JP6618618B2 - 磁気検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定電流などの磁界発生源から発せられた磁界を、多層膜ＧＭＲ素子を使用することで、広いダイナミックレンジ（測定可能範囲）で検出できる磁気検出装置に関する。

従来の非接触式の電流センサでは、磁気抵抗効果素子を使用した磁気検出装置が使用されている。特許文献１に記載されている電流センサは、被測定電流が通過する電流線を囲むように複数の磁気センサユニットが円形に配列している。それぞれの磁気センサユニットには、第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子が設けられている。第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子は、反平行結合膜を挟んで２つの強磁性膜が積層されたセルフピン止め型の固定磁性層と、非磁性中間層、およびフリー磁性層が積層されたＧＭＲ素子である。

第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子は互いに感度軸が逆向きである。複数の第１磁気センサ素子が直列に接続され、複数の第２磁気センサ素子が直列に接続されている。第１磁気センサ素子の直列群と第２磁気センサ素子の直列群がさらに直列に接続され、２つの直列群に電圧が印加されるとともに、２つの直列群の中点から検知出力が得られる。

この磁気検出装置では、被測定電流によって誘導された磁界が、被測定電流を囲むように配置された第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子で検知される。第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子は感度軸の向きが逆であるため、２つの直列群の中点から、被測定電流の増減に応じた検知出力が得られる。

特許文献１に記載の電流センサは、第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子が、被測定電流が流れる電流線を囲むように配置されているため、磁気センサ素子が配列する円の中心と電流線とが位置ずれしても、位置ずれによって各磁気センサ素子で検知される磁界強度の差を磁気センサ素子どうしで相殺できる。そのため、電流測定精度を高く維持でき、磁気センサ素子と電流線との配置精度を緩和できる利点がある。

国際公開ＷＯ２０１２／０７３７３２

特許文献１の電流センサに使用されている磁気検出装置は、第１磁気センサ素子と第２磁気センサ素子として、セルフピン止め型の固定磁性層と非磁性中間層とフリー磁性層とを有するＧＭＲ素子で形成されているが、この構造のＧＭＲ素子は飽和磁場の大きさと抵抗変化率に限界があり、ダイナミックレンジが小さく、また、大電流から誘導される強磁界を測定することができない問題がある。

一方、強磁場に対して比較的大きな抵抗変化率を有する素子として、複数の強磁性層と複数の非磁性層とが交互に積層された多層膜ＧＭＲ素子がある。しかし、この素子からの出力は、偶関数出力となるため、直列に接続してその中点から検知出力を得るブリッジを構成することができない。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、多層膜ＧＭＲ素子を使用して、比較的強い磁場に対応でき、広いダイナミックレンジで磁界検出を可能とした磁気検出装置を提供することを目的としている。

本発明の磁気検出装置は、複数の第１の磁気検出素子が直列に接続された第１の磁気検出モジュールと、複数の第２の磁気検出素子が直列に接続された第２の磁気検出モジュールとを有し、前記第１の磁気検出モジュールと前記第２の磁気検出モジュールが直列に接続され、直列の中点から検知出力を得る磁気検出装置において、
前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子が多層膜ＧＭＲ素子であり、前記第１の磁気検出素子と、前記第２の磁気検出素子とで、同じ磁界発生源からの磁界に対する検出感度が相違することを特徴とするものである。

本発明の磁気検出装置は、前記第１の磁気検出モジュールと前記第２の磁気検出モジュールとで、前記複数の多層膜ＧＭＲ素子が同心円状に配置されて、円の中心に磁界発生源となる被測定電流路が設けられており、
前記第１の磁気検出モジュールの円の半径と、前記第２の磁気検出モジュールの円の半径と、が相違しているものである。

または、前記第１の磁気検出モジュールの円と、前記第２の磁気検出モジュールの円と、の間に磁気シールドが設けられているものである。

あるいは、前記第１の磁気検出モジュールでは、前記第１の磁気検出素子の膜面が円の接線方向に向けられ、前記第２の磁気検出モジュールでは、前記第２の磁気検出素子の膜厚方向が円の接線方向に向けられているものである。

本発明の磁気検出装置は、第１群の複数の前記第１の磁気検出素子と第１群の複数の前記第２の磁気検出素子とが直列に接続されて第１の直列回路が形成され、第２群の複数の前記第２の磁気検出素子と第２群の複数の前記第１の磁気検出素子とが直列に接続されて第２の直列回路が形成されており、
前記第１の直列回路と前記第２の直列回路に同じ電圧が印加され、
前記第１の直列回路での前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子との中点出力と、前記第２の直列回路での前記第２の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子との中点出力との差動出力が検知出力となるものとして構成される。

本発明の磁気検出装置は、前記第１の磁気検出モジュールでは、第１群の複数の前記第１の磁気検出素子と、第２群の複数の前記第１の磁気検出素子とがそれぞれ半円領域に配置され、前記第２の磁気検出モジュールでは、第１群の複数の前記第２の磁気検出素子と、第２群の複数の前記第２の磁気検出素子とがそれぞれ半円領域に配置されているものが好ましい。

本発明の磁気検出装置は、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子は、同じ膜構成で同じ形状、大きさの多層膜ＧＭＲ素子である。

本発明の磁気検出装置は、それぞれの前記多層膜ＧＭＲ素子は、最外層に位置している一方の強磁性層または両方の強磁性層に反強磁性層が接して設けられているものとして構成することができる。

本発明の磁気検知装置は、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子として、複数の強磁性層と複数の非磁性層とが交互に積層された多層膜ＧＭＲ素子を用いている。多層膜ＧＭＲ素子は偶関数出力を得るものであるため、単純に直列に接続してその中点電位を検知出力とするブリッジ回路を構成しても、磁界の変化に対して中点電位が変化することがない。

そこで、本発明では、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子とで、同じ磁界発生源から発せられる磁界に対する検出感度を相違させている。これにより、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子とを直列に接続したときに、検知出力を得ることができるようになる。さらに、ブリッジ回路を構成することで、温度特性などの影響を相殺した検知出力を得ることができる。また、多層膜ＧＭＲ素子は飽和磁場強度が大きいため、比較的強磁場に対して測定可能範囲（ダイナミックレンジ）を広くした磁気検出装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ１の回路ブロック図、 本発明の第１の実施形態の磁気検出装置に使用されている磁気検出素子の膜構成を示す説明図、 図２の多層膜ＧＭＲ素子１０に、（ａ）磁場が印加されていない状態を示す説明図、（ｂ）飽和磁場強度未満の磁場が印加された状態を示す説明図、（ｃ）飽和磁場強度以上の磁場が印加された状態を示す説明図、 磁場の方向および強度の変化による、多層膜ＧＭＲ素子１０の抵抗変化を示すグラフ、 電流センサ１に使用されている磁気検知装置を構成する多層膜ＧＭＲ素子１０のＲ−Ｈ波形を示すグラフ、 図１の電力センサ１に使用されている磁気検知装置の等価回路、 電流センサ１に使用されている磁気検知装置の検知出力を示すグラフ、 本発明の第２の実施形態に係る磁気検知装置を使用した電流センサ３１の回路ブロック図、 電流センサ３１に使用されている磁気検知装置を構成する多層膜ＧＭＲ素子１０のＲ−Ｈ波形を示すグラフ、 電流センサ３１に使用されている磁気検知装置の検知出力を示すグラフ、 電流センサ３１の変形例である電流センサ３３の回路ブロック図、 本発明の第３の実施形態に係る磁気検知装置を使用した電流センサ４１の回路ブロック図、 本発明の第４の実施形態に係る磁気検知装置に使用される多層膜ＧＭＲ素子６０の膜構成の一例を示す説明図、 比較例に係る電流センサ７１の回路ブロック図、 図１４の電流センサ７１を構成する磁気検出素子１０Ｘおよび固定抵抗素子７０ＹのＲ−Ｈ波形を示すグラフ。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係る磁気検知装置を使用した電流センサ１の回路ブロック図である。

電流センサ１に使用されている磁気検知装置は、第１の磁気検出モジュール２１Ａ・２１Ｂおよび第２の磁気検出モジュール２２Ａ・２２Ｂを備えている。

第１の磁気検出モジュール２１Ａ・２１Ｂは、それぞれ６個の第１の磁気検出素子１０Ｘを備えている。第２の磁気検出モジュール２２Ａ・２２Ｂは、それぞれ６個の第２の磁気検出素子１０Ｙを備えている。第１の磁気検出素子１０Ｘおよび第２の磁気検出素子１０Ｙは、図２に示すように、強磁性層１２と非磁性材料層１３とが交互に複数積層された積層構造を有する多層膜ＧＭＲ素子１０である。以下、第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙとを区別せずに説明するときは多層膜ＧＭＲ素子１０という。

多層膜ＧＭＲ素子１０は、飽和磁場強度が大きく、大きな磁場を受けても特性が劣化しない特徴がある。このため、電流センサ１は、大電流が流れる回路の中でも使用することができる。

１２個の第１の磁気検出素子１０Ｘにおける強磁性層１２の磁化の向きは、図１に示す素子中において両向き矢印で示している。第１の磁気検出素子１０Ｘにおける強磁性層１２の磁化の向きは、被測定電流線５を中心とする半径ｒ１の内側円ＣＸに沿って、すなわち内側円ＣＸの接線と平行になるように設定されている。第１の磁気検出素子１０Ｘは、内側円ＣＸに沿って、一定の間隔を空けて配置されている。図１に示すように、第１の磁気検出モジュール２１Ａは、下側の半円領域で直列に接続された第１群の６個の第１の磁気検出素子１０Ｘで構成され、第１の磁気検出モジュール２１Ｂは、上側の半円領域で直列に接続された第２群の６個の第１の磁気検出素子１０Ｘで構成されている。

１２個の第２の磁気検出素子１０Ｙでは、両向き矢印で示す強磁性層１２の磁化の向きが、被測定電流線５を中心とする半径ｒ２の外側円ＣＹに沿って、すなわち外側円ＣＹの接線と平行になるように設定されている。また、第２の磁気検出素子１０Ｙは、外側円ＣＹに沿って、一定の間隔を空けて配置されている。図１に示すように、第２の磁気検出モジュール２２Ａは、上側の半円領域で直列に接続された第１群の６個の第２の磁気検出素子１０Ｙで構成され、第２の磁気検出モジュール２２Ｂは、下側の半円領域で直列に接続された第２群の６個の第２の磁気検出素子１０Ｙで構成されている。

第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙはいずれも、磁界発生源である被測定電流線（被測定電流路）５を中心とする同心円状に均等に配置されている。そのため、被測定電流線５と多層膜ＧＭＲ素子１０との距離の誤差による抵抗値の大小の変化を、同じ円に位置する多層膜ＧＭＲ素子１０で相殺することができ、同心円の中心と被測定電流線５との位置誤差が検知出力に影響を与えない利点がある。

＜磁気検出素子＞
図２に、第１の磁気検出モジュール２１Ａ・２１Ｂおよび第２の磁気検出モジュール２２Ａ・２２Ｂを構成する多層膜ＧＭＲ素子１０の膜構成の一例が示されている。

多層膜ＧＭＲ素子１０は、下地層１１と保護層１５との間に、強磁性層１２と非磁性材料層１３とが交互に重ねられた多層構造層１４を有している。多層構造層１４では、強磁性層１２が非磁性材料層１３を介したＲＫＫＹ層間相互作用により反強磁性結合をしている。したがって、非磁性材料層１３に隣接する強磁性層１２の磁化方向は、図中に矢印で示したように、磁化方向が反対向きになっている。これらの層は例えばスパッタ工程で成膜される。

多層構造層１４に対し、強磁性層１２の磁化の向きに沿う方向の外部磁場が加えられると、全ての強磁性層１２の磁化が外部磁化の向きに揃えられようとする。このときの、非磁性材料層１３を挟んで対向する対を成す強磁性層１２の磁化ベクトルの相対向きに応じて、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）により、多層膜ＧＭＲ素子１０の抵抗値が変化する。

多層構造層１４は、強磁性層１２の磁化が反平行に向けられている。そのため、外部磁場Ｈの向きが、強磁性層１２の磁化の向きに沿う一方（正方向）に変化するときと、他方（負方向）に変化するときとで、抵抗値の変化が対称に現れる。すなわち、外部磁場の強度変化に対する、抵抗値の変化は、偶関数で現れる。多層構造層１４の層の数や各層の厚さは、必要とされる飽和磁場強度（磁化状態が変化しなくなる磁場強度）に応じて設定される。

多層膜ＧＭＲ素子１０の下地層１１は、ＮｉＦｅＣｒ合金（ニッケル・鉄・クロム合金）あるいはＣｒなどで形成されている。強磁性層１２は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉおよびこれらの合金からなる群のうち、１または複数を主成分とする合金で形成される。

非磁性材料層１３は、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）またはＲｕ（ルテニウム）、などである。対を成す強磁性層１２間でＲＫＫＹ層間相互作用を生じさせるために、非磁性材料層１３の膜厚は、Ｃｕ（銅）の場合、７〜１３Åまたは１６〜２４Åであることが好ましく、Ｃｒ（クロム）の場合、７〜１３Åまたは１９〜２７Åであることが好ましく、Ｒｕ（ルテニウム）の場合、３〜５Åまたは８〜１０Åであることが好ましい。

図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図２の多層膜ＧＭＲ素子１０に印加される外部磁場Ｈの向きと強度が変化したときの、多層構造層１４の磁化方向の変化状態を示している。多層構造層１４に影響を与える外部磁場強度がゼロ（ゼロ磁場）のとき、図３（ａ）に示すように、反強磁性結合されている各強磁性層１２の磁化ベクトルは互い違いであるが絶対値は同じである。このとき、抵抗値は極大値となる。図３（ｂ）に示すように、強磁性層１２の磁化の方向である図示右方向に、飽和磁場よりも弱い外部磁場Ｈが作用しているときは、強磁性層１２の磁化は図示右方向で支配的であるため、抵抗値がやや低くなる。図３（ｃ）に示すように、飽和磁化よりも大きい外部磁場Ｈが図示右方向に作用すると、互いに逆向きであった強磁性層１２の磁化方向が外部磁場Ｈと同じ右向きに揃えられる。このとき抵抗値が極小値となる。外部磁場Ｈが図示方向に作用しているときも、各強磁性層１２の外部磁化の変化と抵抗値の変化は、図３と同じである。

図４に示すグラフでは、横軸に、強磁性層１２の磁化の向きに沿う方向での外部磁場Ｈの向きと大きさの変化を示し、縦軸に、多層膜ＧＭＲ素子１０の抵抗値の変化を示している。図４の４箇所に示す矢印は、外部磁場Ｈの変化に応じた、複数の強磁性層１２の磁化の変化を示している。多層膜ＧＭＲ素子１０の抵抗値は、磁場強度がゼロで極大となり、いずれかの方向の磁場強度の成分（外部磁場Ｈ）が増加するに伴って抵抗値が減少し、いずれかの方向に向く外部磁場Ｈの大きさが、飽和磁場強度以上になると、抵抗値が変化しなくなり、抵抗値が最小になる。すなわち、相反する２つの方向での外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化は偶関数となる。

多層膜ＧＭＲ素子１０は、磁場強度の大きさによって抵抗が変化し、測定可能範囲における抵抗変化率（Ｒ／Ｒ_０）が高く、さらに飽和磁場強度が大きいという特徴を備えている。多層膜ＧＭＲ素子１０の飽和磁場強度は、例えば１００ｍＴ以上である。

図１に示す複数の第１の磁気検出素子１０Ｘと複数の第２の磁気検出素子１０Ｙは、全て膜構成と寸法が同じであり、図４に示す抵抗変化の特性が同じ多層膜ＧＭＲ素子１０である。よって、複数の第１の磁気検出素子１０Ｘと複数の第２の磁気検出素子１０Ｙは、温度変化による特性の変化などに関しても同じである。

図１に示すように、電流センサ１に設けられている磁気検出装置では、第１の磁気検出素子１０Ｘが配置されている内側円ＣＸの半径ｒ１と、第２の磁気検出素子１０Ｙが配置されている外側円ＣＹの半径ｒ２とを異ならせている。第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙとで、磁界発生源である被測定電流線５までの距離が異なっているため、同心円である内側円ＣＸと外側円ＣＹとで、中心の被測定電流線５を流れる電流で誘導される磁場の強度が相違する。そのため、第１の磁気検出素子１０Ｘに作用する磁場が、第２の磁気検出素子１０Ｙに作用する磁場よりも強くなり、第１の磁気検出素子１０Ｘの検出感度が、第２の磁気検出素子１０Ｙの検出感度よりも実質的に高くなる。

図５は、電流センサ１を構成する多層膜ＧＭＲ素子１０のＲ−Ｈ波形を示すグラフである。第１の磁気検出素子１０Ｘ（内側素子）は第２の磁気検出素子１０Ｙ（外側素子）よりも実質的に検出感度が高い。そのため、被測定電流線５に流れる電流量がプラス方向とマイナス方向に変化し、外部磁場Ｈが強磁性層１２の磁化の向きに沿う１つの方向に向けて変化するときの抵抗値の変化は、第１の磁気検出素子１０Ｘ（内側素子：実線表示）が急峻であるのに対し、第２の磁気検出素子１０Ｙ（外側素子：破線表示）で緩やかになる。

図１に示すように、ｒ１＜ｒ２とすることで、被測定電流線５に流れる電流に対する、磁気検出素子１０Ｘの感度と、磁気検出素子１０Ｙの感度とを実質的に異ならせることができるが、半径の差は、ｒ１＜ｒ２＜５ｒ１とすることが好ましく、１．５ｒ１＜ｒ２＜２．５ｒ１とすることがさらに好ましい。

第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙの感度が実質的に相違すると、図５に示すように、同じ磁界発生源からの外部磁場Ｈに対し、第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙとで抵抗変化特性を変えることができる。よって、第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙを直列に接続して、直列の中点電位を得ることで、図７に示すように、外部磁場Ｈの変化を検知することが可能になる。しかも、直列に接続する第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙは同じ素子であり、素子数も同じであるため、第１の直列回路と第２の直列回路を設けてブリッジ回路を構成し、第１の直列回路の中点電位と、第２の直列回路の中点電位との差動を取ることで、温度変化などによるオフセットなども相殺できる。

図６は、図１の電流センサ１に設けられた磁気検出装置の等価回路である。
図１に示す電流センサ１に使用されている磁気検出装置は、磁気検出モジュール２１Ａ（第１群の第１の磁気検知素子１０Ｘ）と磁気検出モジュール２２Ａ（第１群の第２の磁気検知素子１０Ｙ）とが直列に接続されて第１の直列回路Ａが構成され、磁気検出モジュール２２Ｂ（第２群の第２の磁気検知素子１０Ｙ）と磁気検出モジュール２１Ｂ（第２群の第１の磁気検知素子１０Ｘ）とが直列に接続されて第２直列回路Ｂが構成されている。並列に接続された第１の直列回路Ａおよび第２の直列回路Ｂの第１端２３が第１の電位源（Ｖｄｄ）に接続され、第２端２４が第２の電位源（ＧＮＤ）に接続されている。そして、第１の直列回路Ａの中点であるセンサ出力端２５Ａと、第２の直列回路Ｂの中点であるセンサ出力端２５Ｂが差動増幅器２６に接続され、差動電圧（Ｖｏｕｔ）が検知出力となる。

図５に示すように、強磁性層１２の磁化の方向での外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化は、第１の磁気検知素子１０Ｘと第２の磁気検知素子１０Ｙとで相違している。したがって、図６に示す直列回路Ａのセンサ出力端２５Ａの電位の変化は、図７に示すのと相似の波形となる。直列回路Ｂのセンサ出力端２５Ｂの電位の変化は、センサ出力端２５Ａの電位変化と逆極性になる。よって、差動増幅器２６からの検知出力は、図７に示すように、センサ出力端２５Ａの電位の変化がほぼ２倍に拡大されたものとなる。

図７は、電流センサ１により得られる検知電圧のグラフである。同グラフは、磁気検出素子１０Ｘと被測定電流線５との距離(半径ｒ１)を３０ｍｍとし、磁気検出素子１０Ｙと被測定電流線５との距離（半径ｒ２）をｒ１の２倍としたとき（ｒ２＝２×ｒ１）の差動増幅器２６からの検知出力を示している。図７の横軸は、強磁性層１２の磁化の方向での外部磁場Ｈの変化、すなわち、被測定電流線５を流れる被測定電流から発生する磁場の向きと大きさを示し、縦軸は電流センサ１の検知出力電圧Ｖ（Ｖｏｕｔ）を示している。

図７に示す波形は、第１の磁気検知素子１０Ｘと第２の磁気検知素子１０Ｙの中点電位の変化に依存するが、第１の磁気検知素子１０Ｘと第２の磁気検知素子１０Ｙとで検出感度を変えることで、外部磁場の変化（被測定電流の変化）に対して検知出力が１次関数に近い状態で変化する領域を形成することができる。また、抵抗変化率も大きくできる。さらに、多層膜ＧＭＲ素子は、飽和磁場強度が高いため、強磁場でも使用でき、しかもダイナミックレンジを広く確保できる。

第１の磁気検出モジュール２１Ａ，２１Ｂを構成する第１の磁気検出素子１０Ｘと、第２の磁気検出モジュール２２Ａ，２２Ｂを構成する第２の磁気検出素子１０Ｙは、同じ層構造で同じ形状、大きさであり、磁気検出素子の個数も全ての磁気検出モジュール２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂで同じである。したがって、図６に示すブロック回路を構成することで、それぞれの磁気検出素子の温度特性などを相殺することが可能である。また、図１に示すように、いわゆる積分型の磁界検出装置を構成することで、磁界発生源であると被測定電流線５と磁界検出装置との相対位置の精度を緩和することが可能になる。

＜第２の実施形態＞
本実施形態以降の実施形態では、既に説明した部材に同じ番号を付して詳しい説明を省略する。

図８は本発明の第２の実施形態に係る電流センサ３１の回路ブロック図である。
電流センサ３１は、第１の磁気検出モジュール２１Ａ，２１Ｂを構成する第１の磁気検出素子１０Ｘと、第２の磁気検出モジュール２２Ａ，２２Ｂを構成する第２の磁気検出素子１０Ｙとの間に、磁気シールド３２が設けられている。

磁気シールド３２は、所定範囲内の磁場強度を減少させるものであり、第１の磁気検出素子１０Ｘが配置された内側円ＣＸと、第２の磁気検出素子１０Ｙが配置された外側円ＣＹとの間に配置されている。磁気シールドはリング状であり、第１の磁気検出モジュール２１Ａ，２１Ｂと第２の磁気検出モジュール２２Ａ，２２Ｂとの間に円周方向に連続して配置されている。磁気シールド３２を設けることにより、被測定電流線５から誘導される被測定磁界に対する検出感度は、第１の磁気検出モジュール２１Ａ，２１Ｂを構成する第１の磁気検出素子１０Ｘが、第２の磁気検出モジュール２２Ａ，２２Ｂを構成する第２の磁気検出素子１０Ｙよりも高くなっている。図１に示す第１の実施の形態と比較すると、磁気シールド３２を用いることにより、外側円ＣＹの半径ｒ２を小さくできるから、電流センサ３１を小型に構成できるようになる。

図９は、電流センサ３１を構成する多層膜ＧＭＲ素子１０のＲ−Ｈ波形を示すグラフである。図９に示す実線は、シールド内素子である第１の磁気検出素子１０Ｘの外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化を示し、破線は、磁気シールド３２を挟んで外周側に位置するシールド外素子である第２の磁気検出素子１０Ｙの外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化を示している。図９における破線のグラフは、±４３０（ｍＴ）付近で抵抗値の変化が出なくなっているが、これは、前記数値付近で、磁気シールド３２内で磁気飽和となることを意味している。

図１０は、第２の実施の形態において、図６と同じブロック回路を構成したときの、差動増幅器２６からの検知出力を示している。ここでも、外部磁場Ｈの変化（検出電流の変化）に対して、検知出力の変化が一次関数となる領域が存在する。

＜第２の実施形態の変形例＞
図１１は本実施形態に係る電流センサ３１の変形例に係る電流センサ３３の回路ブロック図である。電流センサ３３は、電流センサ３１における一体型の磁気シールド３２に代えて、分割された磁気シールド３４を有している。

＜第３の実施形態＞
図１２は本発明の第３の実施形態に係る電流センサ４１に使用されている磁気検出装置の回路ブロック図である。図２に示す多層膜ＧＭＲ素子１０は、Ｙ方向が各層の積層方向であり、各層の厚み方向でもある。Ｘ−Ｚ面が、各強磁性層１２と非磁性材料層１３の面と平行である。各層は、Ｘ−Ｚ面での面積が、図２に表れているＸ−Ｙ面での面積（断面積）よりも十分に大きい。

図１２に示す第３の実施の形態の磁気検出装置は、第１の磁気検出素子１０Ｘが配置された内側円ＣＸの半径ｒ１と、第２の磁気検出素子１０Ｙが配置された外側円ＣＹの半径ｒ２にあまり差はなく、ほぼ同じであってもよい。第１の磁気検出素子１０Ｘは、Ｘ−Ｚ面と平行な各層の面（各層の膜面）が、円周方向、すなわち被測定電流線５を中心とする円の接線 方向に向けられている。なお、前記第１の実施の形態と第２の実施の形態においては、第１の磁気検出素子１０Ｘと第２の磁気検出素子１０Ｙの全てにおいて、各層の面と平行なＸ−Ｚ面が、円周方向に向けられている。

ただし、図１２に示す第３の実施の形態では、第２の磁気検出素子１０Ｙは、図２に示すＸ−Ｙ面が、紙面と平行に向けられ、しかもＹ方向は円の接線 方向で、Ｘ方向が円の半径方向に向けられている。この実施の形態では、外部磁場Ｈが変化したとき、強磁性層１２の磁化が、膜厚方向（Ｙ方向）に向けて変化しようとすると、反磁界が作用し、素子の検出感度がきわめて低くなる。よって、図６と同じブロック回路を構成することで、外部磁場Ｈの変化（検出電流の変化）を検知することが可能になる。

＜第４の実施形態＞
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る磁気検出装置が備える多層膜ＧＭＲ素子６０の膜構成の一例を示す説明図である。この多層膜ＧＭＲ素子６０は、強磁性層１２のうち、最外層の強磁性層１２に反強磁性層１６が積層されている。なお、反強磁性層１６は下地層１１と最も下層の強磁性層１２との間に設けられていてもよい。すなわち反強磁性層１６は、多層構造層１４の最外層に位置する強磁性層１２の一方または双方に積層して設けられる。

反強磁性層１６は、ｘ−Ｍｎ合金（ｘ・マンガン合金、ｘ＝Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｎｉ）、ｘ−Ｃｒ合金（ｘ・クロム合金、ｘ＝Ａｌ，Ｐｔ，Ｍｎ）およびｘ−Ｏ（ｘの酸化物、ｘ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）などを用いることができる。これらの中では、ＰｔＭｎ合金（白金・マンガン合金）およびＩｒＭｎ合金（イリジウム・マンガン合金）が好ましい。

本実施形態では、ＰｔＭｎ合金からなる反強磁性層１６をアニール処理して規則化し、強磁性層１２との間（界面）で交換結合を生じさせる。この交換結合によって、強磁性層１２の強磁場耐性を向上させる。

磁気検出装置５１は、複数の強磁性層１２の最外層に隣接する反強磁性層１６を備えた多層膜ＧＭＲ素子６０を用いている点を除き、上述した第１〜第３の実施形態と同じである。

（実施例１）
以下の膜構成を備えた磁気検出装置の磁気検出素子（図２参照）を製造した。（）内の数値は膜厚（Å）を示す。

基板／下地層１１：ＮｉＦｅ-３６Ｃｒ（４２）／多層構造層１４：［強磁性層１２：９０ＣｏＦｅ（２０）／非磁性材料層１３：Ｃｕ（１０）］×１５／保護層１５：Ｔａ（５０）
Ｒｓ＝４．６Ω／□、ストライプ線長＝１５０μｍ、ストライプ幅＝０．８μｍ、ストライプ本数＝１３本、Ｒ_０＝１１２１３Ω

すなわち、多層膜ＧＭＲ素子１０は、図２に示すＸ方向がストライプの線長方向に向けられ、Ｚ方向の寸法がストライプ幅方向に向けられて線状に形成されている。多層膜ＧＭＲ出素子１０は、Ｘ方向がストライプの線長方向となって、Ｘ−Ｚ面内において、ジグザグにいわゆるミアンダパターンで形成されている。ストライプ本数とは、ミアンダパターンでの素子のストライプの本数である。Ｒ_０はミアンダパターン全体での抵抗値である。

（実施例２）
以下の膜構成を備えた磁気検出装置の磁気検出素子（図１３参照）を製造した。（）内の数値は膜厚（Å）を示す。

基板／下地層１１：ＮｉＦｅ-３６Ｃｒ（４２）／多層構造層１４：［強磁性層１２：９０ＣｏＦｅ（２０）／非磁性材料層１３：Ｃｕ（１０）］×１５／強磁性層１２：９０ＣｏＦｅ（２０）／反強磁性層１６：ＩｒＭｎ（６０）／保護層１５：Ｔａ（５０）
Ｒｓ＝４．５Ω／□、ストライプ線長＝１５０μｍ、ストライプ幅＝０．８μｍ、ストライプ本数＝１３本、Ｒ０＝１０９７０Ω

（比較例）
図１４は比較例に係る磁気検出装置７１の回路ブロック図である。
磁気検出装置７１は、磁気検出素子１０Ｙに代えて固定抵抗素子７０Ｙを有する磁気検出モジュール７２Ａ・７２Ｂを備えている点において、電流センサ１（図１参照）と異なっている。

図１５は、磁気検出装置７１を構成する磁気検出素子１０Ｘ（ＧＭＲ）および固定抵抗素子７０ＹのＲ−Ｈ波形を示すグラフである。同図に示すように、固定抵抗素子７０Ｙは被測定電流線５の電流に起因する磁界が変化しても抵抗が一定である。このため、磁気検出素子１０Ｘと固定抵抗素子７０Ｙとの抵抗変化に対応する電圧がセンサ出力端７５Ａ・７５Ｂから出力される。

しかし、図中に両矢印ＥＸ、ＥＹで示したように、抵抗温度係数のずれによって、温度などの環境変化に伴い磁気検出素子１０Ｘの抵抗と固定抵抗素子７０Ｙの抵抗が独立に変化しやすい。このため、センサ出力端７５Ａ・７５Ｂから出力に基づいて被測定電流線５の電流を測定するには、環境変化によるオフセットを補正する必要があるから、抵抗変化を補正する手段が必要となる。

対して、本発明の電流センサ１、３１，３３、４１はいずれも、磁気検出素子１０Ｘ・１０Ｙとして、同じ性能の多層膜ＧＭＲ素子１０を用いている。このため、環境変化に伴う抵抗の変化は、磁気検出素子１０Ｘと磁気検出素子１０Ｙとで同じである。したがって、被測定電流線５の電流を測定するために、環境変化による抵抗変化を補正する必要がない。

１，３１，３３，４１，７１ 電流センサ
５ 被測定電流線
１０，６０ 多層膜ＧＭＲ素子
１０Ｘ 磁気検出素子（第１の磁気検出素子）
１０Ｙ 磁気検出素子（第２の磁気検出素子）
１１ 下地層
１２ 強磁性層
１３ 非磁性材料層
１４ 多層構造層
１５ 保護層
１６ 反強磁性層
２１Ａ，２１Ｂ 磁気検出モジュール（第１の磁気検出モジュール）
２２Ａ，２２Ｂ 磁気検出モジュール（第２の磁気検出モジュール）
２３ 第１端
２４ 第２端
２５Ａ，２５Ｂ，７５Ａ，７５Ｂ センサ出力端（接続部）
３３，３４ 磁気シールド
Ｖｄｄ 第１の電位源
ＧＮＤ 第２の電位源
ＣＸ 内側円（第１の同心円）
ＣＹ 外側円（第２の同心円）
ｒ１，ｒ２ 半径

Claims (5)

1. 複数の第１の磁気検出素子が直列に接続された第１の磁気検出モジュールと、複数の第２の磁気検出素子が直列に接続された第２の磁気検出モジュールとを有し、前記第１の磁気検出モジュールと前記第２の磁気検出モジュールが直列に接続され、直列の中点から検知出力を得る磁気検出装置において、
   前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子は、同じ膜構成で同じ形状、大きさを有し、偶感数出力である多層膜ＧＭＲ素子であり、
   前記第１の磁気検出モジュールと前記第２の磁気検出モジュールとで、前記複数の多層膜ＧＭＲ素子が同心円状に配置されて、円の中心に磁界発生源となる被測定電流路が設けられており、
   前記第１の磁気検出モジュールが備える複数の第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出モジュールが備える複数の第２の磁気検出素子のそれぞれが、前記円の中心を通る一本の線で分割される２つの半円領域で分けられて、
   前記第１の磁気検出モジュールでは、第１群の複数の前記第１の磁気検出素子と、第２群の複数の前記第１の磁気検出素子とが互いに異なる前記半円領域に配置され、前記第２の磁気検出モジュールでは、第１群の複数の前記第２の磁気検出素子と、第２群の複数の前記第２の磁気検出素子とが互いに異なる前記半円領域に配置されており、
   前記半円領域の一方で直列に接続される前記第１群の複数の前記第１の磁気検出素子と、前記半円領域の他方で直列に接続される前記第１群の複数の前記第２の磁気検出素子とが直列に接続されて第１の直列回路が形成され、
   前記半円領域の他方で直列に接続される第２群の複数の前記第１の磁気検出素子と、前記半円領域の一方で直列に接続される第１群の複数の前記第２の磁気検出素子とが直列に接続されて第２の直列回路が形成され、
   前記第１の直列回路と前記第２の直列回路に同じ電圧が印加され、
   前記第１の直列回路での前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子との中点出力と、前記第２の直列回路での前記第２の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子との中点出力との差動出力が検知出力となり、
   前記第１の磁気検出素子と、前記第２の磁気検出素子とで、前記磁界発生源からの磁界に対する検出感度が相違することを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記第１の磁気検出モジュールの円の半径と、前記第２の磁気検出モジュールの円の半径と、が相違している請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記第１の磁気検出モジュールの円と、前記第２の磁気検出モジュールの円と、の間に磁気シールドが設けられている請求項１に記載の磁気検出装置。
4. 前記第１の磁気検出モジュールでは、前記第１の磁気検出素子の膜面が円の接線方向に向けられ、前記第２の磁気検出モジュールでは、前記第２の磁気検出素子の膜厚方向が円の接線方向に向けられている請求項１に記載の磁気検出装置。
5. それぞれの前記多層膜ＧＭＲ素子は、最外層に位置している一方の強磁性層または両方の強磁性層に反強磁性層が接して設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気検出装置。

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