JP2004053505A

JP2004053505A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2004053505A
Application number: JP2002213582A
Authority: JP
Inventors: ▲高▼畠　成友; Naritomo Takahata
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】簡単な回路構成により、ホール素子出力の温度変化を補償でき、高出力で、且つ安価な磁気センサを提供する。
【解決手段】一定電圧を供給する電源回路１と、磁界を印加した状態で、前記一定電圧を一方向に印加されて、前記一方向に直交する方向にホール電圧を発生して前記磁界を検知する第１のホール素子２と、第１のホール素子２と並列接続されて第１のホール素子と同じ温度特性を有する第２のホール素子３を含み、前記電源回路１に接続する温度補償回路とを有し、前記温度補償回路により、第１のホール素子２の温度特性を補償して、第１のホール素子２の温度特性が一定になるようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気センサに関わり、特にホール素子を用いて磁場検出する際に、周囲温度に対する依存性の少ないホール電圧を得るのに好適な磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気センサは、磁石と組み合わせてモーターの回転角度を測定するのに使用されている。また、磁性コアのギャップに挿入することにより電流センサとしても、産業機器や輸送機器（自動車、鉄道、船舶等）等の幅広い分野で使用されている。現今は、特に、小型で使用温度範囲が広くかつ高精度に磁気及び電流を検出する磁気センサが求められている。
【０００３】
このような磁気センサに使用される磁束検出素子としては、一般的にはホール素子、ＭＲ（磁気抵抗効果）素子が用いられる。このうち、多く使用されているのが比較的安価であるホール素子である。
ところで、ホール素子としては、主にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）の素材が用いられている。
【０００４】
ＧａＡｓを用いたホール素子は、定電流駆動することにより周囲温度変化に対してホール出力電圧（以下、感度ともいう）の変化が少ない反面、外部磁界に対するホール出力電圧が小さい。なお、比較的、高価でもある。
一方、ＩｎＳｂを用いたホール素子は、外部磁界に対するホール出力電圧はＧａＡｓを用いたホール素子に比べて、同一駆動電圧を印加した時に、１０〜２０倍と非常に大きいが、定電圧駆動、定電流駆動のいずれの場合も、周囲温度変化に対してホール出力電圧が非線形で、且つその変化量が大きい。
【０００５】
従って、外部磁界の変化量を検出する磁気センサや磁気比例式電流センサに用いられるホール素子としては、一般的には高価ではあるが温度特性の良好なＧａＡｓが多く用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＧａＡｓホール素子を用いた磁気センサ及び電流センサにおいて、広範囲の温度範囲で、微小磁界の検出を行う必要がある場合には、一般的に以下の方法が用いられてきた。
（１）ホール素子からの出力を大きくするために、ホール素子に印加する駆動電流を増加する。
（２）ホール素子の出力を必要なレベルまで増幅するアンプの増幅度を上げる。
（３）電流センサの場合には、磁性コアに被測定電流が流れる導線をＮ回巻いて磁性コア内の磁束をＮ倍に増加する。
【０００７】
しかし、上記の方法にはそれぞれ、以下の問題点があった。
（１）の場合には、駆動電流の増加に対応してホール素子内部の温度が上昇する。これはホール素子の寿命を短くする。このため、駆動電流の上限が決まってしまう。
（２）の場合には、アンプ出力は大きくなるが、磁電変換信号だけでなく、ホール素子からアンプまでの伝送路で受信する周囲ノイズおよび使用するアンプの入力オフセット分も増幅してしまう。そのため、非常にＳ／Ｎ比が悪化してしまう上に、電気回路側でのオフセット電圧の影響が大きく現れてしまう。
【０００８】
（３）の場合には、上記の（１）、（２）に比べてＮ数を物理的限界まで増加させれば、ホール素子が受ける磁束が増加できるために、（１）、（２）の方法で発生する問題は改善できる。しかし、巻き線部の確保と磁束の飽和を防ぐために、使用する磁性コアを大きくしなければならない。さらに、巻き線部体積の増加により、測定する電流が小さくなればなるほどセンサそのものは大きくなり、且つ重量、コストが増加してしまう。さらに被測定電流路のインダクタンスが増加し、結果として線路インピーダンスが増加し、使いづらいものとなる。
【０００９】
そこで本発明は，上記問題を解決し、磁気センサにおいて、簡単な回路構成により、ホール素子出力電圧の温度変化を補償できる、高出力で、且つ安価な磁気センサを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、第１の発明は、一定電圧を供給する電源回路と、磁界を印加した状態で、前記一定電圧を一方向に印加されて、前記一方向に直交する方向にホール電圧を発生して前記磁界を検知する第１のホール素子と、前記第１のホール素子と並列接続されて前記第１のホール素子と同じ温度特性を有する第２のホール素子を含み、前記電源回路に接続する温度補償回路とを有し、前記温度補償回路により、前記第１のホール素子の温度特性を補償して、前記第１のホール素子の温度特性が一定になるようにしたことを特徴とする磁気センサである。
また、第２の発明は、第１の発明のおいて、前記温度補償回路は、直列接続する第１の抵抗と、第２の抵抗と、前記第２のホール素子とを有し、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点の電圧が前記第１のホール素子の一方の電圧印加端子に印加される構成とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、好ましい実施例により、図面を参照して説明する。
本発明の磁気センサは、磁電変換素子として、高いホール出力電圧（高感度）を有し、安価であるＩｎＳｂホール素子を用い、周囲温度に対するホール出力電圧の変化を、周囲温度に対して同様に変化する、同一素材（ＩｎＳｂ）からなるホール素子の端子間抵抗値を用いて、補償したことにより、高感度であり且つ周囲温度に対して感度の変化の少ない磁気センサとしたものである。
【００１２】
本発明の磁気センサにおいては、ＩｎＳｂホール素子に印加する駆動電圧を、ホール出力電圧（感度）の周囲温度特性の逆特性となるように変化させることにより、ＩｎＳｂホール素子に特有の大きな非線形の感度温度特性をキャンセルしたものである。
【００１３】
まず、本発明の磁気センサにおけるホール出力電圧（感度）の温度補償の考え方を説明する。
図３は、ＩｎＳｂホール素子のブロック図である。
同図に示すように、ＩｎＳｂホール素子２０は、例えば十字形状をした高純度ＩｎＳｂ薄膜の素子部２５とこれに接続する４つの端子２１、２２、２３，２４より構成される。端子２１と端子２２との間に所定の駆動電圧を加え、素子部２５に図の紙面に垂直方向の磁界が印加されると、端子２３と端子２４との間にホール電圧（ホール出力電圧）が発生する。駆動電圧の印加される端子２１、２２間の抵抗値がＩｎＳｂホール素子の入力抵抗値Ｒ_ｉである。
【００１４】
図４は、ＩｎＳｂホール素子における駆動電圧１Ｖ印加時の入力抵抗値Ｒ_ｉの周囲温度による変化を示すグラフ図である。
同図には、駆動電圧１Ｖ印加した時の場合を示してある。
同図に示すように、入力抵抗値Ｒ_ｉは０℃付近から３０℃付近まで直線的に変化し、０℃付近より低い温度では温度が低くなるにつれ非線形的に上昇し、また３０℃以上では温度が高くなるにつれ非線形的に減少していることが判る。この曲線を曲線ｌとする。
【００１５】
図６は、ＩｎＳｂホール素子における駆動電圧１Ｖで且つ磁束０．０５Ｔを印加した時のホール素子出力の周囲温度による変化を示すグラフ図である。
同図に示すように、ホール素子出力電圧（又は、単に、ホール出力電圧又は感度ともいう）は、０℃付近から３０℃付近までの間では、温度に対して直線的に変化し、０℃付近より低い温度では温度が低くなるにつれて、非線形的に下降し、また、３０℃付近以上では、温度が高くなるにつれて非線形的に減少している。この曲線を曲線ｎとする。
【００１６】
感度は駆動電圧に比例するので、図６に示した曲線と逆特性を示す駆動電圧をＩｎＳｂホール素子に印加すれば、感度の周囲温度に対する変化を抑制することが出来る。
図５は、ＩｎＳｂホール素子においてホール素子出力電圧の温度変化を生じないために望ましい駆動電圧の温度変化を示すグラフ図である。この曲線を曲線ｍとする。
同図に示す印加電圧の周囲温度変化は、図６に示した感度の周囲温度変化の逆特性になっている。すなわち、図５の曲線ｍに図６の曲線ｎを掛け合わせると、フラットな直線になる。
【００１７】
ここで、図４に示した入力抵抗値の周囲温度変化曲線（曲線ｌ）と、図６で示したホール素子出力電圧の周囲温度変化曲線（曲線ｎ）を比較解析した結果、両者には、相関があることが判明した。
ここで、曲線ｌを、２５℃における入力抵抗値Ｒ_ｉを基準として、周囲温度をｔとして、温度変化率で表した曲線をｆ_１（ｔ）とする。以下、周囲温度をｔで表す。
【００１８】
また、曲線ｎを、２５度における感度Ｖ_ｈを基準として、周囲温度をｔとして、温度変化率で表した曲線をｆ_３（ｔ）とする。
曲線ｍに対応する温度変化率で表される曲線を、ｆ_１（ｔ）と温度ｔの関数として近似してｆ_２（ｔ）する。すなわち、以下の（１）式で表す。
【００１９】
【数１】

ここで、α及びβは定数である。
曲線ｆ_３（ｔ）及び曲線ｆ_１（ｔ）を、曲線の構成点の集合として表し、数値計算を行ない、曲線ｆ_３（ｔ）とｆ_２（ｔ）が逆曲線の形になるように、α及びβの値を求めた。
【００２０】
この結果、例えば、ホール素子の駆動電圧を常温時（２５℃）で１Ｖとし、α＝０．１１、β＝０．００４６とした場合に得られるｆ_２（ｔ）に対して、ｆ_３（ｔ）とｆ_２（ｔ）との和をとると、図７に示す補正曲線ｐ（ｆ_３（ｔ）＋ｆ_２（ｔ））が得られる。なお、補正曲線ｐは変化率で表してあるので和となるが、ホール素子出力（ｍＶ）とした場合には、積になる。
【００２１】
図７は、図５に示す駆動電圧になるようにｆ_１（ｔ）から得られたｆ_２（ｔ）を駆動電圧として印加した時に得られる補償後のホール素子出力変動率の周囲温度による変化を示すグラフ図である。
同図に示す、補償後のホール素子出力変動率（曲線ｐ）は、−１０℃から８０℃の範囲で２％以内であり、図６に示されている温度補償しない場合における約２０％程度ある感度の変化を、極めて良く補償できることを示している。
【００２２】
これを実現するためには、本発明の磁気センサにおいて、磁束検出用（感磁用）ホール素子の駆動電源回路を構成するのに、入力抵抗値Ｒ_ｉ（ｔ）がｆ_１（ｔ）であるＩｎＳｂホール素子を温度補償用として用い、他に周囲温度ｔに対して線形な電圧変化を有する、例えばトランジスタのベース−エッミタ間電圧やツェナーダイオードのツェナー電圧を用いる。
以下、駆動用の電圧源回路を含む本発明の磁気センサの実施例を説明する。
【００２３】
＜実施例＞
図１は、本発明の磁気センサの実施例を示すブロック図である。
図２は、本発明の磁気センサの実施例を示す回路構成図である。
図１及び詳細には図２に示すように、本実施例の磁気センサ１０は、電圧源回路１と、感磁用ホール素子２と、増幅回路４とにより構成されている。
【００２４】
電圧源回路１には、端子５より基準電圧Ｖｃｃが印加されており、内部には温度補償用ホール素子３を有しており、温度補償するために温度依存性を有する駆動電圧を感磁用ホール素子２の端子ａに供給する。感磁用ホール素子２の端子ａ、端子ｂ（接地されている）間には駆動電圧が印加され、端子ｃ、端子ｄ間に、印加された磁界の強さに応じたホール電圧（ホール出力電圧）が発生する。ホール出力電圧は、増幅器４により所定のゲイン増幅されて、端子６より出力される。
【００２５】
電圧源回路１において、端子に供給された基準電圧Ｖｃｃは、トランジスタＴｒ_１のコレクタＣに供給される。同様に、基準電圧Ｖｃｃは、抵抗Ｒ_７を介して接点１３を通して、陽極Ａが接地されたツェナーダイオードＺＤ１の陰極Ｃに、供給される。接点１３はトランジスタＴｒ_１のベースＢに接続されており、トランジスタＴｒ_１のエミッタＥは接点１３に接続されている。
接点１１は抵抗Ｒ_１の一端とトランジスタＴｒ_２のコレクタＣに接続されている。抵抗Ｒ_１の他端は抵抗Ｒ_２の一端及びトランジスタＴｒ_２のベースＢに接続されている。
【００２６】
抵抗Ｒ_２の他端は温度補償用ホール素子３の端子ｅに接続されている。
温度補償用ホール素子３の端子ｆは接地されており、端子ｅと端子ｆ間には周囲温度依存性を有する入力抵抗Ｒ_ｉ（ｔ）が生じている。
トランジスタＴｒ_２のエミッタＥは接点１４を通してトランジスタＴｒ_３のコレクタＣ及びベースＢに接続されている。
トランジスタＴｒ_３のエミッタＥは接点１５を介して端子７（測定端子である）及び感磁用ホール素子２の端子ａに接続している。
【００２７】
感磁用ホール素子２の端子ａは、端子ｃ、端子ｄ、端子ｂとホール素子部２Ａを介してそれぞれ接続されている。端子ａと端子ｂとの間には入力抵抗Ｒ_ｉ（ｔ）が発生している。端子ｂは接地されている。
磁界がホール素子部２Ａに、その膜面に垂直に印加されると、端子ｃと端子ｄ間には磁界に対応するホール電圧が発生する。端子ｃは抵抗Ｒ_４を介して接点１７に接続されており、接点１７は、抵抗Ｒ_６を通して接地されるとともに、アンプ８の一方の入力端子ＩＮ_２に接続されている。他方、端子ｄは抵抗Ｒ_３を介して接点１６に接続されている。接点１６は、入力端子ＩＮ_１に接続されるとともに、抵抗Ｒ_５を介して接点１８に接続されている。接点１８は、アンプ８の出力端子ＯＵＴ及び端子６に接続されている。
【００２８】
ここで、ツェナーダイオードＺＤ１の電圧をＶ_ＺＤとし、トランジスタＴｒ_１乃至Ｔｒ_３のベース−エミッタ間電圧をＶ_ＢＥとすると、接点１１の電圧は（Ｖ_ＺＤ−Ｖ_ＢＥ）となる。
接点１２の電圧は、（（Ｒ_ｉ＋Ｒ_２）／（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_ｉ））×（Ｖ_ＺＤ−Ｖ_ＢＥ）となる。
【００２９】
トランジスタＴｒ_２及びＴｒ_３のベース−エミッタ電圧はＶ_ＢＥであるから、接点１５すなわち端子７に印加される電圧をＶ_ＨＧとすると、Ｖ_ＨＧは以下の（２）式で表される。
【００３０】
【数２】

なお、駆動電圧Ｖ_ＨＧは上述のｆ_２（ｔ）に対応する。
Ｖ_ＨＧの温度特性は、（２）式の各パラメータにて偏微分することにより求められる。（２）式を偏微分して、以下の（３）式が得られる。
【００３１】
【数３】

ここで、ツェナーダイオードＺＤ１として温度係数が±０ｍＶ／℃であるもの（これには、例えばツェナー電圧が５．１Ｖのものが対応する）を用いることにし、またＲ_１、Ｒ_２の温度係数も微小であることから０とする。
すなわち、ｄＶ_ＺＤ／ｄｔ＝０、ｄＲ_１，２／ｄｔ＝０であるので、（２）式の右辺の１項と４項が消えて、２項と３項の係数を計算して、最終的に（４）式となる。
【００３２】
【数４】

ここで、（１）式を微分すると（１’）式が得られる。
【００３３】
【数５】

ここで、（４）式と、（１）式及び（１’）式とを比較すると、Ｒ_ｉの温度変化率（１／Ｒ_ｉ・ｄＲ_ｉ／ｄｔ）は（１）式のｆ_１（ｔ）に対応するので、αは以下の（５）式で表される。
【００３４】
【数６】

また、βは以下の式になる。ここで、ｄＶ_ＢＥ／ｄｔはｔに対してほぼ線形変化をする。
【００３５】
【数７】

なお、以上、（６）式及び（７）式のＲ_ｉは、Ｒ_ｉ（ｔ）における常温（２５℃）での値を示している。
【００３６】
これらより、例えばＶ_ＨＧが常温時において約１Ｖとなるようにし、且つα＝０．１１、β＝０．００４６となるように各部品の定数を決定して得られる温度依存性を有するＶ_ＨＧを感磁用ホール素子印加すれば、温度変化により発生する非線形なホール素子出力電圧が補償され、広い温度範囲においてドリフトの少ない高感度の磁気センサを実現できる。
【００３７】
具体的に定数を与えた例を以下に示す。
図２に示した磁気センサ１０において、ツェナーダイオードＺＤ１としてツェナー電圧Ｖ_ＺＤが５．１Ｖのものを用いた。抵抗Ｒ_７は抵抗値が略１ｋΩである。
トランジスタＴｒ_１乃至Ｔｒ_３として、ベース−エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥが０．６Ｖであり、その温度変化率（ｄＶ_ＢＥ／ｄｔ）が−１．８５ｍＶ／℃であるものを用いた。
【００３８】
抵抗Ｒ_１は抵抗値１．２ｋΩであり、抵抗Ｒ_２は抵抗値６２０Ωである。
温度補償用ホール素子３は、入力抵抗値Ｒ_ｉが４８０Ω（２５℃における値）のものを用いた。感磁用ホール素子２も温度補償用ホール素子３と同様のものを用いた。
増幅回路４の抵抗Ｒ_３は抵抗値１０ｋΩであり、抵抗Ｒ_４は抵抗値１０ｋΩであリ、抵抗Ｒ_５は抵抗値２２０ｋΩであり、抵抗Ｒ_６は抵抗値２２０ｋΩである。
これらの素子で構成された磁気センサ１０においては、駆動電圧Ｖ_ＨＧは０．９５Ｖ（２５℃における値）であり、αは０．１１、βは０．００４６である。
【００３９】
このホール出力電圧特性を図８に示す。
図８は、本発明の磁気センサの実施例におけるホール素子出力電圧の温度特性を示すグラフ図である。
同図に示すように、外部磁界０．０５Ｔにおいて、曲線ｑで示されるホール出力電圧の周囲温度依存性は極めて小さく、−１０℃においては２９７ｍＶであり、８０℃では２９３ｍＶであり、−１０℃から８０℃の温度範囲内で、ホール素子出力電圧の変動は略１％以内である。極めて良好に温度補償されていることが分かる。
なお、ホール素子として安価なＩｎＳｂホール素子を用いているので、磁気センサを安価に構成できる。
【００４０】
以上、具体的な回路の一例を説明したが、これに限定されるものではなく、温度補償用ホール素子駆動電圧を決める際に、（１）式が適用できる場合には、同様の補償効果が得られるものであり、感磁用ホール素子と同様のホール素子を温度補償用に用いる場合に適用できるものである。
以上説明したＩｎＳｂホール素子を用いる磁気センサ及び電流センサだけでなく、磁石を用いた距離センサ又は磁気スイッチにおいても本発明に係る温度補償を適用できる。
また、磁気センサの駆動電源として正側単電源について説明したが、正負両電源及び負側単電源を用いることが出来る。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の磁気センサは、請求項１乃至２記載によれば、
一定電圧を供給する電源回路と、磁界を印加した状態で、前記一定電圧を一方向に印加されて、前記一方向に直交する方向にホール電圧を発生して前記磁界を検知する第１のホール素子と、前記第１のホール素子と並列接続されて前記第１のホール素子と同じ温度特性を有する第２のホール素子を含み、前記電源回路に接続する温度補償回路とを有し、前記温度補償回路により、前記第１のホール素子の温度特性を補償して、前記第１のホール素子の温度特性が一定になるようにしたことにより、簡単な回路構成により、ホール素子出力の温度変化を補償でき、高出力で、且つ安価な磁気センサを提供出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気センサの実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の磁気センサの実施例を示す回路構成図である。
【図３】ＩｎＳｂホール素子のブロック図である。
【図４】ＩｎＳｂホール素子における駆動電圧１Ｖ印加時の入力抵抗値Ｒ_ｉの周囲温度による変化を示すグラフ図である。
【図５】ＩｎＳｂホール素子においてホール素子出力電圧の温度変化を生じないために望ましい駆動電圧の温度変化を示すグラフ図である。
【図６】ＩｎＳｂホール素子における駆動電圧１Ｖで且つ磁束０．０５Ｔを印加した時のホール素子出力電圧の周囲温度による変化を示すグラフ図である。
【図７】図５に示す駆動電圧になるようにｆ_１（ｔ）から得られたｆ_２（ｔ）を駆動電圧として印加した時に得られる補償後のホール素子出力変動率の周囲温度による変化を示すグラフ図である。
【図８】本発明の磁気センサの実施例におけるホール素子出力電圧の温度特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１…電圧源回路、２…感磁用ホール素子、２Ａ…ホール素子部、３…温度補償用ホール素子、４…増幅回路、５…端子、６…端子、７…端子、８…アンプ、９…端子、１０磁気センサ、１１…節点、１２…節点、１３…節点、１４…節点、１５…節点、１６…節点、１７…節点、１８…節点、２０…ホール素子、２１…端子、２２…端子、２３…端子、２４…端子、２５…素子部。

Claims

一定電圧を供給する電源回路と、
磁界を印加した状態で、前記一定電圧を一方向に印加されて、前記一方向に直交する方向にホール電圧を発生して前記磁界を検知する第１のホール素子と、
前記第１のホール素子と並列接続されて前記第１のホール素子と同じ温度特性を有する第２のホール素子を含み、前記電源回路に接続する温度補償回路とを有し、
前記温度補償回路により、前記第１のホール素子の温度特性を補償して、前記第１のホール素子の温度特性が一定になるようにしたことを特徴とする磁気センサ。
前記温度補償回路は、直列接続する第１の抵抗と、第２の抵抗と、前記第２のホール素子とを有し、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点の電圧が前記第１のホール素子の一方の電圧印加端子に印加される構成とすることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。