(57)【要約】      （修正有）【課題】消費電力を大きくすることなく、励磁コイルおよび検出コイルの巻き数を減らすことがなく、フィードバック効率を高めることが可能な、小型で大電流を高精度に検出することが可能な磁気センサを提供する。【解決手段】磁性体コア１と、この磁性体コアに巻回された励磁コイル９と検出コイル１０と、励磁コイルおよび検出コイルの巻き数を減らすことなく、フィードバックコイル２１は、励磁コイルおよび検出コイルとは異なる外側の階層に巻回される。【選択図】図４
2014081300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性基板上に長手方向を有する形状の磁性体コアと、前記磁性体コアに巻回されるように第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルと、が形成され、前記第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルの一方が励磁コイルとされ他方が検出コイルとされたフラックスゲート型磁気素子であって、
前記磁性体コアに巻回され、前記第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルの外側に設けられた第３のソレノイドコイルがフィードバックコイルとされていることを特徴とするフラックスゲート型磁気素子。
【請求項２】
請求項１記載のフラックスゲート型磁気素子と、
前記磁性体コアにおける被測定磁界を打ち消すフィードバック磁界を発生させるように、前記フィードバックコイルにフィードバック電流を供給するとともに、該フィードバック電流の値に基づいて被測定磁界の強度を出力する制御用集積回路と、
を具備してなることを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックスゲート型磁気素子、磁気センサに係り、特に、フィードバック磁界を印加するためのフィードバックコイルを有するフラックスゲート型磁気素子およびこれを利用した磁気センサ、電流センサに用いて好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、ハイブリッド自動車や電気自動車が普及する中で、バッテリーの使用量や充電時の電力量をモニターするために、例えば電流センサが使用されている。電流が流れる導体（バスバー）の周囲には、流れている電流の大きさに比例した磁界が発生しているため、電流センサはこの磁界を測定することで導体に流れている電流値を出力する。電流センサとしては、特許文献１に示すように、バスバーの周囲を囲むように磁気コアを配置し、この磁気コアに設けた空隙（ギャップ）に配置した磁気検出素子により磁界を検出し、電流を測定する。このように磁気コアで導体を包み込む形式のものをクローズドループ方式と呼ぶが、大きな電流値を測定しようとする場合は磁気コアも大きくせざるを得ず、電流センサの重量、及びサイズの増大を招いている。
また、導体の周囲を磁気コアで包み込むという形状から、一度設置したら取り外しや交換が容易でないといった問題もある。
【０００３】
そこで近年、特許文献２に示すような、磁気コアを設けずに被測定導体近傍に磁気センサを配置する形式のコアレス型の電流センサ（オープンループ方式）が提案されている。コアレスにすることにより電流センサ自体を小型軽量化することができ、且つ取り付けや取り外しが容易で設置の自由度の高い電流センサが実現可能である。この電流センサに用いられる磁気素子としては、ホール素子や磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、磁気インピーダンス（ＭＩ）素子やフラックスゲート（ＦＧ）素子などの各種磁気検出素子が挙げられる。磁気検出素子は、半導体分野における薄膜プロセスや微細配線加工プロセスを用いて、小型なサイズで作製可能である。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２１９８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８５７８８号公報
【特許文献３】特開平１１−１０９００６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、電気自動車などでは数百Ａという大電流が流れるため、小型の磁気センサを用いた電流センサでは、磁気素子が有する磁性体コアが磁気飽和してしまいダイナミックレンジが足りなくなる。それを解消するために、フィードバックコイルを用いたフィードバック方式が用いられる。即ち、磁気素子が有する磁性体コアにおける磁界が零になるように、被測定磁界の方向とは反対向きのフィードバック磁界をフィードバックコイルにより発生させ、このフィードバック磁界を発生させるためにフィードバックコイルに供給した電流から被測定磁界を算出する。このフィードバックコイルは例えば磁気検出素子の周囲に配置したボビンにより実現することが可能であるが、そうした場合には半導体加工技術を応用することによって実現される小型化というメリットが薄れてしまう。そこで、半導体加工技術を応用することによりフィードバックコイルを形成した磁気検出素子（特許文献３）が提案されている。
特許文献３においては磁気検出素子として磁気インピーダンス素子を用いている。フィードバックコイルは検出コイル形成工程において同時に形成され、その結果、検出コイルと同一階層に存在する。
【０００６】
この特許文献３の素子構造をフラックスゲート型磁気素子に適用した場合には、フィードバックコイルは励磁コイル及び検出コイルの形成工程において同時に形成される。その結果、フィードバックコイルは、励磁コイル及び検出コイルと同一階層に存在する構造が考えられる。
即ち、従来のフラックスゲート素子の構造としては、図１５から図１７に示すように、非磁性基板３３１上に、励磁コイル３０９、検出コイル３１０及びフィードバックコイル（負帰還コイル）３２１の下部配線を形成する第一配線層３０４と、第一樹脂層３０５を介して第一配線層３０４上に形成された磁気コア３０１と、磁気コア３０１上に形成された第二樹脂層３０６と、第二樹脂層３０６の上に形成された負帰還コイル、励磁コイル、検出コイルの上部配線を形成する第二配線層３０７と、を有する構造が考えられる。
しかし、上述のように、各コイルを同一階層に形成すると、フィードバックコイルの巻き数が制限されてしまい、フィードバック効率を向上させることができない。また、フィードバックコイルを巻き回した分だけ検出コイル、及び、励磁コイルの巻き数が減少し、それによる励磁効率の低下や検出信号を検出しづらいといった問題がある。各コイルの巻き数を多くするために、コイル配線のサイズを小さくすることが考えられるが、その場合は配線抵抗が大きくなり、磁気検出素子の消費電力が大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、消費電力を大きくすることなく、励磁効率の低下や検出信号を検出しづらいといった問題を生じることなく、フィードバック効率を高めることが可能なフラックスゲート型磁気素子を実現することで、大電流を高精度に検出することが可能な磁気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】
【０００８】
本発明の請求項１にかかるフラックスゲート型磁気素子は、非磁性基板上に長手方向を有する形状の磁性体コアと、前記磁性体コアに巻回されるように第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルと、が形成され、前記第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルの一方が励磁コイルとされ他方が検出コイルとされたフラックスゲート型磁気素子であって、
前記磁性体コアに巻回され、前記第１のソレノイドコイルおよび第２のソレノイドコイルの外側に設けられた第３のソレノイドコイルがフィードバックコイルとされていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項１にかかるフラックスゲート型磁気素子によれば、磁性体コアに巻回された励磁コイルと検出コイルとのさらに外側にフィードバックコイルが巻回されるように形成されて、励磁コイルおよび検出コイルとは異なる階層にフィードバックコイルが位置しているため、所定長さの磁性体コアに対して、フィードバックコイルに対する長さを考慮することなく励磁コイルおよび検出コイルを巻回して磁気素子を構成することができるため、励磁コイルおよび検出コイルの巻き数を減らすことなくフィードバックコイルを設けて、励磁効率の低下や検出信号波形が減少するといった素子特性の劣化を防止することができる。
【００１０】
本発明の請求項２にかかる磁気センサは、請求項１記載のフラックスゲート型磁気素子と、
前記磁性体コアにおける被測定磁界を打ち消すフィードバック磁界を発生させるように、前記フィードバックコイルにフィードバック電流を供給するとともに、該フィードバック電流の値に基づいて被測定磁界の強度を出力する制御用集積回路と、
を具備してなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２にかかる磁気センサは、請求項１記載のフラックスゲート型磁気素子を用いて磁界強度を測定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１にかかるフラックスゲート型磁気素子によれば、磁気素子の感磁方向における磁性体コアの長さ寸法の全長に亘って励磁コイルおよび検出コイルを巻回するとともに、その外側で磁性体コアの長さ寸法の全長に亘ってフィードバックコイルを巻回することが可能となるため、励磁効率の低下や検出信号波形が減少するといった素子特性の劣化を来すことなく、素子長さ寸法を縮小することができる。同様に、素子長さを大きくすることなく、励磁効率の低下や検出信号波形が減少するといった素子特性の劣化を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係る磁気センサの第１実施形態におけるフラックスゲート型磁気素子を用いた電流センサを示す模式図である。
【図２】図２は、本発明に係る磁気センサの第１実施形態におけるフラックスゲート型磁気素子の動作原理を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態における磁性体コアの磁化状態の時間による変化を示すヒステリシス曲線である。
【図４】図４は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態を示す模式側断面図である。
【図６】図６は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態における製造工程を示す正断面図である。
【図７】図７は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態における製造工程を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態における励磁コイルおよび検出コイルを示す上面図である。
【図９】図９は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第１実施形態における他の例を示す模式側断面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第２実施形態における製造工程を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第２実施形態における製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る磁気センサの第１実施形態におけるフラックスゲート型磁気センサの動作原理を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本発明に係る磁気センサの第１実施形態におけるフラックスゲート型磁気センサの動作原理を示すグラフである。
【図１４】図１４は、本発明に係る磁気センサの第１実施形態におけるフラックスゲート型磁気センサの動作原理を示すグラフである。
【図１５】図１５は、従来のフィードバックコイルを有するフラックスゲート型磁気素子を示す模式上面図である。
【図１６】図１６は、従来のフィードバックコイルを有するフラックスゲート型磁気素子を示す模式正断面図である。
【図１７】図１７は、従来のフィードバックコイルを有するフラックスゲート型磁気素子を示す模式側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子、磁気センサ（電流センサ）の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における磁気センサにおける主要部同士の機能的関係を示す模式図であり、図において、符号ＭＳ１０は磁気センサを示している。
【００１５】
本実施形態の磁気センサＭＳ１０は、図１に示すように、フラックスゲート型磁気素子Ｍ１２と、制御用集積回路（信号処理回路）ＭＴ１０とからなる。
フラックスゲート型磁気素子Ｍ１２は、軟磁性材料からなる磁性体コア１に巻回された励磁コイル９、検出コイル１０、フィードバックコイル２１、を有する。
制御用集積回路ＭＴ１０は、励磁電流発生回路ＭＴ１１、センスアンプＭＴ１２、コンパレータＭＴ１３、フィードバック制御回路（ＦＢ制御回路）ＭＴ１４、電流アンプＭＴ１５、出力端子ＭＴ１６を有する。
磁気センサＭＳ１０は、例えば導電路に流れる電流が作る被測定磁界を測定するための電流センサなどである。
【００１６】
励磁コイル９には、励磁電流発生回路ＭＴ１１が接続され、後述するように連続波形とされる励磁電流信号が供給される。
検出コイル１０には、センスアンプＭＴ１２が接続されている。検出コイル１０からの出力信号は、センスアンプＭＴ１２によって増幅される。センスアンプＭＴ１２は、コンパレータＭＴ１３に接続されており、コンパレータＭＴ１３は、フィードバック制御回路ＭＴ１４に接続され、フィードバック制御回路ＭＴ１４は、電流アンプＭＴ１５が接続され、電流アンプＭＴ１５は、フィードバックコイル２１および出力端子ＭＴ１６が接続される。
【００１７】
励磁電流発生回路ＭＴ１１が発生させる三角波の励磁電流が励磁コイル９に供給され、それに伴い励磁磁界が磁性体コア１に発生する。磁性体コア１に発生した励磁磁界は、正負交互に磁界の向きが変動する。検出コイル１０においては、磁界の向きが切り替わるタイミングでパルス状の誘導電圧信号（検出信号）が発生する。検出コイル１０に発生したパルス状の誘導電圧信号（検出信号）は、検出コイル１０に接続された端子を通してセンスアンプＭＴ１２へ入力される。センスアンプＭＴ１２は、この検出信号を後段のコンパレータＭＴ１３が動作可能な程度まで増幅する。
【００１８】
コンパレータＭＴ１３には、センスアンプＭＴ１２で増幅された検出信号が入力される。コンパレータＭＴ１３は、この増幅された検出信号の電圧値と、予め定められた閾値電圧値とを比較し、その結果に応じてＨｉｇｈ値またはＬｏｗ値の信号を出力する。このように、コンパレータＭＴ１３は、検出信号をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波形に変換する。
コンパレータＭＴ１３が出力したＨｉｇｈ値の維持時間とＬｏｗ値の維持時間との比は、Ｄｕｔｙ比と呼ばれる。このＤｕｔｙ比が５０：５０であれば外部磁界（被測定磁界）が印加されていない状態である。５０：５０から外れていれば、外部磁界（被測定磁界）が印加されている状態である。５０：５０から大きく外れるほど、大きな外部磁界（被測定磁界）が印加されていることを示す。
【００１９】
フィードバック制御回路ＭＴ１４は、コンパレータＭＴ１３からの出力であるＨｉｇｈ値の維持時間とＬｏｗ値の維持時間のＤｕｔｙ比が５０：５０からずれた場合に、そのずれ量に応じた値の直流電圧信号を出力する。
電流アンプＭＴ１５は、フィードバック制御回路ＭＴ１４が出力した直流電圧信号を基にして、Ｄｕｔｙ比を５０：５０に近づけるためのフィードバック電流をフィードバックコイル２１に供給する。これにより、磁性体コア１における磁化状態は、実効的には外部磁界が印可されていない状態となる。
【００２０】
本実施形態の磁界強度の測定方法を、磁気センサＭＳ１０を構成するフラックスゲート型磁気素子Ｍ１２等の動作原理を通して説明する。
図２は、フラックスゲート型磁気素子の動作原理を示すグラフである。図２（ａ）は、励磁コイル９に供給される三角波励磁電流の時間変化を示すグラフである。図２（ｂ）は、磁性体コア１の磁化状態の時間変化を示すグラフである。図２（ｃ）は、検出コイル１０に生じる検出信号の時間変化を示すグラフである。図３は、フラックスゲート型磁気素子Ｍ１２の磁性体コア１の磁化状態の時間による変化を示すＢ−Ｈ曲線（ヒステリシス曲線）である。
【００２１】
励磁電流発生回路ＭＴ１１から、図２（ａ）に示すような三角波励磁電流を励磁コイル９に供給すると、励磁コイル９の作る励磁磁界Ｈｅｘｃにより磁性体コア１に励磁磁界が生じる。図２（ａ）の横軸は時間を、縦軸は電流値を示す。磁性体コア１は、図３に示すような磁気飽和特性を有するため、磁性体コア１における磁化状態は、図２（ｂ）に示すような時間変化をする。図２（ｂ）の横軸は時間を、縦軸は磁性体コア１における磁束密度Ｂを示す。検出コイル１０には、磁性体コア１の磁化状態の極性が反転するタイミング、すなわち時間変化ｄＢ／ｄｔが存在するタイミングにおいて、磁性体コア１の断面積Ｓ、ピックアップコイル１０の巻き数Ｎに比例した誘導電圧Ｖｐｕ＝ＮＳ×ｄＢ／ｄｔが生じる。検出コイル１０に発生する誘導電圧Ｖｐｕは、図２（ｃ）に示すような時間変化をするパルス状の誘導電圧信号（検出信号）である。図２（ｃ）の横軸は時間を、縦軸は電圧値を示す。磁性体コア１の磁束密度Ｂの時間変化ｄＢ／ｄｔが大きいほど、誘導電圧信号の波高値は高くなり、パルス幅は狭くなり、より急峻なパルス状波形の誘導電圧信号が得られる。図２（ｃ）における時間間隔ｔ１は、外部磁界（被測定磁界）Ｈｅｘｔ、磁性体コア１の磁束密度Ｂが増加する時と減少する時との磁場の強さＨのずれＨｃ、励磁コイル９の作る磁界Ｈｅｘｃ、三角波励磁電流の周期Ｔ及びコイルのインダクタンスによる遅延時間Ｔｄを用いて、式（１）のように表される。
【数１】
2014081300.tif 000003
【００２２】
同様に、図２の（ｃ）における時間間隔ｔ２は、式（２）のように表される。
【数２】
2014081300.tif 000004
式（１）及び式（２）より、外部磁界によって生ずる時間間隔の変化量ｔ２−ｔ１は、式（３）のように表される。
【数３】
2014081300.tif 000005
【００２３】
式（３）より、外部磁界によって生ずる時間間隔の変化ｔ２−ｔ１は、外部磁界Ｈｅｘｔと励磁コイル９の作る励磁磁界Ｈｅｘｃの比 Ｈｅｘｔ／Ｈｅｘｃ および三角波励磁電流の周期Ｔに依存することがわかる。外部磁界に対する感度Ｓ＝ｄ（ｔ２−ｔ１）／ｄＨｅｘｔは、励磁コイル９に通電する三角波励磁電流の振幅Ｉｅｘｃ、励磁コイル９に流れる三角波励磁電流の単位電流当たりの発生磁界（励磁効率α）、及び三角波励磁電流の周期Ｔを用いて、Ｓ＝Ｔ／（２・Ｉｅｘｃ×α）で表される。よって、三角波励磁電流の振幅Ｉｅｘｃが大きいほど、フラックスゲート型磁気素子Ｍ１２の感度Ｓは小さくなる。そして、三角波励磁電流の周期Ｔが大きいほど、フラックスゲート型磁気素子の感度Ｓは大きくなる。
【００２４】
励磁効率αは、フラックスゲート磁気素子Ｍ１２を構成する磁性体コア１と励磁コイル９の巻き数によって決定される値である。励磁効率αが大きいほど、同一感度で同一の磁界範囲を測定しようとした場合には、少ない電流でフラックスゲート磁気素子Ｍ１２を駆動することができる。また、式（３）において、外部磁界Ｈｅｘｔ＝励磁磁界Ｈｅｘｃとなるとき式（３）は０となり、このときの外部磁界Ｈｅｘｔが測定可能な磁界範囲の上限となる。Ｈｅｘｃ＝α×Ｉｅｘｃで表されることから、励磁効率αが大きいほど、同一の電流で駆動した場合に広い測定可能な磁界範囲を有するフラックスゲート型磁気素子となる。
【００２５】
この励磁効率αは、励磁コイル９に三角波励磁電流を通電することにより磁性体コア１に発生する磁束密度と、外部磁界により磁性体コア１に発生する磁束密度との比率を示すものである。励磁効率αは、磁性体コア１のヒステリシス曲線の非飽和領域における磁気密度Ｂの外部磁界Ｈｅｘｔに対する傾きｄＢ／ｄＨｅｘｔと、同じく磁性体コア１の磁束密度Ｂの励磁コイルに流れる三角波励磁電流Ｉｅｘｃに対する傾きｄＢ／ｄＩｅｘｃとの比率により決まり、式（４）で表される。
【数４】
2014081300.tif 000006
【００２６】
すなわち、上記のように磁気センサＭＳ１０は、制御用集積回路（信号処理回路）ＭＴ１０の励磁電流発生回路ＭＴ１１から励磁コイル９へ、連続して振動する三角波形の励磁電流を供給し、磁性体コア１における磁束の向きが連続的に振動して飽和する磁場を発生させる。磁性体コア１内においては、磁束の向きが反転するタイミングでパルス状の誘導電圧が検出コイル１０にて発生する。この検出コイル１０から出力されたパルス状の誘導電圧信号の時間間隔Ｔ０を、外部磁界Ｈｅｘｔが印加されていない場合と印加されている場合とにおける差異が最小となるように、磁性体コア１に巻回されたフィードバックコイル２１にフィードバック電流を供給する。
【００２７】
より具体的な動作原理を図１２〜図１４を用いて説明する。
【００２８】
（外部磁界Ｈｅｘｔ＝０の場合）
図１２（ａ）に示すように、励磁電流発生回路ＭＴ１１は、周期Ｔで変動する三角波励磁電流を励磁コイル９に供給する。それに伴って磁性体コア１において励磁磁界が発生する。図１２（ｂ）は、磁性体コア１における磁化状態の時間変化を示す。外部磁界Ｈｅｘｔ＝０であるため、磁性体コア１における磁化状態は励磁磁界のみの影響を受け、三角波励磁電流と同期して変動する。したがって、三角波電流の極性が反転する時刻ｔ２、ｔ４、ｔ６、ｔ８と同じタイミングで、磁性体コア１における磁化状態（磁化方向）が反転する。図１２（ｃ）は、磁性体コア１の磁化状態が反転するときに検出コイル１０に発生するパルス状の誘導電圧信号を示す。磁性体コア１の磁化状態が負から正へ反転する時刻ｔ２とｔ６においては、正符号の誘導電圧信号Ｋ＋が発生する。磁性体コア１の磁化状態が正から負へ反転する時刻ｔ４とｔ８においては、負符号の誘導電圧信号Ｋ−が発生する。
【００２９】
検出コイル１０に発生した誘導電圧信号（Ｋ＋、Ｋ−）は、フラックスゲート型磁気素子Ｍ１２の出力として制御用集積回路ＭＴ１０に入力される。まず、センスアンプＭＴ１２において誘導電圧信号が増幅され、続いてコンパレータＭＴ１３に入力される。コンパレータＭＴ１３は、図１２（ｄ）に示すように、増幅された誘導電圧信号をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）波形へと変調する。すなわち、増幅された誘導電圧信号の電圧値と予め定められた閾値電圧値とを比較し、増幅された誘導電圧信号の電圧値の方が大きい場合はＨｉｇｈが維持され、増幅された誘導電圧信号の方が小さい場合はＬｏｗが維持された電圧信号を出力する。Ｈｉｇｈが維持される時間幅をＴＨ、Ｌｏｗが維持される時間幅をＴＬとすると、外部磁界Ｈｅｘｔ＝０である場合においてはＴＨ＝ＴＬとなり、これが基準時間間隔Ｔ０（ゼロ）とされる。基準時間間隔Ｔ０は、三角波電流の半周期Ｔ／２と等しい。Ｈｉｇｈの時間幅（ＴＨ）とＬｏｗの時間幅（ＴＬ）とのＤｕｔｙ比は、Ｔ０：Ｔ０（＝５０：５０）となる。
【００３０】
コンパレータＭＴ１３において変調された信号は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）フィードバック制御回路１４へ入力される。信号は、フィードバック制御回路ＭＴ１４、電流アンプＭＴ１５を経てフィードバック電流としてフィードバックコイル２１に出力されるとともに、電流アンプＭＴ１５からの出力値が出力端子ＭＴ１６から外部磁界強度の指標を表す磁気センサの出力として連続的に出力される。この出力が、外部磁界Ｈｅｘｔ＝０における出力となる。
【００３１】
（外部磁界Ｈｅｘｔ＞０の場合）
図１２（ａ）に示す外部磁界Ｈｅｘｔ＝０の場合と同様に、図１３（ａ）に示した三角波電流が励磁コイル９に供給されると、磁性体コア１に励磁磁界が発生する。磁性体コア１における磁化状態は、励磁磁界に加えて外部磁界Ｈｅｘｔの影響を受ける。そのため、磁性体コア１における磁化状態の時間変化を示すグラフは、図１３（ｂ）に示すように、図１２（ｂ）の波形が一方の側（図１３（ｂ）では負の側）へシフトした形状となる。そうすると、磁性体コア１における磁化状態（磁化方向）が反転するタイミングが、励磁コイル９の三角波電流の変動と同期しなくなる。例えば、磁性体コアの磁化方向が負から正へ反転するタイミングが、時刻ｔ２、ｔ６からシフトとして、それぞれ時刻ｔ３、ｔ７へ近づく。そのため、正符号のパルス状誘導電圧信号Ｋ＋が発生するタイミングも、時刻ｔ３、ｔ７へ近づく（図１３（ｃ））。一方、磁性体コア１の磁化方向が正から負へ反転するタイミングが、時刻ｔ４、ｔ８からシフトして、それぞれ時刻ｔ３、ｔ７へ近づく。そのため、負符号のパルス状の誘導電圧信号Ｋ−が発生するタイミングも、時刻ｔ３、ｔ７へ近づく（図１３（ｃ））。
【００３２】
その結果、コンパレータＭＴ１３において変調されたあとのＨｉｇｈの時間幅ＴＨとＬｏｗの時間幅ＴＬも変化し、図１３（ｄ）に示すうようにＴＨ＜ＴＬとなる。このときのＴＨをＴ１とし、ＴＬをＴ２とすると、Ｔ１は基準時間間隔Ｔ０よりも小さくなり、Ｔ２は基準時間間隔Ｔ０よりも大きくなる。この基準時間間隔Ｔ０とＴ１、Ｔ２との差分だけ、外部磁界Ｈｅｘｔの影響をキャンセルするような、つまり外部磁界Ｈｅｘｔと逆方向の磁界を発生させるように、電流アンプＭＴ１５からフィードバックコイル２１にフィードバック電流が供給される。フィードバックコイル２１は、外部磁界Ｈｅｘｔをキャンセルするような方向と大きさを有するフィードバック磁界Ｈｆｂを発生させるので、磁性体コア１における外部磁界Ｈｅｘｔは低減され、外部磁界Ｈｅｘｔ＝０の付近の磁場状態が維持される。
【００３３】
これを、Ｂ−Ｈ曲線を用いて説明すると、外部磁界Ｈｅｘｔ＞０が印可されたとしても、磁性体コア１の磁化状態はＢ−Ｈ曲線のリニアリティ（直線性）が低下した状態へと変化せず、リニアリティの良好な状態の磁気飽和特性を利用した磁気強度の測定が可能となる。したがって、大きな外部磁界が印可されたとしても、フィードバック磁界によって磁性体コアにおける実効的な磁化状態は、外部磁界Ｈｅｘｔ＝０の状態へと近づき、リニアリティの良好なＢ−Ｈ曲線を利用した磁界強度の測定を行うことができる。
なお、電流アンプＭＴ１５からの出力は、端子ＭＴ１６を通して外部磁界強度表す磁気センサの出力として連続的に出力される。
【００３４】
（外部磁界Ｈｅｘｔ＜０の場合）
図１４（ａ）（図１２（ａ）、図１３（ａ）と同じ）に示した三角波電流が励磁コイル９に供給されると、磁性体コア１に励磁磁界が発生する。磁性体コア１における磁化状態は、励磁磁界に加えて外部磁界Ｈｅｘｔの影響を受ける。上述した外部磁界Ｈｅｘｔ＞０の場合とは逆の作用が働くため、コンパレータＭＴ１３において変調された後のＨｉｇｈの時間幅ＴＨとＬｏｗの時間幅ＴＬは、図１３（ｄ）に示すように、ＴＨ＞ＴＬとなる。このときのＴＨをＴ３とし、ＴＬをＴ４とすると、Ｔ３は基準時間間隔Ｔ０よりも大きくなり、Ｔ４は基準時間間隔Ｔ０よりも小さくなる。この基準時間間隔Ｔ０と、Ｔ３およびＴ４との差分だけ外部磁界Ｈｅｘｔをキャンセルするような、つまり外部磁界Ｈｅｘｔと逆方向の磁界を発生させるように、電流アンプＭＴ１５からフィードバックコイル２１にフィードバック電流２１が供給される。フィードバックコイル２１は、外部磁界Ｈｅｘｔをキャンセルするような方向と大きさを有するフィードバック磁界Ｈｆｂを発生させるので、磁性体コア１における外部磁界Ｈｅｘｔをキャンセルし、外部磁界Ｈｅｘｔ＝０付近の磁場状態が維持される。
【００３５】
これを、Ｂ−Ｈ曲線を用いて説明すると、外部磁界Ｈｅｘｔ＜０が印可されたとしても、磁性体コア１の磁化状態はＢ−Ｈ曲線のリニアリティ（直線性）が低下した状態へと変化せず、リニアリティの良好な磁気飽和特性を利用した磁気強度の測定が可能となる。したがって、大きな外部磁界が印可されたとしても、フィードバック磁界によって磁性体コアにおける実効的な磁化状態は、外部磁界Ｈｅｘｔ＝０の状態へと近づき、リニアリティの良好なＢ−Ｈ曲線を利用した磁界強度の測定を行うことができる。
なお、電流アンプＭＴ１５からの出力は、端子ＭＴ１６を通して外部磁界強度表す磁気センサの出力として連続的に出力される。
【００３６】
以上のような原理に基づいて、フィードバックバック電流がフィードバックコイル２１へと供給される。そして、端子ＭＴ１６から出力される外部磁界強度の出力信号は、連続変化量であるアナログ値として出力することができる。あるいは、デジタル的にピーク間隔をカウントする手法を用いてもよい。
【００３７】
なお、外部磁界Ｈｅｘｔによって変化するパルス信号Ｋ＋，Ｋ−の時間間隔に応じてフィードバック電流を出力したが、このフィードバック電流は、フィードバック２１のみならず、励磁コイル９や検出コイル１０に流すこともできる。この場合、励磁コイル９に供給する三角波電流や、検出コイルに発生する誘導電圧信号にフィードバック電流の一部を重畳することで実現が可能である。
【００３８】
次に、磁気素子Ｍ１２について説明する。
【００３９】
本実施形態の磁気素子Ｍ１２は、例えば、phase-delay methodを用いたフラックスゲート型とされてなることができる。磁気素子Ｍ１２の磁性体コア１の長手方向は、フラックスゲート型磁気素子Ｍ１２の感磁方向と一致している。
【００４０】
図４は、本実施形態に係るフラックスゲート型磁気素子におけるコイルの位置関係を示す模式図、図５は本実施形態に係るフラックスゲート型磁気素子の軸線に沿った側断面図である。
【００４１】
本実施形態に係るフラックスゲート型磁気素子Ｍ１２は、図４に示すように、破線で表した長手方向に長さを有する磁性体コア１と、磁性体コア１に巻き回された励磁コイル（ソレノイドコイル）９、検出コイル（ソレノイドコイル）１０と、これらのコイル９，１０の外側に巻き回されたフィードバックコイル（ソレノイドコイル）２１とを有する構成とされている。これらのコイル９，１０，２１が外部に接続する端子としては半田バンプや金バンプ、ワイヤボンディング等、一般的な半導体デバイスに用いられる手法を適用できる。
【００４２】
励磁コイル９および検出コイル１０はいずれもその軸心が一致した状態で磁性体コア１の周囲に巻回され、フィードバックコイル２１も、その軸心がこれら励磁コイル９および検出コイル１０の軸心と一致する状態として磁性体コア１の周囲に等ピッチで巻回されている。フィードバックコイル２１は、磁性体コア１の全長に亘って巻回されているが、励磁コイル９および検出コイル１０はそれぞれが磁性体コア１の長さ方向に等ピッチで巻回されていればよい。
【００４３】
具体的には、図５（ａ）に示すように、非磁性基板Ｍ１３上にフィードバックコイル２１の下部配線を形成するための第１配線層４ａと、第１配線層４ａ上に形成された樹脂層（絶縁層）５ａを介して形成された励磁コイル９および検出コイル１０の下部配線を形成するための第２配線層７ａと、第２配線層７ａ上に樹脂層（絶縁層）６ａを介して形成された磁性体コア１と、第２配線層６ａ上および磁性体コア１上に樹脂層（絶縁層）６ｂを介して形成された励磁コイル９および検出コイル１０の上部配線を形成するための第３配線層７ｂと、第３配線層７ｂ上に樹脂層（絶縁層）５ｂを介して形成されたフィードバックコイル２１の上部配線を形成するための第４配線層４ｂと、を有する。
【００４４】
第２配線層７ａと第３配線層７ｂとが、これらの層間に介在する樹脂層６ａ，６ｂの磁性体コア１両脇位置に設けられた第２の開口部８ｂにおいて電気的に接続されて励磁コイル９および検出コイル１０を形成するとともに、第１配線層４ａと第４配線層４ｂは、これらの層間に介在する樹脂層５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂの励磁コイル９および検出コイル１０外側位置に設けられた第１の開口部８ａにおいて電気的に接続されてフィードバックコイル２１を形成することにより、２重にコイルが形成されている。
磁性体コア１の平面形状は長手方向を有する形状であり、その断面形状は磁性材料を成膜して形成した薄膜形状である。
【００４５】
励磁コイル９、検出コイル１０は、磁性体コア１の長手方向の全長に亘って形成されている。そして、それぞれの配線が略平行になるように、二重らせんとして巻回されている。フィードバックコイル２１は、磁性体コア１の長手方向の全長に亘って形成されている。そして、それぞれの配線が略平行になるように、一重らせんとして巻回されている。
また、図５（ａ）に示す例では、磁気素子Ｍ１２の長さ寸法ＭＬ１が、励磁コイル９および検出コイル１０の長さの和に等しく、図５（ｂ）に示すように励磁コイル３０９、検出コイル３１０、フィードバックコイル３２１が同一階層に形成された従来の磁気素子Ｍ３１２の長さ寸法ＭＬ２に比べて縮小されている。すなわち、コイルの巻回に必要な長さを縮小して磁気素子Ｍ１２の小型化を図ることができる。
【００４６】
図６、図７を用いて、本実施形態に係るフラックスゲート型磁気素子の形成方法を説明する。なお、以下で説明する製膜手法等はこれに限るものでなく、同等の製膜や加工・形成が可能であれば、他の手法を用いることが可能である。
【００４７】
図６（Ａ）に示すように、電気的に絶縁するための酸化膜が設けられたシリコンウェーハなどの非磁性の基板Ｍ１３の上に、図６（Ｂ）に示すように、フィードバックコイル２１の下側配線を形成するための第１配線層４ａが形成される。
具体的には、Ｔｉ，Ｃｒ，ＴｉＷなどのバリアメタルをスパッタ成膜した後、Ｃｕをスパッタにより成膜する。続いて、フォトリソグラフィにより第１配線層４ａとなるレジストパターンを形成し、ウェットエッチングにより配線パターンを形成する。または上記スパッタ膜をシード層として電解めっきにより第一配線層４ａを形成しでもよい。
このとき、第１配線層４ａは、素子サイズや必要とされる抵抗値、及びフィードバック効率などを勘案し、配線数（コイル巻き数）と線幅、及び膜厚を好適に設計することができるが、第１樹脂層以降の工程における凹凸の影響を軽減するため、膜厚は３μｍ以下程度が望ましい。例えばＬ／Ｓ＝６μｍ／３μｍ、膜厚＝２μｍのように設定することができる。
【００４８】
次に、図６（Ｃ）に示すように、第１配線層４ａの上に、励磁コイル９および検出コイル１０とフィードバックコイル２１とを絶縁するための樹脂層（絶縁層）５ａとが形成される。樹脂層５ａには、第１配線層４ａと後に形成されるフィードバックコイル２１の上側配線となる第４配線層４ｂとが接続される部分に開口部８が設けられる。なお、図においては開口部８の接続部分よりも外側となる樹脂層５ａを図示していない。
【００４９】
具体的には、感光性樹脂を塗布し、第１樹脂層５ａを、第１配線層４ａと第４配線層４ｂとが接続される部分において開口部８ａを形成するとともに、第一配線層４ａと第２配線層７ａ、磁性体コア１、および第３配線層７ｂとが絶縁される形状を有するように、露光、現像、熱硬化を行うことにより形成する。このとき、第１樹脂層５ａの厚さは、前記第１配線層４ａの凹凸を緩和するだけの十分な厚さを有することが望ましく、より望ましくは、第１配線層４ａの厚さの２倍以上であることが望ましい。
【００５０】
前記感光性樹脂は、後工程での熱履歴による収縮や変形により磁気コア１に歪が生じるのを防ぐため、望ましくはそのＴｇが３００℃以上であり、例えば実装時のはんだリフローや磁気コアに誘導磁気異方性を付与するための磁場中熱処理による熱収縮や変形が起こらないだけの十分な耐熱性を有する樹脂であることが望ましい。すなわちここで用いられる樹脂としては、高い耐熱性を有するポリイミドやポリベンゾオキサゾール、熱硬化したノボラック系樹脂などであることが望ましい。この類の樹脂は熱硬化により膜厚が減少するが、本実施形態におけるコイル状の配線パターンが存在する場合、配線がない部分と比べて配線上は配線の厚み分だけ樹脂膜厚が薄いことになる。
【００５１】
樹脂の熱硬化による収縮率はその樹脂固有の特性であり、樹脂の熱硬化後の膜厚は樹脂の熱硬化前の膜厚に依存する。ここで言う収縮率（％）とは、１００×（熱硬化後の樹脂の膜厚）／（熱硬化前の樹脂膜厚）を指す。このため配線上の樹脂が熱硬化により収縮した際、配線がない部分と比べて膜減り量の絶対値が少なくなる。このことが熱硬化後の樹脂表面に凹凸を生じさせる主な要因の一つであり、樹脂の熱硬化による収縮率が小さいと熱硬化後の樹脂表面凹凸を大きくする要因の一つとなる。そのため感光性樹脂の特性としては、熱硬化による収縮率が７０％以上のものであることが望ましい。
【００５２】
図６（Ｄ）に示すように、樹脂層５ａの上に、励磁コイル９および検出コイル１０の下側配線を形成するための第２配線層７ａが第１配線層４ａと同様にして形成される。
このとき、第２配線層７ａは、素子サイズや必要とされる抵抗値、及び励磁効率などを勘案し、配線数（コイル巻き数）と線幅、及び膜厚を好適に設計することができるが、後工程で樹脂層６ａ上に形成される磁性体コア１への凹凸の影響を軽減するため、膜厚は３μｍ以下が望ましい。ここでは、例えば  Ｌ／Ｓ＝３μｍ／３μｍ、膜厚＝２μｍのように設定することができる。
【００５３】
次に、図６（Ｅ）に示すように、第２配線層７ａの上に、磁性体コア１と励磁コイル９および検出コイル１０とを絶縁するための第２絶縁層６ａが感光性樹脂を露光、現像、熱硬化を行うことにより形成される。第２絶縁層６ａには、第２配線層７ａと後に形成されるソレノイドコイルの上側配線となる第３配線層７ｂとが接続される部分に開口部８ｂが設けられる。
【００５４】
図６（Ｆ）に示すように、第２絶縁層６ａの上に軟磁性体膜からなる磁性体コア１がスパッタにより成膜、所望の形状にフォトリソグラフィ、エッチングを用いたパターニングによって形成される。
軟磁性体膜としてはＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＴａＺｒ等に代表される零磁歪のＣｏ系アモルフアス膜や、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金などが望ましい。これらの軟磁性体膜は難エッチング材料であるため、レジストを形成した後にスパッタ成膜を行い、レジストを除去することで所望のパターンを得るリフトオフ法により形成しでも良い。また、磁性体コア１となる磁性膜を成膜した後に、応力や成膜時に付与された不均一な一軸異方性を除去し、均一な誘導磁気異方性を付与するために回転磁場中熱処理、静磁場中熱処理を行うことが望ましい。また、ＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅ合金を、レジストフレームを用いた電解めっき法により所望の形状を有する磁性体コア１を形成してもよい。
【００５５】
次に、図７（Ｇ）に示すように、磁性体コア１の上には、第２配線層７ａと第３配線層７ｂとの接続部に開口部８ｂを設けた第３絶縁層６ｂが、感光性樹脂を露光、現像、熱硬化を行うことにより形成される。
第３絶縁層６ｂの上には、図７（Ｈ）に示すように、第２配線層７ａの隣接する配線どうしをその端部にて接続するように上側配線となる第３配線層７ｂが形成されて、励磁コイル９および検出コイル１０を形成している。
第１配線層４ａ、第２配線層７ａと同様に、Ｔｉ，Ｃｒ，ＴｉＷなどのバリアメタルをスパッタ成膜した後にＣｕをスパッタ成膜し、レジスト形成後にウェットエッチング、或いは電解めっき法を用いて第３配線層７ｂが形成される。
配線は、２つおきに隣接する配線と接続されるため、断面におけるソレノイドコイルのループは閉じない。
【００５６】
次に、図７（Ｊ）に示すように、第３配線層７ｂの上には、第１配線層４ａと第４配線層４ｂの接続部に開口部８ａを設けた第４絶縁層５ｂが感光性樹脂を露光、現像、熱硬化を行うことにより形成される。
第４絶縁層５ｂの上には、図７（Ｋ）に示すように、第１配線層４ａの隣接する配線どうしをその端部にて接続するように上側配線となる第４配線層４ｂが、第１配線層４ａ、第２配線層７ａ、第３配線層７ｂと同様に形成されて、フィードバックコイル２１を形成している。配線は、２つおきに隣接する配線と接続されるため、断面におけるソレノイドコイルのループは閉じない。
【００５７】
第１配線層４ａおよび第４配線層４ｂにより形成されたソレノイドコイル２１、および、第２配線層７ａおよび第３配線層７ｂにより形成されたソレノイドコイル９、レノイドコイル１０、は、いずれも磁性体コア１において、それぞれ独立に巻き回されている。これらのソレノイドコイルは、発生する磁界方向が同一となるように配線層４ａ，４ｂ，７ａ，７ｂのいずれかまたは複数の層により接続されている。検出コイル１０の両端には、外部と接続するための電極パッド１１が形成されている。電極パッド１１はセンスアンプＭＴ１２への端子に接続される。励磁コイル９の両端には、外部と接続するための電極パッド１２が形成されている。電極パッド１２は、励磁電流発生回路ＭＴ１１への端子へ接続される。フィードバックコイル２１の両端には、外部と接続するための電極パッドが形成されている。この電極パッドは電流アンプＭＴ１５への端子に接続されている。
【００５８】
ここで、励磁コイル９、検出コイル１０及びフィードバックコイル２１は、いずれも巻き数が同じで対称であることができる。特に、フィードバックコイル２１は、そのピッチが均一になるように、磁性体コア１の全長にわたって巻回されている。しかも励磁コイル９、検出コイル１０に対してフィードバックコイル２１の径寸法が大きいため、磁性体コア１において発生するフィードバック磁界が所望の大きさとなるように、巻き数、ピッチ、径寸法を設定することができる。
なお、これらの図は模式的に示されており、各ソレノイドコイルに関し、一部が省略されている。また、磁気素子Ｍ１２の細部形状は、図に示された形状に限定されるものではない。
【００５９】
また、このフラックスゲート型磁気素子Ｍ１２の製造方法におけるフィードバックコイル２１の一部である第１配線層４ａ、第４配線層４ｂを形成する工程がフォトリソグラフィ薄膜プロセスにより行われることができ、このフラックスゲート型磁気素子Ｍ１２の製造方法における励磁コイル９、検出コイル１０の一部である第２配線層７ａ、第３配線層７ｂを形成する工程がフォトリソグラフィ薄膜プロセスにより行われることができる。
【００６０】
磁性体コア１は、その周囲に巻き回された励磁コイル９に通電することにより励磁され、誘導電圧が検出コイル１０により検出される。励磁コイル９に対して、電極パッド１２を介して時間的に変化する交流電流を外部より通電することにより磁性体コア１が交流励磁され、発生した磁束により検出コイル１０に略パルス状の誘導電圧が発生する。この誘導電圧は検出コイル１０および電極パッド１１を介して制御用集積回路ＭＴ１０に出力され、上述したように、フィードバック電流として電極パッドを介してフィードバックコイル２１に印加される。
【００６１】
本実施形態に示したものは一例であり、磁性体コア１，励磁コイル９、検出コイル１０及びフィードバックコイル２１の配置は、上記の構成に限定されることなく、他の配置とすることができる。特に、励磁コイル９、検出コイル１０と，フィードバックコイル２１とが別階層、つまり、異なる製膜プロセスにより形成される配置であれば、他の形状も可能である。
【００６２】
例えば、図８に示したフラックスゲート型磁気素子であってもよい。図８において異なる階層となるフィードバックコイル２１は図示していないが、このフラックスゲート型磁気素子においては、磁性体コア１の平面形状が、その長手方向の中央部が括れた形状となっており、両端部１ａは中央部１ｂよりも幅広に形成されている。磁性体コア１の中央部には検出コイル１０が巻回されており、幅広な両端部１ａには励磁コイル９が巻回されている。そして、磁性体コア１の全長に亘って図示しないフィードバックコイル２１がこれらの外側に巻回されている。そして、励磁コイル９、検出コイル１０の配線がいずれも略平行になるように、らせん状として巻回されている。また、図８においては、磁性他コア１およびコイル９，１０、電極パッド１１，１２以外の構成は省略している。
【００６３】
さらに、本実施形態においては、磁性体コア１において測定する磁界の状態は、外部から磁性体コア１に流入する外部磁界（被測定磁界）Ｈｅｘｔをキャンセルする状態、またはこれとほぼ等しい状態となるように励磁コイル９および検出コイル１０の外側に位置するフィードバックコイル２１からフィードバック磁界Ｈｆｂを磁性体コア１に印加するので、そのままでは磁性体コア１が飽和してしまう程度に外部磁界Ｈｅｘｔが大きい場合や、外部磁界Ｈｅｘｔがゼロ点から離れた領域で磁性体コア１のＢ−Ｈ曲線の線形性が乱れている場合にも、これらの影響を排除して、極めて線形性の高い状態で外部磁界Ｈｅｘｔの測定をおこなうことができる。このため、磁気素子Ｍ１２の構造から設定される測定可能な外部磁界強度範囲に限定されることなく、広い測定範囲に対応した電流センサＣＳ１０とすることが可能となる。同時に、フィードバック電流の値を決定する要素が、励磁電流の周期と励磁コイル９およびフィードバックコイル２１に流れる電流が発生する励磁磁界Ｈｅｘｔおよびフィードバック磁界Ｈｆｂのみであり、磁性体コア１の特性は殆ど寄与しないために、従来の磁気素子に比べ、素子自体の特性の影響を非常に小さくできる。本実施形態では、ほぼタイムラグなくアナログ値を連続して出力することが可能となる。
【００６４】
さらに、本実施形態における電流センサは、磁気素子Ｍ１２が減磁体を有するものとすることもできる。
【００６５】
また、本実施形態の磁気素子Ｍ１２においては、図５（ｂ）に示すように、従来の同階層に励磁コイル３０９、検出コイル３１０、フィードバックコイル３２１を位置した磁気素子Ｍ３１２が素子長さＭＬ２とされるのに対して、図５（ａ）に示すように、これより磁気素子Ｍ３１２に比べて短い素子長さＭＬ１としても、励磁効率の低下や検出信号波形が減少するといった素子特性の劣化を来すことがない。
さらに、図９（ａ）に示す磁気素子Ｍ１２においては、素子長さＭＬ２とした状態で、同階層にフィードバックコイル２１なしに、励磁コイル９、検出コイル１０を励磁コイル３０９、検出コイル３１０、フィードバックコイル３２１と同ピッチで巻回することができる。これにより、磁気素子Ｍ３１２に比べて、励磁コイル９、検出コイル１０の巻き数を３／２倍として、感度を向上することができる。同時に、フィードバックコイル２１の巻き数も３／１倍として、素子特性の向上を図ることができる。
【００６６】
本発明においては、フィードバックコイル（負帰還コイル）２１を励磁コイル９、検出コイル１０とは別階層に巻きまわすことにより、以下の効果が期待される。
まず、励磁コイル９と検出コイル１０の巻き数増による励磁効率の増加、及び検出信号の増大により、素子長を変化させることなく検出磁界範囲を拡大することが可能である。また、フィードバックコイル２１の巻き数増によりフィードバック効率が向上する。さらに、励磁（検出）コイル９，１０とフィードバックコイル２１の配線ピッチに関する設計の自由度が上がるため、例えば励磁（検出）コイル９，１０は狭ピッチで作製することにより素子特性を向上させ、負帰還コイル２１に関しては配線幅を太くすることにより、負帰還コイルの巻き数により決まるフィードバック効率とコイル抵抗（ひいては消費電力に繋がる）とを好適に設計することが可能である。外付けコイルを用いた場合と比較すると、薄膜プロセスのみを用いて作製することにより、電流センサ全体の小型軽量化、更には部品点数減による信頼性の向上、実装工程削減によるコストの削減が見込まれる。
また、負帰還コイルと励磁コイル（検出コイルが同一階層効果で巻きまわされている構造の場合、配線ピッチを微細化（例えば負帰還コイル、励磁（検出）コイルの各Ｌ／Ｓ＝２μｍ／２μｍ以下）していくと、印加されている外部磁界の大きさにより励磁効率が変動するという現象が実験的に確認されている。言い換えると、印加されている外部磁界の大きさにより感度にずれが生じるということであり、当然のことながら特性上好ましくない。これは励磁コイル、或いは検出コイルと負帰還コイルの距離が近いことによる、各々のコイル電流や発生磁界の相互作用で、あると考えられ、負帰還コイルを励磁コイル（検出コイル）と別階層に巻きまわすことにより、この励磁効率の変動を抑制することが可能である。また、負帰還コイルを磁気コアより離れた階層に巻きまわすことで結果的に負帰還コイルのコイル径が大きくなるため、負帰還コイルにより発生するフィードバック磁界の均一性が向上する。
【００６７】
また本実施形態においては、磁気素子Ｍ１２をフラックスゲート型磁気素子としたが、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子やＭＩ素子等にすることも可能である。
【００６８】
以下、本発明に係るフラックスゲート型磁気素子の第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００６９】
図１０、図１１は、本実施形態におけるフラックスゲート型磁気素子およびその製造工程を示す模式図断面であり、図において、符号ＭＳ１２‘は磁気センサ（電流センサ）を示している。
本実施形態において、上述の第１実施形態と異なるのは、次の絶縁層４ｃを設けたことおよびこれに関する点であり、これ以外の対応する構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７０】
本実施形態のフラックスゲート型磁気素子Ｍ１２‘は、フィードバックコイル（負帰還コイル）２１の下部配線を形成する第１配線層４ａと非磁性基板Ｍ１３との聞に絶縁層（樹脂層）５ｃが設けられている。
この絶縁層５ｃは、平面視して第１配線層４ａと第４配線層４ｂとが接続される部分を含むように設けられるとともに、平面視して第２配線層７ａと第３配線層７ｂとが接続される部分の一部を含むように設けられる。また、絶縁層５ｃの厚み（高さ）寸法は、基板Ｍ１３から第４配線層７ｂまでの高さの半分程度とされることが好ましい。また、絶縁層５ｃの高さは、第２配線層７ａの高さと第３配線層７ｂの高さとの間に位置するよう設定されることができる。
【００７１】
図１０、図１１を用いて、本実施形態に係るフラックスゲート型磁気素子の形成方法を説明する。
【００７２】
図１０（Ａ）に示すように、準備した非磁性の基板Ｍ１３の上に、図１０（Ｂ）に示すように、絶縁層５ｃを上述の暑さ寸法、平面視した領域となるように形成する。
図１０（Ｃ）に示すように、フィードバックコイル２１の下側配線を形成するための第１配線層４ａが形成される。後に第４配線層４ｂと接続される第１配線層４ａの端部は絶縁層５ｃの上に位置するように設定される。
【００７３】
次に、図１０（Ｄ）に示すように、第１配線層４ａの上に、励磁コイル９および検出コイル１０とフィードバックコイル２１とを絶縁するための樹脂層（絶縁層）５ａとが形成される。樹脂層５ａには、第１配線層４ａと後に形成されるフィードバックコイル２１の上側配線となる第４配線層４ｂとが接続される部分に開口部８が設けられる。開口部８は少なくとも磁性体コア１側の縁部が絶縁層５ｃの上に位置するように設定される。なお、図においては開口部８の接続部分よりも外側となる樹脂層５ａを図示していない。
【００７４】
図１０（Ｅ）に示すように、樹脂層５ａの上に、励磁コイル９および検出コイル１０の下側配線を形成するための第２配線層７ａが形成される。第２配線層７ａの端部は平面視して絶縁層５ｃに重なる位置となるように設定される。
【００７５】
次に、図１０（Ｆ）に示すように、第２配線層７ａの上に、磁性体コア１と励磁コイル９および検出コイル１０とを絶縁するための第２絶縁層６ａが形成される。絶縁層６ａは、平面視して絶縁層５ｃに重ならない位置となるように設定される。また、絶縁層６ａの端部は、絶縁層５ｃに重なった第２配線層７ａ部分の高さと同じ高さ位置にある第２配線層７ａの端部に重なならない位置となるように設定される。同時に、絶縁層６ａの厚さは、第２配線層７ａ表面に形成された段差よりも小さくなるように設定可能である。
【００７６】
図１１（Ｇ）に示すように、第２絶縁層６ａの上に軟磁性体膜からなる磁性体コア１が形成される。
【００７７】
次に、図１１（Ｈ）に示すように、磁性体コア１の上には、第２配線層７ａと第３配線層７ｂとの接続部に開口部８ｂを設けた第３絶縁層６ｂが形成される。第３絶縁層６ｂの端部は平面視して絶縁層５ｃに重なる位置となるように設定される。同時に、第３絶縁層６ｂの端部は、平面視して、絶縁層５ｃに重なった第２配線層７ａ部分の高さと同じ高さ位置にある第２配線層７ａの端部に重なる位置となるように設定される。したがって、第３絶縁層６ｂの端部は、必ずしも平面視して絶縁層５ｃに重なる位置となる必要はないが、絶縁層５ｃに重なる位置として設定することもできる。
【００７８】
絶縁層６ｂには、第２配線層７ａと後に形成されるソレノイドコイルの上側配線となる第３配線層７ｂとが接続される部分に開口部８ｂが設けられる。開口部８ｂは、絶縁層５ｃに重なった第２配線層７ａ部分の高さと同じ高さ位置にある第２配線層７ａの端部に重なる位置となるように設定される。開口部８ｂは、必ずしも平面視して絶縁層５ｃに重なる位置となる必要はないが、絶縁層５ｃに重なる位置として設定することもできる。
【００７９】
第３絶縁層６ｂの上には、図１１（Ｊ）に示すように、第２配線層７ａの隣接する配線どうしをその端部にて接続するように上側配線となる第３配線層７ｂが形成されて、励磁コイル９および検出コイル１０を形成している。配線は、２つおきに隣接する配線と接続されるため、断面におけるソレノイドコイルのループは閉じない。
第２配線層７ａと第３配線層７ｂとの接続部分は、絶縁層５ｃに重なった第２配線層７ａ部分の高さと同じ高さ位置にある第２配線層７ａの端部に重なる位置となるように設定される。したがって、第３配線層７ｂの形成される際の段差は、絶縁層６ａの厚さと絶縁層６ｂの厚さとの和よりも小さくすることができる。また、第３配線層７ｂの形成される際の段差は、絶縁層６ｂの厚さよりも小さくすることができる。
【００８０】
次に、図１１（Ｋ）に示すように、第３配線層７ｂの上には、第１配線層４ａと第４配線層４ｂの接続部に開口部８ａを設けた第４絶縁層５ｂが形成される。第４絶縁層５ｂの上には、図１１（Ｌ）に示すように、第１配線層４ａの隣接する配線どうしをその端部にて接続するように上側配線となる第４配線層４ｂが形成されて、フィードバックコイル２１を形成している。配線は、２つおきに隣接する配線と接続されるため、断面におけるソレノイドコイルのループは閉じない。
第１配線層４ａと第４配線層４ｂとの接続部分は、絶縁層５ｃに重なった第１配線層４ａ部分の高さと同じ高さ位置にある第１配線層４ａの端部に重なる位置となるように設定される。したがって、第４配線層４ｂの形成される際の段差は、絶縁層５ａの厚さ、絶縁層６ａの厚さ、絶縁層６ｂの厚さ、絶縁層５ｂの厚さの和よりも小さくすることができる。また、第４配線層４ｂの形成される際の段差は、絶縁層５ｂの厚さよりも小さくすることができる。
【００８１】
コイルを形成する上部配線層と下部配線層とを接続する場合、フォトリソグラフィによるレジストパターニングを用いて形成するが、各コイルの下部配線層と上部配線層を接続させるためには、上部配線層形成工程におけるレジストパターン形成時に、間に介在する各層（主に樹脂層）の厚みを合計した深さを露光する必要がある。特に、第４配線層４ｂ形成時には、第１配線層４ａから樹脂層５ａ、配線層７ａ、樹脂層６ａ、樹脂層６ｂ、第４配線層７ｂの層厚の総和に対応する段差が存在するため、配線の微細化に伴い高アスペクト比が求められ、レジストパターニングが困難となる可能性がある。
【００８２】
これを解消するために、段差補正層である絶縁層５ｃを設けて、第１配線層４ａと第４配線層７ｂとの段差を縮小する。このため、第１配線層４ａと第４配線層４ｂとが接続される部分が平面視して含まれるように絶縁層５ｃの領域を設定して、絶縁層５ｃが基板Ｍ１３表面に設けられる。
同時に、第２配線層７ａと第３配線層７ｂとが接続される部分においても、同様の作用効果を奏するために、少なくとも第２配線層７ａと第３配線層７ｂとが接続される部分の一部が平面視して含まれるように絶縁層５ｃの領域を設定して、絶縁層５ｃが基板Ｍ１３表面に設けられる。
【００８３】
これによって、本実施形態によれば、配線層形成時の実効的な段差を低減することを可能とし、レジストパターニングの困難性によって配線層の正確な形成が困難となることや、形成後の配線構造の信頼性が低下すること、また、高い段差を有する部位に微細な配線を形成することにより断線などの不具合発生の可能性が高くなるなどの問題点を解消して、信頼性を向上することが可能となる。
【００８４】
本実施形態においては、感光性樹脂を露光、現像、熱硬化を行第一のコイル（或いは負帰還コイル）のＬ／Ｓと第二、及び第三のコイル（或いは励磁、及び検出コイル）のＬ／Ｓを調整することにより励磁効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の活用例として、次のようなものが適用できる。
上述したように自動車の駆動系や、蓄電池への入出力線など大電流に対する電流計に用いられる電流センサなど。
【符号の説明】
【００８６】
Ｍ１２…フラックスゲート型磁気素子、ＭＴ１０…制御用集積回路、Ｍ１３…基板（非磁性基板）、１…磁性体コア、９…励磁コイル、１０…検出コイル、２１…フィードバックコイル、４ａ…第１配線層、４ｂ…第４配線層、５ａ…樹脂層（絶縁層）、５ｂ…樹脂層（絶縁層）、５ｃ…樹脂層（絶縁層）、６ａ…樹脂層（絶縁層）、６ｂ…樹脂層（絶縁層）、７ａ…第２配線層、７ｂ…第３配線層。
【図１】
2014081300.tif 000007
【図２】
2014081300.tif 000008
【図３】
2014081300.tif 000009
【図４】
2014081300.tif 000010
【図５】
2014081300.tif 000011
【図６】
2014081300.tif 000012
【図７】
2014081300.tif 000013
【図８】
2014081300.tif 000014
【図９】
2014081300.tif 000015
【図１０】
2014081300.tif 000016
【図１１】
2014081300.tif 000017
【図１２】
2014081300.tif 000018
【図１３】
2014081300.tif 000019
【図１４】
2014081300.tif 000020
【図１５】
2014081300.tif 000021
【図１６】
2014081300.tif 000022
【図１７】
2014081300.tif 000023