(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された固定層と外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とが積層された矩形板状の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の２つの主面のうちの一方の主面に対向して設けられ、検出対象の電流が流れる第１の導体と、
前記第１の導体に流れる電流によって誘起される磁界により変化する前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定し、前記抵抗値から前記第１の導体に流れる電流値を算出する電流値算出部と、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの少なくとも１つの側面に対して、当該側面に平行になるように配置され、前記磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を付与するバイアス磁界印加用導体と
を備え、
前記バイアス磁界印加用導体は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向において、前記バイアス磁界印加用導体の一部または全部が、それに対応する前記磁気抵抗効果素子の前記側面を含む端部に重なるように、配置され、
前記バイアス磁界印加用導体に流れる電流によって前記磁気抵抗効果素子に前記バイアス磁界を付与する
電流検出装置。
【請求項２】
前記バイアス磁界印加用導体は、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの長手方向に延びた２つの側面に対してそれぞれ平行になるように配置された１対の第２の導体を含み、
前記１対の第２の導体のそれぞれ長手方向の向きが異なる各一端が、前記第１の導体の長手方向の向きが同じ端同士で接続されている
請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記バイアス磁界印加用導体は、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの長手方向に延びた２つの側面に対してそれぞれ平行になるように配置された１対の第２の導体と、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの短手方向に延びた２つの側面に対してそれぞれ平行になるように配置された１対の第３の導体と
を含み、
前記１対の第２の導体のそれぞれ長手方向の向きが異なる各一端が、前記第１の導体の長手方向の向きが同じ端同士で接続されるとともに、
前記１対の第２の導体のそれぞれ長手方向の各他端が、当該他端に直交する前記１対の第３の導体のそれぞれ長手方向の各一端に接続されている
請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項４】
前記バイアス磁界印加用導体は、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの長手方向に延びた２つの側面に対してそれぞれ平行になるように配置された１対の第４の導体をさらに備え、
前記第４の導体の断面積は、前記第２の導体の断面積よりも大きく、前記第１の導体の断面積よりも小さい
請求項２または３に記載の電流検出装置。
【請求項５】
前記バイアス磁界印加用導体は、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの長手方向に延びた２つの側面に対してそれぞれ平行になるように配置された１対の第２の導体と、
前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの短手方向に延びた２つの側面に対してそれぞれ平行になるように配置された１対の第３の導体と
を含み、
前記第１の導体と長手方向が等しい前記第２の導体が、前記第３の導体を介して、前記第１の導体と並列に接続されている
請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の電流検出装置と、
前記電流検出装置が有する前記第１の導体に電流を印加する電流源と、
前記第１の導体を流れる前記電流が誘起する誘起磁界が、前記磁気抵抗効果素子に印加されている外部磁界を打ち消したか否かを、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を、前記磁気抵抗効果素子に前記外部磁界を印加しないときの抵抗値と比較することで判定する判定部と、
前記判定部が前記誘起磁界が前記外部磁界を打ち消したと判定した場合に、その時点の前記第１の導体を流れる電流の値に基づいて前記外部磁界の強度を算出する磁界演算部と
を備えた
磁界検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出装置および磁界検出装置に関し、特に、導体を流れる電流が誘起する磁界を検出することで当該導体を流れる電流を検出する電流検出装置、および、それを用いた磁界検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果素子として、トンネル磁気抵抗効果（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）を用いたＴＭＲ素子、および、巨大磁気抵抗効果（ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）を用いたＧＭＲ素子が開発されている。ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子は、従来の異方性磁気抵抗効果素子より、磁気抵抗比（ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｒａｔｉｏ：ＭＲ比）が大きく、磁気ヘッドおよび磁気記録装置への応用が進められている。
【０００３】
磁気抵抗（ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＭＲ）効果は、外部磁界の強度と向きに応じて物質の抵抗が変化する現象である。この機能を有する素子は、磁気ヘッドおよび磁界検出センサへ応用されている。ＧＭＲ素子は、強磁性体膜／金属膜／強磁性体膜の多層構造からなる。ＴＭＲ素子は、強磁性体膜／絶縁膜／強磁性体膜の多層構造からなる。このとき金属膜または絶縁膜を隔てた２種類の強磁性体膜のうち、一方は、外部磁界に対して磁化方向が変化しない第一の磁性層、すなわち固定層である。また、他方は、外部磁界の方向に磁化が回転する第二の磁性層、すなわちフリー層である。このとき、外部磁界によって、第一の磁性層と第二の磁性層とのスピンの向きを、平行（０°）から反平行（１８０°）の間を変化させる場合を考える。その場合、ＧＭＲ素子の場合は、金属膜と強磁性体膜との界面での電子の散乱確率が変化することに起因する抵抗変化が生じる。一方、ＴＭＲ素子の場合は、絶縁層を隔てた２種類の強磁性体膜の間のトンネル電流が変化することで抵抗が変化する。このため、外部磁界の変化を素子の抵抗変化として読みだすことが可能となる。
【０００４】
これらの磁気抵抗素子における固定層である第一の磁性層は、磁化方向を固定するために、強磁性層と交換結合させる。一方で、フリー層である第二の磁性層を、外部磁界に対して自由に動くことが出来る構造とする、スピンバルブ構造が一般に用いられている。スピンバルブ構造の磁気抵抗素子は、第二の磁性層と第一の磁性層の磁気的な結合を弱め、フリー層磁化の外部磁界に対する感度を向上させることが可能である。そのため、高感度な磁界検出が可能となる。一般に、電流が存在するときに、当該電流に比例した磁界が発生することが知られている。このため、検出対象の電流が流れる導体の近傍に磁界検出装置を配置することで、当該電流が誘起する磁界を介して、導体を流れる電流の強度を測定することが可能である。
【０００５】
磁界検出に用いる磁気抵抗効果素子では、第２の磁性層の磁化が回転する際の、その磁化の前の状態に依存した経路を動くヒステリシスは磁界検出の測定誤差を発生させる要因となる。また、磁性層内に存在する不純物または加工時にダメージを受けた部分で磁界が一時的にトラップされ、その後、開放されることで、磁化が急激な変化をし、抵抗が不連続的に変化をすることがある。その場合に生じるバルクハウゼンノイズも、測定誤差を発生させる要因となる。
【０００６】
磁気特性を改善するためには、バイアス磁界を印加する方法が取られる。バイアス磁界を印加することによって、磁気抵抗効果素子において、検出対象となる磁界の強度に応じて磁化が動くフリー層のヒステリシス及びバルクハウゼンノイズを改善する事ができる。フリー層の磁気特性を改善する手法として、対象となる磁気抵抗効果素子の近くに永久磁石を配したり、素子の近傍に永久磁石として作用する強磁性膜を成膜したりすることで直流磁界を印加する方法がとられる。例えば特許文献１に示す磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子の近傍に強磁性膜を成膜することで直流バイアス磁界を印加し、フリー層の磁界方向を定め、ヒステリシスやノイズの低減を目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２４３９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＴＭＲ素子およびＧＭＲ素子は外部磁界に対して抵抗が変化するため、この変化を読み取ることで外部磁界を検出することが可能となる。しかしながら、上述したように、これらのＴＭＲ素子およびＧＭＲ素子を使用した磁界検出において、そのフリー層の磁化のヒステリシス及びバルクハウゼンノイズは、外部磁界に対する抵抗変化の再現性を低下させる要因となる。このようなヒステリシス及びバルクハウゼンノイズが発生する要因の一つとして、フリー層の素子エッジ部分の磁化の挙動がある。素子のエッジ部分においては、素子のエッチングプロセスにおいてフリー層磁気特性が劣化し、ヒステリシスやバルクハウゼンノイズを発生させる。また、素子のエッジ部分では反磁界の効果で形状異方性磁界および外部磁界が弱められるため、ヒステリシスやバルクハウゼンノイズが相対的に発生しやすい。これらの影響を抑制するために、例えば特許文献１では、フリー層に対して、直流磁界をバイアス磁界として印加し、ヒステリシス及びバルクハウゼンノイズを低減する方法を用いている。直流磁界は、素子近傍に永久磁石を配置すること、あるいは、素子近傍に強磁性膜を積層すること、あるいは、コイルを用いて電流が誘起する磁界を用いることによって、印加する方法が取られる。しかしながら、素子の作製とは別に、バイアス磁界を印加する為の他の工程または装置を別途用いる方法では、作製工数が増加するため、コストが増大するという問題点がある。また、フリー層に印加されたバイアス磁界は、フリー層の磁化の動きを制限するため、感度が低下してしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、安価な構成で、素子全体にバイアス磁界を印加することによる感度の低下を抑制し、出力にヒステリシスやバルクハウゼンノイズの少ない電流検出装置、および、それを用いた磁界検出装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、磁化方向が固定された固定層と外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とが積層された矩形板状の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の２つの主面のうちの一方の主面に対向して設けられ、検出対象の電流が流れる第１の導体と、前記第１の導体に流れる電流によって誘起される磁界により変化する前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定し、前記抵抗値から前記第１の導体に流れる電流値を算出する電流値算出部と、前記磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの少なくとも１つの側面に対して、当該側面に平行になるように配置され、前記磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を付与するバイアス磁界印加用導体とを備え、前記バイアス磁界印加用導体は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向において、前記バイアス磁界印加用導体の一部または全部が、それに対応する前記磁気抵抗効果素子の前記側面を含む端部に重なるように、配置され、前記バイアス磁界印加用導体に流れる電流によって前記磁気抵抗効果素子に前記バイアス磁界を付与する電流検出装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の４つの側面のうちの少なくとも１つの側面に対して平行に設けられ、前記磁気抵抗効果素子にバイアス磁界を付与するバイアス磁界印加用導体を備えるようにしたので、安価な構成で、磁気抵抗効果素子全体にバイアス磁界を印加することによる感度の低下を抑制し、出力にヒステリシスやバルクハウゼンノイズの少ない電流検出装置、および、それを用いた磁界検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による電流検出装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の一点鎖線ａ−ａ’における断面図である。
【図３】図１の一点鎖線ｂ−ｂ’における断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による電流検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるＴＭＲ素子と導体の配置を示した上面図である。
【図６】本発明の実施の形態２による電流検出装置の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態２による電流検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図８】本発明の実施の形態２によるＴＭＲ素子と導体の配置を示した上面図である。
【図９】本発明の実施の形態３による電流検出装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態３による電流検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図１１】本発明の実施の形態３によるＴＭＲ素子と導体の配置を示した上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態４による電流検出装置の構成を示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態４による電流検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図１４】本発明の実施の形態４によるＴＭＲ素子と導体の配置を示した上面図である。
【図１５】本発明の実施の形態５による電流検出装置の構成を示す斜視図である。
【図１６】本発明の実施の形態５による電流検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図１７】本発明の実施の形態５によるＴＭＲ素子と導体の配置を示した上面図である。
【図１８】本発明の実施の形態６による電流検出装置の構成を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施の形態６による電流検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図２０】図１８における一点鎖線ａ−ａ’の断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態７による磁界検出装置を構成するための機器の接続を示した図である。
【図２２】本発明の実施の形態７における、磁界検出の手法を示したフローチャートである。
【図２３】本発明の実施の形態７による磁界検出装置に設けられた制御装置の構成を示したブロック図である。
【図２４】本発明の実施の形態１〜６による電流検出装置に設けられた制御装置のハードウエア構成、および、実施の形態７による磁界検出装置に設けられた制御装置のハードウエア構成を示した図である。
【図２５】本発明の実施の形態７による磁界検出装置に設けられた制御装置の実際的な構成を示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る実施の形態は、磁気抵抗効果素子として、スピンバルブ構造を有するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を用い、導体を流れる電流が誘起する磁界を検出することによって、導体を流れる電流を検出する原理からなる電流検出装置に関する。但し、以下の実施の形態では、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子を例として挙げて説明することとする。
さらに、本発明に係る実施の形態は、当該電流検出装置を用いて、導体を流れる電流が誘起する磁界で外部磁界を打ち消し、それをＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子の抵抗値から検出することで外部磁界の強度を検出するための磁界検出装置に関する。
以下、本発明に係る各実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電流検出装置の構成を示した斜視図である。図１に示すように、実施の形態１に係る電流検出装置においては、細長い矩形（長方形）の平板状のＴＭＲ素子１が設けられている。ＴＭＲ素子１は、磁化方向が固定された固定層（後述する図２の符号１０１参照）と、外部磁界によって磁化方向が変化するフリー層（後述する図２の符号１０６参照）とを有している。ＴＭＲ素子１の構成の詳細については図２を用いて後述する。
なお、以下の説明では、図１に示すように、矩形の各部材における、短辺が延びた方向を「短手方向」と呼び、長辺が延びた方向を「長手方向」と呼ぶこととする。
また、ＴＭＲ素子１においては、短辺が延びた方向を「短手方向」または「ａ−ａ’方向」と呼び、長辺が延びた方向を「長手方向」または「ｂ−ｂ’方向」と呼び、ＴＭＲ素子１の短手方向及び長手方向の両方に垂直な方向を「積層方向」と呼ぶこととする。
【００１５】
ＴＭＲ素子１の２つの平面（すなわち、主面）のうち、上面には上部電極５が設けられ、下面には下部電極６が設けられている。
上部電極５は、図１に示すように、ＴＭＲ素子１の平面の大きさよりも大きく、ＴＭＲ素子１の平面全体に設けられるとともに、さらに、ａ−ａ’方向に、その片側がＴＭＲ素子１の端部から突出している。具体的には、上部電極５の短手方向の一方の端部が、ＴＭＲ素子１の短手方向の端部から、ａ−ａ’方向におけるａ方向に突出するように設けられている。
同様に、下部電極６も、図１に示すように、ＴＭＲ素子１の平面の大きさよりも大きく、ＴＭＲ素子１の平面全体に設けられるとともに、さらに、ａ−ａ’方向に、その片側がＴＭＲ素子１の端部から突出している。ただし、下部電極６の突出する方向は、上部電極５の逆方向である。すなわち、下部電極６の短手方向の一方の端部が、ＴＭＲ素子１の端部から、ａ−ａ’方向におけるａ’方向に突出するように設けられている。
【００１６】
また、図１に示すように、ＴＭＲ素子１に対向して、矩形（長方形）の平板状の導体４が配置されている。ＴＭＲ素子１と導体４とは互いに平行になるように配置され、ＴＭＲ素子１と導体４との間には、予め設定された一定距離の空隙が設けられている。この導体４には、本実施の形態の電力検出装置の検出対象の電流が印加される。導体４の大きさは、ＴＭＲ素子１の大きさよりも小さく、導体４の短手方向および長手方向の長さは、いずれも、ＴＭＲ素子１よりも短い。また、ＴＭＲ素子１の積層方向から見た場合、ＴＭＲ素子１と導体４とは、互いにその長手方向が平行で、かつ、互いにその中心が重なるように配置されている。ここで、中心とは、ＴＭＲ素子１および導体４の上面または下面（すなわち、平面）の対角線の交点を意味する。
【００１７】
また、図１に示すように、導体４と同一平面上に、導体４の四方を取り囲むように、導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが配置されている。導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、ＴＭＲ素子１のエッジ部分を含むフリー層（後述する図２の符号１０６参照）に、バイアス磁界を印加するためのバイアス磁界印加用導体である。ここで、エッジとは、ＴＭＲ素子１の側面を構成する側壁を意味する。導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、図１に示すように、細長い板状の形状を有している。導体２ａ，２ｂは、導体４の長手方向に平行な方向に向かって延びている。導体３ａ，３ｂは、導体４の短手方向に平行な方向に向かって延びている。従って、導体２ａ，２ｂの延びている方向は、ＴＭＲ素子１の長手方向と平行であり、導体３ａ，３ｂの延びている方向は、ＴＭＲ素子１の短手方向と平行である。また、積層方向から見た場合に、後述する図２及び図３に「積層方向において重なっている部分」として示されるように、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの一部または全部が、それに対応するＴＭＲ素子１の各側面のエッジを含む端部に重なるように配置されている。図５は、ＴＭＲ素子１と導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂとを、ＴＭＲ素子１の積層方向から見た時の配置の一例である。図５においては、ＴＭＲ素子１が破線で示され、導体４および導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが実線で示されている。図５の例においては、ＴＭＲ素子１の各側面のエッジを含む端部が、それに対応する各導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの一部と重なるように配置されていることがわかる（すなわち、各導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの一部が、ＴＭＲ素子１より、外側にはみ出ている）。
【００１８】
図２は、図１に示したＴＭＲ素子１のａ−ａ’における断面図である。図２において、図１と同じ構成については、同一符号を付して示している。実施の形態１に係るＴＭＲ素子１はスピンバルブ構造であり、下から順に、固定層を構成する反強磁性膜１０１、強磁性膜１０２、非磁性膜１０３、強磁性膜１０４、トンネル絶縁膜１０５、および、フリー層を構成する強磁性膜１０６が、積層されている。また、図２に示す矢印１０２ａ、１０４ａ、１０６ａは、それぞれ、強磁性膜１０２、１０４、１０６の磁化方向を示している。強磁性膜１０６の磁化方向１０６ａは、外部磁界の方向を向くため、外部磁界と共に変化する。また、下部電極６と、導体２ａ、２ｂおよび導体４との間には、絶縁膜（図示せず）が形成されており、電気的に絶縁されている。
【００１９】
図２を見るとより分かるように、上述した通り、ＴＭＲ素子１の下方には、導体４と同一平面内であって、導体４の長手方向と平行に延びた導体２ａ、２ｂが配置されている。また、導体４と同一平面内であって、導体４の短手方向と平行に延びた導体３ａ、３ｂが配置されている。本実施の形態においては、ＴＭＲ素子１のフリー層（強磁性膜１０６）の長手方向のエッジ部分において、導体４に印加された検出対象の電流が誘起する磁界の面内成分を、導体２ａ、２ｂに印加した電流が誘起する磁界により相殺する。これにより、検出対象の電流が誘起する磁界による磁界の動きを、ＴＭＲ素子１のエッジ近傍において抑制または制限することができる。その結果、加工プロセスを経てダメージを受けた箇所における磁化の影響および反磁界の影響によるＴＭＲ素子１の磁界に対する抵抗変化におけるヒステリシスおよびバルクハウゼンノイズの発生を抑制することができる。その結果、導体４に流れる電流を精度よく検出することができる。
【００２０】
図３に、図１に示したＴＭＲ素子１のｂ−ｂ’における断面図を示す。図３において、図１及び図２と同じ構成については、同一符号を付して示している。上述した導体３ａ、３ｂを流れる電流が発生する磁界の面内成分は、ＴＭＲ素子１の長手方向を向くため、ＴＭＲ素子１の短手方向のエッジで発生する反磁界を抑制することが可能であり、反磁界による形状異方性の低減に起因して発生する、ヒステリシスやバルクハウゼンノイズの発生を緩和することが可能となる。その結果、導体４に流れる電流を、より精度よく検出することができる。
【００２１】
なお、図３においては、上部電極５および下部電極６の端部が、ＴＭＲ素子１の側面よりも外側に突出しているが、図１においては、上部電極５および下部電極６の端部とＴＭＲ素子１の端部とが同一平面内に揃っており、上部電極５および下部電極６の端部が、ＴＭＲ素子１の側面よりも外側に突出していないように記載されている。本実施の形態では、特に、図３の構成に限定されることはなく、図１の構成でもよく、すなわち、図１または図３のいずれの構成でもよいこととする。
【００２２】
図４は、実施の形態１に係る電流検出装置の構成及び動作を説明するための模式図である。図４に示すように、上部電極５と下部電極６に電流源１５２が接続される。また、上部電極５と下部電極６との間には電圧計１５１が接続される。電圧計１５１には、制御装置１５５が接続されている。また、ＴＭＲ素子１の長手方向に対して平行に配置された導体２ａ、２ｂには、それぞれ、電流源１５３ａ、１５３ｂが接続されており、導体４を流れる電流と逆向きのバイアス電流が供給される。一方、ＴＭＲ素子１の短手方向と平行に配置された導体３ａ、３ｂには、それぞれ、電流源１５３ｃ、１５３ｄが接続されている。さらに、導体４には、検出対象の電流を消費するための負荷１５４が直列に接続されている。
【００２３】
図２４は、電圧計１５１及び制御装置１５５のハードウエア構成を示した図である。図２４の電圧計は、図４の電圧計１５１である。制御装置１５５には、電圧計１５１により測定された電圧値が入力される。制御装置１５５は、電圧計１５１からのデータが入力されるインタフェース部（図示せず）を有しており、このインタフェース部が制御装置１５５の入力部を構成している。制御装置１５５の出力部は、図２４のディスプレイである。また、制御装置１５５は、電流測定部（図示せず）を有しており、この電流測定部は、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記機能を実行してもよい。
【００２４】
本実施の形態１に係る電流検出装置は、各部材が図４に示すように接続され、以下のように動作する。まず、電流源１５２により、ＴＭＲ素子１に対して、予め設定された一定値の電流が印加される。この時、ＴＭＲ素子１の下部電極６と上部電極５との間には電圧計１５１が接続されている。電圧計１５１で、ＴＭＲ素子１に生じた電位差を読み取ることで、ＴＭＲ素子１の抵抗変化を検出することができる。
ただし、制御装置１５５はＴＭＲ素子１の抵抗値を必ずしも取得する必要はない。ＴＭＲ素子に印加する電流が一定であるとき、ＴＭＲ素子１の上部電極と下部電極間に発生する電圧の変化は、ＴＭＲ素子１の抵抗変化に実質的に比例するため、電圧変化から直接、導体４を流れる電流強度を検出することが可能である。
この時のＴＭＲ素子１の抵抗または電圧変化は、検出対象の導体４に流れる電流が誘起する磁界に比例または単調増加もしくは減少するため、その抵抗変化または電圧変化を読み取ることで、電流強度を検出することが可能となる。制御装置１５５（電流値算出部）は、電圧計１５１が測定した電圧値または、電圧値と電流源１５２によってＴＭＲ素子１に印加された定電流の電流値とから、ＴＭＲ素子１の抵抗値を求め、当該電圧値、または、当該抵抗値に基づいて導体４に流れる電流の電流値を求める。
磁界に対するＴＭＲ素子１の抵抗変化は通常、電流源１５２から印加される電流値に対して変化し、電流値が大きくなるほど抵抗変化は減少する。このため、電流源１５２から印加される各電流値に対してＴＭＲ素子１にその電流値を流した時の、下部電極６と上部電極５との間の電位差の変化、または、前記電位差をその時の電流値で除することによって得られる抵抗値の変化を、制御装置１５５は記憶している。これは、導体４を流れる電流値と、ＴＭＲ素子１の抵抗値との関係、または、導体４を流れる電流値と、ＴＭＲ素子１に印加される電流によってＴＭＲ素子１に誘起される電圧の関係の対応表が記録されている。またこの関係は、ＴＭＲ素子１に印加される電流強度によって変化するため、ＴＭＲ素子１に印加される電流値毎に別に記録されている。導体４を流れる電流値に応じて得られた、ＴＭＲ素子１の抵抗値、または、誘起される電圧を、対応表の内、電圧、または、抵抗値が最も近しい、導体４を流れる電流値の値近傍の区間において、種々の補間法（線形補間法、多項式補間法など）を使用して測定値を確定する。これら処理は制御装置１５５が実行する。ただし、電流源１５２からＴＭＲ素子１に印加される電流値が一定である場合は、その電流値における、磁界に対する電位差の変化、または、抵抗変化のみを記憶していればよい。すなわち、導体４に流れる検出対象電流が誘起する磁界に対して、電圧計１５１が検出するＴＭＲ素子１の下部電極６と上部電極５の間の電位差変化の変化、または、これを電流源１５２が供給する電流値で除することによって得られるＴＭＲ素子１の抵抗値の変化を、電流源１５２が供給する電流値毎に制御装置１５５が記憶している値と比較することによって、電流値を検出することが可能である。
また、導体４を流れる電流が誘起する磁界に対して、ＴＭＲ素子１の抵抗変化が実質的に線形的である場合は、抵抗値の磁界に対する変化の割合を記憶しておくことによって、導体４を流れる測定対象電流の大きさを算出することが可能である。この時の、導体４を流れる電流値に対する、ＴＭＲ素子１の抵抗値の変化の割合をａ、ＴＭＲ素子１に磁界を印加しない時の、ＴＭＲ素子１の抵抗をｂとすると、測定対象電流の大きさｘに対する、ＴＭＲ素子１の抵抗をｙとすると次式のようになる。
ｙ＝ａｘ＋ｂ
この時、ａ、ｂを予め取得しておき、測定対象電流が流れた時のｙを測定することで、ｘを求めることが可能となる。なお、この時の、ａ、ｂは必ずしも抵抗値である必要はなく、ＴＭＲ素子１に対して定電流を印加した時に、ＴＭＲ素子１の上部電極５と下部電極６との間に生じる電位差を使用することでも、実現できる。この時は、ＴＭＲ素子１に入力したある定流値に対して、導体４に電流を流した時のＴＭＲ素子１に誘起される前記電圧の変化の割合をa'、磁界を印加しない時のＴＭＲ素子１に誘起される電圧ｂ'とすると、測定対象電流の大きさｘに対するＴＭＲ素子１に誘起される電圧ｙ’とすると、これらの関係は次式のようになる。
ｙ’＝ａ’ｘ＋ｂ’
従って、ａ’とｂ’を予め取得しておくことで、得られた電圧ｙ’に対して、導体４を流れる電流を計算することが可能となる。
なお、前述のとおり、ＴＭＲ素子１の抵抗値は、ＴＭＲ素子１に印加した電流値によって変化するため、上記で示した各定数ａ、ｂ、ａ’、ｂ’はＴＭＲ素子１に印加した電流値依存性がある。このため、ＴＭＲ素子１に印加した電流値によって、これら定数を自動的に変更する機能が必要であり、この機能は制御装置１５５に内包されている。
【００２５】
また、導体４には、検出対象の電流を消費するための負荷１５４が直列に接続されており、導体４を流れる検出対象の電流が誘起する磁界はＴＭＲ素子１の長手方向と直交する向きに印加される。また、ＴＭＲ素子１の長手方向と平行に配置された導体２ａ、２ｂには、それぞれ、電流源１５３ａ、１５３ｂが接続されており、導体４を流れる電流と逆向きのバイアス電流が供給される。一方、ＴＭＲ素子１の短手方向と平行に配置された導体３ａ、３ｂには、それぞれ、電流源１５３ｃ、１５３ｄが接続され、予め設定された一定値の電流が印加される。この時、導体３ａ、３ｂに電流源１５３ｃ、１５３ｄから供給する電流は、強度が一定の電流であるが、導体２ａ、２ｂに印加する電流は、導体４に流れる検出対象の電流に比例した強度である必要がある。
【００２６】
本実施の形態１においては、導体２ａ，２ｂを設けたことによって、ＴＭＲ素子１のフリー層（強磁性膜１０６）の長手方向のエッジ部分において、導体４を流れる検出対象の電流が誘起する磁界の面内成分が、導体２ａ、２ｂに印加された電流が誘起する磁界によって相殺される。また、導体３ａ、３ｂを流れる電流が発生する磁界の面内成分は、ＴＭＲ素子１の長手方向を向くため、ＴＭＲ素子１の短手方向のエッジで発生する反磁界を抑制する。その結果、加工プロセスを経てダメージを受けた箇所（図２参照）における磁化の影響および反磁界の影響によるＴＭＲ素子１の磁界に対する抵抗変化におけるヒステリシスおよびバルクハウゼンノイズの発生を抑制することができる。その結果、導体４に流れる電流を精度よく検出することができる。
【００２７】
このように、本実施の形態１では、ＴＭＲ素子１の側面の下部に、電流を流してバイアス磁界を誘起させる導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを備えることで、ＴＭＲ素子１の側面に直交する向きにバイアス磁界を印加することが可能になる。
ＴＭＲ素子１の長手方向の側面においては、導体４を流れる電流と逆向きのバイアス電流を導体２ａ，２ｂに流すことによって、検出対象となる導体４の磁界を打消す向きに、導体２ａ，２ｂによりバイアス磁界を印加する。これにより、ＴＭＲ素子１の側面近傍において、加工プロセス等で劣化した磁化の回転を抑制し、電流検出時のバルクハウゼンノイズやヒステリシスの発生による検出精度の低下を抑制することができる。
また、ＴＭＲ素子１の短手方向の側面においては、導体３ａ，３ｂにより、長手方向を向くバイアス磁界を印加することで、磁化の動きを抑制することで、電流検出時のバルクハウゼンノイズやヒステリシスの発生による検出精度低下を抑制するとともに、反磁界による形状異方性の低下を補うことができ、電流検出精度を向上することが可能である。
【００２８】
以上、説明したように、実施の形態１では、ＴＭＲ素子１のエッジ部分に局所的にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加用の導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを設けることで、安価な構成で、エッジ近傍でダメージを受けた磁化または反磁界の影響を強く受ける磁化のヒステリシスやバルクハウゼンノイズの影響を抑制しつつ、導体４を流れる電流を精度良く検出することが可能な電流検出装置を実現することが可能となる。
【００２９】
また、本実施の形態では、ＴＭＲ素子１の長手方向および短手方向の両方のエッジに対しバイアス磁界を印加する構造を有する電流検出装置を示したが、ＴＭＲ素子１の長手方向または短手方向のエッジのいずれかにだけバイアス磁界を印加する構造であっても、部分的であるが、本発明の効果を得ることが可能である。すなわち、上記の説明においては、バイアス磁界印加用導体として、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの４つを設ける例について説明したが、これら４つの導体は必ずしもすべて設ける必要はなく、これらのうちの少なくとも１つを設ければよく、その場合においても、部分的であるが、本発明の効果を得ることができる。
【００３０】
以上のように、実施の形態１に係る電流検出装置は、磁化方向が固定された固定層と外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とが積層された矩形板状のＴＭＲ素子１（磁気抵抗効果素子）と、ＴＭＲ素子１の平面に対向して設けられた導体４（第１の導体）と、導体４に流れる電流が誘起する磁界により変化するＴＭＲ素子１の抵抗値を測定し、当該抵抗値に基づいて導体４に流れる電流を検出する制御装置１５５（電流測定部）と、ＴＭＲ素子１の４つの側面のうちの少なくとも１つの側面に対して平行になるように配置され、ＴＭＲ素子１にバイアス磁界を付与する導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ（第２の導体）を備え、ＴＭＲ素子１の積層方向において、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの一部または全部が、それに対応するＴＭＲ素子１の側面に重なるように配置され、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに印加する電流によってＴＭＲ素子１の側面にバイアス磁界を付与する構成を有している。
このように、本実施の形態では、ＴＭＲ素子１の側面の下部（または上部）に、バイアス電流を流す導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを備えることで、ＴＭＲ素子１の側面に直交する向きにバイアス磁界を印加することが可能になる。
上述したように、ＴＭＲ素子１の出力における、バルクハウゼンノイズやヒステリシスの発生要因は長手方向エッジにおける、側壁（エッジ）ダメージなどに起因する不連続な磁化挙動、および、短手方向エッジにおける反磁界による形状異方性磁界の低下が要因の一つにある。そのため、本実施の形態１では、導体２ａ，２ｂによりバイアス磁界を印加することで、長手方向のエッジにおける磁化の動きを抑制することができ、不連続な磁化挙動による、素子の抵抗変化におけるバルクハウゼンノイズやヒステリシスを低減することが可能となる。また、短手方向のエッジにおける反磁界は、フリー層の磁化のヒステリシスやバルクハウゼンノイズを増加させるため、導体３ａ，３ｂによりバイアス磁界を印加することで、反磁界を抑制することは、ＴＭＲ素子１の抵抗変化におけるヒステリシスやバルクハウゼンノイズを低減させることに有効である。また、本実施の形態１においては、ＴＭＲ素子１の端部にのみバイアス磁界を印加するようにしたので、ＴＭＲ素子１全体にバイアス磁界を印加することによる感度の低下を抑制することができる。
以上のことから、本実施の形態１を実施することで、高感度で電流検出精度の高い電流検出装置を実現することが可能となる。
また、本実施の形態１では、図４のように配線するだけで実現可能であるため、ＴＭＲ素子１全体にバイアス磁界を印加する追加的な構造の作製が不要であり、作製コストを抑えることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る電流検出装置を構成する、ＴＭＲ素子１と、検出対象の電流が流れる導体４と、バイアス磁界印加用の導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂとの配置を示す斜視図である。図７は、実施の形態２に係る電流検出装置の動作を説明するための模式図である。また、図８は、ＴＭＲ素子１と導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４の配置及び接続関係の上面図である。
【００３２】
上述の図１に示した実施の形態１との違いは、実施の形態１では、図１に示すように、導体４と導体２ａ，２ｂとが別体で構成され、互いに離間していたが、本実施の形態２では、導体４と導体２ａ，２ｂとが接続されて、一体の導体６１となっている点が異なる。以下では、実施の形態１と異なる構成についてのみ説明し、実施の形態１と同じ構成については、説明を省略する。
【００３３】
図６〜図８に示すように、実施の形態２では、導体２ａ，２ｂのそれぞれ長手方向の向きが異なる各一端が、導体４の長手方向の向きが同じ端同士で接続されて、１つの導体６１となっている。なお、図６に示すように、導体４と導体２ａとの接続部を接続部６１ａ、導体４と導体２ｂとの接続部を接続部６１ｂとすると、接続部６１ａと接続部６１ｂとは、導体４の中心に対し、互いに点対称の位置になるように構成されている。すなわち、導体４と導体２ａ，２ｂとは、導体４の長手方向の向きが異なる点対称の片端で、それぞれ、接続されている。
【００３４】
次に、実施の形態２の動作について、図７に基づいて説明する。
上述したように、実施の形態２においては、導体４と導体２ａ，２ｂとが接続されているため、図４に示した電流源１５３ａ，１５３ｂが設けられていない。他の構成については、基本的に、図４と同じであるため、同一符号を付して示し、その説明は省略する。
実施の形態２では、検出対象の電流は、導体４、導体２ａ、２ｂを流れる。導体４と導体２ａ、２ｂの端部が電気的に接続されているため、導体２ａ、２ｂを流れる電流は導体４を流れる電流と等しく、導体２ａ、２ｂから発生する磁界は導体４から発生する検出対象の磁界に比例する。このため、ＴＭＲ素子１のエッジ近傍では、導体４から発生する磁界を、導体２ａ，２ｂから発生する磁界で、常に相殺することが可能となる。また、実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、導体３ａ、３ｂを流れる電流が発生する磁界の面内成分は、ＴＭＲ素子１の長手方向を向くため、ＴＭＲ素子１の短手方向のエッジで発生する反磁界を抑制する。
【００３５】
以上のように、実施の形態２によると、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態２では、導体２ａ，２ｂのそれぞれ長手方向の向きが異なる（逆向き）の各一端が、接続部６１ａ、６１ｂにおいて、導体４の長手方向の向きが同じ端同士でそれぞれ接続されている構成となっている。こうして接続したことにより、導体２ａ，２ｂと導体４とが電気的に接続されたので、導体４に流れる電流を、ＴＭＲ素子１の長手方向の側面へのバイアス磁界を印加するための電流として用いることができ、バイアス電流を印加するための電流源１５３ａ，１５３ｂを省略することができる。そのため、電流検出装置の構成をより簡単にすることができ、低価格で製造することが可能となる。また、バイアス磁界は検出対象磁界に常に比例するため、ＴＭＲ素子１の長手方向の側面部分において、検出対象磁界を精度良く打ち消す事ができ、側面部分の磁化挙動による電流検出精度の低下を効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３によるＴＭＲ素子および各導体の配置を示した斜視図である。図１０は、実施の形態３に係る電流検出装置の動作を説明するための模式図である。また、図１１はＴＭＲ素子１と導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４の配置及び接続関係の上面図である。
【００３７】
上述の図１に示した実施の形態１との違いは、実施の形態１では、図１に示すように、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂがすべて別体で構成され、互いに離間していたが、本実施の形態３では、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂとがすべて接続されて、一体の導体９１となっている点が異なる。以下では、実施の形態１と異なる構成についてのみ説明し、実施の形態１と同じ構成については、説明を省略する。
【００３８】
実施の形態３においては、図９〜図１１に示すように、互いに直交する導体２ａと導体３ａの各一端同士が接続部９２ａで接続されるとともに、同じく互いに直交する導体２ｂと導体３ｂの各一端同士が接続部９２ｂで接続されている。これらの接続により出来た２つのＬ字型の導体におけるＴＭＲ素子１の長手方向に沿った導体２ａ，２ｂに相当する導体部分の各端が、導体４の両端の片側にそれぞれ接続されている。このように、本実施の形態３では、導体２ａ，２ｂのそれぞれ長手方向の向きが異なる各一端が、導体４の長手方向の向きが同じ端同士で接続されるとともに、導体２ａ，２ｂのそれぞれ長手方向の各他端が、当該他端に直交する導体３ａ，３ｂのそれぞれ長手方向の各一端に接続されている。
【００３９】
次に、実施の形態３の動作について、図１０に基づいて説明する。
上述したように、実施の形態３においては、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂとが接続されているため、図４に示した電流源１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄが設けられていない。他の構成については、基本的に、図４と同じであるため、同一符号を付して示し、その説明は省略する。
【００４０】
実施の形態３では、検出対象の電流は、導体４、導体２ａ、２ｂ、導体３ａ，３ｂを流れる。導体４と導体２ａ、２ｂと導体３ｂが電気的に接続されているため、導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂを流れる電流は導体４を流れる電流と等しく、導体２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂから発生する磁界は導体４から発生する検出対象の磁界に比例する。このため、ＴＭＲ素子１のエッジ近傍では、導体４から発生する磁界を、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂから発生する磁界で、常に相殺することが可能となる。
【００４１】
このように、実施の形態３によると、検出対象の電流を用いて、ＴＭＲ素子１の長手方向および短手方向のエッジの両方にバイアス磁界を印加することが可能となり、更に、長手方向のエッジにおいては、検出対象となる磁界に比例した強度の磁界を印加することで、本発明の効果を簡易に得ることが可能となる。また、実施の形態３においては、本発明を実施するために追加的な電流源は不要である。したがって、工数を増やすことなく、電流検出精度の向上が可能である。
【００４２】
以上のように、実施の形態３によると、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態３では、導体２ａ，２ｂのそれぞれ長手方向の向きが異なる各一端が、導体４の長手方向の向きが同じ端同士で接続されるとともに、導体２ａ，２ｂのそれぞれ長手方向の各他端が、当該他端に直交する導体３ａ，３ｂのそれぞれ長手方向の各一端に接続されている。当該構成により、検出対象となる導体４に流れる電流を、ＴＭＲ素子１の長手方向の側面および短手方向の側面の両方にバイアス磁界を印加するために使用することで、追加的な電源を全く用いないで、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能となる。そのため、電流検出装置の構造を簡単にすることができ、安価に製造をすることが可能となる。また、ＴＭＲ素子１の長手方向の側面に印加される磁界は、検出対象の磁界に比例するため、精度よく打消すことが可能となり、側面部分の磁化挙動による磁界検出精度の低下を抑制することが可能となる。
【００４３】
実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４のＴＭＲ素子１と導体１２１の配置の斜視図である。図１３は、実施の形態４に係る電流検出装置の動作を説明するための模式図である。また、図１４はＴＭＲ素子１と導体１２１の配置の上面図である。
【００４４】
上述の図１に示した実施の形態１との違いは、実施の形態１では、図１に示すように、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂがすべて別体で構成され、互いに離間していたが、実施の形態４では、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂとがすべて接続されて、一体の導体１２１となっている点が異なる。本実施の形態４では、図１２〜図１４に示されるように、導体４と長手方向が等しい導体２ａ，２ｂが、導体３ａ，３ｂを介して、導体４と並列に接続されている。以下では、実施の形態１と異なる構成についてのみ説明し、実施の形態１と同じ構成については、説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態４においては、図１２〜図１４に示すように、互いに直交する導体２ａと導体３ａの各一端同士が接続部９２ａで接続されるとともに、同じく互いに直交する導体２ｂと導体３ｂの各一端同士が接続部９２ｂで接続されている。これらの接続により出来た２つのＬ字型の導体のＴＭＲ素子１の長手方向に沿った導体２ａ，２ｂに相当する導体部分の各端が、導体４の両端の片側にそれぞれ接続されている。
上述の実施の形態３との違いは、実施の形態３では、導体３ａ，３ｂと導体４とが、導体２ａ，２ｂを介して接続されていたが、実施の形態４では、導体３ａ，３ｂと導体４とが直接接続されている点が異なる。
従って、実施の形態４では、導体１２１は、一枚の矩形の平板状の導体から構成されており、長手方向に延びた２本のスリット１２１ａ，１２１ｂが形成された構成とも言える。ＴＭＲ素子１の短手方向において、スリット１２１ａ，１２１ｂよりも外側になる部分が、実施の形態１の導体２ａ，２ｂに相当する。また、ＴＭＲ素子１の長手方向において、スリット１２１ａ，１２１ｂよりも外側になる部分が、実施の形態１の導体３ａ，３ｂに相当する。
【００４６】
このように、実施の形態４では、導体３ａ，３ｂを介して導体４と導体２ａ，２ｂとが並列に接続されているため、導体２ａ、２ｂを流れる電流は、検出対象の電流の一部であり、導体２ａ、２ｂの電流容量による検出対象の電流の上限の制限を緩和することが可能である。実施の形態４では、ＴＭＲ素子１のエッジ部分に検出対象の磁界と同じ方向の磁界を印加するため、ＴＭＲ素子１の長手方向のエッジに部分における反磁界の影響を緩和することが可能となる。本発明を実施するために、追加的に電源を使用する必要が無いため、工数を増加させること無く、本発明の効果を得ることができる。
【００４７】
以上のように、実施の形態４によると、反磁界の影響を緩和することが可能であるので、ヒステリシスおよびバルクハウゼンノイズの発生を抑制することができる。その結果、導体４に流れる電流を精度よく検出することができる。さらに、実施の形態４では、検出対象の磁界が流れる導体４に対して、ＴＭＲ素子１の長手方向側面にバイアス磁界を印加するための導体２ａ，２ｂを並列に接続することで、バイアス磁界を印加するための導体２ａ，２ｂの電流容量による検出可能電流上限の低下を解消することが可能となる。ＴＭＲ素子１の側面には、検出対象の磁界と同方向に磁界が印加されるため、ＴＭＲ素子１の長手方向の側面における反磁界の影響による磁化の不規則な挙動を低減することができ、電流検出精度を向上させることが可能となる。また、実施の形態４によれば、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂにバイアス磁界を印加する為の電流源を別途要することなしに、ＴＭＲ素子１の長手方向側面にバイアス磁界を印加することが可能となる。
【００４８】
実施の形態５．
図１５は本発明の実施の形態５のＴＭＲ素子１と導体１５１０の配置を示した斜視図である。図１６は、実施の形態１に係る電流検出装置の動作を説明するための模式図である。また、図１７は本実施の形態によるＴＭＲ素子１と導体１５１０の上面図である。
【００４９】
上述の図１に示した実施の形態１との違いは、実施の形態１では、図１に示すように、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂとがすべて別体で構成され、互いに離間していたが、実施の形態５では、導体４と導体２ａ，２ｂと導体３ａ，３ｂとがすべて接続されている点が異なる。さらに、実施の形態５では、導体２ａ，２ｂの外側に、導体２ａ，２ｂの長手方向に平行に、さらなる導体７ａ，７ｂが設けられている点が、上記の実施の形態１〜４と異なる。本実施の形態５では、導体４、導体２ａ，２ｂ、導体３ａ，３ｂ、導体７ａ，７ｂが、すべて接続されて、一体の導体１５１０となっている。
【００５０】
また、上述した実施の形態３との違いは、実施の形態３では、導体４に導体２ａ，２ｂを介して導体３ａ，３ｂが接続されていたが、実施の形態５では、逆に、導体４に導体３ａ，３ｂを介して導体２ａ，２ｂが接続されている。導体４、導体２ａ，２ｂ、導体７ａ，７ｂは、互いに平行に配置され、導体３ａ，３ｂを介して、導体４、導体２ａ，２ｂ、及び、導体７ａ，７ｂが接続されている。
【００５１】
さらに具体的に説明すると、図１７に示すように、導体３ａ，３ｂが、導体３ａ，３ｂの長手方向のそれぞれ逆向きに延長され、当該延長により構成された延長部分３ａＥｘ，３ｂＥｘに、矩形の導体７ａ，７ｂの各一端が接続されるとともに、導体２ａ，２ｂの各一端が接続されている。
なお、延長部分３ａＥｘ，３ｂＥｘも、導体３ａ，３ｂと同じ導体から構成されている。
また、導体７ａ，７ｂの幅（または断面積）は、導体４の短手方向の幅（または断面積）と小さいかあるいは等しく、且つ、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの幅（または断面積）よりも大きい。
さらに、導体７ａ，７ｂは、Ｌ字型になるように、導体７ａ，７ｂの長手方向に直交する方向にその一端が延びて、延長部分７ａＥｘ，７ｂＥｘとなっている。延長部分７ａＥｘ，７ｂＥｘも、導体７ａ，７ｂと同じ導体から構成されている。また、延長部分７ａＥｘ，７ｂＥｘの端部は、導体２ａ，２ｂの各他端に接続されている。
従って、全体の形状としては、図１７に示すように、導体４と導体３ａ，３ｂとが矩形の平板状の導体から構成され、その両側に、導体２ａ，７ａ，及び、それらの延長部分３ａＥｘ，７ａＥｘから構成された矩形の平板状の導体１５１１ａと、導体２ｂ，７ｂ、および、それらの延長部分３ｂＥｘ，７ｂＥｘから構成された矩形の平板状の導体１５１１ｂとが接続されている。導体１５１１ａは、スリット１５１２ａが形成された矩形の平板状の導体とも言え、スリット１５１２ａの外側が導体７ａに相当する。同様に、導体１５１１ｂは、スリット１５１２ｂが形成された矩形の平板状の導体とも言え、スリット１５１２ｂの外側が導体７ｂに相当する。
なお、導体３ａ，３ｂの延長部分３ａＥｘ，３ｂＥｘは、互いに、導体４の短手方向の逆向きの方向に延びているため、導体４の中心に対し、互いに点対称の位置になるように構成されている。同様に、導体７ａ，７ｂの延長部分７ａＥｘ，７ｂＥｘは、互いに、導体４の短手方向の逆向きの方向に延びているため、導体４の中心に対し、互いに点対称の位置になるように構成されている。
【００５２】
他の構成については、他の実施の形態のいずれかと同じであるため、ここでは、他の実施の形態と異なる構成についてのみ説明し、他の実施の形態と同じ構成については、説明を省略する。
【００５３】
上述したように、実施の形態５においては、導体２ａ、２ｂのそれぞれに対して、並列に新たな導体７ａ，７ｂを接続することで、検出対象となる電流の一部が、導体２ａ、２ｂ、７ａ、７ｂに印加される。従って、本実施の形態によると、導体２ａ、２ｂの電流容量による検出可能電流上限の制約を緩和することが可能となる。並列に接続される導体７ａ，７ｂは、導体２ａ、２ｂよりも幅を広くすることで検出可能電流を効果的に増加させる事が可能となる。また、本実施の形態によると、本発明の実施に追加的な電源を使用する必要が無いため、工数を増加させること無く、発明の効果を得ることができる。
【００５４】
以上のように、実施の形態５によると、上記の実施の形態１と同様の効果が得られ、さらに、実施の形態５では、ＴＭＲ素子１の長手方向に、バイアス磁界を印加するための導体２ａ，２ｂと並列に追加的に導体７ａ，７ｂを接続することで、バイアス磁界を印加するための導体２ａ，２ｂの電流容量による検出可能電流上限の低下を解消することが可能となる。さらに、実施の形態５では、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，７ａ，７ｂにバイアス磁界を印加する為の電流源を別途要することなしに、ＴＭＲ素子１の長手方向側面にバイアス磁界を印加することが可能となる。
【００５５】
なお、実施の形態５では、導体２ａ，２ｂの長手方向に並列に導体７ａ，７ｂを設ける例について説明したが、その場合に限らず、同様に、導体３ａ，３ｂの長手方向に並列に導体７ａ，７ｂと同様の導体を設けるようにしてもよい。また、導体２ａ，２ｂの長手方向と導体３ａ，３ｂの長手方向との両方に、並列に、導体７ａ，７ｂと同様の導体を設けるようにしてもよい。
【００５６】
なお、本実施の形態で示した、ＴＭＲ素子１の長手方向に延びた側面に対して平行に設けられ、且つ、その断面積が、導体２ａ，２ｂよりも大きく、導体４よりも小さい、導体７ａ，７ｂは、上述した実施の形態１〜４のいずれの構成にも適用可能であることは言うまでもない。
【００５７】
実施の形態６．
図１８は本発明の実施の形態６による電流検出装置の、ＴＭＲ素子１と各導体の配置を示した斜視図である。図１９は、実施の形態６に係る電流検出装置の動作を説明するための模式図である。また、図２０における破線ａ−ａ’における断面図を図２０に示す。
【００５８】
上述の図１に示した実施の形態１との違いは、実施の形態１の図１に示した導体４の代わりに、実施の形態６では、導体１８１が設けられている点である。図１の導体４は、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂと同一平面内に設けられていたが、実施の形態６では、検出対象の電流が流れる導体１８１と、バイアス磁界印加用の導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂとが、異なる平面内に設けられている。すなわち、ＴＭＲ素子１、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ、および、導体１８１が、上から順に、３層に分かれて、互いに、予め設定された距離の空隙を介して、異なる３つの平面内にそれぞれ配置されている。以下では、実施の形態１と異なる構成についてのみ説明し、実施の形態１と同じ構成については、説明を省略する。
【００５９】
実施の形態６では、検出対象の電流が流れる導体１８１が、１番下の層として設けられている。その上の層に、ＴＭＲ素子１の長手および短手方向のエッジにバイアス磁界を印加するための導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが設けられている。導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、図１の配置と同じように全体として矩形形状になるようにそれぞれ配置されているが、図１においてはそれらの中央に配置されている導体４は、本実施の形態６では設けられていない。また、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの上の層に、ＴＭＲ素子１が設けられている。ＴＭＲ素子１には、図１と同じように、上部電極５と下部電極６とが設けられている。このように、本実施の形態では、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂと、導体１８１とが、分離して、異なる平面内に設けられているため、導体１８１の大きさは自由に選ぶことができる。したがって、検出対象となる電流の大きさに合わせたサイズの導体１８１を使用することで、検出対象の電流が流れる導体１８１の電流容量を検出対象の電流の強度に合わせて設計することができる。
【００６０】
図１９に、本実施の形態で電流検出装置を構成するための機器の接続を示す。図１９に示すように、本実施の形態においては、導体２ａ、導体２ｂ、及び、導体１８１が、すべて、負荷１５４に並列に接続されている。
そのため、ＴＭＲ素子１の長手および短手方向の各エッジに磁界を印加するための電流は、導体２ａ、２ｂを負荷１５４に並列に接続することで、検出対象の電流に比例して供給することができるため、簡易に、電流供給回路を構成することが可能となる。
なお、ここで、導体２ａ、２ｂに流れる電流が導体１８１を流れる電流と同じ方向であるように接続した場合には、上述の実施の形態４の効果を得ることができる。一方、導体２ａ、２ｂに流れる電流が導体１８１を流れる電流の向きと逆向きになるように接続した場合には、上述の実施の形態５に示した効果を得ることが可能となる。
【００６１】
また、図１９において、１９１は、導体２ａ、２ｂの各々と負荷１５４との間に接続された抵抗器である。導体２ａ、２ｂに流れる電流の強度は、導体１８１に並列に、導体２ａ、２ｂと直列になるように抵抗器１９１を挿入することで、追加的な電源を用いずに、本実施の形態に係る電流検出装置を実現することが可能となる。
【００６２】
図２０に、図１８の破線ａ−ａ’の断面図を示す。検出対象の電流が流れる導体１８１と、本実施の形態を適用した電流検出装置２０１のみを、簡易に示してある。図２０に示すように、導体１８１とＴＭＲ素子１とはその間隔を一定に保つスペーサー２００を介して固定されることが望ましい。ＴＭＲ素子１と導体１８１との間隔を一定に保つことができれば、導体の形状に規定されること無く、任意の導体を流れる任意の強度の電流の測定を行うことが可能である。
【００６３】
以上のように、本実施の形態によれば、上述の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、本実施の形態においては、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂと、導体１８１とを、分離して、互いに異なる平面内に設けるようにしたため、導体１８１の大きさの自由度を高くすることができる。
【００６４】
実施の形態７．
本実施の形態では、上述の本発明の実施の形態１〜６に係る電流検出装置を用いて構成される磁界検出装置について説明する。本実施の形態による磁界検出装置の磁界検出精度は、電流検出装置の電流検出精度に依存するため、上述の実施の形態１〜６で説明した電流検出精度が向上した電流検出装置を用いることによって、磁界検出精度を向上させることが可能となる。
【００６５】
図２１は、本実施の形態に係る磁界検出装置の構成を示した図である。本実施の形態に係る磁界検出装置は、上述した実施の形態１〜６のいずれかによる電流検出装置を用いて構成される。図２１では、本実施の形態に係る磁界検出装置として、上述した実施の形態１による電流検出装置を用いたものが記載されているが、その場合に限らず、上述した実施の形態１〜６のうちの任意のいずれの電流検出装置を用いても、本実施の形態に係る磁界検出装置を構成することができる。
【００６６】
電流検出装置の構成については、上述の実施の形態１〜６と同じであるため、ここではその説明を省略する。図２１において、２１０は検出対象の外部磁界、２１１は導体４に印加した電流により誘起する磁界、２１２は導体４に印加される電流、２１３は導体４に電流２１２を印加する電流源、２１４は制御装置である。他の構成については、図１と同じであるため、同一符号を付して示す。
【００６７】
図２３は、制御装置２１４の内部構成を示すブロック図である。制御装置２１４には、電圧測定部２１５と、抵抗測定部２１６と、判定部２１８と、磁界演算部２１９と、表示部２１７とが設けられている。
電圧測定部２１５は、例えば、図１に示す電圧計１５１から構成されている。
抵抗測定部２１６は、電圧測定部２１５で測定された電圧値に基づいて、ＴＭＲ素子１の抵抗値を算出するものである。
判定部２１８は、導体４を流れる電流が誘起する誘起磁界が、ＴＭＲ素子１に印加されている外部磁界を打ち消したか否かを、抵抗測定部２１６で測定したＴＭＲ素子１の抵抗値を、ＴＭＲ素子１に外部磁界を印加しないときの抵抗値と比較することで判定するものである。
磁界演算部２１９は、判定部２１８が、導体４を流れる電流が誘起する誘起磁界が、ＴＭＲ素子１に印加されている外部磁界を打ち消したと判定した場合に、その時点の導体４を流れる電流の値に基づいて、外部磁界の強度を算出するものである。
表示部２１７は、抵抗測定部２１６、判定部２１８及び磁界演算部２１９の処理結果を表示するものである。
また、実際的な処理としては、下記構成とし、ＴＭＲ素子１に印加される電圧を取得することで、本実施の形態による磁界検出装置を実現することが可能である。図２５は制御装置２１４の構造を省略した制御装置２１４ａのブロック図である。制御装置２１４ａにおいては、判定部２１８は、電圧測定部２１５の値から、抵抗値に換算せず直接、ＴＭＲ素子１に印加されている外部磁界が打ち消されたかどうかを判定する。最初に、定電流をＴＭＲ素子１に印加し、ＴＭＲ素子１に外部磁界が印加されていない場合の、ＴＭＲ素子１の電圧を判定部２１８に記憶させておく。次に、電流源２１３から導体４に流した電流に対して、ＴＭＲ素子１の電圧がＴＭＲ素子に磁界を印加しない時の電圧と等しくなることを検出することで、ＴＭＲ素子に印加された外部磁界が打ち消されたかどうかを判定するものである。表示部２１７は、電圧測定部２１５、判定部２１８、磁界演算部２１９の処理結果を表示するものである。
【００６８】
図２４は、制御装置２１４のハードウエア構成を示した図である。図２３の電圧測定部２１５は電圧計であり、表示部２１７はディスプレイである。抵抗測定部２１６、判定部２１８および磁界演算部２１９は、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記機能を実行してもよい。なお、実施の形態１と本実施の形態７とでは、メモリに記憶されたプログラムが異なる。
【００６９】
図２１の構成において、検出対象となる外部磁界２１０は、ＴＭＲ素子１の短手方向に沿った方向に印加される。まず、外部磁界２１０を印加しない状態で、抵抗測定部２１６が、ＴＭＲ素子１の抵抗値を測定する。この時のＴＭＲ素子１の抵抗値をＲ０とする。なお、抵抗測定部２１６は、例えば、次の手順により、抵抗値を測定すればよい。まず、ＴＭＲ素子１に対して、電流源１５２により、予め設定された一定値の電流を印加する。その状態で、電圧測定部２１５により、ＴＭＲ素子１に生じた電位差を読み取り、電流源１５２が印加した電流の値から、抵抗Ｒ０を演算する。
【００７０】
次に、検出対象の外部磁界２１０を印加し、抵抗測定部２１６が、再び、ＴＭＲ素子１の抵抗値を測定する。この時の、ＴＭＲ素子１の抵抗値をＲ１とする。抵抗値の測定手順は、上記と同じでよい。次に、抵抗測定部２１６は、この時のＴＭＲ素子１の抵抗値Ｒ１と、先に求めた抵抗値Ｒ０との差分（Ｒ１−Ｒ０）を、ΔＲとして求める。
【００７１】
次に、判定部２１８が、電流源２１３を制御して、導体４に対して、予め設定された一定値の直流電流Ｉを、電流２１２として印加する。この電流２１２が誘起する磁界２１１は、検出対象の外部磁界２１０と合成され、方向が同じ時は強め合い、逆向きの時は弱めあい相殺する。いま、定電流Ｉを導体４に印加した状態で、抵抗測定部２１６が、ＴＭＲ素子１の抵抗値を測定し、その時の抵抗値をＲ２とする。抵抗測定部２１６は、抵抗値Ｒ２と抵抗値Ｒ０の差分（Ｒ２−Ｒ０）をΔＲ’として求める。このとき、ΔＲ’＞ΔＲである場合は、定電流Ｉの値を減少（または逆方向に電流を増加）させる。一方、ΔＲ’＜ΔＲの場合は、定電流Ｉの値を増加（逆方向の電流を減少）させる。そして、その時の磁界強度において同様の操作を繰り返し、ΔＲ’が最小になる時の電流値を計測することで外部磁界２１０を求めることができる。この時の電流値が誘起する磁界２１１は、丁度、検出対象の外部磁界２１０を相殺しているため、この時の電流強度は検出対象の外部磁界２１０に比例している。したがって、磁界演算部２１９により、このときの定電流Ｉの電流値に、予め設定されたある係数を乗じることで、外部磁界２１０の強度を容易に求めることが可能である。
【００７２】
図２２に、ここまでに述べた、本実施の形態に係る磁界検出装置により、外部磁界の測定を行うための一連の手順をフローチャートとして示す。これは、抵抗測定部２１６、判定部２１８、および、磁界演算部２１９において行われる処理である。図２２の処理について、簡単に説明する。
まず、外部磁界２１０を印加しない状態でＴＭＲ素子１の抵抗値Ｒ０を測定し、次に外部磁界Ｈ２１０を印加した状態でＴＭＲ素子１の抵抗Ｒ１を測定し、Ｒ０とＲ１の差の絶対値ΔＲを求める(ステップＳ１)。
次に、図２１の導体２の例えばＡ→Ｂ方向の電流を増加、または、Ｂ→Ａ方向の電流を減少させる(ステップＳ２)。
次に、導体４に直流電流を供給した状態のＴＭＲ素子１の抵抗Ｒ２を測定し、Ｒ２とＲ０の差の絶対値ΔＲ’を求める(ステップＳ３)。
次に、ΔＲ＞ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０に近づくとき)か否かを判定し、そうであるならば、ステップＳ５に進み、そうでなければ、ステップＳ６に進む。
ステップＳ５では、ΔＲ’＜α(α：予め設定された閾値)か否かを判定し、そうでなければ、ステップＳ１に戻り、ステップＳ１〜Ｓ４を繰り返して、同じ向きに直流電流を増加させ、ΔＲ’＜αになったら、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、この時点の電流２１２を磁界に換算して出力する。
【００７３】
また、ステップＳ４でΔＲ＜ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０から遠ざかる)の場合には、Ｒ０とＲ１の差の絶対値ΔＲを求める(ステップＳ６)。
次に、図２０の導体２の例えばＢ→Ａ方向の電流を増加、またはＡ→Ｂ方向の電流を減少させる(ステップＳ７)。
次に、Ｒ２とＲ０の差の絶対値ΔＲ’を求める(ステップＳ８)。
次に、ΔＲ＞ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０に近づくとき)か否かを判定し、そうであるならば、ステップＳ１０に進み、そうでなければ、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ１０では、ΔＲ’＜α(α：予め設定された閾値)か否かを判定する。そうであれば、ステップＳ１１に進み、そうでなければ、ステップＳ６に戻り、ステップＳ６〜Ｓ９を繰り返して、同じ向きに直流電流を増加させ、ΔＲ’＜αになったら、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、この時点の電流２１２を磁界に換算して出力する。
【００７４】
なお、導体４に供給する電流２１２は、図２２のフローチャートにおいては、先ず、導体４の端Ａから端Ｂの方向に流しているが、この順番は逆であってもよい。
【００７５】
また、実際的な方法としては、必ずしもＴＭＲ素子１の抵抗値を演算する必要はなく、ＴＭＲ素子１に印加した電流によって誘起される電圧に対して、上記手順を実行することができる。これは、ＴＭＲ素子に定電流を印加した時、ＴＭＲ素子に誘起される電圧変化は、抵抗値の変化と実質的に同値であるからである。従って、ＴＭＲ素子１に定電流を印加した時に、誘起される電圧をＶとすると、図２２に示したフローチャートにおいて、各ΔＲ、ΔＲ’はΔＶ、ΔＶ’と置き換えることができる。この方法であると、ＶをＲに演算する必要が無いため、処理速度が高速化することができる。
【００７６】
本実施の形態によれば、上述の実施の形態１〜６による検出精度が改善された電流検出装置の構成を用いて、磁界検出を行うことで、精度良い磁界検出が可能となる。ここでは、磁気抵抗効果素子としてのＴＭＲ素子１の固定層磁化の方向と平行な方向に印加された外部磁界２１０を検出するために、外部磁界２１０を打消す向きの磁界が発生する方向の電流を導体４に印加し、ＴＭＲ素子１の抵抗値が、外部磁界２１０が存在しない時の抵抗値になった時の印加電流を検出することにより、外部磁界２１０の強度を検出することで、磁界検出装置としての動作が可能となる。これにより、本実施の形態による効果で磁界検出精度が向上した磁界検出装置の構成が可能となる。
【００７７】
実施の形態８．
前記実施の形態１、３〜７において、導体２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４，６１，９１，１２１，１８１，１５１０はそれぞれＴＭＲ素子の下部に積層される構成を便宜上示したが、この順序は必須ではなく、ＴＭＲ素子１の上部にこれらの導体が積層されていても本発明の効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１  ＴＭＲ素子、２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４，６１，９１，１２１，１８１，１５１０  導体、５  上部電極、６  下部電極、１０１  反強磁性膜、１０２  強磁性膜、１０２ａ  強磁性膜１０２の磁化方向、１０３  非磁性膜、１０４  強磁性膜、１０４ａ  強磁性膜１０４の磁化方向、１０５  トンネル絶縁膜、１０６  強磁性膜（フリー層）、１０６ａ  強磁性膜１０６（フリー層）の磁化方向、１５１  電圧計、１５２，１５３ａ，１５３ｂ，１５３c，１５３ｄ  電流源、１５４  負荷、１９１  抵抗器、２００  スペーサー（絶縁体）、２０１  電流検出装置、２１０  外部磁界、２１１  補償磁界、２１２  電流、２１３  電流源、２１４  制御装置。
【図１】
0006305352.tif 000002
【図２】
0006305352.tif 000003
【図３】
0006305352.tif 000004
【図４】
0006305352.tif 000005
【図５】
0006305352.tif 000006
【図６】
0006305352.tif 000007
【図７】
0006305352.tif 000008
【図８】
0006305352.tif 000009
【図９】
0006305352.tif 000010
【図１０】
0006305352.tif 000011
【図１１】
0006305352.tif 000012
【図１２】
0006305352.tif 000013
【図１３】
0006305352.tif 000014
【図１４】
0006305352.tif 000015
【図１５】
0006305352.tif 000016
【図１６】
0006305352.tif 000017
【図１７】
0006305352.tif 000018
【図１８】
0006305352.tif 000019
【図１９】
0006305352.tif 000020
【図２０】
0006305352.tif 000021
【図２１】
0006305352.tif 000022
【図２２】
0006305352.tif 000023
【図２３】
0006305352.tif 000024
【図２４】
0006305352.tif 000025
【図２５】
0006305352.tif 000026