JP2005534913A - 磁場センサ−と磁場センサ−の操作方法 - Google Patents
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Abstract
二つのセンサーより構成され、そして磁場の少なくとも一つの成分を測定する。強磁性コア−(4)はリング状または円盤状である。磁場センサーの操作については、強磁性コア−(4)の磁化が読み取りセンサーに信号を発生させないような、予め決められた磁化状態に強磁
Description
図1は外部磁場の二つの成分の測定のため半導体チップ1として形成される磁場センサーの設計図概観を示す。実例を明確化するために、図で座標原点を磁場センサーの外側に配置したx,y,z直行座標系が参照系として役立ち、ここでz軸の方向は投影面に垂直に走る。本磁場センサーは電子回路2、例えば4回巻きの巻線を持つ励磁コイル3、リング状の強磁性コア−4と二つの読み取りセンサー5、6から構成される。強磁性コア−4は平面的に広がり、従ってxy平面の位置を決める。読み取りセンサー5は磁場のx成分の取得に役立ち、読み取りセンサー6は磁場のy成分の取得に役立つ。読み取りセンサー5、6は場所的に分離され、しかし電気的には結合された二つのセンサーより構成されることが望ましい。磁場センサーは次のような技術を用いて製造される。即ち励磁コイル3や読み取りセンサー5、6の一部である電子回路2は、最初に標準的なCMOS技術を用いて製造され、次に強磁性コア−がいわゆる後工程にて付けられる。そうする場合、アモルファス状の強磁性材のテ−プが半導体回路のウェ−ハに接着され、光食刻法や化学的エッチングの手段により組み立てられる。ウェ−ハを個々の半導体チップに切断後に、励磁コイル3の巻線はワイヤーボンディング(図示)またはフリップチップ技術のどちらかを用いて、基質上に半導体チップを取り付けることにより完成する。電子回路2は励磁コイル3を通って流れる電流を発生させ、読み取りセンサ−5、6より提供される信号を評価することに役立つ。
I=20*Hc*D*π/n (1)
上式によりI≒4.5mAの電流が得られる。強磁性コア−4はエヤ−ギャップが無いため、少しの磁場、従って低い電流Iで磁気的に飽和させることが可能である。
図3はリング状の強磁性コア−4を含んだ別の磁場センサーの設計図概観で、励磁コイル3はリング状の強磁性コア−と共に強磁性コア−4の下に配置されるスパイラル状の導線経路16を持つフラットコイル15(平らな巻き線)として形成される。導線経路16はスパイラル状に走るが、それにも拘らず強磁性コア−4と殆ど同心円状である。
この例は殆ど第二の具体例に一致するが、導線経路19の代わりにリング状強磁性コア−4の外側に配置される接続点20にてフラットコイル15の第一の端17と接続するボンドワイヤー8が存在する。フラットコイル15とボンドワイヤ−8は異なる側で強磁性コア−を横切るため、即ちフラットコイル15は下を、そしてボンドワイヤー8は上を横切るため、その結果、強磁性コア−を囲み、第一の具体例に於ける励磁コイルと同じような作用をする一回巻きの補助コイルが一つ存在することになる。第二の具体例と対照的にボンドワイヤー8を通って流れる電流はフラットコイル15を通って半径方向に流れる電流を相殺しない。フラットコイル15とボンドワイヤー8の組み合わせは、コア−4の磁化が読み取りセンサー5、6に信号を発生させないように予め決められた磁化状態に非常に効率的な方法で持ち込むことが出来る励磁コイル3に相当する。
第一の方法では、強磁性コア−4を均一に磁化するため、予め決められた時間だけ磁化コイル3へ電流I(t)を印加する。励磁コイル3を通って流れる電流I(t)により発生する磁場B(t)は強磁性コア−4の中で同心円状に閉じた線に沿って走る。この磁場は円形磁場と呼ばれる。電流I(t)は例えば直流のパルス電流でその強さは最初は増加し次にゼロに減少する。外部の影響により生ずる磁化を完全に相殺するため、直流電流I(t)は強磁性コア−4がなるべく磁気的に飽和するまで、または磁気的に殆ど飽和するまで増加させ、そして再度ゼロに減少させる。直流電流I(t)の最大値はその強さが強磁性コア−4の材料の強制磁場力Hcより大きい、できれば2〜3倍大きい値の磁場を強磁性コア−4の中に発生させる。直流電流I(t)の最大値は干渉磁場により発生する強磁性コア−の磁気的反転が相殺できるような高い値を選ぶべきである。そうする場合、必要な電流の強さは強磁性コア−4の磁化曲線によって決まる。このようにして強磁性コア−4は磁化され、ここではその磁化は強磁性材料の残留磁気におおよそ一致する。第一の具体例にある強磁性コア−4のリング状の構造は、その磁化により発生する磁場の磁力線が強磁性コア−4の中で閉じているという利点がある。強磁性コア−の外側に磁化により発生する磁場はホール素子10〜13の感応方向に直角に走り、従ってホール電圧は発生しない。
この第二の方法は外部磁場の各測定のために行われる。測定は二つの個別の測定からなる。測定は以下のステップに従い行われる。
ステップ:
直流電流が励磁コイル3に印加され、これにより電流は励磁コイル3を通って第一の方向に流れる。
出力信号は読み取りセンサー5と6より読み取られる。
直流電流I(t)が励磁コイル3に印加され、これにより電流は励磁コイル3を通って第一の方向と反対の方向に流れる。
出力信号は読み取りセンサー5と6より読み取られる。
ステップbとdで読み取りセンサー5より読み取られた出力信号は加算され、そして読み取りセンサー6により測定された出力信号が加算される。
この方法では直流電流が励磁コイル3に予め決められた時間だけ印加される。フラットコイル15を流れる電流I(t)は強磁性コア−を半径方向に磁化する。磁化の磁力線の進路はz平面の断面を表す図5に矢印21で表現される。フラットコイル15により、強磁性コア−4は効率的な方法で磁化することができる。この磁化に関しては磁力線は強磁性コア−4の中で閉じていない。半径方向の磁化は強磁性コア−4の外側に残留磁場を発生させる。しかしこの磁場は強磁性コア−4の対称軸に対して対称である。この磁場の磁力線は全てのホール素子10〜13に対して同一方向に走るため、従って全てのホール素子10〜13に同一のホール電圧を発生させる。読み取りセンサー5と6は夫々二つの反対に接続されるホール素子より構成されるため、これらのホール電圧は読み取りセンサー5と6の出力信号に影響を与えない。
この方法では交流電流が励磁コイル3に印加される。フラットコイル15と電気的に導電性のある強磁性コア−4は変圧器として作用し、ここではフラットコイル15はn回巻の一時巻線を形成し、強磁性コア−4は一回巻の二次巻線を形成する。従って理想的な結合状態では、強磁性コア−4に誘導される交流電流はフラットコイル15を通って流れる交流電流よりn倍大きい。強磁性コア−4に誘導される交流電流は、強磁性コア−4に磁力線が図6で示される進路をとるコア−4の交流磁化状態を生じさせ、これらの磁力線は強磁性コア−4の中で閉じている。
直流電流が励磁コイル3に印加される(方法1.1と2.1と同様に)。フラットコイル15のせいで、強磁性コア−4は第二の具体例の方法1.2と同様に効率的な方法で磁化される。付加コイルは追加的に第一の具体例の場合と同様に強磁性コア−4に円形磁場を生じさせる。強磁性コア−4の最終的な磁化状態は今度はもはや半径方向ではなく付加的に接線方向の成分を持つ。この磁化状態は図7に示される。図7は強磁性コア−4の設計図概観である。磁化の局部的な方向は矢印21により描かれる。直流電流を切ると強磁性コア−4の個々の磁区における磁化は接線方向に変わり磁力線は閉じる。
一定振幅の交流電流が励磁コイル3に印加されると、強磁性コア−4の中の磁区はらせん状になる。もし交流電流が切れると磁区はそれらにより発生する磁場の磁力線が閉じることができるように自動的に方向を変える。この様にして強磁性コア−4の円形磁化は方法1.3の場合と同様に達成することが出来る。
1:半導体チップ
2:電子回路
3:励磁コイル
4:リング状強磁性コア−
5、6:読み取りセンサー
7:導線経路(7)
8:ボンドワイヤー
9:回路
10、11、12、13:ホール素子
X:x軸
Y:y軸
図2
4:強磁性コア−
10、11:ホール素子
14:外部磁場の磁力線
図3
3:励磁コイル
4:強磁性コア−
8:ボンドワイヤー
9:回路
10.、11、12、13:ホール素子
15:フラットコイル
16:導線経路(16)
17:導線経路(16)の一端
18:導線経路(16)の他端
19:導線経路(19)
20:接続点
X:x軸
Y:y軸
図4A
4:強磁性コア−
図4B
4:強磁性コア−
図5
1:半導体チップ
4:強磁性コア−
16:導線経路(16)
21:磁化による磁力線の方向
図6
1:半導体チップ
4:強磁性コア−
16:導線経路(16)
21:磁化による磁力線の方向
図7
4:強磁性コア−
21:磁化による磁力線の方向性コア−(4)を持ち込むために、励磁コイル(3)に電流を一時的に印加する。
Claims (11)
- 強磁性コア−(4)は予め決められた磁化状態に磁化され、強磁性コア−(4)に予め決められた磁化状態を復元するために励磁コイル(3)に一時的に電流を印加するための励磁コイル(3)と電子回路(2)が存在する事を特徴とする、測定すべき磁場の少なくとも一つの成分が存在する平面に広がり、そして磁場集束機として役立つ半導体チップ(1)に取り付けられたリング状の強磁性コア−(4)と、半導体チップ(1)にまとめられ、強磁性コア−(4)の外周付近に配置され、磁場の少なくとも一つの成分を測定する少なくとも一つのセンサ−を含む読み取りセンサ−(5)を持つ、磁場の少なくとも一つの成分の測定のための磁場センサー。
- 強磁性コア−(4)が円形状に磁化されることを特徴とする請求項1による磁場センサー
- 励磁コイル(3)は強磁性コア−(4)を囲む少なくとも一回巻きの巻線からなる事を特徴とする請求項1または2による磁場センサー
- 強磁性コア−(4)は半径方向に磁化されることを特徴とする請求項1による磁場センサー
- 励磁コイル(3)はその巻線が強磁性コア−(4)の下側をらせん状に走るフラットコイルよりなることを特徴とする請求項1から4のいずれかによる磁場センサー
- 読み取りセンサー(5)を形成する少なくとも一つのセンサーはホール素子10であることを特徴とする請求項1から5のいずれかによる磁場センサー
- 読み取りセンサーは強磁性コア−(4)の対称軸に対して直径方向に正反対の位置に配置される二つのホール素子10、12からなることを特徴とする請求項1から6のいずれかによる磁場センサ−
- 強磁性コア−(4)のリングの幅は強磁性コア−(4)の直径の5%より少ない値であり、強磁性コア−(4)のリングの高さは強磁性コア−(4)の直径の5%より少ない値であることを特徴とする請求項1から7のいずれかによる磁場センサー
- 強磁性コア−は特定のタイミングで励磁コイル(3)に一時的に電流を印加することにより磁化されることを特徴とする、磁場センサーは測定すべき磁場の少なくとも一つの成分が存在する平面に広がり、そして磁場集束機として役立つ半導体チップ(1)に取り付けられたリング状の強磁性コア−(4)と、半導体チップ(1)にまとめられ強磁性コア−(4)の外周付近に配置され、磁場の少なくとも一つの成分を測定する少なくとも一つのセンサーを持つ読み取りセンサー5からなり、磁場の少なくとも一つの成分の測定のための磁場センサーの操作方法
- 直流のパルス電流の最大値は強磁性コア−(4)の材料の強制磁場の強さより大きい磁場を発生させるような、直流のパルス電流を強磁性コア−(4)を磁化するため励磁コイル(3)に印加することを特徴とする請求項9による方法。
- 以下のステップによることを特徴とする請求項9による方法
直流のパルス電流を励磁コイル(3)に付加する。これにより電流は励磁コイル(3)を通って最初の方向に流れる。
読み取りセンサー(5)の出力信号を読み取る。
直流のパルス電流を励磁コイル(3)に印加する。これにより電流は励磁コイル(3)を通って最初の方向と反対方向に流れる。
読み取りセンサー(5)の出力信号を読み取る。
ステップbとdで測定された読み取りセンサー(5)の信号を合計する。
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