CN109507618A - 磁传感器装置及电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电流传感器，其包含磁传感器装置。磁传感器装置包含磁传感器、第一磁性层、以及不与第一磁性层接触的第二磁性层。磁传感器、第一磁性层以及第二磁性层以与假想的直线交叉且在与假想的直线平行的方向上依次排列的方式配置。在磁传感器、第一磁性层和第二磁性层中，通过检测对象电流产生的磁通中的相互不同的一部分通过。

Description

磁传感器装置及电流传感器
技术领域
本发明涉及用于电流传感器的磁传感器装置及电流传感器。
背景技术
作为能够高精度地检测在导体中流通的检测对象电流的值的电流传感器，已知有日本国专利第5250109号公报所记载那样的磁平衡式电流传感器。一般而言，磁平衡式电流传感器具备：用于产生将由在导体中流通的检测对象电流产生的第一磁场进行相抵的第二磁场的反馈线圈；以第一磁场和第二磁场的合成磁场作为检测对象磁场进行检测，且生成与检测对象磁场的强度相应的磁场检测值的磁传感器；根据磁场检测值，控制用于产生第二磁场的反馈电流并向反馈线圈流通的反馈电路；以及生成反馈电流的检测值的电流检测器。电流检测器是例如插入于反馈电流的电流路的电阻器。该电阻器的两端的电位差相当于反馈电流的检测值。以下，将由电流检测器生成的反馈电流的检测值称为电流检测值。电流检测值与检测对象电流的值处于比例关系。因此，电流检测值相当于检测对象电流的检测值。该磁平衡式电流传感器以使得磁传感器的检测对象磁场接近零的方式进行动作。
日本国专利第5250109号公报所记载的磁平衡式电流传感器具备磁屏蔽。与没有磁屏蔽的情况相比，该磁屏蔽具有缩小第一磁场的绝对值的作用。由此，与没有磁屏蔽的情况相比，能够扩大可检测的检测对象电流的值的范围。
日本国专利申请公开2017-78577号公报中记载有一种电流传感器，其具备：具有第一平面部的第一屏蔽体、具有与第一平面部相对的第二平面部的第二屏蔽体、一部分配置于第一屏蔽体与第二屏蔽体之间的母线、以及配置于第一平面部与母线之间的检测元件，第一屏蔽体具有将第一平面部的周围包围一周的壁部。
电流传感器中，磁屏蔽具有磁滞特性。因此，即使在磁屏蔽通过施加的磁场暂时具有磁化后，施加的磁场消失，磁屏蔽中，在被施加的磁场磁化的方向上也残留某大小的磁化。具备磁屏蔽的电流传感器中，存在由于磁屏蔽的磁滞特性而在电流检测值中产生误差的问题。
日本国专利申请公开2017-78577号公报所记载的电流传感器中，需要母线的一部分配置于第一屏蔽体与第二屏蔽体之间，因此，存在不能构成与母线独立的电流传感器的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供用于电流传感器的磁传感器装置及电流传感器，即能够扩大可检测的检测对象电流的值的范围，且能够降低电流检测值中产生的误差的磁传感器装置及电流传感器。
本发明的磁传感器装置用于电流传感器，该电流传感器检测检测对象电流的值。本发明的磁传感器装置具备磁传感器、第一磁性层、以及不与第一磁性层接触的第二磁性层。磁传感器、第一磁性层和第二磁性层以使由检测对象电流产生的磁通中的相互不同的一部分通过它们的方式，被配置成与假想的直线交叉且在与假想的直线平行的第一方向上依次排列。
本发明的电流传感器具备：线圈，其用于产生将由检测对象电流产生的第一磁场相抵的第二磁场；磁传感器，其将第一磁场和第二磁场的合成磁场作为检测对象磁场进行检测，并生成与检测对象磁场的强度相应的磁场检测值；反馈电路，其根据磁场检测值，控制用于产生第二磁场的反馈电流并向线圈流通；电流检测器，其生成反馈电流的检测值；第一磁性层；以及第二磁性层，其不与第一磁性层接触。磁传感器、第一磁性层和第二磁性层以使由检测对象电流产生的磁通中的相互不同的一部分通过它们的方式，被配置成与假想的直线交叉且在与假想的直线平行的第一方向上依次排列。
本发明的磁传感器装置及电流传感器中，磁传感器也可以包含磁阻效应元件。
另外，本发明的磁传感器装置及电流传感器中，磁传感器也可以检测与第一方向正交的第二方向的磁场。第一磁性层和第二磁性层各自具有第一方向的第一尺寸和第二方向的第二尺寸。第二尺寸也可以比第一尺寸大。另外，与第二磁性层相比，第一磁性层的第二尺寸也可以更小。另外，第一磁性层的体积也可以比第二磁性层的体积小。在该情况下，也可以是：与第二磁性层相比，第一磁性层的第一尺寸和第二尺寸中的至少一者更小。
另外，本发明的磁传感器装置及电流传感器中，第一磁性层和第二磁性层各自也可以具有第一方向的第一尺寸、第二方向的第二尺寸、以及与第一及第二方向正交的第三方向的第三尺寸，第三尺寸也可以比第二尺寸大。另外，第一磁性层的第三尺寸也可以为第二磁性层的第三尺寸以下。
另外，本发明的磁传感器装置及电流传感器中，第一磁性层的矫顽力也可以比第二磁性层的矫顽力更小。
另外，本发明的磁传感器装置中，磁传感器、第一磁性层及第二磁性层也可以一体化，且与流通检测对象电流的导体独立。
另外，本发明的电流传感器中，线圈也可以配置于相对于第一磁性层而言的与第二磁性层相反的一侧。
另外，本发明的电流传感器中，线圈、磁传感器、第一磁性层及第二磁性层也可以一体化，且与流通检测对象电流的导体独立。
根据本发明的磁传感器装置及电流传感器，通过具备第一磁性层和第二磁性层，能够减小由检测对象电流产生且施加于磁传感器的磁场的绝对值，其结果，能够扩大可检测的检测对象电流的值的范围。
另外，根据本发明的磁传感器装置及电流传感器，磁传感器、第一磁性层及第二磁性层以在与假想的直线平行的第一方向上依次排列的方式配置，由此，能够降低电流检测值中产生的误差。
本发明的其它目的、特征及优点根据以下的说明将充分清楚。
附图说明
图1是表示包含本发明的一个实施方式的电流传感器的系统的结构的立体图。
图2是表示本发明的一个实施方式的电流传感器的主体部的剖视图。
图3是用于说明通过本发明的一个实施方式的电流传感器的主体部的磁通的说明图。
图4是表示本发明的一个实施方式的电流传感器的结构的框图。
图5是表示本发明的一个实施方式的电流传感器中的磁传感器的一部分即惠斯登电桥电路的电路图。
图6是表示第二比较例的电流传感器的一部分的说明图。
图7A是用于说明影响本发明的一个实施方式的电流传感器的特性的多个结构上的参数的说明图。
图7B是用于说明影响本发明的一个实施方式的电流传感器的特性的多个结构上的参数的说明图。
图8是表示第一模拟的结果的特性图。
图9是将图8的一部分放大表示的特性图。
图10是表示第二模拟的结果的特性图。
图11是将图10的一部分放大表示的特性图。
图12是表示通过第三模拟得到的第二比较例的磁性层的特性的特性图。
图13是表示通过第三模拟得到的第一实施例的第一及第二磁性层的特性的特性图。
图14是表示通过第三模拟得到的第二实施例的第一及第二磁性层的特性的特性图。
图15是表示通过第四模拟得到的屏蔽系数的特性的特性图。
图16是表示通过第四模拟得到的磁滞参数的特性的特性图。
图17是表示通过第四模拟得到的屏蔽系数与磁滞参数的关系的特性图。
图18是表示通过第五模拟得到的屏蔽系数的特性的特性图。
图19是表示通过第五模拟得到的磁滞参数的特性的特性图。
图20是表示通过第六模拟得到的屏蔽系数的特性的特性图。
图21是表示通过第六模拟得到的磁滞参数的特性的特性图。
图22是表示通过第七模拟得到的屏蔽系数的特性的特性图。
图23是表示通过第七模拟得到的磁滞参数的特性的特性图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。首先，参照图1说明包含本发明的一个实施方式的电流传感器的系统的结构。本实施方式的电流传感器1检测在导体中流通的检测对象电流的值。图1中表示检测对象电流流通的导体为母线2的例子。电流传感器1配置于母线2的附近。以下，将检测对象电流记载为对象电流Itg。在母线2的周围，通过对象电流Itg产生磁场3。电流传感器1配置于施加磁场3的位置。
接着，说明电流传感器1的结构。首先，说明电流传感器1的主体部10。图2是表示电流传感器1的主体部10的剖视图。电流传感器1是磁平衡式电流传感器。如图2所示，电流传感器1具备：线圈11、磁传感器12、第一磁性层51和第二磁性层52。线圈11、磁传感器12、第一磁性层51及第二磁性层52通过后述的多个非磁性层而一体化，构成电流传感器1的主体部10。另外，第一磁性层51和第二磁性层52通过非磁性层相互分离。电流传感器1的主体部10与母线2独立。
本实施方式的磁传感器装置50具备磁传感器12、第一磁性层51和第二磁性层52。电流传感器1的主体部10包含本实施方式的磁传感器装置50。
在此，如图1及图2所示，定义X方向、Y方向、Z方向。X方向、Y方向、Z方向相互正交。本实施方式中，将图1所示的对象电流Itg流通的方向设为Y方向。另外，将与X方向相反的方向设为-X方向，将与Y方向相反的方向设为-Y方向，将与Z方向相反的方向设为-Z方向。另外，以下，将相对于基准的位置处于Z方向的前方的位置称为“上方”，将相对于基准的位置处于“上方”的相反侧的位置称为“下方”。
电流传感器1的主体部10配置于母线2的上方或下方。以下，表示主体部10配置于母线2的上方的例子。
在此，如图2所示，设想与Z方向平行的假想的直线L。磁传感器12、第一磁性层51和第二磁性层52以与假想的直线L交叉且在与Z方向平行的方向上依次排列的方式配置。与Z方向平行的方向也是与假想的直线L平行的方向，与本发明的第一方向对应。线圈11相对于第一磁性层51配置于第二磁性层52的相反侧。本实施方式中，第二磁性层52位于第一磁性层51的上方，线圈11及磁传感器12位于第一磁性层51的下方。
磁传感器12、第一磁性层51和第二磁性层52以使由对象电流Itg产生的磁通中的相互不同的一部分通过它们的方式，以上述的位置关系配置。图3是用于说明通过电流传感器1的主体部10的磁通的说明图。图3中，带符号MFs的箭头表示通过磁传感器12的磁通，带符号MF1的箭头表示通过第一磁性层51的磁通，带符号MF2的箭头表示通过第二磁性层52的磁通。磁通MFs、MF1、MF2均是由对象电流Itg产生的磁通的一部分。
另外，由对象电流Itg产生的磁场3中，将可利用磁传感器12检测的磁场称为第一磁场H1。第一及第二磁性层51、52吸入由对象电流Itg产生的磁通的一部分，与没有第一及第二磁性层51、52的情况相比，具有减小第一磁场H1的绝对值的功能。
线圈11用于产生将第一磁场H1相抵的第二磁场H2。磁传感器12将第一磁场H1和第二磁场H2的合成磁场作为检测对象磁场进行检测，生成与检测对象磁场的强度相应的磁场检测值S。以下，将检测对象磁场记为对象磁场。第一磁场H1和第二磁场H2在之后说明的图4中表示。
本实施方式中，第一磁场H1的方向、第二磁场H2的方向及对象磁场的方向是与X方向平行的方向。与X方向平行的方向与本发明的第二方向对应。后面详细地说明磁传感器12的结构。
如图2所示，电流传感器1还具备基板61、绝缘层62、63、64和非磁性层65、66、67。非磁性层65、66、67也可以是绝缘体，也可以是导电体。绝缘层62配置于基板61上。磁传感器12配置于绝缘层62上。绝缘层63以覆盖磁传感器12及绝缘层62的方式配置。绝缘层64配置于绝缘层63上。线圈11以不与基板61接触的方式埋入绝缘层62～64。
第一磁性层51配置于绝缘层64上。非磁性层65在绝缘层64上配置于第一磁性层51的周围。非磁性层66以覆盖第一磁性层51及非磁性层65的方式配置。第二磁性层52配置于非磁性层66上。非磁性层67在非磁性层66上配置于第二磁性层52的周围。
如图2所示，在第一磁性层51与第二磁性层52之间，介设有将它们相互分离的非磁性层66。因此，第二磁性层52不与第一磁性层51接触。此外，后面详细地说明第一磁性层51和第二磁性层52的形状。
接着，参照图4说明电流传感器1的主体部10以外的部分。图4是表示电流传感器1的结构的框图。如图4所示，电流传感器1还具备反馈电路30和电流检测器40。反馈电路30根据磁场检测值S，控制用于产生第二磁场H2的反馈电流并使其向线圈11流通。电流检测器40生成向线圈11流通的反馈电流的检测值。电流检测器40是例如插入反馈电流的电流路的电阻器。该电阻器的两端的电位差相当于反馈电流的检测值。以下，将由电流检测器40生成的反馈电流的检测值称为电流检测值。电流检测值与对象电流Itg的值处于比例关系。因此，电流检测值相当于对象电流Itg的检测值。
反馈电路30含有反馈控制电路31。反馈控制电路31产生根据磁场检测值S进行控制的反馈电流并向线圈11供给。
接着，详细地说明磁传感器12的结构。磁传感器12也可以包含至少一个磁阻效应元件。磁阻效应元件也可以是自旋阀型的磁阻效应元件，也可以是AMR(各向异性磁阻效应)元件。自旋阀型的磁阻效应元件也可以是TMR(隧道磁阻效应)元件，也可以是GMR(巨大磁阻效应)元件。自旋阀型的磁阻效应元件包含：固定了磁化方向的磁化固定层、根据施加的磁场的方向及强度改变磁化方向的磁性层即自由层、配置于磁化固定层与自由层之间的非磁性层、以及反铁磁性层。磁化固定层配置于反铁磁性层与非磁性层之间。反铁磁性层由反铁磁性材料构成，与磁化固定层之间产生交换耦合，固定磁化固定层的磁化方向。TMR元件中，非磁性层为隧道势垒层。GMR元件中，非磁性层为非磁性导电层。
在此，说明磁传感器12的结构的一例。该例子中，磁传感器12具有惠斯登电桥电路13。
图5是表示惠斯登电桥电路13的电路图。惠斯登电桥电路13具有：电源端口21、地线端口22、第一输出口23、第二输出口24以及四个电阻部R1、R2、R3、R4。
电阻部R1设置于电源端口21与第一输出口23之间。电阻部R2设置于第一输出口23与地线端口22之间。电阻部R3设置于电源端口21与第二输出口24之间。电阻部R4设置于第二输出口24与地线端口22之间。对电源端口21施加预定大小的电源电压。地线端口22与地线连接。
电阻部R1、R2、R3、R4各自包含自旋阀型的磁阻效应元件。电阻部R1、R4各自的磁阻效应元件的磁化固定层的磁化的方向为第一磁化方向。电阻部R2、R3各自的磁阻效应元件的磁化固定层的磁化的方向为第一磁化方向的相反方向即第二磁化方向。在此，将与第一磁化方向及第二磁化方向平行的方向称为感磁方向。磁阻效应元件的自由层优选具有将与感磁方向正交的方向设为容易轴的形状磁各向异性。
对惠斯登电桥电路13施加由对象电流Itg产生的磁场3和线圈11产生的磁场。惠斯登电桥电路13配置于施加的上述两个磁场的方向相互成相反方向或大致相反方向的位置，且以上述感磁方向相对于施加的上述的两个磁场的方向平行或大致平行的姿势配置。
该例子中，通过对象电流Itg产生且施加于惠斯登电桥电路13的磁场中的上述感磁方向的成分为第一磁场H1。另外，线圈11产生且施加于惠斯登电桥电路13的磁场中的上述感磁方向的成分为第二磁场H2。
惠斯登电桥电路13中，根据对象磁场的强度，输出口23、24间的电位差变化。磁传感器12输出与惠斯登电桥电路13的输出口23、24间的电位差对应的磁场检测值S。此外，根据第一磁场H1和第二磁场H2的大小关系，对象磁场的强度、输出口23、24间的电位差以及磁场检测值S可成为正的值或负的值。
接着，参照图2详细地说明第一磁性层51和第二磁性层52的形状。第一磁性层51和第二磁性层52各自具有第一方向的第一尺寸即Z方向的尺寸、和第二方向的第二尺寸即X方向的尺寸。如图2所示，第一磁性层51和第二磁性层52的任意层中，X方向的尺寸均比Z方向的尺寸大。优选第一磁性层51的X方向的尺寸比第二磁性层52的X方向的尺寸小。
另外，将与第一及第二方向正交的方向称为第三方向。本实施方式中，第三方向是与Y方向平行的方向。第一磁性层51和第二磁性层52各自还具有第三方向的第三尺寸即Y方向的尺寸。此外，第一磁性层51和第二磁性层52各自的Y方向的尺寸在之后说明的图7B中表示。第一磁性层51和第二磁性层52的任意层中，Y方向的尺寸均比X方向的尺寸大。优选第一磁性层51的Y方向的尺寸为第二磁性层52的Y方向的尺寸以下。
另外，优选第一磁性层51的体积比第二磁性层52的体积小。为了实现该情况，优选与第二磁性层52相比，第一磁性层51的Z方向的尺寸和X方向的尺寸中的至少一者较小。图2中表示第一磁性层51的Z方向的尺寸和X方向的尺寸这二者都比第二磁性层52小的例子。
此外，在即使第一磁性层51的Z方向的尺寸和X方向的尺寸的一者比第二磁性层52大，另一者比第二磁性层52小的情况下，第一磁性层51的体积可成为比第二磁性层52小。第一磁性层51的形状中也包含这种形状。
从上方观察的第一及第二磁性层51、52各自的形状例如为矩形。优选从上方观察时，第一及第二磁性层51、52为与磁传感器12的整体重合那样的大小及配置。磁传感器12的X方向的尺寸例如为0.3～50μm的范围内，第一及第二磁性层51、52各自的X方向的尺寸例如为几～几百μm的范围内。此外，未图示，但磁传感器12的Y方向的尺寸例如为1～200μm的范围内，第一及第二磁性层51、52各自的Y方向的尺寸例如为几～几百μm的范围内。第一及第二磁性层51、52各自的Z方向的尺寸例如为0.5～几十μm的范围内。
此外，第一磁性层51也可以比第二磁性层52的矫顽力小。在后面说明其原因。
接着，参照多个模拟的结果，说明本实施方式的电流传感器1及磁传感器装置50的效果。首先，说明多个模拟中使用的第一及第二比较例的电流传感器和第一及第二实施例的电流传感器1。
第一比较例的电流传感器的结构除了未设置第一及第二磁性层51、52这点以外，与本实施方式的电流传感器1的结构相同。
图6是表示第二比较例的电流传感器101的一部分的说明图。第二比较例的电流传感器101具备一个磁性层151来代替第一及第二磁性层51、52。磁性层151配置于磁传感器12的上方。第二比较例的电流传感器101的其它结构与本实施方式的电流传感器1相同。
磁性层151的Z方向的尺寸为7μm，磁性层151的X方向的尺寸为40μm，磁性层151的Y方向的尺寸为100μm。另外，如图6所示，将从磁传感器12的Z方向的中心到磁性层151的距离以记号d1表示。d1的值在后面进行说明。
第一及第二实施例的电流传感器1与本实施方式的电流传感器1对应。图7A及图7B是用于说明影响本实施方式的电流传感器1的特性的多个结构上的参数的说明图。如图7A及图7B所示，将第一磁性层51的X方向的尺寸以记号w1表示，将第二磁性层52的X方向的尺寸以记号w3表示。第一实施例中，第一磁性层51的X方向的尺寸w1与第二磁性层52的X方向的尺寸w3相等。第二实施例中，第一磁性层51的X方向的尺寸w1比第二磁性层52的X方向的尺寸w3小。
第一及第二实施例中的第二磁性层52的X方向的尺寸w3和第一实施例中的第一磁性层51的X方向的尺寸w1为40μm。另外，如图7A及图7B所示，将第一磁性层51的Z方向的尺寸以记号t1表示，将第二磁性层52的Z方向的尺寸以记号t2表示，将第一磁性层51的Y方向的尺寸以记号w2表示，将第二磁性层52的Y方向的尺寸以记号w4表示，将从磁传感器12的Z方向的中心到第一磁性层51的距离以记号d2表示，将第一磁性层51与第二磁性层52的间隔以记号g表示。第一及第二实施例中，尺寸w2、w4均为100μm。t1、t2、d2、g的值和第二实施例中的w1的值在后面进行说明。
接着，说明第一模拟的结果。第一模拟中，调查磁性层对电流传感器的特性造成的影响。第一模拟中，相对于第一比较例的电流传感器和第二比较例的电流传感器101，施加与X方向平行的方向的外部磁场H，调查从外部磁场H求得的与外部磁场H对应的磁通密度B与磁场检测值S的关系。外部磁场H的大小在包含正的值和负的值的预定的范围内增减。第一模拟中，将距离d1设为2.5μm。
图8表示通过第一模拟得到的第一比较例的电流传感器和第二比较例的电流传感器101的特性。图8中，横轴表示磁通密度B，纵轴表示磁场检测值S。另外，图8中，带符号201的虚线的曲线表示第一比较例的电流传感器的特性，带符号202的实线的曲线表示第二比较例的电流传感器101的特性。
如图8所示，第二比较例(参照符号202)中，与第一比较例(参照符号201)相比，磁场检测值S的变化相对于磁通密度B的变化的梯度较小。这是磁性层151的功能的结果。即，磁性层151吸入外部磁场H的磁通的一部分，与没有磁性层151的情况相比，具有减小第一磁场H1的绝对值的功能。另外，磁场检测值S的值依赖于第一磁场H1的值进行变化。由此，第二比较例中，与第一比较例相比，磁场检测值S的变化相对于磁通密度B的变化的梯度变小。
但是，第一比较例中，当对象磁场的绝对值成为预定的大小以上时，电流传感器的输出特性的线形性，即磁场检测值S相对于对象磁场的线形性恶化。与之相对，第二比较例中，通过磁性层151的上述的功能，第一磁场H1的绝对值的范围变小，其结果，对象磁场的绝对值的范围也变小。对象磁场的绝对值的范围越小，使用磁场检测值S相对于对象磁场的线形性良好的范围可检测的对象电流Itg的绝对值越大。
图9将图8所示的特性的一部分放大表示。如图9所示，第二比较例(参照符号202)中，磁场检测值S中产生偏移。磁场检测值S的偏移是磁通密度B的值为0时的磁场检测值S的距预定的基准值例如0mV的偏差。磁场检测值S的偏移使电流检测值中产生误差。
磁性层151具有磁滞特性。因此，如第一模拟那样，在使外部磁场H的大小在预定的范围内增减的情况下，即使没有外部磁场H，磁性层151中，在施加的磁场的方向上也残留某大小的磁化。因此，第二比较例中，当将磁通密度B的值设为0时，通过残留于磁性层151的磁化，对磁传感器12施加磁场。以下，在没有外部磁场H的状态下，将残留于磁性层151的磁化称为残留磁化。由此，磁场检测值S中产生偏移。
在此，将磁场检测值S成为0时的两个磁通密度B的值的差的绝对值称为磁滞参数。磁滞特性所引起的电流检测值的误差根据磁滞参数的值变大而变大。
接着，说明第二模拟的结果。第二模拟中，调查磁性层151及第一及第二磁性层51、52对电流传感器1的特性造成的影响。第二模拟中，相对于第二比较例的电流传感器101、第一实施例的电流传感器1及第二实施例的电流传感器1，施加与X方向平行的方向的外部磁场H，并调查磁通密度B与磁场检测值S的关系。外部磁场H的大小在包含正的值和负的值的预定的范围内进行增减。第二模拟中，如下决定图7A及图7B所示的多个结构上的参数。即，尺寸t1为2μm，尺寸t2为5μm，距离d1、d2为2.5μm，间隔g为0.2μm。另外，第二实施例中的尺寸w1为30μm。
图10表示通过第二模拟得到的第二比较例的电流传感器101、第一实施例的电流传感器1和第二实施例的电流传感器1的特性。图10中，横轴表示磁通密度B，纵轴表示磁场检测值S。另外，图10中，带符号202的虚线的曲线表示第二比较例的电流传感器101的特性，带符号211的单点划线的曲线表示第一实施例的电流传感器1的特性，带符号212的实线的曲线表示第二实施例的电流传感器1的特性。此外，图10中，曲线211、212几乎重合。
如图10所示，第一及第二实施例(参照符号211，212)中，磁场检测值S的变化相对于磁通密度B的变化的梯度与第二比较例(参照符号202)大致相等。这是与磁性层151一样的、由第一及第二磁性层51、52的功能带来的结果。即，与没有第一及第二磁性层51、52的情况相比，第一及第二磁性层51、52具有减小第一磁场H1的绝对值的功能。由此，第一及第二实施例中，与图8所示的第一比较例(参照符号201)相比，磁场检测值S的变化相对于磁通密度B的变化的梯度变小。
图11将图10所示的特性的一部分放大表示。如图11所示，第一及第二实施例(参照符号211，212)的磁滞参数的值比第二比较例(参照符号202)小。另外，第二实施例(参照符号212)的磁滞参数的值比第一实施例(参照符号211)小。磁滞参数的值变小的原因在后面进行说明。
在此，作为表示电流传感器的性能的多个性能参数，考虑检测灵敏度、偏移参数、上述磁滞参数及屏蔽系数。检测灵敏度是磁场检测值S相对于对象磁场的线形性良好的范围内的、磁场检测值S的变化量相对于磁通密度B的变化量的比率。偏移参数是磁通密度B的值成为0时的两个磁场检测值S的值的差的绝对值。屏蔽系数以百分比表示第二比较例以及第一及第二实施例的检测灵敏度相对于没有磁性层51、52、151时的检测灵敏度即第一比较例的检测灵敏度的比率。下述的表1中，对于第一及第二比较例以及第一及第二实施例，表示通过第一及第二模拟而得到的多个性能参数的值。此外，第一比较例中的屏蔽系数设为100％。
【表1】
如表1所示，第一及第二实施例中，与第一比较例相比，检测灵敏度的值较小。检测灵敏度的值越小，越能够扩大可检测的对象电流Itg的值的范围。因此，根据本实施方式，通过具备第一磁性层51和第二磁性层52，与如第一比较例那样未设置磁性层的情况相比，能够扩大可检测的对象电流Itg的值的范围。
另外，如表1所示，第一及第二实施例中，磁滞参数的值比第二比较例小。磁滞参数的值越小，越能够降低磁性层的磁滞特性所引起的电流检测值的误差。因此，根据本实施方式，通过具备第一磁性层51和第二磁性层52，与第二比较例那样仅具备一个磁性层151的情况相比，能够减小电流检测值的误差。
第二实施例中，磁滞参数的值比第一实施例小。如根据该情况理解，根据本实施方式，如第二实施例那样，通过使第一磁性层51的X方向的尺寸w1比第二磁性层52的X方向的尺寸w3更小，能够减小磁滞参数的值，其结果，能够进一步减小电流检测值的误差。
另外，如表1所示，第一及第二实施例中，偏移参数的值比第二比较例小。与磁滞参数一样，偏移参数的值越小，越能够降低磁性层的磁滞特性所引起的电流检测值的误差。
屏蔽系数越小，与第一比较例相比，越能够减小第一磁场H1的绝对值。如表1所示，第一实施例与第二实施例的屏蔽系数的值大致相等。
接着，说明第三模拟的结果。第三模拟中，对于第二比较例的电流传感器101、第一实施例的电流传感器1和第二实施例的电流传感器1，施加与X方向平行的方向的外部磁场H，求得磁性层51、52、151的磁化Mx。外部磁场H的大小在包含正的值和负的值的预定的范围内进行增减。此外，磁化Mx的值为磁化的与X方向平行的方向的成分的平均值。另外，以下说明的图12～图14的各磁性层的磁化Mx的值为预定的单位的各磁性层的磁化Mx的值除以预定的单位的各磁性层本身的饱和磁化的值并进行了标准化的值。第三模拟的磁性层51、52、151的形状及配置与第二模拟相同。
图12表示通过第三模拟得到的第二比较例的磁性层151的特性。图13表示通过第三模拟得到的第一实施例的第一及第二磁性层51、52的特性。图14表示通过第三模拟得到的第二实施例的第一及第二磁性层51、52的特性。图12～图14中，横轴表示磁通密度B，纵轴表示磁化Mx。另外，图13中，带符号221的实线的曲线表示第一磁性层51的特性，带符号222的虚线的曲线表示第二磁性层52的特性。另外，图14中，带符号223的实线的曲线表示第一磁性层51的特性，带符号224的虚线的曲线表示第二磁性层52的特性。
以下，将磁化Mx的变化相对于磁通密度B的变化的梯度称为磁化变化率。如图12～图14所示，第二比较例的磁性层151的磁化变化率、第一实施例的第一磁性层51的磁化变化率(参照符号221)、第一实施例的第二磁性层52的磁化变化率(参照符号222)、第二实施例的第二磁性层52的磁化变化率(参照符号224)大致相等。另外，第二实施例的第一磁性层51的磁化变化率(参照符号223)比第二实施例的第一磁性层51以外的磁性层的磁化变化率小。这是第二实施例的第一磁性层51的X方向的尺寸w1比第二实施例的第一磁性层51以外的磁性层的X方向的尺寸小的结果。
在此，第二模拟中，考察第二实施例的磁滞参数的值比第一实施例小的原因。
第一磁性层51中，作为感磁方向的X方向的尺寸w1越小，磁化变化率越小，在没有外部磁场H的状态下，残留于第一磁性层51的X方向的残留磁化也变小，其结果，磁滞参数的值变小。
另外，第一磁性层51的体积越小，上述的X方向的残留磁化越小，其结果，磁滞参数的值越小。
与第一实施例的第一磁性层51相比，第二实施例的第一磁性层51的X方向的尺寸w1和体积二者较小。由此，第二实施例的磁滞参数的值比第一实施例小。
作为影响残留磁化的尺寸以外的参数，有矫顽力。如果将第二磁性层52的矫顽力设为一定的值，且使第一磁性层51的矫顽力比第二磁性层52的矫顽力更小时，与第一磁性层51的矫顽力与第二磁性层52的矫顽力相等的情况相比，上述的X方向的残留磁化变小，其结果，磁滞参数的值变小。
接着，说明第四模拟的结果。第四模拟中，调查距磁传感器12最近的磁性层的配置对电流传感器1的特性造成的影响。第四模拟中，对于第二比较例的电流传感器101和第二实施例的电流传感器1，调查距离d1、d2与屏蔽系数及磁滞参数的关系。第四模拟中，如以下决定图6、图7A及图7B所示的多个结构上的参数。即，尺寸t1为3μm，尺寸t2为4μm，尺寸w1为30μm，间隔g为0.5μm。距离d1、d2在2～5μm的范围内变化。
第四模拟中，如第一及第二模拟那样，对于电流传感器1、101，一边在包含正的值和负的值的预定的范围内进行增减，一边施加与X方向平行的方向的外部磁场H，求得磁通密度B与磁场检测值S的关系。而且，基于该关系，求得检测灵敏度和磁滞参数。另外，使用求得的检测灵敏度和第一比较例的检测灵敏度(参照表1)，求得屏蔽系数。此外，后述的第五～第七模拟中，也通过与第四模拟同样的方法求得屏蔽系数和磁滞参数。
图15是表示通过第四模拟得到的屏蔽系数的特性图。图16是表示通过第四模拟得到的磁滞参数的特性图。图17是表示通过第四模拟得到的屏蔽系数与磁滞参数的关系的特性图。图15中，横轴表示距离d1、d2，纵轴表示屏蔽系数。图16中，横轴表示距离d1、d2，纵轴表示磁滞参数。图17中，横轴表示屏蔽系数，纵轴表示磁滞参数。另外，图15～图17中，以带符号231的实线连结的多个点表示第二实施例的特性，以带符号232的虚线连结的多个点表示第二比较例的特性。
如根据图15及图16理解，随着距离d1、d2变大，磁滞参数的值变小，但屏蔽系数变大。另外，如图17所示，当与将屏蔽系数的值设为相同而进行比较时，与第二比较例(参照符号232)相比，第二实施例(参照符号231)的磁滞参数的值变小。因此，根据本实施方式，能够一边防止第一磁场H1的绝对值变大，一边减小磁滞参数的值，并减小电流检测值的误差。
接着，说明第五模拟的结果。第五模拟中，调查第一磁性层51的X方向的尺寸w1对电流传感器1的特性造成的影响。第五模拟中，对第二实施例的电流传感器1，调查尺寸w1与屏蔽系数及磁滞参数的关系。第五模拟中，如下制定图7A及图7B所示的多个结构上的参数。即，尺寸t1为3μm，尺寸t2为4μm，距离d2为2.5μm，间隔g为0.2μm。尺寸w1在10～45μm的范围内变化。
图18是表示通过第五模拟得到的屏蔽系数的特性图。图19是表示通过第五模拟得到的磁滞参数的特性图。图18中，横轴表示尺寸w1，纵轴表示屏蔽系数。图19中，横轴表示尺寸w1，纵轴表示磁滞参数。
屏蔽系数的值优选为22％以下。在图18所示的尺寸w1的范围内，满足与屏蔽系数相关的上述的要件。另外，磁滞参数的值优选为尺寸w1与第二磁性层52的X方向的尺寸w3相等时的磁滞参数的值即0.22mT以下。如图19所示，在尺寸w1为36μm以下的情况下，满足与磁滞参数相关的上述的要件。根据这些情况，尺寸w1优选为10～36μm的范围内。另外，尺寸w3为40μm。因此，尺寸w1相对于尺寸w3的比率优选为25～90％的范围内。
接着，说明第六模拟的结果。第六模拟中，调查第一磁性层51的Z方向的尺寸t1对电流传感器1的特性造成的影响。第六模拟中，对第二实施例的电流传感器1调查尺寸t1与屏蔽系数及磁滞参数的关系。第六模拟中，如下制定图7A及图7B所示的多个结构上的参数。即，尺寸t2为4μm，尺寸w1为30μm，距离d2为2.5μm，间隔g为0.2μm。尺寸t1在0.5～6μm的范围内变化。
图20是表示通过第六模拟而得到的屏蔽系数的特性图。图21是表示通过第六模拟而得到的磁滞参数的特性图。图20中，横轴表示尺寸t1，纵轴表示屏蔽系数。图21中，横轴表示尺寸t1，纵轴表示磁滞参数。
如上述，屏蔽系数的值优选为22％以下。在图20所示的尺寸t1的范围内，满足与屏蔽系数相关的上述的要件。另外，如上述，磁滞参数的值优选为0.22mT以下。如图21所示，在尺寸t1为5μm以下的情况下，满足与磁滞参数相关的上述的要件。根据这些情况，尺寸t1优选为0.5～5μm的范围内。另外，第二磁性层52的Z方向的尺寸t2为4μm。因此，第一磁性层51的Z方向的尺寸t1相对于第二磁性层52的Z方向的尺寸t2的比率优选为12.5～125％的范围内。
但是，当磁性层的Z方向的尺寸变小时，容易在磁性层产生磁饱和，其结果，可能损坏减小第一磁场H1的绝对值的磁性层的功能。与之相对，本实施方式中，设置有具有与第一磁性层51相同功能的第二磁性层52，因此，可充分减小第一磁性层51的Z方向的尺寸t1。
此外，如图21所示，在尺寸t1为2μm以下的范围内，随着尺寸t1变小，磁滞参数的值变大。认为这是第二磁性层52带来的结果。
接着，说明第七模拟的结果。第七模拟中，调查第一磁性层51与第二磁性层52的间隔g对电流传感器1的特性造成的影响。第七模拟中，对第二实施例的电流传感器1调查间隔g与屏蔽系数及磁滞参数的关系。第七模拟中，如下制定图7A及图7B所示的多个结构上的参数。即，尺寸t1为3μm，尺寸t2为4μm，尺寸w1为30μm，距离d2为2.5μm。间隔g在0.1～10μm的范围内变化。
另外，第七模拟中，对于将间隔g设为0μm，且使第一磁性层51和第二磁性层52接触的第三比较例的电流传感器，也与第二实施例的电流传感器1一样，调查屏蔽系数及磁滞参数。第三比较例的电流传感器的其它结构与第二实施例的电流传感器1相同。
图22是表示通过第七模拟而得到的屏蔽系数的特性图。图23是通过第七模拟而得到的磁滞参数的特性图。图22中，横轴表示间隔g，纵轴表示屏蔽系数。图23中，横轴表示间隔g，纵轴表示磁滞参数。图22及图23中，以带符号241的实线连结的多个点表示第二实施例的特性，带符号242这点表示第三比较例的特性。
如上述，屏蔽系数的值优选为22％以下。在图22所示的间隔g的范围内，满足与屏蔽系数相关的上述的要件。另外，如上述，优选磁滞参数的值为0.22mT以下。在图23所示的间隔g的范围内，满足与磁滞参数的上述的要件。根据这些情况，间隔g优选为0.1～10μm的范围内。0.1μm的值相当于介设于第一磁性层51与第二磁性层52之间的非磁性层66的、可稳定地形成的Z方向的尺寸的下限。
此外，如图23所示，与第二实施例(参照符号241)相比，第三比较例(参照符号242)的磁滞参数的值变大。这是由于，当使第一磁性层51和第二磁性层52接触时，实际上成为一个磁性层，得不到降低具备两个磁性层51、52所带来的磁滞参数的值的效果。
以下，对本实施方式的其它效果进行说明。本实施方式中，线圈11、磁传感器12、第一磁性层51及第二磁性层52进行一体化，并与母线2独立。由此，根据本实施方式，能够构成与母线2独立的电流传感器1及磁传感器装置50。
此外，本发明不限定于上述实施方式，可进行各种变更。例如，磁传感器12也可以代替包含磁阻效应元件，而包含检测霍尔元件等的磁阻效应元件以外的磁场的元件。
另外，磁传感器12、第一磁性层51、第二磁性层52也可以以在-Z方向上依次排列的方式配置。在该情况下，第二磁性层52位于第一磁性层51与基板61之间。线圈11及磁传感器12位于第一磁性层51的上方。
另外，电流传感器1也可以具备配置于线圈11及磁传感器12的上方的第一对第一及第二磁性层51、52、配置于线圈11及磁传感器12的下方的第二对第一及第二磁性层51、52。第一对第一及第二磁性层51、52与实施方式的第一及第二磁性层51、52对应。第二对的第一磁性层51位于比第二对的第二磁性层52更接近磁传感器12的位置。
基于以上的说明，可知可实施本发明的各种方式及变形例。因此，在以下的权利要求的均等的范围内，即使是上述的最佳方式以外的方式也可实施本发明。

Claims (23)

1.一种磁传感器装置，其用于电流传感器，该电流传感器检测检测对象电流的值，其特征在于，具备：
磁传感器；
第一磁性层；以及
第二磁性层，其不与所述第一磁性层接触，
所述磁传感器、所述第一磁性层和所述第二磁性层以使由所述检测对象电流产生的磁通中的相互不同的一部分通过它们的方式，被配置成与假想的直线交叉且在与所述假想的直线平行的第一方向上依次排列。
2.根据权利要求1所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述磁传感器包含磁阻效应元件。
3.根据权利要求1所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述磁传感器检测与所述第一方向正交的第二方向的磁场。
4.根据权利要求3所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述第一磁性层和所述第二磁性层各自具有所述第一方向的第一尺寸和所述第二方向的第二尺寸，
所述第二尺寸比所述第一尺寸大。
5.根据权利要求4所述的磁传感器装置，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的所述第二尺寸较小。
6.根据权利要求4所述的磁传感器装置，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的体积较小。
7.根据权利要求6所述的磁传感器装置，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的所述第一尺寸和所述第二尺寸中的至少一者较小。
8.根据权利要求3所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述第一磁性层和所述第二磁性层各自具有所述第一方向的第一尺寸、所述第二方向的第二尺寸、以及与所述第一方向及第二方向正交的第三方向的第三尺寸，
所述第三尺寸比所述第二尺寸大。
9.根据权利要求8所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述第一磁性层的所述第三尺寸为所述第二磁性层的所述第三尺寸以下。
10.根据权利要求1所述的磁传感器装置，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的矫顽力较小。
11.根据权利要求1所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述磁传感器、所述第一磁性层及所述第二磁性层被一体化，且与所述检测对象电流流通的导体独立。
12.一种电流传感器，其特征在于，具备：
线圈，其用于产生将由检测对象电流产生的第一磁场相抵的第二磁场；
磁传感器，其将所述第一磁场和所述第二磁场的合成磁场作为检测对象磁场进行检测，并生成与所述检测对象磁场的强度相应的磁场检测值；
反馈电路，其根据所述磁场检测值，控制用于产生所述第二磁场的反馈电流并向所述线圈流通；
电流检测器，其生成所述反馈电流的检测值；
第一磁性层；以及
第二磁性层，其不与所述第一磁性层接触，
所述磁传感器、所述第一磁性层以及所述第二磁性层以使由所述检测对象电流产生的磁通中的相互不同的一部分通过它们的方式，被配置成与假想的直线交叉且在与所述假想的直线平行的第一方向上依次排列。
13.根据权利要求12所述的电流传感器，其特征在于，
所述磁传感器包含磁阻效应元件。
14.根据权利要求12所述的电流传感器，其特征在于，
所述磁传感器检测与所述第一方向正交的第二方向的磁场。
15.根据权利要求14所述的电流传感器，其特征在于，
所述第一磁性层和所述第二磁性层各自具有所述第一方向的第一尺寸和所述第二方向的第二尺寸，
所述第二尺寸比所述第一尺寸大。
16.根据权利要求15所述的电流传感器，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的所述第二尺寸较小。
17.根据权利要求15所述的电流传感器，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的体积较小。
18.根据权利要求17所述的电流传感器，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的所述第一尺寸和所述第二尺寸中的至少一者较小。
19.根据权利要求14所述的电流传感器，其特征在于，
所述第一磁性层和所述第二磁性层各自具有所述第一方向的第一尺寸、所述第二方向的第二尺寸、以及与所述第一方向及第二方向正交的第三方向的第三尺寸，
所述第三尺寸比所述第二尺寸大。
20.根据权利要求19所述的电流传感器，其特征在于，
所述第一磁性层的所述第三尺寸为所述第二磁性层的所述第三尺寸以下。
21.根据权利要求12所述的电流传感器，其特征在于，
与所述第二磁性层相比，所述第一磁性层的矫顽力较小。
22.根据权利要求12所述的电流传感器，其特征在于，
所述线圈配置于相对于所述第一磁性层而言的与所述第二磁性层相反的一侧。
23.根据权利要求12所述的电流传感器，其特征在于，
所述线圈、所述磁传感器、所述第一磁性层及所述第二磁性层被一体化，且与所述检测对象电流流通的导体独立。
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