WO2020054112A1 - 磁気センサおよび電流センサ - Google Patents

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WO2020054112A1
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健司 一戸
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アルプスアルパイン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor and a current sensor including the magnetic sensor.
  • a sensor using a magnetic sensor for detecting a magnetic field from a measured current is known.
  • a magnetoresistive element such as a GMR (giant magnetoresistive) element can be used.
  • the magnetoresistive effect element has high detection sensitivity, it has a feature that the magnetic field intensity range in which linearity can be detected is relatively narrow. For this reason, like the current sensor shown in FIG. 3 of Patent Document 1, a magnetic shield is arranged between the current to be measured and the magnetoresistive element, and the magnetic field applied to the magnetoresistive element is substantially reduced. In some cases, a method is used in which the intensity is reduced so that the magnitude of the magnetic field to be measured falls within a magnetic field intensity range having good detection characteristics.
  • Patent Literature 2 it is realized that by providing a hard bias layer made of a hard magnetic material on a magnetic shield, this magnetic hysteresis is suppressed and the linearity of the output of the magnetoresistive element is improved. .
  • the present invention provides a magnetic shield and a magnetoresistive element, in which the measurement accuracy of the magnetoresistive element does not easily decrease even when a large magnetic field is applied to the magnetic sensor without using a hard bias layer. It is an object of the present invention to provide a magnetic sensor having: Another object of the present invention is to provide a current sensor including such a magnetic sensor.
  • a magnetic sensor includes a magnetic sensor including: a magnetoresistive element; and a magnetic shield disposed to face the magnetoresistive element and attenuating the intensity of a magnetic field to be measured applied to the magnetoresistive element.
  • a sensor comprising: a magnetic generating means electrically connected to the magnetoresistive element, by a magnetic field generated from the magnetic generating means when supplying power to the magnetoresistive element together with the magnetic generating means, A bias magnetic field is applied to the magnetic shield.
  • the magnetic shield has a rectangular shape having a longitudinal direction and a transversal direction in a plan view, and the direction of the sensitivity axis of the magnetoresistive element is along the transversal direction, and is generated by the magnetism generating means.
  • the direction of the magnetic field flowing through the shield is such that the configuration along the longitudinal direction, the magnetoresistive element and the magnetism generating means are arranged in the longitudinal direction in plan view, and the magnetoresistive element is A configuration closer to the center of the magnetic shield than the generating means is preferable in order to reduce the hysteresis of the output of the magnetic sensor.
  • the magnetism generating means is formed on the same substrate plane as the magnetoresistive effect element in order to improve the manufacturing efficiency of the magnetic sensor.
  • the magnetic sensor includes two of the magnetism generating means, and the directions of the magnetic fields generated by the two magnetism generating means are opposite to each other.
  • a bridge circuit is formed by the plurality of magnetoresistive elements, and the magnetism generating means is provided between the bridge circuit and a power supply terminal and between the bridge circuit and the ground terminal. Power is supplied to the bridge circuit via the power supply terminal and the ground terminal, so that one of the magnetism generating means generates a magnetic field in a direction toward the magnetic shield, and the other is the magnetic shield. It is preferable to generate a magnetic field in a direction away from the magnetic field.
  • the magnetism generating means is a planar coil formed on the same substrate plane as the magnetoresistive element, and the two magnetism generating means have mutually opposite turning directions.
  • the magnetic shield has a rectangular shape having a longitudinal direction and a lateral direction in a plan view, and the ends on both sides in the longitudinal direction of the magnetic shield in a plan view are connected to the two magnetism generating means.
  • Each overlapping configuration is preferred. With this configuration, the entire magnetic shield can be made into a single magnetic domain.
  • a current sensor including the magnetic sensor described above, wherein the magnetic sensor uses a magnetic field of a measured current as the measured magnetic field.
  • the configuration in which a bias magnetic field is applied to the magnetic shield from the magnetic generation means when power is supplied to the magnetoresistive effect element allows the magnetic shield of the applied magnetic field to be applied. Can be suppressed. For this reason, the influence on the magnetoresistance effect element due to the return magnetic field based on the residual magnetization of the magnetic shield can be suppressed without using a hard bias layer. Therefore, there is provided a magnetic sensor in which the measurement accuracy of the magnetoresistive element is hardly reduced. Also, a current sensor using such a magnetic sensor is provided.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a line V1-V1 of FIG. 3B, schematically illustrating an effect of a residual magnetic field of a magnetic shield on a magnetoresistance effect element.
  • FIG. 2 is a plan view showing a positional relationship of the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention as viewed from a magnetic shield side.
  • FIG. 6 is a perspective view conceptually showing a structure of a magnetic sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view conceptually showing a structure of a magnetic sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line V2-V2 of FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view conceptually showing the structure of the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention.
  • a magnetic sensor 1 according to an embodiment of the present invention includes magnetoresistive elements 11a, 11b, 11c, and 11d (hereinafter, these are referred to as magnetoresistive elements 11 when these are not appropriately distinguished).
  • magnetoresistive elements 11 when these are not appropriately distinguished.
  • a magnetic shield 20 arranged to face the magnetoresistive element 11.
  • Each of the four magnetoresistive elements 11 of the magnetic sensor 1 has a giant magnetoresistive element (having a meandering shape (a shape formed by connecting a plurality of long patterns extending in the X1-X2 direction so as to be folded)). GMR element).
  • the sensitivity axis direction P of each of the four magnetoresistive elements 11 is indicated by an arrow in FIG. 1, and the sensitivity axis directions P of the magnetoresistive elements 11a and 11d are oriented in the Y1-Y2 direction Y1.
  • the sensitivity axis direction P of the resistance effect element 11b and the magnetoresistance effect element 11c is set so as to face the Y2 side in the Y1-Y2 direction.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure provided in the magnetoresistive element 11.
  • each of the four magnetoresistive elements 11 has a configuration in which a fixed magnetic layer 31, a nonmagnetic layer 32, and a free magnetic layer 33 are stacked.
  • the resistance value is a relative relationship between the magnetization direction of the fixed magnetic layer 31 whose magnetization direction is fixed in the sensitivity axis direction P (see FIG. 1) and the free magnetic layer 33 whose magnetization direction changes with an external magnetic field. It changes with. By detecting the change in the resistance value, the direction and strength of the external magnetic field can be detected.
  • an exchange bias magnetic field using an exchange coupling magnetic field with the antiferromagnetic layer 34 is applied in a direction orthogonal to the sensitivity axis direction P of each of the four magnetoresistive elements 11. .
  • the magnetization directions of the free magnetic layers 33 of the four magnetoresistive elements 11 can be aligned by the exchange bias magnetic field applied to the free magnetic layer 33.
  • FIG. 3A to 3C are plan views schematically showing the magnetic domain state of the magnetic shield 20.
  • FIG. 3A shows the initial magnetic domain state
  • FIG. 3B shows the state after the application of the noise magnetic field
  • FIG. 3C shows the state of the magnetic domain after the bias magnetic field is applied.
  • the magnetic shield 20 attenuates the intensity of the magnetic field to be measured applied to the magnetoresistive element 11.
  • the magnetic shield 20 is orthogonal to the sensitivity axis direction P (Y1-Y2 direction) in plan view (when viewed from the Z1-Z2 direction). It has a rectangular shape with the direction (X1-X2 direction) as the longitudinal direction and the sensitivity axis direction P (Y1-Y2 direction) as the lateral direction, and the magnetoresistive elements 11a to 11d overlap within this rectangle.
  • the magnetic shield 20 in the initial stage forms a return magnetic domain as shown in FIG. 3A, the magnetic domain parallel to the sensitivity axis direction P is very small, and the region overlapping with the magnetoresistive element 11 is the sensitivity axis direction P. And orthogonal. For this reason, the influence of the magnetic domain of the magnetic shield 20 on the sensitivity of the magnetoresistance effect element 11 is very small.
  • the magnetic domain in the applied direction becomes large, and even after the application, as shown in FIG.
  • the residual magnetization M0 may remain.
  • the magnetic domain parallel to the sensitivity axis direction P overlaps with the magnetoresistive element 11, and the effect of the residual magnetization M0 on the magnetoresistive element 11 increases.
  • the magnetic shield 20 is generally made of an amorphous or nanocrystalline soft magnetic material that easily moves the domain wall after a noise magnetic field is applied, has a small magnetic anisotropy, and has no grain boundaries. It is not enough to suppress the influence of the residual magnetization M0.
  • the magnetic shield 20 has a length in the X1-X2 direction. Therefore, due to the shape magnetic anisotropy effect, the magnetization in the short Y1-Y2 direction is less likely to occur than the magnetization in the long X1-X2 direction. However, when the external magnetic field is strong, the residual magnetization M0 may be generated in the short Y1-Y2 direction.
  • the magnetic sensor 1 of the present embodiment is provided with two planar coils (magnetic generating means) 12a and 12b electrically connected to the magnetoresistive element 11.
  • a magnetic field generated from the planar coils 12a and 12b is applied to the magnetic shield 20 as a bias magnetic field B.
  • the bias magnetic field B By applying the bias magnetic field B, the influence of the noise magnetic field is reset, and the magnetic shield 20 becomes a single magnetic domain as shown in FIG. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of the residual magnetization M0 in the magnetic shield 20 when the noise magnetic field is applied, and to suppress a decrease in the detection sensitivity of the magnetoresistive element 11.
  • FIG. 4 schematically shows the effect of the residual magnetic field of the magnetic shield 20 on the magnetoresistive element 11d.
  • the magnetic sensor 1 of FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line V1-V1 cut along a plane including the Y2 axis and the Z1-Z2 axis.
  • the magnetoresistive element 11 is formed on the substrate plane 10 and is covered with an insulating layer IM made of an insulating material (alumina, silicon nitride, etc. are given as specific examples).
  • the magnetic shield 20 is arranged above the magnetoresistance effect element 11 (on the Z1-Z2 direction Z1 side) and away from the magnetoresistance effect element 11. The distance between the magnetic shield 20 and the magnetoresistive element 11 is adjusted by the thickness of the insulating layer IM located therebetween.
  • a magnetic field based on the residual magnetization M0 (a return magnetic field RM0) is applied to the magnetoresistive effect element 11 in a direction opposite to the direction of the residual magnetization M0 (Y1-Y2 direction Y1 direction).
  • the return magnetic field RM0 causes an offset, and reduces the measurement accuracy of the magnetic sensor 1. Even in such a case, by passing a current through the bridge circuit 16 (see FIG. 1), the remanent magnetization M0 of the magnetic shield 20 is reset using the magnetic field generated from the planar coils 12a and 12b as the bias magnetic field B. can do.
  • the return magnetic field RM0 based on the residual magnetization M0 can be prevented or suppressed from being applied to the magnetoresistance effect element 11. Therefore, by suppressing the occurrence of the characteristic fluctuation of the magnetic shield 20 due to the application of the strong magnetic field or by resetting the generated characteristic fluctuation, the measurement accuracy of the magnetic sensor 1 including the magnetoresistive element 11 does not have the planar coils 12a and 12b. It is better than the case.
  • FIG. 5 is a plan view showing the positional relationship of the magnetic sensor according to one embodiment of the present invention as viewed from the magnetic shield 20 side (Z1 side of the Z1-Z2 axis).
  • the ends 201 on both sides in the longitudinal direction of the magnetic shield 20 are located so as to overlap the planar coils 12a and 12b, respectively, in plan view from the magnetic shield 20 side.
  • each magnetoresistive element 11 is along the width direction of the magnetic shield 20, and the direction of the bias magnetic field B generated from the planar coils 12a and 12b and flowing through the magnetic shield 20 is in the longitudinal direction of the magnetic shield 20.
  • the magnetoresistive element 11 and the planar coils 12a and 12b are arranged in the longitudinal direction of the magnetic shield 20 in plan view, and the magnetoresistive element 11 is more diagonal of the magnetic shield 20 than the planar coils 12a and 12b in the longitudinal direction. It is located near the center C which is the intersection.
  • a plane coil 12a is provided between the bridge circuit 16 composed of four magnetoresistive elements and the power supply terminal 14, and a plane coil 12b is provided between the bridge circuit 16 and the ground terminal 15. Is provided.
  • a current also flows through the planar coil 12a and the planar coil 12b, and a magnetic field is generated from the planar coil 12a and the planar coil 12b. Occurs.
  • planar coil 12a and the planar coil 12b are opposite to each other, and the planar coil 12a, which is one of the two planar coils, generates a magnetic field in a direction toward the magnetic shield 20, and the other of the two planar coils.
  • a certain planar coil 12 b generates a magnetic field in a direction away from the magnetic shield 20.
  • the arrow shown by the dotted line in FIG. 1 indicates the direction of the current.
  • FIG. 2 shows an example in which the planar coils 12a and 12b and the bridge circuit 16 are connected in series, any configuration may be used as long as power is supplied to the bridge circuit 16 together with the planar coils 12a and 12b.
  • the planar coils 12a and 12b and the bridge circuit 16 may be connected in parallel.
  • a bias magnetic field B orthogonal to the sensitivity axis direction P of the magnetoresistive element 11 is generated.
  • the magnetic sensor 1 can apply the bias magnetic field B to the magnetic shield 20 without using the hard bias layer of the permanent magnet by using the magnetic field of the planar coil 12a and the planar coil 12b connected to the bridge circuit 16. become.
  • the magnetism generating means When the magnetism generating means is configured as the planar coils 12a and 12b as described above, the magnetism generating means can be formed on the same substrate plane 10 as the magnetoresistance effect element 11. In this case, the bias magnetic field B is generated.
  • the planar coils 12a and 12b and the bridge circuit 16 can be formed simultaneously by a thin film process.
  • the direction in which the bias magnetic field B is applied to the magnetic shield 20 can be arbitrarily set by the relative arrangement (layout) of the planar coils 12a and 12b and the magnetic shield 20.
  • the bridge circuit 16 includes a series connection of magnetoresistive elements 11a and 11b having different directions in the sensitivity axis direction P and a series connection of magnetoresistive elements 11c and 11d having different directions in the sensitivity axis direction P. And are connected in parallel.
  • the midpoint potential of each series connection changes depending on the strength and direction of the magnetic field to the bridge circuit 16. Accordingly, the potential of the terminal 13a for measuring the midpoint potential between the serially connected magnetoresistive elements 11a and 11b and the potential between the serially connected magnetoresistive elements 11c and 11d are different. By comparing the potential of the point potential measuring terminal 13b with the potential, the strength and direction of the magnetic field (measured magnetic field) of the measured current Io flowing through the current line 30 to be measured can be measured.
  • the magnetic sensor 1 of the present invention includes the planar coils 12a and 12b that generate the bias magnetic field B that suppresses or prevents the characteristic fluctuation of the magnetic shield 20 due to the application of the strong magnetic field. Therefore, the generation of the residual magnetization M0 due to the strong external magnetic field can be suppressed by the bias magnetic field B generated when the power is supplied to the bridge circuit 16, so that the measurement accuracy of the magnetic sensor 1 due to the magnetic shield 20 can be prevented from lowering.
  • a bias magnetic field may be applied to the four magnetoresistive elements 11 in order to prevent the free magnetic layer 33 (see FIG. 2) from becoming multi-domain due to a strong external magnetic field.
  • increasing this bias magnetic field is effective in suppressing the formation of multiple magnetic domains in the free magnetic layer 33, but as a potential difference between the midpoint potential measuring terminal 13a and the midpoint potential measuring terminal 13b (see FIG. 1).
  • the output to be output becomes smaller. Therefore, from the viewpoint of improving the sensitivity of the magnetic sensor 1, it is not preferable to increase the bias magnetic field applied to the free magnetic layer 33.
  • the planar coils 12a and 12b of the magnetic sensor 1 of the present invention are provided on the same substrate plane 10 as the bridge circuit 16. Therefore, the bridge circuit 16 and the planar coils 12a and 12b can be simultaneously formed on the same substrate plane 10. With the configuration in which the bridge circuit 16 and the planar coils 12a and 12b are provided on the same surface, the bias magnetic field B can be applied to the magnetic shield 20 without using a dedicated circuit separate from the bridge circuit 16. Therefore, the above-described configuration is advantageous from the viewpoint of reducing the cost required for manufacturing the magnetic sensor 1.
  • the entire four magnetoresistive elements 11 overlap the magnetic shield 20 in plan view (when viewed from the Z1 side in the Z1-Z2 direction).
  • the application of the return magnetic field RM0 (see FIG. 4) based on the residual magnetization M0 of the magnetic shield 20 to the four magnetoresistive elements 11 can be more stably prevented or suppressed.
  • the magnetic shield 20 has, for example, a single-layer structure composed of only a soft magnetic layer, an underlayer composed of a soft magnetic material located at the lower end (the end on the Z2 side in the Z1-Z2 direction) of the magnetic shield 20, and an upper layer ( And a soft magnetic layer formed on the Z1 side in the Z1-Z2 direction). Further, the magnetic shield 20 may be configured such that an oxidation protection layer made of tantalum (Ta) or the like is further formed on the soft magnetic layer (on the Z1 side in the Z1-Z2 direction). In the case of a multilayer structure, the underlayer and the soft magnetic layer are made of a soft magnetic material containing an iron group element such as Fe, Co, and Ni. The thickness of the underlayer is set arbitrarily.
  • the thickness of the soft magnetic layer is arbitrarily set as long as the magnetic shield 20 has a predetermined magnetic shielding function.
  • Examples of the thickness of the soft magnetic layer include, but are not limited to, 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the thickness of the soft magnetic layer is preferably 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less.
  • the aspect ratio of the magnetic shield 20 is a ratio of the length in the longitudinal direction (X1-X2 direction) of the magnetic shield 20 to the length in the short direction (Y1-Y2 direction).
  • the method of manufacturing the magnetic shield 20 is optional.
  • a dry process such as sputtering
  • a base layer is formed by a wet process such as electroless plating
  • an exposed base layer is formed.
  • the soft magnetic layer may be formed by electroplating as the conductive layer.
  • planar coils 12a and 12b as the magnetic field generating means, it is possible to efficiently generate a magnetic field when supplying power to the bridge circuit 16. Further, by providing a total of two planar coils 12a and 12b, one on each side of the bridge circuit 16, a magnetic field can be efficiently generated.
  • FIG. 6 is a perspective view conceptually showing the structure of a magnetic sensor 2 according to another embodiment of the present invention.
  • the magnetic sensor 2 shown in the figure is different from the magnetic sensor 1 in the configuration including magnetic generating means 17a and 17b formed of comb-shaped wiring patterns instead of the planar coils 12a and 12b.
  • the magnetism generating means is not limited to a planar coil, as long as it can apply a bias magnetic field B to the magnetic shield 20. Further, only one magnetism generating means may be provided.
  • FIG. 7 is a plan view conceptually showing the structure of the magnetic sensor 3 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line V2-V2 of FIG.
  • the magnetic sensor 3 shown in FIGS. 7 and 8 is the same as the magnetic sensor 1 of FIG. 1 in the configuration including the magnetoresistive elements 11a to 11d and the magnetic shield 20, and has a spiral shape with the magnetic shield 20.
  • the magnetic sensor 1 differs from the magnetic sensor 1 in a configuration including a magnetic balance plane coil (spiral plane coil) 18.
  • FIG. 7 the external shape of the magnetic balance plane coil 18 is indicated by a thick broken line.
  • the plane coil wiring is arranged so as to go around in the XY plane in the area indicated by the broken line.
  • FIG. 8 shows cross sections of a plurality of orbiting plane coil wirings in the magnetic balance plane coil 18 arranged in the Y1-Y2 direction.
  • the magnetic balance plane coil 18 is arranged between the magnetoresistive effect element 11 and the magnetic shield 20, so that a magnetic field which cancels an external magnetic field applied in a state attenuated by the magnetic shield 20 has a relatively small current. It can be caused by: Therefore, it is possible to operate the magnetic balance type magnetic sensor with low power consumption.
  • the magnetoresistive element is one selected from the group consisting of an anisotropic magnetoresistive element (AMR element), a giant magnetoresistive element (GMR element), and a tunnel magnetoresistive element (TMR element). It consists of the above elements.
  • AMR element anisotropic magnetoresistive element
  • GMR element giant magnetoresistive element
  • TMR element tunnel magnetoresistive element
  • the magnetic sensors 1, 2, and 3 provided with the magnetoresistive element according to one embodiment of the present invention can be suitably used as a current sensor. That is, the present invention can be implemented as a current sensor including the magnetic sensors 1, 2, and 3 using the magnetic field of the measured current as the measured magnetic field.
  • Specific examples of the current sensor according to the embodiment of the present invention include a magnetic proportional current sensor and a magnetic balance current sensor.
  • a specific example of the magnetic proportional type current sensor is a case in which the magnetic sensor 1 shown in FIG. 1 is used.
  • the upper part (Z1-Z2) of the magnetic shield 20 shown in FIG. In the direction Z1) the current line 30 through which the measured current Io flows is positioned to extend in the X1-X2 direction.
  • the magnetic field of the measured current Io which is the measured magnetic field, is applied to the magnetoresistance effect element 11 in a direction along the sensitivity axis direction P (Y1-Y2 direction).
  • the intensity of the magnetic field to be measured substantially applied to the magnetoresistive element 11 can be reduced. Therefore, the measurement range of the magnetic sensor 1 can be expanded.
  • the residual magnetization M0 of the magnetic shield 20 can be suppressed or eliminated by the bias magnetic field B generated by the magnetic fields from the planar coils 12a and 12b provided on the substrate plane 10. Therefore, the effects of the return magnetic field RM0 based on the residual magnetization M0 on the four magnetoresistive elements 11 can be suppressed by the planar coils 12a and 12b.
  • the magnetic proportional current sensor 1A includes a magnetic field detecting bridge circuit including four magnetoresistive elements 11 and two outputs that generate a potential difference corresponding to a magnetic field to be measured, which is a magnetic field from the current to be measured Io. Have.
  • the measured current Io is measured by the potential difference output from the magnetic field detecting bridge circuit according to the measured magnetic field.
  • a specific example of the magnetic balance type current sensor is a magnetic balance type current sensor 3A using the magnetic sensor 3 shown in FIGS. 7 and 8.
  • the magnetic shield 20 shown in FIG. On the (Z1-Z2 direction Z1 side), the current line 30 through which the measured current Io flows is positioned to extend in the X1-X2 direction.
  • the magnetic field from the measured current Io which is the measured magnetic field, is applied to the magnetoresistance effect element 11 in a direction along the sensitivity axis direction P (Y1-Y2 direction). Since a part of the magnetic field to be measured passes through the magnetic shield 20 having higher magnetic permeability, the intensity of the magnetic field to be measured substantially applied to the magnetoresistive element 11 can be reduced. Therefore, the amount of current flowing through the magnetic balance plane coil 18 to generate a magnetic field that cancels the magnetic field due to the current to be measured Io substantially applied to the magnetoresistive effect element 11 can be reduced. Power saving of the sensor is realized.
  • the magnetically balanced current sensor 3A uses a magnetic sensor 3 including four magnetoresistive elements 11 and a magnetic field detection bridge circuit.
  • the magnetic field detection bridge circuit outputs a magnetic field to be measured composed of a magnetic field from the current to be measured Io and two outputs that generate a potential difference corresponding to the magnetic field from the magnetic balance plane coil 18 applied so as to cancel the magnetic field to be measured.
  • the measured current Io is measured based on the current flowing through the magnetic balance plane coil 18 when the potential difference output from the magnetic field detection bridge circuit becomes zero.
  • a magnetic sensor including a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention is suitably used as a component of a current sensor of infrastructure equipment such as a columnar transformer or a component of a current sensor of an electric vehicle or a hybrid car. sell.
  • Magnetic sensor 1A 1A Current sensor 10 Substrate plane 11, 11a, 11b, 11c, 11d Magnetoresistive element 12a, 12b Planar coil (magnetism generating means) 13a, 13b Midpoint potential measurement terminal 14 Power supply terminal 15 Ground terminal 16 Bridge circuit 17a, 17b Magnetic generation means 18 Magnetic balance plane coil 20 Magnetic shield 201 End 30 Current line 31 Fixed magnetic layer 32 Nonmagnetic layer 33 Free magnetism Layer 34 Antiferromagnetic layer P Sensitivity axis direction B Bias magnetic field C Center IM Insulating layer M0 Residual magnetization RM0 Return magnetic field

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

磁気センサおよび電流センサ
　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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