JP7207201B2

JP7207201B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP7207201B2
Application number: JP2019121039A
Authority: JP
Inventors: 敦雄志津
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: JP2021006795A

Description

本発明は、磁気センサに関する。

従来より、ＡＣカップリング用のコンデンサを備えた磁気センサの出力処理回路が、例えば特許文献１で提案されている。コンデンサは、ハイパスフィルタの一部を構成している。これにより、磁気センサから出力される磁気信号に含まれる低周波成分が除去される。また。磁気信号に含まれる温度特性成分や耐久変動等のオフセット成分の影響が除去される。

特開２０１５－２１０５３７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ハイパスフィルタの構成に非常に大きな容量のコンデンサが必要となる。このため、従来では、ハイパスフィルタを半導体チップに集積化することができず、コンデンサを半導体チップに対して外付けしていた。コンデンサを外付け素子とすることは、磁気センサのコスト増加やセンサ構造の複雑化、センササイズの増加の一因となっている。

また、ハイパスフィルタを用いているので、低速回転の磁気信号を減衰させてしまう。このため、回転体と磁気センサとの距離を規定する検出ギャップが低下してしまう。すなわち、回転体と磁気センサとの距離を小さくしなければならない。これを回避するためには、ハイパスフィルタのカットオフ周波数をさらに低減させる必要があり、ひいてはさらに大きな容量のコンデンサが必要となってしまう。近年では、１Ｈｚ以上の回転検出が求められる場合もある。そのような場合はμＦオーダーの容量が必要になり、ディスクリートのコンデンサを半導体チップに外付けしなければならない。

本発明は上記点に鑑み、外付け素子としてのコンデンサを用いることなく、半導体チップで実現できるコンデンサ及び抵抗によって十分にカットオフ周波数の低いハイパスフィルタを備えた磁気センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、磁気センサは、磁気素子（１１０）及び半導体チップ（１３０）を含む。磁気素子は、外周部（２０１）に回転位置情報が一定間隔で周期的に設けられた回転体（２００）の外周部に対して所定のギャップを持って配置される。磁気素子は、回転体の回転によって回転体の回転位置が変化することに伴って外周部から受ける磁気的変化を検出して検出信号を出力する。半導体チップは、磁気素子から検出信号を入力して信号処理を行う。

また、半導体チップは、半導体基板（１３１）及びハイパスフィルタ（１３３）を有する。ハイパスフィルタは、半導体プロセスによって半導体基板に形成されていると共に磁気素子から検出信号を入力して検出信号に含まれるオフセット成分及び低周波成分を除去する。ハイパスフィルタは、コンデンサ（１３６）と、フィルタ用抵抗（１３７）と、コンデンサとフィルタ用抵抗との間に接続されていると共にコンデンサの容量を増幅する容量増幅回路部（１３８）と、を備える。
容量増幅回路部は、オペアンプ（１３９）、第１抵抗（１４０）、第２抵抗（１４１）、第３抵抗（１４２）を有し、オペアンプの非反転入力端子にコンデンサが接続され、オペアンプの出力とオペアンプの非反転入力端子との間に第１抵抗及び第２抵抗の直列接続が接続され、オペアンプの反転入力端子に第３抵抗が接続され、第１抵抗と第２抵抗との接続点にフィルタ用抵抗が接続された構成である。

これによると、容量増幅回路部が半導体チップに半導体プロセスによって形成されているので、外付け素子としてのコンデンサが不要となる。したがって、半導体チップで実現できる抵抗及びコンデンサによって十分にカットオフ周波数の低いハイパスフィルタを備えた磁気センサを構成することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態に係る磁気センサとギアとの配置関係及び各信号を示した図である。磁気センサの回路構成を示した図である。ハイパスフィルタの前後の検出信号を示した図である。信号周波数とゲイン特性との関係を示した図である。

以下、一実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、磁気センサ１００は、ギア２００の外周部２０１に対向するように配置される。ギア２００は、車両のトランスミッションに組み込まれた歯車型の回転体である。

ギア２００の外周部２０１には凸部２０２と凹部２０３とが回転方向に交互に設けられている。凸部２０２は、歯である。凸部２０２及び凹部２０３は、回転方向におけるギア２００の回転位置情報を示す。凸部２０２及び凹部２０３は、回転方向において、一定の幅を持っている。凸部２０２及び凹部２０３は、回転方向において、一定間隔で周期的に設けられている。ギア２００には、凸部２０２が設けられていない欠歯部２０４が設けられている。欠歯部２０４はギア２００の回転基準位置を示す。なお、図１ではギア２００の外周部２０１の一部を直線状に展開して示している。

図２に示されるように、磁気センサ１００は、磁気素子１１０及び半導体チップ１３０を有する。図１に示されるように、磁気素子１１０は、半導体チップ１３０とは別の検出チップ１１１として構成されている。

磁気素子１１０は、ギャップ方向においてギア２００の外周部に対して所定のギャップを持って配置される。ギャップ方向とは、ギア２００の径方向である。磁気素子１１０は、測定対象から磁界の影響を受けたときに抵抗値が変化する磁気抵抗素子を含んでいる。磁気抵抗素子は、例えばＡＭＲ（Anisotropic Magneto Resistance）、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）である。検出チップ１１１と半導体チップ１３０とは、複数のワイヤを介して電気的に接続されている。

磁気素子１１０は、磁気抵抗素子を用いた磁気検出方式を採用する。このため、磁気素子１１０は、ギア２００の回転によってギア２００の回転位置が変化することに伴ってギア２００の外周部から受ける磁気的変化を検出する。具体的には、磁気素子１１０は、図示しない複数の磁気抵抗素子がブリッジ回路を構成するように電気的に接続されて構成されている。そして、磁気素子１１０は、ブリッジ回路の中点電位を、ギア２００の回転に伴って凹凸の位置に対応する検出信号として出力する。

図１に示されるように、磁気センサ１００は、バイアス磁石１５０を有する。バイアス磁石１５０は、磁気抵抗素子にバイアス磁界を印加することにより磁気抵抗素子の磁界の検出感度を一定分だけ上昇させる。

図２に示された半導体チップ１３０は、磁気素子１１０から入力される検出信号を信号処理する電子部品である。半導体チップ１３０は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として構成されている。半導体チップ１３０は、半導体基板１３１、第１増幅部１３２、ハイパスフィルタ１３３、第２増幅部１３４、及び信号処理部１３５を有する。

半導体基板１３１は、例えば、第１導電層、絶縁層、及び第２導電層を有するＳＯＩ基板である。半導体基板１３１の第２導電層には、半導体プロセスによって第１増幅部１３２、ハイパスフィルタ１３３、第２増幅部１３４、及び信号処理部１３５が形成されている。ここで、半導体プロセスとは、ＳＯＩウェハに対して微細加工を繰り返すことにより半導体構造や回路素子を形成する製造手法である。

なお、半導体基板１３１はＳＯＩ基板に限られない。半導体プロセスによる加工が可能であれば、半導体基板１３１は単層でも積層基板でも構わない。

第１増幅部１３２は、磁気素子１１０の検出信号を差動増幅する回路部である。第１増幅部１３２は、図示しないオペアンプや抵抗等によって構成された差動増幅回路である。

ハイパスフィルタ１３３は、第１増幅部１３２によって信号増幅処理された検出信号を入力して検出信号に含まれるオフセット成分及び低周波成分を除去する回路部である。オフセット成分は、温度特性や耐久変動等のＤＣ成分である。

ハイパスフィルタ１３３は、コンデンサ１３６及び抵抗１３７と、コンデンサ１３６の容量を増幅する容量増幅回路部１３８と、を備える。これらは半導体基板１３１に形成されている。

コンデンサ１３６は、一方の電極が第１増幅部１３２に接続され、他方の電極が容量増幅回路部１３８に接続されている。コンデンサ１３６は、例えばトランジスタを構成するベース領域とエミッタ領域とに逆バイアスが印加されることで生じる空乏層によって成立するコンデンサである。すなわち、コンデンサ１３６は、トランジスタのＰＮ接合によって構成されるダイオードと等価である。

図３に示されるように、オフセット成分及び低周波成分を含んだ検出信号がハイパスフィルタ１３３によって信号処理されることで、オフセット成分及び低周波成分が除去される。これにより、検出信号の振幅の中央に閾値が位置することとなる。

容量増幅回路部１３８は、オペアンプ１３９、抵抗１４０、１４１、１４２を有する。オペアンプ１３９の非反転入力端子にはコンデンサ１３６の他方の電極が接続されている。オペアンプ１３９の出力は抵抗値をＲ２とする抵抗１４０から帰還抵抗であり抵抗値をＲ３とする抵抗１４１を介して非反転入力端子にフィードバックされる。また、オペアンプ１３９の出力端子は抵抗値をＲ３とする抵抗１４２を介して反転入力端子に接続されている。

そして、抵抗１４０と抵抗１４１との接続点に抵抗１３７が接続されている。抵抗１３７は基準電圧部に接続されている。コンデンサ１３６、容量増幅回路部１３８、及び抵抗１３７によってハイパスフィルタのＣＲ回路が構成されている。

第２増幅部１３４は、ハイパスフィルタ１３３によって信号処理された検出信号を差動増幅する回路部である。第２増幅部１３４は、図示しないオペアンプや抵抗等によって構成された差動増幅回路である。

信号処理部１３５は、第２増幅部１３４によって信号処理された検出信号をデジタル信号として処理する回路部である。信号処理部１３５は、検出信号と閾値とを比較して２値化し、２値化信号を外部に出力する。信号処理部１３５は、検出信号が示す信号値が閾値を上回った場合に例えばＨｉの２値化信号を外部に出力し、検出信号が示す信号値が閾値を下回った場合に例えばＬｏの２値化信号を外部に出力する。なお、閾値はヒステリシスを持っていても良い。

以上が、磁気センサ１００の全体構成である。磁気素子１１０及び半導体チップ１３０はリードフレーム等に実装され、図示しないリードと共にモールド樹脂によって封止される。

次に、磁気センサ１００の作動について説明する。まず、図１に示されるように、磁気センサ１００はギア２００の山谷に対向する位置に配置される。ギア２００が回転を始めると、磁気センサ１００の磁気抵抗素子が外部の磁場の影響を受けて抵抗値が変化する。これにより、磁気素子１１０はブリッジ回路の中点電位を検出信号として出力する。第１増幅部１３２は検出信号を差動増幅してハイパスフィルタ１３３に出力する。

ハイパスフィルタ１３３では、容量増幅回路部１３８の容量が増幅される。具体的には、ハイパスフィルタ１３３の入力電圧が容量増幅回路部１３８のオペアンプ１３９の非反転入力端子に入力される。これにより、オペアンプ１３９の入力電圧は両端とも同じ電位になるように働く。このため、抵抗値がＲ２の抵抗１４０と抵抗値がＲ３の抵抗１４１とで出力電流はこの抵抗の比で分流し、見掛け上、コンデンサ１３６の充放電が、見掛け上大きい容量値であるかのようにオペアンプ１３９で増幅される。すなわち、コンデンサ１３６の容量をＣ１とすると、容量増幅回路部１３８はＣ１をＣ＝Ｃ１×（Ｒ３／Ｒ２）として増幅する。

そして、抵抗１３７にとっては時定数の大きな電流動作をする。つまり、容量増幅回路部１３８で増幅された容量Ｃが抵抗１３７と時定数の大きいＣＲ回路を形成することになる。そのカットオフ周波数ｆｃは、抵抗１３７の抵抗値をＲ１とすると、ｆｃ＝１／（２π×Ｃ１×Ｒ１×（Ｒ３／Ｒ２））となる。したがって、ハイパスフィルタ１３３は低周波成分をカットするフィルタとして機能する。

ハイパスフィルタ１３３は上記のカットオフ周波数ｆｃに従って検出信号を信号処理する。これにより、検出信号に含まれたオフセット成分及び低周波成分が除去される。すなわち、温度特性や耐久変動等が除去されるので、これらを調整するためのプロセスや回路等が不要である。ハイパスフィルタ１３３により、検出信号の振幅の中央は閾値に位置する。

検出信号は、ギア２００の凸部２０２の立ち上がりで振幅が最大値となり、ギア２００の凸部２０２の立ち下がりで振幅が最小値となる。磁気素子１１０とギア２００との検出ギャップが小さい場合、検出信号は実線で示された振幅の大きい波形となる。磁気素子１１０とギア２００との検出ギャップが大きい場合、検出信号は破線で示された振幅の小さい波形となる。なお、ギア２００の欠歯部２０４では磁気素子１１０がギア２００から受ける磁界の変化が無くなるので、検出信号の振幅は小さくなる。

ハイパスフィルタ１３３を通過した検出信号は信号処理部１３５に入力される。信号処理部１３５は、検出信号の信号値と閾値とを比較して検出信号を２値化し、２値化された２値化信号を外部に出力する。検出ギャップが小さい場合は、検出ギャップが大きい場合よりも２値化信号の立ち上がりが早い。なお、欠歯部２０４に対応する２値化信号はＬｏとなる。

発明者らは、上記のハイパスフィルタ１３３において、１Ｈｚ以上の回転を検出するためのコンデンサ１３６、抵抗１３７、及び容量増幅回路部１３８の各抵抗１４０～１４２の定数を調べた。

その結果、コンデンサ１３６をＣ１＝５６０ｐＦ、抵抗１３７をＲ１＝１０ｋΩ、容量増幅回路部１３８における抵抗１４０をＲ２＝０．１ｋΩ、抵抗１４１、１４２をＲ３＝３５００ｋΩとすれば、１Ｈｚ以上の回転検出が可能であることがわかった。なお、各素子の定数は一例であり、他の定数ももちろん可能である。

さらに、発明者らは、上記の各素子の定数について、検出信号の信号周波数とゲイン特定との関係をシミュレーションにより調べた。その結果を図４に示す。図４に示されるように、信号周波数が検出周波数目標である１Ｈｚ～１２ｋＨの範囲において、－３ｄＢ以上のゲイン特性が得られた。この結果からも、半導体チップ１３０にコンデンサ１３６を形成したとしても、１Ｈｚ以上の回転検出が可能であることがわかる。

以上説明したように、容量増幅回路部１３８が半導体チップ１３０に半導体プロセスによって形成されているので、コンデンサ１３６を外付け素子とする必要がない。したがって、半導体チップ１３０で実現できる抵抗１３７及びコンデンサ１３６によって十分にカットオフ周波数ｆｃの低いハイパスフィルタ１３３を実現することができる。近年、磁気センサ１００の小型化、低コスト化が求められており、外付けのコンデンサ１３６を用いないことから、部品点数削減や実装サイズの低減といったメリットがある。

変形例として、磁気素子１１０はホール素子として構成されていても良い。この場合、磁気素子１１０は半導体チップ１３０に対して別の検出チップ１１１として形成されていても良いし、半導体チップ１３０に形成されていても良い。

本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ギア２００が特許請求の範囲の「回転体」に対応する。また、抵抗１３７が特許請求の範囲の「フィルタ用抵抗」に対応し、抵抗１４０、抵抗１４１、抵抗１４２が特許請求の範囲の「第１抵抗」、「第２抵抗」、「第３抵抗」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された磁気センサ１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、回転体はギア２００に限られず、着磁ロータでも良い。着磁ロータは、Ｎ極である第１磁極とＳ極である第２磁極とが外周部の周方向に交互に磁化された円板状の回転体である。着磁ロータの場合、例えば、各磁極の境界で検出信号の振幅が最大または最小の信号となる。

また、磁気センサ１００は、車両のトランスミッションに組み込まれたギアや着磁ロータに限られず、車両の他の部品の回転や、車両以外の回転体の検出に用いられても良い。

１１０磁気素子
１１１検出チップ
１３０半導体チップ
１３１半導体基板
１３３ハイパスフィルタ
１３６コンデンサ
１３７抵抗
１３８容量増幅回路部

Claims

外周部（２０１）に回転位置情報が一定間隔で周期的に設けられた回転体（２００）の前記外周部に対して所定のギャップを持って配置され、前記回転体の回転によって前記回転体の回転位置が変化することに伴って前記外周部から受ける磁気的変化を検出して検出信号を出力する磁気素子（１１０）と、
前記磁気素子から前記検出信号を入力して信号処理を行う半導体チップ（１３０）と、
を含み、
前記半導体チップは、半導体基板（１３１）と、半導体プロセスによって前記半導体基板に形成されていると共に前記検出信号に含まれるオフセット成分及び低周波成分を除去するハイパスフィルタ（１３３）と、を有し、
前記ハイパスフィルタは、コンデンサ（１３６）と、フィルタ用抵抗（１３７）と、前記コンデンサと前記フィルタ用抵抗との間に接続されていると共に前記コンデンサの容量を増幅する容量増幅回路部（１３８）と、を備え、
前記容量増幅回路部は、オペアンプ（１３９）、第１抵抗（１４０）、第２抵抗（１４１）、第３抵抗（１４２）を有し、前記オペアンプの非反転入力端子に前記コンデンサが接続され、前記オペアンプの出力と前記オペアンプの非反転入力端子との間に前記第１抵抗及び前記第２抵抗の直列接続が接続され、前記オペアンプの反転入力端子に前記第３抵抗が接続され、前記第１抵抗と前記第２抵抗との接続点に前記フィルタ用抵抗が接続された構成である磁気センサ。
前記磁気素子は、前記半導体チップとは別の検出チップ（１１１）として構成されている請求項１に記載の磁気センサ。