JP5002917B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転する磁界の変化を電気信号の変化に変換して出力する磁電変換素子を用いて、回転する磁界の回転角を検出する回転角検出装置に関する。

回転する磁界の変化を磁電変換素子により検出し、磁電変換素子が出力する電気信号に対して所定の演算を施すことによって、磁界の回転角を検出する回転角検出装置が、例えば、特開２００４−２７１４９５号公報（特許文献１）に開示されている。

図１２に、従来の回転角検出装置４０が磁界Ｂの回転角を検出する概念を示す。図１２（ａ）に示すように、回転角検出装置４０は、２個の磁電変換素子５０、５１を有している。また、２個の磁電変換素子５０、５１は、磁界Ｂの回転中心Ｐに近接して、互いに１／４波長の位相差がある電気信号を出力するように配置されている。

回転角検出装置４０は、磁電変換素子５０、５１により回転する磁界ＢＢ’を、検出し、磁電変換素子５０、５１が出力する電気信号に対して、所定の演算を施して磁界ＢＢ’の回転角を検出するものである。すなわち、２個の磁電変換素子５０、５１の出力端子５０ａ−５０ｂ、及び、５１ａ−５１ｂには、それぞれ、磁界Ｂの回転に伴って、図１２（ｂ）に示す、正弦波状の電気信号が出力される。そして、これらの電気信号に対して、所定の演算処理を施すことにより、図１２（ｃ）に示す演算結果（センサ出力電圧）が得られ、磁界ＢＢ’の回転角を検出することができる。
特開２００４−２７１４９５号公報

ところで、図１２に示す回転角検出装置４０は、回転角検出装置４０の外部に設置された周辺機器等が発生するノイズを低減、又は、削減する有効な手段を講じていない。すなわち、外部に設置された周辺機器等が発生するノイズが、磁電変換素子５０、５１が出力する電気信号の少なくともどちらかに侵入した場合、例えば、図１２（ｂ）に示すように、磁電変換素子５１が出力する電気信号に、磁界の回転角がφの時にノイズが侵入した場合、このノイズは、図１２（ｃ）に示すように、センサ出力の誤差の要因となり、回転角検出装置４０の検出精度が低下することがある。また、磁電変換素子５０、５１が、回転する磁界に対して異なる変換特性を備える場合においても、センサ出力の誤差の要因となり、回転角検出装置４０の検出精度が低下することがある。

そこで、本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転する磁界の変化を電気信号の変化に変換して出力する磁電変換素子用いて、磁界の回転角を検出する回転角検出装置であって、外部の周辺機器等により生じたノイズ、磁電変換素子の製造のばらつき、磁電変換素子の配置位置、周辺環境の温度分布の違い等に因る誤差を低減するとともに、磁界の回転角の検出精度に優れた、小型の回転角検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る回転検出装置は、回転する磁界の変化を電気信号の変化に変換して出力する磁電変換素子を用いて、磁界の回転角を検出する回転角検出装置であって、同一の半導体基板上にほぼ９０度の間隔で放射状に配置された、第１〜第４の磁電変換素子を複数セット備え、異なるセットを構成する磁電変換素子を、交互に且つ所定の間隔で配置し、磁界の回転に伴って、第１〜第４の磁電変換素子が出力する正弦波信号は、ほぼ同一周期及びほぼ同一振幅を有する正弦波信号であって、第１及び第３の磁電変換素子は、ほぼ同位相の第１の正弦波信号を出力し、第２及び第４の磁電変換素子は、第１の正弦波信号とほぼ１／４波長の位相差を有する、同位相の第２の正弦波信号を出力し、それぞれのセットについて、第１及び第２の正弦波信号に基づいて、アークタンジェント演算及び平均化演算を施して、第１及び第２の正弦波信号を、回転角に対してほぼ直線状に表示される検出信号に変換し、それぞれのセットごとに求められた検出信号は、所定の間隔に対応する角度の分だけ位相差を有しており、その位相差を解消するように、所定の間隔に基づいて、検出信号の位相差の補正を施し、位相差を補正した検出信号に基づいて、平均化処理を施して、磁界の回転角を検出することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、回転する磁界の回転角を検出するにあたり、ほぼ同じ変換特性を有する４個の磁電変換素子を９０度の放射状に配置する。すると、ある特定の回転角で、少なくとも１つの磁電変換素子が出力する正弦波信号に外部からのノイズが侵入したとしても、各磁電変換素子が出力する正弦波信号に基づいて平均化演算を施せば、ノイズが侵入していない他の正弦波信号の平均化と共にこのノイズも平均化されることになる。これにより、ノイズが回転検出装置の測定結果に与える影響を低減することができる。さらに、磁電変換素子の製造のばらつき、磁電変換素子の配置位置、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットを低減できる。また、磁界の回転に伴って、各磁電変換素子が出力する正弦波信号に基づいて、アークタンジェント演算を施すので各磁電変換素子が出力する正弦波信号をほぼ直線状の検出信号に変換でき、回転する磁界の回転角を容易に検出することができる。
さらに、請求項１に係る回転検出装置は、第１〜第４の磁電変換素子のセットを複数セット備え、異なるセットを構成する磁電変換素子を、交互に且つ所定の間隔で配置し、それぞれのセットについて、第１及び第２の正弦波信号を、回転角に対してほぼ直線状に表示される検出信号に変換し、所定の間隔に基づいて、検出信号の位相差の補正を施し、位相差を補正した検出信号に基づいて、平均化処理を施し、磁界の回転角を検出する。これにより、４個からなる磁電変換素子のセットを少なくとも２セット、８つを所定の間隔で配置することで、ある特定の回転角で、少なくとも１つの磁電変換素子が出力する正弦波信号に外部からノイズが侵入したとしても、各セットを構成する磁電変換素子がそれぞれ出力する正弦波信号に基づいて、ノイズを平均化することができる。また、磁電変換素子の間隔（角度）に基づいて、検出信号の位相を補正することで、侵入したノイズを分散させて平均化することができるので、ノイズが回転検出装置の測定結果に与える影響をさらに低減することができる。したがって、より検出精度に優れた回転角検出装置を得ることができる。

請求項２に係る回転検出装置は、第１及び第２の正弦波信号に基づいて、それぞれ平均化演算を施し、平均化された第１及び第２の正弦波信号に基づいて、アークタンジェント演算を施して、平均化された第１及び第２の正弦波信号を、回転角に対してほぼ直線状に表示される検出信号に変換することを特徴とする。これにより、各磁電変換素子が出力する正弦波信号に基づいて、平均化演算を施すことで、正弦波信号を平均化できるので、磁電変換素子の製造のばらつき、磁電変換素子の配置位置、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットを低減できる。

また、この平均化された正弦波信号に対してアークタンジェント演算を施すので、各磁電変換素子が出力する正弦波信号を少ない演算負荷で、ノイズの影響を取り除いた状態の、ほぼ直線状に表示される検出信号に変換できる。

請求項３に係る回転検出装置は、第１及び第２の正弦波信号を１組として、２組設定し、それぞれの組において、アークタンジェント演算を施して、第１及び第２の正弦波信号を、回転角に対してほぼ直線状に表示される検出信号に変換し、検出信号に基づいて、平均化演算を施すことを特徴とする。これにより、各磁電変換素子が出力する正弦波信号を、ほぼ直線状に表示される検出信号に変換する演算過程で、この正弦波信号に侵入したノイズが平均化される。したがって、外部から侵入するノイズによる検出精度が低下しにくい回転角検出装置を得ることができる。

請求項４に係る回転角検出装置は磁電変換素子は、縦型ホール素子であることを特徴とする。これにより、磁電変換素子として磁気抵抗素子（ＭＲＥ）を用いた時のように、磁気変換素子の個々にバイアス磁石を設置する必要がないので、回転検出装置の小型化が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。本発明においては、磁電変換素子として、ホール素子を用いる。このため、まず始めに、ホール素子について、図１１に基づいて簡単に説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、一般的なホール素子の動作原理を示す図である。半導体のホール効果は、磁束Ｂに直交するように置かれた導電体（ホール素子２０）にキャリアの流れがある時、磁界Ｂとキャリアの流れの両方に直角な方向に、起電力（ホール電圧）が発生する効果である。

図１１（ａ）に示すように、ホール素子２０の厚さをｄとし、端子Ｔｉ間に電流Ｉを流した状態で、ホール素子２０に直交する磁界Ｂを印加した時に、出力端子Ｔｖ間に発生する出力電圧（ホール電圧）をＶＨとする。この時、図中の（１）式が成り立つ。（１）式におけるＲｈはホール係数で、ホール素子２０の材料により定まる値である。

図１１（ｂ）に示すように、磁界が回転してホール素子２０の面方向と磁界Ｂのなす角度（回転角θ）が変わると、出力電圧ＶＨが図中の（２）式のようにｃｏｓθを乗じた式に変化する。したがって、図１１（ｂ）に示すように、Ｎ及びＳの磁石の間にホール素子２０を配置し、磁石又はホール素子２０を回転させた場合には、ホール素子２０が出力する出力電圧は正弦波形状になる。この正弦波形状の出力電圧を利用して、回転する磁界Ｂの回転角θを検出することができる。

図１１（ｃ），（ｄ）は、縦型ホール素子に分類されるホール素子の一例を示す図で、図１１（ｃ）は、縦型ホール素子２２の上面図であり、図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）におけるＤ−Ｄ断面図である。図１１（ｃ），（ｄ）に示す縦型ホール素子２２は、半導体基板１の表面に垂直にホールプレート部が形成され、キャリアが半導体基板１の表面に垂直方向に流れるホール素子である。また、縦型ホール素子２２は、接合分離型の縦型ホール素子で、ｎ型の低濃度拡散層（ｎ−）２がｐ型の高濃度層４ｂによって分離されている。

キャリアは、図１１（ｄ）中に点線矢印で示したように、ｎ型の高濃度埋め込み層４ｕを介して、端子Ｔｉ０−Ｔｉ１間および端子Ｔｉ０−Ｔｉ２間を半導体基板１の表面に垂直方向に流れる。なお、素子として動作するのは中央にあるホールプレート部２ｔであり、ホールプレート部２ｔに直交する磁界により発生する出力電圧（ホール電圧）ＶＨを、端子Ｔｖ間で検出する。

以上は、縦型ホール素子の一例について説明したものであり、図１１（ｃ），（ｄ）に示す構造に限らず、種々の構造をとり得ることができる。例えば、ｎ型の高濃度埋め込み層４ｕをなくし、端子Ｔｉ０から流れ出たキャリアが、ｐ型の高濃度層４ｂの先端を回り込むようにして、端子Ｔｉ１，Ｔｉ２に到達するようにしてもよい。また、ｐ型の高濃度層４ｂによる接合分離ではなく、トレンチ分離したものであってもよい。さらに、図１１（ｃ），（ｄ）に示す縦型ホール素子１２では、端子Ｔｉ１，Ｔｉ２を設けて、端子Ｔｉ０から流れ出たキャリアが図の左右両側に流れるようにしているが、片側だけであってもよい。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における回転角検出装置３０について、図１〜図３を用いて説明する。なお、磁電変換素子として、図１１で説明した縦型ホール素子を用いることができる。したがって、磁電変換素子は縦型ホール素子であるとして説明する。

図１に示すように、検出対象の磁界Ｂ（細矢印で示す）は、磁界Ｂ’（破線矢印で示す）となるように太矢印で示した方向へ回転するものとする。なお、磁界Ｂ及びＢ’は、ともに方向性を有するベクトルであり、その向きはそれぞれ矢印が示す方向である。

本実施形態における回転角検出装置３０は、図１に示すように、回転する磁界ＢＢ’の変化に対して、それぞれがほぼ同じ変換特性を備えた第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄを備え、同一の半導体回路基板１上に、１０ａ〜１０ｄの順で、ほぼ９０度の間隔となるように放射状に配置している。

このように配置された第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄは、回転する磁界ＢＢ’の変化を、それぞれがほぼ同一周期及びほぼ同一振幅の正弦波信号１００ａ〜１００ｄに変換して出力する。そして、回転角検出装置３０は、これら正弦波信号１００ａ〜１００ｄに基づいて、図示しない信号処理回路によって、後述する平均化演算及びアークタンジェント演算を施して、正弦波信号１００ａ〜１００ｄを、回転する磁界ＢＢ’の回転角θに対してほぼ直線状に表示される検出信号１５に変換して、磁界ＢＢ’の回転角θを検出する。なお、上述した信号処理回路は、第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄと共に、半導体回路基板１に配置してもよく、あるいは、縦型ホール素子が形成された半導体回路基板１とは別の半導体回路基板に配置してもよい。

ところで、図１１（ａ）〜（ｄ）を用いて、磁界の変化と縦型ホール素子を流れる電流との関係を説明したが、第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄを、ほぼ９０度の間隔で放射状となるように配置し、且つ、磁界の回転に伴って、これら縦型ホール素子を流れる電流の向きが同じ方向となるように配置する。すると、第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄが出力する電圧は、正弦波信号１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの順で１／４波長（９０度）ずつ位相がずれることになる。

すなわち、第１の縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａと第３の縦型ホール素子１０ｃが出力する正弦波信号１００ｃとの間には、ほぼ１／２波長（１８０度）の位相差が生じることになる。また、第２の縦型ホール素子１０ｂが出力する正弦波信号１００ｂと第４の縦型ホール素子１０ｄが出力する正弦波信号１００ｄとの間には、ほぼ１／２波長（１８０度）の位相差が生じることになる。

しかしながら、本実施形態における回転角検出装置３０では、図２（ａ）に示すように、第１の縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａと第３の縦型ホール素子１０ｃが出力する正弦波信号１００ｃとの間には位相差のない正弦波信号（第１の正弦波信号）となるように、第１の縦型ホール素子１０ａを流れる電流の向きと第３の縦型ホール素子１０ｃを流れる電流の向きとが逆方向となるように、第１の縦型ホール素子１０ａ及び第３の縦型ホール素子１０ｃを配置している。

また、磁界の回転に伴って、第２の縦型ホール素子１０ｂが出力する正弦波信号１００ｂと第４の縦型ホール素子１０ｄが出力する正弦波信号１００ｄとの間には位相差のない正弦波信号（第２の正弦波信号）となるように、第２の縦型ホール素子１０ｂを流れる電流の向きと第４の縦型ホール素子１０ｄを流れる電流の向きとが逆方向となるように、第２の縦型ホール素子１０ｂ及び第４の縦型ホール素子１０ｄを配置している。

このように縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄを配置すると、図２（ａ）に示すように、第１の正弦波信号と第２の正弦波信号との間（正弦波信号１００ａと１００ｂとの間、正弦波信号１００ｃと１００ｄとの間）の位相差は、１／４波長（９０度）となる。

ところで、図２（ａ）から分かるように、正弦波信号１００ａ及び１００ｃ、正弦波信号１００ｂ及び１００ｄは、それぞれがほぼ同位相であるが、図２（ａ）中の実線及び破線で示すように、縦型ホール素子の製造のばらつき、半導体基板１上での配置位置の僅かなずれ、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットにより、その波形が完全には一致しないことがある。また、磁界ＢＢ’の回転角φ（０度≦φ＜３６０度）のときに、縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａにノイズ４が侵入することがある。こうしたオフセットやノイズ４は、回転角検出装置３０の測定誤差の要因となることがある。

そこで、本実施形態における回転角検出装置３０は、回転する磁界ＢＢ’の回転角θを検出するにあたり、各縦型ホール素子が出力する正弦波信号に基づいて、後述する演算を施すことで、こうしたオフセットやノイズを低減して、磁界ＢＢ’の回転角θを正確に検出するものである。

回転する磁界ＢＢ’の回転角θを正確に検出するために、回転角検出装置３０は、先ず、図２（ａ）中で実線で示される第１の正弦波信号１００ａ及び破線で示される第１の正弦波信号１００ｃに基づいて平均化演算を施す。また、、図２（ａ）中で実線で示される第２の正弦波信号１００ｂ及び破線で示される第２の正弦波信号１００ｄに基づいて平均化演算を施す。

この平均化演算により、平均化された第１の正弦波信号１００ａｃ及び平均化された第２の正弦波信号１００ｂｄを算出する。なお、各磁電変換素子の製造のばらつき、磁電変換素子の配置位置、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットを低減できると共に、正弦波信号１００ａに残っていた回転角φにおけるノイズ４は、この平均化演算によりノイズ４ａへと平均化され、その影響が低減される。

次に、平均化された第１の正弦波信号１００ａｃと平均化された第２の正弦波信号１００ｂｄとに基づいて、アークタンジェント演算を施す。すると、平均化された第１の正弦波信号１００ａｃ及び平均化された第２の正弦波信号１００ｂｄは、回転する磁界ＢＢ’の回転角θに対して、ほぼ直線状に表示される検出信号１５（センサ出力電圧）に変換される。図３にこの検出信号１５を示す。なお、回転角φにおけるノイズ４は、ノイズ４ａとして検出信号１５に残っているが、ノイズ４と比較して、ノイズ４ａが検出信号１５に与える影響は低減している。

そして、本実施形態における回転検出装置３０は、このほぼ直線状に表示される検出信号１５に基づいて、回転する磁界ＢＢ’の回転角θを検出する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における回転角検出装置３１は、第１の実施形態で説明した演算の順序とは異なる順序で演算を施して、回転する磁界ＢＢ’の回転角θを検出するものである。本実施形態における回転角検出装置３１では、磁電変換素子は縦型ホール素子であるとして、図４及び図５を用いて説明する。なお、第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄの配置は第１の実施形態と同様であるとする。

すなわち、第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄを、１０ａ〜１０ｄの順で、ほぼ９０度の間隔となるように放射状に配置するが、この配置にあたり、第１の縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａと第３の縦型ホール素子１０ｃが出力する正弦波信号１００ｃとの間には位相差のない正弦波信号（第１の正弦波信号）となるように配置すると共に、第２の縦型ホール素子１０ｂが出力する正弦波信号１００ｂと第４の縦型ホール素子１０ｄが出力する正弦波信号１００ｄとの間には位相差のない正弦波信号（第２の正弦波信号）となるように配置する。なお、正弦波信号１００ａ〜１００ｄは、ほぼ同一周期及びほぼ同一振幅である。

この時、図４（ａ）に示すように、第１の縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａ（第１の正弦波信号）と第２の縦型ホール素子１０ｂが出力する正弦波信号１００ｂ（第２の正弦波信号）との位相差は１／４波長（９０度）となる。また、図４（ｂ）に示すように、第３の縦型ホール素子１０ｃが出力する正弦波信号１００ｃ（第１の正弦波信号）と第４の縦型ホール素子１０ｄとが出力する正弦波信号１００ｄ（第２の正弦波信号）と位相差は１／４波長（９０度）となる。

そこで、本実施形態における回転角検出装置３１は、磁界ＢＢ’の回転角θを検出するにあたり、第１の正弦波信号と第２の正弦波信号とを１組として、２組設定する。すなわち、図４（ａ）に示す正弦波信号１００ａ（第１の正弦波信号）と正弦波信号１００ｂ（第２の正弦波信号）とを組とし、さらに、図４（ｂ）に示す正弦波信号１００ｃ（第１の正弦波信号）と正弦波信号１００ｄ（第２の正弦波信号）とを組とする。

そして、各組において、それぞれアークタンジェント演算を施す。すると、図５（ａ）に示すように、第１の正弦波信号１００ａ及び第２の正弦波信号１００ｂ、第１の正弦波信号１００ｃ及び第２の正弦波信号１００ｄは、ほぼ直線状に表示される検出信号１６、１７にそれぞれ変換される。この時、回転角φで正弦波信号１００ａに侵入したノイズ４は、ほぼそのままのノイズレベルで検出信号１６に残る。

続いて、検出信号１６、１７に基づいて、平均化演算を施す。すると、図５（ｂ）に示すように、回転する磁界ＢＢ’の回転角θに対して、ほぼ直線状に表示される検出信号１８（センサ出力電圧）が算出される。なお、この平均化演算により、各磁電変換素子の製造のばらつき、磁電変換素子の配置位置、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットを低減できると共に、電圧信号１６に残っていた回転角φにおけるノイズ４が、ノイズ４ａへと平均化され、検出信号１８に与える影響が低減する。

そして、本実施形態における回転検出装置３１は、このほぼ直線上に表示される検出信号１８に基づいて、回転する磁界ＢＢ’の回転角θを検出する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における回転角検出装置３２は、回転する磁界ＢＢ’の変化に対して、それぞれがほぼ同じ変換特性を備えた、２セットの第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄ（第１のセット）、１１ａ〜１１ｄ（第２のセット）を備え、回転する磁界ＢＢ’の回転角θを検出するものである。本実施形態における回転角検出装置３２では、磁電変換素子は縦型ホール素子であるとして、図６〜図９を用いて説明する。なお、第１、第２のセットにおける第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄ、１１ａ〜１１ｄの配置は、第１、第２の実施形態と同様であるとする。

すなわち、第１〜第４の縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄ、１１ａ〜１１ｄを、それぞれ１０ａ〜１０ｄ、１１ａ〜１１ｄの順で、ほぼ９０度の間隔となるように放射状に配置すると共に、図６に示すように、異なるセットを構成する縦型ホール素子が、等しい間隔を保って、互い違いとなるように配置する（例えば、１０ａ、１１ａ、１０ｂ、１１ｂ・・・の順）。したがって、隣り合う縦型ホール素子の間隔は、ほぼ４５度となる。

この配置にあたり、第１のセットにおいて、図７（ａ）に示すように、第１の縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａと第３の縦型ホール素子１０ｃが出力する正弦波信号１００ｃとの間には位相差のない正弦波信号（第１の正弦波信号）となるように配置すると共に、第２の縦型ホール素子１０ｂが出力する正弦波信号１００ｂと第４の縦型ホール素子１０ｄが出力する正弦波信号１００ｄとの間には位相差のない正弦波信号（第２の正弦波信号）となるように配置する。

また、第２のセットにおいて、図７（ｂ）に示すように、第１の縦型ホール素子１１ａが出力する正弦波信号１１０ａと第３の縦型ホール素子１１０ｃが出力する正弦波信号１１０ｃとの間には位相差のない正弦波信号（第１の正弦波信号）となるように配置すると共に、第２の縦型ホール素子１１ｂが出力する正弦波信号１１０ｂと第４の縦型ホール素子１１ｄが出力する正弦波信号１１０ｄとの間には位相差のない正弦波信号（第２の正弦波信号）となるように配置する。なお、正弦波信号１００ａ〜１００ｄ、１１０ａ〜１１０ｄは、ほぼ同一周期及びほぼ同一振幅である。

そして、回転角検出装置３２は、第１、第２のセットの第１〜第４の正弦波信号１００ａ〜１００ｄ、１１０ａ〜１１０ｄに基づいて、図示しない信号処理回路によって、後述する、位相の補正、アークタンジェント演算及び平均化演算を施して、正弦波信号１００ａ〜１００ｄ及び１１０ａ〜１１０ｄを、回転する磁界ＢＢ’の回転角θに対してほぼ直線状に表示される検出信号２７に変換して、磁界ＢＢ’の回転角θを検出する。

ところで、図７（ａ）、（ｂ）から分かるように、第１の正弦波信号である正弦波信号１００ａ及び正弦波信号１００ｃ、第２の正弦波信号である１００ｂ及び１００ｄ、第１の正弦波信号である１１０ａ及び１１０ｃ、第２の正弦波信号である１１０ｂ及び１１０ｄは、それぞれがほぼ同位相の正弦波信号ではあるが、図７（ａ）、（ｂ）中の実線及び破線で示すように、縦型ホール素子の製造のばらつき、半導体基板１上での配置位置の僅かなずれ、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットにより、その波形が完全には一致しないことがある。また、図７（ａ）に示すように、磁界ＢＢ’の回転角φ（０度≦φ＜３６０度）のときに、縦型ホール素子１０ａが出力する正弦波信号１００ａにノイズ４が侵入することがある。こうしたオフセットやノイズ４が、回転角検出装置３２の測定誤差の要因となることがある。

そこで、回転角検出装置３２は、回転する磁界ＢＢ’の回転角θを検出するにあたり、各縦型ホール素子が出力する正弦波信号に基づいて、以下に説明する演算を施して、こうしたオフセットやノイズ４を低減して、回転する磁界ＢＢ’の回転角θをさらに正確に検出するものである。

回転角検出装置３２は、正弦波信号１００ａ及び正弦波信号１００ｃ、正弦波信号１００ｂ及び正弦波信号１００ｄのそれぞれに対して、平均化演算を施して、図８（ａ）に示す、平均化された正弦波信号１００ａｃ、平均化された正弦波信号１００ｂｄを算出する。また、正弦波信号１１０ａ及び正弦波信号１１０ｃ、正弦波信号１１０ｂ及び正弦波信号１１０ｄのそれぞれに対して、平均化演算を施して、図８（ｂ）に示す、平均化された正弦波信号１１０ａｃ、平均化された正弦波信号１１０ｂｄを算出する。

この時、平均化された正弦波信号１００ａｃと平均化された正弦波信号１００ｂｄとの間には、１／４波長（９０度）の位相差がある。また、平均化された正弦波信号１１０ａｃと平均化された正弦波信号１１０ｂｄとの間には、１／４波長（９０度）の位相差がある。なお、この平均化演算により、各磁電変換素子の製造のばらつき、磁電変換素子の配置位置、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットを低減できると共に、正弦波信号１００ａに残っていた、回転角φにおけるノイズ４は、ノイズ４ａへと平均化され、その影響が低減される。

次に、上述した平均化演算に続いて、平均化された正弦波信号１００ａｃと平均化された正弦波信号１００ｂｄとに基づいて、アークタンジェント演算を施して、図９（ａ）に示す、ほぼ直線状に表示される検出信号２５に変換する。この時、平均化されたノイズ４ａは、ほぼそのままのノイズレベルで検出信号２５に残る。さらに、平均化された正弦波信号１１０ａｃと平均化された正弦波信号１１０ｂｄとに基づいて、アークタンジェント演算を施して、図９（ａ）に示す、ほぼ直線状に表示される検出信号２６に変換する。

ところで、回転角検出装置３２は、異なるセットを構成する縦型ホール素子を、等しい間隔を保つようにして、互い違いとなるように配置しているので、隣り合う縦型ホール素子の間隔は、ほぼ４５度となる。したがって、第１のセットを構成する縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄを基に算出された検出信号２５と第２のセットを構成する縦型ホール素子１１ａ〜１１ｄを基に算出された検出信号２６との間に、１／８波長（４５度）の位相差が存在する。

そこで、検出信号２５と検出信号２６との位相差を解消するために、例えば、検出信号２６に対して、図９（ａ）中に示した矢印の方向に、１／８波長（４５度）移動する位相の補正を行う。この補正を行うことで、検出信号２５と検出信号２６との位相差が解消される。

そして、位相差が解消された検出信号２５、２６に基づいて、平均化演算を施す。すると、回転する磁界ＢＢ’の回転角θに対して、ほぼ直線状に表示される検出信号２７（センサ出力電圧）を得ることができる。図９（ｂ）に検出信号２７を示す。

そして、回転検出装置３２は、この検出信号２７に基づいて、磁界ＢＢ’の回転角θを検出することができる。なお、検出信号２５に残っていたノイズ４ａは、検出信号２５、２６に基づいた平均化演算により、ノイズ４ｂへと平均化されるため、ノイズ４と比較して、ノイズ４ｂが検出信号２７へ与える影響はさらに低減する。

（その他の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、４個の縦型ホール素子を備えた回転角検出装置３０及び３１、第３の実施形態では、８個の縦型ホール素子を備えた回転角検出装置３２について説明した。

しかしながら、縦型ホール素子の数をさらに増やした回転角検出装置としても、本発明は有効である。例えば、回転角検出装置３３は、図１０に示すように、ほぼ同じ変換特性を備えた縦型ホール素子を３セット、１２個（１０ａ〜１０ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｄ）を、異なるセットを構成する縦型ホール素子が、等しい間隔を保つようにして、隣り合った縦型ホール素子の間隔がほぼ３０度となるように配置してもよい。

このように、３セットの縦型ホール素子を配置することで、回転角検出装置３３は、縦型ホール素子の製造のばらつき、配置位置の僅かなずれ、周辺環境の温度分布の違い等に起因するオフセットをさらに低減できる。また、縦型ホール素子が出力する正弦波信号に、外部からノイズが侵入しても、平均化演算の過程で、このノイズが平均化され、ノイズによる測定誤差を低減できるため、さらに高精度な回転角検出装置とすることができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。

回転角検出装置３０、３１の模式的な上面図である。 回転角検出装置３０における、回転する磁界ＢＢ’の回転角θと縦型ホール素子が出力する正弦波信号（ホール電圧）との関係を示す図であり、（ａ）は、縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄが出力する正弦波信号１００ａ〜１００ｄを示す図、（ｂ）は、正弦波信号１００ａ及び１００ｃを平均化した第１の正弦波信号１００ａｃ、正弦波信号１００ｂ及び１００ｄを平均化した第２の正弦波信号１００ｂｄを示す図である。 回転角検出装置３０における、平均化された第１、第２の正弦波信号１００ａｃ、１００ｂｄを直線に変換した図である。 回転角検出装置３１における、回転する磁界ＢＢ’の回転角θと縦型ホール素子が出力する正弦波信号（ホール電圧）との関係を示す図であり、（ａ）は、縦型ホール素子１０ａ、１０ｂが出力する正弦波信号（ホール電圧）１００ａ、１００ｂを示す図、（ｂ）は、縦型ホール素子１０ｃ、１０ｄが出力する正弦波信号（ホール電圧）１００ｃ、１００ｄを示す図である。 回転角検出装置３１おける、第１及び第２の正弦波信号１００ａ、１００ｃ及び１００ｂ、１００ｄを直線に変換した図であり、（ａ）は、第１の正弦波信号１００ａ及び第２の正弦波信号１００ｂの組、第１の正弦波信号１００ｃ及び第２の正弦波信号１００ｄの組、に対して各組ごとに直線１６、１７に変換した図、（ｂ）は、直線１６、１７に対して平均化処理を施した図である。 第３の実施形態における回転角検出装置３２の模式的な上面図である。 回転角検出装置３２における、回転する磁界ＢＢ’の回転角θと縦型ホール素子が出力する正弦波信号（ホール電圧）との関係を示す図であり、（ａ）は縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄが出力する正弦波信号を示す図、（ｂ）は縦型ホール素子１１ａ〜１１ｄが出力する正弦波信号を示す図である。 回転角検出装置３２における、同位相の正弦波信号に基づいて平均化演算を施して得られた波形図であり、（ａ）は縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄが出力する正弦波信号に基づいて平均化演算を施した波形図、（ｂ）は縦型ホール素子１１ａ〜１１ｄが出力する正弦波信号に基づいて平均化演算を施した波形図である。

回転角検出装置３２における、回転する磁界ＢＢ’の回転角θと縦型ホール素子が出力する電気信号（ホール電圧）との関係を示す図であり、（ｃ）は縦型ホール素子１２ａ〜１２ｄが出力する電気信号を示す図である。
回転角検出装置３２における、第１の正弦波信号と第２の正弦波信号とに基づいて、アークタンジェント演算を施して算出される検出信号を示す図であり、（ａ）は、検出信号２５、２６の変化を示す図、（ｂ）は、検出信号２５、２６に基づいて平均化演算を施して算出された検出信号２７を示す図である。 その他の実施形態における回転角検出装置３３の模式的な上面図。 ホール素子の一例を示す図で、（ａ）及び（ｂ）は、一般的なホール素子の動作原理を示す図、（ｃ）は縦型ホール素子の上面図、（ｄ）は（ｃ）におけるＤ−Ｄ断面図である。 従来の回転角検出装置の模式図で、（ａ）は回転角検出装置の上面図、（ｂ）は磁電変換素子が出力する電気信号にノイズが侵入した場合の波形図、（ｃ）は、磁電変換素子が出力する電気信号に対して所定の演算を施して得られた演算結果を示した図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…低濃度拡散層、４，４ａ，４ｂ…ノイズ、１０ａ〜１０ｄ，１１ａ〜１１ｄ，１２ａ〜１２ｄ，２０，２２…縦型ホール素子（磁電変換素子）、１５，１６，１７，１８，２５，２６，２７…検出信号、３０，３１，３２，３３，４０…回転角検出装置、５０、５１…磁電変換素子、５０ａ，５０ｂ，５１ａ，５１ｂ…出力端子、１００ａ〜１００ｄ，１１０ａ〜１１０ｄ…正弦波信号、１００ａｃ，１１０ａｃ…平均化された第１の正弦波信号、１００ｂｄ，１１０ｂｄ…平均化された第２の正弦波信号

Claims (4)

1. 回転する磁界の変化を電気信号の変化に変換して出力する磁電変換素子を用いて、前記磁界の回転角を検出する回転角検出装置であって、
   同一の半導体基板上にほぼ９０度の間隔で放射状に配置された、第１〜第４の磁電変換素子を複数セット備え、
   異なるセットを構成する前記磁電変換素子を、交互に且つ所定の間隔で配置し、
   前記磁界の回転に伴って、前記第１〜第４の磁電変換素子が出力する正弦波信号は、ほぼ同一周期及びほぼ同一振幅を有する正弦波信号であって、前記第１及び第３の磁電変換素子は、ほぼ同位相の第１の正弦波信号を出力し、前記第２及び第４の磁電変換素子は、前記第１の正弦波信号とほぼ１／４波長の位相差を有する、ほぼ同位相の第２の正弦波信号を出力し、
   それぞれのセットについて、前記第１及び第２の正弦波信号に基づいて、アークタンジェント演算及び平均化演算を施して、前記第１及び第２の正弦波信号を、前記回転角に対してほぼ直線状に表示される検出信号に変換し、
   それぞれのセットごとに求められた前記検出信号は、前記所定の間隔に対応する角度の分だけ位相差を有しており、その位相差を解消するように、前記所定の間隔に基づいて、前記検出信号の位相差の補正を施し、
   前記位相差を補正した検出信号に基づいて、平均化処理を施して、前記磁界の回転角を検出することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記第１及び第２の正弦波信号に基づいて、それぞれ前記平均化演算を施し、
   平均化された前記第１及び第２の正弦波信号に基づいて、前記アークタンジェント演算を施して、前記第１〜第４の磁電変換素子が出力する正弦波信号を、前記回転角に対してほぼ直線状に表示される検出信号に変換することを特徴とする請求項１記載の回転角検出装置。
3. 前記第１及び第２の正弦波信号を１組として、２組設定し、
   それぞれの組において、前記アークタンジェント演算を施して、前記第１及び第２の正弦波信号を、前記回転角に対してほぼ直線状に表示される２組の検出信号に変換し、
   ２組の前記検出信号に基づいて、前記平均化演算を施すことを特徴とする請求項１記載の回転角検出装置。
4. 前記磁電変換素子は、縦型ホール素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転角検出装置

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