JPWO2020054112A1 - 磁気センサおよび電流センサ - Google Patents

Abstract

磁気抵抗効果素子の測定精度が低下しにくい磁気シールドを備える本発明の磁気センサ１は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄと、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄと対向して配置され、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄ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２０と、を備え、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄと電気的に接続された平面コイル１２ａ・１２ｂを備えており、平面コイル１２ａ・１２ｂと共に磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄへ給電する際に平面コイル１２ａ・１２ｂから発生する磁界によって、磁気シールド２０にバイアス磁界Ｂを印加する。

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。

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。

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が、磁気シールドが磁気的なヒステリシスの原因となる場合がある。特許文献２では、磁気シールド上に硬磁性材料で構成されたハードバイアス層を設けることによりこの磁気的なヒステリシスを抑制し、磁気抵抗効果素子の出力の線形性を向上させることが実現されている。

国際公開第２０１１／１１１４９３号 国際公開第２０１１／１５５２６１号

しかし、硬磁性材料で構成されたハードバイアス層を精度よく形成することは困難である。このため、ハードバイアス層以外の構成により、磁気シールドの磁気的なヒステリシスを抑制することが、生産効率、生産コストの観点から好ましい。

本発明は、かかる現状を鑑み、ハードバイアス層を用いることなく、磁気センサに大きい磁場が印加された場合であっても磁気抵抗効果素子の測定精度が低下しにくい、磁気シールドおよび磁気抵抗効果素子を備えた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。

本発明の磁気センサは、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と対向して配置され、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、前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続された磁気発生手段を備えており、前記磁気発生手段と共に前記磁気抵抗効果素子へ給電する際に前記磁気発生手段から発生する磁界によって、前記磁気シールドにバイアス磁界を印加することを特徴とする。
磁気抵抗効果素子の感度軸方向に直交する方向のバイアス磁界を印加し、磁気シールドを単磁区化することにより、感度軸方向の残留磁化発生を抑制できるから、磁気センサの出力のヒステリシスを低減することが可能である。

前記磁気シールドは平面視で長手方向および短手方向を有する矩形の形状を有し、前記磁気抵抗効果素子の感度軸の方向は前記短手方向に沿い、前記磁気発生手段から発生して前記磁気シールドを流れる磁界の方向は、前記長手方向に沿う構成や、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気発生手段とは平面視で前記長手方向に並び、前記磁気抵抗効果素子は、前記長手方向で前記磁気発生手段よりも前記磁気シールドの中心に近い構成が、磁気センサの出力のヒステリシスを低減するために好ましい。

前記磁気発生手段が前記磁気抵抗効果素子と同一の基板平面上に形成されていることが、磁気センサの製造効率をよくするために好ましい。

磁気センサは、前記磁気発生手段を二つ備えており、二つの前記磁気発生手段から発生する磁界の方向が逆である構成が好ましい。
この場合、複数の前記磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が形成されており、前記磁気発生手段が、前記ブリッジ回路と給電端子との間、および前記ブリッジ回路と前記接地端子との間に、それぞれ設けられており、前記給電端子および前記接地端子を介して前記ブリッジ回路に給電されることにより、前記磁気発生手段のうちの一方は前記磁気シールドに向かう方向の磁界を発生し、他方は前記磁気シールドから離れる方向の磁界を発生することが好ましい。
また、前記磁気発生手段が、前記磁気抵抗効果素子と同一の基板平面上に形成された平面コイルであり、二つの前記磁気発生手段の旋回方向が相互に逆向きである構成が好ましい。
これら構成により、磁気発生手段の発生する磁界により、磁気シールドに対してバイアス磁界を効率よく印加することができる。

磁気センサは、前記磁気シールドは平面視で長手方向および短手方向を有する矩形の形状を有し、平面視で、前記磁気シールドの長手方向の両側の端部が、二つの前記磁気発生手段にそれぞれ重なる構成が好ましい。
この構成により、磁気シールド全体を単磁区化することができる。

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磁界を前記被測定磁界とする電流センサを提供する。

本発明によれば、磁気シールドに残留磁化が生じる場合であっても、磁気抵抗効果素子へ給電する際に磁気発生手段から磁気シールドにバイアス磁界を印加する構成によって、印加された磁場の磁気シールドに対する影響を抑えることができる。このため、ハードバイアス層を用いることなく、磁気シールドの残留磁化に基づく還流磁界による磁気抵抗効果素子への影響を抑制できる。したがって、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。

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斜視図である。 磁気抵抗効果素子が備える積層構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）初期、（ｂ）ノイズ磁界印加後、（ｃ）バイアス磁界印加後における磁気シールドの磁区状態を模式的に示す平面図である。 磁気シールドの残留磁界が磁気抵抗効果素子に及ぼす影響を模式的に示す、図３（ｂ）のＶ１−Ｖ１矢視断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気センサを磁気シールド側から見た位置関係を示す平面図である。 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斜視図である。 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７のＶ２−Ｖ２矢視断面図である。

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斜視図である。同図に示されるように、本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、磁気抵抗効果素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃ・１１ｄ（以下、適宜、これらを区別しないときは磁気抵抗効果素子１１という。）および磁気抵抗効果素子１１に対向して配置された磁気シールド２０を備える。

磁気センサ１の４つの磁気抵抗効果素子１１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。４つの磁気抵抗効果素子１１それぞれの感度軸方向Ｐは図１において矢印にて表され、磁気抵抗効果素子１１ａおよび磁気抵抗効果素子１１ｄの感度軸方向ＰはＹ１−Ｙ２方向Ｙ１側を向き、磁気抵抗効果素子１１ｂおよび磁気抵抗効果素子１１ｃの感度軸方向ＰはＹ１−Ｙ２方向Ｙ２側を向くように設定されている。

図２は、磁気抵抗効果素子１１が備える積層構造を模式的に示す断面図である。図２に示されるように、４つの磁気抵抗効果素子１１はそれぞれ、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、感度軸方向Ｐ（図１参照）に磁化方向が固定された固定磁性層３１と、磁化方向が外部磁場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場の向きと強さを検知できる。

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、磁気センサ１の出力を安定化するため、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４つの磁気抵抗効果素子１１それぞれの感度軸方向Ｐと直交する方向に与えられる。フリー磁性層３３に印加されるエクスチェンジバイアス磁界により、４つの磁気抵抗効果素子１１のフリー磁性層３３の磁化方向を揃えることができる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、磁気シールド２０の磁区状態を模式的に示す平面図であり、図３（ａ）が初期の磁区状態、図３（ｂ）がノイズ磁界印加後の磁区状態、図３（ｃ）がバイアス磁界印加後の磁区状態を示している。

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２０は、磁気抵抗効果素子１１に印加される被測定磁界の強度を減衰させるものである。図１および図３（ａ）〜図３（ｃ）に示されるように、磁気シールド２０は、平面視で（Ｚ１−Ｚ２方向からみて）、感度軸方向Ｐ（Ｙ１−Ｙ２方向）に直交する方向（Ｘ１−Ｘ２方向）を長手方向、感度軸方向Ｐ（Ｙ１−Ｙ２方向）の方向を短手方向とする矩形の形状を有し、磁気抵抗効果素子１１ａから１１ｄはこの矩形内に重なるように配置されている。

初期における磁気シールド２０は、図３（ａ）に示すように還流磁区を形成しており、感度軸方向Ｐに平行な磁区は非常に小さく、磁気抵抗効果素子１１と重なる領域は感度軸方向Ｐと直交している。このため、磁気シールド２０の磁区の磁気抵抗効果素子１１の感度への影響は非常に小さい。

しかし、例えば、ノイズ磁界としてＹ１−Ｙ２方向Ｙ２側に強磁場が印加された場合、印加された方向の磁区が大きくなり、印加後においても図３（ｂ）に示すようにノイズ磁界の影響が残って残留磁化Ｍ０が生じることがある。この場合、感度軸方向Ｐと平行な磁区が磁気抵抗効果素子１１と重なって、磁気抵抗効果素子１１に対する残留磁化Ｍ０の影響が大きくなる。

このような場合に残留磁化Ｍ０を小さくするためには、磁気シールド２０内部における磁壁移動を妨げる因子を抑制することが重要である。このため、磁気シールド２０には、ノイズ磁界が印加された後における磁壁移動が容易な、磁気異方性が小さく結晶粒界が無いアモルファスやナノ結晶の軟磁性材料が一般的に用いられるが、残留磁化Ｍ０の影響の抑制には十分ではない。

また、磁気シールド２０は、Ｘ１−Ｘ２方向を長手とする。このため、形状磁気異方性効果により、短手であるＹ１−Ｙ２方向への磁化は、長手であるＸ１−Ｘ２方向への磁化よりも生じにくい。しかし、外部磁場が強い場合には、短手であるＹ１−Ｙ２方向に残留磁化Ｍ０が生じる場合がある。

そこで、本実施形態の磁気センサ１には、図１に示すように、磁気抵抗効果素子１１と電気的に接続された２つの平面コイル（磁気発生手段）１２ａ・１２ｂが設けられている。磁気抵抗効果素子１１に給電する際に平面コイル１２ａ・１２ｂから発生する磁界をバイアス磁界Ｂとして磁気シールド２０に印加する。バイアス磁界Ｂを印加することにより、ノイズ磁界の影響がリセットされて、図３（ｃ）に示すように磁気シールド２０が単磁区化される。このため、ノイズ磁界が印加された場合に磁気シールド２０に残留磁化Ｍ０が生じることを抑制し、磁気抵抗効果素子１１の検出感度の低下を抑えることができる。

図４は、磁気シールド２０の残留磁界が磁気抵抗効果素子１１ｄに及ぼす影響を模式的に示す、残留磁化がＹ１−Ｙ２方向Ｙ２向きに生じている図３（ｂ）の磁気センサ１をＹ１−Ｙ２軸およびＺ１−Ｚ２軸を含む平面で切断したＶ１−Ｖ１矢視断面図である。

図４に示すように、磁気抵抗効果素子１１は、基板平面１０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。磁気シールド２０は、磁気抵抗効果素子１１の上（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）に磁気抵抗効果素子１１から離間して配置される。磁気シールド２０と磁気抵抗効果素子１１との離間距離は、両者の間に位置する絶縁層ＩＭの厚さによって調整される。

磁気シールド２０に残留磁化Ｍ０が生じると、残留磁化Ｍ０に基づく磁界（還流磁界ＲＭ０）が、残留磁化Ｍ０の向きとは反対向き（Ｙ１−Ｙ２方向Ｙ１向き）に磁気抵抗効果素子１１に印加される。この還流磁界ＲＭ０はオフセットの原因となり、磁気センサ１の測定精度を低下させる。このような場合であっても、ブリッジ回路１６（図１参照）に電流を流すことにより、平面コイル１２ａ・１２ｂから発生する磁界をバイアス磁界Ｂとして用いて、磁気シールド２０の残留磁化Ｍ０をリセットすることができる。その結果、残留磁化Ｍ０に基づく還流磁界ＲＭ０が磁気抵抗効果素子１１に印加されることを防止または抑制できる。それゆえ、強磁場印加による磁気シールド２０の特性変動の発生を抑制または発生した特性変動をリセットすることにより、磁気抵抗効果素子１１を備える磁気センサ１の測定精度が平面コイル１２ａ・１２ｂを有しない場合に比べて向上する。

図５は、本発明の一実施形態に係る磁気センサを磁気シールド２０側（Ｚ１−Ｚ２軸のＺ１側）から見た位置関係を示す平面図である。図５に示すように、磁気シールド２０側から見た平面視で、磁気シールド２０の長手方向の両側の端部２０１・２０１が、平面コイル１２ａ・１２ｂにそれぞれ重なるように位置している。この構成により、ブリッジ回路１６への給電の際に平面コイル１２ａ・１２ｂから発生する磁界をバイアス磁界Ｂとして、磁気シールド２０全体に対して効率的に印加することができる。このため、磁気センサ１の測定精度が向上する。

各磁気抵抗効果素子１１の感度軸方向Ｐは、磁気シールド２０の短手方向に沿い、平面コイル１２ａ・１２ｂから発生して磁気シールド２０を流れるバイアス磁界Ｂの方向は、磁気シールド２０の長手方向に沿っている。そして、磁気抵抗効果素子１１と平面コイル１２ａ・１２ｂとは平面視で磁気シールド２０の長手方向に並び、磁気抵抗効果素子１１が、長手方向で平面コイル１２ａ・１２ｂよりも磁気シールド２０の対角線の交点である中心Ｃの近くに位置している。

図１に示すように、４つの磁気抵抗効果素子からなるブリッジ回路１６と給電端子１４との間には平面コイル１２ａが、ブリッジ回路１６と接地端子１５との間には平面コイル１２ｂが、それぞれ設けられている。給電端子１４および接地端子１５から平面コイル１２ａおよび平面コイル１２ｂを介してブリッジ回路１６に給電されることにより、平面コイル１２ａおよび平面コイル１２ｂにも電流が流れ、平面コイル１２ａおよび平面コイル１２ｂから磁界が発生する。平面コイル１２ａと平面コイル１２ｂとの旋回方向は相互に逆向きであり、２つの平面コイルの一方である平面コイル１２ａは磁気シールド２０に向かう方向の磁界を発生し、２つの平面コイルの他方である平面コイル１２ｂは磁気シールド２０から離れる方向の磁界を発生する。なお、図１の点線で示した矢印は電流の方向を示している。同図では平面コイル１２ａ・１２ｂとブリッジ回路１６とを直列に接続した例を示したが、平面コイル１２ａ・１２ｂと共にブリッジ回路１６に給電される構成であればよい。例えば、平面コイル１２ａ・１２ｂとブリッジ回路１６とを並列に接続してもよい。

平面コイル１２ａおよび平面コイル１２ｂから、磁気シールド２０に向かう方向の磁界とその反対方向の磁界とを発生することにより、磁気抵抗効果素子１１の感度軸方向Ｐと直交するバイアス磁界Ｂが磁気シールド２０に対して印加される。磁気センサ１は、ブリッジ回路１６に接続された平面コイル１２ａおよび平面コイル１２ｂの磁界を用いることにより、永久磁石のハードバイアス層を用いることなく、磁気シールド２０にバイアス磁界Ｂを印加することが可能になる。

上記のように磁気発生手段を平面コイル１２ａ・１２ｂとして構成する場合、磁気抵抗効果素子１１と同一の基板平面１０上に磁気発生手段を形成することができる、この場合、バイアス磁界Ｂを発生させる平面コイル１２ａ・１２ｂとブリッジ回路１６とを、薄膜プロセスによって同時に形成することが可能である。また、平面コイル１２ａ・１２ｂと磁気シールド２０との相対的な配置（レイアウト）により、バイアス磁界Ｂを磁気シールド２０に印加する方向を任意に設定することができる。本実施形態では、平面コイル１２ａ・１２ｂの旋回方向が相互に逆向きであるため、Ｚ１−Ｚ２軸方向のノイズ磁界によって、平面コイル１２ａ・１２ｂから誘導起電力が生じることがない。

図１に示すように、ブリッジ回路１６は、感度軸方向Ｐの向きが異なる磁気抵抗効果素子１１ａ・１１ｂの直列接続と、感度軸方向Ｐの向きが異なる磁気抵抗効果素子１１ｃ・１１ｄの直列接続と、が並列に接続されて構成されている。各直列接続の中点電位は、ブリッジ回路１６への磁界の強度および向きによって変化する。したがって、直列に接続された磁気抵抗効果素子１１ａと磁気抵抗効果素子１１ｂとの中点電位測定用端子１３ａの電位と、直列に接続された磁気抵抗効果素子１１ｃと磁気抵抗効果素子１１ｄとの中点電位測定用端子１３ｂの電位とを対比することにより、測定対象である電流線３０を流れる被測定電流Ｉｏの磁界（被測定磁界）の強度および向きを測定することができる。

本発明の磁気センサ１は、強磁場が印加されることによる磁気シールド２０の特性変動を抑制または防止するバイアス磁界Ｂを発生する平面コイル１２ａ・１２ｂを備えている。したがって、ブリッジ回路１６に給電する際に生じるバイアス磁界Ｂによって、強い外部磁場による残留磁化Ｍ０の発生を抑えて、磁気シールド２０に起因する磁気センサ１の測定精度の低下を防止することができる。

なお、強い外部磁場によるフリー磁性層３３（図２参照）の多磁区化を抑制するために、４つの磁気抵抗効果素子１１にバイアス磁界を印加してもよい。ただし、このバイアス磁界を大きくすると、フリー磁性層３３の多磁区化の抑制には有効であるが、中点電位測定用端子１３ａと中点電位測定用端子１３ｂ（図１参照）との電位差として出力される出力が小さくなる。このため、磁気センサ１の感度を良好にする観点から、フリー磁性層３３に印加するバイアス磁界を大きくすることは好ましくない。

本発明の磁気センサ１の平面コイル１２ａ・１２ｂは、ブリッジ回路１６と同じ基板平面１０上に設けられている。したがって、ブリッジ回路１６と平面コイル１２ａ・１２ｂとを同じ基板平面１０上に同時に形成することができる。ブリッジ回路１６と平面コイル１２ａ・１２ｂとを同じ面上に設ける構成により、ブリッジ回路１６とは別の専用回路を用いることなく、磁気シールド２０にバイアス磁界Ｂを印加することができる。したがって、上述した構成は、磁気センサ１の製造に要するコストを抑える観点から有利である。

図５に示すように、平面視で（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側からみて）、４つの磁気抵抗効果素子１１の全体が磁気シールド２０に重なることが好ましい。この場合には、磁気シールド２０の残留磁化Ｍ０に基づく還流磁界ＲＭ０（図４参照）が４つの磁気抵抗効果素子１１に印加されることを、より安定的に防止または抑制できる。

磁気シールド２０は、例えば、軟磁性層のみからなる単層構造や、磁気シールド２０の下端（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ２側端部）に位置し軟磁性体からなる下地層と、下地層の上（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）に形成された軟磁性層とを有する複層構造とすることができる。また、磁気シールド２０には、タンタル（Ｔａ）などからなる酸化保護層が軟磁性層の上（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）にさらに形成された構成としてもよい。複層構造とする場合、下地層および軟磁性層はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなど鉄族元素を含む軟磁性材料から構成される。下地層の厚さは任意に設定される。軟磁性層の厚さは、磁気シールド２０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。軟磁性層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、軟磁性層の厚さは、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。

磁気シールド２０のアスペクト比は、磁気シールド２０における長手方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の長さと、短手方向（Ｙ１−Ｙ２方向）の長さとの比である。磁気シールド２０のアスペクト比を大きくすることにより、磁気シールド２０の異方性磁界Ｈｋが大きくなり、磁気センサ１の感度軸方向において、磁気シールド２０の磁化曲線の線形領域をより拡げることができる。その結果、磁気センサ１の出力の線形領域がひろくなって、磁気センサ１のダイナミックレンジをより拡げることが可能となる。

磁気シールド２０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、露出する下地層を導電層として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。

磁界発生手段として平面コイル１２ａ・１２ｂを用いることにより、ブリッジ回路１６に給電する際に磁界を効率良く発生することができる。また、ブリッジ回路１６の両側に一つずつ、合計二つの平面コイル１２ａ・１２ｂを設けることにより、磁界を効率良く発生することができる。

図６は本発明の他の一実施形態に係る磁気センサ２の構造を概念的に示す斜視図である。同図に示す磁気センサ２は、平面コイル１２ａ・１２ｂに代えて、櫛歯形状の配線パターンからなる磁気発生手段１７ａ・１７ｂを備えている構成において、磁気センサ１とは異なっている。磁気発生手段は、磁気シールド２０にバイアス磁界Ｂを印加可能なものであれば良いから、平面コイルには限られない。また、磁気発生手段を一つのみ設けても良い。

図７は、本発明の他の一実施形態に係る磁気センサ３の構造を概念的に示す平面図である。図８は図７のＶ２−Ｖ２矢視断面図である。図７および図８に示される磁気センサ３は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄ、磁気シールド２０を備える構成において図１の磁気センサ１と同じであり、磁気シールド２０との間にスパイラル形状を有する磁気平衡用平面コイル（スパイラル平面コイル）１８を備える構成におい磁気センサ１と異なっている。

図７では、磁気平衡用平面コイル１８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平面コイル配線が配置される。図８では、磁気平衡用平面コイル１８における周回する複数の平面コイル配線の断面がＹ１−Ｙ２方向に並んで示されている。磁気平衡用平面コイル１８は、磁気抵抗効果素子１１と磁気シールド２０との間に位置する構成により、磁気シールド２０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。

以上の実施形態では、磁気センサ１、２、３が備える４つの磁気抵抗効果素子１１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。

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、２、３は、電流センサとして好適に使用されうる。すなわち、本発明は、被測定電流の磁界を被測定磁界とする磁気センサ１、２、３を備えた電流センサとして実施することができる。

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。

磁気比例式電流センサの具体例は、図１に示される磁気センサ１を用いる場合であり、かかる電流センサ（磁気比例式電流センサ１Ａ）では、図１に示す磁気シールド２０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３０がＸ１−Ｘ２方向に延びるように位置する。被測定磁界となる被測定電流Ｉｏの磁界は、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２０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、磁気センサ１の測定範囲を拡げることが可能となる。しかも、基板平面１０に設けられた平面コイル１２ａ・１２ｂからの磁界によるバイアス磁界Ｂによって磁気シールド２０の残留磁化Ｍ０を抑制または取り除くことができる。したがって、平面コイル１２ａ・１２ｂにより、残留磁化Ｍ０に基づく還流磁界ＲＭ０が４つの磁気抵抗効果素子１１に与える影響を抑えることができる。

好ましい一例において、磁気比例式電流センサ１Ａは、４つの磁気抵抗効果素子１１を備え、被測定電流Ｉｏからの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。このブリッジ回路を有する磁気比例式電流センサ１Ａ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。

磁気平衡式電流センサの具体例は、図７および図８に示される磁気センサ３を用いる磁気平衡式電流センサ３Ａであり、かかる磁気平衡式電流センサ３Ａでは、図７に示す磁気シールド２０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３０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からの磁界は、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２０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、磁気抵抗効果素子１１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磁界を発生させるべく磁気平衡用平面コイル１８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。

好ましい一例において、磁気平衡式電流センサ３Ａは、４つの磁気抵抗効果素子１１を備え、磁界検出ブリッジ回路を有する磁気センサ３を用いる。磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉｏからの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平面コイル１８からの磁界に応じた電位差を生じる２つの出力を備える。磁気検出ブリッジ回路を有する磁気平衡式電流センサ３Ａ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平面コイル１８に流れる電流に基づいて、被測定電流Ｉｏが測定される。

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。

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。

１、２、３ 磁気センサ
１Ａ、３Ａ 電流センサ
１０ 基板平面
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 磁気抵抗効果素子
１２ａ、１２ｂ 平面コイル（磁気発生手段）
１３a、１３ｂ 中点電位測定用端子
１４ 給電端子
１５ 接地端子
１６ ブリッジ回路
１７ａ、１７ｂ 磁気発生手段
１８ 磁気平衡用平面コイル
２０ 磁気シールド
２０１ 端部
３０ 電流線
３１ 固定磁性層
３２ 非磁性層
３３ フリー磁性層
３４ 反強磁性層
Ｐ 感度軸方向
Ｂ バイアス磁界
Ｃ 中心
ＩＭ 絶縁層
Ｍ０ 残留磁化
ＲＭ０ 還流磁界

Claims (9)

1. 磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子と対向して配置され、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、
   前記磁気抵抗効果素子と電気的に接続された磁気発生手段を備えており、
   前記磁気発生手段と共に前記磁気抵抗効果素子へ給電する際に前記磁気発生手段から発生する磁界によって、前記磁気シールドにバイアス磁界を印加することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気シールドは平面視で長手方向および短手方向を有する矩形の形状を有し、前記磁気抵抗効果素子の感度軸の方向は前記短手方向に沿い、前記磁気発生手段から発生して前記磁気シールドを流れる磁界の方向は、前記長手方向に沿う、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気抵抗効果素子と前記磁気発生手段とは平面視で前記長手方向に並び、前記磁気抵抗効果素子は、前記長手方向で前記磁気発生手段よりも前記磁気シールドの中心に近い、
   請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁気発生手段は、前記磁気抵抗効果素子と同一の基板平面上に形成された、
   請求項１に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気発生手段を二つ備えており、二つの前記磁気発生手段から発生する磁界の方向が逆である、請求項１に記載の磁気センサ。
6. 複数の前記磁気抵抗効果素子によりブリッジ回路が形成されており、
   前記磁気発生手段が、前記ブリッジ回路と給電端子との間、および前記ブリッジ回路と接地端子との間に、それぞれ設けられており、
   前記給電端子および前記接地端子を介して前記ブリッジ回路に給電されることにより、前記磁気発生手段のうちの一方は前記磁気シールドに向かう方向の磁界を発生し、他方は前記磁気シールドから離れる方向の磁界を発生する請求項５に記載の磁気センサ。
7. 前記磁気発生手段が、前記磁気抵抗効果素子と同一の基板平面上に形成された平面コイルであり、二つの前記磁気発生手段の旋回方向が相互に逆向きである、
   請求項５または請求項６に記載の磁気センサ。
8. 前記磁気シールドは平面視で長手方向および短手方向を有する矩形の形状を有し、平面視で、前記磁気シールドの長手方向の両側の端部が、二つの前記磁気発生手段にそれぞれ重なる、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載される磁気センサを備え、前記磁気センサは被測定電流の磁界を前記被測定磁界とする電流センサ。

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