磁电流传感器以及电流测量方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 关于⑴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。
[0004] 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。
[0005] 在先技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1 :日本特开H6-148301号公报
【发明内容】
[0008] -发明要解决的课题-
[0009] 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。
[0010] 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OmA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。
[0011] -解决课题的手段-
[0012] 本发明的磁电流传感器的特征在于，具有：
[0013] 惠斯通电桥电路，其由4个磁阻元件构成；
[0014] 偏置磁场施加单元，其向所述磁阻元件施加偏置磁场；和
[0015] 空芯线圈，其被设置在所述惠斯通电桥电路的两侧，
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] -发明效果-
[0019] 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OmA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】
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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I (2a)和磁铁 2 (2b)的组装图。
[0027] 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】
[0028] 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。
[0029] 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Ι〇υτ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L和GND是电源的+侧和接地（ground)侧的端子。
[0030] 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（Wheatstone bridge)电路。
[0031] 磁铁I (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I (3a)和线圈2(3b)是2个相同的空芯线圈。若将电流从I1^子流向I _端 子，则从线圈l(3a)和线圈2(3b)产生具有相同方向的极性的磁场。
[0032] 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l(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- I _)流过的情况下，产生正方向磁场5a。在电流在反方向（I·- I IN) 流过的情况下，产生反方向磁场5b。
[0033] 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(2&)和磁铁2(213)来向构成桥电路1的1?元件1?1、1?2、1?3、1?4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RU R2、R3、R4的偏置磁场的方 向和大小大致相同。
[0034] 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- I _)得到正方向的输出电压4a，对于反方向的电流 (Ig- I IN)得到反方向的输出电压4b。通过利用磁铁I (2a)和磁铁2 (2b)来向构成桥电 路1的MR元件RU 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， OmA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。
[0035] 图6表不本实施方式的磁电流传感器的组装图的俯视图。此外，图7表不图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I (2a)以及磁铁2 (2b) 的组装图。由线圈I (3a)、线圈2 (3b)和MR元件构成的桥电路1、磁铁I (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Vra和GND端子的方向被配置在X轴方向。
[0036] 图8表示构成桥电路1的MR元件RU R2、R3、R4的结构图。被配置为Y轴方向与 MR元件Rl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Rl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。
[0037] 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。
[0038] 磁铁I (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。
[0039] 磁铁I (2a)和磁铁2(2b)的图7中图上的长边方向、即与从磁铁I (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°。
[0040] 也就是说，从磁铁I (2a)向磁铁2 (2b)的磁力线的方向与X轴方向所成的角度Φ适 当地为95°到175°。进一步适当地，φ是116°。
[0041] 通过在MR元件的两端配置永久磁铁I (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。
[0042] 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）。
[0043]