JP6415148B2 - 電流センサ - Google Patents

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Description

本発明は、磁電変換素子を有する電流センサに関する。
電流センサは、例えば磁電変換素子を有し、導体に流れる電流によって発生する磁場に比例する大きさの信号を出力することが知られている。例えば特許文献１では、基板と、基板に設けられた磁場変換器、すなわち磁電変換素子と、電流導体とを備え、磁電変換素子が、電流導体に流れる電流を検出する電流センサが開示されている。
国際公開第２００６／１３０３９３号パンフレット
しかしながら、特許文献１の電流センサでは、磁電変換素子を有する基板が絶縁体を介してリードフレーム上に配置されているものの、基板とリードフレームとの間のクリアランスが小さくなるため、絶縁耐性の低下が懸念される（特許文献１の図１）。
また、特許文献１の別の電流センサでは、電流導体部を有する導電性留め具の一端が固定されて、導電性留め具の他端に有する電流導体部と磁電変換素子との間のクリアランスが決まる（特許文献１の図７）。しかしながら、導電性留め具の一端のみが固定される状況下では、電流導体部の高さにばらつきが生じ、電流導体部と磁電変換素子との間のクリアランスが、そのばらつきの影響を受けやすくなる。したがって、絶縁耐性が低下するおそれがあった。
本発明は、このような状況下に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁耐性の優れた電流センサを提供することにある。
上記の課題を解決するための電流センサは、ギャップを有し、被計測電流が流れる導体と、平面視で前記導体と電気的に絶縁するための間隙を有する、信号処理ＩＣを支持するための支持部と、前記信号処理ＩＣと電気的に接続可能に構成されるとともに、前記導体に流れる電流から生じる磁界を検出するように前記導体の前記ギャップに配置された磁電変換素子と、前記磁電変換素子を支持する絶縁部材とを備え、前記絶縁部材は、前記支持部の前記信号処理ＩＣが配置される面とは反対側の面に接触するように配置されており、前記導体は、前記絶縁部材と接触しないように配置されている。
本発明によれば、優れた絶縁耐性を有する電流センサを提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る電流センサの一例を示す上面図である。 図１の電流センサの側面図である。 信号処理ＩＣの内部の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電流センサの一例を示す側面図である。 一般的な樹脂ペーストを用いて磁電変換素子が絶縁部材上に固着される場合の固着状態の一例を説明するための図である。
＜第１実施形態＞
以下、本発明の電流センサの一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。実施形態に係る電流センサ１は、例えばホール素子等の磁電変換素子を有し、電流によって生じる磁束密度に基づいて電流を検出するセンサである。
図１は、第１実施形態に係る電流センサ１の構成例を示す上面図である。図１に示すように、この電流センサ１は、例えば１２本のリード端子１２ａ，１２ｂを有する被計測電流を流すための導体１０と、信号処理ＩＣ２０と、信号処理ＩＣ２０を支持するための支持部３０と、例えば１２本のリード端子４１を有する信号端子部４２とを備える。なお、リード端子１２ａ，１２ｂ，４１の数は、図１に示した例に限られず、変更することもできる。
この実施形態では、導体１０は、リード端子１２ａ側から、リード端子１２ｂ側に電流Ｉが流れるような電流経路１１を有する。そして、この電流経路１１の形状に沿うように、リード端子１２ａ，１２ｂ間にはギャップ１０ａが形成されている。この実施形態では、電流経路１１は、例えばＵ字状の形状とするが、後述する磁電変換素子１３において電流検出が可能であれば、図１に示した形状に限らず、一端が閉じた形状であればよい。導体１０の電流経路１１の形状として、例えばＶ字状、Ｃ字状などを適用することも可能である。尚、Ｕ字状、Ｖ字状、Ｃ字状に準じた形状もＵ字状、Ｖ字状、Ｃ字状に含まれるものとする。
導体１０のギャップ１０ａ内には、磁電変換素子１３が配置されている。磁電変換素子１３としては、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、ホールＩＣ、磁気抵抗ＩＣがある。この実施形態の電流センサ１では、導体１０、信号端子部４２、信号処理ＩＣ２０および磁電変換素子１３は、図１に示すように、樹脂８０で封止され、同一のパッケージとして形成される。樹脂８０は、エポキシ樹脂等のモールド樹脂である。
この電流センサ１において、導体１０に電流Ｉが流れると、電流経路１１に形成されたＵ字状を流れる電流量及び電流方向に応じた磁界が生じる。ここで、磁電変換素子１３は、Ｕ字状の電流経路１１に近傍するギャップ１０ａ内に配置されるので、上述した電流によって発生する磁束密度を検出して、磁束密度に応じた電気信号を信号処理ＩＣ２０に出力することになる。
ギャップ１０ａ内の磁電変換素子１３は、ギャップ１０ａにより導体１０と離間して配置されており、常に導体１０と接触しない状態となっている。これにより、導体１０と磁電変換素子１３との間は電気的に導通せず、絶縁を維持するための間隙（クリアランス）が確保される。
導体１０と磁電変換素子１３との間の距離ｗは、平面視で、例えば５０μｍ以上１５０μｍ以下にすることが好ましい。距離ｗがこのような範囲内にあると、絶縁耐性を大きく低下させることなく、また、導体１０に電流が流れたときに磁電変換素子１３によって検出される磁場が十分に大きくなるので、絶縁耐性と検出精度を両立させることができる。
また、磁電変換素子１３は、絶縁部材１４（図１において破線で示す。）によって支持される。絶縁部材１４としては、例えば絶縁耐圧の高いポリイミド材からなる絶縁テープが用いられる。なお、この絶縁部材１４として、ポリイミドテープに限らず、例えば、ポリイミド材やセラミック材などに接着剤を塗布した絶縁シートを適用することもできる。
導体１０の裏面には、例えばコイニングにより形成された段差１０１（図１において斜線で示す。）が形成されており、この段差１０１により、導体１０は、絶縁部材１４と離間して配置される。この点は後述で詳細に説明する。
図１において、導体１０および信号処理ＩＣ２０は、それぞれが重ならないように配置されており、導体１０と信号処理ＩＣ２０との間には、それぞれが電気的に絶縁するための間隙が設けられている。さらに、導体１０と支持部３０との間にも、それぞれが電気的に絶縁するための間隙が設けられている。
磁電変換素子１３は、ワイヤ（金属線）６０を介して信号処理ＩＣ２０と電気的に接続され、信号処理ＩＣ２０は、ワイヤ（金属線）５０を介して信号端子部４２と電気的に接続される。支持部３０と信号端子部４２は接続されており、支持部３０及び信号端子部４２は共に金属で構成されている。
信号処理ＩＣ２０は、例えばＬＳＩ(Large Scale Integration)で構成され、この実施形態では、例えば、メモリ、プロセッサ、バイアス回路、補正回路および増幅回路などを備える。この信号処理ＩＣ２０の回路構成については、後述で詳細に説明する。
図２は、電流センサ１の側面図である。図２に示すように、絶縁部材１４は、支持部３０の裏面３０Ａの一部と接合されて、磁電変換素子１３を支持するように形成される。ここで、支持部３０の裏面とは、支持部３０の信号処理ＩＣ２０が配置されていない側の面を指す。
ギャップ１０ａを画成する導体１０の一部の裏面には、段差１０１が形成されており、この段差１０１によって、導体１０は、常に絶縁部材１４と接触しないように配置される。図２に示す段差１０１は、絶縁部材１４の高さよりも高くなるように形成されている。これは、絶縁部材１４と導体１０との間において、絶縁物が導電性材料と接するときに形成される沿面を有しないようにするためである。
図２において、導体１０の裏面と絶縁部材１４との間は、モールド樹脂で充填されている。
本実施形態の電流センサ１において、仮に、絶縁部材１４と導体１０とが接するように構成された場合、上述の沿面が電流センサ１の１次側に形成されるため、絶縁部材１４と導体１０とが接しないように構成した場合に比べて耐圧性能は低下する。またヒートサイクルなどの熱負荷がかかると、その沿面（材料の界面）に剥離が生じ易くなり、耐圧性能は更に劣化し得る。
このため、本実施形態の電流センサ１では、上述の段差１０１を導体１０に形成することによって、絶縁部材１４と導体１０とが接しないように、導体１０の段差１０１部分が絶縁部材１４よりも上方に位置するようにしている。これにより、絶縁部材１４は、導体１０とは接触せず、電流センサ１の１次側（導体１０側）には沿面が形成されない。したがって、電流センサ１の１次側に沿面が形成されないため、電流センサ１における耐圧性能が維持され、かつ動作環境変化による耐圧劣化の発生を抑制できる。
絶縁部材１４は、例えば耐圧性の優れたポリイミド材の絶縁テープからなり、図２に示すような状態で、支持部３０の裏面３０Ａに貼られ、磁電変換素子１３を裏面から支持する。
図２において、導体１０と磁電変換素子１３とは、絶縁部材１４の同一面上に設けられる。また、磁電変換素子１３は、導体１０のギャップ１０ａに、導体１０の厚みｄ分落とし込んで配置されている。これにより、電流センサ１では、磁電変換素子１３の感磁面１３Ａの高さ位置が、導体１０の厚み中心位置に近づくため、磁電変換素子１３の感磁面１３Ａでは、導体１０に流れる電流Ｉによって発生する磁束をより多く捉えることが可能となり、その結果、電流検出感度が向上する。
次に、再び図１を参照して、導体１０および支持部３０の形状について詳述する。
支持部３０は、平面視で導体１０側に向けて当該支持部３０の中央部分が窪んだ凹状部３１を有しており、支持部３０の両側は、導体１０側に向けて張り出す突出部３２を有する。図１の例では、凹状部３１は、例えば２段階に窪む凹状部３１ａ，３１ｂを有するように形成されている。
導体１０は、平面視で、支持部３０の凹状部３１および突出部３２に沿うように形成された凸状部１５を有する。つまり、凸状部１５は、平面視で支持部３０側に向けて導体１０の中央部分が突出するように形成されている。図１の例では、凹状部３１が２段階に窪む凹状部３１ａ，３１ｂを有するようになっているので、凸状部１５も、２段階に突出する凸状部１５ａ，１５ｂを有するように形成されている。
そして、図１では、絶縁部材１４は、導体１０側ではなく、支持部３０裏面の少なくとも突出部３２で支持される。なお、絶縁部材１４は、突出部３２以外の支持部３０裏面（例えば凹状部３１ａ両側の側部、または／および、凹状部３１ａの底部）で支持するようにしてもよい。
なお、凸状部１５および凹状部３１は、例えば２段階に形状が変化する場合について例示したが、例えば１段階または３段階以上となるように段階的に構成してもよい。あるいは、凸状部１５は、徐々に、または、連続的に導体１０の中央部分（ギャップ１０ａ周辺部分）が突出するようにしてもよいし、凹状部３１は、その導体１０の突出形状に沿うよう徐々に、または、連続的に窪みを形成するようにしてもよい。
図１では、導体１０の凸状部１５（１５ａ，１５ｂ）も、支持部３０の凹状部３１（３１ａ，３１ｂ）の形状に合わせて、多段形状（２段階形状）を有している。それによって、導体１０に電流が流れた時に、磁電変換素子１３の部位に生成される磁束の影響が比較的小さい一部の導体１０の幅が広がることになるため、導体１０全体の抵抗値を小さくすることができる。
図２の例において、導体１０と絶縁部材１４との間の距離をｇ、磁電変換素子１３の厚みをｄ１とすると、絶縁耐圧及び検出精度の点から、１０μｍ≦ｇ≦ｄ１μｍを満たすようにするのが好ましい。この関係を満たすと、絶縁耐性を大きく低下させることなく、また、導体１０に電流が流れたときに磁電変換素子１３によって検出される磁場も十分に大きいので、絶縁耐性と検出精度を両立させることができる。
図３は、信号処理ＩＣ２０の一例の回路図である。この信号処理ＩＣ２０は、バイアス回路２０１、補正回路２０２および増幅回路２０３を備える。バイアス回路２０１は、磁電変換素子１３と接続され、磁電変換素子１３に電源を供給するようになっている。換言すれば、バイアス回路２０１は、磁電変換素子１３に励起電流を印加（流入）するための回路である。
補正回路２０２は、例えば、動作温度に基づいて、予めメモリに記憶されている温度補正係数に従い磁電変換素子１３の出力値を補正するようになっている。このため、温度依存性が少なく高精度な電流検出が可能となる。
増幅回路２０３は、補正回路２０２からの出力値を増幅するようになっている。
次に、本実施形態の電流センサ１の作製方法の概略について図１および図２を参照して説明する。
まず、リードフレームに接着された絶縁部材１４上に磁電変換素子１３をダイボンディングするとともに（図２）信号処理ＩＣ２０を支持部３０上にダイボンディングする。そして、磁電変換素子１３および信号処理ＩＣ２０をワイヤ５０，６０でワイヤボンディングする（図１）。次に、導体１０、磁電変換素子１３、信号処理ＩＣ２０および信号端子部４２を樹脂８０でモールドしてリードカットを行う（図１）。次に、フォーミングにより高圧側のリード端子１２ａ，１２ｂおよび低電圧側のリード端子４１を形成する（図１）。
以上説明したように、本実施形態の電流センサ１によれば、導体１０と信号処理ＩＣ２０とは、電気センサ１を上面からみて、電気的に絶縁するための間隙を有するので、優れた絶縁耐性を有する。
また、絶縁部材１４は、導体１０とは接触せず、支持部３０のみによって支持されるので、導体１０と絶縁部材１４との間では沿面が形成されず、電流センサ１の耐圧が低下しにくくなる。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について図１、図４および図５を参照して説明する。
図２に示した電流センサ１では、磁電変換素子１３は、絶縁部材１４上に設けられているが、本実施形態の電流センサ１Ａでは、磁電変換素子１３が、ダイアタッチフィルムを用いて、絶縁部材１４上に設けられることで、沿面の形成をより確実に防止する点に特徴がある。
図４は、第２実施形態に係る電流センサ１Ａの構成例を示す側面図である。この電流センサ１Ａでは、磁電変換素子１３が、ダイアタッチフィルム７０を用いて、絶縁部材１４上に固着される。それ以外の構成は、第１実施形態と同じである。
ダイアタッチフィルム７０は、ウェーハのダイシング前に、ウェーハの裏面に貼り付けるため、後述する絶縁ペーストや導電性ペーストを使用して磁電変換素子１３を固定する場合と異なり、磁電変換素子１３を囲む導体１０に向かって裾野部分が形成されるように沿面が伸びることが無いため、電流センサの耐圧がより向上する。
一般に、磁電変換素子１３は、ダイボンド材を用いて絶縁部材１４上に固着されることになるが、このダイボンド材として、導電性ペーストを用いた場合は、ペーストの裾野部分により磁電変換素子１３と導体１０との絶縁距離が縮まる。また、ダイボンド材として絶縁ペーストを用いた場合でも、ペーストの裾野部分により沿面が形成され得る。この様子を図５に示す。
図５では、絶縁ペースト１８０を用いて磁電変換素子１３が絶縁部材１４上に固着された場合に、絶縁ペースト１８０の裾野部分が導体１０と接触している。この場合、絶縁ペースト１８０の裾野部分が前述の沿面を形成することになるため、この沿面において、ヒートサイクルなどの熱負荷により剥離が生じやすくなり、電流センサの耐圧が低下を起こし得る。
一般に、磁電変換素子１３は、ダイボンド材を用いて絶縁部材１４上に固着されることになるが、このダイボンド材として、導電性ペーストを用いた場合は、ペーストの裾野部分により磁電変換素子１３と導体１０との絶縁距離が縮まる。また、ダイボンド材として絶縁ペーストを用いた場合でも、ペーストの裾野部分により沿面が形成され得る。
図４では、絶縁ペースト１８０を用いて磁電変換素子１３が絶縁部材１４上に固着された場合に、絶縁ペースト１８０の裾野部分により導体１０との絶縁距離が縮まっている。この場合、絶縁ペースト１８０の裾野部分と一次導体１０との距離ｘが１０μｍより小さくなると、電流センサの耐圧が低下し得るので、裾野部分と一次導体１０との距離ｘは１０μｍ以上とすることが好ましい。
ところで、導体１０に電流が流れると熱が発生し、全体を封止する樹脂８０と絶縁部材１４との線膨張係数の差により、磁電変換素子１３に応力がかかる。磁電変換素子１３は応力によって感度が変動するので、磁電変換素子１３に応力がかかると、磁場検出精度が低下する恐れがある。本実施形態の電流センサ１Ａでは、支持部３０は絶縁部材１４と接触しており、リード端子４１の一部は樹脂８０から露出している。このため、導体１０に被計測電流が流れて熱が発生したとしても、その熱が、絶縁部材１４およびリード端子４１を通じて迅速に放出される。これにより、磁場検出精度の低下を抑制することができる。
上記観点から、絶縁部材１４として、熱導電率が高いシリコン基材を用いることがより好ましい。
支持部３０は、平面視で、導体１０側とは反対側に凹んで形成された凹状部３１、及び、導体１０側に向けて張り出す突出部３２を有する。また、導体１０は、上面からみて、支持部３０の凹状部３１、及び、突出部３２にそれぞれ沿うように形成された凸状部１５を有する。導体１０の凸状部１５が支持部３０の凹状部３１及び突出部３２に沿って配置されているので、導体１０に被計測電流が流れたときの熱をリード端子４１側に放出しやすくなる。これにより、磁場検出精度の低下を抑制することができる。
また、磁電変換素子１３上（感磁面１３Ａ上）に、例えば磁性体メッキによって磁性材料７１が形成されていてもよい。尚、磁性材料７１の構成例として、フェライトなどの磁性体チップであっても良い。これにより、導体１０に電流Ｉが流れると、電流Ｉによって生じる磁束が磁電変換素子１３の感磁部１３Ａに収束されやすくなる。したがって、電流センサ１Ａの電流検出感度が向上する。
［変形例］
上述した各実施形態に係る電流センサ１，１Ａは例示に過ぎず、以下に示すような変更を行うことが可能である。
第１および第２実施形態の電流センサ１，１Ａにおいて、導体１０に段差１０１を設ける場合について説明したが、導体１０の高さを絶縁部材１４よりも高くなるように構成することで、段差１０１を設けないようにしてもよい。このように構成することによっても、絶縁部材１４は、導体１０とは接触せず、支持部３０のみによって支持されるので、導体１０と絶縁部材１４との間では沿面が形成されず、電流センサ１の耐圧が低下しにくくなる。
第１および第２実施形態の電流センサ１，１Ａでは、１つの磁電変換素子１３を適用した場合について説明したが、例えば２つ以上の磁電変換素子を有するようにしてもよい。
第１および第２実施形態の電流センサ１，１Ａは、半導体パッケージに適用してもよいし、１チップで構成してもよい。
１，１Ａ 電流センサ
１０ 導体
１０ａ ギャップ
１１ 電流経路
１２ａ，１２ｂ，４１，４１ａ〜４１ｌ リード端子
１３ 磁電変換素子
１４ 絶縁部材
２０ 信号処理ＩＣ
３０ 支持部
４２ 信号端子部
７０ ダイアタッチフィルム
７１ 磁性材料

Claims (22)

  1. ギャップを有し、被計測電流が流れる導体と、
    平面視で前記導体と電気的に絶縁するための間隙を有する、信号処理ＩＣを支持するための支持部と、
    前記信号処理ＩＣと電気的に接続可能に構成されるとともに、前記導体に流れる電流から生じる磁界を検出するように前記導体の前記ギャップに配置された磁電変換素子と、
    前記磁電変換素子を支持する絶縁部材と
    を備え、
    前記絶縁部材は、前記支持部の前記信号処理ＩＣが配置される面とは反対側の面に接触するように配置されており、
    前記導体は、前記絶縁部材と接触しないように配置されていることを特徴とする電流センサ。
  2. リード端子を有する信号端子部をさらに備え、
    前記支持部は前記信号端子部と電気的に接続可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
  3. 前記導体は段差を有しており、
    前記導体は、前記段差により、前記導体が前記絶縁部材と接触しないように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
  4. 前記導体と、前記絶縁部材との間が樹脂で充填されていることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の電流センサ。
  5. 前記導体と前記支持部と前記絶縁部材と前記磁電変換素子とを封止するモールド樹脂をさらに備え、
    前記信号端子部は前記支持部と接続しており、
    前記信号端子部の少なくとも一部が前記モールド樹脂から露出していることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の電流センサ。
  6. 前記絶縁部材はシリコン基材であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電流センサ。
  7. 前記導体は、Ｕ字形状、Ｖ字形状、または、Ｃ字形状の電流経路を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電流センサ。
  8. 前記磁電変換素子は、前記Ｕ字形状、Ｖ字形状、または、Ｃ字形状の電流経路のギャップに配置されることを特徴とする請求項７に記載の電流センサ。
  9. 前記Ｕ字形状、Ｖ字形状、または、Ｃ字形状の電流経路は、平面視で前記支持部がある方向とは逆の方向に開口していることを特徴とする請求項７又は８に記載の電流センサ。
  10. 前記磁電変換素子は、前記絶縁部材に支持されることによって、前記導体と電気的に絶縁されるように構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電流センサ。
  11. 前記絶縁部材と前記磁電変換素子との間に粘着剤層又は接着剤層が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の電流センサ。
  12. 前記絶縁部材は、絶縁テープ又は絶縁シートであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電流センサ。
  13. 前記磁電変換素子は、ダイアタッチフィルムを用いて前記絶縁部材とダイボンドされていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電流センサ。
  14. 前記磁電変換素子は、ホール素子または磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の電流センサ。
  15. 前記磁電変換素子は、前記導体の前記ギャップに配置され、該磁電変換素子の底面と前記導体の前記段差以外の部分における裏面とが同一面上に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
  16. 前記磁電変換素子は、前記磁電変換素子の感磁面が前記段差における前記導体の厚み方向の中心高さと略等しくなるように前記絶縁部材上に配置されることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
  17. 前記支持部は、平面視で前記導体側に向けて当該支持部の中央が窪む凹状部が形成されており、前記凹状部の両側は、前記導体側に向けて張り出す突出部を有し、
    前記導体は、平面視で、前記支持部の前記凹状部および前記突出部に沿う凸状部を有し、前記絶縁部材は、前記突出部の前記信号処理ＩＣが配置される面とは反対側の面である裏面に接触していることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の電流センサ。
  18. 前記信号処理ＩＣは、前記磁電変換素子に励起電流を印加するためのバイアス回路、前記磁電変換素子から得られる信号を補正する補正回路、および、前記補正された信号を増幅するための増幅回路を有することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の電流センサ。
  19. 前記磁電変換素子の感磁面上に形成される磁性材料をさらに備えることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の電流センサ。
  20. 前記磁電変換素子の感磁部は、前記導体を含む面の垂直方向において、前記導体の上面と下面との間に設けられる請求項１から１９の何れか１項に記載の電流センサ。
  21. 前記導体と前記絶縁部材との間の距離をｇ、前記磁電変換素子の厚みをｄ１としたときに、下記式１を満たす請求項１から２０の何れかに１項に記載の電流センサ。
    １０μｍ≦ｇ≦ｄ１μｍ ・・・ （１）
  22. 前記導体と前記磁電変換素子との間の距離ｗは、平面視で、５０μｍ以上１５０μｍ以下である請求項１から２１の何れか１項に記載の電流センサ。
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