WO2022176570A1 - 磁気センサ - Google Patents

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WO2022176570A1
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秀一 大川
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic sensor that detects a magnetic field generated by a current that generates a weak magnetic field to be measured.
  • Patent Document 1 discloses a magnetic sensor (current sensor) that detects a magnetic field generated by a current that generates a magnetic field to be measured.
  • the magnetic sensor described in Patent Document 1 includes an annular magnetic core having a magnetic gap, a coil wound around the annular magnetic core and through which a current that generates a magnetic field to be measured flows, and a magneto-sensitive element arranged in the magnetic gap. I have. With such a configuration, part of the leakage magnetic field passing through the magnetic gap is applied to the magneto-sensitive element, so that the amount of current flowing through the coil can be measured by the magneto-sensitive element.
  • the magnetic gap formed in the annular magnetic core is relatively large in size, the spread of the leakage magnetic field is also large. Therefore, when the current flowing through the coil is weak, the magnetic field component applied to the magneto-sensitive element is reduced, making it difficult to measure with high sensitivity the amount of current that generates the magnetic field to be measured.
  • an object of the present invention is to provide a magnetic sensor capable of detecting a weak magnetic field to be measured with high sensitivity.
  • a magnetic sensor comprises a sensor chip having first and second magnetic layers magnetically coupled through a magnetic gap and a magneto-sensitive element arranged on a magnetic path formed by the magnetic gap; It is characterized by comprising a first external magnetic body that is magnetically coupled with the magnetic layer, and a first measurement current coil wound around the first external magnetic body and through which a current that generates a magnetic field to be measured flows.
  • the magnetic gap can be designed to be very narrow, and most of the leakage magnetic field can be sensed. can be applied to the device. This makes it possible to detect the magnetic field to be measured with high sensitivity even if the current that generates the magnetic field to be measured flowing through the first measurement current coil is weak.
  • the magnetic sensor according to the present invention may further include a second external magnetic body that magnetically couples with the second magnetic layer. According to this, since the magnetic field to be detected passes through the first and second external magnetic bodies via the first and second magnetic layers, it is possible to detect the magnetic field with higher sensitivity. Become.
  • the magnetic sensor according to the invention may further comprise a second measurement current coil wound on a second external magnetic body and connected in series with the first measurement current coil. According to this, it becomes possible to apply a larger magnetic field to the magneto-sensitive element.
  • the first external magnetic body includes a first portion that magnetically couples with the first magnetic layer, a second portion that magnetically couples with the second magnetic layer, and the first portion and the first magnetic layer. It may have a third portion connecting the two portions, and the first measurement current coil may be wound on the third portion. According to this, since the first and second magnetic layers are connected in a loop through the first external magnetic body, it is possible to obtain a structure close to a closed magnetic circuit.
  • the first and second magnetic layers may have a planar shape whose width narrows as it approaches the magnetic gap. According to this, since the magnetic field is more concentrated on the magneto-sensitive element, it is possible to apply a larger magnetic field to the magneto-sensitive element.
  • the first external magnetic body may be provided at a position overlapping with the first magnetic layer. According to this, it is possible to efficiently apply the magnetic field passing through the first external magnetic body to the first magnetic layer.
  • the first measurement current coil may be wound around the first external magnetic body with an offset to the sensor chip side. According to this, it is possible to efficiently apply the magnetic field passing through the first external magnetic body to the first magnetic layer.
  • the magnetic sensor according to the invention may further comprise a compensating coil for canceling the magnetic field produced by the first measuring current coil.
  • the compensation coil may be wound around the first external magnetic body. According to this, it is possible to secure a sufficient number of turns of the compensation coil.
  • the first measurement current coil may be wound closer to the sensor chip than the compensation coil. This makes it possible to efficiently apply the magnetic field generated by the first measurement current coil to the magneto-sensitive element.
  • the compensation coil may be integrally formed within the sensor chip.
  • the present invention can provide a magnetic sensor that can detect a weak magnetic field to be measured with high sensitivity.
  • FIG. 1(a) is a schematic plan view showing the configuration of a magnetic sensor 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1(b) is a schematic cross-sectional view along line AA shown in FIG. 1(a).
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 2 according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 3 according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 4 according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 5 according to a fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 1(b) is a schematic cross-sectional view along line AA shown in FIG. 1(a).
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 2 according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a schematic plan view for explaining the configuration of the sensor chip 10 used in the fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 6 according to a sixth embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 7 according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 8 according to an eighth embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 8a according to a modification of the eighth embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 9 according to a ninth embodiment of the invention.
  • FIG. 1(a) is a schematic plan view showing the configuration of a magnetic sensor 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1(b) is a schematic cross-sectional view along line AA shown in FIG. 1(a).
  • the magnetic sensor 1 includes a sensor chip 10, an external magnetic body 41 arranged so as to overlap the sensor chip 10, and a measurement current wound around the external magnetic body 41. and a coil C1.
  • the sensor chip 10 includes a magneto-sensitive element 31 formed on the xy plane, which is an element forming surface, a protective film 11 covering the magneto-sensitive element 31, magnetic layers 21 and 22 provided on the protective film 11, and a magnetic field. and a protective film 12 covering the body layers 21 and 22 .
  • the magneto-sensitive element 31 is not particularly limited as long as it is an element whose electric resistance changes depending on the direction of the magnetic flux, and for example, an MR element or the like can be used.
  • the fixed magnetization direction of the magneto-sensitive element 31 is the x-direction.
  • the magnetic layers 21 and 22 are thin films made of a high magnetic permeability material such as permalloy.
  • the magnetic layers 21 and 22 are magnetically coupled via a magnetic gap G1 whose width direction is the x direction.
  • the magneto-sensitive element 31 is arranged on the magnetic path formed by the magnetic gap G1, so that an x-direction magnetic field passing through the magnetic layers 21 and 22 is applied to the magneto-sensitive element 31.
  • the magneto-sensitive element 31 it is not essential to position the magneto-sensitive element 31 between the magnetic layer 21 and the magnetic layer 22, and the magneto-sensitive element 31 is formed near the magnetic gap G1 formed by the magnetic layers 21 and 22, that is, by the magnetic gap G1. It suffices if the magneto-sensitive element 31 is arranged on the magnetic path. For example, the width of the magneto-sensitive element 31 in the x-direction is larger than the width of the magnetic gap G1 in the x-direction. I don't mind.
  • the external magnetic body 41 is a rod-shaped body made of a high-permeability material such as ferrite and having its longitudinal direction in the x-direction.
  • a measurement current coil C ⁇ b>1 through which a current I to be measured flows is wound around the central section of the external magnetic body 41 .
  • One end of the external magnetic body 41 in the x direction overlaps with the magnetic layer 21 when viewed from the z direction, whereby the external magnetic body 41 and the magnetic layer 21 are magnetically coupled.
  • the coil axis of the measurement current coil C1 is in the x-direction, so that when the current I to be measured flows through the measurement current coil C1, a magnetic field to be measured is generated in the external magnetic body 41 in the x-direction.
  • the magnetic field to be measured in the x direction generated in the external magnetic body 41 is applied to the magnetic layer 21 and flows to the magnetic layer 22 via the magnetic gap G1.
  • the magneto-sensitive element 31 arranged in the magnetic gap G1 can detect the direction and strength of the magnetic field to be measured generated by the measuring current coil C1, and as a result, the current amount of the current I to be measured can be detected.
  • the magnetic sensor 1 according to this embodiment functions as a current sensor that detects the current amount of the current I to be measured.
  • the magnetic sensor 1 does not arrange the magneto-sensitive element in the magnetic gap provided in the annular magnetic core, but the external magnetic body 41 around which the measurement current coil C1 is wound and the magnetic layer 21. are magnetically coupled, and the magneto-sensitive element 31 is arranged in the magnetic gap G1 between the magnetic layer 21 and the magnetic layer 22 . Since the magneto-sensitive element 31 and the magnetic layers 21 and 22 are all elements integrated in the sensor chip 10, the magnetic gap G1 can be designed to be very narrow, and the magnetic gap G1 and the magneto-sensitive element 31 can be designed with high accuracy. Thus, even if the current I to be measured is weak, it is possible to detect the magnetic field to be measured generated by the current coil C1 to be measured with high sensitivity.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 2 according to a second embodiment of the invention.
  • the magnetic sensor 2 according to the second embodiment differs from the magnetic sensor 1 according to the first embodiment in that an external magnetic body 42 and a measurement current coil C2 are added. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 1 according to the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the external magnetic body 42 is a rod-shaped body made of the same high-permeability material as the external magnetic body 41 and having its longitudinal direction in the x direction.
  • a measuring current coil C2 is wound around the central section of the external magnetic body 42 .
  • a measuring current coil C2 is connected in series with the measuring current coil C1. Therefore, the current I to be measured also flows through the measuring current coil C2.
  • One end of the external magnetic body 42 in the x direction overlaps with the magnetic layer 22 when viewed from the z direction, whereby the external magnetic body 42 and the magnetic layer 22 are magnetically coupled.
  • the coil axes of the measurement current coils C1 and C2 are both in the x direction, so that when the current I to be measured flows through the measurement current coils C1 and C2, a magnetic field to be measured in the x direction is generated in the external magnetic bodies 41 and 42. do.
  • the magnetic sensor 2 includes the external magnetic body 42 that is magnetically coupled with the magnetic layer 22, and the measurement current coil C2 is wound around the external magnetic body 42. Therefore, the current to be measured is It becomes possible to detect the magnetic field to be measured generated by I with higher sensitivity.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 3 according to a third embodiment of the invention.
  • the magnetic sensor 3 according to the third embodiment differs from the magnetic sensor 1 according to the first embodiment in the shape of the external magnetic body 41. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 1 according to the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the external magnetic body 41 has first to third portions 41a to 41c.
  • the first portion 41a is a portion that is magnetically coupled with the magnetic layer 21 by overlapping with the magnetic layer 21, and the second portion 41b is magnetically coupled with the magnetic layer 22 by overlapping with the magnetic layer 22. part.
  • the third portion 41c is a portion that connects the first portion 41a and the second portion 41b, and the measurement current coil C1 is wound around the third portion 41c.
  • the first to third portions 41a to 41c may be integral, or may be formed by adhering or bonding different members.
  • the external magnetic body 41 and the magnetic layers 21 and 22 form a loop-shaped magnetic path that is close to a closed magnetic path. It is possible to efficiently apply the magnetic field to be measured to the magneto-sensitive element 31 .
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 4 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the magnetic sensor 4 according to the fourth embodiment differs from the magnetic sensor 3 according to the third embodiment in that the external magnetic body 41 is substantially ring-shaped. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 3 according to the third embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the flow of the magnetic field in the external magnetic body 41 becomes smoother, so that the magnetic field to be measured generated by the current I to be measured can be applied to the magneto-sensitive element 31 more efficiently.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 5 according to a fifth embodiment of the invention. Also, FIG. 6 is a schematic plan view for explaining the configuration of the sensor chip 10 used in the fifth embodiment.
  • the cross section shown in FIG. 5 corresponds to the cross section along line AA in FIG.
  • the magnetic sensor 5 according to the fifth embodiment differs from the magnetic sensor 1 according to the first embodiment in that the structure of the sensor chip 10 and the longitudinal direction of the external magnetic body 41 are different. is doing. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 1 according to the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the sensor chip 10 used in the fifth embodiment has four magneto-sensitive elements 31-34 and three magnetic layers 21-23.
  • the fixed magnetization directions of the magneto-sensitive elements 31 to 34 are aligned in the same direction (for example, the plus side in the x direction).
  • the magnetic layer 21 is arranged so as to be sandwiched between the magnetic layers 22 and 23 .
  • Two magnetic gaps G1 and G2 are formed between the magnetic layer 21 and the magnetic layer 22, and two magnetic gaps G3 and G4 are formed between the magnetic layer 21 and the magnetic layer .
  • Magnetic sensing elements 31 to 34 are arranged on the magnetic paths formed by the magnetic gaps G1 to G4, respectively.
  • the longitudinal direction of the external magnetic body 41 is the z-direction, and one end of the external magnetic body 41 is arranged so as to overlap the magnetic layer 21 .
  • the coil axis of the measuring current coil C1 wound around the external magnetic body 41 is in the z direction.
  • FIG. A z-direction magnetic field generated in the external magnetic body 41 is applied to the magnetic layer 21, half of which flows through the magnetic gaps G1 and G2 to the magnetic layer 22, and the remaining half flows through the magnetic gaps G3 and G4. It flows into the magnetic layer 23 .
  • Magnetic fields passing through the magnetic gaps G1-G4 are applied to the magneto-sensitive elements 31-34, respectively.
  • the magnetic field generated by the current I to be measured can be detected with higher sensitivity than when a single magneto-sensitive element 31 is used.
  • the magnetic layers 21-23 have a planar shape that narrows as they approach the magnetic gaps G1-G4, so that the magnetic fields are more concentrated on the magneto-sensitive elements 31-34. This makes it possible to apply a larger magnetic field to the magneto-sensitive elements 31-34.
  • two magneto-sensitive elements for example, the magneto-sensitive elements 31 and 33
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 6 according to a sixth embodiment of the invention.
  • the magnetic sensor 6 according to the sixth embodiment differs from the magnetic sensor 5 according to the fifth embodiment in that external magnetic bodies 42 and 43 are added. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 5 according to the fifth embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the external magnetic bodies 42 and 43 both cover the back and side surfaces of the sensor chip 10, and have protrusions 42a and 43a that are magnetically coupled by overlapping with the magnetic layers 22 and 23, respectively.
  • the magnetic field flowing from the external magnetic body 41 to the magnetic layers 22 and 23 via the magnetic layer 21 is efficiently applied to the external magnetic bodies 42 and 43, so that the leakage magnetic field is reduced and the magnetic field is increased. can be applied to the magneto-sensitive elements 31-34.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 7 according to a seventh embodiment of the invention.
  • an integrated external magnetic body 44 is added instead of the external magnetic bodies 42 and 43, and a measurement current coil C2 is added.
  • it differs from the magnetic sensor 6 according to the sixth embodiment. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 6 according to the sixth embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the external magnetic body 44 covers the back and side surfaces of the sensor chip 10, and has protrusions 42a and 43a that overlap with the magnetic layers 22 and 23 for magnetic coupling.
  • the external magnetic body 44 extends in the z-direction and has a rod-shaped portion having approximately the same thickness as the external magnetic body 41.
  • a measurement current coil C2 is wound around this rod-shaped portion.
  • the measuring current coil C2 is connected in series with the measuring current coil C1, so that the current I to be measured flows.
  • the magnetic sensor 7 has the measurement current coils C1 and C2 wound around the external magnetic bodies 41 and 44, respectively. It becomes possible to detect Moreover, in this embodiment, both the measurement current coils C1 and C2 are wound with an offset toward the sensor chip 10 side. In other words, the measurement current coils C1 and C2 are not wound around the center of the external magnetic bodies 41 and 44 in the axial direction, but the measurement current coil C1 is wound offset in the -z direction so as to be closer to the sensor chip 10. , and the measurement current coil C2 is wound with an offset in the +z direction so as to be closer to the sensor chip 10 . As a result, the leakage magnetic field that is not applied to the magneto-sensitive elements 31-34 is reduced, so that the magnetic field passing through the external magnetic bodies 41 and 44 can be efficiently applied to the magneto-sensitive elements 31-34.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 8 according to an eighth embodiment of the invention.
  • the magnetic sensor 8 according to the eighth embodiment is provided with an external magnetic body 45 that connects the external magnetic bodies 41 and 44, and the measurement current coil C1 is wound around the external magnetic body 45. is different from the magnetic sensor 7 according to the seventh embodiment. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 7 according to the seventh embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the external magnetic bodies 41 and 44 and the magnetic layers 21 to 23 form a loop-shaped magnetic path that is close to a closed magnetic path, the magnetic field to be measured generated by the current I to be measured can be sensed efficiently. It becomes possible to apply to the magnetic elements 31-34.
  • the external magnetic bodies 41, 44, and 45 may be separate members, or may be a single member. Further, it is not essential that the external magnetic bodies 41, 44, and 45 are linear, and a ring-shaped external magnetic body 46 may be used as in the magnetic sensor 8a according to the modification shown in FIG.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a magnetic sensor 9 according to a ninth embodiment of the invention.
  • the magnetic sensor 9 according to the ninth embodiment differs from the magnetic sensor 6 according to the sixth embodiment in that the external magnetic body 41 is wound with the compensation coil C3. Since other basic configurations are the same as those of the magnetic sensor 6 according to the sixth embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the compensating coil C3 cancels the magnetic field generated by the measuring current coil C1, and the current flows in the opposite direction to the measuring current coil C1.
  • a compensation coil C3 so-called closed loop control can be performed.
  • the compensation coil C3 may be integrated in the sensor chip 10 instead of being wound around the external magnetic body 41. However, by winding the compensation coil C3 around the external magnetic body 41, a sufficient number of turns of the compensation coil C3 is ensured. It becomes possible to
  • the winding positions of the measurement current coil C1 and the compensation coil C3 are not particularly limited, but as in the example shown in FIG.
  • the magnetic field generated by the current coil C1 can be efficiently applied to the magneto-sensitive elements 31-34.
  • part or all of the compensation coil may be integrated on the sensor chip 10 .
  • magnetic sensor 10 sensor chips 11, 12 protective films 21 to 23 magnetic layers 31 to 34 magnetosensitive elements 41 to 46 external magnetic body 41a first portion 41b second portion 41c third portions 42a, 43a projections Parts C1, C2 Measurement current coil C3 Compensation coils G1 to G4 Magnetic gap I Current to be measured

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Abstract

【課題】微弱な電流によって生じる測定対象磁界を高感度に検出可能な磁気センサを提供する。 【解決手段】磁気センサ１は、磁気ギャップＧ１を介して磁気結合する磁性体層２１，２２及び磁気ギャップＧ１によって形成される磁路上に配置された感磁素子３１を有するセンサチップ１０と、磁性体層２１と磁気結合する外部磁性体４１と、外部磁性体４１に巻回され、測定対象磁界を発生させる電流Ｉが流れる測定電流コイルＣ１とを備える。このように、センサチップ１０に感磁素子３１と磁性体層２１，２２を集積していることから、磁気ギャップＧ１を非常に狭く設計することができるとともに、漏洩磁界の多くを感磁素子３１に印加することができる。これにより、測定電流コイルＣ１に流れる電流Ｉが微弱であっても、電流Ｉによって生じる磁界を高感度に検出することが可能となる。

Description

磁気センサ
　本発明は磁気センサに関し、特に、微弱な測定対象磁界を発生させる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサに関する。
　特許文献１には、測定対象磁界を発生させる電流によって生じる磁界を検出する磁気センサ（電流センサ）が開示されている。特許文献１に記載された磁気センサは、磁気ギャップを有する環状磁心と、環状磁心に巻回され、測定対象磁界を発生させる電流が流れるコイルと、磁気ギャップ内に配置された感磁素子とを備えている。かかる構成により、磁気ギャップを通過する漏洩磁界の一部が感磁素子に印加されるため、コイルに流れる電流の電流量を感磁素子によって測定することが可能となる。
特開２００８－１２８７１１号公報
　しかしながら、環状磁心に形成される磁気ギャップは比較的サイズが大きいことから、漏洩磁界の広がりも大きい。このため、コイルに流れる電流が微弱である場合、感磁素子に印加される磁界成分が少なくなり、測定対象磁界を発生させる電流の電流量を高感度に測定することが困難であった。
　したがって、本発明は、微弱な測定対象磁界を高感度に検出可能な磁気センサを提供することを目的とする。
　本発明による磁気センサは、磁気ギャップを介して磁気結合する第１及び第２の磁性体層と磁気ギャップによって形成される磁路上に配置された感磁素子とを有するセンサチップと、第１の磁性体層と磁気結合する第１の外部磁性体と、第１の外部磁性体に巻回され、測定対象磁界を発生させる電流が流れる第１の測定電流コイルとを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、センサチップに感磁素子と第１及び第２の磁性体層を集積していることから、磁気ギャップを非常に狭く設計することができるとともに、漏洩磁界の多くを感磁素子に印加することができる。これにより、第１の測定電流コイルに流れる測定対象磁界を発生させる電流が微弱であっても、測定対象磁界を高感度に検出することが可能となる。
　本発明による磁気センサは、第２の磁性体層と磁気結合する第２の外部磁性体をさらに備えていても構わない。これによれば、第１及び第２の磁性体層を介して、検出すべき磁界が第１及び第２の外部磁性体を通過することから、より高感度に磁界を検出することが可能となる。この場合、本発明による磁気センサは、第２の外部磁性体に巻回され、第１の測定電流コイルと直列に接続された第２の測定電流コイルをさらに備えていても構わない。これによれば、より多く磁界を感磁素子に印加することが可能となる。
　本発明において、第１の外部磁性体は、第１の磁性体層と磁気結合する第１の部分と、第２の磁性体層と磁気結合する第２の部分と、第１の部分と第２の部分を繋ぐ第３の部分を有しており、第１の測定電流コイルは第３の部分に巻回されていても構わない。これによれば、第１の外部磁性体を介して第１及び第２の磁性体層がループ状に接続されることから、閉磁路に近い構造を得ることが可能となる。
　本発明において、第１及び第２の磁性体層は、磁気ギャップに近づくにつれて幅が狭くなる平面形状を有していても構わない。これによれば、感磁素子に磁界がより集中することから、より多く磁界を感磁素子に印加することが可能となる。
　本発明において、第１の外部磁性体は、第１の磁性体層と重なる位置に設けられていても構わない。これによれば、第１の外部磁性体を通過する磁界を効率よく第１の磁性体層に印加することが可能となる。
　本発明において、第１の測定電流コイルは、センサチップ側にオフセットして第１の外部磁性体に巻回されていても構わない。これによれば、第１の外部磁性体を通過する磁界を効率よく第１の磁性体層に印加することが可能となる。
　本発明による磁気センサは、第１の測定電流コイルによって生じる磁界を打ち消す補償コイルをさらに備えていても構わない。これによれば、いわゆるクローズドループ制御を行うことが可能となる。この場合、補償コイルは、第１の外部磁性体に巻回されていても構わない。これによれば、補償コイルのターン数を十分に確保することが可能となる。さらにこの場合、第１の測定電流コイルは、補償コイルよりもセンサチップ側に巻回されていても構わない。これによれば、第１の測定電流コイルによって生じる磁界を効率よく感磁素子に印加することが可能となる。補償コイルは、センサチップ内に一体形成されていても構わない。
　このように、本発明は、微弱な測定対象磁界を高感度に検出可能な磁気センサを提供することが可能となる。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の構成を示す略平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の構成を示す略断面図である。 図３は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の構成を示す略断面図である。 図４は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ４の構成を示す略断面図である。 図５は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ５の構成を示す略断面図である。 図６は、第５の実施形態において用いるセンサチップ１０の構成を説明するための略平面図である。 図７は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ６の構成を示す略断面図である。 図８は、本発明の第７の実施形態による磁気センサ７の構成を示す略断面図である。 図９は、本発明の第８の実施形態による磁気センサ８の構成を示す略断面図である。 図１０は、第８の実施形態の変形例による磁気センサ８ａの構成を示す略断面図である。 図１１は、本発明の第９の実施形態による磁気センサ９の構成を示す略断面図である。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
　図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態による磁気センサ１の構成を示す略平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。
　図１に示すように、第１の実施形態による磁気センサ１は、センサチップ１０と、センサチップ１０と重なるように配置された外部磁性体４１と、外部磁性体４１に巻回された測定電流コイルＣ１とを備えている。センサチップ１０は、素子形成面であるｘｙ面に形成された感磁素子３１と、感磁素子３１を覆う保護膜１１と、保護膜１１上に設けられた磁性体層２１，２２と、磁性体層２１，２２を覆う保護膜１２とを備えている。
　感磁素子３１は、磁束の向きによって電気抵抗が変化する素子であれば特に限定されず、例えばＭＲ素子などを用いることができる。感磁素子３１の固定磁化方向はｘ方向である。磁性体層２１，２２は、パーマロイなどの高透磁率材料からなる薄膜である。磁性体層２１，２２は、ｘ方向を幅方向とする磁気ギャップＧ１を介して磁気結合する。そして、感磁素子３１は、磁気ギャップＧ１によって形成される磁路上に配置されており、これにより、磁性体層２１，２２を通過するｘ方向の磁界が感磁素子３１に印加される。本発明において、感磁素子３１を磁性体層２１と磁性体層２２の間に位置することは必須でなく、磁性体層２１，２２からなる磁気ギャップＧ１の近傍、つまり、磁気ギャップＧ１によって形成される磁路上に感磁素子３１が配置されていれば足りる。例えば、磁気ギャップＧ１のｘ方向における幅よりも感磁素子３１のｘ方向における幅の方が大きく、これにより、ｚ方向から見て磁性体層２１，２２と感磁素子３１がオーバーラップしていても構わない。
　外部磁性体４１は、フェライトなどの高透磁率材料によって構成された、ｘ方向を長手方向とする棒状体である。外部磁性体４１の中央区間には、測定対象電流Ｉが流れる測定電流コイルＣ１が巻回されている。また、外部磁性体４１のｘ方向における一端は、ｚ方向から見て磁性体層２１と重なっており、これにより外部磁性体４１と磁性体層２１が磁気結合している。測定電流コイルＣ１のコイル軸はｘ方向であり、これにより測定電流コイルＣ１に測定対象電流Ｉが流れると、外部磁性体４１にはｘ方向の測定対象磁界が発生する。外部磁性体４１に発生したｘ方向の測定対象磁界は磁性体層２１に印加され、磁気ギャップＧ１を介して磁性体層２２に流れる。これにより、磁気ギャップＧ１に配置された感磁素子３１は、測定電流コイルＣ１によって生じた測定対象磁界の方向及び強さを検出することができ、その結果、測定対象電流Ｉの電流量を検出することが可能となる。つまり、本実施形態による磁気センサ１は、測定対象電流Ｉの電流量を検出する電流センサとして機能する。
　このように、本実施形態による磁気センサ１は、環状磁心に設けられた磁気ギャップに感磁素子を配置するのではなく、測定電流コイルＣ１が巻回された外部磁性体４１と磁性体層２１を磁気結合させ、磁性体層２１と磁性体層２２の間の磁気ギャップＧ１に感磁素子３１を配置している。そして、感磁素子３１及び磁性体層２１，２２はいずれもセンサチップ１０に集積された要素であることから、磁気ギャップＧ１を非常に狭く設計することができるとともに、磁気ギャップＧ１と感磁素子３１の位置関係を高精度に設計することができる。これにより、測定対象電流Ｉが微弱であっても、測定電流コイルＣ１によって生じた測定対象磁界を高感度に検出することが可能となる。
＜第２の実施形態＞
　図２は、本発明の第２の実施形態による磁気センサ２の構成を示す略断面図である。
　図２に示すように、第２の実施形態による磁気センサ２は、外部磁性体４２と測定電流コイルＣ２が追加されている点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の基本的な構成は第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　外部磁性体４２は、外部磁性体４１と同じ高透磁率材料によって構成された、ｘ方向を長手方向とする棒状体である。外部磁性体４２の中央区間には、測定電流コイルＣ２が巻回されている。測定電流コイルＣ２は、測定電流コイルＣ１と直列に接続されている。このため、測定電流コイルＣ２にも測定対象電流Ｉが流れる。外部磁性体４２のｘ方向における一端は、ｚ方向から見て磁性体層２２と重なっており、これにより外部磁性体４２と磁性体層２２は磁気結合する。測定電流コイルＣ１，Ｃ２のコイル軸はいずれもｘ方向であり、これにより測定電流コイルＣ１，Ｃ２に測定対象電流Ｉが流れると、外部磁性体４１，４２にはｘ方向の測定対象磁界が発生する。
　このように、本実施形態による磁気センサ２は、磁性体層２２と磁気結合する外部磁性体４２を備えるとともに、外部磁性体４２に測定電流コイルＣ２が巻回されていることから、測定対象電流Ｉによって生じた測定対象磁界をより高感度に検出することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
　図３は、本発明の第３の実施形態による磁気センサ３の構成を示す略断面図である。
　図３に示すように、第３の実施形態による磁気センサ３は、外部磁性体４１の形状が第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の基本的な構成は第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態においては、外部磁性体４１が第１～第３の部分４１ａ～４１ｃを有している。第１の部分４１ａは、磁性体層２１と重なることによって磁性体層２１と磁気結合する部分であり、第２の部分４１ｂは、磁性体層２２と重なることによって磁性体層２２と磁気結合する部分である。また、第３の部分４１ｃは、第１の部分４１ａと第２の部分４１ｂを繋ぐ部分であり、測定電流コイルＣ１は第３の部分４１ｃに巻回されている。第１～第３の部分４１ａ～４１ｃは一体的であっても構わないし、それぞれ異なる部材を接着又は結合したものであっても構わない。
　かかる構成により、外部磁性体４１と磁性体層２１，２２によって閉磁路に近いループ状の磁路が形成されることから、測定対象電流Ｉが微弱であっても、測定対象電流Ｉによって生じた測定対象磁界を効率よく感磁素子３１に印加することが可能となる。
＜第４の実施形態＞
　図４は、本発明の第４の実施形態による磁気センサ４の構成を示す略断面図である。
　図４に示すように、第４の実施形態による磁気センサ４は、外部磁性体４１が略リング状である点において、第３の実施形態による磁気センサ３と相違している。その他の基本的な構成は第３の実施形態による磁気センサ３と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態によれば、外部磁性体４１における磁界の流れがよりスムーズとなることから、測定対象電流Ｉによって生じた測定対象磁界をより効率よく感磁素子３１に印加することが可能となる。
＜第５の実施形態＞
　図５は、本発明の第５の実施形態による磁気センサ５の構成を示す略断面図である。また、図６は、第５の実施形態において用いるセンサチップ１０の構成を説明するための略平面図である。図５に示す断面は、図６のＡ－Ａ線に沿った断面に対応している。
　図５及び図６に示すように、第５の実施形態による磁気センサ５は、センサチップ１０の構造及び外部磁性体４１の長手方向が異なる点において、第１の実施形態による磁気センサ１と相違している。その他の基本的な構成は第１の実施形態による磁気センサ１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　第５の実施形態において用いるセンサチップ１０は、４つの感磁素子３１～３４と３つの磁性体層２１～２３を有している。感磁素子３１～３４の固定磁化方向は、互いに同じ向き（例えばｘ方向におけるプラス側）に揃えられている。磁性体層２１は、磁性体層２２と磁性体層２３に挟まれるように配置されている。磁性体層２１と磁性体層２２の間には２つの磁気ギャップＧ１，Ｇ２が形成され、磁性体層２１と磁性体層２３の間には２つの磁気ギャップＧ３，Ｇ４が形成される。そして、磁気ギャップＧ１～Ｇ４によって形成される磁路上にそれぞれ感磁素子３１～３４が配置されている。
　さらに、本実施形態においては、外部磁性体４１の長手方向がｚ方向であり、その一端が磁性体層２１と重なるように配置されている。外部磁性体４１に巻回された測定電流コイルＣ１のコイル軸はｚ方向である。これにより、測定電流コイルＣ１に測定対象電流Ｉが流れると、外部磁性体４１にはｚ方向の測定対象磁界が発生する。外部磁性体４１に発生したｚ方向の磁界は磁性体層２１に印加され、その半分は磁気ギャップＧ１，Ｇ２を介して磁性体層２２に流れ、残りの半分は磁気ギャップＧ３，Ｇ４を介して磁性体層２３に流れる。磁気ギャップＧ１～Ｇ４を通過する磁界は、それぞれ感磁素子３１～３４に印加される。
　そして、感磁素子３１～３４をフルブリッジ接続すれば、単一の感磁素子３１を用いた場合と比べ、測定対象電流Ｉによって生じた磁界をより高感度に検出することが可能となる。しかも、本実施形態では、磁性体層２１～２３は、磁気ギャップＧ１～Ｇ４に近づくにつれて幅が狭くなる平面形状を有していることから、感磁素子３１～３４に磁界がより集中する。これにより、より多く磁界を感磁素子３１～３４に印加することが可能となる。また、２つの感磁素子（例えば感磁素子３１，３３）を用い、これらをハーフブリッジ接続しても構わない。
＜第６の実施形態＞
　図７は、本発明の第６の実施形態による磁気センサ６の構成を示す略断面図である。
　図７に示すように、第６の実施形態による磁気センサ６は、外部磁性体４２，４３が追加されている点において、第５の実施形態による磁気センサ５と相違している。その他の基本的な構成は第５の実施形態による磁気センサ５と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　外部磁性体４２，４３は、いずれもセンサチップ１０の裏面及び側面を覆うとともに、それぞれ磁性体層２２，２３と重なることにより磁気結合する突起部４２ａ，４３ａを有している。これにより、外部磁性体４１から磁性体層２１を介して磁性体層２２，２３に流れる磁界が効率よく外部磁性体４２，４３に印加されることから、漏洩磁界が低減され、より多くの磁界を感磁素子３１～３４に印加することが可能となる。
＜第７の実施形態＞
　図８は、本発明の第７の実施形態による磁気センサ７の構成を示す略断面図である。
　図８に示すように、第７の実施形態による磁気センサ７は、外部磁性体４２，４３の代わりに一体化された外部磁性体４４が追加されるとともに、測定電流コイルＣ２が追加されている点において、第６の実施形態による磁気センサ６と相違している。その他の基本的な構成は第６の実施形態による磁気センサ６と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　外部磁性体４４は、センサチップ１０の裏面及び側面を覆うとともに、磁性体層２２，２３と重なることにより磁気結合する突起部４２ａ，４３ａを有している。外部磁性体４４は、ｚ方向に延在し、外部磁性体４１とほぼ同じ太さを有する棒状部を有しており、この棒状部に測定電流コイルＣ２が巻回されている。測定電流コイルＣ２は、測定電流コイルＣ１と直列に接続されており、このため測定対象電流Ｉが流れる。
　このように、本実施形態による磁気センサ７は、外部磁性体４１，４４にそれぞれ測定電流コイルＣ１，Ｃ２が巻回されていることから、測定対象電流Ｉによって生じた測定対象磁界をより高感度に検出することが可能となる。しかも、本実施形態では、測定電流コイルＣ１，Ｃ２がいずれもセンサチップ１０側にオフセットして巻回されている。つまり、測定電流コイルＣ１，Ｃ２を外部磁性体４１，４４の軸方向における中央部に巻回するのではなく、測定電流コイルＣ１についてはセンサチップ１０により近づくよう－ｚ方向にオフセットして巻回され、測定電流コイルＣ２についてはセンサチップ１０により近づくよう＋ｚ方向にオフセットして巻回されている。これにより、感磁素子３１～３４に印加されない漏洩磁界が減少することから、外部磁性体４１，４４を通過する磁界を効率よく感磁素子３１～３４に印加することが可能となる。
＜第８の実施形態＞
　図９は、本発明の第８の実施形態による磁気センサ８の構成を示す略断面図である。
　図９に示すように、第８の実施形態による磁気センサ８は、外部磁性体４１と外部磁性体４４を繋ぐ外部磁性体４５が設けられ、測定電流コイルＣ１が外部磁性体４５に巻回されている点において、第７の実施形態による磁気センサ７と相違している。その他の基本的な構成は第７の実施形態による磁気センサ７と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態においては、外部磁性体４１，４４と磁性体層２１～２３によって閉磁路に近いループ状の磁路が形成されることから、測定対象電流Ｉによって生じた測定対象磁界を効率よく感磁素子３１～３４に印加することが可能となる。ここで、外部磁性体４１，４４，４５は、それぞれ別部材であっても構わないし、単一の部材であっても構わない。また、外部磁性体４１，４４，４５が直線的である点は必須でなく、図１０に示す変形例による磁気センサ８ａのように、リング状の外部磁性体４６を用いても構わない。
＜第９の実施形態＞
　図１１は、本発明の第９の実施形態による磁気センサ９の構成を示す略断面図である。
　図１１に示すように、第９の実施形態による磁気センサ９は、外部磁性体４１に補償コイルＣ３が巻回されている点において、第６の実施形態による磁気センサ６と相違している。その他の基本的な構成は第６の実施形態による磁気センサ６と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
　補償コイルＣ３は、測定電流コイルＣ１によって生じる磁界を打ち消すものであり、測定電流コイルＣ１とは逆方向に電流が流れる。このような補償コイルＣ３を用いれば、いわゆるクローズドループ制御を行うことが可能となる。補償コイルＣ３については、外部磁性体４１に巻回するのではなくセンサチップ１０に集積しても構わないが、外部磁性体４１に巻回することにより、補償コイルＣ３のターン数を十分に確保することが可能となる。
　測定電流コイルＣ１と補償コイルＣ３の巻回位置については特に限定されないが、図１１に示す例のように、測定電流コイルＣ１を補償コイルＣ３よりもセンサチップ１０側に巻回することにより、測定電流コイルＣ１によって生じる磁界を効率よく感磁素子３１～３４に印加することが可能となる。また、補償コイルの一部又は全部をセンサチップ１０に集積しても構わない。
　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
１～９　　磁気センサ
１０　　センサチップ
１１，１２　　保護膜
２１～２３　　磁性体層
３１～３４　　感磁素子
４１～４６　　外部磁性体
４１ａ　　第１の部分
４１ｂ　　第２の部分
４１ｃ　　第３の部分
４２ａ，４３ａ　　突起部
Ｃ１，Ｃ２　　測定電流コイル
Ｃ３　　補償コイル
Ｇ１～Ｇ４　　磁気ギャップ
Ｉ　　測定対象電流

Claims (10)

  1. 　磁気ギャップを介して磁気結合する第１及び第２の磁性体層と、前記磁気ギャップによって形成される磁路上に配置された感磁素子とを有するセンサチップと、
    　前記第１の磁性体層と磁気結合する第１の外部磁性体と、
    　前記第１の外部磁性体に巻回され、測定対象磁界を発生させる電流が流れる第１の測定電流コイルと、を備えることを特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記第２の磁性体層と磁気結合する第２の外部磁性体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記第２の外部磁性体に巻回され、前記第１の測定電流コイルと直列に接続された第２の測定電流コイルをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
  4. 　前記第１の外部磁性体は、前記第１の磁性体層と磁気結合する第１の部分と、前記第２の磁性体層と磁気結合する第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分を繋ぐ第３の部分を有しており、
    　前記第１の測定電流コイルは、前記第３の部分に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
  5. 　前記第１及び第２の磁性体層は、前記磁気ギャップに近づくにつれて幅が狭くなる平面形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  6. 　前記第１の外部磁性体は、前記第１の磁性体層と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  7. 　前記第１の測定電流コイルは、前記センサチップ側にオフセットして前記第１の外部磁性体に巻回されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  8. 　前記第１の測定電流コイルによって生じる磁界を打ち消す補償コイルをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  9. 　前記補償コイルは、前記第１の外部磁性体に巻回されていることを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ。
  10. 　前記第１の測定電流コイルは、前記補償コイルよりも前記センサチップ側に巻回されていることを特徴とする請求項９に記載の磁気センサ。
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