JP4936299B2 - 磁場方向検出センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前提部で指定したタイプの磁場の方向を検出するセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このようなセンサは、例えば、複数のコイルを備えたステーターを有するブラシレス電気モータの制御用の角度センサとして適している。電気モータのローターはコイルの位相適合性制御に対する回転依存信号の角度を生成するセンサと結びつく永久磁石を有する。このような構成は欧州特許出願ＥＰ９５４０８５によって周知である。複数のアームを有する垂直ホール効果素子はセンサとして作用し、それによって、永久磁石の回転位置に依存するホール電圧が各アームに生成される。垂直ホール効果素子は、チップの表面に平行に走る永久磁石が生成した磁場の成分に敏感である。垂直ホール効果素子は特別な半導体技術を基礎にしているので、同じチップ上で処理エレクトロニクスと共に実現することができないという欠点を有する。
【０００３】
チップの表面上に垂直に入射する永久磁場によって生成された磁場の成分に敏感な水平ホール効果素子を使用することも周知である。これらのホール効果素子は同じチップ上の処理エレクトロニクスに集積することができる。しかしながら、この解決策には、磁場の垂直成分が最大の永久磁場の端部領域にホール効果素子を配置しなければならないという欠点がある。回転軸の領域では垂直成分は小さい。より大きな永久磁石を用いると、ホール効果素子を一つの半導体チップ上にホール効果素子を集積することはもはや経済的とは言えない。
【０００４】
磁気抵抗効果に基づく磁場センサ素子を有する角度センサが欧州特許出願ＥＰ８９３６６８によって周知である。測定可能角度範囲を１８０°以上に増加するために、別のホール効果素子がある。しかしながら、磁場センサ素子が回転永久磁石の磁場の水平成分を測定しなければならないし、一方、ホール効果素子磁場の垂直成分を測定しなければならないので、ホール効果素子は磁場センサ素子に対して異なる位置に位置させなければならない。さらに、磁気抵抗効果をもとにしたセンサは解像度を制限するヒステリシス効果を示す。
【０００５】
チップの表面に平行にそろった磁場に敏感でかつ半導体チップ上でエレクトロニクスと共に実現可能な磁場センサが、欧州特許出願ＥＰ７７２０４６によって周知である。しかしながら、このような磁場センサを用いると、磁場の単一成分しか測定できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、始めに述べた欠点を有さないセンサを提案することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は請求項１に記載した特徴を備えている。有利な構成が従属項にクレームされている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面を用いてさらに詳細に説明する。
【０００９】
図１は、例えば、３個のコイルを有するブラシレス電気モータの制御用の角度センサとして適した発明に対応するセンサの平面図を示している。センサは２．１から２．６の６個の水平ホール効果素子を有する半導体チップ１と１個の磁場センサ集線装置（コンセントレータ）３とを備えている。この最初の例を用いると、磁場コンセントレータ３がディスク上に形成され、かつ、６個のホール効果素子２は磁場コンセントレータ３の端部４に沿って等距離で分散して配置している。
【００１０】
ホール効果素子２．１から２．６は、ｐドープ基板７（図２）におけるｎドープ井戸６（図２）として、一般に周知の技術、好適にはＣＭＯＳ技術を用いて実現されている。水平ホール効果素子は、半導体チップ１の表面８上に垂直に入射する磁場の成分に敏感である。例では、ホール効果素子２．１から２．６は、好ましくは［１００］結晶軸に平行に並んだ十字型構造を有し、そのため、ホール信号上での機械的応力を変化させる影響をできる限り小さく維持する。
【００１１】
磁場コンセントレータ３は強磁性材料から成り、好適には、例えば約１５μｍから３０μｍの膜厚のテープとして使用可能な、パーマロイ又はミューメタル又はメタルグラスから成る。比較的低い保持力を有する金属ガラスが好適であり、そのため、ヒステリシス効果は生じない。さらに、それらの磁化は非常に等方的である。
【００１２】
磁場コンセントレータ３は平面９に延びており、平たい形状を有し、すなわち、その厚さは面上での広がりに比べてかなり小さい。磁場コンセントレータ３は等しい厚さを有することが好ましい。しかしながら、端部より中央部で厚く形成することもできる。従って、磁場コンセントレータ３は、面上に存在する磁場の成分に対してコンセントレータとして作用する。磁場コンセントレータ３の機能を図２をもとに詳細を説明する。この例では、磁場コンセントレータ３は対称中心５を有する。すなわち、それは回転対称である。
【００１３】
図２は、図１の線Ｉ−Ｉに沿ったセンサの断面図であって、例えば、３個のコイルを有するブラシレス電気モータ１２の回転軸１１上に載置された磁場を生成する永久磁石１０を示している。その環境内では、磁場コンセントレータ３は、磁力線１３のコースを変え、特に、磁場コンセントレータ３がない場合に半導体チップ１の表面８にほとんど垂直に走る磁力線が、表面８に対してほとんど垂直にホール効果素子２．１を貫くという効果を有する。磁場コンセントレータ３の材料の相対透磁率は１０００より大きく、一方、空気及び半導体基板７の相対透磁率は約１である。従って、磁力線は実際はいつも磁場コンセントレータ３の表面に対して垂直に並んでいる。ホール効果素子２．１から２．６は、磁場の垂直成分が最大なので、磁場コンセントレータ３の面方向端部４領域に配置している。
【００１４】
回転中心に対して径方向に反対に位置するホール効果素子は、出力信号の各生成に対して一対形成し、それによって一つのホール効果素子のホール電圧が他のホール効果素子のホール電圧から引かれる。磁力線が垂直方向に反対の一対のホール効果素子の両方を貫くので、磁場の“再方向付け”によって生成した電圧が蓄積し、一方、例えば、垂直にホール効果素子を貫く外側干渉磁場のために、生成したホール電圧が互いにキャンセルする。さらに、技術依存オフセット電圧は少なくとも部分的に補償される。従って、ホール効果素子２．１と２．４とは信号Ｓ１を生成し、ホール効果素子２．２と２．５とは信号Ｓ２を生成し、ホール効果素子２．３と２．６とは信号Ｓ３を生成する。出力信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３の強さは面９における磁場の方向に依存する。
【００１５】
永久磁石１０が回転軸１１の回りを回転すると、磁場はそれと共に回転し、１２０°だけ位相シフトした正弦波出力信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を生成する。永久磁石１０の磁場の方向が２つのホール効果素子２．１及び２．４を結合する軸に対して平行であるときには、出力信号Ｓ１は常に最大であり、また、永久磁石１０の磁場の方向が２つのホール効果素子２．３及び２．５を結合する軸に対して平行であるときには、出力信号Ｓ２が常に最大であり、…。欧州特許出願ＥＰ９５４０８５に記載されているように、出力信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を電気モータ１２の３個のコイルを制御するのに用いることができる。
【００１６】
しかしながら、出力信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３は電気モータ１２が静止しているときに回転軸１１の回転角φを決定するためにも用いることができる。ここで、可能な限り、永久磁石１０の磁場に起因しない出力信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３上に信号が重ならないことが重要である。ペアとして結合した各ホール効果素子を使った提案例はこれに対して特に適している。というのは、外部干渉場の影響が主に除去されかつ技術依存オフセット電圧がほとんど補償されるからである。個々のホール効果素子２．１から２．６の代わりに、２個又は３個以上のホール効果素子を備えたホール効果素子のグループを用いるとき、これによって電流方向が１グループの様々なホール効果素子で異なるので、技術依存オフセット電圧はさらに低減することができる。
【００１７】
このような例を、４つのグループ１４から１７がそれぞれ２つのホール効果素子２．１から２．８と共に利用可能な図３で示す。ホール効果素子の径方向に反対に位置するグループが結合してペアとなり、そのため、センサが２つの出力信号Ｓ１とＳ２とを出す。従って、これは、出力信号Ｓ１がホール効果素子２．１、２．２、２．５及び２．６のホール電圧から形成され、かつ、出力信号Ｓ２がホール効果素子２．３、２．４、２．７及び２．８のホール電圧から形成される。図３では、ホール効果素子は十字形状であり、各ホール効果素子は、ホール効果素子内の電流方向を示す矢印によって指定される。この例を用いると、磁場コンセントレータ３も、前の例で示したような円状構造に向かい合うように、ホール効果素子の位置での磁場をより大きくすることにつながる十字構造を有する。必要ならば、出力信号Ｓ１及びＳ２の値を回転角φの関数として格納することが可能である。出力信号Ｓ１及びＳ２は位相シフトしているので、出力信号Ｓ１及びＳ２をもとに、回転角φを容易に明瞭にかつ唯一つ決定することができる。
【００１８】
図４は、第１の例のセンサを参照して倍率表示でなく概略図として、回転軸１１（図１も参照）に対して面の径方向反対側に位置した２つの集積ホール効果素子２．１と２．４とを備えた半導体チップ１と円状磁場コンセントレータ３とを示している。２つのホール効果素子２．１及び２．４の領域における永久磁石１０（図２）によって生成された場の強さ及び方向は垂直軸で示している。ｘ軸の正方向における磁場コンセントレータ３の理想位置からのシフトは、ホール効果素子２．１のホール電圧の低下とホール効果素子２．４のホール電圧の増加との原因となる。好適には、磁場コンセントレータ３の直径は２つのホール効果素子２．１と２．４との間の距離に適用され、そのため、ホール効果素子２．１及び２．４に対する磁場コンセントレータ３の理想位置付けと共に、２つのホール効果素子２．１及び２．４は磁場の強さが最大に達するゾーン内に位置していない：ホール効果素子２．１及び２．４は図４で示した中心により近接しているか、または、中心からさらに離れて位置しているかいずれかである。このように、２つのホール効果素子２．１及び２．４はに対する磁場コンセントレータ３の様々な位置変動の影響は最小化されている。
【００１９】
センサは電気モータの制御だけを行い、そしてモータが静止しているときの回転角は重要でないならば、一対のホール効果素子が使用可能なときにだけで十分である。第１の実施形態では、これらはホール効果素子２．１及び２．４である。
【００２０】
円状磁場コンセントレータの代わりに、例えば多角形の形状の磁場コンセントレータを使用することができる。特に、フォトリソグラフィのために、ポリゴンによって円形に近づくことが賢明である。同様に、ホール効果素子の数を増やすことができる。
【００２１】
図５は、垂直ホール効果素子２を有する実施形態を示している。垂直ホール効果素子は、ホール効果素子を貫通する磁場の半導体チップ１の表面８に平行な成分に敏感である。エレクトロニクスで集積することができる垂直ホール効果素子は例えば米国特許５５７２０５８に記載されている。垂直ホール効果素子２は磁場コンセントレータ３の端部４に対して接線方向に並んでいる。それらは、磁場コンセントレータ３の端部４の領域に位置するが、磁場コンセントレータ３や水平ホール効果素子の下ではなく、半導体チップ１の表面８に平行に走る磁場の磁力線１３（図２）が最大である磁場コンセントレータ３が最大のところである磁場コンセントレータ３のそとへ面方向にはずれたしたところである。
【００２２】
図６では、矢印は垂直ホール効果素子２の領域の磁場の平行に走る磁力線（図２）の強さを示している。ここで、矢印の長さは磁場の強さに比例する。
【００２３】
従来技術で周知の解決策と比較してこの解決策は以下のような利点を有する：
ａ）ホール効果素子は磁場の垂直成分が最大である永久磁石の端部領域に位置せず、水平成分が最大である回転軸領域に位置するので、永久磁石に対するホール効果素子の位置は決定的に重要ではなく、そのため、ホール効果素子を集積するホール効果素子の配置は永久磁石の端部の位置に独立して行うことができる。
ｂ）磁場コンセントレータはさらにホール効果素子の領域の磁場を増幅する。
ｃ）ホール効果素子の処理エレクトロニクスは同じチップ上に集積することができる。
ｄ）通常の処理許容範囲内の設定位置からの磁場の実際の位置のずれは生成される信号上にほとんど影響を与えない。
【００２４】
記載したセンサも、始めに引用した欧州特許出願８９３６６８に記載した応用についての角度センサとして適している。
【００２５】
図７ａは、磁場コンセントレータ３がリング形状を有する発明に対応したセンサの第３の例を示している。これは、リングの中心において、ホール効果素子２’上への垂直入射を測定することができる磁場の成分を有するさらなる水平ホール効果素子の配置を可能にする。このようなセンサは例えば、それが３つの次元で外側磁場の方向の決定を可能にするように、ジョイスティックにおいて使用するのにも適している。
【００２６】
磁場コンセントレータ３は非常に薄いので、ホール効果素子２’に垂直に入射する磁場の成分に実際には何の影響もない。図７ｂで示したセンサも、それが３つの次元で外側磁場の方向の決定を可能にする。しかしながら、ここで、始めに磁場コンセントレータ３が水平成分を増幅し、次に設定位置からの磁場コンセントレータ３のずれを伴って、磁場の水平成分も垂直方向にホール効果素子２’を貫通することができるので、垂直成分が水平成分に重なってしまうという意見が存在する。
【００２７】
しかしながら、図７ａによる例と共に、強磁性リングの幅が厚さと同程度であるときに、磁場コンセントレータ３も磁場の垂直成に対してコンセントレータとして作用することができる。２つのホール効果素子２．１及び２．３の信号の和又は２つのホール効果素子２．２及び２．４の信号の和から、磁場の垂直成分に比例する信号を得ることができ、一方、上述で証明したように、差から磁場の水平成分を得ることができる。ホール効果素子２’は省略することができる。
【００２８】
個々のホール効果素子は通常に数１０μｍ×数１０μｍの比較的小さな面積を必要とする。円状磁場コンセントレータの直径は約０．２ｍｍから０．５ｍｍの値である。理想的な場合には、磁場コンセントレータの直径は、通常１．３ｍｍ又はそれ以上の値である永久磁石の直径より小さい。
【００２９】
２０ｍＴ以上では、外側磁場は通常磁場コンセントレータにおいて飽和効果につながる。磁場コンセントレータが少なくとも部分的に磁場が飽和するように、永久磁石とセンサとの間の設定距離を選択したとき、これは、出力信号Ｓ１、Ｓ２等がセンサからの永久磁石の距離揺らぎに依存しないか又はわずかだけ依存するという利点を有する。
【００３０】
ホール効果素子をパルス発生器として作動し、それによって、回転永久磁石が使用されるホール効果素子の数と同じ数だけ回転あたりのパルスを生成する。
【００３１】
図８は、第１の例におけるセンサと、角度規定素子として作用する永久磁石と共に、角度センサとして、３個のコイルを有する電気モータの制御に対して適している、３個の磁場コンセントレータ１８．１、１８．２と１８．３を有する角度センサを示している。磁場コンセントレータ１８は、対称点１９に対して対称に、すなわち、１２０°の回転対称性を有して配置している。水平ホール効果素子２．１、２．２、又は２．３が、対称点１９に向いた各磁場コンセントレータの端部４の領域に配置している。磁場コンセントレータの端部４は２つの範囲に分割される、すなわち、磁場の磁力線の密度が２つのへり２０の間のギャップにおいて可能な限り一様でありかつピークの飽和が回避されるように磁場コンセントレータ１８の反対のへり２０が平行に走る内部範囲と、ここで磁場が“短絡”することを回避するために近傍の磁場コンセントレータの間の距離がはるかに大きい外側範囲とに分割される。磁場コンセントレータ１８．１、１８．２と１８．３の外側端部２１が、ホール効果素子２．１、２．２及び２．３の領域においてできるだけ効率的に外側磁場を集中するため、かつ、信号の角度依存性に影響を与える飽和ピークを回避するために、できるだけ大きな角度範囲に拡がっている。この例によって、各ホール効果素子２．１、２．２及び２．３は出力信号Ｓ１、Ｓ２，及びＳ３を出す。
【００３２】
各ホール効果素子２．１、２．２及び２．３の代わりに、ホール効果素子のグループもそれらの間ですでにオフセット補正されたことを予め知ることが可能である。
【００３３】
図９及び図１０は、磁場の方向を２次元において決めることが可能なさらに２つのセンサを示している。ここで、対称点１９に関して互いに径方向で反対に位置した２個のホール効果素子が一対に結合している。ホール効果素子２．１と２．３とで出力信号Ｓ１を生成し、ホール効果素子２．２と２．４とで出力信号Ｓ２を生成する。出力信号Ｓ１及びＳ２から、センサの面９における磁場の方向を決定することができる。
【００３４】
図８から図１０に示したセンサを用いて、磁場コンセントレータは平坦に形成する必要はない。それらは、ホール効果素子の領域にできるだけ効果的に磁場を集中するために、端部へいくほど厚くすること、あるいはさらなる外部磁場コンセントレータに結合することができる。
【００３５】
図１１は、３個の磁場コンセントレータ１８．１、１８．２及び１８．３と、隣接する磁場コンセントレータ１８．１、１８．２及び１８．３の平行に延びるへり２０の間の中心に各々配置する３個の垂直ホール効果素子２．１、２．２及び２．３とを有する実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 水平ホール効果素子を有する本発明に係るセンサの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】 図１のＩ−Ｉに沿ったセンサの断面図である。
【図３】 本発明に係るセンサの第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】 本発明に係るセンサの詳細図である。
【図５】 垂直ホール効果素子を有する本発明に係るセンサの一実施形態を示す概略構成図である。
【図６】 垂直ホール効果素子を有する本発明に係るセンサの一実施形態を示す概略構成図である。
【図７】 （ａ）外側磁場の方向を３方向で決定することができる本発明に係るセンサの概略構成図である。（ｂ）外側磁場の方向を３方向で決定することができる本発明に係るセンサの概略構成図である。
【図８】 本発明に係る他のセンサの概略構成図である。
【図９】 本発明に係る他のセンサの概略構成図である。
【図１０】 本発明に係る他のセンサの概略構成図である。
【図１１】 本発明に係る他のセンサの概略構成図である。
【符号の説明】
２．１、２．２、２．４、２．５ ホール効果素子
３、１８．１、１８．２，１８．３、１８．４ 磁場コンセントレータ
４ 端部
５、１９ 対称中心
１０ 永久磁石
１１ 回転軸
１４、１５、１６、１７ ホール効果素子
２０ へり

Claims (8)

1. 半導体チップ（１）と、
   少なくとも第１のホール効果素子（２．１）及び第２のホール効果素子（２．２）、又は少なくともホール効果素子（２．１，２．２）の第１のグループ（１４）及びホール効果素子（２．３，２．４）の第２のグループ（１５）と、
   略平らな形状を有すると共に前記半導体チップ（１）の表面上に配置された単一の磁場コンセントレータ（３）と、を備え、
   前記ホール効果素子が前記半導体チップ（１）に集積されていると共に、前記磁場コンセントレータ（３）の周縁端部（４）領域に配置され、且つ前記磁場コンセントレータの前記周縁端部の領域において前記半導体チップ（１）の前記表面に対して略垂直に走る磁力線が通過する磁場方向検出センサ。
2. 前記磁場コンセントレータ（３）は、対称中心（５）を有し、
   第３のホール効果素子（２．３）及び第４のホール効果素子（２．４）又はホール効果素子（２．５，２．６）の第３のグループ（１６）及びホール効果素子（２．７，２．８）の第４のグループ（１７）が存在し、
   前記ホール効果素子が前記磁場コンセントレータ（３）の前記周縁端部（４）領域内に位置しており、
   前記第１のホール効果素子（２．１）と前記第３のホール効果素子（２．３）とが、又は前記ホール効果素子（２．１，２．２）の第１のグループ（１４）と前記ホール効果素子（２．５，２．６）の第３のグループ（１６）とが、前記対称中心（５）に対して対称に配置されており、
   前記第１のホール効果素子（２．１）のホール電圧が前記第３のホール効果素子（２．３）のホール電圧から引かれ、又は前記ホール効果素子（２．１，２．２）の第１のグループ（１４）のホール電圧が前記ホール効果素子（２．５，２．６）の第３のグループ（１６）のホール電圧から引かれ、
   前記第２のホール効果素子（２．２）と前記第４のホール効果素子（２．４）とが、又は前記ホール効果素子（２．３，２．４）の第２のグループ（１５）と前記ホール効果素子（２．７，２．８）の第４のグループ（１７）とが、前記対称中心（５）に対して対称に配置されており、
   前記第２のホール効果素子（２．２）のホール電圧が前記第４のホール効果素子（２．４）のホール電圧から引かれ、又は前記ホール効果素子（２．３，２．４）の第２のグループ（１５）のホール電圧が前記ホール効果素子（２．７，２．８）の第４のグループ（１７）のホール電圧から引かれる請求項１に記載の磁場方向検出センサ。
3. 前記ホール効果素子（２）は、前記磁場コンセントレータ（３）の前記対称中心に向いて前記磁場コンセントレータ（３）の前記周縁端部（４）側における前記磁場コンセントレータ（３）の下に位置する水平ホール効果素子である請求項１又は２に記載の磁場方向検出センサ。
4. 前記ホール効果素子（２）は、前記磁場コンセントレータの前記周縁端部の領域において前記半導体チップ（１）の前記表面に対して略垂直に走る前記磁力線が曲がり、前記半導体チップ（１）の前記表面に対して略水平に走る前記磁場コンセントレータ（３）の前記周縁端部（４）外に位置する垂直ホール効果素子である請求項１又は２に記載の磁場方向検出センサ。
5. 半導体チップ（１）と、
   前記半導体チップ（１）の表面上の対称中心（１９）について対称な面に配置された略平らな形状を有する少なくとも３つの磁場コンセントレータ（１８．１，１８．２，１８．３；１８．１，１８．２，１８．３，１８．４）であって、互いに対向する隣接する端部（２０）が前記対称中心（１９）の領域においてそれぞれに対して部分的に平行に走る少なくとも３つの磁場コンセントレータ（１８．１，１８．２，１８．３；１８．１，１８．２，１８．３，１８．４）と、
   前記磁場コンセントレータのそれぞれに対するホール効果素子の一グループ又はホール効果素子（２．１，２．２，２．３；２．１，２．２，２．３，２．４）と、を備え、
   前記ホール効果素子は前記半導体チップ（１）に集積されていると共に、関連付けられた前記磁場コンセントレータ（３）の周縁端部（４）の平行に延びるへり（２０）の領域に配置され、且つ前記磁場コンセントレータの前記周縁端部の領域における前記半導体チップ（１）の前記表面に対して略垂直に走る磁力線が通過する磁場方向検出センサ。
6. 前記ホール効果素子（２．１，２．２，２．３；２．１，２．２，２．３，２．４）は水平ホール効果素子であり、
   前記ホール効果素子（２）は前記磁場コンセントレータ（３）の下に位置する請求項５に記載の磁場方向検出センサ。
7. 前記磁場コンセントレータ又は磁場コンセントレータ群（３；１８．１、１８．２，１８．３）は金属ガラスから成る請求項１から６のいずれか一項に記載の磁場方向検出センサ。
8. 回転軸（１１）の回りに回転可能な物体の回転位置を決定する角度センサであって、前記回転軸（１１）に固定された永久磁石（１０）と、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサとを備えた角度センサ。

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