JPH085312A - 半導体回転角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】回動体に非接触に回動角度を検出できるととも
に感度のばらつきが低減可能な半導体回転角度センサを
提供する。 【構成】ホール素子が形成された半導体基板を収容する
パッケージ５０，６０を１個の支持体４の互いに所定角
度ずれた複数の基板搭載面４４、４５に固定し、平行磁
界と各ホール素子との間の各交差角の絶対値が最も小さ
いホール素子の出力電圧を選択し、選択した各出力電圧
を補正して連続化して出力する。これにより、感度のば
らつきを簡単な構成で低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体回転角度センサ
及びそれを用いたスロットル角度センサに関する。

【０００２】

【従来技術】実開昭６２−９７９０９号公報は、摺動抵
抗式のスロットル角度センサを開示している。一方、平
行磁界を形成する磁界発生手段をホール素子や半導体磁
気抵抗素子などの感磁性半導体素子に対し相対回動させ
て平行磁界に対する感磁性半導体素子の相対角度に応じ
た信号電圧を出力する半導体回転角度センサも実用され
ている。

【０００３】ここで、上記半導体回転角度センサとその
出力電圧との関係を以下に説明する。上記したホール素
子では、出力が角度変化に対し正弦波状に変化し、そし
て、上記相対角度が０度（感磁性半導体素子が形成され
た半導体基板の主面と平行磁界が平行の状態をいう）の
時に出力電圧は０となり、上記相対角度が９０度（上記
半導体基板の主面と平行磁界が直角の状態をいう）の時
に出力電圧は平行磁界の向きに応じて正又は負の向きに
最大となる。

【０００４】ここで、この製造した各ホール素子の感度
（直交磁界強度に対する出力電圧）のばらつきを考える
と、上記相対角度が０度の時に各素子の出力電圧（ホー
ル電圧）が０、すなわち感度のばらつきが０となり、上
記相対角度が正又は負の向きに増加すると次第に感度の
ばらつきが増加し、上記相対角度が＋９０度又は−９０
度の時に各ホール素子の出力電圧の絶対値及び各素子間
の上記感度のばらつきに伴う各ホール素子間の信号電圧
のばらつきの大きさも最大となる。

【０００５】一方、ホール素子以外の感磁性半導体素
子、例えば半導体磁気抵抗素子でも、交差する平行磁界
による抵抗値の変化量Δｒは上記ホール素子の出力電圧
と同じ関係を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のスロットル角度センサは、接点や抵抗体の磨
耗、接触抵抗の変動、接触不良の発生といった問題、す
なわち回動体に接触して回動角度に関連する状態量を検
出することに起因する諸問題が派生するという可能性が
あった。

【０００７】一方、上記半導体回転角度センサは、回動
体に非接触に回動角度を検出できるものの、平行磁界に
対し半導体基板が直角に近い大角度となる範囲において
各素子間の製造条件のばらつきや材料組成のばらつきな
どに起因してどうしても感度のばらつきが生じるという
問題がある。このような感度のばらつきは、例えばスロ
ットル角度センサとして応用する場合を考えると、エン
ジンの出力トルクのばらつきとなるので、極力低減する
ことが好ましい。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、回動体に非接触に回動角度を検出できるとともに
感度のばらつきが低減可能な半導体回転角度センサを提
供することを、その目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成の半
導体回転角度センサは、互いに所定角度ずれた複数の基
板搭載面を有する偏角指定用の支持体と、それぞれ感磁
性半導体素子が形成されるとともに前記各基板搭載面に
個別に固定される複数の半導体基板と、前記半導体基板
の主面に平行な回転軸心を中心として前記半導体基板に
対して相対回動するとともに前記各感磁性半導体素子に
平行磁界を印加する磁界発生手段と、所定の回動角度範
囲毎に前記各感磁性半導体素子の出力電圧の一つを選択
するとともに、少なくとも１つの回動角度範囲において
前記平行磁界と前記各感磁性半導体素子との間の各交差
角の絶対値が最も小さい感磁性半導体素子の出力電圧を
選択して出力する選択手段と、前記各感磁性半導体素子
の出力電圧をそれぞれ補正することにより、前記平行磁
界と前記半導体基板との間の角度に対する前記選択手段
の出力電圧の大きさの変化を略連続化する補正手段とを
備えることを特徴としている。

【００１０】本発明の第２の構成は、上記第１の構成に
おいて更に、前記選択手段が、前記各回動角度範囲毎に
前記交差角が最も小さい感磁性半導体素子の出力電圧を
選択するものであることを特徴としている。本発明の第
３の構成は、上記第１の構成において更に、前記補正手
段が、前記各感磁性半導体素子の出力電圧のゲインと直
流オフセット電圧とをそれぞれ異なる値に設定するもの
であることを特徴としている。

【００１１】本発明の第４の構成は、上記第１の構成に
おいて、前記支持体の前記各基板搭載面が、前記磁界発
生手段の相対回動のための軸心に直角な面内に配設され
ることを特徴としている。本発明の第５の構成は、上記
第１の構成において、前記支持体の前記各基板搭載面
が、前記磁界発生手段の相対回動のための軸心に沿って
所定距離離れて配設されることを特徴としている。

【００１２】

【作用及び発明の効果】本発明の第１の構成によれば、
感磁性半導体素子の半導体基板を１個の支持体の互いに
所定角度ずれた複数の基板搭載面に固定し、平行磁界の
所定の相対回転角度範囲毎に各感磁性半導体素子の出力
電圧の一つを選択するとともに、少なくとも１つの回転
角度範囲において平行磁界と各感磁性半導体素子との間
の各交差角の絶対値が最も小さい感磁性半導体素子の出
力電圧を選択し、選択した各出力電圧を補正して連続化
しているので、感度のばらつきを簡単な構成で低減する
ことができる。

【００１３】更に説明すると、上記説明したように半導
体回転角度センサ（ホール素子や半導体磁気抵抗素子）
は、半導体基板の主面と平行磁界との交差角が０度（平
行）に近いほど感度ばらつきが小さいので、各出力電圧
を切り換えるに際し上記交差角がより小さい素子の出力
電圧を選択して出力することにより、合成出力電圧の感
度のばらつきが、単一の半導体回転角度センサの出力電
圧のみを用いる場合に比べて低減される。

【００１４】本発明の第２の構成は、上記第１の構成に
おいて更に、各回動角度範囲毎に交差角が最も小さい感
磁性半導体素子の出力電圧を選択するので、感度のばら
つきを更に一層低減することができる。本発明の第３の
構成は、上記第１の構成において更に、選択された各感
磁性半導体素子の出力電圧のゲインと直流オフセット電
圧とをそれぞれ異なる値に設定して合成の出力電圧を形
成するので、各出力電圧の接続部での感度（単位角度変
化当たりの出力電圧の変化）の差や絶対値の差を低減し
て、特性線を連続化することができる。すなわち、感度
の絶対値は前記交差角に依存するので、互いに所定の角
度差を有する一対の素子の出力電圧の切り換えポイント
で感度を等しくするか又は感度差を低減するには両出力
電圧にゲイン差を与える必要がある。すなわち、切り換
えポイントでの感度が大きい素子の出力電圧は小ゲイン
で増幅し、上記切り換えポイントでの感度が小さい素子
の出力電圧は大ゲインで増幅することにより、切り換え
ポイントでの感度の差すなわち特性線の傾きの差を低減
することが可能となる。

【００１５】本発明の第４の構成は、上記第１の構成に
おいて、軸方向の寸法を短縮することができ、例えば永
久磁石などの磁界発生手段などの構成要素の小型化を図
ることができる。本発明の第５の構成は、上記第１の構
成において、各基板搭載面が軸心に沿って配設されるの
で、センサの径を縮小することができ、例えば永久磁石
などの磁界発生手段などの構成要素の小型化を図ること
ができる。

【００１６】なお、第４及び第５の実施例を同時に実施
することも可能である。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）本発明の半導体回転角度センサを適用した
スロットル角度センサの一例を図１〜図４を参照して具
体的に説明する。図１はこのスロットル角度センサの軸
方向（すなわち軸心Ｍの方向）の断面図、図２はそのＡ
−Ａ線矢視の径方向の断面図、図３はそのホール素子部
分の拡大径方向断面図、図４は図３の模式図である。

【００１８】ハウジング１は、図１に示すように、略浅
底筒体形状を有し、その周壁の一部から外方向に雌コネ
クタ部１１が突設されている。図１において下方へ開口
する凹部１２内には、回路基板２がハウジング１の底面
から離れてこの底面と平行すなわち本実施例でいう径方
向に延在する姿勢で収容、固定されている。回路基板２
は後述する一対のホール素子５、６の出力電圧を処理し
て合成出力電圧を雌コネクタ部１１内のターミナル１２
に出力する信号処理回路３を搭載している。

【００１９】回路基板２の中央部の複数の貫孔には樹脂
成形品からなる支持体４の脚部４１を圧入、固定されて
いる。支持体４は、略角柱形状を有しており、その底面
（図１では上部に位置する）から上記脚部４１が軸方向
に突出している。一方、支持体４の頂部には図２の上下
方向からそれぞれ凹設された一対のホール素子収容用の
凹部４２、４３（図３に拡大図示する）を有し、両凹部
４２、４３の底面４４、４５はそれぞれ軸心Ｍと平行
（軸方向）に伸びる平面（以下、基板搭載面という）と
なっている。両基板搭載面４４、４５の間の偏角（角度
差）Δθはこの実施例では２５度に設定され、基板搭載
面４４、４５の間の支持体４の頂部の部分４ａは略三角
柱形状を有している。基板搭載面４４、４５には、それ
ぞれホール素子５、６（図５参照）が形成された半導体
基板を収容する樹脂又はセラミックのパッケージ５０，
６０が固定されており、パッケージ５０，６０の外主面
はその内部の上記半導体基板の主面と平行に配設されて
いる。両ホール素子への印加電圧及び出力電圧は不図示
のリードを通じて回路基板２と授受される。

【００２０】これにより、両半導体基板は図４に示すよ
うに軸心Ｍを挟んで２５度ずれた状態で保持されること
になる。なお、図１に示す２８は両パッケージ５０，６
０を包むキャップであり、その開口部は回路基板２に固
定されている。一方、上記軸心Ｍを回動中心とするスロ
ットルバルブ（図示せず）のシャフトＳの端面にはフラ
ンジ付き円筒形状のロータアセンブリ７が固定されてお
り、ロータアセンブリ７の内周面にはそれぞれ軸方向切
断部分が円筒形状を有する一対の永久磁石（本発明でい
う磁界発生手段）８がパッケージ５０，６０を挟んで対
向配置されている。両永久磁石８は反対極性に磁化され
ており、その結果、パッケージ５０，６０には平行磁界
が印加される。

【００２１】図５に、回路基板２に搭載した信号処理回
路の一例を示す。ホール素子５、６の出力電圧（ホール
電圧）は、それぞれセンスアンプ５１、６１で電圧増幅
されてゲイン補正アンプ５２、６２に入力され、ゲイン
補正アンプ５２、６２は入力電圧を互いに異なる後述の
ゲインで増幅してゲイン補正し、ゲイン補正された両信
号電圧はレベルシフト回路５３、６３でそれぞれ異なる
レベルにレベルシフト（オフセット）されてアナログマ
ルチプレクサ５４に入力される。また、センスアンプ５
１の出力電圧はコンパレータ５５にて出力電圧切り換え
用のしきい値電圧Ｖｒｅｆと比較され、比較出力はアナ
ログマルチプレクサ５４の切り換え制御信号となってい
る。ここで、ゲイン補正アンプ５２、６２及びレベルシ
フト回路５３、６３は本発明でいう補正手段を構成し、
アナログマルチプレクサ５４及びコンパレータ５５は本
発明でいう選択手段を構成している。

【００２２】以下、このスロットル角度センサの作動を
説明する。スロットルバルブのシャフトＳとともに一対
の永久磁石８が回動すると、平行磁界と半導体基板５
０，６０との交差角に依存して出力電圧がそれぞれ正弦
波形として変動し、交差角が０度及び１８０度で出力電
圧は０であり、９０度で正の最大値となり、−９０度で
負の最大値となる（図６の（ａ）参照）。

【００２３】図６の（ｂ）にセンスアンプ５１、６１で
それぞれ電圧増幅された出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の波形
を示す。ただし、横軸はホール素子６を有するパッケー
ジ６０すなわちその内部の半導体基板と平行磁界との交
差角θを基準角度としており、−５度でスロットルバル
ブ（図示せず）は全閉、７５度で全開となるように、シ
ャフトＳに連結されている。また、両ホール素子５、６
の偏角は２５度であるので、図６の（ｂ）において、両
出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の波形はそれに応じて異なって
いる。

【００２４】上述したように、同一工程で製造したにも
かかわらず、ホール素子は種々の要因で感度のばらつき
をもち、それは交差角が０度で最小となり、９０度、２
７０度で最大となる。そこで本実施例では、スロットル
角度が０度（全閉）からｘ度（１０〜３０度の間の値、
ここでは２０度に設定する）までは、ホール素子６の出
力電圧Ｖｏ２を採用し、ｘ度から８０度（全開）までは
ホール素子５の出力電圧Ｖｏ１を採用している。

【００２５】ホール素子６は、スロットル角度に対して
交差角θ（ホール素子６をもつパッケージ６０の主面と
平行磁界との交差角）が５度であるので、スロットル角
度０度は交差角θが−５度に等しく、スロットル角度５
度は交差角θが０度に等しく、スロットル角度２０度は
交差角θが１５度に等しい。結局、スロットル角度０〜
２０度ではホール素子６の交差角θが−５〜１５度とい
った交差角θが小さい範囲を採用するので、感度のばら
つきを小さくすることができる（精度を向上することが
できる）。

【００２６】一方、スロットル角度２０〜８０度では、
ホール素子５の出力電圧Ｖｏ１を採用する。すなわち、
ホール素子５は、スロットル角度に対してその交差角
（符号を付せず）が３０度であるので、スロットル角度
０度は交差角θが−３０度に等しく、スロットル角度３
０度はその交差角が０度に等しく、スロットル角度８０
度はその交差角が５０度に等しい。結局、スロットル角
度２０〜８０度はホール素子６の交差角が−１０〜５０
度といった交差角θが小さい範囲を採用するので、感度
のばらつきを小さくすることができ、図７に示すように
精度を向上することができ、直線性も向上する。

【００２７】具体的には、コンパレータ５５はホール素
子６の交差角θが１５度におけるセンスアンプ６１の出
力電圧Ｖｏ２の値に等しい参照電圧Ｖｒｅｆが、出力電
圧Ｖｏ２を超えれば、コンパレータ５５はハイレベルと
なり、アナログマルチプレクサ５４は出力電圧Ｖｏ２か
ら出力電圧Ｖｏ１に切り換える。以上のようにすれば、
スロットル角度０〜８０度の範囲で感度のばらつきを低
減することができる。

【００２８】なお、ゲイン補正アンプ５２、６２は切り
換え時点における両出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の位相差に
よるゲイン（単位角度変化当たりの出力電圧の変化、正
弦波形変化）の差を解消させるためのものであり、レベ
ルシフト回路５３、６３は切り換え時点における両出力
電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２のオフセットを解消するためのもの
であり、出力電圧Ｖｏ１のゲイン補正係数Ｋ１は２６４
０、出力電圧Ｖｏ２のゲイン補正係数Ｋ２は３３００に
設定されている。これにより切り換え前後におけるゲイ
ンはほぼ等しくなるが切り換え前後におけるオフセット
は残る。このオフセットを解消するため、出力電圧Ｖｏ
１にオフセット電圧ΔＶｏ１として２０７０ｍＶが加え
られ、出力電圧Ｖｏ２にオフセット電圧ΔＶｏ２として
７５８ｍＶが加えられる。これにより切り換え前後によ
るゲイン差やオフセット差が大幅に解消される。 （実施例２）他の実施例を図８に示す。

【００２９】この実施例は、一対のホール素子（図示せ
ず）が個別に形成された一対の半導体基板（図示せず）
を個別に収容する樹脂又はセラミックからなるパッケー
ジ５０、６０を軸心Ｍに沿って隣接させたものである。
この場合でも両ホール素子は軸方向から見て２５度の偏
角を有し、永久磁石８が形成する平行磁界に対し同じ角
度差を有する。

【００３０】この実施例でも、実施例１と同様の作用及
び効果を奏することができることは当然である。 （実施例３）他の実施例を図９及び図１０に示す。この
実施例は、実施例２の軸方向並設方式において、パッケ
ージ５０、６０内の一対のホール素子（図示せず）に対
し、二対の永久磁石８、９を個別に配設したものであ
り、このようにすれば両ホール素子間の偏角を自由（例
えば平行）とすることができる。 （実施例４）他の実施例を図１２に示す。

【００３１】この実施例は、実施例１の径方向並設方式
において、パッケージ５０、６０、７０を径方向に所定
の偏角（２５度）を設けて並設したものであり、このた
めに、支持体４の頂部は、２個の三角柱を軸方向へ並ん
で立設した形状としてある。このようにして、スロット
ル角度０〜２０度でパッケージ５０のホール素子の出力
電圧Ｖｏ１を選択し、スロットル角度２０〜５０度でパ
ッケージ６０のホール素子の出力電圧Ｖｏ１を選択し、
スロットル角度５０〜８５度でパッケージ７０のホール
素子の出力電圧Ｖｏ３を選択すれば、感度のばらつきを
更に一層低減することができる。 （実施例５）他の実施例を図１１に示す。

【００３２】この実施例は、図５の回路に対し、マルチ
プレクサ５４の切り換え制御信号（選択制御信号）の形
成だけが異なっている。すなわち、この実施例では、セ
ンスアンプ５１、６１でゲイン補正され、レベルシフト
回路５３、６３でオフセット補正された出力電圧Ｖ１、
Ｖ２の大小をコンパレータ５５で検出し、Ｖ１＞Ｖ２の
時にハイレベルを出力してＶ１を選択し、逆の場合にロ
ーレベルを出力してＶ２を選択する。

【００３３】このようにすれば、切り換え前後でオフセ
ットが生じることが無いという優れた効果を奏する。な
お上記説明において、感磁性半導体素子としてホール素
子５、６を採用したが、半導体磁気抵抗素子を採用して
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体回転角度センサを適用したスロ
ットル角度センサの一例を示す軸方向の断面図である。

【図２】図２は図１のセンサのＡ−Ａ線矢視の径方向の
断面図である。

【図３】図３はそのホール素子部分の拡大径方向断面図
である。

【図４】図４は図３の模式図である。

【図５】図１のセンサの信号処理回路を示すブロック回
路図である。

【図６】（ａ）はホール素子の振幅と交差角との関係を
示す波形図である。（ｂ）はセンスアンプの出力電圧Ｖ
ｏ１、Ｖｏ２とロータ回転角度（ホール素子６の主面と
平行磁界との交差角に等しい）θ及びスロットル角度と
の関係を示す部分波形図である。

【図７】レベルシフト回路の出力電圧Ｖ１、Ｖ２及び合
成出力電圧Ｖとスロットル角度との関係を示す波形図で
ある。（ｂ）はセンスアンプの出力電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２
とロータ回転角度（ホール素子６の主面と平行磁界との
交差角に等しい）θ及びスロットル角度との関係を示す
部分波形図である。

【図８】実施例２の半導体回転角度センサの斜視図であ
る。

【図９】実施例３の半導体回転角度センサの模式径方向
断面図である。

【図１０】実施例３の半導体回転角度センサの模式斜視
図である。

【図１１】実施例４の半導体回転角度センサの模式径方
向断面図である。

【図１２】実施例４のセンサの信号処理回路を示すブロ
ック回路図である。

【符号の説明】

４は支持体、４４、４５は基板搭載面、５０は第１のホ
ール素子（感磁性半導体素子）が形成された半導体基板
を収容するパッケージ、５４はアナログマルチプレクサ
（選択手段）、５２、６２はゲイン補正アンプ（補正手
段の一部）、５３、６３はレベルシフト回路（補正手段
の残部）、６０は第２のホール素子（感磁性半導体素
子）が形成された半導体基板を収容するパッケージ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに所定角度ずれた複数の基板搭載面を
   有する偏角指定用の支持体と、 それぞれ感磁性半導体素子が形成されるとともに前記各
   基板搭載面に個別に固定される複数の半導体基板と、 前記半導体基板の主面に平行な回転軸心を中心として前
   記半導体基板に対して相対回動するとともに前記各感磁
   性半導体素子に平行磁界を印加する磁界発生手段と、 所定の回動角度範囲毎に前記各感磁性半導体素子の出力
   電圧の一つを選択するとともに、少なくとも１つの回動
   角度範囲において前記平行磁界と前記各感磁性半導体素
   子との間の各交差角の絶対値が最も小さい感磁性半導体
   素子の出力電圧を選択して出力する選択手段と、 前記各感磁性半導体素子の出力電圧をそれぞれ補正する
   ことにより、前記平行磁界と前記半導体基板との間の角
   度に対する前記選択手段の出力電圧の大きさの変化を略
   連続化する補正手段と、 を備えることを特徴とする半導体回転角度センサ。
2. 【請求項２】前記選択手段は、前記各回動角度範囲毎に
   前記交差角が最も小さい感磁性半導体素子の出力電圧を
   選択するものである請求項１記載の半導体回転角度セン
   サ。
3. 【請求項３】前記補正手段は、前記各感磁性半導体素子
   の出力電圧のゲインと直流オフセット電圧とをそれぞれ
   異なる値に設定するものである請求項１記載の半導体回
   転角度センサ。
4. 【請求項４】前記支持体の前記各基板搭載面は、前記磁
   界発生手段の相対回動のための軸心に直角な面内に配設
   される請求項１記載の半導体回転角度センサ。
5. 【請求項５】前記支持体の前記各基板搭載面は、前記磁
   界発生手段の相対回動のための軸心に沿って所定距離離
   れて配設される請求項１記載の半導体回転角度センサ。