレキシブルタイプの電流センサーを開示する。図２（ａ）はフレキシブル電流センサーを電気製品のコードに巻きつけた様子を、図２（ｂ）はフレキシブル電流センサーの概略図を、図２（ｃ）はフレキシブル電流センサー上に集積されたアンテナ７および他のマイクロ電子部品の拡大図を示している。フレキシブル電流センサーは、ポリイミドおよび他の高分子材料などから作製されたフレキシブル基板４と、フレキシブル基板４上の、薄いシートタイプの磁気透過性のコア５と、フレキシブルコイル６とから作られる。アンテナおよび他のマイクロ電子部品は、すべてのノードがコンパクトで薄いために、容易に同じ基板上に集積されることが出来る。フレキシブルコイルの誘導電圧を測定し、導線１の電流３を算出することが出来る。

図３は、本発明によるフレキシブル電流センサーの典型的な構造を示している。図３（ａ）はフレキシブル電流センサーのフレキシブルコイルおよびコアの斜視図であり、理解を促すためにその一部が切り取られた図である。図３（ｂ）はフレキシブル電流センサーのフレキシブルコイルおよびコアの断面図である。本発明によるフレキシブル電流センサーのフレキシブルコイルおよびコアは３つの層からなる：最上層、底部層、およびコア層である。以下に、最上層、底部層、およびコア層の詳細を述べる。

＜コア層＞
コア層は、高分子材料８によって取り囲まれた磁気コアシート９からなる。図２のコア５に対応する。磁気コアは、純鉄、パーマロイおよびほかの高透磁性磁気材料であってよい。磁気コアは、例えばシート形状といった、所望の寸法と形状に製造される。それに応じて、高分子シートは機械加工され、スルーホールまたは止まり穴に製造された磁気コアが挿入されることが出来るように形成される。優秀な機械的性質と、熱安定性のため、ポリイミドシートが推奨される。もちろん、他の高分子材料も使用できる。ＰＩシートは５０〜２０００μｍ厚さである。したがって、コア層の厚さは１０〜２０００μｍの範囲内にある。

＜最上層＞
最上層は、高分子材料から作製される層１０と、銅の層１１とから成る。高分子材料から作製される層は、ポリイミド（ＰＩ）シートが推奨される。ＰＩシート層９がコア層に接合される。ＰＩシートにおいて、波構造が製造される。波構造は、領域全体ではなく、局所的に形成される（図３（ａ）参照）。波構造はフォトリソグラフィーおよびインプリント技法によって形成されることが出来る。ここでは、例えば、熱インプリント技法が使用され、インプリント温度は２８０℃である。低い圧迫力が必要なため、インプリントモールドはＳｉで作られる。もちろん、ニッケルや、ガラスおよび金属を含むほかの材料も使用できる。ＵＶ感光ＰＩ材料を含むＵＶ感光高分子材料を使用したＵＶインプリント技法も利用できる。図４は２５μｍ厚の薄いＰＩシートに形成された波構造の例示の構造を示す。厚いＰＩシートを使用することも出来る。局所的な波構造の前処理のために、エッチングおよびほかのマイクロパターニング法を利用することが出来る。ここで、波構造は２つの特性を有する：（１）局所性（２）多方向性である。波の領域は、巻き線コイルの寸法から見積もられる。「局所性」という用語は、波構造は「内側（ｉｎｓｉｄｅ）」であることも示している。「内側」とは、最上層の内側に波構造が位置している状態を指す。最上層の内側に波構造が位置していなければ、あとのプロセスが困難になるであろう。波構造のトータルの高さは、波構造を形成する前の最上層の高さと同じか、低い。電流センサーが図１の配置（ａ）だけでなく配置（ｂ）にも曲げられるように、多方向性である。ＰＩシート層１０が波構造を形成しているため、銅の層１１も波構造を形成している。

＜底部層＞
底部層は、高分子材料から作製される層１２と、銅の層１３とから成る。高分子材料から作製される層は、ポリイミド（ＰＩ）シートが推奨される。ＰＩシート層１２がコア層に接合される。全厚さが１４０μmであるため、図３は、波構造がないことを示している。しかし、薄いセンサーでも、小さな曲げ半径でも、波構造は底部層として適用できる。波構造は「局所的」であるため、底部層作製以降の製作工程が底部層を波構造としたことの影響を受けない。

＜フレキシブルコイル＞
コア層を底部層および最上層で挟み、フレキシブルコイルを形成している。図３（ａ）に示すように、フレキシブルコイルの両端に、一定間隔でスルーホールもしくは止まり穴１４が複数形成されており、スルーホールもしくは止まり穴は銅で埋められている。対抗するスルーホールもしくは止まり穴の内部の銅を互いに電気的に接続するように、底部層の銅の層は帯状にパターニングされている。最上層の、波構造を形成しているＰＩシート層および銅の層は、スルーホールもしくは止まり穴の１つずれて対向するホールの内部の銅を互いに電気的に接続するように、パターニングされている。スルーホールもしくは止まり穴１４の内部の銅、底部層の銅の層１３、および最上層の銅の層１１によって、巻線が形成されている。

図５は上述の構造の製作プロセスの模式図を示している。最上層となるＰＩシート１５は、片側もしくは両側からインプリントされ、局所化された波構造が形成される（図５（ａ））。形成される波構造のパラメータは、曲げ操作の予想される歪から見積もられる。波構造を形成する主な目的がスルーホール構造の付近で発生する余剰の圧力および歪を除去することであるから、波構造は、小さい領域に限定される。波構造はヒンジの形状をとることもできる（図４参照）。次に、コア層、最上層、および底部上の３つの層は、熱加圧成形または接着剤の補助によって互いに接合される（図５（ｂ））。このとき、底部層はＰＩ／Ｃｕ層でも、ＰＩ層でもよい。図５はＰＩ／Ｃｕ底部層の場合を示している。次に、止まり穴またはスルーホール２１はレーザー又はメカニカル加工（ドリルおよびパンチ）を使用することによって用意されたシートに作製される（図５（ｃ））。止まり穴は、ＰＩ／Ｃｕ底部層の場合にレーザー技術を用いて作製される。スルーホールは、ＰＩ底部層の場合に作製される。図５（ｃ）はＰＩ／Ｃｕ底部層の場合を示しており、止まり穴はＰＩ層まで形成される。次に、底部層がＰＩシートのみの場合、銅の薄いシートが底部に直接接合される（図示せず）。次に、止まり穴またはスルーホールは電気めっき法を用いて銅２２で埋められる（図５（ｄ））。このとき、次の２つの形成が可能である：（１）止まり穴またはスルーホールを１００％銅で埋める；（２）止まり穴またはスルーホールの側壁を胴で覆うのみ。後者は止まり穴またはスルーホールの大きな穴に対しては望ましい。次に底部の銅の層はリソグラフィー法によってパターニングされる。通常プロセスに対し接触式アライナが使用される。形状が大きい場合は、投影露光装置技法も推奨される。次にスパッタリングまたは他の適した薄膜技術によって上面がシード層によって覆われ、電気めっきされた銅が準備される。低い抵抗に対しては、厚い銅が必要である。次にリソグラフィー法によって最上層の上に銅の層２３がパターニングされる。よって巻線が形成された。

１電線
２フレキシブルチップ
３電流
４フレキシブル基板
５コア
６フレキシブルコイル
７アンテナ
８、１８高分子材料
９、１７磁気コア
１０、１２、１９高分子材料から作製される層
１１、１３、２０、２３銅の層
１４、２１スルーホールもしくは止まり穴
１５ＰＩシート
１６Ｓｉモールド
２２銅

Claims

フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の上に、銅からなる第１の層と高分子材料から作製される第２の層とが順に形成された底部層と、
前記底部層の上に接合された高分子材料によって取り囲まれた磁気透過性のコアと、
前記コアの上に接合された最上層であって、高分子材料から作製される第３の層と銅からなる第４の層とが順に形成され、鉛直方向に波構造を有している最上層とを備え、
前記第１の層および前記第４の層とは、前記コアの長手方向とは垂直に帯状にパターニングされ、前記第１の層のパターンの一端と前記第４の層のパターンの一端とが、前記第２の層、前記コアを取り囲む高分子材料および前記第３の層を貫通する複数のスルーホールにより電気的に接続され、前記コアの周囲を取り巻く巻線が形成されて、フレキシブルコイルを成すことを特徴とするフレキシブル電流センサー。
前記波構造の波の高さは、前記最上層の厚さより小さいことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル電流センサー。
前記第２の層および前記第３の層はポリイミドから作製されることを特徴とする請求項１または２に記載のフレキシブル電流センサー。
前記第１の層のパターンは、前記第１の層の鉛直方向に波構造を形成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフレキシブル電流センサー。
高分子材料から作製される第３の層の鉛直方向に波構造を形成するステップと、
高分子材料によって取り囲まれた磁気透過性のコアを、銅からなる第１の層と高分子材料から作製される第２の層とが順に形成された底部層の前記第２の層と、前記第３の層とにより挟んで接合するステップと、
前記第２の層、前記コアを取り囲む高分子材料および前記第３の層を貫通する複数のスルーホールを形成するステップと、
前記第３の層の上に、銅からなる第４の層を形成するステップとを備え、
前記第１の層および前記第４の層とは、前記コアの長手方向とは垂直に帯状にパターニングされており、前記第１の層のパターンの一端と前記第４の層のパターンの一端とが、前記スルーホールにより電気的に接続され、前記コアの周囲を取り巻く巻線が形成されて、フレキシブルコイルを成すことを特徴とするフレキシブル電流センサーを作製する方法。