JP5990963B2 - 磁気センサデバイス、及び電流センサ回路 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサデバイス、及び電流センサ回路に関する。

ある場所における磁場の強さを測定する磁気センサデバイスは、各種用途に利用されている。その利用用途の一例が電流センサである。
例えば被測定電流が流れる導体を取り囲むエアギャップつきの環状磁心を用い、この磁心に被測定電流による磁束を発生させ、ギャップ内にスピンバルブ型の巨大磁気抵抗素子を置いて当該磁束を測定する構成による電流センサが特許文献１に開示されている。

また、被測定電流が流れる導体近傍に磁気抵抗素子を一つ配するとともに、この磁気抵抗素子に被測定電流からの誘導電流をキャンセルする磁場を加えるためのフィードバックコイルを設け、磁気抵抗素子と３つの固定抵抗器とでフルブリッジ回路を構成した例が特許文献２に開示されている。

特開２００８−１２８７１１号公報 世界知的所有権機関国際事務局 国際公開第２０１０/１４３６６６号パンフレット

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の技術では、磁心を用いており、被測定電流が大きくなればなるほど、大きいサイズの磁心が必要となってしまう。引用文献２に開示された技術によれば、磁心を用いることなく同一基板上に形成されたフィードバックコイル、磁気コア、磁場検出ブリッジ回路により近傍にある導体を流れる被測定電流を測定できる。しかしながら、この引用文献２に開示された構成では、磁気抵抗素子と固定抵抗とでブリッジ回路を形成しているため、各素子の温度係数による抵抗変化の相違が排除できず、測定精度の向上が困難である。なお、特許文献１の磁気コアは、一次電流による誘導磁場を集め、かつフィードバック磁場を供給するためのものである。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、磁気コアを用いず、また温度変化があっても測定精度を維持ないし向上できる磁気センサデバイス、及び電流センサ回路を提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決するための発明は、磁気センサデバイスであって、基板と、前記基板の面上に形成された２ｎ＋１（ｎは自然数）個の磁気ヨークと、前記磁気ヨークに巻回されるコイルと、固定層及び自由層を有し、一対の前記磁気ヨーク間に形成される磁場の強さを検出する２ｍ（ｍは自然数）個の磁気抵抗効果素子であって、２個ずつの磁気抵抗効果素子がそれぞれブリッジ回路を構成してなる磁気抵抗効果素子と、を含むこととしたものである。

ここで前記コイルは、前記磁気ヨークに対してソレノイド状に巻回されていてもよい。また前記磁気ヨークは、磁束の方向に沿って一列に、２ｎ＋１（ｎは自然数）個配され、当該磁気ヨークの少なくとも一つが、前記コイルが巻回される本体部と、当該本体部に連結され、磁束の方向に交差する方向に延びる延伸部とを有することとしてもよい。

さらに前記磁気ヨークは、磁束の方向に沿って一列に配されるとともに、前記コイルが巻回され、当該一列に配された磁気ヨークのうち、磁束方向両端に配された二つの磁気ヨークのそれぞれが、末端側に、磁束の方向に交差する方向に延びる延伸部を具備することとしてもよい。

また前記磁気ヨークは、磁束の方向に沿って一列に、２ｎ＋１（ｎは自然数）個配されるとともに、前記コイルが巻回され、当該一列に配された磁気ヨークのうち、磁束方向両端に配された二つの磁気ヨークが、それぞれの末端側から延伸される延伸部を有し、当該延伸部が互いに連結されて閉磁路を形成するものであってもよい。

これらにおいて、前記磁気ヨークの前記コイルが巻回される部分には、隣接する磁気ヨークに向けてその幅が狭くなるようテーパーを有してもよく、このとき前記テーパーの先端の幅は、前記磁気抵抗効果素子の実効長さよりも長いものとしてもよい。また一対の前記磁気ヨーク間に、それぞれ複数の前記磁気抵抗効果素子を配してもよい。

また、本発明の一態様に係る磁気センサデバイスは、基板と、前記基板の面上に形成され、コイルが巻回される第１磁気ヨークと、前記基板の面上に形成され、前記第１の磁気ヨークの両端部に隣接する２つの端部を有してそれぞれＣ字状をなす一対の第２の磁気ヨークと、固定層及び自由層を有し、それぞれが前記第１磁気ヨーク両端で、第１磁気ヨークと第２磁気ヨークとの間に形成される磁場の強さを検出する２つの磁気抵抗効果素子であって、当該２つの磁気抵抗効果素子がブリッジ回路を構成してなる磁気抵抗効果素子と、を含み、前記一対の第２の磁気ヨークが、磁束の方向に延びる前記第１の磁気ヨークの中心線に対して線対称に配されてなる。

また本発明の一態様に係る電流センサ回路は、これらの磁気センサデバイスを含むこととしたものである。

本発明によると、磁気コアを用いず、また固定抵抗をブリッジ回路に含まず、磁気抵抗効果素子によってブリッジ回路を形成するので、温度変化に対する抵抗値変化量の差を抑制でき、測定精度を維持ないし向上できる。

本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスにおける磁気ヨークのパターンの一例を表す平面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスの一例を表す断面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスの別の例を表す断面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスのまた別の例を表す断面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスの一例における磁束線の状況を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサ回路の例を表す概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサ回路において生じる信号の例を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスにおける磁気ヨークのパターンの別の例を表す平面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスにおける磁気ヨークのパターンのまた別の例を表す平面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスにおける磁気ヨークのパターンのさらに別の例を表す平面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスにおける磁気ヨークのパターンのさらにもう一つの別の例を表す平面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスにおける磁気ヨークのパターンのまたさらに別の例を表す平面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサ回路の別の例を表す概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサ回路のまた別の例を表す概略の部分的な回路図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサ回路の配置例を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスに対するシールドの配置例を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイスに対するまた別のシールドの配置例を表す説明図である。 本発明の実施例に係る実験結果を表すグラフである。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る磁気センサデバイス１は、図１に例示するように、基板１０と、この基板１０上に磁気ヨーク１１と、磁気抵抗効果素子１２と、コイル１３とを薄膜プロセスで形成したものである。図１は、本実施の形態の磁気センサデバイス１の平面図である。図１では説明のため、コイル１３を破線で示し、磁気ヨーク１１の形状を見やすくしている。

またここで基板１０は、シリコン基板であってもよいし、アルミナチタンカーバイド基板（Al₂O₃-TiC基板）、SiC基板、ガラス基板のいずれであってもよい。

図１に示されるように、本実施の形態では、磁束の向き（以下Ｘ軸とし、基板１０の面内でＸ軸に直交する軸をＹ軸、基板面の法線方向（Ｘ，Ｙの両軸に直交する方向の軸）をＺ軸とする）に沿って、２ｎ＋１（ｎは自然数）個の磁気ヨーク１１がそれぞれ間隔Ｇをおいて配される。また図１の例では、各磁気ヨーク１１には、それぞれコイル１３がソレノイド状に巻回されている。このコイル１３は、（１）磁気抵抗効果素子１２の検出磁場の強さに基づくフィードバック電流を流す、（２）三角波電流を流す（交流バイアス）、（３）フィードバック電流と三角波電流とを流す、（４）三角波電流と、さらに他の電流を重畳して流す、（５）三角波電流以外の電流を流してバイアスをかける、など種々の利用態様がある。

磁気抵抗効果素子１２は、２ｍ（ｍは自然数）個あり、各対の磁気ヨーク１１間の磁場の強さを検出する位置にそれぞれ配されている。この磁気抵抗効果素子１２は、ＸＹ面に並行な磁化方向が固定されている固定層と、印加される磁場によって磁化の向きが変わる自由層とを有し、これらを中間層を挟んでＺ軸方向に積層して配した構成を備えるスピンバルブ型のＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を用いる。固定層の磁化方向は、例えば磁気抵抗効果素子１２の幅方向、すなわちＸ軸方向とする。本実施の形態では、一対または二対の磁気抵抗効果素子１２によりハーフブリッジまたはフルブリッジ回路を構成する。この構成については後に述べる。

この磁気抵抗効果素子１２は、上記のように配されるので、磁束線のＺ軸方向の成分への感度は、ＸＹ面内の成分への感度より低い。

図２は、図１に例示した磁気センサデバイスの磁気ヨーク１１を、磁束の方向に延びる中心線で破断した概略の断面図の一例である。図２では理解の容易のために、コイル１３等はその配置の概要を示しており、巻数等を大幅に減らして図示している（図３，図４において同じ）。図２に例示するように本実施の形態のある例に係る磁気センサデバイス１は、次の要領で製造される。すなわち、まず基板１０上に２層の絶縁層（SiO₂（基板側）及びAl₂O₃（絶縁膜２２側））２１を形成し、この上に幅１０μmの磁気抵抗効果素子１２（ＳＶＧＭＲ膜等）を偶数個、薄膜プロセスにより形成する。そしてさらにこの磁気抵抗効果素子１２の膜よりも厚い絶縁膜２２を形成し、この絶縁膜２２上に、パーマロイによる磁気ヨーク１１と、それに巻回されるアルミニウムのコイル１３の巻線（下側）とを形成し、これらを樹脂２３（絶縁体）により封止する。次に樹脂２３にビアホールを形成してコイル１３の巻線（下側）のそれぞれに対して導体を接続する。次にこれらの導体に対し、それぞれ接続するコイル１３の巻線（上側）を形成し、さらに樹脂２３（絶縁体）により封止する。ただし、コイルに導通するパッドは樹脂から露出させる。磁気ヨーク１１は、磁気抵抗効果素子１２の磁束の向きに沿った両側に約２μｍほどの幅をとって配する。この例では磁気ヨーク１１の間隔Ｇは約１４μｍとなる。また磁気抵抗効果素子１２は、平面視では、互いに隣接する一対の磁気ヨーク１１の間にあるが、磁気ヨーク１１よりも基板１０側（下方）に配される。

また別の例を図３に例示する。図３の例では、基板１０上に２層の絶縁層（SiO₂（基板側）及びAl₂O₃（絶縁膜２２側））２１を形成した後、この上に磁気抵抗効果素子１２と、パーマロイによる磁気ヨーク１１と、それに巻回されるアルミニウムのコイル１３の巻線（下側）とを形成する。ここで磁気ヨーク１１は、約１４μｍの間隔をおいて奇数個配される。そして幅１０μmの磁気抵抗効果素子１２を、磁気ヨーク１１間に形成してから絶縁膜２２にて絶縁し、その後全体を樹脂２３により封止する。次に樹脂２３にビアホールを形成してコイル１３の巻線（下側）のそれぞれに対して導体を接続する。次にこれらの導体に対し、それぞれ接続するコイル１３の巻線（上側）を形成し、さらに樹脂２３（絶縁体）により封止する。

さらに別の例を図４に例示する。図４の例では、基板１０上に２層の絶縁層（SiO₂（基板側）及びAl₂O₃（絶縁膜２２側））２１を形成した後、この上に、パーマロイによる磁気ヨーク１１と、それに巻回されるアルミニウムのコイル１３の巻線（下側）を形成し、樹脂２３により封止する。ここでも磁気ヨーク１１は、約１４μｍの間隔をおいて奇数個配する。その後、薄膜プロセスにより、平面視で磁気ヨーク１１の間に相当する位置に、磁気抵抗効果素子１２を形成してから絶縁膜２２を形成し、絶縁膜２３にビアホールを形成してコイル１３の巻線（下側）のそれぞれに対して導体を接続する。次にこれらの導体に対し、それぞれ接続するコイル１３の巻線の残りの部分（上側）を形成し、樹脂２３により封止する。この場合、磁気抵抗効果素子１２は、平面視では、互いに隣接する一対の磁気ヨーク１１の間にあるが、磁気ヨーク１１よりも上方（基板１０とは反対側）に位置する。

いずれの例においても、互いに隣接する一対の磁気ヨーク１１間の磁場の強さを検出可能な位置に磁気抵抗効果素子１２が配されることとなるが、磁気抵抗効果素子１２は、図２，図４の例のように、磁気ヨーク１１と同じ面に配されなくても構わない。薄膜プロセスによる磁気抵抗効果素子１２は、厚さ（Ｚ軸方向）が約０．０２５μｍ、長さ（Ｙ軸方向）が約１００μｍとなっている。

なお、「磁気ヨーク１１間」と称した場合は、隣接する一対の磁気ヨーク１１の、対向する各端面を底面とする柱状の領域内に限らず、この柱状領域の近傍を含む。

またこれらの例で絶縁層２１は、２層でなくてもよく、SiO₂、Al₂O₃、窒化ケイ素等の１層の膜、またはこれらを積層した多層の膜としても構わない。

これら図２から図４に示した例のうち、図２に示した、磁気抵抗効果素子１２を、磁気ヨーク１１よりも基板１０側の層に配する例とする場合、基板１０に絶縁膜で平坦な面を作製し、この平坦化した面に磁気ヨーク１１等よりも先に磁気抵抗効果素子を形成することとなる。この図２の例は、磁気ヨーク１１等の他の要素を形成してから磁気抵抗効果素子１２を形成することとなる図４の例に比べ、先行して形成される部分の削り取りなどの加工がなく、製造が比較的簡易である。

図２では、基板に絶縁膜で平坦な面を作製し、先に磁気抵抗効果素子を形成する。他の部材を形成してから或いは形成した上に磁気抵抗効果素子を形成する構成よりも、平坦な面（平坦化した面）に磁気抵抗効果素子を形成できるので、磁気抵抗効果素子の特性ばらつきを抑制できる。図２の構成は、図３又は図４の構成にくらべて、磁気抵抗効果素子の特性ばらつきが小さい。

またここでの例では、磁気ヨーク１１は、一次電流による誘導磁場を集めるためのものではなく、励磁磁場の供給に用いられる。

本実施の形態の一例によると、図１に例示したように、磁気ヨーク１１間の磁場強さを検出可能な位置に一つずつの磁気抵抗効果素子１２が配される。また図１の例（第１例）では、一列に配された磁気ヨーク１１ａ，ｂ，…のうち、磁束の方向の両端にある２つの磁気ヨーク１１（末端磁気ヨークと呼ぶ）が、少なくとも磁束の方向に交差する方向（例えば磁束の向きに直交する方向）に延びる延伸部Ｌを有している。具体的に図１の例では、延伸部Ｌは、末端磁気ヨークの、隣接する磁気ヨークとは反対側の端（末端部）に形成されており、磁束の方向に直交する方向、つまりＹ軸の両方向に延びている（λ）。つまり、末端磁気ヨークは略Ｔ字状をなす。また、ここで末端磁気ヨークは、その本体部分ＢのＹ軸方向の幅が、延伸部ＬのＸ軸方向の幅より幅太に形成されている。なお延伸部Ｌと本体部Ｂとの接続部では、角を丸めてある。

このように構成したことにより、被測定電流により生じる磁束ならびにコイル１３によって生じる磁束線は、主に磁気ヨーク１１の長手方向（Ｘ軸方向）に略平行になり、各磁気抵抗効果素子１２を透過する磁束（寄与磁束）ｂ１（図中、実線で示す）が略平行になる。また一方の末端磁気ヨーク１１ａの延伸部Ｌに達した磁束線（非寄与磁束）ｂ２（図中、破線で示す）は延伸部Ｌに沿って伸び、空間を経て他方の末端磁気ヨーク１１ｃの延伸部Ｌの端部に戻り、延伸部Ｌに沿って磁気ヨーク１１の本体部Ｂへとつながって閉じた経路を描く（図５）。このことで、各磁気ヨーク１１において、磁気ヨーク１１ａの端部から当該磁気ヨーク１１ａの別の箇所への磁束ｂ３（非寄与磁束：図中、破線で示す）が少なくなる。なお、図５では、説明のために磁気ヨーク１１の形状のみを図示し、コイル１３等を省略している。

また磁気ヨーク１１の厚さが薄くなればなるほど、磁気ヨーク１１間を透過する磁束のＸＹ面内の成分は増大し、当該磁束が磁気ヨーク間に集中するようになるが、磁気ヨーク１１の端部から当該磁気ヨーク１１の別の箇所への非寄与磁束は発生しやすくなる。しかしながら図１の例によれば、この非寄与磁束の磁束線も、端部に近い側にある末端磁気ヨークの延伸部Ｌに戻っていく。すなわち、この例における延伸部Ｌは、磁気ヨーク１１の各所から磁束線を捕獲する捕獲部（リターンヨーク）としての機能を有している。これにより各磁気ヨーク１１内を流れる磁束の強さを維持でき、効率的な磁束の検出が可能となる。なお、この非寄与磁束の磁束線や、末端磁気ヨーク間で伸びる磁束線は、基板１０の面内（Ｘ，Ｙ軸方向）のみならず空間内（Ｚ軸方向）にも存在する。

本実施の形態の一例に係る磁気センサ回路は、いわゆる磁気平衡型の回路であり、例えば電流センサとして利用できる。この磁気センサ回路では、ｎ対の磁気抵抗効果素子１２が、図６に例示するようにハーフブリッジを構成する。そして磁気抵抗効果素子１２ａの一端側は直流バイアス電源Ｖｄｄの供給を受けるよう接続され、他端側は磁気抵抗効果素子１２ｂの一端側に接続される。また磁気抵抗効果素子１２ｂの他端側は共通端子（ＧＮＤ）に接続される。このとき、磁気抵抗効果素子１２ａの一端側から他端側へ向かう方向に直交する固定層の磁化方向と、磁気抵抗効果素子１２ｂの一端側から他端側へ向かう方向に直交する固定層の磁化方向とが互いに逆向きとなるように接続する。また、磁気抵抗効果素子１２ａの他端側、つまり磁気抵抗効果素子１２ｂの一端側を端子Ｐとして、この端子Ｐは、コンパレータ１４の負極（−）端子に接続される。なお、コンパレータ１４の正極（＋）端子は、基準電源１５を介して共通端子（ＧＮＤ）に接続される。基準電源１５の出力電位は、磁場のない場所における磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂの中点電位とする。

一方、各磁気ヨーク１１に巻回されるコイル１３は互いに直列に接続されており、このコンパレータ１４の出力は、当該直列に接続されたフィードバックコイル１３の一端側に、波形整形部４１とローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２と定電流出力部（またはインダクタ）４３とを介して接続される。またこのコイル１３の一端側には、三角波発生回路４４が結合容量Ｃを介して接続されている。さらにコイル１３の他端側は固定抵抗器１６を介して共通端子（ＧＮＤ）に接続され、また三角波除去部（ローパスフィルタでよい）４５を介して出力端子ＯＵＴに接続される。

本実施の形態のこの一例に係る磁気センサデバイス１は、三角波発生回路４４の発生する三角波状に変化する電流がコイル１３に常時供給される。従って、この三角波状の電流による誘導磁場が磁気ヨーク１１を通じて磁気抵抗効果素子１２に印加され、磁気抵抗効果素子１２の中点電位の出力として、三角波状の電流による誘導磁場を印加しない場合の出力電位（基準電位）を中心として矩形波状に変化する出力が得られる。

この磁気抵抗効果素子１２の中点電位の出力を、コンパレータ１４、波形整形部４１及びＬＰＦ４２を通じて得ると、図７（ａ）に例示するように、デューティー比が略１：１の矩形波状の信号が得られることとなる。

ここで、この磁気センサデバイス１を被測定電流の流れる導体の近傍に配すると、この被測定電流により生じる誘導磁場により磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂの抵抗値が変化する。すると端子Ｐの電位が中点電位からずれるので（ＤＣオフセット）、三角波状に変化する出力電位が基準電位からずれることとなる（図７（ｂ））。従って、コンパレータ１４、波形整形部４１及びＬＰＦ４２を通じて得られる中点電位の出力は、電位のずれ量に応じて三角波のデューティー比が１：１からＴｐ：Ｔｎ（Ｔｐ≠Ｔｎ）へ変化したものとなる。このＴｐとＴｎとの差が被測定電流により生じる誘導磁場の強さを表す。

定電流出力部４３は、例えばインダクタであり、図７に例示した中点電位の出力に応じて、基準電位より高い中点電位が得られている区間と、基準電位より低い中点電位が得られている区間とで電流の向きを異ならせた、一定の大きさの電流を出力する。

この電流はコイル１３に供給され、コイル１３が磁場（キャンセル磁場）を生じる。そしてこのキャンセル磁場による磁束が、先の三角波状の電流による磁束や、被測定電流から生じる誘導磁場とともに、磁気ヨーク１１を通って磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂに印加される。そして磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂを通る磁束がゼロとなるときのコイル１３に供給した電流量に比例した電圧信号Ｖを、三角波除去部４５によって三角波を除去した上で固定抵抗器１６の両端から取り出す（ＯＵＴ）。この電圧信号Ｖが、被測定電流の電流量に比例した出力信号となる。

また本実施の形態の磁気ヨーク１１の形状、並びに配置は図１に例示したものに限らない。図８は、磁気ヨーク１１の形状、配置の別の例（第２例）を表す概略平面図である。この図８においても、磁気ヨーク１１の形状等を分かりやすくするため、コイル１３を破線で表している。図８の例では、２ｎ＋１（ｎは自然数）個の磁気ヨーク１１-1，１１-2，…，１１-(2n+1)が、磁束の方向に沿って一列に、間隔を置いて配される。

また各磁気ヨーク１１には、コイル１３が巻回されている。そしてこれら磁気ヨーク１１のうち、磁束方向（Ｘ軸方向）両端に配された二つの磁気ヨーク１１-1及び１１-(2n+1)（末端磁気ヨーク）が、それぞれの末端側（隣接する磁気ヨーク１１とは反対側）に、磁束方向とは直交する方向（Ｙ軸方向）の少なくとも一方側に延伸される延伸部Ｌを備える。この第２例において、二つの磁気ヨーク１１-1及び１１-(2n+1)からそれぞれ延伸された延伸部Ｌは、互いに接続されて閉磁路を形成している。

第２例では、被測定電流により生じる磁束ならびにコイル１３によって生じる磁束線は、主に磁気ヨーク１１の長手方向（Ｘ軸方向）に略平行になり、磁気ヨーク１１間（平面視において。基板１０の厚さ方向には磁気ヨーク１１と同じ面内になくてもよい）に配された磁気抵抗効果素子１２を透過する磁束が略平行になる。また一方の末端磁気ヨークの延伸部Ｌに達した磁束線は、延伸部Ｌによって形成されている閉磁路に沿って伸び、他方の末端磁気ヨークの延伸部Ｌを経て閉じた経路を描く。

さらにこの第２例における延伸部Ｌは、図９に例示するように、磁束の方向に延びる両端以外の磁気ヨーク１１の中心線（磁気抵抗効果素子１２の中心を貫く線分）に対して線対称に配されてもよい（第３例）。第３例では、一方の末端磁気ヨークの延伸部Ｌに達した磁束線は、延伸部Ｌによって形成されている２つの閉磁路に沿って伸び、他方の末端磁気ヨークの延伸部Ｌを経て閉じた経路を描くことになる。

これら第２，第３例は、例えば磁気ヨーク１１を比較的厚め（例えば１０μｍ以上）に形成する場合など、磁気ヨーク１１内を流れる磁束が大きくなる場合に有効である。また第３例のように、延伸部Ｌが磁束の方向に延びる両端以外の磁気ヨーク１１の中心線に対して線対称に配される場合、互いに隣接する一対の磁気ヨーク１１間の磁束をより直線的にできる。

さらに本実施の形態では、互いに隣接する一対の磁気ヨーク１１間（平面視において。基板１０の厚さ方向には磁気ヨーク１１と同じ面内になくてもよい）に、それぞれ複数の磁気抵抗効果素子１２を配してもよい（第４例）。図１０（ａ），（ｂ）は、いずれもこの第４例に係る磁気センサデバイス１の平面図である。図１０（ａ），（ｂ）に示す第４例では、２つの磁気ヨーク１１を含み、各磁気ヨーク１１がそれぞれの末端側から延伸され、互いに接続されて閉磁路を形成する延伸部Ｌを備える。またこの延伸部Ｌは、磁気抵抗効果素子１２の中心を貫く磁束方向の線分に対して線対称に配され、全体として略８の字状の形状をなす。なお、二つの磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂを間に置いて対向する直線状の部分にはコイル１３が巻回され、当該部分は延伸部Ｌよりも幅太に形成されている。

さらに図１０（ａ）に示す例において、磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂ間を通り、両方向の延伸部Ｌに接続される磁気ヨーク１１ｘをさらに設けてもよい（図１０（ｂ））。この磁気ヨーク１１ｘは、磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂの間に挟まれる部分のうち、さらにその少なくとも一部が、他の部分よりも幅太に形成される。この磁気ヨーク１１ｘを設けることで、各磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂを透過する磁束がより直線状になる。

ここまでの第１から第４例において、各磁気ヨーク１１には、端部から予め定めた距離ｄにある範囲に、端部に向けてその幅が狭くなるようテーパー部を設けている。このテーパーの先端（磁気ヨーク１１の端部）の幅は、磁気抵抗効果素子１２の実効長さよりも長くしておいてもよい。ここで実効長さとは、磁気抵抗効果素子１２のうち、磁場による抵抗変化（出力変化）を生じる部分の長さをいい、具体的には磁気抵抗効果素子１２の長手方向の全長（ストライプの長さ）から電極膜が接している部分の長さを除いた部分の長さである。電極膜は、磁気抵抗効果素子１２よりも比抵抗（或いは導電率）を小さくする。電極膜が接している部分では電極膜に電流の大部分が流れてしまうため、当該部分では抵抗変化を検出できない。そこで当該電極膜が接している部分を除く長さ部分が、磁気抵抗効果素子１２の実効的な長さとなる。磁気抵抗効果素子１２の抵抗値を大きくすると、ＥＳＤ（静電破壊）を防ぐ効果が期待できるので、磁気抵抗効果素子１２の全長をテーパーの先端（最も幅の小さい部分）の幅よりも大きくすることが好ましい。

さらに本実施の形態の別の例（第５例）では、各磁気ヨーク１１に、隣接する磁気ヨーク１１側の端部から距離ｄにある範囲に、当該端部に向けてその幅が狭くなるよう第１テーパー部３１を設けるとともに、上記端部から距離ｄより離れた範囲、すなわちコイル１３が巻回される部分に、隣接する磁気ヨーク１１に向ってその幅を狭くする第２テーパー部３２をさらに設ける（図１１）。

図１１に例示するように、磁束方向両側に隣接する磁気ヨーク１１を有する中央の磁気ヨーク１１は、その磁束方向中央部が最も幅広となり、両側の各磁気ヨーク１１に向かって幅が狭くなるようにテーパーが形成される。このように中央部が幅広に形成されることで、磁気ヨーク１１内を通る磁束が増大しても、磁気飽和が防止され、磁気回路としての線形応答性を維持することに寄与する。また、磁気ヨーク１１の端部から当該磁気ヨーク１１の別の箇所への磁束ｂ３を減少させることができる。

ここで第２テーパー部３２は、第１テーパー部３１のテーパー角とは異なるテーパー角を有するものとする。図１１は、図１に例示した磁気ヨーク１１の形状において、各磁気ヨーク１１に第２テーパー部３２を設けた例を示す、本実施の形態の磁気センサデバイス１の平面図である。なお、ここでは図１に例示したパターンの磁気ヨーク１１に対して第２テーパー部３２を設けた例としたが、図８，９，１０に例示したパターンの磁気ヨーク１１（の本体部）に対しても同様に第２テーパー部３２を設けてもよい。

図１１に示す第５例では、第１テーパー部３１のテーパー角よりも第２テーパー部３２のテーパー角が小さくなるように、第１、第２のテーパー部が形成されている。なお、第２テーパー部３２のテーパー角は、磁気ヨーク１１の膜厚に応じて実験的に調整することとしてもよい。

この第５例の磁気ヨーク１１の形状によると、第２テーパー部３２を設けたことで、磁気ヨーク１１の端部からの非寄与磁束をより少なくし、磁気ヨーク１１間に配される磁気抵抗効果素子１２を透過する磁束をより多くできる。

ここまでの説明では、２ｎ個の磁気抵抗効果素子１２を用いて、一対の磁気抵抗効果素子１２ごとにハーフブリッジを形成する例を示した。しかしながら、本実施の形態では、４つの磁気抵抗効果素子１２ごとにフルブリッジを形成してもよい。その一例となる磁気ヨーク１１の配置例を図１２に示す。図１２の例（第６例）では、コイル１３が巻回される第１磁気ヨーク１１ａと、略Ｃ字状をなす、２つの第２磁気ヨーク１１ｂ，ｃとを含む。また、第２磁気ヨーク１１ｂ，ｃの両端部は、第１磁気ヨーク１１ａに対して間隔を置いて対向しており、これら第２磁気ヨーク１１ｂ，ｃの両端部と第１磁気ヨーク１１ａとの間（平面視において。基板１０の厚さ方向には磁気ヨーク１１と同じ面内になくてもよい）には、４つの磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂ，ｃ，ｄが配される。なお、第２磁気ヨーク１１ｂ，ｃは、磁束の方向に延びる第１の磁気ヨーク１１ａの中心線に対して線対称に配されている。

この第６例の磁気抵抗効果素子１２を用いた磁気センサ回路は、図１３に例示するように、４ｎ個ごとの磁気抵抗効果素子１２がフルブリッジを構成したものである。ここで磁気抵抗効果素子１２ａと磁気抵抗効果素子１２ｂとの一端側は互いに接続されて、直流バイアス電源Ｖｄｄの供給を受ける。また磁気抵抗効果素子１２ａの他端側は磁気抵抗効果素子１２ｃの一端側に接続され（Ｐ）、磁気抵抗効果素子１２ｂの他端側は磁気抵抗効果素子１２ｄの一端側に接続される（Ｑ）。さらに磁気抵抗効果素子１２ｃと磁気抵抗効果素子１２ｄとの他端側は互いに接続されて、共通端子（ＧＮＤ）に接続される。

このとき、磁気抵抗効果素子１２ａの一端側から他端側へ向かう方向に直交する固定層の磁化方向と、磁気抵抗効果素子１２ｃの他端側から一端側へ向かう方向に直交する固定層の磁化方向とが互いに直交するように接続する。また磁気抵抗効果素子１２ｂの一端側から他端側へ向かう方向に直交する固定層の磁化方向と、磁気抵抗効果素子１２ｄの他端側から一端側へ向かう方向に直交する固定層の磁化方向とが互いに直交するように接続する。図中では、それぞれの固定層の磁化方向を模式的に矢印で表している。

また端子Ｐ及びＱは、それぞれコンパレータ１４の両入力端子に接続される。そしてこのコンパレータ１４の出力は、また第１の磁気ヨーク１１ａに巻回されたフィードバックコイル１３の一端側に、波形整形部４１とローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２と定電流出力部（またはインダクタ）４３とを介して接続される。またこのフィードバックコイル１３の一端側には、三角波発生回路４４が結合容量Ｃを介して接続されている。さらにフィードバックコイル１３の他端側は固定抵抗器１６を介して共通端子（ＧＮＤ）に接続され、また三角波除去部（ローパスフィルタでよい）４５を介して出力端子ＯＵＴに接続される。

本実施の形態のこの一例に係る磁気センサデバイス１を、被測定電流の流れる導体の近傍に配すると、この被測定電流により生じる誘導磁場により磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂ，ｃ，ｄの抵抗値が変化して端子ＰＱ間に電位差が生じる。

そして図６において説明したのと同様の動作により、この電位差に対応した電流が定電流出力部４３からフィードバックコイル１３に供給され、フィードバックコイル１３が磁場（キャンセル磁場）を生じる。このキャンセル磁場による磁束は、三角波状の電流による磁場、並びに被測定電流による誘導磁場とともに第１磁気ヨーク１１ａを通って磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂ，ｃ，ｄに印加される。そして磁気抵抗効果素子１２ａ，ｂ，ｃ，ｄを通る磁束がゼロとなるときのフィードバックコイル１３に供給した電流量に比例した電圧信号Ｖが、固定抵抗器１６の両端から取り出される（ＯＵＴ）。この電圧信号Ｖが、被測定電流の電流量に比例した出力信号となる。

図６または図１３に示された磁気センサ回路では、出力する電圧信号Ｖが、本磁気センサデバイス１が配された場所における磁場の強さに比例する。例えば、図１５に例示するように、この磁気センサデバイス１の近傍を通る導線２に流れる電流ｉを被測定電流としてもよい。ここで磁気センサデバイス１の近傍とは、磁気センサデバイス１により検出可能な磁場を、磁気センサデバイス１の配された場所に形成できる範囲内とする。

図１５において、導線２の長手方向は、磁気センサデバイス１の基板１０面に平行な方向（図１５では図１におけるＹ軸方向）であり、この方向（図ではＹ軸負の方向）に電流が流れるものとする。広く知られた物理法則により、この電流により導線２には電流の流れる方向を見たときに導線２の周りに時計回りの向きに磁束線ｆが生じる。

この場合の磁気センサ回路が出力する電圧信号Ｖは、当該被測定電流の電流量Ｉdに比例する。つまり、Ｖ＝α・Ｉdと表すことができる。そこで被測定電流が流れるべき導線２と、この磁気センサデバイス１との配置を定めた上で、当該導線２に既知の電流Ｉ0を流し、そのときの磁気センサ回路が出力する電圧信号Ｖ0を用いて、Ｖ0＝α・Ｉ0の関係から比例係数αを求める。その後は、この導線２を流れる電流量Ｉdを、Ｉd＝Ｖ／αにより求めることができることとなる。この電流量Ｉd（またはそれに関係する電圧信号Ｖ）を出力することにより、図６または図１３に示した磁気センサ回路は、電流センサ回路として動作することとなる。

なお、図６，図１３の例において、定電流出力部４３より下段側の回路については、図１４に例示するようにしてもよい。すなわち、定電流出力部４３の出力を、固定抵抗器１６を介してフィードバックコイル１３の一端側に接続するようにしてもよい。この場合も、三角波発生回路４４の出力は結合容量Ｃを介してコイル１３の一端側に直接接続される。

またこの場合は、固定抵抗器１６の両端に差動増幅器４６を接続し、この差動増幅器４６の出力を、出力信号とする。

さらに図１５に例示した配置において、図１６に例示するように、磁気センサデバイス１と被測定電流が流れる導体Ｃとの間には、磁気シールド３を配してもよい。図１６の例では磁気シールド３は、基板１０に平行な平面状をなし、少なくとも磁気センサデバイス１よりも大きい面積の導電体により形成される。この磁気シールド３と磁気センサデバイス１とは非磁性の筐体内に収納されて、相互の相対的位置が固定されていてもよい。また樹脂により双方が一体にモールドされていてもよい。

図１７は、磁気シールドの別の例を表すものである。この磁気シールド４は、Ｙ軸方向を長手方向とし、非測定電流が流れる導線Ｃの少なくとも一部、磁気センサデバイス１近傍（磁気センサデバイス１から、予め定めた距離の範囲）を取囲む筒状をなす。この例では磁気シールド４の導線Ｃと同じ側（筒状内部）に、磁気センサデバイス１を配する。この磁気シールド４は、非磁性の支持体（不図示）により、支持されてもよい。この図１７の磁気シールド４は、外部からの磁場の影響を軽減する。磁気シールドは薄膜で構成してよい。

本発明の一実施例について、図１に例示した磁気ヨーク１１のパターンを形成した場合を例として説明する。次に示す例では、磁気ヨーク１１の延伸部Ｌの全体長さ（Ｙ軸方向端部間の長さ）λを、
実施例１：６９０μｍ、
実施例２：３９０μｍ、
実施例３：２９０μｍ、
実施例４：１９０μｍ、
比較例１：０μｍ（延伸部なし）
とした（なお延伸部Ｌの幅は４０μｍとした）。

また、λを３９０μｍとして、延伸部Ｌの幅を
実施例５：５０μｍ、
実施例６：４０μｍ、
実施例７：３０μｍ
実施例８：２０μｍ
として、それぞれの場合に磁気抵抗効果素子１２の幅方向における磁束密度の分布を調べた。図１８は、その結果を図示したものである。

図１８に示す図では、磁気抵抗効果素子１２の長手方向中央を横軸７μｍの位置とし、コイル１３に２０ｍＡの直流を流した場合の、磁気抵抗効果素子１２の中央部近傍における磁束密度の大きさを表したものである。

図１８に例示するように、実施例７では、中央部近傍での磁束密度は１．２４Ｔとなり、他の実施例１−６，８（これらは互いに特性が略同じであるため、線が重なって見難くなっていることを考慮して、線の存在する範囲をハッチングで示す）においても少なくとも１．１５Ｔを超えている。これに対して比較例１（不図示）では、中央部近傍での磁束密度は０．０１Ｔに留まる。つまり、実施例と比較例とでは中央部近傍での磁束密度に約１００倍程度の差が生じている。また、延伸部Ｌの全体長さλではあまり影響はないが、幅を変化させたときに効果に差が現れ、幅２０μｍ以上、４０μｍ以下とすることが好ましい。

１ 磁気センサデバイス、２ 導線、３，４ 磁気シールド、１０ 基板、１１ 磁気ヨーク、１２ 磁気抵抗効果素子、１３ コイル、１４ コンパレータ、１５ 基準電源、１６ 固定抵抗器、２１ 絶縁層、２２ 絶縁膜、２３ 樹脂、３１ 第１テーパー部、３２ 第２テーパー部、４１ 波形整形部、４２ ローパスフィルタ、４３ 定電流出力部、４４ 三角波発生回路、４５ 三角波除去部、４６ 差動増幅器。

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板の面上に形成され、磁束の方向に沿って一列に、２ｎ＋１（ｎは自然数）個配された磁気ヨークと、
   前記磁気ヨークに巻回されるコイルと、
   固定層及び自由層を有し、一対の前記磁気ヨーク間に形成される磁場の強さを検出する２ｍ（ｍは自然数）個の磁気抵抗効果素子であって、２個ずつの磁気抵抗効果素子がそれぞれブリッジ回路を構成してなる磁気抵抗効果素子と、
   を含み、
   前記磁気ヨークの少なくとも一つが、前記コイルが巻回される本体部と、当該本体部に連結され、磁束の方向に交差する方向に延びる延伸部とを有し、
   前記磁気ヨークには、隣接する磁気ヨークに向けてその幅が狭くなるようテーパーを有してなる磁気センサデバイス。
2. 請求項１記載の磁気センサデバイスであって、
   前記コイルは、前記磁気ヨークに対してソレノイド状に巻回されている磁気センサデバイス。
3. 請求項１または２に記載の磁気センサデバイスであって、
   前記磁気ヨークの前記コイルが巻回される部分に、隣接する磁気ヨークに向けてその幅が狭くなるようテーパーを有してなる磁気センサデバイス。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサデバイスであって、
   前記一列に配された磁気ヨークのうち、磁束方向両端に配された二つの磁気ヨークのそれぞれの末端側に、磁束の方向に交差する方向に延びる延伸部を具備する磁気センサデバイス。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気センサデバイスであって、
   前記一列に配された磁気ヨークのうち、磁束方向両端に配された二つの磁気ヨークのそれぞれの末端側に、磁束の方向に交差する方向に延びる延伸部を有し、
   当該延伸部が互いに連結されて閉磁路を形成する磁気センサデバイス。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気センサデバイスであって、
   前記テーパーの先端の幅は、前記磁気抵抗効果素子の実効長さよりも長い磁気センサデバイス。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気センサデバイスであって、
   一対の前記磁気ヨーク間に、それぞれ複数の前記磁気抵抗効果素子を配してなる磁気センサデバイス。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサデバイスであって、
   前記一列に配された磁気ヨークのうち、磁束方向両側に、隣接する磁気ヨークを有する磁気ヨークは、その磁束方向中央部が幅広に形成される磁気センサデバイス。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気センサデバイスを含む電流センサ回路。

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