JP5422890B2

JP5422890B2 - 磁気カプラ

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Publication number: JP5422890B2
Application number: JP2007340467A
Authority: JP
Inventors: 進原谷; 仁山口; 芳男佐瀬
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP2009164259A

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

上記した磁気カプラは、例えば入出力間の絶縁やノイズ遮断を行う通信用信号アイソレータとして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次側とで、電気的に絶縁した状態で電気信号を伝達する部品として使用される。当然ながら、磁気抵抗効果素子と、信号電流の流れる電流線（例えば薄膜コイル）との間には、両者を電気的に絶縁するための中間層が存在する。

ところで最近では、磁気カプラのコンパクト化と共に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。そのためには、上記の中間層を薄型化し、磁気抵抗効果素子と電流線との距離をより近づけることが必要である。しかしながら、中間層にはその機能上ある程度の絶縁耐圧が要求される（特に、上記のスイッチング電源におけるアイソレータとして用いる場合には、例えば数ｋV程度の絶縁耐圧が要求される）ので、従来構造では中間層の薄型化にも限界がある。

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、より薄型化された磁気カプラを提供することにある。

本発明の磁気カプラは、非磁性材料からなる導電膜を有する中間層を挟むように積層され、かつ、互いに電気的に絶縁されるコイルおよび磁気抵抗効果素子を備え、導電膜が、コイルおよび磁気抵抗効果素子の双方と電気的に絶縁されるようにしたものである。

本発明の磁気カプラでは、コイルと磁気抵抗効果素子とを積層方向において分離する中間層が、コイルおよび磁気抵抗効果素子を絶縁し、かつ、導電膜を有しているので、コイルと磁気抵抗効果素子との間の絶縁耐圧が向上する。よって、薄型化および高感度化に有利となる。

本発明の磁気カプラでは、中間層における導電膜が、コイルおよび磁気抵抗効果素子の双方と積層方向において重なる領域に位置していることが望ましい。コイルと磁気抵抗効果素子との間の絶縁耐圧が、より確実に向上するからである。また、導電膜は、１×１０⁷Ｓ／ｍ以下の導電率を有することが望ましい。導電膜内部での渦電流の発生が抑制され、磁気抵抗効果素子に対するコイルからの誘導磁界の付与が妨害されにくくなり、高感度化に有利となるからである。

本発明の磁気カプラによれば、コイルと磁気抵抗効果素子との間に、導電膜を含む絶縁性の中間層を配置するようにしたので、中間層が単層構造である場合と比べ、その絶縁耐圧を向上させることができる。したがって、中間層全体の厚みを減らし、磁気抵抗効果素子と薄膜コイルとの距離をより近づけることができる。その結果、全体構成のコンパクト化が実現されると共に、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可能であることから省電力化も実現できる。

本発明の磁気カプラによれば、特に、導電膜を、コイルおよび磁気抵抗効果素子の双方と積層方向において重なる領域に配置することで、中間層の絶縁耐圧をより確実に向上させ、全体構成のさらなるコンパクト化およびさらなる省電力化を実現することができる。また、１×１０⁷Ｓ／ｍ以下の導電率を有する材料によって導電膜を構成するようにすれば、コイルからの誘導磁界に起因した導電膜内部での渦電流の発生を抑制し、よりいっそうの高感度化に有利となり、その結果、さらなるコンパクト化および省電力化が可能となる。

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、誘導磁界Ｈｍおよびバイアス磁界Ｈｂのすべての矢印の方向は、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および図２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、厚み方向において薄膜コイル２０と第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４との間に位置する中間層１３とを備えている。さらに、この磁気カプラは第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を備えている。第１の階層Ｌ１において、薄膜コイル２０の巻線体（例えば後出の直線パターン２１）同士の隙間は絶縁層１２によって充填されており、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１４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１１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Ｘ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と直交した状態となっている。

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、＋Ｘ方向のスピン磁気モーメントと、それとは反対方向（−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。

中間層１３は、例えば薄膜コイル２０および第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４の双方と接するように設けられ、薄膜コイル２０と第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４との電気的絶縁を図る絶縁部材として機能するものである。中間層１３は、例えば図４（Ａ）に表したように、導電膜１３１によって隔てられた複数の絶縁膜１３２を含む積層構造を有している。導電膜１３１は非磁性導電材料によって構成されており、絶縁膜１３２と比べて厚みが薄いものである。導電膜１３１の構成材料としては、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）等よりも導電率の低い材料（例えば１×１０⁷Ｓ／ｍ以下の導電率を有する材料、特にチタン（Ｔｉ）などの３×１０⁶Ｓ／ｍ以下の導電率を有する材料）が好ましい。薄膜コイル２０からの誘導磁界Ｈｍに起因した渦電流が導電膜１３１の内部を流れるのを抑制するためである。渦電流は薄膜コイル２０からＭＲ素子第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４への磁界印加を妨げる作用をもたらすことから、この渦電流自体を抑制することで結果として磁気カプラ全体としての感度が向上する。導電膜１３１の構成材料の具体例としては、上述のチタン（Ｔｉ）のほか，クロム（Ｃｒ），白金（Ｐｔ），タンタル（Ｔａ），ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属それらの合金、あるいは、ＬａＮｉＯ３、ＩＴＯ（錫ドープ酸化インジウム）等の導電性酸化物が挙げられる。一方、絶縁膜１３２は、酸化アルミニウム（ＡｌＯx ）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化珪素（ＳｉＮ），酸化硅素（ＳｉＯ₂），ポリイミドなどの非磁性絶縁材料によって構成されている。ここでは酸化アルミニウムをＡｌＯx と記載したが、耐電圧の点で化学量論組成のＡｌ₂Ｏ₃により近い組成が好ましい。なお、中間層１３が複数の導電膜１３１を含む場合、それらの厚みは互いに異なっていてもよい。そのうえ、複数の導電膜１３１は、厚み方向に等間隔で積層されていてもよいし、そうでなくともよい。すなわち、複数の絶縁膜１３２の厚みは、互いに同一であってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。

このような積層構造を有することにより、中間層１３は、その厚みが一定である場合において絶縁材料からなる単層構造である場合よりも絶縁耐圧が向上することとなる。中間層１３の態様は、２つの絶縁膜１３２が１つの導電膜１３１によって分離された３層構造に限定されるものではなく、例えば図４（Ｂ）に表したように３つの絶縁膜１３２を２つの導電膜１３１によって分離するようにした５層構造としてもよい。あるいは、さらに多くの導電膜１３１と絶縁膜１３２とが交互に積層されたものであってもよい。このように、より多数の導電膜１３１と絶縁膜１３２とが交互に積層されることで、中間層１３全体としての絶縁耐圧がいっそう向上するからである。なお、図４（Ａ），図４（Ｂ）は、図２に示した中間層１３を拡大した断面の構成例をそれぞれ表すものである。

ヨーク４１〜４４は、パーマロイ（ＮｉＦｅ）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。

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（図２（Ｂ）参照）。

この磁気カプラでは、図５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５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５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５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、薄膜コイル２０と第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４との間に、導電膜１３１によって分離された複数の絶縁膜１３２を含む中間層１３を配置するようにしたので、中間層１３が単層構造である場合と比べ、その絶縁耐圧を向上させることができる。したがって、中間層１３全体の厚みを減らし、第１〜第４のＭＲ素子３１〜３４と薄膜コイル２０との距離をより近づけたとしても従来と同等以上の絶縁耐圧を確保することも可能である。その結果、全体構成のコンパクト化が実現されると共に、より微小な信号電流Ｉｍを薄膜コイル２０に流した場合であっても誘導磁界Ｈｍを正確に検出可能であることから駆動時の消費電力低減も実現できる。

また、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、駆動時におい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６および図７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６（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６（Ｂ）は、図６（Ａ）のVIＢ−VIＢ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７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。なお、図７は、本実施の形態の帯状パターン３１１，３２１，３３１，３４１の構成を表す分解斜視図である。

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（薄型化、省電力化などの効果）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。

（実施例１−１）
ここでは、図４（Ａ）に示した３層構造の中間層１３を、アルティック（ＡｌＴｉＣ）基板上に形成してなる試験片を作製（ｎ＝５）し、絶縁破壊電圧を測定した。アルティック基板の寸法は、２０ｍｍ角で厚さ２ｍｍとした。中間層１３については、導電膜１３１を０．１μｍ厚のチタンによって構成し、それを挟む２つの絶縁膜１３２を各々２．５μｍ厚のＡｌＯｘによって構成した。導電膜１３１および絶縁膜１３２については、スパッタリングにより成膜した。絶縁破壊電圧の測定は、ＪＩＳＣ２１１０（固体電気絶縁材料の絶縁耐力の試験方法８−２「段階破壊試験方法」）に基づいて実施した。具体的には、上記の試験片を厚み方向に一対の真鍮製の電極に挟み、それを電気絶縁性の媒質（住友スリーエム社製のフロリナートＦＣ−４０）に浸漬した状態で段階電圧印加法により行った。測定周波数は５０Ｈｚとした。その結果を、後述する実施例１−２，２−１，２−２および比較例１，２の結果と共に表１に示す。

（実施例１−２）
ここでは、導電膜１３１を０．１μｍ厚の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ；Indium Tin Oxide）によって構成したことを除き、他は実施例１−１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。

（比較例１−１）
実施例１−１，１−２に対する比較例として、５．１μｍ厚の中間層をＡｌＯｘによって構成したことを除き、他は実施例１―１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。

（比較例１−２）
実施例１−１，１−２に対する比較例として、導電膜１３１を０．１μｍ厚の窒化珪素（ＳｉＮ）によって構成したことを除き、他は実施例１−１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。

（実施例２−１）
ここでは、図４（Ｂ）に示した５層構造の中間層１３をアルティック（ＡｌＴｉＣ）基板上に形成したことを除き、他は実施例１−１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。具体的には、２つの導電膜１３１を各々０．１μｍ厚のチタンによって構成し、３つの絶縁膜１３２を各々２．５μｍ厚のＡｌＯｘによって構成した。

（実施例２−２）
ここでは、２つの導電膜１３１を０．１μｍ厚のＩＴＯによって構成したことを除き、他は実施例２−１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。

（比較例２−１）
実施例２−１，２−２に対する比較例として、７．７μｍ厚の中間層をＡｌＯｘによって構成したことを除き、他は実施例２―１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。

（比較例２−２）
実施例２−１，２−２に対する比較例として、２つの導電膜１３１を０．１μｍ厚の窒化珪素（ＳｉＮ）によって構成したことを除き、他は実施例２−１と同様にして試験片を作製し、絶縁破壊電圧を測定した。

表１に示したように、中間層が３層構造の場合、実施例１−１，１−２においては、いずれも比較例１−１，１−２の約１．６倍の絶縁破壊電圧が得られた。一方、中間層が５層構造の場合、実施例２−１，２−２においては、いずれも比較例２−１，２−２の約２倍の絶縁破壊電圧が得られた。

以上の結果から、本実施例のように、中間層を、導電膜によって分離された複数の絶縁膜を含む積層構造とすることで、中間層が絶縁材料のみからなる場合と比べて中間層全体としての絶縁破壊電圧が向上することが確認された。よって、このような中間層は、コンパクトな全体構成を有すると共に駆動時の消費電力が低減された磁気カプラの実現に好適であることがわかった。

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、薄膜コイルが存在する第１の階層と、ＭＲ素子が位置する第２の階層とを全面的に分離するように中間層を配設したが、これに限定されるものではない。すなわち、中間層は、厚み方向における薄膜コイルとＭＲ素子との重複領域を少なくとも占めるように、第１および第２の階層に沿って延在していればよいのであって、面内方向において複数の領域に分割して配置されていてもよい。

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、基体の側から第１の階層と、中間層と、第２の階層とを順に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。すなわち、基体１０の側から第２の階層と、中間層と、第１の階層Ｌ１とを順に積層するようにしてもよい。

本発明の磁気カプラは、入出力間の電気的絶縁やノイズ遮断を行いつつ信号伝達を可能とするものであり、例えば通信用信号アイソレータとして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次側との間で、電気的に絶縁した状態で電気信号を伝達する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詳細な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中間層の詳細な構成を表す断面図である。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６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。

符号の説明

１０…基体、１１，１２，１４…絶縁層、１３…中間層、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、６１…固着層、６２…中間層、６３…自由層、

Claims

非磁性材料からなる導電膜を有する中間層を挟むように積層され、かつ、互いに電気的に絶縁されるコイルおよび磁気抵抗効果素子を備え、
前記導電膜は、前記コイルおよび磁気抵抗効果素子の双方と電気的に絶縁されている
ことを特徴とする磁気カプラ。
前記導電膜は、前記コイルおよび磁気抵抗効果素子の双方と積層方向において重なる領
域に位置する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気カプラ。
前記導電膜は、１×１０⁷Ｓ／ｍ以下の導電率を有する
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。