JP4496907B2

JP4496907B2 - 磁気測定回路

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Publication number: JP4496907B2
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Inventors: 彰司安井
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Filing date: 2004-09-30
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Description

本発明は、測定時間の短縮を図った磁気測定回路に関する。

従来、現在位置における方位（地磁気）を求める磁気測定回路として、ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）またはＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を用いた回路が知られている。この磁気測定回路は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の各地磁気の強さを測定するＸ、Ｙ、Ｚ軸センサと、各センサの出力をディジタルデータに変換する積分型Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）コンバータを具備している。

図９は従来の磁気測定回路の要部の構成を示す回路図であり、この図において、１００は４個のＧＭＲ素子をブリッジ接続して構成された磁気センサ、１０１は磁気センサ１００の出力を増幅する増幅器、１０２はＡ／Ｄコンバータ、１０３はＡ／Ｄコンバータ１０２において使用されるレファランス電圧ＶＲ２、ＶＲ、ＶＳＴＡＲＴを発生するレファランス電圧発生回路である。また、Ａ／Ｄコンバータ１０２において、ＳＩ、ＳＡ〜ＳＤは半導体スイッチ、Ｃ１、Ｃ３はコンデンサ、１０４は演算増幅器、１０５はコンパレータ、１０６はスイッチＳＡ〜ＳＤを駆動するタイミング信号を制御回路（図示略）から出力されるクロックパルスＣＬＫに基づいて生成するタイミング信号発生回路である。

このような構成において、タイミング信号発生回路１０６から出力される信号に従ってスイッチＳＡ、ＳＤがＯＮとされ、次いでスイッチＳＣ、ＳＢがＯＮとされ、この動作がクロックパルスＣＬＫに同期して繰り返される。これにより、演算増幅器１０４から階段状の比較電圧ＩＮＴＥＧが出力され、コンパレータ１０５において増幅器１０１の出力ＶＡＭＰと比較される。またこの時、制御回路はクロックパルスを内蔵のカウンタによってアップカウントする。そして、演算増幅器１０４の出力ＩＮＴＥＧが増幅器の出力ＶＡＭＰを越えると、比較器１０５の出力ＣＭＰが反転する。制御回路はこの信号ＣＭＰの反転を受け、カウンタのアップカウントを停止し、その時のカウント値を磁気センサ１００の測定値として出力する。

ところで、地磁気測定には、磁気変化による出力変化量は少ないがゼロ磁場での出力（オフセット）のばらつきが大きいという特性がある。このため、入力範囲が大きく、かつ、分解能が高い積分型Ａ／Ｄコンバータが必要となり、測定時間が長くなる問題があった。
なお、従来の磁気測定回路に関する文献として特許文献１、２が知られている。
特開平4-93782号公報特開2003-202365号公報

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、従来のものに比較し測定時間を大幅に短縮することができる磁気測定回路を提供することにある。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、本発明は、磁気の強さを測定する磁気センサと、前記磁気センサの出力を増幅する増幅手段と、所定のクロック数に対応する第１期間に、クロックパルスに同期して第１のステップ幅で単調増加する電圧を発生させ、その後の第２期間に、クロックパルスに同期して前記第１のステップ幅より小さい第２のステップ幅で前記第１期間終了時の電圧から単調増加する電圧を発生させる電圧発生手段と、前記第２期間の開始から、前記電圧発生手段の発生電圧値と前記増幅手段の出力電圧値とを所定の比率で加算した電圧値が閾値電圧値以上となるまで、クロックパルスをカウントし、カウント結果を前記磁気の強さを表すデータとして出力するカウント手段と、を具備することを特徴とする磁気測定回路である。
本発明は、上記の磁気測定回路において、前記所定のクロック数は、前記電圧発生手段の前記第１のステップ幅による発生電圧値と前記増幅手段の出力電圧値とを前記所定の比率で加算した電圧値が前記閾値電圧値を超えるのに必要なクロック数よりも所定クロック数少ないクロック数に設定されていることを特徴とする。

本発明は、上記の磁気測定回路において、前記磁気センサはＭＲ素子またはＧＭＲ素子によって構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、従来のものに比較し測定時間を大幅に短縮することができる効果がある。

以下、図面を参照し、この発明の一実施の形態について説明する。図２はこの発明の一実施の形態による磁気測定回路の構成を示すブロック図である。この図において、１、２は各々ＧＭＲ素子によって構成されたＸ軸センサおよびＹ軸センサ、３はＸ軸センサ１またはＹ軸センサ２の出力の一方を選択して出力する切換手段、４は切換手段３を介して入力されるＸ軸センサ１またはＹ軸センサ２の出力を増幅する増幅部、５は増幅部４の出力をディジタルデータに変換する積分型Ａ／Ｄコンバータである。６はＡ／Ｄコンバータ５へクロックパルスおよび制御信号を出力すると共に、内部のカウンタによってＡ／Ｄ変換時のクロックパルスをカウントしてディジタルデータを得る制御回路、７は制御回路６と外部のＣＰＵ（中央処理装置）との間のデータ授受を仲介するインターフェイスである。

また、１１はＧＭＲ素子によって構成されたＺ軸センサ、１２はこの磁気測定回路が内蔵された機器（例えば、携帯端末）の鉛直方向からの傾斜角度を検出する傾斜センサ、１３はＺ軸センサの出力を増幅する増幅部、１４は傾斜センサ１２の出力を増幅する増幅部である。１５は増幅部１３または１４の出力をディジタルデータに変換する、Ａ／Ｄコンバータ５と同様に構成されたＡ／Ｄコンバータ、１６は制御回路６と同様に構成された制御回路、１７は制御回路１６とＣＰＵ８との間のデータ授受を仲介するインターフェイスである。

図３は図２における磁気センサ１、２、切換手段３、増幅部４の詳細を示す回路図である。この図において、１ａ〜１ｄはブリッジ接続されたＧＭＲ素子であり、これらによってＸ軸センサ１が構成されている。このＸ軸センサ１の電源端子は電源電圧ＶCCに接続され、接地端子がＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２１を介して接地されている。ＦＥＴ２１は、Ｘ軸方向の地磁気測定の際に制御回路６から出力される信号によってＯＮとなる。２ａ〜２ｄはブリッジ接続されたＧＭＲ素子であり、これらによってＹ軸センサ２が構成されている。このＹ軸センサ２の電源端子は電源電圧ＶCCに接続され、接地端子がＦＥＴ２２を介して接地されている。ＦＥＴ２２は、Ｙ軸方向の地磁気測定の際に制御回路６から出力される信号によってＯＮとなる。

Ｓ１〜Ｓ４は切換手段３を構成する半導体スイッチであり、Ｘ軸方向の地磁気測定の際に制御回路６から出力される信号によってスイッチＳ１、Ｓ３がＯＮとなり、Ｙ軸方向の地磁気測定の際に制御回路６から出力される信号によってスイッチＳ２、Ｓ４がＯＮとなる。スイッチＳ１、Ｓ３がＯＮになると、Ｘ軸センサ１の出力が増幅器２４、２５へ加えられ、スイッチＳ２、Ｓ４がＯＮになると、Ｙ軸センサ２の出力が増幅器２４、２５へ加えられる。増幅器２４、２５は各々増幅度１のバッファ増幅器である。Ｒ１〜Ｒ４は抵抗、２６は増幅器であり、これらによってバッファ増幅器２４、２５の出力の差を増幅する差動増幅器が構成されている。なお、端子２７は後述するレファランス電圧ＶＲが加えられる端子である。

Ｓ５はＸ軸方向またはＹ軸方向の地磁気測定の際に短時間ＯＮとなる半導体スイッチ、２９はコンデンサ、３０は増幅度１の増幅器であり、これらによってサンプルホールド回路３１が構成されている。このサンプルホールド回路３１は増幅器２６の出力電圧を一時記憶する回路であり、その出力は端子３２へ加えられる。

３４はレファランス電圧発生回路であり、Ａ／Ｄコンバータ５において使用されるレファランス電圧ＶＲ、ＶＳＵＢを生成して出力する。すなわち、このレファランス電圧発生回路３４において、Ｒ１Ｘ〜Ｒ３Ｘはシリーズ接続された抵抗であり、抵抗Ｒ１Ｘの一端が電源電圧ＶCCに接続され、抵抗Ｒ３Ｘの一端がＸ軸センサ１とＦＥＴ２１の接続点に接続されている。また、Ｒ１Ｙ〜Ｒ３Ｙはシリーズ接続された抵抗であり、抵抗Ｒ１Ｙの一端が電源電圧ＶCCに接続され、抵抗Ｒ３Ｙの一端がＹ軸センサ２とＦＥＴ２２の接続点に接続されている。Ｓ１Ｘ、Ｓ３ＸはＸ軸方向の地磁気測定の際にＯＮとなるスイッチ、Ｓ１Ｙ、Ｓ３ＹはＹ軸方向の地磁気測定の際にＯＮとなるスイッチ、３８、３９はコンデンサ、３６、３７は増幅度１の増幅器である。

このような構成において、Ｘ軸方向の地磁気測定においては、スイッチＳ１ＸがＯＮとなり、抵抗Ｒ２ＸおよびＲ３Ｘの接続点の電圧が増幅器３６を介して、リファランス電圧ＶＲとして出力される。また、Ｘ軸方向の地磁気測定においては、スイッチＳ３ＸがＯＮとなり、抵抗Ｒ１ＸおよびＲ２Ｘの接続点の電圧が増幅器３７を介して、リファランス電圧ＶＳＵＢとして出力される。同様に、Ｙ軸方向の地磁気測定においては、スイッチＳ１ＹがＯＮとなり、抵抗Ｒ２ＹおよびＲ３Ｙの接続点の電圧が増幅器３６を介して、リファランス電圧ＶＲとして出力され、また、スイッチＳ３ＹがＯＮとなり、抵抗Ｒ１ＹおよびＲ２Ｙの接続点の電圧が増幅器３７を介して、リファランス電圧ＶＳＵＢとして出力される。増幅器３６，３７の入力に接続されたコンデンサ３８、３９との働きによりそれぞれサンプルホールド回路が構成されている。

次に、図１はＡ／Ｄコンバータ５の構成を示す回路図である。この図において、４０は図３に示すサンプルホールド回路３１の出力信号Ｖａｍｐが加えられる端子であり、信号Ｖａｍｐは抵抗ＲＢを介してコンパレータ４１の非反転入力端へ加えられる。４２は電源電圧ＶCCが加えられる端子であり、半導体スイッチＳｃ４を介してコンデンサＣ１の一端に接続されている。４３は図３に示すレファランス電圧ＶＲが加えられる端子であり、半導体スイッチＳｃ３を介してコンデンサＣ１の一端に接続されている。コンデンサＣ１の他端は半導体スイッチＳｃ１を介してレファランス電圧ＶＲが加えられる端子４４に接続されると共に、半導体スイッチＳｃ２を介して演算増幅器４５の反転入力端に接続されている。

４６はリファランス電圧ＶＳＵＢが加えられる端子であり、半導体スイッチＳｃ４Ｓを介してコンデンサＣ２の一端に接続されている。４７はレファランス電圧ＶＲが加えられる端子であり、半導体スイッチＳｃ３Ｓを介してコンデンサＣ２の一端に接続されている。コンデンサＣ２の他端は半導体スイッチＳｃ１Ｓを介してレファランス電圧ＶＲが加えられる端子４８に接続されると共に、半導体スイッチＳｃ２Ｓを介して演算増幅器４５の反転入力端に接続されている。演算増幅器４５の反転入力端および出力端間には、半導体スイッチＳｄおよびコンデンサＣ３が並列に接続され、非反転入力端へはレファランス電圧ＶＲが端子４９を介して加えられ、演算増幅器４５の出力信号は信号Ｖｉｎｔｅｇとして抵抗ＲＡを介してコンパレータ４１の非反転入力端へ加えられる。ここで、スイッチＳｄは制御回路６（図２）から出力される信号ＲＥＳによってＯＮ／ＯＦＦ制御される。また、抵抗ＲＡの抵抗値は抵抗ＲＢと同一である。また、コンパレータ４１の反転入力端へは、端子５０を介してレファランス電圧ＶＲが加えられ、コンパレータ４１の出力信号ＣＭＰが端子５１を介して図２の制御回路６へ出力される。なお、符号５２は半導体スイッチＳｃ１〜Ｓｃ４およびＳｃ１Ｓ〜Ｓｃ４Ｓの構成を示す図であり、各スイッチＳｃ１〜Ｓｃ４およびＳｃ１Ｓ〜Ｓｃ４ＳはいずれもＰチャネルＦＥＴおよびＮチャネルＦＥＴを並列接続して構成されている。

５３は上述したスイッチＳｃ１〜Ｓｃ４およびＳｃ１Ｓ〜Ｓｃ４ＳをＯＮ／ＯＦＦ制御する信号ＣＫ１〜ＣＫ４、ＣＫ１Ｓ〜ＣＫ４Ｓを、図１の制御回路６から出力されるクロックパルスＣＫおよび信号ＦＩＮ、ＵＤに基づいて生成し出力するタイミング信号発生回路である。

図２の制御回路６は、ＣＰＵ８からインターフェイス７を介して受けた指示に基づいて、前述したスイッチＳ１Ｘ、Ｓ３Ｘ、Ｓ１Ｙ、Ｓ３Ｙ、Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ５をＯＮ／ＯＦＦ制御する信号を出力し、また、クロックパルスＣＫおよび信号ＲＥＳ、ＦＩＮ、ＵＤを上述したＡ／Ｄコンバータ５へ出力する。また、クロックパルスＣＫを内部のカウンタによってアップカウントし、Ａ／Ｄコンバータ５から出力される信号ＣＭＰを受けてカウントを停止し、カウント結果を変換後データとしてインターフェイス７を介してＣＰＵ８へ出力する（詳細は後述する）。
図１０に、図２における制御回路６（１６）の主要部の構成を示す。カウンタ６ａは積分型Ａ／Ｄを構成する。クロックＣＯＵＮＴＣＫによりアップカウントし、リセット（ＲＥＳＥＴ）入力を備えている。一時レジスタ６ｂは、カウンタ６ａの値をインターフェイス７を介してＣＰＵ８が読むため一時的に保持する。下限設定６ｃは、Ａ／Ｄ動作時に下限電圧を設定する。固定値１６としてある。オフセットレジスタ６ｄは、インターフェイス７を介してＣＰＵ８が設定する。比較器６ｅはカウンタ６ａの値と下限設定６ｃまたはオフセットレジスタ６ｄの値を比較する。Ａ／Ｄ制御部６ｆは、インターフェイス７を介してＣＰＵ８からの指示により測定の開始、Ａ／Ｄ動作の切り換え、各種タイミング信号発生を行う。パワーダウン制御部６ｇは省電力化のために測定動作を行っていない部分を休止状態とする。Ａ／Ｄ制御部６ｆに入力される信号ＣＭＰ（図１参照）、カウンタ６ａのクロックＣＯＵＮＴＣＫは、テスト時には切り換えてテスト用信号を入力する。なお、下限設定６ｃはこの実施形態においては固定値であるが、レジスタとしてインターフェイス７を介してＣＰＵ８から入力してもよい。

次に、図４は図２におけるＺ軸センサ１１、増幅部１３、１４の詳細を示す回路図である。この図において、１１ａ〜１１ｄはブリッジ接続されたＧＭＲ素子であり、これらによってＺ軸センサ１１が構成されている。このＺ軸センサ１１の電源端子は電源電圧ＶCCに接続され、接地端子がＦＥＴ６１を介して接地されている。ＦＥＴ６１は、Ｚ軸方向の地磁気測定の際に制御回路１６から出力される信号によってＯＮとなる。増幅器６２、６３は各々増幅度１のバッファ増幅器であり、Ｚ軸センサ１１の２出力を各々増幅する。Ｒ１〜Ｒ４は抵抗、６４は増幅器であり、これらによってバッファ増幅器６２、６３の出力の差を増幅する差動増幅器が構成されている。また、端子６５はレファランス電圧ＶＲが加えられる端子である。また、６６は傾斜センサ１２の出力を増幅する増幅度１の増幅器であり、図２の増幅部１４を構成する。そして、この増幅器６６の出力端および増幅器６４の出力端が共通接続されて端子６８に接続され、この端子６８が図２のＡ／Ｄコンバータ１５に入力端に接続されている。

７０はレファランス電圧発生回路であり、Ａ／Ｄコンバータ１５において使用されるレファランス電圧ＶＲ、ＶＳＵＢを生成して出力する。すなわち、このレファランス電圧発生回路７０において、Ｒ１Ｘ〜Ｒ３Ｘはシリーズ接続された抵抗であり、抵抗Ｒ１Ｘの一端が電源電圧ＶCCに接続され、抵抗Ｒ３Ｘの一端がＺ軸センサ１１とＦＥＴ６１の接続点に接続されている。７１、７２は増幅度１の増幅器であり、増幅器７１は抵抗Ｒ１ＸおよびＲ２Ｘの接続点の電圧をレファランス電圧ＶＳＵＢとして出力するためのバッファとして動作し、増幅器７２は抵抗Ｒ２ＸおよびＲ３Ｘの接続点の電圧をレファランス電圧ＶＲとして出力するためのバッファとして動作する。

図５は図４における増幅器６４、６６の構成を示す回路図である。（増幅器６２，６３，７１，７２も同一の構成である。）この図において、８０〜８２はＰチャネルＦＥＴ、９３は定電流回路である。ＦＥＴ８０、８１およびＦＥＴ８０、８２はそれぞれカレントミラー接続となっており、ＦＥＴ８１、８２のソース−ドレインには各々ＦＥＴ８０の電流と同一の（または比例する）電流が流れる。８３、８４はＰチャネルＦＥＴ、８５、８６はＮチャネルＦＥＴであり、ＦＥＴ８３のゲートが反転入力端ｉｎｎに、ＦＥＴ８４のゲートが非反転入力端ｉｎｐに各々接続されている。そして、これらのＦＥＴ８３〜８６によって入力端ｉｎｎ、ｉｎｐの信号の差を増幅する差動増幅回路が構成されている。８７はＮチャネルＦＥＴであり、上述した差動増幅回路の出力を増幅し、出力端子ｏｕｔへ出力する。

８８はＰチャネルＦＥＴ、８９はＮチャネルＦＥＴであり、ＦＥＴ８８のゲートには信号ｐｄを反転した信号／ｐｄが加えられ、ＦＥＴ８９のゲートに信号ｐｄが加えられる。また、ＦＥＴ８８のソースは電源電圧ＶCCに接続され、ドレインがＦＥＴ８２のゲートに接続されている。また、ＦＥＴ８９のソースは接地され、ドレインがＦＥＴ８７のゲートに接続されている。これらのＦＥＴ８８、８９は出力端子ｏｕｔを能動状態とするかハイインピーダンス状態とするかを制御するもので、信号ｐｄを”Ｈ（ハイ）”レベルにすると、ＦＥＴ８８、８９が共にＯＮとなり、これによりＦＥＴ８２、８７がＯＦＦとなり、出力端子ｏｕｔがハイインピーダンスとなる。一方、信号ｐｄを”Ｌ（ロー）”レベルにすると、ＦＥＴ８８、８９が共にＯＦＦとなり、これによりＦＥＴ８２、８７が能動状態となり、出力端子ｏｕｔが能動状態となる。なお、図５の信号ｐｄは、図４での増幅器６２〜６４ではＰＤＳＥ、増幅器６６ではＰＤＡＣ、増幅器７１、７２ではＰＤとして示す。

図４に示す回路は、Ｚ軸方向の地磁気測定においては、制御回路１６から増幅器６４、６２、６３へ信号ＰＤＳＥとして”Ｌ”レベルの信号が加えられる一方、増幅器６６へは信号ＰＤＡＣとして”Ｈ”レベルの信号が加えられ、増幅器７１、７２のＰＤは”Ｌ”レベルとされ、これにより増幅器６４は能動状態、増幅器６６はハイインピーダンス状態となる。一方、傾斜センサ１２による傾斜度測定においては、制御回路１６から増幅器６４へ信号ＰＤＳＥとして”Ｈ”レベルの信号が加えられる一方、増幅器６６へは信号ＰＤＡＣとして”Ｌ”レベルの信号が加えられ、増幅器７１、７２のＰＤは”Ｌ”レベルとされ、これにより増幅器６４はハイインピーダンス状態、増幅器６６は能動状態となる。さらに、Ｚ軸方向の地磁気測定および傾斜センサ１２の傾斜測定も行わない時は、ＰＤＳＥ、ＰＤＡＣ、ＰＤいずれも”Ｈ”レベルとされ、各増幅器は休止状態（出口はハイインピーダンス）となる。
ここではＺ軸方向の地磁気測定について示したが、Ｘ軸、Ｙ軸についても同様の切換方法ができる。その場合は、図３において、増幅器２４、２５、２６をもう１組用意する。各増幅器を図５と同様の構成としてｐｄ信号をＸ軸測定、Ｙ軸測定に応じて制御すればよい。

次に、図１に示すＡ／Ｄコンバータ５（１５）および制御回路６（１６）の動作を図６、図７に示すタイミングチャートを参照して説明する。
このＡ／Ｄコンバータ５は(1)オフセット測定、(2)通常データ測定の２処理によってＡ／Ｄ変換を行う。すなわち、従来のＡ／Ｄコンバータは図８（ｂ）に示すように、一定の細かいステップで比較電圧を最下限電圧から順次上昇させつつクロックパルスをカウントし、比較電圧が被変換電圧を超えた時のカウント値を変換データとして出力していたが、このＡ／Ｄコンバータ５は図８（ａ）に示すように、まず、(1)オフセット測定によって粗いステップで概略の変換データを取得し、次いで、(2)通常データ測定によって概略変換データの近傍において細かいステップで比較電圧を順次上昇させて正確な変換データを得るようになっている。以下、詳述する。

（１）オフセット測定
図６はオフセット測定の動作を示すタイミングチャートである。以下、Ｘ軸方向の地磁気の強さを測定する場合について説明する。この場合、制御回路６のＡ／Ｄ制御部６ｆは、まず、ＦＥＴ２１（図３）をＯＮとする信号Ｘを出力し、また、スイッチＳ１Ｘ、Ｓ３Ｘ、Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５をＯＮとする信号Ｘを出力する。次いで、クロックパルスＣＫ、”Ｈ”レベルのリセット信号ＲＥＳ、”Ｌ”レベルの信号ＵＤおよびＦＩＮをＡ／Ｄコンバータ５へ出力する（図６の時刻ｔ１）。

ＦＥＴ２１がＯＮになると、Ｘ軸センサ１に電源が供給され、ＧＭＲ素子１ａ、１ｂの接続点の電圧およびＧＭＲ素子１ｃ、１ｄの接続点の電圧がそれぞれ増幅器２４、２５の各入力端へ供給され、増幅器２６からその時の地磁気のＸ軸方向の強さに対応する信号が出力される。そして、その信号によってサンプルホールド回路３１のコンデンサ２９が充電される。制御回路６は増幅器２６の出力が安定した時点でスイッチＳ５をＯＦＦとする。以後、増幅器３０からその時の地磁気のＸ軸方向の強さを示す信号Ｖａｍｐが出力される。

また、ＦＥＴ２１がＯＮになると、シリーズ接続された抵抗Ｒ１Ｘ、Ｒ２Ｘ、Ｒ３Ｘの両端に電源が供給され、抵抗Ｒ１Ｘ〜Ｒ３Ｘの分圧比に応じた電圧がコンデンサ３８、３９に充電される。そして、前記スイッチＳ５の場合と同様に、スイッチＳ１Ｘ、Ｓ３ＸをＯＦＦとする。これにより、増幅器３６、３７からレファランス電圧ＶＲ、ＶＳＵＢが出力される。
また、制御回路６からリセット信号ＲＥＳとして”Ｈ”レベルの信号が出力されると、コンデンサＣ３（図１）の両端が短絡されてコンデンサＣ３が放電され、また、演算増幅器４５の反転入力端および出力端間が短絡されることから、演算増幅器４５の出力信号Ｖｉｎｔｅｇが非反転入力端の信号と同じ信号ＶＲとなる。

制御回路６は、リセット信号ＲＥＳ”Ｈ”を出力した後、コンデンサＣ３が充分に放電される時間、ここでは、クロックパルスＣＫの１２８タイミング経過した時刻ｔ２において、図６に示すように、リセット信号ＲＥＳを”Ｌ”レベルに戻す。また、カウンタ６ａをリセットし、比較器６ｅの入力を下限設定（ここでは１６）６ｃに切り換える。制御回路６のＡ／Ｄ制御部６ｆから信号が出力されるＦＩＮ、ＵＤによって、タイミング制御回路５３からスイッチＳｃ１〜Ｓｃ４をＯＮ／ＯＦＦ制御する信号ＣＫ１〜ＣＫ４が出力される。これにより、まず、スイッチＳｃ１、Ｓｃ３がＯＮ、スイッチＳｃ２、Ｓｃ４がＯＦＦとされ（各スイッチは制御信号が”Ｈ”レベルでＯＮ、”Ｌ”レベルでＯＦＦとする）、次いで、スイッチＳｃ２、Ｓｃ４がＯＮ、スイッチＳｃ１、Ｓｃ３がＯＦＦとされ、以下、この動作がクロックパルスＣＫの２周期毎に繰り返される。なお、この時、スイッチＳｃ１Ｓ〜Ｓｃ４ＳはいずれもＯＦＦ状態にある。そして、上述したスイッチＳｃ１〜Ｓｃ４の動作により、コンデンサＣ３に一定電圧が逐次充電され、これにより、演算増幅器４５の出力信号Ｖｉｎｔｅｇが、図６に示すように、階段状に下降する。この動作原理を以下に説明する。

いま、ある時刻ｔにおける演算増幅器４５の出力信号をＶｉｎｔｅｇ（ｔ）とすると、コンデンサＣ３の充電電荷Ｑ３（ｔ）は、
Ｑ３（ｔ）＝−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ）−ＶＲ）…(1)
となる。次に、スイッチＳｃ１、Ｓｃ３がＯＮ、スイッチＳｃ２、Ｓｃ４がＯＦＦになると、コンデンサＣ１の両端が短絡され、また、演算増幅器４５の反転入力端とコンデンサＣ１との間が開放されることから、コンデンサＣ１、Ｃ３の電荷Ｑ１（ｔ＋１）、Ｑ３（ｔ＋１）はそれぞれ、
Ｑ１（ｔ＋１）＝０…(2) Ｑ３（ｔ＋１）＝Ｑ３（ｔ）…(3)
となる。

次に、スイッチＳｃ１、Ｓｃ３がＯＦＦ、スイッチＳｃ２、Ｓｃ４がＯＮになると、コンデンサＣ１、Ｃ３が直列接続され、コンデンサＣ１が電圧（ＶCC−ＶＲ）まで充電され、コンデンサＣ３もコンデンサＣ１と同量の電荷が充電される。すなわち、コンデンサＣ１に充電される電荷Ｑ１（ｔ＋２）は、
Ｑ１（ｔ＋２）＝Ｃ１（ＶCCーＶＲ）…(4)
となり、また、コンデンサＣ３の充電電荷Ｑ３（ｔ＋２）は、
Ｑ３（ｔ＋２）＝Ｑ３（ｔ＋１）＋Ｑ１（ｔ＋２）
＝Ｑ３（ｔ）＋Ｑ１（ｔ＋２）…(5)
となる。また、Ｑ３（ｔ＋２）については、
Ｑ３（ｔ＋２）＝−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ＋２）−ＶＲ）…(6)
なる関係が成り立つ。

上記(5)式に、(6)式、(1)式、(4)式を代入すれば、
−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ＋２）−ＶＲ）＝−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ）−ＶＲ）
＋Ｃ１（ＶCCーＶＲ）…(7)
なる式が得られ、この(7)式から、
Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ＋２）＝Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ）−（Ｃ１／Ｃ３）（ＶCC−ＶＲ）…(8)
なる式が得られる。

この(8)式から明らかなように、スイッチＳｃ１〜Ｓｃ４が上述したＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すと、演算増幅器４５の出力信号Ｖｉｎｔｅｇが、
Ｃstep＝（ＶCC−ＶＲ）・Ｃ１／Ｃ３
なるステップ幅で逐次下降する。この下降が１６ステップ行われた時点で、カウンタ６ａの値と下限設定６ｃの値が一致したことを比較器６ｅで検出し、制御回路６が信号ＵＤを”Ｈ”に変化させる（図６の時刻ｔ３）。この時、信号Ｖｉｎｔｅｇは次の電圧となっている。
Ｖｉｎｔｅｇ＝ＶＲ−１６Ｃstep
これは、測定に当たっての下限の電圧値（図８（ａ）のＭＩＮに相当）にＶｉｎｔｅｇを設定したことである。

そして、信号ＵＤが”Ｈ”に変化すると同時にカウンタ６ａをリセットし、以後、タイミング信号発生回路５３から出力される信号ＣＫ１〜ＣＫ４によって、スイッチＳｃ１、Ｓｃ４がＯＮ、スイッチＳｃ２、Ｓｃ３がＯＦＦとされ、次いで、スイッチＳｃ２、Ｓｃ３がＯＮ、スイッチＳｃ１、Ｓｃ４がＯＦＦとされ、この動作がクロックパルスＣＫの２周期毎に繰り返される。そして、この動作により、コンデンサＣ３から一定電荷が逐次放電され、これにより、演算増幅器４５の出力信号Ｖｉｎｔｅｇが、図６に示すように、階段状に上昇する。この動作原理を以下に説明する。

いま、スイッチＳｃ２、Ｓｃ３がＯＮなった後、ＯＦＦとなる直前の時刻ｔにおける演算増幅器４５の出力信号をＶｉｎｔｅｇ（ｔ）とすると、コンデンサＣ１、Ｃ３の充電電荷Ｑ１（ｔ）、Ｑ３（ｔ）は、
Ｑ１（ｔ）＝０…(9)
Ｑ３（ｔ）＝−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ）−ＶＲ）…(10)
となる。次に、スイッチＳｃ１、Ｓｃ４がＯＮ、スイッチＳｃ２、Ｓｃ３がＯＦＦになると、コンデンサＣ１が電圧（ＶCC−ＶＲ）によって充電され、また、演算増幅器４５の反転入力端とコンデンサＣ１との間が開放されることから、コンデンサＣ１、Ｃ３の電荷Ｑ１（ｔ＋１）、Ｑ３（ｔ＋１）は、
Ｑ１（ｔ＋１）＝Ｃ１（ＶCC−ＶＲ）…(11)
Ｑ３（ｔ＋１）＝Ｑ３（ｔ）…(12)
となる。

次に、スイッチＳｃ１、Ｓｃ４がＯＦＦ、スイッチＳｃ２、Ｓｃ３がＯＮになると、コンデンサＣ１、Ｃ３が直列接続され、かつ、コンデンサＣ１の両端電圧が共に電圧ＶＲとなることから、コンデンサＣ１の電荷を打ち消すためコンデンサＣ３の電荷が放電される。すなわち、この時点においてコンデンサＣ１、Ｃ３の電荷Ｑ１（ｔ＋２）、Ｑ３（ｔ＋２）はそれぞれ、
Ｑ１（ｔ＋２）＝０…(13)
Ｑ３（ｔ＋２）＝Ｑ３（ｔ＋１）−Ｑ１（ｔ＋１）
＝Ｑ３（ｔ）−Ｑ１（ｔ＋１）…(14)
となる。また、Ｑ３（ｔ＋２）については、
Ｑ３（ｔ＋２）＝−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ＋２）−ＶＲ）…(15)
なる関係が成り立つ。

上記(14)式に、(15)式、(10)式、(11)式を代入すれば、
−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ＋２）−ＶＲ）＝−Ｃ３（Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ）−ＶＲ）
−Ｃ１（ＶCCーＶＲ）…(16)
なる式が得られ、この(16)式から、
Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ＋２）＝Ｖｉｎｔｅｇ（ｔ）＋（Ｃ１／Ｃ３）（ＶCC−ＶＲ）…(17)
なる式が得られる。

この(17)式から明らかなように、時刻ｔ３以後、信号ＶｉｎｔｅｇがＣstep単位で逐次上昇する。またこの時、コンパレータ４１の非反転入力端の信号Ｖａｉは、抵抗ＲＡ、ＲＢが同一の抵抗値であることから、
Ｖａｉ＝（Ｖａｍｐ＋Ｖｉｎｔｅｇ）／２
となり、この信号Ｖａｉも信号Ｖｉｎｔｅｇの上昇に伴って逐次上昇する。そして、時刻ｔ４において、信号Ｖａｉが電圧ＶＲを越えると、コンパレータ４１の出力信号ＣＭＰが反転し、”Ｈ”レベルとなる。制御回路６のＡ／Ｄ変換部６ｆはこの信号ＣＭＰ”Ｈ”を受けて、カウンタ６ａのアップカウントを停止する（ＣＯＵＮＴＣＫを止める）。この時のカウンタのカウント値がオフセットデータとなり、ＣＰＵ８はインターフェイス７を介して一時レジスタ６ｂから読み出し、内部のレジスタ（またはメモリ）にセットされる。また、ＣＭＰが”Ｈ”レベルになったことをＣＰＵ８へ通知し、ＣＰＵ８が直ちに一時レジスタ６ｂの値を読み出すこともできる。この場合は、カウンタ６ａを停止させなくてもよい。

（２）通常データ測定
図７に通常データ測定時のタイミングチャートを示す。通常データ測定においては、ＣＰＵ８は前述のオフセット測定により得られた予め保持しているオフセットデータよりも少なめ（図８の場合は１２をセット）をオフセットレジスタ６ｄに書き込み、比較器６ｅの入力をオフセットレジスタ６ｄ側に切り換え、測定開始をＡ／Ｄ制御部６ｆに指示する。制御回路６のＡ／Ｄ制御部６ｆは、まず、クロックパルスＣＫ、”Ｈ”レベルのリセット信号ＲＥＳ、”Ｌ”レベルの信号ＵＤおよびＦＩＮをＡ／Ｄコンバータ５へ出力し（時刻ｔ５）、次いで、時刻ｔ６においてリセット信号ＲＥＳを”Ｌ”に戻す。以後、信号Ｖｉｎｔｅｇがステップ幅Ｃstepで逐次下降する。この下降が１６ステップ行われた時点で、制御回路６が信号ＵＤを”Ｈ”に変化させる（図７の時刻ｔ７）。この時、信号Ｖｉｎｔｅｇは（ＶＲ−１６Ｃstep）となっている。そして、信号ＵＤが”Ｈ”に変化すると、以後、演算増幅器４５の出力信号Ｖｉｎｔｅｇが、階段状に上昇する。以上の動作は上述した図６における時刻ｔ１〜ｔ４の動作と同じである。

制御回路６は時刻ｔ７において信号ＵＤを”Ｈ”とした後、カウンタ６ａをリセットし、クロックパルスＣＫのアップカウントを行う。そして、カウンタのカウント値が上述したオフセットレジスタ６ｄに設定されたオフセットデータと一致した時点において、比較器６ｅの一致信号により信号ＦＩＮを”Ｈ”とし（時刻ｔ８）、また、カウンタをリセットし、以後、再びクロックパルスＣＫをアップカウントする。信号ＦＩＮが”Ｈ”になると、タイミング信号発生回路５３がスイッチＳｃ１Ｓ〜Ｓｃ４ＳをＯＮ／ＯＦＦ制御する信号ＣＫ１Ｓ〜ＣＫ４Ｓを出力する。これにより、まず、スイッチＳｃ１Ｓ、Ｓｃ４ＳがＯＮ、スイッチＳｃ２Ｓ、Ｓｃ３ＳがＯＦＦとされ、次いで、スイッチＳｃ２Ｓ、Ｓｃ３ＳがＯＮ、スイッチＳｃ１Ｓ、Ｓｃ４ＳがＯＦＦとされ、以下、この動作がクロックパルスＣＫの２周期毎に繰り返される。なお、この時、スイッチＳｃ１〜Ｓｃ４はいずれもＯＦＦ状態となる。

スイッチＳｃ１Ｓ〜Ｓｃ４Ｓが上述した動作を繰り返すと、図６における時刻ｔ３〜ｔ４の動作と同様の動作原理によって、信号Ｖｉｎｔｅｇが、
Ｆstep＝（ＶＳＵＢ−ＶＲ）・Ｃ２／Ｃ３
なるステップ幅で逐次上昇する。ここで、コンデンサＣ２の容量はコンデンサＣ１の容量よりはるかに小さい容量が選ばれており、また、電圧ＶＳＵＢも電圧ＶCCより小さい電圧である。この結果、ステップ幅Ｆstepはステップ幅Ｃstepよりはるかに小さくなり、信号Ｖｉｎｔｅｇは時刻ｔ７〜ｔ８の間よりはるかに小さいステップで上昇する。

そして、信号Ｖａｉ＝（Ｖｉｎｔｅｇ＋Ｖａｍｐ）／２が電圧ＶＲを越えると（時刻ｔ９）、コンパレータ４１の出力信号ＣＭＰが”Ｈ”に反転する。制御回路６はこの”Ｈ”信号を受け、カウンタ６ａのカウントを停止する。ＣＰＵ８はインターフェイス７を介して一時レジスタ６ｂの値を読み出す。これが図８（ａ）でのＮＯＲＭＡＬＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴの測定値となる。また、ＣＭＰが”Ｈ”になったことをＣＰＵ８へ通知し、ＣＰＵ８が直ちに一時レジスタ６ｂの値を読み出すこともできる。この場合はカウンタ６ａを停止させなくてもよい。

以上詳述したように、上記実施形態によれば、(1)オフセット測定において概略の変換データを取得し、次いで(2)通常データ測定において正確な変換データを得るようになっている。これにより、この実施形態では、測定時間は最大でも約１３１０クロックで済む。一方、従来の方式（図９参照）によれば、最大で８１９２クロック必要である。したがって、この実施形態によれば、従来の約１／６の時間でＡ／Ｄ変換することができる。
また、通常の動作状態では、オフセット値はほとんど変化しないはずである。したがって、オフセット測定（図６）は測定毎に行う必要がない。通常は、通常データ測定（図７）のみを行えばよいので、大きく測定時間を短縮することができる。オフセット測定は、機器の動作開始時や、外部磁界の影響等でオフセット値が狂ってしまった時に必要に応じて行えばよい。
なお、上記実施形態において、サンプルホールド回路３１を設けず、増幅器２６の出力を直接Ａ／Ｄコンバータ５に入力してもよい。
また、上記実施形態は、信号Ｖｉｎｔｅｇを上昇させて変換データの測定を行っているが、逆に、信号Ｖｉｎｔｅｇを下降させて測定を行なってもよい。

この発明は、携帯端末に内蔵される地磁気測定回路等に用いられる。

この発明の一実施形態による磁気測定回路におけるＡ／Ｄコンバータの構成を示すブロック図である。同磁気測定回路の全体構成を示すブロック図である。図２におけるＸ軸センサ１、Ｙ軸センサ２、増幅部４の構成を示す回路図である。図２におけるＺ軸センサ１１、傾斜センサ１２、増幅部１３、１４の構成を示す回路図である。図４における増幅器６４、６６の構成の構成を示す回路図である。図１に示すＡ／Ｄコンバータの動作を説明するためのタイミングチャートである。図１に示すＡ／Ｄコンバータの動作を説明するためのタイミングチャートである。同磁気測定回路の動作を従来のものとの比較の上で説明するための説明図である。従来の磁気測定回路の要部の構成を示す回路図である。図２における制御回路６の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…Ｘ軸センサ、２…Ｙ軸センサ、３…切換手段、４…増幅部、５…Ａ／Ｄコンバータ、６…制御回路、７…インターフェイス、８…ＣＰＵ、１１…Ｚ軸センサ、１２…傾斜センサ、１３、１４…増幅部、１５…Ａ／Ｄコンバータ、１６…制御回路、１７…インターフェイス、１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ、１１ａ〜１１ｄ…ＧＭＲ素子、２４〜２６、３０…増幅器、２９、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ、３１…サンプルホールド回路、４１…コンパレータ、４５…演算増幅器、５３…タイミング信号発生回路、Ｓ１〜Ｓ５、Ｓｃ１〜Ｓｃ４、Ｓｃ１Ｓ〜Ｓｃ４Ｓ…スイッチ、

Claims

磁気の強さを測定する磁気センサと、
前記磁気センサの出力を増幅する増幅手段と、
所定のクロック数に対応する第１期間に、クロックパルスに同期して第１のステップ幅で単調増加する電圧を発生させ、その後の第２期間に、クロックパルスに同期して前記第１のステップ幅より小さい第２のステップ幅で前記第１期間終了時の電圧から単調増加する電圧を発生させる電圧発生手段と、
前記第２期間の開始から、前記電圧発生手段の発生電圧値と前記増幅手段の出力電圧値とを所定の比率で加算した電圧値が閾値電圧値以上となるまで、クロックパルスをカウントし、カウント結果を前記磁気の強さを表すデータとして出力するカウント手段と、
を具備することを特徴とする磁気測定回路。
前記所定のクロック数は、前記電圧発生手段の前記第１のステップ幅による発生電圧値と前記増幅手段の出力電圧値とを前記所定の比率で加算した電圧値が前記閾値電圧値を超えるのに必要なクロック数よりも所定クロック数少ないクロック数に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気測定回路。
前記磁気センサはＭＲ素子またはＧＭＲ素子によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気測定回路。