JP5645228B2 - 電流測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、導体を流れる被検出電流の大きさを測定する電流測定装置に関し、特に、被検出電流の大きさを磁気抵抗の変化を介して検出する電流測定装置に関する。
近年、電気自動車やソーラー電池などの分野では、電気自動車やソーラー電池装置の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、直流大電流を非接触で測定する電流センサが広く用いられている。このような電流センサとしては、導体に流れる電流の大きさを、導体周囲に生じる磁界を介して検出するホール素子を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
かかる電流センサは、開口部を有する半導体基板と、半導体基板上に配置され、磁界の変化によりホール電圧信号を出力する複数のホール素子とを備える。被検出電流が流れる電流線は、半導体基板の開口部を貫通するように、基板に対して直交して配置されている。各ホール素子は、電流線を中心とした円状に配置されている。特許文献１記載の電流センサでは、電流線に被検出電流が流れた際に生じる電流線周囲の磁界の変化により、各ホール素子から出力されるホール電圧信号を用いて被検出電流の大きさを検出している。
しかしながら、特許文献１記載の電流センサでは、ホール素子を用いるため、検出方向が制限される問題があった。また、各ホール素子に検出回路を構成する必要があることに加え、それぞれの検出回路の出力信号を加算する加算回路を設ける必要があり、電流センサの小型化が制限される問題があった。また、電流線と電流センサとの位置（距離）がばらつくとそれが測定値のばらつきに反映される問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高感度かつ高精度で被検出電流を検出でき、構成の簡素化及び小型化が可能な電流測定装置を提供することを目的とする。
本発明の電流測定装置は、磁化方向が固定された固定磁性層と外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層とを備えた複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子の出力から被検出電流の大きさを求める演算手段と、を具備した電流測定装置において、前記複数の磁気抵抗効果素子は、被検出電流が流れる導体の周囲に環状に配設されると共に、前記複数の磁気抵抗効果素子により直列の可変抵抗を構成するように電気的に接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記フリー磁性層上に絶縁層を介して設けられた導電層を備え、前記複数の磁気抵抗効果素子に流れた電流を前記導電層から逆向きに還流することを特徴とする。
この構成によれば、複数の磁気抵抗効果素子で直列の可変抵抗が構成され、複数の磁気抵抗効果素子を可変抵抗として用いることにより、加算回路を設けることなく各磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化を検出することができ、装置構成の簡素化及び小型化が可能となる。また、各磁気抵抗効果素子を導体の周囲に環状に配置することにより、導体に被検出電流が流れた際に生じる磁界を、固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向と間の磁化角度に応じた磁気抵抗変化として検出することができる。
またこの構成によれば、磁気抵抗効果素子に流れた電流を導電層に逆方向に流すことにより、磁気抵抗効果素子に電流が流れた際に生じる磁界と逆方向の磁界を生じさせることができる。このため、磁気抵抗効果素子に電流が流れた際に生じる磁界に由来するフリー磁性層の磁化方向の変化を低減でき、電流測定装置の検出感度及び検出精度を向上させることができる。
上記電流測定装置において、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が、前記各磁気抵抗効果素子が環状に連なる方向となる環状方向に固定されても良い。
または、上記電流測定装置において、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が、前記導体中央部に向けて固定されても良い。
または、上記電流測定装置において、前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が、前記導体中央部から放射方向に向けて固定されても良い。
これらの構成により、導体周囲に生じる磁界によりフリー磁性層の磁化方向が、固定磁性層の磁化方向に対して略同一方向に変化するため、各磁気抵抗効果素子の感度差を低減することができ、電流測定装置の検出精度を向上させることができる。
また上記電流測定装置において、前記複数の磁気抵抗効果素子は、共通する導電体上に設けることができる。
また上記電流測定装置において、前記複数の磁気抵抗効果素子は、弾性体上に形成され、前記導体の周囲を囲むように前記弾性体を変形させて配置しても良い。
本発明によれば、高感度かつ高精度で被検出電流を検出でき、構成の簡素化及び小型化が可能な電流測定装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電流測定装置の平面図である。図１に示すように、電流測定装置１は、略円形状の中央部開口１１ａを有する基板１１と、基板１１の中央部開口１１ａの外縁に環状に配設された複数のＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance）１２−１〜１２−Ｎと、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの出力から被検出電流の大きさを求める演算部（不図示）とを備える。導体１３は、断面視略円形の線状体で形成され、基板１１の中央部開口１１ａを貫通するように配設されている。導体１３には被検出電流が流される。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電流測定装置の平面図である。図１に示すように、電流測定装置１は、略円形状の中央部開口１１ａを有する基板１１と、基板１１の中央部開口１１ａの外縁に環状に配設された複数のＧＭＲ素子（Giant Magneto Resistance）１２−１〜１２−Ｎと、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの出力から被検出電流の大きさを求める演算部（不図示）とを備える。導体１３は、断面視略円形の線状体で形成され、基板１１の中央部開口１１ａを貫通するように配設されている。導体１３には被検出電流が流される。
ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、互いに隣接する素子間に導電体１４をそれぞれ介在して連続して配設されており、複数のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎが全体として電気的に直列接続されたＧＭＲ素子列１２を構成している。また、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、磁化方向が固定された固定磁性層と、導体１３に被検出電流が流れた際に生じる磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層とを備え、固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向との間の磁化角度に応じて磁気抵抗が変化するように構成されている。すなわち、本実施の形態では、導体１３の周囲を囲むように複数のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎが環状に配設され、導体１３に被検出電流が流れた際に生じる磁界の変化を、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎでフリー磁性層の磁化方向の変化を介して検出できるように構成されている。
本実施の形態では、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの固定磁性層の磁化方向は、環状に配設されたＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎが連なる環状方向に向けて固定されている（図１の矢印参照）。なお、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、導体１３に被検出電流が流れた際に生じる磁界によりフリー磁性層の磁化方向が変換する範囲を目安として環状以外に配設してもよい。
また、基板１１上には、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎと演算部（不図示）とを電気的に接続する電極パッド１５ａ、１５ｂが設けられている。電極パッド１５ａは、環状に配設されたＧＭＲ素子列１２の一端側のＧＭＲ素子１２−１に接続され、電極パッド１５ｂが他端側のＧＭＲ素子１２−Ｎに接続されている。このように配置することにより、環状に配設されたＧＭＲ素子列１２により、直列の可変抵抗が形成される。
図２は、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの積層構造を示す図であり、一部のＧＭＲ素子１２−１〜１２−３を抜き出した積層構造を示している。図２に示すように、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、基板１１上に設けられたシード層１６と、シード層１６上に設けられた反強磁性層１７と、反強磁性層１７上に設けられた固定磁性層（ピン層）１８と、固定磁性層１８上に設けられた非磁性層１９と、非磁性層１９上に設けられたフリー磁性層２０とを備える。また、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎ間には導電体１４がそれぞれ設けられている。なお、基板１１とシード層１６との間には、下地層を設けてもよく、フリー磁性層２０上には、保護層を設けてもよい。
ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、反強磁性層１７と固定磁性層１８とが接して形成されているため、磁場中熱処理（以下、アニール処理という）を施すことにより反強磁性層１７と固定磁性層１８との界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じる。この交換結合磁界により固定磁性層１８の磁化方向は一方向に固定されている。図２では固定磁性層１８の磁化方向は、矢印Ｄ１方向に向けて固定されている。
一方、フリー磁性層２０は、非磁性層１９を介して固定磁性層１８と対向するように積層されている。このため、フリー磁性層２０の磁化方向は一方向に固定されず、外部磁界の影響により磁化方向が変動するようになっている。なお、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１は、後述するＧＭＲ素子１２の製造工程において、アニール処理の条件により任意の方向に調整することができる。
シード層１６は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで形成される。反強磁性層１７は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＭｎとを含有する反強磁性材料又はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｐｂ、及び希土類元素からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成される。例えば、反強磁性層１７は、ＩｒＭｎやＰｔＭｎで形成される。固定磁性層１８及びフリー磁性層２０はＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で形成される。また非磁性層１９及び導電体１４はＣｕなどで形成される。なお、下地層を設ける場合には、例えば、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素などの非磁性材料で形成でき、保護層を設ける場合には、Ｔａなどで形成できる。
図３は、電流測定装置１の演算部２１の回路構成図である。図３に示すように、電流測定装置１の演算部２１は、環状に配設された複数のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの全体を一つの可変抵抗２２として扱っており、可変抵抗２２と、３つの固定抵抗２３、２４、２５とからなるブリッジ回路を構成している。電源電圧が印加される端子２６には、ＧＭＲ素子列１２の一端側の電極パッド１５ａが接続され、ＧＭＲ素子列１２の他端側の電極パッド１５ｂが固定抵抗２３の一端に接続されている。固定抵抗２３の他端は接地されている。また、端子２６には、固定抵抗２４の一端が接続され、固定抵抗２４の他端が固定抵抗２５の一端に接続されている。固定抵抗２５の他端は接地されている。ＧＭＲ素子列１２の他端側に接続された他方の電極パッド１５ｂと固定抵抗２３の一端との間の接続点と、固定抵抗２４の他端と固定抵抗２５の一端との間の接続点との間には、検出部２７が接続されている。検出部２７は、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの全体で形成される可変抵抗２２及び固定抵抗２３側の電圧値と、固定抵抗２４及び固定抵抗２５側の電圧値とを比較するように構成されている。
次に、図４（ａ）〜（ｄ）を参照して、電流測定装置１の検出原理について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、ＧＭＲ素子に外部磁界が作用した場合における固定磁性層１８とフリー磁性層２０との磁化角度の変化を示す模式図である。なお、図４（ａ）〜（ｄ）では、固定磁性層１８、非磁性層１９及びフリー磁性層２０の積層構造を模式的に示し、ＧＭＲ素子の固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１が一方向に固定された状態での外部磁界Ｍ１によるフリー磁性層２０の磁化方向Ｄ２の変化を示している。
図４（ａ）に示すように、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１と平行に外部磁界Ｍ１が作用した場合、フリー磁性層２０の磁化方向Ｄ２は、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１と平行になり、磁化角度が０度となる。図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、外部磁界Ｍ１の作用角度が固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１に対して大きくなるにつれ、フリー磁性層２０の磁化方向Ｄ２の変化が増大して磁化角度が大きくなる。図４（ｄ）に示すように、外部磁界Ｍ１が固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１に対して反対方向（１８０度）に作用する場合、フリー磁性層２０の磁化方向Ｄ２は、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１と反対方向になり、磁化角度が最大となる。
図５は、磁化角度と磁気抵抗との相関を示す図である。なお、図５に示す点Ｐ１は、図４（ａ）の磁化角度における磁気抵抗を示し、点Ｐ２は、図４（ｂ）の磁化角度における磁気抵抗を示している。また、点Ｐ３は、図４（ｃ）の磁化角度における磁気抵抗を示し、点Ｐ４は、図４（ｄ）の磁化角度における磁気抵抗を示している。点Ｐ１に示すように、磁化角度０度の状態で磁気抵抗は最小値となり、点Ｐ２及び点Ｐ３に示すように、磁化角度が大きくなるにつれて磁気抵抗が増大する。また、点Ｐ４に示すように、磁化角度が１８０度の状態で磁気抵抗が最大となる。
このように、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、磁化角度に応じて磁気抵抗が変化するので、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１を任意の方向に向け、磁気抵抗の変化を測定することにより、外部磁界Ｍ１の大きさを検出できる。また、外部磁界Ｍ１は、導体１３を流れる被検出電流の大きさによって変化するので、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの磁気抵抗を積算することにより、導体１３に流れる被検出電流の大きさを測定することが可能となる。なお、ＧＭＲ素子１２の磁気抵抗は、下記関係式（１）によって算出することができる。
Ｒ＝Ｒｍｉｎ＋ΔＲｍ／２［１−ｃｏｓ（θｆ−θｐ）］…式（１）
（式（１）中、Ｒｍｉｎは磁化角度が０のときの磁気抵抗を示し、ΔＲｍは磁気抵抗を示し、θｆはフリー磁性層２０の磁化方向の角度を示し、θｐは固定磁性層１８の磁化方向の角度を示す。）
Ｒ＝Ｒｍｉｎ＋ΔＲｍ／２［１−ｃｏｓ（θｆ−θｐ）］…式（１）
（式（１）中、Ｒｍｉｎは磁化角度が０のときの磁気抵抗を示し、ΔＲｍは磁気抵抗を示し、θｆはフリー磁性層２０の磁化方向の角度を示し、θｐは固定磁性層１８の磁化方向の角度を示す。）
図６は、電流測定装置１におけるＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの磁化角度の変化を示す概念図である。なお、図６においては、ＧＭＲ素子列１２を環状の曲線で示し、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１を実線の矢印で示し、フリー磁性層２０の磁化方向Ｄ２を点線の矢印で示している。図６に示すように、導体１３に被検出電流が流れ、導体１３周囲に磁界が発生した場合、曲線上の各位置におけるＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎでは、固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１に対し、フリー磁性層２０の磁化方向Ｄ２が導体１３側に変化して磁化角度が増大する。
図６に示すように、電流測定装置１では、導体１３の周囲に環状にＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎを配設しているので、導体１３の外周においてＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎが環状の閉じた経路を形成しているとみなすことができる。また、上述したように、電流測定装置１では、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの磁気抵抗の変化を介して導体１３に被検出電流が流れた際に生じる磁界を検出できる。このため、アンペールの法則に従ってＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの抵抗値の変化を積算することにより、導体１３に流れる被検出電流の大きさを算出することができる。
次に、演算処理の具体例について説明する。本実施の形態では、下記関係式（２）に従ってＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの抵抗値の変化を算出する。下記関係式（２）は、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎで検出される磁界強度を積分することにより、導体１３を流れる電流を算出することを示している。また、下記関係式（２）より下記関係式（３）及び下記関係式（４）を導出することができる。下記関係式（３）よりＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎで検出された磁界強度を積算することにより、導体１３を流れる電流を検出できることが分かる。さらに、下記関係式（４）より、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎでのフリー磁性層２０の磁化方向の変化により、導体１３を流れる電流の大きさを検出できることが分かる。
（式（２）〜式（４）中において、Ｈは磁界ベクトルを示している。）
なお、ＧＭＲ素子列１２は、必ずしも環状に配設されている必要はなく、導体１３周囲を囲むように（完全に囲むことまでは不要）配設されていれば特に限定されない。例えば、図７（ａ）に示すように、ＧＭＲ素子列１２が導体１３の周囲に非対称（歪んだ形状を含む）の環状に配置され、及び／又は導体１３がＧＭＲ素子列の中心に配置されていない場合においても、導体１３周囲にＧＭＲ素子列１２による閉じた経路が形成されるので、導体１３に流れる被検出電流を測定することが可能となる。また、図７（ｂ）に示すように、ＧＭＲ素子列１２は、平面視矩形状に配置してもよい。
固定磁性層１８の磁化方向Ｄ１は、例えば、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの各々の位置での導体１３の延在方向から見て同一方向に固定することが望ましい。このように磁化方向Ｄ１を固定することにより、導体１３に被検出電流が流れて生じる磁界により、フリー磁性層２０の磁化方向が、固定磁性層１８の磁化方向に対して略同一方向に変化する。このため、導体１３中心に対する個々のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの磁化角度の変化のばらつきを低減することができ、被検出電流の検出感度差を低減できる。
次に、以上のように構成された電流測定装置１の検出動作について説明する。導体１３に流れる被検出電流を検出する際には、図３に示した演算部２１の端子２６に電圧が印加される。この状態で、導体１３に被検出電流が流れることにより、導体１３の周囲に磁界が生じる。この磁界に応じてＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎのフリー磁性層２０の磁化方向がそれぞれ変化し、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの磁気抵抗が変化する。ここで、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、電気的に直列接続されているので、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−ＮによるＧＭＲ素子列１２全体としての磁気抵抗が可変抵抗２２の抵抗値となる。このようにＧＭＲ素子列１２全体としての磁気抵抗が可変抵抗２２の抵抗値となり、ブリッジ回路の固定抵抗２４及び固定抵抗２５側で検出される電圧と可変抵抗２２及び固定抵抗２３側で検出される電圧とが変化して電圧差が生じる。この電圧差を検出部２７で検出することにより、被検出電流の大きさを測定できる。
このように、本実施の形態では、導体１３の周囲に複数のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎを環状に配設し、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎで直列の可変抵抗２２を構成するように接続することにより、固定磁性層１８の磁化方向とフリー磁性層２０の磁化方向との磁化角度の変化に基づく磁気抵抗の変化を介して被検出電流の大きさを測定できる。このため、加算回路などを設けることなくＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの出力を積算でき、高感度の電流測定装置を実現できる。また、本実施の形態においては、素子構成がアンペールの法則に基づいているため、導体１３と環状に配設された複数のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎとの間の位置（距離）が多少ばらついても正確に被測定電流の大きさを測定することができる。
次に、図８（ａ）〜（ｄ）を参照してＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの製造方法について説明する。図８（ａ）〜（ｄ）は、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの製造工程における部分断面図である。まず、基板１１上の全面にスパッタリング法などにより、シード層１６、反強磁性層１７、固定磁性層１８、非磁性層１９、フリー磁性層２０を順番に積層して積層体２８を形成する（図８（ａ））。次いで、フリー磁性層２０上にレジスト層（不図示）を設け、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎを形成する部分にレジスト層のパターンを形成する。レジスト層のパターン形成は、露光・現像により行われる。
次に、積層体２８のレジスト層に覆われている以外の部分をイオンミリングなどのドライエッチングによって除去する（図８（ｂ））。次いで、スパッタリング法などにより、導電体１４を形成してレジスト層を除去する（図８（ｃ））。以上の工程により、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎが形成される。
次に、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの固定磁性層１８の磁化方向の固定について説明する。固定磁性層１８の磁化方向の固定は、積層体２８を形成後、磁場中でアニール処理して行われる。アニール処理では、反強磁性層１７と固定磁性層１８との間に交換結合磁界が生じ、固定磁性層１８の磁化方向が固定される。フリー磁性層２０の磁化方向は、固定磁性層１８の磁化方向の影響により、外部磁界のない状態では、固定磁性層１８の磁化方向と同一方向となる。また、フリー磁性層２０は、反強磁性層１７との間に交換結合磁界が生じず、非磁性層１９を介して固定磁性層１８上に積層されているので、磁化方向が容易に変化する。なお、アニール処理は、少なくとも図８（ａ）〜（ｃ）に示したいずれかの工程で行えばよい。
本実施の形態では、図１に示したように固定磁性層１８の磁化方向を環状方向に固定するため、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの素子構造を形成後、導体１３と同じ位置に磁界発生用電線を設け、この磁界発生用電線に通電しながらアニール処理する。このように、磁界発生用電線に通電しながらアニール処理することにより、環状に配設されたＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎに沿った環状方向に電流が通電され、環状の磁界が形成される。このため、磁界発生用電線への通電によって生じる磁界に沿った向きに固定磁性層１８の磁化方向を固定することができる。なお、アニール処理の温度は、例えば２７０℃程度である。また、環状に配設されたＧＭＲ素子列１２の周りにソレノイドコイルを巻いてＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの磁化方向を固定してもよい。この場合、例えば巻数１万回／ｍのソレノイドコイルに電流１Ａを通電しながら、温度２７０℃、１．５時間のアニール処理を行うことにより、固定磁性層１８の磁化方向を固定することができる。
なお、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの積層構造としては、少なくともＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎのフリー磁性層２０がそれぞれのＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎ間で離間して配置されていればよく、例えば、図８（ｄ）に示す積層構造としてもよい。図８（ｄ）に示す例においては、シード層１６、反強磁性層１７、固定磁性層１８及び非磁性層１９が隣接するＧＭＲ素子１２−１、１２−２、１２−３間で同一層として共有され、フリー磁性層２０が隣接するＧＭＲ素子１２−１、１２−２、１２−３毎に離間するように積層されている。このようにＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎを形成することにより、導電体１４を形成せずにＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎを電気的に直列接続することができる。
図８（ｄ）に示すＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎは、以下のように製造される。まず、基板１１上にシード層１６、反強磁性層１７、固定磁性層１８、及び非磁性層１９を順に形成する。次いで、非磁性層１９上にレジスト層（不図示）を形成し、フリー磁性層２０形成部位（ＧＭＲ素子１２−１、１２−２、１２−３形成部位）を露光・現像によってパターン形成する。次に、フリー磁性層２０を形成し、レジスト層を除去することにより、図８（ｄ）に示すＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎを製造することができる。このように製造することにより、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの製造工程を簡略化することが可能となる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る電流測定装置の平面図である。なお、以下の説明では、図１に示した電流測定装置１との相違点を中心に説明する。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る電流測定装置の平面図である。なお、以下の説明では、図１に示した電流測定装置１との相違点を中心に説明する。
図９に示すように、本実施の形態に係る電流測定装置２は、略円形状の中央部開口３１ａを有する基板３１と、基板３１中央部開口３１ａの外縁に環状に形成された導電層３２と、導電層３２上にそれぞれ離間して設けられた複数のＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎとを備える。被検出電流が流れる導体３４は、基板３１の中央部開口３１ａを貫通するように配設されている。ＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎの一端側に位置するＧＭＲ素子３３−１は電極パッド３５ａに接続され、他端側に位置するＧＭＲ素子３３−Ｎが電極パッド３５ｂに接続されている。このように、本実施の形態では、ＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎは、導体３４の周囲に環状に配設されており、共通の導電層３２を介して電気的に直列接続されてＧＭＲ素子列３３を構成している。
本実施の形態では、ＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎは、固定磁性層の磁化方向が導体３４側（中央部）を向くように固定されている（図９の矢印参照）。このように固定磁性層の磁化方向を固定することにより、導体３４に電流が流れた際に生じる導体周囲の磁界と固定磁性層の磁化方向とが直交するので、フリー磁性層の磁化角度を大きくとることができ、検出感度を向上させることができる。なお、ＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎの固定磁性層の磁化方向は、導体３４の中央部から放射方向に向けて固定されていてもよい。
次に、図１０（ａ）を参照して電流測定装置２のＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎの積層構造について説明する。なお、図１０（ａ）においては、一部のＧＭＲ素子３３−１、３３−２を抜き出した積層構造を示している。図１０（ａ）に示すように、ＧＭＲ素子３３−１、３３−２は、基板３１上に設けられた導電層３２と、導電層３２上に設けられたシード層３６と、シード層３６上に設けられた反強磁性層３７と、反強磁性層３７上に設けられた固定磁性層３８と、固定磁性層３８上に設けられた非磁性層３９と、非磁性層３９上に設けられたフリー磁性層４０とを備える。また、ＧＭＲ素子３３−１、３３−２の各層は、それぞれ離間されて配置され、導電層３２を介して電気的に接続されている。なお、導電層３２とシード層３６との間には下地層を設けてもよく、フリー磁性層４０上には保護層を設けてもよい。また、ＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎの積層構造は、図８（ｄ）に示したように、フリー磁性層４０のみをＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎ間で離間するように構成してもよい。
次に、ＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎの製造方法について説明する。まず、基板３１の全面に導電層３２、シード層３６、反強磁性層３７、固定磁性層３８、非磁性層３９及びフリー磁性層４０を順番に積層する（図１０（ｂ））。次いで、フリー磁性層４０上にレジスト層（不図示）を形成し、レジスト層を露光・現像によりＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎ形成部位にパターン形成する。次に、エッチングによって導電層３２、シード層３６、反強磁性層３７、固定磁性層３８、非磁性層３９及びフリー磁性層４０及びレジスト層を除去することにより製造できる。
本実施の形態では、磁界を印加しながら成膜することにより、導体３４側を向くように固定磁性層３８の磁化方向を固定する。図１１（ａ）は、成膜工程における磁界印加の一例を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。図１１（ａ）に示すように、成膜工程では、例えば、電磁石４１を用いて磁界を印加しながらＧＭＲ素子３１−１〜３１−Ｎの固定磁性層３８の磁化方向を固定する。この電磁石４１は、円環状に形成されるＧＭＲ素子列３３の外周側に設けられる環状の外部電極４２（例えば、Ｎ極）と、ＧＭＲ素子列３３の内側に設けられる内部電極４３（例えば、Ｓ極）と、を備える。また、図１１（ｂ）に示すように、ＧＭＲ素子列３３の下面側には、コイル４４ａ、４４ｂが設けられており、このコイル４４ａ、４４ｂに電流を流すことにより、ＧＭＲ素子列３３を横断するように外部電極４２と内部電極４３との間に磁界Ｍ２が発生するように構成されている。このように電磁石４１を用いて磁界Ｍ２を印加しながら磁場中でＧＭＲ素子３３−１〜３３−Ｎを成膜することにより、固定磁性層３８の磁化方向を導体３４側に向けることができる。
なお、上述した実施の形態においては、基板上にＧＭＲ素子を配設した実施の形態について説明したが、ＧＭＲ素子は基板上以外に配設して用いることもできる。図１２は、ＧＭＲ素子の他の配置例を示す図である。図１２に示す例では、矩形形状の弾性体５１上に複数のＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを直線上に配設してＧＭＲ素子列５２を構成している。このように直線上に複数のＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを形成することにより、固定磁性層の磁化方向を一方向に向けて固定することができ、ＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを容易に製造することができる。
次に、図１３を参照して図１２に示した弾性体５１上に配設されたＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを用いた電流測定装置について説明する。図１３は、本実施の形態に係る電流測定装置の他の構成例を示す図である。図１３に示すように、本例においては、導体５３の周囲を囲むように弾性体５１を変形させて配置することにより、上述した電流測定装置１、２と同様に環状にＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを配置することができる。このため、一様な磁界中で製造した固定磁性層の磁化方向が一方向に固定されたＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを用いることができ、電流測定装置を容易に製造することができる。なお、ＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎは、導電体を設けて電気的に接続してもよく、導電性の弾性体を用いて電気的に接続してもよい。
図１４は、本実施の形態に係る電流測定装置の別の構成例を示す図である。図１４に示すように、本例においては、断面矩形形状の導体５４の周囲に４つの弾性体５１を配置して電流測定装置を構成する。導体５４の外周に導体５４の各辺と対応するように、弾性体５１上に直線状に配置したＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを配置している。このように配置することにより、一様な磁界中で製造した固定磁性層の磁化方向が一方向に固定されたＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎを用いることができ、電流測定装置を容易に構成することができる。
なお、弾性体５１としては、ＧＭＲ素子５２−１〜５２−Ｎ間を電気的に接続でき、弾性変形するものであれば特に限定されないが、ポリイミドなどを用いることができる。
図１５は、図１に示した電流測定装置１のＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの他の積層構造を示す図である。本例においては、図２に示したＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの積層構造に加え、フリー磁性層２０上に絶縁層６１を介して導電層６２が設けられている。この導電層６２は、ＧＭＲ素子列１２の他端側の導電体１４ｎ及び導電層６３を介してＧＭＲ素子１２−Ｎの各層と電気的に接続されている。このように積層することにより、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの各層をＤ３方向に流れた電流が、導電層６２よりＤ４方向に流れるように構成されている。
本実施の形態では、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−ＮにＤ３方向に電流が流れることにより、磁界が発生する。この磁界により、フリー磁性層２０の磁化方向が変化する。本例においては、導電層６２を設け、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎに流れた電流をＤ３方向と逆方向であるＤ４方向に流すことにより、逆方向の磁界が発生する。このため、Ｄ３方向に電流が流れて発生した磁界とＤ４方向に電流が流れて発生した磁界とが相殺され、フリー磁性層２０の磁化方向の変化を低減することができ、検出感度が高い電流測定装置を実現することができる。
次に、図１６（ａ）〜（ｃ）を参照して図１５に示したＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎの製造方法について説明する。まず、ＧＭＲ素子１２−１〜１２−Ｎ上の全面（導電体１４、１４ｎを含む）にスパッタリング法などにより、絶縁層６１を形成する（図１６（ａ））。次に、絶縁層６１上にレジスト層（不図示）を形成し、ＧＭＲ素子列１２の他端の導電体１４ｎ上のレジスト層をパターン形成により除去する。次いで、ドライエッチングなどにより、導電体１４ｎ上の絶縁層６１を除去する（図１６（ｂ））。次に、スパッタリング法などにより、絶縁層６１上への導電層６２の形成及び導電体１４ｎ上への導電層６３の形成を共に実施することにより製造できる（図１６（ｃ））。
なお、上記実施の形態においては、ＧＭＲ素子を用いる実施の形態について説明したが、被検出電流の測定は、磁気抵抗効果素子であれば特に限定されない。例えば、ＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを用いることができる。これらの中でも、所望の方向に対しては高い磁場感度を有し、検出対象以外の方向に対しては低い磁場感度を有するＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを用いることが好ましい。また、ＧＭＲ素子としては、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子などを用いることが好ましい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、導体の周囲に環状にＧＭＲ素子を配置し、それぞれのＧＭＲ素子の磁気抵抗を検出することにより、導体を流れる被検出電流の大きさを測定することが可能となる。特に、本実施の形態では、検出対象となる電流の大きさに応じてＧＭＲ素子の固定磁性層の磁化角度を所定の方向に固定することにより、固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向との磁化角度を調整することができ、検出感度を調整することができる。また、ＧＭＲ素子を用いることにより、広範囲において磁界の変化を検出できるので、電流測定装置の検出範囲を拡大することもできる。さらに、ＧＭＲ素子を用いることにより、磁界の向きに対する直交方向に対しても高い検出感度を得ることができるので、ホール素子を用いた場合と比較して電流測定装置の小型化を実現できる。
また、ＧＭＲ素子は、スパッタリング法などにより、基板上に直接形成できるので、電流測定装置を容易に製造することができる。さらに、ＧＭＲ素子のフリー磁性層上面に導体層を形成し、当該導体層に逆方向に電流を流すことにより、シード層への通電に伴って発生する磁界を逆方向の磁界で相殺できるので、検出感度を向上させることができる。
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。また、上記実施の形態における材料、磁気抵抗効果素子の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
本発明は、電気自動車のモータ駆動用の電流値や、ソーラー電池の電流値を検出する電流測定装置などに適用することが可能である。
本出願は、２０１０年３月１２日出願の特願２０１０−０５６１５２に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
Claims (6)
- 磁化方向が固定された固定磁性層と外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層とを備えた複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子の出力から被検出電流の大きさを求める演算手段と、を具備した電流測定装置において、
前記複数の磁気抵抗効果素子は、被検出電流が流れる導体の周囲に環状に配設されると共に、前記複数の磁気抵抗効果素子により直列の可変抵抗を構成するように電気的に接続され、
前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記フリー磁性層上に絶縁層を介して設けられた導電層を備え、前記複数の磁気抵抗効果素子に流れた電流を前記導電層から逆向きに還流することを特徴とする電流測定装置。 - 前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が、前記各磁気抵抗効果素子が環状に連なる方向となる環状方向に固定されたことを特徴とする請求項１記載の電流測定装置。
- 前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が、前記導体中央部に向けて固定されたことを特徴とする請求項１記載の電流測定装置。
- 前記複数の磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が、前記導体中央部から放射方向に向けて固定されたことを特徴とする請求項１記載の電流測定装置。
- 前記複数の磁気抵抗効果素子は、共通する導電体上に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流測定装置。
- 前記複数の磁気抵抗効果素子は、弾性体上に形成され、前記導体の周囲を囲むように前記弾性体を変形させて配置されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流測定装置。
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