WO2019069500A1 - 磁気センサ及び電流センサ - Google Patents

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WO2019069500A1
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magnetic sensor
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清水　康弘
川浪　崇
北森　宣匡
宣孝 岸
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株式会社村田製作所
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    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor that senses a magnetic field, and a current sensor provided with the magnetic sensor.
  • Patent Document 1 discloses a technique for improving the symmetry of the output of the magnetic sensor with respect to the positive and negative directions of the magnetic field.
  • the bias magnetic field generation unit and the magnetoresistive element are formed on the same chip.
  • the bias magnetic field generating portion on the chip two thin film magnets are disposed with their opposite poles facing each other and spaced apart.
  • Patent Document 1 in order to precisely match the magnetic field direction from the thin film magnet for generating a bias magnetic field and the bias magnetic field direction of the magnetoresistive element, near the center of the magnetic field by the two thin film magnets on the chip A magnetoresistive element is disposed.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic sensor and a current sensor capable of reducing an angular deviation in a magnetic sensor that senses a magnetic field.
  • the magnetic sensor according to the present invention is a magnetic sensor that senses a magnetic field in a predetermined magnetic sensitive direction.
  • the magnetic sensor comprises a chip on which at least one magnetic element is formed.
  • the chip length in the magnetic sensing direction is at least twice the chip length in the orthogonal direction orthogonal to the magnetic sensing direction.
  • a current sensor comprises a magnetic sensor and a conductor.
  • a magnetic sensor is attached to the conductor and current flows.
  • a magnetic sensor senses the magnetic field generated by the current.
  • the angular deviation in the magnetic sensor can be reduced.
  • the perspective view which shows the current sensor concerning Embodiment 1 The perspective view which shows the external appearance of the magnetic sensor which concerns on Embodiment 1.
  • a circuit diagram illustrating the configuration of a magnetic element in a magnetic sensor A circuit diagram illustrating the configuration of the current sensor according to the first embodiment Diagram for explaining the operation of the current sensor Diagram for explaining the angular deviation in the current sensor Graph of angular deviation and area in simulation of sensor chip Graph showing relationship between chip width of sensor chip and angle deviation per unit area Diagram for explaining the numerical analysis of the chip shape of the sensor chip
  • each embodiment is an example, and partial replacement or combination of the configurations shown in different embodiments is possible.
  • the description of items common to the first embodiment will be omitted, and only different points will be described.
  • the same operation and effect by the same configuration will not be sequentially referred to in each embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a current sensor 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the magnetic sensor 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a view showing the internal structure of the magnetic sensor 10.
  • the current sensor 1 includes the bus bar 2 and the magnetic sensor 10 as shown in FIG.
  • the current sensor 1 measures the current I by sensing a magnetic field (hereinafter referred to as “signal magnetic field”) by the current I flowing through the bus bar 2 using the magnetic sensor 10.
  • the bus bar 2 is an example of a conductor through which the current I to be measured flows in the longitudinal direction (Y direction).
  • the width direction of the bus bar 2 is taken as the X direction, the longitudinal direction as the Y direction, and the thickness direction as the Z direction.
  • the bus bar 2 of the present embodiment is branched into two flow paths 21 and 22 in a part on the way in the Y direction. As illustrated in FIG. 1, when the current I flows through the bus bar 2 in the + Y direction, the current I is divided into the first flow path 21 on the + X side and the second flow path 22 on the ⁇ X side. The divided currents flow in the + Y direction in both the first channel 21 and the second channel 22.
  • the magnetic sensor 10 is attached to the bus bar 2 by, for example, an adhesive, a screw, welding, welding or the like.
  • the magnetic sensor 10 is disposed between the first and second flow paths 21 and 22.
  • the first flow passage 21 is located on the + Z side of the magnetic sensor 10
  • the second flow passage 22 is located on the ⁇ Z side of the magnetic sensor 10.
  • the external appearance of the magnetic sensor 10 in the state which is not attached to the bus-bar 2 of FIG. 1 is shown in FIG.
  • the magnetic sensor 10 includes a package 10 a and a terminal 10 b.
  • the magnetic sensor 10 can output or supply a signal indicating the measurement result of the current I through the terminal 10 b.
  • the package 10 a is an example of a housing of the magnetic sensor 10.
  • the method of packaging the magnetic sensor 10 is not particularly limited.
  • the magnetic sensor 10 may be molded with a resin, or may be a metal CAN package.
  • the internal structure of the package 10a of the magnetic sensor 10 is shown in FIG.
  • FIG. 3 corresponds to the B-B ′ cross section of FIG.
  • the B-B ′ cross section is a cross section of the magnetic sensor 10 along the XY plane.
  • illustration of details such as various wirings and an operation unit described later is omitted.
  • the magnetic sensor 10 includes a sensor chip 3 and bias magnets 11 and 12.
  • the sensor chip 3 can be connected to the terminal 10 b through various circuits and the like.
  • the sensor chip 3 is a chip on which a magnetic element (details will be described later) for sensing a magnetic field in a predetermined magnetic sensing direction is formed.
  • the sensor chip 3 is, for example, rectangular and has a width and a depth.
  • the magnetically sensitive direction is a direction (width direction) along the width of the sensor chip 3 in the present embodiment.
  • the depth direction of the sensor chip 3 is an example of a direction orthogonal to the width direction.
  • the width direction of the sensor chip 3 corresponds to the X direction
  • the depth direction corresponds to the Y direction.
  • the angular deviation of the sensor chip 3 in the magnetic sensor 10 is reduced by adopting a dimension in which the width of the sensor chip 3 is sufficiently longer than the depth. Details of the configuration of the sensor chip 3 will be described later.
  • the bias magnets 11 and 12 are magnets for magnetically biasing the magnetic element of the sensor chip 3.
  • the magnetic field generated from the bias magnets 11 and 12 is referred to as "bias magnetic field”.
  • the bias magnets 11 and 12 for example, bulk magnets such as ferrite and SmCo or various thin film magnets can be used.
  • the two bias magnets 11 and 12 are disposed to face each other via the sensor chip 3 (details will be described later).
  • the package 10 a of the magnetic sensor 10 is provided with a mounting portion 10 c as shown in FIGS.
  • the mounting portion 10 c is a portion for mounting the magnetic sensor 10 along the first and second flow paths 21 and 22 of the bus bar 2 as shown in FIG. 1.
  • the mounting portion 10c is formed to project from the package 10a in the depth direction (Y direction) on a central line passing through the center position in the width direction (X direction) of the sensor chip 3 as shown in FIG. In other words, the length in the depth direction of the package 10a of the magnetic sensor 10 is longer at the attachment portion 10c than at other portions.
  • the mounting portions 10c are provided, for example, on both the + Y side and the ⁇ Y side of the package 10a. According to the mounting portion 10 c, it is possible to suppress the angular deviation or rotational deviation of the magnetic sensor 10 with respect to the bus bar 2.
  • FIG. 4 is a view showing an arrangement example of the sensor chip 3 in the magnetic sensor 10.
  • FIG. 4 corresponds to an enlarged view in the vicinity of the sensor chip 3 in FIG.
  • the sensor chip 3 in the present embodiment includes two magnetic elements 3 a and 3 b arranged in the width direction, and a substrate 30 having a main surface.
  • the substrate 30 is, for example, a silicon substrate and can be composed of various wafers.
  • the width of the sensor chip 3 is set, for example, at least twice and at most 10 times the depth of the sensor chip 3.
  • the sensor chip 3 is mounted such that the main surface of the substrate 30 is parallel to the mounting surface such as the XY plane.
  • the first and second magnetic elements 3a and 3b have magnetically sensitive regions R11 and R12 in which the magnetic field along the main surface of the substrate 30 is sensed.
  • the magnetically sensitive regions R11 and R12 are formed by laminating a magnetic film or the like on the substrate 30. Electrodes are provided around the magnetically sensitive regions R11 and R12. A protective film such as SiO 2 may be provided on the magnetically sensitive regions R11 and R12 and various electrodes.
  • Each of the magnetically sensitive regions R11 and R12 has a dimension longer in the width direction than in the depth direction of the sensor chip 3 as shown in FIG. 4, for example. For example, the width of the magnetically sensitive regions R11 and R12 is twice or more the depth of the magnetically sensitive regions R11 and R12.
  • the first magnetic element 3 a is located closer to the first flow path 21 than the second flow path 22 when the magnetic sensor 10 is attached to the bus bar 2 (FIG. 1).
  • the second magnetic element 3 b is located closer to the second flow path 22 than the first flow path 21.
  • each of the bias magnets 11 and 12 has a shape extending in a direction orthogonal to the direction in which the respective S poles and N poles are arranged.
  • the two bias magnets 11, 12 are arranged such that their longitudinal direction is parallel to the X direction, as appropriate, within tolerances. Between the two bias magnets 11, 12, one N pole and the other S pole face each other.
  • a bias magnetic field B0 is distributed along the Y direction. According to the magnetic bias applied to the magnetic elements 3a and 3b with the bias magnetic field B0, it is possible to adjust the sensitivity when the magnetic field in the direction crossing the applied direction is input to the magnetic elements 3a and 3b. Thereby, the dynamic range of the magnetic sensor 10 can be set.
  • the sensor chip 3 is arranged in a central region R1 between the two bias magnets 11 and 12 in the Y direction.
  • the region R1 has a uniform distribution of the bias magnetic field B0 in the X direction.
  • the magnetic biases of the magnetic elements 3a and 3b can be equalized.
  • the distance between the bias magnets 11 and 12 can be reduced, and the magnetic sensor 10 can be miniaturized.
  • the area of the regions other than the magnetically sensitive regions R11 and R12 is, for example, 20% or more of the entire area of the main surface. From the viewpoint of further suppressing the rotational deviation of the sensor chip 3, the area of the area other than the magnetic sensitive areas R11 and R12 may be 30% or more, 40% or more, or 50% or more of the entire area of the main surface.
  • the electrode on the main surface of the sensor chip 3 may have an area of 50% or more in the area other than the magnetic sensitive areas R11 and R12.
  • the resistance value of the electrodes can be lowered to reduce heat generation during driving of the magnetic elements 3a and 3b.
  • the area of the bonding portion such as wiring can be secured, and the reliability against disconnection or the like can be enhanced.
  • Magnetic Element Details of the configuration of the magnetic elements 3a and 3b in the sensor chip 3 will be described with reference to FIGS.
  • the first and second magnetic elements 3a and 3b are similarly configured. Below, the example of composition of one magnetic element 3a is explained.
  • FIG. 5 is a plan view showing a configuration example of the magnetic element 3 a in the sensor chip 3.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the configuration of the magnetic element 3 a in the magnetic sensor 10.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit of the magnetic element 3a of the example of FIG.
  • the magnetic element 3a includes a plurality of magnetoresistance elements 31, 32, 33, 34, and a plurality of electrode pads 35a, 35b, 35c.
  • the electrode pads 35a to 35c and the magnetoresistance elements 31 to 34 are arranged to be aligned with each other in the magnetic sensitive direction (X direction) of the magnetic element 3a.
  • the four magnetoresistance elements 31 to 34 in the magnetic element 3a of the example of FIG. 5 constitute a full bridge circuit (Wheatstone bridge circuit), as shown in FIG.
  • the magnetic element 3a is driven at a constant voltage, for example, by the power supply voltage Vdd.
  • Each of the magnetoresistive elements 31 to 34 is, for example, an AMR (Anisotropic Magneto Resistance) element.
  • the series circuit of the first and second magnetoresistance elements 31 and 32 of the four magnetoresistance elements 31 to 34 and the series circuit of the third and fourth magnetoresistance elements 33 and 34 are connected in parallel. Be done.
  • electrode pads 35a to 35c are provided in each series circuit (ie, half bridge circuit).
  • the power supply voltage Vdd of the magnetic element 3a is supplied from, for example, the electrode pad 35a of FIG. 5 to the connection point between the first and third magnetoresistive elements 31 and 33 as shown in FIG.
  • the connection point between the second and fourth magnetoresistive elements 32 and 34 is grounded, for example, at the electrode pad 35b of FIG.
  • the connection point between the first and second magnetoresistive elements 31 and 32 has a potential S1p (FIG. 6) and is connected to one of the two electrode pads 35c (FIG. 5).
  • the connection point between the third and fourth magnetoresistance elements 33 and 34 has a potential S1m and is connected to the other electrode pad 35c.
  • Each of the potentials S1p and S1m fluctuates with, for example, Vdd / 2 as the middle point potential.
  • the magnetic element 3a generates a sensor signal S1 as a differential signal based on the two potentials S1p and S1m.
  • the first and fourth magnetoresistance elements 31 and 34 have magnetoresistance values MR1 and MR4 that have a common tendency to increase and decrease with respect to the magnetic field input to the magnetic element 3a.
  • the second and third magnetoresistive elements 32 and 33 have magnetoresistive values MR2 and MR3 that increase and decrease in the opposite direction to the magnetoresistive values MR1 and MR4 of the first and fourth magnetoresistive elements 31 and 34.
  • the first and fourth magnetoresistive elements 31 and 34 have a meander shape that reciprocates in the common direction d1.
  • the direction d1 is a direction inclined at an angle of 45 degrees with respect to the magnetic sensing direction (X direction).
  • the second and third magnetoresistive elements 32 and 33 have a meander shape that reciprocates in a direction d2 orthogonal to the direction d1.
  • the extending portion is formed of a magnetic thin film, and the end of the fold is formed of a conductive member or the like.
  • the four magnetoresistance elements 31 to 34 are arranged in the width direction (X direction) in the magnetically sensitive region R11 (FIG. 4).
  • Each of the magnetic resistance elements 31 to 34 is configured by connecting a plurality of partial resistance elements 36 in series via the connection electrode 37.
  • the partial resistance elements 36 of the respective magnetic resistance elements 31 to 34 are aligned in the magnetically sensitive direction with each other.
  • the magnetically sensitive region R11 of this example extends in the width direction of the sensor chip 3 as shown in FIG.
  • the magnetoresistance elements 31 to 34 can be appropriately formed so that the magnetosensitive regions R11 (FIG. 4) extend.
  • the magnetic element 3a may be configured by a half bridge circuit.
  • the magnetoresistive elements 31 to 34 are not limited to AMR elements, but various MR elements such as GMR (Giant Magneto Resistance), TMR (Tunnel Magneto Resistance), BMR (Balistic Magneto Resistance), CMR (Colossal Magneto Resistance), etc. It may be.
  • the magnetic element 3a a magnetic element having a Hall element, a magnetic element having a MI (Magneto Impedance) element using a magnetic impedance effect, a flux gate type magnetic element, or the like may be used.
  • a method of driving the magnetic element 3a constant current driving, pulse driving or the like may be employed.
  • FIG. 7 is a circuit diagram illustrating the configuration of the current sensor 1 according to the present embodiment.
  • the current sensor 1 includes two magnetic elements 3 a and 3 b and an arithmetic unit 4.
  • the arithmetic unit 4 includes three operational amplifiers 41, 42, and 43. Each of the three operational amplifiers 41 to 43 has a unique gain.
  • connection point (FIG. 6) of the potentials S1p and S1m in the first magnetic element 3a is connected to the differential input terminal of the first operational amplifier 41 via the electrode pad 35c (FIG. 5). Be done.
  • the second magnetic element 3 b is connected to the differential input terminal of the second operational amplifier 42.
  • the first operational amplifier 41 differentially amplifies the sensor signal S1 from the first magnetic element 3a to generate a signal So1 as a result of amplification.
  • the second operational amplifier 42 differentially amplifies the sensor signal S2 from the second magnetic element 3b to generate a signal So2 of the amplification result.
  • the output terminal of the first operational amplifier 41 and the output terminal of the second operational amplifier 42 are connected to differential input terminals of the third operational amplifier 43, respectively.
  • the third operational amplifier 43 differentially amplifies the signal So1 from the first operational amplifier 41 and the signal So2 from the second operational amplifier 42 to generate an output signal Sout.
  • the output signal Sout indicates the measurement result of the current by the current sensor 1.
  • the third operational amplifier 43 comprises, for example, a gain and / or offset temperature compensation circuit. Thereby, temperature compensation of the output signal Sout of the current sensor 1 can be performed.
  • the first and second operational amplifiers 41 and 42 may include various temperature compensation circuits.
  • the first and second magnetic elements 3a and 3b may each have a single-ended output terminal.
  • single-ended amplifiers or buffer amplifiers may be used instead of the first and second operational amplifiers 41 and 42 or may be omitted.
  • the calculation unit 4 may include various semiconductor integrated circuits and the like for realizing various functions of the current sensor 1.
  • the calculation unit 4 may include hardware circuits such as a dedicated electronic circuit or a reconfigurable electronic circuit designed to realize a predetermined function, such as an ASIC or an FPGA.
  • the calculation unit 4 may include, for example, a CPU or the like that realizes a predetermined function in cooperation with software.
  • Arithmetic unit 4 may include an internal memory such as a flash memory, and may store various data, programs, and the like in the internal memory.
  • the arithmetic unit 4 can be configured by various semiconductor integrated circuits such as a CPU, an MPU, a microcomputer, a DSP, an FPGA, and an ASIC.
  • the arithmetic unit 4 is mounted together with the sensor chip 3 and the like, for example, inside the package 10a of FIG.
  • the calculation unit 4 and the sensor chip 3 may be mounted on various substrates such as a glass epoxy substrate or an alumina substrate, or may be mounted directly on a metal lead frame in the package 10a.
  • the positional relationship of each part on the mounted substrate is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of the magnetic sensitive direction.
  • a fixing method between the magnetic elements 3a and 3b of the sensor chip 3 and the lead frame is not particularly limited, but a method of fixing with a die bonding agent is general.
  • the die bonding agent may be conductive or non-conductive.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the current sensor 1.
  • FIG. 8 shows the flow paths 21 and 22 and the magnetic elements 3a and 3b in the vicinity of the AA 'cross section of FIG.
  • FIG. 8 when the current to be detected flows through the bus bar 2 in the + Y direction (see FIG. 1), the signal magnetic field B1 generated near the first channel 21 and the signal magnetic field generated near the second channel 22 B2 is illustrated.
  • the current is divided and flows to the first flow path 21 and the second flow path 22.
  • the signal magnetic field B1 in the vicinity of the first flow passage 21 circulates around the first flow passage 21, and the signal magnetic field B2 in the vicinity of the second flow passage 22 is the second flow. It travels around the road 22.
  • the current flows in the same direction (for example, + Y direction) in the first flow path 21 and the second flow path 22, and thus the signal magnetic field B1 near the first flow path 21 and The signal magnetic field B2 in the vicinity of the second flow passage 22 has the same circumferential direction (for example, clockwise). From this, as shown in FIG. 8, in the region R 21 near the first flow passage 21 between the first and second flow passages 21 and 22 and the region R 22 near the second flow passage 22, respectively The X components of the passing signal magnetic fields B1 and B2 are opposite to each other.
  • the first magnetic element 3a is disposed in the region R21 in the vicinity of the first flow path 21 as described above, and the second magnetic sensor element 3b is the second flow path 22. It is arranged in a nearby region R22.
  • the signal magnetic fields B1 and B2 having opposite phases to each other are input to the two magnetic elements 3a and 3b.
  • the first magnetic element 3a generates a sensor signal S1 according to the input magnetic field as a detection result of the signal magnetic field B1 in the vicinity of the first flow path 21 (see FIG. 7).
  • the second magnetic element 3 b generates a sensor signal S 2 according to the input magnetic field as a detection result of the signal magnetic field B 2 near the second flow path 22.
  • the magnetic fields input to the magnetic elements 3a and 3b include not only the signal magnetic fields B1 and B2 but also noise such as a disturbance magnetic field.
  • noise is considered to be input in the same phase (same direction and same size) to each magnetic element 3a, 3b by bringing the arrangement positions of the two magnetic elements 3a, 3b close to each other.
  • the computing unit 4 computes differential amplification of the sensing results of the two magnetic elements 3a and 3b, and outputs the output signal Sout as a measurement result of the current.
  • the computing unit 4 computes differential amplification of the sensing results of the two magnetic elements 3a and 3b, and outputs the output signal Sout as a measurement result of the current.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the angular deviation of the sensor chip 3 in the magnetic sensor 10.
  • positional deviation ⁇ d of the sensor chip 3 occurs.
  • a positional deviation ⁇ d corresponding to one pixel or the like of the monitor of the die bonder occurs.
  • the angle of the sensor chip 3 with respect to the direction of the bias magnetic field B0 may be shifted, and the bias magnetic field B0 may include a component parallel to the magnetic sensitive direction. If the angular deviation due to the positional deviation ⁇ d becomes large, an erroneous input of the bias magnetic field B0 to the magnetic sensor 10 may occur, or the sensing accuracy of the signal magnetic fields B1 and B2 may be lowered.
  • the shape extended long in the width direction ie, a magnetically sensitive direction
  • adopted the shape extended long in the width direction.
  • the angular deviation ⁇ corresponding to the positional deviation ⁇ d is reduced by the length of the sensor chip 3 in the width direction. be able to.
  • the erroneous input of the bias magnetic field B0 can be suppressed by reducing the angular deviation ⁇ . Further, the symmetry of the output signal Sout with respect to the positive and negative of the current can be enhanced to improve the sensing accuracy of the signal magnetic fields B1 and B2. Further, since the length in the depth direction of the sensor chip 3 is short, the chip area can be reduced, and the magnetic sensor 10 can be miniaturized.
  • the inventors of the present application conducted intensive studies and conducted simulations on the effects such as the reduction of the angle deviation due to the shape of the sensor chip 3 as described above. Hereinafter, the simulation of the inventor of the present application will be described.
  • the inventor of the present application numerically calculated the angular deviation ⁇ corresponding to the positional deviation ⁇ d (FIG. 9) of a predetermined size in a simulation for changing the width of the sensor chip 3 (hereinafter referred to as “chip width”).
  • the size of the positional deviation ⁇ d is set to 10 ⁇ m in consideration of the positional deviation of one pixel of a general die bonder.
  • the depth of the sensor chip 3 was set to 5 mm as a constant value.
  • the simulation results are shown in FIG.
  • FIG. 10 shows a graph of the angular deviation and the area in the simulation of the sensor chip 3.
  • the horizontal axis indicates the chip width of the sensor chip 3 at a magnification with respect to the above-described depth (constant value).
  • the vertical axis on the left side indicates the angle deviation [degree]
  • the vertical axis on the right side indicates the area [magnification] of the sensor chip 3.
  • the magnification of the area of the sensor chip 3 is based on when the chip width is 1 ⁇ .
  • the graph C1 of FIG. 10 shows the angular deviation of the above simulation result corresponding to the vertical axis on the left side in the drawing.
  • the angular deviation is reduced. Specifically, when the sensor chip 3 is a square (1 ⁇ magnification), the angular deviation is 0.1 degrees or more.
  • the chip width is twice or more the depth, the angular deviation is reduced to 0.05 degrees.
  • the graph C2 of FIG. 10 shows the area of the sensor chip 3 at various chip widths, corresponding to the vertical axis on the right side in the figure. As indicated by the graph C2, when the chip width of the sensor chip 3 is increased, the area of the sensor chip 3 is increased. From the viewpoint of downsizing of the sensor chip 3 and the number of chips taken from the wafer, it is desirable that the sensor chip 3 have a small area. Therefore, the inventors of the present application performed the following numerical calculation on the magnification (aspect ratio) of the chip width of the sensor chip 3 which can reduce the angular deviation while suppressing the increase in the area of the sensor chip 3.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the chip width of the sensor chip 3 and the angular deviation per unit area.
  • the horizontal axis in FIG. 11 indicates the chip width of the sensor chip 3 as in FIG.
  • the vertical axis in FIG. 11 indicates the reduction rate [%] of the angular deviation per unit area of the sensor chip 3 based on the case where the magnification of the chip width is 1 ⁇ .
  • the angular deviation in the sensor chip 3 of each chip width is converted to the deviation per unit area.
  • the reduction ratio of the angular deviation per unit area was calculated by normalizing the converted deviation amount using the deviation amount when the chip width is one time the depth.
  • the reduction rate of the angular deviation has a steep slope in the vicinity of twice while the slope gradually becomes blunt.
  • the chip width of the sensor chip 3 is set to at least twice the depth and at most 10 times the depth, a reduction of angular deviation of 75% or more when the chip width is 1 can be obtained and the area increase is 10 times It is suppressed to the following.
  • the magnification of the chip width can be appropriately selected from the viewpoint of the rate of reduction of the angular deviation by extending the chip width and the area of the sensor chip 3. For example, if the chip width of the sensor chip 3 is 2.5 times or more of the depth, the angular deviation of 80% or more when the chip width is 1 can be reduced. If the chip width is 3.5 times or more, 90% or more of the angular deviation can be reduced. If the chip width is 4.5 times or more, angular deviation of 95% or more can be reduced.
  • the inventor of the present application conducted a numerical analysis on the shape of the sensor chip 3 from the viewpoint of achieving both the area reduction of the sensor chip 3 and the reduction of the angular deviation.
  • the numerical analysis of the tip shape will be described with reference to FIG.
  • FIG. 12 (a) is a graph showing an angular deviation according to the tip shape.
  • a graph C3 shows the angular deviation (displacement amount) per unit area when the chip width is changed in the rectangular sensor chip 3.
  • the depth of the sensor chip 3 in the graph C3 is constant as described above.
  • the graph C4 shows the angular deviation per unit area when the chip width is changed in a square chip. The depth of the chip in the graph C4 changes in accordance with the size of the chip width.
  • FIG. 12B shows the difference in shape between the shape of the sensor chip 3 and the square chip shape at an angular deviation per unit area.
  • the shape difference (vertical axis) of the angular deviation is maximized near 1.5 times the chip width magnification, and has an inflection point near twice the magnification of the chip width.
  • the shape difference of the angular deviation decreases as the chip width becomes larger than 1.5 times, and becomes steeper as it approaches 2 times.
  • the slope of the shape difference of the angular deviation becomes gentler as the tip width becomes larger than twice, and asymptotically approaches “0”. It is considered that manufacturing variations of the sensor chip 3 can be reduced.
  • the chip width of the sensor chip 3 may be set to 1.5 times or more and 6 times or less from the viewpoint of manufacturing variations of the sensor chip 3 or the like.
  • the above various analysis results may be applied to the magnetically sensitive regions R11 and R12 (FIG. 4) in the sensor chip 3.
  • the magnetic sensor 10 senses the magnetic field in the magnetic sensing direction, with the width direction of the sensor chip 3 as the magnetic sensing direction.
  • the magnetic sensor 10 includes a sensor chip 3 which is an example of a chip on which at least one magnetic element 3a, 3b is formed.
  • the length of the sensor chip 3 in the magnetic sensing direction (width direction) is twice or more the length of the sensor chip 3 in the orthogonal direction (depth direction) orthogonal to the magnetic sensing direction.
  • the angular deviation in the magnetic sensor 10 can be reduced by extending the width of the sensor chip 3 to twice or more the depth.
  • the length of the sensor chip 3 in the magnetic sensing direction, ie, the width of the sensor chip 3 may be 2.5 times or more the length of the sensor chip 3 in the orthogonal direction, ie, the depth of the sensor chip 3.
  • the width of the sensor chip 3 may be 3.5 times or more or 4.5 times or more the depth of the sensor chip 3.
  • the sensor chip 3 has magnetosensitive regions R11 and R12 that constitute the magnetic elements 3a and 3b.
  • the magnetically sensitive regions R11 and R12 extend in the magnetically sensitive direction on the sensor chip 3.
  • the width of the magnetically sensitive regions R11 and R12 may be twice or more of the depth or 2.5 to 4.5 times or more.
  • two magnetic elements 3 a and 3 b are arranged on the sensor chip 3 in a magnetically sensitive direction.
  • the magnetic elements 3a and 3b have a meander shape that is inclined in the magnetic sensitive direction.
  • the magnetic elements 3a and 3b include a plurality of magnetoresistance elements 31 to 34 that form a bridge circuit.
  • the plurality of magnetoresistance elements 31 to 34 may be arranged side by side in the magnetic sensitive direction on the sensor chip 3.
  • the magnetic sensor 10 further includes electrode pads 35a to 35c for energizing the magnetic elements 3a and 3b.
  • the electrode pads 35 a to 35 c and the magnetic elements 3 a and 3 b are aligned in the magnetic sensitive direction on the sensor chip 3.
  • the sensor chip 3 can be configured to extend in the magnetic sensitive direction.
  • the magnetic sensor 10 further includes the magnets 11 and 12 disposed adjacent to the sensor chip 3 in the orthogonal direction.
  • the magnets 11 and 12 can perform magnetic bias of the sensor chip 3 in the orthogonal direction.
  • the erroneous input of the bias magnetic field B0 can be suppressed, and the linearity of the output of the magnetic sensor 10 can be enhanced.
  • the number of magnets of the magnetic sensor 10 is not particularly limited to two, and may be three or more, or may be one.
  • the current sensor 1 includes the magnetic sensor 10 and the bus bar 2 which is an example of a conductor through which a current flows.
  • a magnetic sensor 10 is attached to the bus bar 2.
  • the magnetic sensor 10 senses signal magnetic fields B1 and B2 generated by the current. According to the current sensor 1 of the present embodiment, it is possible to reduce the angular deviation with respect to the direction of the signal magnetic fields B1 and B2 generated by the current.
  • the bus bar 2 has two flow paths 21 and 22 through which current flows.
  • the two magnetic elements 3a and 3b are aligned in the magnetically sensitive direction so as to face the two flow paths 21 and 22, respectively.
  • a mounting portion 10 c which protrudes in the orthogonal direction from the magnetic sensor 10 and is mounted to the bus bar 2 is provided. According to the attachment portion 10 c, it is possible to suppress an angular deviation when the magnetic sensor 10 is attached to the bus bar 2.
  • the bus bar 2 of FIG. 1 has been described as an example of the conductor through which the current to be measured by the current sensor 1 flows.
  • the conductor in the current sensor 1 is not limited to this, and various conductors can be used. A modification of the conductor in the current sensor 1 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a conductor 2A of a modified example of the current sensor.
  • a positioning portion 23 formed by processing a predetermined shape is provided on the bus bar 2 of FIG. According to the positioning part 23, when attaching the magnetic sensor 10 to the conductor 2A in the current sensor 1, it can be used as a reference of the direction in which the magnetic sensor 10 is attached.
  • the positioning portion 23 may be formed as a slit along the Y direction between the two flow paths 21 and 22.
  • the shape processing of the positioning portion 23 is not particularly limited, and for example, it may be counterbore or nick.
  • the conductor 2A of the current sensor 1 may be provided with the positioning portion 23 serving as a reference to which the magnetic sensor 10 is attached. Thereby, the angular deviation of the magnetic sensor 10 with respect to the conductor 2A can be further reduced.
  • the conductors 2 and 2A branched into the two flow paths 21 and 22 are described in part in the middle in the Y direction, but the present invention is not limited thereto.
  • a conductor may be used.
  • a conductor not having two flow paths in particular may be used. In this case, for example, two magnetic elements facing each other via a conductor may be used, or a current sensor may be configured using one magnetic element.
  • the sensor chip 3 in which the two magnetic elements 3a and 3b are provided has been described. Not limited to this, the number of magnetic elements provided in the sensor chip 3 may be one, or three or more.
  • the magnetic sensor 10 in which the sensor chip 3 is packaged by the package 10a has been described.
  • the magnetic sensor according to the present embodiment may not particularly have the package 10a, and for example, the sensor chip 3 alone may constitute the magnetic sensor.
  • various electrodes of the sensor chip 3 may constitute terminals for input and output of the magnetic sensor.

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Abstract

所定の感磁方向（Ｘ）における磁場を感知する磁気センサ（１０）である。磁気センサ（１０）は、少なくとも１つの磁気素子（３ａ，３ｂ）が形成されたチップ（３）を備える。感磁方向（Ｘ）におけるチップ（３）の長さが、感磁方向（Ｘ）に直交する直交方向（Ｙ）におけるチップ（３）の長さの２倍以上である。

Description

磁気センサ及び電流センサ
　本発明は、磁場を感知する磁気センサ、及び磁気センサを備えた電流センサに関する。
　特許文献１は、磁界方向の正負に対する磁気センサの出力の対称性を良好にするための技術を開示している。特許文献１の磁気センサでは、バイアス磁界発生部と磁気抵抗素子とが、同一チップ上に形成されている。チップ上のバイアス磁界発生部には、２個の薄膜磁石が、異極を対向させて且つ間隔をあけて配置されている。特許文献１は、バイアス磁界発生用の薄膜磁石からの磁界方向と、磁気抵抗素子のバイアス磁界方向とを精度良く一致させるために、当該チップ上で２個の薄膜磁石による磁界の中心付近に、磁気抵抗素子を配置している。
特開平６－１４８３０１号公報
　本発明の目的は、磁場を感知する磁気センサにおける角度ずれを低減することができる磁気センサ及び電流センサを提供することにある。
　本発明に係る磁気センサは、所定の感磁方向における磁場を感知する磁気センサである。磁気センサは、少なくとも１つの磁気素子が形成されたチップを備える。感磁方向におけるチップの長さが、感磁方向に直交する直交方向におけるチップの長さの２倍以上である。
　本発明に係る電流センサは、磁気センサと、導体とを備える。導体には、磁気センサが取り付けられ、電流が流れる。磁気センサは、電流によって生じる磁場を感知する。
　本発明に係る磁気センサ及び電流センサによると、感磁方向におけるチップの長さが直交方向におけるチップの長さの２倍以上であることにより、磁気センサにおける角度ずれを低減することができる。
実施形態１に係る電流センサを示す斜視図 実施形態１に係る磁気センサの外観を示す斜視図 実施形態１に係る磁気センサの内部構造を示す図 磁気センサにおけるセンサチップの配置例を示す図 センサチップにおける磁気素子の構成例を示す平面図 磁気センサにおける磁気素子の構成を例示する回路図 実施形態１に係る電流センサの構成を例示する回路図 電流センサの動作を説明するための図 電流センサにおける角度ずれを説明するための図 センサチップのシミュレーションにおける角度ずれと面積のグラフ センサチップのチップ幅と単位面積あたりの角度ずれの関係を示すグラフ センサチップのチップ形状についての数値解析を説明するための図 電流センサにおける導体の変形例を示す斜視図
　以下、添付の図面を参照して本発明に係る磁気センサ及び電流センサの実施形態を説明する。
　各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
（実施形態１）
１．構成
　実施形態１に係る電流センサ及び磁気センサの構成について、図１～３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電流センサ１を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る磁気センサ１０の外観を示す斜視図である。図３は、磁気センサ１０の内部構造を示す図である。
　本実施形態に係る電流センサ１は、図１に示すように、バスバー２と、磁気センサ１０とを備える。電流センサ１は、磁気センサ１０を用いて、バスバー２に流れる電流Ｉによる磁場（以下「信号磁場」という）を感知することによって、電流Ｉを測定する。バスバー２は、長手方向（Ｙ方向）に測定対象の電流Ｉが流れる導体の一例である。以下、バスバー２の幅方向をＸ方向とし、長手方向をＹ方向とし、厚さ方向をＺ方向とする。
　本実施形態のバスバー２は、Ｙ方向における途中の一部分において、２つの流路２１，２２に分岐されている。図１に例示するように、電流Ｉはバスバー２を＋Ｙ向きに流れると、＋Ｘ側の第１の流路２１と、－Ｘ側の第２の流路２２とに分流する。分流した各々の電流は、第１の流路２１と第２の流路２２との双方において＋Ｙ向きに流れる。
　磁気センサ１０は、例えば接着剤やネジ、溶着、溶接などにより、バスバー２に取り付けられる。磁気センサ１０は、第１及び第２の流路２１，２２間に配置される。第１の流路２１は磁気センサ１０よりも＋Ｚ側に位置し、第２の流路２２は磁気センサ１０よりも－Ｚ側に位置している。図１のバスバー２に取り付けていない状態の磁気センサ１０の外観を図２に示す。
　図２に示すように、磁気センサ１０は、パッケージ１０ａと、端子１０ｂとを備える。磁気センサ１０は、端子１０ｂを介して電流Ｉの測定結果を示す信号を出力したり、給電されたりすることができる。パッケージ１０ａは、磁気センサ１０の筐体の一例である。磁気センサ１０のパッケージ方法は特に限定されず、例えば樹脂でモールドされてもよいし、金属製のＣＡＮパッケージであってもよい。磁気センサ１０のパッケージ１０ａの内部構造を図３に示す。
　図３は、図２のＢ－Ｂ’断面に対応している。Ｂ－Ｂ’断面は、ＸＹ平面に沿った磁気センサ１０の断面である。図３では、各種配線および後述する演算部といった詳細の図示を省略している。
　本実施形態に係る磁気センサ１０は、図３に示すように、センサチップ３と、バイアス磁石１１，１２とを備える。センサチップ３は、各種回路等を介して端子１０ｂに接続可能である。
　センサチップ３は、所定の感磁方向における磁場を感知する磁気素子（詳細は後述）が形成されたチップである。センサチップ３は、例えば矩形状であり、幅および奥行きを有する。感磁方向は、本実施形態においてセンサチップ３の幅に沿った方向（幅方向）である。センサチップ３の奥行き方向は、幅方向に対する直交方向の一例である。
　図３において、センサチップ３の幅方向はＸ方向に対応し、奥行き方向はＹ方向に対応している。本実施形態では、センサチップ３の幅が奥行きよりも充分に長い寸法を採用することにより、磁気センサ１０におけるセンサチップ３の角度ずれを低減する。センサチップ３の構成の詳細については後述する。
　バイアス磁石１１，１２は、センサチップ３の磁気素子を磁気バイアスするための磁石である。以下、バイアス磁石１１，１２から生じる磁場を「バイアス磁場」という。バイアス磁石１１，１２としては、例えば、フェライトやＳｍＣｏなどのバルク磁石あるいは種々の薄膜磁石などを用いることができる。本実施形態では、２つのバイアス磁石１１，１２がセンサチップ３を介して対向するように配置される（詳細は後述）。
　磁気センサ１０のパッケージ１０ａには、図２，３に示すように、取付け部１０ｃが設けられる。取付け部１０ｃは、図１に示すように、バスバー２の第１及び第２の流路２１，２２に沿って磁気センサ１０を取り付けるための部分である。
　取付け部１０ｃは、図３に示すように、センサチップ３の幅方向（Ｘ方向）における中心位置を通る中心線上で、パッケージ１０ａから奥行き方向（Ｙ方向）に突出するように形成される。換言すると、磁気センサ１０のパッケージ１０ａの奥行き方向の長さは、取付け部１０ｃにおいて他の部分よりも長い。取付け部１０ｃは、例えばパッケージ１０ａの＋Ｙ側と－Ｙ側との両側に設けられる。取付け部１０ｃによると、バスバー２に対する磁気センサ１０の角度ずれ或いは回転ずれを抑制できる。
１－１．センサチップについて
　磁気センサ１０におけるセンサチップ３の構成の詳細について、図４を用いて説明する。図４は、磁気センサ１０におけるセンサチップ３の配置例を示す図である。図４は、図３におけるセンサチップ３近傍の拡大図に対応する。
　本実施形態におけるセンサチップ３は、図４に例示するように、幅方向に並んだ２つの磁気素子３ａ，３ｂと、主面を有する基板３０とを備える。基板３０は、例えばシリコン基板であり、各種のウエハから構成できる。センサチップ３の幅は、センサチップ３の奥行きに対して例えば２倍以上１０倍以下に設定される。センサチップ３は、基板３０の主面がＸＹ平面等の実装面と平行になるように実装される。
　第１及び第２の磁気素子３ａ，３ｂは、それぞれ基板３０の主面に沿った磁場が感知される感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２を有する。感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２は、基板３０上に磁性膜等を積層して形成される。感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２の周囲には、電極が設けられている。感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２及び各種電極の上に、ＳｉＯ２などの保護膜が設けられてもよい。各々の感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２は、例えば図４に示すように、センサチップ３の奥行き方向よりも幅方向に長い寸法を有する。例えば、感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２の幅は、感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２の奥行きの２倍以上である。
　第１の磁気素子３ａは、磁気センサ１０がバスバー２に取り付けられた状態において（図１）、第２の流路２２よりも第１の流路２１近傍に位置する。また、第２の磁気素子３ｂは、第１の流路２１よりも第２の流路２２近傍に位置する。複数の磁気素子３ａ，３ｂを１つのセンサチップ３に形成することにより、磁気素子３ａ，３ｂのセンサ特性間の特性ばらつきを低減することができる。また、同じセンサチップ３上で温度が伝達することにより、磁気素子３ａ，３ｂ間の温度ばらつきも抑制することができる。磁気素子３ａ，３ｂの構成の詳細については後述する。
　図４の例において、バイアス磁石１１，１２はそれぞれ、各々のＳ極とＮ極が並ぶ方向とは直交する方向に延びた形状を有する。２つのバイアス磁石１１，１２は、各々の長手方向が適宜、許容誤差の範囲内でＸ方向に平行になるように配置される。２つのバイアス磁石１１，１２間では、一方のＮ極と他方のＳ極とが対向する。
　バイアス磁石１１，１２間では、Ｙ方向に沿ったバイアス磁場Ｂ０が分布する。バイアス磁場Ｂ０を各磁気素子３ａ，３ｂに印加する磁気バイアスによると、印加した方向と交差する方向の磁場が各磁気素子３ａ，３ｂに入力された場合の感度を調整することができる。これにより、磁気センサ１０のダイナミックレンジを設定できる。
　図４の配置例において、センサチップ３は、Ｙ方向における２つのバイアス磁石１１，１２間の中央の領域Ｒ１に配置される。領域Ｒ１は、Ｘ方向にわたって均一なバイアス磁場Ｂ０の分布を有する。領域Ｒ１のＸ方向に沿ってセンサチップ３を延在させることにより、各磁気素子３ａ，３ｂの磁気バイアスを均等化することができる。また、センサチップ３の奥行きを狭めることにより、バイアス磁石１１，１２の間隔を縮めて、磁気センサ１０の小型化を図ることができる。
　センサチップ３において、感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２以外の領域の面積は、例えば主面の面積全体の２０％以上である。センサチップ３の回転ずれをより抑制する観点から、感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２以外の領域の面積が、主面の面積全体の３０％以上、４０％以上或いは５０％以上であってもよい。
　また、センサチップ３の主面上の電極は、感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２以外の領域における５０％以上の面積を有してもよい。電極の面積を大きくすることにより、電極の抵抗値を下げて、磁気素子３ａ，３ｂの駆動時の発熱を低減することができる。また、ワイヤリング等の接合部分の面積を確保でき、断線などに対する信頼性を高めることができる。
１－１－１．磁気素子について
　センサチップ３における磁気素子３ａ，３ｂの構成の詳細について、図５，６を用いて説明する。第１及び第２の磁気素子３ａ，３ｂは同様に構成される。以下では、一方の磁気素子３ａの構成例を説明する。
　図５は、センサチップ３における磁気素子３ａの構成例を示す平面図である。図６は、磁気センサ１０における磁気素子３ａの構成を例示する回路図である。図６は、図５の例の磁気素子３ａの等価回路を示す。
　図５の構成例において、磁気素子３ａは、複数の磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４と、複数の電極パッド３５ａ，３５ｂ，３５ｃとを備える。本構成例において、電極パッド３５ａ～３５ｃと磁気抵抗素子３１～３４とは、互いに磁気素子３ａの感磁方向（Ｘ方向）に並ぶように配置されている。
　図５の例の磁気素子３ａにおける４つの磁気抵抗素子３１～３４は、図６に示すように、フルブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成する。磁気素子３ａは、例えば電源電圧Ｖｄｄにより定電圧駆動される。それぞれの磁気抵抗素子３１～３４は、例えばＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子である。
　本例において、４つの磁気抵抗素子３１～３４のうちの第１及び第２磁気抵抗素子３１，３２の直列回路と、第３及び第４磁気抵抗素子３３，３４の直列回路とが並列に接続される。図５の構成例では、各々の直列回路（即ちハーフブリッジ回路）に、電極パッド３５ａ～３５ｃが設けられている。
　磁気素子３ａの電源電圧Ｖｄｄは、例えば図５の電極パッド３５ａから、図６に示すように、第１及び第３磁気抵抗素子３１，３３間の接続点に供給される。第２及び第４磁気抵抗素子３２，３４間の接続点は、例えば図５の電極パッド３５ｂにおいて接地される。
　第１及び第２磁気抵抗素子３１，３２間の接続点は、電位Ｓ１ｐ（図６）を有し、２つの電極パッド３５ｃ（図５）のうちの一方の電極パッド３５ｃに接続される。第３及び第４磁気抵抗素子３３，３４間の接続点は、電位Ｓ１ｍを有し、他方の電極パッド３５ｃに接続される。各々の電位Ｓ１ｐ，Ｓ１ｍは、例えばＶｄｄ／２を中点電位として変動する。本例において、磁気素子３ａは、２つの電位Ｓ１ｐ，Ｓ１ｍによる差動信号として、センサ信号Ｓ１を生成する。
　第１及び第４磁気抵抗素子３１，３４は、磁気素子３ａに入力される磁場に対して増減傾向が共通する磁気抵抗値ＭＲ１，ＭＲ４を有する。第２及び第３磁気抵抗素子３２，３３は、第１及び第４磁気抵抗素子３１，３４の磁気抵抗値ＭＲ１，ＭＲ４とは逆の増減傾向の磁気抵抗値ＭＲ２，ＭＲ３を有する。
　図５の構成例において、第１及び第４磁気抵抗素子３１，３４は、共通の方向ｄ１を往復するミアンダ形状を有する。方向ｄ１は、感磁方向（Ｘ方向）に対して４５度の傾きで斜行する方向である。第２及び第３磁気抵抗素子３２，３３は、方向ｄ１に直交する方向ｄ２を往復するミアンダ形状を有する。各磁気抵抗素子３１～３４は、例えば各々のミアンダ形状において、延在する部分を磁性薄膜で形成され、折返しの端部を導電部材等で形成される。
　図５の例において、４つの磁気抵抗素子３１～３４は、感磁領域Ｒ１１（図４）において幅方向（Ｘ方向）に並ぶように配置される。また、各磁気抵抗素子３１～３４は、複数の部分抵抗素子３６が接続電極３７を介して直列接続して構成されている。各磁気抵抗素子３１～３４の部分抵抗素子３６は、互いに感磁方向に並んでいる。
　上記のような磁気抵抗素子３１～３４の配置により、図４に示すように本例の感磁領域Ｒ１１はセンサチップ３の幅方向に延在する。本例に限らず、磁気抵抗素子３１～３４は適宜、感磁領域Ｒ１１（図４）が延在するように形成可能である。
　以上の磁気素子３ａの構成は一例であり、特にこれに限定されない。例えば、磁気素子３ａは、ハーフブリッジ回路で構成されてもよい。また、磁気抵抗素子３１～３４はＡＭＲ素子に限らず、例えばＧＭＲ(Giant Magneto Resistance)、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)、ＢＭＲ(Balistic Magneto Resistance)、ＣＭＲ(Colossal Magneto Resistance)等の種々のＭＲ素子であってもよい。
　また、磁気素子３ａとして、ホール素子を有する磁気素子、磁気インピーダンス効果を利用するＭＩ(Magneto Impedance)素子を有する磁気素子又はフラックスゲート型磁気素子などが用いられてもよい。また、磁気素子３ａの駆動方法としては、定電流駆動、パルス駆動などが採用されてもよい。
１－２．電流センサの回路構成
　以上のようなセンサチップ３における２つの磁気素子３ａ，３ｂを用いて電流の測定を行う電流センサ１の回路構成について、図７を用いて説明する。図７は本実施形態に係る電流センサ１の構成を例示する回路図である。
　図７の例において、電流センサ１は、２つの磁気素子３ａ，３ｂと、演算部４とを備える。演算部４は、３つの演算増幅器４１，４２，４３を備える。３つの演算増幅器４１～４３は、それぞれ固有のゲインを有する。
　本構成例において、第１の磁気素子３ａにおける電位Ｓ１ｐ、Ｓ１ｍの接続点（図６）は、それぞれ電極パッド３５ｃ（図５）を介して第１の演算増幅器４１における差動の入力端子に接続される。同様に、第２の磁気素子３ｂは、第２の演算増幅器４２における差動の入力端子に接続される。
　第１の演算増幅器４１は、第１の磁気素子３ａからのセンサ信号Ｓ１を差動増幅し、増幅結果の信号Ｓｏ１を生成する。第２の演算増幅器４２は、第２の磁気素子３ｂからのセンサ信号Ｓ２を差動増幅し、増幅結果の信号Ｓｏ２を生成する。第１の演算増幅器４１の出力端子と第２の演算増幅器４２の出力端子とは、それぞれ第３の演算増幅器４３における差動の入力端子に接続される。
　第３の演算増幅器４３は、第１の演算増幅器４１からの信号Ｓｏ１と、第２の演算増幅器４２からの信号Ｓｏ２とを差動増幅し、出力信号Ｓｏｕｔを生成する。出力信号Ｓｏｕｔは、電流センサ１による電流の測定結果を示す。第３の演算増幅器４３は、例えばゲイン及び／又はオフセットの温度補償回路を備える。これにより、電流センサ１の出力信号Ｓｏｕｔの温度補償を行うことができる。
　以上の電流センサ１の回路構成は一例であり、特にこれに限定されない。例えば、第３の演算増幅器４３の温度補償回路に加えて、又はこれに代えて、第１及び第２の演算増幅器４１，４２が各種の温度補償回路を備えてもよい。また、第１及び第２の磁気素子３ａ，３ｂは、それぞれシングルエンドの出力端子を有してもよい。この場合、第１及び第２の演算増幅器４１，４２の代わりにシングルエンドの増幅器或いはバッファアンプ等が用いられてもよいし、省略されてもよい。
　また、演算部４は、電流センサ１の各種機能を実現するための各種半導体集積回路等を含んでもよい。例えば、演算部４は、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡなど、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路を含んでもよい。また、演算部４は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ等を含んでもよい。演算部４は、フラッシュメモリ等の内部メモリを含んでもよく、内部メモリに各種データ及びプログラム等を格納してもよい。演算部４は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、マイコン、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路で構成可能である。
　演算部４は、例えば図２のパッケージ１０ａ内部に、センサチップ３等と共に実装される。演算部４及びセンサチップ３等は、ガラスエポキシ基板やアルミナ基板等の各種基板上に実装されてもよいし、パッケージ１０ａ内の金属リードフレームに直接、実装されてもよい。実装される基板上の各部の位置関係は特に限定されず、感磁方向を考慮して適宜、選択可能である。
　また、センサチップ３の磁気素子３ａ，３ｂとリードフレーム間の固定方法は特に限定されないが、ダイボンド剤で固定する方法が一般的である。ダイボンド剤は、導電性であってもよいし、非導電性であってもよい。
２．動作
　以上のように構成される電流センサ１の動作について、以下説明する。
２－１．電流の測定動作
　本実施形態に係る電流センサ１による電流の測定動作について、図８を用いて説明する。図８は、電流センサ１の動作を説明するための図である。図８は、図１のＡ－Ａ’断面近傍における各流路２１，２２及び各磁気素子３ａ，３ｂを示している。
　図８では、検出対象の電流がバスバー２を＋Ｙ向きに流れた際に（図１参照）、第１の流路２１近傍に生じる信号磁場Ｂ１と、第２の流路２２近傍に生じる信号磁場Ｂ２とを例示している。バスバー２においては、電流が分流して第１の流路２１と第２の流路２２とに流れる。これにより、図８に示すように、第１の流路２１近傍の信号磁場Ｂ１は第１の流路２１の周囲を周回し、第２の流路２２近傍の信号磁場Ｂ２は第２の流路２２の周囲を周回する。
　本実施形態に係る電流センサ１では、第１の流路２１と第２の流路２２とにおいて電流が同じ向き（例えば＋Ｙ向き）に流れるため、第１の流路２１近傍の信号磁場Ｂ１と第２の流路２２近傍の信号磁場Ｂ２とは、同じ周回方向を有する（例えば時計回り）。このことから、図８に示すように、第１及び第２の流路２１，２２間における第１の流路２１近傍の領域Ｒ２１と第２の流路２２近傍の領域Ｒ２２とにおいて、それぞれを通過する信号磁場Ｂ１，Ｂ２のＸ成分が、互いに逆向きになる。
　そこで、本実施形態の電流センサ１では、上記のような第１の流路２１近傍の領域Ｒ２１に第１の磁気素子３ａが配置され、第２の磁気センサ素子３ｂが第２の流路２２近傍の領域Ｒ２２に配置される。これにより、２つの磁気素子３ａ，３ｂには、互いに逆相の信号磁場Ｂ１，Ｂ２が入力されることとなる。
　第１の磁気素子３ａは、第１の流路２１近傍の信号磁場Ｂ１の検出結果として、入力された磁場に応じたセンサ信号Ｓ１を生成する（図７参照）。第２の磁気素子３ｂは、第２の流路２２近傍の信号磁場Ｂ２の検出結果として、入力された磁場に応じたセンサ信号Ｓ２を生成する。
　ここで、各磁気素子３ａ，３ｂに入力される磁場には、信号磁場Ｂ１，Ｂ２だけでなく、外乱磁場のようなノイズも含まれることが想定される。このようなノイズは、２つの磁気素子３ａ，３ｂの配置位置を近接させることにより、各磁気素子３ａ，３ｂに対して、同相（同じ向きで且つ同程度の大きさ）で入力されると考えられる。
　そこで、本実施形態に係る電流センサ１においては、演算部４が、２つの磁気素子３ａ，３ｂの感知結果の差動増幅を演算し、出力信号Ｓｏｕｔを電流の測定結果として出力する。これにより、それぞれの磁気素子３ａ，３ｂの感知結果に同相で含まれ得るノイズを相殺して、信号磁場Ｂ１，Ｂ２に基づく電流の測定精度を良くすることができる。
２－２．角度ずれについて
　以上のような電流センサ１の磁気センサ１０においては、センサチップ３を小型に実装する際などに角度ずれを低減することが重要となる。磁気センサ１０における角度ずれについて、図９を用いて説明する。図９は、磁気センサ１０におけるセンサチップ３の角度ずれを説明するための図である。
　磁気センサ１０においては、図９に示すように、センサチップ３の位置ずれΔｄが生じることが想定される。例えば、センサチップ３が、ダイボンダによってバイアス磁石１１，１２の間に配置される際に、ダイボンダのモニタの１ピクセル等に応じた位置ずれΔｄが生じることが想定される。
　位置ずれΔｄによると、例えばバイアス磁場Ｂ０の方向に対するセンサチップ３の角度がずれて、バイアス磁場Ｂ０が感磁方向と平行な成分を含み得る。位置ずれΔｄによる角度ずれが大きくなると、磁気センサ１０へのバイアス磁場Ｂ０の誤入力が生じたり、信号磁場Ｂ１，Ｂ２の感知精度の低下を招いたりしてしまう。
　そこで、本実施形態では、磁気センサ１０のセンサチップ３において、幅方向すなわち感磁方向に長く延びた形状を採用する。これにより、図９に示すように、センサチップ３の奥行き方向に位置ずれΔｄがあったとしても、センサチップ３の幅方向の長さの分、位置ずれΔｄに対応する角度ずれΔθを小さくすることができる。
　上記のように、角度ずれΔθを低減することにより、バイアス磁場Ｂ０の誤入力を抑制できる。また、電流の正負に対する出力信号Ｓｏｕｔの対称性を高めて、信号磁場Ｂ１，Ｂ２の感知精度を向上できる。また、センサチップ３の奥行き方向の長さは短いことにより、チップ面積を縮小して、磁気センサ１０の小型化を図ることができる。
　以上のようなセンサチップ３の形状による角度ずれの低減等の効果について、本願発明者は鋭意検討を重ね、シミュレーションを行った。以下、本願発明者のシミュレーションについて説明する。
２－２－１．シミュレーションについて
　磁気センサ１０の角度ずれに関して本願発明者が行ったシミュレーションについて、図９～１２を用いて説明する。
　本願発明者は、センサチップ３の幅（以下「チップ幅」という）を変化させるシミュレーションにおいて、所定の大きさの位置ずれΔｄ（図９）に対応する角度ずれΔθを数値計算した。本シミュレーションにおいて、位置ずれΔｄの大きさは、一般的なダイボンダの１ピクセル分の位置ずれを考慮して、１０μｍに設定した。また、センサチップ３の奥行きは、一定値として５ｍｍに設定した。本シミュレーション結果を図１０に示す。
　図１０は、センサチップ３のシミュレーションにおける角度ずれと面積のグラフを示す。図１０において、横軸は、センサチップ３のチップ幅を、上記の奥行き（一定値）に対する倍率で示している。図中左側の縦軸は角度ずれ［度］を示し、右側の縦軸はセンサチップ３の面積［倍率］を示す。センサチップ３の面積の倍率は、チップ幅が１倍のときを基準としている。
　図１０のグラフＣ１は、図中左側の縦軸に対応して、上記のシミュレーション結果の角度ずれを示す。グラフＣ１によると、センサチップ３のチップ幅を長くするほど、角度ずれが低減されている。具体的に、センサチップ３が正方形（倍率１倍）の場合には角度ずれが０．１度以上ある。これに対して、チップ幅が奥行きの２倍以上になると、角度ずれは０．０５度にまで低減されている。
　図１０のグラフＣ２は、図中右側の縦軸に対応して、種々のチップ幅におけるセンサチップ３の面積を示す。グラフＣ２のとおり、センサチップ３のチップ幅を長くすると、センサチップ３の面積が増大する。センサチップ３の小型化およびウエハからの取り個数の観点からは、センサチップ３は小面積であることが望ましい。そこで、センサチップ３の面積増大を抑えつつ、角度ずれが低減できるセンサチップ３のチップ幅の倍率（アスペクト比）について、本願発明者は以下の数値計算を行った。
　図１１は、センサチップ３のチップ幅と、単位面積あたりの角度ずれとの関係を示すグラフである。図１１の横軸は、図１０と同様にセンサチップ３のチップ幅を示す。図１１の縦軸は、チップ幅の倍率が１倍のときを基準とするセンサチップ３の単位面積当たりの角度ずれの低減率［％］を示す。
　図１１の数値計算では、図１０のグラフＣ１，Ｃ２に基づき、それぞれのチップ幅のセンサチップ３における角度ずれを、単位面積当たりのずれ量に換算した。換算したずれ量について、チップ幅が奥行きの１倍のときのずれ量を用いて規格化することにより、単位面積当たりの角度ずれの低減率を算出した。
　図１１の計算結果によると、角度ずれの低減率は、２倍近傍において急峻な勾配を有する一方で、勾配は徐々に鈍化している。例えば、センサチップ３のチップ幅を奥行きの２倍以上１０倍以下に設定することで、チップ幅が１倍のときの７５％以上の角度ずれの低減率が得られると共に、面積増大を１０倍以下に抑えられる。
　チップ幅の倍率は、チップ幅を延長することによる角度ずれの低減率の利率とセンサチップ３の面積の観点から適宜、選択することができる。例えば、センサチップ３のチップ幅が奥行きの２．５倍以上であれば、チップ幅が１倍のときの８０％以上の角度ずれを低減できる。チップ幅が３．５倍以上であれば、９０％以上の角度ずれを低減できる。チップ幅が４．５倍以上であれば、９５％以上の角度ずれを低減できる。
　さらに、本願発明者は、センサチップ３の小面積化と角度ずれの低減との両立の観点から、センサチップ３の形状についての数値解析を行った。チップ形状についての数値解析について、図１２を用いて説明する。
　図１２（ａ）は、チップ形状に応じた角度ずれを示すグラフである。図１２（ａ）において、グラフＣ３は、矩形のセンサチップ３においてチップ幅を変化させた場合の単位面積あたりの角度ずれ（ずれ量）を示す。グラフＣ３におけるセンサチップ３の奥行きは、上記のとおり一定である。グラフＣ４は、正方形のチップにおいてチップ幅を変化させた場合の単位面積あたりの角度ずれを示す。グラフＣ４におけるチップの奥行きは、チップ幅の大きさに応じて変化する。
　図１２（ａ）のグラフＣ３とグラフＣ４とにおいては、チップ幅の倍率が１倍のときに、双方のチップの形状及び面積が一致する。各々のチップ幅の倍率が１倍よりも大きい場合、グラフＣ４はグラフＣ３よりも小さい値（縦軸）を有する。これは、正方形のチップの面積がセンサチップ３の面積よりも大きくなったことに依ると考えられる。チップ幅の倍率に応じたグラフＣ３とグラフＣ４との差分を図１２（ｂ）に示す。
　図１２（ｂ）は、単位面積あたりの角度ずれにおけるセンサチップ３の形状と正方形のチップ形状との形状差を表している。図１２（ｂ）によると、角度ずれの形状差（縦軸）は、チップ幅の倍率が１．５倍の近傍で最大になり、２倍の近傍において変曲点を有している。角度ずれの形状差は、チップ幅が１．５倍よりも大きくなるほど減少し、２倍に近づくほど急峻な勾配になっている。角度ずれの形状差の勾配は、チップ幅が２倍よりも大きくなるほど緩やかになり、「０」に漸近している。センサチップ３の製造ばらつきを低減できると考えられる。
　以上のことから、センサチップ３の形状を幅方向に長い矩形にすることの効果は、チップ幅が２倍以上の場合に顕著になると考えられる。例えば、センサチップ３の製造ばらつき等の観点から、センサチップ３のチップ幅は１．５倍以上６倍以下に設定されてもよい。また、以上の各種解析結果は、センサチップ３における感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２（図４）に適用されてもよい。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態に係る磁気センサ１０は、センサチップ３の幅方向を感磁方向として、感磁方向における磁場を感知する。磁気センサ１０は、少なくとも１つの磁気素子３ａ，３ｂが形成されたチップの一例であるセンサチップ３を備える。感磁方向（幅方向）におけるセンサチップ３の長さが、感磁方向に直交する直交方向（奥行き方向）におけるセンサチップ３の長さの２倍以上である。
　以上の磁気センサ１０によると、センサチップ３の幅を奥行きの２倍以上に延ばすことにより、磁気センサ１０における角度ずれを低減することができる。
　感磁方向におけるセンサチップ３の長さ、即ちセンサチップ３の幅は、直交方向におけるセンサチップ３の長さ、即ちセンサチップ３の奥行きの２．５倍以上であってもよい。センサチップ３の幅は、センサチップ３の奥行きの３．５倍以上であってもよいし、４．５倍以上であってもよい。これにより、磁気センサ１０における角度ずれをより低減可能である。
　本実施形態において、センサチップ３は、磁気素子３ａ，３ｂを構成する感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２を有する。感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２は、センサチップ３上で感磁方向に延在する。感磁領域Ｒ１１，Ｒ１２の幅は、奥行きの２倍以上であってもよいし、２．５～４．５倍以上であってもよい。
　また、本実施形態において、２つの磁気素子３ａ，３ｂが、センサチップ３上で感磁方向に並んで配置される。磁気素子３ａ，３ｂは、感磁方向に斜行するミアンダ形状を有する。磁気素子３ａ，３ｂは、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗素子３１～３４を含む。複数の磁気抵抗素子３１～３４は、センサチップ３上で感磁方向に並んで配置されてもよい。
　また、本実施形態において、磁気センサ１０は、磁気素子３ａ，３ｂに通電する電極パッド３５ａ～３５ｃをさらに備える。電極パッド３５ａ～３５ｃと磁気素子３ａ，３ｂとは、センサチップ３上において感磁方向に並んでいる。これにより、センサチップ３を感磁方向に延びるように構成できる。
　また、本実施形態において、磁気センサ１０は、直交方向においてセンサチップ３に隣り合って配置される磁石１１，１２をさらに備える。磁石１１，１２により、直交方向におけるセンサチップ３の磁気バイアスを行うことができる。本実施形態のセンサチップ３によると、バイアス磁場Ｂ０の誤入力を抑制し、磁気センサ１０の出力の直線性を高めることができる。磁気センサ１０の磁石の個数は特に２個に限らず、３個以上であってもよいし、１個であってもよい。
　また、本実施形態に係る電流センサ１は、磁気センサ１０と、電流が流れる導体の一例であるバスバー２とを備える。バスバー２には、磁気センサ１０が取り付けられる。磁気センサ１０は、電流によって生じる信号磁場Ｂ１，Ｂ２を感知する。本実施形態の電流センサ１によると、電流によって生じる信号磁場Ｂ１，Ｂ２の方向に対する角度ずれを低減できる。
　また、本実施形態において、バスバー２は、電流が流れる２つの流路２１，２２を有する。磁気センサ１０において２つの磁気素子３ａ，３ｂが、２つの流路２１，２２にそれぞれ対向するように感磁方向に並んでいる。２つの流路２１，２２の周囲の信号磁場Ｂ１，Ｂ２を２つの磁気素子３ａ，３ｂで感知することにより、同相ノイズを相殺して電流の測定精度を良くすることができる。
　また、本実施形態において、磁気センサ１０から直交方向に突出し、バスバー２に取り付けられる取付け部１０ｃが設けられている。取付け部１０ｃによると、バスバー２に磁気センサ１０を取り付けた際の角度ずれを抑制することができる。
（他の実施形態）
　上記の実施形態１では、電流センサ１の測定対象の電流が流れる導体の一例として、図１のバスバー２について説明した。電流センサ１における導体はこれに限らず、種々の導体を用いることができる。電流センサ１における導体の変形例について、図１３を用いて説明する。
　図１３は、電流センサにおける変形例の導体２Ａを示す斜視図である。本変形例の導体２Ａは、図１のバスバー２に、所定の形状加工による位置決め部２３が設けられている。位置決め部２３によると、電流センサ１において導体２Ａに磁気センサ１０を取り付ける際に、磁気センサ１０を取り付ける方向の基準として用いることができる。
　位置決め部２３は、例えば図１３に示すように、２つの流路２１，２２間においてＹ方向に沿ったスリットとして形成されてもよい。位置決め部２３の形状加工は、特に限定されず、例えば座繰りや打痕などであってもよい。
　以上のように、電流センサ１の導体２Ａには、磁気センサ１０を取り付ける基準となる位置決め部２３が設けられてもよい。これにより、導体２Ａに対する磁気センサ１０の角度ずれをより低減することができる。
　また、図１，１３では、Ｙ方向における途中の一部分において、２つの流路２１，２２に分岐した導体２，２Ａについて説明したが、これに限らず、例えば２つの流路が二股に分離された導体が用いられてもよい。また、特に２つの流路を有しない導体が用いられてもよい。この場合、例えば導体を介して対向する２つの磁気素子が用いられてもよいし、１つの磁気素子を用いて電流センサが構成されてもよい。
　また、上記の各実施形態では、２つの磁気素子３ａ，３ｂが設けられたセンサチップ３について説明した。これに限らず、センサチップ３に設けられる磁気素子の個数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
　また、上記の各実施形態では、パッケージ１０ａによりセンサチップ３がパッケージされた磁気センサ１０について説明した。本実施形態に係る磁気センサは、特にパッケージ１０ａを有していなくてもよく、例えばセンサチップ３単体が磁気センサを構成してもよい。例えば、センサチップ３の各種電極等が、磁気センサの入出力のための端子を構成してもよい。

Claims (14)

  1. 　所定の感磁方向における磁場を感知する磁気センサであって、
    　少なくとも１つの磁気素子が形成されたチップを備え、
    　前記感磁方向における前記チップの長さが、前記感磁方向に直交する直交方向における前記チップの長さの２倍以上である
    磁気センサ。
  2. 　前記感磁方向における前記チップの長さが、前記直交方向における前記チップの長さの２．５倍以上である
    請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 　前記感磁方向における前記チップの長さが、前記直交方向における前記チップの長さの３．５倍以上である
    請求項１に記載の磁気センサ。
  4. 　前記感磁方向における前記チップの長さが、前記直交方向における前記チップの長さの４．５倍以上である
    請求項１に記載の磁気センサ。
  5. 　前記チップは、前記磁気素子を構成する感磁領域を有し、
    　前記感磁領域は、前記チップ上で前記感磁方向に延在する
    請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  6. 　２つの磁気素子が、前記チップ上で前記感磁方向に並んで配置される
    請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  7. 　前記磁気素子は、ブリッジ回路を構成する複数の磁気抵抗素子を含み、
    　前記複数の磁気抵抗素子が、前記チップ上で前記感磁方向に並んで配置される
    請求項１～６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  8. 　前記磁気素子は、前記感磁方向に斜行するミアンダ形状を有する
    請求項１～７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  9. 　前記磁気素子に通電する電極パッドをさらに備え、
    　前記電極パッドと前記磁気素子とは、前記チップ上において前記感磁方向に並んでいる
    請求項１～８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  10. 　前記直交方向において前記チップに隣り合って配置される磁石をさらに備える
    請求項１～９のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の磁気センサと、
    　前記磁気センサが取り付けられ、電流が流れる導体とを備え、
    　前記磁気センサは、前記電流によって生じる磁場を感知する
    電流センサ。
  12. 　前記導体は、前記電流が流れる２つの流路を有し、
    　前記磁気センサにおいて２つの磁気素子が、前記２つの流路にそれぞれ対向するように前記感磁方向に並んでいる
    請求項１１に記載の電流センサ。
  13. 　前記磁気センサから前記直交方向に突出し、前記導体に取り付けられる取付け部が設けられた
    請求項１１又は１２に記載の電流センサ。
  14. 　前記導体に、前記磁気センサを取り付ける基準となる位置決め部が設けられた
    請求項１１～１３のいずれか１項に記載の電流センサ。
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