JPWO2017064921A1 - 電流検知装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 フィードバックコイルの上に形成されるシールド層を平坦な状態に形成して絶縁層の亀裂を防止し、さらにシールド層の飽和磁化を高めることができる電流検知装置を提供する。【解決手段】 基板2の上に磁気検知部11,12,13,14と、これらを覆う下部絶縁層4が形成されている。下部絶縁層4の上にフィードバックコイル30の対向検知部30aを形成する複数条のコイル層35が形成され、コイル層35の両側に高さ調整層36,37が形成されている。コイル層35と高さ調整層36,37が上部絶縁層9で覆われ、その上にシールド層3が形成されている。そのため、シールド層3をほぼ平坦な状態に形成することができる。【選択図】図5

Description

本発明は、フィードバックコイルを使用したいわゆる磁界平衡式の電流検知装置に関する。
特許文献1にはいわゆる磁界平衡式の電流検知装置に関する発明が記載されている。
この電流検知装置は、測定される電流が通過する導体に磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとが対向している。導体に流れる被測定電流で励起された電流磁界は磁気抵抗効果素子で検知され、その検知出力の大きさに対応したフィードバック電流が前記フィードバックコイルに与えられるように制御される。フィードバックコイルから磁気抵抗効果素子へは、前記電流磁界とは逆向きのキャンセル磁界が与えられ、電流磁界とキャンセル磁界とが平衡状態となったときに、フィードバックコイルに流れている電流が検知され、電流の検知出力が被測定電流の測定値となる。
特許文献1に記載の電流検知装置は、その図4に示されているように、被測定電流が流れる導体とフィードバックコイルとの間にシールド層が形成されている。シールド層を設けると、被測定電流で誘導された電流磁界の強度が弱められて磁気抵抗効果素子に与えられるため、磁気抵抗効果素子で検知することができる被測定電流の強度幅が広がり、電流磁界を測定するためのダイナミックレンジを広げることが可能になる。
特開2013−53903号公報
特許文献1に記載された電流検知装置を製造するには、基板上に、磁気抵抗効果素子と、これを覆う下部絶縁層と、前記下部絶縁層上に位置するフィードバックコイルと、前記フィードバックコイルを覆う上部絶縁層を順番に積層し、前記上部絶縁層の上にフィードバックコイルを覆うようにシールド層をメッキ工程で形成することが必要である。
フィードバックコイルを覆う前記上部絶縁層は有機絶縁層で形成することが可能であるが、有機絶縁層は吸湿性であるため、上部絶縁層に接しているフィードバックコイルやシールド層を劣化させるおそれがある。また、有機絶縁層は水分を吸収すると膨潤する性質を有しているため、磁気抵抗効果素子やフィードバックコイルなどに対して応力が付与されることになり、上部絶縁層とシールド層との境界部の接合強度が低下する可能性も高くなる。
そこで、前記上部絶縁層をSi−Nxなどの無機材料で形成することが好ましいが、無機材料の絶縁層をCVD法やスパッタ法で形成すると、フィードバックを構成するコイル層が比較的高い寸法を有しているため、フィードバックコイルの両側部で、コイル層の上面からその両外側にかけて上部絶縁層の表面に比較的大きな段差が形成されるのを避けることができない。前記シールド層はフィードバックコイルを覆う幅寸法に形成することが必要であるため、シールド層の両側部も、上部絶縁層の表面の前記段差を覆うように形成されることになる。
磁気検知装置の製造過程では、シールド層が形成された後に、パッケージ用の樹脂の焼成工程などの加熱工程があり、さらに完成後の磁気検知装置をマザー基板に半田付けする工程でも加熱工程を経ることになる。無機材料で形成された上部絶縁層と金属材料を用いてメッキ工程で形成されたシールド層とでは線膨張係数の差が大きいため、それぞれの加熱工程後の冷却過程で、上部絶縁層とシールド層との境界部に熱応力が作用しやすい。
前述のように、上部絶縁層を無機材料で形成すると、フィードバックコイルの両側部で上部絶縁層に段差が形成されやすく、この段差の上にシールド層が変形した状態で重なる構造になる。このような積層構造では、上部絶縁層とシールド層との間の熱応力が両層の段差部分に集中することになり、応力の集中により上部絶縁層の段差部に亀裂が発生する問題が生じやすくなる。
また、上部絶縁層の表面に段差が形成されると、シールド層の両側部にも段差状の変形部が形成されることになる。シールド層の両側部に変形部が形成されると、シールド層の幅方向すなわち磁気抵抗効果素子の感度軸方向の異方性磁界Hkが低下することになり、シールド層の同方向の飽和磁化が低下する。その結果、シールド効果が低下して、測定電流のダイナミックレンジを狭めることになる。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、フィードバックコイルを覆う上部絶縁層とその上に形成されるシールド層との接合部に大きな段差部が形成されない積層構造を採用することにより、熱応力による上部絶縁層の亀裂の発生を抑制できるようにした電流検知装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、シールド層を平坦形状に形成しやすくして、磁気検知部の感度軸方向の飽和磁化の低下を抑制できるようにした電流検知装置を提供することを目的としている。
本発明の電流検知装置は、測定される電流が流れる電流路と、平面的な螺旋パターンに形成されたコイル層と、前記コイル層に対向する磁気検知部と、前記電流路と前記コイル層との間に形成されたシールド層と、前記磁気検知部の検知出力の増減に応じて前記コイル層に与える電流を制御するコイル通電部と、前記コイル層に流れる電流量を検知する電流検知部、とを有しており、
前記磁気検知部を覆う下部絶縁層の上に、螺旋パターンを構成するために複数条に並ぶ前記コイル層と、複数条の前記コイル層の両側に配置された非磁性金属で形成された高さ調整層と、前記コイル層と前記高さ調整層を覆う無機材料で形成された上部絶縁層とが設けられており、
前記上部絶縁層の上に形成された前記シールド層が、複数条の前記コイル層と前記高さ調整層の双方を覆っており、前記シールド層の両側部が前記高さ調整層の上方に位置していることを特徴とするものである。
本発明の電流検知装置では、前記コイル層と前記高さ調整層とが同じ高さに形成されていることが好ましい。
本発明の電流検知装置は、前記コイル層と前記高さ調整層が共にメッキ層であることが好ましく、さらに、前記コイル層と前記支持装置が同じ導電性金属材料で形成されていることが好ましい。
本発明の電流検知装置では、前記高さ調整層は、前記コイル層に流れる電流に沿う方向の長さ寸法が、前記シールド層の前記方向の長さ寸法よりも大きいものである。
また本発明の電流検知装置は、複数条に配置されたそれぞれの前記コイル層の電流方向と交差する方向の幅寸法よりも、前記高さ調整層の前記方向の幅寸法の方が大きいものである。
本発明の電流検知装置は、前記シールド層は、その縦方向に延びて前記高さ調整層の上方に位置する前記両側部と、横方向に延びて前記コイル層を流れる電流を横断する両端部とを有し、前記シールド層は、縦方向の寸法が横方向の寸法よりも大きく形成されており、
前記両端部の平面形状は、横方向の全長にわたって縦方向へ突出する曲線形状であることが好ましい。
また、本発明の電流検知装置は、前記両端部の平面形状が、ほぼ半円弧形状であることが好ましい。
本発明の電流検知装置では、前記磁気検知部の感度軸方向が横方向である。
本発明の電流検知装置は、螺旋パターンを構成する複数条のコイル層と、その両側に形成された高さ調整層が無機材料の上部絶縁層で覆われ、上部絶縁層の上で、シールド層がコイル層と高さ調整層の双方を覆うように形成されている。したがって、複数条のコイル層の両側部において、上部絶縁層とシールド層との接合境界部に段差部が形成されるのを防止でき、上部絶縁層とシールド層との間に熱応力が発生しても、その熱応力が部分的に集中するのを避けることができ、上部絶縁層に亀裂などが発生しにくくなる。
また、シールド層はほぼ平面に近い形状に形成できるため、磁気検知部の感度軸方向でのシールド層の飽和磁化の低下を防止でき、測定できる電流のダイナミックレンジの低下を阻止することが可能になる。さらに、シールド層をほぼ平面に近い形状に形成できるため、検知出力の線形性(リニアリティ)を向上させることが可能になる。
本発明の実施の形態の電流検知装置を示す平面図、 図1に示す電流検知装置に使用されているフィードバックコイルと高さ調整層およびシールド層を示す平面図、 図1に示す電流検知装置に装備されている磁気検知部とその配線構造を示す平面図、 図1に示す電流検知装置に使用されているフィードバックコイルと高さ調整層およびシールド層を示す部分斜視図、 図4をV−V線で切断した断面図、 比較例の電流検知装置を示す図5と同じ断面図、 (A)は本発明の実施の形態の電流検知装置に使用されているシールド層を示す斜視図、(B)は図6に示す比較例の電流検知装置に使用されているシールド層を示す斜視図、 電流検知装置の回路図、 シールド層の異方性磁界Hkを説明する線図、 検知出力のフルスケール(FS)の線形性を説明する線図、 (A)は、本発明の実施の形態の電流検知装置の検知出力の線形線を評価した棒グラフ、(B)は、図7(B)に示す比較例のシールド層を使用した電流検知装置の検知出力の線形線を評価した棒グラフ、 (A)(B)は、本発明の実施の形態の電流検知装置に設けられたシールド層を実施例別に示した平面図、 図12(A)(B)に示したシールド層の感度軸方向のHkを比較した線図、
本発明の実施の形態の電流検知装置1は、図1と図3に示す電流路40を流れる被測定電流I0の電流量を検知するためのものであり、磁気検知部11,12,13,14と、フィードバックコイル30、および電流路40とフィードバックコイル30との間に形成されたシールド層3を有している。
図5の断面図に示すように、電流検知装置1は、基板2を有している。基板2はシリコン(Si)基板である。基板2の表面2aは平坦面であり、この表面2aに、磁気検知部11,12,13,14が形成されている。
図1と図3に示すように、磁気検知部11,12,13,14はX方向へ等間隔で配置されている。前記電流路40はX方向に延びており、被測定電流I0が図示右方向へ流れている。図5に示すように、電流路40は基板2の上方に離れた位置にあり、電流路40は、全ての磁気検知部11,12,13,14と、その上に形成されているフィードバックコイル30の対向検知部30aに対向している。
図1と図3に、磁気検知部11,12,13,14の配置構造と配線構造が示され、図8にはその回路図が示されている。
図1と図3の図示左側の端部に位置する磁気検知部11と図示右側の端部に位置する磁気検知部13に配線路5が接続されており、配線路5の端末部に接続ランド部5aが形成されている。磁気検知部11と磁気検知部12は直列に接続され、磁気検知部13と磁気検知部14は直列に接続されている。中央に位置する磁気検知部12と磁気検知部14にはそれぞれ配線路6が接続されており、それぞれの配線路6の端末部に接続ランド部6aが形成されている。
直列に接続されている磁気検知部11と磁気検知部12の中間に配線路7が接続され、直列に接続されている磁気検知部13と磁気検知部14の中間に配線路8が接続されている。配線路7の端末部に接続ランド部7aが形成され、配線路8の端末に接続ランド部8aが形成されている。
前記配線路5,6,7,8は基板2の表面2aに形成された金や銅などの導電層で形成されている。前記接続ランド部5a,6a,7a,8aも金などの導電層で形成されている。
それぞれの磁気検知部11,12,13,14は、Y方向の幅寸法よりもX方向の長手寸法が大きいストライプ形状の複数本の磁気抵抗効果素子により構成されている。磁気検知部12,13,14では、複数本のストライプ形状の磁気抵抗効果素子がいわゆるミアンダパターンで配列されて直列に接続されている。そして、ミアンダパターンの磁気抵抗効果素子の端部が、前記配線路5,6,7,8のいずれかに接続されている。
磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果を発揮する巨大磁気抵抗効果素子層(GMR層)であり、基板2の表面2aに形成された絶縁下地層の上に、固定磁性層と非磁性層とフリー磁性層が順に積層され、フリー磁性層の表面が保護層で覆われている。これらの層はCVDやスパッタ工程で形成され、その後にエッチングでストライプ形状に形成される。さらにストライプ形状の磁気抵抗効果素子をミアンダパターンに接続する接続導電層が形成される。
固定磁性層とフリー磁性層は長手方向がX方向に向けられたストライプ形状であり、固定磁性層の磁化がY方向に向けて固定されている。
図3に、固定磁性層の磁化の固定方向Pが矢印で示されている。磁化の固定方向Pがそれぞれの磁気抵抗効果素子の感度軸方向であり、磁気検知部11,12,13,14の感度軸方向である。磁気検知部11と14に設けられた磁気抵抗効果素子は磁化の固定方向Pが同じであり、共に感度軸が図示下向きである。磁気検知部12と13に設けられた磁気抵抗効果素子は磁化の固定方向Pが同じであり、共に感度軸が図示上向きである。
前記磁気抵抗効果素子では、フリー層の磁化が形状異方性やバイアス磁界によってX方向に揃えられている。それぞれの磁気検知部において、感度軸(P方向)方向に沿う向きの外部磁界が与えられると、フリー磁性層においてX方向に揃えられていた磁化の向きがY方向へ向けて傾けられる。フリー磁性層の磁化のベクトルと磁化の固定方向Pとの角度が小さくなると、磁気抵抗効果素子の電気抵抗が低下し、フリー磁性層の磁化のベクトルと磁化の固定方向Pとの角度が大きくなると、磁気抵抗効果素子の抵抗値が大きくなる。
図8の回路図に示すように、配線路5に電源Vddが接続され、配線路6,6が接地電位に設定されて、磁気検知部11,12,13,14で構成されているブリッジ回路に定電圧が印加されている。配線路8からは中点電圧V1が得られ、配線路7からは中点電位V2が得られる。
図5に示すように、磁気検知部11,12,13,14と配線路5,6,7,8は、下部絶縁層4で覆われている。下部絶縁層4は窒化シリコン(Si−Nx)であり、CVD法により形成されている。
図5に示すように、下部絶縁層4の表面4a上にフィードバックコイル30が形成されている。図1と図2にフィードバックコイル30の平面パターンが示されている。フィードバックコイル30は、一方のランド部31から他方のランド部32に向けて時計回りの螺旋状に巻かれて形成されており、磁気検知部11,12,13,14の上に位置し且つ電流路40に対向する部分が対向検知部30aとなっている。
図5には対向検知部30aが形成されている領域の断面が示されている。フィードバックコイル30は、断面がほぼ長方形の1条のコイル層35が螺旋状のパターンで平面的に巻かれたものであり、対向検知部30aでは、周回する前記コイル層35がY方向に複数条並んでいる。対向検知部30aでは、複数条のコイル層35がY方向に一定の間隔を空けてX方向へ直線的に平行に形成されている。
コイル層35はメッキ層であり、低抵抗の非磁性金属層である金で形成されている。ただし、コイル層35は銅など他の金属で形成してもよい。コイル層35の断面形状は、幅寸法W1が15〜40μm程度であり、高さ寸法H1は前記W2と同等かまたはわずかに大きい。
図2と図4および図5に示すように、下部絶縁層4の表面4aでは、複数条のコイル層35を有している対向検知部30aのY方向の外側に、高さ調整層36が形成されており、対向検知部30aのY方向の内側に、高さ調整層37が形成されている。高さ調整層36と高さ調整層37は、非磁性金属材料で形成されたメッキ層であり、好ましくはコイル層35と同じ金属材料でコイル層35と同じメッキ工程で形成されている。ただし、高さ調整層36,37はコイル層35と異なる金属である例えばアルミニウムなどで、コイル層35と別の工程で形成されてもよい。
図5に示すように、高さ調整層36,37の高さ寸法H2は、コイル層35の高さ寸法H1と同じである。高さ調整層36,37のY方向の幅寸法W2はコイル層35のY方向の幅寸法W1よりも十分に大きく形成されている。高さ調整層36,36とこれに隣接するコイル層35とのY方向の間隔δ2は、対向検知部30aにおいて隣り合うコイル層35の間隔δ1と同じかそれ以下であることが好ましい。
図5に示すように、複数条に並ぶコイル層35とその両側に位置する高さ調整層36,37の上に上部絶縁層9が形成されている。上部絶縁層9は窒化シリコン(Si−Nx)層であり、CVD法により形成されている。図4には、フィードバックコイル30を構成するコイル層35と、高さ調整層36,37とが上部絶縁層9で覆われた状態の外観が示されている。上部絶縁層9がCVD法で形成された結果、その表面では、コイル層35の真上に膨らみ9aが形成され、隣り合うコイル層35の間および高さ調整層36,37とコイル層35との間に凹部9bが形成される。
図6には、高さ調整層36,37を有していない比較例が示されている。この比較例に示すように、上部絶縁層9がCVD法で形成されると、あるいはスパッタ法で形成されると、複数条のコイル層35が並ぶ領域のY方向の両側において、上部絶縁層9の表面に段差9cが形成される。これに対し、本発明の実施の形態では、図4と図5に示すように、コイル層35の両側に高さ調整層36,37を設けることにより、複数条のコイル層35が並ぶ領域のY方向の両側において、上部絶縁層9の表面に大きな段差が形成されることがない。
図5に示すように、上部絶縁層9の表面にシールド層3が形成される。シールド層3はNi−Fe合金(ニッケルー鉄合金)などの磁性金属材料で形成されたメッキ層である。図5に示すように、シールド層3はフィードバックコイル30を構成する複数条のコイル層35とその両側の高さ調整層36,37の双方を覆ってY方向へ連続して形成されている。
シールド層3のY方向に向く両側部3aは、コイル層35が形成されている領域よりもY方向の外側に位置し、両側部3aは、高さ調整層36,37の真上に位置している。図5に示すように、シールド層3と高さ調整層36,37とが重なっている領域のY方向の幅寸法Waは、高さ調整層36,37とコイル層35との間隔δ2よりも大きくなるように形成されている。
その結果、図4と図7(A)に示すように、シールド層3は横方向(Y方向)に向く幅寸法Wsの全長において大きな変形部が形成されずにほぼ平面的に形成することが可能になる。図1に示すように、シールド層3は、全ての磁気検知部11,12,13,14を上方から覆い、且つフィードバックコイル30の対向検知部30aを覆っている。図2に示すように、高さ調整層36,37は、シールド層3のX方向の両側部3a,3aよりも、X方向の両側へ突出する範囲に形成されている。そのため、シールド層3はX方向においても段差による変形部が形成されておらず、X方向においても平坦な形状に形成されている。
シールド層3が形成された後も電流検知装置1は加熱工程を複数回経ることになる。例えば、加熱工程は、有機絶縁層のキュア工程やパッケージ工程での樹脂の焼成工程などであり、さらには電流検知装置1がマザー基板に実装される際の半田付け工程などである。シールド層3を構成するNi−Fe合金と、上部絶縁層9を形成する無機材料のSi−Nxは線膨張係数に差があるため、加熱工程後の冷却過程で、シールド層3と上部絶縁層9との境界部に熱応力が発生する。
このとき、図6に示す比較例では、高さ調整層36,37が形成されていないために、コイル層35が形成されている領域のY方向の両側において上部絶縁層9の表面に大きな段差9cが形成されて、この段差9c上にシールド層3が重ねられた構造となっている。そのため、前記熱応力が段差9cの部分に集中し、段差9cの部分で上部絶縁層9に亀裂が発生しやすい課題が生じている。
これに対し、図4と図5に示す本発明の実施の形態では、高さ調整層36,37を設けることで、上部絶縁層9に段差9cが形成されず、シールド層3にも段差による変形部が形成されなくなる。そのため、上部絶縁層9とシールド層3との境界部に大きな応力が集中する場所が存在しなくなり、上部絶縁層9が熱応力で破損するなどの問題が生じにくくなる。
図4と図5に示す本発明の実施の形態の電流検知装置1では、図7(A)に示すように、シールド層3が平坦な形状に形成されるが、図6に示す比較例では、前記段差9cの影響により、図7(B)に示すように、シールド層103のY方向の両側の端部に変形部103aが形成される。その結果、磁気検知部11,12,13,14の感度軸の方向(P方向)であるY方向の異方性磁界Hkは、図7(A)に示すシールド層3の方が図7(B)に示すシールド層103よりも大きくなり、実施の形態のシールド層3のY方向の飽和磁化が、比較例のシールド層103のY方向の飽和磁化よりも大きくなる。その結果、本発明の実施の形態の電流検知装置1では、高さ調整層36,37を用いることで、シールド層3のY方向のシールド効果を高めることができるようになり、被測定電流I0を検知するためのダイナミックレンジを広げることが可能となる。
図8の回路部に示すように、磁気検知部11,12,13,14でブリッジ回路が構成されており、配線路8で得られる中点電圧V1と配線路7で得られる中点電位V2が、コイル通電部15に与えられる。コイル通電部15は、差動増幅部15aと補償回路15bとを有している。差動増幅部15aはオペアンプを主体として構成されており、入力された中点電圧V1とV2との差(V1−V2)が検出電圧Vdとして求められる。この検出電圧Vdが補償回路15bに与えられ補償電流Idが生成され、補償電流Idは、フィードバックコイル30に与えられる。
なお、差動増幅部15aと補償回路15bとが一体となったものが、補償型の差動増幅部と呼ばれることがある。
図8に示すように、フィードバックコイル30のランド部31が補償回路15bに接続され、ランド部32が電流検知部17に接続されている。電流検知部17は、フィードバックコイル30に接続された抵抗17aと、抵抗17aに作用する電圧を検知する電圧検知部17bとを有している。
次に、電流検知装置1の動作を説明する。
図8に示すように、電流路40においてX方向へ流れる被測定電流I0によって測定用の電流磁界H0が誘導される。この電流磁界H0は磁気検知部11,12,13,14に与えられる。電流磁界H0は、磁気検知部11と磁気検知部14の抵抗値を増加させるように作用し、磁気検知部12と磁気検知部13の抵抗値を低下させるように作用するため、差動増幅部15aの出力値である検出電圧Vdは被測定電流I0が大きくなるにしたがって増大していく。
補償回路15bからは、フィードバックコイル30に補償電流Idが与えられ、フィードバックコイル30にキャンセル電流Id1が流れる。対向検知部30aでは、被測定電流I0とキャンセル電流Id1の流れる方向が逆向きであるため、キャンセル電流Id1によって、磁気検知部11,12,13,14に、電流磁界H0を相殺する向きのキャンセル磁界Hdが作用する。
被測定電流I0で誘導される電流磁界H0が、キャンセル磁界Hdよりも大きいときは、配線路8で得られる中点電圧V1が高くなり、配線路7で得られる中点電位V2が低くなって、差動増幅部15aの出力である検出電圧Vdが高くなる。このとき、補償回路15bでは、キャンセル磁界Hdを増加させて前記検出電圧Vdをゼロに近づけるための補償電流Idが生成され、この補償電流Idがフィードバックコイル30に与えられる。磁気検知部11,12,13,14に作用するキャンセル磁界Hdと電流磁界H0とが平衡状態となって、前記検出電圧Vdが所定値以下となったときに、フィードバックコイル30に流れている電流が図8に示す電流検知部17で検知され、これが被測定電流I0の電流測定値となる。
前記電流検知装置1では、電流路40と磁気検知部11,12,13,14との間にシールド層3が形成され、被測定電流I0で誘導される測定用の電流磁界H0に吸収されるため、磁気検知部11,12,13,14に与えられる電流磁界H0が減衰させられる。その結果、磁気検知部11,12,13,14の磁気抵抗効果素子が磁気飽和するまでの被測定電流I0の変化の範囲を広げることができ、ダイナミックレンジを広げることが可能になる。
さらに、前記高さ調整層36,37を用いることで、シールド層3の変形を少なくし、異方性磁界Hkを大きくして飽和磁化を高めることができるため、シールド層3のシールド効果を高めることができ、ダイナミックレンジをさらに広げることが可能になる。
図5に示すように、実施の形態のシールド層3は、感度軸方向であるY方向、すなわち電流磁界H0が作用する方向で高さ方向の変化がなく、平坦である。そのため、電流磁界H0の強度の変化に対するシールド層3の磁気吸収効果が比例的となり、電流検知装置1の検知出力の線形性(リニアリティー)を高めることができる。これに対し、図6に示す比較例のシールド層103では、段差9cの存在により、シールド層103の内部に、磁路の屈曲部が形成されている。その影響で、電流磁界H0の強度の変化に対するシールド層3の磁気吸収効果の比例度が低下し、電流検知装置1の検知出力の線形性(リニアリティー)が低下することになる。
図7(A)(B)に示すシールド層3,103を使用してY方向の異方性磁界Hkを測定した。
シールド層3とシールド層103は、共にNi−Fe合金で形成したメッキ層である。合金組成は、Niが80質量%、Feが20質量%である。両シールド層3,103は共に厚さ寸法tを16.5μmとした。図7(A)に示す本発明の実施の形態のシールド層3は、縦方向(X方向)に延びる両側部3a,3aと、横方向(Y方向)に延びる両端部3b,3bを有している。横方向(Y方向)の幅寸法Wsを0.14mm、縦方向(X方向)の長さ寸法Lsを0.81mmとした。図7(B)に示す比較例のシールド層103は、横方向の幅寸法Wcを0.14mmとし、縦方向の長さ寸法Lcを0.81mmとした。比較例のシールド層103は、両側部に段差による変形部を有している。変形部は、段差Fhを5.0μmとし、幅寸法fwを12μmとした。
シールド層3とシールド層103について異方性磁界Hkを実測した。図9は、外部磁界(H)とシールド層の磁化(M)との関係を示している。横軸は、感度軸方向(Y方向)に作用する外部磁界の強度であり、縦軸がシールド層の磁化の大きさである。異方性磁界Hkは、シールド層の磁化が飽和するまでの外部磁界(H)の強度を意味している。
異方性磁界Hkの実測値は、図7(A)に示す本発明の実施の形態のシールド層3がHk=97.5であり、図7(B)に示す比較例のシールド層103はHk=76.4であった。本発明の実施の形態の電流検知装置1では、図7(A)に示すシールド層3が、シールド層103に比較して、異方性磁界を大きくでき、その結果として飽和磁化を大きくできるため、電流値の測定のダイナミックレンジを広げることが可能になる。
図11(A)に、図7(A)に示すシールド層3を使用した本発明の実施の形態の電流検知装置1の検知出力の線形性に関するデータが示され、図11(B)には、シールド層3を図7(B)に示す比較例のシールド層103に置き換えた電流検知装置の検知出力の線形性に関するデータが示されている。
図10には、電流検知装置1に対して感度軸方向に与えた外部磁界H(電流磁界H0)の検知出力のフルスケール(FS)と、線形性との関係が模式的に示されている。図10では、外部磁界Hと検知出力との理想的な変化が破線の直線で示され、実際に測定された電流検知装置1の検知出力が実線で示されえいる。検知出力(実線)と直線(破線)との出力差の最大値Amaxを求め、(Amax/FS)×100(%)で計算したのが線形性である。
図7(A)に示すシールド層3を使用した実施の形態の電流検知装置1を複数個(N=1000個)製造し、個々の電流検知装置1の検知出力の直線性(%)を実測した。同様に、シールド層3を図7(B)に示すシールド層103に置き換えた電流検知装置についても同数(N=1000個)製造し、個々の検知出力について線形性(%)を実測した。
図11(A)と図11(B)では、横軸に実測値である線形性(%)の範囲が0.01%の幅で区分され、縦軸には、0.01%幅のそれぞれの区分での実測値の頻度(%)を示している。図11(A)に示すように、シールド層3を使用した本発明の実施の形態の電流検知装置1は、検知出力の線形性を0.1%以下に抑えることができる。これに対し、図11(B)に示すように、シールド層103を使用した電流検知装置では、線形性が0.1%を超えるものが発生する。
図12(A)(B)には、本発明の実施の形態の電流検知装置1に使用される第1実施例のシールド層3Aと第2実施例のシールド層3Bが示されている。
図12(B)に示す第2実施例のシールド層3Bは、図7(A)に示したものと同じであり、厚さ寸法tが16.5μm、横方向(Y方向)の幅寸法Wsが0.14mm、縦方向(X方向)の長さ寸法Lsが0.81mmである。図12(A)に示す第1実施例のシールド層3Aは、厚さ寸法tが16.5μm、横方向(Y方向)の幅寸法Wsが0.14mm、縦方向(X方向)の長さ寸法Lsが0.66mmである。第1実施例のシールド層3Aと第2実施例のシールド層3Bは、厚さ寸法tと横方向(Y方向)の幅寸法Wsが同じであるが、第1実施例のシールド層3Aは、第2実施例のシールド層3Bよりも、縦方向(X方向)の長さ寸法Lsが短くなっている。
図12(A)(B)に示す各実施例のシールド層3A,3Bについて、縦方向(X方向)に向けられている端部3b,3bに突状の曲線部(円弧部)Rを形成し、Rの大きさの変化と異方性磁界Hkとの関係を調べてみた。図13の破線は、図12(B)に示す第2実施例のシールド層3Bの端部3bに形成されるRの大きさと、感度軸方向(Y方向)の異方性磁界Hk(mT)の変化との関係を示している。図13の実線は、図12(A)に示す第1実施例のシールド層3Aの端部3bに形成されるRの大きさと、感度軸方向(Y方向)の異方性磁界Hk(mT)の変化との関係を示している。
図13の横軸は、各シールド層3A,3Bの端部3bに形成される円弧部Rの大きさを示している。図12に示すシールド層3Aとシールド層3Bのそれぞれについて、円弧部の大きさをR=5μm、20μm、50μm、および70μm(0.07mm)の順で変化させた。図13の縦軸は、異方性磁界Hk(mT)の大きさを示している。
図12(A)において破線で示し、図12(B)において実線で示すように、R=5μm、20μm、50μmの円弧部は、各シールド層3A,3Bの側部3aの辺と端部3bの辺とが交わる4箇所の角部に形成される。R=70μm(0.07mm)になると、図12(A)において実線で示すように、円弧部が、両端部3b,3bにおいて横方向(Y方向)の全長にわたって形成され、両端部3b,3bが縦方向(X方向)へ突出する半円形状となる。図12(B)のシールド層3Bの場合も、R=70μm(0.07mm)になると、両端部3b,3bが縦方向(X方向)へ突出する半円形状となる。
図13において破線で示すように、縦方向(X方向)の長さ寸法Lsが0.81mmである第2実施例のシールド層3Bは、Rの大きさを5μmから70μmまで順に大きくしても、異方性磁界Hkに大きな差が表れない。これに対し、図13において実線で示すように、縦方向(X方向)の長さ寸法Lsが0.66mmである第1実施例のシールド層3は、Rを大きくするにしたがって、異方性磁界Hkを大きく向上させることができる。そして、第1実施例のシールド層3Aにおいて、R=70μmとし、端部3bを全長にわたって突曲線とし、半円形にすると、異方性磁界Hkを、第2実施例のシールド層3Bと同等まで向上させることができ、飽和磁界を大きくすることができる。
Rが大きいと異方性磁界Hkが大きくなる理由は、Rが大きくなると、シールド層3の端部3bにおいて、感度軸方向(Y方向)に対して非平行となる領域がX方向に広がって、端部3bでの磁気異方性が高まるからと予測される。端部3bに形成される円弧部のRを同じ大きさにしても、第1実施例のシールド層3Aが第2実施例のシールド層3Bよりも異方性磁界Hkが大きくなるのは、シールド層3の長さ寸法Lsと幅寸法Wsとの比、Ls/Wsが小さいほど、端部3bの形状が磁気異方性に寄与する割合が高くなるからと考えられる。
図12(A)(B)から、幅寸法Wsが0.14mmの場合に、長さ寸法Lsが0.7mm以下になれば、端部3bを突曲線とすることの効果が高まることが分かる。よって、Ls/Wsのアスペクト比は、0.7/0.14以下、すなわちLs/Wsが5以下であることが好ましい。さらに、端部3bは横方向の全長にわたって突曲線形状であることが好ましく、半円形であることが最も好ましい。このように、端部3bに突曲線部を形成することで、シールド層3の面積が小さくても飽和磁界を大きくすることができる。よって、電流検知装置の小型化を促進できるようになる。
1 電流検知装置
3 シールド層
3a 側部
3b 端部
4 下部絶縁層
5,6,7,8 配線層
9 上部絶縁層
11,12,13,14 磁気検知部
17 電流検知部
30 フィードバックコイル
30a 対向検知領域
35 コイル層
36,37 高さ調整層
40 電流路
H0 電流磁界
Hd キャンセル磁界
I0 被測定電流
Id キャンセル電流
P 感度軸の方向
本発明の電流検知装置は、前記コイル層と前記高さ調整層が共にメッキ層であることが好ましく、さらに、前記コイル層と前記高さ調整層が同じ導電性金属材料で形成されていることが好ましい。

Claims (9)

  1. 測定される電流が流れる電流路と、平面的な螺旋パターンに形成されたコイル層と、前記コイル層に対向する磁気検知部と、前記電流路と前記コイル層との間に形成されたシールド層と、前記磁気検知部の検知出力の増減に応じて前記コイル層に与える電流を制御するコイル通電部と、前記コイル層に流れる電流量を検知する電流検知部、とを有しており、
    前記磁気検知部を覆う下部絶縁層の上に、螺旋パターンを構成するために複数条に並ぶ前記コイル層と、複数条の前記コイル層の両側に配置された非磁性金属で形成された高さ調整層と、前記コイル層と前記高さ調整層を覆う無機材料で形成された上部絶縁層とが設けられており、
    前記上部絶縁層の上に形成された前記シールド層が、複数条の前記コイル層と前記高さ調整層の双方を覆っており、前記シールド層の両側部が前記高さ調整層の上方に位置していることを特徴とする電流検知装置。
  2. 前記コイル層と前記高さ調整層とが同じ高さに形成されている請求項1記載の電流検知装置。
  3. 前記コイル層と前記高さ調整層が共にメッキ層である請求項1または2記載の電流検知装置。
  4. 前記コイル層と前記支持装置が同じ導電性金属材料で形成されている請求項3記載の電流検知装置。
  5. 前記高さ調整層は、前記コイル層に流れる電流に沿う方向の長さ寸法が、前記シールド層の前記方向の長さ寸法よりも大きい請求項1ないし4のいずれかに記載の電流検知装置。
  6. 複数条に配置されたそれぞれの前記コイル層の電流方向と交差する方向の幅寸法よりも、前記高さ調整層の前記方向の幅寸法の方が大きい請求項1ないし5のいずれかに記載の電流検知装置。
  7. 前記シールド層は、その縦方向に延びて前記高さ調整層の上方に位置する前記両側部と、横方向に延びて前記コイル層を流れる電流を横断する両端部とを有し、前記シールド層は、縦方向の寸法が横方向の寸法よりも大きく形成されており、
    前記両端部の平面形状は、横方向の全長にわたって縦方向へ突出する曲線形状である請求項1ないし6のいずれかに記載の電流検知装置。
  8. 前記両端部の平面形状は、ほぼ半円弧形状である請求項7記載の電流検知装置。
  9. 前記磁気検知部の感度軸方向が横方向である請求項7または8記載の電流検知装置。
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