JP3764834B2

JP3764834B2 - Current sensor and current detection device

Info

Publication number: JP3764834B2
Application number: JP30105399A
Authority: JP
Inventors: 成己鈴木
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: JP2001116773A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器などに組み込まれ、電流の監視や制御用に使用される電流センサー、特に、磁気検出素子を用い、回路基板等の電流路に挿入して微小電流を検出する磁気検出型の電流センサー、及びこの電流センサーとその駆動及び信号処理回路からなる電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の低消費電力化、動力制御の高精度化などに伴って、使用される電流が微小になり、より高感度な電流センサーが必要になってきている。また、電子機器には小型で、且つインテリジェントな性能が求められ、容易に回路基板等に実装できる高感度な電流センサーが必要になってきている。
【０００３】
従来の磁気検出素子を用いた微小電流センサーには、様々な構成のものが提案されているが、基本的な構成は殆ど同じである。即ち、図８のように、ギャップを有する磁性体コアに対し、測定される電流が流れる被測定電流路を巻回または貫通させ、被測定電流による磁束変化を磁性体コアのギャップ部に設置した磁気検出素子で検出するものである。磁気検出素子には主にホール素子が用いられるが、他に磁気抵抗素子を用いたものもある。また、磁性体コアを用いない方式もあり、図９のように被測定電流路がコイルパターンとして形成され、このコイルパターン上に磁気検出素子を設置したもの、または図１０のように直線状の被測定電流路の両脇に磁気検出素子を設置したものなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、磁気検出素子にホール素子や磁気抵抗素子を用いた従来の電流センサーでは、磁気検出素子の感度が低く、磁性体コアで磁束を集中させても数ｍＡの検出が限度である。磁性体コアを用いない方式では微小電流の検出は殆ど不可能である。
【０００５】
これに対し、μＡオーダーのより微小な電流を検出する方法として、磁気検出素子に磁気インピーダンス素子を用いる方法が考えられる。磁気インピーダンス素子は、磁性体からなる素子本体に高周波電流を印加すると素子本体の両端間のインピーダンスが外部磁界に応じて変化するもので、ホール素子や磁気抵抗素子に比べて２桁以上高い感度を有するため、より高感度な電流センサーを実現できる可能性がある。
【０００６】
しかし、図８のように磁性体コアのギャップに磁気検出素子を挿入する方式で磁気検出素子に磁気インピーダンス素子を用いると、磁気インピーダンス素子の磁界検出方向が素子の長手方向であるために、ギャップ幅が非常に大きくなり、従来のセンサーと同程度の感度しか得ることができない。磁性体コアを用いない方法でも、図１０のように被測定電流路の両脇に素子を配置する構成では、磁気インピーダンス素子の長手方向を電流路に垂直に配置する必要があるため、磁気インピーダンス素子と電流路を近接させても同素子の一部にしか磁界が加わらず殆ど感度が得られない。図９の方式でも同様である。
【０００７】
また、微小な電流を検出する場合には、被測定電流による磁界に対して外乱磁界が非常に大きくなるため、感度が高いだけでなく、外乱磁界を正確に分離して被測定電流による微小磁界のみを検出できるものでなければならない。さらに、外乱磁界の除去を２つの磁気検出素子を用いた差動検出により行う場合、磁気検出素子の感度や温度特性等には通常ばらつきがあり、これが微小電流の検出では大きな誤差要因となる。特に、直流または低周波域では電流検出が不可能となる。すなわち、μＡオーダーの検出を可能にするには、感度の向上と共に、外乱磁界や磁気検出素子の特性のばらつきによる誤差を生じない構成が不可欠となる。
【０００８】
以上の事情を鑑み、本発明では、高感度な磁気インピーダンス素子を用いた電流センサーであって、外乱磁界の中でも微小電流による磁界を正確に検出し、それによりμＡオーダーの微小電流の検出が可能で、且つ容易に回路基板に実装できる電流センサー、及びこの電流センサーとその駆動及び信号処理回路からなる電流検出装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明によれば、電流センサーの構成として、
被測定電流を通電する２つのコイルと、
該２つのコイルによって生じる磁界を差動検出する２つの磁気インピーダンス素子を有し、
該２つの磁気インピーダンス素子は、同一の非磁性基板の同一面上に形成された磁性薄膜からなり、それぞれの磁界検出方向を同方向として該磁界検出方向に沿って並ぶように配置されており、
前記２つのコイルは、前記被測定電流の通電によって前記２つの磁気インピーダンス素子に対して互いに逆方向の磁界を印加するように構成されたものとした。
【００１０】
また、より具体的な構成として、
前記２つのコイルは、それぞれの中心軸方向が前記２つの磁気インピーダンス素子の磁界検出方向に沿うようにして、該磁界検出方向に沿って並んで前記磁気インピーダンス素子のそれぞれを包囲するように、磁気インピーダンス素子の周囲に巻回されている構成、及び、
前記２つのコイルは、前記非磁性基板の前記磁気インピーダンス素子を形成した面の側の近傍に配置されたコイルボビンに巻回され、それぞれの中心軸方向が前記磁気インピーダンス素子の磁界検出方向に沿うようにして、該磁界検出方向に沿って並ぶように配置された構成を採用した。
【００１１】
また、前記２つの磁気インピーダンス素子のそれぞれの両端に形成された電極が電流センサーを実装する回路基板に直接に半田付けされる構成を採用した。
【００１２】
また、前記磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加するための永久磁石が前記非磁性基板において前記磁気インピーダンス素子が設けられた面と反対側の面に設けられた構成、より好ましくは前記永久磁石が硬磁性薄膜からなる構成、及び、
前記磁気インピーダンス素子に対してバイアス磁界を印加するためのバイアスコイルが前記２つのコイルの間に配置された構成を採用した。
【００１３】
また、電流検出装置の構成として、上記本発明に係る電流センサーであって、上記バイアスコイルを配置した構成以外の電流センサーと、
前記２つの磁気インピーダンス素子に高周波電流を印加する高周波発振回路と、
前記２つの磁気インピーダンス素子のそれぞれの両端から取り出された信号を検波する２つの検波回路と、
該２つの検波回路の出力信号を差動増幅する差動増幅回路を有し、
該差動増幅回路の出力信号を電流検出信号として出力する構成、及び、
上記本発明に係る電流センサーであって、上記バイアスコイルを配置した構成の電流センサーと、
該電流センサーの前記バイアスコイルに交流バイアス電流を印加するバイアス印加回路と、
前記２つの磁気検出素子に高周波電流を印加する高周波発振回路と、
前記２つの磁気検出素子のそれぞれの両端から取り出された信号を検波する２つの検波回路と、
該２つの検波回路の出力信号を差動増幅する第１の差動増幅回路と、
該第１の差動増幅回路の出力のプラスとマイナスのピーク電圧をそれぞれホールドする２つのピークホールド回路と、
該２つのピークホールド回路の出力信号を差動増幅する第２の差動増幅回路を有し、
該第２の差動増幅回路の出力信号を電流検出信号として出力する構成を採用した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
〈第１の実施形態〉
本発明による電流センサーとこれを用いた電流検出装置の第１の実施形態を図１〜３により説明する。
【００１６】
図１（ａ）は、本実施形態の電流センサーの構成を示している。電流センサー１は、回路基板１４上に実装された符号３〜１２で示す以下の各部材から構成される。
【００１７】
３は、磁気検出素子の基板としての非磁性基板である。
【００１８】
４ａ，４ｂは磁気検出素子を構成する磁気インピーダンス素子であり、同一の非磁性基板３の同一面上に、細長いつづら折り状パターンの磁性薄膜として形成されており、その長手方向を磁界検出方向として、それぞれの磁界検出方向を同方向として、その磁界検出方向に沿って並ぶように配置されている。磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの互いに対向する内側の端どうしは接続されており、その接続部から共通の電極５ｃが引き出されて形成されており、また、同素子４ａ，４ｂのそれぞれの他端には電極５ａ，５ｂが形成されている（図１（ｂ）参照）。非磁性基板３は、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの形成されている面が回路基板１４に対して垂直になる向きで回路基板１４上に配置され、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの３個の電極５ａ〜５ｃが回路基板１４に直接に半田付けされることにより、非磁性基板３が回路基板１４上に実装される。
【００１９】
６ａ，６ｂは、被測定電流を通電する被測定電流路としてのコイルであり、それぞれの中心軸方向が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの磁界検出方向に沿うようにして、その磁界検出方向に沿って並んで同素子４ａ，４ｂのそれぞれを包囲するように、同素子４ａ，４ｂの周囲（非磁性基板３の周囲）に巻回されている。このコイル６ａ，６ｂは図１（ｂ）に示すように直列に接続されているが、互いに逆回りに巻回されている。
【００２０】
８は、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂに対してバイアス磁界を印加するためのバイアスマグネット（永久磁石）であり、非磁性基板３において磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの形成された面と反対側の面に設けられている。
【００２１】
１２は、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂを外乱となる外部磁界から磁気シールドするためのシールドである。
【００２２】
次に、図１（ｂ）は上記構成からなる電流センサー１の動作原理の説明図である。電流検出時には、外乱磁界中で、上記の互いに逆回りに巻回された２つのコイル６ａ，６ｂに被測定電流が通電される。これにより、コイル６ａ，６ｂの夫々から互いに逆方向の磁界±ΔＨが発生してそれぞれが磁気インピーダンス素子６ａ，６ｂに印加され、図１（ｂ）中のグラフに示すような磁界の勾配が磁気インピーダンス素子６ａ，６ｂの近傍に形成される。この磁界の勾配の位置による磁界の差を２つの磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂで差動検出する。
【００２３】
ここで、被測定電流により形成される磁界の勾配は局所的なものであるため、外乱磁界と正確に分離することができる。また、その磁界を差動検出する２つの磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂは、同一の非磁性基板３の同一面上に隣接して磁性薄膜として成膜されたものであるため、磁界−インピーダンス特性、感度、温度特性などにおいて、２つの素子４ａ，４ｂの間で殆ど差がない。このため、非常に高精度な差動検出を行うことができる。これにより、被測定電流による磁界が外乱磁界に対して非常に微小な磁界であっても、その磁界を正確に検出することが可能になり、磁気インピーダンス素子の高感度な磁界検出能力を有効に利用して、直流からの広い周波数域でμＡオーダーの電流検出が可能になる。
【００２４】
また、本実施形態の電流センサー１では、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの電極５ａ〜５ｃを回路基板１４に直接に半田付けすることにより、同素子４ａ，４ｂと非磁性基板３とバイアスマグネット８から構成される磁気検出素子が回路基板１４に実装されるので、磁気検出素子を実装するためのホルダー等が不要であり、構成を簡単にすることができ、また、直接実装により電流センサーの組み付けをさらに容易にすることができる。
【００２５】
次に、図２は、上述した図１の電流センサー１を用いた電流検出装置２の回路構成を示している。ここに示すように、電流検出装置２は、電流センサーの磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂに高周波電流を印加する高周波発振回路２０と、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの両端から取り出された信号を検波する検波回路２２ａ，２２ｂと、この検波回路２２ａ，２２ｂの出力信号を差動増幅する差動増幅回路２４で構成されている。
【００２６】
この構成で、電流検出時には、被測定電流が電流センサーのコイル６ａ，６ｂに通電されるとともに、高周波発振回路２０から高周波電流が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂに印加される。コイル６ａ，６ｂから発生する磁界と外乱となる外部磁界、及びバイアスマグネット８のバイアス磁界に応じて磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂのそれぞれの両端間のインピーダンスが変化し、高周波電流の振幅電圧が変化する。その信号が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの両端から取り出されて検波回路２２ａ，２２ｂにより検波され、さらに検波回路２２ａ，２２ｂの出力信号が差動増幅回路２４で差動増幅され、差動増幅回路２４の出力信号が電流検出信号として出力される。
【００２７】
ここで、上述した理由により、被測定電流による磁界が外乱磁界に対して非常に微小な磁界であっても、その磁界を磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂによる差動検出で正確に検出することができ、直流からの広い周波数域でμＡオーダーの微小な電流を正確に検出することができる。
【００２８】
図３は、電流検出装置２による微小電流の測定例を示すものであり、１０μＡ，１０Ｈｚの電流を検出したときのものである。下側の信号は被測定電流値に対応した電圧であり、上側の信号が電流検出装置の出力である。この上側の信号波形が下側の信号波形に正確に対応しており、上述した図１の電流センサー１と図２の電流検出装置２の構成により、外乱磁界に埋もれている微小電流の磁界を正確に分離、検出し、μＡオーダーの電流分解能を実現していることがわかる。
【００２９】
〈第２の実施形態〉
次に、本発明の第２の実施形態を図４により説明する。図４は、第２の実施形態における電流センサーの構成を示している。図４において、第１の実施形態の図１中と共通もしくは相当する部分には共通の符号を付してあり、共通部分の説明は省略する。これは後述する第３の実施形態の図５においても同様とする。また、第２の実施形態における電流検出装置の電流センサーの駆動及び信号処理回路の構成は第１の実施形態の回路構成と共通とし、その図示と説明は省略する。
【００３０】
図４に示す電流センサー１の構成において、第１の実施形態と異なる点として、まずバイアスマグネット８は、硬磁性薄膜からなるものとして、非磁性基板３の磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂを形成した面の反対側の面に形成されている。
【００３１】
また、被測定電流路であるコイル６ａ，６ｂは、コイルボビン９に巻回されており、このコイルボビン９は、回路基板１４上で非磁性基板３の磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂを形成した面の側の近傍に配置されている。すなわち、コイル６ａ，６ｂは、第１の実施形態のように磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂを包囲しておらず、同素子４ａ，４ｂの片側近傍に配置されている。なお、コイル６ａ，６ｂは、それぞれの中心軸方向（コイルボビン９の中心軸方向）が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの磁界検出方向に沿うようにして、その磁界検出方向に沿って並ぶように配置される。
【００３２】
このような、本実施形態の電流センサー１の構成によれば、コイル６ａ，６ｂを巻回したコイルボビン９、及び磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂとバイアスマグネット８を設けた非磁性基板３というチップ形状の２個の部品から成り、それぞれを電流検出装置の電流センサーの駆動及び信号処理回路と共に回路基板１４に直接実装することができるため、電子機器等への組み込みが非常に容易である。
【００３３】
また、コイル６ａ，６ｂの径を小さくでき、それに伴ってコイル６ａ，６ｂの銅線の長さも短くできるため、コイル６ａ，６ｂの抵抗とインダクタンスを小さく設定でき、被測定電流路に挿入される負荷を小さくすることができる。
【００３４】
さらに、バイアスマグネット８が硬磁性薄膜として形成されることにより、バイアスマグネットの設置及び位置調整作業が不要になり、電流センサーの構成を簡単にすることができる。また、２つの磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂにおいて、バイアスマグネット８の設置位置の誤差によるバイアス磁界のずれを無くすことができる。
【００３５】
〈第３の実施形態〉
次に、本発明の第３の実施形態を図５〜７により説明する。
【００３６】
図５は第３の実施形態による電流センサー１の構成を示している。ここに示す電流センサー１の構成では、第１の実施形態におけるバイアスマグネット８の代わりに、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂにバイアス磁界を印加するためのバイアスコイル１０を被測定電流路のコイル６ａ，６ｂの間に配置し、非磁性基板３の周囲に巻回している。これ以外の部分の構成は第１の実施形態の図１の構成と同様である。
【００３７】
図６は、図５の電流センサー１を用いた第３の実施形態の電流検出装置２の回路構成を示している。この構成では、バイアスコイル１０に交流バイアス電流を印加するＡＣバイアス印加回路２８、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂに高周波電流を印加する高周波発振回路２０、磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの両端から取り出された信号を検波する検波回路２２ａ，２２ｂ、この検波回路２２ａ，２２ｂの出力信号を差動増幅する第１の差動増幅回路２４ａ、この差動増幅回路２４ａの出力の交流バイアスに対応したプラスとマイナスのピーク電圧をホールドするピークホールド回路２６ａ，２６ｂ、このピークホールド回路２６ａ，２６ｂの出力信号を差動増幅する第２の差動増幅回路２４ｂを有している。
【００３８】
ところで、磁気インピーダンス素子の磁界に対するインピーダンス変化、即ち検波回路の出力の特性は、図７（ａ）に示すような曲線で、基本的に直線ではない。このため、広いレンジの電流検出、即ち広いレンジの磁界検出を行う場合には、通常の固定バイアス磁界を用いる方法では直線性を確保できない。そこで、図７（ａ）に示すように矩形波のバイアス磁界を加え、出力特性上の磁界のプラス側とマイナス側の２つの動作点Ｖｐ（＋），Ｖｐ（−）の差ΔＶｐを検出することにより、図７（ｂ）に示すように磁界に対する直線性を確保することができる。本実施形態のように、差動の２つの磁気インピーダンス素子を用いる場合も同様で、同じ矩形波磁界を加えれば、図７（ｂ）の出力特性を持った２つの素子で差動検出を行ったのと同じことになり、直線性の良い差動検出ができる。
【００３９】
すなわち、上記の図６の構成で、電流検出時には、被測定電流が電流センサーのコイル６ａ，６ｂに通電され、高周波発振回路２０から高周波電流が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂに印加されるとともに、ＡＣバイアス印加回路２８から交流バイアス電流がバイアスコイル１０に印加され、これによりバイアスコイル１０から矩形波のバイアス磁界が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂに印加される。コイル６ａ，６ｂから発生する磁界と外乱となる外部磁界とバイアス磁界に応じて磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂのそれぞれの両端間のインピーダンスが変化し、高周波電流の振幅電圧が変化する。そのそれぞれの信号が磁気インピーダンス素子４ａ，４ｂの両端から取り出されて検波回路２２ａ，２２ｂにより検波され、差動増幅回路２４ａで差動増幅される。さらに、差動増幅回路２４ａの出力信号のプラス側とマイナス側のピーク電圧がピークホールド回路２６ａ，２６ｂによりホールドされる。そして、ピークホールド回路２６ａ，２６ｂの出力信号が差動増幅回路２４ｂで差動増幅され、この回路２４ｂの出力信号が電流検出信号として出力される。
【００４０】
以上のような本実施形態によれば、上述のように交流バイアス電流による交流バイアス磁界の印加によって、被測定電流に対する出力の直線性を向上させることができ、より広いレンジの電流検出を行なうことができる。
【００４１】
なお、本実施形態において、被測定電流が通電される２つのコイル６ａ，６ｂにおいて、交流バイアス磁界による誘導起電力は互いに逆方向に生じて相殺されるため、交流バイアス磁界が被測定電流に影響を与えることはない。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、外乱磁界の中でも微小電流による微小な磁界を正確に検出することができ、磁気インピーダンス素子の高感度な磁界検出能力を有効に利用して、直流からの広い周波数域でμＡオーダーの電流検出が可能であり、しかも回路基板への実装が容易な優れた電流センサー、及びこのセンサーとその駆動及び信号処理回路からなる電流検出装置を提供することができ、動力制御の高精度化や電子機器の高性能化に貢献することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態における電流センサーの構成を示す斜視図、（ｂ）は同センサーの動作の説明図である。
【図２】同実施形態における電流検出装置の回路構成を示すブロック回路図である。
【図３】同検出装置による電流検出例を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における電流センサーの構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施形態における電流センサーの構成を示す斜視図である。
【図６】同実施形態における電流検出装置の回路構成を示すブロック回路図である。
【図７】同検出装置における交流バイアス磁界を用いた検出方法を説明する線図である。
【図８】従来の電流センサーの構成を示す概略構成図である。
【図９】他の従来の電流センサーの構成を示す斜視図である。
【図１０】さらに他の従来の電流センサーの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１電流センサー
２電流検出装置
３非磁性基板
４ａ，４ｂ磁気インピーダンス素子
５ａ〜５ｃ電極
６ａ，６ｂ被測定電流路のコイル
８バイアスマグネット
９コイルボビン
１０バイアスコイル
１２シールド
１４回路基板
２０高周波発振回路
２２ａ，２２ｂ検波回路
２４，２４ａ，２４ｂ差動増幅回路
２６ａ，２６ｂピークホールド回路
２８ＡＣバイアス印加回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a current sensor that is incorporated in electronic equipment and used for current monitoring and control, in particular, a magnetic detection type that uses a magnetic detection element and detects a minute current by inserting it into a current path of a circuit board or the like. And a current detection device comprising the current sensor and its driving and signal processing circuit.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the reduction in power consumption of electronic devices and the increase in accuracy of power control, the current used has become very small, and a more sensitive current sensor has become necessary. Further, electronic devices are required to have a small and intelligent performance, and a highly sensitive current sensor that can be easily mounted on a circuit board or the like is required.
[0003]
Various conventional microcurrent sensors using magnetic detection elements have been proposed, but the basic configuration is almost the same. That is, as shown in FIG. 8, a magnetic current core having a gap is wound or penetrated through a measured current path through which a current to be measured flows, and a magnetic flux change due to the measured current is installed in the gap portion of the magnetic core. It is detected by a magnetic detection element. Hall elements are mainly used as magnetic detection elements, but there are other elements that use magnetoresistive elements. Also, there is a system that does not use a magnetic core, and the current path to be measured is formed as a coil pattern as shown in FIG. 9 and a magnetic detection element is installed on the coil pattern, or a linear shape as shown in FIG. Some have magnetic detection elements installed on both sides of the current path to be measured.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional current sensor using a Hall element or a magnetoresistive element as the magnetic detection element, the sensitivity of the magnetic detection element is low, and even if the magnetic flux is concentrated on the magnetic core, detection of several mA is the limit. Detection of a minute current is almost impossible with a system that does not use a magnetic core.
[0005]
On the other hand, as a method for detecting a minute current on the order of μA, a method using a magnetic impedance element as a magnetic detection element is conceivable. A magneto-impedance element is a device in which the impedance between both ends of an element body changes in response to an external magnetic field when a high-frequency current is applied to the element body made of a magnetic material. Therefore, there is a possibility that a more sensitive current sensor can be realized.
[0006]
However, when a magnetic impedance element is used as the magnetic detection element in the method of inserting the magnetic detection element into the gap of the magnetic core as shown in FIG. 8, the magnetic field detection direction of the magnetic impedance element is the longitudinal direction of the element. The width becomes very large, and only a sensitivity equivalent to that of a conventional sensor can be obtained. Even in a method that does not use a magnetic core, in the configuration in which elements are arranged on both sides of the current path to be measured as shown in FIG. 10, the longitudinal direction of the magnetic impedance element needs to be arranged perpendicular to the current path. Even if the element and the current path are brought close to each other, a magnetic field is applied only to a part of the element and almost no sensitivity can be obtained. The same applies to the method of FIG.
[0007]
In addition, when detecting a minute current, the disturbance magnetic field is very large compared to the magnetic field caused by the current to be measured. Therefore, not only is the sensitivity high, but the magnetic field due to the current being measured is separated accurately. Must be able to detect only. Further, when the disturbance magnetic field is removed by differential detection using two magnetic detection elements, the sensitivity, temperature characteristics, etc. of the magnetic detection elements usually vary, and this becomes a large error factor in the detection of a minute current. In particular, current detection is impossible in a direct current or low frequency range. That is, in order to enable detection on the order of μA, it is indispensable to improve the sensitivity and not to cause an error due to disturbance magnetic field and variation in characteristics of the magnetic detection element.
[0008]
In view of the above circumstances, the present invention is a current sensor using a high-sensitivity magneto-impedance element, which can accurately detect a magnetic field caused by a minute current even in a disturbance magnetic field, thereby detecting a minute current on the order of μA. It is another object of the present invention to provide a current sensor that can be easily mounted on a circuit board, and a current detection device that includes the current sensor and its drive and signal processing circuit.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to the present invention, as the configuration of the current sensor,
Two coils for passing the current to be measured,
Two magneto-impedance elements for differentially detecting the magnetic field generated by the two coils;
The two magneto-impedance elements are composed of magnetic thin films formed on the same surface of the same non-magnetic substrate, and are arranged so as to be aligned along the magnetic field detection direction with the same magnetic field detection direction as the same direction.
The two coils are configured to apply magnetic fields in opposite directions to the two magnetoimpedance elements when the current to be measured is supplied.
[0010]
As a more specific configuration,
The two coils are arranged so that the central axis directions thereof are along the magnetic field detection direction of the two magnetoimpedance elements, and are arranged side by side along the magnetic field detection direction so as to surround each of the magnetoimpedance elements. A configuration wound around an impedance element, and
The two coils are wound around a coil bobbin disposed in the vicinity of the surface of the non-magnetic substrate on which the magneto-impedance element is formed so that the respective central axis directions are along the magnetic field detection direction of the magneto-impedance element. Thus, a configuration was adopted that was arranged along the magnetic field detection direction.
[0011]
Further, a configuration is adopted in which the electrodes formed on both ends of each of the two magnetic impedance elements are soldered directly to a circuit board on which the current sensor is mounted.
[0012]
Also, a configuration in which a permanent magnet for applying a bias magnetic field to the magnetic impedance element is provided on the surface opposite to the surface on which the magnetic impedance element is provided in the nonmagnetic substrate, more preferably the permanent magnet. Is composed of a hard magnetic thin film, and
A configuration is adopted in which a bias coil for applying a bias magnetic field to the magneto-impedance element is disposed between the two coils.
[0013]
Further, as a configuration of the current detection device, the current sensor according to the present invention, a current sensor other than the configuration in which the bias coil is arranged, and
A high frequency oscillation circuit for applying a high frequency current to the two magnetic impedance elements;
Two detection circuits for detecting signals taken from both ends of each of the two magnetic impedance elements;
A differential amplifier circuit for differentially amplifying the output signals of the two detector circuits;
A configuration for outputting an output signal of the differential amplifier circuit as a current detection signal; and
The current sensor according to the present invention, the current sensor having a configuration in which the bias coil is disposed;
A bias application circuit for applying an AC bias current to the bias coil of the current sensor;
A high-frequency oscillation circuit for applying a high-frequency current to the two magnetic detection elements;
Two detection circuits for detecting signals taken from both ends of the two magnetic detection elements;
A first differential amplifier circuit for differentially amplifying the output signals of the two detector circuits;
Two peak hold circuits for holding the positive and negative peak voltages of the output of the first differential amplifier circuit, respectively;
A second differential amplifier circuit for differentially amplifying the output signals of the two peak hold circuits;
A configuration is adopted in which the output signal of the second differential amplifier circuit is output as a current detection signal.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0015]
<First Embodiment>
A first embodiment of a current sensor according to the present invention and a current detection device using the current sensor will be described with reference to FIGS.
[0016]
FIG. 1A shows the configuration of the current sensor of this embodiment. The current sensor 1 includes the following members indicated by reference numerals 3 to 12 mounted on the circuit board 14.
[0017]
Reference numeral 3 denotes a nonmagnetic substrate as a substrate of the magnetic detection element.
[0018]
4a and 4b are magneto-impedance elements constituting a magnetic detection element, which are formed as a magnetic thin film having a long and narrow zigzag pattern on the same surface of the same non-magnetic substrate 3, and the longitudinal direction is defined as a magnetic field detection direction. Each magnetic field detection direction is the same direction, and the magnetic field detection directions are arranged along the magnetic field detection direction. The mutually opposite inner ends of the magneto-impedance elements 4a and 4b are connected to each other, and a common electrode 5c is drawn out from the connecting portion, and the other ends of the elements 4a and 4b are connected to each other. Are formed with electrodes 5a and 5b (see FIG. 1B). The non-magnetic substrate 3 is disposed on the circuit board 14 in a direction in which the surface on which the magnetic impedance elements 4a and 4b are formed is perpendicular to the circuit board 14, and the three electrodes 5a of the magnetic impedance elements 4a and 4b. ˜5c is directly soldered to the circuit board 14, so that the nonmagnetic substrate 3 is mounted on the circuit board 14.
[0019]
Reference numerals 6a and 6b denote coils as current paths to be measured for passing a current to be measured, and the direction of the central axis is along the magnetic field detection direction of the magnetic impedance elements 4a and 4b, along the magnetic field detection direction. It is wound around the elements 4a and 4b (around the nonmagnetic substrate 3) so as to surround the elements 4a and 4b side by side. The coils 6a and 6b are connected in series as shown in FIG. 1B, but are wound in the opposite directions.
[0020]
Reference numeral 8 denotes a bias magnet (permanent magnet) for applying a bias magnetic field to the magnetic impedance elements 4a and 4b. The nonmagnetic substrate 3 has a surface opposite to the surface where the magnetic impedance elements 4a and 4b are formed. Is provided.
[0021]
Reference numeral 12 denotes a shield for magnetically shielding the magnetic impedance elements 4a and 4b from an external magnetic field that becomes a disturbance.
[0022]
Next, FIG.1 (b) is explanatory drawing of the operation principle of the current sensor 1 which consists of the said structure. At the time of current detection, a current to be measured is supplied to the two coils 6a and 6b wound in the opposite directions in the disturbance magnetic field. Thereby, magnetic fields ± ΔH in opposite directions are generated from the coils 6a and 6b, respectively, and are applied to the magnetic impedance elements 6a and 6b, respectively, and the gradient of the magnetic field as shown in the graph of FIG. It is formed in the vicinity of the impedance elements 6a and 6b. The difference of the magnetic field due to the position of the magnetic field gradient is differentially detected by the two magneto-impedance elements 4a and 4b.
[0023]
Here, since the gradient of the magnetic field formed by the current to be measured is local, it can be accurately separated from the disturbance magnetic field. Further, the two magnetic impedance elements 4a and 4b for differentially detecting the magnetic field are formed as magnetic thin films adjacent to the same surface of the same nonmagnetic substrate 3, so that the magnetic field-impedance characteristics, There is almost no difference between the two elements 4a and 4b in sensitivity and temperature characteristics. For this reason, very accurate differential detection can be performed. As a result, even if the magnetic field due to the current under measurement is very small compared to the disturbance magnetic field, it is possible to detect the magnetic field accurately and effectively use the highly sensitive magnetic field detection capability of the magneto-impedance element. Using this, it is possible to detect a current in the μA order in a wide frequency range from DC.
[0024]
Further, in the current sensor 1 of the present embodiment, the electrodes 5 a to 5 c of the magnetic impedance elements 4 a and 4 b are directly soldered to the circuit board 14, so that the elements 4 a and 4 b, the nonmagnetic substrate 3, and the bias magnet 8 are used. Since the magnetic detection element to be configured is mounted on the circuit board 14, a holder or the like for mounting the magnetic detection element is unnecessary, the configuration can be simplified, and the current sensor can be assembled by direct mounting. It can be made easier.
[0025]
Next, FIG. 2 shows a circuit configuration of a current detection device 2 using the above-described current sensor 1 of FIG. As shown here, the current detection device 2 includes a high-frequency oscillation circuit 20 that applies a high-frequency current to the magnetic impedance elements 4a and 4b of the current sensor, and a detection that detects signals extracted from both ends of the magnetic impedance elements 4a and 4b. Circuits 22a and 22b and a differential amplifier circuit 24 that differentially amplifies the output signals of the detector circuits 22a and 22b.
[0026]
With this configuration, at the time of current detection, a current to be measured is passed through the coils 6a and 6b of the current sensor, and a high-frequency current is applied from the high-frequency oscillation circuit 20 to the magnetic impedance elements 4a and 4b. The impedance between both ends of the magnetic impedance elements 4a and 4b changes according to the magnetic field generated from the coils 6a and 6b, the external magnetic field that becomes a disturbance, and the bias magnetic field of the bias magnet 8, and the amplitude voltage of the high-frequency current changes. . The signals are taken out from both ends of the magnetic impedance elements 4a and 4b and detected by the detection circuits 22a and 22b, and the output signals of the detection circuits 22a and 22b are differentially amplified by the differential amplifier circuit 24. Is output as a current detection signal.
[0027]
Here, for the reasons described above, even if the magnetic field due to the current to be measured is very small compared to the disturbance magnetic field, the magnetic field can be accurately detected by differential detection using the magnetic impedance elements 4a and 4b. A minute current of the order of μA can be accurately detected in a wide frequency range from DC.
[0028]
FIG. 3 shows a measurement example of a minute current by the current detection device 2, and is when a current of 10 μA, 10 Hz is detected. The lower signal is a voltage corresponding to the measured current value, and the upper signal is the output of the current detector. The upper signal waveform accurately corresponds to the lower signal waveform, and the configuration of the current sensor 1 in FIG. 1 and the current detection device 2 in FIG. It can be seen that the current is accurately separated and detected, and a current resolution on the order of μA is realized.
[0029]
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the configuration of the current sensor in the second embodiment. In FIG. 4, portions common to or corresponding to those in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by common reference numerals, and description of the common portions is omitted. The same applies to FIG. 5 of the third embodiment described later. The configuration of the current sensor driving and signal processing circuit of the current detection device in the second embodiment is the same as the circuit configuration of the first embodiment, and illustration and description thereof are omitted.
[0030]
In the configuration of the current sensor 1 shown in FIG. 4, as a point different from the first embodiment, first, the bias magnet 8 is made of a hard magnetic thin film, and the surface on which the magnetic impedance elements 4a and 4b of the nonmagnetic substrate 3 are formed. Is formed on the opposite side of the surface.
[0031]
The coils 6a and 6b, which are current paths to be measured, are wound around a coil bobbin 9. The coil bobbin 9 is on the side of the surface on which the magnetic impedance elements 4a and 4b of the nonmagnetic substrate 3 are formed on the circuit board 14. It is arranged in the vicinity. That is, the coils 6a and 6b do not surround the magnetic impedance elements 4a and 4b as in the first embodiment, but are disposed in the vicinity of one side of the elements 4a and 4b. The coils 6a and 6b are arranged so that the respective central axis directions (the central axis direction of the coil bobbin 9) are along the magnetic field detection direction of the magnetic impedance elements 4a and 4b, and are aligned along the magnetic field detection direction. The
[0032]
According to such a configuration of the current sensor 1 of the present embodiment, the chip bobbin 9 around which the coils 6a and 6b are wound, and the non-magnetic substrate 3 provided with the magnetic impedance elements 4a and 4b and the bias magnet 8 are formed. Since it consists of two parts, each can be directly mounted on the circuit board 14 together with the drive of the current sensor of the current detection device and the signal processing circuit, it is very easy to incorporate into an electronic device or the like.
[0033]
Further, since the diameters of the coils 6a and 6b can be reduced and the lengths of the copper wires of the coils 6a and 6b can be reduced accordingly, the resistance and inductance of the coils 6a and 6b can be set small and inserted into the current path to be measured. The load can be reduced.
[0034]
Further, since the bias magnet 8 is formed as a hard magnetic thin film, it is not necessary to install and position the bias magnet, and the configuration of the current sensor can be simplified. Further, in the two magnetic impedance elements 4a and 4b, the deviation of the bias magnetic field due to the error in the installation position of the bias magnet 8 can be eliminated.
[0035]
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0036]
FIG. 5 shows a configuration of the current sensor 1 according to the third embodiment. In the configuration of the current sensor 1 shown here, instead of the bias magnet 8 in the first embodiment, a bias coil 10 for applying a bias magnetic field to the magneto-impedance elements 4a and 4b is used as coils 6a and 6b in the current path to be measured. And is wound around the non-magnetic substrate 3. The configuration of the other parts is the same as the configuration of FIG. 1 of the first embodiment.
[0037]
FIG. 6 shows a circuit configuration of the current detection device 2 of the third embodiment using the current sensor 1 of FIG. In this configuration, an AC bias application circuit 28 that applies an AC bias current to the bias coil 10, a high-frequency oscillation circuit 20 that applies a high-frequency current to the magnetic impedance elements 4a and 4b, and signals extracted from both ends of the magnetic impedance elements 4a and 4b. Detection circuits 22a and 22b, first differential amplification circuit 24a that differentially amplifies the output signals of the detection circuits 22a and 22b, and positive and negative corresponding to the AC bias of the output of the differential amplification circuit 24a Peak hold circuits 26a and 26b for holding the peak voltage, and a second differential amplifier circuit 24b for differentially amplifying the output signals of the peak hold circuits 26a and 26b are provided.
[0038]
Incidentally, the impedance change with respect to the magnetic field of the magneto-impedance element, that is, the output characteristic of the detection circuit is a curve as shown in FIG. For this reason, when performing wide range current detection, that is, wide range magnetic field detection, linearity cannot be ensured by a method using a normal fixed bias magnetic field. Therefore, as shown in FIG. 7A, a rectangular-wave bias magnetic field is applied to detect the difference ΔVp between the two operating points Vp (+) and Vp (−) of the magnetic field on the output characteristics. As a result, the linearity with respect to the magnetic field can be ensured as shown in FIG. The same applies to the case where two differential magneto-impedance elements are used as in the present embodiment. If the same rectangular wave magnetic field is applied, differential detection is performed with the two elements having the output characteristics shown in FIG. It is the same as the above, and differential detection with good linearity can be performed.
[0039]
That is, in the configuration of FIG. 6 described above, at the time of current detection, the current to be measured is supplied to the coils 6a and 6b of the current sensor, the high frequency current is applied from the high frequency oscillation circuit 20 to the magnetic impedance elements 4a and 4b, and AC An AC bias current is applied to the bias coil 10 from the bias application circuit 28, whereby a rectangular wave bias magnetic field is applied from the bias coil 10 to the magnetic impedance elements 4a and 4b. The impedance between both ends of the magnetic impedance elements 4a and 4b changes according to the magnetic field generated from the coils 6a and 6b, the external magnetic field as a disturbance, and the bias magnetic field, and the amplitude voltage of the high-frequency current changes. The respective signals are taken out from both ends of the magnetic impedance elements 4a and 4b, detected by the detection circuits 22a and 22b, and differentially amplified by the differential amplifier circuit 24a. Further, the positive and negative peak voltages of the output signal of the differential amplifier circuit 24a are held by the peak hold circuits 26a and 26b. The output signals of the peak hold circuits 26a and 26b are differentially amplified by the differential amplifier circuit 24b, and the output signal of the circuit 24b is output as a current detection signal.
[0040]
According to the present embodiment as described above, the linearity of the output with respect to the current to be measured can be improved by applying the AC bias magnetic field by the AC bias current as described above, and a wider range of current detection can be performed. Can do.
[0041]
In the present embodiment, in the two coils 6a and 6b through which the current to be measured is passed, the induced electromotive force due to the AC bias magnetic field is generated in the opposite direction and cancels out. Therefore, the AC bias magnetic field affects the current to be measured. Never give.
[0042]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, a minute magnetic field due to a minute current can be accurately detected even in a disturbance magnetic field, and the highly sensitive magnetic field detection capability of the magneto-impedance element is effectively utilized. Provided is an excellent current sensor capable of detecting a current in the order of μA in a wide frequency range from a direct current and easily mounted on a circuit board, and a current detection device comprising this sensor, its drive, and a signal processing circuit. Therefore, it is possible to obtain an excellent effect that it is possible to contribute to higher accuracy of power control and higher performance of electronic equipment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view showing a configuration of a current sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an explanatory view of the operation of the sensor.
FIG. 2 is a block circuit diagram showing a circuit configuration of the current detection device in the same embodiment;
FIG. 3 is a graph showing an example of current detection by the detection device.
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a current sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a current sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block circuit diagram showing a circuit configuration of the current detection device in the same embodiment;
FIG. 7 is a diagram for explaining a detection method using an AC bias magnetic field in the detection apparatus.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a conventional current sensor.
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of another conventional current sensor.
FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of still another conventional current sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Current sensor 2 Current detection apparatus 3 Nonmagnetic board | substrate 4a, 4b Electromagnetic impedance element 5a-5c Electrode 6a, 6b Coil 8 of a to-be-measured current path Bias magnet 9 Coil bobbin 10 Bias coil 12 Shield 14 Circuit board 20 High frequency oscillation circuit 22a, 22b Detection circuits 24, 24a, 24b Differential amplification circuits 26a, 26b Peak hold circuit 28 AC bias application circuit

Claims

Two coils for passing the current to be measured,
Two magneto-impedance elements for differentially detecting the magnetic field generated by the two coils;
The two magneto-impedance elements are composed of magnetic thin films formed on the same surface of the same non-magnetic substrate, and are arranged so as to be aligned along the magnetic field detection direction with the same magnetic field detection direction as the same direction.
The current sensor, wherein the two coils are configured to apply magnetic fields in opposite directions to the two magneto-impedance elements when the current to be measured is supplied.

The two coils are arranged so that their central axis directions are along the magnetic field detection direction of the two magnetoimpedance elements, and are arranged side by side along the magnetic field detection direction so as to surround each of the magnetoimpedance elements. The current sensor according to claim 1, wherein the current sensor is wound around an impedance element.

The two coils are wound around a coil bobbin disposed in the vicinity of the surface of the non-magnetic substrate on which the magneto-impedance element is formed so that the respective central axes are along the magnetic field detection direction of the magneto-impedance element. The current sensor according to claim 1, wherein the current sensor is arranged so as to be aligned along the magnetic field detection direction.

4. The current according to claim 1, wherein electrodes formed at both ends of each of the two magneto-impedance elements are directly soldered to a circuit board on which a current sensor is mounted. 5. sensor.

5. The permanent magnet for applying a bias magnetic field to the magneto-impedance element is provided on a surface of the nonmagnetic substrate opposite to the surface on which the magneto-impedance element is provided. The current sensor according to any one of the above.

The current sensor according to claim 5, wherein the permanent magnet is formed of a hard magnetic thin film.

5. The current sensor according to claim 1, wherein a bias coil for applying a bias magnetic field to the magneto-impedance element is disposed between the two coils. 6.

The current sensor according to any one of claims 1 to 6, and
A high frequency oscillation circuit for applying a high frequency current to the two magnetic impedance elements;
Two detection circuits for detecting signals taken from both ends of each of the two magnetic impedance elements;
A differential amplifier circuit for differentially amplifying the output signals of the two detector circuits;
A current detection device that outputs an output signal of the differential amplifier circuit as a current detection signal.

A current sensor according to claim 7;
A bias application circuit for applying an AC bias current to the bias coil of the current sensor;
A high-frequency oscillation circuit for applying a high-frequency current to the two magnetic detection elements;
Two detection circuits for detecting signals taken from both ends of the two magnetic detection elements;
A first differential amplifier circuit for differentially amplifying the output signals of the two detector circuits;
Two peak hold circuits for holding the positive and negative peak voltages of the output of the first differential amplifier circuit, respectively;
A second differential amplifier circuit for differentially amplifying the output signals of the two peak hold circuits;
A current detection device that outputs an output signal of the second differential amplifier circuit as a current detection signal.