JP2023517177A - ２次元平面における外部磁場角度を測定する磁気センサ及び前記磁気センサを用いた前記角度の測定方法 - Google Patents

２次元平面における外部磁場角度を測定する磁気センサ及び前記磁気センサを用いた前記角度の測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】従来の磁気センサと外部磁場角度の測定方法を電力、費用、時間の点で改良する。【解決手段】本発明は、２次元平面における外部磁界角度を測定する磁気センサに関し、第１信号ｓｉｎ（θ）及び第２信号ｃｏｓ（θ）をそれぞれ出力する第１及び第２感知ユニットと、第１信号と第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）を受信し、第１変調出力信号を出力する第１乗算ＤＡＣと、前記第２信号と第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）を受信し、第２変調出力信号を出力する第２乗算ＤＡＣと、第１変調出力信号を受信し、第１フィルタ処理された信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第１ＲＣフィルタと、第２変調出力信号を受信し、第２フィルタ処理された信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第２ＲＣフィルタと、第１及び第２フィルタ信号を加算し、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）を出力する加算器と、加算された信号と同期信号との間の位相シフトを測定し、位相シフトから角度を求める角度抽出部とを備える。

Description

本開示は、２次元平面における外部磁場角度を測定する磁気センサに関する。本開示はさらに、磁気センサを用いて前述の角度を決定する方法に関する。
２次元平面における外部磁場の向きの測定は、磁気センサを用いて実施可能である。このような磁気センサは、１次元磁気センサを組み合わせて形成可能であって、ここで、各１次元磁気センサは、フル（ホイートストン）ブリッジ回路構成に配置された４つの磁気センサ素子から形成される。１次元磁気センサの一方は、他方の１次元磁気センサの検知軸と直交する感知軸を持つ。２つの１次元磁気センサに一定の直流電圧を供給可能であり、その結果、各１次元磁気センサは、２つのデジタル化信号を得るために、それぞれの差動増幅器の入力端子に供給される出力を生成する。２つのデジタル化信号は、ソフトウェアのルーチンが２つのデジタル化信号の比のアークタンジェントを解いて外部磁場角度を抽出する処理ユニットに入力される。
従来の２次元磁気センサの不利点は、強力な処理装置を必要とする煩雑で長い数学演算を行わなければならないことである。したがって、この取り組み方（アプローチ）は電力、時間、費用を集中的に消費する。
９０°の角度差で磁気的に分極された２つのトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ブリッジを持つ角度２－ｄセンサの場合、正弦波及び余弦波形信号を生成できる。しかし、このようなセンサは不完全であり、２つのブリッジが正確に９０°離れていることはない。これはしばしば「直交性」の問題に言及される。
本開示は、２次元平面における外部磁場角度を測定する磁気センサに関するもので、それぞれ、第１信号ｓｉｎ（θ）及び第２信号ｃｏｓ（θ）を出力する第１及び第２感知ユニットと、第１信号と第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）を受信し、第１変調出力信号を出力する第１乗算ＤＡＣと、前記第２信号と第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）を受信し、第２変調出力信号を出力する第２乗算ＤＡＣと、第１ＲＣフィルタは、第１変調出力信号を受信し、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第１ＲＣフィルタと、第２変調出力信号を受信し、第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第２ＲＣフィルタとを備える。第１と第２フィルタ信号を追加し、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）を出力する加算器と、合計信号と同期信号との間の位相シフトを測定し、位相シフトから角度を求める角度抽出部とを備える。
一実施形態では、第１及び第２感知ユニットは、フルブリッジ回路に配置された複数のＴＭＲ感知素子を備える。
本開示はさらに、前述の磁気センサを用いて、外部磁場の２次元空間における回転角度を決定する方法に関する。
本明細書に開示される磁気センサ及び方法は、消費電力の低減を伴うリアルタイムの更新速度と、コンパクトな集積回路（ＩＣ）を使う費用対効果を可能にする。磁気センサ及び方法は、直交性の問題を解決する。
本発明は、例として与えられ、図によって例示される実施形態の説明の助けを借りてよりよく理解されるであろう。
図１は、２次元空間における回転角度と外部磁場の強度を測定する２つの感知ユニットを備えるＴＭＲベースのセンサを示す。 図２は、感知ユニットの可能な構成を示す。 図３は、自己参照磁気トンネル接合を備える感知素子を表す。 図４は、一実施形態に係る磁気センサ１０の一部を表す。
外部磁場６０の２次元平面における回転角度θを測定するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの磁気センサ１０を図１に示す。磁気センサ１０は、第１信号３０１を出力する第１感知ユニット３００と、第２信号４０１を出力する第２電界感知ユニット４００とを備える。
第１感知ユニット３００及び第２磁場感知ユニット４００の各々は、図２に例示されるように、完全に配置された複数のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）感知素子（ホイートストン）－ブリッジ回路を備えてよい。図２の配置において、フルブリッジ回路は、２つの直列接続されたＴＭＲ感知素子２１、２２、２２、２つの他の直列接続された磁場感知素子２３、２４に並列に備える。ここで、第１感知ユニット３００及び第２感知ユニット４００は分圧器として機能し、ここで分圧器比は、２次元空間における外部磁場６０の角度θの関数である。ＴＭＲ感知素子の他の配置、例えばハーフブリッジなどが可能である。
感知素子２１から２４は、自己参照磁気トンネル接合２（図３参照）を備えてよい。自己参照磁気トンネル接合２は、外部磁場６０の方向に応じて、固定されている参照磁化２３１を持つ参照層２３０と、参照磁化２３１に対して配向可能なセンス磁化２１１を持つセンス層２１０とを備える。第１感知ユニット３００及び第２感知ユニット４００の感知軸は、参照磁化２３１の固定姿勢と一致する。特に、第１感知ユニット３００の第１感知軸３３０は、例えば参照磁化２３１の方向をプログラミングすることによって、第２感知ユニット４００の感知軸４３０と略直交するように設定される。
感知素子２１から２４は、自己参照磁気トンネル接合に限定されず、磁場を感知できる様々な素子を備えてよい。例えば、感知素子は、ホール効果素子、磁気抵抗素子又は磁気トランジスタを備えてよい。知られているように、磁気抵抗素子には異なる種類があり、例えば、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）などの半導体磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）、スピンバルブ、その他がある。
磁気センサ１０は、第１磁場感知ユニット３００の入力に第１電圧波形２０１を供給するように構成された電圧発生器２００と、第２磁場感知ユニット４００の入力に第２電圧波形２０２とをさらに備えてよい。第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２は、直交信号を備えてよい。例えば、第１電圧波形２０１は、正弦波形を備えてもよく、第２電圧波形２０２は、余弦波形を備えてよい。第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２は、固定された発電機周波数ｆｇ及び振幅の周期的な電圧波形を持つ。第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２は、実質的に９０°位相ずらされている。
電子回路１０は、クロック同期信号１０１を生成するクロック発生器１００をさらに備えてよい。同期信号１０１は、電圧発生器２００の動作を同期させる。
第１感知ユニット３００は第１信号３０１を出力し、第２感知ユニット４００は第２信号４０１を出力する。第１信号３０１及び第２信号４０１の振幅は、第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２の振幅に対して、外部磁場６０の向きに応じて、すなわち、外部磁場６０の角度θに対して、感知素子２１から２４が線形範囲で動作している場合に変化する。
磁気センサ１０は、第１信号３０１及び第２信号４０１が入力される加算回路５００をさらに備える。加算回路５００は、第１信号３０１を第２信号４０１に加算（又は合計）し、合計信号５０１を出力するように構成されている。
磁気センサ１０は、角度抽出部７００をさらに備える。合計信号５０１及びクロック同期信号１０１は、角度抽出部７００の入力に供給される。このように同期信号１０１は、角度抽出部７００の動作をさらに同期させる。角度抽出部７００は、合計信号５０１と同期信号１０１との間の位相シフトを測定し、測定された位相シフトから外部磁場６０の角度θを求めるように構成されている。角度抽出部７００は、決定された角度θに関する情報を含むデジタル角度出力７０１を出力する。
図４は、一実施形態に係る磁気センサ１０を表している。図４では、電圧発生器２００及びクロック発生器１００は見えない。第１電圧波形２０１はフルブリッジ第１感知ユニット３００の入力に入力され、第２電圧波形２０２はフルブリッジ第２感知ユニット４００の入力に入力される。第１及び第２感知ユニット３００、４００の２つの分岐のそれぞれから出力される電圧－Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔは、電圧出力－Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔのオフセット及び感度変動を調整する第１及び第２調整可能なゲイン増幅器３０２、４０２に入力され、それぞれ正規化された第１信号ｓｉｎ（θ）３０１及び正規化された第２信号ｃｏｓ（θ）４０１を出力する。
第１信号ｓｉｎ（θ）３０１及び第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０３は、第１乗算ＤＡＣ３０４に入力される。第２信号ｃｏｓ（θ）４０１及び第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０３は、第２乗算ＤＡＣ４０４に入力される。ここで、ｆは周波数、ｔは時間であり、積ｆ＊ｔは角度θ（ｆ＊ｔ＞＞θ）より大きい。第１乗算ＤＡＣ３０４は、第１変調出力信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０５を出力し、第２乗算ＤＡＣ４０４は、第２変調出力信号ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０５を出力する。好ましくは、第１乗算ＤＡＣ３０４及び第２乗算ＤＡＣ４０４は、４象限の乗算デジタルアナログ回路（ＤＡＣ）である。
磁気センサ１０は、第１変調出力信号３０５を受信し、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）３０７を出力する第１抵抗コンデンサ（ＲＣ）フィルタ３０６をさらに備える（ここで、ＲＣｄは、第１ＲＣフィルタ３０６によって引き起こされる位相遅延である）。第２ＲＣフィルタ４０６は、第２変調出力信号４０５を受信し、第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）４０７を出力する（ここで、ＲＣｄは、第２ＲＣフィルタ４０６によって引き起こされる位相遅延である）。第１フィルタ信号３０７は、加算回路５００において第２フィルタ信号４０７に加算される。合計信号（ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）とｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ））５０１は、ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）－ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）をｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋０）に対応する。合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）５０１は、コンパレータ６０１に入力される。好ましくは、第１及び第２ＲＣフィルタ３０６、４０６は、１／２＊π＊ＲＣ≒ｆ（ｆに近似）となるように構成される。
磁気センサ１０は、アナログ参照信号「１」５０２によって入力される参照乗算デジタルアナログ変換回路（ＤＡＣ）５０４と、参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０５（ｆ＞＞θ）を与えるような正規化された参照デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０３とをさらに備える。参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０５は、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７を生成するような参照ＲＣフィルタ５０６に入力され、ここでＲＣｄは参照ＲＣフィルタ５０６によって生じる位相遅延である。参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７は、参照コンパレータ６０２に入力される。
外部磁場角度θは位相遅延ＲＣｄから求められる。
好ましくは、第１ＲＣフィルタ３０６、第２ＲＣフィルタ４０６、参照ＲＣフィルタ５０６は、同じロールオフ周波数を持つ。
コンパレータ６０１及び参照コンパレータ６０２は、それぞれ、合計信号５０１及び参照出力信号５０７の立ち上がりゼロクロスを求めるように構成されている。角度抽出部７００には、コンパレータ６０１のコンパレータ信号出力６０３と、参照コンパレータ６０２の参照コンパレータ信号出力６０４とが入力される。ここで、角度抽出部７００はカウンタである。カウンタ７００は、角度θを決定するようなｆより大きいクロック周波数で動作する。
カウンタ７００は、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７がゼロを横切ったときにカウントを開始し、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）５０１がゼロを横切ったときにカウントを停止するように構成してよい。角度θはカウントに比例する。
一実施形態では、クロック同期信号１０１の開始パルス及び停止パルスの相補的なエッジが使用される。これにより、角度抽出部７００の更新速度を２倍にできる。
一実施形態では、外部磁場６０の２次元空間における回転角度θを決定する方法は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの磁気センサ１０を用いて、次のステップを備える。 第１感知ユニット３００の第１信号３０１及び第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０３を第１乗算ＤＡＣ３０４に入力して、第１変調出力信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０５を出力するステップと、
第２感知ユニット４００の第２信号４０１及び第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０３を第２乗算ＤＡＣ４０４に入力して、第２変調出力信号ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０５を出力するステップと、
第１変調出力信号３０５を第１ＲＣフィルタ３０６に入力し、第２変調出力信号４０５を第２ＲＣフィルタ４０６に入力して、それぞれ、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）３０７及び第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）４０７を出力するステップと、
加算回路５００に第１フィルタ信号（３０７）及び第２フィルタ信号４０７を加算して合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）５０１を出力するステップと、
角度抽出部７００において合計信号５０１と同期信号１０１との間の位相シフトＲＣｄを測定し、測定された位相シフトＲＣｄから角度０を求めるステップ
である。
一実施形態では、この方法は、合計信号５０１をコンパレータ６０１に入力すること、及び合計信号５０１の立ち上がりゼロクロスを見つけるステップをさらに備える。
別の実施形態では、この方法は、第１信号ｓｉｎ（θ）３０１を出力するために第１感知ユニット３００に第１電圧波形２０１を提供し、第２信号ｃｏｓ（θ）４０１を出力するべく第２電圧波形２０２を第２感知ユニット４００に提供するステップをさらに備える。
さらに別の実施形態では、この方法は、参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０５を出力すべくアナログ参照信号５０２及び正規化された参照デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０３を参照乗算ＤＡＣ５０４に入力するステップと、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７を生成すべく参照変調出力信号５０５を参照ＲＣフィルタ５０６に入力するステップをさらに備える。
さらに別の実施形態では、この方法は、参照出力信号５０７を参照コンパレータ６０２に入力し、参照出力信号５０７の立ち上がりゼロクロスを見つけるステップをさらに備える。
考えられる方法の１つは、デジタル正弦波及び余弦変調関数を生成するクロックをスキューする（偏差、歪みを付ける）ことである。特に、不完全に「直交する」第１信号３０１及び第２信号４０１をサンプリングして保持可能であり、数クロックサイクルのプログラム可能な遅延を追加してよい。これにより、直交性をシステムの角度分解能のレベルに補正可能である。
１０ 磁気センサ
１００ クロック生成器
１０１ クロック同期信号
２１から２４ ＴＭＲ感知素子
２１０ センス層
２１１ センス磁化
２３０ 参照層
２３１ 参照磁化
２００ 周期電圧発生器
２０１ 第１電圧波形
２０２ 第２電圧波形
３００ 第１感知ユニット
３０１ 第１信号
３０２ 調整可能なゲイン増幅器
３０３ 第１デジタル入力
３０４ 第１乗算 ＤＡＣ
３０５ 第１変調出力信号
３０６ 第１ＲＣフィルタ
３０７ 第１フィルタ信号
３３０ 第１感知軸
３５０ コンデンサ
４００ 第２感知ユニット
４０１ 第２信号
４０２ 調整可能なゲイン増幅器
４０３ 第２デジタル入力
４０４ 秒の乗算 ＤＡＣ
４０５ 第２変調出力信号
４０６ 第２ＲＣフィルタ
４０７ 第２フィルタ信号
４３０ 第２感知軸
５００ 加算回路
５０１ 合計シグナル
５０２ アナログ参照信号
５０３ 参照デジタル入力
５０４ 参照乗算ＤＡＣ
５０５ 参照変調出力信号
５０６ 参照ＲＣフィルタ
５０７ 参照出力信号
６０ 外部磁場
６０１ コンパレータ
６０２ 参照コンパレータ
６０３ コンパレータ信号出力
６０４ 参照コンパレータ信号出力
７００ 角度抽出ユニット、カウンタ
７０１ デジタル角度出力
ｑ 磁場角度
ｆ 周波数
ｆｇ 固定周波数、発電機周波数
ＲＣｄ 位相遅延
ｔ 時間
Ｖ 電圧
本開示は、２次元平面における外部磁場角度を測定する磁気センサに関する。本開示はさらに、磁気センサを用いて前述の角度を決定する方法に関する。
２次元平面における外部磁場の向きの測定は、磁気センサを用いて実施可能である。このような磁気センサは、１次元磁気センサを組み合わせて形成可能であって、ここで、各１次元磁気センサは、フル（ホイートストン）ブリッジ回路構成に配置された４つの磁気センサ素子から形成される。１次元磁気センサの一方は、他方の１次元磁気センサの検知軸と直交する感知軸を持つ。２つの１次元磁気センサに一定の直流電圧を供給可能であり、その結果、各１次元磁気センサは、２つのデジタル化信号を得るために、それぞれの差動増幅器の入力端子に供給される出力を生成する。２つのデジタル化信号は、ソフトウェアのルーチンが２つのデジタル化信号の比のアークタンジェントを解いて外部磁場角度を抽出する処理ユニットに入力される。
従来の２次元磁気センサの不利点は、強力な処理装置を必要とする煩雑で長い数学演算を行わなければならないことである。したがって、この取り組み方（アプローチ）は電力、時間、費用を集中的に消費する。
９０°の角度差で磁気的に分極された２つのトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ブリッジを持つ角度２－ｄセンサの場合、正弦波及び余弦波形信号を生成できる。しかし、このようなセンサは不完全であり、２つのブリッジが正確に９０°離れていることはない。これはしばしば「直交性」の問題に言及される。
特許文献１（ＥＰ１９１８６７８）は、出力電圧の波形歪みが低減された角度などの物理量の変位を検出するＧＭＲ素子を用いた高精度変位センサの提供を開示している。所定の角度オフセットを有するホイートストンブリッジ回路が少なくとも２つ設置されていて、それぞれ複数のＧＭＲ素子を備え、各ＧＭＲ素子が所定の磁化方向に設定された固定磁性層を持っている。ホイートストンブリッジ回路の電源として交流電源を使用し、ホイートストンブリッジ回路からの交流変調出力に基づいて回転角などの物理量の変位を検出する。
特許文献２（ＥＰ３１４４６３９）は、放射状に磁化された磁石と、磁石の角度位置を感知する磁気角度センサとを有する磁気角度検出システムを開示している。磁気角度センサは磁石の軸に平行に取り付けられ、磁石と非同一平面である。磁気角センサは、センサが取り付けられた磁場ベクトルの検出された軸方向磁場成分と接線方向磁場成分とに基づいて磁石の角度位置を検出する。この発明は、柔軟な検知システムを提供している。
欧州特許出願公開第１９１８６７８号明細書 欧州特許出願公開第３１４４６３９号明細書
本開示は、２次元平面における外部磁場角度を測定する磁気センサに関するもので、それぞれ、第１信号ｓｉｎ（θ）及び第２信号ｃｏｓ（θ）を出力する第１及び第２感知ユニットと、第１信号と第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）を受信し、第１変調出力信号を出力する第１乗算ＤＡＣと、前記第２信号と第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）を受信し、第２変調出力信号を出力する第２乗算ＤＡＣと、第１ＲＣフィルタは、第１変調出力信号を受信し、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第１ＲＣフィルタと、第２変調出力信号を受信し、第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第２ＲＣフィルタとを備える。第１と第２フィルタ信号を追加し、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）を出力する加算器と、合計信号と同期信号との間の位相遅延を測定し、位相遅延から角度を求める角度抽出部とを備える。
一実施形態では、第１及び第２感知ユニットは、フルブリッジ回路に配置された複数のＴＭＲ感知素子を備える。
本開示はさらに、前述の磁気センサを用いて、外部磁場の２次元空間における回転角度を決定する方法に関する。
本明細書に開示される磁気センサ及び方法は、消費電力の低減を伴うリアルタイムの更新速度と、コンパクトな集積回路（ＩＣ）を使う費用対効果を可能にする。磁気センサ及び方法は、直交性の問題を解決する。
本発明は、例として与えられ、図によって例示される実施形態の説明の助けを借りてよりよく理解されるであろう。
図１は、２次元空間における回転角度と外部磁場の強度を測定する２つの感知ユニットを備えるＴＭＲベースのセンサを示す。 図２は、感知ユニットの可能な構成を示す。 図３は、自己参照磁気トンネル接合を備える感知素子を表す。 図４は、一実施形態に係る磁気センサ１０の一部を表す。
外部磁場６０の２次元平面における回転角度θを測定するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの磁気センサ１０を図１に示す。磁気センサ１０は、第１信号３０１を出力する第１感知ユニット３００と、第２信号４０１を出力する第２電界感知ユニット４００とを備える。
第１感知ユニット３００及び第２磁場感知ユニット４００の各々は、図２に例示されるように、完全に配置された複数のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）感知素子（ホイートストン）－ブリッジ回路を備えてよい。図２の配置において、フルブリッジ回路は、２つの直列接続されたＴＭＲ感知素子２１、２２、２２、２つの他の直列接続された磁場感知素子２３、２４に並列に備える。ここで、第１感知ユニット３００及び第２感知ユニット４００は分圧器として機能し、ここで分圧器比は、２次元空間における外部磁場６０の角度θの関数である。ＴＭＲ感知素子の他の配置、例えばハーフブリッジなどが可能である。
感知素子２１から２４は、自己参照磁気トンネル接合２（図３参照）を備えてよい。自己参照磁気トンネル接合２は、外部磁場６０の方向に応じて、固定されている参照磁化２３１を持つ参照層２３０と、参照磁化２３１に対して配向可能なセンス磁化２１１を持つセンス層２１０とを備える。第１感知ユニット３００及び第２感知ユニット４００の感知軸は、参照磁化２３１の固定姿勢と一致する。特に、第１感知ユニット３００の第１感知軸３３０は、例えば参照磁化２３１の方向をプログラミングすることによって、第２感知ユニット４００の感知軸４３０と略直交するように設定される。
感知素子２１から２４は、自己参照磁気トンネル接合に限定されず、磁場を感知できる様々な素子を備えてよい。例えば、感知素子は、ホール効果素子、磁気抵抗素子又は磁気トランジスタを備えてよい。知られているように、磁気抵抗素子には異なる種類があり、例えば、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）などの半導体磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）、スピンバルブ、その他がある。
磁気センサ１０は、第１磁場感知ユニット３００の入力に第１電圧波形２０１を供給するように構成された電圧発生器２００と、第２磁場感知ユニット４００の入力に第２電圧波形２０２とをさらに備えてよい。第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２は、直交信号を備えてよい。例えば、第１電圧波形２０１は、正弦波形を備えてもよく、第２電圧波形２０２は、余弦波形を備えてよい。第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２は、固定された発電機周波数ｆｇ及び振幅の周期的な電圧波形を持つ。第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２は、実質的に９０°位相ずらされている。
電子回路１０は、クロック同期信号１０１を生成するクロック発生器１００をさらに備えてよい。同期信号１０１は、電圧発生器２００の動作を同期させる。
第１感知ユニット３００は第１信号３０１を出力し、第２感知ユニット４００は第２信号４０１を出力する。第１信号３０１及び第２信号４０１の振幅は、第１電圧波形２０１及び第２電圧波形２０２の振幅に対して、外部磁場６０の向きに応じて、すなわち、外部磁場６０の角度θに対して、感知素子２１から２４が線形範囲で動作している場合に変化する。
磁気センサ１０は、第１信号３０１及び第２信号４０１が入力される加算回路５００をさらに備える。加算回路５００は、第１信号３０１を第２信号４０１に加算（又は合計）し、合計信号５０１を出力するように構成されている。
磁気センサ１０は、角度抽出部７００をさらに備える。合計信号５０１及びクロック同期信号１０１は、角度抽出部７００の入力に供給される。このように同期信号１０１は、角度抽出部７００の動作をさらに同期させる。角度抽出部７００は、合計信号５０１と同期信号１０１との間の位相遅延を測定し、測定された位相遅延から外部磁場６０の角度θを求めるように構成されている。角度抽出部７００は、決定された角度θに関する情報を含むデジタル角度出力７０１を出力する。
図４は、一実施形態に係る磁気センサ１０を表している。図４では、電圧発生器２００及びクロック発生器１００は見えない。第１電圧波形２０１はフルブリッジ第１感知ユニット３００の入力に入力され、第２電圧波形２０２はフルブリッジ第２感知ユニット４００の入力に入力される。第１及び第２感知ユニット３００、４００の２つの分岐のそれぞれから出力される電圧－Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔは、電圧出力－Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔのオフセット及び感度変動を調整する第１及び第２調整可能なゲイン増幅器３０２、４０２に入力され、それぞれ正規化された第１信号ｓｉｎ（θ）３０１及び正規化された第２信号ｃｏｓ（θ）４０１を出力する。
第１信号ｓｉｎ（θ）３０１及び第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０３は、第１乗算ＤＡＣ３０４に入力される。第２信号ｃｏｓ（θ）４０１及び第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０３は、第２乗算ＤＡＣ４０４に入力される。ここで、ｆは周波数、ｔは時間であり、積ｆ＊ｔは角度θ（ｆ＊ｔ＞＞θ）より大きい。第１乗算ＤＡＣ３０４は、第１変調出力信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０５を出力し、第２乗算ＤＡＣ４０４は、第２変調出力信号ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０５を出力する。好ましくは、第１乗算ＤＡＣ３０４及び第２乗算ＤＡＣ４０４は、４象限の乗算デジタルアナログ回路（ＤＡＣ）である。
磁気センサ１０は、第１変調出力信号３０５を受信し、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）３０７を出力する第１抵抗コンデンサ（ＲＣ）フィルタ３０６をさらに備える（ここで、ＲＣｄは、第１ＲＣフィルタ３０６によって引き起こされる位相遅延である）。第２ＲＣフィルタ４０６は、第２変調出力信号４０５を受信し、第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）４０７を出力する（ここで、ＲＣｄは、第２ＲＣフィルタ４０６によって引き起こされる位相遅延である）。第１フィルタ信号３０７は、加算回路５００において第２フィルタ信号４０７に加算される。合計信号（ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）とｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ））５０１は、ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）－ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）をｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋０）に対応する。合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）５０１は、コンパレータ６０１に入力される。好ましくは、第１及び第２ＲＣフィルタ３０６、４０６は、１／２＊π＊ＲＣ≒ｆ（ｆに近似）となるように構成される。
磁気センサ１０は、アナログ参照信号「１」５０２によって入力される参照乗算デジタルアナログ変換回路（ＤＡＣ）５０４と、参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０５（ｆ＞＞θ）を与えるような正規化された参照デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０３とをさらに備える。参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０５は、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７を生成するような参照ＲＣフィルタ５０６に入力され、ここでＲＣｄは参照ＲＣフィルタ５０６によって生じる位相遅延である。参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７は、参照コンパレータ６０２に入力される。
外部磁場角度θは位相遅延ＲＣｄから求められる。
好ましくは、第１ＲＣフィルタ３０６、第２ＲＣフィルタ４０６、参照ＲＣフィルタ５０６は、同じロールオフ周波数を持つ。
コンパレータ６０１及び参照コンパレータ６０２は、それぞれ、合計信号５０１及び参照出力信号５０７の立ち上がりゼロクロスを求めるように構成されている。角度抽出部７００には、コンパレータ６０１のコンパレータ信号出力６０３と、参照コンパレータ６０２の参照コンパレータ信号出力６０４とが入力される。ここで、角度抽出部７００はカウンタである。カウンタ７００は、角度θを決定するようなｆより大きいクロック周波数で動作する。
カウンタ７００は、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７がゼロを横切ったときにカウントを開始し、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）５０１がゼロを横切ったときにカウントを停止するように構成してよい。角度θはカウントに比例する。
一実施形態では、クロック同期信号１０１の開始パルス及び停止パルスの相補的なエッジが使用される。これにより、角度抽出部７００の更新速度を２倍にできる。
一実施形態では、外部磁場６０の２次元空間における回転角度θを決定する方法は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの磁気センサ１０を用いて、次のステップを備える。 第１感知ユニット３００の第１信号３０１及び第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０３を第１乗算ＤＡＣ３０４に入力して、第１変調出力信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）３０５を出力するステップと、
第２感知ユニット４００の第２信号４０１及び第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０３を第２乗算ＤＡＣ４０４に入力して、第２変調出力信号ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）４０５を出力するステップと、
第１変調出力信号３０５を第１ＲＣフィルタ３０６に入力し、第２変調出力信号４０５を第２ＲＣフィルタ４０６に入力して、それぞれ、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）３０７及び第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）４０７を出力するステップと、
加算回路５００に第１フィルタ信号（３０７）及び第２フィルタ信号４０７を加算して合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）５０１を出力するステップと、
角度抽出部７００において合計信号５０１と同期信号１０１との間の位相遅延ＲＣｄを測定し、測定された位相遅延ＲＣｄから角度０を求めるステップ
である。
一実施形態では、この方法は、合計信号５０１をコンパレータ６０１に入力すること、及び合計信号５０１の立ち上がりゼロクロスを見つけるステップをさらに備える。
別の実施形態では、この方法は、第１信号ｓｉｎ（θ）３０１を出力するために第１感知ユニット３００に第１電圧波形２０１を提供し、第２信号ｃｏｓ（θ）４０１を出力するべく第２電圧波形２０２を第２感知ユニット４００に提供するステップをさらに備える。
さらに別の実施形態では、この方法は、参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０５を出力すべくアナログ参照信号５０２及び正規化された参照デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）５０３を参照乗算ＤＡＣ５０４に入力するステップと、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）５０７を生成すべく参照変調出力信号５０５を参照ＲＣフィルタ５０６に入力するステップをさらに備える。
さらに別の実施形態では、この方法は、参照出力信号５０７を参照コンパレータ６０２に入力し、参照出力信号５０７の立ち上がりゼロクロスを見つけるステップをさらに備える。
考えられる方法の１つは、デジタル正弦波及び余弦変調関数を生成するクロックをスキューする（偏差、歪みを付ける）ことである。特に、不完全に「直交する」第１信号３０１及び第２信号４０１をサンプリングして保持可能であり、数クロックサイクルのプログラム可能な遅延を追加してよい。これにより、直交性をシステムの角度分解能のレベルに補正可能である。
１０ 磁気センサ
１００ クロック生成器
１０１ クロック同期信号
２１から２４ ＴＭＲ感知素子
２１０ センス層
２１１ センス磁化
２３０ 参照層
２３１ 参照磁化
２００ 周期電圧発生器
２０１ 第１電圧波形
２０２ 第２電圧波形
３００ 第１感知ユニット
３０１ 第１信号
３０２ 調整可能なゲイン増幅器
３０３ 第１デジタル入力
３０４ 第１乗算 ＤＡＣ
３０５ 第１変調出力信号
３０６ 第１ＲＣフィルタ
３０７ 第１フィルタ信号
３３０ 第１感知軸
３５０ コンデンサ
４００ 第２感知ユニット
４０１ 第２信号
４０２ 調整可能なゲイン増幅器
４０３ 第２デジタル入力
４０４ 秒の乗算 ＤＡＣ
４０５ 第２変調出力信号
４０６ 第２ＲＣフィルタ
４０７ 第２フィルタ信号
４３０ 第２感知軸
５００ 加算回路
５０１ 合計シグナル
５０２ アナログ参照信号
５０３ 参照デジタル入力
５０４ 参照乗算ＤＡＣ
５０５ 参照変調出力信号
５０６ 参照ＲＣフィルタ
５０７ 参照出力信号
６０ 外部磁場
６０１ コンパレータ
６０２ 参照コンパレータ
６０３ コンパレータ信号出力
６０４ 参照コンパレータ信号出力
７００ 角度抽出ユニット、カウンタ
７０１ デジタル角度出力
ｑ 磁場角度
ｆ 周波数
ｆｇ 固定周波数、発電機周波数
ＲＣｄ 位相遅延
ｔ 時間
Ｖ 電圧

Claims (14)

  1. ２次元平面における外部磁場（６０）の角度（θ）を測定する磁気センサ（１０）であって、
    第１信号ｓｉｎ（θ）（３０１）を出力する第１感知ユニット（３００）と、第２信号ｃｏｓ（θ）（４０１）を出力する第２磁場感知ユニット（４００）と、
    第１信号ｓｉｎ（θ）（３０１）及び第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）（３０３）を受信し、第１変調出力信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）（３０５）を出力する第１乗算ＤＡＣ（３０４）と、
    第２信号ｃｏｓ（θ）（４０１）及び第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（４０３）を受信し、第２変調出力信号ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（４０５）を出力する第２乗算ＤＡＣ（４０４）と、
    第１変調出力信号（３０５）を受信し、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を出力する第１ＲＣフィルタ（３０６）と、
    前第１変調出力信号（３０５）を受信し、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）（３０７）を出力する第１ＲＣフィルタ（３０６）と、
    第２ＲＣフィルタ（４０６）は、第２変調出力信号（４０５）を受信し、第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）（４０７）を出力する第２ＲＣフィルタ（４０６）であって、ＲＣｄは、第１ＲＣフィルタ（３０６）及び第２ＲＣフィルタ（４０６）によって生じる位相遅延である、第２ＲＣフィルタ（４０６）と、
    第１フィルタ信号（３０７）を第２フィルタ信号（４０７）に加算し、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）（５０１）を出力するように構成された加算器（５００）と、
    合計信号（５０１）と同期信号（１０１）との間の位相シフト（ＲＣｄ）を測定し、位相シフト（ＲＣｄ）から角度（０）を決定するために構成された角度抽出部（７００）と
    を備える、２次元平面における外部磁場（６０）の角度（θ）を測定する磁気センサ（１０）。
  2. 合計信号（５０１）を受信するコンパレータ（６０１）をさらに備え、合計信号（５０１）の立ち上がりゼロクロスの発見用に構成されている、請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 角度抽出部（７００）は、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）（５０７）のゼロクロスのときにカウントを開始するように構成されたカウンタであって、
    合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）（５０１）がゼロを横切ったときにカウントを停止し、角度θはカウントに比例する、請求項２に記載の磁気センサ。
  4. アナログ参照信号（５０２）及び正規化された参照デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（５０３）を受信し、参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（５０５）を出力する参照乗算ＤＡＣ（５０４）と、
    入力された参照変調出力信号（５０５）から参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）（５０７）の生成用に構成された参照ＲＣフィルタ（５０６）とをさらに備える、請求項３に記載の磁気センサ。
  5. 参照出力信号（５０７）は、参照出力信号（５０７）の立ち上がりゼロクロスの発見用に構成された参照コンパレータ（６０２）に入力される、請求項４に記載の磁気センサ。
  6. カウンタ（７００）はｆより大きいクロック周波数で実行される、請求項３から５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  7. ｆ＊ｔがθより大きい、請求項６に記載の磁気センサ。
  8. 第１乗算ＤＡＣ（３０４）と第２乗算ＤＡＣ（４０４）は、４象限の乗算ＤＡＣである、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  9. 第１感知ユニット（３００）及び第２感知ユニット（４００）は、フルブリッジ回路に配置された複数のＴＭＲ感知素子を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
  10. 外部磁場の２次元空間における回転角度θを求める方法（６０）であって、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気センサ（１０）を用い、
    第１感知ユニット（３００）の第１信号（３０１）及び前記第１デジタル入力ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）（３０３）を第１乗算ＤＡＣ（３０４）に入力して、第１変調出力信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ）（３０５）を出力するステップと、
    第２感知ユニット（４００）の第２信号（４０１）及び前記第２デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（４０３）を前記第２乗算ＤＡＣ（４０４）に入力して、前記第２変調出力信号ｃｏｓ（θ）＊ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（４０５）を出力するステップと、
    第１変調出力信号（３０５）を第１ＲＣフィルタ（３０６）に入力し、前記第２変調出力信号（４０５）を第２ＲＣフィルタ（４０６）に入力して、それぞれ、第１フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）（３０７）及び第２フィルタ信号ｓｉｎ（θ）＊ｓｉｎ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）（４０７）を出力するステップと、
    加算回路（５００）に第１フィルタ信号（３０７）及び第２フィルタ信号（４０７）を加算して、合計信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ＋θ）を出力する（５０１）ステップと、
    角度抽出部（７００）において、合計信号（５０１）と同期信号（１０１）との間の位相シフト（ＲＣｄ）を測定し、測定された位相シフト（ＲＣｄ）から角度（θ）を求めるステップと
    を備える、外部磁場の２次元空間における回転角度θを求める方法（６０）。
  11. 第１信号ｓｉｎ（θ）（３０１）を出力するべく第１感知ユニット（３００）に第１電圧波形（２０１）を与え、第２感知ユニット（４００）に第２電圧波形（２０２）を設けて第２信号ｃｏｓ（θ）（４０１）を出力するステップをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記磁気センサは、コンパレータ（６０１）をさらに備え、前記方法は、前記合計信号（５０１）を前記コンパレータ（６０１）に入力し、前記合計信号（５０１）の上昇ゼロクロスを求めるステップをさらに備える、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記磁気センサは、参照乗算ＤＡＣ（５０４）及び参照ＲＣフィルタ（５０６）をさらに備え、
    前記方法が、アナログ参照信号（５０２）と正規化された参照デジタル入力ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（５０３）を参照乗算ＤＡＣ（５０４）に入力して、参照変調出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ）（５０５）を出力するステップと、
    参照変調出力信号（５０５）を参照ＲＣフィルタ（５０６）に入力して、参照出力信号ｃｏｓ（ｆ＊ｔ＋ＲＣｄ）を生成する（５０７）ステップとをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記磁気センサは、参照コンパレータ（６０２）をさらに備え、
    前記方法がさらに、参照出力信号（５０７）を参照コンパレータ（６０２）に入力するステップと、参照出力信号（５０７）の立ち上がりゼロクロスを見つけるステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
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