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特開2023-1079磁石の配向を決定するデバイスおよび方法と、ジョイスティック
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023001079
(43)【公開日】2023-01-04
(54)【発明の名称】磁石の配向を決定するデバイスおよび方法と、ジョイスティック
(51)【国際特許分類】
G01B 7/00 20060101AFI20221222BHJP
G01D 5/12 20060101ALI20221222BHJP
【ＦＩ】
G01B7/00 103M
G01D5/12 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022097527
(22)【出願日】2022-06-16
(31)【優先権主張番号】21180417
(32)【優先日】2021-06-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】516186407
【氏名又は名称】メレクシス・テクノロジーズ・ソシエテ・アノニム
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＬＥＸＩＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100135703
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 英隆
(72)【発明者】
【氏名】クローズ，ガエル
(72)【発明者】
【氏名】デュプレ，ニコラ
(72)【発明者】
【氏名】デポールテル，ジャン－クロード
(72)【発明者】
【氏名】ビドー，イヴ
【テーマコード（参考）】
2F063
2F077
【Ｆターム（参考）】
2F063AA04
2F063BD15
2F063DA01
2F063DA05
2F063GA52
2F077CC02
2F077JJ08
2F077JJ23
(57)【要約】
【課題】半導体基板に対して所定の位置を有する基準位置（Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能な磁石の配向（α，β）を決定する方法を提供する。
【解決手段】前記方法は、ａ）磁場勾配：ｉ）第１の磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）、ｉｉ）第２の磁場勾配（ｄＢｙ／ｄｙ）、ｉｉｉ）第３の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）、ｉｖ）第４の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定することと、ｂ）磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて第１の角度（α）を決定することと、ｃ）磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて第２の角度（β）を決定することとを含む。この方法を実行するように構成されているセンサデバイス。このようなセンサデバイスと、磁石と、を備え、任意選択的にジョイスティックに接続されたセンサシステムを提供する。
【選択図】図５
【解決手段】前記方法は、ａ）磁場勾配：ｉ）第１の磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）、ｉｉ）第２の磁場勾配（ｄＢｙ／ｄｙ）、ｉｉｉ）第３の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）、ｉｖ）第４の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定することと、ｂ）磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて第１の角度（α）を決定することと、ｃ）磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて第２の角度（β）を決定することとを含む。この方法を実行するように構成されているセンサデバイス。このようなセンサデバイスと、磁石と、を備え、任意選択的にジョイスティックに接続されたセンサシステムを提供する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸（Ａ）を有する磁石の配向（α，β）を決定するためのセンサデバイスであって、
半導体基板であって、磁場勾配：
ｉ）前記半導体基板に平行な第１の方向（Ｘ）に沿って、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の磁場成分（Ｂｘ）の第１の磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）、
ｉｉ）前記半導体基板に平行で前記第１の方向（Ｘ）に垂直な第２の方向（Ｙ）に沿って、前記第２の方向（Ｙ）に配向された第２の磁場成分（Ｂｙ）の第２の磁場勾配（ｄＢｙ／ｄｙ）、
ｉｉｉ）前記第１の方向（Ｘ）に沿って、前記半導体基板に垂直な第３の方向（Ｚ）に配向された第３の磁場成分（Ｂｚ）の第３の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）、および
ｉｖ）前記第２の方向（Ｙ）に沿って、前記第３の方向（Ｚ）に配向された前記第３の磁場成分（Ｂｚ）の第４の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定するように構成された複数の磁気センサを含む半導体基板と、
前記磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて第１の角度（α）および第２の角度（β）を決定するよう構成された処理回路（９３０）と、を備える、センサデバイス。
半導体基板であって、磁場勾配：
ｉ）前記半導体基板に平行な第１の方向（Ｘ）に沿って、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の磁場成分（Ｂｘ）の第１の磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）、
ｉｉ）前記半導体基板に平行で前記第１の方向（Ｘ）に垂直な第２の方向（Ｙ）に沿って、前記第２の方向（Ｙ）に配向された第２の磁場成分（Ｂｙ）の第２の磁場勾配（ｄＢｙ／ｄｙ）、
ｉｉｉ）前記第１の方向（Ｘ）に沿って、前記半導体基板に垂直な第３の方向（Ｚ）に配向された第３の磁場成分（Ｂｚ）の第３の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）、および
ｉｖ）前記第２の方向（Ｙ）に沿って、前記第３の方向（Ｚ）に配向された前記第３の磁場成分（Ｂｚ）の第４の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定するように構成された複数の磁気センサを含む半導体基板と、
前記磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて第１の角度（α）および第２の角度（β）を決定するよう構成された処理回路（９３０）と、を備える、センサデバイス。
【請求項2】
前記複数の磁気センサが、第１のセンサ（Ｓ１）、第２のセンサ（Ｓ２）、第３のセンサ（Ｓ３）、および第４のセンサ（Ｓ４）を含み、
第１のセンサ場所に位置する前記第１のセンサ（Ｓ１）および第２のセンサ場所に位置する前記第２のセンサ（Ｓ２）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の仮想線上に位置し、互いに第１の距離だけ離間され、
前記第１のセンサ（Ｓ１）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の磁場成分（Ｂｘ１）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第２の磁場成分（Ｂｚ１）を測定するように構成され、
前記第２のセンサ（Ｓ２）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第３の磁場成分（Ｂｘ２）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第４の磁場成分（Ｂｚ２）を測定するように構成され、
第３のセンサ場所に位置する前記第３のセンサ（Ｓ３）および第４のセンサ場所に位置する前記第４のセンサ（Ｓ４）が前記第２の方向（Ｙ）に配向された第２の仮想線上に位置し、互いに第２の距離だけ離間され、
前記第３のセンサ（Ｓ３）が、前記第２の方向（Ｙ）に配向された第５の磁場成分（Ｂｙ１）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第６の磁場成分（Ｂｚ３）を測定するように構成され、
前記第４のセンサ（Ｓ４）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第７の磁場成分（Ｂｙ２）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第８の磁場成分（Ｂｚ４）を測定するように構成されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
第１のセンサ場所に位置する前記第１のセンサ（Ｓ１）および第２のセンサ場所に位置する前記第２のセンサ（Ｓ２）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の仮想線上に位置し、互いに第１の距離だけ離間され、
前記第１のセンサ（Ｓ１）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の磁場成分（Ｂｘ１）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第２の磁場成分（Ｂｚ１）を測定するように構成され、
前記第２のセンサ（Ｓ２）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第３の磁場成分（Ｂｘ２）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第４の磁場成分（Ｂｚ２）を測定するように構成され、
第３のセンサ場所に位置する前記第３のセンサ（Ｓ３）および第４のセンサ場所に位置する前記第４のセンサ（Ｓ４）が前記第２の方向（Ｙ）に配向された第２の仮想線上に位置し、互いに第２の距離だけ離間され、
前記第３のセンサ（Ｓ３）が、前記第２の方向（Ｙ）に配向された第５の磁場成分（Ｂｙ１）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第６の磁場成分（Ｂｚ３）を測定するように構成され、
前記第４のセンサ（Ｓ４）が、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第７の磁場成分（Ｂｙ２）および前記第３の方向（Ｚ）に配向された第８の磁場成分（Ｂｚ４）を測定するように構成されている、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項3】
前記第１の角度（α）が、式
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、式：
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である、請求項１または２に記載のセンサデバイス。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、式：
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である、請求項１または２に記載のセンサデバイス。
【請求項4】
前記第１の角度（α）が、式
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である、請求項１または２に記載のセンサデバイス。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である、請求項１または２に記載のセンサデバイス。
【請求項5】
前記磁石が、前記磁石の仮想軸（Ａ）が、前記半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能であるように、移動可能である、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項6】
前記第１のセンサ場所と前記第２のセンサ場所との間の第１の距離（ΔＸ）が、前記第３のセンサ場所と前記第４のセンサ場所との間の第２の距離（ΔＹ）に実質的に等しい、または
前記第１のセンサ場所と前記第２のセンサ場所との間の第１の距離（ΔＸ）が、前記第３のセンサ場所と前記第４のセンサ場所との間の第２の距離（ΔＹ）よりも少なくとも５％大きいか、または少なくとも５％小さい、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
前記第１のセンサ場所と前記第２のセンサ場所との間の第１の距離（ΔＸ）が、前記第３のセンサ場所と前記第４のセンサ場所との間の第２の距離（ΔＹ）よりも少なくとも５％大きいか、または少なくとも５％小さい、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項7】
前記４つのセンサ（Ｓ１～Ｓ４）の各々が、集積磁気集中器（ＩＭＣ１～ＩＭＣ４）および２つの水平ホール素子（Ｈ１～Ｈ８）を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項8】
前記４つのセンサ（Ｓ１～Ｓ４）の各々が、水平ホール素子および垂直ホール素子を含み、または
前記４つのセンサ（Ｓ１～Ｓ４）の各々が、水平ホール素子および少なくとも１つの磁気抵抗性センサ素子を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
前記４つのセンサ（Ｓ１～Ｓ４）の各々が、水平ホール素子および少なくとも１つの磁気抵抗性センサ素子を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項9】
前記処理回路が、前記半導体基板に一体化されている、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項10】
位置センサシステム（１００；７００；８００；１１００）であって、
先行請求項のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、半導体基板を備える、センサデバイスと、
前記半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能な磁石と、を備える、位置センサシステム。
先行請求項のいずれか一項に記載のセンサデバイスであって、半導体基板を備える、センサデバイスと、
前記半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能な磁石と、を備える、位置センサシステム。
【請求項11】
前記システムが、前記磁石に接続されたジョイスティックをさらに備える、請求項１０に記載の位置センサシステム。
【請求項12】
半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能な磁石の配向（α，β）を決定する方法（１０００）であって、
ａ）磁場勾配：
ｉ）前記半導体基板に平行な第１の方向（Ｘ）に沿って、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の磁場成分（Ｂｘ）の第１の磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）を決定すること（１００１）、
ｉｉ）前記半導体基板に平行で前記第１の方向（Ｘ）に垂直な第２の方向（Ｙ）に沿って、前記第２の方向（Ｙ）に配向された第２の磁場成分（Ｂｙ）の第２の磁場勾配（ｄＢｙ／ｄｙ）、
ｉｉｉ）前記第１の方向（Ｘ）に沿って、前記半導体基板に垂直な第３の方向（Ｚ）に配向された第３の磁場成分（Ｂｚ）の第３の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）、
ｉｖ）前記第２の方向（Ｘ）に沿って、前記第３の方向（Ｚ）に配向された前記第３の磁場成分（Ｂｚ）の第４の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定する（１００１、１００２、１００３、１００４）ことと、
ｂ）前記磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第１の方向（Ｘ）に平行な第１の仮想平面（ＸＺ）上の前記磁石の軸（Ａ）の正投影と前記第３の方向（Ｚ）との間に形成された第１の角度（α）を決定する（１００５）ことと、
ｃ）前記磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第２の方向（Ｙ）に平行な第２の仮想平面（ＹＺ）上の前記磁石の前記軸（Ａ）の正投影と前記第３の方向（Ｚ）との間に形成された第２の角度（β）を決定する（１００６）ことと、を含む、方法（１０００）。
ａ）磁場勾配：
ｉ）前記半導体基板に平行な第１の方向（Ｘ）に沿って、前記第１の方向（Ｘ）に配向された第１の磁場成分（Ｂｘ）の第１の磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）を決定すること（１００１）、
ｉｉ）前記半導体基板に平行で前記第１の方向（Ｘ）に垂直な第２の方向（Ｙ）に沿って、前記第２の方向（Ｙ）に配向された第２の磁場成分（Ｂｙ）の第２の磁場勾配（ｄＢｙ／ｄｙ）、
ｉｉｉ）前記第１の方向（Ｘ）に沿って、前記半導体基板に垂直な第３の方向（Ｚ）に配向された第３の磁場成分（Ｂｚ）の第３の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）、
ｉｖ）前記第２の方向（Ｘ）に沿って、前記第３の方向（Ｚ）に配向された前記第３の磁場成分（Ｂｚ）の第４の磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定する（１００１、１００２、１００３、１００４）ことと、
ｂ）前記磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第１の方向（Ｘ）に平行な第１の仮想平面（ＸＺ）上の前記磁石の軸（Ａ）の正投影と前記第３の方向（Ｚ）との間に形成された第１の角度（α）を決定する（１００５）ことと、
ｃ）前記磁場勾配のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第２の方向（Ｙ）に平行な第２の仮想平面（ＹＺ）上の前記磁石の前記軸（Ａ）の正投影と前記第３の方向（Ｚ）との間に形成された第２の角度（β）を決定する（１００６）ことと、を含む、方法（１０００）。
【請求項13】
前記第１の角度（α）が、
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である、請求項１２に記載の方法（１０００）。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である、請求項１２に記載の方法（１０００）。
【請求項14】
前記第１の角度（α）が、
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である、請求項１２に記載の方法（１０００）。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、
式中、αは前記第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは前記第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは前記第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、
前記第２の角度（β）が、
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、
式中、βは前記第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは前記第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは前記第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である、請求項１２に記載の方法（１０００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、磁気位置センサシステム、デバイス、および方法の分野に関し、より具体的には、固定基準点の周りで枢動可能な磁石の配向を測定するための磁気位置センサシステムに関する。本発明はまた、該磁石がジョイスティックに接続される位置センサシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
磁気位置センサシステム、特に線形または角度位置センサシステムが、当該技術分野において既知である。位置センサシステムの多くの変形例が存在し、次の要件のうちの１つ以上を扱う：単純または安価な磁気構造を使用すること、単純または安価なセンサデバイスを使用すること、比較的大きな範囲で測定することができること、高い精度で測定することができること、単純な算術のみを必要とすること、高速で測定することができること、位置決め誤差に対して非常に堅牢であること、外乱場に対して非常に堅牢であること、冗長性を提供すること、誤差を検出することができること、誤差を検出および修正することができること、良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を有すること、１つの自由度（並進または回転）のみを有すること、２つの自由度（例えば、１つの並進および１つの回転、または２つの回転）を有することなど。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】欧州特許出願第２１１５９８０４．０号
【特許文献2】米国特許出願公開第２０２１／０１１０２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
多くの既知のシステムでは、システムは、例えば、１つの軸を中心に回転する、または１つの軸に沿って並進するなど、１つの運動自由度のみを有する。
【0005】
磁石が少なくとも２つの自由度を有する磁気位置センサシステムはまた、例えば、軸に沿って移動可能であり、該軸を中心に回転可能である磁石を開示する２０２１年２月２８日に出願された特許文献１から、または磁石の位置、姿勢、もしくは配向に関する情報を決定するための少なくとも１つの訓練されたニューラルネットワークを含む回路を開示する特許文献２から当該技術分野で知られている。これらの例は、磁石が少なくとも２つの自由度を有する位置センサシステムが、１つの自由度のみを有するシステムよりもはるかに複雑であることを示す。
【0006】
改善または代替案の余地は常にある。
【0007】
本発明の実施形態の目的は、センサデバイス、位置センサシステム、および磁石の配向（α，β）を決定する方法を提供することである。
【0008】
本発明の実施形態の目的は、センサデバイス、位置センサシステム、および固定基準点の周りで枢動可能な円筒磁石の配向（α，β）を決定する方法を提供することである。固定基準点は、半導体基板の上または下の所定の高さ（「上」は、磁石と同じ基板の側にあることを意味し、「下」は、磁石と反対側の基板にあることを意味する）に位置し得る。
【0009】
本発明の実施形態の特定の目的は、センサデバイス、位置センサシステム、および半導体基板上に位置する基準位置の周りで枢動可能な、軸方向に磁化された円筒磁石の軸の配向（α，β）を決定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
好ましい実施形態では、配向は、外乱場（「迷磁場」としても知られる）に対して非常に堅牢である方法で決定される。
【0011】
本発明の実施形態の特定の目的は、このような磁石を備えるジョイスティックを提供することであり、ジョイスティックの配向は、例えば、外乱場に対して実質的に感応でない方法で、改善された精度で決定される。
【0012】
これらの目的は、本発明の実施形態によって達成される。
【0013】
第１の態様によると、本発明は、軸を有する磁石（例えば、２極磁石）の配向を決定するためのセンサデバイスを提供し、センサデバイスは、磁場勾配：ｉ）第１の方向に沿って半導体基板に平行な第１の方向に配向された第１の磁場成分の第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）、ｉｉ）第２の方向に沿って、半導体基板に平行で第１の方向に垂直な第２の方向に配向された第２の磁場成分の第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）、ｉｉｉ）第１の方向に沿って、半導体基板に垂直な第３の方向に配向された第３の磁場成分の第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）、およびｉｖ）第２の方向に沿って、第３の方向に配向された第３の磁場成分の第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定するように構成された複数の磁気センサを含む半導体基板を備え、センサデバイスは、磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて第１の角度（例えば、α）および第２の角度（例えば、β）を決定するよう構成された処理回路をさらに備える。
【0014】
一実施形態では、センサ素子は、２つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｘおよびｄＢｚ／ｄｙのみを決定するように構成され、処理ユニットは、１つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｘのみの関数として第１の角度（例えば、α）を決定するように、および１つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｙのみの関数として第２の角度（例えば、β）を決定するように構成される。
【0015】
第１の角度は、第１の方向Ｘに平行な第１の仮想平面ＸＺ上の磁石の軸Ａの正投影と第３の方向Ｚの間に形成され得、第２の角度は、第２の方向Ｙに平行な第２の平面ＹＺ上の磁石の軸Ａの正投影と第３の方向Ｚの間に形成され得る。
【0016】
磁石は、円筒磁石であってもよい。
【0017】
磁石は、２極磁石、例えば、円筒２極磁石、または２極棒磁石、または２極球磁石であってもよい。
【0018】
磁石は、軸方向に磁化されたリング磁石または軸方向に磁化されたディスク磁石であってもよい。
【0019】
円筒磁石は、３．０ｍｍ～１５．０ｍｍの範囲、または４．０ｍｍ～１２．０ｍｍの範囲、または４．０ｍｍ～１０．０ｍｍの範囲の外径を有し得る。
【0020】
円筒磁石は、高さＨ（軸方向）と、この高さと外径との比（Ｈ／Ｄ）が、２０％～１００％の範囲内、２０％～８０％の範囲内、または２５％～７５の範囲内、例えば、約５０％の値であるような外径Ｄとを有してよい。
【0021】
一実施形態では、処理回路は、少なくとも第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）および第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）に基づいて第１の角度を決定し、少なくとも第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）および第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）のみに基づいて第２の角度を決定するように構成される。
【0022】
一実施形態では、処理回路は、第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）および第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）のみに基づいて第１の角度を決定するように、ならびに第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）および第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）のみに基づいて第２の角度を決定するように構成される。
【0023】
一実施形態では、複数の磁気センサは、第１のセンサ、第２のセンサ、第３のセンサ、および第４のセンサを含み、第１のセンサ場所に位置する第１のセンサおよび第２のセンサ場所に位置する第２のセンサは、第１の方向に配向された第１の仮想線上に位置し、互いに第１の距離だけ離間され、第１のセンサは、第１の方向に配向された第１の磁場成分および第３の方向に配向された第２の磁場成分を測定するように構成され、第２のセンサは、第１の方向に配向された第３の磁場成分および第３の方向に配向された第４の磁場成分を測定するように構成され、第３のセンサ場所に位置する第３のセンサおよび第４のセンサ場所に位置する第４のセンサは、第２の方向に配向された第２の仮想線上に位置し、互いに第２の距離だけ離間され、第３のセンサは、第２の方向に配向された第５の磁場成分および第３の方向に配向された第６の磁場成分を測定するように構成され、第４のセンサは、第１の方向に配向された第７の磁場成分および第３の方向に配向された第８の磁場成分を測定するように構成される。
【0024】
そのような構成を使用して、第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）は、第１の磁場成分と第３の磁場成分との間の差に基づいてもよく、第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）は、第２の磁場成分と第４の磁場成分との間の差に基づいてもよく、第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）は、第５の磁場成分と第７の磁場成分との間の差に基づいてもよく、第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）は、第６の磁場成分と第８の磁場成分との間の差に基づいてもよい。
【0025】
実施形態では、第１の角度（α）は、式
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、第２の角度（β）は、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βは第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、第２の角度（β）は、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βは第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である。
【0026】
実施形態では、第１の角度（α）は、式
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、第２の角度（β）は、式：
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βは第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、第２の角度（β）は、式：
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βは第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である。
【0027】
一実施形態では、磁石の仮想軸が、半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（例えば、Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能であるように、磁石は移動可能である。
【0028】
一実施形態では、基準点（例えば、Ｐｒｅｆ）は、半導体基板上、したがってセンサと同じ平面内に位置する。
【0029】
一実施形態では、基準点（例えばＰｒｅｆ）は、半導体基板に対して垂直な想像軸上に、半導体基板から、例えば、半導体基板の上または下の所定の非ゼロ距離（例えば、ｄｒｅｆ）に位置する。基準点および磁石は、半導体基板の同じ側に、または反対の側に位置してもよい。基準点は、磁石がその中立位置にあるとき（すなわち、その軸が半導体基板に垂直であるように配向されるとき）、または磁石によって画定される空間内にあるとき（その中立位置にあるとき）基板と磁石との間に位置してもよく、または、磁石（その中立位置にあるとき）は、基準位置と半導体基板との間に位置してもよい。
【0030】
特定の実施形態では、距離「ｄｒｅｆ」と磁石の（軸方向の）高さＨとの比（ｄｒｅｆ／Ｈ）は、５０％～２００％の範囲内、または５０％～１５０％の範囲内、または７５％～１２５％の範囲内の値であり得る。
【0031】
一実施形態では、第１のセンサ場所と第２のセンサ場所との間の第１の距離（例えば、ΔＸ）は、第３のセンサ場所と第４のセンサ場所との間の第２の距離（例えば、ΔＹ）に実質的に等しい。この実施形態では、センサは、仮想円上に位置してもよい。基準点は、この円の中心に位置してもよく、または基板に垂直であり、円の中心を通過する仮想線上に、基板からの所定の非ゼロ距離に位置してもよい。
【0032】
一実施形態では、第１のセンサ場所と第２のセンサ場所との間の第１の距離（例えば、ΔＸ）は、第３のセンサ場所と第４のセンサ場所との間の第２の距離（例えば、ΔＹ）よりも少なくとも５％大きいか、または少なくとも５％小さい。この実施形態では、センサは、仮想楕円体上に位置してもよい。基準点は、この楕円の中心に位置してもよく、または基板に垂直であり、楕円の中心を通過する仮想線上に、基板から所定の非ゼロ距離に位置してもよい。
【0033】
一実施形態では、４つのセンサの各々は、集積磁気集中器および２つの水平ホール素子を備える。
【0034】
集積磁気集中器（「集積フラックス集中器」としても知られている）は、直径が１５０μｍ～２５０μｍの範囲、例えば、１７０μｍ～２３０μｍの範囲、例えば、約２００μｍに等しいディスク形状を有してもよい。
【0035】
一実施形態では、第１のセンサは、第１の集積磁気集中器および第１の方向に配向された第１の仮想線上の第１のＩＭＣの反対側に位置する第１および第２の水平ホール素子を含み、第２のセンサは、第２の集積磁気集中器および第２のＩＭＣの反対側の第１の仮想線上に位置する第３および第４の水平ホール素子を含み、第３のセンサは、第３の集積磁気集中器および第２の方向に配向された第２の仮想線上の第３のＩＭＣの反対側に位置する第５および第６の水平ホール素子を含み、第４のセンサは、第４の集積磁気集中器および第４のＩＭＣの反対側の第２の仮想線上に位置する第７および第８の水平ホール素子を含む。
【0036】
このような配置の一例を図５に示す。
【0037】
一実施形態では、４つのセンサの各々は、水平ホール素子および垂直ホール素子を含む。この実施形態において、センサデバイスは、好ましくは、磁束集中器（ＩＭＣ）を含まない。
【0038】
一実施形態では、４つのセンサの各々は、水平ホール素子および少なくとも１つの磁気抵抗センサ素子を含む。また、この実施形態において、センサデバイスは、好ましくは、磁束集中器（ＩＭＣ）を含まない。
【0039】
一実施形態では、第１のセンサは、第１の水平ホール素子および第１の垂直ホール素子を含み、第２のセンサは、第２の水平ホール素子および第２の垂直ホール素子を含み、第１の垂直ホール素子および第２の垂直ホール素子の各々は、第１の方向に配向された最大感度の軸を有し、第３のセンサは、第３の水平ホール素子および第３の垂直ホール素子を含み、第４のセンサは、第４の水平ホール素子および第４の垂直ホール素子を含み、第３の垂直ホール素子および第４の垂直ホール素子の各々は、第２の方向に配向された最大感度の軸を有する。
【0040】
一実施形態では、処理回路は、半導体基板に一体化される。そのため、この実施形態では、センサ素子および処理回路は単一の基板上に一体化される。
【0041】
第２の態様によると、本発明はまた、第１の態様によるセンサデバイスと、半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（例えば、Ｐｒｅｆ）を中心に枢動可能な磁石とを含む位置センサシステムを提供する。これは、例えば、図１に示されるように、磁石が所定の基準位置を中心に回転するように移動可能であることを意味する。磁石は、円筒形または球形の形状を有し、磁石は、自軸を中心に回転可能であってもよいが、そのような回転は、磁場線を変化させない。
【0042】
磁石は、例えば、円筒形、棒状、または球形の２極磁石であってもよい。
【0043】
一実施形態では、システムは、磁石に接続されたジョイスティックをさらに備える。
【0044】
第３の態様によると、本発明はまた、半導体基板に対して所定の位置を有する基準点（例えばＰｒｅｆ）を中心に枢動可能な磁石の配向（例えば、２つの角度α、βを用いて）を決定する方法を提供し、本方法は、
ａ）磁場勾配：ｉ）第１の方向に沿って半導体基板に平行な第１の方向に配向された第１の磁場成分の第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）、ｉｉ）第２の方向に沿って、半導体基板に平行で第１の方向に垂直な第２の方向に配向された第２の磁場成分の第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）、ｉｉｉ）第１の方向に沿って、半導体基板に垂直な第３の方向に配向された第３の磁場成分の第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）、およびｉｖ）第２の方向に沿って、第３の方向に配向された第３の磁場成分の第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定することと、ｂ）磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて、第１の方向（例えば、Ｘ）に平行な第１の仮想平面（例えば、ＸＺ）上の磁石の軸の正投影と第３の方向（例えば、Ｚ）の間に形成された第１の角度を決定することと、ｃ）磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて、第２の方向に平行な第２の仮想平面（例えば、ＹＺ）上の磁石の軸の正投影と第３の方向との間に形成された第２の角度を決定することと、を含む。
ａ）磁場勾配：ｉ）第１の方向に沿って半導体基板に平行な第１の方向に配向された第１の磁場成分の第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）、ｉｉ）第２の方向に沿って、半導体基板に平行で第１の方向に垂直な第２の方向に配向された第２の磁場成分の第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）、ｉｉｉ）第１の方向に沿って、半導体基板に垂直な第３の方向に配向された第３の磁場成分の第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）、およびｉｖ）第２の方向に沿って、第３の方向に配向された第３の磁場成分の第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）のうちの少なくとも２つを決定することと、ｂ）磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて、第１の方向（例えば、Ｘ）に平行な第１の仮想平面（例えば、ＸＺ）上の磁石の軸の正投影と第３の方向（例えば、Ｚ）の間に形成された第１の角度を決定することと、ｃ）磁場勾配のうちの少なくともいくつかに基づいて、第２の方向に平行な第２の仮想平面（例えば、ＹＺ）上の磁石の軸の正投影と第３の方向との間に形成された第２の角度を決定することと、を含む。
【0045】
一実施形態では、ステップａ）は、２つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｘおよびｄＢｚ／ｄｙのみを決定することを含み、ステップｂ）は、１つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｘのみの関数としての第１の角度（例えば、α）を決定することを含み、ステップｃ）は、１つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｙのみの関数としての第２の角度（例えば、β）を決定することを含む。
【0046】
一実施形態では、第１の角度は、少なくとも第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）および第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）に基づいて決定され、第２の角度は、少なくとも第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）および第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）に基づいて決定される。
【0047】
一実施形態では、第１の角度は、第１の磁場勾配（例えば、ｄＢｘ／ｄｘ）および第３の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｘ）のみに基づいて決定され、第２の角度は、第２の磁場勾配（例えば、ｄＢｙ／ｄｙ）および第４の磁場勾配（例えば、ｄＢｚ／ｄｙ）のみに基づいて決定される。
【0048】
実施形態では、第１の角度は、式
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、第２の角度は、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βは第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１は第１の所定の定数であり、第２の角度は、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βは第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２は第２の所定の定数である。
【0049】
実施形態では、第１の角度は、式
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、第２の角度は、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βが第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である。
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｄＢｚ／ｄｘ，ｄＢｘ／ｄｘ）
に従って決定され、式中、αは第１の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｘ／ｄｘは第１の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｘは第３の磁場勾配であり、Ｋ１およびＫ３は所定の定数であり、第２の角度は、式
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｄＢｚ／ｄｙ，ｄＢｙ／ｄｙ）
に従って決定され、式中、βが第２の角度であり、ａｔａｎ２（）は２つの引数の逆正接関数であり、ｄＢｙ／ｄｙは第２の磁場勾配であり、ｄＢｚ／ｄｙは第４の磁場勾配であり、Ｋ２およびＫ４は所定の定数である。
【0050】
本発明の特定のおよび好ましい態様は、添付の独立および従属請求項に記載される。従属請求項からの特徴は、単に特許請求の範囲に明示的に記載されるものではなく、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と適宜組み合わされてもよい。
【0051】
本発明のこれらおよび他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】少なくとも２つの自由度を有する、センサデバイスに対して移動可能な軸方向に磁化された磁石を含む磁気位置センサシステムの略図である。
【図2】線分［ＣＰ］のランダムな配向を、どのようにして２つの角度αおよびβによって表すことができるかを示す。
【図3】本発明の実施形態で使用されてもよいセンサ構造の概略的なブロック図であり、センサ構造は、第１の場所Ｘ１にある第１のセンサと、Ｘ軸に沿った第２の場所Ｘ２にある第２のセンサとを含み、各センサは、集積磁気集中器（ＩＭＣ）およびＩＭＣの反対側に配置された２つの水平ホール素子を含み、面内磁場勾配（ｄＢｘ／ｄｘ）および面外磁場勾配（ｄＢｚ／ｄｘ）は、このセンサ構造によって測定することができる。
【図4(a)】半導体基板と所定の基準位置で交差する軸を有する円筒磁石の概略図であり、センサまたはセンサ構造は、基準位置に位置する。センサ場所を通過する磁場線は、軸の機械的角度と同じ配向を有し、センサと磁石との間の距離は、軸の配向とは無関係である。
【図4(b)】半導体基板と所定の基準位置で交差する軸を有する円筒磁石の概略図であり、センサまたはセンサ構造は、基準位置に位置する。センサ場所を通過する磁場線は、軸の機械的角度と同じ配向を有し、センサと磁石との間の距離は、軸の配向とは無関係である。
【図4(c)】半導体基板と所定の基準位置で交差する軸を有する円筒磁石の概略図であり、半導体基板は、基準位置から離間されたセンサ位置に位置する複数のセンサまたはセンサ構造を含む。複数のセンサ場所における磁場線の配向は、軸の配向と同一ではなく、センサ場所の各々と磁石との間の距離は一定ではなく、軸の配向に依存する。
【図4(d)】半導体基板と所定の基準位置で交差する軸を有する円筒磁石の概略図であり、半導体基板は、基準位置から離間されたセンサ位置に位置する複数のセンサまたはセンサ構造を含む。複数のセンサ場所における磁場線の配向は、軸の配向と同一ではなく、センサ場所の各々と磁石との間の距離は一定ではなく、軸の配向に依存する。
【図5】本発明により提案された第１のセンサデバイスの概略図である。
【図6】本発明により提案された別のセンサデバイスの概略図である。
【図7(a)】本発明により提案されたシステムのシミュレーション結果を示す。
【図7(b)】本発明により提案されたシステムのシミュレーション結果を示す。
【図7(c)】本発明により提案されたシステムのシミュレーション結果を示す。
【図7(d)】本発明により提案されたシステムのシミュレーション結果を示す。
【図7(e)】本発明により提案されたシステムのシミュレーション結果を示す。
【図8(a)】本発明により提案された別のシステムのシミュレーション結果を示す。
【図8(b)】本発明により提案された別のシステムのシミュレーション結果を示す。
【図8(c)】本発明により提案された別のシステムのシミュレーション結果を示す。
【図8(d)】本発明により提案された別のシステムのシミュレーション結果を示す。
【図8(e)】本発明により提案された別のシステムのシミュレーション結果を示す。
【図9】本発明により提案された位置センサデバイスで使用され得る回路の電気ブロック図を示す。
【図10】本発明により提案された磁石の軸の配向に対応する２つの角度α、βを決定する方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0053】
図面は、概略のみであり、非限定的である。図面では、いくつかの素子のサイズは誇張されている場合があり、例示目的のためにスケールで描画されていない場合がある。特許請求の範囲内の任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されてはならない。異なる図面では、同じ参照符号は、同じまたは類似の素子を指している。
【0054】
本発明は、特定の実施形態に関して、および特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【0055】
本説明および特許請求の範囲における第１、第２および同様の用語は、類似の素子を区別するために使用され、必ずしも、時間的、空間的、順位的、または任意の他の方法のいずれかで順序を説明するために使用されるわけではない。このように使用される用語が適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される本発明の実施形態が、本明細書に記載または図示される以外の順序で動作可能であることを理解されたい。
【0056】
本説明および特許請求の範囲における上部、下部などの用語は、説明目的のために使用され、必ずしも相対的な位置を説明するために使用されるわけではない。このように使用される用語が適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される本発明の実施形態が、本明細書に記載または図示される以外の配向で動作可能であることを理解されたい。
【0057】
特許請求の範囲内で使用される「備える」という用語は、その後列挙される手段に制限されるものと解釈されるべきではなく、他の素子またはステップを除外しないことに留意されたい。したがって、それは、言及されるように、記載された特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するものと解釈されるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、または構成要素、またはそれらのグループの存在または追加を排除しない。したがって、「手段ＡおよびＢを備えるデバイス」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなるデバイスに限定されるべきではない。これは、本発明に関して、デバイスの関連する構成要素がＡおよびＢのみであることを意味する。
【0058】
本明細書全体を通して「一実施形態」または「実施形態」は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な箇所における「一実施形態において」または「実施形態において」という語句の出現は、必ずしもすべてが同一の実施形態を指すわけではないが、同一の実施形態を指してもよい。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において、本開示から当業者に明らかであるように、任意の適切な方法で組み合わせることができる。
【0059】
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴は、開示を合理化し、様々な発明の態様のうちの１つ以上の理解を補助する目的で、単一の実施形態、図面、またはその説明にグループ化されることがあることを理解されたい。しかしながら、この開示方法は、特許請求される発明が、各特許請求の範囲に明示的に列挙されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示すように、本発明の態様は、単一の前述の開示された実施形態のすべての特徴にあるわけではない。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、この詳細な説明に明示的に組み込まれ、各特許請求の範囲は、本発明の別個の実施形態として単独で存在する。
【0060】
さらに、本明細書に記載のいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれるいくつかの他の特徴を含み、それ以外の特徴は含まないが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内であることを意味し、異なる実施形態を形成する。例えば、以下の特許請求の範囲では、特許請求の範囲に記載の実施形態のいずれかを任意の組み合わせで使用することができる。
【0061】
本明細書に提供される説明では、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本発明の実施形態が、これらの特定の詳細なしに実施され得ることが理解される。他の場合では、周知の方法、構造、および技術は、この説明の理解を曖昧にしないために詳細には示されていない。
【0062】
本文書では、別途明確に言及されない限り、「磁気センサデバイス」または「センサデバイス」という用語は、好ましくは半導体基板に一体化された少なくとも１つの「磁気センサ」または少なくとも１つの磁気「センサ素子」を含むデバイスを指す。センサデバイスは、「チップ」とも呼ばれるパッケージに含まれてもよいが、それは絶対に必要ではない。
【0063】
本文書では、「センサ素子」または「磁気センサ素子」または「磁気センサ」という用語は、例えば、磁気抵抗素子、ＧＭＲ素子、ＸＭＲ素子、水平ホールプレート、垂直ホールプレート、少なくとも１つ（好ましくは４つ）の磁気抵抗素子を含むホイートストンブリッジなど、またはその組み合わせなどの磁気量を測定することができる構成要素もしくは構成要素の群、またはサブ回路、または構造を指すことができる。
【0064】
本発明の特定の実施形態では、「磁気センサ」または「磁気センサ構造」という用語は、集積フラックス集中器としても知られる１つ以上の集積磁気集中器（ＩＭＣ）と、ＩＭＣ、例えば、２つの水平ホール素子が互いに１８０°間隔で配置されている、または４つの水平ホール素子が互いに９０°間隔で配置されているディスク形状ＩＭＣの周囲の近くに配置された１つ以上の水平ホール素子とを含む配置を指してもよい。
【0065】
本文書では、「磁場ベクトルの面内成分」および「センサ面における磁場ベクトルの投影」という表現は同じことを意味する。センサデバイスが半導体基板である場合、または半導体基板を含む場合、これはまた、「半導体平面に平行な磁場成分」を意味する。これらの構成要素は、Ｂｘ、Ｂｙとラベル付けされてもよい。
【0066】
本文書において、「ベクトルの面外成分」および「ベクトルのＺ成分」および「センサ面に垂直な軸上のベクトルの投影」という表現は同じことを意味する。この構成要素は、Ｂｚとラベル付けされてもよい。
【0067】
本発明の実施形態は、典型的には、センサデバイスに固定され、３つの軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する直交座標系を使用して説明され、Ｘ軸およびＹ軸が基板に対して平行であり、Ｚ軸が基板に対して垂直である。
【0068】
本文書では、「空間微分」もしくは「微分」または「空間勾配」もしくは「勾配」という表現が同意語として使用される。本発明の文脈では、勾配は、典型的には、特定の方向に沿って離間した２つの場所で測定された２つの値の差として決定される。理論的には、勾配は、典型的には、２つの値の間の差を、センサ場所間の距離で割ったものとして計算されるが、実際には、測定された信号がやはりスケーリングされる必要があるため、距離による分割は、しばしば省略される。
【0069】
本出願では、水平ホールプレートは、典型的には、Ｈ１、Ｈ２などによって参照され、これらの水平ホールプレートからの信号は、典型的には、ｈ１、ｈ２などによって参照され、垂直ホールプレートは、典型的には、Ｖ１、Ｖ２などによって参照され、これらの垂直ホールプレートからの信号は、典型的には、ｖ１、ｖ２などによって参照される。
【0070】
本発明の文脈において、式ａｒｃｔａｎ（ｘ，ｙ）、ａｔａｎ２（ｘ，ｙ）、ａｒｃｃｏｔ（ｙ／ｘ）は同等であると考えられる。
【0071】
本発明は、固定基準点「Ｐｒｅｆ」を中心に枢動可能な磁石の配向を測定するための磁気位置センサシステム、方法、およびデバイスに関する。この固定基準点は、半導体基板上に位置してもよく、または半導体基板の上または下の所定の距離「ｄｒｅｆ」に位置してもよい。磁石は、ジョイスティック（図示せず）に接続されてもよい。
【0072】
好ましい実施形態では、システムは、例えば、外乱場に対して感度が低いため、改善された精度を有する。
【0073】
図面を参照する。
【0074】
図１は、円筒磁石１０１およびセンサデバイス１０２を含む磁気位置センサシステム１００の略図である。
【0075】
センサデバイス１０２は、半導体基板（図１には示されていない）を含む。３つの直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する座標系は、軸ＸおよびＹが半導体基板に対して平行であり、軸Ｚが半導体基板に対して直交するように、半導体基板に接続される。
【0076】
図１に示す磁石１０１は、円筒磁石であり、より具体的には、軸方向に磁化された磁石１０１である。磁石は、半導体基板と固定基準点「Ｐｒｅｆ」で交差する仮想軸「Ａ」を有し、様々な方向に回転することができる。磁石１０１と基準点「Ｐｒｅｆ」との間の距離は一定であるため、システムは２つの自由度を有する。センサデバイス１０２のタスクは、磁石の配向を決定することである。
【0077】
配向は、例えば、２つの角度φおよびψによって一意に定義することができ、φは、ＹＺ平面内の軸Ａの正投影のＺ軸に対する負または正の角度であり、ψは、ＸＺ平面内の軸Ａの正投影のＺ軸に対する負または正の角度である。示されている例では、磁石の軸Ａが半導体基板に対して垂直に配向されている場合、軸Ａと半導体基板との交点における磁場ベクトルＢは、負のＺ方向に配向され、φ＝０°およびψ＝０°である。磁石は、少なくとも－３０°～＋３０°の範囲のφ、および３０°～＋３０°の範囲のψで移動可能であることが好ましいが、もちろん、より大きな範囲、例えば、±４０°、または±５０°、または±６０°も想定される。しかしながら、角度φ、ψにより磁石１０１の配向を特定することは唯一の可能な方法ではない。
【0078】
図２は、基準点「Ｃ」から始まり、想像球上の点「Ｐ」で終わる一定の長さ［ＣＰ］のベクトルの配向を定義する別の方法を示している。ベクトル［ＣＰ］は示されていないが、ベクトル［ＣＰ］の平面ＸＺへの第１の正投影［ＣＡ］が示され、ベクトル［ＣＰ］の平面ＹＺへの第２の正投影［ＣＢ］が示される。点ＣおよびＰを通過する軸Ａの配向は、正Ｘ軸とベクトル［ＣＡ］との間の第１の角度α、および正Ｙ軸とベクトル［ＣＢ］との間の第２の角度βによっても定義することができる。一例として、磁石軸が平面ＸＹに対して垂直（すなわち、半導体基板に対して垂直）に配向されている場合、「中立位置」とも称され、α＝９０°、β＝９０°である。これは、上述したφ＝０°、ψ＝０°の配向に対応する。
【0079】
次の数式が適用される。
Ｂｘ＝Ｂ＊ｃｏｓ（α）＊ｓｉｎ（β） ［１］
Ｂｙ＝Ｂ＊ｃｏｓ（β）＊ｓｉｎ（α） ［２］
Ｂｚ＝Ｂ＊ｓｉｎ（β）＊ｓｉｎ（α） ［３］
Ｂｘ＝Ｂ＊ｃｏｓ（α）＊ｓｉｎ（β） ［１］
Ｂｙ＝Ｂ＊ｃｏｓ（β）＊ｓｉｎ（α） ［２］
Ｂｚ＝Ｂ＊ｓｉｎ（β）＊ｓｉｎ（α） ［３］
【0080】
［３］および［１］の分割により、以下が得られる。
（Ｂｚ／Ｂｘ）＝ｔａｎ（α） ［４］
（Ｂｚ／Ｂｙ）＝ｔａｎ（β） ［５］
（Ｂｚ／Ｂｘ）＝ｔａｎ（α） ［４］
（Ｂｚ／Ｂｙ）＝ｔａｎ（β） ［５］
【0081】
式中、ＢｘはＸ方向に配向された磁場成分であり、ＢｙはＹ方向に配向された磁場成分であり、ＢｚはＺ方向に配向された磁場成分であり、Ｂは磁場ベクトルの大きさである。
【0082】
好ましい実施形態では、角度αおよびβは、９０°±３０°の範囲内の値、または９０°±４０°の範囲内の値、または９０°±５０°の範囲内の値、または９０°±６０°の範囲内の値である。
【0083】
図３は、Ｘ軸上の第１のセンサ場所Ｘ１に位置する第１のセンサ（またはセンサ構造）Ｓ１と、Ｘ１から離間された、Ｘ軸上の第２のセンサ場所Ｘ２に位置する第２のセンサ（またはセンサ構造）Ｓ２と、を含む半導体基板を示す。第１および第２のセンサＳ１、Ｓ２の各々は、ディスク形状の集積磁気集中器（ＩＭＣ）およびＩＭＣの反対側のＸ軸上に配置された２つの水平ホール素子を含む。第１のセンサＳ１は、第１の信号ｈ１を提供するように構成された第１の水平ホール素子Ｈ１と、第２の信号ｈ２を提供するように構成された第２の水平ホール素子Ｈ２とを含む。第２のセンサＳ２は、第３の信号ｈ３を提供するように構成された第３の水平ホール素子Ｈ３と、第４の信号ｈ４を提供するように構成された第４の水平ホール素子Ｈ４とを備える。
【0084】
本発明を理解するためには、第１のセンサＳ１の信号ｈ１およびｈ２を組み合わせて、面内磁場成分Ｂｘ１（半導体基板に平行）および面外磁場成分Ｂｚ１（半導体基板に垂直）の両方を決定することができることを知っていれば十分である。より具体的には、面内磁場成分Ｂｘ１はＸ軸に平行であり、信号ｈ１およびｈ２の減算により計算することができ、面外磁場成分Ｂｚ１はＺ軸に平行であり、信号ｈ１およびｈ２の和により計算することができる。これは次のように数学的に表すことができる。
【0085】
Ｂｘ１＝（ｈ２－ｈ１） ［６］
Ｂｚ１＝（ｈ２＋ｈ１） ［７］
Ｂｚ１＝（ｈ２＋ｈ１） ［７］
【0086】
同様に、第２のセンサ場所Ｘ２における面内磁場成分Ｂｘ２、および面外磁場成分Ｂｚ２は、例えば、以下の式に従って決定され得る。
【0087】
Ｂｘ２＝（ｈ４－ｈ３） ［８］
Ｂｚ２＝（ｈ４＋ｈ３） ［９］
Ｂｚ２＝（ｈ４＋ｈ３） ［９］
【0088】
これらの値から、面内磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘおよび面外磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘは、例えば、以下の式に従って決定され得る。
【0089】
ΔＢｘ／Δｘ＝Ｂｘ２－Ｂｘ１ ［１０］
ΔＢｚ／Δｘ＝Ｂｚ２－Ｂｚ１ ［１１］
ΔＢｚ／Δｘ＝Ｂｚ２－Ｂｚ１ ［１１］
【0090】
なお、「Δｘ」での除算は、距離が一定であり、ホール素子から得られた値がやはりスケーリングされる必要があるため、省略されるのが一般的であるが、ΔＢｚ／Δｘ（またはｄＢｚ／ｄｘ）という記法は、２つのＢｚ値の差が取られることを示すだけでなく、Δｘの場合はＸ方向であるように、どの方向に沿っているかも示すため、本出願では有用である。当技術分野で知られているように、勾配信号は、外乱場に対して非常に感度が低い。
【0091】
なお、距離ΔＸで離間された２つのセンサＳ１、Ｓ２を有するセンサデバイス（図３には示されていないが、例えば、図６を参照されたい）であって、第１のセンサＳ１は、Ｘ方向に最大感度の軸が配向された１つの水平ホール素子Ｈ１および１つの垂直ホール素子Ｖ１を含み、第２のセンサＳ２は、Ｘ方向に最大感度の軸が配向された１つの水平ホール素子Ｈ２および１つの垂直ホール素子Ｖ２を含み、それぞれＢｘ１、Ｂｚ１およびＢｘ２、Ｂｚ２を測定することができ、２つの磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘおよびｄＢｚ／ｄｘを決定することができる。ｖ１がＶ１から得られた信号、ｖ２がＶ２から得られた信号、ｈ１がＨ１から得られた信号、ｈ２がＨ２から得られた信号の場合、ｄＢｘ／ｄｘは（ｖ２－ｖ１）として計算され得、ｄＢｚ／ｄｘは（ｈ２－ｈ１）として計算され得る。
【0092】
図４（ａ）～図４（ｄ）は、所定の位置「Ｐｒｅｆ」で半導体基板（点線で概略的に示される）と交差する仮想軸「Ａ」を有する円筒磁石の概略図である。軸“Ａ”は基準点「Ｐｒｅｆ」を中心に枢動可能である。図面に負担をかけ過ぎないように、ＸＺ平面に平行な動きのみが示される。
【0093】
図４（ａ）および図４（ｂ）において、センサ（黒い正方形で概略的に示される）は、基準位置「Ｐｒｅｆ」に位置する。見てわかるように、センサ場所を通過する磁場線は、磁石の軸「Ａ」の機械的な配向と同じ配向を有し、センサと磁石との間の距離「ｇ」は、軸の配向とは無関係である。
【0094】
図４（ｃ）および図４（ｄ）において、半導体基板は、距離ΔＸだけ離間された複数のセンサを含み、基準位置「Ｐｒｅｆ」は、好ましくは、センサ場所間の中央にある。見てわかるように、複数のセンサ場所における磁場線の配向は、もはや軸Ａの配向と同一ではなく、センサ場所の各々と磁石との間の距離は、もはや一定ではなく、軸「Ａ」の配向に依存する。
【0095】
本発明者らに知られている限り、軸Ａの機械的傾斜角と、２つのセンサ場所における磁場成分（Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ）との間には、一般的な分析式または関係は知られておらず、ましてや基準点からΔｘ／２の距離に位置する２つのセンサから得られる信号から得られるような、機械的傾斜角と磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘとの間の関係は、知られていない。発明家たちはその関係を調べる研究プロジェクトを始めた。この関係は非常に非線形であり、数学的には非常に説明が困難であると予想された。
【0096】
図５は、本発明により提案された第１のセンサデバイス５００の概略図である。
【0097】
センサデバイス５００は、
ｉ）第１の方向Ｘに沿って、半導体基板に平行な第１の方向Ｘに配向された第１の磁場成分Ｂｘの第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘと、
ｉｉ）第２の方向Ｙに沿って、半導体基板に平行で第１の方向Ｘに垂直な第２の方向Ｙに配向された第２の磁場成分の第２の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙと、
ｉｉｉ）第１の方向Ｘに沿って半導体基板に垂直な第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第３の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘと、
ｉｖ）第２の方向Ｙに沿って第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙ、を決定するように構成された複数の磁気センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を含む半導体基板を備える。
ｉ）第１の方向Ｘに沿って、半導体基板に平行な第１の方向Ｘに配向された第１の磁場成分Ｂｘの第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘと、
ｉｉ）第２の方向Ｙに沿って、半導体基板に平行で第１の方向Ｘに垂直な第２の方向Ｙに配向された第２の磁場成分の第２の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙと、
ｉｉｉ）第１の方向Ｘに沿って半導体基板に垂直な第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第３の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘと、
ｉｖ）第２の方向Ｙに沿って第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙ、を決定するように構成された複数の磁気センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を含む半導体基板を備える。
【0098】
センサデバイス５００は、これらの磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘ、ｄＢｙ／ｄｙ、ｄＢｚ／ｄｘ、ｄＢｚ／ｄｙに基づいて、磁石、例えば、固定基準点を中心に枢動可能な磁石の軸Ａの配向を画定する、図１に示すような２つの角度、例えば、φ、ψ、または図２に示すような２つの角度、例えば、α、βを決定するように構成された処理回路（図５には示されていないが、例えば、図９を参照されたい）をさらに備える。
【0099】
さらに、外乱場の存在下であっても、分析的な方法で、かつ、比較的良好な近似で、例えば、±１０°よりも小さい絶対誤差で、かかる４つの磁場勾配に基づいて、そのような角度を定義および計算することが可能であることを、発明者らは驚くべきことに見出した。これは予想されていなかったことである。
【0100】
発明者らはまた、後処理によって、例えば、各角度に１つずつの２つの区分線形近似関数を使用して計算された角度を再マッピングすることによって、この精度をさらに向上させる（すなわち、絶対誤差を±５°より小さいまたは±３°より小さい値に減少させる）ことが可能であることを見出した。
【0101】
処理回路は、第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘに基づく第１の仮想平面ＸＺ上の磁石の軸Ａの正投影と第３の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘ間に形成された第１の角度αを決定するように構成され得、仮想平面ＸＺは、第１の方向Ｘおよび第３の方向Ｚに平行であり、第２の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙに基づく第２の仮想平面ＹＺ上の磁石の軸Ａの正投影と第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙ間に形成された第２の角度βを決定するように構成され得、仮想平面ＹＺは、第２の方向Ｙおよび第３の方向Ｚに平行である。
【0102】
これらの角度α、β（図２に示す）を用いて磁石の軸Ａの配向を特定することにより、比較的単純な数学的式を用いて角度を計算することができることを見出した。
【0103】
複数の磁気センサは、第１のセンサＳ１、第２のセンサＳ２、第３のセンサＳ３、および第４のセンサＳ４を含み得る。
【0104】
第１のセンサＳ１は、第１のセンサ場所に位置してもよく、第２のセンサＳ２は、第２のセンサ場所に位置してもよく、両方とも、第１の方向Ｘに配向された第１の仮想線上に位置し、第１の非ゼロ距離ΔＸだけ互いから離間されている。第１のセンサＳ１は、第１の方向Ｘに配向された第１の磁場成分Ｂｘ１と、第３の方向Ｚに配向された第２の磁場成分Ｂｚ１とを測定するように構成されてもよい。第２のセンサＳ２は、第１の方向Ｘに配向された第３の磁場成分Ｂｘ２と、第３の方向Ｚに配向された第４の磁場成分Ｂｚ２とを測定するように構成されてもよい。
【0105】
第３のセンサＳ３は、第３のセンサ場所に位置してもよく、第４のセンサＳ４は、第４のセンサ場所に位置してもよく、両方とも、第２の方向Ｙに配向された第２の仮想線上に位置し、第２の非ゼロ距離ΔＹだけ互いから離間されている。第３のセンサＳ３は、第２の方向Ｙに配向された第５の磁場成分Ｂｙ１と、第３の方向Ｚに配向された第６の磁場成分Ｂｚ３とを測定するように構成されてもよい。第４のセンサＳ４は、第１の方向Ｘに配向された第７の磁場成分Ｂｙ２と、第３の方向Ｚに配向された第８の磁場成分Ｂｚ４とを測定するように構成されてもよい。
【0106】
センサデバイスは、第１のＢｘ１と第３のＢｘ２の磁場成分との間の差に基づいて第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘを決定するため、第２のＢｚ１と第４のＢｚ２の磁場成分との間の差に基づいて第２の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘを決定するため、第５のＢｙ１と第７のＢｙ２の磁場成分との間の差に基づいて第３の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙを決定するため、および第６のＢｚ３と第８のＢｚ４の磁場成分との間の差に基づいて第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙを決定するために、さらに構成され得る。
【0107】
一実施形態では、距離ΔＹは距離ΔＸに等しく、この場合、４つのセンサ場所は好ましくは円上に位置し、基準点「Ｐｒｅｆ」は好ましくはこの円の中心に位置する。
【0108】
別の実施形態では、距離ΔＹは、ΔＸとは異なり、例えば、ΔＹより少なくとも５％大きいか、または小さく、この場合、４つのセンサ場所は、好ましくは楕円上に位置し、基準点「Ｐｒｅｆ」は、好ましくは、この楕円の中心に位置する。そのような実施形態を使用して、半導体基板のサイズを小さくすることができ、したがって、コンパクト性を高めることができ、コストを低減することができる。これは、「ハンドル」が（例えば、少なくとも３つまたは４つの位置を有する）、ＸＺ平面に平行な範囲（例えば、２つの位置のみを有する）と比較して、（例えば、少なくとも３つまたは４つの位置を有する）ＹＺ平面に平行なより大きな範囲にわたって移動可能であるジョイスティック用途に特に好適であり得る。
【0109】
図５の例では、４つのセンサＳ１～Ｓ４の各々は、集積磁気集中器（ＩＭＣ）と、ＩＭＣの周囲の近くに、１８０°間隔で配置された２つの水平ホール素子とを備える。
【0110】
より具体的には、第１のセンサＳ１は、第１の集積磁気集中器ＩＭＣ１と、第１の方向Ｘに配向された第１の仮想線上の第１のＩＭＣの反対側に位置する第１および第２の水平ホール素子Ｈ１およびＨ２とを含む。第２のセンサＳ２は、第２の集積磁気集中器ＩＭＣ２と、第２のＩＭＣの反対側に第１の仮想線上に位置する第３および第４の水平ホール素子Ｈ３およびＨ４とを含む。第３のセンサＳ３は、第３の集積磁気集中器ＩＭＣ３と、第２の方向Ｙに配向された第２の仮想線上の第３のＩＭＣの反対側に位置する第５および第６の水平ホール素子Ｈ５およびＨ６とを含む。第４のセンサＳ４は、第４の集積磁気集中器ＩＭＣ４と、第４のＩＭＣの反対側に第２の仮想線上に位置する第７および第８の水平ホール素子Ｈ７およびＨ８とを含む。
【0111】
集積磁気集中器（「集積フラックス集中器」としても知られている）は、直径が１５０μｍ～２５０μｍの範囲、例えば、１７０μｍ～２３０μｍの範囲、例えば、約２００μｍに等しいディスク形状を有してもよい。
【0112】
ｈ１～ｈ８が、水平ホール素子Ｈ１～Ｈ８それぞれによって提供される信号である場合、以下の式に従って、４つの勾配値が計算されてもよい。
【0113】
ｇｒ１＝（ｄＢｘ／ｄｘ）＝Ｂｘ２－Ｂｘ１＝（ｈ４－ｈ３）－（ｈ２－ｈ１） ［１１］
ｇｒ２＝（ｄＢｚ／ｄｘ）＝Ｂｚ２－Ｂｚ１＝（ｈ４＋ｈ３）－（ｈ２＋ｈ１） ［１２］
ｇｒ３＝（ｄＢｙ／ｄｙ）＝Ｂｙ４－Ｂｙ３＝（ｈ８－ｈ７）－（ｈ６－ｈ５） ［１３］
ｇｒ４＝（ｄＢｚ／ｄｙ）＝Ｂｚ４－Ｂｚ３＝（ｈ８＋ｈ７）－（ｈ６＋ｈ５） ［１４］
ｇｒ２＝（ｄＢｚ／ｄｘ）＝Ｂｚ２－Ｂｚ１＝（ｈ４＋ｈ３）－（ｈ２＋ｈ１） ［１２］
ｇｒ３＝（ｄＢｙ／ｄｙ）＝Ｂｙ４－Ｂｙ３＝（ｈ８－ｈ７）－（ｈ６－ｈ５） ［１３］
ｇｒ４＝（ｄＢｚ／ｄｙ）＝Ｂｚ４－Ｂｚ３＝（ｈ８＋ｈ７）－（ｈ６＋ｈ５） ［１４］
【0114】
本発明者らは、驚くべきことに、第１の角度αは、以下の極めて単純な式によって非常によく近似することができることを見出した。
【0115】
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１） ［１５ａ］
【0116】
さらに、第２の角度βは、以下の極めて単純な式によって非常によく近似することができる。
【0117】
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｇｒ４，ｇｒ３） ［１６ａ］
【0118】
両方の角度α、βは磁気勾配の関数として計算されるため、これらの角度は外乱場に対して非常に感度が低い。さらに、角度は２つの勾配の比に基づいて計算されるため、これらの角度もまた、磁石の温度変化および／または消磁などの老化効果に対して非常に感度が低い。
【0119】
Ｋ１およびＫ２の値は、シミュレーションによってまたは較正によって決定されてもよく、センサデバイスの不揮発性メモリに記憶されてもよい。Ｋ１、Ｋ２の値は、磁石のサイズ（直径、高さ）、センサ間の距離Δｘ、Δｙ、および磁石と基準点「Ｐｒｅｆ」との間の距離「ｇ」に依存し得る。
【0120】
しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、以下の式が用いてられてもよい。
【0121】
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｇｒ２，ｇｒ１） ［１５ｂ］
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｇｒ４，ｇｒ３） ［１６ｂ］
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｇｒ４，ｇｒ３） ［１６ｂ］
【0122】
式中、Ｋ３およびＫ４は、図７（ｃ）および図８（ｃ）でさらに説明する所定の定数である。式〔１５ｂ〕および〔１６ｂ〕は、ΔｘがΔｙと異なる場合、より正確な結果を提供し得る。当然のことながら、式の多くの変形例が可能であり、例えば、
【0123】
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２／Ｋ５，ｇｒ１） ［１５ｃ］、または
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，Ｋ６＊ｇｒ１） ［１５ｄ］、または
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１／Ｋ７） ［１５ｅ］でもよく、
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，Ｋ６＊ｇｒ１） ［１５ｄ］、または
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１／Ｋ７） ［１５ｅ］でもよく、
【0124】
式中、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７は所定の定数である。同様の変形例が、式［１６ｂ］に対しても可能である。
【0125】
図６は、図５のセンサデバイスの変形例として見られ得る、本発明により提案される別のセンサデバイス６００の概略図である。主な違いは、各センサが１つの水平ホール素子と１つの垂直ホール素子とを備えていることである。上記以外のものについても、必要に応じて、ここで適用可能である。
【0126】
より具体的には、図６の例では、第１のセンサＳ１は、第１の水平ホール素子Ｈ１および第１の垂直ホール素子Ｖ１を含み、第２のセンサＳ２は、第２の水平ホール素子Ｈ２および第２の垂直ホール素子Ｖ２を含み、第１および第２の垂直ホール素子Ｖ１およびＶ２の各々は、第１の方向Ｘに配向された最大感度の軸を有する。同様に、第３のセンサＳ３は、第３の水平ホール素子Ｈ３および第３の垂直ホール素子Ｖ３を含み、第４のセンサＳ４は、第４の水平ホール素子Ｈ４および第４の垂直ホール素子Ｖ４を含み、第３および第４の垂直ホール素子Ｖ３およびＶ４の各々は、第２の方向Ｙに配向された最大感度の軸を有する。
【0127】
ｈ１～ｈ４が水平ホール素子Ｈ１～Ｈ４によって提供される信号であり、ｖ１～ｖ４が垂直ホール素子Ｖ１～Ｖ４によって提供される信号である場合、第１および第２の角度α、βは、以下の一連の式に従って計算されてもよい。
【0128】
ｇｒ１＝（ｄＢｘ／ｄｘ）＝Ｂｘ２－Ｂｘ１＝（ｖ２－ｖ１） ［１７］
ｇｒ２＝（ｄＢｚ／ｄｘ）＝Ｂｚ２－Ｂｚ１＝（ｈ２－ｈ１） ［１８］
ｇｒ３＝（ｄＢｙ／ｄｙ）＝Ｂｙ４－Ｂｙ３＝（ｖ４－ｖ３） ［１９］
ｇｒ４＝（ｄＢｚ／ｄｙ）＝Ｂｚ４－Ｂｚ３＝（ｈ４－ｈ３） ［２０］
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１） ［２１ａ］
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｇｒ４，ｇｒ３） ［２２ａ］
ｇｒ２＝（ｄＢｚ／ｄｘ）＝Ｂｚ２－Ｂｚ１＝（ｈ２－ｈ１） ［１８］
ｇｒ３＝（ｄＢｙ／ｄｙ）＝Ｂｙ４－Ｂｙ３＝（ｖ４－ｖ３） ［１９］
ｇｒ４＝（ｄＢｚ／ｄｙ）＝Ｂｚ４－Ｂｚ３＝（ｈ４－ｈ３） ［２０］
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１） ［２１ａ］
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（ｇｒ４，ｇｒ３） ［２２ａ］
【0129】
または、次の式が使用される。
【0130】
α＝Ｋ１＊ａｔａｎ２（Ｋ３＊ｇｒ２，ｇｒ１） ［２１ｂ］
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｇｒ４，ｇｒ３） ［２２ｂ］
β＝Ｋ２＊ａｔａｎ２（Ｋ４＊ｇｒ４，ｇｒ３） ［２２ｂ］
【0131】
これは、ΔｘがΔｙと異なる場合に、より正確な結果をもたらし得る。
【0132】
図６の変形例では、センサデバイスは、垂直ホール素子を含まないが、代わりに磁気抵抗素子を含む。
【0133】
【0134】
図７（ａ）は、それぞれが約１９０μｍの直径を有するＩＭＣおよび２つの水平ホール素子（例えば、図３または図５に例示される）を備える、約１．７ｍｍ離間された２つのセンサの間に、半導体基板上に位置する基準点から距離ｇ＝３ｍｍに取り付けられた、直径Ｄ＝４ｍｍ、および高さＨ＝４ｍｍを有する円筒磁石を備える、例示的なセンサシステム７００を示す。
【0135】
【0136】
図７（ｂ）は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、基準位置「Ｐｒｅｆ」に位置するセンサによって測定される機械的角度α（図２に示すように）の関数としての磁場成分Ｂｘ、Ｂｚの波形のプロットを示す。このプロットはまた、これらの成分ｓｑｒ（Ｂｘ）＋ｓｑｒ（Ｂｚ）の平方和として計算された磁場の大きさ｜Ｂ｜の波形を示す。見てわかるように、この値は実質的に一定である。
【0137】
図７（ｃ）は、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、基準位置「Ｐｒｅｆ」の反対側に位置する２つのセンサによって測定された信号から導出され得るように、そのため、例えば図５または図６に示すように、センサデバイスによって決定され得るように、機械的角度αの関数としての磁場勾配ｇｒ２＝ｄＢｚ／ｄｘおよびｇｒ１＝ｄＢｘ／ｄｘの波形のプロットを示す。図７（ｂ）のプロットはまた、これらの勾配ｓｑｒ（ｄＢｘ／ｄｘ）＋ｓｑｒ（ｄＢｚ／ｄｘ）の平方和として計算された｜ｄＢ｜の波形を示す。見てわかるように、この値はむしろ一定であるが、完全に一定ではなく、つまり、勾配信号ｇｒ１およびｇｒ２は完全な直交信号ではない。式〔１５ｂ〕、〔１６ｂ〕、〔２１ｂ〕、および〔２２ｂ〕は、例えば、０．８０～０．９８の範囲内、または１．０２～１．２０の範囲内で、１．００とは異なるＫ３およびＫ４の値を選択することによって、この相違を考慮に入れることができる。
【0138】
しかし、上述のように、驚くべきことに、これらの信号は、Ｋ因子なしでも、直交信号に非常によく似ていることを見出した。
【0139】
実際に、図７（ｄ）は、式ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１）により得られた曲線を示す。見てわかるように、この曲線はほぼ線形であり、約２．５に等しい傾きを有する。このような高い線形性はまったく予想外のものであった。
【0140】
図７（ｅ）は、機械的角度αと、すなわち、Ｋ１＝０．４で式［１５ａ］を適用することによって、（０．４）＊ａｔａｎ２（ｇｒ２，ｇｒ１）として計算された値との差（または誤差）を示す。誤差は、約６０°～約１２０°で変化する機械的角度αについて±４°未満である。このような単純な式に対するこのような小さな誤差は予測できない。
【0141】
図７（ａ）～図７（ｅ）は角度αのシミュレーションのみを示しているが、これらのシミュレーションは第２の角度βも表している、しかし、この場合、曲線のラベルは図７（ｂ）において「Ｂｘ」の代わりに「Ｂｙ」とし、図７（ｃ）において「ｄＢｚ／ｄｘ」の代わりに「ｄＢｚ／ｄｙ」、「ｄＢｘ／ｄｘ」の代わりに「ｄＢｙ／ｄｙ」とする。
【0142】
上述のように、発明者らはまた、この誤差は、例えば、パラメータが、較正ステップ中に決定されてもよく、センサデバイスの不揮発性メモリに記憶されてもよい、区分線形近似を使用して図７（ｄ）の曲線を再マッピングすることに基づいて、既知の「後処理技術」によって、±５°未満、または±３°未満、または±１．０°未満、または±０．５°未満、またはさらには±０．２°未満、または±０．１°未満の値にさらに低減することができることを見出した。
【0143】
図７（ｃ）から、信号ｄＢｚ／ｄｘ単独では、第１の角度の目安として使用され得、同様に、信号ｄＢｚ／ｄｙ単独では、第２の角度の目安として使用され得ることが理解され得る。用途（ゲームコンソール、掘削機など）によっては、目安で十分な場合もあれば、十分ではない場合もある。目安は、ルックアップテーブルまたは区分線形補正を使用することによってさらに改善されてもよい。
【0144】
図８（ａ）は、それぞれが約１９０μｍの直径を有するＩＭＣおよび２つの水平ホール素子（例えば、図３または図５に例示される）を備える、約１．７ｍｍ離間された２つのセンサとの間に位置する基準点「Ｐｒｅｆ」からの距離ｇ＝３ｍｍに取り付けられた、直径Ｄ＝８ｍｍ、および高さＨ＝４ｍｍを有する円筒磁石を備える、例示的なセンサシステム８００を示す。
【0145】
【0146】
図８（ｂ）～図８（ｅ）の曲線は、図７（ｂ）～図７（ｅ）の曲線と非常に類似しているが、図８（ｄ）に示す曲線の固有の線形性は改善され、図８（ｅ）に示す固有の誤差は、±３°の範囲内の値まで減少している（「固有の線形性」とは、「後処理」なしの曲線の線形性を意味する）。上述のように、固有の線形性は、１．００とは異なるＫ３、Ｋ４で、式［１５ｂ］、［１６ｂ］、［２１ｂ］、および［２２ｂ］のいずれかを使用して改善されてもよい。
【0147】
【0148】
【表1】
【0149】
本開示の恩恵を有する当業者は、例えば、シミュレーションおよび／または較正試験を実行することによって、Ｋ１、Ｋ２、および任意選択的にＫ３、Ｋ４の最適値を容易に見つけることができる。Ｋ１～Ｋ４の値は、センサデバイスの不揮発性メモリ９３１に記憶され得る（例えば、図９を参照）。
【0150】
図９は、上述の位置センサデバイスにおいて使用され得る回路９１０の電気ブロック図を示す。回路９１０は、複数の磁気センサ素子Ｍ１～Ｍ８（例えば、水平ホール素子、垂直ホール素子、ＭＲ素子など）と、処理ユニット９３０（例えば、アナログ構成要素および／もしくはデジタル構成要素を含む）と、不揮発性メモリ９３１（例えば、ＥＥＰＲＯＭもしくはフラッシュ）と、を備える。ホールセンサ、またはＭＲ素子を含む回路のバイアスおよび読み出しは、当技術分野で周知であり、したがって、ここでさらに詳細に説明する必要はない。
【0151】
【0152】
センサデバイスは、第１のセンサ場所で磁場成分Ｂｘ１およびＢｚ１、第２のセンサ場所でＢｘ２およびＢｚ２、第３のセンサ場所でＢｙ１およびＢｚ３、第４のセンサ場所でＢｙ２およびＢｚ４を測定するように構成され得、第１のセンサ場所および第２のセンサ場所は、Ｘ軸上に位置し、第３のセンサ場所および第４のセンサ場所は、Ｘ軸に垂直なＹ軸上に位置し、センサデバイスは、これらの磁場勾配に基づいて、Ｘ方向に沿った面内勾配ｄＢｘ／ｄｘおよび面外勾配ｄＢｚ／ｄｘを決定するように、Ｙ方向に沿った面内勾配ｄＢｙ／ｄｙおよび面外勾配ｄＢｚ／ｄｙを決定するように、および２つの角度値α、βを決定するように構成される。
【0153】
第１の角度αおよび第２の角度βは、例えば、上述の数式［１５ａ］および［１５ｂ］、もしくは［２１ａ］および［２１ｂ］を使用することによって、ならびに／または任意選択的には補間を有するルックアップテーブルを使用することによって、上述の方法で決定されてもよい。任意選択的には、例えば、αに対して区分線形補正を使用し、βに対して区分線形補正を使用して、補正後ステップも適用される。αの区分線形補正は、βの区分線形補正とは独立していてもよい。
【0154】
磁場成分を決定するための（例えば、図５のｈ２－ｈ１）および／または磁場勾配を決定するための（例えば、図５のＢｘ２－Ｂｘ１、または図６のｖ４－ｖ３）信号の減算は、増幅の前もしくは後のアナログドメインで、またはデジタルドメインで実施されてもよい。
【0155】
処理ユニット９３０は、任意選択的には不揮発性メモリ９３１（例えば、ＮＶＲＡＭまたはＥＥＰＲＯＭまたはフラッシュ）を含むか、またはそれに接続されてもよいデジタルプロセッサを含んでもよい。このメモリは、１つ以上の定数、例えば、Ｋ１、Ｋ２を記憶するように構成されてもよく、また、使用される場合、Ｋ３、Ｋ４も、および任意選択的に、適用される場合、補正後ステップの値または係数も記憶するように構成されてもよい。デジタルプロセッサ９３０は、例えば、８ビットプロセッサであってもよく、または１６ビットプロセッサであってもよい。
【0156】
明示的には示されていないが、センサデバイス９１０は、増幅器、差動増幅器、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）、マルチプレクサなどからなる群から選択さる１つ以上の構成要素またはサブ回路をさらに備え得る。ＡＤＣは、少なくとも８ビット、または少なくとも１０ビット、または少なくとも１２ビット、または少なくとも１４ビット、または少なくとも１６ビットの分解能を有し得る。
【0157】
処理回路が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する必要がないこと、または数百のノードを有するニューラルネットワークを実装する必要がないことは大きな利点である。
【0158】
図１０は、半導体基板上に位置する基準点「Ｐｒｅｆ」に対する軸（Ａ）を有する円筒磁石の配向（α，β）を決定する方法１０００のフローチャートを示し、方法は、上記の磁場勾配のうちの少なくとも２つに基づいて、
ａ）第１の方向Ｘに沿って、半導体基板に平行な第１の方向Ｘに配向された第１の磁場成分Ｂｘの第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘを決定すること１００１と、
ｂ）第２の方向Ｙに沿って、半導体基板に平行であり、第１の方向Ｘに垂直な第２の方向Ｙに配向された第２の磁場成分Ｂｙの第２の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙを決定すること１００２と、
ｃ）第１の方向Ｘに沿って、半導体基板に垂直な第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第３の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘを決定すること１００３と、
ｄ）第２の方向Ｙに沿って、第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙを決定すること１００４と、
ｅ）上記磁場勾配のうちの少なくとも２つに基づいて、第１の方向Ｘに平行な第１の仮想平面ＸＺ上の磁石の軸「Ａ」の正投影と第３の方向Ｚの間に形成された第１の角度αを決定すること１００５と、
ｆ）上記磁場勾配のうちの少なくとも２つに基づいて、第２の方向Ｙに平行な第２の仮想平面ＹＺ上の磁石の前記軸「Ａ」の正投影と第３の方向Ｚの間に形成された第２の角度βを決定すること１００６と、
を含む。
ａ）第１の方向Ｘに沿って、半導体基板に平行な第１の方向Ｘに配向された第１の磁場成分Ｂｘの第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘを決定すること１００１と、
ｂ）第２の方向Ｙに沿って、半導体基板に平行であり、第１の方向Ｘに垂直な第２の方向Ｙに配向された第２の磁場成分Ｂｙの第２の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙを決定すること１００２と、
ｃ）第１の方向Ｘに沿って、半導体基板に垂直な第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第３の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘを決定すること１００３と、
ｄ）第２の方向Ｙに沿って、第３の方向Ｚに配向された第３の磁場成分Ｂｚの第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙを決定すること１００４と、
ｅ）上記磁場勾配のうちの少なくとも２つに基づいて、第１の方向Ｘに平行な第１の仮想平面ＸＺ上の磁石の軸「Ａ」の正投影と第３の方向Ｚの間に形成された第１の角度αを決定すること１００５と、
ｆ）上記磁場勾配のうちの少なくとも２つに基づいて、第２の方向Ｙに平行な第２の仮想平面ＹＺ上の磁石の前記軸「Ａ」の正投影と第３の方向Ｚの間に形成された第２の角度βを決定すること１００６と、
を含む。
【0159】
ステップｅ）は、第１の磁場勾配ｄＢｘ／ｄｘおよび第３の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｘにのみ基づいて、第１の角度αを決定することを含んでもよい。
【0160】
ステップｆ）は、第２の磁場勾配ｄＢｙ／ｄｙおよび第４の磁場勾配ｄＢｚ／ｄｙにのみ基づいて、第２の角度βを決定することを含んでもよい。
【0161】
ステップｅ）は、式［１５ａ］または［１５ｂ］に従って第１の角度αを決定することを含んでもよい。
【0162】
ステップｆ）は、式［２１ａ］または［２１ｂ］に従って第２の角度βを決定することを含んでもよい。
【0163】
【0164】
この方法の変形例では、（明示的に示されていない）ステップａ）およびステップｂ）は省略され、ステップｅ）は、１つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｘのみに基づいて第１の角度を決定することを含み、ステップｆ）は、１つの磁場勾配、すなわち、ｄＢｚ／ｄｙのみに基づいて第２の角度を決定することを含む。
【0165】
上記では、磁石が半導体表面上に位置する基準点「Ｐｒｅｆ」を中心に枢動可能な円筒磁石であるシステムが説明されるが、本発明はこれに限定されず、磁石が別の形状（例えば、球形または棒状）の２極磁石である場合、および／または基準点「Ｐｒｅｆ」が半導体基板に固定されているが、半導体基板から非ゼロ距離「ｄｒｅｆ」に位置する場合にも機能する。
【0166】
図１１は、半導体基板（明示的に示されていないが、ＸＹ平面によっても定義される）の上の所定の非ゼロ距離「ｄｒｅｆ」に位置する基準点「Ｐｒｅｆ」を中心に磁石１１０１が枢動可能な、図１のセンサシステムの変形例を示す。この例では、基準点「Ｐｒｅｆ」は、正Ｚ軸上に位置し、つまり、磁石および基準点が基板の同じ側に位置することを意味している。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、基準点は、負Ｚ軸、すなわち、磁石とは反対側の基板上に位置してもよい。
【0167】
図１および図１１に示すシステムの基準点「Ｐｒｅｆ」は、円筒磁石のサイズによって画定される空間の外側に位置し、磁石が中立位置（つまり、α＝０°、β＝０°の場合）にあるとき、半導体基板と磁石の間に位置する。
【0168】
しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明は、磁石の軸が枢動可能となる（実在または想像上の）基準点「Ｐｒｅｆ」が、磁石によって画定される空間内または磁石によって画定される空間の上に位置する場合にも機能する。
【0169】
これらの場合には、αおよびβを計算するために上記と同じ式を用いてもよいことが見出された。代替的に、第１の角度αおよび第２の角度βは、「ａｔａｎ２」関数（２つの引数の逆正接関数）として計算され得、第１の引数および第２の引数の各々は、ｄＢｘ／ｄｘ、ｄＢｚ／ｄｘ、ｄＢｙ／ｄｙおよびｄＢｚ／ｄｙからなる群から選択される２つ以上の磁場勾配の線形組み合わせである。
【0170】
任意選択的に、センサデバイスは、例えば、予め定義された係数の第１のセットを使用して、角度αについて第１の区分線形補正を適用することによって、および予め定義された係数の第２のセットを使用して、角度βについて第２の区分線形補正を適用することによって、当技術分野で既知の方法で、これらの角度に後処理を適用するようさらに適合されてもよい。これらの係数は、較正ステップ中に決定されてもよく、センサデバイスの不揮発性メモリに記憶されてもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4(a)】
【図4(b)】
【図4(c)】
【図4(d)】
【図5】
【図6】
【図7(a)】
【図7(b)】
【図7(c)】
【図7(d)】
【図7(e)】
【図8(a)】
【図8(b)】
【図8(c)】
【図8(d)】
【図8(e)】
【図9】
【図10】
【図11】
【外国語明細書】