专利名称：磁传感器装置和电流传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来测定较强磁场的磁传感器装置和利用它用于对大电流进行非接触测定的电流传感器装置。
背景技术：
近年来，由于对环境的重视，开发环境污染少的电动汽车和太阳能发电很盛行。在电动汽车和太阳能发电中，要处理数kW～数十kW的直流电力，所以，必须要有测定数十～数百A的直流电流的非接触型电流传感器装置。这样的电流传感器装置因其需求量很大，所以社会上需要价格低廉的高精度的产品。
对于用磁传感器测量电流产生的磁场从而非接触地测定电流值的电流传感器，作为磁传感器大多利用霍尔元件。
但是，霍尔元件偏差(offset)电压的处理很困难，这就成为电流传感器装置的低价格的障碍。这里的偏差电压是指被测定磁场为0时的残留输出电压。
另一方面，作为磁传感器，使用利用磁芯的饱和现象的磁通门元件的磁传感器装置或电流传感器装置从原理上讲可以期望不会产生偏差电压，所以很引人注目。
这里，使用
图12说明最简单的磁通门元件的工作原理。图12是表示缠绕在磁芯上的线圈的电感与线圈电流的关系的特性图。因磁芯具有磁饱和特性，故当线圈电流增大，磁芯的有效导磁率下降，线圈的电感减小。因此，若利用磁铁等对磁芯加偏置磁场B，则外磁场H0便重叠在偏置磁场上，这时，可以通过测定线圈电感的变化来测定外磁场H0的大小。这是最简单的磁通门元件的工作原理。再有，在图12中，偏置磁场B和外磁场H0一起由已换算成线圈电流的大小来表示。
但是，该方法中，利用磁铁产生的磁场的强度和磁铁与磁芯的位置关系等使偏置点B的位置发生变化，所以，必须将外磁场为0时的电感值调整成一定值。但是，该值因温度变化或其它干扰而变得不稳定，对此进行补偿十分困难。因此，上述方法不适于实用。
但是，在棒状磁芯中，因磁路开放故通常磁滞的影响相当小。因此，若忽略磁芯的磁滞效应，则磁芯的饱和特性与线圈电流的方向无关，所以，当线圈电流为正向与线圈电流为负向时的电感变化特性一致。例如，设图12中的P+和P-点表示绝对值互相相等的正向线圈电流和负向线圈电流。在这些点的附近，电感相对线圈电流绝对值的变化的变化特性一样。因此，若对线圈施加交流电流，使在电流峰值时磁芯进入饱和区，并测定在电流正负峰值时的电感减小量的差，则当外磁场为0时，该差值始终为0。而且，即使因温度变化或干扰的原因而使磁芯的特性发生变化，该差值也不变。即，这时，不产生偏差电压。再有，在本申请中，所谓磁芯的饱和区是指磁场的绝对值比磁芯的导磁率为最大导磁率时的磁场的绝对值大的区域。
另一方面，当外磁场加在磁芯上时，例如，如图12中所示，若外磁场H0加在电流为正的方向上，则在电流正的峰值(例如图12中的Q+点)处电感值减小，在负的峰值(例如图12中的Q-点)处电感值增加，所以其差值是0以外的值。因该电感值的差与外磁场有关，故通过测定该电感值的差就能够测定外磁场。
在使用了磁通门元件的磁传感器装置或电流传感器装置中，上述电感值的差例如可以从对与传感器线圈串联连接的另一个电感元件两端产生的电压进行微分的信号、即相当于流过传感器线圈的电流的2次微分系数的信号中得到。
这样，在本申请中，将对传感器线圈施加交流电流使磁芯在峰值时进入饱和区、测定在电流正负峰值时的电感减小量的差的方法叫做大振幅激励法。
再有，在日本特开平4-24574号公报中，作为对传感器线圈施加交流电流的装置，公开了将传感器线圈作为谐振电路的一部分使用的振荡电路。
但是，当外磁场为0时，为了使传感器线圈在电流正负峰值时的电感值的差为0，必须使传感器线圈中的激励电流的正侧波形与负侧波形对称。
但是，若实际构成用来激励传感器线圈的驱动电路并仔细进行研究，会发现激励电流的正侧波形与负侧波形并不严格对称。特别当使用自激振荡电路作为驱动电路时，激励电流波形的正负非对称性相当大。因此，在使用大振幅激励法的传感器装置中，实际上会产生其值不可忽视的偏差电压。
因产生该偏差电压所引起的问题是，偏差电压会给传感器装置的输出带来固定误差，以及偏差电压会随温度和电源电压等外部扰动而变动。
根据观测，发现引起激励电流波形正负非对称的原因是，构成振荡电路的有源元件的控制输入的能量损耗。此外，还发现使上述非对称变动的外部干扰的主体是构成振荡电路的有源元件的工作温度的变动。
下面，参照图13至图15详细说明上述激励电流的各波形的正负非对称性。
图13是表示一例使用了磁通门元件的磁传感器装置的构成的方框图。该磁传感器装置具备磁芯201；至少由1个缠绕在该磁芯201上的线圈构成的传感器线圈202；一端与传感器线圈202的一端连接另一端接地，向传感器线圈202供给交流驱动电流使磁芯201进入饱和区的交流电流供给部203；以及与传感器线圈202串联连接的用来检测传感器线圈202的电感值的变化的电感元件204。电感元件204一端与传感器线圈202的另一端连接，另一端接地。
图13中所示的磁传感器装置进而具备与传感器线圈202与电感元件204的连接点连接对电感元件204两端产生的电压进行微分的微分电路205；保持该微分电路205的输出信号的正峰值的正峰值保持电路206；保持微分电路205的输出信号的负峰值的负峰值保持电路207；使由正峰值保持电路206保持的值和由负峰值保持电路207保持的值相加的加法电路208；以及输出加法电路208的输出信号的输出端子209。
在图13中所示的磁传感器装置中，交流电流供给部203供给的传感器线圈202的激励电流经电感元件204和微分电路205进行2次微分，变成表示激励电流的正负峰值的极性相反的尖峰电压信号。该正负尖峰电压信号的各峰值由正峰值保持电路206和负峰值保持电路207保持，由加法电路208相加并作为输出信号从输出端子209输出。
在图13中所示的磁传感器装置中，若传感器线圈202的激励电流的正负波形对称且加在传感器线圈202上的外磁场为0，则输出信号为0，不产生偏差电压。
但是，如前所述，若实际构成驱动电路并详细进行研究，激励电流的正负波形并不严格对称，特别当使用自激振荡电路作为驱动电路时，激励电流的正负波形非对称性相当大。因此，会产生其值不可忽视的偏差电压。
这里，参照图14，以使用将双极晶体管作为有源元件的克拉普(clapp)振荡电路作为自激振荡电路的情况为例，就使用自激振荡电路时的激励电流的正负波形的非对称性的产生原因进行说明。图14是表示一例用来激励传感器线圈202的克拉普振荡电路的结构的电路图。
图14中所示的克拉普振荡电路具备NPN型双极晶体管211；兼作谐振用线圈的传感器线圈202；以及与该传感器线圈202串联连接的谐振用电容器212。传感器线圈202和谐振用电容器212构成串联谐振电路。晶体管211的基极经谐振用电容器212与传感器线圈202的一端连接，传感器线圈202的另一端接地。反馈用电容器213的一端与晶体管211的基极连接。反馈用电容器214的一端和晶体管211的发射极与反馈用电容器213的另一端连接。反馈用电容器214的另一端接地。晶体管211的发射极经发射极负载线圈215接地。晶体管211的集电极与电源输入端216连接，同时，经偏置电阻217与基极连接。
在图14中所示的振荡电路中，考察在晶体管211的基极观测到的振荡波形。在振荡波形的正的峰值附近，基极电流流过晶体管211，晶体管211导通，发射极电流对电容器214充电。该充电的能量用来维持振荡。这里所了解的是晶体管211的基极电流只是在振荡波形的正的峰值附近流动，在负的峰值附近基极电流不流动。因此，只是在振荡波形的正的峰值附近才作为基极电流消耗一部分谐振能量。此外，当晶体管211饱和时，其基极与发射极之间等效于一个简单的二极管。因此，在晶体管211的基极观测到的振荡波形如图15中所示，变成在正的峰值附近被箝位了的波形。这样一来，便产生振荡波形的正负非对称性，即激励电流的波形正负不对称。再有，在图15中，符号VCL表示箝位电位。
假如谐振电路的Q值足够大，振荡波形的非对称性可以利用谐振电路进行校正。但是，在使用了磁通门元件的磁传感器中，因传感器线圈202的Q值不太大，故上述非对称性还会有残存。该非对称性成为偏差电压产生的原因。
而且，在图14中所示的振荡电路中，随着晶体管211的工作温度的上升，晶体管211的基极、发射极间的正向截止电压减小，所以箝位电位降低。即随着晶体管211的工作温度的上升上述非对称性增加，偏差电压增大。
此外，在图14中所示的振荡电路中，随着晶体管211的工作温度的上升振荡幅度也变大，所以，会助长偏差电压的增大。对此，可以说明如下。
因从振荡电路供给的激励电流不包含直流成分，激励电流波形的正的部分的面积与负的部分的面积相等。这里，若激励电流波形正负不对称，当使整个波形的振幅增大时，则正的部分的振幅增加量和负的部分的振幅增加量不相等。
例如，为简便起见，考虑激励电流波形的正的部分是梯形、负的部分是三角形且梯形与三角形的底边相等的情况。这时，若使整个激励电流波形的振幅增大，因正的部分的面积与负的部分的面积相等，故振幅的增加量负的部分比正的部分大。这样一来，在图14中所示的振荡电路中，随着晶体管211的工作温度的上升振荡幅度变大，结果，激励电流波形的正负非对称性变大，偏差电压也变大。
为了克服这些缺点，若对图14中所示的振荡电路的例子而言，有必要使在振荡波形的正的峰值附近作为基极电流消耗的能量尽可能小，并减小基极、发射极间的箝位现象，以及消除因温度引起的箝位电位的变动和振荡幅度的变动。
再有，例如，作为有源元件只采用达林顿晶体管、结型场效应晶体管(以下，也将场效应晶体管记作FET)或MOS(金属氧化物半导体)型FET，不能解决上述问题，对此说明如下。
若实际进行实验，当使用达林顿晶体管时可以使作为基极电流消耗的能量减小。但是，因等效电流放大倍数特别大，故集电极漏电流的温度效益引起的工作稳定性差，因此不实用。当采用结型FET时，因FET是电压控制，故没有振荡波形被箝位的现象。但是，结型FET没有电流容量大的元件，若用于必需要大的激励电流的激励电路，因结型FET的内阻引起的功耗太大，故不实用。当使用MOS型FET时，若MOS型FET是导通电阻高的元件，则具有与结型FET相同的缺点，若MOS型FET是导通电阻低的元件，则栅源间的静电电容引起的振荡波形的失真大，其问题比双极晶体管大。
如上所述，在使用了磁通门元件的磁传感器装置或电流传感器装置中，为了解决因偏差电压引起的问题，下面3点很重要。
(1)使振荡波形的正负非对称性尽可能小。
(2)振荡波形的正负非对称性不随振荡电路的有源元件的工作温度而变动。
(3)振荡幅度不随振荡电路的有源元件的工作温度而变动。
上述(1)使偏差电压的绝对值减小，(2)消除温度引起的偏差电压的变动，(3)防止温度引起的偏差电压的增大。
发明的公开本发明的第1目的在于提供一种磁传感器装置和电流传感器装置，该装置是使用了磁通门元件的磁传感器装置和电流传感器装置，是可以减小偏差电压的变动的磁传感器装置和电流传感器装置。
本发明的第2目的在于提供一种磁传感器装置和电流传感器装置，除了达到上述第1目的之外，还能够减小偏差电压。
本发明的磁传感器装置具备磁芯；缠绕在磁芯上用来检测所加的被测定磁场的传感器线圈；以及对传感器线圈供给交流电流来驱动传感器线圈使磁芯进入饱和区的驱动装置，驱动装置具有包含传感器线圈作为谐振电路的一部分的自激振荡电路，自激振荡电路包含2个有源元件，分别单独地随工作温度的变化而使振荡波形产生变动，2个有源元件引起的振荡波形的变动是朝着抑制振荡波形正负非对称性的变动的方向工作的。
本发明的电流传感器装置是通过测定由被测定电流产生的被测定磁场去测定被测定电流的，具备磁芯；缠绕在磁芯上用来检测所加的被测定磁场的传感器线圈；以及对上述传感器线圈供给交流电流来驱动上述传感器线圈使磁芯进入饱和区的驱动装置，驱动装置具有在谐振电路的一部分包含传感器线圈的自激振荡电路，自激振荡电路包含2个有源元件，分别单独地随工作温度的变化而使振荡波形产生变动，2个有源元件引起的振荡波形的变动是朝着抑制振荡波形正负非对称性的变动的方向工作的。
在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，自激振荡电路的2个有源元件分别单独地随工作温度的变化而使振荡波形产生变动，但2个有源元件引起的振荡波形的变动是朝着抑制振荡波形正负非对称性的变动的方向工作的。
在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，2个有源元件是用来维持振荡的放大元件，也可以是在振荡波形为正侧时工作的NPN型晶体管和在振荡波形为负侧时工作的PNP型晶体管。这时，在自激振荡电路中，振荡波形的箝位现象在正侧和负侧同样发生。因此，振荡波形的正负非对称性减小。
在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，NPN型晶体管的发射极也可以与PNP型晶体管的发射极连接。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，NPN型晶体管和PNP型晶体管最好在同一块半导体基板上被形成。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，也可以进而具备检测流过传感器线圈的交流电流的检测装置和根据检测装置的检测结果去控制驱动装置从而控制流过传感器线圈的电流的幅度的控制装置。这时，控制装置也可以等效地控制驱动装置的工作电压。
在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，2个有源元件也可以是具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性的第1有源元件和具有随工作温度上升震使荡幅度增大的特性的第2有源元件。这时，能够抑制伴随温度变动的偏差电压的变动。
在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，也可以第1有源元件是场效应晶体管，第2有源元件是双极晶体管。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，也可以使场效应晶体管与双极晶体管级联连接。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，自激振荡电路也可以具有包含场效应晶体管并将与振荡波形对应的波形的电压变换成电流并输出的电压-电流变换元件，以及包含双极晶体管并对电压-电流变换元件输出的电流进行放大并生成用来维持振荡的电流的电流放大元件。这时，不会发生箝位现象，能够抑制振荡波形的正负非对称性，偏差电压减小。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，自激振荡电路也可以是科耳皮兹振荡电路或克拉普振荡电路。
根据下面的说明也许可以充分理解本发明的其它的目的、特征和利益。
附图的简单说明图1是表示与本发明的第1实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
图2是表示与本发明的第1实施形态有关的磁传感器装置的振荡波形的波形图。
图3是表示与本发明的第1实施形态有关的磁传感器装置的偏差电压的温度变动率的一个例子的特性图。
图4是表示与本发明的第2实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
图5是表示与本发明的第3实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
图6是表示与本发明的第4实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
图7是表示与本发明的第5实施形态有关的磁传感器装置的结构的方框图。
图8是表示与本发明的第5实施形态有关的磁传感器装置的自激振荡电路的有源元件部分的电路图。
图9是表示与本发明的第5实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
图10是表示与本发明的第6实施形态有关的磁传感器装置的自激振荡电路的有源元件部分的电路图。
图11是表示与本发明的第7实施形态有关的电流传感器装置的结构的电路图。
图12是用来说明磁通门元件的工作原理的说明图。
图13是表示一例使用了磁通门元件的磁传感器装置的结构的方框图。
图14是表示一例用来激励图13的传感器线圈的克拉普振荡电路的结构的电路图。
图15是表示在图14的晶体管基极观测到的振荡波形的波形图。
实施本发明的最佳形态下面，参照附图详细地说明本发明的实施形态。
图1是表示与本发明的第1实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。与本实施形态有关的磁传感器装置具备具有磁饱和特性的磁芯1；缠绕在该磁芯1上至少由1个线圈构成的传感器线圈2；对向传感器线圈2供给交流电流来驱动传感器线圈2使磁芯1进入饱和区的驱动部10；与传感器线圈2串联连接的电感元件4；以及用来测定被测定磁场的检测部40。传感器线圈2是用来检测被施加的被测定磁场的线圈。电感元件4是用来检测传感器线圈2的电感值的变化的元件。电感元件4例如由一端与传感器线圈2的另一端连接、另一端接地的线圈构成。再有，驱动部10包含传感器线圈2和电感元件4。检测部40连接在传感器线圈2与电感元件4的连接点上。
驱动部10是象下面那样构成的自激振荡电路。即，自激振荡电路作为用来维持振荡的放大元件，具有在振荡波形为正侧时工作的NPN型晶体管21和在振荡波形为负侧时工作的PNP型晶体管31。NPN型晶体管21和PNP型晶体管31最好在同一块半导体衬底(晶片)上被形成。
NPN型晶体管21的基极与谐振用电容器22的一端连接。PNP型晶体管31的基极与谐振用电容器32的一端连接。谐振用电容器22、32的另一端与传感器线圈2的一端连接。
此外，NPN型晶体管21的基极与反馈用电容器23的一端连接，PNP型晶体管31的基极与反馈用电容器33的一端连接。反馈用电容器23、33的另一端与反馈用电容器30的一端连接。反馈用电容器30的另一端接地。
NPN型晶体管21的发射极与PNP型晶体管31的发射极相互连接，同时，连接在反馈用电容器23、33的连接点上。
NPN型晶体管21的基极经偏差用电阻24与电源输入端25连接。此外，NPN型晶体管21的集电极与电源输入端25连接。
PNP型晶体管31的基极经偏差用电阻34接地。此外，PNP型晶体管31的集电极接地。
在这样结构的驱动部10中，传感器线圈2、电感元件4和电容器22、23、30、32、33构成自激振荡电路中串联谐振电路。即，串联谐振电路包含传感器线圈2作为它的一部分。
若设图1中的电容器22、23、30、32、33的电容分别为CS1、CB1、CE、CS2、CB2，则当CS1、CS2＜＜CB1、CB2，和CS1、Cs2＜＜CE时，图1中所示的自激振荡电路变成克拉普振荡电路。此外，当CS1、CS2＞＞CB1、CB2，和CS1、CS2＞＞CE时，图1中所示的自激振荡电路变成科尔皮兹振荡电路。
检测部40连接在传感器线圈2与电感元件4的连接点上，具备对电感元件4两端产生的电压进行微分的微分电路41；保持该微分电路41的输出信号的正峰值的正峰值保持电路42；保持微分电路41的输出信号的负峰值的负峰值保持电路43；以及将正峰值保持电路42保持的值与负峰值保持电路43保持的值相加的加法电路44。加法电路44的输出端与输出端子45连接。
其次，说明与本实施形态有关的磁传感器装置的作用。在与本实施形态有关的磁传感器装置中，利用由自激振荡电路构成的驱动部10将交流激励电流供给传感器线圈2来驱动传感器线圈2，使磁芯1进入饱和区。若Q是自激振荡电路中的串联谐振电路的Q值，则激励电流变成电源电压限制的电流值的Q倍。
若在激励电流的峰值附近磁芯1进入饱和区，则传感器线圈2的电感值骤减，所以，激励电流骤增。若对激励电流波形进行2次微分，则可以检测出与骤增部分的电流波形相似的反相位的输出。在本实施形态中，传感器线圈2的激励电流经电感元件4和微分电路41二次微分后，变成表示激励电流的正负峰值的极性相反的尖峰状的电压信号。该尖峰状的正负电压信号的各峰值由正峰值保持电路42和负峰值保持电路43保持，经加法电路44相加后，作为与被测定磁场对应的输出信号从输出端子45输出。
在本实施形态的自激振荡电路中，NPN型晶体管21在加在基极上的振荡电压波形的正峰值附近导通，其发射极电流对电容器30充电。电容器30充电的能量用来维持振荡。这里，在振荡电压波形的正峰值附近，一部分谐振能量作为NPN型晶体管21的基极电流被消耗，同时，发生箝位现象。
另一方面，PNP型晶体管31在加在基极上的振荡电压波形的负峰值附近导通，其发射极电流使电容器30放电，即，在与振荡电压波形为正时相反的方向上进行充电。电容器30中充电的能量用来维持振荡。这里，在振荡电压波形的负峰值附近，一部分谐振能量作为PNP型晶体管31的基极电流被消耗，同时，发生箝位现象。
这样，在本实施形态中，振荡波形的箝位现象在正侧与负侧同样发生。因此，在本实施形态中，振荡波形如图2中所示那样是正负对称的，或者即使有非对称性也非常小。结果，按照本实施形态，可以减小使用了磁通门元件的磁传感器装置的偏差电压。
此外，在本实施形态中，即使伴随晶体管21、31的工作温度的变动箝位电位发生变动，因箝位电位在振荡波形的正侧和负侧同样变化，故能够维持振荡波形的正负对称性。因此，按照本实施形态，在使用了磁通门元件的磁传感器装置中，可以使伴随温度变化的偏差电压的变动减小。
此外，按照本实施形态，因NPN型晶体管21的发射极与PNP型晶体管31的发射极连接，故一方的晶体管变成另一方晶体管的负载，各晶体管21、31不需要各自独立的发射极负载。
此外，在本实施形态中，NPN型晶体管21与PNP型晶体管31在同一块半导体衬底上被形成，与晶体管21、31独立的情况相比，晶体管21、31相对温度变化的特性更加近似，所以，能够更加减小偏差电压相对温度变化的变动。
图3是表示与本实施形态有关的磁传感器装置的偏差电压的温度变动率的一个例子的特性图。在该图中，横轴表示温度，纵轴表示偏差电压的温度变动率。偏差电压的温度变动率是以25℃时磁传感器装置的输出电压为基准用百分率表示的不同温度下的输出电压的变动率。在图3中，虚线表示与本实施形态有关的磁传感器装置的特性，实线表示作为比较例的例如使用了图14中所示的振荡电路的磁传感器装置的特性。
再有，图3中所示的偏差电压的温度变动率如下。
温度-40℃时，本实施形态中，是-0.17％，比较例中，是2.08％。
温度-20℃时，本实施形态中，是-0.13％，比较例中，是1.39％。
温度0℃时，本实施形态中，是-0.05％，比较例中，是0.75％。
温度50℃时，本实施形态中，是0.06％，比较例中，是-0.75％。
温度80℃时，本实施形态中，是0.12％，比较例中，是1.87％。
从图3也能看出，按照本实施形态，能够减小偏差电压相对温度变化的变动。
其次，参照图4说明与本发明第2实施形态有关的磁传感器装置。图4是表示与本实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
本实施形态有关的磁传感器装置是对与第1实施形态有关的磁传感器装置添加检测流过传感器线圈2的交流电流的检测装置和根据该检测装置的检测结果控制驱动部从而控制流过传感器线圈2的电流的振幅的控制装置的装置。
上述检测装置和控制装置的构成如下。即，电容器51的一端连接在传感器线圈2与电感元件4的连接点上，电容器52的一端和电阻53的一端与该电容器51的另一端连接。电阻54的一端和二极管55的阴极以及NPN型晶体管56的基极与电容器52的另一端连接。电阻53、54的另一端和二极管55的阳极以及晶体管56的发射极接地。晶体管56的集电极经电容器58与发射极连接。此外，NPN型晶体管57的基极与晶体管56的集电极连接。
在本实施形态中，晶体管31的集电极与电阻34的连接点不接地，该连接点在与晶体管57的集电极连接的同时经电容器59接地。晶体管57的发射极接地。晶体管56的集电极和晶体管57的基极经电阻60与电源输入端25连接。
电容器51和电阻53构成微分电路。电容器52、电阻54、二极管55、晶体管56和电容器58构成兼作放大电路的峰值整流电路。这些微分电路和峰值整流电路与本发明的检测装置对应。晶体管57是与本发明的控制装置对应，等效地控制驱动部的工作电压。
在本实施形态中，利用由电容器51和电阻53构成的微分电路对电感元件4两端产生的电压进行微分，生成表示激励电流的正负峰值的、极性相反的尖峰状电压信号。而且，利用峰值整流电路生成与上述尖峰状电压信号的振幅对应的、加在晶体管57的基极上的控制信号。该控制信号如以下说明的那样，当激励电流的振幅增大时变小，当激励电流的振幅减小时增大。
当温度变动等外部扰动引起激励电流的振幅增加时，晶体管56的基极电位上升，晶体管56的集电极电位降低。晶体管56的集电极电位作为控制信号加在晶体管57的基极上。当控制信号变小时，流过晶体管57的集电极、发射极间的电流减小，晶体管57的集电极电位上升。结果，以晶体管21、31的集电极、发射极间的电位、即工作电压降低，激励电流的振幅减小的方式进行控制。
相反，当外部扰动引起激励电流的振幅减小时，控制信号变大，以晶体管21、31的工作电压增加，激励电流的振幅增加的方式进行控制。
这样，在本实施形态中，根据激励电流振幅的检测结果控制激励电流的振幅，使激励电流的振幅一定。因此，按照本实施形态，即使稍微出现了一点激励电流波形的正负非对称性，也能够防止外部扰动引起的非对称性的变化，能够使偏差电压的变动更小。
再有，在本实施形态中，必要时，也可以对控制信号进行放大或相位校正等信号处理。
本实施形态的其余结构、作用和效果与第1实施形态相同。
其次，参照图5说明与本发明第3实施形态有关的磁传感器装置。图5是表示与本实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。
本实施形态与第2实施形态一样，是对与第1实施形态有关的磁传感器装置添加检测流过传感器线圈2的交流电流的检测装置和根据该检测装置的检测结果控制驱动部从而控制流过传感器线圈2的电流的振幅的控制装置的装置。
在本实施形态中，微分电路和峰值整流电路的结构与第2实施形态一样。在本实施形态中，设置NPN型晶体管61取代第2实施形态中的晶体管57。晶体管61设在第1实施形态中的晶体管21的集电极与电源输入端25之间。晶体管61的基极与晶体管56的集电极连接。晶体管61的集电极与电源输入端25连接。晶体管61的发射极与晶体管21的集电极连接，同时经电容器62接地。晶体管61与本发明的控制装置对应，等效地控制驱动部的工作电压。此外，在本实施形态中，晶体管31的集电极与电阻34的连接点接地。
在本实施形态中，当温度变动等外部扰动引起激励电流的振幅增加时，晶体管56的基极电位上升，晶体管56的集电极电位降低。晶体管56的集电极电位作为控制信号加在晶体管61的基极上，当控制信号变小时，流过晶体管61的发射极电位下降。结果，以晶体管21、31的集电极、发射极间的电位、即工作电压降低，激励电流的振幅减小的方式进行控制。
相反，当外部扰动引起激励电流的振幅减小时，控制信号变大，以晶体管21、31的工作电压增加，激励电流的振幅增加的方式进行控制。
再有，在本实施形态中，必要时，也可以对控制信号进行放大或相位校正等信号处理。
本实施形态的其余结构、作用和效果与第1或第2实施形态相同。[第4实施形态]其次，参照图6说明与本发明第4实施形态有关的电流传感器装置。图6是表示与本实施形态有关的电流传感器装置的结构的电路图。与本实施形态有关的电流传感器装置使用与第1实施形态有关的磁传感器装置构成。
与本实施形态有关的电流传感器装置具备磁轭72，该磁轭72设计成包围通过被测定电流的导电部71，其中的一部分具有缝隙。而且，在磁轭72的缝隙内配置与第1实施形态有关的磁传感器装置的磁芯1和传感器线圈2。
在本实施形态的电流传感器装置中，利用在与图6的纸面垂直的方向上流过导电部71的电流(被测定电流)产生的磁通经磁轭72聚束后通过磁轭72。而且，利用包含配置在磁轭72的缝隙内的磁芯1和传感器线圈2的磁传感器装置测定上述缝隙内的磁场(被测定磁场)，由此，通过非接触式测量来测定被测定电流。
再有，在本实施形态中，作为磁传感器装置，也可以使用与第2或第3实施形态有关的磁传感器装置。本实施形态的其余结构、作用和效果与第1至第3实施形态相同。
图7是表示与本发明第5实施形态有关的磁传感器装置的结构的方框图。与本实施形态有关的磁传感器装置具备具有磁饱和特性的磁芯101；缠绕在该磁芯101上至少由1个线圈构成的传感器线圈102；对传感器线圈102供给交流电流来驱动传感器线圈102使磁芯101进入饱和区的驱动部110；与传感器线圈102串联连接的电感元件104；以及用来测定被测定磁场的检测部140。传感器线圈102是用来检测被施加的被测定磁场的线圈。电感元件104是用来检测传感器线圈102的电感值的变化的元件。电感元件104例如由一端与传感器线圈102的另一端连接、另一端接地的线圈构成。再有，驱动部110包含传感器线圈102和电感元件104。检测部140连接在传感器线圈102与电感元件104的连接点上。
驱动部110是象下面那样构成的自激振荡电路。即，驱动部110具有依次串联连接在传感器线圈102的一端的谐振用电容器121、反馈用电容器122和反馈用电容器123。反馈用电容器123的与反馈用电容器122相反一侧的端部接地。传感器线圈102、电感元件104和电容器121、122、123构成自激振荡电路的串联谐振电路。即，串联谐振电路包含传感器线圈102作为它的一部分。
驱动部110进而具有依次级联连接在谐振用电容器121与反馈用电容器122的连接点上的电压一电流变换元件111和电流放大元件112。电流放大元件112在与反馈用电容器122、123的连接点连接的同时，与例如由线圈构成的作为负载用的电感元件124的一端连接。电感元件124的另一端接地。此外，电压-电流变换元件111和电流放大元件112与电源输入端125连接。
电压-电流变换元件111将与振荡波形对应的波形的电压变换成电流并输出。电流放大元件112将电压-电流变换元件111输出的电流放大后生成用来维持振荡的电流。
检测部140具备与传感器线圈102与电感元件104的连接点连接，对电感元件104两端产生的电压进行微分的微分电路141；保持该微分电路141的输出信号的正峰值的正峰值保持电路142；保持微分电路141的输出信号的负峰值的负峰值保持电路143；以及将正峰值保持电路142保持的值与负峰值保持电路143保持的值相加的加法电路144。加法电路144的输出端与输出端子145连接。
图8是表示与本实施形态有关的磁传感器装置的自激振荡电路的有源元件部分的电路图。再有，在本实施形态中，所谓有源元件部分是指包含有源元件和该有源元件工作所必须的电阻等无源元件的部分。在图8中，用符号120表示的部分是有源元件部分。再有，在图8中，省略了电感元件104。
有源元件部分120具有作为电压-电流变换元件111的结型场效应晶体管(结型FET)131和作为电流放大元件112的NPN型双极晶体管132。结型FET131和双极晶体管132如以下说明的那样级联连接。
结型FET131的栅极G连接在谐振用电容器121与反馈用电容器122的连接点上。结型FET131的栅极G进而经偏差用电阻135与反馈用电容器122、123的连接点、双极晶体管132的发射极E和电感元件124的一端连接。结型FET131的源极S经电阻133与反馈用电容器122、123的连接点、双极晶体管132的发射极E和电感元件124的一端连接。结型FET131的源极S进而经电阻134与双极晶体管132的基极B连接。结型FET131的漏极D和双极晶体管132的集电极C与电源输入端125连接。
结型FET131具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性，与本发明的第1有源元件对应，双极晶体管132具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性，与本发明的第2有源元件对应。
若设图8中的电容器121、122、123的电容分别为Cs、Cb、Ce，则当Cs＜＜Cb和Cs＜＜Ce时，图8中所示的自激振荡电路变成克拉普振荡电路。此外，当Cs＞＞Cb和Cs＞＞Ce时，图8中所示的自激振荡电路变成科耳皮兹振荡电路。
图9是表示包含图8中所示的有源元件部分120的与本实施形态有关的磁传感器装置的结构的电路图。该图的说明因与图7和图8的说明重复故省略。
其次，说明与本实施形态有关的磁传感器装置的作用。与本实施形态有关的磁传感器装置中，利用由自激振荡电路构成的驱动部110将交流激励电流供给传感器线圈102来驱动传感器线圈102，使磁芯101进入饱和区。若Q是自激振荡电路中的串联谐振电路的Q值，则激励电流变成电源电压限制的电流值的Q倍。
若在激励电流峰值附近磁芯101进入饱和区，则传感器线圈102的电感值骤减，所以，激励电流骤增。若对激励电流波形进行2次微分，则可以检测出与骤增部分的电流波形相似的反相位的输出。在本实施形态中，传感器线圈102的激励电流经电感元件104和微分电路141二次微分后，变成表示激励电流的正负峰值的极性相反的尖峰状的电压信号。该尖峰状的正负电压信号的各峰值由正峰值保持电路142和负峰值保持电路143保持，经加法电路144相加后，作为与被测定磁场对应的输出信号从输出端子145输出。
在本实施形态中，自激振荡电路的有源元件部分120具有作为电压-电流变换元件111的结型FET131和作为电流放大元件112的双极晶体管132。
FET131的栅极G的输入阻抗极大，不会发生输入信号的箝位现象。因此，作为电压-电流变换元件111，当使用作为电压驱动元件的结型FET131时，因电压-电流变换元件111的驱动不需要电流，没有能量的分流部分，故加在电压-电流变换元件111的输入端子(结型FET131的栅极G)上的电压波形(振荡波形)中不产生箝位现象。从电压-电流变换元件111输出的电流经电流放大元件112放大后，对电容器123进行充电。该充电产生的能量用来维持振荡。
在本实施形态中，因没有振荡波形的箝位现象，故振荡波形的正负非对称性很小。此外，因箝位现象本身没有了，故不发生伴随温度变动的箝位电压的变动而引起的非对称性的变动。因此，按照本实施形态，能够减小使用了磁通门元件的磁传感器装置的偏差电压。
此外，有源元件部分120中的电流输出可以从作为电流放大元件112的双极晶体管132的发射极E得到。在本实施形态中，作为电流放大元件112，因可以采用集电极、发射极间的饱和电压很小的双极晶体管132，故可以减小功耗。
但是，作为电压-电流变换元件111，还可以考虑运算放大器的电压跟随器、双极晶体管的发射极跟随器、结型或MOS型FET的源极跟随器等电路。但是，使用运算放大器的成本高。此外，双极晶体管的发射极跟随电路中，当基极电压上升晶体管饱和时会产生箝位现象，此外，具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性。因此，当使用双极晶体管作为电压-电流变换元件112时，因电压-电流变换元件111和电流放大元件112都随工作温度上升使振荡幅度增大，所以不太好。
另一方面，因电压-电流变换元件111的输出电流只要能驱动电流放大元件112即可，故可以使用小信号用的FET。因上述理由，作为本发明中使用的电压-电流变换元件最好是FET。
进而，FET无论是结型或MOS型，其栅极电压与漏极电流间的互导的温度系数都为负。当使用FET作为电压-电流变换元件111时，上述特性意味着电压-电流变换的变换系数随工作温度上升而减小。因此，作为本实施形态的电压-电流变换元件111的FET131具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性。
与此相对，一般双极晶体管的电流放大率的温度系数为正。因此，作为本实施形态的电流放大元件112的双极晶体管132具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性。
这样，在本实施形态中，因自激振荡电路包含具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性的FET131和具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性的双极晶体管132，故在自激振荡电路中，伴随温度上升的振荡幅度的变动对FET131和双极晶体管132以反方向产生。结果，按照本实施形态，可以有效地抑制伴随温度变化的驱动部110(自激振荡电路)振荡幅度的变动，能够减小使用了磁通门元件的磁传感器装置的偏差电压的变动。
此外，这就意味着即使残留有箝位现象之外的未知的原因引起的振荡波形的正负非对称性，也能够抑制振荡幅度变动引起的偏差电压的变动，在实用上特别方便。
按照以上说明的本实施形态，因几乎没有箝位现象引起的振荡波形的正负非对称性，故几乎也没有附随在箝位现象上的非对称性的温度变动。此外，因还能抑制振荡幅度的温度依存性，故也不会因温度的变化而使残存的极小的非对称性扩大。因此，按照本实施形态，在使用了磁通门元件的磁传感器装置中，下面的用来消除不适当的偏差电压的课题都可以得到解决。
(1)使振荡波形的正负非对称性尽可能小。
(2)振荡波形的正负非对称性不随振荡电路的有源元件的工作温度变动。
(3)振荡幅度不随振荡电路的有源元件的工作温度变动。
此外，本实施形态中的自激振荡电路可以通过只对例如图14中所示的现有的自激振荡电路增加小信号用的FET131及其源极负载用的133、134这2个电阻的非常简单的结构来实现。因此，按照本实施形态能够实现非常廉价且特性优良的磁传感器装置。该磁传感器装置若使用在电动汽车或太阳能发电等的电流传感器装置等上，则对工业上的贡献将是非常大的。
其次，参照图10说明与本发明的第6实施形态有关的磁传感器装置。图10是表示与本实施形态有关的磁传感器装置的自激振荡电路的有源元件部分的电路图。作为自激振荡电路的电压-电流变换元件111，本实施形态中使用小信号用的MOS型FET136去代替第5实施形态中的结型FET131。此外，在本实施形态中，在FET136的栅极与电源输入端125之间设置偏差电阻137，以代替第5实施形态中的偏差电阻135。
本实施形态的其余结构、作用和效果与第5实施形态相同。
其次，参照图11说明与本发明的第7实施形态有关的电流传感器装置。图11是表示与本实施形态有关的电流传感器装置的结构的电路图。与本实施形态有关的电流传感器装置使用与第5实施形态有关的磁传感器装置构成。
与本实施形态有关的电流传感器装置具备磁轭152，该磁轭152设计成包围通过被测定电流的导电部151，其中的一部分具有缝隙。而且，在磁轭152的缝隙内配置与第5实施形态有关的磁传感器装置的磁芯101和传感器线圈102。
在本实施形态的电流传感器装置中，利用在与图11的纸面垂直的方向上流过导电部151的电流(被测定电流)产生的磁通经磁轭152聚束后通过磁轭152。而且，利用包含配置在磁轭1`52的缝隙内的磁芯101和传感器线圈102的磁传感器装置测定上述缝隙内的磁场(被测定磁场)，由此，通过非接触式测量来测定被测定电流。
再有，在本实施形态中，作为磁传感器装置，也可以使用与第6实施形态有关的磁传感器装置。本实施形态的其余结构、作用和效果与第5或第6实施形态相同。
再有，本发明不限于上述各实施形态，可以进行种种变更。例如，实施形态中举出的电路结构只是一个例子，可以使用通常的技术进行种种变更。
如以上说明的那样，按照本发明的磁传感器装置或电流传感器装置，自激振荡电路的2个有源元件分别单独地与工作温度的变化对应产生振荡波形的变动，但因2个有源元件引起的振荡波形的变动朝着抑制振荡波形的正负非对称性的方向工作，故在使用了磁通门元件的磁传感器装置或电流传感器装置中，可以减小偏差电压。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，当2个有源元件在振荡波形为正侧时工作的是NPN型晶体管和在振荡波形为负侧时工作的是PNP型晶体管时，振荡波形的箝位现象在正侧和负侧都同样发生，振荡波形的正负非对称性小，所以，在使用了磁通门元件的磁传感器装置或电流传感器装置中，可以在减小偏差电压的同时减小偏差电压的变动。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，当NPN型晶体管的发射极与PNP型晶体管的发射极连接时，一方的晶体管变成另一方晶体管的负载，各晶体管不需要各自独立的发射极负载。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，当NPN型晶体管和PNP型晶体管在同一块半导体衬底上被形成时，可以使偏差电压相对温度变化的变动更小。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，当控制流过传感器线圈的电流的幅度时，可以更加减小偏差电压的变动。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，当2个有源元件是具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性的第1有源元件和具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性的第2有源元件时，能够抑制伴随温度变动的偏差电压的变动，所以，在使用了磁通门元件的磁传感器装置或电流传感器装置中，可以减小偏差电压的变动。
此外，在本发明的磁传感器装置或电流传感器装置中，当自激振荡电路具有包含场效应晶体管、将与振荡波形对应的波形的电压变换成电流并输出的电压-电流变换元件和包含双极晶体管、对电压-电流变换元件输出的电流进行放大并生成用来维持振荡的电流的电流放大元件时，不会发生箝位现象，所以，能够抑制振荡波形的正负非对称性，能够减小偏差电压。
根据上述说明可知，可以实施本发明的各种形态或变形例。因此，在以下的权利要求范围的均等范围内，以上述最佳形态之外的形态也可以实施本发明。
权利要求
1．一种磁传感器装置，其特征在于具备磁芯；缠绕在上述磁芯上用来检测所加的被测定磁场的传感器线圈；以及对上述传感器线圈供给交流电流来驱动上述传感器线圈使上述磁芯进入饱和区的驱动装置，上述驱动装置具有在谐振电路的一部分中包含传感器线圈的自激振荡电路，上述自激振荡电路包含2个有源元件，分别单独地随工作温度的变化而使振荡波形产生变动，上述2个有源元件引起的振荡波形的变动是朝着抑制振荡波形正负非对称性的变动的方向工作的。
2．如权利要求1中记载的磁传感器装置，其特征在于上述2个有源元件是用来维持振荡的放大元件，是在振荡波形为正侧时工作的NPN型晶体管和在振荡波形为负侧时工作的PNP型晶体管。
3．如权利要求2中记载的磁传感器装置，其特征在于上述NPN型晶体管的发射极与上述PNP型晶体管的发射极连接。
4．如权利要求2中记载的磁传感器装置，其特征在于上述NPN型晶体管和上述PNP型晶体管在同一半导体衬底上被形成。
5．如权利要求2中记载的磁传感器装置，其特征在于进而具备检测流过上述传感器线圈的交流电流的检测装置和根据上述检测装置的检测结果去控制上述驱动装置从而控制流过上述传感器线圈的电流的振幅的控制装置。
6．如权利要求5中记载的磁传感器装置，其特征在于上述控制装置等效地控制上述驱动装置的工作电压。
7．如权利要求1中记载的磁传感器装置，其特征在于上述2个有源元件是具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性的第1有源元件和具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性的第2有源元件。
8．如权利要求7中记载的磁传感器装置，其特征在于上述第1有源元件是场效应晶体管，上述第2有源元件是双极晶体管。
9．如权利要求8中记载的磁传感器装置，其特征在于上述场效应晶体管与上述双极晶体管级联连接。
10．如权利要求9中记载的磁传感器装置，其特征在于上述自激振荡电路具有包含上述场效应晶体管并将与振荡波形对应的波形的电压变换成电流并输出的电压-电流变换元件；以及包含上述双极晶体管并对上述电压-电流变换元件输出的电流进行放大并生成用来维持振荡的电流的电流放大元件。
11．如权利要求1中记载的磁传感器装置，其特征在于上述自激振荡电路是科耳皮兹振荡电路或克拉普振荡电路。
12．一种电流传感器装置，通过测定由被测定电流产生的被测定磁场来测定被测定电流，其特征在于具备磁芯；缠绕在上述磁芯上用来检测所加的被测定磁场的传感器线圈；以及对上述传感器线圈供给交流电流来驱动上述传感器线圈使上述磁芯进入饱和区的驱动装置，上述驱动装置具有在谐振电路的一部分中包含传感器线圈的自激振荡电路，上述自激振荡电路包含2个有源元件，分别单独地随工作温度的变化而使振荡波形产生变动，上述2个有源元件引起的振荡波形的变动是朝着抑制振荡波形正负非对称性的变动的方向工作的。
13．如权利要求12中记载的电流传感器装置，其特征在于上述2个有源元件是用来维持振荡的放大元件，是在振荡波形为正侧时工作的NPN型晶体管和在振荡波形为负侧时工作的PNP型晶体管。
14．如权利要求13中记载的电流传感器装置，其特征在于上述NPN型晶体管的发射极与上述PNP型晶体管的发射极连接。
15．如权利要求13中记载的电流传感器装置，其特征在于上述NPN型晶体管和上述PNP型晶体管在同一半导体衬底上被形成。
16．如权利要求13中记载的电流传感器装置，其特征在于进而具备检测流过上述传感器线圈的交流电流的检测装置和根据上述检测装置的检测结果去控制上述驱动装置从而控制流过上述传感器线圈的电流的幅度的控制装置。
17．如权利要求16中记载的电流传感器装置，其特征在于上述控制装置等效地控制上述驱动装置的工作电压。
18．如权利要求12中记载的电流传感器装置，其特征在于上述2个有源元件是具有随工作温度上升使振荡幅度减小的特性的第1有源元件和具有随工作温度上升使振荡幅度增大的特性的第2有源元件。
19．如权利要求18中记载的电流传感器装置，其特征在于上述第1有源元件是场效应晶体管，上述第2有源元件是双极晶体管。
20．如权利要求19中记载的电流传感器装置，其特征在于上述场效应晶体管与上述双极晶体管级联连接。
21．如权利要求20中记载的电流传感器装置，其特征在于上述自激振荡电路具有包含上述场效应晶体管并将与振荡波形对应的波形的电压变换成电流并输出的电压-电流变换元件；以及包含上述双极晶体管并对上述电压-电流变换元件输出的电流进行放大并生成用来维持振荡的电流的电流放大元件。
22．如权利要求12中记载的电流传感器装置，其特征在于上述自激振荡电路是科耳皮兹振荡电路或克拉普振荡电路。
全文摘要
本发明的目的在于:在使用了磁通门元件的磁传感器装置和电流传感器装置中,在减小偏差电压的同时减小偏差电压的变动。用来激励传感器线圈(2)的驱动部具有包含传感器线圈(2)作为谐振电路的一部分的自激振荡电路。自激振荡电路具有:作为维持振荡用的放大元件,在振荡波形为正侧时工作的NPN型晶体管(21)和在振荡波形为负侧时工作的PNP型晶体管(31)。在自激振荡电路中,振荡波形的箝位现象在正侧与负侧同样发生,故振荡波形正负对称,即便有非对称性,也非常小。
文档编号G01R15/18GK1310801SQ00800636
公开日2001年8月29日 申请日期2000年5月16日 优先权日1999年9月10日
发明者中川士郎, 薮崎胜巳 申请人:Tdk株式会社