JP5083281B2 - Rotation sensor and rotation sensor device - Google Patents
Rotation sensor and rotation sensor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP5083281B2 JP5083281B2 JP2009175247A JP2009175247A JP5083281B2 JP 5083281 B2 JP5083281 B2 JP 5083281B2 JP 2009175247 A JP2009175247 A JP 2009175247A JP 2009175247 A JP2009175247 A JP 2009175247A JP 5083281 B2 JP5083281 B2 JP 5083281B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetoresistive element
- rotation sensor
- vertical hall
- hall element
- semiconductor substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 47
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 32
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 9
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 9
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 6
- 229910003266 NiCo Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- BGPVFRJUHWVFKM-UHFFFAOYSA-N N1=C2C=CC=CC2=[N+]([O-])C1(CC1)CCC21N=C1C=CC=CC1=[N+]2[O-] Chemical compound N1=C2C=CC=CC2=[N+]([O-])C1(CC1)CCC21N=C1C=CC=CC1=[N+]2[O-] BGPVFRJUHWVFKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/07—Hall effect devices
- G01R33/077—Vertical Hall-effect devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Description
本発明は、回転センサに関するものである。 The present invention relates to a rotation sensor.
回転センサとして磁気抵抗素子を複数用いたものが知られている(特許文献1,2参照)。特許文献1においては2つの磁気抵抗素子ブリッジをバイアス磁界の磁気的中心に対し対称に配置する技術が開示されている。特許文献2においては2つの磁気抵抗素子を被検出体であるギヤに対し並設して2つの磁気抵抗素子から出力される位相差をもった信号(パルス信号)の立上りエッジによりギヤの回転方向を検知する技術が開示されている。
近年、センサの小型・高精度化の要求が増している。特に、回転センサにおいて小型化、360°検出、0.1%FS等の厳しい要求がX−by Wireの進展とともに増えている。 In recent years, there has been an increasing demand for miniaturization and high accuracy of sensors. In particular, strict requirements such as downsizing, 360 ° detection, 0.1% FS and the like are increasing with the progress of X-by Wire in the rotation sensor.
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、小型化に優れた回転センサを提供することにある。 The present invention has been made under such a background, and an object thereof is to provide a rotation sensor excellent in miniaturization.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明では、半導体基板に作り込まれ、半導体基板の表面に平行な磁界を検出する縦型ホール素子と、前記縦型ホール素子を作り込んだ前記半導体基板上に形成され、半導体基板の表面に平行な磁界の強さにより抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、を備え、前記縦型ホール素子の出力信号と前記磁気抵抗素子により得られる信号を用いて被検出体の回転を検出するようにしたことを要旨とする。
In order to solve the above-described problems, in the invention described in
請求項1に記載の発明によれば、磁気抵抗素子に比べて小さな縦型ホール素子を用いることにより小型化に優れた回転センサを提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, a rotation sensor excellent in miniaturization can be provided by using a vertical Hall element that is smaller than a magnetoresistive element.
請求項2に記載のように、請求項1に記載の回転センサにおいて、前記磁気抵抗素子はNiFeの薄膜よりなるとよい。また、請求項3に記載のように、請求項1に記載の回転センサにおいて、前記磁気抵抗素子はNiCoの薄膜よりなるとよい。
As described in
請求項4に記載のように、請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転センサにおいて、前記磁気抵抗素子は、被検出体の回転に伴う抵抗値変化に位相差をもつ第1および第2の磁気抵抗素子からなり、前記縦型ホール素子の出力信号と前記磁気抵抗素子により得られる信号を用いて前記被検出体の回転を検出する手段として、前記第1の磁気抵抗素子により得られる信号と前記第2の磁気抵抗素子により得られる信号をarctanの演算をするarctan演算手段と、前記縦型ホール素子の出力信号をパルス化するパルス化手段と、前記arctan演算手段によるarctanの演算をして得た信号と、前記パルス化手段による前記縦型ホール素子の出力信号をパルス化した信号を合成して0〜360°の角度においてリニアな出力を得る合成手段と、を備えると、0〜360°の角度においてリニアな出力を得ることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the rotation sensor according to any one of the first to third aspects of the present invention, the magnetoresistive element includes a first and a second phase difference in the resistance value change accompanying the rotation of the detected object. As a means for detecting the rotation of the detected object using the output signal of the vertical Hall element and the signal obtained by the magnetoresistive element, the second magnetoresistive element is provided by the first magnetoresistive element. Arctan calculation means for performing an arctan calculation on the signal to be obtained and the signal obtained by the second magnetoresistive element, a pulsing means for pulsing the output signal of the vertical Hall element, and an arctan calculation by the arctan calculation means And the signal obtained by pulsing the output signal of the vertical Hall element by the pulsing means to produce a linear output at an angle of 0 to 360 °. A synthesizing unit that, when provided, it is possible to obtain a linear output at an angle of 0 to 360 °.
請求項5に記載のように、請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転センサにおいて、前記半導体基板において前記磁気抵抗素子の下に前記縦型ホール素子を重ねて配置してなると、より小型化することができる。
As described in
請求項6に記載のように、請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転センサにおいて、前記縦型ホール素子は、第1導電型の半導体基板に形成した第2導電型のウェル領域内において当該第2導電型のウェル領域よりも浅い第1導電型のウェル領域が前記第2導電型のウェル領域を分割するように形成され、前記第2導電型のウェル領域の表層部において前記第1導電型のウェル領域を挟んで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が形成されるとともに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が形成されてなると、ウェル領域を用いることによりコスト的に有利な構成とすることができる。
The rotation sensor according to any one of
(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図面に従って説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には本実施形態の回転センサの全体図を示す。図1(a)は回転センサの平面図であり、図1(b)は図(a)でのA−A線での断面図である。 FIG. 1 shows an overall view of the rotation sensor of the present embodiment. FIG. 1A is a plan view of the rotation sensor, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
図1に示すように、被検出体としてマグネットロータ1を用いている。マグネットロータ1はロータボディ2を有し、ロータボディ2は有底円筒状をなしている。有底円筒状のロータボディ2の内面にはS極永久磁石3とN極永久磁石4とが対向して配置されている。有底円筒状のロータボディ2の内部におけるS極永久磁石3とN極永久磁石4とが対向する部位にはセンサチップ5が永久磁石3,4と離間して配置されている。永久磁石3,4によりセンサチップ5に磁界が印加される。
As shown in FIG. 1, a
図2には、センサチップ5の詳細を示す。
FIG. 2 shows details of the
図2において、半導体基板10に縦型ホール素子11が作り込まれている。また、半導体基板10上に磁気抵抗素子12,13が形成されている。磁気抵抗素子12,13はNiFeの薄膜よりなる。このように、同一基板(同一チップ)に2つの磁気抵抗素子12,13と縦型ホール素子11が並べて配置されている。
In FIG. 2, a
縦型ホール素子11は、感磁面(ホール電圧が一番大きくなるホールプレートの面の方向、または磁界の入射方向に対し垂直にホールプレートが配置される方向)が磁気抵抗素子12の長手方向(磁界に対してNiFeでは抵抗値が一番低くなる方向)に合わせて配置されている。このときの磁界はセンサチップ5の表面に平行な磁界である。このように、縦型ホール素子11は半導体基板10の表面に平行な磁界を検出することができるようになっている。また、磁気抵抗素子12,13は半導体基板10の表面に平行な磁界の強さにより抵抗値が変化する。そして、各磁気抵抗素子12,13から、抵抗値に応じたレベルの信号が出力される。磁気抵抗素子12,13は帯状をなし、第1の磁気抵抗素子12に対し第2の磁気抵抗素子13はその延設方向が45°傾かせて配置されている。これにより、一方の磁気抵抗素子13は、他方の磁気抵抗素子12に対して、マグネットロータ1の回転に伴う抵抗値変化に45°の位相差をもつ。
In the
なお、隣り合う磁気抵抗素子12,13は、センサチップ5内でも、できるだけ近いところに配置した方がよい。また、同一チップ内に周辺回路(演算や補正などが可能な回路)を集積化することも可能である。
The adjacent
図3,4には、センサチップ5に形成した縦型ホール素子11の具体的構成を示す。
3 and 4 show a specific configuration of the
図3はホール素子11の平面構造を模式的に示す平面図、図4は図3のA−A線に沿った断面図である。
3 is a plan view schematically showing the planar structure of the
図4に示すように、P型シリコン基板31の上にN型シリコン層32がエピタキシャル成長法により形成されている。P型シリコン基板31とN型シリコン層32により半導体基板が構成されている。また、N型シリコン層32において素子分離用のP型不純物拡散領域33が、その平面構造として図3に示すように、四角環状に、かつ、縦断面構造として図4に示すようにP型シリコン基板31に達するように形成されている。N型シリコン層32においてP型不純物拡散領域33にて囲まれた領域がホール素子形成領域となっている。このホール素子形成領域においてN型の埋込層34が形成されている。
As shown in FIG. 4, an N-
ホール素子形成領域のN型シリコン層32の表層部には、N+コンタクト領域35,36,37,38,39が形成されている。これらコンタクト領域35,36,37,38,39には、図示しない配線を介して、それぞれ端子S,G1,G2,V1,V2と電気的に接続されている。コンタクト領域36および37は、それぞれコンタクト領域35と対をなし、電流供給対が構成されている。コンタクト領域38および39により、電圧出力対が構成されている。
N + contact regions 35, 36, 37, 38, 39 are formed on the surface layer portion of the N-
図4に示すように、N型シリコン層32においてP型不純物拡散領域40,41が、その平面構造として図3に示すように、ホール素子形成領域を3つの領域42,43,44に分割するように形成され、かつ、縦断面構造として図4に示すようにN型埋込層34に達するように形成されている。そして、領域43において、コンタクト領域35,38,39が一直線上に配置されている。また、領域42のコンタクト領域37と領域43のコンタクト領域35と領域44のコンタクト領域36とが一直線上に配置されている。ここで、コンタクト領域35,38,39が位置する直線とコンタクト領域37,35,36が位置する直線とは直交している。
As shown in FIG. 4, the P-type
領域43においてコンタクト領域38および39にて挟まれる領域が磁気検出部(ホールプレート)HPとなり、ここに印加される磁界に対応するホール電圧信号を生じさせることになる。
In the
端子Sから端子G1へ、また端子Sから端子G2へそれぞれ一定の駆動電流iを流すと、その電流iは、基板表面に形成されたコンタクト領域35から下方に向かい、磁気検出部HP、埋込層34、さらに埋込層34内を横方向に進み、コンタクト領域36,37の下方位置から上方に向かい、コンタクト領域36,37へとそれぞれ流れる。このとき、磁気検出部HPには、基板表面(チップ表面)に垂直な成分を含む電流iが流れるため、この駆動電流を流した状態において、基板表面(チップ表面)に平行な成分を含む磁界(例えば図3,4中に矢印Bで示される磁界)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と端子V2との間にその磁界に対応するホール電圧Vhが発生し、端子V1,V2を通じてその発生したホール電圧信号を検出することで、検出対象とする磁界成分(基板の表面に平行な磁界成分)が求められる。
When a constant drive current i is supplied from the terminal S to the terminal G1 and from the terminal S to the terminal G2, the current i is directed downward from the
次に、回転センサの電気的構成を、図5に基づいて説明する。 Next, the electrical configuration of the rotation sensor will be described with reference to FIG.
図5に示すように、縦型ホール素子11、磁気抵抗素子12,13に対する周辺回路としてarctan演算器50とパルス化回路51と合成器52が設けられている。arctan演算器50において磁気抵抗素子12,13により得られる信号(抵抗値に応じたレベルの信号)SG2,SG3に対しarctan演算が行われる。縦型ホール素子11にはパルス化回路51が接続されている。パルス化回路51において縦型ホール素子11の出力信号SG1がパルス化された信号に変換される。arctan演算器50とパルス化回路51は合成器52に接続されている。合成器52において、arctan演算器50の出力信号とパルス化回路51の出力信号とが合成される。この合成器52の出力信号は360°リニア信号となっている。
As shown in FIG. 5, an arctan calculator 50, a
次に、回転センサの作用について説明する。 Next, the operation of the rotation sensor will be described.
図6は、磁気抵抗素子12,13により得られる信号SG2,SG3およびホール素子11の出力信号SG1から、リニアな出力を得るための処理内容を説明するための波形図である。
FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the processing content for obtaining a linear output from the signals SG2 and SG3 obtained by the
図6に示すように、2つの磁気抵抗素子12,13により得られる信号SG2,SG3は、角度に対して抵抗値が変化することによりsin、cosの曲線となる。つまり、一方の出力信号SG2と他方の出力信号SG3とは45°位相差をもつ。
As shown in FIG. 6, the signals SG2 and SG3 obtained by the two
また、磁気抵抗素子12,13の抵抗値は永久磁石3,4のN極、S極に対する判別ができない(磁界の強さによって抵抗値が変わる)。そのため、図1のマグネットロータ1の回転に伴い、磁界を印加させている磁石3,4が回転すると、図6のように、sin、cosの曲線は、0〜360°回転する間に2回の周期で出力される。
Further, the resistance values of the
一方、ホール素子11は、永久磁石3,4のN極、S極の判別ができる素子である。そのため、ホール素子11の出力信号SG1は、0〜360°の回転に対して1回の周期で出力される。
On the other hand, the
磁気抵抗素子12,13により得られる信号SG2,SG3は図5のarctan演算器50において、arctanの演算が行われる。これにより、図6に示すように、出力がつなぎ合わされて180°周期で直線的にレベルが変わる信号が得られる。
Signals SG2 and SG3 obtained by the
また、ホール素子11の出力信号SG1が図5のパルス化回路51においてパルス信号に変換されて出力される。これにより、図6に示すように、180°周期でH(ハイ),L(ロー)のレベルが変わる出力が得られる。
Further, the output signal SG1 of the
図5の合成器52において、磁気抵抗素子12,13により得られる信号SG2,SG3についてのarctanの演算後の信号と、ホール素子11の出力信号SG1についてのパルス出力後の信号が合成されて、つなぎ合わされる。これにより、図6に示すように、0〜360°のリニア出力が得られる。つまり、ホール素子11の出力信号SG1がプラスのときの磁気抵抗素子により得られる信号SG2,SG3と、ホール素子11の出力信号SG1がマイナスのときの磁気抵抗素子により得られる信号SG2,SG3とが区別できるため、得られる出力をさらに合成し、つなぎ合わせることで、0〜360°のリニア出力を得ることができる。
In the
以上のように、ホール素子11と磁気抵抗素子12,13とを磁界の感度で比較すると磁気抵抗素子12,13の方が大きいため、磁気抵抗素子12,13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、高精度なセンサが構成できる。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。一方、素子サイズに関して、磁気抵抗素子の寸法は1mm程度であり、ホール素子の縦横寸法は100μm程度あり、素子サイズが1/10程度に小さく、ホール素子11を、パルス出力を得る素子として利用する。これによりチップ面積を小さく構成でき、小型化を図ることができる。このようにして、小型・高精度化に優れた回転センサを提供することができる。
As described above, when the
詳しく説明する。 explain in detail.
360°の範囲を検出すべく図7のようにした場合において、縦型ホール素子11a,11bを90°位相差をもつように基板上にレイアウトし、得られる2つの信号をarctanの演算をすることで、リニアな360°の出力を得ることができるセンサを1チップ上に構成することができる。しかし、この方法ではホール素子11a,11bの感度が小さいために、得られる信号成分が小さい。すると、ノイズなどの影響によりセンサの精度が悪くなる。これに対し本実施形態では、磁気抵抗素子を用いることにより感度を大きくでき、得られる信号成分を大きくでき、ノイズなどによるセンサの精度の悪化を回避することができる。 In the case shown in FIG. 7 in order to detect the 360 ° range, the vertical Hall elements 11a and 11b are laid out on the substrate so as to have a 90 ° phase difference, and the obtained two signals are subjected to arctan calculation. Thus, a sensor capable of obtaining a linear 360 ° output can be formed on one chip. However, since the sensitivity of the Hall elements 11a and 11b is small in this method, the obtained signal component is small. Then, the accuracy of the sensor deteriorates due to the influence of noise and the like. On the other hand, in this embodiment, the sensitivity can be increased by using the magnetoresistive element, the obtained signal component can be increased, and deterioration of the accuracy of the sensor due to noise or the like can be avoided.
また、この信号成分を強めるために、磁界の強い磁石を用いる方法がある。しかし、磁界の強い磁石を用いることで、磁石のコストがアップしてしまう。これに対し本実施形態では、磁気抵抗素子を用いることにより信号成分を大きくでき、磁界が強い磁石を用いなくてもよい。 In order to strengthen this signal component, there is a method using a magnet with a strong magnetic field. However, using a magnet with a strong magnetic field increases the cost of the magnet. On the other hand, in this embodiment, a signal component can be enlarged by using a magnetoresistive element, and it is not necessary to use a magnet with a strong magnetic field.
また、ホール素子は一般的に使われている素子は横型ホール素子であるために、感磁面がチップ表面に対して垂直な方向であった(チップ表面に垂直な磁場に対する回転を検出するために使われている)。よって、磁界を検出する方向が磁気抵抗素子と90°ずれているために、同一チップに配置しても、所望の出力は得られない。これに対し本実施形態では、縦型ホール素子を用いることで磁界の検出方向を一致させることができる。 In addition, since the Hall element is generally a horizontal Hall element, the magnetosensitive surface is in a direction perpendicular to the chip surface (to detect rotation with respect to a magnetic field perpendicular to the chip surface). Used). Therefore, since the direction in which the magnetic field is detected is shifted by 90 ° from the magnetoresistive element, a desired output cannot be obtained even if they are arranged on the same chip. On the other hand, in the present embodiment, the detection direction of the magnetic field can be matched by using the vertical Hall element.
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。 According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1)回転センサの構成として、半導体基板10に作り込まれ、半導体基板10の表面に平行な磁界を検出する縦型ホール素子11と、縦型ホール素子11を作り込んだ半導体基板10上に形成され、半導体基板10の表面に平行な磁界の強さにより抵抗値が変化する磁気抵抗素子12,13と、を備え、縦型ホール素子11の出力信号SG1と磁気抵抗素子12,13により得られる信号SG2,SG3を用いて被検出体としてのマグネットロータ1の回転(回転位置)を検出するようにした。よって、1方向からの磁界に対してそれぞれの素子にて同時に検出することができることとなり、磁気抵抗素子に比べて小さな縦型ホール素子を用いることにより小型化に優れた回転センサを提供することができる。
(1) As a configuration of the rotation sensor, a
(2)従来、磁気抵抗素子は磁界の強度のみを判別し、N極、S極の判別ができない素子であるために、回転に対し180°の周期で出力されるという特徴があり、そのため、45°の位相差をもつように配置した磁気抵抗素子で得られる出力をarctanの演算をすることによりリニア出力に変換した場合、最大0〜180°の範囲でしか角度の検出ができなかった。これに対し本実施形態においては、磁気抵抗素子は、マグネットロータ1の回転に伴う抵抗値変化に位相差をもつ第1および第2の磁気抵抗素子12,13からなり、縦型ホール素子11の出力信号SG1と磁気抵抗素子12,13により得られる信号SG2,SG3を用いて被検出体としてのマグネットロータ1の回転を検出する手段として、第1の磁気抵抗素子12により得られる信号SG2と第2の磁気抵抗素子13により得られる信号SG3をarctanの演算をするarctan演算手段としてのarctan演算器50と、縦型ホール素子11の出力信号SG1をパルス化するパルス化手段としてのパルス化回路51と、arctan演算器50によるarctanの演算をして得た信号と、パルス化回路51による縦型ホール素子11の出力信号SG1をパルス化した信号を合成して0〜360°の角度においてリニアな出力を得る合成手段としての合成器52と、を備える。よって、簡単な構成にて0〜360°の角度においてリニアな出力を得ることができる。
(2) Conventionally, since the magnetoresistive element is an element that determines only the strength of the magnetic field and cannot determine the N pole and the S pole, it has a feature that it is output at a cycle of 180 ° with respect to rotation. When the output obtained by the magnetoresistive element arranged so as to have a phase difference of 45 ° was converted into a linear output by performing an arctan calculation, the angle could be detected only within the range of 0 to 180 ° at the maximum. On the other hand, in the present embodiment, the magnetoresistive element includes the first and second
(3)磁気抵抗素子12,13はNiFeの薄膜よりなるので、微弱な磁界を検知することができる。
(3) Since the
なお、チップ5(基板10)の材料はシリコン以外にも化合物半導体(GaAs、InAs、InSb)でもよい。 The material of the chip 5 (substrate 10) may be a compound semiconductor (GaAs, InAs, InSb) other than silicon.
また、ホール素子11は基板の中に拡散層として構成し、磁気抵抗素子12,13は薄膜のため基板上に構成することができるため、図8に示すように、磁気抵抗素子61の下にホール素子11を重ねて配置してもよい。なお、図8において符号60はシリコン層32と磁気抵抗素子61とを絶縁分離するためのシリコン酸化膜等の絶縁膜である。このように、半導体基板10において磁気抵抗素子61の下に縦型ホール素子11を重ねて配置すると、より小型化することができる。
In addition, since the
また、ホール素子11のパルス出力の数(図5のパルス化回路51からのパルス数)をカウントすれば、多回転の(360°以上の)検出が可能である。
Further, if the number of pulse outputs of the Hall element 11 (number of pulses from the
また、磁気抵抗素子12,13の部分はゲージで構成してもよい。つまり、磁気抵抗値を読むのではなく、図9に示すように、磁気抵抗素子12,13(図9での抵抗R1,R2)を直列に接続し、その中点電位を取り出すようにしてもよい。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態を、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
Moreover, you may comprise the part of the
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
図10には、本実施形態における回転センサの平面図を示す。 In FIG. 10, the top view of the rotation sensor in this embodiment is shown.
図10において、被検出体としてのギヤ70に対し、その外周側の近傍にチップ72が配置されるとともに、さらにその外周側にはバイアス磁石(永久磁石)71が配置されている。チップ72においては左右方向の中央部に縦型ホール素子75が配置され、その両側に磁気抵抗素子73,74が配置されている。縦型ホール素子75は、図3,4で示した構造をなし、磁気抵抗素子73,74に対して位相差をもつように配置されている。このようにして、チップ72(同一基板上)に、2つの磁気抵抗素子73,74と、縦型ホール素子75が配置されている。即ち、縦型ホール素子75が半導体基板(チップ72)に作り込まれ、半導体基板(チップ72)の表面に平行な磁界を検出し、また、半導体基板(チップ72)上に磁気抵抗素子73,74が形成され、半導体基板(チップ72)の表面に平行な磁界の強さにより抵抗値が変化する。
In FIG. 10, a
図11には2つの磁気抵抗素子73,74の結線状態を示す。図11において、磁気抵抗素子73はフルブリッジ回路が組まれるとともに磁気抵抗素子74もフルブリッジ回路が組まれている。つまり、磁気抵抗素子73の構成として、電源電圧Vinとグランド(GND)間において4つの抵抗R11,R12,R13,R14が直列に接続され、この直列回路での抵抗R12,R13間の電位(中間電位)が出力電位Vout1となっている。同様に、磁気抵抗素子74の構成として、電源電圧Vinとグランド(GND)間において4つの抵抗R21,R22,R23,R24が直列に接続され、この直列回路での抵抗R22,R23間の電位(中間電位)が出力電位Vout2となっている。
FIG. 11 shows the connection state of the two
図3,4で示した縦型ホール素子75の等価回路を図12に示す。図12において、ホール素子は抵抗ブリッジとして近似できる。つまり、2つの抵抗R31,R32が直列に接続されるとともに、2つの抵抗R33,R34が直列に接続され、両直列回路における中間電位の差がホール電圧(出力電位)Vhとなる。
An equivalent circuit of the
そして、磁気抵抗素子73,74にて得られる信号よりギヤ70の回転位置が検出される。また、縦型ホール素子75の出力信号と、いずれかの磁気抵抗素子73,74にて得られる信号により、ギヤ70の正・逆の回転方向が検出される。つまり、縦型ホール素子75と、磁気抵抗素子73,74との位相差を利用して、磁気抵抗素子73,74により得られる信号と縦型ホール素子75の出力信号におけるパルス波形の立ち上がりの違いを利用してギヤ70の正・逆の回転方向が検出される。
The rotational position of the
詳しくは、縦型ホール素子75の出力信号の2値化後の信号をA相信号とし、磁気抵抗素子73(又は磁気抵抗素子74)の出力信号の2値化後の信号をB相信号としたときにおいて、A相信号の立上りエッジにおけるB相信号のレベルを判定する。A相信号の立上りエッジにおけるB相信号のレベルがHレベルならば正回転であると判定し、また、A相信号の立上りエッジにおけるB相信号のレベルがLレベルならば逆回転であると判定する。
Specifically, the signal after binarization of the output signal of the
このようにして、縦型ホール素子75を回転方向検出用の素子として用いている。これにより、チップサイズを小さくすることができる。具体的には、図13でのチップ110と図10でのチップ72を比較したとき、横方向のサイズは、図13の寸法L2に比べて図10の寸法L1を小さくすることができる(L1<L2)。
In this way, the
以下、図13,14の場合と、本実施形態とを比較して、詳しく説明する。 Hereinafter, the case of FIGS. 13 and 14 and this embodiment will be compared and described in detail.
図13に示すように、ギヤ100に対しチップ110が離間して配置されるとともにチップ110の背面側にバイアス磁石(永久磁石)120が配置され、チップ110において磁気抵抗素子111,112,113が左右方向に並設されている。左右の磁気抵抗素子111,112に対し中央の磁気抵抗素子113が位相差をもつように配置されている。また、各磁気抵抗素子111,112,113での結線として、図14に示すようにブリッジ回路が組まれている。そして、チップ110において両サイドに配した磁気抵抗素子111,112でギヤ100の回転位置を検出する。また、チップ110において中央部に配した磁気抵抗素子113を用いてギヤ100の正・逆の回転方向を検出する。この際、位相差を利用して中央の磁気抵抗素子113と両サイドの磁気抵抗素子111,112とのパルスの波形の立ち上がりの違いを利用して正逆の回転方向を検出することができる。しかし、この磁気抵抗素子111,112,113でブリッジを構成した場合、ホール素子に比べて検出素子が大きくなり(チップサイズが大きくなり)、コストがアップしてしまう。
As shown in FIG. 13, the
これに対し、図10の本実施形態では回転方向検出用の素子として縦型ホール素子75を用いることによりチップサイズを小さくすることができる。つまり、図13の回転方向検出用の磁気抵抗素子113を縦型ホール素子75に置き換えることによりチップサイズを小さくすることができる。
On the other hand, in this embodiment shown in FIG. 10, the chip size can be reduced by using the
図10に代わりに、図15(a)に示すように、空いたスペースなどに周辺回路76を集積化することも可能であり、この場合、センサシステム全体のコストダウンにもつながる。逆に、図13における位置検出用の磁気抵抗素子111,112を、図15(b)に示すように縦型ホール素子77,78に置き換えて、回転方向の検出のみを磁気抵抗素子79で行うことも可能である。このようにすることでも、チップサイズを小さくすることができる。
Instead of FIG. 10, as shown in FIG. 15A, it is possible to integrate the
また、縦型ホール素子は、等価回路で考えると、図12に示すように、素子1つで(ホールプレート1つで)ブリッジが構成できているため、位置検出用として使用してもよく、この場合、図15(c)に示すように磁気抵抗素子81に加えて縦型ホール素子80を一つ使用することでもセンサの構成が可能である。このようにしても磁界をピンポイントでより正確に検出できるとともにチップサイズを小さくすることができる。
In addition, the vertical Hall element can be used for position detection because a bridge can be configured with one element (with one Hall plate) as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 15C, the sensor can be configured by using one vertical Hall element 80 in addition to the
また、磁気抵抗素子はNiFeの薄膜以外にも、NiCoの薄膜を用いてもよい。 In addition to the NiFe thin film, the magnetoresistive element may be a NiCo thin film.
また、縦型ホール素子の構成として、図3,4に代わり、図16あるいは図17に示す構成としてもよい。 Moreover, as a structure of a vertical Hall element, it is good also as a structure shown in FIG. 16 or FIG. 17 instead of FIG.
図16において、P型シリコン基板90にNウェル領域91が形成され、Nウェル領域91を囲むようにPウェル領域92が四角環状に形成されている。また、Nウェル領域91内においてPウェル領域93がNウェル領域91を二分割するように形成されている。Pウェル領域92,93はNウェル領域91より浅い。二分割したNウェル領域91の一方の領域において表層部にN+領域94,95,96が一直線上に並ぶように形成され、また、二分割したNウェル領域91の他方の領域において表層部にN+領域97が形成されている。N+領域94〜97はPウェル領域92,93より浅い。N+領域94,97が電流供給対を構成するコンタクト領域であり、N+領域95,96が電圧出力対を構成するコンタクト領域である。
In FIG. 16, an
図17においては図16の構成に対し、さらに、Nウェル領域91においてPウェル領域98が形成され、これによりNウェル領域91が三分割されている。このNウェル領域91での追加した領域(3番目の分割領域)において表層部にN+領域99が形成され、N+領域99を電流供給対を構成するコンタクト領域として用いている。
In FIG. 17, in addition to the configuration of FIG. 16, a
この図16,17の構成においては、CMOS工程で作成しており、バイポーラ工程でないためバイポーラ工程で作成する縦型ホール素子よりもコスト的に有利である。 16 and 17 are produced by a CMOS process and are not a bipolar process, and therefore are more cost-effective than a vertical Hall element produced by a bipolar process.
以上のように、縦型ホール素子は、第1導電型の半導体基板としてのP型シリコン基板90に形成した第2導電型のウェル領域としてのNウェル領域91内においてウェル領域91よりも浅い第1導電型のウェル領域としてのPウェル領域93(98)がウェル領域91を分割するように形成され、ウェル領域91の表層部においてウェル領域93(98)を挟んで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してのN+領域94,97(99)が形成されるとともに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してのN+領域95,96が形成されている。これによって、ウェル領域を用いることによりコスト的に有利な構成とすることができる。
As described above, the vertical Hall element is shallower than the
10…半導体基板、11…縦型ホール素子、12…磁気抵抗素子、13…磁気抵抗素子、50…arctan演算器、51…パルス化回路、52…合成器、72…センサチップ、73…磁気抵抗素子、74…磁気抵抗素子、75…縦型ホール素子、77…縦型ホール素子、78…縦型ホール素子、79…磁気抵抗素子、80…縦型ホール素子、81…磁気抵抗素子、90…P型シリコン基板、91…Nウェル領域、92…Pウェル領域、93…Pウェル領域、94〜97…N+領域、98…Pウェル領域、99…N+領域。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009175247A JP5083281B2 (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Rotation sensor and rotation sensor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009175247A JP5083281B2 (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Rotation sensor and rotation sensor device |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007017986A Division JP4940965B2 (en) | 2007-01-29 | 2007-01-29 | Rotation sensor and rotation sensor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009258122A JP2009258122A (en) | 2009-11-05 |
JP5083281B2 true JP5083281B2 (en) | 2012-11-28 |
Family
ID=41385686
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009175247A Expired - Fee Related JP5083281B2 (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Rotation sensor and rotation sensor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5083281B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10094890B2 (en) | 2014-10-09 | 2018-10-09 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Magnetic sensor |
US10571298B2 (en) | 2016-03-22 | 2020-02-25 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Rotation detecting device |
US10759276B2 (en) | 2016-07-12 | 2020-09-01 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Magnetic sensor and detection device using same |
JP7198571B2 (en) | 2014-01-20 | 2023-01-04 | イートン インテリジェント パワー リミテッド | Vacuum circuit breaker with arc-resistant central shield |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011180001A (en) * | 2010-03-02 | 2011-09-15 | Denso Corp | Rotation sensor |
DE102010022154B4 (en) * | 2010-03-30 | 2017-08-03 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Magnetic shaft encoder |
JP6467901B2 (en) * | 2014-12-16 | 2019-02-13 | アイシン精機株式会社 | Rotation sensor |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01251763A (en) * | 1988-03-31 | 1989-10-06 | Res Dev Corp Of Japan | Vertical hall element and integrated magnetic sensor |
US6064197A (en) * | 1997-07-26 | 2000-05-16 | U.S. Philips Corporation | Angle sensor having lateral magnetic field sensor element and axial magnetic field direction measuring element for determining angular position |
JP4543350B2 (en) * | 1999-12-03 | 2010-09-15 | 日立金属株式会社 | Rotation angle sensor and rotation angle sensor unit |
JP2007537437A (en) * | 2004-05-14 | 2007-12-20 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Sensor element and associated angle measurement system |
JP2006128400A (en) * | 2004-10-28 | 2006-05-18 | Denso Corp | Vertical hall element |
JP4613661B2 (en) * | 2005-03-29 | 2011-01-19 | ヤマハ株式会社 | Manufacturing method of 3-axis magnetic sensor |
-
2009
- 2009-07-28 JP JP2009175247A patent/JP5083281B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7198571B2 (en) | 2014-01-20 | 2023-01-04 | イートン インテリジェント パワー リミテッド | Vacuum circuit breaker with arc-resistant central shield |
US10094890B2 (en) | 2014-10-09 | 2018-10-09 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Magnetic sensor |
US10571298B2 (en) | 2016-03-22 | 2020-02-25 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Rotation detecting device |
US10634516B2 (en) | 2016-03-22 | 2020-04-28 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Rotation detecting device |
US10890464B2 (en) | 2016-03-22 | 2021-01-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Rotation detecting device and correction method therefor |
US10935396B2 (en) | 2016-03-22 | 2021-03-02 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Rotation detecting device |
US10759276B2 (en) | 2016-07-12 | 2020-09-01 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Magnetic sensor and detection device using same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009258122A (en) | 2009-11-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4940965B2 (en) | Rotation sensor and rotation sensor device | |
JP5083281B2 (en) | Rotation sensor and rotation sensor device | |
EP2726890B1 (en) | Magnetic field sensing element combining a circular vertical hall magnetic field sensing element with a planar hall element | |
KR101429356B1 (en) | Electronic device comprising hall effect region with three contacts | |
US7782050B2 (en) | Hall effect device and method | |
US9063187B2 (en) | Hall sensor element and method for measuring a magnetic field | |
EP3132275B1 (en) | Magnetic field sensors and associated methods with reduced offset and improved accuracy | |
JP2009058240A (en) | Rotation detector | |
JP2006300779A (en) | Rotation detector | |
JP5083196B2 (en) | Rotation state detection device | |
WO2007116823A1 (en) | Hall element and magnetic sensor | |
JP2006071623A (en) | Device for detecting rotation angle | |
US9464919B2 (en) | Magnetic position detecting apparatus | |
US20160109537A1 (en) | Magneto resistive device | |
EP3042214A1 (en) | Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor | |
JP2007051953A (en) | Magnetic encoder | |
JP2008170359A (en) | Position detection device | |
JP4742816B2 (en) | Rotation detector | |
JP2010237217A (en) | Magnetic detection apparatus and geomagnetic sensor | |
JP5333957B2 (en) | Magnetic sensor and rotation angle detection device | |
JP5334703B2 (en) | Magnetic detector and test method of magnetic detector | |
JP2008157844A (en) | Magnetic sensor and rotation angle detector | |
JP2008014954A (en) | Magnetic sensor | |
JP7341454B2 (en) | magnetic sensor | |
JP2010156543A (en) | Magnetic detecting device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090728 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120131 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120330 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120508 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120703 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120807 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120820 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5083281 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150914 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |