JP4385911B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばスロットルバルブやステアリングホイール等の各種被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

この種の回転角度検出装置としては、ホール素子を用いて各種被検出回転体と非接触にてその回転角度を検出する回転角度検出装置が一般に知られている（例えば、特許文献１参照）。このような回転角度検出装置として、現在実用されている装置の一例を図１５に示す。

同図１５に示されるように、この回転角度検出装置は、ハウジングＨＧ内の図中上方に、ホール素子２０が内蔵されたモールドＩＣ（集積回路）２４を備えている。このモールドＩＣ２４は、同ハウジングＨＧ内に固定されているホルダＨＤに装着されており、図中その下方には、中心軸２５によって上記ホルダＨＤ（正確にはこれに装着されたモールドＩＣ２４）とのギャップが調整されて、同軸２５を中心に回動する円筒状の磁石２６が設けられている。この磁石２６は、ハウジングＨＧ内で回転軸２７の一端に連結されており、該回転軸２７の回動に伴って回動する構造となっている。また、この回転軸２７には、ハウジングＨＧの外部に延出された他端に歯車２８が設けられており、この歯車２８が、検出対象となる回転軸３１に装着されている歯車３２と噛合されている。このため、検出対象となる回転軸３１の回動がこれら歯車３２及び２８を介して上記回転軸２７に伝達され、ひいては該回転軸２７に連結されている上記磁石２６に伝達される。そしてこの際、該磁石２５の回動により、上記ホルダＨＤ近傍の磁界強度が変化することとなり、この磁界強度の変化に伴って上記モールドＩＣ２４に設けられているホール素子２０の出力電圧、すなわちホール電圧も変化する。すなわち、こうしたホール電圧の変化に基づいて上記検出対象となる回転軸３１の回転角度が検出されることとなる。なお、この回転角度検出装置が例えばスロットルセンサであった場合、上記回転軸３１はスロットルバルブの回動（駆動）軸となる。

図１６（ａ）及び（ｂ）は、こうした回転角度検出装置の上記ホルダＨＤを含めた主にホール素子２０と磁石２６との関係を模式的に示したものである。
図１６（ａ）にその側面構造を示すように、この装置では、上記ホール素子２０として、一般によく用いられている横型ホール素子を採用しており、この横型のホール素子２０を上記モールドＩＣ２４として樹脂モールドしたものを上記ホルダＨＤの上に立てるかたちで、同ホルダＨＤ上に接着剤等によって接着固定している。なお、ホルダＨＤにはガイドとなる凸部ＨＤａが設けられており、上記モールドＩＣ２４の接着固定に際しては、図１６（ｂ）にその平面構造を示すように、この凸部ＨＤａを基準として、２つのモールドＩＣ２４が互いに９０度の角度をもって配設されるようにしている。また、図１６（ａ）では便宜上、上記磁石２６に連結される回転軸２７が上記中心軸２５を兼ねるかたちで図示している。そして、同図１６（ａ）に示される態様で、磁石２６から発せられる磁束（磁界）が上記ホール素子２０に対して正確に入射されるようにホルダＨＤと磁石２６とのギャップが調整されることで、上記回転軸２７、ひいては検出対象となる回転軸３１の上述した態様での回転角度の検出が可能となる。
特開２００３−１４９０００公報

ところで、こうした回転角度検出装置にあっては上述のように、横型のホール素子２０を２個用いて、検出対象となる回転軸３１の回転角度を検出する構造であるため、それらホール素子２０は、ホルダＨＤに対して正確に９０度の角度をなすように配設される必要がある。そのため、ホルダＨＤにも上記凸部ＨＤａを設けて、こうしたホール素子２０（モールドＩＣ２４）の配設をガイドするようにしている。しかし、ホルダＨＤに対するホール素子２０（モールドＩＣ２４）の配設は上述のように、接着剤等を用いた接着によって行なわれている。このため、たとえ上記ガイドとなる凸部ＨＤａがあったとしても、例えば該凸部ＨＤａの面に沿って横方向にずれて接着されたり、あるいは接着剤の厚さのばらつきに起因して上記９０度の関係が正確に得られなかったりするなどの懸念がある。そして、これらホール素子２０の配設位置がずれたり、あるいは互いに９０度の関係が満たされない場合には、それらホール素子２０としての出力特性が悪化するなど、回転角度検出装置として信頼性を大きく損なうおそれもある。

また一方、こうした回転角度検出装置にあっては上述のように、磁石２６から発せられる磁束（磁界）がホール素子２０に正確に入射されるべく上記ホルダＨＤの表面に対して平行に作用してかつ、同磁石２６の回転中心とホルダＨＤ上に設けられた２つのホール素子２０の中心とが精度良く一致している必要がある。しかし、上記従来の回転角度検出装置にあっては、回転軸２７（中心軸２５）の先端とホルダＨＤの下面とが点接触にて当接される構造となっていることから、いわゆる中心ずれを生じやすく、この点も回転角度検出装置としての信頼性を損ねる要因の一つとなっている。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ホール素子を用いた回転角度検出装置として、検出対象とする回転軸の回転角度をより高い精度をもって検出することのできる回転角度検出装置を提供することにある。

こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ホール素子を備えるセンサ部に回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界を付与し、該付与される磁界の強度に対応して前記ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づき前記検出対象とする回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置として、前記センサ部には、前記ホール素子として、互いに９０度の関係をもって配されて半導体基板の基板面に水平な磁界成分を検出する少なくとも２つの縦型ホール素子を備えるとともに、前記センサ部と前記磁石との間には、前記磁石から発せられる磁界が前記半導体基板の基板面に平行に付与される状態を保ちつつ、前記各縦型ホール素子の中心点を通ってそれら素子の配設方向に直交する線が交差する前記センサ部としての中心に前記磁石の回動の中心を機械的に一致せしめる係合機構を備える構成とした。

回転角度検出装置としてのこのような構成によれば、ホール素子として縦型ホール素子を採用したことで、上記互いに９０度の関係をもって配されるホール素子を半導体基板中に正確に形成することができるようになるとともに、磁石から発せられる磁界が該半導体基板の基板面に平行に付与される状態を保ちつつ上記センサ部としての中心に磁石の回動の中心を機械的に一致せしめる係合機構を併せ備えるようにしたことで、正確に９０度の関係をもって配される上記縦型ホール素子と磁石との関係も常に適正に維持されるようになる。このため、ホール素子を用いた回転角度検出装置としての検出精度も、前記従来の装置とは異なり、自ずと高く維持されるようになる。

また、このような回転角度検出装置において、例えば請求項２に記載の発明によるように、前記センサ部についてはこれを、前記縦型ホール素子の形成された半導体基板がリードフレームと共々モールド樹脂によって樹脂モールドされたものとして形成するとともに、前記係合機構についてはこれを、前記モールド樹脂の前記半導体基板に平行な面の前記センサ部としての中心に対応する位置に設けられて前記磁石の回動の中心となる軸の先端が係合される凹部を備えるものとして構成することで、センサ部自体の構造を簡素化することができるとともに、上記機能を有する係合機構についても、これを極めて容易に実現することができるようになる。

またこの場合、請求項３に記載の発明によるように、前記係合機構を構成する前記モールド樹脂の凹部に、前記磁石の回動の中心となる軸の先端が係合される形状に加工された金属材料からなる軸受けを設けることとすれば、係合機構としての耐摩耗性が高められるようになり、さらに請求項４に記載の発明によるように、この金属材料からなる軸受けを前記リードフレームの一部として形成するようにすれば、同係合機構としての耐摩耗性を維持しつつ、部品点数の削減が図られるようにもなる。

また、請求項１に記載の回転角度検出装置においては、例えば請求項５に記載の発明によるように、前記センサ部についてはこれを、前記縦型ホール素子の形成された半導体基板がリードフレームと共々モールド樹脂によって樹脂モールドされたものとして形成するとともに、前記係合機構についてはこれ、前記モールド樹脂の前記半導体基板に平行な面に設けられて前記センサ部としての中心を中心点として形成された円状の凹部または凸部と、前記磁石の表面に設けられて同磁石の回動の中心を中心点として形成された円状の凸部または凹部とを備え、それら凹部または凸部と凸部または凹部との係合を通じて前記センサ部としての中心に前記磁石の回動の中心を機械的に一致せしめるものとして構成することもできる。この場合も、センサ部自体の構造を簡素化することができるとともに、特に係合機構については、その当接面積（係合面積）の好適な拡大が図られることともなることから、磁石から発せられる磁界が半導体基板の基板面に平行に付与される状態もより安定に保持されるようになる。

そしてこの場合、請求項６に記載の発明によるように、前記係合機構を構成する凸部を、複数の円弧に分断されるかたちで形成するようにすれば、係合機構としての上記構成にあっても、その静止摩擦を低減することが可能となり、あるいは請求項７に記載の発明によるように、前記係合機構を構成する凸部を、前記円状の軌跡中に設けられた１乃至複数の半球体として形成するようにすれば、こうした静止摩擦の低減効果もさらに高められるようになる。なお、請求項５に記載の構成も含めて、これらいずれの構成であれ、通常の型成形によって上記凹部あるいは凸部の形成が可能であり、その実現も容易である。

また、これらの回転角度検出装置において、請求項８に記載の発明によるように、前記互いに９０度の関係をもって配された各縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を差分演算する、すなわち「ｓｉｎθ−ｃｏｓθ」といった演算を行う演算手段をさらに備える構成とすれば、該回転角度検出装置の出力としてその直線性が大きく改善されるようになり、検出対象とする回転軸の回転角度の検出も、より容易かつ精度の高いものとすることができるようになる。なお、このような演算手段としては差動増幅器等を用いることができる。

（第１の実施の形態）
図１〜図４に、この発明にかかる回転角度検出装置の第１の実施の形態を示す。なお、この実施の形態にかかる回転角度検出装置も、その全体の構造は、先の図１５に例示した装置に準じたものとなっており、センサ部の構造と、該センサ部及び磁石間に新たに係合機構を設けた点が、同図１５に例示した装置と異なっている。

まず図１は、この実施の形態にかかる回転角度検出装置について、先の図１６（ａ）に対応する図として、センサ部の断面構造とともにその側面構造を模式的に示したものであり、はじめに図１を参照して、この回転角度検出装置の基本的な構造について説明する。

同図１に示されるように、この回転角度検出装置では、そのセンサ部に縦型ホール素子１０を採用しており、この縦型ホール素子１０の形成された半導体基板をＩＣ（集積回路）チップ１２として、外部との電気的な接続に用いられるリードフレーム１３と共々、モールド樹脂１４によって樹脂モールドしている。

ここで、上記縦型ホール素子１０は周知のように、ＩＣチップ１２の水平面（正確には半導体基板の基板面）に平行に入射される磁束（磁界）を検出して、その対応するホール電圧を出力する素子である。そしてこの実施の形態では、以下に説明するように、上記ＩＣチップ１２内にこうした縦型ホール素子１０を２個、互いに９０度の関係を持たせて配設するようにしている。なお、このような縦型ホール素子であれば、半導体製造プロセスを通じて、半導体基板中にこのような関係を正確に維持してこれを作り込むことも容易である。

また、上記リードフレーム１３は、こうした縦型ホール素子１０に駆動電流を供給すべく、またさらには、同縦型ホール素子１０の上記ホール電圧を取り出すべく外部に導出されており、実際には図示しないボンディングワイヤ等を介して上記ＩＣチップ１２に電気的に接続されている。

一方、この回転角度検出装置では、同図１に併せて示されるように、上記モールド樹脂１４の下面に、正確には互いに９０度の関係にて配設されている上記縦型ホール素子１０の中心点を通ってそれら素子の配設方向に直交する線が交差するセンサ部としての中心に相当する位置に、反球面状の凹部Ｄが形成されている。この凹部Ｄには、磁石１６の中心軸でもある回転軸１７の先端部が係合されるようになっており、これら凹部Ｄと該回転軸（中心軸）１７の先端部とで、この実施の形態の係合機構を構成している。そして、これら凹部Ｄ及び回転軸（中心軸）１７の係合を通じて、磁石１６の回動の中心が上記センサ部としての中心に機械的に一致した状態が維持されるようになる。なお、上記磁石１６が円筒状もしくは円形の磁石からなって、検出対象となる回転軸（図示略）の回動に伴って回動するようになることは前述の通りである。また、上記回転軸（中心軸）１７の先端部は滑らかな凸状（球面状）となっていて、モールド樹脂１４に形成されている上記凹部Ｄとの間での耐摩耗性が高められている。

図２は、こうした回転角度検出装置の特に上記縦型ホール素子１０（ＩＣチップ１２）と磁石１６との関係を側面図（図２（ａ））及び平面図（図２（ｂ））としてそれぞれ模式的に示したものであり、次に、この図２を参照して、この実施の形態の回転角度検出装置による角度検出原理について説明する。

この実施の形態の回転角度検出装置にあっては、先の図１５に例示した基本構造、並びに上記係合機構を通じて、図２（ａ）にその模式構造を示す態様で、上記縦型ホール素子１０（ＩＣチップ１２）に対する磁石１６の配置が決定される。

すなわち、磁石１６のＮ極側から発せられる磁力線が、ＩＣチップ１２の水平面に対して平行に入射されるようにしている。そして、このような状態で図２（ｂ）に示されるように磁石１６が回動すると、上記互いに９０度の関係にて配設されている２つの縦型ホール素子１０、すなわち第１縦型ホール素子１０ａ及び第２縦型ホール素子１０ｂによって、それぞれ上記ＩＣチップ１２の水平面に平行な磁界成分の変化が検出されるようになる。

すなわちいま、磁石１６から発せられる磁界の強度に対応する定数をＨとし、磁石１６の回転角度をθとすると、一方の第１縦型ホール素子１０ａの出力は、これをＳ１とすると、

Ｓ１＝Ｈ×ｓｉｎθ …（１）

として表され、他方の第２縦型ホール素子１０ｂの出力は、これをＳ２とすると、上記第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１から９０度だけ位相が遅れた

Ｓ２＝Ｈ×ｃｏｓθ …（２）

として表されるようになる。

そしてこの実施の形態ではさらに、図３に示すように、上記第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１と上記第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２とを差動増幅器１１を通じて差分演算し、その演算結果ＤＧＳとして、次式の値を得るようにしている。

ＤＧＳ＝Ｈ×ｓｉｎθ−Ｈ×ｃｏｓθ …（３）

なお、この演算結果ＤＧＳは、演算回路３０に取り込まれ、最終的には図４に示される態様で、この演算結果ＤＧＳに対応する回転角度θがこの演算回路３０を通じて求められる。ちなみにこの図４において、「ｓｉｎθ」として示す特性曲線は、上記第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１に相当する曲線であり、同じく「ｃｏｓθ」として示す特性曲線は、上記第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２に相当する曲線である。そして、同図４中に「ｓｉｎθ−ｃｏｓθ」として示す特性曲線が上記差動増幅器１１を通じて得られる演算結果（差分結果）ＤＧＳに相当する曲線であり、上記２つの曲線に比べて「０度〜９０度」の範囲における直線性が大きく改善されている。このため、同図４中に「出力値」として示す演算結果ＤＧＳが得られれば、これに一義的に対応した「回転角度θ」を容易に、しかも高精度に得ることができるようになる。

ところで、この実施の形態において採用する上記縦型ホール素子１０は、いわゆるＣＭＯＳプロセスを通じて製造することのできる素子であることから、上記差動増幅器１１や演算回路３０に相当する演算手段も、上記ＩＣチップ１２内に併せて組み込むようにしてもよいし、あるいは外部装置として別途に設けるようにしてもよい。いずれにせよ、縦型ホール素子を採用したことで、その設計にかかる自由度も大きく向上されるようになる。

以上説明したように、この実施の形態にかかる回転角度検出装置によれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。
（１）センサ部に備えるホール素子として上記縦型ホール素子１０を採用したことで、互いに９０度の関係をもって配されるホール素子を半導体基板中に正確に形成することができるようになる。

（２）センサ部についてはこれを、縦型ホール素子１０の形成されたＩＣチップ１２がリードフレーム１３と共々モールド樹脂１４によって樹脂モールドされたものとして形成し、モールド樹脂１４にはセンサ部としての中心に半球状の凹部Ｄを設けることによって、磁石１６の回転軸（中心軸）１７の先端部と係合される係合機構を構成した。これにより、磁石１６から発せられる磁界が半導体基板の基板面に平行に付与される状態を保ちつつ、センサ部としての中心に磁石の回動の中心を一致させることができるようになり、正確に９０度の関係をもって配される縦型ホール素子１０と磁石１６との関係も常に適正に維持することができるようになる。したがって、ホール素子を用いた回転角度検出装置としての検出精度も、自ずと高く維持されるようになる。

（３）上記係合機構として、磁石１６の回転軸（中心軸）１７の先端部も滑らかな凸状（球面状）とした。これにより、モールド樹脂１４に設けられた上記凹部Ｄとの耐摩耗性も好適に高められるようになる。

（４）互いに９０度の関係をもって配された各縦型ホール素子１０ａ、１０ｂから出力されるホール電圧の値、すなわち出力Ｓ１、Ｓ２の値を「ｓｉｎθ−ｃｏｓθ」といったかたちで差分演算するようにした。これにより、該回転角度検出装置の出力としてその直線性が大きく改善されるようになり、検出対象とする回転軸の回転角度の検出も、より容易かつ精度の高いものとすることができるようになる。

なお、上記第１の実施の形態は、例えば以下のような形態として実施することもできる。
・先の図１に対応する図として図５に例示するように、上記モールド樹脂として、円柱状の凹部Ｄａが設けられているモールド樹脂１４ａを用い、この凹部Ｄａに金属製の軸受けＢａを装着して前記係合機構を形成するようにしてもよい。なお、この金属製の軸受けＢａとしては、「ホワイトメタル」、「銅・鉛合金」、「青銅」、「アルミニウム合金」などの金属材料を採用することができる。また、この軸受けＢａを設ける場合には、該軸受けＢａとして含油軸受けを用いるか、もしくは上記回転軸（中心軸）１７との間に、グリース等の油脂類を塗布しておくことが望ましい。これにより、係合機構としての耐摩耗性をさらに高めることができるようになる。

・同じく先の図１に対応する図として図６に例示するように、上記リードフレーム１３として、あらかじめ同図６に示される態様で軸受けＢｂが形成されているものを用い、このようなリードフレーム１３をＩＣチップ１２と共々樹脂モールドして、同図６に示されるようなモールド樹脂１４ｂを成形するようにしてもよい。この場合には、係合機構としての耐摩耗性を維持しつつ、部品点数の削減を図ることができるようにもなる。
（第２の実施の形態）
次に、この発明にかかる回転角度検出装置の第２の実施の形態について、図７を参照しつつ、先の第１の実施の形態の回転角度検出装置との相違点を中心に説明する。なお、図７において、図７（ａ）は、この実施の形態の回転角度検出装置の全体構造を模式的に示す一部断面側面図であり、図７（ｂ）は、この実施の形態で用いられる磁石の構造を示す平面図である。またこの図７において、先の図１に示した要素と同一の要素には各々同一の符号を付して示しており、それら各要素についての重複する説明は割愛する。

この実施の形態の回転角度検出装置も、その基本的な角度検出原理は、図１に例示した先の第１の実施の形態の回転角度検出装置と同様であり、その動作態様も前述したとおりである。ただしここでは、図７（ａ）に示されるように、係合機構として、前述したセンサ部としての中心を中心点とした円状の凹部Ｄｃを有するモールド樹脂１４ｃを用いるとともに、図７（ｂ）に併せて示されるように、該凹部Ｄｃと同心かつ同一径の円状の凸部Ｐａを有する磁石１６ａを用いている。そして、これらモールド樹脂１４ｃの凹部Ｄｃと磁石１６ａの凸部Ｐａとを係合させることにより、磁石１６ａの回動の中心がセンサ部としての中心に機械的に一致した状態に維持されるようにしている。

以上説明したこの第２の実施の形態にかかる回転角度検出装置によっても、先の第１の実施の形態による前記（１）、（２）及び（４）の効果と同等もしくはそれに準じた効果を得ることができるとともに、新たに次のような効果を得ることもできる。

（５）係合機構として、円状の凹部Ｄｃと円状の凸部Ｐａとの係合を通じてセンサ部としての中心に磁石１６ａの回動の中心を機械的に一致させる構造としたことにより、該係合機構としての当接面積（係合面積）の好適な拡大が図られるようになる。このため、磁石１６ａから発せられる磁界が半導体基板（ＩＣチップ１２）の基板面に平行に付与される状態もより安定に保持することができるようになる。

なお、この第２の実施の形態も、例えば以下のような形態として実施することができる。
・図７（ａ）及び（ｂ）に対応する図として図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記凹部と凸部との関係についてはこれを逆とすることもできる。すなわち、同図８（ａ）及び（ｂ）に示されるように、係合機構としては、センサ部としての中心を中心点とした円状の凸部Ｐｂを有するモールド樹脂１４ｄを用いるとともに、該凸部Ｐｂと同心かつ同一径の円状の凹部Ｄｄを有する磁石１６ｂを用いるようにしてもよい。なお、図８において、図８（ｂ）は上記モールド樹脂１４ｄの底面構造を示している。係合機構としてのこのような構造によっても、上記第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

・同じく図７（ａ）及び（ｂ）に対応する図として図９（ａ）及び（ｂ）、あるいは図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記凸部についてはこれを、分断された複数の円弧、あるいは円状の軌跡中に設けられた１乃至複数の半球体によって代用することもできる。ちなみに、図９（ａ）及び（ｂ）は、図７に示した凸部Ｐａを４つの半球体からなる凸部Ｐｃによって代用した磁石１６ｃを用いる場合について例示している。また、図１０（ａ）及び（ｂ）は、図８に示した凸部Ｐｂを４つの半球体からなる凸部Ｐｄによって代用したモールド樹脂１４ｅを用いる場合について例示している。いずれの場合であれ、係合機構としてこのような構造を採用することにより、その静止摩擦の好適な低減が図られるようになる。なお、先の図７及び図８の例も含めて、上記凹部や凸部はいずれも型成形による加工が可能であることから、その実現も容易である。
（他の実施の形態）
その他、上記各実施の形態に共通して変更可能な要素としては、以下のようなものがある。

・上記各実施の形態においては、互いに９０度の関係にて配設される縦型ホール素子１０を２つ用いて磁石１６（検出対象となる回転軸）の回転角度を検出する例について示したが、縦型ホール素子１０については次のような構成とすることもできる。すなわち、先の図２（ｂ）に対応する図として図１１に示すように、ＩＣチップ１２ａ内に互いに９０度の関係にて配設された４つの縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄを備える構成とすることもできる。この場合、上述のごとく、磁石１６の磁界の強度に対応する定数をＨとし、磁石１６の回転角度をθとすると、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１及び第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２は、先の式（１）及び式（２）として表される。そして同様に、第３縦型ホール素子１０ｃの出力Ｓ３は、上記第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１から１８０度だけ位相が遅れるため、

Ｓ３＝Ｈ×（−ｓｉｎθ） …（４）

として表される。また同様に、第４縦型ホール素子１０ｄの出力Ｓ４は、上記第４縦型ホール素子１０ｄの出力Ｓ１から２７０度だけ位相が遅れるため、

Ｓ４＝Ｈ×（−ｃｏｓθ） …（５）

として表される。そこで、先の図３に対応する図として、さらに図１２に示すように、これら４つの縦型ホール素子１０ａ〜１０ｄの出力Ｓ１〜Ｓ４を演算する差動増幅器１１ａ〜１１ｃを備えるとともに、これらの演算結果ＤＧＳａ〜ＤＧＳｃを処理する演算回路３０を備えることとすれば、上記回転角度についてもこれをより高い精度で検出することが可能となる。すなわち、上述のごとく、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１及び第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２を差動増幅器１１ａを通じて差分演算することにより、その演算結果ＤＧＳａは、

ＤＧＳａ＝Ｈ×ｓｉｎθ−Ｈ×ｃｏｓθ …（６）

となり、これがさらに差動増幅器１１ｃに入力出力される。同様に、第３縦型ホール素子１０ｃの出力Ｓ３及び第４縦型ホール素子１０ｄの出力Ｓ４を差動増幅器１１ｂを通じて差分演算することにより、その演算結果ＤＧＳｂは、

ＤＧＳｂ＝Ｈ×（−ｓｉｎθ）−Ｈ×（−ｃｏｓθ） …（７）

となり、これもさらに差動増幅器１１ｃに入力される。そして、これら演算結果ＤＧＳａ及びＤＧＳｂが差動増幅器１１ｃを通じてさらに差分演算されることにより、その演算結果ＤＧＳｃは、

ＤＧＳｃ＝２×（Ｈ×ｓｉｎθ−Ｈ×ｃｏｓθ） …（８）

となり、先の式（３）に比べてその振幅が２倍に拡大されることとなる。したがって、このような値が演算回路３０における前述した角度演算に供されることで、前述した「回転角度θ」としてもより精度の高い値が得られるようになる。

・他方、上記縦型ホール素子１０については、同じく先の図２（ｂ）に対応する図として図１３に示すように、ＩＣチップ１２ｂ内にこれも互いに９０度の関係にて配設された３つのホール素子１０ａ、１０ｂ、及び１０ｄを備える構成とすることもできる。この場合も上述のごとく、磁石１６の磁界の強度に対応する定数をＨとし、磁石１６の回転角度をθとすると、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１、第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２、及び第４縦型ホール素子１０ｄの出力Ｓ４は、上記式（１）、式（２）、及び式（５）のように表される。そこでここでは、先の図３に対応する図として図１４に示すように、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１及び第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２についてはその差分演算を行なう差動増幅器１１ａを備え、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１及び第４縦型ホール素子１０ｄの出力Ｓ４についてはそれらを加算する加算器１１ｄを備えるようにする。またさらに、これら差動増幅器１１ａの出力ＤＧＳａ及び加算器１１ｄの出力ＤＧＳｄについてもそれらを加算する加算器１１ｅを備え、この加算器１１ｅの出力ＤＧＳｅに基づき、演算回路３０を通じて「回転角度θ」を求めることとする。すなわち、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１及び第２縦型ホール素子１０ｂの出力Ｓ２を差動増幅器１１ａを通じて差分演算することにより、その演算結果ＤＧＳａは、先の式（６）のようになり、その値が加算器１１ｅに取り込まれる。同様に、第１縦型ホール素子１０ａの出力Ｓ１及び第４縦型ホール素子１０ｄの出力Ｓ４を加算器１１ｄを通じて加算することにより、その演算結果ＤＧＳｄは、

ＤＧＳｄ＝Ｈ×ｓｉｎθ＋Ｈ×（−ｃｏｓθ） …（９）

となり、この値も上記加算器１１ｅに取り込まれる。そして、これら差動増幅器１１ａの出力ＤＧＳａ及び加算器１１ｄの出力ＤＧＳｄが加算器１１ｅを通じて加算されることにより、その演算結果ＤＧＳｅは、

ＤＧＳｅ＝２×（Ｈ×ｓｉｎθ−Ｈ×ｃｏｓθ） …（１０）

となり、ここでも先の式（３）に比べてその振幅が２倍に拡大されるようになる。したがってこの場合も、このような値が演算回路３０における前述した角度演算に供されることで、前述した「回転角度θ」としてより精度の高い値が得られるようになる。

・磁石１６（１６ａ〜１６ｃも含む）は必ずしも円形や円筒形でなくてもよい。すなわち、上記縦型ホール素子１０が設けられた基板に水平な磁界を付与することができる磁石であればよく、その形状等は任意である。

・上記各実施の形態にあっては「０度〜９０度」の範囲で検出対象となる回転軸の回転角度を検出することとしたが、例えば図１５に例示した装置において、その歯車２８と歯車３２との間のギア比を変更することのできる機構を設けることで、該回転角度検出装置としての検出範囲の拡張または縮小も可能となる。例えば、歯車２８と歯車３２とのギア比を「１：４」に設定することで、「０度〜９０度」であった検出範囲を、「０度〜３６０度」に拡張することができるようになる。

この発明にかかる回転角度検出装置の第１の実施の形態について、その一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図。 （ａ）及び（ｂ）は、同実施の形態の回転角度検出装置の角度検出原理を示す側面図及び平面図。 同実施の形態の回転角度検出装置において採用する演算手法についてその等価回路を示すブロック図。 上記演算手法に基づく出力特性を示すグラフ。 同実施の形態の回転角度検出装置の変形例について、その一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図。 同実施の形態の回転角度検出装置の他の変形例について、その一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図。 この発明にかかる回転角度検出装置の第２の実施の形態について、（ａ）はその一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図、（ｂ）は磁石の平面構造を示す平面図。 同第２の実施の形態の変形例について、（ａ）はその一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図、（ｂ）はモールド樹脂の底面構造を示す底面図。 同第２の実施の形態の他の変形例について、（ａ）はその一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図、（ｂ）は磁石の平面構造を示す底面図。 同第２の実施の形態のさらに他の変形例について、（ａ）はその一部断面とともに側面構造を模式的に示す側面図、（ｂ）はモールド樹脂の底面構造を示す底面図。 上記各実施の形態の変形例として縦型ホール素子の他の配設態様を模式的に示す平面図。 図１１に例示したホール素子構造に採用して好適な演算手法についてその等価回路を示すブロック図。 上記各実施の形態の変形例として縦型ホール素子のさらに他の配設態様を模式的に示す平面図。 図１３に例示したホール素子構造に採用して好適な演算手法についてその等価回路を示すブロック図。 従来の回転角度検出装置の一例について、その概要を示す側面図。 従来の回転角度検出装置による角度検出原理について、（ａ）はその側面構造を模式的に示す側面図、（ｂ）はその平面構造を模式的に示す平面図。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…縦型ホール素子、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…差動増幅器、１１ｄ、１１ｅ…加算器、１２、１２ａ、１２ｂ…ＩＣ（集積回路）チップ、１３…リードフレーム、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ…モールド樹脂、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、２６…磁石、１７、２７…回転軸、２０…ホール素子（横型）、２４…モールドＩＣ（集積回路）、２５…中心軸、２８、３２…歯車、３０…演算回路、３１…回転軸（検出対象）、Ｄ、Ｄａ、Ｄｃ、Ｄｄ…凹部、Ｂａ、Ｂｂ…軸受け、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ…凸部。

Claims (8)

1. ホール素子を備えるセンサ部に回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界を付与し、該付与される磁界の強度に対応して前記ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づき前記検出対象とする回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
   前記センサ部は、前記ホール素子として、互いに９０度の関係をもって配されて半導体基板の基板面に水平な磁界成分を検出する少なくとも２つの縦型ホール素子を備え、前記センサ部と前記磁石との間には、前記磁石から発せられる磁界が前記半導体基板の基板面に平行に付与される状態を保ちつつ、前記各縦型ホール素子の中心点を通ってそれら素子の配設方向に直交する線が交差する前記センサ部としての中心に前記磁石の回動の中心を機械的に一致せしめる係合機構を備える
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記センサ部は、前記縦型ホール素子の形成された半導体基板がリードフレームと共々、モールド樹脂によって樹脂モールドされてなり、前記係合機構は、前記モールド樹脂の前記半導体基板に平行な面の前記センサ部としての中心に対応する位置に設けられて前記磁石の回動の中心となる軸の先端が係合される凹部を備えて構成される
   請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記係合機構を構成する前記モールド樹脂の凹部には、前記磁石の回動の中心となる軸の先端が係合される形状に加工された金属材料からなる軸受けが設けられてなる
   請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記金属材料からなる軸受けが、前記リードフレームの一部として形成されてなる
   請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. 前記センサ部は、前記縦型ホール素子の形成された半導体基板がリードフレームと共々、モールド樹脂によって樹脂モールドされてなり、前記係合機構は、前記モールド樹脂の前記半導体基板に平行な面に設けられて前記センサ部としての中心を中心点として形成された円状の凹部または凸部と、前記磁石の表面に設けられて同磁石の回動の中心を中心点として形成された円状の凸部または凹部とを備え、それら凹部または凸部と凸部または凹部との係合を通じて前記センサ部としての中心に前記磁石の回動の中心を機械的に一致せしめるものである
   請求項１に記載の回転角度検出装置。
6. 前記係合機構を構成する凸部は、複数の円弧に分断されるかたちで形成されてなる
   請求項５に記載の回転角度検出装置。
7. 前記係合機構を構成する凸部は、前記円状の軌跡中に設けられた１乃至複数の半球体として形成されてなる
   請求項５に記載の回転角度検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、
   前記互いに９０度の関係をもって配された各縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を差分演算する演算手段をさらに備える
   ことを特徴とする回転角度検出装置。

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