WO2015190155A1

WO2015190155A1 - 電流センサ

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Publication number: WO2015190155A1
Application number: PCT/JP2015/059139
Authority: WO
Inventors: 英範畑谷; 高橋　彰; 斎藤　正路; 竜矢小暮; 隆洋田岡; 井出　洋介
Original assignee: アルプス・グリーンデバイス株式会社
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-12-17
Also published as: JPWO2015190155A1

Abstract

　磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを備える電流センサであって、被測定電流路に１００Ａ程度以上の大電流が流れた場合であっても、測定精度を維持することが可能な電流センサとして、被測定電流路を囲み前記被測定電流路の回りに発生する磁束を集束しうる環状の磁気コアと、前記磁気コアが備えるギャップに生じた磁界を検出する磁気センサとを備えた電流センサであって、前記磁気センサは、前記磁気コアのギャップ内または当該ギャップの近傍に配置され、前記磁気センサは磁気抵抗効果素子を有し、前記磁気抵抗効果素子は、平面視での幅が２μｍ以上８μｍ以下の帯状に延在し平行に配置される複数の素子部と、当該複数の素子部が直列に接続されるように設けられた複数の導電部とを備え、前記複数の素子部および前記複数の導電部によりミアンダ形状が画成され、前記複数の素子部のそれぞれは、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有する電流センサが提供される。

Description

電流センサ

　本発明は、磁気コアを有する磁気センサを備える電流センサに関する。

　各種機器の制御や監視のために、被測定電流路（電線）に流れる電流を検出する電流センサが良く知られている。この種の電流センサとして、被測定電流路に流れる電流から生じる磁界を感知するコイルやホール素子を用いた磁気センサを用いることが知られている。

　電流センサの従来例１として、特許文献１の電流センサが提案されている。この電流センサ７００は図９に示すように、ほぼ矩形環状に構成され、環状部分の一部にギャップ７０２が形成されているコア本体７０１と、コア本体７０１の貫通孔７０６を貫通するように配置された導体７０７を流れる電流に応じて発生する磁界を検出するホールＩＣ（ホール素子）７０５とから構成されている。電流センサ７００のホールＩＣ７０５は、ホールＩＣ７０５の感度軸の方向ＫＤ７と磁界の方向ＭＤ７とが一致するように、コア本体７０１のギャップ７０２内に挟持されるようにして配設されている。

　しかしながら、従来例１のように感磁素子としてホール素子を用いると、素子の性能上、高精度の検出値を得ることが難しかった。そのため、ホール素子の代わりに磁気抵抗効果素子を用いることが行われ、磁気抵抗効果素子を用いた場合には高精度の検出値が得られることが知られている。

　電流センサの従来例２として、特許文献２の電流センサが提案されている。この電流センサ８００は図１０に示すように、電流センサ８００は、導体コイル８１０を流れる電流に応じて発生した磁界を集束する磁界集束手段としてのコア８１１と、磁界検出手段としての磁気抵抗効果素子８１２とを備えて構成されている。コア８１１は、環状に形成され、コア８１１の一部に導体コイル８１０が巻回され、対向する側にギャップ８１３が設けられており、集束した磁界はギャップ８１３間で強くなっている。磁気抵抗効果素子８１２は、従来例１のホールＩＣ７０５とは異なり、磁気抵抗効果素子８１２の感度軸の方向ＫＤ８が素子の厚み方向に対して直交している。そして、ギャップ８１３に発生した磁界の方向ＭＤ８と磁気抵抗効果素子８１２の感度軸の方向ＫＤ８とを一致させるためには、狭いギャップ８１３内に挟持されるように磁気抵抗効果素子８１２を配設できないので、図１０に示すように、ギャップ８１３の近傍に配置させている。そして、この磁気抵抗効果素子８１２により、導体コイル８１０に流れる電流変化により生じる磁界変化を精度良く検出できるとしている。

特開２００９－１４５４９号公報特開平６－１３００８８号公報

　近年、ハイブリッド自動車、電気自動車などに用いられるモータ兼発電機などを具体的な適用例として、１００Ａ程度以上の直流大電流を非接触で精度良く測定可能な電流センサが求められている。このような用途として、上記の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを備える電流センサを適用すると次のような問題が生じることが、本発明者らの検討により明らかになった。

　すなわち、被測定電流路を流れる直流大電流による強い誘導磁界に基づいて磁気コアのギャップに発生した磁界は特に強くなるため、磁気抵抗効果素子には特に強い磁界が印加される。このため、被測定電流路を流れる電流が低下して印加磁界が弱くなっても、磁気抵抗効果素子の一方向に磁化されたフリー磁性層の状態が多磁区化してしまっている場合がある。磁気抵抗効果素子のフリー磁性層が多磁区化すると、その磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを備える電流センサにはオフセットまたは予めオフセットされていた出力の変化（以下、これらを総称して、「オフセットの変化」という。）が生じ、電流センサの測定精度が低下してしまう。このオフセットの変化の発生の問題は、被測定電流路を流れる電流が、パルス電流のように、実質的に電流値が０Ａの状態から大電流が流れた状態になる場合に顕著となりやすい。そのような場合の具体例として、自己インダクタンスに基づく電流が挙げられる。

　磁気抵抗効果素子のフリー磁性層の磁化方向を安定化させるための手段として永久磁石によるバイアスや、バイアスコイルによる磁界付与が挙げられるが、印加磁界が特に強い場合には、永久磁石によるバイアスでは多磁区化を抑制することは困難であった。また、バイアスコイルを用いても、バイアスコイルに流れる電流量が増大して、電流センサの省力化が困難となる、バイアスコイルに流れる電流に基づくジュール熱によって磁気抵抗効果素子の特性が安定しない、といった問題が生じることがあった。

　本発明は、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを備える電流センサであって、被測定電流路に１００Ａ程度以上の大電流が流れた場合であっても、測定精度を維持することが可能な電流センサを提供することを目的とする。

　上記の目的を達成すべく提供される本発明の一態様は、被測定電流路を囲み前記被測定電流路の回りに発生する磁束を集束しうる環状の磁気コアと、前記磁気コアが備えるギャップに生じた磁界を検出する磁気センサとを備えた電流センサであって、前記磁気センサは、前記磁気コアのギャップ内または当該ギャップ近傍に配置され、前記磁気センサは磁気抵抗効果素子を有し、前記磁気抵抗効果素子は、平面視での幅が２μｍ以上８μｍ以下の帯状に延在し平行に配置される複数の素子部と、当該複数の素子部が直列に接続されるように設けられた複数の導電部とを備え、前記複数の素子部および前記複数の導電部によりミアンダ形状が画成され、前記複数の素子部のそれぞれは、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有することを特徴とする電流センサである。

　電流センサが備える磁気センサが有する磁気抵抗効果素子の複数の素子部は、それぞれについて平面視での幅が２μｍ以上８μｍ以下であるため、被測定電流路に１００Ａ程度以上の大電流が流れた場合であっても、素子部の抵抗値が変化することが抑制され、素子部を流れる電流を低く抑えることができる。それゆえ、素子部のフリー磁性層に多磁区化が生じにくくなる。したがって、本発明に係る電流センサは、被測定電流路に大電流が流れた場合であっても、オフセットの変化が生じにくい。

　本発明に係る電流センサは次の特徴の少なくとも一つを備えていてもよい。
・反強磁性層はＩｒＭｎにより形成されている。
・磁気センサは、磁気抵抗効果素子を複数備えるブリッジ回路を備える。このとき、ブリッジ回路において直列に配置される２つの磁気抵抗効果素子は、固定磁性層の磁化方向が互いに逆向きであることが好ましい。
・定格電流が１００Ａ以上である電流路を被測定電流路とする。

　本発明によれば、磁気抵抗効果素子を有する磁気センサを備える電流センサであって、被測定電流路に１００Ａ程度以上の大電流が流れた場合であっても、測定精度を維持することが可能な電流センサが提供される。

本発明の一実施形態の電流センサを説明する斜視図である。本発明の一実施形態に係る磁気センサを構成する磁気抵抗効果素子の拡大平面図である。図２に示すＩＩ－ＩＩ線における矢視断面図である。本発明の一実施形態に係る磁気センサの構造を示す平面模式図である。本発明の他の一実施形態の電流センサを説明する斜視図である。実施例１において測定した、電流－電圧変換回路からの出力電圧の検出値とパルス電流のピーク値との関係を示すグラフである。実施例２において測定した、電流－電圧変換回路からの出力電圧の検出値とパルス電流のピーク値との関係を示すグラフである。実施例３において測定した、ブリッジ回路の抵抗値および電流値とＧＭＲ素子の素子幅との関係を示すグラフである。従来例１における電流センサのコア本体及びホールＩＣを説明する斜視図である。従来例２における電流センサを説明する全体斜視図である。

　以下、本発明の実施形態について説明する。
１．電流センサ
　本発明の一実施形態に係る電流センサは、被測定電流路を囲み被測定電流路の回りに発生する磁束を集束しうる磁気コアと、磁気コアのギャップに生じた磁界を検出する磁気センサとを備える。なお、本明細書において、「磁気コアのギャップに生じた磁界」とは、磁気コアのギャップ、すなわち磁気コアの間隙部内に生じた磁界およびギャップの周囲に生じた磁界の双方を意味する。

（１）磁気コア
　磁気コアの形状は、被測定電流路を囲み被測定電流路の回りに発生する磁束を集束するできる限り、限定されない。典型的には、被測定電流路が貫通可能な貫通路を有する環状の形状を有し、集束した磁束に基づく磁界を測定できるように、ギャップ（エアギャップ）を有する部材から構成される。電流センサが備える磁気コアは、特許文献１や２に示されるように、１つであってもよいし、電流センサは磁気コアを２つ以上備えていてもよい。

　図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサ１０を説明する斜視図である。本発明の第１実施形態の電流センサ１０は、図１に示すように、磁束を集束する磁気コア１と、被測定電流路ＣＢに電流が流れたことに基づいて磁気コア１のギャップ２に生じた磁界を検出する磁気センサ３とを備えて構成される。

　磁気コア１は、被測定電流路ＣＢを囲むように配置され、被測定電流路ＣＢの回りに発生する磁束を集束している。磁気コア１を構成する材料は軟磁性材料であれば特に限定されない。パーマロイ（Ｆｅ－Ｎｉ合金）、他の鉄系材料であるセンダスト（Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ合金）、鉄系または非鉄系のアモルファス磁性合金などが例示される。

　図１に示すように、一具体例において、磁気コア１は、ほぼ矩形の環状に形成され、磁気コア１の一部分に一端と他端に挟まれるギャップ２を有している。磁気コア１は環状であってギャップを有する限り具体的な形状は任意であり、たとえば円環状であってもよい。そのギャップに発生した磁界を、磁気センサ３が適切に検出可能である限り、ギャップ２の形状、特に幅は限定されない。

　図１に示すように、本発明の一実施形態に係る電流センサ１０が被測定電流路ＣＢに取り付けられ、被測定電流路ＣＢが磁気コア１の中心に配置された際、ギャップの幅方向ＭＤと、被測定電流路ＣＢの軸方向ＪＤとが直交するように構成されている。なお、電流センサ１０の被測定電流路ＣＢへの取り付けは、図示はしていないが、電流センサ１０を収容する筐体および取付け機構によって行われる。

（２）磁気センサ
　磁気センサ３は、被測定電流路ＣＢに電流が流れたことに基づいてギャップ２に生じた磁界を検出するセンサであって、例えば、巨大磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗効果素子（本明細書において、「ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子」ともいう。）を用いている。この磁気センサ３は、一具体例として、ＧＭＲ素子をシリコン基板上に作製し、切り出されたＧＭＲ素子を備えたチップを熱硬化性の合成樹脂でパッケージングしている。本実施形態に係る磁気センサ３は、ＧＭＲ素子を複数備えるブリッジ回路を備える。以下、ＧＭＲ素子の詳細およびブリッジ回路の詳細について説明する。

（２－１）磁気抵抗効果素子
　図２は、本発明の一実施形態に係る磁気センサの概念図（平面図）、図３は、図２に示すＩＩ－ＩＩ線における矢視断面図である。

　本発明の一実施形態に係る磁気センサ３は、図２に示すように、ミアンダ形状のＧＭＲ素子３１を有する。具体的には、磁気センサ３は、平面視での幅（Ｗ）が２μｍ以上８μｍ以下の帯状に延在し平行に配置される複数の素子部３１１と、複数の素子部３１１が直列に接続されるように設けられた複数の導電部３１２とを備え、複数の素子部３１１および複数の導電部３１２によりミアンダ形状が画成されている。

　このミアンダ形状のＧＭＲ素子３１において、感度軸方向は、帯状の素子部３１１の長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」という。）に対して直交する方向Ｄ２（以下、「幅方向Ｄ２」ともいう。）である。このミアンダ形状のＧＭＲ素子３１を備える磁気センサ３は、使用の際に、磁気コア１のギャップ２に生じた磁界である被測定磁界が、幅方向Ｄ２に沿うように、ＧＭＲ素子３１を備える磁気センサ３の磁気コア１に対する配置は設定される。この関係を満たす限り、磁気センサ３は、磁気コア１のギャップ２内に配置されていてもよいし、ギャップ２の近傍のいずれの場所に配置されていてもよいが、ギャップ２内に配置されていた方が外乱磁場による影響を少なくすることができる。従って、磁気センサ３はギャップ内に配置される方が好ましい。

　ミアンダ形状を有するＧＭＲ素子３１の幅方向Ｄ２の端部に位置する帯状の素子部３１１は、導電部３１２を介して接続端子３１３ａ，３１３ｂに接続されている。こうして、２つの接続端子３１３ａ，３１３ｂ間に、複数の帯状の素子部３１１が直列に導電部３１２により接続された構成を、ＧＭＲ素子３１は備える。ＧＭＲ素子３１の複数の素子部３１１が、２つの接続端子３１３ａ，３１３ｂ間において、長手方向Ｄ１に直列に接続されていることにより、ＧＭＲ素子３１の検出強度を高めることが可能となっている。導電部３１２および接続端子３１３ａ，３１３ｂは非磁性、磁性の別を問わないが、電気抵抗の低い材料から構成することが好ましい。磁気センサ３は、２つの接続端子３１３ａ，３１３ｂからＧＭＲ素子３１からの信号を出力可能である。接続端子３１３ａ，３１３ｂから出力されるＧＭＲ素子３１からの信号は、図示しない演算部に入力され、演算部において当該信号に基づいて被測定電流が算出される。なお、被測定電流は、フィードバックコイルを流れる電流量を制御する回路などを含む他の回路からの信号に基づいて算出される場合もある。その場合には、ＧＭＲ素子３１からの信号に基づいて、当該他の回路に入力される制御信号が算出される。

　図３に示すように、ＧＭＲ素子３１の帯状の素子部３１１のそれぞれは、チップ２９上に、図示しない絶縁層等を介して、下から、シード層２０、固定磁性層２１、非磁性材料層２２、フリー磁性層２３、反強磁性層２４および保護層２５の順に積層されて成膜される。これらの層の成膜方法は限定されない。例えばスパッタにて成膜してもよい。

　シード層２０は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒ等で形成される。
　固定磁性層２１は、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃと間に位置する非磁性中間層２１ｂとのセルフピン止め構造である。

　図３に示すように、第１磁性層２１ａの固定磁化方向と、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向とは反平行となっている。そして、第２磁性層２１ｃの固定磁化方向が、固定磁性層２１における固定磁化方向である。

　図３に示すように、第１磁性層２１ａはシード層２０上に形成されており、第２磁性層２１ｃは、後述する非磁性材料層２２に接して形成されている。

　本実施形態における第１磁性層２１ａは、第２磁性層２１ｃよりも高保磁力材料のＦｅＣｏ合金で形成されることが好適である。

　非磁性材料層２２に接する第２磁性層２１ｃは磁気抵抗効果（具体的にはＧＭＲ効果）に寄与する層であり、第２磁性層２１ｃには、アップスピンを持つ伝導電子とダウンスピンを持つ伝導電子の平均自由行程差を大きくできる磁性材料が選択される。

　図３に示す構成では、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとの磁化量（飽和磁化Ｍｓ・膜厚ｔ）の差が実質的にゼロとなるように調整されている。

　本実施形態における固定磁性層２１は、セルフピン止め構造であるから、反強磁性層を備えない。これによりＧＭＲ素子３１の温度特性が反強磁性層のブロッキング温度に制約を受けない。

　固定磁性層２１の磁化固定力を高めるには、第１磁性層２１ａの保磁力Ｈｃを高めること、第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃの磁化量の差を実質的にゼロに調整すること、更に非磁性中間層２１ｂの膜厚を調整して第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃ間に生じるＲＫＫＹ相互作用による反平行結合磁界を強めることが重要とされている。このように適宜調整することで、固定磁性層２１が外部からの磁界に対して影響を受けることなく、磁化がより強固に固定される。

　非磁性材料層２２は、Ｃｕ（銅）などである。また図３に示すフリー磁性層２３はＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の単層構造、あるいは積層構造で構成されるが、これに限定されるものでない。保護層２５を構成する材料は限定されない。Ｔａ（タンタル）などが例示される。

　図３に示すようにフリー磁性層２３の上面には反強磁性層２４が形成されている。反強磁性層２４はフリー磁性層２３との間で磁場中でのアニール処理を行うことなく交換結合バイアス（交換結合磁界；Ｈｅｘ）を生じさせることができるＩｒＭｎで形成されることが好ましい。このように磁場中でのアニール処理を施すことなくフリー磁性層２３との間で交換結合バイアスを生じさせることができる反強磁性層２４を用いる場合には、磁場中でのアニール処理を必要とするＰｔＭｎやＮｉＭｎは使用しないことが好ましい。

　反強磁性層２４の膜厚およびフリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスの大きさは、フリー磁性層２３の磁化方向を、被測定磁界の印加に応じて磁化変動可能な状態で揃えることができる限り、限定されない。一例を挙げれば、反強磁性層２４の膜厚は、４０～８０Å程度である。またフリー磁性層２３に生じる交換結合バイアスの大きさは５０～３００Ｏｅ（約４ｋＡ／ｍ～約２４ｋＡ／ｍ）程度である。図３のフリー磁性層の磁化方向Ｆは初期磁化方向を示しており、フリー磁性層２３の磁化方向Ｆは固定磁性層２１の固定磁化方向（第２磁性層２１ｃの固定磁化方向）に対して直交する方向に揃えられている。

　図３では、反強磁性層２４がフリー磁性層２３の上面全体に成膜されているが、これに限定されず、反強磁性層２４の一部に欠陥部を形成してもよい。ただし、反強磁性層２４がフリー磁性層２３の全面に形成されているほうが、フリー磁性層２３全体を適切に一方向に単磁区化でき、ヒステリシスをより低減できるため、測定精度を向上させることができ好適である。

　前述のように、本発明の一実施形態に係る電流センサ１０が備える磁気センサ３のミアンダ形状を画成する帯状の素子部３１１は、それぞれ、幅方向（Ｗ）の長さ（本明細書において、「素子幅」ともいう。）が２μｍ以上８μｍ以下である。素子幅が２μｍ以上であることにより、被測定電流路ＣＢに例えば１００Ａ程度以上の大電流が流れ、ギャップ２内に生じた磁界が５０ｍＴ以上となるような場合であっても、磁気センサ３のオフセットの変化が生じにくい。また、素子幅が８μｍ以下であることにより、磁気センサ３に流れる電流を５ｍＡ程度以下に抑えることが容易となる。磁気センサ３を流れる電流が過度に高い場合には、発生したジュール熱により磁気センサ３の特性が変化して、磁界の測定精度が低下するおそれがある。磁気センサ３の測定精度をより安定的に高める観点から、素子幅は、３μｍ以上７μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上６μｍ以下であることがより好ましい。

　なお、素子部３１１における電圧が印加される方向に平行な方向を法線とする断面の形状は、素子幅方向がμｍ単位であるのに対し、これに直交する厚さ方向はｎｍ単位である。したがって、素子部３１１の素子幅と厚さとが素子部３１１の電気抵抗に与える影響を対比すれば、素子幅の方が圧倒的に大きく、実質的に、素子幅を変化させることによって、素子部３１１の電気抵抗の程度を調整することが可能である。

（２－２）ブリッジ回路
　図４に示すように、本発明の一実施形態に係る磁気センサ３は、４つのＧＭＲ素子３１ａ～３１ｄによりブリッジ回路を構成している。

　図４に示すように、ＧＭＲ素子３１ａとＧＭＲ素子３１ｂとは直列に接続され、ＧＭＲ素子３１ｃとＧＭＲ素子３１ｄとは直列に接続されている。図４に示すようにＧＭＲ素子３１ａとＧＭＲ素子３１ｃとは入力端子（Ｖｄｄ）１４に接続されており、ＧＭＲ素子３１ｂとＧＭＲ素子３１ｄとはグランド端子（ＧＮＤ）１５に接続されている。そして、ＧＭＲ素子３１ａとＧＭＲ素子３１ｂとの間、およびＧＭＲ素子３１ｃとＧＭＲ素子３１ｄの間に、それぞれ、出力端子（Ｖ１）１６および出力端子（Ｖ２）１７が接続されている。図４における方向Ｆ１から方向Ｆ４は、それぞれ、ＧＭＲ素子３１ａからＧＭＲ素子３１ｄのフリー磁性層の磁化方向である。なお、図４においてＦ１とＦ２およびＦ３とＦ４の方向はそれぞれ逆方向で示されているが、Ｆ１～Ｆ４のフリー磁性層の磁化方向がすべてＦ１と同じ、または、Ｆ２と同じであっても良い。

　図４に示すＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は固定磁化方向を示しており、ＧＭＲ素子３１ａの固定磁化方向Ｐ１とＧＭＲ素子３１ｄの固定磁化方向Ｐ４とは向きが等しいが、ＧＭＲ素子３１ｂの固定磁化方向Ｐ２とＧＭＲ素子３１ｃの固定磁化方向Ｐ３とは、ＧＭＲ素子３１ａの固定磁化方向Ｐ１およびＧＭＲ素子３１ｄの固定磁化方向Ｐ４に対して反対向きである。例えば、固定磁化方向Ｐ１，Ｐ４を「第１の向き」とすると、固定磁化方向Ｐ２，Ｐ３は「第１の方向」に対して反対向きの「第２の向き」と規定される。固定磁化方向Ｐ１～Ｐ４は、上記のとおり、セルフピン止め構造で構成された固定磁性層の固定磁化方向を指す。

（３）電流測定方法
　出力端子（Ｖ１）１６および出力端子（Ｖ２）１７から出力される信号に基づく電流測定方法は限定されない。

　例えば、出力端子（Ｖ１）１６から出力される電圧の出力端子（Ｖ２）１７から出力される電圧からの差Ｖ_１２に基づいて、被測定電流Ｉを求めてもよい（磁気比例式電流センサ）。この場合には、上記の電圧差Ｖ_１２と被測定電流Ｉとが相関関係を有する。

　あるいは、図５に示されるように、電流センサ１０は、磁気コア１および磁気センサ３に加えて、フィードバックコイル４を備え、出力端子（Ｖ１）１６および出力端子（Ｖ２）１７からの出力信号を入力とする回路（ＧＭＲブリッジ検出回路）およびその回路から出力される制御信号を入力としてフィードバックコイル４に所定の電流（フィードバック電流）を発生させる回路（コイル電流供給回路）を備えていてもよい。このフィードバック電流は、ギャップ２に生じた磁界に応じて発生した上記の電圧差Ｖ_１２に対応する。具体的には、フィードバックコイル４を流れるフィードバック電流は、ギャップ２に生じた磁界を相殺するキャンセル磁界を磁気コア１内に生じさせるように設定される。被測定電流Ｉにより磁気コア１内に生じた磁界が、キャンセル磁界と相殺されることによって、ギャップ２に生じた磁界を実質的にゼロにすることができる。このとき、出力端子（Ｖ１）１６および出力端子（Ｖ２）１７から出力される電圧差Ｖ_１２もゼロになる。このようにブリッジ回路が平衡状態となったときのフィードバックコイル４に流れる電流を計測することにより被測定電流Ｉを求めてもよい（磁気平衡式電流センサ）。図５に示される電流センサでは、一具体例として、フィードバックコイル４に流れる電流は、参照電圧回路からの信号も入力とする電流－電圧変換回路に入力され、出力電圧を電圧センサにて測定して、その電圧値に基づいて被測定電流Ｉを求めることとしている。

　いずれの方法による電流測定においても、測定精度を高めるためには、ギャップ２に生じた磁界と電圧差Ｖ_１２とが適切に１対１対応していることが求められる。このため、ブリッジ回路が備えるＧＭＲ素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄのそれぞれについて、フリー磁性層の磁化状態が多磁区化を生じにくいことが求められる。この点に関し、本実施形態に係る電流センサ１０の磁気センサ３が備えるＧＭＲ素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、交換結合バイアスを有し、しかも素子幅（Ｗ）が適切に設定されているため、被測定電流Ｉが大電流となってギャップ２に生じた磁界が５０ｍＴ以上となるような場合であっても、多磁区化が生じにくい。また、素子部３１１を流れる電流に基づくジュール熱の影響を受けにくい。このように、本実施形態に係る電流センサ１０の磁気センサ３が備えるＧＭＲ素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは測定中に多磁区化が生じにくいため、本実施形態に係る電流センサ１０は、被測定電流Ｉが大電流となっても、オフセットの変化が生じにくく、高い測定精度を維持しやすい。

　したがって、本実施形態に係る電流センサ１０は、被測定電流路ＣＢが、モータやトランスのようなコイルを有する電気部品と接続されていて、そのコイルの自己インダクタンスに基づき短期間であっても１００Ａのような大電流が流れるような場合であっても、高い測定精度を維持することが可能である。

　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、上記の説明では、ブリッジ回路を構成するＧＭＲ素子数は４であるが、これに限定されない。

　以下、実施例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に示されるブリッジ回路を有する磁気センサを備え、図５に示される構造・構成を有する電流センサを用意した。本発明例１に係る電流センサが備える磁気センサのブリッジ回路に組み込まれた４つのＧＭＲ素子は、いずれも、図２に示されるミアンダ形状を有し、図３に示される交換結合バイアスを有するＧＭＲ素子（素子幅：６μｍ）であった。比較例１に係る電流センサが備える磁気センサのブリッジ回路に組み込まれた４つのＧＭＲ素子は、いずれも、図２に示されるミアンダ形状を有し、従来技術に係る永久磁石バイアスを有するＧＭＲ素子（素子幅：３μｍ）であった。

　ブリッジ回路の入力端子（Ｖｄｄ）には５Ｖが印加されており、出力端子（Ｖ１）からの電圧の出力端子（Ｖ２）からの電圧に対する差Ｖ_１２をＧＭＲブリッジ検出回路にて検出し、その電圧差Ｖ_１２に基づいて、コイル電流供給回路から出力される電流量を制御した。

　フィードバックコイルを流れた電流の変化を電流－電圧変換回路により電圧の変化に変換した。この際、電流－電圧変換回路に対して参照電圧回路から電圧入力を行って、フィードバックコイルに電流が流れていない状態における電流－電圧変換回路からの出力電圧が２５００ｍＶになるように設定した。この出力電圧を電圧センサで測定した。

　被測定電流路に流れる電流（１次電流）は次のように設定した。初期状態を０Ａとして、最初にピーク電流が所定の値に設定された２００ｍｓのパルス電流を流し、続いて、電流の向きを反転させて同様のパルス電流（２００ｍｓ）を流した。ピーク電流を、１００Ａから１０００Ａの範囲（比較例１では１００Ａおよび１２０Ａ）で増大させた。このとき、フィードバックコイルを制御する回路が動作していない状態とした。この状態で瞬間的に過電流を流すと、磁気コアのギャップ内の磁界をキャンセルさせるような電流がフィードバックコイルに流れないため、ＧＭＲ素子にはより強い磁界が印加されることになる。

　このように、フィードバックコイルを制御する回路を動作しない状態にすることにより、フィードバックコイルを備える電流センサの磁気センサに組み込まれたＧＭＲ素子に対して、強い磁界をパルス状に加えることが可能となる。この場合にはＧＭＲ素子のフリー磁性層に多磁区化が生じやすいため、本実施例において行った電流印加は、電流センサにオフセットの変化が生じやすい、厳しい試験条件であったといえる。

　こうして、正負のパルス電流を被測定電流路に流したのち、被測定電流路に流れる電流値を０Ａに戻し、フィードバックコイルを制御する回路を動作させた状態で、電流－電圧変換回路からの出力電圧を電圧センサにて測定した。ＧＭＲ素子のフリー磁性層の磁化方向が適切に初期状態に戻っている場合には、出力電圧は２５００ｍＶとなるが、フリー磁性層に多磁区化が生じている場合には、出力電圧は２５００ｍＶに戻ることができない。この、２５００ｍＶに対する電圧のずれ量に基づき、電流センサのオフセットの変化の程度を評価した。測定結果を表１および図６に示す。

　表１および図６に示されるように、交換結合バイアスを備えるＧＭＲ素子を用いた本発明例１に係る電流センサでは、パルス電流のピーク値が１０００Ａ（印加磁界は最大１８０ｍＴ程度と考えられる。）であってもオフセットの変化はほとんど生じなかったが、永久磁石バイアスを備えるＧＭＲ素子を用いた比較例１に係る電流センサでは、パルス電流のピーク値が１００Ａ（印加磁界は最大３０ｍＴ程度と考えられる。）でも明確なオフセットの変化が測定された。

（実施例２）
　ＧＭＲ素子におけるミアンダ形状を有する素子部の素子幅がオフセットの変化に与える影響を確認した。
　図２に示されるミアンダ形状を有し、図３に示される交換結合バイアスを備える積層構造を有し、１μｍから８μｍの範囲で素子幅が異なる複数種類のＧＭＲ素子を作製した。素子幅が共通する４つのＧＭＲ素子を用いたブリッジ回路を備える磁気センサを素子幅に応じて５つ作製した。図５に示される構成を有し、上記の作製した各磁気センサを備える電流センサを作製した。
　これらの電流センサについて、実施例１と同様にして、パルス電流のピーク値を１００Ａから１０００Ａの範囲で増大させて、各ピーク値のパルス電流を印加した後の検出電圧を測定した。測定結果を表２および図７に示す。

　表２および図７に示されるように、素子幅が１μｍの場合には、パルス電流のピーク値が１００Ａ（印加磁界は最大３００ｍＴ程度と考えられる。）の段階でオフセットの変化が測定された。素子幅が２～８μｍの場合には、パルス電流のピーク値が１０００Ａ（印加磁界は最大１８０ｍＴ程度と考えられる。）でも明確なオフセットの変化は測定されなかった。

（実施例３）
　実施例２において作製したＧＭＲ素子と同様の構造を有し、素子幅が１０μｍであるＧＭＲ素子を作製し、このＧＭＲ素子を４つ用いたブリッジ回路を備える磁気センサを作製した。
　素子幅が１～１０μｍであるＧＭＲ素子を用いてなる各ブリッジ回路について、ブリッジ回路の抵抗値および電流値を測定した。測定結果を表３および図８に示す。

　表３および図８に示されるように、素子幅が２μｍ以上８μｍ以下の場合には、ブリッジ回路の抵抗が１ｋΩ以上であり、かつブリッジ回路を流れる電流値が５ｍＡ以下となった。したがって、この範囲であれば、ブリッジ回路からの出力信号を適切に検出することが可能であり、しかも、ブリッジ回路での消費電力を抑制してジュール熱の発生量が過大になることを抑制することが可能である。素子幅が８μｍを超える場合、例えば上記のように１０μｍの場合には、ブリッジ回路を流れる電流値が５ｍＡ以上となって、ブリッジ回路での消費電力が増大して、発生したジュール熱が電流センサとしての測定精度に影響を及ぼすことが懸念される。

　本発明の磁気センサは電流センサの検出部として好適であり、本発明の磁気センサを備える電流センサは、ハイブリッド自動車、電気自動車などに用いられるモータ兼発電機の電流を計測する機器として好適である。

　１０　電流センサ
　１　磁気コア
　２　ギャップ
　３　磁気センサ
　３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ　ＧＭＲ素子
　３１１　素子部
　４　フィードバックコイル

Claims

　被測定電流路を囲み前記被測定電流路の回りに発生する磁束を集束しうる環状の磁気コアと、前記磁気コアが備えるギャップに生じた磁界を検出する磁気センサとを備えた電流センサであって、
　前記磁気センサは、前記磁気コアのギャップ内または当該ギャップ近傍に配置され、
　前記磁気センサは磁気抵抗効果素子を有し、
　前記磁気抵抗効果素子は、平面視での幅が２μｍ以上８μｍ以下の帯状に延在し平行に配置される複数の素子部と、当該複数の素子部が直列に接続されるように設けられた複数の導電部とを備え、前記複数の素子部および前記複数の導電部によりミアンダ形状が画成され、
　前記複数の素子部のそれぞれは、磁化方向が固定された固定磁性層と、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層と、交換結合によって前記フリー磁性層に対してバイアス磁界を印加する反強磁性層とを有すること
を特徴とする電流センサ。
　前記反強磁性層はＩｒＭｎにより形成されている、請求項１に記載の電流センサ。
　前記磁気センサは、前記磁気抵抗効果素子を複数備えるブリッジ回路を備える、請求項１または２に記載の電流センサ。
　前記ブリッジ回路において直列に配置される２つの前記磁気抵抗効果素子は、前記固定磁性層の磁化方向が互いに逆向きである、請求項３に記載の電流センサ。
　定格電流が１００Ａ以上である電流路を前記被測定電流路とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電流センサ。