JP7024810B2 - 磁場検出装置および電流検出装置 - Google Patents
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Description
1.一実施の形態
4つの磁気抵抗効果素子を有するブリッジ回路と、旋回方向が途中で反転するヘリカルコイルとを備え、バスを流れる電流を検出する電流検出装置の例。
2.変形例
2-1.第1変形例:
延在方向が異なる2種類の磁気抵抗効果膜を含むようにした電流検出装置の例。
2-2.第2変形例:
一定方向へ旋回するヘリカルコイルを用いた電流検出装置の例。
2-3.第3変形例:
磁場検出装置の例
[電流検出装置100の構成]
最初に、図1から図7を参照して、本発明における一実施の形態としての電流検出装置100の構成について説明する。
図2Aは、図1に示した電流検出ユニット10Aの半分、すなわち、上部配線6UA1または上部配線UA2が設けられた領域を拡大して表す斜視図である。なお、上部配線6UA1が設けられた領域と、上部配線6UA2が設けられた領域とは実質的に同じ構成であることから、ここでは両者を区別せずに上部配線6UAとして説明する。図2Aに示したように、電流検出ユニット10Aは、例えば、バス5の上方に、下部配線6LAと、磁気抵抗効果素子11および磁気抵抗効果素子14がY軸方向に並ぶように形成された基板1と、上部配線6UAとがZ軸方向において順に積層された構造を有する。上部配線6UAおよび下部配線6LAは、コイル部分6Aの一部を構成しており、互いに直列接続されている。図2Aでは、下部配線6LAが8つの下部配線パターン61LA~68LAを含み、上部配線6UAが4つの上部配線パターン61UA~64UAを含む場合を例示している。下部配線6LAにおける8つの下部配線パターン61LA~68LAは、X軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続されている。上部配線6UAにおける4つの上部配線パターン61UA~64UAは、X軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続されている。但し、本発明では下部配線6LAにおける下部配線パターンの数、および上部配線6UAにおける上部配線パターンの数はこれに限定されるものではなく、任意の数に設定可能である。8つの下部配線パターン61LA~68LAは1つの電源に対し互いに並列接続されている。4つの上部配線パターン61UA~64UAについてもその電源に対し互いに並列接続され、並列接続部としての上部配線6UAを形成している。
ここで、例えば上部配線パターン61UAが本発明の「第1の部分」に対応する一具体例であり、上部配線パターン62UAが本発明の「第2の部分」に対応する一具体例である。また、下部配線パターン61LA~62LAが本発明の「第3の部分」に対応する一具体例であり、下部配線パターン63LA~64LAが本発明の「第4の部分」に対応する一具体例である。
図2Bは、図1に示した電流検出ユニット10Bの半分、すなわち、上部配線6UB1または上部配線6UB2が設けられた領域を拡大して表す斜視図である。なお、上部配線6UB1が設けられた領域と、上部配線6UB2が設けられた領域とは実質的に同じ構成であることから、ここでは両者を区別せずに上部配線6UBとして説明する。図2Bに示したように、電流検出ユニット10Bは、例えば、バス5の上方に、下部配線6LBと、磁気抵抗効果素子13および磁気抵抗効果素子12がY軸方向に並ぶように形成された基板1と、上部配線6UBとがZ軸方向において順に積層された構造を有する。なお、バス5および基板1は、電流検出ユニット10Aと電流検出ユニット10Bとの双方に対して共通に設けられている。上部配線6UBおよび下部配線6LBは、コイル部分6Bの一部を構成しており、互いに直列接続されている。図2Bでは、下部配線6LBが8つの下部配線パターン61LB~68LBを含み、上部配線6UBが4つの上部配線パターン61UB~64UBを含む場合を例示している。下部配線6LBにおける8つの下部配線パターン61LB~68LBは、X軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続されている。上部配線6UBにおける4つの上部配線パターン61UB~64UBは、X軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続されている。但し、本発明では下部配線6LBにおける下部配線パターンの数、および上部配線6UBにおける上部配線パターンの数はこれに限定されるものではなく、任意の設定可能である。8つの下部配線パターン61LB~68LBは上述の電源に対し互いに並列接続されている。4つの上部配線パターン61UB~64UBについてもその電源に対し互いに並列接続され、並列接続部としての上部配線6UB1を形成している。また、図2Bにおいて、符号JS31を付した矢印は磁気抵抗効果素子13を構成する磁気抵抗効果膜MR3(後出)における磁化固着層S31(後出)の磁化JS31の方向を示し、符号JS21を付した矢印は磁気抵抗効果素子12を構成する磁気抵抗効果膜MR2(後出)における磁化固着層S21(後出)の磁化JS21の方向を示す。
ここで、例えば上部配線パターン61UB1が本発明の「第1の部分」に対応する一具体例であり、上部配線パターン62UB1が本発明の「第2の部分」に対応する一具体例である。また、下部配線パターン61LB~62LBが本発明の「第3の部分」に対応する一具体例であり、下部配線パターン63LB~64LBが本発明の「第4の部分」に対応する一具体例である。
図3Aは、電流検出ユニット10Aのうちの、素子形成領域X1に形成された磁気抵抗効果素子11の詳細な構成を説明するための平面図である。また、図3B~3Eは、それぞれ、電流検出ユニット10Aの要部を表す断面図である。なお、図3Aでは、磁気抵抗効果素子11を構成する複数の磁気抵抗効果膜MR1と、それらの上方に配置された上部配線パターン61UA~64UAのうちの上部配線パターン61UA~63UAとを記載しており、他の構成要素については記載を省略している。
ここで、W軸方向は、本発明の「第1の軸方向」に対応する一具体例である。また、Y軸方向が本発明の「第2の軸方向」に対応する一具体例であり、X軸方向が本発明の「第3の軸方向」に対応する一具体例であり、Z軸方向が本発明の「第4の軸方向」に対応する一具体例である。
なお、セット磁場SF(SF+,SF-)およびリセット磁場RF(RF+,RF-)が、本発明の「誘導磁場」または「第1の誘導磁場」に対応する一具体例である。
図3Gは、電流検出ユニット10Aのうちの、素子形成領域X4に形成された磁気抵抗効果素子14の詳細な構成を説明するための平面図である。なお、図3Gでは、磁気抵抗効果素子14を構成する複数の磁気抵抗効果膜MR4と、それらの上方に配置された上部配線パターン61UA~64UAのうちの上部配線パターン61UA~63UAとを記載しており、他の構成要素については記載を省略している。
図4Aは、電流検出ユニット10Bのうちの、素子形成領域X3に形成された磁気抵抗効果素子13の詳細な構成を説明するための平面図である。また、図4B~4Eは、それぞれ、電流検出ユニット10Bの要部を表す断面図である。なお、図4Aでは、磁気抵抗効果素子13を構成する複数の磁気抵抗効果膜MR3と、それらの上方に配置された上部配線パターン61UB~64UBのうちの上部配線パターン61UB~63UBとを記載しており、他の構成要素については記載を省略している。
図4Fは、素子形成領域X2に形成された磁気抵抗効果素子12の詳細な構成を説明するための平面図である。なお、図4Fでは、磁気抵抗効果素子12を構成する複数の磁気抵抗効果膜MR2と、それらの上方に配置された上部配線パターン61UB~64UBのうちの上部配線パターン61UB~63UBとを記載しており、他の構成要素については記載を省略している。
バス5は、例えばY軸方向へ延在する導体であり、電流検出装置100により検出する対象となる信号電流Im(Im1,Im2)が供給されるものである。バス5の主たる構成材料は、例えばCu(銅)などの高導電性材料である。バス5の構成材料としてFe(鉄)やNi(ニッケル)を含む合金、あるいは、ステンレス鋼を用いることもできる。バス5は、その内部を例えば+Y方向へ信号電流Im1が流れることにより、バス5の周囲に信号磁場を生成可能である。その際、生成された信号磁場は、磁気抵抗効果素子11~14に対し+X方向に印加される。バス5の内部を-Y方向へ信号電流Im2が流れることにより、磁気抵抗効果素子11~14に対し-X方向に印加される信号磁場が形成される。
図5Aおよび図5Bは、ヘリカルコイル6の一部を拡大して模式的に表した斜視図である。すでに述べたように、ヘリカルコイル6は、コイル部分6Aと、コイル部分6Bとを有している。図5Aおよび図5Bに示したように、コイル部分6Aは、例えばX軸方向に沿って進行しつつ磁気抵抗効果素子11,14の周囲を第1の旋回方向CD1へ旋回するように設けられている。コイル部分6Bは、X軸方向に沿って進行しつつ磁気抵抗効果素子13,12の周囲を第1の旋回方向CD1と反対の第2の旋回方向CD2へ旋回するように設けられている。コイル部分6Aの第1端部とコイル部分6Bの第1端部とは連結部分6Jを介して連結されている。連結部分6Jには端子T3が接続されている。端子T3は、例えばフレームグラウンド(FG)である。コイル部分6Aの第2端部には端子T1が接続され、コイル部分6Bの第2端部には端子T2が接続されている。なお、図5Aおよび図5Bでは、4本の上部配線パターン61UA1~64UA1を省略して1本の上部配線6UA1として記載し、4本の上部配線パターン61UA1~64UA2を省略して1本の上部配線6UA2として記載し、4本の上部配線パターン61UB1~64UB1を省略して1本の上部配線6UB1として記載し、4本の上部配線パターン61UB2~64UB2を省略して1本の上部配線6UB2として記載し、8本の下部配線パターン61LA~68LAを省略して1本の下部配線6LAとして記載し、8本の下部配線パターン61LB~68LBを省略して1本の下部配線6LBとして記載している。
磁気抵抗効果膜MR1,MR3は、+X方向の信号磁場の印加により減少し、かつ、-X方向の信号磁場の印加により増加する抵抗値を有する。一方、磁気抵抗効果膜MR2,MR4は、+X方向の信号磁場の印加により増加し、かつ、-X方向の信号磁場の印加により減少する抵抗値を有する。
4つの磁気抵抗効果素子11~14は、図7に示したようにブリッジ接続されてブリッジ回路7を形成している。磁気抵抗効果素子11~14は、検出対象である信号磁場Hm(Hm1,Hm2)の変化を検出可能である。上述したように、磁気抵抗効果素子11,13は+X方向の信号磁場Hm1の印加により抵抗値が減少し、-X方向の信号磁場Hm2の印加により抵抗値が増加するものである。一方、磁気抵抗効果素子12,14は、+X方向の信号磁場Hm1の印加により抵抗値が増加し、-X方向の信号磁場Hm2の印加により抵抗値が減少するものである。したがって、磁気抵抗効果素子11,13と磁気抵抗効果素子12,14とは、信号磁場Hmの変化に応じて互いに例えば180°位相の異なる信号を出力する。
本実施の形態の電流検出装置100では、演算回路9において電位差V0を算出することにより、バス5を流れる信号電流Im1,Im2が生成する信号磁場の変化を検出することができる。
電流検出装置100において、まず、信号磁場が印加されていない状態を考える。ここで電流I10をブリッジ回路7に流したときの磁気抵抗効果素子11~14の各抵抗値をr1~r4とする。電源Vccからの電流I10は、接続点P3において電流I1および電流I2の2つに分流される。そののち、磁気抵抗効果素子11および磁気抵抗効果素子12を通過した電流I1と、磁気抵抗効果素子14および磁気抵抗効果素子13を通過した電流I2とが接続点P4において合流する。この場合、接続点P3と接続点P4との間の電位差Vは、
V=I1*r1+I1*r2=I2*r4+I2*r3
=I1*(r1+r2)=I2*(r4+r3) ……(1)
と表すことができる。
また、接続点P1における電位V1および接続点P2における電位V2は、
それぞれ、
V1=V-I1*r1
V2=V-I2*r4
と表せる。よって、接続点P1と接続点P2との電位差V0は、
V0=V2-V1
=(V-I2*r4)-(V-I1*r1)
=I1*r1-I2*r4 ……(2)
ここで、(1)式から、
V0=r1/(r1+r2)×V-r4/(r4+r3)×V
={r1/(r1+r2)-r4/(r4+r3)}×V ……(3)
となる。このブリッジ回路7では、信号磁場が印加されたときに、上記の式(3)で表された接続点P2と接続点P1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、信号磁場が印加されたときに、磁気抵抗効果素子11~14の各々の抵抗値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、信号磁場を印加後の抵抗値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、信号磁場の印加時における電位差V0は、式(3)より、
V0={(r1+ΔR1)/(r1+ΔR1+r2+ΔR2)-(r4+ΔR4)/(r4+ΔR4+r3+ΔR3)}×V ……(4)
となる。電流検出装置100では、磁気抵抗効果素子11,13の抵抗値R1,R3と、磁気抵抗効果素子12,14の抵抗値R2,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、信号磁場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ΔR1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。
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。
ところで、この種の電流検出装置では、信号磁場の検出動作を行う前に、各磁気抵抗効果素子における磁化自由層の磁化を所定の方向に一旦揃えることが望ましい。より正確な信号磁場の検出動作を行うためである。具体的には、既知の大きさの外部磁場を所定の方向と、それと反対の方向とに交互に印加する。これを磁化自由層の磁化のセット・リセット動作という。
本実施の形態では、例えば磁気抵抗効果素子11において、ヘリカルコイル6の上部配線パターン61UAおよび上部配線パターン62UAを、Z軸方向において第1の先端部11Aおよび第2の先端部11Bとそれぞれ重なり合うように設けるようにした。このため、第1の先端部11Aに付与されるセット磁場SF-およびリセット磁場RF+の強度(絶対値)および第2の先端部11Bに付与されるセット磁場SF-およびリセット磁場RF+の強度(絶対値)が、中間部11Cに付与されるセット磁場SF-およびリセット磁場RF+の強度(絶対値)よりも高くなる。したがって、磁気抵抗効果膜MR1における第1の先端部11Aおよび第2の先端部11Bに対し、ヘリカルコイル6により生成されるセット磁場SFおよびリセット磁場RFを効果的に付与することができる。よって、磁気抵抗効果膜MR1の全体に亘って均質かつ十分に磁化自由層S13の磁化JS13の方向がセット・リセットされることとなる。磁気抵抗効果素子12~14においても同様の作用が得られる。そのため、本実施の形態の電流検出装置100によれば、寸法を縮小した場合であっても高い電流検出精度を発現することができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、センサ部として4つの磁気検出素子を用いてフルブリッジ回路を形成するようにしたが、本発明では、例えば2つの磁気検出素子を用いてハーフブリッジ回路を形成するようにしてもよい。また、複数の磁気抵抗効果膜の形状および寸法は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、各構成要素の寸法や各構成要素のレイアウトなどは例示であってこれに限定されるものではない。
ここで、V軸方向は、本発明の「第1の軸方向」に対応する一具体例である。また、斜面2Lが本発明の「第1の面」に対応する一具体例であり、斜面2Rが本発明の「第2の面」に対応する一具体例である。
Claims (10)
- 第1の軸方向に延在する磁気抵抗効果膜を含む磁気抵抗効果素子と、
前記第1の軸方向に対して傾斜した第2の軸方向にそれぞれ延在しつつ前記第1の軸方向および前記第2の軸方向の双方と異なる第3の軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続された第1の部分および第2の部分を含む並列接続部を有し、前記第3の軸方向に沿って進行しつつ前記磁気抵抗効果素子の周囲を旋回するように設けられたヘリカルコイルと
を備え、
前記磁気抵抗効果膜は、前記第2の軸方向および前記第3の軸方向の双方に直交する第4の軸方向において前記第1の部分および前記第2の部分の双方と重なり合うように配置され、
前記磁気抵抗効果膜は、第1の先端部と、第2の先端部と、前記第1の先端部および前記第2の先端部に挟まれた中間部とを有し、
前記第1の部分は、前記第4の軸方向において前記第1の先端部と重なり合うように設けられ、
前記第2の部分は、前記第4の軸方向において前記第2の先端部と重なり合うように設けられており、
前記ヘリカルコイルは、電流が供給されることにより、前記磁気抵抗効果膜に対し前記第3の軸方向に付与される誘導磁場を形成可能である
磁場検出装置。 - 前記第1の先端部に付与される前記誘導磁場の強度および前記第2の先端部に付与される前記誘導磁場の強度は、前記中間部に付与される前記誘導磁場の強度よりも高い
請求項1記載の磁場検出装置。 - 前記第1の部分は、前記第1の先端部における第1の最先端部と前記第4の軸方向において重なり合うように設けられ、
前記第2の部分は、前記第2の先端部における第2の最先端部と前記第4の軸方向において重なり合うように設けられている
請求項1または請求項2に記載の磁場検出装置。 - 前記ヘリカルコイルは、
前記第4の軸方向において前記磁気抵抗効果素子を挟むように前記第1の部分と反対側に配置されて各々前記第2の軸方向に延在する複数の第3の部分と、
前記第4の軸方向において前記磁気抵抗効果素子を挟むように前記第2の部分と反対側に配置されて各々前記第2の軸方向に延在する複数の第4の部分と
をさらに有し、
前記電流は、前記第1の部分および前記第2の部分をそれぞれ前記第2の軸方向に沿った第1の方向に流れ、前記第3の部分および前記第4の部分をそれぞれ前記第1の方向と反対の第2の方向に流れる
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 複数の前記磁気抵抗効果素子を備え、
前記複数の磁気抵抗効果素子は、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子とを有し、
前記ヘリカルコイルは、
前記第3の軸方向に沿って進行しつつ前記第1の磁気抵抗効果素子の周囲を第1の旋回方向へ旋回するように設けられた第1のヘリカルコイル部分と、
前記第3の軸方向に沿って進行しつつ前記第2の磁気抵抗効果素子の周囲を前記第1の旋回方向と反対の第2の旋回方向へ旋回するように設けられ、前記第1のヘリカルコイル部分と直列接続された第2のヘリカルコイル部分と
を有する
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 複数の前記磁気抵抗効果素子を備え、
前記複数の磁気抵抗効果素子は、第1の磁化自由層を含む第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁化自由層を含む第2の磁気抵抗効果素子とを有し、
前記ヘリカルコイルは、前記第1の磁化自由層の磁化の向きと前記第2の磁化自由層の磁化の向きとが反対向きとなるように前記誘導磁場を形成する
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の磁場検出装置。 - 第1の軸方向に延在する第1の磁気抵抗効果膜を含む第1の磁気抵抗効果素子と、
前記第1の軸方向に延在する第2の磁気抵抗効果膜を含む第2の磁気抵抗効果素子と、
前記第1の軸方向に対して傾斜した第2の軸方向にそれぞれ延在しつつ前記第1の軸方向および前記第2の軸方向の双方と異なる第3の軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続された第1の部分および第2の部分を含む第1の並列接続部と、前記第2の軸方向にそれぞれ延在しつつ前記第3の軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続された第3の部分および第4の部分を含む第2の並列接続部とを有し、前記第3の軸方向に沿って進行しつつ前記第1の磁気抵抗効果素子および前記第2の磁気抵抗効果素子の周囲を旋回するように設けられたヘリカルコイルと
を備え、
前記第1の磁気抵抗効果膜は、前記第2の軸方向および前記第3の軸方向の双方に直交する第4の軸方向において前記第1の部分および前記第2の部分の双方と重なり合うように配置され、
前記第2の磁気抵抗効果膜は、前記第4の軸方向において前記第3の部分および前記第4の部分の双方と重なり合うように配置され、
前記ヘリカルコイルは、電流が供給されることにより、前記第1および第2の磁気抵抗効果膜に対し前記第3の軸方向に付与される誘導磁場を形成可能である
磁場検出装置。 - 前記第1の軸方向に平行であって前記第2の軸方向および前記第3の軸方向に対して傾斜した第1の面と、前記第1の軸方向に平行であって前記第1の面に対して傾斜した第2の面とを有する基板をさらに備え、
前記第1の磁気抵抗効果膜は前記第1の面に設けられ、
前記第2の磁気抵抗効果膜は前記第2の面に設けられている
請求項7記載の磁場検出装置。 - 第1の軸方向に延在する磁気抵抗効果膜を含む磁気抵抗効果素子と、
前記第1の軸方向に対して傾斜した第2の軸方向にそれぞれ延在しつつ前記第1の軸方向および前記第2の軸方向の双方と異なる第3の軸方向において互いに隣り合うと共に並列接続された第1の部分および第2の部分を含む並列接続部を有し、前記第3の軸方向に沿って進行しつつ前記磁気抵抗効果素子の周囲を旋回するように設けられ、第1の電流が供給されることにより前記磁気抵抗効果膜に対し前記第3の軸方向に付与される第1の誘導磁場を形成可能であるヘリカルコイルと、
第2の電流が供給されることにより、前記磁気抵抗効果素子に対し前記第3の軸方向に付与される第2の誘導磁場を形成可能である導線と
を備え、
前記磁気抵抗効果膜は、前記第2の軸方向および前記第3の軸方向の双方に直交する第4の軸方向において前記第1の部分および前記第2の部分の双方と重なり合うように配置されている
電流検出装置。 - 前記第2の誘導磁場を打ち消す強度を有する前記第1の誘導磁場を形成するように前記第1の電流の大きさを制御する制御部をさらに備えた
請求項9記載の電流検出装置。
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