JP6243741B2 - 磁気センサ及び回転角センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサ及び回転角センサに関する。より具体的には、ホール素子からのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサに関する。

ホール素子は入力された磁界の強度に応じたホール起電力による信号を発生する磁電変換機能を有するため、信号処理回路と一体化した磁気センサＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）に利用されて普及が進んでいる。例えば、自動車のハンドルの回転角度を検出するための回転角センサがある。回転角センサは検出対象の回転により変化する磁界に基づいて、検出対象の回転角度を検出するものであり、従来から様々な開発が行われている。

図７は、特許文献１に開示された回転角センサを説明するためのブロック図である。図７に示すように、回転角センサ２９は、ホール素子（不図示）等で構成される磁気センサ（不図示）と、磁気センサからの出力信号を処理する回路により構成されている。回転角センサ２９は、磁気センサであるホール素子からのアナログ出力信号（電圧）を、Ｘ成分とＹ成分とに区別して別経路のＡＤ（アナログ／デジタル）変換器、すなわちＸ成分側ＡＤ変換器２１とＹ成分側ＡＤ変換器２２とにより、それぞれデジタル信号に変換する。そして、角度計算デジタル回路２３が、Ｘ成分側ＡＤ変換器２１の出力するＸ成分及びＹ成分側ＡＤ変換器２２の出力するＹ成分に基づいて角度を算出するようにデジタル計算を行っている。

図８は、ＡＤ変換器として、従来から用いられているΔΣ変調器の基本構成を説明するためのブロック図である。図８に示すように、ΔΣ変調器３０は、出力のデジタル信号ＫをＤＡ（デジタル／アナログ）変換するＤＡコンバータ（ＤＡＣ）３１と、ＤＡＣ３１の出力を入力のアナログ信号Ｊから減算する加減算器３２と、加減算器３２の出力を積分する積分器３３と、積分器３３の出力を量子化して出力する量子化器３４とにより構成されている。

図８に示すΔΣ変調器３０に対する入力のアナログ信号Ｊと出力のデジタル信号Ｋとの関係は、以下の式（１）に示す関係となる。
Ｋ ＝ Ｊ×Ｚ^-1 ＋ Ｎｑ×（１−Ｚ^-1） ・・・（１）
式（１）において、Ｎｑは量子化誤差、すなわち、量子化器３４において、アナログからデジタルに変換する際に生じる誤差であり量子化ノイズともいう。

式（１）は、入力のアナログ信号Ｊについては遅延があるものの、そのまま出力されることと、量子化誤差（ノイズ）Ｎｑは（１−Ｚ^-1）倍されて出力されることを表している。量子化誤差ＮｑによるノイズはΔΣ変調される信号帯域に一様に分布するが、（１−Ｚ^-1）は微分回路の伝達関数であり、ハイパスフィルタの特性を有する。つまり、量子化誤差（ノイズ）Ｎｑの低周波成分が抑制されることになる。

したがって、ΔΣ変調器によってアナログ信号をデジタル符号化した場合、量子化ノイズの周波数成分が高域にシフトして低域側のノイズが低減されるノイズシェーピングとよばれる効果が得られる。
また、積分器３３の構成を変えることによってノイズ特性を改善できるほか、ΔΣ変調器３０を縦続接続して次数を上げることにより、低域側の量子化ノイズの低減効果が増大することが知られている。

特開２００４−１９１１０１号公報

しかしながら、図８に示した従来のΔΣ変調器３０（以下、「ΔΣ変調回路」という）において、アナログ信号の入力レベルが大きくなったような場合、あるいは入力信号がステップ状に変化したような場合に、ΔΣ変調回路が発振してしまうという問題があった。
また、規定を超える過大入力等が入力された場合、積分器の出力値は、電源電圧値まで上昇するが、それ以上には上昇できない。つまり、積分器の出力値は、上記磁気センサＬＳＩの電源電圧値を上限として増加を制限される。

したがって、過大入力時のΔΣ変調回路は、本来行われるべき量子化が正確に行われないため、量子化誤差が増大し、ノイズシェーピング効果により抑制された低域のノイズが増大するという問題が生じることになる。
また、一旦、ΔΣ変調回路で発振が起こると入力レベルが正常値に戻っても定常状態に戻るまでに相当の時間を必要とするほか、発振状態を停止するため回路を初期化する必要もある。したがって、発振させないようにアナログ信号の入力値を規定内に制限する対策を施すか、あるいは初期化回路を追加する等の対策が必要であった。従来技術によるΔΣ変調回路において、アナログ入力信号を制限する対策、あるいは発振を検出し回路を初期化する等のシーケンスを実行するためには、相当の追加回路が必要であり、チップコストが増加するという問題があった。

また、発振検出に応じて初期化シーケンスを追加した場合、定常状態に戻るまでの期間だけＡＤ変換の機能が停止してしまうため、使用するアプリケーション、例えば、連続したＡＤ変換が必要なアプリケーションや、入力磁場条件が変わったアプリケーションによっては対応できず、汎用性を確保できないという問題もあった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、本発明の目的とするところは、ホール素子からのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサにおいて、ΔΣ変調回路の入力信号レベルが大きくなったときにもΔΣ変調器の誤動作を防止することができる磁気センサ及び回転角センサを提供することである。
また、ΔΣ変調器の誤動作を防ぐ追加回路等によるチップコストの増加を無くすことを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するためになされた磁気センサであって、横磁場を前記平面と交わる縦磁場に変換する磁気集束板と、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路と、を備え、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値Ｖｍａｘは、前記磁気集束板の飽和磁気Ｘ、前記ホール素子の感度Ｓ、及び前記増幅器のゲインＧを用いて、以下の式の関係である磁気センサである。
Ｖｍａｘ ＞ Ｘ×Ｓ×Ｇ ・・・（２）

また、本発明は、上記目的を達成するためになされた磁気センサであって、横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板と、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路と、を備え、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Ｘで制限され、前記飽和磁気Ｘは、算出基準とする標準磁気集束板の、直径φ_０、厚さＴ_０、飽和磁気値Ｎ、前記磁気集束板の直径φ_１、厚さＴ_１から、以下の式（３）に示す関係となることが好ましい。

また、前記磁気センサにおいて、前記磁気集束板は、円盤形状であることが好ましい。
また、前記磁気センサにおいて、前記ホール素子は基板上に形成され、前記磁気集束板は、前記ホール素子が形成された基板上に配置されることが好ましい。
また、前記磁気センサにおいて、前記磁気集束板は、前記磁気集束板の縁部がホール素子の上に重なるように配置されていることが好ましい。
また、本発明は、上述の目的を達成するためになされた回転角センサであって、前記磁気センサと、前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備えることが好ましい。

また、本発明は、上述の目的を達成するためになされた回転角センサであって、横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子、及び前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路を備えるとともに、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Ｘで制限される磁気センサと、前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備え、前記ホール素子は、前記横磁場のＸ軸方向成分を検出するＸ成分側ホール素子と、前記横磁場のＹ軸方向成分を検出するＹ成分側ホール素子とを有し、前記ΔΣ変調回路は、前記Ｘ成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をＡＤ変換するＸ成分側ΔΣ変調回路と、前記Ｙ成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をＡＤ変換するＹ成分側ΔΣ変調回路とを有し、前記Ｘ成分側ΔΣ変調回路への入力信号と前記Ｙ成分側ΔΣ変調回路への入力信号とそれぞれの最大値は、前記磁気集束板の前記飽和磁気Ｘで制限されることが好ましい。
また、前記回転角センサは、さらに回転磁石を備えることが好ましい。

本発明によれば、磁気センサからのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサにおいて、ΔΣ変調回路の入力信号レベルが大きくなったときにもΔΣ変調器の誤動作を防止することができる。
また、ΔΣ変調器の誤動作を防ぐ追加回路等によるチップコストの増加を無くすことができる。

本実施形態に係る回転角センサを説明するための構成図である。 本実施形態に係る回転角センサにおいて、シリコン基板上に形成されたホール素子と磁気集束板の配置を説明するための平面図である。 本実施形態に係る回転角センサにおいて、回転磁石、磁気集束板、ホール素子及びシリコン基板を、回転磁石の回転軸に垂直な方向から視認した回転軸を含む断面図である。 一般的な強磁性体における反磁界を説明する図である。 本実施形態に係る回転角センサにおける磁気集束板の外観を示す斜視図である。 本実施形態に係る回転角センサにおける基本構成を説明するためのブロック図である。 特許文献１に開示された回転角センサを説明するためのブロック図である。 ＡＤ変換器として従来から用いられているΔΣ変調器の基本構成を説明するためのブロック図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態をより詳細に説明する。
＜回転角センサの概要＞
図１は、本実施形態に係る回転角センサを説明するための構成図である。シリコン基板２の素子形成面（以下、「板面」ともいう）Ｐ上にＸＹ平面をとり、回転磁石１の回転軸上にＺ軸（以下、「回転軸Ｚ」ともいう）をとり、Ｚ軸とＸＹ平面と交わる点にＸＹＺ座標の原点Ｏをとる。なお、図１で設定したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸によるＸＹＺ直交座標系は、図解説明の便宜上、真の原点Ｏから左方にずらして描かれている。また、ＸＹＺ直交座標系は、図１から図３において共通に適用する。

図１に示すように、回転角センサ２０は、回転体に取り付けられた回転磁石１と、回転磁石１の下側に隙間を設けるように離間して配置された集積回路（以下、「シリコン基板」という）２とを有する。回転角センサ２０において、回転磁石１と、シリコン基板２上に形成された磁気センサ１０とは相対的に回転可能に構成されている。
磁気センサ１０は、シリコン基板２上に形成され磁力に応じた検出出力信号を出力するホール素子３と、図６に示して後述する磁気集束板４と、差動増幅器７と、ΔΣ変調器８，９とを有し、角度・磁場強度検出回路１１と適宜に接続可能な構成を有している。

回転角センサ２０は、シリコン基板２とともに固定された磁気センサ１０及び角度・磁場強度検出回路１１により、磁気センサ１０と回転磁石１との相対的な回転角度θに基づく角度情報Ｆを出力するように構成されている。つまり、回転角センサ２０は、固定されたシリコン基板２を基準として回転磁石１の回転角度θを測定できるように構成されている。

図２は、本実施形態に係る回転角センサにおいて、シリコン基板上に形成されたホール素子と磁気集束板の配置を説明するための平面図である。図１及び図２に示すように、シリコン基板２において、ホール素子３が形成された素子形成面（板面）Ｐに平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面上の原点Ｏを中心として放射状に９０度ごとの配置、すなわち、０度、９０度、１８０度、２７０度の配置となるように４つのホール素子３が形成されている。また、シリコン基板２には、ＸＹ平面を用いて円盤形状の磁性体で構成された磁気集束板４が、磁気集束板４の縁部を４つのホール素子３の上に重なるように配置されている。なお、図２ではホール素子３と磁気集束板４との配置関係が明確になるように、磁気集束板４を透過して図示している。また、磁気集束板４は、鉄を始めとする磁性材料で構成された磁性体であり、周囲の磁場を集めて増幅する効果がある。効果については、磁気回路を構成する軟鉄板がヨーク (継鉄)と総称されて、磁石の持つ吸着力を増幅する効果を発揮することでも知られている。

また、回転角センサ２０は、回転磁石１からＸＹ平面と平行に発生した横磁場６Ｐ（図２に示す入射磁場６ＰＱの一部であり、図３ではＸ軸成分）が、磁気集束板４で集められて増幅された後、シリコン基板２上に配置された４つのホール素子３により検出可能に構成されている。回転角センサ２０は、回転磁石１の回転角度θに応じて変化する磁場を４つのホール素子３により検出し、検出された検出出力信号を所定の演算処理することにより、回転磁石１の回転角度θを算出する。

図２に示すように、Ｘ軸上で＋Ｒの位置をＨ０、Ｘ軸上で−Ｒの位置をＨ１８０、Ｙ軸上で＋Ｒの位置をＨ９０、Ｙ軸上で−Ｒの位置をＨ２７０と定める。ＸＹＺ直交座標系の原点Ｏを中心に、円形の磁気集束板４が配置され、磁気集束板４の縁の下側にホール素子３が合計４個配置されている。また、回転角センサ２０は、磁気集束板４の中心（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の原点Ｏと同一符号）Ｏに、回転磁石１の回転軸Ｚ（図１参照）が交わるように構成されている。

上述のとおり、合計４個のホール素子３は、ＸＹ座標上の位置Ｈ０，Ｈ９０，Ｈ１８０，Ｈ２７０に、それぞれ１個ずつが配置されている。以下、位置Ｈ０及び位置Ｈ１８０に配置された１組のホール素子３を、位置Ｈ０，Ｈ１８０のＸ成分側のホール素子３とし、位置Ｈ９０及び位置Ｈ２７０に配置された１組のホール素子３を、位置Ｈ９０，Ｈ２７０のＹ成分側のホール素子３とする。つまり、位置Ｈ０，Ｈ１８０に配されたＸ成分側のホール素子３が、Ｘ軸上に原点Ｏを中心として対称な位置に配置され、同様に位置Ｈ９０，Ｈ２７０に配されたＹ成分側のホール素子３がＹ軸上に原点Ｏを中心として対称な位置に配置されている。また、位置Ｈ０に配されたホール素子３と位置Ｈ９０に配されたホール素子３とは、図２のＸＹ座標平面（ＸＹ平面）において正の座標成分を有する位置に配置されている。

図３は、本実施形態に係る回転角センサにおいて、回転磁石、磁気集束板、ホール素子及びシリコン基板を、回転磁石の回転軸に垂直な方向から視認した回転軸を含む断面図である。ホール素子はシリコン基板上に形成され、磁気集束板は、ホール素子が形成されたシリコン基板上に配置される。図３に示すように、シリコン基板２から垂直に回転磁石１に向かう方向をＺ軸の正方向にとり、位置Ｈ１８０から位置Ｈ０に向かう方向をＸ軸の正方向にとる。また、ホール素子３は、磁気集束板４の縁部の下側に、磁気集束板４の中心Ｏに対して対称な位置Ｈ０，Ｈ１８０に、それぞれ１個ずつ合計２個が配置されている。これら位置Ｈ０及び位置Ｈ１８０にそれぞれ配されたホール素子３の感磁面Ｑは、シリコン基板２のＸＹ平面に対して垂直なＺ軸方向に検出感度を備えている。したがって位置Ｈ０及び位置Ｈ１８０にそれぞれ配されたホール素子３は、Ｚ軸方向の磁場を検出する。

図３に示されるように、回転磁石１から発生した磁場６は、磁気集束板４に引き寄せられる。そのため、シリコン基板２のＸＹ平面と平行な横磁場６Ｐ（図３においてはＸ軸成分）は、シリコン基板２のＸＹ平面に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）へ曲げられて縦磁場６Ｑとなり、その縦磁場６Ｑが位置Ｈ０及び位置Ｈ１８０にそれぞれ配されたホール素子３の感磁面Ｑを通過する。したがって、これらの位置Ｈ０及び位置Ｈ１８０にそれぞれ配されたホール素子３は、横磁場６Ｐを検出出力信号として検出することができる。

図３に示した回転角センサ２０において、図２に示した位置Ｈ０及び位置Ｈ１８０にそれぞれ配されたホール素子３は、磁気集束板４に入射する磁場６のＸ軸成分及びＺ軸成分を検出し、同様に位置Ｈ９０及び位置Ｈ２７０にそれぞれ配されたホール素子３は、磁場６のＹ軸成分及びＺ軸成分を検出する。

図２に戻り、磁気集束板４に入射する磁場６が、原点を中心にＸ軸から反時計まわりに回転角度θで入射した状態で、４か所の異なる位置Ｈ０，Ｈ９０，Ｈ１８０，Ｈ２７０に配されたホール素子３それぞれの検出出力を、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸に基づいて定義する。磁場６のＸ軸成分を位置Ｈ０に配されたホール素子３は正符号出力（＋Ｖｘ）として検出し、位置Ｈ１８０に配されたホール素子３は負符号出力（−Ｖｘ）として検出する。同様に、位置Ｈ９０に配されたホール素子３は磁場６のＹ軸成分を正符号出力（＋Ｖｙ）として検出し、位置Ｈ２７０に配されたホール素子３は負符号出力（−Ｖｙ）として検出する。なお、４か所の異なる位置Ｈ０，Ｈ９０，Ｈ１８０，Ｈ２７０に配されたホール素子３は、すべての磁場６のＺ軸成分について、ＸＹ平面に入射する方向を正符号出力（＋Ｖｚ）として検出する。なお、Ｚ軸成分についても負符号出力（−Ｖｚ）として検出してもよい。

したがって、位置Ｈ０に配されたホール素子３と、位置Ｈ１８０に配されたホール素子３との差分で検出される差分信号ＨＶｘ、及び位置Ｈ９０に配されたホール素子３と位置Ｈ２７０に配されたホール素子３との差分で検出される差分信号ＨＶｙは、以下の式（４），（５）より求めることができる。
ＨＶｘ＝＋Ｖｘ＋Ｖｚ−（−Ｖｘ＋Ｖｚ）＝２Ｖｘ ・・・（４）
ＨＶｙ＝＋Ｖｙ＋Ｖｚ−（−Ｖｙ＋Ｖｚ）＝２Ｖｙ ・・・（５）
式（４）に示す差分信号ＨＶｘは磁場６のＸ軸成分２Ｖｘであり、式（５）に示す差分信号ＨＶｙはＹ軸成分２Ｖｙであって、これら式（４），（５）は、Ｚ軸成分がキャンセルされて検出されないことを示している。

ここで、回転角センサ２０は、差分信号ＨＶｘと差分信号ＨＶｙから磁場の角度θを以下の式（６）より算出する。
θ＝ａｔａｎ（ＨＶｙ／ＨＶｘ） ・・・（６）
なお、式（６）のように三角関数を含む比較的簡単な計算により、差分信号ＨＶｘと差分信号ＨＶｙから磁場の角度θを算出できる理由は、磁気集束板４の直下において、回転磁石１の回転に応じて発生する回転磁場の強度が理想的な正弦波状に変化するためである。

＜磁気集束板について＞
次に、磁気集束板４について図４及び図５を用いてより詳細に説明する。
図３を用いて説明したように、磁気集束板４は、磁力線が透磁率の高い場所を通る性質を利用し、横磁場６Ｐを縦磁場６Ｑに変換する。また、磁気集束板４を介在させずにホール素子３のみで磁場を検出した場合よりも、磁気集束板４を介在させた場合の方が、ホール素子３は高感度の検出出力を得られる。なお、磁気増幅率Ａの測定は以下のように行った。ホール素子３の作成後、感磁面Ｑに垂直な磁場を印加して感度を測定する。次に磁気集束板４を形成し、感磁面Ｑに平行な磁場を印加したときの感度を測定する。その後、両者の比をとることで、磁気集束板４を形成したことによる感度の増幅率が得られる。こうして得られた当該感度の増幅率を磁気増幅率Ａと定義する。

なお、一般的に、磁性体に印加される磁場が弱い場合、磁性体の磁化強度は、磁場の強度に比例する。すなわち、磁性体の磁化強度と磁場の強度とは線形の関係である。しかし、印加される磁場がある一定強度以上にまで達した場合、内部の磁化の向きが完全に外部磁化の向きに揃った状態になるため、磁化強度が変化しなくなる。また、線形に磁化されなくなる点を磁気飽和点と呼び、線形に磁化されない現象を磁気飽和（現象）という。 磁気飽和のため、磁性体で構成された磁気集束板４は、一定強度以上の磁場では磁気増幅率Ａが減少する。また、磁気飽和点の計測値を飽和磁気Ｘ（ｍＴ）とする。

図４は、一般的な強磁性体における反磁界を説明する図である。図４に示すように強磁性体１９に磁化Ｍが発生すると、強磁性体１９の両側に生じた磁極（＋，−）によって、磁化Ｍとは逆向きの磁界Ｈ_ｄが発生する。すなわち、磁化Ｍの発生によって、自身の磁化Ｍを妨げようとする方向に磁界Ｈ_ｄが発生する。磁界Ｈ_ｄは反磁界と呼ばれる。
ここで、反磁界Ｈ_ｄを以下の式（７）に示すとおりに規定する。
Ｈ_ｄ＝Ｎ_Ｘ＊Ｍ・・・（７）
Ｎ_Ｘを反磁界係数という。反磁界係数Ｎ_Ｘは磁性体の形状で決まる。

また、反磁界係数Ｎ_Ｘが大きいと強磁性体１９に磁力線が入りにくいため、磁性体内の磁力線が少なくなる。仮に、同一形状を保持した磁性体であれば、磁性体内に入ることのできる磁力線量は等しくなる。また、同一形状の磁性体であっても、磁性材料が異なれば、反磁界係数Ｎ_Ｘが変化する。反磁界係数Ｎ_Ｘが大きいと磁性体は磁気飽和しにくくなり、飽和磁気Ｘ∝反磁界係数Ｎ_Ｘという関係が成り立つ。

図５は、本実施形態に係る回転角センサにおける磁気集束板の外観を示す斜視図である。図５に示すように、磁気集束板４が円柱（例えば、薄板）状で、その直径：φ、厚さ：Ｔである場合、反磁界係数Ｎ_Ｘは以下の式（８）を満たす。

式（８）より、磁気集束板４の厚さＴと直径φが確定すれば、反磁界係数Ｎ_Ｘは決まり、１点だけでも信頼できる磁気飽和点の計測値があれば、その１点の飽和磁気Ｘａと反磁界係数Ｎ_Ｘとの乗算により、上述の１点以外についても飽和磁気Ｘｂ、すなわち磁気飽和点の絶対値を算出することが可能である。

＜本実施形態の一例＞
図６は、本実施形態に係る回転角センサにおける基本構成を説明するためのブロック図である。図６に、本実施形態の一例として、回転角センサ２０の構成を示し、各部の動作を説明する。また、角度検出は不要で、磁場強度検出のみを行う磁気センサ１０についても併せて説明する。図６に示す角度・磁場強度検出回路１１は、「角度検出」及び「磁場強度検出」の少なくともいずれか１つの機能を発揮することができる。回転角センサ２０として用いる場合、角度・磁場強度検出回路１１は、角度検出としての機能を発揮する。磁気センサ１０のみに限定した機能で用いる場合、角度・磁場強度検出回路１１は、磁場強度検出としての機能を発揮する。また磁気センサ１０は、回転角センサ２０から角度検出回路１１を除く機能構成部である。

図６に示すように、回転角センサ２０は、図１から図３を用いて説明した回転磁石１と、磁気センサ１０と、角度・磁場強度検出回路１１とを有している。磁気センサ１０は、シリコン基板２上に形成され位置Ｈ０，Ｈ１８０に配されたＸ成分側のホール素子３（図２参照）と、位置Ｈ９０，Ｈ２７０に配されたＹ成分側のホール素子３と、磁気集束板４と、差動増幅器７と、Ｘ成分側ΔΣ変調器８と、Ｙ成分側ΔΣ変調器９とを有している。

Ｘ成分側ΔΣ変調回路８は、位置Ｈ０，Ｈ１８０に配されたＸ成分側のホール素子３から出力されたホール起電力による信号をＡＤ変換する。また、Ｙ成分側ΔΣ変調回路９は、位置Ｈ９０，Ｈ２７０に配されたＹ成分側のホール素子３から出力されたホール起電力による信号をＡＤ変換する。
磁気センサ１０は、磁力に応じた検出出力信号を角度・磁場強度検出回路１１に出力する。回転センサ２０は、ΔΣ変調回路８，９の出力を角度・磁場強度検出回路１１で演算して角度情報Ｆを出力する。その結果、図１を用いて説明したとおり、磁気センサ１０と回転磁石１との相対的な回転角度θに基づく角度情報Ｆを出力する。

回転角センサ２０の一例として、磁気集束板４の磁気増幅率をＡ倍とし、直径をφ_０（μｍ）とし、厚さをＴ_０（μｍ）とする。
また、位置Ｈ０，Ｈ１８０に配されたＸ成分側のホール素子３及び位置Ｈ９０，Ｈ２７０に配されたＹ成分側のホール素子３の感度をＳ（ｍＶ/ｍＴ）とする。
また、差動増幅器７のゲインをＧ倍とする。

ここで、あるアプリケーションからの印加磁場がＭ（ｍＴ）であった場合、ΔΣ変調器８，９に入力される信号は、以下の式（９）で表される。
Ｍ（ｍＴ）×Ａ（倍）×Ｓ（ｍＶ/ｍＴ）×Ｇ（倍）
＝Ｍ×Ａ×Ｓ×Ｇ（ｍＶ） ・・・（９）
ここで、直径がφ_１（μｍ）であり、厚さがＴ_１（μｍ）の磁気集束板４の磁気飽和点の実測データがあり、その値がＮ（ｍＴ）であった場合、図６に示した磁気集束板４の飽和磁気Ｘ（ｍＴ）は、以下の式（１０）より得られる。

ここで、磁気集束板４の飽和磁気Ｘ（ｍＴ）は、直径φ_０、厚さＴ_０、飽和磁気値Ｎを、算出基準とする標準磁気集束板と、当該磁気集束板４の直径φ_１、厚さＴ_１を用いて、上記式（１０）により算出される。なお、説明の便宜上、磁気集束板４の素材依存性は０とする。

図３に示すように、磁気センサ１０は、板面Ｐに沿うＰＸ方向の横磁場６Ｐを板面Ｐと交わる縦磁場６Ｑに変換する磁気集束板４と、縦磁場６Ｑに応じてホール起電力による信号を出力するホール素子３と、ホール素子３から出力されたホール起電力による信号を増幅する差動増幅器７と、差動増幅器７により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路８，９（図６参照）と、を備えている。磁気センサ１０において、Ｘ成分側ΔΣ変調回路８への入力信号の最大値Ｖｍａｘと、Ｙ成分側ΔΣ変調回路９への入力信号の最大値Ｖｍａｘとは、磁気集束板４の飽和磁気Ｘで制限される。

したがって、Ｘ成分側ΔΣ変調器８の誤動作しない最大入力がＸ（ｍＴ）未満であれば、磁気集束板４の磁気飽和点によりＸ成分側ΔΣ変調器８の入力を制限できΔΣ変調器の誤動作を防止することが可能となる。
ここで具体例を示す。磁気集束板４の磁気増幅率Ａが１．２倍、直径φが３００（μｍ）、厚さＴが３０（μｍ）であり、位置Ｈ０，Ｈ１８０に配されたＸ成分側のホール素子３及び位置Ｈ９０，Ｈ２７０に配されたＹ成分側のホール素子３は、感度Ｓが０．４ｍＶ/ｍＴであり、差動増幅器７のゲインＧが１０倍であり、アプリケーションからの印加磁場が８０ｍＴであった場合、ΔΣ変調器８，９に入力される信号の電圧値は、式（９）を適用して３８４（ｍＶ）（＝８０（ｍＴ）×（１．２倍）×０．４（ｍＶ/ｍＴ）×１０（倍））となる。

ここで、サイズが直径φ＝２５０（μｍ）、厚さＴ＝３０（μｍ）の磁気集束板４の磁気飽和点の計測値が１００ｍＴであった場合、磁気集束板４の磁気飽和点、すなわち飽和磁気Ｘ（ｍＴ）は、式（１０）より以下のように８６．１（ｍＴ）と算出される。

Ｘ成分側ΔΣ変調器８の誤動作しない最大入力が９０ｍＴであれば、磁気集束板４の磁気飽和点によりＸ成分側ΔΣ変調器８の入力を制限できるので、Ｘ成分側ΔΣ変調器８の誤動作を防止することが可能となる。また、Ｙ成分側ΔΣ変調器９についても同様である。

以上のとおり、回転角センサ２０において、ＡＤ変換器としてＸ，Ｙ成分側ΔΣ変調器８，９を用いた場合であっても、磁気集束板４を使用すれば、磁気集束板４が有する磁気飽和の作用により、Ｘ，Ｙ成分側ΔΣ変調器８，９それぞれの入力レベルを制限することができる。
また、上述のとおり、本例における磁気集束板４の磁気飽和点、すなわち飽和磁気Ｘ（ｍＴ）は、８６．１ｍＴである。

ここで、回転角センサ２０において、ΔΣ変調回路８，９に入力される信号の最大値Ｖｍａｘは、上述した磁気集束板４の飽和磁気Ｘ、ホール素子３の感度Ｓ、及び増幅器７のゲインＧを用いて、以下の式（１３）の関係で規定することができる。
Ｖｍａｘ ＞ Ｘ×Ｓ×Ｇ ・・・（１３）
したがって、最大値Ｖｍａｘは、３４４．４ｍＶ（＝Ｘ×Ｓ×Ｇ＝８６．１（ｍＴ）×０．４（ｍＶ/ｍＴ）×１０（倍））となり、Ｘ，Ｙ成分側ΔΣ変調回路８，９にそれぞれ入力することが許容される信号の最大値を、上述の値３４４．４ｍＶより大きい値、例えば４００ｍＶに設計すれば、ΔΣ変調回路に許容限度を超えて過大入力される不具合を防ぐことが可能になる。

（１）すなわち、過大磁場が印加されても、ＡＤ変換を停止する等によるΔΣ変調器の誤動作を防ぐことが可能である。
（２）その結果、ΔΣ変調器に誤動作防止用の追加回路を施す必要がないため、ΔΣ変調器も簡素な構成とすることができる。これにより、チップコストの増加を防止できる。
（３）また、許容限度を超えたホール素子の出力信号が、ΔΣ変調回路に入力されないため、過大入力の対策としての発振検出及び初期化シーケンス追加の必要は無く、発振から定常状態に戻るまでの期間だけＡＤ変換が機能停止するといった不具合も生じない。したがって、入力磁場条件が変わったアプリケーションに対しても、磁気集束板の寸法変更、もしくはホール素子による検出信号の増幅回路のゲイン調整等の比較的容易な設計変更により幅広いアプリケーションに対応できる汎用性を確保できる。

＜変形例＞
その他、図６に示した回転角センサ２０の場合、Ｚ成分をキャンセルしてＸ成分とＹ成分のみを演算処理することにより、回転角度θを検出する角度検出回路としたが、ホール素子３の出力信号に含まれるＺ成分をキャンセルせず、Ｘ成分及びＹ成分とともに生かして演算処理することにより、回転角度θを検出する角度検出回路としてもよい。その他にも、Ｘ成分とＺ成分の組み合わせや、Ｙ成分とＺ成分の組み合わせのように、３軸（Ｘ，Ｙ、Ｚ）同時でない組み合わせで演算処理することが可能である。

なお、上述したように、本発明は回転角センサ２０に限定することなく、磁場の大きさのみを検出する磁気センサ１０も含まれる。
以上、説明したように本発明によれば、磁気集束板の磁気飽和特性に着目し、ΔΣ変調器に入力される信号の変動を磁気集束板により制限することで、ＡＤ変換が停止する不具合を考慮したり、係る不具合を防止するための追加回路を設けたりしなくても、ΔΣ変調器の誤動作を防止できる。

また、本発明によれば、磁気センサからのアナログ信号をデジタル符号化するΔΣ変調回路を備える磁気センサ及び回転角センサにおいて、ΔΣ変調回路の入力信号レベルが大きくなったときにもΔΣ変調器の誤動作を防止することができる磁気センサ及び回転角センサを提供することができる。

１ 回転磁石
２ 集積回路（シリコン基板）
３ ホール素子
４ 磁気集束板
６ 磁場
６Ｐ 横磁場
６Ｑ 縦磁場
６ＰＱ 入射磁場
７ 差動増幅器（増幅器）
８ Ｘ成分側ΔΣ変調器（ΔΣ変調器）
９ Ｙ成分側ΔΣ変調器（ΔΣ変調器）
１０ 磁気センサ
１１ 角度・磁場強度検出回路
１９ 強磁性体
２０，２９ 回転角センサ
２１ Ｘ成分側ＡＤ変換器
２２ Ｙ成分側ＡＤ変換器
２３ 角度計算デジタル回路
３０ ΔΣ変調器
３１ ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）
３２ 加減算器
３３ 積分器と、
３４ 量子化器

Claims (8)

1. 横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板と、
   前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、
   前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路と、
   を備え、
   前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値Ｖｍａｘは、前記磁気集束板の飽和磁気Ｘ、前記ホール素子の感度Ｓ、及び前記増幅器のゲインＧを用いて、以下の式の関係である磁気センサ。
   Ｖｍａｘ ＞ Ｘ×Ｓ×Ｇ
2. 横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板と、
   前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子と、
   前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路と、
   を備え、
   前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Ｘで制限され、
   前記飽和磁気Ｘは、算出基準とする標準磁気集束板の、直径φ０、厚さＴ０、飽和磁気値Ｎ、前記磁気集束板の直径φ１、厚さＴ１から、以下の式に示す関係となる磁気センサ。
   

   
3. 前記磁気集束板は、円盤形状である請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記ホール素子は基板上に形成され、
   前記磁気集束板は、前記ホール素子が形成された基板上に配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気集束板は、前記磁気集束板の縁部がホール素子の上に重なるように配置されている請求項４に記載の磁気センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気センサと、
   前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備える回転角センサ。
7. 横磁場を縦磁場に変換する磁気集束板、前記縦磁場に応じてホール起電力による信号を出力するホール素子、及び前記ホール素子から出力されたホール起電力による信号を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された信号をＡＤ変換するΔΣ変調回路を備えるとともに、前記ΔΣ変調回路への入力信号の最大値は、前記磁気集束板の飽和磁気Ｘで制限される磁気センサと、
   前記ΔΣ変調回路の出力を演算して角度情報を出力する角度検出回路と、を備え、
   前記ホール素子は、前記横磁場のＸ軸方向成分を検出するＸ成分側ホール素子と、前記横磁場のＹ軸方向成分を検出するＹ成分側ホール素子とを有し、
   前記ΔΣ変調回路は、前記Ｘ成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をＡＤ変換するＸ成分側ΔΣ変調回路と、前記Ｙ成分側ホール素子から出力されたホール起電力による信号をＡＤ変換するＹ成分側ΔΣ変調回路とを有し、
   前記Ｘ成分側ΔΣ変調回路への入力信号と前記Ｙ成分側ΔΣ変調回路への入力信号とそれぞれの最大値は、前記磁気集束板の前記飽和磁気Ｘで制限される回転角センサ。
8. さらに回転磁石を備える請求項６又は７に記載の回転角センサ。

Images