CN102680918B - 磁传感器和磁传感器驱动方法 - Google Patents

磁传感器和磁传感器驱动方法 Download PDF

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Abstract

公开了磁传感器、磁传感器驱动方法和计算机可读记录介质。磁传感器包括脉冲发生器、磁电转换元件以及切换器，该脉冲发生器生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲，该切换器基于脉冲来控制在通电时间内的间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间。该磁电转换元件例如是输出两个检测信号的MR元件，两个检测信号的信号电平之间的大小关系由外部磁场的场强改变。磁传感器还可包括对两个检测信号进行放大的放大器和比较经放大的两个检测信号的比较器。

Description

磁传感器和磁传感器驱动方法
本申请基于2011年1月28日递交的日本专利申请No.2011-016462并要求其优先权，其全部公开内容通过引用方式被结合于此。
技术领域
本发明涉及磁传感器、磁传感器驱动方法和计算机可读记录介质，更具体地，涉及利用电源间歇控制来降低磁电转换元件的平均消耗电流的磁传感器、磁传感器的驱动方法和用于磁传感器的计算机可读记录介质。
背景技术
诸如霍尔元件和磁阻(MR)元件之类的磁电转换元件中的每一个是用于检测磁场并将其转换成电信号的元件。MR元件主要由包含在集成电路芯片上形成的诸如镍或铁之类的铁磁金属的合金薄膜构成。合金薄膜构成惠斯通桥电路的四个电阻。由外部场强度的改变造成的四个电阻之二的阻值的减少导致桥电路的中点电势差的出现。使用诸如霍尔元件或MR元件之类的磁电转换元件的磁传感器在例如PTL1中被公开。PTL1在图1中公开了具有霍尔元件的磁传感器、用于在霍尔电压提取方法和用于向霍尔元件施加电源电压VDD的方法之间进行切换的切换电路、包括用于放大来自切换电路的输出的第一和第二放大器电路的放大器电路以及用于通过电容器来比较两个放大器电路的输出的比较单元。两个放大器电路和比较电路被间歇地驱动。此外，PTL1在图7和图8以及段落[0072]至[0076]中公开了用于间歇控制的通电信号POW由磁传感器电路中的控制电路生成。
引用列表
专利文献
PTL1JP-A-2009-002851(图1和图7)
发明内容
技术问题
近年来，MR元件膜的面积随着MR传感器尺寸的减小而减小，并且与该面积成比例的阻值减小，而MR元件的能耗增加。外部电源的间歇控制允许MR元件的平均消耗电流降低到某一水平。然而，由于外部控制组件(例如，微计算机)的能耗或操作速度的限制，外部间歇电源的接通时间(on-time)的缩短有限制。
本发明的一个示例性目的是降低磁传感器内部的组件、特别是磁电转换元件的能耗。
问题的解决方案
根据本发明的示例性第一方面，提供了一种磁传感器，该磁传感器包括：磁电转换元件；脉冲发生器，该脉冲发生器生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；以及切换器，该切换器基于脉冲来控制在通电时间内的间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间。
根据本发明的示例性第二方面，提供了一种用于磁传感器的驱动方法，该方法包括：生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；以及基于脉冲来控制在通电时间内的间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间。
发明的有利效果
1.磁电转换元件的整体能耗可以在外部间歇电源控制下减小。
2.用于导通磁电转换元件的脉冲在磁传感器内生成，并且所述脉冲的脉冲宽度减小，由此可以减小磁电转换元件的能耗。
附图说明
图1：示意性地例示了根据本发明的示例性方面的MR传感器的配置的框图。
图2：将被输入到电源端子VCC的外部间歇电源信号的波形。
图3：代表MR元件的接通时间的波形；
图4：存在外部磁场的情况下的输出端子OUT的波形；
图5：根据本发明的MR传感器的操作流程；
图6：存在外部磁场的情况下的操作时序图；
图7：不存在外部磁场的情况下的操作时序图；
图8：示意性地例示了根据本发明第一示例性实施例的磁传感器的配置的框图；
图9：示意性地例示了根据本发明第二示例性实施例的磁传感器的配置的框图。
具体实施方式
下面将参考附图来详细描述本发明的示例性实施例。
图8是示意性地例示了根据本发明第一示例性实施例的磁传感器的配置的框图。如图8所示，磁传感器1000包括磁电转换元件1001、切换器1002和脉冲发生器1003。来自间歇电源1010的间歇电源信号被供应到磁电转换元件1001和脉冲发生器1003。脉冲发生器1003生成具有比来自间歇电源1010的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲并将所述脉冲输出到切换器1002。切换器1002基于所述脉冲来控制在通电时间内的间歇电源信号对磁电转换元件1001的信号施加时间。由于对磁电转换元件1001的信号施加时间比间歇电源信号的通电时间短，因此磁电转换元件1001的能耗可以被减小。图9是示意性地例示了根据本发明第二示例性实施例的磁传感器的配置的框图。如图9所示，除了磁传感器1000中的磁电转换元件1001、切换器1002和脉冲发生器1003，磁传感器1002还包括输出波形恢复电路1004。输出波形恢复电路1004改变来自磁电转换元件1001的输出的波形以使得该输出的脉冲宽度等于外部间歇电源1010的通电时间。下面将详细描述根据本发明的示例性实施例的磁传感器。下面描述的磁传感器是以MR元件为磁电转换元件的MR传感器；然而，本发明可以被应用到使用诸如霍尔元件之类的非MR元件的磁电转换元件的磁传感器。
图1是示意性地例示了根据本发明的示例性方面的MR传感器的配置的框图。图2例示了将被输入到电源端子VCC的外部间歇电源信号的波形。图3是代表MR元件的接通时间的波形。图4是存在外部磁场的情况下的输出端子OUT的波形。
如图1所示，来自间歇电源的间歇电源信号通过电源端子VCC被供应到各个电路。脉冲发生电路100包括缓冲器35、缓冲器36、电阻器34、电容器33和AND电路32，并利用间歇电源信号的“接通”来生成用于导通MR元件的脉冲。脉冲宽度由基于电阻器34的电阻R和电容器33的电容C的时间常数确定。
MR元件10包括电阻器11和14以及可变电阻器12和13。电阻器11和14分别具有电阻R1和R4，并且可变电阻器12和13分别具有电阻R2和R3。将被输入到MR元件10的间歇电源信号由N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NchMOSFET)70导通/关断。NchMOSFET70的栅极连接到NOT电路31的输出端以允许来自脉冲发生电路100的脉冲通过NOT电路31来导通/关断NchMOSFET70。NchMOSFET70用作控制在通电时间内的间歇电源信号对MR元件10的信号施加时间。
输出波形恢复电路40由DFF电路(D触发器)构成并且其CLEAR腿连接到脉冲发生电路100的AND电路32的输出端。在与脉冲宽度相对应的时间段期间，DFF电路被清除(CLEAR)，QB输出端的电势变为高(HIGH)电平，并且MR传感器的OUT腿变为低(LOW)电平。输出波形恢复电路40可以基本消除外部间歇电源波形的接通时间宽度和存在磁场的情况下的高电平输出波形宽度之间的差别。
DFF电路的功能表如下。
[表1]
MR传感器的输出部分由互补金属氧化物半导体(CMOS)电路构成，更具体地，由电源侧的PchMOSFET50和GND侧的NchMOSFET60构成。
MR元件10的电阻器11和12之间的中点连接到放大器(AMP电路)20的负输入端。MR元件10的电阻器11和12的中点连接到放大器20的正输入端。放大器20的两个输出都连接到比较器(COMP电路)30的两个输入端。比较器30的输出通过NOT电路21连接到DFF电路的CLK(CLOCK)腿。比较器30的输出还通过缓冲器电路22连接到DFF电路的CLKB(CLOCKB)腿。
在不存在外部磁场的情况下(当外部磁场的强度小于等于MR元件的灵敏度阈值时)，电阻器11和12之间的中点电势被设为高于电阻器13和14之间的中点电势，以便在放大器20的正负输入端之间生成负电势差，结果连接到放大器20的比较器30的输出变为低电平。当比较器30的输出被维持在低电平时，CLK信号由于NOT电路21的存在而被维持在高电平，并且QB输出信号被清除并维持在高电平。MR传感器的OUT腿被维持在低电平。
在存在外部磁场的情况下(当外部磁场的强度超过MR元件的灵敏度阈值时)，电阻器12和13的电阻R2和R3减小，电阻器11和12之间的中点电势减小，并且电阻器13和14之间的中点电势增大。于是，正电势差在放大器20的正负输入端之间生成，以使连接到放大器20的比较器30的输出为高电平。在NchMOSFET70导通后，比较器30的输出脉冲下降。比较器30的输出脉冲的下降通过NOT电路21形成CLK信号的上升。在CLK信号上升后，QB信号从高电平改变为低电平，导致MR传感器的OUT腿从低电平改变为高电平。该状态持续到外部间歇电源信号关断。
MR元件10及其外围电路(放大器20、比较器30、DFF电路40、脉冲发生电路100、切换器70、NOT电路31、NOT电路21、缓冲器电路22、PchMOSFET50和NchMOSFET60中的一些或全部)可以被集成，实现MR传感器的小型化。此外，由MR元件造成的特性改变可以被抑制。
这里，带有外部间歇电源的MR传感器的平均消耗电流被计算。外部间歇电源的波形被例示于图2。MR元件接通时间的波形被例示于图3。
假设在图2的外部间歇电源波形中，周期由“CYCLE(周期)1”和“CYCLE2”表示，接通时间由“Ton1”表示，并且关断时间由“Toff1”表示。此外，假设带有总是接通的电源的电路的消耗电流由“Icircuit”表示，并且带有总是接通的电源的MR元件的消耗电流由“Imr”表示。另外，假设在图3的MR元件接通时间的波形中，周期由“CYCLE1”和“CYCLE2”表示，接通时间由“Ton2”表示，并且关断时间由“Toff2”表示。
带有外部间歇电源的MR传感器的平均消耗电流I由下式表示：
I＝Icircuit×Ton1/Cycle+Imr×Ton2/Cycle
下面描述实际计算带有外部间歇电源的MR传感器的平均消耗电流的示例。外部间歇电源的波形被例示于图2。假设周期“Cycle”为10毫秒(ms)，接通时间Ton1为10微秒(μS)，带有总是接通的电源的电路的消耗电流Icircuit为300微安(μA)，并且带有总是接通的电源的MR元件的消耗电流Imr为1.5毫安(mA)。MR元件接通时间的波形被例示于图3。假设周期“Cycle”为10毫秒并且接通时间Ton2为1μS。
带有外部间歇电源的MR传感器的平均消耗电流I被计算如下：
I＝Icircuit×Ton1/Cycle+Imr×Ton2/Cycle
＝300μA×10μS/10mS+1.5mA×1μS/10mS
＝0.45μA
(操作)
将使用图5、图6和图7来描述图1的外部间歇电源控制的MR传感器的一系列操作及其时序。
图5是操作流程。图6是存在外部磁场的情况下的操作时序图。图7是不存在外部磁场的情况下的操作时序图。在图6和图7中，Ton2是MR元件接通时间。延迟时间Δt表示由放大器(AMP电路)20、比较器(COMP电路)30和NOT电路21引起的延迟时间。如图5所示，在步骤S501，外部间歇电源被从VCC输入。电源波形在图6和图7中被描绘(T601、T701)。
在步骤S502，脉冲发生电路100从输入电源的“接通”生成用于导通MR元件的脉冲或用于DFF电路的清除(Clear)的低电平电势。图6和图7中的T602和T702各自代表当电源波形通过缓冲器电路35以被输入到AND电路32时获得的正输入端处的波形。T603和T703各自代表当电源波形通过缓冲器电路36和RC电路以被输入到AND电路32时获得的负输入端处的波形。T604和T704各自另外代表用于DFF电路的清除的波形。
在步骤S503和S504，DFF电路利用来自脉冲发生电路100的Clear信号来在与脉冲发生电路中生成的脉冲宽度相对应的时间段期间清除QB信号。该时间宽度对应于图6和图7的Ton2。在该时间段期间，OUT输出为低电平。
在步骤S505，MR元件借助来自脉冲发生电路的脉冲来导通电源。通电时间由图6和图7的Ton2指示。从S507到S511的步骤对应于存在外部磁场的情况下的流程。在步骤S506，MR元件将磁场信号转换为电信号。在存在外部磁场的情况下，电阻器12和13的电阻R2和R3减小，电阻器11和12之间的中点电势减小，并且电阻器13和14之间的中点电势增大。于是，如步骤S507中所例示，放大器20的正输入端处的电势变得高于负输入端处的电势，在步骤508，比较器30输出高电平信号。这种情况下比较器30的输出波形由图6的T606指示。从S509到S511的步骤覆盖了存在外部磁场的情况下的输出部分和DFF电路的操作。在MR元件关断后，比较器30的输出脉冲下降。输出脉冲的下降通过NOT电路20形成CLK信号的上升(步骤S509)。在CLK信号上升后，QB信号从高电平改变为低电平(步骤S510)，导致MR传感器的OUT腿从低电平改变为高电平。该状态持续到外部间歇电源关断(步骤S511)。从步骤S509到S511的操作对应于图6的时序图的T607到T609。
从S512到S516的步骤对应于不存在外部磁场的情况下的流程。在步骤S506，MR元件将磁场信号转换为电信号。在不存在外部磁场的情况下，电阻器11和12之间的中点电势被设为高于电阻器13和14之间的中点电势，以使得如步骤S512中所例示，放大器20的正输入端处的电势变得低于负输入端处的电势，结果在步骤513，比较器30输出低电平信号。这种情况下比较器30的输出波形由图7的T706指示。从S514到S516的步骤覆盖了不存在外部磁场的情况下的输出部分和DFF电路的操作。在CLK信号被维持在高电平的情况下(步骤S514)，QB输出信号被清除并维持在高电平(步骤S515)。MR传感器的OUT腿被维持在低电平。该状态持续到外部间歇电源关断(步骤S516)。从步骤S514到S516的操作对应于图7的时序图的T707到T709。
如上所述，根据本示例的磁传感器主要由磁传感器和用于驱动磁传感器的控制电路构成，并且其功能通过硬件来实现。然而，MR元件以外的电路、即用作控制部件的电路的功能中的一些或全部可利用计算机通过软件来实现。例如，通过将例示了放大器(AMP电路)20、比较器(COMP电路)30、输出波形恢复电路40和脉冲发生电路100的操作流程的图5的操作描述为程序、将该程序存储在诸如ROM之类的存储部件中、将计算所需的信息存储在诸如RAM之类的存储器中并使用CPU来执行该程序，本示例的磁传感器的功能可以通过程序来实现。
以上示例性实施例和示例中的一些或全部可以被描述为以下注释，但本发明不限于以下补充注释。
(补充注释1)一种磁传感器，包括：
脉冲发生器，所述脉冲发生器生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；
磁电转换元件；以及
切换器，所述切换器基于所述脉冲来控制在所述通电时间内的所述间歇电源信号对所述磁电转换元件的信号施加时间。
(补充注释2)根据权利要求1所述的磁传感器，还包括输出波形恢复电路，所述输出波形恢复电路改变来自所述磁电转换元件的输出的波形，以便所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间，所述输出具有比所述间歇电源信号的所述通电时间短的脉冲宽度。
(补充注释3)根据权利要求1所述的磁传感器，其中，所述磁电转换元件是输出两个检测信号的磁阻元件，所述两个检测信号的信号电平之间的大小关系由外部磁场的场强改变，并且
所述磁传感器还包括对所述两个检测信号进行放大的放大器和比较经放大的两个检测信号的比较器。
(补充注释4)根据权利要求3所述的磁传感器，还包括输出波形恢复电路，所述输出波形恢复电路改变来自所述比较器的输出的波形，以便所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间，所述输出具有比所述间歇电源信号的所述通电时间短的脉冲宽度。
(补充注释5)根据权利要求3所述的磁传感器，其中，所述MR元件、脉冲发生器、切换器、放大器和比较器被整体地形成。
(补充注释6)一种用于磁传感器的驱动方法，所述方法包括：
生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；以及
基于所述脉冲来控制在所述通电时间内的所述间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间。
(补充注释7)根据权利要求6所述的驱动方法，还包括改变来自所述磁电转换元件的输出的波形，以便所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间，所述输出具有比所述间歇电源信号的所述通电时间短的脉冲宽度。
(补充注释8)根据权利要求6所述的驱动方法，其中，所述磁电转换元件是输出两个检测信号的磁阻元件，所述两个检测信号的信号电平之间的大小关系由外部磁场的场强改变，并且
所述驱动方法还包括对所述两个检测信号进行放大并由比较器比较经放大的两个检测信号。
(补充注释9)根据权利要求8所述的驱动方法，还包括改变来自所述比较器的输出的波形，以便所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间，所述输出具有比所述间歇电源信号的所述通电时间短的脉冲宽度。
(补充注释10)一种存储计算机程序的计算机可读记录介质，所述程序允许计算机用作驱动磁电转换元件以执行以下过程的控制部件：生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；以及基于所述脉冲来控制在所述通电时间内的所述间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间。
虽然已参考本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员将理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的范围和精神的情况下，可对本发明进行各种形式和细节的改变。
工业适用性
根据本发明的磁传感器采用外部电源间歇控制并适于应用到磁传感器以减少安装在磁传感器内部的磁电转换元件的平均消耗电流。具体地，该磁传感器被用作用于检测水表或气表的旋转的旋转检测器并用作运动编码器。
参考符号列表
10MR元件
11，14电阻器
12，13可变电阻器
20放大器(AMP电路)
21NOT电路
22缓冲器
30比较器(COMP电路)
31NOT电路
32AND电路
33电容器
34电阻器
35缓冲器
36冲器
40输出波形恢复电路
100脉冲发生电路

Claims (10)

1.一种磁传感器，包括：
脉冲发生器，所述脉冲发生器生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；
磁电转换元件；以及
切换器，所述切换器基于所述脉冲来控制在所述通电时间内的所述间歇电源信号对所述磁电转换元件的信号施加时间。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，还包括输出波形恢复电路，所述输出波形恢复电路改变来自所述磁电转换元件的输出的波形，以便比所述间歇电源信号的所述通电时间短的所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间。
3.根据权利要求1所述的磁传感器，其中，所述磁电转换元件是输出两个检测信号的磁阻元件，所述两个检测信号的信号电平之间的大小关系由外部磁场的场强改变，并且
所述磁传感器还包括对所述两个检测信号进行放大的放大器和比较经放大的两个检测信号的比较器。
4.根据权利要求3所述的磁传感器，还包括输出波形恢复电路，所述输出波形恢复电路改变来自所述比较器的输出的波形，以便比所述间歇电源信号的所述通电时间短的所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间。
5.根据权利要求3所述的磁传感器，其中，所述磁阻元件、脉冲发生器、切换器、放大器和比较器被整体地形成。
6.一种用于磁传感器的驱动方法，所述方法包括：
生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲；以及
基于所述脉冲来控制在所述通电时间内的所述间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间。
7.根据权利要求6所述的驱动方法，还包括改变来自所述磁电转换元件的输出的波形，以便比所述间歇电源信号的所述通电时间短的所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间。
8.根据权利要求6所述的驱动方法，其中，所述磁电转换元件是输出两个检测信号的磁阻元件，所述两个检测信号的信号电平之间的大小关系由外部磁场的场强改变，并且
所述驱动方法还包括对所述两个检测信号进行放大并由比较器比较经放大的两个检测信号。
9.根据权利要求8所述的驱动方法，还包括改变来自所述比较器的输出的波形，以便比所述间歇电源信号的所述通电时间短的所述输出的脉冲宽度变为等于所述外部间歇电源的所述通电时间。
10.一种用于磁传感器的驱动系统，包括：
用于生成具有比来自外部间歇电源的间歇电源信号的通电时间短的脉冲宽度的脉冲的装置；
用于以及基于所述脉冲来控制在所述通电时间内的所述间歇电源信号对磁电转换元件的信号施加时间的装置。
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