(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-28
(45)【発行日】2024-03-07
(54)【発明の名称】回転ディスク型磁場プローブ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/02 20060101AFI20240229BHJP
G01R 33/09 20060101ALI20240229BHJP
【ＦＩ】
G01R33/02 L
G01R33/09
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2022568825
(86)(22)【出願日】2021-05-11
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-19
(86)【国際出願番号】 CN2021092974
(87)【国際公開番号】W WO2021228065
(87)【国際公開日】2021-11-18
【審査請求日】2023-01-10
(31)【優先権主張番号】202010403332.X
(32)【優先日】2020-05-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(73)【特許権者】
【識別番号】514116947
【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄ ＆ Ｅ， Ｎｏ．２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｒｏａｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｆｒｅｅ Ｔｒａｄｅ Ｚｏｎｅ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２１５６３４ Ｃｈｉｎａ
(74)【代理人】
【識別番号】110000729
【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ディーク、ジェイムズ、ゲーザ
(72)【発明者】
【氏名】チョウ、チーミン
【審査官】島▲崎▼ 純一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１０１１１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１５１５３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０００－５０６２６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１７９５８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１０２７３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１１６９４３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０５８１８２２７（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２４９５４５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０２
Ｇ０１Ｒ ３３／０９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
非磁性回転ディスク、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ、およびＭ個の第２の軟強磁性セクタであって、該第１の軟強磁性セクタと該第２の軟強磁性セクタとの両方は、該非磁性回転ディスク上に位置し、該４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタの円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０，９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋９０°／Ｎ，２×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（ｉ－１）×９０°／Ｎ，ｉ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（４Ｎ－１）×９０°／Ｎ，４Ｎ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、該Ｍ個の第２の軟強磁性セクタの円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１，３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋３６０°／Ｍ，２×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（ｉ－１）×３６０°／Ｍ，ｉ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、および（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ，Ｍ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）である、非磁性回転ディスク、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ、およびＭ個の第２の軟強磁性セクタと、円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝０°＆１８０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＹ軸磁気抵抗センサと、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝９０°＆２７０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＸ軸磁気抵抗センサと、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α［（α＝１８０°／Ｍ）｜（α＝３×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２ｉ－１）×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）｜（α＝（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）］，ｚ［（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４）｜（ｚ＝ｚ１＋ｔｈ３＋ｔｈ４）］）におけるＺ軸磁気抵抗センサと、
基準信号生成器と、
を備え、４Ｎ／ＭとＭ／４Ｎの両方は、非整数である、回転ディスク型磁場プローブであって、
動作時、該非磁性回転ディスクは、周波数ｆでＺ軸を中心として回転し、外部磁場Ｈは、該第１の軟強磁性セクタによって４Ｎ×ｆの周波数を有する磁場感知成分ＨｘおよびＨｙに変調され、該外部磁場Ｈは、該第２の軟強磁性セクタによってＭ×ｆの周波数を有する磁場感知成分Ｈｚにさらに変調され、該３つの磁場感知成分Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚは、それぞれ、該Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサによって出力信号に変換され、該基準信号生成器は、それぞれ、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、およびＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力し、該第１の基準信号、該第２の基準信号、および測定信号は、３次元磁場信号の高い信号対雑音比を測定するように、外部処理回路によって、磁場値Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚを出力するように復調される、回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項2】
前記非磁性回転ディスクは、４Ｎ個の第１の入射光穴、およびＭ個の第２の入射光穴を有し、該４Ｎ個の第１の入射光穴の円筒座標は、それぞれ、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＆θ＋９０°／Ｎ＆θ＋２×９０°／Ｎ．．．＆θ＋（ｉ－１）×９０°／Ｎ．．．＆θ＋（４Ｎ－１）×９０°／Ｎ），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、該Ｍ個の第２の入射光穴の円筒座標は、それぞれ、（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１＆θ１＋３６０°／Ｍ＆θ１＋２×３６０°／Ｍ．．．＆θ１＋（ｉ－１）×３６０°／Ｍ．．．＆θ１＋（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、ただし、ｒ１＜ｒｅ１、およびｒ１＜ｒｅ２であり、前記基準信号生成器は、第１の発光素子と、第２の発光素子と、第１の光検出器と、第２の光検出器と、第１の論理トリガ回路と、第２の論理トリガ回路とを備え、該第１の発光素子は、該第１の入射光穴の上方または下方に位置し、該第２の発光素子は、該第２の入射光穴の上方または下方に位置し、該第１の光検出器は、該第１の発光素子とは反対の該第１の入射光穴の他方の側に位置し、該第２の光検出器は、該第２の発光素子とは反対の該第２の入射光穴の他方の側に位置し、
動作時、該第１の入射光穴および該第２の入射光穴が該第１の発光素子および該第２の発光素子に直面するときに、前記非磁性回転ディスクは、前記周波数ｆで前記Ｚ軸を中心として回転し、該第１の光検出器は、前記４Ｎ×ｆの周波数を有する前記第１の基準信号を出力するように該第１の論理トリガ回路をトリガし、該第２の光検出器は、前記Ｍ×ｆの周波数を有する前記第２の基準信号を出力するように該第２の論理トリガ回路をトリガする、請求項１記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項3】
前記基準信号生成器は、アナログ角度変換器と、周波数逓倍器とを備え、該アナログ角度変換器は、前記非磁性回転ディスクの前記回転を監視し、角度で変化する正弦または余弦周期信号を出力し、次いで、該周波数逓倍器によって、前記４Ｎ×ｆの周波数を有する前記第１の基準信号、および前記Ｍ×ｆの周波数を有する前記第２の基準信号を出力する、請求項１記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項4】
前記第１の基準信号と前記第２の基準信号は共に、高レベル信号または低レベル信号であり、前記第１の光検出器が前記第１の発光素子によって発せられた光を検出する前に、前記第１の論理トリガ回路のレベルは変わらないままであり、前記第１の光検出器が前記第１の発光素子によって発せられた該光を検出した後、前記第１の論理トリガ回路の該レベルは変換され、
前記第２の光検出器が前記第２の発光素子によって発せられた光を検出する前に、前記第２の論理トリガ回路のレベルは変わらないままであり、前記第２の光検出器が、前記第２の発光素子によって発せられた該光を検出した後、前記第２の論理トリガ回路の該レベルは変換される、請求項２記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項5】
前記第１の光検出器、前記第２の光検出器、前記Ｘ軸磁気抵抗センサ、前記Ｙ軸磁気抵抗センサ、および前記Ｚ軸磁気抵抗センサは、同じ回路基板上に位置する、請求項２記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項6】
前記Ｘ軸磁気抵抗センサ、前記Ｙ軸磁気抵抗センサ、および前記Ｚ軸磁気抵抗センサは全て、リニア・トンネル磁気抵抗センサである、請求項１記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項7】
前記外部処理回路は、第１の位相ロック回路と、第２の位相ロック回路と、第３の位相ロック回路とを備え、前記Ｙ軸磁気抵抗センサの測定信号は、結合され、第１のコンデンサを介して該第１の位相ロック回路へ出力され、前記Ｘ軸磁気抵抗センサの測定信号は、結合され、第２のコンデンサを介して該第２の位相ロック回路へ出力され、前記Ｚ軸磁気抵抗センサの測定信号は、結合され、第３のコンデンサを介して該第３の位相ロック回路へ出力され、該位相ロック回路は、ミキサと、ローパス・フィルタとをそれぞれ備え、該第１の位相ロック回路および該第２の位相ロック回路の該ローパス・フィルタのカットオフ周波数は共に、４Ｎ×ｆよりも低く、該第３の位相ロック回路の該ローパス・フィルタのカットオフ周波数は、Ｍ×ｆよりも低い、請求項６記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項8】
前記外部処理回路は、前置増幅器をさらに備え、該前置増幅器は、前記コンデンサと前記位相ロック回路との間に配置される、請求項７記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項9】
前記第１の基準信号は、前記第１の位相ロック回路および前記第２の位相ロック回路にそれぞれ接続され、前記第１の位相ロック回路は、前記外部磁場ＨのＹ軸磁場成分に対応するＶｙ信号を出力し、前記第２の位相ロック回路は、前記外部磁場ＨのＸ軸磁場成分に対応するＶｘ信号を出力し、前記第２の基準信号は、前記第３の位相ロック回路に接続され、前記第３の位相ロック回路は、前記外部磁場ＨのＺ軸磁場成分に対応するＶｚ信号を出力する、請求項７または８記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項10】
前記非磁性回転ディスクは、磁気シールド式モータによって回転するように駆動され、前記非磁性回転ディスクは、非磁性伝達シャフトを介して該磁気シールド式モータに接続され、該磁気シールド式モータの表面は、金属伝導層で覆われ、前記非磁性回転ディスクに近い前記磁気シールド式モータの片側は、磁気シールドのために軟強磁性金属層で覆われる、請求項１記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【請求項11】
前記第１の軟強磁性セクタ、前記第２の軟強磁性セクタ、および前記軟強磁性金属層は全て、軟強磁性合金材料で作製される、請求項１０記載の回転ディスク型磁場プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の本実施形態は、磁気抵抗センサ技術に関し、詳細には、回転ディスク型磁場プローブに関する。
【背景技術】
【0002】
磁気抵抗センサは、１／ｆ雑音を有する。磁気抵抗センサの雑音を減少させ、低雑音の磁気抵抗センサを開発することは、磁気信号の正確な測定を改善する際に大変重要である。
【0003】
一般に、磁気抵抗センサは、低周波において高い１／ｆ雑音を有し、一方、熱雑音は、高周波で優勢であり、しかし、熱雑音の雑音エネルギー密度は、低周波における１／ｆ雑音のものよりもずっと低い。したがって、現在、磁気信号をより高い周波数の磁場に変調し、次いで、磁気抵抗センサによって高周波磁場を測定して高周波電圧信号を出力することが一般的である。次いで、スペクトルの低周波部分からスペクトルの高周波部分へ磁気信号測定を移動させるために、高周波電圧信号は変調され、それによって１／ｆ雑音のエネルギー密度を減少させる。
【0004】
しかしながら、既存の高周波磁気信号測定機器は、磁気抵抗センサの複雑さおよびサイズ、ならびに製造プロセスの複雑さを大いに増大させる。
【0005】
米国特許出願ＵＳ／３６５，３９８は、磁気センサによって感知された磁束を変調する磁気抵抗センサの方法および機器を開示する。本出願は、基部構造に取り付けられた少なくとも１つの磁気センサと、回転部材と、回転部材に装着された少なくとも１つの磁束コンセントレータとを含む。回転部材が回転すると、少なくとも１つの磁束コンセントレータは、磁気センサを周期的にシールドする。したがって、少なくとも１つの磁気センサの出力は変調される。本出願は、２軸センサを実現するためにＴＭＲセンサ・チップを使用し、これは、複雑な構造および大きいサイズを有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の実施形態は、測定システムの複雑さの問題を解決するために回転ディスク型磁場プローブを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の実施形態は、
非磁性回転ディスク、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ、およびＭ個の第２の軟強磁性セクタ（第１の軟強磁性セクタと第２の軟強磁性セクタとの両方は、非磁性回転ディスク上に位置する。４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタの円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０，９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋９０°／Ｎ，２×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（ｉ－１）×９０°／Ｎ，ｉ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（４Ｎ－１）×９０°／Ｎ，４Ｎ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、Ｍ個の第２の軟強磁性セクタの円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１，３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋３６０°／Ｍ，２×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（ｉ－１）×３６０°／Ｍ，ｉ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、および（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ，Ｍ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）である）と、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝０°＆１８０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＹ軸磁気抵抗センサと、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝９０°＆２７０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＸ軸磁気抵抗センサと、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α［（α＝１８０°／Ｍ）｜（α＝３×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２ｉ－１）×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）｜（α＝（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）］，ｚ［（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４）｜（ｚ＝ｚ１＋ｔｈ３＋ｔｈ４）］）におけるＺ軸磁気抵抗センサと、
基準信号生成器と、を含み、４Ｎ／ＭとＭ／４Ｎの両方は、非整数である、回転ディスク型磁場プローブを提供する。
非磁性回転ディスク、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ、およびＭ個の第２の軟強磁性セクタ（第１の軟強磁性セクタと第２の軟強磁性セクタとの両方は、非磁性回転ディスク上に位置する。４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタの円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０，９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋９０°／Ｎ，２×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（ｉ－１）×９０°／Ｎ，ｉ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（４Ｎ－１）×９０°／Ｎ，４Ｎ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、Ｍ個の第２の軟強磁性セクタの円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１，３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋３６０°／Ｍ，２×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（ｉ－１）×３６０°／Ｍ，ｉ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、および（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ，Ｍ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）である）と、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝０°＆１８０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＹ軸磁気抵抗センサと、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝９０°＆２７０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＸ軸磁気抵抗センサと、
円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α［（α＝１８０°／Ｍ）｜（α＝３×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２ｉ－１）×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）｜（α＝（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）］，ｚ［（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４）｜（ｚ＝ｚ１＋ｔｈ３＋ｔｈ４）］）におけるＺ軸磁気抵抗センサと、
基準信号生成器と、を含み、４Ｎ／ＭとＭ／４Ｎの両方は、非整数である、回転ディスク型磁場プローブを提供する。
【0008】
動作時、非磁性回転ディスクは、周波数ｆでＺ軸を中心として回転する。外部磁場Ｈは、第１の軟強磁性セクタによって４Ｎ×ｆの周波数を有する磁場感知成分ＨｘおよびＨｙに変調され、外部磁場Ｈは、第２の軟強磁性セクタによってＭ×ｆの周波数を有する磁場感知成分Ｈｚにさらに変調される。３つの磁場感知成分Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚは、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサによって出力信号に変換される。基準信号生成器は、それぞれ、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、およびＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力する。第１の基準信号、第２の基準信号、および測定信号は、高い信号対雑音比を有する３次元磁場信号を測定するように、外部処理回路によって、磁場値Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚを出力するように復調される。
【0009】
本発明の本実施形態では、回転ディスク型磁場プローブは、非磁性回転ディスクと、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタと、Ｍ個の第２の軟強磁性セクタと、基準信号生成器と、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサとを含む。第１の軟強磁性セクタと第２の軟強磁性セクタとの両方は、非磁性回転ディスク上に位置し、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサは、非磁性回転ディスクの上方または下方に位置する。本発明の本実施形態では、回転ディスク型磁場プローブは、静磁場を高周波磁場に変調し、ＴＭＲ磁気抵抗センサのＤＣオフセットによって引き起こされる雑音に有効に打ち勝つことができる高周波磁場を測定し、ＤＣオフセットの影響をなくし、ＴＭＲ磁気抵抗センサの使用中に雑音を大いに減少させる。また、測定構造は、製造方法が簡単であり、これは、回転軟強磁性プローブを磁気抵抗センサに加えることによって実現することができ、それによって、測定構造の複雑さおよびサイズを減少させる。地球磁場を監視するとともに、信号対雑音比を改善する測定構造は、価値がある。
【0010】
本発明の実施形態または先行技術における技術的解決策をより明確に説明するために、先行技術の実施形態の説明に使用される必要がある添付図面が、以下に簡潔に導入される。以下の説明における添付図面は、本発明のいくつかの特定の実施形態であるが、それらは、本発明の様々な実施形態により開示されるデバイス構造、ドライブ方法、および製造方法の基本概念に従って他の構造および図面に拡張および拡大できることが、当業者によって明らかであり、それらは、本発明の特許請求の範囲内にあることに疑いの余地はない。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の一実施形態による回転ディスク型磁場プローブの概略図である。
【図5a】Ｙ軸磁気抵抗センサの誘導磁場の最大値の位置の図である。
【図5b】Ｙ軸磁気抵抗センサの誘導磁場の最小値の位置の図である。
【図6a】Ｘ軸磁気抵抗センサの誘導磁場の最大値の位置の図である。
【図6b】Ｘ軸磁気抵抗センサの誘導磁場の最小値の位置の図である。
【図7a】Ｚ軸磁気抵抗センサの誘導磁場の最大値の位置の図である。
【図7b】Ｚ軸磁気抵抗センサの誘導磁場の最小値の位置の図である。
【図8a】Ｘ軸単方向磁場下で非磁性回転ディスクの回転角に伴って変動するＸ軸磁気抵抗センサの誘導磁場強度の図である。
【図8b】単方向磁場下で非磁性回転ディスクの回転角に伴って変動するＺ軸磁気抵抗センサの誘導磁場強度の図である。
【図9】磁気抵抗センサの白色雑音スペクトル図である。
【図10】外部処理回路の概略構造図である。
【図11】外部処理回路の概略構造図である。
【図12】非磁性回転ディスクの駆動構造の概略図である。
【図13】磁気シールド式モータの概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本開示の目的、技術的解決策、および利点をより明確にするために、本開示の技術的解決策は、以下、本開示の実施形態における添付図面を参照して、実施のやり方によってより明確かつ完全に説明されることになる。説明される実施形態は、本開示の実施形態の一部であって、全ての実施形態ではないことが明らかである。本発明における実施形態によって開示され、促進される基本概念に基づいて、当業者が得る全ての他の実施形態は、本発明の保護範囲に属する。
【0013】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による回転ディスク型磁場プローブの概略図が示されている。図２は、Ｂ－Ｂに沿った図１の断面図であり、図３は、Ｂ－Ｂに沿った図１の断面図であり、図４は、図１の回転の概略図である。回転ディスク型磁場プローブ１は、非磁性回転ディスク２と、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ３と、Ｍ個の第２の軟強磁性セクタ４（第１の軟強磁性セクタ３と第２の軟強磁性セクタ４は共に、非磁性回転ディスク２上に位置する。４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ３の円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０，９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋９０°／Ｎ，２×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（ｉ－１）×９０°／Ｎ，ｉ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋（４Ｎ－１）×９０°／Ｎ，４Ｎ×９０°／Ｎ－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、この第２の軟強磁性セクタ４の円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１，３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋３６０°／Ｍ，２×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（ｉ－１）×３６０°／Ｍ，ｉ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、および（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ，Ｍ×３６０°／Ｍ－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）である）と、円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝０°＆１８０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＹ軸磁気抵抗センサ５および６と、円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝９０°＆２７０°），ｚ［（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２）｜（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２）］）におけるＸ軸磁気抵抗センサ７および８と、円筒座標（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α［（α＝１８０°／Ｍ）｜（α＝３×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２ｉ－１）×１８０°／Ｍ）｜．．．｜（α＝（２Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）｜（α＝（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ）］，ｚ［（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４）｜（ｚ＝ｚ１＋ｔｈ３＋ｔｈ４）］）におけるＺ軸磁気抵抗センサ９と、基準信号生成器とを含み、４Ｎ／ＭとＭ／４Ｎの両方は、非整数である。
【0014】
動作時、非磁性回転ディスク２は、周波数ｆでＺ軸を中心として回転する。外部磁場Ｈは、第１の軟強磁性セクタ３によって４Ｎ×ｆの周波数を有する磁場感知成分ＨｘおよびＨｙに変調され、外部磁場Ｈは、第２の軟強磁性セクタ４によってＭ×ｆの周波数を有する磁場感知成分Ｈｚにさらに変調される。３つの磁場感知成分Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚは、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサによって出力信号に変換される。基準信号生成器は、それぞれ、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、およびＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力する。第１の基準信号、第２の基準信号、および測定信号は、３次元磁場信号の高い信号対雑音比を測定するように、外部処理回路によって、磁場値Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚを出力するように復調される。
【0015】
この実施形態では、非磁性回転ディスク２は、ある厚さを有する円形構造を有し、適宜、小さい厚さを有する円筒構造であり得る。ｘｙｚ座標系が、非磁性回転ディスク２の中心軸をｚ＝０軸としてとることによって確立され、Ｘ軸およびＹ軸で構成される平面は、非磁性回転ディスク２の上面および下面に平行であり、Ｚ軸方向は、非磁性回転ディスク２の表面に直交し、すなわち、非磁性回転ディスク２の厚さ方向に平行である。適宜、ｚ座標は、非磁性ディスク２の下面はｚ＝ｚ０であり、非磁性回転ディスク２の厚さはｔｈ１であり、次いで、その上面のｚ座標は、ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１である。非磁性回転ディスク２の下面の下方のデバイスのｚ座標は、ｚ０よりも小さく、非磁性回転ディスク２の上面よりも上方のデバイスのｚ座標が、ｚ０＋ｔｈ１よりも大きい。回転ディスク型磁場プローブ１におけるデバイスの座標点は、円筒座標（ｒ，α，ｚ）によって表され、ただし、ｒは、Ｚ軸に関する垂直距離を表し、αは、Ｘ－Ｙ平面上のｒの投影とＸ軸との間の内角を表す。適宜、非磁性回転ディスク２は、プラスチック、セラミック、金属、またはポリマーなどの任意の非磁性材料で作製され得る。
【0016】
この実施形態では、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ３は、非磁性回転ディスク２上に位置する。Ｎ＝２を仮定すると、図１に示されるように、非磁性回転ディスク２は、それぞれ３（１）から３（８）である８個の第１の軟強磁性セクタ３を有する。元の状態では、＋Ｘ軸に隣接したｘｙ座標の第１の象限内の第１の軟強磁性セクタ３は、３（１）としてマークされ、残りの７のセクタは、反時計回りに順に３（２）から３（８）としてマークされる。非磁性回転ディスク２の回転に伴って、３（１）は、異なる位置へ回転することが理解できる。８個の第１の軟強磁性セクタ３の円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０，４５°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋４５°，９０°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋９０°，１３５°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋１３５°，１８０°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋１８０°，２２５°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋２２５°，２７０°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋２７０°，３１５°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０＋３１５°，３６０°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）である。他の実施形態では、適宜、Ｎ＝１であり、またはＮは、３以上の正の整数であることが理解できる。
【0017】
４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタ３の１つの第１の軟強磁性セクタ３の円筒座標は、（ｒ［ｒ１，ｒ２］，α［Φ０，４５°－Φ０］，ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、第１の軟強磁性セクタ３が非磁性回転ディスク２内に位置し、第１の軟強磁性セクタ３の上面が非磁性回転ディスク２の上面で重ね合わされ、第１の軟強磁性セクタ３の下面が非磁性回転ディスク２の下面で重ね合わされ、第１の軟強磁性セクタ３の厚さが非磁性回転ディスク２の厚さに等しく、第１の軟強磁性セクタ３は２つの半径線および２つの円弧によって囲まれ、ただし、一方の半径線とＸ軸との間の内角はΦ０であり、他方の半径線とＸ軸との間の内角は４５°－Φ０であり、１つの弧は、半径ｒ２を有する円上に位置し、他方の弧は、半径ｒ１を有する円上に位置することを示す。適宜、第１の軟強磁性セクタ３の２つの半径線の間の内角は、９０°よりも小さい。
【0018】
この実施形態では、Ｍ個の第２の軟強磁性セクタ４が、非磁性回転ディスク２上に位置する。Ｍ＝５を仮定すると、図１に示されるように、非磁性回転ディスク２は、それぞれ４（１）から４（５）までである５個の第２の軟強磁性セクタ４を有する。元の状態では、＋Ｘ軸に隣接したｘｙ座標の第１の象限内の第２の軟強磁性セクタ４は、４（１）としてマークされ、残りの４つのセクタは、反時計回りに順に４（２）から４（５）としてマークされる。非磁性回転ディスク２の回転に伴って、４（１）は、異なる位置へ回転することが理解できる。５個の第２の軟強磁性セクタ４の円筒座標は、それぞれ、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１，７２°－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋７２°，１４４°－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋１４４°，２１６°－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋２１６°，２８８°－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）、および（ｒ［ｒ３，ｒ４］，α［Φ１＋２８８°，３６０°－Φ１］，ｚ［ｚ１，ｚ１＋ｔｈ３］）である。ＮおよびＭは整数であるが、４Ｎ／Ｍは整数ではなく、Ｍ／４Ｎは整数ではないことが理解できる。他の実施形態では、適宜、Ｍ＝３、または正の整数Ｍが、Ｎが決定された後に、合理的に選択されてもよい。
【0019】
適宜、回転ディスク型磁場プローブ１は、２つのＸ軸磁気抵抗センサ７および８と、２つのＹ軸磁気抵抗センサ５および６と、Ｚ軸磁気抵抗センサ９とをさらに含む。適宜、Ｙ軸磁気抵抗センサ５は、α＝０°の位置に位置し、Ｙ軸磁気抵抗センサ６は、α＝１８０°の位置に位置し、Ｘ軸磁気抵抗センサ７は、α＝９０°の位置に位置し、Ｘ軸磁気抵抗センサ８は、α＝２７０°の位置に位置する。
【0020】
この実施形態では、適宜、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサは全て、非磁性回転ディスク２の下方に位置する。Ｙ軸磁気抵抗センサ５の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝０°），ｚ（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２））であり、Ｙ軸磁気抵抗センサ６の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝１８０°），ｚ（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２））であり、Ｘ軸磁気抵抗センサ７の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝９０°），ｚ（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２））であり、Ｘ軸磁気抵抗センサ８の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝２７０°），ｚ（ｚ＝ｚ０－ｔｈ２））であり、Ｚ軸磁気抵抗センサ９の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α（α＝１８０°／Ｍ），ｚ（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４））である。
【0021】
他の実施形態では、図３に示されるように、適宜、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサは全て、非磁性回転ディスク２の上方に位置することができる。Ｙ軸磁気抵抗センサ５の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝０°），ｚ（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２））であり、Ｙ軸磁気抵抗センサ６の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝１８０°），ｚ（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２））であり、Ｘ軸磁気抵抗センサ７の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝９０°），ｚ（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２））であり、Ｘ軸磁気抵抗センサ８の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２），α（α＝２７０°），ｚ（ｚ＝ｚ０＋ｔｈ１＋ｔｈ２））であり、Ｚ軸磁気抵抗センサ９の円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α（α＝１８０°／Ｍ），ｚ（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４））である。
【0022】
他の実施形態では、適宜、Ｚ軸磁気抵抗センサの円筒座標は、（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α（α＝３×１８０°／Ｍ），ｚ（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４））、または（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α（α＝５×１８０°／Ｍ），ｚ（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４））、または（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α（α＝７×１８０°／Ｍ），ｚ（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４））、または（ｒ（ｒ＝（ｒ３＋ｒ４）／２），α（α＝９×１８０°／Ｍ），ｚ（ｚ＝ｚ１－ｔｈ４））であることができる。
【0023】
ｚ０およびｚ１は共に、０以上であり、ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３、およびｔｈ４は全て、０よりも大きく、ｚ０およびｚ１は、等しいまたは等しくないものであり得、ｔｈ１、ｔｈ２、ｔｈ３、およびｔｈ４の任意の２つの値は、等しいまたは等しくないものであり得ることが理解できる。本明細書中に特定の定義は、なされていない。回転ディスク型磁場プローブの動作に影響しないことに基づいて、関連する専門家は、合理的に複数の値を設定することができる。
【0024】
この実施形態では、回転ディスク型磁場プローブ１は、基準信号生成器と、回転シャフト１２とをさらに備える。適宜、回転シャフト１２の回転方向は、図４の矢印の方向に示されるように時計回りである。
【0025】
動作時、回転シャフト１２は、周波数ｆで回転して、周波数ｆでＺ軸を中心として回転するように非磁性回転ディスク２を同期的に駆動させる。３次元外部磁場Ｈは、第１の軟強磁性セクタ３によって、４Ｎ×ｆの周波数を有する磁場感知成分ＨｘおよびＨｙに変調され、３次元外部磁場Ｈは、第２の軟強磁性セクタ４によって、Ｍ×ｆの周波数を有する磁場感知成分Ｈｚにさらに変調される。磁場感知成分Ｈｘは、それぞれＸ軸磁気抵抗センサ７および８によって測定され、Ｘ軸測定信号が出力される。磁場感知成分Ｈｙは、それぞれＹ軸磁気抵抗センサ５および６によって測定され、Ｙ軸測定信号が出力される。磁場感知成分Ｈｚは、Ｚ軸磁気抵抗センサ９によって測定され、Ｚ軸測定信号が出力される。基準信号生成器は、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、およびＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力する。第１の基準信号、第２の基準信号、ならびにＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸測定信号は全て、外部処理回路に出力される。外部処理回路は、受信した基準信号および測定信号を復調して、Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚ値を得て、３つの磁場値を出力し、３次元外部磁場Ｈの磁場信号の高い信号対雑音比を測定するようになっている。
【0026】
図５ａおよび図５ｂに示されるように、Ｙ軸磁気抵抗センサの概略測定図が示されている。図５ａは、誘導磁場の最大値の位置を示す。この時点で、非磁性回転ディスク２に対するＹ軸磁気抵抗センサ５の正投影は、２つの隣接した第１の軟強磁性セクタ３（１）と３（２）との間の間隙内に位置する。Ｙ方向の誘導磁場の大きさは最大であり、単一セクタのスパン・ラジアン角度はΦである。図５ｂは、誘導磁場の最小値の位置を示し、この時点で、第１の軟強磁性セクタ３（２）の回転角は、θ＝Φ／２である。非磁性回転ディスク２に対するＹ軸磁気抵抗センサ５の正投影は、第１の軟強磁性セクタ３（２）の中央部に位置する。磁場シールド効果は最大であり、したがって、Ｙ方向の誘導磁場の大きさは最小である。
【0027】
図６ａおよび図６ｂに示されるように、Ｘ軸磁気抵抗センサの概略測定図が示されている。図６ａは、誘導磁場の最大値の位置を示す。このとき、非磁性回転ディスク２に対するＸ軸磁気抵抗センサ７の正投影は、２つの隣接した第１の軟強磁性セクタ３（３）と３（４）との間の間隙内に位置する。Ｘ方向の誘導磁場の大きさは最大であり、単一セクタのスパン・ラジアンはΦである。図６ｂは、誘導磁場の最小値の位置を示し、この時点で、第１の軟強磁性セクタ３（３）の回転角は、θ＝Φ／２である。非磁性回転ディスク２に対するＸ軸磁気抵抗センサ７の正投影は、第１の軟強磁性セクタ３（３）の中央部に位置する。磁場シールド効果は最大であり、したがって、Ｘ方向の誘導磁場の大きさは最小である。
【0028】
図７ａおよび図７ｂに示されるように、Ｚ軸磁気抵抗センサの概略測定図が示されている。図７ａは、誘導磁場の最大値の位置を示す。この時点で、非磁性回転ディスク２に対するＺ軸磁気抵抗センサ９の正投影は、第２の軟強磁性セクタ４（２）の１つの真下または真上に位置する。Ｚ方向の誘導磁場の大きさは最大であり、単一セクタのスパン・ラジアンはΦ１である。図７ｂは、誘導磁場の最小値の位置を示し、この時点で、第２の磁性セクタ４（２）の回転角は、θ１＝Φ１／２である。非磁性回転ディスク２に対するＺ軸磁気抵抗センサ９の正投影は、２つの隣接した第２の軟強磁性セクタ４（２）と４（３）との間の間隙内に位置する。磁場シールド効果は最大であり、したがって、Ｚ方向の誘導磁場の大きさは最小である。
【0029】
図８ａに示されるように、Ｘ軸単方向磁場下で非磁性回転ディスクの回転角に伴って変動するＸ軸磁気抵抗センサの誘導磁場強度の図である。０°～３６０°の回転角範囲内に見られ得るように、Ｘ軸磁気抵抗センサ信号は、４５°の周期で周期的に変動する。この実施形態では、０°～３６０°内に４５°のスパンで８個の強磁性セクタ３があることが選択される。したがって、非磁性回転ディスクの回転周波数がｆであると仮定すると、Ｘ軸磁気抵抗センサの周波数は、８＊ｆである。
【0030】
同時に、Ｙ軸単方向磁場の条件下の非磁性回転ディスクの角度に伴うＹ軸磁気抵抗センサの誘導磁場強度の変動は、Ｘ軸単方向磁場の条件下の非磁性回転ディスクの回転角に伴うＸ軸磁気抵抗センサの磁場強度の変動と一致し、その結果は、図８ａのものに類似することが分かり得る。
【0031】
図８ｂに示されるように、図８ｂは、Ｚ軸単方向磁場下で非磁性回転ディスクの回転角に伴って変動するＺ軸磁気抵抗センサの誘導磁場強度の図である。０°～３６０°の回転角範囲内で見られ得るように、Ｚ軸磁気抵抗センサ信号は、７２°の周期で周期的に変動する。この実施形態では、０°～３６０°の範囲内に７２°のスパンで５個の第２の軟強磁性セクタ４があることが選択される。したがって、非磁性回転ディスクの回転周波数はｆであると仮定すると、Ｚ軸磁気抵抗センサの周波数は、５＊ｆである。
【0032】
図９に示されるように、図９は、磁気抵抗センサの白色雑音スペクトル図である。白色雑音は、１／ｆの特徴を有し、すなわち、磁気抵抗センサの雑音は、１４０の低周波で大きいが、磁気抵抗センサの雑音は、１５０を上回る高周波で大いに減少させる。したがって、非磁性回転ディスクを導入し、その上に４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタおよびＭ個の第２の軟強磁性セクタを設定することによって、測定磁場Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚが、それぞれ周波数４Ｎ＊ｆおよびＭ＊ｆへ変調され、白色雑音を減少させるとともに、信号対雑音比を改善するようになされる。
【0033】
本発明の本実施形態では、回転ディスク型磁場プローブは、非磁性回転ディスクと、４Ｎ個の第１の軟強磁性セクタと、Ｍ個の第２の軟強磁性セクタと、基準信号生成器と、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサとを含む。第１の軟強磁性セクタと第２の軟強磁性セクタとの両方は、非磁性回転ディスク上に位置し、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサは、非磁性回転ディスクの上方または下方に位置する。動作時、非磁性回転ディスクは、周波数ｆでＺ軸を中心として回転する。外部磁場は、第１の軟強磁性セクタによって４Ｎ×ｆを有する周波数を有する磁場感知成分ＨｘおよびＨｙに変調され、外部磁場は、第２の軟強磁性セクタによってＭ×ｆの周波数を有する磁場感知成分Ｈｚにさらに変調される。３つの磁場感知成分Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚは、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸磁気抵抗センサによって出力信号に変換される。基準信号生成器は、それぞれ、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、および×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力する。第１の基準信号、第２の基準信号、および測定信号は、３次元磁場信号の高い信号対雑音比を測定するように、外部処理回路によって、磁場値Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚを出力するように変調される。本発明の本実施形態では、回転ディスク型磁場プローブは、静磁場を高周波磁場に変調し、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）磁気抵抗センサのＤＣオフセットによって引き起こされる雑音に有効に打ち勝つことができる高周波磁場内で測定を実行し、ＤＣオフセットの影響をなくし、ＴＭＲ磁気抵抗センサの使用中に雑音を大いに減少させる。また、測定構造は、製造方法が簡単であり、これは、回転軟強磁性プローブを磁気抵抗センサに加えることによって実現することができ、それによって、測定構造の複雑さおよびサイズを減少させる。地球磁場を監視し、信号対雑音比を改善する測定構造は、価値がある。
【0034】
例えば、上記の技術的解決策に基づいて、図１から図４を参照して、非磁性回転ディスク２は、適宜、４Ｎ個の第１の入射光穴１０と、Ｍ個の第２の入射光穴１１とを有する。４Ｎ個の第１の入射光穴１０の円筒座標は、それぞれ、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＆θ＋９０°／Ｎ＆θ＋２×９０°／Ｎ．．．＆θ＋（ｉ－１）×９０°／Ｎ．．．＆θ＋（４Ｎ－１）×９０°／Ｎ），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、Ｍ個の第２の入射光穴１１の円筒座標は、それぞれ、（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１＆θ１＋３６０°／Ｍ＆θ１＋２×３６０°／Ｍ．．．＆θ１＋（ｉ－１）×３６０°／Ｍ．．．＆θ１＋（Ｍ－１）×３６０°／Ｍ），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）であり、ただし、ｒ１＜ｒｅ１、およびｒ１＜ｒｅ２ある。
【0035】
基準信号生成器は、第１の発光素子１６１と、第２の発光素子１６２と、第１の光検出器１４と、第２の光検出器１５と、第１の論理トリガ回路と、第２の論理トリガ回路とを含む。第１の発光素子１６１は、第１の入射光穴１０の上方または下方に位置し、第２の発光素子１６２は、第２の入射光穴１１の上方または下方に位置し、第１の光検出器１４は、第１の発光素子１６１とは反対の第１の入射光穴１０の他方の側に位置し、第２の光検出器１５は、第２の発光素子１６２とは反対の第２の入射光穴１１の他方の側に位置する。
【0036】
動作時、非磁性回転ディスク２は、周波数ｆでＺ軸を中心として回転する。第１の入射光穴１０および第２の入射光穴１１が第１の発光素子１６１および第２の発光素子１６２に直面するときに、第１の光検出器１４は、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号を出力するように第１の論理トリガ回路をトリガし、第２の光検出器１５は、Ｍ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力するように第２の論理トリガ回路をトリガする。この実施形態は、上記の添付図面および参照番号も使用する。
【0037】
この実施形態では、Ｎ＝２が設定される場合、８個の第１の入射光穴１０が、非磁性回転ディスク２の上面および下面を貫き、これは、それぞれ１０（１）から１０（８）である。元の状態では、＋Ｘ軸または＋Ｘ軸が重ね合わされた第１の入射光穴１０に隣接したｘｙ座標の第１の象限内の第１の入射光穴１０は、１０（１）としてマークされ、残りの７個の入射光穴は、反時計回りに順に１０（２）から１０（８）としてマークされる。非磁性回転ディスク２の回転に伴って、１０（１）は、異なる位置へ回転することが理解できる。８個の第１の入射光穴１０円筒座標は、それぞれ、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋４５°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋９０°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋１３５°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋１８０°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋２２５°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋２７０°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ（ｒ＝ｒｅ１），α（α＝θ＋３１５°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）である。
【0038】
この実施形態では、Ｍ＝５が設定される場合、５個の第２の入射光穴１１が、非磁性回転ディスク２の上面および下面を貫き、これは、それぞれ１１（１）から１１（５）である。元の状態では、＋Ｘ軸または＋Ｘ軸が重ね合わされた第２の入射光穴１１に隣接したｘｙ座標の第１の象限内の第２の入射光穴１１は、１１（１）としてマークされ、残りの４個の入射光穴は、反時計回りに順に１１（２）から１１（５）としてマークされる。非磁性回転ディスク２の回転に伴って、１１（１）は、異なる位置へ回転することが理解できる。５個の第２の入射光穴１１の円筒座標は、それぞれ、（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１＋７２°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１＋１４４°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１＋２１６°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）、および（ｒ（ｒ＝ｒｅ２），α（α＝θ１＋２８８°），ｚ［ｚ０，ｚ０＋ｔｈ１］）である。
【0039】
この実施形態では、基準信号生成器は、２つの発光素子および２つの光検出器を含み、これらは、それぞれ、第１の発光素子１６１および第２の発光素子１６２、ならびに第１の光検出器１４および第２の光検出器１５である。発光素子および光検出器は、それぞれ、非磁性回転ディスク２の両側に位置し、それによって光検出器は、入射光穴を介して発光素子によって発せられた光を検出することができる。適宜、光検出器および磁気抵抗センサは、非磁性回転ディスク２の同じ側に位置する。
【0040】
図２に示されるように、適宜、第１の発光素子１６１は第１の入射光穴１０の上方に位置し、第２の発光素子１６２は第２の入射光穴１１の上方に位置し、第１の光検出器１４は第１の入射光穴１０の下方に位置し、第２の光検出器１５は第２の入射光穴１１の下方に位置する。他の実施形態では、図３に示されるように、第１の発光素子１６１は第１の入射光穴１０の下方に位置し、第２の発光素子１６２は第２の入射光穴１１の下方に位置し、第１の光検出器１４は第１の入射光穴１０の上方に位置し、第２の光検出器１５は第２の入射光穴１１の上方に位置することも適宜である。適宜、発光素子は、ＬＥＤ発光素子または任意の他の適用可能な発光素子である。発光素子および光検出器の位置は、決定された後に固定されることが理解できる。
【0041】
動作時、回転シャフト１２は、周波数ｆで回転して、周波数ｆでＺ軸を中心として回転するように非磁性回転ディスク２を同期的に駆動させ、それによって非磁性回転ディスク２上の入射光穴の位置が回転する。第１の入射光穴１０および第２の入射光穴１１が回転させられて第１の発光素子１６１および第２の発光素子１６２に直面するときに、第１の入射光穴１０の下方に位置する第１の光検出器１４は、第１の発光素子１６１によって発せられた光を検出することができ、次いで、第１の光検出器１４は、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号を出力するように第１の論理トリガ回路をトリガし、第２の入射光穴１１の下方に位置する第２の光検出器１５は、第２の発光素子１６２によって発せられた光を検出することができ、次いで、第２の光検出器１５は、Ｍ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力するように第２の論理トリガ回路をトリガする。
【0042】
適宜、第１の基準信号および第２の基準信号は共に、高レベル信号または低レベル信号である。第１の光検出器が第１の発光素子によって発せられた光を検出する前に、第１の論理トリガ回路のレベルは変わらないままであり、第１の光検出器が第１の発光素子によって発せられた光を検出した後、第１の論理トリガ回路のレベルは変換される。第２の光検出器が第２の発光素子によって発せられた光を検出する前に、第２の論理トリガ回路のレベルは変わらないままであり、第２の光検出器が第２の発光素子によって発せられた光を検出した後、第２の論理トリガ回路のレベルは変換される。
【0043】
非磁性回転ディスク２が第１の発光素子１６１へ回転させられる場合、第１の入射光穴１０および第１の光検出器１４は、向かい合うように設定され、第１の光検出器１４は、第１の発光素子１５１の光を検出し、第１の論理トリガ回路をトリガすることができ、第１の論理トリガ回路は、出力される第１の基準信号のレベルを切り換えることが理解できる。非磁性回転ディスク２が第１の発光素子１６１へ回転させられ、第１の入射光穴１０が第１の光検出器１４と織り交ぜられる場合、第１の光検出器１４は、第１の発光素子１６１の光を検出することができず、第１の論理トリガ回路は、第１の基準信号のレベルを変わらないように維持する。第２の基準信号の切り換えプロセスは、第１の基準信号のものと同一であり、ここでは繰り返されない。
【0044】
具体的には、動作時、非磁性回転ディスク２は、周波数ｆでＺ軸を中心として回転し、入射光穴の位置が変わる。第１の入射光穴１０（１）が第１の発光素子１６１に直面するときに、第１の光検出器１４は、第１の発光素子１６１の光を検出し、光信号を電気信号に変換し、それによって非磁性回転ディスク２の角度変位を検出し、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号を出力するように第１の論理トリガ回路をトリガする。適宜、第１の基準信号のレベルは、高レベルとすることができ、出力が維持される。順次、第１の入射光穴１０（２）が第１の発光素子１６１に直面するときに、第１の光検出器１４は、第１の発光素子１６１の光を検出し、光信号を電気信号に変換し、それによって非磁性回転ディスク２の角度変位を検出し、第１の基準信号のレベルを切り換えるように第１の論理接点回路をトリガする。この時点で、第１の基準信号は、高レベルから４Ｎ×ｆの周波数を有する低レベルへ切り換えられ、出力は、維持される。類推によって、第１の入射光穴１０が第１の発光素子１６１に直面するときに、第１の光検出器１４は、第１の基準信号のレベルを切り換えるように第１の論理トリガ回路をトリガする。第１の入射光穴１０が第１の発光素子１６１と織り交ぜられとき、第１の論理トリガ回路によって出力される第１の基準信号のレベルは、変わらないままである。見られ得るように、第１の論理トリガ回路は、高レベルと低レベルとで構成され、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号を出力する。
【0045】
同様に、第２の発光素子１６２、第２の入射光穴１１、および第２の光検出器１５に基づいて、第２の論理トリガ回路は、高レベルと低レベルとで構成され、Ｍ×ｆの周波数を有する第２の基準信号を出力する。
【0046】
適宜、第１の光検出器１４、第２の光検出器１５、Ｘ軸磁気抵抗センサ７および８、Ｙ軸磁気抵抗センサ５および６、ならびにＺ軸磁気抵抗センサ９は、同じ回路基板１３上に位置する。光検出器、磁気抵抗センサ、論理トリガ回路、および他の構造は全て、同じ回路基板１３上に位置すると理解できる。論理トリガ回路は、対応する光検出器に電気的に接続されるが、論理トリガ回路の円筒座標は、特に限定されない。
【0047】
例えば、上記の技術的解決策に基づいて、適宜、基準信号生成器は、アナログ角度変換器と、周波数逓倍器とを含む。アナログ角度変換器は、非磁性回転ディスクの回転を監視し、角度で変化する正弦または余弦周期信号を出力し、次いで、周波数逓倍器を介して、４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、およびＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号をそれぞれ出力する。上記の実施形態とは異なり、この実施形態の基準信号生成器は、回転シャフト上に配置され得る。基準信号生成器は、アナログ角度変換器を含み、このアナログ角度変換器は、回転シャフトの回転を検出し、回転シャフトの回転角に従って周波数ｆを有する正弦または余弦信号を出力するために使用され得る。基準信号生成器は、周波数逓倍器をさらに含み、周波数ｆを有する正弦または余弦信号は、周波数逓倍器を通過し、それによって４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号、およびＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号をそれぞれ発生させる。
【0048】
例えば、上記の技術的解決策に基づいて、適宜、Ｘ軸磁気抵抗センサ、Ｙ軸磁気抵抗センサ、およびＺ軸磁気抵抗センサは全て、リニア・トンネル磁気抵抗センサである。
【0049】
適宜、図１０に示されるように、外部処理回路は、第１の位相ロック回路２４と、第２の位相ロック回路２８と、第３の位相ロック回路２６とを含む。Ｙ軸磁気抵抗センサ５および６の測定信号は、結合され、第１のコンデンサ２０を介して第１の位相ロック回路２４へ出力され、Ｘ軸磁気抵抗センサ７および８の測定信号は、第２のコンデンサ２２を介して第２の位相ロック回路２８へ出力され、Ｚ軸磁気抵抗センサ９の測定信号は、結合され、第３のコンデンサ２１を介して第３の位相ロック回路２６へ出力される。位相ロック回路は、ミキサと、ローパス・フィルタとをそれぞれ含む。第１の位相ロック回路２４および第２の位相ロック回路２８のローパス・フィルタのカットオフ周波数は全て、４Ｎ×ｆよりも低く、第３の位相ロック回路２６のローパス・フィルタのカットオフ周波数は、Ｍ×ｆよりも低い。
【0050】
適宜、外部処理回路は、前置増幅器をさらに含み、前置増幅器は、コンデンサと位相ロック回路との間に配置される。図１１に示されるように、測定される物理量４３、すなわち、測定信号が、高周波キャリア信号源Ｖａｃとその対応するセンサ４４１とを含む変調センサ４４によって周波数ｆを有する信号に形成される。適宜、位相ロック回路４２は、ミキサ４２１およびローパス・フィルタ４２２を含む位相ロック増幅器または位相ロック・ループであり得る。変調センサ４４によって出力された変調信号は、信号周波数ｆを有する信号を得るために雑音増幅器４５によって増幅される。雑音増幅器４５は、前置増幅器である。次いで、高周波キャリア信号源Ｖａｃは、周波数ｆを有する信号のものと同じ周波数を有する基準信号を直接出力し、周波数信号は、ミキサ４２１に入力される。混合後、高周波信号および低周波信号が得られ、次いで、低周波部分が、ローパス・フィルタ４２２によって除去される。雑音信号は、周波数シフトを有さず、したがって、増幅器４５の雑音は、やはりフィルタ除外され、最終的に、増幅器雑音を有さない高周波出力信号４６が得られる。
【0051】
図１０に示されるように、適宜、第１の基準信号は、それぞれ、第１の位相ロック回路２４および第２の位相ロック回路２８に接続される。第１の位相ロック回路２４は、外部磁場ＨのＹ軸磁場成分に対応するＶｙ信号を出力し、第２の位相ロック回路２８は、外部磁場ＨのＸ軸磁場成分に対応するＶｘ信号を出力する。第２の基準信号は、第３の位相ロック回路２６に接続され、第３の位相ロック回路２６は、外部磁場ＨのＺ軸磁場成分に対応するＶｚ信号を出力する。適宜、位相ロック回路は、図に示された位相ロック増幅器である。
【0052】
上述したように、第１の入射光穴１０（１）は、第１の発光素子１６１によって照射され、第１の光検出器１４は、非磁性回転ディスク２の回転の周波数ｆを４Ｎ×ｆの周波数を有する第１の基準信号に変換する。第２の入射光穴１１（１）は、第２の発光素子１６２によって照射され、第２の光検出器１５は、非磁性回転ディスク２の回転の周波数ｆをＭ×ｆの周波数を有する第２の基準信号に変換する。第１の基準信号は、それぞれ、トリガ２３およびトリガ２７へ伝達され、次いで、続いて対応するＹ軸磁気抵抗センサの測定信号を得るためにトリガ２３を介して位相ロック増幅器２４の基準信号入力端へ入力されるとともに、続いて対応するＸ軸磁気抵抗センサの測定信号を得るためにトリガ２７を介して位相ロック増幅器８の基準信号入力端へ入力される。第２の基準信号は、トリガ２５へ伝達され、続いて対応するＺ軸磁気抵抗センサの測定信号を得るためにトリガ２５を介して位相ロック増幅器２６の基準信号入力端子に入力される。
【0053】
他方で、Ｘ軸磁気抵抗センサ７、Ｙ軸磁気抵抗センサ５、およびＺ軸磁気抵抗センサ９によって受信された磁場感知成分Ｈｘ、Ｈｙ、およびＨｚは、それぞれ４Ｎ×ｆ、４Ｎ×ｆ、およびＭ×ｆの周波数を有する電気信号に変換され、電気信号は、結合コンデンサ、すなわち、第１のコンデンサ２０、第２のコンデンサ２２、および第３のコンデンサ２１を通過した後に、位相ロック増幅器２４、２６、および２８の測定信号入力端子に入力される。このようにして、位相ロック増幅器２４は、トリガ２３によって出力される第１の基準信号に従ったＹ軸磁場成分の出力信号Ｖｙ、およびＹ軸磁気抵抗センサ５のＹ軸測定信号を得る。位相ロック増幅器２８は、トリガ２７によって出力される第１の基準信号に従ったＸ軸磁場成分の出力信号Ｖｘ、およびＸ軸磁気抵抗センサ７のＸ軸測定信号を得る。位相ロック増幅器２６は、トリガ２５によって出力される第２の基準信号に従ったＺ軸磁場成分の出力信号、およびＺ軸磁気抵抗センサのＺ軸測定信号を得て、それによって最終的に、外部磁場のベクトル値を得る。
【0054】
位相ロック増幅器２４、２６、および２８に対応する基準信号は、パルスの形態である。光検出器１４および１５によって受信された光信号は、トリガ２３、２５、および２７を引き、次いで、高レベルおよび低レベルをそれぞれ出力するために使用される。光検出器がＬＥＤ入射光を受信するたびに、光検出器は、高レベルおよび低レベルの反転をトリガする。すなわち、最初に低レベルが出力され、ＬＥＤ入射光が受信される前、低レベルが維持される。ＬＥＤ入射光が受信された後、低レベルは高レベルへ切り換えられ、次のＬＥＤ入射光が受信されるまで高レベルが維持され、それは、高レベルから低レベルへ再び変化する。
【0055】
例えば、上記の技術的解決策に基づいて、図１２および図１３に示されるように、適宜、非磁性回転ディスク２は、回転を発生させるために磁気シールド式モータ２９によって駆動され、非磁性回転ディスク２は、非磁性伝達シャフト１２を介して磁気シールド式モータ２９に接続され、磁気シールド式モータ２９の表面は、金属伝導層２９１で覆われ、非磁性回転ディスク２に近い磁気シールド式モータ２９１の片側は、磁気シールドのために軟強磁性金属層２９２で覆われる。適宜、第１の軟強磁性セクタ３、第２の軟強磁性セクタ４、および軟強磁性金属層２９２は全て、軟強磁性合金材料で作製される。
【0056】
この実施形態では、磁気シールド式モータ２９は、非磁性伝達シャフト、すなわち、回転シャフト１２を介して回転するように非磁性回転ディスク２を駆動する。磁気シールド式モータ２９は、モータ２９３と、モータ２９３および非磁性回転ディスク２を接続する回転シャフト１２とを含み、モータ２９３の表面上で包まれた金属伝導シールド層２９１をさらに含んでおり、非磁性回転ディスク２に近い片側は、軟強磁性金属層２９２でさらに取り付けられる。非磁性回転ディスク２は、プラスチック、セラミック、金属、およびポリマーを含む非磁性材料で作製される。第１の軟強磁性セクタ、第２の軟強磁性セクタ、および軟強磁性金属層は全て、軟強磁性合金材料、すなわち、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＢ、Ｓｉ、Ｃ、ならびに遷移金属Ｎｂ、Ｃｕ、およびＺｒからなる高透磁率軟強磁性材料で作製される。軟強磁性金属シールド層２９２は、非磁性回転ディスク２に影響を及ぼすのを避けるためにモータ２９３の回転磁場をシールドするのに使用される。
【0057】
上記のものは、本開示の好ましい実施形態および応用された技術的原理にすぎないことに留意されたい。本開示は、本明細書中に記載された特定の実施形態に限定されず、本開示の保護範囲から逸脱することなく、様々な明らかな変更、再調整、組合せ、および置換が、当業者によってなされてもよいことを当業者は理解するであろう。したがって、本開示は、上記の実施形態によって詳細に説明されてきたが、本開示は、上記の実施形態に限定されず、本開示の概念から逸脱することなくより多くの均等な実施形態を含むこともできる。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5a】
【図5b】
【図6a】
【図6b】
【図7a】
【図7b】
【図8a】
【図8b】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
