JP2008506122A - 集積磁気抵抗速度および方向センサ - Google Patents

Abstract

集積回路磁気抵抗速度および方向センサが、その方法およびシステムと共に開示される。説明するセンサには、一般にＡＭＲ（異方性磁気抵抗）ブリッジ回路が利用されている。この技術を使用することにより、従来のホール効果素子に基づくセンサと比較すると、エアギャップ性能を大きくすることができる。ＡＭＲセンサは、１つまたは複数の磁極を使用して、所望の動程に沿って磁化されたリング磁石または棒磁石を検出することができる。磁石の極数は、アプリケーションの設計に基づいて最適化しなければならない。ＡＭＲセンサのＡＭＲブリッジ設計によれば、オフセットが最小化され、最適性能のセンサが得られる。速度および方向情報を得るために、２つのブリッジ回路を互いに近接して配置できる（即ちターゲットおよび所望の性能に基づいてブリッジの正確な位置および形状を決定きる）。シリコン上の同じ場所に配置された集積電子工学上で２つのブリッジ回路の信号を比較できる。これらのブリッジは、通常、オフセットを小さく、および／または除去するために４５度回転し、エアギャップ性能が大きいセンサを提供する。

Description

（関連出願の参照）
本特許出願は、米国特許法§１１９（ｅ）の下に、参照によりその開示が本明細書に組み込まれている、２００４年７月８日出願の「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ（集積磁気抵抗速度および方向センサ）」という名称の仮特許出願第６０／５８６，７６９号の優先権を主張するものである。

実施形態は、一般にセンサ方法およびシステムに関する。また、実施形態は、速度および方向センサに関する。実施形態は、さらに、ＡＭＲ検出素子およびその集積回路実施態様を備えた磁気抵抗検出素子に関する。また、実施形態は、ＡＭＲブリッジ回路に関する。

自動車産業および航空宇宙産業における電子工学の使用、とりわけ電子および電気−機械制御システムの分野における電子工学の使用は、これまで継続的に増加し、今後も継続的に増加していくものと思われる。たとえば、電子式エンジン、トランスミッションおよびステアリングコントローラ、ならびに航空宇宙分野では、あらゆる電子式コントローラがより一般化し且つ複雑化している。

通常、コントローラには、多数のセンサからデータが供給される。このようなシステムの複雑性が増すにつれて、センサが提供しなければならない情報またはデータも複雑化しており、たとえば伝える情報の量が増え、データの正確度、データの依存度、そしてデータの取得速度が増加している。今日のセンサは、典型的に、これらの各パラメータを増加し、かつ、全コストを最小化しなければならない。

現代の車両には、たとえば電子式コントローラが提供されており、車両のオペレーションをモニタし、エンジン、トランスミッションおよび他のシステムに情報を提供してそれらの機能を制御している。車両の複数のシステムでモニタされるパラメータの１つは、回転部品の速度である。トランスミッション、ドライブラインおよび車輪にはいくつかの回転部品が提供されている。

従来の多くのシステムは、これら構成部品の速度を検出しているが、方向情報をしばしば提供していない。このようなシステムでは、センサは回転部品の回転を検出している。典型的に、ロータは、回転シャフトに固定された、等間隔に離間した複数の歯を備えている。シャフトと共にロータが回転し、ロータに隣接した位置にピックアップセンサが配置され、センサの真下を移動するロータの歯を検出している。センサからの信号を受け取るためのコントローラが提供される。コントローラは、歯を計数し、かつ、時間を測定することによってシャフトの速度を計算することができる。

構成部品の回転方向を決定するためには、従来のほとんどのシステムには追加センサが必要である。このようなシステムの場合、ロータの歯との特定の離間関係により２つのセンサが配置できる。センサは、エッジが検出される相対時間を決定する。その後、コントローラは回転方向を決定することができる。センサを追加することによってシステムのコストが増加し、信頼度が低下する。

したがって、とりわけ自動車産業および航空宇宙産業においては、回転および線形ターゲットの速度および方向を正確にかつ効率よく検出する必要が依然として存在している。従来のシステムが抱えている問題の１つは、機械公差および全システムの変動に適合するだけの十分な大きさのギャップ性能にしなければならない。従来のシステムには、通常、このような大きなギャップ性能が欠けている。即ち、センサとターゲットの間の距離がターゲットの移動または回転の所与の公差（即ち、軸の外れまたは誤まった位置）を変動し得る。したがってエアギャップ性能は、速度検出および方向検出における重要な因子である。本明細書において開示する実施形態により、エアギャップ性能の困難性が解決される。

本発明についての以下の概要は、本発明に固有の幾つかの創作的特徴に対する理解を容易にするために提供したものであり、本発明についてのすべての説明を意図したものではない。本明細書全体、特許請求の範囲、図面および要約書を全体として捕らえることにより、本発明の各種の態様のすべてを理解することができよう。

したがって、本発明の一態様によれば、改良型センサ方法およびシステムが提供される。

本発明の他の態様によれば、改良型速度および方向検出方法およびシステムが提供される。

本発明のさらに他の態様によれば、磁気抵抗検出素子を組み込んだ改良型速度および方向センサが提供される。

本発明の上記態様および他の目的ならびに利点は、以下に記述するように達成される。集積磁気抵抗速度および方向センサが、その方法およびシステムと共に開示される。ここに記載されたセンサには、一般にＡＭＲ（異方性磁気抵抗）ブリッジ回路が利用されている。この技術を使用することにより、従来のホール効果素子に基づくセンサと比較すると、エアギャップ性能を大きくすることができる。ここに開示されたＡＭＲセンサは、１つまたは複数の磁極を使用して、所望の動程に沿って磁化されたリング磁石または棒磁石を検出することができる。磁石の極数は、アプリケーションの設計に基づいて最適化しなければならない。ここに開示するＡＭＲセンサのＡＭＲブリッジ設計によれば、オフセットが最小化され、したがって最適性能のセンサが得られる。

速度および方向情報を得るために、２つのブリッジ回路を互いに近接して配置することができる（即ちターゲットおよび所望の性能に基づいてブリッジの正確な位置および形状が決定され得る）。シリコン上の同じ場所に配置された集積電子工学上で２つのブリッジ回路の信号を比較することができる。これらのブリッジは、通常、オフセットを小さくし、および／または除去するために４５度回転しており、エアギャップ性能が大きいセンサを提供している。

本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部を形成している添付の図面は、本発明をさらに例示したものであり、本発明についての詳細な説明と共に本発明の原理を説明している。図において、同様の参照番号表示は、すべての図面を通して全く同じ構成要素または機能的に類似した要素を表している。

これらの限定されない実施例の中で説明する特定の値および構成は、変更が可能であり、本発明の少なくとも１つの実施形態を単に示したものにすぎず、本発明の範囲を何ら制限するものではない。

図１は、本発明の一実施形態による、ボンドパッド位置のブロック図、インタフェース線図１１０、および供給電流対温度を示すグラフ１１４を示している。図２は、本発明の一実施形態によるタイミング図１１６を例示している。図３は、本発明の一実施形態によるパワーアップ線図１１８を例示している。図１―２は、グラフ１１４、タイミング図１１６およびパワーアップ図１１８が図１に示すセンサ１００の性能を示すデータを提供している意味では概ね相互に関連している。通常、センサ１００は、少なくとも２つのＭＲブリッジ１０４および１０６を備えている。本明細書において利用されているように、「ブリッジ」という用語は、同じ構成部品を意味するべく「ブリッジ回路」という用語と交換可能に利用することができることに留意されたい。図１には、近似のボンド位置１０８が示されている。

センサ１００は、通常、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）技術を使用してリング磁石の速度および方向の両方を検出することができるリング磁石速度および方向（ＲＭ Ｓ＆Ｄ）センサとして機能している。ＲＭ Ｓ＆Ｄ ＩＣは、通常、速度および方向情報を提供するための２つの出力ピンを備えている。標準的な構成は、速度ピンおよび方向ピンである。速度ピン上の出力信号の周波数は、リング磁石の回転速度に比例している。方向ピンのディジタル出力状態は、リング磁石の回転方向を示している。リング磁石の方向は、集積回路（ＩＣ）１０２上に構成された、空間的に分離された２つのＡＭＲブリッジ１０４と１０６の間の位相差から決定される。

ＲＭ Ｓ＆Ｄセンサ１００は、たとえば８ピンＳＯＩＣパッケージ内に収納された集積回路として実現することができる。この集積回路は、薄膜ＡＭＲセンサを含むバイポーラ技術において実現することができる。ＲＭ Ｓ＆Ｄ ＩＣセンサ１００は、トランスミッションシステム、ホイール速度システム、ステアリングシステムあるいは「スマート」ドアラッチシステムなどのリング磁石アプリケーションの回転速度検出アプリケーションに適している。

ＡＭＲに基づくセンサ１００は、コストが安く、高感度であり、応答が速く、また、サイズが小さく、かつ、信頼性が高い、機械式または他の磁気位置検出代替物に優る利点を提供することができる。完全集積回路は、ＡＭＲセンサと信号条件付けおよび出力回路を結合することによって最小のコストおよび最高の信頼性を得ることができる。小さい磁界への感度により、このようなセンサは、通常、顧客アプリケーションにおける各種の問題をユーザが解決を可能にする作業エアギャップを有している。

ＲＭ Ｓ＆Ｄセンサ１００は、電源および接地のための２つの結線、および１つが速度信号そして１つが方向信号である出力のための２つの結線を備えた８ピンＳＯＩＣパッケージとして実現できる。これらは、オープンコレクタ型出力にできる。また、センサ１００のＩＣ設計により、２つの速度出力を提供する可能性が提供されるが、方向を決定するためには外部信号処理が必要である。このオプションは、異なるウェーハマスクを介して達成できる。また、センサ１００は、個々の周期が、たとえば図５および６に開示されているリング磁石５０２などのリング磁石の１つの極に対応する周期方形波を提供できる。

図４は、本発明の一実施形態によるＭＲブリッジ４００の絵図を推奨ＭＲブリッジ寸法と共に示している。図４には同じくランナ４０２が開示されている。このようなランナ４０２は、４５度で配置することができる。図５は、本発明の一実施形態による、リング磁石５０２、エアギャップ５０３および８ピンパッケージ５０４を備えたシステム５００をブロック図で示している。８ピンパッケージ５０４は、８ピンリードフレームおよび図１に示すセンサ１００と類似したＳ＆Ｄ ＩＣ５０６を備えたプラスチックパッケージとして構成することができる。したがって図１に示すセンサ１００は、設計考察事項に応じてＳ＆Ｄ ＩＣ５０６の代替として実現することができる。図６は、本発明の一実施形態によるリング磁石５０２およびリング磁石の寸法例を示している。本明細書において示されているあらゆる寸法は、単なる推奨寸法または好ましい寸法にすぎないこと、また、このような寸法は、設計および実施考察事項に応じてもっと大きくすることも、あるいはもっと小さくすることも可能であることは理解されよう。したがってこのような寸法は、本明細書において開示されている本発明の特徴および／または本発明の実施形態の特徴を何ら制限するものではない。

図７は、本発明の好ましい実施形態による、２つのブリッジ回路すなわちブリッジ７０２、７０４、および４５度で配置されたランナを備えた集積回路を備えたシステム７００を示している。図７に示すブリッジ７０２および７０４の各々は、図４に示すＭＲブリッジ４００および図１に示すＭＲブリッジ１０４、１０６に類似している。

本明細書において開示されている実施形態は、一般に、ホイール速度センサ、トランスミッションセンサおよびユニバーサルラッチシステムに対する速度および方向検出要求を満足することができるシステム７００のようなセンサＩＣを対象としている。システム７００のようなＩＣは、ブリッジ７０２および７０４などの２つの空間的に分離されたＭＲブリッジを利用して、回転速度および回転方向を決定することができる。このＩＣは、８ピンＳＯＩＣ表面実装パッケージに配置することができる。これが、このデバイスを他のＭＲ速度および方向センサに対して固有にしている。得られる検出素子は、電源、接地および２つの出力を備えた４線デバイスとして実現することができる。出力は、２つの速度出力、または速度出力および方向出力を提供することができる。この試みは、ユニバーサルラッチシステムならびにトランスミッションまたはホイール速度における他の可能なアプリケーションに使用するための潜在能力を有している。

本明細書において開示されている速度および方向センサは、たとえば自動車トランスミッションシステムおよび自動車ホイール速度システムなどの多くのシステムに適用することができる。他のアプリケーションには、自動車ステアリングシステムおよび「スマート」自動車ドアラッチシステムがある。追加アプリケーションには、汎用回転速度情報収集デバイスがある。

本明細書において説明した実施形態および実施例は、本発明および本発明の実用アプリケーションを最良に説明し、それにより当業者による本発明の構築および利用を可能にするために提供している。しかしながら、以上の説明および実施例が単に説明を目的としたものにすぎず、また、単なる実施例にすぎないことは当業者には認識されよう。当業者には本発明の他の変形および変更が明らかであり、したがって特許請求の範囲にはこのような変形および変更が包含されている。

以上の説明は、本発明の範囲を完全に説明したものでも、あるいは本発明の範囲を制限するものでもない。上記の教示に照らして、特許請求の範囲を逸脱することなく多くの変形および変更が可能である。本発明の使用には、異なる特徴をもつ構成部品を包含することができることが理解されたい。本発明の範囲は、特許請求の範囲の各請求項によって制限され、全ての面でその均等物が十分に認知されることを意図している。

本発明の一実施形態による、ボンドパッド位置のブロック図、インタフェース図および供給電流対温度を示すグラフである。 本発明の一実施形態によるタイミング図である。 本発明の一実施形態によるパワーアップ図である。 本発明の一実施形態による、ＭＲブリッジの寸法と共に示すＭＲブリッジの絵図である。 本発明の一実施形態による、リング磁石、エアギャップおよび８ピンパッケージのブロック図である。 本発明の一実施形態による、リング磁石およびリング磁石の寸法例を示す図である。 本発明の好ましい実施形態による、２つのブリッジ回路（即ちブリッジ）および４５度で配置されたランナを含む集積回路を備えたシステムを示す図である。

Claims (20)

1. 第２のブリッジ回路に近接し、かつ空間的に分離された第１のブリッジ回路と、
   複数の磁極で所望の移動経路に沿って磁化され、前記第１のブリッジ回路が第１の信号を生成し、前記第２のブリッジ回路が第２の信号を生成するように、前記第１および第２のブリッジ回路が前記磁気ターゲットに近接して配置され、前記第１および第２の信号が互いに比較され、かつ前記磁気ターゲットの速度および方向を決定するために利用される、磁気ターゲットと、
   を備えたセンサシステム。
2. 前記第１および第２のブリッジ回路は集積回路（ＩＣ）チップ上に配置されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のブリッジ回路は磁気抵抗（ＭＲ）回路を備え、前記第２のブリッジ回路は磁気抵抗（ＭＲ）回路を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１および第２のブリッジ回路を備えた４端子デバイスをさらに備え、前記４端子デバイスは、パワー接続、接地接続、第１の出力および第２の出力を備え、前記第１および第２の出力はそれぞれ前記磁気ターゲットの前記速度および方向を表す速度データおよび方向データを提供する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１の出力は、方形波信号の形態の速度データを提供し、前記方形波信号の個々の周期は前記磁気ターゲットの１つの極に対応する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第２の出力は、前記磁気ターゲットの回転方向を表すディジタル状態の方向データを提供する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１および第２のブリッジ回路は、その動作温度範囲全体にわたってほぼ一定の磁気感度を提供する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記磁気ターゲットはリング磁石を備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記磁気ターゲットは棒磁石を備える、請求項１に記載のシステム。
10. 第２のブリッジ回路に近接して配置され、かつ、前記第２のブリッジ回路から空間的に分離され、前記第１および第２のブリッジ回路は集積回路（ＩＣ）チップ上に配置され、前記第１のブリッジ回路は磁気抵抗（ＭＲ）回路を備え、前記第２のブリッジ回路は磁気抵抗（ＭＲ）回路を備える、第１のブリッジ回路と、
    複数の磁極により、所望の移動経路に沿って磁化され、前記第１のブリッジ回路は第１の信号を生成し、前記第２のブリッジ回路は第２の信号を生成するように、前記第１および第２のブリッジ回路は前記磁気ターゲットに近接して配置され、前記第１および第２の信号は互いに比較され、かつ前記磁気ターゲットの速度および方向を決定するために利用される、磁気ターゲットと
    を備えたセンサシステムであって、
    前記ＩＣは、前記第１および第２のブリッジ回路を備えた４端子デバイスを備え、前記４端子デバイスは、パワー接続、接地接続、第１の出力および第２の出力を備え、前記第１および第２の出力はそれぞれ前記磁気ターゲットの前記速度および方向を表す速度データおよび方向データを提供する、センサシステム。
11. 前記第１の出力は、方形波信号の形態で速度データを提供し、前記方形波信号の各周期は前記磁気ターゲットの１つの極に対応する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第２の出力は、前記磁気ターゲットの回転方向を表すディジタル状態の方向データを提供する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１および第２のブリッジ回路は、その動作温度範囲全体にわたってほぼ一定の磁気感度を提供する、請求項１２に記載のシステム。
14. 第１のブリッジ回路を第２のブリッジ回路の近くに、前記第２のブリッジ回路から空間的に分離して配置するステップと、
    複数の磁極により、所望の移動経路に沿って磁化された磁気ターゲットを提供するステップを含み、
    前記第１のブリッジ回路は第１の信号を生成し、前記第２のブリッジ回路は第２の信号を生成するように、前記第１および第２のブリッジ回路が前記磁気ターゲットに近接して配置され、前記第１および第２の信号は互いに比較され、かつ前記磁気ターゲットの速度および方向を決定するために利用される、
    センサ方法。
15. 前記第１および第２のブリッジ回路を集積回路（ＩＣ）チップ上に構成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 磁気抵抗（ＭＲ）回路を備えるように前記第１のブリッジ回路を構成するステップと、
    磁気抵抗（ＭＲ）回路を備えるように前記第２のブリッジ回路を構成するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第１および第２のブリッジ回路を備えた４端子デバイスを提供するステップをさらに含み、前記４端子デバイスは、パワー接続、接地接続、第１の出力および第２の出力を備え、前記第１および第２の出力はそれぞれ前記磁気ターゲットの前記速度および方向を表す速度データおよび方向データを提供する、請求項１４に記載の方法。
18. 前記方形波信号の各周期が前記磁気ターゲットの１つの極に対応する、前記第１の出力から方形波信号の形態の速度データを生成するステップと、
    前記磁気ターゲットの回転方向を提供するために前記第２の出力からディジタル状態の方向データを生成するステップとをさらに含み、
    前記第１および第２のブリッジ回路は、その動作温度範囲全体にわたってほぼ一定の磁気感度を提供する、請求項１７に記載の方法。
19. リング磁石を備えるように前記磁気ターゲットを構成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
20. 棒磁石を備えるように前記磁気ターゲットを構成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

Images