JP2008039517A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外乱磁界の影響を受けにくい電流センサを提供する。
【解決手段】コア１のギャップ１ａにセンサパッケージ１０が配置され、センサパッケージ１０はセンサチップ１２がリードフレーム１１上に搭載されるとともにセンサチップ１２が封止されている。センサチップ１２のホール素子形成面１２ａが、ギャップ１ａを構成するコア１の対向面Ｓ１，Ｓ２の間において両方の対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電流センサに関するものである。

集磁コア型の電流センサが知られている（例えば特許文献１）。集磁コア型電流センサの構造の一例を図１０に示す。図１０（ａ）に示すように、環状をなすコア１００は電流線１０５を囲繞しており、その一部のギャップ（間隙）１００ａにセンサパッケージ１１０が配置されている。そして、電流線１０５に流れる被検出電流Ｉｆの大きさに応じてギャップ１００ａに磁界が発生し、図１０（ｂ）に示すようにセンサパッケージ１１０のセンサチップ（感磁素子）１１１において磁界の大きさに応じた信号を出力する。

ここで、図１０（ｂ）に示すように、組付け性を考慮してセンサパッケージ１１０の中心（あるいはリードフレーム１１３）がコア１００のギャップ１００ａの中心と一致する構造となっている。

この場合、本来測定すべき電流による磁界以外の磁界（外乱磁界）の影響を受けてしまい、センサ出力の誤差となっている。
特開平５−７２２３３号公報

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、外乱磁界の影響を受けにくい電流センサを提供することにある。

本発明者らは、外乱磁界によるコアギャップでの磁束の流れを解析した結果、ギャップを構成するコアの対向面に沿う方向（図１０（ｂ）でのα方向）に外乱磁界が加わったときにコアギャップの中心においては当該外乱磁界による磁束が感磁素子（センシング部）に入らないことが判明した。このことを考慮して、請求項１に記載の発明では、センサパッケージをコアのギャップに、センサチップの感磁素子形成面が、ギャップを構成するコアの対向面の間において両方の対向面から等距離となるように配置した。その結果、センサチップの感磁素子形成面がコアのギャップの対向面の間において両方の対向面から等距離となっているので、外乱磁界が電流センサの出力特性変動要因となりにくく、外乱磁界の影響を受けにくくすることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電流センサにおいてコアのギャップに、センサパッケージの位置決め部材を配置し、センサパッケージのパッケージ材が前記位置決め部材に当接するようにして前記センサパッケージを配置すると、コアのギャップでのセンサパッケージの位置決め精度が向上する。

具体的には、請求項３に記載のように、請求項２に記載の電流センサにおいて、位置決め部材は平板部を有し、平板部にセンサパッケージのパッケージ材の１つの側面を当接させる構成とするとよい。さらに、請求項４に記載のように、請求項３に記載の電流センサにおいて、位置決め部材の平板部は前記対向面に平行に配したものであると、狭いコアのギャップに位置決め部材を配置する上で好ましいものとなる。さらには、請求項５に記載のように、請求項３または４に記載の電流センサにおいて位置決め部材は平板部の端部にストッパ部を有するものであると、ストッパ部によりパッケージ材の移動を規制することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項１に記載の電流センサにおいて、リードフレームにおけるセンサチップを搭載する部位に対しセンサパッケージのパッケージ材から露出する部位を、両方の対向面の間の中央側に偏倚させた。

請求項６に記載の発明によれば、コアのギャップでのセンサパッケージの組み付け性を向上させることができる。つまり、従来、リードフレームがコアのギャップの中心と一致する構造とすることは組付け性という観点からはよいが、外乱磁界の影響を受けてしまう。これに対し、請求項６に記載の発明によれば、パッケージ材から露出するリードフレームをコアギャップの中心寄りになるように配置することにより、コアギャップの対向面から等距離にセンサチップの素子形成面を配置することができ、容易に外乱磁界の影響を受けにくくすることができる。

ここで、請求項７に記載のように、請求項６に記載の電流センサにおいてセンサチップを搭載する部位とパッケージ材から露出する部位との間においてリードフレームを折り曲げることにより、パッケージ材から露出する部位を、両方の対向面の間の中央側に容易に偏倚させることができる。

また、請求項８に記載のように、請求項６または７に記載の電流センサにおいて感磁素子形成面に直交するパッケージ材の厚さ方向の中央に感磁素子形成面が位置するように封止することにより、パッケージ材の厚さ方向の中央に感磁素子形成面がくるので、コアのギャップを狭くしてそのギャップの中心に感磁素子形成面を配することができ、磁気感度向上を図ることができる。

請求項９に記載のように、請求項８に記載の電流センサにおいてセンサパッケージでのパッケージ材の表面のうちのセンサチップの感磁素子形成面に対応する部位に切り欠き部を形成すると、パッケージ材を少なくすることが可能となる。具体的には、請求項１０に記載のように切り欠き部は凹部であるとよい。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態における電流センサの斜視図である。

電流センサは、コア（磁気コア）１とセンサパッケージ１０を備えている。板状のコア１は、環状をなし、且つ、その一部にギャップ（間隙）１ａを有している。また、コア１は、電流線２を囲繞しており、電流線２に流れる被検出電流Ｉｆの大きさに応じてギャップ１ａに磁界が発生する。

コア１のギャップ１ａにおけるセンサパッケージについての構成を図２に示す。図２（ａ）は図１のＡ矢視図であり、図２（ｂ）は図１のＢ矢視図である。図２（ｂ）でのセンサパッケージ１０の詳細を図３に示す。

図３において、センサパッケージ１０は、コア１のギャップ１ａに配置されている。センサパッケージ１０は、リードフレーム１１とセンサチップ１２とワイヤー１３とパッケージ材（ケース）としてのモールド樹脂１５からなる。センサチップ１２には、感磁素子としてのホール素子１４と、増幅回路等の信号処理回路が形成され、ホールＩＣを構成している。

センサチップ１２がリードフレーム１１上に搭載されている。センサチップ１２とリードフレーム１１とがワイヤー１３により電気的に接続されている。センサチップ１２がモールド樹脂１５によりパッケージされている。詳しくは、センサチップ１２とワイヤー１３とリードフレーム１１の一部がモールド樹脂１５にて封止されている。そして、ホール素子１４はコア１のギャップ１ａに発生する磁界の大きさに応じたホール電圧を出力し、その信号は増幅されてリードフレーム１１から外部に出力される。

ここで、センサパッケージ１０がコア１のギャップ１ａに、センサチップ１２のホール素子形成面１２ａが、ギャップ１ａを構成するコア１の対向面Ｓ１，Ｓ２の間において両方の対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離となるように配置されている。即ち、予め、センサパッケージ１０におけるモールド樹脂１５内のセンサチップ１２（ホール素子１４）の位置を把握し、感磁素子形成面としてのホール素子形成面（センシング部）１２ａがコア１のギャップ１ａの中心となるよう配置されている。これにより、本来測定すべき電流による磁界以外の磁界（外乱磁界）の影響を受けにくくなっている。

次に、図４，５を用いて、ホール素子形成面の位置がコア１のギャップ１ａの中心からずれた時の外乱磁界の影響（解析結果）を説明する。
直交３軸座標を規定する。図１においてコア１の上下の面（平面）をなす直交軸をＸ軸およびＹ軸とするとともに、コア１の厚さ方向の軸をＺ軸とする。そして、図４に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向から一定の外乱磁界を加えたときにおける、コア１のギャップ１ａの中心からのずれΔＬに対するＸ方向の外乱磁界、Ｙ方向の外乱磁界、Ｚ方向の外乱磁界の大きさを測定した。つまり、電流を流さない状態で、センサパッケージのホール素子形成面を各位置（ギャップ中心からのずれ量が異なる各位置）に配置して外乱磁界を加えたときのホール素子の出力（磁束密度）を測定した。その結果を図５に示す。図５において、横軸に、コア１のギャップ１ａの中心からのずれΔＬをとり、縦軸に、磁束密度をとっている。

図５の結果から、各方向の１．０ｍＴの外乱磁界を受けると、Ｙ方向の影響が大きいことが分かる。しかし、コア１のギャップ１ａの中心では外乱磁界（Ｙ方向成分）はゼロであることが分かる。そのため、本実施形態の構造にすると外乱磁界の影響を受けない電流センサが成立する。つまり、コア１のギャップ１ａの中心にホール素子形成面（センシング部）を配置することで検知面に外乱磁束による磁束が入らず、外乱磁界が電流センサの出力特性変動要因とならない。

このように、コア１のギャップ１ａの中心にセンサパッケージ１０におけるモールド樹脂１５内のホール素子形成面が位置するようにセンサパッケージ１０をレイアウトすることにより外乱磁界の影響を受けにくくすることができる。

以上のように上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
センサパッケージ１０をコア１のギャップ１ａに、センサチップ１２のホール素子形成面１２ａが、ギャップ１ａを構成するコア１の対向面Ｓ１，Ｓ２の間において両方の対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離となるように配置したので、外乱磁界が電流センサの出力特性変動要因となりにくく、外乱磁界の影響を受けにくくすることができる。つまり、ホール効果の電流センサにおいて、コアのギャップの中心にセンサチップのホール素子形成面（センシング部分）がある構成として、センサパッケージ１０のパッケージ材の厚さ方向の中央にホール素子が配置されていなくても、本来測定すべき電流による磁界以外の磁界（外乱磁界）の影響を受けにくくして、センサ出力の誤差要因を少なくすることができ、その結果、高精度に電流測定を行うことができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図６には、図２に代わる本実施形態における電流センサの構成を示す。
コア１のギャップ１ａにおいてセンサパッケージ１０の位置決め部材２０が配置されている。位置決め部材２０は、平板部２１と、この平板部２１の端部から同一方向に突出するストッパ部２２，２３からなる。位置決め部材２０の平板部２１はギャップ１ａを構成するコア１の対向面Ｓ１，Ｓ２と平行に、かつ一方の対向面Ｓ１に接近して配置されている。ストッパ部２２，２３は四角形の平板部２１の対向する辺に形成され、図１でのＺ方向に延びている。図６のセンサパッケージ１０のパッケージ材（モールド樹脂１５）は直方体をなし、その１つの側面１５ａはホール素子形成面１２ａと平行となっている。そして、位置決め部材２０に対しセンサパッケージ１０が、モールド樹脂１５がストッパ部２２，２３の間に位置する状態で平板部２１に側面１５ａが当接するように配置されている。このように、センサパッケージ１０のパッケージ材（モールド樹脂１５）が位置決め部材２０に当接するようにしてセンサパッケージ１０が配置されているので、センサパッケージ１０をコア１のギャップ１ａに配置する際に、容易に、ホール素子形成面１２ａを両方の対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離にすることができる。

以上のように、センサパッケージ１０の位置を決めるための位置決め部材２０を設けることにより正確な位置に配置できる（コアギャップ１ａでのセンサパッケージ１０の位置決め精度が向上する）。また、位置決め部材２０の平板部２１は対向面Ｓ１，Ｓ２に平行に配しているので、狭いコアのギャップ１ａに位置決め部材２０を配置する上で好ましいものとなる。特に、対向面Ｓ１，Ｓ２が平行である本実施形態において、対向面Ｓ１，Ｓ２に平行に配した平板部２１に、ホール素子形成面１２ａに平行な側面１５ａを当接させる構成としているので、当接させるときにずれが生じたとしてもホール素子形成面１２ａを対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離となるように配置できる。さらに、ストッパ部２２，２３により、モールド樹脂１５の移動を規制して組み付け易くなる。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図７には、図３に代わる本実施形態でのコア１のギャップ１ａにおけるセンサパッケージ１０についての構成を示す。
リードフレーム３０におけるセンサチップ１２を搭載する部位３０ａに対しモールド樹脂（パッケージ材）１５から露出する部位３０ｂを、両方の対向面Ｓ１，Ｓ２の間の中央側に偏倚させている。詳しくは、リードフレーム３０におけるセンサチップ１２を搭載する部位３０ａとモールド樹脂１５から露出する部位３０ｂとの間が折り曲げられ、これにより、センサチップ１２を搭載する部位３０ａとモールド樹脂１５から露出する部位３０ｂとが、平行を保ったまま、コア１の対向面Ｓ１，Ｓ２に対し接離する方向（Ｘ）に段差が付けられている。その結果、モールド樹脂１５から露出する部位３０ｂを両方の対向面Ｓ１，Ｓ２の間の中央側に偏倚させることができる。

この構成により、センサチップ１２のホール素子形成面１２ａが両方の対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離となる状態で、リードフレーム３０におけるモールド樹脂１５から露出する部位３０ｂが両方の対向面Ｓ１，Ｓ２の間の中央側に位置している。

このようにして、リードフレーム３０の形状を変更することでも、コアギャップ１ａでのセンサパッケージ１０の組み付け性を向上させることができる。つまり、従来、リードフレームがコアのギャップの中心と一致する構造とすることは組付け性という観点からはよいが、外乱磁界の影響を受けてしまう。これに対し、本実施形態においては、モールド樹脂１５から露出するリードフレームをコアギャップの中心寄りになるように配置することにより、コアギャップの対向面Ｓ１，Ｓ２から等距離にセンサチップ１２の素子形成面を配置することができ、容易に外乱磁界の影響を受けにくくすることができる。

また、本実施形態では、モールド樹脂１５によるセンサチップ１２の封止構造として、ホール素子形成面１２ａに直交するモールド樹脂１５の厚さ方向（図７のＸ方向）において中央にホール素子形成面１２ａが位置するように封止している。これにより次の効果を奏する。

磁気感度を高くするためにコアギャップを狭くする必要があるが、図１０に示した従来構成のセンサパッケージ１１０を用いた場合、パッケージ材であるモールド樹脂１１２の厚さ方向の中央から外れた位置に感磁素子形成面がある。よって、狭いコアギャップ１００ａに入る限界のサイズのセンサパッケージ１１０では素子形成面をギャップ中心に位置させることはできない。これに対し、図７の本実施形態では、モールド樹脂１５の厚さ方向の中央にホール素子形成面１２ａを位置させており、磁気感度を高くするためにコアギャップ１ａを狭くした場合においてもホール素子形成面１２ａをギャップ中心に位置させることができ、コアギャップ１ａを狭くして磁気感度を高くすることができる。また、ホール素子形成面１２ａに対し対称となるように樹脂封止されているので、センサパッケージ１０をコアギャップ１ａに取り付けた後においてホール素子形成面１２ａは熱的影響を受けにくくなる。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施形態を、第３の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図８には、図２（ａ）に代わる本実施形態でのコア１のギャップ１ａにおけるセンサパッケージ１０についての構成を示す。図８のＡ−Ａ線での断面を、図９に示す。図９は図７に対応している。

図８，９において、センサチップ１２を樹脂封止するモールド樹脂１５における、センサチップ１２のリードフレーム３０とは反対側の表面に切り欠き部３５が形成されている。つまり、センサパッケージ１０でのパッケージ材（モールド樹脂１５）の表面のうちのセンサチップ１２のホール素子形成面１２ａに対応する部位に切り欠き部３５が形成されている。切り欠き部３５は凹部であり、図８においてモールド樹脂１５がコ字状に成形されている。

よって、第３の実施形態の場合はケース材としてのモールド樹脂の量が多くなることが考えられるが、本実施形態ではモールド用の樹脂の量を減らすことができる。もちろん、このセンサパッケージにおいても、図６を用いて説明したように位置決め部材２０を用いてセンサパッケージの位置を決めるようにすることで、より正確な位置に配置することができる。

これまでの説明においてはセンサチップに感磁素子としてのホール素子と増幅回路等の信号処理回路が形成されている、いわゆるホールＩＣを用いた場合について説明してきたが、これに代わり以下のようにしてもよい。

チップには増幅回路等の信号処理回路は無くホール素子のみがある構成としてもよい。また、感磁素子は横型ホール素子でも縦型ホール素子でもよく、さらに、感磁素子は磁気抵抗素子であってもよい。

本実施形態における電流センサの斜視図。 （ａ）は第１の実施形態におけるコアのギャップにおけるセンサパッケージについての図１のＡ矢視図、（ｂ）は図１のＢ矢視図。 センサパッケージの詳細図。 解析条件を説明するための平面図。 コアのギャップ中心からのずれに対する外乱磁界の大きさ（磁束密度）の解析結果を示す図。 （ａ）は第２の実施形態でのコアのギャップにおけるセンサパッケージについての図１のＡ矢視図、（ｂ）は図１のＢ矢視図。 第３の実施形態でのコアのギャップにおけるセンサパッケージについての構成図。 第４の実施形態でのコアのギャップにおけるセンサパッケージについての構成図。 図８のＡ−Ａ線での断面図。 （ａ）は背景技術を説明するための電流センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図。

符号の説明

１…コア、１ａ…ギャップ、２…電流線、１０…センサパッケージ、１１…リードフレーム、１２…センサチップ、１２ａ…ホール素子形成面、１３…ワイヤー、１４…ホール素子、１５…モールド樹脂、２０…位置決め部材、２１…平板部、２２…ストッパ部、２３…ストッパ部、３０…リードフレーム、３５…切り欠き部、Ｓ１…対向面、Ｓ２…対向面。

Claims (10)

1. 環状をなし且つその一部にギャップ（１ａ）を有し、囲繞した電流線（２）に流れる被検出電流（Ｉｆ）の大きさに応じて前記ギャップ（１ａ）に磁界が発生するコア（１）と、
   前記コア（１）のギャップ（１ａ）に配置され、感磁素子（１４）を形成したセンサチップ（１２）がリードフレーム（１１）上に搭載されるとともに前記センサチップ（１２）が封止されたセンサパッケージ（１０）と、
   を備えた電流センサであって、
   前記センサパッケージ（１０）を前記コア（１）のギャップ（１ａ）に、センサチップ（１２）の感磁素子形成面（１２ａ）が、前記ギャップ（１ａ）を構成するコア（１）の対向面（Ｓ１，Ｓ２）の間において両方の対向面（Ｓ１，Ｓ２）から等距離となるように配置したことを特徴とする電流センサ。
2. 前記コア（１）のギャップ（１ａ）に、センサパッケージ（１０）の位置決め部材（２０）を配置し、前記センサパッケージ（１０）のパッケージ材（１５）が前記位置決め部材（２０）に当接するようにして前記センサパッケージ（１０）を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記位置決め部材（２０）は平板部（２１）を有し、平板部（２１）に前記センサパッケージ（１０）のパッケージ材（１５）の１つの側面（１５ａ）を当接させたことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記位置決め部材（２０）の平板部（２１）は前記対向面（Ｓ１，Ｓ２）に平行に配したものである請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記位置決め部材（２０）は前記平板部（２１）の端部にストッパ部（２２，２３）を有するものである請求項３または４に記載の電流センサ。
6. 前記リードフレーム（３０）における前記センサチップ（１２）を搭載する部位（３０ａ）に対しセンサパッケージ（１０）のパッケージ材（１５）から露出する部位（３０ｂ）を、前記両方の対向面（Ｓ１，Ｓ２）の間の中央側に偏倚させたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
7. 前記センサチップ（１２）を搭載する部位（３０ａ）とパッケージ材（１５）から露出する部位（３０ｂ）との間において前記リードフレーム（３０）を折り曲げることにより、前記パッケージ材（１５）から露出する部位（３０ｂ）を、前記両方の対向面（Ｓ１，Ｓ２）の間の中央側に偏倚させたことを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記感磁素子形成面（１２ａ）に直交するパッケージ材（１５）の厚さ方向の中央に前記感磁素子形成面（１２ａ）が位置するように封止したことを特徴とする請求項６または７に記載の電流センサ。
9. 前記センサパッケージ（１０）でのパッケージ材（１５）の表面のうちの前記センサチップ（１２）の感磁素子形成面（１２ａ）に対応する部位に切り欠き部（３５）を形成したことを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
10. 前記切り欠き部（３５）は凹部である請求項９に記載の電流センサ。

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