(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子における磁界応答性の飽和、さらにヒステリシスが改善され抵抗−磁気特性における再現性を向上させた電流検出装置等を提供する。【解決手段】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細長い磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に延在する導体と、を備え、前記導体に流れる電流の電流誘起磁界により変化する前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に従い、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子が前記導体とその一部または全部が重なる位置に配置され、かつ前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なる。【選択図】図５
2016001118.tif 000002
【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細長い磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に延在する導体と、を備え、前記導体に流れる電流の電流誘起磁界により変化する前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に従い、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、
前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子が前記導体とその一部または全部が重なる位置に配置され、かつ前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子における積層方向から見て、前記導体の前記中心線と、前記磁気抵抗効果素子の中心が重なり、前記導体の幅ｗ０と前記磁気抵抗効果素子の長手方向の長さｌと、前記磁気抵抗効果素子の前記中心線と前記導体の前記中心線の角度θが、ｗ０／ｌ＝ｓｉｎθとなる配置である請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の前記固定層の磁化方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向と直交する方向である請求項１または２に記載の電流検出装置。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子の前記固定層の磁化方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向と平行である請求項１または２に記載の電流検出装置。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子における積層方向から見て、前記導体の前記中心線と前記磁気抵抗効果素子の中心との距離ａ、前記導体の幅ｗ０、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の長さｌ、前記磁気抵抗効果素子の前記中心線と前記導体の前記中心線の角度θが、ｗ０＞ｌ・ｓｉｎθ＋２ａとなる配置である請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子における積層方向から見て、前記導体の前記中心線と前記磁気抵抗効果素子の中心との距離ａ、前記導体の幅ｗ０、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の長さｌ、前記磁気抵抗効果素子の前記中心線と前記導体の前記中心線の角度θが、２ａ＜ｌ・ｓｉｎθ，かつｌ・ｓｉｎθ＞ｗ０となる配置である請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項７】
長手方向が互いに平行になるように配置されかつ電気的に直列に接続された偶数個の前記磁気抵抗効果素子を備え、半数の前記磁気抵抗効果素子とは前記中心線同士が第１の角度で交差し、残りの半数の前記磁気抵抗効果素子とは前記中心線同士が前記第１の角度とは異なる第２の角度で交差する前記導体と交差し、
直列に接続された前記磁気抵抗効果素子に電圧印加したときの、前記半数の前記磁気抵抗効果素子と前記残りの半数の前記磁気抵抗効果素子との接続点の電位から前記導体に流れる電流を検出する制御部を有する請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の偶数個の前記磁気抵抗効果素子と前記導体を含む電流検出部を２つ直列接続し、
前記電流検出部間の接続点に電圧を印加した時の、それぞれの前記電流検出部に含まれる前記磁気抵抗効果素子の半数と残りの半数との接続点間の電位差から前記導体に流れる電流を検出する制御部を有する電流検出装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載の電流検出装置の、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を示す出力を検出し、同時に前記導体に印加された外部磁界を打ち消す方向に電流源から前記導体に電流値を変化させて電流を供給し、前記磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示す出力が前記外部磁界が存在しない場合の出力と一致する時の前記導体に供給した電流値に従って前記外部磁界を検出する制御部を備えた磁界検出装置。
【請求項１０】
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細長い磁気抵抗効果素子の、前記磁気抵抗効果素子の近傍に延在する導体に流れる電流の電流誘起磁界により変化する抵抗値に従い、前記導体に流れる電流を検出する電流検出方法であって、
前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子を前記導体とその一部または全部が重なる位置に、前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なるように配置する電流検出方法。
【請求項１１】
請求項１０の電流検出方法の、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を示す出力を検出し、同時に前記導体に印加された外部磁界を打ち消す方向に前記導体に電流値を変化させて電流を供給し、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を示す出力が前記外部磁界が存在しない場合の出力と一致する時の前記導体に供給した電流値に従って前記外部磁界を検出する磁界検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電流検出装置、磁界検出装置等に関するもので、特にスピンバルブ構造を有するトンネル磁気抵抗効果または巨大磁気抵抗効果を用いた電流検出装置、磁界検出装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果素子として、従来の巨大磁気抵抗(ＧＭＲ：giant-magnetoresistance)効果よりも大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗(ＴＭＲ：tunneling magnetoresistance)効果を有するＴＭＲ素子が開発され、磁気ヘッドなど、磁界検出装置への応用が進められている。
【０００３】
磁気抵抗(ＭＲ：magnetoresistance)効果は、磁界によって変化する磁性体の磁化方向に依存して電気抵抗が変化する現象であり、磁界検出装置や磁気ヘッドなどに利用されている。ＧＭＲ素子においては強磁性層／金属層／強磁性層からなる積層構造が用いられ、ＴＭＲ素子においては、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる積層構造が用いられる。これらの素子においては、外部磁界によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行(０°)あるいは反平行(１８０°)に設定することにより、ＧＭＲ素子では、強磁性／金属層界面での電子の散乱確率に依存して抵抗が変化し、ＴＭＲ素子では、膜面垂直方向の絶縁層を流れるトンネル電流の大きさが変化するため、これらの特性が利用されている。ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子では、抵抗変化を検出することにより、２層の強磁性層の相対的な磁化方向を検出することが可能である。
【０００４】
これらの磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化を固定していわゆる固着層とし、他方の強磁性層の磁化を外部磁界で容易に反転することのできる自由層とする、いわゆるスピンバルブ型構造が知られている。
【０００５】
スピンバルブ型構造の磁気抵抗効果素子は、金属層や絶縁層を介した強磁性層間の磁気的な相互作用を抑制することが可能であり、高感度な磁界検出装置として用いられる。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化は固定されているために、自由層の磁化のみが外部印加磁界に応じて回転する。これにより、２つの強磁性層の磁化の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子の抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば素子に定電流を流した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が印加された磁界に応じて変化する信号として読出され、高感度の磁界検出が可能となる。
【０００６】
さらに、単体の磁気抵抗効果素子における抵抗変化を検出するのではなく、４個の磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジ回路を形成し、かつ、固着層の磁化方向が逆向きの素子を組合せることで、磁界が存在しない場合の出力を０とし、高出力な磁界検出装置を形成する技術が提案されている(例えば下記特許文献１参照)。
【０００７】
また、固着層の磁化方向が逆向きである２個の磁気抵抗効果素子を直列に接続したハーフブリッジ回路でも、２個の磁気抵抗効果素子の抵抗比で出力信号が決定されるため、温度や製造工程に起因した抵抗変動の影響を抑制することが可能である。
【０００８】
以上の磁界検出方式を用いることで、磁気抵抗効果素子からは電気的に絶縁された導体における、電流の検出も可能である。この際は、電流によって誘起され、電流に比例した磁界を、磁気抵抗効果素子で検出する。特にスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子は、固定層磁化に沿った方向の磁界強度の検出に適しているため、(導体方向と磁気抵抗効果素子の配置が固定されれば)磁界方向が常に一定となる電流検出に適している。
【０００９】
磁界検出装置に用いられる磁気抵抗効果素子では、強磁性体の磁化が回転する際に、それ以前の磁化の状態に依存した経路を示すヒステリシスが発生することで、検出精度の再現性が得られず、検出誤差となる。この対策としては、フリー(自由)層における磁気異方性を制御する必要がある。この目的や磁界応答性におけるオフセットを調整する目的により、素子の外部からフリー層にバイアス磁界を印加する方法が用いられている。バイアス磁界を印加する方法として、例えば下記特許文献２に示されるような、永久磁石を用いる方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２４３９２０号公報
【特許文献２】特開２０１３−４７６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
スピンバルブ構造のＴＭＲ素子ＴＭＲ素子は、前述の通り、小さい磁界に対して大きな抵抗変化示すことで、磁界に対して高感度な特長を有するが、一方でフリー(自由)層の磁化が磁界印加方向と一致した(飽和した)場合は、その抵抗は一定値となり、それ以上の大きな磁界を検出できず、これによってその動作範囲が限定されるという課題があった。
【００１２】
またＴＭＲ素子自由層の磁化においてヒステリシスが発生すると、ＴＭＲ素子磁界検出における再現性を低下させ、検出誤差が発生する課題があった。
【００１３】
これらの課題の対策としては、ＴＭＲ素子のフリー層に対してバイアス磁界を印加する方法がある。しかしながら、従来のバイアス磁界の印加方法として永久磁石を用いる方法は、磁界、電流の検出、また、装置の製造の際の工程を複雑化するとともに、永久磁石を設置するために一定の領域を占有する。すなわち、コストの増大と素子の集積化を困難にするという課題が発生する。上記と異なる方法として、電流によって誘起される磁界により、バイアス磁界を印加する方法が考えられるが、この場合においては、追加的な配線の形成による工程数の増大や、電流を発生するための消費電力の増大という課題がある。
【００１４】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、磁気抵抗効果素子における磁界応答性の飽和、さらにヒステリシスが改善され抵抗−磁気特性における再現性を向上させた電流検出装置等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】
【００１５】
この発明は、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細長い磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に延在する導体と、を備え、前記導体に流れる電流の電流誘起磁界により変化する前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に従い、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子が前記導体とその一部または全部が重なる位置に配置され、かつ前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なることを特徴とする電流検出装置等にある。
【発明の効果】
【００１６】
この発明では、磁気抵抗効果素子における磁界応答性の飽和、さらにヒステリシスが改善され抵抗−磁気特性における再現性を向上させた電流検出装置等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明による電流検出装置および磁気検出装置の磁気抵抗効果素子と測定対象となる電流が印加させる導体の位置関係を示した透過斜視図である。
【図２】図１の検出装置が電流検出装置として機能する場合の構成例を示す図である。
【図３】負荷電流が導体の周囲に作る磁界の分布を示す図である。
【図４】図１の一転鎖線ａに沿った断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるＴＭＲ素子と測定対象となる電流が流れる導体の配置を示す上面から見た平面図である。
【図６】この実施の形態１のＴＭＲ素子の自由層と固定層の磁化方向を示す図である。
【図７】導体に電流を流した場合の電流の変化に対するＴＭＲ素子の抵抗の変化の比較を示す図である。
【図８】導体に流される電流が誘起する磁界を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態２による電流検出装置のＴＭＲ素子と導体の位置関係を示す上面から見た平面図である。
【図１０】この発明の実施の形態２における複数個のＴＭＲ素子を直列に接続した例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態２における複数個のＴＭＲ素子を直列に接続した別の例を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３による電流検出装置のＴＭＲ素子と導体の位置関係を示す上面から見た平面図である。
【図１３】この発明の実施の形態４におけるＴＭＲ素子の自由層と固定層の磁化方向を示す図である。
【図１４】自由層の磁化の一部が１８０度反転している様子を示す図である。
【図１５】図１４のＡ方向に一定の磁界を印加して無磁界での自由層の磁化方向を揃えたあとの様子を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態５による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図１７】この発明の実施の形態６による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図１８】この発明の実施の形態７による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図１９】この発明の実施の形態８による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図２０】この発明の実施の形態９による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図２１】この発明の実施の形態９における外部磁界の測定を行うための一連の手順を示すフローチャートである。
【図２２】この発明の実施の形態１０による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図２３】この発明の実施の形態１０における回路要素の構成を示す図である。
【図２４】この発明の実施の形態１１による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図である。
【図２５】図１０の破線Ｘに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この発明による電流検出装置、磁気検出装置は、検出対象となる電流が流れる導体が、磁気抵抗効果素子であるＴＭＲ素子の長手方向と異なる向きに交差することによって、導体を流れる電流が作る磁界がＴＭＲ素子の長手方向と短手方向の両方向に印加され、ＴＭＲ素子の長手方向にバイアス磁界を印加することができる。これによってＴＭＲ素子の磁界応答性が飽和することを抑制することができ、広い磁界領域での動作が可能となる。またこれに加えて、バイアス磁界によってＴＭＲ素子のヒステリシスが改善され抵抗―磁気特性における再現性を向上することで、高精度な電流または磁界の測定が可能となる。この際に、追加的な電力の消費や占有面積や工程数の増大もない。
【００１９】
以下、この発明による電流検出装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００２０】
実施の形態１．
図１はこの発明による電流検出装置および磁気検出装置の、磁気抵抗効果素子であるＴＭＲ素子１と、測定対象となる電流が印加させる導体２の位置関係を示した透過斜視図である。上部電極３ａとＴＭＲ素子１の上面、及び下部電極３ｂとＴＭＲ素子１の下面は電気的に接続されており、上部電極３ａと下部電極３ｂはＴＭＲ素子１を電源、接地または基準電位面、及び電圧計に接続するための配線(図示省略)に接続される。
【００２１】
図２は図１の検出装置が電流検出装置として機能する場合の構成例を示す。ＴＭＲ素子１の抵抗変化の検出は、ＴＭＲ素子１に電流源２０から一定電流を流し、その時の電圧を電圧計２１で測定することで実施する。導体２には測定対象となる負荷電流(検出対象電流)Ｉｌを消費する負荷２２を接続する。このとき負荷電流Ｉｌが導体２の周囲に作る磁界の分布を図３に示す。破線ｂは導体２の幅方向(図３のｘ軸方向)の中心を示している。導体２に負荷電流Ｉｌを流した時に発生する磁界Ｈ２のｘ軸方向成分の強度は破線ｂに近いほど大きくなり、また導体２に近づくほど大きくなる。
【００２２】
また図４は図１の一転鎖線ａに沿った断面図である。ここでのＴＭＲ素子１は、スピンバルブ構造であり、下部電極３ｂ上に下から、固定層を構成する反強磁性膜１ａａ、強磁性膜１ｂｂ、非磁性膜１ｃｃ、強磁性膜１ｄｄが形成されており、その上にトンネル絶縁層１ｅｅが形成され、更にその上に自由層である強磁性膜１ｆｆが形成されている。そして強磁性膜１ｆｆは上部電極３ａと電気的に接続されている。下部電極３ｂの更に下層にある導体２は、下部電極３ｂと電気的に絶縁するために間に絶縁層４を挟んで配置されている。なお各磁性膜は磁性体層ともいう。
【００２３】
図５は実施の形態１によるＴＭＲ素子１と測定対象となる電流が流れる導体２を、磁気抵抗効果素子であるＴＭＲ素子１における積層方向、またはＴＭＲ素子１と導体２を結ぶ線の方向のＴＭＲ素子１側から見た(以下、例えば単に上面から見たもの等とする)時の配置を示す平面図である。なおＴＭＲ素子１は通常、電圧等の測定のために、積層方向の上下両端面に図４の上部電極３ａと下部電極３ｂに相当する電極層からなる電極を有する。
【００２４】
ＴＭＲ素子１は、上面から見た際の形状が角丸長方形状に加工される。それぞれ、長辺長はｌ、短辺長(幅)はｗであり、ｌ＞ｗの関係にある。ここでは、ＴＭＲ素子１の各辺を結ぶ長方形１０１を想定し、その対角線の交点を、中心０と定義している。
【００２５】
図６にはこの実施の形態１のＴＭＲ素子１の自由層と固定層の磁化方向を示す。強磁性体における形状磁気異方性の影響により、ＴＭＲ素子１の自由層の磁化１０は、無磁界においてその長手方向を向いている。固定層の磁化１１はＴＭＲ素子１の形状の短辺方向に固定されている。
【００２６】
本実施の形態においては、導体２の電流が流れる方向(長手方向)に沿った中心線ｃ２とＴＭＲ素子１の中心０が一致して設計される。ここで、導体２に電流が流れた際に、図３に示したように磁界Ｈ２が誘起され、この磁界Ｈ２のｘ軸方向の成分により、ＴＭＲ素子１の自由層(図４の１ｆｆ)の磁化１０(図６参照)は磁界強度に依存した回転力を受け、ｘ軸方向に傾斜する。この際に、ＴＭＲ素子１の固定層(図４の１ａａ−１ｄｄ)の磁化は固定されているため、トンネル絶縁層１ｅｅを介した、自由層(強磁性膜１ｆｆ)の磁化方向１ｆｄと固定層の強磁性膜１ｄｄの磁化方向１ｄｄが変化する。この結果、導体２の電流に依存して、ＴＭＲ素子１の抵抗が変化する。この発明において導体２に電流を流した場合の、電流の変化に対するＴＭＲ素子１の抵抗の変化を図７の実線Ａに示す。また導体２とＴＭＲ素子１が平行に配置されている場合、すなわち図５の導体２の電流が流れる方向に沿った中心線ｃ２と、ＴＭＲ素子１の長辺方向に沿った中心線ｃ１と、のなす角度θがθ＝０度の場合の、電流の変化に対するＴＭＲ素子１の抵抗の変化を破線Ｂで示す。
【００２７】
実際に使用する場合は、ＴＭＲ素子１に一定電流を流し、その上下の電圧を計測することでＴＭＲ素子１の抵抗の変化を読み取る。この結果、ＴＭＲ素子１により、導体２における電流の計測が可能となる。
すなわち例えば、図２の電流源２０からＴＭＲ素子１に一定電流を流し、その上下の電圧を電圧計２１で計測する。そして図示を省略した測定・制御部で、電流と電圧からＴＭＲ素子１の抵抗を演算し、例えば予め記憶部に格納された図７のＡに示すような導体２の電流とＴＭＲ素子１の電流−抵抗特性テーブルから導体２における電流を求める。
【００２８】
上記の磁界を介した電流検出を実施した場合、図４の断面図でも分かるように、導体２とＴＭＲ素子１は電気的に絶縁されているため、互いに影響を及ぼすことなく導体２の電流の検出が可能である。
【００２９】
本実施の形態の配置では、ＴＭＲ素子の中心０が図３の破線ｂで示す位置にあるため、導体２から一定の距離ｚのｘ−ｙ平面内では最大の磁界を検出することが可能であり、効率的な検出が可能となる。
【００３０】
またここでは、
ＴＭＲ素子１と導体２の延在方向のなす角度θ、
ＴＭＲ素子１の長さｌ、
導体２の幅ｗ０、
との関係において、
ｗ０／ｌ＝ｓｉｎθ
の条件をみたしている。また、このなす角度θは、０度よりも大きい角度で設計を行う。θは３度以上が望ましい。導体２から発生する磁界は、先にも述べたように、その中心線ｃ２に沿った部分で最大となるが、導体２の幅に含まれる範囲であれば電流検出装置として機能させるために十分な磁界を印加することができる。ここで示した配置では、ＴＭＲ素子１の長手方向の中心線ｃ１は全て導体２の幅ｗ０の範囲内に含まれている。このため、導体２を流れる検出対象電流Ｉｌが発生する磁界Ｈ２がＴＭＲ素子１に効率的に印加される。これによって電流の検出においても効率的な検出が可能である。
【００３１】
以下に本実施の形態の効果について説明する。先に述べたように本実施の形態では、ＴＭＲ素子１と導体２の延在方向のなす角度θは、実質的に０より大きく、特に３度以上になるように意図して設計されており、且つ、例えば図５のように上から見た時にＴＭＲ素子１の全体が導体２に重なるように配置されているため、効率的な磁界の検出が可能な配置である。この際に、導体２を流れる電流が誘起する磁界のｘ方向の成分が、ＴＭＲ素子１によって検知される磁界成分である。
【００３２】
ここで図８に、導体２に流される電流が誘起する磁界のｘ方向の磁界に注目した時、この磁界成分を更にＴＭＲ素子１の長手方向を向く成分２１１と、短手方向を向く成分２１２に分解した時の様子を示す。導体２に流される電流が誘起する磁界のｘ軸方向を向く成分２１０は一様と仮定し、大きさをＨ０とした場合、ＴＭＲ素子１の長手方向の成分はＨ０・ｓｉｎθであり、短手方向はＨ０・ｃｏｓθである。この場合、ＴＭＲ素子１の自由層が磁界方向に飽和する磁界Ｈｓは、近似的に、
Ｈｓ＝Ｈｋ＋Ｈ０・ｓｉｎθ
と表わされる。Ｈｋは自由層の磁化の異方性磁界であり、形状の長手方向に留まろうとする磁界を表わしている。θを０度とならないように設計するため、Ｈ０・ｓｉｎθ≠０である。すなわち、ｘ軸方向の磁界成分２１０は、ＴＭＲ素子１の長手方向成分２１１と短手方向成分２１２に同時に作用する効果が得られる。
【００３３】
この効果によって、導体２からの磁界が増大すると、長手方向成分２１１が増加するため、磁化が短手方向に飽和することを抑制することが可能となる。これによって、θが０である場合よりも大きな磁界の検出が可能となる。具体的には、従来の素子配置の場合は
、測定可能な最大の電流は、Ｈｋと等しい磁界を発生させる電流強度ｉ(Ｈｋ)(図７参照)であるが、これに対して本発明によると、ｉ(Ｈｋ)よりも大きい、Ｈｋ＋Ｈ０・ｓｉｎθと等しい磁界を発生させる電流まで測定することが可能となる。
この際、θが３度以上の場合に、ＴＭＲ素子１の長手方向の成分はＨ０に対して５％以上の大きさとなり、有意な効果が得られる。
【００３４】
また、ここでの電流検出装置はＴＭＲ素子１と検出対象の電流が流される導体２からのみ構成されており、ＴＭＲ素子１の自由層の特性を改善するための特別な機構は設けていない。
【００３５】
ところで、ＴＭＲ素子１と導体２の延在方向となす角度θが０であった場合は、ＴＭＲ素子１の自由層の磁化はヒステリシスを発生する。これは、自由層における磁化の分布において、主に長辺方向の端部における磁化が、形状に沿って緩和する影響によるものである。これを改善するためには、ＴＭＲ素子１の長手方向に直流磁界を印加する方法が有効である(この時に印加する磁界を一般にバイアス磁界と呼ぶ)。
【００３６】
一方、この発明のように、ＴＭＲ素子１と導体２の延在方向となす角が０ではない場合、導体２から発生する磁界の長手方向成分は、有意な磁界がＴＭＲ素子１の長手方向に印加されるため、測定対象である電流が誘起する磁界の一部を、バイアス磁界としても利用することが可能となり、ヒステリシスの発生を抑制することが可能である。
以上の実施の形態により、電流検出において、ＴＭＲ素子１以外の追加的な機構を設けることなくバイアス磁界の効果を得ることが可能となるため、従来よりも大きな測定領域を確保する効果が得られるとともに、電流の高精度な検出が可能となる。
【００３７】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２による電流検出装置のＴＭＲ素子１と導体２の位置関係を示す上面から見た平面図である。断面から見た構成や、その他の基本的構成については、実施の形態１と同じであり、ＴＭＲ素子１と導体２の平面における大きさと位置関係のみが異なる。
【００３８】
ここでは、ＴＭＲ素子１は導体２の幅ｗ０よりも小さく、上から見た時、導体２はＴＭＲ素子１全体に重なる。実施の形態１と同様に、導体２から発生する磁界は、その中心線ｃ２に沿った部分で最大となり、導体２の幅に含まれる部分で大きい。導体２がＴＭＲ素子１に重なるとき、ＴＭＲ素子１の長手方向の中心線ｃ１が全て導体２の幅の範囲内に含まれていることを前提とすると、ＴＭＲ素子１の長さｌ、導体２の幅ｗ０、ＴＭＲ素子１の長手方向と導体２の長手方向との角度θおよび、ＴＭＲ素子１の中心０と導体２の中心線ｃ２との最短距離ａの関係が
ｗ０＞ｌ・ｓｉｎθ＋２ａ
を満たす。
【００３９】
以上の構成により、例えば、実施の形態１と同様な効果を得つつ、複数のＴＭＲ素子１を集積化して用いる際の配置の自由度を向上させることが可能である。複数個のＴＭＲ素子を直列に接続した配線の例を図１０と図１１に示す。例えば図１０に示したＴＭＲ素子の直列接続を実現するためのＴＭＲ素子、上部電極、下部電極の配置の一例を図２５に示す。図２５の(ａ)は図１０の破線Ｘに沿った断面図、(ｂ)は各ＴＭＲ素子１の各層の断面での磁化方向を示す。それぞれのＴＭＲ素子は上部電極１９１と下部電極１９２で直列に接続される。
【００４０】
図１０は本実施の形態の条件を満たす、ＴＭＲ素子１が複数個、導体２と重なるように配置されており、全てのＴＭＲ素子１が直列に接続されている例である。ＴＭＲ素子１は基本的に上部電極と下部電極をそれぞれ有している(この発明に渡って同様)。図１０における配線１９１，１９２はＴＭＲ素子１間の電気的配線を示しており、具体的には配線１９１，１９２は図２５に示すように、隣接するＴＭＲ素子間に延びて共有される上部電極(１９２)、下部電極(１９１)からなる。複数個のＴＭＲ素子１はその上部同士、下部同士が交互に順番に電気的に接続されて直列接続されている。ＴＭＲ素子１の配置を示すため、ＴＭＲ素子１の下部同士を接続する配線を配線１９１、上部同士を接続する配線を配線１９２、下部配線とＴＭＲ素子１の下部の接続点を白丸１９４、上部配線とＴＭＲ素子の上部との接続点を黒丸１９３で示す。ＴＭＲ素子１の下側(裏側)になる配線は破線で、接続点は白丸で示されている。そしてこれらの配線１９１，１９２が、例えば図２５で示すように下部電極(１９１)、上部電極(１９２)で実現される。そして抵抗測定器１９０とグランドとの間に複数個のＴＭＲ素子１が配列されて、隣接するＴＭＲ素子１の上部同士、下部同士が交互に順に電気的に接続されている。図１１の配線では、抵抗測定器１９０とグランドとの間に同様にして直列接続されたＴＭＲ素子１の直列回路が２本、並列接続されている。
【００４１】
直列接続とすることで、ＴＭＲ素子の製造時のばらつきを平均化し、製造時の特性のばらつきを低減することが可能となる。また直列接続をすることで素子全体の抵抗を大きくすることができるため、静電気などで意図せず大きな電圧が印加された時に、素子が絶縁破壊し故障することを抑制することが可能になる。
【００４２】
一方、図２０は抵抗測定器１９０とグランドとの間で、それぞれＴＭＲ素子１を複数個直列接続したものを並列接続した例である。このような構成であればＴＭＲ素子１の製造時の抵抗ばらつきを平均化する前述の効果をえられ、またＴＭＲ素子１の抵抗を調整することが可能となる。
【００４３】
本実施の形態の構成とすることで、ここまで述べたような、ＴＭＲ素子の導体上でのレイアウトに自由度を拡張することが可能となる。
【００４４】
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３による電流検出装置のＴＭＲ素子１と導体２の位置関係を示す上面から見た平面図である。断面から見た構成や、その他の基本的構成については実施の形態１と同じであり、ＴＭＲ素子１と導体２の平面における大きさと位置関係のみが異なっている。
【００４５】
本実施の形態では、平面図で見たとき、ＴＭＲ素子１と導体２が部分的に重なる配置である。実施の形態１および２と比較して効果は小さいが、ＴＭＲ素子１と導体２が部分的に重なっていることから、同様な効果を得ることが可能である。ここでは、ＴＭＲ素子１と導体２が部分的に重なるための条件である、
２ａ＜ｌ・ｓｉｎθ，かつｌ・ｓｉｎθ＞ｗ０
をみたした構成としている。
【００４６】
ＴＭＲ素子１の感度は、素子の微細化とともに、反磁界の影響が大きくなることで減少する。一方、導体２を流れる電流の大きさが一定の場合は導体２の幅ｗ０が小さいほど、電流によって誘起される磁界の強度は大きくなる。本実施の形態の構成とすることで、ＴＭＲ素子の一部分に大きな磁界を集中させることで感度を回復させることが可能となる。
【００４７】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４による電流検出装置の基本的構成、動作については、実施の形態の１と同一である。図１３にはこの実施の形態４におけるＴＭＲ素子１の自由層と固定層の磁化方向を示し、自由層の磁化方向１０と固定層の磁化方向１１が示されている。
【００４８】
実施の形態１の図６に示すように、固定層の磁化１１をＴＭＲ素子１の短辺方向に固定した場合、形状による反磁界の影響にで、例えば高温になった場合などに、形状の長手方向へと傾斜する場合がある。図１３に示した固定層の磁化１１は、予め形状の長手方向になるように固定しており、短手方向に固定した場合と比較してその固定がより安定となる。この場合は、例えば、温度が上昇して、反強磁性膜による強磁性膜の固定が弱くなった場合でも、形状磁気異方性の効果により、その磁化方向が保たれる。なお、固定層の磁化方向は、ＴＭＲ素子１の製造工程における熱処理時に、反強磁性膜とそれに接する強磁性膜の交換結合が無くなる温度において、固定層の磁化を飽和し得る磁界を、所望の方向に印加することで決定することが可能である。
【００４９】
この構成においては、図１３に示す自由層の磁化１０が１８０°反転した場合に、抵抗の変化が生じるが、この対策として、例えば動作前に紙面上向き方向に、自由層の磁化１０を飽和する磁界を印加することが有効である。
【００５０】
図１４は自由層の磁化の一部が、１８０度反転している様子を示している。図１４中の矢印２２０および２２１はＴＭＲ素子１の自由層の磁化を磁区構造のレベルで見た時のそれぞれの磁化方向である。初期状態では、ＴＭＲ素子１の自由層の磁化は、ＴＭＲ素子の長手方向を向くが、図１４中に示す矢印２２２のＡ方向を向くかＢ方向を向くかは未確定である。この状態であると、無磁界でのＴＭＲ素子１の抵抗が不安定となるため、動作前に自由層の磁化方向を揃える必要がある。このためには、例えば、動作前にＡ方向に一定の磁界２３１を印加することで向きを揃えることが可能である。図１５は仮にＡ方向に一定の磁界２３１を印加して、無磁界での自由層の磁化方向を揃えたあとの様子を示している。
【００５１】
本実施の形態によれば、固定層の磁化を安定化し、実施の形態１と同様な効果を得ることが可能である。これによって例えば温度や微細化に伴う、固定層の磁化方向の変化に因る影響を小さくすることが可能となる。
【００５２】
実施の形態５．
図１６はこの発明の実施の形態５による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。この図１６においては導体２とＴＭＲ素子１の位置関係を明確に示すため、ＴＭＲ素子１は実施の形態１〜３での図よりも、大きく示されている。実施の形態１で示したＴＭＲ素子１と導体２の組み合わせ(図６の６１)と、それとは導体２の位置が鏡面対称である組合せ(図６の６２)を用意し、それぞれの導体２同士の一端２ａが接続された構成である。ＴＭＲ素子１の長手方向は同一方向である。ここに示した２つのＴＭＲ素子１は直列に接続されている。一方のＴＭＲ素子は接地され、他方が電源に接続され、ＴＭＲ素子間の電位６３と接地電位の差を検出する。
すなわち、一方のＴＭＲ素子１の一方の電極が接地(ＧＮＤ)され他方の電極が他方のＴＭＲ素子１の一方の電極と接続され、他方のＴＭＲ素子１の他方の電極が電源(Ｖｃｃ)に接続され、ＴＭＲ素子１同士の接続点が出力端子(Ｖｏｕｔ)となっている。また、１５が検出対象電流、１６が電流が誘起する磁界(電流誘起磁界)を示す。
【００５３】
そしてＴＭＲ素子間の電位(Ｖｏｕｔ)６３と接地電位の差を検出する。図１６は組み合わせ６１の構成と組み合わせ６２の構成においてＴＭＲ素子を１つずつ示したが、それぞれの構成において互いに同数であれば、複数が直列接続されていても良く、更に並列接続を含んでいてもよい。
【００５４】
導体２の配置がＴＭＲ素子１の長手方向に対して鏡面対称となっていることから、それぞれの導体２を流れる電流が誘起する磁界のＴＭＲ素子の短手方向成分は逆向きとなる。このためＴＭＲ素子１は導体２を流れる電流に対して、互いに逆方向の抵抗変化を示す。それぞれを構成する各ＴＭＲ素子１は、同じ温度特性を持つため、一方を固定抵抗など温度特性の異なるものとした場合と比較して、導体２に電流を印加しない時の出力の誤差(オフセット)を低減することが可能である。また本実施の形態であると、一方の抵抗を固定とした場合と比較して、それぞれのＴＭＲ素子１の抵抗がそれぞれ大小逆に変化する分、変化量が２倍となるため、導体２を流れる同じ大きさの電流に対する出力変化が２倍となる。この結果として、より小さな電流を検出することが可能となる。
【００５５】
以上の構成によれば、温度等によるＴＭＲ素子の抵抗変動の影響を抑制可能で、且つ大きな出力信号が得られる電流検出装置を実現可能である。また、複数個のＴＭＲ素子を接続することで、製造工程に起因した特性ばらつきの影響も抑制可能である。
【００５６】
実施の形態６．
図１７はこの発明の実施の形態６による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。ここでは、実施の形態５で示した構成(電流検出部と称す)を２つ直列に接続することで構成され(１本の導体２と２つのＴＭＲ素子１からなる構成を２つ並べて接続)、その接続点７０が電源(Ｖｃｃ)に接続されている。更に各々の中点(直列接続されたＴＭＲ素子１同士の接続点)の箇所が電圧計１８に接続され、残りの端子はそれぞれ接地(ＧＮＤ)されている。
【００５７】
すなわち、図１６の鏡面対称のＶ字型の導体を鏡面対称に２つ直列に接続したＷ字型の導体２に対し、導体２のそれぞれの傾斜部分(ＴＭＲ素子が導体に対して傾き(θ)を持つように)に配置された４つのＴＭＲ素子１を、電源(Ｖｃｃ)から接地(ＧＮＤ)の間に、２つのＴＭＲ素子１の直列回路が２つ形成されるように接続し、２つの直列回路のＴＭＲ素子１同士の接続点間に電圧計１８が接続されている。このとき電源(Ｖｃｃ)側に接続される２つの直列回路のＴＭＲ素子は、互いに導体の配置が鏡面対称でなければならない。
【００５８】
この構成において、導体２に電流を印加しない場合、それぞれのＴＭＲ素子１は互いに同じ抵抗になるため、各々の中点は互いに等電位であるため、電位差は生じない。このとき中点間に接続された電圧計１８は０を示す。一方、導体２に電流を印加した場合は、中点間に電位差が生じるため、ホイートストンブリッジを構成している。導体２に電流が流れた際に、電圧計１８で電圧を測定することにより、導体２における電流の検出が可能である。
【００５９】
なお、図１７で示したそれぞれのＴＭＲ素子については、実施に形態５と同様に、複数のＴＭＲ素子から構成されてもよい。
【００６０】
本実施の形態では、導体２に電流を流さない時の出力は０であり、導体に流した電流が誘起する磁界に対する抵抗変化に比例した電圧変化が出力として得られるため、基準電位からの差分を計算する処理が不要となり、周辺回路を簡略化することが可能となる。また構成しているＴＭＲ素子の温度特性は全て等しいため、オフセットの低減が可能となり温度特性による抵抗変化の影響を低減することが可能である。
【００６１】
実施の形態７．
図１８はこの発明の実施の形態７による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、参照用ＴＭＲ素子１７を用いたハーフブリッジの構成を示す。ここでは、紙面左側のＴＭＲ素子１と導体２は実施の形態１における配置と同様であるが、紙面右側の参照用ＴＭＲ素子１７は、左側のＴＭＲ素子１と長手方向が同方向であり、導体２はその長手方向に直交する向きで配置されている。固定層の磁化方向は同じである。実施の形態５と同様に、それぞれの導体は接続されており、且つ、２つのＴＭＲ素子の接続は、図７に示す実施の形態５と同様である。
【００６２】
ここでは、参照用ＴＭＲ素子１７の自由層の磁化は、磁界１６が印加されない状態では、参照用ＴＭＲ素子１７の自由層の磁化方向１０ａは形状異方性によって形状の長手方向を向く。固定層の磁化方向１１ａはこれと直交する方向を向いている。
【００６３】
導体２に検出対象となる電流１５が流れた場合、誘起される磁界１６は参照用ＴＭＲ素子１７に対し長手方向と平行な方向に印加される。このため、参照用ＴＭＲ素子１７の抵抗値は導体２を流れる検出対象電流１５の有無に関わらず一定の値を示す。
【００６４】
なお、図１８で示したそれぞれのＴＭＲ素子については、実施の形態５と同様に、複数のＴＭＲ素子から構成されてもよい。
【００６５】
これらのＴＭＲ素子により、実施の形態５と同様なハーフブリッジを形成することで、検出対象電流１５に応じた出力を、参照用ＴＭＲ素子１７の抵抗値を基準として出力することができる。これによって温度等の抵抗変動に対する出力の変動を抑制可能である。
【００６６】
実施の形態８．
図１９はこの発明の実施の形態８による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、参照用ＴＭＲ素子１７ａ，１７ｂを用いたフルブリッジの構成を示す。ここでは、実施の形態７で示したハーフブリッジ(電流検出部と称す)を２つ直列に接続した構成であり(１本の導体２と１つのＴＭＲ素子(１ａ，１ｂ)と１つの参照用ＴＭＲ素子(１７ｂ，１７ａ)からなる構成を２つ並べて接続)、その接続点７０が電源(Ｖｃｃ)に接続されている。更に各々のハーフブリッジの中点(ＴＭＲ素子(１ａ，１ｂ)と参照用ＴＭＲ素子(１７ｂ，１７ａ)の接続点)の箇所が電圧計１８に接続され、残りの端子はそれぞれ接地(ＧＮＤ)されており、ホイートストンブリッジを構成している。
【００６７】
すなわち、それぞれが、導体２の傾斜部分(ＴＭＲ素子が導体に対して傾き(θ)を持つように)に配置された１つのＴＭＲ素子(１ａ，１ｂ)と、導体２が長手方向と直交する向きで配置された１つの参照用ＴＭＲ素子(１７ｂ，１７ａ)とからなる２つの直列回路が、電源(Ｖｃｃ)と接地(ＧＮＤ)の間に接続され、２つの直列回路のＴＭＲ素子１と参照用ＴＭＲ素子１７の接続点間に電圧計１８が接続されている。ここでＶｃｃに接続されるＴＭＲ素子は上記の２つの直列回路の内、ＴＭＲ素子(１ａ，１ｂ)のうちのいずれか１つと、ＴＭＲ素子（１７ｂ，１７ａ）のうちのいずれか１つがそれぞれ接続されなければならない。
【００６８】
導体２に電流が流れた際に、電圧計１８で電圧を測定することにより、導体２における電流の検出が可能である。
【００６９】
なお、図１９で示したそれぞれのＴＭＲ素子については、実施の形態５と同様に、複数のＴＭＲ素子から構成されてもよい。
【００７０】
本実施の形態に依れば、実施の形態７で示した効果に加え、導体２に電流を印加しない時の出力が０となり、電流を印加することで生じる電位差が電流に比例するため、得られた電位差の絶対値を測定値として扱うことが可能となる。また実施の形態７に対して、２倍の出力信号を得ることができるため、より微小な電流の検出も可能となる。
【００７１】
実施の形態９．
図２０はこの発明の実施の形態９による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、この発明による電流検出装置を用いて磁界検出を行う。ここでは図２０に示すｘ軸方向から印加された外部磁界Ｈ２０の検出を行う。この外部磁界Ｈ２０は導体２を流れる電流が作る磁界のｘ方向の成分１６と平行でなければならない。
【００７２】
ここでは、先ず、測定対象の外部磁界Ｈ２０が存在しない状態で、ＴＭＲ素子１の抵抗を測定し値を得る(外部磁界Ｈ２０がないときのＴＭＲ素子１の抵抗をＲ０と定義する)。また図２０に、このときＴＭＲ素子の抵抗を測定するための測定器と、得られた抵抗とＲ０の値を比較し、その結果に応じて電流源２０ａに対して、導体２に流す電流の増減を支持するための制御部および記憶部(共に図示省略)を備えた測定・制御部１０２を示す。
【００７３】
次に測定対象となる外部磁界Ｈ２０を印加した状態でＴＭＲ素子１の抵抗を測定する(この時の測定値をＲ１とし、Ｒ０とＲ１の差の絶対値をΔＲとする。ここでのΔＲは、外部磁界Ｈ２０を印加することでＴＭＲ素子１に生じた磁気抵抗効果による抵抗変化の絶対値である。そして、測定・制御部１０２から電流源２０ａに対して導体２に直流電流を供給させる電流供給指令１０３を出力する。この電流供給指令１０３は供給する電流値も指定する。この結果、導体２に供給された直流電流が作る電流誘起磁界１６が外部磁界Ｈ２０に加えられるため、ＴＭＲ素子１の抵抗は更に変化する。ここで導体２に直流電流を供給した状態のＴＭＲ素子１の抵抗Ｒ２とＲ０との差をΔＲ’と定義する。
【００７４】
この時、ΔＲ＞ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０に近づくとき)であるならば、更に同じ向きに直流電流を増加させる。一方、ΔＲ＜ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０から遠ざかる)であるならば電流を減少させる。これを繰り返し、ＴＭＲ素子１の抵抗が磁界を印加しない時の抵抗(Ｒ０)と等しくなる時の電流値を特定する。ここでその電流値を特定するときの条件は、ΔＲ’が一定の大きさαよりも小さいかどうかによる。このαは導体２に流す電流の制御分解能の下限の電流変化によって変化するＴＭＲ素子１の抵抗変化、または、空間に存在するノイズによる誤差や、測定・制御部１０２の測定分解能による量子化誤差のいずれかの最も大きい値とすることで、最も誤差の小さい外部磁界Ｈ２０の測定が可能となる。
【００７５】
この結果、特定された電流は、その電流が誘起する磁界１６が丁度、ＴＭＲ素子１の部分に於いて、測定対象である外部磁界Ｈ２０と逆方向で大きさが同じ磁界を発生させる電流とみなすことができる。また、電流が作る磁界の強度は、電流に強度が比例するため、この特定された電流に、一定の係数を乗じることによって、外部磁界Ｈ２０の大きさを特定することが可能となる。
【００７６】
ここまで述べた方法を用いることで、この発明による磁界検出装置を用いて外部磁界の検出が可能であることを示した。このような方式の測定において精度良い測定、及び広い強度範囲の磁界を測定するためには、図７のこの発明を適用した場合のＴＭＲ素子１の磁気特性Ａ(電流−抵抗特性)に示したような、飽和しづらく、ヒステリシスの出ない磁気特性が必要であり、この発明によって上記の効果を得た磁界検出装置を実現することが可能となる。
図２１に、ここまでに述べた、この発明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。これは測定・制御部１０２において行われる。簡単に説明すると、
外部磁界Ｈ２０を印加した状態でＴＭＲ素子１の抵抗Ｒ０を測定し、次に外部磁界Ｈ２０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(ステップＳ１)、
図２０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(ステップＳ２)、
導体２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(ステップＳ３)、
ΔＲ＞ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０に近づくとき)であるならば、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(α：所定値)になったら(ステップＳ４、Ｓ５)、
供給電流Ｉを磁界に換算して出力し(ステップＳ１１)、
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)場合には、Ｒ０とＲ１の差の絶対値ΔＲを求め(ステップＳ６)、
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(ステップＳ７)、
Ｒ２とＲ０の差の絶対値ΔＲ’を求め(ステップＳ８)、
ΔＲ＞ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０に近づくとき)であるならば、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Ｓ９、Ｓ１０)、
供給電流Ｉを磁界に換算して出力し(ステップＳ１１)、
ステップＳ９で、ΔＲ＜ΔＲ’(ＴＭＲ素子１の抵抗がＲ０から遠ざかる)場合には、ステップＳ１に戻り、動作を繰り返す。
導体２に供給する電流Ｉは、図２１のフローチャートに置いては、先ず導体２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。
【００７７】
実施の形態１０．
図２２はこの発明の実施の形態１０による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、実施の形態９で示した磁界検出装置を、実施の形態７で示したブリッジを用いて構成した場合の図である。実施の形態１０では導体２と直交する位置に配置された参照用ＴＭＲ素子１７と、導体２とθの角度で交わるＴＭＲ素子１が直列に接続されており、それらの両端が電源(Ｖｃｃ)と等電位面または接地(ＧＮＤ)面にそれぞれ接続されている。測定対象の外部磁界Ｈ２０が存在しない場合は、これら２つのＴＭＲ素子１，１７の抵抗は同値であるため、ＴＭＲ素子１と参照用ＴＭＲ素子１７の接続点２５１の電位はＶｃｃ／２である。
【００７８】
外部磁界Ｈ２０を印加すると、ＴＭＲ素子１の抵抗と参照用ＴＭＲ素子１７の抵抗が不等になる(このときの接続点２５１の電圧とＶｃｃ／２との差の絶対値をΔＶと定義する)ため、接続点２５１の電位はＶｃｃ／２ではなくなる。ここで、導体２に電流を供給すると、電流が誘起する磁界１６によってＴＭＲ素子１の抵抗が変化する。この結果、参照用ＴＭＲ素子１７とＴＭＲ素子１との抵抗の大小関係が変化するため、ΔＶもまた変化する(この変化後のΔＶをΔＶ’と定義する)。このΔＶ’を、先の実施の形態９におけるΔＲ’と同様に、最小になるように導体２に印加する電流を、電圧計・制御部２５２と電流源２０ａで制御することで、ＴＭＲ素子１に外部磁界を印加しない場合の抵抗になる磁界を誘起するための電流を特定することができる。
【００７９】
この時、参照用ＴＭＲ素子１７は外部磁界Ｈ２０の影響を受けないように、磁気シールド２５４などで覆っておくこと精度を向上させることが可能である。本実施の形態の回路要素の構成を図２３に示す。図２３の抵抗２６１が参照用ＴＭＲ素子１７、可変の抵抗２６０がＴＭＲ素子１である。それらの接続点の電位を、比較器２６２を用いてＶｃｃ／２と比較する。
【００８０】
本実施の形態であるとＴＭＲ素子１と参照用ＴＭＲ素子１７の温度特性が同じであることから、各温度において外部磁界Ｈ２０を印加しないときの抵抗を参照用ＴＭＲ素子１７から得ることができ、各温度におけるＴＭＲ素子１が外部磁界Ｈ２０を印加しない場合の抵抗になるための電流を、温度特性による誤差の影響を受けずに精度よく特定することが可能となる。
【００８１】
なお、図２２の電流源２０ａは図２０の電流源２０ａのように、導体２に流す電流の向きを変えられる構成のものであってもよい。
【００８２】
実施の形態１１．
図２４はこの発明の実施の形態１１による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、実施の形態１０で説明した磁界検出装置を用いて、ホイートストンブリッジを構成した場合の図である。実施の形態１０の構成を直列に接続し、その接続点２７１に電源(Ｖｃｃ)を印加し、他方の端はそれぞれ接地(ＧＮＤ)する。ＴＭＲ素子(１ａ，１ｂ)と参照用ＴＭＲ素子(１７ｃ，１７ｄ)のそれぞれの中点間の電位を電圧計・制御部２５２で測定し、その結果に応じて電流源２０ａを制御できるように接続されている。
【００８３】
ここでＴＭＲ素子１ａ，１ｂは外部磁界Ｈ２０に対して抵抗が変化するが、参照用ＴＭＲ素子１７ｃ，１７ｄは常に外部磁界Ｈ２０が印加されない時の抵抗を示す。ここで、外部磁界Ｈ２０が印加されない場合は、ＴＭＲ素子１ａ，１ｂ、参照用ＴＭＲ素子１７ｃ，１７ｄのいずれも同じ抵抗となるため、電圧計・制御部２５２で測定される出力は０となる。一方、外部磁界Ｈ２０が存在すると、ＴＭＲ素子１ａ、１ｂと参照用ＴＭＲ素子１７ｃ、１７ｄの抵抗が不等となるため、電圧計・制御部２５２で電圧が生じる。この時の電圧をΔＶとする。ここで電流源２０ａから導体２に電流を供給させると、電流により誘起される磁界によって、やはりＴＭＲ素子１ａ、１ｂの抵抗が変化しΔＶが変化する(変化後の電圧をΔＶ’とする)。この時の電圧ΔＶとΔＶ’を比較して、ΔＶが最小になる電流を特定することで、外部磁界Ｈ２０に相当する磁界を誘起する電流を特定することができる。
【００８４】
本実施の形態であると、ΔＶを絶対値として得ることができるため、得られたΔＶを増幅して導体２に印加する電流を決定することが可能となり、回路の構成要素を単純にすることが可能となる。
【００８５】
なお、図２４の電流源２０ａは図２０の電流源２０ａのように、導体２に流す電流の向きを変えられる構成のものであってもよい。
【００８６】
実施の形態１２．
この発明の上記各実施の形態において、導体２をはじめ、上部電極３ａ、下部電極３ｂは導電性の物質で構成されなければならないことは言うまでもない。その材料としてアルミニウム、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどの導電率の大きな金属を用いることが望ましい。これによって導体２に印加することのできる電流の上限が向上するため、より大きな電流を検出することが可能となる。
【００８７】
また導電率が上述の物質に匹敵または凌駕する材料であれば、金属に限定する必要はなく、高い導電性を持つカーボンナノチューブや、伝導性のポリマーなどを用いて導体２を形成しても良い。
【００８８】
アルミニウム、金、銀などの物質を使用する場合は、スパッタリングによって成膜される。またＣｕなどはメッキ技術と平坦化技術を用いたダマシン法などにより形成される。
図４のように導体２の上層にＴＭＲ素子１を形成する場合は、導体２や下部電極３ｂを形成した後、それぞれ化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)などの手法で平坦化を行った後、ＴＭＲ素子１を形成することが望ましい。
【００８９】
なおこの発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
【符号の説明】
【００９０】
１，１ａ，１ｂ  ＴＭＲ素子(磁気抵抗効果素子)、１ａａ  反強磁性膜、１ｂｂ  強磁性膜、１ｃｃ  非磁性膜、１ｄｄ  強磁性膜、１ｅｅ  トンネル絶縁層、１ｆｆ  強磁性膜、２  導体、３ａ  上部電極、３ｂ  下部電極、４  絶縁層、１７，１７ａ，１７ｂ  参照用ＴＭＲ素子(磁気抵抗効果素子)、２０，２１ａ  電流源、２１  電圧計、２２  負荷、１０２  測定・制御部、１９０  抵抗測定器、２５２  電圧計・制御部、２５４  磁気シールド、２６２  比較器。
【図１】
2016001118.tif 000003
【図２】
2016001118.tif 000004
【図３】
2016001118.tif 000005
【図４】
2016001118.tif 000006
【図５】
2016001118.tif 000007
【図６】
2016001118.tif 000008
【図７】
2016001118.tif 000009
【図８】
2016001118.tif 000010
【図９】
2016001118.tif 000011
【図１０】
2016001118.tif 000012
【図１１】
2016001118.tif 000013
【図１２】
2016001118.tif 000014
【図１３】
2016001118.tif 000015
【図１４】
2016001118.tif 000016
【図１５】
2016001118.tif 000017
【図１６】
2016001118.tif 000018
【図１７】
2016001118.tif 000019
【図１８】
2016001118.tif 000020
【図１９】
2016001118.tif 000021
【図２０】
2016001118.tif 000022
【図２１】
2016001118.tif 000023
【図２２】
2016001118.tif 000024
【図２３】
2016001118.tif 000025
【図２４】
2016001118.tif 000026
【図２５】
2016001118.tif 000027