JP2019105570A - 磁気センサおよび電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度が変動しても測定精度が低下しにくい磁気センサを提供する。【解決手段】磁歪定数が正である第１磁性体を有し、平面視で矩形の第１磁気シールド１５と、平面視で第１磁気シールド１５に重なるように配置され、矩形の短軸方向に沿った方向Ｐの感度軸を有する第１磁気検知素子とを備える第１測定ユニットＵ１と、磁歪定数が負である第２磁性体を有し、平面視で矩形の第２磁気シールド１５１と、平面視で第２磁気シールド１５１に重なるように配置され、矩形の短軸方向に沿った方向Ｐの感度軸を有する第２磁気検知素子とを備える第２測定ユニットＵ２と、環境温度に基づいて、第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２のいずれかを用いるかを選択する切り替え部ＳＷを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサおよび当該磁気センサを備えた電流センサに関する。

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や、柱状トランスなどインフラ関連の分野では、比較的大きな電流が取り扱われるため、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は、被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気センサを用いたものが知られている。磁気センサ用の磁気検知素子として、例えば、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子などの磁気抵抗効果素子が挙げられる。

磁気抵抗効果素子は、検出感度が高いものの、線形性高く検出可能な磁界強度範囲が比較的狭いという特徴がある。このため、特許文献１の図３に示される電流センサのように、被測定電流と磁気抵抗効果素子との間に磁気シールドを配置して、磁気抵抗効果素子に実質的に印加される誘導磁界の強度を小さくして、被測定磁界の大きさを良好な検出特性を有する磁界強度の範囲内とする方法が用いられる場合がある。

国際公開第２０１１／１１１４９３号

このように磁気シールドを用いることによって、磁気抵抗効果素子などの磁気検知素子に実質的に印加される磁界の強度を低減させて、磁界強度の測定範囲を拡げることが実現されている。このような磁気シールドは、一般的に、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の軟磁性材料をめっき、スパッタ成膜などで形成してなるシールド膜を備える。

ここで、例えば強い外部磁場が印加されたことにより、この磁気シールド自体が磁気ヒステリシスを持つと、磁気センサの出力もヒステリシスを有することになってしまう。ゼロ磁場でのヒステリシス（ゼロ磁場ヒステリシスＺＨ）は磁気センサのオフセットをもたらすため、磁気シールドの磁気ヒステリシスによって磁気センサの検出精度が劣化してしまう。磁気シールドの磁気ヒステリシスを小さくするためには、シールド膜を厚くするか、磁気シールド形状のアスペクト比を大きくして、形状異方性を十分に付与することが有効である。

また、シールド膜を構成する材料がＦｅ−Ｎｉ合金(パーマロイ)からなる場合には、磁歪がゼロになる組成(Ｆｅ含有量が１９．８質量％)付近とすると、ヒステリシスが最小、かつ透磁率(μ)が最大となり、磁気シールドの磁場減衰効果がより高まる。したがって磁気センサのダイナミックレンジをより拡げることが可能となり好ましい。

しかし、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなるシールド膜を電気めっきで形成する場合には、シールド膜の組成制御が非常に難しい。このため、ゼロ磁歪組成を有するシールド膜をピンポイントで実現することは極めて難しく、シールド膜の磁歪が正負のいずれかにずれてしまいやすい。このようなシールド膜を備える磁気シールドに応力が生じ、シールド膜において磁気弾性異方性に基づく磁化が磁気検知素子の感度軸方向に沿った方向に生じると、この磁化は外部磁場が印加されていない状態でも存在するため、磁気シールドの残留磁化となる。この残留磁化に基づく還流磁界が感度軸方向に沿って磁気検知素子に印加されると、磁気センサのヒステリシスを増大させ、測定精度の低下をもたらす。上記の磁気シールドに応力が発生する原因の一例として、磁気センサの環境温度が変化したときに、磁気シールドとその周囲に位置する部材（絶縁部材）との間の熱膨張率の差などに起因して、絶縁部材から磁気シールドに圧縮力や引張力が付与されることが挙げられる。すなわち、磁気センサの環境温度の変化は、磁気シールドに残留磁化を生じさせて、磁気センサの測定精度の低下をもたらしうる。

本発明は、環境温度が変動しても測定精度が低下しにくい磁気センサおよびかかる磁気センサを備える電流センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために提供される本発明は、一態様において、磁歪定数が正である第１磁性体を有し、短軸方向と長軸方向とを有する第１磁気シールドと、平面視で前記第１磁気シールドに重なるように配置され、前記短軸方向に沿った方向の感度軸を有する第１磁気検知素子とを備える第１測定ユニットと、磁歪定数が負である第２磁性体を有し、短軸方向と長軸方向とを有する第２磁気シールドと、平面視で前記第２磁気シールドに重なるように配置され、前記短軸方向に沿った方向の感度軸を有する第２磁気検知素子とを備える第２測定ユニットと、環境温度に基づいて、前記第１測定ユニットおよび前記第２測定ユニットのいずれを用いるかを選択する切り替え部と、を備えることを特徴とする磁気センサである。

上記のように、ゼロ磁歪を呈する組成を有するシールド膜を備える磁気シールドを安定的に形成することは容易でないが、シールド膜の磁歪定数が正または負となるように組成を制御することは比較的容易である。そこで、正の磁歪定数を有するシールド膜（第１磁性体）を備える磁気シールドを有する第１測定ユニット（磁気シールド＋磁気検知素子）と、負の磁歪定数を有するシールド膜（第２磁性体）を備える磁気シールドを有する第２測定ユニットとを用意し、これらを環境温度に応じて使い分ける切り替え部を設けることにより、環境温度の変動の影響を受けにくい磁気センサが得られる。切り替え部は、いずれの測定ユニットを動作させるか否かを切り替え対象としてもよいし、いずれの測定ユニットからの出力を磁気センサの出力とするか否かを切り替え対象としてもよい。

上記の磁気センサにおいて、前記切り替え部は、前記環境温度が０℃以上８０℃以下の間で切り替えを行ってもよい。この場合には、前記環境温度が０℃以下では前記第１測定ユニットの出力を前記磁気センサからの出力とし、前記環境温度が８０℃以上では前記第２測定ユニットの出力を前記磁気センサからの出力とすればよい。

上記の磁気センサにおいて、前記第１磁性体の磁歪定数は０超２×１０^−６以下であって、前記第２磁性体の磁歪定数は−２×１０^−６以上０未満であることが好ましい。このような構成は、前記第１磁性体について、Ｆｅ含有量が１９．８質量％超２２．０質量％以下のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものとし、前記第２磁性体について、Ｆｅ含有量が１８．０質量％以上１９．８質量％未満のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものとすることにより、容易に実現されうる。これらの前記第１磁性体および前記第２磁性体は電気めっき膜からなるものであってもよい。

上記の磁気センサにおいて、前記第１磁気検知素子および前記第２磁気検知素子はいずれも、前記矩形の短軸方向に沿った方向の感度軸を有する複数の磁気抵抗効果素子から構成されていてもよい。

上記の磁気センサにおいて、磁気平衡用コイルをさらに備え、前記磁気平衡用コイルに流れる電流に基づき前記被測定磁界の強度を測定するものであってもよい。この場合において、前記磁気平衡用コイルはスパイラルコイルであって、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気シールドとの間に位置してもよい。

本発明は、他の一態様として、上記の磁気センサを備え、前記磁気センサは被測定電流の誘導磁界を前記被測定磁界とする電流センサを提供する。

本発明によれば、環境温度が変動しても測定精度が低下しにくい磁気センサが提供される。また、かかる磁気センサを用いてなる電流センサも提供される。

本発明の一実施形態に係る磁気センサの構造を概念的に示す平面図である。 （ａ）図１のＶ１−Ｖ１線による断面図、（ｂ）図１のＶ２−Ｖ２線による断面図である。 低温の場合および高温の場合に第１磁性体および第２磁性体に生じる磁気弾性異方性に基づく磁化の方向を説明する図である。 本発明の他の一実施形態に係る磁気センサの構造を概念的に示す平面図である。 （ａ）図４のＶ３−Ｖ３線による断面図、（ｂ）図４のＶ４−Ｖ４線による断面図である。 環境温度（測定温度）と、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨとの関係を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの構造を概念的に示す平面図である。図２（ａ）は図１のＶ１−Ｖ１線での断面図である。図２（ｂ）は図１のＶ２−Ｖ２線での断面図である。

本発明の一実施形態に係る磁気センサ１は、図１および図２に示されるように、４つの磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）からなる第１磁気検知素子および第１磁気シールド１５を備える第１測定ユニットＵ１と、４つの磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）からなる第２磁気検知素子および第２磁気シールド１５１を備える第２測定ユニットＵ２とを備える。第１測定ユニットＵ１において、第１磁気シールド１５は第１磁気検知素子に印加される被測定磁界（一例として電流線を流れる被測定電流Ｉｏの誘導磁界である）の強度を減衰させることができる。第２測定ユニットＵ２において、第２磁気シールド１５１は第２磁気検知素子に印加される被測定磁界（一例として電流線を流れる被測定電流Ｉｏの誘導磁界である）の強度を減衰させることができる。

第１測定ユニットＵ１の第１磁気検知素子が有する４つの磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）のそれぞれは、ミアンダ形状（Ｘ１−Ｘ２方向に延在する複数の長尺パターンが折り返すようにつながって構成される形状）を有する巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を備える。各磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）の感度軸方向Ｐは図１において矢印にて表され、磁気抵抗効果素子１１および磁気抵抗効果素子１４の感度軸方向ＰはＹ１−Ｙ２方向Ｙ２側を向き、磁気抵抗効果素子１２および磁気抵抗効果素子１３の感度軸方向ＰはＹ１−Ｙ２方向Ｙ１側を向くように設定されている。

入力端子５ａに接続される配線５は磁気抵抗効果素子１１の一端に接続され、磁気抵抗効果素子１１の他端と磁気抵抗効果素子１２の一端とが直列に接続されて、磁気抵抗効果素子１２の他端が配線６を介してグランド端子６ａに接続される。入力端子５ａに接続される配線５は途中で分岐して磁気抵抗効果素子１３の一端にも接続され、磁気抵抗効果素子１３の他端と磁気抵抗効果素子１４の一端とが直列に接続されて、磁気抵抗効果素子１４の他端が配線６を介してグランド端子６ａに接続される。第１の中点電位測定用端子７ａは磁気抵抗効果素子１１の他端と磁気抵抗効果素子１２の一端との間に配線７により接続され、第２の中点電位測定用端子８ａは磁気抵抗効果素子１３の他端と磁気抵抗効果素子１４の一端との間に配線８により接続される。このようにして構成されるブリッジ回路において、第１の中点電位測定用端子７ａの電位と第２の中点電位測定用端子８ａの電位とを対比することにより、電流線を流れる被測定電流Ｉｏの誘導磁界（被測定磁界）の強度および向きを測定することができる。

図２は、磁気抵抗効果素子１１のミアンダ形状を構成する複数の長尺パターンの長軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に沿った方向を法線とする面で磁気センサ１を切断して得られる断面図である。この断面内方向の１つであるＹ１−Ｙ２方向が磁気抵抗効果素子１１の感度軸方向Ｐ（Ｙ１−Ｙ２方向Ｙ２側の向き）である。磁気抵抗効果素子１１は、基板２９上に形成され、絶縁材料（アルミナ、窒化ケイ素などが具体例として挙げられる。）からなる絶縁層ＩＭによって覆われている。

第２測定ユニットＵ２の第２磁気検知素子が有する４つの磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）のそれぞれは、第１測定ユニットＵ１の第１磁気検知素子の各磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）と構造が共通するため、説明を省略する。また、第２磁気検知素子の磁気抵抗効果素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）が作るブリッジ回路も第１測定ユニットＵ１のブリッジ回路と共通する。入力端子５１ａは入力端子５ａに対応し、配線５１は配線５に対応する。グランド端子６１ａはグランド端子６ａに対応し、配線６１は配線６に対応する。第１の中点電位測定用端子７１ａは第１の中点電位測定用端子７ａに対応し、配線７１は配線７に対応する。第２の中点電位測定用端子８１ａは第２の中点電位測定用端子８ａに対応し、配線８１は配線８に対応する。

第２測定ユニットＵ２の第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）の配置は、第１測定ユニットＵ１の第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）の配置をＺ１−Ｚ２方向に沿った回転軸周りに１８０度回転させた構成を有する。そして、この配置に対応して、配線６１、配線７１および配線８１ならびにグランド端子６１ａ、第１の中点電位測定用端子７１ａおよび第２の中点電位測定用端子８１ａが配置されている。したがって、第１磁気シールド１５が与える影響および第２磁気シールド１５１が与える影響を除けば、第１測定ユニットＵ１と第２測定ユニットＵ２とは等しい測定結果が得られるように構成されている。

第１測定ユニットＵ１の入力端子５ａは第１接続線ＣＷによって、第２測定ユニットＵ２の入力端子５１ａは第２接続線ＣＷ１によって、切り替え部ＳＷに接続される。切り替え部ＳＷでは、切り替え配線ＳＣが第１接続線ＣＷまたは第２接続線ＣＷ１に接続可能とされている。

切り替え部ＳＷにおいて切り替え配線ＳＣが第１接続線ＣＷと接続されている場合には、図２（ａ）に示されるように、第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）に配線５を介して駆動電圧が印加されて、第１測定ユニットＵ１が動作する。切り替え部ＳＷにおいて切り替え配線ＳＣが第２接続線ＣＷ１と接続されている場合には、図２（ｂ）に示されるように、第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）に配線５１を介して駆動電圧が印加されて、第２測定ユニットＵ２が動作する。

このような構成において、次に説明するように、第１磁気シールド１５と第２磁気シールド１５１との特性を相違させることにより、第１測定ユニットＵ１を環境温度が低くなってもゼロ磁場ヒステリシスＺＨが生じにくいものとし、第２測定ユニットＵ２を環境温度が高くなってもゼロ磁場ヒステリシスＺＨが生じにくいものとすることができる。

第１測定ユニットＵ１の第１磁気シールド１５は第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）に印加される被測定磁界の強度を減衰させるものである。第１磁気シールド１５は、図１に示されるように、平面視で（Ｚ１−Ｚ２方向からみて）、感度軸方向Ｐ（Ｙ１−Ｙ２方向）を短軸方向とし、この短軸方向に直交するＸ１−Ｘ２方向を長軸方向とする矩形を有する。図２（ａ）に示されるように、第１磁気シールド１５は、軟磁性材料からなる第１磁性体１５Ａと、タンタル（Ｔａ）などからなる酸化保護層ＰＬとの積層構造を有する。第１磁気シールド１５は、第１磁気検知素子（図２（ａ）では磁気抵抗効果素子１１が示されている。）の上（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）に第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１）から離間して配置される。第１磁気シールド１５と第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１）との離間距離は、これらの間に位置する絶縁層ＩＭの厚さによって調整される。

第２測定ユニットＵ２の第２磁気シールド１５１は第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）に印加される被測定磁界の強度を減衰させるものである。第２磁気シールド１５１は、第１磁気シールド１５と同様に、図１に示されるように、平面視で（Ｚ１−Ｚ２方向からみて）、感度軸方向Ｐ（Ｙ１−Ｙ２方向）を短軸方向とし、この短軸方向に直交するＸ１−Ｘ２方向を長軸方向とする矩形を有する。図２（ｂ）に示されるように、第２磁気シールド１５１は、軟磁性材料からなる第２磁性体１５Ｂと、タンタル（Ｔａ）などからなる酸化保護層ＰＬとの積層構造を有する。第２磁気シールド１５１は、第２磁気検知素子（図２（ｂ）では磁気抵抗効果素子１３１が示されている。）の上（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）に第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１３１）から離間して配置される。第２磁気シールド１５１と第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１３１）との離間距離は、これらの間に位置する絶縁層ＩＭの厚さによって調整される。

上記の実施形態では、上記第１磁気シールド１５と第２磁気シールド１５１は、平面視で矩形であるが、これに限定されない。第１磁気シールド１５は、第１磁気抵抗効果素子の感度軸方向Ｐに沿った短軸方向とこの短軸方向に交差する長軸方向を有する形状であればよい。第２磁気シールド１５１は、第２磁気抵抗効果素子の感度軸方向Ｐに沿った短軸方向とこの短軸方向に交差する長軸方向を有する形状であればよい。具体的な形状も、矩形に限らず長円形や楕円形のような形状でも良い。また、矩形の角部がテーパ形状であっても良いし、曲面（Ｒ）形状を有していても良い。

第１磁性体１５Ａおよび第２磁性体１５ＢはいずれもＦｅ−Ｎｉ合金からなり、電気めっきにより形成された電気めっき膜である。この電気めっきにおけるめっき液の組成を調整することにより、第１磁性体１５ＡをＦｅ含有量が１９．８質量％超２２．０質量％以下のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものとすることが容易に実現される。第１磁性体１５Ａがこのような組成を有することにより、第１磁性体１５Ａの磁歪定数は正の値となり、具体的には０超２×１０^−６以下である。同様に、めっき液の組成を調整することにより、第２磁性体１５ＢをＦｅ含有量が１８．０質量％以上１９．８質量％未満のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものとすることが容易に実現される。第２磁性体１５Ｂがこのような組成を有することにより、第２磁性体１５の磁歪定数は負の値となり、具体的には−２×１０^−６以上０未満である。

図３は、低温の場合および高温の場合に第１磁性体および第２磁性体に生じる磁気弾性異方性に基づく磁化の方向を説明する図である。磁気センサ１の環境温度が高い場合（図３（ｂ））には、第１磁気シールド１５と、その周囲に位置する絶縁層ＩＭとの熱膨張率の差に基づいて、第１磁気シールド１５に対して第１磁気シールド１５全体を圧縮する外力Ｆが付与される。このとき、第１磁気シールド１５の矩形の長軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）により大きな力が付与されるため、矩形の短軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向側）に引張応力σが生じる。その結果、正の磁歪定数を有する第１磁性体１５Ａを備える第１磁気シールド１５には、磁気弾性異方性に基づく磁化が矩形の短軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に生じる。磁気弾性異方性に関する磁気異方性定数ｋｕは、次の式で表される。
ｋｕ＝−３λｓ・σ／２
ここで、λｓは飽和磁歪であり、σは内部応力（正が引張、負が圧縮）である。

この磁気弾性異方性に基づく磁化は、外部磁場が印加されていなくても生じるため、第１磁気シールド１５のＹ１−Ｙ２方向の残留磁化となる。この残留磁化の方向は第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）の感度軸方向Ｐに沿っているため、残留磁化の還流磁界ＲＭ（図２（ａ）参照）が第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）に印加され、第１測定ユニットＵ１のゼロ磁場ヒステリシスＺＨを増大させる。

一方、環境温度が低い場合（図３（ａ））には第１磁気シールド１５全体を引っ張る外力Ｆが付与されるため、矩形の長軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に優先的に引張応力σが生じ、この方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に磁気弾性異方性に基づく磁化が生じる。このＸ１−Ｘ２方向の磁化は第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）の感度軸方向Ｐに直交するため、第１磁気シールド１５の残留磁化の還流磁界が第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）に印加されても第１測定ユニットＵ１のゼロ磁場ヒステリシスＺＨを増大させない。したがって、第１磁気シールド１５を備える第１測定ユニットＵ１は、環境温度が低い場合に用いられることが、磁気センサ１のゼロ磁場ヒステリシスＺＨを低減させる観点から好ましい。

これに対し、負の磁歪定数を有する第２磁性体１５Ｂを有する第２磁気シールド１５１を備える第２測定ユニットＵ２は、環境温度が高い場合（図３（ｄ））に用いられることが好ましい。負の磁歪定数を有する第２磁性体１５Ｂは圧縮応力σを受けたときにその方向に磁気弾性異方性に基づく磁化が生じる。環境温度が高温となって、第２磁気シールド１５１全体に対してその周囲に位置する絶縁層ＩＭから圧縮する外力Ｆが付与されると、相対的に圧縮の程度が大きい矩形の長軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に顕著に圧縮応力σが生じる。このため、第２磁性体１５Ｂを備える第２磁気シールド１５１では、磁気弾性異方性に基づく残留磁化が矩形の長軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に生じる。この磁化方向は感度軸方向Ｐに直交するため、第２磁気シールド１５１の残留磁化に基づく還流磁界が第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）に印加されても、第２測定ユニットＵ２のゼロ磁場ヒステリシスＺＨは増大しない。

一方、環境温度が低い場合（図３（ｃ））には、第２磁気シールド１５１全体が絶縁層ＩＭによって引っ張られるため、相対的に強度が高い矩形の長軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）の引張力Ｆが矩形の短軸方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に対して圧縮応力σをもたらす。このため、第２磁気シールド１５１では、磁気弾性異方性に基づく残留磁化が感度軸方向Ｐに沿った方向（Ｙ１−Ｙ２方向）に生じる。この残留磁化に基づく還流磁界が第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）に印加されると、第２測定ユニットＵ２のゼロ磁場ヒステリシスＺＨを増大させる。したがって、環境温度が低い場合には第１測定ユニットＵ１を用いること（図３（ａ））が好ましく、環境温度が高い場合には第２測定ユニットＵ２用いること（図３（ｄ））が好ましい。

切り替え部ＳＷは、環境温度が０℃以上８０℃以下の間で切り替えを行うことが好ましい。具体的には、環境温度が０℃以下では第１測定ユニットＵ１の出力を磁気センサ１からの出力とし、環境温度が８０℃以上では第２測定ユニットＵ２の出力を磁気センサ１からの出力とすればよい。上記の切り替え温度域（０℃以上８０℃以下）は、第１磁性体１５Ａの組成および第２磁性体１５Ｂの組成に基づき設定されるべきものであって、１０℃以上５０℃以下とすることが好ましい場合があり、１５℃以上４０℃以下とすることがより好ましい場合がある。

図４は、本発明の他の一実施形態に係る磁気センサの構造を概念的に示す平面図である。図５（ａ）は図４のＶ３−Ｖ３断面図であり、第１測定ユニットＵ１が示されている。図５（ｂ）は図４のＶ４−Ｖ４断面図であり、第２測定ユニットＵ２が示されている。図４および図５に示される磁気センサ１Ａは、図１に示される磁気センサ１と同様に第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２を備え、さらに第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）と第１磁気シールド１５との間、および第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）と第２磁気シールド１５１との間にスパイラル形状を有する磁気平衡用コイル（スパイラルコイル）１６を備える。図４では、磁気平衡用コイル１６の外形が太い破線にて示されている。この破線で示される領域のＸ−Ｙ平面内を周回するように磁気平衡用コイル１６のコイル配線が配置される。図５では、磁気平衡用コイル１６における周回する複数のコイル配線の断面がＹ１−Ｙ２方向に並んで示されている。磁気平衡用コイル１６は、第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４）と第１磁気シールド１５との間、および第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１）と第２磁気シールド１５１との間に位置するため、第１磁気シールド１５や第２磁気シールド１５１により減衰した状態で印加される外部磁場をキャンセルするような誘導磁界を比較的小電流により生じさせることが可能となる。このため、磁気平衡式の磁気センサを省電力で動作させることが可能である。

図４では、一例として、磁気平衡用コイル１６を流れるキャンセル電流Ｉｃが反時計回りに流れている。このため、第１磁気検知素子（図５（ａ）では磁気抵抗効果素子１１が示されている。）と第１磁気シールド１５との間において、Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ１向き（図５（ａ）では紙面奥から手前向き）にキャンセル電流Ｉｃは流れる。第２磁気検知素子（図５（ｂ）では磁気抵抗効果素子１１１が示されている。）と第２磁気シールド１５１との間において、Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２向き（図５（ａ）では紙面手前から奥向き）にキャンセル電流Ｉｃは流れる。それゆえ、キャンセル電流Ｉｃの誘導磁界は、第１磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１）と第２磁気検知素子（磁気抵抗効果素子１１１）とは反対向きに印加される。

そこで、磁気センサ１Ａでは、第２測定ユニットＵ２は第１測定ユニットＵ１をＸ１−Ｘ２方向に沿った線に関する線対称の構成を有する。具体的には、磁気センサ１Ａでは、第２測定ユニットＵ２の第２磁気検知素子を構成する磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１は、Ｘ１−Ｘ２方向Ｘ２側からＸ１側へと、磁気抵抗効果素子１１１、磁気抵抗効果素子１２１、磁気抵抗効果素子１４１、磁気抵抗効果素子１３１の順に並んでいる。そして、この配置に対応して、配線６１、配線７１および配線８１、ならびにグランド端子６１ａ、第１の中点電位測定用端子７１ａおよび第２の中点電位測定用端子８１ａが配置されている。

以上の実施形態では、第１磁気検知素子や第２磁気検知素子がＧＭＲ素子からなる場合を具体例としているが、これに限定されない。限定されない一例において、磁気抵抗効果素子は、異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）およびトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）からなる群から選ばれる１種以上の素子からなる。

なお、磁気センサ１が備える磁気抵抗効果素子１１から磁気抵抗効果素子１４および磁気抵抗効果素子１１１から磁気抵抗効果素子１４１を構成するそれぞれのＧＭＲ素子の固定層がセルフピン構造を有する場合には、固定層の磁化は磁場中成膜によって行うことができ、成膜後に磁場中の加熱処理が必要とされない。このため、同一基板上に固定層の磁化の向きが異なるＧＭＲ素子を配置でき、一基板上に２つのフルブリッジ回路を構成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサ１，１Ａは、電流センサとして好適に使用されうる。

本発明の一実施形態に係る電流センサの具体例として、磁気比例式電流センサおよび磁気平衡式電流センサが挙げられる。

磁気比例式電流センサの具体例は、図１および図２に示される磁気センサ１を用いる場合であり、かかる電流センサでは、図２の上方（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）において、被測定電流Ｉｏが流れる電流線がＸ１−Ｘ２方向に延びるように位置する（図１参照）。前述のように、第１測定ユニットＵ１と第２測定ユニットＵ２とは、１８０度の回転対称の関係になるようにそれぞれの磁気検知素子が配置されている。したがって、第１測定ユニットＵ１からの出力信号（第１の中点電位測定用端子７ａおよび第２の中点電位測定用端子８ａからの信号）、または第２測定ユニットＵ２からの出力信号（第１の中点電位測定用端子７１ａおよび第２の中点電位測定用端子８１ａからの信号）によって、被測定電流Ｉｏの電流量および向きを測定することができる。

切り替え部ＳＷを適宜動作させて、環境温度が低下した（具体的には０℃未満）場合には第２測定ユニットＵ２に代えて第１測定ユニットＵ１を用いて測定し、環境温度が上昇した（具体的には８０℃以上）場合には第１測定ユニットＵ１に代えて第２測定ユニットＵ２を用いて測定することにより、環境温度が変化しても測定精度が低下しにくい電流センサとすることができる。０℃から８０℃の範囲では、第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２のいずれを用いてもよい。

磁気平衡式電流センサの具体例は、図４および図５に示される磁気センサ１Ａを用いる場合であり、かかる電流センサでは、図５の上方（Ｚ１−Ｚ２方向Ｚ１側）において、被測定電流Ｉｏが流れる電流線がＸ１−Ｘ２方向に延びるように位置する（図４参照）。このようにすることで、被測定磁界となる被測定電流Ｉｏの誘導磁界は、第１磁気検知素子や第２磁気検知素子に対して感度軸方向Ｐ（Ｙ１−Ｙ２方向）に沿った方向に印加される。被測定磁界の一部はより透磁率の高い磁気シールド（第１磁気シールド１５、第２磁気シールド１５１）を通るため、磁気検知素子（第１磁気検知素子、第２磁気検知素子）に実質的に印加される被測定磁界の強度を低減させることができる。それゆえ、磁気検知素子（第１磁気検知素子、第２磁気検知素子）に実質的に印加される被測定電流Ｉｏによる磁界をキャンセルするような誘導磁界を発生させるべく磁気平衡用コイル１６に流される電流量を少なくすることができ、電流センサの省電力化が実現される。

切り替え部ＳＷを適宜動作させて、環境温度が低下した（具体的には０℃未満）場合には第２測定ユニットＵ２に代えて第１測定ユニットＵ１を用いて測定し、環境温度が上昇した（具体的には８０℃以上）場合には第１測定ユニットＵ１に代えて第２測定ユニットＵ２を用いて測定することにより、環境温度が変化しても測定精度が低下しにくい電流センサとすることができる。０℃から８０℃の範囲では、第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２のいずれを用いてもよい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、上記の実施形態の説明では、切り替え部ＳＷは、第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２の一方に駆動電圧を供給することにより、第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２のいずれを用いるかを選択しているが、第１測定ユニットＵ１の出力信号および第２測定ユニットＵ２の出力信号のいずれを磁気センサ１、１Ａの出力とするかを選択することにより、第１測定ユニットＵ１および第２測定ユニットＵ２のいずれを用いるかを選択してもよい。

以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。

（実施例１）
図４および図５に示される構造と同様の構造を有する磁気平衡式の磁気センサ１Ａを複数個（５０個以上）作製した。磁気検知素子（第１磁気検知素子、第２磁気検知素子）を構成する磁気抵抗効果素子はいずれもＧＭＲ素子であった。磁気シールド（第１磁気シールド１５、第２磁気シールド１５１）は、平面形状が８００μｍ×２００μｍであってＦｅ−Ｎｉ合金からなり厚さ１６．５μｍの軟磁性層を電気めっきにより積層し、さらにＴａからなり厚さ１０ｎｍの酸化保護層をスパッタリングにより形成した。第１磁気シールド１５の第１磁性体１５ＡにおけるＦｅ含有量は２０．８質量％であって、磁歪定数は正であった。第２磁気シールド１５１の第２磁性体１５ＢにおけるＦｅ含有量は１８．８質量％であって、磁歪定数は負であった。磁気シールド（第１磁気シールド１５、第２磁気シールド１５１）とＧＭＲ素子との間の距離（Ｙ１−Ｙ２方向の距離）は９．０μｍであった。

（比較例１）
次の点で実施例１と相違する磁気平衡式の磁気センサ１Ａを複数個（５０個以上）作製した。
（相違点１）第１測定ユニットＵ１のみを有し第２測定ユニットＵ２を有しない。
（相違点２）第１磁気シールド１５の磁性体が、Ｆｅ含有量のねらい値が１８．８質量％（負磁歪）のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものである。

（比較例２）
第１磁気シールド１５の磁性体をＦｅ含有量のねらい値が２０．８質量％（正磁歪）のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものとしたこと以外は、比較例１と同様にして、複数個の磁気センサ１Ａを作製した。

（比較例３）
第１磁気シールド１５の磁性体をＦｅ含有量のねらい値が１９．８質量％（ゼロ磁歪）のＦｅ−Ｎｉ合金からなるものとしたこと以外は、比較例例１と同様にして、複数個の磁気センサ１Ａを作製した。

（測定例１）
環境温度（測定温度）を−４０℃に設定して、実施例１に係る磁気センサ１Ａについては切り替え部ＳＷの切り替え配線ＳＣを第１測定ユニットＵ１につながる第１接続線ＣＷと接続させて、実施例１および比較例１から比較例３に係る磁気センサ１Ａの測定を行った。磁気センサ１Ａのそれぞれについて、印加する外部磁場の最大強度（最大印加磁場）を±１８ｍＴとして外部磁場を変化させながらヒステリシスループを測定した。このヒステリシスループから、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨ（単位：％／ＦＳ）を測定した。ゼロ磁場ヒステリシスＺＨは、フルブリッジ出力曲線における出力の最大値（正の最大磁場を印加したときの値−負の最大磁場を印加したときの値）に対するゼロ磁場における出力の大きさ（正の最大磁場の印加から印加磁場ゼロまで変化させたときの値−負の最大磁場の印加から印加磁場ゼロまで変化させたときの値）の割合（単位：％）である。

（測定例２）
環境温度（測定温度）を２５℃に設定して、測定例１と同様にしてゼロ磁場ヒステリシスＺＨ（単位：％／ＦＳ）を測定した。本測定例において、実施例１に係る磁気センサ１Ａでは、第１測定ユニットＵ１の出力が磁気センサ１Ａの出力であった。

（測定例３）
環境温度（測定温度）を１２５℃に設定して、実施例１に係る磁気センサ１Ａについては切り替え部ＳＷの切り替え配線ＳＣを第２測定ユニットＵ２につながる第２接続線ＣＷ１と接続させて、実施例１および比較例１から比較例３に係る磁気センサ１Ａの測定を行って、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨ（単位：％／ＦＳ）を測定した。本測定例において、実施例１に係る磁気センサ１Ａでは、第２測定ユニットＵ２の出力が磁気センサ１Ａの出力であった。

各測定例について、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨの平均値およびばらつき（３σ）を表１および図６に示す。

表１および図６に示されるように、実施例１に係る磁気センサでは、ゼロ磁場ヒステリシスＺＨはいずれの測定温度においても絶対値が０．０１％／ＦＳ以下と小さかった。

負磁歪の磁気シールドのみを備える比較例１の磁気センサでは、低温（−４０℃）においてゼロ磁場ヒステリシスＺＨの絶対値が大きくなった。これは、負磁歪の磁気シールドに対して、感度軸方向Ｐに沿った矩形の短軸方向（Ｙ１−Ｙ２）方向に圧縮応力σが生じて、磁気弾性異方性に基づく磁化が磁気シールドに生じたことを意味している。

正磁歪の磁気シールドのみを備える比較例２の磁気センサでは、高温（１２５℃）においてゼロ磁場ヒステリシスＺＨの絶対値が大きくなった。これは、正磁歪の磁気シールドに対して、感度軸方向Ｐに沿った矩形の短軸方向（Ｙ１−Ｙ２）方向に引張応力σが生じて、磁気弾性異方性に基づく磁化が磁気シールドに生じたことを意味している。

ゼロ磁歪を狙って作製した磁気シールドを備える比較例３の磁気センサでは、実施例１の磁気センサに比べて、低温（−４０℃）のゼロ磁場ヒステリシスＺＨおよび高温（１２５℃）のゼロ磁場ヒステリシスＺＨのいずれについても、絶対値が大きくなった。しかも、ばらつきが大きくなった。

したがって、本発明に係る磁気センサは、測定精度が高く、しかも品質の安定性に優れることが確認された。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサは、柱状トランスなどのインフラ設備の電流センサの構成要素や、電気自動車、ハイブリッドカーなどの電流センサの構成要素として好適に使用されうる。

１，１Ａ 磁気センサ
Ｕ１ 第１測定ユニット
Ｕ２ 第２測定ユニット
１１，１２，１３，１４，１１１，１２１，１３１，１４１ 磁気抵抗効果素子（第１磁気検知素子、第２磁気検知素子）
５，６，７，８，５１，６１，７１，８１ 配線
５ａ，５１ａ 入力端子
６ａ，６１ａ グランド端子
７ａ，７１ａ 第１の中点電位測定用端子
８ａ，８１ａ 第２の中点電位測定用端子
Ｉｏ 被測定電流
ＩＭ 絶縁層
１５ 第１磁気シールド
１５１ 第２磁気シールド
１５Ａ 第１磁性体
１５Ｂ 第２磁性体
１６ 磁気平衡用コイル（スパイラルコイル）
ＰＬ 酸化保護層
２９ 基板
ＳＷ 切り替え部
ＳＣ 切り替え配線
ＣＷ 第１接続線
ＣＷ１ 第２接続線
ＲＭ 還流磁界
Ｆ 外力（圧縮力、引張力）
σ 内部応力（圧縮応力、引張応力）
Ｉｃ キャンセル電流
Ｐ 感度軸方向

Claims (9)

1. 磁歪定数が正である第１磁性体を有し、短軸方向と長軸方向とを有する第１磁気シールドと、平面視で前記第１磁気シールドに重なるように配置され、前記短軸方向に沿った方向の感度軸を有する第１磁気検知素子とを備える第１測定ユニットと、
   磁歪定数が負である第２磁性体を有し、短軸方向と長軸方向とを有する第２磁気シールドと、平面視で前記第２磁気シールドに重なるように配置され、前記短軸方向に沿った方向の感度軸を有する第２磁気検知素子とを備える第２測定ユニットと、
   環境温度に基づいて、前記第１測定ユニットおよび前記第２測定ユニットのいずれを用いるかを選択する切り替え部と、
   を備えることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記切り替え部は、前記環境温度が０℃以上８０℃以下の間で切り替えを行い、
   前記環境温度が０℃以下では前記第１磁気検知素子の出力を前記磁気センサからの出力とし、
   前記環境温度が８０℃以上では前記第２磁気検知素子の出力を前記磁気センサからの出力とする、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１磁性体の磁歪定数は０超２×１０^−６以下であって、
   前記第２磁性体の磁歪定数は−２×１０^−６以上０未満である、請求項１または請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１磁性体はＦｅ含有量が１９．８質量％超２２．０質量％以下のＦｅ−Ｎｉ合金からなり、前記第２磁性体はＦｅ含有量が１８．０質量％以上１９．８質量％未満のＦｅ−Ｎｉ合金からなる、請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記第１磁性体および前記第２磁性体は電気めっき膜からなる、請求項４に記載の磁気センサ。
6. 前記第１磁気検知素子および前記第２磁気検知素子はいずれも、前記矩形の短軸方向に沿った方向の感度軸を有する複数の磁気抵抗効果素子からなる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 磁気平衡用コイルをさらに備え、前記磁気平衡用コイルに流れる電流に基づき前記被測定磁界の強度を測定する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
8. 前記磁気平衡用コイルはスパイラルコイルであって、前記磁気抵抗効果素子と前記磁気シールドとの間に位置する、請求項７に記載の磁気センサ。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載される磁気センサを備え、前記磁気センサは被測定電流の誘導磁界を前記被測定磁界とする電流センサ。