JP5556603B2

JP5556603B2 - 磁気アイソレータ

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Publication number: JP5556603B2
Application number: JP2010251815A
Authority: JP
Inventors: 章岡田; 肇秋山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP2012105060A

Description

この発明は、ミアンダライン状に接続された信号入力線導体とブリッジ接続された磁気抵抗効果素子を備え、入力信号を出力信号に非接触で変換する磁気結合型のアイソレータに関するものである。

従来、非接触で絶縁を介して入力信号を出力信号に変換するアイソレータとしては、光式のフォトカプラがある。しかしながら伝送速度に限界があり、また構成部品の制限から小型化、ワンチップ化に向かないといった欠点があった。

一方、磁気結合型のアイソレータとしては、入力に薄膜コイルを用い、出力に磁気抵抗効果素子や薄膜コイルを利用したものが提案されている（例えば、特許文献１、２）。

特開２００９−１６４２５９号公報（図１）特表２００１−５２１１６０号公報（図１）特開２００８−２０３２３８号公報（図２）

磁気結合型のアイソレータとしては、上記特許文献１に開示されているように、信号入力線として渦巻状の薄膜コイルを利用したものがある。しかし、出力側である磁気抵抗効果素子の各ハーフブリッジに逆方向の磁界を付与するためには、周回したコイルの両サイドのみを利用することから、磁気抵抗効果素子に対向しない、つまり不用なコイル部分が増大し、ひいては磁気アイソレータの表面積が増大することになり、小型化に不利という問題点があった。また、入力側と出力側の間に導電層を有しているが、低導電率材で、絶縁破壊電圧は向上するものの、電界シールドとしての機能は不十分であるという問題点があった。

また、上記特許文献２に開示されているように、入力側と出力側の間に電界シールドとしての導電層を有しているものもあるが、スリットを設置するなどの渦電流を抑制する機能を有しておらず、渦電流の発生により出力に誤差生じるという問題点があった。

また、上記特許文献３は磁気アイソレータではなく電流センサの従来例ではあるが、磁気抵抗効果素子の上方及び下方に被測定導体が配置された電流検知デバイスが開示されている。しかしながら、上方及び下方の被測定導体を接続するため、信号入力線は螺旋形状となっており、このまま本発明の磁気アイソレータに適用しても、十分な小型化は見込めないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、入力信号線の形状をミアンダライン状とすることで、一様な外乱磁界の影響を除去しつつ、磁気アイソレータの小型化を図ることを目的としている。さらに、スリットを付した電界シールドを設置することで、出力の誤差要因となる電気的なノイズを低減し、出力精度の向上を目的としている。

上記課題を解決するため、この発明に係る磁気アイソレータの一局面では、設置基板と、前記設置基板上に設けられた第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１及び第４の磁気抵抗効果素子と、前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２及び第３の磁気抵抗効果素子と、前記第１の絶縁層上に配置され、前記第１から前記第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、及び前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線と、前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に配置され、前記各磁気抵抗効果素子に対向してそれぞれ設けられた信号入力導体と、前記各信号入力導体間に設けられた信号入力折返し導体とを交互にかつ直列に信号入力接続線を介してミアンダライン状に接続されるよう構成された信号入力線とを備え、前記信号入力線に信号電流が通電されることにより前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される第１の磁界の方向と、前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子に印加される第２の磁界の方向とが、互いに逆方向となるように前記信号入力線が構成されたことを特徴とする。

また、この発明に係る磁気アイソレータの別の局面では、設置基板と、前記設置基板上に設けられた第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１及び第４の磁気抵抗効果素子と、前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２及び第３の磁気抵抗効果素子と、前記第１の絶縁層上に配置され、前記第１から前記第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、及び前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線と、前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に配置され、前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子に対向してそれぞれ設けられた信号入力導体と、前記各信号入力導体間に設けられた信号入力折返し導体とを交互にかつ直列に信号入力接続線を介してミアンダライン状に接続されるよう構成された第１の信号入力支線と、前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層上に配置され、前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子に対向してそれぞれ設けられた信号入力導体と、前記各信号入力導体間に設けられた信号入力折返し導体とを交互にかつ直列に信号入力接続線を介してミアンダライン状に接続されるよう構成された第２の信号入力支線と、前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層上に配置され、前記第１の信号入力支線と前記第２の信号入力支線とを並列に接続して構成される信号入力線とを備え、前記信号入力線に信号電流が通電されることにより前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される第１の磁界の方向と、前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子に印加される第２の磁界の方向とが、互いに逆方向となるように前記信号入力線が構成されたことを特徴とする。

上記のような構成としたため、本発明に係る磁気アイソレータは、一様な外乱磁界の印加よる出力信号への悪影響を除去しつつ、その小型化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータを示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの一部の断面構造を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの入力信号検出部を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの入力信号検出部を示す構成概略図である。外部磁界無しの場合と外部磁界を印加した場合における強磁性体内の磁化の向きと強磁性体に流れる電流の向きを示す説明図である。磁化の向きと電流の向きとがなす角度θに対する強磁性体の抵抗値の変化を示す特性図である。バーバーポール電極構造を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの一部の拡大断面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの一部の拡大平面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの電界シールド層を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの電界シールド層を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの変形例を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの一部の拡大断面図である。本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータと磁気アイソレータ回路部の概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る磁気アイソレータを示す平面図である。本発明の実施の形態２に係る磁気アイソレータの一部の断面構造を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る磁気アイソレータを示す平面図である。本発明の実施の形態３に係る磁気アイソレータの一部の断面構造を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る磁気アイソレータの変形例を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る磁気アイソレータの別の変形例を示す平面図である。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータを示す平面図であり、設置基板１上に、複数の磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ及び接続電流線３ｅから構成されるブリッジ回路３からなる入力信号検出部を含む層と、複数の信号入力導体５ａと信号入力折返し導体５ｂと信号入力接続線５ｃとから構成される信号入力線５からなる信号入力部を含む層とが積層されて形成されている。図２はその一部の断面構造を示す断面図で、設置基板の主面上には第１の絶縁層２が積層されており、その主面上に入力信号検出部が形成されている。第１の絶縁層２の上にはさらに第２の絶縁層４が積層されており、その主面上に信号入力部が形成されている。第１の絶縁層２及び第２の絶縁層４は、設置基板１とブリッジ回路３との間及びブリッジ回路３と信号入力線５との間の電気的絶縁を確保する役割を有しているため、材料としては例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、あるいはポリイミド樹脂等の樹脂材料が選択される。それぞれ耐電圧等の異なる仕様を有するため、印加される入力信号や予期されるサージ電圧等の非定常な場合も踏まえて、各種材料を選択する必要がある。設置基板１は、後工程で作製される磁気抵抗効果素子や絶縁層などを均一、かつ緻密に設置するためにフラットな面を有するものがよく、一般的にはシリコン基板やガラス基板が使用される。

図３は上記入力信号検出部を示す平面図であり、図において、入力信号検出部は、設置基板１の中心線によって２つの領域に分けられ、それぞれの領域の上に設けられた第１の絶縁層２上に磁気抵抗効果素子３ａ、３ｂ、磁気抵抗効果素子３ｃ、３ｄが線対称に等しく配置される。４つの磁気抵抗効果素子（第１から第４の磁気抵抗効果素子）３ａ〜３ｄは、ここでは設置基板１の中心線に対して相互に平行方向に配置された異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）である。図３には斜め線で簡略的に示したが、第１の磁気抵抗効果素子３ａ、第４の磁気抵抗効果素子３ｄは、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有するように、また、第２の磁気抵抗効果素子３ｂ、第３の磁気抵抗効果素子３ｃは、互いに逆方向の磁界に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有するように、磁気抵抗効果素子上にはバーバーポール電極構造が形成されている。なお、４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄでは、それぞれ直列接続された３本の磁気抵抗効果素子を同一平面内でクランク形状に形成し、磁界を受ける線路長を長くすることで、磁界の変化を検知しやすくしているが、１本の磁気抵抗効果素子で構成されていても良い。４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄは中心線に対して線対称に構成したが、これに限るものではなく、中心線上に設けられた中心点に対して点対称に構成してもよい。

接続電流線３ｅは、４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ間を接続することにより、ブリッジ回路３を構成するものである。なお、便宜上図２の断面図には接続電流線３ｅは表示されていない。図４は本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの入力信号検出部を示す構成概略図であり、図４において、４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ間をそれぞれ接続電流線３ｅで接続することにより、磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第１のハーフブリッジ回路）、および磁気抵抗効果素子３ｃ，３ｄの直列接続からなるハーフブリッジ回路（第２のハーフブリッジ回路）の並列接続からなるブリッジ回路３を構成するものである。図３及び図４において、接続エリア（第１の接続エリア）２１ａは、ブリッジ回路３の磁気抵抗効果素子３ａ，３ｃ間の接続電流線３ｅに接続され、接続エリア（第２の接続エリア）２１ｂは、ブリッジ回路３の磁気抵抗効果素子３ｂ，３ｄ間の接続電流線３ｅに接続され、接続エリア２１ａ，２１ｂからブリッジ回路３に電圧が供給されるものである。接続エリア（第３の接続エリア）２１ｃは、ブリッジ回路３の磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂ間の接続電流線３ｅに接続され、接続エリア（第４の接続エリア）２１ｄは、ブリッジ回路３の磁気抵抗効果素子３ｃ，３ｄ間の接続電流線３ｅに接続され、接続エリア２１ｃ，２１ｄからブリッジ回路３からの電圧が検出されるものである。各接続エリアは中心線近傍に配置されているが、４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄの外側に配置されていても構わない。

第１の絶縁層２の上に設けられた第２の絶縁層４の主面上には、複数の信号入力導体５ａと信号入力折返し導体５ｂと信号入力接続線５ｃとから構成される信号入力線５が配置される。なお、便宜上図２の断面図には信号入力接続線５ｃは表示されていない。図２に示されるように、信号入力導体５ａは磁気抵抗効果素子３ａのそれぞれに対向して配置されている。図２には磁気抵抗効果素子３ａを含む断面図しか示されていないが、他の磁気抵抗効果素子３ｂ〜３ｄについても同様である。信号入力導体に流れる電流により発生する磁界を効率よく磁気抵抗効果素子に付与するためである。隣り合う信号入力導体５ａの間には信号入力折返し導体５ｂが配置されている。各信号入力導体５ａに流れる電流により発生する磁界を一定方向に揃えるためである。図１に示されるように、信号入力線５は複数の信号入力導体５ａと複数の信号入力折返し導体５ｂとを交互にかつ直列に信号入力接続線５ｃを介してミアンダライン状に接続されるように構成されている。なお、本明細書内では、「ミアンダライン状に接続」とは、同一平面内でクランク形状に接続されていることを意味するものとする。信号入力導体５ａ、信号入力折返し導体５ｂ及び信号入力接続線５ｃには、例えば低抵抗材料であるアルミニウム、銅又は金等が選択される。

次に動作について説明する。まず、磁気抵抗効果素子の基本的な作用について説明する。磁気抵抗効果素子は、強磁性体の磁化の向きと、この強磁性体に流れる電流の向きとの
間の角度によって強磁性体の抵抗値が変化することを利用したものである。

図５（ａ）は外部磁界無しの場合における強磁性体内の磁化の向きと強磁性体に流れる電流の向きを示す説明図、図５（ｂ）は外部磁界を印加した場合における強磁性体内の磁化の向きと強磁性体に流れる電流の向きを示す説明図、図６は磁化の向きと電流の向きとがなす角度θに対する強磁性体の抵抗値の変化を示す特性図である。図５（ａ），（ｂ）から分かるように、強磁性体内の磁化の向きは外部磁界の強さや向きによって影響を受ける。したがって、強磁性体の抵抗値から外部磁界を求めることが可能となる。

また、図６から分かるように、磁化の向きの変化に対して抵抗値が最も変化するのは、角度θが４５度の時である。さらに、角度θが４５度の時に、角度θの変化に対して抵抗値が最も直線的に変化する。したがって、磁気抵抗効果素子を用いて磁界を検出する場合には、外部磁界が０の時に角度θが４５度になるように工夫される。この方法には、バーバーポール電極構造を用いる方法がある。

図７はバーバーポール電極構造を示す説明図であり、図において、アルミニウム電極１１は、磁気抵抗効果素子の軸方向に対して４５度傾けて設けられたものである。図７から分かるように、バーバーポール電極は、磁気抵抗効果素子の表面を流れる電流の向きを４５度傾けるために設けられたものである。各々のアルミニウム電極１１内では電位が等しく、電流はアルミニウム電極１１に垂直に流れる。強磁性体を軸方向に磁化すると、外部磁界が０の時に磁化の向きと電流の向きとがなす角度θを４５度にすることができる。

図３に示した入力信号検出部では、３本の磁気抵抗効果素子３ａにアルミニウム電極１１を電流の向きに対して−４５度傾けて設け、また、同様に３本の磁気抵抗効果素子３ｄにアルミニウム電極１１を電流の向きに対して−４５度傾けて設け、さらに、３本の磁気抵抗効果素子３ｂにアルミニウム電極１１を電流の向きに対して＋４５度傾けて設け、さらに、同様に３本の磁気抵抗効果素子３ｃにアルミニウム電極１１を電流の向きに対して＋４５度傾けて設けたものである。このように、バーバーポール電極構造を形成することにより、例えば、図３において、磁気抵抗効果素子３ａ，３ｂには、紙面左側より中心線の向きに外部磁界が加わり、また、磁気抵抗効果素子３ｃ，３ｄには、紙面右側より中心線の向きに外部磁界が加わった場合に、磁気抵抗効果素子３ａ，３ｄでは、共に外部磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、外部磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子３ｂ，３ｃでは、逆に外部磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、外部磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成することができる。ここではアルミニウムを電極の材料として用いているが、他の抵抗率の低い金属材料を用いてもよい。また、磁気抵抗効果素子は、例えば半導体微細加工技術により作製されるものであり、強磁性体のニッケル、鉄等を主成分とする薄膜があるがこれに限定されるものではない。

次に磁気アイソレータの動作について説明する。図８は図２から磁気抵抗効果素子３ａと信号入力導体５ａとを取り出した断面図であるが、信号入力線５に信号が入力されると、信号入力導体５ａの近傍には、図８の破線に示すように例えば左回転の磁界が、入力された信号、つまりは入力された電流の大きさに応じて発生するので、磁気抵抗効果素子３ａには右方向の磁界が付与され、その方向は実線矢印方向となる。例えば図３において磁気抵抗効果素子３ａ、３ｂには、紙面左側より中心線の向きに磁界が加わり、また、磁気抵抗効果素子３ｃ、３ｄには、紙面右側より中心線の向きに磁界が加わる構成となるように信号入力線５を配置する。

具体的な信号入力線５の配置模式図を、図１の磁気アイソレータに示す。信号入力線５を構成する信号入力導体５ａ、信号入力折り返し導体５ｂを破線にて示している。実際には、信号入力導体５ａは、各磁気抵抗効果素子に対向して設置されるが、図１ではわかりやすく各磁気抵抗効果素子に対してズラして示した。信号入力線５は、例えば、接続エリア２２ａ側から入力信号である電流を印加し、各信号入力導体を経由し、途中で分岐または合流することなく、接続エリア２２ｂに至る構成である。ここでは、接続エリア２２ａ側から入力し接続エリア２２ｂで出力するものとしたが、これに限るものではなく、接続エリア２２ｂ側から入力し接続エリア２２ａへ出力しても構わない。

図９に、図１における各磁気抵抗効果素子と信号入力導体５ａ及び信号入力折り返し導体５ｂの位置関係を示す磁気アイソレータの一部の拡大平面図を示す。このように実際には、信号入力導体５ａは、磁気抵抗効果素子３ａに対向して設置され、信号入力折り返し導体５ｂは、２本の磁気抵抗効果素子５ａの間を通るように設置される。磁気抵抗効果素子３ａ、３ｄでは、共に磁界の増加に応じて抵抗値が増加すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が減少する磁気抵抗効果特性を有するように、また、磁気抵抗効果素子３ｂ、３ｃでは、逆の磁界の増加に応じて抵抗値が減少すると共に、磁界の減少に応じて抵抗値が増加する磁気抵抗効果特性を有するように構成されている。よって、信号入力線５に流れる電流の増加に応じて磁気抵抗効果素子３ａ、３ｄの抵抗値が増加すると共に、磁気抵抗効果素子３ｂ、３ｃの抵抗値が減少し、信号入力線５に流れる電流の減少に応じて磁気抵抗効果素子３ａ、３ｄの抵抗値が減少すると共に、磁気抵抗効果素子３ｂ、３ｃの抵抗値が増加する。このような各磁気抵抗効果素子の抵抗値の増減によりブリッジ回路３の平衡が崩れ、その結果として入力信号検出部の接続エリア２１ｃと接続エリア２１ｄとの間において、信号入力線５に流れる電流の増減に応じた出力電圧が発生する。

以上説明したように、本実施の形態に係る磁気アイソレータは、信号入力線に入力信号として通電された電流を磁界に変換し、絶縁層を介して磁気抵抗効果素子に付与し、出力信号としてブリッジ回路の出力電圧に変換することにより、非接触で絶縁を介した入力信号から出力信号への変換を可能としている。

さらに図２を参照して、ブリッジ回路３と信号入力線５との間の第２の絶縁層４の内部には、導電性を有する第１の電界シールド層６が設けられている。第１の電界シールド層６は、磁気アイソレータとしての性能を低下させる外部からのノイズ、特にここでは信号入力線５からブリッジ回路３の各磁気抵抗効果素子に印加される電界ノイズを除去あるいは低減させるためのものであり、接地電位に接続されている。第１の電界シールド層６の材料としては、例えば銅、アルミニウム等の導電性材料であれば良い。

本実施の形態においては、この第１の電界シールド層６は、図１０に示されるように磁気抵抗効果素子３ａの感磁方向に沿う形でスリット６ａを備えている。スリット６ａがないと、入力信号が交流の場合において、第１の電界シールド層６に広範囲にわたって渦電流が誘起され、この渦電流により発生する磁界は外乱磁界となり、さらにはこの渦電流により発熱も生じるため、磁気アイソレータとしての性能低下につながる。スリット６ａが存在すると、図１０に示されるように、発生する渦電流６ｂは小さく分解され、また横長となるため渦電流により発生する磁界の方向は感磁方向ではなく不感方向となるため、磁気アイソレータとしての性能に与える悪影響は小さくできる。

第１の電界シールド層６は、複数の電界シールド層で構成されていても良い。上述したように、スリットを備えた電界シールド層であれば、渦電流による性能低下を抑制できるが、スリットの占有面積が増加すると電磁ノイズ抑制効果は低下する恐れがある。このような場合、例えば図１１に示されるように、第１の電界シールド層を２層で構成し、各層のスリットは互いに対向しないように設置すればよい。このようにすれば、各層に設けられたスリットが互いに補完しあい、電磁ノイズ抑制効果はさらに改善される。

さらに図２を参照して、第２の絶縁層４の上方には、外部からの湿気や酸化剤、腐食剤の侵入を遮断し、内部構造の劣化を防止するための保護層７が設けられている。保護層７のさらに上面には磁気シールド層８が設けられている。磁気シールド層８は、主に外部からの磁界ノイズが磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄに印加されないよう、磁界ノイズを低減するために設置するもので、高透磁率の磁性材料で、例えば鉄など強磁性体の金属があるが、これに限定されるものではない。また、磁気シールド層８の設置場所も保護層７に限定されるものではなく、さらに下層に設置しても良い。

本実施の形態によれば、設置基板１上に構成された第１の絶縁層２上に配置した４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄで、第１のハーフブリッジ回路と第２のハーフブリッジ回路からブリッジ回路３が構成され、それぞれのハーフブリッジ回路に信号入力導体５ａに起因する逆方向の磁界が付与される構造としているため、一様な外乱磁界に対してはブリッジ回路３の平衡が崩れることはなく、一様な外乱磁界の印加による出力信号への悪影響が除去される効果がある。また、各磁気抵抗効果素子に対向して、信号入力線５をミアンダライン状に設置した構成にしたため、磁気アイソレータが小型となる効果がある。

図１２は本発明の実施の形態１に係る磁気アイソレータの変形例を示す断面図である。図２に示された磁気アイソレータとの相違は、第１の絶縁層２と設置基板１との間に第３の絶縁層９が設けられ、第３の絶縁層９の主面上に、補償電流導体１０ａと補償電流折返し導体１０ｂとそれらを相互に接続している補償電流接続線１０ｃとから構成される補償電流線１０が配置され、ブリッジ回路３と補償電流線１０との間の第１の絶縁層２の内部には、導電性を有する第２の電界シールド層１２が設けられている点であり、その他の構成要素は図２と同じであるので説明を省略する。

設置基板１上に積層された第３の絶縁層９は、設置基板１と補償電流線１０との間の電気的絶縁を確保する役割を有しているため、材料としては例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、あるいはポリイミド樹脂等の樹脂材料が選択される。それぞれ耐電圧等の異なる仕様を有するため、印加される入力信号や予期されるサージ電圧等の非定常な場合も踏まえて、各種材料を選択する必要がある。

第３の絶縁層９の主面上には、複数の補償電流導体１０ａと補償電流折返し導体１０ｂと補償電流接続線１０ｃとから構成される補償電流線１０が配置される。なお、便宜上図１２の断面図には補償電流接続線１０ｃは表示されていない。図１２に示されるように、補償電流導体１０ａは信号入力導体５ａに対向して配置されている。対向する信号入力導体５ａが磁気抵抗効果素子３ａに付与する磁界を効率的に打ち消すためである。隣り合う補償電流導体１０ａの間には補償電流折返し導体１０ｂが配置されている。各補償電流導体１０ａに流れる電流により発生する補償磁界を一定方向に揃えるためである。補償電流線１０は複数の補償電流導体１０ａと複数の補償電流折返し導体１０ｂとを交互にかつ直列に補償電流接続線１０ｃを介して、信号入力線５と同様に、ミアンダライン状に接続されるように構成されている。補償電流導体１０ａ、補償電流折返し導体１０ｂ及び補償電流接続線１０ｃには、例えば低抵抗材料であるアルミニウム、銅又は金等が選択される。

補償電流線１０に補償電流が通電されると、補償電流導体１０ａの近傍には、図１３の破線に示す補償磁界方向のように例えば左回転の磁界が、入力された補償電流の大きさに応じて発生するので、磁気抵抗効果素子３ａには左方向の磁界が付与され、その方向は破線矢印方向となる。補償電流線１０を配置した磁気アイソレータ２３と磁気アイソレータ回路部２４の概略構成を図１４に示す。信号入力線５に流れる電流の大きさに応じてブリッジ回路３の平衡が崩れる。このとき、磁気アイソレータ回路部２４に設置された増幅回路部２５では、入力信号検出部の接続エリア２１ｃと接続エリア２１ｄとの間において検出される出力電圧に基づいて、磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ近傍に発生する磁界を打ち消すような補償電流を補償電流線１０に供給する。具体的には接続エリア２１ｃと接続エリア２１ｄとの間の出力電圧が０になるように、補償電流の大きさを調整する。補償電流導体１０ａは、その補償電流の大きさに応じて４つの磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ近傍に発生する磁界、すなわち信号入力導体５ａに流れる電流の大きさに応じた磁界を相殺するような磁界を、図１３においては、破線矢印方向に発生する。

したがって、信号入力線５に流れる電流の大きさに応じたブリッジ回路３の平衡の崩れを、磁気アイソレータ回路部から供給される補償電流により修復することができる。ゆえに、磁気アイソレータ回路部から供給した補償電流の大きさにより、信号入力線５に流れる電流の大きさ、または信号入力線５に流れる電流の大きさに相関のある値として検出することができる。

このように本変形例では、図２に示される構成に加えて補償電流線１０を付加する構成、すなわち各磁気抵抗効果素子の近傍に発生した入力磁界を打ち消すような補償磁界を付与する磁気平衡式（クローズドループ）の構成とした。このような構成としたため、温度ドリフトを縮小し、線形応答性を向上する効果が得られ、広帯域化や高速応答化といった効果も見込める。

さらに図１２を参照して、ブリッジ回路３と補償電流線１０との間の第１の絶縁層２の内部には、導電性を有する第２の電界シールド層１２が設けられている。第２の電界シールド層１２は、磁気アイソレータとしての性能を低下させる外部からのノイズ、特にここでは補償電流線１０からブリッジ回路３の各磁気抵抗効果素子に印加される電界ノイズを除去あるいは低減させるためのものであり、接地電位に接続されている。第２の電界シールド層１２の材料としては、例えば銅、アルミニウム等の導電性材料であれば良い。

第１の電界シールド層６の場合と同様に、第２の電界シールド層１２も、図１０に示されるように磁気抵抗効果素子３ａの感磁方向に沿う形でスリット６ａを備えている。さらに同様に、図１１に示されるように、第２の電界シールド層１２を２層で構成し、各層のスリットは互いに対向しないように設置することも可能である。これらの効果については、第１の電界シールド層６の場合と同じなので説明を省略する。

各絶縁層および保護層はすべて同一の素材ではなく、複数の素材を使い分けてもよく、絶縁性、耐圧の効果を上げるために積層化してもよい。磁気アイソレータの内部構造は、例えば半導体微細加工技術により一貫して作製されるのが望ましく、各層の作製には、スパッタリング、ＣＶＤ等の技術が利用される。これらの技術によれば、非常に寸法精度が高く、小型な磁気アイソレータが作製できる。

＜実施の形態２＞
図１５は本発明の実施の形態２に係る磁気アイソレータを示す平面図であり、設置基板１上に、複数の磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ及び接続電流線３ｅから構成されるブリッジ回路３からなる入力信号検出部を含む層と、複数の信号入力導体５ａと信号入力折返し導体５ｂと信号入力接続線５ｃとから構成される信号入力線５からなる信号入力部を含む層とが積層されて形成されている。図１６はその一部の断面構造を示す断面図で、設置基板の主面上には第１の絶縁層２が積層されており、その主面上に入力信号検出部が形成されている。第１の絶縁層２の上にはさらに第２の絶縁層４が積層されており、その主面上に信号入力部が形成されている。ブリッジ回路３と信号入力線５との間の第２の絶縁層４の内部には、導電性を有する第１の電界シールド層６が設けられている。さらに、第２の絶縁層４の上方には保護層７が設けられている。保護層７のさらに上面には磁気シールド層８が設けられている。設置基板１、ブリッジ回路３、信号入力線５、第１の電界シールド層６、保護層７、磁気シールド層８及び各絶縁層の役割及び材料については実施の形態１と同様なので、その説明を省略する。

図１６を参照して、第１の絶縁層２の上に設けられた第２の絶縁層４の主面上には、複数の信号入力導体５ａと信号入力折返し導体５ｂと信号入力接続線５ｃとを含む信号入力線５が配置される。なお、便宜上図１６の断面図には信号入力接続線５ｃは表示されていない。信号入力導体５ａは磁気抵抗効果素子３ａに対向して配置されている。信号入力導体に流れる電流により発生する磁界を効率よく磁気抵抗効果素子に付与するためである。図１６には磁気抵抗効果素子３ａを含む断面図しか示されていないが、他の磁気抵抗効果素子３ｂ〜３ｄについても同様である。隣り合う信号入力導体５ａの間には信号入力折返し導体５ｂが配置されている。各信号入力導体５ａに流れる電流により発生する磁界を一定方向に揃えるためである。

実施の形態１との相違点は、信号入力線５の構成を、第１の信号入力支線５１と第２の号入力支線５２の並列接続構成とした点である。すなわち、図１５において、接続エリア２２ａから伸びる信号入力接続線５ｃは第１の分岐点５ｄにおいて紙面の左右に分岐している。分岐点５ｄから左方向に伸びた信号入力接続線５ｃは、中心線から左の領域に存在する複数の信号入力導体５ａと信号入力折返し導体５ｂとを交互にかつ直列にミアンダライン状に接続することにより第１の信号入力支線５１を構成し、第２の分岐点５ｅに至っている。分岐点５ｄから右方向に伸びた信号入力接続線５ｃは、中心線から右の領域に存在する複数の信号入力導体５ａと信号入力折返し導体５ｂとを交互にかつ直列にミアンダライン状に接続することにより第２の信号入力支線５２を構成し、第２の分岐点５ｅに至っている。第２の分岐点５ｅに合流した信号入力接続線５ｃは接続エリア２２ｂに接続されている。

入力信号として接続エリア２２ａから接続エリア２２ｂに電流を通電した場合、接続エリア２２ａから信号入力線５に流入した電流は、第１の分岐点５ｄにおいて、第１の信号入力支線５１と第２の信号入力支線５２とに分流され、その後第２の分岐点５ｅにおいて合流し接続エリア２２ｂから流出する。すなわち、実施の形態１の場合と比較して、信号入力導体５ａにおける電流密度を低減させることができる。信号入力導体５ａの電流密度が増大すると、信号入力導体５ａにおける発熱量が増大し、出力信号の応答精度の劣化に至ることもあるが、本実施の形態の構成によれば電流密度の増大を抑制することができ、出力信号の応答精度の劣化を防止できるという効果が得られる。

図１６の断面図に示されるように、信号入力導体５ａの幅を拡大することにより、信号入力導体５ａ断面積を信号入力折返し導体５ｂの断面積よりも大きくすることも可能である。この場合も、信号入力導体５ａにおける電流密度を低減させることができるので、出力信号の応答精度の劣化を防止できるという効果が得られる。

なお、本実施の形態の説明においては、信号入力線５の構成を、第１の信号入力支線５１と第２の信号入力支線５２の２つ信号入力支線の並列接続構成としたが、３つ以上の信号入力支線の並列接続構成としても、本発明の効果が発揮されることは言うまでもない。また、実施の形態１と同様に、補償電流線１０を付加し各磁気抵抗効果素子の近傍に発生した入力磁界を打ち消すような補償磁界を付与する磁気平衡式（クローズドループ）の構成とすることも可能である。これらの構成の役割、効果等については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

＜実施の形態３＞
図１７は本発明の実施の形態３に係る磁気アイソレータを示す平面図であり、設置基板１上に、複数の磁気抵抗効果素子３ａ〜３ｄ及び接続電流線３ｅから構成されるブリッジ回路３からなる入力信号検出部を含む層と、複数の信号入力導体５ａと信号入力接続線５ｃとから構成される信号入力線５からなる信号入力部を含む層とが積層されて形成されている。図１８はその一部の断面構造を示す断面図で、設置基板の主面上には第１の絶縁層２が積層されており、その主面上に入力信号検出部が形成されている。第１の絶縁層２の上にはさらに第２の絶縁層４が積層されており、その主面上に信号入力部が形成されている。ブリッジ回路３と信号入力線５との間の第２の絶縁層４の内部には、導電性を有する第１の電界シールド層６が設けられている。さらに、第２の絶縁層４の上方には保護層７が設けられている。保護層７のさらに上面には磁気シールド層８が設けられている。設置基板１、ブリッジ回路３、信号入力線５、第１の電界シールド層６、保護層７、磁気シールド層８及び各絶縁層の役割及び材料については実施の形態１と同様なので、その説明を省略する。

図１８を参照して、第１の絶縁層２の上に設けられた第２の絶縁層４の主面上には、複数の信号入力導体５ａと信号入力接続線５ｃとから構成される信号入力線５が配置される。なお、便宜上図１８の断面図には信号入力接続線５ｃは表示されていない。信号入力導体５ａは磁気抵抗効果素子３ａ及び磁気抵抗効果素子３ｃのそれぞれに対向して配置されている。信号入力導体に流れる電流により発生する磁界を効率よく磁気抵抗効果素子に付与するためである。図１８には磁気抵抗効果素子３ａ及び磁気抵抗効果素子３ｃを含む断面図しか示されていないが、他の磁気抵抗効果素子３ｂ、３ｄについても同様である。

実施の形態１との相違点は、信号入力線５の構成を、３本の第１の磁気抵抗効果素子３ａに対向してそれぞれ設けられた信号入力導体５ａを並列に接続し、３本の第２の磁気抵抗効果素子３ｃに対向してそれぞれ設けられた信号入力導体５ａを並列に接続し、３本の第３の磁気抵抗効果素子３ｂに対向してそれぞれ設けられた信号入力導体５ａを並列に接続し、３本の第４の磁気抵抗効果素子３ｄに対向してそれぞれ設けられた信号入力導体５ａを並列に接続し、これら４つの並列接続された信号入力導体５ａを信号入力接続線５ｃによりミアンダライン状に接続する構成とし、信号入力折返し導体５ｂを省いた点である。

すなわち、図１７において、接続エリア２２ａから伸びる信号入力接続線５ｃは紙面の左方向に伸び、第１の分岐点５ｆに至る。第１の分岐点５ｆにおいて３つに分岐した信号入力接続線５ｃは、それぞれ第１の磁気抵抗効果素子３ａに対向した３本の信号入力導体５ａと、さらにその先の第３の磁気抵抗効果素子３ｃに対向した３本の信号入力導体５ａとをミアンダライン状に接続し、第２の分岐点５ｇに至る。第２の分岐点５ｇから伸びる信号入力接続線５ｃは紙面の右方向に伸び、第３の分岐点５ｈに至る。第３の分岐点５ｈにおいて３つに分岐した信号入力接続線５ｃは、それぞれ第２の磁気抵抗効果素子３ｂに対向した３本の信号入力導体５ａと、さらにその先の第４の磁気抵抗効果素子３ｄに対向した３本の信号入力導体５ａをミアンダライン状に接続し、第４の分岐点５ｋに至る。第４の分岐点５ｋから左方向に伸びた信号入力接続線５ｃは、接続エリア２２ｂに接続されている。

このように、各磁気抵抗効果素子に対向する３本の信号入力導体５ａを並列に接続したことにより、各信号入力導体５ａに流れる電流により発生する磁界を一定方向に揃えることができるため、信号入力折返し導体５ｂを省くことができ、磁気アイソレータを小型化することができる。また、入力信号として接続エリア２２ａから接続エリア２２ｂに電流を通電した場合、接続エリア２２ａから信号入力線５に流入した電流は、第１の分岐点５ｆ及び第３の分岐点５ｈにおいて、各信号入力導体５ａに分流するため、信号入力導体５ａにおける電流密度を低減させることができる。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、補償電流線１０を付加し各磁気抵抗効果素子の近傍に発生した入力磁界を打ち消すような補償磁界を付与する磁気平衡式（クローズドループ）の構成とすることも可能である。図１９は実施の形態３に係る磁気アイソレータの変形例を示す断面図で、第１の絶縁層２と設置基板１との間に第３の絶縁層９が設けられ、第３の絶縁層９の主面上の信号入力導体５ａに対応した位置に、補償電流導体１０ａが配置されている。さらには、ブリッジ回路３と補償電流線１０との間の第１の絶縁層２の内部に導電性を有する第２の電界シールド層１２を設けるような構成とすることも可能である。これらの構成の役割、効果等については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

本実施の形態の説明においては、第１の分岐点５ｆにおいて３つに分岐した信号入力接続線５ｃを、一旦第２の分岐点５ｇにおいて合成させ、第３の分岐点５ｈにおいて再び分岐させているが、第２の分岐点５ｇ及び第３の分岐点５ｈを省略し、分岐したまま第３の磁気抵抗効果素子３ｃに対向した３本の信号入力導体５ａと第２の磁気抵抗効果素子３ｂに対向した３本の信号入力導体５ａとを接続しても良い。また、図１７においては、信号入力線５を中心線に対して線対称に配置したものであったが、これに限るものではなく、図２０の実施の形態３に係る磁気アイソレータの別の変形例を示す平面図に示されるように、信号入力線５を中心点に対して点対称に配置しても構わない。

なお、実施の形態１から３の説明においては、磁気抵抗効果素子はバーバーポール電極を付与しリニア化した異方性磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）を利用したが、これに限るものではなく、例えばスピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）やトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いても構わない。また、これらの実施の形態の説明においては、ブリッジ回路３の上方に信号入力線５を配置し、ブリッジ回路３の下方に補償電流線１０を配置する構成としたが、これに限るものではない。すなわち、ブリッジ回路３の下方に信号入力線５を配置する構成、ブリッジ回路３の上方に補償電流線１０を配置する構成又はそれらの組み合わせであっても、本発明の効果が発揮されることは言うまでもない。

この発明に係る磁気アイソレータは、電気的絶縁を必要とする２つの回路間の信号伝達に適用することにより、その回路を含む機器の性能向上に寄与することができる。

１設置基板
２第１の絶縁層
３ブリッジ回路
３ａ第１の磁気抵抗効果素子
３ｂ第２の磁気抵抗効果素子
３ｃ第３の磁気抵抗効果素子
３ｄ第４の磁気抵抗効果素子
３ｅ接続電流線
４第２の絶縁層
５信号入力線
５ａ信号入力導体
５ｂ信号入力折返し導体
５ｃ信号入力接続線
５ｄ第１の分岐点
５ｅ第２の分岐点
５ｆ第１の分岐点
５ｇ第２の分岐点
５ｈ第３の分岐点
５ｋ第４の分岐点
５１第１の信号入力支線
５２第２の信号入力支線
６第１の電界シールド層
６ａスリット
６ｂ渦電流
７保護層
８磁気シールド層
９第３の絶縁層
１０補償電流線
１０ａ補償電流導体
１０ｂ補償電流折返し導体
１０ｃ補償電流接続線
１１アルミニウム電極
１２第２の電界シールド層
２１ａ接続エリア
２１ｂ接続エリア
２１ｃ接続エリア
２１ｄ接続エリア
２２ａ接続エリア
２２ｂ接続エリア
２３磁気アイソレータ
２４磁気アイソレータ回路部
２５増幅回路部

Claims

設置基板と、
前記設置基板上に設けられた第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１及び第４の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２及び第３の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の絶縁層上に配置され、前記第１から前記第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、及び前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線と、
前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層上に配置され、前記各磁気抵抗効果素子に対向してそれぞれ設けられた信号入力導体と、前記各信号入力導体間に設けられた信号入力折返し導体とを交互にかつ直列に信号入力接続線を介してミアンダライン状に接続されるよう構成された信号入力線とを備え、
前記信号入力線に信号電流が通電されることにより前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される第１の磁界の方向と、前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子に印加される第２の磁界の方向とが、互いに逆方向となるように前記信号入力線が構成されたことを特徴とする磁気アイソレータ。
設置基板と、
前記設置基板上に設けられた第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に増加する磁気抵抗効果特性を有する第１及び第４の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の絶縁層上に配置され、互いに逆方向の磁界の増加に応じて抵抗値が共に減少する磁気抵抗効果特性を有する第２及び第３の磁気抵抗効果素子と、
前記第１の絶縁層上に配置され、前記第１から前記第４の磁気抵抗効果素子を接続することにより、前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子による第１のハーフブリッジ回路、及び前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子による第２のハーフブリッジ回路からなるブリッジ回路を構成する接続電流線と、
前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層上に配置され、前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子に対向してそれぞれ設けられた信号入力導体と、前記各信号入力導体間に設けられた信号入力折返し導体とを交互にかつ直列に信号入力接続線を介してミアンダライン状に接続されるよう構成された第１の信号入力支線と、
前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層上に配置され、前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子に対向してそれぞれ設けられた信号入力導体と、前記各信号入力導体間に設けられた信号入力折返し導体とを交互にかつ直列に信号入力接続線を介してミアンダライン状に接続されるよう構成された第２の信号入力支線と、
前記設置基板上に設けられた第２の絶縁層上に配置され、前記第１の信号入力支線と前記第２の信号入力支線とを並列に接続して構成される信号入力線とを備え、
前記信号入力線に信号電流が通電されることにより前記第１及び前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される第１の磁界の方向と、前記第３及び前記第４の磁気抵抗効果素子に印加される第２の磁界の方向とが、互いに逆方向となるように前記信号入力線が構成されたことを特徴とする磁気アイソレータ。
前記各磁気抵抗効果素子と前記信号入力線との間に、スリットを有する第１の電界シールド層を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の磁気アイソレータ。
前記第１の電界シールド層は２層で構成され、各層のスリットは互いに対向しないように設置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気アイソレータ。
前記設置基板上に設けられた第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層上に配置され、前記信号入力導体に対向して設けられた補償電流導体を補償電流接続線を介して接続し、前記信号入力線に対向するように構成された補償電流線を備え、前記各補償電流導体はそれぞれ対向する前記信号入力導体がそれぞれ対向する前記磁気抵抗効果素子に付与する磁界を打ち消す方向に補償磁界を発生するように前記補償電流線が構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の磁気アイソレータ。
前記各磁気抵抗効果素子と前記補償電流線との間に、スリットを有する第２の電界シールド層を設けたことを特徴とする請求項５に記載の磁気アイソレータ。
前記第２の電界シールド層は２層で構成され、各層のスリットは互いに対向しないように設置されていることを特徴とする請求項６に記載の磁気アイソレータ。
磁気シールド層を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の磁気アイソレータ。