JP7332725B2 - 磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサおよび電流センサ - Google Patents
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Description
本発明の課題は、感度直交方向の磁界に対してシールドする効果が高い、直交磁界耐性に優れる磁気センサおよび電流センサを提供することである。
また、本発明の別の課題は、磁界検出部に印加される被測定磁界の強度を弱めるシールドの異方性磁界が大きく、測定可能範囲の広い磁気センサおよび電流センサを提供することである。
また、外側シールドがフィードバックコイルに重ねて配置されているから、キャンセル磁界を用いて外側シールドを磁化飽和し難くすることができる。これにより、外側シールドによる磁界の遮蔽作用を維持して内側シールドに到達する磁界を低減し、内側シールドの見掛け上のHkを大きくすることができる。
上記の構成により、内側シールドがキャンセル磁界をエンハンスする磁気ヨークとして機能するから、フィードバックコイルに流す電流を小さくすることができる。また、キャンセル磁界によって外側シールドに加わる実効的な磁界を小さくできるから、外側シールドの磁界遮蔽効果を向上させることができる。
この場合、前記磁界検出部は、四つの前記磁気抵抗効果素子が配置されたフルブリッジ回路であり、四つの前記磁気抵抗効果素子は、前記内側シールドの法線方向から見たときに、前記仮想中心線と重なるように設けられていることが好ましい。
上記の構成により、外側シールドによる磁界の遮蔽性が良くなるから、内側シールドの見掛け上のHkを大きくして磁気センサの測定可能範囲を広くすることができる。
前記外側シールドの幅を内側シールドの幅以下とすることで、外側シールドの飽和磁界を内側シールドの飽和磁界よりもさらに大きくすることができる。
本発明の磁気センサは、シールドが、内側シールドと外側シールドとを有しており、外側シールドが内側シールドに印加される被測定磁界の強度を弱めるように配置されているから、内側シールドの磁界遮蔽効果を弱めることなく見掛け上のHkを大きくすることができる。したがって、外乱磁界耐性に優れた、測定可能範囲の広い磁気センサおよび電流センサを提供することが可能になる。
図1は、本実施形態に係る磁気センサ12を備えた磁気平衡式の電流センサの構成を模式的に示す模式図である。図1では、主に、磁気センサ12の磁界検出部122を構成する磁気抵抗効果素子122a~122dなどの接続関係について示し、その具体的な構成、配置、フィードバックコイル、シールドの位置関係などは、図2以降において述べる。
図3は、実施形態に係る磁気センサ12の構成を説明する平面図であり、図2(a)~図2(c)に示す各部が積層された状態における位置関係を模式的に示している。
図5(a)に示すように、内側シールド124aにおいては、誘導磁界Aの方向と、フィードバックコイル121のキャンセル磁界Bの方向とが同じである。このため、磁気センサ12において、内側シールド124aは、磁気の減衰に加え、フィードバックコイル121のキャンセル磁界Bをエンハンス(増強)する機能を有する。内側シールド124aが磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル121に流す電流を小さくして省電力化することができる。
磁気センサ12(図3参照)の測定可能範囲(ダイナミックレンジ)を広げるには、内側シールド124aの異方性磁界(Hk)を大きくする必要がある。そのためには、図7(a)に示すように、内側シールド124aを法線方向から平面視した形状(矩形)のアスペクト比をより大きくするか、図7(b)に示すように内側シールド124aのシールド膜厚を厚くすることが有効である。
図8は図3に示す実施形態の変形例に係る磁気平衡式の磁気センサ52の構成を説明する平面図である。本実施形態の磁気センサ52は、シールド124(図1参照)の内側シールド124aを切れ目なくとり囲む環状の外側シールド124bに代えて、内側シールド124aを磁気センサ52の磁界検出方向において両側で取り囲む外側シールド124c、124dを備えている点において、磁気センサ12と異なっており、他の構成は同じである。
図12(a)、図12(b)および図12(c)は、本実施形態に係る磁気センサ13における、磁界検出部122、フィードバックコイル121およびシールド124の平面図である。
図13は、実施形態に係る磁気センサ13の構成を説明する平面図であり、図12(a)~図12(c)に示す各部が積層された状態における位置関係を模式的に示している。
実施例1として、実施形態の構成を備えた磁気センサ12(図3参照)、実施例2として、変形例の構成を備えた磁気センサ52(図8参照)を用いて、磁力を測定して線形性を評価した。
シールドの材料:NiFe合金(19.5重量%Fe)
磁界検出部直上の内側シールド(実施例)、シールド(比較例)のサイズ:800μm×150μm
内側シールド(実施例1、2)、シールド(比較例1)の膜厚:17μm
磁界検出部とシールドとの距離(Z1Z2方向):10μm
磁界検出部の上部すなわち磁界検出部と重なる領域におけるフィードバックコイルのターン数:24
実施例3および比較例2の電流センサに共通する条件は以下のとおりである。
磁界検出部の上部すなわち磁界検出部と重なる領域におけるフィードバックコイルのターン数:24
磁気抵抗効果素子として用いたGMR素子の膜構成。()内の数字は層の厚さ(Å)を示す。
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)
図13に示す、外側シールド124bからなるシールド124を備えた磁気センサを用いた。
シールドの材料:NiFe合金(19.5重量%Fe)
シールドの形状:外形1000μm×1500μm、幅220μm
シールドの膜厚:17μm
磁界検出部とシールドとの距離(Z1Z2方向):10μm
シールド124を備えていない構成において、実施例3の磁気センサ13と異なる、図16に示す磁気センサ53を用いた。
実施例3および比較例2の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界(ストレス磁界、直交磁界)を±XmT(Xは5~22、1mT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界の絶対値が徐々に大きくなるように外部磁界を変化させながら、磁気センサの出力のオフセット変動量を測定した。
図18は、比較例2における磁気センサ(各10個)の外部磁界耐性の測定結果を示すグラフである。
図17に示すように、実施例3に係る磁気センサは、外部磁界±15mTまでオフセットが生じず、オフセット変動量が小さく抑えられていた。
対して、図18に示すように、比較例2の磁気センサは、外部磁界が±10mTでオフセットが生じ、また、オフセット変動量も大きかった。
12、13、52、53:磁気センサ(電流センサ)
21 :基板
22 :絶縁膜
31、31a、31b、31c、31d、31e、31f、31g:長尺パターン
32a、32b:接続端子
33a、33b、33c、33d、33e、33f:接続部
111 :固定磁性層
112 :非磁性材料層
113 :フリー磁性層
114 :反強磁性層
121 :フィードバックコイル
121a :第1コイル部
121b :第2コイル部
122 :磁界検出部
122a、122b、122c、122d:磁気抵抗効果素子
123 :増幅器
124 :シールド
124a :内側シールド
124b、124c、124d:外側シールド
A :誘導磁界(被測定磁界)
B :キャンセル磁界
I :電流
Out1 :第1の出力電圧
Out2 :第2の出力電圧
Vdd :電源電圧
GND :接地電圧
CL :仮想中心線
Claims (7)
- 磁気抵抗効果素子からなる磁界検出部と、フィードバックコイルと、シールドと、を備えた磁気センサであって、
前記フィードバックコイルは、前記磁界検出部に重ねて配置され、
前記シールドは、前記フィードバックコイルに重ねて配置され、
前記シールドは、
前記磁界検出部に印加される被測定磁界の強度を弱めるように配置された内側シールドと、前記内側シールドに印加される前記被測定磁界の強度を弱めるように配置された外側シールドと、を有し、
前記フィードバックコイルは、第1コイル部および第2コイル部を備え、
前記第1コイル部と前記第2コイル部とが、前記内側シールドの法線方向から見たときの形状が前記磁気抵抗効果素子の感度方向に直交する仮想中心線を挟んで線対称に配置されており、
前記磁界検出部は、四つの前記磁気抵抗効果素子が配置されたフルブリッジ回路であり、
四つの前記磁気抵抗効果素子は、前記内側シールドの法線方向から見たときに、前記仮想中心線と重なるように設けられていることを特徴とする磁気センサ。 - 前記内側シールドにおいては、前記被測定磁界の方向と前記フィードバックコイルのキャンセル磁界の方向とが同じであり、
前記外側シールドにおいては、前記被測定磁界の方向と、前記フィードバックコイルの前記キャンセル磁界の方向とが反対である部分を有する、請求項1に記載の磁気センサ。 - 前記外側シールドは、前記内側シールドを取り囲んで形成されている、請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記外側シールドは、環状に形成されている、請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記内側シールドは、その法線方向から見たときの形状が略矩形である、請求項1に記載の磁気センサ。
- 前記外側シールドの幅が、前記内側シールドの幅以下である、請求項1に記載の磁気センサ。
- 請求項1に記載の磁気センサを備えていることを特徴とする電流センサ。
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