JP5864573B2 - 検知した磁場信号とノイズ信号との間の識別を改良した磁場センサ - Google Patents

検知した磁場信号とノイズ信号との間の識別を改良した磁場センサ Download PDF

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Description

本発明は、一般的には、磁場センサに関し、更に特定すれば、ノイズの影響を低減するように構成した磁場センサに関するものである。
従来技術
磁場を検出する磁場センサは公知である。磁場センサでは、ホール・エレメントまたは磁気抵抗エレメントというような磁場検知エレメントによって磁場を検出する。これらのエレメントは、検出した磁場に比例する信号（即ち、磁場信号）を供給する。構成の中には、磁場信号が電気信号である場合もある。
磁場センサは、磁場の磁場密度を検知する線形磁場センサ、電流搬送動体を流れる電流によって生成される磁場を検知する電流センサ、強磁性物体の近接を検知する磁気スイッチ、および強磁性物品の通過を検知する回転検出器を含むが、これらには限定されない、種々の用途に用いられている。
線形磁場センサでは、出力信号は、検知した磁場に直接比例して変化する。磁気スイッチでは、出力信号は検知した磁場に応答して状態を変化させる。
磁場センサは、ノイズの影響を受け、磁場センサの精度を低下させる傾向がある。ノイズは、外部磁場ノイズ発生源および外部電界ノイズ発生源を含むが、これらには限定されない、種々のノイズ発生源から来る可能性がある。
所望の磁場信号からノイズを区別する（判別する）ことができる磁場センサを有することができれば望ましいであろう。
本発明は、時間と共に周波数を変化させる変調クロック信号を有する磁場センサを提供する。これによって得られる磁場センサ出力信号は、当該磁場センサ出力信号において磁場信号からノイズ信号をより良く判別することを可能にする。
本発明の一態様によれば、磁場センサは、磁場に応答してホール・エレメント出力信号を生成するように構成されているホール・エレメントを含む。このホール・エレメント出力信号は、磁場信号成分とオフセット信号成分とを含む。また、磁場センサは、ホール・エレメント出力信号を受け取るように結合されており、変調回路出力信号を生成するように構成されているホール・エレメント変調回路も含む。このホール・エレメント変調回路は、最低周波数と最高周波数との間で変化する変化変調周波数を有する変調信号によって、磁場信号成分またはオフセット信号成分を変調するように動作可能である。
また、この磁場センサは、以下の態様の内１つ以上を含むこともできる。
実施形態の中には、第１変化変調周波数が、第１最低周波数から第１最高周波数まで、線形掃引で変化する場合もある。
実施形態の中には、第１変化変調周波数が、第１最低周波数から第１最高周波数まで、非線形掃引で変化する場合もある。
実施形態の中には、第１変化変調周波数が、第１最低周波数から第１最高周波数まで、複数の不連続な周波数段階に沿って変化する場合もある。
実施形態の中には、第１変化変調周波数が、複数の不連続な周波数段階に沿って変化する場合もある。
実施形態の中には、磁場センサが、更に、変調回路出力信号を受け取るように構成されており、増幅回路出力信号を生成するように構成されている増幅回路を含む場合もある。
実施形態の中には、増幅回路が、変調回路出力信号を表す信号を、第２最低周波数と第２最高周波数との間で変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号で変調するように構成されている切替回路を備えている場合もある。
実施形態の中には、第２変化変調周波数が、第１変化変調周波数に等しく、これと同期する場合もある。
実施形態の中には、第２変化変調周波数が、第１変化変調周波数とは異なるが、これと同期する場合もある。
実施形態の中には、増幅回路が、変調回路出力信号を表す信号を、第２最低周波数と第２最高周波数との間で変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号に対応するレートでサンプリングするように構成されているサンプル／ホールド回路を備えている場合もある。
実施形態の中には、第２変化変調周波数が、第１変化変調周波数に等しく、これと同期する場合もある。
実施形態の中には、磁場センサが、更に、増幅回路出力信号を受け取るように結合されており、磁場センサ出力信号を生成するように構成されているフィルタ回路を含む場合もある。このフィルタ回路は、アンチ・エリアス信号を生成するように構成されているアンチ・エリアス・フィルタと、アンチ・エリアス・フィルタに結合され、第１変化変調周波数に関係がある変化サンプル周波数を有するサンプリング信号にしたがって、アンチ・エリアス信号を表す信号をサンプリングする離散時間選択フィルタとを含む。離散時間選択フィルタは、第１変化変調周波数に関係がある変化ノッチ周波数を有する。
実施形態の中には、アンチ・エリアス・フィルタが、変化サンプリング周波数と関連のある最高サンプリング周波数の半分よりも高い周波数成分を低減するように選択された折点周波数を有する場合もある。
実施形態の中には、変化サンプリング周波数が、第１変化変調周波数に整数を乗算した値に等しい場合もある。
実施形態の中には、変化サンプリング周波数が、第１変化変調周波数に等しい場合もある。
実施形態の中には、変化サンプリング周波数が、第１変化変調周波数の２倍に等しい場合もある。
実施形態の中には、変化ノッチ周波数が、第１変化変調周波数に等しい場合もある。
実施形態の中には、磁場センサが、更に、第１変化変調周波数に関係がある変化周波数を有する電圧制御発振器出力信号を生成するように構成されている電圧制御発振器を含む場合もある。
実施形態の中には、磁場センサが、更に、電圧制御発振器出力信号を受け取るように結合されており、第１変調信号、第２変調信号、またはサンプリング信号の内少なくとも１つを生成するように構成されているクロック生成回路を含む場合もある。
実施形態の中には、磁場センサが、更に、電圧制御発振器出力信号の変化周波数を制御するための出力信号を生成するように構成されている信号生成回路を含む場合もある。
実施形態の中には、信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで傾斜する線形電圧信号を含む場合もある。
実施形態の中には、信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで変化する非線形電圧信号を含む場合もある。
実施形態の中には、信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで複数の不連続な電圧段階に沿って変化する階段状電圧信号を含む場合もある。
実施形態の中には、信号生成器の出力信号が、複数の不連続な電圧段階に沿って変化する階段状電圧信号を含む場合もある。
実施形態の中には、磁場センサが、更に、第１変化変調周波数に関係がある変化周波数を有する電圧制御発振器出力信号を生成するように構成されている電圧制御発振器を含む場合もある。
本発明の以上の特徴、そして本発明自体は、以下の添付図面の詳細な説明から、一層深く理解されよう。
図１は、ホール・エレメント、変調回路、チョッパ安定化増幅器を有する増幅回路、ならびにアンチ・エリアス・フィルタ(anti-alias filter)および離散時間選択フィルタを有するフィルタ回路を有し、固定クロック（即ち、周波数が固定されたクロック信号）によってクロック部分(clocked portion)が駆動される(clock)、先行技術の磁場センサを示すブロック図である。 図１Ａは、ホール・エレメント、変調回路、サンプル／ホールド回路、およびロー・パス・フィルタを有するフィルタ回路を有し、固定クロックによってクロック部分が駆動される、別の先行技術の磁場センサを示すブロック図である。 図２は、図１および図１Ａの磁場センサにおいてホール・エレメントとして用いることができるホール・エレメントを有し、更にオフセット成分をもっと高い周波数に変調するために、図１および図１Ａの磁場センサにおいて変調回路として用いることができる変調回路を有する切替ホール・エレメントを示すブロック図である。 図２Ａは、図２の切替ホール・エレメントのクロック信号を示すグラフである。 図２Ｂは、図２の切替ホール・エレメントによって供給される変調オフセット成分を示すグラフである。 図２Ｃは、図２の切替ホール・エレメントによって供給される無変調磁場信号成分を示すグラフである。 図３は、図１および図１Ａの磁場センサにおいてホール・エレメントとして用いることができるホール・エレメントを有し、更にオフセット成分をもっと高い周波数に変調するために、図１および図１Ａの磁場センサにおいて変調回路として用いることができる変調回路を有する切替ホール・エレメントを示すブロック図である。 図３Ａは、図３の切替ホール・エレメントのクロック信号を示すグラフである。 図３Ｂは、図３の切替ホール・エレメントによって供給される無変調オフセット成分を示すグラフである。 図３Ｃは、図３の切替ホール・エレメントによって供給される変調磁場信号成分を示すグラフである。 図４は、図１および図１ＡのポイントＡにおいて現れるシングル・エンド信号として４つの信号を示すグラフである。 図４Ａは、図１のポイントＢにおいて現れる変調オフセット成分および無変調信号成分を有する差動信号(differential signal)を示すグラフである。 図４Ｂは、図１のポイントＣに現れる復調磁場信号成分および変調オフセット成分を有する差動信号を示すグラフである。 図４Ｃは、図１および図１ＡのポイントＤに現れる復調信号成分および濾波(filtered)変調オフセット成分を有する濾波差動信号を示すグラフである。 図５は、ホール・エレメント、変調回路、チョッパ安定化増幅器を有する増幅回路、ならびにアンチ・エリアス・フィルタ(anti-alias filter)および離散時間選択フィルタを有するフィルタ回路を有し、変調クロック信号に比例して周波数が変化するクロックによってクロック部分が駆動される、磁場センサを示すブロック図である。 図５Ａは、ホール・エレメント、変調回路、サンプル／ホールド回路、およびロー・パス・フィルタを有するフィルタ回路を有し、変調クロック信号に比例して周波数が変化するクロックによってクロック部分が駆動される、他の磁場センサを示すブロック図である。 図６は、図５または図５ＡのＶＣＯに制御信号として供給することができる電圧ランプ(voltage ramp)を示すグラフである。 図６Ａは、図６の電圧ランプに応答して、図５または図５Ａの変調クロック信号として生成することができる可変周波数を示す周波数ドメインのグラフである。 図７は、図５の増幅回路内において第１切替回路の後または図５Ａの変調回路の出力において生成することができる、可変周波数およびその高調波を有する変調信号を示し、更に図５または図５Ａの増幅回路の出力あるいは図５または図５Ａのフィルタ回路の出力において生成することができるベースバンド（復調）信号も示す、周波数ドメインのグラフである。 図８は、図５の増幅回路内において第１切替回路の後または図５Ａの変調回路の出力において生成することができ、可変周波数を有する（がその高調波を削除した）変調信号を示し、更に変調信号の帯域内に発生こともあり得るノイズ信号も示し、更に図５または図５Ａの増幅回路の出力あるいは図５または図５Ａのフィルタ回路の出力において生成することができるベースバンド（復調）信号も示し、更に図５または図５Ａの増幅回路の出力あるいは図５または図５Ａのフィルタ回路の出力において生成することができるベースバンドに復調したノイズ信号も示す、周波数ドメインのグラフである。 図９は、線形可変周波数を有する図５および図５Ａの変調クロック信号の一例を示す時間ドメインのグラフである。図９Ａは、ノイズ信号が存在するときに、そして図９において示した線形可変周波数を有する変調クロック信号に応答して、図５のポイントＣにおいて生成することができる出力信号を示す時間ドメインのグラフである。図９Ｂは、ノイズ信号が存在するときに、そして図９において示した線形可変周波数を有する変調クロック信号に応答して、図５および図５Ａのフィルタ回路の出力において生成することができる出力信号を示す時間ドメインのグラフである。 図１０は、周波数段差を有する図５および図５Ａの変調クロック信号の一例を示す時間ドメインのグラフである。図１０Ａは、ノイズ信号が存在するときに、そして図１０に示した不連続な周波数段階を有する変調クロック信号に応答して、図５のポイントＣにおいて生成することができる出力信号を示す時間ドメインのグラフである。図１０Ｂは、ノイズ信号が存在するときに、そして図１０に示した不連続な周波数段階を有する変調クロック信号に応答して、図５および図５Ａのフィルタ回路の出力において生成することができる出力信号を示す時間ドメインのグラフである。
本発明について述べる前に、いくつかの導入概念および用語について説明する。本明細書において用いる場合、「磁場検知エレメント」という用語は、磁場を検知することができる様々な種類の電子エレメントを記述するために用いられる。磁場検知エレメントは、ホール・エレメント、磁気抵抗エレメント、または磁気トランジスタ(magnetotransistor)とすることができるが、これらに限定されるのではない。周知のように、ホール・エレメントには異なる種類、例えば、平面ホール・エレメント、垂直ホール・エレメント、円形ホール・エレメントがある。また、周知のように、磁気抵抗エレメントには異なる種類、例えば、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）エレメント、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）エレメント、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）エレメント、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）エレメント、および磁気トンネル接合（ＭＴＪ）エレメントがある。
本明細書における例では、ホール効果エレメント（ホール・エレメント）を用いる。
周知のように、前述の磁場検知エレメントの一部は、磁場検知エレメントを支持する基板に対して平行に最大感度の軸を有することが多く、前述の磁場検知エレメントの他のものは、磁場検知エレメントを支持する基板に対して垂直に最大感度の軸を有することが多い。具体的には、全部ではないが、多くの種類の磁気抵抗エレメントは基板に対して平行に最大感度の軸を有することが多く、全部ではないが、多くの種類のホール・エレメントは、基板に対して垂直に感度の軸を有することが多い。
本明細書において用いる場合、「磁場センサ」という用語は、磁場検知エレメントを含む回路を記述するために用いられる。前述のように、磁場センサは、種々の用途において用いられ、磁場の磁場密度を検知する磁場センサ、電流搬送導体によって搬送される電流によって発生する磁場を検知する電流センサ、強磁性体または磁性体の物体の近接を検知する磁気スイッチ、通過する強磁性体の物品を検知する回転検出器が含まれるが、これらに限定されるのではない。
本明細書において記載する回路および技法は、ホール効果エレメントを用いる磁場センサの内、以上で特定した形式の全てに適している。しかしながら、簡略化のために、磁場の磁場密度を検知する線形磁場センサを示す例についてのみ、本明細書において示しそして説明することとする。
図１を参照すると、先行技術の磁場センサ１０は、２００８年９月１６日に発行された米国特許第７，４２５，８２１号に記載されている形式のものである。この特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、ここで引用したことにより、その内容全体が本明細書にも含まれるものとする。磁場センサ１０は、ホール・エレメント１２を含む。ホール・エレメント１２は、４つの結合部に、変調回路１４へのおよび変調回路１４からの関連信号１２ａ〜１２ｄを供給する。信号１２ａ〜１２ｄは、ここでは磁場信号と呼ぶ差動出力信号(differential output signal)を形成するために、変調回路１４によって、２つで１組にして適正に選択される。尚、以下で説明するが、磁場信号は少なくとも２つの成分、即ち、磁場に応答する磁場信号成分と、磁場には通常応答しないオフセット成分（通常ＤＣレベル）とを有する。
変調回路１４は、図２〜図２Ｃまたは図３〜図３Ｃと関連付けて以下で更に詳しく説明する形式とすることができるが、第１切替回路２０がある実施形態では、図２〜図２Ｃと関連付けて以下で説明する形式であることが好ましく、第１切替回路２０を用いない実施形態では、図３〜図３Ｃと関連付けて以下で説明する形式であることが好ましい。
変調回路１４は、部分出力信号１４ａ、１４ｂを増幅回路１６に供給する。増幅回路１６は、以下で更に詳しく説明するチョッパ安定化増幅器(chopper-stabilized amplifier)を有する。増幅器１６は、増幅した部分信号２４ａ、２４ｂをフィルタ回路２６に供給する。フィルタ回路２６についても、以下で更に詳しく説明する。フィルタ回路２６は、離散時間（時間サンプリング）選択フィルタの前に、ロー・パス・フィルタ２８を含むことができる。フィルタ回路２６は、差動出力信号３０ａ、３０ｂを供給する。代替実施形態の中には、部分信号２４ａ、２４ｂおよび３０ａ、３０ｂが、代わりに、シングル・エンド信号とすることができる場合もある。
差動出力信号３０ａ、３０ｂは、ホール・エレメント１２によって検知した磁場に比例する値を有する線形出力信号とすることができる。他の構成では、比較器（図示せず）を結合して差動出力信号３０ａ、３０ｂを受け取ることができ、この場合、比較器によって生成される出力信号は２つの状態を有する非線形信号となり、ホール・エレメント１２によって検知した磁場信号を表す２つの状態は、閾値よりも上または下となる。
増幅回路１６は、差動信号１４ａ、１４ｂ、そして差動フィードバック信号３６ａ、３６ｂも受け取るように結合されている加算ノード１８を含むことができる。加算ノード１８は、差動信号１８ａ、１８ｂを生成するように構成されている。第１切替回路２０は、差動信号１８ａ、１８ｂを受け取るように結合されており、第１差動切替信号(differential switched signal)２０ａ、２０ｂを生成するように構成されている。差動増幅器２２が、第１差動切替信号２０ａ、２０ｂを受け取るように結合されており、差動増幅信号２２ａ、２２ｂを生成するように構成されている。第２切替回路２４が、差動増幅信号２２ａ、２２ｂを受け取るように結合されており、第２差動切替信号２４ａ、２４ｂを生成するように構成されている。加算ノード１８、第１切替回路２０、差動増幅器２２、および第２切替回路２４を一緒に合わせて、チョッパ安定化増幅器(chopper-stabilized amplifier)を形成する。構成の中には、加算ノード１８を省略し、差動フィードバック信号３６ａ、３６ｂを用いない場合もある。
また、磁場センサ１０は、クロック生成回路３２も含む。クロック生成回路３２は、発振器３４からクロック信号３４ａを受け取るように結合されており、クロック信号３２ａ、３２ｂ、３２ｃを変調回路１４、増幅回路１６、およびフィルタ回路２６にそれぞれ供給するように構成されている。したがって、好ましい実施形態では、変調回路１４の切替機能、増幅回路１６の切替機能、およびフィルタ回路２６の切替機能は同期する。
変調回路１４は、周波数Φを有するクロック信号３２ａによって駆動することができる。第１および第２切替回路２０、２４は、周波数ＫΦを有するクロック信号３２ｂによって駆動することができる。ここで、Ｋは１／２を乗算した整数である。離散時間選択フィルタ３０は、ＮΦの周波数を有するクロック信号３２ｃによって駆動することができる。ここで、Ｎは整数である。構成の中には、ＫΦ＝１／２Φ、およびＮΦ＝１／４Φである場合もある。クロック信号３２ａ、３２ｂ、３２ｃは静止周波数(static frequency)を有する。
前述のように、差動出力信号（即ち、変調回路１４によって信号１２ａ〜１２ｄの中から、２つで１組にして適正に選択された差動信号）は、検知した磁場に比例する所望の磁場信号成分と、不所望のオフセット信号成分（即ち、ＤＣ）とを含む可能性があることは理解されよう。図２〜図３Ａと関連付けた以下の論述から、ホール・エレメント１２が磁場信号成分およびオフセット成分の双方を有する信号（即ち、変調回路１４によって信号１２ａ〜１２ｄの中から、２つで１組にして適正に選択された差動信号）を生成しても、磁場センサ１０からの出力信号３０ａ、３０ｂは優勢な磁場信号成分と、比較的低減されたオフセット成分とを有することが明らかになろう。
図２〜図２Ｃと関連付けた以下の論述から、動作において、変調回路１４がホール・エレメント差動信号（即ち、変調回路１４によって信号１２ａ〜１２ｄの中から、２つで１組にして適正に選択された差動信号）のオフセット成分を、もっと高い周波数に変調し（即ち、周波数をシフトし）つつ、磁場信号成分をベースバンド（例えば、ＤＣまたは比較的低い周波数）に残しておくことが理解されよう。このように、変調回路１４の動作後には、磁場信号成分およびオフセット成分は、周波数が別々に分かれる。
動作において、チョッパ安定化増幅器を有する増幅回路１６は変調（第１切替回路２０によって）および復調（即ち、周波数シフト）（第２切替回路２４によって）を行い、その結果、磁場信号成分がベースバンド（例えば、ＤＣまたは比較的低い周波数）に留まる。また、この増幅回路は、復調(de-modulate)（第１切替回路２０によって）および再変調(re-modulate)（即ち、周波数シフト）（第２切替回路２４によって）も行うように動作し、その結果オフセット成分がもっと高い周波数に留まる。つまり、磁場信号成分およびオフセット成分は、増幅回路１６の動作の後、周波数が別々に分かれたままになっている。
フィルタ回路２６は、前述のもっと高い周波数に現れるオフセット成分の振幅(magnitude)を低減する。つまり、差動出力信号３０ａ、３０ｂは、ベースバンド（例えば、ＤＣまたは比較的低い周波数）における磁場信号成分と、予めもっと高い周波数にシフトされていた、遙かに低減されたオフセット成分とを含む。
磁場センサ１０についての更なる論述は、先に記載した米国特許第７，４２５，８２１号において見いだすことができる。
これより図１Ａを参照すると、図１と同様のエレメントには同様の参照符号を有して示されている。別の先行技術の磁場センサ４０は、１９９７年４月１５日に発行された米国特許第５，６２１，３１９号に記載されている形式のものとすることができる。この特許は本発明の譲受人に譲渡されており、ここで引用したことによりその全体が本明細書にも含まれるものとする。磁場センサ４０は、ホール・エレメント１２を含む。ホール・エレメント１２は、４つの結合部に、変調回路１５へのおよび変調回路１５からの関連信号１２ａ〜１２ｄを供給する。変調回路１５は、図３〜図３ｃと関連付けて以下で更に詳しく説明する形式のものとすることができる。
変調回路１５は、差動出力信号１５ａ、１５ｂを増幅回路４１に供給する。増幅回路４１は、以下で更に詳しく説明する２つのサンプル／ホールド回路４３、４４を有する。増幅回路４１は、差動増幅信号４６ａ、４６ｂをフィルタ回路４８に供給する。フィルタ回路４８についても、以下で更に詳しく説明する。フィルタ回路４８は、差動出力信号４７ａ、４７ｂを供給する。代替実施形態の中には、差動信号４６ａ、４６ｂおよび４７ａ、４７ｂをシングル・エンド信号とすることができる場合もある。
増幅回路４１は、差動増幅器４２を含むことができる。差動増幅器４２は、差動信号１５ａ、１５ｂを受け取るように結合されており、差動増幅信号４２ａ、４２ｂを生成するように構成されている。第１サンプル／ホールド回路４３は、信号４２ａをシングル・エンド信号として受け取るように結合されており、第２サンプル／ホールド回路４４は、信号４２ｂをシングル・エンド信号として受け取るように結合されている。サンプル／ホールド回路４３は、信号４３ａを生成するように構成されており、サンプル／ホールド回路４４は、信号４４ａを生成するように構成されている。加算ノード４５は、信号４３ａ、４４ａを受け取るように結合されており、減算信号４５ａを生成するように構成されている、増幅器４６は、減算信号４５ａを受け取るように結合されており、差動信号４６ａ、４６ｂを生成するように構成されている。
フィルタ回路４８は、ロー・パス・フィルタ４７を含むことができる。ロー・パス・フィルタ４７は、差動信号４６ａ、４６ｂを受け取るように結合されており、差動濾波信号４７ａ、４７ｂを生成するように構成されている。
また、磁場センサ４０は、クロック生成回路４９も含む。クロック生成回路４９は、クロック信号３４ａを発振器３４から受け取るように結合されており、クロック信号４９ａを変調回路１２および増幅回路４１に供給するように構成されている。好ましい実施形態では、変調回路１５の切替機能は、増幅回路４１の切替機能と同期する。
変調回路１５は、周波数Φを有するクロック信号４９ａによって駆動することができる。また、第１および第２サンプル／ホールド回路４３、４４も、クロック信号４９ａによって駆動することができる。クロック信号４９ａは静止周波数を有する。実施形態の中には、フィルタ回路４８を駆動しない場合もある。他の実施形態では、フィルタ回路４８は、離散時間選択フィルタを含むことができ、図１の離散時間選択フィルタ３０と同一または同様であることができる場合もある。
前述のように、ホール・エレメント１２からの出力信号（即ち、変調回路１５によって信号１２ａ〜１２ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）は、検知した磁場信号に比例する磁場信号成分と、オフセット信号成分との双方を含む可能性があることは理解されよう。図３〜図３Ｃと関連付ける以下の論述から、ホール・エレメント１２が磁場信号成分およびオフセット成分の双方を有する信号（即ち、変調回路１５によって信号１２ａ〜１２ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）を生成しても、磁場センサ４０からの出力信号４７ａ、４７ｂは優勢な磁場信号成分と、非常に低減されたオフセット成分とを有することが明らかになろう。
また前述のように、図３および図３Ａと関連付ける以下の論述から、動作において、変調回路１５はホール・エレメント差動信号（即ち、変調回路１５によって信号１２ａ〜１２ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）の磁場信号成分を、もっと高い周波数に変調（即ち、周波数シフト）しつつ、オフセット成分をベースバンド（例えば、ＤＣ）に残しておくことも理解されよう。つまり、磁場信号成分およびオフセット成分は、変調回路１５の動作によって、周波数が別々に分けられる。
増幅回路４１は、２つのサンプル／ホールド回路４３、４４を有し、磁場信号成分をベースバンド（例えば、ＤＣまたは低周波数）に復調（即ち、周波数シフト）し、オフセット成分をもっと高い周波数に変調（即ち、周波数シフト）する。つまり、磁場信号成分およびオフセット成分は、増幅回路４１の動作の後、周波数が別々に分けられたままとなる。更に、２つのサンプル／ホールド回路４３、４４は、図１の離散時間選択フィルタ３０によって行われる濾波と同様に、結果的に得られた信号の濾波も行うことも理解されよう。したがって、離散時間選択フィルタ３０は磁場センサ４０では必要でない。
フィルタ回路４８は、ロー・パス・フィルタ４７を含むことができる。動作において、フィルタ回路４８は、更に、前述のもっと高い周波数において現れるオフセット成分の振幅を低減させることができる。また、フィルタ回路４８は、サンプリング動作から生じるあらゆる二次成分も低減することができる。このように、差動出力信号４７ａ、４７ｂは、ベースバンド（例えば、ＤＣまたは低周波数）の磁場信号成分と、もっと高い周波数に予めシフトされて大きく低減されたオフセット成分とを含む。
これより図２を参照すると、ホール・オフセット成分を変調する形式の切替ホール・エレメント５０は、ホール・エレメント（ホール・プレート）５２と、変調回路５４とを含む。変調回路５４は、図１の変調回路１４と同じまたは同様であることができる。ホール・エレメント５２は、４つの接点５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、および５２ｄを含み、図示のように、各々がそれぞれのスイッチ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、および５６ｄの第１端子に結合されている。スイッチ５６ｂおよび５６ｃの第２端子は、ここではＶｏ＋と称する、切替ホール出力信号の正ノードを規定する(provide)ように結合されており、スイッチ５６ａおよび５６ｄの第２端子は、ここではＶｏ−と称する、切替ホール出力信号の負ノードを規定するように結合されている。
追加のスイッチ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、および６０ｄは、ホール接点５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを選択的に供給電圧Ｖｓおよび接地に結合するように構成されている。更に特定すると、スイッチ５６ｂ、５６ｄ、６０ａ、および６０ｃは、クロック信号ＣＬＫによって制御され、スイッチ５６ａ、５６ｃ、６０ｂ、および６０ｄは、図示のように、相補クロック信号ＣＬＫ／によって制御される。図２Ａに示すように、クロック信号ＣＬＫおよびＣＬＫ／は、２つの状態または位相、Φ０°状態およびΦ９０°状態を有する。
動作において、位相Φ０°の間、電流が端子５２ａから端子５２ｃに流れ、切替ホール出力信号ＶｏはＶＨ＋Ｖｏｐに等しくなる。ここで、Ｖｏｐはホール・エレメント・オフセット電圧またはホール・オフセット成分であり、ＶＨは磁場信号成分である。位相Φ９０°の間、電流は端子５２ｂから端子５２ｄに流れ、切替ホール出力信号Ｖｏは、ＶＨ−Ｖｏｐに等しくなる。つまり、変調回路５４は、磁場が０以外の場合に図２Ｂに示すホール・オフセット成分Ｖｏｐを変調する。磁場信号成分ＶＨは、図２Ｃに示すように、実質的に不変のままである。
これより図３を参照すると、磁気信号成分を変調する形式の代替切替ホール・エレメント７０は、ホール・エレメント７２と、変調回路７４とを含む。変調回路７４は、図１Ａの変調回路１５と同じまたは同様であることができる。ホール・エレメント７２は、図２のホール・エレメント５２と同じであり、４つの接点７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、および７２ｄを含む。各接点は、それぞれのスイッチ７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、および７６ｄの第１端子に結合されている。スイッチ７６ａおよび７６ｂの第２端子は、ここではＶｏ＋と称する切替ホール出力信号の正ノードを規定するように結合されており、スイッチ５６ｃおよび５６ｄの第２端子は、ここではＶｏ−と称する切替ホール出力信号の負ノードを規定するように結合されている。つまり、図２および図３を比較すると、ホール・エレメントの出力接点はΦ９０°位相の間交換されることが分かる。
追加のスイッチ８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、および８０ｄは、ホール接点７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、および７２ｄを選択的に供給電圧Ｖｓおよび接地に結合するように構成されている。スイッチ７６ｂ、７６ｄ、８０ａ、および８０ｃは、クロック信号ＣＬＫによって制御され、スイッチ７６ａ、７６ｃ、８０ｂ、および８０ｄは、図示のように、相補クロック信号ＣＬＫ／によって制御される。クロック信号ＣＬＫ、ＣＬＫ／は、図２における同様の信号と同一であり、したがって、図示のように２つの状態または位相Φ０°およびΦ９０°を有する。
動作において、位相Φ０°の間、電流は端子７２ａから端子７２ｃに流れ、切替ホール出力信号ＶｏはＶＨ＋Ｖｏｐに等しくなる。位相Φ９０°の間、電流は端子７２ｂから端子７２ｄに流れ、切替ホール出力信号Ｖｏは−ＶＨ＋Ｖｏｐに等しくなる。つまり、変調回路７４は、磁場信号成分を変調して、図３Ｃに示す変調磁気信号成分ＶＨを、磁場がゼロ以外の場合に供給する。オフセット成分Ｖｏｐは、図３Ｂに示すように、実質的に不変のままである。
尚、図５および図５Ａと関連付ける以下の論述から、好ましい実施形態では、図５の変調回路１４が、図２〜図２Ｃと関連付けて先に説明した形式のものであり、図５Ａの変調回路１５が、図３〜図３Ｃと関連付けて先に説明した形式のものであることは理解されよう。言い換えると、好ましい実施形態では、図５の増幅回路１６が、変調オフセット成分および無変調磁場信号成分を有する差動信号１４ａ、１４ｂを受け取る。逆に、好ましい実施形態では、図５Ａの増幅回路４１が、変調磁場信号成分および無変調オフセット成分を有する差動信号１５ａ、１５ｂを受け取る。
これより図４〜図４Ｃを参照すると、グラフ１００、１２０、１４０、１６０は、図１のポイントＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤに現れる信号を示す。グラフ１００、１２０、１４０、１６０は、各々、任意の時間単位の目盛りとした横軸と、任意の電圧単位の目盛りとした縦軸とを有する。
図１Ａの構成に関して、図１ＡにおいてＡ’、Ｂ’、およびＤ’と称する信号は、図１および図４〜図４Ｃの信号Ａ、Ｂ、およびＤと同様である。図１Ａの磁場センサ４０の動作は、前述の米国特許第５，６２１，３１９号に記載されており、本明細書ではこれ以上説明しない。
グラフ１００は、４つの信号１０２、１０４、１０６、１０８を含む。これらは、それぞれ、信号１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、即ち、図１に示す信号Ａを示す。更に、これらは図２のスイッチ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄが受け取る４つの信号も示す。図１のクロック信号Φおよび図２の信号ＣＬＫのいずれの半サイクルにおいても、これらの信号の内２つ（例えば、１０２および１０８または１０４および１０６）が、図２の信号Ｖｏ＋およびＶｏ−として、変調回路の出力に出てくる。これらは、図１の差動信号１４ａ、１４ｂ、即ち、図１の信号Ｂである。図２の信号Ｖｏ＋とＶｏ−との間の差、および図１の信号１４ａ、１４ｂの間の差が、差動信号になる。
位相ｐｈ０の間、信号１０４および１０６は量１１０だけ異なる。位相ｐｈ９０の間、信号１０８および１０２は量１１２だけ異なる。この量は、信号１０４および１０６の差とは、極性が反対である。図４Ａの信号１２２は、前述した信号の差を表し、更に図２Ｂおよび図２Ｃの信号ＶｏｐおよびＶＨの和も表し、更に図１の差動信号Ｂも表す。信号１２２のＡＣ部は、信号１２２の変調オフセット成分を表す。線１２４は、信号１２２のＤＣ部（または低周波数部）、即ち、信号１２２の磁場信号成分を表す。これは、無変調磁場信号成分である。
信号１４４は、図１の差動信号２８ａ、２８ｂ、即ち、図１の信号Ｃを表す。信号１４４は、図１のロー・パス・フィルタ回路２８の帯域制限効果のために、図１のクロック信号３２ｂの周波数に応じて、丸められたエッジを有する可能性がある。信号１４４は、図１の増幅回路１６によって行われる増幅のために、信号１２２よりも大きくなっている。信号１４４は、図４Ａのオフセット成分１２４を表すＡＣ部を有し、図１の増幅回路１６（チョッパ安定化増幅器）によって生成された変調オフセット成分である。線１４２は、信号１４４のＤＣ部を表し、変調磁場信号１２２（即ち、磁場信号成分）のＡＣ部の復調バージョンである。
尚、所望の信号（磁場信号成分）は信号１４４のＤＣ部（または低周波数部）であり、このＤＣ部は線１４２によって表されており、不所望信号（オフセット成分）は信号１４４のＡＣ部であることは認められてしかるべきである。また、線１４２によって表される信号１４４のＤＣ部は、図１の磁場センサ１０が静止磁場だけを受けるときのＤＣ信号であることも、理解されてしかるべきである。言い換えると、図１の磁場センサ１０が変化する磁場を受けると、線１４２によって表される信号１４４のＤＣ部は、変化する（ＡＣ）部分を有することになる。
曲線１６４は、図１の差動信号３０ａ、３０ｂ、即ち、図１の信号Ｄを表す。曲線１６４は、曲線１４４を濾波したバージョンである。尚、信号１６４を得るために信号１４４を濾波すると、信号１４４のＡＣ部の多くが除去され、線１４２および１６２が表す、信号１４４の所望のＤＣ部（磁場信号成分）を一層厳密に表す信号が残されることは認められてしかるべきである。しかしながら、前述のように、線１６２によって表される信号１６４のＤＣ部は、図１の磁場センサ１０が静止磁場を受けるときのＤＣ信号に過ぎないことも、理解されてしかるべきである。
尚、図４、図４Ａ、および図４Ｃの信号は、図１Ａの信号Ａ’、Ｂ’、およびＤ’と同様であることは理解されてしかるべきである。しかしながら、図１Ａに関して、図４Ａの信号１２２は図３Ｂおよび図３Ｃの信号ＶｏｐおよびＶＨの和を表し、図１Ａの差動信号Ｂ’も表す。信号１２２のＡＣ部は、信号１２２の変調磁場信号成分を表す。線１２４は、信号１２２のＤＣ部（または低周波数部）、即ち、信号１２２のオフセット成分を表す。したがって、図４Ａを参照すると、図１Ａの信号Ｂ’については、図１の信号Ｂとは異なり、これは変調された磁場信号であって、オフセット成分ではない。
これより図５を参照すると、図１と同様のエレメントは、同様の参照符号を有して示されている。磁場センサ２００は、図１の磁場センサ１０と同様である。しかしながら、磁場センサ２００は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２１８を含む。ＶＣＯ２１８は、ＶＣＯ制御信号生成器２２０が生成するＶＣＯ制御信号２２０ａを受け取るように結合されている。ＶＣＯ２１８は、ＶＣＯ制御信号２２０ａに応答して周波数が変化するＶＣＯ出力信号を生成するように構成されている。クロック生成回路２１６は、ＶＣＯ出力信号２１８ａを受け取るように結合されており、同様に周波数が変化するクロック信号２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃを生成するように構成されている。
図１のクロック生成回路３２と同様、クロック生成回路２１６は、クロック信号２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃをそれぞれ変調回路１４、増幅回路１６、およびフィルタ回路２６に供給するように構成されている。したがって、好ましい実施形態では、変調回路１４の切替機能、増幅回路１６の切替機能、およびフィルタ回路２６の切替機能は同期する。
図１の磁場センサにけると同様、変調回路１４は、周波数Φを有するクロック信号２１６ａによって駆動することができる。第１および第２切替回路２０、２４は、周波数ＫΦを有するクロック信号２１６ｂによって駆動することができる。ここで、Ｋは１／２を乗算した整数である。離散時間選択フィルタ３０は、ＮΦの周波数を有するクロック信号２１６ｃによって駆動することができる。構成の中には、ＫΦ＝１／２、およびＮΦ＝１／４Φである場合もある。しかしながら、図１の磁場センサ１０とは異なり、クロック信号２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃは、非静止（変化する）周波数を有する。
具体的には、クロック信号２１６ａは、第１最低周波数と第１最高周波数との間で変化する第１変化変調周波数を有する第１変調信号とすることができる。実施形態の中には、第１変化変調周波数が、第１最低周波数から第１最高周波数まで線形掃引（linear sweep)で変化する場合もある。他の実施形態の中には、第１変化変調周波数が第１最低周波数から第１最高周波数まで非線形掃引で変化する場合もある。他の実施形態の中には、第１変化変調周波数が第１最低周波数から第１最高周波数まで、複数の不連続な周波数段階に沿って変化する場合もある。他の実施形態の中には、第１変化変調周波数が、複数の不連続な周波数段階に沿って変化する場合もある。実施形態の中には、不連続な周波数段階が、擬似ノイズ・パターンとなっている段階である場合もある。
同様に、クロック信号２１６ｂは、第２最低周波数および第２最高周波数の間で変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号であることができる。実施形態の中には、第２変化変調周波数が、第１クロック信号２１６ａの第１変化変調周波数に等しく、これと同期する場合もある。他の実施形態の中には、第２変化変調周波数が、第１のクロック信号２１６ａの第１変化変調周波数とは異なるが、これと同期する場合もある。
同様に、クロック信号２１６ｃは、第１クロック信号２１６ａの第１変化変調周波数または第２クロック信号２１７６ｂに関係がある変化サンプリング周波数を有するサンプリング信号であることができ、離散時間選択フィルタ３０は、第１変化変調周波数に関係する変化ノッチ周波数を有する。実施形態の中には、変化サンプリング周波数が、第１クロック信号の第１変化変調周波数に整数を乗算した値に等しい場合もある。実施形態の中には、変化サンプリング周波数が、第１変化変調周波数に等しい場合もある。実施形態の中には、変化サンプリング周波数が、第１変化変調周波数の２倍に等しい場合もある。実施形態の中には、変化ノッチ周波数が第１変化変調周波数に等しい場合もある。
実施形態の中には、アンチ・エリアシング・フィルタ(anti-aliasing filter)２８が、変化サンプリング周波数と関連のある最高サンプリング周波数の半分よりも上の周波数成分を低減するように選択された折点周波数(corner frequency)を有する場合もある。
差動信号２０４ａ〜２０４ｂ、２１５ａ〜２１５ｂ、２０６ａ〜２０６ｂ、２０７ａ〜２０７ｂ、２０８ａ〜２０８ｂ、２１０ａ〜２１０ｂ、２１２ａ〜２１２ｂ、および２１４ａ〜２１４ｂは、総じて、図１の信号１４ａ〜１４ｂ、３６ａ〜３６ｂ、１８ａ〜１８ｂ、２０ａ〜２０ｂ、２２ａ〜２２ｂ、２４ａ〜２４ｂ、２８ａ〜２８ｂ、および３０ａ〜３０ｂに対応するが、異なるクロック信号２１６ａ〜２１６ｃの使用のために、異なっている。差動信号（即ち、変調回路１４によって信号２０４ａ〜２０４ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）は、図１の差動信号（即ち、変調回路１４によって信号１２ａ〜１２ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）と同じまたは同様であることができる。
これより図５Ａを参照すると、図１Ａおよび図５と同様のエレメントは同様の参照符号を有して示されている。磁場センサ２３０は図１Ａの磁場センサ４０と同様である。しかしながら、磁場センサ２３０は電圧制御発振器（ＶＣＯ）２１８を含む。ＶＣＯ２１８は、ＶＣＯ制御信号生成器２２０が生成するＶＣＯ制御信号２２０ａを受け取るように結合されている。ＶＣＯ２１８は、ＶＣＯ制御信号２２０ａに応答して周波数が変化するＶＣＯ出力信号２１８ａを生成するように構成されている。クロック生成回路２１７は、ＶＣＯ出力信号２１８ａを受け取るように結合されており、クロック信号２１７ａを生成するように構成されている。
図１Ａのクロック生成回路４９と同様、クロック生成回路２１７は、クロック信号２１７ａを変調回路１５および増幅回路４１に供給するように構成されている。したがって、好ましい実施形態では、変調回路１５の切替機能は、増幅器４１の切替機能と同期する。実施形態の中には、フィルタ回路４８が駆動されない場合もある。他の実施形態では、フィルタ回路４８は離散時間選択フィルタを含むことができる。これは、図５の離散時間選択フィルタ３４０と同じまたは同様であることができ、その場合、この離散時間選択フィルタを駆動するために、他のクロック信号を供給する。
図５のクロック信号２１６ａと同様、クロック信号２１７ａは、最低周波数と最高周波数との間で変化する変化変調周波数を有する変調信号とすることができる。他の実施形態では、変化変調周波数は、最低周波数から最高周波数まで線形掃引で変化する。他の実施形態の中には、変化変調周波数が最低周波数から最高周波数まで非線形掃引で変化する場合もある。他の実施形態の中には、変化変調周波数が最低周波数から最高周波数まで、複数の不連続な周波数段階に沿って変化する場合もある。他の実施形態の中には、不連続な周波数段階が、擬似ノイズ・パターンとなっている段階である場合もある。
信号２０５ａ〜２０５ｂ、２３２ａ〜２３２ｂ、２３４ａ、２３５ａ、２３６、２３８ａ〜２３８ｂ、および２４０ａ〜２４０ｂは、総じて、図１Ａの信号１４ａ〜１４ｂ、４２ａ〜４２、４３ａ、４４ａ、４５ａ、４６ａ〜４６ｂ、および４７ａ〜４７ｂに対応するが、異なるクロック信号２１７ａの使用のために、異なっている。差動信号２０２ｂ、２０２ｃは、図１Aの差動信号１２ｂ、１２ｃと同じまたは同様であることができる。
図６から図１０は、図５の磁場センサ２００の動作の間に現れる信号の例を示す。図５Ａの磁場センサ２３０の動作の間に発生する同様の信号は、理解されるであろうが、明示的には示されていない。
これより図６を参照すると、グラフ２５０は、任意の時間単位の目盛りとした横軸と、任意の電圧単位の目盛りとした縦軸とを有する。最小電圧２５４から最大電圧２５６まで掃引する曲線２５２は、図５のＶＣＯ制御信号２２０ａの１つの特定の実施形態を表し、クロック信号２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃの周波数の線形掃引に対応する。
曲線２５２は時間と共に上に向かってのみ傾斜するように示されているが、他の時間期間では、曲線２５２は下に向かって傾斜することもでき、上向きおよび下向きの傾斜が周期的に繰り返す。
これより図６Ａを参照すると、グラフ２５０は、任意の時間単位の目盛りとした横軸と、任意の電圧単位の目盛りとした縦軸とを有する。グラフ２６０は、周波数ドメインの周波数ドメインの図であり、線２６２ａ〜２６２ｅは、ＶＣＯ制御信号２２０ａが、周波数の上向き掃引の間図６に示す通りであるが、周波数の下向き掃引の間下向きに傾斜する（図示せず）ときにおける、図５のクロック信号２１６ａの複数の瞬時スナップショットを表す。矢印２６４ａ、２６４ｂは、クロック信号２１６ａの周波数が、最低周波数ｆ０ ｃｈｏｐ-Δｆｍａｘおよびｆ０ ｃｈｏｐ＋Δｆｍａｘの間、周波数が上向きに傾斜し次いで下向きに傾斜できることを表している。ここで、周波数ｆ０ ｃｈｏｐ、即ち、クロック信号２１６ａのチョッピング周波数（変調周波数）は、掃引範囲の中心における中心周波数である。他の構成では、クロック信号２１６ａの周波数は、周期的に上向きのみまたは下向きのみに掃引し、次いで他の極値に急速にリセットする。
これより図７を参照すると、グラフ３００は、任意の周波数単位の目盛りとした横軸と、任意の電力単位の目盛りとした縦軸とを有する。グラフ３００は、周波数ドメインの図であり、線３０２ａ〜３０２ｃは、クロック信号２１６ａが周波数の上向き掃引の間図６Ａに示す通りであるが、周波数の下向き掃引の間下向きに傾斜する（図示せず）ときにおける、図５の差動信号２０７ａ、２０７ｂの磁場信号成分の基本周波数の複数の瞬時スナップショットを表す。線３０２ａ〜３０２ｃの有限幅は、ＤＣだけでなく比較的低い周波数においても信号内容を有する磁場信号成分（即ち、図５のホール・エレメント１２によって検知される磁場）を表す。矢印３０６ａ、３０６ｂは、差動信号２０７ａ、２０７ｂの周波数が、周期的に周波数が上向きに掃引しそして下向きに掃引できることを表す。
線３０４ａ〜３０４ｃは、図５の差動信号２０７ａ、２０７ｂの磁場信号成分の第３高調波の複数の瞬時スナップショットを表す。尚、図５の変調回路１４（図２の回路と同様）は、図５の差動信号２０２ｂ、２０２ｃを方形波（クロック信号２１６ａ）と乗算する回路であることは理解されよう。つまり、線３０２ａ〜３０２ｃによって表される掃引周波数の第３高調波（および他の奇数高調波）が生成される。線３０４ａ〜３０４ｃは、第３高調波のみを表すが、他の奇数高調波も、変調回路１４によって生成される。
構成の中には、中心周波数ｆ０ ｃｈｏｐが約３００キロヘルツである場合もある。
尚、線３０４ａ〜３０４ｃは、線３０２ａ〜３０２ｃに対して適正な相対的割合で示されているのではなく、線３０２ａ〜３０２ｃの電力（power)の１／９（（１／３）２）に等しい電力を有することは理解されよう。
破線３０７（狭いスペクトル）は、増幅回路１６の出力における差動信号２１０ａ、２１０ｂ（図５）の磁場信号成分を表す。言い換えると、破線３０７は、増幅器１６（第２切替回路２４によって）が掃引クロック信号２１６ｂによって駆動されているときの動作によって復調されてベースバンドに戻された後における、図７の掃引信号３０２ａ〜３０２ｃ（即ち、磁場信号成分を表す差動信号２０７ａ、２０７ｂ）を表す。この復調の結果、線（狭帯域）スペクトル３０７が生じる。破線３０７によって表される差動信号２１０ａ、２１０ｂは、ＤＣにおいてまたはその近くに現れ、この例では掃引しない。
曲線３０８は、フィルタ回路２６の通過帯域を表す。
これより図８を参照すると、図７と同様のエレメントが同様の参照符号を有して示されている。グラフ３２０は、任意の周波数単位の目盛りとした横軸と、任意の電力単位の目盛りとした縦軸とを有する。グラフ３２０は、周波数ドメインの図であり、ここでも、線３０２ａ〜３０２ｃは、クロック信号２１６ａが、周波数の上向き掃引の間は図６Ａに示す通りであるが、周波数の下向き掃引の間は下向きに傾斜する（図示せず）ときにおける、図５の差動信号２０７ａ、２０７ｂの磁場信号成分の基本周波数の複数の瞬時スナップショットを表す。図７の第３高調波３０４ａ〜３０４ｃは示されていない。
線（周波数）３２２は、ノイズを表す。このノイズは、例えば、図５のホール・エレメントによって検知することができる磁場ノイズであってもよく、あるいは他の例では、切替回路２４の前において、ホール・エレメント１２、変調回路１４、または図５の増幅回路１６に結合されることもあり得る電気ノイズであってもよい（注記：切替回路２４の後に注入される場合、このノイズは変調されてもベースバンドに戻らない）。このノイズ信号例３２２は、周波数が固定である。
構成の中には、中心周波数ｆ０ ｃｈｏｐが３００キロヘルツであり、ノイズ信号３２２が、約３００キロヘルツの静止周波数またはほぼ静止周波数を有する。しかしながら、図９Ｂと関連付ける以下の論述から、図５の磁場センサ２００（および図５Ａの２３０）も、中心周波数ｆ０ ｃｈｏｐ以外の周波数におけるノイズ信号、および周波数が固定でないノイズ信号についても利点を提供することが認められよう。しかしながら、図８に示す例では、明確化のために、中心周波数ｆ０ ｃｈｏｐと同じ周波数におけるノイズ信号３２２を示している。
１群の線３２４は、クロック信号２１６ａ〜２１６ｃの周波数が図６Ａにしたがって、周波数掃引したときに、図５の増幅回路１６の動作（即ち、図５の差動信号２１０ａ、２１０ｂまたは２１２ａ、２１２ｂ内における）によって復調されたときのスペクトル線３２２を表す。
ノイズ、即ち、スペクトル線３２２は周波数が固定であるので、周波数掃引するクロック信号２１６ｂによって復調されると、その結果、周波数掃引するベースバンド信号が得られる。１群の線３２４はこのベースバンド信号を表す。また、掃引信号２１６ｂの代わりに増幅回路１１６による復調のために固定のクロックを用いる場合（図１におけるように）、復調されるノイズ信号はＤＣまたはその近くに現れ、所望の復調信号３０７（磁場信号成分）と結合する。この結合のために、所望の復調信号３０７の精度が低下する。
図９〜図９Ｂは、クロック信号２１６ａの周波数が、図６および図６Ａと関連付けて先に説明したように、最低周波数と最高周波数との間において線形に上下に変化するときに、図５の磁場センサ２００の動作の間に現れる信号の例を示す。対照的に、その次の図１０〜図１０Ｂは、クロック信号２１６ａの周波数が複数の不連続な周波数段階に沿って最低周波数と最高周波数との間で上下に変化するときに、図５の磁場センサ２００の動作に間に現れる信号を示す。他の実施形態も、図５に関連付けて先に説明したが、他の信号例はここでは明示的には示さない。
これより図９を参照すると、グラフ３４０は、ミリ秒と単位とした時間目盛りの横軸と、Ｈｚを単位とした周波数目盛りの縦軸とを有する。波形３４２は、図５のクロック信号２１６ａの周波数を表す。クロック信号２１６ａは、上向きに傾斜し、次いで、実施形態の中には、下向きに傾斜する場合もある（下向きは示されていない）。これに応じて、クロック２１６ｂおよび２１６ｃは上向きおよび下向きに掃引する。
これより図９Ａを参照すると、グラフ３６０は、ミリ秒と単位とした時間目盛りの横軸と、ミリボルトを単位とした電圧目盛りの縦軸とを有する。信号３６２は、図５の磁場センサ２００がノイズ、例えば、周波数が固定である図８のノイズ３２２を受けていたときにおける、図５の差動信号２１２ａ、２１２ｂを表す。つまり、信号３６２は、図８の１群の線３２４によって表される、周波数掃引する信号も表す。図８と関連付けて先に説明したように、信号３６２は、図８のノイズ信号３２２を表す。ノイズ信号３２２は、図５の増幅回路１６によって復調されて（第２切替回路２４によって）ベースバンドに戻されているが、掃引クロック信号２１６ａ〜２１６ｃの動作のために、周波数掃引する。
信号３６２において、高周波数成分が、それよりも低い周波数の正弦波の上に載っているのを見ることができる。この高周波数成分は、ホール・エレメントによって生成された差動信号のオフセット成分を表し、図５の変調回路１４および増幅回路１６の動作によって、もっと高い周波数に周波数がシフトされている。
これより図９Ｂを参照すると、グラフ３８０は、ミリ秒と単位とした時間目盛りの横軸と、ミリボルトを単位とした電圧目盛りの縦軸とを有する。信号３８２は、同様に図５の磁場センサ２００がノイズ、例えば、周波数が固定である図８のノイズ３２２を受けていたときにおける、図５の差動信号２１４ａ、２１４ｂを表す。信号３８２は、図９Ａの信号３６２と同様であるが、図５の離散時間選択フィルタ３０を通過している。図９Ａの信号３６２の高周波数成分は、図５のフィルタ回路２６の動作によって除去されている。信号３８２において、段階の例を見ることができる。これらは、離散時間選択フィルタ３０の離散サンプリングによって生じたのであり、望ましければ、追加のフィルタ（図示せず）によって除去することもできる。
信号３６２、３８２は、周波数掃引する信号として現れるノイズを含有するが、所望の信号、即ち、ホール・エレメント１２によって生成された差動信号２０２ｂ、２０２ｃの磁場信号成分は、差動信号２０２ｂ、２０２ｃの磁場信号成分がＤＣにある場合には、信号３６２、３８２のＤＣ部となることは認められよう。ＤＣ部は０ボルトであるように示されているが、ホール・エレメント１２が受ける磁場に比例する他の値とすることもできる。
また、図５のクロック信号２１６ａ〜２１６ｃが、図１のクロック信号３２ａ〜３２ｃのように、静止周波数を有する場合、図８の静止ノイズ信号３２２は、復調されると（図５の第２切替回路２４によって）、図８の１群の線３２４にしたがって周波数掃引するのではなく、１つの周波数となることは認められよう。これは、ＤＣである可能性があり、またはＤＣに近い（ゆっくりと変化する）可能性もあるが、その結果、図５の信号２１４ａ、２１４ｂの磁場信号成分の検出精度が低下する。しかしながら、掃引クロック信号２１６ａ〜２１６ｃは、周波数掃引するノイズ信号を生ずるので、このノイズ信号は容易に特定され、その後の処理によって除去することができ、またはその後の濾波によって、所望の磁場信号成分のみを残すことができる。
その後の処理または濾波は、図５および図５Ａに示す処理モジュール２２２として設けることができる。処理モジュール２２２は、図５または図５Ａの差動信号２１４ａ、２１４ｂまたは２４０ａ、２４０ｂをそれぞれ受け取るように結合されている。実施形態の中には、処理モジュール２２２を単純なロー・パス・フィルタにすることができる場合もある。他の実施形態では、処理モジュール２２２は他の離散時間選択フィルタを含むことができる。実施形態の中には、処理モジュール２２２がディジタル・フィルタを含むことができる場合もある。実施形態の中には、処理モジュール２２２が、ａ）差動信号２１４ａ、２１４ｂまたは２４０ａ、２４０ｂの安定な時間領域を選択すること、およびｂ）磁場信号成分を特定するために差動信号のＤＣ値（またはゆっくりと変化する値）を計算することができるロジックを含むことができる場合もある。
以上の磁場信号成分のノイズ信号からの区別は、変化するノイズ信号が磁場信号成分の周波数（ＤＣを含む）に留まらない限り、周波数が比較的ゆっくりと変化する差動信号の磁場信号成分（即ち、変調回路１４によって信号２０２ａ〜２０２ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）にもそのまま当てはまる。また、以上の磁場信号成分のノイズ信号からの区別は、ノイズ信号の可変周波数が磁場信号成分の可変周波数の周波数(at the frequency of the varying frequency)に留まらない限り、差動信号の磁場信号成分（即ち、信号２０２ａ〜２０２ｄの中から２つで１組にして適正に選択された差動信号）の周波数が相対的に変化し、更にノイズ信号も周波数が変化する場合にもそのまま当てはまる。
これより図１０を参照すると、グラフ４００は、ミリ秒と単位とした時間目盛りの横軸と、Ｈｚを単位とした周波数目盛りの縦軸とを有する。波形４０２は、図５のクロック信号２１６ａの周波数を表す。クロック信号２１６ａは、不連続な階段状に上向きに進み、次いで、実施形態の中には、不連続な階段状に下向きに進むこともある。クロック２１６ｂおよび２１６ｃは、これにしたがって、不連続な周波数階段状に上下に進む。
これより図１０Ａを参照すると、グラフ４２０は、ミリ秒と単位とした時間目盛りの横軸と、ミリボルトを単位とした電圧目盛りの縦軸とを有する。信号４２２は、図５の磁場センサ２００がノイズ、例えば、周波数が固定である図８のノイズ３２２を受けていたときにおける、図５の差動信号２１２ａ、２１２ｂを表す。つまり、信号４２２は、周波数が階段状に変化する信号も表し、図８の１群の線３２４によって表すこともできる。図８に関連付けて先に説明したように、信号４２２は、図５の増幅回路１６によって復調されてベースバンドに戻されている図８のノイズ信号３２２を表すが、この周波数が階段状に変化するクロック信号２１６ａ〜２１６ｃの動作のために、周波数が階段状に変化する。
信号４２２において、高周波数成分が、階段状に変化する、これよりも低い周波数信号の上に載っているのを見ることができる。この成分は、ホール・エレメント１２によって生成された差動信号２０２ｂ、２０２ｃのオフセット成分を表し、図５の変調回路１４および増幅回路１６の動作によって、もっと高い周波数に周波数がシフトされている。
これより図１０Ｂを参照すると、グラフ４４０は、ミリ秒と単位とした時間目盛りの横軸と、ミリボルトを単位とした電圧目盛りの縦軸とを有する。信号４４２は、同様に図５の磁場センサ２００がノイズ、例えば、周波数が固定である図８のノイズ３２２を受けていたときにおける、図５の差動信号２１４ａ、２１４ｂを表す。信号４４２は、図１０Ａの信号４２２と同様であるが、図５の離散時間選択フィルタ３０を通過している。図１０Ａの信号４２２の高周波数成分は、図５のフィルタ回路２６の動作によって除去されている。信号４４２において、段階の例を見ることができる。これらは、望ましければ、追加のフィルタ（図示せず）によって除去することもできる。
磁場信号成分をノイズ信号から区別することに関する図９Ｂに関連付けた先の論述は、図１０〜図１０Ｂに関しても実質的に同じであり、ここでは繰り返さない。
前述のように、他のクロック信号２１６ａ〜２１６ｃは、他の形式の変調に備えることができるが、いずれにしても、ノイズ信号から磁場信号成分を区別しつつ、オフセット成分を大幅に除去するという同じ能力が得られる。
本明細書において引用した全ての参考文献は、引用したことによりその全てが本願にも含まれるものとする。
以上、本発明の主題である種々の概念、構造、および技法を例示するのに役立つ好ましい実施形態について説明したが、これらの概念、構造、および技法を組み込んだ他の実施形態も用いることができることは、当業者には明白となろう。したがって、本発明の範囲は、記載した実施形態に限定されるのではなく、以下の請求項の主旨および範囲によってのみ限定されるべきことを具申する。

Claims (44)

  1. 磁場センサであって、
    磁場に応答してホール・エレメント出力信号を生成するように構成されているホール・エレメントであって、前記ホール・エレメント出力信号が、磁場信号成分とオフセット信号成分とを含む、ホール・エレメントと、
    前記ホール・エレメント出力信号を受け取るように結合されており、変調回路出力信号を生成するように構成されているホール・エレメント変調回路であって、第１最低周波数から第１最高周波数まで変化し、更に前記第１最低周波数と前記第１最高周波数との間における複数の周波数まで変化する第１変化変調周波数を有する第１変調信号によって、前記磁場信号成分または前記オフセット信号成分を変調するように動作可能な、ホール・エレメント変調回路と、
    前記変調回路出力信号を受け取るように結合されており、増幅回路出力信号を生成するように構成されている増幅回路と、
    前記増幅回路出力信号を受け取るように結合されており、磁場センサ出力信号を生成するように構成されているフィルタ回路と、
    を備えており、
    前記フィルタ回路が、
    アンチ・エリアス信号を生成するように構成されているアンチ・エリアス・フィルタと、
    前記アンチ・エリアス・フィルタに結合され、前記第１変化変調周波数に関係がある変化サンプリング周波数を有するサンプリング信号にしたがって、前記アンチ・エリアス信号を表す信号をサンプリングするように構成されている離散時間選択フィルタであって、前記第１変化変調周波数に関係がある変化ノッチ周波数を有する、離散時間選択フィルタと、
    を備えている、磁場センサ。
  2. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記第１変化変調周波数が、前記第１最低周波数から前記第１最高周波数まで、線形掃引で変化する、磁場センサ。
  3. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記第１変化変調周波数が、前記第１最低周波数から前記第１最高周波数まで、非線形周波数掃引で変化する、磁場センサ。
  4. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記第１変化変調周波数が、前記第１最低周波数から前記第１最高周波数まで、２つより多くの不連続な周波数段階に沿って変化する、磁場センサ。
  5. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記第１変化変調周波数が、複数の不連続な周波数段階に沿って変化する、磁場センサ。
  6. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記増幅回路が、前記変調回路出力信号を表す信号を、第２最低周波数から第２最高周波数まで変化し、更に前記第２最低周波数と前記第２最高周波数の間における少なくとも１つの周波数まで変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号で変調するように構成されている切替回路を備えている、磁場センサ。
  7. 請求項６記載の磁場センサにおいて、前記第２変化変調周波数が、前記第１変化変調周波数に等しく、これと同期する、磁場センサ。
  8. 請求項６記載の磁場センサにおいて、前記第２変化変調周波数が、前記第１変化変調周波数とは異なるが、これと同期する、磁場センサ。
  9. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記増幅回路が、前記変調回路出力信号を表す信号を、第２最低周波数から第２最高周波数まで変化し、更に前記第２最低周波数と前記第２最高周波数の間における少なくとも１つの周波数まで変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号に対応するレートでサンプリングするように構成されているサンプル／ホールド回路を備えている、磁場センサ。
  10. 請求項９記載の磁場センサにおいて、前記第２変化変調周波数が、前記第１変化変調周波数に等しく、これと同期する、磁場センサ。
  11. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記アンチ・エリアス・フィルタが、前記変化サンプリング周波数と関連のある最高サンプリング周波数の半分よりも高い周波数成分を低減するように選択された折点周波数を有する、磁場センサ。
  12. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記変化サンプリング周波数が、前記第１変化変調周波数に整数を乗算した値に等しい、磁場センサ。
  13. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記変化サンプリング周波数が、前記第１変化変調周波数に等しい、磁場センサ。
  14. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記変化サンプリング周波数が、前記第１変化変調周波数の２倍に等しい、磁場センサ。
  15. 請求項１記載の磁場センサにおいて、前記変化ノッチ周波数が、前記第１変化変調周波数に等しい、磁場センサ。
  16. 請求項１記載の磁場センサであって、更に、前記第１変化変調周波数に関係がある変化周波数を有する電圧制御発振器出力信号を生成するように構成されている電圧制御発振器を備えている、磁場センサ。
  17. 請求項１６記載の磁場センサであって、更に、前記電圧制御発振器出力信号を受け取るように結合されており、前記第１変調信号、前記第２変調信号、または前記サンプリング信号の内少なくとも１つを生成するように構成されているクロック生成回路を備えている、磁場センサ。
  18. 請求項１６記載の磁場センサであって、更に、前記電圧制御発振器出力信号の変化周波数を制御するための出力信号を生成するように構成されている信号生成回路を備えている、磁場センサ。
  19. 請求項１８記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで傾斜する線形電圧信号を含む、磁場センサ。
  20. 請求項１８記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで変化する非線形電圧信号を含む、磁場センサ。
  21. 請求項１８記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで複数の不連続な電圧段階に沿って変化する階段状電圧信号を含む、磁場センサ。
  22. 請求項１８記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、複数の不連続な電圧段階に沿って変化する階段状電圧信号を含む、磁場センサ。
  23. 請求項１記載の磁場センサであって、更に、前記第１変化変調周波数に関係がある変化周波数を有する電圧制御発振器出力信号を生成するように構成されている電圧制御発振器を備えている、磁場センサ。
  24. 磁場センサであって、
    磁場に応答してホール・エレメント出力信号を生成するように構成されているホール・エレメントであって、前記ホール・エレメント出力信号が、磁場信号成分とオフセット信号成分とを含む、ホール・エレメントと、
    前記ホール・エレメント出力信号を受け取るように結合されており、変調回路出力信号を生成するように構成されているホール・エレメント変調回路であって、第１最低周波数から第１最高周波数まで第１線形周波数掃引で変化する第１変化変調周波数を有する第１変調信号によって、前記磁場信号成分または前記オフセット信号成分を変調するように動作可能な、ホール・エレメント変調回路と、
    を備えている、磁場センサ。
  25. 請求項２４記載の磁場センサであって、更に、前記変調回路出力信号を受け取るように結合されており、増幅回路出力信号を生成するように構成されている増幅回路を備えている、磁場センサ。
  26. 請求項２５記載の磁場センサにおいて、前記増幅回路が、前記変調回路出力信号を表す信号を、第２最低周波数から第２最高周波数まで変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号で変調するように構成されている切替回路を備えている、磁場センサ。
  27. 請求項２６記載の磁場センサにおいて、前記第２変化変調周波数が、前記第１変化変調周波数に等しく、これと同期する、磁場センサ。
  28. 請求項２６記載の磁場センサにおいて、前記第２変化変調周波数が、前記第１変化変調周波数とは異なるが、これと同期する、磁場センサ。
  29. 請求項２５記載の磁場センサにおいて、前記増幅回路が、前記変調回路出力信号を表す信号を、第２最低周波数から第２最高周波数まで変化する第２変化変調周波数を有する第２変調信号に対応するレートでサンプリングするように構成されているサンプル／ホールド回路を備えている、磁場センサ。
  30. 請求項２９記載の磁場センサにおいて、前記第２変化変調周波数が、前記第１変化変調周波数に等しく、これと同期する、磁場センサ。
  31. 請求項２５記載の磁場センサであって、更に、前記増幅回路出力信号を受け取るように結合されており、磁場センサ出力信号を生成するように構成されているフィルタ回路を備えており、前記フィルタ回路が、
    アンチ・エリアス信号を生成するように構成されているアンチ・エリアス・フィルタと、
    前記アンチ・エリアス・フィルタに結合され、前記第１変化変調周波数に関係がある変化サンプリング周波数を有するサンプリング信号にしたがって、前記アンチ・エリアス信号を表す信号をサンプリングするように構成されている離散時間選択フィルタであって、前記第１変化変調周波数に関係がある変化ノッチ周波数を有する、離散時間選択フィルタと、
    を備えている、磁場センサ。
  32. 請求項３１記載の磁場センサにおいて、前記アンチ・エリアス・フィルタが、前記変化サンプリング周波数と関連のある最高サンプリング周波数の半分よりも高い周波数成分を低減するように選択された折点周波数を有する、磁場センサ。
  33. 請求項３１記載の磁場センサにおいて、前記変化サンプリング周波数が、前記第１変化変調周波数に整数を乗算した値に等しい、磁場センサ。
  34. 請求項３１記載の磁場センサにおいて、前記変化サンプリング周波数が、前記第１変化変調周波数に等しい、磁場センサ。
  35. 請求項３１記載の磁場センサにおいて、前記変化サンプリング周波数が、前記第１変化変調周波数の２倍に等しい、磁場センサ。
  36. 請求項３１記載の磁場センサにおいて、前記変化ノッチ周波数が、前記第１変化変調周波数に等しい、磁場センサ。
  37. 請求項３１記載の磁場センサであって、更に、前記第１変化変調周波数に関係がある変化周波数を有する電圧制御発振器出力信号を生成するように構成されている電圧制御発振器を備えている、磁場センサ。
  38. 請求項３７記載の磁場センサであって、更に、前記電圧制御発振器出力信号を受け取るように結合されており、前記第１変調信号、前記第２変調信号、または前記サンプリング信号の内少なくとも１つを生成するように構成されているクロック生成回路を備えている、磁場センサ。
  39. 請求項３７記載の磁場センサであって、更に、前記電圧制御発振器出力信号の変化周波数を制御するための出力信号を生成するように構成されている信号生成回路を備えている、磁場センサ。
  40. 請求項３９記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで傾斜する線形電圧信号を含む、磁場センサ。
  41. 請求項３９記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで変化する非線形電圧信号を含む、磁場センサ。
  42. 請求項３９記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、最低電圧値から最大電圧値まで複数の不連続な電圧段階に沿って変化する階段状電圧信号を含む、磁場センサ。
  43. 請求項３９記載の磁場センサにおいて、前記信号生成器の出力信号が、複数の不連続な電圧段階に沿って変化する階段状電圧信号を含む、磁場センサ。
  44. 請求項２４記載の磁場センサであって、更に、前記第１変化変調周波数に関係がある変化周波数を有する電圧制御発振器出力信号を生成するように構成されている電圧制御発振器を備えている、磁場センサ。
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