CN103748474A

CN103748474A - 电流传感器

Info

Publication number: CN103748474A
Application number: CN201280032080.8A
Authority: CN
Inventors: 酒井亮辅; 金原孝昌; 车户纪博; 野村江介
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: JP2013011469A; DE112012002744T5; US20140111196A1; DE112012002744B4; WO2013001789A1; JP5482736B2; US9417269B2; CN103748474B

Abstract

一种用于测量流经导体（90）的电流的电流传感器包括传感器基板（10）、形成在传感器基板（10）的表面（10a）上并且配置为输出随施加的磁场而变化的信号的磁电转换器（20）、以及包围传感器基板（10）和导体（90）以将内部与外部磁屏蔽的磁屏蔽部（30）。磁电转换器（20）的输出信号随着沿着传感器基板（10）的形成表面（10a）所施加的磁场而变化。磁屏蔽部（30）具有用于降低磁屏蔽部（30）中的磁饱和的至少一个间隙（31）。间隙（31）和传感器基板（10）在与传感器基板（10）的形成表面（10a）正交的z方向上位于相同高度。

Description

电流传感器

相关申请的交叉引用

本申请基于2011年6月28日提交的日本专利申请No.2011-143167,其内容在此以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开内容涉及一种电流传感器，该电流传感器用于基于由测量电流感应的磁场而导致的磁阻效应元件的阻抗的变化来测量待测量的测量电流。

背景技术

例如，如在专利文献1中所公开的，已经提出一种电流传感器，该电流传感器包括汇流条、与该汇流条相对定位以使得由流经该汇流条的电流感应的磁场能够施加至磁响应面的磁检测器、以及磁屏蔽该磁检测器的磁屏蔽部。该磁屏蔽部具有用于将汇流条和磁检测器包围在内部的环形包围部分，并且该环形包围部分至少在一个位置处具有间隙。当将高度方向定义为在垂直于汇流条的长度方向并且包含磁检测器存在的位置的虚平面上经过汇流条和磁检测器的直线方向时，间隙和汇流条在高度方向上位于相同或几乎相同的位置。

汇流条具有沿着高度方向的厚度方向的板状。磁响应面的磁响应方向与汇流条的宽度方向相同。因此，磁检测器在高度方向上不响应于磁场。

如上所述，在专利文献1中公开的电流传感器中，间隙和汇流条在高度方向上位于相同或几乎相同的位置。磁屏蔽部中流动的磁通量通过间隙释放出并在外部产生磁场。由间隙产生的磁场（在下文中称为间隙磁场）根据磁场的形状而变化。在图1中示出的结构的情况下，由于磁屏蔽部的形状是相对于连接两个间隙的直线（在下文中称为基准线）对称，因此间隙磁场与基准线正交。在专利文献1中，虽然间隙和汇流条在高度方向上位于相同或几乎相同的位置，然而间隙和磁检测器在高度方向上并不位于相同的位置。因此，间隙磁场倾斜地施加至磁检测器，并且沿着汇流条的宽度方向的间隙磁场施加至磁响应面。因此，磁阻效应元件的阻抗会发生变化，而使得可能降低检测电流的精度。

现有技术

专利文献

专利文献1：JP-A-2010-2277

发明内容

鉴于以上情况，本公开内容的目的是提供一种用于减小检测电流的精度降低的电流传感器。

根据本公开内容的一方面，用于测量流经导体的电流的电流传感器包括传感器基板、磁电转换器、以及磁屏蔽部。磁电转换器形成在传感器基板的表面上，并且磁电转换器的输出信号随着施加的磁场而变化。磁屏蔽部包围传感器基板和导体，以将内部与外部磁屏蔽。基于由电流感应的磁场而导致的输出信号的变化来测量电流。磁电转换器的输出信号随着沿着传感器基板的形成表面所施加的磁场而变化。磁屏蔽部具有用于降低磁屏蔽部中的磁性饱和的至少一个间隙。间隙和传感器基板在与传感器基板的形成表面正交的z方向上位于相同的高度。

磁屏蔽部中流动的磁通量通过间隙释放出并且在外部产生磁场。由间隙产生的磁场（在下文中称为间隙磁场）根据磁屏蔽部的形状而变化。根据该方面，间隙和传感器基板在与传感器基板的形成表面正交的z方向上位于相同的高度。因此，间隙磁场垂直地施加至磁电转换器。所以，减小了由间隙磁场导致的磁电转换器的输出信号的变化，而使得可以减小检测电流的精度的降低。

附图说明

根据参照附图所做的以下详细描述，本公开内容的以上和其它目的、特征以及优点将变得更加明显。在附图中：

图1是示出根据本公开内容的实施例的电流传感器的截面图的视图；

图2是示出用于说明间隙磁场的截面图的视图；

图3是示出用于说明施加至磁阻效应元件的磁场的截面图的视图；

图4是示出用于说明由于外部磁场引起的间隙磁场的截面图的视图；以及

图5是示出用于说明施加至磁阻效应元件的磁场的截面图的视图。

具体实施方式

参照附图来描述本公开内容的实施例。

图1是示出根据实施例的电流传感器的截面图的视图。图2是示出用于说明间隙磁场的截面图的视图。图3是示出用于说明施加至磁阻效应元件的磁场的截面图的视图。图4是示出用于说明由于外部磁场引起的间隙磁场的截面图的视图。图5是示出用于说明施加至磁阻效应元件的磁场的截面图的视图。在图2和图4中，以简化方式示出电流传感器100来阐明间隙磁场。在下文中，将稍后描述的沿着形成表面10a的方向称为x方向，将沿着形成表面10a并且与x方向正交的方向称为y方向，以及将与形成表面10a正交的方向称为z方向。

如图1所示，电流传感器100是无芯电流传感器。电流传感器100主要包括传感器基板10、磁阻效应元件20、以及磁屏蔽部30。磁阻效应元件20形成在传感器基板10上。磁屏蔽部30包围传感器基板10和待测量的测量电流所流动的测量导体90。电流传感器100基于由测量电流感应的磁场（下文称为测量磁场）而导致的磁阻效应元件20的阻抗的变化，来测量测量电流。根据实施例，除部件10-30之外，电流传感器100还包括偏磁磁体40、电路基板50、支撑基板60、模制树脂70以及间隔物80。

传感器基板10为半导体基板，并且磁阻效应元件20形成在传感器基板10的表面10a（表面10a在下文中称为形成表面10a）上。如图1所示，传感器基板10以形成表面10a的背面安装在支撑基板60上。传感器基板10通过导线11电连接至电路基板50，且包含磁阻效应元件20的阻抗的变化的电信号通过导线11输出至电路基板50。

磁阻效应元件20的阻抗仅随着沿着形成背面10a所施加的磁场而变化。虽然在附图中未示出，磁阻效应元件20具有包括自由层、中间层、引脚（pin）层以及磁性层的多层结构，该自由层、中间层、引脚层以及磁性层以该顺序堆叠在彼此之上。自由层的磁化方向随着沿着形成表面10a施加的磁场而变化。中间层是非磁性的。引脚层的磁化方向是固定的。磁性层固定引脚层的磁化方向。根据实施例，中间层具有绝缘性质，并且磁阻效应元件20是一种隧道磁阻效应元件。当在自由层和固定层之间施加电压时，电流（隧道电流）流经自由层和固定层之间的中间层。隧道电流的流动的容易程度取决于自由层和固定层的磁化方向。流动的容易程度在自由层和固定层的磁化方向互相平行时最大，而在自由层和固定层的磁化方向互相逆平行时最小。因此，磁阻效应元件20的阻抗的变化在自由层和固定层的磁化方向互相平行时最小，而在自由层和固定层的磁化方向互相逆平行时最大。

根据实施例，半桥电路由两个磁阻效应元件20构成，而全桥电路由两个半桥电路构成。构成半桥电路的两个磁阻效应元件20的自由层的磁化方向互相逆平行，以使得两个磁阻效应元件20的阻抗可以朝相反的方向变化。即，当两个磁阻效应元件20中的一个的阻抗减小时，两个磁阻效应元件20中的另一个的阻抗增大。构成全桥电路的两个半桥电路之间的中点电位的差通过导线11输出至电路基板50。

磁屏蔽部30具有管状并且由具有高导磁率的材料制成。磁屏蔽部30在内部容纳部件10、20、40-80、以及测量导体90，并且将内部与外部磁屏蔽。如图2中的实线所示，由测量导体90产生的测量磁场通过磁屏蔽部30传播，集中在磁屏蔽部30中，并然后在一个方向上通过磁屏蔽部30循环。如图4中的实线所示，集中在磁屏蔽部30上的外部磁场在两个方向上传播。

磁屏蔽部30具有用于降低磁屏蔽部30中的磁性饱和的间隙31。磁屏蔽部30中流动的磁通量通过间隙31释放出。如图2和图4中的链条线所示，通过间隙31释放的磁通量在外部产生磁场（在下文称为间隙磁场）。根据实施例，磁屏蔽部30具有两个间隙31，而使得可以将两个间隙磁场施加至磁阻效应元件20。

偏磁磁体40是永磁体并且向自由层施加偏磁场。由于偏磁场，设定了自由层的磁化方向的初始值（零点）。偏磁磁体40隔着支撑基板60面向传感器基板10。

电路基板50包括形成用于处理磁阻效应元件20的输出信号的电路的半导体基板。电路基板50基于磁阻效应元件20构成的全桥电路的输出信号，来计算测量电流的值。电路基板50安装在支撑基板60上并且紧挨着传感器基板10布置。

支撑基板60由非磁性材料制成。由模制树脂70一体接合并覆盖传感器基板10、偏磁磁体40、电路基板50、以及支撑基板60。测量导体90和覆盖传感器基板10、偏磁磁体40、电路基板50、以及支撑基板60的模制树脂70通过间隔物80固定于磁屏蔽部30内部。模制树脂70和间隔物80由具有非磁性和绝缘性质的材料制成。如图2所示，测量电流在y方向上流动。

接下来，描述根据实施例的电流传感器100的特征。如图1和图2所示，沿着由x方向和z方向定义的经过形成表面10a（磁效应元件20）的x-z平面截取的磁屏蔽部30的内壁和截面形状的轮廓相对于沿着x方向延伸并且经过形成表面10a的基准线BL（图中的虚线）对称。间隙31形成在磁屏蔽部30的对称部分并且在高度方向上位于与传感器基板10相同的高度。

根据实施例，间隙31中的每一个位于与传感器基板10相同高度，并且间隙31的中心位于与形成表面10a相同的高度。此外，传感器基板10位于磁屏蔽部30的对称部分的中心，并且隔着传感器基板10的两个间隙31互相面对。

接下来，描述电流传感器100的优点。如上所述，测量磁场通过磁屏蔽部30传播，集中在磁屏蔽部30中，并然后在一个方向上通过磁屏蔽部30循环。然后，磁屏蔽部30中流动的磁通量通过间隙31释放出并且在外部产生间隙磁场。间隙磁场根据磁屏蔽部30的形状而变化。根据本公开内容，间隙31形成在磁屏蔽部30中的相对于基准线BL的对称部分中。因此，由对称部分包围的区域中的间隙磁场相对于基准线BL对称，并且在基准线BL处的间隙磁场的方向与基准线BL正交。

根据实施例，间隙31和传感器基板10在z方向上位于相同的高度。因此，如图3和图5所示，间隙磁场垂直施加至磁阻效应元件20。如上所述，磁阻效应元件20的阻抗随着沿着形成表面10a施加的磁场而变化。因此，磁阻效应元件20的阻抗不太可能随着间隙磁场而变化。由于由间隙磁场导致的磁阻效应元件20的阻抗的变化减小，可以减小检测电流的精度的下降。

假设间隙中的某些位于与传感器基板相同的高度处，也通过位于与传感器基板不同高度的另一间隙来产生间隙磁场。在基准线BL处的该间隙磁场的方向并不总是与基准线BL正交。因此，施加至磁阻效应元件20的间隙磁场的方向可能会沿着形成表面10a。如果施加了这种间隙磁场，磁阻效应元件20的阻抗会由于间隙磁场而变化，而可能会降低检测电流的精度。

根据实施例，间隙31中的每一个在z方向上位于与传感器基板10相同高度。因此，由于施加至磁阻效应元件20的间隙磁场的方向不太可能沿着形成表面10a，可以减小检测电流的精度的降低。

如图2所示，间隙磁场相对于间隙31的中心形成同心圆形或椭圆形图案。关于此，根据实施例，间隙31的中心位于与形成表面10a相同的高度。以这种方式，与当间隙31的中心位于与形成表面10a的不同高度比较，间隙磁场在基准线BL处的方向接近与基准线BL正交的方向。因此，由于施加至磁阻效应元件20的间隙磁场方向不太可能沿着形成表面10a，因此可以减小检测电流的精度的降低。

传感器基板10位于磁屏蔽部30的对称部分的中心，并且两个间隙31隔着该传感器基板10而互相面对。如上所述，测量磁场通过磁屏蔽部30传播，集中于磁屏蔽部30中，并然后在一个方向上通过磁屏蔽部30循环。因此，如图2和图3所示，在隔着传感器基板10而互相面对的间隙31的每一个中产生间隙磁场。因此，施加至位于磁屏蔽部30中心的传感器基板10的间隙磁场具有相同的大小但不同的方向。结果，在传感器基板10处的间隙磁场被抵消。以这种方式，由于施加至磁阻效应元件20的间隙磁场的方向不太可能沿着形成表面10a，因此可以减小检测电流的精度的降低。

如图4所示，集中在磁屏蔽部30上的外部磁场在两个方向而不是一个方向上都传播通过磁屏蔽部30。因此，如图5所示，在互相面对的间隙31中由于外部磁场而产生的间隙磁场具有相同的方向。因此，施加至位于磁屏蔽部30中心的传感器基板10的间隙磁场具有相同的大小和相同的方向。然而，如上所述，磁阻效应元件20的阻抗随着沿着形成表面10a施加的磁场而变化。因此，磁阻效应元件20的阻抗不太可能随着由于外部磁场引起的间隙磁场而变化。由于减小了磁阻效应元件20的阻抗的变化，因此可以减小检测电流的精度的下降。

电路基板50位于磁屏蔽部30的内部。因此，与当电路基板50位于磁屏蔽部外部时相比，减小了电流传感器100尺寸的增大。此外，减小了施加至电路基板50的外部磁场。

由模制树脂70一体接合和覆盖传感器基板10、偏磁磁体40、电路基板50、以及支撑基板60。因此，可以减少非预期部分之间的通过导电性杂质的电连接。此外，可以提高传感器基板10、偏磁磁体40、电路基板50、以及支撑基板60之间的机械连接的强度。

测量导体90和覆盖传感器基板10、偏磁磁体40、电路基板50、以及支撑基板60的模制树脂70通过间隔物80固定于磁屏蔽部30内部。因此，与当测量导体和传感器基板分别固定至磁屏蔽部时相比，可以减小测量导体90和传感器基板10之间的相对位置的变化。因此，可以减小由于相对位置变化引起的检测电流的精度的降低。

半桥电路由两个磁阻效应元件20构成，而全桥电路由两个半桥电路构成。构成全桥电路的两个半桥电路之间的中点电位的差被输出至电路基板50。因此，与当基于一个半桥电路中的中点电位来检测电流时相比，可以提高检测电流的精度。

根据实施例，通过向自由层施加由偏磁磁体40发出的偏磁场来设定自由层的磁化方向的初始值（零点）。与此相反，可以将磁收集芯放置在磁屏蔽部中，以设定施加至磁阻效应元件的间隙磁场的方向。然而，以该方式，由于偏磁场经过磁收集芯，因此无法设定自由层的磁化方向的零点。因此，根据实施例的电流传感器100从结构上根本不同于磁屏蔽部中具有磁收集芯的电流传感器。

（变形）

虽然已经参照其实施例描述了本公开内容，然而应当理解本公开内容不限制于这些实施例。本公开内容旨在将各种变形和等价布置覆盖在本公开内容的精神和范围内。

根据实施例，沿着经过形成表面10a（磁阻效应元件20）的x-z平面截取的磁屏蔽部30的截面形状相对于基准线BL对称。因此，沿着不经过形成表面10a（磁阻效应元件20）的x-z平面截取的磁屏蔽部30的截面形状并不总是必需相对于基准线BL对称。即，整个磁屏蔽部30并不总是必需相对于基准线BL对称。此外，沿着经过形成表面10a（磁阻效应元件20）的x-z平面截取的磁屏蔽部30的外壁的轮廓并不总是必需相对于基准线BL对称。即使在这种情况中，由对称部分包围的区域（通过由经过形成表面10a的x-z平面划分的磁屏蔽部30的内壁所包围的区域）中的间隙磁场变成相对于基准线BL对称，并且在基准线BL处的间隙磁场的方向变成与基准线BL正交。因此，间隙磁场垂直施加至磁阻效应元件20。

根据实施例，间隙31中的每一个位于与传感器基板10相同的高度。可替换地，间隙31中的一些可以位于与传感器基板10相同的高度。

根据实施例，间隙31的中心位于与形成表面10a相同的高度。可替换地，间隙31的中心可以位于与形成表面10a不同的高度。

根据实施例，传感器基板10位于磁屏蔽部30的对称部分的中心。然而，传感器基板10并不总是必需位于中心。

根据实施例，两个间隙31相隔传感器基板10而互相面对。然而，两个间隙31并不总是必需隔着传感器基板10而互相面对。

根据实施例，磁阻效应元件20形成在传感器基板10中。然而，形成在传感器基板10中的磁电转换器不限制于实施例。例如，可以使用电压随着沿着形成表面10a施加的磁场而变化的霍尔器件。

根据实施例，中间层具有绝缘性质，并且磁阻效应元件20是隧道磁阻效应元件。可替换地，中间层可以具有导电性，并且磁阻效应元件20可以是巨磁阻效应器件（GMR）。

根据实施例，全桥电路由磁阻效应元件20构成。可替换地，半桥电路可以由磁阻效应元件20构成。

根据实施例，偏磁磁体40是永磁体。可替换地，偏磁磁体40可以是螺线管。

根据实施例，电路基板50和传感器基板10通过导线11电连接，并且电路基板50和传感器基板10安装在支撑基板60上并且彼此紧邻布置。可替换地，可以采用堆叠结构，其中传感器基板10安装在电路基板50上并且电且机械地连接至该电路基板50。

根据实施例，磁屏蔽部30具有两个间隙31。可替换地，磁屏蔽部30可具有一个或多于两个间隙31。

Claims

1.一种用于测量流经导体（90）的电流的电流传感器，所述电流传感器包括：

传感器基板（10）；

磁电转换器（20），其形成在所述传感器基板（10）的表面（10a）上并且被配置为输出随施加的磁场而变化的信号；以及

磁屏蔽部（30），其包围所述传感器基板（10）和所述导体（90），以将内部与外部磁屏蔽，其中

基于由所述电流感应的磁场导致的所述输出信号的变化，来测量所述电流，

所述磁电转换器（20）的所述输出信号随着沿着所述传感器基板（10）的形成表面（10a）所施加的磁场而变化，

所述磁屏蔽部（30）具有用于降低所述磁屏蔽部（30）的磁饱和的至少一个间隙（31），并且

所述间隙（31）和所述传感器基板（10）在与所述传感器基板（10）的所述形成表面（10a）正交的z方向上位于相同高度。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中

所述形成表面（10a）平行于由互相正交的x方向和y方向所定义的x-y平面，

由所述x方向和所述z方向定义的、经过所述形成表面（10a）的x-z平面所划分的所述磁屏蔽部（30）的内壁的轮廓相对于沿着所述x方向延伸且经过所述形成表面（10a）的基准线（BL）对称，以及

所述间隙（31）的至少一部分形成在所述磁屏蔽部（30）的对称部分中。

3.根据权利要求1或2所述的电流传感器，还包括:

偏磁磁体（40），其位于所述磁屏蔽部（30）的内部，其中

所述磁电转换器（20）是具有随着沿着所述形成表面（10a）所施加的磁场而变化的阻抗的磁阻效应元件（20），

所述磁阻效应元件（20）包括引脚层、自由层、以及中间层，

所述引脚层的磁化方向是固定的，

所述自由层的磁化方向随着沿着所述形成表面（10a）所施加的磁场而变化，

所述中间层是非磁性的且位于所述自由层和所述引脚层之间，并且

所述偏磁磁体（40）向所述自由层施加偏磁场。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的电流传感器，其中

在所述z方向上，每个间隙（31）与所述传感器基板（10）位于相同的高度。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的电流传感器，其中

在所述z方向上，所述间隙（31）的中心与所述传感器基板（10）位于相同的高度。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的电流传感器，其中

所述传感器基板（10）位于所述磁屏蔽部（30）的所述对称部分的中心，以及

两个间隙（31）隔着所述传感器基板（10）而彼此面对。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的电流传感器，还包括：

电路基板（50），所述电路基板（50）位于所述磁屏蔽部（30）的内部并具有用于处理所述磁电转换器（20）的所述输出信号的电路。

8.根据权利要求7所述的电流传感器，还包括：

由非磁性材料制成的支撑基板（60），其中

所述传感器基板（10）和所述电路基板（50）被固定到所述支撑基板（60）。

9.根据权利要求8所述的电流传感器，还包括：

模制树脂（70），所述模制树脂（70）覆盖所述传感器基板（10）、所述电路基板（50）、以及所述支撑基板（60）。

10.根据权利要求9所述的电流传感器，还包括：

由非磁性材料制成的间隔物（80），其中

所述导体（90）和覆盖所述传感器基板（10）、所述电路基板（50）、以及所述支撑基板（60）的所述模制树脂（70）通过所述间隔物（80）固定在所述磁屏蔽部（30）内部。

11.根据权利要求1-10中的任一项所述的电流传感器，其中

所述磁电转换器（20）包括多个磁阻效应元件（20），每一个磁阻效应元件具有随着沿着所述形成表面（10a）所施加的磁场而变化的阻抗，并且

所述多个磁阻效应元件中的两个形成半桥电路。

12.根据权利要求11所述的电流传感器，其中

两个所述半桥电路形成全桥电路。