(57)【要約】【課題】  電流センサにおいて、測定対象回路に対して検出回路を電気接続せずに電流検出が可能であると共に低コストで小型化を可能にすること。【解決手段】  回路に接続される一対の電極部の一方に接続された第１の導電体１３Ａと該第１の導電体１３Ａに接合されていると共に電極部１２の他方に接続され第１の導電体１３Ａよりも抵抗値の高い第２の導電体１３Ｂとで構成された電流熱変換部１４と、下側絶縁性フィルム１１Ａ上に互いに帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを有するフィルム状熱電変換素子１７と、を備え、該フィルム状熱電変換素子１７が、第１の導電体１３Ａ上から第２の導電体１３Ｂ上にわたって第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを延在させて電流熱変換部１４上に貼り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路に接続される一対の電極部と一対の前記電極部の一方に接続された第１の導電体と該第１の導電体に接合されていると共に一対の前記電極部の他方に接続され前記第１の導電体よりも抵抗値の高い第２の導電体とで構成された電流熱変換部と、
絶縁性フィルム上に互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された少なくとも一対の第１の熱電膜及び第２の熱電膜を有するフィルム状熱電変換素子と、を備え、
該フィルム状熱電変換素子が、前記第１の導電体上から前記第２の導電体上にわたって前記第１の熱電膜及び前記第２の熱電膜を延在させて前記電流熱変換部上に貼り付けられていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の電流センサにおいて、
複数対の前記第１の熱電膜及び前記第２の熱電膜が、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電流センサにおいて、
前記電流熱変換部が、前記第１の導電体と前記第２の導電体との接合方向に長く形成されていることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路に流れる電流を検出可能な電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の回路に流れる電流を測定する技術として、従来、シャント抵抗、カレントトランス（ＣＴ）、ホール素子等を用いたものが使用されている。上記シャント抵抗を用いた電流検出では、回路にシャント抵抗を接続し、電流を電圧に変換してシャント抵抗に接続した検出回路で電圧を測定して電流を検出している。このシャント抵抗を用いた電流検出では、直流及び交流の両方の電流計測が可能である。
【０００３】
また、カレントトランスを用いた電流検出では、交流電流が流れる測定対象の回路を環状コアに巻回された１次側コイルに接続すると共に環状コアに巻回された２次側コイルに生じる電圧を検出回路で電流を検出している。
さらに、ホール素子を用いた電流検出では、例えば特許文献１に示すように、回路近傍にホール効果を利用した磁気センサであるホール素子を設置し、このホール素子によって回路の電流に応じて発生した磁界を捉えて電流を検出している。このホール素子では、測定対象の回路に非接触で電流を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、シャント抵抗を用いた電流検出では、検出回路もシャント抵抗を介して測定対象の回路に電気的に接続させる必要があった。しかしながら、高電圧電源の電流検出を行う場合や大電流によるインパルス雑音等に対応して、検出回路の安全性や信頼性を確保するため、このような用途に応じて検出回路を測定対象の回路に電気的に接続せずに電流を検出する方法が要望されている。このため、従来、図７に示すように、高電圧電源１からの回路ＥＣに直接接続する場合、シャント抵抗２の電圧を検出する検出回路３にカレントトランス４を挿入して電気的に分離して電流検出を行っていた。しかしながら、カレントトランス４を挿入することで形状が大きくなると共に部品数が増え、コストの増大とセンサ形状の大型化とを招いてしまう不都合があった。また、ホール素子を用いた電流検出では、高価なホール素子（磁気センサ）を使用するため、やはり高コストになってしまう不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、測定対象の回路に対して検出回路を電気接続せずに電流検出が可能であると共に、低コストで小型化が可能な電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の電流センサは、回路に接続される一対の電極部と一対の前記電極部の一方に接続された第１の導電体と該第１の導電体に接合されていると共に一対の前記電極部の他方に接続され前記第１の導電体よりも抵抗値の高い第２の導電体とで構成された電流熱変換部と、絶縁性フィルム上に互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された少なくとも一対の第１の熱電膜及び第２の熱電膜を有するフィルム状熱電変換素子と、を備え、該フィルム状熱電変換素子が、前記第１の導電体上から前記第２の導電体上にわたって前記第１の熱電膜及び前記第２の熱電膜を延在させて前記電流熱変換部上に貼り付けられていることを特徴とする。
【０００８】
この電流センサでは、フィルム状熱電変換素子が、第１の導電体上から第２の導電体上にわたって第１の熱電膜及び第２の熱電膜を延在させて電流熱変換部上に貼り付けられているので、電流熱変換部に流れる電流に応じて第１の導電体と第２の導電体との間で温度差が生じると共にフィルム状熱電変換素子に起電力が発生することで、電流を検出することができる。
すなわち、測定対象の回路に接続された電流熱変換部に電流が流れると、第１の導電体よりも抵抗値の高い第２の導電体が第１の導電体よりも高いジュール熱で発熱し、電流に応じて第１の導電体と第２の導電体との間で温度差が生じる。この温度差により、第１の導電体から第２の導電体にわたって設置されたフィルム状熱電変換素子に起電力が生じる。このとき、電流熱変換部で生じるジュール熱による温度差は、通過する電流量に比例するため、上記起電力も電流量に比例することから、この起電力によって電流を検出することができる。特に、フィルム状の熱電変換素子を用いていることから、温度差が生じる部分間の断面積を小さくできるので、温接点から冷接点へ熱が伝わり難く、発熱による温度差が大きくなって検出感度が向上する。
このように、検出回路に接続されるフィルム状熱電変換素子を、測定対象の回路に接続された電流熱変換部に電気接続を行わずに、回路の電流検出が可能である。また、フィルム状熱電変換素子の起電力を測定することで電流を検出できるため、簡易な検出回路で済み、低コストで作製可能である。さらに、フィルム状熱電変換素子が簡易な構成で安価であるため、部材コストも安く、小型化及び薄型化も可能である。
また、プリント基板等の回路基板に実装した電流熱変換部に、フィルム状熱電変換素子を容易に貼り付けて実装することが可能であると共に、フィルム状であるため、熱容量が小さくて応答性も高い。
【０００９】
また、本発明の電流センサは、複数対の前記第１の熱電膜及び前記第２の熱電膜が、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサでは、複数対の第１の熱電膜及び第２の熱電膜が、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されているので、小さいスペースでも折り返し構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。
【００１０】
また、本発明の電流センサは、前記電流熱変換部が、前記第１の導電体と前記第２の導電体との接合方向に長く形成されていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサでは、電流熱変換部が、第１の導電体と第２の導電体との接合方向に長く形成されているので、細長い電流熱変換部によって第１の導電体と第２の導電体との間の熱伝導性を低下させて明確に温度差を生じさせることができ、より正確に電流を検出することが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る電流センサによれば、フィルム状熱電変換素子が、第１の導電体上から第２の導電体上にわたって第１の熱電膜及び第２の熱電膜を延在させて電流熱変換部上に貼り付けられているので、電流熱変換部に流れる電流に応じて第１の導電体と第２の導電体との間で温度差が生じると共にフィルム状熱電変換素子に起電力が発生することで、電流を検出することができる。したがって、電流熱変換部に電気接続を行わずに、回路の電流検出が可能であると共に、フィルム状熱電変換素子が安価であり、検出回路も簡単であるため、低コスト化、小型化及び薄型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電流センサの一実施形態において、電流センサを示す平面図である。
【図２】本実施形態において、電流熱変換部を示す平面図である。
【図３】本実施形態において、フィルム状熱電変換素子を示す平面図及び側面図である。
【図４】本実施形態において、測定対象の回路に接続した電流センサの等価回路図である。
【図５】本実施形態において、第１の熱電膜と第２の熱電膜との接合を示す要部の拡大平面図である。
【図６】本実施形態において、フィルム状熱電変換素子の製造方法を工程順に示す要部（図５のＡ−Ａ線）の断面図である。
【図７】本発明に係る従来例において、測定対象の回路に接続した電流検出回路の等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る電流センサの一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１４】
本実施形態の電流センサ１０は、図１から図３に示すように、測定対象の回路ＥＣに接続される一対の電極部１２と一対の電極部１２の一方に接続された第１の導電体１３Ａと該第１の導電体１３Ａに接合されていると共に一対の電極部１２の他方に接続され第１の導電体１３Ａよりも抵抗値の高い第２の導電体１３Ｂとで構成された電流熱変換部１４と、下側絶縁性フィルム１１Ａ上に互いにｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを有するフィルム状熱電変換素子１７と、を備えている。
【００１５】
上記第１の導電体１３Ａは、銅でブロック状に形成されていると共に、上記第２の導電体１３Ｂは、銅とニッケルとの合金でブロック状に形成されている。すなわち、銅で形成された第１の導電体１３Ａは、その抵抗値がほぼ０Ωであるのに対して、不純物としてニッケルが添加された第２の導電体１３Ｂは、その抵抗値が約０．１ｍΩに設定されている。
【００１６】
また、ブロック状の第１の導電体１３Ａと第２の導電体１３Ｂとは、互いに端面で接合されている。すなわち、電流熱変換部１４は、ブロック状の第１の導電体１３Ａと第２の導電体１３Ｂとの接合方向に長くされた直方体形状に形成されている。ここで、上記接合方向は、第１の導電体１３Ａと第２の導電体１３Ｂとの接合面に対して直交する方向である。なお、一対の電極部１２は、電流熱変換部１４の両端部に形成されている。
【００１７】
上記直列接続された第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂの末端には、一対の電極端部１８が接続されている。
また、上記第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂの表面は、上側絶縁性フィルム１１Ｂで覆われている。すなわち、第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂは、図３の（ｂ）に示すように、下側絶縁性フィルム１１Ａと上側絶縁性フィルム１１Ｂとで挟まれている。
【００１８】
下側絶縁性フィルム１１Ａと上側絶縁性フィルム１１Ｂとは、柔軟性を有する樹脂フィルム等であって、例えばポリイミド製の樹脂フィルムである。
上記フィルム状熱電変換素子１７は、第１の導電体１３Ａ上から第２の導電体１３Ｂ上にわたって第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを延在させて電流熱変換部１４上に貼り付けられている。
【００１９】
互いに端部で接合される上記第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとは、図５に示すように、一方の熱電膜の端部がＬ字状に曲がって他方の熱電膜の端部に重なって接合部１６ａを形成している。
【００２０】
すなわち、第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとは、互いに端部の接合部１６ａで接続されて一対で一つの熱電対部を構成している。また、第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとは、複数が交互に接続されて折り返すことで全体として櫛歯状に配設され、複数の熱電対部が繰り返し直列接続されて構成されている。この第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとによる熱電対部のパターンの繰り返し数（第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとの接続の数）を増やすことによってその感度を向上させることができる。
【００２１】
これら第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂは、例えばｐ型熱電材料及びｎ型熱電材料の双方がＦｅＳｉ２系熱電材料で形成されている。例えば、ＦｅＳｉ２系熱電材料以外には、既知のＢｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ―Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、酸化物系熱電材料でもよい。
【００２２】
次に、本実施形態の電流センサ１０に用いるフィルム状熱電変換素子１７の製造方法について、図６を参照して説明する。
【００２３】
まず、図６の（ａ）に示す下側絶縁性フィルム１１Ａの表面全面に、図６の（ｂ）に示すように、第１の熱電膜１６Ａとして例えばｐ型ＦｅＳｉ２膜をスパッタリングにより所定の厚さに被着する。さらに、図６の（ｃ）に示すように、この第１の熱電膜１６Ａ上に第１フォトレジスト膜２１を被着、露光等することにより所定のパターンの第１フォトレジスト膜２１を形成する。
【００２４】
次に、図６の（ｄ）に示すように、ＨＦ＋ＨＮＯ３系またはＨＦ＋Ｈ２ＳＯ４系等のエッチング液で選択的にエッチングして第１フォトレジスト膜２１の下地以外の部分の第１の熱電膜１６Ａを除去する。図６の（ｅ）に示すように、さらに、第１フォトレジスト膜２１を除去して第１の熱電膜１６Ａのパターンを下側絶縁性フィルム１１Ａ上に形成する。
【００２５】
次に、図６の（ｆ）に示すように、この第１の熱電膜１６Ａを第２フォトレジスト膜２２で覆い、露光、エッチングしてこの第１の熱電膜１６Ａ上の一部に所定パターンの第２フォトレジスト膜２２を残す。さらに、図６の（ｇ）に示すように、この下側絶縁性フィルム１１Ａ、第１の熱電膜１６Ａおよび第２フォトレジスト膜２２の全体を覆うように絶縁層２４としてＺｒＯ２膜を被着する。そして、図６の（ｈ）に示すように、リフトオフ法によりこの第２フォトレジスト膜２２を絶縁層２４の一部とともに剥離することにより、第１の熱電膜１６Ａのパターンの一部を露出部１６ｂとして露出させる。
【００２６】
次に、図６の（ｉ）に示すように、第１の熱電膜１６Ａの露出部１６ｂ及び絶縁層２４の全体を覆うように第２の熱電膜１６Ｂを、スパッタリング等で被着する。さらに、図６の（ｊ）に示すように、この第２の熱電膜１６Ｂ上に所定パターンの第３フォトレジスト膜２３を被着する。そして、図６の（ｋ）に示すように、ＨＦ＋ＨＮＯ３系等のエッチング液で第３フォトレジスト膜２３の下地以外の第２の熱電膜１６Ｂを選択的にエッチングする。さらに、図６の（ｌ）に示すように、第３フォトレジスト膜２３を除去する。この結果、第１の熱電膜１６Ａの一部（露出部１６ｂ）と第２の熱電膜１６Ｂの一部とは接合されて接合部１６ａとなる。
【００２７】
次いで、第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとを結晶化させるために高温でアニールを行う。このアニールは、熱起電力を高めるものである。
そして、接続された第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとの末端上に電極端部１８を銅やアルミニウム等の金属膜でパターン形成する。
さらに、第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを挟むようにして上側絶縁性フィルム１１Ｂを下側絶縁性フィルム１１Ａ上に密着させて接着することで、フィルム状熱電変換素子１７が作製される。
【００２８】
このように作製されたフィルム状熱電変換素子１７を、電流熱変換部１４の第１の導電体１３Ａ上から第２の導電体１３Ｂ上にわたって第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを延在させて電流熱変換部１４上に貼り付けることで、電流センサ１０が作製される。
【００２９】
この電流センサ１０により測定対象の回路ＥＣの電流を検出する場合、図４に示すように、高電圧電源１に接続された回路ＥＣに電流熱変換部１４を接続する。すなわち、この電流熱変換部１４は、従来のシャント抵抗と同様に測定対象の回路ＥＣに接続される。さらに、この電流熱変換部１４に取り付けられたフィルム状熱電変換素子１７の一対の電極部１２に検出回路４３を接続する。なお、図４に示す符号１９は、回路ＥＣ中の負荷部である。
【００３０】
測定対象の回路ＥＣに接続された電流熱変換部１４に電流が流れると第１の導電体１３Ａよりも抵抗値の高い第２の導電体１３Ｂが第１の導電体１３Ａよりも高いジュール熱で発熱し、電流に応じて第１の導電体１３Ａと第２の導電体１３Ｂとの間で温度差が生じる。この温度差により、第１の導電体１３Ａから第２の導電体１３Ｂにわたって設置されたフィルム状熱電変換素子１７に起電力が生じる。このとき、電流熱変換部１４で生じるジュール熱による温度差は、通過する電流量に比例するため、上記起電力も電流量に比例することから、この起電力によって電流を検出することができる。
【００３１】
このように本実施形態の電流センサ１０では、フィルム状熱電変換素子１７が、第１の導電体１３Ａ上から第２の導電体１３Ｂ上にわたって第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂを延在させて電流熱変換部１４上に貼り付けられているので、電流熱変換部１４に流れる電流に応じて第１の導電体１３Ａと第２の導電体１３Ｂとの間で温度差が生じると共にフィルム状熱電変換素子１７に起電力が発生することで、電流を検出することができる。特に、フィルム状の熱電変換素子を用いていることから、温度差が生じる部分間の断面積を小さくできるので、温接点から冷接点へ熱が伝わり難く、発熱による温度差が大きくなって検出感度が向上する。
【００３２】
したがって、検出回路４３に接続されるフィルム状熱電変換素子１７を、測定対象の回路ＥＣに接続された電流熱変換部１４に電気接続を行わずに、回路ＥＣの電流検出が可能である。また、フィルム状熱電変換素子１７の起電力を測定することで電流を検出できるため、簡易な検出回路４３で済み、低コストで作製可能である。さらに、フィルム状熱電変換素子１７が簡易な構成で安価であるため、部材コストも安く、小型化及び薄型化も可能である。
【００３３】
また、プリント基板等の回路基板に実装した電流熱変換部１４に、フィルム状熱電変換素子１７を容易に貼り付けて実装することが可能であると共に、フィルム状であるため、熱容量が小さくて応答性も高い。
さらに、複数対の第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂが、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されているので、小さいスペースでも折り返し構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。
【００３４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、第１の導電膜及び第２の導電膜が一層形成されているが、第１の導電膜及び第２の導電膜を、絶縁層を介してそれぞれ複数積層しても構わない。すなわち、上記リソグラフィプロセスのうち図６の（ｆ）〜（ｌ）で示す工程を、各層毎に繰り返し、第１の熱電膜と第２の導電体とを交互にパターン形成しつつ接合部を除いて絶縁層を挟むことで、電気的に直列接続された複数の熱電対部を有する層を複数積層する。
【００３６】
この場合、第１の導電膜及び第２の導電膜が、絶縁層を介してそれぞれ複数積層されているので、小さいスペースでも多層構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、さらに高い起電力を得ることができる。特に、絶縁層をＺｒＯ２膜等の熱伝導性の低い材料で形成することで、より明確な温度差を得ることが可能になる。
【００３７】
また、上記実施形態では、ブロック状の電流熱変換部を採用しているが、基板上に膜状の第１の導電体及び第２の導電体をパターン形成した薄板状の電流熱変換部を採用しても構わない。この場合、薄板状の電流熱変換部にフィルム状熱電変換素子を貼り付けるため、さらに薄型化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…電流センサ、１１Ａ…下側絶縁性フィルム（絶縁性フィルム）、１１Ｂ…上側絶縁性フィルム、１２…電極部、１３Ａ…第１の導電体、１３Ｂ…第２の導電体、１４…電流熱変換部、１５…絶縁膜、１６Ａ…第１の熱電膜、１６Ｂ…第２の熱電膜、１７…フィルム状熱電変換素子、ＥＣ…測定対象の回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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