具体实施方式
本发明者在对磁阻效应元件施加与其灵敏度方向正交的朝向的磁场时,发现磁阻效应元件的磁场检测灵敏度发生变化。另外,在用此方法使磁阻效应元件的磁场检测灵敏度发生变化时,发现虽然包含磁阻效应元件的磁传感器的输出特性的倾斜度发生变化,但偏移几乎不变化。
图1是在施加与灵敏度方向正交的朝向的磁场(以下,称为正交磁场)时和未施加正交磁场时的磁传感器的输出特性图。在图1中,横轴表示在灵敏度方向上施加的磁场强度,纵轴表示磁传感器的输出。另外,用A1表示未施加正交磁场时的输出特性,用A2表示施加正交磁场时的输出特性。这时,在向磁传感器施加正交磁场时,即使在灵敏度方向上施加的磁场强度(横轴)相同,磁传感器的输出(纵轴)也增加(A1→A2)。另一方面,未在灵敏度方向上施加磁场时的磁传感器的输出(偏移)不依赖于正交磁场的有无。即,在A1与A2上,偏移的值变为大致相等。
本发明者从上述见识发现,如果灵敏度方向的磁场一定,则能够在正交磁场不同的条件下取得至少两个输出特性(例如,A1以及A2)来计算偏移。而且,考虑通过设置能够在多个状态下施加正交磁场的结构可以在任意的时刻修正偏移而完成本发明。即,本发明的技术思想是,做出正交磁场不同的至少两个状态,根据该两个状态下的磁传感器的输出计算偏移。
为了实现上述技术思想,做出正交磁场不同的两个状态是必要的。因此,本发明的电流传感器具有对磁阻效应元件施加正交磁场的结构。而且,通过该结构,能够实现施加正交磁场的状态以及未施加正交磁场的状态这两个状态。或者,通过该结构,能够实现施加规定的朝向以及强度的正交磁场的状态以及施加朝向或者强度不同的正交磁场的状态这两个状态。通过此电流传感器,能够适时修正磁传感器输出的偏移。下面,参照附图说明本发明的电流传感器。
(实施方式1)
图2以及图3是表示本实施方式涉及的电流传感器的结构例的模式图。图2以及图3所示的电流传感器1是磁比例式电流传感器,设置于被测量电流I在延伸方向(y方向)上流通的电流线2的附近。
图2以及图3所示的电流传感器1构成为,包含检测由在电流线2中流通的被测量电流I引起的感应磁场Hi的磁传感器11和能够对磁传感器11施加规定方向的感应磁场Hc的线圈(磁场施加部)12。在图3中为了简单省略了线圈12。
如图3所示,磁传感器11由包含4个磁阻效应元件11a~11d的电桥电路构成。各磁阻效应元件11a~11d的灵敏度方向(灵敏度轴方向)Sa~Sd为相对于电流线2的延伸方向(y轴方向)大致垂直的方向(x轴方向)。因此,磁传感器11的灵敏度方向S也和磁阻效应元件11a~11d的灵敏度方向Sa~Sd一样,为x轴方向。由此,磁传感器11能够检测由被测量电流I产生的x轴方向的感应磁场Hi。
如图3所示,磁阻效应元件11a、11c的一端连接到电源端子V,供给电源电压(Vdd)。磁阻效应元件11b、11d的一端连接到接地端子G,供给接地电压(GND)。磁阻效应元件11a、11b的另一端连接到输出端子Out1。另外,磁阻效应元件11c、11d的另一端连接到输出端子Out2。由此,在输出端子Out1、Out2中产生与磁阻效应元件11a~11d的电阻值相对应的电压,得到与感应磁场Hi相对应的电压差。输出端子Out1、Out2的电压差相当于磁传感器11的输出。
如上所述,通过由磁阻效应元件11a~11d构成电桥电路,可以实现高灵敏度的磁传感器11。另外,磁传感器11可以未必是由4个元件组成的全电桥电路。例如,也可以应用由两个元件组成的半电桥电路。另外,也可以适当改变磁传感器11中使用的磁阻效应元件的数量。例如,也可以组合1个~3个磁阻效应元件和任意数量的固定电阻元件来构成全电桥电路。
线圈12构成为能够对磁阻效应元件11a~11d施加与它们的灵敏度方向Sa~Sd大致正交的方向(y方向)的感应磁场Hc。换句话说,线圈12构成为能够对磁传感器11施加与其灵敏度方向S大致正交的方向(y方向)的感应磁场Hc。这样,通过对磁传感器11施加与灵敏度方向S大致正交的感应磁场Hc,可以使磁传感器11的灵敏度特性发生变化。而且,通过利用这一点,可以像后述那样在任意的时刻修正依赖于温度而变动的偏移。
另外,线圈12并不限于图2所示的螺旋状(漩涡状)的平面线圈。在能够施加与灵敏度方向S大致正交的感应磁场Hc的状态下可以任意地设定线圈12的形态。另外,由于螺旋状的平面线圈可以与磁阻效应元件一体地做成(作り込む),所以在零件个数的削减、小型化等点上特别有效。
图4是表示用作磁阻效应元件11a~11d的GMR(Giant MagnetoResistance)元件的结构例的俯视模式图。如图4所示,GMR元件构成为包含将多个长图案(長尺パターン)31a~31g排列在与其长度方向(y轴方向)正交的方向(x轴方向)的磁检测图案31。各长图案互相大致平行地配置,各长图案的端部连接到邻接的长图案的端部。由此,磁检测图案31具有弯曲形状(ミアンダ形状)。
在图4中,元件的灵敏度方向(灵敏度轴方向)Sa~Sd是与长图案31a~31g的长度方向正交的方向(x轴方向)。在图4中,表示了包含7个长图案31a~31g的磁检测图案31,但是构成磁检测图案31的长图案的数量并不限定于此。另外,也可以具有对构成磁检测图案31的自由磁层(软磁自由层)施加与长图案31a~31g的长度方向平行的偏移磁场(バイアス磁界)的硬磁偏置层(ハ一ドバイアス)。由于具有硬磁偏置层,可以使自由磁层的磁化方向一致,因此可以提高电阻值与外部磁场之间的直线性(線形性)。
图5是表示用作磁阻效应元件11a~11d的GMR元件的结构例的剖视模式图。如图5所示,GMR元件由构成设置在基板101上的磁检测图案31的层积构造构成。磁检测图案31包含种子层102、第一强磁层103、反平行结合层104、第二强磁层105、非磁性中间层106、自由磁层107以及保护层108。第一强磁层103和第二强磁层105通过反平行结合层104反强磁性地结合,构成所谓的自束缚式(セルフピン止め型)的强磁性固定层(SFP层:Synthetic Ferri Pinned层)。
如上所述,在由线圈12施加与灵敏度方向Sa~Sd大致正交的方向(y方向)的感应磁场Hc时,自由磁层107的磁化方向由于感应磁场Hc而发生变化。因此,磁阻效应元件11a~11d的电阻值发生变化,磁传感器11的灵敏度会增减。
在由线圈12施加感应磁场Hc时和未施加感应磁场Hc时的磁传感器11的输出特性为图1所示那样。即,用A1表示未由线圈12施加感应磁场Hc时的磁传感器11的输出特性。与此相对,当由线圈12施加感应磁场Hc时,磁传感器11的灵敏度增加,输出特性为A2那样。
如图1所示,在由线圈12施加与灵敏度方向S大致正交的感应磁场Hc时,磁传感器11的灵敏度发生变化。这是因为在施加与磁阻效应元件11a~11d的灵敏度方向Sa~Sd垂直的磁场时,构成磁阻效应元件11a~11d的自由磁层的磁化方向发生变化。另一方面,这时,磁传感器11的输出的偏移不发生变化。利用这一点,可以计算用于修正偏移的修正值,并用这个修正值修正磁传感器11的输出。
例如,设用下述公式(1)表示图1的A1所示的输出特性。在此,O1表示在未施加感应磁场Hc时的磁传感器11的输出,f(H)表示与在灵敏度方向上施加的磁场H成正比的函数,β表示磁传感器输出中的偏移。
(1)
O1=f(H)+β
另外,设用下述公式(2)表示图1的A2所示的输出特性。在此,O2表示在施加感应磁场Hc时的磁传感器11的输出,f(H)表示与在灵敏度方向上施加的磁场H成正比的函数,α表示与灵敏度方向S大致正交的感应磁场从0变为Hc时的灵敏度变化率,β表示磁传感器输出中的偏移。
(2)
O2=αf(H)+β
通过上述公式(1)、(2),偏移β为下述公式(3)。
(3)
β=(αO1-O2)/(α-1)
从A1到A2的灵敏度变化率α依赖于在A1中施加的与灵敏度方向正交的磁场(正交磁场)和在A2中施加的正交磁场的差分。在此,因为A1中的正交磁场是0,A2中的正交磁场是Hc,所以灵敏度变化率α仅依赖于Hc的强度。这就意味着,如果对磁传感器11施加的感应磁场Hc是预先决定的,则可以将灵敏度变化率α作为常数处理。即,通过预先求出在施加感应磁场Hc的条件下灵敏度变化率α,在所希望的时刻施加感应磁场Hc并检测在所希望的时刻前后的磁传感器11的输出,由此可以根据上述公式(3)计算出偏移。另外,假设在取得输出O1、O2的前后,在灵敏度方向上施加的磁场H(即,被测量电流I以及由被测量电流I产生的感应磁场Hi)不变动。
图6是表示本实施方式涉及的电流传感器1的电路结构的框图。如图6所示,电流传感器1除了具有磁传感器11以及线圈12以外,还具有:差动放大器13,计算与磁传感器11的输出相当的电压差;存储部14,存储差动放大器13的输出;运算部15,基于存储部14内存储的差动放大器13的输出计算修正值;以及修正部16,用由运算部15计算出的修正值修正差动放大器13的输出。另外,电流传感器1具有对线圈12、存储部14、运算部15等的动作进行控制的控制部17。
差动放大器13构成为能够用磁传感器11的两个输出端子Out1、Out2的输出电压(O1、O2)计算与磁传感器11的输出相当的电压差。计算出的电压差传送到存储部14以及修正部16。另外,差动放大器13也可以具有将磁传感器11的电压差放大的功能。存储部14构成为能够根据来自控制部17的指示存储差动放大器13的输出。具体而言,例如,存储部14能够在线圈12产生感应磁场Hc的前后的时刻存储差动放大器13的输出。另外,在存储部14中存储了预先测量过的灵敏度变化率的值等。运算部15基于存储部14的存储内容计算修正值。即,用在规定时刻的前后取得的差动放大器13的输出(与磁传感器11的输出相当)和灵敏度变化率的值计算修正值。可以由上述公式(3)计算出修正值。
修正部16构成为能够用由运算部15计算出的修正值修正差动放大器13的输出(磁传感器11的输出),并将该修正后的磁传感器11的输出作为电流传感器1的输出。即,由运算部15决定修正值之后,修正部16能够从磁传感器11的输出中减去修正值来消除偏移的影响。控制部17构成为能够对线圈12、存储部14、运算部15等赋予各种指示。
图7是本实施方式涉及的电流传感器1的处理流程图。在如上所述的电流传感器1中,控制部17首先判断是否有必要计算修正值(步骤S201)。例如,可以以是否从刚刚之前的修正值计算起经过了规定时间、作为电流测量对象的装置的使用时间是否经过了规定时间、环境温度是否变动到规定以上等为基准进行该判断。
当判断为修正值的计算是必要的时(步骤S201中为是),控制部17指示存储部14存储差动放大器13的输出(步骤S202)。在线圈12产生感应磁场Hc之前的时刻,磁传感器11被施加由被测量电流I产生的感应磁场Hi,但是并未施加感应磁场Hc。因此,从磁传感器11得到与图1的A1所示的输出特性相对应的输出,经由差动放大器13存储到存储部14内。
之后,控制部17指示使电流相对于线圈12流通(步骤S203)。由此,从线圈12产生感应磁场Hc。另外,在此状态下,指示存储部14存储差动放大器13的输出(步骤S204)。在使电流相对于线圈12通流并从线圈12产生感应磁场Hc的时刻,向磁传感器11施加由被测量电流I产生的感应磁场Hi以及感应磁场Hc。因此,从磁传感器11得到与图1的A2所示的输出特性相对应的输出,经由差动放大器13存储到存储部14内。另外,在得到上述输出之后,控制部17使感应磁场Hc的产生停止。
控制部17指示运算部15用磁传感器11的两种输出计算修正值(偏移)(步骤S205)。可以用如上所述公式(3)计算出修正值。由运算部15计算出的修正值传送到修正部16。
在之后的电流测量中,修正部16用最新的修正值修正磁传感器11的输出(差动放大器13的输出)(步骤S206),作为电流传感器1的输出来输出。另外,当未从刚刚之前的修正值计算起经过规定时间时等,判断为不需要修正值的计算时(步骤S201中为否),修正部16也用最新的修正值修正磁传感器11的输出(差动放大器13的输出)(步骤S206),并作为电流传感器1的输出来输出。
这样,本实施方式涉及的电流传感器1在由被测量电流I产生的感应磁场Hi不变动的条件下,能够计算磁传感器11的输出的偏移并进行修正。由于修正值的计算涉及的处理在短时间内结束(数ms以下),因此当被测量电流的时间变动不大时,在处理时间内感应磁场Hi几乎不变动。因此,在电流测量时也能够计算修正值。另外,由于仅改变在线圈12内流通的电流就能够计算修正值,所以可以用比较简单的结构来实现电流测量时的磁场检测灵敏度的管理。
除此之外,本实施方式涉及的结构可以与其他实施方式涉及的结构适当地组合后实施。
(实施方式2)
在本实施方式中,说明通过与上述实施方式不同的方法计算修正值的电流传感器。另外,由于本实施方式涉及的电流传感器的结构与上述实施方式中的电流传感器的结构相同,所以省略了其详细说明。
本实施方式涉及的电流传感器通过由线圈12施加不同的感应磁场计算修正值。图8是在由线圈12施加弱感应磁场Hc1时和施加强感应磁场Hc2时的磁传感器11的输出特性图。在图8中,用B1表示由线圈12施加弱感应磁场Hc1时的磁传感器11的输出特性。另外,用B2表示由线圈12施加强感应磁场Hc2时的磁传感器11的输出特性。
这时,也用公式(3)表示偏移β。但是,这时,O1表示在施加弱感应磁场Hc1时的磁传感器11的输出,O2表示在施加强感应磁场Hc2时的磁传感器11的输出,α表示与灵敏度方向S大致正交的感应磁场从Hc1向Hc2变化时的灵敏度变化率。
(3)
β=(αO1-O2)/(α-1)
图9是本实施方式涉及的电流传感器1的处理流程图。在如上所述的电流传感器1中,控制部17首先判断是否有必要计算修正值(步骤S301)。判断基准与上述实施方式相同。
当判断为修正值的计算是必要的时(步骤S301中为是),控制部17指示使小电流相对于线圈12流通(步骤S302)。由此,从线圈12产生弱感应磁场Hc1。另外,在此状态下,指示存储部14存储差动放大器13的输出(步骤S303)。在使小电流相对于线圈12流通而产生弱感应磁场Hc1的时刻,向磁传感器11施加了由被测量电流I产生的感应磁场Hi以及弱感应磁场Hc1。因此,从磁传感器11得到与如图9的B1所示的输出特性相对应的输出,经由差动放大器13存储到存储部14内。
之后,控制部17指示使大电流相对于线圈12流通(步骤S304)。由此,从线圈12产生强感应磁场Hc2。另外,在此状态下,指示存储部14存储差动放大器13的输出(步骤S305)。在使大电流相对于线圈12流通并产生强感应磁场Hc2的时刻,向磁传感器11施加了由被测量电流I产生的感应磁场Hi以及强感应磁场Hc2。因此,从磁传感器11得到与图9的B2所示的输出特性相对应的输出,经由差动放大器13存储到存储部14内。另外,在得到上述输出之后,控制部17使感应磁场Hc2的产生停止。
控制部17指示运算部15用磁传感器11的两种输出计算修正值(偏移)(步骤S306)。可以用如上所述公式(3)计算出修正值。由运算部15计算的修正值传送到修正部16。
在之后的电流测量中,修正部16用最新的修正值修正磁传感器11的输出(差动放大器13的输出)(步骤S307),作为电流传感器1的输出来输出。另外,当判断不需要修正值的计算时(步骤S301中为否),修正部16也用最新的修正值修正磁传感器11的输出(差动放大器13的输出)(步骤S307),作为电流传感器1的输出来输出。
如本实施方式,当由线圈12施加不同的感应磁场时也可以同样地计算修正值并修正磁传感器11的输出。另外,在本实施方式中,说明了施加强度不同的相同朝向的感应磁场Hc1、Hc2时的情况,但也可以施加相反朝向的感应磁场等。
除此之外,本实施方式涉及的结构可以与其他实施方式涉及的结构适当地组合后实施。
如上所述,由于本发明的电流传感器通过施加与磁阻效应元件的灵敏度方向正交的朝向的磁场来计算磁传感器的修正值,所以在电流测量时也能够计算修正值。由此,能够实现在电流测量时也能够恰当地管理磁场检测灵敏度的电流传感器。
另外,只要不改变发明的宗旨,上述实施方式中的各元件的连接关系、配置等可以变更。例如,在上述实施方式中,举例说明了在电流传感器中包含运算部和修正部等的结构,但这些也可以设置在电流传感器外部。另外,在上述实施方式中,举例说明了在磁阻效应元件中根据与灵敏度方向正交的磁场不同的两个状态计算修正值的结构,但也可以采用根据3个以上的状态计算修正值的结构。除此之外,不超出本发明的范围本发明可以适当地变更后实施。
产业上的可利用性
本发明的电流传感器例如可以用于检测电动汽车或混合动力汽车等发动机驱动用电流的大小。