JP2023548836A

JP2023548836A - 干渉磁場に対する安定性を向上させた回転計数用磁気システム

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Publication number: JP2023548836A
Application number: JP2023526239A
Authority: JP
Inventors: マッテイス，ローランド
Original assignee: ライプニッツ－インスティテュートフュアフォトニサテヒノロギエンイー．ファウ．; ホルストシードルゲーエムベーハーウントコー．カーゲー
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-11-21
Also published as: EP4241097A1; CN116438463A; US20230384399A1; DE102020006987B3; WO2022096050A1

Abstract

本発明は、干渉磁場に対する安定性を向上させた回転計数用磁気システムに関するものである。従来技術により通常使用されているよりも大幅に高い磁場範囲（Ｂ磁場範囲）において使用でき、磁気窓の幅ΔＢ、即ち使用時に許容される下限Ｂ値と上限Ｂ値との差が可能な限り大きいこの種のシステムを提供するという課題を解決するために、角度センサと回転カウンタ（１０２）を共に捉える永久磁石の磁場方向を検出するための角度センサを使用し、この回転カウンタは既知の構造のＧＭＲ又はＴＭＲ回転カウンタによって形成され、両センサは共通のハウジング内及び／又は共通の配線基板上に互いに隣接して配置されているものにおいて、磁気作用を自動的に調整する磁気減衰構造（２００）が回転カウンタ（１０２）に割り当てられており、この磁気減衰構造は、均一な軟磁性材料から成る構造以外であって、外部磁場が零の場合にはそれ自体の磁場を持たないか又は極めてわずかな磁場しか持たないことを特徴とする。【選択図】図２

Description

磁気センサは、磁場の特性、例えば磁場方向を検出することができる。その一例は角度センサである。他の種類の磁気センサは、磁場が回転した頻度を判定することができる。この種の回転カウンタは、例えば十分に知られている従来技術であるＧＭＲ回転カウンタ又はＴＭＲ回転カウンタによって形成することができる。そのようなセンサは通常、センサ機能に加えてメモリ機能も有している。即ち、それらは例えば永久磁石が回転した頻度を記憶する。従来技術によれば、回転数の検出は、たいてい磁場の正確な方向を検出する角度センサと組み合わせて行われる。例えば０°～３，６００°の範囲の角度を測定する測定システムは、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗角度センサ）を使用して０°～１８０°の角度を検出するための角度センサか、又は０°～３６０°の角度を検出するための角度センサ（ＧＭＲ又はＴＭＲ角度センサ又はホールセンサ又は他の角度センサを使用）と、回転数（上記の例では０～１０）を検出することを可能にする回転カウンタとから成る。両センサ、即ち角度センサと回転カウンタは、別々に製造された構成要素として形成されており、通常は配線基板上に隣接して配置されている。加えて、前述のように、配線基板上には評価用電子回路を含む構成要素を配置することができる。この構成要素は、例えば欧州特許出願ＥＰ３３８７３８７Ｂ１号に記載されているように、両センサの信号を評価し、供給電圧を供給し、誤差監視も行うことができる。角度センサと回転カウンタの上方には回転する永久磁石を取り付けることができ、この永久磁石の横方向の広がりは、永久磁石の下方の漂遊磁場が前述の両センサを十分に包含するように確定されている。しかしまた、例えば磁気定規として機能することができる磁石の線形配置も、回転カウンタが磁気定規に沿って移動する際に回転磁場を形成し、この回転磁場は回転カウンタを用いて距離測定を実現するために使用できる。

永久磁石の磁場に同時に捉えられる両構成要素（角度センサと回転カウンタ）の実際の配置は、両構成要素の特性によって影響される。この場合、両構成要素は、例えば配線基板上に隣接して配置することができる。この幾何学的配置において両構成要素は、構成要素の平面内に永久磁石によって形成される同じ磁束Ｂを受ける。以下に説明するように、回転カウンタの位置での磁束Ｂが、角度センサの位置での磁束Ｂよりも小さい配置が有利である。このことは、例えば厚さ数ミリの配線基板の対向面に両構成要素を配置することによって達成できる。これにより、永久磁石と一方の構成要素との間隔は、配線基板の厚さだけ長くなる。回転カウンタが配線基板の下方に配置されていると、回転カウンタの位置での磁束Ｂは、間隔が長くなったことにより、より近い位置で永久磁石の磁場Ｂにさらされる角度センサの位置での磁束Ｂよりも小さくなる。回転カウンタの位置でＢ磁場が角度センサの位置よりも小さくなる別の可能な配置は、回転カウンタの上方に配置された磁気遮蔽層によって実現できよう。この場合、両センサは配線基板の同じ側に配置することができよう。しかしながら、その場合は角度センサと回転カウンタはより大きな間隔を有する必要があろう。そうでなければ、遮蔽層が角度センサの位置でもＢフィールドを望ましくない仕方で減少させるからである。

磁気角度センサがその最高の精度を達成するのは、センサの位置に上記の永久磁石によって形成される磁束Ｂの高い値（≧１００ｍＴ）が存在するときである。これと反対に、回転カウンタが回転数の誤差のない検出を提供できるのは、例えば１５ｍＴ～３０ｍＴに達し得る磁気窓内のみである。角度センサを用いて角度を、例えば０．０５°以上の精度で検出できるようにするには、少なくとも１００ｍＴのエンコーダ磁場が必要である。これに対して回転カウンタの場合、理想的には回転カウンタが誤差なく動作するＢ磁場範囲の中央に位置するために、エンコーダ磁場は角度センサに対するこの最適値の２３％、即ち２３ｍＴであればよい。

必要な両構成要素に作用する磁場に対する要件が異なることにより、上述した配置では、以下のような不都合が生じる。即ち、遮蔽層のない配線基板上に両構成要素を幾何学的に隣接して配置することにより、角度の高精度な検出は可能ではない。なぜなら、回転カウンタは通常、角度センサの位置でのＢ磁場を２３ｍＴに確定するからであり、そうでなければ回転カウンタはその所定の磁気窓内で動作できないであろう。

厚い配線基板の対向する両側に配置することにより、両センサをそれらに理想的なＢ磁場範囲で動作することができる。しかしながら、配線基板の厚さはエンコーダ磁石に正確に合わせて調整しなければならず、例えば幾何学的条件が異なる（例えば小型の測定システム用の）永久磁石を使用する場合には変更しなければならない。このような仕様で小型のサイズが指定された場合、両センサを１個のチップハウジング内に集積することは不可能である。

回転カウンタの上方に均一な軟磁性材料から成る磁気遮蔽層を使用することは、両センサを配線基板の同じ側に配置して、それぞれが最適なＢ磁場範囲内で動作することを可能にするであろうが、共通の小型チップハウジング内に集積することは、角度センサと回転カウンタの上方に位置する磁気遮蔽との間に間隔を設ける必要があるため不可能であろう。なぜなら、そのような遮蔽は、一つには、回転カウンタを横方向に約６０％張り出さなければならないであろうからであり、更に加えて、磁気遮蔽の作用が実質的に回転カウンタに限定されて角度センサの位置でのＢ磁場にはほとんど影響を与えないようにするためには、角度センサに対して磁気遮蔽の横方向の大きさの少なくとも５０％は離間していなければならないであろうからである。

特に、遮蔽層を使用しない両配置に共通しているのは、外部からセンサシステムに作用する干渉磁場の影響を、適切な設計上の措置によって十分に低減しなければならない点である。このような干渉磁場は、例えばセンサシステムの近傍に大電流が流れている場合に発生する可能性がある。干渉磁場が発生する別の可能性は、センサシステムの近傍で、例えば照明ランプのように磁石が取り付けられた物品を使用する場合である。

それゆえ全ての用途について、センサシステムの設計においては、センサシステムの動作時に回転カウンタに作用するＢ磁場が常に磁気窓の具体的に指定された範囲内にあることが、設計上の措置によって保証されなければならない。

このことを、例えば実際の条件下でエンコーダ磁石のＢ磁場が回転カウンタに２０～２５ｍＴの範囲で作用する例によって説明する。この範囲は、例えばエンコーダ磁石の磁化の温度依存性と、磁石と回転カウンタがある平面との間隔をわずかに変化させる、動作中に起こり得る永久磁石の望ましくない機械的な動きにより制約される。これは、最大許容Ｂ磁場を３０ｍＴとして、システム全体に作用する干渉磁場が、回転センサの位置で常に５ｍＴを下回るように、システム全体の構造が設計されねばならないことを意味する。これがセンサの利用条件下で保証できない場合は、追加の遮蔽措置を講じてこれを達成しなければならない。このことは一般的に高い設計コストと材料コストを必要とし、多大な追加費用を伴う。

回転カウンタの位置でＢ磁場をその磁気窓に合わせるために回転カウンタの位置で軟磁性遮蔽を使用すると、干渉磁場に対する安定性が向上する。このために、例えば軟磁性円板として設計された磁気遮蔽は、センサの横方向の広がりの約３０％に相当する垂直方向の間隔を持つ必要があろう。遮蔽体自体は、回転カウンタの横方向の広がりを２ｍｍとすると、回転カウンタの領域で要求されるＢ磁場を保証するためには、少なくとも４ｍｍの横方向の広がりと０．５ｍｍの厚さを持つ必要があろう。角度センサはその高い測定精度を達成するために遮蔽に覆われてはならないので、回転カウンタとの間隔は最低約６ｍｍ必要となるが、これは両センサを横方向に近接して配置し、若しくは角度センサと回転カウンタと評価用電子回路を１個のチップに集積して通常の構造の共通ハウジング内に収めることを不可能にする。同時に、両センサがＢ磁場の均一な範囲に入るようにするために、永久磁石を横方向に拡大して設計しなければならない。しかしながら、大きな永久磁石は、センサシステム全体のコストに占める割合が著しく増大する。角度センサと回転センサを近接して配置することに成功すれば、小さな永久磁石を使用でき、それによってコストを削減することができる。更に、少なくとも角度センサと回転カウンタを１個のハウジングに集積することができれば、センサを別々のハウジングに収めて使用するよりも全体の価格を下げることができよう。その上、組み立てコストも削減できるであろう。

独国特許出願ＤＥ１０２００８０６３２２６Ａ１号に記載されているような回転カウンタは、磁壁が移動する磁気導体を含んでいる。これは、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）スタック又はＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）スタックの一部であることができ、スパイラル状の形態で製造することが可能である。このようなスパイラル状の磁気窓は、例えばスタック内の軟磁性構造の幅によって調整することができる。幅が狭いと、磁気窓の下限値及び上限値が高くなる。１００ｍＴで動作する回転カウンタの場合、構造幅を従来使用されていた構造幅約３５０ｎｍの１／４に縮小する必要があろう。しかしながら、これまで一般的だった３５０ｎｍに代えて１００ｎｍ以下の構造幅の構造を製造することは難しい。構造化にリソグラフィーを用いる場合、磁気導体の粗さが避けられず、構成要素の歩留まりが著しく悪化する危険が大きい。

欧州特許出願ＥＰ３３８７３８７Ｂ１号独国特許出願ＤＥ１０２００８０６３２２６Ａ１号欧州特許出願ＥＰ３０６６４２１Ｂ１号

本発明の課題は、従来技術により通常使用されているよりも大幅に高い磁場範囲（Ｂ磁場範囲）において使用できる、干渉磁場に対する安定性を向上させた回転計数用磁気システムを提供することである。更に、磁気窓の幅ΔＢ、即ち使用上許容されるＢ値の下限と上限の差は可能な限り大きいものとする。

上記の課題は、請求項１の特徴部に記載された特徴によって解決される。本発明の本質は、回転カウンタにその磁気作用を自動的に調整する磁気減衰構造が割り当てられており、この磁気減衰構造は、均一な軟磁性材料から成る構造以外であって、外部磁場が零の場合にはそれ自体の磁場を持たないか又は極めてわずかな磁場しか持たないことである。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明を詳細に説明するために、以下の実施形態例を用いる。

図１は、従来技術による角度センサと回転カウンタの通常の配置を示す図である。図２は、本発明による基本的設計を示す図である。図３は、角度センサと回転カウンタと、必要に応じて評価用電子回路を１個のチップに集積した例を示す図である。図４は、本発明に従って使用される磁気減衰構造の第１の実施形態を示す図である。図５は、本発明に従って使用される磁気減衰構造の第２の実施形態を示す図である。図６は、本発明に従って使用される磁気減衰構造の第３の実施形態を示す図である。図７は、本発明による磁気減衰構造の効果を示す例示的表現である。図８は、磁気減衰構造の２種類の幾何学的構成を例示する上面図及び断面図である。図９は、回転カウンタの磁気感応部の上方に減衰構造を配置した例を示す図である。図１０は、回転カウンタの磁気感応部の下方に減衰構造を配置した例を示す図である。図１１は、角度センサと回転カウンタを評価用電子回路と共に配線基板上に配置した例を示す図である。図１２は、角度センサと回転カウンタを共通のハウジングに配置した例を示す図である。

図１は、まず、従来技術において慣用されており、本発明においても基本的に維持される磁気回転カウンタの基本的設計を示す。配線基板１０５上に、角度センサ１０１と、回転カウンタ１０２と、評価用電子回路１０３を搭載した構成要素が例示的に配置されている。この例では、角度センサ１０１と回転カウンタ１０２は、両構成要素１０１及び１０２を一様に捉え、軸Ｘ－Ｘを中心に回転可能な永久磁石１００によって覆われ、そのＢ磁場によって等しく捉えられる。

図２は、本発明による基本的設計を示す。ここでは、回転カウンタ１０２は、スマート磁気減衰構造２００、即ち磁気作用を自動的に調整する磁気減衰構造２００が内部に組み込まれて割り当てられている。回転カウンタ１０２内の減衰構造２００の位置は、図２に第１の例で示されている。この本発明による回転カウンタ１０２も、配線基板１０５上で角度センサ１０１のすぐ横に取り付けることができる。この場合、両センサは、図１に示すように、永久磁石１００によって形成される磁場によって捉えられる。

評価用電子回路１０３を備えたチップも配線基板１０５上に配置することができる。図３に模式的に示すように、角度センサと回転カウンタと、必要に応じて評価用電子回路とを、上記の全ての構成要素を共に含むチップ１０４に集積することは、コスト上の理由から非常に有利である。

スマート磁気減衰構造２００の作用により、磁気窓を、例えば通常の１５ｍＴ～３０ｍＴ（本発明による減衰構造２００を使用しない場合）から減衰構造２００を使用する場合の６０ｍＴ～１２０ｍＴに大幅に拡大することができる。この例では、磁気窓の幅は１５ｍＴから６０ｍＴに、即ち４倍拡大する。最大許容干渉磁場は、センサを９０ｍＴで作動する場合に３０ｍＴになり、したがって６倍拡大することができる。これにより、従来技術において一般的であった別個の磁気遮蔽（ここでは図示せず）が単純になり、さらには完全に不要になるので、回転カウンタの使用が著しく大幅に簡素化される。これにより、コストが削減され、磁気回転カウンタの新しい使用分野が開かれる。本発明によるこの解決策の本質的な利点は、新規の減衰構造２００によって角度センサ１０１を回転カウンタ１０２と、必要に応じて評価用電子回路１０３とも、１個のチップ１０４に集積することが可能になることである。このような集積の可能性により、幾何学的寸法を小さくした永久磁石１００を使用することが可能になる。このことと、組立コストの削減により、これまで従来技術により可能であったよりも安価な解決策が得られる。

以下に、本発明による磁気減衰構造２００の特別な構成を、幾つかの具体的な例によって説明する。本発明によれば、減衰構造２００内に使用するために、その固有の特性に基づき外部磁場がＢ＝０の場合にそれ自体のＢ磁場を発生しないか又は非常に小さいＢ磁場しか発生せず、再磁化の際に磁気損失が発生しないか又はわずかしか発生しない磁性材料が用いられる。

このことは、図４に第１の例とその可能な２通りの配置について示すように、磁気減衰構造が、上下に積層され平面内で磁化されてそれぞれ反平行に配列された部分層４０２からなり、各層の厚さが互いに磁気的に相殺するように選択されている場合に達成できる。層４０２の反平行配列は、薄い強磁性層４０２が、例えば銅又はルテニウム（Ｒｕ）の極薄層４０１によって分離されている場合に生じる。反平行配列は、例えばＲｕの厚さが０．８ｎｍ～１ｎｍであるか、銅（Ｃｕ）の厚さが約１ｎｍ又は約２ｎｍの場合に発生する。領域４０２の磁化の完全な平行配列に必要とされるＢ磁場Ｂ_ｓａｔは、非磁性中間層４０１の厚さと種類、及び強磁性層４０２の材料とその厚さに依存する。厚さ３ｎｍのＣｏ_９０Ｆｅ_１０層と０．８ｎｍのＲｕの場合、約９００ｍＴのＢ_ｓａｔが必要である。個々の層の厚さを１０倍の値、即ち３０ｎｍにすると、Ｂ_ｓａｔの値は１／１０、即ち約９０ｍＴに減少する。これにより、個々の強磁性層４０２の厚さを選択することによって、Ｂ_ｓａｔの所望の値を容易に設定することができる。このような構造により磁区を案内するためのＧＭＲ又はＴＭＲスタックの構成要素である軟磁性導体の位置（図２の２０１参照）で発生させることができる全Ｂ磁場は、全厚及びその横方向の広がりに依存する。それゆえ、図４に例示的に示されているような配置のスタックであって、本発明においてより好ましいスタックが使用される。磁性層４０２の厚さが層のスタック全体で一定である場合は、図４の右側に示された配置が得られる。この実施形態例の文脈における別の可能な構成は、図４の左側に示された、上部と下部の強磁性層４０２が他の強磁性層の半分の厚さしか持たない構成である。図４に示す両構成において、Ｂ＝０の場合、したがって層４０２の全ての個々の磁化の完全な反平行位置において、これらの層の外側に作用するＢ磁場は零に等しい。

本発明による磁気減衰構造２００の別の構成が図５に示されている。この例では左側に、２層の非強磁性層５０１によって限定された強磁性層５０２から成る３層スタックが示されている。層５０１の材料が、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る場合、層５０２の垂直磁化がエネルギー的に好ましい。この場合、漂遊磁場エネルギーの理由で、隣接領域は層面の法線ｎの方向で反平行に配列する。そのためＢ＝０の外部磁場では、それ自体のＢ磁場を生じさせない層構造が再び形成される。ＭｇＯで包囲された厚さ１．５ｎｍのＦｅ_６０Ｃｏ_２０Ｂ_２０層の場合、層平面内で磁場が作用する際の飽和磁場は最大５００ｍＴの値を持つ。平面内で配列された厚さ１．５ｎｍのＦｅ_６０Ｃｏ_２０Ｂ_２０層において発生するＢ磁場は、使用するには通常小さすぎる。したがって、それぞれ非強磁性層５０１により分離されている多数の磁性層５０２は、図５の右側に例示されているように、互いに上下に配置されなければならない。

本発明による磁気減衰構造２００の第３の実施形態を図６に示す。ここでは、それぞれ超常磁性モーメントを有し、無秩序に配列されて非磁性マトリックス６０１に埋め込まれた小さな超常磁性粒子６０２の集合体が、模式的に示されている。このような層構造は、Ｂ＝０の外部磁場において正味磁気モーメントを有しない。粒子６０２として、例えば直径１０ｎｍ～２０ｎｍのマグネタイト粒子を使用できる。層面にＢ磁場を印加すると、正味磁化は最初の近傍ではＢ磁場と共に直線的に増加し、Ｂ_ｓａｔで再び全ての粒子が平面内で同じ磁気配列を持つ状態に達する、このような構造の室温での典型的な飽和磁場は、２５０ｍＴである。

上記実施形態例による磁気的に反平行又は磁気的に無秩序に配列された部分領域からなる構成は、Ｂ＝０の外部磁場において、それ自体のＢ磁場を形成しないか又は極めて小さいＢ磁場しか形成しないという共通点を有する。磁気減衰構造２００のために設けられているような、横方向に広がる構造の全ての部分磁気領域を、一方向で、例えば平面内で磁化するためには、飽和磁場Ｂ_ｓａｔが必要とされる。上述した減衰構造を所定の幾何学的形状、例えば厚さｄ及び直径Ｄの円板（図８参照）にした場合、この円板は磁場を印加すると漂遊磁場を形成して漂遊磁場エネルギーを持つ。この漂遊磁場エネルギーもまた磁化に影響を与え、磁気形状異方性（ｓｈａｐｅａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を用いて記述することができる。この漂遊磁場エネルギーを克服するためには、磁場方向に完全に配列するための磁場Ｂ^ＳＨ _ｓａｔが必要である。飽和磁場強度Ｂ^ＳＨ _ｓａｔは、円板の横方向の広がりと磁性層の全厚、及び強磁性材料の飽和磁化の値との比によって決定される。

磁性層が前述の一実施形態例で説明したような層スタックから成る場合、上記の両効果は相加的に重なる。これは、全ての磁性領域（４０２又は５０２又は６０２）を平面内で均一に配列させるためには、平面内でより大きなＢ磁場Ｂ_ｒｅｓを印加しなければならないことを意味する。このために必要とする磁場は、Ｂ^ＳＨ _ｓａｔとＢ_ｓａｔの各値を式Ｂ^ｒｅｓ _ｓａｔ＝Ｂ^ＳＨ _ｓａｔ＋Ｂ_ｓａｔに従って加算することによって得られる。

本発明による磁気減衰構造２００に、１５ｎｍＣｏＦｅ／０．８ｎｍＲｕ／［３０ｎｍＣｏＦｅ／０．８ｎｍＲｕ］_４０／１５ｎｍＣｏＦｅの層スタックから成る、例えば厚さ２０ｍ、直径１０００μｍの円板を用いると、Ｂ^ＳＨ _ｓａｔ＝３５ｍＴ及びＢ_ｓａｔ＝９０ｍＴとなる。したがってＢ^ＳＨ _ｓａｔとＢ_ｓａｔの和であるＢ^ｒｅｓ _ｓａｔは１２５ｍＴとなる。

以下に、均一なＢ磁場にさらされる、円板として形成されたスマート磁気減衰構造２００の作用について、図７を参照して説明する。Ｙ軸には回転カウンタ１０２のＢ_ｍｉｎとＢ_ｍａｘの値が水平線で記入されている。この円板２００を、Ｂ磁場が円板表面に平行に配列されるように外部磁場内に置くと、円板から大きく離れた位置ではＢ磁場が変化しない（「２」で示した図７の破線）。円板中央における円板の直上又は直下では、「１」で示した太い黒線で示すようなＢ磁場が得られる。円板２００が磁気的に飽和していない限り、即ちＢ＜Ｂ^ｒｅｓ _ｓａｔの場合、Ｂ磁場はこの箇所で直線的に増加するが、外部から作用するＢ磁場よりもはるかに遅い。それゆえ太い線「１」が回転カウンタのＢ_ｍｉｎ「４」とＢ_ｍａｘ「３」の両線と交差するのは、Ｂの値がはるかに大きくなってからである。その結果、磁気窓は当初の２０ｍＴ～４０ｍＴから、６０ｍＴ～１２０ｍＴの磁気窓Ｂに拡大している。これは、回転センサに応用するために３倍広い窓が利用できることを意味する。これにより外部磁場又は干渉磁場に対する安定性も向上し、これも応用に大きな利点をもたらす。

ここで説明した円形構成の減衰構造２００の場合（左側の図８に対応）、円板の磁気挙動は平面内の全ての方向で同じである。即ち、減衰構造の上方及び下方に作用するＢ磁場は、大きさに関して平面内のＢ磁場の全ての方向で同一である。これは独国特許出願ＤＥ１０２００８０６３２２６Ａ１号により知られているスパイラル状に構成された回転カウンタにとって望ましい挙動である。これは、例えば欧州特許出願ＥＰ３０６６４２１Ｂ１号に記載されているような、いわゆる閉ループ構造を使用する場合は、これと異なる。この幾何学的形状は、両端が互いに接続されたスパイラルを使用している。これにより磁力線の交差が発生する。交差部では、磁気導体の幅が交差対角線の方向に約４５％増加する。その結果、０°方向の磁気窓は４５°方向の磁気窓と異なる。このような差異は、減衰構造がもはや円形ではなく、図８の右側に示すような形状を有していれば補償することができる。それゆえ本発明によれば、閉ループ構造（欧州特許出願ＥＰ３０６６４２１Ｂ１号）に基づいて動作する回転カウンタのための減衰構造について、減衰構造はもはや円形に形成するのではなく、図８の右側に示すように選択された方向で変化させることが提案される。このようにして、異なる方向におけるＢ磁場に関する差異は、横方向の広がりが方向によって異なる減衰円板の幾何学的形状を選択することにより容易に調整することができる。円板の直径をある方向で２０％大きくすると、この方向のＢ^ＳＨ _ｓａｔの値は２０％減少する。例として図８の右側に示すスマート減衰円板の二元的形状を参照されたい。図８の左側では、Ｂ^ＳＨ _ｓａｔは全ての方向で同じであり、磁気挙動は等方的である。図８の右側に示す幾何学的形状では、飽和磁場Ｂ^ＳＨ _ｓａｔはＸ方向とＹ方向で同一であるが、±４５°に存在する飽和磁場Ｂ^ＳＨ _ｓａｔとは異なっている。減衰構造２００を直接回転カウンタの磁気感応部２０１に直接配置することを、図２、図９、図１０を用いて例示的に説明する。図２は、回転カウンタチップの断面を模式的に示したものである。回転カウンタの機能部があるシリコン基板２０４は、回転カウンタのハウジング２０６のベースプレートに接着されている。回転カウンタのシリコン基板２０４上に設けられたボンドパッド構造２０５の電気的接続は、シリコン基板２０４上にあるボンドパッド２０５とハウジングのボンドパッド２０８を接続するボンディングワイヤ２０７によって実現される。チップを配線基板１０５（図３参照）にはんだ付けするために、はんだ接点２１１が使用される。シリコン基板に設けられた構造は、回転カウンタの機能構造２０１、金属化構造２０２、ボンドパッド構造２０５を含んでいる。これらの構造は少なくとも一部が絶縁層２０３で覆われている。本発明による減衰構造２００は、シリコン基板の部分領域にのみ設けられ、回転カウンタの機能に関連する構造２０１を横方向にわずかに張り出して完全に覆っている。したがってその横方向全長は、シリコン基板２０４の面よりも小さくすることができる。平面化層としても機能する絶縁層２０９は、減衰層２００の下にあることができる。

減衰構造２００の位置は、図９及び図１０（図２の円マーク２１０）に示すように、構造２０１の上方にも下方にも配置することができる。これは、これら両位置の幾何学的間隔が永久磁石との間隔に比べて小さいため、減衰構造２００によって形成されるＢ磁場が減衰構造２００の上方と下方でほぼ同一であることと関連している。絶縁層は、以下に述べるように、一般に厚さわずか数μｍ、ＧＭＲ層又はＴＭＲ層はわずか約７０ｎｍ、２０１から１００までの間隔は常に最小サイズの１ｍｍである。

図２に基づいて、減衰層が横方向に占める範囲は、いずれにしてもボンドパッドに必要なスペースを下回っていることが分かる。絶縁中間層２０３及び２０９の厚さはわずか数μｍの範囲にあるので、減衰構造の端部でのみ発生する効果の影響を十分小さくするために、減衰構造は回転カウンタの磁気感応構造２０１を越えて数μｍ～数十μｍだけ横方向に張り出すだけでよい。一般に、本発明による全ての実施形態において、横方向の広がりに関し、減衰層２００は、回転カウンタ１０２の軟磁性ＧＭＲ又はＴＭＲ構造２０１に対し横方向に３０％以下突き出る。これにより、新しい構造形態は所要スペースの点で従来の構造形態を上回らないことが分かる。しかも、今や角度センサと回転カウンタを別々にカプセル封入するのではなく、両センサを一緒にカプセル封入することによって、それらを更に近接して配置することができる（間隔＜２００μｍ）。なぜなら、図２に示すように、減衰構造２００の広がりは回転カウンタ１０２より著しく小さいからである。共通カプセルに封入せずに、上述の利点を失うことなく、回転カウンタを角度センサに近接して（間隔＜２００μｍ）配置することも可能である。その結果として、回転カウンタ１０２を角度センサ１０１に近接配置することにより、両構成要素を共通カプセルに封入する場合と同様に、永久磁石１００を小さくすることができ、それによりシステム全体が大幅に小型化され、永久磁石のコストも削減することができる。

減衰層２００の製造技術は、図４及び図５に示すシステムでは、スパッタリングプロセスによって可能であり、したがって回転カウンタ本体の製造と同じ製造プロセスで実施することができる。

提案された減衰構造２００によって、磁気回転カウンタの著しく改善された干渉磁場に対する安定性が達成され、それにより、特にそうでなければ使用時に必要となる磁気遮蔽のコストが削減され、更には磁気遮蔽を全く使用しないで済ますことが可能になる。

更に、図１１及び図１２に示すように、減衰層の横方向の広がりが限られていることにより、提案された解決策は、角度センサと回転カウンタと、場合によっては評価用電子回路（図３に示す）を、全ての構成要素を包含する共通の気密ハウジング２１３内に集積することが可能になる。本発明により、角度センサ１０１と回転カウンタ１０２との間隔を５００μｍ未満のオーダーで確定することが可能である。ハウジング２１３には、市販のチップハウジングを使用できる。これにより、システム全体の設計コストが低減され、コンパクトな解決策が可能になり、それによりかなりのコストを節約することができる。また、本発明により小さな永久磁石１００を使用できるようになり、システム全体のコストを更に削減することができる。同様に、本発明により回転カウンタ１０２の磁気窓が広げられることにより、永久磁石１００に対する公差要件が緩和される。

１００永久磁石
１０１角度センサ
１０２回転カウンタ
１０３評価用電子回路
１０４角度センサと回転カウンタを搭載したチップ
１０５配線基板
２００減衰構造
２０１磁区を案内するＧＭＲ又はＴＭＲスタックの構成要素としての軟磁性導体
２０２金属化
２０３絶縁中間層
２０４シリコン基板
２０５接点開口付きコンタクト
２０６チップベース（ハウジング）
２０７ボンドワイヤ
２０８チップハウジング内のコンタクトパッド
２０９平面化層
２１０円マーク（図９及び図１０参照）
２１１ＳＭＤボンドパッド
２１２ＧＭＲ又はＴＭＲ角度センサの構成要素としての軟磁性導体
２１３ハウジング
４０１非強磁性薄層
４０２強磁性薄層
５０１層５０２の磁気垂直異方性を生じさせる層
５０２強磁性薄層
６０１非磁性マトリックス
６０２（超常）磁性粒子

Claims

干渉磁場に対する安定性を向上させた回転計数用磁気システムであって、角度センサと回転カウンタ（１０２）を共に捉える永久磁石（１００）の磁場方向を検出するための角度センサ（１０１）を含み、回転カウンタは既知の構造のＧＭＲ又はＴＭＲ回転カウンタによって形成され、両方のセンサ（１０１、１０２）は共通のハウジング（２１３）内及び／又は共通の配線基板（１０５）上に互いに隣接して配置されているものにおいて、磁気作用を自動的に調整する磁気減衰構造（２００）が回転カウンタ（１０２）に割り当てられており、この磁気減衰構造は、均一な軟磁性材料から成る構造以外であって、外部磁場が零の場合にそれ自体の磁場を持たないか又は極めてわずかな磁場しか持たないことを特徴とする磁気システム。
横方向の広がりに関し、減衰層（２００）は、回転カウンタ（１０２）の軟磁性ＧＭＲ又はＴＭＲ構造（２０１）に対し横方向に３０％以下突き出ることを特徴とする、請求項１に記載の磁気システム。
減衰層（２００）は、平面内で磁化されそれぞれ反平行に配列された強磁性部分層（４０２）が上下に積層された層スタックによって形成され、各層の厚さは互いに磁気的に相殺するように選択されており、部分層（４０２）は非強磁性薄層（４０１）によって分離されて形成されていることを特徴とする、請求項１及び２に記載の磁気システム。
減衰層（２００）は、両側が２層の非強磁性層（５０１）によって覆われている少なくとも１層の強磁性層（５０２）から成る層スタックによって形成されており、層（５０２）は層（５０２）の法線（ｎ）に平行な垂直磁化を有し、更に隣接する磁場領域は反平行方向を取るように形成されていることを特徴とする、請求項１及び２に記載の磁気システム。
減衰層（２００）は、それぞれ超常磁性モーメントを有し、非磁性マトリックス（６０１）に無秩序に配列されて埋め込まれた小さな超常磁性粒子（６０２）の集合体から成る層システムによって形成されていることを特徴とする、請求項１及び２に記載の磁気システム。
減衰層（２００）は、回転カウンタ（１０２）の感応層（２０１）の上方又は下方に設けられていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気システム。
減衰層（２００）の使用される回転カウンタ（１０２）の種類に応じて、形状異方性の効果を考慮するために平面視で円形から逸脱する形状が与えられていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の磁気システム。
角度センサ（１０１）と回転カウンタ（１０２）との間隔が５００μｍ未満のオーダーで確定されており、少なくともこれら両構成要素は共通のハウジング（２１３）によって気密に封入されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気システム。
角度センサ（１０１）と回転カウンタ（１０２）との間隔が５００μｍ未満のオーダーで確定されており、少なくともこれら両構成要素は評価用電子回路（１０３）と共に共通のハウジング（２１３）によって気密に封入されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気システム。