特許第6243741号(P6243741)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(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】6243741
(24)【登録日】2017年11月17日
(45)【発行日】2017年12月6日
(54)【発明の名称】磁気センサ及び回転角センサ
(51)【国際特許分類】
   G01D 5/14 20060101AFI20171127BHJP
【FI】
   G01D5/14 H
【請求項の数】8
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2014-5087(P2014-5087)
(22)【出願日】2014年1月15日
(65)【公開番号】特開2015-132574(P2015-132574A)
(43)【公開日】2015年7月23日
【審査請求日】2016年12月22日
(73)【特許権者】
【識別番号】303046277
【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(72)【発明者】
【氏名】川口 裕昭
(72)【発明者】
【氏名】野木 昭彦
【審査官】 櫻井 仁
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−217150(JP,A)
【文献】 特開2012−047708(JP,A)
【文献】 再公表特許第2003/081182(JP,A1)
【文献】 特開平09−246972(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01D 5/00− 5/252
5/39− 5/62
G01R 33/00−33/26
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板と、
前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、
前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路と、
を備え、
前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値Vmaxは、前記磁気集束板の飽和磁気X、前記ホール素子の感度S、及び前記増幅器のゲインGを用いて、以下の式の関係である磁気センサ。
Vmax > X×S×G
【請求項2】
横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板と、
前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、
前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路と、
を備え、
前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Xで制限され、
前記飽和磁気Xは、算出基準とする標準磁気集束板の、直径φ0、厚さT0、飽和磁気値N、前記磁気集束板の直径φ1、厚さT1から、以下の式に示す関係となる磁気センサ。
【数1】
【請求項3】
前記磁気集束板は、円盤形状である請求項1又は2に記載の磁気センサ。
【請求項4】
前記ホール素子は基板上に形成され、
前記磁気集束板は、前記ホール素子が形成された基板上に配置される請求項1〜のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項5】
前記磁気集束板は、前記磁気集束板の縁部がホール素子の上に重なるように配置されている請求項に記載の磁気センサ。
【請求項6】
請求項1〜のいずれか一項に記載の磁気センサと、
前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備える回転角センサ。
【請求項7】
横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子、及び前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路を備えるとともに、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Xで制限される磁気センサと、
前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備え、
前記ホール素子は、前記横磁場のX軸方向成分を検出するX成分側ホール素子と、前記横磁場のY軸方向成分を検出するY成分側ホール素子とを有し、
前記ΔΣ変調回路は、前記X成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をAD変換するX成分側ΔΣ変調回路と、前記Y成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をAD変換するY成分側ΔΣ変調回路とを有し、
前記X成分側ΔΣ変調回路への入力信号と前記Y成分側ΔΣ変調回路への入力信号とそれぞれの最大値は、前記磁気集束板の前記飽和磁気Xで制限される回転角センサ。
【請求項8】
さらに回転磁石を備える請求項又はに記載の回転角センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気センサ及び回転角センサに関する。より具体的には、ホール素子からのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサに関する。
【背景技術】
【0002】
ホール素子は入力された磁界の強度に応じたホール起電力による信号を発生する磁電変換機能を有するため、信号処理回路と一体化した磁気センサLSI(Large Scale Integration)に利用されて普及が進んでいる。例えば、自動車のハンドルの回転角度を検出するための回転角センサがある。回転角センサは検出対象の回転により変化する磁界に基づいて、検出対象の回転角度を検出するものであり、従来から様々な開発が行われている。
【0003】
図7は、特許文献1に開示された回転角センサを説明するためのブロック図である。図7に示すように、回転角センサ29は、ホール素子(不図示)等で構成される磁気センサ(不図示)と、磁気センサからの出力信号を処理する回路により構成されている。回転角センサ29は、磁気センサであるホール素子からのアナログ出力信号(電圧)を、X成分とY成分とに区別して別経路のAD(アナログ/デジタル)変換器、すなわちX成分側AD変換器21とY成分側AD変換器22とにより、それぞれデジタル信号に変換する。そして、角度計算デジタル回路23が、X成分側AD変換器21の出力するX成分及びY成分側AD変換器22の出力するY成分に基づいて角度を算出するようにデジタル計算を行っている。
【0004】
図8は、AD変換器として、従来から用いられているΔΣ変調器の基本構成を説明するためのブロック図である。図8に示すように、ΔΣ変調器30は、出力のデジタル信号KをDA(デジタル/アナログ)変換するDAコンバータ(DAC)31と、DAC31の出力を入力のアナログ信号Jから減算する加減算器32と、加減算器32の出力を積分する積分器33と、積分器33の出力を量子化して出力する量子化器34とにより構成されている。
【0005】
図8に示すΔΣ変調器30に対する入力のアナログ信号Jと出力のデジタル信号Kとの関係は、以下の式(1)に示す関係となる。
K = J×Z-1 + Nq×(1−Z-1) ・・・(1)
式(1)において、Nqは量子化誤差、すなわち、量子化器34において、アナログからデジタルに変換する際に生じる誤差であり量子化ノイズともいう。
【0006】
式(1)は、入力のアナログ信号Jについては遅延があるものの、そのまま出力されることと、量子化誤差(ノイズ)Nqは(1−Z-1)倍されて出力されることを表している。量子化誤差NqによるノイズはΔΣ変調される信号帯域に一様に分布するが、(1−Z-1)は微分回路の伝達関数であり、ハイパスフィルタの特性を有する。つまり、量子化誤差(ノイズ)Nqの低周波成分が抑制されることになる。
【0007】
したがって、ΔΣ変調器によってアナログ信号をデジタル符号化した場合、量子化ノイズの周波数成分が高域にシフトして低域側のノイズが低減されるノイズシェーピングとよばれる効果が得られる。
また、積分器33の構成を変えることによってノイズ特性を改善できるほか、ΔΣ変調器30を縦続接続して次数を上げることにより、低域側の量子化ノイズの低減効果が増大することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2004−191101号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、図8に示した従来のΔΣ変調器30(以下、「ΔΣ変調回路」という)において、アナログ信号の入力レベルが大きくなったような場合、あるいは入力信号がステップ状に変化したような場合に、ΔΣ変調回路が発振してしまうという問題があった。
また、規定を超える過大入力等が入力された場合、積分器の出力値は、電源電圧値まで上昇するが、それ以上には上昇できない。つまり、積分器の出力値は、上記磁気センサLSIの電源電圧値を上限として増加を制限される。
【0010】
したがって、過大入力時のΔΣ変調回路は、本来行われるべき量子化が正確に行われないため、量子化誤差が増大し、ノイズシェーピング効果により抑制された低域のノイズが増大するという問題が生じることになる。
また、一旦、ΔΣ変調回路で発振が起こると入力レベルが正常値に戻っても定常状態に戻るまでに相当の時間を必要とするほか、発振状態を停止するため回路を初期化する必要もある。したがって、発振させないようにアナログ信号の入力値を規定内に制限する対策を施すか、あるいは初期化回路を追加する等の対策が必要であった。従来技術によるΔΣ変調回路において、アナログ入力信号を制限する対策、あるいは発振を検出し回路を初期化する等のシーケンスを実行するためには、相当の追加回路が必要であり、チップコストが増加するという問題があった。
【0011】
また、発振検出に応じて初期化シーケンスを追加した場合、定常状態に戻るまでの期間だけAD変換の機能が停止してしまうため、使用するアプリケーション、例えば、連続したAD変換が必要なアプリケーションや、入力磁場条件が変わったアプリケーションによっては対応できず、汎用性を確保できないという問題もあった。
【0012】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、本発明の目的とするところは、ホール素子からのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサにおいて、ΔΣ変調回路の入力信号レベルが大きくなったときにもΔΣ変調器の誤動作を防止することができる磁気センサ及び回転角センサを提供することである。
また、ΔΣ変調器の誤動作を防ぐ追加回路等によるチップコストの増加を無くすことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、上記目的を達成するためになされた磁気センサであって、横磁場を前記平面と交わる縦磁場に変換する磁気集束板と、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路と、を備え、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値Vmaxは、前記磁気集束板の飽和磁気X、前記ホール素子の感度S、及び前記増幅器のゲインGを用いて、以下の式の関係である磁気センサである。
Vmax > X×S×G ・・・(2)
【0014】
た、本発明は、上記目的を達成するためになされた磁気センサであって、横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板と、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路と、を備え、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Xで制限され、前記飽和磁気Xは、算出基準とする標準磁気集束板の、直径φ、厚さT、飽和磁気値N、前記磁気集束板の直径φ、厚さTから、以下の式(3)に示す関係となることが好ましい。
【0015】
【数1】
【0016】
また、前記磁気センサにおいて、前記磁気集束板は、円盤形状であることが好ましい。
また、前記磁気センサにおいて、前記ホール素子は基板上に形成され、前記磁気集束板は、前記ホール素子が形成された基板上に配置されることが好ましい。
また、前記磁気センサにおいて、前記磁気集束板は、前記磁気集束板の縁部がホール素子の上に重なるように配置されていることが好ましい。
また、本発明は、上述の目的を達成するためになされた回転角センサであって、前記磁気センサと、前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備えることが好ましい。
【0017】
また、本発明は、上述の目的を達成するためになされた回転角センサであって、横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子、及び前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路を備えるとともに、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Xで制限される磁気センサと、前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備え、前記ホール素子は、前記横磁場のX軸方向成分を検出するX成分側ホール素子と、前記横磁場のY軸方向成分を検出するY成分側ホール素子とを有し、前記ΔΣ変調回路は、前記X成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をAD変換するX成分側ΔΣ変調回路と、前記Y成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をAD変換するY成分側ΔΣ変調回路とを有し、前記X成分側ΔΣ変調回路への入力信号と前記Y成分側ΔΣ変調回路への入力信号とそれぞれの最大値は、前記磁気集束板の前記飽和磁気Xで制限されることが好ましい。
また、前記回転角センサは、さらに回転磁石を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、磁気センサからのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサにおいて、ΔΣ変調回路の入力信号レベルが大きくなったときにもΔΣ変調器の誤動作を防止することができる。
また、ΔΣ変調器の誤動作を防ぐ追加回路等によるチップコストの増加を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1】本実施形態に係る回転角センサを説明するための構成図である。
図2】本実施形態に係る回転角センサにおいて、シリコン基板上に形成されたホール素子と磁気集束板の配置を説明するための平面図である。
図3】本実施形態に係る回転角センサにおいて、回転磁石、磁気集束板、ホール素子及びシリコン基板を、回転磁石の回転軸に垂直な方向から視認した回転軸を含む断面図である。
図4】一般的な強磁性体における反磁界を説明する図である。
図5】本実施形態に係る回転角センサにおける磁気集束板の外観を示す斜視図である。
図6】本実施形態に係る回転角センサにおける基本構成を説明するためのブロック図である。
図7】特許文献1に開示された回転角センサを説明するためのブロック図である。
図8】AD変換器として従来から用いられているΔΣ変調器の基本構成を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図面を用いて本発明の実施形態をより詳細に説明する。
<回転角センサの概要>
図1は、本実施形態に係る回転角センサを説明するための構成図である。シリコン基板2の素子形成面(以下、「板面」ともいう)P上にXY平面をとり、回転磁石1の回転軸上にZ軸(以下、「回転軸Z」ともいう)をとり、Z軸とXY平面と交わる点にXYZ座標の原点Oをとる。なお、図1で設定したX軸、Y軸、Z軸によるXYZ直交座標系は、図解説明の便宜上、真の原点Oから左方にずらして描かれている。また、XYZ直交座標系は、図1から図3において共通に適用する。
【0021】
図1に示すように、回転角センサ20は、回転体に取り付けられた回転磁石1と、回転磁石1の下側に隙間を設けるように離間して配置された集積回路(以下、「シリコン基板」という)2とを有する。回転角センサ20において、回転磁石1と、シリコン基板2上に形成された磁気センサ10とは相対的に回転可能に構成されている。
磁気センサ10は、シリコン基板2上に形成され磁力に応じた検出出力信号を出力するホール素子3と、図6に示して後述する磁気集束板4と、差動増幅器7と、ΔΣ変調器8,9とを有し、角度・磁場強度検出回路11と適宜に接続可能な構成を有している。
【0022】
回転角センサ20は、シリコン基板2とともに固定された磁気センサ10及び角度・磁場強度検出回路11により、磁気センサ10と回転磁石1との相対的な回転角度θに基づく角度情報Fを出力するように構成されている。つまり、回転角センサ20は、固定されたシリコン基板2を基準として回転磁石1の回転角度θを測定できるように構成されている。
【0023】
図2は、本実施形態に係る回転角センサにおいて、シリコン基板上に形成されたホール素子と磁気集束板の配置を説明するための平面図である。図1及び図2に示すように、シリコン基板2において、ホール素子3が形成された素子形成面(板面)Pに平行な面をXY平面とし、XY平面上の原点Oを中心として放射状に90度ごとの配置、すなわち、0度、90度、180度、270度の配置となるように4つのホール素子3が形成されている。また、シリコン基板2には、XY平面を用いて円盤形状の磁性体で構成された磁気集束板4が、磁気集束板4の縁部を4つのホール素子3の上に重なるように配置されている。なお、図2ではホール素子3と磁気集束板4との配置関係が明確になるように、磁気集束板4を透過して図示している。また、磁気集束板4は、鉄を始めとする磁性材料で構成された磁性体であり、周囲の磁場を集めて増幅する効果がある。効果については、磁気回路を構成する軟鉄板がヨーク (継鉄)と総称されて、磁石の持つ吸着力を増幅する効果を発揮することでも知られている。
【0024】
また、回転角センサ20は、回転磁石1からXY平面と平行に発生した横磁場6P(図2に示す入射磁場6PQの一部であり、図3ではX軸成分)が、磁気集束板4で集められて増幅された後、シリコン基板2上に配置された4つのホール素子3により検出可能に構成されている。回転角センサ20は、回転磁石1の回転角度θに応じて変化する磁場を4つのホール素子3により検出し、検出された検出出力信号を所定の演算処理することにより、回転磁石1の回転角度θを算出する。
【0025】
図2に示すように、X軸上で+Rの位置をH0、X軸上で−Rの位置をH180、Y軸上で+Rの位置をH90、Y軸上で−Rの位置をH270と定める。XYZ直交座標系の原点Oを中心に、円形の磁気集束板4が配置され、磁気集束板4の縁の下側にホール素子3が合計4個配置されている。また、回転角センサ20は、磁気集束板4の中心(X,Y,Z軸の原点Oと同一符号)Oに、回転磁石1の回転軸Z(図1参照)が交わるように構成されている。
【0026】
上述のとおり、合計4個のホール素子3は、XY座標上の位置H0,H90,H180,H270に、それぞれ1個ずつが配置されている。以下、位置H0及び位置H180に配置された1組のホール素子3を、位置H0,H180のX成分側のホール素子3とし、位置H90及び位置H270に配置された1組のホール素子3を、位置H90,H270のY成分側のホール素子3とする。つまり、位置H0,H180に配されたX成分側のホール素子3が、X軸上に原点Oを中心として対称な位置に配置され、同様に位置H90,H270に配されたY成分側のホール素子3がY軸上に原点Oを中心として対称な位置に配置されている。また、位置H0に配されたホール素子3と位置H90に配されたホール素子3とは、図2のXY座標平面(XY平面)において正の座標成分を有する位置に配置されている。
【0027】
図3は、本実施形態に係る回転角センサにおいて、回転磁石、磁気集束板、ホール素子及びシリコン基板を、回転磁石の回転軸に垂直な方向から視認した回転軸を含む断面図である。ホール素子はシリコン基板上に形成され、磁気集束板は、ホール素子が形成されたシリコン基板上に配置される。図3に示すように、シリコン基板2から垂直に回転磁石1に向かう方向をZ軸の正方向にとり、位置H180から位置H0に向かう方向をX軸の正方向にとる。また、ホール素子3は、磁気集束板4の縁部の下側に、磁気集束板4の中心Oに対して対称な位置H0,H180に、それぞれ1個ずつ合計2個が配置されている。これら位置H0及び位置H180にそれぞれ配されたホール素子3の感磁面Qは、シリコン基板2のXY平面に対して垂直なZ軸方向に検出感度を備えている。したがって位置H0及び位置H180にそれぞれ配されたホール素子3は、Z軸方向の磁場を検出する。
【0028】
図3に示されるように、回転磁石1から発生した磁場6は、磁気集束板4に引き寄せられる。そのため、シリコン基板2のXY平面と平行な横磁場6P(図3においてはX軸成分)は、シリコン基板2のXY平面に対して垂直な方向(Z軸方向)へ曲げられて縦磁場6Qとなり、その縦磁場6Qが位置H0及び位置H180にそれぞれ配されたホール素子3の感磁面Qを通過する。したがって、これらの位置H0及び位置H180にそれぞれ配されたホール素子3は、横磁場6Pを検出出力信号として検出することができる。
【0029】
図3に示した回転角センサ20において、図2に示した位置H0及び位置H180にそれぞれ配されたホール素子3は、磁気集束板4に入射する磁場6のX軸成分及びZ軸成分を検出し、同様に位置H90及び位置H270にそれぞれ配されたホール素子3は、磁場6のY軸成分及びZ軸成分を検出する。
【0030】
図2に戻り、磁気集束板4に入射する磁場6が、原点を中心にX軸から反時計まわりに回転角度θで入射した状態で、4か所の異なる位置H0,H90,H180,H270に配されたホール素子3それぞれの検出出力を、X,Y,Z座標軸に基づいて定義する。磁場6のX軸成分を位置H0に配されたホール素子3は正符号出力(+Vx)として検出し、位置H180に配されたホール素子3は負符号出力(−Vx)として検出する。同様に、位置H90に配されたホール素子3は磁場6のY軸成分を正符号出力(+Vy)として検出し、位置H270に配されたホール素子3は負符号出力(−Vy)として検出する。なお、4か所の異なる位置H0,H90,H180,H270に配されたホール素子3は、すべての磁場6のZ軸成分について、XY平面に入射する方向を正符号出力(+Vz)として検出する。なお、Z軸成分についても負符号出力(−Vz)として検出してもよい。
【0031】
したがって、位置H0に配されたホール素子3と、位置H180に配されたホール素子3との差分で検出される差分信号HVx、及び位置H90に配されたホール素子3と位置H270に配されたホール素子3との差分で検出される差分信号HVyは、以下の式(4),(5)より求めることができる。
HVx=+Vx+Vz−(−Vx+Vz)=2Vx ・・・(4)
HVy=+Vy+Vz−(−Vy+Vz)=2Vy ・・・(5)
式(4)に示す差分信号HVxは磁場6のX軸成分2Vxであり、式(5)に示す差分信号HVyはY軸成分2Vyであって、これら式(4),(5)は、Z軸成分がキャンセルされて検出されないことを示している。
【0032】
ここで、回転角センサ20は、差分信号HVxと差分信号HVyから磁場の角度θを以下の式(6)より算出する。
θ=atan(HVy/HVx) ・・・(6)
なお、式(6)のように三角関数を含む比較的簡単な計算により、差分信号HVxと差分信号HVyから磁場の角度θを算出できる理由は、磁気集束板4の直下において、回転磁石1の回転に応じて発生する回転磁場の強度が理想的な正弦波状に変化するためである。
【0033】
<磁気集束板について>
次に、磁気集束板4について図4及び図5を用いてより詳細に説明する。
図3を用いて説明したように、磁気集束板4は、磁力線が透磁率の高い場所を通る性質を利用し、横磁場6Pを縦磁場6Qに変換する。また、磁気集束板4を介在させずにホール素子3のみで磁場を検出した場合よりも、磁気集束板4を介在させた場合の方が、ホール素子3は高感度の検出出力を得られる。なお、磁気増幅率Aの測定は以下のように行った。ホール素子3の作成後、感磁面Qに垂直な磁場を印加して感度を測定する。次に磁気集束板4を形成し、感磁面Qに平行な磁場を印加したときの感度を測定する。その後、両者の比をとることで、磁気集束板4を形成したことによる感度の増幅率が得られる。こうして得られた当該感度の増幅率を磁気増幅率Aと定義する。
【0034】
なお、一般的に、磁性体に印加される磁場が弱い場合、磁性体の磁化強度は、磁場の強度に比例する。すなわち、磁性体の磁化強度と磁場の強度とは線形の関係である。しかし、印加される磁場がある一定強度以上にまで達した場合、内部の磁化の向きが完全に外部磁化の向きに揃った状態になるため、磁化強度が変化しなくなる。また、線形に磁化されなくなる点を磁気飽和点と呼び、線形に磁化されない現象を磁気飽和(現象)という。 磁気飽和のため、磁性体で構成された磁気集束板4は、一定強度以上の磁場では磁気増幅率Aが減少する。また、磁気飽和点の計測値を飽和磁気X(mT)とする。
【0035】
図4は、一般的な強磁性体における反磁界を説明する図である。図4に示すように強磁性体19に磁化Mが発生すると、強磁性体19の両側に生じた磁極(+,−)によって、磁化Mとは逆向きの磁界Hが発生する。すなわち、磁化Mの発生によって、自身の磁化Mを妨げようとする方向に磁界Hが発生する。磁界Hは反磁界と呼ばれる。
ここで、反磁界Hを以下の式(7)に示すとおりに規定する。
=N*M・・・(7)
を反磁界係数という。反磁界係数Nは磁性体の形状で決まる。
【0036】
また、反磁界係数Nが大きいと強磁性体19に磁力線が入りにくいため、磁性体内の磁力線が少なくなる。仮に、同一形状を保持した磁性体であれば、磁性体内に入ることのできる磁力線量は等しくなる。また、同一形状の磁性体であっても、磁性材料が異なれば、反磁界係数Nが変化する。反磁界係数Nが大きいと磁性体は磁気飽和しにくくなり、飽和磁気X∝反磁界係数Nという関係が成り立つ。
【0037】
図5は、本実施形態に係る回転角センサにおける磁気集束板の外観を示す斜視図である。図5に示すように、磁気集束板4が円柱(例えば、薄板)状で、その直径:φ、厚さ:Tである場合、反磁界係数Nは以下の式(8)を満たす。
【0038】
【数2】
【0039】
式(8)より、磁気集束板4の厚さTと直径φが確定すれば、反磁界係数Nは決まり、1点だけでも信頼できる磁気飽和点の計測値があれば、その1点の飽和磁気Xaと反磁界係数Nとの乗算により、上述の1点以外についても飽和磁気Xb、すなわち磁気飽和点の絶対値を算出することが可能である。
【0040】
<本実施形態の一例>
図6は、本実施形態に係る回転角センサにおける基本構成を説明するためのブロック図である。図6に、本実施形態の一例として、回転角センサ20の構成を示し、各部の動作を説明する。また、角度検出は不要で、磁場強度検出のみを行う磁気センサ10についても併せて説明する。図6に示す角度・磁場強度検出回路11は、「角度検出」及び「磁場強度検出」の少なくともいずれか1つの機能を発揮することができる。回転角センサ20として用いる場合、角度・磁場強度検出回路11は、角度検出としての機能を発揮する。磁気センサ10のみに限定した機能で用いる場合、角度・磁場強度検出回路11は、磁場強度検出としての機能を発揮する。また磁気センサ10は、回転角センサ20から角度検出回路11を除く機能構成部である。
【0041】
図6に示すように、回転角センサ20は、図1から図3を用いて説明した回転磁石1と、磁気センサ10と、角度・磁場強度検出回路11とを有している。磁気センサ10は、シリコン基板2上に形成され位置H0,H180に配されたX成分側のホール素子3(図2参照)と、位置H90,H270に配されたY成分側のホール素子3と、磁気集束板4と、差動増幅器7と、X成分側ΔΣ変調器8と、Y成分側ΔΣ変調器9とを有している。
【0042】
X成分側ΔΣ変調回路8は、位置H0,H180に配されたX成分側のホール素子3から出力されたホール起電力による信号をAD変換する。また、Y成分側ΔΣ変調回路9は、位置H90,H270に配されたY成分側のホール素子3から出力されたホール起電力による信号をAD変換する。
磁気センサ10は、磁力に応じた検出出力信号を角度・磁場強度検出回路11に出力する。回転センサ20は、ΔΣ変調回路8,9の出力を角度・磁場強度検出回路11で演算して角度情報Fを出力する。その結果、図1を用いて説明したとおり、磁気センサ10と回転磁石1との相対的な回転角度θに基づく角度情報Fを出力する。
【0043】
回転角センサ20の一例として、磁気集束板4の磁気増幅率をA倍とし、直径をφ(μm)とし、厚さをT(μm)とする。
また、位置H0,H180に配されたX成分側のホール素子3及び位置H90,H270に配されたY成分側のホール素子3の感度をS(mV/mT)とする。
また、差動増幅器7のゲインをG倍とする。
【0044】
ここで、あるアプリケーションからの印加磁場がM(mT)であった場合、ΔΣ変調器8,9に入力される信号は、以下の式(9)で表される。
M(mT)×A(倍)×S(mV/mT)×G(倍)
=M×A×S×G(mV) ・・・(9)
ここで、直径がφ(μm)であり、厚さがT(μm)の磁気集束板4の磁気飽和点の実測データがあり、その値がN(mT)であった場合、図6に示した磁気集束板4の飽和磁気X(mT)は、以下の式(10)より得られる。
【0045】
【数3】
【0046】
ここで、磁気集束板4の飽和磁気X(mT)は、直径φ、厚さT、飽和磁気値Nを、算出基準とする標準磁気集束板と、当該磁気集束板4の直径φ、厚さTを用いて、上記式(10)により算出される。なお、説明の便宜上、磁気集束板4の素材依存性は0とする。
【0047】
図3に示すように、磁気センサ10は、板面Pに沿うPX方向の横磁場6Pを板面Pと交わる縦磁場6Qに変換する磁気集束板4と、縦磁場6Qに応じてホール起電力による信号を出力するホール素子3と、ホール素子3から出力されたホール起電力による信号を増幅する差動増幅器7と、差動増幅器7により増幅された信号をAD変換するΔΣ変調回路8,9(図6参照)と、を備えている。磁気センサ10において、X成分側ΔΣ変調回路8への入力信号の最大値Vmaxと、Y成分側ΔΣ変調回路9への入力信号の最大値Vmaxとは、磁気集束板4の飽和磁気Xで制限される。
【0048】
したがって、X成分側ΔΣ変調器8の誤動作しない最大入力がX(mT)未満であれば、磁気集束板4の磁気飽和点によりX成分側ΔΣ変調器8の入力を制限できΔΣ変調器の誤動作を防止することが可能となる。
ここで具体例を示す。磁気集束板4の磁気増幅率Aが1.2倍、直径φが300(μm)、厚さTが30(μm)であり、位置H0,H180に配されたX成分側のホール素子3及び位置H90,H270に配されたY成分側のホール素子3は、感度Sが0.4mV/mTであり、差動増幅器7のゲインGが10倍であり、アプリケーションからの印加磁場が80mTであった場合、ΔΣ変調器8,9に入力される信号の電圧値は、式(9)を適用して384(mV)(=80(mT)×(1.2倍)×0.4(mV/mT)×10(倍))となる。
【0049】
ここで、サイズが直径φ=250(μm)、厚さT=30(μm)の磁気集束板4の磁気飽和点の計測値が100mTであった場合、磁気集束板4の磁気飽和点、すなわち飽和磁気X(mT)は、式(10)より以下のように86.1(mT)と算出される。
【0050】
【数4】
【0051】
X成分側ΔΣ変調器8の誤動作しない最大入力が90mTであれば、磁気集束板4の磁気飽和点によりX成分側ΔΣ変調器8の入力を制限できるので、X成分側ΔΣ変調器8の誤動作を防止することが可能となる。また、Y成分側ΔΣ変調器9についても同様である。
【0052】
以上のとおり、回転角センサ20において、AD変換器としてX,Y成分側ΔΣ変調器8,9を用いた場合であっても、磁気集束板4を使用すれば、磁気集束板4が有する磁気飽和の作用により、X,Y成分側ΔΣ変調器8,9それぞれの入力レベルを制限することができる。
また、上述のとおり、本例における磁気集束板4の磁気飽和点、すなわち飽和磁気X(mT)は、86.1mTである。
【0053】
ここで、回転角センサ20において、ΔΣ変調回路8,9に入力される信号の最大値Vmaxは、上述した磁気集束板4の飽和磁気X、ホール素子3の感度S、及び増幅器7のゲインGを用いて、以下の式(13)の関係で規定することができる。
Vmax > X×S×G ・・・(13)
したがって、最大値Vmaxは、344.4mV(=X×S×G=86.1(mT)×0.4(mV/mT)×10(倍))となり、X,Y成分側ΔΣ変調回路8,9にそれぞれ入力することが許容される信号の最大値を、上述の値344.4mVより大きい値、例えば400mVに設計すれば、ΔΣ変調回路に許容限度を超えて過大入力される不具合を防ぐことが可能になる。
【0054】
(1)すなわち、過大磁場が印加されても、AD変換を停止する等によるΔΣ変調器の誤動作を防ぐことが可能である。
(2)その結果、ΔΣ変調器に誤動作防止用の追加回路を施す必要がないため、ΔΣ変調器も簡素な構成とすることができる。これにより、チップコストの増加を防止できる。
(3)また、許容限度を超えたホール素子の出力信号が、ΔΣ変調回路に入力されないため、過大入力の対策としての発振検出及び初期化シーケンス追加の必要は無く、発振から定常状態に戻るまでの期間だけAD変換が機能停止するといった不具合も生じない。したがって、入力磁場条件が変わったアプリケーションに対しても、磁気集束板の寸法変更、もしくはホール素子による検出信号の増幅回路のゲイン調整等の比較的容易な設計変更により幅広いアプリケーションに対応できる汎用性を確保できる。
【0055】
<変形例>
その他、図6に示した回転角センサ20の場合、Z成分をキャンセルしてX成分とY成分のみを演算処理することにより、回転角度θを検出する角度検出回路としたが、ホール素子3の出力信号に含まれるZ成分をキャンセルせず、X成分及びY成分とともに生かして演算処理することにより、回転角度θを検出する角度検出回路としてもよい。その他にも、X成分とZ成分の組み合わせや、Y成分とZ成分の組み合わせのように、3軸(X,Y、Z)同時でない組み合わせで演算処理することが可能である。
【0056】
なお、上述したように、本発明は回転角センサ20に限定することなく、磁場の大きさのみを検出する磁気センサ10も含まれる。
以上、説明したように本発明によれば、磁気集束板の磁気飽和特性に着目し、ΔΣ変調器に入力される信号の変動を磁気集束板により制限することで、AD変換が停止する不具合を考慮したり、係る不具合を防止するための追加回路を設けたりしなくても、ΔΣ変調器の誤動作を防止できる。
【0057】
また、本発明によれば、磁気センサからのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサにおいて、ΔΣ変調回路の入力信号レベルが大きくなったときにもΔΣ変調器の誤動作を防止することができる磁気センサ及び回転角センサを提供することができる。
【符号の説明】
【0058】
1 回転磁石
2 集積回路(シリコン基板)
3 ホール素子
4 磁気集束板
6 磁場
6P 横磁場
6Q 縦磁場
6PQ 入射磁場
7 差動増幅器(増幅器)
8 X成分側ΔΣ変調器(ΔΣ変調器)
9 Y成分側ΔΣ変調器(ΔΣ変調器)
10 磁気センサ
11 角度・磁場強度検出回路
19 強磁性体
20,29 回転角センサ
21 X成分側AD変換器
22 Y成分側AD変換器
23 角度計算デジタル回路
30 ΔΣ変調器
31 DAコンバータ(DAC)
32 加減算器
33 積分器と、
34 量子化器
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8