JP2011180001A - Rotation sensor - Google Patents

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Tomoyuki Harada
智之 原田
Hirobumi Uenoyama
博文 上野山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a rotation sensor capable of size reduction, while improving the detection accuracy of rotation angle. <P>SOLUTION: The rotation sensor includes a sensor chip 5, having a magnetoresistive element region E1 where magnetoresistive elements R1-R8 are disposed so as to show the phase difference between output signals of the respective magnetoresistive elements and a Hall element region E2, where Hall elements H1 and H2 are disposed to show the phase difference between output signals of the respective Hall elements, wherein additionally, the magnetoresistive element region and the Hall element region overlap, at least in section; a comparison section 53 for showing results of comparing respective output levels of the respective Hall elements with a threshold level; an angle calculation section 60 for calculating an operation angle ϕ, corresponding to a relative rotation angle θ, by using the output signals from the respective magnetoresistive elements; and an output section 70 for comparing the calculated angle with a threshold angle and outputting a signal corresponding to the relative rotation angle, by using the comparison results and the comparison results of the comparison section 53. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、磁気抵抗素子およびホール素子を有し、磁気発生部に対して相対的に回転するセンサチップを備え、かつ、磁気抵抗素子およびホール素子からの各出力信号を用いて磁気発生部に対する相対回転角度を検出する回転センサに関する。   The present invention includes a sensor chip having a magnetoresistive element and a Hall element, rotating relative to the magnetism generating unit, and using the output signals from the magnetoresistive element and the Hall element to the magnetism generating unit. The present invention relates to a rotation sensor that detects a relative rotation angle.

従来、この種の回転センサとして、図30に示すものが知られている(特許文献1)。このものは、図30(a)に示すように、プリント回路板104の表面に1つの磁気センサ100と、ホール素子101とを配置して構成される。磁気センサ100は、永久磁石107から発生し、プリント回路板104の表面に平行な磁界106を検出できるように、永久磁石107の回転面と対向する位置に配置されている。ホール素子101は、永久磁石107から発生し、プリント回路板104の表面に垂直な磁界105を検出できるように、永久磁石107の外側に配置されている。図30(b)に示すように、ホール素子101は、2つの横型ホール素子102,103を備える。横型ホール素子102,103は、磁気センサ100に対して平面方向に角度γで配置されている。   Conventionally, what is shown in FIG. 30 is known as this kind of rotation sensor (patent document 1). As shown in FIG. 30A, this device is configured by arranging one magnetic sensor 100 and a Hall element 101 on the surface of a printed circuit board 104. The magnetic sensor 100 is disposed at a position facing the rotating surface of the permanent magnet 107 so that a magnetic field 106 generated from the permanent magnet 107 and parallel to the surface of the printed circuit board 104 can be detected. The Hall element 101 is arranged outside the permanent magnet 107 so that a magnetic field 105 generated from the permanent magnet 107 and perpendicular to the surface of the printed circuit board 104 can be detected. As shown in FIG. 30B, the Hall element 101 includes two horizontal Hall elements 102 and 103. The horizontal Hall elements 102 and 103 are arranged at an angle γ in the plane direction with respect to the magnetic sensor 100.

そして、永久磁石107が1回転すると、磁気センサ100が、1波長が電気角180°の信号を出力し、各横型ホール素子102,103は、それぞれ1波長が電気角360°の信号を出力する。また、永久磁石107の回転角度αは、磁気センサ100の出力信号に基づいて最大180°の角度範囲で求められ、各横型ホール素子102,103の出力値の大小関係に基づいて、永久磁石107の回転角度αが0°≦α≦90°、90°≦α≦180°、180°≦α≦270°および270°≦α≦360°のうち、どの範囲に属するかが判定される。また、回転角度の範囲の判定精度を高めるためには、磁気センサ100に対する横型ホール素子102,103の配置角度γを90°にすることが望ましいと記載されている。   When the permanent magnet 107 rotates once, the magnetic sensor 100 outputs a signal with one wavelength having an electrical angle of 180 °, and the horizontal Hall elements 102 and 103 each output a signal with one wavelength having an electrical angle of 360 °. . Further, the rotation angle α of the permanent magnet 107 is obtained in an angle range of 180 ° at the maximum based on the output signal of the magnetic sensor 100, and based on the magnitude relationship between the output values of the horizontal Hall elements 102 and 103, the permanent magnet 107. It is determined to which range the rotation angle α of 0 ° ≦ α ≦ 90 °, 90 ° ≦ α ≦ 180 °, 180 ° ≦ α ≦ 270 ° and 270 ° ≦ α ≦ 360 ° belongs. Further, it is described that it is desirable to set the arrangement angle γ of the horizontal Hall elements 102 and 103 with respect to the magnetic sensor 100 to 90 ° in order to increase the determination accuracy of the rotation angle range.

特開平11−94512号公報(第22〜24段落、図4,5)。JP-A-11-94512 (paragraphs 22 to 24, FIGS. 4 and 5).

ところで、前述した従来のものは、磁気センサ100に対する横型ホール素子102,103の配置角度γを90°に設定しようとすると、各横型ホール素子102,103を永久磁石107の下方かつ中心に配置しなければならない。
しかし、各横型ホール素子102,103が永久磁石107の下方かつ中心に配置された状態では、永久磁石107から発生する磁界105が各横型ホール素子102,103に対して垂直に印加されないため、各横型ホール素子102,103の出力に基づいて永久磁石107の回転角度の範囲を判定することができなくなる。また、磁界105が各横型ホール素子102,103に垂直に印加される配置範囲において角度γを90°にしようとすると、横型ホールの間隔が大きくなり、1チップ化が難しく、プリント回路板104が大きくなるので、回転センサが大型化する。
つまり、従来のものは、回転角度の検出精度を高めながら小型化することが困難であった。
By the way, in the conventional device described above, when the arrangement angle γ of the horizontal Hall elements 102 and 103 with respect to the magnetic sensor 100 is set to 90 °, the horizontal Hall elements 102 and 103 are arranged below and in the center of the permanent magnet 107. There must be.
However, in a state where the horizontal Hall elements 102 and 103 are arranged below and in the center of the permanent magnet 107, the magnetic field 105 generated from the permanent magnet 107 is not applied perpendicularly to the horizontal Hall elements 102 and 103. It becomes impossible to determine the range of the rotation angle of the permanent magnet 107 based on the outputs of the horizontal Hall elements 102 and 103. Further, if the angle γ is set to 90 ° in the arrangement range where the magnetic field 105 is applied perpendicularly to each of the horizontal Hall elements 102 and 103, the interval between the horizontal holes becomes large, making it difficult to make a single chip, and the printed circuit board 104 is Since it becomes larger, the rotation sensor becomes larger.
That is, it has been difficult to reduce the size of the conventional one while increasing the detection accuracy of the rotation angle.

そこでこの発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、回転角度の検出精度を高めながら小型化することができる回転センサを実現することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problem, and an object thereof is to realize a rotation sensor that can be miniaturized while improving the detection accuracy of the rotation angle.

上記の目的を達成するため、この発明の第1の特徴は、磁気発生部(2)から発生する磁気によって磁気抵抗効果を発生する磁気抵抗素子(R1〜R8)と、前記磁気によってホール効果を発生するホール素子(H1,H2)とを有し、前記磁気抵抗素子およびホール素子からの各出力信号を用いて前記磁気発生部に対する相対回転角度(θ)を検出する回転センサ(1)において、複数の磁気抵抗素子が各磁気抵抗素子の出力信号間に位相差が出るように配置された磁気抵抗素子領域(E1)と、複数のホール素子が各ホール素子の出力信号間に位相差が出るように配置されたホール素子領域(E2)とを有し、かつ、前記磁気抵抗素子領域およびホール素子領域の少なくとも一部同士が重ねられたセンサチップ(5)と、各ホール素子の各出力レベルと閾値レベルとを比較し、ホール素子毎の比較結果を出す比較部(53)と、各磁気抵抗素子の各出力信号を用いて前記相対回転角度に対応する角度(φ)を演算する角度演算部(60)と、前記角度演算部によって演算された演算値と閾値とを比較し、その比較結果と前記比較部の比較結果とを用い、前記相対回転角度に対応する信号を出力する出力部(70)と、を備えることにある。   In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is that a magnetoresistive element (R1 to R8) that generates a magnetoresistive effect by magnetism generated from a magnetism generating unit (2) and a Hall effect by the magnetism are provided. A rotation sensor (1) having a Hall element (H1, H2) to be generated, and detecting a relative rotation angle (θ) with respect to the magnetism generation unit using output signals from the magnetoresistive element and the Hall element; A magnetoresistive element region (E1) in which a plurality of magnetoresistive elements are arranged so as to produce a phase difference between output signals of the respective magnetoresistive elements, and a plurality of Hall elements produce a phase difference between output signals of the respective Hall elements. A sensor chip (5) having a Hall element region (E2) arranged in such a manner and at least a part of the magnetoresistive element region and the Hall element region are overlapped with each other, The comparator (53) that compares the output level with the threshold level and outputs a comparison result for each Hall element, and calculates the angle (φ) corresponding to the relative rotation angle using each output signal of each magnetoresistive element. The angle calculation unit (60) compares the calculated value calculated by the angle calculation unit with a threshold value, and outputs a signal corresponding to the relative rotation angle using the comparison result and the comparison result of the comparison unit. And an output unit (70).

上述の第1の特徴によれば、磁気抵抗素子領域およびホール素子領域の少なくとも一部同士が重ねられているため、回転センサを小型化することができる。
しかも、相対回転角度に対応する信号を出力するときに、各ホール素子の各出力レベルと閾値レベルとの比較結果に加え、角度演算部によって演算された角度と閾値角度との比較結果をも用いるため、相対回転角度の検出精度を高めることができる。
つまり、各ホール素子の各出力レベルと閾値レベルとの比較結果に不安定な部分が存在する場合に、その部分を、角度演算部によって演算された演算値と閾値との比較結果によって補うことができるため、相対回転角度の検出精度を高めることができる。
According to the first feature described above, since at least a part of the magnetoresistive element region and the Hall element region overlap each other, the rotation sensor can be reduced in size.
Moreover, when outputting a signal corresponding to the relative rotation angle, in addition to the comparison result between each output level of each Hall element and the threshold level, the comparison result between the angle calculated by the angle calculation unit and the threshold angle is also used. Therefore, the detection accuracy of the relative rotation angle can be increased.
That is, when there is an unstable part in the comparison result between each output level of each Hall element and the threshold level, the part can be supplemented by the comparison result between the calculation value calculated by the angle calculation unit and the threshold value. Therefore, the detection accuracy of the relative rotation angle can be increased.

この発明の第2の特徴は、前述した第1の特徴において、前記ホール素子領域(E2)の略全領域が前記磁気抵抗素子領域(E1)と重ねられていることにある。   A second feature of the present invention is that, in the first feature described above, substantially the entire region of the Hall element region (E2) is overlapped with the magnetoresistive device region (E1).

上述の第2の特徴によれば、ホール素子領域の略全領域が磁気抵抗素子領域と重ねられているため、回転センサをより一層小型化することができる。
しかも、磁気発生部の径が異なっても同じ回転センサを共通に用いることができるため、永久磁石の径毎に異なる回転センサを製造する必要がない。
したがって、回転センサの製造コストを低減することができる。
According to the second feature described above, the rotation sensor can be further reduced in size because substantially the entire Hall element region is overlapped with the magnetoresistive element region.
In addition, since the same rotation sensor can be used in common even if the diameter of the magnetism generating portion is different, there is no need to manufacture a different rotation sensor for each diameter of the permanent magnet.
Therefore, the manufacturing cost of the rotation sensor can be reduced.

この発明の第3の特徴は、前述した第1または第2の特徴において、前記磁気抵抗素子領域(E1)およびホール素子領域(E2)が、前記磁気発生部(2)の相対回転軸(C1)方向に対応する方向に重ねられていることにある。   According to a third feature of the present invention, in the first or second feature described above, the magnetoresistive element region (E1) and the Hall element region (E2) are provided with a relative rotation axis (C1 ) In the direction corresponding to the direction.

上述の第3の特徴によれば、磁気抵抗素子領域およびホール素子領域が、磁気発生部に対する相対回転軸方向に対応する方向に重ねられているため、相対回転軸の周囲に占める回転センサの占有領域を小さくすることができる。   According to the third feature described above, since the magnetoresistive element region and the Hall element region are overlapped in a direction corresponding to the relative rotation axis direction with respect to the magnetism generating unit, the rotation sensor occupies the periphery of the relative rotation axis. The area can be reduced.

この発明の第4の特徴は、前述した第1ないし第3の特徴のいずれかにおいて、前記磁気抵抗素子領域(E1)およびホール素子領域(E2)が、前記磁気発生部(2)の相対回転面(2c)と略平行に配置されていることにある。   According to a fourth feature of the present invention, in any one of the first to third features described above, the magnetoresistive element region (E1) and the Hall element region (E2) are relatively rotated by the magnetic generator (2). It exists in arrange | positioning substantially parallel to a surface (2c).

上述の第4の特徴によれば、磁気抵抗素子領域およびホール素子領域が、磁気発生部の相対回転面と略平行に配置されているため、各磁気抵抗素子および各ホール素子は、磁気発生部から磁気抵抗素子領域およびホール素子領域に対して略平行に発生する磁気を検出することができる。   According to the fourth feature described above, since the magnetoresistive element region and the Hall element region are disposed substantially parallel to the relative rotation surface of the magnetism generating unit, each magnetoresistive element and each Hall element are provided with the magnetizing unit. Thus, it is possible to detect magnetism generated substantially in parallel with the magnetoresistive element region and the Hall element region.

この発明の第5の特徴は、前述した第1ないし第4の特徴のいずれかにおいて、前記磁気抵抗素子領域(E1)が前記センサチップ(5)の表面(5a)側に、前記ホール素子領域(E2)が前記センサチップの裏面(5b)側にそれぞれ配置されており、前記センサチップの表面が前記磁気発生部(2)の相対回転面(2c)と対向するように配置されていることにある。   According to a fifth feature of the present invention, in any one of the first to fourth features described above, the magnetoresistive element region (E1) is located on the surface (5a) side of the sensor chip (5) and the Hall element region. (E2) is disposed on the back surface (5b) side of the sensor chip, and the surface of the sensor chip is disposed so as to face the relative rotation surface (2c) of the magnetism generation unit (2). It is in.

この発明の第6の特徴は、前述した第1ないし第4の特徴のいずれかにおいて、前記磁気抵抗素子領域(E1)が前記センサチップ(5)の表面(5a)側に、前記ホール素子領域(E2)が前記センサチップの裏面(5b)側にそれぞれ配置されており、前記センサチップの裏面が前記磁気発生部(2)の相対回転面(2c)と対向するように配置されていることにある。   A sixth feature of the present invention is that in any one of the first to fourth features described above, the magnetoresistive element region (E1) is located on the surface (5a) side of the sensor chip (5), and the Hall element region. (E2) is disposed on the back surface (5b) side of the sensor chip, and the back surface of the sensor chip is disposed so as to face the relative rotation surface (2c) of the magnetism generator (2). It is in.

上述の第5または第6の特徴によれば、センサチップの表面および裏面のどちらを磁気発生部の相対回転面と対向するように配置しても、相対回転角度を検出することができる。   According to the fifth or sixth feature described above, the relative rotation angle can be detected regardless of which one of the front surface and the back surface of the sensor chip is opposed to the relative rotation surface of the magnetism generator.

この発明の第7の特徴は、前述した第1ないし第6の特徴のいずれかにおいて、前記磁気発生部(2)は、その相対回転面(2c)の径方向で分割された異なる磁極(2a,2b)を有することにある。   According to a seventh feature of the present invention, in any one of the first to sixth features described above, the magnetism generator (2) has different magnetic poles (2a) divided in the radial direction of the relative rotation surface (2c). , 2b).

上述の第7の特徴によれば、相対回転面の径方向で分割された異なる磁極を有する磁気発生部に対する相対回転角度を検出することができる。   According to the seventh feature described above, it is possible to detect the relative rotation angle with respect to the magnetism generator having different magnetic poles divided in the radial direction of the relative rotation surface.

この発明の第8の特徴は、前述した第1ないし第6の特徴のいずれかにおいて、前記磁気発生部(2)は、相対回転する回転体(6a)の周方向に配置された異なる磁極(2a,2b)であることにある。   According to an eighth feature of the present invention, in any one of the first to sixth features described above, the magnetism generator (2) has different magnetic poles arranged in the circumferential direction of the rotating body (6a) that rotates relative to each other ( 2a, 2b).

上述の第8の特徴によれば、相対回転する回転体の周方向に配置された異なる磁極を有する磁気発生部に対する相対回転角度を検出することができる。   According to the eighth feature described above, it is possible to detect the relative rotation angle with respect to the magnetic generator having different magnetic poles arranged in the circumferential direction of the rotating body that rotates relatively.

この発明の第9の特徴は、前述した第8の特徴において、前記センサチップ(5)が前記異なる磁極(2a,2b)間に配置されていることにある。   A ninth feature of the present invention is that, in the eighth feature described above, the sensor chip (5) is disposed between the different magnetic poles (2a, 2b).

上述の第9の特徴によれば、センサチップが回転体の外周に配置された異なる磁極間に配置されているため、異なる磁極間に発生する磁気をセンサチップの磁気抵抗素子領域およびホール素子領域に平行に印加することができる。また、回転体およびセンサチップの占有空間を回転体の相対回転軸方向へ圧縮することができる。   According to the ninth feature described above, since the sensor chip is arranged between the different magnetic poles arranged on the outer periphery of the rotating body, the magnetism generated between the different magnetic poles is affected by the magnetoresistive element region and the Hall element region of the sensor chip. Can be applied in parallel. Moreover, the space occupied by the rotating body and the sensor chip can be compressed in the direction of the relative rotation axis of the rotating body.

この発明の第10の特徴は、前述した第1ないし第9の特徴のいずれかにおいて、前記磁気発生部(2)が多極であることにある。   According to a tenth feature of the present invention, in any one of the first to ninth features described above, the magnetism generator (2) is multipolar.

この発明の第11の特徴は、前述した第1ないし第10の特徴のいずれかにおいて、前記各磁気抵抗素子(R1〜R8)および各ホール素子(H1,H2)は、前記磁気抵抗素子領域(E1)およびホール素子領域(E2)に対して平行な磁界(B1)の磁束密度の変化を主として検出するように配置されていることにある。   According to an eleventh feature of the present invention, in any one of the first to tenth features described above, each of the magnetoresistive elements (R1 to R8) and each of the Hall elements (H1, H2) includes the magnetoresistive element region ( E1) and the Hall element region (E2) are arranged so as to mainly detect a change in magnetic flux density of the magnetic field (B1) parallel to the Hall element region (E2).

上述の第11の特徴によれば、磁気抵抗素子領域に対して平行な磁界の磁束密度の変化を主として検出するため、各磁気抵抗素子における磁気抵抗効果を大きくすることができる。
したがって、磁気発生部に対する相対回転角度の検出精度を高めることができる。
According to the eleventh feature described above, since the change in the magnetic flux density of the magnetic field parallel to the magnetoresistive element region is mainly detected, the magnetoresistive effect in each magnetoresistive element can be increased.
Therefore, the detection accuracy of the relative rotation angle with respect to the magnetism generator can be increased.

この発明の第12の特徴は、前述した第1ないし第11の特徴のいずれかにおいて、前記各ホール素子(H1,H2)は、相互に隣接するホール素子の出力信号間に90°の位相差が出るように配置されていることにある。   According to a twelfth feature of the present invention, in any one of the first to eleventh features described above, each of the Hall elements (H1, H2) has a phase difference of 90 ° between output signals of adjacent Hall elements. It is that it is arranged so that it comes out.

上述の第12の特徴によれば、相互に隣接するホール素子の一方から正弦波信号(sin信号)を出力し、他方から余弦波信号(cos信号)を出力することができる。
したがって、上記の正弦波信号および余弦波信号をパルス信号に変換し、両パルス信号の信号レベルの組合せを用いることにより、相対回転角度が0°〜90°、90°〜180°、180°〜270°および270°〜360°のうち、どの象限(角度範囲)に入るかを判定することができる。
According to the above twelfth feature, a sine wave signal (sin signal) can be output from one of mutually adjacent Hall elements, and a cosine wave signal (cos signal) can be output from the other.
Therefore, by converting the above sine wave signal and cosine wave signal into pulse signals and using a combination of signal levels of both pulse signals, the relative rotation angles are 0 ° to 90 °, 90 ° to 180 °, 180 ° to It is possible to determine which quadrant (angle range) of 270 ° and 270 ° to 360 °.

この発明の第13の特徴は、前述した第1ないし第12の特徴のいずれかにおいて、前記各磁気抵抗素子(R1〜R8)は、相互に隣接する磁気抵抗素子の出力信号間に45°の位相差が出るように配置されていることにある。   According to a thirteenth feature of the present invention, in any one of the first to twelfth features described above, each of the magnetoresistive elements (R1 to R8) is 45 ° between output signals of adjacent magnetoresistive elements. It exists in arrange | positioning so that a phase difference may come out.

上述の第13の特徴によれば、相互に隣接する磁気抵抗素子の一方から正弦波信号(sin信号)を出力し、その正弦波信号から位相が45°遅れた余弦波信号(cos信号)を他方から出力することができる。
したがって、上記の正弦波信号および余弦波信号を用いて相対回転角度を演算することができる。
According to the thirteenth feature described above, a sine wave signal (sin signal) is output from one of the mutually adjacent magnetoresistive elements, and a cosine wave signal (cos signal) whose phase is delayed by 45 ° from the sine wave signal. Can be output from the other.
Therefore, the relative rotation angle can be calculated using the above sine wave signal and cosine wave signal.

この発明の第14の特徴は、前述した第1ないし第13の特徴のいずれかにおいて、相互に隣接する磁気抵抗素子の出力信号間に90°の位相差が出るように磁気抵抗素子をハーフブリッジ接続した第1および第2のハーフブリッジ回路が、両ハーフブリッジ回路の各出力信号間の位相差が45°となるように配置されていることにある。   According to a fourteenth feature of the present invention, in any one of the first to thirteenth features described above, the magnetoresistive element is half-bridged so that a 90 ° phase difference is produced between the output signals of the mutually adjacent magnetoresistive elements. The connected first and second half-bridge circuits are arranged so that the phase difference between the output signals of both half-bridge circuits is 45 °.

上述の第14の特徴によれば、第1および第2のハーフブリッジ回路の各中点出力は、各ハーフブリッジ回路に供給される電圧の(1/2)を中心に振動するため、環境温度の変化などに起因する出力信号のオフセットを抑制することができる。   According to the fourteenth feature described above, since each midpoint output of the first and second half bridge circuits oscillates around (1/2) of the voltage supplied to each half bridge circuit, the environmental temperature It is possible to suppress the offset of the output signal due to the change of the signal.

この発明の第15の特徴は、前述した第14の特徴において、一対の前記第1のハーフブリッジ回路をブリッジ接続した第1のフルブリッジ回路と、一対の前記第2のハーフブリッジ回路をブリッジ接続した第2のフルブリッジ回路とが、両フルブリッジ回路の各出力信号間に45°の位相差が出るように配置されていることにある。   According to a fifteenth feature of the present invention, in the fourteenth feature described above, a first full bridge circuit in which a pair of the first half bridge circuits are bridge-connected and a pair of the second half bridge circuits in a bridge connection The second full bridge circuit is arranged so that a phase difference of 45 ° is generated between the output signals of both full bridge circuits.

上述の第15の特徴によれば、第1および第2のハーフブリッジ回路をそれぞれフルブリッジ回路構成とすることにより、ハーフブリッジ回路構成の場合と比較して、各フルブリッジ回路の出力信号の振幅を2倍にすることができる。
したがって、磁気発生部が発生する弱い磁気をも検出可能となるため、磁気発生部に対する相対回転角度の検出感度を高めることができる。また、磁気発生部とセンサチップとの配置間隔を大きくすることができるため、センサチップの配置位置の自由度が増す。
According to the fifteenth feature described above, the first and second half-bridge circuits each have a full-bridge circuit configuration, so that the amplitude of the output signal of each full-bridge circuit compared to the half-bridge circuit configuration. Can be doubled.
Therefore, since it is possible to detect even weak magnetism generated by the magnetism generation unit, it is possible to increase the detection sensitivity of the relative rotation angle with respect to the magnetism generation unit. Moreover, since the arrangement | positioning space | interval of a magnetic generation part and a sensor chip can be enlarged, the freedom degree of the arrangement position of a sensor chip increases.

この発明の第16の特徴は、前述した第14または第15の特徴において、前記第1および第2のハーフブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子(R1〜R8)が同心円状に交互に配置されていることにある。   According to a sixteenth aspect of the present invention, in the fourteenth or fifteenth aspect described above, the magnetoresistive elements (R1 to R8) constituting the first and second half bridge circuits are alternately arranged concentrically. There is to be.

上述の第16の特徴によれば、第1および第2のハーフブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子が同心円状に交互に配置されているため、磁気抵抗素子領域の配置面積を縮小することができる。   According to the sixteenth feature described above, since the magnetoresistive elements constituting the first and second half bridge circuits are alternately arranged concentrically, the arrangement area of the magnetoresistive element region can be reduced. .

この発明の第17の特徴は、前述した第12ないし第16の特徴のいずれかにおいて、前記出力部(70)によって作成された信号と、前記各ホール素子(H1,H2)の各出力信号との間にそれぞれ45°の位相差があることにある。   According to a seventeenth feature of the present invention, in any one of the twelfth to sixteenth features described above, the signal generated by the output unit (70), the output signals of the Hall elements (H1, H2), There is a phase difference of 45 ° between the two.

ホール素子の出力信号は180°周期のsin信号またはcos信号のアナログ値であり、磁気抵抗素子に比べて感度が小さいため、電圧0V付近、つまり、位相が180°切替わるポイント付近では、電圧オフセットやランダムノイズの影響を受けて電圧が変動し易い。このため、ホール素子の出力信号が0V(閾値レベル)以上のときをハイレベルと判定し、0V未満のときをローレベルと判定してパルス信号(以下、第1パルス信号という)を作成すると、その第1パルス信号において位相が180°切替わるポイント付近の電圧が不安定になるおそれがある。このため、そのような不安定な領域(図13においてハッチングを施した領域)は、相対回転角度の0〜360°を90°毎の角度範囲に分けた場合に、相対回転角度がどの角度範囲の入るかを判定する要素には用いない方が検出精度を高める上で望ましい。   The output signal of the Hall element is an analog value of a sin signal or a cos signal with a period of 180 °, and is less sensitive than the magnetoresistive element. Therefore, the voltage offset is around 0 V, that is, near the point where the phase is switched by 180 °. The voltage tends to fluctuate under the influence of random noise. Therefore, when the output signal of the Hall element is 0V (threshold level) or more is determined as high level, and when it is less than 0V is determined as low level, a pulse signal (hereinafter referred to as a first pulse signal) is created. In the first pulse signal, the voltage near the point where the phase is switched by 180 ° may be unstable. For this reason, such an unstable region (the hatched region in FIG. 13) indicates which angle range the relative rotation angle is when the relative rotation angle of 0 to 360 ° is divided into 90 ° angular ranges. In order to increase the detection accuracy, it is desirable not to use it as an element for determining whether or not to enter.

一方、高感度な各磁気抵抗素子の出力信号を用いて角度演算部によって演算された角度は、多ビットのデジタル値であるため、演算された角度の1/2を閾値角度とし、演算された角度が閾値角度以上のときをハイレベルと判定し、閾値角度未満のときをローレベルと判定すると、不安定な領域の存在しないパルス信号(以下、第2パルス信号という)を作成することができる。また、演算された角度に対応する信号は、各ホール素子の各出力信号とそれぞれ位相が45°異なるため、第2パルス信号は、第1パルス信号とそれぞれ位相が45°異なる。   On the other hand, since the angle calculated by the angle calculation unit using the output signal of each highly sensitive magnetoresistive element is a multi-bit digital value, the calculation is performed by setting 1/2 of the calculated angle as a threshold angle. When it is determined that the angle is equal to or higher than the threshold angle as a high level and when the angle is less than the threshold angle, it is determined as a low level, a pulse signal without an unstable region (hereinafter referred to as a second pulse signal) can be created. . In addition, since the signal corresponding to the calculated angle is 45 degrees different in phase from each output signal of each Hall element, the second pulse signal is 45 degrees different in phase from the first pulse signal.

そこで、相対回転角度がどの角度範囲に入るかを判定する際に、第1パルス信号のうち、中央の90°分に対応する部分の信号レベルを用い、両端の不安定な45°分の信号レベル(計90°分)は用いないようにする。そして、両端の45°分に対応する部分は、第2パルス信号の信号レベルを用いる。
つまり、上述の第17の特徴によれば、相対回転角度の角度範囲を判定する際に、角度範囲の判定精度を高めることができるため、相対回転角度の検出精度を高めることができる。
Therefore, when determining which angle range the relative rotation angle falls in, the signal level of the portion corresponding to the central 90 ° portion of the first pulse signal is used, and the unstable 45 ° signal at both ends. Do not use the level (total 90 °). And the part corresponding to 45 degrees of both ends uses the signal level of a 2nd pulse signal.
That is, according to the above-described seventeenth feature, when determining the angle range of the relative rotation angle, the angle range determination accuracy can be increased, and therefore the relative rotation angle detection accuracy can be increased.

この発明の第18の特徴は、前述した第12ないし第17の特徴のいずれかにおいて、前記相対回転角度(θ)の0〜360°を前記各ホール素子の出力信号間の位相差で除した値をnとし、0〜360°の範囲をnで除することによりn個の角度範囲を設定した場合に、前記比較部(53)および出力部(70)における比較結果の組合せが各角度範囲において総て異なるように構成されていることにある。   According to an eighteenth feature of the present invention, in any one of the twelfth to seventeenth features described above, the relative rotation angle (θ) of 0 to 360 ° is divided by a phase difference between output signals of the Hall elements. When n angle ranges are set by dividing the range of 0 to 360 ° by n, where n is a value, the combination of the comparison results in the comparison unit (53) and the output unit (70) is each angle range. Are different from each other.

上述の第18の特徴によれば、相対回転角度の0〜360°を各ホール素子の出力信号間の位相差で除した値をnとし、0〜360°の範囲をnで除することによりn個の角度範囲を設定した場合に、比較部および出力部における比較結果の組合せが各角度範囲において総て異なるように構成されているため、角度範囲の判定精度を高めることができる。 たとえば、各ホール素子の出力信号間の位相差が90°であり(n=4)、相対回転角度を0〜90°、90〜180°、180〜270°および270〜360°の4つの角度範囲に分割した場合に、相対回転角度が180°であるのに、演算した角度として誤って0°を出力するおそれがない。したがって、0〜360°の正確な角度を出力することができる。   According to the eighteenth feature described above, the value obtained by dividing the relative rotation angle of 0 to 360 ° by the phase difference between the output signals of the Hall elements is n, and the range of 0 to 360 ° is divided by n. When n angle ranges are set, the combination of the comparison results in the comparison unit and the output unit is configured to be different in each angle range, so that the accuracy of determining the angle range can be increased. For example, the phase difference between output signals of each Hall element is 90 ° (n = 4), and the relative rotation angles are four angles of 0 to 90 °, 90 to 180 °, 180 to 270 °, and 270 to 360 °. When divided into ranges, the relative rotation angle is 180 °, but there is no possibility of erroneously outputting 0 ° as the calculated angle. Therefore, an accurate angle of 0 to 360 ° can be output.

この発明の第19の特徴は、前述した第1ないし第18の特徴のいずれかにおいて、前記角度演算部(60)は、前記相対回転角度(θ)と、前記各磁気抵抗素子(R1〜R8)から出力される位相差のある複数の出力信号を用いて演算した角度(φ)との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を行って前記相対回転角度に対応する角度を演算することにある。   According to a nineteenth feature of the present invention, in any one of the first to eighteenth features described above, the angle calculator (60) includes the relative rotation angle (θ) and the magnetoresistive elements (R1 to R8). ) Is used to calculate an angle corresponding to the relative rotation angle by performing feedback control so that a deviation from an angle (φ) calculated using a plurality of output signals having a phase difference is reduced.

上述の第19の特徴によれば、相対回転角度と演算した角度との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を行って相対回転角度に対応する角度を求めるため、相対回転角度を高精度で演算することができる。
しかも、第1および第2の比較結果と演算した角度とを用いて0〜360°の相対回転角度に対応する角度を出力することができる。
According to the nineteenth feature described above, the feedback control is performed so that the deviation between the relative rotation angle and the calculated angle is small, and the angle corresponding to the relative rotation angle is obtained, so the relative rotation angle is calculated with high accuracy. be able to.
In addition, an angle corresponding to a relative rotation angle of 0 to 360 ° can be output using the first and second comparison results and the calculated angle.

この発明の第20の特徴は、前述した第1ないし第19の特徴のいずれかにおいて、前記各ホール素子(H1,H2)は、それぞれ縦型ホール素子であり、各縦型ホール素子の磁気検出面(HP1,HP2)の面方向が前記磁気抵抗素子領域(E1)と交差するように配置されていることにある。   According to a twentieth feature of the present invention, in any one of the first to nineteenth features described above, each of the Hall elements (H1, H2) is a vertical Hall element, and magnetic detection of each vertical Hall element is performed. The plane direction of the planes (HP1, HP2) is arranged so as to intersect the magnetoresistive element region (E1).

上述の第20の特徴によれば、各ホール素子がそれぞれ縦型ホール素子であり、各縦型ホール素子の磁気検出面の面方向が磁気抵抗素子領域と交差するように配置されているため、磁気抵抗素子領域に平行な磁気を各ホール素子の磁気検出面によって検出することができる。
したがって、磁気抵抗素子領域およびホール素子領域を重ねて配置した場合であっても、両素子領域が磁気を検出することができるため、センサチップを平面方向(横幅方向)に小型化することができる。
According to the twentieth feature described above, each Hall element is a vertical Hall element, and is arranged so that the surface direction of the magnetic detection surface of each vertical Hall element intersects the magnetoresistive element region. Magnetism parallel to the magnetoresistive element region can be detected by the magnetic detection surface of each Hall element.
Therefore, even when the magnetoresistive element region and the Hall element region are arranged in an overlapping manner, both element regions can detect magnetism, so that the sensor chip can be miniaturized in the plane direction (lateral width direction). .

この発明の第21の特徴は、前述した第1ないし第20の特徴のいずれかにおいて、前記各磁気抵抗素子(R1〜R8)および各ホール素子(H1,H2)は、それぞれ半導体基板(10)に作り込まれていることにある。   According to a twenty-first feature of the present invention, in any one of the first to twentieth features described above, each of the magnetoresistive elements (R1 to R8) and each of the Hall elements (H1, H2) is a semiconductor substrate (10). It is in being built in.

上述の第21の特徴によれば、各磁気抵抗素子および各ホール素子は、それぞれ半導体基板に作り込まれているため、各磁気抵抗素子および各ホール素子を一体化することができる。したがって、各磁気抵抗素子および各ホール素子を個別に位置決めする手間を省くことができる。   According to the twenty-first feature described above, each magnetoresistive element and each Hall element can be integrated because each magnetoresistive element and each Hall element are built in the semiconductor substrate. Therefore, the trouble of individually positioning each magnetoresistive element and each Hall element can be saved.

この発明の第22の特徴は、前述した第1ないし第21の特徴のいずれかにおいて、前記各ホール素子(H1,H2)はCMOSトランジスタ構造であることにある。   According to a twenty-second feature of the present invention, in any one of the first to twenty-first features described above, each of the Hall elements (H1, H2) has a CMOS transistor structure.

上述の第22の特徴によれば、各ホール素子はCMOSトランジスタ構造であるため、バイポーラ構造よりも製造工程を簡易化することができるので、回転センサの製造効率を高めることができる。   According to the twenty-second feature described above, since each Hall element has a CMOS transistor structure, the manufacturing process can be simplified as compared with the bipolar structure, so that the manufacturing efficiency of the rotation sensor can be increased.

特に、この発明の第23の特徴のように、各ホール素子(H1,H2)を高耐圧CMOSトランジスタ構造とすることにより、N型の半導体領域(Nwell)が深くなり、キャリアの移動度が高くなるため、磁気の検出感度を高めることができる。   In particular, as in the twenty-third feature of the present invention, each Hall element (H1, H2) has a high breakdown voltage CMOS transistor structure, whereby the N-type semiconductor region (Nwell) is deepened and the carrier mobility is high. Therefore, the magnetic detection sensitivity can be increased.

この発明の第24の特徴は、前述した第22または第23の特徴において、前記ホール素子領域(E2)は、第1導電型の半導体基板(10)と、前記半導体基板内の表層部から所定の深さに形成した第2導電型の半導体領域(91)と、前記第2導電型の半導体領域内において当該第2導電型の半導体領域よりも浅く、前記第2導電型の半導体領域を分割するように形成された第1導電型の半導体領域(92,93,99)と、前記第2導電型の半導体領域の表層部において前記第1導電型の半導体領域を挟んで形成され、電流供給対を構成するコンタクト用の第2導電型の不純物拡散領域(97,98)と、前記第2導電型の半導体領域の表層部に形成され、電圧出力対を構成するコンタクト用の第2導電型の不純物拡散領域(95,96)と、を備えており、前記磁気抵抗素子領域(E1)は、少なくとも一部が絶縁膜(90)を介して前記ホール素子領域に重ねて形成されていることにある。   According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the twenty-second or twenty-third aspect described above, the Hall element region (E2) is predetermined from a first conductivity type semiconductor substrate (10) and a surface layer portion in the semiconductor substrate. A second conductivity type semiconductor region (91) formed at a depth of the second conductivity type semiconductor region and the second conductivity type semiconductor region shallower than the second conductivity type semiconductor region in the second conductivity type semiconductor region The first conductivity type semiconductor region (92, 93, 99) formed in such a manner and a surface layer portion of the second conductivity type semiconductor region sandwiching the first conductivity type semiconductor region, and supplying current Second conductivity type impurity diffusion regions (97, 98) for contacts forming a pair and a second conductivity type for contacts forming a voltage output pair formed in a surface layer portion of the semiconductor region of the second conductivity type Impurity diffusion regions (95, 9 ) And has a said magnetoresistive element region (E1) is that at least a portion of which is formed to overlap the Hall element region via an insulating film (90).

上述の第24の特徴によれば、CMOSトランジスタの製造方法によってホール素子領域を半導体基板に製造した後、ホール素子領域の表面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜の表面に磁気抵抗素子領域を形成することができる。
したがって、ホール素子領域に積層する形で磁気抵抗素子領域を形成することができるため、両素子領域を個別に平面方向(横方向)に形成する場合と比較して、回転センサの製造効率を高めることができる。
According to the twenty-fourth feature, after the Hall element region is manufactured on the semiconductor substrate by the CMOS transistor manufacturing method, the insulating film is formed on the surface of the Hall element region, and the magnetoresistive element region is formed on the surface of the insulating film. Can be formed.
Therefore, since the magnetoresistive element region can be formed in the form of being stacked on the Hall element region, the manufacturing efficiency of the rotation sensor is increased as compared with the case where both element regions are individually formed in the planar direction (lateral direction). be able to.

この発明の第25の特徴は、前述した第1ないし第24の特徴のいずれかにおいて、前記各磁気抵抗素子(R1〜R8)は、NiFeの薄膜よりなることにある。   A twenty-fifth feature of the present invention is that, in any one of the first to twenty-fourth features described above, each of the magnetoresistive elements (R1 to R8) is made of a NiFe thin film.

この発明の第26の特徴は、前述した第1ないし第24の特徴のいずれかにおいて、前記各磁気抵抗素子(R1〜R8)は、NiCoの薄膜よりなることにある。   A twenty-sixth feature of the present invention is that, in any of the first to twenty-fourth features described above, each of the magnetoresistive elements (R1 to R8) is made of a NiCo thin film.

上述の第25または第26の特徴によれば、微弱な磁界を検知することができるため、相対回転角度の検出精度を高めることができる。   According to the twenty-fifth or twenty-sixth feature described above, a weak magnetic field can be detected, so that the detection accuracy of the relative rotation angle can be increased.

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in each said parenthesis shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

第1実施形態の回転センサの主要構成をブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the main structures of the rotation sensor of 1st Embodiment with a block. 図1に示すセンサチップの使用状態の一例を示す説明図であり、(a)はセンサチップおよび永久磁石の縦断面図、(b)は(a)に示す永久磁石の平面図である。It is explanatory drawing which shows an example of the use condition of the sensor chip shown in FIG. 1, (a) is a longitudinal cross-sectional view of a sensor chip and a permanent magnet, (b) is a top view of the permanent magnet shown to (a). 図2(a)に示す永久磁石が180°回転した状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which the permanent magnet shown to Fig.2 (a) rotated 180 degrees. センサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a sensor chip typically, (a) is a top view, (b) is AA arrow sectional drawing of (a). (a)は、磁気抵抗素子領域E1およびホール素子領域E2の平面図であり、(b)は、ホール素子H1,H2の配置角度を示す説明図である。(A) is a top view of the magnetoresistive element area | region E1 and Hall element area | region E2, (b) is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning angle of Hall element H1, H2. AMRセンサM1の構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of AMR sensor M1. AMRセンサM2の構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of AMR sensor M2. AMRセンサM1の等価回路である。It is an equivalent circuit of the AMR sensor M1. AMRセンサM2の等価回路である。It is an equivalent circuit of the AMR sensor M2. AMRセンサM1,M2およびホール素子H1,H2の各出力信号を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows each output signal of AMR sensor M1, M2 and Hall element H1, H2. ホール素子H2の説明図であり、(a)はホール素子H2およびその周辺の一部を示す平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図、(c)は(a)のB−B矢視断面図である。It is explanatory drawing of Hall element H2, (a) is a top view which shows a part of Hall element H2 and its periphery, (b) is AA arrow sectional drawing of (a), (c) is (a). It is BB arrow sectional drawing of. 回転センサ1の主な電気的構成をブロックで示す説明図であり、図1に対応する図である。It is explanatory drawing which shows the main electrical structures of the rotation sensor 1 with a block, and is a figure corresponding to FIG. ホール素子などの出力波形を示す説明図であり、(a)はホール素子H1の出力波形、(b)は比較回路53aの出力波形、(c)はホール素子H2の出力波形、(d)は比較回路53bの出力波形、(e)は角度演算部60から出力される演算角度の出力波形、(f)は(e)に示す演算角度φと閾値角度φthとの比較結果を示す波形、(g)は出力ロジック回路71の出力波形である。It is explanatory drawing which shows output waveforms, such as a Hall element, (a) is an output waveform of Hall element H1, (b) is an output waveform of comparison circuit 53a, (c) is an output waveform of Hall element H2, (d) is The output waveform of the comparison circuit 53b, (e) is the output waveform of the calculation angle output from the angle calculation unit 60, (f) is the waveform indicating the comparison result between the calculation angle φ and the threshold angle φth shown in (e), ( g) is an output waveform of the output logic circuit 71. 比較回路53a,53bから出力される第1および第2パルス信号VH1,VH2の信号レベルと、演算角度φと閾値角度φthとの比較結果との組合せと、相対回転角度θの角度範囲との関係を示す説明図であり、(a)はホール素子H1,H2を+45°ずらした場合、(b)はホール素子H1,H2を−45°ずらした場合である。The relationship between the signal level of the first and second pulse signals VH1 and VH2 output from the comparison circuits 53a and 53b, the comparison result of the calculation angle φ and the threshold angle φth, and the angle range of the relative rotation angle θ (A) is a case where the Hall elements H1 and H2 are shifted by + 45 °, and (b) is a case where the Hall elements H1 and H2 are shifted by −45 °. 第2実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the sensor chip with which the rotation sensor of 2nd Embodiment was equipped, (a) is a top view, (b) is AA arrow sectional drawing of (a). 第2実施形態の回転センサ1の主な電気的構成をブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the main electrical structures of the rotation sensor 1 of 2nd Embodiment with a block. 第2実施形態におけるホール素子などの出力波形を示す説明図であり、図13に対応する図である。It is explanatory drawing which shows output waveforms, such as a Hall element in 2nd Embodiment, and is a figure corresponding to FIG. 第3実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は相対回転角度0°の基準方向を+45°ずらした場合の説明図、(b)は相対回転角度0°の基準方向を−45°ずらした場合の説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the sensor chip with which the rotation sensor of 3rd Embodiment was equipped, (a) is explanatory drawing at the time of shifting +45 degrees from the reference direction of relative rotation angle 0 degree, (b). These are explanatory drawings when the reference direction with a relative rotation angle of 0 ° is shifted by −45 °. (a)および(b)は、第4実施形態の回転センサに備えられたホール素子の配置を示す説明図である。(A) And (b) is explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the Hall element with which the rotation sensor of 4th Embodiment was equipped. (a)および(b)は、第5実施形態の回転センサに備えられたセンサチップおよび永久磁石の縦断面図である。(A) And (b) is a longitudinal cross-sectional view of the sensor chip and permanent magnet with which the rotation sensor of 5th Embodiment was equipped. 第6実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの使用状態の一例を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。It is explanatory drawing which shows an example of the use condition of the sensor chip with which the rotation sensor of 6th Embodiment was equipped, (a) is a top view, (b) is AA arrow sectional drawing of (a). (a)および(b)は、第6実施形態の変更例の回転センサに備えられたセンサチップおよび回転体の平面図である。(A) And (b) is a top view of the sensor chip and rotary body with which the rotation sensor of the modification of 6th Embodiment was equipped. (a)および(b)は、第7実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの使用状態の一例を示す断面図である(A) And (b) is sectional drawing which shows an example of the use condition of the sensor chip with which the rotation sensor of 7th Embodiment was equipped. 第8実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the sensor chip with which the rotation sensor of 8th Embodiment was equipped, (a) is a top view, (b) is AA arrow sectional drawing of (a). 第9施形態の回転センサに備えられたAMRセンサの等価回路である。It is the equivalent circuit of the AMR sensor with which the rotation sensor of 9th Embodiment was equipped. 第10実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the sensor chip with which the rotation sensor of 10th Embodiment was equipped, (a) is a top view, (b) is AA arrow sectional drawing of (a). 第10実施形態の回転センサの主な電気的構成を一部省略してブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which abbreviate | omits some main electrical structures of the rotation sensor of 10th Embodiment, and shows with a block. 第11実施形態の回転センサに備えられた角度演算部60の構成をブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the angle calculating part 60 with which the rotation sensor of 11th Embodiment was equipped with a block. 第12実施形態の回転センサの主な電気的構成をブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the main electrical structures of the rotation sensor of 12th Embodiment with a block. 従来の回転センサの説明図である。It is explanatory drawing of the conventional rotation sensor.

〈第1実施形態〉
この発明の実施形態について図を参照して説明する。図1は、この実施形態の回転センサの主要構成をブロックで示す説明図である。図2は、図1に示すセンサチップの使用状態の一例を示す説明図であり、(a)はセンサチップおよび永久磁石の縦断面図、(b)は(a)に示す永久磁石の平面図である。図3は、図2(a)に示す永久磁石が180°回転した状態を示す縦断面図である。
<First Embodiment>
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the main configuration of the rotation sensor of this embodiment in blocks. 2A and 2B are explanatory views showing an example of a usage state of the sensor chip shown in FIG. 1, wherein FIG. 2A is a longitudinal sectional view of the sensor chip and the permanent magnet, and FIG. 2B is a plan view of the permanent magnet shown in FIG. It is. FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a state in which the permanent magnet shown in FIG.

[主要構成]
この実施形態の回転センサの主要構成について説明する。図1に示すように、この実施形態の回転センサ1は、センサチップ5と、このセンサチップ5と電気的に接続された検出回路50とを備える。センサチップ5は、磁気抵抗素子から成る2つの異方性磁気抵抗センサ(以下、AMRセンサという)M1,M2と、2つのホール素子H1,H2とを備える。
[Main configuration]
The main configuration of the rotation sensor of this embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the rotation sensor 1 of this embodiment includes a sensor chip 5 and a detection circuit 50 electrically connected to the sensor chip 5. The sensor chip 5 includes two anisotropic magnetoresistive sensors (hereinafter referred to as AMR sensors) M1 and M2 made of magnetoresistive elements and two Hall elements H1 and H2.

図2(a)に示すように、センサチップ5は、検出対象の永久磁石(磁気発生部)2の径に沿った相対回転面2cと対向する位置に配置される。また、センサチップ5は、支持部材(図示せず)によって支持されており、配置位置が変化しないように固定されている。図2(b)に示すように、永久磁石2は、円板形状を成しており、相対回転面2cの径方向で分割された異なる磁極を有する。この実施形態では、永久磁石2は、相対回転面2cの径方向で同じ大きさに2分されており、一方がN極の永久磁石2aに、他方がS極の永久磁石2bになっている。図2(a)に示すように、永久磁石2は、回転シャフト3の先端に取付けられており、矢印F1で示す方向に回転する。   As shown in FIG. 2A, the sensor chip 5 is disposed at a position facing the relative rotation surface 2c along the diameter of the permanent magnet (magnetization generating unit) 2 to be detected. The sensor chip 5 is supported by a support member (not shown), and is fixed so that the arrangement position does not change. As shown in FIG. 2B, the permanent magnet 2 has a disc shape and has different magnetic poles divided in the radial direction of the relative rotation surface 2c. In this embodiment, the permanent magnet 2 is divided into two equal parts in the radial direction of the relative rotation surface 2c, one being an N-pole permanent magnet 2a and the other being an S-pole permanent magnet 2b. . As shown in FIG. 2A, the permanent magnet 2 is attached to the tip of the rotating shaft 3 and rotates in the direction indicated by the arrow F1.

また、永久磁石2は、N極の永久磁石2aからS極の永久磁石2bに向けて磁界を発生し、そのうち、センサチップ5の表面5aに平行な磁界B1を発生する。図示の例では、磁界B1はホール素子H1からホール素子H2を貫通している。永久磁石2が図2(a)に示す状態から図3に示すように180°回転すると、磁界B1の向きが180°変化する。図示の例では、磁界B1はホール素子H2からH1を貫通している。   The permanent magnet 2 generates a magnetic field from the N-pole permanent magnet 2 a toward the S-pole permanent magnet 2 b, and generates a magnetic field B 1 parallel to the surface 5 a of the sensor chip 5. In the illustrated example, the magnetic field B1 passes through the Hall element H2 from the Hall element H1. When the permanent magnet 2 rotates 180 ° from the state shown in FIG. 2A as shown in FIG. 3, the direction of the magnetic field B1 changes by 180 °. In the illustrated example, the magnetic field B1 passes through the Hall elements H2 to H1.

図1に示すように、検出回路50は、増幅部51,52と、角度演算部60と、比較部53と、出力部70とを備える。増幅部51は、AMRセンサM1,M2から出力される出力信号を増幅する。角度演算部60は、増幅部51から出力される増幅信号を用い、永久磁石2の相対回転角度(以下、入力角度ともいう)θを演算する。増幅部52は、ホール素子H1,H2から出力される出力信号を増幅する。比較部53は、増幅部52から出力されるホール素子毎の増幅信号の出力レベルと閾値レベル(0V)とを比較し、その比較結果に対応するパルス信号をホール素子毎に出力する。   As shown in FIG. 1, the detection circuit 50 includes amplification units 51 and 52, an angle calculation unit 60, a comparison unit 53, and an output unit 70. The amplifying unit 51 amplifies output signals output from the AMR sensors M1 and M2. The angle calculation unit 60 calculates a relative rotation angle (hereinafter also referred to as an input angle) θ of the permanent magnet 2 using the amplified signal output from the amplification unit 51. The amplifying unit 52 amplifies output signals output from the Hall elements H1 and H2. The comparison unit 53 compares the output level of the amplification signal for each Hall element output from the amplification unit 52 with the threshold level (0 V), and outputs a pulse signal corresponding to the comparison result for each Hall element.

出力部70は、角度演算部60によって演算された角度(以下、演算角度という)φと閾値角度(請求項1に記載の閾値に対応する)φthとを比較し、その比較結果と比較部53の比較結果とを用い、相対回転角度θが0≦θ≦90°、90°≦θ≦180°、180°≦θ≦270°および270°≦θ≦360°の4つの象限のうち、どの象限に入っているかを判定する。そして、その判定結果と、角度演算部60から出力される演算角度(請求項1に記載の演算値に対応する)φとを用い、0〜360°の相対回転角度θに対応する出力角度を示す信号Voを出力する。   The output unit 70 compares an angle (hereinafter referred to as a calculation angle) φ calculated by the angle calculation unit 60 and a threshold angle (corresponding to the threshold value described in claim 1) φth, and the comparison result and the comparison unit 53. The relative rotation angle θ is 0 ≦ θ ≦ 90 °, 90 ° ≦ θ ≦ 180 °, 180 ° ≦ θ ≦ 270 °, and 270 ° ≦ θ ≦ 360 °. Determine if you are in a quadrant. Then, using the determination result and the calculation angle φ (corresponding to the calculation value described in claim 1) output from the angle calculation unit 60, the output angle corresponding to the relative rotation angle θ of 0 to 360 ° is set. The indicated signal Vo is output.

[センサチップの構造]
センサチップ5の構造について説明する。図4は、センサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。図5(a)は、磁気抵抗素子領域E1およびホール素子領域E2の平面図であり、(b)は、ホール素子H1,H2の配置角度を示す説明図である。なお、各図では、ホール素子H1,H2の配置状態を分かり易くするため、実際の寸法よりも大きく描いてある。また、磁気抵抗素子の形状も、素子の形成方向を分かり易くするため、実際の寸法よりも大きく描いてある。
[Sensor chip structure]
The structure of the sensor chip 5 will be described. 4A and 4B are explanatory views schematically showing the structure of the sensor chip, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 5A is a plan view of the magnetoresistive element region E1 and the Hall element region E2, and FIG. 5B is an explanatory diagram showing the arrangement angles of the Hall elements H1 and H2. In each drawing, the dimensions of the hall elements H1 and H2 are drawn larger than the actual dimensions for easy understanding. Also, the shape of the magnetoresistive element is drawn larger than the actual size in order to make the formation direction of the element easy to understand.

図4に示すように、センサチップ5は、シリコン基板10と、このシリコン基板10の表面に形成された絶縁膜90と、この絶縁膜90の表面に形成されたAMRセンサM1,M2と、シリコン基板10に作り込まれたホール素子H1,H2とを備える。AMRセンサM1は、磁気抵抗素子R1〜R4を備えており、AMRセンサM2は、磁気抵抗素子R5〜R8を備える。ホール素子H1,H2は、絶縁膜90を介して磁気抵抗素子R1〜R8の下方に重ねて配置されている。   As shown in FIG. 4, the sensor chip 5 includes a silicon substrate 10, an insulating film 90 formed on the surface of the silicon substrate 10, AMR sensors M1 and M2 formed on the surface of the insulating film 90, silicon Hall elements H1 and H2 built in the substrate 10 are provided. The AMR sensor M1 includes magnetoresistive elements R1 to R4, and the AMR sensor M2 includes magnetoresistive elements R5 to R8. The Hall elements H1 and H2 are arranged so as to overlap below the magnetoresistive elements R1 to R8 with the insulating film 90 interposed therebetween.

図5(b)に示すように、ホール素子H1,H2は、各磁気検出部HPの磁気検出面HP1,HP2の成す角度が90°となるように配置されている。つまり、ホール素子H1,H2は、出力信号間の位相差が90°となるように配置されている。センサチップ5の相対回転中心P1から磁気抵抗素子R2の方へ水平に延ばした線を基準線L3とし、基準線L3の位置を基準角度0°とすると、ホール素子H1は、自身の磁気検出面HP1と基準線L3とが成す角度αが45°となるように配置されている。   As shown in FIG. 5B, the Hall elements H1 and H2 are arranged such that the angle formed by the magnetic detection surfaces HP1 and HP2 of each magnetic detection unit HP is 90 °. That is, the Hall elements H1 and H2 are arranged so that the phase difference between the output signals is 90 °. If the line extending horizontally from the relative rotation center P1 of the sensor chip 5 toward the magnetoresistive element R2 is a reference line L3, and the position of the reference line L3 is a reference angle of 0 °, the Hall element H1 has its own magnetic detection surface. The angle α formed by HP1 and the reference line L3 is arranged to be 45 °.

また、ホール素子H2も自身の磁気検出面HP2と基準線L3とが成す角度が45°となるように配置されている。また、ホール素子H1,H2の各磁気検出面HP1,HP2と、基準角度0°に配置された磁気抵抗素子R2の磁化容易軸とがそれぞれ45°の角度を成している。つまり、ホール素子H1は、相対回転角度θに対して位相が45°進んだsin(θ+45°)信号を出力し、ホール素子H2は、ホール素子H1に対して位相が90°異なるcos(θ+45°)信号を出力する。   The Hall element H2 is also arranged so that the angle formed between its magnetic detection surface HP2 and the reference line L3 is 45 °. The magnetic detection surfaces HP1 and HP2 of the Hall elements H1 and H2 and the easy axis of magnetization of the magnetoresistive element R2 disposed at the reference angle of 0 ° form an angle of 45 °. That is, the Hall element H1 outputs a sin (θ + 45 °) signal whose phase is advanced by 45 ° with respect to the relative rotation angle θ, and the Hall element H2 is cos (θ + 45 °) whose phase is 90 ° different from that of the Hall element H1. ) Output the signal.

ここで、磁気抵抗素子R1〜R8が配置された領域を磁気抵抗素子領域E1とし、ホール素子H1,H2が配置された領域をホール素子領域E2とする。図5(a)は、図4(a)に基づいて作成したものである。磁気抵抗素子領域E1は、四角形を呈しており、その面積は、磁気抵抗素子R1〜R8を配置するために必要な最小面積に略等しい。また、ホール素子領域E2は、T字形を呈しており、その面積は、ホール素子H1,H2を配置するために必要な最小面積に略等しい。   Here, a region where the magnetoresistive elements R1 to R8 are disposed is referred to as a magnetoresistive element region E1, and a region where the Hall elements H1 and H2 are disposed is referred to as a Hall element region E2. FIG. 5A is created based on FIG. The magnetoresistive element region E1 has a quadrangular shape, and its area is substantially equal to the minimum area required for arranging the magnetoresistive elements R1 to R8. The hall element region E2 has a T-shape, and its area is substantially equal to the minimum area necessary for arranging the hall elements H1 and H2.

図示のように、ホール素子領域E2の全部が磁気抵抗素子領域E1の下方に重ねられており、ホール素子領域E2の一部も磁気抵抗素子領域E1の端部から、はみ出ていない。また、磁気抵抗素子領域E1の対角線L1,L2の交点がセンサチップ5の相対回転中心P1と一致している。また、対角線L2が、ホール素子領域E2のうち、T字形の縦の領域を長手方向に2分している。   As illustrated, the entire Hall element region E2 is overlapped below the magnetoresistive element region E1, and a part of the Hall element region E2 does not protrude from the end of the magnetoresistive element region E1. Further, the intersection of the diagonal lines L1 and L2 of the magnetoresistive element region E1 coincides with the relative rotation center P1 of the sensor chip 5. Further, the diagonal line L2 divides the T-shaped vertical region into two in the longitudinal direction in the Hall element region E2.

つまり、センサチップ5の相対回転中心P1は、永久磁石2の相対回転軸C1(図2(a))の延長線上に位置しており、センサチップ5の相対回転中心P1および永久磁石2の相対回転中心は同軸上に存在する。このため、永久磁石2が回転していない状態においてセンサチップ5を相対回転中心P1を中心にして相対回転させた場合でも、永久磁石2に対するセンサチップ5の相対回転角度を検出することができる。   That is, the relative rotation center P1 of the sensor chip 5 is located on the extension line of the relative rotation axis C1 (FIG. 2A) of the permanent magnet 2, and the relative rotation center P1 of the sensor chip 5 and the permanent magnet 2 are relative to each other. The center of rotation exists on the same axis. For this reason, even when the sensor chip 5 is relatively rotated around the relative rotation center P1 in a state where the permanent magnet 2 is not rotating, the relative rotation angle of the sensor chip 5 with respect to the permanent magnet 2 can be detected.

センサチップ5は、上記の構造であるため、AMRセンサおよびホール素子を半導体基板の基板面方向に配置した従来の回転センサと比較して、センサチップ5の基板面方向の大きさ(横幅)を小さくすることができる。
また、磁気抵抗素子領域E1およびホール素子領域E2は、永久磁石2の相対回転軸C1(図2(a))に対応する方向に重ねられている。
Since the sensor chip 5 has the above-described structure, the sensor chip 5 has a size (horizontal width) in the substrate surface direction as compared with the conventional rotation sensor in which the AMR sensor and the Hall element are arranged in the substrate surface direction of the semiconductor substrate. Can be small.
In addition, the magnetoresistive element region E1 and the hall element region E2 are overlapped in a direction corresponding to the relative rotation axis C1 (FIG. 2A) of the permanent magnet 2.

したがって、センサチップ5を永久磁石2の回転中心方向に縮小することができるため、永久磁石2の回転面2cと対向する空間を有効活用することができる。
また、センサチップ5の面積は、磁気抵抗素子領域E1に依存するため、磁気抵抗素子領域E1の面積に基づいてセンサチップ5の面積を決定することができる。
Accordingly, since the sensor chip 5 can be reduced in the direction of the rotation center of the permanent magnet 2, the space facing the rotation surface 2c of the permanent magnet 2 can be effectively utilized.
Further, since the area of the sensor chip 5 depends on the magnetoresistive element region E1, the area of the sensor chip 5 can be determined based on the area of the magnetoresistive element region E1.

(AMRセンサの構造)
次に、AMRセンサM1,M2の構造について説明する。図6は、AMRセンサM1の構造を模式的に示す平面図である。図7は、AMRセンサM2の構造を模式的に示す平面図である。図8は、AMRセンサM1の等価回路であり、図9は、AMRセンサM2の等価回路である。図10は、AMRセンサM1,M2およびホール素子H1,H2の各出力信号を示す説明図である。
(Structure of AMR sensor)
Next, the structure of the AMR sensors M1 and M2 will be described. FIG. 6 is a plan view schematically showing the structure of the AMR sensor M1. FIG. 7 is a plan view schematically showing the structure of the AMR sensor M2. FIG. 8 is an equivalent circuit of the AMR sensor M1, and FIG. 9 is an equivalent circuit of the AMR sensor M2. FIG. 10 is an explanatory diagram showing output signals of the AMR sensors M1, M2 and the Hall elements H1, H2.

磁気抵抗素子R1〜R8は、帯状領域を複数回折り返した形状、つまり、メアンダ状(蛇行状)に形成されている。磁気抵抗素子R1〜R8は、主としてシリコン基板10の表面に平行な磁界の強さおよび向きにより抵抗値が変化し、抵抗値に応じたレベルの信号を出力する。つまり、磁気抵抗素子R1〜R8は、異方性磁気抵抗効果を発生する素子である。
この実施形態では、磁気抵抗素子R1〜R8は、強磁性体の金属薄膜により形成されている。強磁性体としては、NiFe(パーマロイ)やNiCoなどを用いることができる。また、強磁性体の金属薄膜は、スパッタ法や蒸着法により成膜することができる。
The magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 8 are formed in a shape obtained by folding a plurality of band-shaped regions, that is, in a meander shape (meandering shape). The resistance values of the magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 8 mainly change depending on the strength and direction of the magnetic field parallel to the surface of the silicon substrate 10, and output a signal having a level corresponding to the resistance value. That is, the magnetoresistive elements R1 to R8 are elements that generate an anisotropic magnetoresistive effect.
In this embodiment, the magnetoresistive elements R1 to R8 are formed of a ferromagnetic metal thin film. As the ferromagnetic material, NiFe (permalloy), NiCo, or the like can be used. The ferromagnetic metal thin film can be formed by sputtering or vapor deposition.

図6に示すように、AMRセンサM1は、4つの磁気抵抗素子R1〜R4を備える。磁気抵抗素子R1〜R4は、相互に隣接する磁気抵抗素子において帯状素子の延設方向の成す角度が90°になるように配置されている。換言すると、磁気抵抗素子R1〜R4は、隣り合う磁気抵抗素子の電流の方向(磁化容易軸)が90°の角度を成すように配置されている。つまり、磁気抵抗素子R1,R4およびR2,R3の各組は、各組において出力信号間の位相が90°異なるように配置されている。   As shown in FIG. 6, the AMR sensor M1 includes four magnetoresistive elements R1 to R4. The magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 4 are arranged so that the angle formed by the extending direction of the strip-shaped elements in the adjacent magnetoresistive elements is 90 °. In other words, the magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 4 are arranged so that the current direction (magnetization easy axis) of the adjacent magnetoresistive elements forms an angle of 90 °. That is, each set of the magnetoresistive elements R1, R4 and R2, R3 is arranged such that the phase between the output signals is 90 ° different in each set.

図8に示すように、磁気抵抗素子R1およびR4は電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout1を取出すための出力端子31が電気的に接続されている。磁気抵抗素子R2およびR3も電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout2を取出すための出力端子32が電気的に接続されている。   As shown in FIG. 8, the magnetoresistive elements R1 and R4 are electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 31 for taking out the midpoint output Vout1 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit. The magnetoresistive elements R2 and R3 are also electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 32 for taking out the midpoint output Vout2 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit.

そして、両ハーフブリッジ回路は並列接続され、cos2θ信号を出力するフルブリッジ回路が構成されている。このフルブリッジ回路には、電源Vccを供給するための電源供給端子30と、グランドG1と電気的に接続するための端子33とが電気的に接続されている。このフルブリッジ回路において相対向する磁気抵抗素子R1およびR2は、(R0−ΔRcos2θ)信号を出力し、磁気抵抗素子R3およびR4は、(R0+ΔRcos2θ)信号を出力する。ここで、R0は、無磁界中における磁気抵抗素子の抵抗値であり、ΔRは、抵抗値変化量である。   Both half bridge circuits are connected in parallel to form a full bridge circuit that outputs a cos 2θ signal. The full bridge circuit is electrically connected to a power supply terminal 30 for supplying power Vcc and a terminal 33 for electrically connecting to the ground G1. The magnetoresistive elements R1 and R2 facing each other in the full bridge circuit output (R0−ΔRcos2θ) signals, and the magnetoresistive elements R3 and R4 output (R0 + ΔRcos2θ) signals. Here, R0 is a resistance value of the magnetoresistive element in the absence of a magnetic field, and ΔR is a resistance value change amount.

各中点出力Vout1,Vout2は、それぞれVcc/2を中心に振動するため、環境温度の変化などに起因する出力波形のオフセットを抑制することができる。
また、出力端子31,32は、差動増幅回路(図12において符号51aで示す)に接続され、中点出力Vout1,Vout2が差動増幅される。このため、AMRセンサM1を1つのハーフブリッジ回路によって構成する場合と比較して、AMRセンサM1の出力振幅を2倍にすることができるため、磁気の検出感度を高めることができる。
Since each of the midpoint outputs Vout1 and Vout2 vibrates around Vcc / 2, it is possible to suppress an offset of the output waveform caused by a change in environmental temperature or the like.
The output terminals 31 and 32 are connected to a differential amplifier circuit (indicated by reference numeral 51a in FIG. 12), and the midpoint outputs Vout1 and Vout2 are differentially amplified. Therefore, the output amplitude of the AMR sensor M1 can be doubled compared to the case where the AMR sensor M1 is configured by one half bridge circuit, so that the magnetic detection sensitivity can be increased.

図7に示すように、AMRセンサM2は、4つの磁気抵抗素子R5〜R8を備える。磁気抵抗素子R5〜R8は、相互に隣接する磁気抵抗素子において帯状素子の延設方向の成す角度が90°になるように配置されている。換言すると、磁気抵抗素子R5〜R8は、隣り合う磁気抵抗素子の電流の方向(磁化容易軸)が90°の角度を成すように配置されている。つまり、磁気抵抗素子R5,R7およびR8,R6の各組は、各組において出力信号間の位相が90°異なるように配置されている。   As shown in FIG. 7, the AMR sensor M2 includes four magnetoresistive elements R5 to R8. The magnetoresistive elements R5 to R8 are arranged so that the angle formed by the extending direction of the strip-shaped elements in the adjacent magnetoresistive elements is 90 °. In other words, the magnetoresistive elements R5 to R8 are arranged so that the current direction (magnetization easy axis) of the adjacent magnetoresistive elements forms an angle of 90 °. That is, each set of magnetoresistive elements R5, R7 and R8, R6 is arranged such that the phase between the output signals is 90 ° different in each set.

図9に示すように、磁気抵抗素子R5およびR7は電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout3を取出すための出力端子37が電気的に接続されている。磁気抵抗素子R8およびR6も電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout4を取出すための出力端子38が電気的に接続されている。   As shown in FIG. 9, the magnetoresistive elements R5 and R7 are electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 37 for taking out the midpoint output Vout3 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit. The magnetoresistive elements R8 and R6 are also electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 38 for taking out the midpoint output Vout4 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit.

そして、両ハーフブリッジ回路は並列接続され、sin2θ信号を出力するフルブリッジ回路が構成されている。このフルブリッジ回路には、電源Vccを供給するための電源供給端子36と、グランドG2と電気的に接続するための端子39とが電気的に接続されている。このフルブリッジ回路において相対向する磁気抵抗素子R5およびR6は、(R0+ΔRsin2θ)信号を出力し、磁気抵抗素子R7およびR8は、(R0−ΔRsin2θ)信号を出力する。   Both half-bridge circuits are connected in parallel to form a full-bridge circuit that outputs a sin 2θ signal. The full bridge circuit is electrically connected to a power supply terminal 36 for supplying power Vcc and a terminal 39 for electrically connecting to the ground G2. In the full bridge circuit, the magnetoresistive elements R5 and R6 facing each other output (R0 + ΔRsin2θ) signal, and the magnetoresistive elements R7 and R8 output (R0−ΔRsin2θ) signal.

各中点出力Vout3,Vout4は、それぞれVcc/2を中心に振動するため、環境温度の変化などに起因する出力波形のオフセットを抑制することができる。
また、出力端子37,38は、差動増幅回路(図12において符号51bで示す)に接続され、中点出力Vout3,Vout4が差動増幅される。このため、AMRセンサM2を1つのハーフブリッジ回路によって構成する場合と比較して、AMRセンサM2の出力振幅を2倍にすることができるため、磁気の検出感度を高めることができる。
Since each of the midpoint outputs Vout3 and Vout4 vibrates around Vcc / 2, it is possible to suppress an offset of the output waveform caused by a change in environmental temperature or the like.
The output terminals 37 and 38 are connected to a differential amplifier circuit (indicated by reference numeral 51b in FIG. 12), and the midpoint outputs Vout3 and Vout4 are differentially amplified. For this reason, the output amplitude of the AMR sensor M2 can be doubled as compared with the case where the AMR sensor M2 is configured by one half bridge circuit, so that the magnetic detection sensitivity can be increased.

図4(a)に示すように、AMRセンサM1,M2の各磁気抵抗素子は同心円状に交互に配置されており、隣り合うAMRセンサM1の磁気抵抗素子R1〜R4と、AMRセンサM2の磁気抵抗素子R5〜R8とが、電流の方向(磁化容易軸)が45°の角度を成すように配置されている。異方性磁気抵抗素子の電気抵抗の変化量ΔRは、自身の金属薄膜に流れる電流の方向(磁化容易軸)と、磁界の方向との成す角度が90°および270°のときに最大になり、0°および180°のときに最小になる。   As shown in FIG. 4A, the magnetoresistive elements of the AMR sensors M1 and M2 are alternately arranged concentrically, and the magnetoresistive elements R1 to R4 of the adjacent AMR sensor M1 and the magnetoresistive elements of the AMR sensor M2. The resistance elements R5 to R8 are arranged so that the direction of current (magnetization easy axis) forms an angle of 45 °. The amount of change ΔR in the electrical resistance of the anisotropic magnetoresistive element is maximized when the angle between the direction of the current flowing in its own metal thin film (magnetization easy axis) and the direction of the magnetic field is 90 ° and 270 °. , 0 ° and 180 °.

したがって、図10に示すように、AMRセンサM1は、1波長が電気角180°のcos信号を出力し、AMRセンサM2は、AMRセンサM1との位相差が45°で、1波長が電気角180°のsin信号を出力する。   Therefore, as shown in FIG. 10, the AMR sensor M1 outputs a cos signal whose one wavelength is an electrical angle of 180 °, and the AMR sensor M2 has a phase difference of 45 ° from the AMR sensor M1 and one wavelength has an electrical angle. A 180 ° sin signal is output.

図4(b)に示すように、AMRセンサM1,M2を構成する磁気抵抗素子R1〜R8は、絶縁膜90を解してシリコン基板10の表層部に配置されている。AMRセンサM1,M2は、磁気抵抗素子領域E1、つまり、シリコン基板10に対して平行な磁界B1の磁束密度の変化を主として検出する。ホール素子H1,H2は、シリコン基板10に作り込まれており、絶縁膜90を解して磁気抵抗素子R1〜R8の下方に重ねて配置されている。この実施形態では、ホール素子H1,H2は、それぞれCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造の縦型ホール素子である。また、絶縁膜90はシリコン酸化膜である。   As shown in FIG. 4B, the magnetoresistive elements R1 to R8 constituting the AMR sensors M1 and M2 are arranged on the surface layer portion of the silicon substrate 10 through the insulating film 90. The AMR sensors M1 and M2 mainly detect a change in magnetic flux density of the magnetic field B1 parallel to the magnetoresistive element region E1, that is, the silicon substrate 10. The Hall elements H1 and H2 are built in the silicon substrate 10, and are disposed below the magnetoresistive elements R1 to R8 through the insulating film 90. In this embodiment, each of the Hall elements H1 and H2 is a vertical Hall element having a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) structure. The insulating film 90 is a silicon oxide film.

ホール素子H1,H2は、出力信号間の位相差が90°となるように配置されている。このため、図10に示すように、永久磁石2が360°回転すると、ホール素子H1は、1波長が電気角360°のsin信号を出力し、ホール素子H2は、1波長が電気角360°のcos信号を出力する。   The Hall elements H1 and H2 are arranged so that the phase difference between the output signals is 90 °. For this reason, as shown in FIG. 10, when the permanent magnet 2 rotates 360 °, the Hall element H1 outputs a sin signal having an electrical angle of 360 °, and the Hall element H2 has an electrical angle of 360 °. The cos signal is output.

(ホール素子の構造)
次に、ホール素子H1,H2の構造について説明する。なお、ホール素子H1,H2は同一の構造であるため、ここでは、ホール素子H2を例に挙げて説明する。図11は、ホール素子H2の説明図であり、(a)はホール素子H2およびその周辺の一部を示す平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図、(c)は(a)のB−B矢視断面図である。
(Hall element structure)
Next, the structure of the Hall elements H1 and H2 will be described. Since the Hall elements H1 and H2 have the same structure, the Hall element H2 will be described as an example here. 11A and 11B are explanatory diagrams of the Hall element H2, in which FIG. 11A is a plan view showing the Hall element H2 and a part of the periphery thereof, FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. [FIG. 2] is a sectional view taken along line BB in FIG.

ホール素子H2は、高耐圧CMOSトランジスタ(HVCMOS)構造を有する。ホール素子H2は、P型(第1導電型)のシリコン基板(P−sub)10と、このシリコン基板10の表層部から深さ方向に形成されたN型(第2導電型)の半導体領域(Nwell)91と、この半導体領域91の全周を囲むP型(第1導電型)の拡散層(Pwell)92と、シリコン基板10の表層部から深さ方向に形成され、半導体領域91の表層部から所定深さまでの領域を3つの半導体領域91a,91b,91cに分割するP型(第1導電型)の拡散層(Pwell)93,99と、半導体領域91a,91b,91cの各表層部に形成されたコンタクト領域(N+拡散層(不純物拡散領域))94〜98とを備える。   The Hall element H2 has a high breakdown voltage CMOS transistor (HVCMOS) structure. The Hall element H2 includes a P-type (first conductivity type) silicon substrate (P-sub) 10 and an N-type (second conductivity type) semiconductor region formed in the depth direction from the surface layer portion of the silicon substrate 10. (Nwell) 91, a P-type (first conductivity type) diffusion layer (Pwell) 92 that surrounds the entire circumference of the semiconductor region 91, and a depth direction from the surface layer portion of the silicon substrate 10. P-type (first conductivity type) diffusion layers (Pwell) 93, 99 that divide a region from the surface layer portion to a predetermined depth into three semiconductor regions 91a, 91b, 91c, and respective surface layers of the semiconductor regions 91a, 91b, 91c Contact regions (N + diffusion layers (impurity diffusion regions)) 94 to 98 formed in the portion.

コンタクト領域94〜98には、配線を介して端子S,V1,V2,G3,G4が電気的に接続されている。端子S,G3,G4は、駆動電流を供給するための端子であり、端子V1,V2は、ホール電圧信号を取出すための端子である。つまり、コンタクト領域97,98が電流供給対であり、コンタクト領域95,96が電圧出力対である。したがって、図4(a)に示したホール素子H1,H2は、電流供給対を結ぶ線が直交するように配置されていることになる。また、電圧出力対を結ぶ線が直交するように配置されていることになる。   Terminals S, V1, V2, G3, and G4 are electrically connected to the contact regions 94 to 98 through wiring. Terminals S, G3, and G4 are terminals for supplying a driving current, and terminals V1 and V2 are terminals for taking out a Hall voltage signal. That is, the contact regions 97 and 98 are current supply pairs, and the contact regions 95 and 96 are voltage output pairs. Therefore, the Hall elements H1 and H2 shown in FIG. 4A are arranged so that the lines connecting the current supply pairs are orthogonal to each other. Further, the lines connecting the voltage output pairs are arranged so as to be orthogonal to each other.

図11(c)に示すように、コンタクト領域95,96によって挟まれる領域が、磁気検出部(ホールプレート)HPとなる。また、その磁気検出部HPのうち、コンタクト領域95,96を結ぶラインと平行な両面がそれぞれ磁気検出面HP2となる。つまり、ホール素子H2は、その磁気検出面HP2から磁気検出部HPに印加される磁界に対応するホール電圧信号を端子V1,V2から出力する。
図11(b)に示すように、端子Sから端子G3へ、さらに、端子Sから端子G4へそれぞれ一定の駆動電流iを流すと、その駆動電流iは、コンタクト領域94から磁気検出部HP、そして拡散層93,98の下方の半導体領域91を通じてコンタクト領域97,98へとそれぞれ流れる。
As shown in FIG. 11C, a region sandwiched between the contact regions 95 and 96 is a magnetic detection unit (hole plate) HP. Further, in the magnetic detection part HP, both surfaces parallel to the line connecting the contact regions 95 and 96 become the magnetic detection surface HP2, respectively. That is, the Hall element H2 outputs the Hall voltage signal corresponding to the magnetic field applied from the magnetic detection surface HP2 to the magnetic detection unit HP from the terminals V1 and V2.
As shown in FIG. 11B, when a constant drive current i is supplied from the terminal S to the terminal G3 and from the terminal S to the terminal G4, the drive current i is supplied from the contact region 94 to the magnetic detection unit HP, Then, it flows to the contact regions 97 and 98 through the semiconductor region 91 below the diffusion layers 93 and 98, respectively.

つまり、磁気検出部HPには、基板表面(センサチップ表面)に垂直な成分を含む駆動電流が流れる。このため、その駆動電流を流した状態において、基板表面(センサチップ表面)に平行な成分を含む磁界(たとえば、図11(c)において矢印B1で示す磁界)が磁気検出部HPに印加されると、ホール効果によって端子V1,V2間にその磁界に対応するホール電圧VHが発生する。ホール電圧VHは、磁気検出面HP2と磁界の方向とが成す角度、つまり、磁気検出面HP2に対する磁界の入射角度に応じて変化する。   That is, a drive current including a component perpendicular to the substrate surface (sensor chip surface) flows through the magnetic detection unit HP. For this reason, a magnetic field (for example, a magnetic field indicated by an arrow B1 in FIG. 11C) including a component parallel to the substrate surface (sensor chip surface) is applied to the magnetic detection unit HP in a state where the drive current flows. The Hall voltage VH corresponding to the magnetic field is generated between the terminals V1 and V2 by the Hall effect. The Hall voltage VH changes according to the angle formed by the magnetic detection surface HP2 and the direction of the magnetic field, that is, the incident angle of the magnetic field with respect to the magnetic detection surface HP2.

図2(a),図3に示したように、ホール素子H1,H2は、各磁気検出面HP1,HP2がシリコン基板10の表面に対して垂直となるように配置されているため、永久磁石2から発生し、シリコン基板10の表面に平行な磁界B1が各磁気検出面HP1,HP2を垂直に貫通する。図示の状態では、磁界B1は、ホール素子H2の磁気検出面HP2に垂直に貫通しているが、永久磁石2が図示の位置から90°回転すると、磁界B1は、ホール素子H1の磁気検出面HP1に垂直に貫通する。つまり、ホール素子H1,H2は、シリコン基板10の表面に平行な磁界B1の磁束密度の変化を主として検出する。   As shown in FIGS. 2A and 3, the Hall elements H <b> 1 and H <b> 2 are arranged so that the magnetic detection surfaces HP <b> 1 and HP <b> 2 are perpendicular to the surface of the silicon substrate 10. 2 and a magnetic field B1 parallel to the surface of the silicon substrate 10 penetrates the magnetic detection surfaces HP1 and HP2 vertically. In the illustrated state, the magnetic field B1 penetrates perpendicularly to the magnetic detection surface HP2 of the Hall element H2, but when the permanent magnet 2 rotates 90 ° from the illustrated position, the magnetic field B1 changes to the magnetic detection surface of the Hall element H1. It penetrates perpendicularly to HP1. That is, the Hall elements H1 and H2 mainly detect changes in the magnetic flux density of the magnetic field B1 parallel to the surface of the silicon substrate 10.

N型の半導体領域91は、低耐圧CMOSトランジスタ構造におけるN型の半導体領域よりも深く形成されており、それに伴い、P型の拡散層92,93,98も、低耐圧CMOSトランジスタ構造におけるP型の拡散層よりも深く形成されている。この実施形態では、P型の拡散層92,93,98は、それぞれN型の半導体領域91の略半分の深さに形成されている。   The N-type semiconductor region 91 is formed deeper than the N-type semiconductor region in the low breakdown voltage CMOS transistor structure, and accordingly, the P-type diffusion layers 92, 93, 98 are also P-type in the low breakdown voltage CMOS transistor structure. It is formed deeper than the diffusion layer. In this embodiment, the P-type diffusion layers 92, 93 and 98 are each formed to a depth approximately half that of the N-type semiconductor region 91.

このようにホール素子H1は、N型の半導体領域91を深く形成しているため、キャリア移動度が高くなり、ホール効果を大きくすることができるため、ホール電圧VHを高くすることができるので、磁界に対する検出感度を高めることができる。
また、ホール素子H1は、CMOS工程で製造するため、バイポーラ工程で製造する縦型ホール素子よりもコスト的に有利である。
Thus, since the Hall element H1 has the N-type semiconductor region 91 formed deeply, the carrier mobility is increased and the Hall effect can be increased, so that the Hall voltage VH can be increased. The detection sensitivity with respect to the magnetic field can be increased.
In addition, since the Hall element H1 is manufactured by a CMOS process, it is more cost-effective than a vertical Hall element manufactured by a bipolar process.

[電気的構成]
次に、回転センサ1の主な電気的構成について説明する。図12は、回転センサ1の主な電気的構成をブロックで示す説明図であり、図1に対応する図である。図13は、ホール素子などの出力波形を示す説明図であり、(a)はホール素子H1の出力波形、(b)は比較回路53aの出力波形、(c)はホール素子H2の出力波形、(d)は比較回路53bの出力波形、(e)は角度演算部60から出力される演算角度の出力波形、(f)は(e)に示す演算角度φと閾値角度φthとの比較結果を示す波形、(g)は出力ロジック回路71の出力波形である。
[Electrical configuration]
Next, the main electrical configuration of the rotation sensor 1 will be described. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the main electrical configuration of the rotation sensor 1 in blocks, and corresponds to FIG. 13A and 13B are explanatory diagrams showing the output waveform of the Hall element, where FIG. 13A shows the output waveform of the Hall element H1, FIG. 13B shows the output waveform of the comparison circuit 53a, and FIG. 13C shows the output waveform of the Hall element H2. (D) is an output waveform of the comparison circuit 53b, (e) is an output waveform of the calculation angle output from the angle calculation unit 60, and (f) is a comparison result between the calculation angle φ and the threshold angle φth shown in (e). The waveform shown, (g), is the output waveform of the output logic circuit 71.

(増幅部51および角度演算部60)
増幅部51は、AMRセンサM1の出力信号sin2θを差動増幅する差動増幅回路51aと、AMRセンサM2の出力信号cos2θを差動増幅する差動増幅回路51bとを備える。角度演算部60は、トラッキングループ型デジタル角度変換回路であり、乗算回路61,62と、減算回路63と、ウインドウコンパレータ64と、アップダウンカウンタ65と、cos2φ出力回路66と、D/A変換器(DAC)67と、sin2φ出力回路68と、D/A変換器(DAC)69とを備える。
(Amplifier 51 and angle calculator 60)
The amplifier 51 includes a differential amplifier circuit 51a that differentially amplifies the output signal sin2θ of the AMR sensor M1, and a differential amplifier circuit 51b that differentially amplifies the output signal cos2θ of the AMR sensor M2. The angle calculation unit 60 is a tracking loop type digital angle conversion circuit, and includes multiplication circuits 61 and 62, a subtraction circuit 63, a window comparator 64, an up / down counter 65, a cos 2φ output circuit 66, and a D / A converter. (DAC) 67, a sin 2φ output circuit 68, and a D / A converter (DAC) 69.

cos2φ出力回路66は、アップダウンカウンタ65から出力されるデジタルの演算角度φに対応するデータcos2φを出力する。たとえば、cos2φ出力回路66は、演算角度φとデータcos2φとを対応付けたテーブルが記憶されたROMを備えており、演算角度φに対応付けられているデータcos2φをそのROMから読出して出力する。D/A変換器67は、cos2φ出力回路66から出力されたデータcos2φをアナログの信号cos2φに変換する。   The cos 2φ output circuit 66 outputs data cos 2φ corresponding to the digital calculation angle φ output from the up / down counter 65. For example, the cos 2φ output circuit 66 includes a ROM that stores a table in which the calculation angle φ and the data cos 2φ are associated with each other. The cos 2φ output circuit 66 reads out and outputs the data cos 2φ associated with the calculation angle φ. The D / A converter 67 converts the data cos2φ output from the cos2φ output circuit 66 into an analog signal cos2φ.

sin2φ出力回路68は、アップダウンカウンタ65から出力されるデジタルの演算角度φに対応するデータsin2φを出力する。たとえば、sin2φ出力回路68は、演算角度φとデータsin2φとを対応付けたテーブルが記憶されたROMを備えており、演算角度φに対応付けられているデータsin2φをそのROMから読出して出力する。D/A変換器69は、sin2φ出力回路68から出力されたデータsin2φをアナログの信号sin2φに変換する。   The sin 2φ output circuit 68 outputs data sin 2φ corresponding to the digital calculation angle φ output from the up / down counter 65. For example, the sin2φ output circuit 68 includes a ROM that stores a table in which the calculation angle φ and the data sin2φ are associated with each other. The data sin2φ associated with the calculation angle φ is read from the ROM and output. The D / A converter 69 converts the data sin2φ output from the sin2φ output circuit 68 into an analog signal sin2φ.

乗算回路61は、差動増幅回路51aから出力された信号sin2θおよびcos2φ出力回路66から出力された信号cos2φを乗算し、信号sin2θcos2φを出力する。乗算回路62は、差動増幅回路51bから出力された信号cos2θおよびsin2φ出力回路68から出力された信号sin2φを乗算し、信号cos2θsin2φを出力する。   Multiplier circuit 61 multiplies signal sin2θ output from differential amplifier circuit 51a and signal cos2φ output from cos2φ output circuit 66, and outputs signal sin2θcos2φ. The multiplier circuit 62 multiplies the signal cos2θ output from the differential amplifier circuit 51b and the signal sin2φ output from the sin2φ output circuit 68, and outputs a signal cos2θsin2φ.

減算回路63は、乗算回路61から出力された信号sin2θcos2φから、乗算回路62から出力された信号cos2θsin2φを減算し、sin(2θ−2φ)を演算する。つまり、cos2φ出力回路66、D/A変換器67、sin2φ出力回路68、D/A変換器69、乗算回路61,62および減算回路63は、sin2θcos2φ−cos2θsin2φ=sin(2θ−2φ)を演算し、制御偏差ε=sin(2θ−2φ)を求めるための回路である。   The subtraction circuit 63 subtracts the signal cos2θsin2φ output from the multiplication circuit 62 from the signal sin2θcos2φ output from the multiplication circuit 61, and calculates sin (2θ-2φ). That is, the cos 2φ output circuit 66, the D / A converter 67, the sin 2φ output circuit 68, the D / A converter 69, the multiplication circuits 61 and 62, and the subtraction circuit 63 calculate sin 2θ cos 2φ−cos 2θ sin 2φ = sin (2θ−2φ). , A circuit for obtaining a control deviation ε = sin (2θ−2φ).

ウインドウコンパレータ64は、減算回路63から出力されたsin(2θ−2φ)を大きさの異なる2つの閾値と比較し、sin(2θ−2φ)が大きい方の閾値よりも大きいときは、次段のアップダウンカウンタ65をカウントアップさせるためのアップ信号(たとえば、正極性のパルス信号)を出力する。また、ウインドウコンパレータ64は、減算回路63から出力されたsin(2θ−2φ)が小さい方の閾値よりも小さいときは、次段のアップダウンカウンタ65をカウントダウンさせるためのダウン信号(たとえば、負極性のパルス信号)を出力する。   The window comparator 64 compares sin (2θ-2φ) output from the subtraction circuit 63 with two threshold values having different sizes, and when sin (2θ-2φ) is larger than the larger threshold value, An up signal (for example, a positive pulse signal) for counting up / down counter 65 is output. Further, when the sin (2θ−2φ) output from the subtracting circuit 63 is smaller than the smaller threshold value, the window comparator 64 outputs a down signal (for example, negative polarity) for counting down the up / down counter 65 in the next stage. Output pulse signal).

アップダウンカウンタ65は、ウインドウコンパレータ64からアップ信号を入力する毎に(たとえば、正極性のパルス数をカウントする毎に)カウント値を1つ加算し、ウインドウコンパレータ64からダウン信号を入力する毎に(たとえば、負極性のパルス数をカウントする毎に)カウント値を1つ減算する。そして、アップダウンカウンタ65は、カウント値を演算角度φとして、cos2φ出力回路66およびsin2φ出力回路68へ出力する。   The up / down counter 65 adds one count value each time an up signal is input from the window comparator 64 (for example, every time the number of positive pulses is counted), and every time a down signal is input from the window comparator 64. One count value is subtracted (for example, every time the number of negative pulses is counted). The up / down counter 65 outputs the count value as the calculation angle φ to the cos 2 φ output circuit 66 and the sin 2φ output circuit 68.

アップダウンカウンタ65から出力されたカウント値は、出力ロジック回路71においてラッチされる。角度演算部60は、制御偏差ε=sin(2θ−2φ)の絶対値が閾値以下となるまで、たとえば、ε=0になるまで演算角度φをフィードバックして制御偏差εの演算を繰返す。   The count value output from the up / down counter 65 is latched in the output logic circuit 71. The angle calculation unit 60 repeats the calculation of the control deviation ε by feeding back the calculation angle φ until the absolute value of the control deviation ε = sin (2θ−2φ) is equal to or less than the threshold, for example, ε = 0.

(増幅部52および比較部53)
増幅部52は、ホール素子H1から出力されるsin(θ+45°)信号を増幅する増幅回路52aと、ホール素子H2から出力されるcos(θ+45°)信号を増幅する増幅回路52bとを備える。比較部53は、増幅回路52aから出力される信号レベルと閾値レベルとを比較し、その比較結果に対応する第1パルス信号を出力する比較回路53aと、増幅回路52bから出力される信号レベルと閾値レベルとを比較し、その比較結果に対応する第2パルス信号を出力する比較回路53bとを備える。比較回路53a,53bは、パルス化回路と呼ぶこともできる。
(Amplification unit 52 and comparison unit 53)
The amplification unit 52 includes an amplification circuit 52a that amplifies a sin (θ + 45 °) signal output from the Hall element H1, and an amplification circuit 52b that amplifies a cos (θ + 45 °) signal output from the Hall element H2. The comparison unit 53 compares the signal level output from the amplifier circuit 52a with the threshold level, outputs a first pulse signal corresponding to the comparison result, and the signal level output from the amplifier circuit 52b. A comparison circuit 53b that compares the threshold level and outputs a second pulse signal corresponding to the comparison result is provided. Comparison circuits 53a and 53b can also be referred to as pulsing circuits.

この実施形態では、0Vが閾値レベルに設定されており、各比較回路は、入力される信号が正極性のときはハイレベル(H)信号を、負極性のときはローレベル(L)信号をそれぞれ出力する。このため、図13(b)に示すように、比較回路53aからは、相対回転角度θが0〜180°の間はハイレベルを維持し、相対回転角度θが180〜360°の間はローレベルを維持する第1パルス信号VH1が出力される。図13(d)に示すように、比較回路53bからは、相対回転角度θが90〜270°の間はハイレベルを維持し、相対回転角度θが270〜90°の間はローレベルを維持する第2パルス信号VH2が出力される。比較回路53aおよび53bから出力される第1および第2パルス信号VH1,VH2は、出力ロジック回路71へ出力される。   In this embodiment, 0 V is set as the threshold level, and each comparison circuit outputs a high level (H) signal when the input signal is positive and a low level (L) signal when the input signal is negative. Output each. For this reason, as shown in FIG. 13B, the comparison circuit 53a maintains a high level when the relative rotation angle θ is 0 to 180 ° and low when the relative rotation angle θ is 180 to 360 °. A first pulse signal VH1 that maintains the level is output. As shown in FIG. 13D, the comparison circuit 53b maintains a high level when the relative rotation angle θ is 90 to 270 °, and maintains a low level when the relative rotation angle θ is 270 to 90 °. The second pulse signal VH2 is output. First and second pulse signals VH1 and VH2 output from comparison circuits 53a and 53b are output to output logic circuit 71.

(出力部)
出力部70は、出力ロジック回路71を備える。図14(a)は、比較回路53a,53bから出力される第1および第2パルス信号VH1,VH2の信号レベル(ハイレベル(H)およびローレベル(L))と、演算角度φと閾値角度φthとの比較結果(ハイレベル(H)およびローレベル(L))との組合せと、相対回転角度θの角度範囲との関係を示す説明図である。なお、図14(a)に示す表中の符号(A)〜(H)は、図13に記載した符号A〜Hに対応する。
(Output part)
The output unit 70 includes an output logic circuit 71. 14A shows the signal levels (high level (H) and low level (L)) of the first and second pulse signals VH1 and VH2 output from the comparison circuits 53a and 53b, the calculation angle φ, and the threshold angle. It is explanatory drawing which shows the relationship between the comparison result (high level (H) and low level (L)) with (phi) th, and the angle range of relative rotation angle (theta). In addition, the code | symbol (A)-(H) in the table | surface shown to Fig.14 (a) respond | corresponds to the code | symbol AH described in FIG.

出力ロジック回路71は、制御偏差εが閾値以下となったときにラッチしたカウント値を演算角度φとして出力する。この演算角度φを信号で表すと、図13(e)に示すように、相対回転角度θが0°および180°のときに最大になる1波長の電気角が180°の信号(図示の例では鋸波)になる。   The output logic circuit 71 outputs the latched count value as the calculation angle φ when the control deviation ε becomes equal to or less than the threshold value. When this calculation angle φ is represented by a signal, as shown in FIG. 13E, a signal having an electrical angle of one wavelength that is maximum when the relative rotation angle θ is 0 ° and 180 ° (an example shown in the figure). Then sawtooth wave).

続いて、出力ロジック回路71は、そのデジタル値である演算角度φと、同じくデジタル値である閾値角度φthとをデジタル領域で比較し、その比較結果を出す。この実施形態では、閾値角度φthは、演算角度φの最大値の1/2に設定されており、図13(f)に示すように、演算角度φが閾値角度φth以上のときにハイレベル(H)に変化し、演算角度φが閾値角度φth未満のときにローレベル(L)に変化するパルス信号VM1が比較結果として作られる。   Subsequently, the output logic circuit 71 compares the calculation angle φ, which is the digital value, with the threshold angle φth, which is also the digital value, in the digital domain, and outputs the comparison result. In this embodiment, the threshold angle φth is set to ½ of the maximum value of the calculation angle φ. As shown in FIG. 13F, when the calculation angle φ is greater than or equal to the threshold angle φth, H), and the pulse signal VM1 that changes to the low level (L) when the calculation angle φ is less than the threshold angle φth is generated as a comparison result.

また、出力ロジック回路71は、第1および第2パルス信号VH1,VH2の各信号レベルと、パルス信号VM1の信号レベルとを判定する。そして、出力ロジック回路71は、第1および第2パルス信号VH1,VH2の各信号レベルの判定結果と、パルス信号VM1の信号レベルの判定結果VMtとを用い、相対回転角度θが、0〜360°の相対回転角度θを90°単位で分割した4つの象限のうち、どの象限(角度範囲)に入るかを判定する。   The output logic circuit 71 determines the signal levels of the first and second pulse signals VH1 and VH2 and the signal level of the pulse signal VM1. The output logic circuit 71 uses the determination result VMt of each of the first and second pulse signals VH1 and VH2 and the determination result VMt of the signal level of the pulse signal VM1, and the relative rotation angle θ is 0 to 360. It is determined which quadrant (angle range) of the four quadrants obtained by dividing the relative rotation angle θ of 90 ° in units of 90 °.

ところで、ホール素子H1,H2の出力信号は、電圧オフセットやランダムノイズの影響を受けると、位相が180°切替わるポイント付近の電圧が不安定になるおそれがある。このため、そのような不安定な領域(図13においてハッチングを施した領域)は、相対回転角度の0〜360°を90°毎の角度範囲に分けた場合に、相対回転角度がどの角度範囲の入るかを判定する要素には用いない方が検出精度を高める上で望ましい。この実施形態では、第1および第2のパルス信号の位相が180°切替わる両ポイントからそれぞれ45°の範囲(両端を合わせて計90°分)を不安定な領域と見込んでいる。その一方、パルス信号VM1は、デジタル値である演算角度φに基づいて作成されたものであるため、電圧オフセットやランダムノイズの影響を受けないので、安定している。   By the way, when the output signals of the Hall elements H1 and H2 are affected by voltage offset or random noise, the voltage near the point where the phase is switched by 180 ° may become unstable. For this reason, such an unstable region (the hatched region in FIG. 13) indicates which angle range the relative rotation angle is when the relative rotation angle of 0 to 360 ° is divided into 90 ° angular ranges. In order to increase the detection accuracy, it is desirable not to use it as an element for determining whether or not to enter. In this embodiment, a range of 45 ° from both points where the phases of the first and second pulse signals are switched by 180 ° (a total of 90 ° for both ends) is considered as an unstable region. On the other hand, since the pulse signal VM1 is created based on the calculation angle φ that is a digital value, the pulse signal VM1 is stable because it is not affected by a voltage offset or random noise.

そこで、この実施形態では、第1および第2のパルス信号VH1,VH2と、パルス信号VM1との位相が45°異なるように構成されており、上記の不安定な領域をパルス信号VM1によって補うことができるようになっている。図13に示すように、第1および第2のパルス信号が不安定な領域の45°の範囲と、第1および第2のパルス信号のパルス幅とが対応しており、上記の不安定な領域では、パルス信号VM1の信号レベルを判定に用いることができる。   Therefore, in this embodiment, the first and second pulse signals VH1, VH2 and the pulse signal VM1 are configured to have a phase difference of 45 °, and the unstable region is compensated by the pulse signal VM1. Can be done. As shown in FIG. 13, the 45 ° range of the region where the first and second pulse signals are unstable corresponds to the pulse width of the first and second pulse signals. In the region, the signal level of the pulse signal VM1 can be used for determination.

出力ロジック回路71は、図14に示すように、VH1がハイレベル(H)、かつ、VMtがローレベル(L)の場合は、相対回転角度θは、0°≦θ<90°の象限(角度範囲)に存在すると判定する。また、VH2がハイレベル(H)、かつ、VMtもハイレベル(H)の場合は、相対回転角度θは、90°≦θ<180°の象限に存在すると判定する。また、VH1がローレベル(L)、かつ、VMtもローレベル(L)の場合は、相対回転角度θは、180°≦θ<270°の象限に存在すると判定する。また、VH2がハイレベル(H)、かつ、VMtもハイレベル(H)の場合は、相対回転角度θは、270°≦θ<360°の象限に存在すると判定する。   As shown in FIG. 14, in the output logic circuit 71, when VH1 is high level (H) and VMt is low level (L), the relative rotation angle θ is a quadrant (0 ° ≦ θ <90 °) ( It is determined that it exists in the angle range. When VH2 is at a high level (H) and VMt is also at a high level (H), it is determined that the relative rotation angle θ exists in a quadrant of 90 ° ≦ θ <180 °. When VH1 is at a low level (L) and VMt is also at a low level (L), it is determined that the relative rotation angle θ exists in a quadrant of 180 ° ≦ θ <270 °. When VH2 is at a high level (H) and VMt is also at a high level (H), it is determined that the relative rotation angle θ is in a quadrant of 270 ° ≦ θ <360 °.

このように、VH1,VH2,VMtの各判定結果の組合せが、各象限において総て異なるため、相対回転角度θが存在する象限(角度範囲)を正確に判定することができる。特に、MREが高感度であり、その出力信号に基いて演算された演算角度はデジタル値であるため、高精度に(1LSBの範囲で)象限を判定することができる。
しかも、VH1,VH2のうち、不安定になるおそれのある判定結果を用いないため、電圧オフセットやランダムノイズが発生した場合であっても、相対回転角度θが存在する象限(角度範囲)をより一層正確に判定することができる。
また、図13(e)に示すように、電圧VMが0Vになる場合として、相対回転角度θが0°の場合および180°の場合の2つ存在するが、上記の判定結果の組合せを参照することにより、相対回転角度θが0°か180°かを正確に判定することができる。
Thus, since the combinations of the determination results of VH1, VH2, and VMt are all different in each quadrant, it is possible to accurately determine the quadrant (angle range) where the relative rotation angle θ exists. In particular, since the MRE has high sensitivity and the calculation angle calculated based on the output signal is a digital value, the quadrant can be determined with high accuracy (in the range of 1 LSB).
In addition, since a determination result that may become unstable is not used among VH1 and VH2, even if a voltage offset or random noise occurs, the quadrant (angle range) in which the relative rotation angle θ exists is further increased. A more accurate determination can be made.
As shown in FIG. 13E, there are two cases where the voltage VM becomes 0V, when the relative rotation angle θ is 0 ° and when it is 180 °. Refer to the combination of the above determination results. By doing so, it is possible to accurately determine whether the relative rotation angle θ is 0 ° or 180 °.

つまり、VH1がハイレベル(H)、かつ、VMtがローレベル(L)の場合は、相対回転角度θは、0°であると判定する。また、VH1がローレベル(L)、かつ、VMtもローレベル(L)の場合は、相対回転角度θは、180°であると判定する。これにより、永久磁石2が、電圧VMが0Vになるような位置から回転を開始した場合であっても、その回転を開始したときの相対回転角度θが0°であるか180°であるかを判定することができる。   That is, when VH1 is high level (H) and VMt is low level (L), the relative rotation angle θ is determined to be 0 °. When VH1 is low level (L) and VMt is also low level (L), it is determined that the relative rotation angle θ is 180 °. Thus, even when the permanent magnet 2 starts rotating from a position where the voltage VM becomes 0 V, whether the relative rotation angle θ when the rotation starts is 0 ° or 180 °. Can be determined.

したがって、出力ロジック回路71は、相対回転角度θに対応する正確な演算角度φを出力することができる。また、出力ロジック回路71は、演算角度φを360°周期のアナログ信号に変換し、図13(g)に示すように、相対回転角度θの0°から360°の変化に対応して電圧Voが直線的に上昇する360°周期の角度信号を出力することができる。   Therefore, the output logic circuit 71 can output an accurate calculation angle φ corresponding to the relative rotation angle θ. Further, the output logic circuit 71 converts the calculation angle φ into an analog signal having a cycle of 360 °, and the voltage Vo corresponds to the change in the relative rotation angle θ from 0 ° to 360 ° as shown in FIG. It is possible to output an angle signal having a period of 360 ° in which the angle rises linearly.

また、ホール素子と磁気抵抗素子とを磁界の感度で比較すると磁気抵抗素子の方が大きいため、磁気抵抗素子により得られる信号をリニア出力の信号として利用することにより、高精度な回転センサを構成できる。また、永久磁石の強度(磁界の大きさ)が小さいものでも使えるため、永久磁石のコストを下げることができる。   In addition, comparing the Hall element and the magnetoresistive element with the sensitivity of the magnetic field, the magnetoresistive element is larger, so the signal obtained by the magnetoresistive element is used as a linear output signal, thereby configuring a highly accurate rotation sensor. it can. In addition, since the permanent magnet can be used even when the strength (magnitude of the magnetic field) is small, the cost of the permanent magnet can be reduced.

〈第2実施形態〉
次に、この発明の第2実施形態について図を参照して説明する。
図15は、この実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。図16は、この実施形態の回転センサ1の主な電気的構成をブロックで示す説明図である。図17は、この実施形態におけるホール素子などの出力波形を示す説明図であり、図13に対応する図である。なお、この実施形態に係る回転センサは、ホール素子H1,H2の配置位置以外は前述の第1実施形態に係る回転センサと同じ構成であるため、同じ構成については同一符号を用い、説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
15A and 15B are explanatory views schematically showing the structure of a sensor chip provided in the rotation sensor of this embodiment, wherein FIG. 15A is a plan view and FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. It is. FIG. 16 is an explanatory diagram showing the main electrical configuration of the rotation sensor 1 of this embodiment in blocks. FIG. 17 is an explanatory diagram showing an output waveform of the Hall element or the like in this embodiment, and corresponds to FIG. The rotation sensor according to this embodiment has the same configuration as the rotation sensor according to the first embodiment except for the arrangement positions of the Hall elements H1 and H2, and therefore the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. To do.

図15に示すように、ホール素子H1,H2は、第1実施形態の回転センサ1に備えられたホール素子と比較して、左方向に90°回転した位置に配置されている。つまり、ホール素子H1,H2は、第1実施形態のホール素子の出力信号と比較して位相が90°遅れるように配置されている。
このため、ホール素子H1は、相対回転角度θに対して位相が45°遅れたsin(θ−45°)信号を出力し、ホール素子H2は、ホール素子H1に対して位相が90°異なるcos(θ−45°)信号を出力する。
As shown in FIG. 15, the Hall elements H <b> 1 and H <b> 2 are arranged at positions rotated 90 ° in the left direction as compared with the Hall elements provided in the rotation sensor 1 of the first embodiment. That is, the Hall elements H1 and H2 are arranged so that the phase is delayed by 90 ° compared to the output signal of the Hall element of the first embodiment.
Therefore, the Hall element H1 outputs a sin (θ−45 °) signal whose phase is delayed by 45 ° with respect to the relative rotation angle θ, and the Hall element H2 has a cos that is 90 ° out of phase with the Hall element H1. (Θ−45 °) signal is output.

回転センサの主な電気的構成は、図16に示すように、ホール素子H1,H2の出力信号が異なる以外は、図12に示した第1実施形態の電気的構成と同じである。
図14(b)は、第1実施形態における図14(a)に対応する説明図である。図示ように、第1および第2パルス信号VH1,VH2の信号レベルの組合せが異なる以外は、第1実施形態と同じである。
As shown in FIG. 16, the main electrical configuration of the rotation sensor is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 12 except that the output signals of the Hall elements H1 and H2 are different.
FIG. 14B is an explanatory diagram corresponding to FIG. 14A in the first embodiment. As shown in the figure, the first and second pulse signals VH1 and VH2 are the same as those in the first embodiment except that the combinations of the signal levels are different.

上述したように、第2実施形態に係る回転センサは、ホール素子H1,H2の出力信号の位相が相対回転角度θに対して45°遅れている以外は、第1実施形態の回転センサ1と同じ構成であるため、第1実施形態と同じ効果を奏することができる。   As described above, the rotation sensor according to the second embodiment is the same as the rotation sensor 1 of the first embodiment except that the phase of the output signals of the Hall elements H1 and H2 is delayed by 45 ° with respect to the relative rotation angle θ. Since it is the same structure, there can exist the same effect as 1st Embodiment.

〈第3実施形態〉
次に、この発明の第3実施形態について図を参照して説明する。
図18(a)に示すように、ホール素子H1,H2を第1実施形態の配置位置から図面左方向に45°回転させた位置の配置し、基準角度0°も第1実施形態の位置から図面左方向に45°回転させた位置に設定することもできる。この構成の場合も、第1実施形態と同じように、ホール素子H1,H2の各出力信号は、それぞれsin(θ+45°)、cos(θ+45°)となるため、第1実施形態と同じ効果を奏することができる。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 18 (a), the Hall elements H1 and H2 are arranged at a position rotated by 45 ° in the left direction from the arrangement position of the first embodiment, and the reference angle 0 ° is also from the position of the first embodiment. It can also be set at a position rotated 45 ° in the left direction of the drawing. Also in this configuration, as in the first embodiment, the output signals of the Hall elements H1 and H2 are sin (θ + 45 °) and cos (θ + 45 °), respectively. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Can play.

また、図18(b)に示すように、ホール素子H1,H2を第1実施形態の配置位置から図面左方向に45°回転させた位置の配置し、基準角度0°は第1実施形態の位置から図面右方向に45°回転させた位置に設定することもできる。この構成の場合も、第2実施形態と同じように、ホール素子H1,H2の各出力信号は、それぞれsin(θ−45°)、cos(θ−45°)となるため、第2実施形態と同じ効果を奏することができる。   Further, as shown in FIG. 18B, the Hall elements H1 and H2 are arranged at a position rotated by 45 ° in the left direction of the drawing from the arrangement position of the first embodiment, and the reference angle 0 ° is the same as that of the first embodiment. It can also be set to a position rotated 45 ° from the position to the right in the drawing. Also in this configuration, as in the second embodiment, the output signals of the Hall elements H1 and H2 are sin (θ−45 °) and cos (θ−45 °), respectively. The same effect can be achieved.

つまり、ホール素子H1,H2の各出力信号が、相対回転角度θに対して±45°の位相差を持つ構成であれば良く、そのためには、第1および第2実施形態のように、ホール素子H1,H2の配置位置を工夫する手法を用いても良く、第3実施形態のように、電気的に基準角度0°の設定位置を工夫する手法を用いても良い。   That is, each output signal of the Hall elements H1 and H2 may be configured to have a phase difference of ± 45 ° with respect to the relative rotation angle θ. For that purpose, as in the first and second embodiments, the Hall elements A method of devising the arrangement positions of the elements H1 and H2 may be used, or a method of devising the set position of the reference angle 0 ° electrically as in the third embodiment may be used.

〈第4実施形態〉
次に、この発明の第4実施形態について図を参照して説明する。
図19(a)に示すように、一方のホール素子H1は、その中心がセンサチップ5の相対回転中心P1と一致するように配置されている。また、他方のホール素子は、2つのホール素子H2−1,H2−2から成り、ホール素子H1の両側に配置されている。ホール素子H2−1,H2−2は、それぞれ同じ大きさおよび形状に形成されており、同じ強度の磁界が同じ入射角度で印加された場合にそれぞれ同じホール電圧を発生する。
<Fourth embodiment>
Next, a fourth embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 19A, one Hall element H <b> 1 is arranged so that the center thereof coincides with the relative rotation center P <b> 1 of the sensor chip 5. The other Hall element is composed of two Hall elements H2-1 and H2-2, and is disposed on both sides of the Hall element H1. The Hall elements H2-1 and H2-2 are formed in the same size and shape, and generate the same Hall voltage when magnetic fields having the same intensity are applied at the same incident angle.

ホール素子H2−1,H2−2は、相対回転中心P1を通る線L4と直交する線L5が自身の中心を通るように配置されており、相対回転中心P1から同じ距離隔てて配置されている。また、ホール素子H1の磁気検出面と、ホール素子H2−1,H2−2の各磁気検出面とが90°の角度を成している。   The Hall elements H2-1 and H2-2 are arranged such that a line L5 orthogonal to the line L4 passing through the relative rotation center P1 passes through the center of the Hall elements H2-1 and H2-2, and are arranged at the same distance from the relative rotation center P1. . Further, the magnetic detection surface of the Hall element H1 and the magnetic detection surfaces of the Hall elements H2-1 and H2-2 form an angle of 90 °.

ホール素子H2−1,H2−2の各出力信号は加算され、1つの出力信号として出力され、比較回路53b(図12)に入力される。つまり、出力信号を加算することにより、ホール素子H2−1,H2−2からなる領域の中心を相対回転中心P1と擬似的に一致させる。   The output signals of the Hall elements H2-1 and H2-2 are added and output as one output signal, which is input to the comparison circuit 53b (FIG. 12). That is, by adding the output signals, the center of the area formed by the Hall elements H2-1 and H2-2 is made to coincide with the relative rotation center P1 in a pseudo manner.

上述したように、各ホール素子の中心を相対回転中心P1と一致させることができるため、永久磁石2から発生する磁界B1は、ホール素子の配置位置が原因で偏ることがなくなる。したがって、各ホール素子は、相対回転角度θの変化に応じた形状の整った信号を出力するため、相対回転角度θの象限の判定精度を高めることができる。   As described above, since the center of each Hall element can coincide with the relative rotation center P1, the magnetic field B1 generated from the permanent magnet 2 is not biased due to the arrangement position of the Hall element. Therefore, each Hall element outputs a signal with a well-formed shape according to a change in the relative rotation angle θ, so that the determination accuracy of the quadrant of the relative rotation angle θ can be increased.

図19(b)に示すように、ホール素子H1−1,H1−2およびホール素子H2−1,H2−2は、それぞれ同じ大きさおよび形状に形成されており、同じ強度の磁界が同じ入射角度で印加された場合にそれぞれ同じホール電圧を発生する。ホール素子H1−1,H1−2は、相対回転中心P1を通る線L4上に配置されており、ホール素子H2−1,H2−2は、相対回転中心P1を通り、かつ、線L4と直交する線L5上に配置されている。また、ホール素子H1−1,H1−2は、線L4が自身の中心を通るように配置されており、ホール素子H2−1,H2−2は、線L5が自身の中心を通るように配置されている。   As shown in FIG. 19B, the Hall elements H1-1 and H1-2 and the Hall elements H2-1 and H2-2 are formed in the same size and shape, and the same incident magnetic field has the same incidence. When applied at an angle, the same Hall voltage is generated. The Hall elements H1-1 and H1-2 are arranged on a line L4 passing through the relative rotation center P1, and the Hall elements H2-1 and H2-2 pass through the relative rotation center P1 and are orthogonal to the line L4. Is arranged on the line L5. The Hall elements H1-1 and H1-2 are arranged so that the line L4 passes through the center of the Hall elements H1-1 and H1-2, and the Hall elements H2-1 and H2-2 are arranged so that the line L5 passes through the center of the Hall element H1-1 and H1-2. Has been.

さらに、ホール素子H1−1,H1−2は、相対回転中心P1から同じ距離隔てて配置されており、ホール素子H2−1,H2−2も相対回転中心P1から同じ距離隔てて配置されている。さらに、相対回転中心P1からの距離は、4つのホール素子において総て同じである。また、ホール素子H1−1,H1−2の各磁気検出面と、ホール素子H2−1,H2−2の各磁気検出面とが90°の角度を成している。   Furthermore, the Hall elements H1-1 and H1-2 are arranged at the same distance from the relative rotation center P1, and the Hall elements H2-1 and H2-2 are also arranged at the same distance from the relative rotation center P1. . Further, the distance from the relative rotation center P1 is the same in all four Hall elements. The magnetic detection surfaces of the Hall elements H1-1 and H1-2 and the magnetic detection surfaces of the Hall elements H2-1 and H2-2 form an angle of 90 °.

ホール素子H1−1,H1−2の各出力信号は加算され、1つの出力信号として出力され、比較回路53a(図12)に入力される。つまり、出力信号を加算することにより、ホール素子H1−1,H1−2からなる領域の中心を相対回転中心P1と擬似的に一致させる。また、ホール素子H2−1,H2−2の各出力信号は加算され、1つの出力信号として出力され、比較回路53b(図12)に入力される。つまり、出力信号を加算することにより、ホール素子H2−1,H2−2からなる領域の中心を相対回転中心P1と擬似的に一致させる。   The output signals of the Hall elements H1-1 and H1-2 are added and output as one output signal, which is input to the comparison circuit 53a (FIG. 12). That is, by adding the output signals, the center of the area composed of the Hall elements H1-1 and H1-2 is made to coincide with the relative rotation center P1 in a pseudo manner. The output signals of the Hall elements H2-1 and H2-2 are added and output as one output signal, which is input to the comparison circuit 53b (FIG. 12). That is, by adding the output signals, the center of the area formed by the Hall elements H2-1 and H2-2 is made to coincide with the relative rotation center P1 in a pseudo manner.

上述したように、各ホール素子の中心を相対回転中心P1と一致させることができるため、永久磁石2から発生する磁界B1は、ホール素子の配置位置が原因で偏ることがなくなる。したがって、各ホール素子は、相対回転角度θの変化に応じた形状の整った信号を出力するため、相対回転角度θの象限の判定精度を高めることができる。   As described above, since the center of each Hall element can coincide with the relative rotation center P1, the magnetic field B1 generated from the permanent magnet 2 is not biased due to the arrangement position of the Hall element. Therefore, each Hall element outputs a signal with a well-formed shape according to a change in the relative rotation angle θ, so that the determination accuracy of the quadrant of the relative rotation angle θ can be increased.

〈第5実施形態〉
次に、この発明の第5実施形態について説明する。図20(a),(b)は、この実施形態の回転センサに備えられたセンサチップおよび永久磁石の縦断面図である。
<Fifth Embodiment>
Next explained is the fifth embodiment of the invention. 20A and 20B are longitudinal sectional views of a sensor chip and a permanent magnet provided in the rotation sensor of this embodiment.

この回転センサは、前述の第1実施形態の回転センサ1に備えられたセンサチップ5の表裏面を逆にして配置したセンサチップ5を備える。つまり、ホール素子領域E2が永久磁石2の相対回転面2cと対向する側に配置されており、磁気抵抗素子領域E1がホール素子領域E2の下方に配置されている。このような構造のセンサチップ5においても、図示のように、永久磁石2から発生したセンサチップ5の表面5aに平行な磁界B1が、ホール素子H1,H2およびAMRセンサM1,M2に印加されるため、永久磁石2の相対回転角度θを検出することができる。   The rotation sensor includes a sensor chip 5 that is disposed with the front and back surfaces of the sensor chip 5 provided in the rotation sensor 1 of the first embodiment reversed. That is, the Hall element region E2 is disposed on the side facing the relative rotation surface 2c of the permanent magnet 2, and the magnetoresistive element region E1 is disposed below the Hall element region E2. Also in the sensor chip 5 having such a structure, as shown in the figure, a magnetic field B1 generated from the permanent magnet 2 and parallel to the surface 5a of the sensor chip 5 is applied to the Hall elements H1 and H2 and the AMR sensors M1 and M2. Therefore, the relative rotation angle θ of the permanent magnet 2 can be detected.

〈第6実施形態〉
次に、この発明の第6実施形態について説明する。図21は、この実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの使用状態の一例を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。
<Sixth Embodiment>
Next, a sixth embodiment of the invention will be described. FIG. 21 is an explanatory view showing an example of the usage state of the sensor chip provided in the rotation sensor of this embodiment, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a). It is.

マグネットロータ6は、ロータボディ6aを有する。この実施形態では、ロータボディ6aは有底の円筒形状に形成されている。ロータボディ6aの周方向に立設された外周壁の内壁面には、N極の永久磁石2aおよびS極の永久磁石2bが相対向して取付けられている。回転体6の底部の中心には、回転シャフト3の先端が取付けられている。回転シャフト3が、その相対回転軸C1を中心にして回転すると、回転体6も相対回転軸C1を中心にして回転シャフト3と同じ方向に回転する。   The magnet rotor 6 has a rotor body 6a. In this embodiment, the rotor body 6a is formed in a bottomed cylindrical shape. N-pole permanent magnets 2a and S-pole permanent magnets 2b are attached to the inner wall surface of the outer peripheral wall erected in the circumferential direction of the rotor body 6a. The tip of the rotating shaft 3 is attached to the center of the bottom of the rotating body 6. When the rotating shaft 3 rotates about the relative rotation axis C1, the rotating body 6 also rotates in the same direction as the rotating shaft 3 about the relative rotation axis C1.

相対向する永久磁石2a,2b間であって、ロータボディ6aの相対回転中心には、センサチップ5が、永久磁石2a,2bと離間して配置されている。センサチップ5は永久磁石2a,2b間に発生する磁界B1がセンサチップ5の表面5aに平行となるように配置されている。つまり、磁界B1の向きが、AMRセンサM1,M2と平行になり、かつ、ホール素子H1,H2の各磁気検出面HP1,HP2と垂直になるように配置されている。また、センサチップ5は、支持部材(図示せず)によって支持されており、配置位置が変化しないように固定されている。   A sensor chip 5 is disposed between the permanent magnets 2a and 2b facing each other and spaced apart from the permanent magnets 2a and 2b at the center of relative rotation of the rotor body 6a. The sensor chip 5 is arranged so that the magnetic field B1 generated between the permanent magnets 2a and 2b is parallel to the surface 5a of the sensor chip 5. That is, the magnetic field B1 is arranged so that the direction of the magnetic field B1 is parallel to the AMR sensors M1 and M2 and perpendicular to the magnetic detection surfaces HP1 and HP2 of the Hall elements H1 and H2. The sensor chip 5 is supported by a support member (not shown), and is fixed so that the arrangement position does not change.

上記のように配置されたセンサチップ5は、その表面に平行な磁界B1の磁束密度の変化を検出することができるため、ロータボディ6aの相対回転角度θを検出することができる。また、センサチップ5は、磁気抵抗素子領域E1およびホール素子領域E2を重ねた構造であるため、センサチップ5を平面方向に小型化することができる。したがって、ロータボディ6aの径を小さくすることができる。なお、図20に示したように、センサチップ5の表裏面を逆にして配置することもできる。   Since the sensor chip 5 arranged as described above can detect a change in the magnetic flux density of the magnetic field B1 parallel to the surface thereof, the relative rotation angle θ of the rotor body 6a can be detected. Further, since the sensor chip 5 has a structure in which the magnetoresistive element region E1 and the hall element region E2 are overlapped, the sensor chip 5 can be reduced in size in the plane direction. Therefore, the diameter of the rotor body 6a can be reduced. In addition, as shown in FIG. 20, it can also arrange | position with the front and back of the sensor chip 5 reversed.

[変更例]
次に、上述した第6実施形態の変更例について説明する。図22は、その変更例の回転センサに備えられたセンサチップおよび回転体の平面図である。図22(a)および(b)において、センサチップ5の断面構造は、図2(a)に示した構造と同じである。また、図20に示したように、センサチップ5の表裏面を逆にして配置することもできる。
[Example of change]
Next, a modified example of the above-described sixth embodiment will be described. FIG. 22 is a plan view of a sensor chip and a rotator provided in the rotation sensor of the modified example. 22A and 22B, the cross-sectional structure of the sensor chip 5 is the same as the structure shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 20, the front and back surfaces of the sensor chip 5 can be reversed.

図22(a)に示すように、ロータボディ6aの内壁面には、N極の永久磁石2aおよびS極の永久磁石2bを相対向して配置した永久磁石対が2対取付けられている。ロータボディ6aの相対回転中心には、センサチップ5が配置されている。このように、N極およびS極が2対の場合でも、その磁界が磁気抵抗素子領域E1と平行となるようにセンサチップ5を配置することにより、ロータボディ6aの相対回転角度θを検出することができる。   As shown in FIG. 22 (a), two pairs of permanent magnets each having an N-pole permanent magnet 2a and an S-pole permanent magnet 2b arranged opposite to each other are attached to the inner wall surface of the rotor body 6a. A sensor chip 5 is arranged at the relative rotation center of the rotor body 6a. In this way, even when there are two pairs of N and S poles, the relative rotation angle θ of the rotor body 6a is detected by arranging the sensor chip 5 so that the magnetic field thereof is parallel to the magnetoresistive element region E1. be able to.

また、図22(b)に示すように、ロータボディ6aの内壁面には、N極の永久磁石2aおよびS極の永久磁石2bを相対向して配置した永久磁石対が3対以上取付けられている。つまり、多極の永久磁石が取付けられている。このように、N極およびS極が3対以上の場合でも、その磁界が磁気抵抗素子領域E1と平行となるようにセンサチップ5を配置することにより、ロータボディ6aの相対回転角度θを検出することができる。   Further, as shown in FIG. 22 (b), three or more pairs of permanent magnets having N pole permanent magnets 2a and S pole permanent magnets 2b arranged opposite to each other are attached to the inner wall surface of the rotor body 6a. ing. That is, a multipolar permanent magnet is attached. Thus, even when there are three or more pairs of N and S poles, the relative rotation angle θ of the rotor body 6a is detected by arranging the sensor chip 5 so that the magnetic field thereof is parallel to the magnetoresistive element region E1. can do.

〈第7実施形態〉
次に、この発明の第7実施形態について説明する。図23は、この実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの使用状態の一例を示す断面図である。図23(a)および(b)において、センサチップ5の断面構造は、図2(a)に示した構造と同じである。また、図20に示したように、センサチップ5の表裏面を逆にして配置することもできる。また、永久磁石2の構造および形状は、図2に示した永久磁石と同じである。
<Seventh embodiment>
Next explained is the seventh embodiment of the invention. FIG. 23 is a cross-sectional view showing an example of a usage state of a sensor chip provided in the rotation sensor of this embodiment. 23A and 23B, the cross-sectional structure of the sensor chip 5 is the same as that shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 20, the front and back surfaces of the sensor chip 5 can be reversed. The structure and shape of the permanent magnet 2 are the same as those of the permanent magnet shown in FIG.

図23(a)に示すように、センサチップ5が永久磁石2の回転周面2dの側方に配置されている。このような配置でも、永久磁石2からは、センサチップ5の磁気抵抗素子領域E1に平行な磁界B1を検出することができるため、永久磁石2の相対回転角度θを検出することができる。したがって、永久磁石2の相対回転面2cと対向する空間にセンサチップ5を配置することができない場合であっても、図示のように、センサチップ5を永久磁石2の回転周面2dの側方に配置することにより、永久磁石2の相対回転角度θを検出することができる。   As shown in FIG. 23A, the sensor chip 5 is disposed on the side of the rotating peripheral surface 2 d of the permanent magnet 2. Even with such an arrangement, since the magnetic field B1 parallel to the magnetoresistive element region E1 of the sensor chip 5 can be detected from the permanent magnet 2, the relative rotation angle θ of the permanent magnet 2 can be detected. Therefore, even if the sensor chip 5 cannot be disposed in the space facing the relative rotation surface 2c of the permanent magnet 2, the sensor chip 5 is placed on the side of the rotation circumferential surface 2d of the permanent magnet 2 as shown in the figure. The relative rotation angle θ of the permanent magnet 2 can be detected.

図23(b)に示すように、センサチップ5が永久磁石2の相対回転面2cと対向する位置であって、回転シャフト3の側方に配置されている。このような配置でも、永久磁石2からは、センサチップ5の磁気抵抗素子領域E1に平行な磁界B1を検出することができるため、永久磁石2の相対回転角度θを検出することができる。したがって、永久磁石2の回転周面2dの側方にセンサチップ5を配置することができない場合であっても、図示のように、センサチップ5を永久磁石2の相対回転面2cと対向する位置であって、回転シャフト3の側方に配置することにより、永久磁石2の相対回転角度θを検出することができる。   As shown in FIG. 23B, the sensor chip 5 is disposed at a position facing the relative rotation surface 2 c of the permanent magnet 2 and on the side of the rotation shaft 3. Even with such an arrangement, since the magnetic field B1 parallel to the magnetoresistive element region E1 of the sensor chip 5 can be detected from the permanent magnet 2, the relative rotation angle θ of the permanent magnet 2 can be detected. Accordingly, even when the sensor chip 5 cannot be disposed on the side of the rotating peripheral surface 2d of the permanent magnet 2, the position where the sensor chip 5 faces the relative rotating surface 2c of the permanent magnet 2 as shown in the drawing. In this case, the relative rotation angle θ of the permanent magnet 2 can be detected by arranging it on the side of the rotating shaft 3.

〈第8実施形態〉
次に、この発明の第8実施形態について説明する。図24は、この実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。
<Eighth Embodiment>
Next, an eighth embodiment of the invention will be described. FIG. 24 is an explanatory view schematically showing the structure of a sensor chip provided in the rotation sensor of this embodiment, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a). It is.

AMRセンサM1は、磁気抵抗素子R2,R3を直列接続したハーフブリッジ回路を有する。AMRセンサM2は、磁気抵抗素子R6,R8を直列接続したハーフブリッジ回路を有する。磁気抵抗素子R2,R3は、磁気抵抗素子からの出力信号の位相差が90°となるように配置されている。磁気抵抗素子R6,R8も、磁気抵抗素子からの出力信号の位相差が90°となるように配置されている。磁気抵抗素子R2,R3,R6,R8は、AMRセンサM1の出力端子32からの出力信号と、AMRセンサM2の出力端子38からの出力信号との位相差が45°となるように交互に配置されている。   The AMR sensor M1 has a half bridge circuit in which magnetoresistive elements R2 and R3 are connected in series. The AMR sensor M2 has a half bridge circuit in which magnetoresistive elements R6 and R8 are connected in series. The magnetoresistive elements R2 and R3 are arranged such that the phase difference between the output signals from the magnetoresistive elements is 90 °. The magnetoresistive elements R6 and R8 are also arranged so that the phase difference between the output signals from the magnetoresistive elements is 90 °. The magnetoresistive elements R2, R3, R6, and R8 are alternately arranged so that the phase difference between the output signal from the output terminal 32 of the AMR sensor M1 and the output signal from the output terminal 38 of the AMR sensor M2 is 45 °. Has been.

このように、AMRセンサM1,M2をそれぞれハーフブリッジ回路で構成することにより、磁気抵抗素子領域E1の面積を小さくすることができるため、センサチップ5を小型化することができる。   Thus, by configuring the AMR sensors M1 and M2 with half bridge circuits, respectively, the area of the magnetoresistive element region E1 can be reduced, so that the sensor chip 5 can be reduced in size.

〈第9実施形態〉
次に、この発明の第9実施形態について説明する。図25は、この実施形態の回転センサに備えられたAMRセンサの等価回路である。
<Ninth Embodiment>
Next, a ninth embodiment of the invention will be described. FIG. 25 is an equivalent circuit of the AMR sensor provided in the rotation sensor of this embodiment.

AMRセンサM1を構成する磁気抵抗素子は、R3の1つのみであり、AMRセンサM2を構成する磁気抵抗素子は、R8の1つのみである。磁気抵抗素子R3,R8は、磁気抵抗素子の出力信号間に45°の位相差が出るように配置されている。磁気抵抗素子R3,R8には、それぞれ定電流源72が接続されている。   The magnetoresistive element constituting the AMR sensor M1 is only one R3, and the magnetoresistive element constituting the AMR sensor M2 is only one R8. The magnetoresistive elements R3 and R8 are arranged such that a phase difference of 45 ° is generated between output signals of the magnetoresistive elements. A constant current source 72 is connected to each of the magnetoresistive elements R3 and R8.

このように、AMRセンサM1,M2をそれぞれ磁気抵抗素子1つのみで構成することにより、磁気抵抗素子領域E1の面積を小さくすることができるため、センサチップ5を小型化することができる。   Thus, by configuring each of the AMR sensors M1, M2 with only one magnetoresistive element, the area of the magnetoresistive element region E1 can be reduced, so that the sensor chip 5 can be reduced in size.

〈第10実施形態〉
次に、この発明の第10実施形態について説明する。図26は、この実施形態の回転センサに備えられたセンサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。図27は、回転センサの主な電気的構成を一部省略してブロックで示す説明図である。
<Tenth embodiment>
Next, a tenth embodiment of the invention is described. FIG. 26 is an explanatory view schematically showing the structure of a sensor chip provided in the rotation sensor of this embodiment, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view taken along the line AA in (a). It is. FIG. 27 is an explanatory diagram showing in block form a part of the main electrical configuration of the rotation sensor.

図26(a)に示すように、ホール素子H1,H2は、ホール素子からの出力信号間に45°の位相差が出るように配置されている。ホール素子H1は、相対回転角度θに対して1波長が電気角360°のsinθ信号を出力する。ホール素子H2は、ホール素子H1の出力信号と45°の位相差を有する信号、つまり、1波長が電気角360°のsin(45°+θ)信号を出力する。   As shown in FIG. 26A, the Hall elements H1 and H2 are arranged such that a phase difference of 45 ° is generated between output signals from the Hall elements. The Hall element H1 outputs a sin θ signal whose one wavelength is an electrical angle of 360 ° with respect to the relative rotation angle θ. The Hall element H2 outputs a signal having a phase difference of 45 ° with respect to the output signal of the Hall element H1, that is, a sin (45 ° + θ) signal with one wavelength having an electrical angle of 360 °.

図27に示すように、増幅部52および比較部53の間にsinθcosθ演算部54が電気的に接続されている。sinθcosθ演算部54は、増幅部52から出力されるsinθ信号と、sin(45°+θ)信号とを用い、sinθ信号およびcosθ信号を取出す。つまり、sinθcosθ演算部54は、増幅部52から出力されるsin(45°+θ)信号を(sinθ+cosθ)/21/2 信号に変換し、この信号と、sinθ信号とをを用い、sinθ信号およびcosθ信号を取出す。 As shown in FIG. 27, a sin θ cos θ calculation unit 54 is electrically connected between the amplification unit 52 and the comparison unit 53. The sin θ cos θ calculation unit 54 uses the sin θ signal output from the amplification unit 52 and the sin (45 ° + θ) signal, and extracts the sin θ signal and the cos θ signal. That is, the sin θ cos θ calculation unit 54 converts the sin (45 ° + θ) signal output from the amplification unit 52 into a (sin θ + cos θ) / 2 1/2 signal, and uses this signal and the sin θ signal, The cos θ signal is taken out.

〈第11実施形態〉
次に、この発明の第11実施形態について説明する。図28は、この実施形態の回転センサに備えられた角度演算部60の構成をブロックで示す説明図である。
<Eleventh embodiment>
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 28 is an explanatory diagram showing in block form the configuration of the angle calculator 60 provided in the rotation sensor of this embodiment.

角度演算部60は、AMRセンサM1から出力されるsin2θ信号およびAMRセンサM2から出力されるcos2θ信号に基づいて、sin2θおよびcos2θの逆正接(アークタンジェント)演算を行い、演算角度φ=tan−1(sin2θ/cos2θ)を求める機能を有する。角度演算部60は、A/D変換器81,82と、DSP(Digital Signal Processor)83と、D/A変換器84と、増幅回路85とを備える。DSP83は、平均化部83aと、温特補正部83bと、角度計算部83cとを備える。 The angle calculation unit 60 performs an arctangent calculation of sin2θ and cos2θ based on the sin2θ signal output from the AMR sensor M1 and the cos2θ signal output from the AMR sensor M2, and the calculation angle φ = tan −1. It has a function of obtaining (sin 2θ / cos 2θ). The angle calculation unit 60 includes A / D converters 81 and 82, a DSP (Digital Signal Processor) 83, a D / A converter 84, and an amplifier circuit 85. The DSP 83 includes an averaging unit 83a, a temperature characteristic correcting unit 83b, and an angle calculating unit 83c.

AMRセンサM1から出力されるsin2θ信号は、A/D変換器81により、所定のサンプリング間隔でデジタル値に変換され、AMRセンサM2から出力されるcos2θ信号は、A/D変換器81により、所定のサンプリング間隔でデジタル値に変換される。サンプリング間隔は、CPU(図示せず)から角度演算部60に供給されるクロック信号のクロック周波数に基づいて発生するサンプリング周波数により決定される。   The sin 2θ signal output from the AMR sensor M 1 is converted into a digital value at a predetermined sampling interval by the A / D converter 81, and the cos 2θ signal output from the AMR sensor M 2 is predetermined by the A / D converter 81. Are converted into digital values at a sampling interval of. The sampling interval is determined by the sampling frequency generated based on the clock frequency of the clock signal supplied from the CPU (not shown) to the angle calculator 60.

DSP83の平均化部83aは、所定のサンプリング期間においてA/D変換器81により変換されたsin2θのデジタル値の平均値を算出し、かつ、所定のサンプリング期間においてA/D変換器82により変換されたcos2θのデジタル値の平均値を算出する。永久磁石2および回転センサ1は、環境温度の変化に応じて特性が変化するため、演算角度に誤差が発生する。そこで、温特補正部83bは、平均化部83aにより算出された各平均値に対して、永久磁石2および回転センサ1の温度特性に基づく補正を行い、演算角度の誤差を小さくする。   The averaging unit 83a of the DSP 83 calculates an average value of the digital values of sin 2θ converted by the A / D converter 81 during a predetermined sampling period, and is converted by the A / D converter 82 during a predetermined sampling period. The average value of the digital values of cos 2θ is calculated. Since the characteristics of the permanent magnet 2 and the rotation sensor 1 change according to changes in the environmental temperature, an error occurs in the calculation angle. Therefore, the temperature characteristic correction unit 83b performs correction based on the temperature characteristics of the permanent magnet 2 and the rotation sensor 1 for each average value calculated by the averaging unit 83a, thereby reducing the error of the calculation angle.

角度計算部83cは、温特補正部83bによって補正されたデジタル値のsin2θおよびcos2θを用い、sin2θおよびcos2θの逆正接演算を行い、演算角度φを算出する。角度計算部83cから出力された演算角度φは、D/A変換器84によってアナログ信号に変換され、増幅回路85によって増幅され、演算角度φを示す信号として出力される。   The angle calculation unit 83c calculates the calculation angle φ by performing an arctangent calculation of sin2θ and cos2θ using the digital values sin2θ and cos2θ corrected by the temperature characteristic correction unit 83b. The calculation angle φ output from the angle calculation unit 83c is converted into an analog signal by the D / A converter 84, amplified by the amplifier circuit 85, and output as a signal indicating the calculation angle φ.

〈第12実施形態〉
次に、この発明の第12実施形態について説明する。図29は、この実施形態の回転センサの主な電気的構成をブロックで示す説明図である。
<Twelfth embodiment>
Next, a twelfth embodiment of the invention is described. FIG. 29 is an explanatory diagram showing the main electrical configuration of the rotation sensor of this embodiment in blocks.

検出回路50は、補正部55,56を備える。補正部55は、増幅部51から出力されるsin2θ信号およびcos2θ信号の振幅差、オフセットおよび初期位相誤差を補正する。また、補正部56は、増幅部52から出力されるsinθ信号およびcosθ信号の振幅差、オフセットおよび初期位相誤差を補正する。
このように、この実施形態の回転センサは、AMRセンサM1,M2およびホール素子H1,H2から出力される信号の振幅差、オフセットおよび初期位相誤差を補正することができるため、相対回転角度θの検出精度を高めることができる。
The detection circuit 50 includes correction units 55 and 56. The correction unit 55 corrects the amplitude difference, offset, and initial phase error between the sin 2θ signal and the cos 2θ signal output from the amplification unit 51. The correction unit 56 corrects the amplitude difference, offset, and initial phase error between the sin θ signal and the cos θ signal output from the amplification unit 52.
As described above, the rotation sensor of this embodiment can correct the amplitude difference, offset, and initial phase error of the signals output from the AMR sensors M1 and M2 and the Hall elements H1 and H2. Detection accuracy can be increased.

〈他の実施形態〉
(1)第1実施形態において、出力ロジック回路71を角度演算部60と同じ基板上に設けないで、出力ロジック回路71の出力を使用する側(たとえば、車両に備えられたECU側)に設けることもできる。
(2)検出回路50をシリコン基板10に形成し、センサチップ5および検出回路50を一体化することもできる。
(3)ホール素子H1またはH2のパルス出力の数をカウントし、多回転(360°以上)を検出することもできる。
<Other embodiments>
(1) In 1st Embodiment, without providing the output logic circuit 71 on the same board | substrate as the angle calculating part 60, it provides in the side (for example, ECU side with which the vehicle was equipped) which uses the output of the output logic circuit 71. You can also.
(2) The detection circuit 50 may be formed on the silicon substrate 10 so that the sensor chip 5 and the detection circuit 50 can be integrated.
(3) The number of pulse outputs from the Hall element H1 or H2 can be counted to detect multiple rotations (360 ° or more).

(4)シリコン基板10に代えてGaAs、InAs、InSbなどの化合物半導体により形成された基板を用いることもできる。
(5)永久磁石に代えて、磁気インクを塗布した部材を用いることもできる。また、導電性部材の表面に着磁した部材を用いることもできる。
(6)横型ホール素子を磁気検出面が磁気抵抗素子に対して垂直になるように、磁気抵抗素子領域に重ねて配置して用いることもできる。
(7)出力ロジック回路71が、0〜360°の相対回転角度θに対応する出力角度を示すデジタル値を出力するようにしても良い。
(8)比較回路53a,53bの各出力をA/D変換し、その変換されたデジタル値とデジタルの閾値とを比較し、その比較結果を出力するようにしても良い。
(9)アップダウンカウンタ65が出力する演算角度φとデジタルの閾値とを比較し、その比較結果を出力するようにしても良い。この構成によれば、パルス信号VM1を作成する必要がない。
(4) Instead of the silicon substrate 10, a substrate formed of a compound semiconductor such as GaAs, InAs, or InSb can also be used.
(5) A member coated with magnetic ink may be used instead of the permanent magnet. A member magnetized on the surface of the conductive member can also be used.
(6) The horizontal Hall element can be used by being superposed on the magnetoresistive element region so that the magnetic detection surface is perpendicular to the magnetoresistive element.
(7) The output logic circuit 71 may output a digital value indicating an output angle corresponding to the relative rotation angle θ of 0 to 360 °.
(8) Each output of the comparison circuits 53a and 53b may be A / D converted, the converted digital value and the digital threshold value may be compared, and the comparison result may be output.
(9) The calculation angle φ output by the up / down counter 65 may be compared with a digital threshold value, and the comparison result may be output. According to this configuration, there is no need to create the pulse signal VM1.

この発明に係る回転センサ1は、検出対象が相対回転するものであれば、適用用途は限定されない。たとえば、内燃機関に設けられたクランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ、カムシャフトのカム角を検出するカム角センサ、車両に設けられた操舵装置の操舵角を検出する操舵角センサ、車両に設けられた各種モータの回転角を検出するセンサなどに適用することができる。また、ロボットに設けられた関節の角度を検出するセンサなどにも適用することができる。   Application of the rotation sensor 1 according to the present invention is not limited as long as the detection target rotates relatively. For example, a crank angle sensor that detects a crank angle of a crankshaft provided in an internal combustion engine, a cam angle sensor that detects a cam angle of a camshaft, a steering angle sensor that detects a steering angle of a steering device provided in a vehicle, a vehicle The present invention can be applied to a sensor that detects the rotation angle of various motors provided in the motor. The present invention can also be applied to a sensor that detects the angle of a joint provided in a robot.

1・・回転センサ、2・・磁石(磁気発生部)、5・・センサチップ、
10・・シリコン基板、E1・・磁気抵抗素子領域、E2・・ホール素子領域、
H1,H2・・ホール素子、M1,M2・・AMRセンサ、
R1〜R8・・磁気抵抗素子。
1 .... rotation sensor, 2 .... magnet (magnet generator), 5 .... sensor chip,
10 .. Silicon substrate, E1, .. magnetoresistive element region, E2, .. Hall element region,
H1, H2 ... Hall elements, M1, M2 ... AMR sensors,
R1-R8 .. Magnetoresistive element.

Claims (26)

磁気発生部から発生する磁気によって磁気抵抗効果を発生する磁気抵抗素子と、前記磁気によってホール効果を発生するホール素子とを有し、前記磁気抵抗素子およびホール素子からの各出力信号を用いて前記磁気発生部に対する相対回転角度を検出する回転センサにおいて、
複数の磁気抵抗素子が各磁気抵抗素子の出力信号間に位相差が出るように配置された磁気抵抗素子領域と、複数のホール素子が各ホール素子の出力信号間に位相差が出るように配置されたホール素子領域とを有し、かつ、前記磁気抵抗素子領域およびホール素子領域の少なくとも一部同士が重ねられたセンサチップと、
各ホール素子の各出力レベルと閾値レベルとを比較し、ホール素子毎の比較結果を出す比較部と、
各磁気抵抗素子の各出力信号を用いて前記相対回転角度に対応する角度を演算する角度演算部と、
前記角度演算部によって演算された演算値と閾値とを比較し、その比較結果と前記比較部の比較結果とを用い、前記相対回転角度に対応する信号を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする回転センサ。
A magnetoresistive element that generates a magnetoresistive effect by the magnetism generated from the magnetism generating unit; and a Hall element that generates a Hall effect by the magnetism, and using the output signals from the magnetoresistive element and the Hall element, In the rotation sensor that detects the relative rotation angle with respect to the magnetism generation unit
A magnetoresistive element region in which a plurality of magnetoresistive elements are arranged so as to have a phase difference between the output signals of the respective magnetoresistive elements, and a plurality of hall elements are arranged so that a phase difference is produced between the output signals of the respective hall elements. And a sensor chip in which at least a part of the magnetoresistive element region and the hall element region are overlapped with each other,
A comparison unit that compares each output level of each Hall element with a threshold level and outputs a comparison result for each Hall element;
An angle calculator that calculates an angle corresponding to the relative rotation angle using each output signal of each magnetoresistive element;
An output unit that compares the calculated value calculated by the angle calculation unit with a threshold, uses the comparison result and the comparison result of the comparison unit, and outputs a signal corresponding to the relative rotation angle;
A rotation sensor comprising:
前記ホール素子領域の略全領域が前記磁気抵抗素子領域と重ねられていることを特徴とする請求項1に記載の回転センサ。   The rotation sensor according to claim 1, wherein substantially the entire area of the hall element area is overlapped with the magnetoresistive element area. 前記磁気抵抗素子領域およびホール素子領域が、前記磁気発生部の相対回転軸方向に対応する方向に重ねられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転センサ。   3. The rotation sensor according to claim 1, wherein the magnetoresistive element region and the Hall element region are overlapped in a direction corresponding to a relative rotation axis direction of the magnetism generating unit. 前記磁気抵抗素子領域およびホール素子領域が、前記磁気発生部の相対回転面と略平行に配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetoresistive element region and the Hall element region are disposed substantially parallel to a relative rotation surface of the magnetism generating unit. 前記磁気抵抗素子領域が前記センサチップの表面側に、前記ホール素子領域が前記センサチップの裏面側にそれぞれ配置されており、前記センサチップの表面が前記磁気発生部の相対回転面と対向するように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の回転センサ。   The magnetoresistive element region is disposed on the front surface side of the sensor chip, and the Hall element region is disposed on the back surface side of the sensor chip, so that the surface of the sensor chip faces the relative rotation surface of the magnetism generating unit. The rotation sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the rotation sensor is arranged in a vertical direction. 前記磁気抵抗素子領域が前記センサチップの表面側に、前記ホール素子領域が前記センサチップの裏面側にそれぞれ配置されており、前記センサチップの裏面が前記磁気発生部の相対回転面と対向するように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の回転センサ。   The magnetoresistive element region is disposed on the front surface side of the sensor chip, and the Hall element region is disposed on the back surface side of the sensor chip, so that the back surface of the sensor chip faces the relative rotation surface of the magnetism generator. The rotation sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the rotation sensor is arranged in a vertical direction. 前記磁気発生部は、その相対回転面の径方向で分割された異なる磁極を有することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnetism generating unit has different magnetic poles divided in a radial direction of a relative rotation surface thereof. 前記磁気発生部は、相対回転する回転体の周方向に配置された異なる磁極であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnetism generator is a different magnetic pole disposed in a circumferential direction of a rotating body that rotates relative to the magnet. 前記センサチップが前記異なる磁極間に配置されていることを特徴とする請求項8に記載の回転センサ。   The rotation sensor according to claim 8, wherein the sensor chip is disposed between the different magnetic poles. 前記磁気発生部は多極であることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 9, wherein the magnetism generator is multipolar. 前記各磁気抵抗素子および各ホール素子は、前記磁気抵抗素子領域およびホール素子領域に対して平行な磁界の磁束密度の変化を主として検出するように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1つに記載の回転センサ。   2. The magnetoresistive element and the hall element are arranged so as to mainly detect a change in magnetic flux density of a magnetic field parallel to the magnetoresistive element area and the hall element area. The rotation sensor according to claim 10. 前記各ホール素子は、相互に隣接するホール素子の出力信号間に90°の位相差が出るように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1つに記載の回転センサ。   12. The hall elements according to claim 1, wherein the hall elements are arranged so that a phase difference of 90 [deg.] Occurs between output signals of adjacent hall elements. Rotation sensor. 前記各磁気抵抗素子は、相互に隣接する磁気抵抗素子の出力信号間に45°の位相差が出るように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1つに記載の回転センサ。   Each of the magnetoresistive elements is arranged so that a phase difference of 45 ° is generated between output signals of the magnetoresistive elements adjacent to each other. The rotation sensor described. 相互に隣接する磁気抵抗素子の出力信号間に90°の位相差が出るように磁気抵抗素子をハーフブリッジ接続した第1および第2のハーフブリッジ回路が、両ハーフブリッジ回路の各出力信号間の位相差が45°となるように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項13のいずれか1つに記載の回転センサ。   The first and second half bridge circuits in which the magnetoresistive elements are half-bridge connected so that a 90 ° phase difference is generated between the output signals of the magnetoresistive elements adjacent to each other are provided between the output signals of both half bridge circuits. The rotation sensor according to any one of claims 1 to 13, wherein the rotation sensor is arranged so as to have a phase difference of 45 °. 一対の前記第1のハーフブリッジ回路をブリッジ接続した第1のフルブリッジ回路と、一対の前記第2のハーフブリッジ回路をブリッジ接続した第2のフルブリッジ回路とが、両フルブリッジ回路の各出力信号間に45度の位相差が出るように配置されていることを特徴とする請求項14に記載の回転センサ。   A first full-bridge circuit in which a pair of the first half-bridge circuits are bridge-connected and a second full-bridge circuit in which a pair of the second half-bridge circuits are bridge-connected are each output of both full-bridge circuits. The rotation sensor according to claim 14, wherein the rotation sensor is arranged so that a phase difference of 45 degrees is generated between the signals. 前記第1および第2のハーフブリッジ回路を構成する磁気抵抗素子が同心円状に交互に配置されていることを特徴とする請求項14または請求項15に記載の回転センサ。   The rotation sensor according to claim 14 or 15, wherein the magnetoresistive elements constituting the first and second half-bridge circuits are alternately arranged concentrically. 前記信号作成部によって作成された信号と、前記各ホール素子の各出力信号との間にそれぞれ45°の位相差があることを特徴とする請求項12ないし請求項16のいずれか1つに記載の回転センサ。   17. The phase difference of 45 degrees between the signal created by the signal creation unit and each output signal of each Hall element, respectively. 17. Rotation sensor. 前記相対回転角度の0〜360°を前記各ホール素子の出力信号間の位相差で除した値をnとし、0〜360°の範囲をnで除することによりn個の角度範囲を設定した場合に、前記比較部および出力部における比較結果の組合せが各角度範囲において総て異なるように構成されていることを特徴とする請求項12ないし請求項17のいずれか1つに記載の回転センサ。   A value obtained by dividing 0 to 360 ° of the relative rotation angle by a phase difference between output signals of the Hall elements is n, and n angle ranges are set by dividing a range of 0 to 360 ° by n. 18. The rotation sensor according to claim 12, wherein combinations of comparison results in the comparison unit and the output unit are different in each angle range. . 前記角度演算部は、
前記相対回転角度と、前記各磁気抵抗素子から出力される位相差のある複数の出力信号を用いて演算した角度との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を行って前記相対回転角度に対応する角度を演算することを特徴とする請求項1ないし請求項18のいずれか1つに記載の回転センサ。
The angle calculator is
An angle corresponding to the relative rotation angle by performing feedback control so that a deviation between the relative rotation angle and an angle calculated using a plurality of output signals having phase differences output from the magnetoresistive elements is reduced. The rotation sensor according to claim 1, wherein the rotation sensor is calculated.
前記各ホール素子は、それぞれ縦型ホール素子であり、各縦型ホール素子の磁気検出面の面方向が前記磁気抵抗素子領域と交差するように配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項19のいずれか1つに記載の回転センサ。   Each of the Hall elements is a vertical Hall element, and is arranged so that a surface direction of a magnetic detection surface of each vertical Hall element intersects with the magnetoresistive element region. The rotation sensor according to claim 19. 前記各磁気抵抗素子および各ホール素子は、それぞれ半導体基板に作り込まれていることを特徴とする請求項1ないし請求項20のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 20, wherein each of the magnetoresistive elements and the Hall elements is formed in a semiconductor substrate. 前記各ホール素子はCMOSトランジスタ構造であることを特徴とする請求項1ないし請求項21のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 21, wherein each Hall element has a CMOS transistor structure. 前記各ホール素子は高耐圧CMOSトランジスタ構造であることを特徴とする請求項22に記載の回転センサ。   The rotation sensor according to claim 22, wherein each of the Hall elements has a high breakdown voltage CMOS transistor structure. 前記ホール素子領域は、
第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板内の表層部から所定の深さに形成した第2導電型の半導体領域と、
前記第2導電型の半導体領域内において当該第2導電型の半導体領域よりも浅く、前記第2導電型の半導体領域を分割するように形成された第1導電型の半導体領域と、
前記第2導電型の半導体領域の表層部において前記第1導電型の半導体領域を挟んで形成され、電流供給対を構成するコンタクト用の第2導電型の不純物拡散領域と、
前記第2導電型の半導体領域の表層部に形成され、電圧出力対を構成するコンタクト用の第2導電型の不純物拡散領域と、を備えており、
前記磁気抵抗素子領域は、
少なくとも一部が絶縁膜を介して前記ホール素子領域に重ねて形成されていることを特徴とする請求項22または請求項23に記載の回転センサ。
The Hall element region is
A first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor region formed at a predetermined depth from a surface layer in the semiconductor substrate;
A first conductivity type semiconductor region formed so as to divide the second conductivity type semiconductor region within the second conductivity type semiconductor region and shallower than the second conductivity type semiconductor region;
A second conductivity type impurity diffusion region for contact forming a current supply pair, formed on the surface layer portion of the second conductivity type semiconductor region with the first conductivity type semiconductor region interposed therebetween;
A second conductivity type impurity diffusion region for contact, which is formed in a surface layer portion of the second conductivity type semiconductor region and constitutes a voltage output pair,
The magnetoresistive element region is
The rotation sensor according to claim 22 or 23, wherein at least a part of the rotation sensor is formed so as to overlap the hall element region with an insulating film interposed therebetween.
前記各磁気抵抗素子は、NiFeの薄膜よりなることを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 24, wherein each of the magnetoresistive elements is formed of a NiFe thin film. 前記各磁気抵抗素子は、NiCoの薄膜よりなることを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の回転センサ。   The rotation sensor according to any one of claims 1 to 24, wherein each of the magnetoresistive elements is made of a NiCo thin film.
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