(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に少なくとも１つのコイル状の一次導体パターンであるコイル部を形成し、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、また一次導体パターンをコイル状としたことで磁電変換素子に印加される磁束が増加し、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２
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【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、導体が巻回されて構成され、前記多層プリント配線基板に設けられたコイル部を備え、
前記コイル部は、前記絶縁層の一面に略平行に配列された複数の第１細線導体部、前記絶縁層の他の一面に略平行に配列された複数の第２細線導体部、前記多層プリント配線基板を貫通して前記第１細線導体部及び前記第２細線導体部の一端部同士を電気的に接続する第１接続細線導体部、及び前記多層プリント配線基板を貫通して前記第１細線導体部及び前記一端部同士が接続された第２細線導体部に隣接する前記第２細線導体部の他端部同士を電気的に接続する第２接続細線導体部を有しており、
前記磁電変換素子を取り囲むように前記コイル部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、前記半導体素子は少なくとも一つの磁電変換素子であり、導体が巻回されて構成され、前記多層プリント配線基板に設けられた前記コイル部を備え、
前記磁電変換素子を前記コイル部から離間して配置したことを特徴とする電流センサ。
【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または請求項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、第１接続細線導体部ならびに第２接続細線導体部を非直線状に配置し、第１細線導体部ならびに第２細線導体部の設置間隔を縮小して密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、少なくとも２つの前記コイル部を設置し、一方の前記コイル部はもう一方の前記コイル部を取り囲むようにして配置した重ねコイル部であるとともに、これらのコイル部が電気的に接続され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、前記コイル部の少なくとも１点に電気的な分岐点を設け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、前記磁電変換素子の設置層と同一もしくは近傍層に空乏層を設けるとともに、前記空乏層の少なくとも一つに強磁性材を設置したことを特徴とする請求項１から請求項７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、前記空乏層の少なくとも一つに設置した強磁性材の形状は、台形状である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、前記コイル部は中点に電気的な分岐点を有し、前記分岐点にて分割されたそれぞれのコイル部に前記ホールＩＣを設置することを特徴とする請求項１１に記載の電流センサ。
【請求項１３】
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、前記多層プリント配線基板において少なくとも２つの分離された前記コイル部を設置し、それぞれのコイル部に前記ホールＩＣを設置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、磁電変換素子とコイル状の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、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、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、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２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】  特開２００８−５４５９６４公報
【特許文献２】  特開平５−２２３８４９公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  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、ホール素子近傍において高い磁束密度を得るために一次導体断面積をホール素子近傍において縮小し、高い電流密度を得る構造をとっている。しかしながら急激に断面積を縮小し電流密度を上げることで、特にホール素子近傍において一次導体に発熱が生じ、発熱によりホール素子の動作が不安定になるという問題点があった。
【０００７】  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、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。
【０００８】  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】
【０００９】  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に設けた少なくとも一つのコイル状の一次導体パターンの内部、もしくは近傍に、磁電変換素子を配置したものである。
【００１０】  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。
【００１１】  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コイル状の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。
【００１２】  また、この発明に係わる電流センサは、第１接続細線導体部ならびに第２接続細線導体部を非直線状に配置し、第１細線導体部ならびに第２細線導体部の設置間隔を縮小して密に配置したものである。
【００１３】  また、この発明に係わる電流センサは、少なくとも２つのコイル部を設置し、一方のコイル部はもう一方のコイル部を取り囲むようにして配置した重ねコイル部であるとともに、これらのコイル部が電気的に接続されたものである。
【００１４】  また、この発明に係わる電流センサは、コイル部の少なくとも１点に電気的な分岐点を設けたものである。
【００１５】  また、この発明に係わる電流センサは、磁電変換素子の設置層と同一もしくは近傍層に空乏層を設けるとともに、空乏層の少なくとも一つに強磁性材を設置したものである。
【００１６】  また、この発明に係わる電流センサは、前記空乏層の少なくとも一つに設置した強磁性材の形状は、略台形状であるものとする。
【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、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。
【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、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。
【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、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、コイル部はコイルの中点に電気的な分岐点を有し、前記分岐点にて分割されたそれぞれのコイル部に前記ホールＩＣ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、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、多層プリント配線基板において少なくとも２つの分離されたコイル部を備え、それぞれのコイル部にホールＩＣを設置したものである。
【発明の効果】
【００２１】  以上のように、この発明によれば、多層プリント配線基板にコイル状の一次導体パターンを形成し、磁電変換素子はコイル状の一次導体パターン形成面と異なる多層プリント配線基板内に内蔵したことで、コイル状の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、一次導体パターンをコイル状としたことで発生する磁束密度が増加でき、さらに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、かつ多層プリント配線基板の製造工程にてコイルを作製するため、低コスト化が図れる効果がある。
【００２２】  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、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、一次導体パターン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、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。
【００２３】  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。
【００２４】  また、一次導体をコイル状とすることで、磁電変換素子に印加する磁束密度を容易に向上できる効果がある。
【００２５】  また多層プリント配線基板にコイル状の一次導体パターンを作製するため、一次導体パターンの設置位置やコイルのターン数、巻線密度の可変が、金属線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、複数のコイル状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、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。
【００２６】  さらにまた、多層プリント配線基板内層の空乏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、磁電変換素子に対して接近し、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。
【００２７】  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。
【００２８】  さらにまた、磁電変換素子に二つのホールＩＣを用い、コイル状の一次導体パターンに分岐点を設け、二つのホールＩＣをそれぞれのコイル部に配置することで、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。
【００２９】  さらにまた、磁電変換素子に二つのホールＩＣを用い、多層プリント配線基板において少なくとも２つの分離されたコイル部を備え、それぞれのコイル部にホールＩＣを設置し、二つのホールＩＣそれぞれに逆方向の磁束を印加して、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コイル部周辺の概略を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施形態１による電流センサの一部の平面図である。
【図６】この発明の実施形態１による別の電流センサの一部の平面図である。
【図７】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８】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９】この発明の実施形態２による電流センサのコイル部周辺の概略を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施形態２による別の電流センサのコイル部周辺の概略を示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施形態２によるさらに別の電流センサのコイル部周辺の概略を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施形態２によるさらに別の電流センサのコイル部周辺の概略を示す斜視図である。
【図１３】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１４】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１５】この発明の実施形態３による電流センサのコイル部周辺の概略を示す斜視図である。
【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、コイル状の一次導体パターンであるコイル部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６層の内層８を有しており、コイル状の一次導体パターンであるコイル部３は、内層８ａおよび８ｆに設けた複数の細線導体部９を順次接続細線導体部１０を介して接続して構成したものである。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８ｂ、８ｅ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、ホールＩＣの利用は、低コスト化の効果を有する。内層８ｃ、８ｄに挟まれた絶縁層１２に、ホールＩＣ４を埋め込むためのキャビティ１３を設け、ホールＩＣ４を設置する。本実施の形態では、絶縁層１２が電子部品内蔵層となる。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２の内層８ｂ上および第５の内層８ｅ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５ａおよびシールド層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、主にコイル状の一次導体パターンであるコイル部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とコイル部３の間に設置するのが望ましい。またコイル部３に限らず、外部からホールＩＣ４へ印加される電界ノイズを、さらに効果的に除去あるいは低減するため、あるいはコイル部３から外部に放出される電界ノイズを除去あるいは低減するために、多層プリント配線基板２の表裏面にシールド層を設置しても良い。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４に示すように、被測定電流を印加するコイル状の一次導体パターンであるコイル部３は、ソレノイドコイルの形状を有している。コイル部３は多層プリント配線基板２の第１の内層８ａに設けた細線導体部９ａ（図４における一点鎖線）、第６の内層８ｆに設けた細線導体部９ｂ（図４における実線）、両層の細線導体部を電気的に接続する接続細線導体部１０ａ、１０ｂ（図４における点線）を利用して設けられ、多層プリント配線基板２と一体となっている。接続細線導体部は、プリント基板作製工程における導電性を有した貫通ビア、もしくはスルーホールである。図２に破線で示したように、Ｚ方向から見てコイル部３の形状は鋸歯状となっており、ホールＩＣ４は本実施の形態では、コイル部３の中心線１１近傍のコイル内のコイル端部に設置されている。なおホールＩＣ４の入出力引き回しの簡便さから、ホールＩＣ４をコイル端部に設置しているが、ホールＩＣ４の設置位置はこれに限るものでなく、またホールＩＣ４に付与したい磁束密度によってはコイル外でもよく、さらにはコイル部３の中心線１１の近傍でなくてもよい。コイル部３のターン数や、細線導体部の幅、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コイル部３の配置は、簡単には上述したが、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、可能な限り、コイル部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コイル部３と接続されたコイル部入出力端部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】  図５に多層プリント配線基板２の第６の内層８ｆに設けた細線導体部９ｂと接続細線導体部１０ａの一部を示す平面図を示す。本実施の形態では、図２や図４からもわかるように、接続細線導体部１０は一直線となるように配置されている。しかしながらこれに限るものではなく、図６に示した別の平面図のように、接続細線導体部１０を一直線となるように配置せず、千鳥状に配置してもよい。千鳥状に配置することで、細線導体部９ｂの間隔を縮めることが可能となり、ひいてはコイルの密巻き、ターン数の増加が可能となる。
【００３６】  次に、電流センサ１の動作について、図４により説明する。
コイル状の一次導体パターンであるコイル部３のコイル部入出力端部６ａから６ｂに被測定電流を印加すると、コイル部３の内部では主に図４の矢印で示した磁束ベクトル１４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ホールＩＣ４に印加される、主たる一本の磁束ベクトルのみを示した。本実施の形態では、Ｙ方向の磁束を計測する、すなわち面内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４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１４が感磁方向に印加されることになる。コイル部３の位置やターン数を可変せずに、ホールＩＣ４に大きな磁束密度を印加するには、コイル部３の内部にホールＩＣ４設置すればよく、小さな磁束密度を印加するには、コイル部３の外部にホールＩＣ４を設置すればよい。さらに小さな磁束密度を印加するには、コイル部３の中心線１１から外して設置するのがよい。
【００３７】  図７はこの発明の実施の形態１における、別のコイル状の一次導体パターンである重ねコイル部１５を有した電流センサ断面図である。図７は、先に示した図３と比較して、重ねコイル部１５のみを追加した構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
図２の平面図や図４の斜視図からわかるように、先の例ではコイル状の一次導体パターンであるコイル部３をひとつのみを、多層プリント配線基板２に設けたが、図７に示すように別の例では、コイル部３を取り囲むように、同じくコイル状の一次導体パターンである重ねコイル部１５を設置した構成である。重ねコイル部１５はコイル部３と同様に、多層プリント配線基板２の第７の内層８ｇに設けた細線導体部９ｃ（図７の断面では見えていない）、第８の内層８ｈに設けた細線導体部９ｄ、両層の細線導体部を電気的に接続する接続細線導体部１０ｃ、１０ｄを利用して設けられ、多層プリント配線基板２と一体となっている。コイル部３、重ねコイル部１５という２つのコイル状一次導体パターンは同じ巻き方向であり、同じ方向に被測定電流が流れるように両コイル部を接続することで、コイル部の内部ではそれぞれのコイル部で発生する磁束密度が加算されることになる。つまりホール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可変できる。
【００３８】  以上のように、この実施の形態１によれば、多層プリント配線基板の内層の細線導体部、および接続細線導体部を利用してコイル状の一次導体パターンであるコイル部を多層プリント配線基板の内部に形成し、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、コイル部とホールＩＣを別体に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、コイル部とホールＩＣが接近可能となり、さらに一次導体パターンをコイル状にしたため、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とコイル状の一次導体パターンであるコイル部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。
【００４０】  また多層プリント配線基板にコイル状の一次導体パターンであるコイル部を作製するため、コイル部の設置位置やターン数の可変、さらにコイル部の追加が、金属導体の巻線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。
【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８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９は図８におけるコイル状の一次導体パターンであるコイル部３、コイル部入出力端部６、ホールＩＣ４、分岐部１６、入出力細線導体部１７を示す斜視図である。図８におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図は、図３と同様のため省略する。ここで電流センサは、コイル部３、ホールＩＣ４、シールド層５（図９では省略）、分岐部１６、入出力細線導体部１７を内蔵し、コイル部入出力端部６を表面に備えた多層プリント配線基板２により構成される。
実施の形態２は、実施の形態１と比較して、コイル状の一次導体パターンであるコイル部３に電気的な分岐点となる分岐部１６を設け、入出力細線導体部１７とコイル部入出力端部６ｃを用いて分岐部１６を介した被測定電流の入出力を可能とした構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
【００４３】  分岐部１６を設け、３つのコイル部入出力端部６ａ、６ｂ、６ｃを多層プリント配線基板２に設置したことで、被測定電流の入出力は３通りとなる。つまり実施の形態１と同等であるコイル部入出力端部６ａ、６ｂを利用し、コイル部３の全体に被測定電流を印加する場合、コイル部入出力端部６ａ、６ｃを利用して図９におけるコイル部３の手前（前方）側のみに被測定電流を印加する場合、そしてコイル部入出力端部６ｂ、６ｃを利用して図９におけるコイル部３の後方側のみに被測定電流を印加する場合の３通りである。
まずは、コイル部入出力端部６ａ、６ｂを利用する場合について説明する。この場合、コイル部３の全体に被測定電流を印加することになり、コイル部３の内部に設置されたホールＩＣ４に印加される磁束密度は最も大きくなる。次に、コイル部入出力端部６ｂ、６ｃを利用する場合について説明する。この場合、コイル部３の後方部のみに被測定電流を印加することになり、コイル部３の内部に設置されたホールＩＣ４に印加される磁束密度は前述の場合に比べて小さくなる。最後にコイル部入出力端部６ａ、６ｃを利用する場合について説明する。この場合、コイル部３の前方部のみに被測定電流を印加することになり、コイル部３の後方部に設置されたホールＩＣ４を取り囲むコイル部分には被測定電流は印加されないため、ホールＩＣ４に印加される磁束密度は前述の場合に比べてさらに小さくなる。つまり、構成を大きく変えることなく、コイル部入出力端部の接続のみを可変することでホールＩＣ４に印加される磁束密度を可変でき、ひいては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】  図１０はこの発明の実施の形態２における、別の実施の形態であり、２個のホールＩＣを有した電流センサにおける、コイル状の一次導体パターンであるコイル部３、コイル部入出力端部６、ホールＩＣ４、分岐部１６、入出力細線導体部１７を示す斜視図である。ここで電流センサは、コイル部３、ホールＩＣ４、シールド層５（図１０では省略）、分岐部１６、入出力細線導体部１７を内蔵し、コイル部入出力端部６を表面に備えた多層プリント配線基板により構成される。
図１０は、図９と比較して、ホールＩＣ４を２個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。
【００４５】  図１０における電流センサの動作について説明する。被測定電流の入力はコイル部入出力端部６ｃを用い、出力にはコイル部入出力端部６ａ、６ｂを利用する。コイル部入出力端部６ｃに入力された被測定電流は、入出力細線導体部１７を流れ、分岐部１６に到達し、分岐部１６にて分流される、分流された被測定電流は、それぞれコイル部３の手前（前方）部とコイル部３の後方部に印加され、手前部にて発生する磁束ベクトル１４ａは−Ｙ方向、後方部にて発生する磁束ベクトル１４ｂは＋Ｙ方向となる。つまりコイル部３の手前部、後方部のそれぞれに設置された個々のホールＩＣ４ａ、４ｂには、逆方向の磁束が印加されることになる。
【００４６】  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。付加回路を多層プリント配線基板２の外層（表面）に設ける場合は、コイル部３と表面に設置される付加回路の間に、内層を追加し、新たにシールド層を設置するのが望ましい。シールド層の設置により、コイル部３に起因したコイル部３から付加回路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。
【００４７】  図１１はこの発明の実施の形態２における、さらに別の実施の形態であり、２つのコイル部３を有した電流センサにおける、コイル状の一次導体パターンであるコイル部３、コイル部入出力端部６、ホールＩＣ４、入出力細線導体部１７を示す斜視図である。ここで電流センサは、コイル部３、ホールＩＣ４、シールド層５（図１１では省略）、入出力細線導体部１７を内蔵し、コイル部入出力端部６を表面に備えた多層プリント配線基板により構成される。
図１１は、図１０と比較して、分岐部１６を設けずコイル部３を別体として２個設置し、それぞれのコイル部３にコイル部入出力端部６を設けた構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
先の形態である図１０では、分岐部１６により被測定電流を分流する構成であった。本形態である図１１では、コイル部３は別体に分割して、手前部をコイル部３ａ、後方部をコイル部３ｂとし、コイル部３ａはコイル部入出力端部６ａ、６ｃを有し、コイル部３ｂはコイル部入出力端部６ｂ、６ｄを有している。それぞれのコイル部３ａ、３ｂへの被測定電流の入力には、コイル部入出力端部６ｃ、６ｄを用い、出力にはコイル部入出力端部６ａ、６ｂを利用する。つまり図１０においては、被測定電流は分岐部１６にて分流する構成であったが、図１１では多層プリント配線基板の外部にて分流し、分流後の被測定電流をそれぞれのコイル部３ａ、３ｂに印加する構成である。外部で分流することの利点は、分流前の容量の大きな被測定電流が入出力細線導体部１７に印加されたときの発熱を抑制することである。また、外部で分流することで、分流の精度が向上することも考えられる。
なお分流を前提として説明してきたが、図１１においては分流せずに、例えばコイル部入出力端部６ｃに被測定電流を入力し、コイル部入出力端部６ａと６ｄを接続すれば、２つのコイル部３ａ、３ｂがシリアルに接続され、同一容量の被測定電流が２つのコイル部３ａ、３ｂに印加されることになる。被測定電流が低容量の場合などは、このように分流せず、２つのコイル部３ａ、３ｂをシリアルに接続して同一容量の被測定電流を印加することが望ましい。
また、本実施の形態では、２個のコイル部３の巻き方向は同一で、逆方向に被測定電流を印加する構成としたが、これに限るものではなく、巻き方向を逆にし、同一方向に被測定電流を印加する構成としてもよい。入出力細線導体部１７の引き回し簡略化等を考慮し、選択するのが望ましい。
【００４８】  図１２はこの発明の実施の形態２における、さらに別の実施の形態であり、２つのコイル部３を有した電流センサにおける、コイル状の一次導体パターンであるコイル部３、コイル部入出力端部６、ホールＩＣ４、入出力細線導体部１７を示す斜視図である。ここで電流センサは、コイル部３、ホールＩＣ４、シールド層５（図１２では省略）、入出力細線導体部１７を内蔵し、コイル部入出力端部６を表面に備えた多層プリント配線基板により構成される。
図１２は、図１１と比較して、別体とした２個のコイル部３をＸ軸方向に並べて設置し、それぞれのコイル部３にコイル部入出力端部６を設けた構成であり、その他の構成や動作で重複する部分は省略する。
先の形態である図１１では、別体とした２個のコイル部３をＹ軸方向に並べて設置した構成であった。本形態である図１２では、別体とした２個のコイル部３をＸ軸方向に並べて設置した構成である。図１２において、それぞれのコイル部３ａ、３ｂへの被測定電流の入力には、コイル部入出力端部６ａ、６ｃを用い、出力にはコイル部入出力端部６ｂ、６ｄを利用する。それぞれのコイル部３ａ、３ｂをＸ軸方向に並べて設置したことの利点は、それぞれのコイル部にて発生し、それぞれのホールＩＣに印加される磁束が、互いに干渉されにくいことである。Ｙ軸方向に並べた場合、コイル部端面が近接しているため、コイル部端面の近傍にて発生した磁束は、互いに逆方向のベクトルとなるため、干渉しあい、減じられることになる。
なお分流を前提として説明してきたが、図１２においても分流せずに、例えばコイル部入出力端部６ｃに被測定電流を入力し、コイル部入出力端部６ａと６ｄを接続すれば、２つのコイル部３ａ、３ｂがシリアルに接続され、同一容量の被測定電流が２つのコイル部３ａ、３ｂに印加されることになる。被測定電流が低容量の場合などは、このように分流せず、２つのコイル部３ａ、３ｂをシリアルに接続して同一容量の被測定電流を印加することが望ましい。
また、本実施の形態でも、２個のコイル部３の巻き方向は同一で、逆方向に被測定電流を印加する構成としたが、これに限るものではなく、巻き方向を逆にし、同一方向に被測定電流を印加する構成としてもよい。入出力細線導体部１７の引き回し簡略化等を考慮し、選択するのが望ましい。
【００４９】  以上のように、この実施の形態２によれば、コイル状の一次導体パターンであるコイル部に電気的な分岐点となる分岐部を設け、入出力細線導体部とコイル部入出力端部を用いて分岐部を介した被測定電流の入出力を可能としたことで、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。
【００５０】  また、磁電変換素子に二つのホールＩＣを用い、コイル状の一次導体パターンであるコイル部に電気的な分岐点となる分岐部を設け、分岐部にて分割されたそれぞれのコイル部に逆方向の被測定電流が流れることで、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。
【００５１】  また、磁電変換素子に二つのホールＩＣを用い、コイル状の一次導体パターンである二つのコイル部のそれぞれにホールＩＣを設け、二つのホールＩＣそれぞれに逆方向の磁束を印加したとき、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。
【００５２】実施の形態３．
図１３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１４は図１３におけるＢＢ’断面（ＸＺ面）を示す断面図、図１５は図１３におけるコイル状の一次導体パターンであるコイル部３、コイル部入出力端部６、ホールＩＣ４、強磁性材１８を示す斜視図である。図１３におけるＡＡ’断面（ＸＺ面）を示す断面図は、図３と同様のため省略する。図において、電流センサ１は、コイル部３、ホールＩＣ４、シールド層５（図１５では省略）、強磁性材１８を内蔵し、コイル部入出力端部６を表面に備えた多層プリント配線基板２により構成される。
実施の形態３は、実施の形態１と比較して、電子部品内蔵面である絶縁層１２のキャビティ１３に強磁性材１８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。
【００５３】  多層プリント配線基板２の構成と強磁性材１８について説明する。
図１４は多層プリント配線基板２の図１３におけるＢＢ’断面（ＸＺ面）を示す断面図である。内層８ｃ、８ｄに挟まれた絶縁層１２に、強磁性材１８を埋め込むための空乏層であるキャビティ１３を設け、強磁性材１８を設置する。本実施の形態では、絶縁層１２が電子部品内蔵面であり、ホールＩＣ４と同じ電子部品内蔵面に強磁性材１８を設置する例を示す。それは、使用するホールＩＣ４の感磁方向がＹ方向のためであり、この例のように同じ電子部品内蔵面に設置するのが望ましい。しかしながら、この例に限るものではなく、ホールＩＣ４と同じ電子部品内蔵面にホールＩＣ以外の電子部品を設置するなど、強磁性材１８の設置が困難な場合は、他層にキャビティ１３を設けて強磁性材１８を設置しても良いが、可能な限り、ホールＩＣ４を設置した電子部品内蔵面近傍であることが望ましい。
またキャビティ１３は、電子部品内蔵面で閉じた構成、つまり、強磁性材１８が完全に多層プリント配線基板２の内部に取り込まれた構成でもよいが、図１３からわかるように、多層プリント配線基板２の側面で開放された構成でもよい。閉じた構成であれば、強磁性材１８が外部環境から保護されるという利点があり、開放された構成であれば、ホールＩＣ４に印加したい磁束密度に応じて強磁性材１８を取り替えることが可能となり、ひいては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。
なお強磁性材１８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てもよい。設置方法は、強磁性材１８の接着が容易であるが、キャビティ１３が開放構成の場合、開放部分の樹脂封止などでも構わない。
強磁性材１８の形状は、本実施の形態では台形状とし、辺の狭まったホールＩＣ４側にて磁束ベクトル１４が集中し、より大きな磁束密度がホールＩＣ４の位置で得られる構成とした。しかしながら、本形態に限るものではなく、磁束ベクトル１４の集中の程度は低減するが、製造の容易さ。低コスト化等から、長方形状としてもよく、形状によりホールＩＣ４の位置で得られる磁束密度を調整することは可能である。
【００５４】  図１５における電流センサの動作説明に先立ち、強磁性材１８のない実施の形態１である図４について説明する。強磁性材１８がない場合、ホールＩＣ４に印加される磁束密度は、ホールＩＣ４の設置されたコイル部３の中心線１１の近傍に発生する磁束ベクトル１４のみとなる。一方、図１５のように強磁性材１８が設置された場合、コイル部３の中心線１１の近傍以外で発生した磁束ベクトル（例えば１４ｂ、１４ｃ）も強磁性材１８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１８を設置することでホールＩＣ４に印加する磁束密度を容易に増加できる。
【００５５】  以上のように、この実施の形態３によれば、多層プリント配線基板のキャビティ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。
【００５６】  また、キャビティを多層プリント配線基板２の側面で開放された構成にすることで、強磁性材１８を取り替えることが容易となるため、ひいては電流センサとしての測定可能な定格を可変できる効果がある。
【符号の説明】
【００５７】１  電流センサ、２  多層プリント配線基板、３  コイル部、４  ホールＩＣ、５  シールド層、６  コイル部入出力端部、７  コネクタ、８  内層、９  細線導体部、１０  接続細線導体部、１１  中心線、１２  絶縁層、１３  キャビティ、１４  磁束ベクトル、１５  重ねコイル部、１６  分岐部、１７  入出力細線導体部、１８  強磁性材
【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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