JP2016166782A - 磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子を用いた磁気センサであり、スピニングカレント方式を用いた磁気オフセットを低減する回路における、磁気オフセットを低減する。
【解決手段】ホール素子の各端子に接続された第一の電流経路と第二の電流経路とに切り替える電流経路切替え用スイッチと、ホール素子の各端子に接続されたホール電圧を出力する経路を第一の出力経路と第二の出力経路とを切り替える出力経路切替え用スイッチと、第一の出力経路の出力電圧と第二の出力経路の出力電圧の差分を出力する減算器と、を備え、第一の出力経路と第二の出力経路の配線抵抗値を同じに構成した磁気センサ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホール素子を用いた磁気センサ装置に関し、より詳しくはスピニングカレント方式の磁気センサ装置の磁気オフセットを低減する技術に関する。

ホール素子から出力されるホール電圧は、印加された磁場の信号成分だけでなく、磁気オフセット成分も含まれている。磁気オフセットとは、ホール素子を製造する際の製造バラツキやホール素子にかかる応力など、様々な要因によって生じる誤差成分のことである。磁気オフセットは、誤差成分であるため、磁気センサの精度低下に大きく影響する。

特許文献１は、スピニングカレント方式を用いて磁気オフセッ成分を低減する回路を開示している。スピニングカレント方式は、ホール素子に対して電流を第一の方向に流し、そのときに電流を流していない２つの端子から得られるホール電圧と、電流を第一の方向と直交する第二の方向に流し、そのときに電流を流していない２つの端子から得られるホール電圧の差分を出力する。従って、第一の方向と第二の方向の信号成分のみが加算されるので、磁気オフセット成分は相殺される。

特開２００１−３３７１４７号公報

しかしながら、スピニングカレント方式を用いても、レイアウトパターンによる寄生抵抗の影響によって、新たなノイズ成分が発生してしまう問題が存在する。

図５は、従来の磁気センサ装置の配置配線図である。
ここでは、ＳＷ３からＳＷ４へ第一の方向に電流を流している。ホール素子を用いた磁気センサでスピニングカレント方式の磁気オフセット低減回路においては、出力電圧切り替え用Ｎチャネル型電界効果トランジスタＳＷ５及び、ＳＷ６のＮ＋ソースとＰ型基板間にＰＮ接合ダイオードＤ１〜Ｄ４が存在しており、リーク電流がわずかながら流れる。そのため、ホール素子の端子Ｈ１〜Ｈ４から、出力電圧切り替え用Ｎチャネル型電界効果トランジスタＳＷ５及び、ＳＷ６のＮ＋ソースまでの配線抵抗が同じ値でないと、ホール素子から同じホール電圧が出力されていたとしても、ＰＮ接合ダイオードによる電圧降下に差が生じ、第一の方向と第二の方向で信号レベルに差が生じてしまい、スピニングカレント方式のオフセット低減回路を用いてもノイズ成分が残ってしまう。

本発明は、こうした問題を鑑みてなされたものであり、ホール素子を用いた磁気センサで、磁気オフセット低減のためのスピニングカレント方式の回路に関して、レイアウトパターンによって、磁気オフセットを低減することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の磁気センサ装置は以下の構成とした。
ホール素子の各端子に接続された第一の電流経路と第二の電流経路とに切り替える電流経路切替え用スイッチと、ホール素子の各端子に接続されたホール電圧を出力する経路を第一の出力経路と第二の出力経路とを切り替える出力経路切替え用スイッチと、第一の出力経路の出力電圧と第二の出力経路の出力電圧の差分を出力する減算器と、を備え、第一の出力経路と第二の出力経路の配線抵抗値を同じに構成した磁気センサ装置。

本発明の磁気センサ装置によれば、ホール素子の出力端子から出力電圧切り替え用スイッチまでの配線抵抗値を同じ値にすることで、磁気オフセットを低減することが出来る。

本実施形態の磁気センサ装置の配置配線図の一例である。 本実施形態の磁気センサ装置のホール電圧の成分内訳を示す図である。 本実施形態の磁気センサ装置の配置配線図の他の例である。 本実施形態の磁気センサ装置のホール電圧の成分内訳を示す図である。 従来の磁気センサ装置の配置配線図である。

以下、図面を参照して本実施形態の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の磁気センサ装置の配置配線図の一例である。
ホール素子の原点に対して、ＳＷ５及び、ＳＷ６がＸ軸及びＹ軸対称に配置されている。各配線の単位配線抵抗値が同じならば、図１のように配線の長さを等しくすることで、配線Ｌ１〜Ｌ４の配線抵抗値は等しくなる。

図２は、図１の実施形態の磁気センサ装置のホール電圧の成分内訳を示す図である。
端子Ｈ３から端子Ｈ４に向けて第一の方向に電流を流したときの状態をφ１とし、端子Ｈ１から端子Ｈ２に向けて第二の方向に電流を流したときの状態をφ２とする。また、出力電圧切り替え用スイッチＳＷ５の出力電圧をＶ１とし、出力電圧切り替え用スイッチＳＷ６の出力電圧をＶ２とする。状態φ１の時の電圧Ｖ１をＶ１φ１、状態φ１の時の電圧Ｖ２をＶ２φ１、状態φ２の時の電圧Ｖ１をＶ１φ２、状態φ２の時の電圧Ｖ２をＶ２φ２とする。今後の説明ではすべて、磁気センサに対して上部から磁場が印加されているものとする。

磁場が印加されたときの状態φ１での電圧Ｖ１φ１と電圧Ｖ２φ１は、
Ｖ１φ１＝―ΔＲ＋Ｂｏｓ−γ （１）
Ｖ２φ１＝＋ΔＲ―Ｂｏｓ−γ （２）
また、状態φ２での電圧Ｖ１φ２と電圧Ｖ２φ２は、
Ｖ１φ２＝＋ΔＲ＋Ｂｏｓ−γ （３）
Ｖ２φ２＝―ΔＲ―Ｂｏｓ−γ （４）
となり、減算器２で（１）―（２）を実施した結果を電圧Ｖφ１とし、（３）―（４）を実施した結果を電圧Ｖφ２とし計算すると以下の（５）と（６）式になる。

Ｖφ１＝（―ΔＲ＋Ｂｏｓ−γ）−（＋ΔＲ―Ｂｏｓ−γ）＝―２ΔＲ＋２Ｂｏｓ （５）
Ｖφ２＝（＋ΔＲ＋Ｂｏｓ−γ）−（―ΔＲ―Ｂｏｓ−γ）＝＋２ΔＲ＋２Ｂｏｓ （６）
さらに減算器２でＶφ２―Ｖφ１を行なうと、減算器２の出力電圧は、
（＋２ΔＲ＋２Ｂｏｓ）―（―２ΔＲ＋２Ｂｏｓ）＝＋４ΔＲ （７）
となり、磁場信号成分のみが加算されて、磁気オフセット成分及び、配線Ｌ１〜Ｌ４による電圧降下γは打ち消され、減算器２から出力されない。
なお、配線Ｌ１〜Ｌ４の配線抵抗値が同じならば、ＳＷ５及びＳＷ６のホール素子１までの距離などの配置場所は限定しない。

図３は、本実施形態の磁気センサ装置の配置配線図の他の例である。
ホール素子の原点に対して、ＳＷ５及び、ＳＷ６が片側に配置されている。配線Ｌ１及び配線Ｌ３の配線抵抗値が同じで、かつ、配線Ｌ２及び配線Ｌ４の配線抵抗値が同じであれば、ＳＷ５及びＳＷ６を切替えたときのホール素子１と減算器２の間の配線抵抗値は等しくなる。

図４は、図３の実施形態の磁気センサ装置のホール電圧の成分内訳を示す図である。
端子Ｈ３から端子Ｈ４に向けて第一の方向に電流を流したときの状態をφ１とし、端子Ｈ１から端子Ｈ２に向けて第二の方向に電流を流したときの状態をφ２とする。また、出力電圧切り替え用スイッチＳＷ５の出力電圧をＶ１とし、出力電圧切り替え用スイッチＳＷ６の出力電圧をＶ２とする。状態φ１の時の電圧Ｖ１をＶ１φ１、状態φ１の時の電圧Ｖ２をＶ２φ１、状態φ２の時の電圧Ｖ１をＶ１φ２、状態φ２の時の電圧Ｖ２をＶ２φ２とする。

磁場が印加されているときの状態φ１での電圧Ｖ１φ１と電圧Ｖ２φ１は、
Ｖ１φ１＝―ΔＲ＋Ｂｏｓ−α （８）
Ｖ２φ１＝＋ΔＲ―Ｂｏｓ−β （９）
また、状態φ２での電圧Ｖ１φ２と電圧Ｖ２φ２は、
Ｖ１φ２＝＋ΔＲ＋Ｂｏｓ−α （１０）
Ｖ２φ２＝―ΔＲ―Ｂｏｓ−β （１１）
となり、減算器２で（１）―（２）を実施した結果を電圧Ｖφ１とし、（３）―（４）を実施した結果を電圧Ｖφ２とし計算すると以下の（５）と（６）式になる。

Ｖφ１＝（―ΔＲ＋Ｂｏｓ−α）−（＋ΔＲ―Ｂｏｓ−β）＝―２ΔＲ＋２Ｂｏｓ−α＋β （１２）
Ｖφ２＝（＋ΔＲ＋Ｂｏｓ−α）−（―ΔＲ―Ｂｏｓ−β）＝＋２ΔＲ＋２Ｂｏｓ−α＋β （１３）
さらに減算器２でＶφ２―Ｖφ１を行なうと、減算器２の出力電圧は、
（＋２ΔＲ＋２Ｂｏｓ−α＋β）―（―２ΔＲ＋２Ｂｏｓ−α＋β）＝＋４ΔＲ （１４）
となり、信号のみが加算されて、磁気オフセット成分及び、配線Ｌ１、配線Ｌ３による電圧降下α、及び配線Ｌ２、配線Ｌ４による電圧降下βは打ち消され、減算器２から出力されない。

なお、配線Ｌ１及び配線Ｌ３の配線抵抗値が同じであること、かつ、配線Ｌ２及び配線Ｌ４の配線抵抗値が同じであれば、ＳＷ５及びＳＷ６のホール素子からの距離など配置場所は限定しない。

１ ホール素子
２ 減算器
ＳＷ５〜ＳＷ６ スイッチ素子

Claims (2)

1. 電源の高電位側と低電位側にそれぞれ二つの端子を持つホール素子と、
   前記ホール素子の各端子に接続された、前記ホール素子に流す電流の経路を第一の電流経路と第二の電流経路とに切り替える電流経路切替え用スイッチと、
   前記ホール素子の各端子に接続された、前記ホール素子のホール電圧を出力する経路を第一の出力経路と第二の出力経路とを切り替える出力経路切替え用スイッチと、
   前記第一の出力経路の出力電圧と前記第二の出力経路の出力電圧の差分を出力する減算器と、を備え
   前記第一の出力経路と前記第二の出力経路の配線抵抗値が同じであることを特徴とする磁気センサ装置。
2. 前記電流経路切替え用スイッチと前記出力経路切り替え用スイッチとが、前記ホール素子に対してＸ軸及びＹ軸対称に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ装置。

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