JP7792003B2 - 磁気センサシステム - Google Patents

Description

本開示は、磁気センサシステムに関する。特に、本開示は、角度センサ及び多回転センサを備える磁気センサシステムと、磁気トラックを監視するように配設された磁気インクリメンタルセンサに関する。

磁気単一回転角度センサ及び多回転センサは、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。

磁気多回転センサ及び単一回転センサは、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使用する。多回転センサ内の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、磁界における回転数を判定するためにトラッキングすることができ、磁界における回転数は、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。同様に、単一回転センサにおける磁気抵抗素子の抵抗における変動は、磁界角度を判定するためにトラッキングすることができ、磁界角度は、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、アルキメデスらせん状構造から形成され、それによって、より高い精度の角度測定を提供するトラックを有する回転ディスクを使用するインクリメンタルセンサシステムと一緒に、回転をカウントし、かつ大まかな角度位置情報を提供するための回転磁石と併せて、磁気多回転センサ及び絶対角度センサを実装する、磁気感知システムを提供する。この点において、多回転センサ及び角度センサを備える磁気感知デバイスは、回転シャフトの端に装着された磁石に近接して配設される。磁気感知デバイスは、第１のレベルの分解能及び精度まで回転シャフトの回転数及び絶対角度を測定するために、回転磁界を検出する。回転ディスクはまた、回転シャフトに結合され、磁性材料から形成される。次いで、トラックは、磁気インクリメンタルセンサが、ディスクがシャフトとともに回転するにつれて周期的に変化する磁界を検出するように、磁気ディスクに形成される。次に、磁気感知デバイスによって提供される角度測定から開始して、インクリメンタルセンサによって出力された信号を使用して、角度位置のより高い分解能の測定を提供することができる。

本開示の第１の態様は、磁気センサシステムであって、回転可能シャフトに装着された磁石と、磁石の近傍にある磁気感知デバイスと、を備え、磁気感知デバイスは、回転可能シャフトが回転するにつれて磁石によって生成される磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、回転可能シャフトが回転するにつれて磁石によって生成された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、回転可能シャフトに装着された磁気ディスクであって、ディスクは、磁気ディスクによって生成される磁界の変化を誘起するための少なくとも第１のトラックを備え、第１のトラックは、磁気ディスクの周囲に分布する複数の湾曲セグメントから形成されている、磁気ディスクと、回転可能シャフトが回転するにつれて第１のトラックによって誘起される磁界の変化を検出するように構成された第１のインクリメンタルセンサと、を備える、磁気センサシステムを提供する。

複数の湾曲セグメントは、磁気ディスクの周囲に分布する複数のアルキメデスらせんセグメントを備え得る。

システムは、磁気感知デバイス及び第１のインクリメンタルセンサと通信する処理回路を更に備え得る。処理回路は、角度センサからの出力信号に基づいて第１の角度測定値を判定し、第１の角度測定値と、第１のインクリメンタルセンサからの出力信号とに基づいて、第２の角度測定値を判定するように構成され、第２の角度測定値は、第１の角度測定値よりも高い分解能を有する。

いくつかの配設において、角度センサからの出力信号は、正弦成分及び余弦成分を含み得る。同様に、第１のインクリメンタルセンサからの出力信号は、正弦成分及び余弦成分を含み得る。

第１のインクリメンタルセンサからの出力信号は、角度センサからの出力信号よりも１回転当たりの周期性が大きい場合がある。

１回転当たりの第１のインクリメンタルセンサからの出力信号の周期性は、第１のトラックの構成に依存し得る。例えば、周期性は、湾曲セグメントの数、湾曲セグメントの勾配、及び湾曲セグメント間の距離のうちの少なくとも１つに依存し得る。

いくつかの配設において、複数の湾曲セグメントは、突起、穴、盲穴、又はくぼみのうちの１つとして形成され得る。

システムは、回転可能シャフトが回転するにつれて第１のトラックによって誘起される磁界の変化を検出するように構成された少なくとも第２のインクリメンタルセンサを更に備え得る。いくつかの配設において、第１のインクリメンタルセンサ及び第２のインクリメンタルセンサは、第１のトラックの両側に配設され得る。

そのような場合、処理回路は、第２のインクリメンタルセンサと更に通信し、かつ第１及び第２のインクリメンタルセンサからの出力信号の平均に基づいて第２の角度測定値を判定するように更に構成され得る。

システムは、回転可能シャフトが回転するにつれて第１のトラックによって誘起される磁界の変化を検出するように構成された複数のインクリメンタルセンサを備え得る。複数のインクリメンタルセンサは、第１のトラックの周りに等距離に位置付けられている。

磁気ディスクは、磁気ディスクによって生成される磁界の変化を誘起するための特徴のセットを備える第２のトラックを更に備え得る。そのような配設において、特徴のセットは、突起、穴、盲穴、又はくぼみのうちの１つであり得る。第２のインクリメンタルトラックは、好ましくは、磁気ディスクの中心軸に対して第１のインクリメンタルトラックとは異なる半径方向位置に提供される。例えば、第２のインクリメンタルトラックは、第１のインクリメンタルトラックよりも中心軸から更に遠くに位置付けられ得るか、又はその逆であり得る。システムは、回転可能シャフトが回転するにつれて第２のトラックによって誘起される磁界の変化を検出するように構成された少なくとも第３のインクリメンタルセンサを更に備え得る。

磁気ディスクは、強磁性材料を含み得る。

角度センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの単一回転センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの単一回転センサ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの単一回転センサ、ホール効果センサ、及び誘導センサのうちの１つであり得る。

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る。

本開示の更なる態様は、回転可能シャフトの位置を監視する方法を提供し、磁石及び磁気ディスクは、回転可能シャフトに装着されており、この方法は、角度センサを使用して、回転可能シャフトが回転するにつれて磁石によって生成される磁界の配向を検出することと、第１のインクリメンタルセンサを使用して、回転可能シャフトが回転するにつれて磁気ディスクによって生成された磁界の変化を検出することであって、変化は、磁気ディスク上に形成された第１のトラックによって誘起され、第１のトラックは、磁気ディスクの周囲に分布する複数の湾曲セグメントを備える、検出することと、角度センサからの出力信号に基づいて第１の角度測定値を判定することと、第１の角度測定値と、第１のインクリメンタルセンサからの出力信号とに基づいて、第２の角度測定値を判定することと、を含み、第２の角度測定値は、第１の角度測定値よりも高い分解能を有する。

複数の湾曲セグメントは、磁気ディスクの周囲に分布する複数のアルキメデスらせんセグメントを備え得る。

方法は、磁気多回転センサを使用して、回転可能シャフトが回転するにつれて磁石によって生成された磁界の回転数を検出することを更に含み得る。

本開示の更なる態様は、磁気センサシステムであって、回転可能シャフトに装着された第１の磁石と、第１の磁石の近傍にある磁気感知デバイスであって、回転可能シャフトが回転するにつれて第１の磁石によって生成される磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、回転可能シャフトが回転するにつれて第１の磁石によって生成された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、を備える、磁気感知デバイスと、更なる磁界を生じさせるように構成された少なくとも１つのバイアス磁石と、回転可能シャフトが回転されるように配設された第１の磁気ターゲットによって誘起される更なる磁界の変化を検出するように構成された少なくとも第１の更なる磁気センサであって、第１の磁気ターゲットは、更なる磁界の変化を誘起するための第１の数の特徴を有している、少なくとも第１の更なる磁気センサと、を備える、磁気センサシステムを提供する。

システムは、回転可能シャフトによって回転されるように配設された第２の磁気ターゲットによって誘起された更なる磁界への変化を検出するように構成された第２の更なる磁気センサを更に備え得、第２の磁気ターゲットは、磁界の変化を誘起するための第２の数の特徴を有している。

システムは、第１の更なる磁気センサ及び第２の更なる磁気センサと通信する処理回路を更に備え得、処理回路は、第１の更なる磁気センサ及び第２の更なる磁気センサによって取得された測定値の間の差を検出し、第１の更なる磁気センサ及び第２の更なる磁気センサから取得された測定値の間の検出された差に基づいて、回転可能シャフトの回転角度に関連するシャフト回転角度情報を生成するように構成されている。

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、ここに説明される。

本開示の実施形態による磁気センサシステムの第１の実施例である。 図１の磁気センサシステムの出力例を例解するグラフである。 図１の磁気センサシステムの出力例を例解するグラフである。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの第２の実施例である。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの第３の実施例である。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの第４の実施例である。 磁気センサシステムの構成要素間の信号経路を例解するブロック図である。 本開示の実施形態による磁気感知デバイスの実施例である。 本開示の実施形態による角度センサの実施例である。 本開示の実施形態による多回転センサの実施例である。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの一部の構造を例解する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの一部の構造を例解する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの一部の構造を更に例解する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの一部の構造を更に例解する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの一部の構造を更に例解する。 本開示の実施形態による多回転センサの更なる実施例を例解する。 本開示の実施形態による多回転センサの更なる実施例を例解する。

以下の実施形態の詳細な説明は、本発明の具体的な実施形態の様々な説明を提示する。しかしながら、本発明は、数多くの異なる方法で具現化することができる。この説明では、図面を参照するが、同様の参照番号は、同一又は機能的に類似する要素を示し得る。図に例解される要素は、必ずしも縮尺どおりに描かれていないことが理解されるであろう。また、特定の実施形態は、図面に例解されているよりも多くの要素及び／又は図面に例解されている要素のサブセットを含むことができることが理解されるであろう。更に、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面から特徴の任意の好適な組み合わせを組み込むことができる。

磁気多回転センサ及び単一回転センサは、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。

産業及び自動車用途において、シャフトの複数の回転を測定可能である正確な角度測定システムが必要とされる場合がある。ステアリング角度測定、ラックアンドピニオン、及び／又はリードねじ用途などのシステムは、多くの場合、これらの測定能力を有する必要がある。多くの用途において、シャフト端は容易にアクセスできないため、磁気センサ配設をシャフトの端に配置することはできない。追加的に、既知の角度センサシステムは、いくつかの用途に必要な分解能及び精度情報を提供しない。１つの解決策は、光学エンコーダを使用することであるが、これらは、非常に高価であり得る。別の解決策は、回転シャフトに結合された機械的歯車から多回転情報を取得することを実装することであるが、歯車の歯のピッチは歯車の直径に依存し、角度センサは歯のピッチに対して構築されなければならない。したがって、全ての角度センサが全ての歯車で使用できるわけではなく、実用的ではない。

したがって、本開示は、アルキメデスらせん状構造から形成され、それによって、より高い精度の角度測定を提供するトラックを有する回転ディスクを使用するインクリメンタルセンサシステムと一緒に、回転をカウントし、かつ大まかな角度位置情報を提供するための回転磁石と併せて、磁気多回転センサ及び絶対角度センサを実装する、磁気感知システムを提供する。

この点において、多回転センサ及び角度センサを備える磁気感知デバイスは、回転シャフトの端に装着された磁石に近接して配設される。磁気感知デバイスは、第１のレベルの分解能及び精度まで回転シャフトの回転数及び絶対角度を測定するために、回転磁界を検出する。回転ディスクはまた、回転シャフトに結合され、磁性材料から形成される。次いで、トラックは、磁気インクリメンタルセンサが、ディスクがシャフトとともに回転するにつれて周期的に変化する磁界を検出するように、磁気ディスクに形成される。次に、磁気感知デバイスによって提供される角度測定から開始して、インクリメンタルセンサによって出力された信号を使用して、角度位置のより高い分解能の測定を提供することができる。

図１は、本開示による磁気センサシステム１００の第１の実施例を例解する。永久磁気リング１０１が、回転可能シャフト１０２の端に装着され、回転可能シャフト１０２自体は、監視される何らかの機械システムに結合される。磁気絶対角度センサ（本明細書では単一回転センサとも称される）及び磁気多回転センサを備える磁気感知デバイス１０３は、磁石１０１に近接して位置付けられる。より具体的には、磁気感知デバイス１０３は、シャフト１０２の回転軸と整列されず、代わりに、回転軸に垂直な平面内に配置される限り、「シャフト外」に位置付けられる。磁気角度センサ及び多回転センサの更なる詳細を以下に説明する。磁気感知デバイス１０３は、シャフト１０２とともに回転するときに磁石１０１によって生成される回転磁界の変化を測定し、それによって、シャフト１０２の回転数及び角度位置を、例えば、度数の単位で、第１のレベルの精度及び分解能まで判定する。

ディスク１０４はまた、シャフト１０２とともに回転するように、シャフト１０２に接続されている。ディスク１０４は、柔らかい強磁性材料を含み、かつ互い違いに配設されてディスク１０４の周囲に分布する複数の湾曲セグメント１０５Ａを備えるトラック１０５が提供されている。セグメント１０５Ａは、互いに隣接して配置されたアルキメデスらせんの小さい重複セクションのように形成され、各セグメント１０５Ａは、隣接するセグメント１０５Ａからオフセットされる。すなわち、セグメント１０５Ａは、各セグメント１０５Ａの半径が、ディスク１０４の周りに特定の方向に延在するにつれて減少するように湾曲され、各セグメント１０５Ａは、ディスク１０４の周囲の異なる点で開始及び終了する。

この実施例において、半径は、セグメント１０５Ａが時計回りの方向に延在するにつれて減少するが、セグメント１０５Ａは、それらが逆時計回り（反時計回り）の方向にディスク１０４の周りに延在するにつれて半径が減少するように構成され得ることが当然ながら理解されるであろう。

図１を引き続き参照すると、磁気インクリメンタルセンサ１０６が、それが磁界又はトラック１０５によって引き起こされる磁界の変化を測定するように、トラック１０５に関連して配置される。この点において、トラック１０５のセグメント１０５Ａは、インデント、隆起突起、穴、又はディスク１０４が回転するにつれて変化する磁界を生じさせることができる任意の他の特徴として形成され得る。次いで、インクリメンタルセンサ１０６によって出力された信号を使用して、例えば、アーク分の単位で、測定された角度位置の分解能及び精度を更に増加させることができる。

図２Ａは、磁気単一回転センサの出力信号２０１の実施例を例解し、出力信号２０１は、１回転当たり１回又は２回繰り返す正弦及び余弦信号を含む。例えば、１８０°の分解能を有する絶対角度センサは、１回転当たり２回で正弦及び余弦信号を繰り返し、一方、３６０°の分解能を有する絶対角度センサは、１回転当たり１回で正弦及び余弦信号を繰り返す。次いで、正弦及び余弦信号の逆正接を計算して、磁界角度、したがって、回転シャフトの角度位置を出力することができる。

正弦及び余弦信号が２回転ごとに繰り返す場合、多回転センサ（又は何らかの他の象限検出手段）の回転カウントを使用して、例えば、角度センサが０°～１８０°の回転を測定しているか、又は１８０°～３６０°の回転を測定しているか、完全回転のどの半回転が角度センサによって測定されているかを解決することができる。

図２Ｂは、インクリメンタルセンサ１０６の出力信号２０２の実施例を例解する。出力信号２０２も正弦及び余弦信号を含むが、これらの信号は、１回転当たりに複数の周期を有する（有意に２よりも多い）。単一回転センサと同様に、正弦及び余弦信号の逆正接が計算されて、角度測定を提供する。しかしながら、正弦及び余弦の各繰り返しは、各回転のより小さい部分に対応する。例えば、１２の周期性について、各正弦及び余弦信号は、３０°の回転に対応し、したがって、各正弦及び余弦信号の逆正接は、３０°の回転ごとにより高い分解能の測定を提供する。

アルキメデスらせんセグメント１０５Ａを有するトラック１０５を使用することの１つの利点は、１回転当たりの周期の数を、ディスク１０４の直径及びトラック１０５とは無関係に調整できることである。この場合、セグメント１０５Ａの数は、１回転当たりの出力信号２０２の周期の数に等しい。しかしながら、セグメント１０５Ａ間の距離又はセグメント１０５Ａの傾斜は、任意の好適な周期性、したがって分解能を提供するように調整することができる。理想的には、磁気感知デバイス１０３内の絶対角度センサの精度は、インクリメンタルセンサ１０６のどの周期に位置付けられているかを結論づけるのに十分であり、したがって、インクリメンタルトラック１０５のセグメント１０５Ａ及び／又は周期の数は、この要件を満たすために制限される必要がある。アルキメデスらせんセグメント１０５Ａを用いて、これは、ほぼ全てのディスク直径及び必要とされる任意のピッチに対して達成することができる。

トラック１０５は、任意の好適な製造方法を使用して形成され得る。例えば、トラック１０５は、好適なスタンピング又はインプリントツールを使用して形成され得る。同様に、トラック１０５は、ディスク１０４の柔らかい強磁性材料にエッチングすることによって、又はハードフォトレジストマスクを適用し、マスクの周りをエッチングして複数の隆起したセグメント１０５Ａを残すことによって形成され得る。

図１０Ａ～Ｂは、本明細書に説明される実施例のいずれかと併せて使用され得る磁気ディスク１００４及びトラック１００５の構成の実施例を例解しており、図１０Ｂは、図１０Ａの「Ｘ」と示されている線を横切って取られた磁気ディスク１００４の断面を示す。この実施例において、トラック１００５のアルキメデスらせんセグメント１００５Ａは、ディスク１００４に形成された穴１００５Ａとして形成される。

図１１Ａ～Ｃは、トラックが磁気ディスク１１０４に形成され得る方法の更なる実施例を例解する。図１１Ａに示されるように、アルキメデスらせんセグメント１１０５Ａは、磁気ディスク１１０４の中に部分的にのみ延在する磁気ディスク１１０４内のインデントとして形成される。図１１Ｂでは、アルキメデスらせんセグメント１１０５Ａは、隆起突起１１０５Ａとして形成されるが、磁気ディスク１１０４の表面をエッチングする。図１１Ｃでは、アルキメデスらせんセグメント１１０５Ａは、ここでも磁気ディスク１１０４内のインデントとして形成されるが、この実施例では、セグメント１１０５Ａは、図１１Ａに示される正方形のプロファイルではなく、湾曲したプロファイル又は波形のプロファイルを有する。

図３は、回転可能シャフト３０２の端に装着された磁石３０１の回転を測定するために使用され得る磁気感知システム３００の第２の実施例を示す。磁気感知システム３００は、図１に示される磁気センサシステムと実質的に同じであるが、この実施例では、第２の磁気インクリメンタルセンサ３０７が、回転磁気ディスク３０４の反対側に位置付けられている。回転磁気ディスク３０４はここでもディスク１０４の周囲に分布する複数の湾曲セグメント１０５Ａを備えるトラック１０５を備える。両方のインクリメンタルセンサ３０６、３０７の組み合わせは、各センサ３０６、３０７によって測定された位置を数学的に平均化することによって、磁気ディスク３０４による任意の機械的偏心経験の一次補償を可能にする。実際、等しい角度距離によって分離された任意の数のインクリメンタルセンサを使用して、偏心を更に補償することができることが認識されるであろう。例えば、０°、９０°、１８０°及び２７０°に位置付けられた４つのインクリメンタルセンサ、又は０°、１２０°及び２４０°に位置付けられた３つのインクリメンタルセンサが使用され得る。

図４は、回転可能シャフト４０２の端に装着された磁石４０１の回転を測定するために使用され得る磁気感知システム４００の第３の実施例を示す。磁気感知システム４００は、図１に示されるものと実質的に同じである。この実施例において、磁気ディスク４０４はここでも、第１の半径方向位置でディスク４０４の周囲に分布する複数の湾曲セグメント５０５Ａを備える第１のトラック４０５を、第２の半径方向位置で磁気ディスク４０４に配列された第２のインクリメンタルトラック４０８と、第２のトラック４０８に関連して配設された第２のインクリメンタルセンサ４０９と一緒に備える。この実施例において、第１のインクリメンタルトラック４０５は、ディスク４０４の中心軸からより小さい半径方向距離に位置付けられ、一方、第２のインクリメンタルトラック４０８は、ディスク４０４の中心軸からより大きい半径方向距離に位置付けられるが、第１のインクリメンタルトラック４０５は、第２のインクリメンタルトラック４０８よりも中心軸から更に遠くに位置付けられ得ることが認識されるであろう。第２のインクリメンタルトラック４０８は、アルキメデスらせんセグメント、又は等間隔に離間された穴、くぼみ、インボリュート歯車形状などの他の交互構造で作製することができる。この実施例において、第２のトラック４０８は、複数のスロットを備え、かつ有意に高い数の周期を有するセンサ信号、したがって、より高いレベルの分解能及び精度を提供する。この配設では、第１のインクリメンタルセンサ４０６及び第１のインクリメンタルトラック４０５の出力を使用して、第２のインクリメンタルトラック４０８上の第２のインクリメンタルセンサ４０９の位置を判定することができ、第２のインクリメンタルトラック４０８は、次いで、例えば、アーク秒の単位で、シャフト４０２の角度位置のより高い分解能及びより高い精度の測定を提供する。

図３を参照して説明されるように、機械的偏心によって引き起こされるシステム内の振れは、磁気トラック、好ましくは、最高の分解能を有するトラック上の複数のセンサを使用することによって低減することができる。例えば、図４を参照して説明されるシステムに実質的に対応する図５に示されるように、２つのインクリメンタルセンサ５０９及び５１０は、この場合では、第２の磁気トラック５０８である最高分解能のトラックの両側に配設され得る。前で説明されるように、等距離に離間された任意の数のインクリメンタルセンサが使用され得、そこからトラック５０８による任意の半径方向の移動を補償するために平均測定値が計算される。

図６は、本明細書に説明される磁気センサシステムの構成要素間の信号経路の実施例を例解する。磁気感知デバイス１０３（すなわち、単一回転センサ多回転センサ）及びインクリメンタルセンサ１０６の信号は、最初に信号調節される６０１（例えば、増幅される、アナログデジタル変換される、フィルタリングされる、オフセット補正される、振幅補正される、位相補正されるなど）。信号調節６０１は、複数の信号処理構成要素によって実行され得ることが認識されるであろう。次いで、コントローラ６０２は、データを処理して、複数の回転を含む角度位置を計算し、これは、次いで、ユーザインターフェースに出力され得る。角度位置はまた、具体的な用途に応じて、他の制御手段に供給され得る。例えば、角度位置は、モータ整流のための制御システムに供給され得る。実際、角度位置は、精密加工、顕微鏡テーブル、光学ステッパ、ロボットアームなどの高精度位置付けを使用する任意のシステムに供給され得ることが認識されるであろう。

図７は、多回転（ＭＴ）センサ７０２及び単一回転（ＳＴ）センサ７０４を含む、本開示の実施例に使用される例示的な磁気感知デバイス７の概略ブロック図を例解する。図７に示される磁気感知デバイス７は、図１及び図３～６に示される実施例で使用される磁気感知デバイス１０３、３０３、４０３、５０３のうちのいずれでもあり得ることが認識されるであろう。ＭＴセンサ７０２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。ＳＴセンサ７０４は、任意の磁気ＳＴセンサ、例えば、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースのセンサ、ホールセンサ又は誘導センサであり得る。

感知デバイス７はまた、処理回路７０６と、ＭＴセンサ７０２、ＳＴセンサ７０４、及び処理回路７０６が配置されている集積回路７００と、を備える。処理回路７０６は、ＭＴセンサ７０２から信号ＳＭＴ７１２を受信し、受信信号を処理して、回転カウントデコーダ７０８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７０８は、ＭＴセンサ７０２の近傍で回転する外部磁界、例えば、回転シャフト１０２、３０２、４０２、５０２に装着されたリング磁石１０３、３０３、４０３、５０３によって生成される磁界の回転数を表す回転カウントを出力する。同様に、処理回路７０６は、ＳＴセンサ７０４からも信号ＳＳＴ７１４を受信し、角度デコーダ７１０を使用して受信信号を処理して、外部磁界の角度位置を出力する。

図８は、本開示の実施形態によるインターフェース回路８０６を有する、図７のＳＴセンサ７０４を提供し得るＳＴ角度センサ８の実施例を示す概略図である。インターフェース回路８０６は、処理回路７０６の一部であることができる。代替的に、インターフェース回路８０６は、処理回路７０６と角度センサ８の出力との間の別個の回路であることができる。図８に示されるように、角度センサ８は、第１のホイートストンブリッジ８０２、及び第２のホイートストンブリッジ８０４を含む。

第１のホイートストンブリッジ８０２及び第２のホイートストンブリッジ８０４は、それぞれ、回転磁界を感知し、０～２πラジアンの角度にも対応する０～３６０度の回転角度情報を提供するために、ＡＭＲ素子などの磁気抵抗素子を含むことができる。追加的に、各ＡＭＲ素子は、第１のホイートストンブリッジ８０２が第２のホイートストンブリッジ８０４に対して回転されるように、ＡＭＲプロセスを使用して集積回路上にパターン化されることができる。第１のホイートストンブリッジ８０２及び第２のホイートストンブリッジ８０４を互いに対して回転させることによって、図２Ａを参照して上で説明されるように、回転磁界の三角法の正弦及び余弦は、０～３６０度の範囲にわたって判定されることができる。

図８に示されるように、第１のホイートストンブリッジ８０２及び第２のホイートストンブリッジ８０４の両方は、それぞれ、供給電圧ＶＤＤ及び接地ＧＮＤに電気的に接続されている。例解されるように、インターフェース回路２０６は、第１のホイートストンブリッジ８０２の感知ノードから電圧ＶＳＩＮ１及びＶＳＩＮ２を受信し、第２のホイートストンブリッジ８０４の感知ノードから電圧ＶＣＯＳ１及びＶＣＯＳ２を受信する。図８の電圧ＶＳＩＮ１、ＶＳＩＮ２、ＶＣＯＳ１、及びＶＣＯＳ２は、図７の信号７１４の成分を表すことができる。インターフェース回路８０６は、磁界に関連付けられた正弦及び余弦信号を、それぞれ、決定するために、電圧ＶＳＩＮ１及びＶＳＩＮ２並びに電圧ＶＣＯＳ１及びＶＣＯＳ２を処理することができる。正弦及び余弦信号から、インターフェース回路８０６は、０～３６０度の磁界の角度を決定することができる。図８の実施例において、インターフェース回路８０６は、単一回転角度出力データＳＴ＿ＯＵＴＰＵＴを提供する。

図９は、図７に示されるＭＴセンサ７０２を提供し得る、磁気多回転センサ９の磁気ストリップ９０２レイアウト表現の実施例を示す。

図９では、磁気ストリップ９０２は、複数の磁気抵抗素子９０４、好ましくは、ＧＭＲベースの磁気抵抗素子、及び／又は、ＴＭＲベースの磁気抵抗素子を備える。この例では、磁気ストリップ９０２は、らせん構成で物理的にレイアウトされるＧＭＲベースの磁気抵抗トラックである。したがって、磁気ストリップ９０２は、互いに直列で配設される磁気抵抗素子９０４で形成される複数のセグメントを有する。磁気抵抗素子９０４は、磁気整列状態に応じて抵抗を変化させる可変抵抗として機能する。磁気ストリップ９０２の端は、ドメイン壁生成器（ＤＷＧ）９０６に結合され、ＤＷＧ９０６は、磁気ストリップ９０２のいずれかの端に結合され得ると認識されるであろう。ＤＷＧ９０６は、外部磁界の回転、又はセンサ９の動作磁気ウィンドウ 何らかの他の強い外部磁界の印加に応じて、ドメイン壁を生成する。次いで、これらのドメイン壁は、磁気ストリップ９０２内に注入され、磁気ドメインが変化するにつれて、磁気抵抗素子９０４の抵抗も、結果として生じる磁気整列の変化に起因して変化する。

磁気抵抗素子９０４の変化する抵抗をドメイン壁が生成されるにつれて測定するために、磁気ストリップ９０２は、反対側の角の対の間に電圧を印加するために、供給電圧ＶＤＤ９０８及び接地ＧＮＤ９１０に電気的に接続される。電圧供給の中間の角には、ハーフブリッジ出力を提供するように電気接続９１２が提供される。したがって、多回転センサ９は、複数のホイートストンブリッジ回路を備え、各ハーフブリッジ９１２は、外部磁界の半回転、つまり、１８０°の回転に対応する。電気接続９１２での電圧の測定値は、したがって、磁気抵抗素子９０４の抵抗の変化を測定するために使用することができる。磁気抵抗素子９０４は、したがって、例えば、電圧測定値を回転カウントデコーダ７０８に出力することによって、磁界における回転数を判定するために使用することができる。

図９に示される実施例は、４つのらせん巻線と、８つのハーフブリッジ９１２と、を備え、したがって、外部磁界の４つの全回転をカウントするように構成されている。しかしながら、多回転センサは、磁気抵抗素子９０４の数に依存して、任意の数のらせん巻線を有し得ることが理解される。概して、多回転センサは、らせん巻線と同じ数の回転をカウントすることができる。

磁気抵抗素子９０４は、磁気整列状態の変化を表すセンサ出力を提供するように、任意の好適な方式で電気的に接続され得るとも理解される。例えば、磁気抵抗素子９０４は、米国特許公開第２０１７／０２６１３４５号（２０１６年３月８日に出願された米国特許出願第１５／０６４５４４号に対応する）に説明されているように、マトリクス配設で接続され得、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

別の実施形態において、ＭＴセンサ７０２は、閉ループらせんであり得、内側及び外側らせん巻線の磁気抵抗素子は、連続らせんを形成するために一緒に接続される。そのような配設は、一緒に接続された多数のらせんの効果を提供し、これは、非常に多数の回転をカウントすることを可能にする。

図１２は、追加のセンサシステムと一緒に、回転をカウントし、かつ大まかな角度位置情報を提供するための回転磁石と併せて、磁気多回転センサ及び絶対角度センサを実装し、それによって、より高い精度の角度測定を提供する磁気感知システム１２の更なる実施例を例解する。この実施例において、永久磁気リング１２０１が、回転可能シャフト１２０２の端に装着され、回転可能シャフト１２０２自体は、監視される何らかの機械システムに結合される。磁気絶対角度センサ（本明細書では単一回転センサとも称される）及び磁気多回転センサを備える磁気感知デバイス１２０３は、磁石１２０１に近接して位置付けられる。より具体的には、磁気感知デバイス１２０３は、シャフト１２０２の回転軸と直接整列される限り、「シャフト上」に位置付けられる。磁気感知デバイス１２０３は、図１、及び図３～図９を参照して説明されるものと同じ磁気感知デバイスであり得ることが当然ながら認識されるであろう。この実施例において、磁気感知デバイス１２０３は、基板１２０４、例えば、プリント基板（ＰＣＢ）の表面に装着される。

システム１２は、更なる基板１２１１に装着された一対の磁気センサ１２１２及び１２１４を更に備え、センサ１２１２及び１２１４の背面にバックバイアス磁石１２１０が位置付けられている。磁気センサ５及び６は、異方向性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ素子、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ素子、トンネル磁気抵抗センサ素子、任意の磁気抵抗感知素子（ｘＭＲ）、又は他の好適な磁気センサ技術に基づき得るが、これらに限定されない。

磁気センサ１２１２及び１２１４は、それぞれ、２つの移動するターゲット１２１６及び１２１８の表面に近接して位置付けられる。本実施形態において、ターゲット１２１６及び１２１８は、シャフト１２０２に固定された歯状歯車である。動作において、センサ１２１２及び１２１４は、磁気ターゲット１２１６及び１２１８が回転し、磁石１２１０によって生成された磁界と相互作用する結果として、センサ１２１２及び１２１４を通過する磁界方向の測定可能な変化を検出する。センサ１２１２及び１２１４は、シャフト１２０２の０°～３６０°の絶対回転位置を測定するように構成される。これを行うために、第１のターゲット歯車１２１６には、第２のターゲット歯車１２１８よりも多い又は少ない歯が提供されている。例として、ターゲット歯車１２１６は、ｎ個の歯を有し得、一方、ターゲット歯車１２１８は、ｎ－１個又はｎ＋１個の歯を有し得る。そのような例において、Ｎｏｎｉｕｓ原理は、適用され得、歯車１２１６及び１２１８の両方の絶対回転角度は、センサ１２１２及び１２１４の位置で、ターゲット１２１８上の歯でターゲット１２１６上の歯の相対変位を測定することによって推測されることができる。特に、ターゲット歯車１２１６及び１２１８の歯の数が１つずつ異なっているとき、磁気センサ１２１２及び１２１４の位置での隣接する歯車１２１６と１２１８との間の相対オフセットは、シャフト１２０２の全回転に対して一意に変化する。このように、センサ１２１２及び１２１４からの測定値を比較することによって、０°～３６０°の入力シャフト１２０２の絶対回転角度は、測定されることができる。この点において、センサ１２１２及び１２１４は各々、それぞれの磁気ターゲット１２１６及び１２１８が回転するときに、正弦及び余弦成分を含む信号を生じさせる。次いで、各センサ信号の「逆正接」（すなわち、正接値を余弦値で割ったもの）が計算され、次いで、各センサ１２１２及び１２１４に対して判定された逆正接値の差が判定されて、回転角度の測定値を提供することができる。

使用中、磁気センサ１２１２及び１２１４を使用して、上で説明されるＮｏｎｉｕｓ原理を使用して、第１のレベルの分解能及び精度に回転シャフト１２０２の絶対角度を提供する。この測定された回転角度に基づくと、磁気センサ１２１２及び１２１４、並びにそれぞれのターゲット歯車１２１６及び１２１８のうちの１つを使用して、より高い精度の測定値を取得することができる。その理由は、Ｎｏｎｉｕｓ原理を使用すると、磁気ターゲット歯車１２１６及び１２１８の各々から測定する際に存在し得る任意の誤差が、逆正接値の差が計算されるときに累積し始め、累積誤差を補正するための更なる処理が必要となるからである。したがって、磁気ターゲット歯車１２１６及び１２１８のうちの一方のみの測定からより正確な角度測定を取得することができる。同様に、上で説明されるように、各磁気センサ１２１２及び１２１４は、それぞれのターゲット歯車１２１６及び１２１８の各歯に対して正弦及び余弦信号を生じさせ、これは、磁気感知デバイス１２０３と比較して、回転角度のより高い分解能測定を提供する。この点において、ターゲット歯車１２１６及び１２１８の歯が、正確な測定を提供するために、形状及びサイズにおいて均一であることもまた重要である。磁気感知デバイス１２０３は次いで、回転数を測定するために使用される。磁気感知デバイス１２０３はまた、回転シャフト１２０２の絶対角度の追加の測定値を提供し得、これは、磁気センサ１２１２及び１２１４によって提供される角度測定値を検証するために使用され得る。

図１３は、追加のセンサシステムと一緒に、回転をカウントし、かつ大まかな角度位置情報を提供するための回転磁石と併せて、磁気多回転センサ及び絶対角度センサを実装し、それによって、より高い精度の角度測定を提供する磁気感知システム１３の更なる実施例を提供する。図１３に示される磁気感知システムは、図１２のものと同様であるが、この実施例では、１つの磁気センサ１３１２及びターゲット歯車１３１６のみが提供される。前述のように、永久磁気リング１３０１が、回転可能シャフト１３０２の端に装着され、回転可能シャフト１３０２自体は、監視される何らかの機械システムに結合される。磁気絶対角度センサ（本明細書では単一回転センサとも称される）及び磁気多回転センサを備える磁気感知デバイス１３０３は、磁石１３０１に近接して、「オンシャフト」位置に位置付けられ、基板１３０４、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）の表面に装着される。

追加の磁気センサ１３１２は、更なる基板１３１１に装着され、センサ１３１２の背面にバックバイアス磁石１３１０が位置付けられている。前述のように、磁気センサ１３１２は、磁気ターゲット１３１６が回転し、磁石１３１０によって生成された磁界と相互作用する結果として、センサ１３１２を通過する磁界方向の測定可能な変化を検出し、それによって、３６０°角度情報を提供する。

使用中、磁気感知デバイス１３０３を使用して回転数ＮＤを測定し第１のレベルの分解能及び精度まで回転シャフト１３０２の絶対角度を提供する。この測定された回転角度に基づき、より高い精度の測定が、磁気センサ１３１２及びターゲット歯車１３１６を使用して行うことができる。

図１２及び１３に示される配設では、図６に関して示されるものと同様の処理回路を使用することができ、磁気センサ１２１２、１２１４、及び１３１２の信号は、信号調節６０１の処理コンポーネントに入力されることが認識されるであろう。

前述の説明は、要素又は特徴を、一緒に「接続される」又は「結合される」ものとして参照し得る。本明細書で使用されるとき、特段の明示的な記載がない限り、「接続される」とは、１つの要素／特徴が別の要素／特徴に直接的又は間接的に接続されることを意味し、必ずしも機械的に接続されるわけではない。同様に、特段の明示的な記載がない限り、「結合される」とは、１つの要素／特徴が別の要素／特徴に直接的又は間接的に結合されることを意味し、必ずしも機械的に結合されるわけではない。このように、図に示される様々な概略図は、要素及び構成要素の例示的な配設を描写するが、追加の介在要素、デバイス、特徴、又は構成要素は、実際の実施形態において存在し得る（描写される回路の機能性が悪影響を受けないと仮定する）。

本発明は、特定の実施形態の観点から説明されているが、本明細書に記載された特徴及び利点の全てを提供するわけではない実施形態を含む、当業者に明らかな他の実施形態も、本発明の範囲内である。また、上で説明される様々な実施形態は、更なる実施形態を提供するために組み合わせることができる。加えて、一実施形態の文脈で示される特定の特徴は、他の実施形態にも組み込むことができる。

Claims (20)

1. 磁気感知システムであって、
   回転可能シャフトに装着された磁石と、
   前記磁石の近傍にある磁気感知デバイスと、を備え、
   前記磁気感知デバイスは、
   前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記磁石によって生成される磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、
   前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記磁石によって生成された前記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、
   前記回転可能シャフトに装着された磁気ディスクであって、前記磁気ディスクは、前記磁気ディスクによって生成される磁界の変化を誘起するための少なくとも第１のトラックを備え、前記第１のトラックは、前記磁気ディスクの周囲に分布する複数の湾曲セグメントから形成されている、磁気ディスクと、
   前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記第１のトラックによって誘起される前記磁界の変化を検出するように構成された第１のインクリメンタルセンサと、を備える、磁気感知システム。
2. 前記複数の湾曲セグメントは、前記磁気ディスクの周囲に分布する複数のアルキメデスらせんセグメントを備える、請求項１に記載の磁気感知システム。
3. 前記磁気感知デバイス及び前記第１のインクリメンタルセンサと通信する処理回路を更に備え、
   前記処理回路は、
   前記角度センサからの出力信号に基づいて第１の角度測定値を判定し、
   前記第１の角度測定値と、前記第１のインクリメンタルセンサからの出力信号とに基づいて、第２の角度測定値を判定するように構成され、
   前記第２の角度測定値は、前記第１の角度測定値よりも高い分解能を有する、請求項１に記載の磁気感知システム。
4. 前記第１のインクリメンタルセンサからの前記出力信号は、前記角度センサからの前記出力信号よりも１回転当たりの周期性が大きい、請求項３に記載の磁気感知システム。
5. １回転当たりの前記第１のインクリメンタルセンサからの前記出力信号の周期性は、前記第１のトラックの構成に依存する、請求項３に記載の磁気感知システム。
6. 前記周期性は、湾曲セグメントの数、前記湾曲セグメントの勾配、及び前記湾曲セグメント間の距離のうちの少なくとも１つに依存する、請求項５に記載の磁気感知システム。
7. 前記処理回路は、第２のインクリメンタルセンサと更に通信し、かつ前記第１のインクリメンタルセンサ及び第２のインクリメンタルセンサからの前記出力信号の平均に基づいて前記第２の角度測定値を判定するように更に構成されている、請求項３に記載の磁気感知システム。
8. 前記複数の湾曲セグメントは、突起、穴、盲穴、又はくぼみのうちの１つとして形成されている、請求項１に記載の磁気感知システム。
9. 前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記第１のトラックによって誘起される前記磁界の変化を検出するように構成された少なくとも第２のインクリメンタルセンサを更に備える、請求項１に記載の磁気感知システム。
10. 前記第１のインクリメンタルセンサ及び前記第２のインクリメンタルセンサは、前記第１のトラックの両側に配設されている、請求項９に記載の磁気感知システム。
11. 前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記第１のトラックによって誘起される前記磁界の変化を検出するように構成された複数のインクリメンタルセンサを備え、
    前記複数のインクリメンタルセンサは、前記第１のトラックの周りに等距離に位置付けられている、請求項１に記載の磁気感知システム。
12. 前記磁気ディスクは、前記磁気ディスクによって生成される磁界の変化を誘起するための特徴のセットを備える第２のトラックを更に備える、請求項１に記載の磁気感知システム。
13. 特徴の前記セットは、突起、穴、盲穴、又はくぼみのうちの１つである、請求項１２に記載の磁気感知システム。
14. 前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記第２のトラックによって誘起される前記磁界の変化を検出するように構成された少なくとも第３のインクリメンタルセンサを更に備える、請求項１２に記載の磁気感知システム。
15. 前記角度センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの単一回転センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの単一回転センサ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの単一回転センサ、ホール効果センサ、及び誘導センサのうちの１つである、請求項１に記載の磁気感知システム。
16. 前記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る、請求項１に記載の磁気感知システム。
17. 回転可能シャフトの位置を監視する方法であって、
    磁石及び磁気ディスクが前記回転可能シャフトに装着され、
    前記方法は、
    角度センサを使用して、前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記磁石によって生成される磁界の配向を検出することと、
    第１のインクリメンタルセンサを使用して、前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記磁気ディスクによって生成された前記磁界の変化を検出することであって、前記変化は、前記磁気ディスク上に形成された第１のトラックによって誘起され、前記第１のトラックは、前記磁気ディスクの周囲に分布する複数の湾曲セグメントを備える、検出することと、
    前記角度センサからの出力信号に基づいて第１の角度測定値を判定することと、
    前記第１の角度測定値と、前記第１のインクリメンタルセンサからの出力信号とに基づいて、第２の角度測定値を判定することと、を含み、
    前記第２の角度測定値は、前記第１の角度測定値よりも高い分解能を有する、方法。
18. 前記複数の湾曲セグメントは、前記磁気ディスクの周囲に分布する複数のアルキメデスらせんセグメントを備える、請求項１７に記載の方法。
19. 磁気多回転センサを使用して、前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記磁石によって生成された前記磁界の回転数を検出することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
20. 磁気センサシステムであって、
    回転可能シャフトに装着された第１の磁石と、
    前記第１の磁石の近傍にある磁気感知デバイスであって、
    前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記第１の磁石によって生成される磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、
    前記回転可能シャフトが回転するにつれて前記第１の磁石によって生成された前記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、を備える磁気感知デバイスと、
    更なる磁界を生じさせるように構成された少なくとも１つのバイアス磁石と、
    前記回転可能シャフトが回転されるように配設された第１の磁気ターゲットによって誘起される前記更なる磁界の変化を検出するように構成された少なくとも第１の更なる磁気センサであって、前記第１の磁気ターゲットは、前記更なる磁界の変化を誘起するための第１の数の特徴を有している、少なくとも第１の更なる磁気センサと、を備える磁気センサシステム。