JP2002071381A - 磁場方向検出センサ - Google Patents
磁場方向検出センサInfo
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Abstract
磁場方向検出センサを提供することである。 【解決手段】 平らな形状を有する1個の磁場コンセン
トレータ(3)と、少なくとも第1のホール効果素子
(2.1)及び第2のホール効果素子(2.2)、又
は、少なくともホール効果素子の第1のグループ(1
4)及び第2のグループ(15)とを備え、ホール効果
素子が磁場コンセントレータ(3)の端部(4)領域に
配置していることを特徴とする。
Description
で指定したタイプの磁場の方向を検出するセンサに関す
るものである。
イルを備えたステーターを有するブラシレス電気モータ
の制御用の角度センサとして適している。電気モータの
ローターはコイルの位相適合性制御に対する回転依存信
号の角度を生成するセンサと結びつく永久磁石を有す
る。このような構成は欧州特許出願EP954085に
よって周知である。複数のアームを有する垂直ホール効
果素子はセンサとして作用し、それによって、永久磁石
の回転位置に依存するホール電圧が各アームに生成され
る。垂直ホール効果素子は、チップの表面に平行に走る
永久磁石が生成した磁場の成分に敏感である。垂直ホー
ル効果素子は特別な半導体技術を基礎にしているので、
同じチップ上で処理エレクトロニクスと共に実現するこ
とができないという欠点を有する。
によって生成された磁場の成分に敏感な水平ホール効果
素子を使用することも周知である。これらのホール効果
素子は同じチップ上の処理エレクトロニクスに集積する
ことができる。しかしながら、この解決策には、磁場の
垂直成分が最大の永久磁場の端部領域にホール効果素子
を配置しなければならないという欠点がある。回転軸の
領域では垂直成分は小さい。より大きな永久磁石を用い
ると、ホール効果素子を一つの半導体チップ上にホール
効果素子を集積することはもはや経済的とは言えない。
する角度センサが欧州特許出願EP893668によっ
て周知である。測定可能角度範囲を180°以上に増加
するために、別のホール効果素子がある。しかしなが
ら、磁場センサ素子が回転永久磁石の磁場の水平成分を
測定しなければならないし、一方、ホール効果素子磁場
の垂直成分を測定しなければならないので、ホール効果
素子は磁場センサ素子に対して異なる位置に位置させな
ければならない。さらに、磁気抵抗効果をもとにしたセ
ンサは解像度を制限するヒステリシス効果を示す。
でかつ半導体チップ上でエレクトロニクスと共に実現可
能な磁場センサが、欧州特許出願EP772046によ
って周知である。しかしながら、このような磁場センサ
を用いると、磁場の単一成分しか測定できない。
に述べた欠点を有さないセンサを提案することである。
した特徴を備えている。有利な構成が従属項にクレーム
されている。
を用いてさらに詳細に説明する。
ラシレス電気モータの制御用の角度センサとして適した
発明に対応するセンサの平面図を示している。センサは
2.1から2.6の6個の水平ホール効果素子を有する
半導体チップ1と1個の磁場センサ集線装置(コンセン
トレータ)3とを備えている。この最初の例を用いる
と、磁場コンセントレータ3がディスク上に形成され、
かつ、6個のホール効果素子2は磁場コンセントレータ
3の端部4に沿って等距離で分散して配置している。
ープ基板7(図2)におけるnドープ井戸6(図2)と
して、一般に周知の技術、好適にはCMOS技術を用い
て実現されている。水平ホール効果素子は、半導体チッ
プ1の表面8上に垂直に入射する磁場の成分に敏感であ
る。例では、ホール効果素子2.1から2.6は、好ま
しくは[100]結晶軸に平行に並んだ十字型構造を有
し、そのため、ホール信号上での機械的応力を変化させ
る影響をできる限り小さく維持する。
成り、好適には、例えば約15μmから30μmの膜厚
のテープとして使用可能な、パーマロイ又はミューメタ
ル又はメタルグラスから成る。比較的低い保持力を有す
る金属ガラスが好適であり、そのため、ヒステリシス効
果は生じない。さらに、それらの磁化は非常に等方的で
ある。
おり、平たい形状を有し、すなわち、その厚さは面上で
の広がりに比べてかなり小さい。磁場コンセントレータ
3は等しい厚さを有することが好ましい。しかしなが
ら、端部より中央部で厚く形成することもできる。従っ
て、磁場コンセントレータ3は、面上に存在する磁場の
成分に対してコンセントレータとして作用する。磁場コ
ンセントレータ3の機能を図2をもとに詳細を説明す
る。この例では、磁場コンセントレータ3は対称中心5
を有する。すなわち、それは回転対称である。
断面図であって、例えば、3個のコイルを有するブラシ
レス電気モータ12の回転軸11上に載置された磁場を
生成する永久磁石10を示している。その環境内では、
磁場コンセントレータ3は、磁力線13のコースを変
え、特に、磁場コンセントレータ3がない場合に半導体
チップ1の表面8にほとんど垂直に走る磁力線が、表面
8に対してほとんど垂直にホール効果素子2.1を貫く
という効果を有する。磁場コンセントレータ3の材料の
相対透磁率は1000より大きく、一方、空気及び半導
体基板7の相対透磁率は約1である。従って、磁力線は
実際はいつも磁場コンセントレータ3の表面に対して垂
直に並んでいる。ホール効果素子2.1から2.6は、
磁場の垂直成分が最大なので、磁場コンセントレータ3
の面方向端部4領域に配置している。
ホール効果素子は、出力信号の各生成に対して一対形成
し、それによって一つのホール効果素子のホール電圧が
他のホール効果素子のホール電圧から引かれる。磁力線
が垂直方向に反対の一対のホール効果素子の両方を貫く
ので、磁場の“再方向付け”によって生成した電圧が蓄
積し、一方、例えば、垂直にホール効果素子を貫く外側
干渉磁場のために、生成したホール電圧が互いにキャン
セルする。さらに、技術依存オフセット電圧は少なくと
も部分的に補償される。従って、ホール効果素子2.1
と2.4とは信号S1を生成し、ホール効果素子2.2
と2.5とは信号S2を生成し、ホール効果素子2.3
と2.6とは信号S3を生成する。出力信号S1、S2
及びS3の強さは面9における磁場の方向に依存する。
ると、磁場はそれと共に回転し、120°だけ位相シフ
トした正弦波出力信号S1、S2及びS3を生成する。
永久磁石10の磁場の方向が2つのホール効果素子2.
1及び2.4を結合する軸に対して平行であるときに
は、出力信号S1は常に最大であり、また、永久磁石1
0の磁場の方向が2つのホール効果素子2.3及び2.
5を結合する軸に対して平行であるときには、出力信号
S2が常に最大であり、…。欧州特許出願EP9540
85に記載されているように、出力信号S1、S2及び
S3を電気モータ12の3個のコイルを制御するのに用
いることができる。
3は電気モータ12が静止しているときに回転軸11の
回転角φを決定するためにも用いることができる。ここ
で、可能な限り、永久磁石10の磁場に起因しない出力
信号S1、S2及びS3上に信号が重ならないことが重
要である。ペアとして結合した各ホール効果素子を使っ
た提案例はこれに対して特に適している。というのは、
外部干渉場の影響が主に除去されかつ技術依存オフセッ
ト電圧がほとんど補償されるからである。個々のホール
効果素子2.1から2.6の代わりに、2個又は3個以
上のホール効果素子を備えたホール効果素子のグループ
を用いるとき、これによって電流方向が1グループの様
々なホール効果素子で異なるので、技術依存オフセット
電圧はさらに低減することができる。
17がそれぞれ2つのホール効果素子2.1から2.8
と共に利用可能な図3で示す。ホール効果素子の径方向
に反対に位置するグループが結合してペアとなり、その
ため、センサが2つの出力信号S1とS2とを出す。従
って、これは、出力信号S1がホール効果素子2.1、
2.2、2.5及び2.6のホール電圧から形成され、
かつ、出力信号S2がホール効果素子2.3、2.4、
2.7及び2.8のホール電圧から形成される。図3で
は、ホール効果素子は十字形状であり、各ホール効果素
子は、ホール効果素子内の電流方向を示す矢印によって
指定される。この例を用いると、磁場コンセントレータ
3も、前の例で示したような円状構造に向かい合うよう
に、ホール効果素子の位置での磁場をより大きくするこ
とにつながる十字構造を有する。必要ならば、出力信号
S1及びS2の値を回転角φの関数として格納すること
が可能である。出力信号S1及びS2は位相シフトして
いるので、出力信号S1及びS2をもとに、回転角φを
容易に明瞭にかつ唯一つ決定することができる。
表示でなく概略図として、回転軸11(図1も参照)に
対して面の径方向反対側に位置した2つの集積ホール効
果素子2.1と2.4とを備えた半導体チップ1と円状
磁場コンセントレータ3とを示している。2つのホール
効果素子2.1及び2.4の領域における永久磁石10
(図2)によって生成された場の強さ及び方向は垂直軸
で示している。x軸の正方向における磁場コンセントレ
ータ3の理想位置からのシフトは、ホール効果素子2.
1のホール電圧の低下とホール効果素子2.4のホール
電圧の増加との原因となる。好適には、磁場コンセント
レータ3の直径は2つのホール効果素子2.1と2.4
との間の距離に適用され、そのため、ホール効果素子
2.1及び2.4に対する磁場コンセントレータ3の理
想位置付けと共に、2つのホール効果素子2.1及び
2.4は磁場の強さが最大に達するゾーン内に位置して
いない:ホール効果素子2.1及び2.4は図4で示し
た中心により近接しているか、または、中心からさらに
離れて位置しているかいずれかである。このように、2
つのホール効果素子2.1及び2.4はに対する磁場コ
ンセントレータ3の様々な位置変動の影響は最小化され
ている。
してモータが静止しているときの回転角は重要でないな
らば、一対のホール効果素子が使用可能なときにだけで
十分である。第1の実施形態では、これらはホール効果
素子2.1及び2.4である。
えば多角形の形状の磁場コンセントレータを使用するこ
とができる。特に、フォトリソグラフィのために、ポリ
ゴンによって円形に近づくことが賢明である。同様に、
ホール効果素子の数を増やすことができる。
施形態を示している。垂直ホール効果素子は、ホール効
果素子を貫通する磁場の半導体チップ1の表面8に平行
な成分に敏感である。エレクトロニクスで集積すること
ができる垂直ホール効果素子は例えば米国特許5572
058に記載されている。垂直ホール効果素子2は磁場
コンセントレータ3の端部4に対して接線方向に並んで
いる。それらは、磁場コンセントレータ3の端部4の領
域に位置するが、磁場コンセントレータ3や水平ホール
効果素子の下ではなく、半導体チップ1の表面8に平行
に走る磁場の磁力線13(図2)が最大である磁場コン
セントレータ3が最大のところである磁場コンセントレ
ータ3のそとへ面方向にはずれたしたところである。
領域の磁場の平行に走る磁力線(図2)の強さを示して
いる。ここで、矢印の長さは磁場の強さに比例する。
決策は以下のような利点を有する: a)ホール効果素子は磁場の垂直成分が最大である永久
磁石の端部領域に位置せず、水平成分が最大である回転
軸領域に位置するので、永久磁石に対するホール効果素
子の位置は決定的に重要ではなく、そのため、ホール効
果素子を集積するホール効果素子の配置は永久磁石の端
部の位置に独立して行うことができる。 b)磁場コンセントレータはさらにホール効果素子の領
域の磁場を増幅する。 c)ホール効果素子の処理エレクトロニクスは同じチッ
プ上に集積することができる。 d)通常の処理許容範囲内の設定位置からの磁場の実際
の位置のずれは生成される信号上にほとんど影響を与え
ない。
許出願893668に記載した応用についての角度セン
サとして適している。
グ形状を有する発明に対応したセンサの第3の例を示し
ている。これは、リングの中心において、ホール効果素
子2’上への垂直入射を測定することができる磁場の成
分を有するさらなる水平ホール効果素子の配置を可能に
する。このようなセンサは例えば、それが3つの次元で
外側磁場の方向の決定を可能にするように、ジョイステ
ィックにおいて使用するのにも適している。
で、ホール効果素子2’に垂直に入射する磁場の成分に
実際には何の影響もない。図7bで示したセンサも、そ
れが3つの次元で外側磁場の方向の決定を可能にする。
しかしながら、ここで、始めに磁場コンセントレータ3
が水平成分を増幅し、次に設定位置からの磁場コンセン
トレータ3のずれを伴って、磁場の水平成分も垂直方向
にホール効果素子2’を貫通することができるので、垂
直成分が水平成分に重なってしまうという意見が存在す
る。
磁性リングの幅が厚さと同程度であるときに、磁場コン
セントレータ3も磁場の垂直成に対してコンセントレー
タとして作用することができる。2つのホール効果素子
2.1及び2.3の信号の和又は2つのホール効果素子
2.2及び2.4の信号の和から、磁場の垂直成分に比
例する信号を得ることができ、一方、上述で証明したよ
うに、差から磁場の水平成分を得ることができる。ホー
ル効果素子2’は省略することができる。
×数10μmの比較的小さな面積を必要とする。円状磁
場コンセントレータの直径は約0.2mmから0.5m
mの値である。理想的な場合には、磁場コンセントレー
タの直径は、通常1.3mm又はそれ以上の値である永
久磁石の直径より小さい。
ンセントレータにおいて飽和効果につながる。磁場コン
セントレータが少なくとも部分的に磁場が飽和するよう
に、永久磁石とセンサとの間の設定距離を選択したと
き、これは、出力信号S1、S2等がセンサからの永久
磁石の距離揺らぎに依存しないか又はわずかだけ依存す
るという利点を有する。
し、それによって、回転永久磁石が使用されるホール効
果素子の数と同じ数だけ回転あたりのパルスを生成す
る。
規定素子として作用する永久磁石と共に、角度センサと
して、3個のコイルを有する電気モータの制御に対して
適している、3個の磁場コンセントレータ18.1、1
8.2と18.3を有する角度センサを示している。磁
場コンセントレータ18は、対称点19に対して対称
に、すなわち、120°の回転対称性を有して配置して
いる。水平ホール効果素子2.1、2.2、又は2.3
が、対称点19に向いた各磁場コンセントレータの端部
4の領域に配置している。磁場コンセントレータの端部
4は2つの範囲に分割される、すなわち、磁場の磁力線
の密度が2つのへり20の間のギャップにおいて可能な
限り一様でありかつピークの飽和が回避されるように磁
場コンセントレータ18の反対のへり20が平行に走る
内部範囲と、ここで磁場が“短絡”することを回避する
ために近傍の磁場コンセントレータの間の距離がはるか
に大きい外側範囲とに分割される。磁場コンセントレー
タ18.1、18.2と18.3の外側端部21が、ホ
ール効果素子2.1、2.2及び2.3の領域において
できるだけ効率的に外側磁場を集中するため、かつ、信
号の角度依存性に影響を与える飽和ピークを回避するた
めに、できるだけ大きな角度範囲に拡がっている。この
例によって、各ホール効果素子2.1、2.2及び2.
3は出力信号S1、S2,及びS3を出す。
3の代わりに、ホール効果素子のグループもそれらの間
ですでにオフセット補正されたことを予め知ることが可
能である。
おいて決めることが可能なさらに2つのセンサを示して
いる。ここで、対称点19に関して互いに径方向で反対
に位置した2個のホール効果素子が一対に結合してい
る。ホール効果素子2.1と2.3とで出力信号S1を
生成し、ホール効果素子2.2と2.4とで出力信号S
2を生成する。出力信号S1及びS2から、センサの面
9における磁場の方向を決定することができる。
磁場コンセントレータは平坦に形成する必要はない。そ
れらは、ホール効果素子の領域にできるだけ効果的に磁
場を集中するために、端部へいくほど厚くすること、あ
るいはさらなる外部磁場コンセントレータに結合するこ
とができる。
8.1、18.2及び18.3と、隣接する磁場コンセ
ントレータ18.1、18.2及び18.3の平行に延
びるへり20の間の中心に各々配置する3個の垂直ホー
ル効果素子2.1、2.2及び2.3とを有する実施形
態を示している。
センサの一実施形態を示す概略構成図である。
る。
す概略構成図である。
センサの一実施形態を示す概略構成図である。
センサの一実施形態を示す概略構成図である。
ことができる本発明に係るセンサの概略構成図である。
(b)外側磁場の方向を3方向で決定することができる
本発明に係るセンサの概略構成図である。
る。
る。
ある。
ある。
ンセントレータ 4 端部 5、19 対称中心 10 永久磁石 11 回転軸 14、15、16、17 ホール効果素子 20 へり
Claims (10)
- 【請求項1】 −平らな形状を有する1個の磁場コン
セントレータ(3)と、 −少なくとも第1のホール効果素子(2.1)及び第2
のホール効果素子(2.2)、又は、少なくとも第1の
グループのホール効果素子の(14)及び第2のグルー
プのホール効果素子(15)とを備え、 ホール効果素子が磁場コンセントレータ(3)の端部
(4)領域に配置している磁場方向検出センサ。 - 【請求項2】 磁場コンセントレータ(3)が対称中
心(5)を有し、第3のホール効果素子(2.4)及び
第4のホール効果素子(2.5)、又は、第3のグルー
プのホール効果素子(16)あるいは第4のグループの
ホール効果素子(17)を備え、ホール効果素子が磁場
コンセントレータ(3)の端部(4)領域に配置し、第
1のホール効果素子(2.1)と第3のホール効果素子
(2.4)とが、又は、第1のグループのホール効果素
子の(14)と第3のグループのホール効果素子(1
6)とが対称中心(5)に対して対称に配置し、第2の
ホール効果素子(2.2)と第4のホール効果素子
(2.5)とが、又は、第2のグループのホール効果素
子(15)と第4のグループのホール効果素子(17)
とが対称中心(5)に対して対称に配置していることを
特徴とする請求項1に記載の磁場方向検出センサ。 - 【請求項3】 ホール効果素子(2.2)が水平ホー
ル効果素子であることを特徴とする請求項1又は請求項
2のいずれかに記載の磁場方向検出センサ。 - 【請求項4】 ホール効果素子(2.2)が磁場コン
セントレータ(3)の中心を向いて磁場コンセントレー
タ(3)の端部側に配置していることを特徴とする請求
項3に記載の磁場方向検出センサ。 - 【請求項5】 ホール効果素子(2.2)が水平ホー
ル効果素子であって、かつ、磁場コンセントレータ
(3)の外側に配置していることを特徴とする請求項1
又は請求項2のいずれかに記載の磁場方向検出センサ。 - 【請求項6】 −対称中心(19)の領域において部
分的に互いに平行に延びた隣接したへり(20)に対向
する、一平面において対称中心(19)に対して対称に
配置した少なくとも3個の磁場コンセントレータ(1
8.1、18.2,18.3;18.1、18.2,1
8.3、18.4)と、 −1個の磁場コンセントレータ(18.1、18.2,
18.3;18.1、18.2,18.3、18.4)
に対して、1個のホール効果素子(2.1、2.2.
2、2.3;2.1、2.2.2、2.3、2.4)又
は1グループのホール効果素子とを備え、ホール効果素
子が各磁場コンセントレータ(3)の端部(4)の平行
に延びるへり(20)の領域に配置している磁場方向検
出センサ。 - 【請求項7】 ホール効果素子(2.1、2.2.
2、2.3;2.1、2.2.2、2.3、2.4)が
水平ホール効果素子であることを特徴とする請求項6に
記載の磁場方向検出センサ。 - 【請求項8】 ホール効果素子(2.1、2.2.
2、2.3;2.1、2.2.2、2.3、2.4)が
垂直ホール効果素子であることを特徴とする請求項6に
記載の磁場方向検出センサ。 - 【請求項9】 1個の磁場コンセントレータ又は複数
の磁場コンセントレータ(3;18.1、18.2,1
8.3)が金属ガラスから成ることを特徴とする請求項
1から請求項8のいずれか一項に記載の磁場方向検出セ
ンサ。 - 【請求項10】 請求項1から請求項9のいずれか一
項に記載のセンサについての回転軸(11)の回りに回
転可能な物体の回転位置を決定する角度センサとしての
応用であって、永久磁石(10)が回転軸(11)に固
定されているものにおいて、センサと永久磁石(10)
との間の距離が磁場コンセントレータ(3)が磁気的に
少なくとも部分的に飽和するように選択されていること
を特徴とする磁場方向検出センサの応用。
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