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磁電流傳感器以及電流測量方法

文檔序號:9438658閱讀:986來源:國知局
磁電流傳感器以及電流測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及通過磁阻效應來檢測流過電子電路等的電流的磁電流傳感器以及電 流測量方法。
【背景技術】
[0002] 近年來,由于電動車輛的普及、或者智能電表、能夠看到電力化系統(tǒng)的導入等,以 這些為用途的電流傳感器的市場正在迅速擴大。作為市場中使用的電流傳感器的主要方 式,具有:(1)分流電阻方式、(2)電流互感器方式、(3)霍爾式的磁電流傳感器、(4)磁阻 (Magneto-resistance,以下省略為MR)式的磁電流傳感器這4種。
[0003] 關于⑴的電流傳感器,存在不容易電絕緣的問題。關于(2)的電流傳感器,存在 只能原理性地測量交流的問題。關于(3)的電流傳感器,存在由于存在磁滯而導致再現(xiàn)性 不好、由于霍爾元件的靈敏度比MR元件低而必須增大電流傳感器的尺寸的問題。關于(4) 的電流傳感器,由于利用螺旋條紋型的MR元件,因此存在由于存在磁滯而導致再現(xiàn)性不好 的問題。
[0004] 圖1表示由于磁滯而導致在磁電流傳感器的輸出電壓中產(chǎn)生滯后的樣子。在磁電 流傳感器中,由于被使用的MR元件等的磁滯,導致在電流的UP方向與DOWN方向,輸出電壓 中產(chǎn)生差分。該差分為磁電流傳感器的輸出電壓的滯后。為了抑制作為該原因的磁滯,專 利文獻1中公開了一種向MR元件施加偏置磁場的方法。
[0005] 在先技術文獻
[0006] 專利文獻
[0007] 專利文獻1 :日本特開H6-148301號公報

【發(fā)明內容】

[0008] -發(fā)明要解決的課題-
[0009] 在被用于電動車輛、智能電表、能夠看到電力化系統(tǒng)等新領域的電流傳感器中,越 來越需要高度化。也就是說,第1,需要輸出電壓相對于輸入電流的線性(直線性)的進一 步提高。第2,需要輸入電流的極性(流過的方向性)的正確的判斷功能。第3,需要輸入 電流從低電流向高電流推移的情況(UP方向)與從高電流向低電流推移的情況(DOWN)下 的輸出電壓的滯后的減少。第4,需要進一步的大電流化和小型化。
[0010] 本發(fā)明鑒于上述問題而作出,其目的在于,提供一種在通過MR效應來檢測電流的 磁電流傳感器中,通過抑制磁滯來使OmA附近的電流與輸出電壓的線性優(yōu)良并使電流電路 側與MR元件側的絕緣性優(yōu)良,從而能夠實現(xiàn)大電流化、小型化以及低成本化的磁電流傳感 器以及電流測量方法。
[0011] -解決課題的手段-
[0012] 本發(fā)明的磁電流傳感器的特征在于,具有:
[0013] 惠斯通電橋電路,其由4個磁阻元件構成;
[0014] 偏置磁場施加單元,其向所述磁阻元件施加偏置磁場;和
[0015] 空芯線圈,其被設置在所述惠斯通電橋電路的兩側,
[0016] 所述惠斯通電橋電路產(chǎn)生與因流過所述空芯線圈的被測量電流而產(chǎn)生的感應磁 場對應的電壓。
[0017] 本發(fā)明的電流測量方法的特征在于,在由施加了偏置磁場的4個磁阻元件構成的 惠斯通電橋電路,通過使與因流過空芯線圈的被測量電流而產(chǎn)生的感應磁場對應的電壓產(chǎn) 生來進行電流測量,其中,該空芯線圈被設置在所述惠斯通電橋電路的兩側。
[0018] -發(fā)明效果-
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的磁電流傳感器以及電流測量方法,通過抑制磁滯來使OmA附近的電 流與輸出電壓的線性優(yōu)良并使電流電路側與MR元件側的絕緣性優(yōu)良,從而能夠實現(xiàn)大電 流化、小型化以及低成本化。
【附圖說明】
[0020] 圖1是表示由于磁滯而導致在磁電流傳感器的輸出電壓中產(chǎn)生滯后的樣子的概 念圖。
[0021] 圖2是表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器的結構的框圖。
[0022] 圖3是表示在本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器以及電流測量方法的橋電路1的 中心點處的電流與通過電流而產(chǎn)生的磁場的關系的圖。
[0023] 圖4是表示作用于本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器以及電流測量方法的橋電 路1的磁場與橋電路的輸出電壓(V+)-(V_)的關系的圖。
[0024] 圖5是表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器以及電流測量方法的電流與輸出 電壓的關系的圖。
[0025] 圖6表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器的組裝圖的俯視圖。
[0026] 圖7表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器的橋電路1與磁鐵I (2a)和磁鐵 2 (2b)的組裝圖。
[0027] 圖8表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器的橋電路1的結構圖。
【具體實施方式】
[0028] 以下,參照附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方式。其中,雖然在以下所述的實施方式 中為了實施本發(fā)明而進行了技術上優(yōu)選的限定,但發(fā)明的范圍并不限定于以下內容。
[0029] 圖2是表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器的結構的框圖。端子的Iin是電流 的輸入端子。端子的Ι〇υτ是電流的輸出端子。端子的V+和V-是電壓的輸出的+端子和輸 出的-端子。端子的L和GND是電源的+側和接地(ground)側的端子。
[0030] 橋電路 1 的 R1、R2、R3、R4 是 MR (Magneto-resistance)元件,能夠使用鐵(Fe)-鎳 (Ni)合金(坡莫合金)的薄膜。以實現(xiàn)靈敏度的提高以及除去同相噪聲為目的,構成基于 4個MR元件的橋電路、即所謂的惠斯通電橋(Wheatstone bridge)電路。
[0031] 磁鐵I (2a)和磁鐵2 (2b)是使一組異極彼此對置的永久磁鐵,向MR元件施加偏置 磁場。線圈I (3a)和線圈2(3b)是2個相同的空芯線圈。若將電流從I1^子流向I _端 子,則從線圈l(3a)和線圈2(3b)產(chǎn)生具有相同方向的極性的磁場。
[0032] 圖3表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器以及電流測量方法的線圈l(3a)與線 圈2(3b)的中間點(橋電路1的中心點)處的電流與通過電流而產(chǎn)生的磁場的關系。在電 流在正方向(IIN- I _)流過的情況下,產(chǎn)生正方向磁場5a。在電流在反方向(I·- I IN) 流過的情況下,產(chǎn)生反方向磁場5b。
[0033] 圖4表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器以及電流測量方法的作用于橋電路1 的圖3的磁場與橋電路1的輸出電壓(V+)-(V_)的關系。在磁場是正方向的情況下,正方 向電壓6a產(chǎn)生為輸出電壓,在磁場是反方向的情況下,反方向電壓6b產(chǎn)生為輸出電壓。通 過利用磁鐵1(2&)和磁鐵2(213)來向構成橋電路1的1?元件1?1、1?2、1?3、1?4施加偏置磁場, 從而得到?jīng)]有滯后的輸出電壓特性。另外,施加到MR元件RU R2、R3、R4的偏置磁場的方 向和大小大致相同。
[0034] 圖5表示本發(fā)明的實施方式的磁電流傳感器以及電流測量方法的電流與輸出電 壓的關系。對于正方向的電流(IIN- I _)得到正方向的輸出電壓4a,對于反方向的電流 (Ig- I IN)得到反方向的輸出電壓4b。通過利用磁鐵I (2a)和磁鐵2 (2b)來向構成橋電 路1的MR元件RU R2、R3、R4施加偏置磁場,從而得到?jīng)]有滯后的輸出電壓特性。特別地, OmA附近、即基于電流的磁場為零的附近的電流與輸出電壓的線性優(yōu)良。
[0035] 圖6表不本實施方式的磁電流傳感器的組裝圖的俯視圖。此外,圖7表不圖6中, 由4個MR元件構成的橋電路1、和向橋電路1施加偏置磁場的磁鐵I (2a)以及磁鐵2 (2b) 的組裝圖。由線圈I (3a)、線圈2 (3b)和MR元件構成的橋電路1、磁鐵I (2a)、磁鐵2 (2b)被 固定在一個基板上。線圈的空芯方向、MR元件的Vra和GND端子的方向被配置在X軸方向。
[0036] 圖8表示構成橋電路1的MR元件RU R2、R3、R4的結構圖。被配置為Y軸方向與 MR元件Rl以及R4的圖案的長邊方向一致,X軸方向與MR元件R2以及R3的圖案的長邊方 向一致。也就是說,MR元件Rl以及R4被以曲折狀配置為X軸方向的磁場為最大檢測方向, MR元件R2以及R3被以曲折狀配置為Y軸方向的磁場為最大檢測方向。
[0037] 橋電路1能夠通過薄膜工藝來制造。也就是說,通過濺射法、蒸鍍法等薄膜形成 法,形成成為MR元件的坡莫合金膜、成為電極的銅膜或者金膜。接下來,在所述的各膜上通 過光刻法來形成所希望的形狀的光掩模。接下來,通過離子銑削等蝕刻法來形成所希望的 形狀的MR元件圖案、電極圖案。
[0038] 磁鐵I (2a)和磁鐵2 (2b)能夠通過橋電路1那樣的薄膜工藝來制作,也能夠通過 成形并組裝磁鐵材料的大批量工藝來制作。作為磁鐵材料,能夠使用鐵氧體磁鐵、SmCo磁 鐵等Co系磁鐵、NdFeB磁鐵等Fe系磁鐵。
[0039] 磁鐵I (2a)和磁鐵2(2b)的圖7中圖上的長邊方向、即與從磁鐵I (2a)向磁鐵 2(2b)的磁力線的方向垂直的方向被配置為與X軸方向成規(guī)定的角度Θ。該角度Θ適當 地在5°到85°的范圍內被選擇。更優(yōu)選Θ為26°。
[0040] 也就是說,從磁鐵I (2a)向磁鐵2 (2b)的磁力線的方向與X軸方向所成的角度Φ適 當?shù)貫?5°到175°。進一步適當?shù)?,φ?16°。
[0041] 通過在MR元件的兩端配置永久磁鐵I (2a)以及永久磁鐵2 (2b),從而在X軸方向 和Y軸方向這兩個方向施加偏置磁場。Y軸方向的偏置磁場強度設為飽和磁場強度。由此, 即使在沒有應檢測的外部磁場時,也由于MR元件的磁化方向與Y軸方向一致,從而磁疇壁 的不連續(xù)的移動減少,滯后也減少。
[0042] 優(yōu)選地,將X軸方向的偏置磁場強度設定為飽和磁場強度的一半。X軸方向的磁 場強度為Y軸方向的磁場強度的1/2的上述角度Θ大概為26°。飽和磁場強度能夠根據(jù) MR元件的尺寸(長度、寬度、厚度)來決定。X軸的偏置磁場強度移動MR元件的外部磁場 為零時的動作點,能夠改善MR元件的磁場強度與輸出電壓(V+)-(V-)的線性(直線性)。
[0043]
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