JP4105147B2

JP4105147B2 - 電流センサ

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Publication number: JP4105147B2
Application number: JP2004352212A
Authority: JP
Inventors: 茂庄司
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2008-06-25
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Description

本発明は、導体を流れる電流の変化を高感度に検知可能な小型の電流センサに関する。

従来、通信機器の回路に流れる微小な信号電流を正確に検知するにあたっては、例えば、その回路内に抵抗を直列接続し、この抵抗の電圧降下を測定する方法が用いられていた。しかし、この場合には、通信系とは異なる負荷が加わることとなり通信系に対して何らかの悪影響を与える可能性が生じてしまう。このため、信号電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって（直流電流が流れないように絶縁された状態を維持しつつ）間接的に測定する方法が用いられている。例えば、コイル同士を結合させたトランスを用いる方法や、光カプラを利用した方法である。

ところが、上記のトランスを用いた方法では、交流の信号電流を伝達することは可能であるが、直流の信号電流を伝達することは不可能である。その上、交流の信号電流であっても伝達可能な周波数帯域が限定されてしまう。適切な周波数帯域以外の周波数ではトランスのインピーダンスが変化し、直線性に欠けることとなり、通信機器等への悪影響を与えかねないからである。一方、上記の光カプラは、周波数特性に優れるものの、小型化を図ることが困難である。その上、長期的にみると経時変化による信号強度の劣化を招きやすいという問題もある。

こうしたことから、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）を信号電流による電流磁界中に配置し、その勾配を検出するようにした電流センサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このようなＧＭＲ素子を用いた電流センサであれば、検出感度や応答性に優れ、温度変化に対しても安定した検出特性が得られる。
米国特許第５６２１３７７号明細書

ところで、最近では、より微弱な電流の検出が可能であると共によりコンパクトな全体構成を有する電流センサが求められてきている。しかしながら、従来のＧＭＲ素子を用いた電流センサにおいてはＧＭＲ素子が被測定線に対して面内方向において隣り合うように設けられていることから、微弱電流の検出が難しく、小型化にも不利となっていた。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、コンパクトな構成でありながら、検出対象電流を高精度に測定可能な電流センサを提供することにある。

本発明の電流センサは、以下の（Ａ）から（Ｃ）の各構成要件を備えるようにしたものである。
（Ａ）第１の階層において、第１の方向へ延在すると共にこの第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含む第１の磁気抵抗効果素子。
（Ｂ）第１の階層と異なる第２の階層において、第１の方向へ延在すると共に第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含む第２の磁気抵抗効果素子。
（Ｃ）第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向に延在する複数の第１の巻線体部分を含むように第１の階層と第２の階層との間に位置する第３の階層において巻回し、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して複数の第１の巻線体部分の各々から第１の電流磁界を付与するように構成された第１の薄膜コイル。
ここで、帯状とは、第２の方向よりも第１の方向のほうが大きな寸法を有する形状を意味する。

本発明の電流センサでは、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子と第１の薄膜コイルとが面内方向において隣り合うように設けられている場合と比べ、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子が第１の薄膜コイルに対して接近して配置されるので、全体の寸法が縮小するうえ、第１の薄膜コイルを流れる検出対象電流に基づく第１の電流磁界が第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子に対してより強く付与されるようになる。その際、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して、これらと対応する第１の薄膜コイルの各巻線体部分によって形成される第１の電流磁界が個々に付与される。したがって、第１の方向と直交する断面での配置位置および断面寸法に関し、コイルによる発熱およびコイル磁界強度の電流効率の観点における最適化が容易になされ、一つの導体（巻線体部分）を流れる電流のみによって形成される電流磁界が各素子パターンに対して付与される場合と比べ、第１の電流磁界が効率よく各素子パターンに及ぶこととなる。

本発明の電流センサでは、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各抵抗値が、第１の電流磁界に応じて互いに逆方向の変化を示すように構成されていることが望ましい。

本発明の電流センサでは、第１の方向へ延在すると共に第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ第１の磁気抵抗効果素子と直列接続されるように第１の階層における第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第３の磁気抵抗効果素子と、第１の方向へ延在すると共に第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ第２の磁気抵抗効果素子と直列接続されるように第２の階層における第２の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第４の磁気抵抗効果素子と、これら第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して第１の方向に延在する複数の第２の巻線体部分を含むように第３の階層における第１の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において巻回し、かつ、検出対象電流が供給されることにより第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して複数の第２の巻線体部分の各々から第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルとをさらに備えるようにすることが望ましい。

上記の場合、第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、第１の電流磁界に応じて、第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値とは互いに逆方向の変化を示すように構成されており、第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、第２の電流磁界に応じて、第１の電流磁界によって生ずる第１の磁気抵抗効果素子における抵抗値の変化とは逆方向に変化するように構成されており、第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、第２の電流磁界に応じて、第１の電流磁界によって生ずる第１の磁気抵抗効果素子における抵抗値の変化と同方向に変化するように構成されていることが望ましい。

さらに、上記の場合、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における一端同士が第１の接続点において接続され、第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子における一端同士が第２の接続点において接続され、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、かつ、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されており、第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときに生ずる第３の接続点と第４の接続点との間の電位差に基づいて検出対象電流が検出されるようにブリッジ回路が構成されていてもよい。

本発明の電流センサでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンがそれぞれ互いに並列接続されていてもよいし、互いに直列接続されていてもよい。

本発明の電流センサでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンが、いずれも、第１の方向に磁化された磁化固着膜を有することが望ましい。さらに、第１から第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンが、いずれも、第１の方向に沿った長手寸法が第２の方向に沿った幅寸法の１０倍以上２００倍以下となるように構成されていることが望ましい。その場合、第２の方向に沿った幅寸法が０．５μｍ以上２．０μｍ以下であることが望ましい。さらに、第１の薄膜コイルおよび第２の薄膜コイルにおける各巻線体部分が、第１の方向と直交する断面において０．４μｍ²以上２．０μｍ²以下の断面積を有するように構成されていることが望ましい。その場合、例えば、０．８μｍ以上３．０μｍ以下の幅寸法と０．２μｍ以上１．４μｍ以下の厚み寸法とを有するようにする。

本発明の電流センサによれば、第１の階層および第２の階層においてそれぞれ帯状の複数の素子パターンを含むように構成された第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子と、それら第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応した複数の第１の巻線体部分を含むように第３の階層において巻回し、かつ、検出対象電流が供給されることにより第１磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して複数の第１の巻線体部分の各々から第１の電流磁界を付与するように構成された第１の薄膜コイルとを備えるようにしたので、コンパクトな構成でありながら、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の双方を用いて、第１の薄膜コイルを流れる検出対象電流を感度良く高精度に測定することができる。

この場合、特に、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンを互いに並列接続するようにすると、第１の磁気抵抗効果素子において抵抗変化率を下げることなく全体の抵抗値を比較的低く抑えることができ、使用時における第１の磁気抵抗効果素子の発熱量を低減することができる。その上、外部からのノイズ（不要な磁界）による影響を低減し、ＳＮ比を向上させることができる。一方、第１の磁気抵抗効果素子における各素子パターンを互いに直列接続するようにすると、第１の方向における寸法を長くすることなく感磁部として機能する素子パターンの総延長を稼ぐことができ、第１の磁気抵抗効果素子における全体の抵抗値（インピーダンス）の絶対値をより大きくすることができる。したがって、より微弱な検出対象電流であっても高精度な測定が可能となる。

本発明の電流センサによれば、第１の磁気抵抗効果素子、第２の磁気抵抗効果素子および第１の薄膜コイルに加え、第１の磁気抵抗効果素子と直列接続されるように第１の階層に形成された第３の磁気抵抗効果素子と、第２の磁気抵抗効果素子と直列接続されるように第２の階層に形成された第４の磁気抵抗効果素子と、第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して複数の第２の巻線体部分の各々から第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルとをさらに備えるようにすると、４つの磁気抵抗効果素子を用いて検出対象電流を測定することとなり、２つの磁気抵抗効果素子を用いた場合よりも検出対象電流の測定値の信頼性がさらに向上する。ここで、例えば第１から第４の磁気抵抗効果素子を用いてブリッジ回路を構成すると、各磁気抵抗効果素子における特性上のばらつきによる影響を低減し、測定精度をよりいっそう向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
最初に、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態としての電流センサの構成について説明する。図１は、本実施の形態の電流センサ１の斜視構成を表す概略図である。図２は、図１の電流センサ１に示したII−II切断線における矢視方向（−Ｘ方向）の断面構成を表したものである。この電流センサ１は、例えば、通信機器に搭載され、制御信号としての電流を正確に測定するために用いられるものである。なお、後述する第２の実施の形態等における電流センサとの区別を行うため、本実施の形態では電流センサ１Ａと呼ぶ。

電流センサ１Ａは、シリコン（Ｓｉ）などからなる基体２の上に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などからなる下地膜３を介して、第１の磁気抵抗効果素子２１（以下、単に、ＭＲ素子２１という。）を含む第１の階層Ｌ１と、第１の薄膜コイル３１（以下、単に、薄膜コイル３１という。）を含む第３の階層Ｌ３と、第２の磁気抵抗効果素子２２（以下、単に、ＭＲ素子２２という。）を含む第２の階層Ｌ２とが順に積層された構造を有している。具体的には、ＭＲ素子２１は、第１の階層Ｌ１において第１の方向（Ｘ軸方向）へ延在する２つの素子パターン２１Ａ，２１Ｂを有している。ＭＲ素子２２は、第２の階層Ｌ２においてＸ軸方向へ延在する２つの素子パターン２２Ａ，２２Ｂを有している。さらに、薄膜コイル３１は、素子パターン２１Ａ，２２Ａのそれぞれと対応してＸ軸方向へ延在する巻線体部分３１Ａと素子パターン２１Ｂ，２２Ｂのそれぞれと対応してＸ軸方向へ延在する巻線体部分３１Ｂとを含んで第３の階層Ｌ３において巻回するように構成されている。

なお、図２の断面において、ＭＲ素子２１、薄膜コイル３１およびＭＲ素子２２はＡｌ₂Ｏ₃などからなる絶縁膜Ｚ１〜Ｚ３によってそれぞれ覆われており、互いに電気的に絶縁されている。さらに、絶縁膜Ｚ３の上には、複数の電極膜４１〜４４（図１に示す）が設けられている。

薄膜コイル３１は、例えば銅（Ｃｕ）などの高導電性の金属材料からなる薄膜パターンであり、例えば、制御信号等の、検出対象とする電流（検出対象電流）Ｉｍが供給されるものである。薄膜コイル３１は、一方の端部３１Ｓがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４１と接続されており、他方の端部３１Ｅがコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４２と接続されている（図１参照）。電流センサ１Ａでは、検出対象電流Ｉｍが端部３１Ｓから端部３１Ｅへ流れるように設定される。

素子パターン２１Ａ，２１Ｂおよび素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、検出対象電流Ｉｍが生ずる第１の電流磁界Ｈｍ１（後出）を検出するものであり、薄膜コイル３１の巻線体部分３１Ａ，３１Ｂと積層方向においてそれぞれ対応する領域に設けられている。素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、Ｘ軸方向に延在すると共にＸ軸方向と直交するＹ軸方向（第２の方向）に互いに隣在し合うように配設され、電極パターン４および電極パターン５の間において互いに並列接続されている。同様に、素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、Ｘ軸方向に延在すると共にＸ軸方向と直交するＹ軸方向に互いに隣在し合うように配設され、電極パターン６および電極パターン７の間において互いに並列接続されている。素子パターン２１Ａ，２１Ｂおよび素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、いずれもスパッタリング法などにより例えば０．８μｍの厚みを有するように形成されたものである。ここで、電極パターン４はコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４３と接続され、電極パターン５はコンタクト層（図示せず）を介して電極パターン７と共に電極膜４４と接続されている。また、電極パターン６は、電極膜４５と接続されている。

素子パターン２１Ａ，２１Ｂおよび素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、それぞれに読出電流を流したときに、薄膜コイル３１Ａ，３１Ｂを流れる検出対象電流Ｉｍにより生ずる第１の電流磁界Ｈｍ１に応じた抵抗値の変化を示すように構成されている。この際、素子パターン２１Ａ，２１Ｂの抵抗値と素子パターン２２Ａ，２２Ｂとは、互いに逆方向の変化となる。

図３は、図２の要部を拡大して示した断面図である。ここでは、巻線体部分３１Ａおよび素子パターン２１Ａを代表して示している。巻線体部分３１Ａおよび素子パターン２１Ａは、それぞれのＹ軸方向における中心位置が互いに一致する（すなわち、いずれの中心位置もＸ軸方向に延在する仮想の中心線ＣＬ上に存在する）ように配置されると共に、Ｙ軸方向において互いに距離Ｄを隔てるように配置されている。距離Ｄは、絶縁抵抗の観点から０．２μｍ以上であることが好ましい。すなわち、巻線体部分３１Ａと素子パターン２１Ａとを隔てる絶縁膜Ｚ１の厚みを０．２μｍ以上とすれば、７００Ｖの電圧の瞬間印加に耐えることができるからである。なお、コンパクト化の観点から、距離Ｄは可能な限り小さい方が好ましい。具体的には、１．０μｍ以下であることが望ましい。

また、巻線体部分３１ＡのＹＺ断面（Ｘ軸方向と直交する断面）における断面積Ｓの範囲は、０．４μｍ²以上２．０μｍ²以下であることが望ましい。ここで、断面積Ｓが０．４μｍ²を下回ると、巻線体部分３１Ａを流れる検出対象電流Ｉｍ（本実施の形態の電流センサ１Ａは通信機器等の制御信号を検出対象としていることから、検出対象電流Ｉｍの大きさは２ｍＡから５０ｍＡ程度である。）によって過度な（例えば１．０℃を超えるような）温度上昇が生じ、検出精度が劣化してしまう可能性がある。一方、断面積Ｓが２．０μｍ²を上回ると、電流磁界Ｈｍ１の強度が低下し、素子パターン２１Ａによる安定した検出動作が困難となってしまう。

このような断面積Ｓを有する巻線体部分３１Ａは、例えばＸ軸方向と直交するＹＺ断面において、０．８μｍ以上３．０μｍ以下の幅ＭＸと０．２μｍ以上１．４μｍ以下の厚みＭＹとを有するように構成される。また、素子パターン２１ＡのＹ軸方向の幅ＭＷは、２．０μｍ以下であることが望ましい。Ｙ軸方向の全体に亘って十分に均一な電流磁界Ｈｍ１を素子パターン２１Ａに対して付与するためである。一方、幅ＭＷの下限については、Y軸方向において均一な成膜を行うため０．５μｍとすることが望ましい。なお、図３では、巻線体部分３１Ａと素子パターン２１Ａとの関係についてのみ示したが、巻線体部分３１Ａと素子パターン２２Ａとの関係についても全く同様の構成であることが好ましい。さらには、巻線体部分３１Ｂと素子パターン２１Ｂ，２２Ｂとの関係についても全く同様の構成であることが好ましい。

次に、図４〜図７を参照して、素子パターン２１Ａ，２１Ｂの構成について、より詳しく説明する。図４は、素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂの構成を分解して示す分解斜視図である。ただし、寸法の比率は実際とは一致していない。

素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂは、図４に示したように、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなしており、＋Ｘ方向に固着された磁化方向Ｊ１１を有する固着層１１と、電流磁界Ｈｍ１をはじめとする外部磁界Ｈに応じて磁化方向Ｊ１３が変化する自由層１３と、固着層１１と自由層１３との間に挟まれ、特定の磁化方向を示さない中間層１２とをそれぞれ含むものである。自由層１３は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの軟磁性材料により構成されている。中間層１２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層１１と接すると共に下面が自由層１３と接している。中間層１２は、銅のほか、金（Ａｕ）などの導電率の高い非磁性金属により構成することができる。なお、固着層１１の上面（中間層１２と反対側の面）および自由層１３の下面（中間層１２と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されている。また、固着層１１と自由層１３との間には磁化方向Ｊ１１における交換バイアス磁界Ｈin（以下、単に「交換バイアス磁界Ｈin」と記す。）が生じており、中間層１２を介して互いに作用し合っている。交換バイアス磁界Ｈinの強度は、固着層１１と自由層１３との相互間隔（すなわち中間層１２の厚み）に応じて自由層１３のスピン方向が回転することにより変化する。さらに、図４では、下から自由層１３、中間層１２、固着層１１の順に積層された場合の構成例を示しているが、これに限定されず、反対の順序で構成するようにしてもよい。

また、素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂは、Ｘ軸方向の長さＭＬ（長手寸法）がＹ軸方向の幅ＭＷ（幅寸法）の１０倍以上２００倍以下となるように構成されている。具体的には、長さＭＬの好ましい範囲は、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下である。このように、素子パターン２１Ａ，２１Ｂは、幅ＭＷに対して大きな寸法の長さＭＬを有する帯状（ストライプ状）をなすことにより、Ｙ軸方向に沿って形状磁気異方性を示すこととなる。したがって、＋Ｙ方向または−Ｙ方向）へ外部磁界Ｈが印加された場合に、その外部磁界Ｈの変化に対して抵抗変化率の変化の直線性（リニアリティ）が向上する。ここで、長さＭＬ（長手寸法）がＹ軸方向の幅ＭＷ（幅寸法）の１０倍未満であると、十分な形状異方性磁界が得られない。一方、１００倍を超えるような寸法比としても、形状異方性磁界の向上は望めないうえ、抵抗値の増大によるノイズが生じてしまうので好ましくない。

図５に、固着層１１の詳細な構成を示す。固着層１１は、中間層１２の側から磁化固定膜１４と反強磁性膜１５とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜１４は、コバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料によって構成されている。この磁化固定膜１４の示す磁化方向が固着層１１全体としての磁化方向Ｊ１１となる。反強磁性膜１５は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜１５は、＋Ｘ方向のスピン磁気モーメントと反対方向（−Ｘ方向）のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜１４の磁化方向Ｊ１１を固定するように機能するものである。

以上のように構成された素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂでは、電流磁界Ｈｍ１が印加されることにより自由層１３の磁化方向Ｊ１３が回転し、それによって磁化方向Ｊ１３と磁化方向Ｊ１１との相対角度が変化する。その相対角度は、電流磁界Ｈｍ１の大きさや向きによって決まるものである。

なお、図４は、電流磁界Ｈｍ１が零（Ｈｍ＝０）であり、かつ、その他の磁界（バイアス磁界など）を印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界Ｈが零の状態）を示している。自由層１３の磁化容易軸方向ＡＥ１３が固着層１１の磁化方向Ｊ１１と平行となるように形成されていることから、この状態では、磁化容易軸方向ＡＥ１３と、磁化方向Ｊ１３と、磁化方向Ｊ１１とが全て＋Ｘ方向に沿って互いに平行となっている。このため、自由層１３における各磁区のスピン方向がほぼ同一方向に揃うこととなるので、素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに対し、磁化方向Ｊ１１と直交する方向（＋Ｙ方向または−Ｙ方向）へ外部磁界Ｈが印加された場合には、図６に示したような特性が得られる。図６は、Ｙ方向への外部磁界Ｈを正として外部磁界Ｈと抵抗変化率ΔＲ／Ｒとの関係を示したものであるが、両者の関係は、外部磁界Ｈ＝０において極小（ΔＲ／Ｒ＝０）となり、ヒステリシスをほとんど示すことのない１本の曲線Ｃ１で表される。この場合、ヒステリシスに起因する１／ｆノイズが極めて小さくなるので、高感度かつ安定したセンシングが可能となる。

ただし、図６から明らかなように、外部磁界Ｈが零（Ｈ＝０）の近傍においては直線的な変化が得られないので、実際に電流磁界Ｈｍ１を測定する場合には図示しない永久磁石などによるバイアス磁界を磁化方向Ｊ１１と直交する方向へ印加することで、図７に示したように、磁化方向Ｊ１３を回転させ、＋Ｙ方向の成分または−Ｙ方向の成分を含むように僅かに傾ける（図７では−Ｙ方向へ傾けた場合を例示する）。こうすることにより、図６に示したバイアスポイントＢＰ１を中心とする線形領域ＬＡ１またはバイアスポイントＢＰ２を中心とする線形領域ＬＡ２において、電流磁界Ｈｍ１の変化を精度良く検出することができる。

上記のような構成の電流センサ１Ａを用いた検出対象電流Ｉｍのセンシング方法について、図１〜図７に加えて図８および図９を参照して以下に説明する。

電流センサ１Ａを用いてセンシングを行う場合には、ＭＲ素子２１，２２における各素子パターン２１Ａ，２１B，２２Ａ，２２Bに対して、予め、例えば＋Ｙ方向へバイアスポイントＢＰ１（図６参照）に相当する強度のバイアス磁界を印加しておく。その状態において、電極膜４１，４２を介して検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３１へ供給するようにし、各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂが生じる電流磁界Ｈｍ１を各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂによって検出するようにする。例えば、検出対象電流Ｉｍを薄膜コイル３１の端部３１Ｓから端部３１Ｅへ向かうように流した場合には、図８に示したように、巻線体部分３１Ａ，３１Ｂでは＋Ｘ方向に（紙面奥から手前へ向かうように）検出対象電流Ｉｍが流れることとなる。その結果、右ねじの法則にしたがって、巻線体部分３１Ａ，３１Ｂのそれぞれの周囲を（紙面上では反時計回りに）巻回する電流磁界Ｈｍ１が生ずる。このため、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂに対しては、それぞれ＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ１が付与されるので、図６から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値が増加する）。これに対し、素子パターン２２Ａ，２２Bに対しては、−Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ１が付与されるので、図８から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値が減少する）。ここで、ＹＺ断面における巻線体部分３１Ａおよび巻線体部分３１Ｂの寸法は互いに等しく、さらに、各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂと各ＭＲ素子２１，２２との積層方向（Ｚ軸方向）の距離Ｄも等しくなるように形成されているので、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに付与される電流磁界Ｈｍ１の絶対値は互いに等しい。なお、図８は、図２の一部を拡大して示したものであり、各素子パターン２１Ａ，２１B，２２Ａ，２２Bに対する電流磁界Ｈｍ１の作用を説明するための説明図である。

図９に、電流センサ１Ａを含む電流計の回路構成を示す。図９では、破線で囲んだ部分が電流センサ１Ａに対応する。図９に示したように、電流センサ１Ａでは、ＭＲ素子２１，２２と薄膜コイル３１とが互いに近接配置されている。ここではＭＲ素子２１，２２を、それぞれ複数の素子パターンが並列接続されてなる１つの抵抗体として表している。ＭＲ素子２１とＭＲ素子２２とは、第１の接続点Ｐ１（電極パターン７）において互いに連結され、電極膜４４を介して最終的に接地されている。各ＭＲ素子２１，２２の、第１の接続点Ｐ１とは反対側には、第２の接続点Ｐ２において互いに連結された定電流源５１，５２が設けられている。具体的には、ＭＲ素子２１における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部が、第３の接続点Ｐ３としての電極膜４３を介して定電流源５１と接続されており、一方のＭＲ素子２２における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部が、第４の接続点Ｐ４としての電極膜４５を介して定電流源５２と接続されている。これら定電流源５１および定電流源５２は、互いに等しい値の定電流Ｉ０をＭＲ素子２１，２２へ供給するものである。

このような構成の電流センサ１Ａでは、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときに、第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４における電位の差分Ｖ０（ＭＲ素子２１，２２のそれぞれに生ずる電圧降下の差分）に基づいて電流磁界Ｈｍ１の大きさを求めることができ、その大きさの電流磁界Ｈｍ１を発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。以下、具体的に説明する。

図９において、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に所定の電圧を印加した際の定電流源５１，５２からの定電流をＩ０とし、各ＭＲ素子２１，２２全体の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２とする。電流磁界Ｈｍ１が印加されていない場合、第３の接続点Ｐ３（電極膜４３）における電位Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｉ０・Ｒ１
であり、第４の接続点Ｐ４（電極膜４５）における電位Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｉ０・Ｒ２
となる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・Ｒ１−Ｉ０・Ｒ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２） …（１）
となる。

この回路では、電流磁界Ｈｍ１が印加されたときに、電位差Ｖ０を測定することにより各ＭＲ素子２１，２２における抵抗変化量が得られる。例えば電流磁界Ｈｍ１が印加されたときに、抵抗値Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ変化量ΔＲ１，ΔＲ２だけ増加したとすると、式（１）は、
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
＝Ｉ０・（Ｒ１−Ｒ２）
＝Ｉ０・｛（Ｒ１＋ΔＲ１）−（Ｒ２＋ΔＲ２）｝ …（２）
となる。

すでに述べたように、ＭＲ素子２１とＭＲ素子２２とは電流磁界Ｈｍ１によって各々の抵抗値Ｒ１，Ｒ２が互いに逆方向の変化を示すように配置されていることから、変化量ΔＲ１と変化量ΔＲ２とは互いの正負が逆の符号となる。したがって、式（２）において、電流磁界Ｈｍ１が印加される前の抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ２は互いに打ち消し合う一方で、変化量ΔＲ１および変化量ΔＲ２はそのまま維持される。

仮に、ＭＲ素子２１とＭＲ素子２２とが全く同一の特性を有するとした場合、すなわち、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ
かつ
ΔＲ１＝−ΔＲ２＝ΔＲ
であると仮定した場合、式（２）は、
Ｖ０＝Ｉ０・（Ｒ１＋ΔＲ１−Ｒ２−ΔＲ２）
＝Ｉ０・（Ｒ＋ΔＲ−Ｒ＋ΔＲ）
＝Ｉ０・（２ΔＲ） …（３）
となる。したがって、予め外部磁界と抵抗変化量との関係を把握したＭＲ素子２１，２２を用いるようにすれば、電流磁界Ｈｍ１の大きさを求めることができ、その大きさの電流磁界Ｈｍ１を発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。この場合、２つのＭＲ素子２１，２２を用いてセンシングを行っているので、ＭＲ素子２１またはＭＲ素子２２のいずれかを単独で用いてセンシングを行う場合と比べて２倍の抵抗変化量を取り出すことができ、測定値の高精度化に有利となる。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ａによれば、薄膜コイル３１と積層方向において対応する位置にＭＲ素子２１，２２を設けるようにしたので、薄膜コイル３１とＭＲ素子２１，２２とが面内方向において隣り合うように設けられている場合と比べ、互いに接近させて配置することができ、全体の寸法が縮小する。さらに、薄膜コイル３１の各巻線体部分３１Ａ，３１Ｂにより、これを流れる検出対象電流Ｉｍに基づく電流磁界Ｈｍ１をＭＲ素子２１，２２の各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに対して個々に付与することができるので、コイルによる発熱およびコイル磁界強度の電流効率の観点からの第１の方向と直交する断面での配置位置および断面寸法に関する最適化を容易に図ることができ、一つの導体（巻線体部分）を流れる電流のみによって形成される電流磁界を各素子パターンに対して付与する場合と比べ、電流磁界Ｈｍ１を効率よく各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに付与することができる。その結果、検出対象電流Ｉｍを感度良く検出することが可能となる。

特に、素子パターン２１Ａ，２１Ｂおよび素子パターン２２Ａ，２２Ｂをそれぞれ互いに並列接続するようにしたので、抵抗変化率を下げることなく第１の磁気抵抗効果素子２１としての全体の抵抗値を比較的低く抑えることができ、使用時における発熱量を低減することができる。その上、外部からのノイズ（不要な磁界）による影響を低減し、ＳＮ比を向上させることができる。加えて、電流磁界Ｈｍ１を、ＭＲ素子２１およびＭＲ素子２２の双方によって検出することができる。この際、電流磁界Ｈｍ１を付与されることにより、ＭＲ素子２１の抵抗値Ｒ１とＭＲ素子２２の抵抗値Ｒ２とが互いに逆方向の変化を示すように構成したので、各ＭＲ素子２１，２２に対して互いに等しい定電流Ｉ０を流したときに生ずる電圧降下の差分Ｖ０に基づいて、高精度な検出対象電流Ｉｍの測定が可能となる。以上の理由により、電流センサ１Ａであれば、コンパクトな構成でありながら、薄膜コイル３１を流れる検出対象電流Ｉｍを高精度に測定することができる。

［第２の実施の形態］
続いて、図１０および図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態としての電流センサ１Ｂについて説明する。

図１０は、電流センサ１Ｂの斜視構成を表す概略図である。図１１は、図１０の電流センサ１Ｂに示したXI−XI切断線における矢視方向（−Ｘ方向）の断面構成を表したものである。電流センサ１Ｂは、上記実施の形態の電流センサ１Ａに、第２の薄膜コイル３２（以下、単に薄膜コイル３２という。）と第３の磁気抵抗効果素子２３（以下、単にＭＲ素子２３という。）と第３の磁気抵抗効果素子２４（以下、単にＭＲ素子２４という。）とを追加するように構成したものである。

ＭＲ素子２３は、第１の階層Ｌ１におけるＭＲ素子２１が形成された領域以外の領域にＭＲ素子２１と直列接続されるように形成されており、Ｘ軸方向へ延在すると共にＹ軸方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の素子パターン２３Ａ，２３Ｂを含んでいる。素子パターン２３Ａ，２３Ｂは、電極パターン５および電極パターン８の間において互いに並列接続されている。ＭＲ素子２４は、第２の階層Ｌ２におけるＭＲ素子２２が形成された領域以外の領域にＭＲ素子２２と直列接続されるように形成されており、Ｘ軸方向へ延在すると共にＹ軸方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の素子パターン２４Ａ，２４Ｂを含んでいる。素子パターン２４Ａ，２４Ｂは、電極パターン７および電極パターン９の間において互いに並列接続されている。素子パターン２３Ａ，２３Ｂおよび素子パターン２４Ａ，２４Ｂは、いずれもスパッタリング法などにより例えば０．８μｍの厚みを有するように形成されたものである。ここで、電極パターン４はコンタクト層（図示せず）を介して電極パターン６と共に電極膜４３と接続され、電極パターン５はコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４８と接続されている。さらに、電極パターン８はコンタクト層（図示せず）を介して電極パターン９と共に電極膜４７と接続され、電極パターン７は、電極膜４４と接続されている。

さらに、薄膜コイル３２は、薄膜コイル３１と同様に、例えば銅などの高導電性の金属材料からなる薄膜パターンであり、第３の階層Ｌ３における薄膜コイル３１が形成された領域以外の領域において巻回するように構成されている。薄膜コイル３２は、ＭＲ素子２３およびＭＲ素子２４の各素子パターン２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂとそれぞれ対応してＸ軸方向に延在する巻線体部分３２Ａ，３２Ｂを含むものである。薄膜コイル３１の端部３１Ｅは電極膜４２および電極膜４５を介して薄膜コイル３２の一方の端部３２Ｓと接続され、薄膜コイル３２の他方の端部３２Ｅはコンタクト層（図示せず）を介して電極膜４６と接続されている。したがって、薄膜コイル３１，３２は回路構成上、１本の導線となっている。

このような構成を備えた電流センサ１Ｂでは、検出対象電流Ｉｍが薄膜コイル３１を通過したのち、さらに薄膜コイル３２を流れることにより、図１２に示したように、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに対して電流磁界Ｈｍ１が付与されると共に、ＭＲ素子２３およびＭＲ素子２４の各素子パターン２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂに対して電流磁界Ｈｍ２が付与されることとなる。図１２は、図１１の一部を拡大して示したものであり、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに対する電流磁界Ｈｍ１の作用と、各素子パターン２３Ａ，２３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂに対する電流磁界Ｈｍ２の作用とを説明するための説明図である。素子パターン２１Ａ，２１Ｂおよび素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、付与された電流磁界Ｈｍ１に応じた抵抗値の変化を示すようになっている。同様に、素子パターン２３Ａ，２３Ｂおよび素子パターン２４Ａ，２４Ｂは、付与された電流磁界Ｈｍ２に応じた抵抗値の変化を示すようになっている。この際、素子パターン２２Ａ，２２Ｂおよび素子パターン２３Ａ，２３Ｂの各抵抗値は、電流磁界Ｈｍ１によって生ずる素子パターン２１Ａ，２１Ｂにおける抵抗値の変化とは逆方向に変化する。さらに、素子パターン２４Ａ，２４Ｂの抵抗値は、素子パターン２１Ａ，２１Ｂにおける抵抗値の変化と同方向に変化する。

例えば、各素子パターン２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂに対して、予め＋Ｙ方向へバイアスポイントＢＰ１（図６参照）に相当する強度のバイアス磁界を印加しておく。そこで図１４に示したように巻線体部分３１Ａ，３１Ｂに＋Ｘ方向へ検出対象電流Ｉｍを流したときには、素子パターン２１Ａ，２１Ｂは＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ１が印加されるので、図８から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値が増加する）。これに対し、素子パターン２２Ａ，２２Ｂは、−Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ１が印加されることとなるので、図８から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値が減少する）のである。同様に、各素子パターン２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂに対して、予め＋Ｙ方向へバイアスポイントＢＰ１（図６参照）に相当する強度のバイアス磁界を印加しておき、図１２に示したように巻線体部分３２Ａ，３２Ｂに−Ｘ方向へ検出対象電流Ｉｍを流すと、素子パターン２３Ａ，２３Ｂは−Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ２が印加されるので、図６から明らかなように抵抗変化率が減少する（抵抗値が減少する）。これに対し、素子パターン２４Ａ，２４Ｂは、＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ２が印加されることとなるので、図６から明らかなように抵抗変化率が増加する（抵抗値が増加する）こととなる。

図１３は、図１０に示した電流センサ１Ｂを含む電流計の回路構成を表す概略図である。図１３では、破線で囲んだ部分が電流センサ１Ｂに対応する。図１３に示したように、ＭＲ素子２１およびＭＲ素子２２の各一端同士が、第１の接続点Ｐ１において互いに連結され、電極膜４３を介して最終的に接地されている。また、ＭＲ素子２３およびＭＲ素子２４の各一端同士が、第２の接続点Ｐ２において互いに接続されている。さらに、ＭＲ素子２１における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部とＭＲ素子２４における第２の接続点Ｐ２とは反対側の端部とが、第３の接続点Ｐ３としての電極膜４４において接続され、かつ、ＭＲ素子２２における第１の接続点Ｐ１とは反対側の端部とＭＲ素子２３における第２の接続点Ｐ２とは反対側の端部とが、第４の接続点Ｐ４としての電極膜４８において接続されている。このように、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０に基づいて検出対象電流Ｉｍが検出されるようにブリッジ回路が構成されている。

以下、図１３に加え、図１４を参照して、検出対象電流Ｉｍによって形成される電流磁界Ｈｍ１，２を測定する方法について説明する。図１４は、図１３の要部を簡略化して示した回路図である。

図１４では、電流磁界Ｈｍ１，２が印加されていない状態で読出電流Ｉ０を流したときのＭＲ素子２１〜２４の抵抗値をそれぞれ符号Ｒ１〜Ｒ４で示す。読出電流Ｉ０は第２の接続点Ｐ２で分流される。こののち、ＭＲ素子２４，２２を通過する読出電流Ｉ１とＭＲ素子２３，２１を通過する読出電流Ｉ２とが第１の接続点Ｐ１で合流する。この場合、第２の接続点Ｐ２と第１の接続点Ｐ１との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１・Ｒ４＋Ｉ１・Ｒ２＝Ｉ２・Ｒ３＋Ｉ２・Ｒ１
＝Ｉ１（Ｒ４＋Ｒ２）＝Ｉ２（Ｒ３＋Ｒ１） ……（４）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ２および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ１は、それぞれ、
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１・Ｒ４
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２・Ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ２−Ｖ１
＝（Ｖ−Ｉ１・Ｒ４）−（Ｖ−Ｉ２・Ｒ３）
＝Ｉ２・Ｒ３−Ｉ１・Ｒ４ ……（５）
ここで、（４）式から
Ｖ０＝Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ１）・Ｖ−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ２）・Ｖ
＝｛Ｒ３／（Ｒ３＋Ｒ１）−Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ２）｝・Ｖ ……（６）
となる。このブリッジ回路では、電流磁界Ｈｍ１，２が印加されたときに、上記の式（６）で示された第３および第４の接続点Ｐ３，Ｐ４間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。電流磁界Ｈｍ１，２が印加されたときに、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ増加したとすると、すなわち、抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１→Ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２→Ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３→Ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４→Ｒ４＋ΔＲ４
のように変化したとすると、電流磁界Ｈｍ１，２を印加後は、式（６）より、
Ｖ０＝｛（Ｒ３＋ΔＲ３）／（Ｒ３＋ΔＲ３＋Ｒ１＋ΔＲ１）−（Ｒ４＋ΔＲ４）／（Ｒ４＋ΔＲ４＋Ｒ２＋ΔＲ２）｝・Ｖ ……（７）
となる。すでに述べたように、電流センサ１Ｂでは、ＭＲ素子２１，２４の抵抗値Ｒ１，Ｒ４とＭＲ素子２２，２３の抵抗値Ｒ２，Ｒ３とが逆方向に変化する（ＭＲ素子２１，２３とＭＲ素子２１，２４とでは逆方向に電流磁界Ｈｍ１，２が印加されることから、ＭＲ素子２１〜２４の全てに対して、同一方向のバイアス磁界を予め印加するようにする。）ので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うこととなる。このため、電流磁界Ｈｍ１，２の印加前後を比較した場合、式（７）の各項における分母の増加はほとんど無い。一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。これは、図６から明らかなように、バイアス点ＢＰ１に対応するバイアス磁界が予め印加された状態において＋Ｙ方向の電流磁界Ｈｍ１，２が印加されることにより、ＭＲ素子２１，２４では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ４（ΔＲ１，ΔＲ４＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）一方で、ＭＲ素子２２，２３では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ３（ΔＲ２，ΔＲ３＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に減少する）からである。

仮に、ＭＲ素子２１〜２４が完全に同一の特性を有するとした場合、すなわち、
Ｒ＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４
かつ
ΔＲ＝−ΔＲ１＝ΔＲ２＝ΔＲ３＝−ΔＲ４であるとした場合、式（７）は、
Ｖ０＝｛（Ｒ＋ΔＲ）／（２Ｒ）−（Ｒ−ΔＲ）／（２Ｒ）｝・Ｖ
＝（ΔＲ／Ｒ）・Ｖ
となる。

このように、予め抵抗変化率ΔＲ／Ｒ等の特性値を把握したＭＲ素子２１〜２４を用いることにより、電流磁界Ｈｍ１，２の大きさを求めることができ、その電流磁界Ｈｍ１，２を発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。特に、ブリッジ回路を構成してセンシングを行うようにすることにより、同等の出力を有する単一の素子パターンによりセンシングする場合と比べて、各ＭＲ素子における特性上のばらつきによる影響が低減するうえ、各ＭＲ素子の素子パターンにおける抵抗変化量を大きく取り出すことができ、測定値の精度を向上させることが可能である。また、本実施の形態では、ＭＲ素子２１〜２４の全ての固着層１１の磁化方向Ｊ１１Ａ〜Ｊ１１Ｄを同一方向をなすようにしたので、電流磁界Ｈｍの方向に対して、磁化方向Ｊ１１Ａ〜Ｊ１１Ｄが全て同一角度をなすこととなる。このため、ＭＲ素子２１〜２４における検出感度のばらつきを抑えることが比較的容易である。

以上のように、本実施の形態の電流センサ１Ｂによれば、上記第１の実施の形態における電流センサ１Ａに加えて、薄膜コイル３１と連結した薄膜コイル３２と、この薄膜コイル３２に対応したＭＲ素子２３，２４とを加えるようにしたので、ブリッジ回路を構成してセンシングを行うことが可能となり、検出対象電流Ｉｍの測定値の精度をさらに高めることができる。この場合、ＭＲ素子２１と同じ第１の階層Ｌ１にＭＲ素子２３を設けると共にＭＲ素子２２と同じ第２の階層Ｌ２にＭＲ素子２４を設けるようにしたので、全体としてコンパクトな構成を維持することができる。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば本実施の形態では、固着層の磁化方向と自由層の磁化容易軸方向とが互いに一致したスピンバルブ構造を有する磁気抵抗効果素子を採用するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、固着層の磁化方向と自由層の磁化容易軸方向とが互いに直交するスピンバルブ構造を有する磁気抵抗効果素子を用いるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、２つの素子パターンにより第１から第４の磁気抵抗効果素子をそれぞれ構成するようにしたが、これに限定されず、３つ以上の素子パターンにより各磁気抵抗効果素子をそれぞれ構成するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンを、互いに並列接続するようにしたが、例えば図１５に示した電流センサ１Ｅのように、互いに直列接続するようにしてもよい。このようにした場合には、第１の方向における寸法を長くすることなく感磁部として機能する素子パターンの総延長を稼ぐことができ、第１および第２の磁気抵抗効果素子における全体の抵抗値（インピーダンス）の絶対値をより大きくすることができる。したがって、より微弱な検出対象電流であっても高精度な測定が可能となる。

本発明の電流センサは、上記実施の形態において説明したように、電流値そのものを図ることを目的とする場合に用いられるほか、プリント配線の欠陥などの検査を行う渦電流探傷技術に応用可能である。例えば、磁気抵抗効果素子を直線上に多数個配置した電流センサとし、渦電流の変化を磁束の変化として捉えるような応用例が考えられる。

本発明の第１の実施の形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１に示した電流センサにおけるII-II切断線に対応する断面図である。図２の要部を拡大して示した断面図である。図１に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す分解斜視図である。図４に示した磁気抵抗効果素子における一部の構成を示す斜視図である。図４に示した磁気抵抗効果素子における抵抗変化率の磁界依存性を示す特性図である。図１に示した電流センサの要部である磁気抵抗効果素子の構成を示す他の分解斜視図である。図２の要部を拡大して示す他の断面図である。図１に示した電流センサに対応する回路図である。本発明の第２の実施の形態に係る電流センサの構成を示す斜視図である。図１０に示した電流センサにおけるXI-XI切断線に対応する断面図である。図１１の要部を拡大して示す断面図である。図１０に示した電流センサに対応する回路図である。図１３に示した回路図の要部拡大図である。図１０に示した電流センサの変形例としての電流センサの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１…電流センサ、２…基体、４〜６…電極パターン、１１…固着層、１２…中間層、１３…自由層、１４…磁化固定膜、２１〜２４…磁気抵抗効果（ＭＲ）素子、３１，３２…第１，第２の薄膜コイル、４１〜４８…電極膜、L１〜Ｌ３…第１〜第３の階層、Ｐ１〜Ｐ４…第１〜第４の接続点。

Claims

第１の階層において、第１の方向へ延在すると共にこの第１の方向と直交する第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含む第１の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の階層と異なる第２の階層において、前記第１の方向へ延在すると共に前記第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含む第２の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向に延在する複数の第１の巻線体部分を含むように前記第１の階層と前記第２の階層との間に位置する第３の階層において巻回し、かつ、検出対象電流が供給されることにより前記第１磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して前記複数の第１の巻線体部分の各々から第１の電流磁界を付与するように構成された第１の薄膜コイルと
を備えたことを特徴とする電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子は、前記第１の電流磁界に応じて抵抗値が互いに逆方向の変化を示すように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、それぞれ互いに並列接続されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、それぞれ互いに直列接続されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第１の方向に磁化された磁化固着膜を有している
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第１の方向に沿った長手寸法が、前記第２の方向に沿った幅寸法の１０倍以上２００倍以下となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記第２の方向に沿った幅寸法は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項６に記載の電流センサ。
前記第１の方向へ延在すると共に前記第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ前記第１の磁気抵抗効果素子と直列接続されるように前記第１の階層における前記第１の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第３の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の方向へ延在すると共に前記第２の方向に互いに隣在し合うように配設された帯状の複数の素子パターンを含み、かつ前記第２の磁気抵抗効果素子と直列接続されるように前記第２の階層における前記第２の磁気抵抗効果素子が形成された領域以外の領域に形成された第４の磁気抵抗効果素子と、
前記第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンとそれぞれ対応して前記第１の方向に延在する複数の第２の巻線体部分を含むように前記第３の階層における前記第１の薄膜コイルが形成された領域以外の領域において巻回し、かつ、前記検出対象電流が供給されることにより前記第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子の各素子パターンに対して前記複数の第２の巻線体部分の各々から第２の電流磁界を付与するように構成された第２の薄膜コイルと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
前記第２の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記第１の電流磁界に応じて、前記第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値とは互いに逆方向の変化を示すように構成されており、
前記第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記第２の電流磁界に応じて、前記第１の電流磁界によって生ずる前記第１の磁気抵抗効果素子における抵抗値の変化とは逆方向に変化するように構成されており、
前記第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記第２の電流磁界に応じて、前記第１の電流磁界によって生ずる前記第１の磁気抵抗効果素子における抵抗値の変化と同方向に変化するように構成されている
ことを特徴とする請求項８に記載の電流センサ。
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、それぞれ互いに並列接続されている
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電流センサ。
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、それぞれ互いに直列接続されている
ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電流センサ。
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第１の方向に磁化された磁化固着膜を有している
ことを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子における各素子パターンは、いずれも、前記第１の方向に沿った長手寸法が、前記第２の方向に沿った幅寸法の１０倍以上２００倍以下となるように構成されている
ことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の電流センサ。
前記第２の方向に沿った幅寸法は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１３に記載の電流センサ。
前記第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第１の接続点において接続され、
前記第３の磁気抵抗効果素子および第４の磁気抵抗効果素子は、その一端同士が第２の接続点において接続され、
さらに、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、かつ、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されており、
前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に電圧が印加されたときに生ずる前記第３の接続点と前記第４の接続点との間の電位差に基づいて前記検出対象電流が検出されるようにブリッジ回路が構成されている
ことを特徴とする請求項８から請求項１４のいずれか１項に記載の電流センサ。