電流センサ
【課題】より広範囲に亘る検出対象電流を高感度かつ高精度に検出する電流センサを提供する。
【解決手段】導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、導体を流れる検出対象電流が生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示すＧＭＲ素子１１〜１４と、補償電流が流れることにより、誘導磁界とは逆方向の補償磁界をＧＭＲ素子１１〜１４の各々に付与する補償電流線３０とを備える。ＧＭＲ素子１１〜１４は、互いに接続されることによりブリッジ回路を形成する。補償電流は、そのブリッジ回路の中点から取り出される電位の差分によって生じる。補償電流線３０における帯状部分３１〜３４は、ＧＭＲ素子１１〜１４と同方向へ延在すると共に厚さ方向においてそれらとそれぞれ重なり合い、かつ、ＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりもそれぞれ小さな幅Ｗ３１〜３４を有する。
【解決手段】導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、導体を流れる検出対象電流が生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示すＧＭＲ素子１１〜１４と、補償電流が流れることにより、誘導磁界とは逆方向の補償磁界をＧＭＲ素子１１〜１４の各々に付与する補償電流線３０とを備える。ＧＭＲ素子１１〜１４は、互いに接続されることによりブリッジ回路を形成する。補償電流は、そのブリッジ回路の中点から取り出される電位の差分によって生じる。補償電流線３０における帯状部分３１〜３４は、ＧＭＲ素子１１〜１４と同方向へ延在すると共に厚さ方向においてそれらとそれぞれ重なり合い、かつ、ＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりもそれぞれ小さな幅Ｗ３１〜３４を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
一般に、制御機器等の制御をおこなうための制御電流を測定する方法としては、その制御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間接的に測定する方法がある。具体的には、例えば、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）などの磁気抵抗効果素子を４つ用いてホイートストンブリッジを形成し、上記の電流磁界中に配置して、その勾配を検出する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このように、ホイートストンブリッジを形成することにより、外部からのノイズ（妨害磁界）や環境温度による影響を比較的低く抑えることができる。特に、４つの磁気抵抗効果素子の特性が均一な場合は、より安定した検出特性を得ることができる。
【０００４】
また、補償電流ラインを設けることにより、環境温度や外部からのノイズに起因する出力電圧の変化をさらに低減するようにした例も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
さらに、近年、より微弱な電流を検出する必要性が高まっていることから、磁気抵抗効果素子として、インピーダンスが大きく、より感度の高いものが求められるようになっている。ところが、このように高インピーダンスであり高感度な磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジを構成すると、大きなオフセット出力が発生したり接続抵抗のばらつき等が大きくなったりしがちであった。このため、ホイートストンブリッジを構成する４つの磁気抵抗効果素子のバランス調整が一般的には困難であった。そこで、本出願人は、先に、零磁界でのオフセット出力の調整をより簡便におこなうことができ、検出対象電流による電流磁界を高感度、かつ、高精度に検出可能な電流センサを提案している（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５６２１３７７号明細書
【特許文献２】米国特許第５９３３００３号明細書
【特許文献３】特許第４３６０９９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本出願人は、上記特許文献３において、複数の磁気抵抗効果素子における電圧降下の差分に応じた補償電流を利用することにより、検出対象電流の測定をより高精度に行う技術に関しても開示している。
【０００８】
しかしながら最近では、この種の電流センサに関し、全体構成のコンパクト化に加え、高性能化がさらに求められている。
【０００９】
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、より広範囲に亘る検出対象電流を高感度、かつ、高精度に検出可能な電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の電流センサは、導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示す第１から第４の磁気抵抗効果素子と、補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて前記第１から第４の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線とを備え、補償電流に基づいて検出対象電流を検出するものである。ここで、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第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、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ることによりブリッジ回路が形成されており、第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は誘導磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値はいずれも誘導磁界に応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化するようになっている。補償電流は、第３の接続点と第４の接続点との間に電圧が印加されたときの第１の接続点と第２の接続点の間の電位差によって生じるものである。補償電流線は、第１から第４の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において第１から第４の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、第１から第４の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１から第４の帯状部分を含んでいる。
【００１１】
本発明の第２の電流センサは、導体に沿ってそれぞれ配置され、導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が互いに逆方向の変化を示し、かつ互いに同方向へ延在する第１および第２の磁気抵抗効果素子と、読出電流の供給により第１の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下と第２の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下との差分に応じた補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線とを備え、補償電流に基づいて検出対象電流を検出するものである。補償電流線は、第１および第２の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において第１および第２の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、第１および第２の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１および第２の帯状部分を含む。
【００１２】
本発明の第１および第２の電流センサでは、第３の接続点と第４の接続点との間に電圧が印加されたときの第１の接続点と第２の接続点の間の電位差によって生じる補償電流に基づき、あるいは、各磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下同士の差分に応じた補償電流に基づき、各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を各磁気抵抗効果素子に付与するための補償電流線を設けるようにしたので、磁気抵抗効果素子間の特性のばらつきや接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布などに起因した出力電圧の変化がキャンセルされる。また、補償電流線における各帯状部分が、厚さ方向において各磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、各磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有するようにしたので、補償磁界のうちの各磁気抵抗効果素子に実際に及ぶ有効磁界の最大強度および平均強度が向上するうえ、補償電流の一定の変化量に対する各磁気抵抗効果素子の抵抗変化量が増大する。
【００１３】
本発明の第１および第２の電流センサでは、補償磁界の強度は、第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）の各々に含まれるフリー層の磁化を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、フリー層の飽和磁界未満であることが望ましい。各磁気抵抗効果素子に対し、より効率的に補償磁界を付与することができるからである。
【００１４】
本発明の第１および第２の電流センサでは、補償電流線の第１から第４の帯状部分（第１および第２の帯状部分）は、それぞれ、複数設けられていることが望ましい。各磁気抵抗効果素子に対し、幅方向においてより均質な強度の補償磁界を効率的に付与することができるからである。この場合、厚さ方向において第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）をそれぞれ挟むように、一対の第１から第４の帯状部分（一対の第１の帯状部分および一対の第２の帯状部分）が配置されているとよい。特に、一対の各帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が各磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられているとよい。より大きな補償磁界を、均質性を損なうことなく付与することができるからである。
【００１５】
また、本発明の第２の電流センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、読出電流として互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源を備えるようにするとよい。その場合、第１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、第１および第２の定電流源はその一端同士が第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１の定電流源の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第２の定電流源の他端とが第４の接続点において接続され、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の第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構成されている。
【００１６】
また、本発明の第１および第２の電流センサでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）が、一定方向に固着された磁化方向を有するピンド層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層とを順に含む積層体をそれぞれ有するとよい。その場合、ピンド層の磁化方向は、導体ならびに補償電流線の各帯状部分の延在方向と直交する方向であるとよい。さらに、積層体に対し、ピンド層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を備えるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明の第１および第２の電流センサでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）と離間しつつ、それらの延在方向に沿って設けられたヨークを備えるようにすると、誘導磁界および補償磁界をより効率的に各磁気抵抗効果素子に付与することができるので好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１および第２の電流センサによれば、補償電流線を設けると共に、そのうちの少なくとも各磁気抵抗効果素子と重なり合う各帯状部分の幅を、各磁気抵抗効果素子の幅よりも小さくするようにしたので、必要とされる十分な強度の補償磁界を各磁気抵抗効果素子に付与することができる。したがって、例えば複数の磁気抵抗効果素子同士の特性のばらつきや回路中の接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布などに起因した出力電圧の変化をキャンセルすることができる。よって、より高感度かつ、より高精度に誘導磁界を検出することが可能となるので、より正確な検出対象電流を求めることができる。
さらに、検出可能な検出対象電流の範囲が拡大する。すなわち、補償電流を大きくすることなく、より広範囲に亘る検出対象電流を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての電流センサの全体構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示したセンサユニットの要部構成を表す分解斜視図である。
【図３】図２に示した補償電流線および磁気抵抗効果素子を拡大して表す斜視図である。
【図４】図２に示したセンサユニットにおけるIV-IV切断線に沿った構成を表す断面図である。
【図５】図１に示した電流センサの回路図である。
【図６】図１に示した電流センサにおいて、ＧＭＲ素子に及ぶ誘導磁界および補償磁界の向きを説明するための模式図である。
【図７】図２に示した磁気抵抗効果素子の詳細な構成を表す分解斜視図である。
【図８】ＧＭＲ素子が補償電流線の帯状部分から受ける有効磁界の幅方向の分布を表す特性図である。
【図９】補償電流と、補償磁界が印加されるＧＭＲ素子の抵抗値との関係を表す概念図である。
【図１０】外部磁界と、ＧＭＲ素子の出力との関係を表す特性図（実測値）である。
【図１１】ＧＭＲ素子に及ぶ有効磁界の平均強度と、幅の比との関係を表す特性図（計算値）である。
【図１２】ＧＭＲ素子と補償電流線との間の破壊電圧と、両者の幅の比との関係を表す特性図（実測値）である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態としての電流センサにおける要部構成を拡大して表す模式図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態としての電流センサにおける要部構成を表す断面図である。
【図１５】図１４に示した補償電流線のレイアウトを示す概念図である。
【図１６】本発明の第１の変形例としての電流センサの回路図である。
【図１７】本発明の第２の変形例としての電流センサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
［第１の実施の形態］
最初に、図１〜図４を参照して、本発明における第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の全体構成を表す斜視図であり、図２は、その要部であるセンサユニット３の構成を表す分解斜視図である。図３は、センサユニット３における補償電流線３０の詳細な構成などを表す斜視図である。さらに、図４は、図２に示したIV-IV切断線に対応する断面図である。
【００２２】
図１に示したように、この電流センサは、検出対象電流Ｉｍ（後出）が流れる直線状の導体１と、その導体１の近傍に配置された基板２と、基板２の上に配置されたセンサユニット３とを備える。基板２の上には、導体１の延在方向（ここではＹ軸方向）に沿ってセンサユニット３を挟むように一対の永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２が載置されている。さらに、導体１およびセンサユニット３を一括して取り囲むように、例えばパーマロイなどの磁性材料からなる筒型のシールド構造４が設けられている。導体１は、例えば銅（Ｃｕ）などの高い導電率の金属材料からなり、検出対象電流Ｉｍが流れることにより、その周囲に誘導磁界Ｈｍ（後出）を発生する。シールド構造４は、センサユニット３に対して不要な外部磁界が及ぶのを妨げるように機能する。
【００２３】
図２〜図４に示したように、センサユニット３は、例えば素子基板５（図３では省略）上に、第１から第４の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistive effect）素子１１〜１４（以下、単にＧＭＲ素子１１〜１４という。）を含む検出回路２０（後出）が設けられた第１の階層Ｌ１と、補償電流線３０を含む第２の階層Ｌ２と、ヨークＹ１，Ｙ２を含む第３の階層Ｌ３（図３では省略）とが順に積層形成されてなるものである。なお、図４に示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４（検出回路２０）および補償電流線３０は、それぞれ、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）などからなる絶縁膜Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３によって埋設されており互いに絶縁されている。
【００２４】
素子基板５は、例えば、ガラスや酸化硅素（ＳｉＯ2 ）などの硅素（Ｓｉ）の化合物、またはＡｌ2 Ｏ3などの絶縁材料によって構成されるものである。
【００２５】
補償電流線３０は、銅などの高い導電率の金属材料によって構成され、薄膜が積層面内において引き回された一本の薄膜導線である。補償電流線３０は、例えば一方の端部３０Ｔ１から、検出回路２０からの補償電流Ｉｄが流入するようになっている。補償電流線３０は、その一部として、導体１の延在方向（ここではＹ軸方向）へ直線状に延在すると共に、その延在方向および厚さ方向（積層方向）と直交する幅方向（Ｘ軸方向）に並ぶ複数の帯状部分３１〜３４を含んでいる。これらの帯状部分３１〜３４は、それぞれ、幅方向において幅Ｗ３１〜Ｗ３４の寸法を有している。幅Ｗ３１〜Ｗ３４は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。なお、補償電流コイル３０の形状（レイアウト）は図２および図３に示したものに限定されない。
【００２６】
検出回路２０は、４つのＧＭＲ素子１１〜１４がブリッジ接続されたブリッジ回路である。各ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、導体１に沿って配置された帯状の薄膜パターンであり、導体１を流れる検出対象電流Ｉｍ（後出）により生ずる誘導磁界Ｈｍ（後出）に応じて自らの抵抗値が変化を示すものである。具体的には、ＧＭＲ素子１１，１３Ａの各抵抗値は、誘導磁界Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化する（増加または減少する）。一方、ＧＭＲ素子１２，１４の抵抗値は、いずれも、誘導磁界Ｈｍに応じてＧＭＲ素子１１，１３Ａ（の抵抗値の変化）とは反対向きに変化する（減少または増加する）。すなわち、例えばＧＭＲ素子１１，１３の各抵抗値が増加したときは、ＧＭＲ素子１２，１４の各抵抗値は減少するという関係となっている。
【００２７】
ＧＭＲ素子１１〜１４は、互いに同方向（ここではＹ軸方向）へ延在している。ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、その延在方向および厚さ方向（積層方向）と直交する方向において幅Ｗ１１〜Ｗ１４の寸法を有している。幅Ｗ１１〜Ｗ１４は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。ここで、ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、補償電流線３０における帯状部分３１〜３４と１対１の対応関係となっている。すなわち、図３および図４に示したように、積層方向（Ｚ軸方向）において、ＧＭＲ素子１１は帯状部分３１と重なり合う位置にあり、ＧＭＲ素子１２は帯状部分３２と重なり合う位置にあり、ＧＭＲ素子１３は帯状部分３３と重なり合う位置にあり、ＧＭＲ素子１４は帯状部分３４と重なり合う位置にある。ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、補償電流線３０の各帯状部分３１〜３４と厚さ方向において互いに重なり合う位置関係にあることにより、誘導磁界Ｈｍと共に、帯状部分３１〜３４からの補償磁界Ｈｄ（Ｈｄ１〜Ｈｄ４）の影響を受けることとなる。ここで、ＧＭＲ素子１１〜１４と補償電流線３０の各帯状部分３１〜３４とは、厚さ方向における帯状部分３１〜３４の射影（正射影）の全てが面内方向にはみ出すことなくＧＭＲ素子１１〜１４に含まれるような位置関係にある。したがって、幅Ｗ３１〜Ｗ３４は、それぞれ、幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも狭くなっている。ＧＭＲ素子１１〜１４の詳細な構成については後述する。
【００２８】
ヨークＹ１，Ｙ２は、主に、導体１の周囲に発生する誘導磁界Ｈｍを、ＧＭＲ素子１１〜１４へ向かうようにガイドする機能を有する。ヨークＹ１，Ｙ２は、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、コバルト鉄ニッケル（ＣｏＦｅＮｉ）合金、鉄硅素合金（ＦｅＳｉ）、センダスト、ニッケル−亜鉛（ＮｉＺｎ）フェライト、マンガン−亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライト、などの高い透磁率を有する軟磁性材料によって構成されるとよい。
【００２９】
永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２は、ＧＭＲ素子１１〜１４の自由層６３（後出）に対してバイアス磁界を付与することにより、それらのヒステリシスを低減するように機能する。
【００３０】
＜電流センサの回路構成＞
次に、図３に加えて図５を参照して、この電流センサの回路構成について説明する。
【００３１】
図３および図５に示したように、検出回路２０は、接続点Ｐ１〜Ｐ４を有している。接続点Ｐ１はＧＭＲ素子１１およびＧＭＲ素子１２の一端同士を接続し、接続点Ｐ２はＧＭＲ素子１３およびＧＭＲ素子１４の一端同士を接続し、接続点Ｐ３はＧＭＲ素子１１の他端とＧＭＲ素子１４の他端とを接続し、接続点Ｐ４はＧＭＲ素子１２の他端とＧＭＲ素子１３の他端とを接続している。各接続点Ｐ１〜Ｐ４は、銅などの高導電率を有する非磁性材料によって構成された薄膜パターンである。また、接続点Ｐ１は電源Ｖｃｃと接続され、接続点Ｐ２は接地されている。さらに、接続点Ｐ３，Ｐ４は、いずれも、差動増幅器ＡＭＰ（図５）の入力側と接続されている。
【００３２】
補償電流線３０は、その一方の端部３０Ｔ１が図示しない配線によって差動増幅器ＡＭＰの出力側と接続され、他方の端部３０Ｔ２が抵抗体ＲＬを介して接地されるようになっている。抵抗体ＲＬにおける差動増幅器ＡＭＰの側には、補償電流検出手段Ｓが端部３０Ｔ２において接続されている。これにより、補償電流線３０には、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電位差に基づく補償電流Ｉｄが供給されることとなる。補償電流線３０は、補償電流Ｉｄが流れたときに、ＧＭＲ素子１１〜１４に対して補償磁界Ｈｄをそれぞれ付与するような経路を有している。ここで、帯状部分３１〜３４において発生する補償磁界Ｈｄは、導体１を流れる検出対象電流Ｉｍによって生じる誘導磁界Ｈｍとは逆方向となっている。すなわち、図５および図６に矢印で示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４に対して誘導磁界Ｈｍが例えば＋Ｘ方向へ印加されるとき、補償磁界Ｈｄは−Ｘ方向へ印加される。なお、図６は、この電流センサのＸＺ平面に平行な概略断面図であり、補償電流Ｉｄおよび検出対象電流Ｈｍの流れる方向と、ＧＭＲ素子１１〜１４に及ぶ補償磁界Ｈｄおよび誘導磁界Ｈｍの向きとの関係を表す模式図である。
【００３３】
＜ＧＭＲ素子の構成＞
次に、図７（Ａ），７（Ｂ）を参照して、ＧＭＲ素子１１〜１４の構成について、より詳しく説明する。図７（Ａ），７（Ｂ）は、ＧＭＲ素子１１の構成を分解して表す分解斜視図である。なお、磁化Ｊ６１（後述）の向きを除いてＧＭＲ素子１１〜１４は全て同様の構成を有しているので、ここではＧＭＲ素子１１を例に挙げて説明する。
【００３４】
ＧＭＲ素子１１はスピンバルブ構造を有するものであり、図７（Ａ）に示したように、例えば＋Ｘ方向に固着された磁化Ｊ６１を有する固着層６１と、特定の磁化を示さない非磁性の中間層６２と、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄなどの印加磁界の大きさおよび向きに応じて変化する磁化Ｊ６３を有する自由層６３とが順に積層された構造となっている。自由層６３の磁化容易軸ＡＥ６３はＹ軸と平行であるとよい。なお、図５に示したように、ＧＭＲ素子１３の磁化Ｊ６１はＧＭＲ素子１１の磁化Ｊ６１と同方向（＋Ｘ方向）に固着されている。これに対し、ＧＭＲ素子１２，１４の磁化Ｊ６１はいずれもＧＭＲ素子１１，１３の磁化Ｊ６１と逆方向（−Ｘ方向）に固着されている。また、図７（Ａ）は、誘導磁界Ｈｍや補償磁界Ｈｄを印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界が零の状態）を示している。この場合には、自由層６３の磁化方向Ｊ６３は、自らの磁化容易軸ＡＥ６３と平行をなし、かつ、固着層６１の磁化Ｊ６１とほぼ直交する状態となっている。
【００３５】
自由層６３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６２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層６１と接すると共に下面が自由層６３と接している。中間層６２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。中間層６２は、電流センサの動作時に供給される読出電流Ｉ１，Ｉ２（後出）の大部分が流れるパスラインとしても機能する。なお、自由層６３の下面（中間層６２に接する面と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されていてもよい。また、固着層６１と自由層６３との間には磁化方向Ｊ６１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６２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６１と自由層６３との相互間隔（すなわち中間層６２の厚み）に応じて自由層６３のスピン方向が回転することにより変化する。したがって、交換バイアス磁界Ｈinを見かけ上、零とすることもできる。また、図７（Ａ）では、下から自由層６３、中間層６２、固着層６１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。
【００３６】
図７（Ｂ）に、固着層６１の詳細な構成を示す。固着層６１は、例えば中間層６２の側から磁化固定膜６４と反強磁性膜６５と保護膜６６とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜６４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おり、この磁化固定膜６４の示す磁化の向きが固着層６１全体としての磁化Ｊ６１の向きとなる。一方、反強磁性膜６５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６５は、＋Ｘ方向のスピン磁気モーメントと、それとは反対方向（−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６４の磁化の向き（すなわち、固着層６１の磁化Ｊ６１の向き）を固定するように作用している。保護膜６６は、タンタル（Ｔａ）やハフニウム（Ｈｆ）などの比較的化学的に安定な非磁性材料からなり、磁化固定膜６４や反強磁性膜６５などを保護するものである。
【００３７】
以上のような構造を有するＧＭＲ素子１１〜１４では、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界の印加により自由層６３の磁化Ｊ６３が回転し、それによって磁化Ｊ６３と磁化Ｊ６１との相対角度が変化する。その相対角度は、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの大きさおよび向きによって決まるものである。ここで、誘導磁界Ｈｍの向きが＋Ｘ方向であるのに対し補償磁界Ｈｄの向きは−Ｘ方向であるが、通常、誘導磁界Ｈｍは補償磁界Ｈｄよりも大きな強度を有するので、それらの合成磁界の向きは＋Ｘ方向となる。そのため、ＧＭＲ素子１１〜１４における自由層６３の磁化Ｊ６３は図７（Ａ）に示した無負荷状態から＋Ｘ方向へ傾くこととなり、ＧＭＲ素子１１〜１４の各抵抗値の増減が生じる。より具体的には、ＧＭＲ素子１１，１３では磁化Ｊ６１が＋Ｘ方向であるので、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界が付与されると磁化Ｊ６３は磁化Ｊ６１と平行な状態に近づくこととなり、その抵抗値は減少する。一方、ＧＭＲ素子１２，１４では磁化Ｊ６１が−Ｘ方向であるので、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界が付与されると磁化Ｊ６３は磁化Ｊ６１と反平行な状態に近づくこととなり、その抵抗値は増大する。
【００３８】
＜電流センサによる検出対象電流の検出方法＞
次に、本実施の形態の電流センサを使用し、誘導磁界Ｈｍを測定することにより検出対象電流Ｉｍを求める方法について説明する。
【００３９】
図５において、まず、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄが印加されていない状態を考える。ここで、電源Ｖｃｃから読出電流Ｉ０を流したときのＧＭＲ素子１１〜１４における各々の抵抗値をｒ１〜ｒ４とする。電源Ｖｃｃからの読出電流Ｉ０は、接続点Ｐ１において読出電流Ｉ１および読出電流Ｉ２の２つに分流される。そののち、ＧＭＲ素子１１およびＧＭＲ素子１４を通過した読出電流Ｉ１と、ＧＭＲ素子１２およびＧＭＲ素子１３を通過した読出電流Ｉ２とが接続点Ｐ２において合流する。この場合、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１×ｒ４＋Ｉ１×ｒ１＝Ｉ２×ｒ３＋Ｉ２×ｒ２
＝Ｉ１（ｒ４＋ｒ１）＝Ｉ２（ｒ３＋ｒ２） ……（１）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１×ｒ４
Ｖ２＝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−Ｉ２×ｒ３）−（Ｖ−Ｉ１×ｒ４）
＝Ｉ１×ｒ４−Ｉ２×ｒ３ ……（２）
ここで、（１）式から
Ｖ０＝ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）×Ｖ−ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）×Ｖ
＝｛ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）−ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）｝×Ｖ ……（３）
となる。このブリッジ回路では、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で示された接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ１だけ増加したとすると、すなわち、誘導磁界Ｈｍを印加したときの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１＝ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、誘導磁界Ｈｍを印加した際の電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（ｒ４＋ΔＲ４）／（ｒ４＋ΔＲ４＋ｒ１＋ΔＲ１）＋（ｒ３＋ΔＲ３）／（ｒ３＋ΔＲ３＋ｒ２＋ΔＲ２）｝×Ｖ ……（４）
となる。すでに述べたように、この電流センサでは、ＧＭＲ素子１１，１３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３とＧＭＲ素子１２，１４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、誘導磁界Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）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。誘導磁界Ｈｍが印加されることにより、ＧＭＲ素子１２，１４では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、ＧＭＲ素子１１，１３では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。
【００４０】
そこで、外部磁場と抵抗変化量との関係が既知であるＧＭＲ素子１１〜１４を用いるようにすれば、誘導磁界Ｈｍの大きさを測定することができ、その誘導磁界Ｈｍ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。
【００４１】
＜電流センサの作用効果＞
しかしながら、一般的には、抵抗値ｒ１〜ｒ４および変化量ΔＲ１〜ΔＲ４はＧＭＲ素子１１〜１４の個体差により相互に異なっているうえ、回路中の接続抵抗のばらつきや温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などが存在することから、電位差Ｖは上記要因による誤差成分を含んでいる。そこで、この電流センサでは、補償磁界Ｈｄを利用して電位差Ｖの誤差成分を除去するようにしている。具体的には、この電流センサでは、接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給され、その差分（電位差Ｖ０）が零となるような補償電流Ｉｄが出力される。差動増幅器ＡＭＰからの補償電流Ｉｄは、ＧＭＲ素子１１〜１４の近傍に配置された帯状部分３１〜３４を検出対象電流Ｉｍとは正反対の方向へ流れることにより、誘導磁界Ｈｍとは逆方向の補償磁界Ｈｄを発生させる。この補償磁界Ｈｄは、回路中の接続抵抗のばらつきやＧＭＲ素子１１〜１４の相互間における特性のばらつき、温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などに起因する誤差成分をキャンセルするように作用する。このため、補償電流Ｉｄは、結果として誘導磁界Ｈｍのみに比例した大きさに近づくこととなる。したがって、補償電流検出手段Ｓにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、既知の抵抗体ＲＬとの関係から補償電流Ｉｄを算出することにより、誘導磁界Ｈｍをより正確に求めることができ、ひいては検出対象電流Ｉｍの大きさを高精度に推定することができる。また、後出の図１０に示すように、ＧＭＲ素子１１〜１４は外部磁界に対して非線形性を示すが、このようなフィードバック回路（フルブリッジ回路の出力に基づいて補償磁界Ｈｄを印加する回路）を形成することにより、非線形性を示すことの影響（出力の誤差）をキャンセルすることができ、高精度な測定を可能としている。
【００４２】
さらに、本実施の形態の電流センサでは、補償電流線３０における各帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜Ｗ３４を、それぞれと重なり合う各ＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも狭くするように構成している。これにより、各ＧＭＲ素子１１〜１４に対して補償磁界Ｈｄを無駄なく効率的に付与することができる。すなわち、補償磁界ＨｄのうちのＧＭＲ素子１１〜１４に対してそれぞれ実際に及ぶ有効磁界の最大強度および平均強度が向上する。
【００４３】
図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、ＧＭＲ素子１１が補償電流線３０の帯状部分３１から受ける有効磁界の幅方向の分布を表している。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）では、横軸が、幅方向（Ｘ軸方向）における帯状部分３１の中心位置からの距離Ｄ（μｍ）を表し、縦軸が有効磁界Ｈeffの強度（×２５０／π［Ａ／ｍ］）を表す。ここでは、以下の条件に基づく有効磁界Ｈeffの計算値を表す。補償電流Ｉｄを１００ｍＡ、ＧＭＲ素子１１と帯状部分３１との厚さ方向（Ｚ軸方向）の間隔を０．３μｍ、帯状部分３１の厚さを５．７μｍとした。また、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、それぞれ、帯状部分３１の幅Ｗ３１を４μｍ，６μｍおよび８μｍとした場合に相当する。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示したように、有効磁界Ｈeffの強度分布は幅Ｗ３１が狭いほど急峻なピークを示し、最大強度が上昇することがわかる。
【００４４】
したがって、補償電流線３０を流れる補償電流Ｉｄが一定の大きさであっても、帯状部分３１の幅Ｗ３１が狭いほどより大きな有効磁界がＧＭＲ素子１１に及ぶので、結果としてＧＭＲ素子１１の抵抗変化量ΔＲが大きくなる。これについて、図９を参照して以下に説明する。図９は、帯状部分３１を流れる補償電流Ｉｄと、補償磁界Ｈｄが印加されるＧＭＲ素子１１の抵抗値Ｒとの関係を表す概念図である。図９では、横軸が補償電流Ｉｄを表し、縦軸が抵抗値Ｒを表す。曲線９Ｗは、相対的に幅Ｗ３１が大きい場合（サンプルＷ）を表し、曲線９Ｎは、相対的に幅Ｗ３１が小さい場合（サンプルＮ）を表す。ここで、例えば補償電流Ｉｄが最大値Ｉｄmaxまで増加したとすると、サンプルＷ（曲線９Ｗ）ではその抵抗値がＲWHまで増加するのに対し、サンプルＮ（曲線９Ｎ）ではその抵抗値がＲNH（＞ＲWH）まで増加する。また、補償電流Ｉｄが最小値Ｉｄminまで減少したとすると、サンプルＷ（曲線９Ｗ）ではその抵抗値がＲWLまで減少するのに対し、サンプルＮ（曲線９Ｎ）ではその抵抗値がＲNL（＜ＲWL）まで減少する。したがって、補償電流Ｉｄが最小値Ｉｄminから最大値Ｉｄmaxまで変化したとき、サンプルＷで得られる抵抗変化量ΔＲW（＝ＲWH−ＲWL）よりも、サンプルＮで得られる抵抗変化量ΔＲN（＝ＲNH−ＲNL）のほうが大きくなるのである。
【００４５】
このように、帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜３４が狭くなるほど補償磁界Ｈｄが効率的に各ＧＭＲ素子１１〜１４に付与されるので、より大きな検出対象電流Ｉｍ（誘導磁界Ｈｍ）の測定を行う場合においても、電位差Ｖの誤差成分を十分にキャンセルすることができる。すなわち、補償電流Ｉｄを増大させることなく、より大きな検出対象電流Ｉｍ（誘導磁界Ｈｍ）の測定を行う場合に必要とされる補償磁界Ｈｄ（の有効磁界）を確保することができる。よって、電流センサにおける検出対象電流Ｉｍ（誘導磁界Ｈｍ）の測定可能範囲を拡大することができる。
【００４６】
なお、図１０に一例を示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４は、ある一定以上の強度を有する外部磁界を付与されるとその出力（抵抗値）が飽和する。図１０では、横軸が外部磁界Ｈ（×２５０／π［Ａ／ｍ］）を表し、縦軸が最大値を１として規格化した出力（電圧降下の大きさ）を表す。曲線１０Ｗは、幅Ｗ１１〜３４を１０μｍとした場合の外部磁界Ｈと出力との関係を表し、曲線１０Ｎは、幅Ｗ１１〜３４を５μｍとした場合の外部磁界Ｈと出力との関係を表す。ここでは自由層６３を、厚さ７ｎｍのＮｉＦｅ層と厚さ１ｎｍのＣｏＦｅ層との２層構造とした。したがって、自由層６３における磁気モーメントの総量（単位体積あたりの磁気モーメントＭｓと自由層６３の体積との積）は、２．３×１０6 Ａ／ｍである。図１０に示したように、曲線１０Ｗおよび曲線１０Ｎのいずれの場合においても、５０（×２５０／π［Ａ／ｍ］）を超えると出力が飽和している（すなわち、飽和磁界が５０×２５０／π［Ａ／ｍ］である）。したがって、ＧＭＲ素子１１〜１４の飽和磁界を超える強度の補償磁界Ｈｄ（ここでは５０×２５０／π［Ａ／ｍ］を超える補償磁界Ｈｄ）を印加しても、自由層６３には、回転を生じる磁化Ｊ６３はそれ以上存在しないので、無駄が生じる。そこで、補償磁界Ｈｄの強度は、ＧＭＲ素子１１〜１４の各々に含まれる自由層６３の磁化Ｊ６３を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、自由層６３の飽和磁界未満であるようにすれば、補償磁界Ｈｄの大きさおよび幅方向の均質性が適切なものとなる。よって、ＧＭＲ素子１１〜１４の出力変化（抵抗変化）が適切に生じることとなる。なお、図１０では、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２を用いて所定の大きさのバイアス磁界Ｈｂ（＝６０×２５０／π［Ａ／ｍ］）を付与することにより、曲線１０Ｗおよび曲線１０Ｎにおいて残留磁化がほとんど発生していない状態となっている。
【００４７】
図１１は、補償磁界ＨｄのうちのＧＭＲ素子１１〜１４に対してそれぞれ及ぶ有効磁界の平均強度と、幅Ｗ１１〜Ｗ１４に対する幅Ｗ３１〜Ｗ３４の比（以下、幅の比という。）との関係を表す特性図（計算値）である。図１１において、横軸が幅の比を表し、縦軸が有効磁界を表している。ここでは、幅の比が１の場合を基準として規格化している。図１１に示したように、幅の比が１以上の場合よりも、１未満である場合のほうが高い有効磁界の平均強度が得られることがわかる。これは、帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜Ｗ３４がＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも広くなると、各帯状部分３１〜３４における補償磁界Ｈｄの発生箇所が幅方向に分散してしまううえ、帯状部分３１〜３４のうち厚さ方向においてＧＭＲ素子１１〜１４と重なり合わない部分が発生する補償磁界Ｈｄの成分は、ＧＭＲ素子１１〜１４まで十分に到達しないためと考えられる。
【００４８】
また、本実施の形態では、補償電流線３０における各帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜Ｗ３４を、それぞれと重なり合う各ＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも狭くするようにしたので、耐圧性能も向上する。その一例として、図１２に、ＧＭＲ素子１１〜１４と補償電流線３０との間の絶縁破壊が生じる破壊電圧と、幅の比（補償電流線の幅／ＧＭＲ素子の幅）との関係（実測値）を表す。図１２に示したように、幅の比が１を超える場合よりも１未満の場合のほうが、より高い破壊電圧を示した。なお、ここではＧＭＲ素子１１〜１４と補償電流線３０との間をアルミナからなる３μｍ厚の絶縁膜によって隔てるようにした。また、幅Ｗ１１〜Ｗ１４はいずれも５μｍとし、幅Ｗ３１〜Ｗ３４は２．５，０．８，６．０，７．５，１０．０μｍの５水準とした。
【００４９】
このように、本実施の形態では、各ＧＭＲ素子１１〜１４に対して補償磁界Ｈｄを無駄なく効率的に付与することができるので、より高感度かつ、より高精度に誘導磁界を検出することが可能となる。すなわち、従来はその構造に起因した補償磁界の損失が比較的多かったため、十分な強度の補償磁界を各磁気抵抗効果素子に付与することができず、出力電圧の誤差成分をキャンセルすることができなかったが、本実施の形態によれば、必要とされる十分な強度の補償磁界ＨｄをＧＭＲ素子１１〜１４に付与することができるので、上記のような問題を解消し、より正確に検出対象電流Ｉｍを求めることができる。さらに、補償電流Ｉｄを大きくすることなく、より広範囲に亘る検出対象電流Ｉｍを検出することができる。そのうえ、帯状部分３１〜３４とＧＭＲ素子１１〜１４との間隔を増大させることなく、両者間の破壊電圧を向上させ、高い耐圧性能を得ることもできる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
次に、図１３（Ａ）を参照して、本発明における第２の実施の形態としての電流センサについて説明する。図１３（Ａ）は、本実施の形態の電流センサの要部（ＧＭＲ素子周辺）の断面構成を表しており、上記第１の実施の形態の図４（Ａ）の一部に対応するものである。なお、図１３（Ａ）では、帯状部分３１およびＧＭＲ素子１１を代表して例示しているが、他の帯状部分３２〜３４およびＧＭＲ素子１２〜１４についても同様の構成である。この点については、後出の図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）についても同様である。
【００５１】
図１３（Ａ）に示したように、本実施の形態の電流センサでは、補償電流線の帯状部分を、１つのＧＭＲ素子に対して複数ずつ設けるようにしている。具体的には、互いに直列接続された帯状部分３１Ａおよび帯状部分３１Ｂを、双方ともＧＭＲ素子１１と厚さ方向において重なるように配置している。帯状部分３１Ａおよび帯状部分３１Ｂは、互いに直列に接続されていることから、いずれにも補償電流Ｉｄが供給され、補償磁界ＨｄＡおよび補償磁界ＨｄＢが各々発生することとなる。このとき、補償磁界ＨｄＡと補償磁界ＨｄＢとの合成の補償磁界Ｈｄは、幅方向において、図１３（Ａ）に示した曲線のような分布となる。このため、幅方向において、より均質化された有効磁界を、その最大強度および平均強度を低下させることなくＧＭＲ素子１１に対して付与することができる。したがって、検出精度のさらなる向上、および検出対象電流の範囲のさらなる拡張が期待できる。なお、ここでは、帯状部分３１Ａおよび帯状部分３１Ｂを、同一の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）において互いに並ぶように配置したが、互いに異なる高さ位置としてもよい。
【００５２】
＜第２の実施の形態の変形例＞
また、本実施の形態では、図１３（Ｂ）に示したように、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂを、厚さ方向においてＧＭＲ素子１１を挟むように配置してもよい。この場合、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂは、幅方向において、各々の中心点がＧＭＲ素子１１における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられているとよい。ＧＭＲ素子１１に対し、幅方向において、より均質化された有効磁界を付与することができるからである。その場合、例えば図１３（Ｃ）に示したように、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂを、厚さ方向においてＧＭＲ素子１１から互いに等しい距離に配置しつつ、各々の幅Ｗ３１Ａ，Ｗ３１Ｂを拡大することができる。すなわち、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂを、厚さ方向において互いの一部が重複しあう配置関係とすることができる。この場合には、図１３（Ｃ）に示したように、合成の補償磁界Ｈｄが幅方向においてより平坦な分布となり、ＧＭＲ素子１１の全体に亘ってより均質化された有効磁界を付与することができ、検出精度の向上に有利となる。
【００５３】
図１４，図１５に、図１３（Ｂ）の構成に対応した補償電流線３０の構成例を示す。図１４は、本変形例の電流センサにおけるセンサユニット３の全体構成を表す断面図であり、図１５は、その上面図である。図１４は、図１５に示したXIV−XIV線に沿った矢視方向の断面である。図１４および図１５に示したように、本変形例では、帯状部分３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂを、素子基板５と第１の階層Ｌ１との間に挿入した第４の階層Ｌ４に設けるようにしている。帯状部分３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂは、絶縁膜Ｚ４によって覆われているが、ビア３０Ｖ１〜３０Ｖ７によって接続された帯状部分３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａと共に一本の薄膜導線である補償電流線３０を構成している。
【００５４】
なお、図１３〜１５では、１つのＧＭＲ素子に対し、補償電流線の帯状部分２つずつ設けるようにした例を図示したが、１つのＧＭＲ素子に対して３以上の帯状部分を設けるようにしてもよい。
【００５５】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、４つのＧＭＲ素子を含む検出回路を用いて検出対象電流の検出を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１６に示した本発明の第１の変形例のように、ＧＭＲ素子１１，１２を定電流源４１，４２に置き換えるようにした検出回路２０Ａを用いるようにしてもよい。さらに、図１７に示した本発明の第２の変形例のように、ＧＭＲ素子１１，１２を抵抗４３，４４に置き換えるようにした検出回路２０Ｂを用いるようにしてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態等では、１つのＧＭＲ素子を１つの帯状パターンによって構成するようにしたが、複数の帯状パターンを並列接続することにより１つのＧＭＲ素子を構成するようにしてもよい。但し、この場合には、ＧＭＲ素子の帯状パターンの各々と対応するように補償電流線の帯状部分を配置すると共に、各帯状パターンの幅よりも補償電流線の帯状部分の幅を狭くすることが要求される。こうすることにより、ＧＭＲ素子に対し、より効果的に補償磁界が及ぶと共に、補償磁界および誘導磁界に対するＧＭＲ素子の感度がより向上する。
【符号の説明】
【００５７】
１…導体、２…基板、３…センサユニット、４…シールド構造、５…素子基板、２０，２０Ａ，２０Ｂ…検出回路、１１〜１４…磁気抵抗効果素子、３０…補償電流線、３１〜３４…帯状部分、６１…固着層、６２…中間層、６３…自由層、６４…磁化固定膜、６５…反強磁性膜、Ｈｍ…誘導磁界、Ｈｂ…バイアス磁界、Ｈｄ…補償磁界、Ｉｄ…補償電流、Ｉｍ…検出対象電流、Ｌ１〜Ｌ３…第１〜第３の階層、ＨＭ１，ＨＭ２…永久磁石、Ｐ１〜Ｐ４…接続点、Ｚ１〜Ｚ３…絶縁膜。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
一般に、制御機器等の制御をおこなうための制御電流を測定する方法としては、その制御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間接的に測定する方法がある。具体的には、例えば、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）などの磁気抵抗効果素子を４つ用いてホイートストンブリッジを形成し、上記の電流磁界中に配置して、その勾配を検出する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このように、ホイートストンブリッジを形成することにより、外部からのノイズ（妨害磁界）や環境温度による影響を比較的低く抑えることができる。特に、４つの磁気抵抗効果素子の特性が均一な場合は、より安定した検出特性を得ることができる。
【０００４】
また、補償電流ラインを設けることにより、環境温度や外部からのノイズに起因する出力電圧の変化をさらに低減するようにした例も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
さらに、近年、より微弱な電流を検出する必要性が高まっていることから、磁気抵抗効果素子として、インピーダンスが大きく、より感度の高いものが求められるようになっている。ところが、このように高インピーダンスであり高感度な磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジを構成すると、大きなオフセット出力が発生したり接続抵抗のばらつき等が大きくなったりしがちであった。このため、ホイートストンブリッジを構成する４つの磁気抵抗効果素子のバランス調整が一般的には困難であった。そこで、本出願人は、先に、零磁界でのオフセット出力の調整をより簡便におこなうことができ、検出対象電流による電流磁界を高感度、かつ、高精度に検出可能な電流センサを提案している（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５６２１３７７号明細書
【特許文献２】米国特許第５９３３００３号明細書
【特許文献３】特許第４３６０９９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本出願人は、上記特許文献３において、複数の磁気抵抗効果素子における電圧降下の差分に応じた補償電流を利用することにより、検出対象電流の測定をより高精度に行う技術に関しても開示している。
【０００８】
しかしながら最近では、この種の電流センサに関し、全体構成のコンパクト化に加え、高性能化がさらに求められている。
【０００９】
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、より広範囲に亘る検出対象電流を高感度、かつ、高精度に検出可能な電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の電流センサは、導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示す第１から第４の磁気抵抗効果素子と、補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて前記第１から第４の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線とを備え、補償電流に基づいて検出対象電流を検出するものである。ここで、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第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、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ることによりブリッジ回路が形成されており、第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は誘導磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値はいずれも誘導磁界に応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化するようになっている。補償電流は、第３の接続点と第４の接続点との間に電圧が印加されたときの第１の接続点と第２の接続点の間の電位差によって生じるものである。補償電流線は、第１から第４の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において第１から第４の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、第１から第４の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１から第４の帯状部分を含んでいる。
【００１１】
本発明の第２の電流センサは、導体に沿ってそれぞれ配置され、導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が互いに逆方向の変化を示し、かつ互いに同方向へ延在する第１および第２の磁気抵抗効果素子と、読出電流の供給により第１の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下と第２の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下との差分に応じた補償電流が流れることにより、検出対象電流に基づいて第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線とを備え、補償電流に基づいて検出対象電流を検出するものである。補償電流線は、第１および第２の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において第１および第２の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、第１および第２の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１および第２の帯状部分を含む。
【００１２】
本発明の第１および第２の電流センサでは、第３の接続点と第４の接続点との間に電圧が印加されたときの第１の接続点と第２の接続点の間の電位差によって生じる補償電流に基づき、あるいは、各磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下同士の差分に応じた補償電流に基づき、各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を各磁気抵抗効果素子に付与するための補償電流線を設けるようにしたので、磁気抵抗効果素子間の特性のばらつきや接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布などに起因した出力電圧の変化がキャンセルされる。また、補償電流線における各帯状部分が、厚さ方向において各磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、各磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有するようにしたので、補償磁界のうちの各磁気抵抗効果素子に実際に及ぶ有効磁界の最大強度および平均強度が向上するうえ、補償電流の一定の変化量に対する各磁気抵抗効果素子の抵抗変化量が増大する。
【００１３】
本発明の第１および第２の電流センサでは、補償磁界の強度は、第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）の各々に含まれるフリー層の磁化を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、フリー層の飽和磁界未満であることが望ましい。各磁気抵抗効果素子に対し、より効率的に補償磁界を付与することができるからである。
【００１４】
本発明の第１および第２の電流センサでは、補償電流線の第１から第４の帯状部分（第１および第２の帯状部分）は、それぞれ、複数設けられていることが望ましい。各磁気抵抗効果素子に対し、幅方向においてより均質な強度の補償磁界を効率的に付与することができるからである。この場合、厚さ方向において第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）をそれぞれ挟むように、一対の第１から第４の帯状部分（一対の第１の帯状部分および一対の第２の帯状部分）が配置されているとよい。特に、一対の各帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が各磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられているとよい。より大きな補償磁界を、均質性を損なうことなく付与することができるからである。
【００１５】
また、本発明の第２の電流センサでは、第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、読出電流として互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源を備えるようにするとよい。その場合、第１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、第１および第２の定電流源はその一端同士が第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１の定電流源の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第２の定電流源の他端とが第４の接続点において接続され、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の第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構成されている。
【００１６】
また、本発明の第１および第２の電流センサでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）が、一定方向に固着された磁化方向を有するピンド層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化するフリー層とを順に含む積層体をそれぞれ有するとよい。その場合、ピンド層の磁化方向は、導体ならびに補償電流線の各帯状部分の延在方向と直交する方向であるとよい。さらに、積層体に対し、ピンド層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を備えるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明の第１および第２の電流センサでは、第１から第４の磁気抵抗効果素子（第１および第２の磁気抵抗効果素子）と離間しつつ、それらの延在方向に沿って設けられたヨークを備えるようにすると、誘導磁界および補償磁界をより効率的に各磁気抵抗効果素子に付与することができるので好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１および第２の電流センサによれば、補償電流線を設けると共に、そのうちの少なくとも各磁気抵抗効果素子と重なり合う各帯状部分の幅を、各磁気抵抗効果素子の幅よりも小さくするようにしたので、必要とされる十分な強度の補償磁界を各磁気抵抗効果素子に付与することができる。したがって、例えば複数の磁気抵抗効果素子同士の特性のばらつきや回路中の接続抵抗のばらつき、あるいは温度分布などに起因した出力電圧の変化をキャンセルすることができる。よって、より高感度かつ、より高精度に誘導磁界を検出することが可能となるので、より正確な検出対象電流を求めることができる。
さらに、検出可能な検出対象電流の範囲が拡大する。すなわち、補償電流を大きくすることなく、より広範囲に亘る検出対象電流を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての電流センサの全体構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示したセンサユニットの要部構成を表す分解斜視図である。
【図３】図２に示した補償電流線および磁気抵抗効果素子を拡大して表す斜視図である。
【図４】図２に示したセンサユニットにおけるIV-IV切断線に沿った構成を表す断面図である。
【図５】図１に示した電流センサの回路図である。
【図６】図１に示した電流センサにおいて、ＧＭＲ素子に及ぶ誘導磁界および補償磁界の向きを説明するための模式図である。
【図７】図２に示した磁気抵抗効果素子の詳細な構成を表す分解斜視図である。
【図８】ＧＭＲ素子が補償電流線の帯状部分から受ける有効磁界の幅方向の分布を表す特性図である。
【図９】補償電流と、補償磁界が印加されるＧＭＲ素子の抵抗値との関係を表す概念図である。
【図１０】外部磁界と、ＧＭＲ素子の出力との関係を表す特性図（実測値）である。
【図１１】ＧＭＲ素子に及ぶ有効磁界の平均強度と、幅の比との関係を表す特性図（計算値）である。
【図１２】ＧＭＲ素子と補償電流線との間の破壊電圧と、両者の幅の比との関係を表す特性図（実測値）である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態としての電流センサにおける要部構成を拡大して表す模式図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態としての電流センサにおける要部構成を表す断面図である。
【図１５】図１４に示した補償電流線のレイアウトを示す概念図である。
【図１６】本発明の第１の変形例としての電流センサの回路図である。
【図１７】本発明の第２の変形例としての電流センサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
［第１の実施の形態］
最初に、図１〜図４を参照して、本発明における第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の全体構成を表す斜視図であり、図２は、その要部であるセンサユニット３の構成を表す分解斜視図である。図３は、センサユニット３における補償電流線３０の詳細な構成などを表す斜視図である。さらに、図４は、図２に示したIV-IV切断線に対応する断面図である。
【００２２】
図１に示したように、この電流センサは、検出対象電流Ｉｍ（後出）が流れる直線状の導体１と、その導体１の近傍に配置された基板２と、基板２の上に配置されたセンサユニット３とを備える。基板２の上には、導体１の延在方向（ここではＹ軸方向）に沿ってセンサユニット３を挟むように一対の永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２が載置されている。さらに、導体１およびセンサユニット３を一括して取り囲むように、例えばパーマロイなどの磁性材料からなる筒型のシールド構造４が設けられている。導体１は、例えば銅（Ｃｕ）などの高い導電率の金属材料からなり、検出対象電流Ｉｍが流れることにより、その周囲に誘導磁界Ｈｍ（後出）を発生する。シールド構造４は、センサユニット３に対して不要な外部磁界が及ぶのを妨げるように機能する。
【００２３】
図２〜図４に示したように、センサユニット３は、例えば素子基板５（図３では省略）上に、第１から第４の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistive effect）素子１１〜１４（以下、単にＧＭＲ素子１１〜１４という。）を含む検出回路２０（後出）が設けられた第１の階層Ｌ１と、補償電流線３０を含む第２の階層Ｌ２と、ヨークＹ１，Ｙ２を含む第３の階層Ｌ３（図３では省略）とが順に積層形成されてなるものである。なお、図４に示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４（検出回路２０）および補償電流線３０は、それぞれ、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）などからなる絶縁膜Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３によって埋設されており互いに絶縁されている。
【００２４】
素子基板５は、例えば、ガラスや酸化硅素（ＳｉＯ2 ）などの硅素（Ｓｉ）の化合物、またはＡｌ2 Ｏ3などの絶縁材料によって構成されるものである。
【００２５】
補償電流線３０は、銅などの高い導電率の金属材料によって構成され、薄膜が積層面内において引き回された一本の薄膜導線である。補償電流線３０は、例えば一方の端部３０Ｔ１から、検出回路２０からの補償電流Ｉｄが流入するようになっている。補償電流線３０は、その一部として、導体１の延在方向（ここではＹ軸方向）へ直線状に延在すると共に、その延在方向および厚さ方向（積層方向）と直交する幅方向（Ｘ軸方向）に並ぶ複数の帯状部分３１〜３４を含んでいる。これらの帯状部分３１〜３４は、それぞれ、幅方向において幅Ｗ３１〜Ｗ３４の寸法を有している。幅Ｗ３１〜Ｗ３４は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。なお、補償電流コイル３０の形状（レイアウト）は図２および図３に示したものに限定されない。
【００２６】
検出回路２０は、４つのＧＭＲ素子１１〜１４がブリッジ接続されたブリッジ回路である。各ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、導体１に沿って配置された帯状の薄膜パターンであり、導体１を流れる検出対象電流Ｉｍ（後出）により生ずる誘導磁界Ｈｍ（後出）に応じて自らの抵抗値が変化を示すものである。具体的には、ＧＭＲ素子１１，１３Ａの各抵抗値は、誘導磁界Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化する（増加または減少する）。一方、ＧＭＲ素子１２，１４の抵抗値は、いずれも、誘導磁界Ｈｍに応じてＧＭＲ素子１１，１３Ａ（の抵抗値の変化）とは反対向きに変化する（減少または増加する）。すなわち、例えばＧＭＲ素子１１，１３の各抵抗値が増加したときは、ＧＭＲ素子１２，１４の各抵抗値は減少するという関係となっている。
【００２７】
ＧＭＲ素子１１〜１４は、互いに同方向（ここではＹ軸方向）へ延在している。ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、その延在方向および厚さ方向（積層方向）と直交する方向において幅Ｗ１１〜Ｗ１４の寸法を有している。幅Ｗ１１〜Ｗ１４は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。ここで、ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、補償電流線３０における帯状部分３１〜３４と１対１の対応関係となっている。すなわち、図３および図４に示したように、積層方向（Ｚ軸方向）において、ＧＭＲ素子１１は帯状部分３１と重なり合う位置にあり、ＧＭＲ素子１２は帯状部分３２と重なり合う位置にあり、ＧＭＲ素子１３は帯状部分３３と重なり合う位置にあり、ＧＭＲ素子１４は帯状部分３４と重なり合う位置にある。ＧＭＲ素子１１〜１４は、それぞれ、補償電流線３０の各帯状部分３１〜３４と厚さ方向において互いに重なり合う位置関係にあることにより、誘導磁界Ｈｍと共に、帯状部分３１〜３４からの補償磁界Ｈｄ（Ｈｄ１〜Ｈｄ４）の影響を受けることとなる。ここで、ＧＭＲ素子１１〜１４と補償電流線３０の各帯状部分３１〜３４とは、厚さ方向における帯状部分３１〜３４の射影（正射影）の全てが面内方向にはみ出すことなくＧＭＲ素子１１〜１４に含まれるような位置関係にある。したがって、幅Ｗ３１〜Ｗ３４は、それぞれ、幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも狭くなっている。ＧＭＲ素子１１〜１４の詳細な構成については後述する。
【００２８】
ヨークＹ１，Ｙ２は、主に、導体１の周囲に発生する誘導磁界Ｈｍを、ＧＭＲ素子１１〜１４へ向かうようにガイドする機能を有する。ヨークＹ１，Ｙ２は、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、コバルト鉄ニッケル（ＣｏＦｅＮｉ）合金、鉄硅素合金（ＦｅＳｉ）、センダスト、ニッケル−亜鉛（ＮｉＺｎ）フェライト、マンガン−亜鉛（ＭｎＺｎ）フェライト、などの高い透磁率を有する軟磁性材料によって構成されるとよい。
【００２９】
永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２は、ＧＭＲ素子１１〜１４の自由層６３（後出）に対してバイアス磁界を付与することにより、それらのヒステリシスを低減するように機能する。
【００３０】
＜電流センサの回路構成＞
次に、図３に加えて図５を参照して、この電流センサの回路構成について説明する。
【００３１】
図３および図５に示したように、検出回路２０は、接続点Ｐ１〜Ｐ４を有している。接続点Ｐ１はＧＭＲ素子１１およびＧＭＲ素子１２の一端同士を接続し、接続点Ｐ２はＧＭＲ素子１３およびＧＭＲ素子１４の一端同士を接続し、接続点Ｐ３はＧＭＲ素子１１の他端とＧＭＲ素子１４の他端とを接続し、接続点Ｐ４はＧＭＲ素子１２の他端とＧＭＲ素子１３の他端とを接続している。各接続点Ｐ１〜Ｐ４は、銅などの高導電率を有する非磁性材料によって構成された薄膜パターンである。また、接続点Ｐ１は電源Ｖｃｃと接続され、接続点Ｐ２は接地されている。さらに、接続点Ｐ３，Ｐ４は、いずれも、差動増幅器ＡＭＰ（図５）の入力側と接続されている。
【００３２】
補償電流線３０は、その一方の端部３０Ｔ１が図示しない配線によって差動増幅器ＡＭＰの出力側と接続され、他方の端部３０Ｔ２が抵抗体ＲＬを介して接地されるようになっている。抵抗体ＲＬにおける差動増幅器ＡＭＰの側には、補償電流検出手段Ｓが端部３０Ｔ２において接続されている。これにより、補償電流線３０には、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電位差に基づく補償電流Ｉｄが供給されることとなる。補償電流線３０は、補償電流Ｉｄが流れたときに、ＧＭＲ素子１１〜１４に対して補償磁界Ｈｄをそれぞれ付与するような経路を有している。ここで、帯状部分３１〜３４において発生する補償磁界Ｈｄは、導体１を流れる検出対象電流Ｉｍによって生じる誘導磁界Ｈｍとは逆方向となっている。すなわち、図５および図６に矢印で示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４に対して誘導磁界Ｈｍが例えば＋Ｘ方向へ印加されるとき、補償磁界Ｈｄは−Ｘ方向へ印加される。なお、図６は、この電流センサのＸＺ平面に平行な概略断面図であり、補償電流Ｉｄおよび検出対象電流Ｈｍの流れる方向と、ＧＭＲ素子１１〜１４に及ぶ補償磁界Ｈｄおよび誘導磁界Ｈｍの向きとの関係を表す模式図である。
【００３３】
＜ＧＭＲ素子の構成＞
次に、図７（Ａ），７（Ｂ）を参照して、ＧＭＲ素子１１〜１４の構成について、より詳しく説明する。図７（Ａ），７（Ｂ）は、ＧＭＲ素子１１の構成を分解して表す分解斜視図である。なお、磁化Ｊ６１（後述）の向きを除いてＧＭＲ素子１１〜１４は全て同様の構成を有しているので、ここではＧＭＲ素子１１を例に挙げて説明する。
【００３４】
ＧＭＲ素子１１はスピンバルブ構造を有するものであり、図７（Ａ）に示したように、例えば＋Ｘ方向に固着された磁化Ｊ６１を有する固着層６１と、特定の磁化を示さない非磁性の中間層６２と、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄなどの印加磁界の大きさおよび向きに応じて変化する磁化Ｊ６３を有する自由層６３とが順に積層された構造となっている。自由層６３の磁化容易軸ＡＥ６３はＹ軸と平行であるとよい。なお、図５に示したように、ＧＭＲ素子１３の磁化Ｊ６１はＧＭＲ素子１１の磁化Ｊ６１と同方向（＋Ｘ方向）に固着されている。これに対し、ＧＭＲ素子１２，１４の磁化Ｊ６１はいずれもＧＭＲ素子１１，１３の磁化Ｊ６１と逆方向（−Ｘ方向）に固着されている。また、図７（Ａ）は、誘導磁界Ｈｍや補償磁界Ｈｄを印加しない無負荷状態（すなわち、外部磁界が零の状態）を示している。この場合には、自由層６３の磁化方向Ｊ６３は、自らの磁化容易軸ＡＥ６３と平行をなし、かつ、固着層６１の磁化Ｊ６１とほぼ直交する状態となっている。
【００３５】
自由層６３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６２は、銅（Ｃｕ）により構成され、上面が固着層６１と接すると共に下面が自由層６３と接している。中間層６２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。中間層６２は、電流センサの動作時に供給される読出電流Ｉ１，Ｉ２（後出）の大部分が流れるパスラインとしても機能する。なお、自由層６３の下面（中間層６２に接する面と反対側の面）は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されていてもよい。また、固着層６１と自由層６３との間には磁化方向Ｊ６１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６２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６１と自由層６３との相互間隔（すなわち中間層６２の厚み）に応じて自由層６３のスピン方向が回転することにより変化する。したがって、交換バイアス磁界Ｈinを見かけ上、零とすることもできる。また、図７（Ａ）では、下から自由層６３、中間層６２、固着層６１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。
【００３６】
図７（Ｂ）に、固着層６１の詳細な構成を示す。固着層６１は、例えば中間層６２の側から磁化固定膜６４と反強磁性膜６５と保護膜６６とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜６４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おり、この磁化固定膜６４の示す磁化の向きが固着層６１全体としての磁化Ｊ６１の向きとなる。一方、反強磁性膜６５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６５は、＋Ｘ方向のスピン磁気モーメントと、それとは反対方向（−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６４の磁化の向き（すなわち、固着層６１の磁化Ｊ６１の向き）を固定するように作用している。保護膜６６は、タンタル（Ｔａ）やハフニウム（Ｈｆ）などの比較的化学的に安定な非磁性材料からなり、磁化固定膜６４や反強磁性膜６５などを保護するものである。
【００３７】
以上のような構造を有するＧＭＲ素子１１〜１４では、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界の印加により自由層６３の磁化Ｊ６３が回転し、それによって磁化Ｊ６３と磁化Ｊ６１との相対角度が変化する。その相対角度は、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの大きさおよび向きによって決まるものである。ここで、誘導磁界Ｈｍの向きが＋Ｘ方向であるのに対し補償磁界Ｈｄの向きは−Ｘ方向であるが、通常、誘導磁界Ｈｍは補償磁界Ｈｄよりも大きな強度を有するので、それらの合成磁界の向きは＋Ｘ方向となる。そのため、ＧＭＲ素子１１〜１４における自由層６３の磁化Ｊ６３は図７（Ａ）に示した無負荷状態から＋Ｘ方向へ傾くこととなり、ＧＭＲ素子１１〜１４の各抵抗値の増減が生じる。より具体的には、ＧＭＲ素子１１，１３では磁化Ｊ６１が＋Ｘ方向であるので、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界が付与されると磁化Ｊ６３は磁化Ｊ６１と平行な状態に近づくこととなり、その抵抗値は減少する。一方、ＧＭＲ素子１２，１４では磁化Ｊ６１が−Ｘ方向であるので、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界が付与されると磁化Ｊ６３は磁化Ｊ６１と反平行な状態に近づくこととなり、その抵抗値は増大する。
【００３８】
＜電流センサによる検出対象電流の検出方法＞
次に、本実施の形態の電流センサを使用し、誘導磁界Ｈｍを測定することにより検出対象電流Ｉｍを求める方法について説明する。
【００３９】
図５において、まず、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄが印加されていない状態を考える。ここで、電源Ｖｃｃから読出電流Ｉ０を流したときのＧＭＲ素子１１〜１４における各々の抵抗値をｒ１〜ｒ４とする。電源Ｖｃｃからの読出電流Ｉ０は、接続点Ｐ１において読出電流Ｉ１および読出電流Ｉ２の２つに分流される。そののち、ＧＭＲ素子１１およびＧＭＲ素子１４を通過した読出電流Ｉ１と、ＧＭＲ素子１２およびＧＭＲ素子１３を通過した読出電流Ｉ２とが接続点Ｐ２において合流する。この場合、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１×ｒ４＋Ｉ１×ｒ１＝Ｉ２×ｒ３＋Ｉ２×ｒ２
＝Ｉ１（ｒ４＋ｒ１）＝Ｉ２（ｒ３＋ｒ２） ……（１）
と表すことができる。
また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１×ｒ４
Ｖ２＝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−Ｉ２×ｒ３）−（Ｖ−Ｉ１×ｒ４）
＝Ｉ１×ｒ４−Ｉ２×ｒ３ ……（２）
ここで、（１）式から
Ｖ０＝ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）×Ｖ−ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）×Ｖ
＝｛ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）−ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）｝×Ｖ ……（３）
となる。このブリッジ回路では、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で示された接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ１だけ増加したとすると、すなわち、誘導磁界Ｈｍを印加したときの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１＝ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、誘導磁界Ｈｍを印加した際の電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（ｒ４＋ΔＲ４）／（ｒ４＋ΔＲ４＋ｒ１＋ΔＲ１）＋（ｒ３＋ΔＲ３）／（ｒ３＋ΔＲ３＋ｒ２＋ΔＲ２）｝×Ｖ ……（４）
となる。すでに述べたように、この電流センサでは、ＧＭＲ素子１１，１３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３とＧＭＲ素子１２，１４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、誘導磁界Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）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。誘導磁界Ｈｍが印加されることにより、ＧＭＲ素子１２，１４では、抵抗値は変化量ΔＲ２，ΔＲ４（ΔＲ２，ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、ＧＭＲ素子１１，１３では、抵抗値は変化量ΔＲ１，ΔＲ３（ΔＲ１，ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に増加する）からである。
【００４０】
そこで、外部磁場と抵抗変化量との関係が既知であるＧＭＲ素子１１〜１４を用いるようにすれば、誘導磁界Ｈｍの大きさを測定することができ、その誘導磁界Ｈｍ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。
【００４１】
＜電流センサの作用効果＞
しかしながら、一般的には、抵抗値ｒ１〜ｒ４および変化量ΔＲ１〜ΔＲ４はＧＭＲ素子１１〜１４の個体差により相互に異なっているうえ、回路中の接続抵抗のばらつきや温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などが存在することから、電位差Ｖは上記要因による誤差成分を含んでいる。そこで、この電流センサでは、補償磁界Ｈｄを利用して電位差Ｖの誤差成分を除去するようにしている。具体的には、この電流センサでは、接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給され、その差分（電位差Ｖ０）が零となるような補償電流Ｉｄが出力される。差動増幅器ＡＭＰからの補償電流Ｉｄは、ＧＭＲ素子１１〜１４の近傍に配置された帯状部分３１〜３４を検出対象電流Ｉｍとは正反対の方向へ流れることにより、誘導磁界Ｈｍとは逆方向の補償磁界Ｈｄを発生させる。この補償磁界Ｈｄは、回路中の接続抵抗のばらつきやＧＭＲ素子１１〜１４の相互間における特性のばらつき、温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などに起因する誤差成分をキャンセルするように作用する。このため、補償電流Ｉｄは、結果として誘導磁界Ｈｍのみに比例した大きさに近づくこととなる。したがって、補償電流検出手段Ｓにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、既知の抵抗体ＲＬとの関係から補償電流Ｉｄを算出することにより、誘導磁界Ｈｍをより正確に求めることができ、ひいては検出対象電流Ｉｍの大きさを高精度に推定することができる。また、後出の図１０に示すように、ＧＭＲ素子１１〜１４は外部磁界に対して非線形性を示すが、このようなフィードバック回路（フルブリッジ回路の出力に基づいて補償磁界Ｈｄを印加する回路）を形成することにより、非線形性を示すことの影響（出力の誤差）をキャンセルすることができ、高精度な測定を可能としている。
【００４２】
さらに、本実施の形態の電流センサでは、補償電流線３０における各帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜Ｗ３４を、それぞれと重なり合う各ＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも狭くするように構成している。これにより、各ＧＭＲ素子１１〜１４に対して補償磁界Ｈｄを無駄なく効率的に付与することができる。すなわち、補償磁界ＨｄのうちのＧＭＲ素子１１〜１４に対してそれぞれ実際に及ぶ有効磁界の最大強度および平均強度が向上する。
【００４３】
図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、ＧＭＲ素子１１が補償電流線３０の帯状部分３１から受ける有効磁界の幅方向の分布を表している。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）では、横軸が、幅方向（Ｘ軸方向）における帯状部分３１の中心位置からの距離Ｄ（μｍ）を表し、縦軸が有効磁界Ｈeffの強度（×２５０／π［Ａ／ｍ］）を表す。ここでは、以下の条件に基づく有効磁界Ｈeffの計算値を表す。補償電流Ｉｄを１００ｍＡ、ＧＭＲ素子１１と帯状部分３１との厚さ方向（Ｚ軸方向）の間隔を０．３μｍ、帯状部分３１の厚さを５．７μｍとした。また、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、それぞれ、帯状部分３１の幅Ｗ３１を４μｍ，６μｍおよび８μｍとした場合に相当する。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示したように、有効磁界Ｈeffの強度分布は幅Ｗ３１が狭いほど急峻なピークを示し、最大強度が上昇することがわかる。
【００４４】
したがって、補償電流線３０を流れる補償電流Ｉｄが一定の大きさであっても、帯状部分３１の幅Ｗ３１が狭いほどより大きな有効磁界がＧＭＲ素子１１に及ぶので、結果としてＧＭＲ素子１１の抵抗変化量ΔＲが大きくなる。これについて、図９を参照して以下に説明する。図９は、帯状部分３１を流れる補償電流Ｉｄと、補償磁界Ｈｄが印加されるＧＭＲ素子１１の抵抗値Ｒとの関係を表す概念図である。図９では、横軸が補償電流Ｉｄを表し、縦軸が抵抗値Ｒを表す。曲線９Ｗは、相対的に幅Ｗ３１が大きい場合（サンプルＷ）を表し、曲線９Ｎは、相対的に幅Ｗ３１が小さい場合（サンプルＮ）を表す。ここで、例えば補償電流Ｉｄが最大値Ｉｄmaxまで増加したとすると、サンプルＷ（曲線９Ｗ）ではその抵抗値がＲWHまで増加するのに対し、サンプルＮ（曲線９Ｎ）ではその抵抗値がＲNH（＞ＲWH）まで増加する。また、補償電流Ｉｄが最小値Ｉｄminまで減少したとすると、サンプルＷ（曲線９Ｗ）ではその抵抗値がＲWLまで減少するのに対し、サンプルＮ（曲線９Ｎ）ではその抵抗値がＲNL（＜ＲWL）まで減少する。したがって、補償電流Ｉｄが最小値Ｉｄminから最大値Ｉｄmaxまで変化したとき、サンプルＷで得られる抵抗変化量ΔＲW（＝ＲWH−ＲWL）よりも、サンプルＮで得られる抵抗変化量ΔＲN（＝ＲNH−ＲNL）のほうが大きくなるのである。
【００４５】
このように、帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜３４が狭くなるほど補償磁界Ｈｄが効率的に各ＧＭＲ素子１１〜１４に付与されるので、より大きな検出対象電流Ｉｍ（誘導磁界Ｈｍ）の測定を行う場合においても、電位差Ｖの誤差成分を十分にキャンセルすることができる。すなわち、補償電流Ｉｄを増大させることなく、より大きな検出対象電流Ｉｍ（誘導磁界Ｈｍ）の測定を行う場合に必要とされる補償磁界Ｈｄ（の有効磁界）を確保することができる。よって、電流センサにおける検出対象電流Ｉｍ（誘導磁界Ｈｍ）の測定可能範囲を拡大することができる。
【００４６】
なお、図１０に一例を示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４は、ある一定以上の強度を有する外部磁界を付与されるとその出力（抵抗値）が飽和する。図１０では、横軸が外部磁界Ｈ（×２５０／π［Ａ／ｍ］）を表し、縦軸が最大値を１として規格化した出力（電圧降下の大きさ）を表す。曲線１０Ｗは、幅Ｗ１１〜３４を１０μｍとした場合の外部磁界Ｈと出力との関係を表し、曲線１０Ｎは、幅Ｗ１１〜３４を５μｍとした場合の外部磁界Ｈと出力との関係を表す。ここでは自由層６３を、厚さ７ｎｍのＮｉＦｅ層と厚さ１ｎｍのＣｏＦｅ層との２層構造とした。したがって、自由層６３における磁気モーメントの総量（単位体積あたりの磁気モーメントＭｓと自由層６３の体積との積）は、２．３×１０6 Ａ／ｍである。図１０に示したように、曲線１０Ｗおよび曲線１０Ｎのいずれの場合においても、５０（×２５０／π［Ａ／ｍ］）を超えると出力が飽和している（すなわち、飽和磁界が５０×２５０／π［Ａ／ｍ］である）。したがって、ＧＭＲ素子１１〜１４の飽和磁界を超える強度の補償磁界Ｈｄ（ここでは５０×２５０／π［Ａ／ｍ］を超える補償磁界Ｈｄ）を印加しても、自由層６３には、回転を生じる磁化Ｊ６３はそれ以上存在しないので、無駄が生じる。そこで、補償磁界Ｈｄの強度は、ＧＭＲ素子１１〜１４の各々に含まれる自由層６３の磁化Ｊ６３を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、自由層６３の飽和磁界未満であるようにすれば、補償磁界Ｈｄの大きさおよび幅方向の均質性が適切なものとなる。よって、ＧＭＲ素子１１〜１４の出力変化（抵抗変化）が適切に生じることとなる。なお、図１０では、永久磁石ＨＭ１，ＨＭ２を用いて所定の大きさのバイアス磁界Ｈｂ（＝６０×２５０／π［Ａ／ｍ］）を付与することにより、曲線１０Ｗおよび曲線１０Ｎにおいて残留磁化がほとんど発生していない状態となっている。
【００４７】
図１１は、補償磁界ＨｄのうちのＧＭＲ素子１１〜１４に対してそれぞれ及ぶ有効磁界の平均強度と、幅Ｗ１１〜Ｗ１４に対する幅Ｗ３１〜Ｗ３４の比（以下、幅の比という。）との関係を表す特性図（計算値）である。図１１において、横軸が幅の比を表し、縦軸が有効磁界を表している。ここでは、幅の比が１の場合を基準として規格化している。図１１に示したように、幅の比が１以上の場合よりも、１未満である場合のほうが高い有効磁界の平均強度が得られることがわかる。これは、帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜Ｗ３４がＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも広くなると、各帯状部分３１〜３４における補償磁界Ｈｄの発生箇所が幅方向に分散してしまううえ、帯状部分３１〜３４のうち厚さ方向においてＧＭＲ素子１１〜１４と重なり合わない部分が発生する補償磁界Ｈｄの成分は、ＧＭＲ素子１１〜１４まで十分に到達しないためと考えられる。
【００４８】
また、本実施の形態では、補償電流線３０における各帯状部分３１〜３４の幅Ｗ３１〜Ｗ３４を、それぞれと重なり合う各ＧＭＲ素子１１〜１４の幅Ｗ１１〜Ｗ１４よりも狭くするようにしたので、耐圧性能も向上する。その一例として、図１２に、ＧＭＲ素子１１〜１４と補償電流線３０との間の絶縁破壊が生じる破壊電圧と、幅の比（補償電流線の幅／ＧＭＲ素子の幅）との関係（実測値）を表す。図１２に示したように、幅の比が１を超える場合よりも１未満の場合のほうが、より高い破壊電圧を示した。なお、ここではＧＭＲ素子１１〜１４と補償電流線３０との間をアルミナからなる３μｍ厚の絶縁膜によって隔てるようにした。また、幅Ｗ１１〜Ｗ１４はいずれも５μｍとし、幅Ｗ３１〜Ｗ３４は２．５，０．８，６．０，７．５，１０．０μｍの５水準とした。
【００４９】
このように、本実施の形態では、各ＧＭＲ素子１１〜１４に対して補償磁界Ｈｄを無駄なく効率的に付与することができるので、より高感度かつ、より高精度に誘導磁界を検出することが可能となる。すなわち、従来はその構造に起因した補償磁界の損失が比較的多かったため、十分な強度の補償磁界を各磁気抵抗効果素子に付与することができず、出力電圧の誤差成分をキャンセルすることができなかったが、本実施の形態によれば、必要とされる十分な強度の補償磁界ＨｄをＧＭＲ素子１１〜１４に付与することができるので、上記のような問題を解消し、より正確に検出対象電流Ｉｍを求めることができる。さらに、補償電流Ｉｄを大きくすることなく、より広範囲に亘る検出対象電流Ｉｍを検出することができる。そのうえ、帯状部分３１〜３４とＧＭＲ素子１１〜１４との間隔を増大させることなく、両者間の破壊電圧を向上させ、高い耐圧性能を得ることもできる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
次に、図１３（Ａ）を参照して、本発明における第２の実施の形態としての電流センサについて説明する。図１３（Ａ）は、本実施の形態の電流センサの要部（ＧＭＲ素子周辺）の断面構成を表しており、上記第１の実施の形態の図４（Ａ）の一部に対応するものである。なお、図１３（Ａ）では、帯状部分３１およびＧＭＲ素子１１を代表して例示しているが、他の帯状部分３２〜３４およびＧＭＲ素子１２〜１４についても同様の構成である。この点については、後出の図１３（Ｂ）および図１３（Ｃ）についても同様である。
【００５１】
図１３（Ａ）に示したように、本実施の形態の電流センサでは、補償電流線の帯状部分を、１つのＧＭＲ素子に対して複数ずつ設けるようにしている。具体的には、互いに直列接続された帯状部分３１Ａおよび帯状部分３１Ｂを、双方ともＧＭＲ素子１１と厚さ方向において重なるように配置している。帯状部分３１Ａおよび帯状部分３１Ｂは、互いに直列に接続されていることから、いずれにも補償電流Ｉｄが供給され、補償磁界ＨｄＡおよび補償磁界ＨｄＢが各々発生することとなる。このとき、補償磁界ＨｄＡと補償磁界ＨｄＢとの合成の補償磁界Ｈｄは、幅方向において、図１３（Ａ）に示した曲線のような分布となる。このため、幅方向において、より均質化された有効磁界を、その最大強度および平均強度を低下させることなくＧＭＲ素子１１に対して付与することができる。したがって、検出精度のさらなる向上、および検出対象電流の範囲のさらなる拡張が期待できる。なお、ここでは、帯状部分３１Ａおよび帯状部分３１Ｂを、同一の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）において互いに並ぶように配置したが、互いに異なる高さ位置としてもよい。
【００５２】
＜第２の実施の形態の変形例＞
また、本実施の形態では、図１３（Ｂ）に示したように、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂを、厚さ方向においてＧＭＲ素子１１を挟むように配置してもよい。この場合、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂは、幅方向において、各々の中心点がＧＭＲ素子１１における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられているとよい。ＧＭＲ素子１１に対し、幅方向において、より均質化された有効磁界を付与することができるからである。その場合、例えば図１３（Ｃ）に示したように、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂを、厚さ方向においてＧＭＲ素子１１から互いに等しい距離に配置しつつ、各々の幅Ｗ３１Ａ，Ｗ３１Ｂを拡大することができる。すなわち、一対の帯状部分３１Ａ，３１Ｂを、厚さ方向において互いの一部が重複しあう配置関係とすることができる。この場合には、図１３（Ｃ）に示したように、合成の補償磁界Ｈｄが幅方向においてより平坦な分布となり、ＧＭＲ素子１１の全体に亘ってより均質化された有効磁界を付与することができ、検出精度の向上に有利となる。
【００５３】
図１４，図１５に、図１３（Ｂ）の構成に対応した補償電流線３０の構成例を示す。図１４は、本変形例の電流センサにおけるセンサユニット３の全体構成を表す断面図であり、図１５は、その上面図である。図１４は、図１５に示したXIV−XIV線に沿った矢視方向の断面である。図１４および図１５に示したように、本変形例では、帯状部分３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂを、素子基板５と第１の階層Ｌ１との間に挿入した第４の階層Ｌ４に設けるようにしている。帯状部分３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂ，３４Ｂは、絶縁膜Ｚ４によって覆われているが、ビア３０Ｖ１〜３０Ｖ７によって接続された帯状部分３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａと共に一本の薄膜導線である補償電流線３０を構成している。
【００５４】
なお、図１３〜１５では、１つのＧＭＲ素子に対し、補償電流線の帯状部分２つずつ設けるようにした例を図示したが、１つのＧＭＲ素子に対して３以上の帯状部分を設けるようにしてもよい。
【００５５】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、４つのＧＭＲ素子を含む検出回路を用いて検出対象電流の検出を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１６に示した本発明の第１の変形例のように、ＧＭＲ素子１１，１２を定電流源４１，４２に置き換えるようにした検出回路２０Ａを用いるようにしてもよい。さらに、図１７に示した本発明の第２の変形例のように、ＧＭＲ素子１１，１２を抵抗４３，４４に置き換えるようにした検出回路２０Ｂを用いるようにしてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態等では、１つのＧＭＲ素子を１つの帯状パターンによって構成するようにしたが、複数の帯状パターンを並列接続することにより１つのＧＭＲ素子を構成するようにしてもよい。但し、この場合には、ＧＭＲ素子の帯状パターンの各々と対応するように補償電流線の帯状部分を配置すると共に、各帯状パターンの幅よりも補償電流線の帯状部分の幅を狭くすることが要求される。こうすることにより、ＧＭＲ素子に対し、より効果的に補償磁界が及ぶと共に、補償磁界および誘導磁界に対するＧＭＲ素子の感度がより向上する。
【符号の説明】
【００５７】
１…導体、２…基板、３…センサユニット、４…シールド構造、５…素子基板、２０，２０Ａ，２０Ｂ…検出回路、１１〜１４…磁気抵抗効果素子、３０…補償電流線、３１〜３４…帯状部分、６１…固着層、６２…中間層、６３…自由層、６４…磁化固定膜、６５…反強磁性膜、Ｈｍ…誘導磁界、Ｈｂ…バイアス磁界、Ｈｄ…補償磁界、Ｉｄ…補償電流、Ｉｍ…検出対象電流、Ｌ１〜Ｌ３…第１〜第３の階層、ＨＭ１，ＨＭ２…永久磁石、Ｐ１〜Ｐ４…接続点、Ｚ１〜Ｚ３…絶縁膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示す第１から第４の磁気抵抗効果素子と、
補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第１から第４の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線と
を備え、
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、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、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ることによりブリッジ回路が形成されており、
前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記誘導磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、
前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、いずれも、前記誘導磁界に応じて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、
前記補償電流は、前記第３の接続点と前記第４の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第１の接続点と前記第２の接続点の間の電位差によって生じるものであり、
前記補償電流線は、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において前記第１から第４の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１から第４の帯状部分を含み、
前記補償電流に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記補償磁界の強度は、
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に含まれるフリー層の磁化を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、前記フリー層の飽和磁界未満である
ことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記補償電流線の第１から第４の帯状部分が、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ複数ずつ設けられている
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
厚さ方向において前記第１から第４の磁気抵抗効果素子をそれぞれ挟むように、一対の前記第１の帯状部分、一対の前記第２の帯状部分、一対の前記第３の帯状部分、および一対の前記第４の帯状部分が配置されている
ことを特徴とする請求項３記載の電流センサ。
【請求項５】
前記一対の第１の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第１の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第２の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第２の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第３の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第３の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第４の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第４の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられている
ことを特徴とする請求項４記載の電流センサ。
【請求項６】
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有するピンド層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する前記フリー層とを順に含む積層体をそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の電流センサ。
【請求項７】
前記積層体に対し、前記ピンド層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を備えた
ことを特徴とする請求項６記載の電流センサ。
【請求項８】
前記ピンド層の磁化方向は、前記導体ならびに前記第１から第４の帯状部分の延在方向と直交する方向である
ことを特徴とする請求項６または請求項７記載の電流センサ。
【請求項９】
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子と離間しつつ、それらの延在方向に沿って設けられたヨークを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載の電流センサ。
【請求項１０】
導体に沿って延在し、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が互いに逆方向の変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子と、
読出電流の供給により前記第１の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下と前記第２の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下との差分に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線と
を備え、
前記補償電流線は、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において前記第１および第２の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１および第２の帯状部分を含み、
前記補償電流に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項１１】
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、前記読出電流として互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源を備えた
ことを特徴とする請求項１０記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記第１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１および第２の定電流源は、その一端同士が第２の接続点において接続され、
前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第１の定電流源の他端とが第３の接続点において接続され、
前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第２の定電流源の他端とが第４の接続点において接続され、
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の前記第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構成されている
ことを特徴とする請求項１１記載の電流センサ。
【請求項１】
導体に沿って互いに同方向へ延在するように配置され、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が変化を示す第１から第４の磁気抵抗効果素子と、
補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第１から第４の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線と
を備え、
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、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、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ることによりブリッジ回路が形成されており、
前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記誘導磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、
前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、いずれも、前記誘導磁界に応じて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化し、
前記補償電流は、前記第３の接続点と前記第４の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第１の接続点と前記第２の接続点の間の電位差によって生じるものであり、
前記補償電流線は、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において前記第１から第４の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１から第４の帯状部分を含み、
前記補償電流に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記補償磁界の強度は、
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子の各々に含まれるフリー層の磁化を回転させることが可能な閾値以上の大きさであり、かつ、前記フリー層の飽和磁界未満である
ことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記補償電流線の第１から第４の帯状部分が、前記第１から第４の磁気抵抗効果素子に対してそれぞれ複数ずつ設けられている
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
厚さ方向において前記第１から第４の磁気抵抗効果素子をそれぞれ挟むように、一対の前記第１の帯状部分、一対の前記第２の帯状部分、一対の前記第３の帯状部分、および一対の前記第４の帯状部分が配置されている
ことを特徴とする請求項３記載の電流センサ。
【請求項５】
前記一対の第１の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第１の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第２の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第２の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第３の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第３の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられており、
前記一対の第４の帯状部分は、幅方向において、各々の中心点が前記第４の磁気抵抗効果素子における中心点を挟んでその両側に位置するように設けられている
ことを特徴とする請求項４記載の電流センサ。
【請求項６】
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有するピンド層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する前記フリー層とを順に含む積層体をそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の電流センサ。
【請求項７】
前記積層体に対し、前記ピンド層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段を備えた
ことを特徴とする請求項６記載の電流センサ。
【請求項８】
前記ピンド層の磁化方向は、前記導体ならびに前記第１から第４の帯状部分の延在方向と直交する方向である
ことを特徴とする請求項６または請求項７記載の電流センサ。
【請求項９】
前記第１から第４の磁気抵抗効果素子と離間しつつ、それらの延在方向に沿って設けられたヨークを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載の電流センサ。
【請求項１０】
導体に沿って延在し、前記導体を流れる検出対象電流により生ずる誘導磁界に応じて各々の抵抗値が互いに逆方向の変化を示す第１および第２の磁気抵抗効果素子と、
読出電流の供給により前記第１の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下と前記第２の磁気抵抗効果素子において生じる電圧降下との差分に応じた補償電流が流れることにより、前記検出対象電流に基づいて前記第１および第２の磁気抵抗効果素子に対して印加される各誘導磁界とは逆方向の補償磁界を前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線と
を備え、
前記補償電流線は、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において前記第１および第２の磁気抵抗効果素子とそれぞれ重なり合い、かつ、前記第１および第２の磁気抵抗効果素子よりもそれぞれ小さな幅を有する第１および第２の帯状部分を含み、
前記補償電流に基づいて前記検出対象電流を検出する
ことを特徴とする電流センサ。
【請求項１１】
前記第１および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、前記読出電流として互いに等しい値の定電流を供給する第１および第２の定電流源を備えた
ことを特徴とする請求項１０記載の電流センサ。
【請求項１２】
前記第１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１および第２の定電流源は、その一端同士が第２の接続点において接続され、
前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第１の定電流源の他端とが第３の接続点において接続され、
前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第２の定電流源の他端とが第４の接続点において接続され、
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の前記第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構成されている
ことを特徴とする請求項１１記載の電流センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１９６７９８（Ｐ２０１１−１９６７９８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６３１６１（Ｐ２０１０−６３１６１）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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