(57)【要約】【課題】消費電流を低減しながら高性能に被測定電流を検出可能な磁気平衡式電流センサを提供すること。【解決手段】本発明の磁気平衡式電流センサは、磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子（１１１）と、固定抵抗素子（１１２）と、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子（１１１）に流れる電流及び固定抵抗素子（１１２）に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路（１０）と、を具備し、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子（１１１）は、磁化自由層（２６）、非磁性層（２５）及び磁化固定層（２４）でスピントルクダイオード効果を示し、制御回路（１０）は、磁化自由層（２６）の磁化に対して、被測定電流により生じる誘導磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ（Current  Perpendicular  to  the  Plane）型磁気抵抗効果素子と、
固定抵抗素子と、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に流れる電流及び前記固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備し、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層、前記非磁性層及び前記磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、
前記制御回路は、前記磁化自由層の磁化に対して、被測定電流により生じる誘導磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
【請求項２】
前記制御回路は、前記誘導磁界の方向が前記磁化固定層の磁化方向と平行である場合、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を流れる電流の方向を前記磁化固定層から前記磁化自由層の方向とした回路であることを特徴とする請求項１に記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項３】
前記制御回路は、前記誘導磁界の方向が前記磁化固定層の磁化方向と反平行である場合、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を流れる電流の方向を前記磁化自由層から前記磁化固定層の方向とした回路であることを特徴とする請求項１に記載の磁気平衡式電流センサ。
【請求項４】
前記制御回路は、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子及び前記固定抵抗素子を含む検出回路と、前記検出回路に接続されたカレントミラー回路と、を含む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】
前記制御回路は、前記被測定電流の測定前にキャリブレーション電流を与える電源を有すること特徴とする請求項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】
前記制御回路は、前記センス電流が流れるとともに前記誘導磁界がゼロである状態において、前記磁化固定層と前記磁化自由層の磁化のなす角度が略９０°であ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】
磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ（Current  Perpendicular  to  the  Plane）型磁気抵抗効果素子と、
固定抵抗素子と、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に流れる電流及び前記固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備し、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層、前記非磁性層及び前記磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、
前記制御回路は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に加わる磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御す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、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及び磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、このような用途向けに、大電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとして、例えば、特許文献１に開示された磁気平衡式電流センサがある。
【０００３】
この磁気平衡式電流センサは、被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向に磁界（キャンセル磁界）を発生させるフィードバックコイルを有している。この磁気平衡式電流センサにおいて、被測定電流が流れると電流に応じた磁界により磁気抵抗効果素子（例えば、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子など）に出力電圧が生じ、当該磁気抵抗効果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流れる。当該フィードバックコイルに流れる電流（フィードバック電流）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に基づいて被測定電流の電流値を測定する。
【０００４】
このフィードバックコイルを用いた磁気平衡式電流センサでは、被測定電流によって発生する磁界を打ち消す方向にキャンセル磁界が発生するので、被測定電流の電流値が大きくなっても、当該被測定電流を精度よく測定できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１４３７１８号
【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、上述のフィードバックコイルを用いた磁気平衡式電流センサでは、キャンセル磁界を発生させるためにフィードバックコイルを駆動させる必要がある。このフィードバックコイルの駆動に伴い、消費電流が増大したり、応答性能が低下したりするという問題点があった。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、消費電流を低減しながら高性能に被測定電流を検出可能な磁気平衡式電流センサ及び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】
本発明の磁気平衡式電流センサは、
磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ（Current  Perpendicular  to  the  Plane）型磁気抵抗効果素子と、
固定抵抗素子と、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に流れる電流及び前記固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備し、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層、前記非磁性層及び前記磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、
前記制御回路は、前記磁化自由層の磁化に対して、被測定電流により生じる誘導磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、磁化自由層の磁化方向が誘導磁界をキャンセルする方向となるように磁気抵抗効果素子を流れる電流の方向が制御される。このため、キャンセル磁界を発生させるためのフィードバックコイルを用いることなく、消費電流を低減しながら高性能に被測定電流を測定できる。また、本構成によれば、フィードバックコイルを駆動する必要がないので応答特性を向上させることもできる。
【００１０】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記制御回路は、前記誘導磁界の方向が前記磁化固定層の磁化方向と平行である場合、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を流れる電流の方向を前記磁化固定層から前記磁化自由層の方向とした回路としてもよい。これにより、誘導磁界の方向が磁化固定層の磁化方向と平行である場合に、磁化自由層の磁化方向を、誘導磁界をキャンセルする方向とすることができる。
【００１１】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記制御回路は、前記誘導磁界の方向が前記磁化固定層の磁化方向と反平行である場合、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を流れる電流の方向を前記磁化自由層から前記磁化固定層の方向とした回路としてもよい。これにより、誘導磁界の方向が磁化固定層の磁化方向と平行である場合に、磁化自由層の磁化方向を、誘導磁界をキャンセルする方向とすることができる。
【００１２】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記制御回路は、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子及び前記固定抵抗素子を含む検出回路と、前記検出回路に接続されたカレントミラー回路と、を含むことが好ましい。
【００１３】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記制御回路は、前記被測定電流の測定前にキャリブレーション電流を与える電源を有することが好ましい。
【００１４】
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記制御回路は、前記センス電流が流れるとともに前記誘導磁界がゼロである状態において、前記磁化固定層と前記磁化自由層の磁化のなす角度が略９０°であることが好ましい。
【００１５】
本発明の磁気センサは、
磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ（Current  Perpendicular  to  the  Plane）型磁気抵抗効果素子と、
固定抵抗素子と、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に流れる電流及び前記固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備し、
前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層、前記非磁性層及び前記磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、
前記制御回路は、前記磁化自由層の磁化に対して、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に加わる磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御することを特徴とする。
【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回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＣＰＰ型磁気抵抗効果素子であるＴＭＲ素子の積層構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るスピントルクダイオード効果を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの初期設定動作を示すタイミングチャートである。
【図５】磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向との関係を示す図である。
【図６】地磁気センサの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに磁化固定層と磁化自由層との間の非磁性層を有するＣＰＰ型磁気抵抗効果素子のスピントルクダイオード効果に着目した。このスピントルクダイオード効果を利用して、当該磁気抵抗効果素子に流れる電流を制御することで磁気自由層の磁化方向を変化させるスピントルクを発生させることにより、誘導磁界に対してキャンセル磁界を与えることができることを見出し、本発明をするに至った。この構成によれば、フィードバックコイルを用いることなく、消費電流を低減しながら高性能に被測定電流を測定できる。
【００１８】
このような知見に基づき、本発明者らは、フィードバックコイルを駆動してキャンセル磁界を発生させる代わりに、スピントルクダイオード効果を用いることで、磁化自由層の磁化方向が被測定電流からの誘導磁界をキャンセルする方向となるように磁気抵抗効果素子に流れる電流の方向を制御するという着想を得た。
【００１９】
すなわち、本発明の骨子は、磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子と、固定抵抗素子と、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に流れる電流及び前記固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備し、前記ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層、前記非磁性層及び前記磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、前記制御回路は、前記磁化自由層の磁化に対して、被測定電流により生じる誘導磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御する磁気平衡式電流センサにより、キャンセル磁界を発生させるためのフィードバックコイルを用いることなく、消費電流を低減しながら高性能に被測定電流を測定することである。
【００２０】
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。
【００２１】
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回路図である。図１に示す磁気平衡式電流センサは、磁気抵抗効果素子１１１、固定抵抗素子１１２〜１１４及び差動アンプ１１５で構成された検出回路１１と、この検出回路１１に接続されたカレントミラー回路１２とから主に構成されている。本構成の磁気平衡式電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子を含む検出回路と、検出回路に接続されたカレントミラー回路とで制御回路を構成している。
【００２２】
検出回路１１において、磁気抵抗効果素子１１１は、第１の端部において固定抵抗素子１１３の第５の端部に接続されると共に、第２の端部（Ｒ２の第１の端部の反対側の端部）において接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）を与えるグランドに接続されている。また、磁気抵抗効果素子１１１は、第１の端部においてカレントミラー回路１２の電源電圧ＶＤＤ１２５を与える電源（電圧源）に接続されている（ＰＮＰトランジスタ１２３のコレクタと接続されている）。
【００２３】
固定抵抗素子１１２は、第３の端部において固定抵抗素子１１４の第７の端部に接続されると共に、第４の端部（Ｒ１の第３の端部の反対側の端部）において接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）を与えるグランドに接続されている。また、固定抵抗素子１１２は、第３の端部においてカレントミラー回路１２の電源電圧ＶＤＤ１２４を与える電源（電圧源）に接続されている（ＮＰＮトランジスタ１２１のエミッタと接続されている）。
【００２４】
固定抵抗素子１１３，１１４の後段（磁気抵抗効果素子１１１と固定抵抗素子１１２とそれぞれ接続する第６の端部（Ｒ３の第５の端部の反対側の端部）及び第８の端部（Ｒ４の第７の端部の反対側の端部））には、固定抵抗素子１１３及び固定抵抗素子１１４の電位差を増幅する差動アンプ１１５が接続されている。この差動アンプ１１５の後段には、カレントミラー回路１２のＮＰＮトランジスタ１２１のベースが接続されている。すなわち、差動アンプ１１５の出力がＮＰＮトランジスタ１２１のベースに与えられる。このように差動アンプ１１５からの電圧がＮＰＮトランジスタ１２１のベースに与えられることにより、カレントミラー回路１２が動作する。固定抵抗素子１１４の第８の端部は、差動アンプ１１５の反転入力側（（−）側）に接続され、固定抵抗素子１１３の第６の端部は、差動アンプ１１５の非反転入力側（（＋）側）に接続される。
【００２５】
本磁気平衡式電流センサにおいて、制御回路は、被測定電流の測定前にキャリブレーション電流を与える電源を有する。すなわち、検出回路１１には、キャリブレーションの際にキャリブレーション電流（初期電流）Ｉ３を供給するキャリブレーション電源１３が接続されている。ここで、キャリブレーション電流Ｉ３とは、磁気平衡式電流センサの初期設定を行うための電流である。なお、キャリブレーション電流Ｉ３の電流値は、キャリブレーション電源１３の印加電圧を電源１３と直列に配置された固定抵抗素子１４の抵抗値で除算した値となる。本実施の形態では、差動アンプ１１５の前段（非反転入力側（＋）側）に固定抵抗素子１４を介してキャリブレーション電源１３が接続されている。このような構成でキャリブレーション電源をＯＮすることにより、差動アンプ１１５で電圧をＮＰＮトランジスタ１２１のベースに与えてカレントミラー回路１２を動作させることができる。
【００２６】
磁気抵抗効果素子１１１は、被測定電流路（不図示）を通流する被測定電流からの誘導磁界Ａが印加されると抵抗値Ｒ２が変化する。磁気抵抗効果素子１１１としては、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ（Current  Perpendicular  to  the  Plane）型の磁気抵抗効果素子、例えば、外部磁界が印加されることで抵抗値が変化するＴＭＲ（Tunnel  Magneto  Resistance）素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current  Perpendicular  to  the  Plane Giant  Magneto  Resistance）素子などを用いることができる。
【００２７】
固定抵抗素子１１２〜１１４は、それぞれ所定の抵抗値Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４を有する。被測定電流を検出する際、抵抗変化率が大きくとれるように、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向との角度差が９０°であることが好ましい（図５Ｂ参照）。このため、センス電流が流れるとともに磁気抵抗効果素子１１１に印加される誘導磁界がゼロとなる場合において、又は、電源１３が出力電圧を起動せず、カレントミラー回路１２と差動アンプ１１５とが働いている状態で、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向との角度差が９０°となるように、予め図１の固定抵抗素子１１２の抵抗値Ｒ１を設定することが好ましい。
【００２８】
カレントミラー回路１２は、電源電圧ＶＤＤ１２５側の電圧Ｖ２と電源電圧ＶＤＤ１２４側の電圧Ｖ１との電圧差に基づいて、電流Ｉ１、Ｉ２の大きさが等しくなるように制御する。具体的には、カレントミラー回路１２は、検出回路１１の差動アンプ１１５からの電圧が印加されるＮＰＮトランジスタ１２１と、電源電圧ＶＤＤ１２４側のＰＮＰトランジスタ１２２と、電源電圧ＶＤＤ１２５側のＰＮＰトランジスタ１２３とから構成されている。このカレントミラー回路１２において、ＮＰＮトランジスタ１２１のコレクタは、ＰＮＰトランジスタ１２２及び１２３の双方のベースに接続されている。また、ＮＰＮトランジスタ１２１のエミッタは、固定抵抗素子１１２を介してグランドに接続される。
【００２９】
カレントミラー回路１２において、ＶＤＤ１２４をＯＮしている状態で、差動アンプ１１５の電圧がＮＰＮトランジスタ１２１のベースに加わると、ＮＰＮトランジスタ１２１のコレクタからエミッタの方向に電流Ｉ１が流れ出す。電流Ｉ１が流れ出ると、ＰＮＰトランジスタ１２２，１２３のベースに印加される電圧が低下する。これにより、トランジスタ１２２、１２３がＯＮ状態となり、ＰＮＰトランジスタ１２２のエミッタからコレクタの方向に電流Ｉ１が流れ出すとともに、ＰＮＰトランジスタ１２３のエミッタからコレクタの方向に電流Ｉ２が流れ出す。このとき、トランジスタ１２２、１２３のエミッタ、ベース間の電圧が等しくなるため、電流Ｉ１、Ｉ２の大きさは等しくなる。
【００３０】
このような制御回路を用いて、キャリブレーションを行った後に、被測定電流の検出を行う。キャリブレーション動作及び電流検出動作については後述する。
【００３１】
次に、磁気抵抗効果素子の構造を用いてスピントルクダイオード効果について説明する。図２は、磁気抵抗効果素子１１としてＴＭＲ素子を用いた場合の積層構造の一例を示す図である。図２に示すように、磁気抵抗効果素子１１１としてのＴＭＲ素子は、ＳｉＯ２等などからなる基板２１上に、磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに磁化固定層及び磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成される。図２では、ＴＭＲ素子は、保護層（バッファー層）２２、反強磁性層２３、磁化固定層（ピンド層）２４、非磁性中間層（バリア層）２５、磁化自由層２６、保護層２７を順次積層してなる多層膜で構成されている。図２において括弧内の数値は膜厚である。なお、膜厚及び各層の材料・組成については一例であり特に限定されない。
【００３２】
保護層２２は、例えば、Ｔａなどで構成される層にＮｉ８０Ｆｅ２０、Ｒｕなどで構成される層を積層して構成される。
【００３３】
反強磁性層２３は、磁化固定層２４の磁化を一定方向に固定する層である。例えば、反強磁性層２３は、ＩｒＭｎなどで構成される。
【００３４】
磁化固定層２４は、反強磁性層２３により一定方向に磁化が固定された磁性層である。磁化固定層２４は、例えば、Ｃｏ７５Ｆｅ２５などで構成される層と、Ｒｕで構成される層と、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０などで構成される層とを積層して構成される。
【００３５】
非磁性中間層２５は、２つの強磁性層である磁化固定層２４と磁化自由層２６とを隔てる非磁性層である。非磁性中間層２５は、例えば、ＭｇＯなどで構成される。
【００３６】
磁化自由層２６は、磁化方向が変化する磁性層である。磁化自由層２６は、例えば、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０などで構成される。磁化自由層２６は、後述するスピントルクダイオード効果を用いて、初期的には一定方向に磁化される。例えば、磁化自由層２６は、後述するスピントルクダイオード効果を用いて、初期状態において、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向との角度差が１８０°となる方向に磁化されている。
【００３７】
磁化自由層２６の磁化方向は、カレントミラー回路１２の電流Ｉ２の電流値が被測定電流により小さくなるときに磁気抵抗効果素子の抵抗値が高くなるように、磁化固定層２４の磁化方向に対して１８０°であるようにする（図５Ａ参照）。
【００３８】
保護層２７は、例えば、Ｔａなどで構成される層と、Ｒｕなどで構成される層と、Ｔａなどで構成される層とを積層して構成される。
【００３９】
なお、以上の磁気抵抗効果素子１１１の積層構造は例示にすぎない。例えば、図２の積層構造において、保護層（バッファー層）２２や保護層２７を省略してもよい。また、図示しないが、磁気抵抗効果素子１１１としてＧＭＲ素子を用いる場合、当該ＧＭＲ素子は、反強磁性層、磁化固定層（ピンド層）、Ｃｕ等の導電性の非磁性層、磁化自由層などを有する多層膜で構成することができる。
【００４０】
次に、以上のように構成される磁気抵抗効果素子１１１におけるスピントルクダイオード効果について説明する。図３は、磁気抵抗効果素子１１１におけるスピントルクダイオード効果を説明するための図である。なお、説明の便宜上、図３では、磁化固定層２４、非磁性中間層２５、磁化自由層２６のみを示している。
【００４１】
図３Ａに示すように、磁化自由層２６から磁化固定層２４の方向に電流Ｉ２を流すと、磁化固定層２４の電子がスピンを伴って磁化自由層２６に流れる。この電子の流れは、スピン流とも呼ばれる。磁化固定層２４から磁化自由層２６に向かう方向のスピン流により、磁化自由層２６の磁化方向は、磁化固定層２４の磁化方向と平行となる方向（すなわち、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向の角度差が０°となる方向）に回転（トルク）する。この結果、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向とが平行になるので、磁気抵抗効果素子１１１内の抵抗が小さくなる。
【００４２】
一方、図３Ｂに示すように、磁化固定層２４から磁化自由層２６の方向に電流Ｉ２を流すと、磁化自由層２６の電子がスピンを伴って磁化固定層２４に流れる。磁化自由層２６から磁化固定層２４に向かう方向のスピン流により、磁化自由層２６の磁化方向は、磁化固定層２４の磁化方向と反平行となる方向（すなわち、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向の角度差が１８０°となる方向）に回転（トルク）する。この結果、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向とが反平行となるので、磁気抵抗効果素子１１１内の抵抗が大きくなる。
【００４３】
以上のようなスピントルクダイオード効果を用いて、初期設定時（キャリブレーション）においては、例えば、磁化固定層２４から磁化自由層２６の方向に電流Ｉ２を流すことで、磁化自由層２６は、磁化固定層２４の磁化方向と磁化自由層２６の磁化方向との角度差が１８０°となる方向に磁化される。
【００４４】
また、初期設定時においては、磁化自由層２６の磁化方向が被測定電流からの誘導磁界をキャンセルする方向となるように、磁気抵抗効果素子１１１に流れる電流の方向を制御する。例えば、被測定電流からの誘導磁界が磁化固定層２４の磁化方向と平行である場合、磁化固定層２４から磁化自由層２６の方向に電流Ｉ２を流すことで、磁化自由層２６の磁化方向を磁化固定層２４の磁化方向と反平行となる方向に回転させる。一方、被測定電流からの誘導磁界が磁化固定層２４の磁化方向と反平行である場合、磁化自由層２６から磁化固定層２４の方向に電流Ｉ２を流すことで、磁化自由層２６の磁化方向を磁化固定層２４の磁化方向と平行となる方向に回転させる。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサでは、フィードバックコイルを駆動してキャンセル磁界を発生させる代わりに、スピントルクダイオード効果を用いることで、磁化自由層２６の磁化方向が被測定電流からの誘導磁界をキャンセルする方向となるように磁気抵抗効果素子１１１に流れる電流の大きさ及び方向を制御する。すなわち、誘導磁界の方向が磁化固定層２４の磁化方向と平行である場合、磁気抵抗効果素子１１１を流れる電流の方向を磁化固定層２４から磁化自由層２６の方向とし、誘導磁界の方向が磁化固定層２４の磁化方向と反平行である場合、磁気抵抗効果素子１１１を流れる電流の方向を磁化自由層２６から磁化固定層２４の方向とする。この結果、キャンセル磁界を発生させるためのフィードバックコイルを用いることなく、消費電流を低減しながら高性能に被測定電流を測定できる。
【００４６】
次に、以上のスピントルクダイオード効果を利用した本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの動作について説明する。具体的には、（１）磁気平衡式電流センサの初期設定動作、（２）磁気平衡式電流センサの検出動作について説明する。
【００４７】
（１）初期設定動作
図１、図４〜５を参照し、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの初期設定動作を説明する。まず、初期設定動作では、ＶＤＤ１１６，１２４，１２５が同じ電圧で駆動される（ＯＮ状態）。
【００４８】
次に、キャリブレーション電源１３が駆動される。キャリブレーション電源１３の駆動により電圧が印加されると、キャリブレーション電流（初期電流）Ｉ３が流れる。
【００４９】
キャリブレーション電流Ｉ３が流れ始めると、差動アンプ１１５のプラス（＋）側（非反転入力側）の電圧Ｖ２、差動アンプ１１５のマイナス（−）側（反転入力側）の電圧Ｖ１は、以下の式（１）、式（２）のようになる。
Ｖ１＝Ｒ１＊Ｉ１                …（１）
Ｖ２＝Ｒ２＊（Ｉ２＋Ｉ３）      …（２）
ここで、Ｒ１は固定抵抗素子１１２の抵抗値であり、Ｒ２は磁気抵抗効果素子１１１の抵抗値である。また、Ｉ１は電流Ｉ１の電流値であり、Ｉ２は電流Ｉ２の電流値であり、Ｉ３はキャリブレーション電流Ｉ３の電流値である。
【００５０】
この時点においては、カレントミラー回路１２に電流Ｉ１、Ｉ２は流れていないので（Ｉ１＝Ｉ２＝０）、このときＶ１＜Ｖ２となりＶ１より大きい電圧がＮＰＮトランジスタ１２１のベースに印加される。ＮＰＮトランジスタ１２１のベースに電圧が印加されると、カレントミラー回路１２が動作して、電流Ｉ１，Ｉ２がカレントミラー回路１２に流れる。カレントミラー回路１２に電流Ｉ１，Ｉ２が流れ出しても、キャリブレーション電流Ｉ３分Ｖ２の電圧が高くなり、Ｖ１とＶ２の電位差分の電流が電流Ｉ１，Ｉ２に流れる。差動アンプ１１５の入力抵抗は十分に大きいので、固定抵抗素子１１４には電流が流れずここでの電位差はほぼゼロである。このため、Ｖ１とＶ２の電位差は、固定抵抗素子１１３の電位差と等しくなる。
【００５１】
次に、キャリブレーション電源１３に対する印加電圧が徐々に小さくなるように制御される。具体的には、キャリブレーション電源１３に接続されるＤ／Ａコンバータ（図１では、不図示）により、キャリブレーション電源１３の印加電圧を制御する。
【００５２】
図４は、キャリブレーション電源１３に対する印加電圧の制御動作を示すタイミングチャートである。なお、図４では、３ビットの制御ビットを用いて印加電圧を８段階で小さくする例を説明するが、制御ビットの数はこれに限られるものではない。
【００５３】
図４では、上述のキャリブレーション電源１３の駆動開始時を時刻Ｔ０としている。時刻Ｔ０から所定時間経過後の時刻Ｔ１において、Ｄ／Ａコンバータからキャリブレーション電源１３に対する出力が開始される。具体的には、Ｄ／Ａコンバータは、３ビットの制御ビットのオン・オフ状態に応じたアナログ値でキャリブレーション電源１３に対する印加電圧を制御する。
【００５４】
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間において、Ｄ／Ａコンバータの出力値は最高値に設定されており、キャリブレーション電源１３に対する印加電圧も最高値が維持される。
【００５５】
時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間において、Ｄ／Ａコンバータの出力値は、時刻Ｔ３で０（Ｖ）となるように、徐々に小さくなるよう制御する。具体的には、３ビットの制御ビットのオン・オフ状態の組み合わせを変えることで、８段階でＤ／Ａコンバータの出力値を小さくする。これにより、時刻Ｔ３では、キャリブレーション電源１３に対する印加電圧が０（Ｖ）となり、上述のキャリブレーション電流Ｉ３も０（Ａ）となる。なお、時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、差動アンプ１１５の周波数特性により発振しないように最適な時間間隔に設定することが望ましい。
【００５６】
このようにキャリブレーション電流Ｉ３が小さくなると電圧Ｖ２が小さくなる。このとき、電流値が小さくなると磁気抵抗効果素子１１１の抵抗値Ｒ２が高くなるように電流Ｉ２の方向を決めることが望ましい。この電流Ｉ２の方向は、誘導磁場がゼロの状態で磁化固定層２４の磁化と磁化自由層２６の磁化のなす角度が９０°となる磁気抵抗効果素子１１１の場合、磁化固定層２４から磁化自由層２６に向かう方向である。このように、キャリブレーション電流Ｉ３が小さくなっても磁気抵抗効果素子１１１の抵抗値Ｒ２が高くなるので、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との電位差を大きくとることができ、それにより電流Ｉ２を大きくする方向にフィードバックがかかることになる（抵抗値が小さくなるようにフィードバック）。例えば、図３Ａに示すように磁化自由層２６側から磁化固定層２４側に電流Ｉ２を流すことにより、被測定電流により抵抗値が大きくなった状態から抵抗値が小さくなるようにフィードバックすることができる（ＲＣ→ＲＢ）（図５Ｃに示すように誘導磁界により変わった磁化自由層２６の磁化にトルクを加えて磁化の向きを戻す）。なお、被測定電流（測定磁界）の向きが逆向きの場合には、図３Ｂに示すように磁化固定層２４側から磁化自由層２６側に電流Ｉ２を流す。
【００５７】
（２）検出動作
次に、図１を参照し、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける検出動作を説明する。なお、検出動作を開始する際には、上述の初期設定動作が行なわれているものとする。
【００５８】
被測定電流からの誘導磁界が磁気抵抗効果素子１１１に印加されると、誘導磁界により電流Ｉ２が小さくなる。このため、磁気抵抗効果素子１１１の抵抗値Ｒ２が高くなり、電圧Ｖ２の値は増加する。例えば、初期設定動作完了時の電圧Ｖ２の値を電圧Ｖ２０とすると、被測定電流からの誘導磁界の印加時の電圧Ｖ２は、電圧Ｖ２０＋αとなる。
【００５９】
カレントミラー回路１２では、電圧Ｖ２の値が増加すると、それに伴って電圧Ｖ１を増加しようとして電流Ｉ１が増加する。ここで、初期設定完了時の電圧Ｖ１の値を電圧Ｖ１０とすると、磁気抵抗効果素子１１１に誘導磁界が印加された後の電圧Ｖ１は、電圧Ｖ１０＋αで表わされることとなる。電圧αは、被測定電流からの誘導磁界に対応することから、この電圧差αに基づいて被測定電流を検出することができる。なお、図１に示す構成においては、固定抵抗素子Ｒ１で被測定電流を検出する構成であるが、この構成に限定されず、例えば、固定抵抗素子Ｒ１とＮＰＮトランジスタ１２１の間に出力信号用端子を設けて、この出力信号用端子から検出信号を取り出す構成を採ってもよく、磁気抵抗効果素子１１１（可変抵抗素子）Ｒ２とＰＮＰトランジスタ１２３の間に出力信号用端子を設けて、この出力信号用端子から検出信号を取り出す構成を採ってもよい。
【００６０】
本発明の磁気平衡式電流センサによれば、スピントルクダイオード効果を用いて磁化自由層２６の磁化方向が被測定電流からの誘導磁界をキャンセルする方向となるように、磁気抵抗効果素子１１１に流れる電流の大きさと方向を制御する。したがって、キャンセル磁界を発生させるためのフィードバックコイルを用いる必要がなく、フィードバックコイルの駆動に伴う消費電流を低減できる。また、フィードバックコイルの駆動に伴う応答特性の劣化を防止できる。
【００６１】
また、本発明の磁気平衡式電流センサによれば、固定抵抗素子１１２に印加される電圧Ｖ１の電圧差αに基づいて被測定電流を検出するので、電流値が大きい被測定電流であっても精度良く検出することができる。
【００６２】
また、本発明の構成は、磁気抵抗効果素子のスピントルクダイオード効果を利用して磁気抵抗効果素子に加わる磁界をキャンセルする方向にトルクを加えるような制御を必要とする他の磁気センサに応用することができる。すなわち、この磁気センサは、磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに磁化固定層及び磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子と、固定抵抗素子と、磁気抵抗効果素子に流れる電流及び固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備する構成を有する。この磁気センサにおいては、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子が、磁化自由層、非磁性層及び磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、制御回路が、磁化自由層の磁化に対して、ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子に加わる磁界をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御する。
【００６３】
例えば、本発明の構成は、フィードバックコイルを用いた地磁気センサ等に応用することが可能である。この構成によれば、フィードバックコイルの駆動に伴う消費電流を減少させることができ、応答性能を向上させることができる。
【００６４】
図６に、フィードバックコイルを用いた地磁気センサの一例を示す。図６に示すように、この地磁気センサは、互いに感度軸が異なるＸ軸用磁気センサ３１、Ｙ軸用磁気センサ３２、Ｚ軸用磁気センサ３３を備える。また、Ｘ軸用磁気センサ３１の周囲には、地磁気のＸ軸成分を打ち消す方向にキャンセル磁界を発生させるフィードバックコイル３１ａ及び３１ｂが設けられる。同様に、Ｙ軸用磁気センサ３２の周囲には、地磁気のＹ軸成分を打ち消す方向にキャンセル磁界を発生させるフィードバックコイル３２ａ及び３２ｂが設けられ、Ｚ軸用磁気センサ３３の周囲には、地磁気のＺ軸成分を打ち消す方向にキャンセル磁界を発生させるフィードバックコイル３３ａが設けられる。図６に示す地磁気センサでは、フィードバックコイル３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａの駆動に伴い消費電流が増大したり、応答性能が低下してしまう。
【００６５】
そこで、図６に示す地磁気センサのＸ軸用磁気センサ３１、Ｙ軸用磁気センサ３２及びＺ軸用磁気センサ３３のそれぞれについて、上述した地磁気平衡式電流センサで説明したスピンダイオード効果を利用できる構成とし、地磁気のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれキャンセルする方向となるように磁気抵抗効果素子に流れる電流の方向を制御することが考えられる。
【００６６】
この場合、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の各磁気センサは、磁化方向が固定された磁化固定層、磁化方向が変化する磁化自由層、並びに前記磁化固定層及び前記磁化自由層の間に設けられた非磁性層を有する積層膜で構成され、センス電流が膜面に垂直に流れるＣＰＰ型磁気抵抗効果素子と、固定抵抗素子と、磁気抵抗効果素子に流れる電流及び固定抵抗素子に流れる電流が等しくなるように電流を制御する制御回路と、を具備する。また、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の各磁気センサにおいて、磁気抵抗効果素子は、磁化自由層、非磁性層及び磁化固定層でスピントルクダイオード効果を示し、制御回路は、磁化自由層の磁化に対して、地磁気の各感度軸成分をキャンセルする方向にトルクが加わるように電流の方向を制御する。
【００６７】
これにより、図６に示すように、Ｘ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用の各磁気センサの周囲にフィードバックコイルを設けずとも、地磁気のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分に対してキャンセル成分を与えることができる。このため、地磁気センサにおいても、フィードバックコイルの駆動に伴う消費電流の増大や応答性能の低下を防止できる。
【００６８】
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、各層の配置位置、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】
【００６９】
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。
【符号の説明】
【００７０】
１０…制御回路
１１…検出回路
１２…カレントミラー回路
１３…キャリブレーション電源
１４，１１２〜１１４…固定抵抗素子
１５…固定抵抗素子
２１…基板
２２…保護層
２３…反強磁性層
２４…磁化固定層
２５…非磁性中間層
２６…磁化自由層
２７…保護層
１１１…ＣＰＰ型磁気抵抗効果素子
１１５…差動アンプ
１１６，１２４，１２５…ＶＤＤ
１２１…ＮＰＮトランジスタ
１２２、１２３…ＰＮＰトランジスタ
【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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