(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、前記磁気シールド上に設けられ、前記磁気シールドのヒステリシスを抑えるハードバイアス層と、を具備することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項２】
前記ハードバイアス層は、平面視において、前記誘導磁界の方向又は前記キャンセル磁界の方向と直交する方向における前記磁気シールドの両端部に配置され、前記誘導磁界の方向又は前記キャンセル磁界の方向に延在するパターンを有することを特徴とする請求項１記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項３】
前記磁気シールドと前記ハードバイアス層との間に設けられた非磁性層を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項４】
前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁気抵抗効果素子との間に配置され、前記磁気シールドが前記被測定電流に近い側に配置される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磁気平衡式電流センサ。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型のＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子である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磁気平衡式電流センサ。
【請求項６】
前記磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されている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磁気平衡式電流センサ。
【請求項７】
前記ハードバイアス層は、硬磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気平衡式電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさは、電流センサにより測定される。この電流センサとしては、磁気平衡式電流センサがある。磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流が流れると、電流に応じた誘導磁界により磁気検出素子に出力電圧が生じ、この磁気検出素子から出力された電圧信号が電流に変換されてフィードバックコイルにフィードバックされ、このフィードバックコイルにより発生する磁界（キャンセル磁界）と被測定電流により生じる誘導磁界とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作し、このときフィードバックコイルに流れるフィードバック電流を電圧変換させて出力として取り出す。【０００３】
上記磁気平衡式電流センサにおける磁気検出素子としては、例えば、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子のような磁気抵抗効果素子が用いられる（特許文献１）。このような磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流による誘導磁界を減衰させると共にキャンセル磁界をエンハンスするために磁気シールドを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０００−５１６７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、磁気シールドを構成する材料は磁性材料であり、磁気的なヒステリシスを持つので、磁気シールドの磁気的なヒステリシスの影響で、磁気抵抗効果素子の出力の線形性が劣化するという問題がある。例えば、被測定電流（１次電流）と線形性（％ＦＳ）との間の関係を調べると、磁気シールドがない場合には、図４Ｂに示すように、線形性が良好であるが、磁気シールドを設けると、図４Ａに示すように、線形性が悪くなる。【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、磁気シールドの磁気的なヒステリシスの影響を抑え、磁気抵抗効果素子の出力の線形性を向上させる磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、前記磁気シールド上に設けられ、前記磁気シールドのヒステリシスを抑えるハードバイアス層と、を具備することを特徴とする。【０００８】
この構成によれば、誘導磁界を減衰させると共にキャンセル磁界をエンハンスする磁気シールド上に、磁気シールドのヒステリシスを抑えるハードバイアス層を設けているので、磁気シールドの磁区構造を単磁区化することができる。これにより、磁気シールドの磁気的なヒステリシスの影響を抑え、磁気抵抗効果素子の出力の線形性を向上させることができる。【０００９】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記ハードバイアス層は、平面視において、前記誘導磁界の方向又は前記キャンセル磁界の方向と直交する方向における前記磁気シールドの両端部に配置され、前記誘導磁界の方向又は前記キャンセル磁界の方向に延在するパターンを有することが好ましい。【００１０】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気シールドと前記ハードバイアス層との間に設けられた非磁性層を具備することが好ましい。【００１１】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界抵抗効果素子との間に配置され、前記磁気シールドが前記被測定電流に近い側に配置されることが好ましい。【００１２】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子が、スピンバルブ型のＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子であることが好ましい。【００１３】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることが好ましい。【００１４】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記ハードバイアス層は硬磁性材料で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の磁気平衡式電流センサは、被測定電流からの誘導磁界により特性が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、前記磁気シールド上に設けられ、前記磁気シールドのヒステリシスを抑えるハードバイアス層と、を具備するので、磁気シールドの磁気的なヒステリシスの影響を抑えて、磁気抵抗効果素子の出力の線形性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。
【図２】図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図である。
【図４】図４Ａは、磁気シールドを備えた場合の出力の線形性を示す図であり、図４Ｂは、磁気シールドを用いない場合の出力の線形性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流が流れる導体の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体に流れる被測定電流による誘導磁界を打ち消す（相殺する）磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路を備えている。このフィードバック回路は、被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、磁気検出素子である１つの磁気抵抗効果素子１２２ａと、３つの固定抵抗素子１２２ｂとを有する。なお、図１において、参照符号１２３は、磁気抵抗効果素子１２２ａや固定抵抗素子１２２ｂと電気的に接続された電極パッドを示す。
【００１８】
フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイルを作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイルから生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイルによるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流が交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界とキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。
【００１９】
磁気抵抗効果素子１２２ａは、被測定電流からの誘導磁界により特性（抵抗値）が変化する。磁気抵抗効果素子１２２ａは、３つの固定抵抗素子１２２ｂと共に磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。
【００２０】
この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流により生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。この２つの出力は増幅器で増幅され、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。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗）で被測定電流を測定する。
【００２１】
図２は、図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル、磁気シールド及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板２１上に形成されている。図２に示す構成においては、フィードバックコイル１２１が、磁気シールド３０と磁気抵抗効果素子１２２ａとの間に配置され、磁気シールド３０が被測定電流に近い側に配置されている。すなわち、導体に近い側から磁気シールド３０、フィードバックコイル１２１、磁気抵抗効果素子１２２ａの順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子を導体から最も遠ざけることができ、被測定電流から磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることができる。また、磁気シールドを最も導体に近づけることができるので、誘導磁界の減衰効果をより高めることができる。したがって、フィードバックコイルからのキャンセル磁界を小さくすることができる。
【００２２】
図２に示す層構成について詳細に説明する。図２に示す磁気平衡式電流センサにおいては、基板２１上に絶縁層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が形成されている。アルミニウム酸化膜２３は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板２１としては、シリコン基板などが用いられる。
【００２３】
アルミニウム酸化膜２３上には、磁気抵抗効果素子１２２ａが形成されている。このとき、磁気抵抗効果素子１２２ａと共に固定抵抗素子１２２ｂも設けられ、磁界検出ブリッジ回路が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１２２ａとしては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。例えば、ＧＭＲ素子として、反強磁性層、固定磁性層、非磁性層、フリー磁性層を有する多層膜で構成されるスピンバルブ型ＧＭＲ素子やスピンバルブ型ＴＭＲ素子を用いることができる。
【００２４】
スピンバルブ型ＧＭＲ素子としては、ミアンダ形状を有するＧＭＲ素子であることが好ましい。このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン（Ｐｉｎ）方向の幅が１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界の方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。
【００２５】
また、スピンバルブ型ＴＭＲ素子としては、リニアリティを考慮すると、ピン方向の幅が１μｍ〜１０μｍの長方形であることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界の方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。
【００２６】
また、アルミニウム酸化膜２３上には、電極２４が形成されている。電極２４は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。
【００２７】
磁気抵抗効果素子１２２ａ及び電極２４を形成したアルミニウム酸化膜２３上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、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。
【００２８】
ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜２７が形成されている。シリコン酸化膜２７は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
【００２９】
シリコン酸化膜２７上には、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は、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、フィードバックコイル１２１は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
【００３０】
また、シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１の近傍にコイル電極２８が形成されている。コイル電極２８は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。
【００３１】
フィードバックコイル１２１及びコイル電極２８を形成したシリコン酸化膜２７上には、絶縁層としてポリイミド層２９が形成されている。ポリイミド層２９は、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。
【００３２】
ポリイミド層２９上には、磁気シールド３０が形成されている。磁気シールド３０は、誘導磁界を減衰させると共にキャンセル磁界をエンハンスする。磁気シールド３０を構成する材料としては、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ることができる。
【００３３】
磁気シールド３０上には、磁気シールド３０のヒステリシスを抑えるハードバイアス層３３が設けられている。このハードバイアス層３３は、図１に示すように、平面視において、誘導磁界の方向又はキャンセル磁界の方向と直交する方向における磁気シールド３０の略両端部に配置されている。また、ハードバイアス層３３は、誘導磁界の方向又はキャンセル磁界の方向に延在するパターンを有する。このハードバイアス層３３は、コバルト白金合金（ＣｏＰｔ）などの硬磁性材料で構成されている。
【００３４】
なお、ハードバイアス層３３は、磁気シールド３０が発揮する減衰効果及びエンハンス効果を損なわない範囲で、形成位置、厚さ、面積などを適宜設定することが好ましい。また、ハードバイアス層３３と磁気シールド３０とが直接磁気的にカップリングしないように、図３に示すように、磁気シールド３０とハードバイアス層３３との間に非磁性層３４を設けることが望ましい。なお、非磁性層３４の厚さは、ハードバイアス層３３と磁気シールド３０とが直接磁気的にカップリングしないで、磁気シールド３０が発揮する減衰効果及びエンハンス効果を損なわない範囲で適宜設定することが好ましい。非磁性層３４を構成する材料としては、アルミニウム酸化膜などを挙げることができる。
【００３５】
ポリイミド層２９上には、シリコン酸化膜３１が形成されている。シリコン酸化膜３１は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。ポリイミド層２９及びシリコン酸化膜３１の所定の領域（コイル電極２８の領域及び電極２４の領域）にコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド３２，２６がそれぞれ形成されている。コンタクトホールの形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。電極パッド３２，２６は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
【００３６】
このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、図２に示すように、被測定電流から発生した誘導磁界Ａを磁気抵抗効果素子１２２ａで受け、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル１２１からキャンセル磁界Ｂを発生し、２つの磁界（誘導磁界Ａ、キャンセル磁界Ｂ）を相殺して磁気抵抗効果素子１２２ａに印加する磁場が零になるように適宜調整する。
【００３７】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、図２に示すように、フィードバックコイル１２１に隣接して磁気シールド３０を有する。磁気シールド３０は、被測定電流から生じ磁気抵抗効果素子１２２ａに印加される誘導磁界を減衰させる（磁気抵抗効果素子においては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が逆方向）と共に、フィードバックコイル１２１からのキャンセル磁界Ｂをエンハンスする（磁気シールドにおいては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が同方向）ことができる。したがって、磁気シールド３０が磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル１２１に流す電流を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。また、この磁気シールド３０により、外部磁界の影響を低減させることができると共に、より大きな電流値まで測定が可能となる。
【００３８】
磁気シールド３０が存在することによりフルスケールに対する線形性の値は大きくなる。本発明者らは、磁気シールド３０が出力の線形性に与える影響の一つの要因が、磁気シールド３０の磁区構造（ドメイン）であることを見出した。そこで、本発明においては、磁気シールド３０上にハードバイアス層３３を設けて、磁気シールドの磁区構造を単磁区化する。これにより、磁気シールドの磁気的なヒステリシスの影響を抑え、磁気抵抗効果素子の出力の線形性を向上させることができる。
【００３９】
次に、上記構成を有する磁気平衡式電流センサの効果を明確にするために行った実施例について説明する。
【００４０】
図１及び図２に示す構成（磁気シールド上にハードバイアス層を有する構成）を持つ磁気平衡式電流センサを作製した（実施例）。また、図１及び図２に示す構成においてハードバイアス層を有しない構成を持つ磁気平衡式電流センサを作製した（比較例）。
【００４１】
実施例及び比較例の磁気平衡式電流センサについて出力の線形性を調べた。出力の線形性は、プロット点の最小二乗近似することにより求めた。その結果、実施例の磁気平衡式電流センサでは、ほぼ図４Ｂに示すようになり、線形性が良好であった。これは、ハードバイアス層により、磁気シールドの磁区構造が単磁区化され、磁気シールドの磁気的なヒステリシスの影響が抑えられたためであると考えられる。一方、比較例の磁気平衡式電流センサは、図４Ａに示す結果となり、線形性が劣化していた。
【００４２】
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、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。【００４４】
本出願は、２０１０年６月９日出願の特願２０１０−１３２２１２に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
0005505817.tif 000002
【図２】
0005505817.tif 000003
【図３】
0005505817.tif 000004
【図４】
0005505817.tif 000005