(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向における外部磁界を検出するためのＸ軸磁気抵抗角度センサ及びＹ軸磁気抵抗角度センサと、
前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に沿った前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサ及び前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの出力の測定されたベクトルマグニチュードをリアルタイムで計算するためのユニットと、
既知の校正ベクトルマグニチュードと前記測定されたベクトルマグニチュードとの差を計算するためのユニットと、
誤差信号を計算するために前記差を２の平方根で割るためのユニットと、
前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサおよび前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの校正された出力信号を計算するために、前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力にそれぞれ前記誤差信号を足す、または前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力から前記誤差信号を引くためのユニットと、
前記外部磁界の回転角度を提供するために、前記校正されたＹ軸出力信号を前記校正されたＸ軸出力信号で割り、その比の逆正接関数を計算するためのユニットとを備える２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項２】
前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力はそれぞれ、オフセット校正されたＸ軸電圧出力およびオフセット校正されたＹ軸電圧出力であり、前記オフセット校正されたＸ軸電圧出力を得るために前記Ｘ軸電圧出力から第１のオフセット校正値が引かれ、前記オフセット校正されたＹ軸電圧出力を得るために前記Ｙ軸電圧出力から第２のオフセット校正値が引かれる、請求項１に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項３】
前記Ｘ軸電圧出力は、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記Ｙ軸電圧出力は、第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および前記第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される、請求項１に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項４】
前記オフセット校正されたＸ軸電圧出力は、前記第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記オフセット校正されたＹ軸電圧出力は、前記第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および前記第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される、請求項２に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項５】
前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサ及び前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの各々は、ＧＭＲスピンバルブまたはＴＭＲセンサである、請求項１に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項６】
温度センサを備える、請求項１、２、３、または４に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項７】
前記温度センサによって生成される温度信号は、温度に対して直線的に変化するピーク値、前記オフセット校正値、および／またはベクトルマグニチュード校正値を計算するために用いられる、請求項６に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項８】
互いに直交する前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサ及び前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの前記電圧出力は、ほぼ同じ最大振幅を有する、請求項１に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項９】
前記既知の校正ベクトルマグニチュードは、Ｖｐ＝｛Ｍａｘ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］＋Ｍａｘ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］｝／４である、請求項１に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項１０】
前記第１のオフセット校正値は、Ｖｏｘ＝｛Ｍａｘ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］｝／２であり、前記第２のオフセット校正値は、Ｖｏｙ＝｛Ｍａｘ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］｝／２である、請求項２に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項１１】
前記第１のオフセット校正値、前記第２のオフセット校正値、および前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサと前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの前記電圧出力の最大振幅の校正定数を格納するためにユニットを備え、前記最大振幅の前記校正定数は、前記外部磁界において前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサと前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサ各々が３６０度回転すると得られる最大ピーク値および最小ピーク値を用いて計算され、前記２軸磁気抵抗角度センサは、前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサと前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの各々の校正のために前記最大ピーク値、前記最小ピーク値および前記第１のオフセット校正値、前記第２のオフセット校正値を格納するだけでよい、請求項２に記載の２軸磁気抵抗角度センサ。
【請求項１２】
磁気抵抗角度センサの磁界測定誤差訂正のための校正方法であって、
２つの直交するＸ軸磁気抵抗角度センサ及びＹ軸磁気抵抗角度センサを用いて、互いに垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向における外部磁界を検出することと、
前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に沿った前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサ及び前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの電圧出力の測定されたベクトルマグニチュードをリアルタイムで計算することと、
既知の校正ベクトルマグニチュードと前記測定されたベクトルマグニチュードとの差を計算することと、
誤差信号を計算するために、前記差を２の平方根で割ることと、
前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサおよび前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの校正された出力信号を計算するために、前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力にそれぞれ前記誤差信号を足すこと、または前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力から前記誤差信号を引くことと、
前記外部磁界の回転角度を提供するために、前記校正されたＹ軸出力信号を前記校正されたＸ軸出力信号で割り、その比の逆正接関数を計算することとを備える方法。
【請求項１３】
前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力はそれぞれ、オフセット校正されたＸ軸電圧出力およびオフセット校正されたＹ軸電圧出力であり、前記オフセット校正されたＸ軸電圧出力を得るために前記Ｘ軸電圧出力から第１のオフセット校正値が引かれ、前記オフセット校正されたＹ軸電圧出力を得るために前記Ｙ軸電圧出力から第２のオフセット校正値が引かれる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記Ｘ軸電圧出力は、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記Ｙ軸電圧出力は、第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および前記第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記オフセット校正されたＸ軸電圧出力は、前記第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記オフセット校正されたＹ軸電圧出力は、前記第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、前記第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および前記第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
ピーク値、前記オフセット校正値、および／またはベクトルマグニチュード校正値は、温度に対して直線的に増大する、請求項１２〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
互いに直交する前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサ及び前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの前記電圧出力は、ほぼ同じ最大振幅を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記既知の校正ベクトルマグニチュードは、Ｖｐ＝｛Ｍａｘ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］＋Ｍａｘ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］｝／４である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のオフセット校正値は、Ｖｏｘ＝｛Ｍａｘ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］｝／２であり、前記第２のオフセット校正値は、Ｖｏｙ＝｛Ｍａｘ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］｝／２である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のオフセット校正値、前記第２のオフセット校正値および前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサと前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの前記電圧出力の最大振幅の校正定数が格納され、前記最大振幅の前記校正定数は、前記外部磁界において前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサと前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサ各々が３６０度回転すると得られる最大ピーク値および最小ピーク値を用いて計算され、前記磁気抵抗角度センサは、前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサと前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサ各々の校正のために前記最大ピーク値、前記最小ピーク値および前記第１のオフセット校正値、前記第２のオフセット校正値を格納するだけでよい、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁界において用いられる２軸磁気抵抗角度センサの出力誤差の校正に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗センサと、軸に沿って回転する磁石との組み合わせは、様々な自動車製品、工業製品、および消費者製品の軸に沿った回転を非接触測定するための魅力的な手段を提供する。従来技術において、磁界の方位を測定するための多種多様な磁気角度センサが存在する。不都合なことに、それらは全て、当該技術において周知の問題点、たとえば大きなサイズ、不十分な感度、不十分な動的範囲、高価格、低信頼性、および他の問題点などを有する。したがって、磁気抵抗角度センサの設計は、高性能を有する磁気抵抗角度センサ、特に、既存の製造方法を用いて集積回路と容易に結合および併用できる磁気抵抗角度センサをもたらすために更なる改善を要する。
【０００３】
外部磁界が印加されると、ＧＭＲまたはＴＭＲ磁気抵抗角度センサのピンニング層の有限値によって出力誤差が増加することは当該技術において既知である。これは、印加された外部磁界が、ピンド層の磁化方向の微小な動きを引き起こすためである。本発明は、この問題を解決するための訂正アルゴリズムを提供する。このアルゴリズムが２軸ＴＭＲ／ＧＭＲ角度センサに適用されると、外部磁界の強度に関連する測定誤差は大幅に低減される。この新たなアルゴリズムは、単純な数学および単純な一度の校正を含むものであり、高磁界における測定精度の大幅な改善に加えて、２軸ＴＭＲ／ＧＭＲ磁気抵抗角度センサの磁界印加範囲を拡大させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するために、本発明は、互いに垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向における外部磁界を検出するためのＸ軸磁気抵抗角度センサ及びＹ軸磁気抵抗角度センサと、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に沿った前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサ及び前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの出力の測定されたベクトルマグニチュードをリアルタイムで計算するためのユニットと、既知の校正ベクトルマグニチュードと前記測定されたベクトルマグニチュードとの差を計算するためのユニットと、誤差信号を計算するために前記差を２の平方根で割るためのユニットと、前記Ｘ軸磁気抵抗角度センサおよび前記Ｙ軸磁気抵抗角度センサの校正された出力信号を計算するために、前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力にそれぞれ前記誤差信号を足す、または前記Ｘ軸出力および前記Ｙ軸出力から前記誤差信号を引くためのユニットと、前記外部磁界の回転角度を提供するために、前記校正されたＹ軸出力信号を前記校正されたＸ軸出力信号で割り、その比の逆正接関数を計算するためのユニットとを備える２軸磁気抵抗角度センサを提供する。
【０００５】
Ｘ軸出力およびＹ軸出力はそれぞれ、オフセット校正されたＸ軸電圧出力およびオフセット校正されたＹ軸電圧出力であり、オフセット校正されたＸ軸電圧出力を得るためにＸ軸電圧出力から第１のオフセット校正値が引かれ、オフセット校正されたＹ軸電圧出力を得るためにＹ軸電圧出力から第２のオフセット校正値が引かれる。
【０００６】
Ｘ軸電圧出力は、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、Ｙ軸電圧出力は、第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される。
【０００７】
オフセット校正されたＸ軸電圧出力は、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、オフセット校正されたＹ軸電圧出力は、第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される。
【０００８】
単軸磁気抵抗角度センサの各々は、ＧＭＲスピンバルブまたはＴＭＲセンサである。
【０００９】
２軸磁気抵抗角度センサは更に、温度センサを含む。
【００１０】
温度センサによって生成される温度信号は、温度に対して直線的に変化するピーク値、オフセット校正値、および／またはベクトルマグニチュード校正値を計算するために用いられる。
【００１１】
互いに直交するＸ軸単軸磁気抵抗センサおよびＹ軸単軸磁気抵抗センサの電圧出力は、ほぼ同じ最大振幅を有する。
【００１２】
既知の校正ベクトルマグニチュードは、Ｖｐ＝｛Ｍａｘ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］＋Ｍａｘ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］｝／４である。
【００１３】
第１のオフセット校正値は、Ｖｏｘ＝｛Ｍａｘ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］｝／２であり、第２のオフセット校正値は、Ｖｏｙ＝｛Ｍａｘ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］｝／２である。
【００１４】
２軸磁気抵抗角度センサは更に、オフセット値および最大振幅の校正定数を格納するためにユニットを含み、最大振幅の校正定数は、外部磁界において各単軸磁気抵抗角度センサが３６０度回転すると得られる最大ピーク値および最小ピーク値を用いて計算され、２軸磁気抵抗角度センサは、単軸磁気抵抗センサの各々の校正のためにピーク値およびオフセット値を格納するだけでよい。
【００１５】
上記に対応して、本発明は更に、磁気抵抗角度センサの磁界測定誤差訂正のための校正方法を提供し、方法は、２つの直交する単軸磁気抵抗角度センサを用いて、互いに垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向における外部磁界を検出することと、Ｘ軸および前記Ｙ軸に沿った磁気抵抗角度センサの電圧出力の測定されたベクトルマグニチュードをリアルタイムで計算することと、既知の校正ベクトルマグニチュードと測定されたベクトルマグニチュードとの差を計算することと、誤差信号を計算するために、上記差を２の平方根で割ることと、Ｘ軸角度センサおよびＹ軸角度センサの校正された出力信号を計算するために、Ｘ軸出力およびＹ軸出力にそれぞれ誤差信号を足すこと、またはＸ軸出力およびＹ軸出力から誤差信号を引くことと、外部磁界の回転角度を提供するために、校正されたＹ軸出力信号を校正されたＸ軸出力信号で割ることによって得られる因数の逆正接関数を計算することとを備える。
【００１６】
Ｘ軸出力およびＹ軸出力はそれぞれ、オフセット校正されたＸ軸電圧出力およびオフセット校正されたＹ軸電圧出力であり、オフセット校正されたＸ軸電圧出力を得るためにＸ軸電圧出力から第１のオフセット校正値が引かれ、オフセット校正されたＹ軸電圧出力を得るためにＹ軸電圧出力から第２のオフセット校正値が引かれる。
【００１７】
Ｘ軸電圧出力は、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、Ｙ軸電圧出力は、第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される。
【００１８】
オフセット校正されたＸ軸電圧出力は、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、オフセット校正されたＹ軸電圧出力は、第２の既知のベクトルマグニチュード校正値で割られ、第１の既知のベクトルマグニチュード校正値および第２の既知のベクトルマグニチュード校正値は１に設定される。
【００１９】
ピーク値、オフセット校正値、および／またはベクトルマグニチュード校正値は、温度に対して直線的に変化する。
互いに直交するＸ軸単軸磁気抵抗センサおよびＹ軸単軸磁気抵抗センサの電圧出力は、ほぼ同じ最大振幅を有する。
【００２０】
既知の校正ベクトルマグニチュードは、Ｖｐ＝｛Ｍａｘ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｘ（θ，Ｈ）］＋Ｍａｘ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］−Ｍｉｎ［Ｖｙ（θ，Ｈ）］｝／４である。
【００２１】
第１のオフセット校正値は、Ｖｏｘ＝｛Ｍａｘ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｃｏｓ（θ，Ｈ）］｝／２であり、第２のオフセット校正値は、Ｖｏｙ＝｛Ｍａｘ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］＋Ｍｉｎ［Ｖｓｉｎ（θ，Ｈ）］｝／２である。
【００２２】
オフセット値および最大振幅の校正定数が格納され、最大振幅の校正定数は、外部磁界において各単軸磁気抵抗角度センサが３６０度回転すると得られる最大ピーク値および最小ピーク値を用いて計算され、磁気抵抗角度センサは、単軸磁気抵抗センサの各々の校正のためにピーク値およびオフセット値を格納するだけでよい。
【００２３】
上記技術的解決策ゆえに、本発明は、２軸磁気抵抗角度センサに訂正アルゴリズムを適用することによって、外部磁界の強度に関連する測定誤差を大幅に低減し、２軸磁気抵抗角度センサの磁界印加範囲を拡大し、強磁界における測定精度を大幅に改善するという有益な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、磁気抵抗角度センサの作動原理である。
【図２Ａ】図２Ａは、２軸磁気抵抗角度センサ１の理想的な電圧出力曲線である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、Ｘ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られる２軸磁気抵抗角度センサ１の理想的なＸＹ曲線グラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、２軸磁気抵抗角度センサ１の非理想的な電圧出力曲線である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、Ｘ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られる２軸磁気抵抗角度センサ１の非理想的なＸＹ曲線グラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、２軸磁気抵抗角度センサ１のＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られるＸＹ曲線に対する様々な強度の外部磁界の影響である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、様々な強度の外部磁界において測定された２軸角度センサ１の出力の最大誤差である。
【図５】図５は、全てのＧＭＲ／ＴＭＲ角度センサにおいて観察される共通の効果を示す曲線グラフである。
【図６】図６は、ＭＴＪ（磁気トンネル接合）ユニットの概略図である。
【図７】図７は、印加された外部磁界によって生成されるピンニング層の動きを説明する概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは、ピンニング層に対する外部磁界の角度が３３°である場合の最大誤差ＸＹ曲線である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ピンニング層に対する外部磁界の角度が３３°である場合の様々な磁界強度ＨＰＳにおける計算によって得られる、ピンニング層の動きによって生じる最大誤差である。
【図９】図９は、非理想的な出力波形のマグニチュードが理想的な出力波形のマグニチュード以下であることを示す。
【図１０】図１０は、２軸マグニチュードと単軸誤差との比較を示す。
【図１１】図１１は、２軸マグニチュード誤差の関数としての単軸出力誤差のプロットであり、単軸誤差が２軸マグニチュード誤差に比例することを示す。
【図１２】図１２は、測定された２軸マグニチュード誤差を非理想的な歪んだ波形に足し戻すことによって、角度センサの非理想的な出力が訂正され得ることを示す曲線グラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、様々な強度を有するいくつかの外部磁界における校正されていないＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られるＸＹ曲線である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、様々な強度を有するいくつかの外部磁界における訂正されたＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られるＸＹ曲線であり、出力誤差が訂正され得ることを示す。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、校正後の角度誤差が初期誤差よりも大幅に小さいことを示す。
【図１４】図１４は、出力変化が１０％を上回る場合でもアルゴリズムが効果的であることを示し、訂正アルゴリズムが温度変化の影響を受けにくいことを示す。
【図１５Ａ】図１５Ａは、大幅に歪んだ出力を校正するために用いられる場合、このアルゴリズムは、誤差を３分の１に低減し得ることを示す。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、大幅に歪んだ出力を校正するために用いられる場合、このアルゴリズムは、誤差を３分の１に低減し得ることを示す。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、大幅に歪んだ出力を校正するために用いられる場合、このアルゴリズムは、誤差を３分の１に低減し得ることを示す。
【図１６】２軸磁気抵抗角度センサの設計である。
【図１７】他の２軸磁気抵抗角度センサの設計である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、２軸磁気抵抗角度センサ１の作動原理の概略図である。２軸磁気抵抗角度センサ１は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って磁界の強度を測定するために、互いに対して９０°回転した２つの単軸磁気抵抗角度センサを含む。余弦波形を測定するための一方の単軸磁気抵抗角度センサは余弦センサと称され、正弦波形を測定するための他方のセンサは正弦センサと称される。磁気抵抗（ＭＲ）角度センサ１は、磁石３によって生成される回転磁界２の中に載置される。２軸磁気抵抗角度センサ１の抵抗変化を検出することによって、２軸磁気抵抗角度センサ１は、磁石３の回転角度を測定することができる。２軸磁気抵抗角度センサ１の抵抗変化は、正弦余弦波法則に従って変化する。
【００２６】
図２Ａは、２軸磁気抵抗角度センサ１の正弦余弦出力曲線である。理想的な正弦および余弦出力曲線は、２軸磁気抵抗角度センサ１の出力対回転磁界２の回転角度を描画することによって得られ、余弦波形はＸ軸方向であり、正弦波形はＹ軸方向であり、２つの波形はそれぞれ理想的なＹ軸正弦波形７および理想的なＸ軸余弦波形５である。理想的なＸ軸電圧出力対Ｙ軸電圧出力を描画することによって得られる曲線は、図２Ｂに示すような真円９である。具体的には、これは、出力電圧成分のベクトルマグニチュードが回転角度とは無関係であることを意味する。後述するように、そのような特性は、本発明において提案される訂正アルゴリズムが機能することを可能にする重要な部分である。任意の状況において、回転角度は周知のＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを用いて計算されてよく、ここで、正弦センサの電圧を余弦センサの電圧で割り、その比の逆正接関数が計算されることによって磁石３の回転角度が決定される。
【００２７】
図３Ａおよび図３Ｂは、外部から強磁界が印加された場合の、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）またはＧＭＲ（巨大磁気抵抗）２軸磁気抵抗センサ１の非理想的な出力曲線である。図３Ａは、２軸磁気抵抗角度センサ１のＹ軸波曲線１３およびＸ軸波曲線１１が大幅に歪んでいることを示す。図３Ｂは、理想的な出力によって形成される理想的なＸＹ出力曲線９および非理想的な出力によって形成される非理想的なＸＹ出力曲線１５を示す。この図において、非理想的なＸＹ出力曲線１５は円形ではなく、ＸＹ平面において星芒形または正方形を成す傾向があることが明らかである。２軸センサ１のベクトルマグニチュードは、回転角度とは無関係である。ＣＯＲＤＩＣを用いて回転磁界２の角度が計算される場合、３３度ベクトル３３および４５度ベクトル３１によって示される上記歪みによって、誤差が生じ得る。歪み曲線１５上の点３２は、理想的な曲線である曲線９上の点３２’でなくてはならない。歪み曲線１５上の点３４は、ベクトル３３に沿った理想的な曲線９上の対応する点にマッピングされず、より小さな角度を有する点３４’にマッピングされる。これは、出力曲線が高磁界において誤差を有し、角度依存誤差または非線形誤差が生じ得ることを示し、ゆえに、ＭＲ角度センサ１の出力は修正される必要がある。
【００２８】
一般に、センサによって出力される非線形外部磁界２の測定誤差を最小限にし得る最適値が存在するが、測定誤差は概して、印加された外部磁界２の強度が増加するほど増加する。図４は、磁界強度に対する測定誤差の依存関係を示す。図４Ａは、様々な磁界強度において測定されたＸＹ出力曲線を示す。ただし、外部磁界の強化によって誤差の増加がもたらされ得ることに留意すべきであり、これは、図４Ａにおけるより高い外部磁界における出力曲線１５のグループによって示される。様々な強度を有する外部磁界が磁気抵抗角度センサ１に印加される。図４Ｂは、外部回転磁界２が３６０度回転する時、外部回転磁界２の強度に対する２軸磁気抵抗角度センサ１の出力によって生じる最大誤差を描画することによって得られる曲線であり、これは、磁界強度が増加するほど出力誤差が増加することを更に明確に示す。
【００２９】
図５は、ＧＭＲ角度センサの機能を示すための曲線グラフである。これは、ＧＭＲまたはＴＭＲユニットの構造に関連する。回転磁界が５０Ｏｅ程の低さである場合、出力応答曲線４は、理想的な出力曲線５と一致する。回転磁界の強度が４００Ｏｅに至ると、出力曲線６は三角形になる。歪み曲線と理想的な曲線との差または単軸誤差が曲線８である。
【００３０】
理想的な出力曲線から逸れたそのような誤差は、低い外部磁界における自由層の場合と同様、不完全飽和層の非理想的な性質によって生じ得る。またこれは、強い外部磁界におけるピンニング層（ＰＬ）のピンニング磁界の限られた強度によっても生じ得る。高磁界誤差は主に、印加された外部磁界によってピンド層の磁化方向がわずかに動き、そのような動きは印加された外部磁界の強度値が増加するほど大きくなるという、ピンニング層の非理想的な性質によって生じる。
【００３１】
本発明は、ピンニング層または他の要因によって生じたセンサ出力の高磁界誤差を校正するための訂正アルゴリズムを開示する。
【００３２】
図６は、単純なＭＴＪ構造である。センサユニットの各々は、強磁層絶縁層強磁層構造（ＦＭ−Ｉ−ＦＭ）を含む。一般に、絶縁トンネル障壁１９によって分離された少なくとも２つの強磁性金属層が存在する。トンネル障壁１９の厚さは約２ｎｍであり、層の厚さがトンネル接合の抵抗を制御する。そのような構造の磁気抵抗効果はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）と称され、ＤＲ／Ｒ０≒２００％を容易に上回るマグニチュードを有する。感知ユニットの抵抗変化は、自由層１７の磁化方向とピンニング層（ＰＬ）２１の磁化方向との間の相対配向角度の余弦に正比例する。したがって、印加された外部磁界ＨにＦＬ１７の回転が応答するようにＭＴＪが設計され、ＰＬ２１の磁化方向が強固に固定されている場合、センサユニットの出力抵抗は、印加された磁界の方向に関連する。ＭＴＪの抵抗変化は、ＦＬ層の磁化方向とＰＬ層の磁化方向との間の相対角度の関数であり、ゆえに、ピンニング層２１の任意の微小な回転がセンサの誤差を増加させる。
【００３３】
ＦＬ１７の磁化は、印加された外部磁界の角度に全面的に従うと考えられ、誤差の分析は、単にＰＬ２１の磁化方向２１のみを考慮することによって為され得る。図７は、ピンニング磁界の方向２２、ＰＬ２１の磁化方向２１’、および外部磁界２の２つの成分Ｘ２’およびＹ２’’を示す。ＰＬ２１によって印加された外部磁界２への応答を決定するために、以下のような一般的な自由エネルギ分析が行われ、ここで、システムのエネルギは、磁界全体に対するＰＬ２１の磁化方向に依存する。
【００３４】
【数１】
0006730291.tif 000002
ＰＬの磁化方向の回転角度は、式（３）を用いて得られてよく、回転角度はθｅｒｒとして表される。
【００３５】
【数２】
0006730291.tif 000003
式（４）中のピンニング磁界の強度（Ｈｐ）は一般に約１５０００ｅであり、これは、ＭＴＪ磁気抵抗センサの精度を制限する。
【００３６】
測定されたデータは、印加された外部磁界の角度が約３０度である時、角度の測定誤差が最悪であることを示し、これは、図８Ａを参照すると、非理想的な曲線１５から理想的な曲線９へデータ点をマッピングすることによって観察され得る。また、外部磁界の角度が４５度である時、測定誤差は最小である。図８Ｂは、計算された最大ＰＬ角度誤差対Ｈｐのプロットである。外部磁界を印加する角度が３３°である時、最大測定誤差が生じると考えられ、これは式（５）を用いて計算される。式５を用いた計算によって得られる誤差曲線は、実際のデバイスにおいて測定された誤差曲線と非常に良く一致する。
【００３７】
【数３】
0006730291.tif 000004
図９は、印加された外部磁界の角度に対する２軸磁気抵抗角度センサ１の電圧出力波のプロットである。この図において、ゼロ度は、Ｈｐ方向に平行に印加された磁界を示す。２軸磁気抵抗角度センサ１の出力モデルに関して、Ｃｏｓ＝理想的な余弦軸電圧、Ｓｉｎ＝理想的な正弦軸電圧、ＣＴ＝三角形の非理想的な余弦信号、およびＳＴ＝三角形の非理想的な正弦信号である。
【００３８】
ただし、非理想的な曲線１１および１３のマグニチュードは常に理想的な曲線５および７のマグニチュード以下であり、測定誤差のマグニチュードは９０度位相の範囲内であることに留意すべきである。非理想的な曲線１１および１３、および理想的な曲線５および７は、同じ最大および最小ピーク値を有する。上記モデルは全ての測定に共通であり、それに応じて訂正アルゴリズムが確立され得ることを示す。
【００３９】
この訂正方法を説明するために、図１０に誤差信号曲線が描かれる。理想的なマグニチュード２７＝２軸ベクトルマグニチュードであり、初期マグニチュード２９＝２軸三角波のベクトルマグニチュードであり、マグニチュード差３１＝理想的なマグニチュード−初期マグニチュードであり、三角波誤差３３＝理想的な正弦余弦波曲線と三角波誤差との単軸差である。
【００４０】
マグニチュード差は、リアルタイムで容易に計算できることに留意すべきである。三角誤差３３は実際の測定では未知であるが、これはマグニチュード差に関連し、それが図１１に表示される。図１０において、Ｃｏｓ−ＣＴ（曲線７−曲線１３）の差が、曲線３１対ＣＴおよびＳＴのベクトルマグニチュード（曲線１１および１３のベクトルマグニチュード）曲線２９のプロットとして表現される。驚くことに、図１１は、非理想的な曲線のマグニチュード（測定されたベクトルマグニチュード）と各軸の予測ピーク値（振幅）との差が、角度測定誤差（三角誤差）に正比例することを示す。この比例、すなわち傾斜は、
【００４１】
【数４】
0006730291.tif 000005
である。
【００４２】
非理想的な応答と理想的な応答との間のベクトルマグニチュードによって計算される差は、直交単軸波形を校正するためにリアルタイムでセンサ１の出力に足し戻されてよい。その結果として、図１２における三角誤差３４は、図１０における誤差よりも大幅に減少し、非理想的な余弦波曲線１１の校正後、理想的なＸ軸電圧出力曲線５と一致する校正されたＸ軸電圧出力曲線１６が得られる。
【００４３】
非理想的な正弦波形１３はＶＳＩＮ（θ，Ｈ）として表され、非理想的な余弦波形１１はＶＣＯＳ（θ，Ｈ）として表され、正弦波形および余弦波形のオフセットはそれぞれＶＯＳおよびＶＯＣとして表され、正弦波形および余弦波形のピーク値はＶＰＳおよびＶＰＣとして表され、Ｖ’ｓｉｎ（θ，Ｈ）およびＶ’ｃｏｓ（θ，Ｈ）は、訂正されたオフセットおよびマグニチュードを有するセンサ出力として用いられ、以下の式は、リアルタイムで非理想的な出力波形を訂正するために用いられ得る。
【００４４】
【数５】
0006730291.tif 000006
式１２〜１５を計算することによって、Ｖｐｅａｋ（Ｖｐｅａｋは最大または最小信号のセンサまたは振幅）およびＶｏｆｆｓｅｔ（センサ信号のオフセット）が得られ得る。
【００４５】
【数６】
0006730291.tif 000007
通常、４つのパラメータ（Ｖｐｃ、Ｖｐｓ、Ｖｏｃ、およびＶｏｓ）しか計算する必要はない。実際の動作中、正弦波形と余弦波形とが互いに調和した場合、Ｖｐのみでよい。この方法は、波形を格納する必要がなく、最大４つのパラメータを格納するだけでよいという点で有利である。磁石３は、３６０度回転するだけでよい。Ｈは、磁気抵抗角度センサ１が飽和していれば任意の値であってよい。
【００４６】
センサが飽和するものとすると、経験によって示されるように、センサは、単一磁界において校正されるだけでよい。センサが１００Ｇで飽和し、正弦曲線と余弦曲線とが調和するものとすると、以下の実施形態は、センサ１がどのように校正されるかを示す。
【００４７】
【数７】
0006730291.tif 000008
誤差を訂正するために各測定値に以下の式が足される。
【００４８】
【数８】
0006730291.tif 000009
他の実施形態において、オフセット値は小さく、正弦波および余弦波は同じピーク値を有する場合、以下の式によって校正が行われ得る。
【００４９】
【数９】
0006730291.tif 000010
図１３Ａは、校正されていないＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られる非理想的なＸＹ曲線１５、および理想的なＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られる理想的なＸＹ曲線９のグループである。図１３Ｂおよび図１３Ｃは、式（１８）および（１９）を用いて修正が行われた後の結果を示す。図１３Ｂは、校正されたＸ軸電圧出力対Ｙ軸電圧出力を描画することによって得られる校正されたＸＹ曲線１０が、理想的な出力ＸＹ曲線９と同じく理想的な円形であることを示す。図１３Ｃは、訂正後の角度誤差４１が初期誤差３９よりも大幅に小さいことを示し、アルゴリズム訂正は、非線形角度誤差と外部磁界の強度との相関性を低減すると思われる。
【００５０】
このアルゴリズムが用いられる場合、ピーク値およびオフセットが温度によって変化すると、この事例において、温度関連校正が行われる必要があることに留意すべきである。通常、校正は、以下の前提によって行われてよい。
【００５１】
【数１０】
0006730291.tif 000011
式中、αおよびβはセンサ１の既知の温度係数であり、Ｔ１は校正時のＭＲ角度センサ１の温度であり、Ｔはオンチップ温度計を用いて測定された動作温度である。これらの温度訂正係数は、本発明のアルゴリズムにおける温度によって生じる誤差を補償するために式（７）および（８）において用いられ得る。
【００５２】
別の方法において、ピーク値およびオフセット補償値は、温度によって大幅に変化することはなく、アルゴリズムは温度補償を必要としない。図１４Ａ〜図１４Ｃ’は、本発明の誤差訂正方法が、１０％：ＶＰ／Ｖｐ’＝０．９９、１、および１．１の出力誤差変化の範囲内で効果的であることを示す。図１４Ａ’〜図１４Ｃ’は、外部磁界が強くなるほど、初期最大誤差が増加することを示す。０〜１５０ＯｅかつＶＰ／Ｖｐ’＝１．１の範囲内であることに加えて、修正された最大誤差は初期最大誤差よりも小さい。図１４Ａ〜図１４Ｃは、修正されたＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られるＸＹ曲線が円形であることを示す。
【００５３】
図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１５Ｃは、出力誤差の低減が３倍を超えることを示す。大幅に歪んだ出力曲線にアルゴリズムが適用される。図１５Ａは、非理想的なＸＹ曲線１５、理想的なＸＹ曲線９、および訂正されたＸ軸出力対Ｙ軸出力を描画することによって得られる校正されたＸＹ曲線１０である。リアルタイム訂正時、三角波形である曲線１１および１３は、図１５Ｂにおける理想的な余弦または正弦波形５および７になる。図１５Ｃは、訂正された角度誤差が、初期誤差の３分の１であることを示す。曲線３５は校正前の誤差であり、曲線３７は校正後の誤差である。
【００５４】
図１６は、回転磁界の正弦成分および余弦成分を検出するための２軸磁界角度センサ１を製造するための４つのセンサチップ１２０、１２１、１２２、および１２３の可能な配置である。４つのセンサは、中央ＡＳＩＣ１２４を取り巻くように周囲に配置され、標準的なワイヤ溶接技術を用いて互いに電気的に接続される。この４つのチップの配置は、直交フルブリッジが共通中心１２６を有することを可能にする。ＡＳＩＣは、静電放電保護回路を含んでよく、直交センサの信号出力角度をデジタル形式に変換するための回路も設けてよい。
【００５５】
図１７は、回転磁界の正弦成分および余弦成分を検出するための２軸磁界角度センサ１を製造するための４つのセンサチップ１３０、１３１、１３２、および１３３の他の可能な配置を示す。４つのセンサは、互いに円形対称であり、ＡＳＩＣ１３５の頂部に設置される。図１６における設計とは異なり、センサチップは、センサが共通幾何中心により近くなるように斜交する。この４つのチップの配置は、直交フルブリッジが共通中心１３６を有することを可能にする。ＡＳＩＣは、静電放電保護回路を含んでよく、直交センサの信号出力角度をデジタル形式に変換するための回路も設けてよい。
【００５６】
２軸磁界角度センサ１は、特定用途向け集積チップ（ＡＳＩＣ）回路または本発明において開示されるアルゴリズムを実行するための他の装置に設置または接続される。この設計は更に、内部または外部データストレージを含む。具体的には、ＡＳＩＣは、各単軸磁界角度センサのＸ軸およびＹ軸の電圧出力に従ってリアルタイム２軸ベクトルマグニチュードと既知のベクトルマグニチュード校正値との差を計算するための装置、その差を２の平方根で割って誤差信号を計算するための装置、および、誤差信号をＸおよびＹ電圧出力に足し、またはＸおよびＹ電圧出力から引き、誤差訂正されたＸ電圧出力信号および誤差訂正されたＹ電圧出力信号を生成するための装置を含み、ここで、誤差訂正されたＹ電圧出力信号および誤差訂正されたＸ電圧出力信号の因数の逆正接関数は、印加された外部磁界の被測定角度値である。
【００５７】
２軸磁界角度センサ１は更に温度センサを含んでよく、温度センサからの温度信号は、温度に対して直線的に膨張する既知の校正値およびオフセット値のために用いられる。
【００５８】
温度センサおよびデータストレージはＡＳＩＣ１２４に含まれてよく、あるいはそれらは角度センサチップ内に存在し、またはＡＳＩＣ１２４とは別のチップに接続されてもよい。
【００５９】
上記説明は単に本発明の好適な実施形態にすぎず、本発明を限定することが意図されるものではない。当業者にとって、本発明は様々な修正および変更を伴い、また本発明における実装は様々な組み合わせおよび変更を伴い得るものである。本発明の主旨および原理から逸脱することのない任意の修正、等価的置換、改善などは全て、本発明の保護範囲に収まるものとする。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
0006730291.tif 000015
【図３Ｂ】
0006730291.tif 000016
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0006730291.tif 000018
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006730291.tif 000021
【図８Ａ】
0006730291.tif 000022
【図８Ｂ】
0006730291.tif 000023
【図９】
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【図１０】
0006730291.tif 000025
【図１１】
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【図１２】
0006730291.tif 000027
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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