JP6370620B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁束密度を電気信号に変換する磁気センサに関する。

現在、電子機器において磁界発生部材の位置や距離や回転等を検出するセンサとして、磁電変換素子であるホール素子を利用した磁気センサが広く知られている。なかでも、ホール素子と信号処理回路を内蔵した磁気センサは、ホール素子固有の磁電変換特性に合わせた最適な信号処理手段を備えることで、高性能かつ高機能な磁気センサを提供できる可能性があり、開発が進められている。

ホール素子は、材料や構造、大きさ等によって固有の特性を持つが、概ね以下のような磁電変換特性となる。ホール素子の感受面に対し磁束密度Ｂの磁界が垂直に印加された場合、ホール素子の出力信号ＶＯは磁束密度Ｂに比例する。式（１）の比例係数であるＫＨが、ホール素子の磁気検出感度を表す。さらに、磁気検出感度ＫＨはホール素子の駆動電流ＩＨに比例する。したがってホール素子は、駆動電流を多く流すことで高感度化の実現につながる。

ＶＯ＝ＫＨ×Ｂ ・・・（１）
ＫＨ∝ＩＨ ・・・（２）
図２は、従来の磁気センサを示す概念図である。図２の磁気センサ２００は、定電流源２とホール素子３と信号処理回路４によって構成される。ホール素子３は、定電流源２を介して電圧源１によって駆動される。電圧源１によって駆動される信号処理回路４は、ホール素子３の二つの出力電極３ｂ、３ｄが接続され、その出力信号は信号処理回路４を介して外部端子ＯＵＴに出力される。

このように、従来の磁気センサ２００の電源接続関係は、電圧源１に対しホール素子３と信号処理回路４を並列に接続する形態が一般的であり、ホール素子３の消費電流と信号処理回路４の消費電流との加算値が磁気センサ２００の消費電流となる。

特開平１０−２３９４１０号公報

磁気センサに求められる特性として、微小な印加磁界に対して反応できる高感度化や、低消費電力化などが挙げられる。磁気センサの高感度化を達成するためには、磁電変換手段を担うホール素子の磁気検出感度もまた重要な鍵となる。上述のように、ホール素子に高感度化を求めることは、低消費電力化とトレードオフの関係にあり、両立させることが課題となっている。特に、高性能性や高機能性を提供が可能である信号処理回路を内蔵した磁気センサは、ホール素子以外の様々な回路が電流を消費する為、磁気センサ全体の消費電流は増大しかねない。

このような課題を解決するため、ホール素子の二つの駆動電極の接続先を、一端は定電流源の出力電極に電気的に接続し、他端は磁気センサに内蔵される一つまたは複数の信号処理回路の正側の電源電極Ｖ１に接続することで、前記ホール素子と前記信号処理回路の接続関係が電圧源に対して直列に接続される形態となり、前記信号処理回路の消費電流はホール素子の駆動電流の一部または全体を使って駆動されることを特徴とする、ホール素子と信号処理回路を内蔵した磁気センサを提供する。

本願の磁気センサによれば、磁電変換素子の磁気検出感度を低下させることなく、磁気センサの低消費電力化が可能となる。

第一実施形態の磁気センサを示す概念図である。 従来の磁気センサを示す概念図である。 第二実施形態の磁気センサを示す概念図である。 第三実施形態の磁気センサを示す概念図である。 第四実施形態の磁気センサを示す概念図である。 第四実施形態の磁気センサにおける別の構成例を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明に係る磁気センサの第一実施形態を示す概念図である。
磁気センサ１００は、電圧源１が接続される電源電極ＶＤＤ及びＶＳＳを有し、外部に電気信号を出力する出力電極ＯＵＴを有し、定電流回路２と、磁電変換素子であるホール素子３と、信号処理回路４と、電圧検出回路５を備える。

定電流回路２は、電圧源１によって駆動され、定電流ＩＢをホール素子３の駆動電極３ａに供給する。
ホール素子３は、二つの駆動電極と二つの出力電極を有する。駆動電極３ａ及び３ｃのうち、３ａは定電流回路２の出力電極に接続され、３ｃは電圧検出回路５の正側の電源電極Ｖ１にのみ接続される。電圧検出回路５は、負側の電源電極は電源電極ＶＳＳに接続される。

電圧検出回路５は、磁気センサ内の例えば電源電圧の電圧を監視する回路である。
したがって、定電流回路２と、ホール素子３と、電圧検出回路５は電圧源１に対し直列に接続される形態となる。定電流ＩＢはホール素子３の駆動電流ＩＨと等しく、且つ、電圧検出回路５の消費電流ＩＸ１と等しい。

ホール素子３の出力電極３ｂ及び３ｄは、信号処理回路４の二つの入力電極に接続される。ホール素子３の出力信号、すなわち、ホール素子３へ印加される磁束密度ベクトルのうちホール素子３の感受面に垂直方向成分の磁束密度に比例した電気信号が、信号処理回路４へ入力される。

信号処理回路４は、ホール素子３の出力信号を所望の電気信号に変換するための回路であり、例えばホール素子３の出力信号を増幅する演算増幅器である。比較器や基準電圧発生器を含んでもよい。さらに、信号処理回路４の内部で用いる基準電流回路を含んでもよい。信号処理回路４の正側の電源電極は電源電極ＶＤＤに接続され、負側の電源電極は電源電極ＶＳＳに接続される。したがって、信号処理回路４で消費される電流ＩＹは、電圧検出回路５で消費される電流ＩＸ１とは異なる電流経路となる。

以上のように、電圧源１を基準とした磁気センサ１００において、主要な電流系統は２系統となる。一方の電流系統は、定電流回路２とホール素子３と電圧検出回路５とを電気的に直列に接続した系統であり、この系統の消費電流はＩＨと等しい。他方の電流系統は、信号処理回路４の系統であり、消費電流はＩＹに等しい。よって、磁気センサ全体の消費電流はＩＨ＋ＩＹに等しい。
このように、ホール素子３には必要量の駆動電流を流すとともに、電圧検出回路５の消費電流ＩＸ１を加算することなく、全体の消費電流を削減した磁気センサを実現できる。

（第二実施形態）
図３は、本発明に係る磁気センサの第二実施形態を示す概念図である。
第二実施形態の磁気センサ３００は、第一実施形態の磁気センサ１００の電圧検出回路５に替わり、電圧検出回路１５及び分流器９を備える。

第二実施形態は、電圧検出回路１５の消費電流ＩＸ２がホール素子３の駆動電流ＩＨより小さい場合に、分流器９を用いて余分な電流ＩＺ２を電源電極ＶＳＳへ放出する手段を備えた例である。
第一実施形態と構成要素が同じ箇所は、第一実施形態と同様の接続関係及び動作である。

ホール素子３の駆動電極３ａ及び３ｃのうち、３ｃには電圧検出回路１５の正側の電源電極Ｖ１及び、分流器９に接続される。
分流器９は、例えば抵抗素子、ダイオード、定電流回路などに置き換えることができる。分流器９の負側の電源電極は電源電極ＶＳＳに接続される。

以上のように、電圧源１を基準とした磁気センサ３００において、主要な電流系統は２系統となる。一方の電流系統は、定電流回路２とホール素子３とを電気的に直列に接続し、さらに電圧検出回路１５と分流器９との並列回路を直列に接続した系統であり、この系統の消費電流はＩＨに等しい。他方の電流系統は、信号処理回路４の系統であり、消費電流はＩＹに等しい。よって、磁気センサ全体の消費電流はＩＨ＋ＩＹに等しい。
このように、ホール素子３には必要量の駆動電流を流すとともに、電圧検出回路１５の消費電流ＩＸ２を加算することなく、全体の消費電流を削減した磁気センサを実現できる。

（第三実施形態）
図４は、本発明に係る磁気センサの第三実施形態を示す概念図である。
第三実施形態の磁気センサ４００は、第二実施形態の磁気センサ３００の電圧検出回路１５及び分流器９、そして信号処理回路４に替わり、基準電流回路６及び分流器１９、そして信号処理回路１４を備える。

基準電流回路６は、基準電流ＩＸ３を生成する回路であり、基準電流ＩＸ３は、信号処理回路１４に含まれる演算増幅器等で用いられる定電流の基準対象である。第三実施形態は、基準電流ＩＸ３が比較的大きく、且つ、ホール素子３の駆動電流ＩＨより小さい場合に、基準電流回路６をホール素子３の電流系統上に配置した例である。
第二実施形態と構成要素が同じ箇所は、第二実施形態と同様の接続関係及び動作である。

ホール素子３の駆動電極３ａ及び３ｃのうち、３ｃには基準電流回路６及び分流器１９の正側の電源電極Ｖ１に接続される。
基準電流回路６で生成した基準電流は、上述のように信号処理回路１４内で用いられる定電流の基準対象であり、Ｉ／Ｖ変換された後、バイアス電圧が信号処理回路１４に入力される。

分流器１９は、基準電流回路６で消費されなかったホール素子３の駆動電流ＩＨの一部を、電源電極ＶＳＳへ放出する役割を果たし、余分な電流ＩＺ３を電源電極ＶＳＳへ放出する。

以上のように、電圧源１を基準とした磁気センサ４００において、主要な電流系統は２系統となる。一方の電流系統は、定電流回路２とホール素子３とを電気的に直列に接続し、さらに基準電流回路６と分流器１９との並列回路を直列に接続した系統であり、この系統の消費電流はＩＨに等しい。他方の電流系統は、信号処理回路１４の系統であり、消費電流はＩＹに等しい。よって、磁気センサ全体の消費電流はＩＨ＋ＩＹに等しい。
このように、ホール素子３には必要量の駆動電流を流すとともに、基準電流回路６の消費電流ＩＸ３を加算することなく、全体の消費電流を削減した磁気センサを実現できる。

（第四実施形態）
図５は、本発明に係る磁気センサの第四実施形態を示す概念図である。
第四実施形態の磁気センサ５００は、第三実施形態の磁気センサ４００の基準電流回路６及び分流器９、そして信号処理回路１４に替わり、基準電流回路１６及び分流器２９、そして信号処理回路２４及びレベルシフタ７を備え、それらをホール素子３の電流系統上に配置した例である。基準電流回路１６及び分流器２９、そして信号処理回路２４及びレベルシフタ７の消費電流の和が、ホール素子３の駆動電流ＩＨより小さい場合に限る。
第三実施形態と構成要素が同じ箇所は、第三実施形態と同様の接続関係及び動作である。

ホール素子３の駆動電極３ａ及び３ｃのうち、３ｃには基準電流回路１６及び分流器２９、そして信号処理回路２４及びレベルシフタ７の正側の電源電極Ｖ１に接続される。
ホール素子３の出力信号は、レベルシフタ７を介して信号処理回路２４に入力される。

レベルシフタ７は、二つの入力電極と二つの出力電極を備え、入力される二つの電圧値の関係性を一定に保ちつつ、次段に接続される回路に最適な電圧レベルへ降圧する回路である。二つの入力電極にはホール素子３の出力電極３ｂと３ｄがそれぞれ電気的に接続され、二つの出力電極は、次段の信号処理回路２４の二つの入力電極に接続される。
信号処理回路２４は、レベルシフタ７を介して入力されるホール素子３の出力信号を所望の電気信号に変換するための回路であり、その役割は他の実施形態と同様である。

分流器２９は、基準電流回路１６及び信号処理回路２４、そしてレベルシフタ７で消費されなかったホール素子３の駆動電流ＩＨの一部を、電源電極ＶＳＳへ放出する役割を果たし、余分な電流を電源電極ＶＳＳへ放出する。
以上のように、電圧源１を基準とした磁気センサ５００において、主要な電流系統は１系統となるため、磁気センサ全体の消費電流はＩＨに等しい。

このように、ホール素子３には必要量の駆動電流を流すとともに、その他の主要な信号処理回路２４の消費電流を加算することなく、全体の消費電流を削減した磁気センサを実現できる。
図６は、前述の図５の電極Ｖ１に、電圧検出回路２５を接続した場合の例を示す概念図である。分流器２９の電流量を調節することにより、図５と同様の効果が得られる。

１ 電圧源
２ 定電流回路
３ ホール素子
４、１４、２４ 信号処理回路
５、１５、２５ 電圧検出回路
６、１６ 基準電流回路
７ レベルシフタ
９、１９、２９ 分流器

Claims (3)

1. 第一及び第二駆動電極と第一及び第二出力電極を有する磁電変換素子と、
   前記磁電変換素子の第一駆動電極に駆動電流を供給する定電流回路と、
   前記磁電変換素子の第一及び第二出力電極が接続され、所望の信号に変換し出力する信号処理回路と、
   基準電流を生成し、前記信号処理回路にＩ／Ｖ変換されたバイアス電圧を供給する基準電流回路と、
   前記基準電流回路と電気的な並列接続関係で駆動される分流器と、を備え、
   前記基準電流回路及び分流器の並列回路は、正側の電源電極が前記磁電変換素子の第二駆動電極に接続され、電圧源に対し、前記定電流回路及び前記磁電変換素子と電気的な直列接続関係で駆動され、
   前記信号処理回路は、前記電圧源によって駆動される
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 第一及び第二駆動電極と第一及び第二出力電極を有する磁電変換素子と、
   前記磁電変換素子の第一駆動電極に駆動電流を供給する定電流回路と、
   前記磁電変換素子の第一及び第二出力電極が接続され、前記磁電変換素子の出力信号の電圧レベルを変換して出力するレベルシフタと、
   入力された前記レベルシフタの出力信号を所望の信号に変換し出力する信号処理回路と、
   基準電流を生成し、前記信号処理回路にＩ／Ｖ変換されたバイアス電圧を供給する基準電流回路と、
   前記基準電流回路、前記レベルシフタ及び前記信号処理回路と電気的な並列接続関係で駆動される分流器と、を備え、
   前記基準電流回路、前記分流器、前記レベルシフタ及び前記信号処理回路は、正側の電源電極が前記磁電変換素子の第二駆動電極に接続され、
   前記基準電流回路、前記分流器、前記レベルシフタ及び前記信号処理回路の並列回路は、電圧源に対し、前記定電流回路及び前記磁電変換素子と電気的な直列接続関係で駆動される
   ことを特徴とする磁気センサ。
3. 前記基準電流回路、前記分流器、前記レベルシフタ及び前記信号処理回路と電気的な並列接続関係で駆動される電圧検出回路をさらに備える
   ことを特徴とする請求項２記載の磁気センサ。

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