JP2006071623A

JP2006071623A - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP2006071623A
Application number: JP2005151589A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ohira; 聡大平
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: DE102005037425A1; JP4039436B2; US7391207B2; US20060028204A1

Abstract

【課題】回転する磁界の回転角をホール素子により高精度で検出することができ、小型で安価に製造することのできる回転角検出装置を提供する。
【解決手段】回転する磁界（磁束密度Ｂ）の回転角を検出する回転角検出装置１００であって、半導体基板１の一方の表面に、回転する磁界に対して、互いに異なる位相の信号を出力するように複数個のホール素子１０が配置され、回転角の検出にあたって複数個のホール素子１０を切り替え、回転角に対する出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を選択して、回転角を検出する回転角検出装置１００とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、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。

回転する磁界の回転角を検出する回転角検出装置が、Transducers 93’, 1993 The 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, p.892-895（非特許文献１）および特開平４−３０２４０６号公報（特許文献１）に開示されている。

図１３（ａ），（ｂ）は、特許文献１に開示された回転角検出装置９０の模式図で、図１３（ａ）は、回転角検出装置９０の上視図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。

図１３（ａ），（ｂ）に示す回転角検出装置９０は、半導体基板１の表面に溝１ｔが形成され、溝１ｔの斜面に２個のホール素子を有する磁気検出装置である。回転角検出装置９０においては、｛１００｝面方位のｐ型のシリコン基板１に、平面の形状が略正方形で、深さ１００μｍ程度の深い溝１ｔが、ウェットエッチングにより形成されている。溝１ｔにおいて｛１１１｝面方位を有し対向する２つの斜面には、それぞれ、ホールプレート部であるｎ型の低濃度不純物拡散領域２ａ，２ｂが形成されている。このように、回転角検出装置９０における２個のホール素子は、半導体基板１の表面に設けられた溝１ｔの斜面に平行にホールプレート部が形成され、キャリアが斜面に平行方向に流れる傾斜型ホール素子である。

また、回転角検出装置９０には、ホール素子２ａ，２ｂに接続する電極配線として、ｎ型の高濃度不純物拡散領域４が形成されている。尚、図１３（ｂ）に示す符号３ｐはポリシリコン膜で、ホール素子である低濃度不純物拡散領域２ａ，２ｂをトランジスタとして用いる時のゲート電極である。図１３（ａ）では、簡単化のためポリシリコン膜３ｐの図示を省略しており、ゲート電極配線Ｇａ，Ｇｂのみを図示している。

対向する斜面にホール素子２ａ，２ｂが形成された回転角検出装置９０では、図１３（ｂ）に示すように、Ａ−Ａ断面に平行な磁界Ｂ_０が印加されると、斜面に直角な方向の磁界成分Ｂ_ａ，Ｂ_ｂが各ホール素子２ａ，２ｂに印加される。バイアス電流Ｉ_ａ，Ｉ_ｂが流れる各ホール素子２ａ，２ｂでは、磁界成分Ｂ_ａ，Ｂ_ｂに比例する電圧（ホール電圧）が発生し、位相の異なる２つの出力電圧Ｖ_ａ，Ｖ_ｂとして検出される。この位相の異なる２つの出力電圧Ｖ_ａ，Ｖ_ｂについて、ａｒｃｔａｎ演算等の演算処理をすることで、Ａ−Ａ断面において回転する磁界Ｂ_０の回転角を３６０度の範囲に渡って検出することができる。
Transducers 93’, 1993 The 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, p.892-895 特開平４−３０２４０６号公報

図１３（ａ），（ｂ）に示す回転角検出装置９０は、回転する磁界の回転角を３６０度の範囲に渡って検出可能であるが、上記した位相の異なる２つの出力電圧Ｖ_ａ，Ｖ_ｂについて、ａｒｃｔａｎ演算等の複雑な演算処理が必要である。このため、演算回路の回路規模が大きくなって、回転角検出装置９０のコストアップ要因となってしまう。特に、高速で精度が高い回転角検出になるほど大規模な演算回路が必要で、チップ面積が大きくなり装置が大型化すると共に、製造コストが増大する。

そこで本発明は、回転する磁界の回転角をホール素子により高精度で検出することができ、小型で安価に製造することのできる回転角検出装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、回転する磁界の回転角を検出する回転角検出装置であって、半導体基板の一方の表面に、前記回転する磁界に対して、互いに異なる位相の信号を出力するように複数個のホール素子が配置され、前記回転角の検出にあたって前記複数個のホール素子を切り替え、回転角に対する出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を選択して、回転角を検出することを特徴としている。

当該回転角検出装置では、各ホール素子において検出誤差が小さい直線的な出力特性領域を利用し、それら複数個のホール素子を切り替えて回転角を検出する。このため、回転角の検出にあたってはａｒｃｔａｎ演算等の複雑な演算処理は不要であり、演算回路の回路規模が小さくなる。従って、当該回転角検出装置は、小型で安価に製造することができ、且つ高精度な回転角検出装置とすることができる。

上記回転角検出装置は、例えば請求項２に記載のように、前記回転する磁界が前記半導体基板の面内で回転する磁界であり、前記ホール素子が縦型ホール素子もしくは傾斜型ホール素子とした構成により実現することができる。

半導体基板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の表面に垂直方向に流れる縦型ホール素子、もしくは半導体基板の表面に設けられた溝の斜面に平行にホールプレート部が形成され、キャリアが斜面に平行方向に流れる傾斜型ホール素子は、半導体基板の面内方向の磁界成分変化に対して、出力電圧（ホール電圧）が変化する。従って、これら縦型ホール素子もしくは傾斜型ホール素子を、半導体基板の一方の表面に複数個配置することで、半導体基板の面内で回転する磁界に対して上記のように出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を順次選択して、回転する磁界の回転角を検出することができる。

請求項３に記載の発明は、前記複数個のホール素子が、前記回転する磁界の回転中心の周りに、リング状に等角度で配置されてなることを特徴としている。これにより、３６０度の範囲に渡って、回転する磁界の回転角を検出することができる。

請求項４に記載の発明は、前記複数個のホール素子が、前記回転する磁界の回転中心の周りに、リング状に等角度で配置される複数個のホール素子と、当該リング状に配置されるホール素子と別位置に配置されるホール素子とからなることを特徴としている。

これによれば、リング状に配置されるホール素子からの信号と別位置に配置されるホール素子からの信号を比較することで、別位置に配置されるホール素子からの信号を基準（例えば０°）として、３６０°の範囲で絶対角度を検出することができる。従って、例えば、当該回転角検出装置の電源を切った後、磁界が回転し、再び電源を入れた際に磁界がどれだけ回転しているかを判別する機能を持たせることも可能である。

請求項５に記載のように、前記リング状に配置されるホール素子は、３個以上、１２個以下であることが好ましい。

３６０度の回転角の検出を複数個のホール素子で分担するにあたって、３個のホール素子で分担する場合には、１個のホール素子の分担角度範囲は１２０度（±６０度）となり、各ホール素子において出力特性がほぼ直線的な領域を利用することができる。リング状に配置するホール素子の個数を増すほど、１個のホール素子の分担角度範囲は狭くなり、出力特性の直線的が向上するが、ホール素子の切り替えが煩雑になる。１２個のホール素子があれば、１個のホール素子の分担角度範囲は３０度（±１５度）となり、各ホール素子において十分な直線性が得られて、高精度な３６０度の回転角検出が可能である。

請求項６に記載の回転角検出装置は、前記半導体基板が、｛１００｝面方位のシリコン基板であり、前記ホール素子が、前記回転中心から＜０１０＞方位と＜００１＞方位に、４個配置されてなることを特徴としている。また請求項７に記載の回転角検出装置は、前記半導体基板が、｛１００｝面方位のシリコン基板であり、前記ホール素子が、前記回転中心から＜０１１＞方位と＜０−１１＞方位に、４個配置されてなることを特徴としている。

ホール素子の出力電圧（ホール電圧）はキャリアの移動度に比例するが、この移動度は半導体基板の面方位によって異なる。上記２通りのホール素子配置の場合には、４個のホール素子においてキャリアの移動度が一定であるため、４個のホール素子の特性を揃えることができ、精度の高い回転角検出が可能となる。特に、請求項６に記載のホール素子配置の場合には、最大の移動度を利用した配置となるため、高感度の回転角検出が可能となる。

請求項８に記載の発明は、前記半導体基板を貫通する複数個の貫通穴が、前記リングに隣接する外側に、前記回転中心に対して回転対称に配置されてなることを特徴としている。

このリングに隣接する外側に回転対称に配置された複数個の貫通穴によって、リング状に配置されるホール素子を周囲から分離することができ、ホール素子に加わる応力の影響を低減することができる。従って、例えば、パッケージなどの応力によるホール素子のオフセット電圧を低減することができる。

請求項９に記載のように、前記回転角検出装置においては、前記リングの内部に、前記複数個のホール素子からの信号を切り替え処理する信号処理回路を配置することができる。これにより、前記信号処理回路と複数個のホール素子との配線を短くすると共に、当該回転角検出装置全体の占有面積を低減することができる。

逆に、請求項１０に記載のように、前記リングの外部に、前記複数個のホール素子からの信号を切り替え処理する信号処理回路が配置してもよい。この場合には、平行磁界領域が狭い場合であっても、位置ズレの影響が出にくく、測定精度の確保が容易となる。

また、請求項１１に記載のように、前記複数個のホール素子が、当該複数個のホール素子からの信号を切り替え処理する信号処理回路の空きスペースに分散配置されてなるように構成することも可能である。これによれば、チップ面積を効率的に利用することができ、チップ面積を小さくすることができる。

請求項１２に記載のように、前記信号処理回路における前記信号の切り替え処理は、例えば、スイッチ回路、マルチプレクサ回路またはデマルチプレクサ回路を用いて行うことができる。

請求項１３に記載のように、前記信号処理回路は、例えば、前記ホール素子のオフセット電圧調整および／または出力電圧調整のための回路を含むように構成することができる。

請求項１４に記載のように、上記オフセット電圧調整および／または出力電圧調整には、例えば、前記ホール素子に接続された抵抗の抵抗値調整を用いることができる。上記抵抗値調整には、請求項１５に記載のように、例えば、薄膜抵抗のトリミング、ヒューズによる接続抵抗の切断またはツェナーザップによる抵抗回路の短絡を用いることができる。上記抵抗値調整は、ウェハ段階で行ってもよいし、アッセンブリとして組み付けられた後に行ってもよい。

また、請求項１６に記載のように、上記オフセット電圧調整および／または出力電圧調整には、前記ホール素子のオフセット電圧および／または出力電圧に対するメモリデータを用いた演算処理調整を用いることもできる。上記メモリデータは、請求項１７に記載のように、例えば、ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭもしくはフラッシュメモリまたはＳＲＡＭもしくはＤＲＡＭに記憶させることができる。

請求項１８に記載のように、前記信号処理回路は、例えば、前記複数個のホール素子に対するスピニングカレント回路またはチョッパ回路を含むように構成してもよい。これによっても、前記リング状に配置されるホール素子のオフセット電圧を互いにキャンセルさせることができる。

上記複数個のホール素子を切り替え、回転角に対する出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を選択して回転角を検出する回転角検出装置は、請求項１９に記載のように、前記回転する磁界が前記半導体基板の表面に垂直な面内で回転する磁界であり、前記複数個のホール素子が、横型ホール素子、縦型ホール素子および傾斜型ホール素子のうち、２種類以上のホール素子の組み合わせであるように構成することもできる。

半導体基板の表面に平行にホールプレート部が形成され、キャリアが半導体基板の表面に平行方向に流れる横型ホール素子、および上記した縦型ホール素子と傾斜型ホール素子は、半導体基板の表面に垂直な面内で回転する磁界に対して、それぞれ検出感度を有している。従って、横型ホール素子、縦型ホール素子および傾斜型ホール素子のうち、２種類以上のホール素子を組み合わせて半導体基板の一方の表面に複数個配置することで、半導体基板の表面に垂直な面内で回転する磁界に対して上記のように出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を選択して、回転する磁界の回転角を検出することができる。従って、この場合にも、小型で安価に製造することのできる高精度な回転角検出装置とすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

最初に、ホール素子について簡単に説明する。

図１（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、磁束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１（ａ）に示すように、ホール素子２０の厚さをｄとし、端子Ｔ_ｉ間に電流Ｉを流した状態で、ホール素子２０に直交する磁束密度Ｂの磁界を印加した時に、出力端子Ｔ_ｖ間に発生する出力電圧（ホール電圧）をＶ_Ｈとする。この時、図中の（１）式が成り立つ。（１）式におけるＲ_ｈ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１（ｂ）に示すように、磁界が回転してホール素子２０の面方向と磁束密度Ｂのなす角度（ホール角θ）が変わると、出力電圧Ｖ_Ｈが図中の（２）式のようにｃｏｓθを乗じた式に変化する。従って、図のようにＮ、Ｓの磁石の間にホール素子２０を配置し、磁石または素子を回転させた場合には、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（磁束密度Ｂ）の回転角を検出することができる。

半導体基板に形成するホール素子は、半導体基板面に対するキャリアの流れ方向で、３つの種類に分類することができる。図１３（ａ），（ｂ）では、半導体基板の表面に設けられた溝の斜面に平行にホールプレート部が形成され、キャリアが斜面に平行方向に流れる傾斜型ホール素子を説明した。

図２（ａ），（ｂ）は、一般的によく用いられる横型ホール素子の一例を示す図で、図２（ａ）は、横型ホール素子２１の上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

横型ホール素子は、半導体基板の表面に平行にホールプレート部が形成され、キャリアが半導体基板の表面に平行方向に流れるホール素子である。図２（ａ），（ｂ）に示す横型ホール素子２１では、半導体基板１の表面に平行にｎ型の低濃度拡散領域（ｎ−）であるホールプレート部２ｙが形成されている。キャリアは、図２（ｂ）中に点線矢印で示したように端子Ｔ_ｉ間を半導体基板１の表面に平行方向に流れ、ホールプレート部２ｙに直交する磁界により発生する出力電圧（ホール電圧）Ｖ_Ｈを、端子Ｔ_ｖ間で検出する。

図３（ａ），（ｂ）は、縦型ホール素子の一例を示す図で、図３（ａ）は、縦型ホール素子２２の上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

縦型ホール素子は、半導体基板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の表面に垂直方向に流れるホール素子である。図３（ａ），（ｂ）に示す縦型ホール素子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、半導体基板１の表面に垂直にホールプレート部２ｔが形成される。キャリアは、図３（ｂ）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Ｔ_ｉ０−Ｔ_ｉ１間および端子Ｔ_ｉ０−Ｔ_ｉ２間を半導体基板１の表面に垂直方向に流れる。尚、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）Ｖ_Ｈを、端子Ｔ_ｖ間で検出する。

縦型ホール素子は、図３（ａ），（ｂ）に示す縦型ホール素子２２に限らず、種々の構造をとり得る。例えば、形態をもちいるバリエーションが考えられる。例えば、ｎ型の高濃度埋め込み層４ｕをなくし、端子Ｔ_ｉ０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Ｔ_ｉ１，Ｔ_ｉ２に到達するようにしてもよい。ｐ型の高濃度層４ｂによる接合分離なく、トレンチ分離したものであってもよい。また、図３（ａ），（ｂ）に示す縦型ホール素子２２では、端子Ｔ_ｉ１，Ｔ_ｉ２を設けて、端子Ｔ_ｉ０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。

次に、上記ホール素子を用いた本発明の回転角検出装置を説明する。

（第１の実施形態）
図４（ａ）は、本実施形態の回転角検出装置１００の模式的な上面図である。図４（ｂ）は、回転角検出装置１００を構成する各ホール素子１０について、磁界の回転角度と出力電圧の関係を示す図である。

図４（ａ）に示す回転角検出装置１００は、図中に太線矢印で示した、半導体基板１の面内で回転する磁界（磁束密度Ｂ）の回転角を検出する回転角検出装置である。図４（ａ）の回転角検出装置１００では、半導体基板１の一方の表面に、回転する磁界に対して互いに異なる位相の信号を出力するように、８個のホール素子１０が、回転する磁界の回転中心Ｃの周りにリング状に等角度で配置されている。８個のホール素子１０として、具体的には、図３（ａ），（ｂ）で説明した縦型ホール素子、もしくは図１３（ａ），（ｂ）で説明した傾斜型ホール素子を用いられる。尚、傾斜型ホール素子を用いる場合には、図１３（ａ），（ｂ）のように２個のホールプレート部が配置されている必要はなく、溝の一つの斜面にホールプレート部が１個配置されていればよい。

図４（ａ）の回転角検出装置１００では、回転する磁界の回転角の検出にあたって、８個のホール素子１０を切り替え使用する。８個のホール素子１０は縦型ホール素子もしくは傾斜型ホール素子であり、これら縦型ホール素子もしくは傾斜型ホール素子は、半導体基板１の面内方向の磁界成分変化に対して、出力電圧（ホール電圧）が変化する。具体的には、各ホール素子１０は、回転する磁界に対して、図４（ｂ）に示すような正弦波形状の出力電圧特性を有している。上記８個のホール素子１０の切り替えにあたっては、各ホール素子１０に対して、図４（ｂ）に示すような最大判定値と最小判定値を設け、両端矢印で示した回転角に対する出力特性が直線的な領域にあるホール素子を選択する。回転角検出装置１００における８個のホール素子１０は、磁界の回転中心Ｃの周りにリング状に等角度で配置されているため、それぞれのホール素子１０は、４５度ずつ位相のずれた図４（ｂ）に示す信号を同時に出力している。従って、図４（ｂ）の両端矢印で示した角度範囲を４５度として、この角度範囲内にあるホール素子１０を順次選択していき、これら順次選択されたホール素子１０の出力電圧値から、回転する磁界の回転角を３６０度の範囲に渡って検出することができる。

上記したように、図４（ａ）の回転角検出装置１００では、各ホール素子１０において検出誤差が小さい直線的な出力特性領域を利用して回転角を検出するため、高精度な回転角検出装置とすることができる。また、回転角検出装置１００では、８個のホール素子１０を切り替えて回転角を検出するため、回転角の検出にあたってはａｒｃｔａｎ演算等の複雑な演算処理は不要であり、演算回路の回路規模が小さくなる。従って、図４（ａ）の回転角検出装置は、小型で安価な回転角検出装置とすることができる。

図４（ａ）の回転角検出装置１００では、８個のホール素子１０がリング状に配置されていたが、リング状に配置されるホール素子１０は、２個以上の任意個数であってよいが、３個以上、１２個以下が好適である。３６０度の回転角の検出を複数個のホール素子１０で分担するにあたって、３個のホール素子１０で分担する場合には、１個のホール素子１０の分担角度範囲は１２０度（±６０度）となり、各ホール素子１０において出力特性がほぼ直線的な領域を利用することができる。リング状に配置するホール素子１０の個数を増すほど、１個のホール素子１０の分担角度範囲は狭くなり、出力特性の直線的が向上するが、ホール素子１０の切り替えが煩雑になる。１２個のホール素子１０があれば、１個のホール素子１０の分担角度範囲は３０度（±１５度）となり、各ホール素子１０において十分な直線性が得られて、高精度な３６０度の回転角検出が可能である。

図５（ａ），（ｂ）は、別の回転角検出装置１０１，１０２の模式的な上面図である。

図５（ａ），（ｂ）に示す回転角検出装置１０１，１０２では、前記縦型もしくは傾斜型のホール素子１０が、｛１００｝面方位のシリコン基板１ｓにおける一方の表面上に４個配置されている。図５（ａ）の回転角検出装置１０１では、４個のホール素子１０が回転中心から＜０１０＞方位と＜００１＞方位に配置され、図５（ｂ）の回転角検出装置１０２では、４個のホール素子１０が回転中心から＜０１１＞方位と＜０−１１＞方位に配置されている。

ホール素子１０の出力電圧（ホール電圧）はキャリアの移動度に比例するが、この移動度は半導体基板１の面方位によって異なる。図５（ａ），（ｂ）の回転角検出装置１０１，１０２では、４個のホール素子１０においてキャリアの移動度が一定であるため、４個のホール素子１０の特性を揃えることができ、精度の高い回転角検出が可能となる。特に、図５（ａ）の回転角検出装置１０１においては、最大の移動度を利用した配置となるため、高感度の回転角検出が可能となる。

図６は、別の回転角検出装置１０３の模式的な上面図である。

図６に示す回転角検出装置１０３では、前記縦型もしくは傾斜型の８個のホール素子１０からの信号を切り替え処理する、図中に破線で囲った信号処理回路３０が配置されている。この信号処理回路３０における信号の切り替え処理は、例えば、スイッチ回路、マルチプレクサ回路またはデマルチプレクサ回路を用いて行うことができる。

信号処理回路３０は、例えば、ホール素子１０のオフセット電圧調整および／または出力電圧調整のための回路を含むように構成することができる。このオフセット電圧調整および／または出力電圧調整には、例えば、ホール素子１０に接続された抵抗の抵抗値調整を用いることができる。この抵抗値調整には、例えば、薄膜抵抗のトリミング、ヒューズによる接続抵抗の切断またはツェナーザップによる抵抗回路の短絡を用いることができる。これら抵抗値調整は、ウェハ段階で行ってもよいし、アッセンブリとして組み付けられた後に行ってもよい。

また、上記オフセット電圧調整および／または出力電圧調整には、ホール素子１０のオフセット電圧および／または出力電圧に対するメモリデータを用いた演算処理調整を用いることもできる。このメモリデータは、例えば、ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭもしくはフラッシュメモリまたはＳＲＡＭもしくはＤＲＡＭに記憶させることができる。

さらに、信号処理回路３０は、例えば、８個のホール素子１０に対するスピニングカレント回路またはチョッパ回路を含むように構成してもよい。これらの回路を用いて、ホール素子１０の電流端子と電圧端子を順次切り替えて得られた出力電圧を演算することで、リング状に配置されるホール素子１０のオフセット電圧を互いにキャンセルさせることができる。

図６の回転角検出装置１０３では、リングの内部に、信号処理回路３０が配置されている。これにより、信号処理回路３０をリングの外部に配置する場合に較べて、信号処理回路３０と８個のホール素子１０との配線を短くすると共に、全体の占有面積を低減することができる。

尚、図４〜６に示した回転角検出装置１００〜１０３は、一方向に連続的に回転する磁界だけでなく、時計回りと反時計回りの両方向に任意の角度範囲を往復回転する磁界に対しても適用可能である。

図７は、別の回転角検出装置１０４の模式的な上面図である。

図６の回転角検出装置１０３では、リングの内部に信号処理回路３０が配置されていたのに対し、図７の回転角検出装置１０４では、前記縦型もしくは傾斜型の８個のホール素子１０からの信号を切り替え処理する、図中に破線で囲った信号処理回路３１が、リングの外部に配置されている。図７の回転角検出装置１０４では、平行磁界領域が狭い場合であっても、位置ズレの影響が出にくく、測定精度の確保が容易となる。

図８は、別の回転角検出装置１０５の模式的な上面図である。

図８の回転角検出装置１０５では、図７の回転角検出装置１０４に対して、半導体基板１を貫通する４個の貫通穴ｈが、ホール素子１０からなるリングに隣接する外側に、回転中心Ｃに対して回転対称に追加配置されている。この４個の貫通穴ｈによって、リング状に配置されるホール素子１０を周囲から分離することができ、ホール素子１０に加わる応力の影響を低減することができる。従って、例えば、パッケージなどの応力によるホール素子１０のオフセット電圧を低減することができる。尚、貫通穴ｈは、回転中心Ｃに対して回転対称に配置されていれば、４個に限らず任意の複数個であってよい。

図９は、別の回転角検出装置１０６の模式的な上面図である。

図９の回転角検出装置１０６では、図７の回転角検出装置１０４に対して、リング状に配置されるホール素子１０と別位置に、ホール素子１１，１２が追加配置されている。このホール素子１１，１２からの信号とリング状に配置されるホール素子１０からの信号を比較することで、例えばホール素子１１からの信号を０°の基準とし、ホール素子１２からの信号を１８０°の基準として、３６０°の範囲で絶対角度を検出することができる。従って、例えば、図９の回転角検出装置１０６の電源を切った後、磁界が回転し、再び電源を入れた際に磁界がどれだけ回転しているかを判別する機能を持たせることも可能である。尚、貫通穴ｈは、回転中心Ｃに対して回転対称に配置されていれば、４個に限らず任意の複数個であってよい。尚、リング状に配置されるホール素子１０と別位置に配置されるホール素子は２個に限らず、１個でも任意の複数個であってもよい。

図１０は、別の回転角検出装置１０７の模式的な上面図である。

図１０の回転角検出装置１０７では、複数個のホール素子１３が、信号処理回路３２の空きスペースに分散配置されている。図１０の回転角検出装置１０７では、半導体基板１のチップ面積を効率的に利用することができ、チップ面積を小さくすることができる。

（第２の実施形態）
第１実施形態の回転検出装置１００〜１０３は、複数個のホール素子１０を切り替え、半導体基板１の面内で回転する磁界に対して、出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を選択して回転角を検出する回転角検出装置であった。本実施形態は、半導体基板の表面に垂直な面内で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。

図１１（ａ）〜（ｃ）および図１２は、本実施形態の回転角検出装置を示す例で、それぞれ、回転角検出装置２００〜２０３における部分的な断面を模式的に示した斜視図である。

図１１（ａ）〜（ｃ）および図１２に示す回転角検出装置２００〜２０３は、いずれも半導体基板１の表面に垂直な面内で回転する磁界（磁束密度Ｂ）を検出する回転角検出装置である。図１１（ａ）に示す回転角検出装置２００は、図２（ａ），（ｂ）で説明した横型ホール素子２１と図３（ａ），（ｂ）で説明した縦型ホール素子２２の２種類のホール素子の組み合わせで構成されている。図１１（ｂ）に示す回転角検出装置２０１は、図１３（ａ），（ｂ）で説明した傾斜型ホール素子２３と横型ホール素子２１の２種類のホール素子の組み合わせで構成されている。図１１（ｃ）に示す回転角検出装置２０２は、傾斜型ホール素子２３と縦型ホール素子２２の２種類のホール素子の組み合わせで構成されている。また、図１２に示す回転角検出装置２０３は、傾斜型ホール素子２３、横型ホール素子２１および縦型ホール素子２２の３種類のホール素子の組み合わせで構成されている。

図１１（ａ）〜（ｃ）および図１２に示す回転角検出装置２００〜２０３においても、第１実施形態の場合と同様にして、各回転角検出装置２００〜２０３を構成している複数個のホール素子２１〜２３を切り替え使用する。横型ホール素子２１、縦型ホール素子２２および傾斜型ホール素子２３は、半導体基板１の表面に垂直な面内方向の磁界成分変化に対して、出力電圧（ホール電圧）が変化し、半導体基板１の表面に垂直な面内で回転する磁界（磁束密度Ｂ）に対して、それぞれ検出感度を有している。図１１（ａ）〜（ｃ）および図１２の回転角検出装置２００〜２０３では、横型ホール素子２１、縦型ホール素子２２および傾斜型ホール素子２３のうち、２種類以上のホール素子が組み合わされて、半導体基板１の一方の表面に配置されている。回転角検出装置２００〜２０３における各ホール素子２１〜２３は、それぞれ、半導体基板１の表面に垂直な面内で回転する磁界に対して互いに異なる位相の信号を出力する。従って、第１実施形態の場合と同様にして、出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子２１〜２３を選択して、回転する磁界の回転角を検出することができる。このため、図１１（ａ）〜（ｃ）および図１２に示す回転角検出装置２００〜２０３は、半導体基板の表面に垂直な面内で回転する磁界の回転角を検出する、小型で安価に製造することのできる高精度な回転角検出装置とすることができる。

尚、図１１（ｂ），（ｃ）および図１２の傾斜型ホール素子２３では、溝の斜面に２個のホールプレート部が配置されているが、溝の一つの斜面にホールプレート部が１個配置された傾斜型ホール素子であってもよい。また、図１１，８に示した回転角検出装置２００〜２０３では、横型ホール素子、縦型ホール素子および傾斜型ホール素子のうち、２種類以上のホール素子が、それぞれ１個ずつ組み合わされているが、組み合わせる各種類のホール素子の個数は、２個以上であってよい。さらに、図１１，８に示した回転角検出装置２００〜２０３は、一方向に連続的に回転する磁界だけでなく、時計回りと反時計回りの両方向に任意の角度範囲を往復回転する磁界に対しても適用可能である。

（ａ），（ｂ）は、一般的なホール素子の動作原理を示す図である。横型ホール素子の一例を示す図で、（ａ）は横型ホール素子の上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。縦型ホール素子の一例を示す図で、（ａ）は縦型ホール素子の上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。（ａ）は、第１実施形態の回転角検出装置の模式的な上面図であり、（ｂ）は、回転角検出装置を構成する各ホール素子について、磁界の回転角度と出力電圧の関係を示す図である。（ａ），（ｂ）は、第１実施形態における別の回転角検出装置の模式的な上面図である。第１実施形態における別の回転角検出装置の模式的な上面図である。第１実施形態における別の回転角検出装置の模式的な上面図である。第１実施形態における別の回転角検出装置の模式的な上面図である。第１実施形態における別の回転角検出装置の模式的な上面図である。第１実施形態における別の回転角検出装置の模式的な上面図である。（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態の回転角検出装置を示す例で、回転角検出装置における部分的な断面を模式的に示した斜視図である。第２実施形態の回転角検出装置を示す例で、回転角検出装置における部分的な断面を模式的に示した斜視図である。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視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。

符号の説明

９０，１００〜１０７，２００〜２０３回転角検出装置
１０〜１３ホール素子
２１横型ホール素子
２２縦型ホール素子
２３傾斜型ホール素子
１半導体基板
１ｓ｛１００｝面方位のシリコン基板
３０〜３２信号処理回路
Ｃ磁界の回転中心
ｈ貫通穴

Claims

回転する磁界の回転角を検出する回転角検出装置であって、
半導体基板の一方の表面に、前記回転する磁界に対して、互いに異なる位相の信号を出力するように複数個のホール素子が配置され、
前記回転角の検出にあたって前記複数個のホール素子を切り替え、回転角に対する出力特性がほぼ直線的な領域にあるホール素子を選択して、回転角を検出することを特徴とする回転角検出装置。
前記回転する磁界が、前記半導体基板の面内で回転する磁界であり、
前記ホール素子が、縦型ホール素子もしくは傾斜型ホール素子であることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
前記複数個のホール素子が、
前記回転する磁界の回転中心の周りに、リング状に等角度で配置されてなることを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
前記複数個のホール素子が、
前記回転する磁界の回転中心の周りに、リング状に等角度で配置される複数個のホール素子と、当該リング状に配置されるホール素子と別位置に配置されるホール素子とからなることを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
前記リング状に配置されるホール素子が、３個以上、１２個以下であることを特徴とする請求項３または４に記載の回転角検出装置。
前記半導体基板が、｛１００｝面方位のシリコン基板であり、
前記ホール素子が、前記回転中心から＜０１０＞方位と＜００１＞方位に、４個配置されてなることを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。
前記半導体基板が、｛１００｝面方位のシリコン基板であり、
前記ホール素子が、前記回転中心から＜０１１＞方位と＜０−１１＞方位に、４個配置されてなることを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。
前記半導体基板を貫通する複数個の貫通穴が、
前記リングに隣接する外側に、前記回転中心に対して回転対称に配置されてなることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
前記リングの内部に、前記複数個のホール素子からの信号を切り替え処理する信号処理回路が配置されてなることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
前記リングの外部に、前記複数個のホール素子からの信号を切り替え処理する信号処理回路が配置されてなることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
前記複数個のホール素子が、当該複数個のホール素子からの信号を切り替え処理する信号処理回路の空きスペースに分散配置されてなることを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
前記信号の切り替え処理が、スイッチ回路、マルチプレクサ回路またはデマルチプレクサ回路を用いて行われることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
前記信号処理回路が、前記ホール素子のオフセット電圧調整および／または出力電圧調整のための回路を含むことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
前記オフセット電圧調整および／または出力電圧調整が、前記ホール素子に接続された抵抗の抵抗値調整によることを特徴とする請求項１３に記載の回転角検出装置。
前記抵抗値調整が、薄膜抵抗のトリミング、ヒューズによる接続抵抗の切断またはツェナーザップによる抵抗回路の短絡によることを特徴とする請求項１４に記載の回転角検出装置。
前記オフセット電圧調整および／または出力電圧調整が、前記ホール素子のオフセット電圧および／または出力電圧に対するメモリデータを用いた演算処理調整であることを特徴とする請求項１３に記載の回転角検出装置。
前記メモリデータが、ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭもしくはフラッシュメモリまたはＳＲＡＭもしくはＤＲＡＭに記憶されてなることを特徴とする請求項１６に記載の回転角検出装置。
前記信号処理回路が、前記複数個のホール素子に対するスピニングカレント回路またはチョッパ回路を含むことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
前記回転する磁界が、前記半導体基板の表面に垂直な面内で回転する磁界であり、
前記複数個のホール素子が、横型ホール素子、縦型ホール素子および傾斜型ホール素子のうち、２種類以上のホール素子の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。