(57)【要約】少なくとも１つの平坦な磁気抵抗センサ素子を備える角度センサにおいて、各磁気抵抗センサ素子は、この磁気抵抗センサ素子の平坦面に沿う予め規定した方向に電源電圧降下を発生させるための少なくとも１つの電源電圧により、又は前記予め規定した方向に電源電流を流すための少なくとも１つの電源電流により、又はこれらの双方により磁気抵抗センサ素子を動作させるための少なくとも１つの第１電源端子および少なくとも１つの第２電源端子と、差電圧を取り出すための少なくとも２つのタップ電極とを備え、前記差電圧は、前記タップ電極間で磁気抵抗センサ素子に作用する磁界の強度および方向の双方又はいずれか一方の影響の下で前記電源電圧降下又は前記電源電流の流れにより生ぜしめるようにする。導線抵抗の影響を回避するために、少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子の、少なくとも１つの第１電源端子および少なくとも１つの第２電源端子を、この少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子に電源電圧を印加するための電源に結合する。
2008527370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの平坦な磁気抵抗センサ素子を備える角度センサであって、各磁気抵抗センサ素子は、
・この磁気抵抗センサ素子の平坦面に沿う予め規定した方向に電源電圧降下を発生させるための少なくとも１つの電源電圧により、又は前記予め規定した方向に電源電流を流すための少なくとも１つの電源電流より、又はこれらの双方により磁気抵抗センサ素子を動作させるための少なくとも１つの第１電源端子および少なくとも１つの第２電源端子と、
・差電圧を取り出すための少なくとも２つのタップ電極と
を備えており、前記差電圧は、前記タップ電極間で磁気抵抗センサ素子に作用する磁界の強度および方向の双方又はいずれか一方の影響の下で前記電源電圧降下又は前記電源電流の流れにより生ぜしめるようにした角度センサにおいて、
少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子の、前記少なくとも１つの第１電源端子および前記少なくとも１つの第２電源端子が、この少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子に電源電圧を印加するための電源に結合されていることを特徴とする角度センサ。
【請求項２】
第１および第２電源端子並びに２つのタップ電極をそれぞれ有する２つの平坦な磁気抵抗センサ素子を備える請求項１に記載の角度センサにおいて、前記磁気抵抗センサ素子がこれらの電源端子を介して互いに且つこれらの共通電源と直列接続されていることを特徴とする角度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角度センサにおいて、前記磁気抵抗センサ素子が少なくともほぼ同一の幾何学的形状および大きさであることを特徴とする角度センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の角度センサにおいて、前記磁気抵抗センサ素子が、これらの平坦面の平面に対しこの平面内で互いにほぼ平行となるように、且つ予め規定した角度だけ互いに回転させて配置したことを特徴とする角度センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の角度センサにおいて、前記磁気抵抗センサ素子を互いに回転させて配置した予め規定した前記角度は、少なくともほぼ４５度であることを特徴とする角度センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の角度センサにおいて、少なくとも１つの前記磁気抵抗センサが、異方性磁気抵抗効果の原理に基づくセンサとして設計されたセンサ素子、いわゆるＡＭＲセンサであることを特徴とする角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの平坦な磁気抵抗センサ素子を備える角度センサであって、各磁気抵抗センサ素子は、
・この磁気抵抗センサ素子の平坦面に沿う予め規定した方向に電源電圧降下を発生させるための少なくとも１つの電源電圧により、又は前記予め規定した方向に電源電流を流すための少なくとも１つの電源電流より、又はこれらの双方により磁気抵抗センサ素子を動作させるための少なくとも１つの第１電源端子および少なくとも１つの第２電源端子と、
・差電圧を取り出すための少なくとも２つのタップ電極とを備えており、前記差電圧は、前記タップ電極間で磁気抵抗センサ素子に作用する磁界の強度および方向の双方又はいずれか一方の影響の下で前記電源電圧降下又は前記電源電流の流れにより生ぜしめるようにした角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
２００４年５月１４日に出願された欧州特許出願第０４１０２１１７．１号明細書には、少なくとも１つの電源端子を用いて、特に少なくとも１つの第１電源端子と、少なくとも１つの基準端子、特に例えば接地電位にある少なくとも１つの第２電源端子とを用いて、少なくとも１つの電源電圧または少なくとも１つの電源電流により動作しうる磁気抵抗センサ素子が記載されており、この場合、電源電圧降下の方向または電源電流の流れの方向と、得られる内部磁界の方向との間の角度の関数として生じる差電圧を、少なくとも１つの第１の、特に正のタップ電極と、少なくとも１つの第２の、特に負のタップ電極との間で取り出しうるようになっており、得られる内部磁界の方向は、固有磁気と少なくとも１つの外部磁界との重畳により得られ、更に磁気抵抗センサ素子は平坦で、また特に電源電圧降下が連続的である。更に、この欧州特許出願明細書には、第１電源電圧または第１電源電流に割り当てられた第１センサ素子と、第２電源電圧または第２電源電流に割り当てられた第２センサ素子との組み合わせを備える角度センサが記載されている。特に、第１電源電圧の降下方向または第１電源電流の流れの方向を、第２電源電圧の降下方向または第２電源電流の流れの方向に対して、規定の角度だけ例えば約４５度だけ、回転すなわちオフセットさせる。
【０００３】
上述した種類のセンサ素子は、蛇行した導体細条ではなく、例えばシリコン基板に被着されたパーマロイ材料の方形又は円形の層を備える閉成された平坦な導体の構造を以って設計されており、非常に低いオーム抵抗に特徴がある。代表的な抵抗値は、数オームの範囲内にある。これらの抵抗値は、電源電圧または電源電流を供給するための平坦な導体構造体へのリード線の抵抗値の値の範囲に近い、すなわち、実際のセンサの構造体へ接着されるリード線の抵抗値の範囲に近い、ある値の範囲に入っていることを確かめた。従って、平坦な導体構造体へのリード線の抵抗値は、この平坦な導体構造体に作用する電源電圧または電源電流の流れに大きな影響を及ぼす。動作中にこれらのリード線の抵抗に沿って生じる電圧損失によって計測結果が大きく改変され、従って、発生する計測信号の質に大きな影響を及ぼす。この計測信号は、角度センサに作用する磁界の磁力線の、この角度センサに対する角度を表すものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、上述した種類の角度センサにおける上述した欠点を回避することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、一般的な種類の角度センサにおいて、少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子の、前記少なくとも１つの第１電源端子および前記少なくとも１つの第２電源端子が、この少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子に電源電圧を印加するための電源に結合されていることにより本発明の目的を達成する。
【０００６】
本発明によれば、単一の磁気抵抗センサ素子が規定の電源電流により動作させられるか、複数の磁気抵抗センサ素子が規定の共通電源電流により動作させられ、従って、規定の電源電圧が磁気抵抗センサ素子の両端間に存在し、この電源電圧は磁気抵抗センサ素子自体のオーム抵抗のみに依存しリード線の抵抗に依存しない状況が簡単に実現される。従って、製造のばらつきにより、角度センサの計測結果になんら影響を及ぼさない。本発明による角度センサに対する電源の設計には、複雑ないかなる補償装置をも必要としなくなる。
【０００７】
本発明による角度センサは、２つの平坦な磁気抵抗センサ素子を備え、それぞれのセンサ素子は、第１および第２電源端子並びに２つのタップ電極を有し、これら磁気抵抗センサ素子がこれらの電源端子を介して互いに且つこれらの共通電源と直列接続されているように設計するのが好ましい。これにより、これら２つの磁気抵抗センサ素子に同一の電源電流が供給され、これら磁気抵抗センサ素子が出力する計測信号の振幅の比が、この電源電流の電流強度の変動にもはや依存しなくなるようにする。タップ電極に対するリード線の抵抗の影響は原理上は存在するが、計測回路の入力端が高オーム抵抗である為に、無視できるレベルまで低減される。
【０００８】
２つの磁気抵抗センサ素子を用いて本発明により設計した角度センサにおいては、この角度センサを大きな角度範囲にわたって角度測定するように設計するのが好ましく、磁気抵抗センサ素子は、少なくともほぼ同一の幾何形状および大きさとなるようにするのが有利である。この目的のためには、特に、前記磁気抵抗センサ素子が、これらの平坦面の平面に対しこの平面内で互いにほぼ平行となるように、且つ予め規定した角度だけ互いに回転させて配置する。前記磁気抵抗センサ素子を互いに回転させて配置した予め規定した前記角度は、少なくともほぼ４５度にするのが好適である。本発明による角度センサのこのような構成の場合、互いに同一の振幅を有し且つほとんど正弦波状であり、また互いに４５度だけオフセットされている２つの信号をタップ電極において計測するのが有利であり、これら信号を使用して、角度センサに作用する磁界の磁力線の、この角度センサに対する角度を表わす測定信号を決定するようにするのが特に有利である。
【０００９】
上述した種類の角度センサにおいては、単一のセンサ素子または複数のセンサ素子を異方性磁気抵抗効果の原理に基づくセンサ、いわゆるＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）センサとして設計するのが有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に示す実施例を参照して、本発明を更に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００１１】
図１は、角度センサの平坦な第１磁気抵抗センサ素子１および平坦な第２磁気抵抗センサ素子２を線図的に示す。パーマロイから形成するのが好ましいこれらの磁気抵抗性で導電性の層は、円形の輪郭をしている。２００４年５月１４日に出願された欧州特許出願第０４１０２１１７．１号に示されているように、方形の輪郭で設計することも同様に可能である。磁気抵抗センサ素子１および２は、ＡＭＲセンサ素子として設計するのが好ましい。
【００１２】
第１磁気抵抗センサ素子１には、第１電源端子１０および第２電源端子１１が設けられている。電源電圧又は電源電流がこれら電源端子１０および１１を介して、第１センサ素子を動作させることができる。その結果として、角度センサの動作中に、第１センサ素子１の平坦面に沿う方向の電源電圧降下が、第１センサ素子１内で発生する。この方向を図中に参照符号ＵＶ１によって示してあり、この方向ＵＶ１は、第１センサ素子１内の電源電流の流れの方向でもある。同様に、第２センサ素子２には、第１電源端子２０および第２電源端子２１が設けられており、電源電圧又は電源電流がこれらの電源端子を介して第２センサ素子２を動作させることができる。その結果として、角度センサの動作中に、第２センサ素子２の平坦面に沿う方向の電源電圧降下が、第２センサ素子２内で発生する。この方向を図中に参照符号ＵＶ２によって示してあり、この方向ＵＶ２は、第２センサ素子２内の電源電流の流れの方向でもある。
【００１３】
さらに、第１センサ素子１には、第１タップ電極１２および第２タップ電極１３が設けられており、これらの電極を介して、動作中に第１センサ素子１から第１計測電圧ＵＭ１を取り出す。同様に、第２センサ素子２には、第１タップ電極２２および第２タップ電極２３が設けられており、これらの電極を介して、動作中に第２センサ素子２から第２計測電圧ＵＭ２を取り出す。計測電圧ＵＭ１およびＵＭ２を図１に矢印で線図的に示す。
【００１４】
センサ素子１および２は、これらの電源端子１０，１１および２０，２１を介して、互いに且つ、共通電源３０と直列に接続されている。この直列接続体は、図示の例においては電圧源端子３１と接地端子３２との間に配置してある。この直列接続体においては、電源３０の第１端子が電圧源端子３１に接続され、電源３０の第２端子が第１磁気抵抗センサ素子１の第１電源端子１０に接続されている。第１磁気抵抗センサ素子１の第２電源端子１１は、接続ライン３３を介して、第２磁気抵抗センサ素子２の第１電源端子２０に接続され、第２磁気抵抗センサ素子２の第２電源端子２１は接地端子３２に接続されている。こうして、図１において参照符号ＩＳで示す共通電流が動作中に、センサ素子１および２の双方を流れる。
【００１５】
図２は、角度測定用の２つのセンサ素子１および２を有する角度センサを使用する実施例を線図的に示す。図１に対応する図２の素子にも図１と同一の参照符号を付してある。
【００１６】
図２に示すブロック線図において、評価装置４０の第１計測電圧入力端４１および第２計測電圧入力端４２が、第１磁気抵抗センサ素子１の第１タップ電極１２および第２タップ電極１３にそれぞれ接続されて、第１計測電圧ＵＭ１が評価装置４０に供給されるようになっている。評価装置４０の第３計測電圧入力端４３および第４計測電圧入力端４４は、第２磁気抵抗センサ素子２の第１タップ電極２２および第２タップ電極２３にそれぞれ接続されて、第２の計測電圧ＵＭ２が評価装置４０に供給されるようになっている。計測電圧入力端４１，４２，４３，４４は高オーム抵抗となるように設計し、タップ電極においてセンサ素子に大きな負荷が加わらず、従って信号の改変が生じないようにする。
【００１７】
２００４年５月１４日に出願された欧州特許出願第０４１０２１１７．１号明細書に示されている方法によって設計するのが好ましい評価装置４０では、この特許出願に記載されている方法により計測電圧ＵＭ１およびＵＭ２を処理し、動作中に出力端４５に出力信号を生ぜしめる。この出力信号が、角度センサ１および２と、評価装置４０とを備える角度測定システムの出力信号となる。この出力信号は、センサ素子１および２の平坦面上を流れ角度センサに作用する磁場の磁力線の成分の、角度センサに対する角度に関する情報である。磁力線のこの成分を図２において参照符号Ｈを付した矢印によって示す。
【００１８】
コンピュータシミュレーションおよび、上述したように設計した計測構成では、上述した種類の角度センサにより、均一な外部磁場中において、約０．１度の角度誤差しか生じなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、２つの磁気抵抗センサ素子を有し、これらを互いに接続するとともにこれらの電源端子を介してこれらの共通電源に接続した回路の一例を示す線図である。
【図２】図２は、角度測定用の評価装置を有する本発明による構成の角度センサの一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  第１磁気抵抗センサ素子
２  第２磁気抵抗センサ素子
１０  第１磁気抵抗センサ素子の第１電源端子
１１  第１磁気抵抗センサ素子の第２電源端子
１２  第１磁気抵抗センサ素子の第１タップ電極
１３  第１磁気抵抗センサ素子の第２タップ電極
２０  第２磁気抵抗センサ素子の第１電源端子
２１  第２磁気抵抗センサ素子の第２電源端子
２２  第２磁気抵抗センサ素子の第１タップ電極
２３  第２磁気抵抗センサ素子の第２タップ電極
３０  電源
３１  電圧源端子
３２  接地端子
３３  接続ライン
４０  評価装置
４１  第１磁気抵抗センサ素子の第１タップ電極に接続された評価装置の第１計測電圧入力端
４２  第１磁気抵抗センサ素子の第２タップ電極に接続された評価装置の第２計測電圧入力端
４３  第２磁気抵抗センサ素子の第１タップ電極に接続された評価装置の第３計測電圧入力端
４４  第２磁気抵抗センサ素子の第２タップ電極に接続された評価装置の第４計測電圧入力端
４５  評価装置の出力端
Ｈ  センサ素子の平坦面上を流れ角度センサに作用する磁場の磁力線の成分
ＩＳ  センサ素子を流れる共通電流
ＵＭ１  第１センサ素子の第１および第２タップ電極を介して取り出される第１計測電圧
ＵＭ２  第２センサ素子の第１および第２タップ電極を介して取り出される第２計測電圧
ＵＶ１  第１センサ素子の平坦面に沿う電源電圧の降下または電源電流の流れの方向
ＵＶ２  第２センサ素子の平坦面に沿う電源電圧の降下または電源電流の流れの方向
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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