KR20220169412A - 자석의 배향을 결정하기 위한 디바이스 및 방법, 및 조이스틱 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준 포지션(Pref)을 중심으로 피봇 가능한 자석의 배향(α, β)을 결정하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 a) 다음과 같은 자기장 구배들, 즉 i) 제1 자기장 구배(dBx/dx); ii) 제2 자기장 구배(dBy/dy); iii) 제3 자기장 구배(dBz/dx); 및 ⅳ) 제4 자기장 구배(dBz/dy) 중 적어도 2 개를 결정하는 단계; b) 상기 자기장 구배들 중 적어도 하나에 근거하여 제1 각도(α)를 결정하는 단계; 및 c) 상기 자기장 구배들 중 적어도 하나에 근거하여 제2 각도(β)를 결정하는 단계를 포함한다. 센서 디바이스는 이 방법을 수행하도록 구성된다. 센서 시스템은 이러한 센서 디바이스, 및 선택적으로 조이스틱에 연결된 자석을 포함한다.

Description

자석의 배향을 결정하기 위한 디바이스 및 방법, 및 조이스틱{DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING AN ORIENTATION OF A MAGNET, AND A JOYSTICK}

본 발명은 일반적으로 자기 포지션 센서 시스템, 디바이스 및 방법 분야에 관한 것으로, 특히, 고정 기준점을 중심으로 피봇 가능한(pivotable) 자석의 배향을 측정하기 위한 자기 포지션 센서 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 포지션 센서 시스템에 관한 것이며, 여기서 상기 자석은 조이스틱에 연결된다.

자기 포지션 센서 시스템들, 특히 선형 또는 각도 포지션 센서 시스템들이 당업계에 알려져 있다. 포지션 센서 시스템들의 많은 변형예들이 존재하며, 다음과 같은 요구 사항들 중 하나 이상을 처리한다: 단순하거나 저렴한 자기 구조를 사용할 것, 간단하거나 저렴한 센서 디바이스를 사용할 것, 비교적 넓은 범위에 걸쳐 측정 가능할 것, 높은 정확도로 측정 가능할 것, 간단한 산술만 필요로 할 것, 고속으로 측정할 수 있을 것, 포지셔닝 오차에 대해 매우 강건할 것, 외부 교란 장(field)에 대해 매우 강건할 것, 중복성을 제공할 것, 오차를 검출할 수 있을 것, 오차를 검출하고 수정할 수 있을 것, 양호한 신호 대 잡음비(SNR)를 가질 것, 1 개의 자유도(병진 또는 회전)만 가질 것, 2 개의 자유도(예컨대, 하나의 병진 및 하나의 회전 또는 2개의회전)를 가질 것 등.

많은 공지된 시스템들에서, 시스템은 단지 하나의 운동 자유도, 예컨대, 단일 축에 대한 회전 또는 단일 축을 따르는 병진을 갖는다.

자석이 적어도 2 개의 자유도를 갖는 자기 포지션 센서 시스템이 또한 당업계에서, 예를 들어, 축을 따라 이동 가능하고 상기 축을 중심으로 회전 가능한 자석을 개시하는 2021년 2월 28일에 출원된 EP21159804.0; 또는 자석의 포지션, 자세 또는 배향에 대한 정보를 결정하기 위한 적어도 하나의 훈련된 신경망을 포함하는 회로를 개시하는 US2021/0110239(A1)에 알려져 있다. 이들 예들에 나타나 있는 바와 같이, 자석이 적어도 2 개의 자유도를 갖는 포지션 센서 시스템들은 단지 하나의 자유도를 갖는 시스템들 보다 훨씬 더 복잡하다.

개선이나 대안의 여지는 항상 있다.

본 발명의 실시예들의 일 목적은, 자석의 배향(α, β)을 결정하기 위한 센서 디바이스, 포지션 센서 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들의 일 목적은, 고정 기준점을 중심으로 피봇 가능한 원통형 자석의 배향(α, β)을 결정하기 위한 센서 디바이스, 포지션 센서 시스템, 및 방법을 제공하는 것이다. 고정 기준점은 반도체 기판의 위쪽 또는 아래쪽으로 미리 정해진 높이에 위치될 수 있다("위쪽"은 자석과 동일한 기판의 측을 의미하고 "아래쪽"은 자석과 반대편의 기판의 측을 의미함).

본 발명의 실시예들의 특정 목적은, 반도체 기판 상에 위치되는 기준 포지션을 중심으로 피봇 가능한 축방향 자화 원통형 자석의 축의 배향(α, β)을 결정하기 위한 센서 디바이스, 포지션 센서 시스템, 및 방법을 제공하는 것이다.

바람직한 실시예들에서, 배향은 외부 교란 장("표유장(strayfield)"으로도 알려 있음)에 대해 매우 강건한 방식으로 결정된다.

본 발명의 실시예들의 특정 목적은, 이러한 자석을 포함하는 조이스틱을 제공하는 것이며, 여기서 조이스틱의 배향은 개선된 정확도로, 예를 들어, 외부 교란 장에 실질적으로 둔감한 방식으로 결정된다.

이러한 목적들은 본 발명의 실시예들에 의해 달성된다.

제1 양태에 따르면, 본 발명은 축을 갖는 자석(예컨대, 2-극 자석)의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스를 제공하며, 이 센서 디바이스는 복수의 자기 센서들을 포함하는 반도체 기판을 포함하고, 복수의 자기 센서들은 다음과 같은 자기장 구배들, 즉 i) 반도체 기판에 평행한 제1 방향으로 배향되며 상기 제1 방향을 따르는 제1 자기장 성분의 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx); 및 ii) 반도체 기판에 평행하고 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 배향되며 상기 제2 방향을 따르는 제2 자기장 성분의 제2 자기장 구배(예컨대, dBy/dy); 및 iii) 반도체 기판에 수직인 제3 방향으로 배향되며 상기 제1 방향을 따르는 제3 자기장 성분의 제3 자기장 구배(예컨대, dBz/dx); 및 ⅳ) 제3 방향으로 배향되며 상기 제2 방향을 따르는 제3 자기장 성분의 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy) 중 적어도 2 개를 결정하도록 구성되며, 센서 디바이스는 상기 자기장 구배들 중 적어도 일부에 근거하여 제1 각도(예컨대, α) 및 제2 각도(예컨대, β)를 결정하도록 구성된 처리 회로를 더 포함한다.

일 실시예에서, 센서 요소들은 2개의 자기장 구배들, 즉 dBz/dx 및 dBz/dy 만을 결정하도록 구성되고, 처리 유닛은 제1 각도(예컨대, α)를 하나의 자기장 구배, 즉 dBz/dx 만의 함수로써 결정하고 또한 제2 각도(예컨대, β)를 하나의 자기장 구배, 즉 dBz/dy 만의 함수로써 결정하도록 구성된다.

제1 각도는 제3 방향(Z)과 제1 방향(X)에 평행한 제1 가상 평면(XZ) 상의 자석의 축(A)의 직교 투영 사이에 형성될 수 있고, 제2 각도는 제3 방향(Z)과 제2 방향(Y)에 평행한 제2 평면(YZ) 상의 자석의 축(A)의 직교 투영 사이에 형성될 수 있다.

자석은 원통형 자석일 수 있다.

자석은 2-극 자석, 예컨대, 원통형 2-극 자석, 2-극 막대 자석, 또는 2극 구형 자석일 수 있다.

자석은 축방향 자화 링 자석 또는 축방향 자화 디스크 자석일 수 있다.

원통형 자석은 3.0 mm 내지 15.0 mm 범위, 또는 4.0 mm 내지 12.0 mm 범위, 또는 4.0 mm 내지 10.0 mm 범위의 외경을 가질 수 있다.

원통형 자석은 높이(H)(축 방향으로), 및 이 높이와 외경의 비율(H/D)이 20% 내지 100% 범위 또는 20% 내지 80% 범위, 또는 25% 내지 75% 범위의 값, 예를 들어 약 50%인 값이 되도록 하는 외경(D)을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 처리 회로는 적어도 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx) 및 제3 자기장 구배(예컨대, dBz/dx)에 근거하여 제1 각도를 결정하고 또한 적어도 제2 자기장 구배(예컨대, dBy/dy) 및 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy)에만 근거하여 제2 각도를 결정하도록 구성된다.

일 실시예에서, 처리 회로는 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx) 및 제3 자기장 구배(예컨대, dBz/dx)에만 근거하여 제1 각도를 결정하고 또한 제2 자기장 구배(예컨대, dBy/dy) 및 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy)에만 근거하여 제2 각도를 결정하도록 구성된다.

일 실시예에서, 복수의 자기 센서들은 제1 센서, 제2 센서, 제3 센서 및 제4 센서를 포함하고; 제1 센서는 제1 센서 위치에 위치되고, 제2 센서는 제2 센서 위치에 위치되고, 제1 센서와 제2 센서는 제1 방향으로 배향되는 제1 가상선 상에 위치되고 또한 제1 거리로 서로 이격되어 있으며, 제1 센서는 제1 방향으로 배향되는 제1 자기장 성분 및 제3 방향으로 배향되는 제2 자기장 성분을 측정하도록 구성되며, 제2 센서는 제1 방향으로 배향되는 제3 자기장 성분 및 제3 방향으로 배향되는 제4 자기장 성분을 측정하도록 구성되며, 제3 센서는 제3 센서 위치에 위치되고 제4 센서는 제4 센서 위치에 위치되며, 제3 센서와 제4 센서는 제2 방향으로 배향되는 제2 가상선 상에 위치되며 또한 제2 거리로 서로 이격되어 있고, 제3 센서는 제2 방향으로 배향되는 제5 자기장 성분 및 제3 방향으로 배향되는 제6 자기장 성분을 측정하도록 구성되며, 제4 센서는 제1 방향으로 배향되는 제7 자기장 성분 및 제3 방향으로 배향되는 제8 자기장 성분을 측정하도록 구성된다.

그러한 구성을 사용하여, 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx)는 제1 자기장 성분과 제3 자기장 성분 사이의 차에 근거할 수 있고, 제2 자기장 구배(예컨대, dBz/dx)는 제2 자기장 성분과 제4 자기장 성분 사이의 차에 근거할 수 있으며, 제3 자기장 구배(예컨대, dBy/dy)는 제5 자기장 성분과 제7 자기장 성분 사이의 차에 근거할 수 있고, 그리고 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy)는 제6 자기장 성분과 제8 자기장 성분 사이의 차에 근거할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 각도(α)는 α= K1*atan2(dBz/dx, dBx/dx) 식에 따라 결정되며, 여기서 α는 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수(two-argument arctangent function)이며, dBx/dx는 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 제3 자기장 구배이며, K1은 미리 정해진 제1 상수이고, 제2 각도(β)는 β= K2*atan2(dBz/dy, dBy/dy) 식에 따라 결정되며, 여기서 β는 제2 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBy/dy는 제2 자기장 구배이고, dBz/dy는 제4 자기장 구배이며, K2는 미리 정해진 제2 상수이다.

일 실시예에서, 제1 각도(α)는 α= K1*atan2(K3*dBz/dx, dBx/dx) 식에 따라 결정되며, 여기서 α는 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBx/dx는 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 제3 자기장 구배이며, K1 및 K3은 미리 정해진 상수들이고, 제2 각도(β)는 β= K2*atan2(K4*dBz/dy, dBy/dy) 식에 따라 결정되고, 여기서 β는 제2 각도이며, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이고, dBy/dy는 제2 자기장 구배이며, dBz/dy는 제4 자기장 구배이며, K2 및 K4는 미리 정해진 상수들이다.

일 실시예에서, 자석은, 이 자석의 가상 축이 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준점(예컨대, Pref)을 중심으로 피봇 가능하도록 움직일 수 있다.

일 실시예에서, 기준점(예컨대, Pref)은 반도체 기판상에, 따라서 센서들과 동일한 평면에 위치된다.

일 실시예에서, 기준점(예컨대, Pref)은 반도체 기판에 수직인 가상의 축 상에서, 반도체 기판으로부터, 예컨대, 상기 반도체 기판의 위쪽 또는 아래쪽으로 미리 정해진 0이 아닌 거리(예컨대, dref)에 위치된다. 기준점과 자석은 반도체 기판의 동일한 측에 위치되거나 상호 반대 측들에 위치될 수 있다. 기준점은, 자석이 그의 중립 포지션에 있을 때(즉, 그의 축이 반도체 기판에 수직인 상태로 배향될 때) 기판과 자석 사이에 위치되거나, 자석에 의해 규정되는 공간 내에 위치될 수 있으며(그의 중립 포지션에 있을 때), 또는 자석(그의 중립 포지션에 있을 때)은 기준 포지션과 반도체 기판 사이에 위치될 수 있다.

특정 실시예에서, 거리 "dref"와 자석의 (축방향) 높이(H)의 비율(dref/H)은 50% 내지 200%의 범위, 또는 50% 내지 150%의 범위 또는 75% 내지 125%의 범위에 있는 값일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 센서 위치와 제2 센서 위치 사이의 제1 거리(예컨대, △X)는 제3 센서 위치와 제4 센서 위치 사이의 제2 거리(예컨대, △Y)와 실질적으로 같다. 이 실시예에서, 센서는 가상 원 상에 위치될 수 있다. 기준점은 이 원의 중심에 위치될 수 있거나, 기판에 수직이고 원의 중심을 통과하는 가상선 상에서 상기 기판으로부터 미리 정해진 0이 아닌 거리에 위치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 센서 위치와 제2 센서 위치 사이의 제1 거리(예컨대, △ X)는 제3 센서 위치와 제4 센서 위치 사이의 제2 거리(예컨대, △Y) 보다 적어도 5% 더 크거나 적어도 5% 더 작다. 이 실시예에서, 센서는 가상 타원 상에 위치될 수 있다. 기준점은 이 타원의 중심에 위치되거나, 기판에 수직이고 타원의 중심을 통과하는 가상선 상에서 상기 기판으로부터 미리 정해진 0이 아닌 거리에 위치될 수 있다.

일 실시예에서, 4개의 센서들 각각은 통합 자기 집중기(integrated magnetic concentrator) 및 2 개의 수평 홀 요소소(Hall element)들을 포함한다.

통합 자기 집중기("통합 자속 집중기"로도 알려져 있음)는 150 μm 내지 250 μm의 범위, 예컨대 170 μm 내지 230 μm의 범위에 있는, 예컨대 약 200 μm인 직경을 갖는 디스크 형상을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 제1 센서는 제1 통합 자기 집중기, 및 제1 방향으로 배향되는 제1 가상선 상에서 제1 IMC의 상호 반대 측들에 위치되는 제1 및 제2 수평 홀 요소를 포함하고, 제2 센서는 제2 통합 자기 집중기, 및 상기 제1 가상선 상에서 제2 IMC의 상호 반대 측들에 위치되는 제3 및 제4 수평 홀 요소를 포함하며, 제3 센서는 제3 통합 자기 집중기, 및 제2 방향으로 배향되는 제2 가상선 상에서 제3 IMC의 상호 반대 측들에 위치되는 제5 및 제6 수평 홀 요소를 포함하고, 제4 센서는 제4 통합 자기 집중기, 및 상기 제2 가상선 상에서 제4 IMC의 상호 반대 측들에 위치되는 제7 및 제8 수평 홀 요소를 포함한다.

그러한 배열체(arrangement)의 일 예가 도 5에 나타나 있다.

일 실시예에서, 4개의 센서들 각각은 수평 홀 요소 및 수직 홀 요소를 포함한다. 이 실시예에서, 센서 디바이스는 바람직하게는 자속 집중기(IMC)를 포함하지 않는다.

일 실시예에서, 4개의 센서들 각각은 수평 홀 요소 및 적어도 하나의 자기 저항 센서 요소를 포함한다. 또한 이 실시예에서, 센서 디바이스는 바람직하게는 자속 집중기(IMC)를 포함하지 않는다.

일 실시예에서, 제1 센서는 제1 수평 홀 요소 및 제1 수직 홀 요소를 포함하고, 제2 센서는 제2 수평 홀 요소 및 제2 수직 홀 요소를 포함하고, 제1 및 제2 수직 홀 요소 각각은 제1 방향으로 배향되는 최대 감도의 축을 가지며, 제3 센서는 제3 수평 홀 요소 및 제3 수직 홀 요소를 포함하고, 제4 센서는 제4 수평 홀 요소 및 제4 수직 홀 요소를 포함하고, 제3 및 제4 수직 홀 요소 각각은 제2 방향으로 배향되는 최대 감도의 축을 갖는다.

일 실시예에서, 처리 회로는 반도체 기판에 통합된다. 따라서, 이 실시예에서, 센서 요소들 및 처리 회로는 단일 기판에 통합된다.

제2 양태에 따르면, 본 발명은 또한 포지션 센서 시스템을 제공하며, 이 시스템은 제1 양태에 따른 센서 디바이스; 및 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준점(예컨대, Pref)을 중심으로 피봇 가능한 자석을 포함한다. 이는, 자석이 예를 들어 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 상기 미리 정해진 기준 포지션을 중심으로 회전하는 방식으로, 자석이 움직일 수 있음을 의미한다. 자석이 원통형 또는 구형인 경우에, 자석은 자체의 축을 중심으로 회전할 수도 있지만, 이러한 회전은 자기장 라인들을 변화시키지 않는다.

자석은 예컨대 원통형, 막대형 또는 구형을 갖는 2-극 자석일 수 있다.

일 실시예에서, 시스템은 자석에 연결된 조이스틱을 더 포함한다.

제3 양태에 따르면, 본 발명은 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준점(예컨대, Pref)을 중심으로 피봇 가능한 자석의 배향을 (예컨대, 2 개의 각도(α, β)로) 결정하는 방법을 또한 제공하며, 이 방법은 다음과 같은 자기장 구배들, 즉 ⅰ) 반도체 기판에 평행한 제1 방향으로 배향되며 상기 제1 방향을 따르는 제1 자기장 성분의 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx); ii) 반도체 기판에 평행하고 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 배향되며 상기 제2 방향을 따르는 제2 자기장 성분의 제2 자기장 구배(예컨대, dBy/dy); iii) 반도체 기판에 수직인 제3 방향으로 배향되며 상기 제1 방향을 따르는 제3 자기장 성분의 제3 자기장 구배(예컨대, dBz/dx); 및 ⅳ) 제3 방향으로 배향되며 상기 제2 방향을 따르는 제3 자기장 성분의 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy) 중 적어도 2 개를 결정하는 단계; b) 상기 자기장 구배들 중 적어도 일부에 근거하여, 제3 방향(예컨대, Z)과 제1 방향(예컨대, X)에 평행한 제1 가상 평면(예컨대, XZ) 상의 자석의 축의 직교 투영 사이에 형성되는 제1 각도를 결정하는 단계; 및 c) 상기 자기장 구배들 중 적어도 일부에 근거하여, 제3 방향과 제2 방향에 평행한 제2 가상 평면(예컨대, YZ) 상의 자석의 축의 직교 투영 사이에 형성되는 제2 각도를 결정하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 단계 a)는 2개의 자기장 구배들, 즉 dBz/dx 및 dBz/dy 만을 결정하는 것을 포함하고, 단계 b)는 하나의 자기장 구배, 즉 dBz/dx 만의 함수로써 제1 각도(예컨대, α)를 결정하는 것을 포함하고, 단계 c)는 하나의 자기장 구배, 즉 dBz/dy 만의 함수로써 제2 각도(예컨대, β)를 결정하는 것을 포함한다.

일 실시예에서, 상기 제1 각도는 적어도 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx) 및 제3 자기장 구배(예컨대, dBz/dx)에 근거하여 결정되고, 상기 제2 각도는 적어도 제2 자기장 구배(예컨대, dBy/dy) 및 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy)에 근거하여 결정된다.

일 실시예에서, 제1 각도는 제1 자기장 구배(예컨대, dBx/dx) 및 제3 자기장 구배(예컨대, dBz/dx)에만 근거하여 결정되고, 제2 각도는 제2 자기장 구배(예컨대, dBy/dy) 및 제4 자기장 구배(예컨대, dBz/dy)에만 근거하여 결정된다.

일 실시예에서, 상기 제1 각도는 α= K1*atan2(dBz/dx, dBx/dx) 식에 따라 결정되고, 여기서 α는 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBx/dx는 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 제3 자기장 구배이며, K1은 미리 정해진 제1 상수이고, 상기 제2 각도(β)는 β= K2*atan2(dBz/dy, dBy/dy) 식에 따라 결정되며, 여기서 β는 제2 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBy/dy는 제2 자기장 구배이고, dBz/dy는 제4 자기장 구배이며, K2는 미리 정해진 제2 상수이다.

일 실시예에서, 제1 각도는 α= K1*atan2(K3*dBz/dx, dBx/dx) 식에 따라 결정되며, 여기서 α는 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBx/dx는 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 제3 자기장 구배이며, K1 및 K3은 미리 정해진 상수들이고, 제2 각도 β= K2*atan2(K4*dBz/dy, dBy/dy) 식에 따라 결정되고, 여기서 β는 제2 각도이며, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이고, dBy/dy는 제2 자기장 구배이며, dBz/dy는 제4 자기장 구배이며, K2 및 K4는 미리 정해진 상수들이다.

본 발명의 특정하고 바람직한 양태들은 첨부된 독립 및 종속 청구항들에 기재되어 있다. 적절하다면 그리고 단지 청구 범위에 명시적으로 기재되어 있지 않다면, 종속 청구항의 특징들은 독립 청구항들의 특징들 및 다른 종속 청구항들의 특징들과 결합될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이하에서 설명되는 실시예(들)로부터 명백하고 이를 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 적어도 2 개의 자유도로 센서 디바이스에 대해 움직일 수 있는 축방향 자화 자석을 포함하는 자기 포지션 센서 시스템의 개략도이다.
도 2는 선분[CP]의 무작위 배향이 2 개의 각도들(α, β)로 어떻게 표현될 수 있는지를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있는 센서 구조의 개략적인 블록도이다. 센서 구조는 X-축을 따라 제1 위치(X1)에 있는 제1 센서와 제2 위치(X2)에 있는 제2 센서를 포함하며, 각 센서는 통합 자기 집중기(IMC) 및 IMC의 상호 반대 측들에 배치되는 2 개의 수평 홀 요소들을 포함한다. 이 센서 구조에 의해 평면내 자기장 구배(dBx/dx) 및 평면외 자기장 구배(dBz/dx)가 측정될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 미리 정해진 기준 포지션에서 반도체 기판과 교차하는 축을 갖는 원통형 자석의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b에서, 센서 또는 센서 구조는 상기 기준 포지션에 위치된다. 알 수 있는 바와 같이, 센서 위치를 통과하는 자기장 라인은 축의 기계적 각도와 동일한 배향을 가지며, 센서와 자석 사이의 거리는 축의 배향에 대해 독립적이다.
도 4c 및 도 4d에서, 반도체 기판은 기준 포지션으로부터 이격된 센서 포지션들에 위치되는 복수의 센서들 또는 센서 구조들을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 복수의 센서 위치들에서 자기장 라인들의 배향은 축의 배향과 동일하지 않으며, 각각의 센서 위치와 자석 사이의 거리는 일정하지 않지만, 축의 배향에 대해 독립적이다.
도 5는 본 발명에 의해 제안되는 제1 센서 디바이스의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 의해 제안되는 다른 센서 디바이스의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 의해 제안되는 시스템의 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 의해 제안되는 다른 시스템의 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 의해 제안되는 포지션 센서 디바이스들에 사용될 수 있는 회로의 전기 블록도를 나타낸다.
도 10은 본 발명에 의해 제안되는, 자석의 축의 배향에 대응하는 2 개의 각도들(α, β)을 결정하는 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 11은 도 1의 센서 시스템의 일 변형예를 나타내며, 여기서 자석은 기판의 위쪽으로 미리 정해진 거리 "dref"에 위치되는 기준점을 중심으로 피봇 가능하다.
도면은 개략적일 뿐이며 비제한적이다. 도면에서, 일부 요소의 크기는 실례를 들기 위해 과장된 것일 수 있으며, 축척에 따라 그려져 있지 않을 수 있다. 청구 범위에 있는 참조 부호는 그 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 다른 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.

본 발명은 특정 실시예들에 관하여 그리고 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 청구 범위에 의해서만 한정된다.

설명 및 청구 범위에서 제1, 제2 등과 같은 용어는 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되며, 반드시, 시간적으로, 공간적으로, 순위에서 또는 다른 방식으로 순서를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어들은 적절한 상황들 하에서 상호 교환 가능하며 그리고 여기서 설명되는 본 발명의 실시예들은 여기서 설명되거나 예시된 것과는 다른 순서들로 작동할 수 있음을 이해해야 한다.

설명 및 청구 범위에서 정상, 아래 등과 같은 용어는, 설명의 목적으로 사용되며 반드시 상대적인 포지션들을 설명하기 위한 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어는 적절한 상황들 하에서 상호 교환 가능하며 그리고 여기서 설명되는 본 발명의 실시예는 여기서 설명되거나 예시된 것과는 다른 배향으로 작동할 수 있음을 이해해야 한다.

청구 범위에 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 그 뒤에 열거된 수단에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며 다른 요소들이나 단계들을 배제하지 않음을 유의해야 한다. 따라서 그 용어는 언급된 특징들, 정수, 단계 또는 구성품의 존재를 명시하는 것으로 해석되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 구성품, 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 디바이스"라는 표현의 범위는, 구성품 A 및 B로만 이루어지는 디바이스로 한정되어서는 안 된다. 이는 본 발명과 관련하여 디바이스의 유일한 관련 구성품들은 A 및 B임을 의미한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 "한 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 참조는, 그 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서 "한 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"라는 문구의 출현은, 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있는 것이다. 더욱이, 특정 특징, 구조 또는 특성은, 하나 이상의 실시예들에서, 본 개시로부터 당업자에게 명백한 바와 같이, 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

유사하게, 본 발명의 예시적인 실시예들의 설명에서, 본 발명의 다양한 특징들은 때때로 본 개시를 간소화하고 또한 다양한 발명적인 양태들 중 하나 이상에 대한 이해를 돕기 위해 단일 실시예, 도면 또는 그의 설명에서 함께 그룹화된다는 것을 이해해야 한다. 그러나 본 개시의 이 방법은 청구된 발명이 각 청구항에 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징들을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 다음 청구 범위가 반영하는 바와 같이, 발명적 양태들은 단일의 앞의 개시된 실시예의 모든 특징들보다 적다. 따라서, 상세한 설명 뒤에 있는 청구 범위는 그에 의해 이 상세한 설명에 명시적으로 포함되며, 각 청구항은 그 자체로 본 발명의 개별적인 실시예로서 있는 것이다.

더욱이, 여기서 설명되는 일부 실시예들은 다른 실시예들에 포함된 다른 특징들이 아닌 일부 특징들을 포함하지만, 다른 실시예들의 특징들의 조합은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 되어 있고, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 다른 실시예들을 형성한다. 예를 들어, 다음 청구 범위에서, 청구된 실시예들 중 어느 것도 임의의 조합으로 사용될 수 있다.

여기서 제공되는 설명에서, 많은 특정 세부 사항들이 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이들 특정 세부 사항들 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우에, 이 설명의 이해를 모호하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 방법들, 구조들 및 기술들은 상세히 나타나 있지 않았다.

이 문서에서, 달리 명시적으로 언급되지 않으면, "자기 센서 디바이스" 또는 "센서 디바이스"라는 용어는, 바람직하게는 반도체 기판에 통합되는 적어도 하나의 "자기 센서" 또는 적어도 하나의 자기 "센서 요소"를 포함하는 디바이스를 지칭한다. 센서 디바이스는 "칩"이라고도 하는 패키지에 포함될 수 있지만, 이는 반드시 필요한 것은 아니다.

이 문서에서, "센서 요소" 또는 "자기 센서 요소" 또는 "자기 센서"라는 용어는, 구성품 또는 구성품들의 그룹, 또는 예컨대, 자기 저항 요소, GMR 요소, XMR 요소, 수평 홀 플레이트, 수직 홀 플레이트, 적어도 하나(그러나 바람직하게는 4개)의 자기 저항 요소들 등을 포함하는 휘트스톤 브리지(Wheatstone-bridge) 등 또는 이들의 조합과 같은, 자기적 양(magnetic quantity)을 측정할 수 있는 하위 회로 또는 구조를 지칭할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들에서, "자기 센서" 또는 "자기 센서 구조"라는 용어는, 통합 자속 집중기라고도 알려져 있는 하나 이상의 통합 자기 집중기(IMC), 및 IMC, 예컨대 디스크형 IMC의 주변 근처에 배열되는 하나 이상의 수평 홀 요소를 포함하고, 2개의 수평 홀 요소들이 서로 180°이격되거나 4 개의 수평 홀 요소들이 서로 90°이격되는 배열체를 지칭할 수 있다.

이 문서에서, "자기장 벡터의 평면내 성분" 및 "센서 평면에서 자기장 벡터의 투영"이라는 표현은 동일한 의미이다. 센서 디바이스가 반도체 기판이거나 이를 포함하는 경우에, 이는 "반도체 평면에 평행한 자기장 성분"도 의미한다. 이들 성분들은 Bx, By로 표시될 수 있다.

이 문서에서, "벡터의 평면외 성분" 및 "벡터의 Z 성분" 및 "센서 평면에 수직인 축에 대한 벡터의 투영"이라는 표현은 동일한 의미이다. 이 성분은 Bz로 표시될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 센서 디바이스에 고정되고 3 개의 축들(X, Y, Z)을 갖는 직교 좌표계를 사용하여 설명되며, 여기서 X 및 Y 축은 기판에 평행하고 Z 축은 그 기판에 수직이다.

이 문서에서, "공간 도함수" 또는 "도함수" 또는 "공간 구배(gradient)" 또는 "구배"라는 표현은 동의어로 사용된다. 본 발명의 맥락에서, 구배는 일반적으로 특정 방향을 따라 이격되어 있는 2 개의 위치들에서 측정된 2 개의 값들 사이의 차로서 결정된다. 이론적으로, 구배는 일반적으로 두 값들 사이의 차를 센서 위치들 사이의 거리로 나눈 값으로 계산되지만, 측정된 신호들은 어쨌든 크기 조정되어야 하기 때문에, 실제로는 상기 거리로 나누는 것은 종종 생략된다.

이 출원에서, 수평 홀 플레이트들은 일반적으로 H1, H2 등으로 표시되며, 이러한 수평 홀 플레이트들의 신호는 일반적으로 h1, h2 등으로 표시되고, 수직 홀 플레이트들은 일반적으로 V1, V2 등으로 표시되며, 그리고 이러한 수직 홀 플레이트들의 신호는 일반적으로 v1, v2 등으로 표시된다.

본 발명의 맥락에서, arctan(x/y), atan2(x,y), arccot(y/x)와 같은 식은 동등한 것으로 간주된다.

본 발명은 고정 기준점 "Pref"를 중심으로 피봇 가능한 자석의 배향을 측정하기 위한 자기 포지션 센서 시스템, 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 이 고정 기준점은 반도체 기판상에 위치할 수 있거나, 반도체 기판의 위쪽 또는 아래쪽으로부터 미리 정해진 거리 "dref"에 위치될 수 있다. 자석은 조이스틱(나타나 있지 않음)에 연결될 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 본 시스템은, 예를 들어 외부 교란 장(field)에 덜 민감하기 때문에 개선된 정확도를 갖는다.

도면을 참조한다.

도 1은 원통형 자석(101) 및 센서 디바이스(102)를 포함하는 자기 포지션 센서 시스템(100)의 개략도이다.

센서 디바이스(102)는 반도체 기판(도 1에는 나타나 있지 않음)을 포함한다. X 축과 Y 축이 반도체 기판에 평행하고 Z 축은 그 반도체 기판에 직교하도록, 3개의 직교하는 축들(X, Y, Z)을 갖는 좌표계가 반도체 기판에 연결된다.

도 1에 나타나 있는 자석(101)은 원통형 자석, 특히 축방향으로 자화된 자석(101)이다. 이 자석은 고정 기준점 "Pref"에서 반도체 기판과 교차하는 가상 축 "A"을 가지며, 다양한 방향으로 회전할 수 있다. 자석(101)과 기준점 "Pref" 사이의 거리는 일정하며, 그래서 시스템은 2 개의 자유도를 갖는다. 센서 디바이스(102)의 임무는 자석의 배향을 결정하는 것이다.

배향은 예를 들어 2 개의 각도들(φ, ψ)에 의해 고유하게 규정될 수 있으며, 여기서 φ는 YZ-평면에서 축(A)의 직교 투영의 Z-축에 대해 음 또는 양의 각도이고, ψ는 XZ-평면에서 축(A)의 직교 투영의 Z-축에 대해 음 또는 양의 각도이다. 나타나 있는 예에서, 자석의 축(A)이 반도체 기판에 수직하게 배향되면, 축(A)과 반도체 기판의 교차점에서의 자기장 벡터(B)는 음의 Z-방향으로 배향되고, φ=0°및 ψ=0°이다. 자석은 바람직하게는 적어도 -30°에서 +30°까지의 범위(φ) 및 -30°에서 +30°까지의 범위(ψ)에서 움직일 수 있는데, 하지만 물론 더 큰 범위, 예컨대 ±40°또는 ±50°또는 ±60°도 가능하다. 그러나 각도들(φ, ψ)을 이용하여 자석(101)의 배향을 특정하는 것이 유일한 가능한 방법은 아니다.

도 2는 기준점 "C"에서 시작하여 가상 구 상의 점 "P"에서 끝나는 일정한 길이의 벡터 [CP]의 배향을 규정하는 다른 방법을 나타낸다. 벡터 [CP]는 나타나 있지 않지만, 평면(XZ) 상으로의 벡터 [CP]의 제1 직교 투영 [CA]이 나타나 있고, 또한 평면(YZ) 상으로의 벡터 [CP]의 제2 직교 투영 [CB]이 나타나 있다. 점들(C, P)을 통과하는 축(A)의 배향은, 양의 X-축과 벡터 [CA] 사이의 제1 각도(α)와 양의 Y-축과 벡터 [CB] 사이의 제2 각도(β)로 정의될 수도 있다. 일 예로, 자석 축이 평면(XY)에 수직하게(즉, 반도체 기판에 수직하게) 배향되면("중립 포지션"이라고도 함), α=90°및 β=90°이다. 이는 위에서 설명한 φ=0° 및 ψ=0°인 배향에 대응한다.

다음과 같은 식이 성립한다:

Bx = B * cos(α) * sin(β) [1]

By = B * cos(β) * sin(α) [2]

Bz = B * sin(β) * sin(α) [3]

[3]과 [1]을 나누면 다음이 얻어진다:

(Bz/Bx) = tan(α) [4]

(Bz/By) = tan(β) [5]

여기서 Bx는 X-방향으로 배향되는 자기장 성분이고, By는 Y-방향으로 배향되는 자기장 성분이며, Bz는 Z-방향으로 배향되는 자기장 성분이고, B는 자기장 벡터의 크기이다.

바람직한 실시예들에서, 각도들(α, β)은 90°± 30° 범위, 또는 90°± 40° 범위, 또는 90°± 50°범위, 또는 90°± 60°범위의 값이다.

도 3은 X-축 상의 제1 센서 위치(X1)에 위치되는 제1 센서(또는 센서 구조)( S1), 및 X1으로부터 이격되어 있는, 상기 X-축 상의 제2 센서 위치(X2)에 위치되는 제2 센서(또는 센서 구조)(S2)를 포함하는 반도체 기판을 나타낸다. 제1 및 제2 센서(S1, S2) 각각은 디스크형 통합 자기 집중기(IMC) 및 IMC의 상호 반대 측들에서 X-축 상에 배열되는 2 개의 수평 홀 요소들을 포함한다. 제1 센서(S1)는 제1 신호(h1)를 제공하도록 구성된 제1 수평 홀 요소(H1), 및 제2 신호(h2)를 제공하도록 구성된 제2 수평 홀 요소(H2)를 포함한다. 제2 센서(S2)는 제3 신호(h3)를 제공하도록 구성된 제3 수평 홀 요소(H3), 및 제4 신호(h4)를 제공하도록 구성된 제4 수평 홀 요소(H4)를 포함한다.

본 발명을 이해하기 위해, 제1 센서(S1)의 신호들(h1, h2)이 결합되어 평면내 자기장 성분(Bx1)(반도체 기판에 평행함)과 평면외 자기장 성분(Bz1)(반도체 기판에 수직임) 둘 모두를 결정할 수 있다는 것을 아는 것으로 충분하다. 보다 구체적으로, 평면내 자기장 성분(Bx1)은 X-축에 평행하고, 신호들(h1, h2)을 빼서 계산될 수 있으며, 평면외 자기장 성분(Bz1)은 Z-축에 평행하며, 신호들(h1, h2)의 합으로 계산될 수 있다. 이것은 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있다:

Bx1 = (h2-h1) [6]

Bz1 = (h2+h1) [7]

마찬가지로, 제2 센서 위치(X2)에서 평면내 자기장 성분(Bx2) 및 평면외 자기장 성분(Bz2)은 예를 들어 다음 식에 따라 결정될 수 있다:

Bx2 = (h4-h3) [8]

Bz2 = (h4+h3) [9]

그리고 이 값들로부터 평면 내 자기장 구배(dBx/dx) 및 평면외 자기장 구배 (dBz/dx)가 예를 들어 다음 식에 따라 결정될 수 있다:

△Bx /△x = Bx2 - Bx1 [10]

△Bz/△x = Bz2 - Bz1 [11]

거리가 일정하고 또한 홀 요소들로부터 얻어진 값들은 어쨌든 크기 조정될 필요가 있기 때문에, "△x"로 나누는 것은 일반적으로 생략되지만, △Bz/△x(또는 dBz/dx)와 같은 표기법은 2 개의 Bz 값들 사이의 차가 취해짐을 나타낼 뿐만 아니 어느 방향을 따르는지를(△x의 경우에는 X-방향) 나타내기 때문에 이 출원에서 유용하다는 것을 유의해야 한다. 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 구배 신호들은 외부 교란 장에 매우 둔감하다.

거리(△X)로 서로 이격되어 있는 2 개의 센서들(S1, S2)을 갖는 센서 디바이스(도 3에는 나타나 있지 않지만, 예를 들어 도 6 참조)가 또한 Bx1, Bz1 및 Bx2, Bz2를 각각 측정할 수 있고 또한 2 개의 자기장 구배들(dBx/dx, dBz/dx)을 결정할 수 있고, 여기서 제1 센서(S1)는 최대 감도의 축이 X-방향으로 배향되는 하나의 수평 홀 요소(H1) 및 하나의 수직 홀 요소(V1)를 포함하며, 제2 센서(S2)는 최대 감도의 축이 X-방향으로 배향되는 하나의 수평 홀 요소(H2) 및 하나의 수직 홀 요소(V2)를 포함함을 유의해야 한다. v1이 V1으로부터 얻어진 신호이고 v2는 V2로부터 얻어진 신호이고, h1은 H1로부터 얻어진 신호이며 그리고 h2는 H2로부터 얻어진 신호이면, dBx /dx는 (v2-v1)로 계산될 수 있고 dBz/dx는 (h2-h1)로 계산될 수 있다.

도 4a 내지 도 4d는 미리 정해진 포지션 "Pref"에서 반도체 기판(개략적으로 점선으로 나타나 있음)과 교차하는 가상 축 "A"를 갖는 원통형 자석의 개략도이다. 축 "A"는 기준점 "Pref"를 중심으로 피봇 가능하다. 도면에 과부하가 걸리지 않도록 XZ-평면에 평행한 운동만 나타나 있다.

도 4a 및 도 4b에서, 센서(검정색 정사각형으로 개략적으로 나타나 있음)가 상기 기준 포지션 "Pref"에 위치된다. 알 수 있는 바와 같이, 센서 위치를 통과하는 자기장 라인은 자석의 축 "A"의 기계적 배향과 동일한 배향을 가지며, 센서와 자석 사이의 거리 "g"는 축의 배향에 대해 독립적이다.

도 4c 및 도 4d에서, 반도체 기판은 거리(△X)로 서로 이격되어 있는 복수의 센서들을 포함하고, 기준 포지션 "Pref"는 바람직하게는 그 센서 위치들 사이의 중간에 있다. 알 수 있는 바와 같이, 복수의 센서 위치들에서 자기장 라인들의 배향은 더 이상 축(A)의 배향과 동일하지 않으며, 각 센서 위치와 자석 사이의 거리는 더 이상 일정하지 않지만, 축 "A"의 배향에 대해 독립적이다.

본 발명자들이 알고 있는 한, 축(A)의 기계적 경사 각도와, 기준점으로부터의 거리(△x/2)에 위치되는 2 개의 센서들로부터 얻어진 신호들로부터 유도될 수 있는 자기장 구배(dBx/dx) 사이의 관계는 물론, 상기 기계적 경사 각도와 두 센서 위치들에서의 자기장 성분들(Bx, By, Bz) 사이의 일반적인 해석적 식 또는 관계는 알려져 있지 않다. 본 발명자들은 그 관계를 조사하기 위해 연구 프로젝트를 시작했다. 이 관계는 매우 비선형적이며 수학적으로 설명하기 매우 어려울 것으로 예상되었다.

도 5는 본 발명에 의해 제안되는 제1 센서 디바이스(500)의 개략도이다.

센서 디바이스(500)는 복수의 자기 센서들(S1, S2, S3, S4)을 포함하는 반도체 기판을 포함하며, 복수의 자기 센서들(S1, S2, S3, S4)은 다음을 결정하도록 구성된다:

i) 반도체 기판에 평행한 제1 방향(X)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제1 자기장 성분(Bx)의 제1 자기장 구배(dBx/dx); 및

ii) 반도체 기판에 평행하고 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제2 자기장 성분(By)의 제2 자기장 구배(dBy/dy); 및

iii) 반도체 기판에 수직인 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제3 자기장 구배(dBz/dx); 및

ⅳ) 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제4 자기장 구배(dBz/dy).

센서 디바이스(500)는, 이들 자기장 구배들(dBx/dx, dBy/dy, dBz/dx, dBz/dy)에 근거하여, 자석, 예컨대, 고정 기준점을 중심으로 피봇 가능한 자석의 축(A)의 배향을 규정하는 2개의 각도, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같은 각도(φ, ψ) 또는 도 2에 도시된 바와 같은 2 개의 각도(α, β)를 결정하도록 구성된 처리 회로(도 5에는 나타나 있지 않고, 예컨대 9 참조)를 더 포함한다.

본 발명자들은, 놀랍게도, 심지어 외부 교란 장이 존재하더라도, 더욱이 해석적인 방법으로 그리고 비교적 양호한 근사화로, 예컨대 ±10°보다 작은 절대 오차로 상기 4 개의 자기장 구배들에 근거하여 그러한 각도들을 정의하고 계산할 수 있다는 것을 발견하였다. 이는 예상하지 못한 것이다.

본 발명자들은, 또한, 후처리에 의해, 예컨대, 2 개의 구간별 선형 근사(piecewise-linear approximation) 함수(각 각도에 대해 하나의 함수)를 사용해 그 계산된 각도들을 재맵핑하여 이 정확도를 더 개선할 수 있다는(즉, 절대 오차를 ±5°보다 작은 또는 ±3°보다 작은 값으로 줄일 수 있다는) 것을 발견하였다.

처리 회로는 제1 자기장 구배(dBx/dx) 및 제3 자기장 구배(dBz/dx)에 근거하여 제1 가상 평면(XZ) 상의 자석의 축(A)의 직교 투영 사이에 형성되는 제1 각도(α)를 결정하고(가상 평면(XZ)은 제1 방향(X) 및 제3 방향(Z)에 평행함), 그리고 제2 자기장 구배(dBy/dy)와 제4 자기장 구배(dBz/dy)에 근거하여 제2 가상 평면(YZ) 상의 자석의 축(A)의 직교 투영 사이에 형성되는 제2 각도(β)를 결정하도록 구성될 수 있으며, 가상 평면(YZ)은 제2 방향(Y) 및 제3 방향(Z)에 평행하다.

이러한 각도들(α, β)(도 2에 도시됨)로 자석의 축(A)의 배향을 특정하면 비교적 간단한 수학적 표현을 사용하여 각도들을 계산할 수 있는 것으로 나타났다.

복수의 자기 센서들은 제1 센서(S1), 제2 센서(S2), 제3 센서(S3) 및 제4 센서(S4)를 포함할 수 있다.

제1 센서(S1)는 제1 센서 위치에 위치될 수 있고 제2 센서(S2)는 제2 센서 위치에 위치될 수 있으며, 둘 다 제1 방향(X)으로 배향되는 제1 가상선에 위치되며, 영이 아닌 제1 거리(△X)로 서로 이격된다. 제1 센서(S1)는 제1 방향(X)으로 배향되는 제1 자기장 성분(Bx1) 및 제3 방향(Z)으로 배향되는 제2 자기장 성분(Bz1)을 측정하도록 구성될 수 있다. 제2 센서(S2)는 제1 방향(X)으로 배향되는 제3 자기장 성분(Bx2) 및 제3 방향(Z)으로 배향되는 제4 자기장 성분(Bz2)을 측정하도록 구성될 수 있다.

제3 센서(S3)는 제3 센서 위치에 위치될 수 있고, 제4 센서(S4)는 제4 센서 위치에 위치될 수 있으며, 둘 다 제2 방향(Y)으로 배향되는 제2 가상선 상에 위치되며, 영이 아닌 제2 거리(△Y)로 서로 이격된다. 제3 센서(S3)는 제2 방향(Y)으로 배향되는 제5 자기장 성분(By1) 및 제3 방향(Z)으로 배향되는 제6 자기장 성분(Bz3)을 측정하도록 구성될 수 있다. 제4 센서(S4)는 제1 방향(X)으로 배향되는 제7 자기장 성분(By2) 및 제3 방향(Z)으로 배향되는 제8 자기장 성분(Bz4)을 측정하도록 구성될 수 있다.

센서 디바이스는 제1 자기장 성분(Bx1)과 제3 자기장 성분(Bx2)의 차에 근거하여 제1 자기장 구배(dBx/dx)를 결정하고 또한 제2 자기장 성분(Bz1)과 제4 자기장 성분(Bz2) 사이의 차에 근거하여 제2 자기장 구배(dBz/dx)를 결정하며 또한 제5 자기장 성분(By1)과 제7 자기장 성분(By2) 사이의 차에 근거하여 제3 자기장 구배( dBy/dy)를 결정하고 또한 제6 자기장 성분(Bz3)과 제8 자기장 성분(Bz4) 사이의 차에 근거하여 제4 자기장 구배(dBz/dy)를 결정하도록 더 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 거리(△Y)는 거리(△X)와 같으며, 이 경우에 4 개의 센서 위치들은 바람직하게는 원 상에 위치되고, 기준점 "Pref"는 바람직하게는 이 원의 중심에 위치된다.

다른 실시예에서, 거리(△Y)는 △X와 다른데, 예컨대 △Y 보다 적어도 5% 더 크거나 더 작으며, 이 경우에 4 개의 센서 위치들은 바람직하게는 타원 상에 위치되며, 기준점 "Pref"는 바람직하게는 이 타원의 중심에 위치된다. 이러한 실시예를 사용하여, 반도체 기판의 크기가 감소될 수 있으며, 그래서 컴팩트성이 증가될 수 있고 비용이 감소될 수 있다. 이는 "핸들"이 XZ-평면에 평행한 범위(예컨대, 단지 2 개의 포지션을 가짐)에 비해, YZ-평면에 평행한 더 큰 범위(예컨대, 적어도 3 개 또는 4 개의 포지션들을 가짐)에 걸쳐 움직일 수 있는 조이스틱 용례에 특히 적합할 수 있다.

도 5의 예에서, 4 개의 센서들(S1 내지 S4) 각각은 통합 자기 집중기(IMC), 및 IMC의 주변 근처에 배열되고 180°로 서로 이격되어 있는 2 개의 수평 홀 요소를 포함한다.

더 구체적으로, 제1 센서(S1)는 제1 통합 자기 집중기(IMC1) 및 제1 방향(X)으로 배향되는 제1 가상선 상에서 제1 IMC의 상호 반대 측들에 위치되는 제1 및 제2 수평 홀 요소(H1, H2)를 포함한다. 제2 센서(S2)는 제2 통합 자기 집중기(IMC2), 및 제2 IMC의 상호 반대 측들에서 상기 제1 가상선 상에 위치되는 제3 및 제4 수평 홀 요소(H3, H4)를 포함한다. 제3 센서(S3)는 제3 통합 자기 집중기(IMC3), 및 제2 방향(Y)으로 배향되는 제2 가상선 상에서 제3 IMC의 상호 반대 측들에 위치되는 제5 및 제6 수평 홀 요소(H5, H6)를 포함한다. 제4 센서(S4)는 제4 통합 자기 집중기(IMC4), 및 제4 IMC의 상호 반대 측들에서 상기 제2 가상선 상에 위치되는 제7 및 제8 수평 홀 요소(H7, H8)를 포함한다.

통합 자기 집중기("통합 자속 집중기"로도 알려져 있음)는 150 ㎛ 내지 250 ㎛ 범위, 예를 들어 170 ㎛ 내지 230 ㎛ 범위의 직경, 예를 들어 약 200 ㎛의 직경을 갖는 디스크 형상을 가질 수 있다.

h1 ∼ h8이 수평 홀 요소(H1 ∼ H8)에 의해 각각 제공되는 신호인 경우에, 다음 식에 따라 4 개의 구배 값들이 계산될 수 있다:

gr1=(dBx/dx)=Bx2-Bx1=(h4-h3)-(h2-h1) [11]

gr2=(dBz/dx)= Bz2-Bz1=(h4+h3)-(h2+h1) [12]

gr3=(dBy/dy)= By4-By3=(h8-h7)-(h6-h5) [13]

gr4=(dBz/dy)= Bz4-Bz3=(h8+h7)-(h6+h5) [14]

본 발명자들은, 놀랍게도, 제1 각도(α)는 다음과 같은 아주 간단한 식에 의해 매우 잘 근사화될 수 있음을 발견했다:

α= K1*atan2(gr2,gr1) [15a]

그리고 제2 각도(β)는 다음과 같은 아주 간단한 식에 의해 매우 잘 근사될 수 있다.

β= K2*atan2(gr4, gr3) [16a]

두 각도(α,β)는 자기 구배들의 함수로써 계산되기 때문에, 이러한 각도들은 외부 교란 장에 매우 둔감하다. 더욱이, 각도들은 두 구배들의 비에 근거하여 계산되기 때문에, 이러한 각도들은 자석의 온도 변화들 및/또는 자기소거(demagnetization)와 같은 노화 효과들에도 매우 둔감한다.

K1 및 K2의 값은 시뮬레이션 또는 보정에 의해 결정될 수 있으며, 센서 디바이스의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다. K1, K2의 값은 자석의 크기(직경, 높이), 센서들 사이의 거리들(△x, △y) 및 자석과 기준점 "Pref" 사이의 거리 "g"에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다음과 같은 식이 또한 사용될 수있다:

α= K1*atan2(K3*gr2,gr1) [15b]

β= K2*atan2(K4*gr4,gr3) [16b]

여기서 K3 및 K4는 미리 정해진 상수들이며, 이 상수들은 도 7c 및 도 8c에서 더 논의될 것이다. 식 [15b] 및 [16b]는 △x가 △y와 다른 경우에 더 정확한 결과들을 제공할 수 있다. 물론, 예컨대 다음과 같은 식의 많은 변형예들이 가능하다:

α= K1*atan2(gr2/K5,gr1) [15c], 또는

α= K1*atan2(gr2,K6*gr1) [15d], 또는

α= K1*atan2(gr2,gr1/K7) [15e]

여기서 K5, K6, K7은 미리 정해진 상수들이다. 식 [16b]에 대해서도 유사한 변형들이 가능하다.

도 6은 본 발명에 의해 제안된 다른 센서 디바이스(600)의 개략도이며, 이는 도 5의 센서 디바이스의 일 변형예로 볼 수 있다. 주요 차이점은, 각 센서가 하나의 수평 홀 요소 및 하나의 수직 홀 요소를 포함한다는 것이다. 위에 설명된 다른 모든 사항은 필요한 부분만 수정하여 여기에도 적용 가능하다.

더 구체적으로, 도 6의 예에서, 제1 센서(S1)는 제1 수평 홀 요소(H1) 및 제1 수직 홀 요소(V1)를 포함하고, 제2 센서(S2)는 제2 수평 홀 요소(H2) 및 제2 수직 홀 요소(V2)를 포함하며, 제1 및 제2 수직 홀 요소(V1, V2) 각각은 제1 방향(X)으로 배향되는 최대 감도의 축을 갖는다. 마찬가지로, 제3 센서(S3)는 제3 수평 홀 요소(H3) 및 제3 수직 홀 요소(V3)를 포함하고, 제4 센서(S4)는 제4 수평 홀 요소(H4) 및 제4 수직 홀 요소(V4)를 포함하고, 제3 및 제4 수직 홀 요소(V3, V4) 각각은 제2 방향(Y)으로 배향되는 최대 감도의 축을 갖는다.

h1 내지 h4가 수평 홀 요소들(H1 내지 H4)에 의해 제공되는 신호이고 v1 내지 v4는 수직 홀 요소들(V1 내지 V4)에 의해 제공되는 신호이면, 제1 및 제2 각도(α, β)는 다음과 같은 세트의 식에 따라 계산될 수 있다:

gr1=(dBx/dx)=Bx2-Bx1=(v2-v1) [17]

gr2=(dBz/dx)=Bz2-Bz1=(h2-h1) [18]

gr3=(dBy/dy)= By4-By3=(v4-v3) [19]

gr4=(dBz/dy)=Bz4-Bz3=(h4-h3) [20]

α=K1*atan2(gr2,gr1) [21a]

β=K2*atan2(gr4,gr3) [22a]

또는 다음과 같은 식들이 사용된다:

α=K1*atan2(K3*gr2,gr1) [21b]

β=K2*atan2(K4*gr4,gr3) [22b]

이는 △x가 △y와 다른 경우에 더 정확한 결과를 제공할 수 있다.

도 6의 일 변형예에서, 센서 디바이스는 수직 홀 요소들을 포함하지 않고, 대신에 자기 저항 요소들을 포함한다.

다른 변형에서, 도 6의 수직 홀 요소들은 생략되어 있고, 그래서, 도 6의 센서 디바이스는 4 개의 수평 홀 요소들만 포함한다.

도 7a는 직경 D=4 mm 및 높이 H=4 mm를 갖는 원통형 자석을 포함하는 예시적인 센서 시스템(700)을 나타내고, 그 원통형 자석은 약 1.7 mm로 이격된 2 개의 센서들 사이에서, 반도체 기판 상에 위치되는 기준점으로부터 g=3 mm의 거리에 장착되며, 각 센서는 약 190 ㎛의 직경을 갖는 IMC 및 2 개의 수평 홀 요소들을 포함한다(예를 들어, 도 3 또는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이).

도 7b 내지 도 7e는 이 센서 시스템의 시뮬레이션 결과를 보여준다.

도 7b는 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 바와 같은 기준 포지션 "Pref"에 위치되는 센서로 측정되는 기계적 각도(α)(도 2에 도시된 바와 같은)의 함수로써 자기장 성분들(Bx, Bz)의 파형들을 갖는 플롯을 나타낸다. 이 플롯은 이들 성분들의 제곱의 합(sqr(Bx)+sqr(Bz))으로 계산되는 자기장의 크기(｜B｜)의 파형을 또한 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 이 값은 실질적으로 일정하다.

도 7c는 기계적 각도(α)의 함수로써 자기장 구배들(gr2=dBz/dx, gr1=dBx/dx)의 파형을 갖는 플롯을 나타내며, 이는 도 4c 및 도 4d에 도시되어 있는 바와 같은 기준 포지션 "Pref"의 상호 반대 측들에 위치되는 2 개의 센서에 의해 측정되는 신호들로부터 유도될 수 있고, 그래서 예컨대 도 5 또는 도 6에 나타나 있는 바와 같은 센서 디바이스로 결정될 수 있다. 도 7b의 플롯은 또한, 이들 구배들의 제곱의 합(sqr(dBx/dx)+ sqr(dBz/dx))으로 계산되는 |dB|의 파형을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 이 값은 다소 일정하지만 완벽하게 일정하지는 않은데, 이는 구배 신호(gr1, gr2)는 완벽한 이차(quadratic) 신호는 아님을 의미한다. 식 [15b], [16b], [21b] 및 [22b]는 1.00과 다른, 예컨대, 0.80 ∼ 0.98 또는 1.02 ∼ 1.20의 범위에 있는 K3 및 K4의 값을 선택하여 이러한 불일치를 고려할 수 있다.

그러나 위에서 언급한 바와 같이, 놀랍게도, K-계수 없이도 신호가 이차 신호와 현저하게 잘 닮아 있는 것으로 나타났다.

실제로, 도 7d는 식 atan2(gr2, gr1)에 의해 얻어진 곡선을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 이 곡선은 거의 선형이며 약 2.5와 같은 기울기를 갖는다. 이러한 높은 선형성은 완전히 예상치 못한 것이었다.

도 7e는 기계적 각도(α)와 (0.4)*atan2(gr2,gr1)로 계산된, 즉 K1=0.4로 해서 식 [15a]를 적용하여 계산된 값 사이의 차(또는 오차)를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 그 오차는 약 60°에서 약 120°까지 변하는 기계적 각도(α)에 대해 ±4°보다 작다. 이러한 간단한 식에 대한 그러한 작은 오차는 예측할 수 없었다.

도 7a 내지 도 7e는 각도(α)에 대한 시뮬레이션들만을 나타내지만, 이러한 시뮬레이션들은 또한 제2 각도(β)에 대해서도 나타내지만, 이 경우 곡선들의 라벨들은 도 7b의 "Bx" 대신에 "By"가 될 것이며, 그리고 도 7c의 "dBz/dx" 대신에 "dBz/dy" 그리고 "dBx/dx" 대신에 "dBy/dy"가 사용된다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명자들은 또한 공지된 "후처리 기술"에 의해, 예컨대, 구간별 선형 근사를 사용하여 도 7d의 곡선을 재맵핑하는 것에 기반하여 이 오차는 ±5°보다 작은, 또는 ±3°보다 작은, 또는 ±1.0°보다 작은, 또는 ±0.5°보다 작은, 또는 심지어 ±0.2°보다 작은, 또는 ±0.1°보다 작은 값으로 더 감소될 수 있음을 발견했으며, 그 선형 근사화의 파라미터들은 보정 단계 동안에 결정될 수 있고, 센서 디바이스의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다.

도 7c에서 알 수 있듯이, 신호(dBz/dx)만이 제1 각도에 대한 대략적인 표시로 사용될 수 있고, 유사하게, 신호(dBz/dy)만이 제2 각도에 대한 대략적인 표시로 사용될 수 있다. 용례(예컨대, 게임 콘솔, 굴착기 등)에 따라, 대략적인 표시가 충분할 수 있거나 충분하지 않을 수도 있다. 대략적인 표시는 룩업 테이블 또는 구간별 선형(piece-wise-linear) 보정을 사용하여 더 개선될 수 있다.

도 8a는 직경 D=8 mm, 높이 H=4 mm를 갖는 원통형 자석을 포함하는 예시적인 센서 시스템(800)을 나타내며, 그 원통형 센서는 약 1.7 mm로 이격되어 있는 두 센서들 사이에 위치되는 기준점 "Pref"로부터 g=3 mm의 거리에 장착되며, 각 센서는 약 190 ㎛의 직경을 갖는 IMC 및 2 개의 수평 홀 요소들을 포함한다(예컨대, 도 3 또는 도 5에 도시되어 있는 바와 같음).

도 8b 내지 도 8e는 이 센서 시스템의 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.

알 수 있는 바와 같이, 도 8b 내지 도 8e의 곡선들은 도 7b 내지 도 7e의 곡선들과 매우 유사하지만, 도 8d에 나타나 있는 곡선의 고유 선형성이 개선되며, 도 8e에 나타나 있는 고유 오차는 ±3°범위 내의 값으로 감소했다("고유 선형성"이란 "후처리"가 없는 곡선의 선형성을 의미함). 위에서 언급한 바와 같이, 고유 선형성은 1.00과 다른 K3, K4를 갖는 식 [15b], [16b], [21b] 및 [22b] 중 하나를 사용하여 개선될 수도 있다.

물론, 본 발명은 도 7a 및 8(a)의 예에 나타나 있는 특정 치수들을 갖는 센서 시스템에 한정되지 않지만, 예컨대 다음과 같은 파라미터 조합을 갖는 시스템에 대해서도 작동한다.

본 개시의 이익을 갖는 당업자는 예컨대 시뮬레이션들 및/또는 보정 시험을 수행하여 K1, K2 및 선택적으로 K3, K4(사용되는 경우)의 최적 값들을 쉽게 찾을 수 있다. K1 내지 K4의 값들은 센서 디바이스(예컨대, 도 9 참조)의 비휘발성 메모리(931)에 저장될 수 있다.

도 9는 전술한 포지션 센서 디바이스들에 사용될 수 있는 회로(910)의 전기 블록도를 나타낸다. 회로(910)는 복수의 자기 센서 요소들(M1 ∼ M8)(예를 들어, 수평 홀 요소들, 수직 홀 요소들, MR 요소들 등), 및 처리 유닛(930)(예를 들어, 아날로그 구성품들 및/또는 디지털 구성품들을 포함함) 및 비휘발성 메모리(931)(예들 들어, EEPROM 또는 플래시)를 포함한다. 홀 센서들 또는 MR 요소들을 포함하는 회로들의 바이어싱 및 판독은 당업계에 잘 알려져 있으며, 그래서 여기서 더 상세히 설명될 필요가 없다.

이 블록도는, 예를 들어, 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같은 센서 구조를 갖는 센서 디바이스들 또는 그의 변형예들에 사용될 수 있다.

센서 디바이스는, 제1 센서 위치에서 자기장 성분들(Bx1, Bz1)을 측정하고 제2 센서 위치에서 자기장 성분들(Bx2, Bz2)을 검출하며 제3 센서 위치에서 자기장 성분들(By1, Bz3)을 검출하고 또한 제4 센서 위치에서 자기장 성분들(By2, Bz4)을 측정하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 센서 위치는 X-축 상에 위치되고, 제3 및 제4 센서 위치는 X-축에 수직인 Y-축 상에 위치되고, 센서 디바이스는 X-방향을 따르는 평면내 구배(dBx/dx) 및 평면외 구배(dBz/dx)를 결정하고 또한 Y-방향을 따르는 평면내 구배(dBy/dy) 및 평면외 구배(dBz/dy)를 결정하며 그리고 이들 자기장 구배들에 근거하여 2 개의 각도 값들(α, β)을 결정하도록 구성된다.

제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는, 위에서 설명된 방식으로, 예를 들어, 위에서 설명된 수학식 [15a] 및 [15b], 또는 [21a] 및 [21b]를 사용하여, 그리고/또는 선택적으로 보간으로 룩업 테이블을 사용하여 결정될 수 있다. 선택적으로, 예를 들어, α에 대해 구간별 선형 보정을 사용하고 그리고 β에 대해 구간별 선형 보정을 사용하여, 보정후 단계가 또한 적용된다. α에 대한 구간별 선형 보정은 β에 대한 구간별 선형 보정과는 독립적일 수 있다.

자기장 성분들(예를 들어, 도 5의 h2-h1)을 결정하기 위한 그리고/또는 자기장 구배들(예를 들어, 도 5의 Bx2-Bx1, 또는 도 6의 v4-v3)을 결정하기 위한 신호들의 감산은 증폭 전 또는 후의 아날로그 영역, 또는 디지털 영역에서 수행될 수 있다.

처리 유닛(930)은 비휘발성 메모리(931)(예를 들어, NVRAM 또는 EEPROM 또는 FLASH)를 선택적으로 포함하거나 이에 연결될 수 있는 디지털 프로세서를 포함할 수 있다. 이 메모리는, 하나 이상의 상수들, 예를 들어 K1, K2 및 사용되는 경우 또한 K3, K4, 그리고 선택적으로, 적용되는 경우에, 보정후 단계에 대한 값들 또는 계수들을 또한 저장하도록 구성될 수 있다. 디지털 프로세서(930)는 예를 들어, 8-비트 프로세서 또는 16-비트 프로세서일 수 있다.

명시적으로 나타나 있지는 않지만, 센서 디바이스(910)는 증폭기, 차동 증폭기, 아날로그-디지털 변환기(ADC), 멀티플렉서 등으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 구성품들 또는 하위 회로들을 더 포함할 수 있다. ADC는 적어도 8 비트 또는 적어도 10 비트, 또는 적어도 12 비트, 또는 적어도 14 비트, 또는 적어도 16 비트의 분해능을 가질 수 있다.

주요 이점은, 처리 회로는 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행할 필요가 없거나 수백 개의 노드(node)들을 갖는 신경망을 구현해야 한다는 것이다.

도 10은 반도체 기판 상에 위치되는 기준점 "Pref"에 대한 축(A)을 갖는 원통형 자석의 배향(α, β)을 결정하기 위한 방법(1000)의 흐름도를 나타내며, 이 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:

a) 반도체 기판에 평행한 제1 방향(X)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제1 자기장 성분(Bx)의 제1 자기장 구배(dBx/dx)를 결정하는 단계(1001);

b) 반도체 기판에 평행하고 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제2 자기장 성분(By)의 제2 자기장 구배(dBy/dy)를 결정하는 단계(1002);

c) 반도체 기판에 수직인 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제3 자기장 구배(dBz/dx)를 결정하는 단계(1003);

d) 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제4 자기장 구배(dBz/dy)를 결정하는 단계(1004);

e) 상기 자기장 구배들 중 적어도 2 개에 근거하여, 제3 방향(Z)과 제1 방향(X)에 평행한 제1 가상 평면(XZ) 상의 자석의 축 "A"의 직교 투영 사이에 형성되는 제1 각도(α)를 결정하는 단계(1005); 및

f) 상기 자기장 구배들 중 적어도 2 개에 근거하여, 제3 방향(Z)과 제2 방향(Y)에 평행한 제2 가상 평면(YZ) 상의 자석의 축 "A"의 직교 투영 사이에 형성되는 제2 각도(β)를 결정하는 단계(1006).

단계 e)는 제1 자기장 구배(dBx/dx) 및 제3 자기장 구배(dBz/dx)에만 근거하여 상기 제1 각도(α)를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

단계 f)는 제2 자기장 구배(dBy/dy) 및 제4 자기장 구배(dBz/dy)에만 근거하여 상기 제2 각도(β)를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

단계 e)는 식 [15a] 또는 [15b]에 따라 제1 각도(α)를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

단계 f)는 식 [21a] 또는 [21b]에 따라 제2 각도(β)를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

본 방법은 정확도를 개선하기 위해, 예를 들어, 도 7e 및 도 8e에 도시되어 있는 비선형성 오차를 줄이거나 실질적으로 제거하기 위해 보정후 단계를 더 포함할 수 있다.

본 방법의 일 변형예(명시적으로 나타나 있지 않음)에서, 단계 a) 및 단계 b)는 생략되며, 단계 e)는, 단지 하나의 자기장 구배, 즉 dBz/dx에 근거하여 제1 각도를 결정하는 것을 포함하고, 단계 f)는, 단지 하나의 자기장 구배, 즉 dBz/dy에 근거하여 제2 각도를 결정하는 것을 포함한다.

위에서, 자석이 반도체 표면상에 위치되는 기준점 "Pref"를 중심으로 피봇 가능한 원통형 자석인 시스템이 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 자석이 다른 형상(예컨대, 구형, 막대형)을 갖는 2-극 자석인 경우 및/또는 기준점 "Pref"가 반도체 기판으로부터 고정된 하지만 0이 아닌 거리 "dref"에 위치되는 경우에도 작동한다.

도 11은 도 1의 센서 시스템의 일 변형예를 나타내며, 여기서 자석(1101)은 반도체 기판(명시적으로 나타나 있지 않지만, XY-평면에 의해 규정됨)의 위쪽으로 미리 정해진 0이 아닌 거리 "dref"에 위치되는 기준점 "Pref"를 중심으로 피봇 가능하다. 이 예에서, 기준점 "Pref"는 양의 Z-축 상에 위치하는데, 이는 자석과 기준점이 기판의 동일한 측에 위치함을 의미한다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 기준점은 또한 음의 Z-축 상에, 즉 자석과 반대편의 기판의 측에 위치할 수도 있다.

도 1 및 11에 나타나 있는 시스템의 기준점들 "Pref"는 원통형 자석의 크기에 의해 규정되는 공간의 외부에 위치되며, 자석이 그의 중립 포지션에 있을 때(즉, α=0°및 β=0°일 때를 의미함), 반도체 기판과 자석 사이에 위치된다.

그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 자석의 축이 피봇 가능한 (실제 또는 가상의) 기준점 "Pref"가 자석에 의해 규정되는 공간 내부 또는 자석에 의해 규정되는 공간의 위쪽에 위치되는 경우에도 본 발명이 작동할 것이다.

α 및 β를 계산하기 위해 위에서 설명한 것과 동일한 식이 이러한 경우들에도 사용될 수 있는 것으로 나타났다. 대안적으로, 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는 "atan2" 함수(2-인수 아크탄젠트 함수)로서 계산될 수 있으며, 여기서 제1 인수 및 제2 인수 각각은 dBx/dx, dBz/dx, dBy/dy 및 dBz/dy로 이루어진 그룹에서 선택되는 2개 이상의 자기장 구배들의 선형 조합이다.

선택적으로, 센서 디바이스는, 그 자체 당업계에 공지된 방식으로, 예를 들어, 제1 세트의 미리 정해진 계수들을 사용하여 각도(α)에 대한 제1 구간별 선형 보정을 적용하고 또한 제2 세트의 미리 정해진 계수들을 사용하여 각도(β)에 대한 제2 구간별 선형 보정을 적용하여, 이러한 각도들에 대한 후처리를 적용하도록 추가로 적합하게 될 수 있다. 이러한 계수들은 보정 단계 동안에 결정될 수 있으며 센서 디바이스의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다.

Claims (14)

1. 축(A)을 갖는 자석의 배향(α, β)을 결정하기 위한 센서 디바이스로서,
   복수의 자기 센서들을 포함하는 반도체 기판 ―상기 복수의 자기 센서들은, 다음과 같은 자기장 구배(gradient)들:
   i) 상기 반도체 기판에 평행한 제1 방향(X)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제1 자기장 성분(Bx)의 제1 자기장 구배(dBx/dx); 및
   ii) 상기 반도체 기판에 평행하고 상기 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제2 자기장 성분(By)의 제2 자기장 구배(dBy/dy); 및
   iii) 상기 반도체 기판에 수직인 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제3 자기장 구배(dBz/dx); 및
   ⅳ) 상기 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제4 자기장 구배(dBz/dy)
   중 적어도 2 개를 결정하도록 구성됨―; 및
   상기 자기장 구배들 중 적어도 일부에 근거하여 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)를 결정하도록 구성된 처리 회로(930)
   를 포함하는, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 자기 센서들은 제1 센서(S1), 제2 센서(S2), 제3 센서(S3) 및 제4 센서(S4)를 포함하고,
   상기 제1 센서(S1)는 제1 센서 위치에 위치되고 상기 제2 센서(S2)는 제2 센서 위치에 위치되며, 상기 제1 센서와 상기 제2 센서는 상기 제1 방향(X)으로 배향되는 제1 가상선 상에 위치되고 제1 거리로 서로 이격되어 있으며,
   상기 제1 센서(S1)는 상기 제1 방향(X)으로 배향되는 제1 자기장 성분(Bx1) 및 상기 제3 방향(Z)으로 배향되는 제2 자기장 성분(Bz1)을 측정하도록 구성되고,
   상기 제2 센서(S2)는 상기 제1 방향(X)으로 배향되는 제3 자기장 성분(Bx2) 및 상기 제3 방향(Z)으로 배향되는 제4 자기장 성분(Bz2)을 측정하도록 구성되며,
   상기 제3 센서(S3)는 제3 센서 위치에 위치되고 상기 제4 센서(S4)는 제4 센서 위치에 위치되고, 상기 제3 센서와 상기 제4 센서는 상기 제2 방향(Y)으로 배향되는 제2 가상선 상에 위치되고 제2 거리로 서로 이격되어 있고,
   상기 제3 센서(S3)는 상기 제2 방향(Y)으로 배향되는 제5 자기장 성분(By1) 및 상기 제3 방향(Z)으로 배향되는 제6 자기장 성분(Bz3)을 측정하도록 구성되고,
   상기 제4 센서(S4)는 상기 제1 방향(X)으로 배향되는 제7 자기장 성분(By2) 및 상기 제3 방향(Z)으로 배향되는 제8 자기장 성분(Bz4)을 측정하도록 구성되는, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제1 각도(α)는 다음의 식:
   α= K1*atan2(dBz/dx, dBx/dx),
   에 따라 결정되며, α는 상기 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수(two-argument arctangent function)이며, dBx/dx는 상기 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 상기 제3 자기장 구배이며, K1은 미리 정해진 제1 상수이고,
   상기 제2 각도(β)는 다음의 식:
   β=K2*atan2(dBz/dy, dBy/dy)
   에 따라 결정되며, β는 상기 제2 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBy/dy는 상기 제2 자기장 구배이고, dBz/dy는 상기 제4 자기장 구배이며, K2는 미리 정해진 제2 상수인, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제1 각도(α)는 다음의 식:
   α= K1*atan2(K3*dBz/dx, dBx/dx),
   에 따라 결정되며, α는 상기 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBx/dx는 상기 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 상기 제3 자기장 구배이며, K1 및 K3은 미리 정해진 상수들이고,
   상기 제2 각도(β)는 다음의 식:
   β=K2*atan2(K4*dBz/dy, dBy/dy),
   에 따라 결정되며, β는 상기 제2 각도이며, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이고, dBy/dy는 상기 제2 자기장 구배이며, dBz/dy는 상기 제4 자기장 구배이며, K2 및 K4는 미리 정해진 상수들인, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자석은, 상기 자석의 가상 축(A)이 상기 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준점(Pref)을 중심으로 피봇 가능하도록 움직일 수 있는, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 센서 위치와 제2 센서 위치 사이의 제1 거리(△X)가 제3 센서 위치와 제4 센서 위치 사이의 제2 거리(△Y)와 실질적으로 같거나, 또는
   제1 센서 위치와 제2 센서 위치 사이의 제1 거리(△X)가 제3 센서 위치와 제4 센서 위치 사이의 제2 거리(△Y) 보다 적어도 5% 더 크거나 적어도 5% 더 작은, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   4 개의 센서들(S1-S4) 각각이 통합 자기 집중기(integrated magnetic concentrator)(IMC1-IMC4) 및 2 개의 수평 홀 요소(Hall element)들(H1-H8)을 포함하는, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
8. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   4 개의 센서들(S1-S4) 각각이 수평 홀 요소 및 수직 홀 요소를 포함하거나, 또는
   4개의 센서들(S1-S4) 각각이 수평 홀 요소 및 적어도 하나의 자기 저항 센서 요소를 포함하는, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 처리 회로는 상기 반도체 기판에 통합되는, 축을 갖는 자석의 배향을 결정하기 위한 센서 디바이스.
10. 포지션 센서 시스템(100; 700; 800; 1100)으로서,
    반도체 기판을 포함하는, 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 센서 디바이스; 및
    상기 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준점(Pref)을 중심으로 피봇 가능한 자석
    을 포함하는, 포지션 센서 시스템(100; 700; 800; 1100).
11. 제10 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 자석에 연결된 조이스틱을 더 포함하는, 포지션 센서 시스템(100; 700; 800; 1100).
12. 반도체 기판에 대해 미리 정해진 포지션을 갖는 기준점(Pref)을 중심으로 피봇 가능한 자석의 배향(α, β)을 결정하는 방법(1000)으로서,
    a) 다음과 같은 자기장 구배들:
    i) 반도체 기판에 평행한 제1 방향(X)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제1 자기장 성분(Bx)의 제1 자기장 구배(dBx/dx)를 결정하는 단계(1001);
    ii) 상기 반도체 기판에 평행하고 상기 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 배향되며 상기 제2 방향(Y)을 따르는 제2 자기장 성분(By)의 제2 자기장 구배(dBy/dy);
    iii) 상기 반도체 기판에 수직인 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제1 방향(X)을 따르는 제3 자기장 성분(Bz)의 제3 자기장 구배(dBz/dx); 및
    ⅳ) 상기 제3 방향(Z)으로 배향되며 상기 제2 방향(X)을 따르는 상기 제3 자기장 성분(Bz)의 제4 자기장 구배(dBz/dy)
    중 적어도 2 개를 결정하는 단계(1001, 1002, 1003, 1004);
    b) 상기 자기장 구배들 중 적어도 하나에 근거하여, 상기 제3 방향(Z)과 상기 제1 방향(X)에 평행한 제1 가상 평면(XZ) 상의 상기 자석의 축(A)의 직교 투영 사이에 형성되는 제1 각도(α)를 결정하는 단계(1005); 및
    c) 상기 자기장 구배들 중 적어도 하나에 근거하여, 상기 제3 방향(Z)과 상기 제2 방향(Y)에 평행한 제2 가상 평면(YZ) 상의 상기 자석의 축(A)의 직교 투영 사이에 형성되는 제2 각도(β)를 결정하는 단계(1006)
    를 포함하는, 자석의 배향을 결정하는 방법(1000).
13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 각도(α)는 다음의 식:
    α= K1*atan2(dBz/dx, dBx/dx),
    에 따라 결정되며, α는 상기 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBx/dx는 상기 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 상기 제3 자기장 구배이며, K1은 미리 정해진 제1 상수이고,
    상기 제2 각도(β)는 다음의 식:
    β=K2*atan2(dBz/dy, dBy/dy)
    에 따라 결정되며, β는 상기 제2 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBy/dy는 상기 제2 자기장 구배이고, dBz/dy는 상기 제4 자기장 구배이며, K2는 미리 정해진 제2 상수인, 자석의 배향을 결정하는 방법(1000).
14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 각도(α)는 다음의 식:
    α= K1*atan2(K3*dBz/dx, dBx/dx),
    에 따라 결정되며, α는 상기 제1 각도이고, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이며, dBx/dx는 상기 제1 자기장 구배이고, dBz/dx는 상기 제3 자기장 구배이며, K1 및 K3은 미리 정해진 상수들이고,
    제2 각도(β)는 다음의 식:
    β=K2*atan2(K4*dBz/dy, dBy/dy),
    에 따라 결정되며, β는 제2 각도이며, atan2()는 2-인수 아크탄젠트 함수이고, dBy/dy는 상기 제2 자기장 구배이며, dBz/dy는 상기 제4 자기장 구배이며, K2 및 K4는 미리 정해진 상수들인, 자석의 배향을 결정하는 방법(1000).

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