JP2007518090A

JP2007518090A - 角度測定用のａｍｒセンサ素子

Info

Publication number: JP2007518090A
Application number: JP2006548439A
Authority: JP
Inventors: シュテファン、ブッツマン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2007-07-05
Also published as: US20080043381A1; CN100504306C; DE602004024716D1; EP1704388A1; ATE452328T1; EP1704388B1; US7602176B2; CN1902465A; WO2005075943A1

Abstract

センサデバイスの基準軸に対する外部磁場の角度（α）を検出するためのセンサデバイスを備える磁気抵抗角度センサ（１００）であって、前記センサデバイスによって、測定結果が製造誤差による影響を受ける事がないように前記角度（α）を測定する事が可能となるような磁気抵抗角度センサ（１００）、を提供するために、前記センサデバイスが、平坦なＡＭＲ層（１４、１５）を備え、前記ＡＭＲ層（１４、１５）が、電流（Ｉ）を印加するための１つの電気接点（Ｋ_０）と、前記ＡＭＲ層（１４、１５）を通る電流の流れを測定するための複数の電気接点（Ｋ_ｉ）とを有することが提案される。

Description

本発明は、センサデバイスの基準軸に対する外部磁場の角度αを検出するためのセンサデバイスを備える磁気抵抗角度センサに関する。

磁気抵抗センサは通常、自動車技術において、角度を検出し、これにより特に、ペダルの位置又はスロットルの位置を監視及び制御するのに使用される。この場合、磁気抵抗角度センサは通常、互いに４５°だけオフセットのある２つのホイートストンブリッジからなり、それらのブリッジが、外部磁場にさらされている。それらの２つのブリッジはそれぞれ、それらのブリッジによって形成されているセンサ又はセンサデバイスの基準軸に対する外部磁場の角度αの関数として、以下の関係を用いて当業者に知られた形式で表す事ができるような、角度依存性のある電圧出力信号を供給する。
Ｕ_１＝Ｕ_０ｓｉｎ（２α）。
Ｕ_２＝Ｕ_０ｃｏｓ（２α）。

但し、Ｕ_１及びＵ_２は、２つのブリッジの電圧出力信号であり、Ｕ_０は、出力信号の電圧振幅（これは特に周囲温度に依存する）であり、αは、センサデバイスの基準軸に対する外部磁場の角度である。

センサ又はブリッジに対する外部磁場の角度αは、これらの出力信号から、例えばＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを用いて計算される。このアルゴリズムを実行するには、ブリッジのアナログ出力信号が、アナログデジタル変換器によってデジタル信号に変換されなければならない。

次いで、センサに対する外部磁場の角度αは、同じく既知の関係を用いて、例えばこの目的に適したデジタル信号処理手段を使用して決定される。
α＝（１／２）ａｒｃｔａｎ（Ｕ_１／Ｕ_２）＝（１／２）ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎ（２α）／ｃｏｓ（２α））。

出力電圧Ｕ_２の符号を考慮し、角度αは、１８０°にわたるａｒｃｔａｎ関数を用いて極めて高精度に計算する事ができる。

センサデバイスを形成するためのホイートストンブリッジは通常、ＡＭＲ層内にミアンダリングに（即ち曲がりくねって）配置された抵抗体の形で設計される。この場合の１つの不都合は、ミアンダリング抵抗体構造（ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇｒｅｓｉｓｔｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）のエッチング中の製造許容誤差（ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ）が原因で、比較的大きなオフセット信号が生成されてしまい、これらのオフセット信号が、角度測定に誤差としてダイレクトに含まれてしまう事である。特に、ミアンダリング構造のエッジ（ふちの部分）では、強いオフセット信号を引き起こすようなアンダーカット（ｕｎｄｅｒｃｕｔｓ）が生じる事がある。ブリッジから得られる出力信号を評価する際には、このオフセットが、技術的に複雑な評価ユニットによって考慮されなければならない。

本発明の目的は、磁気抵抗角度センサを規定することであり、当該磁気抵抗角度センサは、その設計が要因でかなり小さめのオフセット信号を有し、従って、より精密な測定を可能にするものであり、当該磁気抵抗角度センサでは、出力信号が、評価用にダイレクトに供給され得るものとする。この目的は、請求項１に記載の特徴（ｆｅａｔｕｒｅｓ）によって達成される。

本発明の中核となる概念は、１つのホイートストンブリッジの複数のミアンダリング抵抗体が、単一の、連続的で、平坦な、１つのＡＭＲ層で置き換えられることであり、当該ＡＭＲ層は、電流を印加するための１つの電気接点（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｔａｃｔ）を有する。更には、当該ＡＭＲ層上に、複数の電気接点が形成され、これにより、いずれの場合も、前述の１つの電気接点から、当該複数の電気接点の内の１つへの、電流の流れが検出できるようになる。これは、外部磁場が印加された場合に、当該ＡＭＲが、外場が印加されている方向にその最大電気抵抗を有する、ということを利用したものである。従って、当該ＡＭＲは、外部磁場のこの方向と垂直な方向にその最小抵抗を有する。従って、上記の複数の電気接点と、電流を供給するための上記の１つの電気接点と、の間の電流の流れを決定することで、当該ＡＭＲ層に対する外部磁場の方向は、最も少ない電流が流れる接点を決定することで決定できるようになる。

ＡＭＲ層の外形は、基本的に任意に選択してよい。ＡＭＲ層は、好ましくは以下に説明する方法で設計される。電流の流れを測定するための電気接点の個数もまた、基本的に任意に選択してよく、理論上は無制限の個数の電気接点を設けてよい。複数の電気接点の、電流を印加するための１つの電気接点からの距離は、外部磁場の方向と垂直な方向に十分な電流の流れを実現するのに十分に長くなるよう選択されなければならない。

本発明の利点は、磁気抵抗ＡＭＲ層の平坦な設計が要因で、ＡＭＲ層のエッジ（ふちの部分）のアンダーカットが、事実上、測定結果に影響を及ぼさないことにある。なぜならば、ＡＭＲ層の表面積と比べたエッジの長さが、ホイートストンブリッジの既知のミアンダリング構造の場合よりもかなり短いからである。結果として、出力信号は、事実上もはや、オフセット信号により歪曲（ｆａｌｓｉｆｙ）される事がなくなり、オフセット信号を被る事もなくなる。

本発明の有利な発展形態は、従属請求項で特徴付けられる。

請求項２に記載のようなＡＭＲ層の発展形態は、センサデバイスが、外部磁場の全ての可能な向きに関して対称となるように設計される事を意味する。従って、このセンサデバイス又はこれを具備する磁気抵抗角度センサは、外部磁場と円形のＡＭＲ層との間のいかなる角度も検出する事ができる。

有利には、円形のＡＭＲ層において、電流を印加するための電気接点が、請求項３に記載のように、当該円形のＡＭＲ層の中心に配置される。それにより、このようにして形成されるセンサデバイスの対称的な設計が実現され、特に、請求項４に記載のように、当該円形のＡＭＲ層のエッジに配置された更なる複数の電気接点が存在する場合には、当該ＡＭＲ層を流れる磁束がそれぞれ、外部磁場の向きに拘らず、中心の接点からエッジの接点へと、当該ＡＭＲ層の等しい長さの経路を通過する。この場合、エッジにある複数の電気接点は、好ましくはエッジの周りに等間隔で分布するように配置される。有利な一発展形態では、８つの電気接点がエッジに設けられる。これにより、外部磁場とセンサデバイスの仮想基準軸（ｉｍａｇｉｎａｒｙｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｘｉｓ）との間の角度の十分に精密な分解能が、測定結果を外挿する事で得られるようになる。ＡＭＲ層が外部磁場の角度に対して１８０°の周期性を有するので、いずれの場合も、２つの対向するエッジの接点を通って流れる電流を加え、これにより、このようにして４つの差電流信号（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｇｎａｌｓ）を得る事が特に有利である。第１の電流信号は、エッジの接点１及び５を通って流れる電流によって得られ、第２の電流信号は、接点２及び６を通って流れる電流によって得られ、第３の電流信号は、接点３及び７を通って流れる電流によって得られ、第４の電流信号は、接点４及び８を通って流れる電流によって得られる。第１の差電流信号から第３の差電流信号が引かれ、第２の差電流信号から第４の差電流信号が引かれた場合には、更なる２つの電流信号が得られ、それらの２つの電流信号は、３６０°の角度範囲にわたって見ると、いずれの場合も、既知のホイートストンブリッジの出力電圧に対応するサイン波形又はコサイン波形を有する。外部磁場とセンサデバイスとの間の角度αは、同じく既知の方法でこれらの信号から導き出す事ができる。

請求項５に記載の、代わりの一発展形態では、ＡＭＲ層が、基本的に半円形となるように設計される。前述のような全円（ｆｕｌｌｃｉｒｃｌｅ）の表面積の半分しか必要とならないので、結果として特に、センサデバイスのサイズを縮小する事ができる。前述のように、ＡＭＲ層は外部磁場に対して１８０°の周期性を有するので、ＡＭＲ層の半円形設計で十分なのである。

請求項６に記載のようなＡＭＲ層の発展形態によれば、ＡＭＲ層が半円形に設計された場合には、電流を印加するための１つの電気接点がここでも、半円形のＡＭＲ層の、関連する全円の中心に、即ち、半円の直線サイド（ｓｔｒａｉｇｈｔｓｉｄｅ）の中点に、配置される。

更には、請求項７に記載のように、複数の電気接点、特に、５つの電気接点が、半円形のＡＭＲ層のエッジに配置されることが提案され、これらの電気接点は、ＡＭＲ層の半円エッジ（ｓｅｍｉｃｉｒｃｕｌａｒｅｄｇｅ）に配置され、互いに等間隔で分布する事になる。従って、外部磁場とセンサデバイスとの間の角度の十分な分解能が可能になる。この場合、前述のサイン信号及びコサイン信号は、第１の接点を通る電流と第５の接点を通る電流とを足し合わせ、それから第３の接点を通る電流を差し引く事によって、又は、第２の接点を通る電流から第４の接点を通る電流を差し引く事によって得られる。

磁気抵抗角度センサの測定精度を向上させるために、請求項８では、次のような提案がなされている。即ち、複数の電気接点を同じ電位に置き、これにより、複数の接点で測定される電流の強度に影響が及ぶのを避けるようにする、との提案である。特に、漏電電流が流れないようにする又はエラー電圧が現れないようにするために、全ての電気接点が、グラウンド電位に置かれる。

請求項９に記載の発展形態により、当業者がＡＭＲ層を簡単に製造できるようになる。当業者は、一のシリコン支持基板に一のパーマロイ層を形成し、前記の一のパーマロイ層に複数の電気接点を設ける事ができるところ、ＡＭＲ層の上述の発展形態によれば、製造中にＡＭＲ層のエッジで生じるパーマロイ層のいかなるアンダーカットも、事実上影響がなくなり、従って、センサの測定結果が、歪曲されなくなる。

そのようなセンサは、回転する物体の角度を測定する事が望まれるあらゆる技術分野で使用可能である、という事が理解されよう。しかし、有利には、そのようなセンサは、自動車技術において、請求項１０に記載のように特に、ペダルの位置及び／又はスロットルの位置を監視及び制御し、これにより、エンジンのパワーを調節するのに使用される。そのようなセンサで実現可能な、外部磁場とセンサとの間の角度の角度分解能は、自動車技術における用途には十分である。

本発明について、図面に示す２つの実施形態の例を参照しつつ更に説明するが、本発明は、それらの例に限定されるものではない。

図１に示すＡＭＲ角度センサ１０は本質的に、２つのホイートストンブリッジ１１及び１２からなり、ホイートストンブリッジ１１及び１２には、互いに４５°だけオフセットがあり、ホイートストンブリッジ１１及び１２は各々、４つのミアンダリング抵抗体１３で構成されている。外部磁場がこのＡＭＲ角度センサ１０を通過すると、いずれの場合も出力電圧Ｕ_１＝Ｕ_０ｓｉｎ（２α）及びＵ_２＝Ｕ_０ｃｏｓ（２α）が、既知の態様で２つのホイートストンブリッジ１１及び１２において誘導されることになる。外部磁場とＡＭＲ角度センサ１０との間の角度α、即ち、外部磁場とＡＭＲ角度センサ１０における基準軸との間の角度αは、図２に示すように、これらの出力電圧から、既知のＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを用いて決定可能である。

図３は、磁気抵抗角度センサ１００を示し、該磁気抵抗角度センサ１００は本質的に、円形のＡＭＲ層１４と、好ましくはシリコン支持基板上のパーマロイ層からなる。中心に配置されているのは電流接点Ｋ_０であり、該電流接点Ｋ_０を通って、電流ＩがＡＭＲ層１４内へと流れる。８つの接点Ｋ_１〜Ｋ_８は、中心の接点Ｋ_０とエッジの接点Ｋ_ｉとの間の電流の流れをあらゆる場合に測定するために、エッジに配置され、円形のＡＭＲ層１４の円周（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｅ）の周りに等間隔で分布している。ＡＭＲ層１４が外部磁場の角度に対して１８０°の周期性を有するので、対向する接点を通って流れる電流を加え、これにより、このようにして４つの電流信号を得る事ができる。
Ｉ_１＝ＩＫ_１＋ＩＫ_５。
Ｉ_２＝ＩＫ_２＋ＩＫ_６。
Ｉ_３＝ＩＫ_３＋ＩＫ_７。
Ｉ_４＝ＩＫ_４＋ＩＫ_８。

Ｉ_１からＩ_３が引かれ、Ｉ_２からＩ_４が引かれると、新たな２つの差信号が得られ、それらの２つの差信号は各々、図４に示すように、３６０°にわたって望ましいサイン波形又はコサイン波形を有する。それ自体知られたＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを用いて、（図２に示す）角度αと外部磁場との間の関係が、これらの差信号から順番に計算可能である。

図５に示す、代わりの一実施形態によれば、磁気抵抗角度センサ１００を小型化する事が可能になる。半円形のＡＭＲ層１５は、全円のＡＭＲ層１４よりも小さい空間しか占めないからである。この場合、５つの接点Ｋ_１〜Ｋ_５は、これらの接点Ｋ_ｉと、ＡＭＲ層１５の直線エッジの中点に配置された接点Ｋ_０と、の間の電流の流れをあらゆる場合に得るために、ＡＭＲ層１５の半円エッジの周りに等間隔で分布するように配置される。次いで、上述のサイン信号及びコサイン信号が、様々な信号を次のように足し合わせる又は差し引く事によって得られる。
Ｉ_１＝ＩＫ_１＋ＩＫ_５−ＩＫ_３。
Ｉ_２＝ＩＫ_２−ＩＫ_４。

図６に示すこれらの差信号から、ここでも既知のＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを用いて、図２に示すような３６０°にわたる角度αの形を得る事ができる。

上述の演算は、当業者に知られた電子部品を用いて実行可能である。

先行技術のＡＭＲ角度センサを示す。このセンサの計算角度αを示す。円形のＡＭＲセンサを示す。このセンサの複数の電流信号を示す。半円形のＡＭＲセンサを示す。このセンサの複数の電流信号を示す。

符号の説明

１００磁気抵抗角度センサ
１０ＡＭＲ角度センサ（先行技術）
１１ホイートストンブリッジ
１２ホイートストンブリッジ
１３ミアンダリング抵抗体
１４円形のＡＭＲ層
１５半円形のＡＭＲ層
Ｋ_０中心の電流接点
Ｋ_ｉエッジの電流接点、ｉ＝１〜８
α 磁場とセンサデバイスとの間の角度
Ｉ電流の強度
Ｕ電圧

Claims

センサデバイスの基準軸に対する外部磁場の角度を検出するためのセンサデバイスを備える磁気抵抗角度センサであって、
前記センサデバイスが、平坦なＡＭＲ層を備え、前記ＡＭＲ層が、電流を印加するための１つの電気接点と、前記ＡＭＲ層を通る電流の流れを測定するための複数の電気接点とを有することを特徴とする磁気抵抗角度センサ。
前記センサデバイスが、円形のＡＭＲ層であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗角度センサ。
電流を印加するための前記電気接点が、前記円形のＡＭＲ層の中心に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の磁気抵抗角度センサ。
複数の電気接点、特に、８つの電気接点が、前記円形のＡＭＲ層のエッジに等間隔で配置されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の磁気抵抗角度センサ。
前記センサデバイスが、半円形のＡＭＲ層であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗角度センサ。
電流を印加するための前記電気接点が、関連する全円の中心に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の磁気抵抗角度センサ。
複数の電気接点、特に、５つの電気接点が、前記半円形のＡＭＲ層の半円エッジに等間隔で配置されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の磁気抵抗角度センサ。
前記複数の電気接点が、同じ電位、特に、グラウンド電位に置かれることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の磁気抵抗角度センサ。
前記ＡＭＲ層が、パーマロイ層であり、特に、後者が、シリコン支持基板に形成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の磁気抵抗角度センサ。
請求項１から９のいずれかに記載の磁気抵抗角度センサの使用であって、
自動車技術における、特に、ペダルの位置及び／又はスロットルの位置を監視するための、磁気抵抗角度センサの使用。