JP2002513270A - 垂直ホール効果センサおよび垂直ホール効果センサを有するブラシレス電気モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 垂直ホール効果センサ（８０）は、互いに均等な離間角度を形成するように配置された３本またはそれ以上の腕部分（９，２９，４９）を有する半導体結晶（１）からなる。センサの表面（６１）には中央電流電極（２）と外側電流電極（３，２３，４３）とが配置され、その間にそれぞれホール電圧接触子（４，２４，４４）が配置される。ここで半導体結晶（１）は、この半導体結晶（１）の各腕部（９，２９，４９）のそれぞれにおいて電流電極（２および３，２３，４３）間に電流（１３；３３）が発生することが可能になるために充分な厚さを有し、この電流が表面（６１）に対して平行に調整された磁界に対して腕部の数に相当するとともに所定の角度相関性を有するホール効果センサの複数の感応性を形成する。この種の複数の腕部を有する垂直ホール効果センサによって形成されたホール電圧は、増幅するとともに電気モータの出力信号として直接適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、表面上に形成された一対の電流電極と電流電極間に配置されたホ
ール効果接触子とを有する、半導体結晶からなる垂直ホール効果センサに係り、
この際半導体結晶は、その中の電流電極間における電流の発生が可能となるため
に充分な厚さを有し、この電流が表面に対して平行な磁界に対するホール効果セ
ンサの感応性を形成する。

【０００２】 この発明は、さらに少なくとも１つのホール効果センサと永久磁石とを有し、
この永久磁石はモータ軸に強固に固定されるとともにホール効果センサは永久磁
石に対向して配置され、電気モータは少なくとも３つのコイルを備えるブラシレ
ス電気モータに関する。

【０００３】 この種のホールセンサは米国特許第４９８７４６７号公報により知られている
。垂直ホールセンサは統合された垂直センサであり、チップ表面に対して平行な
磁界に敏感であるという利点を備えている。この種のホールセンサは磁界の精密
な測定に際して使用される。

【０００４】 既知の一般的なホール効果センサは電気モータの制御にも使用される。この制
御機構を有するブラシレス電気モータは、Ｓ．エラーソープ氏によって「電力変
換および知能動作」vol. 22、No. 1（１９９６年１月）の第５８〜６５頁に記載
されている「低価格ブラシレス６ステップ直流モータのソフトウェアスピード制
御の効果」によって知られている。

【０００５】 前述したモータにおいては、３つのホール効果センサがそれぞれ永久磁石に対
して平行な１８０°の円形盤を遮蔽し互いに１２０°ずらして配置され、従って
これらのホール効果センサによって生成された電圧は３ビットのフィードバック
信号を提供し、これは６個の６０°範囲に関するロータ位置を決定する。これに
関する情報は、電気モータの一定回転を達成するためのＩＰ−、ＰＩ−およびＰ
ＰＩ制御にも使用される。

【０００６】 このモータは、制御アルゴリズムに基づいて実施されるシステムがモータの小
型化を大きく制限する程のスペースを占有するという問題点がある。このホール
効果構成は、設計性の制限に加えて精密な角度の調整の点において問題を有する
。

【０００７】 従って、本発明の目的は、前述した種類の垂直ホール効果センサを、より良好
な角度分析を実現し、特に回転する磁界がかけられた際にそれぞれ１２０°ずれ
たホール電圧を発生させるよう構成することである。

【０００８】 さらに、前述した技術に基づいて、垂直ホール効果センサを備える電気モータ
を可能な限り小さなスペースを占有し簡単に制御することが可能なマイクロモー
タとして構成する。

【０００９】 前述の第一の課題は、本発明に従って、文頭に述べた種類の垂直ホールセンサ
において、ホール効果センサは３個またはそれ以上の腕部分を有しており、それ
らの腕部分は互いに均等な離間角度を形成するように配置されるとともに中央部
分で合流しており、各腕部分は外側電流電極を備え、中央部分内のこの電流電極
に対して反対側に中央内側電流電極が配置され、これらはそれぞれ前記一対の電
流電極を構成し、外側電流電極と中央内側電流電極との間にそれぞれホール電圧
接触子が配置され、従って半導体結晶の各腕部分の電流電極の間において電流の
通流が可能となり、これは表面に平行して形成された磁界に対して腕数に応じて
ホール効果センサの複数の出力信号を適宜に予め設定された角度相関性をもって
形成する。

【００１０】 異なった腕部がそれぞれ完全なホール効果センサを形成することによって、結
晶表面レベル内の異なった角度に対してホール効果センサの感度を精密な方式で
達成することができる。統合された構成によって共通の結晶表面によるセンサ間
の角度の極めて良好な精度に加えて同じ磁界部分に対する感度も提供される。

【００１１】 別の課題は、本発明に従って文頭に述べた種類の電気モータにおいて、ホール
効果センサは本発明に従って少なくとも３本の腕部を備える垂直ホールセンサと
し、腕部の数はコイルの数に相当し、従ってモータ軸が回転している際に垂直ホ
ール効果センサによって互いに同じ位相差をもって離間した少なくとも３つのホ
ール電圧が形成され、これは出力信号として増幅されコイルに提供される。

【００１２】 本発明に係る垂直ホール効果センサをブラシレス電気モータに適用することに
よってそのスイッチングが容易になり、これはユニット全体の寸法を縮小する上
で有利である。

【００１３】 その他の好適な実施形態は、下位請求項に示されている。

【００１４】 次に、本発明の実施例につき、添付図面を参照しながら、以下詳細に説明する
。

【００１５】 図１には、従来の垂直ホール効果センサが示されており、その基本原理は米国
特許第４９８７４６７号公報に示されている。この文献は、ここにおいてこの種
のセンサを構成する際の周知技術として参照に組み入れている。

【００１６】 半導体結晶１は、ホール要素またはホール効果センサの基礎部となり、この結
晶１は平行六面体であり対向する面は平行に延在している。参照符号２および３
によって結晶１の表面上に装着された電流電極が示されている。これらの間には
第１のセンサ接触子４が配置され、接触子および電極の３つ全てがストライプ形
状であるとともに互いに平行に延在している。従って、米国特許第４９８７４６
７号に記載されている、いわゆる垂直ホール要素は、第１の内側電流電極２′と
第２の外側電流電極３′と第２のセンサ接触子５とを有する結晶部分１′を備え
ている。結晶材料１内には、電流電極２と３の間の導電性接続１３と、電流電極
２′と３′の間の導電性接続１３′とが形成されている。従って、このいわゆる
垂直ホール効果センサに矢印６の方向に従った磁界を付加すると、両方のセンサ
電極４および５の間にホール電圧が発生し、この際接触点４および５または２，
２′と３，３′ならびに磁界６の間の異なった接続面はそれぞれ垂直に延在して
いる。内側の電流電極２および２′は一体的に形成され、ストライプ形状となる
。

【００１７】 垂直ホール効果センサのストライプ状部分を省略し従って半分だけで動作させ
、センサの裏側にホール電圧の第２のタップを設けることが可能である。

【００１８】 図２には、本発明の実施例に従った３本の腕部を有するホール効果センサが示
されており、ここで全ての添付図面において同一の構成要素は同一の参照符号で
示されている。唯一の中央電流電極２は、３本全ての腕部９，２９，４９の全て
に対して機能するように配置されている。この電流電極２の反対側には外側電流
電極３，２３，４３が配置されている。中央電極２と外側電極３，２３または４
３との間には、それぞれセンサ接触子またはホール電圧電極４，２４および４４
が配置されている。第１の腕部９内における導電性層１３の第１の層経路の他に
、これに該当する第２の腕部２９内の層ガイド３３が示されている。

【００１９】 米国特許第４９８７４６７号公報に従って、この導電性層を多様な構成で実施
することが可能となり、これは、特に、導電性の高い、結晶１を形成する半導体
と同様に導電性状態を有するいわゆる埋め込み層から構成することができる。

【００２０】 図３には、ケース５０内に配置された小形モータが示されている。参照符号５
１はスリーブ５２内に配置された軸を示している。軸５１上の突起部５３上には
永久磁石５４が回転ずれしないように固定されている。永久磁石５４はシリンダ
形状であるとともに孔部を備えている。これに対向して、複数の腕部を有する垂
直ホール効果センサ６０が可能な限り小さな距離をもって配置されており、これ
は特に図２のように形成され、この際図２において参照符号６１で示された結晶
表面は永久磁石５４に向いている。

【００２１】 ケース５２上には管形状のスペーサ５５が設置されていることが好適であり、
このスペーサ上にはセンサ６０を装備した回路基板５６が配設されるとともにケ
ース５０に固定されている。これによって、簡便な方式で磁石５４とセンサ６０
とを平行に整列させることが可能となる。

【００２２】 図３のモータの回路が図４に示されており、これは本発明に係る電気モータの
基本的な回路図を示している。電気モータ６２は３つのコイルを備えており、こ
れは導線６３，６４および６５を備えている。参照符号５１は再び永久磁石６０
が取り付けられた軸を示しており、これに対向して平面図において概略的に示さ
れた３本の腕部を有する垂直ホール効果センサが設けられている。外側の電流電
極３，２３および４３は相互に接続され、電源６６を介して内側電流電極２と接
続されている。３本の電圧電極４，２４，および４４はそれぞれ増幅器ステージ
６７，６８および６９の第１の入力に接続されている。増幅器６７，６８および
６９の他の入力は、それぞれ反時計回りの方向につながっている電圧電極に接続
されている。従って、増幅器ステージ６７，６８および６９には、垂直ホール効
果センサ内のそれぞれ１２０°位相がずれた３つの独立したホール効果センサの
ホール電圧が付加される。これらの３つの信号７０，７１および７２は、要素７
３内に概略的に示されている。好適には、これらの信号は増幅器６７，６８およ
び６９内において増幅され、これによって導線６３，６４および６５に直接提供
することができ、その結果ブラシレスおよび好適には小型化された電気モータ６
２を別の電源回路を使用することなく駆動することができる。本発明に係る複数
の腕部を有する垂直ホール効果センサによって形成されるホール電圧は、増幅し
て電気モータの電源信号として使用することができる。

【００２３】 要素７３は３つの位相が異なった信号７０，７１および７２を形成する追加的
な外部電圧源とすることができ、これは電気モータ６２の始動および／または増
幅器ステージ６７，６８および６９の信号との混合を実施する。

【００２４】 図４の３本の腕部を有するホール効果センサ８０の他に、その他の任意の複数
の腕部を有するホール効果センサの構成が可能である。図５には、図４に対応し
て５本の腕部を有するホール効果センサ１００の回路図が示されている。この際
、中央電流電極２には５本の外側電流電極１０３，１１３，１２３，１３３およ
び１４３が接続している。ここでも、全ての外側電流電極は電源６６を介して内
側電流電極２と結合されている。各電流電極ペア２と１０３，１１３，１２３，
１３３または１４３との間にはホール電圧電極１０４，１１４，１２４，１３４
，１４４が配置されている。図４と同様に、腕部の数に応じて、ここでは５つの
増幅器ステージ１６７，１６８，１６９，１７０および１７１が設けられている
。また、５つの増幅器からこれに対応する電気モータ６２の５つのコイル１６２
，１６３，１６４，１６５および１６６への導線が延在している。

【００２５】 前述した垂直ホール効果センサの実施例において、電極２および３，２３，．
．．を介して一定の電流が提供され、ホール電圧を取り出している。この方式は
、位相差のある出力信号をもたらし、この信号は０Ｖを中心に振動し、従って直
流電圧成分を含んでいない。これに対して、前述したホール効果センサが一定電
圧、従って変動電流において動作する場合、出力電圧は０から離れた値例えば３
Ｖに達し、従って直流成分を含んでいる。

【００２６】 前述した増幅器ステージ６７または１６７における相違の形成とは別に、ホー
ル電圧接触子の各出力信号を別々に増幅してモータ６２に提供することができる
。この図示されてない例は、異なった磁界が異なっている際にホール電圧がシフ
トすることをもたらし、すなわち、異なった磁力において、３本の腕部を有する
センサの出力電圧の０および１８０°、または６０および２４０°、または１２
０および３００°における “０交差”は異なったものとなる。

【００２７】 本発明に係るホール効果センサは、前述したマイクロモータへの適用の他に、
小さなスペースにおいて異なった方向へ作用するホール効果センサが必要とされ
る全ての分野において適用可能である。前述した３本および５本の腕部を有する
垂直ホール効果センサの他に、３本以上の任意の数の腕部を有するセンサとする
ことができる。

【００２８】 センサが一体型であるという利点を有しており、製造に際して、接触面すなわ
ちここでは表面６１を平行またはここでは一列のアラインメントを行う点におい
て全く問題が生じない。接触面自体もそのアラインメントおよび大きさについて
極めて精密に設定することができる。一体型とすることによって、図２の３本の
腕部を有するセンサの場合隣接する腕部間の角度を１２０°に、図５の５本の腕
部を有するセンサの場合７２°に精密に形成することができる。

【００２９】 偶数、例えば６本の腕部を有するホール効果センサにおいて、添付図面を参照
して説明した、ここでは６０°の位相差を有する６個のホール電圧感度に加えて
、ホール効果センサの対向する腕部を相互接続し、これによって図１に示された
完全な垂直ホール効果センサを構成することができる。ここで選択した６本の腕
部の例において、図２の３本の腕部を有するホール効果センサと同様に、１２０
°の位相差を有する３つのホール電圧感度が形成される。しかしながら、回路の
煩雑性はより大きなものとなる。図２および図３による解決方式の利点は、必要
な接触子の数を大幅に削減することができ、センサの回路を簡略化し得る点にあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の直線形垂直ホール効果センサの構成図であり、信号タップの観点から延
長して示してある。

【図２】 本発明の一実施例に基づいた３つの腕部を備えるホール効果センサの構成図で
ある。

【図３】 図２に示された本発明に係る複数の腕部を有する垂直ホール効果センサを備え
る、小型電気モータの断面図である。

【図４】 図２に示された３本の腕部を有する垂直ホールセンサを備える、図３に示され
たモータを制御するための回路の概略構成図である。

【図５】 本発明の別の実施例に従って５本の腕部を有する垂直ホール効果センサを備え
る、５つのコイルからなる電気モータを制御するための回路の概略構成図である
。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年３月１７日（２０００．３．１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】 この種のホールセンサは米国特許第４９８７４６７号公報により知られている
。垂直ホールセンサは統合された垂直センサであり、チップ表面に対して平行な
磁界に敏感であるという利点を備えている。この種のホールセンサは磁界の精密
な測定に際して使用される。さらに別のホール効果センサが、「センサおよびア クチュエータ」vol. A53、No. 1/03（１９９６年５月）第２７８〜２８２頁（Ｘ Ｐ０００６２０３１０）に掲載されているパランジャプ氏等による論文「能動キ ャリアコンファインメントおよびポストプロセスマイクロマシニングを使用する ＣＭＯＳ互換２−Ｄ垂直ホール磁界センサ」により知られている。これは従来型 の２−Ｄホール効果センサであり、これにおいては２つのホール効果センサが共 通の中央接合部を使用し得るように十字型に対向配置されている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】 既知の一般的なホール効果センサは電気モータの制御にも使用される。この制
御機構を有するブラシレス電気モータは、Ｓ．エラーソープ氏によって「電力変
換および知能動作」vol. 22、No. 1（１９９６年１月）の第５８〜６５頁に記載
されている「低価格ブラシレス６ステップ直流モータのソフトウェアスピード制
御の効果」によって知られている。米国特許第３９８８６５４号公報には、３つ の分離されたホール効果センサを使用する別のブラシレス電気モータが記載され ている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】 これらのモータは、制御アルゴリズムに基づいて実施されるシステムがモータ
の小型化を大きく制限する程のスペースを占有するという問題点がある。このホ
ール効果構成は、設計性の制限に加えて精密な角度の調整の点において問題を有
する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルガー，フレデリック スイス国、ツェーハー−1206 ジュネー ブ、アベニュー ドゥ ミールモン ９ (72)発明者 ポポビック，ラディヴォイエ スイス国、ツェーハー−1025 サン−スル ピス、シュマン ドゥ シャンパーニュ 21 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AA03 AC00 AD52 AD61 5H019 AA07 BB01 BB05 BB15 BB19 BB22 CC03

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面上（６１）に形成された一対の電流電極（２，３）とこ
   の電流電極（２，３）間に配置されたホール電圧接触子（４）とを有する半導体
   結晶（１）からなり、この半導体結晶（１）はその中の電流電極（２，３）間に
   おける電流（１３）の発生が可能となるために充分な厚さを有し、この電流が表
   面（６１）に対して平行な磁界（６）に対するホール効果センサの感応性を形成
   する垂直ホール効果センサ（６０；８０；１００）であり、ホール効果センサは
   ３本またはそれ以上の腕部分（９，２９，４９；１００）を有しており、それら
   の腕部分は互いに均等な離間角度を形成するように配置されるとともに中央部分
   で合流しており、各腕部分は外側電流電極（３，２３，４３；１０３，１１３，
   １２３，１３３，１４３）を備え、中央部分内のこの電流電極に対して反対側に
   中央内側電流電極（２）が配置され、これらはそれぞれ前記一対の電流電極を構
   成し、外側電流電極（３，２３，４３；１０３，１１３，１２３，１３３，１４
   ３）と中央内側電流電極（２）との間にそれぞれホール電圧接触子（４，２４，
   ４４；１０４，１１４，１２４，１３４，１４４）が配置され、従って半導体結
   晶（１）の各腕部分（９，２９，４９；１００）の電流電極（２および３，２３
   ，４３；１０３，１１３，１２３，１３３，１４３）の間において電流（１３，
   ３３，．．．）の通流が可能となり、これは表面（６１）に平行して形成された
   磁界（６）に対して腕数に応じてホール効果センサの複数の出力信号を適宜に予
   め設定された角度相関性をもって形成することを特徴とする垂直ホール効果セン
   サ。
2. 【請求項２】 互いに１２０°の離間角度をもって配置された３本の腕部（
   ９，２９，４９）を備えることを特徴とする請求項１記載の垂直ホール効果セン
   サ（６０；８０；１００）。
3. 【請求項３】 電流（１３，３３，．．．）を生成するために半導体結晶（
   １）の各腕部（９，２９，４９；．．．）内に埋没層を設けることを特徴とする
   請求項１または２記載の垂直ホール効果センサ（６０；８０；１００）。
4. 【請求項４】 外側電流電極（３，２３，４３；１０３，．．．）は導電性
   ストライプであり、ホール電圧接触子（４，２４，４４；１０４，．．．）は外
   側電流電極（３，２３，４３；１０３，．．．）に平行な導電性ストライプであ
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の垂直ホール効果センサ
   （６０；８０；１００）。
5. 【請求項５】 少なくとも１つのホール効果センサ（６０；８０；１００）
   と永久磁石（５４）とを有するブラシレス電気モータ（６２）であり、この永久
   磁石（５４）はモータ軸（５１）に回転ずれしないように固定されるとともにホ
   ール効果センサ（６０；８０；１００）は永久磁石（５４）に対向して配置され
   、前記電気モータ（６２）は少なくとも３つのコイル（６３，６４，６５；１６
   ３，．．．）を備えてなり、ホール効果センサは請求項１ないし４のいずれかに
   従った少なくとも３本の腕部（９，２９，４９）を備える垂直ホール効果センサ
   （６０；８０；１００）であり、腕部（９，２９，４９；．．．）の数はコイル
   （６３，６４，６５；１６３，．．．）の数に相当し、従ってモータ軸（５１）
   が回転している際に垂直ホール効果センサ（６０；８０；１００）によって互い
   に同じ位相差をもってシフトした少なくとも３つのホール電圧が形成され、これ
   が増幅（６７，６８，６９；１６７，．．．）されて出力信号としてコイル（６
   ３，６４，６５；１６３，．．．）に提供される電気モータ。
6. 【請求項６】 隣接するホール電圧接触子（４，２４，４４；１０４，．．
   ．）はそれぞれ作動増幅器（６７，６８，６９；１６７，．．．）の入力へ接続
   されており、従って実質的に直流電圧が無いように増幅されたホール電圧（７０
   ，７１，７２）が電気モータ（６２）のコイルに提供される請求項５記載の電気
   モータ（６２）。
7. 【請求項７】 ホール電圧接触子（４，２４，４４；１０４，．．．）はそ
   れぞれ別々に増幅器に接続され、その出力が電気モータ（６２）のコイルに付加
   される請求項５記載の電気モータ（６２）。
8. 【請求項８】 ホール効果センサ（６０；８０；１００）は一定の電流で駆
   動されることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の電気モータ（６
   ２）。
9. 【請求項９】 ホール効果センサ（６０；８０）は３本の腕部（９，２９，
   ４９）を備え、電気モータ（６２）は３つのコイル（６３，６４，６５）を備え
   ることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の電気モータ（６２）。