JP6205774B2

JP6205774B2 - 検出回路、半導体集積回路装置、磁界回転角検出装置、及び、電子機器

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Publication number: JP6205774B2
Application number: JP2013059601A
Authority: JP
Inventors: 桑野　俊一; 俊一桑野
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Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2017-10-04
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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子（以下においては、「ＭＲ素子」ともいう）を用いた磁気センサーに接続されて磁界の回転角を検出する検出回路及び半導体集積回路装置に関する。また、本発明は、そのような磁気センサーと検出回路とを含む磁界回転角検出装置に関する。さらに、本発明は、磁界回転角検出装置を用いた水道メーター、ガスメーター、速度メーター等の電子機器等に関する。

ＭＲ素子は、磁気抵抗効果のために、磁界の強さによって抵抗値が変化するという特性を有しており、ＭＲ素子に磁界が印加されると、その抵抗値は増加する。そこで、複数のＭＲ素子をブリッジ接続することにより、回転磁界を発生する回転体の回転角を検出することが行われている。

関連する技術として、特許文献１には、極めて簡単な構成の付加により、０°〜３６０°の範囲の回転角度検出が可能になる回転角度検出装置が開示されている。この回転角度検出装置は、検出対象に取り付けられて検出対象と共に回転して回転磁場を生成する回転磁石と、この回転磁石で生成される回転磁場内に配置され、複数のＭＲ素子をブリッジ接続してなるセンサーユニットを互いの磁化容易軸を４５°ずらして配置してなる磁気センサーと、この磁気センサーの近傍に配置され、磁気センサーが配置された領域における回転磁石による０°〜３６０°の回転磁場から０°〜１８０°の合成回転磁場を生成する４極補助磁石とを備えている。

特許文献１によれば、磁気センサーの近傍に４極補助磁石が設けられているので、４極補助磁石の合成磁気モーメントと回転磁石による磁気モーメントの合成磁気モーメントが、回転磁石による０°〜３６０°の回転を０°〜１８０°の回転に変換する。これにより、磁気センサーでの０°〜１８０°の回転角度検出値を、検出対象の０°〜３６０°の回転角度検出値として求めることが可能になる。

また、信号処理ための回路は、従来の回路をそのまま利用することができる。磁気センサーから出力される複数の検出信号は、複数のＡ／Ｄ変換回路によってそれぞれＡ／Ｄ変換されて、ＣＰＵに入力される。ＣＰＵは、それらの検出信号に所定の信号処理を施し、回転角度検出データを算出する。

特開２００７−２４７３８号公報（段落００１１−００２０、図５）

しかしながら、磁界回転角検出装置において４極補助磁石を使用すれば、部品の実装面積やコストが大幅に増加してしまう。また、検出回路においてＡ／Ｄ変換回路を使用すれば、回路の消費電流やコストが大幅に増加してしまう。従って、４極補助磁石やＡ／Ｄ変換回路を使用せずに高精度を実現することが望まれている。その場合に、複数のＭＲ素子をブリッジ接続して構成される２つのセンサーユニットが互いに４５°ずらして配置された磁気センサーを用いて磁界の回転角を検出すれば、４５°（１／８回転）の精度でしか回転角を検出することができない。

そこで、上記の点に鑑み、本発明の目的の１つは、複数のＭＲ素子をブリッジ接続して構成される２つのセンサーユニットが互いに所定の角度をなして配置された磁気センサーを用いて、簡単な回路構成により、４５°（１／８回転）よりも細かい精度で磁界の回転角を検出することである。

以上の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る検出回路は、磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を有する第１のセンサーユニット及び第２のセンサーユニットが互いに所定の角度をなして配置された磁気センサーに接続される検出回路であって、第１又は第２のセンサーユニットの出力信号を比較する第１の比較回路と、第１のセンサーユニットの出力信号と第２のセンサーユニットの出力信号とを比較する第２の比較回路と、第１の比較回路の比較結果と第２の比較回路の比較結果とに基づいて磁界の回転角を算出する回転角算出回路とを含む。

本発明の第１の観点によれば、第１又は第２のセンサーユニットの出力信号を比較することに加えて、第１のセンサーユニットの出力信号と第２のセンサーユニットの出力信号とを比較することにより、４５°（１／８回転）よりも細かい精度で磁界の回転角を検出することができる。

本発明の第２の観点に係る検出回路は、本発明の第１の観点に係る検出回路において、第１の比較回路が、第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較して、比較結果を表す第１の検出信号を出力する第１のコンパレーターと、第２のセンサーユニットの２つの出力信号を比較して、比較結果を表す第２の検出信号を出力する第２のコンパレーターとを含み、第２の比較回路が、第１のセンサーユニットの一方の出力信号と第２のセンサーユニットの一方の出力信号とを比較する第３のコンパレーターと、第１のセンサーユニットの他方の出力信号と第２のセンサーユニットの一方の出力信号とを比較する第４のコンパレーターとを含み、回転角算出回路が、第３のコンパレーターの比較結果と第４のコンパレーターの比較結果とに基づいて第３の検出信号を生成する論理回路を含むことを特徴とする。

本発明の第２の観点によれば、センサーユニット毎の２つの出力信号を比較することに加えて、第１のセンサーユニットの一方の出力信号と第２のセンサーユニットの一方の出力信号とを比較すると共に、第１のセンサーユニットの他方の出力信号と第２のセンサーユニットの一方の出力信号とを比較することにより、２２．５°（１／１６回転）の精度で磁界の回転角を検出することができる。

本発明の第３の観点に係る検出回路は、本発明の第１の観点に係る検出回路において、第１の比較回路が、第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較して、比較結果を表す第１の検出信号を出力する第１のコンパレーターを含み、第２の比較回路が、第１のセンサーユニットの出力信号を所定の増幅率で増幅して、振幅が同一で符号が互いに異なる第１の増幅信号及び第２の増幅信号を出力する増幅部と、第２のセンサーユニットの出力信号と第１の増幅信号とを比較して、比較結果を表す第２の検出信号を出力する第２のコンパレーターと、第２のセンサーユニットの出力信号と第２の増幅信号とを比較して、比較結果を表す第３の検出信号を出力する第３のコンパレーターとを含むことを特徴とする。

本発明の第３の観点によれば、第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較することに加えて、第１のセンサーユニットの出力信号を所定の増幅率で増幅して符号が互いに異なる第１の増幅信号及び第２の増幅信号を求め、第２のセンサーユニットの出力信号と第１の増幅信号とを比較すると共に、第２のセンサーユニットの出力信号と第２の増幅信号とを比較することにより、３０°（１／１２回転）の精度で磁界の回転角を検出することができる。

本発明の第４の観点に係る検出回路は、本発明の第１の観点に係る検出回路において、第１の比較回路が、第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較して、比較結果を表す第１の検出信号を出力する第１のコンパレーターを含み、第２の比較回路が、第１のセンサーユニットの一方の出力信号を所定の増幅率で増幅して、増幅信号を出力する増幅部と、第２のセンサーユニットの一方の出力信号と増幅信号とを比較して、比較結果を表す第２の検出信号を出力する第２のコンパレーターと、第２のセンサーユニットの他方の出力信号と増幅信号とを比較して、比較結果を表す第３の検出信号を出力する第３のコンパレーターとを含むことを特徴とする。

本発明の第４の観点によれば、第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較することに加えて、第１のセンサーユニットの一方の出力信号を所定の増幅率で増幅して増幅信号を求め、第２のセンサーユニットの一方の出力信号と増幅信号とを比較すると共に、第２のセンサーユニットの他方の出力信号と増幅信号とを比較することにより、３０°（１／１２回転）の精度で磁界の回転角を検出することができる。

ここで、本発明の第３又は第４の観点に係る検出回路は、電源電圧を分圧することにより、増幅部において用いられる基準電位を生成する分圧回路をさらに含むようにしても良い。その場合には、増幅信号の中点電位を所望の基準電位に近付けることができる。

本発明の幾つかの観点に係る半導体集積回路装置は、上記いずれかの検出回路を含む。Ａ／Ｄ変換回路を使用しない検出回路を半導体集積回路装置に内蔵することにより、回路の小型化や低コスト化を達成することができる。

本発明の幾つかの観点に係る磁界回転角検出装置は、上記いずれかの検出回路と、磁気センサーとを含む。これにより、回転体の回転角を精度良く検出できる磁界回転角検出装置を実現することができる。

本発明の幾つかの観点に係る電子機器は、上記の磁界回転角検出装置と、回転磁界を発生する回転体とを含む。これにより、水道メーター、ガスメーター、速度メーター等を実現することができる。

本発明の幾つかの実施形態に係る電子機器の構成の一部を示す側面図。第１のセンサーユニットの構成及び配置方向を示す平面図。第２のセンサーユニットの構成及び配置方向を示す平面図。本発明の第１の実施形態に係る検出回路の構成を示す回路図。本発明の第１の実施形態に係る検出回路の動作を説明するための波形図。第１〜第３の検出信号によって表される回転体の回転角を示す図。本発明の第２の実施形態に係る検出回路の構成を示す回路図。本発明の第２の実施形態に係る検出回路の動作を説明するための波形図。第１〜第３の検出信号によって表される回転体の回転角を示す図。本発明の第３の実施形態に係る検出回路の構成を示す回路図。本発明の第３の実施形態に係る検出回路の動作を説明するための波形図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の幾つかの実施形態に係る電子機器の構成の一部を示す側面図である。この電子機器は、水道メーター、ガスメーター、速度メーター等の電子機器であり、磁石１０ａを有する回転体１０と、第１のセンサーユニット２１及び第２のセンサーユニット２２を有する磁気センサー２０とを含んでいる。

例えば、回転体１０は、水道水やガス等の流体の移動に伴って回転する羽根車等に接続されている。あるいは、回転体１０は、モーターや車輪の回転軸であっても良い。回転体１０が回転すると、磁石１０ａが回転磁界を発生する。磁石１０ａのＮ極からＳ極に向けて形成される磁束線が通過する位置に、磁気センサー２０が配置されている。

第１のセンサーユニット２１及び第２のセンサーユニット２２の各々は、ＭＲ素子のブリッジ回路を有する。ＭＲ素子は、磁気抵抗効果のために、磁界の強さによって抵抗値が変化するという特性を有しており、ＭＲ素子に磁界が印加されると、その抵抗値は増加する。

図２は、第１のセンサーユニットの構成及び配置方向を示す平面図である。第１のセンサーユニット２１は、ブリッジ接続されたＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４を有している。また、図３は、第２のセンサーユニットの構成及び配置方向を示す平面図である。第２のセンサーユニット２２は、ブリッジ接続されたＭＲ素子Ｒ５〜Ｒ８を有している。第１のセンサーユニット２１及び第２のセンサーユニット２２は、回転磁界を発生する回転体１０の回転軸Ｚに略直交する面内において、互いに略４５°の角度をなして配置されている。

図１に示すように、センサーユニット２１及び２２は、回転軸Ｚの方向において異なる位置の２つの面内にそれぞれ配置されても良い。その場合には、図２に示すように、回転軸ＺがＭＲ素子Ｒ１〜Ｒ４の略中心に位置すると共に、図３に示すように、回転体１０の回転軸ＺがＭＲ素子Ｒ５〜Ｒ８の略中心に位置することが望ましい。そのようにセンサーユニット２１及び２２を配置すれば、回転体１０の回転角を正確に検出することができる。あるいは、センサーユニット２１及び２２は、同一面内に配置されても良い。その場合には、センサーユニット２１及び２２の基板上への実装が容易となる。

図２に示すように、ＭＲ素子Ｒ１とＭＲ素子Ｒ３との接続点は、高電位側のセンサー電源電位Ｖ_Ｓに接続され、ＭＲ素子Ｒ２とＭＲ素子Ｒ４との接続点は、低電位側の電源電位（本実施形態においては、接地電位とする）に接続されている。ＭＲ素子Ｒ１とＭＲ素子Ｒ２との接続点は、第１の出力端子に接続され、第１の出力端子から出力信号Ａ１が出力される。ＭＲ素子Ｒ３とＭＲ素子Ｒ４との接続点は、第２の出力端子に接続され、第２の出力端子から出力信号Ａ２が出力される。

図３に示すように、ＭＲ素子Ｒ５とＭＲ素子Ｒ７との接続点は、高電位側のセンサー電源電位Ｖ_Ｓに接続され、ＭＲ素子Ｒ６とＭＲ素子Ｒ８との接続点は、低電位側の電源電位（本実施形態においては、接地電位とする）に接続されている。ＭＲ素子Ｒ５とＭＲ素子Ｒ６との接続点は、第１の出力端子に接続され、第１の出力端子から出力信号Ｂ１が出力される。ＭＲ素子Ｒ７とＭＲ素子Ｒ８との接続点は、第２の出力端子に接続され、第２の出力端子から出力信号Ｂ２が出力される。

次に、本発明の第１〜第３の実施形態に係る検出回路について説明する。本発明の第１〜第３の実施形態に係る検出回路は、磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を有する第１のセンサーユニット及び第２のセンサーユニットが互いに所定の角度をなして配置された磁気センサーに接続される検出回路であって、第１又は第２のセンサーユニットの出力信号を比較する第１の比較回路と、第１のセンサーユニットの出力信号と第２のセンサーユニットの出力信号とを比較する第２の比較回路と、第１の比較回路の比較結果と第２の比較回路の比較結果とに基づいて磁界の回転角を算出する回転角算出回路とを含んでいる。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る検出回路の構成を示す回路図である。この検出回路は、図１〜図３に示す磁気センサーに接続されて、磁気センサーと共に磁界回転角検出装置を構成する。

図４に示すように、検出回路３０は、第１の比較回路を構成するコンパレーター３１〜３２と、第２の比較回路を構成するコンパレーター３３〜３４と、論理回路３５を有する回転角算出回路３６と、センサー電源供給回路３７とを含んでいる。これらの回路は、半導体集積回路装置に内蔵されても良い。

コンパレーター３１は、図２に示す第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較して、比較結果を表す第１の検出信号Ｄ１を出力する。第１の検出信号Ｄ１は、出力信号Ａ１が出力信号Ａ２よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ａ１が出力信号Ａ２よりも小さいときにローレベルとなる。

コンパレーター３２は、図３に示す第２のセンサーユニット２２の２つの出力信号Ｂ１及びＢ２を比較して、比較結果を表す第２の検出信号Ｄ２を出力する。第２の検出信号Ｄ２は、出力信号Ｂ１が出力信号Ｂ２よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ｂ１が出力信号Ｂ２よりも小さいときにローレベルとなる。

コンパレーター３３は、図２に示す第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１と図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１とを比較して、比較結果を表す比較信号Ｃ１を出力する。比較信号Ｃ１は、出力信号Ａ１が出力信号Ｂ１よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ａ１が出力信号Ｂ１よりも小さいときにローレベルとなる。

コンパレーター３４は、図２に示す第１のセンサーユニット２１の他方の出力信号Ａ２と図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１とを比較して、比較結果を表す比較信号Ｃ２を出力する。比較信号Ｃ２は、出力信号Ａ２が出力信号Ｂ１よりも小さいときにハイレベルとなり、出力信号Ａ２が出力信号Ｂ１よりも大きいときにローレベルとなる。

論理回路３５は、コンパレーター３３から出力される比較信号Ｃ１とコンパレーター３４から出力される比較信号Ｃ２とに基づいて、第３の検出信号Ｄ３を生成する。例えば、論理回路３５は、反転出力を有する排他的論理和回路（ＥＮＯＲ回路）によって構成され、比較信号Ｃ１と比較信号Ｃ２との排他的論理和を反転することにより、第３の検出信号Ｄ３を生成する。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る検出回路の動作を説明するための波形図である。図５において、横軸は、回転体の回転角θを表している。図５（ａ）には、図２に示す第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１によって表されるＡ相（ＳＩＮ）の波形と、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１によって表されるＢ相（ＣＯＳ）の波形とが示されている。

第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較することにより、図５（ｃ）に示す第１の検出信号Ｄ１が得られる。また、第２のセンサーユニット２２の２つの出力信号Ｂ１及びＢ２を比較することにより、図５（ｃ）に示す第２の検出信号Ｄ２が得られる。

図５（ｂ）には、図２に示す第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１の波形、及び、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１の波形に加えて、第１のセンサーユニット２１の他方の出力信号Ａ２の波形が破線で示されている。

第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１と第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１とを比較することにより、図５（ｃ）に示す比較信号Ｃ１が得られる。また、第１のセンサーユニット２１の他方の出力信号Ａ２と第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１とを比較することにより、図５（ｃ）に示す比較信号Ｃ２が得られる。さらに、比較信号Ｃ１と比較信号Ｃ２との排他的論理和を反転することにより、図５（ｃ）に示す第３の検出信号Ｄ３が生成される。

図６は、第１〜第３の検出信号によって表される回転体の回転角を示す図である。図６に示すように、第１〜第３の検出信号Ｄ１〜Ｄ３の３ビットのデータによって、回転角１８０°内における８つの角度範囲を識別することができる。各角度範囲は、２２．５°（１／１６回転）となっている。図４に示す回転角算出回路３６は、第１〜第３の検出信号Ｄ１〜Ｄ３に基づいて、回転体の回転角を表す回転角データを算出する。回転角データを単位時間において積分することにより、水道又はガスの使用量や、自転車等の速度を求めることが可能となる。

再び図４を参照すると、センサー電源供給回路３７は、図２に示す第１のセンサーユニット２１、図３に示す第２のセンサーユニット２２、及び、コンパレーター３１〜３４を含むアナログ回路に、センサー電源電位Ｖ_Ｓを供給する。ここで、センサー電源供給回路３７は、システムクロック信号に同期して所定の期間だけセンサー電源電位Ｖ_Ｓをアナログ回路に供給することにより、アナログ回路を間欠駆動しても良い。センサー電源電位Ｖ_Ｓを供給する期間をシステムクロック信号の１周期よりも短くすることによって、アナログ回路において消費される電力を大幅に低減することができる。

本発明の第１の実施形態によれば、センサーユニット毎の２つの出力信号を比較することに加えて、第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１と第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１とを比較すると共に、第１のセンサーユニット２１の他方の出力信号Ａ２と第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１とを比較することにより、２２．５°（１／１６回転）の精度で磁界の回転角を検出することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る検出回路について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る検出回路の構成を示す回路図である。この検出回路は、図１〜図３に示す磁気センサーに接続されて、磁気センサーと共に磁界回転角検出装置を構成する。

図７に示すように、検出回路４０は、第１の比較回路を構成するコンパレーター４１と、第２の比較回路を構成するコンパレーター４２〜４３と、第２の比較回路における増幅部を構成するオペアンプ４４〜４７及び抵抗Ｒ９〜Ｒ１４と、回転角算出回路４８と、センサー電源供給回路４９とを含んでいる。これらの回路は、半導体集積回路装置に内蔵されても良い。

コンパレーター４１は、図２に示す第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較して、比較結果を表す第１の検出信号Ｄ１を出力する。第１の検出信号Ｄ１は、出力信号Ａ１が出力信号Ａ２よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ａ１が出力信号Ａ２よりも小さいときにローレベルとなる。

オペアンプ４４及び４６は、ボルテージフォロワーとして働き、図２に示す第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２をバッファーする。また、オペアンプ４５及び４７は、オペアンプ４４及び４６の出力信号Ａ１及びＡ２を所定の増幅率で増幅して、振幅が同一で符号が互いに異なる第１の増幅信号Ｃ１及び第２の増幅信号Ｃ２をそれぞれ出力する。オペアンプ４５及び４７のオープンループゲインが十分大きい場合に、オペアンプ４５の増幅率は、−Ｒ１０／Ｒ９で与えられ、オペアンプ４７の増幅率は、−Ｒ１２／Ｒ１１で与えられる。

あるいは、オペアンプ４４及び４６は、図２に示す第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２の内の一方をそれぞれ正相及び逆相で増幅することにより、振幅が同一で符号が互いに異なる第１の増幅信号Ｃ１及び第２の増幅信号Ｃ２を生成しても良い。

抵抗Ｒ１３及びＲ１４は、高電位側のセンサー電源電位Ｖ_Ｓと低電位側の電源電位とによって定まる電源電圧を分圧することにより、オペアンプ４５及び４７において用いられる基準電位Ｖ_ＲＥＦを生成する分圧回路を構成する。これにより、増幅信号の中点電位を、所望の基準電位Ｖ_ＲＥＦに近付けることができる。例えば、磁界が存在しない場合に、図２に示す第１のセンサーユニット２１においてＲ１＝Ｒ２かつＲ３＝Ｒ４であり、図３に示す第２のセンサーユニット２２においてＲ５＝Ｒ６かつＲ７＝Ｒ８である場合に、Ｒ１３＝Ｒ１４とする。

コンパレーター４２は、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と第１の増幅信号Ｃ１とを比較して、比較結果を表す第２の検出信号Ｄ２を出力する。第２の検出信号Ｄ２は、出力信号Ｂ１が増幅信号Ｃ１よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ｂ１が増幅信号Ｃ１よりも小さいときにローレベルとなる。

コンパレーター４３は、第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と第２の増幅信号Ｃ２とを比較して、比較結果を表す第３の検出信号Ｄ３を出力する。第３の検出信号Ｄ３は、出力信号Ｂ１が増幅信号Ｃ２よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ｂ１が増幅信号Ｃ２よりも小さいときにローレベルとなる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る検出回路の動作を説明するための波形図である。図８において、横軸は、回転体の回転角θを表している。図８（ａ）には、図２に示す第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１によって表されるＡ相（ＳＩＮ）の波形と、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１によって表されるＢ相（ＣＯＳ）の波形とが示されている。センサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較することにより、図８（ｃ）に示す第１の検出信号Ｄ１が得られる。

図８（ｂ）には、Ａ相（ＳＩＮ）の波形及びＢ相（ＣＯＳ）の波形に加えて、第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を所定の増幅率で増幅して得られる増幅信号Ｃ１及びＣ２の波形が一点鎖線で示されている。

本実施形態においては、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１の電位と増幅信号Ｃ１及びＣ２の電位とが比較される。出力信号Ｂ１の振幅をＢとすると、出力信号Ｂ１の電位は、次式で表される。
Ｂ１＝−Ｂｃｏｓ２θ

また、増幅信号Ｃ１及びＣ２の振幅をＣとすると、増幅信号Ｃ１及びＣ２の電位は、次式で表される。
Ｃ１＝−Ｃｓｉｎ２θ
Ｃ２＝Ｃｓｉｎ２θ

３０°（１／１２回転）の精度で回転体の回転角を検出するために、回転体の回転角θが３０°であるときに、出力信号Ｂ１の電位と増幅信号Ｃ１の電位とが等しくなるように、図７に示すオペアンプ４５の増幅率が設定される。
−Ｂｃｏｓ６０°＝−Ｃｓｉｎ６０°
∴Ｂ／Ｃ＝ｓｉｎ６０°／ｃｏｓ６０°＝ｔａｎ６０°＝３^１／２
∴Ｃ＝３^−１／２Ｂ
従って、オペアンプ４５の増幅率は、−３^−１／２（約−０．６）となる。

また、回転体の回転角θが６０°であるときに、出力信号Ｂ１の電位と増幅信号Ｃ２の電位とが等しくなるように、図７に示すオペアンプ４７の増幅率が設定される。
−Ｂｃｏｓ１２０°＝Ｃｓｉｎ１２０°
∴Ｂ／Ｃ＝−ｓｉｎ１２０°／ｃｏｓ１２０°＝−ｔａｎ１２０°＝３^１／２
∴Ｃ＝３^−１／２Ｂ
従って、オペアンプ４７の増幅率は、−３^−１／２（約−０．６）となる。

第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と増幅信号Ｃ１とを比較することにより、図８（ｃ）に示す第２の検出信号Ｄ２が生成される。また、第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と第２の増幅信号Ｃ２とを比較することにより、図８（ｃ）に示す第３の検出信号Ｄ３が生成される。

図９は、第１〜第３の検出信号によって表される回転体の回転角を示す図である。図９に示すように、第１〜第３の検出信号Ｄ１〜Ｄ３の３ビットのデータによって、１８０°内における６つの角度範囲を識別することができる。各角度範囲は、３０°（１／１２回転）となっている。図７に示す回転角算出回路４８は、第１〜第３の検出信号Ｄ１〜Ｄ３に基づいて、回転体の回転角を表す回転角データを算出する。回転角データを単位時間において積分することにより、水道又はガスの使用量や、自転車等の速度を求めることが可能となる。

再び図７を参照すると、センサー電源供給回路４９は、図２に示す第１のセンサーユニット２１、図３に示す第２のセンサーユニット２２、コンパレーター４１〜４３、及び、オペアンプ４４〜４７を含むアナログ回路に、センサー電源電位Ｖ_Ｓを供給する。ここで、センサー電源供給回路４９は、システムクロック信号に同期して所定の期間だけセンサー電源電位Ｖ_Ｓをアナログ回路に供給することにより、アナログ回路を間欠駆動しても良い。センサー電源電位Ｖ_Ｓを供給する期間をシステムクロック信号の１周期よりも短くすることによって、アナログ回路において消費される電力を大幅に低減することができる。

本発明の第２の実施形態によれば、第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較することに加えて、第１のセンサーユニット２１の出力信号Ａ１及びＡ２を所定の増幅率で増幅して符号が互いに異なる第１の増幅信号Ｃ１及び第２の増幅信号Ｃ２を求め、第２のセンサーユニット２２の出力信号Ｂ１又はＢ２と第１の増幅信号Ｃ１とを比較すると共に、第２のセンサーユニット２２の出力信号Ｂ１又はＢ２と第２の増幅信号Ｃ２とを比較することにより、３０°（１／１２回転）の精度で磁界の回転角を検出することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る検出回路について説明する。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る検出回路の構成を示す回路図である。この検出回路は、本発明の第２の実施形態に係る検出回路を変形したものであり、同一の構成要素については重複する説明を省略する。

図１０に示すように、検出回路４０ａは、第１の比較回路を構成するコンパレーター４１と、第２の比較回路を構成するコンパレーター４２〜４３と、第２の比較回路における増幅部を構成するオペアンプ４４〜４５及び抵抗Ｒ９〜Ｒ１０、Ｒ１３〜Ｒ１４とを含んでいる。これらの回路は、半導体集積回路装置に内蔵されても良い。

オペアンプ４４は、ボルテージフォロワーとして働き、図２に示す第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１をバッファーする。また、オペアンプ４５は、オペアンプ４４の出力信号Ａ１を所定の増幅率で増幅して、増幅信号Ｃ１を出力する。

コンパレーター４２は、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と増幅信号Ｃ１とを比較して、比較結果を表す第２の検出信号Ｄ２を出力する。第２の検出信号Ｄ２は、出力信号Ｂ１が増幅信号Ｃ１よりも大きいときにハイレベルとなり、出力信号Ｂ１が増幅信号Ｃ１よりも小さいときにローレベルとなる。

コンパレーター４３は、センサーユニット２２の他方の出力信号Ｂ２と増幅信号Ｃ１とを比較して、比較結果を表す第３の検出信号Ｄ３を出力する。第３の検出信号Ｄ３は、出力信号Ｂ２が増幅信号Ｃ１よりも小さいときにハイレベルとなり、出力信号Ｂ２が増幅信号Ｃ１よりも大きいときにローレベルとなる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る検出回路の動作を説明するための波形図である。図１１において、横軸は、回転体の回転角θを表している。図１１（ａ）には、図２に示す第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１によって表されるＡ相（ＳＩＮ）の波形と、図３に示す第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１によって表されるＢ相（ＣＯＳ）の波形とが示されている。センサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較することにより、図１１（ｃ）に示す第１の検出信号Ｄ１が得られる。

図１１（ｂ）には、Ａ相（ＳＩＮ）の波形及びＢ相（ＣＯＳ）の波形に加えて、第２のセンサーユニット２２の他方の出力信号Ｂ２の波形が破線で示され、第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１を所定の増幅率で増幅して得られる増幅信号Ｃ１の波形が一点鎖線で示されている。

本実施形態においては、図３に示す第２のセンサーユニット２２の２つの出力信号Ｂ１及びＢ２の電位と増幅信号Ｃ１の電位とが比較される。出力信号Ｂ１及びＢ２の振幅をＢとすると、出力信号Ｂ１及びＢ２の電位は、次式で表される。
Ｂ１＝−Ｂｃｏｓ２θ
Ｂ２＝Ｂｃｏｓ２θ
また、増幅信号Ｃ１の振幅をＣとすると、増幅信号Ｃ１の電位は、次式で表される。
Ｃ１＝−Ｃｓｉｎ２θ

３０°（１／１２回転）の精度で回転体の回転角を検出するために、回転体の回転角θが３０°であるときに、出力信号Ｂ１の電位と増幅信号Ｃ１の電位とが等しくなるように、図１０に示すオペアンプ４５の増幅率が設定される。
−Ｂｃｏｓ６０°＝−Ｃｓｉｎ６０°
∴Ｂ／Ｃ＝ｓｉｎ６０°／ｃｏｓ６０°＝ｔａｎ６０°＝３^１／２
∴Ｃ＝３^−１／２Ｂ
従って、オペアンプ４５の増幅率は、−３^−１／２（約−０．６）となる。

また、回転体の回転角θが６０°であるときに、出力信号Ｂ２の電位と増幅信号Ｃ１の電位とが等しくなるように、図１０に示すオペアンプ４５の増幅率が設定される。
Ｂｃｏｓ１２０°＝−Ｃｓｉｎ１２０°
∴Ｂ／Ｃ＝−ｓｉｎ１２０°／ｃｏｓ１２０°＝−ｔａｎ１２０°＝３^１／２
∴Ｃ＝３^−１／２Ｂ
従って、オペアンプ４５の増幅率は、−３^−１／２（約−０．６）となって、上記の増幅率と一致する。

第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と増幅信号Ｃ１とを比較することにより、図１１（ｃ）に示す第２の検出信号Ｄ２が生成される。また、第２のセンサーユニット２２の他方の出力信号Ｂ２と増幅信号Ｃ１とを比較することにより、図１１（ｃ）に示す第３の検出信号Ｄ３が生成される。第１〜第３の検出信号によって表される回転体の回転角は、図９に示すのと同様である。

本発明の第３の実施形態によれば、第１のセンサーユニット２１の２つの出力信号Ａ１及びＡ２を比較することに加えて、第１のセンサーユニット２１の一方の出力信号Ａ１を所定の増幅率で増幅して増幅信号Ｃ１を求め、第２のセンサーユニット２２の一方の出力信号Ｂ１と増幅信号Ｃ１とを比較すると共に、第２のセンサーユニット２２の他方の出力信号Ｂ２と増幅信号Ｃ１とを比較することにより、３０°（１／１２回転）の精度で磁界の回転角を検出することができる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。

１０…回転体、１０ａ…磁石、２０…磁気センサー、２１、２２…センサーユニット、３０、４０、４０ａ…検出回路、３１〜３４、４１〜４３…コンパレーター、３５…論理回路、３６、４８…回転角算出回路、３７、４９…センサー電源供給回路、４４〜４７…オペアンプ、４９…センサー電源供給回路、Ｒ１〜Ｒ８…ＭＲ素子、Ｒ９〜Ｒ１４…抵抗

Claims

磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を有する第１のセンサーユニット及び第２のセンサーユニットが互いに所定の角度をなして配置された磁気センサーに接続される検出回路であって、
前記第１又は第２のセンサーユニットの出力信号を比較する第１の比較回路と、
前記第１のセンサーユニットの出力信号と前記第２のセンサーユニットの出力信号とを比較する第２の比較回路と、
前記第１の比較回路の比較結果と前記第２の比較回路の比較結果とに基づいて磁界の回転角を算出する回転角算出回路と、
を含み、
前記第１の比較回路が、前記第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較して、比較結果を表す第１の検出信号を出力する第１のコンパレーターを含み、
前記第２の比較回路が、
前記第１のセンサーユニットの出力信号を所定の増幅率で増幅して、振幅が同一で符号が互いに異なる第１の増幅信号及び第２の増幅信号を出力する増幅部と、
前記第２のセンサーユニットの出力信号と前記第１の増幅信号とを比較して、比較結果を表す第２の検出信号を出力する第２のコンパレーターと、
前記第２のセンサーユニットの出力信号と前記第２の増幅信号とを比較して、比較結果を表す第３の検出信号を出力する第３のコンパレーターと、
を含むことを特徴とする検出回路。
磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を有する第１のセンサーユニット及び第２のセンサーユニットが互いに所定の角度をなして配置された磁気センサーに接続される検出回路であって、
前記第１又は第２のセンサーユニットの出力信号を比較する第１の比較回路と、
前記第１のセンサーユニットの出力信号と前記第２のセンサーユニットの出力信号とを比較する第２の比較回路と、
前記第１の比較回路の比較結果と前記第２の比較回路の比較結果とに基づいて磁界の回転角を算出する回転角算出回路と、
を含み、
前記第１の比較回路が、前記第１のセンサーユニットの２つの出力信号を比較して、比較結果を表す第１の検出信号を出力する第１のコンパレーターを含み、
前記第２の比較回路が、
前記第１のセンサーユニットの一方の出力信号を所定の増幅率で増幅して、増幅信号を出力する増幅部と、
前記第２のセンサーユニットの一方の出力信号と前記増幅信号とを比較して、比較結果を表す第２の検出信号を出力する第２のコンパレーターと、
前記第２のセンサーユニットの他方の出力信号と前記増幅信号とを比較して、比較結果を表す第３の検出信号を出力する第３のコンパレーターと、
を含むことを特徴とする検出回路。
電源電圧を分圧することにより、前記増幅部において用いられる基準電位を生成する分圧回路をさらに含む、請求項１又は２記載の検出回路。
請求項１〜３のいずれか１項記載の検出回路を含む半導体集積回路装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の検出回路と、
前記磁気センサーと、
を含む磁界回転角検出装置。
請求項５記載の磁界回転角検出装置と、
回転磁界を発生する回転体と、
を含む電子機器。