JPH083500B2 - 電流検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は交流・直流の何れにも適用できる小型電流検
出器を得るため、磁電変換素子に近接した貫通孔の孔壁
に被着させた導体層に電流を流し、該磁電変換素子の出
力により簡易に電流値を検出する電流検出器である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、電流が流れたとき発生する磁界の強さの変
化により、電流値を検出する検出器を関する。

従来の電流検出器は、直流用・交流用とそれぞれ専用
のものを必要とすることが多く、比較的大型であり、特
に、直流用のものは絶縁型で小型の電流検出器を開発す
ることが要望された。

〔従来の技術〕

従来、交流電流測定用検出器には変成器を使用するも
のと、漏電センサを使用するものが一般的であり、直流
電流側定用検出器は抵抗素子を使用するものと、ホール
効果素子を使用するものが一般に使用されている。

変成器を使用した交流電流検出器は、小型化が困難で
あり、変成器にはイングクタンス成分があるため、パル
ス電流等の高周波成分の多い電流では正確に測定が困難
である。他方、漏電センサを使用した交流電流検出器
は、使用電流とそれに適した大きさの環状コアが必要と
なり、適用範囲が広くできないという欠点がある。

抵抗素子を使用した直流電流検出器は、抵抗素子にお
いて無駄な電力消費があり、電流値と抵抗素子の抵抗値
および、直流電位差計をその都度選定して使用する必要
があって、そのとき電流回路に不要信号が混入すると測
定に直接影響し、小型化できないという欠点がある。

さらに、ホール効果素子を使用した直流電流検出器
は、外部磁界および地磁気の影響を除く手段が必要とな
ることにより、装置が複雑かつ大型化するという欠点が
ある。

本願出願人が昭和62年４月９日付けで出願した特願昭
62−87749号は、前記欠点を除去した電流検出器であ
り、第８図は該電流検出器の原理構成図である。

第８図において、一対の磁電変換素子1,2は同一特性
であり、導線３に電流４が流れたとき発生する磁気ルー
プ５に対し互いに同一で異なる方向の磁界を受ける。そ
のため、変換素子1,2から取り出した出力は逆位相であ
るから、合成部６において差動合成したとき、合成部６
の出力は素子単独出力のほぼ２倍となる。

一方、電流検出器８の全体に外部磁界７が影響してい
るとき、外部磁界７に対し磁電変換素子1,2の出力は同
相であるため、合成部６において差動合成した出力に
は、外部磁界７による出力信号が打消される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

電流検出器８において、導線３は一対の磁電変換素子
1,2の対向中心に位置し、かつ、基板に対して垂直に電
流が流れるようにする必要がある。そこで、変換素子1,
2の形成または搭載する基板に明けた導線３の貫通孔
は、基板の表面に対し垂直かつ遊びのないことが必要で
ある。しかし、かかる貫通孔を設け、これに前記のよう
に導線を配置するのは極めて困難、かつ、電流検出器８
に高性能化を妨げるという問題点があり、その改善が強
く要望されるようになった。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明による電流検出器の原理構成図であ
る。

第１図において、前記問題点の除去を目的とした電流
検出器11は、基板12の所定部に設けた貫通孔13の孔壁面
に被着し被測定電流18が流れる導体層14と、 導体層14に被測定電流18が流れた際に、導体層14の周
囲に発生する磁界19を、導体層14の周囲対向領域におい
て磁電変換する磁電変換素子15,16とを具え、構成して
なることを特徴とする。

〔作用〕

上記手段によれば、基板の貫通孔に被測定電流の流れ
る導体層を形成し、該導体層の周囲対向領域に少なくと
も一対の磁電変換素子を設けることにより、該導体層と
該磁電変換素子の相対的位置関係が高精度かつ固定され
る。そのため、被測定電流の測定値は高精度かつ安定化
し、高性能な電流検出器を実現した。

〔実施例〕

本発明に使用する磁電変換素子として、ホール効果素
子あるいは磁気抵抗素子を使用できるが、特にバーバー
ポール型磁気抵抗素子を基板上に設けた検出器は、製造
および性能上有効である。

以下に、図面を用いて本発明による電流検出器を説明
する。

第２図は本発明の一実施例による電流検出器の主要構
成を示す模式図、第３図は電流検出素子の全体を示す斜
視図、第４図はバーバーポール型磁気抵抗素子パターン
を示す平面図、第５図は基板の平面図（イ）と下面図
（ロ）および貫通孔の側断面図（ハ）である。

第２図において、ガラスまたはシリコン等にてなる基
板12−１の表面に形成した磁気抵抗素子15−1,15−２と
16−1,16−２は、それぞれ対をなす磁気抵抗素子の例で
ある。磁気抵抗素子としてはバーバーポール型が好適で
あり、各抵抗素子15−1,15−2,16−1,16−２および、そ
れらの抵抗値調整用の抵抗素子15−3,16−３は、図示の
如くブリッジに接続される。

基板12−１に穿設した断面円形の貫通孔13−１は、各
抵抗素子15−1,15−2,15−3,16−1,16−2,16−３の中心
部に位置し、第５図に示すように、孔壁に被測定電流の
流れる導体層14を被着し、基板12−１の表面には外部接
続端子を含むランド部14−１を導体層14と一体に形成す
ると共に、基板12−１の裏面全体には導体層14と一体に
形成し外部接続媒体となる導体層14−２を被着してな
る。なお、第５図（イ）において、一点鎖線で示す一対
の同心円に挟まれた領域は、抵抗素子15−1,15−2,16−
1,16−２の形成領域である。

抵抗素子15−１〜16−３を接続したブリッジの一方の
対角頂点は定電流源22に接続し、該ブリッジの他方の対
角頂点にはブリッジの出力を差動合成する演算増幅器
（合成部）23が接続される。

このように構成した電流検出器21において、ランド部
14−１および導体層14−２にそれぞれ導線24,25を接続
し、導線24,25を介し導体層14に直流電流を流すと、導
体層14に発生した磁界は磁気抵抗素子15−１と15−2,16
−１と16−２に対しそれぞれ逆方向に影響し、それらの
抵抗値を変化させる。

そのため、定電流源22から前記ブリッジの一方の対角
頂点間に印加した定電流が変化し、他方の対角頂点間か
ら取り出した出力は、演算増幅器23で差動増幅されるよ
うになり、導体層14に発生した磁界の強さの変化と演算
増幅器23の出力電圧について予め校正しておけば、演算
増幅器23の出力電圧から導体層14に流れる電流値を検知
できる。

導体層14に交流が流れるときは、交流ピーク値に対応
する磁界の強さ変化をブリッジの一方の対角頂点間から
取り出すことができる。

第３図は基板12−１をパッケージ27に収容した電流検
出素子26であり、貫通孔13−1,抵抗素子15−1,15−2,16
−1,16−２等を形成した基板12−１は、リード端子28−
１を一体に形成した金属板29に搭載し、ランド部14−１
とリード端子28−2,基板12−１に形成したパッド31−１
〜４と各パッド31−１〜４に対向するリード端子28−３
〜６とは、それぞれがボンディングワイヤ30により接続
される。

第４図において、公知技術によってつづら折り状に形
成したバーバーポール型磁気抵抗素子15−1,15−2,16−
1,16−２は、それらを環状に接続してなる。ただし、磁
気抵抗素子15−１の一端と磁気抵抗素子16−１の一端と
をボンディングパッド31−１に接続し、磁気抵抗素子15
−１の他端の磁気抵抗素子16−２の一端とをボンディン
グパッド31−４に接続し、磁気抵抗素子16−２の他端と
磁気抵抗素子15−２の一端とをボンディングパッド31−
３に接続し、磁気抵抗素子16−１の他端は抵抗値調整用
抵抗素子16−３を介してボンディングパッド31−２に接
続すると共に、磁気抵抗素子15−２の他端は抵抗値調整
用抵抗素子15−３を介してボンディングパッド31−２に
接続されてなる。

なお、抵抗素子15−1,15−2,16−1,16−２のつづら折
り状パターンは、リソグラフィ技術によってつづら折り
状の磁性薄膜に縞状の導電帯を積層してなる。

第６図は他の実施例による電流検出器の基板を示す平
面図（イ）とその下面図（ロ）とその下面図（ロ）およ
び貫通孔の側断面図（ハ）、第７図はさらに他の実施例
による電流検出器の基板を示す平面図（イ）とその下面
図（ロ）およびＡ−Ａ断面図（ハ）,B−Ｂ断面図（ニ）
である。

公知のようにシリコン単結晶は、加熱アルカリ性のエ
ッチング液を用いてエッチングすると、その結晶方位に
よってエッチング速度が異なる異方性エッチングとな
る。即ち、両方位が（100），（110）方向はエッチング
速度が速い反面、（111）面はエッチング速度が極めて
遅い。そのため、異方性エッチング液でエッチングする
と、（111）面が残るようになる。

従って、適当な面方位を持つシリコンウエーハを用
い、酸化膜のマスクパターンの透孔を適当な結晶軸方向
に揃え、異方性エッチングすることにより、シリコン基
板には中心に対し正確な点対称断面の貫通孔が形成され
るようになる。

第６図において、前述の基板12−１に相当する基板12
−２は面方位が（100）のシリコン単結晶板であり、角
錐台形の貫通孔13−２は、シリコン基板12−２の表面＜
110＞方向にマスクの角度透孔辺を合わせ、異方性エッ
チングにより形成したものであり、貫通孔13−２の孔壁
には被測定電流の流れる導体層32を被着し、基板12−２
の上面には外部接続端子を含むランド部32−１を導体層
32と一体に形成すると共に、基板12−２の下面全体には
導体層32と一体に形成し外部接続媒体となる導体層32−
２を被着してなる。

かかる基板12−２の主要製造工程例を工程順に記載す
ると下記のとおりである。

シリコン基板12−２の表面に熱酸化による酸化膜を
厚さ0.5〜1.0μｍに形成する。

ホトリソグラフィ技術により酸化膜の所要部に正方
形の透孔を明け、レジストマスクパターンが完成する。
ただし、該透孔の一辺はシリコン基板12−２の表面＜11
0＞方向となるようにする。

異方性エッチングにより貫通孔13−２を明けると、
貫通孔13−２は孔壁の傾斜角度や約55度の角錐台形にな
る。ただし、エッチング液としてエチレンジアミン255c
c,H₂O120cc,カテコール45gの混合液を100〜110℃で使用
したとき、エッチング深さは60〜80μm/時間であり、シ
リコン基板12−２の厚さを280μｍとしたとき、貫通孔1
3−２の形成に４時間程度を要する。

熱酸化によりシリコン基板12−２の全表面に酸化膜
を形成させる。

シリコン基板12−２の表面に磁気抵抗素子を形成さ
せる。

該磁気抵抗素子の保護膜を形成させる。

導体層32,32−1,32−２を被着させる。

第７図において、前述の基板12−１に相当する基板12
−３は両方位が（110）のシリコン単結晶板であり、上
面で菱形となり下面で六角形である貫通孔13−３は、シ
リコン基板12−３の表面＜111＞方向に、鋭角が70.5度
に形成したマスクの菱形透孔の一辺を合わせ、異方性エ
ッチングにより形成したものであり、該菱形の鈍角部分
で表面に対し垂直にエッチングされる反面、該菱形の鋭
角コーナからは斜面にエッチングされる。貫通孔13−３
の孔壁には被測定電流の流れる導体層33を被着し、基板
12−３の上面には外部接続端子を含むランド部33−１を
導体層33と一体に形成すると共に、基板12−３の下面全
体には導体層33と一体に形成し外部接続媒体となる導体
層33−２を被着してなる。

かかる基板12−３は、基板12−２と同様の工程により
製造される。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、少なくとも一対の磁電
変換素子の対向中心に貫通孔を設け、該貫通孔の孔壁に
被測定電流の流れる導体層を形成し、磁電変換素子と導
体層との位置関係が正確かつ固定されることにより、磁
電変換素子の出力変化を取り出して該導体層に流れる測
定電流値の検出が、高精度かつ安定化した効果が顕著で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電流検出器の原理構成図、 第２図は本発明の一実施例の電流検出器の主要構成を示
す模式図、 第３図は電流検出素子の全体を示す斜視図、 第４図はバーバーポール型磁気抵抗素子パターンを示す
平面図、 第５図は第２図に示す基板の構成図、 第６図は他の実施例による電流検出器の基板の構成図、 第７図はさらに他の実施例により電流検出器の基板の構
成図、 第８図は従来の電流検出器の原理構成図、 である。 図中において、 11,21は電流検出器、12,12−1,12−2,12−３は基板、1
3,13−1,13−2,13−３は貫通孔、14,32,33は導体層、1
5,16は磁電変換素子、15−1,15−2,16−1,16−２はバー
バーポール磁気抵抗素子、17は合成部、18は被測定電
流、19は磁気ループ、 を示す。

フロントページの続き (72)発明者 若月 昇 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−253264（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−128854（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板（12）の所定部に設けた貫通孔（13）
   の孔壁面に被着し被測定電流（18）が流れる導体層（1
   4）と、 該導体層（14）に該被測定電流（18）が流れた際に、該
   導体層（14）の周囲に発生する磁界（19）を、該導体層
   （14）の周囲対向領域において磁電変換する磁電変換素
   子（15,16）とを具え、構成してなることを特徴とする
   電流検出器。
2. 【請求項２】前記磁電変換素子として磁気抵抗素子を使
   用してなることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   記載の電流検出器。
3. 【請求項３】前記磁電変換素子（15,16）が前記基板（1
   2）に形成してなることを特徴とする前記特許請求の範
   囲第１項記載の電流検出器。
4. 【請求項４】前記磁気抵抗素子（15,16）がバーバーポ
   ール型磁気抵抗素子であることを特徴とする前記特許請
   求の範囲第２項および第４項記載の電流検出器。
5. 【請求項５】前記貫通孔（13）がエッチングにより前記
   基板（12）に穿設してなることを特徴とする前記特許請
   求の範囲第１項記載の電流検出器。
6. 【請求項６】前記基板（12）がシリコン基板であり、前
   記貫通孔（13）がシリコンの異方性エッチングを利用し
   穿設してなることを特徴とする前記特許請求の範囲第５
   項記載の電流検出器。
7. 【請求項７】前記シリコン基板の面方位が（110）であ
   り、前記貫通孔（13）が一方の開口を菱形，他方の開口
   を六角形とし孔壁の一部が該シリコン基板の表面に対し
   垂直に形成してなることを特徴とする前記特許請求の範
   囲第６項記載の電流検出器。
8. 【請求項８】前記シリコン基板の面方位が（100）であ
   り、前記貫通孔（13）が断面正方形に形成してなること
   を特徴とする前記特許請求の範囲第６項記載の電流検出
   器。