JP2004340782A - 磁界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】回路素子数が少なくしてチップサイズを小さくすることができ、また消費電力を小さくすることも可能となる磁界センサを得る。
【解決手段】磁界の強さに応じた差動電圧を切り替えて出力することができるホール素子、非反転入力端子がホール素子の一方の出力端子に、反転入力端子が記憶素子を介してホール素子の他方の出力端子に接続された増幅器、増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続されたスイッチ、および、ホール素子の出力の極性とスイッチを制御する制御回路を具え、前記スイッチを閉じた状態で前記ホール素子の出力電圧から得られる前記増幅器の出力電圧を記憶素子に保持し、前記スイッチが開いた状態で前記ホール素子の出力端子から逆極性の出力電圧を記憶素子を介して前記増幅器に入力する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホール素子とその出力電圧を増幅する増幅器を具えた磁界センサに係るもので、設置された場所の磁界の強さに対応した信号を出力するための磁界センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００１−３３７１４７号公報
【０００３】
ホール効果を利用したホール素子によって所定の位置における磁界を検出する磁界センサが各方面で利用されている。これは磁界によって生じる起電力を電気信号に変換してその電気信号の出力よって判定するもので、微弱な起電力を増幅することが必要となる。
【０００４】
バイポーラＩＣやＣＭＯＳＩＣによって構成される従来の磁界センサを図６に示す。この磁界センサは、磁界を検出するホール素子１４、ホール素子１４の出力を切り替えるスイッチ回路１５、ホール電圧を増幅する増幅器１６、記憶素子１７、スイッチ１８と制御回路１９で構成されている。磁界の強さに応じた正確な比較結果またはアナログ信号を得るためには、出力信号に含まれるオフセット信号成分を抑制してセンサごとの出力信号のばらつきを小さく抑える必要がある。
【０００５】
このオフセット信号が発生する原因は主に２つあり、ホール素子本体が受ける応力等によって発生する素子オフセット電圧と、増幅器の入力端子において存在する入力オフセット電圧である。これらのオフセット電圧を抑制する従来の方法には次のようなものがある。図６に示した回路において、第１のタイミングではスイッチ回路１５を介してホール素子１４の２つの端子に電圧を印加すると他の２つの端子に電圧Ｖｈが発生し、この電圧Ｖｈが増幅器１６に入力される。増幅器１６の増幅率をβとすると、増幅器１６からは次式で表される電圧Ｖ１が出力される。
Ｖ１＝β（Ｖｈ ＋ Ｖｏｆｆ）・・・・・・（１）
（１）式においてＶｏｆｆは増幅器１６の入力オフセット電圧を示す。第１のタイミングにおいてはスイッチ１８によって増幅器１６からの出力電圧Ｖ１が記憶素子１７に記憶されるように接続されている。
【０００６】
次に、第２のタイミングではスイッチ回路１５を介して第１のタイミングと逆の極性となるようにホール素子１４の端子に電圧を印加することによって、他の２つの端子には電圧−Ｖｈ’ が発生して増幅器１６に入力される。増幅器１６の増幅率をβとすると、増幅器１６からは次式で表される電圧Ｖ２が出力される。このとき増幅器１６の入力オフセット電圧は入力電圧の極性に依存せず、第１のタイミングと同様に発生する。
Ｖ２＝β（−Ｖｈ’ ＋ Ｖｏｆｆ）・・・・・・（２）
【０００７】
第１のタイミングでは記憶素子１７にはＶ１の電圧が記憶されているが、第２のタイミングでスイッチ１８を切り替えることで、増幅器１６の出力端子には第２のタイミングで発生した電圧Ｖ２と記憶素子１７に保持されている電圧Ｖ１との差電圧Ｖが発生する。
Ｖ＝Ｖ２−Ｖ１＝−β（Ｖｈ ＋ Ｖｈ’ ）・・・・・・（３）
これによって増幅器１６のオフセット電圧Ｖｏｆｆの影響を相殺した出力電極Ｖを得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、入力オフセット電圧を抑制するための回路を具えた従来の磁界センサは、素子数が多くなるために回路規模が大きくなるという欠点を有する。本発明は、従来の磁気センサにおける上記の欠点を解決するもので、小さな回路規模によって入力オフセット電圧を抑制できるようにするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スイッチ回路によって入力オフセット電圧を含む２つの出力を減算ことによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、磁界の強さを電気信号として検出する磁界センサにおいて、磁界の強さに応じた差動電圧を切り替えて出力することができるホール素子、非反転入力端子がホール素子の一方の出力端子に、反転入力端子が記憶素子を介してホール素子の他方の出力端子に接続された増幅器、増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続されたスイッチ、および、ホール素子の出力の極性とスイッチを制御する制御回路を具え、前記スイッチを閉じた状態で前記ホール素子の出力電圧から得られる前記増幅器の出力電圧を記憶素子に保持し、前記スイッチが開いた状態で前記ホール素子の出力端子から逆極性の出力電圧を記憶素子を介して前記増幅器に入力することに特徴を有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
スイッチを閉じた状態の第１のタイミングで前記ホール素子の出力電圧から得られる前記増幅器の出力電圧を記憶素子に保持し、前記スイッチが開いた状態の第２のタイミングで前記ホール素子の出力端子から逆極性の出力電圧を記憶素子を介して前記増幅器に入力して増幅器の入力オフセット電圧を相殺するものである。
【００１１】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は本発明の実施例を示す回路図である。ホール素子１、スイッチ回路２、増幅器３、記憶素子４、スイッチ５、制御回路６で構成される。ホール素子１は４つの端子Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’に関して幾何学的に等価な形状で板状に形成されている。スイッチ回路２は制御回路６によりホール素子１の４つの端子を電源、接地および増幅器３への接続を切り替えるようになっている。記憶素子４として通常コンデンサが用いられ、スイッチ回路２と増幅器３の反転入力端子間に接続される。スイッチ５は記憶素子４と増幅器３の反転入力端子の間と増幅器３の出力端とを接続し、制御回路６によってオンオフされる。
【００１２】
以上のような回路接続によって、磁界の検出は以下の手順を踏んで行われる。まず、第１のタイミングでは制御回路６によってスイッチ回路２を制御してホール素子１の端子Ａ−Ａ’ 間に電源電圧を印加し、端子Ｂを記憶素子４の一端に、端子Ｂ’を増幅器３の非反転入力端子に接続する。さらに制御回路６によってスイッチ５をオンして増幅器３の反転入力端子と出力端子とを短絡する。電源電圧を印加したことによりホール素子１は磁界に応じた出力電圧Ｖｈを端子Ｂ−Ｂ’間に出力する。このとき記憶素子（コンデンサ）４に印加される電圧は出力電圧Ｖｈと増幅器３の入力オフセット電圧Ｖｏｆｆとの和である。コンデンサ４に充電後にスイッチ５を開放する。
【００１３】
次に第２のタイミングではスイッチ回路２を制御してホール素子１の端子Ｂ−Ｂ’ 間に電源電圧を印加して、第１のタイミングとは逆極性となるように端子Ａ−Ａ’間の出力電圧−Ｖｈをコンデンサ４を介して増幅器３に入力する。このときに増幅器３が出力する電圧Ｖｏｕｔは、コンデンサが直列に接続されているので、コンデンサ４に第１のタイミングで記憶された電圧が減算され、
Ｖｏｕｔ＝β｛（−Ｖｈ’ ＋Ｖｏｆｆ）−（Ｖｈ＋Ｖｏｆｆ）｝＝−β（Ｖｈ’＋Ｖｈ）・・・・・・（４）
となる。ここでベータは増幅器３の増幅率である。
【００１４】
上記の動作によって入力オフセット電圧Ｖｏｆｆの影響を除去した電圧が出力される。その動作を制御する制御回路６の出力を図２のタイミングチャートに示す。信号７はスイッチ回路２を第１のタイミングで接続させる制御信号であり、信号８はスイッチ回路２を第２のタイミングで接続させる制御信号である。また、信号９はスイッチ５をオンオフする制御信号であり、第１のタイミングでホール素子１からの出力電圧を保持するために信号７より先行した位相となっている。
【００１５】
上記のように、本発明は増幅器が１つであっても入力オフセット電圧を抑制して磁界を検出することができる。また、回路規模が小さくできて消費電力を低減することも可能である。本発明の実施形態は上記に限られるものではない。図３は図１に示した構成にバッファアンプ１０を付加してノイズや負荷の影響を低減させたものである。
【００１６】
図４は図１に示した構成に比較器１１とラッチ回路１２を付加したもので、磁界の強さに応じてＬＯＷレベルまたはＨＩＧＨレベルのデイジタル信号を出力するものである。この比較器１１は図１の増幅器３の出力電圧とあらかじめ設定した所定の電圧とを比較してその電圧の大小によってＬＯＷレベルまたはＨＩＧＨレベルを出力するものである。また比較器１１は通常チャタリング防止のためにヒステリシスを持たせている。ラッチ回路１２はホール素子１や増幅器３を間欠動作によって停止させている場合にも出力を保持させることが可能となる。
【００１７】
前記の実施例においてコンデンサ４と増幅器３に入力するホール素子１の出力は、スイッチ回路からの出力でなく、磁界の強さに相当する差動出力であればよい。そのようにした実施例を図５に示す。これは図１に示した磁界センサの構成に初段増幅器１３を挿入したものである。初段増幅器１３の出力電圧はホール素子１からの出力電圧を増幅した値であり、その電圧を増幅器３に入力することによってさらに増幅された値を得ることができるのでホール素子１の差動出力が小さい場合に有効である。入力オフセット電圧が相殺される手順は図１に示した例と同じであるが、式（４）の入力オフセット電圧は増幅器３の分だけでなく初段増幅器１３の分も含まれるところが異なる。
【００１８】
【発明の効果】
従来入力オフセット電圧を抑制することができる磁界センサは回路素子数が多くなるのでチップサイズが大きくなって消費電力も大きかった。しかし、本発明によれば回路素子数が少なくなるのでチップサイズを小さくすることができ、また消費電力を小さくすることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回路図
【図２】その動作のタイミングチャート
【図３】本発明の他の実施例を示す回路図
【図４】本発明の他の実施例を示す回路図
【図５】本発明の他の実施例を示す回路図
【図６】従来の磁界センサを示す回路図
【符号の説明】
１、１４：ホール素子
２、１５：スイッチ回路
３、１６：増幅器
４、１７：記憶素子（コンデンサ）
５、１８：スイッチ
６、１９：制御回路

Claims (3)

1. 磁界の強さを電気信号として検出する磁界センサにおいて、
   磁界の強さに応じた差動電圧を切り替えて出力することができるホール素子、
   非反転入力端子がホール素子の一方の出力端子に、反転入力端子が記憶素子を介してホール素子の他方の出力端子に接続された増幅器、
   増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続されたスイッチ、および、
   ホール素子の出力の極性とスイッチを制御する制御回路を具え、
   前記スイッチを閉じた状態で前記ホール素子の出力電圧から得られる前記増幅器の出力電圧を記憶素子に保持し、
   前記スイッチが開いた状態で前記ホール素子の出力端子から逆極性の出力電圧を記憶素子を介して前記増幅器に入力する
   ことを特徴とする磁界センサ。
2. ホール素子の出力を切り替えるスイッチ回路を具えた請求項１記載の磁界センサ。
3. 磁界の強さを電気信号として検出する磁界センサにおいて、
   磁界の強さに応じた差動電圧を切り替えて出力することができるホール素子、
   非反転入力端子がホール素子の一方の出力端子に、反転入力端子が記憶素子を介してホール素子の他方の出力端子に接続された増幅器、
   増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続されたスイッチ、および、
   ホール素子の出力の極性とスイッチを制御する制御回路を具え、
   前記スイッチを閉じた状態の第１のタイミングで前記ホール素子の出力電圧から得られる前記増幅器の出力電圧を記憶素子に保持し、
   前記スイッチが開いた状態の第２のタイミングで前記ホール素子の出力端子から逆極性の出力電圧を記憶素子を介して前記増幅器に入力して増幅器の入力オフセット電圧を相殺する
   ことを特徴とする磁界センサ。

Images