JP6067070B2

JP6067070B2 - 磁界測定装置

Info

Publication number: JP6067070B2
Application number: JP2015150654A
Authority: JP
Inventors: カウフマンティモ; ヘーベアレクラウス; フランケイェアク; ブライトヴィーザーオリヴァー
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: US9645203B2; DE102014011245B3; CN105319518A; US20160033587A1; CN105319518B; JP2016035456A

Description

本発明は、磁界測定装置に関する。

欧州特許出願公開第２６０７８５７号明細書から、ホールセンサ及び磁石によって形成される装置であって、強磁性プレートを接近させることによりホールセンサにホール電圧を生じさせる装置が公知である。さらに、欧州特許第０９１６０７４号明細書、欧州特許出願公開第１１８２４６１号明細書、国際公開第２００９／００５２３７号、欧州特許出願公開第２５８４３０４号明細書、独国特許出願公開第１９９４６９３５号明細書、米国特許第６９１７１９３号明細書、国際公開第２０１２／１６８６３５号などからは、磁界測定装置を形成する種々のアプローチが公知である。

欧州特許出願公開第２６０７８５７号明細書欧州特許第０９１６０７４号明細書欧州特許出願公開第１１８２４６１号明細書国際公開第２００９／００５２３７号欧州特許出願公開第２５８４３０４号明細書独国特許出願公開第１９９４６９３５号明細書米国特許第６９１７１９３号明細書国際公開第２０１２／１６８６３５号

こうした技術的背景から、本発明の課題は、従来技術をさらに発展させる装置を提供することである。

この課題は、請求項１記載の特徴を有する磁界測定装置によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。

本発明の対象にしたがって、磁界測定装置が提供される。この磁界測定装置は、第１の半導体基体であって、第１のｘ‐ｙ平面に形成される表面を有し、この表面に、相互に間隔をもって配置された２つの磁界センサを備え、２つの磁界センサがそれぞれ磁界のｚ成分を測定し、ｘ方向及びｙ方向及びｚ方向はそれぞれ相互に直交している、第１の半導体基体を備え、さらに、第２のｘ‐ｙ平面に形成される平坦な主延在面を有する第１の磁石が設けられ、この主延在面に沿って第１の磁石の対称面で磁化方向がＮ極からＳ極へ変化しており、第１の半導体基体と第１の磁石とは相互に堅く固定されており、第１の半導体基体は第１の磁石に対してｘ‐ｙ平面において並進してずらされて配置されており、第１のｘ‐ｙ平面と第２のｘ‐ｙ平面との間のｚ方向のずれは、第１の磁石のｚ方向の厚さよりも小さい、磁界測定装置において、２つの磁界センサのうち一方の磁界センサはＮ極の近傍に、他方の磁界センサはＳ極の近傍に配置されていることにより、第１の磁石の磁界のｚ成分が生じたとき、２つの磁界センサが相互に反対の極性を有する複数の信号を形成する。

特に、磁界測定装置が第１の磁石の磁界のｚ方向に生じる成分（磁界のｚ成分）のみを検出するように形成されることに注意されたい。このために、第１の磁石の磁界は、強磁性体、特に強磁性プレートによって、磁石の磁力線がｘ‐ｙ平面での静止状態から少なくとも部分的にｚ方向へ偏向されるように変調される。好ましくは、磁界のｚ成分は、ｚ方向で間隔をもって配置されるプレートによって形成される。さらに好ましくは、ｚ方向で間隔をもって配置される強磁性プレートが存在しない場合、第１の磁石の磁界のｚ成分は殆ど生じないか又は全く生じない。なお、強磁性体を追加しても測定装置を１つの磁界測定装置として形成できることは、容易に理解されるはずである。ｚ方向距離が小さい場合、強磁性体によるｘ‐ｙ平面からの磁力線の偏向の大きさは、距離が大きい場合の偏向の大きさよりも格段に大きくなる。

本発明の磁界測定装置の利点は、磁力線がｘ‐ｙ平面での静止状態から偏向して磁界のｚ成分が発生したときに、相互に間隔をもって配置された２つの磁界センサを用いて、特にこれらのセンサを磁石に対する特別な位置に配置することにより、信号振幅を２重化できるということである。このために、２つの信号の差が求められる。また、差の測定によって、直流磁界のオフセットを大幅に抑圧することができる。

本発明の一実施形態では、第１の磁石は、ｘ‐ｚ平面の２つの側面と、ｙ‐ｚ平面に磁極面として形成される２つの端面とを含む直方体形状を有する。

本発明の別の実施形態では、２つの磁界センサはｘ方向に沿って間隔をもって配置され、２つの磁界センサを通る接続線は、第１の磁石の対称面にほぼ直交するか又は正確に直交するように配置される。言い換えれば、半導体基体の縁部が磁化方向に対して平行となるか又は少なくともほぼ平行となるように配置される。

２つの磁界センサのｘ‐ｙ平面は、第１の磁石の厚さの１／２の位置に配置されることが好ましい。或いは、言い換えれば、２つの磁界センサのｘ‐ｙ平面が磁石の中央に位置するように、半導体基体がｚ方向でアライメントされることが好ましい。

ｘ方向での第１の半導体基体の長さは、第１の磁石の長さとほぼ等しいか又は正確に等しいと有利である。

有利には、第１の半導体基体及び第１の磁石はｘ‐ｙ平面でそれぞれ四角形状を有し、第１の磁石から第１の半導体基体までのｙ方向での距離は、１０ｍｍよりも小さく、特に２ｍｍよりも小さいことが好ましい。

研究によって、２つの磁界センサを、第１のｘ‐ｙ平面内又は第１のｘ‐ｙ平面の近傍に、ホールプレートとして形成すると有利であることが判明した。このようにすれば、各ホールプレートは第１の磁石の磁界のｚ成分のみに感応するようになる。

本発明の別の実施形態では、第１の半導体基体と同一に形成された第２の半導体基体が設けられる。好ましくは、２つの半導体基体は、各磁界センサを通る接続線が相互にほぼ平行となるか又は正確に平行となるように、又は、特に各接続線がそれぞれ磁石から対称かつ等距離に位置するように、同じｘ‐ｙ平面に配置される。

本発明の別の実施形態では、第２の磁石が設けられ、第１の半導体基体は２つの磁石間に配置される。これにより、磁力線が２つの磁界センサを通る静止状態から偏向すると、磁束密度が高まる。２つの磁石の各主延在面は同じｘ‐ｙ平面に形成されることが好ましい。

各半導体基体の表面に集積回路が形成され、この集積回路が各磁界センサに電気的作用の点で接続されると有利である。

本発明を以下に図を参照しながら詳細に説明する。図中、同じ要素には同じ参照番号を付してある。図示の実施例はきわめて模式的なものであり、横方向及び縦方向のいずれの寸法も縮尺通りには描かれておらず、特にことわりないかぎり、相互の幾何学的関係を導き出せない点に注意されたい。なお、図１−図４には、チャート状の座標系が示されている。

本発明の第１の実施例の断面図である。図１の実施例を９０°回転させた断面図である。２つの半導体基体を有する実施例を示す図である。２つの磁石を有する実施例を示す図である。ｘ‐ｙ平面における静止位置からの磁力線の偏向を示す図である。強磁性プレートから磁石までの距離に依存する磁束密度の変化を示すグラフである。

図１には、本発明の、第１の半導体基体２０を含む磁界測定装置１０の第１の実施例の断面図が示されている。第１の半導体基体２０は、第１のｘ‐ｙ平面に形成される表面を有しており、当該表面に、相互に間隔をもって配置された２つの磁界センサ３０，４０を備えている。磁界センサ３０，４０は、ホールプレートとして形成されており、それぞれ第１の磁石５０の磁界のｚ成分のみを測定する。２つの磁界センサ３０，４０は第１のｘ‐ｙ平面の近傍に位置するように構成されている。

第１の磁石５０は第２のｘ‐ｙ平面に形成される平坦な主延在面５５を有しており、当該主延在面５５に沿って、第１の磁石５０の対称面５８で、磁化方向がＮ極（Ｎ）からＳ極（Ｓ）へ変化している。第１の半導体基体２０と第１の磁石５０とは相互に堅く固定されている。第１の磁石５０は、ｘ‐ｚ平面に形成される２つの側面と、ｙ−ｚ平面に磁極面として形成される２つの端面とを含む、直方体形状を有している。

ここでは、２つの磁界センサのうち、一方の磁界センサ３０がＮ極（Ｎ）の近傍に配置されており、他方の磁界センサ４０がＳ極（Ｓ）の近傍に配置されている。これにより、第１の磁石５０の磁界のｚ成分が発生すると、磁界センサ３０，４０が、それぞれの信号、すなわち、相互に反対の極性を有する各ホール電圧を形成する。

２つの磁界センサ３０，４０は、ｘ方向に沿って相互に間隔をもって配置されている。２つの磁界センサ３０，４０を通る接続線は、第１の磁石５０の対称面５８にほぼ直交するか又は正確に直交するように配置されている。ｘ方向で見た第１の半導体基体２０の長さは、第１の磁石５０の延在長さとほぼ等しいか又は正確に等しいと有利であると判明している。

好ましくは、第１の半導体基体２０及び第１の磁石５０は、図示されていない金属支持体（リードフレームとも称される）上に配置される。

第１の半導体基体２０は、第１の磁石５０に対してｘ‐ｙ平面において並進してずらされて配置されている。好ましくは、第１のｘ‐ｙ平面と第２のｘ‐ｙ平面との間のｚ方向のずれは、第１の磁石のｚ方向の厚さよりも小さい。好ましくは、磁界センサのｘ‐ｙ平面は第１の磁石５０の厚さの１／２の位置に配置されている。

さらに、ｚ方向で第１の磁石５０から間隔をおいた位置に、強磁性プレート６０が配置されている。強磁性プレート６０は、好ましくは軟磁性に形成されており、ターゲットとも称される。ターゲットの位置は、矢印６２で示されているように、少なくともｚ方向で可変である。わかりやすくするために図示されていないが、磁力線はターゲットによってｚ軸の方向へ偏向されることが理解されるはずである。偏向の強度又は２つのホールプレートを通る磁束の変化の強度は距離に依存する。このことについては図６に即して後述する。

図２には、図１に示されている実施例を９０°回転させた断面図が示されている。以下では、図１の実施例との相違点のみを説明する。第１の半導体基体２０と第１の磁石５０とはｘ‐ｙ平面でそれぞれ四角形状を有している。第１の磁石５０と第１の半導体基体２０とはｙ方向で間隔をもって配置されている。好ましくは、ｙ方向距離は２ｍｍ未満である。

図３には、第１の半導体基体２０と、−ｙ方向で当該第１の半導体基体２０から間隔をもって配置された第２の半導体基体７０とを有する別の実施例が示されている。以下では、図１，図２の実施例との相違点のみを説明する。２つの半導体基体２０，７０の間に第１の磁石５０が配置されている。第２の半導体基体７０は、第１の半導体基体２０と同一に形成されている。同じｘ‐ｙ平面にある２つの半導体基体２０，７０は、各磁界センサを通る接続線が相互にほぼ平行となるか又は正確に平行となるように配置される。ここでは、磁石から各磁界センサまでのｙ方向距離ができるだけ等しくなることが望ましい。

図４には、第１の磁石５０とｙ方向で当該第１の磁石５０から間隔をもって配置された第２の磁石８０とを有する別の実施例が示されている。以下では、図１−図３の実施例との相違点のみを説明する。２つの磁石５０，８０間に第１の半導体基体２０が配置されている。第２の磁石８０は第１の磁石５０と同一に形成されている。２つの磁石５０，８０は、それぞれの磁石５０，８０の側面が相互に平行となるように、同じｘ‐ｙ平面に配置される。ここでは、ｙ方向での各磁石５０，８０間の距離ができるだけ均等になることが望ましい。

図５には、静止状態としてのｘ‐ｙ平面からの磁力線の偏向が示されている。静止状態では、第１の磁石５０及び／又は第２の磁石８０の磁力線が２つのホールセンサ３０，４０を通る。ターゲットがｚ方向から接近すると、磁力線はｚ方向へ偏向し、逆もまた同様である。−ｚ方向から接近するターゲットについても相応のことが当てはまる。ｚ方向で間隔をもって配置される強磁性プレートが存在しない場合、磁界のｚ成分も生じない。ホールセンサ３０，４０は磁界のｚ成分を測定する。

図６には、ターゲットから第１の磁石５０及び／又は第２の磁石８０までの距離ＤＴＭに依存して磁束密度ΔΦＭが非比例的に変化する様子が示されている。以下では、図１−図５の実施例との相違点のみを説明する。ここでは、距離ＤＴＭが小さいときには、磁束密度ΔΦＭはきわめて強くなり、距離ＤＴＭが大きいときには、磁束密度ΔΦＭはきわめて小さくなることがわかる。

１０磁界測定装置、２０第１の半導体基体、３０，４０磁界センサ、５０第１の磁石、５５主延在面、５８対称面、６０強磁性プレート、６２ｚ方向、７０第２の半導体基体、８０第２の磁石、 ΔΦＭ磁束密度、ＤＴＭ距離

Claims

磁界測定装置（１０）であって、
第１のｘ‐ｙ平面に形成される表面を有し、該表面に、相互に間隔をもって配置された２つの磁界センサ（３０，４０）を備えており、前記２つの磁界センサ（３０，４０）はそれぞれ磁界のｚ成分を測定し、ただしｘ方向及びｙ方向及びｚ方向はそれぞれ相互に直交している、第１の半導体基体（２０）と、
第２のｘ‐ｙ平面に形成された平坦な主延在面を有する第１の磁石（５０）であって、該主延在面に沿って、前記第１の磁石（５０）の対称面（５８）で、磁化方向がＮ極（Ｎ）からＳ極（Ｓ）へ変化している、第１の磁石（５０）と、
を備え、
前記第１の半導体基体（２０）と前記第１の磁石（５０）とは、相互に固定的に、かつ、ｙ方向で間隔をもって、配置されており、
前記第１の半導体基体（２０）は、前記第１の磁石（５０）に対して、ｘ‐ｙ平面において並進してずらされて配置されており、前記第１のｘ‐ｙ平面と前記第２のｘ‐ｙ平面との間のｚ方向のずれは、前記第１の磁石（５０）のｚ方向の厚さよりも小さい、
磁界測定装置（１０）において、
前記２つの磁界センサのうち、一方の磁界センサ（３０）は前記Ｎ極（Ｎ）の近傍に、他方の磁界センサ（４０）は前記Ｓ極（Ｓ）の近傍に配置されていることにより、前記第１の磁石（５０）の磁界のｚ成分が生じたとき、前記２つの磁界センサ（３０，４０）が相互に反対の極性を有する複数の信号を形成する、
ことを特徴とする磁界測定装置（１０）。
前記第１の磁石（５０）は、ｘ‐ｚ平面の２つの側面と、ｙ‐ｚ平面に磁極面として形成される２つの端面とを含む直方体形状を有する、
請求項１記載の磁界測定装置（１０）。
前記２つの磁界センサ（３０，４０）はｘ方向に沿って間隔をもって配置されており、
前記２つの磁界センサ（３０，４０）を通る接続線は、前記第１の磁石（５０）の前記対称面にほぼ直交するか又は正確に直交するように配置されている、
請求項１又は２記載の磁界測定装置（１０）。
前記２つの磁界センサ（３０，４０）のｘ‐ｙ平面は、前記第１の磁石（５０）の厚さの１／２の位置に配置されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
ｘ方向での前記第１の半導体基体（２０）の長さは、前記第１の磁石（５０）の長さとほぼ等しいか又は正確に等しい、
請求項１から４までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
前記第１の半導体基体（２０）及び前記第１の磁石（５０）はｘ‐ｙ平面でそれぞれ四角形状を有しており、前記第１の磁石（５０）から前記第１の半導体基体（２０）までのｙ方向での距離は２ｍｍより小さい、
請求項１から５までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
前記２つの磁界センサ（３０，４０）は、前記第１のｘ‐ｙ平面内又は前記第１のｘ‐ｙ平面の近傍に、ホールプレートとして形成されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
前記第１の半導体基体（２０）と同一に形成された第２の半導体基体（７０）が設けられており、
前記第２の半導体基体（７０）は、相互に間隔をもって配置された２つのさらなる磁界センサを有し、
２つの前記半導体基体（２０，７０）は、前記２つの磁界センサ（３０，４０）を通る接続線と、前記２つのさらなる磁界センサ（３０，４０）を通る接続線と、が相互にほぼ平行となるか又は正確に平行となり、かつ、２つの前記接続線間の距離が前記磁石に関して対称となるように、同じｘ‐ｙ平面に配置されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
第２の磁石（８０）が設けられており、
前記第１の半導体基体（２０）は２つの前記磁石（５０，８０）間に配置されている、
請求項１から８までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
前記２つの磁石（５０，８０）の各主延在面は同じｘ‐ｙ平面に形成されている、
請求項９記載の磁界測定装置（１０）。
各半導体基体（２０，７０）の表面に集積回路が設けられており、該集積回路は各磁界センサ（３０，４０）に電気的作用の点で接続されている、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
前記磁界のｚ成分は、ｚ方向で間隔をもって配置される強磁性プレート（６０）によって生じる、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の磁界測定装置（１０）。
前記ｚ方向で間隔をもって配置される強磁性プレート（６０）が存在しない場合、前記磁界のｚ成分は生じない、
請求項１２記載の磁界測定装置（１０）。