(57)【要約】【課題】  多層プリント配線基板を用いて、被測定電流を精度良く検出でき、小型で低コストな電流センサを提供すること。【解決手段】  多層プリント配線基板の少なくとも１つの内層の導体層パターンを使用して一次導体パターンを形成し、かつ磁電変換素子も内蔵したことで、一次導体パターンと磁電変換素子間の絶縁耐圧が向上し、一次導体パターンと磁電変換素子が露出した場合に比べて多層プリント配線基板が縮小でき、かつ低コスト化が図れ、一次導体パターンと磁電変換素子が接近可能となるため、高精度化が可能となる。【選択図】図９
2011145273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品や半導体素子等を内蔵する、導体層と絶縁層とが交互に積層された多層プリント配線基板において、前記半導体素子は少なくとも一つの磁電変換素子であり、前記多層プリント配線基板の少なくとも一つの前記導体層に設けた一次導体パターンの近傍となる、前記一次導体パターンを設けた層とは異なる層に、磁電変換素子を配置したことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記多層プリント配線基板において、前記磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置したことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記多層プリント配線基板において、前記磁電変換素子を有する電子部品内蔵面と前記一次導体パターンとの間に位置する少なくとも一つの前記多層プリント配線基板の内層面に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置したことを特徴とする請求項１から請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記多層プリント配線基板において、前記一次導体パターンは、前記磁電変換素子の近傍において前記一次導体パターン幅を縮小したことを特徴とする請求項１から請求項３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記多層プリント配線基板において、前記一次導体パターンは、前記磁電変換素子の近傍を周回するように配置したことを特徴とする請求項１から請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
前記多層プリント配線基板において、複数の前記一次導体パターンを設置し、前記一次導体パターンは前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置したことを特徴とする請求項１から請求項５に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記多層プリント配線基板において、複数の前記一次導体パターンを、前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置し、複数の前記一次導体パターンをシリアルに接続したことを特徴とする請求項１から請求項６に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記多層プリント配線基板において、複数の前記一次導体パターンを、前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および前記磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置し、複数の前記一次導体パターンをパラレルに接続したことを特徴とする請求項１から請求項６に記載の電流センサ。
【請求項９】
前記多層プリント配線基板において、前記一次導体パターンを有する内層面に対して、前記磁電変換素子を有する電子部品内蔵面と対抗する少なくとも一つの内層面もしくは外層面、もしくはその両方に強磁性材層を設置したことを特徴とする請求項１から請求項８記載の電流センサ。
【請求項１０】
前記多層プリント配線基板において、少なくとも一つの前記磁電変換素子を含む前記多層プリント配線基板に設置された電子部品と外部端子と接続するためのコネクタを設置したことを特徴とする請求項１から請求項９に記載の電流センサ。
【請求項１１】
前記多層プリント配線基板において、少なくとも一つの前記磁電変換素子がホールＩＣであることを特徴とする請求項１から請求項１０に記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記多層プリント配線基板において、前記電子部品は二つのホールＩＣであり、前記二つのホールＩＣの差動出力手段を備えるとともに、前記一次導体パターンは前記二つのホールＩＣをＳ字状に周回することを特徴とする請求項１１に記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、多層プリント配線基板において、磁電変換素子と一次導体パターンを備えた電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、非接触で被測定電流を計測する手法としては、一般的に、磁気コアを用いたものがある。磁気コアを利用した電流センサは、磁気コアを被測定電流の流れる導体を取り囲む様に設置し、磁気コアに設けたギャップ部とともに磁気回路を形成する。ギャップ部に設置した磁電変換素子を通じて、被測定電流により磁気回路に生じた磁束の大きさを測定することで、非接触で被測定電流の大きさを測定する。【０００３】  近年、小型化や軽量化、あるいは高精度化等を目的とし、特に大電流計測において磁気コアを用いないコアレスタイプの電流センサが提案されている。コアレスタイプの電流センサとしては、金属製のＵ字型一次導体上に絶縁層、ならびにシールド層を介してホール素子を設置したものがある（例えば、特許文献１参照）。【０００４】  また、別のコアレスタイプの電流センサとしては、基台を介して磁気抵抗素子と一次導体が設置され、基台側は導電体層、反基台側は金属ケースにより磁気抵抗素子を取り囲むようにシールド効果をもたせた構成のものがある（例えば、特許文献２参照）。【０００５】  さらにまた、別のコアレスタイプの電流センサとしては、クランク状に折り曲げられたＵ字型の一次導体のＵ字部近傍に、磁電変換素子を設置し、さらにＵ字型の一次導体と磁電変換素子の双方を挟み込むように強磁性材を略平行に配置したものがある（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】  特開２００１−１７４４８６公報
【特許文献２】  特開平５−２７３３２１公報
【特許文献３】  特開平５−２２３８４９公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  前記特許文献１に開示されているコアレスタイプの電流センサは、ホール素子と一次導体間にシールド層を設置しており、主に一次導体から生じる電界ノイズを除去あるいは低減できる構成となっている。しかしながら、厳密にはホール素子に対して一次導体側からのみ電界ノイズが印加されるわけではなく、ホール素子周囲の一次導体側を除く他方向からの電界ノイズを除去あるいは低減できる構成ではないため、他方向からの電界ノイズによる検出誤差が発生し、高精度化に向かないという問題点があった。
【０００８】  また前記特許文献２に開示されているコアレスタイプの電流センサにおいては、基台に設置された磁気抵抗素子は、基台側は導電体層、反基台側は金属ケースにより磁気抵抗素子を取り囲むようにシールド層が構成されており、一次導体からのみならず、あらゆる方向からの電界ノイズを除去あるいは低減できる構成となっている。しかしながら、凹凸のある基台上に別工程で導電体層を塗布しなければならず、低コスト化に向かないという問題点があった。また、別部材となる金属ケースが必要であり、低コスト化に向かないという問題点があった。さらに、金属ケースや基台を用いることで、電流センサが大型化し、設置場所が制限されるというという問題点があった。
【０００９】  また前記特許文献３に開示されているコアレスタイプの電流センサにおいては、Ｕ字型の一次導体と磁電変換素子を挟み込むように強磁性材を略平行に配置しており、効率よく磁電変換素子に磁束を集める構成となっている。しかしながら、磁電変換素子ならびに強磁性材を設置する手段や、絶縁を確保するためのスペース、およびシールド層についても特に開示されておらず、小型、低コスト化、高精度化には課題が少なくないという問題点があった。
【００１０】  この発明は上記のような課題を鑑み、解決するためになされたもので、磁電変換素子と一次導体の絶縁耐圧が容易に確保され、かつ一次導体からの電界ノイズが除去あるいは低減され、測定レンジが容易に可変でき、小容量の被測定電流であっても精度良く検出でき、かつ小型で、低コストな電流センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  この発明に係わる電流センサは、電子部品や半導体素子等を内蔵する、導体層と絶縁層とが交互に積層された多層プリント配線基板において、半導体素子は少なくとも一つの磁電変換素子であり、多層プリント配線基板の少なくとも一つの導体層に設けた一次導体パターンの近傍の異なる層に、磁電変換素子を配置したものである。
【００１２】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する前記電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置したものである。
【００１３】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面と一次導体パターン配置面との間に位置する少なくとも一つの多層プリント配線基板の内層面に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置したものである。
【００１４】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、一次導体パターンは、前記磁電変換素子の近傍において前記一次導体パターン幅を縮小したものである。
【００１５】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、一次導体パターンは、磁電変換素子の近傍を周回するように配置したものである。
【００１６】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、複数の一次導体パターンを設置し、一次導体パターンは磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置したものである。
【００１７】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、複数の一次導体パターンを、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置し、複数の一次導体パターンをシリアルに接続したものである。
【００１８】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、複数の一次導体パターンを、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの下層に配置し、複数の一次導体パターンをパラレルに接続したものである。
【００１９】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、一次導体パターンを有する内層面に対して、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面と対抗する少なくとも一つの内層面もしくは外層面、もしくはその両方に強磁性材層を設置したものである。
【００２０】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、少なくとも一つの前記磁電変換素子を含む多層プリント配線基板に設置された電子部品と外部端子とを接続するためのコネクタを設置したものである。
【００２１】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、少なくとも一つの磁電変換素子をホールＩＣとしたものである。
【００２２】  また、この発明に係わる電流センサは、多層プリント配線基板において、内蔵される電子部品は二つのホールＩＣであり、二つのホールＩＣの差動出力手段を備えるとともに、一次導体パターンは二つのホールＩＣをＳ字状に周回したものである。
【発明の効果】
【００２３】  以上のように、この発明によれば、多層プリント配線基板の少なくとも１つの内層の導体層パターンを使用して一次導体パターンを形成し、磁電変換素子も前記一次導体パターン形成面と異なる内層面に内蔵したことで、一次導体パターンと磁電変換素子間の絶縁耐圧が向上するとともに、一次導体パターンと磁電変換素子が露出した場合に比べて多層プリント配線基板が縮小でき、かつ低コスト化が図れ、一次導体パターンと磁電変換素子が接近可能となるため小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。
【００２４】  また、磁電変換素子と一次導体パターン形成面の間に位置する様に多層プリント配線基板内層にシールド層を設置することで、主に一次導体パターンに起因した一次導体パターンから磁電変換素子方向への電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。また、磁電変換素子を有する電子部品内蔵面の少なくとも一つの上層、および少なくとも一つの下層に、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置することで、一次導体パターンの位置にかかわらず、外部から磁電変換素子に印加される電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。
【００２５】  また、シールド層を多層プリント配線基板の内層に設置することで、シールド層設置の工程を簡略化でき、低コスト化の効果がある。
【００２６】  また多層プリント配線基板に一次導体パターンを作製するため、一次導体パターンの幅、設置位置の可変が、金属導体の利用に比べて容易であり、磁電変換素子は同一なまま、電流検知範囲を可変できる効果がある。また、複数の一次導体パターンを同一の多層プリント配線基板に設け、被測定電流容量によってシリアルまたはパラレル等、接続ポイントを可変することで、多層プリント配線基板及び磁電変換素子は同一なまま、電流検知範囲を可変できる効果がある。
【００２７】  さらにまた、多層プリント配線基板に強磁性材を設置することで、磁性材の設置が簡略化されるとともに、磁電変換素子に対して容易に集磁できる効果があり、小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。
【００２８】  さらにまた、磁電変換素子にプログラム可能なホールＩＣを用いた場合、電気的な調整のみで感度や温度特性等を調整できるため、電流センサとしての調整が簡略化でき、低コスト化の効果がある。
【００２９】  さらにまた、磁電変換素子に二つのホールＩＣを用い、一次導体パターンを二つのホールＩＣをＳ字状に周回するように配置することで、二つのホールＩＣそれぞれに逆方向の磁束を印加できるため、両者の差動出力をとることで一様な外部磁界を除去でき、高精度化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施形態１による電流センサの斜視図である。
【図２】この発明の実施形態１による電流センサの平面図である。
【図３】この発明の実施形態１による電流センサの断面図である。
【図４】この発明の実施形態１による電流センサの図３に示すホールＩＣ近傍の磁界ベクトルと分解ベクトルである。
【図５】この発明の実施形態１による別の電流センサの平面図である。
【図６】この発明の実施形態１による別の電流センサの断面図である。
【図７】この発明の実施形態１によるさらに別の電流センサの平面図である。
【図８】この発明の実施形態１によるさらに別の電流センサの断面図である。
【図９】この発明の実施形態１によるさらに別の電流センサの別の断面図である。
【図１０】この発明の実施形態２による電流センサの平面図である。
【図１１】この発明の実施形態２による電流センサの断面図である。
【図１２】この発明の実施形態２による別の電流センサの断面図である。
【図１３】この発明の実施形態２によるさらに別の電流センサの平面図である。
【図１４】この発明の実施形態２によるさらに別の電流センサの断面図である。
【図１５】この発明の実施形態３による電流センサの平面図である。
【図１６】この発明の実施形態３による電流センサの断面図である。
【図１７】この発明の実施形態３による電流センサの別の断面図である。
【図１８】この発明の実施形態３による電流センサのさらに別の断面図である。
【図１９】この発明の実施形態３による別の電流センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電流センサの斜視図を示すもので、図２は図１の平面図、図３は図１および図２におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図である。図において、電流センサ１は、一次導体パターン３、ホールＩＣ４、シールド層５を内蔵した多層プリント配線基板２により構成される。
本実施の形態１では、導体層と絶縁層が交互に積層された多層プリント配線基板２は５層の内層８を有しており、一次導体パターン３は内層８ｅに設けた導体層を利用して設置した構造をとる。また多層プリント配線基板２には、１つの磁電変換素子としてホールＩＣ４を内蔵する。電流センサの入出力端子としてコネクタ７が多層プリント配線基板２の上面に設置される。多層プリント配線基板２の内層８ａ、８ｄには、シールド層５が設置される。
【００３２】  まず、多層プリント配線基板２の構成について説明する。
図３は多層プリント配線基板２の図１および図２におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図である。近年、電子機器の多機能化、小型化、薄型化への要求が高まる中、部品内蔵配線技術の開発、ならびに実用化が進展している。本実施の形態においてもその技術の一部を使用する。部品内蔵配線基板は、コンデンサ、抵抗、インダクタといった受動部品の造り込み、埋め込み技術から、さらにベアチップ、パッケージといった形態の能動部品の埋め込み技術へと進み、本実施の形態では能動部品であるホールＩＣ４の基板内蔵を実施している。ホールＩＣとは、ホール素子と処理回路とを一体化したベアチップあるいはパッケージ化したＩＣのことであり、プログラム可能なホールＩＣを用いることで、電気的な調整のみで感度や温度特性等の調整が可能であり、電流センサとしての調整が簡略化できるため、低コスト化の効果を有する。内層８ｂ、８ｃに挟まれた絶縁層１０に、ホールＩＣ４を埋め込むためのキャビティ１１を設け、ホールＩＣ４を設置する。本実施の形態では、絶縁層１０が電子部品内蔵面となる。ホールＩＣ４の形態は、ベアチップでも、パッケージ品でも構わないが、薄型化とするためには、パッケージ品よりベアチップであることが望ましい。また、ホールＩＣ４を埋め込む部位は、本実施の形態では絶縁層としたが、絶縁層に限るものではなく、絶縁層の代わりに銅コアとしてもよい。銅コアとすることで、放熱特性の向上や電界シールド効果の向上を見込むことができる。ホールＩＣ４と多層プリント配線基板２の接続は、特に図には示していないが、ホールＩＣ４上に形成した金属によるバンプで行う。バンプの材料は、例えば金、はんだである。バンプの形成方法は材料によっても異なるが、印刷法、めっき法、ボール搭載法、スタッドバンプ等がある。電気的に多層プリント配線基板２に接続する側は、絶縁層上にホールＩＣ４を設置した場合は上、もしくは下の何れの導体層でも構わないが、銅コア上に設置した場合は、銅コア上に導体層を設けることは絶縁の観点から望ましくないため、上の導体層と接続することが望ましい。ホールＩＣ４と多層プリント配線基板２の接続は、ワイヤボンディングでも可能であるが、小型化にはバンプを用いることが有利である。ホールＩＣ４の入出力については特に図示していないが、貫通ビアを通じて多層プリント配線基板２の上面から取り出すものとする。本実施の形態では、図１に示したようにコネクタ７を介して外部の機器等と接続する構成としたが、これに限るものではなく、端子を設け、半田等により外部と接続してもよい。
【００３３】  多層プリント配線基板２の第１の内層８ａ上および第４の内層８ｄ上には、導電性を有するシールド層５ａおよびシールド層５ｂをそれぞれ設置する。シールド層５ｂは、電流センサとしての性能を低下させるノイズとして、主に一次導体３に起因してホールＩＣ４へ印加される電界ノイズを、除去あるいは低減するためのもので、少なくとも一層をホールＩＣ４と一次導体３の間に設置するのが望ましい。またシールド層５ａは、外部からホールＩＣ４へ印加される電界ノイズを、除去あるいは低減するためのものである。シールド層５の材料は、導電性を有すればよく、例えば銅、アルミニウム等が考えられ、多層プリント配線基板２に設けた電気的なグランドと接続される。本実施の形態では、内蔵部品としてホールＩＣ４のみを設置した構成であるが、他に回路部品を設置する場合、可能な限りホールＩＣ４と同様に２層のシールド層５ａおよび５ｂ間に配置するのが望ましい。
【００３４】  図３に示すように、被測定電流を印加する一次導体パターン３は多層プリント配線基板２の第５の内層８ｅの導体層パターンを利用して設けられ、多層プリント配線基板２と一体となっており、図１に破線で示したように、一次導体パターン３の形状はＺ方向から見てホールＩＣ４の近傍を通過する同一幅の直線状となっている。一次導体パターン３の幅、厚みは、印加する被測定電流値に応じて決定され、ホールＩＣ４の設置位置に対する一次導体パターン３の配置は、ホールＩＣ４に付与したい磁束密度、つまりは被測定電流の大きさに応じて決定する。ホールＩＣ４に付与したい磁束密度は、多層プリント配線基板２の内層厚みを可変することによっても調整可能であるが、本実施の形態では後述の別の例でも示すように、可能な限り、一次導体パターン３の配置や形状のみを可変することで、ホールＩＣ４に付与したい磁束密度を調整する構成としている。ホールＩＣ４の設置位置や多層プリント配線基板２の内層厚みは、被測定電流の大きさが変わっても可変せず、固定化する、つまり可変するパラメータを減らすことで、製造工程を単純化でき、低コスト化となる。なお被測定電流の入出力には、貫通ビア、もしくはスルーホール等により一次導体パターン３と接続された一次導体パターン入出力端部６を利用する。特に端子等を設けてはいないが、本形態に限るものではなく導電性の端子やコネクタにて接続してもよい。
【００３５】  次に、電流センサ１の動作について、図３により説明する。
一次導体パターン３に被測定電流を印加すると、図３に破線で示した楕円状の磁束線１２が、印加される被測定電流の大きさに応じて発生する。ここでは簡単のために一本の磁束線のみを示したが、一次導体パターン３の近傍には、一次導体パターン３に近いほど大きな磁束密度を有した、磁束線１２と略相似形の磁束線が発生している。本実施の形態では、Ｚ方向の磁束をホールＩＣ４の内部に設けられたホール素子の面外で計測する、すなわち面外方向に感磁方向を有した磁電変換素子を利用する。ホールＩＣ４を図３に示す位置に設置した場合、ホールＩＣ４には図４に示す磁束ベクトル１３が印加され、ホールＩＣ４の感磁方向（Ｚ軸方向）には、分解ベクトル１３ｚが加わることになる。一次導体パターン３の断面形状や引き回しを可変せずに、ホールＩＣ４に大きな磁束密度を印加するには、一次導体パターン３をホールＩＣ４に接近させればよく、小さな磁束密度を印加するには、一次導体パターン３をホールＩＣ４から遠ざければよい。
【００３６】  図５はこの発明の実施の形態１における、別の一次導体パターン３を有した電流センサ平面図、図６はこの発明の実施の形態１における、別の一次導体パターン３を有した電流センサの図５のＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図である。図５、図６は、先に示した図２、図３と比較して、一次導体パターン３のみを変更した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図２の平面図からわかるように、先の例では一次導体パターン３の幅は可変せず一定のまま、多層プリント配線基板２の第５の内層８ｅの導体層パターンを利用して設けられたが、図５、図６に示すように別の例では、ホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の幅、つまりは断面積を縮小した構成である。一次導体パターン３の幅寸法を縮小することで、電流密度が増加、ひいては発生する磁束密度が増加し、ホールＩＣ４に印加される磁束密度が増加することになる。このように、同じ被測定電流であっても、ホールＩＣ４に印加する磁束密度を容易に可変できる。また、ホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の幅寸法を縮小することで、電流密度の増加による発熱を抑制することにもなる。
【００３７】  図７はこの発明の実施の形態１における、さらに別の一次導体パターン３を有した電流センサ平面図、図８はこの発明の実施の形態１における、さらに別の一次導体パターン３を有した電流センサの図７のＡＡ’断面（ＸＺ面）断面図、図９はこの発明の実施の形態１における、さらに別の一次導体パターン３を有した電流センサの図７のＢＢ’断面（ＹＺ面）の断面図である。図７、図８、図９は、先に示した図２、図３と比較して、一次導体パターン３のみを変更した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図２の平面図からわかるように、先の例では一次導体パターン３の幅は可変せず一定のまま、多層プリント配線基板２の第５の内層８ｅの導体層パターンを利用して設けられたが、図７、図８、図９に示すように別の例では、ホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の幅、つまりは断面積を縮小し、かつホールＩＣ４を周回する構成である。一次導体パターン３の幅、つまりは断面積を縮小することで、電流密度が増加、ひいては発生する磁束密度が増加し、ホールＩＣ４に印加される磁束密度が増加することになる。また、図８、図９の断面図から明らかなように、一次導体パターン３がホールＩＣ４の近傍を周回することで、この例では３方向から感磁方向の磁束密度が増加するように、ホールＩＣ４に磁束密度が印加される。このように、一次導体パターン３の変更のみで、同じ被測定電流であっても、ホールＩＣ４に印加する磁束密度を容易に可変できる。また、ホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の断面積を縮小することで、電流密度の増加による発熱を抑制することにもなる。なお、ホールＩＣ４に印加される磁束の方向が、他の例と逆方向となっているが、出力の正負等はプログラム可能なホールＩＣの電気的な調整により容易なため、特に問題とはならない。
【００３８】  以上のように、この実施の形態１によれば、センサ基板の内層の導体層パターンを使用して一次導体パターンを形成し、磁電変換素子であるホールＩＣも内蔵したことで、一次導体パターンとホールＩＣ間の絶縁耐圧が向上するとともに、一次導体パターンとホールＩＣが露出した場合に比べて多層プリント配線基板が縮小でき、且つ低コスト化が図れ、一次導体パターンとホールＩＣが接近可能となるため小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。
【００３９】  また、ホールＩＣと一次導体パターン間の多層プリント配線基板内層にシールド層を設置することで、主に一次導体パターンに起因した一次導体パターンからホールＩＣ方向への電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。また、一次導体パターンのないホールＩＣの下層側にも、導電性を有し、かつグランド電位にされたシールド層を設置することで、外部からホールＩＣに印加される電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。
【００４０】  また多層プリント配線基板に一次導体パターンを作製するため、一次導体パターンの幅、設置位置の可変が、金属導体の利用に比べて容易であり、ホールＩＣの感度等仕様や設置位置は同一なまま、電流検知範囲を可変できる効果がある。またホールＩＣの近傍のみ、一次導体パターンの幅を縮小することで、電流密度の増加による発熱を抑制する効果がある。
【００４１】  さらにまた、磁電変換素子にプログラム可能なホールＩＣを用いたため、電気的な調整のみで感度や温度特性等を調整できるため、電流センサとしての調整が簡略化でき、低コスト化の効果がある。
【００４２】実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２による電流センサの平面図を示すもので、図１１は図１０におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図である。図において、電流センサ１は、２つの一次導体パターン３、ホールＩＣ４、シールド層５を内蔵した多層プリント配線基板２により構成される。
本実施の形態２では、導体層と絶縁層が交互に積層された多層プリント配線基板２は６層の内層８を有しており、一次導体パターン３は内層８ａに設けた導体層を利用して設置した一次導体パターン３ａ、および内層８ｆに設けた導体層を利用して設置した一次導体パターン３ｂの２つの導体パターンを有する構造をとる。また多層プリント配線基板２には、１つの磁電変換素子としてホールＩＣ４を内蔵する。多層プリント配線基板２の内層８ｂ、８ｅには、シールド層５が設置される。
実施の形態２は、実施の形態１と比較して、一次導体パターン３を２つの層に設置した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
【００４３】  図１１に示すように、被測定電流を印加する一次導体パターン３は、多層プリント配線基板２の第１の内層８ａ、および第６の内層８ｆの２つの層の導体層パターンを利用して設けられ、多層プリント配線基板２と一体となっており、ホールＩＣ４から各一次導体パターン３までの距離はほぼ同等となっている。また図１０に破線で示したように、一次導体パターン３の形状は何れもＺ方向から見てホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の幅寸法を縮小した構成となっている。一次導体パターン３の幅寸法、つまりは断面積を縮小することで、電流密度が増加、ひいては発生する磁束密度が増加し、ホールＩＣ４に印加される磁束密度が増加することは、図５の構成と同様である。
まずは、被測定電流を同時に一次導体パターン入出力端部６ａ１、および６ｂ１に接続し、分流して、つまりはパラレルにして、ホールＩＣ４に磁束密度を印加する場合について説明する。この場合、分流により個々の一次導体パターン３ａ、３ｂに発生する磁束密度は低下するものの、２つの層の一次導体パターンで磁束が発生するため、同じ被測定電流を一次導体パターン入出力端部６ａ１のみ、あるいは６ａ２のみに接続した場合と、ホールＩＣ４に印加される磁束密度値は同一である。しかしながら、分流することで、個々の一次導体パターン３ａ、３ｂにおける電流密度が低下するため、発熱を抑制することが可能となる。
次に、被測定電流を一次導体パターン入出力端部６ａ１に接続し、さらに一次導体パターン入出力端部６ａ２と６ｂ１を接続し、シリアルにして、ホールＩＣ４に磁束密度を印加する場合について説明する。この場合分流ではないため、個々の一次導体パターン３ａ、３ｂに発生する磁束密度は低下せず、同じ被測定電流を一次導体パターン入出力端部６ａ１のみ、あるいは６ａ２のみに接続した場合に比べて、２倍の磁束密度をホールＩＣ４に印加することができる。つまり、構成を大きく変えることなく、電流センサとしての測定可能な定格を可変することが可能となる。
【００４４】  次に、本実施の形態２における、別の構成例を示す。図１２はこの発明の実施の形態２における、強磁性材１４を有した電流センサ断面図である。図１２は、先に示した図１０、図１１と比較して、強磁性材１４のみを新たに付加した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図１２に示すようにこの別の例では、強磁性材１４をホールＩＣ４ならびに一次導体パターン３の近傍となる多層プリント配線基板２の上層および下層に設置した構成である。強磁性材１４を設置することで、多層プリント配線基板２の外側に漏れていた磁束が、図１２の太破線で示すように強磁性材１４内に集磁され、ホールＩＣ４に印加されることにより、磁束密度が増加することになる。このように、同じ被測定電流であっても、強磁性材１４を付加することでホールＩＣ４に印加する磁束密度を容易に増加できる。強磁性材１４としては、パーマロイ等のバルク材が考えられるが、これに限るものではなく、箔状で形成できるアモルファス磁性材等を利用し、多層プリント配線基板２の内層に収めることも考えられる。設置方法は、パーマロイ等のバルク材の場合は接着やネジ止め等、種々の方法が考えられるが、多層プリント配線基板２の平面状の表面層への設置となるため、設置工程は容易である。
【００４５】  図１３はこの発明の実施の形態２における、別の一次導体パターン３を有した電流センサ平面図、図１４はこの発明の実施の形態２における、別の一次導体パターン３を有した電流センサ断面図である。図１３、図１４は、先に示した図１０、図１１と比較して、一次導体パターン３のみを変更した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図１０、図１１からわかるように、先の例ではそれぞれの一次導体パターン３は、ホールＩＣ４からの距離はほぼ同等となっていたが、図１３、図１４に示すように別の例では、それぞれの一次導体パターン３をホールＩＣ４から異なる距離に設置する構成である。
被測定電流を同時に一次導体パターン入出力端部６ａ１、および６ｂ１に接続し、分流して、つまりはパラレルにして、ホールＩＣ４に磁束密度を印加する場合について説明する。この場合、分流により個々の一次導体パターン３ａ、３ｂに発生する磁束密度は低下し、２つの層の一次導体パターンで磁束が発生するものの、個々の一次導体パターン３ａ、３ｂの設置位置が異なるため、同じ被測定電流を一次導体パターン入出力端部６ａ１のみ、あるいは６ａ２のみに接続した場合に比べて、ホールＩＣ４に印加される磁束密度値は低下する。このように、同じ被測定電流であっても、分流し、一方の一次導体パターンのみをホールＩＣ４から遠ざけることでホールＩＣ４に印加する磁束密度を容易に低減できる。また分流することで、個々の一次導体パターン３ａ、３ｂにおける電流密度が低下するため、一次導体パターンの発熱を抑制することが可能となる。
【００４６】  以上のように、この実施の形態２によれば、複数の一次導体パターンを同一の多層プリント配線基板内に設け、被測定電流容量によってシリアルまたはパラレル等、接続ポイントを可変することで、多層プリント配線基板の構成やホールＩＣの設置位置は同一なまま、ホールＩＣに印加する磁束密度を可変でき、ひいては電流検知範囲を可変できる効果があるとともに、分流することで発熱を抑制する効果もある。
【００４７】  また、多層プリント配線基板の表面層に強磁性材を設置することで、磁性材の設置が簡略化されるとともに、ホールＩＣに対して容易に集磁できる効果があり、小容量の被測定電流を精度良く検出できる効果がある。
【００４８】実施の形態３．
図１５は、この発明の実施の形態３による電流センサの平面図を示すもので、図１６は図１５におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図、図１７は図１５におけるＢＢ’断面（ＸＺ面）を示す断面図、図１８は図１５におけるＣＣ’断面（ＹＺ面）を示す断面図である。図において、電流センサ１は、一次導体パターン３、２つのホールＩＣ４、シールド層５を内蔵した多層プリント配線基板２により構成される。
本実施の形態３では、導体層と絶縁層が交互に積層された多層プリント配線基板２は５層の内層８を有しており、一次導体パターン３は内層８ｅに設けた導体層を利用して設置する構造をとる。また多層プリント配線基板２には、磁電変換素子として２つのホールＩＣ４を内蔵する。多層プリント配線基板２の内層８ａ、８ｄには、シールド層５が設置される。
実施の形態３は、実施の形態１と比較して、ホールＩＣ４を２個に設置した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
【００４９】  図７の平面図からわかるように、先の例では１個のホールＩＣ４が設置され、ホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の幅、つまりは断面積を縮小し、かつホールＩＣ４を一次導体パターン３が周回する構成であった。図１５に示すように本実施の形態では、２個のホールＩＣ４を設置し、それぞれのホールＩＣ４の近傍においてのみ、一次導体パターン３の幅、つまりは断面積を縮小し、かつそれぞれのホールＩＣ４を一次導体パターン３が逆方向に周回する構成である。一次導体パターン３の幅寸法を縮小することで、一次導体パターン３の断面積が縮小し、電流密度が増加と同時に発生する磁束密度が増加し、ホールＩＣ４に印加される磁束密度が増加すること、および一次導体パターン３がホールＩＣ４の近傍を周回することで、感磁方向の磁束密度が増加するように、ホールＩＣ４に磁束密度が印加されることは、図７の構成と同様である。
まずは、一方向に被測定電流を印加したとき、それぞれのホールＩＣ４に印加される磁束の方向について説明する。図１６において、一次導体パターン３からホールＩＣ４ａの感磁方向に印加される磁束の方向は＋Ｚ方向であり、図１８において、一次導体パターン３ａおよび３ｂからホールＩＣ４ａの感磁方向に印加される磁束の方向は＋Ｚ方向である。つまり、ホールＩＣ４ａを周回する一次導体パターン３から、ホールＩＣ４ａの感磁方向に印加される磁束の方向はすべて＋Ｚ方向であることがわかる。また図１７において、一次導体パターン３からホールＩＣ４ｂの感磁方向に印加される磁束の方向は−Ｚ方向であり、図１８において、一次導体パターン３ｂおよび３ｃからホールＩＣ４ｂの感磁方向に印加される磁束の方向は−Ｚ方向である。つまり、ホールＩＣ４ｂを周回する一次導体パターン３から、ホールＩＣ４ｂの感磁方向に印加される磁束の方向はすべて−Ｚ方向であることがわかる。このように、二つのホールＩＣ４を一次導体パターン３がＳ字上に周回、つまりは逆方向に周回することで、個々のホールＩＣ４には、逆方向の磁束が印加されることになる。
【００５０】  電流センサとしての出力は、二つのホールＩＣ４の差動出力をとることで行う。個々のホールＩＣ４には、逆方向の磁束が印加されるため、正負、逆の出力が個々のホールＩＣ４から得られるため、差動処理を行うことでセンサの出力は２倍となり、同相である一様な外部磁界の影響やノイズ等は除去される。よって、センサ出力の高精度化が可能となる。なお差動処理を行う付加回路は、ホールＩＣ４を設置した電子部品内蔵面に設置するのが望ましいが、付加回路部品の寸法、回路規模等により電子部品内蔵面の設置が困難な場合は、多層プリント配線基板２の表面、もしくは裏面に設置し、貫通ビア等により、ホールＩＣ４と接続する。図１９に、付加回路１５を追加した本実施の形態による別の電流センサ１の断面図を示す。このように付加回路１５を多層プリント配線基板２の外層（ここでは表面）に設ける場合は、一次導体パターン３と付加回路１５の間に、内層８ｆを追加し、新たにシールド層５ｃを設置するのが望ましい。シールド層５ｃの設置により、一次導体パターン３に起因した一次導体パターン３から付加回路１５の方向への電界ノイズを、除去あるいは低減する効果がある。
【００５１】  以上のように、この実施の形態３によれば、磁電変換素子に二つのホールＩＣを用い、一次導体パターンを二つのホールＩＣをＳ字状に周回するように配置することで、二つのホールＩＣそれぞれに逆方向の磁束を印加できるため、両者の差動出力をとることで、一様な外部磁界の影響やノイズ等を除去でき、高精度化できる効果がある。
【符号の説明】
【００５２】１  電流センサ、２  多層プリント配線基板、３  一次導体パターン、４  ホールＩＣ、５  シールド層、６  一次導体パターン入出力端部、７  コネクタ、８  内層、９  中心線、１０  絶縁層、１１  キャビティ、１２  磁束線、１８  磁束ベクトル、１４  強磁性材、１５  付加回路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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