JP4105145B2 - 電流センサ - Google Patents

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。

従来、通信機器の回路に流れる微小な信号電流を正確に検知するにあたっては、例えば、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が用いられていた。しかし、この場合には、通信系とは異なる負荷が加わることとなり通信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、信号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（直流電流が流れないように絶縁された状態を維持しつつ）間接的に測定する方法が用いられている。例えば、コイル同士を結合させたトランスを用いる方法や、光カプラを利用した方法である。

ところが、上記のトランスを用いた方法では、交流の信号電流を伝達することは可能であるが、直流の信号電流を伝達することは不可能である。その上、交流の信号電流であっても伝達可能な周波数帯域が限定されてしまう。適切な周波数帯域以外の周波数ではトランスのインピーダンスが変化し、直線性に欠けることとなり、通信機器等への悪影響を与えかねないからである。一方、上記の光カプラは、周波数特性に優れるものの、小型化を図ることが困難である。その上、長期的にみると経時変化による信号強度の劣化を招きやすいという問題もある。

こうしたことから、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）を信号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、検出感度や応答性に優れ、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ＧＭＲ素子を用いた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）および（Ｂ）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の方向へ延在し、この第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た帯状の複数の素子パターンを含む第１の磁気抵抗効果素子。
（Ｂ）第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第１の巻線体部分を含んで第１の階層と異なる第２の階層において巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第１の巻線体部分の各々から第１の電流磁界を付与するように構成された第１の薄膜コイル。
ここで、帯状とは、第２の方向よりも第１の方向のほうが大きな寸法を有する形状を意味する。

本発明の電流センサでは、第１の磁気抵抗効果素子と第１の薄膜コイルとが面内方向において隣り合うように設けられている場合と比べ、第１の磁気抵抗効果素子が第１の薄膜コイルに対して接近して配置されるので、全体の寸法が縮小するうえ、第１の薄膜コイルを流れる検出対象電流に基づく第１の電流磁界が第１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。その際、第１の磁気抵抗効果素子の複数の素子パターンに対して、これらと対応する第１の薄膜コイルの複数の巻線体部分によって形成される第１の電流磁界がそれぞれ付与される。したがって、第１の方向と直交する断面での配置位置および断面寸法に関し、コイルによる発熱およびコイル磁界強度の電流効率の観点における最適化が容易になされ、一つの導体（巻線体部分）を流れる電流のみによって形成される電流磁界が各素子パターンに対して付与される場合と比べ、第１の電流磁界が効率よく各素子パターンに及ぶこととなる。

本発明の電流センサでは、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンが互いに並列接続されていてもよいし、互いに直列接続されていてもよい。

本発明の電流センサでは、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の階層において、第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第２の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第２の巻線体部分の各々から第１の電流磁界と同じ向きの第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルをさらに備えるようにすることもできる。

また、本発明の電流センサでは、第１の磁気抵抗効果素子および第１の薄膜コイルに加え、第１の方向へ延在し、第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ、第１の磁気抵抗効果素子とコモン接続されるように第１の階層における第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第２の磁気抵抗効果素子と、この第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第３の巻線体部分を含むように、第２の階層における第１の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第３の巻線体部分の各々から第３の電流磁界を付与するように構成された第３の薄膜コイルとをさらに備えるようにすることもできる。この場合、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の階層において、第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第２の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第２の巻線体部分の各々から第１の電流磁界と同じ向きの第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルと、第３の階層における第２の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において、第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第４の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第４の巻線体部分の各々から第３の電流磁界と同じ向きの第４の電流磁界を付与するように構成された第４の薄膜コイルとをさらに備えるようにすることが好ましい。その場合、第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンは、第３および第４の電流磁界を付与されることにより、第１および第２の電流磁界によって生ずる第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンの抵抗値の変化とは逆方向に抵抗値が変化するように構成されていることが望ましい。さらに、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子が同一基体上に形成されたものであることが望ましい。

また、本発明の電流センサでは、第１の磁気抵抗効果素子（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が、いずれも第１の方向に磁化された磁化固着膜を有することが望ましい。さらに、第１の磁気抵抗効果素子（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が、いずれも、第１の方向に沿った長手寸法が第２の方向に沿った幅寸法の１０倍以上２００倍以下となるように構成されていることが望ましい。その場合、幅寸法は０．５μｍ以上２．０μｍ以下であることが望ましい。さらに、第１の薄膜コイルおよび第２の薄膜コイルにおける各巻線体部分が、第１の方向と直交する断面において０．４μｍ²以上２．０μｍ²以下の断面積を有し、特に、０．８μｍ以上３．０μｍ以下の幅寸法と０．２μｍ以上１．４μｍ以下の厚み寸法とを有するように構成されていることが望ましい。

本発明の電流センサによれば、第１の階層において第１の方向へ延在し、この第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た帯状の複数の素子パターンを含む第１の磁気抵抗効果素子と、この第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の方向へ延在する複数の第１の巻線体部分を含んで第２の階層において巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第１の巻線体部分の各々から第１の電流磁界をそれぞれ付与するように構成された第１の薄膜コイルとを備えるようにしたので、コンパクトな構成でありながら、第１の薄膜コイルを流れる検出対象電流を感度良く高精度に測定することができる。この場合、特に、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンを互いに並列接続するようにすると、第１の磁気抵抗効果素子において抵抗変化率を下げることなく全体の抵抗値を比較的低く抑えることができ、使用時における第１の磁気抵抗効果素子の発熱量を低減することができる。その上、外部からのノイズ（不要な磁界）による影響を低減し、ＳＮ比を向上させることができる。一方、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンを互いに直列接続するようにすると、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の磁気抵抗効果素子における全体の抵抗値（インピーダンス）の絶対値をより大きくすることができる。したがって、より微弱な検出対象電流であっても高精度な測定が可能となる。

本発明の電流センサによれば、特に、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の階層において、第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第２の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第２の巻線体部分の各々から第１の電流磁界と同じ向きの第２の電流磁界をそれぞれ付与するように構成された第２の薄膜コイルをさらに備えるようにすると、第１の電流磁界と第２の電流磁界との合成磁界が各素子パターンに付与されることとなるので、第１の磁気抵抗効果素子における抵抗変化量の絶対値をさらに増大することができ、検出対象電流をより高精度に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、第１の磁気抵抗効果素子および第１の薄膜コイルに加え、第１の方向へ延在し、第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ、第１の磁気抵抗効果素子とコモン接続されるように第１の階層における第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第２の磁気抵抗効果素子と、この第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第３の巻線体部分を含むように、第２の階層における第１の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において巻回するように構成され、かつ、第１の薄膜コイルを流れる検出対象電流が供給されることにより第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第３の巻線体部分の各々から第３の電流磁界をそれぞれ付与するように構成された第３の薄膜コイル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および第２の磁気抵抗効果素子の双方によって、検出対象電流をより高精度に測定することができる。この場合、第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンにおける抵抗値が、第３の電流磁界に応じて、第１の電流磁界によって生ずる第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンにおける抵抗値の変化とは逆方向に変化するように構成すると、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子に対して互いに等しい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、より高精度な検出対象電流の測定が可能となる。これに加えて、第３の階層において、第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第２の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第２の巻線体部分の各々から第２の電流磁界をそれぞれ付与するように構成された第２の薄膜コイルと、第３の階層における第２の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において、第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向へ延在する複数の第４の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して複数の第４の巻線体部分の各々から第３の電流磁界と同じ向きの第４の電流磁界をそれぞれ付与するように構成された第４の薄膜コイルとをさらに備え、検出対象電流によって生ずる第１および第２の電流磁界を第１の磁気抵抗効果素子により検出すると共に検出対象電流によって生ずる第３および第４の電流磁界を第２の磁気抵抗効果素子により検出するようにすると、コンパクトな構成を維持しつつ、第１および第２の磁気抵抗効果素子の双方によって、第１から第４の薄膜コイルを流れる検出対象電流を、よりいっそう高精度に測定することができる。

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、通信機器に搭載され、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の実施の形態等における電流センサ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軸方向）へ延在する２つの素子パターン２１Ａ，２１Ｂを有する第１の磁気抵抗効果素子２１と、第１の磁気抵抗効果素子２１の素子パターン２１Ａ，２１Ｂのそれぞれと対応してＸ軸方向へ延在する巻線体部分３１Ａ，３１Ｂを含んで第１の階層Ｌ１と異なる第２の階層Ｌ２において巻回するように構成された第１の薄膜コイル３１（以下、単に、薄膜コイル３１という。）とを備えている。すなわち、図２に示したように、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、第１の磁気抵抗効果素子２１を含む第１の階層Ｌ１と、薄膜コイル３１を含む第２の階層Ｌ２とが順に積層された構造を有している。なお、図２の断面において、第１の磁気抵抗効果素子２１および薄膜コイル３１はＡｌ₂Ｏ₃などからなる絶縁膜Ｚ１，Ｚ２によってそれぞれ覆われており、互いに電気的に絶縁されている。さらに、絶縁膜Ｚ２の上には、複数の電極膜４１〜４４（図１に示す）が設けられている。

薄膜コイル３１は、例えば銅（Ｃｕ）などの高導電性の金属材料からなる薄膜パターンであり、例えば、制御信号等の、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。薄膜コイル３１は、一方の端部３１Ｓがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４１と接続されており、他方の端部３１Ｅがコンタクト層（図示せず）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３１Ｓから端部３１Ｅへ流れるように設定される。

素子パターン２１Ａ，２１Ｂは検出対象電流Ｉｍが生ずる第１の電流磁界Ｈｍ１（後出）を検出するものであり、薄膜コイル３１の巻線体部分３１Ａ，３１Ｂと積層方向においてそれぞれ対応する領域に設けられている。素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、Ｘ軸方向に延在すると共にＸ軸方向と直交するＹ軸方向（第２の方向）に互いに隣在し合うように配設され、電極パターン４および電極パターン５によって互いに並列接続されている。ここで、電極パターン４はコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４３と接続されている。一方、電極パターン５はコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４４と接続されている。素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、スパッタリング法などを用いて例えば０．８μｍの厚みを有するように形成されたものであり、それぞれに読出電流を流したときに、薄膜コイル３１Ａ，３１Ｂを流れる検出対象電流Ｉｍにより生ずる第１の電流磁界Ｈｍ１に応じた抵抗値の変化を示すように構成されている。

図３は、図２の要部を拡大して示した断面図である。ここでは、巻線体部分３１Ａおよび素子パターン２１Ａを代表して示している。巻線体部分３１Ａおよび素子パターン２１Ａは、それぞれのＹ軸方向における中心位置が互いに一致する（すなわち、いずれの中心位置もＸ軸方向に延在する仮想の中心線ＣＬ上に存在する）ように配置されると共に、Ｚ軸方向において互いに距離Ｄを隔てるように配置されている。距離Ｄは、絶縁抵抗の観点から０．２μｍ以上であることが好ましい。すなわち、巻線体部分３１Ａと素子パターン２１Ａとを隔てる絶縁膜Ｚ１の厚みを０．２μｍ以上とすれば、７００Ｖの電圧の瞬間印加に耐えることができるからである。なお、コンパクト化の観点から、距離Ｄは可能な限り小さい方が好ましい。具体的には、１．０μｍ以下であることが望ましい。

また、巻線体部分３１ＡのＹＺ断面（Ｘ軸方向と直交する断面）における断面積Ｓの範囲は、０．４μｍ²以上２．０μｍ²以下であることが望ましい。ここで、断面積Ｓが０．４μｍ²を下回ると、巻線体部分３１Ａを流れる検出対象電流Ｉｍ（本実施の形態の電流センサ１Ａは通信機器等の制御信号を検出対象としていることから、検出対象電流Ｉｍの大きさは２ｍＡから５０ｍＡ程度である。）によって過度な（例えば１．０℃を超えるような）温度上昇が生じ、検出精度が劣化してしまう可能性がある。一方、断面積Ｓが２．０μｍ²を上回ると、電流磁界Ｈｍ１の強度が低下し、素子パターン２１Ａによる安定した検出動作が困難となってしまう。

このような断面積Ｓを有する巻線体部分３１Ａは、例えばＸ軸方向と直交するＹＺ断面において、０．８μｍ以上３．０μｍ以下の幅ＭＸと０．２μｍ以上１．４μｍ以下の厚みＭＹとを有するように構成される。また、素子パターン２１ＡのＹ軸方向の幅ＭＷは、２．０μｍ以下であることが望ましい。Ｙ軸方向の全体に亘って十分に均一な電流磁界Ｈｍ１を素子パターン２１Ａに対して付与するためである。一方、幅ＭＷの下限については、Y軸方向において均一な成膜を行うため０．５μｍとすることが望ましい。なお、図３では、巻線体部分３１Ａおよび素子パターン２１Ａについてのみ示したが、巻線体部分３１Bおよび素子パターン２１Bについても全く同様の構成であることが好ましい。

次に、図４〜図７を参照して、素子パターン２１Ａ，２１Ｂの構成について、より詳しく説明する。図４は、素子パターン２１Ａ，２１Ｂの構成を分解して示す分解斜視図である。ただし、寸法の比率は実際とは一致していない。

素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、図４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Ｈｍ１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４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。

また、素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、Ｘ軸方向の長さＭＬ（長手寸法）がＹ軸方向の幅ＭＷ（幅寸法）の１０倍以上２００倍以下となるように構成されている。具体的には、長さＭＬの好ましい範囲は、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下である。このように、素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、幅ＭＷに対して大きな寸法の長さＭＬを有する帯状（ストライプ状）をなすことにより、Ｙ軸方向に沿って形状磁気異方性を示すこととなる。したがって、＋Ｙ方向または−Ｙ方向）へ外部磁界Ｈが印加された場合に、その外部磁界Ｈの変化に対して抵抗変化率の変化の直線性（リニアリティ）が向上する。ここで、長さＭＬ（長手寸法）がＹ軸方向の幅ＭＷ（幅寸法）の１０倍未満であると、十分な形状異方性磁界が得られない。一方、１００倍を超えるような寸法比としても、形状異方性磁界の向上は望めないうえ、抵抗値の増大によるノイズが生じてしまうので好ましくない。

図５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，２１Ｂでは、電流磁界Ｈｍ１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Ｈｍ１の大きさや向きによって決まるものである。

なお、図４は、電流磁界Ｈｍ１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，２１Ｂ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６に示したような特性が得られる。図６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６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Ｈｍ１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７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７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６に示したバイアスポイントＢＰ１を中心とする線形領域ＬＡ１またはバイアスポイントＢＰ２を中心とする線形領域ＬＡ２において、電流磁界Ｈｍ１の変化を精度良く検出することができる。

上記のような構成の電流センサ１Ａを用いてセンシングを行う場合には、まず、電極膜４３および電極膜４４を介して素子パターン２１Ａ，２１Ｂにセンス電流を流しておく。次いで、電極膜４１，４２を介して検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３１へ供給するようにし、各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ１を各素子パターン２１Ａ，２１Ｂによって検出するようにする。すなわち、例えば、検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３１の端部３１Ｓから端部３１Ｅへ向かうように流した場合には、図８に示したように、巻線体部分３１Ａ，３１Ｂでは、−Ｘ方向に（紙面手前から奥へ向かうように）検出対象電流Ｉｍが流れることとなる。その結果、右ねじの法則にしたがって、巻線体部分３１Ａ，３１Ｂのそれぞれの周囲を（紙面上では時計回りに）巻回する電流磁界Ｈｍ１が生ずる。このため、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対しては、それぞれ−Ｙ方向への電流磁界Ｈｍ１が付与されるので、それぞれ抵抗値が変化することとなる。ここで、電極パターン４と電極パターン５との間における電圧降下の変化量（抵抗値の変化量）を検出することにより、検出対象電流Ｉｍの大きさの推定をおこなうことができる。

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軸方向へ延在し、これと直交するＹ軸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素子パターン２１Ａ，２１Ｂを含んで構成された第１の磁気抵抗効果素子２１と、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂとそれぞれ対応してＸ軸方向へ延在する巻線体部分３１Ａ，３１Ｂを含んで第１の階層Ｌ１と異なる第２の階層Ｌ２において巻回するように構成され、かつ、検出対象電流Ｉｍが供給されることにより各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対して電流磁界Ｈｍ１をそれぞれ付与するように構成された薄膜コイル３１とを備えるようにしたので、同一の階層内に設けられる場合など、面内方向において隣り合うように設けられている場合と比べ第１の磁気抵抗効果素子２１と薄膜コイル３１とを互いに接近させて配置することができる。

さらに、薄膜コイル３１の各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂにより、これらと対応する第１の磁気抵抗効果素子２１の各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対して電流磁界Ｈｍ１を個別に付与することができるので、コイルによる発熱およびコイル磁界強度の電流効率の観点からの第１の方向と直交する断面での配置位置および断面寸法に関する最適化を容易に図ることができ、一つの導体（巻線体部分）を流れる電流のみによって形成される電流磁界を各素子パターンに対して付与する場合と比べ、電流磁界Ｈｍ１を効率よく各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに付与することができる。その結果、検出対象電流Ｉｍを感度良く検出することが可能となる。

特に、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂを互いに並列接続するようにしたので、抵抗変化率を下げることなく第１の磁気抵抗効果素子２１としての全体の抵抗値を比較的低く抑えることができ、使用時における発熱量を低減することができる。その上、外部からのノイズ（不要な磁界）による影響を低減し、ＳＮ比を向上させることができる。以上の理由により、電流センサ１Ａであれば、コンパクトな構成でありながら、薄膜コイル３１を流れる検出対象電流Ｉｍを高精度に測定することができる。

［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。

図９は、電流センサ１Ｂの斜視構成を表す概略図である。図１０は、図９の電流センサ１Ｂに示したＸ−Ｘ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。電流センサ１Ｂは、上記実施の形態の電流センサ１Ａに、第２の薄膜コイル３２（以下、単に薄膜コイル３２という。）を追加するようにしたものである。

具体的には、電流センサ１Ｂでは、第１の階層Ｌ１を基準として第２の階層Ｌ２と反対側に位置する第３の階層Ｌ３が設けられ、その第３の階層Ｌ３において絶縁膜Ｚ３に埋設されるように薄膜コイル３２が形成されている。すなわち、図１０に示したように、電流センサ１Ｂは、シリコンなどからなる基体２の上に、Ａｌ₂Ｏ₃などからなる下地膜３を介して、薄膜コイル３２を含む第３の階層Ｌ３と、第１の磁気抵抗効果素子２１を含む第１の階層Ｌ１と、薄膜コイル３１を含む第２の階層Ｌ２とが順に積層された構造を有している。なお、図１０の断面において、薄膜コイル３２、第１の磁気抵抗効果素子２１ならびに薄膜コイル３１はＡｌ₂Ｏ₃などからなる絶縁膜Ｚ３，Ｚ１，Ｚ２によってそれぞれ覆われており、互いに電気的に絶縁されている。

薄膜コイル３２は、薄膜コイル３１と同様に、例えば銅などの高導電性の金属材料からなる薄膜パターンであり、第３の階層Ｌ３において、第１の磁気抵抗効果素子２１の各素子パターン２１Ａ，２１Ｂと対応してＸ軸方向へ延在する巻線体部分３２Ａ，３２Ｂを含んで巻回するように構成され、かつ、検出対象電流Ｉｍが供給されることにより各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対して電流磁界Ｈｍ１と同じ向きの第２の電流磁界Ｈｍ２（以下、単に電流磁界Ｈｍ２という。）を付与するように構成されている。薄膜コイル３１の端部３１Ｅはコンタクト層（図示せず）を介して薄膜コイル３２の一方の端部３２Ｓと接続され、薄膜コイル３２の他方の端部３２Ｅはコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４２と接続されている。したがって、薄膜コイル３１，３２は回路構成上、１本の導線となっている。

このような構成を備えた電流センサ１Ｂでは、１つの検出対象電流Ｉｍが薄膜コイル３１および薄膜コイル３２を流れることにより、図１１に示したように、第１の磁気抵抗効果素子２１に対して２つの電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ２が作用することとなる。図１１は、図１０の一部を拡大して示したものであり、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対する電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ２の作用を説明するための説明図である。

電流センサ１Ｂを用いてセンシングを行う場合には、まず、電極膜４３および電極膜４４を介して素子パターン２１Ａ，２１Ｂにセンス電流を流しておく。次いで、電極膜４１，４２を介して検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３１，３２へ供給するようにし、各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ１と各巻線体部分３２Ａ，３２Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ２とを各素子パターン２１Ａ，２１Ｂによって検出するようにする。例えば、検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３１の端部３１Ｓから端部３１Ｅへ向かうように流し、続いて薄膜コイル３２の端部３２Ｓから端部３２Ｅへ向かうように流した場合には、図１１に示したように、巻線体部分３１Ａ，３１Ｂでは、−Ｘ方向に（紙面手前から奥へ向かうように）検出対象電流Ｉｍが流れることとなる。その結果、右ねじの法則にしたがって、巻線体部分３１Ａ，３１Ｂのそれぞれの周囲を（紙面上では時計回りに）巻回する電流磁界Ｈｍ１が生ずる。一方、巻線体部分３２Ａ，３２Ｂでは、＋Ｘ方向に（紙面奥から手前へ向かうように）検出対象電流Ｉｍが流れることとなる。その結果、右ねじの法則にしたがって、巻線体部分３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの周囲を（紙面上では反時計回りに）巻回する電流磁界Ｈｍ２が生ずる。このため、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対しては−Ｙ方向への電流磁界Ｈｍ１および電流磁界Ｈｍ２の合成磁界がそれぞれ付与されるので、電流磁界Ｈｍ１のみを付与した場合と比べ各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに付与される磁界強度が高まり、抵抗値の変化量がより大きくなる。ここで、第１の実施の形態と同様、電極パターン４と電極パターン５との間における電圧降下の変化量（抵抗値の変化量）を検出することにより、検出対象電流Ｉｍの大きさの推定をおこなうことができる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ｂによれば、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対して電流磁界Ｈｍ１と同じ向きの電流磁界Ｈｍ２を付与するように構成された薄膜コイル３２を備えるようにしたので、
第１の電流磁界と第２の電流磁界との合成磁界を各素子パターンに付与することとなり、第１の磁気抵抗効果素子２１における抵抗変化量の絶対値をさらに増大することができ、検出対象電流Ｉｍをより高精度に測定することができる。

［第３の実施の形態］
続いて、図１２から図１５を参照して、本発明の第３の実施の形態としての電流センサ１Ｃについて説明する。図１２は、電流センサ１Ｃの斜視構成を表す概略図である。図１３は、図１２の電流センサ１Ｃに示したXIII−XIII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。

電流センサ１Ｃ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２の磁気抵抗効果素子２２と、第３の薄膜コイル３３（以下、単に薄膜コイル３３という。）と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１２に示したように、電流センサ１Ｃでは、素子パターン２２Ａ，２２Ｂを有する第２の磁気抵抗効果素子２２が、第１の階層Ｌ１において第１の磁気抵抗効果素子２１と隣り合うようにＹ軸方向に並んで配置され、かつ第１の磁気抵抗効果素子２１とコモン接続されている。素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、いずれもＸ軸方向へ延在し、Ｙ軸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ている。さらに、電流センサ１Ｃでは、薄膜コイル３３が、素子パターン２２Ａ，２２Ｂのそれぞれと対応してＸ軸方向へ延在する巻線体部分３３Ａ，３３Ｂを含んで第２の階層Ｌ２において巻回するように構成されている。すなわち、図１３に示したように、電流センサ１Ｃは、シリコンなどからなる基体２の上に、Ａｌ₂Ｏ₃などからなる下地膜３を介して、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２を含む第１の階層Ｌ１と、薄膜コイル３１，３３を含む第２の階層Ｌ２とが順に積層された構造を有している。なお、図１３の断面において、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２および薄膜コイル３１，３３はＡｌ₂Ｏ₃などからなる絶縁膜Ｚ１，Ｚ２によってそれぞれ覆われており、互いに電気的に絶縁されている。さらに、絶縁膜Ｚ２の上には、複数の電極膜４１〜４７（図１２に示す）が設けられている。

薄膜コイル３３は、例えば銅などの高導電性の金属材料からなる薄膜パターンであり、一方の端部３３Ｓがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４５と接続されており、他方の端部３３Ｅがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４６と接続されている。ここでは、検出対象電流Ｉｍが端部３３Ｓから端部３３Ｅへ流れるように設定される。

素子パターン２２Ａ，２２Ｂは検出対象電流Ｉｍが生ずる第３の電流磁界Ｈｍ３（後出）を検出するものであり、図１３に示したように薄膜コイル３３の巻線体部分３３Ａ，３３Ｂと積層方向においてそれぞれ対応する領域に設けられている。素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、Ｘ軸方向に延在すると共にＹ軸方向に互いに隣在し合うように配設されると共に電極パターン５および電極パターン６によって互いに並列接続されている。ここで、電極パターン５はコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４４と接続されており、電極パターン６はコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４７と接続されている。素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、それぞれに読出電流を流したときに、薄膜コイル３３Ａ，３３Ｂを流れる検出対象電流Ｉｍにより生ずる電流磁界Ｈｍ３に応じた抵抗値の変化を示す。この際、素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、電流磁界Ｈｍ３を付与されることにより、電流磁界Ｈｍ１によって生ずる素子パターン２１Ａ，２１Ｂの変化とは逆方向に抵抗値が変化するように構成されている。例えば、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２における各素子パターン２１Ａ，２１B，２２Ａ，２２Bに対して、予め＋Ｙ方向へバイアスポイントＢＰ１（図６参照）に相当する強度のバイアス磁界を印加しておく。そこで図１４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，２１Bは、＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ１が印加されるので、図６から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値が増加する）。これに対し、素子パターン２２Ａ，２２Bは、−Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ３が印加されるので、図６から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値が減少する）のである。ここで、ＹＺ断面における薄膜コイル３１および薄膜コイル３３の寸法は互いに等しく、さらに、各薄膜コイル３１，３３と第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２との積層方向（Ｚ軸方向）の距離Ｄも等しくなるように形成されているので、素子パターン２１Ａ，２１Ｂに付与される電流磁界Ｈｍ１と素子パターン２２Ａ，２２Ｂに付与される電流磁界Ｈｍ３との絶対値は互いに等しい。なお、図１４は、図１３の一部を拡大して示したものであり、各素子パターン２１Ａ，２１B，２２Ａ，２２Bに対する電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３の作用を説明するための説明図である。

図１５は、図１２および図１３に示した電流センサ１Ｃを含む電流計の回路構成を表す概略図である。図１５では、破線で囲んだ部分が電流センサ１Ｃに対応する。図１５に示したように、第１の磁気抵抗効果素子２１と薄膜コイル３１とが互いに近接配置されており、第２の磁気抵抗効果素子２２と薄膜コイル３３とが互いに近接配置されている。ここでは第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２を、複数の素子パターンが並列接続されてなる抵抗体として表している。第１の磁気抵抗効果素子２１と第２の磁気抵抗効果素子２２とは、第１の接続点Ｐ１（電極パターン５）において互いに連結され、電極膜４４を介して最終的に接地されている。第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２の、第１の接続点Ｐ１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、第１の磁気抵抗効果素子２１における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部が、第３の接続点Ｐ３としての電極膜４３を介して定電流源５１と接続されており、一方の第２の磁気抵抗効果素子２２における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部が、第４の接続点Ｐ４としての電極膜４７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を第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２の各素子パターンへ供給するものである。また、薄膜コイル３１，３３は、電極膜４２と電極膜４５とをつなぐ導線により互いに接続されており、１本の導線として機能するように構成されている。

このような構成の電流センサ１Ｃ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（第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２のそれぞれに生ずる電圧降下の差分）に基づいて電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３の大きさを求めることができ、その大きさの電流磁界Ｈｍ
１，Ｈｍ３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。

図１５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、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２全体の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３が印加されていない場合、第３の接続点Ｐ３（電極膜４３）における電位Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｉ０・Ｒ１
であり、第４の接続点Ｐ４（電極膜４７）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）
となる。

この回路では、電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３が印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２における抵抗変化量が得られる。例えば電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３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、第１の磁気抵抗効果素子２１（素子パターン２１Ａ，２１Ｂ）と第２の磁気抵抗効果素子２２（素子パターン２２Ａ，２２Ｂ）とは電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３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Ｈｍ１，Ｈｍ３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、第１の磁気抵抗効果素子２１と第２の磁気抵抗効果素子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（２）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１＋ΔＲ１−Ｒ２−ΔＲ２）
＝Ｉ０・（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉ０・（２ΔＲ） …（３）
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第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２を用いるようにすれば、電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３の大きさを求めることができ、その大きさの電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ３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つの第１および第２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、第１の磁気抵抗効果素子２１または第２の磁気抵抗効果素子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。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ｃによれば、特に、互いに並列接続された素子パターン２２Ａ，２２Ｂを含んで第１の階層Ｌ１に形成された第２の磁気抵抗効果素子２２と、各素子パターン２２Ａ，２２Ｂと対応した巻線体部分３２Ａ，３２Ｂを含んで第２の階層Ｌ２において巻回するように形成され、かつ、各素子パターン２２Ａ，２２Ｂに対して電流磁界Ｈｍ３を付与するように構成された薄膜コイル３３とをさらに備えるようにしたので、上記第１の実施の形態における効果に加え、第１の磁気抵抗効果素子２１および第２の磁気抵抗効果素子２２の双方によって、検出対象電流をより高精度に測定することができる。ここで、各素子パターン２２Ａ，２２Ｂが、電流磁界Ｈｍ３を付与されることにより、電流磁界Ｈｍ１によって生ずる各素子パターン２１Ａ，２１Ｂの抵抗値Ｒ１の変化とは逆方向に抵抗値Ｒ２が変化するように構成したので、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２に対して互いに等しい定電流Ｉ０を流したときに生ずる電圧降下の差分Ｖ０に基づいて、より高精度な検出対象電流Ｉｍの測定が可能となる。

［第４の実施の形態］
続いて、図１６および図１７を参照して、本発明の第４の実施の形態としての電流センサ１Ｄについて説明する。

電流センサ１Ｄは、上記第３の実施の形態における電流センサ１Ｂの構成に、さらに第２および第４の薄膜コイル３２，３４（以下、単に薄膜コイル３２，３４という。）を加えるようにしたものである。薄膜コイル３２は、上記第２の実施の形態において説明したものと同様の構成である。以下、本実施の形態の電流センサ１Ｄについて具体的に説明するが、上記第１〜第３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１６は、本実施の形態の電流センサ１Ｄの斜視構成を表す概略図である。図１７は、図１６の電流センサ１Ｄに示したXVII−XVII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。

電流センサ１Ｄでは、第２の磁気抵抗効果素子２２が、第１の階層Ｌ１において第１の磁気抵抗効果素子２１が形成された領域以外の領域に形成されている。第２の磁気抵抗効果素子２２は、Ｘ軸方向へ延在し、Ｙ軸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素子パターン２２Ａ，２２Ｂを含み、かつ、第１の磁気抵抗効果素子２１とコモン接続されるように形成されている。第２の磁気抵抗効果素子２２を挟んで薄膜コイル３３の反対側には、薄膜コイル３４が、第３の階層Ｌ３における薄膜コイル３２が形成された領域以外の領域において巻回するように構成されている。すなわち、図１７に示したように、電流センサ１Ｃは、シリコンなどからなる基体２の上に、Ａｌ₂Ｏ₃などからなる下地膜３を介して、薄膜コイル３２，３４を含む第３の階層Ｌ３と、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２を含む第１の階層Ｌ１と、薄膜コイル３１，３３を含む第２の階層Ｌ２とが順に積層された構造を有している。なお、図１７の断面において、薄膜コイル３２，３４、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２ならびに薄膜コイル３１，３３はＡｌ₂Ｏ₃などからなる絶縁膜Ｚ３，Ｚ１，Ｚ２によってそれぞれ覆われており、互いに電気的に絶縁されている。さらに、絶縁膜Ｚ２の上には、複数の電極膜４１〜４７（図１６に示す）が設けられている。

薄膜コイル３３は、検出対象電流Ｉｍが供給されることにより各素子パターン２２Ａ，２２Ｂに対して電流磁界Ｈｍ３を付与するように構成されており、一方の端部３３Ｓがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４５と接続され、他方の端部３３Ｅがコンタクト層（図示せず）を介して薄膜コイル３４の端部３４Ｓと接続されている（図１６参照）。薄膜コイル３４は、素子パターン２２Ａ，２２Ｂのそれぞれと対応するようにＸ軸方向へ延在する巻線体部分３４Ａ，３４Ｂを含んでおり、検出対象電流Ｉｍが供給されることにより各素子パターン２２Ａ，２２Ｂに対して電流磁界Ｈｍ３と同じ向きの第４の電流磁界Ｈｍ４（以下、単に第４の電流磁界Ｈｍ４という。）を付与するように構成されており、一方の端部３４Ｓがコンタクト層（図示せず）を介して端部３３Ｅと接続され、他方の端部３４Ｅがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４６と接続されている（図１６参照）。したがって、薄膜コイル３３，３４は回路構成上、１本の導線となっている。さらに、電極膜４２と電極膜４５とを外部の導線（図示せず）により互いに接続し、薄膜コイル３１〜３４が実質的に１本の導線として機能するように構成してもよい。その場合には、薄膜コイル３１、薄膜コイル３２、薄膜コイル３３、薄膜コイル３４の順に、あるいはその逆の順に検出対象電流Ｉｍを流すことができる。なお、薄膜コイル３４は、薄膜コイル３１〜３３と同様に、例えば銅などの高導電性の金属材料からなる薄膜パターンである。

このような構成を備えた電流センサ１Ｄでは、図１８に示したように、検出対象電流Ｉｍが薄膜コイル３１および薄膜コイル３２を流れることにより、第１の磁気抵抗効果素子２１に対して２つの電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ２が作用することとなる。同時に、検出対象電流Ｉｍが薄膜コイル３３および薄膜コイル３４を流れることにより、第２の磁気抵抗効果素子２２に対して２つの電流磁界Ｈｍ３，Ｈｍ４が作用することとなる。図１８は、図１７の一部を拡大して示したものであり、素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対する電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ２の作用および素子パターン２２Ａ，２２Ｂに対する電流磁界Ｈｍ３，Ｈｍ４の作用を説明するための説明図である。

電流センサ１Ｄを用いてセンシングを行う場合には、まず、電極膜４３および電極膜４４を介して第１の磁気抵抗効果素子２１（素子パターン２１Ａ，２１Ｂ）にセンス電流を流すと共に第２の磁気抵抗効果素子２２（素子パターン２２Ａ，２２Ｂ）にセンス電流を流しておく。次いで、検出対象電流Ｉｍを、電極膜４１，４２を介して薄膜コイル３１，３２へ供給するようにし、各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ１と各巻線体部分３２Ａ，３２Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ２とを各素子パターン２１Ａ，２１Ｂによって検出するようにする。これと同様に、検出対象電流Ｉｍを、電極膜４５，４６を介して薄膜コイル３３，３４へ供給するようにし、各巻線体部分３３Ａ，３３Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ３と各巻線体部分３４Ａ，３４Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ４とを各素子パターン２２Ａ，２２Ｂによって検出するようにする。

例えば、電極膜４２と電極膜４５とを外部の導線により互いに接続し、薄膜コイル３１および薄膜コイル３２を順に経由した検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３３の端部３３Ｓから端部３３Ｅへ向かうように流し、続いて薄膜コイル３４の端部３４Ｓから端部３４Ｅへ向かうように流した場合を考える。その場合には、図１８に示したように、巻線体部分３３Ａ，３３Ｂでは、−Ｘ方向に（紙面手前から奥へ向かうように）検出対象電流Ｉｍが流れることとなる。その結果、右ねじの法則にしたがって、巻線体部分３３Ａ，３３Ｂのそれぞれの周囲を（紙面上では時計回りに）巻回する電流磁界Ｈｍ３が生ずる。一方、巻線体部分３４Ａ，３４Ｂでは、＋Ｘ方向に（紙面奥から手前へ向かうように）検出対象電流Ｉｍが流れることとなる。その結果、右ねじの法則にしたがって、巻線体部分３４Ａ，３４Ｂのそれぞれの周囲を（紙面上では反時計回りに）巻回する電流磁界Ｈｍ４が生ずる。このため、各素子パターン２２Ａ，２２Ｂに対しては−Ｙ方向への電流磁界Ｈｍ３および電流磁界Ｈｍ４の合成磁界がそれぞれ付与される。したがって、上記第３の実施の形態のように、第２の磁気抵抗効果素子２２に対して電流磁界Ｈｍ３のみを付与した場合と比べ各素子パターン２２Ａ，２２Ｂに付与される磁界強度が高まり、抵抗値の変化量がより大きくなる。ここで、電極パターン４と電極パターン５との間における電圧降下の変化量（抵抗値の変化量）と、電極パターン６と電極パターン５との間における電圧降下の変化量（抵抗値の変化量）との差分を検出することにより、検出対象電流Ｉｍの大きさの推定をよりいっそう精度良くおこなうことができる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ｄによれば、検出対象電流Ｉｍによって生ずる電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ２を第１の磁気抵抗効果素子２１により検出すると共に検出対象電流Ｉｍによって生ずる電流磁界Ｈｍ３，Ｈｍ４を第２の磁気抵抗効果素子２２により検出するようにしたので、コンパクトな構成を維持しつつ、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２の双方によって、薄膜コイル３１〜３４を流れる検出対象電流Ｉｍを、より高精度に測定することができる。特に、電流磁界Ｈｍ３，Ｈｍ４が付与されることにより、電流磁界Ｈｍ１，Ｈｍ２によって生ずる第１の磁気抵抗効果素子２１の各素子パターン２１Ａ，２１Ｂの変化とは逆方向に抵抗値が変化するように各素子パターン２２Ａ，２２Ｂを構成すると共に、第１および第２の磁気抵抗効果素子２１，２２に対して互いに等しい定電流Ｉ０を流すようにしたので、その際に生ずる電圧降下の差分に基づいて、より高精度な検出対象電流Ｉｍの測定が可能となる。

以上、いくつかの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、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磁気抵抗効果素子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磁気抵抗効果素子を用いるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、２つの素子パターンにより第１および第２の磁気抵抗効果素子をそれぞれ構成するようにしたが、これに限定されず、３つ以上の素子パターンにより第１および第２の磁気抵抗効果素子をそれぞれ構成するようにしてもよい。さらに、本実施の形態では、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を、互いに並列接続するようにしたが、例えば図１９に示した電流センサ１Ｅのように、互いに直列接続するようにしてもよい。この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における全体の抵抗値（インピーダンス）の絶対値をより大きくすることができる。したがって、より微弱な検出対象電流であっても高精度な測定が可能となる。

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、磁気抵抗効果素子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２の要部を拡大して示した断面図である。 図１に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す分解斜視図である。 図４に示した磁気抵抗効果素子における一部の構成を示す斜視図である。 図４に示した磁気抵抗効果素子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磁気抵抗効果素子の構成を示す他の分解斜視図である。 図２の要部を拡大して示す他の断面図である。 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おけるX-X切断線に対応する断面図である。 図１０の要部を拡大して示す断面図である。 本発明の第３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１２に示した電流センサにおけるXIII-XIII切断線に対応する断面図である。 図１３の要部を拡大して示す断面図である。 図１２に示した電流センサに対応する回路図である。 本発明の第４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１６に示した電流センサにおけるXVII-XVII切断線に対応する断面図である。 図１７の要部を拡大して示す断面図である。 図１６に示した電流センサの変形例としての電流センサ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、４〜６…電極パターン、１１…固着層、１２…中間層、１３…自由層、１４…磁化固定膜、２１，２２…第１，第２の磁気抵抗効果素子、３１〜３４…第１〜第４の薄膜コイル、４１〜４７…電極膜、Ｌ１〜Ｌ３…第１〜第３の階層、Ｐ１〜Ｐ４…第１〜第４の接続点。

Claims (17)

1. 第１の階層において第１の方向へ延在し、この第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た帯状の複数の素子パターンを含む第１の磁気抵抗効果素子と、
   前記第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向へ延在する複数の第１の巻線体部分を含んで前記第１の階層と異なる第２の階層において巻回するように構成され、かつ、検出対象電流が供給されることにより前記第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して前記複数の第１の巻線体部分の各々から第１の電流磁界を付与するように構成された第１の薄膜コイルと
   を備えたことを特徴とする電流センサ。
2. 前記第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、互いに並列接続されている
   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１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、互いに直列接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
4. 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の階層において、前記第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向へ延在する複数の第２の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、前記検出対象電流が供給されることにより前記第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して前記複数の第２の巻線体部分の各々から前記第１の電流磁界と同じ向きの第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電流センサ。
5. 前記第１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の方向に磁化された磁化固着膜を有している
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電流センサ。
6. 前記第１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の方向に沿った長手寸法が、前記第２の方向に沿った幅寸法の１０倍以上２００倍以下となるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電流センサ。
7. 前記第２の方向に沿った幅寸法は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
8. 前記第１の方向へ延在し、前記第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ、前記第１の磁気抵抗効果素子とコモン接続されるように前記第１の階層における前記第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第２の磁気抵抗効果素子と、
   前記第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向へ延在する複数の第３の巻線体部分を含むように、前記第２の階層における前記第１の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において巻回するように構成され、かつ、前記検出対象電流が供給されることにより前記第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して前記複数の第３の巻線体部分の各々から第３の電流磁界を付与するように構成された第３の薄膜コイルとをさらに備えた
   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２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンは、前記第３の電流磁界をそれぞれ付与されることにより、前記第１の電流磁界によって生ずる前記第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンの抵抗値の変化とは逆方向に抵抗値が変化するように構成されている
   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の階層において、前記第１の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向へ延在する複数の第２の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、前記検出対象電流が供給されることにより前記第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して前記複数の第２の巻線体部分の各々から前記第１の電流磁界と同じ向きの第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルと、
    前記第３の階層における前記第２の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において、前記第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向へ延在する複数の第４の巻線体部分を含んで巻回するように構成され、かつ、前記検出対象電流が供給されることにより前記第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンに対して前記複数の第４の巻線体部分の各々から前記第３の電流磁界と同じ向きの第４の電流磁界を付与するように構成された第４の薄膜コイルとをさらに備えた
    ことを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
11. 前記第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンは、前記第３の電流磁界および第４の電流磁界をそれぞれ付与されることにより、前記第１の電流磁界および第２の電流磁界によって生ずる前記第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンの抵抗値の変化とは逆方向に抵抗値が変化するように構成されている
    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の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、それぞれ互いに並列接続されている
    ことを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の電流センサ。
13. 前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、それぞれ互いに直列接続されている
    ことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の電流センサ。
14. 前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子は、同一基体上に形成されたものである
    ことを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の電流センサ。
15. 前記第１の磁気抵抗効果素子および第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の方向に磁化された磁化固着膜を有している
    ことを特徴とする請求項８から請求項１４のいずれか１項に記載の電流センサ。
16. 前記第１の磁気抵抗効果素子および第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の方向に沿った長手寸法が、前記第２の方向に沿った幅寸法の１０倍以上２００倍以下となるように構成されている
    ことを特徴とする請求項８から請求項１５のいずれか１項に記載の電流センサ。
17. 前記幅寸法は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１６に記載の電流センサ。

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