CN104949696A - 传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明是抑制功耗并且抑制传感器装置内部的噪声或外来噪声的影响的传感器装置。传感器装置包括：物理量电压转换元件；差动放大器；一个端子与差动放大器的第一输出端子连接并保持偏移电压的第一电容；比较器；设在差动放大器的第一输出端子的低通滤波器电路；对物理量电压转换元件、差动放大器、比较器和低通滤波器电路进行导通/截止控制的控制电路；以及将对比较器的输出信号进行运算处理后的结果作为逻辑输出加以输出的逻辑电路，逻辑电路在前次逻辑输出和第一次逻辑输出出现变化的情况下，进行连续的多次逻辑输出的核对判定，低通滤波器电路以在第二次以后的信号处理期间导通的方式向控制电路输出控制信号。

Description

传感器装置

技术领域

本发明涉及将物理量（例如磁场强度）转换为电信号的传感器装置，例如涉及利用于折叠式便携电话机、笔记本电脑等中的开闭状态探测用传感器、或电动机的转速/旋转位置探测传感器等的磁传感器装置。

背景技术

作为折叠式便携电话机、笔记本电脑等中的开闭状态探测用传感器，另外作为电动机的转速/旋转位置探测传感器，使用磁传感器装置。

磁传感器装置利用磁电转换元件（例如霍尔元件）输出与磁场强度或磁通密度成比例的电压，用放大器放大该输出电压，利用比较器进行判定，以H信号或L信号这二值进行输出。由于磁电转换元件的输出电压微小，所以磁电转换元件所具有的偏移电压（元件偏移电压）、放大器或比较器所具有的偏移电压（输入偏移电压）、或转换装置内的噪声成为问题。元件偏移电压主要是因为磁电转换元件从封装件受到的应力等而产生的。输入偏移电压主要是因为构成放大器的输入电路的元件的特性偏差等而产生的。噪声主要是因为构成电路的单体晶体管所具有的闪烁噪声、单体晶体管或电阻元件所具有的热噪声而产生的。

为了不显著增加功耗而降低上述磁电转换元件或放大器所具有的噪声造成的磁检测/解除动作的偏差，设计了图10所示的磁传感器装置（例如，参照专利文献1）。

现有的磁传感器装置包括：作为磁电转换元件的霍尔元件1；开关电路2；差动放大器3；比较器4；控制电路5；D型触发器D1、D2、D3；XOR电路X1、X2；选择器电路SL1、SL2；AND电路AN1；OR电路OR1；电容C1；开关S1；输出端子VOUT；以及端子E1、E2，其中，逻辑电路仅在因磁场强度的变化而在逻辑输出产生变化的情况下，进行连续的多次逻辑输出的核对判定。

专利文献1：日本特开2013－74415号公报。

发明内容

然而，在现有的磁传感器装置中，尽管便携设备通常使用时（例如将折叠式便携电话完全打开的状态或关闭的状态）施加磁场几乎没有变化，始终还是以一定的信号处理期间进行高精度磁判定，平均消耗电流的削减效果有极限。

为了解决现有技术的这样的问题点，本发明的传感器装置采用如下结构。

一种传感器装置，其特征在于，包括：物理量电压转换元件，输出与物理量的大小对应的差动电压；差动放大器，放大物理量电压转换元件的输出信号；第一电容，该第一电容的一个端子与差动放大器的第一输出端子连接，保持偏移电压；比较器，输入将物理量电压转换元件的输出信号放大后的信号，输出比较后的结果；低通滤波器电路，设在差动放大器的第一输出端子；控制电路，对物理量电压转换元件、差动放大器、比较器和低通滤波器电路进行导通/截止控制；以及逻辑电路，将对比较器的输出信号进行运算处理后的结果作为逻辑输出加以输出，其中，逻辑电路在前次逻辑输出和第一次逻辑输出上产生变化的情况下，进行连续的多次逻辑输出的核对判定，低通滤波器电路以在第二次以后的信号处理期间导通的方式向控制电路输出控制信号。

依据本发明的传感器装置，能够降低因装置内部的各构成元件发出的噪声或外来噪声造成的物理量（磁场强度）的检测或解除的判定偏差，并且与现有技术相比能够进一步削减功耗。另外，能够提供能以低消耗电流进行高精度的物理量（磁场强度）的检测或解除的传感器装置。

附图说明

图1是示出第1实施方式的磁传感器装置的电路图；

图2是本发明的磁传感器装置的时间图；

图3是示出第2实施方式的磁传感器装置的电路图；

图4是示出第3实施方式的磁传感器装置的电路图；

图5是示出第1实施方式所使用的差动放大器的一个例子的电路图；

图6是示出第2实施方式所使用的低通滤波器的一个例子的电路图；

图7是示出第3实施方式所使用的差动放大器的一个例子的电路图；

图8是示出本发明的磁传感器装置的差动放大器的增益及噪声频率特性的一个例子的图；

图9是示出本发明的磁传感器装置的差动放大器的过渡响应特性的图；

图10是示出现有的磁传感器装置的电路图。

标号说明

1 霍尔元件；2 开关切换电路；3 差动放大器；4 比较器；5 控制电路；L1 低通滤波器电路；11、12 运算放大器；D1、D2、D3 D型触发器；SL1、SL2 选择器电路。

具体实施方式

基于附图详细说明本发明的传感器装置。以下，对利用磁电转换元件的磁传感器装置进行说明，但本发明的传感器装置代替磁电转换元件而使用根据加速度、压力等而输出电压的转换元件也能期待同样的效果。

[第1实施方式]

图1是示出第1实施方式的磁传感器装置的电路图。第1实施方式的磁传感器装置具备：作为磁电转换元件的霍尔元件1；开关电路2；差动放大器3；比较器4；控制电路5；D型触发器D1、D2、D3；XOR电路X1、X2；选择器电路SL1、SL2；AND电路AN1；OR电路OR1；作为偏移电压保持电容的电容器C1；作为偏移电压保持兼低通滤波器电容的电容器C2；开关S1；开关S2；输出端子VOUT；输入ON/OFF（导通/截止）信号φE1的端子E1；以及输入ON/OFF信号φE2的端子E2。霍尔元件1具有第一端子对A－C和第二端子对B－D。开关电路2具有与霍尔元件1的各端子A、B、C及D连接的4个输入端子和第一输出端子及第二输出端子。差动放大器3具有第一输入端子及第二输入端子、和第一输出端子及第二输出端子。选择器电路SL1、SL2具有输入端子A、输入端子B、选择端子φS和输出端子。

差动放大器3的第一输出端子与电容器C1及开关S2的一端连接，第二输出端子与开关S1的一端连接。开关S2的另一端与电容器C2的一端连接。比较器4的第一输入端子与电容器C1的另一端、电容器C2的另一端及开关S1的另一端连接，第二输入端子与差动放大器3的第二输出端子连接，输出端子与D型触发器D1和D型触发器D2的输入端子连接。XOR电路X1的第一输入端子与D型触发器D1的输出端子连接，第二输入端子与D型触发器D2的输出端子连接，输出端子与选择器电路SL1的选择端子φS连接。XOR电路X2的第一输入端子与D型触发器D1的输出端子和选择器电路SL1的输入端子A连接，第二输入端子与选择器电路SL1的输入端子B、选择器电路SL2的输入端子A、D型触发器D3的输出端子和输出端子VOUT连接，输出端子与选择器电路SL2的选择端子φS和AND电路AN1的第一输入端子连接。选择器电路SL2的输入端子B与选择器电路SL1的输出端子连接，输出端子与D型触发器D3的输入端子连接。AND电路AN1的第二输入端子与端子E2连接，输出端子与OR电路OR1的第一输入端子连接。OR电路OR1的第二输入端子与端子E1连接，输出端子与控制电路5连接。AND电路AN2的第一输入端子与OR电路OR1的输出端子连接，第二输入端子与端子E2连接，输出端子与控制电路5连接。控制电路5从OR电路OR1输入φEN信号，并向开关电路2、差动放大器3、比较器4输出φEN信号。另外，控制电路5从AND电路AN2输入ELP信号，并向开关2输出ELP信号。

图5中示出第1实施方式所使用的差动放大器3的电路图的一个例子。差动放大器3一般采用仪表放大器结构。差动放大器3具备差动放大器11、12和反馈电阻R11、R12、R13。关于连接，差动放大器11的同相输入端子与第一输入端子连接，反相输入端子与反馈电阻R11的一端和反馈电阻R12的一端的连接点连接，输出端子与第一输出端子和反馈电阻R11的另一端连接。差动放大器12的同相输入端子与第二输入端子连接，反相输入端子与反馈电阻R13的一端和反馈电阻R12的另一端的连接点连接，输出端子与第二输出端子和反馈电阻R13的另一端连接。差动放大器3通过作成这样的仪表放大器结构，能够抑制差动输入中的同相噪声的影响。

开关电路2具有切换向霍尔元件1的第一端子对A－C输入电源电压并从第二端子对B－D输出检测电压的第一检测状态、和向第二端子对B－D输入电源电压并从第一端子对A－C输出检测电压的第二检测状态的功能。

接着，对本实施方式的磁传感器装置的动作进行说明。图2是本实施方式的磁传感器装置的时间图。

磁传感器装置的检测动作的一个周期T，根据开关电路2的动作被分为第一检测状态T1和第二检测状态T2。另外，根据开关S1的开闭被分为采样阶段F1和比较阶段F2。采样阶段F1向电容器C1存储霍尔元件1、差动放大器3的偏移分量。比较阶段F2进行按照磁场强度确定的电压和检测电压电平的比较。ON/OFF信号φE1在第一次检测动作期间T的期间被输入“H”。ON/OFF信号φE2在第二次检测动作期间T的期间被输入“H”。

在此，φDm表示向第m个D型触发器Dm输入的闩锁用时钟信号。另外，如果无特别记载，D型触发器在时钟信号上升时进行输入数据的闩锁。另外，设磁电转换元件1的差动输出电压为Vh、开关电路2的输出电压为V1及V2、差动放大器3的输出电压为V3及V4、差动放大器3的放大率为G、差动放大器3的输入偏移电压为Voa、比较器4的输入电压为V5及V6、比较器4的输出电压为V7。

在采样阶段F1，霍尔元件1成为第一检测状态T1，开关S1导通（ON）。通过开关S1导通，向偏移电压保持电容C1充电如下：Vc1＝（V3－V4）＝G（Vh1＋Voa） （1）。接着在比较阶段F2（第二检测状态T2），开关S1截止（OFF），输出Vc2＝（V3－V4）＝G（－Vh2＋Voa） （2）。在此，V5－V6＝V3－Vc1－V4＝Vc2－Vc1＝－G（Vh1＋Vh2） （3），从而抵消输入偏移电压的影响。另外，磁电转换元件的检测电压Vh1和Vh2一般具有同相的有效信号分量和反相的元件偏移分量，因此上述输出电压还消除了元件偏移分量的影响。

而且，在比较阶段F2，由式（3）表示的施加磁场强度的检测电压分量在比较器4中与基准电压进行比较，输出信号V7（H信号（VDD）或L信号（GND））。

在此，本实施方式的情况下的基准电压是霍尔元件1中的同相电压。另外，基准电压通过追加电路，能够任意设定。

比较器4输出的信号V7输入到以下详细描述的逻辑电路。比较器4输出的信号V7在各自分开的定时被二个D型触发器D1及D2闩锁二次。第二次闩锁是在连续的再检测动作中，即第一次闩锁的一个检测周期T后进行的。而且，通过连接这二个输出端子的XOR电路X1，仅在这二个输出值相同时通过选择器电路SL1，从而比较器4的输出信号输入到选择器电路SL2。相反，如果D型触发器D1及D2的二个输出的值不同，则保持在D型触发器D3的前次检测时的输出结果原样输入到选择器电路SL2。即，只要在T这样的时间不继续相同检测（解除）状态，就不做检测或解除的判定，能够防止瞬间的噪声的影响造成的误检测、误解除。

接着，通过保持在D型触发器D3的前次检测时的输出结果和连接D型触发器D1的输出端子的XOR电路X2，仅在这二个输出值不同时通过选择器电路SL2，选择器电路SL1的输出信号输入到D型触发器D3，最终在φD3的定时被闩锁。相反，如果输入XOR电路X2的二个输出值相同，则保持在D型触发器D3的前次检测时的输出结果就原样输入到D型触发器D3并被闩锁。另外，XOR电路X2的输出和ON/OFF信号φE2输入AND电路AN1，仅在输入XOR电路X2的二个输出值不同的情况下，ON/OFF信号φE2经由AND电路AN1输入到OR电路OR1。而且，在OR电路OR1中ON/OFF信号φE1和ON/OFF信号φE2相合，作为φEN信号输出。另一方面，在输入XOR电路X2的二个输出值相同的情况下，AND电路AN1的输出被固定为L信号，因此ON/OFF信号φE1原样作为φEN信号从OR电路OR1输出。另外，对AND电路AN2输入φEN信号和ON/OFF信号φE2，因此AND电路AN2仅在进行第二次判定的情况下输出“H”的ELP信号。

即，如果第一次闩锁结果和前次检测结果不同，就进行第二次判定，通过第一次和第二次的结果的核对，决定检测结果。在该情况下，会消耗第一次和第二次的信号处理期间的总量（Ta＋Tb）的电力。相反，如果第一次闩锁结果和前次检测结果相同，则不进行第二次判定，也截断差动放大器3等的进行信号处理的电路的电流。在该情况下，能够削减第二次的信号处理期间Tb量的功耗。此外，即便第一次闩锁结果和前次检测结果不同的情况下，如果第一次闩锁结果和第二次闩锁结果不同，则第一次判定就会变无效，因此检测结果VOUT不变化，但会消耗第一次和第二次的信号处理期间的总量（Ta＋Tb）的电力。

通过以上方式，能够抑制因传感器装置内部或者来自外部的噪声而出现磁场强度的检测或解除的判定结果的偏差，并且能够将功耗抑制在必要最低限度。

图8中示出差动放大器3的增益及噪声频率特性的一个例子。通过ELP信号的逻辑值来控制低通滤波器的有效/无效，差动放大器3的增益Gain的截止频率成为f1或f2。另外，差动放大器3的输入换算噪声Vni（f）在比转角频率fc低的频率占主导的是起因于MOS晶体管并与频率成反比例的闪烁噪声，在比转角频率fc高的频率占主导的是起因于MOS晶体管及电阻元件并不依赖于频率的固定的热噪声。该输入换算噪声电力频谱Vni（f）和前述的增益Gain之积成为差动放大器3的输出噪声电力频谱Vn（f）。从直流到高频为止的噪声电力频谱Vn（f）的积分的平方根作为有效噪声电压而影响比较器4的判定动作，因此可知与ELP信号为“L”的状态相比在ELP信号为“H”的状态下磁检测/解除的偏差得到抑制。

图9是示出本实施方式的磁传感器装置的差动放大器的过渡响应特性的图。该图示出第一次检测的判定从前次判定结果存在变化的情况。

在ELP信号为“H”（信号处理期间Tb）的状态下，由于差动放大器3的频带较窄，所以与ELP信号为“L”（信号处理期间Ta）的状态相比，对于差动放大器3的输出信号电压V3的稳定需要更长的期间。按照ELP信号的逻辑以成为Tb＞Ta的方式进行控制，使得ON/OFF信号φE1及φE2的期间适当变化，从而使低通滤波器有效，即便差动放大器3的频带下降，也能确保适当的稳定时间。另外，若将信号处理期间Ta中的输出信号的噪声宽度设为Vn1、将信号处理期间Tb中的输出信号的噪声宽度设为Vn2，则如上所述，Vn2＜Vn1的关系成立。

如以上说明那样，依据本发明的磁传感器装置，能够降低装置内部的各构成元件发出的噪声或外来噪声造成的磁场强度的检测或解除的判定偏差，并且与现有技术相比能够进一步削减功耗。因此，能够期待便携设备的电池寿命的长寿命化。

[第2实施方式]

图3是示出第2实施方式的磁传感器装置的电路图。与第1实施方式的差异在于将低通滤波器电路L1设于差动放大器3的第一输出端子与电容器C1之间。图6中示出第2实施方式所使用的低通滤波器电路L1的电路图的一个例子。低通滤波器电路L1包括：输入端子E11、输出端子E13、控制端子E15、设在输入端子E11与输出端子E13之间的电阻元件R21、与输出端子E13连接的开关电路SW21、和设在开关电路SW21与接地之间的电容元件C21。开关电路SW21响应输入到控制端子E15的逻辑电压而被导通/截止控制。当开关电路SW21成为导通时电容元件C21与输出端子连接，形成具有与电阻元件R21和电容元件C21的元件值对应的截断频率的低通滤波器。当开关电路SW21成为截止时电容元件C21从输出端子切断，变化到具有由电阻元件R21和从输出端子E13估计对地间的寄生电容形成的截断频率的低通特性。通常，寄生电容形成的截断频率充分高，能够忽略对从差动放大器3估计比较器4的频率特性的影响。这样与第1实施方式同样地，响应ELP信号能够控制有效噪声和稳定时间。其他的动作与第1实施方式相同。

[第3实施方式]

图4是示出第3实施方式的磁传感器装置的电路图。与第1实施方式的差异在于低通滤波器采用与差动放大器103的负反馈电阻并联的电容元件。图7中示出第3实施方式中的差动放大器103的结构例。差动放大器103包括：正输入端子E11、负输入端子E12、正输出端子E13、负输出端子E14、控制端子E15、第1至第2运算放大器11至12、第1至第3电阻元件R11至R13、第1至第2电容元件C11至C12、以及第1至第2开关电路SW11至SW12。第1运算放大器11的负输入端子与第1电阻元件R11的一个端子连接，第1运算放大器11的输出端子与第1电阻元件R11的另一个端子和第2电阻元件R12的一个端子连接，第2运算放大器12的负输入端子与第3电阻元件R13的一个端子连接，第2运算放大器12的输出端子与第3电阻元件R13的另一个端子和第2电阻元件R12的另一个端子连接。第1开关电路SW11的一个端子与正输出端子E13连接，第2开关电路SW12的一个端子与负输出端子E14连接。在第1开关电路SW11的另一个端子与第1运算放大器11的负输入端子之间连接有第1电容元件C11，在第2开关电路SW12的另一个端子与第2运算放大器12的负输入端子之间连接有第2电容元件C12。第1至第2开关电路响应输入到控制端子E15的逻辑电压而被导通/截止控制。当开关电路SW11和SW12导通时，电容元件C11和C12分别连接到正输出端子及负输出端子，形成具有与电容元件C11和C12及电阻元件R11和R13的元件值对应的截断频率的低通滤波器。当开关电路SW11和SW12截止时，电容元件C11和C12分别从正输出端子及负输出端子切断，形成具有与电阻元件R11、R13和正负输出端子的寄生电容值之积对应的截断频率的低通滤波器。通常，由寄生电容形成的截断频率充分高，能够忽略对从差动放大器103估计比较器4的频率特性的影响。这样与第1实施方式同样地，能够响应ELP信号而控制有效噪声和稳定时间。其他的动作与第1实施方式相同。

此外，在实施方式1至3中，以连接比较器4的输出端子的D型触发器为二个而进行了说明，但D型触发器也可为三个以上。在此情况下，只要这些输出全部的值不一致，就会保持前次检测结果。这样并联连接的D型触发器数量增加越多，就越能进一步抑制噪声的影响。另外，代替D型触发器而使用其他逻辑电压保持电路也可。

另外，本发明的磁传感器装置仅用一个低通滤波器电容元件，但是如前所述增加D型触发器的数量并进行三次以上的核对判定的情况下，也可以设置2个以上低通滤波器电容元件，随着如第二次、第三次、第四次这样增加判定次数，阶梯式增加以开关电路对信号路径连接的电容元件的数量。在此情况下，每重复一次核对判定次数就能相对提高磁判定精度，能在更加有效率地削减消耗电流的同时进行高精度的磁判定。

另外，本发明的磁传感器装置根据第一次闩锁结果改变φEN及φE1、φE2信号期间，但是也可以改变生成用于产生这些控制信号的基准CLK信号的振荡器的基准CLK频率，并且也可以用分频电路对振荡器的输出信号进行分频以生成基准CLK信号的方式改变其分频比。前者的情况下，虽然电路结构变得复杂，但是能够任意作出该改变的比率，另一方面，后者的情况下，虽然电路结构简单，但是该改变的比率被限制在（2＾n）倍。

另外，本发明的磁传感器装置以图1、图3、图4这样的结构说明了从霍尔元件1到比较器4为止的电路，但是并不限定于该电路结构。例如，也可为从另外设置的基准电压电路提供任意的电压作为比较器4中比较的基准电压的结构。另外，根据检测/解除状态切换来自基准电压电路的基准电压，从而设置磁滞也可。

另外，本发明的磁传感器装置以磁电转换元件为霍尔元件而进行了说明，但是也可以采用GMR元件、TMR元件等其他种类的磁电转换元件。

另外，本发明的磁传感器装置中，作为选择器电路的例子使用利用传输门的结构，但是按照动作电源电压使用、工艺参数既可以使用仅用N型晶体管的开关电路，也可以使用仅用P型晶体管的开关电路。

而且，本发明中的磁传感器装置也能够为交变探测（例如电动机的转速探测）用途而使用。交变探测是从进行仅一个（例如S极）极性的探测的状态，当探测到该一个极性时切换到进行仅另一（N极）极性的探测的状态的磁传感器装置。

Claims (4)

1. 一种传感器装置，其特征在于，包括：

物理量电压转换元件，输出与物理量的大小对应的差动电压；

差动放大器，对所述物理量电压转换元件的输出信号进行放大；

第一电容，所述第一电容的一个端子与所述差动放大器的第一输出端子连接，保持偏移电压；

比较器，输入将所述物理量电压转换元件的输出信号放大后的信号，输出比较后的结果；

低通滤波器电路，设在所述差动放大器的第一输出端子；

控制电路，对所述物理量电压转换元件、所述差动放大器、所述比较器和所述低通滤波器电路进行导通/截止控制；以及

逻辑电路，将对所述比较器的输出信号进行运算处理后的结果作为逻辑输出而加以输出，

其中，所述逻辑电路在前次逻辑输出和第一次逻辑输出出现变化的情况下，进行连续的多次逻辑输出的核对判定，所述低通滤波器电路以在第二次以后的信号处理期间导通的方式向所述控制电路输出控制信号。

2. 如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，

所述低通滤波器电路具备开关电路和与所述第一电容并联连接的第二电容。

3. 如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，

所述低通滤波器电路具备：

电阻元件，连接在所述差动放大器的第一输出端子与所述第一电容的一端之间；以及

开关电路和第二电容，在所述第一电容的一端与接地端子之间串联连接。

4. 如权利要求1至3的任一项所述的传感器装置，其特征在于，

所述物理量电压转换元件是输出与磁场强度的大小对应的差动电压的磁电转换元件。