CN103069282B - 磁平衡式电流传感器 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够使传感器小型化且提高设置时的作业性，并且能够减小磁滞而提高测定精度的磁平衡式电流传感器。本发明的磁平衡式电流传感器具备：通过流通有被测定电流的电流线产生的感应磁场来改变输出的磁检测桥式电路；使施加在构成磁检测桥式电路的磁阻效应元件上的感应磁场衰减的磁场衰减部(30)；通过磁检测桥式电路的输出而产生与感应磁场相抵的消除磁场，在成为该消除磁场与感应磁场相抵的平衡状态时，流过与被测定电流对应的电流的反馈线圈(122)，反馈线圈(122)设定为施加在磁场衰减部(30)的消除磁场的方向与施加在磁场衰减部(30)上的感应磁场的大致反向。
Description
技术领域
本发明涉及使用磁阻效应元件(TMR元件、GMR元件)的磁平衡式电流传感器。
背景技术
在电气机动车中，使用电来驱动电动机，该电动机驱动用的电流的大小通过例如电流传感器来检测。作为该电流传感器已知有在导体的周围设置收集被测定电流产生的磁通的环状的磁心，在该磁心的磁心间隙(切口部)配置磁检测元件，并且，在磁心的环状部分卷绕了负回授用的线圈的磁平衡式电流传感器(例如，参照专利文献1)。
在该专利文献1记载的磁平衡式电流传感器中，当导体中流过被测定电流时，将来自磁检测元件的输出变换为电流而反馈到负回授用线圈，被测定电流产生的感应磁场以通过负回授用线圈产生的消除磁场抵消的方式施加，从而将在负回授用线圈中流动的电流作为输出取出。另外，该电流传感器设有相对于磁心稳定地产生饱和剩余磁化强度的复位电路部，抑制电源开始时、电源异常降低时的剩余磁化强度的变化产生的输出变动。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-279226号公报
发明概要
发明要解决的课题
然而，在上述专利文献1记载的磁平衡式电流传感器中，通过剩余磁化强度的调整使测定精度提高，但因剩余磁化强度的影响而产生磁滞。另外，该磁平衡式电流传感器通过设置磁心来构成，因此，无法实现小型化，进而，需要通过在磁心的内侧流动被测定电流的导体，因此，存在设置时的作业性不佳的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述点而作成的，其目的在于，提供一种能够使传感器小型化且提高设置时的作业性，并且，能够减小磁滞而提高测定精度的磁平衡式电流传感器。
用于解决课题的手段
本发明的磁平衡式电流传感器的特征在于，具备：磁传感器，其在流通有被测定电流的电流线所产生的感应磁场的作用下输出发生变化；磁场衰减部，其使施加在所述磁传感器上的所述感应磁场衰减；反馈线圈，其通过所述磁传感器的输出而产生与所述感应磁场相抵的消除磁场，当成为该消除磁场与所述感应磁场相抵的平衡状态时，该反馈线圈中流动与所述被测定电流对应的电流，所述反馈线圈设置成使施加在所述磁场衰减部上的所述消除磁场的方向相对于施加在所述磁场衰减部上的所述感应磁场的方向朝着反向。
根据该结构，由于施加在磁场衰减部上的感应磁场被反馈线圈的消除磁场减弱，因此，磁场衰减部不易磁饱和，能够减小磁滞而提高测定精度。另外，与在磁心的磁心间隙配置磁传感器的结构比较，能够使传感器小型化且提高设置时的作业性。
在本发明的磁平衡式电流传感器中，优选所述磁场衰减部配置在所述磁传感器与所述电流线之间。根据该结构，能够使通过磁场衰减部施加在磁传感器上的感应磁场有效衰减。
在本发明的磁平衡式电流传感器中，优选所述反馈线圈形成为能够将所述磁传感器及所述磁场衰减部配置在内侧的筒状。根据该结构，由于成为在线圈内侧配置磁传感器及磁场衰减部的结构，因此，能够简单地实现传感器的小型化。
在本发明的磁平衡式电流传感器中，优选所述反馈线圈为平面线圈。根据该结构，由于反馈线圈为平面线圈，因此，能够简单地实现传感器的薄型化。另外，抑制从反馈线圈产生的消除磁场的扩大，对周边电路的影响小。
在本发明的磁平衡式电流传感器中，优选将所述磁传感器、所述磁场衰减部、所述反馈线圈相对于基板按照所述磁传感器、所述磁场衰减部、所述反馈线圈的顺序、或者按照所述反馈线圈、所述磁场衰减部、所述磁传感器的顺序层叠。根据该结构，由于磁传感器、磁场衰减部、反馈线圈一体化，因此能够提高设置时的作业性。
发明效果
根据本发明的磁平衡式电流传感器，其具备：磁传感器，其在流通有被测定电流的电流线所产生的感应磁场的作用下输出发生变化；磁场衰减部，其使施加在所述磁传感器上的所述感应磁场衰减；反馈线圈，其通过所述磁传感器的输出而产生与所述感应磁场相抵的消除磁场，当成为该消除磁场与所述感应磁场相抵的平衡状态时，该反馈线圈中流动与所述被测定电流对应的电流，所述反馈线圈设置成使施加在所述磁场衰减部上的所述消除磁场的方向相对于施加在所述磁场衰减部上的所述感应磁场的方向朝着反向。因此，能够使传感器小型化且提高设置时的作业性，并且能够减小磁滞提高测定精度。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式涉及的磁平衡式电流传感器的图。
图2是表示本发明的实施方式涉及的磁平衡式电流传感器的图。
图3是图1所示的磁平衡式电流传感器的剖视图。
图4是表示本发明的实施方式涉及的磁平衡式电流传感器的磁场强度与输出电压之间的关系的图。
图5是表示磁平衡式电流传感器的变形例的图。
图6是表示其他的磁平衡式电流传感器的图。
具体实施方式
近年来，伴随电气机动车的大输出化·高性能化，使用的电流值变大，因此，需要避免大电流时的磁饱和。例如，在使用了环状的磁心的磁平衡式电流传感器中，为了避免磁饱和而需要增大磁心，但是，增大磁心时，存在传感器自身大型化的问题。为了解决使用了这种磁心的电流传感器的课题，提出了不使用磁心，而使用磁阻效应元件的磁平衡式电流传感器的提案。
然而，在不使用磁心而使用磁阻效应元件的磁平衡式电流传感器中，当使用的电流值变大时，存在为了产生大的消除磁场而使反馈电流增大，消耗电力变大的问题。因此，考虑图6所示的磁平衡式电流传感器。
如图6所示，该磁平衡式电流传感器中，将磁传感器61、反馈线圈62、磁场衰减部63形成在同一基板65上而构成。在基板65上层叠有多个层间绝缘膜66a、66b、66c和保护膜67，在层间绝缘膜66a上形成磁传感器61，在层间绝缘膜66b上形成反馈线圈62，在层间绝缘膜66c上形成磁场衰减部63。根据该结构，能够使磁传感器61距离导体68最远，能够减小从被测定电流I施加到磁传感器61上的感应磁场。另外，由于能够使磁场衰减部63与导体68最近，因此，能够提高感应磁场的衰减效果。
如此，在磁平衡式电流传感器中，由于施加在磁传感器61上的感应磁场变小，因此，能够使流过反馈线圈62的电流变小，从而能够实现省电。另外，由于磁传感器61、反馈线圈62、磁场衰减部63形成在同一基板65上，因此，能够实现传感器的小型化。
然而，在上述的磁平衡式电流传感器中，来自被测定电流的感应磁场A与来自反馈电流的消除磁场B相对于磁场衰减部63以相同方向施加。因此，施加到磁场衰减部63上的磁场变大，磁场衰减部63容易磁饱和，从而存在产生磁滞的可能性。
本发明者们着眼于上述点进行研究发现了，通过以使消除磁场B的方向与施加到磁场衰减部上的感应磁场A成为反向的方式设置反馈线圈，从而能够抑制磁场衰减部的磁饱和而减少磁滞，并基于此进行了本发明。即，本发明的主要内容为通过以使施加在磁场衰减部上的消除磁场的方向与施加在磁场衰减部上的感应磁场的方向为相反方向的方式设置反馈线圈的磁平衡式传感器，能够减小磁滞而提高测定精度。另外，通过不使用磁心而使磁传感器、反馈线圈、磁场衰减部形成在同一基板上，能够提高传感器的小型化及设置时的作业性。需要说明的是，施加到磁场衰减部上的消除磁场的方向与施加到磁场衰减部上的感应磁场的方向反向不需要完全反向，在实现本发明的效果的范围内反向即可。
以下，对本发明的实施方式参照附图进行详细说明。
图1及图2是表示本发明的实施方式涉及的磁平衡式电流传感器的图。在本实施方式中，图1及图2所示的磁平衡式电流传感器配置在被测定电流I流动的导体11的附近。该磁平衡式电流传感器具备产生抵消在导体11中流动的被测定电流I产生的感应磁场的磁场(消除磁场)的反馈电路12。该反馈电路12具有：向抵消由被测定电流I产生的磁场的方向卷绕的反馈线圈121；作为磁检测元件的两个磁阻效应元件122a、122b；两个固定电阻元件123a、123b。
反馈线圈121由平面线圈(例如扁平状的螺旋线圈)构成。在该结构中，由于不具有磁心，因此，能够以低成本制作反馈线圈。另外，与螺线管线圈的情况相比，能够防止从反馈线圈产生的消除磁场向大范围扩展，能够避免对周边电路造成影响。进而，与螺线管线圈的情况相比，在被测定电流为交流的情况下，容易进行反馈线圈产生的消除磁场的控制，用于控制而流动的电流也不那么大。对于这些效果，在被测定电流为交流且越为高频效果越大。在反馈线圈121由平面线圈构成的情况下，优选以在与平面线圈的形成面平行的面内产生感应磁场和消除磁场这两者的方式设置平面线圈。
磁阻效应元件122通过来自被测定电流I的感应磁场的施加而改变电阻值。两个磁阻效应元件122a、122b与两个固定电阻元件123a、123b一起构成磁场检测桥式电路。如此一来，通过使用具有磁阻效应元件的磁场检测桥式电路，能够实现高灵敏度的磁平衡式电流传感器。另外，当不使用固定电阻元件，而将在来自被测定电流I的感应磁场的施加的作用下增大电阻值和减少电阻值的磁阻效应元件来构成磁场检测桥式电路时，能够进一步实现高灵敏度的磁平衡式电流传感器。
该磁场检测桥式电路具备产生与由被测定电流I产生的感应磁场对应的电压差的两个输出。在图2所示的磁场检测桥式电路中，在磁阻效应元件122b和固定电阻元件123a之间的连接点连接电源Vdd，在磁阻效应元件122a与固定电阻元件123b之间的连接点接地(GND)。进而，在该磁场检测桥式电路中，从磁阻效应元件122a与固定电阻元件123a之间的连接点获取一个输出，从磁阻效应元件122b与固定电阻元件123b之间的连接点获取另一个输出。所述两个输出在放大器124被放大，作为电流(反馈电流)赋予反馈线圈121。该反馈电流对应于与感应磁场对应的电压差。此时，在反馈线圈121产生与感应磁场相抵的消除磁场。并且，根据在成为感应磁场和消除磁场相抵的平衡状态时的反馈线圈121中流过的电流，通过检测部(检测电阻R)测定被测定电流。
图3是表示图1所示的磁平衡式电流传感器的剖视图。如图3所示，在本实施方式涉及的磁平衡式电流传感器中，反馈线圈121、磁场衰减部30及磁场检测桥式电路形成在同一基板21上。在图3所示的结构中，薄板状的磁场衰减部30配置在反馈线圈121与磁场检测桥式电路之间，反馈线圈121配置在接近被测定电流I一侧。即，从接近导体11侧按反馈线圈121、磁场衰减部30、磁阻效应元件122的顺序配置。由此，能够使磁阻效应元件122距离导体11最远，能够减小从被测定电流I施加到磁阻效应元件122上的感应磁场。另外，由于使磁场衰减部30比磁阻效应元件122还靠近导体11侧，因此，能够使相对于磁阻效应元件122的感应磁场的衰减效果更高。进而，通过使消除磁场B的方向与施加到磁场衰减部30上的感应磁场A的方向成为大致反向的方式设置反馈线圈，能够抑制磁场衰减部30的磁饱和，减小磁滞而提高测定精度。
对图3所示的层结构的一例进行详细说明。在图3所示的磁平衡式电流传感器中，基板21上形成作为绝缘层的热硅热氧化膜22。在热硅热氧化膜22上形成铝氧化膜23。铝氧化膜23可以通过例如溅射等方法来成膜。另外，作为基板21使用硅基板等。
在铝氧化膜23上形成磁阻效应元件122a、122b。此时，与磁阻效应元件122a、122b一起设置有固定电阻元件123a、123b，作成磁场检测桥式电路。作为磁阻效应元件122a、122b可以使用TMR元件(隧道型磁阻效应元件)、GMR元件(巨大磁阻效应元件)等。例如，作为GMR元件，可以使用由具有反强磁性层、固定磁性层、非磁性层、自由磁性层的多层膜构成的自旋阀型GMR元件或自旋阀型TMR元件。
作为自旋阀型GMR元件优选具有图2的放大图所示的蜿蜒形状的GMR元件。在该蜿蜒形状情况下，若考虑直线性，则优选管脚(Pin)方向的宽度D为1μm～10μm。在该情况下，当考虑直线性时，优选长度方向与感应磁场的方向及消除磁场的方向均垂直。通过形成为这种蜿蜒形状，能够以比霍尔元件还少的端子数(2端子)来实现磁阻效应元件的输出。
另外，作为自旋阀型TMR元件，当考虑直线性时，优选管脚方向的宽度为1μm～10μm的长方形。在该情况下，当考虑直线性时，优选长度方向与感应磁场的方向及消除磁场的方向的均垂直。
在形成有磁阻效应元件122a、122b的铝氧化膜23上形成聚酰亚胺层25作为绝缘层。聚酰亚胺层25通过涂敷聚酰亚胺材料并使其固化而形成。
在聚酰亚胺层25上形成有硅氧化膜27。硅氧化膜27可以通过例如溅射等方法成膜。
在硅氧化膜27上形成磁场衰减部30。作为构成磁场衰减部30的材料，可以使用非结晶磁性材料、坡莫合金系磁性材料或铁系微结晶材料等高透磁率材料。
在形成有磁场衰减部30的硅氧化膜27上形成聚酰亚胺层29作为绝缘层。聚酰亚胺层29通过涂敷聚酰亚胺材料并使其固化而形成。
在聚酰亚胺层29上形成有反馈线圈121。反馈线圈121可以在成膜了线圈材料后，通过光刻法及蚀刻法来形成。或者，反馈线圈121在成膜了基底材料后，通过光刻法及镀敷来形成。
在形成了反馈线圈121的聚酰亚胺层29上形成硅氧化膜31作为保护膜。硅氧化膜31通过例如溅射等方法成膜。
在具有这种结构的磁平衡式电流传感器中，如图3所示，适当调整为：由磁阻效应元件122a、122b接受从被测定电流I产生的感应磁场A，反馈该感应磁场而从反馈线圈121产生消除磁场B，两个磁场(感应磁场A、消除磁场B)相抵而使施加在磁阻效应元件122上的磁场为零。
在本发明的磁平衡式电流传感器中，如图3所示，与反馈线圈121的磁阻效应元件122侧邻接而具有磁场衰减部30。磁场衰减部30使从被测定电流I产生而施加到磁阻效应元件122a、122b上的感应磁场衰减。反馈线圈121以抵消从被测定电流I产生而施加到磁阻效应元件122上的感应磁场，且使施加到磁场衰减部30上的感应磁场衰减的方式产生消除磁场B(在磁阻效应元件及磁场衰减部中，感应磁场A的方向与消除磁场B的方向反向)。由此，磁场衰减部30的磁饱和被抑制，从而能够充分地减小磁滞。
具有上述结构的磁平衡式电流传感器使用具有磁阻效应元件、尤其是GMR元件或TMR元件的磁场检测桥式电路作为磁检测元件。由此，能够实现高灵敏度的磁平衡式电流传感器。另外，根据这种结构，通过使用使磁阻效应元件与固定电阻元件的TCR(Temperature CoefficientResistivity)一致的同时电阻变化率的温度变化小的GMR元件、TMR元件，能够减小输出的温度依赖，从而能够提高温度特性。另外，具有上述结构的磁平衡式电流传感器中，由于反馈线圈121、磁场衰减部30及磁场检测桥式电路形成在同一基板上，因此，能够实现小型化。进而，由于该磁平衡式电流传感器为不具有磁心的结构，因此，能够实现小型化、低成本化。
接下来，对具有上述结构的磁平衡式电流传感器的线性特性进行说明。
图4是表示本发明涉及的磁平衡式电流传感器的磁场强度[mT]与输出电压[V]之间的关系的图。需要说明的是，在图4中，磁场强度与被测定电流I成比例。在本发明涉及的磁平衡式电流传感器中，即使被测定电流I变大而在磁场衰减部30施加大的感应磁场，由于反馈电流产生的消除磁场反向施加到磁场衰减部30，因此，磁场衰减部30不易磁饱和。从而，如图4所示，能够在大范围内不会在中途倾斜发生变化地将线形性保持得良好。
另外，由于磁场衰减部30不易磁饱和，因此，例如，即使在增大被测定电流I而磁场强度为+5[mT]后，使磁场强度向负方向变化的情况下，输出电压也变化成通过原点的直线状。另外，输出电压在磁场强度成为-5[mT]后使磁场强度向正方向变化，这种情况下，变化为与磁场强度向负方向变化的情况大致相同的直线状。此时，使磁场强度向正方向变化时的输出特性和向负方向变化时的输出特性的偏差成为测定误差，但是，在本发明涉及的磁平衡式电流传感器中，输出特性的偏差微小，因而测定误差小。如此，本实施方式涉及的磁平衡式电流传感器能够充分减小磁滞而提高测定精度。
需要说明的是，在上述的实施方式中，形成为从接近导体11的一侧开始按照反馈线圈121、磁场衰减部30、磁阻效应元件122的顺序分别层叠在基板21上的结构，但不限于该结构。如图5(a)所示，也可以从接近导体48一侧开始按照磁阻效应元件41、磁场衰减部43、反馈线圈42的顺序分别层叠在基板45上。例如，在最靠近基板45侧的层间绝缘膜46a上形成反馈线圈42；在第二靠近基板45侧的层间绝缘膜46b上形成磁场衰减部43；在距离基板45最远的层间绝缘膜46c上形成磁阻效应元件41。即使为该结构，由于通过被测定电流I施加到磁场衰减部43上的感应磁场A被通过反馈电流施加到磁场衰减部43上的消除磁场B衰减，因此，能够抑制磁场衰减部43的磁饱和。此时，优选磁阻效应元件41的形成面平滑干净。另外，通过将基板配置在被测定电流I侧，从而组件的设计容易的情况下、被测定电流I与磁阻效应元件的距离容易准确配置的情况下，使图3所示的电流传感器上下翻转，将基板21配置在被测定电流I侧也有效。该情况下，磁阻效应元件的形成面为基板上的硅热氧化膜或铝氧化膜，能够在平滑且干净的面上形成磁阻效应元件。
另外，在上述的实施方式中，反馈线圈121由平面线圈构成，但并没有限定为该结构。反馈线圈121产生与来自被测定电流I的感应磁场相抵的消除磁场即可，例如，如图5(b)所示，可以以筒状(螺旋状)线圈构成。
该情况下，在筒状的反馈线圈52内侧配置磁通衰减部53及磁阻效应元件51。例如，在最靠近基板55侧的层间绝缘膜56a上形成反馈线圈52的下端侧，在反馈线圈52的内侧且第二靠近基板55侧的层间绝缘膜56b上形成磁阻效应元件51，在反馈线圈52的内侧且第三靠近基板55侧的层间绝缘膜56c上形成磁场衰减部53，在距离基板55最远的层间绝缘膜56d上形成反馈线圈52的上端侧。即使为该结构，由于通过被测定电流I施加到磁场衰减部53上的感应磁场A被由反馈电流施加到磁场衰减部53上的消除磁场B衰减，因此，能够抑制磁场衰减部53的磁饱和。
另外，在反馈线圈52由筒状线圈构成的情况下，反馈线圈52可以通过薄膜处理形成在基板55上，也可以通过在基板55外卷绕导线而形成。
另外，在上述的实施方式中，磁场衰减部形成为薄板状，但没有限定为该结构。磁场衰减部只要是能够使施加到磁阻效应元件上的磁场衰减的结构，可以为任意的结构。
另外，在上述的实施方式中，反馈线圈设置为使与施加到磁场衰减部上的感应磁场的方向反向地产生消除磁场的结构，然而，并没有限定为该结构。反馈线圈设置为使在施加到磁场衰减部上的感应磁场衰减的大致反向上产生消除磁场即可。
如此一来，在本实施方式的磁平衡式电流传感器中，磁场衰减部的磁饱和被抑制，因此，能够充分减小磁滞提高测定精度。另外，与在磁心的磁心间隙配置磁传感器的结构比较，能够提高传感器的小型化及设置时的作业性。
本发明并没有限定为上述实施方式，能够实施各种变更。例如，上述实施方式中的材料、各元件的连接关系、厚度、大小、制作方法等可以实施适当变更。另外，在上述实施方式中，对于在磁平衡式电流传感器中使用磁阻效应元件的情况进行了说明，不过，也可以在磁平衡式电流传感器中使用霍尔元件或其他的磁检测元件来构成。此外，本发明可以在不脱离本发明的范围的情况下适当变更。
产业上的可利用性
本发明能够应用于检测电气机动车的电动机驱动用的电流的大小的电流传感器。
本申请基于2010年8月23日申请的日本特愿2010-185825。其内容全部包含于此。
Claims (5)
1.一种磁平衡式电流传感器，其特征在于，具备：
磁传感器，其在流通有被测定电流的电流线所产生的感应磁场的作用下输出发生变化；
磁场衰减部，其使施加在所述磁传感器上的所述感应磁场衰减；
反馈线圈，其通过所述磁传感器的输出而产生与所述感应磁场相抵的消除磁场，当成为该消除磁场与所述感应磁场相抵的平衡状态时，该反馈线圈中流动与所述被测定电流对应的电流，
所述反馈线圈设置成使施加在所述磁场衰减部上的所述消除磁场的方向相对于施加在所述磁场衰减部上的所述感应磁场的方向朝着反向。
2.根据权利要求1所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，
所述磁场衰减部配置在所述磁传感器与所述电流线之间。
3.根据权利要求1或2所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，
所述反馈线圈形成为能够将所述磁传感器及所述磁场衰减部配置在内侧的筒状。
4.根据权利要求1或2所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，
所述反馈线圈为平面线圈。
5.根据权利要求4所述的磁平衡式电流传感器，其特征在于，
将所述磁传感器、所述磁场衰减部、所述反馈线圈相对于基板按照所述磁传感器、所述磁场衰减部、所述反馈线圈的顺序或者按照所述反馈线圈、所述磁场衰减部、所述磁传感器的顺序层叠。
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