(57)【要約】  省電力化を図ることができ、しかも外部磁界の影響を低減させることができる磁気平衡式電流センサを提供すること。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の印加により抵抗値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、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、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、を具備し、前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする。
2010143718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値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、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項２】
前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、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記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項３】
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ＧＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍのミアンダ形状を有し、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘導磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことを特徴とする請求項３記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項５】
前記ＴＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍの長方形であり、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘電磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことを特徴とする請求項３記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項６】
前記フィードバックコイルが平面コイルで構成されており、前記平面コイルの形成面と平行な面内で前記誘導磁界と前記キャンセル磁界の両方が生じるように前記平面コイルが設けら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６のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗効果素子と前記磁気シールドとの間の距離が２μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項９】
前記磁気シールドの膜厚が２μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項１０】
前記磁気シールドの寸法が４００μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１から請求項９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（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ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】
電気自動車においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、導体の周囲に、一部に切り欠き（コアギャップ）を有する磁気コアを配置し、このコアギャップ内に磁気検出素子を配置してなるものである。このような電流センサとして、例えば、図２３に示すような磁気平衡式電流センサがある（特許文献１）。【０００３】
図２３に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉによって発生する磁界Ｂ１を打ち消す方向に磁気コア１に巻回されたフィードバックコイル２を有している。磁気平衡式電流センサにおいては、被測定電流Ｉが流れると、電流に応じた磁界Ｂ１により磁気検出素子３に出力電圧が生じ、この磁気検出素子３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２にフィードバックされる。このフィードバックコイル２により発生する磁界（キャンセル磁界）Ｂ２と被測定電流Ｉにより生じる磁界Ｂ１とが打ち消しあって磁界が常に０になるように動作する。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。図２３において参照符号４は増幅器を示し、Ｒは検出抵抗を示す。【０００４】
近年、電気自動車の大出力化・高性能化に伴って、取り扱う電流値が大きくなってきており、そのため大電流時の磁気飽和を回避する必要がある。磁気飽和を回避するためには磁気コアを大きくする必要があるが、磁気コアを大きくすると電流センサ自体が大型化するという問題がある。このような磁性体コアを用いた電流センサの課題を解決するために、磁性体コアを用いず、磁気抵抗効果素子を用いた磁気平衡式電流センサが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１５３２２号公報
【特許文献２】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】
【０００６】
しかしながら、磁性体コアを用いず、磁気抵抗効果素子を用いた磁気平衡式電流センサにおいては、取り扱う電流値が大きくなると、大きなキャンセル磁界を発生させるためにフィードバック電流が大きくなってしまい、消費電力が大きくなるという問題がある。また、磁性体コアを用いず、磁気抵抗効果素子を用いた磁気平衡式電流センサにおいては、外部磁界の影響を受けるために、外部磁界の影響を低減させる必要もある。【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、省電力化を図ることができ、しかも外部磁界の影響を低減させることができ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】
【０００８】
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の印加により抵抗値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、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする。【０００９】
この構成においては、フィードバックコイルに隣接して磁気シールドを有する。磁気シールドは、被測定電流から生じ磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を減衰させると共に、フィードバックコイルからのキャンセル磁界をエンハンスすることができる。したがって、磁気シールド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、この磁気シールドにより、外部磁界の影響を低減させることができる。【００１０】
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検出ブリッジ回路の間に配置され、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。【００１１】
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。【００１２】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記ＧＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍのミアンダ形状を有し、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘導磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことが好ましい。【００１３】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記ＴＭＲ素子は、幅が１μｍ〜１０μｍの長方形であり、長手方向の長さが幅の２倍以上であり、前記長手方向が前記誘電磁界の方向及び前記キャンセル磁界の方向に対して共に垂直になるように配置されたことが好ましい。【００１４】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルが平面コイルで構成されており、前記平面コイルの形成面と平行な面内で前記誘導磁界と前記キャンセル磁界の両方が生じるように前記平面コイルが設けられていることが好ましい。【００１５】
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。【００１６】
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と前記磁気シールドとの間の距離が２μｍ〜２０μｍであることが好ましい。【００１７】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気シールドの膜厚が２μｍ〜２０μｍであることが好ましい。【００１８】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気シールドの寸法が４００μｍ〜１０００μｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
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の印加により抵抗値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、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、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、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定する磁気平衡式電流センサであって、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、省電力化を図ることができ、しかも外部磁界の影響を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。
【図３】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４】（ａ）は、ＧＭＲ−磁気シールド間距離と感度比との間の関係を示す図であり、（ｂ）は、ＧＭＲ−磁気シールド間距離とシールド効果との間の関係を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、磁気シールド膜厚と異方性磁界との間の関係を示す図である。
【図６】磁気シールド膜厚と感度比との間の関係を示す図である。
【図７】外部磁場と２次電流との間の関係を示す図である。
【図８】磁気シールド、フィードバックコイル及び磁気抵抗効果素子間の寸法を説明するための図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、磁気シールド形状と異方性磁界との間の関係を示す図である。
【図１０】（ａ）は、磁気シールド形状と感度との間の関係を示す図であり、（ｂ）は、磁気シールド形状と感度比との間の関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は、被測定電流と誘導磁界との間の関係を調べるための導体と磁気抵抗効果素子との関係を示す図であり、（ｂ）は、被測定電流と誘導磁界との間の関係を示す図である。
【図１２】（ａ）は、フィードバック電流とキャンセル磁界との間の関係を調べるためのフィードバックコイルと磁気抵抗効果素子との関係を示す図であり、（ｂ）は、フィードバック電流とキャンセル磁界との間の関係を示す図である。
【図１３】（ａ）は、導体と、磁気シールドと、磁気抵抗効果素子との関係を示す図であり、（ｂ）は、磁気シールドの有無による磁気抵抗効果素子への誘導磁界の影響を示す図である。
【図１４】（ａ）は、磁気抵抗効果素子のヒステリシス特性を示す図であり、（ｂ）は、入力電流に対する出力の特性曲線を示す図である。
【図１５】（ａ），（ｂ）は、実施の形態２におけるイニシャライズ処理を説明するための図である。
【図１６】実施の形態２に係るイニシャライズ機能付き磁気平衡式電流センサを示す回路図である。
【図１７】実施の形態２におけるイニシャライズ処理を説明するためのフロー図である。
【図１８】実施の形態３に係る磁気平衡式電流センサの一部を示す図である。
【図１９】実施の形態３に係る磁気平衡式電流センサを示す回路図である。
【図２０】実施の形態３に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。
【図２１】実施の形態３におけるセルフテストを説明するためのフロー図である。
【図２２】実施の形態３における電流測定を説明するためのフロー図である。
【図２３】従来の磁気平衡式電流センサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
（実施の形態１）
図１及び図２は、本発明の実施の形態１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及び図２に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備えている。このフィードバック回路１２は、被測定電流Ｉ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２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと、２つの固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂとを有する。
【００２２】
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。
【００２３】
磁気抵抗効果素子１２２は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂは、２つの固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂ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。
【００２４】
この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉ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。図２に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと固定抵抗素子１２３ａとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと固定抵抗素子１２３ｂとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２２ａと固定抵抗素子１２３ａとの間の接続点から一つの出力を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｂと固定抵抗素子１２３ｂとの間の接続点からもう一つの出力を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４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Ｒ）で被測定電流を測定する。
【００２５】
図３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３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３に示す構成においては、フィードバックコイルが、磁気シールドと磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、磁気シールドが被測定電流Ｉに近い側に配置されている。すなわち、導体１１に近い側から磁気シールド、フィードバックコイル、磁気抵抗効果素子の順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子を導体１１から最も遠ざけることができ、被測定電流Ｉ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１１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。
【００２６】
図３に示す層構成について詳細に説明する。図３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。
【００２７】
アルミニウム酸化膜２３上には、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂが形成されている。このとき、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと共に固定抵抗素子１２３ａ，１２３ｂ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，１２２ｂ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。
【００２８】
スピンバルブ型ＧＭＲ素子としては、図２の拡大図に示すような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Ｄ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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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３に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ａを磁気抵抗効果素子１４１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１２１に印加する磁場が零になるように適宜調整する。
【００３９】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、図３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Ｉから生じ磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ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。
【００４０】
ここで、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと磁気シールド３０との間の距離について説明する。磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと磁気シールド３０との間の適正な距離は、磁気シールド３０と磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ及びフィードバックコイル１２１との間の絶縁性、並びに薄膜プロセスの制約により制限される。したがって、前記絶縁性及び薄膜プロセスの制約を考慮して適宜設定する必要がある。
【００４１】
磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）と磁気シールドとの間の距離と、シールドによるセンサ感度の低減効果との関係について調べた。その結果をそれぞれ図４（ａ），（ｂ）に示す。この場合においては、磁気シールドとして、Ｎｉ８１Ｆｅ１９のパーマロイ膜を用い、フィードバックコイルを絶縁層であるポリイミド層の中に形成し、そのポリイミド層の厚さを変えることで磁気抵抗効果素子と磁気シールドとの間の距離を調整した。また、磁気シールドの形状（円形パターン（ＰＴＮ１）、矩形パターン（１０００μｍ×５００μｍ）（ＰＴＮ２）、矩形パターン（１３００μｍ×６００μｍ）（ＰＴＮ３）、矩形パターン（１６００μｍ×８００μｍ）（ＰＴＮ４））を変えて、形状毎にそれぞれ測定した。
【００４２】
図４（ａ）は、ＧＭＲ−シールド距離と感度比との間の関係を示す図であり、図４（ｂ）は、ＧＭＲ−シールド距離とシールド効果（１／感度比）との間の関係を示す図である。なお、感度比とは、磁気シールドがない場合の感度と磁気シールドがある場合の感度との間の比率により求められ、磁気シールドにより磁界が低減される割合を意味する。図４（ａ），（ｂ）から分かるように、ＧＭＲ−シールド距離が大きいほどシールドによる磁界低減効果が小さくなる傾向がある。
【００４３】
ポリイミド層は、磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルの絶縁層も兼ねているため、絶縁性を確保し、かつ、層中にフィードバックコイルが形成されることを考慮すると、ポリイミド層の膜厚は少なくとも２μｍ以上であることが望ましい。また、ポリイミド層が厚すぎると、保護層やパッド部など磁気シールド上部の層を形成することが困難となり、また端子部とのコンタクトがとりにくくなるため、ポリイミド層の膜厚上限は２０μｍ程度であることが好ましい。これより、磁気抵抗効果素子−磁気シールド距離をポリイミド層の膜厚で調整する場合においては、磁気抵抗効果素子と磁気シールドとの間の距離は、２μｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００４４】
次に、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと磁気シールド３０との間の距離について説明する。磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂと磁気シールド３０との間の適正な距離は、磁界の低減効果と、素子形成の薄膜プロセスの制約により制限される。したがって、磁界の低減効果及び薄膜プロセスの制約を考慮して適宜設定する必要がある。
【００４５】
まず、磁気シールドの膜厚と、異方性磁界との関係について調べた。その結果をそれぞれ図５（ａ），（ｂ）に示す。この場合においては、磁気シールドとして、Ｎｉ８１Ｆｅ１９のパーマロイ膜を用いた。また、磁気シールドの形状（矩形パターン（１０００μｍ×５００μｍ）（ＰＴＮ２）、矩形パターン（１２２５μｍ×６１２μｍ）（ＰＴＮ５）、矩形パターン（１４１４μｍ×７０７μｍ）（ＰＴＮ６））を変えて、形状毎にそれぞれ測定した。図５（ａ），（ｂ）から分かるように、磁気シールドの膜厚が大きいほど異方性磁界（平行方向、垂直方向）が大きくなる傾向がある。
【００４６】
また、磁気シールドの膜厚と、磁気抵抗効果素子の感度との間の関係について調べた。その結果を図６に示す。なお、感度比とは、磁気シールドがない場合の感度と磁気シールドがある場合の感度との間の比率により求められ、磁気シールドにより磁界が低減される割合を意味する。磁気シールドが厚いほど、磁気シールドが無い場合と比較して感度が低下し、磁気抵抗効果素子に印加する被測定電流からの磁界が小さくなっている。このときの感度の低下割合は、磁気シールド膜厚が１０μｍの場合約０．０７０になっている。一方、磁気シールド膜厚１０μｍの場合は約０．０６５程度になっていることが分かる。
【００４７】
次に、電流センサに外部磁界を印加したときのキャンセル電流と磁気シールドの膜厚との間の関係について調べた。その結果を図７に示す。図７に示すように、磁気シールドが無い場合は、外部磁界が約３ｍＴで飽和している。また、磁気シールドの膜厚が２μｍでは、０磁場近傍の傾きが緩やかになっているものの、約３ｍＴで傾きが急激に変化しており、磁気シールドが飽和して磁場を弱める効果が減衰したことを示している。これより、磁気抵抗効果素子に印加する磁界を減衰させる効果を得るには、少なくとも２μｍ以上の膜厚を持つ磁気シールドが必要である。また、磁気シールドの膜厚が２０μｍ以上になると、保護層やパッド部など磁気シールド上部の層を形成することが困難となるため、磁気シールドの膜厚としては、２μｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００４８】
次に、磁気シールドの形状について検討した。磁気シールド３０は、図８に示すように、平面視において少なくとも磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂを覆う大きさであれば良い。また、磁気シールド３０は、磁界印加方向の長さが支配的であるので、磁界印加方向における長さがフィードバックコイル１２１の幅よりも長いことが好ましい。また、磁気シールド３０は、フィードバックコイル１２１の長手方向（磁界印加方向に直交する方向）に対する幅方向の比（アスペクト比）が１以上であることが好ましい。さらに、キャンセル磁界をエンハンスさせるためには、図８における磁気抵抗効果素子幅Ｄ１、フィードバックコイル幅Ｄ２、及び磁気シールド幅Ｄ３の関係がＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３であることが好ましい。
【００４９】
次いで、磁気シールド３０の形状と異方性磁界との間の関係について調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。この場合において、磁気シールドの形状を変えて、形状毎にそれぞれ測定した。図９（ａ）において、シールドＸとは図８の磁界印加方向における磁気シールドの長さであり、図９（ｂ）において、シールドＹとは図８の磁界印加方向に直交する方向における磁気シールドの長さである。また、この場合においては、磁気シールドとして、Ｎｉ８１Ｆｅ１９のパーマロイ膜を用いた。電流センサの直線性のよい範囲は、ほぼ磁気シールドが未飽和の範囲で得られ、シールド形状を変えることで直線性を改善することができる。例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、１００Ｏｅ以上の異方性磁界が得られるシールド寸法は概ね１０００μｍ以下である。また、シールド寸法が４００μｍ以下になり、異方性磁界が３００Ｏｅ以上になると、磁気シールドの効果が減少する。これらの傾向を勘案すると、磁気シールドの寸法としては４００μｍ〜１０００μｍであることが好ましい。
【００５０】
次いで、磁気シールドの形状と磁気抵抗効果素子の感度との間の関係について調べた。その結果を図１０（ａ），（ｂ）に示す。図１０（ａ），（ｂ）に示すように、磁気シールドＹの寸法が２００μｍの場合及び磁気シールドを２分割した場合では、感度の低減効果にバラつきが多い。これより、磁気シールドの寸法としては、磁気抵抗効果素子のブリッジを完全に覆うために十分な寸法が必要なことがわかる。このように、電流センサにおける被測定電流の磁界低減効果を得る磁気シールドの寸法として、磁気抵抗効果素子のブリッジ回路よりも大きく、かつ、４００μｍ〜１０００μｍであることが好ましい。
【００５１】
上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いる。これにより、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。また、このような構成によれば、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子のＴＣＲ（Temperature Coefficient Resistivity）を一致させつつ、抵抗変化率の温度変化が小さいＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることで出力の温度依存を小さくできるので、温度特性を向上させることができる。また、上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この磁気平衡式電流センサは、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５２】
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。
【００５３】
図１１（ａ）は、被測定電流と誘導磁界との間の関係を調べるための導体と磁気抵抗効果素子との関係を示す図であり、図１１（ｂ）は、被測定電流と誘導磁界との間の関係を示す図である。誘導磁界の測定は、半径１７ｍｍの導体１１（外周）と磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂとの間の距離を１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍとしたときについて、それぞれ被測定電流を１０Ａ〜１０００Ａまで変えて行った。その結果を図１１（ｂ）に示す。
【００５４】
図１１（ｂ）から分かるように、特定のキャンセル磁界の範囲において、導体と磁気抵抗効果素子との間の距離が短いほど測定できる被測定電流の大きさの幅が広い。また、導体と磁気抵抗効果素子との間の距離が１０ｍｍ〜１００ｍｍにおいて、被測定電流の大きさに対して誘導磁界が直線的に変わっており、精度良く測定することが可能である。
【００５５】
また、図１２（ａ）は、フィードバック電流とキャンセル磁界との間の関係を調べるためのフィードバックコイル１２１と磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂとの関係を示す図であり、図１２（ｂ）は、フィードバック電流とキャンセル磁界との間の関係を示す図である。キャンセル磁界の測定は、１６ターンのフィードバックコイル１２１と磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂとの間の距離を５μｍとし、フィードバック電流を１ｍＡ〜４０ｍＡまで変えて行った。その結果を図１２（ｂ）に示す。
【００５６】
図１２（ｂ）から分かるように、フィードバック電流の大きさ１ｍＡ〜４０ｍＡの範囲において、フィードバック電流の大きさに対してキャンセル磁界が変わっている。図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）から、導体と磁気抵抗効果素子との間の距離が１０ｍｍ〜１００ｍｍにおいて、大電流（数１０Ａ〜１０００Ａ）から発生する誘導磁界を、低電流（数ｍＡ〜数１０ｍＡ）のフィードバック電流によりキャンセル磁界でキャンセルできることが判る。したがって、本発明の磁気平衡式電流センサによって、高感度、低消費電力の電流センサが実現できる。
【００５７】
また、図１３（ａ）は、導体１１と、磁気シールド３０と、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂとの関係を示す図であり、図１３（ｂ）は、磁気シールドの有無による磁気抵抗効果素子への誘導磁界の影響を示す図である。磁気抵抗効果素子が受ける誘導磁界の測定は、被測定電流を３００Ａとし、導体１１（外周）と磁気シールド３０との間の距離を５０ｍｍとし、磁気シールド３０から磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂまでの距離を１０μｍとして行った。その結果を図１３（ｂ）に示す。比較のために、図１３（ａ）において磁気シールドを配置しない構成で、磁気抵抗効果素子が受ける誘導磁界を測定した。その結果を図１３（ｂ）に併記する。
【００５８】
図１３（ｂ）から分かるように、本発明に係る磁気平衡式電流センサのように、磁気シールドを設ける構成においては、磁気抵抗効果素子が受ける誘導磁界が小さく、より小さいキャンセル磁界で磁気平衡状態とすることができる。このため、フィードバック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。
【００５９】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、電流測定をしていない状態で出力を測定し、保存されている基準出力と異なる場合にヒステリシスの補正を行う機能を備えた磁気平衡式電流センサの場合について説明する。
【００６０】
磁気平衡式の電流センサにおいては、センサの測定範囲を超えた被測定電流が流れた場合、磁気平衡を取ることが不可能になる。特に、磁気検出素子が磁気抵抗効果素子である場合には、図１４（ａ）に示すように、素子がヒステリシス特性を有するために、被測定電流が大きい場合、磁界抵抗効果素子が飽和して素子のヒステリシスにより零点がずれる。その結果、図１４（ｂ）に示すように、入力電流に対する出力の特性曲線が＋側又は−側にずれ、センサの測定値に誤差が生じることが考えられる。
【００６１】
そこで、本実施の形態においては、電流測定前にイニシャライズ処理を行う。このイニシャライズ処理は、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、＋、−どちらかの磁束を電流センサに印加し、強制的に素子を飽和させ、印加した磁束を０に戻し、その後、磁束印加による出力のオフセット分を減算する。これにより、図１５（ｂ）に示すように、ヒステリシスの片側だけを利用することが可能になり、素子がヒステリシス特性を有していても、図１４（ｂ）に示す入力電流に対する出力の通常の特性曲線を得ることができる。なお、電流測定中に、センサの測定範囲を超えた被測定電流が流れて、センサが飽和した場合には、再度、イニシャライズ処理時に印加した磁束と同じ磁束を電流センサに印加して素子を飽和させる。
【００６２】
さらに望ましくは、被測定電流が０のときにセンサが持つ出力のオフセット分を記録しておき、測定結果からオフセット分を減算すればヒステリシスによる誤差を最小限に抑えることができる。
【００６３】
図１６は、本実施の形態に係るイニシャライズ機能付き磁気平衡式電流センサを示す回路図である。図１６に示す磁気平衡式電流センサにおいては、磁界検出ブリッジ回路４２の出力を増幅する増幅器（オペアンプ）４３の入力をショートさせるスイッチ４４と、イニシャライズ処理、すなわちスイッチ４４の切り替え、初期化電流の印加及び出力のオフセット分の減算の処理を制御する制御回路４５とを備えている。なお、図中の参照符号４１はフィードバックコイルを示し、参照符号４６は検出回路を示す。
【００６４】
図１７は、本実施の形態に係るイニシャライズ処理を説明するためのフロー図である。イニシャライズ処理は、まず、制御回路４５によりスイッチ４４を切り替えて、オペアンプ４３の入力をショートさせる（ＳＴ１）。次いで、制御回路４５により、フィードバックコイル４１に初期化電流を印加して磁束を印加する。これにより、磁界検出ブリッジ回路４２の磁気抵抗効果素子を強制的に飽和させる（ＳＴ２）。次いで、制御回路４５によりスイッチ４４を切り替えて、オペアンプ４３の入力を復帰させて、印加した磁束を０にする（ＳＴ３）。次いで、制御回路４５により、磁束印加による出力のオフセット分を減算する（オフセット出力Ｎｕｌｌ演算）（ＳＴ４）。このようにしてイニシャライズ処理が完了する。その後、導体に流れる被測定電流の測定が行われる。なお、導体に流れる被測定電流の測定については、実施の形態１と同様である。
【００６５】
このように、本実施の形態の磁気平衡式電流センサにおいては、電流測定前にイニシャライズ処理を行うので、ヒステリシスの片側だけを利用することが可能になり、素子がヒステリシス特性を有していても、測定誤差のない状態で電流測定を行うことができる。
【００６６】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、電流の入力が無い状態において、較正用のコイルに電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子のセルフテストを行う機能を備えた磁気平衡式電流センサについて説明する。
【００６７】
被測定電流により発生する誘導磁界を磁気平衡式センサで測定する場合、磁気抵抗効果素子は、被測定電流が流れる導体以外にもその他の素子や配線から外部磁界の影響を受ける可能性がある。また、自動車のような高い信頼性が求められる場合、何らかの要因で入力電流に対する磁気抵抗効果素子の出力が変わると重大な事故を招く可能性がある。
【００６８】
図１８は、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの一部を示す図である。図１８に示す磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル５１及び較正用コイル５２を備えている。このフィードバックコイル５１及び較正用コイル５２は、それぞれ磁気抵抗効果素子５３と等距離に配置されている。すなわち、図１１に示すフィードバックコイル５１と磁気抵抗効果素子５３との間の距離Ｄ１と、較正用コイル５２と磁気抵抗効果素子５３との間の距離Ｄ２とが等しい（磁気抵抗効果素子５３を中心としてフィードバックコイル５１及び較正用コイル５２が対称に配置されている）。
【００６９】
このように、磁気抵抗効果素子５３からそれぞれのコイル５１，５２までの距離が同じであり、フィードバックコイル５１、較正用コイル５２及び磁気抵抗効果素子５３が対称性良く作られていれば、図１９に示す回路において、較正用コイル５２に電流を流したとき、磁気抵抗効果素子５３に印加する磁界を打ち消すため、較正用コイル５２に流れる電流と同じ電流がフィードバックコイル５１にも流れる。このとき、電流検出抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２の抵抗値は、較正用コイル５２側とフィードバックコイル５１側とで等しいので、検出抵抗で発生する電圧も較正用コイル５２側とフィードバックコイル５１側とで等しくなる。このフィードバックコイル側の電圧Ｖｓと較正用コイル５２側の電圧Ｖｃを比較することにより磁気抵抗効果素子のセルフテストが可能となる。
【００７０】
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、電流の入力が無い状態で較正用コイル５２に通電して磁界を発生させ、その磁界による磁気抵抗効果素子５３の抵抗変化を測定することにより磁気抵抗効果素子５３のセルフテストを行う。これにより、磁気抵抗効果素子５３の動作状態を確認できると共に、磁気抵抗効果素子５３の特性に変化が起きていないかを確認したり、素子出力の補正を行ったりすることが可能となる。なお、この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５１、較正用コイル５２及び磁気抵抗効果素子５３が一つの基板上に設けられていることが望ましい。
【００７１】
図２０は、マイコンと外付けメモリを用いた本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２０に示す回路では、磁気平衡式電流センサの出力値、フィードバックコイル側の電圧Ｖｓと較正用コイル５２側の電圧Ｖｃとの間の関係、及びフィードバックコイル側の電圧Ｖｓと被測定電流の電流値Ｉｉｎとの間の関係から電流値を求めるマイコンと、フィードバックコイル側の電圧Ｖｓと較正用コイル５２側の電圧Ｖｃとの間の関係のテーブルを格納した外付けメモリ１と、フィードバックコイル側の電圧Ｖｓと被測定電流の電流値Ｉｉｎとの間の関係のテーブルを格納した外付けメモリ２とを備えている。この磁気平衡式電流センサにおいて、センサの出力値（検出抵抗の電圧）をＡＤ変換してマイコン５５で読み込み、外付けメモリに保存した二つのテーブルを用いて元となる被測定電流の電流値を求める。
【００７２】
このような磁気平衡式電流センサを用いてセルフテスト及び電流測定を行う場合について図２１及び図２２を用いて説明する。図２１は、本実施の形態におけるセルフテストを説明するためのフロー図であり、図２２は、本実施の形態における電流測定を説明するためのフロー図である。
【００７３】
まず、較正時においては、較正用コイル５２に電流を流して（ＳＴ１１）、ＡＤ変換器を介して較正電圧Ｖｃ及び検出抵抗電圧Ｖｓを測定する（ＳＴ１２）。次いで、外付けメモリ１の検出抵抗電圧Ｖｓで指定されるアドレスにＶｓ'として較正電圧Ｖｃの数値を保存する（ＳＴ１３）。次いで、これをフィードバック電流の最大値まで電流を変えて繰り返して行い、検出抵抗電圧Ｖｓと較正電圧Ｖｃのテーブルを作成する（ＳＴ１４）。このテーブルを利用することにより、磁気平衡式電流センサの検出抵抗電圧Ｖｓを較正することができる。
【００７４】
測定時においては、電流検出抵抗Ｒｓ１による検出抵抗電圧Ｖｓを、ＡＤ変換器を介して読み込み（ＳＴ２１）、検出抵抗電圧Ｖｓに基づいて外付けメモリ１に保存した補正用のテーブルを参照し、補正後の数値Ｖｓ'（＝Ｖｃ）を読み込む（ＳＴ２２、ＳＴ２３）。次いで、外付けメモリ２に保存されているＩｉｎをフィードバック電流から被測定電流を求めるためのテーブルを参照して補正後の数値Ｖｓ'に基づいて読み出し（ＳＴ２４）、読み出された数値をセンサの電流値出力とする（ＳＴ２５）。
【００７５】
このように、本実施の形態の磁気平衡式電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子の較正を行うことができるので、外部磁界の影響を受けたり、何らかの要因で入力電流に対する磁気抵抗効果素子の出力が変わっても、測定誤差のない状態で電流測定を行うことができる。
【００７６】
本発明は上記実施の形態１〜３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１〜３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】
【００７７】
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。【００７８】
本出願は、２００９年６月１２日出願の特願２００９−１４１７０６に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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