JP4458149B2 - 磁気カプラ - Google Patents

Description

本発明は、薄膜コイルと磁気抵抗効果素子とを備え、互いに絶縁された複数の電気回路間の信号伝達を非接触で行う磁気カプラに関する。

従来、互いに絶縁された複数の電気回路間において一方の電気回路からの信号を非接触で他方へ伝達するデバイスとしては、フォトカプラやパルストランスなどが知られている。ところが、フォトカプラは発光ダイオード（ＬＥＤ）の消耗劣化や電流伝送率の低下などの経時変化が顕著であるうえ信号伝送の遅延が大きい。一方、パルストランスは、巻線コイルを使うので信号伝送の遅延は小さいものの、形状や重量が大きいうえ、動作可能な温度も低いという問題を抱えている。また、パルストランスの巻線コイルを薄膜コイルに置換したカプラも存在するが、磁界を受けるコイルの能率が悪いため、消費電力が大きい。

そこで、上記のような問題点を解決するものとして磁気カプラが開発されている（例えば特許文献１〜９参照）。この磁気カプラは、一方の電気回路系からの信号線を流れる電流の変化を磁気抵抗効果素子によって非接触で検出し、他方の電気回路系へ電気信号を伝達するものであり、簡素な構成でありながら優れた動作信頼性を有するものとして注目されている。
特表２００３−５２６０８３号公報 特開２００１−９４１７４号公報 特開２００１−１３５５３４号公報 特開２００１−１３５５３５号公報 特開２００１−１３５５３６号公報 特開２００１−１３５５３７号公報 特開２００１−１９６２５０号公報 特開２００１−９３７６３号公報 特開昭６２−４０７８６号公報

しかしながら最近では、このような磁気カプラに対し、さらなる動作信頼性の向上のほか、省電力化や高感度化についての要求も高まってきている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より高い応答性を有する磁気カプラを提供することにある。

本発明の第１の磁気カプラは、第１の階層において巻回する薄膜コイルと、第１の階層と異なる第２の階層に位置し薄膜コイルを流れる電流によって生ずる誘導磁界を検知する磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子と離間しつつ、重なり合うことなく第２の階層のみに位置すると共に、薄膜コイルの径方向において磁気抵抗効果素子を挟むように薄膜コイルの巻回中心側および巻回外周側の双方に配置されたヨークとを備えるようにしたものである。ここで、磁気抵抗効果素子が第１の階層と異なる第２の階層に位置するとは、第１の階層の広がりに沿って薄膜コイルを無限遠まで延在させた場合であっても磁気抵抗効果素子と重なることがない、ということである。この場合、薄膜コイルおよび磁気抵抗効果素子は、それぞれ第１および第２の階層における厚み方向の全てを占めていてもよいし、その一部を占めるようにしてもよい。また、第１および第２の階層は、互いに隣接していても良いし、離間していてもよい。また、薄膜コイルの径方向とは、薄膜コイルの巻回中心側と巻回外周側とを結ぶ方向であり、巻回方向と直交する方向でもある。

本発明の第２の磁気カプラは、第１の階層において巻回する薄膜コイルと、第１の階層と異なる第２の階層に各々位置し薄膜コイルを流れる電流によって生ずる誘導磁界により各々の抵抗値が変化する第１から第４の磁気抵抗効果素子と、これら第１から第４の磁気抵抗効果素子と離間しつつ、重なり合うことなく第２の階層のみに位置すると共に、薄膜コイルの径方向において第１から第４の磁気抵抗効果素子をそれぞれ挟むように薄膜コイルの巻回中心側および巻回外周側の双方に配置されたヨークとを備え、誘導磁界の発生により、第１および第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は第３および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値の増減と反対向きに変化するようにしたものである。

本発明の第１および第２の磁気カプラでは、ヨークが、薄膜コイルの径方向において磁気抵抗効果素子と隣り合う位置に存在するので、薄膜コイルから発生する誘導磁界の強度低下が抑制され、磁気抵抗効果素子に対してその誘導磁界が効率的に及ぶこととなる。特に、第２の磁気カプラでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子を備えるようにしたので、それらをブリッジ接続することで、薄膜コイルを流れる電流の変化がより高精度に検出される。また、ヨークが、薄膜コイルの径方向において磁気抵抗効果素子（第１〜第４の磁気抵抗効果素子）を挟んで薄膜コイルの巻回中心側および巻回外周側の双方に配置されているので、薄膜コイルの発生する誘導磁界が、いっそう効率的に磁気抵抗効果素子に及ぶ。さらに、ヨークは、磁気抵抗効果素子と同じく第２の階層に配置されているので、ヨークが磁気抵抗効果素子と異なる階層にある場合と比べ、薄膜コイルの発生する誘導磁界が、より効率よく磁気抵抗効果素子に及ぶ。

本発明の第１の磁気カプラでは、薄膜コイルが巻回方向において直線状に延在する複数の直線パターンが占める直線領域を含み、磁気抵抗効果素子が積層方向においてその直線領域と対応する位置に設けられているとよい。動作がより安定するからである。ここでいう積層方向とは、第１および第２の階層が広がる面と直交する方向である。

本発明の第１の磁気カプラでは、薄膜コイルの径方向において、薄膜コイルの最内周端縁と最外周端縁との中心位置が、薄膜コイルの巻回外周側のヨークよりも薄膜コイルの巻回中心側のヨークに近いと、径方向において強度分布の偏りの小さい誘導磁界が磁気抵抗効果素子に及ぶようになる。また、薄膜コイルの径方向において、巻回中心側のヨークの全ての部分が、薄膜コイルの最内周端縁よりも巻回外周側に位置するようにしたり、巻回外周側に位置する前記ヨークの巻回中心側の端縁が、薄膜コイルの最外周端縁よりも巻回中心側に位置するようにしたりすると、径方向における誘導磁界の強度分布の偏りが低減される。

本発明の第１の磁気カプラでは、ヨークが薄膜コイルの巻回方向に沿った向きの磁化容易軸を有すると薄膜コイルの誘導磁界によって磁化されやすくなり、より効率的にその誘導磁界を磁気抵抗効果素子へガイドすることとなる。その場合、ヨークは、その長手方向が薄膜コイルの巻回方向と一致するように、例えば矩形状をなすように延在しているとよい。形状磁気異方性により、ヨークの磁化容易軸が安定するからである。また、ヨークの磁化容易軸に沿った向きのスピンを有する反強磁性層をさらに備えると、ヨークが単磁区化する方向へ向かい、ヨーク自体の磁気的な履歴（ヒステリシス）による悪影響が抑制される。あるいは、ヨークに対し、その磁化容易軸に沿った向きのバイアス磁界を付与する強磁性層を設けることで、ヨークの単磁区化を図るようにしてもよい。

本発明の第１の磁気カプラでは、ヨークが、それぞれ薄膜コイルの巻回方向に沿って延在し、かつ、薄膜コイルの径方向において互いに隣在し合うように分割して配設された複数のヨークパターンからなるようにしてもよい。その場合には分割しない場合と比べてヨーク全体の形状磁気異方性が向上することにより、磁気抵抗効果素子に及ぶ誘導磁界の安定化が期待される。

本発明の第１の磁気カプラでは、ヨークが、積層方向において、軟磁性層と絶縁層とが交互に複数積層された積層構造を有するようにするとよい。ある程度の磁気ボリューム（磁気膜厚）が確保される一方、反磁界の発生が抑制されるからである。また、誘導磁界の検出感度を向上させるため、薄膜コイルの巻回方向に沿って、または薄膜コイルの径方向に延在する複数の帯状パターンを有し、それら複数の帯状パターンが直列に接続されたものを磁気抵抗効果素子としてもよい。

本発明の第１および第２の磁気カプラによれば、ヨークを、磁気抵抗効果素子と同じ第２の階層に設けると共に、薄膜コイルの径方向において磁気抵抗効果素子を挟んで薄膜コイルの巻回中心側および巻回外周側の双方に配置したので、薄膜コイルから発生する誘導磁界の強度低下を抑制し、その誘導磁界を磁気抵抗効果素子に対して効率的に及ぼすことができる。よって、より微小な電流を薄膜コイルに流した場合であっても誘導磁界を正確に検出することができる。したがって、より低い消費電力によって、互いに絶縁された複数の電気回路間の信号伝達を非接触で行うことができる。特に、第２の磁気カプラによれば、第１から第４の磁気抵抗効果素子を備えるようにしたので、それらをブリッジ接続することで薄膜コイルを流れる電流の変化をより高精度に検出することができる。

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、本発明における第１の実施の形態としての磁気カプラの構成について説明する。図１は、本実施の形態の磁気カプラの構成を表す平面図である。図２（Ａ）は、図１に示した磁気カプラの要部を拡大した平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のIIＢ−IIＢ線に沿った矢視方向の断面図である。なお、図１に示した信号電流Ｉｍおよび誘導磁界Ｈｍの矢印の方向は、磁気抵抗効果素子３１〜３４（後出）との相対的な方向を示している。この磁気カプラは、ある電気回路からの信号を、電気的に非接触な状態で他の電気回路へ伝達するデバイスであり、必要な信号を伝達しつつノイズを遮断するのに有効な手段である。

図１に示したように、本実施の形態の磁気カプラは、基体１０上の、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる第１の階層Ｌ１（図２（Ｂ））において巻回する薄膜コイル２０と、第１の階層Ｌ１の上層である第２の階層Ｌ２において薄膜コイル２０と対応する領域に位置する第１〜第４の磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子３１〜３４と、第２の階層Ｌ２において薄膜コイル２０の巻回中心側および巻回外周側に配置されたヨーク４１〜４４とを備えている。第１の階層Ｌ１において、薄膜コイル２０は絶縁層１２によって覆われており、第２の階層Ｌ２において、ヨーク４１〜４４および第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４は共に絶縁層１３によって覆われている（図２（Ｂ））。なお、図１および図２では、第１から第４のＭＲ素子３１〜３４を繋ぐ配線パターンの図示は省略している。

基体１０は、磁気カプラ全体を支持する矩形状の基板であり、例えば、ガラス、硅素（Ｓｉ）または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などによって構成されている。なお、基体１０を覆うように、例えば酸化硅素（ＳｉＯ_２）などの絶縁層１１を設けるようにしてもよい。

薄膜コイル２０は、２つの端子２０Ｓ，２０Ｅを両端に備え、巻回中心側の端子２０Ｓから巻回外周側の端子２０Ｅへ向かうように、第２の階層Ｌ２の側から眺めた場合に例えば反時計回りに巻回した薄膜導電層であり、例えば銅（Ｃｕ）などの高導電性材料によって構成されている。薄膜コイル２０が形成された領域は、一対の直線領域Ｒ２１と、それらを繋ぐ一対の曲線領域Ｒ２２とに分類される。直線領域Ｒ２１は、Ｘ軸方向に沿って直線状に延在すると共にＹ軸方向において所定の間隔で配置された複数の直線パターン２１によって占められた領域である。一方の曲線領域Ｒ２２は、複数の直線パターン２１の一端同士を繋ぐように形成された曲線状をなす曲線パターン２２によって占められた領域である。ここで、複数の直線パターン２１は、各々の断面積が長手方向（Ｘ軸方向）において均一であり、かつ互いに同一であると共に、互いに等間隔で配列されていることが望ましい。

第１および第２のＭＲ素子３１，３２は、積層方向において一方の直線領域Ｒ２１と対応する位置に配置されており、第３および第４のＭＲ素子３３，３４は、積層方向において他方の直線領域Ｒ２１と対応する位置に配置されている（図１参照）。

図１および図２に示したように、第１のＭＲ素子３１は、一対の端子３１Ｓ，３１Ｅの間において互いに直列接続された複数の帯状パターン３１１を有している。帯状パターン３１１は、薄膜コイル２０の径方向（Ｙ軸方向）に延在すると共に薄膜コイル２０の巻回方向（Ｘ軸方向）において互いに隣在し合うように配設されている。すなわち、第１のＭＲ素子３１は、端子３１Ｓと端子３１Ｅとの間で長手方向が径方向となるように互いに平行配置された複数の帯状パターン３１１が、接続部分３１２を介してつづら折り状に連なって構成されている。第２〜第４のＭＲ素子３２〜３４についてもこれと同様の構成である。すなわち、第２〜第４のＭＲ素子３２〜３４は、それぞれ、一対の端子３２Ｓ，３２Ｅ、一対の端子３３Ｓ，３３Ｅまたは一対の端子３４Ｓ，３４Ｅの間において帯状パターン３２１，３３１，３４１が接続部分（図示せず）を介してつづら折り状に連なるように直列接続された構成となっている。なお、図１および図２では、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４がそれぞれ９つの帯状パターンを有する場合を示しているが、その数はそれに限定されるものではない。

第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４における帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１は、それぞれに一定の読出電流を流したときに、いずれも薄膜コイル２０を流れる信号電流Ｉｍにより生ずる誘導磁界Ｈｍに応じた抵抗値の変化を示す。その場合、帯状パターン３１１，３２１の抵抗値の変化と、帯状パターン３３１，３４１の抵抗値の変化とは互いに逆方向となる。すなわち、帯状パターン３１１，３２１の抵抗値が仮に増加したとすれば、帯状パターン３３１，３４１の抵抗値は減少するという関係となっている。より具体的には、信号電流Ｉｍが端子２０Ｓから端子２０Ｅへ向かうように薄膜コイル２０を流れると、第１および第２のＭＲ素子３１，３２に対しては誘導磁界Ｈｍが＋Ｙ方向へ付与される一方、第３および第４のＭＲ素子３３，３４に対しては誘導磁界Ｈｍが−Ｙ方向へ付与されることとなる。

次に、図３を参照して、帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の構成について、より詳しく説明する。図３は、帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の構成を分解して表す分解斜視図である。なお、帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１は全て同一の構成である。

帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１はスピンバルブ構造をなすものであり、図３（Ａ）に示したように、例えば＋Ｙ方向に固着された磁化Ｊ６１を有する固着層６１と、特定の磁化を示さない中間層６２と、誘導磁界Ｈｍの大きさや向きに応じて磁化Ｊ６３が変化する自由層６３とが順に積層された構造となっている。自由層６３の磁化容易軸ＡＥ６３はＹ軸と平行である。なお、図３（Ａ）は、誘導磁界Ｈｍを印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界が零の状態）を示している。この場合には、自由層６３の磁化方向Ｊ６３は、自らの磁化容易軸ＡＥ６３と平行をなし、かつ、固着層６１の磁化Ｊ６１とほぼ平行な状態となっている。

自由層６３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６２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層６１と接すると共に下面が自由層６３と接している。中間層６２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６１の上面（中間層６２と反対側の面）および自由層６３の下面（中間層６２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６１と自由層６３との間には磁化方向Ｊ６１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６２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６１と自由層６３との相互間隔（すなわち中間層６２の厚み）に応じて自由層６３のスピン方向が回転することにより変化する。したがって、交換バイアス磁界Ｈinを見かけ上、零とすることもできる。また、図３（Ａ）では、下から自由層６３、中間層６２、固着層６１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３（Ｂ）に、固着層６１の詳細な構成を示す。固着層６１は、例えば中間層６２の側から磁化固定膜６４と反強磁性膜６５と保護膜６６とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜６４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おり、この磁化固定膜６４の示す磁化の向きが固着層６１全体としての磁化Ｊ６１の向きとなる。一方、反強磁性膜６５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６５は、＋Ｙ方向のスピン磁気モーメントと、それとは反対方向（−Ｙ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６４の磁化の向き（すなわち、固着層６１の磁化Ｊ６１の向き）を固定するように作用している。保護膜６６は、タンタル（Ｔａ）やハフニウム（Ｈｆ）などの比較的化学的に安定な非磁性材料からなり、磁化固定膜６４や反強磁性膜６５などを保護するものである。

以上のような構造を有する帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１では、誘導磁界Ｈｍの印加により自由層６３の磁化Ｊ６３が回転し、それによって磁化Ｊ６３と磁化Ｊ６１との相対角度が変化する。その相対角度は、誘導磁界Ｈｍの大きさや向きによって決まるものである。すなわち、帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１に対し、誘導磁界Ｈｍの、磁化Ｊ６１と平行または逆平行な成分（＋Ｙ方向または−Ｙ方向の成分）が付与されると、図３（Ａ）に示した無負荷状態から磁化Ｊ６３の向きが＋Ｙ方向または−Ｙ方向へ傾き、帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の抵抗値の増減が生じる。より具体的には、＋Ｙ方向の誘導磁界Ｈｍが付与されると磁化Ｊ６３は＋Ｙ方向に傾き、磁化Ｊ６１と平行な状態に近づくので帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の抵抗値は減少する。反対に、−Ｙ方向の誘導磁界Ｈｍが付与されると磁化Ｊ６３は−Ｙ方向に傾き、磁化Ｊ６１と逆平行な状態に近づくので帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の抵抗値は増大する。

ヨーク４１〜４４は、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、コバルト鉄ニッケル（ＣｏＦｅＮｉ）合金、鉄硅素合金（ＦｅＳｉ）、センダスト、ニッケル−亜鉛（ＮｉＺｎ）フェライト、マンガン−亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライト、などの高い透磁率を有する軟磁性材料によって構成され、薄膜コイル２０を流れる信号電流Ｉｍによって生じる誘導磁界Ｈｍを、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に向かうようにガイドする機能を有するものである。ヨーク４１，４２は、薄膜コイル２０の径方向（Ｙ軸方向）において第１および第２のＭＲ素子３１，３２を挟むように対向配置されている。同様に、ヨーク４３，４４は、薄膜コイル２０の径方向（Ｙ軸方向）において第３および第４のＭＲ素子３３，３４を挟むように対向配置されている。

ここで、ヨーク４１〜４４は、積層方向において直線領域Ｒ２１と重複する位置に設けられていてもよいし、重複しない位置に設けられていてもよい。但し、薄膜コイル２０の巻回中心側のヨーク４１，４３は、薄膜コイルの巻回外周側のヨーク４２，４４よりも直線領域Ｒ２１のＹ軸方向の中心位置ＣＬの近くに設けられていることが望ましい。すなわちヨーク４１とヨーク４２との関係についていえば、図２（Ｂ）に示したように、Ｙ軸方向において、薄膜コイル２０の最内周端縁（最内周に位置する直線パターン２１における巻回中心側の側面位置）２１Ｔ１と最外周端縁（最外周に位置する直線パターン２１における巻回外周側の側面位置）２１Ｔ２との中心位置ＣＬが、薄膜コイル２０の巻回外周側のヨーク４２よりも薄膜コイル２０の巻回中心側のヨーク４１に近いことが望ましい。第１および第２のＭＲ素子３１，３２に及ぶ誘導磁界Ｈｍの強度分布が、Ｙ軸方向においてより平坦化された（偏りの小さな）ものとなるからである。ヨーク４３とヨーク４４との関係についても同様である。上記の場合、Ｙ軸方向において、巻回中心側のヨーク４１は最内周に位置する直線パターン２１の側面位置２１Ｔ１よりも巻回外周側に位置するようにするとよい。すなわち図２（Ｂ）に示したように、ヨーク４１における巻回中心側の側面位置４１Ｔ１が最内周の直線パターン２１の側面位置２１Ｔ１よりも巻回外周側に位置するようにするとよい。ヨーク４３についても同様である。また、図２（Ｂ）に示したように、巻回外周側のヨーク４２は、その巻回中心側の端縁４２Ｔ１が、最外周に位置する直線パターン２１の側面位置２１Ｔ２よりも巻回中心側に位置することが望ましい。ヨーク４４についても同様である。

さらに、ヨーク４１〜４４は、各々の磁化容易軸Ｍｅが薄膜コイル２０の巻回方向（ここではＸ軸方向）に沿った向きとなっている。これにより、磁化容易軸Ｍｅが他の向きである場合と比べ、薄膜コイル２０からの誘導磁界Ｈｍによってヨーク４１〜４４が磁化されやすくなり、より効率的にその誘導磁界Ｈｍが第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４へガイドされることとなる。特に、ヨーク４１〜４４は、その長手方向が薄膜コイル２０の巻回方向と一致するように延在しているので、形状磁気異方性により磁化容易軸Ｍｅの向きが安定している。

さらに、この磁気カプラでは、ヨーク４１〜４４に対し、各々の磁化容易軸Ｍｅに沿った向きのバイアス磁界を付与する一対の永久磁石層５１〜５４をさらに備えている。これにより、ヨーク４１〜４４が単磁区化する方向へ向かうことで残留磁化が低減され、ヨーク４１〜４４自体の磁気的な履歴（ヒステリシス）による悪影響が抑制される。一対の永久磁石層５１〜５４は、ヨーク４１〜４４と同じく第２の階層Ｌ２に位置することが望ましく、ヨーク４１〜４４および第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４と共に絶縁層１３によって覆われている。

この磁気カプラでは、図４に示したように、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４がブリッジ接続されている。具体的には、第１および第３のＭＲ素子３１，３３の一端同士が第１の接続点Ｐ１において接続され、第２および第４のＭＲ素子３２，３４の一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続され、第１のＭＲ素子３１の他端と第４のＭＲ素子３４の他端とが第３の接続点Ｐ３において接続され、第３のＭＲ素子３３の他端と第２のＭＲ素子３２の他端とが第４の接続点Ｐ４において接続されている。なお図４は、本実施の形態の磁気カプラにおける回路構成を表したものである。

以下、図４を参照して、信号電流Ｉｍによって形成される誘導磁界Ｈｍを検出する方法について説明する。

図４において、まず、誘導磁界Ｈｍが印加されていない状態を考える。ここで読出電流ｉ０をこのブリッジ回路に流したときの第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４の各抵抗値をＲ１〜Ｒ４とする。電源Ｖｃｃからの読出電流ｉ０は、第２の接続点Ｐ２で読出電流ｉ１および読出電流ｉ２の２つに分流される。そののち、第２のＭＲ素子３２と第３のＭＲ素子３３とを通過した読出電流ｉ１と、第４のＭＲ素子３４と第１のＭＲ素子３１とを通過した読出電流ｉ２とが第１の接続点Ｐ１において合流する。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×Ｒ２＋ｉ１×Ｒ３＝ｉ２×Ｒ４＋ｉ２×Ｒ１
＝ｉ１×（Ｒ２＋Ｒ３）＝ｉ２×（Ｒ４＋Ｒ１） ……（１）
と表すことができる。
また、第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ３および第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ４は、それぞれ、
Ｖ２＝Ｖ−ｉ１×Ｒ２
Ｖ４＝Ｖ−ｉ２×Ｒ４
と表せる。よって、第４の接続点Ｐ４と第３の接続点Ｐ３との電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ４−Ｖ２
＝（Ｖ−ｉ２×Ｒ４）−（Ｖ−ｉ１×Ｒ２）
＝ｉ１×Ｒ２−ｉ２×Ｒ４ ……（２）
となる。ここで、（１）式および（２）式から、
Ｖ０＝｛Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）｝×Ｖ−｛Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ１）｝×Ｖ
＝｛Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ１）｝×Ｖ ……（３）
となる。このブリッジ回路では、外部磁界である誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で表された第４の接続点Ｐ４と第３の接続点Ｐ３との電位差Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ変化したとすると、すなわち、誘導磁界Ｈｍを印加後の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が、それぞれ
Ｒ１＝Ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝Ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝Ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝Ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、誘導磁界Ｈｍの印加時における電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（Ｒ２＋ΔＲ２）／（Ｒ２＋ΔＲ２＋Ｒ３＋ΔＲ３）−（Ｒ４＋ΔＲ４）／（Ｒ４＋ΔＲ４＋Ｒ１＋ΔＲ１）｝×Ｖ ……（４）
となる。この電流センサでは、第１および第２のＭＲ素子３１，３２の抵抗値Ｒ１，Ｒ２と、第３および第４のＭＲ素子３３，３４の抵抗値Ｒ３，Ｒ４とは互いに逆方向の変化を示すように構成されているので、変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うと共に、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うこととなる。このため、誘導磁界Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）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ΔＲ２と変化量ΔＲ４とが必ず反対の符号を有するので増減が現れることとなる。

仮に、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４の全てが完全に同一の特性を有するものとした場合、すなわち、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ、かつ、ΔＲ１＝ΔＲ２＝−ΔＲ３＝−ΔＲ４＝ΔＲであるとした場合、式（４）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２×Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２×Ｒ）｝×Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）×Ｖ
となる。

このように、ΔＲ／Ｒ等の特性値について既知である第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４を用いるようにすれば、誘導磁界Ｈｍの大きさを検出することができ、その誘導磁界Ｈｍを発生する信号電流Ｉｍの大きさを推定することができる。すなわち、この磁気カプラによれば、薄膜コイル２０をある電気回路に接続して信号電流Ｉｍを流すと共に、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４からなるブリッジ回路に読出電流ｉ０を供給することで、信号電流Ｉｍの変化が読出電流ｉ０の変化に現れることとなる。したがって、互いに絶縁された複数の電気回路間の信号伝達を非接触で行うことができる。

本実施の形態の磁気カプラでは、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４を面内方向において挟むように、軟磁性材料からなるヨーク４１〜４４を薄膜コイル２０の巻回中心側および巻回外周側の双方に配置したので、薄膜コイル２０から発生する誘導磁界Ｈｍの強度低下を抑制し、その誘導磁界Ｈｍを第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に対して効率的に及ぼすことができる。よって、より微小な信号電流Ｉｍであっても誘導磁界Ｈｍを正確に検出することができる。したがって、従来よりも省電力化を図ることができる。特に、ヨーク４１〜４４を、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４と同じく第２の階層Ｌ２に配置するようにしたので、第２の階層Ｌ２以外にある場合と比べ、誘導磁界Ｈｍが、より効率的に第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に及ぶようになる。なお、特許文献１には、コイルと電流センサとの両方の近傍に配置されて磁場コンセントレータとして機能する磁性材料層に関する記載があるが、その磁性材料層の具体的な配置位置が示されていないため、十分な効果が得られるかどうか不明である。

また、本実施の形態の磁気カプラでは、薄膜コイル２０が複数の直線パターン２１を含み、それらが占める直線領域Ｒ２１と積層方向において対応する位置に第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４を設けるようにしたので、曲線パターン２２が占める曲線領域Ｒ２２に対応した位置に設けた場合と比べ、安定した検出動作が発揮される。

また、本実施の形態の磁気カプラでは、薄膜コイル２０の径方向における薄膜コイル２０の最内周端縁と最外周端縁との中心位置ＣＬが、薄膜コイル２０の巻回外周側のヨーク４２，４４よりも薄膜コイル２０の巻回中心側のヨーク４１，４３に近いので、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に対し、径方向において強度分布の偏りの小さい誘導磁界Ｈｍが及ぶようになる。したがって、薄膜コイル２０の径方向に延びる帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１において、径方向の全ての部分に亘って自由層６３の磁化Ｊ６３が誘導磁界Ｈｍに応じてほぼ一定の向きとなり、より正確な信号伝達を行うことができる。

また、本実施の形態の磁気カプラでは、第１から第４のＭＲ素子３１〜３４を用いてそれらをブリッジ接続するようにしたので、薄膜コイル２０を流れる信号電流Ｉｍの変化をより高精度に検出することができる。

［第２の実施の形態］
次に、図５および図６を参照して、本発明における第２の実施の形態としての磁気カプラについて説明する。図５（Ａ）は、本実施の形態の磁気カプラの要部（第１のＭＲ素子３１の周辺）の平面構成を表しており、上記第１の実施の形態の図２（Ａ）に対応するものである。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った矢視方向の断面図であり、上記第１の実施の形態の図２（Ｂ）に対応するものである。

この磁気カプラでは、上記第１の実施の形態の磁気カプラと異なり、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に含まれる帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１がＹ軸方向ではなくＸ軸方向に延在している。帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１では、図６に示したように、それぞれ、固着層６１の磁化Ｊ６１が＋Ｙ方向を向き、無負荷状態での自由層６３の磁化Ｊ６３は−Ｘ方向に向いている。

本実施の形態の磁気カプラにおいても、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。特に、ヨーク４１〜４４の存在により、複数の帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の各々に及ぶ誘導磁界Ｈｍの強度が高まるだけでなく偏りも小さくなるので、隣り合う帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１同士の抵抗値のばらつきが低減される。よって、より正確な信号伝達を行うことができる。

本発明の具体的な実施例について説明する。

（第１の実施例）
図７は、図１および図２に示した磁気カプラにおける、巻回方向と直交する断面（Ｙ−Ｚ平面）の誘導磁界Ｈｍの強度分布を表した特性図である。図７において、横軸がＹ軸に対応し、縦軸がＸ軸に対応している。

ここで、薄膜コイル２０については、ターン数を３０とすると共に、銅からなる２つの導電層が２μｍの絶縁層を挟んで対向配置された３層構造とした。薄膜コイル２０の各導電層では、各ターンの厚さを２μｍ、各ターンの幅を８．５μｍ、各ターン同士の間隔を２．５μｍとした。また、薄膜コイル２０の各導電層には２７ｍＡの信号電流Ｉｍを流すようにした。

一方、ヨーク４１〜４４は、いずれも同じ構成である。具体的には、厚さが０．１５μｍ、幅が４５μｍであり、パーマロイからなり、透磁率μが２０００である。巻回中心側のヨーク４１，４３と巻回外周側のヨーク４２，４４との間隔はいずれも２５０μｍとし、ヨーク４１とヨーク４３との間隔は６０μｍとした。また、薄膜コイル２０とヨーク４１〜４４との、積層方向（Ｚ軸方向）の距離は４０μｍとした。

図７に示したように、薄膜コイル２０の下側ではヨークを設けなかったことから、誘導磁界Ｈｍの強度が薄膜コイル２０から遠ざかるほど単調に減少していくと共に、Ｙ軸方向では、誘導磁界Ｈｍが中心位置ＣＬにおいて最も強く、巻回中心側および巻回外周側へ向かうほど小さくなっており、強度分布の偏りが大きい。これに対し、薄膜コイル２０の上側ではヨーク４１〜４４を設けたことから、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に及ぶ誘導磁界Ｈｍが、薄膜コイル２０の下方へ（−Ｚ方向へ）同じ距離だけ離れた位置での誘導磁界Ｈｍよりも強くなっていることが確認できる。さらに、ヨーク４１〜４４の存在により、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に及ぶ誘導磁界Ｈｍが、Ｙ軸方向において均質化された、偏りの小さな分布となっていることがわかる。

但し、図７では、ヨーク４１とヨーク４２とが中心位置ＣＬから等距離にあり、ヨーク４３とヨーク４４とが中心位置ＣＬから等距離にあるので、誘導磁界Ｈｍの強度は、ヨーク４１，４３の近傍よりもヨーク４２，４４の近傍のほうが大きくなっている。図８は、その様子の理解を容易にするグラフであり、第２の階層Ｌ２におけるＹ軸方向の誘導磁界Ｈｍの強度分布を表している。図８において、横軸は、薄膜コイル２０の巻回中心の位置（ヨーク４１とヨーク４３との中間位置）を原点（０）とする径方向（Ｙ軸方向）の位置を表し、縦軸は誘導磁界Ｈｍを表している。横軸における０は、薄膜コイル２０の巻回中心の位置を表す（ヨーク４１とヨーク４３との中間位置でもある）。領域Ｒ７１はヨーク４１，４３の存在する位置に対応し、領域Ｒ７２はヨーク４２，４４の存在する位置に対応し、その間の領域Ｒ７３は第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４の配置される位置に対応している。図８において、矢印Ｐ７１で示した位置での誘導磁界Ｈｍよりも矢印Ｐ７２で示した位置での誘導磁界Ｈｍのほうが大きいことがわかる。

（第２の実施例）
そこで、ヨーク４１，４３の位置を、巻回外周側へ２０μｍ移動させた場合の誘導磁界Ｈｍの強度分布について調べた。図９および図１０にその結果を示す。図９は図７の左側半分に対応するものであり、図１０は図８に対応するものである。

図９および図１０に示したように、ヨーク４１，４３の位置を巻回外周側へ移動させることで、ヨーク４１，４３とヨーク４２，４４との間に挟まれた領域Ｒ７３において、ほぼ平坦な誘導磁界Ｈｍの強度分布を示すようになった（矢印Ｐ７１での誘導磁界Ｈｍと矢印Ｐ７２での誘導磁界Ｈｍとがほぼ一致するようになった）。すなわち、本発明の磁気カプラでは、薄膜コイル２０の径方向における薄膜コイル２０の最内周端縁と最外周端縁との中心位置ＣＬを、薄膜コイル２０の巻回外周側のヨーク４２，４４よりも薄膜コイル２０の巻回中心側のヨーク４１，４３に近づけることで第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４に対し、より平坦な強度分布の誘導磁界Ｈｍを付与可能であることが確認できた。

以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態等では、第１〜第４の磁気抵抗効果素子として巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を用いる場合について説明したが、これに限定されず、例えばトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いるようにしてもよい。また、上記実施の形態等では４つの磁気抵抗効果素子を備える例を挙げたが、その数は特に限定されるものではない。

また、上記実施の形態等では、ヨークとして一体構造のものを用いるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１１に示したヨーク８０のように、それぞれ薄膜コイル２０の巻回方向（ここではＸ軸方向）に沿って延在し、かつ、薄膜コイル２０の径方向（ここではＹ軸方向）において互いに隣在し合うように分割して配設された複数のヨークパターン８１からなるものとしてもよい。各ヨークパターン８１は、高い透磁率の軟磁性材料によって構成され、それぞれの長手方向（Ｘ軸方向）に沿った磁化容易軸を有するようにする。また、各ヨークパターン８１同士の間には非磁性層８２を設けるようにする。こうした場合には、一体構造のものと比べ、ヨーク全体の形状磁気異方性が向上することにより、ＭＲ素子に及ぶ誘導磁界の安定化が期待される。

あるいは、図１２に示したヨーク９０のように、積層方向（ここではＺ軸方向）において、軟磁性層９１と非磁性層９２とが交互に複数積層された積層構造を有するようにするとよい。ある程度の磁気ボリューム（磁気膜厚）が確保される一方、一体構造のものと比べて長手方向端部での反磁界の発生が抑制され、ＭＲ素子に及ぶ誘導磁界の強度が向上するからである。

また、上記実施の形態等では、例えば図２（Ｂ）に示したように、第１の階層Ｌ１と第２の階層Ｌ２とが互いに接するように設けられた場合について説明したが、これに限定されず、互いに離間して設けられていてもよい。すなわち、第１の階層Ｌ１と第２の階層Ｌ２との間に他の階層（第３の階層）を設けるようにしてもよい。但し、ＭＲ素子３１〜３４が、薄膜コイル２０を流れる信号電流Ｉｍによって生ずる誘導磁界Ｈｍを検知可能であることが必要である。さらに、基体１０の側から順に第１の階層Ｌ１と第２の階層Ｌ２とを積層するようにしたが、その積層順序はこれに限定されるものではない。

また、上記実施の形態等では、一対の永久磁石層５１〜５４を備えることによって各ヨークに対し所定のバイアス磁界を付与する例について説明したが、それらの永久磁石層５１〜５４を設けるかわりに、例えば図１３に表した構成としてもよい。すなわち、ヨーク４１〜４４の磁化容易軸Ｍｅに沿った＋Ｘ方向および−Ｘ方向のスピン磁気モーメントを有する反強磁性層５５を、例えばヨーク４１〜４４の各々の上面と接するように積層することでヨーク４１〜４４の単磁区化を図るようにしてもよい。

本発明の磁気カプラは、例えば通信用信号アイソレータとして、入出力間の絶縁やノイズ遮断を行う場合に用いることができる。具体的には、例えばスイッチング電源における１次側と２次側との信号の絶縁を行う部品としての使用が考えられる。この通信用信号アイソレータとしては、従来フォトカプラやパルストランスが用いられているが、本発明の磁気カプラは応答性に優れる（信号伝送の遅延が少ない）、使用可能温度範囲が広い、経年変化が小さいなどの利点を有することから、それらの代替品としての利用が期待できる。

本発明における第１の実施の形態としての磁気カプラの構成を表す平面図である。 図１に示した磁気カプラの要部を拡大した平面図および断面図である。 図１に示した磁気カプラにおける帯状パターンの構成を表す分解斜視図である。 図１に示した磁気カプラにおける回路図である。 本発明における第２の実施の形態としての磁気カプラの要部構成を表す平面図および断面図である。 図５に示した磁気カプラにおける帯状パターンの構成を表す分解斜視図である。 図１に示した磁気カプラの第１の実施例における、巻回方向と直交する断面（Ｙ−Ｚ平面）の誘導磁界Ｈｍの強度分布を表した特性図である。 図１に示した磁気カプラの第１の実施例における、第２の階層Ｌ２でのＹ軸方向の誘導磁界Ｈｍの強度分布を表している。 図１に示した磁気カプラの第２の実施例における、巻回方向と直交する断面（Ｙ−Ｚ平面）の誘導磁界Ｈｍの強度分布を表した特性図である。 図１に示した磁気カプラの第２の実施例における、第２の階層Ｌ２でのＹ軸方向の誘導磁界Ｈｍの強度分布を表している。 本発明の磁気カプラにおけるヨークの第１の変形例を表す斜視図である。 本発明の磁気カプラにおけるヨークの第２の変形例を表す分解斜視図である。 本発明の磁気カプラにおけるヨークに、単磁区化を図るための反強磁性層を設けるようにした構成例を表す斜視図である。

符号の説明

１０…基体、１１〜１３…絶縁層、２０…薄膜コイル、２０Ｓ，２０Ｅ…端子、Ｒ２１…直線領域、２１…直線パターン、Ｒ２２…曲線領域、２２…曲線パターン、３１〜３４…第１〜第４の磁気抵抗効果素子、３１１，３２１，３３１，３４１…帯状パターン、
４１〜４４…ヨーク、５１〜５４…永久磁石層、５５…反強磁性層、６１…固着層、６２…中間層、６３…自由層。

Claims (13)

1. 第１の階層において巻回する薄膜コイルと、
   前記第１の階層と異なる第２の階層に位置し、前記薄膜コイルを流れる電流によって生ずる誘導磁界を検知する磁気抵抗効果素子と、
   前記磁気抵抗効果素子と離間しつつ、重なり合うことなく前記第２の階層のみに位置すると共に、前記薄膜コイルの径方向において前記磁気抵抗効果素子を挟むように前記薄膜コイルの巻回中心側および巻回外周側の双方に配置されたヨークと
   を備えたことを特徴とする磁気カプラ。
2. 前記薄膜コイルは巻回方向において直線状に延在する複数の直線パターンを含む直線領域を有し、前記磁気抵抗効果素子が積層方向において前記直線領域と対応する位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気カプラ。
3. 前記薄膜コイルの径方向において、前記薄膜コイルの巻回中心側の前記ヨークは、前記薄膜コイルの巻回外周側の前記ヨークよりも前記薄膜コイルの最内周端縁と最外周端縁との中心位置に近い位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気カプラ。
4. 前記薄膜コイルの径方向において、前記薄膜コイルの巻回中心側の前記ヨークは、前記薄膜コイルの最内周端縁よりも巻回外周側に位置する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
5. 前記薄膜コイルの径方向において、前記薄膜コイルの巻回外周側に位置する前記ヨークは、その巻回中心側の端縁が、前記薄膜コイルの最外周端縁よりも巻回中心側に位置する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
6. 前記ヨークは、前記薄膜コイルの巻回方向に沿った向きの磁化容易軸を有す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項に記載の磁気カプラ。
7. 前記ヨークは、その長手方向が前記薄膜コイルの巻回方向と一致するように延在していることを特徴とする請求項６に記載の磁気カプラ。
8. 前記ヨークは、各々が前記薄膜コイルの巻回方向に沿って延在し、かつ、前記薄膜コイルの径方向において互いに隣在し合うように分割して配設された複数のヨークパターンからなることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
9. 前記ヨークは、積層方向において、軟磁性層と絶縁層とが交互に複数積層された積層構造を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
10. 前記ヨークの磁化容易軸に沿った向きの磁気モーメントを有する反強磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
11. 前記ヨークに対し、その磁化容易軸に沿った向きのバイアス磁界を付与する強磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
12. 前記磁気抵抗効果素子は、前記薄膜コイルの巻回方向に沿って、または前記薄膜コイルの径方向に延在する複数の帯状パターンを有しており、
    前記複数の帯状パターンは直列に接続されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の磁気カプラ。
13. 第１の階層において巻回する薄膜コイルと、
    前記第１の階層と異なる第２の階層に各々位置し、前記薄膜コイルを流れる電流によって生ずる誘導磁界により各々の抵抗値が変化する第１から第４の磁気抵抗効果素子と、
    前記第１から第４の磁気抵抗効果素子と離間しつつ、重なり合うことなく前記第２の階層のみに位置すると共に、前記薄膜コイルの径方向において前記第１から第４の磁気抵抗効果素子をそれぞれ挟むように前記薄膜コイルの巻回中心側および巻回外周側の双方に配置されたヨークと
    を備え、
    前記誘導磁界の発生により、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値の増減と反対向きに変化する
    ことを特徴とする磁気カプラ。

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