JP2023549643A

JP2023549643A - 磁気感知デバイス

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Publication number: JP2023549643A
Application number: JP2023522517A
Authority: JP
Inventors: ヨッヒェン・シュミット; モンスーン・ダット; スティーブン・モーリス
Original assignee: アナログ・ディヴァイシス・インターナショナル・アンリミテッド・カンパニー
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2023-11-29
Also published as: WO2022106034A1; US20230375372A1; EP4248174B1; EP4248174A1

Abstract

本開示は、磁気多回転センサと、角度回転センサ、特に、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）角度センサなどの１８０°絶対角度測定値を提供するように構成された角度センサと、を備える磁気感知デバイスで使用するための磁気抵抗象限検出器を提供する。象限検出器は、多回転センサダイに統合され得るか、又はセンサパッケージ内の別個のダイに提供され得る、少なくとも２つの磁気抵抗素子、好ましくは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子から形成される。磁気抵抗素子は、磁界方向の各象限に対して抵抗状態の独自の組み合わせを提供するように構成されている。次に、この象限情報を使用して、単一回転角度センサからの３６０°絶対角度情報を必要とせずに、多回転測定値におけるあらゆる曖昧さを是正することができる。

Description

本開示は、磁気感知デバイス及び使用方法に関する。具体的には、本開示は、磁気抵抗象限検出器を実装する磁気感知デバイスに関する。

単一回転角度センサと、多回転センサと、を備える、磁気感知デバイスは、一般に、デバイスが回転している回数及びその正確な角度位置の両方を監視する必要性がある用途において使用される。一例が、車両のハンドルである。
磁気多回転センサは、典型的には、印加される外部磁界の影響を受けやすい磁気抵抗素子を含む。磁気抵抗素子の抵抗は、センサの周辺内の磁界を回転させることによって変更され得る。磁気抵抗素子の抵抗の変動は、磁界の回転数を判定するためにトラッキングされ、磁界の回転数は、監視されているデバイスにおける回転数に変換され得る。典型的には、多回転センサは、開ループらせん又は閉ループらせん内のストリップとしてレイアウトされた複数の磁気抵抗素子を備える。ドメイン壁は、外部磁界の回転に応答してらせんの周りに伝播させられ、各素子の磁気整列をそれが伝播するにつれて変化させ、抵抗の対応する変化を引き起こす。
同様に、磁気角度センサは、回転磁界の磁界角を測定し、磁界角は、監視されているデバイスの角度位置に変換され得る。

本開示は、磁気多回転センサと、角度回転センサ、特に、異方性磁気抵抗（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＡＭＲ）角度センサなどの１８０°絶対角度測定値を提供するように構成された角度センサと、を備える磁気感知デバイスで使用するための磁気抵抗象限検出器を提供する。象限検出器は、多回転センサダイに統合され得るか、又はセンサパッケージ内の別個のダイに提供され得る、少なくとも２つの磁気抵抗素子、好ましくは、巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＧＭＲ）素子から形成される。磁気抵抗素子は、磁界方向の各象限に対して抵抗状態の独自の組み合わせを提供するように構成されている。次に、この象限情報を使用して、単一回転角度センサからの３６０°絶対角度情報を必要とせずに、多回転測定値におけるあらゆる曖昧さを是正することができる。

したがって、本開示の第１の態様は、磁気感知デバイスであって、
回転磁界の回転数を検出するように構成された磁気多回転センサと、
回転磁界の配向を検出するように構成された角度センサであって、１８０度の分解能を有する、角度センサと、
少なくとも２つの磁気抵抗素子を備える象限検出器であって、回転磁界の磁界角の象限を検出するように構成されている、象限検出器と、を備える、デバイスを、提供する。

ＡＭＲベースの角度センサなど、１８０°の絶対角度情報を提供する角度センサは、典型的には、３６０°の角度情報を提供するものよりも堅牢かつ正確である。しかしながら、磁界が４分の１又は半回転するたびに、ドメイン壁が多回転センサの感知素子に沿って伝播し始めるときの差に起因する磁気多回転センサの信号出力の曖昧さを解決するために３６０°の角度情報が必要であり、これは、それらの感知素子の抵抗が早すぎて、又は遅すぎて変化させる可能性がある。したがって、磁界角がどの象限にあるかを識別するために、別個の磁気抵抗象限検出器を提供することによって、多回転センサを、１８０°の分解能を有する角度センサと組み合わせて有利に使用することができる。この点において、１８０°の角度情報と組み合わされた象限検出器は、曖昧さが正しくない回転カウント読み取りをもたらさないことを確実にするために多回転センサが必要とする３６０°の絶対角度情報を効果的に提供する。

デバイスは、多回転センサ、角度センサ及び象限検出器と通信している処理回路を更に備え得る。

象限検出器の少なくとも２つの磁気抵抗素子が、少なくとも２つの状態を有し、各状態が、関連付けられた抵抗を有し、処理回路は、磁界が回転するにつれて、少なくとも２つの磁気抵抗素子の状態のシーケンスを検出して、回転磁界の象限を判定するように構成される。この点において、各象限は、所定の状態のセットに対応する。すなわち、磁界が回転するにつれて、磁気抵抗素子の抵抗状態は、磁界角が各象限内にあるときに、異なる状態のセットが出力されるように、独自のシーケンスに従って変化する。例えば、状態の第１のセットは、０～９０°で出力され、状態の第２のセットは、９０～１８０°で出力され、状態の第３のセットは、１８０～２７０°で出力され、状態の第４のセットは、２７０～３６０°で出力され、第１、第２、第３、及び第４のセットは、可能な抵抗状態の全ての異なる組み合わせである。

処理回路は、検出された象限及び磁界の検出された配向に少なくとも部分的に基づいて、多回転センサによって出力された信号を処理して、回転数を判定するように構成され得る。この点において、処理回路は、検出された象限及び１８０°の角度情報を使用して、多回転センサによって測定された回転カウントを確認し、多回転センサの感知素子を伝搬するためにドメイン壁にかかる時間の差に起因する正しくない読み取り値を修正する。

象限検出器は、２つの別個の磁気抵抗素子を備え、各磁気抵抗素子は、磁界が回転するにつれて、象限検出器にドメイン壁を注入するために、少なくとも１つのドメイン壁生成器に接続されている。例えば、各磁気抵抗素子は、２つのドメイン壁生成器に接続され得、ドメイン壁生成器が、磁気抵抗素子の反対側の端に位置する。磁気抵抗素子を分離することにより、それらは、かなりの量の空間を占有することなく、感知デバイス上の任意の場所に位置し得る。

象限検出器は、一対の基準磁気抵抗素子を更に備え得る。すなわち、象限検出器は、磁気整列及びしたがって抵抗が変化しない２つの更なる磁気抵抗素子を備え、それによって、象限検出器の磁気抵抗素子の基準点として機能し得る。基準磁気抵抗素子は、各々、ハーフブリッジ出力を提供するために、象限検出器の磁気抵抗素子のうちの１つに接続され得る。

代替的に、象限検出器は、直列に接続された２つの磁気抵抗素子と、磁界が回転するにつれて、象限検出器にドメイン壁を注入するために、２つの磁気抵抗素子に接続された少なくとも２つのドメイン壁生成器と、を備え得る。そのような場合、１つのドメイン壁生成器は、２つの磁気抵抗素子、及び任意選択で、各々が磁気抵抗素子の反対側の端に位置する、２つの更なるドメイン壁生成器の間に提供される。

別の構成では、象限検出器は、ループ構成で直列に接続された４つの磁気抵抗素子を備え得る。いくつかの事例では、象限検出器は、ドメイン壁生成器なしで提供され得る。代替的に、象限検出器は、磁界が回転するにつれて、象限検出器にドメイン壁を注入するための少なくとも１つのドメイン壁生成器、好ましくは、２つ以上のドメイン壁生成器を備え得、各ドメイン壁生成器は、２つの磁気抵抗素子の間に接続されている。そのような場合、ドメイン壁生成器は、ループの反対側の角に提供されることが好ましい。象限検出器には、ループに沿ってドメイン壁が固着するのを防ぐのに役立つため、あらゆる角にドメイン壁生成器が提供され得る。象限検出器ループにドメイン壁生成器を提供することにより、使用前に初期化を必要としない。

多回転センサは、直列に接続され、らせん構成で物理的にレイアウトされた複数の磁気抵抗素子を備え得、象限検出器及び多回転センサは、複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも２つの磁気抵抗素子が象限検出器を提供するように、統合される。すなわち、象限検出器は、多回転センサの少なくとも２つの分離された単一の素子、巻線、又は巻線の半分によって提供され得、この巻線の磁気抵抗素子は、回転カウントに寄与せず、磁界角象限を検出するためだけに使用される。

多回転センサは、複数の磁気抵抗素子の磁気抵抗素子を、複数の磁気抵抗素子の他の磁気抵抗素子に電気的に接続するように配設された電気接続のマトリックスを更に備え、マトリックスは、少なくとも３×３である。
多回転センサ、角度センサ、及び象限検出器は、第１の集積回路基板上に配設され得る。処理回路はまた、第１の集積回路基板上に配設され得るか、又は別個のコンピューティングデバイス内に提供され得る。

象限検出器の少なくとも２つの磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子又はトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＴＭＲ）素子であり得る。

角度センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの角度センサであり得る。
磁気多回転センサは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの多回転センサ、又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの多回転センサであり得る。

本開示の更なる態様は、回転磁界を監視する方法であって、
磁気多回転センサを使用して、回転磁界の回転数を検出することと、
１８０度の分解能を有する角度センサを使用して、回転磁界の配向を検出することと、
象限検出器を使用して、回転磁界の磁界角の象限を検出することであって、象限検出器が、少なくとも２つの磁気抵抗素子を備える、検出することと、を含み、
回転数が、検出された配向及び検出された象限に少なくとも部分的に基づいて判定される、方法を提供する。

象限検出器の少なくとも２つの磁気抵抗素子は、少なくとも２つの状態を有し得、各状態は、関連付けられた抵抗を有し、象限を検出することは、磁界が回転するにつれて、少なくとも２つの磁気抵抗素子の状態のシーケンスを検出することを含む。

この点において、各象限は、所定の状態のセットに対応する。

象限検出器は、２つの別個の磁気抵抗素子を備え、各磁気抵抗素子は、磁界が回転するにつれて、象限検出器にドメイン壁を注入するために、少なくとも１つのドメイン壁生成器に接続されている。例えば、各磁気抵抗素子は、２つのドメイン壁生成器に接続され得、ドメイン壁生成器が、磁気抵抗素子の反対側の端に位置する。

象限検出器は、一対の基準磁気抵抗素子を更に備え得る。すなわち、象限検出器は、磁気整列及びしたがって抵抗が変化しない２つの更なる磁気抵抗素子を備え得、それによって、象限検出器の磁気抵抗素子の基準点として機能する。基準磁気抵抗素子は、各々、ハーフブリッジ出力を提供するために、象限検出器の磁気抵抗素子のうちの１つに接続され得る。

別の配設では、象限検出器は、ループ構成で直列に接続された４つの磁気抵抗素子を備え得る。象限検出器は、ドメイン壁生成器なしで提供され得、この場合、象限検出器は、ドメイン壁と核が形成されるように、使用前に初期化される。代替的に、象限検出器は、磁界が回転するにつれて、象限検出器にドメイン壁を注入するための少なくとも１つのドメイン壁生成器、好ましくは、２つ以上のドメイン壁生成器を備え得、各ドメイン壁生成器は、２つの磁気抵抗素子の間に接続されている。そのような場合、ドメイン壁生成器は、ループの反対側の角に提供されることが好ましい。象限検出器には、ループに沿ってドメイン壁が固着するのを防ぐのに役立つため、あらゆる角にドメイン壁生成器が提供され得る。

多回転センサは、直列に接続され、らせん構成で物理的にレイアウトされた複数の磁気抵抗素子を備え、象限検出器及び多回転センサは、複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも２つの磁気抵抗素子が象限検出器を提供するように、統合される。すなわち、象限検出器は、多回転センサの巻線、又は巻線の半分によって提供され得、この巻線の磁気抵抗素子は、回転カウントに寄与せず、磁界角象限を検出するためだけに使用される。

象限検出器の少なくとも２つの磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子であり得る。

本開示の更なる態様は、
プロセッサと、
実行時にプロセッサが上述の方法を実行させられるように配設される、１つ以上の命令を記憶するコンピュータ可読媒体と、を備える、コンピュータシステムを提供する。

本開示は、以下の添付の図面を参照する場合のみの例として、ここに記載される。
本開示の実施形態による磁気感知デバイスの概略上面図である。本開示の実施形態による磁気多回転センサの例である。図２Ａの多回転センサの出力を図示する。本開示の実施形態による磁気多回転センサの例である。図３Ａの多回転センサの出力を図示する。本開示の実施形態による磁気多回転センサの例である。図４Ａの多回転センサの出力を図示する。本開示の実施形態による象限検出器を図示する。本開示の実施形態による象限検出器を図示する。本開示の実施形態による象限検出器を図示する。本開示の実施形態による象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による更なる象限検出器を図示する。本開示の実施形態による磁気多回転センサの更なる例を図示する。図９の多回転センサの出力を図示する。本開示の実施形態による多回転センサ及び角度センサの出力を図示する。本開示の実施形態による磁気検知デバイスのコンポーネントの出力を図示する。

磁気多回転センサ及び単一回転角度センサは、回転シャフトの回転カウント及び角度位置を監視するために使用することができる。このような磁気感知は、自動車用途、医療用途、産業制御用途、消費者用途、及び回転コンポーネントの位置に関する情報を必要とする他の用途のホストなどの、多様な異なる用途に適用され得る。

回転数をカウントするために、ｘＭＲ多回転センサ、典型的には、開ループらせん又は閉ループらせんにおけるドメイン壁伝播に基づく、巨大磁気抵抗又はトンネル磁気抵抗が使用される。これらは、次に、各回転内の絶対角度情報を与える単一回転角度センサと組み合わされる。以下にその例を説明する現在の多回転センサアーキテクチャの場合、任意のホール又はｘＭＲベースの角度センサを使用することができる。これに対する唯一の例外は、１８０°の絶対角度情報しか提供しないため、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの角度センサである。ＡＭＲセンサは、各半回転内の角度位置が提供されるように、１回転当たり２周期の周期性で正弦及び余弦信号を出力する。このタイプの角度センサは非常に堅牢で、ホール又は他のｘＭＲベースの角度センサと比較して非常に正しい角度測定値を提供するが、ｘＭＲベースの多回転センサを使用するときは３６０°情報が必要であるため、ＡＭＲベースのセンサでは十分ではない。

３６０°の角度情報が必要な理由は、磁界が回転するにつれてドメイン壁が角から角に伝播するときの差による多回転カウントの曖昧さを考慮するためである。この点において、ドメイン壁は、毎回、わずかに異なる磁界角で伝播する。これは、ドメイン壁が連続的に形状を変化させており、それが伝播を停止したとき（すなわち、角に到達したとき）にそれが有する形状が、それが再び伝播を開始する磁界角を判定するからである。その結果、４分の１又は半回転ごとに＋／－１０度の曖昧さが生じる可能性があり、各回転内で磁界がどのくらい回転しているかがわからない場合、回転カウントの読み取りが不正確になる可能性がある。３６０°の角度測定値から、ドメイン壁がらせん内のどこにあるべきかを追跡し、多回転センサ内の各磁気抵抗センサ素子の抵抗の変化と一致させることが可能である。例えば、図２Ａは、らせん状にレイアウトされ、ハーフブリッジ出力Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、及びＯ４を使用して接続された複数の磁気抵抗センサ素子２００を備える、基本的な開ループ多回転センサ２を図示する。らせんの一端は、ドメイン壁生成器２０２に接続され、外部磁界（図示せず）が回転されると、ドメイン壁がらせんに注入される。図２Ｂは、磁界が回転し、注入されたドメイン壁をらせんを通して伝播するときの、各出力での抵抗の変化を図示する。図２Ｂからわかるように、各出力は、各９０°回転内のわずかに異なる点で抵抗を変化させ、これにより、遷移点が、前の又は後の９０°回転のいずれかに関連するものとして誤解される可能性がある。したがって、正しい回転カウントが測定された抵抗の変化に起因しているかどうかを確認するために、３６０°の角度測定値が必要であり、したがって、１８０°の絶対角度センサは、この＋／－１０度の曖昧さを許容可能な公差レベルにするのに十分な情報を提供しない。

したがって、解決策は、ＡＭＲ角度測定及び多回転センサ出力を正しい磁界角象限にマッピングすることができるように、磁気抵抗象限検出器（好ましくは、ＧＭＲベース）を使用して、磁界がどの象限にあるかを判定することである。

以下でより詳細に説明されるように、象限検出器は、ドメイン壁生成器の有無にかかわらず、１つ以上のドメイン壁生成器に接続された２つの磁気抵抗素子、又は４つの磁気抵抗素子のループの形態であり得る。磁界が回転するにつれて、ドメイン壁は、各磁界象限に対する独自の抵抗状態のシーケンスが出力されるように、抵抗素子に沿って伝播する。

図１は、単一の半導体パッケージに提供される多回転（ｍｕｌｔｉ－ｔｕｒｎ、ＭＴ）センサ１０２及び角度センサ１０４を含む例示的な磁気感知デバイス１の概略ブロック図を図示する。ＭＴセンサ１０２は、好ましくは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースのＭＴセンサである。角度センサ１０４は、好ましくは、１８０°の範囲にわたって角度位置を測定するように構成された異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースのセンサであり、それによって、ＭＴセンサ１０２によってカウントされる各半回転内の正確な角度位置を提供するが、ホールセンサ、ＧＭＲベースの角度センサ、又はＴＭＲベースの角度センサなどの他の角度センサを依然として使用することができることが理解されるであろう。一般に、１８０°ＡＭＲ単一回転センサは、他の磁気角度センサよりも精度が高く、一般により堅牢である。この点において、ＡＭＲセンサは、より高い磁界において動作することが可能であり、したがって、漂遊磁界などによる障害の影響を受けにくい。例えば、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの角度センサは、時計回りと反時計回りの回転で異なる結果につながるヒステリシス問題を経験することがよくある。

感知デバイス１はまた、処理回路１０８と、ＭＴセンサ１０２、角度センサ１０４、及び処理回路１０８が配置されている集積回路１００と、を備える。処理回路１０６は、ＭＴセンサ１０２から信号Ｓ_ＭＴ１１２を受信し、受信信号を処理して、回転カウントデコーダ１０８を使用して回転カウントを判定し、回転カウントデコーダ１０８は、ＭＴセンサ１０２の近傍で回転する外部磁界（図示せず）の回転数、例えば、回転シャフトに取り付けられた磁石によって生成された磁界を表す回転カウントを出力する。同様に、処理回路１０６は、第２の角度センサ１０６から信号ＳＡ１１４を受信し、外部磁界の角度位置を出力するために、角度デコーダ１１０を使用して、受信信号を処理する。

感知デバイス１はまた、同じ集積回路１００上に配置されている、本開示の実施形態による象限検出器１１６を備える。次いで、処理回路１０６は、象限検出器１１６から信号Ｓ_Ｑ１１８を受信するようにも配設され、象限検出器１１６は、次いで、回転カウントデコーダ１０８及び／又は角度デコーダ１１０に供給されて、磁界角がどの象限にあるかを判定し、それは、次いで、ＭＴセンサ１０２及び角度センサ１０４のセンサ出力を正しく解釈するために使用され得る。

ＭＴセンサ１０２、角度センサ１０４、及び象限検出器１１６からの信号は、いくつかの他の外部処理手段によって処理され得るとも理解されるものとする。例えば、別々のコンピューティングデバイス（図示せず）が、プロセッサと、プロセッサによって実行されるときに、有線又は無線接続を介してＭＴセンサ１０２、角度センサ１０４及び象限センサ１１６から受信される信号に基づいて、プロセッサに磁界の回転数及び配向を判定させる、コンピュータ可読記憶媒体と、を有する。

図２Ｂを参照して上述したように、ＭＴセンサ１０２は、ドメイン壁生成器が、ハーフブリッジ出力として接続された磁気抵抗素子を有する開ループ構成にあり得る。代替的に、図３Ａに示されるように、ＭＴセンサ１０２は、らせん３００の両側を画定する複数の磁気抵抗感知素子Ｒ１～Ｒ１６を備える開ループ多回転センサ３の形態であり得、第１の磁気抵抗素子Ｒ１は、ドメイン壁生成器３０２に接続されている。図３に示されるように、磁気抵抗素子Ｒ１～Ｒ１６は、電気接続３０４のマトリックスを介して接続されている。この例では、らせん３００の両側のみ上の抵抗素子が測定されるので、抵抗状態は、＋／－１０度の公差で磁界の１８０°回転ごとに変化する。再び、３６０°情報を提供する角度センサは、典型的には、センサ出力間の任意の曖昧さを解決するために必要とされる。

図４Ａは、閉ループ多回転センサ４の形態でのＭＴセンサ４の更なる例を示す。図３Ａと同様に、図４Ｂに示されるように、センサ４は、電気接続４０４のマトリックスを介して接続されたらせん４００の両側を画定する複数の磁気抵抗感知素子Ｒ１～Ｒ１６を備える。したがって、抵抗状態は、＋／－１０度の公差で磁界の１８０°回転ごとに再び変化する。しかしながら、閉ループセンサ４においては、ドメイン壁生成器は必要とされない。代わりに、センサ４は、設置前に、例えば、強力な回転磁界を適用することによって、ドメイン壁で核を形成され、強力な回転磁界は、外部磁界が回転するにつれて連続したらせんの周りに連続して伝播する。

ここで、本開示の実施形態による象限検出器について説明する。

図５Ａ～５Ｄは、図１に示される象限検出器１１６として使用され得る象限検出器５の第１の例を図示する。象限検出器５は、ＧＭＲ材料の閉ループであり、４つの磁気抵抗素子Ｒ１～Ｒ４を画定する。ループは、図５Ａの矢印対Ａ及びＢによって示される２つのドメイン壁で満たされ、これらは、外部回転磁界によって角から角へ伝播させられ、その方向は、センサ５の中心の矢印によって表記される。図５Ａは、全ての磁気抵抗素子が同じ抵抗状態（この例では、抵抗状態は低抵抗状態である）を有するように、ＧＭＲ材料の反強磁性層の磁気整列が４５°でピン留めされるときの出発点を示す。磁気抵抗素子は、ＧＭＲ材料の反強磁性層が同じ方向にピン留めされるとき、全て同じ抵抗状態を有し、これは、この例では４５°である。したがって、出発点は、このような事例の任意の角度にある可能性があると理解されるであろう。象限検出器５は、例えば、強力な回転磁界を適用することによって、任意の好適な方式でこの状態に初期化することができる。

使用中、磁界が回転するにつれて、図５Ｂ～図５Ｄに示すように、ドメイン壁は、ドメイン壁が通過するにつれて、磁気抵抗素子Ｒ１～Ｒ４の磁気整列を変化させるように、９０°回転ごとに次の角に伝播し、それによって、抵抗を高から低状態に、及びその逆に変化させる。以下の表１は、抵抗器Ｒ１～Ｒ４が磁界角でどのように変化するかを示している。

見てわかるように、抵抗状態の独自のシーケンスが、各磁界象限に対して出力される。したがって、任意の所与の時点で、磁気抵抗素子Ｒ１～Ｒ４の各々で測定される抵抗状態のセットは、いかなる更なる処理を必要とせずに、特定の象限を示すことになる。

象限検出器の更なる例が、図６Ａ～６Ｄによって提供され、象限検出器６は、４つの磁気抵抗素子Ｒ１～Ｒ４を画定するＧＭＲ材料の閉ループによって再び形成される。この例では、ドメイン壁生成器６０２Ａ～Ｄが、ループの各角に提供される。図５Ａ～５Ｄを参照して示される例とは異なり、このアーキテクチャは、使用可能になる前に、ループをドメイン壁で満たし、磁気抵抗素子の磁気整列を必要な方向にピン留めするために初期化される必要はない。ドメイン壁発生器は、代わりに、外部磁界の方向に従って磁気抵抗素子を磁化させる。この例は、ループに沿って誤ってピン留めされるのを防ぐのに役立つという点で有利である４つのドメイン壁生成器を有するが、対向する角にある２つのドメイン壁生成器も十分であると理解されるであろう。

前述の例と同様に、磁気抵抗素子は、磁界角の各象限に対して、独自の抵抗状態のシーケンス（低抵抗の場合は「ＬＲ」、高抵抗の場合は「ＨＲ」と表記される）を出力する。

上記の表１からもわかるように、第１の２つの磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２だけからも独自の抵抗状態のシーケンスが提供される。したがって、図７及び図８の例によって図示されるように、簡略化された象限検出器も実装され得る。図７では、２つの磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２から形成される象限検出器７が、両方のセンサ素子の端にドメイン壁生成器７０２Ａ～Ｃを有して提供される。代替的に、図８に示されるように、２つの磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２から形成される象限検出器８が、２つのセンサ素子の間に提供される単一ドメイン壁生成器８０２を有して、再び提供される。

図９は、２つの磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２を備える、更なる例示的な象限検出器９を示す。この例では、磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２は、互いに分離されており、各磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２は、両端にドメイン壁生成器９０２Ａ～Ｄを備える。しかしながら、磁気抵抗素子は、各々、１つのドメイン壁生成器に接続され得ることが理解されるであろう。図１０は、図９のように、ドメイン壁生成器１００２Ａ～Ｄを各端に有する２つの別個の磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２と、２つの基準磁気抵抗素子Ｒ４及びＲ４と、を備える、更なる例示的な象限検出器１０を示す。基準抵抗Ｒ３及びＲ４は、ハーフブリッジで象限検出器磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２に電気的に接続され得、抵抗Ｒ１及びＲ３は、１つのハーフブリッジ出力として接続され、抵抗Ｒ２及びＲ４は、別のハーフブリッジ出力として接続されている。基準抵抗Ｒ３及びＲ４は、それらの磁気整列及び抵抗が同じままであり、変化する磁気整列及びしたがって、象限検出器磁気抵抗素子Ｒ１及びＲ２の抵抗の基準点として機能するように配設される。

図９及び１０に示される配設の利点は、磁気抵抗素子が直列に接続されている配設が利用可能な空間の点でより限定される一方で、象限検出器の磁気抵抗素子が検出デバイス１上の任意の場所に位置することができることである。更に、磁気抵抗素子は、任意の好適な方式で電気的に接続され得る。

ここで、本開示の実施形態による象限検出器の使用について説明する。図１１は、図１のＭＴセンサ１０２として使用され得る多回転センサ１１の更なる例を図示する。センサ１１のレイアウトは、らせんの両側を画定する複数の磁気抵抗感知素子Ｒ１～Ｒ４を有する磁気抵抗トラック１１００を含む点で、図３Ａのものと同様である。トラック１１００は、一対の電気接点１１０４Ａ～Ｂを提供され、それによって、各対の間の磁気抵抗材料は、磁気抵抗感知素子Ｒ１～Ｒ４を形成する。したがって、抵抗状態は、＋／－１０度の公差で磁界の１８０°回転ごとに変化する。図３Ａと同様に、らせんは、ドメイン壁生成器１１０２を提供され、外部磁界（図示せず）が回転されると、ドメイン壁がらせんに注入される。その初期化状態（すなわち、ゼロ回転）において、センサ１１は、各磁気抵抗感知素子Ｒ１～Ｒ４の磁気整列が０°の磁界角（矢印Ａで表記される）でピン留めされるように初期化される。磁界が回転するにつれて、磁石壁が通過するたびに、この事例では、１８０°ごとに、磁石整列、したがって、各感知素子Ｒ１～Ｒ４の抵抗が変化するように、ドメイン壁は、らせんに沿って伝播する。

図１２は、外部磁界が回転し始めるときの磁気抵抗素子Ｒ１～Ｒ４の出力を図示する。見てわかるように、ある抵抗状態から別の抵抗状態への遷移は、正確に１８０°の回転内では起こらない。例えば、Ｒ１の第１の遷移点は、磁界が１８０°の磁界角に達するわずかに前に発生し、第２の遷移点は、磁界が５４０°の磁界角に更に大きな程度に達する前に発生する。同様に、Ｒ２の第１の遷移点は、磁界が３６０°の磁界角に達した後に発生する。

図１３は、１８０°の情報を提供するＡＭＲセンサからの絶対角度情報が、これらの曖昧さを解決するのに十分ではないことを図示している。ＡＭＲセンサは、典型的には、互いに対して、典型的には約４５°回転される２つのホイートストンブリッジ回路の形態であり、各ホイートストンブリッジ回路は、複数の異方性磁気抵抗素子を備える。これらのホイートストンブリッジ回路の各々からの信号は、コサイン成分Ｖ_ｃｏｓと、それらの間に９０°の位相シフトを有する正弦成分Ｖ_ｓｉｎと、を有する正弦波信号を出力するように処理される。次に、「ＡＭＲａｒｃｔａｎ」とラベル付けされたグラフによって図示されるように、１８０°を超える絶対磁界角は、１８０°ごとに繰り返される波形を提供するためにアークタンジェント計算を実行することによって得られる。

この波形を使用すると、ＭＴセンサ１１の磁気抵抗感知素子の各々について測定された抵抗状態が誤って解釈される可能性がある。図１３では、例示的な目的のために、素子Ｒ１及びＲ２の出力のみが示されている。Ｒ１の第１の遷移点を例に取ると、ＡＭＲセンサが１８０°の角度を出力するときに、時期尚早に抵抗状態が低い状態から高い状態に変化し、高い読み取り値が出力されるようになっている。したがって、磁界角が１８０°に達したときの素子Ｒ１の状態は、３６０°の磁界角に対応する抵抗状態と同じである。ＡＭＲセンサ出力は、単純に１８０°ごとに繰り返されるため、１８０°で測定されたＲ１の状態が、遷移点、すなわち、１８０°の磁界角、又は遷移が予想されない３６０°の磁界角に対応するかどうかを知る方式はない。

測定された抵抗が誤って解釈されると、正しくない回転カウントがＭＴセンサ１１によって出力される。いくつかの用途では、これは、特に、回転カウントが制御目的などのためにいくつかの他のシステムに供給されている場合、重大な結果をもたらす可能性がある。例えば、ステアリングホイールの用途では、回転カウントがパワーステアリングシステムに供給され得るため、正しい回転カウントが出力されて、正しい量の補助トルクがステアリングカラムに適用されることを確実にすることが重要である。

これは、図１４に図示されるように、象限検出器情報を含むことによって是正することができる。素子Ｒ１について上述した例を使用して、１８０°の磁界角で、象限検出器は、第２の象限（９０°～１８０°）、Ｑ_２を示す読み取り値を提供する。この情報は、回転カウントデコーダ１０８にＡＭＲ読み取り値が第１の１８０°回転に関連することを効果的に伝えるため、素子Ｒ１は時期尚早に低抵抗から高抵抗に変化した。したがって、回転カウントデコーダ１０８は、これらの読み取り値を外部磁界の半回転として正しく解釈することができる。

追加、欠失、及び／又は置換の方式によって、上記の実施形態の全てに様々な修正を加えて、更なる実施形態を提供してもよく、そのいずれか及び／又は全ては、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。

例えば、図１を参照して説明される例では、ＭＴセンサ１０２、角度センサ１０４、及び象限検出器１１６は、同じ集積回路１００上に提供される。これには、監視されるシステムに簡単に設置できるだけでなく、３つのセンサ全てが同じ磁界を経験していることを確実にするなど、多くの利点がある。しかしながら、センサは、例えば、互いに近接して設置された別個の集積回路上に、いくつかの他の方式で配設され得ると理解されるであろう。

同様に、上記の例は、象限検出器の磁気抵抗素子がＭＴセンサ１０２と分離されることを示すが、集積回路１００上のスペースを節約するために、象限検出器がＭＴセンサらせんに組み込まれてもよいことが理解されるであろう。この点において、第１の２つ又は４つの磁気抵抗素子（すなわち、第１の半巻線又は第１の完全巻線）は、象限検出器として使用され得、これらのセンサ素子は、回転カウントに寄与しない。これを容易にするために、象限検出器の領域は、常にドメイン壁で満たされる必要がある。代替的に、図２Ａ、３Ａ、及び１１に示されるような開ループＭＴセンサの事例では、象限検出器は、ドメイン壁生成器を介してＭＴセンサに接続され得る。同様に、図９及び１０に示されるような配設では、象限検出器の磁気抵抗素子は、ＭＴセンサ１０２の磁気抵抗素子と同じセンサダイに提供され得、これらの素子は、回転カウントに再び寄与しない。

象限検出器は、磁気抵抗素子の抵抗状態を測定することに基づいているため、抵抗状態は、図１０に示される配設のように、磁化の変化を経験していない基準抵抗器と比較することができる。そうすることで、読み取り値が基準抵抗状態から予期せず逸脱した場合、象限検出器の抵抗状態における任意の誤差が検出される。

上記の例は、ＧＭＲベースの象限検出器を説明するが、ＴＭＲベースの象限検出器も実装され得ることが理解されるであろう。この点において、軟磁性材料の２つ以上のストリップが、ＴＭＲトンネル接合部に接続される。通過するドメイン壁は、それらのトンネル接合部で測定された抵抗を変化させ、それによって磁化状態を示す。この点において、ＴＭＲトラックは、上記の例と同様にレイアウトされ得る。

Claims

磁気感知デバイスであって、
回転磁界の回転数を検出するように構成された磁気多回転センサと、
前記回転磁界の配向を検出するように構成された角度センサであって、１８０度の分解能を有する、角度センサと、
少なくとも２つの磁気抵抗素子を備える象限検出器であって、前記回転磁界の磁界角の象限を検出するように構成されている、象限検出器と、を備える、デバイス。
前記多回転センサ、前記角度センサ、及び前記象限検出器と通信している処理回路を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
前記象限検出器の前記少なくとも２つの磁気抵抗素子が、少なくとも２つの状態を有し、各状態が、関連付けられた抵抗を有し、前記処理回路は、前記磁界が回転するにつれて、前記少なくとも２つの磁気抵抗素子の状態のシーケンスを検出して、前記回転磁界の前記象限を判定するように構成されている、請求項２に記載のデバイス。
各象限が、所定の状態のセットに対応する、請求項３に記載のデバイス。
前記処理回路が、前記検出された象限及び前記磁界の前記検出された配向に少なくとも部分的に基づいて、前記多回転センサによって出力された信号を処理して、前記回転数を判定するように構成されている、請求項２から４のいずれか一項に記載のデバイス。
前記象限検出器が、２つの別個の磁気抵抗素子を備え、各磁気抵抗素子は、前記磁界が回転するにつれて、前記象限検出器にドメイン壁を注入するために、少なくとも１つのドメイン壁生成器に接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
各磁気抵抗素子が、２つのドメイン壁生成器に接続され、前記ドメイン壁生成器が、前記磁気抵抗素子の反対側の端に位置する、請求項６に記載のデバイス。
前記象限検出器が、一対の基準磁気抵抗素子を更に備える、請求項６又は７に記載のデバイス。
前記象限検出器が、直列に接続された２つの磁気抵抗素子と、前記磁界が回転するにつれて、前記象限検出器にドメイン壁を注入するために、前記２つの磁気抵抗素子に接続された少なくとも１つのドメイン壁生成器と、を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
前記象限検出器は、前記２つの磁気抵抗素子の間に接続された第１のドメイン壁生成器と、各々が前記磁気抵抗素子の反対側の端に位置する、２つの更なるドメイン壁生成器と、を備える、請求項９に記載のデバイス。
前記象限検出器が、ループ構成で直列に接続された４つの磁気抵抗素子を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
前記象限検出器は、前記磁界が回転するにつれて、前記象限検出器にドメイン壁を注入するための、少なくとも１つのドメイン壁生成器を備える、請求項１１に記載のデバイス。
前記象限検出器が、２つ以上のドメイン壁生成器を備え、各ドメイン壁生成器が、２つの磁気抵抗素子の間に接続されている、請求項１１又は１２に記載のデバイス。
前記多回転センサが、直列に接続され、らせん構成で物理的にレイアウトされた複数の磁気抵抗素子を備え、前記象限検出器及び前記多回転センサは、前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも２つの磁気抵抗素子が前記象限検出器を提供するように、統合される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
前記多回転センサが、前記複数の磁気抵抗素子の磁気抵抗素子を、前記複数の磁気抵抗素子の他の磁気抵抗素子に電気的に接続するように配設された電気接続のマトリックスを更に備え、前記マトリックスが、少なくとも３×３である、請求項１４に記載のデバイス。
前記多回転センサ、前記角度センサ、及び前記象限検出器が、第１の集積回路基板上に配設されている、請求項１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。
前記象限検出器の前記少なくとも２つの磁気抵抗素子が、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である、請求項１から１６のいずれか一項に記載のデバイス。
前記角度センサが、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの角度センサである、請求項１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
前記磁気多回転センサが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの多回転センサ、又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの多回転センサである、請求項１から１８のいずれか一項に記載のデバイス。
回転磁界を監視する方法であって、
磁気多回転センサを使用して、前記回転磁界の回転数を検出することと、
１８０度の分解能を有する角度センサを使用して、前記回転磁界の配向を検出することと、
象限検出器を使用して、前記回転磁界の磁界角の象限を検出することであって、前記象限検出器が、少なくとも２つの磁気抵抗素子を備える、検出することと、を含み、
前記回転数が、前記検出された配向及び前記検出された象限に少なくとも部分的に基づいて判定される、方法。
前記象限検出器の前記少なくとも２つの磁気抵抗素子が、少なくとも２つの状態を有し、各状態が、関連付けられた抵抗を有し、前記象限を検出することは、前記磁界が回転するにつれて、前記少なくとも２つの磁気抵抗素子の状態のシーケンスを検出することを含む、請求項２０に記載の方法。
各象限が、所定の状態のセットに対応する、請求項２１に記載の方法。
前記象限検出器が、２つの別個の磁気抵抗素子を備え、各磁気抵抗素子は、前記磁界が回転するにつれて、前記象限検出器にドメイン壁を注入するために、少なくとも１つのドメイン壁生成器に接続されている、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
各磁気抵抗素子が、２つのドメイン壁生成器に接続され、前記ドメイン壁生成器が、前記磁気抵抗素子の反対側の端に位置する、請求項２３に記載の方法。
前記象限検出器が、一対の基準磁気抵抗素子を更に備える、請求項２３又は２４に記載のデバイス。
前記象限検出器が、直列に接続された２つの磁気抵抗素子と、前記磁界が回転するにつれて、前記象限検出器にドメイン壁を注入するために、前記２つの磁気抵抗素子に接続された少なくとも２つのドメイン壁生成器と、を備える、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
前記象限検出器が、前記２つの磁気抵抗素子の間に接続された第１のドメイン壁生成器と、各磁気抵抗素子の反対側の端に位置する更なるドメイン壁生成器と、を備える、請求項２６に記載の方法。
前記象限検出器が、ループ構成で直列に接続された４つの磁気抵抗素子を備える、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法。
前記象限検出器は、前記磁界が回転するにつれて、前記象限検出器にドメイン壁を注入するための、少なくとも１つのドメイン壁生成器を備える、請求項２８に記載の方法。
前記象限検出器が、２つ以上のドメイン壁生成器を備え、各ドメイン壁生成器が、２つの磁気抵抗素子の間に接続されている、請求項２８又は２９に記載の方法。
前記多回転センサが、直列に接続され、らせん構成で物理的にレイアウトされた複数の磁気抵抗素子を備え、前記象限検出器及び前記多回転センサは、前記複数の磁気抵抗素子のうちの少なくとも２つの磁気抵抗素子が前記象限検出器を提供するように、統合される、請求項２０から３０のいずれか一項に記載の方法。
前記象限検出器の前記少なくとも２つの磁気抵抗素子が、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子である、請求項２０から３１のいずれか一項に記載の方法。
前記角度センサが、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの角度センサである、請求項２０から３２のいずれか一項に記載の方法。
前記磁気多回転センサが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの多回転センサ、又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの多回転センサである、請求項２０から３３のいずれか一項に記載の方法。
プロセッサと、
実行時に前記プロセッサが請求項２０から３４のいずれか一項に記載の方法を実行させられるように配設される、１つ以上の命令を記憶するコンピュータ可読媒体と、を備える、コンピュータシステム。