JP6520075B2 - 電流検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、導体を流れる電流によって発生する磁界を測定することによってその電流値を検出する電流検出装置に関する。
従来、異方性磁気抵抗(AMR(Anisotropic Magneto Resistive)効果を用いたAMR素子や巨大磁気抵抗(GMR(Giant Magneto Resistive))効果を用いたGMR素子など磁気抵抗効果素子を用いた電流検出装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の電流検出装置は、GMR素子の測定対象磁界に直交する方向に、既知の大きさのバイアス磁界を発生させて、測定対象磁界とバイアス磁界との合成磁界が、測定対象磁界の方向に対して成す角度の正弦値に比例した電圧信号を測定することによって、測定対象磁界の強さを検出している。
特開2013−200303号公報
特許文献1に記載の電流検出装置のように、バイアス磁界が存在することによって、電流検出装置を構成する磁気検出素子(GMR素子)のヒステリシスを抑制することができ、その線形範囲を拡大することができる。一方、このバイアス磁界は強くなれば、強くなるほど検出感度を低下するという欠点を有する。また、バイアス磁界と同じ方向に、地磁気や他の機器から発生する磁界などの外部磁界が外乱として混入すると、その検出感度が変化するおそれがある。
そこで、本発明は、バイアス磁界方向に外部磁界など外乱が混入した場合でも検出感度の変化を抑制することのできる電流検出装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決することを目的として、固定層の磁化方向の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第1及び第2の磁気検出素子からなる、ハーフブリッジ構造の電流検出装置であって、前記第1及び第2の磁気検出素子に対して、大きさがほぼ同じで、前記磁化方向と略直交する方向に沿って、それぞれ反対方向となるようなバイアス磁界を印加するバイアス磁界生成手段を備えた、電流検出装置を提供する。
また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、固定層の磁化方向の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第1及び第2の磁気検出素子と、固定層の磁化方向の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第3及び第4の磁気検出素子と、からなるフルブリッジ構造の電流検出装置であって、前記第1乃至第4の磁気検出素子から選んだ任意の2つの磁気検出素子、及び残りの2つの磁気検出素子に対して、大きさがほぼ同じで、前記磁化方向と略直交する方向に沿って、それぞれ反対方向となるようなバイアス磁界を印加するバイアス磁界生成手段を備えた、電流検出装置を提供する。
本発明によれば、バイアス磁界方向に外部磁界などの外乱が混入した場合でも検出感度の変化を抑制することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る電流検出装置の概略構成を示す図である。 図1AのA−A’線の断面を示す図である。 図1AのB−B’線の断面を示す図である。 本発明の第1の実施の形態に係る電流検出装置で使用される磁気検出素子の磁気検出原理を示す図である。 図1Aの電流検出装置に対応する回路構成を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る電流検出装置の概略構成を示す図である。 図3AのC−C’線の断面を示す図である。 直列接続されたハーフブリッジ構造の電流検出装置の各磁気検出素子における固定層の磁化方向とバイアス磁界との関係の組み合わせをそれぞれ示す図である。 本発明の第3の実施の形態に係る電流検出装置の概略構成を示す図である。 フルブリッジ構造の電流検出装置と同じ作用を実現するための各磁気検出素子における固定層の磁化方向とバイアス磁界との関係の第1の組み合わせ群をそれぞれ示す図である。 フルブリッジ構造の電流検出装置と同じ作用を実現するための各磁気検出素子における固定層の磁化方向とバイアス磁界との関係の第2の組み合わせ群をそれぞれ示す図である。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態について、図1A乃至図2Bを参照して説明する。
図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係る電流検出装置の概略構成を示す図である。図1Bは、図1AのA−A’線の断面を示す図である。図1Cは、図1AのB−B’線の断面を示す図である。図2Aは、本発明の第1の実施の形態に係る電流検出装置で使用される磁気検出素子の磁気検出原理を示す図である。図2Bは、図1Aの電流検出装置に対応する回路構成を示す図である。
電流検出装置10は、シリコンなどの基板上に形成されたGMR素子からなる磁気検出素子11,12及びバイアス磁石13A,13Bを含んで構成される。電流検出装置10を構成する磁気検出素子11,12は、図1Aに示すように、左右両端部で交互に複数回折り返すように配置されたミアンダ形状をしている。
磁気検出素子11,12は、磁化方向Mp1,Mp2の固定された固定層と、この磁化方向Mp1,Mp2にそれぞれ略直交する方向に印加されるバイアス磁界Bb1,Bb2と被測定磁界Bmとによって磁化方向θ1,θ2のそれぞれ変化する自由層と、これら固定層と自由層を分離する非磁性層とが積層されて構成されている。被測定磁界Bmは、被測定電流によって発生する磁界のことであり、磁化方向θ1,θ2は固定層の磁化方向Mp1,Mp2を基準とした自由層の磁化方向の角度のことである。
図1Aにおいて、磁気検出素子11の固定層の磁化方向Mp1は、上向きであり、バイアス磁界Bb1は、右向きである。一方、磁気検出素子12の固定層の磁化方向Mp2は、磁化方向Mp1とは正反対の下向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1とは正反対の左向きである。すなわち、磁気検出素子11と磁気検出素子12とでは、固定層の磁化方向Mp1,Mp2及びバイアス磁界Bb1,Bb2の方向がそれぞれ反対となるように構成されている。
図1B及び図1Cは、磁気検出素子11,12とバイアス磁界生成手段であるバイアス磁石13A,13Bとの関係を示している。バイアス磁石13A,13Bは、磁気検出素子11,12の上方に形成された平板状の磁石で構成され、図示のようなバイアス磁界Bb1,Bb2を生成する。バイアス磁石13A,13Bは、図1Aに示すように、磁気検出素子11,12全体を覆うような長方形状をしている。バイアス磁石13A,13Bは、同じ大きさのバイアス磁界Bb1,Bb2を、磁気検出素子11,12に供給するように、同じ形状・材質のもので構成される。
バイアス磁石13A,13Bは、その左右両端面部がそれぞれ磁極となるように着磁されている。バイアス磁石13Aでは、左側端面部がN極、右側端面部がS極であり、図1Bに示すように、左側端面部(N極)から右側端面部(S極)に向かう方向に沿ってバイアス磁界Bb1が生成される。一方、バイアス磁石13Bでは、右側端面部がN極、左側端面部がS極であり、左側端面部(N極)から右側端面部(S極)に向かう方向に沿ってバイアス磁界Bb2が生成される。
磁気検出素子11の上側のバイアス磁石13Aによって、バイアス磁石13Aの下方に位置する磁気検出素子11には右向きのバイアス磁界Bb1が印加される。逆に、磁気検出素子12の上側のバイアス磁石13Bによって、バイアス磁石13Bの下方に位置する磁気検出素子12には左向きのバイアス磁界Bb2が印加される。すなわち、磁気検出素子11,12には、それぞれ大きさが同じで向きがそれぞれ正反対のバイアス磁界Bb1,Bb2が印加される。
図2Aは、磁気検出素子11,12の磁気検出原理として、磁気検出素子11,12に印加される被測定磁界Bmと、固定層の磁化方向Mp1,Mp2と、バイアス磁界Bb1,Bb2と、合成磁界B1,B2との関係をそれぞれ示す。
図2Aにおいて、被測定磁界Bmの印加方向が固定層の磁化方向Mp1,Mp2とほぼ平行である。合成磁界B1,B2は、バイアス磁界Bb1,Bb2と被測定磁界Bmとを合成したものである。合成磁界B1,B2の大きさは、図2Aに示す通り、被測定磁界Bmの二乗とバイアス磁界Bb1,Bb2の二乗との合計値の平方根で表される。合成磁界B1,B2が固定層の磁化方向Mp1,Mp2と成すそれぞれの角度θ1,θ2は、90度よりも小さくなると、それに伴って固定層、非磁性層、自由層の積層方向の電流密度分布が広くなり、抵抗値Rも低くなる。逆に、角度θ1,θ2が90度よりも大きくなると、それに伴って固定層、非磁性層、自由層の積層方向の電流密度分布が狭くなり、抵抗値Rも高くなる。
図2Aでは、磁気検出素子11が被測定磁界Bmの印加方向が磁化方向Mp1と同方向で、角度θ1が90度よりも小さい関係にある。一方、図2Aでは、磁気検出素子12が被測定磁界Bmの印加方向が磁化方向Mp2と逆方向で、角度θ2が90度よりも大きい関係にある。
すなわち、バイアス磁界Bb1,Bb2と被測定磁界Bmとの合成磁界B1,B2の方向に従って自由層の磁化方向が回転し、自由層の磁化方向の回転量に応じて磁気検出素子11,12の抵抗値が変化する。すなわち、この合成磁界B1,B2と被測定磁界Bmとの成す角度θ1,θ2に応じて、磁気検出素子11,12の抵抗Rが決まる。
図2Bに示すように、電流検出装置10の回路構成は、磁気検出素子11と、これと同じ構造の磁気検出素子12とを、固定層の磁化方向Mp1,Mp2がそれぞれ反対方向(約180度異なる方向)となるように直列接続されたハーフブリッジ構造をしており、さらに、バイアス磁界Bb1,Bb2もそれぞれ反対方向(約180度異なる方向)となっている。
磁気検出素子11の固定層の磁化方向Mp1は、上向きであり、磁気検出素子12の固定層の磁化方向Mp2は、これと正反対の下向きである。また、磁気検出素子11の自由層に印加されるバイアス磁界Bb1は、右向きであり、磁気検出素子12の自由層に印加されるバイアス磁界Bb2は、これと正反対の左向きである。なお、これらの矢印の向きは回路構成とは何ら関係なく、磁気検出素子11,12の固定層の磁化方向が逆向きに形成されていることを便宜上示したものである。
電流検出装置10の磁気検出素子11の第1の電極に電源電圧+Vcc/2(例えば約2.5V)が印加され、磁気検出素子12の第2の電極に電源電圧−Vcc/2(例えば約−2.5V)が印加される。磁気検出素子11と磁気検出素子12との接続部である磁気検出素子11の第2の電極及び磁気検出素子12の第1の電極から出力電圧信号Voutが出力される。
このとき、磁気検出素子11、12の磁気抵抗変化率はほぼ同じとなるように構成する。ここで、磁気抵抗変化率は、GMRの構成及び組成によってそれぞれ決まるものなので、磁気検出素子11、12の構成及び組成がほぼ同じとなるようにする。
以上の構成とすることによって、外乱磁界による出力電圧信号への影響を抑制することができる。例えば、外乱磁界がバイアス磁界の約1%程度の大きさの場合、出力電圧信号の変動率は約0.54%だったものが、この実施の形態によって、0.0036%に改善される。また、外乱磁界がバイアス磁界の約10%程度の大きさの場合、出力電圧信号の変動率は約5.2%だったものが、0.36%に改善される。さらに、外乱磁界がバイアス磁界の約50%程度の大きさの場合、出力電圧信号の変動率は約22%だったものが、9.9%に改善される。
(第1の実施の形態の作用及び効果)
図1Aに示すような磁気検出素子11,12のバイアス磁界Bb1,Bb2の方向と平行な方向に点線矢印で示すような外乱磁界ΔBbが加わると、磁気検出素子11,12の各バイアス磁界Bb1,Bb2が変化するので、外乱磁界ΔBbが存在しない場合と比較して各磁気検出素子11,12の抵抗がそれぞれ変化することとなる。これは、磁気検出素子11,12の感度が変化することに相当する。そして、磁気検出素子11,12のバイアス磁界Bb1,Bb2の大きさが同じで、向きがそれぞれ正反対となるように構成してあるので、外乱磁界ΔBbの影響は打ち消され、外乱磁界ΔBbがある場合でも感度の変化が抑制されることとなる。
磁気検出素子11,12の磁気抵抗変化率を同じとし、磁気検出素子11の第1の電極に電源電圧+Vcc/2を、磁気検出素子12の第2の電極に電源電圧−Vcc/2を、すなわち、大きさが同じで、正負の電圧を磁気検出素子11,12に印加することによって、外乱磁界ΔBbがある場合における感度の変化を抑制する効果を格段に向上させることができる。
磁気検出素子11、12の磁気抵抗変化率が同じであることによって、外部磁界など外乱が混入した場合でも検出感度の変化を抑制することができる。
[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、図3A乃至図3Bを参照して説明する。図3Aは、本発明の第2の実施の形態に係る電流検出装置の概略構成を示す図であり、図1Aに対応する。図3Bは、図3AのC−C’線の断面を示す図である。この第2の実施の形態では、図1Aのバイアス磁石13A,13Bに代えて、磁気検出素子11A,12Aにバイアス磁界を供給するバイアスコイル13を設けるようにしたものであり、その他の構成は第1の実施の形態と共通である。以下、この違いの部分であるバイアスコイル13の構成について重点的に説明し、第1の実施の形態について説明したものと共通する構成要素については、共通する符号を付して、その説明を省略する。
電流検出装置10Aは、同じくシリコンなどの基板上に形成されたGMR素子からなる磁気検出素子11A,12A及びバイアスコイル13によって構成される。電流検出装置10Aを構成する磁気検出素子11A,12Aは、図1Aのものと同様に、左右両端部で交互に複数回折り返すように配置されたミアンダ形状をしている。
図3Aにおいて、磁気検出素子11Aの固定層の磁化方向Mp1は、上向きであり、バイアス磁界Bb1は、右向きである。一方、磁気検出素子12Aの固定層の磁化方向Mp2は、磁化方向Mp1とは正反対の下向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1とは正反対の左向きである。すなわち、磁気検出素子11Aと磁気検出素子12Aとでは、固定層の磁化方向Mp1,Mp2及びバイアス磁界Bb1,Bb2の方向がそれぞれ反対となるように構成されている。
バイアス磁界Bb1,Bb2は、磁気検出素子11A,12Aの上方に形成されたバイアスコイル13によって生成される。このバイアスコイル13は、磁気検出素子11A,12Aの製造工程と同じ薄膜プロセスによって形成される。バイアスコイル13の一端はバイアス端子Ibに、他端はアース端子GNDに接続され、図示していないバイアス電流源から、例えば、約10mAのバイアス磁界用のバイアス電流Ibがバイアスコイル13に供給される。
バイアスコイル13には、図3Bに示すようなバイアス電流Ibが流れる。すなわち、磁気検出素子11Aの上方のバイアスコイル13には、紙面手前に向かってバイアス電流Ibが流れる。これによって、バイアスコイル13の周囲には、反時計回りの磁界Bb1が発生し、磁気検出素子11Aには右向きのバイアス磁界Bb1が印加される。一方、磁気検出素子12Aの上方のバイアスコイル13には、紙面奥行き方向に向かってバイアス電流Ibが流れる。これによって、バイアスコイル13の周囲には、時計回りの磁界Bb2が発生し、磁気検出素子12Aには左向きのバイアス磁界Bb2が印加される。
磁気検出素子11A,12Aにおける被測定磁界Bmと、固定層の磁化方向Mp1,Mp2と、バイアス磁界Bb1,Bb2と、合成磁界B1,B2との関係は、図2Aと同じである。また、磁気検出素子11A,12Aからなる電流検出装置10Aの回路構成も図2Bと同じである。
(第2の実施の形態の作用及び効果)
以上説明した第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態について説明した効果と同様の効果が得られる。
なお、第1の実施の形態では、2つのバイアス磁石13A,13Bによって反対向きのバイアス磁界Bb1,Bb2を生成しているが、第2の実施の形態では、1つのバイアスコイル13の両側に磁気検出素子11A,12Aを配置することによって、反対向きのバイアス磁界Bb1,Bb2を磁気検出素子11A,12Aに供給しているので、磁気検出素子11A,12Aを並列に並べることができ、素子全体を小型することができる。
図4は、直列接続されたハーフブリッジ構造の電流検出装置の各磁気検出素子における固定層の磁化方向Mp1,Mp2とバイアス磁界Bb1,Bb2との関係の組み合わせをそれぞれ示す図である。
図4において、電流検出装置40は、直列接続されたハーフブリッジ構造の磁気検出素子401,402から構成されるものであり、図1Aの電流検出装置10及び図3Aの電流検出装置10Aにそれぞれ対応する。磁気検出素子401は、図1Aの磁気検出素子11及び図3Aの磁気検出素子11Aに、磁気検出素子402は、図1Aの磁気検出素子12及び図3Aの磁気検出素子12Aに、それぞれ対応する。
磁気検出素子401の固定層の磁化方向Mp1は、図1Aの磁気検出素子11及び図3Aの磁気検出素子11Aと同じであって、上向きであり、バイアス磁界Bb1は、右向きである。磁気検出素子402の固定層の磁化方向Mp2は、図1Aの磁気検出素子12及び図3Aの磁気検出素子12Aと同じであって、磁化方向Mp1とは正反対の下向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1とは正反対の左向きである。
図4において、電流検出装置41は、直列接続されたハーフブリッジ構造の磁気検出素子411,412から構成される。磁気検出素子411の固定層の磁化方向Mp1は、下向きであり、バイアス磁界Bb1は、右向きである。磁気検出素子412の固定層の磁化方向Mp2は、磁化方向Mp1とは正反対の上向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1とは正反対の左向きである。
この電流検出装置41は、図1Aにおける磁気検出素子11と磁気検出素子12との配置を入れ換えたものに対応する。また、図3Aにおける磁気検出素子11Aと磁気検出素子12Aとの配置を入れ換えたものに対応する。
図4において、電流検出装置42は、直列接続されたハーフブリッジ構造の磁気検出素子421,422から構成される。磁気検出素子421の固定層の磁化方向Mp1は、上向きであり、バイアス磁界Bb1は、左向きである。磁気検出素子422の固定層の磁化方向Mp2は、磁化方向Mp1とは正反対の下向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1とは正反対の右向きである。
この電流検出装置42は、図1Aにおけるバイアス磁石13Aとバイアス磁石13Bとの配置を入れ換えたものに対応する。また、図3Aにおけるバイアスコイル13に流すバイアス電流Ibの向きを逆向きにしたものに対応する。
図4において、電流検出装置43は、直列接続されたハーフブリッジ構造の磁気検出素子431,432から構成される。磁気検出素子431の固定層の磁化方向Mp1は、下向きであり、バイアス磁界Bb1は、左向きである。磁気検出素子432の固定層の磁化方向Mp2は、磁化方向Mp1とは正反対の上向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1とは正反対の右向きである。
この電流検出装置43は、図1Aにおける磁気検出素子11及びバイアス磁石13Aと、磁気検出素子12及びバイアス磁石13Bとをそれぞれ入れ換えたものに対応する。また、図3Aにおける磁気検出素子11Aと磁気検出素子12Aとの配置を入れ換えると共にバイアスコイル13に流すバイアス電流Ibの向きを逆向きにしたものに対応する。
上述の電流検出装置40〜43は、直列接続されたハーフブリッジ構造の各磁気検出素子の固定層の磁化方向とバイアス磁界との関係が、大きさ同じでそれぞれの向きが反対となるように構成してある。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について、図5を参照して説明する。図5は、本発明の第3の実施の形態に係る電流検出装置の概略構成を示す図であり、図1Aに対応する。この第3の実施の形態では、電流検出装置50が4つの磁気検出素子51〜54のフルブリッジ構造で構成されているものであり、各素子の構成は第1の実施の形態と共通である。
磁気検出素子51,52は直列に接続されており、磁気検出素子53,54は直列に接続されている。磁気検出素子51,52の直列接続部と、磁気検出素子53,54の直列接続部とが、並列に接続されている。このような4つの磁気検出素子51〜54の接続構造体をフルブリッジ構造と呼ぶ。
磁気検出素子51,52の上方には、平板状のバイアス磁石55Aが形成されており、磁気検出素子53,54の上方には、同じく平板状のバイアス磁石55Bが形成されている。バイアス磁石55Aは、図5に示すように、磁気検出素子51,52全体を覆うような長方形状をしており、バイアス磁石55Bは、図5に示すように、磁気検出素子53,54全体を覆うような長方形状をしている。バイアス磁石55Aは、同じ大きさで同じ方向のバイアス磁界Bb1,Bb2を、磁気検出素子51,52にそれぞれ供給している。バイアス磁石55Bは、同じ大きさで同じ方向のバイアス磁界Bb3,Bb4を、磁気検出素子53,54にそれぞれ供給している。
4つの磁気検出素子51〜54のフルブリッジ構造からなる電流検出装置50の磁気検出素子51及び磁気検出素子53の第1の電極に電源電圧+Vcc/2(例えば約2.5V)が印加され、磁気検出素子52及び磁気検出素子54の第2の電極に電源電圧−Vcc/2(例えば約−2.5V)が印加される。磁気検出素子51と磁気検出素子52との接続部である磁気検出素子51の第2の電極及び磁気検出素子52の第1の電極からは出力電圧信号Vout1が出力され、磁気検出素子53と磁気検出素子54との接続部である磁気検出素子53の第2の電極及び磁気検出素子54の第1の電極からは出力電圧信号Vout2が出力される。フルブリッジ構造の出力は、出力電圧信号Vout1と出力電圧信号Vout2の出力の差Voutとして出力される。電源の供給については、第1の電極に電源電圧+Vcc(例えば約5.0V)を印加し、第2の電極を接地端子に接続してもよい。この場合、接地端子側の磁気検出素子52、54の磁気抵抗変化率がほぼ同じとなるように構成することによって、外部磁界など外乱が混入した場合でも検出感度の変化を抑制することができる。
図5において、磁気検出素子51の固定層の磁化方向Mp1は、上向きであり、バイアス磁界Bb1は、左向きである。磁気検出素子52の固定層の磁化方向Mp2は、磁化方向Mp1とは正反対の下向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1と同じ大きさで左向きである。すなわち、磁気検出素子51と磁気検出素子52とでは、固定層の磁化方向Mp1,Mp2の方向が反対となり、バイアス磁界Bb1,Bb2の大きさと方向は同じとなるように構成されている。
一方、図5において、磁気検出素子53の固定層の磁化方向Mp3は、下向きであり、バイアス磁界Bb3は、右向きである。磁気検出素子54の固定層の磁化方向Mp4は、磁化方向Mp3とは正反対の上向きであり、バイアス磁界Bb4は、バイアス磁界Bb3と同じ右向きである。すなわち、磁気検出素子53と磁気検出素子54とでは、固定層の磁化方向Mp3,Mp4の方向が反対となり、バイアス磁界Bb3,Bb4の方向は同じとなるように構成されている。
すなわち、4つの磁気検出素子51〜54のフルブリッジ構造からなる電流検出装置50の場合、直列に接続される磁気検出素子51と磁気検出素子52、及び磁気検出素子53と磁気検出素子54については、それぞれ固定層の磁化方向が逆方向となるように構成し、磁気検出素子51と磁気検出素子54の2つの磁気検出素子、及び磁気検出素子52と磁気検出素子53の2つの磁気検出素子については、それぞれバイアス磁界が逆方向となるように構成する。これによって、磁気検出素子51と磁気検出素子52が直列接続されたハーフブリッジ構造の感度が外乱磁界ΔBbによって変化(例えば減少)するため出力電圧信号Vout1が変化(例えば絶対値としてみれば減少)し、逆に磁気検出素子53と磁気検出素子54が直列接続されたハーフブリッジ構造の感度は外乱磁界ΔBbによって逆方向に変化(例えば増加)するため出力電圧信号Vout2が変化(例えば絶対値としてみれば増加)する。フルブリッジ構造全体としてみれば、結果的に出力電圧信号Voutは外乱磁界ΔBbの影響が打ち消され、外乱磁界ΔBbがある場合でも感度の変化が抑制されることとなる。
図6及び図7は、上述のフルブリッジ構造の電流検出装置と同じ作用を実現するための各磁気検出素子における固定層の磁化方向Mp1〜Mp4とバイアス磁界Bb1〜Bb4との関係の第1及び第2の組み合わせ群をそれぞれ示す図である。
図6において、電流検出装置60は、磁気検出素子601,602の直列接続部と、磁気検出素子603,604の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造であり、図5の電流検出装置50に対応する。磁気検出素子601は、図5の磁気検出素子51に、磁気検出素子602は、図5の磁気検出素子52に、磁気検出素子603は、図5の磁気検出素子53に、磁気検出素子604は、図5の磁気検出素子54に、それぞれ対応する。
磁気検出素子601の固定層の磁化方向Mp1は、図5の磁気検出素子51と同じ上向きであり、バイアス磁界Bb1は、左向きである。磁気検出素子602の固定層の磁化方向Mp2は、図5の磁気検出素子52と同じであって、磁化方向Mp1とは正反対の下向きであり、バイアス磁界Bb2は、バイアス磁界Bb1と同じ左向きである。磁気検出素子603の固定層の磁化方向Mp3は、図5の磁気検出素子53と同じ下向きであり、バイアス磁界Bb3は、バイアス磁界Bb2とは正反対の右向きである。磁気検出素子604の固定層の磁化方向Mp4は、図5の磁気検出素子54と同じであって、磁化方向Mp3とは正反対の上向きであり、バイアス磁界Bb4は、バイアス磁界Bb1とは正反対の右向きである。
図6において、電流検出装置61は、磁気検出素子611,612の直列接続部と、磁気検出素子613,614の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置61は、各磁気検出素子611〜614の固定層の磁化方向Mp1〜Mp4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601〜604とは逆向きにしたものである。
図6において、電流検出装置62は、磁気検出素子621,622の直列接続部と、磁気検出素子623,624の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置62は、各磁気検出素子621〜624のバイアス磁界Bb1〜Bb4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601〜604とは逆向きにしたものである。
図6において、電流検出装置63は、磁気検出素子631,632の直列接続部と、磁気検出素子633,634の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置63は、各磁気検出素子631〜634の固定層の磁化方向Mp1〜Mp4の向き及びバイアス磁界Bb1〜Bb4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601〜604とはそれぞれ逆向きにしたものである。
図7において、電流検出装置70は、磁気検出素子701,702の直列接続部と、磁気検出素子703,704の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置70は、各磁気検出素子703,704の固定層の磁化方向Mp3,Mp4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子603,604とは逆向きにすると共に磁気検出素子702,704のバイアス磁界Bb2,Bb4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する磁気検出素子602,604とはそれぞれ逆向きにしたものである。
図7において、電流検出装置71は、磁気検出素子711,712の直列接続部と、磁気検出素子713,714の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置71は、各磁気検出素子711,712の固定層の磁化方向Mp1,Mp2の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601,602とは逆向きにすると共に磁気検出素子712,714のバイアス磁界Bb2,Bb4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する磁気検出素子602,604とはそれぞれ逆向きにしたものである。
図7において、電流検出装置72は、磁気検出素子721,722の直列接続部と、磁気検出素子723,724の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置72は、各磁気検出素子723,724の固定層の磁化方向Mp3,Mp4の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子603,604とは逆向きにすると共に磁気検出素子721,723のバイアス磁界Bb1,Bb3の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601,603とはそれぞれ逆向きにしたものである。
図7において、電流検出装置73は、磁気検出素子731,732の直列接続部と、磁気検出素子733,734の直列接続部とが、並列に接続されたフルブリッジ構造である。電流検出装置73は、各磁気検出素子731,732の固定層の磁化方向Mp1,Mp2の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601,602とは逆向きにすると共に磁気検出素子731,733のバイアス磁界Bb1,Bb3の向きを電流検出装置60のそれぞれ対応する各磁気検出素子601,603とはそれぞれ逆向きにしたものである。
上述の電流検出装置60〜63,70〜73は、フルブリッジ構造の4つの磁気検出素子から任意に選んだ2個の磁気検出素子と、他の2個の磁気検出素子のバイアス磁界が大きさ同じで反対向きとなるように構成してある。
(第3の実施の形態の作用及び効果)
以上説明した第3の実施の形態によれば、第1及び第2の実施の形態について説明した効果と同様の効果が得られる。
上述の第3の実施の形態では、バイアス磁界を生成する手段として、バイアス磁石55A,55Bを例に説明したが、第2の実施の形態のように、磁気検出素子の上方に、磁気検出素子の製造工程と同じ薄膜プロセスによって、バイアスコイルを形成してもよい。この場合も1つのバイアスコイルの下方に4つの磁気検出素子を配置することによって、素子全体を小型することができる。
(実施の形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
[1]固定層の磁化方向(Mp1,Mp2)の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第1及び第2の磁気検出素子((11,12),(11A,12A),(401,402),(411,412),(421,422),(431,432))からなる、ハーフブリッジ構造の電流検出装置(10,10A,40,41,42,43)であって、前記第1及び第2の磁気検出素子((11,12),(11A,12A))に対して、大きさがほぼ同じで、前記磁化方向(Mp1,Mp2)と略直交する方向に沿って、それぞれ反対方向となるようなバイアス磁界(Bb1,Bb2)を印加するバイアス磁界生成手段(13,(13A,13B))を備えた、電流検出装置(10,10A,40,41,42,43)。
これは、直列接続されたハーフブリッジ構造の電流検出装置において、固定層の磁化方向(Mp1,Mp2)の向きを反対向きにし、バイアス磁界(Bb1,Bb2)は大きさが同じで反対向きとなるように構成することによって、外乱磁界ΔBbの影響を打ち消し、外乱磁界ΔBbがある場合でも感度の変化を抑制できるようにしたものである。
[2]前記第1及び第2の磁気検出素子((11,12),(11A,12A),(401,402),(411,412),(421,422),(431,432))に、大きさがほぼ同じ正負の電圧(±Vcc/2)が、それぞれ印加される、前記[1]に記載の電流検出装置(10,10A,40,41,42,43)。
これは、ハーフブリッジ構造の電流検出装置に、正負の同じ大きさの電圧(±Vcc/2)を印加することによって、外乱磁界ΔBbがある場合における感度の変化を抑制する効果を格段に向上させるようにしたものである。なお、正負の電圧の大きさは同じであることが好ましいが、約±10%程度までであれば大きさが異なっていてもよい。
[3]前記第1及び第2の磁気検出素子((11,12),(11A,12A),(401,402),(411,412),(421,422),(431,432))の磁気抵抗変化率が同じである、前記[1]又は[2]に記載の電流検出装置(10,10A,40,41,42,43)。
これは、磁気抵抗変化率をほぼ同じとすることによって、電流検出装置の感度の変化を抑制するようにしたものである。
[4]前記バイアス磁界生成手段(13A,13B)は、基板(10,10A)上の前記第1の磁気検出素子(11,11A)の上方に設けられた第1のバイアス磁石(13A)と、前記基板上の前記第2の磁気検出素子(12,12A)の上方に設けられた第2のバイアス磁石(13B)と、を含んで構成される、前記[1]、[2]又は[3]に記載の電流検出装置(10,10A,40,41,42,43)。
これは、バイアス磁界生成手段として、磁石を使用したものである。
[5]前記バイアス磁界生成手段(13)は、基板上の前記第1及び第2の磁気検出素子の上方に設けられた1つのバイアスコイル(13)で構成される、前記[1]、[2]又は[3]に記載の電流検出装置(10,10A,40,41,42,43)。
これは、バイアス磁界生成手段として、バイアスコイルを使用したものである。1つのバイアスコイルの両側に磁気検出素子を配置することによって、反対向きのバイアス磁界を磁気検出素子に供給することができるので、素子全体を小型することができる。
[6]固定層の磁化方向(Mp1,Mp2)の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第1及び第2の磁気検出素子((51,52),(601,602),(611,612),(621,622),(631,632),(701,702),(711,712),(721,722),(731,732))と、固定層の磁化方向(Mp3,Mp4)の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第3及び第4の磁気検出素子((53,54),(603,604),(613,614),(623,624),(633,634),(703,704),(714,714),(723,724),(733,734))と、からなり、前記第1及び第2の磁気検出素子((51,52),(601,602),(611,612),(621,622),(631,632),(701,702),(711,712),(721,722),(731,732))と前記第3及び第4の磁気検出素子((53,54),(603,604),(613,614),(623,624),(633,634),(703,704),(714,714),(723,724),(733,734))とが並列接続されたフルブリッジ構造の電流検出装置(50,60,61,62,63,70,71,72,73)であって、前記第1乃至第4の磁気検出素子((51,52,53,54),(601,602,603,604),(611,612,613,614),(621,622,623,624),(631,632,633,634),(701,702,703,704),(711,712,713,714),(721,722,723,724),(731,732,733,734))から選んだ任意の2つの磁気検出素子、及び残りの2つの磁気検出素子に対して、大きさがほぼ同じで、前記磁化方向(Mp1,Mp2,Mp3,Mp4)と略直交する方向に沿って、それぞれ反対方向となるようなバイアス磁界(Bb1,Bb2,Bb3,Bb4)をそれぞれ印加するバイアス磁界生成手段(55A,55B)を備えた、電流検出装置(50,60,61,62,63,70,71,72,73)。
これは、直列接続されたハーフブリッジ構造の電流検出装置を、さらに並列に接続することによってフルブルッジ構造の電流検出装置を構成し、このフルブルッジ構造の電流検出装置において、直列接続された磁気検出素子同士の固定層の磁化方向の向きが反対向きとなるようにし、フルブリッジ構造の4つの磁気検出素子から任意に選んだ2個の磁気検出素子と、他の2個の磁気検出素子のバイアス磁界が大きさ同じで反対向きとなるように構成することによって、外乱磁界ΔBbの影響を打ち消し、外乱磁界ΔBbがある場合でも感度の変化を抑制できるようにしたものである。
[7]前記第1及び第3の磁気検出素子((51,53),(601,603),(611,613),(621,623),(631,633),(701,703),(711,713),(721,723),(731,733))の接続部、及び前記第2及び第4の磁気検出素子((52,54),(602,604),(612,614),(622,624),(632,634),(702,704),(712,714),(722,724),(732,734))の接続部に、大きさがほぼ同じ正負の電圧(±Vcc/2)が、それぞれ印加される、前記[6]に記載の電流検出装置(50,60,61,62,63,70,71,72,73)。
これは、フルブルッジ構造の電流検出装置に、正負の同じ大きさの電圧(±Vcc/2)を印加することによって、外乱磁界ΔBbがある場合における感度の変化を抑制する効果を格段に向上させるようにしたものである。
[8]前記任意の2つの磁気検出素子、及び前記残りの2つの磁気検出素子のそれぞれペアの磁気抵抗変化率が同じである、前記[7]に記載の電流検出装置。
これは、任意に選択したペアの磁気検出素子同士の磁気抵抗変化率をほぼ同じとすることによって、電流検出装置の感度の変化を抑制するようにしたものである。
[9]前記第1及び第3の磁気検出素子((51,53),(601,603),(611,613),(621,623),(631,633),(701,703),(711,713),(721,723),(731,733))の接続部に電圧が印加され、前記第2及び第4の磁気検出素子((52,54),(602,604),(612,614),(622,624),(632,634),(702,704),(712,714),(722,724),(732,734))の接続部が接地される、前記[6]に記載の電流検出装置。
これは、フルブルッジ構造の電流検出装置の一方の電極を接地し、他方の電極に電圧(+Vcc)を印加して、出力電圧Voutを出力するようにしたものである。
[10]前記第2及び第4の磁気抵抗変化率が同じである、前記[9]に記載の電流検出装置。
これは、フルブルッジ構造の電流検出装置の一方の電極を接地し、他方の電極に電圧(+Vcc)を印加した場合、接地側の磁気検出素子の磁気抵抗変化率をほぼ同じとすることによって、電流検出装置の感度の変化を抑制するようにしたものである。
[11]前記バイアス磁界生成手段(55A,55B)は、基板上の前記第1及び第2の磁気検出素子の上方に設けられた第1のバイアス磁石(55A)と、前記基板上の前記第3及び第4の磁気検出素子の上方に設けられた第2のバイアス磁石(55B)と、を含んで構成される、前記[6]乃至[10]のいずれか1に記載の電流検出装置(50,60,61,62,63,70,71,72,73)。
これは、バイアス磁界生成手段として、磁石を使用したものである。
[12]前記バイアス磁界生成手段は、基板上の前記第1、第2、第3及び第4の磁気検出素子の上方に設けられた1つのバイアスコイルで構成される、前記[6]乃至[10]のいずれか1に記載の電流検出装置(50,60,61,62,63,70,71,72,73)。
これは、バイアス磁界生成手段として、バイアスコイルを使用したものである。1つのバイアスコイルの両側に4つの磁気検出素子を配置することによって、反対向きのバイアス磁界を磁気検出素子に供給することができるので、素子全体を小型することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
なお、磁気検出素子の磁化方向とバイアス磁界とは、直交していることが好ましいが、直交方向から約±10°程度までであれば傾斜していてもよい。
電流検出装置を構成する磁気検出素子同士の磁化方向は平行であることが好ましいが、約±20°程度までであれば傾斜していてもよい。
電流検出装置を構成する磁気検出素子に供給されるバイアス磁界の大きさは、同じであることが好ましいが、約±10%程度までであれば、その大きさが異なっていてもよい。
Bb1,Bb2,Bb3,Bb4…バイアス磁界
Mp1,Mp2,Mp3,Mp4…磁化方向
Vout1,Vout2…出力電圧信号
10,10A…電流検出装置
11,11A,12,12A…磁気検出素子
13…バイアスコイル
13A,13B…バイアス磁石
40〜43…電流検出装置
401,402,411,412,421,422,431,432…磁気検出素子
50…電流検出装置
51,52,53,54…磁気検出素子
55A,55B…バイアス磁石
60〜63…電流検出装置、
601〜604,611〜614,621〜624,631〜634…磁気検出素子
70〜73…電流検出装置
701〜704,711〜714,721〜724,731〜734…磁気検出素子

Claims (8)

  1. 固定層の磁化方向の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第1及び第2の磁気検出素子からなる、
    ハーフブリッジ構造の電流検出装置であって、
    前記第1及び第2の磁気検出素子に対して、大きさがほぼ同じで、前記磁化方向と略直交する方向に沿って、それぞれ反対方向となるようなバイアス磁界を印加するバイアス磁界生成手段を備え、
    前記第1及び第2の磁気検出素子に、大きさがほぼ同じ正負の電圧が、それぞれ印加される、
    電流検出装置。
  2. 前記第1及び第2の磁気検出素子の磁気抵抗変化率が同じである、
    請求項1に記載の電流検出装置。
  3. 前記バイアス磁界生成手段は、
    基板上の前記第1の磁気検出素子の上方に設けられた第1のバイアス磁石と、
    前記基板上の前記第2の磁気検出素子の上方に設けられた第2のバイアス磁石と、
    を含んで構成される、
    請求項1又は2に記載の電流検出装置。
  4. 前記バイアス磁界生成手段は、基板上の前記第1及び第2の磁気検出素子の上方に設けられた1つのバイアスコイルで構成される、
    請求項1又は2に記載の電流検出装置。
  5. 固定層の磁化方向の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第1及び第2の磁気検出素子と、
    固定層の磁化方向の向きがそれぞれ反対方向となるように直列に接続された第3及び第4の磁気検出素子と、
    からなり、前記第1及び第2の磁気検出素子と前記第3及び第4の磁気検出素子とが並列接続されたフルブリッジ構造の電流検出装置であって、
    前記第1乃至第4の磁気検出素子から選んだ任意の2つの磁気検出素子、及び残りの2つの磁気検出素子に対して、大きさがほぼ同じで、前記磁化方向と略直交する方向に沿って、それぞれ反対方向となるようなバイアス磁界を印加するバイアス磁界生成手段を備え、
    前記第1及び第3の磁気検出素子の接続部、及び前記第2及び第4の磁気検出素子の接続部に、大きさがほぼ同じ正負の電圧が、それぞれ印加される、
    電流検出装置。
  6. 前記任意の2つの磁気検出素子、及び前記残りの2つの磁気検出素子のそれぞれペアの磁気抵抗変化率が同じである、
    請求項5に記載の電流検出装置。
  7. 前記任意の2つの磁気検出素子は、前記第1及び第2の磁気検出素子であり、前記残りの2つの磁気検出素子は、前記第3及び第4の磁気検出素子であり、
    前記バイアス磁界生成手段は、
    基板上の前記第1及び第2の磁気検出素子の上方に設けられた第1のバイアス磁石と、
    前記基板上の前記第3及び第4の磁気検出素子の上方に設けられた第2のバイアス磁石と、
    を含んで構成される、
    請求項5又は6に記載の電流検出装置。
  8. 前記バイアス磁界生成手段は、基板上の前記第1、第2、第3及び第4の磁気検出素子の上方に設けられた1つのバイアスコイルで構成される、
    請求項5又は6に記載の電流検出装置。
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