JP2000500231A - 電流センサ組立体 - Google Patents

電流センサ組立体

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JP2000500231A JP9518003A JP51800397A JP2000500231A JP 2000500231 A JP2000500231 A JP 2000500231A JP 9518003 A JP9518003 A JP 9518003A JP 51800397 A JP51800397 A JP 51800397A JP 2000500231 A JP2000500231 A JP 2000500231A
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ジョフリー ベアードモア
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Abstract

(57)【要約】 平面状電流センサ組立体(1)はシリコンサブストレート(31)上に堆積させた金属層(40)を有し、金属層(40)の両側の端部を上側及び下側の銅プレート(20,21)に接続し、電流が流れる回路における導体(3,6)に接続する。金属層(40)は、両側の端部における幅広端部領域(41,42)、及び両側の端部間の幅狭中央領域(43)とを有し、幅狭中央領域が幅広端部領域よりも一層加熱されるようにする。組立体には、幅広端部領域(41,42)とサブストレート(31)との間のダイヤモンド層(34)、及び幅狭中央領域(43)の下側の熱絶縁性のパッド(35)を有する。熱は高い熱伝導率を有するダイヤモンド層を経て幅広端部領域からはより一層迅速に放熱される。金属層(40)に取り付けた3個の温度センサ(46,47,48)は、2個の幅広端部領域(41,42)と幅狭中央領域(43)の温度を感知する。センサ組立体における回路(36,37)を3個のセンサの出力に接続し、出力表示電流を生ずるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 電流センサ組立体 本発明は、電気回路に直列接続した電流センサ組立体に関するものである。 電気機器及びシステムにおける電流をモニタすることが望ましい用途は多くあ る。電流及び電力消費量を知ることによって電力供給を最も効率よく行うことが 可能になり、また欠陥を検出することもできることになる。電流センサは入手可 能であるが、一般的に高価であり、かさばるという問題がある。 本発明の目的は、改良した電流センサ組立体を得るにある。 この目的を達成するため、本発明は上述の種類の電流センサ組立体において、 センサ組立体に、回路における第1導体に接続しうる第1導電部材と、回路にお ける第2導体に接続しうる第2導電部材と、一方の端部で前記第1導電部材に接 続しかつ他方の端部で前記第2導電部材に接続した導電材料の導電層とを設け、 第1導体及び第2導体間の回路を流れる電流が導電層を経て流れるようにし、前 記導電層を流れる電流によって生ずる温度上昇が導電層の異なる部分でそれぞれ 異なり、前記センサ組立体には前記導電層の異なる部分の温度を感知する位置に 配置した複数個の温度センサを設け、またセンサ組立体により温度センサの出力 から電流を表す出力を発生するようにしたことを特徴とする。 導電層の異なる部分で断面抵抗をそれぞれ異ならせ、これらの部分の抵抗加熱 が異なるようにするとよい。導電層の両側の端部に幅広端部領域を設け、これら の端部間に中間に幅狭中央領域を設けると好適である。導電層を、この導電層の 長さに沿う異なるポイントで異なる熱伝導率を有する材料に熱接触させ、異なる ポイントで異なる放熱を生ずるようにすると好適である。また異なる熱伝導率の 材料のうちの一つの材料をダイヤモンドとすると好適である。 前記センサ組立体を平面形状にし、第1導電部材及び第2導電部材を組立体の 両側の表面にそれぞれ配置すると好適である。前記センサ組立体に、前記第1導 電部材及び前記第2導電部材に貫通して第1導体から突出する端子ポストを収容 しうる開孔を設け、前記開孔における電気的絶縁カラーによって第2導電部材を 前記端子ポストから電気的に絶縁すると好適である。前記センサ組立体に3個の 温度センサを設け、導電層の両側の端部の温度t1,t2が両側の端部間のポイン トの温度t3よりも低くなるように導電層を構成し、また前記センサ組立体には 、温度差t3−(t1+t2)/2を計算し、この計算値に従って電流表示信号を 導出する回路を設けると好適である。 本発明による電流センサ組立体を以下に添付図面につき説明する。 図1は、回路の一部におけるセンサ組立体の分解斜視図、 図2は、センサ組立体の拡大縦断面図、 図3は、センサ組立体の一部の平面図、 図4及び図5は、センサ組立体からの出力のあり方の説明図である。 図1につき説明すると、センサ組立体1は、一方の端部寄りの位置に厚さ全体 にわたり貫通する円形開孔2を有する平面状で矩形のタグの形式とする。センサ 組立体1はねじ付きの端子ポスト4によって第1導体3に固定し、この端子ポス ト4は第1導体の上面から開孔2を経て上方に突出する。第1導体3は、少なく ともセンサの幅に等しい幅の平坦な上面を有し、従って、センサ組立体の下面全 体がこの第1導体3に電気的に接触することができる矩形断面の金属バーによっ て形成したパワー(電力)ラインとする。回路は可撓性のケーブル5とこのケー ブル5の一方の端部における金属製の接続用のパッド6よりなる第2導体によっ て完結される。パッド6はセンサ組立体1と同一の形状及び寸法にし、センサ組 立体の開孔2に対応する位置に開孔7を設ける。パッド6及びセンサ組立体1を 第1導体即ちバー状導体3に対してナット8、ロックワッシャ9、金属ワッシャ 10、及び絶縁ワッシャ11によってクランプする。この構成は、バー状導体3 からセンサ組立体1を経てケーブル5に至る又はその逆の方向の電流の流れを生 ずるようにする。 次に図2及び図3につき説明すると、センサ組立体1は、上側銅プレート20 及び下側銅プレート21を有し、これらの銅プレートは組立体の上面及び下面を 形成する。2個のプレート20,21はマイクロ加工したウェハ組立体30及び 電気絶縁セラミック製のスペーサ23によって互いに分離する。スペーサ23は 酸化アルミニウムにより構成し、開孔24及びこの開孔24の周りから上方に突 出するカラー25を有する矩形形状に形成する。カラー25は上側プレート20 の開孔26に嵌合させ、このスペーサの開孔24は下側プレート21の開孔27 に整列する。下側プレート21の開孔27及びスペーサ23の開孔24はともに センサ組立体1の開孔2を形成し、端子ポスト4は下側プレートの開孔の端縁に 電気的に接触することができるが、上側プレート20とは接触しないように絶縁 される。 ウェハ組立体30はスペーサ23の右側に配置し、金属化した下面32を有す るシリコン製サブストレート31を設け、金属化した下面32を下側プレート2 1の上面にはんだ付けする。2個のダイヤモンド中間層33,34をサブストレ ート31の両側の端部において、サブストレート31の上面の幅にわたり延在さ せ、これらのダイヤモンド中間層33,34をサブストレートの長さの約1/3 の距離だけ離して配置する。ダイヤモンド中間層33,34は熱伝導性は高いが 電気絶縁性を示す。これらダイヤモンド中間層33,34間に熱絶縁性(断熱) 材料の中心パッド35及びこの中心パッド35の側方の2個の処理領域36,3 7を配置し、これらの処理回路領域36,37には普通の集積回路技術によって シリコン製のサブストレートに形成したセンサ組立体のためのエレクトロニクス 部分を設ける。ダイヤモンド中間層33,34及び中心パッド35の頂面に導電 材料例えば、銀製の薄層40を堆積させ、この薄層40の厚さは代表的には約1 2ミクロンとする。薄層40はサブストレート31の長さ全体にわたり存在させ 、長さにわたり幅を変化させ、従って、断面部の抵抗が変化するようにする。特 に、薄層40の2個の端部41,42はサブストレート31の幅のほぼ全体にわ たる幅を有し、パッド35に重なる中央領域43はサブストレートの幅の約1/ 3の幅のみを有するようにする。中央領域43の長さは薄層40の長さの約1/ 3とし、テーパ付き領域44,45によって端部領域41,42から離し、薄層 40が蝶ネクタイの形状となるようにする。薄層40の両側の端部間の抵抗は代表 的には約0.003オームとする。 3個の温度センサ46〜48は銀製の薄層40の上面に接触する。センサ46 ,48は薄層40の上面に感熱性をもたせるよう堆積させた半導体層の表面を機 械加工することによって製造する。例えば、これらセンサはバンドギャップ装置 と する。代案として、温度センサは銀製の薄層40の下面に接触するシリコンウェ ハ組立体30の一部に形成することもでき、又は薄層に接触するよう取り付ける アナログデバイス社から部品番号AD590として市販されているような普通の ディスクリート(離散配置する)なデバイスとすることができる。一方のセンサ 46を薄層40の一方の端部における幅広端部領域41の端縁寄りに配置し、他 方のセンサ47を薄層の他方の端部における幅広端部領域42の端縁寄りに配置 し、第3のセンサ48を薄層の幅狭中央領域43の中心に配置する。3個のセン サ46〜48を2個の処理回路領域36,37に電気的に接続する。 ウェハ組立体30は周囲から下方に突出する壁51を有する上側シリコンキャ ップ50によって仕上げる。壁51の下側端縁をサブストレート31の上面に接 合し、サブストレートの上面が密封されたキャビティ52を包囲するようにする 。キャップ50の上面を金属化し、かつ上側プレート20の下面にはんだ付けす る。 薄層40との電気的接続は、キャップ50の左側の端部に窪み53をエッチン グ加工することによって行い、薄層40の一方の端部の上面を露出させ、次にこ の窪み53にはんだ54を充填し、上側プレート20と薄層40との間に電気的 経路を形成する。同様の窪み55をサブストレート31の右側端部にエッチング によって形成し、薄層40の他方の端部の下面を露出させ、この窪み55にはん だ56を充填して下側プレート21との接続を生ずるようにする。 電流データをセンサ組立体1から図4に示すように、個別のワイヤ60を介し てデータバス61に供給する。処理回路36,37のための低電圧電力は個別の 低電圧ワイヤ(図示せず)によって供給するか、又はバー状導体3及びシャーシ のアース接続部62から導出することができる。代案として、電力ライン3によ り交流電流を供給する場合、センサ組立体1のための電力は図5に示すように、 センサ内の平坦シリコンコイルによって形成した誘導ピックオフ63によって導 出することができる。主電力ライン自体から電力を導出することの問題点は、導 体3とケーブル5との間に電力が流れないときにはセンサ組立体1は電力が導出 されず、出力が発生しない点である。この問題点は、センサ組立体内に再充電可 能な薄いフィルム状のマイクロバッテリを組み込み、ラインの電力が得られない ときに信号を発生することができるようにすることによって解決することができ る。データを個別のライン60を経て供給する代わりに、図5に示すように、交 流又は直流かの種類に応じてデータをエンコードして電力ライン自体に供給する こともできる。 このシステムに電流が流れないとき、3個の温度センサ46〜48における温 度t1,t2及びt3はほぼ互いに等しく、 温度差t3−(t1+t2)/2 はほぼゼロである。 このシステムに電流がながれると、この電流はバー状導体3から下側プレート 21を経て窪み55のはんだ56を介して銀製の薄層40の右側端部に流れる。 次に電流は薄層40を経て左側の端部に至り、窪み53のはんだ54を介して上 側プレート20に流れる。10アンペアの電流に対してセンサの両側に約0.0 3ボルト電圧低下を生じ、約0.25ワットの電力を消費する。次に電流はパッ ド6を介してケーブルに流入する。薄層40を流れる電流により導電層における I2R損失の結果として温度上昇を生ずる。しかし、この加熱効果は薄層の長さ にわたり均一ではない。この理由の一つは、薄層の長さにわたり断面抵抗が変化 する点がある。更に、薄層40に沿う異なるポイントで放熱率が異なる即ち、表 面積及び薄層の下側の材料の熱伝導率が変化する、詳細には、端部におけるダイ ヤモンド中間層33,34が薄層の中央領域43の下側の断熱パッド35よりも 熱伝導率が高いからである。これらの効果の結果、薄層40の幅狭中央領域43 の温度t3は、薄層の幅広端部領域41,42における温度t1,t2よりも高く 、温度差t3−(t1+t2)/2はいかなる瞬間であっても電流の2乗にほぼ比 例する正の値となる。代表的には、薄層40の幅狭中央領域43における電力消 費は幅広端部領域41,42の各々における電力消費の約4.5倍となる。実際 は、この関係はもっと複雑ではあるが、処理回路36,37が較正後に、例えば 、簡単なルックアップテーブルを使用してこの関係を補償し、等価電流を表す出 力信号を発生する。 ダイヤモンド中間層33,34は、薄層40の端部における放熱効果を向上さ せることの外に他の目的をも果たす。ダイヤモンド中間層は電気絶縁をも生じて 外気温度の媒体変動をセンサの内部に伝達する補助もする。 感知素子40及び46〜48の低い熱量により電流変化に迅速に応答すること ができる。t1及びt2の双方をモニタし、平均値を読み取ることによって、バー 状導体3とケーブル5との間の温度経路及び温度差の効果を最小化する。このシ ステムは低電流よりも高電流に対して感度がよい。即ち、温度差が電流の2乗に 比例するためである。このことは、電力管理システムにおいて有利である。異な るフィルム抵抗を有するセンサ組立体を異なる電流レンジを測定するのに使用す ることができる。センサ組立体は他の条件をモニタするのにも使用することがで きる。例えば、高い熱的(温度)抵抗は、t1>t2かつt1≧t3、又はt2>t1 かつt2≧t3の条件によって示すことができる。危険な過加熱はt2>>t1又は t1>>t2の条件によって示すことができる。 センサ組立体はコストが低いため、例えば、制御又は安全確保用に電流をモニ タすることが望ましい家庭用機器においても使用することができる。センサ組立 体は極めてコンパクトであり、機械的強度があり、極めて高い振動又は衝撃にも 耐えることができる。本発明によるセンサ組立体は安全性が高い。即ち、短絡を 生じたような負荷条件の下でも、薄層(フィルム)は予想される過負荷電流で溶 融して回路を開放し、溶融残滓はウェハの構造内に閉じ込められるためである。 センサ組立体は電流の加熱作用に応答するため、センサ組立体は極性を持たず、 いかなる波形の交流電流並びに直流を正確にモニタするのに使用することができ る。
【手続補正書】 【提出日】1998年5月12日(1998.5.12) 【補正内容】 請求の範囲 1. 電気回路(3,5)に直列接続した電流センサ組立体(1)であって、セン サ組立体(1)に、回路における第1導体(3)に接続しうる第1導電部材(2 1)と、回路における第2導体に接続しうる第2導電部材(20)と、一方の端 部で前記第1導電部材(21)に接続しかつ他方の端部で前記第2導電部材(2 0)に接続した導電材料の第3導電部材(40)とを設け、第1導体及び第2導 体(3,5)間の回路を流れる電流が第3導電部材(40)を経て流れるように し、前記第3導電部材(40)を流れる電流によって生ずる温度上昇が第3導電 部材 (40)の異なる部分(41,42,43)でそれぞれ異なり、前記センサ 組立体(1)には前記第3導電部材(40)の異なる部分(41,42,43) の温度を感知する位置に配置した複数個の温度センサ(46,47,48)を設 け、またセンサ組立体(1)により温度センサ(41,42,43)の出力から 電流を表す出力を発生するようにした電流センサ組立体(1)において、前記第 3導電部材を平面状の薄層(40)とし、この薄層(40)の長さ全体に沿って 支持体(31,33,34,35)によって薄層(40)を支持し、また前記平 面状の薄層(40)に接触する支持体のうちの少なくとも一部の支持部(33, 34,35)を電気絶縁体とした ことを特徴とする電流センサ組立体。2. 前記支持体のうちの一部の支持部(33,34,35)を前記平面状の薄層 (40)の長さに沿う異なるポイントにおいて異なる熱伝導率を有するものとし 、異なるポイントで異なる放熱を生ずるように した請求項1記載の電流センサ組 立体。3. 前記支持体のうちの一部の支持部(33,34)をダイヤモンドとした請求 項記載の電流センサ組立体。4. 前記第1導電部材及び第2導電部材(21,20)を平面形状にし、これら の第1導電部材(21)及び第2導電部材(20)を組立体の両側の表面に配置 した請求項1乃至のうちのいずれか一項に記載の電流センサ組立体。5. 前記センサ組立体(1)に、前記第1導電部材(21)及び前記第2導電部 材(20)に貫通して第1導体(3)から突出する端子ポスト(4)を収容しう る開孔(2)を設け、前記開孔(2)における電気的絶縁カラー(25)によっ て第2導電部材(20)を前記端子ポストから電気的に絶縁した請求項記載の 電流センサ組立体。6. 前記センサ組立体(1)に3個の温度センサ(46,47,48)を設け、前記平面状の薄層 (40)の両側の端部の温度t1,t2が両側の端部間のポイン トの温度t3よりも低くなるように前記平面状の薄層(40)を構成し、また前 記センサ組立体には、温度差t3−(t1+t2)/2を計算し、この計算値に従 って電流表示信号を導出する回路(36,37)を設けた請求項1乃至のうち のいずれか一項に記載の電流センサ組立体。7. 電流を表す出力を前記電気回路(3,5)自体によって発生するようにした 請求項1乃至6のうちのいずれか一項に記載の電流センサ組立体。 2.明細書第1頁第3行の「電気回路に直列接続した」の後に以下の文章を加入 する。 「電流センサ組立であって、センサ組立体に、回路における第1導体に接続 しうる第1導電部材と、回路における第2導体に接続しうる第2導電部材と、一 方の端部で前記第1導電部材に接続しかつ他方の端部で前記第2導電部材に接続 した導電材料の第3導電部材とを設け、第1導体及び第2導体間の回路を流れる 電流が第3導電部材を経て流れるようにし、前記第3導電部材を流れる電流によ って生ずる温度上昇が第3導電部材の異なる部分でそれぞれ異なり、前記センサ 組立体には前記第3導電部材の異なる部分の温度を感知する位置に配置した複数 個の温度センサを設け、またセンサ組立体により温度センサの出力から電流を表 す出力を発生するようにした」 3.同第1頁第7行の「…問題がある。」の後に以下の文章を加入する。 「フランス国特許公開第548895号には、2個の端子間に延在する自己支 持導電性ストリップを有する電流センサが記載されており、これは電流の作用の 下での温度変化としてこのストリップの抵抗を測定するものである。」 4.同第1頁第10〜17行の「センサ組立体に、……発生するようにした」を 以下のように補正する。 「前記第3導電部材を平面状の薄層とし、この薄層の長さ全体に沿って支持体 によって薄層を支持し、また前記平面状の薄層に接触する支持体のうちの少なく とも一部の支持部を電気絶縁体とした」 5.同第1頁第18行〜第2頁第5行の「導電層の異なる……好適である。」を 以下のように補正する。 「 前記支持体のうちの一部の支持部を前記平面状の薄層の長さに沿う異なる ポイントにおいて異なる熱伝導率を有するものとし、異なるポイントで異なる放 熱を生ずるようにすると好適である。前記支持体のうちの一部の支持部をダイヤ モンドとするとよい。前記第1導電部材及び第2導電部材を平面形状にし、これ らの第1導電部材及び第2導電部材を組立体の両側の表面に配置すると好適であ る。前記センサ組立体に、前記第1導電部材及び前記第2導電部材に貫通して第 1導体から突出する端子ポストを収容しうる開孔を設け、前記開孔 における電気的絶縁カラーによって第2導電部材を前記端子ポストから電気的に 絶縁すると好適である。センサ組立体に3個の温度センサを設け、薄層の両側の 端部の温度t1,t2が両側の端部間のポイントの温度t3よりも低くなるように 前記平面状の薄層を構成し、また前記センサ組立体には、温度差t3−(t1+t2 )/2を計算し、この計算値に従って電流表示信号を導出する回路を設けると よい。電流を表す出力を前記電気回路自体によって発生するようにすると好適で ある。」 6.同第3頁第7及び8行の「32」を削除し、 同頁第19行の「ミクロン」を「マイクロメータ」に補正する。 7.同第6頁第7行「フィルム抵抗」を「抵抗部分の存在する薄層」に補正し、 同頁第16行の「(フィルム)」を削除する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),AM,AT,AU,BB,BG,BR,B Y,CA,CH,CN,CZ,DE,DK,EE,ES ,FI,GB,GE,HU,IL,IS,JP,KE, KG,KP,KR,KZ,LK,LR,LT,LU,L V,MD,MG,MN,MW,MX,NO,NZ,PL ,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK, TJ,TM,TT,UA,UG,US,UZ,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 電気回路(3,5)に直列接続した電流センサ組立体(1)において、セン サ組立体(1)に、回路における第1導体(3)に接続しうる第1導電部材(2 1)と、回路における第2導体に接続しうる第2導電部材(20)と、一方の端 部で前記第1導電部材(21)に接続しかつ他方の端部で前記第2導電部材(2 0)に接続した導電材料の導電層(40)とを設け、第1導体及び第2導体(3 ,5)間の回路を流れる電流が導電層(40)を経て流れるようにし、前記導電 層(40)を流れる電流によって生ずる温度上昇が導電層(40)の異なる部分 (41,42,43)でそれぞれ異なり、前記センサ組立体(1)には前記導電 層(40)の異なる部分(41,42,43)の温度を感知する位置に配置した 複数個の温度センサ(46,47,48)を設け、またセンサ組立体(1)によ り温度センサ(41,42,43)の出力から電流を表す出力を発生するように したことを特徴とする電流センサ組立体。 2. 導電層(40)の異なる部分(41,42,43)で断面抵抗をそれぞれ異 ならせ、これらの部分の抵抗加熱が異なるようにした請求項1記載の電流センサ 組立体。 3. 導電層(40)の両側の端部に幅広端部領域(41,42)を設け、これら の端部間に中間に幅狭中央領域(43)を設けた請求項1又は2記載の電流セン サ組立体。 4. 導電層(40)を、この導電層の長さに沿う異なるポイントで異なる熱伝導 率を有する材料(33,34,35)に熱接触させ、異なるポイントで異なる放 熱を生ずるようにした請求項1乃至3のうちのいずれか一項に記載の電流センサ 組立体。 5. 異なる熱伝導率の材料のうちの一つの材料(33,34)をダイヤモンドと した請求項4記載の電流センサ組立体。 6. 前記センサ組立体(1)を平面形状にし、第1導電部材(21)及び第2導 電部材(20)を組立体の両側の表面にそれぞれ配置した請求項1乃至5のうち のいずれか一項に記載の電流センサ組立体。 7. 前記センサ組立体(1)に、前記第1導電部材(21)及び前記第2導電部 材(20)に貫通して第1導体(3)から突出する端子ポスト(4)を収容しう る開孔(2)を設け、前記開孔(2)における電気的絶縁カラー(25)によっ て第2導電部材(20)を前記端子ポストから電気的に絶縁した請求項6記載の 電流センサ組立体。 8. 前記センサ組立体(1)に3個の温度センサ(46,47,48)を設け、 導電層(40)の両側の端部の温度t1,t2が両側の端部間のポイントの温度t3 よりも低くなるように導電層(40)を構成し、また前記センサ組立体には、 温度差t3−(t1+t2)/2を計算し、この計算値に従って電流表示信号を導 出する回路(36,37)を設けた請求項1乃至7のうちのいずれか一項に記載 の電流センサ組立体。
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