JP2013156255A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構成に自由度があり、外部磁場の干渉による影響を削減可能な回転検出器の提供。
【解決手段】永久磁石励磁２の角度を検出する位置検出器は少なくとも３つのホール素子６からなる磁気センサと、磁気センサの出力信号の処理および制御をする電子回路からなる。ホール素子６は、活性表面が半導体集積回路５の平面に平行な共通平面に位置する態様で、半導体集積回路５の上に相互に距離をおいて配置、形成される。永久磁石２のＮ極からＳ極に走る磁力線の一部は、偏向体４によって偏向され、ホール素子６を貫通する。偏向体４は、半導体集積回路５とは別の独立した要素として形成、装備される。半導体集積回路５の表面のホール素子６の相互の距離は、ホール素子６自体の最大幅の倍数で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１で特定される磁気（磁場）センサに関するものである。

位置検出器としては、特に回転体の角度位置を捉えることができるので回転位置センサが適している。
この目的のために、回転体は、回転しない状態で、磁場が正確に本体の回転を再生する永久磁石励磁アレイ（アレイ型磁気センサ）に取り付けられるか結合される。
この磁場の方向は、検出される対象である回転する本体に対して位置の固定された３つのホール素子によって検出される。
少なくとも２つのほぼ周期的な測定信号は、これらのホール素子の出力信号から派生導出され、これらの測定信号は、２つの信号の持つ曖昧さ（不明確さ）を排除するために移相（phase-shifted＝位相シフト）される。

この目的に適した磁気（磁場）センサは、EP 1 182 461 A1により知られており、ホール素子は、半導体集積回路の中で、活性表面が半導体ＩＣのいずれか１つ平表面と平行な共通の平面に形成され配置されている。
多くの特許出願において、平面内の磁化の動きの方向がホール素子の活性表面の１つと平行になるように永久磁石励磁のアレイを設置することが構造上の理由で便宜である。
活性表面が磁場の垂直成分によってすべて貫通されていることを確認するために、強磁性材料の少なくとも一つの偏向体は、永久磁石アレイから発する磁力線の一部が、偏向体が不存在の場合は、代わりに垂直成分によって該表面が貫通され、ホール素子の活性表面に平行に走査伸延するように想定され、形成され、位置付けされている。

前述した文献に開示されている磁気センサは、特定の角度位置の正確な測定のためにホール素子の出力信号から派生する少なくとも２つの測定信号が、近似正弦曲線と同然であると想定されるため、いくつかの困難にさらされている。

更に、測定信号の外部磁場の干渉による影響を大幅に削減（除外）する必要がある。
この点、従来技術では、４つのホール素子は、有用なフィールド・コンポーネント（磁場成分）は加算される一方で、干渉する磁場成分は互いに差し引かれるような方法で、半導体ＩＣ（集積回路）の上の対抗するペアと接続される。
しかしながら、干渉磁場（干渉フィールド）が同じ強さ、同じ方向の各ペアの２つのホール素子を貫通するときは、干渉磁場成分（コンポーネント）のみ等しく、互いに打ち消して相殺となる。
これらの理想的な条件から逸脱すると、測定結果に影響を与える干渉磁場（干渉フィールド）部が残存することになり、個々に位置するホール素子の活性表面がさらに増加することになる。

更に、当該従来技術では、測定信号としてサイン／コサイン信号が必要とされるので、磁場コンセントレータ（field concentrator）とされている偏向体は、ホール素子についてできるだけ正確かつ対称に配置することが必要となる。
基本的に、この技術はＩＣ（集積回路）製造と互換性のある技術を用いて、ＩＣ（集積回路）の表面に直接この偏向体を応用装着することによってのみ達成することができる。

欧州特許出願 ＥＰ １ １８２４６１ Ａ１ ドイツ特許出願 ＤＥ １０ ２０１００１０ ５６０．０Ａ１

この（技術）内容では、ごくわずかな強磁性材料で、１５μｍから３０μｍ程度の厚さしかない極薄層だけが利用可能ということになるという不利益がある。
しかしながら、このような薄い強磁性体は、急速に飽和状態に達するので、偏向する磁場の方向と平行に小さな面積しか有しない（必要でない）。

測定動作中に回転磁場に対して固定されている集積回路の表面に固定された偏向体の実施例では、また、一定の磁気反転が生じるという結果になっている。
関連するヒステリシスは、低残留磁気強度を持つ偏向体によって最小化するであろう測定信号にエラーを引き起こす。
しかしながら、これらのエラーは、再度、薄層内でだけ発生するもので、磁気グラス（magnetic glasses）を使用しても完全には除去することはできない。

以上のような理由から、従来技術では、ホール素子は半導体ＩＣ（集積回路）上で互いにできるだけ接近して配置される必要があり、その結果、極く小さい範囲の磁場だけを捉えることになり、フィールド（場）の不均一性に対し独特の感度（特性）を有することになる。
さらに、極く小さな配列（配置）では、ホール素子に集中する十分に高度な磁場強度を発生させるため、偏向体の材料が高可逆透磁率（高相対透磁率＝high relative permeability）μＲを持っている必要がある。
しかしながら、相当な強制的（高圧的）な磁場強度のため、大きなμＲは大きな残留磁場を派生させる。

これとは対照的に、本発明の目的は、すべての問題を回避した上述のようなタイプの磁気センサの構築にある。

この目的を達成するため、本発明では請求項１に要約された特徴を提供する。

本発明によれば、従来技術では不可分一体と考えられていた磁気センサの２つの特性である、ＩＣ（集積回路）の表面の偏向体の位置決め、と、ＩＣ技術と互換性のあるプロセスの援助でそれを製造する必要性との関係づけ、および、表面上のホール素子間の極く小さな間隔、を回避（除去）している。

これは磁気センサを構築する上で、一連の有利な（好都合な）自由度を創出する。

偏向体は、従来技術に比べて、単に大きい領域をもつだけでなく、十分に厚くなるように形成されているので、これにより、急速な飽和による危険を削減できることとなった。
これにより、より大きく、かつ、より強い永久磁石の使用を可能にし、従来技術に比べて、比較的に低い可逆透磁率（相対透磁率）μＲを備えた材料から偏向体を創出することを可能にした。

偏向体を形成するためのＩＣ技術互換プロセスとの関係を断ち切ることによって、より都合のいい材料である、例えば、ホイスラー合金、フェライト、またはプラスチック結合フェライトなどが使用され、これらは特に低残留磁気で低保磁力であって、低いヒステリシス誤差を派生する。
フェライトには、さらに無数の利点があり、例えば、２μｍの粒径範囲で粉砕された粒子は、固有の磁気構造からなる個々の単一範囲の粒子であって、磁石が回転しているときにはヒステリシスノイズを発生し、残留磁気ブレイクは異常な結果でなければ通常は十分に小さくなる。
ヒステリシスノイズは、個々の粒子の残留磁気ブレイクの数字（統計）的な様相（外観）を示すためにここでは使用されている。

本発明の重要な特徴は、各ホール素子間の間隔が大きいため、偏向体が広い表面をカバーしているので、磁場コンセントレータ（field concentrator）およびシンメトライザ（対称器）としてだけでなく、不均一なフィールドの感度（特性）を落としたアレイを構成した磁気インテグレータ（field integrator）としても作動するものである。

仮に最高精度のため、ヒステリシスのない測定を希望する場合は、ＩＣ（集積回路）の物理的分離と本発明に係る偏向体を、モニタ−される本体さらに永久磁石のアレイとともに回転するように変更体を取付けることも可能にしている。
その貫通するフィールド（場）は、変化しておらず、磁気反転は生じない。

ホール素子に関して偏向体の位置決めの正確さは、本発明による手段により減少されているのは事実であり、正弦波から著しく逸脱するホール素子信号によって、誘導測定信号と９０°の位相シフト（移相）値を引き起こすが、これは実際上の（真の）欠点ではなく、理想的には、本発明による磁気センサと組み合わせて用いられているDE 10 2010 010 560.0
A1から分かるホール素子信号を取得および処理するための方法から拾うと、精度の高い測定値を得るための半周期的、また任意のセンサ信号の再現性のみを必要とし、ほぼ完璧に正確な正弦波の道筋をたどることもなく、位相は、９０°ずつ正確にシフトすることもない。
代わりに、センサは、唯一のアドレスジェネレータ（アドレス生成器）として使用され、メモリは、高精度の位置参照基準を用いて実施され、キャリブレーション（校正）の実行にともない正確な測定値がロード（読込み）される。
DE 10 2010 010 560.0
A1の技術的内容は、参考文献として本明細書に添付併合されている。

本発明の例示的な実施例を、図面を参照しながら以下に説明する。

本発明の磁気センサを備え、シャフトの角度位置を捕捉するために固定された偏向体を装備した回転位置センサの通る概略断面図である。

磁界センサがシャフトと一緒に回転する偏向体の装備された図１に類似する回転位置センサの通る断面図である。

図１と図２の２つは、正確な縮尺ではなく、個々のコンポーネントの大きさだけでなく、その間隔も、部分的に明確化の為に拡大されていることを、明確に指摘する。
同一のコンポーネントまたは互いに対応するものは、同じ参照番号が付してある。

概略を示す図１、図２は、マルチターン（多回転）といわれるもので、シャフト１の特定の回転を精密に解析するとともに、回転の絶対数もカウントすることができる、位置検出器の材料コンポーネント（材料成分）を示すものである。

両方の実施例で、シャフト１は、回転位置センサが検出しようとしている回転体自体であるか、または、正確にその回転運動が反映されるような態様でその本体に堅固に取付けられるかまたは機械的に接続されるものである。

棒状の永久磁石２は、シャフト１と共に回転するような態様で図１のシャフト１の先端部の上端に取り付けられ、回転軸ＲはＮ極とＳ極の間の中央を垂直に通過している。

該永久磁石の上には、同じく回転軸Ｒに対して垂直に、非磁性材料からなるボード３が伸延しており、回転軸Ｒの方向にはプレート（ボード）３より大きな厚さを有する強磁性材料の平面偏向体４が挿入されていて、前記シャフト１の先端の上部の領域に開口を跨ぐパスが設けられている。

開口部に替えてブラインドホール（切欠穴）であってもよい。
平面偏向体もまた、環状の形態であってもよい。

ＩＣ（集積回路）半導体コンポーネント５のハウジング（図示せず）の上部は、シャフト１の先端に面している偏向体４の平坦側の平面に隣接して位置している。

４つのホール素子は、ＩＣ半導体コンポ−ネント５の下向きの表面に形成されており、その内の２つのホール素子６、６は視認でき、図１の断面図に記載されているが、残りの第３（のホール素子）は背後に、第４（のホール素子）は図の平面の手前に位置している。

図から判るように、永久磁石２のＮ極からＳ極に走る磁力線の一部は、垂直要素（コンポーネント）を持つ４つのホール素子６を貫通することにより、低磁気抵抗を有する強磁性偏向体４によって偏向され、固定プレート３に対して回転するシャフト１と永久磁石２の回転角度に従属して大きさは変化し、これにより、４つのホール素子６によって出力された信号は、シャフト１の回転角度の高分解能検出のために使用することができる。

プレート３は、その上面にウィーガンドワイヤ８の要部を構成するウィーガンドモジュール７を備えており、ここでは水平に配置されており、コイル９はその周囲に捲回される。
このウィーガンドモジュール７は、シャフト１の回転数がカウントされることによって信号インパルスを発するという周知の方法で機能する。
これらの信号インパルスは、また、少なくとも回転数の検出操作（counting operation）を行うために必要な作業電力（processing electronics）の一部として供給するため、または、外部電力の供給が失われた時（例えばバッテリーの切断）に、検出して得られた測定値の保存のため供給するため、作業用電気エネルギーを提供するに十分な電気エネルギーを含んでいる。

この配置は、ホール素子が強い場を貫通して高出力信号が生成されるように、４つのホール素子６が永久磁石２の出来るだけ近くになるように配置することを選択し、さらにウィーガンドモジュール７は、ウィーガンドワイヤ８の飽和を避けるように、永久磁石２の極めてく弱い遠距離の場に位置させることを選択する。

４つのホール素子６を完全に覆う偏向体４を配設する位置の鍵は、ホール素子６とウィーガンドワイヤ８との中間に配置することで、その高い磁気伝導率のために、ウィーガンドワイヤ８自身の磁場はショート（短絡）しそうなので、ほとんど、この磁場からの干渉（障害）から４つのホール素子６を保護するためである。

図１に示す配置で、仮に、偏向体４の特定のタイプが固定した状態で配置された場合には、永久磁石２の回転により常に磁気の反転（逆転）が起こる。
不可避的に、ヒステリシスが起こり、正確な角度位置を決定する役目を果たすホール素子の出力信号から生じる信号の破壊の出現という事態が発生する。
これらの破壊は、非常に低い残留磁気と非常に低い保磁力を有する偏向体４の材料の選択によって最小化が可能であるが、しかし、それでもなお、このような位置検出器で得られる最大の精度の制限となる。
本発明でフェライトを使用すると、これらの破壊は、測定の精度がどんな場合でも最小であるという効果が、ヒステリシスノイズによって不明確になる。

仮に偏向体４の材料のヒステリシスやヒステリシスノイズに起因する測定信号の負の（逆の）影響を完全に回避したいのであれば、偏向体４が回転軸１の先端に堅固に取付けられている図２の配置形態を選択することができ、これにより、偏向体４は回転軸１とともに、また、永久磁石のアレイで正反対に磁化されブラケット１４によってシャフト１と回転不能に接続されている永久磁石リング１１と、一緒に回転することになる。
その磁化方向は互いに整列され、永久磁石リング１１の内側のＮ極と、対向する同じ永久磁石の内側のＳ極との間のスペースの真中を通る回転軸Ｒに垂直に伸延する。
永久磁石リングの代わりに、２つの別々の磁石を使用してもよい。

ここでは、ベースプレート１５が備えられており、シャフト１の先端からの軸間の距離（軸方向距離）は、永久磁石リング１１の軸方向距離より大きい。
プレート１５の下部には、シャフト１に面して非磁性体の補助プレート１６が保持されており、さらにＩＣ半導体チップ５（ハウジングなしで描かれている）がシャフト１に面する面に配置されている。これにより、偏向体４と４つのホール素子６が形成され、そのうちの２つのホール素子だけが図に表れている。

永久磁石リング１１の中心フィールドからの磁力線は、４つのホール素子６にほぼ垂直に貫通するように偏向体４によって偏向されている。

固定された偏向体４に留意しなければならない一方、ヒステリシス誤差を小さくするため、残留磁気とμＲは小さくなる。強い場をできるだけ垂直に吸い上げないように、かつ均質化し、除去できないシャフト１を通って入ってくる外部干渉磁場（干渉フィールド）を垂直に免れるように、高いμＲとすることが、回転偏向体の回転のために望まれる。
ここでは、もし偏向体４から４つのホール素子６の軸方向距離をできるだけ小さく保つことができれば特に有利になる。

ここでは、ウィーガントモジュール７は、ウィーガントワイヤ８とその周囲に捲回されているコイル９を包含し、かつ、シャフト１の回転をカウントするのに役立つと想定されている。
図１の実施例のように、本件のウィーガントモジュールは、また永久磁石リング１１の極く弱い遠距離の場に配置されている。

両方の実施例の基本となるのは、ＩＣの上面を上方向から見た４つのホール素子６の活性表面が、略正方形の軌跡からなり、正方形の四隅に配置される面とともに、活性表面のエッジ長さの倍数からなるエッジ長をお互いで形成する。

どちらの実施例でも、４つのホール素子６の活性表面の平面上の回転軸Ｒの方向の偏向体４の垂直投影は、形成する正方形より大きく、さらにこれを対称的かつ完全にカバーする（覆う）。
図１に示すロータリエンコーダの上記垂直投影は、対称型の軌跡となり、例えば正方形の軌跡であり、一方、図２に示すロータリエンコーダの場合は、円形または環状になるだろう。

Claims (14)

1. 磁気センサは、
   位置検出器用の少なくとも３つのホール素子（６）を備え、
   磁気センサの出力信号のための処理および制御する電子機器（回路）と永久磁石励磁アレイ（２；１１；１２）からなり、磁場の方向はホール素子（６）によって検知され、該ホール素子は活性表面が半導体ＩＣ（集積回路）（５）の上面に平行な共通平面に位置するように、半導体ＩＣ（集積回路）（５）上に相互の距離を置いて配置、形成されたもの、
   と、
   強磁性材料から成る１つの偏向体（４）であって、永久磁石アレイ（２；１１；１２）から発生する磁力線のように配置され、偏向体（４）が不存在の場合は、垂直にこれらの活性表面を貫通する少なくとも１つの指向性成分を受け取り、ホール素子（６）の活性表面の共通平面に平行に伸延する構成のもの、とからなるものであって、
   偏向体（４）は、半導体ＩＣ（集積回路）（５）とは別の独立した要素として形成、装備され、また、半導体ＩＣ（集積回路）（５）の表面のホール素子（６）の相互の距離は、ホール素子（６）自体の最大幅の倍数で構成されることを特徴とする磁気センサ。
2. 偏向体（４）は、平板状で、その平面の１つは、ホール素子（６）を有する半導体ＩＣ（集積回路）（５）の表面に面しており、それにほぼ平行に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 平板状の偏向体（４）は、半導体ＩＣ（集積回路）（５）のハウジングの上に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気センサ。
4. 平板状の偏向体（４）の平面は、ホール素子（６）の活性表面を完全に覆うホール素子（６）を有する半導体ＩＣ（５）の表面に面していることを特徴とする請求項２または請求項３記載の磁気センサ。
5. 平板状の偏向体（４）の表面は、半導体ＩＣ（５）の表面を完全に覆うホール素子（６）を有する半導体ＩＣ（５）に表面に面していることを特徴とする請求項４記載の磁気センサ。
6. 平板状の偏向体（４）は、磁気センサの電子的コンポーネント（構成要素）であるプレート（３）の開口部に挿入されていることを特徴とする請求項２乃至５いずれかに記載の磁気センサ。
7. 偏向体（４）は、半導体ＩＣ（５）の表面に垂直な方向に少なくとも０．２ミリメートルの厚さを有することを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の磁気センサ。
8. 偏向体（４）の材料は、低残留磁気からなることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の磁気センサ。
9. 偏向体（４）の材料は、低保磁力からなることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の磁気センサ。
10. 偏向体の材質は、フェライトからなることを特徴とする前記いずれかの請求項に記載の磁気センサ。
11. 回転軸（Ｒ）に対し左右対称であって、軸と共に回転する永久磁石励磁アレイ（２；１１）が装備され、回転軸（１）の角度位置を検出するための回転式の位置検出器として構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０記載のいずれかの請求項に記載の磁気センサ。
12. それは回転の絶対数を測定する役割を果たすウィーガンドモジュール（７）を備えていることを特徴とする請求項１１記載の磁気センサ。
13. 偏向体（４）は、ホール素子（６）の活性表面の平面とウィーガンドモジュール自体のフィールド（場）を短絡するためにウィーガンドモジュール（７）の間の半導体ＩＣ（５）に固定する方法で配備されること、また、そうでなければ、ホール素子（６）を妨害干渉することを特徴とする請求項１２記載の磁気センサ。
14. 偏向体（４）は、円形の形状であるホール素子を有する半導体ＩＣ（５）の表面に向けて垂直投影され、一緒に回転するように回転軸（１）上に装着されることを特徴とする請求項１２記載の磁気センサ。