JP2018136310A - 磁気角度センサデバイスおよび動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気角度センサデバイスおよび動作方法を提供する。
【解決手段】第１の磁気感知デバイスと、第２の磁気感知デバイスと、第３の磁気感知デバイスと、第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスを含む基板とを含み、第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスが、基板の主表面と垂直である磁場成分に応答するように各々配置されており、第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスの各々が同数の磁気感知要素を含み、第２の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで時計回りに１２０°だけ回転されて配置されており、第３の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで反時計回りに１２０°だけ回転されて配置されている、磁気角度感知システム。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、シャフトの回転位置または運動を決定することを可能にする磁気角度センサ配置に関する。

Ｍ．Ｍｅｔｚ，ｅｔ ａｌ．：Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ａｎｇｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ Ｆｏｕｒ Ｈａｌｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ，１９９７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｊｕｎｅ １６−１９，１９９７，ＩＥＥＥ Ｕ．Ａｕｓｓｅｒｌｅｃｈｎｅｒ：Ａ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｇｌｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｔｈ ｈａｌｌ ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆｌｕｘｇｕｉｄｅｓ，Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ，Ｖｏｌ．４９，７７−１０６，２０１３

第１の実施形態は、磁気角度感知システムであって、
− 第１の磁気感知デバイスと、
− 第２の磁気感知デバイスと、
− 第３の磁気感知デバイスと、
− 第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスを含む基板と
を含み、
− 第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスが、基板の主表面と垂直である磁場成分に応答するように各々配置されており、
− 第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスの各々が同数の磁気感知要素を含み、
− 第２の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで時計回りに１２０°だけ回転されて配置されており、
− 第３の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで反時計回りに１２０°だけ回転されて配置されている、磁気角度感知システムに関する。

第２の実施形態は、角度センサ検出システムであって、
− 基板上に配置される複数の磁気感知デバイスであって、磁気感知デバイスの各々が、基板の主表面と垂直である磁場成分を感知することが可能である、複数の磁気感知デバイスを含み
− 複数の磁気感知デバイスが読み取り円上において３つの異なるかつ等距離の場所に配置されており、
− 磁気感知デバイスの方位角座標が互いに１２０°だけ異なり、
− 角度センサ検出システムが、処理ユニットであって、
− 第１の磁気感知デバイスおよび第２の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第１の信号を決定することと、
− 第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第２の信号を決定することと、
− 第１の信号および第２の信号に基づいて回転角度を決定することと
を行うように構成される処理ユニットを含む、角度センサ検出システムに関する。

第３の実施形態は、シャフトの回転角度を決定するための方法であって、
− シャフトが回転軸の周りに回転可能に配置されており、磁場源がシャフトに接続されており、
− 本方法が、基板上に配置される複数の磁気感知デバイスであって、磁気感知デバイスの各々が、基板の主表面と垂直である磁場源の磁場成分を感知することが可能である、複数の磁気感知デバイスを含み、
− 複数の磁気感知デバイスが読み取り円上において３つの異なるかつ等距離の場所に配置されており、
− 磁気感知デバイスの方位角座標が互いに１２０°だけ異なり、
− 本方法が、
− 第１の磁気感知デバイスおよび第２の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第１の信号を決定するステップと、
− 第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第２の信号を決定するステップと、
− 第１の信号および第２の信号に基づいて回転角度を決定するステップと
を含む、方法に関する。

第４の実施形態は、デジタル処理デバイスのメモリ内に直接ロード可能であり、本明細書に記載されているとおりの方法のステップを実行するためのソフトウェアコード部分を含む、コンピュータプログラム製品に関する。

第５の実施形態は、コンピュータシステムに、本明細書に記載されているとおりの方法のステップを実行させるように適合されたコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体に関する。

図面を参照して実施形態が示され、図解される。図面は、基本原理を示す役割を果たす。そのため、基本原理を理解するために必要な態様のみが示される。図面は原寸に比例していない。図面において、同じ参照符号は同様の特徴を表す。

シャフトの角度を決定する角度センサデバイスであって、角度がシャフトの運動および／または位置を決定するために用いられ得る、角度センサデバイスの例示的な配置を示す。 回転軸の周りに半径Ｒ０において同軸に配置された、いわゆる読み取り円上に配置された３つの磁気感知デバイスの例示的な配置を示す。 磁気感知デバイスの各々が矩形ホールプレートを含む、図２に基づく例示的な配置を示す。 磁気感知デバイスの各々が矩形パターンで配置された４つの磁気感知要素を含む、読み取り円上に配置された３つの磁気感知デバイスの例示的な配置を示す。 磁気感知要素の位置付けが正方形の回転に基づいて変更され、正方形の隅部が磁気感知要素の位置に関連付けられている、図４に示されるものと比較した代替的な配置を示す。 各磁気感知デバイスの磁気感知要素が磁気感知デバイスの位置と一緒に回転されている、図４に示されるものと比較した代替的な配置を示す。 磁気感知デバイスの各々が、読み取り円に実質的に接線方向に接した直線上に配置された４つの磁気感知要素を含む、読み取り円上に配置された３つの磁気感知デバイスの例示的な配置を示す。 全ての磁気感知デバイスの磁気感知要素が同じ配向（および回転）を有する、図７に示されるものと比較した代替的な配置を示す。 磁気感知デバイスの各々が、実質的に読み取り円上に配置された４つの磁気感知要素を含む、読み取り円上に配置された３つの磁気感知デバイスの例示的な配置を示す。 磁気感知デバイスの各々が、読み取り円の接線と実質的に垂直な直線上に配置された４つの磁気感知要素を含む、読み取り円上に配置された３つの磁気感知デバイスの例示的な配置を示す。 全ての磁気感知デバイスの磁気感知要素が同じ配向（および回転）を有する、図１０に示されるものと比較した代替的な配置を示す。

本明細書において説明される例は、特に永久磁石が回転可能シャフトに取り付けられており、磁場センサが回転軸上に磁石に隣接して配置されている磁気角度センサに言及する。磁気角度センサは、軸方向に向いた回転可能磁場を検出し、センサは、磁場からシャフトの回転位置を推測する。磁石は直径方向に均一に磁化され得るが、それはまた、例えば弓形に不均一に磁化され得、または磁石の半分が軸方向に磁化され得、磁石の残りの半分が反対方向に磁化され得る。磁石はまた、一体に接着されたいくつかの独立部分を含んでもよく、またはそれは他の方法で組み立てられてもよい。

図１は例示的な配置を示す。シャフト１０１が回転軸１０６の周りに回転可能に配置されている。磁石１０２、例えば、永久磁石がシャフト１０１に接続されている、例えば、固定されている。磁石１０２は直径方向の磁化１０３を示す。いくつかの磁場センサ１０４を含むシリコンダイ１０５が磁石１０２の近傍に、本例では磁石１０２の下方に配置されている。各磁場センサは感知要素と呼ばれる場合もある。

ｚ成分は、シャフトの回転軸と平行な（またはシャフト自体に沿った）成分と呼ばれ、ｘ−ｙ平面はシャフトの回転軸と垂直である。ｘ−ｙ−ｚ成分はデカルト座標系にわたる。

したがって、回転軸１０６はｚ軸と平行であり、磁場センサ１０４はｘ−ｙ平面内に配置されている。軸方向磁場センサ１０４は、特に磁石１０２によって放射される磁場のｚ成分に応答する。

様々なセンサ、例えば異方性磁気抵抗器（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗器（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗器（ＴＭＲ）、ホール効果デバイス（例えば、ホールプレート、垂直ホール効果デバイス）またはＭＡＧ−ＦＥＴ（例えば、分割ドレインＭＡＧ−ＦＥＴ）を用いることができる。

本明細書において言及される例は、特に磁場のｚ成分を検出する磁場センサに言及する。したがって、磁場センサは、決定されるべき磁場に感応するｘ−ｙ平面を有するホールプレート（Ｈホールとも呼ばれる）および／またはＭＡＧ−ＦＥＴを含んでもよい。

単一のチップ上の４つのホールデバイスを用いる例示的な非接触角度測定デバイスが、［（非特許文献１）］に記載されている。

軸方向角度センサの例示的なレイアウトが、［（非特許文献２）］に開示されている。軸方向Ｃ４角度センサは、回転軸を中心として半径Ｒ０を有するホール円に均等に離間された４つのホールプレートで構成されている。軸方向Ｃ８角度センサは、互いに対して４５°±回転された２つの軸方向Ｃ４セルからなる。軸方向Ｃ８角度センサの出力は両方の軸方向Ｃ４セルの出力の平均である。軸方向Ｃ８角度センサは軸方向Ｃ４角度センサよりも正確であり、より一般的な磁石形状を用いて機能する。

しかし、このような軸方向Ｃ８角度センサは、センサが多数の８つの感知要素を必要とし、これらの感知要素の全てが、オフセット誤差を相殺するためにスピニング電流法に従って周期的に交換される給電線および信号線を用いて給電およびタッピングされる必要があるという問題に直面する。これはかなりの量のＭＯＳスイッチを必要とし、相当量のチップ空間を生じさせる。これにより、寄生キャパシタンス、インダクタンスおよび抵抗が助長され、その結果、相当量の追加の電力が消費される。

本明細書において提供される実施例は、より効率的なアプローチ、具体的には、必要な感知要素（すなわち、磁場センサ）をより少数にしつつ、回転角度を高精度で決定するためのレイアウトおよびアルゴリズムを提供する。

有利には、本明細書において提示される解決策は外乱磁場に対して堅牢である。回転角度は、様々な場所における磁場の差から導出することができ、これらの差は、特に均一な外乱を低減または相殺し得る。

一実施形態によれば、磁場のｚ成分（これは、感知要素を含むチップの主表面と垂直である成分である）を感知するための３つの磁気感知デバイスが、回転軸と（実質的に）同軸の半径Ｒ０の読み取り円上に配置または載置されている。隣り合う磁気感知デバイスの試験点は１２０°だけ離れて離間されている。

各磁気感知デバイスは、少なくとも１つの磁気感知要素を含み得る。磁場のｚ成分を決定する磁気感知デバイスは、磁気感知システム（「システム」）と呼ばれる。

磁気感知システムが、例えば、全て読み取り円上に配置されており、（実質的に）１２０°だけ互いに分離されている、３つの磁気感知デバイスを用いることが利点である。３つの磁気感知デバイスを用いて、それぞれの磁気感知デバイスによって決定される、測定されたＢｚ磁場からシャフトの回転角度を再現することができる（後述のアルゴリズムを参照）。

例示的なシナリオでは、３つの磁気感知デバイスは平行な主軸を有する。すなわち、磁気感知デバイスは、ｘ−ｙ平面内において、ｚ軸の周りに回転されていない同じ配向を有する。電流がシリコン結晶の＜１００＞方向に流れる場合、ホールプレートは著しく低いオフセットを与えるため、これは有利である。

図は、十字形ホールプレートを部分的に示す。しかし、例えば、中間接点または終端接点を有する八角形、円盤または正方形のような任意の他の形状も適切に機能する。十字形ホールプレートは、２つの交差した方向の一方に沿った電流の流れの方向を指示する。

図２は、回転軸ｚ１０６の周りに半径Ｒ０において同軸に配置された、いわゆる読み取り円２０４上に配置された３つの磁気感知デバイス２０１〜２０３の例示的な配置を示す。磁気感知デバイス２０１〜２０３は、ｘ−ｙ平面内に横たわる表面を有するシリコンダイ２０５上に載置されている。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸はデカルト座標系にわたる。

図２に係る例では、磁気感知デバイス２０１〜２０３の各々は、各磁気感知デバイスの可能な電流の流れの方向を指示する２つの方向２０６および２０７を有する十字として描かれた単一の磁気感知要素を含む。磁気感知デバイス２０１〜２０３の２つの間には、回転軸ｚから見て１２０°の角度が存在する。したがって、磁気感知デバイス２０１〜２０３は読み取り円２０４上に等しく分布している。磁気感知デバイス２０１〜２０３の各々は磁場成分Ｂｚ（磁場成分のｚ方向）を感知することが可能である。

シリコンダイ２０５は図１のシリコンダイ１０５に対応し得る。したがって、シリコンダイ２０５は磁石１０２の近傍に（例えば、その下方に）配置されていてもよく、それにより、磁気感知デバイス２０１〜２０３によって供給される信号を介して軸１０１の回転（すなわち、位置または回転角度）を決定することができる。シリコンダイ２０５は、好ましくは（１００）シリコンである。

図３は、回転軸ｚ１０６の周りに半径Ｒ０において同軸に配置された読み取り円２０４上に配置された３つの磁気感知デバイス３０１〜３０３を含む代替的な配置を示す。磁気感知デバイス３０１〜３０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス３０１〜３０３は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス３０１〜３０３の各々は、相対配向を指示するための矩形ホールプレートを含む。この点において、磁気感知デバイス３０１は磁気感知デバイス３０２に対して１２０°だけ回転されており、磁気感知デバイス３０３は磁気感知デバイス３０２に対して２４０°だけ回転されている。

磁気感知デバイスは、矩形、正方形、十字形、円形、八角形またはクローバーの葉形の形状を有し得ることに留意されたい。また、さらなる均等な形状も用いられ得る。このような均等な形状には、等角写像を介して達することができる。均等な形状は、同じ電気特性（特に一次近似に関する、すなわち、ピエゾ効果または温度依存電圧効果を有しない特性）を有する。

磁気感知デバイスは、具体的には、４つの電気接点を有するホールプレートであって、２つの電気接点の第１のセットが第１の直線上に配置されており、２つの電気接点の第２のセットが第２の直線上に配置されており、第１の直線と第２の直線とが互いに垂直である、ホールプレートであってもよい。したがって、電流を第１の直線に印加することができ、第２の直線にわたって出力電圧をタッピングすることができる。

チップ（すなわち、シリコンダイ２０５）のサイズは数ミリメートルのオーダーのものであり得、半径Ｒ０は、例えば、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲であり得ることに留意されたい。半径Ｒ０の好ましいサイズは０．８ｍｍであり得る。（各磁気感知デバイスの部分である）磁場感知要素の各々は、半径Ｒ０の１／１０であり得る２０μｍ〜２００μｍの範囲のサイズを有し得る。磁気感知要素の好ましいサイズは８０μｍであり得る。

磁気感知要素が、１２０°の整数倍において等距離を隔てて、かつ（実質的に）同じ読み取り半径において磁場をサンプリングすることを確実にするために、それぞれの磁気感知要素を規定の対称またはパターンに載置することが有利である。

いくつかの実施形態では、単一の磁気感知要素のみの代わりに、２つ以上の（特に４つの）磁気感知要素、例えば、ホールプレートの配列が配置されていてもよい。この場合、各磁気感知デバイスは少なくとも２つの磁気感知要素を含み得る。

磁気感知デバイスの磁気感知要素、すなわち、それらの入力およびそれらの出力を電気的に並列に接続し、それにより、四つ組（すなわち、磁気感知デバイスごとの４つの磁気感知要素）の入力および出力抵抗が、単一の磁気感知要素を有する磁気感知デバイスの入力および出力抵抗の４分の１に減少するようにすることが１つの選択肢である。したがって、四つ組の４つの磁気感知要素における電流の流れの方向は、方向ψ０、ψ０＋９０°、ψ０＋１８０°、ψ０＋２７０°（任意の角度ψ０を有する）に沿っており、四つ組のオフセット（＝ゼロ点）誤差は、平均すると、磁気感知デバイスごとに単一の磁気感知要素のみを用いることから生じるオフセット誤差よりも小さい。

図４は、読み取り円２０４上に配置された３つの磁気感知デバイス４０１〜４０３を含む代替的な配置を示す。磁気感知デバイス４０１〜４０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス４０１〜４０３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。磁気感知デバイス４０１は磁気感知デバイス４０２に対して１２０°だけ回転されており、磁気感知デバイス４０３は磁気感知デバイス４０２に対して２４０°だけ回転されている。

磁気感知デバイス４０１〜４０３の各々は４つの磁気感知要素を含む。例えば、磁気感知デバイス４０１は、合成重心が読み取り円２０４上にあるように配置された磁気感知要素４０４〜４０７を含む。

図４に示される例では、磁気感知要素４０４〜４０７は、（磁気感知要素ごとに）ｘ軸およびｙ軸と平行である読み取り方向（可能な電流の流れの方向を指示する方向）を示す。これは、磁気感知デバイス４０２および４０３の磁気感知要素に相応に当てはまる。それぞれの磁気感知デバイス４０１〜４０３内における磁気感知要素の配置は実質的に同一である。すなわち、磁気感知デバイス４０１〜４０３は、回転を伴わない平行移動によって互いへ写像され得る。

図５は、重心が読み取り円２０４上に配置された３つの磁気感知デバイス５０１〜５０３を含む代替的な配置を示す。磁気感知デバイス５０１〜５０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス５０１〜５０３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス５０１〜５０３の各々は４つの磁気感知要素を含む。例えば、磁気感知デバイス５０１は磁気感知要素５０４〜５０７を含み、それぞれの感知要素５０４〜５０７の重心は正方形の隅部上にあり、この正方形の重心は読み取り円２０４上にある。図４に示される実施形態とは対照的に、図５の正方形は回転されている。すなわち、磁気センサデバイス５０１の正方形は磁気センサデバイス５０２の正方形に対して１２０°だけ回転されており、磁気センサデバイス５０３の正方形は磁気センサデバイス５０２の正方形に対して２４０°だけ回転されている。

しかし、磁気感知要素５０４〜５０７は、（磁気感知要素ごとに）ｘ軸およびｙ軸と平行である読み取り方向（可能な電流の流れの方向を指示する方向）を示す。これは、磁気感知デバイス５０２および５０３の磁気感知要素に相応に当てはまる。

図６は、重心が読み取り円２０４上に配置された３つの磁気感知デバイス６０１〜６０３を含む代替的な配置を示す。磁気感知デバイス６０１〜６０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス６０１〜６０３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス６０１〜６０３の各々は４つの磁気感知要素を含む。例えば、磁気感知デバイス６０１は磁気感知要素６０４〜６０７を含み、感知要素６０４〜６０７の重心は正方形の隅部上にあり、この正方形の重心は読み取り円２０４上にある。磁気センサデバイス６０１の正方形は磁気センサデバイス６０２の正方形に対して１２０°だけ回転されており、磁気センサデバイス６０３の正方形は磁気センサデバイス６０２の正方形に対して２４０°だけ回転されている。

正方形の隅部上に座する磁気感知要素も正方形自体と同じ量だけ回転されている。これは、磁気センサデバイス６０１〜６０３の磁気センサ要素に相応に当てはまる。

図４、図５、および図６に示される実施形態では、各磁気センサデバイスは、正方形の隅部上に配置された４つの磁気感知要素を含み、正方形の隅部はそれぞれの磁気センサ要素の重心に対応する。磁気センサデバイスの４つの磁気センサ要素が、実質的に（読み取り円２０４上に接線方向に接した）直線上または読み取り円２０４上に配置されていることも１つの選択肢である。以下においてこれが説明される。

図７は、各磁気感知デバイスが、直線上に配置された４つの磁気感知要素を含む、３つの磁気感知デバイス７０１〜７０３を含む配置を示す。この直線は、読み取り円２０４に接線方向に接するように配置されており、それにより、それぞれの磁気感知デバイス７０１〜７０３の重心（または４つの磁気センサ要素の中央）が読み取り円２０４に接触している。

磁気感知デバイス７０１〜７０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス７０１〜７０３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス７０１は磁気感知要素７０４〜７０７を含み、磁気感知要素７０４〜７０７の中心は直線上に配置されており、磁気感知要素７０４〜７０７は同じ配向（回転）を有する。これは、磁気センサデバイス７０２および７０３ごとの磁気センサ要素の各セットに相応に当てはまる。

磁気センサデバイス７０１の磁気センサ要素７０４〜７０７は磁気センサデバイス７０２の磁気センサ要素に対して１２０°だけ回転されており、磁気センサデバイス７０３の磁気センサ要素は磁気センサデバイス７０２の磁気センサ要素に対して２４０°だけ回転されている。

図８は、各磁気感知デバイスが、直線上に配置された４つの磁気感知要素を含む、３つの磁気感知デバイス８０１〜８０３を含む配置を示す。この直線は、読み取り円２０４に接線方向に接するように配置されており、それにより、それぞれの磁気感知デバイス８０１〜８０３の重心（または４つの磁気センサ要素の中央）が読み取り円２０４に接触している。

磁気感知デバイス８０１〜８０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス８０１〜８０３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス８０１は磁気感知要素８０４〜８０７を含み、磁気感知要素８０４〜８０７の中心は直線上に配置されており、磁気感知要素８０４〜８０７は同じ配向（回転）を有する。図７に示される実施形態とは対照的に、全ての磁気感知デバイス８０１〜８０３の磁気感知要素は同じ配向を有し、回転を全く示さない。図８の例では、全ての磁気感知要素の（可能な電流の流れの方向を指示する）読み取り方向がｘ軸およびｙ軸と平行である。

図９は、各磁気感知デバイスが４つの磁気感知要素を含む、３つの磁気感知デバイス９０１〜９０３を含む配置を示す。図８に示される実施形態とは対照的に、各磁気感知デバイスの４つの磁気感知要素は、直線上ではなく、読み取り円２０４上に配置されている。具体的には、磁気感知要素の重心が読み取り円２０４上に配置されている。

図１０は、各磁気感知デバイスが、直線上に配置された４つの磁気感知要素を含む、３つの磁気感知デバイス１００１〜１００３を含む配置を示す。この直線は、読み取り円２０４に接触する接線と垂直に配置されており、それにより、それぞれの磁気感知デバイス１００１〜１００３の重心（または４つの磁気センサ要素の中央）が読み取り円２０４に接触している。

磁気感知デバイス１００１〜１００３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス１００１〜１００３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス１００１は磁気感知要素１００４〜１００７を含み、磁気感知要素１００４〜１００７の中心は直線上に配置されており、磁気感知要素１００４〜１００７は同じ配向（回転）を有する。これは磁気センサデバイス１００２および１００３ごとの磁気センサ要素の各セットに相応に当てはまる。

磁気センサデバイス１００１の磁気センサ要素１００４〜１００７は磁気センサデバイス１００２の磁気センサ要素に対して１２０°だけ回転されており、磁気センサデバイス１００３の磁気センサ要素は磁気センサデバイス１００２の磁気センサ要素に対して２４０°だけ回転されている。

図１１は、各磁気感知デバイスが、直線上に配置された４つの磁気感知要素を含む、３つの磁気感知デバイス１１０１〜１１０３を含む配置を示す。この直線は、読み取り円２０４に接触する接線と垂直に配置されており、それにより、それぞれの磁気感知デバイス１１０１〜１１０３の重心（または４つの磁気センサ要素の中央）が読み取り円２０４に接触している。

磁気感知デバイス１１０１〜１１０３はシリコンダイ２０５上に載置されている。磁気感知デバイス１１０１〜１１０３の重心は読み取り円２０４上に等しく分布している。

磁気感知デバイス１１０１は磁気感知要素１１０４〜１１０７を含み、磁気感知要素１１０４〜１１０７の中心は直線上に配置されており、磁気感知要素１１０４〜１１０７は同じ配向（回転）を有する。図１０に示される実施形態とは対照的に、全ての磁気感知デバイス１１０１〜１１０３の磁気感知要素は同じ配向を有し、互いの間の回転を全く示さない。図１１の例では、全ての磁気感知要素の（可能な電流の流れの方向を指示する）読み取り方向がｘ軸およびｙ軸と平行である。

上述の実施形態は、例示的に、磁気センサデバイスごとに４つの磁気センサ要素を示している。例えば、２つまたは５つ以上の磁気センサ要素が磁気センサデバイスごとに用いられることも１つの選択肢である。

本明細書に記載されている実施形態は、特に磁場のｚ成分に感応する任意の種類の磁気感知要素を利用し得る。例えば、ホールプレートまたはＭＡＧ−ＦＥＴを、本明細書に記載されているレイアウトトポロジと組み合わせて用いることができる。

回転（角度）の決定
以下は、３つの磁気センサデバイスを介して回転角度をどのように決定することができるかを示す。これらの磁気センサデバイスは、上述されたように配置することができる。

角度φは、１２０°の整数倍において３つの磁気センサデバイスを有するシステムにおいて次式のように決定することができる。
Ｓ（φ）＝Ｂ_ｚ（φ＋０°）＋Ｂ_ｚ（φ＋１２０°）×ｅｘｐ（２πｉ／３）＋Ｂ_ｚ（φ＋２４０°）×ｅｘｐ（４πｉ／３）
ここで、磁場のｚ成分Ｂ_ｚは、磁石に固定された座標系において測定される。

実数部は、
になり、虚数部は、
になる。

したがって、回転角度φは次式によって決定される。
φ＝ａｒｃｔａｎ_２（Ｒｅ（Ｓ），Ｉｍ（Ｓ））

ａｒｃｔａｎ関数は３６０°にわたって一義的であることに留意されたい。ａｒｃｔａｎ関数は−９０°〜＋９０°のみの範囲である。用いられている実施例では、−１８０°〜＋１８０°の範囲が好ましいことができる。これは、ｘ＜０である場合にａｒｃｔａｎ（ｙ／ｘ）と同一である、関数ａｒｃｔａｎ_２（ｘ，ｙ）を介して達成することができる。しかし、ｘ＜０である場合、次式が適用される。
これはラジアン（ｒａｄ）単位で指示される。

提示された解決策は磁場の第三高調波および第五高調波に対して特に堅牢であり、これにより、回転角度を決定するための安定した方法を提供する。

本明細書において提案されている実施例は、特に以下の解決策の少なくとも１つに基づき得る。具体的には、所望の結果に達するために以下の特徴の組み合わせを利用することができるであろう。本方法の特徴は、デバイス、装置またはシステムの任意の特徴と組み合わせることができ、またはその逆も同じであり得る。

磁気角度感知システムであって、
− 第１の磁気感知デバイスと、
− 第２の磁気感知デバイスと、
− 第３の磁気感知デバイスと、
− 第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスを含む基板と
を含み、
− 第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスが、基板の主表面と垂直である磁場成分に応答するように各々配置されており、
− 第１の磁気感知デバイス、第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスの各々が同数の磁気感知要素を含み、
− 第２の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで時計回りに１２０°だけ回転されて配置されており、
− 第３の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで反時計回りに１２０°だけ回転されて配置されている、磁気角度感知システムが提供される。

磁気感知デバイスは基板上に配置されていてもよいことに留意されたい。基板は、特にシリコン（半導体）チップもしくはダイであるか、またはそれを含む半導体基板であってもよい。

一実施形態によれば、基準点は半導体デバイスの表面上に配置されており、基準点はまた、回転可能シャフトに固定される磁場源の回転軸上にある。

角度感知システムは、この回転可能シャフトの回転角度を検出するように構成されている。

一実施形態によれば、
− 第２の磁気感知デバイスは半導体表面上に配置されており、その重心が第１の磁気感知デバイスの重心から見て基準点の周りで時計回りに１２０°だけ回転されており、
− 第３の磁気感知デバイスは半導体表面上に配置されており、その重心が第１の磁気感知デバイスの重心から見て基準点の周りで反時計回りに１２０°だけ回転されている。

一実施形態によれば、磁気感知デバイスの磁気感知要素は、それらの関連する磁気感知デバイスと同じ方法で回転されている。

一実施形態によれば、いくつかの磁気感知デバイスのいくつかの磁気感知要素は、同じ配向および回転を示す。

したがって、いくつかの磁気感知デバイスの全ての磁気感知要素は互いに平行であり得る。

一実施形態によれば、磁気感知要素は、ホールプレートまたはＭＡＧ−ＦＥＴの少なくとも１つである。

一実施形態によれば、磁気感知デバイスの各々は、１つの磁気感知要素、２つの磁気感知要素または４つの磁気感知要素を含む。

一実施形態によれば、磁気感知デバイスの磁気感知要素は、矩形内、直線上、または読み取り円上に配置されている。

一実施形態によれば、各磁気感知デバイスの磁気感知要素は相互接続層を介して並列に接続されている。

したがって、磁気感知要素の群全体の入力抵抗または出力抵抗は、単一の磁気感知要素のそれぞれの入力抵抗または出力抵抗よりも大きくない。

また、角度センサ検出システムであって、
− 基板上に配置された複数の磁気感知デバイスであって、磁気感知デバイスの各々が、基板の主表面と垂直である磁場成分を感知することが可能である、複数の磁気感知デバイスを含み
− 複数の磁気感知デバイスが読み取り円上において３つの異なるかつ等距離の場所に配置されており、
− 磁気感知デバイスの方位角座標が互いに１２０°だけ異なり、
− 角度センサ検出システムが、処理ユニットであって、
− 第１の磁気感知デバイスおよび第２の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第１の信号を決定することと、
− 第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第２の信号を決定することと、
− 第１の信号および第２の信号に基づいて回転角度を決定することと
を行うように構成される処理ユニットを含む、角度センサ検出システムが提案される。

前記処理ユニットは、プロセッサ、マイクロコントローラ、ハードワイヤード回路、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、論理デバイスの少なくとも１つを含み得る。

一実施形態によれば、処理ユニットは、
− 第３の磁気感知デバイスおよび第１の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第３の信号を決定することと、
− 第１の信号、第２の信号および第３の信号に基づいて回転角度を決定することと
を行うようにさらに構成されている。

一実施形態によれば、磁気感知デバイスによって感知される磁場成分は回転軸と平行であり、シャフトが回転軸の周りに回転可能に配置されており、磁場源がシャフトに接続されている。

シャフトおよび特に磁石は、複数の磁気感知デバイスの近傍に配置されていてもよい。

一実施形態によれば、回転角度を決定することは、以下のステップ：
− （Ｓｘ，Ｓｙ）平面内のポインタから回転角度を決定するステップであって、Ｓｘは、第１の信号に比例する座標であり、Ｓｙは、第２の信号と第３の信号との加重和に比例する座標である、ステップを
さらに含み、
− 回転角度は、ポインタと、Ｓｘ座標に沿った方向またはＳｙ座標に沿った方向との間の角度である。

加重和はまた、差であってもよいことに留意されたい。これは、係数が、それらの量によれば等しいが、異なる算術符号を有する場合に特に当てはまる。

一実施形態によれば、回転角度は、ポインタと、Ｓｘ座標またはＳｙ座標に沿った方向との間の角度に任意の定数を加えたものである。

任意定数は、零点を調整するために用いられてもよい。任意定数は２３°、９０°または１８０°となり得る。

また、シャフトの回転角度を決定するための方法であって、
− シャフトが回転軸の周りに回転可能に配置されており、磁場源がシャフトに接続されており、
− 本方法が、基板上に配置された複数の磁気感知デバイスであって、磁気感知デバイスの各々が、基板の主表面と垂直である磁場源の磁場成分を感知することが可能である、複数の磁気感知デバイスを含み、
− 複数の磁気感知デバイスが読み取り円上において３つの異なるかつ等距離の場所に配置されており、
− 磁気感知デバイスの方位角座標が互いに１２０°だけ異なり、
− 本方法が、
− 第１の磁気感知デバイスおよび第２の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第１の信号を決定するステップと、
− 第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第２の信号を決定するステップと、
− 第１の信号および第２の信号に基づいて回転角度を決定するステップと
を含む、方法が提供される。

一実施形態によれば、本方法は、
− 第３の磁気感知デバイスおよび第１の磁気感知デバイスによって提供される磁場成分の差に比例する第３の信号を決定するステップと、
− 第１の信号、第２の信号および第３の信号に基づいて回転角度を決定するステップと
をさらに含む。

デジタル処理デバイスのメモリ内に直接ロード可能であり、本明細書に記載されているとおりの方法のステップを実行するためのソフトウェアコード部分を含む、コンピュータプログラム製品が提案される。

コンピュータシステムに、本明細書に記載されているとおり方法のステップを実行させるように適合されたコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体が提供される。

１つ以上の例では、本明細書に記載されている機能は、特定のハードウェア構成要素またはプロセッサなどのハードウェアの形態で少なくとも部分的に実装され得る。より一般的には、技法は、ハードウェア、プロセッサ、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせの形態で実装され得る。ソフトウェアの形態で実装される場合、機能は１つ以上の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶されるか、またはそれを通じて伝送され、ハードウェアベースの処理ユニットによって実行され得る。コンピュータ可読媒体は、データ記憶媒体などの有形の媒体、または例えば、通信プロトコルに従ってある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの伝達を促進する任意の媒体を含む通信媒体に対応する、コンピュータ可読記憶媒体を含み得る。このように、コンピュータ可読媒体は、概して、（１）非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体または（２）信号もしくは搬送波などの通信媒体に対応し得る。データ記憶媒体は、１つ以上のコンピュータまたは１つ以上のプロセッサにより、本開示に記載されている技法の実装のための命令、コードおよび／またはデータ構造を取得するためにアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。コンピュータプログラム製品はコンピュータ可読媒体を含み得る。

例として、限定ではなく、このようなコンピュータ可読記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光学ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、もしくは他の磁気記憶デバイス、フラッシュメモリ、または所望のプログラムコードを命令もしくはデータ構造体の形態で記憶するために用いることができ、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体を含むことができる。また、任意の接続がコンピュータ可読媒体、すなわち、コンピュータ可読伝送媒体と相応に呼ばれる。例えば、命令が、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、または赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術を用いて、ウェブサイト、サーバ、もしくは他のリモートソースから伝送される場合、このとき、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術が媒体の定義に含まれる。しかし、コンピュータ可読記憶媒体およびデータ記憶媒体は、接続、搬送波、信号、または他の一時的媒体を含まず、その代わりに、非一時的な有形の記憶媒体に関することを理解されたい。ディスク（ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、本明細書において使用するとき、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスクおよびブルーレイディスクを含む。ここで、ディスク（ｄｉｓｋ）は、通例、データを磁気的に再現し、その一方でディスク（ｄｉｓｃ）はレーザを用いてデータを光学的に再現する。上述のものの組み合わせもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。

命令は、１つ以上の中央処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブル論理アレイ（ＦＰＧＡ）、または他の均等な集積もしくはディスクリート論理回路機構などの１つ以上のプロセッサによって実行され得る。したがって、用語「プロセッサ」は、本明細書において使用するとき、上述の構造、または本明細書に記載されている技法の実装のために適した任意の他の構造の任意のものに言及し得る。加えて、いくつかの態様では、本明細書に記載されている機能性は、符号化および復号のために構成された専用ハードウェアおよび／もしくはソフトウェアモジュール内に提供されるか、または複合コーデック内に組み込まれ得る。また、技法は１つ以上の回路または論理要素内に完全に実装され得るであろう。

本開示の技法は、無線ハンドセット、集積回路（ＩＣ）、またはＩＣのセット（例えば、チップセット）を含む、多様なデバイスまたは装置内に実装され得る。様々な構成要素、モジュール、またはユニットが、本開示において、本開示の技法を実行するように構成されたデバイスの機能的態様を強調するために記載されているが、必ずしも異なるハードウェアユニットによる実現を必要とするわけではない。むしろ、上述されたように、様々なユニットは、単一のハードウェアユニット内で組み合わせられるか、または上述されたとおりの１つ以上のプロセッサを含む相互動作可能なハードウェアユニットの集合により、好適なソフトウェアおよび／またはファームウェアと併せて提供されてもよい。

本発明の様々な例示的な実施形態が開示されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の利点のいくつかを達成する様々な変更形態および修正形態がなされ得ることが当業者に明らかであろう。同じ機能を実行する他の構成要素が適宜に置換され得ることが当業者に明白であろう。特定の図を参照して説明された特徴は、たとえこれが明示的に述べられていなかった場合であっても、他の図の特徴と組み合わせられ得ることが言及されるべきである。さらに、本発明の方法は、適切なプロセッサ命令を用いる全てのソフトウェア実装形態、または同じ結果を達成するためにハードウェア論理とソフトウェア論理との組み合わせを利用するハイブリッド実装形態のいずれかにおいて達成され得る。本発明の概念に対するこのような変更形態は、添付の請求項によって網羅されることが意図される。

１０１ シャフト
１０２ 磁石
１０３ 磁化
１０４ 磁場センサ
１０５、２０５ シリコンダイ
１０６ 回転軸
２０１〜２０３、３０１〜３０３、４０１〜４０３、５０１〜５０３、６０１〜６０３、７０１〜７０３、８０１〜８０３、９０１〜９０３、１００１〜１００３、１１０１〜１１０３ 磁気感知デバイス
２０４ 読み取り円
２０６、２０７ 方向
４０４〜４０７、５０４〜５０７、６０４〜６０７、７０４〜７０７、８０４〜８０７、１００４〜１００７、１１０４〜１１０７ 磁気感知要素

Claims (18)

1. 磁気角度感知システムであって、
   − 第１の磁気感知デバイスと、
   − 第２の磁気感知デバイスと、
   − 第３の磁気感知デバイスと、
   − 前記第１の磁気感知デバイス、前記第２の磁気感知デバイスおよび前記第３の磁気感知デバイスを含む基板と
   を含み、
   − 前記第１の磁気感知デバイス、前記第２の磁気感知デバイスおよび前記第３の磁気感知デバイスが、前記基板の主表面と垂直である磁場成分に応答するように各々配置されており、
   − 前記第１の磁気感知デバイス、前記第２の磁気感知デバイスおよび前記第３の磁気感知デバイスの各々が同数の磁気感知要素を含み、
   − 前記第２の磁気感知デバイスが、半導体表面上において、前記第１の磁気感知デバイスから見て基準点の周りで時計回りに１２０°だけ回転されて配置されており、
   − 前記第３の磁気感知デバイスが、前記半導体表面上において、前記第１の磁気感知デバイスから見て前記基準点の周りで反時計回りに１２０°だけ回転されて配置されている、磁気角度感知システム。
2. 前記基準点が半導体デバイスの表面上に配置されており、前記基準点がまた、回転可能なシャフトに固定される磁場源の回転軸上にある、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
3. − 前記第２の磁気感知デバイスが前記半導体表面上に配置されており、その重心が前記第１の磁気感知デバイスの重心から見て前記基準点の周りで時計回りに１２０°だけ回転されており、
   − 前記第３の磁気感知デバイスが前記半導体表面上に配置されており、その重心が前記第１の磁気感知デバイスの前記重心から見て前記基準点の周りで反時計回りに１２０°だけ回転されている、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
4. 前記磁気感知デバイスの前記磁気感知要素がそれらの関連する磁気感知デバイスと同じ方法で回転されている、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
5. いくつかの磁気感知デバイスのいくつかの磁気感知要素が同じ配向および回転を示す、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
6. 前記磁気感知要素がホールプレートまたはＭＡＧ−ＦＥＴの少なくとも１つである、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
7. 前記磁気感知デバイスの各々が１つの磁気感知要素、２つの磁気感知要素または４つの磁気感知要素を含む、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
8. 磁気感知デバイスの前記磁気感知要素が矩形内、直線上、または読み取り円上に配置されている、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
9. 各磁気感知デバイスの前記磁気感知要素が相互接続層を介して並列に接続されている、請求項１に記載の磁気角度感知システム。
10. 角度センサ検出システムであって、
    − 基板上に配置される複数の磁気感知デバイスであって、前記磁気感知デバイスの各々が、前記基板の主表面と垂直である磁場成分を感知することが可能である、複数の磁気感知デバイスを含み
    − 前記複数の磁気感知デバイスが読み取り円上において３つの異なるかつ等距離の場所に配置されており、
    − 前記磁気感知デバイスの方位角座標が互いに１２０°だけ異なり、
    − 前記角度センサ検出システムが、処理ユニットであって、
    − 第１の磁気感知デバイスおよび第２の磁気感知デバイスによって提供される前記磁場成分の差に比例する第１の信号を決定することと、
    − 前記第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスによって提供される前記磁場成分の差に比例する第２の信号を決定することと、
    − 前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて回転角度を決定することと
    を行うように構成される処理ユニットを含む、角度センサ検出システム。
11. 前記処理ユニットが、
    − 前記第３の磁気感知デバイスおよび前記第１の磁気感知デバイスによって提供される前記磁場成分の差に比例する第３の信号を決定することと、
    − 前記第１の信号、前記第２の信号および前記第３の信号に基づいて前記回転角度を決定することと
    を行うようにさらに構成されている、請求項１０に記載の角度センサ検出システム。
12. 前記磁気感知デバイスによって感知される前記磁場成分が回転軸と平行であり、シャフトが前記回転軸の周りに回転可能に配置されており、磁場源が前記シャフトに接続されている、請求項１０に記載の角度センサ検出システム。
13. 前記回転角度を決定することが、以下のステップ：
    − （Ｓｘ，Ｓｙ）平面内のポインタから前記回転角度を決定するステップであって、Ｓｘが、前記第１の信号に比例する座標であり、Ｓｙが、前記第２の信号と前記第３の信号との加重和に比例する座標である、ステップ
    をさらに含み、
    − 前記回転角度が、前記ポインタと、前記Ｓｘ座標に沿った方向または前記Ｓｙ座標に沿った方向との間の角度である、請求項１１に記載の角度センサ検出システム。
14. 前記回転角度が、前記ポインタと、前記Ｓｘ座標または前記Ｓｙ座標に沿った前記方向との間の角度に任意の定数を加えたものである、請求項１３に記載の角度センサ検出システム。
15. シャフトの回転角度を決定するための方法であって、
    − 前記シャフトが回転軸の周りに回転可能に配置されており、磁場源が前記シャフトに接続されており、
    − 前記方法が、基板上に配置される複数の磁気感知デバイスであって、前記磁気感知デバイスの各々が、前記基板の主表面と垂直である前記磁場源の磁場成分を感知することが可能である、複数の磁気感知デバイスを含み、
    − 前記複数の磁気感知デバイスが読み取り円上において３つの異なるかつ等距離の場所に配置されており、
    − 前記磁気感知デバイスの方位角座標が互いに１２０°だけ異なり、
    − 前記方法が、
    − 第１の磁気感知デバイスおよび第２の磁気感知デバイスによって提供される前記磁場成分の差に比例する第１の信号を決定するステップと、
    − 前記第２の磁気感知デバイスおよび第３の磁気感知デバイスによって提供される前記磁場成分の差に比例する第２の信号を決定するステップと、
    − 前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて回転角度を決定するステップと
    を含む、方法。
16. − 前記第３の磁気感知デバイスおよび前記第１の磁気感知デバイスによって提供される前記磁場成分の差に比例する第３の信号を決定するステップと、
    − 前記第１の信号、前記第２の信号および前記第３の信号に基づいて前記回転角度を決定するステップと
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. デジタル処理デバイスのメモリ内に直接ロード可能であり、請求項１５に記載の方法のステップを実行するためのソフトウェアコード部分を含む、コンピュータプログラム製品。
18. コンピュータシステムに、請求項１５に記載の方法のステップを実行させるように適合されたコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体。