JP2018054578A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多層膜ＧＭＲ素子を使用することにより比較的強い磁場に対応でき、広いダイナミックレンジで磁場を検出可能な、磁場の強度および磁場の方向を容易に検出することができる磁気検出装置を提供する。【解決手段】 磁気検出装置は、磁場強度検出部１０と、磁場方向検出部２０と、スイッチ部３０とを備えている。磁場強度検出部１０は、第１の直列回路Ａと第２の直列回路Ｂとを有しており、第１，第２の直列回路Ａ，Ｂの中点出力間の第１の差動出力電圧と、当該第１の差動出力電圧を反転させた第２の差動出力電圧とを、前記スイッチ部に出力する。磁場方向検出部２０は、磁場方向の検出結果をスイッチ部３０に出力し、スイッチ部３０は、磁場方向検出部２０から出力された磁場方向の検出結果に基づいて、第１の差動出力電圧と前記第２の差動出力電圧のいずれかを選択して検知出力電圧とする。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定電流などの磁場発生源から発せられた磁場を、多層膜ＧＭＲ素子を使用することで、広いダイナミックレンジ（測定可能範囲）で検出可能な、磁場の強度および磁場を容易に検出することができる磁気検出装置に関する。

従来の非接触式の電流センサとして、磁気抵抗効果素子を使用した磁気検出装置が提案されている。特許文献１に記載されている磁気センサ装置は、磁場の強さを示す第１の電気信号を出力する第１の検出手段として、磁性層と非磁性層とが交互に積層されてなるＧＭＲ素子が使用されている。このＧＭＲ素子は、磁界の強さを検知できるが、磁界の方向を検知できない。そこで、磁場の方向を示す第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、第２の検出手段の第２の電気信号の極性を指標として磁界の方向を特定する処理回路とが設けられている。

第２の検出手段は、薄肉部を有する圧電素子である。薄肉部に電流が流されている状態で、磁界が作用すると、ローレンツ力によって、薄肉部が磁界の方向に追従して湾曲する。このときの湾曲方向に応じて異なる極性の電圧が第２の電気信号として出力される。

特開２００７−２１８７６０号公報

特許文献１に記載された磁気センサ装置は、磁界の方向を検知するための第２の検知手段として、薄肉部を有する圧電素子を使用しているが、この圧電素子は薄肉部に機械的な力であるローレンツ力を与えて、薄肉部を湾曲させるものであるため、応答性が悪く、高い周波数で変化する磁界の方向に追従させることが難しい。

また、この磁気センサ装置は、ＧＭＲ素子で検知された磁界の強さを示す第１の電気信号と、圧電素子で検知された磁界の方向を示す第２の電気信号が別々の出力として取り出されものであって、磁界の向きが変化したときに、その極性が変化する単一の出力を得ることはできない。

本発明は、従来の課題を解決するものであり、多層膜ＧＭＲ素子を使用して比較的強い磁場に対応でき、広いダイナミックレンジで磁場を検出可能にするとともに、磁場の方向の変化に迅速に応答した検知出力を得ることができる磁気検出装置を提供することを目的としている。

本発明の磁気検出装置は、磁場強度検出部と、磁場方向検出部と、スイッチ部とを備えており、
前記磁場強度検出部は、
強磁性層と非磁性材料層とが交互に積層された多層膜ＧＭＲ素子である第１の抵抗素子と、同じ磁場発生源からの磁場に対する検出感度が前記第１の検出素子とは相違する多層膜ＧＭＲ素子または固定抵抗である第２の抵抗素子が直列に接続された第１の直列回路と、
前記第２の抵抗素子と、前記第１の抵抗素子とが直列に接続された第２の直列回路とを有し、
前記第１の直列回路と前記第２の直列回路とに同じ電圧が印加されて、
前記第１の直列回路と前記第２の直列回路における、前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との中点出力間の第１の差動出力電圧と、前記第１の差動出力電圧の極性を反転させた第２の差動出力電圧とが、前記スイッチ部に出力され、
前記磁場方向検出部では、
磁場の向きに応じて極性が変化する検知出力が、前記スイッチ部に出力されており、
前記スイッチ部では、前記磁場方向検出部からの検知出力の極性に応じて、前記第１の差動出力電圧と前記第２の差動出力電圧のいずれかを選択して検知出力電圧とすることを特徴とするものである。

本発明は、前記第２の抵抗素子は、前記第１の抵抗素子と同じ膜構成で同じ大きさの多層膜ＧＭＲ素子であってもよい。
前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子とは、同じ磁場発生源までの距離が相違するものであってもよい。
または、前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子とは、同じ磁場発生源との間における磁気シールドの設置が相違するものであってもよい。

前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子とでは、同じ磁場発生源の磁場に対する設置方向が相違するものであってもよい。
また、前記第１の抵抗素子は、前記多層膜ＧＭＲ素子の膜面方向が磁場発生源の磁場と平行に設けられており、前記第２の抵抗素子は、前記多層膜ＧＭＲ素子の膜厚方向が磁場発生源の磁場と平行に設けられているものであってもよい。

それぞれの前記多層膜ＧＭＲ素子は、最外層に位置している一方の強磁性層または両方の強磁性層に反強磁性層が接して設けられているものとすることができる。

さらに本発明は、前記磁場方向検出部は、スピンバルブ型のＧＭＲ素子を有するブリッジ回路を含むものが好ましい。
また、前記磁場方向検出部はホール素子を有するブリッジ回路を含むものでもよい。

本発明の磁気検出装置は、抵抗素子が強磁性層と複数の強磁性層と複数の非磁性層とが交互に積層された多層膜ＧＭＲ素子を含んでいる。多層膜ＧＭＲ素子は偶関数出力を得るものであるため、単純に直列に接続してその中点電位を検知出力電圧とするブリッジ回路を構成しても、磁場の変化に対して中点電位が変化することがない。

そこで、本発明では、ブリッジ回路から極性の異なる差動出力電圧を取り出し、磁場方向検出部の検知出力の極性に基づいて、スイッチ部で、２つの差動出力電圧のいずれかを選択している。そのため、測定しようとする磁場の向きが変化したときでも、その向きと大きさを示す単一の出力を得ることができる。

また、多層膜ＧＭＲ素子は飽和磁場強度が大きいため、比較的強磁場に対して測定可能範囲（ダイナミックレンジ）を広くした磁気検出装置を構成することができる。

さらに、磁場方向検出部をスピンバルブ型のＧＭＲ素子などで構成することで、測定しようとする磁場の向きの変化に敏感に反応して磁場方向検出部の検知出力の極性を反転させることができる。したがって、測定する磁場の向きが高い周波数で変化しても、これに追従して変化する磁気検知出力を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ１の回路ブロック図、 本発明の第１の実施形態の磁気検出装置に使用されている第１の抵抗素子１１である多層膜ＧＭＲ素子の膜構成を示す説明図、 図２に示す第１の抵抗素子１１である多層膜ＧＭＲ素子に、（ａ）磁場が印加されていない状態を示す説明図、（ｂ）飽和磁場強度未満の磁場が印加された状態を示す説明図、（ｃ）飽和磁場強度以上の磁場が印加された状態を示す説明図、 磁場の方向および強度の変化に対する、多層膜ＧＭＲ素子の抵抗変化を示すグラフ、 磁場の方向および強度の変化に対する、磁場強度検出部の第１の直列回路Ａの中点電圧の変化と、第２の直列回路Ｂの中点電圧の変化を示すグラフ、 磁場の方向および強度の変化に対する、第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）の変化を示すグラフ、 図１に示す磁場方向検出部に設けられたスピンバルブ型のＧＭＲ素子の磁場の方向と強度に対応した出力の変化を示すグラフ、 電流センサ１に使用されている磁気検出装置の出力電圧を示すグラフ、 本発明の第２の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ２の回路ブロック図、 電流センサ２に使用されている磁気検出装置を構成する第１の抵抗素子４１および第２の抵抗素子４２のＲ−Ｈ波形を示すグラフ、 電流センサ２に使用されている磁気検出装置の出力電圧を示すグラフ、 本発明の第３の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ３の回路ブロック図、 電流センサ３に使用されている磁気検出装置を構成する第１の抵抗素子５１および第２の抵抗素子５２のＲ−Ｈ波形を示すグラフ、 電流センサ３に使用されている磁気検出装置の出力電圧を示すグラフ、 本発明の第４の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ４の回路ブロック図、 本発明の第１〜第４の実施形態に係る磁気検出装置に使用される多層膜ＧＭＲ素子の膜構成の変形例を示す説明図、

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ１の回路ブロック図である。同図に示すように、電流センサ１に使用されている磁気検出装置は、磁場強度検出部１０、磁場方向検出部２０およびスイッチ部３０を備えている。

磁場強度検出部１０は、第１の抵抗素子１１Ａ，１１Ｂおよび第２の抵抗素子１２Ａ，１２Ｂを備えている。第１の抵抗素子１１Ａ，１１Ｂを区別しないときは第１の抵抗素子１１といい、第２の抵抗素子１２Ａ，１２Ｂを区別しないときは第２の抵抗素子１２という。以下、番号にＡ，Ｂを付して区別した部材を区別しない場合、適宜、Ａ，Ｂを省略して番号のみを記す。

第１の抵抗素子１１は多層膜ＧＭＲ素子であり、第２の抵抗素子１２は固定抵抗素子である。多層膜ＧＭＲ素子は、飽和磁場強度が大きく、大きな磁場を受けても特性が劣化しない特徴がある。このため、電流センサ１として、大電流を検知することが可能である。

磁場強度検出部１０は、多層膜ＧＭＲ素子である第１の抵抗素子１１Ａと、固定抵抗素子である第２の抵抗素子１２Ａとが直列に接続されて第１の直列回路Ａが構成され、固定抵抗素子である第２の抵抗素子１２Ｂと、多層膜ＧＭＲ素子である第１の抵抗素子１１Ｂとが直列に接続されて第２の直列回路Ｂが構成されている。並列に接続された第１の直列回路Ａおよび第２の直列回路Ｂの第１端１３が第１の電位源（Ｖｄｄ）に接続され、第２端１４が第２の電位源（ＧＮＤ）に接続されている。そして、第１の直列回路Ａの中点であるセンサ出力端１５Ａと、第２の直列回路Ｂの中点であるセンサ出力端１５Ｂとが差動増幅器１６Ａ，１６Ｂに接続されている。差動増幅器１６Ａはセンサ出力端１５Ａ−センサ出力端１５Ｂの第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）をスイッチ部３０に出力し、差動増幅器１６Ｂはセンサ出力端１５Ｂ−センサ出力端１５Ａの第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）をスイッチ部３０に出力する。

図２に、第１の抵抗素子１１を構成する多層膜ＧＭＲ素子の膜構成の一例が示されている。
多層膜ＧＭＲ素子は、下地層１１１と保護層１１５との間に、強磁性層１１２と非磁性材料層１１３とが交互に重ねられた多層構造層１１４を有している。多層構造層１１４では、強磁性層１１２が非磁性材料層１１３を介したＲＫＫＹ層間相互作用により反強磁性結合をしている。したがって、非磁性材料層１１３に隣接する強磁性層１１２は、図中に矢印で示したように、磁化方向が反対向きになっている。これらの層は例えばスパッタ工程で成膜される。

多層構造層１１４に対し、強磁性層１１２の磁化の向きに沿う方向の外部磁場が加えられると、全ての強磁性層１１２の磁化が外部磁場の向きに揃えられようとする。このときの、非磁性材料層１１３を挟んで対向する対を成す強磁性層１１２の磁化ベクトルの相対する向きに応じて、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）により、多層膜ＧＭＲ素子の抵抗値が変化する。

多層構造層１１４は、強磁性層１１２の磁化が反平行に向けられている。そのため、外部磁場Ｈの向きが、強磁性層１１２の磁化の向きに沿う一方（正方向）に変化するときと、他方（負方向）に変化するときとで、抵抗値の変化が対称に現れる。すなわち、外部磁場の強度変化に対する、抵抗値の変化は、偶関数で現れる。多層構造層１１４の層の数や各層の厚さは、必要とされる飽和磁場強度（磁化状態が変化しなくなる磁場強度）に応じて設定される。

多層膜ＧＭＲ素子の下地層１１１は、ＮｉＦｅＣｒ合金（ニッケル，鉄，クロム合金）あるいはＣｒなどで形成されている。強磁性層１１２は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉおよびこれらの合金からなる群のうち、一または複数を主成分とする合金で形成される。強磁性層１１２がＦｅＣｏ合金（鉄，コバルト合金）で形成される場合、Ｆｅの含有割合を高くすることにより、保磁力が高くなる。

非磁性材料層１１３は、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）またはＲｕ（ルテニウム）、などである。対を成す強磁性層１１２間でＲＫＫＹ層間相互作用を生じさせるために、非磁性材料層１１３の膜厚は、Ｃｕ（銅）の場合、７〜１３Åまたは１６〜２４Åであることが好ましく、Ｃｒ（クロム）の場合、７〜１３Åまたは１９〜２７Åであることが好ましく、Ｒｕ（ルテニウム）の場合、３〜５Åまたは８〜１０Åであることが好ましい。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図２に示した第１の抵抗素子１１である多層膜ＧＭＲ素子に印加される外部磁場Ｈの向きと強度が変化したときの、多層構造層１１４の磁化方向の変化状態を示している。多層構造層１１４に影響を与える外部磁場強度がゼロ（ゼロ磁場）のとき、図３（ａ）に示すように、反強磁性結合されている各強磁性層１１２の磁化ベクトルは互い違いであるが絶対値は同じである。このとき、抵抗値は極大値となる。図３（ｂ）に示すように、強磁性層１１２の磁化の方向である図示右方向に、飽和磁場よりも弱い外部磁場Ｈが作用しているときは、強磁性層１１２の磁化は図示右方向で支配的であるため、抵抗値がやや低くなる。図３（ｃ）に示すように、飽和磁場よりも大きい外部磁場Ｈが図示右方向に作用すると、互いに逆向きであった強磁性層１１２の磁化方向が外部磁場Ｈと同じ右向きに揃えられる。このとき抵抗値が極小値となる。

外部磁場Ｈが図示左方向に作用しているときも、各強磁性層１１２の外部磁場の変化と抵抗値の変化は、磁化が変化する方向以外、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と同様である。

図４に示すグラフでは、横軸に、強磁性層１１２の磁化の向きに沿う方向での外部磁場Ｈの向きと大きさの変化を示し、縦軸に、多層膜ＧＭＲ素子の抵抗値の変化を示している。図４の４箇所に示す矢印は、外部磁場Ｈの変化に応じた、複数の強磁性層１１２の磁化の変化を示している。多層膜ＧＭＲ素子の抵抗値は、磁場強度がゼロで極大となり、いずれかの方向の磁場強度の成分（外部磁場Ｈ）が増加するに伴って抵抗値が減少し、いずれかの方向に向く外部磁場Ｈの大きさが、飽和磁場強度以上になると、抵抗値が変化しなくなり、抵抗値が極小になる。すなわち、相反する２つの方向での外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化は偶関数となる。

多層膜ＧＭＲ素子は、磁場強度の大きさによって抵抗が変化し、測定可能範囲における抵抗変化率（Ｒ／Ｒ_０）が高く、さらに飽和磁場強度が大きいという特徴を備えている。多層膜ＧＭＲ素子の飽和磁場強度は、例えば１００ｍＴ以上である。

図５には、図１に示す直列回路Ａにおけるセンサ出力端１５Ａの電位（ＶｏｕｔＡ）の変化と、直列回路Ｂにおけるセンサ出力端１５Ｂの電位（ＶｏｕｔＢ）の変化が示されている。センサ出力端１５Ａの電位変化とセンサ出力端１５Ｂの電位変化は逆極性になる。作動増幅器１６Ｂから出力される第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）は、外部磁場の変化に対して図６に示す波形で現れ、差動増幅器１６Ａから出力される第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）は、外部磁場の変化に対して図６と上下対称の波形で現れる。なお、図６の縦軸の電圧値は、図５に示す縦軸の電圧値よりも縮尺されたレンジで示されている。図８に、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）の変化が実線で示され、第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）の変化が１点鎖線で示されている。

磁場強度検出部１０の第１の抵抗素子１１Ａ，１１Ｂとして使用されている多層膜ＧＭＲ素子は飽和磁化が大きいため、強磁場の範囲内で抵抗変化を示すことができる。よって、図８に示すように、例えば±５００ｍＴ程度の強磁場において、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）および第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）は、出力変化を示すことができ、ダイナミックレンジを広く確保できる。

ただし、図８において実線で示すように、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）は外部磁場Ｈの方向の変化に対して偶関数で変化し、図８において１点鎖線で示すように、第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）は外部磁場Ｈの方向の変化に対して偶関数で変化し、それぞれ外部磁場Ｈの向きの変化を識別することができない。そこで、電流センサ１では、第１の差動出力電圧と第２の差動出力電圧とがスイッチ部３０に出力され、磁場方向検出部２０により検出された磁場方向の識別に基づいて、スイッチ部３０で第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）と第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）のいずれかを切り替えて出力している。

磁場方向検出部２０は、電流センサ１における被測定電流線５に起因する磁場方向によって極性が変化する検知電圧をスイッチ部３０に出力する。図１に示す磁場方向検出部２０は、第３の抵抗素子２１Ａ，２１Ｂおよび第４の抵抗素子２２Ａ，２２Ｂを備えたフルブリッジ構成である。なお、磁場方向検出部２０は磁場方向を検出可能であればよいから、ハーフブリッジ構成の回路としてもよい。

第３の抵抗素子２１は、磁場方向に応じて出力が変化する素子であるスピンバルブ型のＧＭＲ素子である。スピンバルブ型のＧＭＲ素子は、磁化の向きが固定された固定磁性層と、外部磁化に応じて磁化の向きが変化する自由磁性層とが、非磁性層を挟んで積層されている。第４の抵抗素子２２は、第３の抵抗素子２１とは固定磁性層の固定磁化の向きが逆向きのスピンバルブ型のＧＭＲ素子あるいは、固定抵抗である。図１に示す磁場方向検出部２０では、第３の抵抗素子２１Ａと第４の抵抗素子２２Ａとの中点電位と、第４の抵抗素子２２Ｂと第３の抵抗素子２１Ｂとの中点電位との差がコンパレータ２３の出力として得られる。磁場方向検出部２０のコンパレータ２３は、差動出力電圧と閾値とを比較して、磁場方向を検知してスイッチ部３０に出力する。ノイズの影響などによって閾値付近における磁場方向の検知結果が頻繁に変わることを防止するために、コンパレータ２３はヒステリシスが設定されたものが好ましい。

図７には、スピンバルブ型のＧＭＲ素子を使用した磁場方向検出部２０のコンパレータ２３からの検知出力が示されている。第３の抵抗素子２１を構成するスピンバルブ型のＧＭＲ素子の固定磁性層の固定磁化の向きを、測定しようとする外部磁界と平行にまたは反平行に向けておくことにより、磁界の向きの変化によって異なる極性の検知出力が得られる。なお、第３の抵抗素子２１は、磁界の向きに応じて極性が異なる出力が得られる素子であるならば、スピンバルブ型のＧＭＲ素子に限られず、ＡＭＲ（Anisotropic-Magneto-Resistive）素子や、ホール素子などを使用することもできる。ＡＭＲ素子やホール素子でブリッジ回路を構成することも可能である。

図１に示すスイッチ部３０は、磁場方向検出部２０からの検知出力の極性の変化に応じて、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）と第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）とを切り替える。その結果、図１に示す磁気検出装置の検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、図８に示す太い１点鎖線と、太い実線とが連続したものとなる。すなわち、単一の検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）として、外部磁界の変化、例えば電流センサ１における被測定電流線５の向きの変化に応じた測定磁場の向きの変化によって極性が相違した出力を得ることができる。

＜第２の実施形態＞
図９は本発明の実施形態に係る磁気検出装置を使用した電流センサ２の回路ブロック図である。本実施形態以降の実施形態では、既に説明した部材に同じ番号を付して詳しい説明を省略する。図９に示すように、電流センサ２に使用されている磁気検出装置は、磁場強度検出部１０に代えて磁場強度検出部４０を備えている点において、第１の実施形態において説明した電流センサ１と相違している。

図９に示す磁場強度検出部４０における、第１の抵抗素子４１Ａ，４１Ｂと第２の抵抗素子４２Ａ，４２Ｂは、膜構成と寸法が全て同じ多層膜ＧＭＲ素子あり、図４に示す抵抗変化の特性を示す。

電流センサ２に設けられている磁気検出装置では、第１の抵抗素子４１Ａ，４１Ｂから磁場発生源である被測定電流線５までの距離ｄ１と、第２の抵抗素子４２Ａ，４２Ｂから磁場発生源である被測定電流線５までの距離ｄ２とを異ならせている。被測定電流線５を流れる電流によって、第１の抵抗素子４１に誘導される磁場の強度と、第２の抵抗素子４２に誘導される磁場の強度とが相違し、第１の抵抗素子４１に作用する磁場が、第２の抵抗素子４２に作用する磁場よりも強くなる。したがって、第１の抵抗素子４１の検出感度が、第２の抵抗素子４２の検出感度よりも実質的に高くなる。

磁場発生源である被測定電流線５までの距離を異ならせることで、被測定電流線５に流れる電流に対する、第１の抵抗素子４１の感度と、第２の抵抗素子４２の感度とを実質的に異ならせることができる。距離ｄ１と距離ｄ２の差は、ｄ１＜ｄ２＜５ｄ１ とすることが好ましく、１．５ｄ１＜ｄ２＜２．５ｄ１とすることがさらに好ましい。

図１０は、電流センサ１を構成する多層膜ＧＭＲ素子のＲ−Ｈ波形を示すグラフである。第１の抵抗素子４１は第２の抵抗素子４２よりも実質的に検出感度が高い。そのため、被測定電流線５に流れる電流量がプラス方向とマイナス方向に変化し、外部磁場Ｈが１つの方向に沿って互いに逆向きに変化するときの抵抗値の変化は、第１の抵抗素子４１（実線表示）が急峻であるのに対し、第２の抵抗素子４２（破線表示）で緩やかになる。

図１１に、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）が実線で示され、第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）が１点鎖線で示されている。図９に示すスイッチ部３０では、磁場方向検出部２０からの検知出力の極性の変化に応じて、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）と第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）とを切り替える。その結果、磁気検出装置の検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、図１１に示す太い１点鎖線と、太い実線とが連続したものとなる。すなわち、図１１に示す測定可能範囲において、単一の検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）として、外部磁界の変化、例えば電流センサ１における被測定電流線５の向きの変化に応じた測定磁場の向きの変化によって極性が相違した出力を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図１２は本発明の第３の実施形態に係る電流センサ３の回路ブロック図である。同図に示すように、電流センサ３に使用されている磁気検出装置は、磁場強度検出部１０に代えて磁場強度検出部５０を備えている点において、第１の実施形態において説明した電流センサ１と相違している。

図１２に示す磁場強度検出部５０における、第１の抵抗素子５１Ａ，５１Ｂと第２の抵抗素子５２Ａ，５２Ｂは、膜構成と寸法が全て同じ多層膜ＧＭＲ素子あり、図４に示す抵抗変化の特性を示す。ただし、第２の抵抗素子５２Ａ，５２Ｂと被測定電流線５との間に磁気シールド５３Ａ，５３Ｂが設けられ、第２の抵抗素子５２Ａ，５２Ｂの検出感度が、第１の抵抗素子５１Ａ，５１Ｂよりも低くなっている。

磁気シールド５３は、所定範囲内の磁場強度を減少させるものである。このため、磁気シールド５３を設けることにより、被測定電流線５から誘導される被測定磁場に対する検出感度が低くなる。したがって、第２の抵抗素子５２の検出感度は、第１の抵抗素子５１の検出感度よりも低くなる。図９に示す第２の実施の形態と比較すると、磁気シールド５３を用いることにより、電流センサ３を小型に構成できるようになる。

図１３は、電流センサ３を構成する磁気検出装置を構成する第１の抵抗素子５１および第２の抵抗素子５２のＲ−Ｈ波形を示すグラフである。図１３に示す実線は、被測定電流線５との間に磁気シールド５３を設けていない第１の抵抗素子５１の外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化を示し、破線は、被測定電流線５との間に磁気シールド５３を設けた第２の抵抗素子５２の外部磁場Ｈの変化に対する抵抗値の変化を示している。図１３における破線のグラフは、±４３０（ｍＴ）付近で抵抗値の変化が出なくなっているが、これは、磁気シールド５３が前記数値付近において磁気飽和となることを意味している。

図１４に、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）が実線で示され、第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）が１点鎖線で示されている。図１２に示すスイッチ部３０では、磁場方向検出部２０からの検知出力の極性の変化に応じて、第１の差動出力電圧（ＶｏｕｔＡ−ＶｏｕｔＢ）と第２の差動出力電圧（ＶｏｕｔＢ−ＶｏｕｔＡ）とを切り替える。その結果、磁気検出装置の検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、図１４に示す太い１点鎖線と、太い実線とが連続したものとなる。すなわち、図１４に示す測定可能範囲において、単一の検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）として、外部磁界の変化、例えば電流センサ１における被測定電流線５の向きの変化に応じた測定磁場の向きの変化によって極性が相違した出力を得ることができる。

本実施形態では、第２の抵抗素子５２のみに磁気シールド５３を設置しているが第１の抵抗素子５１と第２の抵抗素子５２とに、異なる磁気シールドを設置して、第１の抵抗素子５１と第２の抵抗素子５２の感度を相違させてもよい。

＜第４の実施形態＞
図１５は本発明の第４の実施形態に係る電流センサ４に使用されている磁気検出装置の回路ブロック図である。同図に示すように、電流センサ４に使用されている磁気検出装置は、磁場強度検出部１０に代えて磁場強度検出部６０を備えている点において、第１の実施形態において説明した電流センサ１と相違している。

図１５に示す磁場強度検出部６０の第１の抵抗素子６１Ａ，６１Ｂおよび第２の抵抗素子６２Ａ，６２Ｂは全て多層膜ＧＭＲ素子であり、同じ膜構成で同じ大きさである。ただし、第１の抵抗素子６１Ａ，６１Ｂと第２の抵抗素子６２Ａ，６２Ｂとでは、磁場発生源である被測定電流線５にからの磁場方向に対する設置の向きが相違している。

図２に示した第１の抵抗素子６１および第２の抵抗素子６２の多層膜ＧＭＲ素子は、Ｙ方向が各層の積層方向であり、各層の厚み方向でもある。Ｘ−Ｚ面が、各強磁性層１１２と非磁性材料層１１３の面と平行である。各層は、Ｘ−Ｚ面での面積が、図２に表れているＸ−Ｙ面での面積（断面積）よりも十分に大きい。

第１の抵抗素子６１は、Ｘ−Ｚ面と平行な各層の面が、被測定電流線５に図１３の紙面に垂直に手前から奥方向に電流が流れた場合に生じる磁場Ｈと平行となるように設置されている。これに対して、第２の抵抗素子６２は、Ｘ−Ｙ面と平行な各層の面が磁場Ｈと平行となるように設置されている。したがって、第２の抵抗素子６２では、外部磁場Ｈが変化したとき、強磁性層１１２（図２参照）の磁化が、膜厚方向（Ｙ方向）に向けて変化しようとするため、反磁場が作用し、素子の検出感度がきわめて低くなる。よって、第２の抵抗素子６２の検出感度を第１の抵抗素子６１と実質的に異ならせることができるから、図１５に示したブロック回路を構成することで、外部磁場Ｈの変化（検出電流の変化）を検知することが可能になる。

図１６は、上述した第１〜第４の実施形態に係る磁気検出装置が備える多層膜ＧＭＲ素子の膜構成の変形例を示す説明図である。同図に示すように、この多層膜ＧＭＲ素子７０は、強磁性層１１２のうち、最外層の強磁性層１１２に反強磁性層１１６が積層されている。なお、反強磁性層１１６は下地層１１１と最も下層の強磁性層１１２との間に設けられていてもよい。すなわち反強磁性層１１６は、多層構造層１１４の最外層に位置する強磁性層１１２の一方または双方に積層して設けられる。

反強磁性層１１６は、ｘ−Ｍｎ合金（ｘ，マンガン合金、ｘ＝Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｎｉ）、ｘ−Ｃｒ合金（ｘ，クロム合金、ｘ＝Ａｌ，Ｐｔ，Ｍｎ）およびｘ−Ｏ（ｘの酸化物、ｘ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）などを用いることができる。これらの中では、ＰｔＭｎ合金（白金，マンガン合金）およびＩｒＭｎ合金（イリジウム，マンガン合金）が好ましい。

本実施形態では、ＰｔＭｎ合金からなる反強磁性層１１６をアニール処理して規則化し、強磁性層１１２との間（界面）で交換結合を生じさせる。この交換結合によって、強磁性層１１２の強磁場耐性を向上させる。

（実施例１）
以下の膜構成を備えた磁気検出装置の抵抗素子（図２参照）を製造した。（）内の数値は膜厚（Å）を示す。
基板／下地層１１１：ＮｉＦｅ−３６Ｃｒ（４２）／多層構造層１１４：［強磁性層１１２：９０ＣｏＦｅ（２０）／非磁性材料層１１３：Ｃｕ（１１）］×１５／保護層１１５：Ｔａ（５０）
Ｒｓ＝４．６Ω／□、ストライプ線長＝１５０μｍ、ストライプ幅＝０．８μｍ、ストライプ本数＝１３本、Ｒ_０＝１１２１３Ω

すなわち、多層膜ＧＭＲ素子は、図２に示すＸ方向がストライプの線長方向に向けられ、Ｚ方向の寸法がストライプ幅方向に向けられて線状に形成されている。第１の抵抗素子１１における多層膜ＧＭＲ素子は、Ｘ方向がストライプの線長方向となって、Ｘ−Ｚ面内において、ジグザグにいわゆるミアンダパターンで形成されている。ストライプ本数とは、ミアンダパターンでの素子のストライプの本数である。Ｒ_０はミアンダパターン全体での抵抗値である。

１，２，３，４ 電流センサ
５ 被測定電流線
１０，４０，５０，６０ 磁場強度検出部
１１Ａ，１１Ｂ，４１Ａ，４１Ｂ，５１Ａ，５１Ｂ，６１Ａ，６１Ｂ 第１の抵抗素子（多層膜ＧＭＲ素子）
１２Ａ，１２Ｂ 第２の抵抗素子（固定抵抗素子）
４２Ａ，４２Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，６２Ａ，６２Ｂ 第２の抵抗素子（多層膜ＧＭＲ素子）
１３ 第１端
１４ 第２端
１５Ａ，１５Ｂ，センサ出力端
１６Ａ，１６Ｂ 差動増幅器
２０ 磁場方向検出部
２１Ａ，２１Ｂ 第３の抵抗素子
２２Ａ，２２Ｂ 第４の抵抗素子
２３ コンパレータ
３０ スイッチ部
５３Ａ，５３Ｂ 磁気シールド
７０ 多層膜ＧＭＲ素子
１１１ 下地層
１１２ 強磁性層
１１３ 非磁性材料層
１１４ 多層構造層
１１５ 保護層
１１６ 反強磁性層
Ａ 第１の直列回路
Ｂ 第２の直列回路
Ｖｄｄ 第１の電位源
ＧＮＤ 第２の電位源
ｄ１，ｄ２ 距離
Ｈ 磁場

Claims (9)

1. 磁場強度検出部と、磁場方向検出部と、スイッチ部とを備えており、
   前記磁場強度検出部は、
   強磁性層と非磁性材料層とが交互に積層された多層膜ＧＭＲ素子である第１の抵抗素子と、同じ磁場発生源からの磁場に対する検出感度が前記第１の検出素子とは相違する多層膜ＧＭＲ素子または固定抵抗である第２の抵抗素子が直列に接続された第１の直列回路と、
   前記第２の抵抗素子と、前記第１の抵抗素子とが直列に接続された第２の直列回路とを有し、
   前記第１の直列回路と前記第２の直列回路とに同じ電圧が印加されて、
   前記第１の直列回路と前記第２の直列回路における、前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との中点出力間の第１の差動出力電圧と、前記第１の差動出力電圧の極性を反転させた第２の差動出力電圧とが、前記スイッチ部に出力され、
   前記磁場方向検出部では、
   磁場の向きに応じて極性が変化する検知出力が、前記スイッチ部に出力されており、
   前記スイッチ部では、前記磁場方向検出部からの検知出力の極性に応じて、前記第１の差動出力電圧と前記第２の差動出力電圧のいずれかを選択して検知出力電圧とすることを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記第２の抵抗素子は、前記第１の抵抗素子と同じ膜構成で同じ大きさの多層膜ＧＭＲ素子である請求項１に記載の磁気検出装置。
3. 前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子とは、同じ磁場発生源までの距離が相違する請求項２に記載の磁気検出装置。
4. 前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子とは、同じ磁場発生源との間における磁気シールドの設置が相違する請求項２に記載の磁気検出装置。
5. 前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子とは、同じ磁場発生源の磁場に対する設置方向が相違する請求項２に記載の磁気検出装置。
6. 前記第１の抵抗素子は、前記多層膜ＧＭＲ素子の膜面方向が磁場発生源の磁場と平行に設けられており、
   前記第２の抵抗素子は、前記多層膜ＧＭＲ素子の膜厚方向が磁場発生源の磁場と平行に設けられている請求項３に記載の磁気検出装置。
7. それぞれの前記多層膜ＧＭＲ素子は、最外層に位置している一方の強磁性層または両方の強磁性層に反強磁性層が接して設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気検出装置。
8. 前記磁場方向検出部は、スピンバルブ型のＧＭＲ素子を有するブリッジ回路を含む請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気検出装置。
9. 前記磁場方向検出部は、ホール素子を有するブリッジ回路を含む請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気検出装置。

Images