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WO2013018665A1 - 電流センサ - Google Patents

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Info

Publication number
WO2013018665A1
WO2013018665A1 PCT/JP2012/069041 JP2012069041W WO2013018665A1 WO 2013018665 A1 WO2013018665 A1 WO 2013018665A1 JP 2012069041 W JP2012069041 W JP 2012069041W WO 2013018665 A1 WO2013018665 A1 WO 2013018665A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pattern
long
current sensor
magnetic
magnetic field
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/069041
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
西山　義弘
高橋　彰
Original Assignee
アルプス・グリーンデバイス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by アルプス・グリーンデバイス株式会社 filed Critical アルプス・グリーンデバイス株式会社
Publication of WO2013018665A1 publication Critical patent/WO2013018665A1/ja

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Definitions

  • the present invention relates to a current sensor that measures current without contact.
  • Patent Document 1 proposes a current sensor using a magnetoresistive element (magnetoresistance effect element) as the magnetic sensor element.
  • a magnetic balance type current sensor is known as a current sensor using the magnetoresistive effect element as described above.
  • a magnetic balance type current sensor detects an induced magnetic field caused by a current to be measured by a magnetic sensor, and generates an induced magnetic field (cancellation magnetic field) in a direction to cancel the induced magnetic field by a coil (feedback coil) based on the output. Then, the current to be measured is calculated from the current flowing through the feedback coil in an equilibrium state where the induced magnetic field due to the current to be measured and the canceling magnetic field due to the feedback coil are balanced.
  • This type of current sensor can measure current with high accuracy by its operating principle.
  • a large current must be passed through the feedback coil to generate the corresponding canceling magnetic field.
  • the power consumption of the current sensor increases.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a current sensor capable of realizing high current measurement accuracy with low power consumption.
  • a current sensor includes a magnetoresistive effect element that detects an induced magnetic field from a current to be measured flowing through a current line, and a feedback coil that generates a magnetic field that cancels the induced magnetic field detected by the magnetoresistive effect element
  • the magnetoresistive element includes a meandering magnetic detection pattern formed by connecting a plurality of long patterns extending in a specific direction and arranged in parallel at equal intervals. Each of the feedback coils extends in the extending direction of the long pattern in a region overlapping with the plurality of long patterns when viewed from a direction perpendicular to the plane including the magnetic detection pattern.
  • the arrangement pattern of the long pattern is an integral multiple of the arrangement period of the linear wiring pattern. And wherein the door.
  • the extending direction of the long pattern constituting the magnetic detection pattern of the magnetoresistive effect element and the extending direction of the linear wiring pattern included in the feedback coil are common, and the arrangement pattern of the long pattern
  • the arrangement pattern of the long pattern since it is an integral multiple of the arrangement period of the linear wiring pattern, even if the magnetoresistive element and the feedback coil are arranged close to each other, the canceling magnetic field received by each long pattern of the magnetoresistive element can be made equal. . Thereby, high current measurement accuracy can be realized with low power consumption.
  • the linear wiring pattern is arranged in parallel to the long pattern. According to this configuration, since the long pattern in the wiring pattern and the long pattern in the magnetic detection pattern are arranged in parallel, it is possible to further suppress variations in the canceling magnetic field received by each long pattern of the magnetoresistive effect element. .
  • the distance between the linear wiring pattern and the long pattern is preferably 1 ⁇ m or less. According to this configuration, since the feedback coil and the magnetoresistive element are sufficiently close to each other, the current flowing through the feedback coil can be sufficiently suppressed. Thereby, high current measurement accuracy can be realized with sufficiently low power consumption.
  • the arrangement cycle of the long pattern may be equal to the arrangement cycle of the linear wiring pattern.
  • the linear wiring pattern may be arranged immediately above the long pattern.
  • the current sensor of the present invention may include a plurality of magnetoresistive elements including the magnetic detection pattern.
  • a current sensor capable of realizing high accuracy with low power consumption can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a magnetic balance type current sensor according to the present embodiment.
  • the magnetic balance type current sensor of the present embodiment is arranged in the vicinity of a conductor (current line) 11 through which a current I to be measured flows.
  • the magnetic balance type current sensor includes a feedback circuit 12 that generates a canceling magnetic field B that cancels the induced magnetic field A caused by the current I to be measured.
  • the feedback circuit 12 includes a feedback coil 121 and four magnetoresistive elements 122a to 122d. Note that FIG. 1 mainly shows connection relationships of the magnetoresistive elements 122a to 122d, and a specific configuration and arrangement will be described in detail in the description of FIG.
  • the feedback coil 121 is configured by a spiral planar wiring pattern, and a reverse canceling magnetic field B corresponding to the induced magnetic field A can be generated by passing a current through the wiring pattern.
  • the magnetoresistive elements 122a to 122d are GMR (Giant Magneto Resistance) elements, TMR (Tunnel Magneto Resistance) elements, and the like whose resistance value changes when an external magnetic field is applied.
  • the magnetoresistive effect elements 122a to 122d are connected in a predetermined relationship, thereby forming a magnetic field detection bridge circuit for detecting a change in an external magnetic field.
  • a magnetic balance type current sensor capable of detecting the induced magnetic field A caused by the current I to be measured with high sensitivity can be realized.
  • the configuration of the magnetic field detection bridge circuit is not particularly limited.
  • the magnetic field detection bridge circuit may include a fixed resistance element that does not change in resistance value due to an external magnetic field.
  • a power source that applies a power supply voltage Vdd is connected to a connection point between the magnetoresistive effect element 122b and the magnetoresistive effect element 122c.
  • the magnetoresistive effect element 122a and the magnetoresistive effect element 122d are connected to a ground for applying a ground voltage GND.
  • the first output voltage Out1 is extracted from the connection point between the magnetoresistive effect element 122a and the magnetoresistive effect element 122b
  • the second output voltage Out2 is extracted from the connection point between the magnetoresistive effect element 122c and the magnetoresistive effect element 122d. It is.
  • the voltage difference between these two outputs corresponds to the external magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 122a to 122d.
  • the voltage difference between the first output voltage Out1 and the second output voltage Out2 is amplified by the amplifier 123 and given to the feedback coil 121 as a current (feedback current). That is, the feedback current has a magnitude corresponding to the voltage difference between the first output voltage Out1 and the second output voltage Out2.
  • a cancel magnetic field B is generated around the feedback coil 121 so as to cancel the induced magnetic field A caused by the current I to be measured.
  • the current I to be measured is calculated in the detection resistor R that is a detection unit.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a specific configuration of the magnetic balance type current sensor according to the present embodiment.
  • magnetoresistive effect elements 122a to 122d including a magnetic detection pattern extending in the horizontal direction (X direction) on the paper surface are arranged in the order of magnetoresistive effect elements 122a, 122b, 122c, and 122d from the left side of the paper surface. ing.
  • the direction S hereinafter referred to as the sensitivity axis direction
  • the magnetic detection sensitivity is maximum is a direction (Y direction) perpendicular to the extending direction (X direction) of the magnetic detection pattern. ).
  • Various terminals are connected to the magnetic detection patterns of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d through wirings or the like.
  • the magnetoresistive effect element 122a is connected to the ground terminal G1 to which the ground is connected and the first output terminal O1
  • the magnetoresistive effect element 122b is connected to the power supply terminal V to which the power is connected and the first output terminal O1.
  • the magnetoresistive effect element 122c is connected to the power supply terminal V to which the power supply is connected and the second output terminal O2
  • the magnetoresistive effect element 122d is connected to the ground terminal G2 to which the ground is connected and the second output. It is connected to the terminal O2.
  • the specific configuration of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d, wiring, various terminals (electrodes), etc. is not limited to that shown in FIG.
  • a feedback coil 121 having a spiral wiring pattern is formed above the magnetoresistive effect elements 122a to 122d (before the paper surface) with an insulating film or the like interposed therebetween.
  • the wiring pattern of the feedback coil 121 includes straight portions 121a and 121c and connecting portions 121b and 121d that connect the two straight portions 121a and 121c.
  • the wiring pattern is a straight portion in plan view. 121a is arranged so as to overlap with the lower magnetoresistive effect elements 122a to 122d. In the straight line portion 121a, the wiring pattern is provided so as to extend in the left-right direction (X direction) on the paper surface.
  • the extending direction of the magnetic detection pattern of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the extending direction of the wiring pattern of the linear portion 121a overlapping the magnetoresistive effect elements 122a to 122d are substantially matched.
  • the specific configuration of the feedback coil 121 is not limited to that shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged partial view of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d shown in FIG.
  • each of the magnetoresistive elements 122a to 122d includes a plurality of long patterns 31 substantially at predetermined intervals in a direction (Y direction) orthogonal to the longitudinal direction (X direction) of the long patterns 31.
  • the distance between the center lines of the adjacent long patterns 31 is C1.
  • the plurality of long patterns are arranged at the arrangement cycle C1 (repetition cycle).
  • FIG. 3 shows a magnetic detection pattern including seven long patterns 31a to 31g, but the number of long patterns 31 is not limited to this.
  • the sensitivity axis direction is a direction (Y direction) orthogonal to the longitudinal direction of the long pattern 31.
  • the magnetoresistive effect elements 122a to 122d are arranged so that the Y direction of the long pattern 31 coincides with the direction of the induction magnetic field A of the current line 11.
  • the magnetoresistive elements 122a to 122d are formed so that the Y direction of the long pattern 31 matches the direction of the canceling magnetic field B of the feedback coil 121.
  • each long pattern 31 includes a plurality of magnetic detectors 32 and a plurality of permanent magnets 33.
  • the magnetic detectors 32 are arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction of the long pattern 31.
  • one permanent magnet unit 33 is disposed between two adjacent magnetism detection units 32. That is, the long pattern 31 is configured by alternately connecting the magnetic detection units 32 and the permanent magnet units 33.
  • the permanent magnet portion 33 on one end side (the left end portion shown in FIG. 3) of the long pattern 31a provided on the outermost side is connected to the connection terminal 34a. Yes.
  • the permanent magnet portion 33 at the other end portion (the right end portion shown in FIG. 3) of the long pattern 31g provided farthest from the long pattern 31a is connected to the connection terminal 34b. It is connected.
  • the other end portion of the long pattern 31a and the other end portion of the long pattern 31b adjacent to the long pattern 31a are connected by a permanent magnet portion 33, and one end portion of the long pattern 31b and the long pattern One end of the long pattern 31 c adjacent to 31 b is connected by a permanent magnet portion 33.
  • the other end portion of the long pattern 31c and the other end portion of the adjacent long pattern 31d are connected by the permanent magnet portion 33, and one end portion of the long pattern 31d and the adjacent long pattern 31e are connected to each other.
  • the one end portion is connected by a permanent magnet portion 33.
  • the permanent magnet portions 33 at both ends of the long pattern 31 constitute bent portions that connect the adjacent long patterns 31 to each other except for the permanent magnet portions 33 connected to the connection terminals 34a and 34b.
  • the permanent magnet portions 33 provided at both ends of the long pattern 31 are long patterns so that adjacent long patterns 31 can be connected to each other except for the permanent magnet portions 33 connected to the connection terminals 34a and 34b. 31 extends in the arrangement direction.
  • the configuration of the meander-shaped magnetic detection pattern is not limited to this. It is sufficient that at least the magnetic detection unit 32 is provided and the magnetic field can be detected.
  • a voltage drop occurs in the meander-like magnetic detection pattern according to the electric resistance value.
  • the electric resistance value of the meandering magnetic detection pattern is changed by the external magnetic field, the voltage drop in the magnetic detection pattern depends on the induction magnetic field A of the current I to be measured and the canceling magnetic field B of the feedback coil 121. fluctuate.
  • One of the connection terminals 34a and 34b of the magnetic detection pattern is connected to one of the output terminals O1 and O2 via a wiring or the like. Therefore, a voltage value corresponding to the voltage drop that occurs in the magnetic detection pattern is obtained as the first output voltage Out1 or the second output voltage Out2.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of magnetoresistive effect elements 122a to 122d used in the magnetic balance type current sensor according to the present embodiment.
  • the AA arrow cross section of FIG. 3 is shown.
  • the magnetic detection unit 32 and the permanent magnet unit 33 are provided on an aluminum oxide film 41 formed on a substrate (not shown in FIG. 4) including silicon.
  • the aluminum oxide film 41 can be formed by, for example, a sputtering method.
  • the magnetic detection units 32 are provided at predetermined intervals so as to be separated from each other, and a permanent magnet unit 33 is provided between the magnetic detection units 32.
  • the specific laminated structure of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d is not limited to the following description.
  • the magnetic detection unit 32 includes a seed layer 42, a first ferromagnetic film 43, an antiparallel coupling film 44, a second ferromagnetic film 45, a nonmagnetic intermediate layer 46, a free magnetic layer 47, and a protective layer 48 in this order. It is comprised by laminating
  • the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 are antiferromagnetically coupled via the antiparallel coupling film 44, so-called self-pinning type ferromagnetic fixing.
  • a layer (SFP layer: Synthetic Ferri Pinned layer) 49 is configured.
  • the magnetoresistive effect elements 122a to 122d are spin valve type elements using the ferromagnetic pinned layer 49, the nonmagnetic intermediate layer 46, and the soft magnetic free layer 47.
  • the seed layer 42 is made of Cr, NiFeCr alloy or the like. Note that a base layer made of a nonmagnetic material containing at least one element of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, and W, for example, is provided between the substrate (not shown) and the seed layer 42. It may be provided.
  • the first ferromagnetic film 43 is preferably made of a CoFe alloy containing 40 atomic% to 80 atomic% of Fe. This is because a CoFe alloy having this composition range has a large coercive force and can stably maintain magnetization against an external magnetic field.
  • the first ferromagnetic film 43 is provided with induced magnetic anisotropy by applying a magnetic field in the width direction (Y direction, see FIG. 3) of the long pattern 31 during the film formation.
  • the direction of the applied magnetic field is, for example, a direction from the back side to the near side.
  • the antiparallel coupling film 44 is made of Ru or the like.
  • the antiparallel coupling film 44 is desirably formed with a thickness of 0.3 nm to 0.45 nm or 0.75 nm to 0.95 nm. By setting the antiparallel coupling film 44 to such a thickness, strong antiferromagnetic coupling can be provided between the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45.
  • the second ferromagnetic film 45 is preferably made of a CoFe alloy containing 0 atomic% to 40 atomic% of Fe. This is because the CoFe alloy having this composition range has a small coercive force and is easily magnetized in an antiparallel direction (a direction different by 180 °) with respect to the direction in which the first ferromagnetic film 43 is preferentially magnetized.
  • the second ferromagnetic film 45 has a magnetic field similar to that during the film formation of the first ferromagnetic film 43 (the magnetic field in the width direction of the long pattern 31, for example, from the back side to the front side of the drawing). Induced magnetic anisotropy is imparted by applying a magnetic field in a direction toward the magnetic field.
  • the first ferromagnetic film 43 is preferentially magnetized in the direction of the applied magnetic field, and the second ferromagnetic film 45 is magnetized by the first ferromagnetic film 43. Magnetizes in an antiparallel direction (a direction different by 180 °) from the direction.
  • the nonmagnetic intermediate layer 46 is made of Cu or the like.
  • the configuration of the nonmagnetic intermediate layer 46 can be appropriately changed so as to obtain desired characteristics.
  • the free magnetic layer 47 is made of a magnetic material such as a CoFe alloy, a NiFe alloy, or a CoFeNi alloy.
  • the free magnetic layer 47 is desirably provided with induced magnetic anisotropy by applying a magnetic field in the length direction (X direction, see FIG. 3) of the long pattern 31 during film formation. .
  • magnetoresistive elements 122a to 122d that change in resistance linearly with respect to the external magnetic field in the stripe width direction and have small magnetic hysteresis.
  • the free magnetic layer 47 due selection of the magnetic material forming the thickness and the free magnetic layer 47 of the free magnetic layer 47, so that the magnetization amount is 0.6memu / cm 2 ⁇ 1.0memu / cm 2 configuration Has been. By doing in this way, the magnetic hysteresis, linearity, and detection sensitivity of the current sensor 1 can be highly balanced.
  • the protective layer 48 is made of Ta or the like.
  • the configuration of the protective layer 48 can be appropriately changed so as to obtain desired characteristics.
  • the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the first ferromagnetic film 43 and the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the second ferromagnetic film 45 are substantially the same.
  • the difference in magnetization between the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 is substantially zero, the effective anisotropic magnetic field of the ferromagnetic fixed layer 49 is increased. Thereby, the magnetization stability of the ferromagnetic pinned layer 49 can be sufficiently secured without using an antiferromagnetic material.
  • the Curie temperature (Tc) of the first ferromagnetic film 43 and the Curie temperature (Tc) of the second ferromagnetic film 45 are substantially the same. As a result, even in a high temperature environment, the difference in magnetization (Ms ⁇ t) between the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 becomes substantially zero, and high magnetization stability can be maintained.
  • the permanent magnet part 33 is provided in a region where a part of the magnetic detection part 32 provided on the aluminum oxide film 41 is removed by etching or the like.
  • the permanent magnet unit 33 includes a base layer 51 provided so as to cover the surface of the aluminum oxide film 41 and the side surface of the magnetic detection unit 32, a hard bias layer 52 provided on the base layer 51, and the hard bias layer 52 And a conductive layer 54 provided on the diffusion prevention layer 53.
  • the underlayer 51 is made of Ta, CrTi alloy or the like.
  • the underlayer 51 is provided between the hard bias layer 52 and the free magnetic layer 47 of the magnetic detection unit 32, and reduces the bias magnetic field from the hard bias layer 52 to the free magnetic layer 47.
  • the hard bias layer 52 and the free magnetic layer 47 are not in contact with each other, so that the magnetization of the free magnetic layer 47 in the magnetization direction is suppressed. Thereby, the dead area of the free magnetic layer 47 can be made sufficiently small, and the magnetic hysteresis can be reduced.
  • the hard bias layer 52 is made of a CoPt alloy, a CoCrPt alloy, or the like so that a bias magnetic field can be applied to the free magnetic layer 47 of the magnetic detection unit 32.
  • the hard bias layer 52 is provided such that its lower surface is located below the lower surface of the seed layer 42 and its upper surface is located above the upper surface of the protective layer 48. The side area is covered. By doing in this way, it becomes possible to apply a bias magnetic field from a direction substantially orthogonal to the sensitivity axis direction of the free magnetic layer 47, and magnetic hysteresis can be reduced more effectively.
  • the diffusion prevention layer 53 is provided so as to cover the hard bias layer 52.
  • the diffusion preventing layer 53 is made of Ta or the like.
  • the conductive layer 54 is made of Au, Al, Cu, Cr, Ta, or the like.
  • the conductive layer 54 is provided so as to cover the diffusion preventing layer 53.
  • the conductive layer 54 is provided so as to be in contact with the protective layer 48 of the magnetic detection unit 32 in the longitudinal direction (X direction) of the long pattern 31, and is separated by sandwiching the permanent magnet unit 33.
  • the magnetic detection unit 32 is electrically connected.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure of a magnetic balance type current sensor including the feedback coil 121 and the magnetoresistive effect elements 122a to 122d.
  • FIG. 5 shows a cross section taken along line BB in FIG.
  • the laminated structure of the magnetic detection unit 32 is simplified to show the entire laminated structure.
  • a thermal silicon oxide film 22 which is an insulating film is formed on a substrate 21 including silicon.
  • An aluminum oxide film 23 is formed on the thermal silicon oxide film 22, and the magnetic detectors 32 of the magnetoresistive effect elements 122 a to 122 d are provided on the aluminum oxide film 23.
  • the magnetic detection unit 32 is connected to a permanent magnet unit 33 (not shown in FIG. 5) in the depth direction (X direction) of the drawing, and the magnetic detection unit 32 and the permanent magnet unit 33 are alternately connected to each other for a long time.
  • a scale pattern 31 (not shown in FIG. 5) is formed.
  • a wiring pattern 26 constituting a feedback coil 121 is provided above the long pattern 31 including the magnetic detection unit 32 via a polyimide film 24 and a silicon oxide film 25.
  • the polyimide film 24 can be formed by applying and curing a polyimide material, for example.
  • the silicon oxide film 25 can be formed by a method such as sputtering or plasma CVD, for example.
  • the feedback coil 121 can be formed by patterning using photolithography and etching after forming a film containing a conductive material such as metal, for example.
  • the polyimide film 24 and the silicon oxide film 25 are desirably provided with such thicknesses that the distance D between the magnetoresistive effect elements 122a to 122d (particularly, the magnetic detection unit 32) and the feedback coil 121 is within 1 ⁇ m.
  • the distance D between the magnetoresistive effect elements 122a to 122d (particularly the magnetic detection unit 32) and the feedback coil 121 is within 1 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing the positional relationship between the wiring pattern 26 of the feedback coil 121 and the long pattern 31 of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d in plan view.
  • the feedback coil 121 is constituted by a wiring pattern 26 including linear wiring patterns 26a to 26g arranged at substantially equal intervals.
  • the linear wiring patterns 26a to 26g constitute a linear portion 121a of the feedback coil 121 (see FIG. 2), and are connected to the curved wiring patterns constituting the curved portions 121b and 121c at the ends thereof. .
  • the distance between the center lines of the adjacent linear wiring patterns 26a to 26g is C2.
  • the plurality of linear wiring patterns 26a to 26g are arranged at an arrangement period (repetition period) C2.
  • the linear wiring patterns 26a to 26g are formed immediately above the long patterns 31a to 31g so as to overlap the long patterns 31a to 31g of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d in plan view. That is, the arrangement period C1 of the long patterns 31a to 31g and the arrangement period C2 of the wiring patterns 26a to 26g are substantially equal (C1 ⁇ C2).
  • a polyimide film 27 is formed so as to cover the wiring pattern 26.
  • a magnetic shield 28 is formed on the polyimide film 27.
  • the magnetic shield 28 can be formed using a high magnetic permeability material such as an amorphous magnetic material, a permalloy magnetic material, or an iron microcrystalline material. If desired characteristics can be obtained, the magnetic shield 28 may not be provided.
  • a silicon oxide film 29 is formed on the polyimide film 27 and the magnetic shield 28.
  • the arrangement period C1 of the long patterns 31a to 31g and the arrangement period C2 of the wiring patterns 26a to 26g are substantially equal.
  • the positional relationship between the long patterns 31a to 31g and the corresponding linear wiring patterns 26a to 26g (the linear wiring patterns 26a to 26g closest to the long patterns 31a to 31g) is substantially equal.
  • the position (distance, angle, etc.) of the wiring pattern 26a viewed from the long pattern 31a is substantially equal to the position (distance, angle, etc.) of the wiring pattern 26b viewed from the long pattern 31b.
  • the position (distance, angle, etc.) of the wiring pattern 26e, the position (distance, angle, etc.) of the wiring pattern 26f viewed from the long pattern 31f, and the position (distance, angle, etc.) of the wiring pattern 26g viewed from the long pattern 31g ) Is substantially equal.
  • the long pattern 31a to 31g becomes long regardless of the distance between the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the feedback coil 121.
  • the intensity of the canceling magnetic field B received by each of the scale patterns 31a to 31g is substantially equal.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the relationship between the intensity of the canceling magnetic field B of the feedback coil 121 and the arrangement positions of the long patterns 31a to 31g in the magnetic balanced current sensor according to the present embodiment.
  • linear wiring patterns 26a to 26g and long patterns 31a to 31g are provided so as to extend in the depth direction (X direction) of the drawing.
  • the arrangement period C1 of the long patterns 31a to 31g and the arrangement period C2 of the wiring patterns 26a to 26g are set so that the strengths of the canceling magnetic fields B received by the long patterns 31a to 31g are substantially equal. Are approximately equal.
  • the strength of the canceling magnetic field B received by the long patterns 31a to 31g are substantially equal to each other, and a decrease in current measurement accuracy can be suppressed.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the relationship between the intensity of the canceling magnetic field B and the position of the long pattern when the positional relationship between the long pattern and the corresponding linear wiring pattern is different.
  • the long pattern constituting the magnetoresistive effect element 222 is arranged at a predetermined arrangement cycle C1 ′, and the linear wiring pattern constituting the feedback coil 221 is arranged with the arrangement cycle C1 ′ of the long pattern.
  • the arrangement cycle C1 ′ of the long pattern are arranged with different arrangement periods C2 ′ (C2 ′ ⁇ C1 ′).
  • the intensity of the canceling magnetic field B received by each long pattern of the magnetoresistive effect element 222 is different. For this reason, the current measurement accuracy decreases.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the current flowing through the feedback coil and the effective magnetic field strength received by the magnetoresistive effect element.
  • the effective magnetic field received by the magnetoresistive element with respect to the current flowing through the feedback coil becomes weak. This is because the intensity of the canceling magnetic field received by each long pattern of the magnetoresistive effect element is different, and the effective magnetic field received by the magnetoresistive effect element is reduced as the sum of the cancel magnetic fields.
  • a large current is measured by reducing the distance between the magnetoresistive element and the feedback coil, if the effective magnetic field received by the magnetoresistive element is weakened, a necessary canceling magnetic field is generated. It is necessary to increase the coil current. For this reason, the power consumption of the magnetic balance type current sensor is increased.
  • the cancel magnetic fields received by the long patterns of the magnetoresistive effect elements are substantially equal, and therefore flow through the feedback coil as shown by the line b1 in FIG.
  • the effective canceling magnetic field strength received by the magnetoresistive effect element with respect to the current can be effectively increased.
  • a magnetic balance type current sensor driven with low power consumption can be realized by bringing the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the feedback coil 121 close to each other as in this embodiment.
  • the arrangement period C1 of the long patterns 31a to 31g and the arrangement period C2 of the linear wiring patterns 26a to 26g are not limited to being substantially equal. At least the arrangement period C1 of the long patterns 31a to 31g is substantially an integer multiple of the arrangement period C2 of the linear wiring patterns 26a to 26g (C1 ⁇ n ⁇ C2, where n is an integer (typically a positive integer)). If so, the positional relationship of the wiring patterns 26a to 26g with respect to the long patterns 31a to 31g becomes substantially equal, so that the same effect can be obtained.
  • the linear wiring patterns 26a to 26g of the feedback coil 121 are arranged immediately above the long patterns 31a to 31g of the magnetoresistive effect elements 122a to 122d.
  • the positional relationship between the wiring patterns 26a to 26g and the long patterns 31a to 31g of the magnetoresistive elements 122a to 122d is not limited to this.
  • At least the long patterns 31a to 31g and the wiring patterns 26a to 26g in plan view are satisfied as long as the relationship between the arrangement periods described above is satisfied so that the intensities of the canceling magnetic fields B received by the long patterns 31a to 31g are approximately equal.
  • the arrangement position may be shifted. Also in this case, since the canceling magnetic fields B received by the long patterns 31a to 31g can be made substantially equal, it is possible to suppress a decrease in current measurement accuracy.
  • the magnetic balanced current sensor according to the present embodiment has the magnetoresistive effect elements 122a to 122d close to the feedback coil 121, so that it is sufficient even when the measured current I is large and the induced magnetic field A is strong. It is possible to generate a strong canceling magnetic field B. Therefore, the magnetic shield 28 that weakens the induced magnetic field A received by the magnetoresistive effect elements 122a to 122d can be omitted.
  • the magnetic shield 28 is not provided between the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the conductor 11, the current measurement accuracy is not reduced due to the magnetic hysteresis of the magnetic shield 28. For this reason, current measurement accuracy can be improved by adopting a configuration in which the magnetic shield 28 is not provided between the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the conductor 11.
  • the arrangement cycle of the long pattern constituting the meander-like magnetic detection pattern is changed to the arrangement of the linear wiring pattern constituting the feedback coil wiring pattern.
  • the intensity of the canceling magnetic field received by each long pattern of the magnetoresistive effect element can be made substantially equal.
  • the current measurement accuracy does not deteriorate, so that a magnetic balance type current sensor capable of realizing high accuracy with low power consumption can be realized.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.
  • the distance D between the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the feedback coil 121 is set within 1 ⁇ m so that the magnetoresistive effect elements 122a to 122d and the feedback coil 121 are close to each other. Even when the distance between the magnetoresistive effect element and the feedback coil is not close, this is effective in improving the current measurement accuracy. That is, the distance D between the magnetoresistive elements 122a to 122d and the feedback coil 121 may be greater than 1 ⁇ m.
  • the magnetoresistive effect elements 122a to 122d include the long patterns 31a to 31g, but a plurality of magnetoresistive effect elements are formed by the long patterns 31a to 31g. Also good. For example, one magnetoresistive element may be formed by the long patterns 31a to 31c, and another magnetoresistive element may be formed by the long patterns 31d to 31f.
  • the film which comprises a current sensor in the said embodiment can be added and abbreviate
  • the current sensor of the present invention can be used, for example, to detect the magnitude of a current for driving a motor of an electric vehicle or a hybrid car.

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  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

　高い電流測定精度を低い消費電力で実現可能な電流センサを提供すること。被測定電流（Ｉ）からの誘導磁界（Ａ）を検出する磁気抵抗効果素子（１２２ａ～１２２ｄ）と、キャンセル磁界（Ｂ）を発生させるフィードバックコイル（１２１）と、を備えた電流センサであって、磁気抵抗効果素子（１２２ａ～１２２ｄ）は、特定方向に延在して等間隔に並設された複数の長尺パターンが接続されてなるミアンダ状の磁気検出パターンを含んで構成され、フィードバックコイル（１２１）は、磁気検出パターンを含む平面に垂直な方向から見て複数の長尺パターンと重なる領域において、前記長尺パターンの延在方向にそれぞれ延在して等間隔に並設された複数の直線状の配線パターンを含むように構成され、長尺パターンの配置周期は、直線状の配線パターンの配置周期の整数倍であることを特徴とする。

Description

電流センサ
　本発明は、非接触で電流を測定する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可能な電流センサが求められている。そして、このような電流センサとして、被測定電流によって生じる磁界の変化を磁気センサによって検出する方式のものが実用化されている。電流センサに用いられる磁気センサ素子には様々なものがあるが、例えば、特許文献１では、磁気センサ素子として磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子）を用いる電流センサが提案されている。
特開２００２－１５６３９０号公報
　上述のような磁気抵抗効果素子を用いる電流センサとして、磁気平衡式の電流センサが知られている。磁気平衡式の電流センサは、被測定電流による誘導磁界を磁気センサで検出し、その出力をもとに当該誘導磁界を打ち消す方向の誘導磁界（キャンセル磁界）をコイル（フィードバックコイル）によって発生させる。そして、被測定電流による誘導磁界とフィードバックコイルによるキャンセル磁界とがつり合う平衡状態において、フィードバックコイルを流れる電流から被測定電流を算出する。
　この方式の電流センサは、その動作原理により高い精度の電流測定が可能である。しかし、被測定電流が大きくなると被測定電流による誘導磁界も強くなるため、対応するキャンセル磁界を発生させるにはフィードバックコイルに大電流を流さなくてはならない。その結果、電流センサの消費電力が増大するという問題が生じる。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い電流測定精度を低い消費電力で実現可能な電流センサを提供することを目的とする。
　本発明の電流センサは、電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子が検出する誘導磁界を相殺するような磁界を発生させるフィードバックコイルと、を備えた電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、特定方向に延在して等間隔に並設された複数の長尺パターンが接続されてなるミアンダ状の磁気検出パターンを含んで構成され、前記フィードバックコイルは、前記磁気検出パターンを含む平面に垂直な方向から見て前記複数の長尺パターンと重なる領域において、前記長尺パターンの延在方向にそれぞれ延在して等間隔に並設された複数の直線状の配線パターンを含むように構成され、前記長尺パターンの配置周期は、前記直線状の配線パターンの配置周期の整数倍であることを特徴とする。
　この構成によれば、磁気抵抗効果素子の磁気検出パターンを構成する長尺パターンの延在方向と、フィードバックコイルが含む直線状の配線パターンの延在方向とが共通し、長尺パターンの配置周期が、直線状の配線パターンの配置周期の整数倍となるため、磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとを近接するよう配置しても、磁気抵抗効果素子の各長尺パターンが受けるキャンセル磁界を等しくできる。これにより、高い電流測定精度を低い消費電力で実現可能になる。
　本発明の電流センサにおいて、前記直線状の配線パターンは、前記長尺パターンに対して平行に配置されることが好ましい。この構成によれば、配線パターンにおける長尺パターンと、磁気検出パターンにおける長尺パターンとが平行に配置されるため、磁気抵抗効果素子の各長尺パターンがそれぞれ受けるキャンセル磁界のばらつきをさらに抑制できる。
　本発明の電流センサにおいて、前記直線状の配線パターンと、前記長尺パターンとの距離は１μｍ以下であることが好ましい。この構成によれば、フィードバックコイルと磁気抵抗効果素子とが十分に近接するため、フィードバックコイルを流れる電流を十分に抑制できる。これにより、高い電流測定精度を十分に低い消費電力で実現可能になる。
　本発明の電流センサにおいて、前記長尺パターンの配置周期は、前記直線状の配線パターンの配置周期に等しくても良い。
　本発明の電流センサにおいて、前記直線状の配線パターンが、前記長尺パターンの直上に配置されても良い。
　本発明の電流センサにおいて、前記磁気検出パターンを含む磁気抵抗効果素子を複数備えても良い。
　本発明によれば、高い精度を低い消費電力で実現可能な電流センサを提供することができる。
本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの具体的構成を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を拡大した部分拡大図である。 本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面模式図である。 フィードバックコイル及び磁気抵抗効果素子を含む磁気平衡式電流センサの積層構造を示す断面模式図である。 フィードバックコイルの配線パターンと、磁気抵抗効果素子の長尺パターンとの配置関係を示す平面模式図である。 本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいてキャンセル磁界の強度と長尺パターンの配置位置との関係を示す模式図である。 長尺パターンと、対応する直線状の配線パターンとの位置関係がそれぞれ異なる場合において、キャンセル磁界の強度と長尺パターンの配置位置との関係を示す模式図である。 フィードバックコイルを流れる電流と、磁気抵抗効果素子が受ける実効的な磁界の強さとの関係を示す特性図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの構成例を示す模式図である。図１に示されるように、本実施の形態の磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが通流する導体（電流線）１１の近傍に配置されている。この磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを打ち消すキャンセル磁界Ｂを生じさせるフィードバック回路１２を備えている。フィードバック回路１２は、フィードバックコイル１２１と、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄとを含んで構成されている。なお、図１では、主に、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄなどの接続関係について示し、具体的な構成や配置などについては図２以降の説明において詳述する。
　フィードバックコイル１２１は渦巻状の平面的な配線パターンによって構成されており、当該配線パターンに電流が通流することで、誘導磁界Ａに対応する逆向きのキャンセル磁界Ｂを発生可能になっている。
　磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄは、外部磁界が印加されることで抵抗値が変化するＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などである。本実施の形態の磁気平衡式電流センサにおいて、この磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄは所定の関係で接続されており、これにより外部磁界の変動を検出する磁界検出ブリッジ回路が構成されている。磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄを含む磁界検出ブリッジ回路を用いることで、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを高感度に検出可能な磁気平衡式電流センサを実現できる。なお、磁界検出ブリッジ回路の構成は特に限られない。磁界検出ブリッジ回路は、外部磁界による抵抗値変化のない固定抵抗素子などを含んで構成されても良い。
　図１に示す磁界検出ブリッジ回路において、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｃとの接続点には電源電圧Ｖｄｄを与える電源が接続されている。また、磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｄとには接地電圧ＧＮＤを与えるグランドが接続されている。磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｂとの接続点から第１の出力電圧Ｏｕｔ１が取り出され、磁気抵抗効果素子１２２ｃと磁気抵抗効果素子１２２ｄとの接続点から第２の出力電圧Ｏｕｔ２が取り出される。これら２つの出力の電圧差は、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄに加わる外部磁界に対応するようになっている。
　第１の出力電圧Ｏｕｔ１と第２の出力電圧Ｏｕｔ２との電圧差は増幅器１２３で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。つまり、フィードバック電流は第１の出力電圧Ｏｕｔ１と第２の出力電圧Ｏｕｔ２との電圧差に対応する大きさになる。フィードバックコイル１２１にフィードバック電流が通流すると、フィードバックコイル１２１の周囲には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ａを相殺するようにキャンセル磁界Ｂが発生する。誘導磁界Ａとキャンセル磁界Ｂとが相殺される平衡状態のフィードバック電流の電流値に基づいて、検出部である検出抵抗Ｒおいて被測定電流Ｉが算出される。
　図２は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの具体的構成を示す平面模式図である。図２の中央には、紙面左右方向（Ｘ方向）に延在する磁気検出パターンを含む磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄが、紙面左側から磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄの順に配置されている。各磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄにおいて、磁気検出感度が最大となる方向Ｓ（以下、感度軸方向と呼ぶ）は、磁気検出パターンの延在方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）である。磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの磁気検出パターンには、配線などを介して各種端子（電極）が接続されている。例えば、磁気抵抗効果素子１２２ａは、グランドが接続される接地端子Ｇ１、及び第１の出力端子Ｏ１と接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ｂは、電源が接続される電源端子Ｖ、及び第１の出力端子Ｏ１と接続されている。磁気抵抗効果素子１２２ｃは、電源が接続される電源端子Ｖ、及び第２の出力端子Ｏ２と接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ｄは、グランドが接続される接地端子Ｇ２、及び第２の出力端子Ｏ２と接続されている。なお、磁気平衡式電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄ、配線、各種端子（電極）などの具体的構成は図２に示すものに限られない。
　磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの上方（紙面手前）には、絶縁膜などを介して渦巻状の配線パターンによるフィードバックコイル１２１が形成されている。フィードバックコイル１２１の配線パターンは、直線部１２１ａ、１２１ｃと、これら２つの直線部１２１ａ、１２１ｃを接続する接続部１２１ｂ、１２１ｄとを含んで構成されており、当該配線パターンは、平面視において直線部１２１ａが下方の磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄと重なるように配置されている。直線部１２１ａにおいて、配線パターンは紙面左右方向（Ｘ方向）に延在するように設けられている。これにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの磁気検出パターンの延在方向と、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄと重なる直線部１２１ａの配線パターンの延在方向とが略一致するようになっている。なお、磁気平衡式電流センサにおいて、フィードバックコイル１２１の具体的構成は図２に示すものに限られない。
　図３は、図２に示す磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄを拡大した部分拡大図である。図３に示すように、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄは、複数の長尺パターン３１を、当該長尺パターン３１の長手方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に、所定間隔で略平行に配列させた磁気検出パターンを含む。隣接する長尺パターン３１の中心線間の距離はＣ１となっている。言い換えれば、複数の長尺パターンは、配置周期Ｃ１（繰り返し周期）で配列されている。図３では、７個の長尺パターン３１ａ～３１ｇを含む磁気検出パターンを示しているが、長尺パターン３１の数はこれに限定されない。
　この磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄにおいて、感度軸方向は、長尺パターン３１の長手方向に対して直交する方向（Ｙ方向）である。このため、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄは、電流線１１の誘導磁界Ａの向きに対し、長尺パターン３１のＹ方向が一致するように配置されている。また、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄは、フィードバックコイル１２１のキャンセル磁界Ｂの向きに対し、長尺パターン３１のＹ方向が一致するように形成されている。
　磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄにおいて、各長尺パターン３１は、複数の磁気検出部３２と、複数の永久磁石部３３とを含んで構成されている。磁気検出部３２は、長尺パターン３１の長手方向において所定の間隔で離間して配置されている。また、隣接する２つの磁気検出部３２の間には、１つの永久磁石部３３が配設されている。すなわち、長尺パターン３１は、磁気検出部３２と永久磁石部３３とを交互に接続して構成されている。
　長尺パターン３１の配列方向（Ｙ方向）において、最も外側に設けられた長尺パターン３１ａの一端部側（図３に示す左側端部）の永久磁石部３３は、接続端子３４ａに接続されている。一方、長尺パターン３１ａの配列方向において、長尺パターン３１ａから最も離れて設けられた長尺パターン３１ｇの他端部（図３に示す右側端部）の永久磁石部３３は、接続端子３４ｂに接続されている。
　長尺パターン３１ａの他端部と、この長尺パターン３１ａに隣接する長尺パターン３１ｂの他端部とは、永久磁石部３３によって接続され、長尺パターン３１ｂの一端部と、この長尺パターン３１ｂに隣接する長尺パターン３１ｃの一端部とは永久磁石部３３によって接続されている。同様に、長尺パターン３１ｃの他端部と、隣接する長尺パターン３１ｄの他端部とは、永久磁石部３３によって接続され、長尺パターン３１ｄの一端部と、隣接する長尺パターン３１ｅの一端部とは永久磁石部３３によって接続されている。このように、長尺パターン３１の両端部の永久磁石部３３は、接続端子３４ａ、３４ｂに接続する永久磁石部３３を除き、隣接する長尺パターン３１同士を接続する屈曲部分を構成しており、これによってミアンダ形状の磁気検出パターンが構成されている。また、長尺パターン３１の両端部に設けられた永久磁石部３３は、接続端子３４ａ、３４ｂに接続する永久磁石部３３を除き、隣接する長尺パターン３１同士を接続可能なように長尺パターン３１の配列方向に延在して設けられている。なお、ミアンダ形状の磁気検出パターンの構成はこれに限られない。少なくとも、磁気検出部３２を備え、磁界を検出可能に構成されていれば良い。
　上述したミアンダ状の磁気検出パターンを通じて電源（電源電圧Ｖｄｄ）とグランド（接地電圧ＧＮＤ）との間に電流が流れると、ミアンダ状の磁気検出パターンでは、その電気抵抗値に応じて電圧降下が生じる。ミアンダ状の磁気検出パターンの電気抵抗値は外部磁界により変動するようになっているため、磁気検出パターンにおける電圧降下は、被測定電流Ｉの誘導磁界Ａ及びフィードバックコイル１２１のキャンセル磁界Ｂに応じて変動する。磁気検出パターンの接続端子３４ａ、３４ｂの一方は、配線などを介して出力端子Ｏ１、Ｏ２の一方と接続されている。このため、第１の出力電圧Ｏｕｔ１又は第２の出力電圧Ｏｕｔ２として、磁気検出パターンにおいて生じた電圧降下に対応する電圧値が得られる。
　図４は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの積層構造を示す断面模式図である。図４では、図３のＡＡ矢視断面を示している。図４に示すように、磁気検出部３２及び永久磁石部３３は、シリコンを含んで構成される基板（図４において不図示）に形成されたアルミニウム酸化膜４１上に設けられている。アルミニウム酸化膜４１は、例えば、スパッタリング法などにより形成することができる。各磁気検出部３２は、互いに離間するように所定の間隔で設けられており、磁気検出部３２の間には永久磁石部３３が設けられている。なお、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの具体的な積層構造は以下の記載に限定されない。
　磁気検出部３２は、シード層４２、第１の強磁性膜４３、反平行結合膜４４、第２の強磁性膜４５、非磁性中間層４６、フリー磁性層４７、及び保護層４８がこの順序で積層されることにより構成されている。磁気検出部３２においては、反平行結合膜４４を介して第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５とが反強磁性的に結合されており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ層：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｆｅｒｒｉ　Ｐｉｎｎｅｄ層）４９が構成されている。このように、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄは、強磁性固定層４９、非磁性中間層４６および軟磁性自由層４７を用いたスピンバルブ型の素子である。
　シード層４２は、Ｃｒ、ＮｉＦｅＣｒ合金などで構成される。なお、不図示の基板とシード層４２との間には、例えば、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１つの元素を含む非磁性材料などで構成される下地層を設けても良い。
　第１の強磁性膜４３は、４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。この組成範囲のＣｏＦｅ合金は、大きな保磁力を有し、外部磁界に対して磁化を安定に維持できるためである。なお、第１の強磁性膜４３は、その成膜中において長尺パターン３１の幅方向（Ｙ方向、図３参照）に磁場が印加されることで、誘導磁気異方性が付与される。印加磁場の方向は、例えば、紙面奥側から手前側に向かう方向である。
　反平行結合膜４４は、Ｒｕなどにより構成される。なお、反平行結合膜４４は、０．３ｎｍ～０．４５ｎｍ、または、０．７５ｎｍ～０．９５ｎｍの厚さで形成することが望ましい。反平行結合膜４４をこのような厚さとすることにより、第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
　第２の強磁性膜４５は、０原子％～４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。この組成範囲のＣｏＦｅ合金は、小さな保磁力を有し、第１の強磁性膜４３が優先的に磁化する方向に対して反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化し易くなるためである。なお、第２の強磁性膜４５は、成膜中に、第１の強磁性膜４３の成膜中と同様の磁場（長尺パターン３１の幅方向の磁場、例えば、紙面奥側から手前側に向かう方向の磁場）が印加されることにより、誘導磁気異方性が付与される。このような磁場を印加しながら成膜することで、第１の強磁性膜４３が印加磁場の方向に優先的に磁化し、第２の強磁性膜４５は第１の強磁性膜４３の磁化方向とは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。
　非磁性中間層４６は、Ｃｕなどにより構成される。非磁性中間層４６の構成は、所望の特性が得られるように適宜変更できる。
　フリー磁性層４７は、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。フリー磁性層４７は、成膜中に長尺パターン３１の長さ方向（Ｘ方向、図３参照）に磁場が印加されることで、誘導磁気異方性が付与されたものであることが望ましい。これにより、ストライプ幅方向の外部磁場に対して線形に抵抗変化し、磁気ヒステリシスの小さい磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄを実現できる。また、フリー磁性層４７は、フリー磁性層４７の厚さやフリー磁性層４７を構成する磁性材料の選択などにより、磁化量が０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２～１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２となるように構成されている。このようにすることで、電流センサ１の磁気ヒステリシス、線形性、検出感度を高度にバランスさせることができる。
　保護層４８は、Ｔａなどで構成される。保護層４８の構成は、所望の特性が得られるように適宜変更できる。
　なお、磁気検出部３２において、第１の強磁性膜４３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）は実質的に同じであることが望ましい。第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５との間で磁化量の差が実質的にゼロとなることにより、強磁性固定層４９の実効的な異方性磁界が大きくなる。これにより、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層４９の磁化安定性を十分に確保できる。また、第１の強磁性膜４３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜４５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、実質的に同じであることが望ましい。これにより、高温環境においても第１の強磁性膜４３、第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）の差が実質的にゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
　永久磁石部３３は、アルミニウム酸化膜４１上に設けられた磁気検出部３２の一部をエッチングなどによって除去した領域に設けられている。永久磁石部３３は、アルミニウム酸化膜４１の表面及び磁気検出部３２の側面を覆うように設けられた下地層５１と、下地層５１上に設けられたハードバイアス層５２と、ハードバイアス層５２上に設けられた拡散防止層５３と、拡散防止層５３上に設けられた導電層５４とを含んで構成されている。
　下地層５１は、Ｔａ、ＣｒＴｉ合金などにより構成される。下地層５１は、ハードバイアス層５２と磁気検出部３２のフリー磁性層４７との間に設けられており、ハードバイアス層５２からのフリー磁性層４７へのバイアス磁界を低減する。このような下地層５１を設けることでハードバイアス層５２とフリー磁性層４７とが接触しないため、フリー磁性層４７の磁化方向の固着が抑制される。これにより、フリー磁性層４７の不感領域を十分に小さくでき、磁気ヒステリシスを低減できる。
　ハードバイアス層５２は、磁気検出部３２のフリー磁性層４７に対してバイアス磁界を印加できるよう、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金などにより構成される。ハードバイアス層５２は、その下面がシード層４２の下面より下方に位置し、その上面が保護層４８の上面より上方に位置するように設けられており、ハードバイアス層５２によってフリー磁性層４７の側面領域が覆われるようになっている。このようにすることで、フリー磁性層４７の感度軸方向に対して略直交方向からバイアス磁界を印加することが可能となり、磁気ヒステリシスをより効果的に低減できる。
　拡散防止層５３は、ハードバイアス層５２を覆うように設けられる。拡散防止層５３は、Ｔａなどで構成される。
　導電層５４は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａなどにより構成される。導電層５４は、拡散防止層５３を覆うように設けられている。また、導電層５４は、長尺パターン３１の長手方向（Ｘ方向）において、磁気検出部３２の保護層４８と接するように設けられており、永久磁石部３３を挟むことにより離間された２つの磁気検出部３２を電気的に接続する。このようにすることで、永久磁石部３３のハードバイアス層５２による寄生抵抗の影響を低減し、電気抵抗値の増大や電気抵抗のばらつきなどを抑制できる。その結果、高い測定精度を実現できる。
　図５は、フィードバックコイル１２１及び磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄを含む磁気平衡式電流センサの積層構造を示す断面模式図である。図５では、図３のＢＢ矢視断面を示している。なお、図５では、積層構造全体を示すために磁気検出部３２の積層構造は簡略化している。
　図５に示すように、シリコンを含んで構成される基板２１上に絶縁膜である熱シリコン酸化膜２２が形成されている。熱シリコン酸化膜２２上には、アルミニウム酸化膜２３が形成されており、アルミニウム酸化膜２３上に磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの磁気検出部３２が設けられている。磁気検出部３２は、紙面奥行き方向（Ｘ方向）において永久磁石部３３（図５において不図示）と接続されており、磁気検出部３２と永久磁石部３３とが交互に接続されることで長尺パターン３１（図５において不図示）が構成されている。
　磁気検出部３２を含む長尺パターン３１の上方には、ポリイミド膜２４及びシリコン酸化膜２５を介してフィードバックコイル１２１を構成する配線パターン２６が設けられている。ポリイミド膜２４は、例えば、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。シリコン酸化膜２５は、例えば、スパッタリング、プラズマＣＶＤなどの方法により形成することができる。フィードバックコイル１２１は、例えば、金属等の導電性材料を含む膜を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いるパターン加工によって形成することができる。ここで、ポリイミド膜２４及びシリコン酸化膜２５は、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄ（特に磁気検出部３２）とフィードバックコイル１２１との距離Ｄが１μｍ以内となるような厚さで設けることが望ましい。磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄ（特に磁気検出部３２）とフィードバックコイル１２１との距離Ｄを１μｍ以内とすることで、フィードバックコイル１２１に流れる電流量を小さくしても必要なキャンセル磁界Ｂが得られるため、磁気平衡式電流センサの消費電力を低減することができる。
　図６は、平面視におけるフィードバックコイル１２１の配線パターン２６と、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの長尺パターン３１との配置関係を示す平面模式図である。図６に示すように、フィードバックコイル１２１は、略等間隔に配置された直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇを含む配線パターン２６によって構成されている。直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇは、フィードバックコイル１２１の直線部１２１ａを構成しており（図２参照）、その端部において曲線部１２１ｂ、１２１ｃを構成する曲線状の配線パターンと接続されている。
　隣接する直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇの中心線間の距離はＣ２となっている。言い換えれば、複数の直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇは、配置周期（繰り返し周期）Ｃ２で配列されている。また、直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇは、平面視において磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの長尺パターン３１ａ～３１ｇと重なるように、長尺パターン３１ａ～３１ｇの直上に形成されている。つまり、長尺パターン３１ａ～３１ｇの配置周期Ｃ１と、配線パターン２６ａ～２６ｇの配置周期Ｃ２とは略等しくなっている（Ｃ１≒Ｃ２）。
　配線パターン２６を覆うようにポリイミド膜２７が形成されている。ポリイミド膜２７上には、磁気シールド２８が形成されている。磁気シールド２８は、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いて形成することができる。なお、所望する特性を得ることができる場合には磁気シールド２８を設けなくとも良い。ポリイミド膜２７及び磁気シールド２８上には、シリコン酸化膜２９が形成されている。
　このように構成された磁気平衡式電流センサにおいて、長尺パターン３１ａ～３１ｇの配置周期Ｃ１と、配線パターン２６ａ～２６ｇの配置周期Ｃ２とは略等しくなっている。この場合、長尺パターン３１ａ～３１ｇと、これに対応する直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇ（長尺パターン３１ａ～３１ｇに最も近接する直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇ）との位置関係は略等しくなる。例えば、長尺パターン３１ａから見た配線パターン２６ａの位置（距離、角度など）と、長尺パターン３１ｂから見た配線パターン２６ｂの位置（距離、角度など）とは略等しくなる。同様に、長尺パターン３１ｃから見た配線パターン２６ｃの位置（距離、角度など）と、長尺パターン３１ｄから見た配線パターン２６ｄの位置（距離、角度など）と、長尺パターン３１ｅから見た配線パターン２６ｅの位置（距離、角度など）と、長尺パターン３１ｆから見た配線パターン２６ｆの位置（距離、角度など）と、長尺パターン３１ｇから見た配線パターン２６ｇの位置（距離、角度など）とは略等しくなる。
　このように、長尺パターン３１ａ～３１ｇと、対応する直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇとの位置関係が略等しくなると、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄとフィードバックコイル１２１との距離に関わらず、長尺パターン３１ａ～３１ｇがそれぞれ受けるキャンセル磁界Ｂの強度は略等しくなる。
　図７は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいてフィードバックコイル１２１のキャンセル磁界Ｂの強度と長尺パターン３１ａ～３１ｇの配置位置との関係を示す模式図である。図７において、直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇと長尺パターン３１ａ～３１ｇとは、紙面奥行き方向（Ｘ方向）に延在して設けられている。また、図７に示すように、長尺パターン３１ａ～３１ｇがそれぞれ受けるキャンセル磁界Ｂの強度が略等しくなるように、長尺パターン３１ａ～３１ｇの配置周期Ｃ１と配線パターン２６ａ～２６ｇの配置周期Ｃ２とを略等しくしている。このように、長尺パターン３１ａ～３１ｇと、これに対応する直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇとの位置関係をそれぞれ略等しくすることで、長尺パターン３１ａ～３１ｇがそれぞれ受けるキャンセル磁界Ｂの強度が略等しくなり、電流測定精度の低下を抑制できる。
　図８は、長尺パターンと、対応する直線状の配線パターンとの位置関係がそれぞれ異なる場合において、キャンセル磁界Ｂの強度と長尺パターンの配置位置との関係を示す模式図である。図８において、磁気抵抗効果素子２２２を構成する長尺パターンは所定の配置周期Ｃ１´で配置されており、フィードバックコイル２２１を構成する直線状の配線パターンは、長尺パターンの配置周期Ｃ１´とは異なる配置周期Ｃ２´（Ｃ２´≠Ｃ１´）で配置されている。この場合、磁気抵抗効果素子２２２の各長尺パターンが受けるキャンセル磁界Ｂの強度はそれぞれ異なる。このため、電流測定精度は低下する。
　図９は、フィードバックコイルを流れる電流と、磁気抵抗効果素子が受ける実効的な磁界の強さとの関係を示す特性図である。図８に示す場合、図９において線ｂ２で表されるように、フィードバックコイルを流れる電流に対する磁気抵抗効果素子が受ける実効的な磁界は弱くなる。これは、磁気抵抗効果素子の各長尺パターンがそれぞれ受けるキャンセル磁界の強度が異なり、その総和として磁気抵抗効果素子が受ける実効的な磁界が小さくなるためである。このように、磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとの距離を小さくして、大きな電流を測定しようとした場合、磁気抵抗効果素子が受ける実効的な磁界が弱くなると、必要なキャンセル磁界を発生させるときのコイル電流を大きくする必要がある。このため、磁気平衡式電流センサの消費電力を増大させてしまうことになる。
　一方、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサでは、磁気抵抗効果素子の長尺パターンがそれぞれ受けるキャンセル磁界が略等しくなるため、図９において線ｂ１で表されるように、フィードバックコイルを流れる電流に対して、磁気抵抗効果素子が受ける実効的なキャンセル磁界強度を効率的に大きくすることができる。このため、本実施形態のように磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄとフィードバックコイル１２１とを近接させることで、低い消費電力で駆動する磁気平衡式電流センサを実現できる。
　なお、長尺パターン３１ａ～３１ｇの配置周期Ｃ１と、直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇの配置周期Ｃ２とは略等しいことに限られない。少なくとも、長尺パターン３１ａ～３１ｇの配置周期Ｃ１が、直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇの配置周期Ｃ２の略整数倍（Ｃ１≒ｎ・Ｃ２、ｎは整数（代表的には正整数））であれば長尺パターン３１ａ～３１ｇに対する配線パターン２６ａ～２６ｇの位置関係が略等しくなるため、同様の効果を得ることができる。
　また、本実施の形態では、フィードバックコイル１２１の直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇが、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの長尺パターン３１ａ～３１ｇの直上に配置されているが、フィードバックコイル１２１の直線状の配線パターン２６ａ～２６ｇと磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄの長尺パターン３１ａ～３１ｇとの位置関係はこれに限られない。少なくとも、長尺パターン３１ａ～３１ｇがそれぞれ受けるキャンセル磁界Ｂの強度が略等しくなるように上述した配置周期の関係を満たしていれば、平面視における長尺パターン３１ａ～３１ｇと配線パターン２６ａ～２６ｇとの配置位置は、ずれていても良い。この場合も、長尺パターン３１ａ～３１ｇがそれぞれ受けるキャンセル磁界Ｂを略等しくできるため、電流測定精度の低下を抑制できる。
　また、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサは、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄをフィードバックコイル１２１に近接させているため、被測定電流Ｉが大きく誘導磁界Ａが強い場合にも、十分な強度のキャンセル磁界Ｂを発生させることが可能となっている。このため、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄが受ける誘導磁界Ａを弱める磁気シールド２８は省略可能である。磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄと導体１１との間に磁気シールド２８を有しない場合、磁気シールド２８の磁気ヒステリシスに起因する電流測定精度の低下が生じない。このため、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄと導体１１との間に磁気シールド２８を有しない構成にすることで、電流測定精度を高めることができる。
　以上のように、本発明の電流センサは、磁気抵抗効果素子において、ミアンダ状の磁気検出パターンを構成する長尺パターンの配置周期を、フィードバックコイルの配線パターンを構成する直線状の配線パターンの配置周期の略整数倍とすることで、磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとを近接するよう配置しても、磁気抵抗効果素子の各長尺パターンが受けるキャンセル磁界の強度を略等しくできる。その結果、磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとを近接させても電流測定精度が低下せずに済むため、高い精度を低い消費電力で実現可能な磁気平衡式電流センサを実現できる。
　なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄとフィードバックコイル１２１との距離Ｄを１μｍ以内として磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄとフィードバックコイル１２１とを近接させているが、本発明は、磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとの距離を近接させない場合においても電流測定精度を高める点において有効である。つまり、磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄとフィードバックコイル１２１との距離Ｄは１μｍより大きくても良い。また、上記実施の形態では、各磁気抵抗効果素子１２２ａ～１２２ｄが長尺パターン３１ａ～３１ｇを含む例を示しているが、長尺パターン３１ａ～３１ｇによって複数の磁気抵抗効果素子が形成されていても良い。例えば、長尺パターン３１ａ～３１ｃによって一つの磁気抵抗効果素子が形成され、長尺パターン３１ｄ～３１ｆによって別の磁気抵抗効果素子が形成されるようにしても良い。また、上記実施の形態において電流センサを構成する膜は、電流センサの機能に影響を与えない範囲において追加、省略が可能である。
　本発明の電流センサは、例えば、電気自動車やハイブリッドカーのモータ駆動用の電流の大きさを検知するために用いることが可能である。
　本出願は、２０１１年８月１日出願の特願２０１１－１６８２６８に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (6)

  1. 　電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子が検出する誘導磁界を相殺するような磁界を発生させるフィードバックコイルと、を備えた電流センサであって、
    　前記磁気抵抗効果素子は、特定方向に延在して等間隔に並設された複数の長尺パターンが接続されてなるミアンダ状の磁気検出パターンを含んで構成され、
    　前記フィードバックコイルは、前記磁気検出パターンを含む平面に垂直な方向から見て前記複数の長尺パターンと重なる領域において、前記長尺パターンの延在方向にそれぞれ延在して等間隔に並設された複数の直線状の配線パターンを含むように構成され、
    　前記長尺パターンの配置周期は、前記直線状の配線パターンの配置周期の整数倍であることを特徴とする電流センサ。
  2. 　前記直線状の配線パターンは、前記長尺パターンに対して平行に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
  3. 　前記直線状の配線パターンと、前記長尺パターンとの距離は１μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
  4. 　前記長尺パターンの配置周期は、前記直線状の配線パターンの配置周期に等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
  5. 　前記直線状の配線パターンが、前記長尺パターンの直上に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
  6. 　前記磁気検出パターンを含む磁気抵抗効果素子を複数備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
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