JP4794219B2

JP4794219B2 - 磁気アレイセンサ回路およびこれを用いた回転検出装置

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Publication number: JP4794219B2
Application number: JP2005167127A
Authority: JP
Inventors: 亨高橋; 祥二川人
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006343140A

Description

この発明は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイの出力を処理する磁気アレイセンサ回路、およびこれを用いた回転検出装置に関する。

従来、磁気センサアレイの出力から、磁石の回転角度を求めるものが提案されている（例えば、特許文献１，２）。これには、回転検出装置のセンサ部として、磁気センサ素子を多数並べてセンサアレイを構成し、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、デジタル信号処理回路とともに半導体チップに集積したものが提案されている。磁気センサ素子として何を用いるかは開示されていない。

非特許文献１は、磁気センサ素子ＭＡＧＦＥＴの基本特性を示し、線形領域動作での若干の磁気感度低下があることを提示している。オフセットばらつきについては言及していない。
非特許文献２は、磁気センサ素子ＭＡＧＦＥＴをマトリクス状に並べて、磁界分布を検出する方法を提示している。また、単純な電圧変換回路による読み出し回路を使用し、センサ出力のオフセットばらつきが大きいことを述べている。
特開２００４−０３７１３３号公報特開２００５−０４３０７０号公報シンユー・シェンおよびスージ・ウー（Xinyu Zheng and Suzhi Wu) 著, 「ＭＯＳフィールドセンサの一般的特徴と電流出力モード」(General characteristics and current output mode of a MOS field sensor) 」, センサとアクチュエータ（Sensors and Actuators) A28(1991),pp-5 ジェームス・ジェイ・クラーク(James J.Clark) 著, 「分割ドレインＭＯＳＦＥＴ磁気センサアレイ(Split-drain MOSFET Magnetic Sensor Arrays),」「センサとアクチュエータ(Sesors and Actuators)」 A24(1990),pp107-116 ．

磁気センサアレイの出力から、磁石の回転角度を求める場合、各磁気センサ素子の出力にオフセットばらつきが存在するため、回転角度検出の精度を悪化させるという問題がある。この問題を解決するものとして、本出願人は、磁気センサ素子ＭＡＧＦＥＴを用いた磁気センサアレイにおいて、磁気センサ素子を並列接続することでオフセットばらつきを低減するものを提案した（特願２００４−３６１７４０号）。

上記したオフセットばらつき低減技術の場合、４〜８個の磁気センサ素子を並列接続することで、オフセットばらつきを１／２〜１／３程度に低減可能であるが、十分な回転角度検出精度を得るためには、さらにオフセットばらつきを低減することが必要である。
一方、半導体で構成されたセンサチップでは、温度等の環境変化によって特性が変動することは避けられない。すなわち、上記した構成のセンサ部の場合、環境変化に伴ってセンサ出力信号がドリフトし、さらに信号の読み出し回路も環境変化の影響を受けるため、最終的に得られる回転角度の検出精度が環境変化によって悪化してしまうという問題がある。

この発明の目的は、磁気センサ素子のオフセットばらつきの少ない精度の良い検出が行え、センサアレイの出力信号の品質を高めることができる磁気アレイセンサ回路を提供することである。
この発明の他の目的は、環境変化による影響を受けないでセンサ信号を読み出す回路構成を実現することである。
この発明のさらに他の目的は、上記オフセットばらつきを低減でき、またセンサ信号への環境変化の影響を無くして、精度のよい検出信号を得ることのできる回転検出回路を提供することである。

この発明にかかる磁気アレイセンサ回路は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイの出力を処理する磁気アレイセンサ回路であって、前記磁気センサ素子を線形領域で動作させる手段を設けることにより、アレイ状に並べた磁気センサ素子の出力のオフセットばらつきを低減させることを特徴とする。
磁気センサ素子は、線形領域で動作させると、飽和領域で動作させる場合に比べてオフセットばらつきが減少するという特性がある。この発明は、磁気センサ素子を線形領域で動作させるようにしたので、アレイ状に並べられた多数の磁気センサ素子のオフセットばらつきを低減することができる。このため、オフセットバラツキの少ない精度の良い検出が行え、センサアレイの出力信号の品質を高めることができる。例えば、この磁気アレイセンサ回路を回転検出装置に適用した場合には、磁気センサアレイの出力信号の品質を高めて、回転角度検出計算の精度を確保することが可能となる。

前記磁気センサ素子は２つのドレイン端子を有する磁気トランジスタであって、前記磁気センサ素子における前記２つのドレイン端子を流れる電流の差を抽出する差電流検出回路と、この差電流検出回路によって抽出された差電流を電圧信号に変換してセンサ信号として出力する電流・電圧変換回路とを設け、前記線形領域で動作させる手段として、磁気センサ素子の２つのドレイン端子の電圧を同電位とする制御回路を設ける。前記磁気トランジスタは、電界効果型の磁気トランジタ（ＭＡＧＦＥＴ）とする。
この種の磁気トランジタは、例えば、ゲート電圧を固定した状態で、ドレイン電圧を下げて磁気トランジスタの動作状態を飽和領域動作から線形領域動作にして行くと、オフセットばらつきが減少して行く。この現象を実現するには、磁気トランジスタの２つのドレイン端子の電圧をできる限り同じ電圧に保つ必要がある。したがって、流れる電流に依存せずに、ドレイン端子電圧を同電位に保つ機能を持つ制御回路を装備することで、オフセットばらつきを抑えつつ信号を読み出す回路が実現できる。

２つのドレイン端子電圧を同電位とする制御回路は、例えば２つのドレイン端子電圧を検出し、両ドレイン端子が同電位となるようにフィードバックを行う回路構成のものが使用できる。
このような制御回路として、全差動増幅回路で構成されたものや、シングルエンド増幅回路で構成されたものが採用できる。全差動増幅回路とシングルエンド増幅回路のいずれにおいても、上記フィードバックにより、両ドレイン端子を同電位とすることができる。前記制御回路をシングルエンド増幅回路で構成されたものとする場合、前記制御回路は、スイッチとキャパシタを用いたオフセット補償回路によって、増幅回路の内部オフセットを補償する構成のものであっても良い。

この発明の回転検出装置は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイに対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイの出力からこの磁気センサアレイに対する前記磁石の回転角度を算出する磁気アレイセンサ回路とを備え、この磁気アレイセンサ回路として、この発明の上記いずれかの構成の磁気アレイセンサ回路を設けたものである。
この構成によると、磁気センサアレイを構成する磁気センサ素子を線形領域で動作させることで、磁気センサ素子のオフセットばらつきを低減することができる。あるいは、磁気アレイセンサ回路でのオフセットや環境変化の影響も除去することが可能になる。その結果、回転検出装置の角度検出精度が向上し、ロータリエンコーダとしての分解能・精度を向上させることができる。

この発明にかかる磁気アレイセンサ回路は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイの出力を処理する磁気アレイセンサ回路であって、前記磁気センサ素子を線形領域で動作させる手段を設けたため、アレイ状に並べた磁気センサ素子の出力のオフセットばらつきの少ない精度の良い検出が行え、センサアレイの出力信号の品質を高めることができる。

この発明の回転検出装置は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイに対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイの出力からこの磁気センサアレイに対する前記磁石の回転角度を算出する磁気アレイセンサ回路とを備え、この磁気アレイセンサ回路として、この発明の磁気アレイセンサ回路を設けたため、角度検出精度が向上し、ロータリエンコーダとしての分解能・精度を向上させることができる。

この発明の第１の実施形態を図１〜図７と共に説明する。この磁気アレイセンサ回路１１は、図１のように複数の磁気センサ素子５₁〜５_nをアレイ状に並べた磁気センサアレイ５の出力を処理する回路であって、差電流検出回路１６および電流・電圧変換回路１７のほかに、各磁気センサ素子５₁〜５_nを線形領域動作で動作させる手段である制御回路１８を備える。各磁気センサ素子５₁〜５_nは、センサ選択回路１９によって配列順序に選択されて動作可能にされる。

磁気センサ素子５1 〜５n としては電界効果型の磁気トランジスタ（ＭＡＧＦＥＴ）を用いる。図２（Ａ）〜（Ｃ）に、前記磁気センサ素子５1 〜５n となる磁気トランジスタＴの構造を、平面図、断面図、および斜視図で示している。この磁気トランジスタＴは、ｐ−Ｓｉ基板３２の表層に形成されたソース領域３３とドレイン領域３４の間に酸化膜３５を介してゲート電極３６を形成して構成される。ドレイン領域３４は、互いに離れた２つの領域３４1 ，３４2 に分割されていて、それぞれの分割領域３４1 ，３４2 にドレイン端子Ｄ１，Ｄ２が設けられている。
この磁気トランジスタＴでは、ソース領域３３からドレイン領域３４に向かって流れる電子ｅ- にローレンツ力が働き、素子面に垂直な磁界Ｂz が印加されたとき、その磁界Ｂz の強さに応じて２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２に流れる電流Ｉ1 ，Ｉ2 が変化することから、磁気トランジスタＴに印加される磁界Ｂz の強さを検出する。すなわち、磁気トランジスタＴは、素子面に垂直な磁界Ｂz が印加されたときに生じる回路電流のアンバランスを検出する。

図１では、２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２に電流Ｉ₁＋ΔＩ，Ｉ₂＋ΔＩが流れている場合を示している。
差電流検出回路１６は、前記磁気センサ素子５₁〜５_nにおける２つの電流の差２ΔＩを抽出する回路である。電流・電圧変換回路１７は、前記差電流検出回路１６によって抽出された差電流を電圧信号Ｖ_outに変換してセンサ信号として出力する回路である。
このように、差電流検出回路１６および電流・電圧変換回路１７により、磁気センサ素子５₁〜５_nに磁界が印加されたときの差電流が抽出され、電圧信号に増幅されてセンサ信号が電圧信号として得られる。

図２と共に説明した磁気トランジスタＴは、図３（Ｂ）に示す回路図で表現することができ、２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２を流れる電流Ｉ₁，Ｉ₂の差が磁界Ｂz の強さを示す磁界信号となる。同図（Ａ）は、この同磁気トランジスタＴの平面図を示す。
この磁気トランジスタＴからなる磁気センサ素子５₁〜５_nを図１のように多数並べて磁気センサアレイ５を構成すると、個々の素子特性のばらつきによってセンサ出力がばらつき、オフセットばらつきが現れる。
図４は、この磁気センサアレイ５における、磁界の無い状態での各磁気センサ素子５₁〜５_nのセンサ出力信号（オフセット信号）の例を示している。この磁気センサアレイ５に磁界Ｂz を印加すると出力信号が変化するが、その信号にはオフセット信号が重畳しており、磁気センサアレイ５が担う磁界分布計測の障害となる。

試験によれば、磁気トランジスタの出力を測定すると、トランジスタの動作状態によってオフセットばらつきの大きさが変化することが確かめられた。具体的には、図３（Ｂ）の回路図において、トランジスタのゲートＧに印加する電圧をＶg として固定し、ドレイン端子Ｄ１，Ｄ２の電圧をＶd とすると、Ｖd とオフセットばらつきの関係は図５に示すグラフのようになる。すなわち、ゲート電圧Ｖg を固定した状態で、ドレイン電圧Ｖd を下げてトランジスタの動作状態を飽和領域動作から線形領域動作にしていくと、オフセットばらつきは減少していく。
この現象を利用してオフセットばらつきを小さく抑え、センサ信号を読み出すことができれば都合が良い。ただし、この状態を実現するには、流れる電流に依存せずに磁気トランジスタＴの２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２の電圧Ｖd を同電位に保つ必要がある。図１における制御回路１８は、この同電位に保つ機能を担うものであり、これにより、この磁気アレイセンサ回路ではオフセットばらつきを抑えつつセンサ信号を読み出すようにされている。

図６は、前記制御回路１８の一例を示す。この制御回路１８は、２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２の端子電圧を検出し、それらを同電位に保つ回路である。具体的には、この制御回路１８は、２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２に対応するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２と、全差動増幅回路３７とでなるフィードバック回路として構成される。この制御回路１８では、２つのドレイン端子電圧Ｖd1，Ｖd2を検出し、これらの電圧が同電位（Ｖd1＝Ｖd2）となるように制御する。

図７は、前記制御回路１８として、シングルエンド増幅回路とキャパシタとを用いた例を示す。同図の制御回路１８は、２つのドレイン端子Ｄ１，Ｄ２に対応するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２およびシングルエンド増幅回路３８と、キャパシタＣと、スイッチＳ１，Ｓ２とでなるフィードバック回路とし、増幅回路３８のオフセットをキャパシタＣで除去する構成とされている。この回路では、両側にそれぞれシングルエンド増幅回路３８を配置しているが、この増幅回路３８のオフセットをキャパシタＣでキャンセルする構成となっているので、両ドレイン端子電圧Ｖd1, Ｖd2を、高い精度で基準電圧Ｖｄに一致させるように制御できる。

この制御回路１８におけるスイッチＳ１，Ｓ２は次のように動作させる。
（１）スイッチＳ１をオンにした状態で、センサ電流が安定するまで待つ。
（２）すると、キャパシタＣには、基準電圧Ｖd と実際のドレイン端子電圧Ｖd1，Ｖd2との差Ｖosが記憶される。
（３）このとき、フィードバック端子（−端子）にはＶd ＋Ｖosが入力されている。
（４）つぎにスイッチＳ１をオフにする。
（５）さらにスイッチＳ２をオンにすると、フィードバック端子（−端子）にはＶosを蓄えたキャパシタＣが接続されているので、センサのドレイン端子電圧がＶd になり、オフセットがキャンセルされる。
このようにして、両ドレイン端子電圧Ｖd1，Ｖd2を、高い精度で基準電圧Ｖd に一致するように制御できる。

このように、この磁気アレイセンサ回路１１では、制御回路１８で磁気センサ素子５₁〜５_nである磁気トンジスタＴのドレイン端子電圧を制御して、磁気トランジスタＴを線形領域で動作させるようにしているので、多数の磁気センサ素子５₁〜５_nのオフセットばらつきを低減することができる。このため、この磁気アレイセンサ回路を例えば回転検出装置に適用した場合には、磁気センサアレイ５の出力信号の品質を高めて回転角度検出計算の精度を確保することが可能となる。

図８および図９は、提案例を示す。この提案例の磁気アレイセンサ回路１１は、図１に示す実施形態において磁気センサ素子５1 〜５n を線形領域動作で動作させる制御回路１８を設けた構成に替えて、基準センサ素子５ref を設けたものである。
この磁気アレイセンサ回路１１では、磁気センサ素子の２つの出力端子（ドレイン端子）を短絡させた基準センサ素子５ref と、この基準センサ素子５ref を選択して読み出されたセンサ信号を基準オフセット値として記憶するオフセット出力記憶素子３０と、この記憶された基準オフセット値の他の磁気センサ素子５1 〜５n の出力から減算するアナログ減算回路３１（図９）とを設けている。オフセット出力記憶素子３０は、キャパシタ等のアナログ素子でも良いし、オフセット誤差をＡＤ変換したデジタル値として記憶する素子であっても良い。また、アナログ減算回路３１に替えて、減算をデジタル値で行う回路を用いても良い。

ところで、回転検出装置に適用される一般的な磁気アレイセンサ回路において、磁気センサアレイを構成するホール素子や磁気トランジスタなどの磁気センサ素子、および信号読み出し回路はシリコンチップ上に形成されているので、温度や歪みなどの環境変化によって特性が変化する。この変化によって磁気センサアレイから読み出される信号が変動すると、最終的な回転角度検出結果にも影響が出てしまう。
この実施形態の磁気アレイセンサ回路１１は、上記環境変化の影響を受け難くする手段として、上記基準センサ素子５ref 、オフセット出力記憶素子３０、およびアナログ減算回路３１を設けたものである。
基準センサ素子５ref は、磁気センサアレイ５の一部として、各磁気センサ素子５₁〜５_nと共に並べて配置し、センサ選択回路１９によって選択して動作可能とされる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同じである。
なお、図８はセンサ選択回路１９が基準センサ素子５ref を選択した状態を、図９は他の磁気センサ素子５₁〜５_nの一部（ここでは５₁）を選択した状態をそれぞれ示す。

この磁気アレイセンサ回路１１での出力信号の処理は以下のように行われる。
（１）図８のように、センサ選択回路１９が基準センサ素子５ref を選択して、基準センサ素子５ref のセンサ信号を読み出すと、基準センサ素子５ref は２出力端子が短絡されていてオフセットがない状態にあるので、増幅回路などで構成された磁気アレイセンサ回路１１の内部で発生するオフセット誤差だけが抽出されて出力に現れる。すなわち、差電流検出回路１６の誤差はＩoffsetとして出力され、その値が電流・電圧変換回路１７で電圧に変換されてＶoffsetとして出力される。

（２）このオフセット誤差（オフセット電圧Ｖoffset）をオフセット出力記憶素子３０で記憶しておき、実際の各磁気センサ素子５₁〜５_nの出力信号からは、図９のようにアナログ減算回路３１でオフセット誤差分を減算する。すなわち、図９において選択された磁気センサ素子５₁の電流は磁界によってバランスを崩し、Ｉ₀−ΔＩ，Ｉ₀＋ΔＩの電流になり、その差が差電流検出回路１６によって検出される。検出された差電流には検出回路１６のオフセットが重畳し、２ΔＩ＋Ｉoffsetが出力されている。これが電流・電圧変換回路１７で電圧に変換されたところで、オフセット出力記憶素子３０に記憶されたオフセット誤差Ｖoffsetがアナログ減算回路３１で減算されるので、オフセット成分がキャンセルされ、磁気センサ素子の出力の信号線分Ｖout だけを取り出すことができる。これにより、磁気アレイセンサ回路１１でのオフセット誤差がキャンセルされる。

上記動作において、オフセット誤差の記憶は、１ラインの磁気センサアレイ５の読み出し動作の最初に行われる。これにより、毎回の回路状態に応じたオフセットキャンセルが可能となる。なお、基準センサ素子５ref は、磁気センサアレイ５の１ラインの先頭に配置しても、末尾に配置しても良い。

このように、この実施形態の磁気アレイセンサ回路１１では、温度変化などによって磁気センサアレイ５を構成する磁気センサ素子５₁〜５_nおよび磁気アレイセンサ回路１１の回路状態が変化しても、その都度回路のオフセット誤差を測定して、実際のセンサ信号を補正するようにしているので、環境の影響を受け難い安定した出力信号を得ることができる。

図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図８および図９に示す提案例の磁気アレイセンサ回路１１において、図１の実施形態における制御回路１８を加えたものである。
この磁気アレイセンサ回路１１の場合、制御回路１８の機能により、磁気センサ素子５1 〜５n のオフセットばらつきが十分に低減できるだけでなく、基準センサ素子５ref 、オフセット出力記憶素子３０、およびアナログ減算回路３１の機能によって、磁気アレイセンサ回路１１でのオフセットや環境変化の影響も除去することが可能になる。したがって、この磁気アレイセンサ回路１１を例えば回転検出装置に適用した場合、磁気センサアレイ５の出力信号のばらつきが抑えられて回転角度検出精度が向上すると共に、環境変化による回転角度検出性能の悪化も低く抑えることができる。

図１１〜図１５は、この発明にかかる磁気アレイセンサ回路（例えば図１０の実施形態）１１を用いた回転検出装置の実施形態を示す。この回転検出装置の原理構成を図１に示す。回転側部材１および非回転側部材２は、相対的に回転する回転側および非回転側の部材のことである。この回転検出装置３は、回転側部材１に配置された磁気発生手段である磁石４と、非回転側部材２に配置された磁気センサアレイ５と、この磁気センサアレイ５の出力から磁石４の回転角度を算出する角度算出手段６とを備える。磁気センサアレイ５は、磁石４に対して僅かな隙間を隔てて配置される。

磁石４は、発生する磁気が回転側部材１の回転中心Ｏの回りの円周方向異方性を有するものであり、永久磁石の単体、あるいは永久磁石と磁性材の複合体からなる。ここでは、磁石４は、１つの永久磁石７を２つの磁性体ヨーク８，８で挟んで一体化したものとされて、概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク８の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク８の一端がＳ磁極となる。この磁石４は、回転側部材１の回転中心Ｏが磁石４の中心と一致するように回転側部材１に取付けられ、回転側部材１の回転によって上記回転中心Ｏの回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

磁気センサアレイ５は磁石４の磁気を検出するセンサであって、回転側部材１の回転中心Ｏの軸方向に向けて磁石４と対向するように、非回転側部材２に配置される。ここでは、磁気センサアレイ５は、図１２のように１つの半導体チップ９の面上に、仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置される。矩形の中心Ｏ’は、回転側部材１の回転中心Ｏに一致する。このように磁気センサアレイ５が形成された半導体チップ９は、その素子形成面が前記磁石４と対向するように非回転側部材２に取付けられる。半導体チップ９はシリコンチップである。

図１１，図１２における角度算出手段６は集積回路からなり、半導体チップ上に、磁気センサアレイ５とともに集積されている。角度算出手段６は、磁気センサアレイ５の矩形配置の内部に配置される。これにより、磁気センサアレイ５および角度算出手段６をコンパクトに配置することができる。

図１３は、角度算出手段６からアブソリュート出力を得るものとした場合の、上記半導体チップ９上での回路の概念構成例を示す。各センサ列５Ａ〜５Ｄは、磁気センサ素子５₁〜５_n（図１０の基準センサ素子５ref を含む）と読み出し部１１を備えたこの発明の磁気アレイセンサ回路によって構成される。また、各センサ列５Ａ〜５Ｄと角度算出手段６との間には、磁気アレイセンサ回路１１から出力されるアナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換部１２がそれぞれ配置される。角度算出手段６は、前記各Ａ／Ｄ変換部１２のデジタル出力からノイズを除去する空間フィルタ部１３と、この空間フィルタ部１３の出力から磁界分布のゼロクロスを検出するゼロ検出部１４と、このゼロ検出部１４の出力から磁石４の回転角度を算出する角度算出部１５とを有する。前記空間フィルタ部１３は、磁気センサアレイ５の出力に対してデジタルフィルタを掛けることでセンサばらつきによるノイズを低減する機能を有するものであり、例えばくし形フィルタが用いられる。

図１４および図１５は、角度算出部１５による角度算出処理の説明図である。図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、回転側部材１が回転している時の磁気センサアレイ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各センサ列５Ａ〜５Ｄの磁気センサ素子５₁〜５_nを、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。
いま、図１５に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気センサアレイ５の検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、磁気センサアレイ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄの出力が、図１４（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、センサ列５Ａ，５Ｃの出力から直線近似することで算出することができる。
角度計算は、次式（１）で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ） ……（１）
ここで、θは、磁石４の回転角度θを絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ５の１辺の長さである。ｂは、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２がセンサ列５Ｂ，５Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。

このように、この回転検出装置３によると、上記発明の磁気アレイセンサ回路１１を用いているので、磁気センサアレイ５を構成する磁気センサ素子５₁〜５_nを線形領域で動作させることで、磁気センサ素子５₁〜５_nのオフセットばらつきを低減することができる。また、磁気アレイセンサ回路１１でのオフセットや環境変化の影響も除去することが可能になる。その結果、回転検出装置３の角度検出精度が向上し、ロータリエンコーダとしての分解能・精度を向上させることができる。

図１６は、この実施形態の回転検出装置３を転がり軸受に組み込んだ例を示す。この転がり軸受２０は、内輪２１と外輪２２の転走面間に、保持器２３に保持された転動体２４を介在させたものである。転動体２４はボールからなり、この転がり軸受２０は深溝玉軸受とされている。また、軸受空間の一端を覆うシール２５が、外輪２２に取付けられている。回転軸１０が嵌合する内輪２１は、転動体２４を介して外輪２３に支持されている。外輪２３は、軸受使用機器のハウジング（図示せず）に設置されている。

内輪２１には、磁石取付部材２６が取付けられ、この磁石取付部材２６に磁石４が取付けられている。磁石取付部材２６は、内輪２１の一端の内径孔を覆うように設けられ、外周縁に設けられた円筒部２６ａを、内輪２１の肩部外周面に嵌合させることにより、内輪２１に取付けられている。また、円筒部２６ａの近傍の側板部が内輪２１の幅面に係合して軸方向の位置決めがなされている。
外輪２２にはセンサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に、図１１の磁気センサアレイ５および角度算出手段６の集積された半導体チップ９が取付けられている。また、このセンサ取付部材２７に、角度算出手段６の出力を取り出すための出力ケーブル２９も取付けられている。センサ取付部材２７は、外周部の先端円筒部２７ａを外輪２２の内径面に嵌合させ、この先端円筒部２７ａの近傍に形成した鍔部２７ｂを外輪２２の幅面に係合させて軸方向の位置決めがなされている。

このように、転がり軸受２０に回転検出装置３を一体化した回転装置付き軸受とすることで、軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクト化が図れる。その場合に、回転検出装置３は上記のように小型で高精度な回転角度出力が可能であるため、小径軸受等の小型の軸受においても、満足できる回転角度出力を得ることができる。

この発明の一実施形態にかかる磁気アレイセンサ回路の回路構成を示すブロック図である。（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ同磁気アレイセンサ回路における磁気センサ素子の平面図、断面図、および斜視図である。（Ａ）は磁気トランジスタの平面図、（Ｂ）は同磁気トランジスタの回路図である。磁気センサアレイにおける各磁気センサ素子のオフセット出力を示すグラフである。磁気トランジスタにおけるドレイン端子電圧とオフセットばらつきとの関係を示すグラフである。磁気アレイセンサ回路における制御回路の構成例を示す回路図である。磁気アレイセンサ回路における制御回路の他の構成例を示す回路図である。提案例にかかる磁気アレイセンサ回路における基準センサ素子の選択状態を示すブロック図である。同磁気アレイセンサ回路における磁気センサ素子の選択状態を示すブロック図である。この発明のさらに他の実施形態にかかる磁気アレイセンサ回路の回路構成を示すブロックである。同磁気アレイセンサ回路を備えた回転検出装置の概念構成を示す斜視図である。同回転検出装置における半導体チップを示す斜視図である。同回転検出装置における半導体チップ上の回路構成例を示すブロック図である。磁気センサアレイの出力を示す波形図である。角度算出手段による角度算出処理の説明図である。同回転検出装置を備えた転がり軸受の一例を示す断面図である。

符号の説明

３…回転検出装置
４…磁石
５…磁気センサアレイ
５₁〜５_n…磁気センサ素子
５ref …基準センサ素子
１１…磁気アレイセンサ回路
１８…制御回路
３０…オフセット出力記憶素子
３１…アナログ減算回路
３７…全差動増幅回路
３８…シングルエンド増幅回路
Ｄ１，Ｄ２…ドレイン端子
Ｃ…キャパシタ
Ｓ１，Ｓ２…スイッチ

Claims

磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイの出力を処理する磁気アレイセンサ回路であって、前記磁気センサ素子が２つのドレイン端子を有する電界効果型の磁気トランジスタであり、前記磁気センサ素子における前記２つのドレイン端子を流れる電流の差を抽出する差電流検出回路と、この差電流検出回路によって抽出された差電流を電圧信号に変換してセンサ信号として出力する電流・電圧変換回路とを設け、前記磁気センサ素子を線形領域で動作させる手段として、前記磁気センサ素子の２つのドレイン端子の電圧を同電位とする制御回路を設けることにより、アレイ状に並べた磁気センサ素子の出力のオフセットばらつきを低減させることを特徴とする磁気アレイセンサ回路。
請求項１において、前記制御回路が、シングルエンド増幅回路で構成され、スイッチとキャパシタを用いたオフセット補償回路によって、増幅回路の内部オフセットを補償する構成のものである磁気アレイセンサ回路。
磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイに対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイの出力からこの磁気センサアレイに対する前記磁石の回転角度を算出する磁気アレイセンサ回路とを備え、この磁気アレイセンサ回路として、請求項１または請求項２に記載の磁気アレイセンサ回路を用いた回転検出装置。