JP2006125962A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな構成でありながら、検出対象電流を高精度に検出可能な電流センサを提供する。
【解決手段】 この電流センサは、第１の階層Ｌ１においてＸ方向に延在すると共に検出対象電流Ｉｍが供給されるバスライン１０と、第２の階層Ｌ２におけるバスライン１０と対応する領域においてＸ方向に延在する磁気抵抗効果素子２１と、第３の階層Ｌ３におけるバスライン１０と対応する領域においてＸ方向に延在する磁気抵抗効果素子２２とを備えている。磁気抵抗効果素子２１の抵抗値Ｒ１と磁気抵抗効果素子２２の抵抗値Ｒ２とは、検出対象電流Ｉｍにより生ずる電流磁界Ｈｍに応じて互いに逆方向に変化するように構成されている。磁気抵抗効果素子２１，２２とバスライン１０とを近接して配置することができ、コンパクト化を図りつつ電流磁界Ｈｍを感度良く検出することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、導体を流れる電流の変化を高感度に検知可能な小型の電流センサに関する。

一般に、制御機器の回路に流れる微小な制御電流を正確に検知するにあたっては、その回路内に抵抗を直列接続し、この抵抗の電圧降下を測定する方法を用いる。しかし、この場合には、制御系とは異なる負荷が加わることとなり制御系に対して何らかの悪影響を与える可能性が生じてしまう。このため、制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法が用いられている。具体的には、例えば、トロイダルコアに被測定線を巻き、制御電流をその測定線に供給することによりトロイダルコアの中心部分に生じる磁束をホール素子によって検出する方法である。

ところが、上記の方法を実現する電流センサでは、小型化が困難であることや直線性あるいは高周波応答性の面で不十分であるなどの問題点が指摘されるようになった。このため、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を制御電流による電流磁界中に配置し、その勾配を検出するようにした電流センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このようなＧＭＲ素子を用いた電流センサであれば、検出感度や応答性が向上するうえ、温度変化に対しても安定した検出特性が得られる。
米国特許第５６２１３７７号明細書

ところで、最近では、より微弱な電流の検出が可能であると共によりコンパクトな全体構成を有する電流センサが求められてきている。しかしながら、従来の電流センサにおいてはＧＭＲ素子が被測定線に対して面内方向において隣り合うように設けられていることから、微弱電流の検出が難しく、小型化にも不利となっていた。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、コンパクトな構成でありながら、検出対象電流を高精度に測定可能な電流センサを提供することにある。

本発明の電流センサは、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の各構成要件を備えるようにしたものである。
（Ａ）第１の階層において第１の方向に延在すると共に検出対象電流が供給される導体
（Ｂ）第１の階層と異なる第２の階層の上記導体と対応する領域において第１の方向に延在すると共に、導体に流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗効果素子
（Ｃ）第１の階層を基準として、第２の階層と反対側に位置する第３の階層の導体と対応する領域において第１の方向に延在すると共に、電流磁界に応じて第１の磁気抵抗効果素子とは逆方向に抵抗値が変化する第２の磁気抵抗効果素子
ここでいう「逆方向」とは、抵抗値の増減の方向が逆であることを意味する。したがって、第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値が増加したときには第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は減少し、第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値が減少したときには第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は増加する、という関係にある。

本発明の電流センサでは、導体ならびに第１および第２の磁気抵抗効果素子が同一階層内に設けられる場合と比べて導体と第１および第２の磁気抵抗効果素子とが互いに接近するので、全体の寸法が縮小するうえ、導体を流れる検出対象電流に基づく電流磁界が第１および第２の磁気抵抗効果素子に対してより強く付与されるようになる。

本発明の電流センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に対して互いに等しい値の定電流を流したときに生ずる電圧降下の差分に基づいて検出対象電流を検出するようにすることができる。ここで、第２の階層と隣接する第４の階層における第１の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて第１の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第１の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第１の補償電流線と、第３の階層と隣接する第５の階層における第２の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第２の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第２の補償電流線とをさらに備えるようにすることが望ましい。第４の階層が「第２の階層と隣接する」とは、第４の階層が、第２の階層を挟んで第１の階層とは反対側、または第１の階層と第２の階層との間に存在することを意味する。同様に、第５の階層が「第３の階層と隣接する」とは、第５の階層が、第３の階層を挟んで第１の階層とは反対側、または第１の階層と第３の階層との間に存在することを意味する。

その場合、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに直列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有するようにしてもよいし、あるいは、第２の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに並列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有するようにしてもよい。いずれの場合においても、第１の補償電流線が、第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンと対応して第１の方向に延在する巻線体部分を含んで第４の階層内を巻回するように構成され、第２の補償電流線が、第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンと対応して第１の方向に延在する巻線体部分を含んで第５の階層内を巻回するように構成されていることが好ましい。

本発明の電流センサでは、第２の階層における導体と対応する領域のうち、第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において第１の方向に延在すると共に、電流磁界に応じて抵抗値が第１の磁気抵抗効果素子と同方向へ変化する第３の磁気抵抗効果素子と、第３の階層における導体と対応する領域のうち、第２の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において第１の方向に延在すると共に、電流磁界に応じて抵抗値が第１の磁気抵抗効果素子とは逆方向へ変化する第４の磁気抵抗効果素子とをさらに備えるようにしてもよい。その場合、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士を第１の接続点において接続し、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士を第２の接続点において接続し、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とを第３の接続点において接続し、さらに第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とを第４の接続点において接続することにより、第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときに生ずる第３の接続点と第４の接続点との間の電位差に基づいて検出対象電流が検出されるようにブリッジ回路を構成することが好ましい。

さらに、第３および第４の磁気抵抗効果素子を設けるようにした場合には、第１の補償電流線が、第４の階層における第１および第３の磁気抵抗効果素子の双方と対応する領域に設けられ、電位差に応じた補償電流が流れることにより検出対象電流に基づいて第１および第３の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第１および第３の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成され、第２の補償電流線が、第５の階層における第２および第４の磁気抵抗効果素子の双方と対応する領域に設けられ、電位差に応じた補償電流が流れることにより検出対象電流に基づいて第２および第４の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第２および第４の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成されることが好ましい。

本発明の電流センサによれば、第１の階層において第１の方向に延在すると共に検出対象電流が供給される導体と、第２の階層の前記導体と対応する領域において第１の方向に延在すると共に検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗効果素子と、第１の階層を基準として、第２の階層と反対側に位置する第３の階層における導体と対応する領域内で第１の方向に延在すると共に電流磁界に応じて第１の磁気抵抗効果素子とは逆方向に抵抗値が変化する第２の磁気抵抗効果素子とを備えるようにしたので、コンパクト化を図りつつ、検出対象電流による電流磁界を感度良く検出することができる。よって、コンパクトな構成でありながら、比較的微弱な検出対象電流をも高精度に測定することができる。さらに、第１の磁気抵抗効果素子における抵抗値と第２の磁気抵抗効果素子における抵抗値とが電流磁界によって互いに逆方向の変化を示すので、それらの抵抗値の差分を検出することにより、高精度に検出対象電流を測定することができる。その場合、特に、第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に対して互いに等しい値の定電流を流したときに生ずる電圧降下の差分を検出するようにすると、測定結果の信頼性が向上する。

本発明の電流センサによれば、特に、第４の階層における第１の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより検出対象電流に基づいて第１の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第１の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第１の補償電流線と、第５の階層における第３の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより検出対象電流に基づいて第２の磁気センサに印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を第２の磁気センサに付与するように構成された第２の補償電流線とをさらに備えるようにすると、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子との特性上のばらつきや、回路中の接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布に起因した誤差をキャンセルすることができ、よりいっそう高精度に検出対象電流を測定することができる。

また、本発明の電流センサによれば、特に、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設されて直列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有するようにした場合には、第１の方向における寸法を長くすることなく感磁部として機能する素子パターンの総延長を稼ぐことができ、第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれにおける全体の抵抗値（インピーダンス）の絶対値を稼ぐことができる。したがって、より微弱な検出対象電流であっても高精度に測定することができる。ここで、第１の補償電流線を、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンと対応して第１の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで第４の階層内を巻回するように構成し、第２の補償電流線を、第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンと対応して第１の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで第５の階層内を巻回するように構成すると、複数の素子パターンのそれぞれに対して、より均一な大きさの補償電流磁界を付与することができ、被検出対象電流の測定値の精度をさらに高めることができる。

また、本発明の電流センサによれば、特に、第１および第２の磁気抵抗効果素子が、第２の方向に互いに隣在し合うように配設されて並列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有するように構成した場合には、コンパクトな構成を維持しつつ、抵抗変化率を下げることなく全体の抵抗値（インピーダンス）を低減することができ、外部からのノイズ（不要な磁界）による影響を低下させ、ＳＮ比を向上させることができる。この場合にも、第１の補償電流線を、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンと対応して第１の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで第４の階層内を巻回するように構成し、第２の補償電流線を、第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンと対応して第１の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで第５の階層内を巻回するように構成すると、複数の素子パターンのそれぞれに対して、より均一な大きさの補償電流磁界を付与することができ、被検出対象電流の測定値の精度をさらに高めることができる。

また、本発明の電流センサによれば、第２の階層における導体と対応する領域のうち、第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において第１の方向に延在すると共に電流磁界に応じて抵抗値が第１の磁気抵抗効果素子と同方向へ変化する第３の磁気抵抗効果素子と、第３の階層における導体と対応する領域のうち、第２の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において第１の方向に延在すると共に電流磁界に応じて第１の磁気抵抗効果素子とは逆方向へ抵抗値が変化する第４の磁気抵抗効果素子とをさらに備えるようにした場合には、第１から第４の磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成することができ、コンパクトな構成を維持しつつ検出対象電流の測定値の精度をさらに高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
最初に、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態としての電流センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態の電流センサ１の斜視構成を表す概略図である。図２は、図１の電流センサ１に示したII−II切断線における矢視方向（−Ｘ方向）の断面構成を表したものである。この電流センサ１は、例えば、産業機械や民生機器などにおいて動作の制御を行う制御機器に搭載され、制御信号としての電流を正確に測定するために用いられるものである。なお、後述する第２の実施の形態との区別を行うため、本実施の形態では電流センサ１Ａと呼ぶ。

電流センサ１Ａは、第１の階層Ｌ１において第１の方向（Ｘ方向）へ延在する直線部分１０Ａを有するバスライン１０と、第１の階層Ｌ１とは異なる第２の階層Ｌ２においてＸ方向へ延在する第１の磁気抵抗効果素子２１（以下、単に「磁気抵抗効果素子２１」という。）と、第１の階層Ｌ１を基準として、第２の階層Ｌ２とは反対側に位置する第３の階層Ｌ３においてＸ方向へ延在する第２の磁気抵抗効果素子２２（以下、単に「磁気抵抗効果素子２２」という。）とを有している。バスライン１０は、例えば銅（Ｃｕ）などの高導電性の金属材料を用いてめっき法などにより形成された薄膜（膜厚は例えば３μｍ）であり、例えば、制御信号等、検出対象とする電流（検出対象電流）Ｉｍが供給されるものである。バスライン１０の一方の端部１０Ｓは、コンタクト層Ｔ１，Ｔ２などを介して電極膜４１と接続されている。バスライン１０の他方の端部１０Ｅは、コンタクト層Ｔ３，Ｔ４などを介して電極膜４２と接続されている（図１参照）。電流センサ１Ａでは、検出対象電流Ｉｍが端部１０Ｓから端部１０Ｅへ流れるように設定される。磁気抵抗効果素子２１および磁気抵抗効果素子２２は検出対象電流Ｉｍが生ずる電流磁界Ｈｍ（後出）を検出するものであり、いずれも、バスライン１０の直線部分１０Ａと積層方向において対応する領域に設けられている。

電流センサ１Ａは、さらに、第１の階層Ｌ１と第２の階層Ｌ２との間の第４の階層Ｌ４に形成され、その一部が磁気抵抗効果素子２１と対応する領域においてＸ方向へ延在するように設けられた第１の補償電流線３１（以下、単に「補償電流線３１」という。）と、第３の階層Ｌ３を基準として、第１の階層Ｌ１とは反対側に位置する第５の階層Ｌ５に形成され、その一部が磁気抵抗効果素子２２と対応する領域においてＸ方向へ延在するように設けられた第２の補償電流線３２（以下、単に「補償電流線３２」という。）とを備えている。したがって、電流センサ１Ａは、シリコン（Ｓｉ）などからなる基体２の上に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などからなる下地膜３を介して、磁気抵抗効果素子２１を含む第２の階層Ｌ２と、補償電流線３１を含む第４の階層Ｌ４と、バスライン１０を含む第１の階層Ｌ１と、磁気抵抗効果素子２２を含む第３の階層Ｌ３と、補償電流線３２を含む第５の階層Ｌ５とが順に積層された構造を有している。ここで、第１の階層Ｌ１の厚みは例えば８．２μｍであり、第２の階層Ｌ２の厚みは例えば２μｍであり、第４の階層Ｌ４の厚みは例えば４μｍである。また、磁気抵抗効果素子２１の上面とパスライン１０の下面との距離は例えば５．２μｍである。なお、図２の断面において、磁気抵抗効果素子２１、補償電流線３１、バスライン１０、磁気抵抗効果素子２２および補償電流線３２は、Ａｌ₂Ｏ₃などからなる絶縁膜Ｚ１〜Ｚ５にそれぞれ覆われており、互いに電気的に絶縁されている。但し、後述するように、図２の断面に現れない箇所において、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とはコンタクト層を介して互いの一部が連結されており、補償電流線３１と補償電流線３２とは他のコンタクト層を介して互いの一部が連結されている。さらに、第５の階層Ｌ５において補償電流線３２を覆う絶縁膜Ｚ５の上には、複数の電極膜４１〜４７が設けられている。

磁気抵抗効果素子２１は、一対の端部２１Ｓ，２１Ｅの間に複数の素子パターン２１Ａ〜２１Ｃを有している。この素子パターン２１Ａ〜２１Ｃは、いずれもスパッタリング法などにより例えば０．８μｍの厚みを有するように形成されたものであり、Ｘ方向に延在すると共にＸ方向と直交するＹ方向（第２の方向）に互いに隣在し合うように配設されて直列接続されている。すなわち、磁気抵抗効果素子２１は、端部２１Ｓと端部２１Ｅとの間でつづら折り状に連なっており、その平行部分に素子パターン２１Ａ〜２１Ｃが配置されている。同様に、磁気抵抗効果素子２２は、一対の端部２２Ｓ，２２Ｅの間に、Ｘ方向に延在すると共にＹ方向に互いに隣在し合うように配設されて直列接続された複数の素子パターン２２Ａ〜２２Ｃを有している。ここで、端部２１Ｅと端部２２Ｓとがコンタクト層（図示せず）などを介して互いに連結されている。端部２２Ｓは、コンタクト層Ｔ５などを介して電極膜４３と接続されている。さらに、端部２１Ｓはコンタクト層Ｔ６，Ｔ７などを介して電極膜４４と接続されており、端部２２Ｅはコンタクト層Ｔ８などを介して電極膜４５と接続されている。素子パターン２１Ａ〜２１Ｃおよび素子パターン２２Ａ〜２２Ｃは、それぞれに一定の読出電流を流したときに、いずれもバスライン１０を流れる検出対象電流Ｉｍにより生ずる電流磁界Ｈｍに応じた抵抗値の変化を示す。その場合、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃの抵抗値の変化と、素子パターン２２Ａ〜２２Ｃの抵抗値の変化とは互いに逆方向となる。すなわち、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃの抵抗値が増加したときは、素子パターン２２Ａ〜２２Ｃの抵抗値は減少するという関係となっている。なお、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃの詳細な構成については後述する。

補償電流線３１は、一対の端部３１Ｓ，３１Ｅを有し、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃの各々と対応するようにＸ方向に延在する巻線体部分３１Ａ〜３１Ｃを一部に含んで第４の階層Ｌ４内を巻回するように構成されている。一方、補償電流線３２は、一対の端部３２Ｓ，３２Ｅを有し、素子パターン２２Ａ〜２２Ｃの各々と対応するようにＸ方向に延在する巻線体部分３２Ａ〜３２Ｃを一部に含んで第５の階層Ｌ５内を巻回するように構成されている。ここで、端部３２Ｅと端部３１Ｓとがコンタクト層（図示せず）を介して互いに連結されているので、補償電流線３１，３２は回路構成上、１本の電流線となっている。補償電流線３１，３２は、めっき法などにより、例えば１．２μｍの厚みを有するように形成されたものである。なお、端部３２Ｓはコンタクト層Ｔ９を介して電極膜４７と接続されており、端部３１Ｅはコンタクト層Ｔ１０〜Ｔ１２を順に介して電極膜４６と接続されている。

図３は、図１および図２に示した電流センサ１Ａを含む電流計の回路構成を表す概略図である。図３では、破線で囲んだ部分が電流センサ１Ａに対応する。図３に示したように、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とが、Ｘ方向へ延在するバスライン１０を（実際にはＺ方向に）挟んで互いに対向するように設けられている。ここでは磁気抵抗効果素子２１，２２を、複数の素子パターンが直列接続されてなる抵抗体として表している。磁気抵抗効果素子２１の端部２１Ｅと磁気抵抗効果素子２２の端部２２Ｓとは、第１の接続点Ｐ１において互いに連結され、電極膜４３を介して最終的に接地されている。磁気抵抗効果素子２１，２２の、第１の接続点とは反対側には、第２の接続点Ｐ２において互いに連結された定電流源５１，５２が設けられている。具体的には、磁気抵抗効果素子２１における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部２１Ｓが、第３の接続点Ｐ３としての電極膜４４を介して定電流源５１と接続されており、一方の磁気抵抗効果素子２２における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部２２Ｅが、第４の接続点Ｐ４としての電極膜４５を介して定電流源５２と接続されている。これら定電流源５１および定電流源５２は、互いに等しい値の定電流Ｉ０を磁気抵抗効果素子２１，２２の各々へ供給するものである。

定電流源５１，５２によって磁気抵抗効果素子２１，２２に定電流Ｉ０が流れると、補償電流線３１，３２には、電極膜４４と電極膜４５との電位差（磁気抵抗効果素子２１における電圧降下と、磁気抵抗効果素子２２における電圧降下との差分）に基づく補償電流Ｉｄが供給されるようになっている。電極膜４４および電極膜４５は、外部に設けられた差動増幅器ＡＭＰの入力側とそれぞれ接続されている。差動増幅器ＡＭＰの出力側は、電極膜４７を介して補償電流線３２の端部３２Ｓと接続されている。補償電流線３２の端部３２Ｅと接続された端部３１Ｓを有する補償電流線３１は、その反対側の端部３１Ｅが電極膜４６および第５の接続点Ｐ５を介して外部の抵抗体ＲＬと接続され、最終的に接地されている。抵抗体ＲＬの、差動増幅器ＡＭＰの側には、第５の接続点Ｐ５において接続された補償電流検出手段Ｓが設けられている。ここでは、補償電流線３１に補償電流Ｉｄが流れることにより、検出対象電流Ｉｍに基づいて磁気抵抗効果素子２１に印加される電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄが磁気抵抗効果素子２１に付与されるように構成されている。同様に、補償電流線３２に補償電流Ｉｄが流れることにより、検出対象電流Ｉｍに基づいて磁気抵抗効果素子２２に印加される電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄが磁気抵抗効果素子２２に付与されるように構成されている。これについて、図４を参照して詳細に説明する。

図４は、図２に示した断面構成の要部を拡大したものであり、電流の流れる方向と、その電流によって生ずる磁界の方向との関係について模式的に表している。バスライン１０に対して、例えば＋Ｘ方向へ（紙面奥から手前へ）向かうように検出対象電流Ｉｍが供給されると、右ねじの法則から紙面上では反時計回りの電流磁界Ｈｍが生ずる。このため、磁気抵抗効果素子２１の各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃに対しては＋Ｙ方向への電流磁界Ｈｍが印加されることとなり、一方の磁気抵抗効果素子２２の各素子パターン２２Ａ〜２２Ｃに対しては−Ｙ方向への電流磁界Ｈｍが印加されることとなる。このとき、補償電流Ｉｄは、各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃに対応する巻線体部分３１Ａ〜３１Ｃの中をそれぞれ−Ｘ方向へ（紙面手前から奥へ）向かうように流れると共に、各素子パターン２２Ａ〜２２Ｃに対応する巻線体部分３２Ａ〜３２Ｃの中をそれぞれ＋Ｘ方向へ向かうように流れるように構成されている。したがって、右ねじの法則により、巻線体部分３１Ａ〜３１Ｃの周囲には紙面上、時計回りの補償電流磁界Ｈｄが生じ、一方の巻線体部分３２Ａ〜３２Ｃの周囲には紙面上、反時計回りの補償電流磁界Ｈｄが生じるので、結果として、各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃに対しては−Ｙ方向への補償電流磁界Ｈｄが付与され、各素子パターン２２Ａ〜２２Ｃに対しては＋Ｙ方向への補償電流磁界Ｈｄが印加されることとなる。すなわち、電流磁界Ｈｍとは反対向きの補償電流磁界Ｈｄが素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃの各々に付与される。

次に、図５を参照して、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃの構成について、より詳しく説明する。図５は、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃの構成を分解して示す分解斜視図である。

素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃは、いずれも図５に示したように、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなしており、＋Ｘ方向に固着された磁化方向Ｊ１１を有する固着層１１と、電流磁界Ｈｍをはじめとする外部磁界Ｈに応じて磁化方向Ｊ１３が変化する自由層１３と、固着層１１と自由層１３との間に挟まれ、特定の磁化方向を示さない中間層１２とをそれぞれ含むものである。自由層１３は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの軟磁性材料により構成されている。中間層１２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層１１と接すると共に下面が自由層１３と接している。中間層１２は、銅のほか、金（Ａｕ）などの導電率の高い非磁性金属により構成することができる。なお、固着層１１の上面（中間層１２と反対側の面）および自由層１３の下面（中間層１２と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されている。また、固着層１１と自由層１３との間には磁化方向Ｊ１１における交換バイアス磁界Ｈin（以下、単に「交換バイアス磁界Ｈin」と記す。）が生じており、中間層１２を介して互いに作用し合っている。交換バイアス磁界Ｈinの強度は、固着層１１と自由層１３との相互間隔（すなわち中間層１２の厚み）に応じて自由層１３のスピン方向が回転することにより変化する。さらに、図５では、下から自由層１３、中間層１２、固着層１１の順に積層された場合の構成例を示しているが、これに限定されず、反対の順序で構成するようにしてもよい。

図６に、固着層１１の詳細な構成を示す。固着層１１は、中間層１２の側から磁化固定膜１４と反強磁性膜１５とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜１４は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料によって構成されている。この磁化固定膜１４の示す磁化方向が固着層１１全体としての磁化方向Ｊ１１となる。反強磁性膜１５は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜１５は、＋Ｘ方向のスピン磁気モーメントと反対方向（−Ｘ方向）のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜１４の磁化方向Ｊ１１を固定するように機能するものである。

以上のように構成された素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃでは、電流磁界Ｈｍが印加されることにより自由層１３の磁化方向Ｊ１３が回転し、それによって磁化方向Ｊ１３と磁化方向Ｊ１１との相対角度が変化する。その相対角度は、電流磁界Ｈｍの大きさや向きによって決まるものである。

なお、図５は、電流磁界Ｈｍが零（Ｈｍ＝０）であり、かつ、その他の磁界（バイアス磁界など）を印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界Ｈが零の状態）を示している。自由層１３の磁化容易軸方向ＡＥ１３が固着層１１の磁化方向Ｊ１１と平行となるように形成されていることから、この状態では、磁化容易軸方向ＡＥ１３と、磁化方向Ｊ１３と、磁化方向Ｊ１１とが全て＋Ｘ方向に沿って互いに平行となっている。このため、自由層１３における各磁区のスピン方向がほぼ同一方向に揃うこととなるので、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃに対し、磁化方向Ｊ１１と直交する方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）へ外部磁界Ｈが印加された場合には、図７に示したような特性が得られる。図７は、Ｙ方向への外部磁界Ｈを正として外部磁界Ｈと抵抗変化率ΔＲ／Ｒとの関係を示したものであるが、両者の関係は、外部磁界Ｈ＝０において極小（ΔＲ／Ｒ＝０）となり、ヒステリシスをほとんど示すことのない１本の曲線Ｃ１で表される。この場合、ヒステリシスに起因する１／ｆノイズが極めて小さくなるので、高感度かつ安定したセンシングが可能となる。

ただし、図７から明らかなように、外部磁界Ｈが零（Ｈ＝０）の近傍においては直線的な変化が得られないので、実際に電流磁界Ｈｍを測定する場合には図示しない永久磁石などによるバイアス磁界を磁化方向Ｊ１１と直交する方向へ印加することで、図８に示したように、磁化方向Ｊ１３を回転させ、＋Ｙ方向の成分または−Ｙ方向の成分を含むように僅かに傾ける（図６では−Ｙ方向へ傾けた場合を例示する）。こうすることにより、図７に示したバイアスポイントＢＰ１，ＢＰ２を中心とする線形領域ＬＡ１，ＬＡ２において電流磁界Ｈｍの変化を精度良く検出することができる。電流センサ１Ａでは、固着層１１における磁化方向Ｊ１１がいずれも＋Ｘ方向に固着されているので、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃの全てに対して同じ方向のバイアス磁界を印加するようにする。こうすることにより、電流磁界Ｈｍを検出したときに、磁気抵抗効果素子２１の抵抗値Ｒ１と磁気抵抗効果素子２２の抵抗値Ｒ２とが互いに逆の変化を生じることとなる。例えば、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃに対して、予め＋Ｙ方向へバイアスポイントＢＰ１（図７参照）に相当する強度のバイアス磁界を印加しておく。図４に示したように＋Ｘ方向へ検出対象電流Ｉｍを流したときには、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃは、＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍが印加されるので、図７から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値Ｒ１が増加する）。これに対し、素子パターン２２Ａ〜２２Ｃは、−Ｙ方向の電流磁界Ｈｍが印加されるので、図７から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値Ｒ２が減少する）のである。

このような構成の電流センサ１Ａでは、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときに、第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４における電位の差分Ｖ０（磁気抵抗効果素子２１，２２のそれぞれに生ずる電圧降下の差分）に基づく補償電流Ｉｄが差動増幅器ＡＭＰを介して補償電流線３１，３２を流れ、その補償電流Ｉｄが補償電流検出手段Ｓによって検出されるようになっている。差動増幅器ＡＭＰは、差分Ｖ０が零となるように補償電流Ｉｄを調整するものである。

以下、再び図３を参照して、検出対象電流Ｉｍによって形成される電流磁界Ｈｍを測定する方法について説明する。

図３において、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に所定の電圧を印加した際の定電流源５１，５２からの定電流をＩ０とし、磁気抵抗効果素子２１，２２全体の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。電流磁界Ｈｍが印加されていない場合、第３の接続点Ｐ３（電極膜４４）における電位Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｉ０・Ｒ１
であり、第４の接続点Ｐ４（電極膜４５）における電位Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｉ０・Ｒ２
となる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・Ｒ１−Ｉ０・Ｒ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２） …（１）

この回路では、電流磁界Ｈｍが印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより磁気抵抗効果素子２１，２２における抵抗変化量が得られる。例えば電流磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ変化量ΔＲ１，ΔＲ２だけ増加したとすると、式（１）は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２）
＝Ｉ０・｛（Ｒ１＋ΔＲ１）−（Ｒ２＋ΔＲ２）｝ …（２）
となる。

すでに述べたように、磁気抵抗効果素子２１（素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ）と磁気抵抗効果素子２２（素子パターン２２Ａ〜２２Ｃ）とは電流磁界Ｈｍによって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されていることから、変化量ΔＲ１と変化量ΔＲ２とは互いの正負が逆の符号となる。したがって、式（２）において、電流磁界Ｈｍが印加される前の抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ２は互いに打ち消し合う一方で、変化量ΔＲ１および変化量ΔＲ２はそのまま維持される。

仮に、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２とが全く同一の特性を有するとした場合、すなわち、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ
かつ
ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ
であると仮定した場合、式（３）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１＋ΔＲ１−Ｒ２−ΔＲ２）
＝Ｉ０・（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉ０・（２ΔＲ） …（４）
となる。したがって、予め外部磁界と抵抗変化量との関係を把握した磁気抵抗効果素子２１，２２を用いるようにすれば、電流磁界Ｈｍの大きさを求めることができ、その大きさの電流磁界Ｈｍを発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。この場合、２つの磁気抵抗効果素子２１，２２を用いてセンシングを行っているので、磁気抵抗効果素子２１または磁気抵抗効果素子２２を単独で用いてセンシングを行う場合と比べて２倍の抵抗変化量を取り出すことができ、測定値の高精度化に有利となる。

さらに、電流センサ１Ａでは、第３の接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と第４の接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給されて、その差分（電位差Ｖ０）が零となるような補償電流Ｉｄが出力される。差動増幅器ＡＭＰからの補償電流Ｉｄは、電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄを各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃへ付与し、回路中の接続抵抗のばらつきや磁気抵抗効果素子２１，２２の相互間における特性のばらつき、温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などに起因する誤差分をキャンセルするように作用するので、結果として電流磁界Ｈｍのみに比例した大きさに近づくこととなる。したがって、補償電流検出手段Ｓにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、既知の抵抗体ＲＬとの関係から補償電流Ｉｄを算出することにより、より正確な電流磁界Ｈｍを求めることができ、ひいては検出対象電流Ｉｍの大きさを高精度に推定することができる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ａによれば、第１の階層Ｌ１においてＸ方向に延在すると共に検出対象電流Ｉｍが供給されるバスライン１０と、第２の階層Ｌ２のバスライン１０と対応する領域においてＸ方向に延在すると共に電流磁界Ｈｍに応じて抵抗値Ｒ１が変化する素子パターン２１Ａ〜２１Ｃを含む磁気抵抗効果素子２１と、第３の階層Ｌ３のバスライン１０と対応する領域においてＸ方向に延在すると共に電流磁界Ｈｍに応じて抵抗値Ｒ２が変化する素子パターン２２Ａ〜２２Ｃを含む磁気抵抗効果素子２２とを備えるようにしたので、磁気抵抗効果素子２１，２２をバスライン１０に対して比較的近くに配置することができ、コンパクト化を図りつつ電流磁界Ｈｍを感度良く検出することができる。さらに、抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ２とが電流磁界Ｈｍによって互いに逆方向の変化（増減）を示すので、それらの抵抗値の差分を検出することによって、高精度に検出対象電流を測定することができる。特に、磁気抵抗効果素子２１，２２の各々に対して互いに等しい値の定電流Ｉ０を流したときに生ずる電圧降下の差分Ｖ０を検出するようにしたので、測定結果の信頼性が向上する。

さらに、補償電流線３１，３２を第４および第５の階層Ｌ４，Ｌ５にそれぞれ設け、電圧降下の差分Ｖ０に応じた補償電流Ｉｄをそれぞれに流すようにしたので、各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃに対して電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄを付与することができ、磁気抵抗効果素子２１と磁気抵抗効果素子２２との特性上のばらつきや、回路中の接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布に起因した誤差をキャンセルすることができ、よりいっそう高精度に検出対象電流Ｉｍを測定することができる。

さらに、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃを、それぞれ、Ｘ方向に延在すると共にＹ方向に互いに隣在し合うように配設して直列接続するようにしたので、Ｘ方向における寸法を長くすることなく感磁部として機能する素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃのそれぞれの総延長を稼ぐことができ、磁気抵抗効果素子２１，２２のそれぞれにおける全体のインピーダンスの絶対値を稼ぐことができる。したがって、より微弱な検出対象電流Ｉｍであっても高精度に測定することができる。この際、補償電流線３１が素子パターン２１Ａ〜２１Ｃの各々と対応する巻線体部分３１Ａ〜３１Ｃを有し、かつ、補償電流線３２が素子パターン２２Ａ〜２２Ｃの各々と対応する巻線体部分３２Ａ〜３２Ｃを有するように構成したので、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃの各々に対して、より均一な大きさの補償電流磁界Ｈｄを付与することができ、被検出対象電流Ｉｍの測定値の精度をさらに高めることができる。

［第２の実施の形態］
続いて、図９および図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態としての電流センサ１Ｂについて説明する。

電流センサ１Ｂは、上記第１の実施の形態の電流センサ１Ａの構成に、さらに第３および第４の磁気抵抗効果素子２３，２４（以下、単に「磁気抵抗効果素子２３，２４」という。）を加えるようにしたものである。以下、具体的に説明するが、上記第１の実施の形態と重複する部分については適宜説明を省略する。

図９は、電流センサ１Ｂの斜視構成を表す概略図である。図９に示したように、電流センサ１Ｂでは、磁気抵抗効果素子２３が第２の階層Ｌ２において磁気抵抗効果素子２１と隣り合うようにＸ方向に並んで配置されていると共に、磁気抵抗効果素子２４が第３の階層Ｌ３において磁気抵抗効果素子２２と隣り合うようにＸ方向に並んで配置されている。磁気抵抗効果素子２３は、積層方向においてバスライン１０と対応する領域のうち、磁気抵抗効果素子２１が形成された領域以外の領域においてＸ方向に延在する複数の素子パターン２３Ａ〜２３Ｃを含んで構成されている。同様に、磁気抵抗効果素子２４は、積層方向においてバスライン１０と対応する領域のうち、磁気抵抗効果素子２２が形成された領域以外の領域においてＸ方向に延在する複数の素子パターン２４Ａ〜２４Ｃを含んで構成されている。ここで、素子パターン２３Ａ〜２３Ｃは、磁気抵抗効果素子２３の全体としての抵抗値Ｒ３が電流磁界Ｈｍに応じて磁気抵抗効果素子２１の全体としての抵抗値Ｒ１と同方向へ変化するようになっている。一方、素子パターン２４Ａ〜２４Ｃは、磁気抵抗効果素子２４の全体としての抵抗値Ｒ４が電流磁界Ｈｍに応じて磁気抵抗効果素子２２の全体としての抵抗値Ｒ２と同方向へ変化するようになっている。

素子パターン２３Ａ〜２３Ｃは、Ｘ方向に延在すると共にＹ方向に互いに隣在し合うように配設されて直列接続されている。すなわち、磁気抵抗効果素子２３は、端部２３Ｓと端部２３Ｅとの間でつづら折り状に連なっており、その平行部分に素子パターン２３Ａ〜２３Ｃが配置されている。磁気抵抗効果素子２４においても同様に、端部２４Ｓと端部２４Ｅとの間でつづら折り状に連なった形状をなしており、その平行部分に素子パターン２４Ａ〜２４Ｃが配置されている。ここで、素子パターン２３Ａ〜２３Ｃは、それぞれ、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃの各々とＸ方向に延びる同一直線上に配置されており、素子パターン２４Ａ〜２４Ｃは、それぞれ、素子パターン２２Ａ〜２２Ｃの各々と、Ｘ方向に延びる同一直線上に配置されている。ここで、端部２３Ｅと端部２４Ｓとがコンタクト層Ｔ１３などを介して互いに連結されている。端部２４Ｓは、コンタクト層Ｔ１４などを介して絶縁膜Ｚ５上の電極膜４８と接続されている。さらに、端部２３Ｓはコンタクト層Ｔ１５〜Ｔ１７などを介して絶縁膜Ｚ５上の電極膜４９と接続されており、端部２４Ｅはコンタクト層Ｔ１８などを介して絶縁膜Ｚ５上の電極膜５０と接続されている。

また、電流センサ１Ｂでは、補償電流線３１が、素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ２１および素子パターン２３Ａ〜２３Ｃの双方と対応してＸ方向へ延在する巻線体部分３１Ａ〜３１Ｃを含んで第４の階層Ｌ４内を巻回するように設けられている。さらに、補償電流線３２が、素子パターン２２Ａ〜２２Ｃ２１および素子パターン２４Ａ〜２４Ｃの双方と対応してＸ方向へ延在する巻線体部分３２Ａ〜３２Ｃを含んで第５の階層Ｌ５内を巻回するように設けられている。ここで、端部３２Ｅと端部３１Ｓとがコンタクト層（図示せず）を介して互いに連結されているので、補償電流線３１，３２は回路構成上、１本の電流線となっている。なお、端部３２Ｓはコンタクト層Ｔ９を介して電極膜４７と接続されており、端部３１Ｅはコンタクト層Ｔ１０〜Ｔ１２を順に介して電極膜４６と接続されている。

図１０は、図９に示した電流センサ１Ｂを含む電流計の回路構成を表す概略図である。図１０では、破線で囲んだ部分が電流センサ１Ｂに対応する。図１０に示したように、磁気抵抗効果素子２１および磁気抵抗効果素子２２が、第１の接続点Ｐ１において互いに連結され、電極膜４３を介して最終的に接地されている。また、磁気抵抗効果素子２３と磁気抵抗効果素子２４とが、第２の接続点Ｐ２において互いに接続されている。さらに、磁気抵抗効果素子２１における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部２１Ｓと磁気抵抗効果素子２４における第２の接続点Ｐ２とは反対側の端部２４Ｅとが、第３の接続点Ｐ３としての電極膜４４において接続され、かつ、磁気抵抗効果素子２２における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部２２Ｅと磁気抵抗効果素子２３における第２の接続点Ｐ２とは反対側の端部２３Ｓとが、第４の接続点Ｐ４としての電極膜４５において接続されている。このように、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０に基づいて検出対象電流Ｉｍが検出されるようにブリッジ回路が構成されている。

磁気抵抗効果素子２１〜２４に読出電流Ｉ０が流れると、補償電流線３１，３２には、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との電位差に基づく補償電流Ｉｄが供給されるようになっている。ここでは、補償電流線３１に補償電流Ｉｄが流れることにより、検出対象電流Ｉｍに基づいて磁気抵抗効果素子２１，２３に印加される電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄが磁気抵抗効果素子２１，２３に付与されるように構成されている。同様に、補償電流線３２に補償電流Ｉｄが流れることにより、検出対象電流Ｉｍに基づいて磁気抵抗効果素子２２，２４に印加される電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄが磁気抵抗効果素子２２，２４に付与されるように構成されている（図４参照）。

このような構成の電流センサ１Ｂでは、補償電流Ｉｄを補償電流検出手段Ｓによって検出することにより、検出対象電流Ｉｍを推定するようにしている。以下、図１０に加え、図１１を参照して、検出対象電流Ｉｍによって形成される電流磁界Ｈｍを測定する方法について説明する。図１１は、図１０の要部を簡略化して示した回路図である。

図１１では、電流磁界Ｈｍが印加されていない状態で読出電流Ｉ０を流したときの磁気抵抗効果素子２１〜２４の抵抗値をそれぞれ符号Ｒ１〜Ｒ４で示す。読出電流Ｉ０は第２の接続点Ｐ２で分流される。こののち、磁気抵抗効果素子２４，２１を通過する読出電流Ｉ１と磁気抵抗効果素子２３，２１を通過する読出電流Ｉ２とが第１の接続点Ｐ１で合流する。この場合、第２の接続点Ｐ２と第１の接続点Ｐ１との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１・Ｒ４＋Ｉ１・Ｒ１＝Ｉ２・Ｒ３＋Ｉ２・Ｒ２
＝Ｉ１（Ｒ４＋Ｒ１）＝Ｉ２（Ｒ３＋Ｒ２） ……（５）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１・Ｒ４
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２・Ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝（Ｖ−Ｉ１・Ｒ４）−（Ｖ−Ｉ２・Ｒ３）
＝Ｉ２・Ｒ３−Ｉ１・Ｒ４ ……（６）
ここで、（５）式から
Ｖ０＝Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ２）・Ｖ−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ１）・Ｖ
＝｛Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ２）−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ１）｝・Ｖ ……（７）
となる。このブリッジ回路では、電流磁界Ｈｍが印加されたときに、上記の式（７）で示された第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。電流磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ１だけ増加したとすると、すなわち、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１→Ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２→Ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３→Ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４→Ｒ４＋ΔＲ４
のように変化したとすると、電流磁界Ｈｍを印加後は、式（７）より、
Ｖ０＝｛（Ｒ３＋ΔＲ３）／（Ｒ３＋ΔＲ３＋Ｒ２＋ΔＲ２）−（Ｒ４＋ΔＲ４）／（Ｒ４＋ΔＲ４＋Ｒ１＋ΔＲ１）｝・Ｖ ……（８）
となる。すでに述べたように、電流センサ１Ｂでは、磁気抵抗効果素子２１，２３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３と磁気抵抗効果素子２２，２４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化する（磁気抵抗効果素子２１，２３と磁気抵抗効果素子２２，２４とでは逆方向に電流磁界Ｈｍが印加されることから、磁気抵抗効果素子２１〜２４の全てに対して、同一方向のバイアス磁界を予め印加するようにする。）ので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、電流磁界Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（８）の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。これは、図７から明らかなように、バイアス点ＢＰ１に対応するバイアス磁界が予め印加された状態において＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍが印加されることにより、磁気抵抗効果素子２２，２４では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、磁気抵抗効果素子２１，２３では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。

仮に、磁気抵抗効果素子２１〜２４が完全に同一の特性を有するとした場合、すなわち、
Ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４
かつ
ΔＲ＝ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ３＝−ΔＲ４
であるとした場合、式（８）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２Ｒ）｝・Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）・Ｖ
となる。

このように、予め抵抗変化率ΔＲ／Ｒ等の特性値を把握した磁気抵抗効果素子２１〜２４を用いることにより、電流磁界Ｈｍの大きさを求めることができ、その電流磁界Ｈｍを発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。特に、ブリッジ回路を構成してセンシングを行うようにすることにより、同等の出力を有する単一の素子パターンによりセンシングする場合と比べて、各磁気抵抗効果素子の素子パターンにおける抵抗変化量を大きく取り出すことができ、測定値の精度を向上させることが可能である。また、本実施の形態では、磁気抵抗効果素子２１〜２４の全ての固着層１１の磁化方向Ｊ１１を同一方向をなすようにしたので、電流磁界Ｈｍの方向に対して、磁化方向Ｊ１１が全て同一角度をなすこととなる。このため、磁気抵抗効果素子２１〜２４における検出感度のばらつきを抑えることが比較的容易である。

さらに、電流センサ１Ｂでは、第３の接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と第４の接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給されて、その差分（電位差Ｖ０）が零となるような補償電流Ｉｄが出力される。差動増幅器ＡＭＰからの補償電流Ｉｄは、電流磁界Ｈｍとは逆方向の補償電流磁界Ｈｄを各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃ，２３Ａ〜２３Ｃ，２４Ａ〜２４Ｃへ付与し、回路中の接続抵抗のばらつきや磁気抵抗効果素子２１〜２４の相互間における特性のばらつき、温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などに起因する誤差分をキャンセルするように作用するので、結果として電流磁界Ｈｍのみに比例した大きさに近づくこととなる。したがって、補償電流検出手段Ｓにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、既知の抵抗体ＲＬとの関係から補償電流Ｉｄを算出することにより、より正確な電流磁界Ｈｍを求めることができ、ひいては検出対象電流Ｉｍの大きさを高精度に推定することができる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ｂによれば、上記第１の実施の形態における電流センサ１Ａに加えて、磁気抵抗効果素子２３，２４を加えるようにしたので、ブリッジ回路を構成してセンシングを行うことが可能となり、被検出対象電流Ｉｍの測定値の精度をさらに高めることができる。この場合、磁気抵抗効果素子２１と同じ第２の階層Ｌ２に磁気抵抗効果素子２３を設けると共に磁気抵抗効果素子２２と同じ第３の階層Ｌ３に磁気抵抗効果素子２４を設けるようにしたことに加え、磁気抵抗効果素子２１および磁気抵抗効果素子２３が補償電流線３１を共有すると共に磁気抵抗効果素子２２および磁気抵抗効果素子２４が補償電流線３２を共有するようにしたので、全体としてコンパクトな構成を維持することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば本実施の形態では、磁気抵抗効果素子における複数の素子パターンを直列接続するように構成したが、これに限定されず、例えば図１２に示した変形例としての電流センサ１Ｃのように並列接続するようにしてもよい。その場合には、コンパクトな構成を維持しつつ、抵抗変化率ΔＲ／Ｒを下げることなく全体のインピーダンスを低減することができ、外部からのノイズ（不要な磁界）による影響を低下させ、ＳＮ比を向上させることができる。この場合にも、第１の補償電流線３１を、第１の磁気抵抗効果素子２１における各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃと対応して第１の方向に延在する巻線体部分３１Ａ〜３１Ｃを含んで第４の階層内を巻回するように構成し、かつ、第２の補償電流線３２を、第２の磁気抵抗効果素子２２における各素子パターン２２Ａ〜２２Ｃと対応して第１の方向に延在する巻線体部分３２Ａ〜３２Ｃを含んで第５の階層内を巻回するように構成すると、各素子パターン２１Ａ〜２１Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃに対して、より適切な大きさの補償電流磁界Ｈｄを付与することができ、検出対象電流Ｉｍの測定値の精度がさらに高まるという利点が得られる。

また、第２の実施の形態では、第１および第３の磁気抵抗効果素子が第１の補償電流線を共有し、第２および第３の磁気抵抗効果素子が第２の補償電流線を共有するようにしたが、これに限定されず、第３の磁気抵抗効果素子と対応する第３の補償電流線を設けたり、第４の磁気抵抗効果素子と対応する第４の補償電流線を設けるようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、固着層の磁化方向と自由層の磁化容易軸方向とが互いに一致したスピンバルブ構造を有する素子パターンを採用するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、固着層の磁化方向と自由層の磁化容易軸方向とが互いに直交するスピンバルブ構造を有する素子パターンを用いるようにしてもよい。

本発明の電流センサは、上記実施の形態において説明したように、電流値そのものを図ることを目的とする場合に用いられるほか、プリント配線の欠陥などの検査を行う渦電流探傷技術に応用可能である。例えば、素子パターンを直線上に多数個配置した電流センサとし、渦電流の変化を磁束の変化として捉えるような応用例が考えられる。

本発明の第１の実施の形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。 図１に示した電流センサにおけるII-II切断線に対応する断面図である。 図１に示した電流センサに対応する回路図である。 図２に示した電流センサの要部を拡大して示す断面図である。 図１に示した電流センサの要部である素子パターンの構成を示す分解斜視図である。 図５に示した素子パターンにおける一部の構成を示す斜視図である。 図５に示した素子パターンにおける抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。 図１に示した電流センサの要部である素子パターンの構成を示す他の分解斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。 図９に示した電流センサに対応する回路図である。 図１０に示した回路図の要部拡大図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電流センサの変形例としての構成を示す斜視図である。

符号の説明

１…電流センサ、２…基体、１０…バスライン、２１〜２４…第１〜第４の磁気抵抗効果素子、３１，３２…第１，第２の補償電流線、４１〜５０…電極膜、L１〜Ｌ５…第１〜第５の階層、Ｐ１〜Ｐ５…第１〜第５の接続点。

Claims (14)

1. 第１の階層において第１の方向に延在すると共に検出対象電流が供給される導体と、
   前記第１の階層と異なる第２の階層の前記導体と対応する領域において前記第１の方向に延在すると共に、前記導体に流れる検出対象電流により生ずる電流磁界に応じて抵抗値が変化する第１の磁気抵抗効果素子と、
   前記第１の階層を基準として、前記第２の階層と反対側に位置する第３の階層の前記導体と対応する領域において前記第１の方向に延在すると共に、前記電流磁界に応じて前記第１の磁気抵抗効果素子とは逆方向に抵抗値が変化する第２の磁気抵抗効果素子と
   を備えたことを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に対して互いに等しい値の定電流を流したときに生ずる電圧降下の差分に基づいて前記検出対象電流を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第２の階層と隣接する第４の階層における前記第１の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、前記電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第１の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第１の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第１の補償電流線と、
   前記第３の階層と隣接する第５の階層における前記第２の磁気抵抗効果素子と対応する領域に設けられ、前記電圧降下の差分に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第２の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第２の補償電流線と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに直列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに並列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
6. 前記第１の補償電流線は、前記第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンと対応して前記第１の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで前記第４の階層内を巻回するように構成され、
   前記第２の補償電流線は、前記第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンと対応して前記第１の方向に延在する複数の巻線体部分を含んで前記第５の階層内を巻回するように構成されている
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電流センサ。
7. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第１の方向に固着された磁化を有する磁化固着膜を含んでいる
   ことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の電流センサ。
8. 前記第２の階層における前記導体と対応する領域のうち、前記第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において前記第１の方向に延在すると共に、前記電流磁界に応じて抵抗値が前記第１の磁気抵抗効果素子と同方向へ変化するように構成された第３の磁気抵抗効果素子と、
   前記第３の階層における前記導体と対応する領域のうち、前記第２の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域において前記第１の方向に延在すると共に、前記電流磁界に応じて抵抗値が前記第１の磁気抵抗効果素子とは逆方向へ変化するように構成された第４の磁気抵抗効果素子と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
9. 前記第１および第２の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第１の接続点において接続され、
   前記第３および第４の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第２の接続点において接続され、
   さらに、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、かつ、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されており、
   前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に電圧が印加されたときに生ずる前記第３の接続点と前記第４の接続点との間の電位差に基づいて前記検出対象電流が検出されるようにブリッジ回路が構成されている
   ことを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
10. 前記第２の階層と隣接する第４の階層における前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の双方と対応する領域に設けられ、前記電位差に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第１および第３の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第１の補償電流線と、
    前記第３の階層と隣接する第５の階層における前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の双方と対応する領域に設けられ、前記電位差に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第２および第４の磁気抵抗効果素子に印加される電流磁界とは逆方向の補償電流磁界を前記第２および第４の磁気抵抗効果素子に対して付与するように構成された第２の補償電流線と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の電流センサ。
11. 前記第１から第４の磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに直列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電流センサ。
12. 前記第１から第４の磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設されると共に互いに並列接続された複数の素子パターンをそれぞれ有する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電流センサ。
13. 前記第１の補償電流線は、前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の双方の素子パターンと対応して前記第１の方向へ延在する複数の巻線体部分を含んで前記第４の階層内を巻回するように構成され、
    前記第２の補償電流線は、前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の双方の素子パターンと対応して前記第１の方向へ延在する複数の巻線体部分を含んで前記第５の階層内を巻回するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の電流センサ。
14. 前記第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第１の方向に固着された磁化を有する磁化固着膜を含んでいる
    ことを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の電流センサ。
    
    
    
    

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