JP2013167578A - 磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出電圧レベルを設定するためにブリーダ抵抗で構成された検出電圧設定回路を設ける必要があり、回路構成が複雑になる。また、ホール素子と上記検出電圧設定回路の電源系統が別となるため、その影響による検出電圧レベルの誤差が発生する課題がある。また、各オフセット成分を取り除くためにサンプルフェーズ２回と比較フェーズ１回の計３回の信号処理期間が必要となる。
【解決手段】ホール素子の各端子と、一端がＧＮＤに接続される可変抵抗の他端とを４つのスイッチで切替ながら接続できる構成とする。これにより小規模回路で、磁界強度の検出電圧レベルを任意に設定でき、また検出電圧レベルは抵抗比のみにより決定されるため、電源電圧や製造バラツキの影響を抑制できる。本構成では信号処理が単純化され高速化も可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界強度を電気信号に変換する磁気センサ装置に関し、例えば折りたたみ式携帯電話機やノートパソコン等における開閉状態検知用センサ、またはモータの回転位置検知センサなどに利用される磁気センサ装置に関する。

折りたたみ式携帯電話機やノートパソコン等における開閉状態検知用センサとして、またモータの回転位置検知センサとして磁気センサ装置が用いられている。

磁気センサ装置は、磁電変換素子（例えばホール素子）によって磁界強度または磁束密度に比例した電圧を出力し、その出力電圧を増幅器で増幅し、比較器を用いて判定し、Ｈ信号かＬ信号の二値で出力する。磁電変換素子の出力電圧は微小であるため、磁電変換素子が持つオフセット電圧（素子オフセット電圧）や、増幅器や比較器が持つオフセット電圧（入力オフセット電圧）、または変換装置内のノイズが問題となる。素子オフセット電圧は、主に磁電変換素子がパッケージから受ける応力等により発生する。入力オフセット電圧は、主に増幅器の入力回路を構成する素子の特性ばらつき等により発生する。ノイズは、主に回路を構成する単体トランジスタが持つフリッカ雑音、単体トランジスタや抵抗素子が持つ熱雑音により発生する。

上述の磁電変換素子や増幅器が持つオフセット電圧の影響を低減する磁気センサ装置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。図３に示した従来の磁気センサ装置は、磁電変換素子であるホール素子５１と、スイッチ切替回路５２と、差動増幅器５３と、比較器５４と、検出電圧設定回路５５と、第一容量Ｃ５１及び第二容量Ｃ５２と、第一スイッチＳ５１及び第二スイッチＳ５２と、を備える。

図４に、従来の磁気センサ装置の動作のタイミングチャートを示す。検出動作の一周期Ｔは、上述のスイッチ切替回路５２の動作によって、ホール素子５１の第一端子対Ａ―Ｃに電源電圧を入力し、第二端子対Ｂ―Ｄから検出電圧を出力する第一検出状態Ｔ１と、第二端子対Ｂ―Ｄに電源電圧を入力し、第一端子対Ａ―Ｃから検出電圧を出力する第二検出状態Ｔ２と、に分かれている。また、各スイッチの開閉によって第１サンプルフェーズＦ１、第２サンプルフェーズＦ２、比較フェーズＦ３に分かれている。そして、比較フェーズＦ３において各オフセット成分が取り除かれる。

特開２０１０−２８１８０１号公報

しかしながら、従来の磁気センサ装置では、磁界強度の検出電圧レベルを設定するためにブリーダ抵抗で構成された検出電圧設定回路５５を設ける必要があり、回路構成が複雑になる。また、ホール素子５１と検出電圧設定回路５５の電源系統が別となるため、その影響で検出電圧レベル設定に誤差が生じる課題がある。また、上述したように各オフセット成分を取り除くためにサンプルフェーズ２回と比較フェーズ１回の計３回の信号処理期間が必要となる。

本発明の目的は、ホール素子と抵抗とを組み合わせた単純回路構成により、高精度に検出電圧レベルを設定し、かつ高速に信号処理を行う磁気センサ装置を提供することである。

従来のこのような問題点を解決するために、本発明の磁気センサ装置は以下のような構成とした。
ホール素子の各端子と、一端がＧＮＤに接続される可変抵抗の他端とを４つのスイッチで切替ながら接続できる構成とする。

本発明の磁気センサ装置によれば、小規模回路で磁界強度の検出電圧レベルを任意に設定でき、検出電圧レベルは抵抗比のみにより決定され、電源電圧や製造バラツキの影響を受けない。スピニングカレントにも対応できるため、ホール素子オフセットのキャンセルが可能である。また、印加磁場の極性に依らず検出電圧の設定が可能で、極性間での検出電圧バラツキも抑制できる。また、本構成では信号処理が単純化され高速化も可能となる。

本実施形態の磁気センサ装置を示す回路図である。 本実施形態の磁気センサ装置の応用例の回路図である。 従来の磁気センサ装置の回路図である。 従来の磁気センサ装置のタイミングチャートである。

（第一実施形態）
図１は本発明に係る磁気センサ装置の第一の実施形態を示す回路図である。本実施形態の磁気センサ装置は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４からなる等価ブリッジ回路で示されるホール素子１と、可変抵抗Ｒａと、比較器２と、スイッチＳ１〜Ｓ１２から構成される。

可変抵抗Ｒａは、一端がＧＮＤに接続され、他端がホール素子１の端子Ｖ１〜Ｖ４にそれぞれスイッチＳ９〜Ｓ１２を介して接続される。端子Ｖ１、Ｖ２は、それぞれスイッチＳ１、Ｓ２を介して電源に、スイッチＳ５、Ｓ６を介して比較器２の第１の入力端子に接続される。端子Ｖ３、Ｖ４はそれぞれスイッチＳ３、Ｓ４を介してＧＮＤに、スイッチＳ７、Ｓ８を介して比較器２の第２の入力端子に接続される。

次に、動作について説明する。第一フェーズとして、スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８をＯＦＦし、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７をＯＮとする。また、検知する磁場の極性に合わせてスイッチＳ１０かスイッチＳ１２のどちらかをＯＮし、他のスイッチをＯＦＦにする。

たとえば、第一フェーズにおいてＳ１０をＯＮし、スイッチＳ９、Ｓ１１、Ｓ１２をＯＦＦする場合を考える。比較器２の出力が反転する、端子Ｖ１の電圧と端子Ｖ３の電圧が等しい場合は、式（１）の関係が成り立つ。
Ｒａ＝Ｒ１＊Ｒ３＊Ｒ４／（Ｒ２＊Ｒ４−Ｒ１＊Ｒ３）・・・・・（１）
ここで、磁場が無い状態においてＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒ、ある大きさの磁場が印加された状態での各抵抗値の変動量をΔＲとおくと、上述の式（１）の状態ではＲ１＝Ｒ−ΔＲ、Ｒ２＝Ｒ＋ΔＲ、Ｒ３＝Ｒ−ΔＲ、Ｒ４＝Ｒ＋ΔＲと考えることができる。これらを式（１）に代入すると、式（２）が導かれる。

Ｒａ＝Ｒ²＊（１−ΔＲ／Ｒ−（ΔＲ／Ｒ）²＋（ΔＲ／Ｒ）³）／（４＊ΔＲ）・・（２）
ΔＲはＲと比較して十分小さいため（ΔＲ／Ｒ）の２次、３次の項を無視すると、式（３）が成立する。
ΔＲ／Ｒ≒１／（１＋４＊Ｒａ／Ｒ）・・・・・（３）
したがって本発明では、電源電圧や製造バラツキに依存せず、抵抗比Ｒａ／Ｒのみで検出電圧を決定できる。結果として、高精度の検出電圧レベル設定が実現できる。

なお、第二フェーズとして、スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８がＯＮし、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７がＯＦＦした場合や、印加される磁場の極性が逆の場合でも、スイッチＳ９〜Ｓ１２でＯＮするスイッチを切り換えることで、式（３）で示す検出電圧設定が可能である。また、これらから分かるように、ホール素子以外で接続される可変抵抗はＲａの一種類のみでよく、素子間ばらつきの要素が入りにくく、検出電圧レベルばらつきの少ない磁気センサ装置が実現できる。

さらに、可変抵抗Ｒａについては、一端をＧＮＤではなくＶＤＤに接続しても同様の効果が得られる。
なお、本発明の実施形態にて示した磁気センサ装置は、比較器を差動増幅器に変えることで、アナログ信号を出力する構成にすることもできる。
本発明によれば、スピニングカレント(第一、第二フェーズで電流を交差させオフセットをキャンセルする手法)も問題なく行うことができる。

ここで、従来の磁気センサ装置のように後段の比較器に関して、差動増幅器、容量、スイッチと組み合わせれば、第一フェーズをサンプルフェーズ、第二フェーズを比較フェーズとすることが可能となるため、従来オフセットを除去するために３つの信号処理フェーズが必要だったのに対し、本発明では二つのフェーズで信号処理を完結することができる。結果として、信号処理期間の短縮化（高速化）が実現できる。

（第二実施形態）
図２に、本発明に係る磁気センサ装置の第二の実施形態の回路図を示す。第一の実施形態との違いは、第一の実施形態における可変抵抗Ｒａを可変抵抗Ｒｂと可変抵抗Ｒｃに分割して構成したことである。

可変抵抗Ｒｂは、一端をＧＮＤに接続され、他端を可変抵抗Ｒｃの一端とスイッチ１３を介してスイッチＳ９〜Ｓ１２に接続される。可変抵抗Ｒｃは、他端をスイッチＳ９〜Ｓ１２と接続される。

検出電圧設定時は、スイッチＳ１３をＯＮし可変抵抗Ｒｂを選択し、解除電圧設定時はスイッチＳ１３をＯＦＦさせて可変抵抗Ｒｂと可変抵抗Ｒｃを選択する。このようにして、本実施形態の磁気センサ装置は、検出電圧と解除電圧にヒステリシスを設定することが可能となる。この場合、検出電圧設定時および解除電圧設定時には、
ΔＲ／Ｒ≒１／（１＋４＊Ｒｂ／Ｒ） ・・・・・（４）
ΔＲ／Ｒ≒１／（１＋４＊（Ｒｂ＋Ｒｃ）／Ｒ）・・・・・（５）
が成立する。
従って、本実施形態の磁気センサ装置では、第一フェーズ、あるいは第二フェーズにおいて磁界強度の検出電圧と解除電圧にヒステリシスを設定することが可能である。

第一の実施形態と同様に、本実施形態にて示した磁気センサ装置は、比較器を差動増幅器に変えることで、アナログ信号を出力する構成にすることもできる。
また、スピニングカレント(第一、第二フェーズで電流を交差させオフセットをキャンセルする手法)も問題なく行うことができる。

そして、従来の磁気センサ装置のように後段の比較器に関して、差動増幅器、容量、スイッチと組み合わせれば、第一フェーズをサンプルフェーズ、第二フェーズを比較フェーズとすることが可能となるため、従来オフセットを除去するために３つの信号処理フェーズが必要だったのに対し、本発明では二つのフェーズで信号処理を完結することができる。結果として、信号処理期間の短縮化（高速化）が実現できる。

本発明の磁気センサ装置は、交番検知（たとえばモータの回転検知）用途に使用することもできる。交番検知は一方（例えばＳ極）の極性のみの検知を行う状態から、その一方の極性が検知されると他方（Ｎ極）の極性のみの検知を行う状態に切り換わる磁気センサ装置である。

１、５１ ホール素子
２、５４ 比較器
５２ スイッチ切替回路
５３ 差動増幅器
５５ 検出電圧設定回路

Claims (3)

1. 磁電変換素子に印加される磁界強度に応じて出力を行う磁気センサ装置であって、
   各々一端が電源に接続される第一スイッチ、第二スイッチと、
   各々一端が接地電位に接続される第三スイッチ、第四スイッチと、
   第一入力端子、第二入力端子及び出力端子を有する比較器と、
   各々一端が前記比較器の第一入力端子に接続される第五スイッチ、第六スイッチと、
   各々一端が前記比較器の第二入力端子に接続される第七スイッチ、第八スイッチと、
   一端が接地電位に接続される可変抵抗と、
   各々一端が前記可変抵抗の他端に接続される第九スイッチ、第十スイッチ、第十一スイッチ、第十二スイッチと、
   前記磁電変換素子の等価回路であり、第一抵抗、第二抵抗、第三抵抗、第四抵抗で構成され、前記第四抵抗と前記第一抵抗の接点が各々前記第一スイッチ、前記第五スイッチ、前記第十スイッチの他端に接続され、前記第一抵抗と前記第二抵抗の接点が各々前記第二スイッチ、前記第六スイッチ、前記第九スイッチの他端に接続され、前記第二抵抗と前記第三抵抗の接点が各々前記第三スイッチ、前記第七スイッチ、前記第十二スイッチの他端に接続され、前記第三抵抗と前記第四抵抗の接点が各々前記第四スイッチ、前記第八スイッチ、前記第十一スイッチの他端に接続されるブリッジ回路と、
   を備えることを特徴とする磁気センサ装置。
2. 前記可変抵抗は、少なくとも第一の可変抵抗と第二の可変抵抗とからなり、前記第一の可変抵抗と前記第二の可変抵抗の接続点が、第十三スイッチを介して前記可変抵抗の他端に接続されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ装置
3. 前記比較器の代わりに差動増幅器を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気センサ装置。

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