(57)【要約】【課題】小型かつ高感度、低コストで量産に適した形態の電流センサを提供すること。【解決手段】ホール素子１および２と、空隙を有する薄膜状の磁気コア３とを、平坦な基板あるいは電流センサとしての機能に必要な周辺回路が形成された半導体基板上に平行に積層し、被測定電流に生じる誘導磁場が一方向に磁気コア３内で収束されるよう、磁気コア３を囲むように被測定電流の流れる電流導体５を設け、かつ、前記空隙付近から磁気コア外部へ漏れ出した磁束の大部分が、ホール素子の素子面に対して垂直成分を持つよう、ホール素子と前記空隙の配置をとる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホール素子と、空隙を有し該空隙を介して閉磁路を形成する薄膜状の磁気コアとを基板上に平行に積層した構造を有する電流センサであって、前記磁気コアを囲むように配置して被測定電流を流すことによって被測定電流に生じる誘導磁場を前記磁気コア内で収束させる電流導体を前記基板上に設け、かつ、前記空隙付近から前記磁気コア外部へ漏れ出した磁束が、前記ホール素子の感磁面に対して垂直となる位置に、前記ホール素子を配置したことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記電流導体は前記磁気コアにコイル状に巻か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において、
前記電流導体は、前記磁気コアを跨ぐように形成された複数の第１導体と、前記複数の第１導体により互いに接続される２本の第２導体とを有し、前記複数の第１導体は並列に接続されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、
前記基板は、集積回路が形成された半導体基板であり、前記ホール素子と、前記空隙を有する薄膜状の磁気コアと前記電流導体とは、前記半導体基板上に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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁場を高精度に検知する磁気センサとしては、一般にホール素子や磁気抵抗素子等の磁電変換素子がよく用いられる。このような磁電変換素子を用いた磁気センサを用いて、電流から発生する誘導磁場をとらえ、電流強度に換算することで、様々な電流センサが実用化されている。例えば、特許文献１に記載されているような電流センサが広く用いられている。すなわち、この電流センサは、図１に示すように、空隙を有する磁気コア１０に被測定電流の流れる電流導体１１をコイル状に巻き、前記空隙に磁電変換素子としてのホール素子１２を挿入した構造を持っている。
【０００３】
また磁気コア１０の空隙に磁電変換素子を挿入するのではなく、前記空隙の外に磁気抵抗素子１３を設け、前記空隙付近における磁気コア１０外部への漏れ磁束を検出する、図２に示すような電流センサが知られている。例えば特許文献２および特許文献３に記載されているように、空隙を有し、被測定電流の流れる電流導体をコイル状に巻いた磁気コアと、前記空隙付近に磁気抵抗素子とを平行に配置した形式の電流センサが知られている。これらの発明においては、前記空隙を用いて磁気コア内部の磁束をコア外部へ漏れ出すことにより、磁気抵抗素子面に平行な磁束成分を発生させ、被測定電流起因の誘導磁場を検出している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２６２０６４号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平６−１３００８８号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開平７−２０９３３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示したような構造を有する電流センサでは、電流導体をコイル状に巻くための磁気コアが必須であるため小型化に適さず、更には磁気コアとホール素子を個別に製造して組み立てる必要があり、コストの点からも大量生産には適していなかった。また、ホール素子は素子面に対して垂直な磁場成分のみを検出するため、前記空隙部における磁束がホール素子を垂直に横切るようにホール素子を組みつける必要もあり、組み立て上の困難さも抱えていた。
【０００８】
また図２に示したような構造を有する電流センサに関しては、前記空隙付近における磁気コア外部への漏れ磁束を詳細に解析したところ、前記漏れ磁束は磁気抵抗素子の素子面に対して垂直な成分が支配的であり、素子面に対して水平な磁場成分のみが検出可能な磁気抵抗素子では漏れ磁束の利用効率が悪いことが分かった。また、磁気抵抗素子は一般的に、複数の化合物を真空中で結晶成長させて製作しなければならず、その製造方法は複雑で、高価な装置を要する。さらに現状では、磁気抵抗素子は結晶成長に適した特定の基板上でのみしか製作することができない。従って、一般的なシリコン半導体製造プロセスにより、電流センサとしての機能に必要な周辺回路と一体で、シリコン基板上に形成することはできない。
【０００９】
以上のような理由から、磁気コアの空隙付近におけるコア外部への漏れ磁束を、磁気抵抗素子を用いて検出するタイプの電流センサは、漏れ磁束の利用効率の点で不利なだけでなく、磁気コアと磁気抵抗素子とを別々に製造して組み立てる必要がある。また、電流センサに必要な周辺回路も別途製造し、最終的には磁気抵抗素子と結線して組み上げる必要があった。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決し、低コストで量産に適した形態の、小型かつ高感度な電流センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ホール素子と、空隙を有し該空隙を介して閉磁路を形成する薄膜状の磁気コアとを基板上に平行に積層した構造を有する電流センサであって、前記磁気コアを囲むように配置して被測定電流を流すことによって被測定電流に生じる誘導磁場を前記磁気コア内で収束させる電流導体を前記基板上に設け、かつ、前記空隙付近から前記磁気コア外部へ漏れ出した磁束が、前記ホール素子の感磁面に対して垂直となる位置に、前記ホール素子を配置したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記電流導体は前記磁気コアにコイル状に巻かれていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１において、前記電流導体は、前記磁気コアを跨ぐように形成された複数の第１導体と、前記複数の第１導体により互いに接続される２本の第２導体とを有し、前記複数の第１導体は並列に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記基板は、集積回路が形成された半導体基板であり、前記ホール素子と、前記空隙を有する薄膜状の磁気コアと前記電流導体とは、前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
図３の（Ａ）は、２つのホール素子１及び２が形成されているセンサ基板４上に、空隙を有する薄膜状の磁気コア３と、磁気コア３を囲むように被測定電流の流れる電流導体５をコイル状に形成した電流センサの模式図である。磁気コア３は、有する空隙がホール素子１及び２近傍に位置するように設ける必要がある。電流導体５は少なくとも、被測定電流が流れた場合に生じる誘導磁場が磁気コア３により一方向に収束されるような回路となるように配置する。
【００１６】
ホール素子は１つでも良いが、２つ以上組み合わせて検出効率の向上、およびセンサ特性の向上を図っても良い。磁気コアの材料である高透磁率の磁性材料に導電性がある場合には、電流導体５は磁気コア３と絶縁されている必要がある。絶縁にはエポキシ接着剤やポリイミド等の樹脂、および窒化珪素等を用いることができる。電流導体５の材質としては、例えば銅や金の薄膜やメッキ膜、もしくは金のワイヤーなどが利用でき、それらは通常のＬＳＩプロセスと同様の技術で、順次半導体基板等の平面上に積層して形成することが可能である。
【００１７】
前述したように、前記空隙付近における磁気コア外部への漏れ磁束は、素子面に対して垂直な成分が支配的である。ホール素子は素子面に対して垂直な磁場成分を検出できるため、磁気抵抗素子を用いた場合と比べ、漏れ磁束の利用効率は高い。
【００１８】
図３の（Ｂ）は、図３の（Ａ）において、被測定電流が流れる電流導体５の模式図であって、６は電流導体５が接続された被測定電流発生源である。この場合は電流導体５が磁気コア３に近接して、コイル状に巻かれ連続して形成されている。従って、被測定電流の発生する誘導磁場は、一般的な励磁コイルの場合と同様となる。
【００１９】
（実施例２）
図４の（Ａ）は、２つのホール素子１及び２が形成されているセンサ基板上に、空隙を有する薄膜状の磁気コア３と、磁気コア３を囲むように電流導体５を配置しつつも、電流導体５をそれぞれ空間的に分割して形成し、それぞれを電気的に並列接続して、被測定電流を流すことを特徴とする電流センサの模式図である。本実施例においては、被測定電流から生じた誘導磁場が一方向にそろうように、それぞれの電流導体５を並列接続する必要がある。それぞれの電流導体５を電気的に並列に接続する配線は、電流導体５と同じ材質である必要はなく、磁気コア３と同一平面上に構築しても良いし、リードフレーム等を用いて別面に形成しても良い。
【００２０】
図４の（Ｂ）は、図４（Ａ）において被測定電流が流れる電流導体５の模式図である。本実施例では、基板上に分割形成された前記電流導体５は各々並列に接続されているため、被測定電流は前記電流導体５間を連続しては流れない。従って、図３（Ｂ）に示した実施例と比較し、前記電流導体５中を被測定電流が流れる際の、電流導体５が持つ電気抵抗による電圧降下の影響を大幅に低減することができる。磁電変換素子を用いず、シャント抵抗による電圧降下を測定するタイプの電流センサは被測定電流中に抵抗を挿入しなければならないため必ず熱損失が発生するが、本実施例は電流導体の分割数を増やすことで電気抵抗を極小化することが可能であり、電流導体の電気抵抗による熱損失を極限まで低減することが可能である。
【００２１】
（実施例３）
図５は、実施例１に対し、空隙を有する磁気コア３、および前記電流導体５を、２つのホール素子１及び２と電流センサに必要な周辺回路８が形成された半導体基板７上に積層した構造を有する電流センサの模式図である。半導体基板には、ホール素子と電流センサとしての機能に必要な周辺回路が形成された、シリコンウェハを用いることができる。このように、前記周辺回路とホール素子、さらに被測定電流の流れる電流導体と空隙を有する磁気コアを、シリコンウェハ上の各々のチップに一体にして順次積層形成することで、前記空隙付近における磁気コア外部への漏れ磁束をホール素子で検出する形式の、超小型の電流センサチップの製造が可能である。この手法は通常のＬＳＩプロセスと極めて類似しているため、既存のＬＳＩ製造装置を用いることができ、低コストで量産に適していると考えられる。
【００２２】
以上、本発明における実施例の詳細を説明したが、電流導体の材質やその形成方法、また磁気コアの材質や空隙の数は、上記実施例に限定されるものではない。すなわち、ホール素子と、空隙を有する薄膜状の磁気コアとを平面上に平行に積層した構造を有する電流センサであって、被測定電流に生じる誘導磁場が閉磁路を形成する磁気コア内で収束されるよう、磁気コアを囲むように被測定電流の流れる電流導体を設け、かつ、前記空隙付近から磁気コア外部へ漏れ出した磁束の大部分が、ホール素子の素子面に対して垂直成分を持つような、ホール素子と前記空隙との配置を持つ構造の電流センサである限り、全て本発明のかかる範囲である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、小型かつ高感度の電流センサを、例えば集積回路を製造する際に通常使用される標準的な手法で製造することができ、大量生産に適した低コストな電流センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来から知られている電流センサを示す説明図である。
【図２】特許文献３に開示されている磁気センサを示す説明図である。
【図３】（Ａ）は本発明の実施例１による電流センサを示す図であり、（Ｂ）は同電流センサにおいて、被測定電流が流れる電流導体を示す図である。
【図４】（Ａ）は本発明の実施例２による電流センサを示す図であり、（Ｂ）は同電流センサにおいて、被測定電流が流れる電流導体を示す図である。
【図５】本発明の実施例３による電流センサを示す図である。
【符号の説明】
１，２  ホール素子
３  空隙を持つ薄膜状の磁気コア
４  ２つのホール素子を設けたセンサ基板
５  被測定電流の流れる、磁気コアに近接した電流導体
６  ホール素子と、電流センサとしての機能に必要な周辺回路が作りこまれた半導体基板
【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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