特許第6618618号(P6618618)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6618618
(24)【登録日】2019年11月22日
(45)【発行日】2019年12月11日
(54)【発明の名称】磁気検出装置
(51)【国際特許分類】
   G01R 33/09 20060101AFI20191202BHJP
   G01R 33/02 20060101ALI20191202BHJP
   G01R 15/20 20060101ALI20191202BHJP
【FI】
   G01R33/09
   G01R33/02 A
   G01R15/20 B
【請求項の数】5
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2018-522316(P2018-522316)
(86)(22)【出願日】2017年2月25日
(86)【国際出願番号】JP2017007260
(87)【国際公開番号】WO2017212694
(87)【国際公開日】20171214
【審査請求日】2018年11月27日
(31)【優先権主張番号】特願2016-112381(P2016-112381)
(32)【優先日】2016年6月6日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000010098
【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100135183
【弁理士】
【氏名又は名称】大窪 克之
(74)【代理人】
【識別番号】100085453
【弁理士】
【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫
(74)【代理人】
【識別番号】100108006
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 昌弘
(72)【発明者】
【氏名】井出 洋介
【審査官】 山崎 仁之
(56)【参考文献】
【文献】 特開2008−209224(JP,A)
【文献】 国際公開第2012/073732(WO,A1)
【文献】 特開2001−324518(JP,A)
【文献】 特開2011−164019(JP,A)
【文献】 特表2008−516225(JP,A)
【文献】 特表2005−529338(JP,A)
【文献】 特開2012−026727(JP,A)
【文献】 特開2012−251993(JP,A)
【文献】 米国特許第06717397(US,B2)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01R 33/09
G01R 15/20
G01R 33/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の第1の磁気検出素子が直列に接続された第1の磁気検出モジュールと、複数の第2の磁気検出素子が直列に接続された第2の磁気検出モジュールとを有し、前記第1の磁気検出モジュールと前記第2の磁気検出モジュールが直列に接続され、直列の中点から検知出力を得る磁気検出装置において、
前記第1の磁気検出素子および前記第2の磁気検出素子は、同じ膜構成で同じ形状、大きさを有し、偶感数出力である多層膜GMR素子であり、
前記第1の磁気検出モジュールと前記第2の磁気検出モジュールとで、前記複数の多層膜GMR素子が同心円状に配置されて、円の中心に磁界発生源となる被測定電流路が設けられており、
前記第1の磁気検出モジュールが備える複数の第1の磁気検出素子および前記第2の磁気検出モジュールが備える複数の第2の磁気検出素子のそれぞれが、前記円の中心を通る一本の線で分割される2つの半円領域で分けられて、
前記第1の磁気検出モジュールでは、第1群の複数の前記第1の磁気検出素子と、第2群の複数の前記第1の磁気検出素子とが互いに異なる前記半円領域に配置され、前記第2の磁気検出モジュールでは、第1群の複数の前記第2の磁気検出素子と、第2群の複数の前記第2の磁気検出素子とが互いに異なる前記半円領域に配置されており、
前記半円領域の一方で直列に接続される前記第1群の複数の前記第1の磁気検出素子と、前記半円領域の他方で直列に接続される前記第1群の複数の前記第2の磁気検出素子とが直列に接続されて第1の直列回路が形成され、
前記半円領域の他方で直列に接続される第2群の複数の前記第1の磁気検出素子と、前記半円領域の一方で直列に接続される第1群の複数の前記第2の磁気検出素子とが直列に接続されて第2の直列回路が形成され、
前記第1の直列回路と前記第2の直列回路に同じ電圧が印加され、
前記第1の直列回路での前記第1の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子との中点出力と、前記第2の直列回路での前記第2の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子との中点出力との差動出力が検知出力となり、
前記第1の磁気検出素子と、前記第2の磁気検出素子とで、前記磁界発生源からの磁界に対する検出感度が相違することを特徴とする磁気検出装置。
【請求項2】
前記第1の磁気検出モジュールの円の半径と、前記第2の磁気検出モジュールの円の半径と、が相違している請求項1に記載の磁気検出装置。
【請求項3】
前記第1の磁気検出モジュールの円と、前記第2の磁気検出モジュールの円と、の間に磁気シールドが設けられている請求項1に記載の磁気検出装置。
【請求項4】
前記第1の磁気検出モジュールでは、前記第1の磁気検出素子の膜面が円の接線方向に向けられ、前記第2の磁気検出モジュールでは、前記第2の磁気検出素子の膜厚方向が円の接線方向に向けられている請求項1に記載の磁気検出装置。
【請求項5】
それぞれの前記多層膜GMR素子は、最外層に位置している一方の強磁性層または両方の強磁性層に反強磁性層が接して設けられている請求項1ないし4のいずれかに記載の磁気検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定電流などの磁界発生源から発せられた磁界を、多層膜GMR素子を使用することで、広いダイナミックレンジ(測定可能範囲)で検出できる磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の非接触式の電流センサでは、磁気抵抗効果素子を使用した磁気検出装置が使用されている。特許文献1に記載されている電流センサは、被測定電流が通過する電流線を囲むように複数の磁気センサユニットが円形に配列している。それぞれの磁気センサユニットには、第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子が設けられている。第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子は、反平行結合膜を挟んで2つの強磁性膜が積層されたセルフピン止め型の固定磁性層と、非磁性中間層、およびフリー磁性層が積層されたGMR素子である。
【0003】
第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子は互いに感度軸が逆向きである。複数の第1磁気センサ素子が直列に接続され、複数の第2磁気センサ素子が直列に接続されている。第1磁気センサ素子の直列群と第2磁気センサ素子の直列群がさらに直列に接続され、2つの直列群に電圧が印加されるとともに、2つの直列群の中点から検知出力が得られる。
【0004】
この磁気検出装置では、被測定電流によって誘導された磁界が、被測定電流を囲むように配置された第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子で検知される。第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子は感度軸の向きが逆であるため、2つの直列群の中点から、被測定電流の増減に応じた検知出力が得られる。
【0005】
特許文献1に記載の電流センサは、第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子が、被測定電流が流れる電流線を囲むように配置されているため、磁気センサ素子が配列する円の中心と電流線とが位置ずれしても、位置ずれによって各磁気センサ素子で検知される磁界強度の差を磁気センサ素子どうしで相殺できる。そのため、電流測定精度を高く維持でき、磁気センサ素子と電流線との配置精度を緩和できる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開WO2012/073732
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1の電流センサに使用されている磁気検出装置は、第1磁気センサ素子と第2磁気センサ素子として、セルフピン止め型の固定磁性層と非磁性中間層とフリー磁性層とを有するGMR素子で形成されているが、この構造のGMR素子は飽和磁場の大きさと抵抗変化率に限界があり、ダイナミックレンジが小さく、また、大電流から誘導される強磁界を測定することができない問題がある。
【0008】
一方、強磁場に対して比較的大きな抵抗変化率を有する素子として、複数の強磁性層と複数の非磁性層とが交互に積層された多層膜GMR素子がある。しかし、この素子からの出力は、偶関数出力となるため、直列に接続してその中点から検知出力を得るブリッジを構成することができない。
【0009】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、多層膜GMR素子を使用して、比較的強い磁場に対応でき、広いダイナミックレンジで磁界検出を可能とした磁気検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の磁気検出装置は、複数の第1の磁気検出素子が直列に接続された第1の磁気検出モジュールと、複数の第2の磁気検出素子が直列に接続された第2の磁気検出モジュールとを有し、前記第1の磁気検出モジュールと前記第2の磁気検出モジュールが直列に接続され、直列の中点から検知出力を得る磁気検出装置において、
前記第1の磁気検出素子および前記第2の磁気検出素子が多層膜GMR素子であり、前記第1の磁気検出素子と、前記第2の磁気検出素子とで、同じ磁界発生源からの磁界に対する検出感度が相違することを特徴とするものである。
【0011】
本発明の磁気検出装置は、前記第1の磁気検出モジュールと前記第2の磁気検出モジュールとで、前記複数の多層膜GMR素子が同心円状に配置されて、円の中心に磁界発生源となる被測定電流路が設けられており、
前記第1の磁気検出モジュールの円の半径と、前記第2の磁気検出モジュールの円の半径と、が相違しているものである。
【0012】
または、前記第1の磁気検出モジュールの円と、前記第2の磁気検出モジュールの円と、の間に磁気シールドが設けられているものである。
【0013】
あるいは、前記第1の磁気検出モジュールでは、前記第1の磁気検出素子の膜面が円の接線方向に向けられ、前記第2の磁気検出モジュールでは、前記第2の磁気検出素子の膜厚方向が円の接線方向に向けられているものである。
【0014】
本発明の磁気検出装置は、第1群の複数の前記第1の磁気検出素子と第1群の複数の前記第2の磁気検出素子とが直列に接続されて第1の直列回路が形成され、第2群の複数の前記第2の磁気検出素子と第2群の複数の前記第1の磁気検出素子とが直列に接続されて第2の直列回路が形成されており、
前記第1の直列回路と前記第2の直列回路に同じ電圧が印加され、
前記第1の直列回路での前記第1の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子との中点出力と、前記第2の直列回路での前記第2の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子との中点出力との差動出力が検知出力となるものとして構成される。
【0015】
本発明の磁気検出装置は、前記第1の磁気検出モジュールでは、第1群の複数の前記第1の磁気検出素子と、第2群の複数の前記第1の磁気検出素子とがそれぞれ半円領域に配置され、前記第2の磁気検出モジュールでは、第1群の複数の前記第2の磁気検出素子と、第2群の複数の前記第2の磁気検出素子とがそれぞれ半円領域に配置されているものが好ましい。
【0016】
本発明の磁気検出装置は、前記第1の磁気検出素子と前記第2の磁気検出素子は、同じ膜構成で同じ形状、大きさの多層膜GMR素子である。
【0017】
本発明の磁気検出装置は、それぞれの前記多層膜GMR素子は、最外層に位置している一方の強磁性層または両方の強磁性層に反強磁性層が接して設けられているものとして構成することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明の磁気検知装置は、第1の磁気検出素子と第2の磁気検出素子として、複数の強磁性層と複数の非磁性層とが交互に積層された多層膜GMR素子を用いている。多層膜GMR素子は偶関数出力を得るものであるため、単純に直列に接続してその中点電位を検知出力とするブリッジ回路を構成しても、磁界の変化に対して中点電位が変化することがない。
【0019】
そこで、本発明では、第1の磁気検出素子と第2の磁気検出素子とで、同じ磁界発生源から発せられる磁界に対する検出感度を相違させている。これにより、第1の磁気検出素子と第2の磁気検出素子とを直列に接続したときに、検知出力を得ることができるようになる。さらに、ブリッジ回路を構成することで、温度特性などの影響を相殺した検知出力を得ることができる。また、多層膜GMR素子は飽和磁場強度が大きいため、比較的強磁場に対して測定可能範囲(ダイナミックレンジ)を広くした磁気検出装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】本発明の第1の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ1の回路ブロック図、
図2】本発明の第1の実施形態の磁気検出装置に使用されている磁気検出素子の膜構成を示す説明図、
図3図2の多層膜GMR素子10に、(a)磁場が印加されていない状態を示す説明図、(b)飽和磁場強度未満の磁場が印加された状態を示す説明図、(c)飽和磁場強度以上の磁場が印加された状態を示す説明図、
図4】磁場の方向および強度の変化による、多層膜GMR素子10の抵抗変化を示すグラフ、
図5】電流センサ1に使用されている磁気検知装置を構成する多層膜GMR素子10のR−H波形を示すグラフ、
図6図1の電力センサ1に使用されている磁気検知装置の等価回路、
図7】電流センサ1に使用されている磁気検知装置の検知出力を示すグラフ、
図8】本発明の第2の実施形態に係る磁気検知装置を使用した電流センサ31の回路ブロック図、
図9】電流センサ31に使用されている磁気検知装置を構成する多層膜GMR素子10のR−H波形を示すグラフ、
図10】電流センサ31に使用されている磁気検知装置の検知出力を示すグラフ、
図11】電流センサ31の変形例である電流センサ33の回路ブロック図、
図12】本発明の第3の実施形態に係る磁気検知装置を使用した電流センサ41の回路ブロック図、
図13】本発明の第4の実施形態に係る磁気検知装置に使用される多層膜GMR素子60の膜構成の一例を示す説明図、
図14】比較例に係る電流センサ71の回路ブロック図、
図15図14の電流センサ71を構成する磁気検出素子10Xおよび固定抵抗素子70YのR−H波形を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0021】
<第1の実施形態>
図1は本発明の実施形態に係る磁気検知装置を使用した電流センサ1の回路ブロック図である。
【0022】
電流センサ1に使用されている磁気検知装置は、第1の磁気検出モジュール21A・21Bおよび第2の磁気検出モジュール22A・22Bを備えている。
【0023】
第1の磁気検出モジュール21A・21Bは、それぞれ6個の第1の磁気検出素子10Xを備えている。第2の磁気検出モジュール22A・22Bは、それぞれ6個の第2の磁気検出素子10Yを備えている。第1の磁気検出素子10Xおよび第2の磁気検出素子10Yは、図2に示すように、強磁性層12と非磁性材料層13とが交互に複数積層された積層構造を有する多層膜GMR素子10である。以下、第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yとを区別せずに説明するときは多層膜GMR素子10という。
【0024】
多層膜GMR素子10は、飽和磁場強度が大きく、大きな磁場を受けても特性が劣化しない特徴がある。このため、電流センサ1は、大電流が流れる回路の中でも使用することができる。
【0025】
12個の第1の磁気検出素子10Xにおける強磁性層12の磁化の向きは、図1に示す素子中において両向き矢印で示している。第1の磁気検出素子10Xにおける強磁性層12の磁化の向きは、被測定電流線5を中心とする半径r1の内側円CXに沿って、すなわち内側円CXの接線と平行になるように設定されている。第1の磁気検出素子10Xは、内側円CXに沿って、一定の間隔を空けて配置されている。図1に示すように、第1の磁気検出モジュール21Aは、下側の半円領域で直列に接続された第1群の6個の第1の磁気検出素子10Xで構成され、第1の磁気検出モジュール21Bは、上側の半円領域で直列に接続された第2群の6個の第1の磁気検出素子10Xで構成されている。
【0026】
12個の第2の磁気検出素子10Yでは、両向き矢印で示す強磁性層12の磁化の向きが、被測定電流線5を中心とする半径r2の外側円CYに沿って、すなわち外側円CYの接線と平行になるように設定されている。また、第2の磁気検出素子10Yは、外側円CYに沿って、一定の間隔を空けて配置されている。図1に示すように、第2の磁気検出モジュール22Aは、上側の半円領域で直列に接続された第1群の6個の第2の磁気検出素子10Yで構成され、第2の磁気検出モジュール22Bは、下側の半円領域で直列に接続された第2群の6個の第2の磁気検出素子10Yで構成されている。
【0027】
第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yはいずれも、磁界発生源である被測定電流線(被測定電流路)5を中心とする同心円状に均等に配置されている。そのため、被測定電流線5と多層膜GMR素子10との距離の誤差による抵抗値の大小の変化を、同じ円に位置する多層膜GMR素子10で相殺することができ、同心円の中心と被測定電流線5との位置誤差が検知出力に影響を与えない利点がある。
【0028】
<磁気検出素子>
図2に、第1の磁気検出モジュール21A・21Bおよび第2の磁気検出モジュール22A・22Bを構成する多層膜GMR素子10の膜構成の一例が示されている。
【0029】
多層膜GMR素子10は、下地層11と保護層15との間に、強磁性層12と非磁性材料層13とが交互に重ねられた多層構造層14を有している。多層構造層14では、強磁性層12が非磁性材料層13を介したRKKY層間相互作用により反強磁性結合をしている。したがって、非磁性材料層13に隣接する強磁性層12の磁化方向は、図中に矢印で示したように、磁化方向が反対向きになっている。これらの層は例えばスパッタ工程で成膜される。
【0030】
多層構造層14に対し、強磁性層12の磁化の向きに沿う方向の外部磁場が加えられると、全ての強磁性層12の磁化が外部磁化の向きに揃えられようとする。このときの、非磁性材料層13を挟んで対向する対を成す強磁性層12の磁化ベクトルの相対向きに応じて、巨大磁気抵抗効果(GMR効果)により、多層膜GMR素子10の抵抗値が変化する。
【0031】
多層構造層14は、強磁性層12の磁化が反平行に向けられている。そのため、外部磁場Hの向きが、強磁性層12の磁化の向きに沿う一方(正方向)に変化するときと、他方(負方向)に変化するときとで、抵抗値の変化が対称に現れる。すなわち、外部磁場の強度変化に対する、抵抗値の変化は、偶関数で現れる。多層構造層14の層の数や各層の厚さは、必要とされる飽和磁場強度(磁化状態が変化しなくなる磁場強度)に応じて設定される。
【0032】
多層膜GMR素子10の下地層11は、NiFeCr合金(ニッケル・鉄・クロム合金)あるいはCrなどで形成されている。強磁性層12は、Fe,Co,Niおよびこれらの合金からなる群のうち、1または複数を主成分とする合金で形成される。
【0033】
非磁性材料層13は、Cu(銅)、Cr(クロム)またはRu(ルテニウム)、などである。対を成す強磁性層12間でRKKY層間相互作用を生じさせるために、非磁性材料層13の膜厚は、Cu(銅)の場合、7〜13Åまたは16〜24Åであることが好ましく、Cr(クロム)の場合、7〜13Åまたは19〜27Åであることが好ましく、Ru(ルテニウム)の場合、3〜5Åまたは8〜10Åであることが好ましい。
【0034】
図3(a)、図3(b)および図3(c)は、図2の多層膜GMR素子10に印加される外部磁場Hの向きと強度が変化したときの、多層構造層14の磁化方向の変化状態を示している。多層構造層14に影響を与える外部磁場強度がゼロ(ゼロ磁場)のとき、図3(a)に示すように、反強磁性結合されている各強磁性層12の磁化ベクトルは互い違いであるが絶対値は同じである。このとき、抵抗値は極大値となる。図3(b)に示すように、強磁性層12の磁化の方向である図示右方向に、飽和磁場よりも弱い外部磁場Hが作用しているときは、強磁性層12の磁化は図示右方向で支配的であるため、抵抗値がやや低くなる。図3(c)に示すように、飽和磁化よりも大きい外部磁場Hが図示右方向に作用すると、互いに逆向きであった強磁性層12の磁化方向が外部磁場Hと同じ右向きに揃えられる。このとき抵抗値が極小値となる。外部磁場Hが図示方向に作用しているときも、各強磁性層12の外部磁化の変化と抵抗値の変化は、図3と同じである。
【0035】
図4に示すグラフでは、横軸に、強磁性層12の磁化の向きに沿う方向での外部磁場Hの向きと大きさの変化を示し、縦軸に、多層膜GMR素子10の抵抗値の変化を示している。図4の4箇所に示す矢印は、外部磁場Hの変化に応じた、複数の強磁性層12の磁化の変化を示している。多層膜GMR素子10の抵抗値は、磁場強度がゼロで極大となり、いずれかの方向の磁場強度の成分(外部磁場H)が増加するに伴って抵抗値が減少し、いずれかの方向に向く外部磁場Hの大きさが、飽和磁場強度以上になると、抵抗値が変化しなくなり、抵抗値が最小になる。すなわち、相反する2つの方向での外部磁場Hの変化に対する抵抗値の変化は偶関数となる。
【0036】
多層膜GMR素子10は、磁場強度の大きさによって抵抗が変化し、測定可能範囲における抵抗変化率(R/R)が高く、さらに飽和磁場強度が大きいという特徴を備えている。多層膜GMR素子10の飽和磁場強度は、例えば100mT以上である。
【0037】
図1に示す複数の第1の磁気検出素子10Xと複数の第2の磁気検出素子10Yは、全て膜構成と寸法が同じであり、図4に示す抵抗変化の特性が同じ多層膜GMR素子10である。よって、複数の第1の磁気検出素子10Xと複数の第2の磁気検出素子10Yは、温度変化による特性の変化などに関しても同じである。
【0038】
図1に示すように、電流センサ1に設けられている磁気検出装置では、第1の磁気検出素子10Xが配置されている内側円CXの半径r1と、第2の磁気検出素子10Yが配置されている外側円CYの半径r2とを異ならせている。第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yとで、磁界発生源である被測定電流線5までの距離が異なっているため、同心円である内側円CXと外側円CYとで、中心の被測定電流線5を流れる電流で誘導される磁場の強度が相違する。そのため、第1の磁気検出素子10Xに作用する磁場が、第2の磁気検出素子10Yに作用する磁場よりも強くなり、第1の磁気検出素子10Xの検出感度が、第2の磁気検出素子10Yの検出感度よりも実質的に高くなる。
【0039】
図5は、電流センサ1を構成する多層膜GMR素子10のR−H波形を示すグラフである。第1の磁気検出素子10X(内側素子)は第2の磁気検出素子10Y(外側素子)よりも実質的に検出感度が高い。そのため、被測定電流線5に流れる電流量がプラス方向とマイナス方向に変化し、外部磁場Hが強磁性層12の磁化の向きに沿う1つの方向に向けて変化するときの抵抗値の変化は、第1の磁気検出素子10X(内側素子:実線表示)が急峻であるのに対し、第2の磁気検出素子10Y(外側素子:破線表示)で緩やかになる。
【0040】
図1に示すように、r1<r2とすることで、被測定電流線5に流れる電流に対する、磁気検出素子10Xの感度と、磁気検出素子10Yの感度とを実質的に異ならせることができるが、半径の差は、r1<r2<5r1とすることが好ましく、1.5r1<r2<2.5r1とすることがさらに好ましい。
【0041】
第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yの感度が実質的に相違すると、図5に示すように、同じ磁界発生源からの外部磁場Hに対し、第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yとで抵抗変化特性を変えることができる。よって、第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yを直列に接続して、直列の中点電位を得ることで、図7に示すように、外部磁場Hの変化を検知することが可能になる。しかも、直列に接続する第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yは同じ素子であり、素子数も同じであるため、第1の直列回路と第2の直列回路を設けてブリッジ回路を構成し、第1の直列回路の中点電位と、第2の直列回路の中点電位との差動を取ることで、温度変化などによるオフセットなども相殺できる。
【0042】
図6は、図1の電流センサ1に設けられた磁気検出装置の等価回路である。
図1に示す電流センサ1に使用されている磁気検出装置は、磁気検出モジュール21A(第1群の第1の磁気検知素子10X)と磁気検出モジュール22A(第1群の第2の磁気検知素子10Y)とが直列に接続されて第1の直列回路Aが構成され、磁気検出モジュール22B(第2群の第2の磁気検知素子10Y)と磁気検出モジュール21B(第2群の第1の磁気検知素子10X)とが直列に接続されて第2直列回路Bが構成されている。並列に接続された第1の直列回路Aおよび第2の直列回路Bの第1端23が第1の電位源(Vdd)に接続され、第2端24が第2の電位源(GND)に接続されている。そして、第1の直列回路Aの中点であるセンサ出力端25Aと、第2の直列回路Bの中点であるセンサ出力端25Bが差動増幅器26に接続され、差動電圧(Vout)が検知出力となる。
【0043】
図5に示すように、強磁性層12の磁化の方向での外部磁場Hの変化に対する抵抗値の変化は、第1の磁気検知素子10Xと第2の磁気検知素子10Yとで相違している。したがって、図6に示す直列回路Aのセンサ出力端25Aの電位の変化は、図7に示すのと相似の波形となる。直列回路Bのセンサ出力端25Bの電位の変化は、センサ出力端25Aの電位変化と逆極性になる。よって、差動増幅器26からの検知出力は、図7に示すように、センサ出力端25Aの電位の変化がほぼ2倍に拡大されたものとなる。
【0044】
図7は、電流センサ1により得られる検知電圧のグラフである。同グラフは、磁気検出素子10Xと被測定電流線5との距離(半径r1)を30mmとし、磁気検出素子10Yと被測定電流線5との距離(半径r2)をr1の2倍としたとき(r2=2×r1)の差動増幅器26からの検知出力を示している。図7の横軸は、強磁性層12の磁化の方向での外部磁場Hの変化、すなわち、被測定電流線5を流れる被測定電流から発生する磁場の向きと大きさを示し、縦軸は電流センサ1の検知出力電圧V(Vout)を示している。
【0045】
図7に示す波形は、第1の磁気検知素子10Xと第2の磁気検知素子10Yの中点電位の変化に依存するが、第1の磁気検知素子10Xと第2の磁気検知素子10Yとで検出感度を変えることで、外部磁場の変化(被測定電流の変化)に対して検知出力が1次関数に近い状態で変化する領域を形成することができる。また、抵抗変化率も大きくできる。さらに、多層膜GMR素子は、飽和磁場強度が高いため、強磁場でも使用でき、しかもダイナミックレンジを広く確保できる。
【0046】
第1の磁気検出モジュール21A,21Bを構成する第1の磁気検出素子10Xと、第2の磁気検出モジュール22A,22Bを構成する第2の磁気検出素子10Yは、同じ層構造で同じ形状、大きさであり、磁気検出素子の個数も全ての磁気検出モジュール21A,21B,22A,22Bで同じである。したがって、図6に示すブロック回路を構成することで、それぞれの磁気検出素子の温度特性などを相殺することが可能である。また、図1に示すように、いわゆる積分型の磁界検出装置を構成することで、磁界発生源であると被測定電流線5と磁界検出装置との相対位置の精度を緩和することが可能になる。
【0047】
<第2の実施形態>
本実施形態以降の実施形態では、既に説明した部材に同じ番号を付して詳しい説明を省略する。
【0048】
図8は本発明の第2の実施形態に係る電流センサ31の回路ブロック図である。
電流センサ31は、第1の磁気検出モジュール21A,21Bを構成する第1の磁気検出素子10Xと、第2の磁気検出モジュール22A,22Bを構成する第2の磁気検出素子10Yとの間に、磁気シールド32が設けられている。
【0049】
磁気シールド32は、所定範囲内の磁場強度を減少させるものであり、第1の磁気検出素子10Xが配置された内側円CXと、第2の磁気検出素子10Yが配置された外側円CYとの間に配置されている。磁気シールドはリング状であり、第1の磁気検出モジュール21A,21Bと第2の磁気検出モジュール22A,22Bとの間に円周方向に連続して配置されている。磁気シールド32を設けることにより、被測定電流線5から誘導される被測定磁界に対する検出感度は、第1の磁気検出モジュール21A,21Bを構成する第1の磁気検出素子10Xが、第2の磁気検出モジュール22A,22Bを構成する第2の磁気検出素子10Yよりも高くなっている。図1に示す第1の実施の形態と比較すると、磁気シールド32を用いることにより、外側円CYの半径r2を小さくできるから、電流センサ31を小型に構成できるようになる。
【0050】
図9は、電流センサ31を構成する多層膜GMR素子10のR−H波形を示すグラフである。図9に示す実線は、シールド内素子である第1の磁気検出素子10Xの外部磁場Hの変化に対する抵抗値の変化を示し、破線は、磁気シールド32を挟んで外周側に位置するシールド外素子である第2の磁気検出素子10Yの外部磁場Hの変化に対する抵抗値の変化を示している。図9における破線のグラフは、±430(mT)付近で抵抗値の変化が出なくなっているが、これは、前記数値付近で、磁気シールド32内で磁気飽和となることを意味している。
【0051】
図10は、第2の実施の形態において、図6と同じブロック回路を構成したときの、差動増幅器26からの検知出力を示している。ここでも、外部磁場Hの変化(検出電流の変化)に対して、検知出力の変化が一次関数となる領域が存在する。
【0052】
<第2の実施形態の変形例>
図11は本実施形態に係る電流センサ31の変形例に係る電流センサ33の回路ブロック図である。電流センサ33は、電流センサ31における一体型の磁気シールド32に代えて、分割された磁気シールド34を有している。
【0053】
<第3の実施形態>
図12は本発明の第3の実施形態に係る電流センサ41に使用されている磁気検出装置の回路ブロック図である。図2に示す多層膜GMR素子10は、Y方向が各層の積層方向であり、各層の厚み方向でもある。X−Z面が、各強磁性層12と非磁性材料層13の面と平行である。各層は、X−Z面での面積が、図2に表れているX−Y面での面積(断面積)よりも十分に大きい。
【0054】
図12に示す第3の実施の形態の磁気検出装置は、第1の磁気検出素子10Xが配置された内側円CXの半径r1と、第2の磁気検出素子10Yが配置された外側円CYの半径r2にあまり差はなく、ほぼ同じであってもよい。第1の磁気検出素子10Xは、X−Z面と平行な各層の面(各層の膜面)が、円周方向、すなわち被測定電流線5を中心とする円の接線 方向に向けられている。なお、前記第1の実施の形態と第2の実施の形態においては、第1の磁気検出素子10Xと第2の磁気検出素子10Yの全てにおいて、各層の面と平行なX−Z面が、円周方向に向けられている。
【0055】
ただし、図12に示す第3の実施の形態では、第2の磁気検出素子10Yは、図2に示すX−Y面が、紙面と平行に向けられ、しかもY方向は円の接線 方向で、X方向が円の半径方向に向けられている。この実施の形態では、外部磁場Hが変化したとき、強磁性層12の磁化が、膜厚方向(Y方向)に向けて変化しようとすると、反磁界が作用し、素子の検出感度がきわめて低くなる。よって、図6と同じブロック回路を構成することで、外部磁場Hの変化(検出電流の変化)を検知することが可能になる。
【0056】
<第4の実施形態>
図13は、本発明の第4の実施形態に係る磁気検出装置が備える多層膜GMR素子60の膜構成の一例を示す説明図である。この多層膜GMR素子60は、強磁性層12のうち、最外層の強磁性層12に反強磁性層16が積層されている。なお、反強磁性層16は下地層11と最も下層の強磁性層12との間に設けられていてもよい。すなわち反強磁性層16は、多層構造層14の最外層に位置する強磁性層12の一方または双方に積層して設けられる。
【0057】
反強磁性層16は、x−Mn合金(x・マンガン合金、x=Pt,Ir,Ru,Rh,Pd,Fe,Ni)、x−Cr合金(x・クロム合金、x=Al,Pt,Mn)およびx−O(xの酸化物、x=Fe,Co,Ni)などを用いることができる。これらの中では、PtMn合金(白金・マンガン合金)およびIrMn合金(イリジウム・マンガン合金)が好ましい。
【0058】
本実施形態では、PtMn合金からなる反強磁性層16をアニール処理して規則化し、強磁性層12との間(界面)で交換結合を生じさせる。この交換結合によって、強磁性層12の強磁場耐性を向上させる。
【0059】
磁気検出装置51は、複数の強磁性層12の最外層に隣接する反強磁性層16を備えた多層膜GMR素子60を用いている点を除き、上述した第1〜第3の実施形態と同じである。
【実施例】
【0060】
(実施例1)
以下の膜構成を備えた磁気検出装置の磁気検出素子(図2参照)を製造した。()内の数値は膜厚(Å)を示す。
【0061】
基板/下地層11:NiFe-36Cr(42)/多層構造層14:[強磁性層12:90CoFe(20)/非磁性材料層13:Cu(10)]×15/保護層15:Ta(50)
Rs=4.6Ω/□、ストライプ線長=150μm、ストライプ幅=0.8μm、ストライプ本数=13本、R=11213Ω
【0062】
すなわち、多層膜GMR素子10は、図2に示すX方向がストライプの線長方向に向けられ、Z方向の寸法がストライプ幅方向に向けられて線状に形成されている。多層膜GMR出素子10は、X方向がストライプの線長方向となって、X−Z面内において、ジグザグにいわゆるミアンダパターンで形成されている。ストライプ本数とは、ミアンダパターンでの素子のストライプの本数である。Rはミアンダパターン全体での抵抗値である。
【0063】
(実施例2)
以下の膜構成を備えた磁気検出装置の磁気検出素子(図13参照)を製造した。()内の数値は膜厚(Å)を示す。
【0064】
基板/下地層11:NiFe-36Cr(42)/多層構造層14:[強磁性層12:90CoFe(20)/非磁性材料層13:Cu(10)]×15/強磁性層12:90CoFe(20)/反強磁性層16:IrMn(60)/保護層15:Ta(50)
Rs=4.5Ω/□、ストライプ線長=150μm、ストライプ幅=0.8μm、ストライプ本数=13本、R0=10970Ω
【0065】
(比較例)
図14は比較例に係る磁気検出装置71の回路ブロック図である。
磁気検出装置71は、磁気検出素子10Yに代えて固定抵抗素子70Yを有する磁気検出モジュール72A・72Bを備えている点において、電流センサ1(図1参照)と異なっている。
【0066】
図15は、磁気検出装置71を構成する磁気検出素子10X(GMR)および固定抵抗素子70YのR−H波形を示すグラフである。同図に示すように、固定抵抗素子70Yは被測定電流線5の電流に起因する磁界が変化しても抵抗が一定である。このため、磁気検出素子10Xと固定抵抗素子70Yとの抵抗変化に対応する電圧がセンサ出力端75A・75Bから出力される。
【0067】
しかし、図中に両矢印EX、EYで示したように、抵抗温度係数のずれによって、温度などの環境変化に伴い磁気検出素子10Xの抵抗と固定抵抗素子70Yの抵抗が独立に変化しやすい。このため、センサ出力端75A・75Bから出力に基づいて被測定電流線5の電流を測定するには、環境変化によるオフセットを補正する必要があるから、抵抗変化を補正する手段が必要となる。
【0068】
対して、本発明の電流センサ1、31,33、41はいずれも、磁気検出素子10X・10Yとして、同じ性能の多層膜GMR素子10を用いている。このため、環境変化に伴う抵抗の変化は、磁気検出素子10Xと磁気検出素子10Yとで同じである。したがって、被測定電流線5の電流を測定するために、環境変化による抵抗変化を補正する必要がない。
【符号の説明】
【0069】
1,31,33,41,71 電流センサ
5 被測定電流線
10,60 多層膜GMR素子
10X 磁気検出素子(第1の磁気検出素子)
10Y 磁気検出素子(第2の磁気検出素子)
11 下地層
12 強磁性層
13 非磁性材料層
14 多層構造層
15 保護層
16 反強磁性層
21A,21B 磁気検出モジュール(第1の磁気検出モジュール)
22A,22B 磁気検出モジュール(第2の磁気検出モジュール)
23 第1端
24 第2端
25A,25B,75A,75B センサ出力端(接続部)
33,34 磁気シールド
Vdd 第1の電位源
GND 第2の電位源
CX 内側円(第1の同心円)
CY 外側円(第2の同心円)
r1,r2 半径
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15