DE102021106661A1

DE102021106661A1 - Magnetischer Sensor und Verfahren zur Herstellung eines solchen, magnetische Steuervorrichtung und Verfahren zum Auslegen eines Stromsensors

Info

Publication number: DE102021106661A1
Application number: DE102021106661.1A
Authority: DE
Inventors: Makoto Takahashi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2021-09-23
Also published as: US11555834B2; CN113495183B; JP2021148636A; JP7215451B2; US20210293858A1; CN113495183A

Abstract

Ein Stromsensor enthält eine magnetische Erfassungseinheit, die in der Lage ist, den Magnetismus zu erfassen, eine erste magnetische Abschirmung und eine zweite magnetische Abschirmung, wobei die erste magnetische Abschirmung einen ersten Abschirmungsabschnitt und zwei zweite Abschirmungsabschnitte enthält, die jeweils in der Nähe der beiden Enden davon verbunden sind, die zweite magnetische Abschirmung einen dritten Abschirmungsabschnitt und zwei vierte Abschirmungsabschnitte enthält, die jeweils in der Nähe der beiden Enden davon verbunden sind, die zweite magnetische Abschirmung einen dritten Abschirmungsabschnitt und zwei vierte Abschirmungsabschnitte umfasst, die jeweils in der Nähe der beiden Enden davon verbunden sind, zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt und dem dritten Abschirmungsabschnitt ein Leiterplatzierungsbereich ist, und die magnetische Erfassungseinheit zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt und dem Leiterplatzierungsbereich positioniert ist und an einer Magnetfeldauslöschungsposition vorgesehen ist, wo das Magnetfeld in der zweiten Richtung zu nicht bestromten Zeiten im Wesentlichen Null ist, nachdem ein vorgeschriebener Strom in dem Leiter geflossen ist, in Bezug auf die Länge der zwei vierten Abschirmungsabschnitte entlang der dritten Richtung.

Description

[FACHGEBIET]
Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen, eine magnetische Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Auslegen eines Stromsensors.
[HINTERGRUND]
In der Vergangenheit wurden Stromsensoren zur Messung des Batteriestands, zur Messung des Motorantriebsstroms und zur Steuerung der Leistungselektronik, wie z. B. Umrichter, Wechselrichter oder ähnliches, in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV) und dergleichen eingesetzt. In solchen Stromsensoren wird der Strom, der in einem Leiter wie einer Stromschiene oder ähnlichem fließt, berührungslos durch ein magnetisches Erfassungselement wie z. B. ein MR-Element, Hall-Element oder ähnliches erfasst.
In einem Stromsensor wird das Magnetfeld, das vom Leiter aufgrund des fließenden Stroms erzeugt wird, durch das magnetische Erfassungselement erfasst, aber wenn ein Magnetfeld von außen an das magnetische Erfassungselement angelegt wird, verschlechtert sich die Erfassungsgenauigkeit des Stromsensors. Um diese Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit zu kontrollieren, wurde eine magnetische Abschirmung vorgeschlagen, die die Peripherie des Leiters und das magnetische Erfassungselement, wie z. B. ein MR-Element oder ein Hall-Element, umgibt. Um eine Verschlechterung der Stromerfassungsgenauigkeit zu verhindern, wenn ein im Spalt zwischen zwei magnetischen Abschirmungen entstehendes Magnetfeld diagonal auf ein Magnetron-Konversionselement einwirkt, offenbart die Patentliteratur 1, dass die Höhenposition des Spalts und die Höhenposition des durch das Magnetron-Konversionselement gebildeten Sensorsubstrats gleich sind.
[VERWANDTE LITERATUR]
[PATENTLITERATUR]
[PATENT LITERATUR 1] JP Patentanmeldung Nr. 2013-011469
[ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG]
[PROBLEM, DAS DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLL]
Durch die Bereitstellung einer magnetischen Abschirmung wie in dem oben beschriebenen herkömmlichen Stromsensor ist es möglich, dass die magnetische Abschirmung Magnetfelder von außen absorbiert, so dass es möglich ist, die Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit, die durch solche Magnetfelder verursacht wird, zu kontrollieren. Andererseits wird zumindest ein Teil des Magnetfeldes, das durch den zu messenden Strom erzeugt wird, der in dem Leiter wie der Stromschiene oder ähnlichem fließt, durch die magnetische Abschirmung absorbiert, aber da eine magnetische Abschirmung, die aus einem magnetischen Material besteht, eine Hystereseeigenschaft hat, bleibt ein Teil der Magnetisierung in der magnetischen Abschirmung, selbst wenn der Leiter in einem nicht bestromten Zustand ist. Das vom magnetischen Schirm aufgrund dieser Restmagnetisierung erzeugte Magnetfeld führt zu einer Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit im Stromsensor. Durch die Platzierung eines magnetischen Erfassungselements an der Stelle, an der das durch die Restmagnetisierung erzeugte Magnetfeld aus der magnetischen Abschirmung aufgehoben wird und die magnetische Feldstärke Null wird, kann die Erfassungsgenauigkeit im Stromsensor verbessert werden. Auf der anderen Seite, wenn eine größere Dünnheit des Stromsensors angestrebt wird, weil zwei U-förmige magnetische Abschirmungen in dem oben beschriebenen konventionellen Stromsensor einander gegenüberliegen, ist die Größe des Stromsensors eindeutig durch die Größe der magnetischen Abschirmungen bestimmt, was es schwierig macht, eine größere Dünnheit des Stromsensors zu erreichen.
In Anbetracht des Vorstehenden ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, Messfehler zu reduzieren, wenn der Leiter nicht bestromt ist, die Messgenauigkeit zu verbessern und die Dünnheit zu erhöhen, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen, sowie eine magnetische Steuervorrichtung, die mit diesem Stromsensor versehen ist, und ein Verfahren zum Auslegen eines Stromsensors.
[MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS]
Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Stromsensor zur Verfügung, der verwendet wird, um Magnetismus zu erfassen, der von einem Leiter erzeugt wird, in dem ein Strom in einer ersten Richtung fließt, wobei der Stromsensor umfasst: eine magnetische Erfassungseinheit, die in der Lage ist, den Magnetismus zu erfassen, eine erste magnetische Abschirmung und eine zweite magnetische Abschirmung. Die erste magnetische Abschirmung umfasst einen ersten Abschirmungsabschnitt und zwei durchgehende zweite Abschirmungsabschnitte, die sich jeweils in der Nähe von zwei Enden des ersten Abschnitts befinden. Die zweite magnetische Abschirmung umfasst einen dritten Abschirmungsabschnitt und zwei durchgehende vierte Abschirmungsabschnitte, die sich jeweils in der Nähe von zwei Enden des dritten Abschirmungsabschnitts befinden. Der erste Abschirmungsabschnitt und der dritte Abschirmungsabschnitt sind einander zugewandt und verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt und dem dritten Abschirmungsabschnitt befindet sich ein Leiterplatzierungsbereich, in dem der Leiter so platziert ist, dass die erste Richtung im Wesentlichen parallel zum ersten Abschirmungsabschnitt verläuft. In der Nähe der beiden Enden des ersten Abschirmungsabschnitts in einer zweiten Richtung, die orthogonal zur ersten Richtung ist, sind die beiden zweiten Abschirmungsabschnitte in Richtung der zweiten magnetischen Abschirmung durchgehend und im Wesentlichen parallel zu einer dritten Richtung, die orthogonal zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist. In der Nähe der beiden Enden des ersten Abschirmungsabschnitts in einer zweiten Richtung, die orthogonal zur ersten Richtung im dritten Abschirmungsabschnitt ist, sind die beiden vierten Abschirmungsabschnitte kontinuierlich in Richtung der ersten magnetischen Abschirmung und sind im Wesentlichen parallel zu der dritten Richtung, die orthogonal zur ersten Richtung und der zweiten Richtung ist. Die Länge des ersten Abschirmungsabschnitts entlang der zweiten Richtung ist größer als die Länge des dritten Abschirmungsabschnitts entlang der zweiten Richtung. Die magnetische Erfassungseinheit ist zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt und dem Leiterplatzierungsbereich angeordnet. Die magnetische Erfassungseinheit ist an einer Magnetfeldauslöschungsposition vorgesehen, an der das Magnetfeld in der zweiten Richtung zu nicht bestromten Zeiten im Wesentlichen Null ist, nachdem ein vorgeschriebener Strom im Leiter geflossen ist, bezogen auf die Länge der beiden vierten Abschirmungsabschnitt entlang der dritten Richtung.
Die Magnetfeldauslöschungsposition kann eine Position sein, die auf der Grundlage der Korrelation zwischen der Länge der beiden vierten Abschirmungsabschnitte in der dritten Richtung und einem Abstand vom Leiterplatzierungsbereich entlang der dritten Richtung bestimmt wird. Die Nähe des Endes der vierten Abschirmungsabschnitte kann die zweiten Abschirmungsabschnitte überlappen, wenn man sie entlang der zweiten Richtung betrachtet. Die magnetische Erfassungseinheit und der Leiterplatzierungsbereich können innerhalb eines Raums positioniert werden, der von dem dritten Abschirmungsabschnitt und den beiden vierten Abschirmungsabschnitten eingeschlossen wird, wenn in der ersten Richtung betrachtet. Die magnetische Erfassungseinheit und der Leiterplatzierungsbereich können entlang der dritten Richtung um 1,0 mm oder mehr voneinander getrennt sein. Die magnetische Erfassungseinheit und der erste Abschirmungsabschnitt können in der dritten Richtung um 1,0 - 2,0 mm voneinander getrennt sein.
Der Stromsensor kann ferner eine Leiterplatte mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, umfassen. Die erste Oberfläche der Leiterplatte ist dem ersten Abschirmungsabschnitt zugewandt, und die zweite Oberfläche der Leiterplatte ist dem dritten Abschirmungsabschnitt zugewandt. Die magnetische Erfassungseinheit ist auf der zweiten Oberfläche der Leiterplatte montiert. Zwischen der magnetischen Erfassungseinheit und der zweiten Oberfläche der Leiterplatte kann eine Höhenverstelleinheit vorgesehen sein. Eine Signalverarbeitungseinheit, die von der magnetischen Erfassungseinheit ausgegebene Erfassungssignale verarbeitet, kann auf der zweiten Oberfläche der Leiterplatte montiert werden.
Der Stromsensor kann ferner eine Leiterplatte mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, umfassen. Die erste Oberfläche der Leiterplatte ist dem ersten Abschirmungsabschnitt zugewandt, und die zweite Oberfläche der Leiterplatte ist dem dritten Abschirmungsabschnitt zugewandt. Die magnetische Erfassungseinheit ist auf der ersten Oberfläche der Leiterplatte montiert. Eine Signalverarbeitungseinheit, die von der magnetischen Erfassungseinheit ausgegebene Erfassungssignale verarbeitet, kann auf der ersten Oberfläche der Leiterplatte montiert werden.
Die magnetische Erfassungseinheit kann ein Element mit magnetoresistivem Effekt oder ein Hall-Element enthalten, und das Element mit magnetoresistivem Effekt kann ein GMR-Element oder ein TMR-Element sein. Der Stromsensor kann ferner eine abgedichtete Einheit umfassen, die die magnetische Erfassungseinheit, die erste magnetische Abschirmung und die zweite magnetische Abschirmung einstückig abdichtet, wobei der Leiterplatzierungsbereich ein Durchgangsloch ist, in das der Leiter eingeführt werden kann, das in der abgedichteten Einheit entlang der ersten Richtung ausgebildet ist, und der Leiter in dem Leiterplatzierungsbereich platziert werden kann.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein elektrisches Steuergerät zur Verfügung, das den oben beschriebenen Stromsensor umfasst.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auslegen des oben beschriebenen Stromsensors zur Verfügung, wobei das Verfahren zum Auslegen des Stroms so beschaffen ist, dass die Magnetfeldauslöschungsposition, an der die magnetische Erfassungseinheit innerhalb des Stromsensors vorgesehen ist, auf der Grundlage der Korrelation zwischen der Länge des vierten Abschirmungsabschnitts und dem Abstand vom Leiter entlang der dritten Richtung bestimmt wird.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Stromsensors zur Verfügung, wobei das Verfahren zur Herstellung des Stromsensors so beschaffen ist, dass die magnetische Erfassungseinheit an der Magnetfeldauslöschungsposition vorgesehen ist, die auf der Grundlage der Korrelation zwischen der Länge des vierten Abschirmungsabschnitts und dem Abstand von dem Leiterplatzierungsbereich entlang der dritten Richtung bestimmt wird.
Der Leiter kann im Leiterplatzierungsbereich platziert werden.
[WIRKSAMKEIT DER ERFINDUNG]
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Stromsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, Messfehler zu reduzieren, wenn der Leiter nicht bestromt ist, die Messgenauigkeit zu verbessern und die Dünnheit zu erhöhen, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen, sowie eine magnetische Steuervorrichtung, die mit diesem Stromsensor versehen ist, und ein Verfahren zum Auslegen eines Stromsensors.
Figurenliste

1 ist eine Endansicht, die eine schematische Konfiguration zeigt, wenn der Stromsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang einer ersten Richtung betrachtet wird.
2 ist eine Seitenansicht, die die schematische Konfiguration des in 1 gezeigten Stromsensors bei Betrachtung entlang einer zweiten Richtung zeigt.
3A ist eine Endansicht, die eine schematische Konfiguration zeigt, wenn ein anderer Aspekt des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird.
3B ist eine geschnittene Endansicht, die eine schematische Konfiguration zeigt, wenn ein anderer Aspekt des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird.
4A ist eine Endansicht, die eine schematische Konfiguration zeigt, wenn ein anderer Aspekt des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird.
4B ist eine geschnittene Endansicht, die eine schematische Konfiguration zeigt, wenn ein anderer Aspekt des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird.
5 ist ein Blockdiagramm, das den schematischen Aufbau des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Schaltplan, der den schematischen Aufbau eines Aspekts der Schaltungskonfiguration zeigt, die der Stromsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt.
7 ist eine Schrägansicht, die den schematischen Aufbau eines magnetoresistiven Effekt-Elements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht, die den schematischen Aufbau eines magnetoresistiven Effekt-Elements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine Querschnittsansicht, die die schematische Konfiguration zeigt, wenn ein anderer Aspekt des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird.
10 ist eine Schrägansicht, die den schematischen Aufbau des in 9 dargestellten Stromsensors zeigt.
11 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen der Länge des zweiten Abschirmungsabschnitts und der Magnetfeldauslöschungsposition im Stromsensor gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
12 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen der Länge des vierten Abschirmungsabschnitts und der Magnetfeldauslöschungsposition im Stromsensor gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
13 ist eine geschnittene Endansicht, die eine schematische Konfiguration zeigt, wenn ein anderer Aspekt des Stromsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird.

[AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG]
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind schematisch oder konzeptionell, und die Abmessungen der einzelnen Elemente, die Verhältnisse der Größen der Elemente und dergleichen sind nicht notwendigerweise die gleichen wie die der tatsächlichen. Darüber hinaus gibt es Zeiten, in denen die Abmessungen oder Verhältnisse in den Zeichnungen unterschiedlich dargestellt sind, selbst wenn das gleiche Element oder Ähnliches dargestellt ist. Außerdem können in den Zeichnungen, die dieser Spezifikation beigefügt sind, die Form, der Maßstab, das Seitenverhältnis usw. jedes Teils gegenüber dem tatsächlichen Produkt verändert oder übertrieben dargestellt sein, um das Verständnis zu erleichtern.
In dieser Ausführungsform werden in einer Reihe von Zeichnungen, je nach Bedarf, eine „erste Richtung“, „zweite Richtung“ und „dritte Richtung“ angegeben. Hier ist die erste Richtung die Richtung des im Leiter fließenden Stroms. Die zweite Richtung ist die Richtung der Breite des Leiters und ist eine Richtung orthogonal zur ersten Richtung. Die dritte Richtung ist die Richtung, die orthogonal zur ersten und zweiten Richtung ist.
1 ist eine geschnittene Endansicht, die die schematische Konfiguration zeigt, wenn der Stromsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der ersten Richtung betrachtet wird, und 2 ist eine Seitenansicht, die die schematische Konfiguration des in 1 gezeigten Stromsensors zeigt, wenn er entlang einer zweiten Richtung betrachtet wird. Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Stromsensor 1 eine magnetische Erfassungseinheit 2, die in der Lage ist, Magnetismus zu erfassen, eine erste magnetische Abschirmung 3 und eine zweite magnetische Abschirmung 4.
Die erste magnetische Abschirmung 3 umfasst einen ersten Abschirmungsabschnitt 31 und einen zweiten Abschirmungsabschnitt 32. Der zweite Abschirmungsabschnitt 32 ist in der Nähe von jedem der beiden Enden 31E des ersten Abschirmungsabschnitts 31 in einer zweiten Richtung D2 verbunden und erstreckt sich in Richtung der zweiten Abschirmung 4 entlang einer dritten Richtung D3. Die zweite magnetische Abschirmung 4 umfasst einen dritten Abschirmungsabschnitt 41 und einen vierten Abschirmungsabschnitt 42. Der vierte Abschirmungsabschnitt 42 ist in der Nähe jedes der beiden Enden 41E des dritten Abschirmungsabschnitts 41 in der zweiten Richtung D2 verbunden und erstreckt sich in Richtung der ersten Abschirmung 3 entlang der dritten Richtung D3. In dieser Ausführungsform hat die Nähe der beiden Enden 31E des ersten Abschirmungsabschnitts 31 in der zweiten Richtung D2 eine Bedeutung, die Fertigungsfehler und dergleichen bei der Herstellung der ersten Abschirmung 3 einschließt, und bedeutet, dass, wenn der Stromsensor 1 entlang der ersten Richtung D1 betrachtet wird, innerhalb eines Bereichs von etwa 4 % der Länge in Bezug auf die Breite W31 des ersten Abschirmungsabschnitts 31 in der zweiten Richtung D2, der Innenseite des ersten Abschirmungsabschnitts 31 entlang der zweiten Richtung D2 von den Enden 31E des ersten Abschirmungsabschnitts 31 zugewandt ist. Darüber hinaus hat die Umgebung beider Enden 41E des dritten Abschirmungsabschnitts 41 eine Bedeutung, die Fertigungsfehler und dergleichen bei der Herstellung der zweiten Abschirmung 4 einschließt, und bedeutet, entlang der ersten Richtung D1 gesehen, innerhalb eines Bereichs von etwa 5% der Länge in Bezug auf die Breite W41 des dritten Abschirmungsabschnitts 41 in der zweiten Richtung D2, der Innenseite des dritten Abschirmungsabschnitts 41 entlang der zweiten Richtung D2 von den Enden 41E des dritten Abschirmungsabschnitts 41 zugewandt.
Der erste Abschirmungsabschnitt 31 und der dritte Abschirmungsabschnitt 41 sind gegenüberliegend und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dass der erste Abschirmungsabschnitt 31 und der dritte Abschirmungsabschnitt 41 im Wesentlichen parallel zueinander sind, hat eine Bedeutung, die Fertigungsfehler bei der Herstellung der ersten Abschirmung 3 und der zweiten Abschirmung 4 einschließt und bedeutet, dass toleriert wird, dass eine Ebene, die den ersten Abschirmungsabschnitt 31 enthält, und eine Ebene, die den dritten Abschirmungsabschnitt 41 enthält, sich so schneiden, dass der von den beiden Ebenen gebildete Winkel nicht mehr als 4° beträgt.
Ein Leiterplatzierungsbereich 5, in dem ein Leiter 51 (siehe 9) zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt 31 und dem dritten Abschirmungsabschnitt 41 positioniert ist. Der Leiter 51 kann in dem Leiterplatzierungsbereich 5 so platziert werden, dass seine Längsrichtung im Wesentlichen parallel zu der ersten Richtung D1 ist. In einem Querschnitt entlang der zweiten Richtung D2 und der dritten Richtung D3 des Stromsensors 1 ist die Form des Leiterplatzierungsbereichs 5 im Wesentlichen rechteckig, dies soll jedoch illustrativ und nicht einschränkend sein, denn die Form des Leiterplatzierungsbereichs 5 kann entsprechend der Form des in dem Leiterplatzierungsbereich 5 anzuordnenden Leiters 51 geeignet eingestellt werden. Zum Beispiel kann der Leiterplatzierungsbereich 5 eine im Wesentlichen kreisförmige Form oder ähnliches haben.
Die Längsrichtung des Leiters 51, die im Wesentlichen parallel zur ersten Richtung D1 ist, hat eine Bedeutung, die Herstellungsfehler bei der Herstellung des Stromsensors 1 einschließt, und hat eine Bedeutung, die das Tolerieren der Längsrichtung des Leiters 51, der die erste Richtung D1 in einem Winkel von nicht mehr als 2° schneidet, im Querschnitt des Stromsensors 1 entlang der zweiten Richtung D2 und der dritten Richtung D3 einschließt. Wenn der Leiterplatzierungsbereich 5 eine im Wesentlichen kreisförmige Form hat, umfasst die Bedeutung außerdem das Tolerieren, dass die axiale Linie des Leiters 51 (eine Linie, die durch das Zentrum des Leiters 51 verläuft) die erste Richtung D1 in einem Winkel von nicht mehr als 2° schneidet, und zwar im Querschnitt entlang der zweiten Richtung D2 und der dritten Richtung D3.
Die beiden zweiten Abschirmungsabschnitt 32 verlaufen im Wesentlichen parallel zur dritten Richtung D3 von der Nähe jedes der beiden Enden 31E des ersten Abschirmungsabschnitts 31 in der zweiten Richtung D2 und sind so verbunden, dass sie der zweiten magnetischen Abschirmung 4 zugewandt sind, und die Enden 32E der beiden zweiten Abschirmungsabschnitt 32 sind auf der Seite der zweiten magnetischen Abschirmung 4 positioniert. Dass der zweite Abschirmungsabschnitt 32 im Wesentlichen parallel zur dritten Richtung D3 verläuft, hat eine Bedeutung, die Herstellungsfehler oder ähnliches bei der Herstellung der ersten magnetischen Abschirmung 3 oder ähnliches einschließt und eine Bedeutung hat, die eine Verlängerungslinie des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 toleriert, die die dritte Richtung D3 in einem Winkel von nicht mehr als 1° schneidet, wenn man sie entlang der zweiten Richtung D2 betrachtet.
Die beiden vierten Abschirmungsabschnitte 42 verlaufen im Wesentlichen parallel zur dritten Richtung D3 in Richtung der ersten magnetischen Abschirmung 3 von der Nähe jedes der beiden Enden 41E des dritten Abschirmungsabschnitts 41 in der zweiten Richtung D2 der dritten Abschirmung 41. Die Enden 42E der beiden vierten Abschirmungsabschnitt 42 sind auf der Seite der ersten magnetischen Abschirmung 3 angeordnet. Dass der vierte Abschirmungsabschnitt 42 im Wesentlichen parallel zur dritten Richtung D3 verläuft, hat eine Bedeutung, die Herstellungsfehler oder ähnliches bei der Herstellung der zweiten magnetischen Abschirmung 4 oder ähnliches einschließt und eine Bedeutung hat, die eine Verlängerungslinie des vierten Abschirmungsabschnitts 42 toleriert, die die dritte Richtung D3 in einem Winkel von nicht mehr als 1° schneidet.
Die Länge W31 des ersten Abschirmungsabschnitts 31 entlang der zweiten Richtung D2 ist länger als die Länge W41 des dritten Abschirmungsabschnitts 41 entlang der zweiten Richtung D2. Vorzugsweise ist die Länge W31 des ersten Abschirmungsabschnitts 31 soweit länger als die Länge W41 des dritten Abschirmungsabschnitts 41, dass jedes der beiden Enden 42E des vierten Abschirmungsabschnitts 42 innerhalb des durch den ersten Abschirmungsabschnitt 31 und den zweiten Abschirmungsabschnitt 32 definierten Raums positioniert werden kann. Da der erste Abschirmungsabschnitt 31 und der dritte Abschirmungsabschnitt 41 eine solche Längenbeziehung aufweisen, ist es möglich, die Höhe des Stromsensors 1 in der dritten Richtung D3 zu verringern, wenn die erste Abschirmung 3 und die zweite Abschirmung 4 so angeordnet sind, dass die Mittelposition des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 in der zweiten Richtung D2 und die Mittelposition des vierten Abschirmungsabschnitts 42 in der zweiten Richtung D2 zusammenfallen.
Beispiele für das Material der ersten magnetischen Abschirmung 3 und der zweiten magnetischen Abschirmung 4 in der vorliegenden Ausführungsform umfassen magnetische Materialien wie reines Eisen, Siliziumstahl und eine Mu-Metall-Legierung (Permalloy-Legierung). Die erste magnetische Abschirmung 3 und die zweite magnetische Abschirmung 4 können aus demselben magnetischen Material bestehen, aber die erste magnetische Abschirmung 3 und die zweite magnetische Abschirmung 4 können auch aus voneinander verschiedenen magnetischen Materialien hergestellt sein.
Die magnetische Erfassungseinheit 2 befindet sich zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt 31 und dem Leiterplatzierungsbereich 5 (dazwischen in der dritten Richtung D3). Die Länge C1 (Länge in der dritten Richtung D3) zwischen der magnetischen Erfassungseinheit 2 und dem ersten Abschirmungsabschnitt 31 liegt in der Größenordnung von 0 - 0,2 mm, besonders bevorzugt in der Größenordnung von 1,0 - 2,0 mm. Darüber hinaus kann die Länge C2 (Länge in der dritten Richtung D3) zwischen der magnetischen Erfassungseinheit 2 und dem Leiterplatzierungsbereich 5 ein Abstand sein, der die elektrische Isolation berücksichtigt und z. B. 1,0 mm oder größer sein kann.
Die magnetische Erfassungseinheit 2 ist an einer Magnetfeldauslöschungsposition vorgesehen, an der die Restmagnetisierung in der zweiten Richtung D2 im Wesentlichen Null wird, nachdem ein vorgeschriebener Strom in dem Leiter 51 geflossen ist, und zwar im Verhältnis zwischen der Länge H42 der beiden vierten Abschirmungsabschnitte 42 in der dritten Richtung D3. Die erste magnetische Abschirmung 3 und die zweite magnetische Abschirmung 4, die aus magnetischen Materialien bestehen, haben eine Hystereseeigenschaft. Folglich bleibt die Magnetisierung in der ersten magnetischen Abschirmung 3 und der zweiten magnetischen Abschirmung 4 bestehen, nachdem das durch den Stromfluss im Leiter 51 erzeugte Magnetfeld von der ersten magnetischen Abschirmung 3 und der zweiten magnetischen Abschirmung 4 absorbiert wurde, selbst wenn der Leiter 51 stromlos wird. Wenn die in der ersten magnetischen Abschirmung 3 und der zweiten magnetischen Abschirmung 4 verbleibende Magnetisierung (Restmagnetisierung) an die magnetische Erfassungseinheit 2 angelegt wird, auch wenn sich der Leiter 51 in einem Zustand befindet, in dem kein Strom fließt, wird ein dieser Restmagnetisierung entsprechendes Signal von der magnetischen Erfassungseinheit 2 ausgegeben. In dieser Ausführungsform ist es durch die Anordnung der magnetischen Erfassungseinheit 2 an der Magnetfeldauslöschungsposition möglich, Messfehler während der stromlosen Zeiten des Leiters zu reduzieren. Wie nachfolgend beschrieben, kann die Magnetfeldauslöschungsposition eine Position sein, die auf der Grundlage der relativen Beziehung zwischen der Länge H42 der beiden vierten Abschirmungsabschnitte 42 in der dritten Richtung D3 und der Länge C2 vom Leiterplatzierungsbereich 5 entlang der dritten Richtung D3 bestimmt wird.
In der ersten Richtung D1 gesehen, können die magnetische Erfassungseinheit 2 und der Leiterplatzierungsbereich 5 innerhalb des durch den dritten Abschirmungsabschnitt 41 und die beiden vierten Abschirmungsabschnitte 42 definierten Raums positioniert werden. Durch diese Positionierung ist es möglich, Messfehler zu reduzieren, die durch Restmagnetisierung entstehen, wenn der Leiter 51 nicht bestromt ist, und es ist auch möglich, die Abmessungen des Stromsensors 1 in der dritten Richtung zu reduzieren, wodurch der Stromsensor 1 dünner wird.
Wie in 2 gezeigt, kann sich bei Betrachtung entlang der zweiten Richtung D2 die Umgebung der Enden 42E des vierten Abschirmungsabschnitts 42 mit der Umgebung der Enden 32E des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 überlappen. Dadurch ist es möglich, die Abmessungen des Stromsensors 1 in der dritten Richtung D3 zu verkleinern und eine größere Dünnheit zu erreichen. Da sich außerdem die Umgebung der Enden 32E des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 und die Umgebung der Enden 42E des vierten Abschirmungsabschnitts 42 überlappen, wird das Magnetfeld von außerhalb des Stromsensors 1 (Magnetfeld entlang der zweiten Richtung) von der ersten magnetischen Abschirmung 3 und der zweiten magnetischen Abschirmung 4 absorbiert, so dass es möglich ist, Messfehler zu unterdrücken, die durch externe Magnetfelder entstehen könnten. Die Länge C3 des überlappenden Abschnitts des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 und des vierten Abschirmungsabschnitts 42 entlang der dritten Richtung D3 ist nicht besonders begrenzt. Die Enden 32E des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 und die Enden 42E des vierten Abschirmungsabschnitts 42 können auf Ebenen parallel zur zweiten Richtung D2 angeordnet sein.
5 ist ein Blockdiagramm, das den schematischen Aufbau des Stromsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Wie in 5 dargestellt, umfasst der Stromsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform (siehe 9 und 10) eine magnetische Erfassungseinheit 2 und eine Signalverarbeitungseinheit 7. Die Signalverarbeitungseinheit 7 enthält einen Analog-DigitalWandler (A/D-Wandler) 71, der ein von der magnetischen Erfassungseinheit 2 ausgegebenes analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt, und eine Recheneinheit 72, die eine arithmetische Verarbeitung des vom A/D-Wandler 71 in ein digitales Signal umgewandelten digitalen Signals durchführt. Wenn die von der Recheneinheit 72 arithmetisch verarbeiteten Ergebnisse als analoges Signal ausgegeben werden, kann die Signalverarbeitungseinheit 7 auch einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) (nicht abgebildet) auf der stromabwärts gelegenen Seite der Recheneinheit 72 enthalten.
6 ist ein Schaltplan, der die schematische Konfiguration eines Aspekts der Schaltungskonfiguration zeigt, die der Stromsensor gemäß dieser Ausführungsform besitzt, 7 ist eine Schrägansicht, die die schematische Konfiguration eines magnetoresistiven Effekt-Elements gemäß dieser Ausführungsform zeigt, und 8 ist eine Querschnittsansicht, die die schematische Konfiguration eines magnetoresistiven Effekt-Elements gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
Die magnetische Erfassungseinheit 2 kann ein Element mit magnetoresistivem Effekt enthalten. In dieser Ausführungsform kann die Schaltungskonfiguration der magnetischen Erfassungseinheit 2 eine Wheatstone-Brückenschaltung 2A sein, in der vier Widerstände, nämlich ein erster Widerstand R1, ein zweiter Widerstand R2, ein dritter Widerstand R3 und ein vierter Widerstand R4, brückengeschaltet sind, und der erste bis vierte Widerstand R1-R4 können ein einzelnes magnetoresistives Effekt-Element oder eine Vielzahl von magnetoresistiven Effekt-Elementen enthalten.
Wie in 6 gezeigt, enthält die Wheatstone-Brückenschaltung 2A, die in der magnetischen Erfassungseinheit 2 enthalten ist, einen Stromquellenanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E1 und E2, den ersten und zweiten Widerstand R1 und R2, die in Reihe geschaltet sind, und den dritten und vierten Widerstand R3 und R4, die in Reihe geschaltet sind. Ein Ende des ersten und des dritten Widerstandes R1 und R3 ist jeweils mit dem Stromquellenanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des ersten Widerstands R1 ist mit einem Ende des zweiten Widerstands R2 und mit dem Ausgangsanschluss E1 verbunden. Das andere Ende des dritten Widerstands R3 ist mit einem Ende des vierten Widerstands R4 und mit dem Ausgangsanschluss E2 verbunden. Das andere Ende des zweiten und vierten Widerstandes R2 und R4 ist mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Stromquellenspannung mit vorgeschriebener Größe wird an den Stromquellenanschluss V1 angelegt, und der Masseanschluss G1 ist mit Masse verbunden.
In dieser Ausführungsform können die ersten bis vierten Widerstände R1 - R4, die in der Wheatstone-Brückenschaltung 2A enthalten sind, aus MR-Elementen, wie AMR-Elementen, GMR-Elementen, TMR-Elementen oder dergleichen, oder aus Hall-Elementen hergestellt werden. GMR-Elemente und TMR-Elemente enthalten eine magnetisierungsfixierte Schicht, in der die Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine freie Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich in Abhängigkeit von Änderungen des angelegten Magnetfeldes ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der magnetisierungsfixierten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist. AMR-Elemente enthalten eine magnetische Schicht, die eine Formanisotropie aufweist.
Wie in 7 und 8 gezeigt, können die MR-Elemente, die die ersten bis vierten Widerstände R1 - R4 umfassen, die GMR-Elemente oder TMR-Elemente oder ähnliches sind, eine Vielzahl von unteren Elektroden 21, eine Vielzahl von MR-Filmen 22 und eine Vielzahl von oberen Elektroden 23 umfassen. Die Mehrzahl der unteren Elektroden 21 ist auf einem Substrat (nicht dargestellt) vorgesehen. Jede der unteren Elektroden 21 hat eine lange, schlanke Form. Zwischen zwei in Längsrichtung der unteren Elektroden 21 benachbarten unteren Elektroden 21 wird ein Spalt gebildet. Die MR-Folien 22 sind jeweils in der Nähe der beiden Enden in Längsrichtung auf der Oberseite der unteren Elektroden 21 vorgesehen. Die MR-Filme 22 haben in der Draufsicht eine annähernd kreisförmige Form und umfassen eine freie Schicht 221, eine nichtmagnetische Schicht 222, eine magnetisierungsfixierte Schicht 223 und eine antiferromagnetische Schicht 224, die in dieser Reihenfolge von der Seite der unteren Elektroden 21 aus geschichtet sind. Die freie Schicht 221 ist elektrisch mit der unteren Elektrode 21 verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 224 besteht aus einem antiferromagnetischen Material und hat die Aufgabe, die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 223 zu fixieren, indem sie mit der magnetisierungsfixierten Schicht 223 in eine Austauschkopplung gebracht wird. Die Mehrzahl der oberen Elektroden 23 ist auf der Mehrzahl der MR-Filme 22 vorgesehen. Jede der oberen Elektroden 23 hat eine lange, schlanke Form, ist auf zwei der unteren Elektroden 21 positioniert, die in Längsrichtung der unteren Elektroden 21 benachbart sind, und verbindet elektrisch die antiferromagnetische Schicht 224 zweier benachbarter MR-Folien 22. Die MR-Folie 22 kann eine Konfiguration aufweisen, in der die freie Schicht 221, die nichtmagnetische Schicht 222, die magnetisierungsfixierte Schicht 223 und die antiferromagnetische Schicht 224 in dieser Reihenfolge geschichtet sind und die obere Elektrodenseite 23 bilden. Darüber hinaus kann die antiferromagnetische Schicht 224 weggelassen werden, wenn die magnetisierungsfixierte Schicht 223 eine sogenannte selbstfixierte Schicht (Synthetic Ferri Pinned layer, oder SFP-Schicht) ist, die eine geschichtete Ferri-Struktur aus einer ferromagnetischen Schicht/nichtmagnetischen Zwischenschicht/ferromagnetischen Schicht aufweist, in der beide ferromagnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind.
Bei TMR-Elementen ist die nichtmagnetische Schicht 222 eine Tunnelsperrschicht. In GMR-Elementen ist die nichtmagnetische Schicht 222 eine nichtmagnetische elektrisch leitende Schicht. In TMR-Elementen und GMR-Elementen ändert sich der Widerstandswert entsprechend dem Winkel, der durch die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 221 in Bezug auf die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 223 gebildet wird, und der Widerstandswert ist ein Minimum, wenn dieser Winkel 0° beträgt (wenn die Magnetisierungsrichtungen parallel zueinander sind), und der Widerstandswert ist ein Maximum, wenn dieser Winkel 180° beträgt (wenn die Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind).
Wie in 6 gezeigt, sind, wenn der erste bis vierte Widerstand R1 - R4 aus TMR-Elementen oder GMR-Elementen bestehen, in der Wheatstone-Brückenschaltung 2A der magnetischen Erfassungseinheit 2 die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 223 des ersten und zweiten Widerstands R1 und R2 parallel zu der zweiten Richtung D2, und die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 223 des ersten Widerstands R1 und die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 223 des zweiten Widerstands R2 sind antiparallel zueinander. Außerdem sind die Magnetisierungsrichtungen der magnetisierungsfixierten Schichten 223 des dritten und vierten Widerstands R3 und R4 parallel zu der zweiten Richtung D2, und die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 223 des dritten Widerstands R3 und die Magnetisierungsrichtung der magnetisierungsfixierten Schicht 223 des vierten Widerstands R4 sind antiparallel zueinander. In der magnetischen Erfassungseinheit 2 ändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E1 und E2 entsprechend den Änderungen der Magnetfeldstärke des vom Leiter 51 erzeugten Magnetfeldes in der zweiten Richtung D2, und ein Sensorsignal S wird an die Signalverarbeitungseinheit 7 als ein die Magnetfeldstärke anzeigendes Signal ausgegeben. Das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E1 und E2 entsprechende Signal wird als Sensorsignal S an die Signalverarbeitungseinheit 7 ausgegeben. Ein Differenzdetektor 9 verstärkt die der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E1 und E2 entsprechenden Signale S1 und S2 und gibt diese als Sensorsignal S an den A/D-Wandler 71 der Signalverarbeitungseinheit 7 aus.
Der A/D-Wandler 71 wandelt das von der magnetischen Erfassungseinheit 2 ausgegebene Sensorsignal S (ein analoges Signal, das sich auf den Betrag der Bewegung bezieht) in ein digitales Signal um, und dieses digitale Signal wird in die Recheneinheit 72 eingegeben. Die Recheneinheit 72 führt eine arithmetische Verarbeitung des digitalen Signals durch, das vom A/D-Wandler 71 aus einem analogen Signal umgewandelt wurde. Die Recheneinheit 72 besteht z. B. aus einem Mikrocomputer, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder Ähnlichem.
In dieser Ausführungsform wird die magnetische Erfassungseinheit 2 als ein MR-Element aufweisend beschrieben, dies ist jedoch illustrativ und nicht einschränkend gemeint, denn es kann sich auch um ein Hall-Element oder ähnliches handeln.
3A ist eine geschnittene Endansicht, die die schematische Konfiguration eines anderen Aspekts des Stromsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Der in 3A dargestellte Stromsensor 1 ist ferner mit einer Leiterplatte 6 versehen, die eine erste Oberfläche 61 und eine zweite Oberfläche 62 aufweist, die der ersten Oberfläche 61 gegenüberliegt. Die erste Oberfläche 61 der Leiterplatte 6 liegt dem ersten Abschirmungsabschnitt 31 gegenüber, und die zweite Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 liegt dem dritten Abschirmungsabschnitt 41 gegenüber. In dieser Ausführungsform ist die magnetische Erfassungseinheit 2 auf der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 montiert, kann aber auch auf der ersten Oberfläche 61 der Leiterplatte 6 montiert werden (siehe 3B). In diesem Aspekt ist die Länge der Leiterplatte 6 in der zweiten Richtung D2 geringer als die Länge W42 des vierten Abschirmungsabschnitts 42, und wenn die magnetische Erfassungseinheit 2 auf der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 montiert ist, können die magnetische Erfassungseinheit 2 und die Leiterplatte 6 leicht innerhalb des durch den dritten Abschirmungsabschnitt 41 und den vierten Abschirmungsabschnitt 42 definierten Raums positioniert werden. Durch die Förderung der Dünnheit des Stromsensors 1 ist es möglich, den Oberflächenbereich für die Montage der elektronischen Komponenten der Signalverarbeitungseinheit 7 oder dergleichen auf der ersten Oberfläche 61 der Leiterplatte 6 zu sichern, selbst wenn der Oberflächenbereich für die Montage der elektronischen Komponenten außer der magnetischen Erfassungseinheit 2 auf der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 nicht ausreichend gesichert werden kann.
4A ist eine geschnittene Ansicht, die die schematische Konfiguration eines anderen Aspekts des Stromsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Der in 4A dargestellte Stromsensor 1 enthält eine Höhenverstelleinheit 8, die zwischen der magnetischen Erfassungseinheit 2 und der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 vorgesehen ist. Durch Vorsehen der Höhenverstelleinheit 8 zwischen der magnetischen Erfassungseinheit 2 und der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 ist es möglich, die magnetische Erfassungseinheit 2 in dem durch den dritten Abschirmungsabschnitt 41 und die beiden vierten Abschirmungsabschnitte 42 definierten Raum zu positionieren, die Leiterplatte 6 in dem durch die erste Abschirmung 31 und die beiden zweiten Abschirmungsabschnitte 32 umgebenen Raum zu positionieren und die Länge der Leiterplatte 6 in der zweiten Richtung D2 größer als die Länge des dritten Abschirmungsabschnitts 41 in der zweiten Richtung D2 zu machen. Dadurch kann im Vergleich zu der in 3A gezeigten Ausführungsform ein größerer Oberflächenbereich für die Montage der elektronischen Komponenten der Signalverarbeitungseinheit 7 und dergleichen auf der ersten Oberfläche 61 und der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 sichergestellt werden.
Eine Ausführungsform, bei der die Signalverarbeitungseinheit 7 auf der ersten Oberfläche 61 der Leiterplatte 6 montiert ist, wurde beschrieben, aber dies soll nur illustrativ und nicht einschränkend sein, denn die elektronischen Komponenten der Signalverarbeitungseinheit 7 und dergleichen, die die von der magnetischen Erfassungseinheit 2 ausgegebenen Erfassungssignale verarbeiten, können auch auf der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 montiert sein (siehe 4B).
Der Stromsensor 1 kann ferner eine abgedichtete Einheit 9 (siehe 13) aufweisen, die die magnetische Erfassungseinheit 2, die erste magnetische Abschirmung 3 und die zweite magnetische Abschirmung 4 einstückig abdichtet. Die abgedichtete Einheit 9, die der Stromsensor 1 besitzt, kann eine solche sein, in der die magnetische Erfassungseinheit 2, die erste magnetische Abschirmung 3 und die zweite magnetische Abschirmung 4 integral abgedichtet und geschützt werden können. Die abgedichtete Einheit 9 kann zum Beispiel aus Harz oder Harz, in das Glasfasern eingemischt sind, oder ähnlichem bestehen. Die abgedichtete Einheit 9 kann ein Gehäuse sein, das die magnetische Erfassungseinheit 2 (die Leiterplatte 6, auf der die magnetische Erfassungseinheit 2 montiert ist), die erste magnetische Abschirmung 3, die zweite magnetische Abschirmung 4 und den Leiter 51 aufnimmt (siehe 9). In dieser Ausführungsform kann der Leiterplatzierungsbereich 5 in dem abgedichteten Teil als ein Durchgangsloch 52 vorgesehen sein, in das der Leiter entlang der ersten Richtung D1 eingeführt werden kann.
In dem oben beschriebenen Stromsensor 1 ist es durch die Platzierung des Leiters 51 in dem Leiterplatzierungsbereich 5 möglich, den von dem Leiter 51 erzeugten Magnetismus zu erfassen, durch den der Strom in der ersten Richtung D1 fließt. Da der Leiter 51 im Leiterplatzierungsbereich 5 platziert ist, sind die Material- und Formeigenschaften nicht besonders eingeschränkt, solange dies der Weg des zu messenden Stroms ist. Beispiele für das Material des Leiters 51 des Stromsensors 1 dieser Ausführungsform sind Kupfer, Aluminium oder dergleichen. Darüber hinaus ist der Strompfad als Leiter 51 des Stromsensors 1 dieser Ausführungsform nicht besonders begrenzt. Beispiele für den Leiter 51 umfassen eine flache Stromschiene oder eine im Wesentlichen runde elektrische Leitung oder ähnliches, aber eine flache Stromschiene ist unter dem Gesichtspunkt der Dünnheit bevorzugt.
Der Stromsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform (siehe 9 und 10) ist in einem elektrischen Steuergerät vorgesehen. Beispiele für die elektrische Steuervorrichtung dieser Ausführungsform sind ein Batteriemanagementsystem, ein Wechselrichter und ein Umrichter oder Ähnliches eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV) oder Ähnliches. Der Stromsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform wird verwendet, um die Strommenge zu messen, die von einer Stromquelle eingegeben wird, und um Informationen bezüglich des gemessenen Stroms an die elektrische Steuereinrichtung auszugeben.
11 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen der Länge des zweiten Abschirmungsabschnitts und der Magnetfeldauslöschungsposition beim Messen eines 500-A-Stroms in einem Leiter des Stromsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt, und 12 ist ein Diagramm, das die Korrelation zwischen der Länge des vierten Abschirmungsabschnitts und der Magnetfeldauslöschungsposition beim Messen eines 500-A-Stroms in einem Leiter des Stromsensors gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
Bei dem Stromsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform (siehe 9 und 10) hat die Magnetfeldauslöschungsposition eine in 11 gezeigte Korrelation in Bezug auf die Länge H32 des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 (Länge in der dritten Richtung). Das heißt, selbst wenn die Länge H32 des zweiten Abschirmungsabschnitts 32 schwankt, schwankt die Magnetfeldauslöschungsposition praktisch nicht (siehe 11). Andererseits hat die Magnetfeldauslöschungsposition die in 12 gezeigte Korrelation in Bezug auf die Länge H42 des vierten Abschirmungsabschnitts 42 (die Länge in der dritten Richtung). Das heißt, wenn die Länge H42 des vierten Abschirmungsabschnitts 42 schwankt, schwankt auch die Magnetfeldauslöschungsposition entsprechend (siehe 12). Daher wird der Stromsensor 1 durch Bestimmen der Magnetfeldauslöschungsposition, d. h. der Position, an der die magnetische Erfassungseinheit 2 innerhalb des Stromsensors 1 positioniert ist, auf der Grundlage der Korrelation mit der Länge H42 des vierten Abschirmungsabschnitts 42 ausgelegt. Das Verfahren zum Auslegen des Stromsensors gemäß dieser Ausführungsform umfasst daher ein Verfahren zur Bestimmung der Magnetfeldauslöschungsposition, an der die magnetische Erfassungseinheit 2 innerhalb des Stromsensors 1 vorgesehen ist, auf der Grundlage der Korrelation zwischen der Länge H42 des vierten Abschirmungsabschnitts 42 und dem Abstand vom Leiter 51 entlang der dritten Richtung D3. Durch dieses Verfahren zum Auslegen des Stromsensors ist es möglich, in dem so hergestellten Stromsensor 1 Messfehler zu reduzieren, wenn der Leiter 51 nicht bestromt ist, indem die Magnetfeldauslöschungsposition der magnetischen Erfassungseinheit 2 innerhalb des Stromsensors bestimmt wird.
Das Verfahren zur Herstellung des Stromsensors 1 gemäß dieser Ausführungsform wird nun beschrieben.
Zunächst werden eine Leiterplatte 6 aus einem Papier-Phenol-Substrat, einem Glassubstrat, einem Epoxid-Substrat oder ähnlichem sowie eine erste magnetische Abschirmung 3 und eine zweite magnetische Abschirmung 4 bereitgestellt. Die magnetische Erfassungseinheit 2 kann auf der zweiten Oberflächenseite 62 der Leiterplatte 6 montiert werden.
Als nächstes werden der erste Abschirmungsabschnitt 31 und der dritte Abschirmungsabschnitt 41 so positioniert, dass sie einander gegenüberliegen und im Wesentlichen parallel zueinander sind, und zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt 31 und dem dritten Abschirmungsabschnitt 41 wird die Leiterplatte 6 so platziert, dass die magnetische Erfassungseinheit 2 auf der Seite der zweiten magnetischen Abschirmung 4 positioniert wird. Beim Platzieren der Leiterplatte 6 wird die magnetische Erfassungseinheit 2 an der Magnetfeldauslöschungsposition bereitgestellt, die auf der Grundlage der Korrelation mit der Länge H42 des vierten Abschirmungsabschnitts 42 bestimmt wird (siehe 12). Auf diese Weise kann der Stromsensor 1 gemäß dieser Ausführungsform hergestellt werden. Darüber hinaus kann der Leiter 51 im Leiterplatzierungsbereich 5 (siehe 9 und 10) platziert werden.
Die oben beschriebene Ausführungsform wurde offenbart, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern und nicht, um die vorliegende Erfindung einzuschränken. Dementsprechend ist jedes Element, das in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart ist, so auszulegen, dass es alle konstruktiven Änderungen und Äquivalente umfasst, die in den technischen Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
In der vorliegenden Beschreibung wurde eine Ausführungsform verwendet, bei der die magnetische Erfassungseinheit 2 auf der zweiten Oberfläche 62 der Leiterplatte 6 vorgesehen ist, dies soll jedoch illustrativ und nicht einschränkend sein. Wenn die magnetische Erfassungseinheit 2 beispielsweise in einem Gehäuse des Typs Single In-Line Package (SIP) montiert ist, kann die magnetische Erfassungseinheit 2 auf der ersten Oberfläche 61 der Leiterplatte 6 vorgesehen sein. Bei dieser Art von Konfiguration beträgt die Länge C1 zwischen der magnetischen Erfassungseinheit 2 und dem ersten Abschirmungsabschnitt 31 vorzugsweise 1,0 - 2,0 mm.
Bezugszeichenliste

1: Stromsensor
2: Magnetische Erfassungseinheit
3: Erste magnetische Abschirmung
31: Erster Abschirmungsabschnitt
32: Zweite Schirmsektion
4: Zweite magnetische Abschirmung
41: Dritter Abschirmungsabschnitt
42: Vierter Abschirmungsabschnitt
5: Bereich der Leiterplatzierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013011469 [0004]

Claims

Ein Stromsensor (1) zur Erfassung von Magnetismus, der von einem Leiter (51) erzeugt wird, in dem ein Strom in einer ersten Richtung (D1) fließt, wobei der Stromsensor (1) Folgendes umfasst: eine magnetische Erfassungseinheit (2), die in der Lage ist, den Magnetismus zu erfassen, eine erste magnetische Abschirmung (3) und eine zweite magnetische Abschirmung (4); wobei die erste magnetische Abschirmung (3) einen ersten Abschirmungsabschnitt (31) und zwei durchgehende zweite Abschirmungsabschnitte (32) umfasst, die sich jeweils in der Nähe von zwei Enden (31E) des ersten Abschirmungsabschnitts (31) befinden; die zweite magnetische Abschirmung (4) einen dritten Abschirmungsabschnitt (41) und zwei durchgehende vierte Abschirmungsabschnitte (42) umfasst, die sich jeweils in der Nähe von zwei Enden (41E) des dritten Abschirmungsabschnitts (41) befinden; der erste Abschirmungsabschnitt (31) und der dritte Abschirmungsabschnitt (41) so positioniert sind, dass sie einander gegenüberliegen und im Wesentlichen parallel zueinander sind; ein Leiterplatzierungsbereich (5) zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt (31) und dem dritten Abschirmungsabschnitt (41) vorhanden ist, wobei der Leiterplatzierungsbereich (5) ein Bereich ist, in dem der Leiter (51) so platziert ist, dass die erste Richtung (D1) im Wesentlichen parallel zu dem ersten Abschirmungsabschnitt (31) ist; in der Nähe der beiden Enden (31E) des ersten Abschirmungsabschnitts (31) in einer zweiten Richtung (D2), die orthogonal zu der ersten Richtung (D1) ist, die beiden zweiten Abschirmungsabschnitte (32) in Richtung der zweiten magnetischen Abschirmung (4) durchgehend sind und im Wesentlichen parallel zu einer dritten Richtung (D3) sind, die orthogonal zu der ersten Richtung (D1) und der zweiten Richtung (D2) ist; in der Nähe der beiden Enden (41E) des dritten Abschirmungsabschnitts (41) in einer zweiten Richtung (D2), die orthogonal zu der ersten Richtung (D1) ist, die beiden vierten Abschirmungsabschnitte (42) in Richtung der ersten magnetischen Abschirmung (3) durchgehend sind und im Wesentlichen parallel zu der dritten Richtung (D3) sind, die orthogonal zu der ersten Richtung (D1) und der zweiten Richtung (D2) ist; die Länge (W31) des ersten Abschirmungsabschnitts (31) entlang der zweiten Richtung (D2) größer ist als die Länge (W41) des dritten Abschirmungsabschnitts (41) entlang der zweiten Richtung (D2); die magnetische Erfassungseinheit (2) zwischen dem ersten Abschirmungsabschnitt (31) und dem Leiterplatzierungsbereich (5) angeordnet ist; und die magnetische Erfassungseinheit (2) an einer Magnetfeldauslöschungsposition vorgesehen ist, an der das Magnetfeld in der zweiten Richtung (D2) zu nicht bestromten Zeiten, nachdem ein vorgeschriebener Strom in dem Leiter (51) geflossen ist, im Wesentlichen Null ist, bezogen auf die Länge (H42) der beiden vierten Abschirmungsabschnitt (42) entlang der dritten Richtung (D3).
Stromsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldauslöschungsposition eine Position ist, die auf der Grundlage einer Korrelation zwischen der Länge (H42) der beiden vierten Abschirmungsabschnitte (42) in der dritten Richtung (D3) und einem Abstand (C2) von dem Leiterplatzierungsbereich (5) zu der Magnetfeldauslöschungsposition entlang der dritten Richtung (D3) bestimmt wird.
Stromsensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Umgebung des Endes (42E) der vierten Abschirmungsabschnitte (42) mit den zweiten Abschirmungsabschnitten (32) überlappt, wenn entlang der zweiten Richtung (D2) betrachtet.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die magnetische Erfassungseinheit (2) und der Leiterplatzierungsbereich (5) innerhalb eines Raumes positioniert sind, der von dem dritten Abschirmungsabschnitt (41) und den beiden vierten Abschirmungsabschnitten (42) eingeschlossen ist, wenn entlang der ersten Richtung (D1) betrachtet.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die magnetische Erfassungseinheit (2) und der Leiterplatzierungsbereich (5) entlang der dritten Richtung (D3) um 1,0 mm oder mehr getrennt sind.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die magnetische Erfassungseinheit (1) und der erste Abschirmungsabschnitt (31) entlang der dritten Richtung (D3) um 1,0 - 2,0 mm voneinander getrennt sind.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Leiterplatte (6) mit einer ersten Oberfläche (61) und einer zweiten Oberfläche (62), die der ersten Oberfläche (61) gegenüber liegt, wobei: die erste Oberfläche (61) der Leiterplatte (6) dem ersten Abschirmungsabschnitt (31) zugewandt ist; die zweite Oberfläche (62) der Leiterplatte (6) dem dritten Abschirmungsabschnitt (41) zugewandt ist; und die magnetische Erfassungseinheit (2) ist auf der zweiten Oberfläche (62) der Leiterplatte (6) montiert.
Stromsensor (1) nach Anspruch 7, wobei zwischen der magnetischen Erfassungseinheit (2) und der zweiten Oberfläche (62) der Leiterplatte (6) eine Höhenverstelleinheit (8) vorgesehen ist.
Stromsensor (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei auf der zweiten Oberfläche (62) der Leiterplatte (6) eine Signalverarbeitungseinheit (7) montiert ist, die von der magnetischen Erfassungseinheit (2) ausgegebene Erfassungssignale (S) verarbeitet.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Leiterplatte (6) mit einer ersten Oberfläche (61) und einer zweiten Oberfläche (62), die der ersten Oberfläche (61) gegenüber liegt, wobei: die erste Oberfläche (61) der Leiterplatte (6) dem ersten Abschirmungsabschnitt (31) zugewandt ist; die zweite Oberfläche (62) der Leiterplatte (6) dem dritten Abschirmungsabschnitt (41) zugewandt ist; und die magnetische Erfassungseinheit (2) auf der ersten Oberfläche (61) der Leiterplatte (6) montiert ist.
Stromsensor nach Anspruch 10, wobei auf der ersten Oberfläche (61) der Leiterplatte (6) eine Signalverarbeitungseinheit (7) montiert ist, die von der magnetischen Erfassungseinheit (2) ausgegebene Erfassungssignale (S) verarbeitet.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die magnetische Erfassungseinheit (2) ein magnetoresistives Effekt-Element oder ein Hall-Element enthält.
Stromsensor nach Anspruch 12, wobei das magnetoresistive Effekt-Element ein GMR-Element oder ein TMR-Element ist.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner umfassend eine abgedichtete Einheit (9), die die magnetische Erfassungseinheit (2), die erste magnetische Abschirmung (3) und die zweite magnetische Abschirmung (4) einstückig abdichtet; wobei der Leiterplatzierungsbereich (5) ein Durchgangsloch (52) ist, in das der Leiter (51) eingeführt werden kann, das in der abgedichteten Einheit (9) entlang der ersten Richtung (D1) ausgebildet ist.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Leiter (51) im Leiterplatzierungsbereich (5) angeordnet ist.
Elektrische Steuereinrichtung mit dem Stromsensor (1) nach Anspruch 15.
Verfahren zum Auslegen des Stromsensors (1) nach Anspruch 15, wobei das Verfahren zum Auslegen des Stromsensors (1) derart ist, dass ein Abstand entlang der dritten Richtung (D3) zwischen dem Leiter (51) und der Magnetfeldauslöschungsposition basierend auf der Länge (H42) des vierten Abschirmungsabschnitts (42) bestimmt wird.
Verfahren zur Herstellung des Stromsensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Verfahren zur Herstellung des Stromsensors derart ist, dass die magnetische Erfassungseinheit (2) an der Magnetfeldauslöschungsposition vorgesehen wird, die auf der Grundlage einer Korrelation zwischen einer Länge (H42) des vierten Abschirmungsabschnitts (42) und einem Abstand (C2) von dem Leiterplatzierungsbereich (5) entlang der dritten Richtung (D3) bestimmt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Stromsensors nach Anspruch 18, wobei der Leiter (51) in den Leiterplatzierungsbereich (5) gelegt wird.