JPH10239410A - 増幅回路付き磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成でＩｎＳｂホール素子の温度特性
を補正し、良好な温度特性すなわち、小さな温度依存性
を持つ、高温になっても消費電流の増加しない、高性能
の増幅回路付き磁気センサを実現する。 【解決手段】 演算増幅回路５の増幅率をＩｎＳｂホー
ル素子４の内部抵抗と演算増幅回路５のフィードバック
抵抗６，７との比とすることにより、増幅後の出力の温
度依存性をゼロもしくは小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は近接スイッチや、電
流センサ、エンコーダ等のセンサとして用いられる、増
幅回路付き磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】増幅回路付き磁気センサは、ホール素子
をセンサに用いたホールＩＣが良く知られているが、従
来のホールＩＣは、Ｓｉの磁気センサ部と、Ｓｉの信号
処理ＩＣ部とからなる、ＳｉモノリシックホールＩＣが
一般的である。以下これをＳｉホールＩＣと呼ぶ。

【０００３】ＳｉホールＩＣは、その磁気センサ部であ
るホール素子がＳｉという、電子移動度が小さな素材で
構成されているために、磁気センサの磁界に対する感度
が低く、従ってホールＩＣとして動作させようとする
と、大きな磁界を加える必要があった。すなわち磁界に
対する感度が低いという欠点があった。

【０００４】またＳｉは外部より機械的応力を受ける
と、電圧を発生することが知られている。ＳｉホールＩ
Ｃは、使用時に外部からの応力により磁気センサ部のホ
ール素子に生ずるこの電圧によって、磁界に対する感度
が変化してしまうという欠点を有していた。

【０００５】このような欠点は、ＳｉホールＩＣを用い
て、高精度で高信頼性の近接スイッチや電流センサ、エ
ンコーダ等を製作しようとすると、問題となっていた。

【０００６】このため、正確な磁石の位置検出や磁界強
度の検出ができる、高感度でかつ外部応力によっても感
度が変化しない、安定な特性の増幅回路付き磁気センサ
が望まれていた。しかし、そのような磁気センサの実現
は、大きな困難が伴いこれまで実現されていなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、前述の
磁気センサの問題を解決した実用的な磁気センサを鋭意
研究した。

【０００８】磁気センサ部とＳｉＩＣの信号処理回路を
分離した構造で、磁気センサを構成することにより、高
感度で安定に動作する増幅回路付き磁気センサの製作を
狙った。

【０００９】高感度で安定な特性の増幅回路付き磁気セ
ンサを実現するためには、センサ部にＳｉホール素子よ
りも磁界での感度が大きく、また機械的外部応力が加わ
っても安定な磁気センサ出力が得られる、化合物半導体
薄膜からなる高感度磁気センサと、信号処理の回路とを
組み合わせた増幅回路付き磁気センサを検討した。

【００１０】しかし、問題は容易ではない。たとえば、
高感度磁気センサの好例であるＩｎＳｂ（インジウムア
ンチモン）薄膜を用いた磁気センサをセンサ部に用いよ
うとすると、温度によって、抵抗および磁気センサ出力
が指数関数的に大きく変化してしまうという欠点があ
り、従来のように、そのまま信号処理の回路と組み合わ
せると、増幅回路付き磁気センサの出力が温度によって
大きく変化してしまうという問題があった。更に、その
変化が直線的ではなく指数関数的であるため、信号処理
回路で温度補正しようとしても、回路単独では、温度補
正は極めて難しいという問題があった。

【００１１】一方、ＩｎＳｂホール素子は、定電圧駆動
を行えばその磁気感度の温度特性は、良好な特性を示す
ことが知られており、例えば図２に示すように、ＩｎＳ
ｂホール素子を定電圧駆動する回路構成にして、増幅回
路付き磁気センサを実現すれば、その磁気特性の温度変
化は小さくできることは分かっていた。図２中、１は＋
側電圧電源、２は−側電圧電源、４はＩｎＳｂホール素
子、５は演算増幅回路、６および７はフィードバック抵
抗（Ｒｆ）、８は増幅後出力信号、９，１０は入力抵
抗、１７は定電圧電源である。

【００１２】しかし、前述したようにＩｎＳｂの抵抗は
指数関数的に変化し、高温になるほど小さくなるため、
定電圧駆動をした場合高温側で消費電流が大幅に増加
し、室温に比べて高温の領域では、実用的な使用ができ
なくなるという問題があるため、ＩｎＳｂを定電圧駆動
する増幅回路付き磁気センサは実現不可能であった。

【００１３】ＩｎＳｂホール素子の消費電流を高温側で
増加させないためには、例えば図３に示すように、ホー
ル素子４の駆動回路を定電流電源３で定電流駆動するこ
と、あるいはそれに近い駆動方法で駆動することが有効
である。ところが、ＩｎＳｂホール素子の定電流感度は
温度により指数関数的に大きく変化してしまい、増幅回
路付き磁気センサとしての感度も温度により指数関数的
に大きく変化してしまう。このことが定電流駆動を前提
にした増幅回路付き磁気センサを作ろうとすると、大き
な問題となっていた。

【００１４】本発明は、このような問題を解決するため
に、例えばＩｎＳｂホール素子のような高感度で機械的
応力に対して安定な磁気センサの温度特性を簡単な構成
で補正し、良好な温度特性即ち、小さな温度依存性を持
つ、高温になっても消費電流の増加しない、高性能の増
幅回路付き磁気センサを実現することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】ＩｎＳｂホール素子の内
部抵抗は、感度と同様に、温度により指数関数的に大き
く変化する事が知られている。本発明者らは、このＩｎ
Ｓｂホール素子の内部抵抗の大きな温度依存性が、増幅
後の磁気センサ出力の温度依存性を少なくすることに利
用できるという新たな発見をした。すなわち、温度依存
性の少ない出力の得られる増幅回路付き磁気センサの製
作ができることを見いだした。その結果、化合物半導体
薄膜からなる磁気センサ部と、該磁気センサ部で電気的
出力として検出した磁気信号を増幅する演算増幅回路を
有する信号処理回路とを備え、前記演算増幅回路の入力
端に前記磁気センサ部の出力端を直結して、当該演算増
幅回路の増幅率を前記磁気センサ部の内部抵抗と当該演
算増幅回路のフィードバック抵抗との比とすることを特
徴とする、増幅回路付き磁気センサの発明に至った。

【００１６】本発明の増幅回路付き磁気センサに使われ
る磁気センサは、例えばＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ（インジウ
ム・ヒ素）、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）、ＩｎＧａＡ
ｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）等の化合物半導体薄
膜から成り、ホール効果や磁気抵抗効果を利用した磁気
センサであれば良く、ホール素子や磁気抵抗素子、もし
くはそれらを組み合わせた磁気センサは特に好ましい。

【００１７】さらに、本発明の増幅回路付き磁気センサ
の信号処理回路は、一般に、微小な構造で製作された回
路であれば良く、Ｓｉ基板上に集積化された回路は好ま
しく、回路を構成する素子は、ＭＯＳ構造を有していて
も、バイポーラ構造を有していても、さらにそれらを混
合した回路でも良い。また、信号処理の機能が実現でき
ていれば、ＧａＡｓ基板上に集積化されて製作された回
路も好ましく、さらに、小型化されて製作されたセラミ
ック基板上のマイクロ構造の回路等も好ましい。

【００１８】本発明の増幅回路付き磁気センサは、磁気
センサ出力の温度依存性の大きい例えばＩｎＳｂ薄膜ホ
ール素子を磁気センサ部に使うにもかかわらず、増幅回
路付き磁気センサの出力は、温度依存性は、ゼロもしく
は極めて少なくできる特徴を有する。この結果、従来の
増幅回路付き磁気センサでは不可能であった、高感度と
外部ひずみに対する安定性、磁気センサ出力の極めて小
さい温度依存性を実現した。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００２０】（第１の実施形態）図１に本発明の代表的
な実施形態を示す。

【００２１】図１は、本発明の第１の１実施形態を示す
もので、出力信号の温度依存性をゼロもしくは極めて小
さくするための、信号処理回路の一例を示すものであ
る。図１において、１は＋側電圧電源、２は−側電圧電
源、３は定電流電源、４はＩｎＳｂホール素子、５は演
算増幅回路、６，７はフィードバック抵抗（Ｒｆ）、８
は増幅後出力信号である。

【００２２】図１に示すように、定電流電源３はＩｎＳ
ｂホール素子４を定電流駆動する。またＩｎＳｂホール
素子４の内部抵抗（出力抵抗）を演算増幅回路５の入力
抵抗としており、演算増幅回路５の増幅率Ａがこの入力
抵抗とフィードバック抵抗Ｒｆとの比となるよう構成さ
れている。このようにすると、演算増幅回路５の増幅後
出力信号Ｖｏは、定電流駆動のホール素子４の出力電圧
をＶｉ、増幅回路５の増幅率をＡとすると、

【００２３】

【数１】 Ｖｏ＝Ａ・Ｖｉ ・・・（１） で表される。増幅率Ａは、ホール素子の出力抵抗の半分
をＲ_HIとすると、

【００２４】

【数２】 Ａ＝Ｒｆ／Ｒｈｉ ・・・（２） で表されるが、一般的にＲｈｉの温度依存性は、

【００２５】

【数３】 Ｒｈｉ＝Ｋ１・ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ） ・・・（３） と表されるので、

【００２６】

【数４】 Ａ＝Ｒｆ／（Ｋ１・ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ）） ・・・（４） となる。

【００２７】一方Ｖｉの温度依存性は、やはり

【００２８】

【数５】 Ｖｉ＝ｋ２・ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ） ・・・（５） と表されるので、結局Ｖｏは、式（１）に（４）および
（５）を代入し、増幅後出力信号Ｖｏの温度依存性を求
めると、

【００２９】

【数６】 Ｖｏ＝（Ｒｆ／（Ｋ１・ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ））・Ｋ２・ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ） ＝Ｒｆ・Ｋ２／Ｋ１ ・・・（６） となり、指数関数的な変化をキャンセルすることができ
る。この結果、増幅後出力信号Ｖｏは温度によらなくな
り、その後の処理によらず安定な出力信号が得られるこ
とになる。

【００３０】なお、Ｔは温度、Ｋ１，Ｋ２，Ｂは定数で
ある。

【００３１】（第２の実施形態）図４に図１の構成を、
単電源（＋側電圧電源１）で簡単に実現するように変更
した回路構成例を示す。ＩｎＳｂホール素子４は２つの
駆動用抵抗１１，１２を介して＋側電圧電源１によって
駆動し、演算増幅器５は、＋側電源端子に＋側電圧電源
１の＋端子を接続し、−側電源端子に＋側電圧電源１の
＋端子を接続し、出力端と反転入力端とにフィードバッ
ク抵抗６を接続してある。出力信号の温度依存性は、第
１の実施形態とほぼ同等になる。

【００３２】（第３の実施形態）図５に図４の実施形態
で増幅出力した信号をディジタル処理する回路を、図４
の構成の次段に接続し、ディジタル信号出力する回路構
成にした例を示す。図５において、１３はディジタル変
換回路、１４は出力トランジスタ、１５は負荷抵抗、１
６はディジタル出力電圧（Ｖｄ０）である。

【００３３】図６は、ディジタル変換後の出力電圧（Ｖ
ｄ０）とホール素子への印加磁束密度との関係を示す図
であって、出力電圧がＨｉｇｈからＬｏｗへ変化する磁
束密度を動作磁束密度（Ｂｏｐ）と呼び、逆にＬｏｗか
らＨｉｇｈへ変化する磁束密度を復帰磁束密度（Ｂｒ
ｐ）と呼ぶ。

【００３４】（第４の実施形態）図７に第２の実施形態
と同様に＋側電圧電源１のみを用いた単電源タイプであ
り、アナログ増幅回路部とディジタル増幅回路部が一体
化された信号処理回路を有する増幅回路付き磁気センサ
の実施形態を示す。この実施形態は、演算増幅回路５の
出力端と非反転入力端とにディジタル信号処理フィード
バック抵抗１９を接続したものであって、演算増幅回路
５は非反転入力端の電圧が反転入力端の電圧より高けれ
ば出力電圧は極大となり、逆の場合は出力電圧は極小と
なるのでコンパレータとして動作し、ディジタル変換を
行うことができる。

【００３５】図７に示す実施形態によれば、第３の実施
形態に示す回路構成よりも、簡単で単純な回路構成で、
同じ温度依存性の出力信号を得ることができる。

【００３６】（第５の実施形態）さらに、図１３に示す
ように、演算増幅回路５をコンパレータとして動作さ
せ、その非反転入力端および反転入力端にＩｎＳｂホー
ル素子４を直結し、さらに非反転入力端に演算増幅回路
５内のフィードバック抵抗Ｒｆに反比例する電流をフィ
ードバックする構成にすると、ホール素子駆動用抵抗や
ホール素子の内部抵抗のばらつきによる、中点電位の変
動の影響を受けないようにすることができる（例えばホ
ール素子駆動用抵抗１１および１２のいずれか一方を省
略することができる）。

【００３７】

【実施例】

（実施例１）図８にＩｎＳｂホール素子を３ｍＡの定電
流で駆動し、かつ、２００Ｇａｕｓｓの磁束密度が印加
された時の出力信号を、図３の一般的増幅回路で増幅し
た場合の、増幅後の出力信号電圧の温度依存性と、図１
の本発明の増幅回路で増幅した場合の、増幅後の出力信
号電圧の温度依存性を、比較した結果をグラフに示す。

【００３８】（実施例２）図９にＩｎＳｂホール素子を
１Ｖの定電圧で駆動し、２００Ｇａｕｓｓの磁束密度が
印加された時の出力信号を、図２の一般的増幅回路で増
幅した場合の、増幅後の出力信号電圧の温度依存性と、
図１の本発明の増幅回路で増幅した場合の、増幅後の出
力信号電圧の温度依存性を、比較した結果をグラフに示
す。

【００３９】図８，図９から明らかなように、本発明の
増幅回路を用いると、ほとんど温度依存性が無い出力信
号電圧を得ることができる。

【００４０】（実施例３）図１０にＩｎＳｂホール素子
を１Ｖの定電圧で駆動し、図２の一般的増幅回路で増幅
した場合の、消費電流の温度依存性と、図１の本発明の
増幅回路で増幅した場合の、消費電流の温度依存性を比
較した結果をグラフに示す。本発明の増幅回路を用いた
場合、高温での消費電流が大幅に抑えられる。

【００４１】（実施例４）図１１に図４の本発明増幅回
路の出力信号電圧の温度依存性をグラフにして示す。比
較のために、図１４に示す単電源を用いた増幅回路の出
力信号電圧の温度依存性を併せて示した。図４の増幅回
路によっても図１の増幅回路と同等の温度依存性が得ら
れていることがわかる。

【００４２】（実施例５）図１２に図５および図７の増
幅回路のディジタル信号処理後の動作磁束密度の温度依
存性と、図１５に示す比較のための増幅回路を用いてデ
ィジタル信号処理を行った場合の動作磁束密度の温度依
存性を、比較してグラフに示す。

【００４３】図１２から明らかなように、本発明のディ
ジタル出力回路を用いれば、ほとんど温度依存性の無い
動作磁束密度を得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高感度で機械的応力に対して安定な磁気センサの温度特
性を簡単な構成で補正し、良好な温度特性すなわち、小
さな温度依存性を持つ、高温になっても消費電流の増加
しない、高性能の増幅回路付き磁気センサを実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路である。

【図２】ＩｎＳｂホール素子を定電流で駆動する場合の
一般的な増幅回路を示す図である。

【図３】ＩｎＳｂホール素子を定電圧で駆動する場合の
一般的な増幅回路を示す図である。

【図４】第２の実施形態を示す回路図である。

【図５】本発明の第３の実施形態を示す回路図である。

【図６】ディジタル変換後の出力電圧と印加磁束密度と
の関係を示す図である。

【図７】本発明の第４の実施形態を示す回路図である。

【図８】ＩｎＳｂホール素子を３ｍＡの定電流で駆動
し、２００Ｇａｕｓｓの磁束密度が印加された時の出力
信号を、図３の一般的増幅回路で増幅した場合の、増幅
後の出力信号電圧の温度依存性と、図１の本発明の増幅
回路で増幅した場合の、増幅後の出力信号電圧の温度依
存性を、比較した結果のグラフを示す図である。

【図９】ＩｎＳｂホール素子を１Ｖの定電圧で駆動し、
２００Ｇａｕｓｓの磁束密度が印加された時の出力信号
を、図２の一般的増幅回路で増幅した場合の、増幅後の
出力信号電圧の温度依存性と、図１の本発明の増幅回路
で増幅した場合の、増幅後の出力信号電圧の温度依存性
を、比較した結果のグラフを示す図である。

【図１０】ＩｎＳｂホール素子を１Ｖの定電圧で駆動
し、図２の一般的増幅回路で増幅した場合の、消費電流
の温度依存性と、図１の本発明の増幅回路で増幅した場
合の、消費電流の温度依存性を、比較した結果のグラフ
を示す図である。

【図１１】図４の本発明増幅回路の出力信号電圧の温度
依存性のグラフを示す図である。

【図１２】図５および図７の本発明の増幅回路のディジ
タル信号処理後の動作磁束密度の温度依存性と、図１５
の増幅回路を用いてディジタル信号処理を行った場合の
動作磁束密度の温度依存性を、比較した結果のグラフを
示す図である。

【図１３】本発明の第５の実施形態を示す回路図であ
る。

【図１４】単電源を用いた増幅回路を示す図である。

【図１５】アナログ増幅処理後にディジタル信号処理を
行う増幅回路を示す図である。

【符号の説明】

１ ＋側電圧電源Ｖｃｃ ２ −側電圧電源Ｖｅｅ ３ ホール素子駆動用定電流電源 ４ ＩｎＳｂホール素子 ５ 演算増幅回路 ６，７ フィードバック抵抗 ８ 増幅後出力信号 ９，１０ 入力抵抗 １１，１２ ホール素子駆動用抵抗 １３ ディジタル変換回路 １４ 出力トランジスタ １５ 負荷抵抗 １６，１８ ディジタル出力電圧 １７ 低電圧電源 １９ ディジタル信号処理フィードバック抵抗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化合物半導体薄膜からなる磁気センサ部
   と、該磁気センサ部で電気的出力として検出した磁気信
   号を増幅する演算増幅回路を有する信号処理回路とを備
   え、前記演算増幅回路の入力端に前記磁気センサ部の出
   力端を直結して、当該演算増幅回路の増幅率を前記磁気
   センサ部の内部抵抗と当該演算増幅回路のフィードバッ
   ク抵抗との比とすることを特徴とする増幅回路付き磁気
   センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記信号処理回路は、前記演算増幅回路を単電源で駆動
   し、当該演算増幅回路の一方入力端に前記磁気センサの
   出力を供給し、当該演算増幅回路の他方入力端に前記フ
   ィードバック抵抗を結合することによって、前記磁気信
   号をディジタル変換することを特徴とする増幅回路付き
   磁気センサ。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記演算増幅回路の入力端に前記フィードバック抵抗の
   代りに当該フィードバック抵抗に反比例する電流をフィ
   ードバックすることを特徴とする増幅回路付き磁気セン
   サ。