JP7057680B2 - Magnetic sensor and current sensor - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサおよび当該磁気センサを備えた電流センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor and a current sensor including the magnetic sensor.
電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野や、柱状トランスなどインフラ関連の分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとしては、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気センサを用いたものが知られている。磁気センサ用の磁気検出素子として、例えば、GMR(巨大磁気抵抗効果)素子などの磁気抵抗効果素子が挙げられる。 In fields such as motor drive technology for electric vehicles and hybrid cars, and in infrastructure-related fields such as pole transformers, relatively large currents are handled, so there is a need for current sensors that can measure large currents in a non-contact manner. There is. As such a current sensor, one using a magnetic sensor that detects an induced magnetic field from a measured current is known. Examples of the magnetic detection element for a magnetic sensor include a magnetoresistive element such as a GMR (giant magnetoresistive effect) element.
磁気抵抗効果素子は、検出感度が高いものの、線形性高く検出可能な磁界強度範囲が比較的狭いという特徴がある。このため、特許文献1の図3に示される電流センサのように、被測定電流と磁気抵抗効果素子との間に磁気シールドを配置して、磁気抵抗効果素子に実質的に印加される誘導磁界の強度を小さくして、被測定磁界の大きさを良好な検出特性を有する磁界強度範囲内とする方法が用いられる場合がある。このように磁気シールドを用いることによって、磁気抵抗効果素子に実質的に印加される磁界の強度を低減させて、磁界強度の測定範囲を拡げることが実現されている。
Although the magnetoresistive sensor has high detection sensitivity, it is characterized by high linearity and a relatively narrow range of detectable magnetic field strength. Therefore, as in the current sensor shown in FIG. 3 of
磁界強度を低減させる効果は、磁気抵抗効果素子からの距離が近い位置に磁気シールドを設けることによって大きくなる。しかし、磁気シールドに印加される磁場が数十mT程度と強い場合には、磁気シールドが軟磁性材料から構成されていても、磁気シールドに残留磁化が生じやすくなってしまう。こうして生じた磁気シールドの残留磁化に基づく磁界が磁気抵抗効果素子に印加されると、磁気抵抗効果素子のゼロ磁場ヒステリシスがマイナス側に大きくなるなど磁気抵抗効果素子の測定精度に悪影響を与えてしまうおそれがある。また、磁気シールドに強い磁場が印加されると、フリー磁性層のヒステリシスによって、磁気抵抗効果素子の抵抗が所定の値からずれるという問題もある。 The effect of reducing the magnetic field strength is enhanced by providing a magnetic shield at a position close to the magnetoresistive sensor. However, when the magnetic field applied to the magnetic shield is as strong as about several tens of mT, residual magnetization is likely to occur in the magnetic shield even if the magnetic shield is made of a soft magnetic material. When a magnetic field based on the residual magnetization of the magnetic shield generated in this way is applied to the magnetoresistive sensor, the zero magnetic field hysteresis of the magnetoresistive sensor increases to the negative side, which adversely affects the measurement accuracy of the magnetoresistive sensor. There is a risk. Further, when a strong magnetic field is applied to the magnetic shield, there is also a problem that the resistance of the magnetoresistive effect element deviates from a predetermined value due to the hysteresis of the free magnetic layer.
本発明は、かかる現状を鑑み、磁気シールドおよび磁気抵抗効果素子を備える磁気センサであって、磁気センサに印加される磁場による磁気抵抗効果素子の感度軸と平行な方向に加えられる磁気シールドの残留磁化の影響を抑えながら、磁気抵抗効果素子の感度軸と直交する方向に加えられる直交磁場に対する耐性の高い磁気センサを提供することを目的とする。本発明は、かかる磁気センサを備える電流センサを提供することをも目的とする。 In view of the present situation, the present invention is a magnetic sensor including a magnetic shield and a magnetic resistance effect element, and the residual magnetic shield applied in a direction parallel to the sensitivity axis of the magnetic resistance effect element due to a magnetic field applied to the magnetic sensor. It is an object of the present invention to provide a magnetic sensor having high resistance to a quadrature magnetic field applied in a direction orthogonal to the sensitivity axis of a magnetic resistance effect element while suppressing the influence of magnetization. It is also an object of the present invention to provide a current sensor including such a magnetic sensor.
上記の課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、第1の方向に感度軸を持つ複数の磁気抵抗効果素子と、複数の前記磁気抵抗効果素子の上方に離間配置され、前記磁気抵抗効果素子に印加される被測定磁界の強度を減衰させる磁気シールドと、を備えた磁気センサであって、前記磁気シールドは、本体部と、前記磁気抵抗効果素子側に突出する吸磁部とを有し、前記本体部は、平面視で、前記第1の方向に直交する第2の方向を長手とする形状を有し、複数の前記磁気抵抗効果素子の全てと重なり、前記吸磁部は、前記第2の方向の両端に設けられており、その先端部が、平面視で、複数の前記磁気抵抗効果素子から離れた位置に設けられていることを特徴とする磁気センサである。この構成により、磁気シールドの吸磁部が感度軸と直交する方向の直交磁場を吸収するから、直交磁場に対する耐性が高い磁気センサとなる。 The present invention provided to solve the above problems, in one embodiment, comprises a plurality of magnetic resistance effect elements having a sensitivity axis in a first direction and a plurality of magnetic resistance effect elements spaced apart from each other. A magnetic sensor including a magnetic shield that attenuates the strength of the magnetic field to be measured applied to the magnetic resistance effect element, wherein the magnetic shield is a magnetic attraction that protrudes toward the main body and the magnetic resistance effect element. The main body portion has a portion having a portion and has a shape having a length in a second direction orthogonal to the first direction in a plan view, and overlaps with all of the plurality of the magnetic resistance effect elements to absorb the suction. A magnetic sensor characterized in that magnetic portions are provided at both ends in the second direction, and the tip portions thereof are provided at positions separated from the plurality of magnetic resistance effect elements in a plan view. be. With this configuration, the magnetic attraction portion of the magnetic shield absorbs the orthogonal magnetic field in the direction orthogonal to the sensitivity axis, so that the magnetic sensor has high resistance to the orthogonal magnetic field.
複数の前記磁気抵抗効果素子は、平面視で、前記磁気シールドの前記第1の方向に位置する一対の末端からそれぞれ等しい距離に設けられていることが、磁気シールドの残留磁化よる還流磁場の影響を抑制する観点から好ましい。 The effect of the recirculation magnetic field due to the residual magnetization of the magnetic shield is that the plurality of the magnetoresistive effect elements are provided at equal distances from the pair of ends of the magnetic shield located in the first direction in a plan view. It is preferable from the viewpoint of suppressing.
複数の前記磁気抵抗効果素子はそれぞれ、ミアンダ形状を有するGMR素子であり、前記GMR素子のフリー磁性層にバイアス磁界が印加されていることが、フリー磁性層内部の磁壁の移動により生ずるバルクハウゼンノイズを抑制する観点から好ましい。 Each of the plurality of magnetoresistive elements is a GMR element having a meander shape, and the fact that a bias magnetic field is applied to the free magnetic layer of the GMR element causes bulkhausen noise due to the movement of the magnetic domain wall inside the free magnetic layer. It is preferable from the viewpoint of suppressing.
上記の磁気センサは、磁気平衡用コイルをさらに備え、前記磁気平衡用コイルに流れる電流に基づき前記被測定磁界の強度を測定するものであってもよい。この場合において、前記磁気平衡用コイルはスパイラルコイルであって、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気シールドとの間に位置することが好ましい場合がある。 The magnetic sensor may further include a magnetic equilibrium coil and measure the strength of the magnetic field to be measured based on the current flowing through the magnetic equilibrium coil. In this case, the magnetic equilibrium coil is a spiral coil, and it may be preferable that the coil is located between the magnetoresistive sensor and the magnetic shield.
本発明は、他の一態様として、上記の磁気センサを備え、前記磁気センサは被測定電流の誘導磁界を前記被測定磁界とする電流センサを提供する。 As another aspect of the present invention, the magnetic sensor is provided, and the magnetic sensor provides a current sensor in which the induced magnetic field of the measured current is the measured magnetic field.
本発明によれば、感度軸と平行な方向に生じる磁気シールドの残留磁化の影響を抑えながら、感度軸と直交する方向の直交磁場による磁気抵抗効果素子への影響を低減できる。このため、磁気抵抗効果素子の測定精度が低下しにくい磁気センサが提供される。また、かかる磁気センサを用いてなる電流センサも提供される。 According to the present invention, it is possible to reduce the influence of the orthogonal magnetic field in the direction orthogonal to the sensitivity axis on the magnetoresistive effect element while suppressing the influence of the residual magnetization of the magnetic shield generated in the direction parallel to the sensitivity axis. Therefore, a magnetic sensor is provided in which the measurement accuracy of the magnetoresistive effect element is unlikely to decrease. Further, a current sensor using such a magnetic sensor is also provided.
電流センサや地磁気センサ等の磁界検出装置の磁気抵抗効果素子として用いられるGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)のフリー磁性層に生じるオフセットについて説明する。 An offset generated in the free magnetic layer of a GMR element (giant magnetoresistive element) used as a magnetoresistive element of a magnetic field detection device such as a current sensor or a geomagnetic sensor will be described.
図5は、GMR素子が備える積層構造を模式的に示す断面図である。同図に示すようにGMR素子30は、固定磁性層31と非磁性層32とフリー磁性層33とが積層された構成を備えている。その抵抗値は、磁化方向が固定された固定磁性層31と、磁化方向が外部磁界によって磁化方向が変化するフリー磁性層33との磁化の向きの相対関係により変化する。この抵抗値の変化を検知することで外部磁界の向きと強さを検知できる。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure included in the GMR element. As shown in the figure, the
軟磁性材料で形成されるフリー磁性層33の内部で磁壁が移動すると、バルクハウゼンノイズが発生する。そこで、GMR素子30を備えた電流センサの出力を安定化するためのバイアス磁界、反強磁性層34との交換結合磁界を使用したエクスチェンジバイアス磁界が、感度軸と直交する方向に与えられる。フリー磁性層にバイアス磁界を印加することにより、軟磁性材料の磁化方向を揃えることができる。なお、エクスチェンジバイアス磁界に代えて、永久磁石を使用してハードバイアス磁界を印加してもよい。
When the magnetic domain wall moves inside the free
外部磁界がフリー磁性層の磁化方向が反転しない大きさであれば、外部磁界のないゼロ磁場に戻ることにより、フリー磁性層33は外部磁界が印加される前の初期状態に戻る。しかし、強い外部磁界が与えられてフリー磁性層33の磁化方向が初期の磁化方向から反転すると、ゼロ磁場に戻ってもフリー磁性層33は初期状態に戻ることができない。すなわち、強い外部磁界によってフリー磁性層33の磁化方向が初期の磁化方向から逆方向に反転すると、強い外部磁界が除かれてゼロ磁場に戻ってもフリー磁性層33のヒステリシスによって初期状態に戻らず、初期状態からのずれ(オフセット)が生じる。
If the external magnetic field has a magnitude such that the magnetization direction of the free magnetic layer is not reversed, the free
図8は、フリー磁性層のヒステリシスに起因する抵抗のオフセットを説明する説明図である。同図に示すように、フリー磁性層に対して感度軸と直交する方向に印加される外部磁場が反転磁場Bより小さい場合、外部磁場がゼロに戻れば、フリー磁性層は実線に沿って矢印(1)の方向に変化して初期の状態Aに戻る。このため、外部磁場の大きさが0から反転磁場B未満である場合、外部磁場がゼロになれば、フリー磁性層の抵抗は初期の抵抗になる。 FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating the offset of the resistance due to the hysteresis of the free magnetic layer. As shown in the figure, when the external magnetic field applied in the direction orthogonal to the sensitivity axis with respect to the free magnetic layer is smaller than the inversion magnetic field B, when the external magnetic field returns to zero, the free magnetic layer is arrowed along the solid line. It changes in the direction of (1) and returns to the initial state A. Therefore, when the magnitude of the external magnetic field is from 0 to less than the inverting magnetic field B, the resistance of the free magnetic layer becomes the initial resistance when the external magnetic field becomes zero.
しかし、フリー磁性層に対して反転磁場B以上の外部磁場が印加された場合、外部磁場がゼロに戻っても、フリー磁性層は初期の状態Aに戻らない。例えば、フリー磁性層に飽和磁界Cが印加された場合、外部の磁場がゼロになると、フリー磁性層は破線に沿って矢印(2)の方向に変化して、飽和磁界C印加後の状態Dとなる。このように、外部磁場の大きさが反転磁場B以上である場合、フリー磁性層のヒステリシスによってフリー磁性層の抵抗が初期の値からずれてしまう。 However, when an external magnetic field of inverting magnetic field B or higher is applied to the free magnetic layer, the free magnetic layer does not return to the initial state A even if the external magnetic field returns to zero. For example, when the saturated magnetic field C is applied to the free magnetic layer, when the external magnetic field becomes zero, the free magnetic layer changes in the direction of the arrow (2) along the broken line, and the state D after the saturated magnetic field C is applied. Will be. As described above, when the magnitude of the external magnetic field is equal to or larger than the inversion magnetic field B, the resistance of the free magnetic layer deviates from the initial value due to the hysteresis of the free magnetic layer.
以上のように、反転磁場Bよりも大きな外部磁場が印加されてフリー磁性層が初期の磁化方向から反転すると、ゼロ磁場となった後にフリー磁性層の抵抗にオフセットが生じる。フリー磁性層の抵抗のオフセットは外部磁場の大きさによって変動し、図8に白抜き矢印で表した範囲で変動する。外部磁場によってフリー磁性層の抵抗が変動すると、磁気センサの精度が低下する。 As described above, when an external magnetic field larger than the inverting magnetic field B is applied and the free magnetic layer is inverted from the initial magnetization direction, the resistance of the free magnetic layer is offset after becoming a zero magnetic field. The offset of the resistance of the free magnetic layer fluctuates depending on the magnitude of the external magnetic field, and fluctuates in the range indicated by the white arrow in FIG. When the resistance of the free magnetic layer fluctuates due to an external magnetic field, the accuracy of the magnetic sensor decreases.
そこで、磁気センサの精度を良好にするために、外部磁場を減衰する磁気シールドが用いられる。磁気シールドによってGMR素子に印加される外部磁場が小さくなるから、フリー磁性層が反転する反転磁場Bが高磁場側にシフトし、磁気センサの精度を良好に維持できる範囲が広くなる。 Therefore, in order to improve the accuracy of the magnetic sensor, a magnetic shield that attenuates an external magnetic field is used. Since the external magnetic field applied to the GMR element by the magnetic shield becomes small, the inverted magnetic field B in which the free magnetic layer is inverted shifts to the high magnetic field side, and the range in which the accuracy of the magnetic sensor can be maintained satisfactorily becomes wide.
磁気シールドは、外部磁場を減衰する観点からGMR素子等の磁気抵抗効果素子からの距離が近い位置に設けられることが好ましい。しかし、磁気シールドと磁気抵抗効果素子との距離が近いと、磁気シールドの残留磁化に伴う還流磁場の影響が大きくなり、磁気センサの精度低下につながる。そこで、本発明の磁気センサは、磁気抵抗効果素子の感度軸と直交する方向の磁気抵抗効果素子から平面視で離れた位置に外部磁場(直交磁場)を吸収する吸磁部を備えている。この構成により、磁気抵抗効果素子からの距離が離れた位置に磁気シールドを設けて還流磁場の影響を小さくするとともに、感度軸と直交する方向の反転磁場を高磁場側にシフトさせることができる。 From the viewpoint of attenuating the external magnetic field, the magnetic shield is preferably provided at a position close to the magnetoresistive element such as the GMR element. However, if the distance between the magnetic shield and the magnetoresistive sensor is short, the influence of the recirculation magnetic field due to the residual magnetization of the magnetic shield becomes large, which leads to a decrease in the accuracy of the magnetic sensor. Therefore, the magnetic sensor of the present invention is provided with a magnetic absorption unit that absorbs an external magnetic field (orthogonal magnetic field) at a position distant from the magnetoresistive sensor in a direction orthogonal to the sensitivity axis of the magnetoresistive sensor in a plan view. With this configuration, a magnetic shield is provided at a position far away from the magnetoresistive effect element to reduce the influence of the recirculation magnetic field, and the reversal magnetic field in the direction orthogonal to the sensitivity axis can be shifted to the high magnetic field side.
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの構造を概念的に示す平面図である。図2は図1のV1-V1線での断面図である。 FIG. 1 is a plan view conceptually showing the structure of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line V1-V1 of FIG.
本発明の一実施形態に係る磁気センサ1は、図1および図2に示されるように、4つの磁気抵抗効果素子(磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14)および磁気シールド15を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
本発明の一実施形態に係る磁気センサ1の4つの磁気抵抗効果素子のそれぞれは、ミアンダ形状(X1-X2方向に延在する複数の長尺パターンが折り返すようにつながって構成される形状)を有する巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)を備える。各磁気抵抗効果素子(磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14)の感度軸方向Pは図1において矢印にて表され、Y1-Y2方向(第1の方向)に感度軸を持っている。ここで、Y1-Y2方向に感度軸を持つとは、Y1-Y2方向に沿って、同じ側(平行方向)または反対側(反平行方向)に向かって感度軸方向Pを持つことをいう。図1に示すように、磁気抵抗効果素子11および磁気抵抗効果素子14の感度軸方向P(第1の方向)はY1-Y2方向Y2側を向き、磁気抵抗効果素子12および磁気抵抗効果素子13の感度軸方向PはY1-Y2方向Y1側を向くように設定されている。
Each of the four magnetoresistive elements of the
入力端子5aに接続される配線5は磁気抵抗効果素子11の一端に接続され、磁気抵抗効果素子11の他端と磁気抵抗効果素子12の一端とが直列に接続されて、磁気抵抗効果素子12の他端が配線6を介してグランド端子6aに接続される。入力端子5aに接続される配線5は途中で分岐して磁気抵抗効果素子13の一端にも接続され、磁気抵抗効果素子13の他端と磁気抵抗効果素子14の一端とが直列に接続されて、磁気抵抗効果素子14の他端が配線6を介してグランド端子6aに接続される。第1の中点電位測定用端子7aは磁気抵抗効果素子11の他端と磁気抵抗効果素子12の一端との間に配線7により接続され、第2の中点電位測定用端子8aは磁気抵抗効果素子13の他端と磁気抵抗効果素子14の一端との間に配線8により接続される。第1の中点電位測定用端子7aの電位と第2の中点電位測定用端子8aの電位とを対比することにより、電流線40を流れる被測定電流Ioの誘導磁界(被測定磁界)の強度および向きを測定することができる。
The
図2は、磁気抵抗効果素子11のミアンダ形状を構成する複数の長尺パターンの短軸方向(Y1-Y2方向)に沿った方向を法線とする面で磁気センサ1を切断して得られる断面図である。この法線方向の1つであるY1-Y2方向(第1の方向)が磁気抵抗効果素子11の感度軸方向P(Y1-Y2方向Y2側の向き)である。磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14は、基板29上に形成され、絶縁材料(アルミナ、窒化ケイ素などが具体例として挙げられる。)からなる絶縁層IMによって覆われている。
FIG. 2 is obtained by cutting the
磁気シールド15は、磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14の上(Z1-Z2方向Z1側)にこれら4つの磁気抵抗効果素子から離間して配置される。なお、本明細書においては、説明の便宜上、4つの磁気抵抗効果素子のZ1-Z2方向Z1側を「上」、Z1-Z2方向Z2側を「下」をいう。磁気シールド15と4つの磁気抵抗効果素子との離間距離は、間に位置する絶縁層IMの厚さによって調整される。
The
本発明の一実施形態に係る磁気センサ1では、磁気シールド15は磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14に印加される被測定磁界の強度を減衰させるものであって、図1に示されるように、平面視で(Z1-Z2方向からみて)、第1の方向(Y1-Y2方向)に直交する第2の方向(X1-X2方向)を長手とする矩形を有する本体部150と、4つの磁気抵抗効果素子側(Z1-Z2方向Z2側)に突出する吸磁部15Pとを有する。吸磁部15Pは、図2に示されるように、本体部150のX1-X2方向(第2の方向)の両端に設けられている。磁気シールド15は軟磁性体で構成されている。
In the
図1および図2に示すように、本体部150は、平面視で、Y1-Y2方向(第1の方向)と直交するX1-X2方向(第2の方向)を長手とする矩形であり、4つの磁気抵抗効果素子の全てと重なっている。そして、吸磁部15PのZ1-Z2方向Z2側の先端である先端部15PEが、平面視で、4つの磁気抵抗効果素子からX1-X2方向に離れた位置に設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
吸磁部15Pが設けられていることにより、基板29における4つの磁気抵抗効果素子の形成面と磁気シールド15との距離は、4つの磁気抵抗効果素子の直上の距離D1よりも、4つの磁気抵抗効果素子の外側の距離D2の方が小さくなる。このため、感度軸方向Pに直交するX1-X2方向の外部磁場Mを吸磁部15Pの先端部15PEから吸収して磁気シールド15に誘導して、磁気シールド15を外部磁場Mの経路とすることができる。したがって、外部磁場Mによる4つの磁気抵抗効果素子への影響を抑制できる。また、吸磁部15Pを備えないものよりも、距離D1が大きくなるから、磁気シールド15の残留磁化による感度軸方向P(Y1-Y2方向)の4つの磁気抵抗効果素子への影響を抑えることができる。
Since the
上述した距離D1の限定されない例として、5μm以上13μm以下が挙げられ、8μm以上10μm以下が好ましい場合がある。また、上述した距離D2の限定されない例として、4μm以上10μm以下が挙げられ、5μm以上8μm以下が好ましい場合がある。 Examples of the above-mentioned distance D1 without limitation include 5 μm or more and 13 μm or less, and 8 μm or more and 10 μm or less may be preferable. Further, examples of the above-mentioned distance D2 without limitation include 4 μm or more and 10 μm or less, and 5 μm or more and 8 μm or less may be preferable.
本体部150は、第2方向(X1-X2方向)を長手とするため、短手である第1の方向(Y1-Y2方向)には、形状磁気異方性効果により磁化しにくいが、外部磁場が強い場合には、第1の方向(Y1-Y2方向)に残留磁化が生じる場合がある。このような場合であっても、本体部150と4つの磁気抵抗効果素子との距離D1を大きくして残留磁化の影響を抑制することができるから、測定精度の良好な磁気センサ1となる。
Since the
図1に示すように4つの磁気抵抗効果素子は、磁気シールド15のY1-Y2方向に位置する一対の末端15E、15Eからの距離がそれぞれ等しくなる位置に設けられていることが好ましい。この構成により、4つの磁気抵抗効果素子に対する磁気シールド15の残留磁化に基づく磁界の影響を等しくすることができる。なお、「末端15Eからの距離」とは、末端15Eから各磁気抵抗効果素子のY1-Y2方向における中心点までの距離をいう。
As shown in FIG. 1, it is preferable that the four magnetoresistive effect elements are provided at positions where the distances from the pair of ends 15E and 15E located in the Y1-Y2 direction of the
平面視で(Z1-Z2方向からみて)、4つの磁気抵抗効果素子は全て磁気シールド15の本体部150に重なっている。すなわち、平面視で、複数の磁気抵抗効果素子からX1-X2方向に離れた位置に吸磁部15Pが設けられている。このため、4つの磁気抵抗効果素子のうちの両端の磁気抵抗効果素子11および磁気抵抗効果素子13に対する、磁気シールド15に吸磁部15Pが設けられた影響が強くなることを抑えることができる。
In a plan view (when viewed from the Z1-Z2 direction), all four magnetoresistive effect elements overlap with the
平面視における、吸磁部15Pと磁気抵抗効果素子11との距離L11および、磁気抵抗効果素子13の距離L13の限定されない例として、30μm以上300μm以下が挙げられ、50μm以上250μm以下が好ましい場合があり、100μm以上200μm以下がより好ましい場合がある。吸磁部15Pによる影響を等しくする観点から、距離L11と距離L13とは等しいことが好ましい。
As an example without limitation of the distance L11 between the
磁気シールド15はFe,Co,Niなど鉄族元素を含む軟磁性材料から構成される。磁気シールド15の厚さは、磁気シールド15が所定の磁気遮蔽機能を有する範囲で任意に設定される。磁気シールド15の厚さの限定されない例として、1μm以上50μm以下が挙げられ、磁気シールド15の厚さは、5μm以上30μm以下が好ましい場合があり、10μm以上25μm以下がより好ましい場合がある。吸磁部15Pの幅WすなわちX1-X2方向の両端の間の距離は、例えば、2μm以上15μm以下であり、感度軸方向Pに直交する外部磁場Mによる4つの磁気抵抗効果素子に対する影響を抑える観点から、3μm以上10μm以下が好ましく、5μm以上8μm以下がより好ましい。
The
前述のように、磁気シールド15の残留磁化の影響を抑制するには、磁気シールド15と4つの磁気抵抗効果素子との距離D1を大きくとることが好ましい。しかし、この要請を満たすべく磁気シールド15を複数の磁気抵抗効果素子から離れた位置に設けると、磁気シールド15の外部磁場を遮蔽する機能が低下してしまう。そこで、上記のように、本体部150のX1-X2方向の両端にZ1-Z2方向Z2側に延びる吸磁部15Pを設ける。この構成により、感度軸方向Pに直交する外部磁場Mを遮蔽しつつ、磁気シールド15のX1-X2方向の両端を複数の磁気抵抗効果素子から遠くに位置させて、残留磁化の影響を抑制することが可能となる。
As described above, in order to suppress the influence of the residual magnetization of the
吸磁部15Pを備えた磁気シールド15を用いることにより、4つの磁気抵抗効果素子に印加される還流磁界の強度を低下させることと、感度軸方向Pに直交する外部磁場Mの影響を抑制することを両立できる。これにより、磁気センサ1に外部から強磁場が付与されて磁気シールド15に残留磁場が生じても、この残留磁場によって生じる還流磁場の影響を低減しつつ、感度軸方向Pに直交する外部磁場Mの影響を抑制して、フリー磁性層の抵抗のオフセットが抑えられた磁気センサ1となることが期待できる。
By using the
なお、図1に示される磁気シールド15の上(Z1-Z2方向Z1側)には、タンタル(Ta)などからなる酸化保護層PLが形成されている。
An oxidation protection layer PL made of tantalum (Ta) or the like is formed on the
磁気シールド15の製造方法は任意である。限定されない一例として、スパッタリングなどのドライプロセス、無電解めっきなどのウェットプロセスによって下地層を形成し、この下地層の上に所定の形状にパターニングされたレジスト層を形成した後、露出する下地層に金などを用いて本体部150となる部位にステップ20(図2参照)を形成した後に、軟磁性層を電気めっきにより形成することが挙げられる。
The method of manufacturing the
図3は、本発明の他の一実施形態に係る磁気センサの構造を概念的に示す平面図である。図4は図3のV2-V2断面図である。図3および図4に示される磁気センサ1Aは、図1に示される磁気センサ1と同様に4つの磁気抵抗効果素子および磁気シールド15を備え、さらに4つの磁気抵抗効果素子と磁気シールド15との間にスパイラル形状を有する磁気平衡用コイル(スパイラルコイル)16を備える。図3では、磁気平衡用コイル16の外形が太い破線にて示されている。この破線で示される領域のX-Y平面内を周回するようにコイル配線が配置される。図4では、磁気平衡用コイル16における周回する複数のコイル配線の断面がX1-X2方向に延びて示されている。磁気平衡用コイル16は、磁気抵抗効果素子11と磁気シールド15との間に位置することにより、磁気シールド15により減衰した状態で印加される外部磁場をキャンセルするような誘導磁界を比較的小電流により生じさせることが可能となる。このため、磁気平衡式の磁気センサを省電力で動作させることが可能である。
FIG. 3 is a plan view conceptually showing the structure of the magnetic sensor according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a sectional view taken along line V2-V2 of FIG. The
以上の実施形態では、磁気センサ1,1Aが備える磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14がGMR素子からなる場合を具体例としているが、これに限定されない。限定されない一例において、磁気抵抗効果素子は、異方性磁気抵抗効果素子(AMR素子)、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)およびトンネル磁気抵抗効果素子(TMR素子)からなる群から選ばれる1種以上の素子からなる。
In the above embodiment, the case where the
なお、磁気センサ1が備える磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14を構成するそれぞれのGMR素子の固定磁性層がセルフピン構造を有する場合には、固定磁性層の磁化は磁場中成膜によって行うことができ、成膜後に磁場中の加熱処理が必要とされない。このため、同一基板上に固定磁性層の磁化の向きが異なるGMR素子を配置でき、一基板上にフルブリッジ回路を構成することが可能となる。
When the fixed magnetic layer of each GMR element constituting the magnetic
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサ1,1Aは、電流センサとして好適に使用されうる。
The
本発明の一実施形態に係る電流センサの具体例として、磁気比例式電流センサおよび磁気平衡式電流センサが挙げられる。 Specific examples of the current sensor according to the embodiment of the present invention include a magnetically proportional current sensor and a magnetically balanced current sensor.
磁気比例式電流センサの具体例は、図1および図2に示される磁気センサ1を用いた磁気比例式電流センサ2であり、かかる電流センサでは、図2の上方(Z1-Z2方向Z1側)において、被測定電流Ioが流れる電流線40がX1-X2方向に延びるように位置する(図1参照)。被測定磁界となる被測定電流Ioの誘導磁界は、4つの磁気抵抗効果素子に対して感度軸方向P(Y1-Y2方向)に沿った方向に印加される。被測定磁界の一部はより透磁率の高い磁気シールド15を通るため、4つの磁気抵抗効果素子に実質的に印加される被測定磁界の強度を低減させることができる。それゆえ、磁気センサ1の測定範囲を拡げることが可能となる。
A specific example of the magnetic proportional current sensor is a magnetic proportional
好ましい一例において、磁気比例式電流センサ2は、4つの磁気抵抗効果素子(磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14)を備え、被測定電流Ioの誘導磁界からなる被測定磁界に応じた電位差を生じる2つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する磁気センサ1を用いる(図1参照)。このブリッジ回路を有する磁気センサ1を用いた磁気比例式電流センサ2では、被測定磁界に応じて磁界検出ブリッジ回路から出力される電位差により、被測定電流Ioが測定される。
In a preferred example, the magnetic proportional
磁気平衡式電流センサの具体例は、図3および図4に示される磁気センサ1Aを用いた磁気平衡式電流センサ2Aであり、かかる磁気平衡式電流センサ2Aでは、図4の上方(Z1-Z2方向Z1側)において、被測定電流Ioが流れる電流線40がX1-X2方向に延びるように位置する。被測定磁界である被測定電流Ioの誘導磁界は、磁気抵抗効果素子11に対して感度軸方向P(Y1-Y2方向)に沿った方向に印加される。被測定磁界の一部はより透磁率の高い磁気シールド15を通るため、磁気抵抗効果素子11に実質的に印加される被測定磁界の強度を低減させることができる。それゆえ、4つの磁気抵抗効果素子に実質的に印加される被測定電流Ioによる磁界をキャンセルするような誘導磁界を発生させるべく磁気平衡用コイル16に流される電流量を少なくすることができ、電流センサの省電力化が実現される。
A specific example of the magnetically balanced current sensor is a magnetically balanced
好ましい一例において、磁気平衡式電流センサ2Aは、4つの磁気抵抗効果素子(磁気抵抗効果素子11から磁気抵抗効果素子14)を備え、被測定電流Ioからの誘導磁界からなる被測定磁界およびこの被測定磁界をキャンセルするように印加された磁気平衡用コイル16からの誘導磁界に応じた電位差を生じる2つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する磁気センサ1A(図3参照)を用いる。このブリッジ回路を有する磁気平衡式電流センサ2Aでは、磁界検出ブリッジ回路から出力される電位差がゼロとなったときに磁気平衡用コイル16に流れる電流に基づいて、被測定電流Ioが測定される。
In a preferred example, the magnetic equilibrium
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、吸磁部15Pは、本体部150からZ1-Z2方向Z2側に直角に突出する形状ではなく、先端部15PE(図2参照)が複数の磁気抵抗効果素子から離れる方向(X1-X2方向のX1側またはX2側)に位置するようにZ1-Z2方向Z2側に突出する構造を有していてもよい。
The embodiments described above are described for facilitating the understanding of the present invention, and are not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention. For example, the
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope of the present invention is not limited to these Examples and the like.
(実施例1)
図2に示される断面構造と同様の構造を有する磁気平衡式の磁気センサを作製した。磁気抵抗効果素子は、以下の膜構成を備えたGMR素子であった。()内の数字は層の厚さ(Å)を示している。
下地層:NiFeCr(42)/固定磁性層:Fe60at%Co40at%(19)/非磁性材料層:Ru(3.6)/固定磁性層:Co90at%Fe10at%(24)/非磁性材料層:Cu(20)/フリー磁性層:[Co90at%Fe10at%(10)/Ni82.5at%Fe17.5at%(70)]/反強磁性層:IrMn(80)/保護層:Ta(100)
磁気シールドは、平面視で(Z1-Z2方向からみて)本体部のX1-X2方向の両側にそれぞれ、磁気抵抗効果素子からの距離150μmの位置に幅W100μmの吸磁部が設けられており、基板と本体部との距離が9μm、基板と吸磁部端との距離が6.5μmであった。
(Example 1)
A magnetic balance type magnetic sensor having a structure similar to the cross-sectional structure shown in FIG. 2 was manufactured. The magnetoresistive element was a GMR element having the following film configuration. The numbers in parentheses indicate the layer thickness (Å).
Underlayer: NiFeCr (42) / Fixed magnetic layer: Fe 60at % Co 40at% (19) / Non-magnetic material layer: Ru (3.6) / Fixed magnetic layer: Co 90at% Fe 10at% (24) / Non-magnetic Material layer: Cu (20) / Free magnetic layer: [Co 90at % Fe 10at % (10) / Ni 82.5at% Fe 17.5at% (70)] / Anti-ferrometric layer: IrMn (80) / Protective layer : Ta (100)
The magnetic shield is provided with magnetic absorbing portions having a width of W100 μm at a
(比較例1)
実施例1と同様の構造であるが、磁気シールドが吸磁部を有しない形状である磁気センサを作製した。
(Comparative Example 1)
A magnetic sensor having the same structure as that of the first embodiment but having a shape in which the magnetic shield does not have a magnetic absorbing portion was manufactured.
(測定例1)オフセット変動量の測定
実施例により作製した磁気センサおよび比較例により作製した磁気センサのそれぞれについて、感度軸に直交する方向に印加する外部磁場(ストレズ磁場)を±XmT(Xは5~30、5~20は1mTごと、20~30は5mTごと)として、交互に印加されるプラスとマイナスの外部磁化の絶対値が徐々に大きくなるように外部磁場を変化させながら、磁気センサの出力のオフセット変動量を測定した。
実施例および比較例の磁気センサ(各3個)についての測定結果を図6および図7に示す。
(Measurement Example 1) Measurement of offset fluctuation amount For each of the magnetic sensor manufactured by the example and the magnetic sensor manufactured by the comparative example, the external magnetic field (strez magnetic field) applied in the direction orthogonal to the sensitivity axis is ± XmT (X is 5 to 30, 5 to 20 every 1 mT, 20 to 30 every 5 mT), while changing the external magnetic field so that the absolute values of the positive and negative external magnetization applied alternately gradually increase, the magnetic sensor The amount of offset fluctuation of the output of was measured.
The measurement results for the magnetic sensors (3 each) of the examples and the comparative examples are shown in FIGS. 6 and 7.
図6に示されるように、実施例に係る磁気センサでは、外部磁場が±16mTでオフセットが生じた。対して、図7に示されるように、比較例に係る磁気センサでは、外部磁場が±13mTでオフセットが生じた。すなわち、磁気シールドに吸磁部を設けることにより、感度軸に直交する方向の外部磁場に対する耐性が3mT向上した。これは、磁気シールドに吸磁部が設けられていることで、感度軸に直交する方向の外部磁場を減衰する機能が向上し、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層に到達する外部磁場が小さくなった結果、フリー磁性層の磁化方向が反転する外部磁場が大きくなったことによると推定される。 As shown in FIG. 6, in the magnetic sensor according to the embodiment, the external magnetic field was offset at ± 16 mT. On the other hand, as shown in FIG. 7, in the magnetic sensor according to the comparative example, the external magnetic field was offset at ± 13 mT. That is, by providing the magnetically absorbing portion on the magnetic shield, the resistance to an external magnetic field in the direction orthogonal to the sensitivity axis is improved by 3 mT. This is because the magnetic shield is provided with a magnetic absorption part, which improves the function of attenuating the external magnetic field in the direction orthogonal to the sensitivity axis, and reduces the external magnetic field reaching the free magnetic layer of the magnetoresistive sensor. As a result, it is presumed that the external magnetic field in which the magnetization direction of the free magnetic layer is reversed has increased.
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、柱状トランスなどのインフラ設備の電流センサの構成要素や、電気自動車、ハイブリッドカーなどの電流センサの構成要素として好適に使用されうる。 The magnetic sensor provided with the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention is suitably used as a component of a current sensor of infrastructure equipment such as a columnar transformer and a component of a current sensor of an electric vehicle, a hybrid car, or the like. sell.
1,1A:磁気センサ
2:磁気比例式電流センサ(電流センサ)
2A:磁気平衡式電流センサ(電流センサ)
5,6,7,8:配線
5a :入力端子
6a :グランド端子
7a :第1の中点電位測定用端子
8a :第2の中点電位測定用端子
11,12,13,14:磁気抵抗効果素子
15 :磁気シールド
15E :末端
15P :吸磁部
15PE:先端部
150 :本体部
16 :磁気平衡用コイル
20 :ステップ
29 :基板
30 :GMR素子
31 :固定磁性層
32 :非磁性層
33 :フリー磁性層
34 :反強磁性層
40 :電流線
IM :絶縁層
Io :被測定電流
M :外部磁場
P :感度軸方向
PL :酸化保護層
D1 :4つの磁気抵抗効果素子の直上の磁気シールドと基板との距離
D2 :4つの磁気抵抗効果素子の外側の磁気シールドと基板との距離
L11,L13 :吸磁部と磁気抵抗効果素子との距離
W :吸磁部の幅
1,1A: Magnetic sensor 2: Magnetic proportional current sensor (current sensor)
2A: Magnetically balanced current sensor (current sensor)
5, 6, 7, 8:
Claims (7)
前記磁気シールドは、本体部と、前記磁気抵抗効果素子側に突出する吸磁部とを有し、
前記本体部は、平面視で、前記第1の方向と直交する第2の方向を長手とする形状を有し、複数の前記磁気抵抗効果素子の全てと重なり、
前記吸磁部は、前記第1の方向の両端には設けられておらず、前記第2の方向の両端に設けられており、その先端部が、平面視で、複数の前記磁気抵抗効果素子から離れた位置に設けられており、
前記磁気抵抗効果素子の直上の前記本体部と前記基板との距離D1と、前記磁気抵抗効果素子の外側の前記吸磁部と前記基板との距離D2とは、D1>D2を満たすこと
を特徴とする磁気センサ。 A plurality of magnetoresistive elements provided on the substrate and having a sensitivity axis in the first direction, an insulating layer provided on the magnetoresistive element, and applied to the magnetoresistive element provided on the insulating layer. A magnetic sensor equipped with a magnetic shield that attenuates the strength of the magnetic field under test.
The magnetic shield has a main body portion and a magnetic absorption portion projecting toward the magnetoresistive effect element.
The main body has a shape having a length in a second direction orthogonal to the first direction in a plan view, and overlaps with all of the plurality of magnetoresistive elements.
The magnetic attraction portions are not provided at both ends in the first direction, but are provided at both ends in the second direction, and the tip portions thereof are a plurality of the magnetoresistive elements in a plan view. It is located away from the
The distance D1 between the main body directly above the magnetoresistive sensor and the substrate and the distance D2 between the magnetic attraction portion outside the magnetoresistive element and the substrate satisfy D1> D2.
A magnetic sensor featuring.
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