JP6431378B2

JP6431378B2 - ホール素子センサおよびその動作方法

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Publication number: JP6431378B2
Application number: JP2015001918A
Authority: JP
Inventors: 信幸新地; 慈明篠原
Original assignee: Kohshin Electric Corp
Current assignee: Kohshin Electric Corp
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: JP2016125969A

Description

本発明は電流センサおよびその動作方法に関し、特にＩＣチップ（即ち、シリコンウ
エハ上）にＩＣ技術により形成されたシリコンホール素子（以下、単に「ホール素子」と
いう）を使用して磁界または導体に流れる電流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。

新型の車両、例えば乗用車等では、バックミラーの開閉、ドアの開閉、ロック等の制御
を電気的に行うのが一般的である。すなわち、コントローラ（例えば、マイクロプロセッ
サ）の制御下で、多数の電気モーターやソレノイドに駆動電流を流して上述の動作を行う
。その際に、制御信号により被制御体に駆動電流が流れて所期の動作が実際に行われたか
否かをコントローラにフィードバックして確認する必要がある。この目的で被制御体であ
る導体に流れる駆動電流を検出するために、最近の車両等においては多数のホール素子セ
ンサが使用される。

一般に、ホール素子センサは、ＩＣ技術により小型且つ安価に製造可能である。周知の
ように、ホール素子は、電流が流れている半導体（または導体）に電流と直角に磁界を加
えると、これら電流および磁界と直角方向に電圧（電位差）が生じるホール効果を利用す
るセンサである。電流が流れる導体の周囲には、それを流れる電流に対応する磁界が生じ
るので、この磁界中にホール素子を配置することにより導体中を流れる電流が検知可能で
ある。

一般に、シリコンホール素子は、ＩＣチップ上に小型且つ安価に製造または搭載可能で
あるが、感度が低く且つそれを使用するブリッジ回路にオフセットが生じる。このオフセ
ットを除去または抑圧するために、後述するスピニングカレント等の技術が提案されてい
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、その出力を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を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）。

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

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ヘ流し、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、そして電圧出力を増幅する差動増幅器を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ＡＭＰの入力端子に順次接続する動作を反復する。そして、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。

図５は、図４に示すホール素子センサのスピニングカレント動作を説明するタイミングチ
ャートである。図５（Ａ）は右回転（正または時計方向回転）のためのタイミングチャー
トであり、図５（Ｂ）は逆回転（左または反時計方向回転）のためのタイミングチャート
である。図中、スイッチＳ１〜Ｓ４は、ハイ（高）レベル期間にＯＮ状態であり、ロー（
低）レベル期間中はＯＦＦである。

図５（Ａ）に示す右回転期間中には、動作状態は０°→９０°→１８０°→２７０°の
動作を反復する。一方、図５（Ｂ）に示す逆回転期間中には、動作状態０°→２７０°→
１８０°→９０°の順序で反復動作する。

次に、図６は、上述した４つの動作状態０°ないし２７０°を切り替えて動作した場合
にホール素子から得られる出力信号電圧Ｖoutの一例を示す。図６（Ａ）は、上述した右
回転時に得られる出力電圧を示す。他方、図６（Ｂ）は、逆回転時にホール素子から得ら
れる出力電圧の一例を示す。これら図６（Ａ）および（Ｂ）を対比すれば明らかなように
、右回転時には動作状態の切り替え時に正のスパイク電圧が生じ、逆回転時は負のスパイ
ク電圧が生じる。

従来技術においては、サンプルホールド回路等の付加回路を使用するか、またはスピニ
ングカレントを、例えば、右回転した後に逆回転させている。その結果、正回転時の正の
スパイク電圧を逆回転時の負のスパイク電圧により時間平均して抑圧または軽減している
。しかし、小型軽量で安価なホール素子センサをＩＣ技術で実現するには、サンプルホー
ルド回路や大きな容量のフィルタキャパシタを使用することができない。また、スピニン
グカレントによる時間平均化では、上述したスパイク電圧によるオフセットを十分に抑圧
または軽減できず、ホール素子センサから高精度の検出出力を得ることができないという
課題があった。

本発明のホール素子センサの動作方法は、それぞれ対角位置に２対の端子が設けられ、
４つの動作状態（０°、９０°、１８０°および２７０°）を有するホール素子センサの
動作状態をスイッチの切り替えにより選択するホール素子センサの動作方法であって、ス
イッチを４つの動作状態のうち選択した第１の動作状態からそれに隣接する第２の動作状
態に切り替えた後、第１の動作状態へ戻すように切り替え、その後に他の動作状態につい
て同様の切り替え動作を繰り返すことを特徴とする。
また、上述したスイッチの切り替えは、第１の動作状態に対し右（または左）に隣接す
る第２の動作状態に切り替えた後、第１の動作状態へ戻し、継続して第１の動作状態に対
し左（または右）に隣接する第３の動作状態へ切り替えた後、第１の動作状態へ戻すこと
を特徴とする。
さらに、第１の動作状態へ戻した後、第１の動作状態と対向する第４の動作状態へ切り
替え、上述と同様の切り替え動作を繰り返すことを特徴とする。

本発明のホール素子センサは、それぞれ対角位置に２対の端子を有するホール素子と、
このホール素子の選択された１対の端子に電流を流す電流源と、ホール素子の２対の端子
のうち選択された１対の端子に選択された方向に電流源の電流を流すスイッチと、このス
イッチを制御してホール素子の４つの動作状態（０°、９０°、１８０°および２７０°
）を選択する制御手段とを備えるホール素子センサであって、制御手段は、ホール素子セ
ンサを第１の動作状態から隣接する第２の動作状態へ切り替え、継続して第１の動作状態
へ戻すことを特徴とする。
また、上述したホール素子センサは、電流源が接続されなかったホール素子の他の端子
対に接続され、ホール素子の検出電圧を増幅する差動増幅器を備えている。

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、ホール素子の４つの動作状態
のうちの１つの動作状態から隣の動作状態へ切り替え後に、元の動作状態へ戻すので、動
作状態の切り替え毎に発生するスパイク電圧の極性を、正負反転させるので、嵩張るサン
プルホールド回路や大容量のフィルタキャパシタ等の付加回路または回路素子を使用する
ことなく、ホール素子センサが出力するスパイク電圧の影響を効果的に相殺または抑圧可能である。その結果、ホール素子センサをＩＣ技術により小型軽量且つ安価に実現可能にするという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スイッチの説明図である。図４に示すホール素子センサを使用する従来のスピニングカレント動作を行うためのスイッチ制御信号のタイミングチャートを示し、（Ａ）は右回転動作、（Ｂ）は左回転動作のスイッチ制御信号および動作状態を示す。スピニングカレントによる動作状態の変化およびホール素子の検出出力の一例を示し、（Ａ）は右回転時、（Ｂ）は左回転時の例である。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り、（ａ）は動作状態の変化、（ｂ）はホール素子の検出出力の一例、（ｃ）は時刻（タイミング）を示す。図７に示すホール素子センサの動作方法の説明図であり、（ａ）は動作状態の変化、（ｂ）〜（ｅ）はスイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦ制御信号、（ｆ）は時刻（タイミング）を示す。本発明によるホール素子センサの構成を示すブロック図である。

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、ホール素子の２対の端子を、切り替え制御して４つの動作状態（すなわち、
０°、９０°、１８０°および２７０°）から選択した第１の動作状態（例えば、動作状
態０°）から隣の第２の動作状態（動作状態９０°または２７０°）に切り替えの後（す
なわち、継続して）に元の動作状態（この場合には、動作状態０°）に戻すように切り替
え動作を行うことを特徴とする。これにより、１つの動作状態から隣の動作状態へ切り替
えた際に生じる正（または負）のスパイク電圧を、次の切り替え動作による負（または正
）のスパイク電圧により直ちに且つ効果的に相殺または抑圧することが可能である。

図７は、本発明によるホール素子センサの好適な動作方法を説明するタイミングチャー
トである。同図には、最上部（ａ）に動作状態、中間部（ｂ）にホール素子センサから得
られる出力電圧Ｖoutおよび最下部（ｃ）に時刻またはタイミングを示す。

図７に示す最適実施形態では、時刻ｔ０に動作状態０°、時刻ｔ1に動作状態９０°、
ｔ2に動作状態０°、時刻ｔ3に動作状態２７０°、時刻ｔ4に動作状態０°、時刻ｔ5に動
作状態１８０°、時刻ｔ6に動作状態２７０°、時刻ｔ7に動作状態１８０°、時刻ｔ8に
動作状態９０°、時刻ｔ9に動作状態１８０°、そして時刻ｔ10に動作状態０°にする。

上述した動作状態の切り替え動作によると、時刻t0―ｔ2間に、動作状態０°から隣の
動作状態９０°へ切り替え、その直後に最初の動作状態０°へ戻している。また、時刻ｔ
2−ｔ4間には、動作状態０°から隣の動作状態２７０°へ切り替えた直後に元の動作状態
０°へ戻している。また、時刻ｔ5−ｔ7間には、動作状態１８０°から隣の動作状態２７
０°へ切り替えた直後に元の動作状態１８０°に戻している。時刻ｔ7−ｔ9間には、動作
状態１８０°から隣の動作状態９０°へ切り替えた直後に元の動作状態１８０°に戻して
いることに注目されたい。

上述したホール素子センサの切り替え動作によると、図７の中間部に示すように、ホー
ル素子の出力電圧Ｖoutには、それぞれの動作状態における出力電圧が得られる。また、
動作状態切り替え時刻である時刻ｔ1、ｔ4、ｔ6およびｔ9に正のスパイク電圧が発生し、
他方時刻ｔ0、ｔ2、ｔ3、ｔ7およびｔ8には、負のスパイク電圧が発生する。

また、図７に示すホール素子センサの動作状態の切り替えによると、正のスパイク電圧
は、実質的にその後の負のスパイク電圧により相殺または抑圧される。従って、動作状態
の切り替えにより発生する電圧パルスの影響は除去または大幅に軽減可能であることに注
目されたい。

なお、図７において、動作状態０°から１８０°への切り替え時刻ｔ5および動作状態
１８０°から０°への切り替え時刻ｔ10では、ホール素子センサの出力電圧には、実質的
に電圧パルスが発生しないことに注目されたい。その理由は、差動増幅器（ＡＭＰ）の両
入力端子に同位相のスパイク電圧が入力されるので、これらが相殺され、（ＣＭＲＲ：同
相信号除去比の大きい）ＡＭＰの出力端子からはスパイク電圧が発生しないためである。

また、動作状態０°→２７０°→０°→９０°→１８０°→９０°→１８０°→２７０
°→１８０°→０°の順序で切り替え制御しても良い。さらにまた、２７０°→０°→２
７０°→１８０°→２７０°→９０°→１８０°→９０°→０°→９０°の順序で切り替
え制御することも可能である。

上述のような動作状態の切り替え制御は、１つの動作状態から隣の動作状態へ切り替え
の直後または継続して最初の動作状態へ戻す動作を含んでいる。従って、正のスパイク電
圧の後で負のスパイク電圧が生じることにより電圧スパイクの影響を直ちに相殺または抑
圧することを可能にする。

次に、図８は、ホール素子センサが上述した図７に示す動作をするための切り替えスイ
ッチ（例えば、図４に示すスイッチＳ１―Ｓ４）の切り替え制御を説明するタイミングチ
ャートである。

図８（ａ）には動作状態、（ｂ）〜（ｅ）にはスイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦ動作
、そして（ｆ）には時刻（タイミング）を示す。

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、ホール素子の動作状態は、必ずしも上述した動作状態０°から始まる必要はない。上
述とは逆の順序で動作状態を切り替えても良い。また、任意の動作状態から隣の動作状態
へ切り替え、その後に元の動作状態へ戻るように、任意の動作状態から開始する切り替え
動作が選択可能である。

次に、図９は、本発明によるホール素子センサの基本構成を示すブロック図である。本
発明のホール素子センサは、ホール素子１０、電流源１２、スイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２）
１４、１６、コントローラ１８および差動増幅器２０により構成される。

ホール素子１０は、半導体チップに形成または搭載されるシリコンホール素子である。
電流源１２は、ホール素子１０の選択された対角位置にある１対の端子に選択的且つ選択
された方向に所定電流を流す定電流源である。スイッチ１４、１６は、好ましくはＭＯＳ
半導体により構成される電子スイッチである。コントローラ１８は、ホール素子１０の上
述した２対の端子のうち選択した端子対に選択方向に電流を流すようにスイッチ１４、１
６を制御する制御手段であり、内部クロックの制御下で動作して、図８を参照して上述し
たようなスイッチ制御信号、すなわち４つの動作状態から選択した１つの（最初の）動作
状態から隣の動作状態に切り替えた直後に最初の動作状態へ戻す動作を含むスイッチ制御
信号を生成して出力するロジック回路またはマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）である。差動
増幅器（ＡＭＰ）２０は、ホール素子の１対の端子から出力される検出出力を増幅する十
分高いＣＭＲＲを有する増幅器である。

以上、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詳
述した。しかし、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能であること、当
業者には容易に理解できよう。例えば、上述の説明は１個のホール素子センサについて説
明したが、複数のセンサ素子を共通の制御回路により選択的に制御しても良い。また、電
流源を所定の電流を流す電圧源に代えても良い。

本発明によるホール素子センサおよびその動作方法は、嵩張るサンプルホールド回路等
を使用することなく、ＩＣ技術により小型且つ安価に製造可能であるので、多数のセンサ
を必要とする車両の電動動作する付属機器に流れる電流を検出するための電流センサ等を
含む広範囲の利用が可能である。

１０、Ｈホール素子
１２電流源
１４、１６スイッチ
１８コントローラ（制御手段）
２０、ＡＭＰ差動増幅器

Claims

それぞれ対角位置に２対の端子が設けられ、４つの動作状態（０°、９０°、１８０°
および２７０°）を有するホール素子センサの動作状態をスイッチの切り替えにより選択
するホール素子センサの動作方法において、
前記スイッチを前記４つの動作状態のうち選択した第１の動作状態からそれに隣接する
第２の動作状態に切り替えた後、前記第１の動作状態へ戻すように切り替え、その後に他
の動作状態について同様の動作を繰り返すことを特徴とするホール素子センサの動作方法
。
前記スイッチの切り替えは、前記第１動作状態に対して右（または左）に隣接する第２
の動作状態に切り替えた後、前記第１の動作状態へ戻し、継続して前記第１の動作状態に
対して左（または右）に隣接する第３の動作状態へ切り替えた後、前記第１の動作状態へ
戻す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。
前記第１の動作状態へ戻した後、前記第１の動作状態と対向する第４の動作状態に切り
替え、同様の切り替え動作を繰り返すことを特徴とする請求項２に記載のホール素子セン
サの動作方法。
それぞれ対角位置に２対の端子を有するホール素子と、該ホール素子の選択された１対
の端子に電流を流す電流源と、前記ホール素子の２対の端子のうち選択された１対の端子
に選択された方向に前記電流源の電流を流すスイッチと、該スイッチを制御してホール素
子の４つの動作状態（０°、９０°、１８０°および２７０°）を選択する制御手段とを
備えるホール素子センサにおいて、
前記制御手段は、前記ホール素子センサを第１の動作状態から隣接する第２の動作状態へ切り替え、継続して前記第１の動作状態へ戻すことを特徴とするホール素子センサ。
前記電流源が接続されなかった前記ホール素子の他の端子対に接続され、前記ホール素
子の検出電圧を増幅する差動増幅器を備えることを特徴とする請求項４に記載のホール素
子センサ。