KR20200013667A - 오차 계산을 구비하는 자기장 센서 - Google Patents

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Abstract

자기장 센싱 시스템은, 제1 자기장 센싱 요소; 제2 자기장 센싱 요소; 제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키기 위한 수단; 제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키기 위한 수단; 상기 제1 자기장에 대응하여 반사 자기장을 발생시키도록 위치하는 도전성 타겟; 제1 교번 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장을 나타내는 제1 신호를 생성하기 위한 수단; 제2 교번 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장을 나타내는 제2 신호를 생성하기 위한 수단; 상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 적어도 부분적으로 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제2 신호에 기초하는 오차 값을 계산하기 위한 수단; 및 상기 오차 값을 상기 제1 교번 시간 간격 동안에 상기 제1 신호에 적용하는 수단을 포함할 수 있다.

Description

오차 계산을 구비하는 자기장 센서
본 발명은 자기장 센서들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 오차 계산을 구비하는 자기장 센서들에 관한 것이다.
자기장 센서들은 흔히 강자성 타겟을 검출하는 데 이용된다. 이들은 종종 상기 타겟의 동작이나 위치를 검출하기 위한 센서들로서 동작한다. 이러한 센서들은 로봇 공학, 자동차, 제조 등을 포함하는 기술의 많은 영역들에서 매우 흔하다. 예를 들면, 자기장 센서는 차량의 휠이 록업될 때에 상기 차량의 컨트롤 프로세서가 잠김 방지 브레이크 시스템을 결속하도록 작동시키는 것을 검출하는 데 이용될 수 있다. 이러한 예에서, 상기 자기장 센서는 상기 휠의 회전을 검출할 수 있다. 자기장 센서는 또한 물체까지의 거리를 검출할 수 있다. 예를 들면, 자기장 센서는 유압 피스톤의 위치를 검출하는 데 이용될 수 있다.
완벽하게 정밀한 자기장 센서는 존재하지 않는다. 타겟의 위치를 검출하는 모든 자기장 센서는 적어도 일부의 오차를 포함한다. 일부 시스템들에서, 상기 오차는 상기 타겟의 위치의 함수인 비선형의 오차가 될 수 있다. 상기 타겟의 위치의 함수인 오차를 보상하는 것은 상기 오차를 측정하고 계산하려고 의도할 때에 어려움을 가져올 수 있다.
본 발명은 오차 계산을 구비하는 자기장 센서들을 제공한다.
일 실시예에서, 시스템은 제1 시간 간격 동안에 도전성 타겟 내에 제1 반사 자기장(reflected magnetic field)을 유도하는 제1 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키도록 구성되는 적어도 하나의 코일을 포함하며, 상기 제1 반사 자기장은 제1 자기장 강도를 가진다. 상기 코일은 제2 시간 간격 동안에 상기 도전성 타겟 내에 제2 반사 자기장을 유도하는 제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키도록 구성되며, 상기 제2 반사 자기장은 상기 제1 자기장 강도와 다른 제2 자기장 강도를 가진다.
적어도 하나의 제1 자기장 센싱 요소는 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 제1 반사 자기장을 검출하고, 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장 및 상기 제2 반사 자기장을 검출하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 제2 자기장 센싱 요소는 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 제1 반사 자기장을 검출하고, 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장 및 상기 제2 반사 자기장을 검출하도록 구성될 수 있다.
처리 회로는 상기 적어도 하나의 제1 및 적어도 하나의 제2 자기장 센싱 요소들로부터 각각의 출력 신호를 수신하고, 상기 시스템의 오차 값을 계산하도록 연결될 수 있다.
다음 특징들 중의 하나 또는 그 이상이 포함될 수 있다.
상기 제2 주파수는 실질적으로 영이며, 상기 제2 반사 자기장 강도는 실질적으로 영이다.
상기 제1 자기장은 상기 제1 반사 자기장을 발생시키는 상기 도전성 타겟 내에 와전류들을 유도하는 제1 주파수를 포함할 수 있다.
상기 오차 값은 상기 제1 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 기초할 수 있으며, 상기 처리 회로는 상기 오차 값을 상기 제2 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 적용하도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 제1 자기장 센싱 요소는 그 최대 감도의 축이 상기 제1 자기장과 정렬되도록 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템은 제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키고, 제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키도록 구성되는 적어도 하나의 코일; 상기 제1 자기장에 대응하여 반사 자기장을 발생시키도록 위치하는 도전성 타겟; 그리고 상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장의 검출을 나타내는 제1 신호를 생성하고, 상기 제2 자기장의 검출을 나타내는 제2 신호를 생성하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들을 포함한다.
다음 특징들 중의 하나 또는 그 이상이 포함될 수 있다.
처리 회로는 상기 제1 및 제2 신호들을 수신하고, 상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 상기 시스템을 계산할 수 있다.
상기 계산된 오차 값은 상기 도전성 타겟의 위치와 독립적일 수 있다.
상기 제1 자기장은 상기 도전성 타겟 내에 와전류를 유도하기에 충분히 높은 주파수를 가질 수 있다.
상기 반사 자기장은 상기 와전류에 의해 생성될 수 있다.
상기 제2 주파수는 상기 도전성 타겟으로부터 반사 자기장을 유도하지 않도록 실질적으로 낮을 수 있다.
상기 제2 주파수는 실질적으로 영일 수 있다.
상기 제1 자기장은 제1 시간 간격 동안에 발생될 수 있으며, 상기 제2 자기장은 제2 시간 간격 동안에 발생될 수 있다.
처리 회로는 상기 제2 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 기초하여 오차 값을 계산할 수 있고, 상기 오차 값을 상기 제1 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 적용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 시간 간격들은 중첩되지 않는 시간 간격들일 수 있다.
다른 실시예에서, 방법은 제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키는 단계; 제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키는 단계; 상기 제1 자기장에 의해 도전성 타겟으로부터 반사 자기장을 유도하는 단계; 하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들에 의해 상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장을 나타내는 제1 신호를 생성하는 단계; 그리고 상기 하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들에 의해 상기 제2 자기장을 나타내는 제2 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
다음 특징들 중의 하나 또는 그 이상이 포함될 수 있다.
오차 값은 상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 계산될 수 있다.
상기 계산된 오차 값은 상기 도전성 타겟의 위치와 독립적일 수 있다.
상기 제1 자기장은 상기 도전성 타겟 내에 와전류를 유도하기에 충분히 높은 주파수를 가질 수 있으며, 여기서 상기 반사 자기장은 상기 와전류에 의해 생성된다.
상기 제2 주파수는 상기 제2 자기장이 상기 도전성 타겟으로부터 반사 자기장을 유도하지 않도록 실질적으로 낮을 수 있다.
상기 제2 주파수는 실질적으로 영일 수 있다.
상기 제1 자기장을 발생시키는 단계는 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장을 발생시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제2 자기장을 발생시키는 단계는 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장을 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 시간 간격들은 중첩되지 않는 시간 간격들일 수 있다.
상기 제1 신호는 상기 제1 시간 간격 동안에 발생될 수 있고; 상기 제2 신호는 상기 제2 시간 간격 동안에 발생될 수 있으며; 오차 값은 상기 제1 시간 간격 동안에 측정된 상기 제1 신호에 기초하여 계산될 수 있고; 상기 오차 값은 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 신호에 적용될 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템은 제1 자기장 센싱 요소를 포함하고; 제2 자기장 센싱 요소를 포함하며; 제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키기 위한 수단을 포함하고; 제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키기 위한 수단을 포함하며; 상기 제1 자기장에 대응하여 반사 자기장을 발생시키도록 위치하는 도전성 타겟을 포함하고; 제1 교번 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장을 나타내는 제1 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하며; 제2 교번 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장을 나타내는 제2 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하고; 상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 오차 값을 계산하기 위한 수단을 포함하며, 여기서 상기 오차 값은 적어도 부분적으로 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제2 신호에 기초하고; 상기 오차 값을 상기 제1 교번 시간 간격 동안에 상기 제1 신호에 적용하는 수단을 포함한다.
앞서의 특징들은 다음의 도면들의 설명으로부터 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다. 도면들은 본 발명에서 개시되는 기술을 설명하고 이해하는 데 기여한다. 모든 가능한 실시예들을 예시하고 설명하는 것은 흔히 현실적이지 않거나 가능하지 않기 때문에, 제공되는 도면들은 하나 또는 그 이상의 예시적인 실시예들을 도시한다. 이에 따라, 첨부된 도면들이 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 도면들에서 동일한 부호들은 동일한 요소들을 나타낸다.
도 1은 도전성 타겟을 감지하기 위한 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 시스템의 단면도이다.
도 3은 신호 처리 요소들을 포함하는 도전성 타겟을 감지하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 4는 신호 처리 요소들을 포함하는 도전성 타겟을 감지하기 위한 시스템의 다른 실시예의 블록도이다.
도 4a는 코일 및 자기장 센싱 요소들의 개략적인 도면이다.
도 5는 도 4의 시스템과 연관된 신호들의 그래프이다.
도 6은 반사 자기장의 강도 대 주파수의 그래프이다.
도 7은 도 4의 시스템의 동작의 모드들의 타이밍 그래프이다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "자기장 센싱 요소(magnetic field sensing element)"라는 용어는 자기장을 감지할 수 있는 다양한 전자 요소들을 기술하는 데 사용된다. 상기 자기장 센싱 요소는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 홀 효과(Hall Effect) 요소, 자기저항(magnetoresistance: MR) 요소, 또는 자기트랜지스터(magnetotransistor)가 될 수 있다. 알려진 바와 같이, 다른 유형들의 홀 효과 요소들, 예를 들면, 평면형 홀(planar Hall) 요소, 수직형 홀(vertical Hall) 요소 및 원형 수직 홀(circular vertical Hall: CVH) 요소가 존재한다. 또한 알려진 바와 같이, 다른 유형들의 자기저항 요소들, 예를 들면, 안티몬화인듐(InSb)과 같은 반도체 자기저항 요소, 거대 자기저항(GMR) 요소, 이방성 자기저항(AMR) 요소, 터널링 자기저항(TMR) 요소, 그리고 자기 터널 접합(MTJ) 요소가 존재한다. 상기 자기장 센싱 요소는 단일의 요소가 될 수 있거나, 선택적으로는 다양한 구성들, 예를 들어 하프 브리지 또는 풀(휘스톤(Wheatstone)) 브리지로 배열되는 둘 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들을 포함할 수 있다. 장치의 유형 및 다른 응용 요구 사항들에 따라, 상기 자기장 센싱 요소는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)과 같은 IV족 반도체 물질, 또는 갈륨-비소(GaAs) 혹은, 예를 들어, 안티몬화인듐(InSb)이나 인듐갈륨비소(InGaAs)와 같은 인듐 화합물과 같이 III-V족 반도체 물질로 이루어진 장치가 될 수 있다.
알려진 바와 같이, 전술한 자기장 센싱 요소들의 일부는 상기 자기장 센싱 요소를 지지하는 기판에 대해 평행한 최대 감도의 축을 가지는 경향이 있고, 전술한 자기장 센싱 요소들의 다른 것들은 상기 자기장 센싱 요소를 지지하는 기판에 대해 직교하는 최대 감도의 축을 가지는 경향이 있다. 특히, 평면형 홀 요소들은 기판에 대해 직교하는 감도의 축들을 가지는 경향이 있는 반면, 금속계 또는 금속성 자기저항 요소들(예를 들어, MR, TMR, AMR)과 수직형 홀 요소들은 기판에 대해 평행한 감도의 축들을 가지는 경향이 있다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "자기장 센서(magnetic field sensor)"라는 용어는 대체로 다른 회로들과 결합하여 자기장 센싱 요소를 사용하는 회로를 기술하는 데 사용된다. 자기장 센서들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 자기장의 방향의 각도를 감지하는 각도 센서, 전류를 운반하는 도체에 의해 운반되는 전류에 의해 발생되는 자기장을 감지하는 전류 센서, 강자성 물체의 근접을 감지하는 자기 스위치, 상기 자기장 센서가 백-바이어스(back-biased)되거나 다른 자석과 결합되어 사용되는 경우에 통과하는 강자성 물품들, 예를 들면, 링 자석 또는 강자성 타겟(예를 들어, 기어 톱니들)의 자기 도메인들을 감지하는 회전 검출기, 그리고 자기장의 자기장 밀도를 감지하는 자기장 센서를 포함하는 다양한 응용들에 사용된다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "타겟(target)" 및 "자성 타겟(magnetic target)"이라는 용어들은 자기장 센서 또는 자기장 센싱 요소에 의해 감지되거나 검출되는 물체를 설명하는 데 사용된다.
도 1은 도전성 타겟(101)을 검출하기 위한 시스템(100)의 사시도이다. 시스템(100)은 코일(104), 코일(106), 및 MR 요소(108)를 지지할 수 있는 기판(102)을 포함할 수 있다. 비록 하나의 MR 요소만이 도시되지만, MR 요소(108)는 상기 시스템(100)의 실시예에 따라 둘 또는 그 이상의 MR 요소들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 코일들(104, 106)은 별도의 기판들에 의해 지지될 수 있거나, 독립적인 코일들(즉, 기판에 의해 지지되지 않거나, 칩 패키지(chip package) 또는 프레임(frame)과 같은 다른 기판 구조에 의해 지지되는 코일들)이 될 수 있다.
타겟(101)은 상기 코일들(104, 106)에 의해 생성되는 자기장들이 타겟(101) 내에 와전류(eddy current)들을 유도하게 하는 금속과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
비록 도시되지 않지만, MR 드라이버 회로(driver circuit)는 MR 요소(108)에 전류를 제공할 수 있으며, 코일 드라이버 회로(110)는 코일들(104, 106)에 전류를 제공할 수 있다.
코일들(104, 106)은 화살표(109)(코일(104) 내의 시계 방향의 전류를 나타냄) 및 화살표(110)(코일(106) 내의 반시계 방향의 전류를 나타냄)로 도시한 바와 같이 전류가 대향하는 방향들로 코일들(104, 106)을 통해 흐르도록 정렬될 수 있다. 그 결과, 코일(104)은 화살표(112)로 나타낸 바와 같이 음의 Z 방향(즉, 도 1에서 아래)으로 자기 모멘트를 가지는 자기장을 생성할 수 있다. 유사하게, 코일(106)은 화살표(114)로 나타낸 바와 같이 대향하는 방향인 양의 Z 방향으로 자기 모멘트를 가지는 자기장을 생성할 수 있다. 양 코일들에 의해 생성되는 총 자기장(111)은 자기장 라인들(111)로 도시되는 경우와 유사한 형상을 가질 수 있다. 코일들(104, 106)이 상기 코일들을 통한 전류가 대향하는 방향들로 흐르도록 각기 감겨진 단일 코일 구조로 형성될 수 있는 점이 이해될 것이다. 선택적으로, 코일들(104, 106)은 별도의 코일 구조들로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, MR 요소(108)는 코일들(104, 106) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 배치에서, 코일들(104, 106)에 의해 생성되는 자기장들 이외의 임의의 다른 자기장들의 부존재에서, MR 요소(108)에서의 순(net) 자기장은 영(zero)이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 코일(104)에 의해 생성되는 자기장의 음의 Z 성분은 상기 코일(106)에 의해 생성되는 자기장의 양의 Z 성분과 상쇄될 수 있고, 상기 기판(102) 위에 도시된 자기장의 음의 X 성분은 상기 기판(102) 아래에 도시된 자기장의 양의 X 성분과 상쇄될 수 있다. 다른 실시예들에서, 추가적인 코일들이 기판(102)에 추가될 수 있으며, 상기 MR 요소(108)에서의 순 자기장이 실질적으로 영이 되도록 정렬될 수 있다.
상기 MR 요소(108)의 위치에서 실질적으로 영의 자기장을 구현하기 위해, 코일(104) 및 코일(106)은 상기 코일들을 통한 전류가 실질적으로 동일한 평면 내에서 원형의 패턴들로 흐르도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 코일들(104, 106)을 통한 전류는 상기 코일들을 통해 원형의 패턴들로 흐른다. 도시한 바와 같이, 이들 원형의 패턴들은 서로에 대해서 및 기판(102)의 상부 표면(116)과 실질적으로 동일 평면상에 있다.
코일(104 및/또는 106)에 연결되는 코일 드라이버(도 1에는 도시되지 않음)는 교번 자기장을 생성할 수 있다. 이러한 배치에서, 상기 자기장 라인들(111)로 도시한 자기장은 시간에 따라 방향 및 크기가 변화될 수 있다. 그러나 이들 변화들 동안, 상기 MR 요소(108)의 위치에서의 자기장은 실질적으로 영으로 남을 수 있다.
동작 시에, 타겟(101)이 MR 요소(108)를 향하고 이로부터 멀어지게(즉, 상기 양의 및 음의 Z 방향으로) 이동함에 따라, 자기장(111)은 와전류들이 타겟(101) 내로 흐르게 할 것이다. 이들 와전류들은 이들 자신들의 자기장들을 생성할 것이고, 이는 상기 MR 요소(108)의 평면 내에서 영이 아닌 자기장을 생성할 것이며, 영이 아닌 자기장은 타겟(101)의 동작이나 위치를 검출하기 위해 감지될 수 있다.
도 2를 참조하면, Y 방향으로의 라인(118)(도 1에서)에서 바라볼 경우에 시스템(100)의 단면도(150)는 상기 타겟(101) 내의 와전류들을 예시한다. 기호 'x'는 도면 속으로 흐르는 전류를 나타내고, 기호 'ㆍ'는 도면 밖으로 흐르는 전류를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 상기 코일들(104, 106)을 통한 전류는 자기장(111)의 교번 강도를 가져올 수 있는 교류 전류가 될 수 있다. 실시예들에서, 상기 코일(104)을 통한 교류 전류의 위상은 자기장(111)이 교번 또는 주기적 자기장이 되도록 상기 코일(106)을 통한 교류 전류의 위상과 정합된다.
교번 자기장(111)은 자성 타겟(103) 내에 와전류들(140, 142)을 생성할 수 있다. 와전류들(140, 142)은 각기 상기 코일들(104, 106)을 통해 흐르는 전류에 대해 대향하는 방향이 될 수 있다. 도시한 바와 같이, 와전류(148)는 도면 밖으로 흐르고, 와전류(140)는 도면 속으로 흐르는 반면, 코일 전류(151)는 도면 속으로 흐르고, 전류(152)는 도면 밖으로 흐른다. 또한, 도시한 바와 같이, 상기 와전류(142) 방향은 상기 코일(106)을 통한 전류의 방향과 반대이다.
와전류들(140, 142)은 자기장(111)에 반대의 방향을 가지는 반사 자기장(reflected magnetic field)(154)을 발생시킨다. 전술한 바와 같이, MR 요소(108)는 자기장(111)으로 인하여 영의 순 자기장을 검출한다. 그러나 MR 요소(108)는 상기 반사 자기장(154)의 존재에서 영이 아닌 자기장을 검출할 것이다. 자기장 라인(156)으로 예시한 바와 같이, 상기 반사 자기장(154)의 값은 MR 요소(108)에서 영이 아니다.
타겟(101)이 코일들(104, 106)에 보다 가깝게 이동하면서, 자기장(111)은 타겟(101) 내에 보다 강한 와전류들을 생성할 수 있다. 그 결과, 상기 반사 자기장(154)의 강도가 변화될 수 있다. 예를 들면, 예를 들면, 코일들(104, 106)에 대한 타겟(101)의 보다 가까운 근접으로 인하여 자기장(111')(도 2의 오른쪽 패널 내)은 자기장(111)보다 강한 자기장을 나타낼 수 있다. 따라서, 와전류들(140', 142')은 와전류들(140, 142)보다 강한 전류들이 될 수 있고, 자기장(154')은 자기장(154)보다 강한 자기장이 될 수 있다. 이러한 현상은 MR 요소(108)가 타겟(101)이 코일들(104, 106)에 보다 가까울 때에 보다 강한 자기장(즉, 자기장(154'))을 검출하고, 타겟(101)이 코일들(104, 106)로부터 보다 멀 때에 보다 약한 자기장(즉, 자기장(154))을 검출하는 결과를 가져올 수 있다.
또한, 와전류들(140', 142')은 대체로 표면상이나 부근에서 일어난다. 자기장 강도는 반경의 함수-즉 상기 자기장의 소스로부터의 거리의 함수로서 약해진다. 이에 따라, 타겟(101)이 MR 요소(108)에 보다 가깝게 이동하면서, MR 요소(108)는 상기 자기장의 소스가 MR 요소(108)에 보다 가깝기 때문에 상기 와전류들로부터 보다 강한 자기장을 겪을 수 있다.
도 3은 코일(302), 코일 드라이버(304), AC 드라이버(310), MR 드라이버(308), MR 요소(306), 증폭기(amplifier)(314), 저역 통과 필터(low pass filter)(318), 온도 센서(320), 물질 유형 모듈(material type module)(322), 오프셋 모듈(offset module)(324), 그리고 세그먼트 선형화 모듈(segmented linearization module)(326)을 포함할 수 있는 자기장 센서(300)의 블록도이다.
비록 단일의 코일로 도시되지만, 코일(302)은 하나 또는 그 이상의 코일들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 코일(302)은 상술한 코일(104) 및/또는 코일(106)과 동일하거나 유사할 수 있다. 유사하게, MR 요소(306)는 하나 또는 그 이상의 MR 요소들을 포함할 수 있으며, 상술한 MR 요소(108)와 동일하거나 유사할 수 있다.
코일 드라이버(304)는 코일(302)을 통해 전류를 구동시키는 동력 신호를 제공할 수 있으며, 이에 따라 코일(302)이 자기장을 발생시키게 할 수 있다. MR 드라이버(308)는 MR 요소들(306)에 동력을 제공할 수 있으며, 이들이 자기장들을 검출하게 할 수 있다.
MR 요소(306)는 센싱 요소 구동 신호(예를 들어, 상기 MR 드라이버(308)에 의해 생성되는 신호)에 반응할 수 있으며 코일(302)에 의해 발생되는 직접 결합 자기장(directly-coupled magnetic field)을 검출하도록 구성될 수 있다. MR 요소(306)는 검출된 자기장을 나타내는 신호(312)를 생성할 수 있다. MR 요소(306)는 또한 타겟(101)과 같은 타겟 내의 와전류들에 의해 생성되는 반사 자기장을 검출하도록 구성될 수 있다.
도시한 바와 같이, AC 드라이버(310)는 코일 드라이버(304)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 코일 드라이버(304)는 코일(302)을 구동시키기 위해 낮은 주파수 신호를 생성할 수 있다. 상기 주파수는 상기 코일(302)에 의해 생성되는 자기장이 타겟(101)으로부터 와전류들 및 반사 자기장을 유도하지 않도록 충분히 낮을 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 주파수는 영(즉, "DC" 주파수)이다.
코일(302)은 MR 요소(306)에 의해 검출될 수 있는 DC(또는 실질적으로 낮은 주파수 AC) 자기장을 생성할 수 있지만, 상기 타겟 내에 와전류들을 생성하지는 않는다. 상기 DC(또는 실질적으로 낮은 주파수 AC) 자기장의 검출에 의해 생성되는 신호는 상기 자기장 센서의 감도를 조정하는 데 이용될 수 있다.
코일(302)은 또한 상기 타겟 내에 와전류들을 유도하는 보다 높은 주파수들에서의 AC 자기장을 생성할 수 있으며, 이는 MR 요소(306)에 의해 검출될 수 있는 이들 보다 높은 주파수들에서의 반사 자기장을 생성한다. 코일(302)은 교번하여 상기 낮은 주파수 자기장 및 상기 높은 주파수 자기장을 생성할 수 있다.
[068] MR 요소(306)는 신호(312)를 생성할 수 있으며, 이는 상기 타겟 내에 와전류들을 유도하지 않는 상기 보다 낮은 주파수 자기장을 나타내는 DC 또는 실질적으로 낮은 AC 주파수에서의 주파수 성분들(예를 들어, "직접 결합(directly coupled)" 신호 또는 신호 성분) 및/또는 상기 검출된 반사 자기장을 나타내는 상기 보다 높은 AC 주파수에서의 주파수 성분들(예를 들어, "반사(reflected)" 신호 또는 신호 성분)을 생성한다. 실시예들에서, 상기 직접 결합 신호들은 상기 센서의 감도를 조정하는 데 이용될 수 있는 반면, 상기 반사 신호들은 상기 타겟을 검출하는 데 이용될 수 있다. 코일 드라이버(304) 및/또는 MR 드라이버(308)는 감도 신호가 이들 각각의 출력 구동 신호들을 조정함에 따라 상기 감도 신호에 대응하여 상기 직접 결합 신호들를 이용할 수 있다.
실시예들에서, 상기 직접 결합 신호 및 상기 반사 신호는 동일한 신호의 주파수 성분들로서 포함될 수 있다. 이 경우, 코일(302)은 동일한 시간에 두 주파수 성분들을 생성하도록 구동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 직접 결합 신호 및 상기 반사 신호들의 발생은, 예를 들면 시분할 다중화(time-division multiplexing) 계획을 이용하여 다른 시간들에서 발생될 수 있다.
센서(300)는 또한 상기 신호로부터 AC 성분을 제거하거나, 상기 신호 내의 AC 성분을 다른 주파수로 시프트하기 위해 신호(316)를 변조할 수 있는 복조기 회로(demodulator circuit)(350)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 복조기 회로(350)는 주파수(f)에서의 신호(316)를 변조할 수 있다. 해당 기술 분야에 알려진 바와 같이, 신호(316)가 상기 검출된 자기장을 나타내는 주파수(f)에서의 신호 성분들을 포함하기 때문에, 주파수(f)에서의 신호(316)를 변조하는 것은 상기 검출된 자기장을 나타내는 신호 요소들을 0㎐ 또는 DC로 시프트할 수 있다. 신호(316) 내의 다른 주파수 성분들은 보다 높은 주파수들로 시프트될 수 있으므로, 이들은 저역 통과 필터(318)에 의해 제거될 수 있다. 실시예들에서, 감도 값을 나타낼 수 있는 상기 신호(316)의 DC 또는 낮은 주파수 성분은 상기 신호에 대응하여 코일(302)의 출력을 조정하도록 코일 드라이버(304) 및/또는 상기 감도 값에 대응하여 구동 신호(309)를 조정하도록 MR 드라이버(308)로 다시 공급될 수 있다. DC 출력 신호(352)는 MR 요소(306)에 대한 상기 타겟의 근접을 나타낼 수 있다.
다른 실시예들에서, 시분할 다중화 계획이 이용될 수 있다. 예를 들면, 코일 드라이버(304)는 제1 시간 간격 동안에 제1 주파수에서, 제2 시간 간격 동안에 제2 주파수 등에서 코일(302)을 구동시킬 수 있다. 일부 예들에서, 상기 제1 및 제2(및 후속하는) 시간 간격들은 중첩되지 않는다. 다른 예들에서, 상기 제1 및 제2 시간 간격들은 중첩될 수 있다. 이들 예들에서, 코일 드라이버(304)는 동시에 둘 또는 그 이상의 주파수들에서 코일(302)을 구동시킬 수 있다. 상기 제1 및 제2 시간 간격들이 중첩되지 않을 때, 복조기(350)는 상기 코일 드라이버(304)와 동일한 주파수에서 동작할 수 있다. 상기 시간 간격들이 중첩될 때, 다중의 변조기(modulator)들이 각 주파수에서 상기 신호들을 분리하기 위해 상기 제1 주파수에서 제1 작동으로 및 상기 제2 주파수에서 제2 작동으로 사용될 수 있다.
상기 반사 자기장(및 이에 따른 상기 검출된 타겟)의 정확한 판독을 구현하기 위해 상기 MR 요소(306)가 검출하는 상기 직접 결합 자기장을 감소시키는 것이 유리할 수 있지만, 산정되는 감도 값을 허용하는 직접 결합(즉, 상기 코일(302)에 의해 생성되는 자기장을 직접 검출하는)의 일부 양을 가지는 것도 유리할 수 있다. 상기 타겟에 의해 반사되는 자기장 및 상기 코일에 의해 직접적으로 발생되는 자기장 모두의 동시 측정은 상기 MR 요소들의 감도, 코일 구동 전류 등과 독립적으로 상기 물체의 거리를 정확하게 결정하게 한다. 상기 MR 요소들의 감도는 온도 및/또는 상기 MR 어레이의 평면 내의 원치 않는 DC 또는 AC 표유 자기장(stray field)들의 존재로 변화될 수 있다. 상기 반사 자기장 및 상기 직접 결합 자기장 사이의 비율은 단지 기하학적 설계에 의존하며, 이에 따라 거리를 정확하게 결정하는 우수한 파라미터가 된다.
실시예들에서, 주파수 도약(frequency hopping) 계획이 이용될 수 있다. 예를 들면, 코일 드라이버(304)는 다른 주파수들(예를 들어, 시간에 걸쳐 주파수들 사이에서 교번되거나, 다중의 주파수들을 포함하는 신호를 생성하는)에서 코일(302)을 구동시킬 수 있다. 이러한 실시예들에서, 센서(300)는 각 주파수에서 신호를 검출하도록 다중의 복조기 회로들 및/또는 필터들을 포함할 수 있다.
코일 및 반사 자기장을 이용하는 자기장 센서들의 추가적인 예들은 본 출원과 동일자로 출원되었고, 대리인 고유 번호가 ALLEG-590PUS이며, 발명자가 A. Latham으로 기록되어 있고, 본 출원의 양수인에게 양도되었으며, 출원 번호가 제15/606,358호이고, 이는 여기에 전체적으로 참조로 포함되는 미국 특허 출원(발명의 명칭: "반사 자기장을 갖는 코일 구동 위치 센서(COIL ACTUATED POSITION SENSOR WITH REFLECTED MAGNETIC FIELD)")에서 찾아볼 수 있다.
도 4는 도전성 타겟을 검출하기 위한 자기장 센서(400)의 블록도이다. 자기장 센서(400)는 자기장을 발생시키기 위한 코일(402), 코일(402)을 통해 전류를 구동시키기 위한 코일 드라이버(404), 그리고 자기장들을 검출하기 위한 자기장 센싱 요소들(406, 408)을 포함한다. 코일 드라이버(404)는 다른 크기 및 다른 주파수 through 코일(402)을 통해 다른 크기 및 다른 주파수의 전류를 구동시킬 수 있는 조정 가능한 코일 드라이버가 될 수 있다. 예를 들면, 코일 드라이버(404)는 제1 시간 간격 동안에 제1 주파수를 가지는 AC 전류 및 제2 시간 간격 동안에 제2 주파수를 가지는 전류를 구동시킬 수 있다. 실시예들에서, 상기 제1 주파수는 상기 도전성 타겟 내에 와전류들 및 그로부터 반사 자기장을 생성하기에 충분히 높고, 상기 제2 주파수는 상기 도전성 타겟으로부터의 임의의 반사 자기장이 자기장 센싱 요소들(406, 408)에 의해 실질적으로 검출되지 않을 수 있도록 충분히 낮을 수 있다. 실시예들에서, 상기 제2 주파수는 영의 주파수 또는 "DC" 주파수가 될 수 있다.
자기장 센싱 요소들(406, 408)은 MR 요소들, 홀 효과 요소들, 또는 다른 유형의 자기장 센싱 요소가 될 수 있다. 실시예들에서, 도 4에 도시한 자기장 센싱 요소들(406, 408)은 다중의 홀 요소 또는 MR 요소들을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 각 블록(406, 408)은 각기 차동 출력 신호들(412, 414)을 생성하도록 브리지 형성으로 배열되는 둘, 넷, 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들을 나타낼 수 있다. 다른 실시예들에서, 자기장 센싱 요소들(406, 408)은 싱글 엔디드(single ended) 출력 신호들을 생성할 수 있다.
자기장 센싱 요소들(406, 408)은 직접 결합 자기장을 검출할 수 있고(즉, 이들은 상기 코일(402)에 의해 생성되는 자기장을 직접적으로 검출할 수 있고), 상기 도전성 타겟(예를 들어, 도 1의 타겟(101)) 내의 와전류들에 의해 생성되는 반사 자기장을 검출할 수 있다. 실시예들에서, 자기장 센싱 요소들(406, 408)은 이들의 최대 감도의 축들이 대향하는 방향들이 되도록 정렬될 수 있다. 예를 들면, 상기 직접 결합 자기장을 센싱할 때, 상기 MR 요소(406)는 상기 MR 요소(408)에 의해 생성되는 신호와 동일한 절대 값을 갖지만 반대의 부호를 가지는 신호를 생성할 수 있다. 상기 최대 감도의 축들은 또한 상기 MR 요소들(406, 408)이 상기 반사 자기장을 검출할 때에 생성되는 신호들이 반대의 부호들을 가지지 않도록 정렬될 수 있다. 실시예들에서, 이는 코일(402) 내에 카운터코일(countercoil)을 포함함에 의해 유발될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 코일(448)은 코일(402)과 동일하거나 유사할 수 있다. MR 요소들(1-4)은 MR 요소(406)를 포함할 수 있거나, 이와 동일하거나 유사할 수 있으며, MR 요소들(5-8)은 MR 요소(408)를 포함할 수 있거나, 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들면, MR 요소들(1-4)은 MR 요소(406)와 동일하거나 유사한 MR 브리지를 형성할 수 있고, MR 요소들(5-8)은 MR 요소(408)와 동일하거나 유사한 MR 브리지를 형성할 수 있다.
코일(452)은 트레이스들(454A, 454B, 456A, 456B) 및 카운터코일 부분들(454, 456)을 포함할 수 있다. 상기 카운터코일 부분들(454, 456)은 상기 반사 자기장에 대한 MR 요소들(1-8)의 반응을 감소시키고, 상기 직접 결합 자기장에 대한 MR 요소들(108)의 반응을 증가시키는 MR 요소들 주위의 국소 자기장을 생성할 수 있다. 상기 카운터코일 부분들(454, 456)에 의해 생성되는 국소 자기장은 상기 트레이스들(454A, 454B, 456A, 456B)에 의해 생성되는 자기장의 방향과 반대의 방향을 가질 수 있다.
도 4a에서, 카운터코일 부분들(454, 456)을 통한 전류가 시계 방향으로 진행되는 것으로 도시된다. 비록 도시되지 않지만, 다른 실시예들에서, 카운터코일 부분들(454, 456)을 통한 전류는 반시계 방향으로 진행될 수 있다.
상기 MR 요소들(1-4)을 포함하는 브리지의 차동 출력은 상기 MR 요소들(2, 3) 사이의 직렬 접속 노드에서의 전압 아래의 상기 MR 요소들(1, 4) 사이의 직렬 접속 노드(series connection node)에서의 전압으로 정의될 수 있으며, 상기 MR 요소들(5-8)을 포함하는 브리지의 차동 출력은 상기 MR 요소들(6, 7) 사이의 직렬 접속 노드에서의 전압 아래의 상기 MR 요소들 사이의 직렬 접속 노드에서의 전압으로 정의될 수 있다. 반사 자기장이 존재하지 않는 경우를 고려하면, 상기 MR 요소들(1, 4)이 겪는 직접 결합 자기장은 상기 MR 요소들(2, 3)이 겪는 직접 결합 자기장에 대향될 수 있다. 다시 말하면, 상기 MR 요소들은 이들이 보다 강한 직접 결합 자기장을 겪으면서 상기 MR 요소들(1, 3)의 저항이 증가될 수 있고, 상기 MR 요소들(2, 4)의 저항이 감소될 수 있도록 위치할 수 있다. 또한, MR 요소들은 이들이 보다 강한 직접 결합 자기장을 겪으면서 상기 MR 요소들(5, 7)의 저항이 증가될 수 있고 상기 MR 요소들(6, 8)의 저항이 감소될 수 있도록 배치될 수 있다.
이제 타겟 및 반사 자기장이 존재하는 상황을 고려하면, 상기 카운터코일들(454, 456)에도 불구하고, 상기 MR 요소들(1-8)은 양 브리지들에 공통되는 균일한 자기장으로서 상기 반사 자기장을 겪을 수 있다. 따라서 상기 반사 자기장은 상기 MR 요소들(1-4)을 포함하는 브리지의 차동 출력이 상기 MR 요소들(5-8)을 포함하는 브리지의 차동 출력과 동일한 방향으로 시프트되게 할 수 있다. 따라서 상기 반사 자기장 성분은 상기 MR 브리지들의 차동 출력들을 합산하거나 감산하여 상기 MR 브리지들의 출력들의 상기 직접 결합 자기장 성분과 구별될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 자기장 센서(400)는 또한 신호들(412, 414)을 증폭하기 위한 증폭기(amplifier)들(416, 418)과 같은 신호 처리 요소들, 변조기들(420, 422), 그리고 신호들(412, 414)을 처리하기 위한 아날로그-디지털 컨버터(ADC)들(424, 426)을 포함할 수 있다. 변조기들(420, 422)은 상기 MR 요소들로부터의 신호와 상기 코일 드라이버(404)의 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 곱할 수 있다. 이는 후속하는 처리를 위해 상기 주파수를 DC로 시프트시킬 수 있다.
실시예들에서, 코일 드라이버(402)는 제1 시간 간격 동안에 하나의 주파수(F1)에서 및 제2 시간 간격 동안에 다른 주파수(F2)에서 코일(402)을 구동시킬 수 있다. 따라서 변조기들(420, 422)은 상기 MR 요소들로부터의 신호들을 상기 제1 시간 간격 동안에 주파수(F1)와 곱하며, 상기 제2 시간 간격 동안에 주파수(F2)와 곱하도록 구성될 수 있다. 변조기들(420, 422)은 상기 신호들을 코일(402)을 구동시키는 동일한 주파수와 곱하여 상기 신호를 DC로 시프트시킬 수 있다.
자기장 센서(400)는 또한 자기장 센싱 요소들에 동력을 제공할 수 있는 MR 드라이버(410)를 포함할 수 있다. MR 드라이버는 교번하는 시간 간격들 동안에 자기장 센싱 요소(406 또는 408)에 동력을 인가하거나, 제거할 수 있다. 예를 들면, 자기장 센싱 요소(406)가 동작할 수 있고, 자기장 센싱 요소(408)가 하나의 시간 간격 동안에 동작하지 않을 수 있다. 제2 시간 간격 동안, 자기장 센싱 요소(408)가 동작할 수 있고, 자기장 센싱 요소(406)가 동작하지 않을 수 있다. 선택적으로, MR 드라이버는 동시에 두 자기장 센싱 요소들(406, 408)에 동력을 제공할 수 있거나, 이들로부터 동력을 제거할 수 있다.
자기장 센서(400)는 또한 상기 자기장 센서의 오차 값(error value)을 계산하기 위한 처리 회로부를 포함할 수 있다. 합산 회로(summation circuit)(428)는 신호(V1) 및 신호(V2)의 합을 제공할 수 있다. 감산 회로(subtraction circuit)(430)는 값(V1-V2)을 계산할 수 있다. 분할 회로(division circuit)(432)는 (V1+V2)/(V1-V2)의 값을 나타낼 수 있는 출력 신호(434)를 생성하도록 상기 합산 회로(428)로부터의 신호를 상기 감산 회로(430)로부터의 신호로 나눌 수 있다. V1이 자기장 센싱 요소(406)에 의해 생성되는 신호(412)의 디지털 표현이 될 수 있고, 신호(V2)가 자기장 센싱 요소(408)에 의해 생성되는 신호(414)의 디지털 표현이 될 수 있는 점에 유의한다.
샘플링 회로(sampling circuit)들(436, 438)은 각기 상기 합산 회로(428) 및 감산 회로(430)의 출력을 상기 분할 회로(432)의 입력들에 선택적으로 연결할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 상기 합산 회로(428)로부터의 신호(V1+V2)가 상기 제1 시간 간격 동안에 샘플링될 수 있고, 상기 감산 회로(430)로부터의 신호(V1-V2)가 상기 제2 시간 간격 동안에 샘플링될 수 있다. 이에 따라, 분할 회로는 신호(434)를 생성하도록 상기 제1 시간 간격 동안에 샘플링된 (V1-V2) 인자를 상기 제2 시간 간격 동안에 샘플링된 (V1+V2) 인자 로 나눌 수 있다.
동작 동안에, 자기장 센서(400)는 제1 시간 간격 및 제2 시간 간격 동안에 상태들을 교번시킬 수 있다. 상기 제1 시간 간격 동안, 코일 드라이버(404)는 코일(402)을 주파수(F1)을 갖는 전류로 구동시킬 수 있다. 상기 코일(402)에 의해 생성되는 자기장은 주파수(F1)에서 와전류들 및 반사 자기장을 유도할 수 있다. 자기장 센싱 요소들(406, 408)은 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 코일(402)로부터의 직접 결합 자기장 및 상기 타겟으로부터의 반사 자기장을 검출할 수 있다. 전술한 바와 같이, 자기장 센싱 요소들은 자기장 센싱 요소들(406, 408)이 반대의 부호를 갖는 상기 직접 결합 자기장을 검출하고, 동일한 부호를 갖는 상기 반사 자기장을 검출하도록 정렬될 수 있다.
상기 제1 시간 간격 동안, 샘플링 회로(436)는 상기 신호(V1+V2)가 분할 회로(434)로 지나가게 할 수 있는 반면, 샘플링 회로(438)는 상기 신호(V1-V2)가 분할 회로(434)로 지나가지 못하게 할 수 있다.
상기 제2 시간 간격 동안, 코일 드라이버(404)는 주파수(F2)를 갖는 전류로 코일(402)을 구동시킬 수 있다. 상기 코일(402)에 의해 생성되는 자기장은 주파수(F2)에서 와전류들 및 반사 자기장을 유도할 수 있다. 자기장 센싱 요소들(406, 408)은 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 코일(402)로부터의 직접 결합 자기장 및 상기 타겟으로부터의 반사 자기장을 검출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 주파수(F2)는 상당한 와전류들 또는 자기장 센싱 요소들(406, 408)에 의해 검출될 수 있는 반사 자기장을 유도하지 않도록 충분히 낮다. 이와 같은 실시예에서, 자기장 센싱 요소들(406, 408)은 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 직접 결합 자기장만을 검출할 수 있다.
상기 제2 시간 간격 동안, 샘플링 회로(438)는 상기 신호 (V1-V2)가 분할 회로(434)로 지나가게 할 수 있는 반면, 샘플링 회로(436)는 상기 신호 (V1+V2)가 분할 회로(434)로 지나가지 못하게 할 수 있다.
상기 제1 및 제2 시간 간격들 동안에 취해지는 샘플들이 이용 가능하게 된 후, 분할 회로(434)는 (V1+V2)/(V1-V2)를 나타내는 출력 신호(434)를 계산할 수 있으며, 여기서 (V1+V2)는 상기 제1 시간 간격 동안에 샘플링되었고, (V1-V2)는 상기 제2 시간 간격 동안에 샘플링되었다. 주파수(F2)가 상기 제2 시간 간격 동안에 반사 자기장을 유도하지 않는 실시예들에서, 상기 (V1+V2) 항목은 상기 직접 결합 및 반사 자기장들을 나타낼 수 있는 반면, 상기 (V1-V2) 항목은 상기 직접 결합 자기장만을 나타낼 수 있다.
실시예들에서, 신호(434)는 자기장 센서(400)의 자기장의 오차, 예를 들어, 상기 자기장 센싱 요소들 사이의 부정합 오차(mismatch error)를 결정하는 데 이용될 수 있다. 상기 오차는 또한 노이즈, 간섭, 외부 자기장들 등을 기초로 할 수 있다. 일부 경우들에서, 예를 들면 자기장 센싱 요소들(406, 408)이 상기 타겟으로부터 반사 자기장을 검출하고 있을 때, 상기 자기장 센서의 오차는 상기 자기장 센싱 요소들(406, 408)로부터의 타겟의 위치 또는 거리 및 상기 반사 자기장의 주파수와 강도의 함수가 될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 자기장(상기 "반사 자기장 오차(reflected field error)")으로 인한 오차의 일부는 비선형 오차(non-linear error)가 될 수 있다. 상술한 바와 같이, 두 주파수들에서 직접 결합 및 반사 자기장들을 측정함에 의해, 자기장 센서(400)는 상기 반사 자기장으로 인한 상기 오차를 보상할 수 있다.
상기 제1 주파수(F1) 및 제2 주파수(F2)가 영이 아닌 경우, 자기장 센서(400)는 상기 두 주파수 지점들을 이용하여 상기 자기장 오차를 추론하거나 보간함으로써 상기 반사 자기장 오차를 보상할 수 있다. 상기 기술은 또한 F1이 영이 아니고 F2가 영이거나, 자기장 센서들(406, 408)에 의해 검출 가능한 반사 자기장이 존재하지 않도록 충분히 낮은 경우에 이용될 수 있다. 이 경우, 주파수 지점들 중의 하나에서 상기 반사 자기장 강도가 영이기 때문에 상기 오차 값을 결정하는 계산이 단순화될 수 있다. 예를 들면, 앞서의 F2가 영인 경우의 예에서, 상기 오차 값(V1-V2)은 상기 오차 값(V1-V2)이 측정될 때에 반사 자기장이 존재하지 않기 때문에 상기 반사 자기장에 의존하지 않을 수 있으며, 이에 따라 not 상기 타겟의 위치에 의존하지 않을 수 있다.
통상적인 시스템에서, V1 및 V2는 다음의 공식들로 설명될 수 있다.
Figure pct00001
여기서, I는 상기 코일(402)을 통한 전류이고, K1 및 K2는 각기 상기 자기장 센싱 요소들(406, 408)의 결합 계수(coupling factor)들이며, r(x)는 상기 반사 자기장 및 상기 직접 결합 자기장 사이의 비율이고, S는 자기장 센싱 요소들(406, 408) 사이의 감도의 부정합을 나타내는 감도 부정합 인자이다. r(x)이 상기 타겟의 위치의 함수가 될 수 있는 점에 유의한다. 상기 값(q)은 K2=q*K1이 되게 하는 K1 및 K2 사이의 비율이다.
또한, 상기 타겟(PNc)의 위치는 다음의 공식으로 설명될 수 있다.
Figure pct00002
V1 및 V2를 대체하여, 상기 PN에 대한 공식은 다음과 같이 정리될 수 있다.
Figure pct00003
상기 공식 (4)는 다음과 같이 정리될 수 있다.
Figure pct00004
여기서, 다음 공식들과 같다.
Figure pct00005
q=-1(상술한 반대의 신호들을 갖는 직접 결합 자기장을 검출하는 자기장 센싱 요소들(406, 408)에 대응)로 상정할 경우, 공식 (4)는 다음과 같이 단순화될 수 있다.
Figure pct00006
일 예로서, r(x)이 0.5이고, SM=0.01(자기장 센싱 요소들 사이의 1% 부정합을 나타냄)일 경우, 공식 (8)은 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00007
이는, 이러한 예에서, 자기장 센싱 요소들 사이의 1% 부정합이 상기 위치에서 0.7% 오차와 연관되는 것을 나타낸다. 또한, 이러한 오차는 앞서의 공식 (4)에 나타낸 바와 같이 상기 타겟의 위치의 함수가 될 수 있다. 그러나, 동작 및 보정 동안의 시간 다중화 및 상기 자기장의 주파수를 변화시키는 것은 상기 위치에서 오차를 감소시킬 수 있다.
도 5를 이에 참조하면, 그래프(500)는 보정(calibration)("cal") 모드 및 정상 동작 모드 동안의 자기장 센서(400)의 동작을 예시한다. 파형(502)은 보정 모드 및 정상 모드 사이에서 자기장 센서 시스템(400)을 전환시키는 컨트롤 신호를 나타낸다. 파형(504)은 신호(V1)를 나타내고, 파형(506)은 신호(V2)를 나타낸다. 신호(508)는 상기 코일 드라이버(404)의 출력을 나타낸다. 보정 보드 동안, 파형(508)은 DC 파형이며, 상기 코일(402)에 의해 생성되는 자기장이 영의 주파수를 갖는 것을 나타낸다. 따라서 보정 보드 동안에 상기 타겟은 반사 자기장을 생성하지 않을 수 있다. 도시한 바와 같이, 파형(504, 506)(신호들(V1 및 V2)에 대응)은 또한 DC 파형들일 수 있다.
보정 보드 동안, 상술한 바와 같이 상기 오차 값(V1-V2)이 계산될 수 있다. (V1-V2)가 보정 보드 동안에 계산되기 때문에, 상기 (V1-V2) 항목은 상기 반사 자기장의 측정들을 포함하지 않을 수 있고, 상기 타겟의 위치로 인한 오차들을 포함하지 않을 수 있다.
정상 모드 동안, 상기 (V1+V2) 항목이 상술한 바와 같이 계산될 수 있다. (V1+V2)가 정상 모드 동안에 계산되기 때문에, 상기 (V1+V2) 항목은 상기 반사 자기장의 측정들을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 타겟의 위치로 인한 오차들을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 자기장 센서(400)는 보정 보드 및 정상 모드 사이의 교번하는 동작을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 보정 보드 동안에 취해지는 측정들이 상기 반사 자기장에 의존하지 않기 때문에, 자기장 센서(400)는 정상 모드보다 덜 빈번하게 보정 모드로 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 보정 보드는 시동 동안에 한 번만 수행될 수 있으며, 상기 (V1-V2) 항목이 상기 시스템 오차의 계산 동안에 저장되고 재사용될 수 있다. 다시 말하면, 다음과 같다.
Figure pct00008
T1이 상기 정상 모드에 대응되고, T2가 보정 보드에 대응될 경우, 공식 (5) 및 공식 (10)을 이용하여, 다음의 공식들이 유도될 수 있다.
Figure pct00009
상기 off 및 G' 항목들은 모두 r(x)와 독립적이며, 이에 따라 상기 타겟의 위치로 인한 오차와 독립적이다. 따라서 상기 타겟 위치(PN)는 타겟 위치로 인한 비선형성 오차의 포함 없이 계산될 수 있다.
도 6을 이제 참조하면, 그래프(600)는 상기 반사 자기장의 검출 대 코일(402)을 구동시키는 신호의 주파수를 나타내는 파형(602)을 포함한다. 수평 축은 주파수를 나타내고, 수직 축은 상기 자기장 센싱 요소들에 의해 검출되는 밀리-가우스(Gauss)의 반사 자기장을 나타낸다. 상기 주파수는 보정 보드 동안에 검출된 반사 자기장이 무시될 수 있을 정도로 충분히 낮게 선택될 수 있다. 도시한 예에서, 0.0001㎒ 또는 그 이하의 주파수는 지점(606)으로 도시한 바와 같이 영의 반사 자기장을 가져올 수 있다. 실시예들에서, 결과적인 반사 자기장이 무시될 수 있거나, 상기 시스템의 오차를 측정하기 위한 시스템 공차들 이내일 경우에 보다 높은 주파수들이 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 그래프(800)는 보정 보드 및 정상 모드 사이의 타이밍(timing)을 예시하며, 여기서 다른 주파수들이 정상 모드 동안에 코일(402)을 구동시키는 데 이용된다. 코일(402)이 단일 주파수에서 구동될 경우, 자기장 센서는 상기 주파수에서 방출을 방사할 수 있다. 정상 모드 동안에 상기 코일(402)을 구동시키는 주파수를 변화시키는 것은, 특정한 경우들에서, 상기 장치의 방사된 방출의 주파수를 감소시키거나 변화시킬 수 있다.
도 7에서, 파형(802)은 정상 모드 또는 보정 보드를 나타내고, 파형(804)은 상기 코일(402)을 구동시키는 주파수를 나타낸다. 상기 제1 보정 보드(806) 동안, 상기 주파수(804)는 f1, f3, f4, f5, f6 등 사이에서 전환될 수 있다. 보정 보드(808) 동안, 코일(402)은 상술한 바와 같이 DC 신호에 의해 구동될 수 있다. 상기 자기장 센서가 다시 정상 동작 모드(810)로 들어갈 때, 상기 주파수는 f4, f3, f7, f1 등 사이에서 전환될 수 있다. 다른 실시예들에서, 각 보정 보드는 단일 주파수에서 코일(402)을 구동시킬 수 있지만, 상기 주파수가 각 보정 보드로 변화될 수 있다. 또한, 도 8에는 주파수들을 변화시키는 특정한 순서가 도시된다. 그러나 해당 기술 분야의 숙련자는 주파수들을 변화시키는 것의 임의의 순서나 패턴이 이용될 수 있는 점을 이해할 것이다.
상술한 바에서는 본 발명의 주제인 다양한 개념들, 구조들 및 기술들을 예시하는 데 기여하는 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 이들 개념들, 구조들 및 기술들을 포괄하는 다른 실시예들도 이용될 수 있는 점이 명확해질 것이다. 이에 따라, 본 발명의 범주가 설시된 실시예들에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위의 사상과 범주에 의해서만 한정되는 것으로 이해되어야 할 것이다. 여기에 언급되는 모든 참조 문헌들은 전체적으로 여기에 참조로 포함된다.

Claims (25)

  1. 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 코일을 포함하며, 상기 적어도 하나의 코일은,
    제1 시간 간격 동안에 도전성 타겟 내에 제1 반사 자기장(reflected magnetic field)을 유도하는 제1 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키도록 구성되고, 상기 제1 반사 자기장은 제1 자기장 강도를 가지며;
    제2 시간 간격 동안에 상기 도전성 타겟 내에 제2 반사 자기장을 유도하는 제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키도록 구성되고, 상기 제2 반사 자기장은 상기 제1 자기장 강도와 다른 제2 자기장 강도를 가지며;
    상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 제1 반사 자기장을 검출하고, 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장 및 상기 제2 반사 자기장을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 자기장 센싱 요소를 포함하고;
    상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 제1 반사 자기장을 검출하고, 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장 및 상기 제2 반사 자기장을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 제2 자기장 센싱 요소를 포함하며;
    상기 적어도 하나의 제1 및 적어도 하나의 제2 자기장 센싱 요소들로부터 각각의 출력 신호를 수신하고, 상기 시스템의 오차 값을 계산하도록 연결되는 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 주파수는 실질적으로 영(zero)이며, 상기 제2 반사 자기장 강도는 실질적으로 영인 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자기장은 상기 제1 반사 자기장을 발생시키는 상기 도전성 타겟 내에 와전류들을 유도하는 제1 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오차 값은 상기 제1 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 기초하며, 상기 처리 회로는 상기 오차 값을 상기 제2 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 자기장 센싱 요소는 그 최대 감도의 축이 상기 제1 자기장과 정렬되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 코일을 포함하며, 상기 적어도 하나의 코일은,
    제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키고;
    제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키도록 구성되며;
    상기 제1 자기장에 대응하여 반사 자기장을 발생시키도록 위치하는 도전성 타겟을 포함하고;
    하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들을 포함하며, 상기 하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들은,
    상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장의 검출을 나타내는 제1 신호를 생성하고;
    상기 제2 자기장의 검출을 나타내는 제2 신호를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호들을 수신하고, 상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 상기 시스템을 계산하기 위한 처리 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 계산된 오차 값은 상기 도전성 타겟의 위치와 독립적인 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 자기장은 상기 도전성 타겟 내에 와전류를 유도하기에 충분히 높은 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 반사 자기장은 상기 와전류에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 도전성 타겟으로부터 반사 자기장을 유도하지 않도록 실질적으로 낮은 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제2 주파수 실질적으로 영인 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 자기장은 제1 시간 간격 동안에 발생되며, 상기 제2 자기장은 제2 시간 간격 동안에 발생되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제2 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 기초하여 오차 값을 계산하고, 상기 오차 값을 상기 제1 시간 간격 동안에 취해지는 측정들에 적용하는 처리 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 시간 간격들은 중첩되지 않는 시간 간격들인 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키는 단계;
    제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키는 단계;
    상기 제1 자기장에 의해 도전성 타겟으로부터 반사 자기장을 유도하는 단계;
    하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들에 의해 상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장을 나타내는 제1 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 하나 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들에 의해 상기 제2 자기장을 나타내는 제2 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 오차 값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 계산된 오차 값은 상기 도전성 타겟의 위치와 독립적인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 제1 자기장은 상기 도전성 타겟 내에 와전류를 유도하기에 충분히 높은 주파수를 가지며, 상기 반사 자기장은 상기 와전류에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 제2 자기장이 상기 도전성 타겟으로부터 반사 자기장을 유도하지 않도록 실질적으로 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제2 주파수는 실질적으로 영인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 자기장을 발생시키는 단계는 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장을 발생시키는 단계를 포함하며;
    상기 제2 자기장을 발생시키는 단계는 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 시간 간격들은 중첩되지 않는 시간 간격들인 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제1 신호를 발생시키는 단계;
    상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 신호를 발생시키는 단계;
    상기 제1 시간 간격 동안에 측정된 상기 제1 신호에 기초하여 오차 값을 계산하는 단계; 및
    상기 오차 값을 상기 제2 시간 간격 동안에 상기 제2 신호에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 시스템에 있어서,
    제1 자기장 센싱 요소를 포함하고;
    제2 자기장 센싱 요소를 포함하며;
    제1의 영이 아닌 주파수를 갖는 제1 자기장을 발생시키기 위한 수단을 포함하고;
    제2 주파수를 갖는 제2 자기장을 발생시키기 위한 수단을 포함하며;
    상기 제1 자기장에 대응하여 반사 자기장을 발생시키도록 위치하는 도전성 타겟을 포함하고;
    제1 교번 시간 간격 동안에 상기 제1 자기장 및 상기 반사 자기장을 나타내는 제1 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하며;
    제2 교번 시간 간격 동안에 상기 제2 자기장을 나타내는 제2 신호를 생성하기 위한 수단을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 신호들의 함수로서 오차 값을 계산하기 위한 수단을 포함하며, 상기 오차 값은 적어도 부분적으로 상기 제1 시간 간격 동안에 상기 제2 신호에 기초하고;
    상기 오차 값을 상기 제1 교번 시간 간격 동안에 상기 제1 신호에 적용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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