JP5362115B2 - 磁界センサ - Google Patents

Description

本発明は磁界センサおよび特にこの種のセンサの較正に関する。

先行技術
先行技術においては、電流と磁界の相互作用を力に変換する様々なマイクロメカニカル磁界センサが公知である。例えばDE 198 27 056には、ローレンツ力に起因するセンサ構造の運動を櫛形電極を介して容量的に検出するマイクロ磁界センサが開示されている。このマイクロ磁界センサでは、ローレンツ力は（空中に浮いた）電線に印加された電流および隣接する外部の磁界によって空中に浮いた構造を横方向に動かすという形で利用される。

さらに、外部磁界が存在するときに電流の流れている導体に生じるホール効果を利用したマイクロ磁界センサも公知である。このマイクロ磁界センサでは、導体内の電極が外部磁界によって偏向するため、導体の両端の間に電位差が生じ、この電位差がホール効果を示す。微細構造技術に適した測定原理には他にフラックスゲートセンサ、ＡＭＲセンサまたはＧＭＲセンサがある。

しかし、微細構造技術によって製造されるこのようなセンサにおいては、公差に起因して、または温度、空気圧などのような環境条件の変化に起因して、センサの調整ないし較正が必要となるようなセンサオフセットが生じることがありうる。そのような較正では、センサ位置に例えば所定の磁界が印加され、磁界が印加されている時と磁界が印加されていない時とのセンサ出力値の差からセンサオフセットが計算される。そのために、DE 198 27 056では、センサを包囲する基板上に配置された、較正電流ループとして形成された界磁コイルが開示されている。したがってこの界磁コイルはマイクロセンサ素子自体に組み込まれている。このような構成は「コイルオンチップ」とも呼ばれる。界磁コイルの幾何学的な配置構成と導体断面積と比抵抗は既知であるから、所定の検査電流によりセンサ位置に生じる磁界は計算または実験により求めることができる。例えば検査器の一部である外部コイル装置を用いる場合と比べての利点は、センサ位置における磁界の均一性および時間的安定性を確保するのに高価な検査設備を要さないという点にある。

発明の概要
センサ位置における磁界を測定する本発明による磁界センサは以下の構成要素を有している。
絶縁材料でできたプリント基板；
プリント基板上に配置されており、かつ電気接点を介して導体板上に設けられた第１導電路に接続されている、特にミクロシステムとして形成された磁界センサ素子；
プリント基板上またはプリント基板内に設けられた、検査磁界を発生させるための少なくとも１つの第２導電路。この第２導電路は、較正電流が印加されると、センサ位置に所定の検査磁界を発生させる。

この種の磁界センサでは、検査磁界を発生させる導電路はプリント基板上の磁界センサを調整するために設けられている。それゆえ、検査器から界磁コイルを無くすことが可能である。さらに、マイクロ磁界センサ素子に界磁コイルが組み込まれている構成と比べると、組み込まれる界磁コイルのためのチップ面積が不要であるという点で有利である。よって、組み込みの手間とコストを低く抑えることができる。さらに、本発明による構成で較正電流を印加した場合の熱負荷は比較的低い。その上、コイルオンチップ構成の場合よりも大きな電流、したがってまた大きな磁界が可能である。

第２導電路は磁界センサ素子を例えばループ状に包囲していてもよい。そうすることで、センサ位置に較正電流が印加されると、磁界センサ素子のセンサ表面に対して実質的に垂直な検査磁界が形成される。さらに、磁界センサ素子の対向する２つの面にそれぞれ、プリント基板（の同じ面）上の１つの第２導電路を配置することも可能である。これには、相応の駆動制御によりセンサ表面に対して垂直な検査磁界とセンサ表面に対して接線方向の検査磁界とを形成することができるという利点がある。

磁界センサ素子の１つの辺の方向における２つの平行な導電路の広がりは、磁界センサ素子の前記辺に対して垂直な側辺の方向における広がりの少なくとも５倍、有利には少なくとも１０倍大きいと有利である。これにより、センサ位置に比較的大きな検査磁界が形成される。

また、検査磁界を形成するために、それぞれ２つの平行な導電路からなる２つの導電路対を設けることも可能である。この場合、２つの導電路対は上から見て互いに直角を成して配置されているが、電気的には互いに絶縁されている。このような構成により、相応の駆動制御が為されると、空間の３つの方向すべてに検査磁界が形成される。なお、２つの導電路対を互いに電気的に絶縁するために、２つの導電路対はプリント基板の異なる金属面上に配置されていてもよい。

さらには、上記の磁界センサ素子と検査器との組合せが提供される。その場合、検査器は磁界センサと作用結合することが可能であり、所定の較正電流を少なくとも１つの第２導電路に印加するように構成されている。この構成の利点は、検査器が検査磁界を発生させるための界磁コイルを備えていなくてもよく、簡素化されることである。

本発明の第１の実施例による磁界センサの透視図を示す。 本発明による磁界センサと検査器との組合せのブロック回路図を示す。 第１の実施例による較正電流とこの較正電流に起因するセンサ位置における検査磁界とを概略的に示す。 本発明の第２の実施例による磁界センサの透視図を示す。 第２の実施例の第１の変形による較正電流とこの較正電流に起因するセンサ位置における検査磁界とを概略的に示す透視図である。 第２の実施例の第１の変形による較正電流とこの較正電流に起因するセンサ位置における検査磁界とを概略的に示す断面図である。 第２の実施例の第２の変形による較正電流とこの較正電流に起因するセンサ位置における検査磁界とを概略的に示す透視図である。 第２の実施例の第２の変形による較正電流とこの較正電流に起因するセンサ位置における検査磁界とを概略的に示す断面図である。

実施例
図１には、本発明の第１の実施例による磁界センサ１０の透視図が示されている。磁界センサ１０は、プリント基板２に取り付けられた、例えば接着されたセンサ素子１を含んでいる。

センサ素子１はミクロシステムとして形成されている。つまり、測定すべき磁界の大きさに相応するセンサ信号を発生させるセンサ構造が、例えばシリコンからなる半導体チップ上にモノリシックに設けられている。この実施例では、センサ素子１はホールセンサとして形成されており、センサ位置における磁界のｚ成分に相応するアナログ信号を発生させる。このアナログ信号はローパスフィルタリングされ、アナログデジタル変換器によってで至るセンサ信号に変換される。今の例では、アナログ信号のこのさらなる処理はセンサ素子１に組み込まれているデータ処理部によって行われる。しかしまた、このデータ処理のためにプリント基板２上に別個の構成素子を、例えばＡＳＩＣを設けることも可能である。

プリント基板２（「ＰＣＢ」とも呼ばれる）は例えば繊維強化プラスチックのような絶縁材料からできている。プリント基板２は少なくとも２つの金属面を有している。これら金属面は例えばプリント基板２の上面および下面に設けられている。これら金属面には、例えば薄い銅層からエッチングされた導電路が配置されている。図１には、プリント基板２の下面に配置された本来外からは見えない導電路と貫通コンタクトが破線で示されている。

センサ素子１には例えば４つのコンタクト３が設けられており、これらコンタクト３はボンディングワイヤ４を介してプリント基板１の上面（第１金属面）のボンディングランドに接続されている。今の例では、ボンディングランド５は貫通コンタクトを介してプリント基板２の下面（第２金属面）に設けられた第１導電路６に接続されており、プリント基板１の外縁部においてＬＧＡ端子７ａに接続されている。

プリント基板２の第１金属面にはさらに、センサ素子１をループ状に包囲する第２導電路８が設けられている。この第２導電路８は貫通コンタクトを介して第２金属面上のプリント基板１の縁部にあるＬＧＡ端子７ｂに接続されている。この第２導電路８は、以下でさらに詳しく説明するように、センサ調整の際に検査磁界を印加するために使用される。

磁界センサ１０は絶縁材料を用いてインサート成形され、プラスチックケーシング等の中に収納されていてもよい（詳しくは図示しない）。その場合、磁界センサ１０はＬＧＡ端子７ａおよび７ｂによりＬＧＡ（Land Grid Array）を介して駆動制御兼評価電子ユニットに接続されていてよい。

センサ素子１の駆動制御は２つのＬＧＡ端子７ａを介して行われる。センサ素子１によって形成されたデジタル信号は残りの２つのＬＧＡ端子７ａを介してタップされる。しかし、まさにホールセンサでは、数ミリテスラにもなり得るセンサオフセットが生じることが判明している。センサオフセットがあまりに大きい場合には、センサ１０は動作不能であり、取り除かれるべきである。

第１の実施例の第１の変形では、いわゆる最終検査の際に、すなわちセンサ１０の製造最終段階において、第２導電路８によって検査磁界を発生させる際にセンサオフセットとセンサ感度が求められる。そのために、図２に概略的に示されている検査器２０が使用される。この検査器２０は制御装置２１、メモリ２２およびシグナリング装置２３を含んでいる。シグナリング装置２３は例えば光学式および／または音響式の通知装置として形成されていてよい。さらに、検査器はセンサ１０のプリント基板２上の端子７ａ、７ｂに対応する複数のコンタクトを有する（詳しく図示されていない）装着領域を含んでいる。センサ１０をこの装着領域に装着することにより、検査器２０はセンサ１０と作用結合させることができる。

センサ１０をこの装着領域に装着した後、制御部２１は（ドライバ回路等を介して）例えば０．０１〜１０００ｍＡの所定の較正電流をセンサ素子１をループ状に包囲する第２導電路内に第１の電流方向で生じさせる。この較正電流Ｉはセンサ位置においてｚ方向に所定の検査磁界Ｈを生じさせる。図３にこのことが概略的に示されている。センサのジオメトリ、すなわち導電路のジオメトリとセンサ位置に対する導電路の相対的配置、および較正電流の大きさは既知であるから、検査磁界の大きさも既知である。代替的に、この検査磁界を別個の磁力計による較正測定により求めることも可能である。その場合、検査磁界はセンサ素子１によって測定される。そのために、センサ素子１はＬＧＡ端子を介して制御部２１により駆動制御され、その瞬間の（デジタル）センサ信号を読み取り、相応する値をメモリ２２に記憶する。続いて、制御部２１は大きさは同じであるが符号が逆の所定の較正電流を発生させ、その結果生じるセンサ信号を再び読み取り、相応する値をメモリ２２に記憶する。

そして制御部２１は記憶された値からオフセットとセンサ感度を求める。例えば検査磁界が＋５０μＴまたは−５０μＴであり、相応する読み取られた（デジタル）センサ信号が２０ｌｓｂまたは−２０ｌｓｂ（ｌｓｂ＝最下位ビット）であるならば、１ｌｓｂのオフセットを推定することができる。センサ感度は読み取られた２つの値の差を検査磁界強度の差で割ったものに相当するので、この例では４２ｌｓｂ／１００μＴのセンサ感度が得られる。このように求められたオフセットおよび／またはセンサ感度が所定の公差値よりも大きい場合、制御部２１はステータス信号をシグナリング装置２３へ出力する。シグナリング装置２３は、センサ素子１０が公差値内にあるのか、それとも公差値外にあり欠陥を有するのかを、例えば光または音により通知する。

制御部２１がセンサ素子１０に欠陥はないと確認した場合、制御部２１はセンサ感度に相当する値をセンサ素子１のメモリ領域に記憶させる。また、センサオフセットをセンサ素子１に記憶することも可能である。ただし、この場合、センサオフセットはセンサ使用位置における環境条件に強く依存するということを考慮に入れなければならない。それゆえ例えば、この使用位置における金属製部材と通電している導体は、センサオフセットに影響を及ぼす妨害磁界をもたらす可能性がある。また、まさにホールセンサの場合には相当な温度依存性が存在し、センサオフセットを周期的に調整または算出するのが賢明であると思われる。それに対して、センサ感度は使用位置における環境条件に比較的依存しないので、有利には、後で使用位置で参照するために、最終検査の際にセンサ素子１に記憶しておいてもよい。

有利には、この第１の変形では、最終検査は検査磁界を発生させるコイルを有していない検査器によって行うことができる。それゆえ検査器は簡素化された構造を有することができる。

第１の実施形態の第２の変形では、センサ１０は使用位置に（例えば自動車等の舵角センサとして）組み込まれている。この場合も、センサ１０はＬＧＡを介してセンサ制御部２０’に接続されている。センサ制御部２０’は検査電流を導電路８に印加することができ、第１の変形による検査器と相応する構造が一致している。センサ制御部２０’は第１の変形に関して説明されているようにセンサオフセットを求める。このセンサオフセットはメモリ２２に記憶され、センサ制御部２０’から出力されるセンサ信号の補正または較正に使用される。有利には、この第２の変形では、センサ１０はいつでも検査することができ、場合よっては再較正することもできる。

図４には、本発明の第２の実施例による磁界センサ３０の透視図が示されている。第１の実施例による磁界センサ１０と一致する特徴は同じ参照符号で表されており、詳しくは説明しない。

第２の実施例による磁界センサ３０は第２導電路９の配置構成の点で第１の実施例による磁界センサ１０とは異なっている。磁界センサ３０は第１金属面上に配置された２つの平行な直線導電路９を備えている。導電路９は貫通コンタクトを介して第２金属面上のＬＧＡ端子９ｃに接続されている。導電路９はセンサ素子１の２つの面上にセンサ素子１に沿って配置されている。より詳しくは、導電路９は図４のセンサ素子１の前縁および後縁に沿った方向に延びている。さらに、導電路９が配置されているセンサ素子１の面の辺に沿った方向（ｘ方向）における導電路９の広がりは、前記辺に対して垂直な側辺の方向（ｙ方向）における広がりよりもかなり大きい（例えば、少なくとも５倍または有利には少なくとも１０倍）。したがって、導電路９を通る電流の流れＩは実質的にセンサ位置に対して接線方向である。これにより、導電路９を通る電流の流れＩはセンサ位置に比較的大きな磁界を発生させる。このことが図５Ａおよび５Ｂに概略的に示されている。図５Ａはセンサ１および導電路９の概略的な透視図であり、図５Ｂはセンサ素子１および導電路９のｙｚ平面での概略的な断面図である。これらの図から分かるように、導電路９を流れる電流の流れＩは、２つの導電路９に同じ方向（ｘ方向または−ｘ方向）で電流が流れた場合に、センサ素子１の表面に対して接線方向の磁界を発生させる。

それとは対照的に、第２金属面上の第１導電路６はｘ方向にある特定の広がりを有しているが、第１導電路６が配置されている第２金属面の辺に沿った方向（ｘ方向）における導電路６の広がりは、前記辺に対して垂直な別の側辺の方向（ｙ方向）における広がりに比べてかなり小さい、つまり、ｙ方向においてはｘ方向においてよりも少なくとも５倍または有利には少なくとも１０倍大きい。したがって、導電路６を通る電流の流れＩは実質的にセンサ位置に対して放射方向である。これにより、導電路６を通る電流の流れＩはセンサ位置に比較的小さな磁界しか発生させない。

それゆえ図５Ａおよび５Ｂに示されている電流の流れにより、センサ３０のセンサ素子１０内で、実質的にセンサ素子１０の表面の平面（ｘｙ平面）内に検査磁界を発生させることができる。しかしまた導電路９を通る逆平行な電流の流れにより、センサ素子１０の表面に垂直な方向（ｚ方向）に検査磁界Ｈを発生させることも可能である。すなわち、図４に示されている導電路配置構成は互いに垂直な２つの方向に検査磁界を発生させることができるという利点を有している。これに関して、センサ位置にｘｙ平面内の検査磁界とｚ方向における検査磁界が続けて発生され、相応する測定値がメモリ２２に記憶され、上記のようにさらなる処理が施されるように、検査器２０またはセンサ制御部２０’が選択的にまたはプログラム制御により連続的に第２導電路９を制御するように構成されていると有利である。このようにして簡単な導電路配置構成によって２つの空間方向に検査磁界を発生させることができる。さらに、図１および４の第２導電路９の配置構成を組み合わせることも可能である。つまり、ループ状の導電路と２つの平行な導電路を同一のプリント基板に設けることも可能である。その場合、有利には、ループ状の導電路または平行な導電路のいずれかが第１金属面と第２金属面の間の第３金属面に配置される。

さらに、上方の第１金属面に図４に示されている２つの平行な導電路を設け、第１金属面と第２金属面の間の第３金属面に、ほぼ９０°の角度で第１金属面の平行な導電路と交差する別の２つの平行導電路を設けることも可能である。このような配置構成によれば、上方の第１金属面の平行な導電路によりｙ方向に検査磁界が、第３金属面の平行な導電路によりｘ方向（およびｚ方向）に検査磁界が形成される。またその際、必要に応じて３つの空間方向すべてに検査磁界を続けて発生させるために連続的な制御が有利である。これは３つの空間方向における磁界成分を測定するように設計された磁界センサの場合に特に有利である。

以上、有利な実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではなく、多様に変更可能である。特に、上記実施形態の種々の特徴は組合せ可能である
例えば、ホールセンサの代わりに、フラックスゲートセンサまたはローレンツ力に起因するセンサ構造の運動を櫛形電極を介して容量的に検出するセンサを有するセンサ素子を使用することも可能である。

また、プリント基板２の下面に検査磁界を発生させる導電路８または９と、センサ素子１０に接続された導電路８とをプリント基板２の上面に配置することも可能である。

Claims (4)

1. センサ位置における磁界を測定する磁界センサ（１０、３０）であって、
   該磁界センサ（１０、３０）は、
   電気絶縁材料でできたプリント基板（２）と、
   電気接点（３、５）を介して前記プリント基板（２）上に設けられた第１導電路（６）に接続されている、前記プリント基板（２）上に配置された磁界センサ素子（１）と、
   前記プリント基板（２）上に設けられた、検査磁界（Ｈ）を発生させるための少なくとも１つの第２導電路（８、９）とを有しており、
   当該第２導電路は、較正電流（Ｉ）が印加されると、センサ位置に所定の検査磁界（Ｈ）を発生させ、
   前記磁界センサ素子（１）の対向する２つの面にそれぞれ前記プリント基板（２）上の１つの第２導電路（９）が配置されており、前記２つの第２導電路（９）は互いに平行に配置されている、磁界センサ（１０、３０）において、
   前記磁界センサ素子（１）の、前記２つの平行な導電路（９）が配置されている面の１つの側辺に沿った方向における、前記２つの平行な導電路（９）の広がりが、前記磁界センサ素子（１）の前記側辺に対して垂直な側辺の方向における広がりの少なくとも５倍大きく、
   検査磁界（Ｈ）を発生させるためのそれぞれ２つの平行な導電路（９）から成る２つの導電路対が設けられており、当該２つの導電路対は上から見て互いに直角を成して配置されているが、電気的には互いに絶縁されている
   ことを特徴とする磁界センサ（１０、３０）。
2. 前記２つの導電路（９）対は前記プリント基板（２）の異なる金属面に配置されている、請求項１記載の磁界センサ（１０、３０）。
3. 前記磁界センサ素子（１）はミクロシステムとして形成されている、請求項１または２記載の磁界センサ（１０、３０）。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の磁界センサ（１０、３０）と検査器（２０、２０’）との組合せであって、前記検査器（２０、２０’）が前記磁界センサ（１０、３０）と結合しており、所定の較正電流（Ｉ）を少なくとも１つの第２導電路（８、９）に印加するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項記載の磁界センサ（１０、３０）と検査器（２０、２０’）との組合せ。

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