JP6299069B2

JP6299069B2 - 磁気センサ装置

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Publication number: JP6299069B2
Application number: JP2013048535A
Authority: JP
Inventors: 川上　誠; 川上　　誠; 高木　保規; 保規高木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP2014174061A

Description

本発明は、磁場強度を測定する磁気センサ装置に関する。

巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）は、ホール効果素子に比べると、零磁場付近での検出感度が高いので、磁気平衡型電流センサに適用されることが多くなっている。しかしながらＧＭＲ素子を用いる場合、印加される磁場が零であると、自由層の磁化状態が安定しないので出力が不安定になってしまう。そこで測定磁界に影響を与えないよう、ＧＭＲ素子に対し、測定対象の磁場の方向に直交する向きに、大きさが既知である磁場（バイアス磁場）を印加することが行われている（例えば特許文献１）。また、磁気平衡型電流センサでは、ヨークの間に磁気抵抗効果素子を設けることが検討されている（特許文献２）。

特開２０１１-０３９０２１号公報国際公開第２０１０／１４３６６６号パンフレット

特許文献２のように、フィードバック電流を薄膜の磁場コイルに通し、ＧＭＲ素子近傍を零磁場とするよう前記磁場コイルを構成することが考えられている。ただし、磁場コイルで消費する電流を低く抑えるには、磁場コイルで発生する磁場を効率的にＧＭＲ素子に印加することが要望される。特許文献１，２の構成のままでは、消費電流を更に抑えることは容易ではない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、磁場コイルで発生する磁場を効率的に磁気抵抗効果素子に印加できる磁気センサ装置を提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、磁気センサ装置であって、磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を挟んで配置される、一対の磁性体と、前記一対の磁性体に巻回され、前記磁気抵抗効果素子への磁場を形成する磁場コイルと、を基板上に形成した磁気センサ装置であって、前記磁場コイルは、前記磁性体を挟んで積層配置される下部磁場コイル層及び上部磁場コイル層とにそれぞれ配された導体パターンを含んでなり、前記上部磁場コイル層は、前記磁気抵抗効果素子の配置位置において、前記下部磁場コイル層の形成面に近接することとしたものである。

また本発明の一態様に係る磁気センサ装置は、感磁軸方向を互いに反平行とし、感磁軸方向に直交する方向に並べて配した第１、第２の磁気抵抗効果素子と、前記第１、第２の磁気抵抗効果素子を含む層とは異なる層に主に配され、前記第１の磁気抵抗効果素子の配置に対応する位置に配した空隙を挟んで対向配置される一対の第１磁性体、並びに前記第２の磁気抵抗効果素子の配置に対応する位置に配した空隙を挟んで対向配置される一対の第２磁性体を含む磁性体層と、前記磁性体層を挟んで積層配置され、前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向に交わる方向に、前記一対の第１磁性体の各々、及び一対の第２磁性体の各々に対してそれぞれ巻回される磁場コイルの導体をそれぞれ含んだ下部磁場コイル層及び上部磁場コイル層と、を有し、前記上部磁場コイル層は、前記磁気抵抗効果素子を含んで予め定められた範囲で前記下部磁場コイル層の形成面に近接させてなる。

またここで、前記第１、第２の磁性体の配される範囲に重なり合う範囲に亘り、前記上部磁場コイル層に対して絶縁層を介して配されるバイアスコイル層内に、渦巻き状のバイアスコイルを配してもよい。

本発明によると、磁場コイルで発生する磁場を効率的に磁気抵抗効果素子に印加できる。

本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成例を表す概要図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ部の構成例を表す概略説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置における回路部の概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の磁場コイルの導体パターンの例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の磁場コイルのもう一つの導体パターンの例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ部の製造方法の例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置のもう一つの構成例を表す概要図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置の効果を表す説明図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置における回路部の別の例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置における回路部のまた別の例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置における回路部のさらに別の例を表す概略回路図である。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置における回路部のもう一つの例を表す概略回路図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る磁気センサ装置１は、図１（ａ）に例示するように、Ｙ軸方向に被測定電流Ｉが流れる導体近傍に配される。この磁気センサ装置１は、磁気センサ部１０と、回路部１５とを含む。そして磁気センサ部１０は、磁気抵抗効果素子１１と、この磁気抵抗効果素子１１を挟んで対向配置される、一対の磁性体１２ａ，ｂと、各磁性体１２に巻回される磁場コイル１３とを含んで構成される。また、この図１（ａ）に例示する磁気センサ装置１の磁気センサ部１０にはさらにバイアスコイル１４が積層して配されてもよい（図１（ｂ））。さらに、これらにおいて磁場コイル１３並びに磁気抵抗効果素子１１に対しては、回路部１５が接続されている。

ここで磁気抵抗効果素子１１，磁性体１２，磁場コイル１３，バイアスコイル１４は薄膜内に形成される。具体的に本実施の形態の磁気センサ部１０は、図２に例示するように、基板２０と、磁場コイル１３をなす導体パターンの一部を含む下部磁場コイル層２１と、磁性体層２２と、磁場コイル１３をなす導体パターンの別の一部を含む上部磁場コイル層２３と、バイアスコイルを配したバイアスコイル層２４とをこの順に、互いに絶縁体層２５を挟んで積層したものである。なお、ここでは基板２０に近い側を下側とし、基板２０から遠ざかる側を上側と表記しているが、これは実際の使用の場において、必ずしも上部磁場コイル層２３側が鉛直上方に配されるべきことを意味するものではない。図２は、本実施の形態の磁気センサ部１０を、磁気抵抗効果素子１１の中心を通り、Ｘ軸方向に平行な面を破断面として破断したときの断面図である。

磁気抵抗効果素子１１は、例えばＧＭＲ素子であり、本実施の形態の一例では下部磁場コイル層２１の面内に配され、短冊状の形状をなす。このＧＭＲ素子の短手方向が本実施の形態における感磁軸方向（感磁軸に平行な方向をＸ軸方向とし、図面右側をその正の方向とする）となる。具体的にこの感磁軸方向は、磁気抵抗効果素子１１として固定層を有するＧＭＲ素子を用いるのであれば、固定層の磁化方向に対して平行あるいは反平行な方向が感磁軸方向となる。また、人工格子型のＧＭＲ素子（いわゆる積層型ＧＭＲ素子）を磁気抵抗効果素子１１として用いる場合は、当該積層型ＧＭＲ素子に印加するバイアスの向きに直交する方向が感磁軸方向となる。
固定層を有するＧＭＲ素子は、スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子（ＳＶＧＭＲ素子）であることとしてもよい。ここでは磁気抵抗効果素子１１は、その幅方向（長手方向に直交する方向）に固定層が磁化されており、この幅方向の磁場の強さに応じた抵抗値を呈するものとする。本実施の形態の一例では、この磁気抵抗効果素子１１は、その幅方向がＹ軸に平行になるように配される。またこのスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子として、固定層の磁化方向をセルフピンで固定する方式を採用することとしてもよい。セルフピン方式の固定層としては、たとえば、強磁性層、Ｒｕ層および強磁性層を積層した構成であって、Ｒｕ層を介して強磁性層同士が反強磁性結合を為すものを用いることができる。

磁性体１２は、磁性体層２２の面内に配され、鉄とニッケルの合金（パーマロイ）であり、本実施の形態のある例では、厚さ１μｍ、飽和磁束密度Ｂｓ＝１．０Ｔ、初透磁率μi＝２０００である。本実施の形態では磁性体１２は、基本的には磁気抵抗効果素子１１の感磁軸方向に長手方向を有する長方形状をなし、磁気抵抗効果素子１１側では、磁気抵抗効果素子１１側に短辺を有する台形状部分（Ｓ）が形成されている。

磁場コイル１３は、磁性体１２に巻回される導体パターンを含んでなる。具体的に本実施の形態の磁場コイル１３は、磁性体層２２を挟んで積層配置された下部磁場コイル層２１と、上部磁場コイル層２３とにそれぞれ配された導体パターンを電気的に接続して形成される。この磁場コイル１３の具体的な構成例については後に述べる。

バイアスコイル１４は、バイアスコイル層２４の面内に配される。このバイアスコイル１４は、渦巻き状をなし、磁気抵抗効果素子１１に対応する位置と、その近傍において感磁軸方向に平行な複数の導線パターンを含む。このバイアスコイル１４の具体的な例についても後述する。

なお、これら下部磁場コイル層２１、磁性体層２２、上部磁場コイル層２３、及びバイアスコイル層２４において、それぞれ導体や磁気抵抗効果素子１１、磁性体１２等がない部分には絶縁体が充填され、各層は、所定厚さの層状体に形成されている。

回路部１５は、図３（ａ）に例示するように、固定抵抗素子３１，３２，３３と、増幅器３４とを含んで構成される。ここで固定抵抗素子３１，３２，３３は、磁気抵抗効果素子１１とともにブリッジ回路を構成する。具体的には、磁気抵抗効果素子１１の一方端と、固定抵抗素子３１の一方端側とが接続され、共通端子（ＧＮＤ）に接続される。また、磁気抵抗効果素子１１の他方端と固定抵抗素子３３の一方端とが接続され、固定抵抗素子３１の他方端と固定抵抗素子３２の一方端とが接続される。固定抵抗素子３２，３３の他方端側は互いに接続され、電源端子Ｖｃｃに接続される。

また増幅器３４は、磁気抵抗効果素子１１の他方端側と、固定抵抗素子３１の他方端側との電位差に応じた電圧信号を磁場コイル１３の一方端側に供給する。また磁場コイル１３の他方端側は共通端子（ＧＮＤ）に接続される。この増幅器３４の出力は、磁場コイル１３に供給される。具体的には、この増幅器３４の出力は、磁気センサ部１０の磁場コイル１３の一方端側（Ｘ軸負の側にある端部）に接続される。なお、磁場コイル１３の他方端側は、抵抗器Ｒ等を介して共通端子（ＧＮＤ）に接続される。

この例によると、磁気抵抗効果素子１１の抵抗変化に応じた大きさ（抵抗変化が微少であれば、当該抵抗変化に比例した大きさ）の電圧が磁場コイル１３に印加される。ここで固定抵抗素子３１，３２，３３の各抵抗値をｒ１，ｒ２，ｒ３とし、被測定電流Ｉにより生成される磁場（外部磁場）がないときの磁気抵抗効果素子１１の抵抗値をｒとして、ｒ×ｒ２＝ｒ１×ｒ３としておく。すると、外部磁場の大きさにより磁気抵抗効果素子１１の抵抗値が変化すると、当該抵抗値の変化に応じた電圧が磁場コイル１３に印加され、磁気抵抗効果素子１１の感磁軸方向に対して、外部磁場とは逆向きで、当該電圧に比例した大きさの磁場（打消し磁場）が形成される。そして被測定電流Ｉにより生成される外部磁場が、この打消し磁場により打ち消されることとなる。このとき磁場コイル１３に流れる電流量ｉは被測定電流Ｉに比例する。そこで回路部１５は、この電流量ｉを表す信号を、出力信号として出力する。具体的には磁場コイル１３の他方端側と共通端子（ＧＮＤ）との間に抵抗器Ｒを接続し、この抵抗器Ｒの両端の電位差を、電流量ｉの大きさを表す電圧信号として出力することとすればよい。

次に磁場コイル１３の具体的構成例について説明する。本実施の形態では、下部磁場コイル層２１に配される磁場コイル１３の一部をなす導体パターンは、図４に例示するようなものとなる。すなわちこの下部磁場コイル層２１には、磁気抵抗効果素子１１の長手方向（感磁軸方向に対する方向：Ｙ軸方向とする）に平行な直線状の導体Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌｉ，…，Ｌｎが、磁性体１２が配される範囲に亘って、Ｘ軸方向に並べて複数配される。なお、図４では磁性体１２の配置される位置に対応する範囲を破線で示している。

また磁場コイル１３の上部磁場コイル層２３に配される磁場コイル１３の一部をなす導体パターンは図５に例示するようなものとなる。この上部磁場コイル層２３には、下部磁場コイル層２１の導体Ｌ１に対応するＸ軸方向の位置に配された端部導体Ｕ１が配される。またこの上部磁場コイル層２３には、磁気抵抗効果素子１１の長手方向（感磁軸方向に対する方向：Ｙ軸方向）に平行な直線状の部分であって、下部磁場コイル層２１のｉ番目（ｎ−１＞ｉ＞２）の導体Ｌｉに重なり合う部分Ｐを有し、またこの部分Ｐに対して屈曲部Ｑを介してＸ軸方向に隣接する（下部磁場コイル層２１にあるｉ−１番目の）導体Ｌｉ−１の一方端に重なり合う端部Ｒとを含んだ導体Ｕ２，Ｕ３，…Ｕｊが互いに平行に、Ｘ軸方向に並べて配される。なお、ここで「重なり合う」とは、平面視（ＸＹ面を見るとき）において重なり合って見えることを意味する。つまり「導体Ｌｉに重なり合う」というのは、導体Ｌｉが配されるＸ軸方向の位置に対応するＸ軸上の位置に配されることを意味し、平面視において重なり合って見えることを意味する。

さらにこの上部磁場コイル層２３には、Ｙ軸方向一方端側はＸ軸一方方向に隣接する（下部磁場コイル層２１にあるｉ−１番目の）導体Ｌｉ−１の他方端側に重なり合い、またＹ軸方向他方端側はＸ軸他方方向に隣接する（下部磁場コイル層２１にあるｉ＋１番目の）導体Ｌｉ＋１の一方端側に重なり合う部分を有し、これらの各部にそれぞれ屈曲部を介して接続され、磁気抵抗効果素子１１の長手方向（感磁軸方向に対する方向：Ｙ軸方向）に平行に配される直線状の部分を有する中心導体Ｕｃが配される。この中心導体Ｕｃの直線状の部分は、磁気抵抗効果素子１１に重なり合う位置に配される。つまりこの中心導体Ｕｃが、本発明における、磁気抵抗効果素子に重ね合わせられ、感磁軸方向に直交する導体に相当する。

さらに、上部磁場コイル層２３には、この中心導体Ｕｃの中心Ｃ（中心導体Ｕｃの重心）を回転中心として、上記導体Ｕ１，Ｕ２，…，Ｕｊを角度πだけ回転させた形状の導体Ｕｊ＋１，…Ｕｎ（ここでｎ＝２ｊ）が配される。また、導体Ｕｉと、導体Ｌｉ−１，ＬｉまたはＬｉ＋１との互いに重なり合う端部は、絶縁層２５と磁性体層２２とを貫通するビア導体を介して、電気的に接続される。

これにより、上部磁場コイル層２３に配された導体Ｕ１は、下部磁場コイル層２１に配された導体Ｌ１の他方端側に対してビア導体Ｈ１を介して電気的に接続される。また、この導体Ｌ１は、その一方端側においてビア導体Ｈ２を介して上部磁場コイル層２３に配された導体Ｕ２に電気的に接続される。この導体Ｕ２は、その他方端側において、ビア導体Ｈ３を介して下部磁場コイル層２１に配された導体Ｌ２の他方端側に接続される。以下、導体Ｕ３，導体Ｌ３，…というように磁性体２２に巻回されるように導体が順次電気的に連結され、これにより磁性体２２に巻回された磁場コイル１３が形成される。

バイアスコイル１４は、Ｘ軸方向に平行な導線とＹ軸方向に平行な導線とを交互に接続した渦巻状コイルである。このバイアスコイル１４には所定のバイアス電流が供給される。またこのバイアスコイル１４のＸ軸方向に平行な導線が磁気抵抗効果素子１１の長手方向に亘って複数配されることとなるよう、バイアスコイル１４が配置される。

また本実施の形態の磁気センサ部１０では、図２に例示したように、磁気抵抗効果素子１１を含んで予め定められた範囲に重なり合う部分で、上部磁場コイル層２３が当該磁気抵抗効果素子１１に向かって凸となるよう形成されている。つまり、この上部磁場コイル層２３の厚さ方向（基板２０の面に立つ法線方向をＺ軸としてＺ軸方向）の中心線は、上記範囲の外側では基板２０の面から距離ｚ23の位置にあり、磁気抵抗効果素子１１に重なり合う部分では基板２０の面から距離ｚ23′（ｚ23′＜ｚ23）の位置にあり、これらの間では、磁気抵抗効果素子１１に重なり合う部分に近接するほど基板２０の面に近づくようＸＺ面内で傾きをもって（スロープとなって）いる。またこの範囲は、例えば磁気抵抗効果素子１１の中心（矩形をなす磁気抵抗効果素子１１の当該矩形内に対角線を引いた場合の交点）からＸ軸正の方向、及び負の方向にそれぞれ幅ξ／２の部分とする。なお磁気抵抗効果素子１１の短手方向の長さをｗとしたとき、ξ≧ｗであるものとし、Ｙ軸方向においてはこの範囲は、磁気抵抗効果素子１１の中心からＹ軸正の方向、及び負の方向にそれぞれ長さη／２の部分とする。このとき、磁気抵抗効果素子１１の長手方向の長さをｌとすると、η＞ｌであるものとする。

これは具体的には、下部磁場コイル層２１を、上記の範囲で、この磁気抵抗効果素子１１に近接するほど、その厚みを小さくし、磁気抵抗効果素子１１に重なり合う部分で一定の厚みとなるように形成しておくことで実現される。この例では、この下部磁場コイル層２１に積層される磁性体層２２もまた、上記の範囲に重なり合う部分で、当該磁気抵抗効果素子１１に向かって凸となり、この磁性体層２２に含まれる磁性体１２も、この層の厚さ方向の中心線に平行に、上記範囲においてＸＺ面内で屈曲して配される。

なお、このときバイアスコイル１４を含むバイアスコイル層２４は、どこも基板２０の面に平行になるように形成されてもよい。また、このバイアスコイル１４を含むバイアスコイル層２４もまた、上部磁場コイル層２３と同様に（磁場コイル層２３にどの部分でも平行になるよう）、磁気抵抗効果素子１１を含んで予め定められた範囲に重なり合う部分で、当該磁気抵抗効果素子１１に向かって凸となるように形成されてもよい。

以下、このような例に係る磁気センサ部１０の製造方法の一例について説明する。図６に例示するように、この例ではまず磁場コイル１３の下部磁場コイル層２１に含まれるべき導体部分を、スパッタリングにて基板２０上に形成する。また、所定の位置に磁気抵抗効果素子１１を薄膜形成する（Ｓ１）。なお、磁気抵抗効果素子１１はアルミナ保護膜により保護してもよい。次いで、下部磁場コイル層２１の磁場コイル１３の導体部分近傍に所定厚さまで絶縁体膜を成膜する（Ｓ２）。このとき磁気抵抗効果素子１１上には上記の絶縁体膜を形成しない。

これにより磁気抵抗効果素子１１を中心としてＸ軸両方向に所定のサイズだけ凹となる凹部（その端部はスロープとなっていてもよい）が得られる。こうして下部磁場コイル層２１及び絶縁体層が形成される。

そしてこの下部磁場コイル層２１上にスパッタリング等の方法で磁性体１２を形成する（Ｓ３）。この磁性体１２は、絶縁体膜の形状に従い、その磁気抵抗効果素子１１側の端部が、磁気抵抗効果素子１１に向って凸となるように形成される。さらにこの上部に所定厚の絶縁体膜を成膜する（Ｓ４）。なお、磁気抵抗効果素子１１をアルミナ保護膜で保護しているときには、磁気抵抗効果素子１１の直上部分には絶縁膜を形成する必要はない。そしてこの絶縁体膜も下部磁場コイル層２１の形状に沿って形成されるので、磁気抵抗効果素子１１の周囲に凹部が形成される。こうして磁性体層２２が得られる。

ここで、磁性体層２２の絶縁体膜のうち、ビアホールに対応する位置に孔を形成して下部磁場コイル層２１に含まれる導線パターンに接続されるビア導体を形成する。そして磁性体層２２に積層された絶縁体膜上に上部磁場コイル層２３に含まれるべき磁場コイル１３の導体部分をスパッタリング等により形成する（Ｓ５）。このとき、当該導体部分のビアホールに対応する位置で上記ビア導体に電気的に接触するようにしておく。こうして形成した上部磁場コイル層２３内の磁場コイル１３の導線も、上記凹部の部分では当該形状に沿って配され、ＸＺ面内で、磁気抵抗効果素子１１に向う方向に形成される。また、この凹部の部分では、この上部磁場コイル層２３の上部は、磁性体層２２に配された磁性体１２の凹部外の部分（磁性体１２のＺ軸方向に下部磁場コイル層２１より離れた面）よりも磁気抵抗効果素子１１を配した下部磁場コイル層２１に近接する。

そしてさらにこの上部磁場コイル層２３上に所定厚の絶縁体膜を成膜する（Ｓ６）。この絶縁体膜は基板２０の面からの厚さがどこでも実質的に一定となるよう形成してもよいが、凹凸があっても構わない。これによって上部磁場コイル層２３及び絶縁体層が得られる。

さらにこの絶縁体層上にスパッタリング等の方法で、ＸＹ平面上で渦巻状をなすバイアスコイル１４の導線を配する（Ｓ７）。そしてさらにこの上部に所定厚の絶縁体膜を成膜する（Ｓ８）。このバイアスコイル１４も、上記凹部の部分では当該形状に沿って導線が配され、ＸＺ面内で、磁気抵抗効果素子１１に向う方向に形成される。

また、さらに本実施の形態においては、磁気センサ部１０は一つでなく一対としてもよい。具体的にこの例では、図７に示すように、一対の磁気センサ部１０ａ，ｂが感磁軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）に並べて配される。このとき、各磁気センサ部１０ａ，ｂのそれぞれに含まれる磁気抵抗効果素子１１の感磁軸方向はいずれもＸ軸に平行で、かつ互いに反平行となるように配される。図７の例では、磁気センサ部１０ａの磁気抵抗効果素子１１ａ（以下区別のため第１の磁気抵抗効果素子と呼ぶ）の感磁軸方向はＸ軸負の方向、磁気センサ部１０ｂの磁気抵抗効果素子１１ｂ（以下区別のため第２の磁気抵抗効果素子と呼ぶ）の感磁軸方向はＸ軸正の方向であるものとしている。

このとき、磁気センサ部１０ａ，ｂのそれぞれに含まれる磁場コイル１３ａ，ｂは、直列に接続される。具体的には磁気センサ部１０ａに含まれる磁場コイル１３ａのＸ軸正の方向側にある端部（磁気センサ部１０が単独であったときに共通端子ＧＮＤに接続されていた側）が、磁気センサ部１０ｂに含まれる磁場コイル１３ｂのＸ軸負の方向側にある端部に接続され、この磁場コイル１３ｂのＸ軸正の方向側にある端部が抵抗器Ｒ等を介して共通端子（ＧＮＤ）に接続される。

またこの例では磁気センサ部１０ａ，ｂの各層（下部磁場コイル層、磁性体層、上部磁場コイル層）のそれぞれはＺ軸方向に同じ面に配されるものとする。つまりこの例では、一つの下部磁場コイル層に、磁気センサ部１０ａ，ｂ双方における磁場コイル１３ａ，ｂの導線パターンの一部及び第１，第２の磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂが配され、一つの磁性体層に、磁気センサ部１０ａ，ｂ双方の磁性体１２ａ，ｂが配され…というように各層の面が実質的に一致するよう構成される。

さらにバイアスコイル１４は、図７に例示するようにＸ軸方向に平行な導線とＹ軸方向に平行な導線とを交互に接続した渦巻状コイルである。なお、図７では下部の状況が分かりやすいように、バイアスコイル１４を透過して、またそのおおよその外形を点線にて図示しているが、このバイアスコイル１４は、実際には導体を矩形渦巻状に配したものである。このバイアスコイル１４には所定のバイアス電流が供給される。つまりこのバイアスコイル１４においては、Ｘ軸方向に平行な導線として、電流がＸ軸一方側へ流れる第１の導線群と、電流がＸ軸他方側へ流れる第２の導線群とを有するが、このバイアスコイル１４の第１の導線群が第１の磁気抵抗効果素子１１ａに重なり合い、第２の導線群が第２の磁気抵抗効果素子１１ｂに重なり合うよう、バイアスコイル１４が配置される。またこのバイアスコイル１４は磁気センサ部１０ａ，ｂのそれぞれに含まれる磁性体１２ａ，ｂの配される範囲に亘って形成される。つまりバイアスコイル１４のＸ軸方向の幅は実質的に、磁性体１２ａ，ｂのＸ軸方向の長さ以上となっている。

この例に係る磁気センサ１の回路部１５は、図３（ｂ）に例示するように、固定抵抗素子３２，３３と、増幅器３４とを含んで構成される。ここで固定抵抗素子３２，３３は、一対の磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂとともにブリッジ回路を構成する。具体的には、第１の磁気抵抗効果素子１１ａの一方端と、第２の磁気抵抗効果素子１１ｂの一方端側とが接続されるとともに、これらの一方端側はさらに共通端子（ＧＮＤ）に接続される。また、第１の磁気抵抗効果素子１１ａの他方端と固定抵抗素子３３の一方端とが接続され、第２の磁気抵抗効果素子１１ｂの他方端と固定抵抗素子３２の一方端とが接続される。固定抵抗素子３２，３３の他方端側は互いに接続され、電源端子Ｖccに接続される。なお、導線自体のもつ電気的抵抗を考慮して、固定抵抗素子３２，３３を省いて回路部１５を構成してもよい。さらに、固定抵抗素子３２，３３に代えて、もう一対の磁気抵抗効果素子１１ｃ，ｄを用いてもよい。この場合は図７に例示した磁気センサ１をもう一つ用い、当該もう一つの磁気センサ１に含まれる磁気抵抗効果素子１１ｃ，ｄをここでの固定抵抗素子３２，３３に代えて接続する。

また増幅器３４は、第１の磁気抵抗効果素子１１ａの他方端側と、第２の磁気抵抗効果素子１１ｂの他方端側との電位差に応じた電圧信号を磁場コイル１３の一方端側に供給する。また磁場コイル１３の他方端側は共通端子（ＧＮＤ）に接続される。この増幅器３４の出力は、磁場コイル１３に供給される。具体的には、この増幅器３４の出力は、磁気センサ部１０ａの磁場コイル１３ａのＸ軸負の側にある端部に接続される。また磁気センサ部１０ｂの磁場コイル１３ｂのＸ軸正の側にある端部（磁場コイルの他方端側）が共通端子（ＧＮＤ）に接続される。なお、磁気センサ部１０ａの磁場コイル１３ａのＸ軸正の側の端部と磁気センサ部１０ｂの磁場コイル１３ｂのＸ軸負の側の端部とは互いに接続される。

さらに本実施の形態のこの例では、磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂの抵抗変化に応じた大きさの電圧が磁場コイル１３に印加される。つまり上述の例と同様に、外部磁場の大きさにより第１、第２の磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂの抵抗値が変化すると、当該抵抗値の変化に応じた電圧が磁場コイル１３に印加され、第１，第２の磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂのそれぞれの感磁軸方向に対して、外部磁場とは逆向きで、当該電圧に比例した大きさの磁場（打消し磁場）が形成される。そして被測定電流Ｉにより生成される外部磁場が、磁気抵抗効果素子の近傍で、この打消し磁場により打ち消されることとなる。このとき磁場コイル１３ａ，ｂに流れる電流量ｉは被測定電流Ｉに比例する。そこで回路部１５は、この電流量ｉを表す信号を、出力信号として出力する。具体的には磁場コイル１３ｂの他方端側と共通端子（ＧＮＤ）との間に抵抗器Ｒを接続し、この抵抗器Ｒの両端の電位差を、電流量ｉの大きさを表す電圧信号として出力することとすればよい。

なお、この例においても、磁気センサ部１０ａ，ｂの上部磁場コイル層は、磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂを含んで予め定められたＸＹ面内の範囲で当該磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂに向かって凸となるよう形成され、またバイアスコイル１４は、磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂを含んで予め定められた上記の範囲で、磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂに向かって凸となるよう形成されていてもよい。

磁場コイル１３に印加される電流量を変化させたときに、磁場コイル１３の表面（導体表面）からの距離に応じて変化する磁場の強度（単位１００μＴ）をシミュレーションにより求めた結果を図８に示す。

図８において横軸は磁場コイル１３表面の距離（単位はμｍ）である。図８に示したように、磁場コイル１３に２０ｍＡの電流を流したときの磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂ近傍の磁場強度は、磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂが磁場コイル１３から５μｍの位置にあるときには６３０μＴとなり、０．５μｍの位置にあるときには１５００μＴ（＝１．５ｍＴ）となる。すなわち、磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂに向って磁場コイル１３の上部磁場コイル層側の導線を４．５μｍだけ近接させる（４．５μｍだけの凹部を絶縁層に形成して磁場コイル１３の導線を４．５μｍだけ磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂに向って凸とさせる）と、微小な電流量で磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂに十分な磁場を与えることができるようになる。

また磁気センサ部１０を一対とする図７の例では、図３（ｂ）に例示した回路に限られず、図９（ａ）に例示するように、固定抵抗素子３１，３２と、増幅器３４とを含んで構成されるものでもよい。ここで固定抵抗素子３１，３２が、一対の磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂとともにブリッジ回路（ハーフブリッジ）を構成する。具体的には、第２の磁気抵抗効果素子１１ｂの一方端と、固定抵抗素子３２の一方端とが接続されるとともに、これらの一方端側はさらに共通端子（ＧＮＤ）に接続される。また第１の磁気抵抗効果素子１１ａの一方端側と第２の磁気抵抗効果素子１１ｂの他方端側とが接続される。さらに固定抵抗素子３１の一方端側と固定抵抗素子３２の他方端側とが接続される。

また第１の磁気抵抗効果素子１１ａの他方端と固定抵抗素子３１の他方端とが接続され、これらの他方端側がさらに電源端子Ｖccに接続される。なお、導線自体のもつ電気的抵抗を考慮して、固定抵抗素子３１，３２を省いて回路部１５を構成してもよい。さらに、固定抵抗素子３１，３２に代えて、もう一対の磁気抵抗効果素子１１ｃ，ｄを用いてもよい（図１０）。この場合は図７に例示した磁気センサ１をもう一つ用い、当該もう一つの磁気センサ１に含まれる磁気抵抗効果素子１１ｃ，ｄをここでの固定抵抗素子３１，３２に代えて接続する。またこのときには磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｄの感磁軸方向が一致し、磁気抵抗効果素子１１ｃ，１１ｂの感磁軸方向は、いずれも磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｄの感磁軸方向に対して反平行となって一致しているものとする。

また増幅器３４は、第１の磁気抵抗効果素子１１ａの一方端側（つまり第２の磁気抵抗効果素子１１ｂの他方端側）と、固定抵抗素子３１の一方端側（つまり）固定抵抗素子３２の他方端側）との電位差に応じた電圧信号を磁場コイル１３の一方端側に供給する。また磁場コイル１３の他方端側は共通端子（ＧＮＤ）に接続される。具体的には、この増幅器３４の出力は、磁気センサ部１０ａの磁場コイル１３ａのＸ軸負の側にある端部（磁場コイルの一方端側）に接続され、磁気センサ部１０ｂの磁場コイル１３ｂのＸ軸正の側にある端部（磁場コイルの他方端側）が共通端子（ＧＮＤ）に接続される。なお、磁気センサ部１０ａの磁場コイル１３ａのＸ軸正の側の端部と磁気センサ部１０ｂの磁場コイル１３ｂのＸ軸負の側の端部とは互いに接続される。

さらに磁気センサ部１０を一対とする図７の例では、図３（ｂ），図９に例示した回路に限られず、図１１に例示するように、固定抵抗素子Ｒrefと、増幅器３４とを含んで構成される回路部１５を用いてもよい。ここでは、第１、第２の磁気抵抗効果素子１１ａ，ｂが電源端子Ｖccと、共通端子（ＧＮＤ）との間で直列に接続される。そして第１の磁気抵抗効果素子１１ａと、第２の磁気抵抗効果素子１１ｂとが互いに接続される点が増幅器３４の一方側端子に接続され、またこの増幅器３４の他方側端子は固定抵抗素子Ｒrefを介して共通端子（ＧＮＤ）に接続されている。

つまり増幅器３４は、第１の磁気抵抗効果素子１１ａと第２の磁気抵抗効果素子１１ｂとの中点の電位と、固定抵抗素子Ｒrefにより得られる参照電位との間の電位差に応じた電圧信号を磁場コイル１３の一方端側に供給する。また磁場コイル１３の他方端側は共通端子（ＧＮＤ）に接続される。

また図１に例示した、磁気センサ部１０が一つである例においても、この図１１同様に、図１２に例示するように、固定抵抗素子Ｒrefと、固定抵抗器３１と、増幅器３４とを含んで構成される回路部１５を用いてもよい。ここでは、磁気抵抗効果素子１１と固定抵抗器３１とが電源端子Ｖccと、共通端子（ＧＮＤ）との間で直列に接続される。そして磁気抵抗効果素子１１と固定抵抗器３１とが互いに接続される点が増幅器３４の一方側端子に接続され、またこの増幅器３４の他方側端子は固定抵抗素子Ｒrefを介して共通端子（ＧＮＤ）に接続されている。

つまり増幅器３４は、磁気抵抗効果素子１１と固定抵抗器３１との中点の電位と、固定抵抗素子Ｒrefにより得られる参照電位との間の電位差に応じた電圧信号を磁場コイル１３の一方端側に供給する。また磁場コイル１３の他方端側は共通端子（ＧＮＤ）に接続される。

１磁気センサ装置、１０磁気センサ部、１１磁気抵抗効果素子、１２磁性体、１３磁場コイル、１４バイアスコイル、１５回路部、２０基板、２１下部磁場コイル層、２２磁性体層、２３上部磁場コイル層、２４バイアスコイル層、３１，３２，３３固定抵抗素子、３４増幅器。

Claims

磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向をＸ軸とし、前記磁気抵抗効果素子を、Ｘ軸方向に挟んで配置される、一対の磁性体と、
前記一対の磁性体に、前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向に交わる方向に巻き回されて、前記磁気抵抗効果素子への磁場を形成する磁場コイルと、
を基板上に形成した磁気センサ装置であって、
前記磁場コイルは、前記磁性体を挟んで積層配置される下部磁場コイル層及び上部磁場コイル層とにそれぞれ配された導体パターンを含んでなり、
前記上部磁場コイル層の前記導体パターンは、前記磁気抵抗効果素子の配置位置において、当該磁気抵抗効果素子に重なり合う位置に配され、前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向に直交する方向に配される直線状の部分を含む中心導体を含み、前記磁気抵抗効果素子の配置位置において前記下部磁場コイル層の形成面に近接する磁気センサ装置。
感磁軸方向を互いに反平行とし、感磁軸方向に直交する方向に並べて配した第１、第２の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向をＸ軸とし、前記第１、第２の磁気抵抗効果素子を含む層とは異なる層に主に配され、前記第１の磁気抵抗効果素子の配置に対応する位置に配した空隙をＸ軸方向に挟んで対向配置される一対の第１磁性体、並びに前記第２の磁気抵抗効果素子の配置に対応する位置に配した空隙を挟んで対向配置される一対の第２磁性体を含む磁性体層と、
前記磁性体層を挟んで積層配置され、前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向に交わる方向に、前記一対の第１磁性体の各々、及び一対の第２磁性体の各々に対してそれぞれ巻回される磁場コイルの導体をそれぞれ含んだ下部磁場コイル層及び上部磁場コイル層と、
を有し、
前記上部磁場コイル層に配された前記磁場コイルの導体は、前記第１，第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに重なり合う位置に配され、前記磁気抵抗効果素子の感磁軸方向に直交する方向に配される直線状の部分を含む中心導体を有し、前記上部磁場コイル層は、前記下部磁場コイル層の形成面に近接する磁気センサ装置。
請求項２記載の磁気センサ装置であって、
前記第１、第２の磁性体の配される範囲に重なり合う範囲に亘り、前記上部磁場コイル層に対して絶縁層を介して配されるバイアスコイル層内に、渦巻き状のバイアスコイルを配した磁気センサ装置。