JP2000161905A - 回転位置センサ―用磁場集中器アレイ - Google Patents
回転位置センサ―用磁場集中器アレイInfo
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- JP2000161905A JP2000161905A JP11302584A JP30258499A JP2000161905A JP 2000161905 A JP2000161905 A JP 2000161905A JP 11302584 A JP11302584 A JP 11302584A JP 30258499 A JP30258499 A JP 30258499A JP 2000161905 A JP2000161905 A JP 2000161905A
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
- G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/0011—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables comprising means, e.g. flux concentrators, flux guides, for guiding or concentrating the magnetic flux, e.g. to the magnetic sensor
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- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】校正を必要としないか又は、最小限の校正を必
要とするだけであり、小型で、安価で、そして信頼性が
高い、回転位置センサーを提供する。 【解決手段】径方向に延びる複数の磁気検出要素22が取
付けられるベース20を、磁気回転位置センサーが含む。
検出要素22と交互に並ぶのは、複数の一様に間隔を開け
て配置された集中器30である。センサー組立体18は、例
えばセンサー組立体の反対側に固定され相対回転自在な
反磁極32, 34により生成される一様磁場内へ、配置され
る。センサー組立体の磁場に対する相対回転位置が、ア
レイ中のセンサー要素22の相対値を比較することにより
求められる。
要とするだけであり、小型で、安価で、そして信頼性が
高い、回転位置センサーを提供する。 【解決手段】径方向に延びる複数の磁気検出要素22が取
付けられるベース20を、磁気回転位置センサーが含む。
検出要素22と交互に並ぶのは、複数の一様に間隔を開け
て配置された集中器30である。センサー組立体18は、例
えばセンサー組立体の反対側に固定され相対回転自在な
反磁極32, 34により生成される一様磁場内へ、配置され
る。センサー組立体の磁場に対する相対回転位置が、ア
レイ中のセンサー要素22の相対値を比較することにより
求められる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気位置センサーに
関し、より具体的には、回転磁気センサーに用いられる
磁界集中器に関する。
関し、より具体的には、回転磁気センサーに用いられる
磁界集中器に関する。
【0002】
【従来の技術】一方が他方に対して相対的に回転する部
分を持つ機構に関し、２つの部分の間の正確な相対回転
位置を知ることが必要である。その様な目的を実行する
ことが出来るセンサーの構成は多い。しかしながら、多
くは、特定の用途には大き過ぎたり、設計・製造するに
は高価過ぎたり、又は、機構中に組付けられた後での大
掛かりな校正を必要としたりという、欠点を持ってい
る。
分を持つ機構に関し、２つの部分の間の正確な相対回転
位置を知ることが必要である。その様な目的を実行する
ことが出来るセンサーの構成は多い。しかしながら、多
くは、特定の用途には大き過ぎたり、設計・製造するに
は高価過ぎたり、又は、機構中に組付けられた後での大
掛かりな校正を必要としたりという、欠点を持ってい
る。
【0003】この種のセンサーは、例えば、スロットル開度
センサー、燃料アキュムレーター、トランスミッション
位置センサー、ステアリング角度センサー及び歯車歯セ
ンサーとして、用いられることがある。勿論、他の多く
の種類の用途においても、回転位置を検出することは、
有用である。
センサー、燃料アキュムレーター、トランスミッション
位置センサー、ステアリング角度センサー及び歯車歯セ
ンサーとして、用いられることがある。勿論、他の多く
の種類の用途においても、回転位置を検出することは、
有用である。
【0004】また、センサー組立コストを最小にするため
に、可能な限り、安価で、製造・組立が容易であるの
が、望ましいのは、勿論である。
に、可能な限り、安価で、製造・組立が容易であるの
が、望ましいのは、勿論である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】結果として、校正を必
要としないか又は、最小限の校正を必要とするだけであ
り、小型で、安価で、そして信頼性が高い、回転位置セ
ンサーを持つのが望ましい。
要としないか又は、最小限の校正を必要とするだけであ
り、小型で、安価で、そして信頼性が高い、回転位置セ
ンサーを持つのが望ましい。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、磁気回転位置
センサーを企図するものである。センサーは、センサー
領域上で、略一様な磁場を発生する手段及び、ベースと
磁場との間の相対回転の中心を持つ取付ベースを、含
む。複数の概略三角形状の集中器が、所定の領域内で相
対回転の中心回りにほぼ等間隔で配置され、集中器のそ
れぞれは隣接する集中器から離れて配置され隙を形成
し、そして、集中器は磁性材料で出来ている。また、複
数の磁場センサーがベースに取付けられ、相対回転の中
心から外側に径方向に延びていて、磁場センサーのそれ
ぞれが隙のうちで別のものの中に位置している。センサ
ーはまた、磁場センサーのそれぞれを介して信号を通信
する手段を含む。
センサーを企図するものである。センサーは、センサー
領域上で、略一様な磁場を発生する手段及び、ベースと
磁場との間の相対回転の中心を持つ取付ベースを、含
む。複数の概略三角形状の集中器が、所定の領域内で相
対回転の中心回りにほぼ等間隔で配置され、集中器のそ
れぞれは隣接する集中器から離れて配置され隙を形成
し、そして、集中器は磁性材料で出来ている。また、複
数の磁場センサーがベースに取付けられ、相対回転の中
心から外側に径方向に延びていて、磁場センサーのそれ
ぞれが隙のうちで別のものの中に位置している。センサ
ーはまた、磁場センサーのそれぞれを介して信号を通信
する手段を含む。
【0007】従って、本発明は略一様な磁場を、アレイの個
々の検出要素を横切って現れる磁場の強度が、その特定
の要素に対する磁場の方向に関連する様に、回転位置セ
ンサー組立体を横切って向けることになる。
々の検出要素を横切って現れる磁場の強度が、その特定
の要素に対する磁場の方向に関連する様に、回転位置セ
ンサー組立体を横切って向けることになる。
【0008】
【発明の効果】複数の磁場検出要素上で、制御された態
様で、集中器により磁束が分配されることが、本発明の
効果である。
様で、集中器により磁束が分配されることが、本発明の
効果である。
【0009】本発明の別の効果は、このセンサー・アレイは
種々の種類と大きさの磁場検出要素を用いることが出来
るということである。本発明は、大規模な組立体上で作
動することになるが、他の電子部品を含むことも含まな
いこともあるセラミック・チップ又はシリコン・チップ
上に構築された構造を持つマイクロ・センサーを含む、
超小規模組立体上でも効率的に作動することになろう。
種々の種類と大きさの磁場検出要素を用いることが出来
るということである。本発明は、大規模な組立体上で作
動することになるが、他の電子部品を含むことも含まな
いこともあるセラミック・チップ又はシリコン・チップ
上に構築された構造を持つマイクロ・センサーを含む、
超小規模組立体上でも効率的に作動することになろう。
【0010】アレイ中の個々の検出要素の応答を互いに比較
することにより、最終組立体における正確な温度及び磁
場の校正の必要性なしに、磁場方向とそして回転センサ
ー位置を、求めることが出来るということが、本発明の
更なる効果である。
することにより、最終組立体における正確な温度及び磁
場の校正の必要性なしに、磁場方向とそして回転センサ
ー位置を、求めることが出来るということが、本発明の
更なる効果である。
【0011】センサー・アレイを、アレイのチップへの組付
け及び配列を容易にする様に、構成することが出来ると
いうのが、本発明の追加の効果である。
け及び配列を容易にする様に、構成することが出来ると
いうのが、本発明の追加の効果である。
【0012】センサー・アレイ上に磁場を発生するための磁
石の別の構成を、センサー組立体の設計自由度向上を可
能とするのに用いることが出来るということが、本発明
の別の効果である。
石の別の構成を、センサー組立体の設計自由度向上を可
能とするのに用いることが出来るということが、本発明
の別の効果である。
【0013】
【発明の実施の形態】図１は、そこの上に取付けられる
８個の巨大磁気抵抗性（giant magnetoresistive略して
GMR）要素22のアレイを持つシリコン・チップ20を含
む、センサー組立体18を示す。シリコン・チップ20はア
レイ構造体を保持するもので、GMR多層要素の構築と半
導体プロセスは互換性があるので、もし望めば、電子回
路を同じチップ上に形成し、それで、センサー情報の処
理も行なう回路板を形成することが出来るという、更な
る効果を持つ。磁気センサー組立体18自体は、例えば4m
m四方程度の小ささの構成を持つことも出来る。チップ2
0はまた、もし、望むならセラミックで形成しても良
い、
８個の巨大磁気抵抗性（giant magnetoresistive略して
GMR）要素22のアレイを持つシリコン・チップ20を含
む、センサー組立体18を示す。シリコン・チップ20はア
レイ構造体を保持するもので、GMR多層要素の構築と半
導体プロセスは互換性があるので、もし望めば、電子回
路を同じチップ上に形成し、それで、センサー情報の処
理も行なう回路板を形成することが出来るという、更な
る効果を持つ。磁気センサー組立体18自体は、例えば4m
m四方程度の小ささの構成を持つことも出来る。チップ2
0はまた、もし、望むならセラミックで形成しても良
い、
【0014】GMR要素22のアレイは、互いに22.5度の間隔で
半径方向に延びて、取付けられ、それぞれのGMR要素に
は１乃至８の符号が付けられている。GMR要素22自体
は、1998年9月17日提出の米国特許出願09/154,868号に
記載されたものと同様のもので、ここに参照して引用さ
れ、もし望むなら、回路板20に対しワイヤー・ボンディ
ングし、保護用被覆材で覆うことが出来る。この磁場検
出要素のアレイはGMR抵抗として示されているが、必ず
しもそうである必要はなく、他の磁場センサー、例えば
ホール効果センサー、磁気抵抗性センサー等から、形成
することも出来る。GMR要素22は、半径方向内側端にお
いて内方ワイヤー結合パッド26に接合され、外側端にお
いて外方ワイヤー結合パッド28へ接合されている。結合
パッド26及び28は、センサー出力を回転角度計算に用い
る、処理回路へ接合される。結合パッドは、もしそう望
めば、代わりにソルダー・バンプとすることが出来る。
半径方向に延びて、取付けられ、それぞれのGMR要素に
は１乃至８の符号が付けられている。GMR要素22自体
は、1998年9月17日提出の米国特許出願09/154,868号に
記載されたものと同様のもので、ここに参照して引用さ
れ、もし望むなら、回路板20に対しワイヤー・ボンディ
ングし、保護用被覆材で覆うことが出来る。この磁場検
出要素のアレイはGMR抵抗として示されているが、必ず
しもそうである必要はなく、他の磁場センサー、例えば
ホール効果センサー、磁気抵抗性センサー等から、形成
することも出来る。GMR要素22は、半径方向内側端にお
いて内方ワイヤー結合パッド26に接合され、外側端にお
いて外方ワイヤー結合パッド28へ接合されている。結合
パッド26及び28は、センサー出力を回転角度計算に用い
る、処理回路へ接合される。結合パッドは、もしそう望
めば、代わりにソルダー・バンプとすることが出来る。
【0015】GMR要素22と交互配置される一様な径方向パタ
ーンで、チップ20に取付けられるのは、集中器30であ
る。集中器30は略三角形状であり、それぞれがほぼ同じ
大きさであり、磁性材料で形成されている。磁性材料
は、鉄、ニッケル−鉄合金、ニッケル及びある種のフェ
ライトの様な、いかなる軟強磁性材料であっても良い。
集中器30のパターンは、GMR要素22の配置が180度未満で
あるにも関わらず、集中器30が360度配置をなす様に延
ばされている。それで、その中にGMR要素22が取付けら
れる隙31を形成する間隔がそうであるように、集中器30
全ての形状は一様なものである。制御された磁束模様を
維持するのに、一様性が用いられる。
ーンで、チップ20に取付けられるのは、集中器30であ
る。集中器30は略三角形状であり、それぞれがほぼ同じ
大きさであり、磁性材料で形成されている。磁性材料
は、鉄、ニッケル−鉄合金、ニッケル及びある種のフェ
ライトの様な、いかなる軟強磁性材料であっても良い。
集中器30のパターンは、GMR要素22の配置が180度未満で
あるにも関わらず、集中器30が360度配置をなす様に延
ばされている。それで、その中にGMR要素22が取付けら
れる隙31を形成する間隔がそうであるように、集中器30
全ての形状は一様なものである。制御された磁束模様を
維持するのに、一様性が用いられる。
【0016】センサー組立体18から離間し、それの両側で、
それに面している、北極32及びそれに並列な南極34があ
る。これらの磁極32及び34は、センサー・アレイが持つ
のと同じ軸の回りで、センサー組立体に対して回転自在
である。それで、この構成のために、矢印36で示される
比較的一様な磁場が図１の左から右へ、センサー組立体
18を横切り生成され、一様なままで組立体に対して回転
され得る。一様な磁場は、下記の第４実施例に関連して
説明される様に、環状磁石によっても形成される。
それに面している、北極32及びそれに並列な南極34があ
る。これらの磁極32及び34は、センサー・アレイが持つ
のと同じ軸の回りで、センサー組立体に対して回転自在
である。それで、この構成のために、矢印36で示される
比較的一様な磁場が図１の左から右へ、センサー組立体
18を横切り生成され、一様なままで組立体に対して回転
され得る。一様な磁場は、下記の第４実施例に関連して
説明される様に、環状磁石によっても形成される。
【0017】この平行磁場がセンサー組立体18を越えて導か
れる時に、磁場線は集中器30の間の隙31を越えて制御さ
れた態様で向けられる。結果として、この一様磁場36が
センサー組立体18を越え導かれると、磁場線は図３
（Ｂ）に示される一般方向で現れることになる。図１乃
至図３（Ｃ）に関連する説明のために、これをゼロ度方
向とみなすことにする。GMR要素５が延びる方向とほぼ
垂直に、磁場線がこの要素を横切ることになることに、
注意すべきである。これは、センサー・アレイ22を通り
抜ける磁束の殆ど半分がGMR要素５を横切ることになる
ので、GMR要素５がいずれのGMR要素の中でも最も強い磁
束を受けるという、結果を招くであろう。図２の線50
は、磁場のこのゼロ度方向についてのGMR要素５の抵抗
値が、約850オームの最小値にあるのを示している。こ
こで用いられる抵抗値は、特定の用途に用い得る値の例
に過ぎないが、この例におけるGMR要素は磁場強度ゼロ
で1000オームの抵抗を持ち、磁場強度が増加すると抵抗
が減少することになる。
れる時に、磁場線は集中器30の間の隙31を越えて制御さ
れた態様で向けられる。結果として、この一様磁場36が
センサー組立体18を越え導かれると、磁場線は図３
（Ｂ）に示される一般方向で現れることになる。図１乃
至図３（Ｃ）に関連する説明のために、これをゼロ度方
向とみなすことにする。GMR要素５が延びる方向とほぼ
垂直に、磁場線がこの要素を横切ることになることに、
注意すべきである。これは、センサー・アレイ22を通り
抜ける磁束の殆ど半分がGMR要素５を横切ることになる
ので、GMR要素５がいずれのGMR要素の中でも最も強い磁
束を受けるという、結果を招くであろう。図２の線50
は、磁場のこのゼロ度方向についてのGMR要素５の抵抗
値が、約850オームの最小値にあるのを示している。こ
こで用いられる抵抗値は、特定の用途に用い得る値の例
に過ぎないが、この例におけるGMR要素は磁場強度ゼロ
で1000オームの抵抗を持ち、磁場強度が増加すると抵抗
が減少することになる。
【0018】他方で、このゼロ度磁場がGMR要素１と交差す
ることを考えると、磁場が隣接する集中器30を通り抜け
ることになるので、GMR要素１を横切る磁束はないであ
ろう。結果として、GMR要素１の抵抗値は、図２に再び
線50で示される様に、殆ど1000オームとなる。このセン
サー組立体18における集中器30の構成により、残りのGM
R要素２乃至４及び６乃至８は、磁場の方向と特定の要
素の径方向の中心線との間の角度のほぼ正弦として変化
する磁場強度に、晒されることになる。それで、要素の
抵抗値それぞれの絶対値は、センサーが磁石に対して回
転するのに応じて、最小及び最大抵抗値の間で、概略正
弦波状に変化する。それでこの例につき、GMR要素2及び
8の抵抗値は、GMR要素１と５の抵抗値の差により乗算さ
れた22.5度の正弦だけ1000オームのベース値より小さい
であろう。GMR要素３及び７の抵抗値も小さいであろう
が、45度の正弦の係数となろう。同じ様に、GMR要素３
及び６は、ほぼ66.5度の正弦の係数を持つことになろ
う。
ることを考えると、磁場が隣接する集中器30を通り抜け
ることになるので、GMR要素１を横切る磁束はないであ
ろう。結果として、GMR要素１の抵抗値は、図２に再び
線50で示される様に、殆ど1000オームとなる。このセン
サー組立体18における集中器30の構成により、残りのGM
R要素２乃至４及び６乃至８は、磁場の方向と特定の要
素の径方向の中心線との間の角度のほぼ正弦として変化
する磁場強度に、晒されることになる。それで、要素の
抵抗値それぞれの絶対値は、センサーが磁石に対して回
転するのに応じて、最小及び最大抵抗値の間で、概略正
弦波状に変化する。それでこの例につき、GMR要素2及び
8の抵抗値は、GMR要素１と５の抵抗値の差により乗算さ
れた22.5度の正弦だけ1000オームのベース値より小さい
であろう。GMR要素３及び７の抵抗値も小さいであろう
が、45度の正弦の係数となろう。同じ様に、GMR要素３
及び６は、ほぼ66.5度の正弦の係数を持つことになろ
う。
【0019】図３（Ｃ）は、45度の相対回転が起こった例を
示し、GMR要素について生じる抵抗の変化が、図２の線5
2により示されている。図３（Ａ）は、磁場36の回転が9
0度の時の、GMR要素５は、GMR要素１がゼロ度回転で晒
されたのと同じ磁束に、晒されることになるのを、示し
ている。
示し、GMR要素について生じる抵抗の変化が、図２の線5
2により示されている。図３（Ａ）は、磁場36の回転が9
0度の時の、GMR要素５は、GMR要素１がゼロ度回転で晒
されたのと同じ磁束に、晒されることになるのを、示し
ている。
【0020】図１乃至図３（Ｃ）から判る様に、センサー組
立体18中の集中器30の形状及び位置は、比較的並列の
（好ましくは集中器の磁気飽和レベル未満であるのが好
ましい）磁場が集中器30のアレイを横切って位置する場
合に、磁場が制御された態様で、この場合にはGMR要素2
2のアレイである磁場検出装置を越えて、向けられる様
になっている。アレイ22内の個々の検出要素は、それら
自身の位置に応じて、異なってはいるが予測可能な磁場
状態に晒される。検出要素22のアレイ内の各GMR要素の
応答は、計測され、他の要素の応答と比較されることが
出来る。磁場の方向は、要素間のこれらの比較により、
求められる。
立体18中の集中器30の形状及び位置は、比較的並列の
（好ましくは集中器の磁気飽和レベル未満であるのが好
ましい）磁場が集中器30のアレイを横切って位置する場
合に、磁場が制御された態様で、この場合にはGMR要素2
2のアレイである磁場検出装置を越えて、向けられる様
になっている。アレイ22内の個々の検出要素は、それら
自身の位置に応じて、異なってはいるが予測可能な磁場
状態に晒される。検出要素22のアレイ内の各GMR要素の
応答は、計測され、他の要素の応答と比較されることが
出来る。磁場の方向は、要素間のこれらの比較により、
求められる。
【0021】アレイ22中のGMR要素間の相対抵抗を比較する
することにより、磁場方向を示す、アナログ・パルス幅
変調、又はデジタル言語信号を、与える、利用可能な電
子処理方法により、処理がなされ得る。例えば、米国特
許5,929,631号に開示され、ここに参照され引用される
方法を、用いても良い。結果として、いかなるGMR要素
の単一の絶対抵抗値も、回転位置を求めるのに必要とさ
れていない。それで、磁場強度に対する校正の必要性は
かなり減り、殆どの場合においてなくなっている。
することにより、磁場方向を示す、アナログ・パルス幅
変調、又はデジタル言語信号を、与える、利用可能な電
子処理方法により、処理がなされ得る。例えば、米国特
許5,929,631号に開示され、ここに参照され引用される
方法を、用いても良い。結果として、いかなるGMR要素
の単一の絶対抵抗値も、回転位置を求めるのに必要とさ
れていない。それで、磁場強度に対する校正の必要性は
かなり減り、殆どの場合においてなくなっている。
【0022】この第１実施例において、アレイ中のGMR要素2
2は、極性とは独立して磁場強度に応答し、それらは、
極性、つまり、例えば磁場が左から右にセンサー組立体
18を横切るか、右から左に横切るかにかかわらず、同じ
量変化することが、判るであろう。結果として、図１の
センサー組立体の実施例は180度の回転を計測するのに
利用できるだけである。というのは、それ以上の回転は
単なる繰返しに過ぎないからである。
2は、極性とは独立して磁場強度に応答し、それらは、
極性、つまり、例えば磁場が左から右にセンサー組立体
18を横切るか、右から左に横切るかにかかわらず、同じ
量変化することが、判るであろう。結果として、図１の
センサー組立体の実施例は180度の回転を計測するのに
利用できるだけである。というのは、それ以上の回転は
単なる繰返しに過ぎないからである。
【0023】図４は、磁場方向を表示する能力を追加するこ
とにより、360度全周の回転角度計測を可能とする回転
位置センサーの第２実施例を示す。この実施例につい
て、修正された要素については100番台の符号が与えら
れている一方、同様の要素には第１実施例と同じ番号が
付されている。センサー組立体118は、ホール効果セン
サー56を含む。ホール効果センサー56は、一様な磁場に
ある様に、センサー・アレイ22に充分近付けて、チップ
120に取付けられる。不図示の電子センサー回路へアレ
イ22のGMR要素と同じ態様でつながることになる、チッ
プ120上の結合パッド58を持つ。
とにより、360度全周の回転角度計測を可能とする回転
位置センサーの第２実施例を示す。この実施例につい
て、修正された要素については100番台の符号が与えら
れている一方、同様の要素には第１実施例と同じ番号が
付されている。センサー組立体118は、ホール効果セン
サー56を含む。ホール効果センサー56は、一様な磁場に
ある様に、センサー・アレイ22に充分近付けて、チップ
120に取付けられる。不図示の電子センサー回路へアレ
イ22のGMR要素と同じ態様でつながることになる、チッ
プ120上の結合パッド58を持つ。
【0024】ホール・センサー56は磁場の絶対値と同様に極
性を検出することが出来るので、相対回転の180度で極
性を反転させ、極性識別器を設けることになる。ホール
・センサー56は、磁場極性に応じ、正又は負の電圧を出
力することになる。それで、それぞれ180度の回転範囲
内の回転位置が、GMR要素アレイにより、まだ与えられ
ることになる。ホール・センサーはこの場合に磁場強度
を検出するために用いられることはないので、もし望め
ばホール・センサーをセンサー・アレイ内に取付けるの
が可能であるが、必ずしも、そうである必要はない。そ
れにもかかわらず、第１及び第２の実施例について、セ
ンサー・アレイ自体の中の全てのGMRの代わりにし、、
そして磁場強度に沿う固有の磁場方向を与えるのに、ホ
ール・センサーを用いることも出来る。それで、センサ
ー組立体はホール・センサーのみを用いて正確な回転位
置を求めることが出来る。しかし、ホール・センサー構
成の欠点の一つは、センサー・アレイを作るのに、より
複雑で高価になりがちとなるということである。
性を検出することが出来るので、相対回転の180度で極
性を反転させ、極性識別器を設けることになる。ホール
・センサー56は、磁場極性に応じ、正又は負の電圧を出
力することになる。それで、それぞれ180度の回転範囲
内の回転位置が、GMR要素アレイにより、まだ与えられ
ることになる。ホール・センサーはこの場合に磁場強度
を検出するために用いられることはないので、もし望め
ばホール・センサーをセンサー・アレイ内に取付けるの
が可能であるが、必ずしも、そうである必要はない。そ
れにもかかわらず、第１及び第２の実施例について、セ
ンサー・アレイ自体の中の全てのGMRの代わりにし、、
そして磁場強度に沿う固有の磁場方向を与えるのに、ホ
ール・センサーを用いることも出来る。それで、センサ
ー組立体はホール・センサーのみを用いて正確な回転位
置を求めることが出来る。しかし、ホール・センサー構
成の欠点の一つは、センサー・アレイを作るのに、より
複雑で高価になりがちとなるということである。
【0025】図５は、第１実施例と同様であるが、GMR要素2
22のアレイがチップ220上に異なった態様で配置されセ
ンサー組立体218を形成する、回転位置センサーの第３
実施例を示す。この実施例に関し、第１実施例から変更
した要素には200番台の番号が付けられている。集中器3
0は、第１実施例と同じ様に配置されている。この実施
例は、個別のGMR要素１乃至８が、回転位置を求める有
効性を損なうことなしに、集中器30のアレイ内の種々の
位置に配置することが出来ることを、示している。セン
サー組立体218と同じチップ220にセンサー回路を配置す
るのが望ましい場合に、種々の位置が可能であるという
ことが、不図示の回路パターン全体を最適化するのを可
能とする。
22のアレイがチップ220上に異なった態様で配置されセ
ンサー組立体218を形成する、回転位置センサーの第３
実施例を示す。この実施例に関し、第１実施例から変更
した要素には200番台の番号が付けられている。集中器3
0は、第１実施例と同じ様に配置されている。この実施
例は、個別のGMR要素１乃至８が、回転位置を求める有
効性を損なうことなしに、集中器30のアレイ内の種々の
位置に配置することが出来ることを、示している。セン
サー組立体218と同じチップ220にセンサー回路を配置す
るのが望ましい場合に、種々の位置が可能であるという
ことが、不図示の回路パターン全体を最適化するのを可
能とする。
【0026】図６は、第１実施例と同様の、回転位置センサ
ーの第４実施例を示す。この実施例についていえば、第
１実施例から変更された要素には300番台の番号が与え
られることになる。センサー組立体318は、チップ320に
取付けられる８個ではなく、９個のGMR要素322のアレイ
を含み、要素322はそれらの間により大きな角度（40
度）を開けて配置されている。この変化を可能とするた
めに、集中器330は幅広くそして、勿論この配置のため
に数は少なくなっている。センサー要素322が360度全周
に亘って配置されているという事実にも関わらず、この
アレイ中の全てのセンサーがGMR要素として示されてい
るために、180度の回転運動を検出するのに過ぎないこ
とになる。しかし、この実施例についても同様に、もし
望めば、360度全周の回転検出能力を得るために、ホー
ル効果センサーを用いることが出来る。
ーの第４実施例を示す。この実施例についていえば、第
１実施例から変更された要素には300番台の番号が与え
られることになる。センサー組立体318は、チップ320に
取付けられる８個ではなく、９個のGMR要素322のアレイ
を含み、要素322はそれらの間により大きな角度（40
度）を開けて配置されている。この変化を可能とするた
めに、集中器330は幅広くそして、勿論この配置のため
に数は少なくなっている。センサー要素322が360度全周
に亘って配置されているという事実にも関わらず、この
アレイ中の全てのセンサーがGMR要素として示されてい
るために、180度の回転運動を検出するのに過ぎないこ
とになる。しかし、この実施例についても同様に、もし
望めば、360度全周の回転検出能力を得るために、ホー
ル効果センサーを用いることが出来る。
【0027】図７及び８は、図６の実施例のセンサーのアレ
イの磁場特性を示している。この磁場測定のために、セ
ンサー組立体318が取付けられるシリコン基板320は4mm
四方であり、（図１に示される磁石ではなく用いられ
る）リング磁石332の内側に配置される。集中器330は鉄
から形成されている。リング磁石332とセンサー・アレ
イ318とは、互いに回転自在である。磁束の等電位線70
（図７及び８において破線で示される）は全体として、
センサー組立体318の近傍を除いて、略並列で一様であ
る。図８は図７のセンサー組立体の拡大図を示してお
り、磁束等電位線70を示し、そしてそれらがセンサー・
アレイ318自体を介してどの様に方向付けられるかを、
示している。磁束等電位線70の概略方向に対しセンサー
要素が平行に近づく程、その特定のセンサーにより検出
される磁束は小さいものとなる。この様にして、アレイ
のそれぞれのセンサー間で検出される磁場の相対強度
を、回転位置を求めるのに用いることが出来る。
イの磁場特性を示している。この磁場測定のために、セ
ンサー組立体318が取付けられるシリコン基板320は4mm
四方であり、（図１に示される磁石ではなく用いられ
る）リング磁石332の内側に配置される。集中器330は鉄
から形成されている。リング磁石332とセンサー・アレ
イ318とは、互いに回転自在である。磁束の等電位線70
（図７及び８において破線で示される）は全体として、
センサー組立体318の近傍を除いて、略並列で一様であ
る。図８は図７のセンサー組立体の拡大図を示してお
り、磁束等電位線70を示し、そしてそれらがセンサー・
アレイ318自体を介してどの様に方向付けられるかを、
示している。磁束等電位線70の概略方向に対しセンサー
要素が平行に近づく程、その特定のセンサーにより検出
される磁束は小さいものとなる。この様にして、アレイ
のそれぞれのセンサー間で検出される磁場の相対強度
を、回転位置を求めるのに用いることが出来る。
【0028】図９は、回転位置センサーの第５実施例を示
す。この実施例は、同じ回転位置計側値についての冗長
出力信号を要する用途に、特に有用である。この実施例
に対し、第１実施例から修正した要素には400番台の符
号が与えられており、この実施例のセンサー組立体418
は、ここで１乃至16の符号が付せられた16個のGMR要素
のセンサー・アレイ422を持つ。符号１乃至８の符号が
付せられたGMR要素は組立体418の第１の180度の円弧の
回りに配置され第１組74を形成する一方で、符号９乃至
16が付せられたGMR要素は第２の180度の円弧の回りに配
置され第１組74と対称の第２組76を形成する。第２組76
は第１組74と位相が180度ずれている。第１組74及び第
２組76それぞれは、他方の組と独立して機能する異なっ
た180度の検出アレイを形成する。第１組74は不図示の
センサー回路の第１部分に接続し、第２組76がセンサー
回路の第２部分に接続する。各組74, 76は、磁場に対す
る相対回転位置を示す信号を発生することになる。２つ
の組が一致する限り、センサーが適切に機能していると
いうことを示している。しかし、２つの組74, 76が回転
位置に関して一致していなければ、これは、センサー組
立体内のある要素が故障したことを示している。それ
で、この構成は冗長度を与え、センサー故障が発見され
ることを確実なものとすることになる。
す。この実施例は、同じ回転位置計側値についての冗長
出力信号を要する用途に、特に有用である。この実施例
に対し、第１実施例から修正した要素には400番台の符
号が与えられており、この実施例のセンサー組立体418
は、ここで１乃至16の符号が付せられた16個のGMR要素
のセンサー・アレイ422を持つ。符号１乃至８の符号が
付せられたGMR要素は組立体418の第１の180度の円弧の
回りに配置され第１組74を形成する一方で、符号９乃至
16が付せられたGMR要素は第２の180度の円弧の回りに配
置され第１組74と対称の第２組76を形成する。第２組76
は第１組74と位相が180度ずれている。第１組74及び第
２組76それぞれは、他方の組と独立して機能する異なっ
た180度の検出アレイを形成する。第１組74は不図示の
センサー回路の第１部分に接続し、第２組76がセンサー
回路の第２部分に接続する。各組74, 76は、磁場に対す
る相対回転位置を示す信号を発生することになる。２つ
の組が一致する限り、センサーが適切に機能していると
いうことを示している。しかし、２つの組74, 76が回転
位置に関して一致していなければ、これは、センサー組
立体内のある要素が故障したことを示している。それ
で、この構成は冗長度を与え、センサー故障が発見され
ることを確実なものとすることになる。
【0029】この実施例はまた、磁場を発生する別の方法を
示している。センサー組立体418に隣接しそれに対して
相対的に組立体の中心軸回りに回転自在な長方形磁石43
2により磁場が発生される。磁石432は、センサー組立体
418よりも幅広くそして長く、センサー組立体の直下に
配置される。この配置により、北（N）極から南（S）極
へとセンサー組立体418を越えて、集中器430により方向
付けられる領域を除き、磁場が並列となる。磁束線はま
た、センサー組立体418のプレーンから離れる対称の方
向を持つことになる。しかし、それがセンサーの性能に
影響することはないであろう。というのは、アレイ422
内のセンサー要素の比較により磁場方向が決まり、集中
器430が磁場をセンサー要素１乃至16上で予想される態
様で方向付けることになる。
示している。センサー組立体418に隣接しそれに対して
相対的に組立体の中心軸回りに回転自在な長方形磁石43
2により磁場が発生される。磁石432は、センサー組立体
418よりも幅広くそして長く、センサー組立体の直下に
配置される。この配置により、北（N）極から南（S）極
へとセンサー組立体418を越えて、集中器430により方向
付けられる領域を除き、磁場が並列となる。磁束線はま
た、センサー組立体418のプレーンから離れる対称の方
向を持つことになる。しかし、それがセンサーの性能に
影響することはないであろう。というのは、アレイ422
内のセンサー要素の比較により磁場方向が決まり、集中
器430が磁場をセンサー要素１乃至16上で予想される態
様で方向付けることになる。
【0030】この第５実施例についてはまた、センサー組立
体418のパターンは、想像線82により境界を定められた
チップ420のそれぞれの象限において、反復的（つまり
対称）である。この実施例について、チップ420は例え
ばセラミックから出来ていても良い。４個の隣接する検
出要素の半径方向内方端にそれぞれが接続する４つの内
方結合パッド426がある。全ての結合パッド426及び428
が、不図示の処理回路への接続のために、ソルダー・バ
ンプ80を持つのが、示されている。象限毎のこの対称配
置は、チップ420が例えば回路板上で処理回路に取付け
られる時に、チップ420の作動を容易ならしめる意図で
なされている。それで、検出要素１乃至４の内方結合パ
ッド426へ、検出要素５乃至８の内方結合パッドへ、検
出要素９乃至12の内方結合パッドへ、そして、検出要素
13乃至16の内方結合パッドへ、処理回路が直接接続する
ことが可能となる。センサー組立体が、例えば回路板へ
の組付け前に偶然に、90、180又は270度回転した場合に
は、回転移行は平明なものとなろう。全ての結合パッド
426及び428は未だ回路板パターンと整列したままであ
り、再配置された検出要素はその配置についての正しい
出力をするであろう。結果として、製造誤差の可能性が
小さくなる。
体418のパターンは、想像線82により境界を定められた
チップ420のそれぞれの象限において、反復的（つまり
対称）である。この実施例について、チップ420は例え
ばセラミックから出来ていても良い。４個の隣接する検
出要素の半径方向内方端にそれぞれが接続する４つの内
方結合パッド426がある。全ての結合パッド426及び428
が、不図示の処理回路への接続のために、ソルダー・バ
ンプ80を持つのが、示されている。象限毎のこの対称配
置は、チップ420が例えば回路板上で処理回路に取付け
られる時に、チップ420の作動を容易ならしめる意図で
なされている。それで、検出要素１乃至４の内方結合パ
ッド426へ、検出要素５乃至８の内方結合パッドへ、検
出要素９乃至12の内方結合パッドへ、そして、検出要素
13乃至16の内方結合パッドへ、処理回路が直接接続する
ことが可能となる。センサー組立体が、例えば回路板へ
の組付け前に偶然に、90、180又は270度回転した場合に
は、回転移行は平明なものとなろう。全ての結合パッド
426及び428は未だ回路板パターンと整列したままであ
り、再配置された検出要素はその配置についての正しい
出力をするであろう。結果として、製造誤差の可能性が
小さくなる。
【0031】ここで、いくつかの実施例を説明してきたが、
別の代替例も、本発明の思想の中にあると企図される。
例えば、そう望む場合には、検出要素の数を増やすこと
により、正確性を増すことができ、実際には最小で２つ
の検出要素があれば成り立つ。勿論、この数は、コスト
及び製造容易性に対する正確性により変わって来る。
別の代替例も、本発明の思想の中にあると企図される。
例えば、そう望む場合には、検出要素の数を増やすこと
により、正確性を増すことができ、実際には最小で２つ
の検出要素があれば成り立つ。勿論、この数は、コスト
及び製造容易性に対する正確性により変わって来る。
【0032】それで、本発明のある実施例が詳細に述べられ
てきたが、本発明が関連する分野の当業者は添付請求項
により規定される発明を実施する種々の代替例及び実施
例を想到するであろう。
てきたが、本発明が関連する分野の当業者は添付請求項
により規定される発明を実施する種々の代替例及び実施
例を想到するであろう。
【図１】本発明のセンサー・アレイの第１実施例を示す
概略図である。
概略図である。
【図２】図１のGMR要素で起こる一様磁場に対する方向
により変化する抵抗変化を示すグラフである。
により変化する抵抗変化を示すグラフである。
【図３】（A)は、一様磁場に対する回転位置でのアレイ
を表す、図１のセンサー・アレイの一部の拡大図であ
る。（B)は、（Ａ）と同様であるが、異なった回転位置
でのアレイを表す図である。（C)は、(Ａ)と同様である
が、異なった回転位置でのアレイを表す図である。
を表す、図１のセンサー・アレイの一部の拡大図であ
る。（B)は、（Ａ）と同様であるが、異なった回転位置
でのアレイを表す図である。（C)は、(Ａ)と同様である
が、異なった回転位置でのアレイを表す図である。
【図４】センサー組立体の第２実施例の概略図である。
【図５】センサー組立体の第３実施例の概略図である。
【図６】センサー組立体の第４実施例の概略図である。
【図７】磁束等電位線がリング磁石からセンサー・アレ
イを通り抜ける際の電位線を示す、図６に示された第４
実施例の、小さい縮尺の図である。
イを通り抜ける際の電位線を示す、図６に示された第４
実施例の、小さい縮尺の図である。
【図８】センサー・アレイ上の磁束等電位線の流れを示
す、図７の一部の拡大図である。
す、図７の一部の拡大図である。
【図９】センサー組立体の第５実施例の概略図である。
32, 3, 332, 432 磁場発生手段 20, 120, 220, 320, 420 取付ベース 30, 330, 430 集中器 22, 222, 322 磁場センサー（巨大磁気抵抗性センサ
ー） 56 ホール効果センサー
ー） 56 ホール効果センサー
Claims (3)
- 【請求項１】センサー領域上に略一様な磁場を発生する
手段、 ベースと磁場との間の相対回転の中心を持つ取付ベー
ス、 所定の領域内で、相対回転の中心回りにほぼ一様に間隔
を開けて配置された略三角形状の複数の集中器であっ
て、集中器のそれぞれが隣接する集中器から離間して隙
を形成し、そして、磁性材料で出来ている、集中器、 上記ベースに取付けられ上記相対回転の中心から外側に
延びる複数の磁場センサーであって、それぞれが上記隙
の別々の所に配置される、磁場センサー、及び、 該磁場センサーのそれぞれを介して信号を伝達する手段
を、 有する、磁気回転位置センサー。 - 【請求項２】センサー領域上に略一様な磁場を発生する
手段、 ベースと磁場との間の相対回転の中心を持つ取付ベー
ス、 所定の領域内で、相対回転の中心回りにほぼ一様に間隔
を開けて配置された略三角形状の複数の集中器であっ
て、集中器のそれぞれが隣接する集中器から離間して隙
を形成し、そして、磁性材料で出来ている、集中器、 上記ベースに取付けられ上記相対回転の中心から外側に
延びる複数の巨大磁気抵抗性センサーであって、それぞ
れが上記隙の別々の所に配置される、磁場センサー、及
び、 上記巨大磁気抵抗性センサーのそれぞれを介して信号を
伝達する手段を、 有する磁気回転位置センサー。 - 【請求項３】磁場内で上記ベースに取付けられるホール
効果センサーを更に含む、請求項２のセンサー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/203248 | 1998-12-01 | ||
| US09/203,248 US6326780B1 (en) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | Magnetic field concentrator array for rotary position sensors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000161905A true JP2000161905A (ja) | 2000-06-16 |
Family
ID=22753144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11302584A Pending JP2000161905A (ja) | 1998-12-01 | 1999-10-25 | 回転位置センサ―用磁場集中器アレイ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6326780B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000161905A (ja) |
| DE (1) | DE19956361C2 (ja) |
| GB (1) | GB2344424B (ja) |
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| JP2002071381A (ja) * | 2000-08-21 | 2002-03-08 | Sentron Ag | 磁場方向検出センサ |
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