磁传感器以及包括该磁传感器的电流传感器的制作方法

本发明涉及磁传感器以及包括其的电流传感器，特别涉及适合用于能够测定大电流的电流传感器的磁传感器以及包括该磁传感器的电流传感器。

背景技术：

作为使用磁传感器的电流传感器，专利文献1和2中记载的电流传感器是已知的。专利文献1和2记载的电流传感器包括：母线，作为测定对象的电流流过该母线；以及磁传感器，其接收由流过母线的电流产生的磁通；磁传感器由可饱和磁性体和卷绕在可饱和磁性体周围的线圈构成。

并且，在专利文献1和2中记载的电流传感器中，由于流过母线的电流产生的磁通的方向与线圈的轴方向一致，因此能够高灵敏度地检测出由流过母线的电流产生的磁通。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-258275号公报

专利文献2：日本特开2010-276422号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

然而，如专利文献1和2中那样，当流过母线的电流产生的磁通的方向与线圈的轴方向一致时，虽然可以获得高检测灵敏度，但是可饱和磁性体容易磁饱和。因此，专利文献1和2的电流传感器难以测定大电流。

因此本发明的目的在于提供一种能够测定大电流的电流传感器以及用于该电流传感器的磁传感器。

用于解决技术问题的手段

本发明的磁传感器是用于检测在第一轴方向上流通的磁通的磁传感器，其特征在于，包括：接收磁通的可饱和磁性体，以及卷绕在可饱和磁性体上并且以不同于第一轴方向的规定方向作为线圈轴的检测线圈。

根据本发明，由于检测线圈的线圈轴朝向与磁通不同的方向，因此磁通对于可饱和磁性体的线圈轴方向的磁影响减小。因此，可饱和磁性体难以在线圈轴方向上磁饱和，因而可以测定强磁场。

在本发明中，规定方向可以与正交于第一轴方向的第二轴方向基本一致。据此，磁通对于可饱和磁性体的线圈轴方向的磁影响变得非常小，因而使得可饱和磁性体变得更难以磁饱和。

在本发明中，可以为：可饱和磁性体是平板状，其以规定方向作为长度方向，以与长度方向正交的方向作为宽度方向，以与长度方向和宽度方向正交的方向作为厚度方向；可饱和磁性体在宽度方向上的尺寸小于长度方向上的尺寸，并且厚度方向上的尺寸小于宽度方向上的尺寸。据此，板状的可饱和磁性体变得难以磁饱和。

在本发明中，可以为：宽度方向与第一轴方向所成的角度大于宽度方向与正交于第一轴方向和第二轴方向的第三轴方向形成的角度。据此，可饱和磁性体变得更难以磁饱和。

在本发明中，可以为：厚度方向与第一轴方向基本一致，并且宽度方向与第三轴方向基本一致。由于这样的结构是可饱和磁性体最难以磁饱和的结构，因此可以测定更强的磁场。

在本发明中，可饱和磁性体可以具有在厚度方向上层叠的结构。据此，由于可饱和磁性体的横截面积增加，因此磁饱和变得更难。

本发明的磁传感器还可包括线轴，该线轴将可饱和磁性体的长度方向与规定方向形成的角度固定。据此，可以将可饱和磁性体与检测线圈之间的位置关系固定在规定角度。

在本发明中，可饱和磁性体可以包括：第一区间，其中长度方向与第一轴方向之间的角度是第一角度；以及第二区间，其中长度方向与第一轴方向之间的角度是不同于第一角度的第二角度。据此，可以微调节可饱和磁性体的饱和容易度。

本发明的磁传感器还可以包括用于消除磁通的补偿线圈。据此，可以构成所谓的闭环型磁传感器。

本发明的电流传感器的特征在于，包括：上述磁传感器，以及通过作为测量对象的电流产生磁通的母线。根据本发明，由于使用了难以磁饱和的磁传感器，因此可以测定大电流。

本发明的电流传感器还可以包括覆盖磁传感器和母线的磁屏障。据此可以阻隔作为噪声的环境磁场。

发明效果

如上所述，根据本发明，可以提供能够测定大电流的电流传感器和用于该电流传感器的磁传感器。

附图说明

图1是用于说明本发明优选实施方式的电流传感器100的主要部分的结构的大致外观图。

图2(a)是从z方向观察电流传感器100的主要部分的大致平面图，图2(b)是从y方向观察电流传感器100的主要部分的大致侧视图。

图3是用于说明磁传感器m的结构的大致外观图。

图4是具有层叠结构的可饱和磁性体20的大致斜视图。

图5是示出电流传感器100的电路结构的框图。

图6是自激振荡电路30的电路图。

图7是振荡信号q的波形图。

图8是用于说明可饱和磁性体20的磁特性的图，并且示出了外部磁场hext为零的情况。

图9是用于说明可饱和磁性体20的磁特性的图，示出了存在外部磁场hext的情况。

图10是示出施加到电阻r3的电压vc的变化的波形图。

图11是表示振荡信号q和反相振荡信号/q的变化的波形图。

图12是用于说明通过可饱和磁性体20的磁通φ的流通的示意图，并且示出了可饱和磁性体20的朝向是图3所示的状态的情况。

图13是用于说明可饱和磁性体20的另一配置例的大致外观图。

图14是用于说明通过可饱和磁性体20的磁通φ的流通的示意图，并且示出了可饱和磁性体20的朝向是图13的状态的情况。

图15是示出可饱和磁性体20以x轴为中心旋转的状态的示意图。

图16是示出可饱和磁性体20以y轴为中心旋转的状态的示意图。

图17是表示将可饱和磁性体20收纳在线轴60中的例子的大致剖视图。

图18是示出可饱和磁性体20的若干变形例的示意性剖视图。

符号说明

2磁屏障

4空间部

6基板

10母线

11～13电流路径

20可饱和磁性体

21～26区间

30自激振荡电路

31比较器

32触发器电路

40负反馈电流输出电路

50信号输出电路

60线轴

60a收纳部

61内壁

100电流传感器

a区域

lc补偿线圈

lp检测线圈

m磁传感器

r1～r4电阻

sw1～sw4开关

φ磁通

具体实施方式

下面参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。

图1是用于说明本发明的优选实施方式的电流传感器100的主要部分的结构的大致外观图。图2(a)是从z方向观察的电流传感器100的主要部分的大致平面图，图2(b)是从y方向观察的电流传感器100的主要部分的大致侧视图。

如图1、图2(a)和图2(b)所示，本实施方式的电流传感器100包括：母线10，接收由流过母线10的电流产生的磁通的磁传感器m，以及覆盖磁传感器m和母线10的磁屏障2。磁屏障2是具有在y方向上延伸的空间部4的环状磁性体，并且母线10的一部分和磁传感器m配置在空间部4中。作为磁屏障2的材料，可以使用铁氧体、定向硅钢板、坡莫合金等高磁导率材料。磁屏障2阻断作为噪声的环境磁场，并且作为流过母线10的电流产生的磁通的磁路发挥功能。

母线10是作为测定对象的电流流过的部件，包括在y方向上延伸的电流路径11,12以及在x方向上延伸的电流路径13。电流路径11,12的端部经由电流路径13连接。由此，电流按电流路径11、13和12的顺序或按电流路径12、13和11的顺序流过母线10，因此如图2b所示，电流路径11～13所围绕的区域a中产生z方向上的磁通φ。

在电流路径11～13所围的区域a中，配置有基板6，该基板6上安装有磁传感器m。由此，在z方向上流通的磁通φ被施加到磁传感器m。磁通φ的强度和方向由流过母线10的电流量和电流方向确定。

图3是用于说明磁传感器m的结构的大致外观图。

如图3所示，磁传感器m包括：可饱和磁性体20，以及卷绕在可饱和磁性体20上的检测线圈lp。当可饱和磁性体20为平板状，长度方向的尺寸为a，宽度方向的尺寸为b，厚度方向的尺寸为c时，满足a>b>c。在图3所示的示例中，检测线圈lp被卷绕成使得可饱和磁性体20的长度方向成为线圈轴方向。检测线圈lp可以直接卷绕在可饱和磁性体20上，或者可以卷绕在收纳可饱和磁性体20的线轴上。

在可饱和磁性体20中，其长度方向即检测线圈lp的线圈轴方向朝向与z方向不同的方向。即，检测线圈lp的线圈轴方向朝向与待检测的磁通φ的方向不同的方向。在图3所示的示例中，可饱和磁性体20的长度方向(检测线圈lp的线圈轴方向)朝向x方向，宽度方向朝向z方向，厚度方向朝向y方向。因此，在本示例中，磁通的方向(z方向)与可饱和磁性体20的长度方向(x方向)形成的角度是90°。

可饱和磁性体20的材料没有特别限制，但优选使用非晶磁性金属。非晶磁性金属可以为单层结构、或如图4所示那样多个非晶磁性金属膜沿厚度方向层叠的结构。如果使可饱和磁性体20为层叠结构，则横截面积增加，因此使得可饱和磁性体20变得难以磁饱和。

稍后将详细描述可饱和磁性体20的安装方向与磁通φ之间的关系。

图5是示出电流传感器100的电路结构的框图。

如图5所示，本实施方式的电流传感器100包括：连接到磁传感器m的自激振荡电路30，接收由自激振荡电路30产生的振荡信号q和反相振荡信号/q的负反馈电流输出电路40，由负反馈电流输出电路40产生的负反馈电流io流过的补偿线圈lc，以及基于负反馈电流io生成传感器输出out的信号输出电路50。

图6是自激振荡电路30的电路图。

如图6所示，自激振荡电路30是h桥型自激振荡电路，并且包括开关sw1～sw4、电阻r1～r3、比较器31以及触发器电路32。开关sw1和开关sw3串联连接，并且其连接点经由电阻r1连接到检测线圈lp的一端s1。同样，开关sw2和开关sw4串联连接，并且其连接点经由电阻r2连接到检测线圈lp的另一端s2。开关sw1,sw2共同连接到直流电源dc1，开关sw3,sw4经由电阻r3接地。

比较器31的非反相输入端子(+)连接到电阻r3，并且基准电压vcth被施加到反相输入端子(-)。由此，当施加到电阻r3的电压vc超过基准电压vcth时，比较器31的输出变为高电平。

比较器31的输出被输入到触发器电路32的时钟节点。从触发器电路32输出的振荡信号q控制开关sw1,sw4，并且反相振荡信号/q控制开关sw2,sw3。此外，反相振荡信号/q被反馈到触发器电路32的数据节点。由此，比较器31的输出从低电平变为高电平时，从触发器电路32输出的振荡信号q和反相振荡信号/q的逻辑电平反转。

当图6中所示的自激振荡电路30接入电源时，开关sw1,sw4接通且开关sw2,sw3断开的第一状态与开关sw2,sw3接通且开关sw1,sw4断开的第二状态交替出现。在第一状态中，电流经由开关sw1、电阻r1、检测线圈lp、电阻r2、开关sw4和电阻r3从被施加电源电压dc1的电源线流出。由此，施加到电阻r3的电压vc逐渐上升，并且当它超过基准电压vcth时，比较器31的输出从低电平变为高电平。

当比较器31的输出变为高电平时，振荡信号q和反相振荡信号/q的逻辑电平反转，并且转变为第二状态。在第二状态中，电流经由开关sw2、电阻r2、检测线圈lp、电阻r1、开关sw3和电阻r3从施加有电源电压dc1的电源线流出。由此，施加到电阻r3的电压vc逐渐上升，并且当它超过基准电压vcth时，比较器31的输出从低电平变为高电平。

通过重复这样的操作，自激振荡电路30在第一状态和第二状态之间交替。由此，施加到检测线圈lp两端的电压的极性周期性地反转，因此如图7所示，使得振荡信号q的波形成为交替重复高电平和低电平的波形。在此，图7中的符号t表示自激振荡电路30的振荡周期，符号t1表示第一状态的期间，符号t2表示第二状态的期间。因此，自激振荡电路30的振荡周期t和振荡信号q的占空比根据可饱和磁性体20的磁导率而变化。在下文中，将更详细地说明该现象。

图8和图9是用于说明可饱和磁性体20的磁特性的图，图8示出外部磁场hext为零的情况，图9示出外部磁场hext存在的情况。在两种情况下，横轴都表示磁场强度h，纵轴都表示磁通密度b。在图8和9中，(a)示出了整个主循环，(b)示出了实际的过渡区域。

如图8所示，当外部磁场hext为零时(在电流ip不流过母线10的情况下)，检测线圈lp给出的磁场沿一个方向变化时出现的bh曲线(点1→点2)和检测线圈lp给出的磁场沿相反方向变化时出现的bh曲线(点3→点4)是对称的。在此，点2表示检测线圈lp给出的磁场在一个方向上变化时磁通密度b变为规定值-bth的点。同样地，点4表示检测线圈lp给出的磁场在反方向上变化时磁通密度b变为规定值bth的点。

检测线圈lp给出的磁场在一个方向上变化的情况是电流从图6所示的端子s1流到端子s2的状态，即第一状态。另一方面，检测线圈lp给出的磁场在反方向上变化的情况是电流从图6所示的端子s2流到端子s1的状态，即第二状态。并且，当外部磁场hext为零时(当电流ip不流过母线10时)，由于bh曲线是对称的，所以振荡信号q的占空比为50％。

与此相对，在存在外部磁场hext的情况下(当电流ip流过母线10时)，如图9所示，bh曲线仅偏移外部磁场hext的强度的部分。结果，检测线圈lp给出的磁场在一个方向上改变时出现的bh曲线(点1→点2)和检测线圈lp给出的磁场在相反方向上改变时出现的bh曲线(点3→点4)变得不对称。因此，振荡信号q的占空比偏离50％。

图10是表示施加于电阻r3的电压vc的变化的波形图，图11是表示振荡信号q和反相振荡信号/q的变化的波形图。在两个图中，实线都表示外部磁场hext为零的情况(电流ip不在母线10中流通的情况)，虚线都表示存在外部磁场hext的情况(电流ip在母线10中流通的情况)。

如图10所示，在每种情况下，随着时间推移，电压vc达到基准电压vcth时极性反转，瞬间下降到-vcth。vcth的电平对应于图8和9中所示的值bth，并且-vcth的电平对应于图8和9中所示的值-bth。当外部磁场hext为零时，bh曲线是对称的，因此，如图11所示，振荡信号q的占空比为50％(t1＝t2)。与此相对，当存在外部磁场hext时，bh曲线是不对称的，如图11所示，振荡信号q的占空比超过50％(t1'>t2')，并且由于可饱和磁性体20的磁饱和使检测线圈lp的电感减小，振荡信号q的周期t缩短。换言之，自激振荡电路30的振荡频率增加。

如图5所示，由自激振荡电路30产生的振荡信号q和反相振荡信号/q被提供给负反馈电流输出电路40。负反馈电流输出电路40监视振荡信号q和反相振荡信号/q的占空比或频率，并基于此生成负反馈电流io。例如，以振荡信号q和反相振荡信号/q的占空比越偏离50％，负反馈电流io的量越增大的方式进行控制。负反馈电流io被提供给补偿线圈lc，从而抵消由母线10产生的磁通。通过这种闭环控制，母线10产生的磁通总是被消除，并且振荡信号q的占空比被控制为50％。

负反馈电流io通过与补偿线圈lc串联连接的电阻r4转换为电压vd，并且其电平由信号输出电路50检测。信号输出电路50基于电压vd生成传感器输出out并将其输出到外部。输出out是表示流过母线10的电流ip的电流量的信号。

本实施方式的电流传感器100根据这样的原理测定流过母线10的电流量。

图12是用于说明通过可饱和磁性体20的磁通φ的流通的示意图，并且示出了可饱和磁性体20的朝向是图3所示的状态的情况。

如图12所示，由于磁通φ在z方向上流通，所以在可饱和磁性体20的x方向的中央部附近，磁通φ在可饱和磁性体20内沿z方向流通。因此，在该区域中，x方向上的分量不包括在磁通φ中，并且对检测线圈lp的灵敏度实质上为零。相对于此，在可饱和磁性体20的x方向上的端部附近，由于磁通φ从周围被吸引，因此在可饱和磁性体20内流通的磁通φ中产生x方向上的分量。因此，在该区域中，由于检测线圈lp的电感根据磁通φ的密度而变化，因此对检测线圈lp具有灵敏度。换言之，传感器输出out根据磁通φ的密度线性变化。

并且，当磁通φ的密度增加时，磁饱和区域从可饱和磁性体20的x方向的端部侧扩展，并且当磁通φ的密度超过某一定值时，可饱和磁性体20完全磁饱和，并且变得难以测定其以上的磁通φ的密度。这样，如果将可饱和磁性体20配置在图3所示的方向上,磁通φ的方向(z方向)和检测线圈lp的线圈轴方向(x方向)正交，与现有的通常的电流传感器那样使磁通φ的方向与检测线圈的线圈轴方向一致的情况相比，变得难以磁饱和。由此，即使流过母线10的电流是大电流，也能够测定电流值并且不容易饱和。

图13是用于说明可饱和磁性体20的另一配置例的大致外观图。

在图13所示的示例中，可饱和磁性体20的长度方向(检测线圈lp的线圈轴方向)朝向x方向，宽度方向朝向y方向，厚度方向朝向z方向。即使在这样的配置中，由于磁通φ流通的方向(z方向)和可饱和磁性体20的长度方向(x方向)形成的角度是90°，与图3中所示的配置例同样，可饱和磁性体20在x方向上难以磁饱和。

图14是用于说明通过可饱和磁性体20的磁通φ的流通的示意图，并且示出了可饱和磁性体20的朝向是图13所示的状态的情况。

如图14所示，当可饱和磁性体20的方向是图13所示的状态时，从周围吸引到可饱和磁性体20的磁通φ进一步减小。换言之，与图12所示的示例相比，可饱和磁性体20内部的磁通φ的x方向分量进一步减小。这是因为可饱和磁性体20的厚度方向朝向z方向，使得穿过可饱和磁性体20的磁通φ的通过距离变得最短。因此，可饱和磁性体20达到磁饱和的磁通密度进一步增加，使得能够测定更大的电流。

图3所示的配置和图13所示的配置都是磁通φ流通的方向(z方向)和可饱和磁性体20的长度方向(x方向)彼此正交，这点上是共通的，所不同的是可饱和磁性体20的宽度方向是朝向z方向还是朝向y方向。在此，可饱和磁性体20的宽度方向不要求必须以z方向或y方向为正确定向，如图15所示，可以使可饱和磁性体20以x轴为中心旋转，由此可饱和磁性体20的宽度方向的角度ψ可以设定为任意角度。在此，角度ψ是由可饱和磁性体20的宽度方向与y方向形成的角度。

可饱和磁性体20的角度ψ越小，x方向上的磁饱和变得越难。因此，为了能够测定更大的电流，优选将角度ψ设定为小于45°。换句话说，优选可饱和磁性体20的宽度方向与y方向形成的角度ψ小于可饱和磁性体20的宽度方向与z方向形成的角度。

此外，在本发明中，可饱和磁性体20的长度方向与x方向不必完全一致，如图16所示，可以通过使可饱和磁性体20以y轴为中心旋转，而将可饱和磁性体20的长度方向上的角度θ设定为0°以外的角度。在此，角度θ是可饱和磁性体20的长度方向与x方向形成的角度。

角度θ越接近0°，可饱和磁性体20变得越难以在x方向上饱和。由于角度θ对磁饱和容易度具有极强的影响，因此优选通过将其设定为10°以下来抑制磁饱和。

图17是表示将可饱和磁性体20收纳在线轴60中的例子的大致剖视图。

图17所示的线轴60具有用于收纳可饱和磁性体20的收纳部60a，并且构成收纳部60a的规定的内壁61相对于x方向仅倾斜角度θ。因此，只要将可饱和磁性体20定位在内壁61上，就可以可靠地将可饱和磁性体20的长度方向与x方向形成的角度固定为θ。如上所述，角度θ优选为10°以下。并且，检测线圈lp卷绕在线轴60的外周上。在图17所示的示例中，同样，检测线圈lp的线圈轴仅是x方向。因此，在本发明中，可饱和磁性体20的长度方向和检测线圈lp的线圈轴方向不必完全一致。

图18是示出可饱和磁性体20的若干变形例的大致剖视图。

在图18(a)所示的例子中，可饱和磁性体20被分成三个区间21～23，区间21,23中相对于x方向的角度θ约为0°，在位于区间21和区间23之间的区间22中，相对于x方向的角度θ倾斜大于0°且为10°以下。在图18(b)所示的例子中，可饱和磁性体20被分成三个区间24～26，区间25中，相对于x方向的角度θ约为0°，在位于区间25的长度方向的两侧的区间24,26中，相对于x方向的角度θ倾斜大于0°且为10°以下。

这样，如果将可饱和磁性体20在长度方向上分成多个区间并且针对每个区间将角度θ设定为规定的值，则与整个可饱和磁性体20倾斜的情况相比，可以微调节可饱和磁性体20的磁饱和容易度。

尽管上面已经描述了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，并且在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种修改，毋庸置疑这些修改也包含在本发明的范围内。