KR101947836B1 - 자기 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 검출 전압 레벨을 설정하기 위하여 브리더 저항으로 구성된 검출 전압 설정 회로를 형성할 필요가 있어, 회로 구성이 복잡해진다. 또한, 홀 소자와 상기 검출 전압 설정 회로의 전원 계통이 별도로 되기 때문에, 그 영향에 의한 검출 전압 레벨의 오차가 발생하는 과제가 있다. 또한, 각 오프셋 성분을 제거하기 위하여 샘플 페이즈 2 회와 비교 페이즈 1 회의 합계 3 회의 신호 처리 기간이 필요해진다.
(해결 수단) 홀 소자의 각 단자와, 일단이 GND 에 접속되는 가변 저항의 타단을 4 개의 스위치로 전환하면서 접속할 수 있는 구성으로 한다. 이로써 소규모 회로에서, 자계 강도의 검출 전압 레벨을 임의로 설정할 수 있고, 또한 검출 전압 레벨은 저항비에 의해서만 결정되기 때문에, 전원 전압이나 제조 편차의 영향을 억제할 수 있다. 본 구성에서는 신호 처리가 단순화되어 고속화도 가능해진다.

Description

자기 센서 장치{MAGNETIC SENSOR DEVICE}
본 발명은, 자계 강도를 전기 신호로 변환시키는 자기 센서 장치에 관한 것이고, 예를 들어 폴더식 휴대 전화기나 노트 PC 등에 있어서의 개폐 상태 검지용 센서, 또는 모터의 회전 위치 검지 센서 등에 이용되는 자기 센서 장치에 관한 것이다.
폴더식 휴대 전화기나 노트 PC 등에 있어서의 개폐 상태 검지용 센서로서, 또한 모터의 회전 위치 검지 센서로서 자기 센서 장치가 사용되고 있다.
자기 센서 장치는, 자전 (磁電) 변환 소자 (예를 들어 홀 소자) 에 의해 자계 강도 또는 자속 밀도에 비례한 전압을 출력하고, 그 출력 전압을 증폭기로 증폭시키고, 비교기를 사용하여 판정하여, H 신호나 L 신호의 2 값으로 출력한다. 자전 변환 소자의 출력 전압은 미소하기 때문에, 자전 변환 소자가 갖는 오프셋 전압 (소자 오프셋 전압) 이나, 증폭기나 비교기가 갖는 오프셋 전압 (입력 오프셋 전압), 또는 변환 장치 내의 노이즈가 문제가 된다. 소자 오프셋 전압은, 주로 자전 변환 소자가 패키지로부터 받는 응력 등에 의해 발생한다. 입력 오프셋 전압은, 주로 증폭기의 입력 회로를 구성하는 소자의 특성 편차 등에 의해 발생한다. 노이즈는, 주로 회로를 구성하는 단체(單體) 트랜지스터가 갖는 플리커 잡음, 단체 트랜지스터나 저항 소자가 갖는 열 잡음에 의해 발생한다.
상기 서술한 자전 변환 소자나 증폭기가 갖는 오프셋 전압의 영향을 저감시키는 자기 센서 장치가 고안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 도 3 에 나타낸 종래의 자기 센서 장치는, 자전 변환 소자인 홀 소자 (51) 와, 스위치 전환 회로 (52) 와, 차동 증폭기 (53) 와, 비교기 (54) 와, 검출 전압 설정 회로 (55) 와, 제 1 용량 (C51) 및 제 2 용량 (C52) 과, 제 1 스위치 (S51) 및 제 2 스위치 (S52) 를 구비한다.
도 4 에, 종래의 자기 센서 장치의 동작의 타이밍 차트를 나타낸다. 검출 동작의 1 주기 (T) 는, 상기 서술한 스위치 전환 회로 (52) 의 동작에 의해, 홀 소자 (51) 의 제 1 단자쌍 (A-C) 에 전원 전압을 입력하고, 제 2 단자쌍 (B-D) 으로부터 검출 전압을 출력하는 제 1 검출 상태 (T1) 와, 제 2 단자쌍 (B-D) 에 전원 전압을 입력하고, 제 1 단자쌍 (A-C) 으로부터 검출 전압을 출력하는 제 2 검출 상태 (T2) 로 나뉘어 있다. 또한, 각 스위치의 개폐에 의해 제 1 샘플 페이즈 (F1), 제 2 샘플 페이즈 (F2), 비교 페이즈 (F3) 로 나뉘어 있다. 그리고, 비교 페이즈 (F3) 에 있어서 각 오프셋 성분이 제거된다.
일본 공개특허공보 2010-281801호
그러나, 종래의 자기 센서 장치에서는, 자계 강도의 검출 전압 레벨을 설정하기 위하여 브리더 저항으로 구성된 검출 전압 설정 회로 (55) 를 형성할 필요가 있어, 회로 구성이 복잡해진다. 또한, 홀 소자 (51) 와 검출 전압 설정 회로 (55) 의 전원 계통이 별도로 되기 때문에, 그 영향으로 인해 검출 전압 레벨 설정에 오차가 발생하는 과제가 있다. 또한, 상기 서술한 바와 같이 각 오프셋 성분을 제거하기 위하여 샘플 페이즈 2 회와 비교 페이즈 1 회의 합계 3 회의 신호 처리 기간이 필요해진다.
본 발명의 목적은, 홀 소자와 저항을 조합한 단순 회로 구성에 의해, 고정밀도로 검출 전압 레벨을 설정하며, 또한 고속으로 신호 처리를 실시하는 자기 센서 장치를 제공하는 것이다.
종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 자기 센서 장치는 이하와 같은 구성으로 하였다.
홀 소자의 각 단자와, 일단이 GND 에 접속되는 가변 저항의 타단을 4 개의 스위치로 전환하면서 접속할 수 있는 구성으로 한다.
본 발명의 자기 센서 장치에 의하면, 소규모 회로에서 자계 강도의 검출 전압 레벨을 임의로 설정할 수 있고, 검출 전압 레벨은 저항비에 의해서만 결정되어, 전원 전압이나 제조 편차의 영향을 받지 않는다. 스피닝 커런트에도 대응할 수 있기 때문에, 홀 소자 오프셋의 캔슬이 가능하다. 또한, 인가 자장의 극성에 상관없이 검출 전압을 설정할 수 있어, 극성 간에서의 검출 전압 편차도 억제할 수 있다. 또한, 본 구성에서는 신호 처리가 단순화되어 고속화도 가능해진다.
도 1 은, 본 실시형태의 자기 센서 장치를 나타내는 회로도이다.
도 2 는, 본 실시형태의 자기 센서 장치의 응용예의 회로도이다.
도 3 은, 종래의 자기 센서 장치의 회로도이다.
도 4 는, 종래의 자기 센서 장치의 타이밍 차트이다.
도 1 은 본 실시형태의 자기 센서 장치를 나타내는 회로도이다. 본 실시형태의 자기 센서 장치는, 저항 (R1 ∼ R4) 으로 이루어지는 등가 브릿지 회로로 나타내는 홀 소자 (1) 와, 가변 저항 (Ra) 과, 비교기 (2) 와, 스위치 (S1 ∼ S12) 로 구성된다.
가변 저항 (Ra) 은, 일단이 GND 에 접속되고, 타단이 홀 소자 (1) 의 단자 (V1 ∼ V4) 에 각각 스위치 (S9 ∼ S12) 를 개재하여 접속된다. 단자 (V1, V2) 는, 각각 스위치 (S1, S2) 를 개재하여 전원에, 스위치 (S5, S6) 를 개재하여 비교기 (2) 의 제 1 입력 단자에 접속된다. 단자 (V3, V4) 는 각각 스위치 (S3, S4) 를 개재하여 GND 에, 스위치 (S7, S8) 를 개재하여 비교기 (2) 의 제 2 입력 단자에 접속된다.
다음으로, 동작에 대하여 설명한다. 제 1 페이즈로서, 스위치 (S1, S3, S6, S8) 를 OFF 하고, 스위치 (S2, S4, S5, S7) 를 ON 으로 한다. 또한, 검지하는 자장의 극성에 맞추어 스위치 (S10) 나 스위치 (S12) 중 어느 쪽을 ON 하고, 다른 스위치를 OFF 로 한다.
예를 들어, 제 1 페이즈에 있어서 스위치 (S10) 를 ON 하고, 스위치 (S9, S11, S12) 를 OFF 하는 경우를 생각한다. 비교기 (2) 의 출력이 반전되는, 단자 (V1) 의 전압과 단자 (V3) 의 전압이 동등한 경우에는, 식 (1) 의 관계가 성립된다.
Ra ＝ R1×R3×R4/(R2×R4－R1×R3) … (1)
여기서, 자장이 없는 상태에 있어서 R1＝R2＝R3＝R4＝R, 어느 크기의 자장이 인가된 상태에서의 각 저항값의 변동량을 ΔR 로 두면, 상기 서술한 식 (1) 의 상태에서는 R1＝R－ΔR, R2＝R＋ΔR, R3＝R－ΔR, R4＝R＋ΔR 로 생각할 수 있다. 이들을 식 (1) 에 대입하면, 식 (2) 가 유도된다.
Ra ＝ R2×(1－ΔR/R－(ΔR/R)2＋(ΔR/R)3)/(4×ΔR) … (2)
ΔR 은 R 과 비교하여 충분히 작기 때문에 (ΔR/R) 의 2 차, 3 차의 항을 무시하면, 식 (3) 이 성립된다.
ΔR/R ≒ 1/(1＋4×Ra/R) … (3)
따라서 본 발명에서는, 전원 전압이나 제조 편차에 의존하지 않고, 저항비Ra/R 만으로 검출 전압을 결정할 수 있다. 결과적으로, 고정밀도의 검출 전압 레벨 설정을 실현시킬 수 있다.
또한, 제 2 페이즈로서, 스위치 (S1, S3, S6, S8) 가 ON 되고, 스위치 (S2, S4, S5, S7) 가 OFF 된 경우나, 인가되는 자장의 극성이 반대인 경우에도, 스위치 (S9 ∼ S12) 에서 ON 되는 스위치를 전환함으로써, 식 (3) 으로 나타내는 검출 전압 설정이 가능하다. 또한, 이것들로부터 알 수 있는 바와 같이, 홀 소자 이외에서 접속되는 가변 저항은 Ra 의 1 종류만이면 되고, 소자 간 편차의 요소가 잘 들어가지 않아, 검출 전압 레벨 편차가 적은 자기 센서 장치를 실현시킬 수 있다.
또한, 가변 저항 (Ra) 에 대해서는, 일단을 GND 가 아니라 VDD 에 접속시켜도 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명의 실시형태에서 나타낸 자기 센서 장치는, 비교기를 차동 증폭기로 바꿈으로써, 아날로그 신호를 출력하는 구성으로 할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 스피닝 커런트 (제 1, 제 2 페이즈에서 전류를 교차시켜 오프셋을 캔슬하는 수법) 도 문제없이 실시할 수 있다.
여기서, 종래의 자기 센서 장치와 같이 후단의 비교기에 관하여, 차동 증폭기, 용량, 스위치와 조합하면, 제 1 페이즈를 샘플 페이즈, 제 2 페이즈를 비교 페이즈로 하는 것이 가능해지기 때문에, 종래 오프셋을 제거하기 위하여 3 개의 신호 처리 페이즈가 필요하였던 것에 반해, 본 발명에서는 2 개의 페이즈로 신호 처리를 완결시킬 수 있다. 결과적으로, 신호 처리 기간의 단축화 (고속화) 를 실현시킬 수 있다.
도 2 에, 본 실시형태의 자기 센서 장치의 응용예의 회로도를 나타낸다. 도 1 과의 차이는, 가변 저항 (Ra) 을 가변 저항 (Rb) 과 가변 저항 (Rc) 으로 분할하여 구성한 것이다.
가변 저항 (Rb) 은, 일단이 GND 에 접속되고, 타단이 가변 저항 (Rc) 의 일단과 스위치 (S13) 를 개재하여 스위치 (S9 ∼ S12) 에 접속된다. 가변 저항 (Rc) 은, 타단이 스위치 (S9 ∼ S12) 와 접속된다.
검출 전압 설정시에는, 스위치 (S13) 를 ON 하여 가변 저항 (Rb) 을 선택하고, 해제 전압 설정시에는 스위치 (S13) 를 OFF 시켜 가변 저항 (Rb) 과 가변 저항 (Rc) 을 선택한다. 이와 같이 하여, 본 실시형태의 자기 센서 장치는, 검출 전압과 해제 전압에 히스테리시스를 설정하는 것이 가능해진다. 이 경우, 검출 전압 설정시 및 해제 전압 설정시에는,
ΔR/R ≒ 1/(1＋4×Rb/R) … (4)
ΔR/R ≒ 1/(1＋4×(Rb＋Rc)/R) … (5)
가 성립된다.
따라서, 본 실시형태의 자기 센서 장치에서는, 제 1 페이즈, 혹은 제 2 페이즈에 있어서 자계 강도의 검출 전압과 해제 전압에 히스테리시스를 설정하는 것이 가능하다.
도 1 의 실시형태와 동일하게, 본 실시형태에서 나타낸 자기 센서 장치는, 비교기를 차동 증폭기로 바꿈으로써, 아날로그 신호를 출력하는 구성으로 할 수도 있다.
또한, 스피닝 커런트 (제 1, 제 2 페이즈에서 전류를 교차시켜 오프셋을 캔슬하는 수법) 도 문제없이 실시할 수 있다.
그리고, 종래의 자기 센서 장치와 같이 후단의 비교기에 관하여, 차동 증폭기, 용량, 스위치와 조합하면 , 제 1 페이즈를 샘플 페이즈, 제 2 페이즈를 비교 페이즈로 하는 것이 가능해지기 때문에, 종래 오프셋을 제거하기 위하여 3 개의 신호 처리 페이즈가 필요하였던 것에 반해, 본 발명에서는 2 개의 페이즈로 신호 처리를 완결시킬 수 있다. 결과적으로, 신호 처리 기간의 단축화 (고속화) 를 실현시킬 수 있다.
본 발명의 자기 센서 장치는, 교번 검지 (예를 들어 모터의 회전 검지) 용도에 사용할 수도 있다. 교번 검지는 일방 (예를 들어 S 극) 의 극성만의 검지를 실시하는 상태로부터, 그 일방의 극성이 검지되면 타방 (N 극) 의 극성만의 검지를 실시하는 상태로 전환되는 자기 센서 장치이다.
1, 51 : 홀 소자
2, 54 : 비교기
52 : 스위치 전환 회로
53 : 차동 증폭기
55 : 검출 전압 설정 회로

Claims (3)

  1. 자전 변환 소자에 인가되는 자계 강도에 따라 출력을 실시하는 자기 센서 장치로서,
    각각 일단이 전원에 접속되는 제 1 스위치, 제 2 스위치와,
    각각 일단이 접지 전위에 접속되는 제 3 스위치, 제 4 스위치와,
    제 1 입력 단자, 제 2 입력 단자 및 출력 단자를 갖는 비교기와,
    각각 일단이 상기 비교기의 제 1 입력 단자에 접속되는 제 ５ 스위치, 제 6 스위치와,
    각각 일단이 상기 비교기의 제 2 입력 단자에 접속되는 제 7 스위치, 제 8 스위치와,
    일단이 접지 전위에 접속되는 가변 저항과,
    각각 일단이 상기 가변 저항의 타단에 접속되는 제 9 스위치, 제 10 스위치, 제 11 스위치, 제 12 스위치와,
    상기 자전 변환 소자의 등가 회로이고, 제 1 저항, 제 2 저항, 제 3 저항, 제 4 저항으로 구성되며, 상기 제 4 저항과 상기 제 1 저항의 접점이 각각 상기 제 1 스위치, 상기 제 5 스위치, 상기 제 10 스위치의 타단에 접속되고, 상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항의 접점이 각각 상기 제 2 스위치, 상기 제 6 스위치, 상기 제 9 스위치의 타단에 접속되며, 상기 제 2 저항과 상기 제 3 저항의 접점이 각각 상기 제 3 스위치, 상기 제 7 스위치, 상기 제 12 스위치의 타단에 접속되고, 상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항의 접점이 각각 상기 제 4 스위치, 상기 제 8 스위치, 상기 제 11 스위치의 타단에 접속되는 브릿지 회로를 구비하고,
    상기 가변 저항은, 적어도 제 1 가변 저항과 제 2 가변 저항으로 이루어지고, 상기 제 1 가변 저항과 상기 제 2 가변 저항의 접속점이, 제 13 스위치를 개재하여 상기 가변 저항의 타단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교기 대신에 차동 증폭기를 구비한 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
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