JP5656728B2 - 磁気−デジタル変換器、回転センサ及び回転角センサ - Google Patents
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Description
接地された接続点で互いに接続された1対の磁気抵抗素子であって、上記接続点に接続された各第1の端子と、接地されない各第2の端子とを有し、磁界の変化を示す1対の信号を上記各第2の端子から出力する1対の第1の磁気抵抗素子と、
上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号をΔΣ変調して差動ΔΣ変調信号を出力するΔΣ変調手段とを備えた磁気−デジタル変換器であって、
上記ΔΣ変調手段は、
第1の差動増幅器と、
上記第1の差動増幅器の入力端子と出力端子との間に接続される一対の第1の積分用キャパシタとを備え、
上記第1の差動増幅器及び上記一対の第1の積分用キャパシタにより、上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号を差動で積分して差動信号を出力する第1の積分器を構成し、
上記ΔΣ変調手段はさらに、
上記第1の差動増幅器からの差動信号を所定の複数のしきい値電圧と比較することにより量子化して量子化後の差動デジタル信号を出力するコンパレータと、
上記コンパレータからの差動デジタル信号を差動アナログ信号にD/A変換するD/A変換器と、
上記差動アナログ信号に対して所定のスイッチトキャパシタの処理を実行して処理後の差動アナログ信号を上記第1の差動増幅器に出力する第1のスイッチトキャパシタ回路とを備え、
上記1対の第1の磁気抵抗素子の差動電流と、上記第1のスイッチトキャパシタ回路の出力電流が、上記第1の差動増幅器の入力端子で仮想接地されて、上記1対の第1の磁気抵抗素子の差動電流から上記第1のスイッチトキャパシタ回路の出力電流が減算され、上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が直接に上記第1の差動増幅器で積分された後上記コンパレータで量子化され、
上記コンパレータの出力端子からはノイズシェイプされた上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が1ビットのビットストリームとして出力され、
上記磁気−デジタル変換器はさらに、
上記ΔΣ変調手段からのΔΣ変調信号から上記磁界の変化を示すデジタル信号を取り出して出力するデジタルフィルタを備えたことを特徴とする。
図1は本発明の実施の形態1に係る磁気−デジタル変換器の構成を示す回路図である。図1において、互いに直列に接続されかつ当該接続点が接地された磁気抵抗素子41,42にて構成される1対の磁気抵抗素子対31からの2つの出力電流信号に対して1次のΔΣ変調器20によりΔΣ変調を行った後、デジタルフィルタ6によりPDM(Pulse Density Modulation)変調信号(ΔΣ変調信号ともいう。)から必要な周波数帯域成分だけを抜き出し、最終的に必要な分解能のデジタル出力信号に変換して出力することを特徴としている。ここで、ΔΣ変調器20は、積分キャパシタCLP1,CLN1と、差動増幅器1と、量子化コンパレータ2と、1対の1ビットD/A変換器3,4と、相補スイッチS1P〜S4P,S1N〜S4N及びサンプリングキャパシタC1P,C1Nからなるスイッチトキャパシタ回路5とを備えて構成される。
図2は本発明の実施の形態2に係る磁気−デジタル変換器の構成を示す回路図である。実施の形態2に係る磁気−デジタル変換器は、図1の実施の形態1に係る磁気−デジタル変換器に比較して、スイッチトキャパシタ回路5に代えて、入力信号を減衰させる抵抗Rfp,Rfnを備えたことを特徴とし、差動増幅器1とコンパレータ2と1対のD/A変換器3,4と抵抗Rfp,Rfnとを備えてΔΣ変調器20Aを構成している。ここで、D/A変換器3からのアナログ信号電圧は抵抗Rfnを介して差動増幅器1の非反転入力端子に印加され、D/A変換器4からのアナログ信号電圧は抵抗Rfpを介して差動増幅器1の反転入力端子に印加される。
図3は本発明の実施の形態3に係る高精度型磁気−デジタル変換器の構成を示す回路図である。実施の形態3に係る磁気−デジタル変換器は、図1の実施の形態1に係る磁気−デジタル変換器に比較して、差動増幅器1とコンパレータ2との間に積分器12をさらに備えたことを特徴とする。ここで、積分器12は、
(a)差動増幅器1とコンパレータ2との間にそれぞれ設けられた、スイッチトキャパシタ回路5と同様の回路を有するスイッチトキャパシタ回路5a、及び、積分キャパシタCLP2,CLN2と、差動増幅器1aと、
(b)D/A変換器3,4と増幅器1aとの間に設けられ、スイッチトキャパシタ回路5と同様の回路を有するスイッチトキャパシタ回路5cと
を備えて構成される。
ここで、積分器11,12と、コンパレータ2と、1対のD/A変換器3,4とを備えてΔΣ変調器20Bを構成している。
図4は本発明の実施の形態4に係る低歪み型磁気−デジタル変換器の構成を示す回路図であり、図5は図4の低歪み型磁気−デジタル変換器における磁気センサの配置を示す斜視図である。実施の形態4に係る磁気−デジタル変換器は、図3の実施の形態3に係る磁気−デジタル変換器に比較して、別の1対の磁気抵抗素子43,44からなる磁気抵抗素子対32を備えたことを特徴とし、その非接地側の各他方の端子はそれぞれ差動増幅器1aの反転入力端子及び非反転入力端子に接続される。ここで、スイッチトキャパシタ回路5a及び差動増幅器1aとにより積分器12を構成する。また、差動増幅器1,1aとスイッチトキャパシタ回路5,5aとコンパレータ2と1対のD/A変換器3,4とを備えてΔΣ変調器20Bを構成している。
図7は本発明の実施の形態5に係る磁気−デジタル変換器における磁気センサの配置を示す斜視図である。図7において、半導体基板上に実施の形態1〜4のうちのいずれかの磁気−デジタル変換器が形成されてなるCMOS−IC10のおもて面上に磁気抵抗素子対31が形成され(実施の形態4では、磁気抵抗素子対32も形成される。)、磁気抵抗素子対31の上部に磁石22が配置され、磁石22が上下方向61で移動したとき、磁気−デジタル変換器は磁界の変化を表すデジタル値を出力する。
図9は本発明の実施の形態6に係る磁気−デジタル変換器における磁気センサの配置を示す斜視図である。図9において、半導体基板上に実施の形態1〜4のうちのいずれかの磁気−デジタル変換器が形成されてなるCMOS−IC10のおもて面上に磁気抵抗素子対31が形成され(実施の形態4では、磁気抵抗素子対32も形成される。)、磁気抵抗素子対31の上部に磁石22が配置され、磁石22が左右方向63で移動したとき、磁気−デジタル変換器は磁界の変化を表すデジタル値を出力する。
図11は本発明の実施の形態7に係る磁気センサを用いた回転センサの構成を示す縦断面図である。図11において、磁気−デジタル変換器を搭載したCMOS−IC10の裏面に(少なくとも下部であればよい。)磁石22が形成される一方、そのおもて面上に1対の磁気抵抗素子41,42にてなる磁気抵抗素子対31が形成される。磁気抵抗素子対31の上部に、車輪などの回転軸に取り付けられた強磁性体である例えば鉄などにてなる歯車25(磁性体歯25aを有する)が磁気抵抗素子対31と磁気的に結合可能であるように所定の間隔だけあけて配置されて、当該歯車25がCMOS−IC10の平面に対して平行な回転軸を中心として回転する。このときの磁界の変化を磁気抵抗素子対31を備えた磁気−デジタル変換器により検出して歯車25の回転角度を検出し、回転角度に対応するデジタル信号を出力する。
図16は本発明の実施の形態8に係る磁気センサを用いた回転センサの構成を示す縦断面図である。図16において、磁気−デジタル変換器を搭載したCMOS−IC10の裏面に磁石22が形成される一方、そのおもて面上に、1対の磁気抵抗素子41,42にてなる磁気抵抗素子対31を備えた磁気センサ51と、別の1対の磁気抵抗素子41A,42Aにてなる磁気抵抗素子対31Aが左右方向で並置して形成される。磁気抵抗素子対31,31Aの上部に、車輪などの回転軸に取り付けられた強磁性体である例えば鉄などにてなる歯車25が磁気抵抗素子対31,31Aと磁気的に結合可能であるように所定の間隔だけあけて配置されて、当該歯車25が回転軸を中心として回転する。このときの磁界の変化を磁気抵抗素子対31,31Aをそれぞれ備えた磁気センサ51,52により検出する。
(a)(出力信号S51の位相(360度表示))−(出力信号S52の位相(360度表示))≧0であれば正回転と判断する。
(b)(出力信号S51の位相(360度表示))−(出力信号S52の位相(360度表示))<0であれば正回転と判断する。
図20は本発明の実施の形態9に係る磁気−デジタル変換器における磁気センサの構成を示す斜視図である。図20において、半導体基板上に実施の形態1〜4のうちのいずれかの磁気−デジタル変換器が形成されてなるCMOS−IC10のおもて面上に磁気抵抗素子対31が形成され(実施の形態4では、磁気抵抗素子対32も形成される。)、磁気抵抗素子対31の上部に、長手方向の両端にそれぞれN極及びS極を有する磁石22bが配置され、磁石22bがCMOS−IC10の面に対して垂直な回転軸で矢印81のごとく時計回り又は反時計回りで回転したとき、磁気抵抗素子対31を含む磁気センサを備えた磁気−デジタル変換器は磁界の変化を表すデジタル値を出力する。
図23は本発明の実施の形態10に係る磁気センサを用いた回転角センサの構成を示す斜視図である。図23において、磁気−デジタル変換器を搭載したCMOS−IC10の裏面に(少なくとも下部であればよい。)磁石22bが形成される一方、そのおもて面上に、それぞれ1対の磁気抵抗素子41,42にてなる磁気抵抗素子対31,31Aが形成される。磁気抵抗素子対31,31Aの各素子自体の磁化方向(例えば長手方向)を互いに直交するようにしておく。磁気抵抗素子対31,31Aの上部に、車輪などの回転軸に取り付けられた磁石22bが磁気抵抗素子対31,31Aと磁気的に結合可能であるように所定の間隔だけあけて配置されて、磁石22bがCMOS−IC10の平面に対して垂直な回転軸を中心として回転する。
Claims (9)
- 接地された接続点で互いに接続された1対の磁気抵抗素子であって、上記接続点に接続された各第1の端子と、接地されない各第2の端子とを有し、磁界の変化を示す1対の信号を上記各第2の端子から出力する1対の第1の磁気抵抗素子と、
上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号をΔΣ変調して差動ΔΣ変調信号を出力するΔΣ変調手段とを備えた磁気−デジタル変換器であって、
上記ΔΣ変調手段は、
第1の差動増幅器と、
上記第1の差動増幅器の入力端子と出力端子との間に接続される一対の第1の積分用キャパシタとを備え、
上記第1の差動増幅器及び上記一対の第1の積分用キャパシタにより、上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号を差動で積分して差動信号を出力する第1の積分器を構成し、
上記ΔΣ変調手段はさらに、
上記第1の差動増幅器からの差動信号を所定の複数のしきい値電圧と比較することにより量子化して量子化後の差動デジタル信号を出力するコンパレータと、
上記コンパレータからの差動デジタル信号を差動アナログ信号にD/A変換するD/A変換器と、
上記差動アナログ信号に対して所定のスイッチトキャパシタの処理を実行して処理後の差動アナログ信号を上記第1の差動増幅器に出力する第1のスイッチトキャパシタ回路とを備え、
上記1対の第1の磁気抵抗素子の差動電流と、上記第1のスイッチトキャパシタ回路の出力電流が、上記第1の差動増幅器の入力端子で仮想接地されて、上記1対の第1の磁気抵抗素子の差動電流から上記第1のスイッチトキャパシタ回路の出力電流が減算され、上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が直接に上記第1の差動増幅器で積分された後上記コンパレータで量子化され、
上記コンパレータの出力端子からはノイズシェイプされた上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が1ビットのビットストリームとして出力され、
上記磁気−デジタル変換器はさらに、
上記ΔΣ変調手段からのΔΣ変調信号から上記磁界の変化を示すデジタル信号を取り出して出力するデジタルフィルタを備えたことを特徴とする磁気−デジタル変換器。 - 接地された接続点で互いに接続された1対の磁気抵抗素子であって、上記接続点に接続された各第1の端子と、接地されない各第2の端子とを有し、磁界の変化を示す1対の信号を上記各第2の端子から出力する1対の第1の磁気抵抗素子と、
上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号をΔΣ変調して差動ΔΣ変調信号を出力するΔΣ変調手段とを備えた磁気−デジタル変換器であって、
上記ΔΣ変調手段は、
第1の差動増幅器を備え、
上記第1の差動増幅器の入力端子と出力端子との間に接続される一対の第1の積分用キャパシタを備え、
上記第1の差動増幅器及び上記一対の第1の積分用キャパシタにより、上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号を差動で積分して差動信号を出力する第1の積分器を構成し、
上記ΔΣ変調手段はさらに、
上記第1の差動増幅器からの差動信号を所定の複数のしきい値電圧と比較することにより量子化して量子化後の差動デジタル信号を出力するコンパレータと、
上記コンパレータからの差動デジタル信号を差動アナログ信号にD/A変換するD/A変換器と、
上記差動アナログ信号に対して所定の減衰処理を実行して処理後の差動アナログ信号を上記第1の差動増幅器に出力する1対の抵抗とを備え、
上記1対の磁気抵抗素子の差動電流と、上記一対の抵抗の出力電流が、上記第1の差動増幅器の入力端子で仮想接地されて、上記1対の磁気抵抗素子の差動電流から上記一対の抵抗の出力電流が減算され、上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が直接に上記第1の差動増幅器で積分された後上記コンパレータで量子化され、
上記コンパレータの出力端子からはノイズシェイプされた上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が1ビットのビットストリームとして出力され、
上記磁気−デジタル変換器はさらに、
上記ΔΣ変調手段からのΔΣ変調信号から上記磁界の変化を示すデジタル信号を取り出して出力するデジタルフィルタを備えたことを特徴とする磁気−デジタル変換器。 - 接地された接続点で互いに接続された1対の磁気抵抗素子であって、上記接続点に接続された各第1の端子と、接地されない各第2の端子とを有し、磁界の変化を示す1対の信号を上記各第2の端子から出力する1対の第1の磁気抵抗素子と、
上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号をΔΣ変調して差動ΔΣ変調信号を出力するΔΣ変調手段とを備えた磁気−デジタル変換器であって、
上記ΔΣ変調手段は、
第1の差動増幅器と、
上記第1の差動増幅器の入力端子と出力端子との間に接続される一対の第1の積分用キャパシタとを備え、
上記第1の差動増幅器及び上記一対の第1の積分用キャパシタにより、上記1対の第1の磁気抵抗素子からそれぞれ出力される1対の信号を差動で積分して差動信号を出力する第1の積分器を構成し、
上記ΔΣ変調手段はさらに、
上記第1の差動増幅器からの差動信号に対して所定のスイッチトキャパシタの処理を実行して処理後の差動信号を出力する第2のスイッチトキャパシタ回路と、
第2の差動増幅器と、
上記第2の差動増幅器の入力端子と出力端子との間に接続される一対の第2の積分用キャパシタとを備え、
上記第2の差動増幅器及び上記一対の第2の積分用キャパシタにより、上記第2のスイッチトキャパシタ回路から出力される差動信号を差動で積分して差動信号を出力する第2の積分器を構成し、
上記ΔΣ変調手段はさらに、
上記第2の差動増幅器からの差動信号を所定の複数のしきい値電圧と比較することにより量子化して量子化後の差動デジタル信号を出力するコンパレータと、
上記コンパレータからの差動デジタル信号を差動アナログ信号にD/A変換するD/A変換器と、
上記差動アナログ信号に対して所定のスイッチトキャパシタの処理を実行して処理後の差動アナログ信号を上記第1の差動増幅器に出力する第1のスイッチトキャパシタ回路とを備え、
上記1対の磁気抵抗素子の差動電流と、上記第1のスイッチドキャパシタ回路の出力電流が、上記第1の差動増幅器の入力端子で仮想接地されて、上記1対の第1の磁気抵抗素子の差動電流から上記第1のスイッチトキャパシタ回路の出力電流が減算され、上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が直接に上記第1の差動増幅器及び上記第2の差動増幅器で積分された後上記コンパレータで量子化され、
上記コンパレータの出力端子からはノイズシェイプされた上記磁気抵抗素子の抵抗値の変化が1ビットのビットストリームとして出力され、
上記磁気−デジタル変換器はさらに、
上記ΔΣ変調手段からのΔΣ変調信号から上記磁界の変化を示すデジタル信号を取り出して出力するデジタルフィルタを備え、
上記ΔΣ変調手段は2次のΔΣ変調器を構成したことを特徴とする磁気−デジタル変換器。 - 上記磁気−デジタル変換器は、
接地された接続点で互いに直列に接続された1対の磁気抵抗素子であって、上記接続点に接続された各第3の端子と、接地されない各第4の端子とを有し、磁界の変化を示す1対の信号を上記第2の差動増幅器に出力する1対の第2の磁気抵抗素子をさらに備えたことを特徴とする請求項3記載の磁気−デジタル変換器。 - 請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載の磁気−デジタル変換器を備えた半導体回路装置と、
上記半導体回路装置の上部に配置された回転可能な歯車と、
上記半導体回路装置の下部に配置された移動可能な磁石とを備え、
上記歯車が回転したとき、上記磁気−デジタル変換器は歯車の回転角度に対応するデジタル信号を出力することを特徴とする回転センサ。 - 請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載の磁気−デジタル変換器を備えた半導体回路装置と、
上記半導体回路装置の上部に配置され、歯車の外周に所定の角度毎に交互に設けられたN極の磁極歯及びS極の磁極歯とを有する回転可能な歯車とを備え、
上記歯車が回転したとき、上記磁気−デジタル変換器は歯車の回転角度に対応するデジタル信号を出力することを特徴とする回転センサ。 - 請求項5又は6記載の2個の回転センサと、
上記2個の回転センサからそれぞれ出力される各デジタル信号の位相差を計算して出力する位相検知回路とを備えたことを特徴とする回転センサ。 - 請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載の磁気−デジタル変換器を備えた半導体回路装置と、
上記半導体回路装置の上部に配置され、上記半導体回路装置に垂直な回転軸を有する磁石とを備え、
上記磁石が回転したとき、上記磁気−デジタル変換器は上記磁石の回転角に対応するデジタル信号を出力することを特徴とする回転センサ。 - 請求項8記載の2個の回転センサと、
回転角検知回路とを備えた回転角センサであって、
上記2個の回転センサのうち、一方の回転センサの1対の磁気抵抗素子と、他方の回転センサの1対の磁気抵抗素子との各磁化方向が互いに直交するように上記2個の回転センサが設けられ、
上記回転角検知回路は、一方の回転センサから出力されかつ上記磁石の回転角θに対応する正弦値(sinθ)を示すデジタル信号と、他方の回転センサから出力されかつ上記磁石の回転角θに対応する余弦値(cosθ)を示すデジタル信号とに基づいて、所定の三角関数の公式を用いて逆正接値を計算することにより回転角θを計算し、計算された回転角θを示すデジタル信号を出力することを特徴とする回転角センサ。
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