(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界方位検出器または象限検出器のうちの少なくとも１つを備える装置であって、
各々が１つ以上の磁気抵抗要素の複数の群を有する第１の磁界検出器であって、前記複数の群は、第１のハーフブリッジ出力信号および第２のハーフブリッジ出力信号を生成するようにブリッジ構成で配置され、前記複数の群は、少なくとも第１の群、第２の群、第３の群、および第４の群を含み、
前記第１の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第１の角度にある第１の軸に実質的に平行な第１の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第２の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、前記基準軸に対して第２の角度にある第２の軸に実質的に平行な第２の電流方向に電流を流すように構成され、前記第２の角度は前記第１の角度とは異なり、
前記第３の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、前記基準軸に対して第３の角度にある第３の軸に実質的に平行な第３の電流方向に電流を流すように構成され、前記第３の角度は前記第１の角度および前記第２の角度とは異なり、
前記第４の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、前記基準軸に対して第４の角度にある第４の軸に実質的に平行な第４の電流方向に電流を流すように構成され、前記第４の角度は前記第１の角度、前記第２の角度、および前記第３の角度とは異なる、第１の磁界検出器、と、
前記第１の磁界検出器のための磁界バイアスを生成するように構成された摂動生成器と、を備える、装置。
【請求項２】
前記装置が、磁界方位検出器を備え、前記装置が、第３のハーフブリッジ出力信号および第４のハーフブリッジ出力信号を生成するように構成された第２の磁界検出器をさらに備え、前記第２の磁界検出器が、前記第１の磁界検出器に対称であり、前記第１の磁界検出器に関して９０度回転されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のハーフブリッジ出力信号と前記第２のハーフブリッジ出力信号とを組み合わせて第１のセンサー出力信号を生成するように構成された第１の増幅器と、
前記第３のハーフブリッジ出力信号と前記第４のハーフブリッジ出力信号とを組み合わせて第２のセンサー出力信号を生成するように構成された第２の増幅器と、をさらに備え、前記第２のセンサー出力信号が、前記第１のセンサー出力信号に関して約９０度位相外れである、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の角度、前記第２の角度、前記第３の角度、および前記第４の角度が、前記第１のセンサー出力信号内の第３の高調波および少なくとも１つの他の高調波の存在を低減するように配置されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの他の高調波が、第５の高調波を含み、
前記第１の角度が、４５〜５１度の範囲内にあり、
前記第２の角度が、９〜１５度の範囲内にあり、
前記第３の角度が、−９〜−１５度の範囲内にあり、
前記第４の角度が、−４５〜−５１度の範囲内にある、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の磁界検出器の前記複数の群が、各々が１つ以上の磁気抵抗要素を有する第５の群、第６の群、および第７の群をさらに備え、
前記第５の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第５の角度にある第５の軸に実質的に平行な第５の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第６の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第６の角度にある第６の軸に実質的に平行な第６の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第７の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第７の角度にある第７の軸に実質的に平行な第７の電流方向に電流を流すように構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの他の高調波が、第５の高調波および第８の高調波を含み、
前記第１の角度が、５７．２〜６３．２度の範囲内にあり、
前記第２の角度が、３２．５〜３８．５度の範囲内にあり、
前記第３の角度が、２１．２９〜２７．２９度の範囲内にあり、
前記第４の角度が、−２１．２９〜−２７．２９度の範囲内にあり、
前記第５の角度が、−３２．５〜−３８．５度の範囲内にあり、
前記第６の角度が、−５７．２〜−６３．２度の範囲内にあり、
前記第７の角度が、−３．５〜３．５度の範囲内にある、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の磁界検出器の前記複数の群が、各々が１つ以上の磁気抵抗要素を有する第５の群、第６の群、第７の群、および第８の群をさらに備え、
前記第５の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第５の角度にある第５の軸に実質的に平行な第５の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第６の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第６の角度にある第６の軸に実質的に平行な第６の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第７の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第７の角度にある第７の軸に実質的に平行な第７の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第８の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素が、基準軸に対して第８の角度にある第８の軸に実質的に平行な第８の電流方向に電流を流すように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの他の高調波が、第５の高調波および第８の高調波を含み、
前記第１の角度が、５７．２〜６３．２度の範囲内にあり、
前記第２の角度が、３２．５〜３８．５度の範囲内にあり、
前記第３の角度が、２１．２９〜２７．２９度の範囲内にあり、
前記第４の角度が、−２１．２９〜−２７．２９度の範囲内にあり、
前記第５の角度が、−３２．５〜−３８．５度の範囲内にあり、
前記第６の角度が、−５７．２〜−６３．２度の範囲内にあり、
前記第７の角度が、−２．５〜３．５度の範囲内にあり、
前記第８の角度が、−３．５〜２．５度の範囲内にある、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記装置が、磁界象限検出器を備え、前記第１の角度、前記第２の角度、前記第３の角度、および前記第４の角度が、前記第１のセンサー出力信号内の少なくとも２つの偶数高調波の存在を低減するように配置されている、請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の角度が、−３９〜−３３度の範囲内にあり、
前記第２の角度が、−１５〜−９度の範囲内にあり、
前記第３の角度が、９〜１５度の範囲内にあり、
前記第４の角度が、３３〜３９度の範囲内にある、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記摂動生成器が、前記第１の磁界検出器の前記磁気抵抗要素に隣接する１つ以上のバイアス用導体を備え、前記１つ以上のバイアス用導体が、バイアス電流を流すように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
磁界の方向または象限のうちの少なくとも１つを決定する方法であって、
第１の磁界検出器の複数の群の１つ以上の磁気抵抗要素の各々から第１のハーフブリッジ出力信号および第２のハーフブリッジ出力信号を生成することであって、前記複数の群は、少なくとも第１の群、第２の群、第３の群、および第４の群を含み、
前記第１の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第１の角度にある第１の軸に実質的に平行な第１の電流方向に電流を流すように構成され、
前記第２の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、前記基準軸に対して第２の角度にある第２の軸に実質的に平行な第２の電流方向に電流を流すように構成され、前記第２の角度は前記第１の角度とは異なり、
前記第３の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、前記基準軸に対して第３の角度にある第３の軸に実質的に平行な第３の電流方向に電流を流すように構成され、前記第３の角度は前記第１の角度および前記第２の角度とは異なり、
前記第４の群の前記１つ以上の磁気抵抗要素は、前記基準軸に対して第４の角度にある第４の軸に実質的に平行な第４の電流方向に電流を流すように構成され、前記第４の角度は前記第１の角度、前記第２の角度、および前記第３の角度とは異なる、第１の磁界検出器、と、
前記第１の磁界検出器のための磁界バイアスを生成することと、を含む、方法。
【請求項１４】
前記第１のハーフブリッジ出力信号と前記第２のハーフブリッジ出力信号とを組み合わせることにより第１のセンサー出力信号を生成することであって、前記第１の角度、前記第２の角度、前記第３の角度、および前記第４の角度が、前記第１のセンサー出力信号内の少なくとも２つの高調波の存在を低減するように配置されている、生成することと、
第２の磁界検出器により第３のハーフブリッジ出力信号および第４のハーフブリッジ出力信号を生成することと、
前記第３のハーフブリッジ出力信号と前記第４のハーフブリッジ出力信号とを組み合わせることにより第２のセンサー出力信号を生成することであって、前記第２のセンサー出力信号が、前記第１のセンサー出力信号に関して約９０度位相外れである、生成することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のセンサー出力信号および前記第２のセンサー出力信号のレベルを数値に変換することと、
前記数値を使用し、ルックアップテーブルを参照して前記磁界の前記方向を決定することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項により２０１６年３月２３日出願の「ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＦＩＥＬＤ  ＤＥＴＥＣＴＯＲ」と題された米国仮出願第６２／３１２，３５９号の優先権を主張し、同出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、２０１２年１０月１８日出願の「ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＦＩＥＬＤ  ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ  ＤＥＴＥＣＴＯＲ」と題された出願番号第１３／６５５，０５９号の出願、現米国特許第９，３１０，４４６号に関連し、その開示の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、一般にエレクトロニクスに関する。具体的には、本発明は、磁界センサーに関する。
【背景技術】
【０００４】
本明細書中に記載のタイプの磁界方向検出器を用いて、磁界方向を二つまたはいくつかのセクターのうち１つに分解することができる。このようにすることは、対象物の回転運動を追跡するための磁石を用いた角度位置センサーからの曖昧性を取り除くことに極めて有用である。このような対象物としては、例えば、ステアリングホイール、カムシャフト、クランクシャフト、車輪／タイヤ、ハブ、回転子等が挙げられる。回転情報は、アンチロック制動システム、牽引制御、エンジンカムシャフト制御、点火および／または燃料噴射タイミング等のために使用することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
象限センサーまたは角度センサーは、低減された高調波を有する出力を生成するように複数の角度に分割された磁気抵抗要素を有し得る。距離センサーは、低減された高調波を有する出力を生成するように分割および離間された磁気抵抗要素を有し得る。バイアス用導体は、ＤＣオフセット補償またはキャンセルのために異なる量の電流（大きさまたは方向の少なくとも１つにおいて異なる）を交互に流し得る。
【０００６】
一実施形態は、磁界方位検出器または象限検出器のうちの少なくとも１つを備える装置を含み、該装置は、各々が１つ以上の磁気抵抗要素の複数の群を有する第１の磁界検出器であって、複数の群は、第１のハーフブリッジ出力信号および第２のハーフブリッジ出力信号を生成するようにブリッジ構成で配置され、複数の群は、少なくとも第１の群、第２の群、第３の群、および第４の群を含み、第１の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第１の角度にある第１の軸に実質的に平行な第１の電流方向に電流を流すように構成され、第２の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第２の角度にある第２の軸に実質的に平行な第２の電流方向に電流を流すように構成され、第２の角度は第１の角度とは異なり、第３の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第３の角度にある第３の軸に実質的に平行な第３の電流方向に電流を流すように構成され、第３の角度は第１の角度および第２の角度とは異なり、第４の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第４の角度にある第４の軸に実質的に平行な第４の電流方向に電流を流すように構成され、第４の角度は第１の角度、第２の角度、および第３の角度とは異なる、第１の磁界検出器と、第１の磁界検出器のための磁界バイアスを生成するように構成された摂動生成器と、を含む。
【０００７】
一実施形態は、磁界の方向または象限のうちの少なくとも１つを決定する方法を含み、該方法は、第１の磁界検出器の複数の群の１つ以上の磁気抵抗要素の各々から第１のハーフブリッジ出力信号および第２のハーフブリッジ出力信号を生成することであって、第１の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第１の角度にある第１の軸に実質的に平行な第１の電流方向に電流を流すように構成され、第２の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第２の角度にある第２の軸に実質的に平行な第２の電流方向に電流を流すように構成され、第２の角度は前記第１の角度とは異なり、第３の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第３の角度にある第３の軸に実質的に平行な第３の電流方向に電流を流すように構成され、第３の角度は第１の角度および第２の角度とは異なり、第４の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、基準軸に対して第４の角度にある第４の軸に実質的に平行な第４の電流方向に電流を流すように構成され、第４の角度は第１の角度、第２の角度、および第３の角度とは異なる、生成することと、第１の磁界検出器のための磁界バイアスを生成することと、を含む。
【０００８】
一実施形態は、磁界センサーを備える装置を含み、該装置は、少なくとも２つの角度に配置された複数の磁気抵抗要素を有する第１の磁界検出器であって、第１のハーフブリッジ出力信号を有する第１の磁界検出器と、磁気抵抗要素に隣接する１つ以上のバイアス用導体と、感知周期の第１の位相にわたって第１の量の電流により多くのバイアス用導体のうちの１つを通過させ、感知周期の第２の位相にわたって第２の量の電流に１つ以上のバイアス用導体を通過させるように構成され、第１の量が大きさまたは方向の少なくとも１つにおいて第２の量とは異なる、バイアス用回路と、第１の位相の間に遭遇した第１のハーフブリッジ出力信号のレベルと第２の位相の間に遭遇した第１のハーフブリッジ出力信号のレベルとの間の差分を形成するように構成された差分回路と、を含む。
【０００９】
一実施形態は、低減されたオフセットを有する磁界を感知する方法を含み、該方法は、感知周期の第１の位相において、第１の量の電流にバイアス用回路を介してより多くのバイアス用導体のうちの１つを通過させながら、第１の磁界検出器から第１のハーフブリッジ出力信号を生成することであって、第１の磁界検出器が、少なくとも２つの角度に配置された複数の磁気抵抗要素を有し、該１つ以上のバイアス用導体が、磁気抵抗要素に隣接している、生成することと、感知周期の第２の位相において、第２の量の電流に１つ以上のバイアス用導体を通過させながら、第１のハーフブリッジ出力信号を生成することであって、第１の量が大きさまたは方向の少なくとも１つにおいて第２の量とは異なる、生成することと、差分回路を介して、第１の位相の間に遭遇した第１のハーフブリッジ出力信号のレベルと第２の位相の間に遭遇した第１のハーフブリッジ出力信号のレベルとの間の差分を形成して磁界を感知することと、を含む。
【００１０】
本発明の実施形態について、添付図面を参照して、非限定的な例のみを目的として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁界方位検出器の実施形態の模式図である。
【図２】図１に示す検出器の等価回路である。
【図３】図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面である。
【図４】方向を測定すべき磁界に対する、各磁気抵抗器における摂動磁界のベクトル付加を示すベクトルの図である。
【図５】磁界と、磁気抵抗器内における電流流れ方向との間の方向を測定するための基準フレームを示す図である。
【図６】電流流れ方向に対する測定された磁界の方向の関数としての抵抗変動を示すグラフである。
【図７】磁界方向検出器のさらなる実施形態の平面図である。
【図８】本発明の実施形態を構成する象限検出器のための摂動生成器として機能する導体の平面図である。
【図９】図８の摂動生成器の平面図であり、磁気抵抗器の位置と、図式的に重畳された相互接続とを示す。
【図１０】図９の磁気抵抗器における磁界の摂動方向を示す模式図である。
【図１１】各象限について、２つの方向検出器の出力から磁界が発生する図である。
【図１２】さらなる実施形態の断面図であり、磁束摂動の相対的方向を示す。
【図１３】磁石角度方向検出器内の磁気抵抗センサーにおける方向的不確実性を示す図である。
【図１４】異方性磁気抵抗ブリッジ磁石角度センサーの模式図である。
【図１５】２ブリッジ磁石角度位置センサーの模式図である。
【図１６】２ブリッジ磁石角度位置センサーの各ブリッジ上における出力電圧対角度を示すグラフである。
【図１７】信号処理実行後の限られた角度範囲に対する２ブリッジ磁石角度センサーの単調出力を示すグラフである。
【図１８】摂動生成器のさらなる構成の模式的平面図である。
【図１９】単一の磁気抵抗器を用いた磁界方向検出器の実施形態の回路図である。
【図２０】高調波キャンセルを有する象限検出器のための磁気抵抗器の配置を示す。
【図２１】象限検出器またはスイッチのための磁気抵抗要素の比較的コンパクトな配置を示す。
【図２２】図２１の象限検出器の磁気抵抗要素の電気的接続を示す。
【図２３】図２１の象限検出器の磁気抵抗要素の磁界に摂動付与する磁気バイアスを生成するために使用され得るバイアス用導体を示す。
【図２４】象限検出器のシミュレーション結果を示す。
【図２５】磁界方向検出器または磁界角度検出器のための磁気抵抗要素の配置を示す。
【図２６】磁界方向検出器または磁界角度検出器のための磁気抵抗要素の比較的コンパクトな配置を示す。
【図２７】図２６の磁界方位検出器の磁気抵抗要素の電気的接続を示す。
【図２８】磁界方位検出器の磁気抵抗要素の磁界に摂動付与する磁気バイアスを生成するために使用され得るバイアス用導体を示す。
【図２９】図２５〜２８の磁界方位検出器のシミュレーション結果を示す。
【図３０】比較的長く幅狭なストライプを有する磁気抵抗要素の例を示す。
【図３１】比較的短く幅広なストライプを有する磁気抵抗要素の例を示す。
【図３２】幅２μｍの磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器の測定結果を示す。
【図３３】幅４μｍの磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器の測定結果を示す。
【図３４】±６０．５度、±３５．５度、±２４．５度、および±０．５度に配置された磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器のシミュレーション結果を示す。
【図３５】±６０．２度、±３５．５度、±２４．２９３５度、および±０．５度に配置された磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器のシミュレーション結果を示す。
【図３６】正のバイアス電流方向および負のバイアス電流方向を有する磁界検出器のハーフブリッジのシミュレーション結果を示す。
【図３７】ＤＣオフセット訂正回路を組み込んだ磁界検出器の図を示す。
【図３８】ＤＣオフセット訂正回路を組み込んだ磁界検出器の図を示す。
【図３９】長さ検出器および磁気スケールの斜視図を示す。
【図４０】長さ検出器および磁気スケールのより詳細な斜視図を示す。
【図４１】磁気抵抗要素の配置および長さ検出器の例示的な界方向を示す。
【図４２】磁気抵抗要素の配置および関連付けられた長さ検出器の接続を示す。
【図４３】長さ検出器の磁気抵抗要素の磁界に摂動付与する磁気バイアスを生成するために使用され得るバイアス用導体を示す。
【図４４】長さ検出器の模式図を示す。
【図４５】長さ検出器の代替的な実施形態の斜視図を示す。
【図４６】長さ検出器の代替的な実施形態の磁気抵抗要素および例示的な界方向の配置を示す。
【図４７】集積回路内に実装された検出器の一実施形態の断面図を示す。
【図４８】集積回路内に実装された検出器の代替的な実施形態の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
新規なシステム、装置、および方法の様々な態様を、以下において添付図面を参照しながらより十全に説明する。しかしながら、本開示の態様は、多数の異なる形態で具現化され得、本開示を通じて提示するいずれかの特定の構造または機能に限定されるとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの態様は、本開示が網羅的かつ完全になるように、かつ本開示の範囲を当業者に十全に伝えるように、提供されるものである。本明細書中の教示に基づき、当業者は、本開示の範囲は、独立して実装されるかまたは任意の他の態様と組み合わせられるかにかかわらず、本明細書に開示する新規なシステム、装置、および方法の任意の態様をカバーすることを意図すると理解すべきである。例えば、本明細書に記載の任意の数の態様を使用して、装置を実装することができ、方法を実施することができる。加えて、範囲は、本明細書に記載の様々な態様に加えて、もしくはそれら以外の、他の構造、機能、または構造および機能を使用して実施される装置または方法を包含することを意図する。本明細書に開示するいずれの態様も、請求項の１つ以上の要素により具現化され得ることが理解されるべきである。
【００１３】
本明細書では特定の態様について説明するものの、これらの態様の多数の変形例および並び替えは本開示の範囲に属する。好ましい態様のいくつかの恩恵および利点が言及されるものの、本開示の範囲は、特定の恩恵、使用、または目的に限定されることを意図しない。むしろ、本開示の態様は、様々なシステムおよび技術に広く適用可能であることを意図するものであり、そのうちのいくつかは、図において、および好ましい態様に関する以下の説明において、例により示される。詳細な説明および図面は、限定的であるよりもむしろ本開示の単なる例示であり、本開示の範囲は、添付の請求項およびそれらの等価物により定義される。
【００１４】
本明細書では、図面が参照され、図面では、類似の参照番号は、同一または機能的に同様の要素を指すことがある。図に示す要素は必ずしも縮尺一定に描かれていないことが理解されるであろう。その上、特定の実施形態は、図面に示すよりも多くの要素および／または図面に示す要素の下位集合を含み得ることが理解されるであろう。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴の任意の好適な組み合わせを組み込み得る。
【００１５】
図１は、磁界方向検出器の第１の実施形態の平面図である。磁界方位検出器１０は、第１の磁気抵抗器〜第４の磁気抵抗器１２、１４、１６および１８を含む。第１の磁気抵抗器〜第４の磁気抵抗器１２、１４、１６および１８は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４をそれぞれ有する。第１の磁気抵抗器１２および第２の磁気抵抗器１４は、第１の基準ノード２０と第２の基準ノード２２との間に直列接続される。便宜上、第１の基準ノード２０は、使用時において第１の基準電圧Ｖｒｅｆ＋を受信するように接続され得、第２の基準ノードは第２の基準Ｖｒｅｆ−を受信し得る。これらの電圧は、有利なことに、安定した電圧基準によって得ることが可能である。基準電圧Ｖｒｅｆ＋およびＶｒｅｆ−が良好に制御された状況下においては、方向検出器は、第１の磁気抵抗器１２および第２の磁気抵抗器１４のうち１つだけを持てばよい。しかし、電圧変動および検出器温度ドリフトに対する電磁波耐性を高くするためおよび感度向上のためには、第３の抵抗１６および第４の抵抗１８を提供して、図２に示すようにブリッジ構成を形成すると有利である。
【００１６】
図２を参照して、第１の磁気抵抗器１２の第１の端部を第１の基準ノード２０へ接続し、第２の端部を第１の出力ノード３０および第２の磁気抵抗器１４の第１の端部へ接続することにより、ブリッジが形成される。第２の磁気抵抗器１４の第２の端部を、第２の電圧基準ノード２２へと接続する。
【００１７】
同様に、第４の抵抗１８の第１の端部を第１の基準ノード２０へ接続する。第４の抵抗の第２の端部を、第２の出力ノード３２と、第３の磁気抵抗器１６の第１の端部とへ接続する。第３の磁気抵抗器１６の第２の端部を、第２の基準ノード２２へ接続する。
【００１８】
使用時において、第１の出力ノードおよび第２の出力ノードにおける出力電圧を相互に比較することで、第１の方向（矢印４０（図１）で示す）または第１の方向４０と反対方向の第２の方向４２にある成分を磁界が有するかを決定することができる。よって、センサーは、検出軸４４に対する磁界方向に応答し、検出軸の第１の側部または第２の側部からの界の成分を磁界が有するかを決定する機能を行う。この比較は、比較器または差動増幅器３４によって行われ得る。
【００１９】
第１の磁気抵抗器１２〜第４の磁気抵抗器１８は、第２の面からオフセットされた第１の面内に配置される。第２の面は、磁気抵抗器における磁界を摂動させる摂動生成器を担持する。摂動生成器は、永久磁場を生成するために磁化材料であり得る。しかし、集積回路の文脈においては、導体中に流れている電流を摂動生成に用いるとより便利である場合が多い。この場合、摂動の大きさおよび方向を駆動回路によって変更できるため、有利である。このようにすると、磁界方向検出器の感度を決定する場合または信号処理を向上させるステップを行う場合（例えば、出力端子３０および３２へ接続された増幅器または比較器中において発生しているオフセットを測定および／または補償するオートゼロイング機能を行う場合）において有用である。
【００２０】
図３は、図１の線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、記第１の磁気抵抗器１２および第２の磁気抵抗器１４と、導体素子によって形成された摂動生成器５０とを含む。導体素子は、基板（例えば、シリコン基板５２）または絶縁体層（例えば、シリコン基板上のポリアミド）上に形成される。導体素子そのものは、絶縁体５４（例えば、ポリアミド）によって包囲される、かまたは絶縁体５４（例えば、ポリアミド）中に埋設される。磁界方向検出器の製造時において、絶縁体５４は、平面５６を形成するように平坦化される。平面５６上に、磁気抵抗器１２および１４が被覆される。その後、これらの抵抗を保護層５８中に封入することで、環境的ダメージから抵抗を保護する。
【００２１】
これらのステップは、デバイス製造分野の当業者にとって公知であるため、ここでは詳述を控える。図３に示すように配置された磁気抵抗器は、摂動生成器５０の導体中に流れる電流に起因して発生する磁束を受けることが理解される。
【００２２】
図１に戻って、摂動生成器５０は折り畳み経路を有し、これにより、第１の磁気抵抗器１２の下側に流れている電流が第１の方向（例えば、図１に示すように上方に延びて、図３のページの面内へと延びるもの）を有する場合、第２の磁気抵抗器１４の下側に流れている電流は、反対方向（図１のページを下方に延び、図３の面から出て行くもの）に流れることが理解される。よって、摂動生成器５０が電流を流している場合、磁界への異なる摂動付与が第１の磁気抵抗器１２および第２の磁気抵抗器１４において発生する。
【００２３】
全く同一の効果が、第３の抵抗１６および第４の抵抗１８においても発生する。
【００２４】
図４は、ベクトル「Ｈ」によって示す強度および方向を有する外的磁界への摂動ベクトル付加の模式図である。各磁気抵抗器における摂動を、ベクトルＨｐによって示す。各場合において、図示のＨｐの大きさは、各磁気抵抗器におけるものと同じであるが、第１の磁気抵抗器および第３の磁気抵抗器の方向は、第２の磁気抵抗器および第４の磁気抵抗器の方向と反対方向である。
【００２５】
各抵抗１２、１４、１６および１８について、得られたベクトル合計を「Ｍ」で示し、第１の抵抗１２の得られた界Ｍ１の方向が、第１の角度θ１だけ変化したことが理解される。第１の角度θ１は、第２の磁気抵抗器１４の第２の角度θ２だけ変化した得られた界Ｍ２と異なる。また、明確に図示していないものの、ベクトル合計Ｍ１およびＭ２の大きさも異なり得る。
【００２６】
磁界方向および強度の変化は、第１の〜第４の磁気抵抗器（１２、１４、１６および１８）の抵抗Ｒ１〜Ｒ４に影響を与え、各ベクトル合計は、Ｈに対して各角度θ１〜θ４だけ回転される。
【００２７】
図５に示す基準フレームは、細長かつ直線状の磁気抵抗器６０中の電流流れ方向と、周囲磁界Ｈから発生した磁気抵抗器磁化ベクトルＭとの間の角度φを規定する。図６に示すグラフは、磁気抵抗器のバルク抵抗ρがφと共に変化する様子を示す。磁界Ｈが充分に大きい場合、磁化ベクトルＭはＨと整列することが当業者に公知である。これは、角度界センサーにおいて用いられる動作モードである。
【００２８】
特筆すべき特徴として、ρ（ｒｈｏ）は±９０ｏにおいて最小となり、その応答は±９０ｏ周囲において対称となる点がある。この効果を用いれば、後述するように反対方向の電流流れ方向を有する磁気抵抗要素から磁気抵抗センサーを形成することにより、磁気抵抗器の有効長さを増加させ、よって感度を増加させることが可能になる。
【００２９】
図４および図６の比較から、第１の磁気抵抗器１２の抵抗Ｒ１は、第２の磁気抵抗器１４の抵抗Ｒ２と異なる範囲で変化することが明らかである。図４に示す例において、磁界が全く無い場合はＲ１＝Ｒ２が仮定されると、Ｍ２はＭ１よりも高い角度ρ（ｒｈｏ）にあるため、Ｒ２＜Ｒ１となる。同様に、Ｒ４＜Ｒ３である。よって、これらの抵抗が図２に示すようなブリッジ構成にある場合において、磁界が第１の方向４０にある成分を有する場合はＶｏｕｔ２＞Ｖｏｕｔ１である一方、磁界が第２の方向４２にある成分を有する場合、Ｖｏｕｔ２＜Ｖｏｕｔ１である。
【００３０】
「幅」に比べて「長さ」が大きい抵抗を用いることにより、磁気抵抗応答の強度を増加することができる。これは、磁気抵抗器を形成する材料中に曲折または蛇行パターンを形成するかまたは磁気抵抗材料のいくつかの直列接続ストライプまたは要素からなる各磁気抵抗器を形成することにより、達成することができる。これらの磁気抵抗材料製ストライプまたは要素は、相互に平行に堆積され得る。
【００３１】
図７は、磁界方向検出器を簡潔に示す。この磁界方向検出器において、各磁気抵抗器は、複数の相互接続された磁気抵抗要素を含む。図７を図１と比較すると、第１の磁気抵抗器１２は、２つの磁気抵抗要素１２−１および１２−２を含む。これら２つの磁気抵抗要素１２−１および１２−２は、金属連結部７１によって接続される。金属連結部７１は、磁気抵抗材料上に形成してもよいし、あるいは、摂動生成器５０の導体および磁気抵抗要素の間の層中に形成してもよいし、あるいは、磁気抵抗材料の一部としてもよい。
【００３２】
その他の磁気抵抗器は、磁気抵抗要素１４−１、１４−２、１６−１、１６−２、１８−１および１８−２によって同様に形成される。
【００３３】
要素１２−１中の電流流れと比較した場合、磁気抵抗要素１２−２内の電流流れは反対方向に流れているが、９０°方向周囲における抵抗特性が対称になっているため、これら２つの要素の応答は同一である。各磁気抵抗器１２、１４、１６および１８は、複数の磁気抵抗要素から構成され得る（例えば、２、３、４、５個等の磁気抵抗要素）。抵抗およびよって抵抗変化は、抵抗要素の数と共に変化する。
【００３４】
抵抗要素を直線状要素として図示しているが、これは直線状構成が最も簡単な構成でありまた最も一般的な構成であると考えられるからであり、本発明はこれに限定されない。方向検出器の空間的存在に対して外的磁界が実質的に直線状であることが考えられる場合でも、両者を形成する磁気抵抗器および磁気抵抗要素は、他のジオメトリ（例えば、弓形またはジグザグ）をとり得る。これにより、他の成分を含むダイ上への磁界方向検出器のパッキングが向上し得る。
【００３５】
以下に説明するように、２つの磁界方向検出器を用いて、象限検出器を形成することができる。
【００３６】
図８は、共有摂動生成器の経路を示す。共有摂動生成器は、単一の導体摂動生成器５０を含む。単一の導体摂動生成器５０は、磁石摂動を第１の方向検出器１００および第２の方向検出器１０４内に発生させる。第１の方向検出器１００は、検出軸を矢印１０２の方向に沿って有し、第２の方向検出器１０４は、検出軸を矢印１０６の方向に沿って有する。よって、界摂動の大きさおよび方向を、双方の磁界方向検出器内において同時に制御することができる。図９は図８と類似の図であるが、各方向検出器１００および１０４中の第１〜第４の磁気抵抗器の位置を模式的に示す（磁気抵抗器は、図７について述べたような複数の磁気抵抗要素から構成され得る）。
【００３７】
比較器（図示せず）は、第１の方向検出器１００の第１の出力および第２の出力へ接続されて、Ｖ１１をＶ１２と比較し得る。同様に、第２のブリッジ１０４の出力へ接続された比較器は、Ｖ２１をＶ２２と比較し得る。
【００３８】
図１０は、摂動生成器５０の導体が図示のように励起され、図９の磁気抵抗器の下側に埋設された場合における、磁界を摂動する方向を示す。
【００３９】
磁界が図１１に示すｘ−ｙ面において左から右へとまたは右から左へと移動するため、Ｖ１１およびＶ１２ならびにＶ２１およびＶ２２の相対的大きさをマッピングすることが可能となる。検出軸１０２および１０６は、図１０に示す方向に対応するように図示されている。
【００４０】
よって、磁界が右から左へと移動する場合、摂動による影響はＶ１１＞Ｖ１２となる。
【００４１】
第２の方向検出器は、図１１に示す座標系内において磁界が上方または下方に移動しているかを確認する。磁界が上方に移動している場合、Ｖ２１＞Ｖ２２である。
【００４２】
Ｖ１１＞Ｖ１２＝１、Ｖ１１＜Ｖ１２＝０、Ｖ２１＞Ｖ２２＝１およびＶ２１＜Ｖ２２＝０となるように比較器が配置構成されている場合、図１１にも示すように、磁界方向を２ビットワードとして表すことができる。
【００４３】
よって、本例において、０°から９０°の方向の発生元から発生する磁界は、１、１によって表される。例えば、９０°〜１８０°の方向において、磁界は１、０によって表される。Ｖ１１およびＶ１２への入力接続ならびにＶ２１およびＶ２２への入力接続を変更することおよび／または摂動生成器５０中に流れている電流の極性（図８、９および１０）を逆転することにより、比較器出力の符号を変更することができる。
【００４４】
４５ｏだけオフセットしている２つの象限検出器を用いて、円のうち１／８を構成しているセクター内の磁界の方向を決定することができることが明らかである。改変例として、磁気抵抗器が形成される面に対して垂直な磁界方向に対して検出器が感度を持つようにしてもよい。このような配置構成を図１２に模式的に示す。
【００４５】
図１２に示すように、導体１５０は、基板１５２上に形成され、絶縁体１５４内に埋設される。（図１の磁気抵抗器１２および１４に対応する）第１の磁気抵抗器１６０および第２の磁気抵抗器１６２は、層１５４上に形成され、導体１５０のいずれかの側部から横方向にずれて配置される。
【００４６】
導体１５０中の電流流れからの磁束１５６の線（図１２の面内への従来の電流流れ方向）が図示される。摂動界は、磁気抵抗器１６０において上方成分を有し、磁気抵抗器１６２において下方成分を有する。これにより、磁気抵抗器を有する集積回路の面に対して垂直な方向における感知が可能となる。このような配置構成は、材料がＺ方向において肉薄である場合に発生する磁気抵抗器中の形状異方性と競合する必要があり得る。このような異方性に起因して、本実施形態の感度は、強い磁界の存在を必要としかつ／または磁気抵抗器をＺ方向においてさらに肉厚に形成するように限定され得る。
【００４７】
象限検出器を用いて、異方性磁気抵抗を用いた磁石角度方向検出器からの出力を増加させることができる。このようなセンサーは、磁気抵抗器を形成する磁気抵抗材料ストライプから構成してもよいが、摂動生成器は持たない。回転検出器としてのＡＭＲ要素の限界（例えば、シャフトの角度回転を測定するために棒磁石をシャフト上に配置した場合）を理解するために、図１３を考える。図１３は、図６のデータを示すが、同一の抵抗率およびよって同一の抵抗を提供する磁気抵抗器の長手方向軸に対して４つの磁界方向Ｍがあることを例示する。
【００４８】
図１４中に模式的に示す種類のブリッジアレイ内に磁気抵抗器を配置した場合、このような角度曖昧性は変化しないままである。磁気抵抗要素は、４つのブロック内において相互に平行に配置されて、抵抗ブリッジを形成する。よって、領域１８０内に含まれる７つの磁気抵抗要素により、単一の磁気抵抗器が形成される。領域１８２、１８４および１８６により、他の磁気抵抗器が形成され、これら他の磁気抵抗器は、ブリッジ構成内に配置され、これにより、磁気抵抗器１８０および１８６が協働してブリッジのリムを形成し、磁気抵抗器１８２および１８４が協働して、ブリッジのその他のリムを形成する。
【００４９】
公知の角度位置センサーにおいて、図１５に示すように２つの磁気抵抗ブリッジ構成１９０および１９２を形成することが公知であり、１つのブリッジを他方のブリッジに対して４５°だけ回転させる。各ブリッジについて、出力信号Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ−ａ−Ｖｏｕｔ−ｂを形成することができる。図１６中、第１のブリッジ１９０および第２のブリッジ１９２における応答をＶｏｕｔ＿ｂｒｉｄｇｅ１およびＶｏｕｔ＿ｂｒｉｄｇｅ２としてそれぞれ示す。
【００５０】
これらのブリッジからの出力を組み合わせて、以下の式１のようにすることができる。
出力角度＝0.5arctan2(Vout_bridge1, Vout_bridge2)      式１
【００５１】
出力を図１７に示す。この出力は、−９０°＜Ｘ＜９０°の範囲において単調である。Ｘは、第１のブリッジ１９０の感知軸に対する磁界方向を示す。よって、例えば−４５°〜＋１３５°においても曖昧性が存在する。しかし、本明細書中に記載のような象限検出器を設けることにより、角度不確実性を分解することができ、明確な出力が得られる。
【００５２】
上述したように、象限検出器の要素または象限検出器を形成する個々の方向検出器は、直線状または線要素にしなくてもよい。同様に、検出器の個々の抵抗を隣接して配置する必要もないが、配置密度を高めるために基板上に分配してもよい。同様に、磁気摂動の形成に用いられる導体は、上記した経路を追随する必要は無く、例えば螺旋状経路として形成してもよい。
【００５３】
図１８に示す改変例の磁界検出器において、磁気抵抗器はそれぞれ、摂動生成器の各部分上に形成された複数の磁気抵抗要素から形成される。図１８を図１と比較すると、図１の第１の抵抗１２は、４つの磁気抵抗要素２００．１〜２００．４から構成される。磁気抵抗要素２００．１〜２００．４を相互に傾斜させることにより、ジグザグパターンをジグザグ摂動生成器上に形成する。その他の磁気抵抗器も、同様に形成される。
【００５４】
摂動導体は、永久に励起する必要は無い。角度位置センサーは、角度位置の推定値を保持することが可能である必要があり、これにより、象限検出器を充電するのに充分であるか、または、初期化および／または反復的確認目的のために方向検出器のみで充分となる。
【００５５】
図１９に示すさらなる実施形態の例において、磁気抵抗器数は単一の抵抗２１０まで低減されている。単一の抵抗２１０は、摂動生成器５０に隣接して配置される。摂動生成器５０は、制御可能な電流シンク２１４（または電流源）によって選択的に通電され得る。磁気抵抗器中の電流を図示のような電流シンク２２０によってまたは電流源によって制御することも可能である。抵抗２１０の感知または検出方向を横断する成分を有する磁界が存在する場合、摂動生成器を通電すると、抵抗２１０の抵抗は、磁界方向に応じて低減または増加する。その結果、ノード２２２における電圧が変化する。この変化が監視可能である場合、磁界方向を推定することができる。図１９は、ノード２２２における電圧の変化を監視することが可能な回路を示す。コンデンサ２２４は、第１の端子を有する。第１の端子は、オペアンプ２２６の非反転入力へ接続される。コンデンサの第２の端子は、ローカル接地または電源レール２２８へ接続される。電気的に制御されたスイッチ２３０（例えば、ＦＥＴによって形成されたもの）は、コンデンサ２２４の第１の端子をノード２２２へと接続するように設けられる。増幅器２２６の反転入力は、抵抗によってノード２２２へ接続され、抵抗２３４によって増幅器２２６の出力へも接続される。これらの抵抗は、増幅器２２６の利得を規定する機能を果たす。
【００５６】
スイッチ２３０が閉鎖されると、コンデンサは、ノード２２２の電圧へ給電し得る。このとき、摂動生成器５０中に電流が流れないように、電流シンク２１４を通電解除することができる。磁界方向を確認することが望まれる場合、ノード２２２にある電圧をコンデンサ２２４上で保持するように、スイッチ２３０を開く。その後、摂動生成器を通電すると、抵抗２１０の抵抗が変化し、よってノード２２２にある電圧も変化する。この新規電圧は反転入力へと提供されて、増幅器２２６によって直前の値と比較され、増幅器出力の符号は、磁界方向を示す。増幅器２２６の代わりに比較器および抵抗２３２および２３４を用いてもよく、増幅器２２６の代わりに、ノード２２２へ直接接続された比較器の反転入力を用いてもよい。
【００５７】
方向検出器は、角度位置センサーを含む集積回路内への集積に適しており、状況によっては、同一のＡＭＲブリッジを用いて、角度方向検出器および方向検出器（すなわち、本発明の半球または象限検出器）の一部を形成することができる。
【００５８】
外的磁界の方向不確実性を解決することを可能にする磁気抵抗センサーおよび導体または摂動生成器を含む磁界検出のための装置および方法が、「ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＦＩＥＬＤ  ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ  ＤＥＴＥＣＴＯＲ」と題された米国出願第１３／６５５，０５９号（「’０５９出願」）に開示されており、同出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。’０５９出願に開示されるように、磁気抵抗センサーは、磁気抵抗センサーを含む層の下方または上方の分離層に付随的な摂動生成器を有し得、摂動生成器は、磁気抵抗センサーの異なるストライプの付近で異なる方向に電流を導通するように構成され得る。’０５９出願で開示されたように実装された摂動生成器は、導体により摂動付与される異なるストライプの出力値の比較に基づき、外的磁界の方向または角度のある象限の決定を可能にする。また’０５９出願において述べられているように、摂動生成器を有する方向検出器は、ブリッジ構成で形成された磁気抵抗センサーにより実装され得る。このような例では、第１の検出軸を有する第１集合の磁気抵抗ストライプが一方向に設けられ、第２の検出軸を有する第２集合の磁気抵抗ストライプが別の方向に設けられ、第１の方向と第２の方向は、相互に略垂直であってもよい。第１集合の磁気抵抗ストライプと第２集合の磁気抵抗ストライプを、それぞれサインブリッジ抵抗器およびコサインブリッジ抵抗器と呼んでもよい。
【００５９】
異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサー、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗センサー（ＴＭＲ）、または任意の他の磁気抵抗（ＸＭＲ）センサー等の磁気センサーは、各々、磁界検出器を実装する際に異なる利点を提供する。異なる種類の磁気センサーを使用して実装された応用は、外的界の異なる角度範囲を感知し得ることがある。例えば、ＡＭＲセンサーブリッジからの出力は１８０度毎に繰り返され得るため、ブリッジ状に形成されたＡＭＲセンサーのいくつかの応用は、０〜１８０度の範囲の外的磁界の角度のみを決定し得る。本明細書に開示するように実装された特定の磁界検出器は、比較的広い磁気ウィンドウおよび比較的高い精度により、全３６０度の範囲の外的界角度の検出を可能にする。これは、センサーが、ＡＭＲセンサー等の特定の磁気抵抗センサーの利点の恩恵を受ける一方、それらのセンサーに伴う特定の欠点を克服することを可能にし得る。
【００６０】
ＡＭＲ象限検出器は、ＡＭＲ角位置センサーを補い、その範囲を１８０度から全３６０度回転に拡大し得る。いくつかのＡＭＲ角度センサーは、外的界の角度に対応する位相が２倍に増大した出力信号を提供し、これにより、３６０度の磁界回転の場合、２周期（７２０度）の出力信号が提供される。よって、実際に測定された角度はα度か、またはα＋１８０度かを区別することが難題になり得る。
【００６１】
幾つかの応用は、この曖昧性を解決する能力の恩恵を受けることができる。’０５９出願に開示されている解決策は、２つの特別に設計されたＡＭＲブリッジ（ＡＭＲ象限検出器）を追加することを伴う。これらのＡＭＲブリッジは、通常動作ではゼロの出力を有し得るが、摂動生成器またはバイアス導体とも呼ばれ得る重ね合わせた「コイル」によりバイアスすると、象限内の測定された磁界の方向を提供する。「コイル」は巻線以外の形状を有してもよく、一般に磁気抵抗要素に隣接することが理解されるであろう。このさらなる情報は、ＡＭＲ角度センサーと組み合わされると、全３６０度の動作範囲を提供する。象限検出器は、角度ＡＭＲブリッジと実質的に同じプロセスに基づいてもよく、特定の実施形態では、ただ１つのさらなる金属層と共に実装されてもよい。それゆえ、単一ダイ内への集積が可能である。
【００６２】
本明細書に開示するように、’０５９出願の象限検出器内の抵抗ストライプの角度を傾斜させることにより（本明細書の図９を参照されたい）、象限検出器と角度検出器との両方を使用する必要性に訴えることなしに、特異点の曖昧性を回避することが可能である。抵抗ストライプの一実施形態では、３６０度の周期を有するサイン波出力が得られ得ることも示される。さらに、バイアス電流の極性を変更することにより、ブリッジのオフセット（およびそのドリフト）が、信号処理を通じて検出、低減、および／または除去され得る。さらに、印加される磁界の比較的広い界の大きさは、印加される磁界の角度方向に加えて、この配置により測定され得る。これは、顕著な機能的安全性の特徴の用途を有し得る。
【００６３】
異なる技術のセンサーを共通パッケージに含める様々な組み合わせと比較して、このソリューション案の１つの利点は、本明細書に開示する実施形態が１種類の磁気センサー（例えば、ＡＭＲセンサー）と同じプロセスを使用し得ることである。それゆえ、さらなる金属層により、同じダイへの集積が可能である。なお、磁気センサー（例えば、ＡＭＲ）がＡＳＩＣ上にモノリシックに集積される場合、パッケージ内のダイ数は、いくつかの他の手法における少なくとも３つと比較して、１にまで低下する。いくつかの実装では、バイアス電流は、象限の情報が所望されないほとんどの時間、電力を節約するためにオフにされ、所与の間隔で、またはオンデマンドでのみオンにされてもよい。
【００６４】
図２０は、一実施形態による象限検出器またはスイッチのための磁気抵抗要素または磁気抵抗器（「抵抗器」）の例示的な配置を示し、図２４は、該例示的な配置のセンサー出力シミュレーション結果を示す。図２０に示すように、サインブリッジ抵抗器ストライプは、サインブリッジの検出軸に対して平行または垂直ではない様々な角度で配置される。同様に、コサインブリッジ抵抗器ストライプは、コサインブリッジの検出軸に対して平行または垂直ではない様々な角度で配置される。各ブリッジの２つの抵抗器は、相互に対向する角度（例えば、Ｘ°及び−Ｘ°）に配向され得、各ブリッジの２つの他の抵抗器は、該２つの抵抗器とは異なる相互に対向する角度（例えば、Ｙ°および−Ｙ°、ただしＸはＹに等しくない）に配向され得る。図示されている例では、サインブリッジストライプおよびコサインブリッジストライプは各々、それぞれの検出軸に垂直なそれぞれの対称軸に対して−３６°、−１２°、１２°、および３６°で配置される。
【００６５】
図示の象限検出器４００は、第１の磁界検出器４０２および第２の磁界検出器４０４を含む。本開示において、図中の類似の参照番号は、特に指示のない限り、類似の特徴を指すものとする。第１の磁界検出器４０２は、サインブリッジに対応し得、第２の磁界検出器４０４は、コサインブリッジに対応し得る。一実施形態では、第２の磁界検出器４０４の磁気抵抗要素は、第１の磁界検出器４０２の磁気抵抗要素と同じ一般的な配置を有し得るが、第１の磁界検出器４０２の配置から９０度回転されている。
【００６６】
図示の第１の磁界検出器４０２は、第１の群の磁気抵抗要素４１２、第２の群の磁気抵抗要素４１４、第３の群の磁気抵抗要素４１６、および第４の群の磁気抵抗要素４１８を含む。角度を説明するための基準点として、４つの垂直軸が図２０に示されている。これらの軸を基準軸と呼ぶ。この場合、基準軸は、図２０の第１の磁界検出器４０２に対して水平な検出軸に対して直交する。
【００６７】
第１の群の１つ以上の磁気抵抗要素４１２は、基準軸に対して第１の角度α１にある第１の軸に実質的に平行な第１の電流方向に電流を流すように構成される。電流は、磁気抵抗要素を長手方向が第１の電流方向の方向にある比較的長い幅狭なストライプへと形成すること等の様々な方途により、第１の電流方向に沿って進むように強制することができる。しかしながら、電流の大部分は最小抵抗経路に沿って進み、磁気抵抗要素は比較的長く薄肉以外の形状に形作られ得、接点の位置が電流流れの方向を支配するため、他の方途も可能である。
【００６８】
第２の群の１つ以上の磁気抵抗要素４１４は、基準軸に対して第２の角度α２にある第２の軸に実質的に平行な第２の電流方向に電流を流すように構成される。第３の群の１つ以上の磁気抵抗要素４１６は、基準軸に対して第３の角度α３にある第３の軸に実質的に平行な第３の電流方向に電流を流すように構成される。第４の群の１つ以上の磁気抵抗要素４１８は、基準軸に対して第４の角度α４にある第４の軸に実質的に平行な第４の電流方向に電流を流すように構成される。
【００６９】
特定の実施形態では、象限検出器４００の第１の磁界検出器４０２の角度α１、α２、α３、およびα４は、第１の磁界検出器４０２および第２の磁界検出器４０４の出力信号中の少なくとも２つの偶数高調波の存在を低減し、好ましくはキャンセルするように選択される。他の実施形態では、３つ以上の偶数高調波が、さらなる群の磁気抵抗要素を追加することにより、キャンセルまたは低減され得る。
【００７０】
象限検出器４００の第１の磁界検出器４０２の角度α１、α２、α３、およびα４の量の例は、広い範囲で変動し得る。いくつかの実施形態では、角度α１、α２、α３、およびα４は、それぞれ−３９〜−３３度、−１５〜−９度、９〜１５度、および３３〜３９度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、およびα４は、それぞれ−３８〜−３４度、−１４〜−１０度、１０〜１４度、および３４〜３８度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、およびα４は、それぞれ約−３６、−１２、１２、および３６度である。
【００７１】
図２１は、象限検出器４００の磁気抵抗要素の比較的コンパクトな配置を示す。図２１の第１の磁界検出器４０２および第２の磁界検出器４０４の磁気抵抗要素は、図２０のものと同じ角度にあるが、より実用的な省スペース型レイアウトに再配置されている。特定の実施形態では、象限検出器４００は、シングルエンド型構成を有してもよく、第１の磁界検出器４０２および第２の磁界検出器４０４を含む。他の実施形態では、象限検出器４００は、差動型構成を有し、第１の磁界検出器４０２、第２の磁界検出器４０４、第３の磁界検出器４０６、および第４の磁界検出器４０８を含む。差動動作のため、第３の磁界検出器４０６および第４の磁界検出器４０８は、磁気抵抗要素がそれぞれ第１の磁界検出器４０２、第２の磁界検出器４０４の磁気抵抗要素から約１８０度回転されるように、配置されるべきである。
【００７２】
図２２は、図２１の象限検出器の磁気抵抗要素の電気的接続を示す。ＣＯＳ１、ＳＩＮ１、ＣＯＳ２、ＳＩＮ２とラベル付けされた端子またはボンドパッドは、第１のセンサー出力信号、第２のセンサー出力信号、第３のセンサー出力信号、および第４のセンサー出力信号にそれぞれ対応し得る。これらの信号（ＣＯＳ１、ＳＩＮ１、ＣＯＳ２、ＳＩＮ２）の各々は、ハーフブリッジの出力である。これらの信号は、デジタルに変換され、デジタルドメインで分析されてもよく、または初期にアナログドメインで例えば差動増幅器により組み合わせられてもよい。例えば、差動動作では、差動増幅器を使用して、第１のセンサー出力信号ＣＯＳ１を第３のセンサー出力信号ＣＯＳ２から減算し得、別の差動増幅器を使用して、第２のセンサー出力信号ＳＩＮ１を第４のセンサー出力信号ＳＩＮ２から減算し得る。減算演算の結果は、デジタルに変換され得、象限は、符号（正もしくは負）の分析を介して、またはルックアップテーブルを参照して決定され得る。
【００７３】
図２３は、磁界へ摂動付与するための磁気バイアスを生成するために使用され得るバイアス用導体４４０を示す。バイアス用導体は、様々な方途により実装され得る。例えば、バイアス用導体は、単一の層により、または複数の層により実装され得る。層が少ないことはより低いコストという利点を有するが、相互に直列している複数の層は、同じ電流に複数の層を通過させて所与の電流量に対してより高い磁界を生成することができるため、省電力を提供し得る。例えば、これらの層は、磁気抵抗要素の層の上方および／または下方にあってもよい。一例では、バイアス用導体は、磁気抵抗要素の上方の層および下方の層に実装される。別の例では、バイアス用導体は、磁気抵抗要素の上方の２層および下方の２層に実装される。他の変形例も適用される。摂動磁界を提供する他の方途も利用可能であることも留意されるべきである。例えば、電流を介して磁界を生成する代わりに、永久磁石が代替的に使用されてもよい。
【００７４】
図２４は、図２０〜２３の象限検出器のセンサー出力のシミュレーション結果を示す。以下の条件がシミュレーションに適用される。上述のように、図２０に示す例示的な配置は、それぞれの対称軸に対して−３６°、−１２°、１２°、および３６°で配置された磁気抵抗ストライプを含む。本例の磁気抵抗ストライプは、幅約２マイクロメートル（μｍ）、厚さ１０ナノメートル（ｎｍ）の寸法を有するＡＭＲセンサーストライプにより実装される。本例のバイアス用導体４４０または摂動生成器は、幅約３μｍ、厚さ１μｍの寸法を有し、ＡＭＲセンサーストライプを含む層から約１μｍ離隔している。他の寸法が利用可能であり、当業者により容易に決定される。１０ミリアンペア（ｍＡ）の電流にバイアス用導体４４０を通過させることにより得られる磁気抵抗要素における磁界は、約８００アンペア毎メートル（Ａ／Ｍ）である。１０ｍＡにおける出力信号レベルは、０．１７４ｍＶ／Ｖである。３キロオームを得るためのＡＭＲストリップの長さは、１０７マイクロメートルである。
【００７５】
図２４に示すように、サインブリッジ抵抗器およびコサインブリッジ抵抗器からの出力の組み合わせは少なくとも各象限において異なり、０〜３６０度の全角度範囲にわたって、ある象限から別の象限への遷移またはその付近（すなわち、０°、９０°、１８０°、および２７０°の付近）に曖昧な点がないことを、シミュレーション結果は示している。例えば、Ｖｏｕｔ１とラベル付けされた信号は、ＣＯＳ１信号に、またはＣＯＳ１信号とＣＯＳ２信号との間の差分に対応し得る。Ｖｏｕｔ２とラベル付けされた信号は、ＳＩＮ１信号に、またはＳＩＮ１信号とＳＩＮ２信号との間の差分に対応し得る。Ｖｏｕｔ１信号およびＶｏｕｔ２信号の符号を検討することにより、特定の象限が象限検出器により一意的に特定され得る。ある象限ではＶｏｕｔ１信号およびＶｏｕｔ２信号の両方が正であってもよく、別の象限ではＶｏｕｔ１信号およびＶｏｕｔ２信号の両方が負であってもよく、別の象限ではＶｏｕｔ１信号は正であってもよく、Ｖｏｕｔ２信号は負であってもよく、別の象限ではＶｏｕｔ１信号は負であってもよく、Ｖｏｕｔ２信号は正であってもよい。象限検出は、モータ、回転子、ハブ、車輪、シャフト等のような回転する対象物において有用であり得る。
【００７６】
図２５は、一実施形態による検出器の磁気抵抗要素または磁気抵抗器（「抵抗器」）の別の例示的な配置、および図示の例示的な配置のセンサー出力のシミュレーション結果を示す。図２５に示す例示的な配置は、サインブリッジ抵抗器ストライプおよびコサインブリッジ抵抗器ストライプが、それぞれの検出軸に対して、またはサインブリッジ抵抗器ストライプおよびコサインブリッジ抵抗器ストライプのそれぞれの検出軸に垂直な軸に対して、様々な角度で配置されることを示す。２組のこれらのストライプは、ブリッジ内の各抵抗器に対応する。それゆえ、各ブリッジには、８組のブリッジ抵抗器ストライプが存在し得る。図２５の図示の例では、サインブリッジストライプおよびコサインブリッジストライプは各々、それぞれの検出軸に垂直なそれぞれの対称軸に対して−６０．５°、−３５．５°、−２４．５°、−０．５°、０．５°、２４．５°、３５．５°、および６０．５°で配置される。
【００７７】
図示の磁界方向検出器または磁界角度検出器５００は、第１の磁界検出器５０２および第２の磁界検出器５０４を含む。第１の磁界検出器５０２は、サインブリッジに対応し得、第２の磁界検出器５０４は、コサインブリッジに対応し得る。一実施形態では、第２の磁界検出器５０４の磁気抵抗要素は、第１の磁界検出器５０２の磁気抵抗要素と同じ一般的な配置を有し得るが、第１の磁界検出器５０２の配置から９０度回転されている。
【００７８】
図示の第１の磁界検出器５０２は、第１の群の磁気抵抗要素５１２、第２の群の磁気抵抗要素５１４、第３の群の磁気抵抗要素５１６、第４の群の磁気抵抗要素５１８、第５の群の磁気抵抗要素５２０、第６の群の磁気抵抗要素５２２、第７の群の磁気抵抗要素５２４、および第８の群の磁気抵抗要素５２６を含む。角度を説明するための基準点として、基準軸５０１が図２５に示されている。基準軸は、図２５の第１の磁界検出器５０２に対して水平であり、第２の磁界検出器５０４に対して垂直である検出軸に直交する。
【００７９】
第１の群の１つ以上の磁気抵抗要素５１２は、基準軸５０１に対して第１の角度α１にある第１の軸に実質的に平行な第１の電流方向に電流を流すように構成される。電流は、磁気抵抗要素を長手方向が第１の電流方向の方向にある比較的長い幅狭なストライプへと形成すること等の様々な方途により、第１の電流方向に沿って進むように強制することができる。しかしながら、電流の大部分は最小抵抗経路に沿って進み、磁気抵抗要素は比較的長く薄肉以外の形状に形作られ得、接点の位置が電流流れの方向を支配するため、他の方途も可能である。
【００８０】
第２の群の１つ以上の磁気抵抗要素５１４は、基準軸５０１に対して第２の角度α２にある第２の軸に実質的に平行な第２の電流方向に電流を流すように構成される。第３の群の１つ以上の磁気抵抗要素５１６は、基準軸５０１に対して第３の角度α３にある第３の軸に実質的に平行な第３の電流方向に電流を流すように構成される。第４の群の１つ以上の磁気抵抗要素５１８は、基準軸５０１に対して第４の角度α４にある第４の軸に実質的に平行な第４の電流方向に電流を流すように構成される。
【００８１】
第５の群の１つ以上の磁気抵抗要素５２０は、基準軸５０１に対して第５の角度α５にある第５の軸に実質的に平行な第５の電流方向に電流を流すように構成される。第６の群の１つ以上の磁気抵抗要素５２２は、基準軸５０１に対して第６の角度α６にある第６の軸に実質的に平行な第６の電流方向に電流を流すように構成される。第７の群の１つ以上の磁気抵抗要素５２４は、基準軸５０１に対して第７の角度α７にある第７の軸に実質的に平行な第７の電流方向に電流を流すように構成される。第８の群の１つ以上の磁気抵抗要素５２６は、基準軸５０１に対して第８の角度α８にある第８の軸に実質的に平行な第８の電流方向に電流を流すように構成される。
【００８２】
特定の実施形態では、磁界方位検出器５００の第１の磁界検出器５０２の角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、α７、およびα８は、第１の磁界検出器５０２および第２の磁界検出器５０４の出力信号中の第３の高調波および少なくとも１つの他の高調波の存在を低減し、好ましくはキャンセルするように選択される。いくつかの実施形態では、該少なくとも１つの他の高調波は、第５の高調波であってもよい。他の実施形態では、該少なくとも１つの他の高調波は、第５の高調波および第８の高調波であってもよい。さらなる高調波または代替的な高調波が、示されているもの以外の配置によりキャンセルまたは低減されてもよい。
【００８３】
磁界方位検出器５００の第１の磁界検出器５０２の角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、α７、およびα８の量の例は、広い範囲で変動し得る。第３高調波、第５高調波、および第８高調波のキャンセルならびに８つの群を有するいくつかの実施形態では、角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、α７、およびα８は、それぞれ５７．２〜６３．２度、３２．５〜３８．５度、２１．２９〜２７．２９度、−２１．２９〜−２７．２９度、−３２．５〜−３８．５度、−５７．２〜−６３．２度、−２．５〜３．５度、および−３．５〜２．５度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、α７、およびα８は、それぞれ５８．２〜６２．２度、３３．５〜３７．５度、２２．２９〜２６．２９度、−２２．２９〜−２６．２９度、−３３．５〜−３７．５度、−２８．２〜−６２．２度、−１．５〜２．５度、および−２．５〜１．５度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、α７、およびα８は、それぞれ約６０．２度、３５．５度、２４．２９度、−２４．２９度、−３５．５度、−６０．２度、０．５度、および−０．５度である。
【００８４】
上記のように、第７の群と第８の群とは、ほぼ同じ角度を有する。いくつかの実施形態では、別々の第７の群および第８の群を有する代わりに、２つの群は、他の群の２倍の長さを有する単一の第７の群に併合されてもよい。第３高調波、第５高調波、および第８高調波のキャンセルならびに７つの群を有するいくつかの実施形態（図示せず）では、角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、およびα７は、それぞれ５７．２〜６３．２度、３２．５〜３８．５度、２１．２９〜２７．２９度、−２１．２９〜−２７．２９度、−３２．５〜−３８．５度、−５７．２〜−６３．２度、および−３．５〜３．５度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、α４、α５、α６、およびα７は、それぞれ５８．２〜６２．２度、３３．５〜３７．５度、２２．２９〜２６．２９度、−２２．２９〜−２６．２９度、−３３．５〜−３７．５度、−２８．２〜−６２．２度、および−２．５〜２．５度の範囲内にある。
【００８５】
第３高調波および第５高調波のキャンセルならびに４つの群を有する他の例（図示せず）では、角度α１、α２、α３、およびα４は、それぞれ４５〜５１度、９〜１５度、−９〜−１５度、−４５〜−５１度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、およびα４は、それぞれ４６〜５０度、１０〜１４度、−１０〜−１４度、および−４６〜−５０度の範囲内にある。他の実施形態では、角度α１、α２、α３、およびα４は、それぞれ４７〜４９度、１１〜１３度、−１１〜−１３度、および−４７〜−４９度の範囲内にある。
【００８６】
図２６は、磁界方位検出器５００の磁気抵抗要素の比較的コンパクトな配置を示す。図２６の第１の磁界検出器５０２および第２の磁界検出器５０４の磁気抵抗要素は、図２５のものと同じ角度にあるが、より実用的な省スペース型レイアウトに再配置されている。特定の実施形態では、磁界方位検出器５００は、シングルエンド型構成を有してもよく、第１の磁界検出器５０２および第２の磁界検出器５０４を含む。他の実施形態では、磁界方位検出器５００は、差動型構成を有し、第１の磁界検出器５０２、第２の磁界検出器５０４、第３の磁界検出器５０６、および第４の磁界検出器５０８を含む。差動動作のため、第３の磁界検出器５０６および第４の磁界検出器５０８は、磁気抵抗要素がそれぞれ第１の磁界検出器５０２、第２の磁界検出器５０４の磁気抵抗要素から約１８０度回転されるように、配置されるべきである。
【００８７】
図２７は、図２６の磁界方位検出器５００の磁気抵抗要素の電気的接続を示す。ＣＯＳ１、ＳＩＮ１、ＣＯＳ２、ＳＩＮ２とラベル付けされた端子またはボンドパッドは、第１のセンサー出力信号、第２のセンサー出力信号、第３のセンサー出力信号、および第４のセンサー出力信号にそれぞれ対応し得る。これらの信号（ＣＯＳ１、ＳＩＮ１、ＣＯＳ２、ＳＩＮ２）の各々は、ハーフブリッジの出力である。これらの信号は、デジタルに変換され、デジタルドメインで分析されてもよく、または初期にアナログドメインで例えば差動増幅器により組み合わせられてもよい。例えば、差動動作では、差動増幅器を使用して、第１のセンサー出力信号ＣＯＳ１を第３のセンサー出力信号ＣＯＳ２から減算し得、別の差動増幅器を使用して、第２のセンサー出力信号ＳＩＮ１を第４のセンサー出力信号ＳＩＮ２から減算し得る。減算演算の結果は、デジタルに変換され得、角度は、校正データを含み得るルックアップテーブルを参照して分析を介して決定され得る。
【００８８】
図２８は、磁界方位検出器５００の磁気抵抗要素の磁界に摂動付与する磁気バイアスを生成するために使用され得るバイアス用導体５４０を示す。バイアス用導体は、様々な方途により実装され得る。例えば、バイアス用導体は、単一の層により、または複数の層により実装され得る。層が少ないことはより低いコストという利点を有するが、相互に直列している複数の層は、同じ電流に複数の層を通過させて所与の電流量に対してより高い磁界を生成することができるため、省電力を提供し得る。例えば、これらの層は、磁気抵抗要素の層の上方および／または下方にあってもよい。一例では、バイアス用導体は、磁気抵抗要素の上方の層および下方の層に実装される。別の例では、バイアス用導体は、磁気抵抗要素の上方の２層および下方の２層に実装される。他の変形例も適用される。摂動磁界を提供する他の方途も利用可能であることも留意されるべきである。例えば、電流を介して磁界を生成する代わりに、永久磁石が代替的に使用されてもよい。
【００８９】
図２９は、図２５〜２８の磁界方位検出器５００のシミュレーション結果を示す。以下の条件がシミュレーションに適用される。図２５〜２８に示す例示的な配置、またはＳＩＮ／ＣＯＳもしくは角度の設計は、それぞれの対称軸に対して−６０．５°、−３５．５°、−２４．５°、−０．５°、０．５°、２４．５°、３５．５°、および６０．５°で配置された磁気抵抗ストライプを含む。本例の磁気抵抗ストライプは、幅約３μｍ、厚さ１０ｎｍの寸法を有するＡＭＲセンサーストライプにより実装される。本例のバイアス用導体５４０または摂動生成器は、幅約４μｍ、厚さ１μｍの寸法を有し得、ＡＭＲセンサーストライプを含む層から約１μｍ離隔している。他の寸法が利用可能であり、当業者により容易に決定される。図２０〜２１に示すものと同様のシミュレートされたセンサー出力に加えて、図２２はまた、約１０ｍＡの電流がバイアス導体または摂動生成器に印加されるときのシミュレートされた磁界も含む。
【００９０】
１０ミリアンペア（ｍＡ）の電流にバイアス用導体５４０を通過させることにより得られる磁気抵抗要素における磁界は、約７２０アンペア毎メートル（Ａ／Ｍ）である。１０ｍＡのバイアス電流の場合の出力信号レベルは、約０．１６２ｍＶ／Ｖである。３キロオームを得るためのＡＭＲストリップの長さは、１６１μｍである。シミュレーション結果は、約±１５度の期待誤差を示している。
【００９１】
図２９のサインブリッジセンサーおよびコサインブリッジセンサーのセンサー出力のシミュレーションは、各出力波が約１８０°ではなく約３６０°の周期を有することを示し、これにより、サインブリッジ抵抗器出力とコサインブリッジ抵抗器出力との組み合わせは、０〜３６０度の全角度範囲にわたって一意的になる。サインブリッジ抵抗器出力とコサインブリッジ抵抗器出力との組み合わせは、ブリッジ構成で配置された磁気抵抗センサーにより検出される外的磁界の角度または方向を確定的に決定することを可能にする。例えば、Ｖｏｕｔ１とラベル付けされた信号は、ＳＩＮ１信号に、またはＳＩＮ１信号とＳＩＮ２信号との間の差分に対応し得る。Ｖｏｕｔ２とラベル付けされた信号は、ＣＯＳ１信号に、またはＣＯＳ１信号とＣＯＳ２信号との間の差分に対応し得る。Ｖｏｕｔ１信号およびＶｏｕｔ２信号の符号および大きさを検討することにより、特定の角度を磁界方位検出器５００により一意的に特定することができる。例えば、符号および大きさは、ルックアップテーブルに記憶されたデータと比較されてもよい。角度検出は、モータ、回転子、ハブ、車輪、シャフト等のような回転する対象物において有用であり得る。
【００９２】
図３０は、比較的長く幅狭なストライプを有する磁気抵抗要素の例を示す。図３１は、比較的短く幅広なストライプを有する磁気抵抗要素の例を示す。比較的短く幅広なストライプは、比較的長く幅狭なストライプよりも少ない形状異方性を有し得る。有利なことに、これは、磁区の急激な変化を低減し、結果として図３２および図３３に示すようなより平滑な出力をもたらす。
【００９３】
図３２は、幅２μｍの磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器の測定結果を示す。図３３は、幅４μｍの磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器の測定結果を示す。図３２および図３３に示すように、比較的幅広なストライプの場合、出力電圧がより平滑であり、より少ない誤差を有する。
【００９４】
本明細書に開示する高調波キャンセル技法を使用しない場合、磁界方位検出器は、比較的多量の第３高調波、第５高調波、および第８高調波を有し得る。他の高調波も存在するが、その大きさはより小さい。高調波キャンセルのために使用する予備角度を決定するための技法をこれより説明する。これらの予備角度は、次いで実験によりさらに最適化することができ、実験は、シミュレーションを介して行うことができる。予備角度は、磁気抵抗要素を２つに分割することにより順次に決定することができ、２つの１８０度の間の角度は、高調波により分割される。
【００９５】
第３高調波の低減またはキャンセルのため、初期に基準軸に対して位置合わせされた磁気抵抗要素は、１８０度を３で割ったもの、すなわち６０度の分離を有する２つの素子に分割され得る。６０度はまた、±３０度に対応する。
【００９６】
第５高調波のさらなる低減またはキャンセルのため、２つの素子は、１８０度を５で割ったもの、すなわち３６度に再分割される。３６度はまた、±１８度に対応する。±３０度と±１８度を組み合わせることにより、４８度、１２度、−１２度、および−４８度の予備角度が得られる。
【００９７】
第８高調波のさらなる低減またはキャンセルのため、４つの素子は、１８０度を８で割ったもの、すなわち２２．５度に分割される。２２．５度は、±１１．２５度に対応する。±３０度、±１８度、および±１１．２５を組み合わせることにより、５９．２５度、３６．７５度、２３．２５度、０．７５度、−０．７５度、−２３．２５度、−３６．７５度、および−５９．２５度の予備角度が得られる。これらの予備角度は、次いで実験を介して調節することができる。いくつかの実施形態では、±６０．２度、度、±３５．５度、±２４．２９度、および±０．５度の角度が、より最適な量として使用される。
【００９８】
図３４は、±６０．５度、±３５．５度、±２４．５度、および±０．５度に配置された磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器のシミュレーション結果を示す。図３５は、±６０．２度、±３５．５度、±２４．２９３５度、および±０．５度に配置された磁気抵抗要素ストライプを有する磁界方位検出器のシミュレーション結果を示す。シミュレーション結果に示されるように、図３５の構成は、幾分かよりよい最適化を有する。
【００９９】
図３６は、バイアス用導体５４０が電流を正方向および負方向に流し、図２５〜２８の磁界検出器のハーフブリッジのシミュレーション結果を示す。同じ大きさのバイアス電流を２つの異なる方向に使用する文脈で示されているものの、これらの原理および利点は、バイアス電流の違いに拡大され得る。例えば、２つの異なる量の電流を使用する場合、それらのＤＣオフセットに対する影響の観察に基づいて、ＤＣオフセットを推定し、キャンセルすることができる。例えば、５ｍＡの第１のバイアス電流および同じ方向の１５ｍＡの第２のバイアス電流が使用されてもよい。本明細書に提示する平易な方法は、同じ大きさを有するが反対方向を有することである。しかしながら、第１のバイアス電流と第２のバイアス電流との間で大きさまたは方向の少なくとも１つが異なる限り、バイアス電流のＤＣオフセットに対する効果を観察し、低減または除去することができる。
【０１００】
図３６に戻って、バイアス用導体５４０または摂動生成器に正の電流および負の電流をそれぞれ印加すると、対向する磁気抵抗センサーブリッジ出力が同じＤＣオフセットを有する結果となり、これは、両方の場合に存在し、共通するセンサー、導体、および／または他の要素もしくは環境要因（例えば、温度）の様々な非理想的な特性（すなわち、正の印加電流および負の印加電流）に帰することができる。本例において、センサー出力のオフセットは、約０．０１２４Ｖであり、２つの出力を正の印加電流および負の印加電流により処理することにより、このＤＣオフセットを低減または除去することができる。このようなＤＣオフセットの低減は、有利なことに、本発明の実施形態が信号とオフセットをよりよく区別することを可能にする。図２５〜２８の磁界方位検出器５００に関連して示されているものの、ＤＣオフセットキャンセルの原理および利点は、一般に他の配置にも利用可能である。加えて、本明細書に開示するＤＣオフセットキャンセル技法は、シングルエンド型構成と差動型構成の両方に利用可能である。さらに、本明細書に開示するＤＣオフセットキャンセル技法は、線形検出器にも利用可能である。
【０１０１】
図３７および図３８は、ＤＣオフセット訂正回路を組み込んだ例示的な磁界検出器６００、６３０の図を示す。図３６に関連して前述した事項を詳述すると、センサーオフセットキャンセルは、ハーフブリッジ構成で配置された磁気抵抗センサーにより実装することができる。図３７および図３８に示すように、サイン抵抗器およびコサイン抵抗器の各ハーフブリッジ６０２、６０４は、サンプルアンドホールド（Ｓ＆Ｈ）回路６１２、６１４に連結することができ、サンプルアンドホールド回路６１２、６１４は、正の印加電流および負の印加電流がバイアス用導体６４０に発生した際にハーフブリッジ６０２、６０４の出力をサンプリングし、保持するように構成される。例えば、第１の相では、サインハーフブリッジ６０２からの出力が、バイアス用導体６４０における正電流により、第１のサンプルアンドホールド回路６１２内でサンプリングされ、保持される。次いで、第２の相では、サインハーフブリッジ６０２からの出力が、バイアス用導体６４０における負電流により、第２のサンプルアンドホールド回路６１４内でサンプリングされ、保持される。サンプルアンドホールド回路６１２、６１４からの出力は、共通のＤＣオフセットが取り除かれたサインハーフブリッジ出力を生成するように、差分回路６２２により減算処理され得る。
【０１０２】
同様に、コサインハーフブリッジ６０４からの出力は、サンプリングされ、記憶され、共通のＤＣオフセットが取り除かれたコサインハーフブリッジ出力を生成するように処理され得る。さらに、サインハーフブリッジおよびコサインハーフブリッジ６０２、６０４からの出力信号は、サンプルアンドホールド回路６１２、６１４、６１６、６１８の前および／または後に増幅され得る。例えば、バッファ６２６、６２８が、ハーフブリッジ６０２、６０４とサンプルアンドホールド回路６１２、６１４、６１６、６１８との間の信号経路内に置かれ得る。本明細書に開示するＤＣオフセット訂正は、’０５９出願に開示されている実施形態および本明細書に開示する磁気抵抗センサーを含む実施形態により実装され得る。図示するハーフブリッジ構成に加えて、差動出力を有するフルブリッジ構成も利用可能であり、特定の用途では有利であり得る。差分回路６２２、６２４は、アナログ回路またはデジタル回路により実装され得る。例えば、アナログ回路の場合、差動増幅器が使用され得る。デジタル回路の場合、ＤＣオフセット訂正は、２つのアナログ信号をデジタル値に変換し、デジタルドメインで減算を行うことにより、デジタル的に実装され得る。
【０１０３】
開示したＤＣオフセット訂正技法の恩恵は、比較的大きいことがある。例えば、実世界の環境では、さもなければ校正により排除される必要があるであろう漂遊静磁界がしばしば存在する。開示するＤＣオフセット訂正技法の場合、これらの静磁界は、自動的に補償されるであろう。加えて、磁気センサーが直面する最大の問題の１つが、経時的なオフセットドリフトである。ＤＣオフセット訂正／キャンセルの場合、これらのドリフトは、自動的に補償され得る。
【０１０４】
図３９は、長さ検出器７００および磁気スケール７０２の斜視図を示す。本開示において、長さ、直線状、および距離の検出または感知は、同じものを指している。このような長さ検出器７００の実際的応用としては、長さの感知、長さの符号化、ホイール符号化、比較的高精度の直線状位置感知等が挙げられるがそれらには限定されない。例えば、直線状感知は、焦点合わせおよび／または画像安定化のためにカメラレンズを移動させるために使用され得る。別の例では、直線状感知は、エンジン弁の位置を決定するために使用され得る。他の例としては、コンピュータ数値制御機械、コンベヤベルト等のための距離／動きの感知が挙げられる。磁気スケール７０２は、永久磁石を含み、コンベヤベルト等の測定対象物に一体化または取り付けられ得る。長さ検出器７００による感知は、長さまたは距離が決定されることを可能にする。
【０１０５】
図４０は、長さ検出器７００および磁気スケール７０２のより詳細な斜視図を示す。図４０は、長さ検出器７００の磁気抵抗要素の局所的な磁界の例も示す。長さ検出器７００の磁気抵抗要素同士の間の距離は、感知対象の磁気スケール７０２の磁区同士の間のピッチに調和すべきである。
【０１０６】
図４１〜４３は、本明細書の開示に従って実装された長さ検出器または直線状検出器７００の例示的な応用を示す。本例において、サイン磁気抵抗センサーブリッジおよびコサイン磁気抵抗センサーブリッジは、サインブリッジおよびコサインブリッジのハーフブリッジが長さ検出軸に実質的に平行する線に沿って交互に置かれ得るように、配置されてもよい。着目する対象物の長さとしては、交互に配置されたサインブリッジおよびコサインブリッジにより検出される磁界を生成する１つ以上の磁気素子（例えば、永久磁石）が挙げられる。長さ検出器は、’０５９出願において論じられている原理および利点のいずれかに従って実装されたバイアス導体または摂動生成器により実装され得る。
【０１０７】
図４１は、磁気抵抗要素Ｒｓ１−Ｒｓ４、Ｒｃ１−Ｒｃ４の配置、および長さ検出器７００の例示的な界方向を示す。一般に、１つ以上のブリッジ抵抗器の脚部の抵抗（図２を参照されたい）は、グループの２つ以上の磁気抵抗要素に分割され、望ましからざる高調波を低減するために離間される。図示する実施形態では、ブリッジまたはハーフブリッジの各脚部の抵抗は、２つ以上の磁気抵抗要素のグループに分割され、望ましからざる高調波を低減するために離間される。これは、磁界方向検出器または磁界角度検出器５００に関連して前述した磁気抵抗要素の角度により分割することに類似している。例えば、磁気抵抗要素Ｒｓ１は、図４２に示すように、長さ検出器７００のために２つの部分に分割される。
【０１０８】
図４２は、磁気抵抗要素Ｒｓ１〜Ｒｓ４、Ｒｃ１〜Ｒｃ４の配置および関連付けられた長さ検出器７００の接続を示す。差動型構成が示されているが、これらの原理および利点は、シングルエンド型構成にも利用可能であろう。
【０１０９】
図４３は、長さ検出器７００の磁気抵抗要素Ｒｓ１〜Ｒｓ４、Ｒｃ１〜Ｒｃ４の磁界に摂動付与する磁気バイアスを生成するために使用され得るバイアス用導体またはバイアス用コイル７４０を示す。ハーフブリッジの対向側部の磁気抵抗要素は異なる電流方向を有することが留意されるべきである。例えば、磁気抵抗要素Ｒｓ２の電流の方向は、磁気抵抗要素Ｒｓ１のそれとは反対である。
【０１１０】
図４４は、図示する長さ検出器７００の４つのハーフブリッジまたは２つのフルブリッジの模式図を示す。これは、差動型の感知を提供する。例えば、差動型の感知のために、差分回路は、出力Ｖｓ＋からＶｓ−を減算し得る。しかしながら、シングルエンド型構成が所望される場合、出力Ｖｓ−およびＶｃ−を有するハーフブリッジは除去され得る。差分回路は、差動増幅器により実装され得るか、または最初に出力Ｖｓ−およびＶｓ＋をデジタルドメインに変換することにより実装され得る。差分結果が得られ、デジタルに変換された後、長さまたは距離は、比較的粗い距離については磁気スケールのドメイン数の勘定を参照して、ドメイン間の比較的微細な距離についてはルックアップテーブルを参照して計算され得る。
【０１１１】
図４５は、長さ検出器８００の代替的な実施形態の斜視図を示す。磁気抵抗要素Ｒｓ１〜Ｒｓ４、Ｒｃ１〜Ｒｃ４の配向は異なるため、磁気抵抗要素Ｒｓ１〜Ｒｓ４、Ｒｃ１〜Ｒｃ４は、長さ検出器７００とは異なるように応答する。しかしながら、図４５の図示の構成は機能しない。図４６は、磁気抵抗要素Ｒｓ１〜Ｒｓ４、Ｒｃ１〜Ｒｃ４の配置および長さ検出器８００の代替的な実施形態の例示的な界方向を示す。図面を直接通過するように示され、同心円により表される磁界は、面外にある。磁気抵抗要素Ｒｓ１〜Ｒｓ４、Ｒｃ１〜Ｒｃ４は、面外の磁界には比較的非感受性である。
【０１１２】
図４７および図４８は、本明細書の開示に従って実装された例示的な検出器の断面図を示す。これらの断面図は、本明細書に記載の磁気検出器のうちの任意のものにより実装され得る例示的な構造を示す。これらの断面の原理および利点のいずれも、本明細書に記載の回路のうちの任意のものにより実装され得る。その上、これらの断面は、本明細書に記載の検出器がモノリシックに集積され得ることを示す。上述のように、バイアス導体または摂動生成器は、絶縁層により磁気抵抗要素から分離されており、磁気抵抗要素の上方または下方に置かれ得る。図示する第１の例は、導体（金属またはバイアス用コイル）が最初に、またはより基板の近くに設けられ、磁気抵抗要素（ＡＭＲ）が後に該導体の上方に設けられることを示す。図示する第２の例は、磁気抵抗要素が最初に、またはより基板の近くに設けられ、導体が後に該磁気抵抗要素の上方に設けられることを示す。ＧＭＲまたはＴＭＲを含むがそれらには限定されない他の磁気抵抗材料が、代替的に使用されてもよい。一実施形態は、磁気長さ検出器または磁気位置検出器のうちの少なくとも１つを含む装置を含み、該装置は、各々が１つ以上の磁気抵抗要素の複数の群を有する第１の差動磁界検出器であって、複数の群は、第１のハーフブリッジ出力信号および第２のハーフブリッジ出力信号を生成するようにブリッジ構成で配置され、複数の群は、少なくとも第１の群および第２の群を含み、第１の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、磁界角度を感知するように第１の位置に置かれ、第２の群の１つ以上の磁気抵抗要素は、磁界角度を感知するように第１の位置とは異なる第２の位置に置かれる、第１の差動磁界検出器と、第１の差動磁界検出器のための磁界バイアスを生成するように構成された摂動生成器と、を含む。一実施形態は、磁界距離検出器または長さ検出器のうちの少なくとも１つを含む装置を含み、該装置は、ブリッジ構成またはハーフブリッジ構成で配置された磁気抵抗器を有する第１の磁界検出器であって、少なくとも１つの磁気抵抗器の抵抗は、各々２つ以上の磁気抵抗要素に分割され、該２つ以上の磁気抵抗要素は、出力信号内の１つ以上の高調波の存在を低減するように相互から離間された状態で電流を流すように構成された、第１の磁界検出器と、第１の磁界検出器のための磁界バイアスを生成するように構成された摂動生成器と、を含む。特定の実施形態では、第１の磁界検出器のブリッジまたはハーフブリッジの各磁気抵抗器は、出力信号内の１つ以上の高調波の存在を低減するように相互から離間された状態で電流を流すように構成された２つ以上の磁気抵抗要素に分割され得る。磁気抵抗要素は、相互から離間された比較的細長形状に配置されることにより電流を流すように構成され得るが、接点を位置決めする等の他の技法も電流流れを抑制するために使用され得る
【０１１３】
本明細書に開示するようにＡＭＲ素子等の磁気抵抗要素と共に実装されるセンサーまたは検出器は、様々な利点を提供する。例えば、上述した図４７および図４８の構成は、出力信号の振幅がバイアス電流および印加される界の関数であるという恩恵を提供する。この関数関係を利用して、２つの軸において高い界の大きさを測定するスタンドアロン型センサーを実装することができ、これは、比較的大きな界の感知を可能にする。さらに、この関数関係を利用して、界の強度の減衰を検出することにより磁石の欠陥を検出することができ、これは、さらなる機能的安全性の特徴になり得る。この安全性の特徴は、着目する磁石の消磁、破壊、除去、老化、および／または偏心から生じる減衰を検出および訂正することを可能にし得る。本明細書に記載の実施形態の別の利点としては、導体へ電流を印加することまたは導体をバイアスさせることのオンデマンド制御が挙げられる。例えば、電流により導体をバイアスさせることは、電力節約のために選択的に行われ得る（例えば、実際の測定が行われているときのみ）。このような例では、導体に電流が流れていない磁気抵抗センサーは、回転数の勘定等の特定の動作では１８０度感知の機能を行い得るが、時として、機能のチェックまたは検証および安全性チェックの遂行等の他の動作を可能にするように導体に電流を印加することにより、３６０度の感知または検出が有効化され得る。
【０１１４】
本明細書に開示する実施形態は、比較的高精度の感知、広い磁気窓、オフセットおよびオフセットドリフトのキャンセル、ならびに磁石の存在の検出を提供し、モノリシックな集積またはそれらの任意の組み合わせを可能にし得る。ここでは様々な例示的な応用に関してＡＭＲセンサーの例が論じられているものの、ＴＭＲまたはＧＭＲセンサー等の他の磁気抵抗センサーも、これらの様々な例示的な応用を実施する際に同様の様式で使用され得る。本明細書に開示するものは、サーボモータ通信センサー、サーボ位置センサー、絶対値型および増分型ロータリエンコーダ、ギア歯センサー、アクチュエータ位置制御コントローラ、奇数極ペアのモータコントローラ、絶対値型および増分型リニアエンコーダ、ブラシレスＤＣモータコントローラ、自動車ハンドル位置センサー、カムシャフト角度センサー、クランクシャフト角度センサー、車輪センサー、ならびにオフシャフト型角度センサー等の、様々なセンサーまたは検出器をしばしば使用する自動車、産業、および計装セクター等の様々なセクターで使用され得る。絶対値型および増分型ロータリエンコーダの場合、本明細書の開示は、絶対値型ロータリエンコーダが３６０度のＯＦＦシャフト角度の感知を得られるようにバーニアの原理を実装することを可能にする。
【０１１５】
本開示の態様は、様々な電子デバイスで実装され得る。例えば、本開示の態様は、磁気抵抗センサーの恩恵を受け得る任意の電子デバイスまたは電子コンポーネントで実装され得る。一例として、本開示の態様は、磁気抵抗センサーの恩恵を受け得る任意の電子デバイスまたは電子コンポーネントで実装され得る。電子デバイスの例としては、消費者向け電子製品、消費者向け電子製品の部品、電子試験装置、車両エレクトロニクスシステム等が挙げられるがそれらには限定されない。電子デバイスの例としては、コンピューティングデバイス、通信デバイス、電子家電、自動車エレクトロニクスシステムが挙げられるがそれらには限定されない。さらに、電子デバイスは未製品を含み得る。
【０１１６】
文脈により明らかに別段の必要がある場合を除き、明細書および請求項を通じて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」等の語句は、排他的または網羅的な意味とは反対の非排他的な意味で、つまり、「含むがそれらには限定されない」の意味で解釈されるべきである。なお、「本明細書で（ｈｅｒｅｉｎ）」、「上記（ａｂｏｖｅ）」、「以下（ｂｅｌｏｗ）」、および同様の趣旨の語句は、本出願において使用されるとき、本出願の任意の特定の部分ではなく、全体としての本出願を指すものとする。文脈により許容される場合、単数または複数を使用している上記の「特定の実施形態の説明」内の語句は、それぞれ複数または単数も含み得る。文脈により許容される場合、２つ以上の項目のリストへの言及における「または（ｏｒ）」という語は、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目の全て、およびリスト内の項目の任意の組み合わせ、という当該語に関する全ての解釈をカバーすることを意図する。
【０１１７】
その上、本明細書で使用される条件付きの文言、とりわけ「し得る（ｃａｎ）」、「し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、「例えば（ｆｏｒ  ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｓｕｃｈ  ａｓ）」等は、具体的な別様の記載がない限り、または使用されている文脈において別様に理解されない限り、一般に、特定の実施形態が特定の特徴、要素、および／または状態を含む一方、他の実施形態は該特定の特徴、要素、および／または状態を含まないことを伝えることを意図する。よって、このような条件付きの文言は、一般に、その特徴、要素、および／もしくは状態がなんらかの方途において１つ以上の実施形態に必要とされること、または１つ以上の実施形態が、著者の入力もしくは促しの有無にかかわらず、これらの特徴、要素、および／もしくは状態が任意の特定の実施形態に含まれるかどうか、もしくは行われるかどうかを決定するためのロジックを必然的に含むことを含意することを意図しない。
【０１１８】
上記の説明および請求項は、相互に「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」または「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」ものとして要素または特徴に言及していることがある。本明細書で使用するとき、明示的な別様の記載がない限り、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、ある要素／特徴が直接または間接に別の要素／特徴に接続されており、必ずしも機械的にではないことを意味する。同様に、明示的な別様の記載がない限り、「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、ある要素／特徴が直接または間接に別の要素／特徴に連結されており、必ずしも機械的にではないことを意味する。よって、図に示す様々な模式図は要素およびコンポーネントの例示的な配置を描いているものの、実際の実施形態ではさらなる介在する要素、デバイス、特徴、またはコンポーネントが存在し得る（描かれる回路の機能が悪影響を被らないと仮定して）。
【０１１９】
本明細書で使用するとき、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、該修飾された特徴が絶対的である必要はないが、該特徴の利点を達成するために十分に近似していることを意図する。
【０１２０】
上記の方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび／もしくはソフトウェアコンポーネント（複数可）、回路、ならびに／またはモジュール（複数可）等の、該動作を行うことができる任意の好適な手段により行われ得る。一般に、図に示す任意の動作は、該動作を行い得る対応する機能的手段により行われ得る。
【０１２１】
本明細書に開示する方法は、記載されている方法を達成するための１つ以上の動作または行為を含む。方法のステップおよび／または行為は、請求項の範囲から逸脱することなく相互に交換可能である。言い換えれば、動作または行為の特定の順序が指定されていない限り、特定の動作および／または行為の順序および／または使用は、請求項の範囲から逸脱することなく改変され得る。
【０１２２】
実装は上記に示した厳密な構成およびコンポーネントに限定されないことが理解されるべきである。上記の方法および装置の配置、動作、および詳細に対して、実装の範囲から逸脱することなく、様々な改変、変更、および変形を行うことができる。
【０１２３】
新機軸を特定の実施形態の観点から説明してきたものの、本明細書に記載の特徴および利点の全てを提供するわけではない実施形態も含めて、当業者に自明な他の実施形態も本発明の範囲内に属する。その上、上記の様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することもできる。加えて、ある実施形態の文脈において示された特定の特徴は、他の実施形態にも組み込まれてもよい。
【０１２４】
様々な実施形態が上記に記載されている。これらの具体的な実施形態に関連して記載されているものの、記載事項は、例示的であることを意図しており、限定的であることを意図しない。様々な改変および応用が当業者に想到され得る。
【０１２５】
本願の特許請求の範囲は、ＵＳＰＴＯへの提出に適した単一依存性形式で記載されている。しかし、請求項の追加料金無しに多項従属請求項を記載することが可能な他の法域においては、各請求項は、同一または類似のタイプの請求項の任意の先行請求項（ただし、技術的に明確に実行不可能なものを除く）に依存し得ることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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