JP2015172554A - センサ閾値決定回路 - Google Patents
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この種のセンサは、通常アナログ出力であるので、マイクロコンピュータ(マイコン)などの制御回路とセンサの接続性から、そのセンサ出力をある閾値以上で1、閾値以下で0となるデジタル出力に変換してマイコンとインターフェイスし、閾値には外来ノイズによる誤動作を避けるためにヒステリシスを同時に付けて構成したセンサ閾値決定回路が一般的に使われている。
また、特許文献2に記載のものは、センサの外部入力に対してセンサの抵抗に依存しないヒステリシス特性を持たせたデジタル出力を得ることのできるセンサ閾値決定回路に関するもので、センサを駆動するためのセンサ駆動電流を検出するセンサ駆動電流検出手段と、センサ駆動電流検出手段から検出されたセンサ駆動電流を所定倍したバイアス電流を出力するセンサバイアス電流出力手段と、センサの出力インピーダンスを所定のインピーダンスに変換するインピーダンス変換手段と、センサから出力されたセンサ出力電圧を比較して、センサ出力電圧をデジタル値として出力する電圧比較手段とを備え、変換後の出力インピーダンスに対して、バイアス電流を流すことによって、デジタル値として出力するための閾値電圧を決定するものである。
このセンサ閾値決定回路11において、センサ駆動電流検出回路130とセンサバイアス電流出力回路140とで電流ミラー回路が構成されている。電流ミラー回路は、センサ駆動電流Iを所定(1/K=RS/RB)倍したセンサバイアス電流IBを出力する。そして、4端子型センサにバイアス電流IBを流し、VSUMPにバイアス電流が流れる場合は、センサ閾値電圧Vx=IB×R2、及び、VSUMNにバイアス電流が流れる場合はセンサ閾値電圧Vy=IB×R4を発生させる。
図2は、従来のセンサ閾値決定回路を説明するための他の回路構成図である。このセンサ閾値決定回路12は、4端子型センサ120と、センサ駆動電流検出回路130と、センサバイアス電流出力回路141と、バイアス電流切り替え回路151と、インピーダンス変換回路170とを具備するセンサ閾値決定回路である。
また、図2に示したセンサ閾値決定回路12では、インピーダンス変換器170にあるRSUM1、RSUM2の抵抗の温度特性によって閾値電圧の温度特性が任意に決定できるが、RSUM1、RSUM2の抵抗の温度特性が正のものしかない場合は負の温度特性を生成することができない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、演算回路で発生する温度特性を任意に調整できるようにしたセンサ閾値決定回路を提供することにある。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記電圧比較回路(260)の出力に基づいて切替信号(IS)を生成する切替信号生成回路(280)をさらに備え、前記第1の閾値電流切替回路(250)と前記第2の閾値電流切替回路(251)は、前記切替信号(IS)に基づいて選択的に切り替えられることを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の磁気センサICチップと磁石とを備えていることを特徴とする磁気検出装置である。
発明者は、センサ閾値決定回路の温度特性を正負どちらでも任意の調整できる回路を見出し、本発明を成すに至った。
図3は、本発明に係るセンサ閾値決定回路の実施形態を説明するための回路構成図である。図中符号21はセンサ閾値決定回路、220は4端子型センサ(磁気センサ)、230は駆動回路(センサ駆動電流検出回路)、240は第1の閾値電流生成回路、241は第2の閾値電流生成回路、250は第1の閾値電流切替回路、251は第2の閾値電流切替回路、260は電圧比較器、270はインピーダンス変換回路、280は切替信号生成回路を示している。
駆動回路230は、磁気センサ220を駆動する。第1の閾値電流生成回路240は、第1の閾値電流IBを生成する。第2の閾値電流生成回路241は、第2の閾値電流ICを生成する。
第1閾値電流切替回路250は、切替信号生成回路280の出力に応じて、第1の閾値電流生成回路240で生成された第1の閾値電流IBを磁気センサ220の差動出力の片側へ選択的に切り替えて流し込む。
また、第1の閾値電流切替回路250と第2の閾値電流切替回路251は、電圧比較回路260の出力に基づいて選択的に切り替えられる。つまり、電圧比較回路260は、インピーダンス変換回路170の差動出力を比較する。
また、切替信号生成回路280は、第1の閾値電流IBを磁気センサ220の差動出力のVP側へ流し込み、第2の閾値電流ICをインピーダンス変換回路270の差動出力のVSUMN側へ流し込む切り替えと、第1の閾値電流IBを磁気センサ220の差動出力のVN側へ流し込み、第2の閾値電流ICをインピーダンス変換回路270の差動出力のVSUMP側へ流し込む切り替えとを行う。
駆動回路230により4端子センサ220を駆動し、電位差VHを得る。第1の閾値電流生成回路240で生成された第1の閾値電流IBと4端子センサ220の抵抗Rとにより第1の閾値電圧VBを得る。また、第2の閾値電流生成回路241で生成された第2の閾値電流ICとインピーダンス変換抵抗RSUMとにより第2の閾値電圧VCを得る。
VSUMP−VSUMN=G(VH+VB)+VC
(なお、Gはインピーダンス変換回路270の利得である)
したがって、電圧比較回路260の判定結果が切り替わる4端子センサ220の出力は(VSUMP−VSUMN=0になるVH0)、以下のようになる。
VH0=−(VC/G+VB)
ΔVH0=−(k×ΔVC+m×ΔVB)
(なお、k、mは定数)
第1の閾値電流切替回路250と第2の閾値電流切替回路251により、差動出力のどちら側に閾値電圧を加算するかによって、VC又はVBの符号は正負どちらにでも切り替えることができる。
ΔVH0=m×ΔVB−k×ΔVC
つまり、温度係数ΔVB又はΔVCがそれぞれ正の温特を有するものであっても、定数m,kなどを調整することで、センサ閾値に負の温特をもたせることが可能となる。
以上のように、第1の閾値電流IBと第2の閾値電流ICをそれぞれ差動出力のどちら側に加算するかを切り替える構成とすることで、センサ閾値に正・負の温度特性を任意にもたせることが可能となる。
本発明のセンサ閾値決定回路21は、上述した図1に示した従来のセンサ閾値決定回路11、及び、図2に示した従来のセンサ閾値決定回路12と比較して、第1の閾値と第2の閾値を加減算するという点で従来のセンサ閾値決定回路と異なる。従来回路では、閾値の温度特性は、抵抗の温度特性や閾値電流の温度特性に依存して決まっており、抵抗の温度特性は素材で決まっていたため正負逆の温度特性を作成することは不可能であった。しかし、本発明では、2つの閾値を加減算することで温度特性を正負任意に調整することが可能となる。
I0=I1+I2 ・・・(1)
センサ外部入力BINとした場合、センサ出力電圧VHは、ホール起電力であるのでホール定数RH、センサ厚みをt、ホール駆動電流をIとすると、一般的にホール起電力は、RH/t×I×BINのよに定義される。センサ閾値決定回路21において、ホール駆動電流はI0であるので、センサ出力電圧VHは、以下の式(2)のようになる。
VH=RH/t×I0×BIN ・・・(2)
IB=RS/RA×I0 ・・・(3)
VP−VN=I1×R2−I2×R4−IB×R4+VH
=R×(I1−I2−IB)+VH ・・・(4)
Vs=VP+R1×I1=VN+R3×I2
であるから、以下の式(5)が成り立つ。
VP+R×I1=VN+R×I2
VP−VN=R×(I2−I1) ・・・(5)
R×(I1−I2−IB)+VH=R×(I2−I1)
I1=I2+IB/2−VH/R/2
上記式(1)より、電流I1及びI2は、以下の式(6)及び(7)のようになる。
I1=I0‐I1+IB/2−VH/R/2
I1=I0/2+IB/4−VH/R/4 ・・・(6)
I2=I0/2−IB/4+VH/R/4 ・・・(7)
VP−VN=R×(I0/2−IB/4+VH/R/4−I0/2−IB/4+VH/R/4)=−R×IB/2+VH/2
式(2)(3)より、VP−VNは、以下のようになる。
VP−VN=−R×RS/RA×I0/2+RH/t×I0×BIN/2
=I0/2×(−R×RS/RA+RH/t×BIN)
VP−VN≒Vs/2×(−RS/RA+RH/t×BIN)・・・(8)
また、Vsは、RsとRの抵抗分圧で決まるため、以下の式(9)であらわされる。
Vs=Vcc×R/(R+Rs) ・・・(9)
IC=RS/RB×I0
I0=Vs/Rより
IC=RS/RB×Vs/R ・・・(10)
第1の閾値電流切替回路250のSW1がONしている状態を想定しているため、第2の閾値電流切替回路251のSW4がONしている。
VNX2−VNX1=(1+RG2/RG1)×(VP−VN)
式(8)より
VNX2−VNX1=(1+RG2/RG1)×Vs/2×(−RS/RA+RH/t×BIN) ・・・(11)
インピーダンス変換回路270のRSUM2にICが流れるため、VSUMPとVSUMNの電位差は、
VSUMP−VSUMN=VNX2−VNX1+RSUM2×IC
(9),(10)より
VSUMP−VSUMN
=(1+RG2/RG1)×Vs/2×(−RS/RA+RH/t×BIN)+RSUM2×RS/RB×Vs/R ・・・(12)
となる。
VSUMP−VSUMN=(1+RG2×ΔRs/(RG1×ΔRs))×Vs/2×(−RS×ΔRs/(RA×ΔRs)+RH/t×BIN)+RSUM2×ΔRsum×RS×ΔRs/(RB×ΔRs)×Vs/(R×ΔR)
VSUMP−VSUMN=(1+RG2/RG1)×Vs/2×(−RS/RA+RH/t×BIN)+RSUM2×ΔRsum×RS/RB×Vs/(R×ΔR)
電圧比較回路260の入力VSUMPとVSUMNが同じ電圧になった時に出力VCOMPが反転する。VSUMP=VSUMNとなるときのBINを求めると、
(1+RG2/RG1)×Vs/2×(−RS/RA+RH/t×BIN)
=−RSUM2×ΔRsum×RS/RB×Vs/(R×ΔR)
(−RS/RA+RH/t×BIN)=−RSUM2×ΔRsum×RS/RB/(R×ΔR)/((1+RG2/RG1)/2)
RH/t×BIN=−RSUM2×ΔRsum×RS/RB/(R×ΔR)/((1+RG2/RG1)/2)+RS/RA
BIN=−RSUM2×ΔRsum×RS/RB/(R×ΔR)/((1+RG2/RG1)/2)/RH×t+RS/RA/RH×t ・・・(13)
式(13)の温度係数以外を定数とする。第1項のRSUM2×RS/RB/R/((1+RG2/RG1)/2)/RH×tをG1、第2項のRS/RA/RH×tをG2と置くと、(13)は、
BIN=−G1×ΔRsum/ΔR+G2 ・・・(14)
となる。G1,G2は、各抵抗値をそれぞれ決定することで任意の定数となる。式(14)からセンサ入力BINが−G1×ΔRsum/ΔR+G2の時に電圧比較回路(160)の出力が反転する。つまり−G1×ΔRsum/ΔR+G2が閾値となる。
これによって、磁石などの磁場の負の温度依存性を、閾値に負の温特を持たせることによって、精度良く補正することができる。
なお、磁気センサ220と、上述したセンサ閾値決定回路21とを、半導体基板上に形成されて磁気センサICチップを実現することができる。また、この磁気センサICチップと磁石とを備えることにより磁気検出装置を実現することができる。
110,210 駆動電圧源
120,220 4端子型センサ(磁気センサ)
130,230 駆動回路(センサ駆動電流検出回路)
140,141 センサバイアス電流出力回路
150,151 バイアス電流切り替え回路
160,260 電圧比較器
170,270 インピーダンス変換回路
171,172 演算増幅器
240 第1の閾値電流生成回路
241 第2の閾値電流生成回路
250 第1の閾値電流切替回路
251 第2の閾値電流切替回路
280 切替信号生成回路
Claims (6)
- 磁気センサを駆動する駆動回路と、
第1の閾値電流を生成する第1の閾値電流生成回路と、
第2の閾値電流を生成する第2の閾値電流生成回路と、
前記磁気センサの差動出力を増幅して出力するインピーダンス変換回路と、
該インピーダンス変換回路の差動出力を比較する電圧比較回路と、
前記第1の閾値電流生成回路で生成された前記第1の閾値電流を前記磁気センサの差動出力の片側へ選択的に切り替えて流し込む第1の閾値電流切替回路と、
前記第2の閾値電流生成回路で生成された前記第2の閾値電流を前記インピーダンス変換回路の差動出力の片側へ選択的に切り替えて流し込む第2の閾値電流切替回路と
を備えているセンサ閾値決定回路。 - 前記第1の閾値電流切替回路と前記第2の閾値電流切替回路は、前記電圧比較回路の出力に基づいて選択的に切り替えられる請求項1に記載のセンサ閾値決定回路。
- 前記電圧比較回路の出力に基づいて切替信号を生成する切替信号生成回路をさらに備え、
前記第1の閾値電流切替回路と前記第2の閾値電流切替回路は、前記切替信号に基づいて選択的に切り替えられる請求項1に記載のセンサ閾値決定回路。 - 前記切替信号生成回路は、
前記第1の閾値電流を前記磁気センサの差動出力の正側へ流し込み、前記第2の閾値電流を前記インピーダンス変換回路の差動出力の負側へ流し込む切り替えと、
前記第1の閾値電流を前記磁気センサの差動出力の負側へ流し込み、前記第2の閾値電流を前記インピーダンス変換回路の差動出力の正側へ流し込む切り替えと
を行う請求項3に記載のセンサ閾値決定回路。 - 前記磁気センサと、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセンサ閾値決定回路とが、半導体基板上に形成された磁気センサICチップ。
- 請求項5に記載の磁気センサICチップと磁石とを備えている磁気検出装置。
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