JP6820367B2 - 位置センサおよび位置感知方法 - Google Patents

Description

本開示は、検出方向と整列していない任意の方向におけるセンサ構成素子の動きを補償する位置センサに関する。本開示はまた、位置を感知する対応する方法に関する。

位置センサは典型的には、単純な磁石および磁場センサを使用して構築される。磁石が磁場センサに対して動く際、磁場センサは、動きの程度を表す出力信号を発生する。そのような位置センサは、製造が単純であり、典型的には大量生産される。磁石と磁場センサとの間の距離は、センサにおける磁場強度と相関している。

このタイプのセンサは、製造が単純で安価であるが、それらは、漂遊磁場および磁石の不整合に対して非常に敏感である。例えば、意図された移動の動きに対して垂直な方向における磁石の動きは、磁場センサにおける磁場強度を変化させ、それによって、位置測定に影響を与えるであろう。

本開示は、特定の方向における位置を検出するための磁気抵抗磁場センサを提供する。本センサは、対で配置された複数の磁気抵抗素子を含む。同じ対の素子は、それらの感度方向が同じ方向に配向されるように配置されている。異なる対の素子は、それらの感度方向が異なる方向に、好ましくは別の対に対して実質的に垂直に配向されるように配向される。磁気抵抗センサおよびそれらの感度方向は、一般に、デバイスの測定方向に対して垂直である平面内に配置されている。各対の素子は、ブリッジ回路を形成するように、２つのノード間に直列に配置される。そのため、第１の平面内の磁石の動きは、各対の素子に実質的に等しい変化を引き起こし、それによって、出力信号内のこの動きを補償する。

第１の態様によれば、少なくとも第１の方向において位置を測定するための磁気抵抗位置センサが提供される。本センサは、少なくとも第１の方向に動くように配置された磁石と、第１の方向における磁石の動きを検出するように、かつ少なくとも第２の方向における磁石の動きを補償するように配置された差動磁場センサと、を備える。

そのため、本センサは、１つの特定の方向、すなわち検出方向における磁石の動きを測定するように構成され、一方、少なくとも第２の方向における磁石の動きは、差動磁場センサによって補償される。つまり、本センサは、この他の方向におけるいかなる動きも検出方向における磁石の動きの測定に影響しないように、異なる方向における磁石の動きを補償する。例えば、磁石は、センサの上方に吊り下げられ、ｚ方向においてセンサに向かっておよびセンサから離れて動くように構成されてもよく、本センサは、磁石がこの方向に動く際の磁場強度の変化を測定する。差動磁場センサは次に、磁石が検出方向に動く際に磁石によるいかなる横方向の動きから生じる磁場強度の変化も補償するように構成されてもよい。

差動磁場センサは、複数の磁気抵抗素子を備えてもよい。例えば、磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）、または特定の方向における磁場の変化に敏感な任意の他の好適な磁気抵抗デバイスであってもよい。

複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有してもよく、素子の少なくとも第１の対は、それらの感知方向が整列するように配置されてもよい。複数の磁気抵抗素子の感知方向は、第１の平面内に配置されてもよく、第１の平面は、第１の方向に対してずれていてもよい。例えば、第１の平面は、第１の方向に対して実質的に垂直であってもよい。少なくとも第２の方向は、第１の平面内にあってもよい。

磁気抵抗素子の対の感知方向を整列させることによって、感知方向の方向における磁石による動きは、抵抗において同様または同一の変化をもたらし、磁気抵抗素子の対は、これが結果としてセンサ出力に対するゼロまたは実質的にゼロの変化をもたらすような方法で接続される。したがって、１つの特定の平面内で感知方向を整列させることによって、その平面内のいかなる動きも補償することができる。

本センサは、それらの感知方向が整列し、かつそれらの感知方向が磁気抵抗素子の第１の対に対してずれるように配置された磁気抵抗素子の第２の対をさらに備えてもよい。磁気抵抗素子の第１の対の感知方向は、磁気抵抗素子の第２の対の感知方向に対して実質的に垂直であってもよい。

例えば、検出方向がｚ方向である場合、磁気抵抗素子の感知方向は、ｘ−ｙ平面内に配置されてもよい。磁気抵抗素子の一対は、ｘ方向における動きを補償するために、それらの感知方向をその方向に整列させ、一方、磁気抵抗素子の別の対は、ｙ方向における動きを補償するために、それらの感知方向をその方向に整列させてもよい。

複数の磁気抵抗素子は、少なくとも第１および第２の対がセンサの周囲に均等に分布するように第１の平面に配置されてもよく、磁気抵抗素子の対の各それぞれの素子は、センサの対向する側に、かつ磁石に対して等距離の位置に配設される。例えば、磁気抵抗素子の各対は、センサの対向する角に配置されてもよく、または、それらは、センサの対向する端の中心に配置されてもよい。

複数の磁気抵抗素子は、ブリッジ配置で接続されてもよく、ブリッジの出力は、第１の方向における磁石の動きを示してもよい。例えば、ブリッジ配置は、ホイートストンブリッジ回路であってもよい。

少なくとも第２の方向は、第１の方向に実質的に垂直な第１の平面内にあってもよく、ブリッジ配置の出力は、第１の平面内の磁石の動きを示さない。そのため、ブリッジ配置の出力は、第１の方向における動きの指標を提供するだけでよく、一方、差動磁場センサは、第１の平面内のいかなる動きも補償するように構成される。すなわち、差動磁場センサは、第１の平面内での磁石のいかなる動きも出力にゼロまたは実質的にゼロの変化をもたらすように構成される。そのため、出力は、第１の平面内での磁石の横方向の動きによって引き起こされる磁場強度のいかなる変化によっても実質的に影響されない限り、第１の平面内の動きとは無関係である。

いくつかの配置では、磁気抵抗素子の第１の対は第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、素子の第２の対は第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、ブリッジ回路の出力は、各対の間のノードから取り出される。

そのような場合、複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有してもよい。磁気抵抗素子の第１の対は、それらの感知方向が整列するように配置され、磁気抵抗素子の第２の対は、それらの感知方向が整列するように配置される。ここで、磁気抵抗素子の第２の対の感知方向は、磁気抵抗素子の第１の対の感知方向に対してずれている。例えば、磁気抵抗素子の第１の対の感知方向は、磁気抵抗素子の第２の対の感知方向に対して実質的に垂直であってもよい。

複数の磁気抵抗素子のうちの１つは、基準抵抗であってもよい。いくつかの配置では、基準抵抗は、その出力が磁場依存性ではないように遮蔽されてもよい。

さらなる態様によれば、磁気抵抗位置センサを使用して、少なくとも第１の方向における位置を測定する方法が提供される。本方法は、差動磁場センサを使用して、第１の方向における磁石の位置を検出することと、差動磁場センサを使用して、少なくとも第２の方向における磁石の動きを補償することと、を含む。

少なくとも第２の方向は、第１の平面内にあってもよく、第１の平面は、第１の方向に対して実質的に垂直である。

第３の態様によれば、第２の態様の方法を実行するように構成された位置センサが提供される。

第４の態様によれば、少なくとも第１の方向における位置を測定するためのセンサ磁気抵抗位置センサが提供される。本センサは、少なくとも第１の方向に動くように配置された磁石と、その上に配置された複数の磁気抵抗素子を有する基板であって、磁気抵抗素子が第１の方向における磁石の動きを検出するように配置された、基板と、を備える。ここで、磁気抵抗素子は、少なくとも第２の方向における磁石の動きを補償するように、ブリッジ配置で配置される。

次に、本開示は、添付の図面を参照してほんの一例として説明される。

本開示の一実施形態によるセンサの概略斜視図である。 図１のセンサの感知素子の平面図である。 本開示の一実施形態によるブリッジ回路である。 本開示の一実施形態によるＧＭＲスピンバルブの伝達曲線を示すチャートである。 磁石が感知素子の上方に吊り下げられているときの図２の感知素子の表面における磁場強度を示すチャートである。 本開示のさらなる実施形態による感知素子の平面図である。 本開示の一実施形態によるブリッジ回路である。 図６の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。 図６の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。 図６の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。 図６の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。 ｚ方向における磁石の動きに対する全体の磁場強度を示すチャートである。 本開示のさらなる実施形態によるブリッジ回路である。 本開示のさらなる実施形態による感知素子の平面図である。 本開示のさらなる実施形態によるブリッジ回路である。 本開示の一実施形態によるＧＭＲ多層の典型的な伝達曲線を示すチャートである。 図１０の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。 図１０の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。 図１０の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。 図１０の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。 図１０の感知素子についてｚ方向における磁石の動きに対する全体の磁場強度を示すチャートである。

位置センサは典型的に、感知素子の上方に吊り下げられた磁石を含む。磁石は磁場を発生し、感知素子は磁場強度を測定する。磁石は、感知素子に対して前後に動くことができるように吊り下げられてもよい。例えば、磁石は、ばねとして作用する金属接続を使用して吊り下げられてもよい。磁石が感知素子に近づくとき、感知素子における磁場強度が対応して増加する。逆に、磁石が感知素子から離れるとき、感知素子における磁場強度が対応して減少する。そのため、感知素子の出力は磁場強度の尺度である。これは磁石と感知素子との間の距離を表す。一実施例として、感知素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサなどのホール効果センサまたは磁気抵抗デバイスであってもよい。

位置センサは、磁石が位置検出を必要とする方向にのみ動くことができるように製造されている。これは一般にｚ方向と呼ばれる。しかしながら、磁石がｘ−ｙ平面内で左右に動くこと、すなわち検出方向に対して垂直な平面内で動くことを完全に防止することは常に可能ではない。磁石によって生成される磁場は、ｚ方向における磁石の端からの距離によって変化するだけでなく、ｘ−ｙ平面内の左右においても変化する。そのため、磁石の左右のいかなる横方向の動きも、感知素子において出力に変化を生じさせる可能性がある。これは、移動の主方向における動きとして誤って解釈され、誤った位置の読み取りが行われる可能性がある。さらに、センサが磁場を発生する別のデバイスのごく近傍内で動くと、感知素子はこれらの磁場を検出し得る。これは、主方向におけるデバイスの動きとして誤って解釈され得る。

本開示の一実施形態では、センサは、ｘ−ｙ平面内の動きまたは外部磁場による磁場の変化を補償するように配置された感知素子の対を備える。これは、ホイートストンブリッジ配置で一緒に接続され得る磁気抵抗素子の対を使用して達成される。素子の各対の各素子は磁石の反対側に位置決めされ、磁石から等距離にある。磁石の両側の磁場強度はほぼ等しいが反対方向にある。磁気抵抗感知素子は、各対の素子がそれらの感知方向、すなわちそれらの感度が整列し同じ方向にあるように配置される。そのため、素子の一方は非常に高い電気抵抗を有し、他方は、磁石がｘ−ｙ平面の中心にあるときより低い電気抵抗を有する。磁石がｘ−ｙ平面内で感知方向の方向に動くにつれて、対の両方の素子は、電気抵抗の同様のまたは同一の変化を経験することになる。そのため、ホイートストンブリッジにおける電位分割器比、ひいてはホイートストンブリッジの出力は、同一または実質的に同一のままとなる。

ｘ−ｙ平面内で互いに垂直な感知方向を有し、磁石の周りに均等に分布した２対の素子を配置することによって、ｘ−ｙ平面内での磁石の動きは大きく補償される。さらに、例えば外部デバイスからの均一な外部磁場の印加は、ホイートストンブリッジの出力に全く、または最小限の影響しか及ぼさないであろう。

図１は、本開示の一実施形態による位置センサ１００の概略斜視図を示す。図１に示すように、センサは、磁石１０１と感知素子１０２とを含む。磁石１０１は、感知素子１０２の上方に吊り下げられており、主方向に動くように配置されている。本実施例では、主方向はｚ方向であり、そのため、磁石は、感知素子１０２から離れるおよび感知素子１０２に向かう方向に動くように配置されている。しかしながら、磁石は、ｘ−ｙ平面内でわずかに動くことも可能である。これは、ｚ方向における動きを可能にしながら、ｘ−ｙ平面内で動きがないような方法で磁石を吊り下げることが非常に困難であるからである。例えば、磁石は、磁石をセンサに取り付ける金属シートコネクタによって支持されてもよい。金属コネクタは、ばねのように作用し、それによってｚ方向の動きを可能にする。しかしながら、金属コネクタは、ばね状であるので、ｘ−ｙ平面内で少量の動きが生じ得る。

図２は、図１に示す感知素子１０２の平面図を示す。本実施例では、感知素子１０２は、シリコンまたはガラスから形成され得る基板１０３を含む。基板は、基板１０３の上面に形成された４つの磁気抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４を有する。磁気抵抗素子は、薄膜デバイスであり、これは、標準的な半導体製造プロセスを使用して形成され得る。本実施例では、磁気抵抗デバイスは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブである。しかしながら、磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子または異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ）であってもよい。一般に、これらのデバイスは、ｘＭＲ素子と称され得る。さらなる実施形態では、特定の方向における磁場の変化に敏感な任意のタイプの磁気抵抗デバイスを使用してもよい。

本実施例では、各磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、正方形基板のそれぞれの角に向かって形成されてよい。本実施例では、感知素子１０２の対向する角にある磁気抵抗素子は、それらの感度方向が整列するように配置される。そのため、素子Ｒ１およびＲ４は、それらの感度方向が整列され、素子Ｒ２およびＲ３は、それらの感度方向が整列される。素子Ｒ２およびＲ３の感度方向は、それが素子Ｒ１およびＲ４の感度方向に対して垂直であるように配置される。しかしながら、他の配置も可能であることが理解されよう。例えば、磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の各々は、基板の端の中心に向かって形成されてもよい。

さらなる実施形態では、感知素子は、磁気抵抗素子の２対より多くを含み得る。素子の対の数が多いほど、センサは、ｘ−ｙ平面内の磁石の動きを補償するのに優れている。磁気抵抗素子の所与の数の対について、対の感度方向は、３６０度の周りに均等に分布していてもよい。すなわち、磁気抵抗素子の対は、動きが補償される平面の周りに均等に分布させることができ、各対は、磁石の反対側に位置決めされ、磁石から等距離にある。

図３は、磁場の変化を検出するために磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４をブリッジ配置で接続し得る様態を示す回路図である。本実施例では、素子Ｒ１およびＲ４は、第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続されてもよい。第１のノードは第１の供給レールに結合され、第２のノードは第２の供給レールまたは接地に接続されている。対応する様態で、素子Ｒ３およびＲ２は第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続される。そのため、素子Ｒ１およびＲ４の組み合わせは、素子Ｒ２およびＲ３の組み合わせと並列に接続される。ブリッジ回路の出力は次に、素子Ｒ１およびＲ４の間の第３のノード、および素子Ｒ２およびＲ３の間の第４のノードから取り出される。素子の抵抗が変化すると、出力が変化し、それによってｚ方向における磁石の動きの指標を提供し得る。

図４は、ＧＭＲスピンバルブの典型的な伝達曲線を示す。このチャートは、印加された磁場に対してデバイスの抵抗の変化率がどのように変化するかを示す。ＧＭＲスピンバルブの感度方向に印加される高い正の磁場に対して、抵抗は低い。ＧＭＲスピンバルブの感度方向に印加される高い負の磁場に対しては、抵抗は高い。上述した実施形態の磁気抵抗素子は、これらの特性を取り得る。

図５は、磁石が表面の２ｍｍ上の距離に位置し、センサ表面のまさに中心にあるとき、すなわち、ｘ−ｙ平面内で動かないときの感知素子１０２の表面のｘ−ｙ平面内の磁場を示す。このチャートには、平面内成分（ＨｘおよびＨｙ）が示されているが、平面外成分（Ｈｚ）は含まれていない。磁場強度は、感知素子表面のごく中心で本質的にゼロであるのに対して、センサの端に向かって比較的強い。

次に、センサ１００の動作について説明する。図２に示される配置を参照すると、磁石が定常状態にある間、Ｒ１およびＲ２の感度方向と同じ方向に高磁場が印加されるので、Ｒ１およびＲ２の抵抗は低い。逆に、Ｒ３およびＲ４の感度方向とは反対方向に高磁場が印加されるので、Ｒ３およびＲ４の抵抗は高い。これにより、ブリッジ回路の出力に電圧差が生じる。この電圧は、ｚ方向におけるゼロ動きのためのプリセット電圧として記録されてもよい。

磁石１０１がｘ−ｙ平面内に固定されていると仮定すると、磁石が感知素子１０２から離れるにつれて、磁場強度は感知素子の表面で弱まる。そのため、磁場が素子Ｒ１およびＲ２の感度方向と同じ方向に配向されるにつれて、素子Ｒ１およびＲ２の抵抗は増加する。逆に、磁場が素子Ｒ３およびＲ４の感度方向と反対方向に配向されるにつれて、素子Ｒ３およびＲ４の抵抗は減少する。そのため、素子Ｒ１およびＲ４の抵抗の比は減少し、一方、素子Ｒ３およびＲ２の抵抗の比は増加する。そのため、ブリッジ回路の出力も変化する。磁石が感知素子に向かって動くとき、反対のことが起こる。

図２を再び参照すると、磁気抵抗素子およびブリッジ回路の構成は、ｘ−ｙ平面内での磁石の動きがブリッジ回路の出力に最小のまたはゼロの影響しか及ぼさないようなものである。例えば、Ｒ１およびＲ４の感度方向においてｘ−ｙ平面内で磁石が動くと、対応してＲ１およびＲ４の抵抗値が変化する。例えば、図５を参照すると、磁石がＲ１に向かって横方向に動くと、磁場はわずかに減少し、抵抗がわずかに増加する。磁石がＲ１に向かって動くと、磁石はＲ４から離れる。これにより、Ｒ４における磁場がわずかに増加する。しかしながら、磁場がＲ４の感度方向とは反対の方向にあり、Ｒ４が高抵抗にあるので、Ｒ４も対応する抵抗の増加を経験する。そのため、Ｒ１およびＲ４のデバイダネットワークは、デバイダ比のいかなる大きな変化も経験しない。したがって、ブリッジ回路からの出力は同じ、または実質的に同じままである。磁気抵抗素子の２対を有することの結果として、ｘ−ｙ平面内の他方向における動きに対する同様の補償が達成される。

図６Ａは、さらなる実施形態による感知素子６００を示す。感知素子６００は、磁気抵抗素子Ｈ１〜Ｈ４が角ではなく基板の端に沿って位置決めされていることを除いて、図２に示す素子１０２と同じである。図６Ａに示される矢印は、各素子についての感度方向に対応する。そのため、本実施例では、感知素子６００の対向する端にある磁気抵抗素子は、それらの感度方向が整列するように配置されている。素子Ｈ１およびＨ３はそれらの感度方向が整列され、素子Ｈ２およびＨ４はそれらの感度方向が整列される。素子Ｈ２およびＨ４の感度方向は、それが素子Ｈ１およびＨ３の感度方向に対して垂直であるように配置される。ブリッジ回路に関しては、図６Ｂに示すように、ブリッジの一方の側でＨ１およびＨ３が直列に接続され、他方の側でＨ２およびＨ４が直列に接続されている。

磁石がｚ方向に動くとき、動作方法は、図２および図３に関連して上述したものと本質的に同じである。磁石が定常状態にある間、Ｈ１およびＨ２の感度方向と同じ方向に高磁場が印加されるので、Ｈ１およびＨ２の抵抗は低い。逆に、Ｈ３およびＨ４の感度方向とは反対方向に高磁場が印加されるので、Ｈ３およびＨ４の抵抗は高い。したがって、磁石が感知素子６００から離れるにつれて、感知素子の表面で磁場強度が弱まり、素子Ｈ１およびＨ２の抵抗を増加させ、素子Ｈ３およびＨ４の抵抗を減少させる。そのため、素子Ｈ１およびＨ３の抵抗比は減少し、一方素子Ｈ４およびＨ２の抵抗比は増加し、ブリッジ回路の出力に変化をもたらす。前述のように、磁石が感知素子６００に向かって動くとき、反対のことが起こる。

図７Ａから図７Ｄは、センサが動作する様態を実証するために、感知素子６００の個々の各素子における磁場強度の測定値を示す。実際には、そのような測定は、行われない。図８は、感知素子６００の全体の出力を示す。図７および図８に示されるチャートは、ｚ方向における磁石の開始位置またはゼロ位置が、磁石からセンサ表面まで約２ｍｍであるというシミュレーションに基づいていることに留意されたい。そのため、図７Ａ〜７Ｄおよび図８に示されるグラフは、磁石がこのゼロ位置から出発してセンサに向かっておよびセンサから離れて動くときのｚ方向における磁場強度の変化を示す。

図７Ａは、磁石が感知素子の中心にあるときの各素子の出力を示す。磁石に対する感知素子の位置はチャートの右側に示されている。ｙ軸は測定された磁場強度を示し、一方、ｘ軸はミリメートル単位でｚ方向における磁石の変位を示す。図７Ａに示すように、ｚ方向における磁石の変位にかかわらず、Ｈ１およびＨ２において測定された磁場強度は、同一である。Ｈ３およびＨ４によって測定された磁場強度もまた同一であり、さらにＨ１およびＨ２で測定された磁場強度と等しくかつ反対である。そのため、ｚが増加するにつれて、磁場強度は、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、およびＨ４において減少する。そのため、ブリッジ回路からの出力は、ｚ方向における動きのみを反映する。

図７Ｂは、磁石がｘ方向（この例では左方向）に変位したときの同じ配置を示す。示されるように、Ｈ２のプロットおよびＨ４のプロットは、Ｈ２およびＨ４の領域において磁場強度が実質的に変化していないので、変化しないか、または非常に小さい程度で変化する。しかしながら、Ｈ１を表すプロットは上方に動いており、磁場強度の増加を示している。Ｈ３を表すプロットも上方に動いており、磁場強度の減少を表している。そのため、Ｈ１およびＨ３の両方の抵抗は、減少するであろう。Ｈ１およびＨ３は、ブリッジ配置で直列に形成されるので、２つの抵抗間の電位は、大きくは変化しないであろう。事実上、Ｈ１およびＨ３は、ｘ方向における動きを補償する。

図７Ｃは、磁石がｙ方向に（この例では上に）変位したときの同じ配置を示す。示されるように、Ｈ１のプロットおよびＨ３のプロットは、Ｈ１およびＨ３の領域において磁場強度が実質的に変化していないので、変化しないか、または非常に小さい程度で変化する。しかしながら、Ｈ２を表すプロットは、上方に動いており、磁場強度の増加を示している。Ｈ４を表すプロットも上方に動いており、磁場強度の減少を表している。そのため、Ｈ２およびＨ４の両方の抵抗は、減少するであろう。Ｈ２およびＨ４は、ブリッジ配置で直列に形成されるので、２つの抵抗間の電位は、大きくは変化しないであろう。事実上、Ｈ２およびＨ４は、ｙ方向における動きを補償する。

図７Ｄは、磁石がｘ方向およびｙ方向に変位したときの同じ配置を示す。ここで、Ｈ１を表すプロットは、素子Ｈ１の領域における磁場強度の増加を示し、一方、Ｈ３を表すプロットは、素子Ｈ３の領域における磁場強度の減少を示し、それによって素子Ｈ１およびＨ３は、対応する抵抗の減少を経験する。同様に、Ｈ２を表すプロットは、素子Ｈ２の領域における磁場強度の増加を示し、一方、Ｈ４を表すプロットは、素子Ｈ４の領域における磁場強度の減少を示す。しかしながら、素子Ｈ２およびＨ４の感度方向は、素子Ｈ１およびＨ３の感度方向に対して垂直であるので、この磁場強度の変化は、素子Ｈ２およびＨ４の抵抗の対応する増加をもたらす。その結果、素子Ｈ１およびＨ３、ならびに素子Ｈ２およびＨ４の各それぞれの対におけるブリッジ出力は、同じ、または実質的に同じままである。そのため、Ｈ１およびＨ３は、ｘ方向における動きを補償し、Ｈ２およびＨ４は、ｙ方向における動きを補償する。

図８は、ｚ方向における磁石の変位に対してブリッジ回路が検出する磁場強度を示すチャートである。本実施例では、チャートは、磁石が、中心にあるときのプロット、ｘ方向に０．２ｍｍ変位したときのプロット、ｙ方向に０．２ｍｍ変位したときのプロット、および、ｘ方向およびｙ方向の両方において０．２ｍｍ変位したときのプロットを示す。ｘ−ｙ動きのために出力にわずかな差があるが、これは、単一素子型検出器と比較して、大きく補償される。

図９は、代替実施形態によるブリッジ回路を示す。本実施形態では、Ｒ１〜Ｒ４は各々、２つの同一の磁気抵抗素子Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ａ、およびＲ４ｂから形成されている。例えば、Ｒ１ａおよびＲ１ｂは、Ｒ１を形成するストリップを半分に切断することによって形成される。Ｒ１ａおよびＲ１ｂは、同じ感度方向を有し、感知素子の同じ部分に位置している。これらの各素子は次に、図９に示すブリッジ配置で接続される。この配置の利点は、温度マッチング特性が向上することである。磁石がｚ方向に動くとき、動作方法は、図２および図３に関連して上述したものと本質的に同じであり、ｚ方向に動くとブリッジ回路の出力に対応する変化が生じる。図２および図３と同様に、ｘ−ｙ平面内の磁石のいかなる動きも、整列されかつ同じ方向にある感度を有するセンサの対向する側にある感知素子の対によって補償される。例えば、感知素子の対Ｒ１ａおよびＲ４ｂ、Ｒ１ｂおよびＲ４ａ、Ｒ２ａおよびＲ３ｂ、Ｒ２ｂおよびＲ３ａの各々は、ｘ−ｙ平面内の変位を補償するであろう。

図１０は、本開示のさらなる実施形態による感知素子９００を示す。本実施形態では、磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４に加えて、遮蔽された基準抵抗９０１が感知素子９００の中央に含まれる。本実施形態では、磁気抵抗素子はＧＭＲ多層素子である。図１１は、図１０に示す配置と共に使用されるブリッジ配置を示す。Ｒ１〜Ｒ４は直列または並列配置で結合されてもよい。Ｒ１〜Ｒ４の直列または並列配置の全抵抗は、基準抵抗９０１の抵抗に等しいかまたはほぼ等しくあるべきである。素子の各それぞれの対、Ｒ１およびＲ４、ならびにＲ２およびＲ３は、実質的に前の実施例と同じ方法でｘ−ｙ平面内の動きを補償する。代替として、Ｒ１〜Ｒ４は各々、２つの同一の磁気抵抗素子Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ、Ｒ３ａ、Ｒ３ｂ、Ｒ４ａ、およびＲ４ｂから形成されてもよい。そのような場合、図１１の左上の抵抗は、Ｒ１ａからＲ４ａまでに形成され、右下は、Ｒ１ｂからＲ４ｂまでに形成されてもよい。さらなる代替として、左上の抵抗は、Ｒ１およびＲ２から形成されてもよい一方、右下の抵抗は、Ｒ３およびＲ４から形成されてもよい。

図１２は、本開示の一実施形態によるＧＭＲ多層の典型的な伝達曲線を示すチャートである。本実施例では、チャートは、本明細書に開示されている抵抗についてのＧＭＲ抵抗と磁場強度との間の一般的な関係を示す。抵抗の変化は、磁場方向とは無関係である。

図１３Ａから図１３Ｄは、さらなる実施形態における抵抗Ｒ１〜Ｒ４の個々の磁場強度の測定値のシミュレーションを示す。本実施形態では、磁気抵抗素子は、図６Ａに示す配置と同様に、角ではなく端の中央に配置されている。図１４は、図１３Ａから図１３Ｄについて使用された磁気抵抗配置を使用して、図１１に示されたブリッジ配置の出力のシミュレーションを示す。見てわかるように、この配置は、上述の実施形態に対するさらなる改善を示し、ｘ−ｙ平面内での動きから生じる出力にほとんどまたは全く差がない。

図１３Ａは、磁石がセンサの上方の中心にあるときに磁石がｚ方向に変位するとき、すなわちｘ方向およびｙ方向において変位がないときの、４つすべての抵抗Ｒ１〜Ｒ４の磁場強度の変化を示す。ここでは、４つすべての抵抗の磁場強度は、同じである。図１３Ｂ、図１３Ｃ、および図１３Ｄは、磁石もその中心位置から横方向に離れて変位したときの、ｚ方向における変位による磁場強度の変化を示す。図１３Ｂでは、磁石はｘ方向に変位し、抵抗Ｒ１およびＲ３は対応する磁場強度の変化ひいては抵抗を経験し、それによってこの横方向の動きを補償する。図１３Ｃでは、磁石は、ｙ方向に変位し、抵抗Ｒ２およびＲ４は、磁場強度の対応する変化ひいては抵抗を経験し、それによってこの横方向の動きを補償する。図１３Ｄでは、磁石は、ｘ方向およびｙ方向の両方において変位し、各対が再び、磁場強度の対応する変化ひいては抵抗を経験し、それによって両方向における横方向の動きの責任を負う。

本開示は、一方向における磁石の動きの検出が他方向における動きによって妨害される可能性がある多くの用途での使用に好適である。例示的な用途としては、デジタルカメラの駆動モータ、顕微鏡の駆動モータ、および近接検出器が挙げられる。

１００ 位置センサ
１０１ 磁石
１０２ 感知素子
１０３ 基板
９００ 感知素子
９０１ 基準抵抗

Claims (19)

1. 少なくとも第１の方向における位置を測定するための磁気抵抗位置センサであって、
   少なくとも前記第１の方向において動くように配置された磁石と、
   前記第１の方向における前記磁石の動きを検出するように、かつ少なくとも第２の方向における前記磁石の動きを補償するように配置された差動磁場センサと、を備え、
   前記少なくとも第２の方向は、第１の平面内にあり、前記第１の平面は、前記第１の方向に対してずれている、磁気抵抗位置センサ。
2. 前記差動磁場センサは、複数の磁気抵抗素子を備える、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有し、前記磁気抵抗素子の少なくとも第１の対は、それらの感知方向が整列するように配置されている、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記複数の磁気抵抗素子の前記感知方向は、前記第１の平面内に配置されている、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記第１の平面は、前記第１の方向に対して実質的に垂直である、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記磁気抵抗素子の第２の対は、それらの感知方向が整列するように、かつそれらの感知方向が前記磁気抵抗素子の前記第１の対に対してずれるように配置されている、請求項３に記載のセンサ。
7. 前記磁気抵抗素子の前記第１の対の前記感知方向は、前記磁気抵抗素子の前記第２の対の前記感知方向に対して実質的に垂直である、請求項６に記載のセンサ。
8. 前記複数の磁気抵抗素子は、前記磁気抵抗素子の少なくとも前記第１および第２の対が前記センサの周囲に均等に分布するように、前記第１の平面内に配置され、前記磁気抵抗素子の対の各それぞれの素子は、前記センサの対向する側に、かつ前記磁石に対して等距離の位置に配設される、請求項６に記載のセンサ。
9. 前記複数の磁気抵抗素子は、ブリッジ配置で接続され、前記ブリッジ配置の出力は、前記第１の方向における前記磁石の動きを示す、請求項２に記載のセンサ。
10. 前記ブリッジ配置は、ホイートストンブリッジ回路である、請求項９に記載のセンサ。
11. 前記少なくとも第２の方向は、前記第１の方向に対して実質的に垂直な前記第１の平面内にあり、前記ブリッジ配置の前記出力は、前記第１の平面内の前記磁石の動きを示さない、請求項９に記載のセンサ。
12. 磁気抵抗素子の第１の対は、第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、素子の第２の対は、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に直列に接続され、ブリッジ回路の出力は、各対の間のノードから取り出される、請求項９に記載のセンサ。
13. 前記複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有し、前記磁気抵抗素子の前記第１の対は、それらの感知方向が整列するように配置され、前記磁気抵抗素子の前記第２の対は、それらの感知方向が整列するように配置され、前記磁気抵抗素子の前記第２の対の前記感知方向は、前記磁気抵抗素子の前記第１の対の前記感知方向に対してずれている、請求項１２に記載のセンサ。
14. 前記磁気抵抗素子の前記第１の対の前記感知方向は、前記磁気抵抗素子の前記第２の対の前記感知方向に対して実質的に垂直である、請求項１３に記載のセンサ。
15. 前記複数の磁気抵抗素子のうちの１つは、基準抵抗である、請求項２に記載のセンサ。
16. 前記基準抵抗は、その出力が磁場依存性ではないように遮蔽されている、請求項１５に記載のセンサ。
17. 磁気抵抗位置センサを使用して、少なくとも第１の方向における位置を測定するための方法であって、
    差動磁場センサを使用して、第１の方向における磁石の位置を検出することと、
    前記差動磁場センサを使用して、少なくとも第２の方向における前記磁石の動きを補償することと、を含み、
    前記少なくとも第２の方向は、第１の平面内にあり、前記第１の平面は、前記第１の方向に対してずれている、方法。
18. 前記第１の平面は、前記第１の方向に対して実質的に垂直である、請求項１７に記載の方法。
19. 少なくとも第１の方向における位置を測定するための磁気抵抗位置センサであって、
    少なくとも前記第１の方向に動くように配置された磁石と、
    基板であって、その上に配置された複数の磁気抵抗素子を有し、前記磁気抵抗素子が、第１の方向における前記磁石の動きを検出するように配置された、基板と、を備え、
    前記磁気抵抗素子は、少なくとも第２の方向における前記磁石の動きを補償するように、ブリッジ配置で配置され、前記少なくとも第２の方向は、第１の平面内にあり、前記第１の平面は、前記第１の方向に対してずれている、磁気抵抗位置センサ。