JP2019074522A - 一体型磁気構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】平面基板上に一体化された少なくとも３つの磁束コンセントレータセクションを備えた磁界センサを提供する。【解決手段】各セクションは他のセクションのうちの少なくとも１つに隣接し、間隙により分離されている。センサは、第１のセクションと第２のセクションの内部または近くの磁束密度を検知するために位置付けられている少なくとも１つの第１の検知素子と、前記第１のセクションと少なくとも１つのさらなるセクションとの間の間隙の内部または近くの磁束密度を検知するために位置付けられている少なくとも１つの第２の検知素子を備える。磁界センサはさらに、基板に対して垂直な方向の磁界の変化を測定するように配置されているさらなる検知素子を備える。【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサの分野に関する。より具体的には、本発明は、一体型磁気コンセントレータ（ＩＭＣ）を使用する磁気センサに関する。

様々な技術分野において、例えば、電子装置および集積装置、センサ、コンパス内で、産業用途で、あるいは（例えばギアトゥースセンサ、ステアリングアングルセンサ、またはトランスミッションポジションセンサ等の）自動車用途で、磁界およびその方向を検出することは有利である。磁気センサは、一体化可能性が高く、コンパクトかつ安価であるべきであり、また高い感度を持つべきである。従来ホールセンサが使用されているが、今日、その磁界感度はもはや、絶えず高まる速度、分解能、および感度の要件を満たすのに十分な高さでなくなっていることが多い。

軟磁性材料を磁束コンセントレータとして使用することができる。磁束収束により磁力線の方向を変えて、所定領域に磁力線を集中することができ、その領域に磁気検知素子を配置することができる。通常、検知素子を通じて磁力線量を増加させると、感応性素子が比較的小さな領域しかカバーしない場合および／または信号が弱い場合にも、比較的高い検出可能信号がもたらされる。一般に、磁気コンセントレータを使用して、磁気センサの感度を高めることができる。

感度は、特別に設計されたセンサ、例えば、ホールセンサよりも高い磁界感度を示す、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）リボン、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子または異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子のようなメタマテリアルに基づくセンサを使用することによりさらに高めることができる。

米国特許第８，９５７，６７９号明細書

高い感度を示す、１つ以上の磁界成分を測定するためのアセンブリが特許文献１に開示されている。このアセンブリは、軟磁性表面エリアからなる磁束コンセントレータを含み、「巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果により発生する抵抗変化」を示す層抵抗を、磁気感応性素子の役割で使用している。２つの直交方向の磁界を得るために、ミラー対称の構成に配設された２つのコンセントレータが通常使用される。しかし、２つのコンセントレータを要することはアセンブリのサイズも増大させ、例えば、自動車およびギアトゥースセンサで使用するための一体型装置、携帯型装置およびウエアラブル装置等用としては、アセンブリが理想的でないものになっている。

磁束コンセントレータは周囲の磁界を局部的に変形するので、磁気センサの感度方向とは異なる方向の磁界の検知を可能にすることができる。例えば、ほぼ同じ感度方向を持つ２つのセンサを有する平面内の２つの非平行な方向の磁界を測定するために、磁界を局部的に乱す独立したＩＭＣ構造体を２つのセンサの各々に備えて、２つの非平行な方向の磁界成分を測定できるようにすることができる。例えば、基板上に固定され、同じ方向の磁界に対して感応性である複数のＧＭＲ素子を使用する場合には、読み取り誤りを防止するために、センサ内の素子の方向を慎重に制御しなければならない。さらに、２つのセンサ間のクロストークの問題が発生する可能性もある。

本発明の実施形態の１つの目的は、平面内の複数の方向の磁束密度を測定できる、コンセントレータおよびコンパクトな磁気センサを提供することである。

本発明は、平面を画定する基板上に一体化された少なくとも３つの磁束コンセントレータセクションを備え、前記少なくとも３つのセクションの各々が他のセクションのうちの少なくとも１つに隣接し、間隙により分離されている磁界センサであって、第１のセクションと第２のセクションとの間の間隙の内部または近くの磁束密度を測定するために位置付けられた少なくとも１つの第１の磁気検知素子と、前記第１のセクションと第３のセクションとの間の間隙の内部または近くの磁束密度を測定するために位置付けられた少なくとも１つの第２の磁気検知素子とを備える磁界センサに関する。例えば、少なくとも第１の検知素子および第２の検知素子は、間隙内または間隙の近くに位置付けることができる。間隙の近くに位置付けられた検知素子を参照する場合には、間隙の中心の距離が、間隙の長さと磁束コンセントレータの厚さの和に対応する距離よりも遠くない位置を参照してもよい。

磁界センサはさらに、基板に対して垂直な方向の磁界の変化を測定するように配置された、さらなる検知素子を備える。

ＩＭＣ構造体の非対称な存在によるＢｚ磁界の磁束線の偏りを測定できることが、本発明の実施形態の利点である。

同じ位置で２つの信号の測定を行うことができ、それにより検知素子と磁石のオフセットが低減されることが、本発明の実施形態の利点である。

平面内の磁界が、センサによって検知される前に、ＩＭＣ構造体によって常に方向を変えられることが、本発明の実施形態の利点である。言い換えれば、センサ素子（複数可）は、ＩＭＣによって方向が変えられた面上磁界のみにさらされる。したがってＩＭＣは、面上磁界に対するシールドとして有利に作用し、３６０度の全域で均一な磁気利得を有する利点がある。

ＩＭＣ構造体は、例えば、双極子磁石によって生成される磁界のような、均一な外部磁界で使用することができる。

セクションの形状および／またはそれらの間の間隙の形状と幅は、検知素子における磁界が外部磁界の方向と強度を表すように、コンセントレータセクション内の外部磁界の磁力線を導くよう適合させることができる。

単一のセンサを使用して、基板の平面内の直交方向において、基板を通過する磁界およびその方向、ならびに基板内の磁界およびその方向をセンサで測定することができ、そのためコンパクトで一体化可能性の高いセンサを得られることが、本発明の実施形態の利点である。各コンセントレータセクション内の磁力線の量が、センサの任意の軸に対する入射磁界の方向の関数となるように、セクションおよびそれらの間の間隙の形状を適合させ得ることが、さらなる利点である。

検知素子が、基板の平面内の同じ方向の磁界に対して感応性であってもよい。

第１、第２、および第３のセクションが非線形配置にあってもよい。第１、第２、および第３のセクションが三角形配置にあってもよい。言い換えれば、第１、第２、および第３のセクションは整列していないか、または単一直線上に位置付けられていない。

第１のセクションは、基板よりも高い透磁率を有する磁性材料を含んでもよい。第２のセクションは、第１のセクションに隣接してもよく、基板よりも高い透磁率を有する磁性材料を含んでもよい。第２のセクションはさらに、少なくとも１つの磁気検知素子を含む第１の間隙により第１のセクションと分離される。第３のセクション、例えば少なくとも１つのさらなるセクションは、第２の間隙により第３のセクションと分離された第１のセクションに隣接してもよく、少なくとも１つの磁気検知素子を含んでもよい。第３のセクションは、基板より高い透磁率を有する磁性材料を含んでもよい。

第１の間隙は、あるセクションとの少なくとも１つの境界を含んでもよく、第２の間隙は、別のセクションとの少なくとも１つの境界を含み、前記少なくとも２つの境界は互いに平行であり、磁気検知素子が前記平行な境界の最も近くに配置される。センサが、同じ基板内に平行に固定された検知素子（例えばＧＭＲプローブ）を備え得ることが、本発明の実施形態の利点である。

センサは、きっかり３つのコンセントレータセクションを備え得る。

センサは４つのコンセントレータセクションを備えてもよく、第４のセクションは、第４のセクションと第１のセクションとの間の間隙の最小幅より小さい最小幅を有する間隙により、第２および第３のセクションから分離される。センサを容易に蒸着できることが、本発明の実施態様の利点である。

磁気センサは、２つの直交対称軸を含んでもよい。

磁気センサは単純な軸対称性を有してもよく、または少なくとも３つの磁束コンセントレータセクションの構成が、単純な軸対称性を有してもよい。

磁気センサはさらに、冗長な検知素子を備え得る。差動検知可能なことが、本発明の実施形態の利点である。

検知素子は、平衡ブリッジセンサとして作動するように構成し得る。

検知素子が、基板の平面内の同じ方向の磁界に対して感応性であってもよい。検知素子を互いに対して配向する必要はなく、例えば、ＧＭＲプローブまたはリボンのような固定式検知素子の場合に、製造が容易になることが、本発明の実施形態の利点である。

さらなる検知素子は、磁束コンセントレータセクションのうちの１つの中の開口部の内部に位置付けてもよく、前記さらなる検知素子は、前記磁束コンセントレータセクションの材料によって取り囲まれる。

さらなる検知素子は、少なくとも３つの磁束コンセントレータセクションおよび、これらのコンセントレータセクション間の間隙によって画定されるエリアの外側に位置付けてもよい。

検知素子は、磁気抵抗検知素子であってもよい。

本発明また、前述のセンサを備えた集積回路に関する。

本発明また、位置決定のための、前述のセンサの使用に関する。

本発明の特定の態様および好ましい態様が、添付の独立請求項および従属請求項に記載されている。従属請求項からの特徴は、必要に応じて、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と組み合わせることができ、単に請求項に明示的に記載されたものだけではない。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に説明される実施形態（複数可）から明らかになり、また、前記実施形態を参照することで解明されるであろう。

２つの検知素子を有する３つのＩＭＣセクションを備えた、本発明の例示的な実施形態を図示する。 図１に示した実施形態において、Ｙ方向に対して４つの異なる角度の磁界でＩＭＣ構造体の表面を横切る磁束線を図示する。 外部磁界に対するＩＭＣの角度の関数としての、図１のセンサで測定された磁界のＹ成分および外部磁界のＹ成分を有するグラフを図示する。 ４つのＩＭＣセクション、２つの検知素子、および２つの冗長な検知素子を備える、本発明の例示的な実施形態を図示する。 図４に示した実施形態において、Ｙ方向に対する角度の異なる２つの磁界の磁力線を図示する。 図４に示した実施形態のセンサで測定された、外部磁界の正弦成分と余弦成分を有するグラフを図示する。 センサの基板に対して垂直なＺ方向の磁界を測定するためのさらなる検知素子を備える、本発明の２つの実施形態を図示する。 円形以外の形状を持つ、本発明のセンサの２つの実施形態を図示したもので、検知素子は、平行な壁を有する長手方向の間隙内に含まれている。 円形以外の形状を持つ、本発明のセンサの２つの実施形態を図示したもので、検知素子は、異なる間隙の互いに平行な壁の隣に含まれており、間隙自体は楔形をしている。 ４つおよび３つのセクションを有する、本発明のセンサの２つの実施形態を図示したもので、各センサは２対の検知素子を有する。 本発明の実施形態に関して、２つの例示的な非対称な実施形態を示す。

図面は、概略的なものに過ぎず、限定的なものではない。図面において、いくつかの要素のサイズは、説明の目的で誇張され、一定の縮尺で描画されない場合がある。

請求項中の参照符号は、範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を指す。

本発明は、特定の実施形態について特定の図面を参照しながら説明されるが、本発明はそれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は概略的なものに過ぎず、限定的なものではない。図面において、いくつかの要素のサイズは、説明の目的で誇張され、一定の縮尺で描画されない場合がある。寸法および相対寸法は、本発明の実際の具体化には対応しない。

さらに、説明および特許請求の範囲における第１、第２などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしもシーケンスを時間的、空間的に、序列で、または他のどの様式で表したものでもない。そのように使用される用語は適切な状況下で交換可能であり、本明細書で説明される本発明の実施形態は、本明細書で説明または図示したものとは別の順序で動作が可能であると理解すべきである。

さらに、説明および特許請求の範囲における上、下などの用語は、説明の目的で使用されており、必ずしも相対位置を記述するものではない。そのように使用される用語は、適切な条件下で交換可能であり、本明細書で説明される本発明の実施形態は、本明細書で説明または例示したものとは別の方向での動作が可能であると理解すべきである。

特許請求の範囲で使用される用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、その後に列挙される手段に限定されると解釈すべきではなく、他の要素またはステップを排除するものではないことに留意されたい。したがって、この用語は、記述された特徴、整数、ステップまたはコンポーネントの存在に言及したことを特定すると解釈すべきであるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップもしくはコンポーネント、またはこれらのグループの存在もしく追加を排除しない。したがって、「手段ＡおよびＢを備えるデバイス」という表現の範囲は、コンポーネントＡおよびＢのみからなるデバイスに限定すべきでない。この表現は、本発明に関して、デバイスの関連したコンポーネントだけがＡおよびＢであることを意味する。

本明細書全体にわたる「一実施形態」または「ある実施形態」への参照は、その実施形態に関して説明された特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえ、本明細書全体にわたる様々な場所における「一実施形態では」または「ある実施形態では」というフレーズの出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を参照するわけではないが、参照することもある。さらに、特定の特徴、構造または特性は、本開示から当業者には明らかであるように、１つ以上の実施形態において、任意の好適な方法で組み合わせることができる。

同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴は、開示を簡潔化し、１つ以上の様々な発明の態様を理解することを助ける目的で、時には単一の実施形態、図面、またはその説明の中に一緒にグループ化されることを認識すべきである。しかしながら、この開示の方法は、特許請求された発明が、各請求項において明示的に記載されたよりも多い特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示すように、発明の態様は、先に開示される単一の実施形態のすべての特徴よりも少なくなる。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、これにより詳細な説明中に明確に包含され、各請求項は、本発明の別々の実施形態としてそれ自体で成立する。

さらに、本明細書に記載されるいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれるいくつかの特徴を含むが、他の特徴は含まない。また、当業者なら理解するように、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内であることを意味し、また別の実施形態を形成する。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求される実施形態のいずれも、任意の組み合わせで使用することができる。

本明細書にて提供される説明には、多数の具体的詳細が記載されている。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体的詳細なしに実施され得ることが理解される。他の事例において、周知の方法、構造および技巧は、この説明の理解を不明瞭にしないために、詳細には示されていない。

本発明の実施形態において「検知素子」が参照される場合には、磁界に対して感応性であり、検知された磁界（例えば、その磁束）の強度に関する情報を提供する、センサの部分が参照される。本発明のセンサは、磁束線の方向を変えるように適合された材料を含んだ表面エリアとして通常実現されるデバイスである「磁束コンセントレータ」と共に、所定の位置に配分された複数の検知素子を備える。コンセントレータは普通、基板内に一体化されて、「一体型磁気コンセントレータ」（ＩＭＣ）を形成する。本発明のセンサはいくつかのＩＣＭ、もっと正確に言えば、間隙により互いに分離されたＩＣＭセクションを備える。セクション対間の経路は、所定の測定可能な方法で、セクションの形状およびそれらの間の距離（間隙の幅）により決定される。本発明の実施形態において「一対のセクション」が参照される場合には、間隙により分離された、互いに隣接する２つのセクションが参照される。本発明の範囲内では、少なくとも１つのセクションが異なる場合、ある対は別の対と異なるとみなされる。これは、例えば、３つのセクションで１組の場合には２対のセクションが得られ、セクションのうちの１つが両セクションに共通であることを意味する。

本発明の実施形態において間隙が参照される場合には、２つのセクション間の何もない空間が参照されるが、例えば、常磁性材料（例えばプラスチック）、またはＩＭＣの透磁率より低い透磁率を持つ、例えば、ＩＭＣの透磁率の最大半分の透磁率を持つ磁性材料といった、ある材料で充填された、２つのセクション間の空間も参照される。

第１の態様においては、本発明は、複数の検知素子、および間隙によって分離されたＩＭＣを備える磁気センサに関する。ＩＭＣおよび間隙は、２つのＩＣＭ間の磁束量を少なくとも１つの検知素子に向けて導くように、検知素子に対して配置される。ＩＭＣおよび検知素子は単一のセンサに含まれる。検知素子の別々の出力、および異なる検知素子の読み取り値の組み合わせ（例えば、比）が磁界の強度および方向の情報を提供する。

以下においては、センサは、複数のＩＭＣではなく、間隙によって分離された３つ以上のセクションに分割された１つのＩＭＣを備えるとみなされる。セクションは、間隙によって互いに完全に分離される。これらの間隙は、一方向にある必要はなく、長手方向にある必要もない。例えば、間隙の壁は、いくつかの部分が、例えば、楔形でもよい。それでもなお、間隙の壁は、異なる幾何形状を含むことができる。センサは、ＩＭＣのセクションのうちの少なくともいくつかの間の間隙の内部または近くの磁束密度を検知するように配置された複数の検知素子を備える。検知素子は、間隙内の基板の表面上に位置付けても、セクション対の間の基板内に埋め込んでもよい。検知素子は、間隙の近く、例えば、間隙中心の距離が、間隙の長さとコンセントレータの厚さの和に等しくなる位置、あるいはこの距離より短い位置にあってもよい。セクションおよび間隙は、検知素子を通過するように磁力線を導くよう、複数の検知素子に対して配置される。検知素子の応答の大きさから、強度を得ることができる。磁束の方向は、検知された応答の比から得ることができる。このように、本発明の実施形態のセンサは、基板を通過する磁束、および基板内の磁束を複数の（例えば、直交）方向で測定することができ、しかも同時にコンパクトである。

検知素子は、磁界に対する感度を提供し、磁界に対する測定可能な応答を示す、任意の好適な材料またはその混合物を含んでもよい。有利な素子は、高い面内感度を提供し得る。例えば、垂直ホールプレートを使用することができるが、水平ホールプレートを使用することもできる。素子は、例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果等の磁気抵抗効果を示してもよい。いくつかの実施形態においては、素子は、ＧＭＲ等のこれらの性質を示す複数の多層材料を含んでもよい。ＧＭＲ構造体の利点は、例えば、それらが、典型的なホールセンサと比べて高い感度を有すること、および、これらの構造体を後工程に導入することができ、迅速で費用効率の高いセンサ製造方法等がもたらされることである。例えば、固定された磁気抵抗構造体のような、固定された構造体も使用することができる。固定された素子自体の方向ではなく、間隙およびＩＭＣの配置のおかげで、基板の平面内の２つの方向、例えば２つの垂直方向における方向を本発明のセンサ内で独立に測定することができるので、方向性の最適化を要しない固定された検知素子を提供できることが、本発明の実施形態の利点である。高価で、時間がかかり、エラーを起しやすい後工程または転写により素子を提供したり、整列させたりする必要がないので、これにより製造コストが低減される。整列が難しく費用がかかる、方向ごとに異なる小方体内に素子またはセンサを提供することも必要ない。

本発明のセンサは、センサのＩＭＣ内のエリア、例えば、ＩＭＣのセクション間に配分された複数の検知素子を備え、場合により冗長な検知素子を含み、また場合により、例えば、基板に対して垂直な方向の磁界を読み取るために、ＩＭＣの外側またはＩＭＣ内の開口部の内部に追加の検知素子を含む。

ＩＭＣは、例えば、スロットルポジションセンサ、ギアトゥースセンサ、ステアリングアングルセンサ等の、磁気測定を要するデバイスまたはその一部の中に取り付けることができる専用のチップ内に提供し得る。いくつかの実施形態においては、ＩＭＣを、例えば、接続パッド、ＣＭＯＳ回路、読み出し回路等の、他の一体型素子と一緒に、チップの基板内に提供し得る。

特定の実施形態について、図面を参照しながらさらに説明する。

本発明の少なくともいくつかの実施形態のセンサは基板内に備えられる。センサは、基板によって画定される平面内の２つの方向、例えば、直交する方向の少なくとも各々での測定を提供する。図１は、基板１００、および３つのＩＭＣセクション１０３、１０４、１０５の間の間隙内の２つの検知素子１０１、１０２を備えるセンサの例示的な実施形態を示す。ＩＭＣセクションは、ＩＭＣを形成する材料を磁束が優先的に通過するように、基板の材料よりも高い透磁率を有する少なくとも１つの材料を含む。本発明の実施形態において、ＩＭＣは通常、例えば、ニッケル、鉄、それらの合金、あるいは任意の他の好適な材料などの軟磁性材料を含む。ＩＭＣは電気めっきでもよい。特定の実施例では、ＩＭＣは、１０μｍ〜３０μｍの厚さを有してもよく、例えば、ＮｉＦｅ（Ｎｉ濃度最大２３％）製でもよい。

本発明の実施形態のセンサは、少なくとも２つのセクション対が画定できる、３つ以上のセクションに分割されたＩＭＣを備える。３つの磁気コンセントレータセクションが存在する図１の実施例では、これらの３つのセクションで２つの所定の対が画定され、１つの検知素子が、２つの対の各々の間の各間隙の領域に配置されている。いくつかの実施形態においては、２つの対を形成するセクションの間の距離は、小さいまたは最小限（例えば、残りの対の間の距離より小さい）であってもよい。この幅は、検知素子を入れるのに十分な広さがあるだけでよい。磁気コンセントレータの各々は同じ材料を含んでいてもよく、これにより製造工程を簡単にすることができる。しかし、本発明はそれに限定されず、その代わりに、異なる材料を、それらの保磁力が異なる場合ですら、使用することができる。ＩＭＣはＩＣの表面にあってもよく、センサは、埋め込まれても、表面に蒸着されてもよい。

セクションは、基板と同じ材料を含むか、またはＩＭＣの材料よりも高い保磁力を有するという同一要件に適合する異なる材料を含む、間隙によって分離されてもよい。いくつかの実施形態においては、間隙を空気または成形化合物（プラスチック）で充填してもよい。セクション間の距離は均一である必要はない。間隙は、広い部分および狭い部分を含んでいてもよい。磁束線を所定のエリアに向けたり、間隙の特定の部分を通過するようにしたりするために、特定の方向および幅の間隙が有利に選択される。検知素子１０１、１０２（例えば、ＧＭＲ磁気プローブ）はそれぞれ、１番目の対のセクション１０３、１０４の間、および２番目の対のセクション１０４、１０５の間の間隙１０６、１０７の最も狭い部分内または近くに含まれるのが望ましい。

具体的には、セクションおよび間隙のトポロジーが、ある検知素子または別の検知素子に向う磁束のイージーパスは、測定または特徴付けされる磁界の方向に依存するという効果をもたらす。ＩＭＣの周りの間隙および配置を調整して、異なる方向の磁界に対して、各ＩＭＣ内の磁束の異なる経路を確保することができる。間隙の狭い部分は、センサの外周に直接接続してもよく、またはセンサの外周（セクションの外側の部分）に直接接続しなくてもよい。後者の場合、間隙の狭い部分をより広い間隙に接続してもよく、このより広い部分をセンサの外周に接触させてもよい。

検知素子は、間隙の狭い部分の少なくとも中または近くに有利に存在し得る。磁力線は、センサに対する磁界の方向に応じて、セクション間の最小距離（例えば、間隙の狭い部分）を通って、特定のセクション対の間の抵抗の最も小さい経路をたどるであろう。有利な実施形態では、検知素子は、間隙内の、別々の対のＩＭＣセクション間の距離が最も小さい位置に存在する。何故ならば、これらの位置が抵抗の最も小さい経路なので、磁束線がこれらの位置を優先的に通過しようとするからである。本発明の実施形態では、第１の検知素子は、例えば、第１のセクションと第２のセクションとの間の間隙の狭い部分に存在してもよく、第２の検知素子は、第１のセクションと第３のセクションとの間の間隙の狭い部分に存在してもよい。第１のセクションと第２のセクションとの間を通過する磁束線と、第１のセクションとさらに別のセクションとの間を通過する磁束線との比は、グラフ１１０に示したような、ＸおよびＹ方向の磁界の方向に関する情報を与える。さらに、検知素子は、それらを通過する磁界の方向に対しても感応性であり得るので、第１のセクションから第２のセクションに流れる磁界と、反対方向、すなわち第２のセクションから第１のセクションへ流れる磁界とを識別することができる。したがって、本発明の実施形態の単一のセンサを使用して、磁界の方向に関する情報を有利に得ることができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも２つの非平行な方向の磁界に対して高い感度および高い不同性を持つセンサを得るために、磁気コンセントレータセクションは、十分な量の磁力線を集中させて、検知素子に向わせることができるように形成される。図１に示した特定の実施形態では、例えば、上側のセクション１０１は、少なくとも３０°、例えば、図１の特定の実施形態に示したような９０°、をカバーする円弧状の外部境界を含んでもよい。上述のように、検知素子は、ある間隙の狭い部分の近くに位置付けられる。さらに、より広くなっている間隙が存在し（例えば、図１のセンサの第１のセクションと第２のセクションとの間の間隙は、狭い間隙より、例えば０．５倍広く、例えば１．２倍広く、または例えば５倍広くなっている）、これらの間隙は検知素子を含まない。

図１のデバイスのために、センサの対称軸として任意に選択した、座標系１１０のＹ方向に対して異なる角度の磁界の磁力線２００を図２に示す。各検知素子の結果として得られる読み取り値を図３に示す。図２において、より暗い色はより大きい磁界強度を示す。左上の図２１０は、Ｙ方向に平行な磁界に対応する。本実施例において、各感応性素子を通過する磁力線の量および磁束の方向は同じなので、検知素子１０１、１０２の正弦成分および余弦成分３０１、３０２は０°では同じ値−０．１５を持つ。右上の図２２０は、Ｙ方向に対して４５°の角度を有する磁界に対応する。間隙およびセクションの幅広部の形状が磁力線を間隙の狭い部分１０７に向わせるので、左側の検知素子１０１を横切る信号はほとんどなく、言い換えれば、対応するその応答３０１にはほとんど振幅がない。一方、（最大振幅を有する）強い信号が、間隙の狭い部分１０７を横切る。左下の図２３０では、磁界は、平面内のＹ方向に対して垂直である（Ｘ方向に向かう）。同じ量の磁力線が検知素子を横切るが、反対の２方向となる。すなわち、磁力線は、左側のセクション１０３から上側のセクション１０４（Ｙの正方向）に、および上側のセクション１０４から右側のセクション１０５（Ｙの負の方向）に横切る。最後に、右下の図２４０は、Ｙ方向に対して１５０°の角度を有する磁界に対応する。磁束線は、両方の検知素子をＹの正方向に通過するが、図３のグラフの対応する曲線３０１、３０２が示すように、右側の検知素子１０２を通過するよりも多くの磁力線が左側の検知素子１０１を通過することに留意されたい。

例えば、製造時に実施できる、既知の磁界を使用した較正により、読み取り値から強度を計算することもできる。

したがって、第１および第２の検知素子の正弦信号および余弦信号に関する応答を使用して、例えば、ルックアップテーブル等を用いて、演算装置で単純な数学や三角法の関係を使用して信号を処理することにより、外部磁界のＸ成分およびＹ成分を直接得ることができる。このように、このデバイスは、磁界の角度または磁界成分ｘ、ｙ、ｚを出力することができる。さらに、センサを較正すれば、絶対値を提供することができる。

さらに、強い検知信号を得るために、間隙の特定の部分のサイズおよび形状を設計で最適化してもよい。図１の特定の場合では、強い信号を得るために、Ｙ方向の間隙部１０８を、間隙１０６、１０７のＸ方向の狭い部分の２倍より広くするように選択してもよく、間隙１０６、１０７の円形部を、間隙の狭い部分よりも大きくすることを選択してもよい。

このように、信号または磁気利得の増幅は、セクション間の距離、セクションの境界（例えば、円形ＩＭＣセクションの円弧の半径）、および間隙の異なる部分のサイズの比によって影響される。間隙の広い部分を横切る磁力線が多すぎる場合は、各検知素子を通過する磁力線が少なくなり、検知信号が低減されるであろう。有利な実施形態において、異なる方向の磁界に対して各検知素子によって読み取られる信号は、位相が９０°ずれている。

検知素子とＩＭＣセクションとの間の距離は同じであってもよい。図１に示すように、検知素子を含む、間隙の部分（狭い部分）は、均一な幅を有することができる。これは、対称な読み取り値を提供するのに有利な一助になり得る。例えば、磁界の方向がＹ方向に対して０°である場合、両方の検知素子を通過する磁束の強度は同じになるであろう。それでもなお、そうする代りに、間隙の幅を均一にしなくてもよい。

本発明の別の実施形態を図４に示す。この特定の実施形態は、４つの検知素子１０１、１０２、４０１、４０２、および４つのＩＭＣセクション４０３、４０４、４０５、４０６を備える。検知素子の２つ１０１、１０２は、第１のＩＭＣセクション４０３と、余弦信号および正弦信号の検知に使用することができる２つの他のＩＭＣセクション４０４、４０５との間の狭い間隙に沿って配設される。実施例は、余弦信号および正弦信号を参照して記載されているが、本発明の実施形態はそれに限定されず、より一般的には、好ましい実施形態では直交していてもよい、第１の方向および第２の方向が参照されることに留意されたい。さらに、信号が完全には直交していない場合には、較正を考慮して、信号の相関をなくすことができる。他の実施例で前述したように、ＩＭＣセクションの特定の形状、および間隙の異なる部分の相対的なサイズが、外部磁界の方向に応じて、異なるＩＭＣセクションに対する磁力線の分布を決定するであろう。さらに、図４では、本実施例における２つ冗長な検知素子４０１、４０２である、２つの他の検知素子が、第４のＩＭＣセクション４０６と前記２つの他のＩＭＣセクション４０４、４０５との間の間隙に沿って配設される。例えば、それらを、残りの検知素子と対称に配設してもよい。有利で堅牢なセンサデバイスを得ることができ、例えば、冗長な検知素子を使用して値をクロスチェックすることにより、誤動作を検出することが可能になる。

図４のデバイスのために（任意に選択された、図４の座標系１１０の）Ｙ方向に対して２つの異なる角度（０°および４５°）の磁界における磁力線２００を図５に示す。結果として得られる、各検知素子の正弦および余弦の読み取り値を図６に示しており、これから、２つの直交方向の磁界を得ることができる。前述したように、各セクション内の磁束は、セクションの形状、および間隙における異なる部分の異なるサイズによって決定され、検知素子を通過する磁力線は、各セクション、および各検知素子が間に配置されるセクション対の内部の磁束によって決定される。

一般に、検知素子１０１、１０２、４０１、４０２の応答３０１、３０２、６０１、６０２は良好で、比較的弱い外部磁界２００に対して高い信号を提供する。

さらに、上記の実施例は、異なる方向、例えば、平面内の反対方向における磁界の磁界成分を決定するのに単一のセンサで十分であることを示している。本発明の実施形態はこれを、単一のセンサの磁気コンセントレータの対の間に複数の検知素子（同一線上の、または平行な検知素子、例えば、固定された素子、さえ）を使用して得ている。

本発明の実施形態では、センサは、Ｚ方向とも呼ばれる、平面（例えば、基板の平面）に対して垂直な方向における磁界の変化を測定するように配置された検知素子も備え得る。例えば、Ｚ方向における検知は、一体型磁束コンセントレータの存在に起因する偏りである、基板に対して垂直な磁界成分の偏りを検知して行われる。これらの検知素子は、ＩＭＣセクションの外部境界に配設し得る。図７の左側の図７００は、センサの異なる側面（図に示すように、直径方向に反対であるが、他の配置も可能）に配設された検知素子７０１、７０２を示す。しかし、それらは、ＩＭＣセクション間の所定の間隙内、例えば、広い間隙内にも存在し得る。検知素子７０１、７０２を通過してコンセントレータに入る磁力線と出て行く磁力線の非対称性が、面内センサをｚ磁界に対して感応性であるものにする。

検知素子は、図７の右側の図７１０に示すように、ＩＭＣセクション内のエリア上に配設してもよく、そうすることにより、センサはよりコンパクトになる。この場合、素子７１１、７１２は、例えば、セクション内の開口部７１３の内部に配設してもよく、そうすることにより基板に接触するが、ＩＭＣ材料により完全に取り囲まれる。開口部７１３は、例えば、セクション内の磁束線の経路をあまり乱さないように適合させてもよく、例えば、対称性を破らない円形にしてもよい。

本センサのいくつかの実施形態は、図４の例示的なセンサが示すように、センサの中心に対して２次の回転対称性（２つの軸に対して対称生）、または図１に示すように、軸対称性のみを提供し得る。各センサ素子を通過する磁束線の量が外部磁界の方向に依存する限り、他の形状、配設および配置のＩＭＣセクション、間隙および検知素子を使用してもよい。円形以外の形状をセンサに使用することができ、それにより設計の柔軟性を高め、基板のエリアを最適に利用してセンサをよりコンパクトにすることができる。

例えば、非円形センサの２つの可能な実施例を図８に示す。これらの実施例の両方において、センサは、三角形の形状および３つのセクションを有する。上側の図８００のみが、対称なセクションを有するセンサを示す。下側の図８１０は、非対称なセクションを備える。両方の場合において、検知素子は、第１の上側セクション８０１、８１１と２つの他のセクション８０２、８１２、８０３、８１３との間の間隙の狭い部分に配置される。２つの他のセクション８０２、８１２、８０３、８１３自体の間の間隙はより広くなっている。いくつかの実施形態では、例えば、低飽和点を有するセンサにおいて、ＩＭＣの利得を最小化することができる。

セクション間に広い間隙が存在する場合には、検知素子が存在する必要はなく、これは、設計がいずれにせよ、これらのセクションの間を横切ると予想される磁力線の量を最小化することを意図しているためである。これにより、磁力線のほとんどが、直交（例えば、ＸおよびＹ）方向の磁界を検出するための検知素子を含む、より狭い間隙を有するセクションを横断するように強いられる。しかし、前記広い間隙内に検知素子が存在する必要はないが、さらなる検知素子を、例えば、Ｚ方向の磁界を検出するためのシステムの一部として、そこの縁近くに配置してもよい。間隙は均一である必要はなく、他の実施例ですでに述べたように、曲線部ならびに狭い部分および広い部分を間隙が含んでもよい。図８の下側の図８１０に示すように、異なるＩＭＣセクション間の間隙８１４、８１５およびそれらの中の検知素子は同一線上にある必要はない。

図９は、不規則な非線形間隙を有する２つの例示的な実施形態９００、９１０を示す。上側の図９００において、検知素子９０１、９０２を含む間隙９０３、９０４は、２つの平行で同一線上にある壁９０５、９０６を含でもよい。しかし、その代りに、これらの壁が同一線上になくてもよい。同一線上にない平行壁の実施例を図９の下側の図９１０に示しており、検知素子を含む間隙９１３、９１４は、同一線上にない２つの壁９１５、９１６を含む。これらの壁は平行であってもよいが、そうである必要はない。磁気センサは、縁部の向きに関係なくＹ磁界を検知するはずである。いずれにせよ、本実施例において、検知素子はこれらの平行な壁の隣に配置されているので、各検知素子を他の検知素子に対して特定の方向に向ける必要はない。検知素子を平行な平面の近くに配置することは、いくつかの実施形態の利点であり、これは、平行な平面の近くでは、磁界が常にＹ軸に沿う、すなわち境界条件にあるためである。

いくつかの実施形態によれば、間隙を対ごとに同一線上にすることができる。測定された正弦信号および余弦信号が互いに十分あるいは最適に分離されるように、間隙内の検知素子を配置してもよい。

図１０は、２つのさらなる実施形態を示す。図１０の左側の図は、４つのＩＭＣセクションおよび非円形形状を有するセンサを示す。図１０の右側の図は、３つのＩＭＣセクションを有し、冗長な検知素子を含むセンサを示す。両方の実施形態において、ＩＭＣセクションおよび間隙は、最大数の磁束線が、検知素子の配置された間隙の狭い部分を通過するように設計されている。磁界の強度および向きは、ここでも、両方の検知素子が提供する信号およびそれらの比を分析することによって決定される。図１０の右側の図において、２つの検知素子（１００１、１００２）の間で磁界の方向が逆になることに言及する必要がある。これは、磁界の余弦成分に対する２つの反対の応答をもたらし、磁界の余弦成分を検知するための平衡差動ブリッジの構築を可能にする。

図１１は、上述の実施形態のセンサと同じ原理に従いながら、不規則な非対称な形状を有する、例えば、不規則に形成されたＩＭＣ１１００、１１１０を含む、本発明の２つの実施形態を示す。検知素子１１０１、１１０２は、ここでも、固定して、同じ方向にすることができる．両方の検知素子を、間隙１１０３、１１０４、１１１３、１１１４の間の平行な壁の隣に備えることができる。Ｚ方向の検知のためのさらなる検知素子１１０５、１１０６を含むこともできる。いずれの検知素子も、それらが磁界の方向に関する情報を提供する限り、他方に対して配向する必要はない。

センサは、最大２ｍｍ^２、例えば、１ｍｍ^２以下、例えば、０．１ｍｍ^２〜１ｍｍ^２の面積を占有し得る。こうして、他の回路に簡単に一体化できるコンパクトなデバイスを得ることができる。

センサは、システム内の、検知を要する位置に導入し得る。センサは、そのような一体型コンポーネントとして提供してもよく、またはその代りに、センサの基板を他の回路と共有してもよく、それにより、さらにもしくは完全に一体型のデバイスがもたらされる。

要約すると、本発明の実施形態のセンサは、各ＭＣセクション内の磁力線の密度が、デバイスに対する外部磁界の方向を表すように配置することが可能な、磁気コンセントレータセクションおよび間隙を含む。デバイスは、直線方向または回転方向の位置センサ内でも、例えば、電流センサ内でも使用し得る。あるＩＭＣセクションから別のＩＭＣセクションへ通過する磁界を、間隙の内部または近くの検知素子により検出して、ＩＭＣセクション対間を横切る磁力線（磁束）の量を表す読み取り値を得ることができる。検知素子が、基板内の単一の方向を有してもよい。磁束線は結局、外部磁界の方向を表すので、第１のＩＭＣセクションと少なくとも第２のセクションとの間、およびと第１のセクションと少なくとも第３のセクションとの間を通過する磁界を読み取ることによって、入射磁界の方向および強度を、単一のセンサを使用して得ることができる。これにより磁石およびＩＣのミスアライメントに対する許容誤差を大きくできること、およびシステムの複雑さが低減できることが、本発明の実施形態の利点である。ＩＭＣ設計の自由度が高いので、測定された成分を、例えば、図３および図６のグラフに示した外部磁界２００と比較する際に見られるような、高増幅の信号を得ることができる。単一のセンサを使用して異なる方向の磁界成分が測定できるので、単一点における磁界の強度および方向を得ることが可能なことが、本発明の実施形態の利点である。２つの異なるセンサが必要な場合、異なるセンサ内の磁力線が、例えば、それらのＩＭＣによって乱されることを避けるために、異なるセンサの物理的な引き離しが必要となり、それに起因する乱れが普通もたらされる。本発明の実施形態においては単一のセンサを使用することができるので、センサ間のクロストークがなく、ＩＭＣの設置面積が低減される。

本発明の実施形態によれば、磁界の角度の測定を行って磁石の位置を検出することができ、例えば、磁石の角度変位または線形変位を検出することができる。

Claims (17)

1. 平面を画定する基板（１００）上に一体化された少なくとも３つの磁束コンセントレータセクション（１０３、１０４、１０５、４０３、４０４、４０５、４０６、８０１、８０２、８０３、８１１、８１２、８１３、１１００、１１１０）を備え、前記少なくとも３つのセクションの各々が他のセクションのうちの少なくとも１つに隣接し、間隙（１０６、１０７、１０８、８１４、８１５、１１０３、１１０４、１１１４）により分離された磁界センサであって、第１のセクション（１０４、４０３、８０１、８１１）と第２のセクション（１０３、４０３、８０２、８１２）との間の前記間隙（１０６、９０３、９１３、１１０３、１１１３）の内部または近くの磁束密度を測定するために位置付けられた少なくとも１つの第１の磁気検知素子（１０１、９０１、１１０１）と、前記第１のセクション（１０４、４０３、８０１、８１１）と第３のセクション（１０５、４０５、８０３、８１３）との間の前記間隙（１０７、９０４、９１４、１１０４、１１１４）の内部または近くの磁束密度を測定するために位置付けられた少なくとも１つの第２の磁気検知素子（１０２、９０２、１１０２）とを備え、前記基板（１００）に対して垂直な方向の磁界の変化を測定するように配置されたさらなる検知素子（７０１、７０２、７１１、７１２、１１０５、１１０６）をさらに備える、磁界センサ。
2. 前記検知素子における前記磁界が外部磁界の方向と強度を表すように、前記セクションの形状ならびにそれらの間の間隙の形状および幅が、前記コンセントレータセクション内の前記外部磁界の磁力線（２００）を導くよう適合されている、請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記検知素子が前記平面内の同一方向の磁界に対して感応性である、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
4. 前記第１、第２、および第３のセクションが三角形に配置されている、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 第１の間隙が、あるセクションとの少なくとも１つの境界（９０５、９１５）を含み、前記第２の間隙が別のセクションとの少なくとも１つの境界（９０６、９１６）を含み、前記少なくとも２つの境界が互いに平行であり、前記磁気検知素子（９０１、９０２）が前記平行な境界の最も近くに配置されている、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
6. 前記センサがきっかり３つのコンセントレータセクションを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
7. 前記センサが４つのコンセントレータセクションを備え、第４のコンセントレータセクションが、前記第４のセクションと前記第１のセクションとの間の間隙の最小幅より小さい最小幅を有する間隙により前記第２および第３のセクションから分離される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気センサ。
8. ２つの直交対称軸を含む、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
9. 前記磁気センサが単純な軸対称性を有するか、または前記少なくとも３つの磁束コンセントレータセクションの構成が単純な軸対称性を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
10. 冗長な検知素子（４０１、４０２）をさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
11. 前記検知素子が平衡ブリッジセンサとして構成されている、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
12. 前記検知素子が、前記基板（１００）の前記平面内で前記同一方向に配向されている磁界に対して感応性である、前記請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
13. 前記検知素子が磁気抵抗検知素子である、前記請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
14. 前記さらなる検知素子が前記磁束コンセントレータセクションのうちの１つの中の開口部の内部に位置付けられ、前記さらなる検知素子が前記磁束コンセントレータセクションの材料によって取り囲まれている、前記請求項のいずれか１項に記載の磁気センサ。
15. 前記さらなる検知素子が、前記少なくとも３つの磁束コンセントレータセクション、およびこれらのコンセントレータセクション間の間隙によって画定されるエリアの外側に位置付けられている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のセンサを備える集積回路。
17. 位置決定のための、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のセンサの使用。