CN105190323A - 磁电流传感器以及电流测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的磁电流传感器的特征在于，具有：由4个磁阻元件构成的惠斯通电桥电路；向所述磁阻元件施加偏置磁场的偏置磁场施加单元；和被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧的空芯线圈，所述惠斯通电桥电路产生与因流过所述空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压。根据本发明的磁电流传感器以及电流测量方法，通过抑制磁滞，从而0mA附近的电流与输出电压的线性优良，电流电路侧与MR元件侧的绝缘性优良，因此能够实现大电流化、小型化以及低成本化。
Description
技术领域
本发明涉及通过磁阻效应来检测流过电子电路等的电流的磁电流传感器以及电流测量方法。
背景技术
近年来，由于电动车辆的普及、或者智能电表、能够看到电力化系统的导入等，以这些为用途的电流传感器的市场正在迅速扩大。作为市场中使用的电流传感器的主要方式，具有：(1)分流电阻方式、(2)电流互感器方式、(3)霍尔式的磁电流传感器、(4)磁阻(Magneto-resistance，以下省略为MR)式的磁电流传感器这4种。
关于(1)的电流传感器，存在不容易电绝缘的问题。关于(2)的电流传感器，存在只能原理性地测量交流的问题。关于(3)的电流传感器，存在由于存在磁滞而导致再现性不好、由于霍尔元件的灵敏度比MR元件低而必须增大电流传感器的尺寸的问题。关于(4)的电流传感器，由于利用螺旋条纹型的MR元件，因此存在由于存在磁滞而导致再现性不好的问题。
图1表示由于磁滞而导致在磁电流传感器的输出电压中产生滞后的样子。在磁电流传感器中，由于被使用的MR元件等的磁滞，导致在电流的UP方向与DOWN方向，输出电压中产生差分。该差分为磁电流传感器的输出电压的滞后。为了抑制作为该原因的磁滞，专利文献1中公开了一种向MR元件施加偏置磁场的方法。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开H6-148301号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
在被用于电动车辆、智能电表、能够看到电力化系统等新领域的电流传感器中，越来越需要高度化。也就是说，第1，需要输出电压相对于输入电流的线性(直线性)的进一步提高。第2，需要输入电流的极性(流过的方向性)的正确的判断功能。第3，需要输入电流从低电流向高电流推移的情况(UP方向)与从高电流向低电流推移的情况(DOWN)下的输出电压的滞后的减少。第4，需要进一步的大电流化和小型化。
本发明鉴于上述问题而作出，其目的在于，提供一种在通过MR效应来检测电流的磁电流传感器中，通过抑制磁滞来使0mA附近的电流与输出电压的线性优良并使电流电路侧与MR元件侧的绝缘性优良，从而能够实现大电流化、小型化以及低成本化的磁电流传感器以及电流测量方法。
-解决课题的手段-
本发明的磁电流传感器的特征在于，具有：
惠斯通电桥电路，其由4个磁阻元件构成；
偏置磁场施加单元，其向所述磁阻元件施加偏置磁场；和
空芯线圈，其被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧，
所述惠斯通电桥电路产生与因流过所述空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压。
本发明的电流测量方法的特征在于，在由施加了偏置磁场的4个磁阻元件构成的惠斯通电桥电路，通过使与因流过空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压产生来进行电流测量，其中，该空芯线圈被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧。
-发明效果-
根据本发明的磁电流传感器以及电流测量方法，通过抑制磁滞来使0mA附近的电流与输出电压的线性优良并使电流电路侧与MR元件侧的绝缘性优良，从而能够实现大电流化、小型化以及低成本化。
附图说明
图1是表示由于磁滞而导致在磁电流传感器的输出电压中产生滞后的样子的概念图。
图2是表示本发明的实施方式的磁电流传感器的结构的框图。
图3是表示在本发明的实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法的桥电路1的中心点处的电流与通过电流而产生的磁场的关系的图。
图4是表示作用于本发明的实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法的桥电路1的磁场与桥电路的输出电压(V+)-(V-)的关系的图。
图5是表示本发明的实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法的电流与输出电压的关系的图。
图6表示本发明的实施方式的磁电流传感器的组装图的俯视图。
图7表示本发明的实施方式的磁电流传感器的桥电路1与磁铁1(2a)和磁铁2(2b)的组装图。
图8表示本发明的实施方式的磁电流传感器的桥电路1的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。其中，虽然在以下所述的实施方式中为了实施本发明而进行了技术上优选的限定，但发明的范围并不限定于以下内容。
图2是表示本发明的实施方式的磁电流传感器的结构的框图。端子的IIN是电流的输入端子。端子的IOUT是电流的输出端子。端子的V+和V-是电压的输出的+端子和输出的-端子。端子的VCC和GND是电源的+侧和接地(ground)侧的端子。
桥电路1的R1、R2、R3、R4是MR(Magneto-resistance)元件，能够使用铁(Fe)-镍(Ni)合金(坡莫合金)的薄膜。以实现灵敏度的提高以及除去同相噪声为目的，构成基于4个MR元件的桥电路、即所谓的惠斯通电桥(Wheatstonebridge)电路。
磁铁1(2a)和磁铁2(2b)是使一组异极彼此对置的永久磁铁，向MR元件施加偏置磁场。线圈1(3a)和线圈2(3b)是2个相同的空芯线圈。若将电流从IIN端子流向IOUT端子，则从线圈1(3a)和线圈2(3b)产生具有相同方向的极性的磁场。
图3表示本发明的实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法的线圈1(3a)与线圈2(3b)的中间点(桥电路1的中心点)处的电流与通过电流而产生的磁场的关系。在电流在正方向(IIN→IOUT)流过的情况下，产生正方向磁场5a。在电流在反方向(IOUT→IIN)流过的情况下，产生反方向磁场5b。
图4表示本发明的实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法的作用于桥电路1的图3的磁场与桥电路1的输出电压(V+)-(V-)的关系。在磁场是正方向的情况下，正方向电压6a产生为输出电压，在磁场是反方向的情况下，反方向电压6b产生为输出电压。通过利用磁铁1(2a)和磁铁2(2b)来向构成桥电路1的MR元件R1、R2、R3、R4施加偏置磁场，从而得到没有滞后的输出电压特性。另外，施加到MR元件R1、R2、R3、R4的偏置磁场的方向和大小大致相同。
图5表示本发明的实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法的电流与输出电压的关系。对于正方向的电流(IIN→IOUT)得到正方向的输出电压4a，对于反方向的电流(IOUT→IIN)得到反方向的输出电压4b。通过利用磁铁1(2a)和磁铁2(2b)来向构成桥电路1的MR元件R1、R2、R3、R4施加偏置磁场，从而得到没有滞后的输出电压特性。特别地，0mA附近、即基于电流的磁场为零的附近的电流与输出电压的线性优良。
图6表示本实施方式的磁电流传感器的组装图的俯视图。此外，图7表示图6中，由4个MR元件构成的桥电路1、和向桥电路1施加偏置磁场的磁铁1(2a)以及磁铁2(2b)的组装图。由线圈1(3a)、线圈2(3b)和MR元件构成的桥电路1、磁铁1(2a)、磁铁2(2b)被固定在一个基板上。线圈的空芯方向、MR元件的VCC和GND端子的方向被配置在X轴方向。
图8表示构成桥电路1的MR元件R1、R2、R3、R4的结构图。被配置为Y轴方向与MR元件R1以及R4的图案的长边方向一致，X轴方向与MR元件R2以及R3的图案的长边方向一致。也就是说，MR元件R1以及R4被以曲折状配置为X轴方向的磁场为最大检测方向，MR元件R2以及R3被以曲折状配置为Y轴方向的磁场为最大检测方向。
桥电路1能够通过薄膜工艺来制造。也就是说，通过溅射法、蒸镀法等薄膜形成法，形成成为MR元件的坡莫合金膜、成为电极的铜膜或者金膜。接下来，在所述的各膜上通过光刻法来形成所希望的形状的光掩模。接下来，通过离子铣削等蚀刻法来形成所希望的形状的MR元件图案、电极图案。
磁铁1(2a)和磁铁2(2b)能够通过桥电路1那样的薄膜工艺来制作，也能够通过成形并组装磁铁材料的大批量工艺来制作。作为磁铁材料，能够使用铁氧体磁铁、SmCo磁铁等Co系磁铁、NdFeB磁铁等Fe系磁铁。
磁铁1(2a)和磁铁2(2b)的图7中图上的长边方向、即与从磁铁1(2a)向磁铁2(2b)的磁力线的方向垂直的方向被配置为与X轴方向成规定的角度θ。该角度θ适当地在5°到85°的范围内被选择。更优选θ为26°。
也就是说，从磁铁1(2a)向磁铁2(2b)的磁力线的方向与X轴方向所成的角度适当地为95°到175°。进一步适当地，是116°。
通过在MR元件的两端配置永久磁铁1(2a)以及永久磁铁2(2b)，从而在X轴方向和Y轴方向这两个方向施加偏置磁场。Y轴方向的偏置磁场强度设为饱和磁场强度。由此，即使在没有应检测的外部磁场时，也由于MR元件的磁化方向与Y轴方向一致，从而磁畴壁的不连续的移动减少，滞后也减少。
优选地，将X轴方向的偏置磁场强度设定为饱和磁场强度的一半。X轴方向的磁场强度为Y轴方向的磁场强度的1/2的上述角度θ大概为26°。饱和磁场强度能够根据MR元件的尺寸(长度、宽度、厚度)来决定。X轴的偏置磁场强度移动MR元件的外部磁场为零时的动作点，能够改善MR元件的磁场强度与输出电压(V+)-(V-)的线性(直线性)。
作为电流电路的线圈1(3a)和线圈2(3b)的绕组的粗细以及卷绕数量，能够考虑流过的电流的最大值来决定。进一步地，由于不具有线圈部与MR元件部重叠的部分因此被电分离，处于绝缘状态。因此，由于流过线圈的电流不影响MR元件，因此线圈中能够流过较大的电流。此外，由于处于线圈部与MR元件部被绝缘的配置，因此不需要用于将两者绝缘的构造体、例如形成较厚的绝缘层等用于绝缘的构造体，因此有利于小型化、低成本化。
以上，根据本实施方式的磁电流传感器以及电流测量方法，通过抑制了磁滞，从而0mA附近(即基于电流的磁场为零的附近)处的电流与输出电压的线性优良，电流电路侧与MR元件侧的绝缘性优良，从而实现了能够实现大电流化、小型化以及低成本化的磁电流传感器以及电流测量方法。
此外，由于本发明的磁电流传感器以及电流测量方法使用磁场被偏置的MR元件，因此能够进行电流流过的方向(极性)的判断，能够对应于直流和交流这双方，通过薄膜工艺也能够制造，因此有利于小型化和低成本化。
(实施例)
参照图6、图7、图8，来说明本发明的实施例的磁电流传感器以及电流测量方法。构成桥电路1的MR元件R1～R4由铁(Fe)-镍(Ni)合金(坡莫合金)的薄膜构成。坡莫合金薄膜的厚度是400nm。各MR元件具有曲折状，是长边的长度为230μm、宽度为9μm的图案。该图案为21根，连接为曲折状。与相邻的图案的间隔是2μm。
作为一组永久磁铁的磁铁1(2a)与磁铁2(2b)分别的长度(磁铁彼此对置的面的宽度)为1.1mm，高度(磁铁彼此对置的面的进深)为0.6mm，厚度为0.2mm。永久磁铁的材料是钐钴(SmCo)磁铁。永久磁铁的长度(磁铁彼此对置的面的宽度)方向与X轴方向所成的角度θ是26°。因此，对置的永久磁铁的从N极向S极的磁力线与X轴方向所成的角度大约为116°。
作为流过10A的电流的线圈1(3a)和线圈2(3b)，绕组的直径是0.8mm，卷绕数量是2层的4次。绕组的材质是铜。
以上的MR元件、永久磁铁以及线圈通过具有密封工序的电流传感器的组装工序，被固定配置在相同基板上。
根据本实施例的磁电流传感器以及电流测量方法，通过抑制磁滞从而0mA附近、即基于电流而产生的磁场为零的附近处的电流与输出电压的线性优良，电流电路侧与MR元件侧的绝缘性优良，因此实现了能够实现大电流化、小型化以及低成本化的磁电流传感器以及电流测量方法。
本发明并不局限于上述实施方式、实施例，在权利要求书所述的发明的范围内能够进行各种变形，这些也当然包含在本发明的范围内。
此外，上述的实施方式的一部分或者全部也能够记载为以下的附记，但并不局限于以下。
附记
(附记1)
一种磁电流传感器，具有：
惠斯通电桥电路，其由4个磁阻元件构成；
偏置磁场施加单元，其向所述磁阻元件施加偏置磁场；和
空芯线圈，其被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧，
所述惠斯通电桥电路产生与因流过所述空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压。
(附记2)
根据附记1所述的磁电流传感器，其中，
在所述惠斯通电桥电路中，相邻的所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向相互正交。
(附记3)
根据附记1或者2所述的磁电流传感器，其中，
因所述被测量电流而产生的感应磁场的方向具有与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向平行的方向。
(附记4)
根据附记1至3之内的一项所述的磁电流传感器，其中，
所述偏置磁场的方向与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向所成的角度具有95°～175°的角度。
(附记5)
根据附记1至4之内的一项所述的磁电流传感器，其中，
所述偏置磁场的方向与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向所成的角度具有大致116°的角度。
(附记6)
根据附记1至5之内的一项所述的磁电流传感器，其中，
向所述磁阻元件施加大致相同的方向且大致相同大小的所述偏置磁场。
(附记7)
根据附记1至6之内的一项所述的磁电流传感器，其中，
所述偏置磁场施加单元是永久磁铁。
(附记8)
一种电流测量方法，
其在由施加了偏置磁场的4个磁阻元件构成的惠斯通电桥电路，通过使与因流过空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压产生来进行电流测量，其中，该空芯线圈被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧。
(附记9)
根据附记8所述的电流测量方法，其中，
在所述惠斯通电桥电路中，配置为相邻的所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向相互正交。
(附记10)
根据附记8或者9所述的电流测量方法，其中，
因所述被测量电流而产生的感应磁场的方向具有与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向平行的方向。
(附记11)
根据附记8至10在内的一项所述的电流测量方法，其中，
所述偏置磁场的方向与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向所成的角度具有95°～175°的角度。
(附记12)
根据附记8至11在内的一项所述的电流测量方法，其中，
所述偏置磁场的方向与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向所成的角度具有大致116°的角度。
(附记13)
根据附记8至12在内的一项所述的电流测量方法，其中，
向所述磁阻元件施加大致相同的方向且大致相同大小的所述偏置磁场。
(附记14)
根据附记8至13在内的一项所述的电流测量方法，其中，
通过永久磁铁来施加所述偏置磁场。
-工业可用性-
本发明能够广泛利用于电动车辆、智能电表、电力系统等中进行电流监视的电流传感器。
-符号说明-
1桥电路
2a磁铁1
2b磁铁2
3a线圈1
3b线圈2
Claims (10)
1.一种磁电流传感器，具有：
惠斯通电桥电路，其由4个磁阻元件构成；
偏置磁场施加单元，其向所述磁阻元件施加偏置磁场；和
空芯线圈，其被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧，
所述惠斯通电桥电路产生与因流过所述空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压。
2.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中，
在所述惠斯通电桥电路中，相邻的所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向相互正交。
3.根据权利要求1或者2所述的磁电流传感器，其中，
因所述被测量电流而产生的感应磁场的方向具有与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向平行的方向。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的磁电流传感器，其中，
所述偏置磁场的方向与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向所成的角度具有95°～175°的角度。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的磁电流传感器，其中，
所述偏置磁场的方向与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向所成的角度具有大致116°的角度。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的磁电流传感器，其中，
向所述磁阻元件施加大致相同的方向且大致相同大小的所述偏置磁场。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的磁电流传感器，其中，
所述偏置磁场施加单元是永久磁铁。
8.一种电流测量方法，
其在由施加了偏置磁场的4个磁阻元件构成的惠斯通电桥电路，通过使与因流过空芯线圈的被测量电流而产生的感应磁场对应的电压产生来进行电流测量，其中，该空芯线圈被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧。
9.根据权利要求8所述的电流测量方法，其中，
在所述惠斯通电桥电路中，配置为相邻的所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向相互正交。
10.根据权利要求8或者9所述的电流测量方法，其中，
通过所述被测量电流而产生的感应磁场的方向具有与所述磁阻元件的最大磁灵敏度轴方向平行的方向。
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