KR101712369B1

KR101712369B1 - 배향 비의존적 측정을 위한 차동 자기장 센서 구조

Info

Publication number: KR101712369B1
Application number: KR1020137027428A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 피. 프리드리히
Original assignee: 알레그로 마이크로시스템스, 엘엘씨
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2017-03-06
Also published as: KR20140019802A; WO2012134751A1; US8729892B2; JP2014510286A; JP5745160B2; EP2678702A1; EP2678702B1; US20120249133A1

Abstract

타겟에 대한 센서의 방향에 의존적이지 않은 동작을 수행할 수 있는 차동 자기장 센서가 제공된다. 상기 차동 자기장 센서는 적어도 2개의 차동 채널들을 가지고 제공된다. 각 차동 채널은 자기장 센싱 요소들의 쌍을 포함하고, 이들 자기장 센싱 요소들에 의해 한정되는 각 센싱 축을 가진다. 상기 센싱 축들은 서로에 대하여 정렬되지 않는다. 하나의 센싱 축은 상기 센싱 축과 기준 축 사이에 배향 각도를 정의하도록 타겟 프로파일의 기준 축에 대해 위치한다. 상기 차동 자기장 센서는 상기 차동 채널들과 연관되는 차동 신호들을 생성하며, 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 단일 차동 신호를 생성하도록 이들 차동 신호들을 사용하는 회로부를 포함한다.

Description

배향 비의존적 측정을 위한 차동 자기장 센서 구조{DIFFERENTIAL MAGNETIC FIELD SENSOR STRUCTURE FOR ORIENTATION INDEPENDENT MEASUREMENT}

본 발명은 대체로 자기장 센서들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차동 자기장 센서들에 관한 것이다.

타겟의 회전 운동을 감지하는 자기장 센서들이 알려져 있다. 상기 타겟은 자성의 철을 함유하는 물체일 수 있다. 이러한 센서들은 회전하는 타겟의 프로파일의 특징들, 예를 들면, 철을 함유하는 기어 타겟의 톱니들/골들 또는 링형 자석과 같은 자성의 타겟의 남극/북극을 검출한다.

상기 타겟 프로파일과 연관된 자기장은 홀(Hall) 요소 또는 자기 저항(MR) 요소와 같은 자기장 센싱 요소에 의해 감지된다. 상기 타겟이 상기 센싱 요소를 통과함에 따라, 상기 센싱 요소에 의해 겪는 자기장이 상기 타겟 프로파일과 관련하여 변화된다. 상기 센싱 요소는 감지된 자기장에 비례하여 신호를 제공한다. 상기 센서는 상기 자기장 신호를 처리하여 출력, 예를 들면, 상기 자기장 신호가 문턱값(threshold)을 가로지르는 매 시간 상태를 변화시키는 신호를 생성한다. 이러한 출력은 회전 속도 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다. 제2의 센싱 요소가 역시 회전 방향 검출을 위한 출력을 발생시키도록 채용될 수 있다.

차동 센서들로 언급되는 일부 센서들은 다른 방식으로 구성된 2개의 센싱 요소들을 포함한다. 차동 자기장 센서들에 있어서, 상기 2개의 센싱 요소들에 의해 제공되는 상기 신호들 사이의 차이는 상기 타겟의 특징들의 변화를 나타내는 차동 자기장 신호를 생성하는 데 사용된다. 상기 차동 자기장 센서가 자기장의 강도에서의 변화들 만에 반응함에 따라, 상대적으로 간섭에 영향을 받지 않는다. 3개 또는 그 이상의 센싱 요소들을 포함하는 차동 센서들은 회전 속도 및 방향 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다.

비차동 감지형 자기장 센서와는 달리, 상기 차동 자기장 센서는 상기 타겟에 대하여 방향 의존적이다. 따라서, 차동 자기장 센서가 회전하는 타겟의 속도(또는 방향)를 측정하는 데 사용될 때, 한 쌍의 센싱 요소들이 최적의 성능을 위해 상기 타겟 프로파일에 대해 중심에 있어야 한다. 상기 타겟 프로파일에 대한 상기 센싱 요소들의 오정렬은 피크-투-피크 차동 신호의 감소를 가져온다. 이에 따라, 타겟에 대한 센서의 정렬을 제어할 수 없는 응용예들은 통상적으로 비차동 감지형 센서를 채용하게 된다.

본 발명은 배향 비의존적인 측정을 위한 차동 자기장 센서 구조를 제공한다.

일반적으로 일 측면에 있어서, 본 발명은 차동 자기장 센서에 관한 것이다. 상기 차동 자기장 센서는 제1 차동 채널과 제2 차동 채널을 포함한다. 상기 제1 차동 채널은 제1 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제1 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 연관된 제1 센싱 축을 가진다. 상기 제2 차동 채널은 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하며, 상기 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제2 센싱 축을 가진다. 상기 제2 센싱 축은 상기 제1 센싱 축에 대하여 정렬되지 않는다. 상기 제1 센싱 축은 타겟 프로파일의 기준 축에 대해 위치하여, 상기 제1 센싱 축과 상기 기준 축 사이에 배향 각도를 한정한다. 상기 차동 자기장 센서는, 상기 자기장 센싱 요소들에 연결되어, 출력으로서 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 단일 차동 신호를 생성하는 회로부(circuitry)를 더 구비한다.

본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 다음과 같은 특징들을 가질 수 있다.

각각의 쌍들의 상기 자기장 센싱 요소들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 하나는 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유된다. 선택적으로는, 상기 자기장 센싱 요소들이 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유되지 않을 수 있다. 상기 제2 센싱 축은 상기 제1 센싱 축에 대해 각도에서 위치할 수 있고, 상기 각도는 실질적으로 90도가 될 수 있다. 각각의 상기 쌍들의 자기장 센싱 요소들의 상기 자기장 센싱 요소들 사이의 간격은 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 차동 자기장 센서는 상기 제1 및 제2 쌍들의 상기 자기장 센싱 요소들을 포함하여 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들을 더 구비할 수 있으며, 상기 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 숫자는 3 이상이 될 수 있다. 각각의 자기장 센싱 요소들은 홀 효과(Hall-effect) 요소, 자기저항 요소 또는 다른 형태의 자기장 감지 요소에서 선택되는 하나일 수 있다. 각각의 상기 센싱 요소들을 구현하는 데 사용되는 물질은 IV족 반도체 물질 또는 III-V족 반도체 물질에서 선택되는 하나일 수 있다.

상기 회로부는 상기 제1 차동 채널과 연관된 제1 차동 신호 및 상기 제2 차동 채널과 연관된 제2 차동 신호를 생성하는 회로부를 더 구비할 수 있으며, 상기 회로부는 입력들로서 상기 제1 및 제2 차동 신호들을 수신하고 출력으로서 상기 단일 차동 신호를 생성하는 차동 신호 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 차동 신호들은 상기 배향 각도에 의존하는 진폭들을 가질 것이다. 상기 제1 차동 신호가 제1 진폭을 가지고 상기 제2 차동 신호가 제2 진폭을 가지는 경우, 상기 차동 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 클 때에 상기 단일 차동 신호로서 상기 제1 차동 신호를 선택하도록 동작 가능할 수 있으며, 상기 차동 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 크지 않을 때에 상기 단일 차동 신호로서 상기 제2 차동 신호를 선택하도록 동작 가능할 수 있다. 상기 회로부는 또한 입력들로서 상기 제1 센싱 요소와 연관된 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 센싱 요소와 연관된 제2 자기장 센싱 출력 신호 및 상기 제3 센싱 요소와 연관된 제3 자기장 센싱 출력 신호를 수신하는 회로부를 더 포함할 수 있다. 상기 차동 신호 발생기는 상기 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제3 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제1 차동 신호 및 상기 제2 차동 신호의 2개 또는 그 이상을 임의로 수학적으로 조합하여 상기 단일 차동 신호를 생성하도록 동작할 수 있다.

상기 차동 자기장 센서는 제3 차동 채널 및 제4 차동 채널을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 차동 채널은 제3 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제3 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제3 센싱 축을 가진다. 상기 제4 차동 채널은 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제4 센싱 축을 가진다. 상기 제3 센싱 축은 제1 센싱 축에 정렬되어 제1 단일 센싱 축을 형성하고, 상기 제4 센싱 축은 상기 제2 센싱 축에 정렬되어 제2 단일 센싱 축을 형성한다. 각각의 상기 제1 및 제2 단일 센싱 축들에 연관된 상기 2쌍의 자기장 센싱 요소들은 적어도 3개의 자기장 센싱 요소들을 포함한다. 상기 차동 자기장 센서는, 상기 자기장 센싱 요소들에 연결되어, 상기 제1 및 제2 차동 채널들을 위하여, 제2 출력으로서 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 제2 단일 차동 신호를 생성하는 데 사용될 수 있는 회로부를 더 구비할 수 있으며, 상기 출력은 회전 속도 정보를 제공하는 데 사용될 수 있고, 상기 제2 출력은 회전 타겟의 회전 방향 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다.

다른 측면에 있어서, 본 발명은 타겟 프로파일을 갖는 회전 타겟과 상기 타겟 프로파일에 근접하여 위치하는 차동 자기장 센서를 구비하는 시스템에 관한 것이다. 상기 차동 자기장 센서는 제1 차동 채널과 제2 차동 채널을 포함한다. 상기 제1 차동 채널은 제1 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제1 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 연관된 제1 센싱 축을 가진다. 상기 제2 차동 채널은 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제2 센싱 축을 가진다. 상기 제2 센싱 축은 상기 제1 센싱 축에 대해 정렬되지 않는다. 상기 제1 센싱 축은 타겟 프로파일의 기준 축에 대해 정렬되어, 상기 제1 센싱 축과 상기 기준 축 사이에 배향 각도를 한정한다. 상기 차동 자기장 센서는, 상기 자기장 센싱 요소들에 연결되어, 출력으로서 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 단일 차동 신호를 생성하는 회로부를 더 구비한다.

각각의 쌍기 쌍들의 자기장 센싱 요소들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 하나는 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유될 수 있다. 선택적으로는, 상기 자기장 센싱 요소들은 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유되지 않을 수 있다. 상기 제2 센싱 축은 상기 제1 센싱 축에 각도로 위치할 수 있고, 상기 각도는 실질적으로 90도일 수 있다. 각각의 상기 쌍들의 자기장 센싱 요소들의 상기 자기장 센싱 요소들 사이의 간격은 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 차동 자기장 센서는 상기 제1 및 제2 쌍들의 자기장 센싱 요소들을 포함하여 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들을 더 구비할 수 있으며, 상기 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 숫자는 3 이상이 될 수 있다. 각각의 상기 자기장 센싱 요소들은 홀 효과 요소, 자기저항 요소 또는 다른 형태의 자기장 감지 요소의 선택되는 하나일 수 있다. 각각의 상기 센싱 요소들을 구현하는 데 사용되는 물질은 IV족 반도체 물질 또는 III-V족 반도체 물질에서 선택되는 하나일 수 있다.

상기 회로부는 상기 제1 차동 채널과 연관된 제1 차동 신호 및 상기 제2 차동 채널과 연관된 제2 차동 신호를 생성하는 회로부를 더 포함할 수 있으며, 상기 회로부는 입력들로서 상기 제1 및 제2 차동 신호들을 수신하고, 출력으로서 상기 단일 차동 신호를 생성하는 차동 신호 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 차동 신호들 상기 배향 각도에 의존하는 진폭들을 가진다. 상기 제1 차동 신호가 제1 진폭을 가지고 상기 제2 차동 신호가 제2 진폭을 가질 경우, 상기 차동 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 클 때에 상기 단일 차동 신호로서 상기 제1 차동 신호를 선택하도록 동작할 수 있으며, 상기 차동 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 크지 않을 때에 상기 단일 차동 신호로서 상기 제2 차동 신호를 선택하도록 동작할 수 있다. 상기 회로부는 또한 입력들로서 상기 제1 센싱 요소와 연관된 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 센싱 요소와 연관된 제2 자기장 센싱 출력 신호 및 상기 제3 센싱 요소와 연관된 제3 자기장 센싱 출력 신호를 수신하는 회로부를 포함할 수 있다. 상기 차동 신호 발생기는 상기 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제3 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제1 차동 신호 및 상기 제2 차동 신호의 2개 또는 그 이상을 임의로 수학적으로 조합하여 상기 단일 차동 신호를 생성하도록 동작할 수 있다.

상기 회전 타겟은 자성 타겟일 수 있고, 상기 타겟 프로파일은 교대하는 자극들을 포함할 수 있다. 상기 회전 타겟은 철을 함유하는 타겟일 수 있으며, 상기 타겟 프로파일은 톱니 및 골 특징들을 포함할 수 있다.

상기 차동 자기장 센서는 제3 차동 채널 및 제4 차동 채널을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 차동 채널은 제3 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제3 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제3 센싱 축을 가진다. 상기 제4 차동 채널은 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제4 센싱 축을 가진다. 상기 제3 센싱 축은 상기 제1 센싱 축에 정렬되어 제1 단일 센싱 축을 형성하며, 상기 제4 센싱 축은 상기 제2 센싱 축에 정렬되어 제2 단일 센싱 축을 형성한다. 각각의 상기 제1 및 제2 단일 센싱 축들에 연관된 상기 2쌍의 자기장 센싱 요소들은 적어도 3개의 자기장 센싱 요소들을 포함할 수 있다. 상기 차동 자기장 센서는, 상기 자기장 센싱 요소들에 연결되어, 상기 제3 및 제4 차동 채널들을 위해 제2 출력으로서 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 제2 단일 차동 신호를 생성하도록 사용 가능한 회로부를 더 구비할 수 있으며, 상기 출력은 회전 속도 정보를 생성하는 데 사용될 수 있고, 상기 제2 출력은 상기 회전 타겟의 회전 방향 정보를 생성하는 데 사용될 수 있다.

이러한 배향 각도 비의존적 차동 신호 해결책은 회전 운동 타겟들을 갖는 시스템들에의 사용을 위해 매우 적합하지만, 이는 또한 선형 운동 시스템들(특히, 산업상 응용예들, 예를 들면, 랙 레일(rack rail) 및 자성 룰러(ruler))에도 적용 가능하다.

다음의 도면들의 상세한 설명으로부터 전술한 본 발명의 특징들뿐만 아니라 본 발명 자체도 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 회전 운동을 검출하는 자기장 센서와 회전 타겟 프로파일이 정렬되고(도 1a) 정렬되지 않은(도 1b) 센싱 장치를 나타내는 도면들이다.
도 2a 및 도 2b는 극들에 의해(도 2a) 및 교호적인 기어 휠 톱니들/골들(도 2b, 측면도)에 의해 정의되는 타겟 프로파일을 나타내는 도면들이다.
도 3a 내지 도 3g는 배향 비의존적 차동 센싱을 위해 구성되는 3개의 센싱 요소들을 포함하는 예시적인 자기장 센싱 구조를 나타내는 도면들이다(도 3g는 회전 속도와 방향 검출 능력을 지지하는 추가적인 센싱 요소들을 갖는 예시적인 구조를 나타낸다).
도 4a 내지 도 4d는 3개의 센싱 요소들 및 상기 3개의 센싱 요소들을 기초로 하여 단일 차동 신호를 발생시키는 차동 신호 발생기를 포함하는 자기장 센서의 기능적 블록도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 배향 비의존적 차동 센싱을 위해 구성되는 4개의 센싱 요소들을 포함하는 예시적인 자기장 센서를 나타내는 도면들이다.
도 6은 4개의 센싱 요소들을 및 단일 차동 신호를 발생시키도록 상기 센싱 요소들의 쌍들에 의해 형성되는 차동 채널들로부터의 차동 신호들을 사용하는 차동 신호 발생기를 포함하는 자기장 센서의 기능적인 블록도이다.
도 7a 내지 도 7f는 22.5도 및 45도를 포함하는 다양한 배향 각도들을 위해 센싱 요소 쌍들을 이용하여 얻어지는 차동 신호들을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 배향 각도에 대한 차동 신호 진폭을 나타내는 그래프들이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 4a 내지 도 4d 및 도 6의 차동 신호 발생기의 선택적인 예시적 동작들을 나타내는 흐름도들이다.
도 10은 배향 각도 비의존적 차동 자기장 센서(도 4a 내지 도 4d 및 도 6에 도시한 경우들과 같은)가 적용되는 예시적인 자동차의 응용예의 기능적인 블록도이다.

도 1a를 참조하면, 자기장 센서(12)가 회전하는 타겟 프로파일(target profile)(14)에 대해 방사형의 센싱 위치에 정렬되는 센싱 장치(10)가 도시된다. 회전의 축은 화살표(15)로 나타낸다. 상기 회전하는 타겟 프로파일(14)의 운동의 방향은 화살표(16)로 나타낸다. 비록 하나의 방향으로 도시되지만, 이러한 운동은 대향하는 방향이나 양 방향들 모두를 따를 수 있다. "폭(W)"(17)을 갖는 상기 타겟 프로파일(14)은 상기 자기장 센서(12)의 "전방"에 마주한다. 면의 폭의 중심점은 중심 라인(18)으로 나타내며, 여기서는 상기 타겟 프로파일의 기준 축(reference axis)으로 언급한다. 상기 자기장 센서(12)는 차동 센싱 장치로서, 상기 타겟 프로파일(14)에 대한 위치에서 자기장의 강도의 변화에 반응하는 차동 신호를 생성하기 위한 2개의 센싱 요소들(센싱 요소s)(20a, 20b)을 포함한다. 이러한 위치는 차동 채널(도시되지 않음)에 대응된다. 상기 차동 채널과 관련되는 것은 상기 센싱 요소들(20a, 20b)의 정렬에 의해 정의되는 바와 같은 센싱 축(22)이다.

도 1a에 예시한 바에 있어서, 상기 자기장 센서(12)가 상기 타겟 프로파일(14)을 중심으로 하여 상기 센싱 축(22)이 상기 타겟 프로파일 에지들에 대해 대략적으로 평행하게 위치하고, 상기 기준 축(18)과 함께 정렬된다. 상기 센싱 축(22)은 "정렬된" 것으로 간주되도록 상기 중심 라인(18)에 대해 정확히 중심이 될 필요는 없다(도면들에 도시된 바와 같이). 즉, 상기 센싱 축(22)은 상기 중심 라인(18)에 평행하지만 어느 정도 오프셋(offset)될 수 있다. 상기 폭(W)이 충분히 커야하므로, 상기 센싱 요소들(20a, 20b)의 위치가 이들 영역들 내의 자속 왜곡 때문에 상기 타겟 프로파일의 에지에 지나치게 가깝지는 않다.

동작의 차동 모드는 이러한 정렬을 구현하도록 상기 센서(12)의 세심한 조절을 요구한다. 일부 응용예들에 있어서, 상기 타겟에 대한 상기 센서 정렬이 보장되지 않을 수 있다. 통상적으로, 센서-타겟 배향 오프셋 또는 오정렬은 설치 시, 즉 상기 센서가 상기 타겟 부근에 설치될 때에 일어난다. 예를 들면, 상기 센서는 설치 위치에 나사 체결되는 나사산 하우징 내에 장착될 수 있으며, 설치 공정은 상기 토크(torque)만을 모니터링하여 조절될 수 있다. 선택적으로는, 상기 센서 또는 이가 수용되는 상기 하우징은 센서와 타겟 프로파일 사이의 오정렬을 야기하는 방식으로 상기 설치 위치에서 표면에 대해 장착될 수 있다.

도 1b는 센싱 장치(10')와의 이러한 오정렬을 나타낸다. 상기 센싱 장치(10')는 상기 자기장 센서(12)의 배향이 상기 타겟 프로파일(14)에 대해 배향 각도(24) 만큼 오프셋되는 점을 제외하면 도 1a의 센싱 장치(10)와 동일하다. 달리 말하면, 상기 센싱 축(22)은 더 이상 상기 기준 축(18)과 정렬되지 않고, 대신에 상기 기준 축(18)에 대해 상기 배향 각도(24) 만큼 오프셋된다. 이러한 예시에 있어서, 센서 운동 또는 다른 위치 결정 오프셋이, 예를 들면, 설치 동안에 일어날 수 있는 장착 축(25)은 상기 축(22)을 따라 상기 2개의 센싱 요소들(20a, 20b)과 등거리로 중심이 된다. 상기 센서 오정렬은 상기 센서(12)에 의해 발생되는 차동 신호의 피크-투-피크 진폭이 최대값에 이르지 못하는 것과 같이 센서 성능의 저하를 야기한다. 응용 관점에서 감소된 차동 신호 피크-투-피크 진폭의 결과는 최대 에어 갭 범위의 감소이다.

도 2a 및 도 2g는 2개의 다른 예시적인 타겟 프로파일들을 나타낸다. 도 1a 및 도 1b에 도시한 상기 타겟 프로파일 의 동일한 "면(face)"을 나타내는 도 2a에 있어서, 도 1a로부터의 상기 타겟 프로파일(14)은 각각의 남극 및 북극 자극들(26, 27)의 교호적인 배열에 의해 정의된다. 도 2b에 있어서, 상기 타겟 프로파일(14)(여기서는 상기 타겟 프로파일의 특징들을 보다 분명하게 예시하는 측면이 도시된)은 통상적으로 골(valley) 또는 리세스(recess)로서 언급되는 갭(32)을 수반하는 융기된 구조들(예를 들면, 톱니들)(30)의 교호적인 패턴에 의해 정의된다. 이들 톱니들이나 다른 형태의 융기된 구조들은 설계 요구들에 따라 다양한 형상들, 예를 들면, 정방형, 삼각형 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 도 2a 및 도 2g의 이들 패턴들은, 도 1a 및 도 2a에 도시한 바와 같이 방사형으로(즉, 상기 휠(wheel) 또는 링(ring) 자석의 외측 가장자리나 에지를 따라), 또는 축 방향으로(도시되지 않음), 예를 들면, 링 자석과 같은 영구 자석, 또는 다른 형태의 다극 자석, 혹은 톱니 기어 휠과 같은 강자성체 등의 회전하는 타겟의 주위를 따라 제공될 수 있다. 링 자석을 갖는 축 방향 센싱 장치에 있어서, 교대되는 극들의 상기 타겟 프로파일은 대신에 상기 링 자석의 넓은 표면상에 정의될 수 있다.

센서(12)와 같은 차동 센서는 상기 자기장의 차동 자속 밀도를 측정함에 의해 회전하는 철을 함유한 자성의 타겟들의 운동을 검출한다. 다시 도 2b를 참조하면, 철을 함유하는 타겟들을 검출하기 위하여, 상기 자기장이 백-바이어싱(back biasing) 영구 자석(34)에 의해 제공되어야 하며, 예를 들면, 상기 자석(34)의 남극 또는 북극이 상기 센서(12)의 "후면(back)", 즉 도시된 바와 같이 상기 타겟 프로파일(14)에 마주하지 않는 측면에 부착(또는 부근에 위치)될 수 있다.

도 1b에 도시된 형태의 오정렬은 방지될 수 있지만, 다만 많은 노동을 요구하는 모니터링이나 특별하게 설계된 어셈블리들을 수반한다. 여기세 제시되는 새로운 센싱 구조는 이러한 오정렬을 포용한다. 이에 따라, 이와 같은 새로운 구조를 포함하는 차동 센서 장치는 배향 각도가 0도(완전한 정렬)이거나 0도 보다 큰 일부 임의의 값들이라도 효과적으로 동작하게 될 것이다.

도 3a 내지 도 3g, 도 4a 내지 도 4d, 도 5a 내지 도 5c 및 도 6은 다중 차동 채널들을 구현하도록 다중 자기장 센싱 요소들(혹은 간단히 "센싱 요소들")을 활용하는 장치들을 나타낸다. 이러한 장치들로, 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 방향에 의존적이지 않은 차동 센서가 구현될 수 있다.

예시적인 일 실시예에 있어서와 도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 3개의 센싱 요소들의 사용을 기반으로 하는 장치가 도시된다. 도 3a 내지 도 3f에 도시한 바와 같이, 자기장 센싱 구조(40)는 차동 자기장 센서에의 사용을 위한 3개의 센싱 요소들(42a, 42b, 42c)(또한 각기 "SE1", "SE2" 및 SE3"으로 표기된)의 구성을 가진다. 상기 센싱 요소들(42a, 42b, 42c)은 일부 정도 고정된 거리로 이격된다. 타겟 부근의 상기 센싱 요소들(42a, 42b, 42c)의 물리적인 배치는 상기 센싱 요소들이 타겟의 프로파일(도 1a, 도 2a 및 도 2b의 타겟 프로파일(14)과 같은)에 대한 각 해당 위치들에서의 자기장의 강도의 변화에 반응하는 다중 차동 신호들을 발생시키는 데 사용되게 한다. 이들 위치들은, 도 4a 및 도 4b에 도시되고 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 차동 채널들에 대응된다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 제1 센싱 축(44)은 상기 센싱 요소들(42a, 42b)(또는 차동 센싱 요소들의 제1 쌍)의 배열에 의해 정의되고, 제2 센싱 축(46)은 상기 센싱 요소들(42a, 42c)(또는 차동 센싱 요소들의 제2 쌍)의 배열에 의해 정의된다. 이에 따라, 예시한 실시예에 있어서, 상기 3개의 센싱 요소들은 상기 2개의 센싱 축들, 즉 상기 제1 센싱 축(44) 및 상기 제2 센싱 축(46)을 정의하도록, 예를 들면, 센서 다이의 표면(점선들로 나타낸 윤곽) 상에 공간적으로 정렬된다. 상기 센싱 요소들은 상기 2개의 센싱 축들(44, 46)이 상기 다이 표면의 평면 내에 서로 정렬되지 않도록 배열된다. 바람직하게는, 이들은 서로에 대하여 약 90도의 각도이다. 그러나, 다른 각도도 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도 3a 내지 도 3c 및 도 4a에 도시한 배열에 있어서, 상기 차동 센싱 요소들의 제1 및 제2 쌍들은 상기 센싱 요소(42a)를 공유한다. 각 쌍 내의 상기 센싱 요소들의 요소에 대핸 요소의 간격은 바람직하게는 동일하지만(또는 대체적으로 동일한), 다를 수도 있다.

다시 도 3a를 참조하면, 상기 제1 센싱 축(44)이 타겟 프로파일과 정렬될 때(다시 말하여, 도 1a를 다시 참조하면, 상기 타겟 프로파일의 기준 축(18)과 정렬될 때), 상기 제1 센싱 요소 쌍(42a, 42b)에 의해 생성되는 차동 신호 "D1"은 최대한("D1_max")인 진폭을 가질 것이고, 상기 제2 센싱 요소 쌍(42a, 42c)에 의해 발생되는 차동 신호 "D2"는 0("D2_zero")인 진폭을 가질 것이다. 상기 기준 축을 따른 상기 센싱 요소들(SE1, SE2) 사이의 거리 "L1"은 이러한 배향을 위하여 최대("L1_max"(48)로 나타냄)이다. 상기 기준 축을 따른 상기 센싱 요소들(SE1, SE2) 사이의 거리 "L2"는 0이다. 도 3b를 참조하면, 상기 제1 센싱 축(44)이 상기 타겟 프로파일의 기준 축에 대해 90도 각도에 위치할 때, 상기 제1 차동 신호 D1을 위한 신호 진폭은 0("D1_zero")일 것이고, 상기 제2 차동 신호 D2를 위한 신호 진폭은 최대("D2_max")일 것이다. 방향으로 90도 축을 위하여, 상기 기준 축을 따른 상기 센싱 요소들(SE1, SE3) 사이의 거리 "L2"는 최대("L2_max"(50)로 나타냄)이며, 상기 거리 "L1"은 이제 0이다. 도 3c를 참조하면, 상기 제1 센싱 축(44)과 상기 타겟 프로파일의 기준 축 사이의 임의의 배향 각도(52)를 위해, 상기 제1 차동 신호 D1 및 상기 제2 차동 신호 D2를 위한 진폭들은 상기 배향 각도와 함께 변화할 것이다. 도시된 배향을 위하여, 상기 거리 L1은 L1_max*cosα(참조 부호 54로 나타냄)와 동일하며, 상기 거리 L2는 L2_max*sinα(참조 부호 56으로 나타냄)와 동일하다. D1_max가 D1의 최대한의 진폭, 즉 α가 0도일 때의 D1의 진폭이며, D2_max가 D2의 최대한의 진폭, 즉 α가 90도일 때의 D2의 진폭인 점을 이해할 수 있을 것이다. 이에 따라, 이들 최대의 진폭들은 D1을 위해 D1_max 및 D1_α=0이고 D2를 위해 D2_max 및 D2_α=90로서 나타내어질 수 있다. 그 진폭이 상기 배향 각도 α에 의존적이지 않고, 여기서 배향 각도 비의존성 차동 신호로서 언급되는 단일 차동 신호는 도 4a를 참조하여 다음에 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 D1 및 D2로부터 결정될 수 있다. 여기에 사용되는 바와 같이 "배향 각도 비의존적 차동 신호(orientation angle independent differential signal)"라는 용어는 이러한 단일 차동 신호의 진폭이 배향 각도의 변화에서 완전히 또는 상대적으로 독립적인 것을 의미한다. "상대적인 배향 각도 비의존성"에 의해, 배향 각도를 갖는 진폭 내의 잔여 변화가 존재할 수 있지만 제한된다는 것을 의미한다. 일부 실시예들에 있어서, 후에 기술하는 바와 같이, 배향 각도를 갖는 상기 진폭 내의 잔여 변화는 상기 센서 회로부 내에서 보상될 수 있다.

도 3d 내지 도 3f에 도시한 바와 같이, 제3 센싱 축(58)은 상기 센싱 요소들(42b: "SE2")(42c: "SE3")의 배열에 의해 정의된다. 상기 센싱 요소들의 이러한 제3 쌍은 제3 차동 신호 "D3"을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 예를 들면, 도 4b에 예시한 바와 같이, 상기 배향 각도 비의존성 차동 신호는 D1, D2 및 D3으로부터 생성될 수 있다.

각 축을 따라 제공되는 추가적인 요소는 회전 속도와 방향 정보 모두를 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 3g에 도시한 바와 같이, 구조(40')으로 도시한 구조는 센싱 축(44')로 도시한 제1 단일 센싱 축을 형성하도록 정렬되는 센싱 요소(42a), 센싱 요소(42b) 및 추가적인 센싱 요소 ("SE4": 42d) 등의 3개의 센싱 요소들을 가진다. 상기 구조(40')는 제2 단일 센싱 축(46')을 형성하도록 정렬되는 센싱 요소(42a), 센싱 요소(42c) 및 추가적인 센싱 요소("SE5": 42e) 등의 3개의 센싱 요소들을 더 가지도록 구성될 수 있다.

도 4a는 도 3a 내지 도 3c에 묘사된 자기장 센싱 구조(40)를 포함하는 자기장 센서(60)의 기능적인 도면을 도시한 것이다. 상기 센서(60)는 3개의 센싱 요소들(42a, 42b, 42c)(센싱 요소들(SE1, SE2, SE3)로서 다시 도시된)을 포함한다. 상기 센싱 요소들(42a 내지 42c)에 결합되는 것은 인터페이스 회로(62)이다. 상기 인터페이스 회로(62)는 차동 신호 발생기(66)뿐만 아니라 제1 차동 증폭기(64a)와 제2 차동 증폭기(64b)를 포함한다. 상기 인터페이스 회로(62)는 출력 생성 회로(68)를 더 포함한다.

상기 센싱 요소들(SE1: 42a 및 SE2: 42b)은 연결되며, 제1 차동 증폭기(64a)로 각기 자기장 센싱 출력 신호들(70a, 70b)을 제공한다. 상기 센싱 요소들(SE1: 42a 및 SE3: 42c)은 연결되고, 제2 차동 증폭기(64b)로 각기 자기장 센싱 출력 신호들(70a, 70c)을 제공한다. 각 차동 증폭기(64a, 64b)의 출력은 그가 연결되는 상기 2개의 센싱 요소들 사이의 자속 밀도 내의 차이만을 나타낸다. 상기 제1 차동 증폭기(64a)는 그의 출력으로서 제1 차동 신호(72)(이전에 "D1"로서 언급된)를 제공하고, 상기 제2 차동 증폭기(64b)는 이의 출력으로서 제2 차동 신호(74)(이전에 "D2"로 언급된)를 제공한다. 상기 차동 증폭기들(64a, 64b)은 상기 차동 신호 발생기(66)에 연결된다. 상기 차동 신호들(72, 74)은 상기 차동 신호 발생기(66)로 입력들로서 제공되며, 출력으로서 제3 차동 신호 "D4"(76)를 생성한다. 상기 차동 신호 발생기(66)는 D1 및 D2를 바탕으로 D4를 발생시키도록 동작한다.

결과적인 차동 신호 D4의 진폭은, 전술한 바와 같이 배향 각도에 독립적인 것으로 일컬어진다. 따라서, 상기 차동 신호(D4)의 진폭은 어느 하나의 차동 채널이 상기 타겟 프로파일의 기준 축(18)과 정렬된다면 볼 수 있는 차동 신호의 경우와 매우 동일하다. 그 결과, 최적의 성능은 상기 타겟 프로파일의 기준 축과 정렬되는 하나 또는 다른 채널에 의존하지 않게 된다.

상기 차동 신호 발생기(66)의 출력(76)은 상기 출력 생성 회로(68)에 연결된다. 상기 출력 생성 회로(68)는 알려진 기술들에 따라 설치될 수 있고 응용의 필요에 적합하게 설계된다. 통상적으로 그리고 예시한 바와 같이, 상기 회로(68)는 피크 검출기(peak detector) 또는 비교기(comparator)(78)와 출력 스테이지(output stage)(80)를 구비한다. 피크 검출기들은 상기 검출기에 제공되는 신호를 추적하고 고정된 레벨에서 또는 입력 신호의 피크들과 관련된 레벨에서 스위칭한다. 문턱값 검출은 신호가 이를 통과해야 하는 하나 또는 그 이상의 레벨들을 스위칭을 유도하도록 적용시킨다. 상기 문턱값들은 피크-투-피크 진폭의 퍼센티지로서 정의된다.

상기 제3 차동 신호 D4(76)는 상기 검출기(78)에 입력으로서 제공된다. 출력(82)으로서 도시한 상기 검출기 출력은 상기 출력 스테이지(80)로 제공된다. 상기 출력 스테이지(80)는 센서 출력(OUT)(84)에 검출된 타겟 프로파일 변화들(리딩하는 및/또는 트레일링하는 톱니 에지들 혹은 자극 변화들과 같은)을 나타내는 센서 출력 신호(86)를 제공한다. 상기 출력 스테이지(80)는 토템-폴 푸시-풀(totem-pole push-pull) 또는 오픈 드레인(open drain), 오클 콜렉터 출력(open collector output) 구성으로 구현될 수 있다. 이러한 형태의 구성은 통상적인 구성이다. 이와 같은 출력을 갖는 장치들은 때때로 "삼선식(three-wire)" 장치들로서 언급된다. 선택적으로는, 상기 출력 스테이지(80)는 상기 센서의 2개의 디지털 출력 상태들을 나타내는 2개의 전류 레벨들을 제공하는 전류 소스 출력 구조로 구현될 수 있다. 상기 출력 전류가 공급/접지 라인들 상에 제공될 수 있음에 따라, 전류 소스 출력 구조의 사용이 상기 출력(84)을 위한 요구를 제거할 수 있다. 상기 전류 출력 구조를 갖는 장치들은 때때로 "이선식(two-wire)" 장치들로 언급된다. 선택적으로는, 상기 출력은 내부 집적 회로(Inter-Integrated Circuit: I2C), 직렬 주변 장치 인터페이스(Serial Peripheral Interface: SPI), SENT(Single Edge Nibble Transmission) 등과 같은 프로토콜이나 자동차 업계, 산업계 또는 고객 주문 응용예들에 사용되는 다른 프로토콜들에 코딩될 수 있다.

외부 전원 전압은 VCC 단자 또는 출력(88)에서 상기 센서에 제공될 수 있다. 상기 인터페이스 회로(62)와 센싱 요소들(42a 내지 42c)은 VCC 버스(90)를 거쳐 상기 VCC 입력(88)에 연결되고, 내부 접지(GND) 연결(94)을 통해 접지(GND) 단자(92)에 연결된다.

이전에 기술한 바와 같이, 차동 채널은 상기 타겟 프로파일에 대한 센싱 요소들의 쌍에 의해 차동 신호를 발생시키기 위한 위치에 대응된다. 상기 차동 채널은 한 쌍의 센싱 요소들 및 이들 쌍에 관련된 다른 회로부를 포함한다. 예시한 실시예에 있어서, 상기 센서(60)는 제1 차동 채널(96) 및 제2 차동 채널(98)을 포함한다. 상기 제1 차동 채널(96)은 센싱 요소들(42a, 42b)에 추가적으로 상기 제1 차동 증폭기(64a)를 포함하며, 상기 제1 차동 신호(72)를 생성한다. 상기 제2 차동 채널(98)은 제2 차동 증폭기(64b)뿐만 아니라 상기 센싱 요소들(42a, 42c)을 포함하고, 상기 제2 차동 신호(D2 74)를 생성한다. 각 차동 채널은 이의 해당 센싱 요소들의 쌍에 의해 정의되는 연관되거나 해당 센싱 축을 가진다. 상기 제1 차동 채널(96)은 센싱 축(44)으로서 도 3a 내지 도 3c에 도시한 연관된 센싱 축을 가진다. 상기 제2 차동 채널(98)은 센싱 축(48)으로서 도 3a 내지 도 3c에 도시한 연관된 센싱 축을 가진다.

상기 차동 신호를 처리하기 위한 회로부는 또한 상기 차동 채널의 일부로서 간주될 수 있다. 따라서, 상기 제1 차동 채널(96)은 센싱 요소들(42a, 42b) 이외에도, 상기 차동 신호(72: D1)를 처리하도록 차동 증폭기(64a)(상기 차동 신호(72)를 생성하기 위한), 상기 인터페이스 회로(62)의 회로부를 구비할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제2 차동 채널(98)은 센싱 요소들(42a, 42c) 이외에도, 상기 차동 신호(74: D2)를 처리하도록 차동 증폭기(64b), 상기 인터페이스 회로(62)의 회로부를 포함할 수 있다. 도 4a에 도시한 구현에 있어서, 유닛들(66, 68)은 상기 제1 및 제2 차동 채널들, 즉, 제1 차동 채널(96) 및 제2 차동 채널(98)에 의해 공유된다.

도시하지는 않았지만, 상기 자기장 센서(60)의 다른 측면들은 알려진 기술들과 설계들에 따라 구현될 수 있다. 이러한 구현은 아날로그, 디지털 또는 혼합 신호가 될 수 있다. 인터페이스 회로(62)가 상기 센싱 요소들의 자기장 신호들로부터 신호 출력을 발생시키도록 총괄적으로 동작하는 다양한 다른 회로들을 포함할 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 증폭기와 다른 회로부가 상기 자기장을 증폭시키고, 선택적으로는 동적 오프셋 저감(dynamic offset cancellation)(즉, 초퍼 안정화), 자동 이득 제어(automatic gain control: AGC) 및 오프셋 보정과 같은 다른 특징들을 구현하도록 각 센싱 요소 및 이의 대응하는 차동 증폭기 사이에 연결될 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 이러한 특징들은 어느 곳에, 예를 들면, 상기 차동 증폭기와 상기 차동 신호 발생기 사이(도 4d에 예시한 바와 같이)에 제공될 수 있다.

상기 센서(60)는 그 상부에 다양한 회로 요소들이 형성된 반도체 기판을 포함하는 집적 회로(IC)의 형태로 제공될 수 있다. 상기 IC는 상기 VCC 입력이나 단자(88), GND 단자(92) 그리고 상기 출력 스테이지 설치에 따라 상기 출력(OUT)(84)의 각각에 대응되는 적어도 하나의 핀을 가질 수 있다. 상기 IC의 기능, 즉 그 내부에 포함되는 상기 회로 요소들이 특정한 응용에 적합하게 변화될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다. 상기 센싱 요소들(42a 내지 42c)과 인터페이스 회로(62)는 동일한 다이 상에 또는 별도의 다이들 상에 제공될 수 있다.

도 4b는 도 4a의 센서(60)의 경우와 유사한 구성을 갖는 센서를 도시한다. 센서(60')로 도시한 도 4b의 센서는 상기 센서(60')가 도 4a로부터의 상기 센싱 쌍들(42a, 42b 및 42a, 42c) 이외에도 3개의 센싱 요소 쌍(42b, 42c)(도 3d 내지 도 3f에 예시한 바와 같이)을 활용하는 점에서 도 4a의 센서(60)와 다르다. 도 4b에 예시한 실시예에 있어서, 상기 센서(60')는 제3 차동 채널(100)(도 4a에 도시되지만 도 4b에는 간략화를 위해 생략된 상기 제1 차동 채널(96) 및 상기 제2 차동 채널(98) 이외에도)을 포함한다. 상기 제3 차동 채널(100)은 센싱 요소들(42b, 42c)에 추가적으로 제3 차동 증폭기(64c)를 포함하며, 이전에 "D3"으로 언급되고 참조 부호 102로 나타낸 제3 차동 신호를 발생시킨다. 상기 제3 차동 채널(100)은 센싱 축(58)으로 도 3d 내지 도 3f에 도시한 연관된 센싱 축을 가진다.

상기 차동 증폭기들(64a, 64b, 64c)은 여기서는 차동 신호 발생기(66')로 도시된 상기 차동 신호 발생기에 연결된다. 상기 차동 신호들(72, 74, 102)은 입력들로서 상기 차동 신호 발생기(66')에 제공되고, 출력으로서 제4 차동 신호 "D4"(76')를 발생시킨다. 상기 차동 신호 발생기(66')는 D1, D2 및 D3을 기초로 하여 D4(76')를 생성하도록 동작한다. 상기 결과적인 차동 신호(D4: 76')의 진폭은 도 4a로부터의 차동 신호(D4)와 관련하여 앞서 논의된 바와 같이 배향 각도에 독립적인 것으로 일컬어진다.

상기 차동 신호 발생기(66')의 출력(76')은 상기 출력 생성 회로(68)에 연결된다. 도 4b의 다른 세부 구성들은 도 4a에서 설명한 바와 동일하다.

상기 차동 신호(D4: 76')는 입력으로서 상기 검출기(78)에 제공된다. 출력(82)으로서 도시된 상기 검출기 출력은 상기 출력 스테이지(80)에 제공된다. 상기 출력 스테이지(80)는 센서 출력(OUT)(84)으로 검출된 타겟 프로파일 변화들(리딩하는 및/또는 트레일링하는 톱니 에지들 또는 자극 변화들과 같은)을 나타내는 센서 출력 신호(86)를 제공한다.

또 다른 선택적인 구현에 있어서와 도 4c를 다시 참조하면, 센서(60")로서 도면에 도시한 상기 센서는 인터페이스(62")를 구비한다. 상기 인터페이스(62")는 각 센싱 요소들(42a 내지 42c)로부터 입력들로서 신호들(70a 내지 70c)을 수신한다. 상기 인터페이스(62")는 D4(76")로서 여기에 도시된 배향 각도 비의존적 차동 신호(D4)를 생성하도록 배향 각도 비의존적 차동 신호 발생기(66")를 포함한다. 상기 차동 신호 발생기(66)(도 4a로부터) 및 (66')(도 4b로부터)와는 달리, 상기 차동 신호 발생기(66")는 내부적으로 차동 신호 증폭기들(64)(도 4a 및 도 4b로부터)뿐만 아니라 이들 차동 신호 증폭기들(64)의 출력들(즉, 상기 차동 신호들(D1, D2, D3)) 및/또는 상기 센싱 요소 출력들(70a, 70b, 70c)을 수학적으로 결합하는 기능을 구비한다. 이는 결합된 신호를 정상화하도록 결합들의 기능에 연결되는 신호 처리 능력을 더 구비하여, 상기 배향 각도에 진정으로 비의존적이 된다. 상기 신호 처리 능력은 적어도 AGC 블록을 포함할 수 있다. 프로그램 가능한 메모리(예를 들면, EEPROM) 및 마이크로프로세서의 포함으로, 상기 차동 신호 발생기(66")는 다른 결합들뿐만 아니라 신호 처리 유형들을 수행하도록 구성될 수 있다. 다른 특징들은 도 4a 및 도 4b에 대하여 이전에 기술한 바와 같다.

도 4d는 도 3a 내지 도 3c의 하나와 같이 3개의-SE 구조를 포함하는 센서(60''')로서 도시한 센서의 또 다른 예시적인 실시예를 나타낸다. 이러한 특정한 구현은 디지털 도메인 내에서 처리가 가능한 디지털 시스템을 특징짓는다. 도 4a 내지 도 4c에 도시한 센서들과 같이, 센서(60''')는 또한 센싱 요소들(42a 내지 42c)을 포함한다. 상기 센서(60''')는, 참조 부호 66'''으로 나타낸 배향 각도 비의존적 차동 신호 발생기 및 참조 부호 68'로 나타낸 출력 생성 회로를 포함하여, 도 4c로부터의 센서(60'')와 같이 동일한 하이 레벨 기능 블록들을 가진다. 상기 차동 신호 발생기(66''')는 아날로그 프론트 엔드(analog front end)(100)와 디지털 서브시스템(102)을 포함한다. 상기 아날로그 프론트 엔드(100)는 2개의 차동 증폭기들(64a, 64b)(도 4a 및 도 4b에도 도시된)을 구비한다. 이러한 특정한 구현에 도시된 바는, 오프셋 보정("오프셋 조절(offset adjust)") 회로들(103a, 103b), 자동 이득 제어(AGC) 회로들(104a, 104b), 초퍼 안정화 회로들(105a, 105b), 저역 필터들(106a, 106b) 및 아날로그-디지털 컨버터들(A/Ds)(107a, 107b)(총괄적으로, A/D(108))을 포함하여, 다양한 신호 조정 회로들이다. 클록 발생기(clock generator)(110)는 타이밍 신호들을 상기 A/D(108)(클록 라인(111)을 거쳐) 및 디지털 서브시스템(102)(클록 라인(112)을 거처)에 제공한다. 회로들(64a, 103a, 104a, 105a, 106a, 107a)은 상기 센싱 요소 쌍(42a, 42b)과 관련된 상기 제1 차동 채널의 일부이다. 회로들(64b, 103b, 104b, 105b, 106b, 107b)은 상기 센싱 요소 쌍(42a, 42c)과 연관된 상기 제2 차동 채널의 일부이다.

다시 도 4d를 참조하면, 상기 출력 생성 회로(68')는 출력 스테이지(80')와 상기 디지털 서브시스템(102)을 포함한다. 이에 따라, 블록들(66''', 68')은 상기 디지털 서브시스템(102)을 공유한다. 예시한 실시예에 있어서, 상기 디지털 서브시스템(102)은 제어부("디지털 제어")(114) 및 처리부("디지털 처리")(116)를 구비한다. 상기 제어부(114)와 처리부(116)는 각기 불휘발성 메모리(117), 예를 들면, 도시된 바와 같이 메모리 버스 라인들(118. 119)을 거쳐 EEPROM에 연결된다. 상기 EEPROM(117)은 상기 제어부(114)와 처리부(116)의 프로그램 기능들, 즉, 상기 처리부(116)와 동작 변수들에 의해 수행되는 저장 프로그램 코드에 사용된다. 예를 들면, 상기 제어부(114)는 상기 A/D들, 상기 AGC들 및 제어 라인들(120)을 거쳐 오프셋 보정 회로들을 제어할 뿐만 아니라, 예를 들면, 대기 공급 전류 테스트(Quiescent supply current test: IDDQ) 및 경계 주사 주사경로(boundary scan scanpath) 같은 테스트 모드들의 테스트 특징들을 설정하거나 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 디지털 처리부(116)는, 예를 들면, 도 9a를 참조하여 설명하는 프로세스 또는 다른 프로세스들에 따라, D4 교환점 결정뿐만 아니라 상기 D4 결정을 수행하도록 프로그램될 수 있다. 출력(121)인 상기 디지털 시스템의 출력은 상기 출력 스테이지(80')에 제공된다. 상기 출력 스테이지(80')는 트랜지스터, 예를 들면, MOSFET(122)와 상기 MOSFET(122) 및 상기 디지털 시스템 출력(121) 사이에 연결되는 전류 제한 회로(123)를 갖도록 구현되는 것으로 도시된다.

상기 장치 외부 연결들/단자들은 도 4a 내지 도 4c의 도면들의 이전의 센서에서와 동일하다. 즉, VCC 단자(88)는 상기 공급 전압에 연결을 제공하고, GND 단자(92)가 접지 및 OUT 단자(84)에 연결을 가능하게 하며 상기 출력을 이용할 것인 외부 장치들에 상기 센서 출력이 제공되게 한다. 또한 이러한 도면에 도시된 바는 조정된 공급 전압을 상기 디지털 서브시스템(102)(라인(124)을 거쳐)에 제공하는 디지털 조정기(123) 및 조정된 공급 전압을 상기 아날로그 프론트 엔드(100)(라인(126)을 거쳐)에 제공하는 아날로그 조정기(125)를 포함하는 내부 전압 조정기들이다.

비록 도 4a 내지 도 4d에는 도시하지 않았지만, 방향 검출(존재하는 출력 스테이지가 속도 정보를 제공하는 데 사용되는)을 지지하는 추가적인 출력 스테이지와 함께 도 3g에 도시한 바와 같이 센싱 요소 쌍들(42b, 42d 및 42c, 42e)과 관련된 추가적인 채널들을 지지하는 회로부 역시 상기 센서에 포함될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다.

타겟 운동을 나타내는 출력 신호를 제공하는 상기 센서(예를 들면, 도 4a로부터의 센서(60), 도 4b로부터의 센서(60'), 도 4c로부터의 센서(60'') 또는 도 4d로부터의 센서(60'''))의 동작은, 예를 들면, 상기 센서의 설치가 상기 타겟 프로파일의 면에 직교하는 축(도 1b에 도시된 축(25)과 같은)에 대한 상기 센서의 운동을 수반하는 때에, 상기 타겟에 대한 상기 센서가 위치하는(설치 시에) 및/또는 유지되는(설치 후에) 각도에 크게 민감하도록 설계된다. 보다 상세하게는, 상기 센서는 상기 타겟 프로파일의 기준 축(18)(도 1a에 도시한)에 대한 상기 센서의 제1 센싱 축(44)의 배향 각도 α에 관계없이 동일한(또는 매우 동일한) 차동 신호(D4)를 제공하도록 동작할 수 있다. 상기 배향 각도의 이러한 허용 오차는 제조 과정들 및/또는 타겟에 대한 센서의 정렬 사항을 만족하도록 요구되는 포장 설계들이 불필요하기 때문에 센서 설치 및 유지를 크게 단순하게 할 수 있다.

일부 응용예들에 있어서, 상기 센서 다이의 중심에 대해 대칭적인 구조를 가지는 것이 유리할 수 있다. 이는 도 5a 내지 도 5c에 예시된 바와 같이 대칭 레이아웃 내에 짝수의 센싱 요소들, 예를 들면, 4개를 사용함에 의해 구현될 수 있다.

선택적이고 예시적인 실시예들과 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 4개의 센싱 요소들의 사용에 기초하는 장치가 도시된다. 도 5a 내지 도 5c에 도시한 바와 같이, 자기장 센싱 구조(130)는 차동 자기장 센서에의 사용을 위한 4개의 센싱 요소들(132a, 132b, 132c, 132d)(또한 각기 "SE1", "SE2", "SE3" 및 "SE4"로 나타낸)의 구성을 가진다. 상기 센싱 요소들은 일부 고정된 거리로 이격된다. 센싱 요소들(132a, 132b)(제1 쌍) 및 센싱 요소들(132c, 132d)(제2 쌍) 등의 센싱 요소들의 각각의 쌍이 타겟 프로파일(도 1a, 도 2a 및 도 2b의 타겟 프로파일과 같은)에 대한 위치에서 자기장 강도의 변화에 반응하여 차동 신호를 발생시키는 데 사용된다.

다시 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 제1 센싱 축(134)은 상기 센싱 요소들(132a, 132b)의 배열에 의해 정의되고, 제2 센싱 축(136)은 상기 센싱 요소들(132c, 132d)의 배열에 의해 정의된다. 따라서, 예시한 실시예에 있어서, 상기 4개의 센싱 요소들은 상기 2개의 센싱 축들(134, 136)을 정의하도록, 예를 들면, 센서 다이의 표면(점선들로 나타낸 윤곽들) 상에 공간적으로 정렬된다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 센싱 요소들은 상기 2개의 센싱 축들(134, 136)이 상기 다이 표면의 평면 내에 서로 정렬되지 않고 서로 교차하도록 정렬된다. 바람직하게는, 이들은 서로에 대해 약 90도의 각도이다. 각 쌍 내의 상기 센싱 요소들의 요소에 대한 요소의 간격은 바람직하게는 동일(또는 대략적으로 동일)하지만, 상이할 수도 있다.

다시 도 5a를 참조하면, 상기 제1 센싱 축(134)이 타겟 프로파일에 정렬될 때(즉, 다시 도 1a를 참조하면, 상기 타겟 프로파일의 기준 축(18)과 정렬될 때), 상기 제1 쌍(132a, 132b)에 의해 발생되는 차동 신호 "D1"은 최대("D1_max")인 진폭을 가질 것이고, 상기 제2 쌍(132c, 132d)에 의해 발생되는 차동 신호 "D2"는 0("D2_zero")이 될 것이다. 도 5b를 참조하면, 상기 제1 센싱 축(134)이 상기 타겟 프로파일의 기준 축에 대해 90도 각도로 위치할 때, 상기 제1 차동 신호(D1)를 위한 신호 진폭은 0("D1_zero")이 될 것이며, 상기 제2 차동 신호를 위한 신호 진폭은 최대("D2_max")가 될 것이다. 도 5c를 참조하면, 상기 제1 센싱 축(134)과 상기 타겟 프로파일의 기준 축 사이의 임의의 배향 각도 α(138)를 위하여, 상기 제1 차동 신호(D1) 및 상기 제2 차동 신호(D2)를 위한 신호 진폭은 각도의 변화와 함께 변화할 것이다. 진폭이 상기 배향 각도 α(138)에 비의존적인 차동 신호가 D1 및 D2로부터, 또는 보다 일반적으로는 SE1, SE2, SE3 및 SE4의 임의의 수학적 결합으로부터 결정될 수 있다.

도 6은 도 5a 내지 도 5c에 도시한 자기장 센싱 구조를 포함하는 자기장 센서(140)의 기능적 도면을 나타낸다. 상기 센서(140)는 4개의 센싱 요소들(132a 내지 132d)(센싱 요소들(SE1, SE2, SE3, SE4)로 다시 도시된)을 포함한다. 여기서 인터페이스(42)로 도시한 인터페이스 회로의 기능은 인터페이스 회로(62)(도 4a로부터)의 경우와 매우 동일하다. 동일한 요소들은 동일한 참조 부호들로 나타낸다. 다만 차이점은 인터페이스 회로(42)가 상기 센싱 요소들로부터 4개의 별도의 신호들을 수신하는 점이다. 이에 따라, 차동 증폭기(64a)는 입력들로서 센싱 요소(132a)로부터 신호(144) 및 센싱 요소(132b)로부터 신호(144b)를 수신하며, 차동 증폭기(64b)는 입력들로서 센싱 요소(132c)로부터 신호(144c) 및 센싱 요소(132d)로부터 신호(144d)를 수신한다.

도 6에 예시한 실시예에 있어서, 상기 센서(140)는 제1 차동 채널(146)과 제2 차동 채널(148)을 포함한다. 상기 제1 차동 채널(146)은 센싱 요소들(132a, 132b)에 추가적으로, 상기 제1 차동 증폭기(64a)를 포함하고, 상기 제1 차동 신호(D1: 72)를 생성한다. 상기 제2 차동 채널(148)은 상기 센싱 요소들(132c, 132d)뿐만 아니라 상기 제2 차동 증폭기(64b)를 포함하며, 상기 제2 차동 신호(D2: 74)를 생성한다. 각 차동 채널은 센싱 요소들의 각 쌍에 의해 정의되는 관련되거나 해당되는 센싱 축을 가진다. 상기 제1 차동 채널(146)은 센싱 축(134)으로서 도 5a 내지 도 5c에 도시된 연관된 센싱 축을 가진다. 상기 제2 차동 채널(148)은 센싱 축(136)으로서 도 5a 내지 도 5c에 도시된 연관된 센싱 축을 가진다.

상기 제1 차동 채널(146)은 센싱 요소들(132a, 132b) 이외에도, 차동 신호(72)를 발생시키기 위한 차동 증폭기(64a), 상기 차동 신호(72)를 처리하는 인터페이스 회로(42)의 회로부를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제2 차동 채널(148)은 센싱 요소들(132c, 132d) 이외에도, 차동 신호(74)를 생성하기 위한 차동 증폭기(64b), 상기 차동 신호(74)를 처리하는 인터페이스 회로(142)의 회로부를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 4개의 SE 설계가 상기 차동 증폭기들(64)과 차동 신호 발생기(66)를 결합하도록(3개의 SE 설계를 위하여 도 4c에 도시한 실시예에 대해 기술한 바와 유사하게) 변경될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

일반적으로, 3개 또는 그 이상의 센싱 요소들(도 3a 내지 도 3g, 도 4a 내지 도 4d, 도 5a 내지 도 5c 및 도 6에 도시한 예시적인 실시예들을 포함하여)의 임의의 실시예를 위해, 차동 채널들을 위한 센싱 요소들의 요소에 대한 요소의 간격이 동일할 필요는 없으며, 상기 채널들과 관련된 센싱 축들 사이의 각도는 90도와 다를 수 있다. 요구되는 경우, 보다 많은 센싱 요소들이 상기 자기 센싱 구조에 추가될 수 있다. 3개가 최소로 요구되는 센싱 요소들의 전체 숫자는 짝수 또는 홀수가 될 수 있다. 도 3a 내지 도 3f 및 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같은 3개의 센싱 요소들, 또는 도 5a 내지 도 5c 및 도 6에 도시된 바와 같은 4개의 센싱 요소들의 사용 대신에, 상기 자기 센싱 구조는 링 구성으로 배열되는 센싱 요소들을 갖도록 구현될 수 있다. 선택적으로는, 상기 전체적인 링이 센싱 면적이 될 수 있다.

상기 센싱 요소가 홀 효과(Hall-effect) 요소(또는 홀 플레이트)가 될 수 있거나 홀 효과 요소의 경우 보다는 자기저항(MR) 요소와 같은 다른 형태를 가질 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다. MR 요소는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistance: AMR) 장치, 거대 자기저항(giant magnetoresistance: GMR) 장치 및 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance: TMR) 장치를 포함하는 임의의 형태의 MR 장치로부터 만들어질 수 있다. 상기 센싱 요소는 단일 요소를 포함할 수 있거나, 선택적으로는 다양한 구성들, 예를 들면, 하프 브리지(half bridge) 또는 풀(휘스톤) 브리지 내에 배열되는 2개 또는 그 이상의 요소들을 포함할 수 있다.

상기 센싱 요소는 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 IV족 반도체 물질, 또는 갈륨-비소(GaAs)나 인듐 화합물, 예를 들면, 안티몬화 인듐(InSb)과 같은 III-V족 반도체 물질로 구성된 장치일 수 있다. 별도의 센싱 다이들이 사용되는 경우, 상기 센싱 다이들은 다른 기술들, 예를 들면, GaAs, Ge, AMR, GMR, TMR 및 다른 것들로 만들어질 수 있다.

도 7a 내지 도 7f는 3개의 SE 배열을 위한 차동 신호 진폭 상의 배향 각도α의 충격을 예시한다. 도 7a 및 도 7b는 0도의 배향 각도α에 대응된다. 도 7c 및 도 7d는 22.5도의 배향 각도α에 대응된다. 도 7e 및 도 7f는 45도의 배향 각도α에 대응된다. 명료성을 위하여, 타겟이 정현 곡선의 자기 프로파일을 생성하는 것으로 가정한다. 도 7b, 도 7d 및 도 7f는 상대적인 유닛들 내에 주어진 진폭을 갖는 시간에 대한 진폭의 그래프들이다. 도 7b, 도 7d 및 도 7f로부터 차동 신호 진폭들과 위상들이 증가하는 배향 각도와 함께 변화하는 점을 알 수 있다.

도 7a는 3개의 센싱 요소들(SE1: 42a, SE2: 42b 및 SE3: 42c)(도시하지는 않았지만 센서 패키지 내의)이 교호적인 극들(자기 타겟을 위한) 또는 철을 함유하는 기어 타겟 특징들, 예를 들면, 톱니/골들을 갖는 타겟(152)에 근접하여 위치하는 센싱 장치(150)를 상부에서 아래로 본 도면을 나타낸다. 상기 센싱 요소들의 기준 위치는 0도의 배향 각도α를 위한 것이다. 이러한 도면에 있어서, 돌출된 부분들이나 남극들은 참조 부호 154로 나타내는 반면, 리세스된 부분들이나 북극들은 참조 부호 156으로 나타낸다. SE1(42a) 및 SE2(42b) 사이의 간격과 SE1(42a) 및 SE3(42c) 사이의 간격은 거리 T/2에 대응되며, 여기서 T(참조 부호 158로 나타낸)는 상기 타겟의 주기이다. 도 7b는 차동 신호들(D1, D2, D3)을 위한 시간에 대한 진폭의 그래프(160)를 나타낸다. 차동 신호들(D1, D2, D3)을 위한 파형들은 각기 참조 부호들 162, 164 및 166으로 나타낸다. 상기 차동 신호들은 상기 센싱 요소들의 전방에서 회전하는 상기 타겟에 의해 생성된다. 또한 참조 부호 168로 나타낸 상기 타겟 프로파일이 도시된다. 차동 신호들(D1: 162 및 D3: 166)의 신호 진폭들이 동등하고, 최대의 크기와 대향하는 극성인 점을 볼 수 있다. 또한, 차동 신호들(D1 및 D3)의 신호 피크들이 상기 타겟의 특징들의 변화들(예를 들면, 북극에서 남극으로)에 대응되는 점을 볼 수 있다. 또한, 도 7b에 도시한 바와 같이, 0도의 배향 각도α를 위하여, 상기 차동 신호(D2: 164)(SE1 및 SE3에 의해 형성된 채널에 의해 생성되는)의 결과적인 진폭은 항상 0이다.

도 7c는 상기 센싱 요소들의 기준 위치가 22.5도의 배향 각도α(172)를 위한 것인 센싱 장치(170)를 나타낸다. 다른 세부 사항들은 도 7a에 도시한 바와 같다. 도 7d는 도 7c에 도시한 기준 위치를 위한, 즉 22.5도의 배향 각도α를 위한 상기 차동 신호들(D1, D2, D3)의 그래프(180)이다. 상기 차동 신호들(D1, D2, D3)의 파형들은 각기 참조 부호 182, 184 및 186으로 나타낸다. 상기 타겟 프로파일은 여기서는 참조 부호 188로 나타낸다. 도 7d에서 모든 차동 신호들이 이제 0이 아닌 진폭을 가지는 것을 볼 수 있다. D3의 진폭은 0도의 배향 각도를 위한(도 7b에 도시한 바와 같이) 경우보다 약간 작고, D2의 진폭은 D1 및 D3의 진폭들 보다 많이 작다.

도 7e는 상기 센싱 요소들의 기준 위치가 45도의 배향 각도α(192)를 위한 것인 예시적인 센싱 장치(190)를 나타낸다. 다른 세부 사항들은 도 7a(및 도 7c)에 도시한 바와 같다. 도 7f는 도 7e에 도시한 상기 기준 위치를 위한 상기 차동 신호(D1, D2, D3)의 그래프(200)를 나타낸다. 차동 신호들(D1, D2, D3)을 위한 파형들은 각기 참조 부호 202, 204 및 206로 나타낸다. 또한, 참조 부호 208로 나타낸 상기 타겟 프로파일이 도시된다. 여기서, D1 및 D2의 진폭들은 동일하며(그러나 도 7b에 도시한 바와 같이, 0도의 각도를 위한 D1 및 D3의 진폭들 보다 작다), 상기 D3의 진폭은 D1 및 D2의 경우 보다 작다. 도 7e와 함께 다시 도 7b를 참조하면, 상기 차동 신호들 사이의 위상들 또한 배향 각도의 변화와 함께 변화되었던 점을 볼 수 있다.

도 8a는 배향 각도α의 함수로서 상기 차동 신호들(D1, D2, D3)(일 실시예를 위한)의 피크-투-피크 진폭들의 그래프(210)를 나타낸다. 상기 피크-투-피크 진폭들은 상대 단위들(relative units)로 주어진다. 상기 D1의 피크-투-피크 진폭은 참조 부호 212로 나타내고, 상기 D2의 피크-투-피크 진폭은 참조 부호 214로 나타내며, 상기 D3의 피크-투-피크 진폭은 참조 부호 216으로 나타낸다. 도 9a를 참조하여 후술하는 바와 같이, 가능한 일 실시예에 있어서, 차동 신호 D4는 배향 각도α를 기초로 하여 D1 또는 D2에서 선택될 수 있다. 이러한 선택은 어떤 각도 범위들, 예를 들면, 0도 내지 22도에서 전체 피크-투-피크 진폭의 대략 1%로 제한되며, 다른 각도 범위들, 예를 들면 22.5도 내지 67,5도에서 전체 피크-투-피크 진폭의 대략 10%로 제한되는 피크-투-피크 진폭에서 변화(배향 각도의 증가와 함께)를 갖는 차동 신호 D4를 생성할 것이다. 이에 따라, 상기 D1은 0도 내지 45도, 315도 내지 360도("구역(zone) A")(281a) 및 135도 내지 225도("구역 C")(218c)의 각도 범위(또는 "구역")을 위해 선택될 수 있다. 상기 차동 신호 D2는 다른 각도들의 범위들, 즉, 45도 내지 135도("구역 B")(218b) 및 225도 내지 315도("구역 D")(218d)를 위해 선택될 수 있다. 예시한 실시예에 있어서, 각각의 이들 각도 범위들 또는 구역들 내에서 상기 차동 신호 D4가 배향 각도 비의존적(상기 구역의 1분의1 내지 4분의 4 내에 대략 10%로 제한되는 변화 및 상기 구역의 4분의 2 내지 4분의 4 내에 대략 1%로 제한되는 변화를 갖는)인 점을 볼 수 있다.

도 8b는 배향 각도α의 함수로서 상기 차동 신호들(D1, D2, D3)의 특정한 수학적 조합으로부터 야기되는 신호들의 피크-투-피크 진폭들을 위한 그래프(220)를 나타낸다. 상기 피크-투-피크 진폭들은 상대적인 단위들로 주어진다. 상기 그래프(220)는 상기 차동 신호들(D1, D2, D3) 또는 보다 일반적으로는 센싱 요소들(SE1, SE2, SE3) 사이에서 정의될 수 있는 많은 가능한 다른 수학적 조합들 중의 2개만을 나타낸다. 예시한 바는, 참조 부호 222로 나타낸 차동 신호들(D1, D2)의 수학적 조합("D1+D2")에 기초한 피크-투-피크 진폭과 참조 부호 224로 나타낸 차동 신호들(D2, D3)의 수학적 조합("D2+D3")에 기초한 피크-투-피크 진폭이다.

도 9a를 참조하면, 동작(230)인 상기 D4 신호 발생기의 예시적인 동작은 신호들 D1 및 D2의 수신으로 시작된다(블록 232에서). 상기 동작은 D1 및 D2의 진폭들을 결정한다(블록 234). 각 신호를 위한 양의 및 음의 피크를 얻기 위하여, D1 및 D2를 위한 값들은 적어도 하나의 주기에 대해 획득된다. 상기 동작은, 예를 들면, 상기 D1 신호 진폭의 절대값이 상기 D2 신호 진폭의 절대값 보다 큰 지를 결정함에 의해 D1과 D2의 진폭들을 비교한다(블록 236). 이러한 비교가 사실인 결과를 도출할 경우, 그러면 D1이 D4로서 사용을 위해 선택된다(블록 240). 상기 동작은 D4로서 결과를 제공함에 의해 종료된다(블록 242에서).

도 8a에 도시한 그래프를 다시 참조하면, 상기 차동 신호 D1은 구역들 A 및 C 내에서 선택될 수 있고, 상기 차동 신호 D2는 구역들 B 및 D 내에서 선택될 수 있다. 이러한 방식으로 신호들 사이에서 선택함에 의해, 상기 센서에 의해 사용되는(즉, 상기 신호가 D4로서 선택되는) 차동 신호의 신호 진폭은 어떤 문턱값 아래로 결코 떨어지지 않는다(이에 따라 상기 신호 진폭이 배향 각도와 함께 변화될 수 있음에 의해 그 양이 최소화된다). 도 8a에 도시한 예에 있어서, 상기 진폭은 결코 ~3.6(구역 변화들에서, 즉 45도, 135도, 225도 및 315도에서 상대 단위들로 양 신호들의 진폭들의 절대값) 아래로 되지 않는다. 구역들의 숫자는 사용되는 센싱 요소 쌍들의 숫자를 증가시킴에 의해 증가될 수 있다. 보다 많은 구역들이 상기 차동 신호들의 진폭들이 배향 각도 비의존적인 진폭 범위를 더 제한한다. 동작(236)을 수행하는 상기 신호 발생기는 잘 알려진 기술들(아날로그 및/또는 디지털)에 따라, 예를 들면, 상기 차동 신호들 D1 및 D2의 진폭들(전압값들)을 비교하는 OP 앰프 또는 전압 비교기와 같은 비교 회로를 이용하여 구현될 수 있다.

D4를 발생시키기 위한 다른 예시적인 실시예가 도 4c와 함께 도 9b에 예시된다. 동작(250)인 도 9b에 도시한 동작은 D1, D2 및 D3의 수신과 함께 시작된다(블록 252에서). 상기 동작은 SE1, SE2 및 SE3로부터 D1, D2 및 D3의 진폭들을 결정한다(블록 254). 상기 동작은 D1, D2 및 D3 및/또는 SE1, SE2 및 SE3의 임의의 수학적인 결합의 함수로서 D4를 결정한다(블록 256). 상기 동작은 이후에 배향 각도 및 에어 갭(air gap)에 비의존적이 되게 D4를 정규화한다. 정규화된 D4는 차동 신호 발생의 출력에 D4로서 제공된다(블록 258). 상기 동작(250)이 D4를 결정하였으면, 상기 동작(250)이 종료된다(블록 259).

또 다른 선택적인 실시예에 있어서, 도 9c에 예시한 바와 같이, D4를 발생시키기 위한 동작은 배향 각도 결정을 수반한다. 도 9c를 참조하면, 도 9c에 동작(260)으로 도시한 동작은 입력들로서 D1, D2 및 D3의 수신과 함께 시작되고(블록 262에서) D1, D2 및 D3의 진폭들을 결정한다(블록 264). 상기 동작(260)은 이후에 상기 배향 각도를 결정하도록 상기 진폭들을 이용한다(블록 266). 상기 동작(260)은 출력으로서 배향 각도α를 제공하고(블록 268) 종료된다(블록 270).

도 9a 내지 도 9c의 동작들로서 도시한 바와 같이, 상기 D4 신호 발생기, 예를 들면, 차동 신호 발생기(66, 66', 66'' 또는 66''')(도 4a 내지 도 4d로부터) 또는 (66)(도 6으로부터)의 기능이 알려진 회로 설계 기술들에 따라 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합에 구현될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다.

앞서 기술한 바와 같이, 상기 센싱 요소들은 상기 차동 채널들의 각 센싱 축들 사이의 각도가 90도 보다는 다른 각도가 되게 정렬될 수 있다. 이러한 각도는 응용예의 요구들에 따라 적합하게 선택될 수 있다.

비록 예시한 도면들이 변화에 기초하는 피크 검출을 나타내지만, 상기 차동 신호들 D1 및 D2가 상기 프로파일 특징들의 중앙에서, 예를 들면, 철을 함유하는 타겟을 위한 톱니와 골의 중앙에서 또는 자성 타겟의 북극과 남극의 중앙에서(도 7b, 도 7d 및 도 7f에서 볼 수 있는 바와 같이) 교차될 때에, 이러한 교차하는 신호를 사용하는 비-변화에 기초하는 검출이 가능함 점을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 검출 계획은 일부 응용예들을 위해 유리할 수 있다.

센서(60, 60', 60" 또는 60''')(도 4a 내지 도 4d) 혹은 센서(140)(도 6)와 같은 전술한 바와 같이 센싱 요소들의 다중 채널 배열을 갖는 상기 방향 비의존적 자기장 센서는 다양한 응용예들에 사용될 수 있다. 이는 다른 것들 사이에서 잠김 방지 브레이크 장치들(ABS), 트랜스미션 및 크랭크샤프트들 내와 같은 자동차의 응용예들에서 회전 속도 검출 및 타이밍 제어 에 사용되기에 특히 매우 적합하다. 예를 들면, 센서에 의해 생성되는 회전 속도 정보는 속도계, 회전속도계, 내장 컴퓨터들, 태코그래프들(tachographs)(또한 크로노태코그래프들(chronotachographs)로 알려진) 및 이와 유사한 것들이 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 하나의 예시적인 자동차 응용예는 태코그래프 내의 센서 출력을 사용하는 자동차 응용(280)이다.

여기에 설명하는 방향 비의존적 차동 센서의 유형은 태코그래프 시스템들을 요구들에 특유하게 아주 적합하다. 도로 안전성 때문에, 어떤 차량, 특히 버스들 및 트럭들과 같은 상용차들의 운전자들의 운전 시간은 이제 일부 국가들과 지역들에서 규제를 받는다. 상기 태코그래프(또는 동등한 전자 로그 장치)는 적절한 운전 휴식을 가지는 것을 보장하도록 운전자들의 조건들, 즉 운전 시간과 휴식 주기들을 모니터하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 태코그래프들은 통상적으로 단일-요소 센서를 사용하며, 상기 단일-요소 센서는 부당 변경(tampering)에 취약하다. 예를 들면, 상기 센서가 스위치되지 않도록(그리고 이에 따라 적절하게 회전들을 나타내지 않도록) 상기 요소를 자기적으로 포화시키기 위해 상기 센서 부근에 고 자기장을 도입함에 의해 상기 센서 동작을 조정하고, 이에 따라 운전자들이 보다 많은 시간들을 운전할 수 있도록 상기 태코그래프에 운전자 정보의 허위 기록을 주는 "트리킹(tricking)"하는 것이 가능하다.

이러한 특정 유형의 태코그래프 부단 변경에 대한 하나의 해결책은 차동 자기장 센서를 사용하는 것이다. 자기장 강도의 변화들에만 반응하는 차동 센서일 경우에, 이는 관련 없는 자기장들(뿐만 아니라 기계 진동들)의 영향에 상대적으로 영향을 받지 않는다. 단일-요소 센서들과는 달리, 종래의 차동 센서들은 앞서 기술한 바와 같이 적절하게 동작하기 위해 특정한 타겟의 프로파일을 참조하여 상기 센서의 위치를 수정하는 것이 요구되었다. 센서(60)(도 4a로부터 또는 도 4b 내지 도 4d 혹은 도 6에 도시한 다음 센서 실시예들)와 같은 상기 방향 비의존적 센서는 종래의 차동 센서들의 한계들을 다루며, 이에 따라 태코그래프 시스템들과 다른 응용예들을 위하여 동작의 차동 모드 및 사용의 용이(설치 및 유지의 면에서) 모두에 유리할 수 있도록 이를 매우 적합하게 할 수 있다. 일부 자동차 응용예들을 위한 경우와 같이(예를 들면, 트럭들 내의 ABS 센서들을 위한 의무적인 교체 간격들), 이는 자주 센서 교체를 요구하는 응용예들을 위해 특히 유리하다. 태코그래프들이 속도를 기록하기 때문에, 이러한 기술은 또한 어떤 상용차들의 최대 속도를 제어하기 위해 속도 제한 시스템들에 유용할 수 있다.

도 10을 참조하면, 응용예(280)는 센서(60)(도 4로부터 또는 각기 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 6으로부터의 센서(60', 60", 60''' 또는 140))와 같은 센서가 도시된 바와 같이 링 자석(283)과 같은 타겟 부근에 위치하는 센싱 장치(282)를 포함한다. 상기 센서는 상기 링 자석에 매우 근접하여 장착(설치)되고, 휠 속도로 회전한다. 상기 센서(60)는 상기 회전하는 타겟의 프로파일과 관련된 자기장(284)의 변화를 감지한다. 상기 센서(60)는 상기 타겟(283)을 위한 회전을 나타내는 출력(286)을 생성하고, 태코그래프 시스템(288)에 이러한 출력을 제공한다. 도시한 예에 있어서, 상기 태코그래프 시스템(288)은 태코그래프(292)에 연결된 제어 모듈(290)을 포함한다. 상기 제어 모듈(290)은 상기 센서 출력(286)을 수신하고, 이러한 센서 출력을 타겟(이러한 실시예에서는 휠) 속도(294)로 변환한다.

상기 센싱 장치(282)는 액슬 샤프트(axle shaft), 기어 또는 휠 허브 상에 위치할 수 있다. 비록 하나의 센싱 장치만이 도시되지만, 다중 센서 장치들(예를 들면, 각 차량 휠을 위해 하나씩)이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이전에 기술한 바와 같이, 상기 방향 비의존적 자기장 센싱 구조의 주요 이점은 상기 구조가 타겟에 대한 센서의 배향이 정밀하게 제어되지 않을 수 있는 응용예들을 위한 센서 장착의 면에서 최종 소비자에서 증가된 설계 융통성을 제공하는 것이다. 예를 들면, 상기 센서는 타겟의 전방에 대응되는 나사 홀 내로 간단하게 나사 결합될 수 있는 나사 캐니스터 내로 장착될 수 있다. 이러한 형태의 구조는 트럭 ABS 응용예들 같은 일부 응용예들을 위해 요구되는 센서 모듈들의 정기적 변화를 크게 단순하게 할 수 있다.

자동차 이외에도 다른 가능한 응용예들은 모터, 산업용 및 어셈블리를 포함한다. 또한, 비록 상기 배향 각도 비의존적 기술들과 설계들이 여기서는 회전식 센싱을 참조하여 예시되었지만, 이들은 선형 운동 센싱에도 적용 가능할 수 있다. 상기 배향 각도가 결정될 경우, 상기 각도 정보는 피드백으로서 사용자에게(오정렬 상태를 나타내도록) 또는 다른 회로부 혹은 보상, 교정 또는 다른 목적들을 위한 처리 요소들에 제공될 수 있다. 여기서 설명하는 상기 배향 각도 비의존적 기술들과 설계들은 이들이 타겟에 대한 센서의 배향에 비의존적이고 DC 자기 섭동들에 비의존적인 깨끗한 신호를 가능하게 하기 때문에 임의의 자기적으로 번잡한 환경에서의 사용을 위해 적합할 수 있다.

여기에서 언급된 모든 참고 문헌들은 본 명세서에 참조로 포함된다.

상술한 바에 있어서는, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 이들의 개념들을 포함하는 다른 실시예들도 사용될 수 있음이 자명할 것이다. 이에 따라 본 발명의 실시예들이 개시된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구 범위의 사상 및 범주로부터만 한정되는 점을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

제1 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제1 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 연관된 제1 센싱 축을 갖는 제1 차동 채널;
제2 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제2 센싱 축을 갖는 제2 차동 채널을 구비하며,
상기 제2 센싱 축이 상기 제1 센싱 축에 대해 정렬되지 않고, 상기 제1 센싱 축이 타겟 프로파일(target profile)의 기준 축에 대해 위치하며, 상기 기준 축이 상기 타겟 프로파일의 운동의 방향에 대해 정렬되어, 상기 제1 센싱 축 및 상기 기준 축 사이에 배향 각도를 한정하며,
상기 자기장 센싱 요소들에 연결되어, 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 출력 신호를 생성하는 회로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 자기장 센싱 요소들의 각각의 쌍들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 하나가 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 센싱 축은 상기 제1 센싱 축에 대해 90도의 각도로 위치하는 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 자기장 센싱 요소들의 각각의 쌍들의 상기 자기장 센싱 요소들 사이의 간격은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 자기장 센싱 요소들이 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유되지 않는 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하는 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들을 더 구비하며, 상기 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들 내의 자기장 센싱 요소들의 숫자는 3개 이상인 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 각각의 상기 자기장 센싱 요소들은 홀 효과(Hall-effect) 요소, 자기저항(MR) 요소 또는 다른 형태의 자기장 감지 요소에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 각각의 상기 센싱 요소들의 구현에 사용되는 물질은 IV족 반도체 물질 또는 III-V족 반도체 물질 중의 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 회로부는 상기 제1 차동 채널과 연관된 제1 신호 및 상기 제2 차동 채널과 연관된 제2 신호를 생성하는 회로부를 포함하며, 상기 회로부는 입력들로서 상기 제1 및 제2 신호들을 수신하고 상기 출력 신호를 생성하는 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 9 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호들은 상기 배향 각도에 의존적인 진폭들을 가지는 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 9 항에 있어서, 상기 제1 신호는 제1 진폭을 가지고 상기 제2 신호는 제2 진폭을 가지며, 상기 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 클 때에 상기 출력 신호로서 상기 제1 신호를 선택하도록 동작 가능하고. 상기 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 크지 않을 때에 상기 출력 신호로서 상기 제2 신호를 선택하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 9 항에 있어서, 상기 회로부는 입력들로서 상기 제1 센싱 요소와 연관된 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 센싱 요소와 연관된 제2 자기장 센싱 출력 신호 및 제3 센싱 요소와 연관된 제3 자기장 센싱 출력 신호를 수신하는 회로부를 더 포함하며, 상기 신호 발생기는 상기 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제3 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 중에서 2개 또는 그 이상을 임의로 수학적으로 조합하여 상기 출력 신호를 생성하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,
제3 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제3 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제3 센싱 축을 가지는 제3 차동 채널; 및
제4 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제4 센싱 축을 갖는 제4 차동 채널을 더 구비하며,
상기 제3 센싱 축이 상기 제1 센싱 축에 대해 정렬되어 제1 단일 센싱 축을 형성하고, 상기 제4 센싱 축이 상기 제2 센싱 축에 대해 정렬되어 제2 단일 센싱 축을 형성하며, 각각의 상기 제1 및 제2 단일 센싱 축들과 연관된 상기 제3 및 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들이 적어도 3개의 자기장 센싱 요소들을 포함하고,
상기 자기장 센싱 요소들에 연결되는 상기 회로부는 상기 제3 및 제4 차동 채널들을 위하여 제2 출력으로서 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 제2 신호를 생성하도록 사용 가능하며,
상기 출력이 회전 속도 정보를 제공하도록 사용 가능하고, 상기 제2 출력이 회전 타겟을 위한 회전 방향 정보를 생성하도록 사용 가능한 것을 특징으로 하는 차동 자기장 센서.
타겟 프로파일을 갖는 회전 타겟; 및
상기 타겟 프로파일에 근접하여 위치하는 차동 자기장 센서를 포함하며,
상기 차동 자기장 센서는,
제1 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제1 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 연관된 제1 센싱 축을 가지는 제1 차동 채널;
제2 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제2 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제2 센싱 축을 가지는 제2 차동 채널을 구비하고,
상기 제2 센싱 축이 상기 제1 센싱 축에 대해 정렬되지 않으며, 상기 제1 센싱 축이 타겟 프로파일의 기준 축에 대해 위치하고, 상기 기준 축이 상기 타겟 프로파일의 운동의 방향에 대해 정렬되어, 상기 제1 센싱 축과 상기 기준 축 사이에 배향 각도를 한정하고,
상기 자기장 센싱 요소들에 연결되어, 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 출력 신호를 생성하는 회로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 각각의 상기 제1 및 제2 쌍들의 자기장 센싱 요소들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 하나가 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 제2 센싱 축이 상기 제1 센싱 축에 대해 90도의 각도로 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 각각의 상기 제1 및 제2 쌍들의 자기장 센싱 요소들의 상기 자기장 센싱 요소들 사이의 간격은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 자기장 센싱 요소들이 상기 제1 및 제2 차동 채널들에 의해 공유되지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 쌍들의 자기장 센싱 요소들을 포함하는 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들을 구비하며, 상기 적어도 2쌍의 자기장 센싱 요소들 내의 상기 자기장 센싱 요소들의 숫자는 3개 이상인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 각각의 상기 자기장 센싱 요소들은 홀 효과 요소, 자기 저항(MR) 요소 또는 다른 형태의 자기장 감지 요소에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 각각의 상기 센싱 요소들의 구현에 사용되는 물질은 IV족 반도체 물질 또는 III-V족 반도체 물질에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 회로부는 상기 제1 차동 채널과 연관된 제1 신호 및 상기 제2 차동 채널과 연관된 제2 신호를 생성하는 회로부를 포함하며. 상기 회로부는 입력들로서 상기 제1 및 제2 신호들을 수신하고, 상기 출력 신호를 생성하는 신호 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 22 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호들은 상기 배향 각도에 의존적인 진폭들을 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 22 항에 있어서, 상기 제1 신호는 제1 진폭을 가지고, 상기 제2 신호는 제2 진폭을 가지며, 상기 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 클 때에 상기 출력 신호로서 상기 제1 신호를 선택하도록 동작 가능하고, 상기 신호 발생기는 상기 제1 진폭의 절대값이 상기 제2 진폭의 절대값보다 크지 않을 때에 상기 출력 신호로서 상기 제2 신호를 선택하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
제 22 항에 있어서, 상기 회로부는 입력들로서 상기 제1 센싱 요소와 연관된 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 센싱 요소와 연관된 제2 자기장 센싱 출력 신호 및 제3 센싱 요소와 연관된 제3 자기장 센싱 출력 신호를 수신하는 회로부를 더 포함하며, 상기 신호 발생기는 상기 제1 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제2 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제3 자기장 센싱 출력 신호, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 중에서 2개 또는 그 이상을 임의로 수학적으로 조합하여 상기 출력 신호를 생성하도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 회전 타겟은 자성 타겟이며, 상기 타겟 프로파일은 교호적인 자극들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 회전 타겟은 철을 함유하는 타겟이며, 상기 타겟 프로파일은 톱니(tooth) 및 골(valley) 특징들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 차동 자기장 센서는,
제3 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제3 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제3 센싱 축을 가지는 제3 차동 채널; 및
제4 쌍의 자기장 센싱 요소들을 포함하고, 상기 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들에 의해 정의되는 제4 센싱 축을 가지는 제4 차동 채널을 더 구비하며,
상기 제3 센싱 축이 상기 제1 센싱 축에 정렬되어 제1 단일 센싱 축을 형성하고, 상기 제4 센싱 축이 상기 제2 센싱 축에 정렬되어 제2 단일 센싱 축을 형성하며, 각각의 상기 제1 및 제2 단일 센싱 축들과 연관된 상기 제3 및 제4 쌍의 자기장 센싱 요소들은 적어도 3개의 자기장 센싱 요소들을 포함하고,
상기 자기장 센싱 요소들에 연결되는 상기 회로부는 상기 제3 및 제4 차동 채널들을 위해 제2 출력으로서 상기 배향 각도에 비의존적인 진폭을 갖는 제2 신호를 생성하도록 사용 가능하며,
상기 출력이 회전 속도 정보를 제공하는 데 사용 가능하고, 상기 제2 출력은 상기 회전 타겟의 회전 방향 정보를 생성하는 데 사용 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.