JP2021152512A - ホール素子センサおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンホール素子のオフセット電圧（不平衡電圧）を効果的に抑制して、低ノイズ化並びに高精度を得るホール素子センサおよびその動作方法を提供する。【解決手段】差動増幅器（ＡＭＰ）で増幅したスピニングカレントのＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を用いて、スピニングカレント出力のＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と反転且つ同一の振幅に調整した電圧を生成し、前記反転且つ同一の振幅に調整した電圧を、前記スピニングカレント出力に加算する帰還ループによって、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を効果的に抑制する。【選択図】図６

Description

本発明はＩＣ技術により形成されたシリコンホール素子を使用して磁界を検知するホール素子センサおよびその動作方法に関する。

ホール素子センサは磁石等で発生する磁界の強弱を検出してドアの開閉や回転角度を検出するだけでなく、電気モータの駆動電流に比例して発生する磁界を検出することで電気モータの可変速制御にも利用されており、特に電気モータの可変速制御では高精度な磁界検出が要求される。

一般に、ホール素子センサは、ホール素子センサに備えられるシリコンホール素子のホール効果を利用して磁界を検出するセンサである。
また、ホール素子センサは、シリコンホール素子と、前記シリコンホール素子出力の増幅回路等から構成される。

一般に、ホール素子センサは、ＩＣチップ上に小型且つ安価に製造できるが、ホール素子センサに備えられるシリコンホール素子は感度が低く、且つ製造上の形状アンバランスによりオフセット電圧（不平衡電圧）が生じる。このオフセット電圧を除去または抑圧して高精度に磁界を検出するために、スピニングカレント等の技術が提案されている。

スピニングカレントはホール素子センサに備えられるシリコンホール素子で得られる磁界に比例した感度出力とオフセット電圧（不平衡電圧）を分離してオフセット電圧（不平衡電圧）を除去または抑圧するもので、シリコンホール素子の正方形の４つの頂点に対応する位置に形成された４個の端子の、選択された１対の端子に電流（駆動電流）を流し、他の端子から電圧出力を得る動作を４個の端子に接続されるスイッチを用いて、駆動電流が流れる方向と電圧出力を得る方向を変えることで感度出力とオフセット電圧（不平衡電圧）を周波数分離するものである。

ホール素子センサに関連する技術は、多くの技術文献に開示されている。例えば、対角的に（直交）配置された１対のホール素子を使用し、これら１対のホール素子に電流を交互に流して、その出力はサンプルホールド回路を介して増幅器に入力して増幅している。この構成により、電流の切り替えにより生じる電圧スパイクによる影響を排除または軽減している（特許文献１および２参照）。

対向する２対の端子を有するホール素子を使用し、その励磁方向を対向する２グループの端子間において第１フェーズおよび第２フェーズで交互に切り替えると共に、検出した信号電圧をキャパシタに保持し、比較器で比較してオフセットを補償する磁界検出器を開示している（特許文献３参照）。

相互に角度を変えた複数のホール素子を使用し、これら複数のホール素子を交互に励磁して得た出力信号を高インピーダンス増幅器、Ａ／Ｄ変換器およびデジタル加算器を介して出力することによりオフセット改善する磁界検出装置を開示している（特許文献４参照）。

また、相互に９０°の角度で配置された４個のホール素子を使用し、これらのホール素子を順次切り替えて励磁し、増幅器およびデジタル遅延回路を介して出力することにより測定精度および感度を改善する磁界測定方法および装置を開示している（特許文献５参照）。

４個のホール素子の励磁方向をチョッピング回路により正スピンシーケンスおよび負スピンシーケンスで順次切り替え、これらホール素子の出力信号はデジタルローパスフィルタを介して出力する磁界センサシステムを開示している（特許文献６参照）。

それぞれホール素子、電流源、スピンボックスおよび差動増幅器を含む多数のホール装置を横２列且つ上下鏡像関係に配置してＩＣ化し、各ホール素子の端子を列と直交方向に配置形成すると共に、両側に出力バッファやデモジュレータを配置するホールセンサシステムを開示している（特許文献７および８参照）。スピニングカレントとフィルタを用いてオフセット電圧（不平衡電圧）を抑制する技術が提案されている（特許文献９）。

日本特許第３０２２９５７号公報 米国特許第５６２１３１９号公報 米国特許第５６０４４３３号公報 米国特許第５４０６２０２号公報 米国特許公開第２００７／００２９９９９号公報 米国特許第８１５４２８１号公報 日本特許公開第２０１３−５３５６６１号公報 米国特許公開第２０１３／００９９７８２号公報 日本特許公開第２０１８−１０５８１８号公報

本発明の説明に先立ち、ホール素子におけるスピニングカレント技術について少し詳しく説明する。図１（Ａ）に示すように、ホール素子は、正方形の４つの頂点に対応する位置に形成された４個の端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを有する。そして、選択された１対の端子に電流源（不図示）から選択された方向に電流（駆動電流）を流し、他の端子から電圧出力を得る。図１（Ｂ）は、駆動電流を流す端子および方向、電圧出力を得る端子および動作状態（または角度）を示す表図である。

図１（Ｂ）において、動作状態０°では、電流を端子ＡからＣへ流し、端子ＢとＤ間の電圧を出力する。動作状態０°に対して右方向に９０°回転している動作状態９０°では、電流を端子ＢからＤへ流し、端子ＣとＡ間の電圧を出力する。動作状態９０°から更に９０°右回転している動作状態１８０°では、電流を端子ＣからＡへ流し、端子ＤとＢ間の電圧を出力する。また、動作状態１８０°から更に９０°右回転（すなわち、上述した動作状態０°から９０°左回転に相当）する動作状態２７０°では、電流を端子ＤからＢへ流し、端子ＡとＣ間の電圧を出力する。

次に、図２（Ａ）〜（Ｄ）は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して上述したホール素子Ｈの４つの動作状態０°、９０°、１８０°および２７０°における電流源および差動増幅器（ＡＭＰ）の接続状態をそれぞれ示している。図２において、説明の便宜上、ホール素子Ｈを、ブリッジ接続された４個の抵抗値（またはブリッジ抵抗値）Ｒ１〜Ｒ４で、電流源をＩｒｅｆで、そして電圧出力の増幅器を差動増幅器（ＡＭＰ）で示している。

図２（Ａ）は、動作状態０°を示し、ホール素子Ｈの端子ＡからＣへ電流を流し、端子ＢおよびＤをそれぞれ差動増幅器（ＡＭＰ）の非反転および反転入力端子に接続している。図２（Ｂ）は、動作状態９０°を示し、端子ＢからＤへ電流を流し、端子ＣおよびＡをそれぞれ差動増幅器（ＡＭＰ）の非反転および反転入力端子に接続している。図２（Ｃ）は、動作状態１８０°を示し、ホール素子の端子ＣからＡへ電流を流し、端子ＤおよびＢをそれぞれ差動増幅器（ＡＭＰ）の非反転および反転入力端子に接続している。また、図２（Ｄ）は、動作状態２７０°を示し、ホール素子の端子ＤからＢへ電流を流し、端子ＡおよびＣをそれぞれ差動増幅器（ＡＭＰ）の非反転および反転端子に接続している。

次に、図３は、上述した４つの動作状態０°、９０°、１８０°および２７０°を有するホール素子の回転動作、すなわち、スピニングカレントについて説明するイメージ図である。図３には、電流の右（時計方向）回転を、矢印付の円により図示している。図示のように、電流源をホール素子の端子Ａ〜Ｄに順次切り替えて接続し、対向する端子間に電流を流し、残りの端子対を差動増幅器（ＡＭＰ）の入力端子に順次接続する動作を反復する。そして、差動増幅器（ＡＭＰ）の出力端子Ｖｏｕｔから検出信号を出力する。

次に、図４は、図１に示すホール素子を、上述した４つの動作状態０°〜２７０°に切り替え動作させるための切り替え回路（スイッチ）を模型的に示している。図４には、ブリッジ状に接続された４個の抵抗Ｒ１〜Ｒ４で示すホール素子に電流源Ｉｒｅｆを切り替えて接続する各々４個のスイッチを有する２対のスイッチＳ１〜Ｓ４、ブリッジ抵抗の接続点Ａ〜Ｄを差動増幅器（ＡＭＰ）の非反転（または正）入力端子Ｖｏｕｔ（＋）に切り替え接続する４個のスイッチＳ１〜Ｓ４および反転（または負）入力端子Ｖｏｕｔ（−）に切り替えて接続する４個のスイッチＳ１〜Ｓ４を備えている。

次に、図５は、前述した図４の切り替え回路（スイッチ）を組み合わせることにより、図２の４つの動作状態を連続的に繰り返すことで、ＤＣ電圧の感度出力とＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）に周波数分離されることを示す。

しかしながら、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）は、例えば、ローパスフィルタを用いて低減させるが、シリコンホール素子の製造上の形状アンバランスによりＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の量にばらつきがあることから、ホール素子センサの低ノイズ化及び高精度化できない課題があった。

本発明のホール素子センサの動作方法は、差動増幅器（ＡＭＰ）で増幅したＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を検出するためのＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器を備える。この前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器は、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と同一の周波数信号を通過させるバンドパスフィルタと、前記同一の周波数信号からＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）のみを検出する少なくとも２つ以上の遅延回路と、前記少なくとも２つ以上の遅延回路の出力を加算平均する加算平均回路を備える。

また、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器の出力から、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と反転出力する位相調整器と振幅を調整する振幅調整器で構成された−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器を備える。

また、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器の出力を、スピニングカレントの出力に加算する加算器を備える。
また、これらの前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器と、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器と、前記加算器は連続的に動作し、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を抑制する帰還ループを構成することを特徴とする。

本発明のホール素子センサおよびその動作方法によると、ホール素子センサは、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器と、−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器と、加算器を備え、これらの前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器と、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器と、前記加算器は連続的に動作し、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を抑制する帰還ループを構成することで、効果的にＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を抑圧可能である。その結果、ホール素子センサの低ノイズ化及び高精度化に顕著な効果を有する。

一般的な半導体ホール素子の説明図であり、（Ａ）はホール素子の模型図、（Ｂ）はホール素子の４つの動作状態を説明する表図である。 図１に示すようなホール素子を使用するホール素子センサの動作状態の説明図であり、（Ａ）は動作状態０°、（Ｂ）は動作状態９０°、（Ｃ）は動作状態１８０°、（Ｄ）は動作状態２７０°を示す。 ホール素子センサのスピニングカレントの説明図である。 図３に示すスピニングカレント動作を行うためのホール素子、電流源および切り替え回路（スイッチ）の説明図である。 図４に示す切り替え回路（スイッチ）を組み合わせることにより、図２の４つの動作状態を連続的に繰り返すことで、ＤＣ電圧の感度出力とＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）に周波数分離される説明図である。 本発明によるホール素子センサの動作方法の好適実施例の説明図である。 図６に示すＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２の説明図である。 図６に示す−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３の説明図である。

以下、本発明によるホール素子センサおよびその動作方法の好適な実施形態について説明する。

本発明は、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２と、−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３と、加算器を備え、これらの前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２と、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３と、前記加算器は連続的に動作し、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を抑制する帰還ループを構成することで、効果的にＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を抑圧可能である。

図６は、本発明によるホール素子センサ１の動作方法を説明するブロック図である。図６のホール素子センサ１に配置されるシリコンホール素子は、製造上の形状アンバランスによりオフセット電圧（不平衡電圧）を有するが、スピニングカレントによって、前記オフセット電圧（不平衡電圧）はＡＣ化され、シリコンホール素子の磁界検出に伴う感度出力（ＤＣ電圧）と共に差動増幅器（ＡＭＰ）により増幅される。

増幅された前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）は、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２を通過することで、その他の信号成分と分離してＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）のみ出力される。

その他の信号成分と分離して出力されたＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）は、−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３によって反転且つ振幅調整して出力される。

前記反転且つ振幅調整されたＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）は、前記スピニングカレントの後段に配置された加算器によって前記スピニングカレントの出力と加算される。
また、これらの前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２と、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３と、前記加算器は連続的に動作し、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）を抑制するために前記差動増幅器（ＡＭＰ）の出力と前記スピニングカレントの出力の帰還ループに配置されることを特徴とする。
また、前記帰還ループによって、前記抑制されたＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）は、前記差動増幅器（ＡＭＰ）の後段に設置されるローパスフィルタによって、さらに低減される。

次に、図７は、図６に示すＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２を説明する動作図である。

図７のＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器２は、図６に示す差動増幅器（ＡＭＰ）の出力を受け、図７のバンドパスフィルタによって前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と同一の周波数信号を通過させる。
前記バンドパスフィルタを通過した周波数信号は、少なくとも２つ以上の遅延回路と、前記少なくとも２つ以上の遅延回路の出力を加算平均する加算平均回路とによって、前記同一の周波数信号に含まれるＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）とは別の信号（例えばノイズ）を抑制する効果を有する。なお、前記少なくとも２つ以上の遅延回路のそれぞれは、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の整数倍のそれぞれ別の周期であればよい。

次に、図８は、図６に示す−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３を説明する動作図である。

図８の−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器３は、前記加算平均回路の出力が、前記スピニングカレントの出力のＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と反転の関係になるように調整する位相調整器と、前記スピニングカレントの出力のＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と同一の振幅に調整する振幅調整器を備える。

以上、本発明によるホール素子センサの動作方法の好適な実施形態を説明した。しかし、本発明は、この実施形態に限定するものではなく、種々の変形変更が可能である。例えば、バンドパスフィルタ、遅延回路、加算平均回路等はデジタル回路で構成されても良い。

本発明によるホール素子センサおよびその動作方法は、ホール素子センサの低ノイズ化及び高精度化に顕著な効果を有し、ＩＣ技術により小型且つ安価に製造可能であるので、電気モータの可変速制御を行うための電流センサ等を含む広範囲の利用が可能である。

１、ホール素子センサ
２、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器
３、−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器

Claims (5)

1. シリコンホール素子と、スピニングカレントと、差動増幅器（ＡＭＰ）と、ローパスフィルタと、ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器と、−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器と、加算器を備え、
   前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器と、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器と、前記加算器が、前記差動増幅器（ＡＭＰ）の出力と、前記スピニングカレントの出力との帰還ループに配置されることを特徴とするホール素子センサ。
2. 前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器を構成するバンドパスフィルタと、少なくとも２つ以上の遅延回路と、前記少なくとも２つ以上の遅延回路の出力を加算平均する加算平均回路とによって、
   ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と同一の周波数信号であって、前記同一の周波数信号に含まれる前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）とは別の信号（例えばノイズ）を抑制することを特徴とする請求項１に記載のホール素子センサの動作方法。
3. 前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の検出器を構成する前記少なくとも２つ以上の遅延回路のそれぞれが、前記ＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）の整数倍のそれぞれ別の周期であって、前記少なくとも２つ以上の遅延回路と、前記少なくとも２つ以上の遅延回路の出力を加算平均することを特徴とする請求項１に記載のホール素子センサの動作方法。
4. 前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器が、前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器を構成する位相調整器と、振幅調整器とによって、前記スピニングカレントの出力のＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と反転且つ同一の振幅に調整されることを特徴とする請求項１に記載のホール素子センサの動作方法。
5. 前記−オフセット電圧（−不平衡電圧）生成器で、前記スピニングカレントの出力のＡＣ化されたオフセット電圧（不平衡電圧）と反転且つ同一の振幅に調整された出力が、前記スピニングカレントの出力と加算されることを特徴とする請求項１に記載のホール素子センサの動作方法。

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