JP2009232261A - ホールｉｃ - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子に電源を供給する配線に断線が生じた場合に、ホール素子がオフ状態した場合とは区別して、電源供給線の断線を検出可能とするホールＩＣを提供する。
【解決手段】ホールＩＣ１のホール素子２は、電源供給線３を通じて電源供給されるとともに出力としてオン状態又はオフ状態を取る。電源供給線３から分岐された主配線５と、主配線５から更に分岐しホール素子２をバイパスして設けられているバイパス配線７には出力電圧設定抵抗Ｒ２〜Ｒ４が設けられており、出力部９にはホール素子２のオン・オフに応じて分圧電圧が出力される。電源供給線３には、主配線５が分岐する前の電源側において抵抗Ｒ１が介挿されている。電源供給線３が断線すると、ホール素子２の消費電流も無くなり、抵抗Ｒ１に生じていた電圧降下が無くなって出力電圧がその分上昇するので、ホールＩＣ１の電源供給線３の断線が判別可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ホール素子を利用し、対象物の位置等を磁気的に検出し検出信号を出力するホールＩＣに関する。

従来、対象物の位置を磁気的に検出する手段としてホール素子を用いた検出回路が用いられている。ホール素子は、半導体に流した電流の方向と垂直に磁界が加わると半導体中で電流と磁界の両方に垂直な方向に電圧が生じるというホール効果を利用した磁気センサである。また、このようなホール素子とその出力信号とをデジタル信号に変換するＩＣがパッケージ化された素子をホールＩＣという。ホールＩＣは、入力端子、ＧＮＤ端子及び出力端子の３端子構成とされている。ホールＩＣ内部のホール素子を駆動する方式としては、常時通電して駆動している常時駆動方式と、パルスによって省エネ駆動されるパルス駆動方式とがある。常時駆動方式の場合、オープンコレクタによる出力形式のときには、電源と出力端子との間に負荷抵抗を接続して使用される。

磁気センサとしてのホール素子は、磁石が発生させている磁界や電流が発生させている磁界を電気信号に変換して出力するので、例えば、対象物に備わる磁石がホール素子に接近するときに、ホール素子の出力によって、当該対象物の接近や位置を検出することができる。例えば、車輪に連結されて車両の走行に応じて回転する回転体によって変化する磁界の変化をホールＩＣによって電気信号として検出することにより、回転体の回転情報（回転速度等）が得られる。

図９は、従来のホールＩＣの一例を示す回路図である。ホールＩＣ１０の回路として、ホール素子１２と抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３を備えていて、図示のように結線されて、ホール素子１２のオン・オフの状態に応じて、出力端子Ｖｏｕｔに異なる出力電圧が出力されるように回路が構成されている。抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３は、出力端子Ｖｏｕｔ、ホール素子１２に消費電流を供給する電源供給線１３、ＧＮＤ配線の断線を検知できるように、出力Ｖｏｕｔに対して、Ｖｄｄ−ｘ（Ｖ）、ＧＮＤ＋ｙ（Ｖ）のギャップを持たせ、通常信号のオン・オフを出力させている。
即ち、ホール素子１２がオンのとき、Ｖｏｕｔ＝Ｖｄｄ×Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２）となるため、ＧＮＤ＋Ｖｄｄ×Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２）が出力となり、正常時の出力はＶｄｄ（Ｖ）又はＧＮＤ（Ｖ）になることはない。ホール素子１２がオフのときは、Ｖｏｕｔ＝Ｖｄｄ×（Ｒ１２＋Ｒ１３）／（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３）となるため、ＧＮＤ＋Ｖｄｄ×（Ｒ１２＋Ｒ１３）／（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３）が正常出力となる。Ｖｄｄ＞｛Ｖｄｄ×（Ｒ１２＋Ｒ１３）／（Ｒ１１＋Ｒ１２＋Ｒ１３）｝の関係が成り立っていることから、ＶｏｕｔはＶｄｄ（Ｖ）又はＧＮＤ（Ｖ）になることはない。上記２点の出力が、それぞれＶｄｄとＧＮＤに対して出力Ｖｏｕｔは正常時はギャップを持たせていることになる。
断線は、制御回路によってその電圧を検出し、正常信号か断線かを判断している。ＧＮＤ断線時にはＶｄｄ、電源断線時にはＧＮＤの電圧が発生し、判断することができる。

従来のホールＩＣを使用した位置検出回路は、接続端子の断線検知は可能であった。ホール素子の部品単品については、例えば表面実装におけるはんだ付けで行われるホール素子へ接続される電源供給線において熱衝撃や振動に起因してハンダクラック等が発生して電源供給が絶たれる、或いはホール素子の内部で断線する可能性がある。このような断線の場合には、その断線を検出することができなかった。即ち、ホール素子がオン状態から電源断線となったときに、ホール素子がオフしたのかそれともホール素子への電源供給線に断線が生じたのかが判別困難である。自動車等への適用の場合には、安全性の確保を考慮して、ホールＩＣを車両への装填前に断線の有無を知ることが必要である。
なお、ホールＩＣのスイッチング状態に応じて車体の傾倒状態を検知する検知回路の一例として、特許文献１に開示のものがある。
特開２００５−４９３２１号公報（段落００３３、図８参照）

そこで、ホールＩＣの故障診断において、ホール素子がオフしたときと電源供給線に断線が生じたときとで出力に差を持たせることによって両者を区別することを可能にする点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、ホール素子に電源を供給する配線に断線が生じた場合に、ホール素子がオフ状態した場合とは区別して、電源供給線の断線を検出可能とするホールＩＣを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明によるホールＩＣは、電源供給線を通じて電源供給されるとともに出力としてオン状態又はオフ状態を取るホール素子、前記電源供給線から分岐されており前記ホール素子が取る前記オン状態に応じて当該ホール素子の内部を電流が流れる主配線、前記主配線から更に分岐し前記ホール素子をバイパスして設けられているバイパス配線、及び電源電圧について前記主配線及び前記バイパス配線に設けられた抵抗素子に基づいた分圧電圧として前記ホール素子のオン・オフが出力される出力部を備え、前記電源供給線には、前記主配線が分岐する前の電源側において、電圧降下用の抵抗素子が介挿されていることから成っている。

このホールＩＣによれば、電源供給線が正常状態のときには、ホール素子で消費される電流が流れることに基づいて、主配線が分岐する前の電源側において介挿されている抵抗素子が電圧降下を生じさせている。一般に、ホール素子で消費される電流は、主配線に流れる電流（ホール素子の出力電流）と比べて十分に大きな値の電流であるので、この抵抗素子で生じる電圧降下は有意に大きな値となる。ホール素子の電源供給線（主配線の分岐後の部分において）が断線すると、ホール素子がオン状態或いはオフ状態に関わらず、電源供給線からホール素子に流れる電流が無くなる。同時に、電源供給線に介挿した抵抗素子においてこの電流に基づいて生じていた大きな電圧降下も無くなる。電源供給線が正常状態のときに主配線又はバイパス配線を流れる電流に基づいて出力部において分圧電圧として取り出されていた出力電圧が、電源供給線の断線に起因してかかる電圧降下に相当する分だけ上昇するので、ホールＩＣの電源供給線の断線が判別可能となる。

このホールＩＣにおいて、前記出力部は、前記分圧電圧として、前記バイパス配線が前記主配線から分岐する分岐点の電圧を出力することができる。主配線及びバイパス配線には抵抗素子を介挿することができるので、電源供給線が正常な場合には、電源供給線にホール素子の消費電流が流れ、電源供給線に介挿された抵抗素子による電圧降下が生じた後の電圧が主配線に印加される。ホール素子のオン又はオフの状態に応じて主配線又はバイパス配線に電流が流れ、バイパス配線が前記主配線から分岐する分岐点の電圧が、主配線及びバイパス配線に設けられた抵抗素子の組合せに応じた分圧電圧として出力される。電源供給線が断線した場合には、電源供給線に介挿された抵抗素子においては、上記のホール素子の消費電流に基づく電圧降下が生じず、出力部における分圧電圧としても、この電圧降下分に相応する電圧上昇が生じるので、電源供給線が断線したことを検出することができる。

このホールＩＣにおいて、前記主配線には前記電源供給線から分岐して後、更に前記主配線から前記バイパス配線が更に分岐するまでに抵抗素子が介挿されており、前記出力部は、前記分圧電圧として、前記主配線が前記電源供給線から分岐する分岐点の電圧と接地電圧との中間電圧を出力することができる。出力部が分圧電圧としてかかる中間電圧を出力することにより、出力部は、正常時には、電源とも接地とも異なる中間電圧を出力しているのに対して、出力部が電源に或いは接地に短絡した場合には、中間電圧と異なる電圧が検出されることになるので、出力部が電源に或いは接地に短絡したことを検出することができる。

この発明によるホールＩＣは、上記のように構成されているので、電源供給線が断線している場合、正常であれば電源供給線からホール素子に流れる消費電流が電源供給線に介挿されている抵抗素子を通じる際に当該抵抗素子において電圧降下を生じる。電源供給線からホール素子への電源供給の断線に起因してかかる電圧降下が生じない場合には、分電電圧として出力部に出力される電圧が正常な場合よりも有意に高い電圧となるので、ホール素子への電源供給線の断線であることが判別できる。

ホールＩＣを自動二輪車のような車両に搭載して、自動二輪車の転倒時に当該転倒をホールＩＣによって検出し、検出結果（車両転倒）に応じてエンジンを停止させようとすることがある。実際のホールＩＣの出力を見て診断を行う場合には、ホールＩＣの出力の実際の運転走行において切り替わりがあるときに正常な切り替わりか否かで判断している。この発明によれば、ホール素子の端子の断線検出を一つの抵抗素子を後付けで組み込むことのみで可能となる。そのような抵抗素子を組み込んだホールＩＣを車両に搭載することで、ホールＩＣの出力の切り替わりを待つまでもなく、運転者が車両のイグニションキーをターンオンした際の初期自己診断機能によって、この断線を検出することができる。予め断線が判明しているのであれば、修理や交換という対応を取ることができ、フェールセーフ機能として働かせて、センサが原因の誤作動を回避することができる。

以下、添付した図面に基づいて、この発明によるホールＩＣの実施例を説明する。図１はこの発明によるホールＩＣの一実施例を示す回路図である。

図１に示すホールＩＣ１の一実施例において、基本的な回路構成は、従来図である図９に開示されているものと比較して、抵抗素子の配置で若干異なるものの略同等である。ホール素子２には、電源Ｖｄｄから電源供給線３を通じてその消費電流（２ｍＡ〜３ｍＡ）が流れる。図１に示すホールＩＣ１には、従来技術では使用されていない電源側抵抗Ｒ１が電源供給線３に介挿されている。抵抗Ｒ１はホール素子２の消費電流が流れることによる電圧降下を図って配設されている。

ホールＩＣ１は、通常、磁石が近づくとオン状態となり、遠ざかるとオフ状態となるノーマルオープンタイプのスイッチの働きをする磁気センサである。磁石が離れていてホール素子がオフ状態ではスイッチはオープンであるので、設定抵抗Ｒ２，Ｒ３との分圧電圧が出力端子９にＶｏｕｔとして出力され、抵抗Ｒ４は使われない。磁石が近づいて来て、ホール素子がオン状態になると、抵抗Ｒ３とＲ４の合成抵抗と、これに直列な抵抗Ｒ２との分圧電圧が出力端子９にＶｏｕｔとして出力される。

電源供給線３から分岐点４で分岐して、ホール素子２を通して主配線５が配設されている。主配線５は、抵抗Ｒ２，Ｒ４を通り、ホール素子２のスイッチング機能を経て、ＧＮＤ８（接地端子）に至る配線である。抵抗Ｒ２，Ｒ４間には、分岐点６で分岐してホール素子２をバイパスしてＧＮＤに至るバイパス配線７が設けられている。バイパス配線７には抵抗Ｒ３が介挿されている。分岐点６からは出力部（出力端子）９が引き出されており、出力部８は分岐点６における電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

図１に示すホールＩＣ１においては、ホール素子２を通る主配線５の回路電流（２ｍＡ〜３ｍＡ）が一定に押さえ込まれており、その回路電流での電源側抵抗Ｒ１による電圧降下を１Ｖ以下としている。その状態で、出力端子９に現れる出力電圧のオンオフレベルを出力電圧設定抵抗Ｒ２〜抵抗Ｒ４で設定しておく。ホールＩＣ１の電源Ｖｄｄがオープン（断線）になるときには、この回路電流が流れずに電源側抵抗Ｒ１によって生じていた電圧分だけ、出力端子９に現れる出力電圧が上昇する。その上昇した出力電圧が設定オンオフレベルを超えるか否かが監視される。即ち、当該出力電圧を監視するだけでホールＩＣ１のＶｄｄのオープンを検出することができる。

電源側抵抗Ｒ１は数十Ω〜数百Ωで±１％の精度で設定し、出力電圧設定抵抗Ｒ２〜Ｒ４は数ＫΩで設定するとその比で電圧が上昇することになる。ここでは、出力電圧設定抵抗Ｒ２〜Ｒ４の個々の抵抗を電源側抵抗Ｒ１と比較するのではなく、Ｒ２＋Ｒ３、Ｒ２＋Ｒ４がＲ１と比較して大きいことが重要である。

本発明では、抵抗素子Ｒ１のみで、同等の機能を実現させることができる。更に、ホールＩＣの電源供給線の断線検出には、別途の回路や検出用信号の別端子が不要となり、コスト削減に寄与することができる。

図２〜図５は、この発明によるホールＩＣの動作（出力部（出力端子）９に現れる電圧）を回路に基づいて説明する説明図である。図２はホールＩＣがオフのときの通常状態を示し、図３は図２に示す通常状態から電源供給線が断線したときの状態を示す。回路の定数をこれら図示のとおりとする。ホール素子２がオフであるので、ホール素子２（抵抗Ｒ４側）には電流は流れずバイパス配線７（抵抗Ｒ３側）に流れる。電源側抵抗Ｒ１と設定抵抗Ｒ３（２００ｋΩ）との直列和の抵抗に応じて電源５Ｖからは、２４．９９μＡの電流ｉ２が分岐点４から主配線５側に流れる。２ｍＡがホール素子２に流れる消費電流であるので、電源５Ｖからの全電流ｉ１は２．０２５ｍＡである。電源側抵抗Ｒ１（１００Ω）に電流ｉ１（２．０２５ｍＡ）が流れることによる電圧降下は０．２０２５Ｖであるので、出力端子９に現れる出力電圧は４．７９７５Ｖ（＝５Ｖ−０．２０２５Ｖ）となる。

この状態から、ホールＩＣ１の電源供給線３（分岐点４からホール素子２側）が断線すると、ホールＩＣ１の消費電力（２ｍＡ）が無くなるため、直列な電源側抵抗Ｒ１（１００Ω）と設定抵抗Ｒ３（２００ＫΩ）との電圧分圧として、出力端子９には出力電圧４．９９７５Ｖ（＝５×２００ＫΩ／（１００Ω＋２００ＫΩ））が現れる。
通常状態とホールＩＣ１の断線状態との出力電圧差は２００ｍＶとなり、この電圧差を検出することにより、電源供給線３の断線を検出することができる。

図４はホールＩＣがオンのときの通常状態を示し、図５は図４に示す通常状態から電源供給線が断線したときの状態を示す。ホールＩＣ１の消費電力や、回路の定数については図２及び図３の場合と同じとする。ただし、ホールＩＣ１がオン状態のとき、通常状態では、主配線５とバイパス配線７にも電流が流れ、ホール素子２が導通状態であるために主配線５の抵抗Ｒ４は低い抵抗値（２ｋΩ）となっている。抵抗Ｒ３とＲ４の合成抵抗（１．９８０ｋΩ）と電源側抵抗Ｒ１（１００Ω）との直列和の抵抗（２０８０Ω）に基づいて電源５Ｖからは２．４０３ｍＡの電流ｉ２が流れ、ホール素子２の消費電流２ｍＡと合わせて全電流ｉ２として４．４０３ｍＡが流れる。全電流ｉ２が電源側抵抗Ｒ１（１００Ω）を流れるときの電圧降下は０．４４０３Ｖであるので、出力端子９に現れる出力電圧は４．５５９６Ｖ（＝５Ｖ−０．４４０３Ｖ）となる。

この状態から、ホールＩＣ１の電源供給線３（分岐点４からホール素子２側）が断線すると、ホールＩＣ１の消費電力（２ｍＡ）が無くなるため、ノーマルオープン型のホール素子２には出力電流は流れなくなる。上記２．４０３ｍＡの電流は、すべてバイパス配線７に流れ、直列な電源側抵抗Ｒ１（１００Ω）と設定抵抗Ｒ３（２００ＫΩ）との電圧分圧として、出力端子９には出力電圧４．９９７５Ｖが現れる。
通常状態とホールＩＣ１が断線したときの状態との出力電圧差は４３８ｍＶ（計算式は、４．９９７５−４．５５９７＝０．４３７８）となり、この電圧差を検出することにより、電源供給線３の断線を検出することができる。

図６〜図８はこの発明によるホールＩＣの更に別の例を示す回路図である。入力電圧５Ｖに対して、ホールＩＣにおけるホール素子２がオフ状態のときであるときの出力は約４Ｖである。ホールＩＣがオン状態のときの出力は約０．９２Ｖである。ホールＩＣの電源供給線（Ｖｄｄ）が断線のとき、出力は４．６Ｖである。出力が４．６Ｖになるのを監視することにより、ホールＩＣがオン状態、オフ状態のどちらの状態の場合でも、ホールＩＣの断線を検出することができる。電源側抵抗Ｒ１が設けられていないと、ホールＩＣがオフ状態の場合と同じになり、断線を検出することができない。

図 ６〜図８に示す実施例は、発展モードであり、電源とＧＮＤへのショートモードと、断線モードを検出しようとする実施例である。出力が電源にショートするときには５Ｖが検出され、ＧＮＤにショートされるときには０Ｖが検出される。ホールＩＣがオン状態の場合で、電源供給線が断線したとき、ノーマルオープンタイプのホール素子であるので、スイッチはオープン状態となる。この時、ホールＩＣがオフのときと同じ回路構成となるが、ホールＩＣで消費される２ｍＡがなくなるため、Ｒ１のドロップ電圧が小さくなり、出力は４．６８４Ｖとなる。これはホールＩＣがオフの時（４．００６Ｖ）よりも６７８ｍＶ電圧が高くなることとなるため断線判断が可能になる。

この発明によるホールＩＣの一実施例を示す回路図である。 図１に示す回路図において、ホールＩＣのオフ状態の通常状態を示す図である。 図２に示す回路図であって、ホールＩＣの電源供給線が断線した状態を示す図である。 図１に示す回路図であって、ホールＩＣのオン状態の通常状態を示す図である。 図４に示す回路図であって、ホールＩＣの電源供給線が断線した状態を示す図である。 この発明によるホールＩＣの別の実施例を示す回路図であって、ホールＩＣのオフ状態を示す図である。 図６に示す回路図であって、ホールＩＣのオン状態を示す図である。 図６に示す回路図であって、ホールＩＣの電源供給線の断線した状態を示す図である。 従来のホールＩＣの回路の一例を示す図である。

符号の説明

１ ホールＩＣ ２ ホール素子
３ 電源供給線 ４ 分岐点
５ 主配線 ６ 分岐点
７ バイパス配線 ８ ＧＮＤ（接地端子）
９ 出力部（出力端子）
Ｒ１ 電源側抵抗 Ｒ２〜Ｒ４ 出力電圧設定抵抗

Claims (3)

1. 電源供給線を通じて電源供給されるとともに出力としてオン状態又はオフ状態を取るホール素子、前記電源供給線から分岐されており前記ホール素子が取る前記オン状態に応じて当該ホール素子の内部を電流が流れる主配線、前記主配線から更に分岐し前記ホール素子をバイパスして設けられているバイパス配線、及び電源電圧について前記主配線及び前記バイパス配線に設けられた抵抗素子に基づいた分圧電圧として前記ホール素子のオン・オフが出力される出力部を備え、
   前記電源供給線には、前記主配線が分岐する前の電源側において、電圧降下用の抵抗素子が介挿されていることから成るホールＩＣ。
2. 前記出力部は、前記分圧電圧として、前記バイパス配線が前記主配線から分岐する分岐点の電圧を出力することから成る請求項１に記載のホールＩＣ。
3. 前記出力部は、前記分圧電圧として、前記主配線が前記電源供給線から分岐する分岐点の電圧と接地電圧との中間電圧を出力することから成る請求項２に記載のホールＩＣ。

Images