WO2017094336A1

WO2017094336A1 - 磁界検知装置

Info

Publication number: WO2017094336A1
Application number: PCT/JP2016/078454
Authority: WO
Inventors: 井出　洋介; 高橋　彰
Original assignee: アルプス電気株式会社
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2017-06-08
Also published as: JPWO2017094336A1; JP6617156B2

Abstract

【課題】　磁気検知部に設けられる少なくとも２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の向きを揃えることで、同じ基板上に磁気抵抗効果素子を同時に形成でき、しかも強磁場の耐性を備えた磁界検知装置を提供する。【解決手段】　被測定電流が流れる電流路の下に第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂが設けられている。第１の検知ユニット１Ａは、第１のコイルＣ１と磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３を有し、第２の検知ユニット１Ｂは、第２のコイルＣ２と磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４を備えている。そして各磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４でブリッジ回路が構成されている。また切替え部ＳＷ１，ＳＷ２によって２個のコイルＣ１，Ｃ２を直列に接続することができ、並列に接続することもできる。

Description

磁界検知装置

　本発明は、フィードバック磁界を与えるコイルを使用したいわゆる磁界平衡式の磁気検知装置に関する。

　特許文献１に、磁気検知装置としていわゆる磁界平衡式の電流センサに関する発明が記載されている。

　この電流センサは、被測定電流が通過する導体に磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとが対向している。導体に流れる被測定電流で励起された電流磁界は磁気抵抗効果素子で検知され、その検知出力の大きさに対応したフィードバック電流が前記フィードバックコイルに与えられるように制御される。フィードバックコイルから磁気抵抗効果素子へは、前記電流磁界とは逆向きのフィードバック磁界（キャンセル磁界）が与えられ、電流磁界とフィードバック磁界とが平衡状態となったときに、フィードバックコイルに流れている電流が検知され、電流の検知出力が被測定電流の測定値となる。

　前記電流センサでは、導体に流れる被測定電流の方向に沿って４個の磁気抵抗効果素子が配列している。４個の磁気抵抗効果素子は、強磁性固定層と軟磁性自由層とが非磁性中間層を挟んで積層されたＧＭＲ素子である。２個の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向であるＰｉｎ方向と、他の２個の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層のＰｉｎ方向は、互いに１８０度逆向きであり、それぞれが、被測定電流の方向と直交する向きに設定されている。

　そして、Ｐｉｎ方向が逆向きとなる２個の磁気抵抗効果素子が直列に接続され、この直列部の２組が並列に接続されてブリッジ回路が構成されている。このブリッジ回路では、電流磁界が与えられたときに、Ｐｉｎ方向が相違する磁気抵抗効果素子の抵抗値が逆極性で変化する。よって、一方の直列部での２個の磁気抵抗効果素子の中点の出力Ｏｕｔ１と、他方の直列部での２個の磁気抵抗効果素子の中点の出力Ｏｕｔ２との差を求めることで、電流磁界の強度を検知することができる。

　特許文献２に記載された磁気平衡式電流センサは、被測定電流が通過する導体を挟んで２個のセンサ素子Ａ，Ｂが設けられている。２個のセンサ素子Ａ，Ｂのそれぞれは、特許文献１に記載された電流センサと構造が同じであり、２個のセンサ素子Ａ，Ｂのそれぞれは、４個の磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルを有している。

　特許文献２に記載された磁気平衡式電流センサは、２個のセンサ素子Ａ，Ｂの出力の差動をとることで、温度上昇による誤差をキャンセルし、線形性を高く保つ、というものである。

ＷＯ２０１１／１１１４９３号公報ＷＯ２０１１／０４３１９３号公報

　特許文献１に記載された電流センサと、特許文献２に記載された２個のセンサ素子Ａ，Ｂのそれぞれは、いずれも４個の磁気抵抗効果素子が、導体において被測定電流が流れる方向に沿って一列に並んで配置されており、この４個の磁気抵抗効果素子がそれぞれのキャンセルコイルに対向している。

　前述のように、４個の磁気抵抗効果素子でブリッジ回路を構成するためには、強磁性固定層のＰｉｎ方向を、２個の磁気抵抗効果素子と他の２個の磁気抵抗効果素子とで、互いに１８０度逆向きとすることが必要である。

　強磁性固定層のＰｉｎ方向を、反強磁性層を使用した反強磁性結合で決めようとすると、強磁性固定層と反強磁性層を積層した後に磁場中でアニール処理することが必要になる。そのため、同じ基板上に形成した複数の磁気抵抗効果素子で強磁性固定層のＰｉｎ方向を逆向きに設定することは難しい。そこで、１つの電流センサに並んで設けられる４個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層のＰｉｎ方向を反強磁性結合で決めたものにするには、Ｐｉｎ方向が相違する磁気抵抗効果素子を異なる基板上に２個ずつ形成し、２個ずつの磁気抵抗効果素子を電流センサに別々に組み込むことが必要となる。ただし、この場合には、１つの電流センサに２種類の基板を組み込むことになるため、組立工程や配線工程が煩雑になる。

　この点に関し、特許文献１と特許文献２に記載された磁気抵抗効果素子は第１の強磁性層と第２の強磁性層を反平行結合膜を介して積層した、いわゆるセルフ止め型の強磁性固定層が使用されている。この強磁性固定層は、磁場中成膜工程で形成でき、アニール処理が不要であるため、Ｐｉｎ方向が逆方向となる磁気抵抗効果素子を共通の基板上に形成することが可能になる。

　ところが、セルフ止め型の強磁性固定層は、強い外部磁化が作用するとＰｉｎ方向が変化する欠点があり、強磁場中で使用していると、感度低下や、検知出力にオフセット出力が重畳し、しかもオフセット出力が変動するなどの問題が生じやすくなる。

　本発明は上記従来の課題を解決するものであり、１つのコイルに対向する磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化方向を揃えるように構成できる磁界検知装置を提供することを目的としている。

　また、本発明は、２個のコイルを使用することで、感度を高めたり、ダイナミックレンジを広げることが可能な磁界検知装置を提供することを目的としている。

　本発明は、測定磁場の強度に応じて検知出力が変化する磁気検知部と、前記磁気検知部に前記測定磁場と逆向きのフィードバック磁界を与えるコイルと、前記磁気検知部の検知出力に応じて前記コイルに対して前記フィードバック磁界を誘導するフィードバック電流を供給するコイル通電部と、前記コイルに流れる電流量を検知する検知部、とが設けられた磁界検知装置において、
　第１の検知ユニットと第２の検知ユニットが設けられ、前記第１の検知ユニットに、第１の磁気検知部と、前記第１の磁気検知部に前記フィードバック磁界を与える第１のコイルとが設けられ、前記第２の検知ユニットに、第２の磁気検知部と、前記第２の磁気検知部に前記フィードバック磁界を与える第２のコイルが設けられており、
　前記第１の磁気検知部と前記第２の磁気検知部は、自由磁性層と固定磁性層との磁化方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を少なくとも２個ずつ備えており、
　前記第１の磁気検知部に設けられた少なくとも２個の前記磁気抵抗効果素子は前記固定磁性層の固定磁化の向きが互いに同じで、前記第２の磁気検知部に設けられた少なくとも２個の前記磁気抵抗効果素子は前記固定磁性層の固定磁化の向きが互いに同じで、
　前記第１の磁気検知部に設けられた前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁化の方向と、前記第２の磁気検知部に設けられた前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁化の方向のうちの一方は、前記フィードバック磁界に沿う方向に向けられ、他方が前記フィードバック磁界と逆方向に向けられており、
　前記第１の磁気検知部に設けられた磁気抵抗効果素子と、前記第２の磁気検知部に設けられた磁気抵抗効果素子とが直列に接続された直列部が２組設けられ、この２組の直列部でブリッジ回路が構成されて、前記ブリッジ回路からの出力に応じて前記フィードバック電流が決められることを特徴とするものである。

　本発明の磁界検知装置は、前記第１のコイルと前記第２のコイルが直列に接続されているものとして構成できる。あるいは、前記第１のコイルと前記第２のコイルが並列に接続されているものとして構成できる。

　さらに、本発明の磁界検知装置は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの接続を直列と並列とに切替える切替え部が設けられているものとすることが可能である。

　本発明の磁界検知装置は、前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁化の方向と交差する電流路が設けられ、前記電流路に流れる被測定電流によって前記測定磁場が誘導されるものとして構成できる。すなわち電流検知装置（電流センサ）として構成することが可能である。

　本発明の磁界検知装置は、前記第１の検知ユニットと前記第２の検知ユニットが、前記電流路に対して同じ側に配置されており、
　前記第１の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向と、前記第２の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向とが、逆向きである。

　または、本発明の磁界検知装置は、前記第１の検知ユニットと前記第２の検知ユニットが、前記電流路を挟む位置に配置されており、
　前記第１の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向と、前記第２の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向とが、同じ向きである。

　本発明の磁界検知装置での前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化の向きが、前記固定磁性層と前記反強磁性層との反強磁性結合により設定されているものが好ましい。

　さらに、本発明の磁界検知装置での前記磁気抵抗効果素子は、前記自由磁性層の磁化がＩｒ－Ｍｎ合金との反強磁性結合により、前記固定磁化の方向と直交する向きに設定されているものが好ましい。

　本発明の磁界検知装置は、第１の検知ユニットと第２の検知ユニットが設けられ、それぞれがコイルを有している。それぞれの検知ユニットでは、同じコイルに対向する少なくとも２個の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化の方向が同じ向きに揃えられている。そのため、同じ検知ユニット内において、共通の基板上に複数の磁気抵抗効果素子を容易に形成することができる。

　本発明は、磁気抵抗効果素子の固定磁性層の磁化の向きを反強磁性層との反強磁性結合で固定することが可能となるため、強磁場が与えられても検知出力にバイアス出力が重畳するなどの問題が生じなくなる。

　また、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルを直列に接続したり並列に接続することで、検知感度を向上させたり、ダイナミックレンジを広げることなどが可能になる。

本発明の第１の実施の形態の磁界検知装置を示す平面図であり、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルとが直列に接続された状態を示す、本発明の第１の実施の形態の磁界検知装置を示す平面図であり、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルとが並列に接続された状態を示す、本発明の第２の実施の形態の磁界検知装置を示す平面図であり、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルとが直列に接続された状態を示す、本発明の第１の実施の形態の磁界検知装置を示す平面図であり、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルとが並列に接続された状態を示す、第１の検知ユニットをＹ１－Ｙ２方向に延びる切断面で切断した拡大断面図、（Ａ）は第１の実施の形態の磁界検知装置と電流路との対向関係を示す説明図、（Ｂ）は第２の実施の形態の磁界検知装置と電流路との対向関係を示す説明図、（Ａ）は、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルとが直列に接続された回路図、（Ｂ）は、第１の検知ユニットのコイルと第２の検知ユニットのコイルとが並列に接続された回路図、磁気抵抗効果素子の成膜工程を示す断面説明図、磁気抵抗効果素子の他の成膜工程を示す断面説明図、（Ａ）（Ｂ）は、比較例と実施の形態とで磁界検知装置の検知出力を比較する線図、２つのコイルの接続形態とその効果を説明する線図、

　図１と図２に本発明の第１の実施の形態の磁界検知装置１０が平面図で示されている。
　この磁界検知装置１０は、例えば図６（Ａ）に示すように、電流センサＩＳ１として使用される。この電流センサＩＳ１では、Ｘ方向に延びる電流路３０が設けられており、電流路３０に被測定電流Ｉ０がＸ方向に流れる。被測定電流Ｉ０は交流電流または直流電流である。

　磁界検知装置１０は、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂとを有している。第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂは、共に電流路３０に対して同じ側で対向している。図６（Ａ）に示す配置例では、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂが、電流路３０の下側（Ｚ１側）に対向し、第１の検知ユニット１ＡがＹ２側に位置し、第２の検知ユニット１ＢがＹ１側に位置している。

　図１に示すように、第１の検知ユニット１Ａは基板２Ａを有しており、第２の検知ユニット１Ｂは基板２Ｂを有している。

　図５に、第１の検知ユニット１Ａの第１の磁気検知部３Ａが設けられた部分をＹ１－Ｙ２方向に延びる切断面で切断した拡大断面図が示されている。

　図５に示すように、基板２ＡのＺ２側に向けられる表面に第１の磁気検知部３Ａが設けられ、第１の磁気検知部３Ａが下部絶縁層４で覆われている。下部絶縁層４の上に第１のコイル（フィードバックコイル）Ｃ１を構成する導体層５が形成されている。図１と図２に示すように、第１のコイルＣ１の導体層５は基板２Ａの表面に沿ってＸ－Ｙ平面と平行な平面パターンで螺旋軌跡に形成されている。導体層５は金や銅などの低抵抗金属材料をメッキすることで形成されている。

　図５に示すように、第１のコイルＣ１を構成する導体層５は上部絶縁層６に覆われており、上部絶縁層６の上にシールド層７が形成されている。シールド層７はＮｉ－Ｆｅ合金（ニッケルー鉄合金）などの軟磁性金属材料で形成されたメッキ層である。このメッキ層７を設けることで、被測定電流Ｉ０で誘導される測定磁場が、第１の磁気検知部３Ａに減衰して与えられ、その結果、測定値のダイナミックレンジを広げることが可能になる。

　第２の検知ユニット１Ｂの積層構造は第１の検知ユニット１Ａと同じであり、基板２Ｂの表面に第２の磁気検知部３Ｂが形成されている。第２の検知ユニット１Ｂにおいても、第２の磁気検知部３Ｂが下部絶縁層４で覆われ、下部絶縁層４の上に第２のコイル（フィードバックコイル）Ｃ２を構成する導体層５が平面パターンで螺旋軌跡に形成されている。そして、第２のコイルＣ２を覆う上部絶縁層６が形成され、上部絶縁層６の上にシールド層７が形成されている。

　図１と図２に示すように、第１の検知ユニット１Ａに設けられた第１の磁気検知部３Ａに２個の磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３が設けられている。磁気抵抗効果素子Ｒ２と磁気抵抗効果素子Ｒ３は、被測定電流Ｉ０が流れる方向であるＸ方向に間隔を空けて配置されている。第２の検知ユニット１Ｂに設けられた第２の磁気検知部３Ｂに２個の磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４が設けられている。磁気抵抗効果素子Ｒ１と磁気抵抗効果素子Ｒ４は、被測定電流Ｉ０が流れる方向であるＸ方向に間隔を空けて配置されている。

　それぞれの磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、Ｙ方向の幅寸法よりもＸ方向の長手寸法が大きいストライプ形状の複数本のＧＭＲ素子により構成されている。複数本のストライプ形状のＧＭＲ素子がいわゆるミアンダパターンで配列されて直列に接続されている。

　図１と図５に示すように、第１の検知ユニット１Ａに設けられた第１のコイルＣ１のうちのＸ方向に延びる直線部Ｃａが、磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３の真上に位置しており、ストライプ形状のＧＭＲ素子の長手方向と直線部Ｃａでの導体層５とがＸ方向に向けて平行に対向している。同様に、第２の検知ユニット１Ｂに設けられた第２のコイルＣ２のうちのＸ方向に延びる直線部Ｃｂが、磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４の真上に位置しており、ストライプ形状のＧＭＲ素子の長手方向と直線部Ｃｂでの導体層５とがＸ方向に向けて平行に対向している。

　磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を構成するＧＭＲ素子は、巨大磁気抵抗効果を発揮する巨大磁気抵抗効果素子である。ＧＭＲ素子の積層構造は図８と図９に基づき後に詳細に説明するが、ＧＭＲ素子は、固定磁性層と非磁性層と自由磁性層とが順に積層されている。

　固定磁性層の磁化はＹ方向に向けて固定されている。すなわち、固定磁性層の固定磁化は被測定電流Ｉ０の方向と直交する向きである。第１の検知ユニット１Ａに設けられた第１の磁気検知部３Ａを構成する磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３は、固定磁性層の磁化の固定方向ＰａがＹ２方向である。また、磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３は、自由磁性層が単磁区に近い状態に制御され、後に説明する反強磁性結合のバイアス磁界により、磁化の向きＦａがＸ２方向に揃えられている。

　第２の検知ユニット１Ｂに設けられた第２の磁気検知部３Ｂを構成する磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４は、固定磁性層の磁化の固定方向ＰｂがＹ１方向である。また、磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４では、自由磁性層が単磁区に近い状態に制御され、後に説明する反強磁性結合のバイアス磁界により、磁化の向きＦｂがＸ１方向に揃えられている。

　磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐａ，Ｐｂが感度軸方向である。

　前記磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に、感度軸（ＰａまたはＰｂ）方向に沿う向きの測定磁場が与えられると、自由磁性層においてＸ方向に単磁区化されている磁化ＦａまたはＦｂがＹ方向へ傾けられる。自由磁性層の磁化のベクトル（ＦａまたはＦｂ）と固定磁性層の磁化の固定方向ＰａまたはＰｂとの角度が小さくなると、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が低下し、前記角度が大きくなると、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が大きくなる。

　図１と図２に示すように、第１の検知ユニット１Ａでは、基板２Ａの表面に、電源パッド１１Ａ、接地パッド１２Ａ、出力パッド１３Ａおよび中継パッド１４Ａが形成されている。これら各パッド１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａと、磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３は、破線で示す複数本の配線層１５Ａによって接続されている。各パッド１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａと複数本の配線層１５Ａは、基板２Ａの表面において、銅箔層や銀ペーストなどで形成されている。

　同様にして、第２の検知ユニット１Ｂでは、基板２Ｂの表面に、電源パッド１１Ｂ、接地パッド１２Ｂ、出力パッド１３Ｂおよび中継パッド１４Ｂが形成されている。これら各パッド１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂ、１４Ｂと、磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４は、破線で示す複数本の配線層１５Ｂによって接続されている。

　図１と図２に示すように、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂは、前述した各要素から成る基本構造と基本形状が互いに同じであり、第２の検知ユニット１Ｂは、第１の検知ユニット１ＡをＹ方向に向けて１８０度回転させたものである。よって、同じ構造の検知ユニットの向きを変えて配置することで、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂを組み合わせた磁界検知装置１０を構成することができる。

　図１と図２に示すように、第１の検知ユニット１Ａの各パッド１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａと、第２の検知ユニット１Ｂの各パッド１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂは、外部配線１６によって接続されている。

　図７（Ａ）（Ｂ）の回路図に示すように、電源パッド１１Ａ，１１Ｂに電源電圧Ｖｄｄが印加されている。第２の検知ユニット１Ｂに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ１と第１の検知ユニット１Ａに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ２は直列に接続されており、この直列部では、磁気抵抗効果素子Ｒ１と磁気抵抗効果素子Ｒ２の中点に出力パッド（Ｏｕｔ１）１３Ｂが設けられている。第１の検知ユニット１Ａに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ３と第２の検知ユニット１Ｂに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ４は直列に接続されており、この直列部では、磁気抵抗効果素子Ｒ３と磁気抵抗効果素子Ｒ４の中点に出力パッド（Ｏｕｔ２）１３Ａが設けられている。

　磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ２の直列部と、磁気抵抗効果素子Ｒ３，Ｒ４の直列部とが並列に接続されてブリッジ回路が構成されており、このブリッジ回路に電源電圧Ｖｄｄが印加されている。そして、２つの直列部は接地パッド１２Ａ，１２Ｂによって接地電位に設定されている。

　図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、外部配線１６によって、出力パッド（Ｏｕｔ１）１３Ｂからの検知出力と、出力パッド（Ｏｕｔ２）１３Ａからの検知出力がコイル通電部１７に与えられている。コイル通電部１７は、差動増幅部１８と補償回路１９とを有している。差動増幅部１８はオペアンプを主体として構成されており、入力された２つの検知出力の差（Ｏｕｔ１－Ｏｕｔ２）が検出電圧Ｖｄとして求められる。この検出電圧Ｖｄが補償回路１９に与えられてフィードバック電流Ｉｄが生成され、フィードバック電流Ｉｄが、第１の検知ユニット１Ａに設けられた第１のコイルＣ１と第２の検知ユニット１Ｂに設けられた第２のコイルＣ２に与えられる。

　なお、差動増幅部１８と補償回路１９とが一体となったものが、補償型の差動増幅部と呼ばれることがある。

　図１と図２に示すように、外部配線１６を介して接続されるコイル通電部１７と第１のコイルＣ１ならびに第２のコイルＣ２との間に、第１の切替え部ＳＷ１と第２の切替え部ＳＷ２が設けられている。

　前記切替え部ＳＷ１，ＳＷ２が図１の状態に切替えられると、図７（Ａ）に示すように、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２とが直列に接続され、さらに検出抵抗Ｒが直列に接続されて接地される。前記切替え部ＳＷ１，ＳＷ２が図２の状態に切替えられると、図７（Ｂ）に示すように、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２とが並列に接続され、さらに検出抵抗Ｒが直列に接続されて接地される。

　切替え部ＳＷ１，ＳＷ２はトランジスタなどのスイッチング素子で構成され、図示しない制御部からの切替え信号によって、図１および図７（Ａ）の直列構成と、図２および図７（Ｂ）に示す並列構成とに切替えられる。あるいは、切替え部ＳＷ１，ＳＷ２が手動式のスイッチ機構で構成されていてもよい。または、切替え部ＳＷ１，ＳＷ２は、図１の状態または図２の状態となるように半田付けなどで配線を固定することで、機器に応じて図７（Ａ）の直列構成と、図７（Ｂ）に示す並列構成とを選択して固定してもよい。

　図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、磁界検知装置１０には、検出抵抗Ｒを含む電流検出部（電圧検出部）２１が設けられている。

　次に、磁界検知装置１０の動作を説明する。
　図６（Ａ）に示すように、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂは、共に電流路３０の下側（Ｚ１側）に並んで配置されている。電流路３０に被測定電流Ｉ０がＸ方向に流れると、電流路３０の回りに測定用の電流磁界Ｈ０が誘導される。図１と図２に示すように、この電流磁界Ｈ０によって、第１の検知ユニット１Ａに測定磁場Ｈａが作用し、第２の検知ユニット１Ｂに測定磁場Ｈｂが作用する。測定磁場Ｈａと測定磁場Ｈｂは、交流磁界であっても直流磁界であってもその方向が互いに同じ向きである。

　第１のコイルＣ１の直線部Ｃａの下に対向している磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３と、第２のコイルＣ２の直線部Ｃｂの下に対向している磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４とでは、固定磁性層の固定磁場の向きＰａとＰｂが１８０度相違しており、自由磁性層で単磁区化された磁化の向きＦａとＦｂが１８０度相違している。

　例えば、測定磁場Ｈａで、磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３の自由磁性層の磁化の向きＦａがＹ２方向へ傾けられて、磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３の抵抗値が下がると、測定磁場Ｈｂで、磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４の自由磁性層の向きＦｂが同じＹ２方向へ傾けられるので、磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４の抵抗値が高くなる。測定磁場Ｈａ，Ｈｂの向きが変ると、抵抗値の変化は前記と逆になる。いずれにせよ、磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３と磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４とで、抵抗値が逆極性となるように変化する。

　そのため、図７（Ａ）（Ｂ）に示すブリッジ回路では、測定磁場Ｈａ，Ｈｂの大きさと向きに応じて、出力パッド（Ｏｕｔ１）１３Ｂと出力パッド（Ｏｕｔ２）１３Ａの電位が変化し、一方の電位が高くなると他方の電位が低くなり、これに応じて差動増幅部１５ａの出力値である検出電圧Ｖｄが変化する。検出電圧Ｖｄは被測定電流Ｉ０が大きくなって誘導される電流磁界Ｈ０が大きくなるにしたがって増大していく。

　検出電圧Ｖｄの増減に応じて補償回路１９から、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２にフィードバック電流（キャンセル電流）Ｉｄが与えられる。

　第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２が図１のように直列に接続されているときと、図２に示すように並列に接続されているときのいずれにおいても、第１のコイルＣ１の直線部Ｃａと第２のコイルＣ２の直線部Ｃｂに、フィードバック電流Ｉｄが同じ向きに流れる。したがって、直線部Ｃａに流れるフィードバック電流Ｉｄで誘導されて第１の磁気検知部３Ａに作用するフィードバック磁界Ｈｄと、直線部Ｃｂに流れるフィードバック電流Ｉｄで誘導されて第２の磁気検知部３Ｂに作用するフィードバック磁界Ｈｅは同じ向きである。

　第１の磁気検知部３Ａと第２の磁気検知部３Ｂに対しては、フィードバック磁界ＨｄとＨｅが、電流磁界Ｈ０による測定磁場Ｈａ，Ｈｂを打ち消す方向に作用する。被測定電流Ｉ０で誘導される測定磁場Ｈａ，Ｈｂが、フィードバック磁界Ｈｄ，Ｈｅよりも大きいときは、検出電圧Ｖｄの絶対値が大きくなり、補償回路１９で、フィードバック電流Ｉｄが増大させられ、フィードバック磁界Ｈｄ，Ｈｅが大きくなって測定磁場Ｈａ，Ｈｂをキャンセルするように作用する。第１の磁気検知部３Ａと第２の磁気検知部３Ｂに作用する測定磁場Ｈａ，Ｈｂとフィードバック磁界Ｈｄと，Ｈｅとが平衡状態となったときに、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２に流れるフィードバック電流Ｉｄの電流値が、図７（Ａ）（Ｂ）に示す電流検知部２１で検知され、これが被測定電流Ｉ０の電流測定値となる。

　図１１は、被測定電流Ｉ０で誘導される電流磁界Ｈ０と、電流検知部２１で検知されるフィードバック電流Ｉｄの関係を示している。図１と図７（Ａ）に示すように第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２が直列に接続されたときの電流磁界Ｈ０とフィードバック電流Ｉｄの関係が直線αで示されている。図２と図７（Ｂ）に示すように第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２が並列に接続されたときの電流磁界Ｈ０とフィードバック電流Ｉｄの関係が直線βで示されている。

　図２と図７（Ｂ）に示すように第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２が並列に接続されているときは、測定磁場Ｈａ，Ｈｂをキャンセルするのに必要なフィードバック電流Ｉｄが、直列に接続されているときの２倍必要になる。これは、電流磁界Ｈ０が所定の幅で変化したときに電流検知部２１で検知されるフィードバック電流Ｉｄの変化幅が、直列のときに比べて並列のときが２倍になることを意味している。よって、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２を並列に接続することで、被測定電流Ｉ０で誘導される電流磁界Ｈ０を検知する検知感度が高くなる。

　一方で、フィードバック電流Ｉｄが所定の幅で変化するときの、電流磁界Ｈ０の変化幅は、コイルが並列のときよりも直列のときの方が広くなる。よって、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２を直列に接続することで、被測定電流Ｉ０の検知幅が広がり測定のダイナミックレンジを広げることが可能になる。

　図３と図４に本発明の第２の実施の形態の磁界検知装置２０が示されている。図６（Ｂ）に示すように、磁界検知装置２０は、電流センサＩＳ２として使用される。この電流センサＩＳ２は、第１の検知ユニット１Ａが電流路３０よりも下側（Ｚ１側）に対向し、第２の検知ユニット１Ｂが電流路３０よりも上側（Ｚ２側）に対向している。

　図３と図４に示す第２の実施の形態の磁界検知装置２０における第１の検知ユニット１Ａは、図１と図２に示した第１の検知ユニット１Ａと構造が同じである。図３と図４に示す第２の検知ユニット１Ｂは、図１と図２に示した第２の検知ユニット１Ｂと同じである。ただし、図３と図４に示す第２の検知ユニット１Ｂは、図１と図２に示す第１の検知ユニットをＹ１－Ｙ２方向へ１８０度回転させたものである。すなわち、図３と図４に示す第２の実施の形態では、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂが、同じ構造で同じ向きで使用されていることになる。

　したがって、この磁界検知装置２０では、第１の検知ユニット１Ａに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３での固定磁性層の磁化の固定方向Ｐａおよび自由磁性層の磁化の向きＦａと、第２の検知ユニット１Ｂに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４での固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｂおよび自由磁性層の磁化の向きＦｂとが、同じである。

　ただし、図６（Ｂ）に示すように、被測定電流Ｉ０で誘導される電流磁界Ｈ０によって、第１の検知ユニット１Ａに作用する測定磁場Ｈａと第２の検知ユニット１Ｂに作用する測定磁場Ｈｃは逆向きである。

　図３と図４に示すように、第１の検知ユニット１Ａと第２の検知ユニット１Ｂは外部配線２６によってコイル通電部１７と接続されている。また、外部配線２６には、第３の切替え部ＳＷ３と第４の切替え部ＳＷ４が設けられている。図３では、切替え部ＳＷ３とＳＷ４の切替え動作によって、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２が直列に接続されている。このときの回路図は図７（Ａ）と同じである。図４では、切替え部ＳＷ３とＳＷ４の切替え動作によって、第１のコイルＣ１と第２のコイルＣ２が並列に接続されている。このときの回路図は図７（Ｂ）と同じである。

　図３の直列接続と図４の並列接続の双方において、第１のコイルＣ１の直線部Ｃａと第２のコイルＣ２の直線部Ｃｂでは、フィードバック電流ＩｄはＸ方向において互いに逆向きに流れる。直線部ＣａとＣｂの一方でフィードバック電流Ｉ０がＸ１方向に流れるとき、他方ではＸ２方向に流れる。

　第１の検知ユニット１Ａに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３と第２の検知ユニット１Ｂに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４とで構成されるブリッジ回路は、図７（Ａ）（Ｂ）と同じである。よって、第２の実施の形態の磁界検知装置２０では、被測定電流Ｉ０に対して第１の実施の形態の磁界検知装置１０と同じ検知出力を得ることができる。

　すなわち、第１の実施の形態と第２の実施の形態の双方において、第１の磁気検知部３Ａに設けられた２個の磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３は、固定磁性層の固定磁化Ｐａの向きが互いに同じで、第２の磁気検知部３Ｂに設けられた２個の磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４も固定磁性層の固定磁化Ｐｂの向きが互いに同じである。また、第１の磁気検知部３Ａに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３の固定磁化Ｐａの方向と、第２の磁気検知部３Ｂに設けられた磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４の固定磁化Ｐｂの方向のうちの一方は、フィードバック磁界Ｈｅに沿う方向に向けられ、他方が前記フィードバック磁界Ｈｄと逆方向に向けられている。

　第１の検知ユニット１Ａに設けられた第１の磁気検知部３Ａでは、２個の磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３において、固定磁性層の磁化の固定方向Ｐａと自由磁性層の磁化の方向Ｆａが同じであるため、同じ基板上に少なくとも２個の磁気抵抗効果素子Ｒ２，Ｒ３を一緒に形成することができる。これは、第２の検知ユニット１Ｂに設けられた第２の磁気検知部３Ｂにおける少なくとも２個の磁気抵抗効果素子Ｒ１，Ｒ４においても同じである。ここで、少なくとも２個の磁気抵抗効果素子とは、それぞれの検知ユニット１Ａ，１Ｂに例えば４個の磁気抵抗効果素子を、固定磁性層の固定磁化の方向と自由磁性層の磁化の方向と同じ向きに揃えて形成することが可能であることを意味している。

　それぞれの検知ユニット１Ａ，１Ｂにおいて、磁気抵抗効果素子の固定磁性層の固定磁化の方向を同じ向きにできるため、固定磁性層と反強磁性層を積層して、固定磁性層の固定磁化を反強磁性結合で決めることが可能になる。すなわち、同じ検知ユニット内で同じ基板上に形成される磁気抵抗効果素子は、固定磁性層の固定磁化の向きが同じであるため、磁場中アニール処理によって固定磁化の向きを一緒に揃えることが可能になる。

　図８と図９には、反強磁性結合を利用したＧＭＲ素子の製造方法が示されている。
　図８（Ａ）では、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｒのシード層４１の上に、Ｉｒ－Ｍｎの反強磁性層４２を成膜し、その上にＣｏ－Ｆｅの第１の強磁性層４３とＲｕの中間層４４とＣｏ－Ｆｅの第２の強磁性層４５の３層構造の固定磁性層を形成する。固定磁性層を構成する第２の強磁性層４５の上にＣｕの非磁性中間層４６を形成し、その上にＣｏ－Ｆｅ層とＮｉ－Ｆｅ層の２層構造の自由磁性層４７を形成し、さらにＲｕの酸化防止層４８を形成する。

　図８（Ｂ）では、磁場中のアニール処理を行う。このアニール処理の結果、反強磁性層４２と第１の強磁性層４３との間の反強磁性結合により第１の強磁性層４３の磁化が決められる。Ｒｕの中間層４４の厚さを適正に設定することで、第２の強磁性層４５の磁化を第１の強磁性層４３と逆向きに固定することが可能になる。このようにして、固定磁性層の固定磁化（Ｐｉｎ）が決められる。

　図８（Ｃ）では、エッチング処理によって、酸化防止層４８を完全に除去し、自由磁性層４７のＮｉ－Ｆｅ層の上方の一部まで除去する。その後、図８（Ｄ）に示すように、連続して自由磁性層の一部であるＣｏ－Ｆｅの強磁性層４９と、Ｉｒ－Ｍｎの反強磁性層５１を磁場中で成膜する。さらにＴａのキャップ層５２を形成する。Ｉｒ－Ｍｎの反強磁性層５１を磁場中で成膜することで、アニール処理を経ることなく、層４７と層４９とが重ねられた自由磁性層にバイアス磁界を与えることができ、自由磁性層を単磁区化しその磁化の向きを固定磁性層の固定磁化の方向と直交する向きに揃えることができる。

　次に、図９に示す製造方法は、（Ａ）においてシード層４１、反強磁性層４２、第１の強磁性層４３、中間層４４、第２の強磁性層４５、非磁性中間層４６、自由磁性層４７を形成し、その後に、酸化防止層５３としてＲｕ層ではなくＰｔ層を形成する。図９（Ｂ）では、磁場中アニールを行って、反強磁性結合により第１の強磁性層４３と第２の強磁性層４５の磁化を固定し、固定磁性層の固定磁化（Ｐｉｎ）が決められる。

　図９（Ｄ）では、Ｐｔ層の酸化防止層５３を除去することなく、その上にＮｉ－Ｆｅ層５４と強磁性層４９とＩｒ－Ｍｎの反強磁性層５１を磁場中で成膜する。Ｐｔ層は強磁性結合を行うため、４７，５４，４９の各層から成る自由磁性層の磁化が、固定磁性層の固定磁化（Ｐｉｎ）と直交する向きに決められる。

　図１０（Ａ）は、特許文献１や特許文献２に示すセルフ止め型の強磁性固定層を使用したＧＭＲ素子を使用した磁界検知装置を比較例として示し、図１０（Ｂ）は、図８や図９に示すように、磁場中アニール処理を行って反強磁性結合により固定磁性層の磁化方向を固定した実施例を示している。

　図１０（Ａ）（Ｂ）は、横軸に測定磁場の強度を示し、縦軸に電流センサでの検知出力（電圧出力）を示している。比較例と実施例において実線は初期の動作特性を示しており、破線は、５００ｍＴの強磁場に晒した後の動作特性を示している。図１０（Ａ）に示す比較例では、強磁場に晒されると、固定磁性層の磁化の固定が不安定になり、出力にバイアス値が重畳する。一方で、図１０（Ｂ）に示す実施例では、固定磁性層の磁化の固定が安定し、バイアスによるノイズが重畳しない出力を得ることができる。

１Ａ　第１の検知ユニット
１Ｂ　第２の検知ユニット
２Ａ，２Ｂ　基板
３Ａ　第１の磁気検知部
３Ｂ　第２の磁気検知部
１０　磁界検知装置
１７　コイル通電部
２０　磁界検知装置
２１　電流検知部
３０　電流路
４２　反強磁性層
４３　第１の強磁性層
４４　中間層
４５　第２の強磁性層
４６　非磁性中間層
４７　自由磁性層
５１　反強磁性層
Ｃ１　第１のコイル
Ｃ２　第２のコイル
Ｃａ，Ｃｂ　直線部
Ｆａ，Ｆｂ　自由磁性層の磁化の向き
Ｈ０　電流磁界
Ｈａ，Ｈｂ　測定磁場
Ｈｄ，Ｈｅ　フィードバック磁界
Ｉ０　被測定電流
ＩＳ１，ＩＳ２　電流センサ
Ｉｄ　フィードバック電流
Ｐａ，Ｐｂ　固定磁性層の磁化の固定方向
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４　磁気抵抗効果素子
Ｒ　検出抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４　切替え部
Ｖｄ　検出電圧

Claims

　測定磁場の強度に応じて検知出力が変化する磁気検知部と、前記磁気検知部に前記測定磁場と逆向きのフィードバック磁界を与えるコイルと、前記磁気検知部の検知出力に応じて前記コイルに対して前記フィードバック磁界を誘導するフィードバック電流を供給するコイル通電部と、前記コイルに流れる電流量を検知する検知部、とが設けられた磁界検知装置において、
　第１の検知ユニットと第２の検知ユニットが設けられ、前記第１の検知ユニットに、第１の磁気検知部と、前記第１の磁気検知部に前記フィードバック磁界を与える第１のコイルとが設けられ、前記第２の検知ユニットに、第２の磁気検知部と、前記第２の磁気検知部に前記フィードバック磁界を与える第２のコイルが設けられており、
　前記第１の磁気検知部と前記第２の磁気検知部は、自由磁性層と固定磁性層との磁化方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を少なくとも２個ずつ備えており、
　前記第１の磁気検知部に設けられた少なくとも２個の前記磁気抵抗効果素子は前記固定磁性層の固定磁化の向きが互いに同じで、前記第２の磁気検知部に設けられた少なくとも２個の前記磁気抵抗効果素子は前記固定磁性層の固定磁化の向きが互いに同じで、
　前記第１の磁気検知部に設けられた前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁化の方向と、前記第２の磁気検知部に設けられた前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁化の方向のうちの一方は、前記フィードバック磁界に沿う方向に向けられ、他方が前記フィードバック磁界と逆方向に向けられており、
　前記第１の磁気検知部に設けられた磁気抵抗効果素子と、前記第２の磁気検知部に設けられた磁気抵抗効果素子とが直列に接続された直列部が２組設けられ、この２組の直列部でブリッジ回路が構成されて、前記ブリッジ回路からの出力に応じて前記フィードバック電流が決められることを特徴とする磁界検知装置。
　前記第１のコイルと前記第２のコイルが直列に接続されている請求項１記載の磁界検知装置。
　前記第１のコイルと前記第２のコイルが並列に接続されている請求項１記載の磁界検知装置。
　前記第１のコイルと前記第２のコイルの接続を直列と並列とに切替える切替え部が設けられている請求項１記載の磁界検知装置。
　前記磁気抵抗効果素子の前記固定磁化の方向と交差する電流路が設けられ、前記電流路に流れる被測定電流によって前記測定磁場が誘導される請求項１ないし４のいずれかに記載の磁界検知装置。
　前記第１の検知ユニットと前記第２の検知ユニットが、前記電流路に対して同じ側に配置されており、
　前記第１の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向と、前記第２の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向とが、逆向きである請求項５記載の磁界検知装置。
　前記第１の検知ユニットと前記第２の検知ユニットが、前記電流路を挟む位置に配置されており、
　前記第１の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向と、前記第２の検知ユニットに設けられた前記磁気抵抗効果素子の固定磁化の方向とが、同じ向きである請求項５記載の磁界検知装置。
　前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化の向きが、前記固定磁性層と前記反強磁性層との反強磁性結合により設定されている請求項１ないし７のいずれかに記載の磁界検知装置。
　前記磁気抵抗効果素子は、前記自由磁性層の磁化がＩｒ－Ｍｎ合金との反強磁性結合により、前記固定磁化の方向と直交する向きに設定されている請求項８記載の磁界検知装置。