KR102108778B1 - 센서 장치 - Google Patents

Abstract

센서 장치에 있어서의 센서 소자, 차동 증폭기, 증폭기의 각 오프셋 전압의 영향을 제거하여, 물리량을 고정밀도로 검출함과 함께 고속의 응답이 가능한 센서 장치를 제공한다. 센서 소자의 제 1 단자쌍 및 제 2 단자쌍이 접속되고, 그 단자쌍을 전환 제어하고, 신호 전압을 출력하는 스위치 회로와, 스위치 회로의 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자가 각각 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자에 접속되고, 신호 전압을 차동 증폭시킨 결과를 출력하는 차동 증폭기와, 2 개 이상의 차동 입력쌍을 갖고, 1 개의 차동 입력쌍에는 차동 증폭기로부터 출력된 차동 신호가 입력되고, 적어도 1 개의 차동 입력쌍에는 검출하는 물리량에 따른 기준 신호가 입력되는 증폭기와, 증폭기에 기준 신호를 출력하는 검출 전압 설정 회로를 구비하고, 스위치 회로의 전환에 의해 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태를 갖고, 각 1 회의 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태에 의해 검출을 실시한다.

Description

센서 장치{SENSOR DEVICE}

본 발명은, 물리량을 검지하고, 검지한 물리량, 예를 들어 자계의 강도를 전기 신호로 변환하는 센서 장치에 관한 것이다.

휴대 전화기나 노트 PC 등에 있어서의 개폐 상태 검지용 센서로서, 또 모터 등의 회전 위치 검지 센서로서 자기 센서 장치가 사용되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

종래의 자기 센서 장치의 회로도를 도 18 에 나타낸다. 종래의 자기 센서 장치는, 자전 변환 소자 (예를 들어 홀 소자) 에 의해 자계 강도 (또는 자속 밀도) 에 따른 (일반적으로는 대략 비례한) 전압을 출력하여, 그 출력 전압을 증폭기로 증폭시키고, 비교기를 사용하여 소정의 자계 강도 또는 자속 밀도보다 큰지 작은지를 판정한다 (H 신호나 L 신호의 2 치로 출력한다).

상기의 자전 변환 소자의 출력 전압은 일반적으로 미소하고, 자전 변환 소자가 갖는 오프셋 전압 (소자 오프셋 전압) 이나, 증폭기나 비교기가 갖는 오프셋 전압 (입력 오프셋 전압) 이나, 이들의 노이즈가 오차의 요인이 되어 정밀도가 저하된다는 문제가 있다. 상기의 소자 오프셋 전압은, 일례로는 자전 변환 소자가 패키지로부터 받는 응력에 의해 발생한다. 상기의 입력 오프셋 전압은, 일례로는 증폭기나 비교기의 입력 회로를 구성하는 소자의 특성 편차에 의해 발생한다. 또 상기의 노이즈는, 주로 회로를 구성하는 단체 (單體) 트랜지스터가 갖는 플리커 잡음이나, 단체 트랜지스터나 저항 소자가 갖는 열잡음에 의해 발생한다.

전술한 자전 변환 소자나 증폭기 및 비교기가 갖는 오프셋 전압의 영향을 저감시키기 위해, 도 18 에 나타낸 자기 센서 장치는 이하의 구성으로 되어 있다. 홀 소자 (1801) 와, 홀 소자 (1801) 의 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태를 전환하는 스위치 회로 (1802) 와, 스위치 회로 (1802) 의 2 개의 출력 단자의 전압차 (V1 - V2) 를 증폭시키는 차동 증폭기 (1803) 와, 비교기 (1805) 와, 차동 증폭기 (1803) 의 일방의 출력 단자와 비교기 (1805) 의 반전 입력 단자 사이에 접속되는 용량 (1804) 과, 차동 증폭기 (1803) 의 타방의 출력 단자와 비교기 (1805) 의 비반전 입력 단자 사이에 접속되는 스위치 (1807) 와, 비교기 (1805) 의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속되는 스위치 (1806) 와, 검출 전압 설정 회로 (1815) 와, 비교기 (1805) 의 비반전 입력 단자와 검출 전압 설정 회로 (1815) 의 출력 단자 사이에 접속되는 용량 (1808) 을 갖는다. 검출 전압 설정 회로 (1815) 는, 전원 단자 사이에 직렬로 접속된 저항 1811 ∼ 1814 와, 각 저항의 접속점과 출력 단자 사이에 접속된 스위치 1809, 1810x, 1810z 를 갖는다.

또, 도 18 의 자기 센서 장치는, 도 19 에 나타내는 타이밍 차트에 의해 스위치 1806, 1807, 1809, 1810x, 1810z 가 제어되어 동작한다. 스위치 1810x 와 1810z 는, 도 19 의 신호 1810 에 의해 제어되고, 신호 1810 이 ON 일 때에는 스위치 1810x 와 1810z 중 어느 일방이 온으로 되고, 신호 1810 이 OFF 일 때에는 스위치 1810x 와 1810z 의 양방 모두 오프로 된다. 검출 동작의 일주기 T 는, 전술한 바와 같이 스위치 회로 (1802) 의 동작에 의해 제 1 검출 상태 T1 과 제 2 검출 상태 T2 로 나누어져 있다. 제 1 검출 상태 T1 에서는, 홀 소자 (1801) 의 단자 A 와 C 로부터 전원 전압을 입력하고, 단자 B 와 D 로부터 신호 전압을 출력한다.

또, 제 2 검출 상태 T2 에서는, 단자 B 와 D 로부터 전원 전압을 입력하고, 단자 A 와 C 로부터 신호 전압을 출력한다. 여기서, 홀 소자 (1801) 의 동상 (同相) 신호 전압 (이하, 소자 동상 전압) 을 Vcm, 자계 강도에 따른 차동 신호 전압 (이하, 소자 신호 전압) 을 Vh, 오프셋 전압 (이하, 소자 오프셋 전압) 을 Voh 로 하고, 차동 증폭기 (1803) 의 증폭률을 G, 입력 단자 V1, V2 에 있어서의 입력 오프셋 전압을 각각 Voa1, Voa2 로 하고, 비교기 (1805) 의 입력 오프셋 전압을 Voa3 으로 한다.

또, 제 1 검출 상태 T1 및 제 2 검출 상태 T2 에서의 소자 동상 전압 Vcm 을 각각 Vcm1, Vcm2 로 하고, 소자 신호 전압 Vh 에 대해서도 각각 Vh1, Vh2 로 하고, 소자 오프셋 전압 Voh 에 대해서도 각각 Voh1, Voh2 로 한다. Voh1 과 Voh2 는 대략 동등한 값을 나타낸다. 이 홀 소자 (1801) 의 소자 오프셋 전압 Voh 는, 일반적으로 스피닝 커런트라고 불리는 공지된 수법으로 상쇄시키는 것이 가능하다. 구체적으로는, 동상의 신호 성분과 역상의 소자 오프셋 성분 (혹은 역상의 신호 성분과 동상의 소자 오프셋 성분) 이 얻어지도록 스위치 회로 (1802) 를 전환함으로써 오프셋 성분을 상쇄시킨다. 또, 검출 동작의 일주기 T 는, 각 스위치의 개폐 상태에 의해 제 1 페이즈 φ1, 제 2 페이즈 φ2, 제 3 페이즈 φ3 으로 나누어져 있다.

제 1 페이즈 φ1 에서는 스위치 1806 과 1807 이 온으로 되고, 용량 (1804) 에 VC1 = V3 - V5 가 충전된다. 비교기 (1805) 는 스위치 (1806) 가 온으로 되어 있으므로 볼티지 폴로어 회로로서 동작한다. 홀 소자 (1801) 와 스위치 회로 (1802) 는 제 1 검출 상태 T1 이다. 제 1 페이즈 φ1 에서는 각 노드의 전압은 다음과 같이 된다.

V1 = Vcm1 + Vh1/2 + Voh1/2

V2 = Vcm1 - Vh1/2 - Voh1/2

V3 = Vcm1 + G·Vh1/2 + G·Voh1/2 + G·Voa1

V4 = Vcm1 - G·Vh1/2 - G·Voh1/2 + G·Voa2

V5 = VO = V6 + Voa3

V6 = V4

용량 (1804) 에 충전되는 전압 VC1 은 다음과 같이 된다.

VC1 = V3 - V5 = G·Vh1 + G·Voh1 + G·Voa1 - G·Voa2 - Voa3 … (a)

제 2 페이즈 φ2 에서는 스위치 (1806) 가 오프로 되고, 홀 소자 (1801) 와 스위치 회로 (1802) 는 제 2 검출 상태 T2 가 된다. 검출 전압 설정 회로 (1815) 는 스위치 (1809) 가 온으로 되고, 1810x 와 1810z 가 오프로 되어 있으며, 출력 단자에는 저항 1811 ∼ 1814 의 직렬 접속의 분압점의 하나인 전압 Vr 이 기준 전압 Vref1 로서 공급된다. 따라서, 용량 (1808) 에는 Vc2 = V6 - Vref1 = V6 - Vr 이 충전된다. 제 2 페이즈 φ2 에서는 각 노드의 전압은 다음과 같이 된다.

V1 = Vcm2 - Vh2/2 + Voh2/2

V2 = Vcm2 + Vh2/2 - Voh2/2

V3 = Vcm2 - G·Vh2/2 + G·Voh2/2 + G·Voa1

V4 = Vcm2 + G·Vh2/2 - G·Voh2/2 + G·Voa2

용량 (1804) 에는 식 (a) 로 나타내는 VC1 이 유지되어 있으므로, 노드 V5 의 전압은 다음과 같이 된다.

V5 = V3 - VC1 = Vcm2 - G·Vh2/2 - G·Vh1 - G·Voh1 + G·Voh2/2 + G·Voa2 + Voa3 … (b)

또, V6 = V4 로부터, 용량 (1808) 에 충전되는 전압 VC2 는 다음과 같이 된다.

VC2 = V6 - Vref1 = V4 - Vr = Vcm2 + G·Vh2/2 - G·Voh2/2 + G·Voa2 - Vr … (c)

또한, 제 3 페이즈 φ3 에서는 스위치 (1807) 와 스위치 (1809) 가 오프로 되고, 스위치 1810x 또는 1810z 가 온으로 된다. 여기서는 스위치 1810x 가 온으로 된 것으로 한다. 기준 전압 Vref1 은, 저항 1811 ∼ 1814 의 직렬 접속의 분압점의 하나인 전압 Vrx 가 된다. 용량 (1808) 에는 식 (c) 로 나타내는 VC2 가 유지되어 있으므로, 노드 V6 의 전압은 다음과 같이 된다.

V6 = Vc2 + Vrx = V6 - Vref1 = V4 - Vr = Vcm2 + G·Vh2/2 - G·Voh2/2 + G·Voa2 - Vr + Vrx … (d)

최종적으로, 식 (b) 로 나타내는 전압 V5 와 식 (d) 로 나타내는 전압 V6 이 비교기 (1805) 에 있어서 비교되고, 출력 단자 VO 으로부터 하이 레벨 또는 로우 레벨이 출력된다. 비교기 (1805) 의 입력 오프셋 전압 Voa3 을 고려하면, 비교기 (1805) 로 비교되는 전압은 다음과 같이 된다.

(V6 + Voa3) - V5 = G(Vh1 + Vh2) + G(Voh1 - Voh2) - (Vr - Vrx) … (e)

여기서, 소자 오프셋 전압 Voh1 과 Voh2 는 대략 동등한 값을 나타내므로 상쇄된다. 또, 식 (e) 에는, 차동 증폭기 (1803) 의 입력 오프셋 전압 Voa1, Voa2, 비교기 (1805) 의 입력 오프셋 전압 Voa3 이 포함되지 않아, 이들 오프셋 전압이 상쇄되어 있는 것이 나타나 있다. 따라서, 제 3 페이즈 φ3 에서 비교기 (1804) 에 있어서, 신호 성분 G(Vh1 + Vh2) 와 검출 전압 설정 회로 (1815) 로 정해지는 기준 전압 성분 (Vr - Vrx) 이 비교된다. 이상에 의해, 오차 요인이 되는 홀 소자의 오프셋 전압 성분, 차동 증폭기와 비교기의 오프셋 전압 성분의 영향이 제거되어, 편차가 적은 고정밀도의 출력의 자기 센서를 실현할 수 있다.

일본 공개특허공보 2010-281801호

그러나, 최근, 모터의 회전 검지 등의 용도에 있어서 고속 동작이 요구되고 있으며, 전술한 바와 같은 종래의 자기 센서 장치에서는, 검출 동작의 일주기가 3 개의 페이즈로 이루어져 있기 때문에, 고속화에 대한 대응이 곤란하다는 과제가 있었다. 또, 종래의 자기 센서 장치에서는, 각 페이즈의 시간을 짧게 함으로써 고속화가 가능하지만, 차동 증폭기 및 비교기의 고속화가 필요하고, 특히 차동 증폭기의 소비 전류가 증대됨과 함께 회로 면적이 증대된다는 과제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 간편한 회로 구성으로 자전 변환 소자의 오프셋 전압과 증폭기 및 비교기의 입력 오프셋 전압의 영향을 제거하여, 자계 강도를 고정밀도로 검출할 수 있음과 함께, 자계 강도의 고속의 검출이 가능한 자기 센서 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 센서 장치는 이하와 같은 구성으로 하였다.

센서 소자에 인가되는 물리량의 강도에 따라 논리 출력을 실시하는 센서 장치로서,

상기 센서 소자의 제 1 단자쌍 및 제 2 단자쌍이 접속되고, 전원이 공급되는 단자쌍과 물리량의 강도에 따른 신호 전압을 출력하는 단자쌍을 전환 제어하며, 상기 센서 소자의 단자쌍으로부터 입력된 제 1 신호 전압과 제 2 신호 전압을 출력하는 스위치 회로와,

제 1 기준 전압과 제 2 기준 전압을 출력하는 검출 전압 설정 회로와,

제 1 입력 단자쌍과 제 2 입력 단자쌍과 출력 단자를 갖고,

상기 제 1 입력 단자쌍의 제 1 입력 단자는, 상기 출력 단자와 제 1 스위치를 개재하여 접속되고, 또한 제 1 용량을 개재하여 상기 제 1 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되고,

상기 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압 또는 상기 제 2 기준 전압이 입력되고,

상기 제 2 입력 단자쌍의 제 1 입력 단자는 상기 제 1 기준 전압이 입력되고,

상기 제 2 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는 상기 제 2 기준 전압 또는 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되는 제 1 증폭기를 구비하고,

상기 스위치 회로는,

상기 센서 소자의 상기 제 1 단자쌍에 전원을 공급하고, 상기 제 2 단자쌍으로부터 상기 신호 전압을 출력하는 제 1 검출 상태와,

상기 센서 소자의 상기 제 2 단자쌍에 전원을 공급하고, 상기 제 1 단자쌍으로부터 상기 신호 전압을 출력하는 제 2 검출 상태

를 전환하는 기능을 갖고,

상기 제 1 증폭기는, 1 회의 상기 제 1 검출 상태와 1 회의 상기 제 2 검출 상태에 의해 상기 논리 출력을 실시하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.

본 발명의 센서 장치에 의하면, 스위치와 용량과 복수의 차동 입력쌍을 갖는 증폭기를 유효적으로 활용함으로써, 센서 장치를 구성하는 센서 소자 및 차동 증폭기 및 증폭기에 있어서 발생하는 오프셋 성분을 간편한 회로 구성으로 제거하는 것이 가능해진다. 또, 신호 처리 스텝의 단축화와 동작 타이밍의 연구에 의해, 최소의 회로 추가에 의해 고속의 자계의 변화에 추종한 검출이 가능해진다. 따라서, 고정밀도이고 또한 고속 응답이 가능한 센서 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1 은 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 자기 센서 장치에 사용하는 차동 증폭기의 회로도의 일례이다.
도 3 은 본 발명의 자기 센서 장치에 사용하는 증폭기의 회로도의 일례이다.
도 4 는 제 1 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 5 는 제 1 실시형태에 사용하는 검출 전압 설정 회로의 회로도의 일례이다.
도 6 은 제 1 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 7 은 제 1 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 8 은 제 1 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 9 는 제 1 실시형태에 사용하는 검출 전압 설정 회로의 회로도의 일례이다.
도 10 은 본 발명의 자기 센서 장치에 사용하는 증폭기의 회로도의 일례이다.
도 11 은 본 발명의 자기 센서 장치에 사용하는 차동 증폭기의 회로도의 일례이다.
도 12 는 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다.
도 13 은 제 2 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 14 는 제 2 실시형태에 사용하는 검출 전압 설정 회로의 회로도의 일례이다.
도 15 는 제 2 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 16 은 제 2 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 17 은 제 2 실시형태에 사용하는 검출 전압 설정 회로의 회로도의 일례이다.
도 18 은 종래의 자기 센서 장치의 회로도이다.
도 19 는 종래의 자기 센서 장치의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트이다.
도 20 은 제 3 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다.
도 21 은 제 3 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 22 는 제 3 실시형태에 사용하는 검출 전압 설정 회로의 회로도의 일례이다.
도 23 은 제 3 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 24 는 제 4 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다.

본 발명의 센서 장치, 예를 들어 자기 센서 장치는, 절첩식 휴대 전화기나 노트 PC 등에 있어서의 개폐 상태 검지 센서나, 모터의 회전 위치 검지 센서 등, 자계 강도의 상태를 검지하는 센서로서 폭넓게 이용되고 있다. 이하, 본 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

<제 1 실시형태>

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다. 제 1 실시형태의 자기 센서 장치는, 자전 변환 소자인 홀 소자 (1) 와, 스위치 회로 (2) 와, 차동 증폭기 (3) 와, 증폭기 (4) 와, 용량 C1 과, 스위치 S1 과, 검출 전압 설정 회로 (5) 를 구비한다. 검출 전압 설정 회로 (5) 는 기준 전압 회로 ref1 및 기준 전압 회로 ref2 로 구성된다.

홀 소자 (1) 는 제 1 단자쌍 A-C 와 제 2 단자쌍 B-D 를 구비한다.

스위치 회로 (2) 는, 홀 소자 (1) 의 각 단자 A, B, C 및 D 와 접속되는 4 개의 입력 단자와, 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 갖는다.

차동 증폭기 (3) 는, 스위치 회로 (2) 의 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자가 각각 접속되는 제 1 입력 단자 V1 및 제 2 입력 단자 V2 와, 제 1 출력 단자 V3 및 제 2 출력 단자 V4 를 갖는다.

용량 C1 은 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 차동 증폭기 (3) 의 제 1 출력 단자 V3 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 에 접속된다.

증폭기 (4) 는 4 개의 입력 단자와 1 개의 출력 단자를 갖고, 상세하게는 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 와, 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 과, 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7 과, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 과 출력 단자 VO 를 갖는다. 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 은 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7 은 기준 전압 회로 ref1 의 정극에 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 은 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 접속된다.

스위치 S1 은 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4) 의 출력 단자 VO 에 접속되고, 스위치 제어 신호 (회로도에는 도시되지 않음) 에 의해, 온 또는 오프가 제어된다.

다음으로, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명한다.

스위치 회로 (2) 는, 홀 소자 (1) 의 제 1 단자쌍 A-C 에 전원 전압을 입력하고 제 2 단자쌍 B-D 로부터 신호 전압을 출력하는 제 1 검출 상태와, 제 2 단자쌍 B-D 에 전원 전압을 입력하고 제 1 단자쌍 A-C 로부터 신호 전압을 출력하는 제 2 검출 상태를 전환하는 기능을 갖는다.

홀 소자 (1) 는 자계 강도 (또는 자속 밀도) 에 따른 신호 전압을 출력함과 함께, 오차 성분인 오프셋 전압을 출력한다.

차동 증폭기 (3) 는, 2 개의 입력 전압의 차를 증폭시키고, 2 개의 출력 전압의 차로서 출력하는 기능을 갖는다. 이 증폭 기능을 식으로 나타내면

V3 - V4 = G × (V1 - V2) … (1)

이 된다. 여기에, G 는 증폭률이고, 각 단자 V1 ∼ V4 의 전압을 각각 V1 ∼ V4 로 하였다. 이와 같은 차동 증폭기 (3) 의 기능은, 예를 들어 도 2 에 나타내는 바와 같은 회로 구성으로 실현할 수 있다.

도 2 는 차동 증폭기 (3) 의 일례를 나타내는 회로도이다.

도 2 의 차동 증폭기 (3) 는, 차동 증폭기 (31, 32) 와 저항 R11, R12, R13 을 구비하고 있다. 차동 증폭기 (3) 는, 제 1 입력 단자 V1 이 차동 증폭기 (31) 의 비반전 입력 단자에 접속되고, 제 2 입력 단자 V2 가 차동 증폭기 (32) 의 비반전 입력 단자에 접속되며, 제 1 출력 단자 V3 이 차동 증폭기 (31) 의 출력 단자에 접속되고, 제 2 출력 단자 V4 가 차동 증폭기 (32) 의 출력 단자에 접속된다. 저항 R11, R12, R13 은, 제 1 출력 단자 V3 과 제 2 출력 단자 V4 사이에 직렬로 접속되고, R11 과 R12 의 접속점 V1' 는 차동 증폭기 (31) 의 반전 입력 단자에 접속되고, R12 와 R13 의 접속점 V2' 는 차동 증폭기 (32) 의 반전 입력 단자에 접속된다.

차동 증폭기 (3) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다.

차동 증폭기 (31) 는 비반전 증폭기로서 동작하고, 반전 입력 단자에 접속된 접속점 V1' 가 비반전 입력 단자에 접속된 V1 에 대략 동일해지도록 동작한다. 또, 차동 증폭기 (32) 는 비반전 증폭기로서 동작하고, 반전 입력 단자에 접속된 접속점 V2' 가 비반전 입력 단자에 접속된 V2 에 대략 동일해지도록 동작한다. 또, 저항 R11, R12, R13 에 흐르는 전류는 동등하므로, 다음 식을 얻는다.

(V3 - V1)/R11 = (V1 - V2)/R12 … (2)

(V2 - V4)/R13 = (V1 - V2)/R12 … (3)

식 (2) 와 식 (3) 으로부터 V3 및 V4 를 계산하면 다음과 같이 된다.

V3 = +(R11/R12 + 1/2) × (V1 - V2) + (V1 + V2)/2 … (4)

V4 = -(R13/R12 + 1/2) × (V1 - V2) + (V1 + V2)/2 … (5)

식 (4) 와 식 (5) 의 우변의 저항을 포함하는 괄호의 항을 각각 증폭률 G1, G2 로 하고

G1 = R11/R12 + 1/2 … (6)

G2 = R13/R12 + 1/2 … (7)

로 두면, 식 (4) 와 식 (5) 는 다음과 같이 된다.

V3 = +G1 × (V1 - V2) + (V1 + V2)/2 … (8)

V4 = -G2 × (V1 - V2) + (V1 + V2)/2 … (9)

식 (8) 과 식 (9) 로부터 V3 - V4 를 계산하면 다음과 같이 된다.

V3 - V4 = (G1 + G2) × (V1 - V2) … (10)

여기서, 증폭률 G 를

G = G1 + G2 … (11)

로 두면, 식 (10) 은

V3 - V4 = G × (V1 - V2) … (12)

가 되고, 식 (1) 과 동일한 결과를 얻는다. 즉, 도 2 에 나타낸 회로예는, 2 개의 입력 전압의 차를 증폭시키고, 2 개의 출력 전압의 차로서 출력하는 기능을 가지고 있다. 또, 도 2 에 나타낸 회로예는, 이와 같은 계장 (計裝) 앰프 구성으로 함으로써, 입력에 있어서의 동상 노이즈의 영향을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 식 (11) 및 (6), (7) 로부터

G = (R11 + R12 + R13)/R12 … (13)

이 되기 때문에, 증폭률 G 는 저항 R11, R12, R13 에 의해 임의로 설정 가능하다.

증폭기 (4) 는, 1 쌍의 입력 전압의 차를 증폭시킨 값과 다른 1 쌍의 입력 전압의 차를 증폭시킨 값의 합을 출력하는 기능을 갖는다. 이 증폭 기능을 개념적으로 나타낸 도를 도 3 에 나타낸다.

도 3 은 증폭기 (4) 의 기능을 나타내는 개념도이다.

도 3 의 증폭기 (4) 는, 차동 증폭기 (41, 42) 와 가산기 (43) 를 갖고, 이하와 같이 접속되어 구성된다. 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 가 차동 증폭기 (41) 의 반전 입력 단자에 접속되고, 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 이 차동 증폭기 (41) 의 비반전 입력 단자에 접속되며, 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7 이 차동 증폭기 (42) 의 반전 입력 단자에 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 이 차동 증폭기 (42) 의 비반전 입력 단자에 접속된다. 차동 증폭기 (41) 의 출력과 차동 증폭기 (42) 의 출력은 가산기 (43) 의 입력에 각각 접속되고, 가산기 (43) 의 출력이 증폭기 (4) 의 출력 단자 VO 에 접속된다.

증폭기 (4) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다.

차동 증폭기 (41) 는 2 개의 입력 단자 V5 와 V6 의 전압의 차를 증폭시켜 가산기 (43) 에 입력하고, 차동 증폭기 (42) 는 2 개의 입력 단자 V7 과 V8 의 전압의 차를 증폭시켜 가산기 (43) 에 입력한다. 가산기 (43) 는 차동 증폭기 (41) 와 차동 증폭기 (42) 의 출력의 합을 출력한다. 이 증폭 기능을 식으로 나타내면

VO = A1 × (V6 - V5) + A2 × (V8 - V7) … (14)

가 된다. 여기에 A1 및 A2 는 각각 차동 증폭기 (41 및 42) 의 증폭률이다. 또, 각 단자 V5 ∼ V8 및 VO 의 전압을 각각 V5 ∼ V8 및 VO 로 하였다.

도 1 의 자기 센서 장치에서는, 도 3 에 나타낸 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 와 출력 단자 VO 는 스위치 S1 의 양단에 접속되어 있다.

스위치 S1 이 온으로 되어 있는 상태에서는 VO 와 V5 는 대략 동등한 전압이 되기 때문에, VO 는 식 (14) 로부터 다음과 같이 나타낸다.

VO = A1/(1 + A1) × V6 + A2/(1 + A1) × (V8 - V7) … (15)

설명의 편의상, 증폭률 A1 및 A2 는 충분히 크다고 하면, 다음 식을 얻는다.

VO = V6 + (A2/A1) × (V8 - V7) … (16)

즉, 증폭기 (4) 는, 스위치 S1 이 온으로 되어 있는 상태에서는 출력 단자 VO 와 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 를 개재한 차동 증폭기 (41) 의 반전 입력 단자가 전기적으로 접속되어 있고, 피드백 루프가 형성되어, 출력 전압 VO 는 입력 전압 V6 에 추종할 뿐만 아니라, 입력 V8 과 V7 의 전압의 차분을 증폭률 A2 와 A1 의 비로 증폭시킨 전압과의 합도 출력하는 일종의 볼티지 폴로어와 같은 동작을 한다.

한편, 스위치 S1 이 오프로 되어 있는 상태에서는 증폭기 (4) 에 피드백 루프가 형성되지 않기 때문에, 증폭기 (4) 는 비교기 (콤퍼레이터) 로서 동작한다. 식 (14) 로부터

VO = A1 × {(V6 - V5) + (A2/A1) × (V8 - V7)} … (17)

이기 때문에, 즉 증폭기 (4) 는, 스위치 S1 이 오프로 되어 있는 상태에서는 V6 과 V5 의 차분의 전압과, V8 과 V7 의 차분을 증폭률 A1 과 A2 의 비로 증폭시킨 전압과의 합의 전압을 충분히 큰 증폭률 A1 로 증폭시켜, 하이 레벨 신호 (일반적으로 정 (正) 의 전원 전압 레벨) 또는 로우 레벨 신호 (일반적으로 부 (負) 의 전원 전압 레벨, 또는 GND 레벨) 를 출력 단자 VO 에 출력하는 비교 동작을 실시한다.

도 4 에 스위치 제어 신호의 타이밍 차트를 나타낸다.

검출 동작의 일주기는, 페이즈 φF 와 페이즈 φC 의 2 개의 페이즈로 이루어진다. 스위치 S1 은, 도 4 의 스위치 제어 신호에 의해 제어되고, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 된다. 또, 스위치 회로 (2) 및 홀 소자 (1) 도 스위치 제어 신호에 의해 제어되고, 페이즈 φF 에서 제 1 검출 상태 T1, 페이즈 φC 에서 제 2 검출 상태 T2 로 한다. 각 페이즈에서의 도 1 의 자기 센서 장치의 동작의 개략을 설명하면, 페이즈 φF 는, 홀 소자 (1) 의 소자 신호 전압과 소자 오프셋 전압 및 차동 증폭기 (3) 와 증폭기 (4) 의 오프셋 전압을 용량 C1 에 기억하는 페이즈이며, 페이즈 φC 는, 페이즈 φF 에서의 오프셋 성분을 상쇄시키면서, 자계 강도에 따른 신호 전압과 검출 전압의 비교를 실시하는 페이즈이다. 이하에 상세하게 설명한다.

페이즈 φF 에서는 스위치 S1 은 온으로 된다. 스위치 S1 이 온으로 됨으로써, 증폭기 (4) 는 전술한 바와 같이 일종의 볼티지 폴로어와 같이 동작한다. 이것을 식으로 나타내면, 식 (16) 으로부터 다음과 같이 된다.

V5φF = VOφF = V6φF + (A2/A1) × (V8φF - V7φF) … (18)

각 전압의 말미의 φF 는, 페이즈 φF 에 있어서의 전압인 것을 나타낸다. 이 이후에는, 다른 전압, 또 페이즈 φC 에 대해서도 동일하게 표기한다.

용량 C1 에는 전압 V3 과 전압 V5 의 차분 ΔVC1φF 가 충전된다.

ΔVC1φF = V3φF - V5φF … (19)

상기 식에 식 (18) 을 대입하면, 다음 식을 얻는다.

ΔVC1φF = V3φF - V6φF - (A2/A1) × (V8φF - V7φF) … (20)

여기서, V6 = V4 가 되도록 접속되고, 또, 증폭기 (4) 의 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7 에는 기준 전압 회로 ref1 의 정극이 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 에는 기준 전압 회로 ref2 의 정극이 접속되어 있으므로, 각 기준 전압 회로의 정극의 전압을 각각 Vref1, Vref2 로 하면, 식 (20) 은 다음 식으로 나타낸다.

ΔVC1φF = (V3φF - V4φF) - (A2/A1) × (Vref2φF - Vref1φF) … (21)

또, 식 (12) 로부터

V3φF - V4φF = G × (V1φF - V2φF) … (22)

이기 때문에, 이것을 식 (21) 에 대입하면 다음과 같이 된다.

ΔVC1φF = G × (V1φF - V2φF) - (A2/A1) × (Vref2φF - Vref1φF) … (23)

즉, 용량 C1 에는, V1 과 V2 의 차분을 증폭률 G 로 증폭시킨 전압과, Vref2 와 Vref1 의 차분을 증폭률 A2 와 A1 의 비로 증폭시킨 전압의 차의 전압이 충전된다.

한편, 페이즈 φC 에서는, 스위치 S1 은 오프로 되고, 홀 소자 (1) 는 제 2 검출 상태 T2 가 된다. 용량 C1 에는 ΔVC1φF 가 충전되어 있으므로, 전압 V5 는 다음 식으로 나타낸다.

V5φC = V3φC - ΔVC1φF … (24)

또, 증폭기 (4) 의 출력은 식 (17) 로부터 다음 식과 같이 된다.

VOφC = A1 × {(V6φC - V5φC) + (A2/A1) × (V8φC - V7φC)} … (25)

전술한 바와 같이, V6 = V4 가 되도록 접속되고, 또, 증폭기 (4) 의 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7 에는 기준 전압 회로 ref1 의 정극이 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 에는 기준 전압 회로 ref2 의 정극이 접속되어 있으므로, 식 (25) 는

VOφC = A1 × {(V4φC - V5φC) + (A2/A1) × (Vref2φC - Vref1φC)} … (26)

이 된다. 이것에 식 (24) 를 대입하면, 다음과 같이 된다.

VOφC = A1 × {(V4φC - V3φC) + (A2/A1) × (Vref2φC - Vref1φC)} + A1 × ΔVC1φF … (27)

상기 식에 식 (21) 에 나타낸 용량 C1 에 충전되어 있는 전압 ΔVC1φF 를 대입하여 정리하면 다음 식을 얻는다.

VOφC = A1 × [-{(V3φC - V4φC) - (V3φF - V4φF)} + (A2/A1) × {(Vref2φC - Vref1φC) - (Vref2φF - Vref1φF)}] … (28)

식 (28) 을 알기 쉽게 하기 위해서, 차동 증폭기 (3) 를 경유하여 증폭기 (4) 에 공급되는 전압 성분을 ΔVsig, 기준 전압 설정 회로로부터 증폭기 (4) 에 공급되는 전압 성분을 ΔVref 로 두면, 식 (28) 은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

VOφC = A1 × [ΔVsig + (A2/A1) × ΔVref] … (29)

여기에,

ΔVsig = -{(V3φC - V4φC) - (V3φF - V4φF)} … (30)

ΔVref = (Vref2φC - Vref1φC) - (Vref2φF - Vref1φF) … (31)

이다. 즉, 차동 증폭기 (3) 로부터 공급되는 전압 성분 ΔVsig 와, 검출 전압 설정 회로 (5) 로부터 공급되는 전압 성분 ΔVref 를 증폭률 A2 와 A1 의 비로 증폭시킨 전압을 비교한 결과가, 최종적으로 증폭기 (4) 의 출력 단자 VO 로부터 하이 레벨 신호 또는 로우 레벨 신호로서 출력되게 된다.

또, 식 (12) 로부터

V3φC - V4φC = G × (V1φC - V2φC) … (32)

이기 때문에, 상기 식 (32) 와 식 (22) 를 식 (30) 에 대입하면

ΔVsig = -G × {(V1φC - V2φC) - (V1φF - V2φF)} … (33)

을 얻는다.

다음으로, 홀 소자 (1) 의 신호 전압과 오프셋 전압, 차동 증폭기 (3) 및 증폭기 (4) 의 오프셋 전압을 고려하여, 회로의 동작과 신호와 오차 성분의 전달에 대해 설명한다.

홀 소자 (1) 의 소자 동상 전압을 Vcm, 소자 신호 전압을 Vh, 오프셋 전압을 Voh 로 하고, 차동 증폭기 (3) 의 입력 오프셋 전압을 제 1 입력 단자 V1 에 있어서 Voa1, 제 2 입력 단자 V2 에 있어서 Voa2, 증폭기 (4) 의 입력 오프셋 전압을 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 에 있어서 Voa3, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 에 있어서 Voa4 로 한다.

이하의 설명에서는, 홀 소자 (1) 는 페이즈 φF 일 때에 제 1 검출 상태 T1 이고, 페이즈 φC 일 때에 제 2 검출 상태 T2 로 한다. 또, 홀 소자 (1) 의 소자 신호 전압 Vh, 오프셋 전압 Voh 는, 제 1 검출 상태 T1 과 제 2 검출 상태 T2 에서 소자 신호 전압 Vh 가 역상이고, 오프셋 전압 Voh 가 동상이라고 하면, 페이즈 φF, 페이즈 φC 의 각각의 페이즈에 있어서의 단자 V1 및 V2 의 전압은 이하가 된다.

V1φF = Vcm1 + Vh1/2 + Voh1/2 … (34)

V2φF = Vcm1 - Vh1/2 - Voh1/2 … (35)

V1φC = Vcm2 - Vh2/2 + Voh2/2 … (36)

V2φC = Vcm2 + Vh2/2 - Voh2/2 … (37)

여기서, 홀 소자 (1) 의 소자 동상 전압 Vcm, 소자 신호 전압 Vh, 오프셋 전압 Voh 의 말미에 부여한 "1" 또는 "2" 는, 각각 홀 소자 (1) 및 스위치 회로 (2) 의 검출 상태가 각각 제 1 검출 상태 T1 또는 제 2 검출 상태 T2 에서의 값인 것을 나타낸다. 식 (35) 내지 식 (37) 에 의해, 각 페이즈에서 차동 증폭기 (3) 에 입력되는 전압은 다음과 같이 된다.

V1φF - V2φF = +Vh1 + Voh1 … (38)

V1φC - V2φC = -Vh2 + Voh2 … (39)

또, 차동 증폭기 (3) 의 차동 출력 V3 - V4 는, 식 (12) 의 V1, V2 에 각각 입력 오프셋 전압 Voa1 및 Voa2 를 고려하여, 이하와 같이 나타낸다.

V3 - V4 = G × (V1 - V2) + G × (Voa1 - Voa2) … (40)

따라서 차동 증폭기 (3) 의 출력에는, 입력 전압의 차분 V1 - V2 뿐만 아니라, 입력 오프셋 전압의 차분 Voa1 - Voa2 도 증폭률 G 배되어 출력된다. 식 (40) 으로부터, 각 페이즈에 있어서의 차동 증폭기 (3) 의 차동 출력 V3 - V4 는 다음과 같이 된다.

V3φF - V4φF = G × (V1φF - V2φF) + G × (Voa1φF - Voa2φF) … (41)

V3φC - V4φC = G × (V1φC - V2φC) + G × (Voa1φC - Voa2φC) … (42)

식 (41), (42) 에 식 (38), (39) 를 대입하면 다음 식을 얻는다.

V3φF - V4φF = G × (+Vh1 + Voh1) + G × (Voa1φF - Voa2φF) … (43)

V3φC - V4φC = G × (-Vh2 + Voh2) + G × (Voa1φC - Voa2φC) … (44)

또, 페이즈 φF 에 있어서의 단자 V5 의 전압은, 증폭기 (4) 의 입력 오프셋 전압을 고려하면, 식 (18) 로부터 다음과 같이 된다.

V5φF = VOφF = (V6φF + Voa3φF) + (A2/A1) × {(V8φF + Voa4φF) - V7φF} … (45)

식 (45) 를 기초로, 전술한 식 (19) 내지 식 (21) 까지의 도출과 동일하게 도출을 실시하면, 페이즈 φF 에서 용량 C1 에 충전되는 전압 ΔVC1φF 는 다음과 같이 된다.

ΔVC1φF = (V3φF - V4φF - Voa3φF) - (A2/A1) × (Vref2φF + Voa4φF - Vref1φF) = (V3φF - V4φF) - (A2/A1) × (Vref2φF - Vref1φF) - Voa3φF - (A2/A1) × Voa4φF … (46)

한편, 페이즈 φC 에 있어서의 증폭기 (4) 의 출력 VO 는, 증폭기 (4) 의 입력 오프셋 전압을 고려하면, 식 (25) 로부터 다음과 같이 된다.

VOφC = A1 × {(V6φC + Voa3φC - V5φC) + (A2/A1) × (V8φC + Voa4φC - V7φC)} … (47)

식 (47) 을 기초로, 전술한 식 (26) 내지 식 (28) 까지의 도출과 동일하게 도출을 실시하면, 페이즈 φC 에 있어서의 증폭기 (4) 의 출력 VO 는 다음과 같이 된다.

VOφC = A1 × [{-(V3φC - V4φC) + (V3φF - V4φF)} + (A2/A1) × {(Vref2φC - Vref1φC) - (Vref2φF - Vref1φF)}] + A1 × (Voa3φC - Voa3φF) + A2 × (Voa4φC - Voa4φF) … (48)

식 (30) 에서 나타낸 차동 증폭기 (3) 로부터 공급되는 전압 성분 ΔVsig 와, 식 (31) 에서 나타낸 검출 전압 설정 회로 (5) 로부터 공급되는 전압 성분 ΔVref 를 사용하여 식 (48) 을 나타내면, 다음과 같이 된다.

VOφC = A1 × {ΔVsig + (A2/A1) ×ΔVref} + A1 × (Voa3φC - Voa3φF) + A2 × (Voa4φC - Voa4φF) … (49)

식 (49) 에 사용한 ΔVsig 는, 식 (30) 에 식 (43), 식 (44) 를 대입하여

ΔVsig = G × {(Vh1 + Vh2) + (Voh1 - Voh2) - (Voa1φC - Voa1φF) - (Voa2φF - Voa2φC)} … (50)

이 구해진다.

여기서, 차동 증폭기 (3) 및 증폭기 (4) 의 입력 오프셋 전압 Voa1 ∼ Voa4 는, 엄밀하게는 시간 경과적 변화나 온도 변화 (온도 드리프트) 를 나타내기 때문에, 일정한 값은 아니지만, 페이즈 φF 및 페이즈 φC 의 시간이 입력 오프셋 전압의 시간 경과적 변화나 온도 변화에 대하여 충분히 짧은 시간이면, 입력 오프셋 전압의 값은 페이즈 φF 와 페이즈 φC 에서 대략 동등한 값으로 간주할 수 있다. 따라서, 식 (50) 및 식 (49) 에 있어서, Voa1φC - Voa1φF, Voa2φC - Voa2φF, Voa3φC - Voa3φF, Voa4φC - Voa4φF 는 거의 제로의 값이 되고, 페이즈 φC 의 증폭기 (4) 에 있어서의 비교 동작시에 차동 증폭기 (3) 및 증폭기 (4) 의 오프셋 성분은 제거된다.

또, 홀 소자 (1) 의 소자 오프셋 전압 Voh 는, 일반적으로 제 1 검출 상태 T1 과 제 2 검출 상태 T2 에서 대략 동등한 값이 되는 특성을 갖는 점에서, Voh1 - Voh2 는 거의 제로의 값이 되고, 페이즈 φC 의 증폭기 (4) 에 있어서의 비교 동작시에 소자 오프셋 성분은 제거된다. 식 (49), 식 (50) 으로부터 이들의 제거되는 성분을 삭제하면, 다음 식을 얻는다.

VOφC = A1 × {ΔVsig + (A2/A1) × ΔVref} … (51)

ΔVsig = G × (Vh1 + Vh2) … (52)

또, 식 (51) 중의 ΔVref 는 식 (31) 로 나타내고 있다. 따라서, 홀 소자 (1) 의 제 1 검출 상태 T1 과 제 2 검출 상태 T2 에 있어서의 소자 신호 전압을 Vh 의 합을 차동 증폭기 (3) 의 증폭률 G 로 증폭시킨 전압 성분 ΔVsig 와, 검출 전압 설정 회로 (5) 로부터 공급되는 전압 성분 ΔVref 를 증폭률 A2 와 A1 의 비로 증폭시킨 전압을 비교한 결과가, 최종적으로 증폭기 (4) 의 출력 단자 VO 로부터 하이 레벨 신호 또는 로우 레벨 신호로서 출력되게 된다.

이상을 정리하면, 전술한 식 (49), (50) 으로 나타내는 바와 같이, 본 발명의 자기 센서 장치에서는, 홀 소자 (1), 차동 증폭기 (3), 증폭기 (4) 에 있어서 발생하는 모든 오프셋 성분을 제거하고, 홀 소자의 신호 성분과 기준 전압을 비교할 수 있어, 고정밀도의 자계 강도의 검출이 실현된다. 또, 이상적인 홀 소자에 있어서는 제 1 검출 상태 T1 과 제 2 검출 상태 T2 의 소자 동상 전압 Vcm1 및 Vcm2 는 동등하지만, 실제의 홀 소자에 있어서는 반드시 동등한 값은 아니고, 이것도 고정밀도의 자계 강도의 검출에 오차를 일으키게 하는 요인이 되고 있다. 본 발명의 자기 센서 장치에 있어서는, 식 (51), (52), (31) 로 나타내는 바와 같이, 비교 결과를 나타내는 식에 이들 항은 포함되지 않아, 홀 소자의 동상 전압의 비이상 성분을 제거한 고정밀도의 자계 강도의 검출이 실현된다. 나아가서는, 본 발명의 자기 센서 장치는, 페이즈 φF 와 페이즈 φC 의 2 개의 페이즈에서 자계 강도의 검출이 가능하여, 고속이고 또한 고정밀도의 자계 강도의 검출이 실현된다.

또, 홀 소자의 신호 성분과 비교되는 기준 전압 성분 ΔVref 는, 식 (31) 에 나타낸 바와 같이, 기준 전압 회로 ref1 과 기준 전압 회로 ref2 의 페이즈 φF 에 있어서의 값과, 페이즈 φC 에 있어서의 각각의 값에 따라 임의로 설정하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명의 자기 센서 장치에서는, 임의로 기준 전압을 설정함으로써, 검출하는 자계 강도를 임의로 설정할 수 있다.

또, 일반적으로 홀 소자의 감도는 온도 의존을 가지므로, 홀 소자 (1) 가 출력하는 자계 강도에 따른 신호 전압도 온도 의존을 갖는다. 이것을 보정하기 위해, 예를 들어 기준 전압 회로 ref1 과 기준 전압 회로 ref2 에 온도 의존을 갖게 함으로써, 검출하는 자계 강도의 온도 의존을 억제할 수 있다.

여기서, 도 1 의 자기 센서 장치를 구성하는 요소인 검출 전압 설정 회로 (5) 의 회로 구성의 일례에 대해 나타낸다.

도 5 는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례이다.

도 5 의 검출 전압 설정 회로 (5) 는, 저항 R51, R52, R53 과, 스위치 S51, S51x, S52, S52x 를 갖고, 이하와 같이 접속되어 구성된다. 저항 R53, R52, R51 은, 정의 전원 전압 단자 (이하 전원 전압 단자) VDD 와 부의 전원 전압 단자 (이하, 그라운드 단자) VSS 사이에 직렬로 접속된다. R51 과 R52 의 접속점을 Vn, R52 와 R53 의 접속점을 Vnx 로 한다. 스위치 S51, S51x, S52, S52x 는 2 개의 단자를 갖고, 스위치 제어 신호 (도시되지 않음) 에 의해, 온 또는 오프로 제어된다. 스위치 S51 의 일방의 단자는 접속점 Vn 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1 의 정극에 접속된다. 스위치 S51x 의 일방의 단자는 접속점 Vnx 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1 의 정극에 접속된다. 스위치 S52 의 일방의 단자는 접속점 Vn 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 접속된다. 스위치 S52x 의 일방의 단자는 접속점 Vnx 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 접속된다. 이하의 설명에서는, 전원 전압 단자 VDD 및 그라운드 단자 VSS 의 전압을 각각 VDD, VSS, 접속점 Vn, Vnx 의 전압을 각각 Vn, Vnx, 기준 전압 회로 ref1 의 정극, 기준 전압 회로 ref2 의 정극의 전압을 각각 기준 전압 Vref1, Vref2 로 하여 설명한다.

검출 전압 설정 회로 (5) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다.

접속점 Vn 과 Vnx 의 전압은, VDD 및 VSS 를 저항 R53, R52, R51 로 분압한 전압이기 때문에

Vn = R51/(R51 + R52 + R53) × (VDD - VSS) … (53)

Vnx = (R51 + R52)/(R51 + R52 + R53) × (VDD - VSS) … (54)

가 된다. 전압 Vn 및 Vnx 는, 저항 R51, R52, R53 에 따라 임의로 설정 가능하다.

스위치 S51 과 S51x 는 어느 일방이 온으로 되고, 다른 일방이 오프로 되도록 제어된다. 따라서, Vref1 에는 Vn 또는 Vnx 중 어느 전압이 출력된다. 또, 스위치 S52 와 S52x 에 대해서도 동일하게, 어느 일방이 온으로 되고, 다른 일방이 오프로 되도록 제어된다. 따라서, Vref2 에는 Vn 또는 Vnx 중 어느 전압이 출력된다.

여기서, 도 5 에 나타내는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 각 스위치는 도 6 에 나타내는 타이밍 차트의 스위치 제어 신호에 의해 제어되는 것으로 한다.

도 6 에 스위치 제어 신호의 타이밍 차트를 나타낸다.

스위치 S1 은, 전술한 바와 같이 스위치 제어 신호에 의해 제어되고, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 된다. 또, 스위치 S51 과 S51x 는 스위치 제어 신호에 의해 제어되고, 스위치 S51 은 페이즈 φF 에서도 페이즈 φC 에서도 온으로 되고, 스위치 S51x 는 페이즈 φF 에서도 페이즈 φC 에서도 오프로 된다. 또, 스위치 S52 와 S52x 는 스위치 제어 신호에 의해 제어되고, 스위치 S52 는 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 된다. 스위치 S52x 는 페이즈 φF 에서 오프로 되고, 페이즈 φC 에서 온으로 된다.

여기서, 스위치 S1 이 오프로 될 때에는, 페이즈 φF 에서 용량 C1 에 충전한 전압에 오차가 생기지 않도록 하기 위해, 스위치 S1 이 오프로 되는 타이밍보다 스위치 S52 및 S52x 가 전환되는 타이밍을 늦출 필요가 있다. 이것을 명시하기 위해, 도 6 의 타이밍 차트에서는 과장하여 도시하고 있다. 또한, 도 6 의 타이밍 차트에서는 스위치 S1 이 온으로 될 때에도, 스위치 S52 및 S52x 가 전환되는 타이밍을 늦추는 타이밍으로 하고 있거나, 스위치 S1 이 온으로 될 때에는, 스위치 S1 이 온으로 되는 타이밍과 스위치 S52 및 S52x 가 전환되는 타이밍이 동일해도 되고, 또 반대로 S52 및 S52x 가 전환되는 타이밍이 빨라도 된다.

이상과 같이 각 스위치가 제어되므로, 각 페이즈에 있어서의 기준 전압 Vref1, Vref2 는 다음과 같이 된다.

Vref1φF = Vn

Vref1φC = Vn

Vref2φF = Vn

Vref2φC = Vnx

상기 식 및 식 (31) 로부터

ΔVref = (Vnx - Vn) … (55)

가 된다. 따라서, 증폭기 (4) 에 의해 홀 소자 (1) 로부터의 신호 성분과 비교되는 ΔVref 는 임의로 설정 가능한 전압 Vn, Vnx 의 차분으로 부여된다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 자기 센서 장치에서는 임의로 기준 전압을 설정하는 것이 가능하고, 즉, 검출하는 자계 강도를 임의로 설정할 수 있다.

다음으로, 도 5 에 나타내는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 각 스위치는 도 7 에 나타내는 타이밍 차트의 스위치 제어 신호에 의해 제어되는 것으로 한다.

도 7 에 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례를 나타낸다. 도 6 에 나타내는 타이밍 차트와의 차이는, 스위치 S51 이 φF 에서 오프, φC 에서 온으로 되고, 스위치 S51x 가 φF 에서 온, φC 에서 오프로 되는 점이다. 이와 같이 각 스위치가 제어되면, 각 페이즈에 있어서의 기준 전압 Vref1, Vref2 는 다음과 같이 된다.

Vref1φF = Vnx

Vref1φC = Vn

Vref2φF = Vn

Vref2φC = Vnx

상기 식 및 식 (31) 로부터

ΔVref = 2 × (Vnx - Vn) … (56)

이 된다. 따라서, 도 6 의 타이밍 차트에서 얻어진 ΔVref 의 전압의 2 배의 전압이 얻어진다. 즉, 저항 R51, R52, R53 의 값이 일의적으로 정해지고, 접속점 Vn 및 Vnx 의 전압이 일의적으로 정해진 상태에 있어서, 스위치 S51, S51x, S52, S52x 의 온과 오프의 제어를 전환함으로써, 검출하는 자계 강도를 전환하는 것이 가능하다.

또한, 도 5 에 나타내는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 각 스위치는, 도 8 에 나타내는 타이밍 차트의 스위치 제어 신호에 의해 제어되는 것으로 한다.

도 8 에 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례를 나타낸다. 도 6 에 나타내는 타이밍 차트와의 차이는, 스위치 S51 이 φC 에서 오프로 되는 점, 스위치 S51x 가 φC 에서 온으로 되는 점, 스위치 S52 가 φF 에서도 φC 에서도 온으로 되는 점, 스위치 S52x 가 φF 에서도 φC 에서도 오프로 되는 점이다.

이와 같이 스위치가 제어되면, 각 페이즈에 있어서의 기준 전압 Vref1, Vref2 는 다음과 같이 된다.

Vref1φF = Vn

Vref1φC = Vnx

Vref2φF = Vn

Vref2φC = Vn

상기 식 및 식 (31) 로부터

ΔVref = -(Vnx - Vn) … (57)

이 된다. 따라서, 도 6 의 타이밍 차트에서 얻어진 ΔVref 의 전압과 정부가 반대인 전압이 얻어진다. 여기서, 일반적인 홀 소자의 특성으로부터, 홀 소자 (1) 의 출력 단자쌍에 출력되는 소자 신호 전압 Vh 의 부호는, S 극과 N 극에서 역전된다. 즉, 증폭기 (4) 에 입력되는 신호 성분은, S 극과 N 극을 검지하는 경우에 부호가 역전된다. 따라서, 검출 전압 설정 회로 (5) 에서 설정하는 검출 전압에 대해서도 부호가 반대인 검출 전압이 필요하다. 도 8 의 타이밍 차트의 경우에는, 도 6 의 타이밍 차트의 경우와 부호가 반대인 ΔVref 가 얻어져, 상기 요건을 만족시키고 있다. 즉, 페이즈 φF 와 페이즈 φC 에서 온 및 오프로 되는 스위치를 전환하여, ΔVref 의 부호를 역전시킴으로써, S 극과 N 극을 분별하여 검출하는 것이 가능하다.

또, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례로서 도 9 를 나타낸다.

도 9 는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례이다. 도 5 와의 차이는, 저항 R54, 스위치 S51z, S52z 를 추가한 점이고, 추가 요소는 이하와 같이 접속되어 구성된다. 저항 R54 는, 도 5 의 전원 전압 단자 VDD 와 저항 R53 사이에 직렬로 접속된다. R53 과 R54 의 접속점을 Vnz 로 한다. 스위치 S51z, S52z 는 2 개의 단자를 갖고, 스위치 제어 신호 (도시되지 않음) 에 의해 온 또는 오프가 제어된다. 스위치 S51z 의 일방의 단자는 접속점 Vnz 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1 의 정극에 접속된다. 스위치 S52z 의 일방의 단자는 접속점 Vnz 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 접속된다. 추가된 요소 이외의 접속은 도 5 와 동일하다.

검출 전압 설정 회로 (5) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다.

접속점 Vn 과 Vnx 와 Vnz 의 전압은, VDD 및 VSS 를 저항 R54, R53, R52, R51 로 분압한 전압이기 때문에

Vn = R51/(R51 + R52 + R53 + R54) × (VDD - VSS) … (58)

Vnx = (R51 + R52)/(R51 + R52 + R53 + R54) × (VDD - VSS) … (59)

Vnz = (R51 + R52 + R53)/(R51 + R52 + R53 + R54) × (VDD - VSS) … (60)

이 된다. 전압 Vn, Vnx, Vnz 는, 저항 R51, R52, R53, R54 에 의해 임의로 설정 가능하다.

스위치 S51, S51x, S51z 는, 스위치 S51 이 온으로 되어 있을 때에는 S51x 와 S51z 의 양방 모두 오프로 되고, 스위치 S51 이 오프로 되어 있을 때에는 S51x 나 S51z 중 어느 일방이 온으로 되고, 다른 편방은 오프로 되도록 제어된다. 스위치 S52, S52x, S52z 도 동일하게, 스위치 S52 가 온으로 되어 있을 때에는 S52x 와 S52z 의 양방 모두 오프로 되고, 스위치 S52 가 오프로 되어 있을 때에는 S52x 나 S52z 중 어느 일방이 온으로 되고, 다른 편방은 오프로 되도록 제어된다. 스위치 S51z, S52z 는 검출 전압에 히스테리시스를 형성하기 위해 구비하고, 스위치 S51z 또는 S52z 에 의해 설정된 검출 전압에 의해 자계 강도가 검출되었을 경우, 다음의 검출 주기 T 에서 온으로 되는 스위치가 S51z 로부터 S51x, 또는 S52z 로부터 S52x 로 변경된다. 동일하게, 자계 강도의 검출이 해제되었을 경우, 다음의 검출 주기 T 에서 온으로 되는 스위치가 S51x 로부터 S51z, 또는 S52x 로부터 S52z 로 변경된다. 이로써, 자계 강도의 검출 및 해제시에 있어서의 채터링을 억제할 수 있다.

이상을 정리하면, 전술한 도 5 ∼ 도 9 의 설명에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 자기 센서 장치에서는, 검출 전압 설정 회로 (5) 로부터 증폭기 (4) 에 공급되는 전압 성분 ΔVref 의 크기와 부호에 따라 검출하는 자계 강도를 임의로 설정하는 것을 실현할 수 있고, 용이하게 S 극과 N 극의 판별을 실시하는 것을 실현할 수 있고, 용이하게 검출과 해제의 히스테리시스를 설정하는 것을 실현할 수 있다. 이와 같은 본 회로 구성의 다기능성은, 도 5 및 도 9 에 나타낸 검출 전압 설정 회로 (5) 의 회로 구성에 의한 것뿐만 아니라, 식 (31) 로 나타내는 바와 같이, 기준 전압 회로 ref1 및 기준 전압 회로 ref2 의 페이즈 φF 와 페이즈 φC 에 있어서의 전압에 의해 기준 전압 성분 ΔVref 를 설정 가능하게 되어 있는 회로 구성에 의한 것이다.

여기서, 도 1 의 자기 센서 장치를 구성하는 요소인 증폭기 (4) 의 회로 구성의 일례에 대하여 나타내 둔다. 도 3 의 개념도로 나타낸 증폭기 (4) 의 기능은, 더욱 구체적으로는 예를 들어 도 10 에 나타내는 바와 같은 회로 구성으로 실현할 수 있다.

도 10 은 증폭기 (4) 의 회로 구성의 일례이다.

증폭기 (4) 는, 정전류 회로 (I1) 와, NMOS 트랜지스터 M43, M44A, M44B, M45A, M46A, M45B, M46B 와, PMOS 트랜지스터 M41, M42 를 갖고, 다음과 같이 접속되어 구성된다. 정전류 회로 (I1) 의 일방은 전원 전압 단자 VDD 에 접속되고, 다른 일방은 NMOS 트랜지스터 M43 의 드레인 및 게이트에 접속된다. 이 접속점을 VBN 으로 한다. VBN 은 NMOS 트랜지스터 M44A 의 게이트와 NMOS 트랜지스터 M44B 의 게이트에 접속된다. NMOS 트랜지스터 M43, M44A, M44B 의 소스는 그라운드 단자 VSS 에 접속된다. NMOS 트랜지스터 M45A 와 M46A 의 소스는 M44A 의 드레인에 접속되고, NMOS 트랜지스터 M45B 와 M46B 의 소스는 M44B 의 드레인에 접속된다. NMOS 트랜지스터 M45A 와 M45B 의 드레인은 PMOS 트랜지스터 M41 의 드레인에 접속된다. 이 접속점을 VA 로 한다. NMOS 트랜지스터 M46A 와 M46B 의 드레인은 PMOS 트랜지스터 M42 의 드레인에 접속된다. 이 접속점은 증폭기 (4) 의 출력 단자 VO 에 접속된다. PMOS 트랜지스터 M41 과 M42 의 게이트는 접속점 VA 에 접속되고, 소스는 전원 전압 단자 VDD 에 접속된다. NMOS 트랜지스터 M45A, M46A 의 게이트는, 각각 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6, 제 1 입력 단자 V5 에 접속되고, NMOS 트랜지스터 M45B, M46B 의 게이트는, 각각 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8, 제 1 입력 단자 V7 에 접속된다.

증폭기 (4) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다.

정전류 회로 (I1) 는, 정전류를 발생시켜 NMOS 트랜지스터 M43 에 공급한다. NMOS 트랜지스터 M43, M44A, M44B 는 커런트 미러 회로를 구성하고 있고, NMOS 트랜지스터 M44A, M44B 의 드레인-소스 사이에는, M43 의 드레인-소스 사이에 흐르는 전류에 기초한 전류가 흐른다. NMOS 트랜지스터 M44A, M45A, M46A, PMOS 트랜지스터 M41, M42 로 이루어지는 5 개의 트랜지스터는 차동 증폭기를 구성하고 있고, 제 1 차동 입력쌍을 구성하는 NMOS 트랜지스터 M45A, M46A 의 게이트 전압의 차, 즉, 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 과 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 의 전압차를 증폭시켜, 출력 단자 VO 에 출력하도록 동작한다. 이 증폭률을 A1 로 한다. 여기서, 커런트 미러 회로 구성 및 차동 증폭기 구성의 동작에 대해서는 CMOS 아날로그 회로의 문헌 등에 상세하게 기재되어 있어, 여기서는 상세한 설명은 생략한다. 또, NMOS 트랜지스터 M44B, M45B, M46B, PMOS 트랜지스터 M41, M42 로 이루어지는 5 개의 트랜지스터도 차동 증폭기를 구성하고 있고, 제 2 차동 입력쌍을 구성하는 NMOS 트랜지스터 M45B, M46B 의 게이트 전압의 차, 즉, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 과 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7 의 전압차를 증폭시켜, 출력 단자 VO 에 출력하도록 동작한다. 이 증폭률을 A2 로 한다. 또, 제 1 차동 입력쌍을 구성하는 NMOS 트랜지스터 M45A 의 드레인과 제 2 차동 입력쌍을 구성하는 NMOS 트랜지스터 M45B 의 드레인이 접속점 VA 에서 PMOS 트랜지스터 M41 의 드레인에 접속되고, 제 1 차동 입력쌍을 구성하는 NMOS 트랜지스터 M46A 의 드레인과 제 2 차동 입력쌍을 구성하는 NMOS 트랜지스터 M46B 의 드레인이 출력 단자 VO 에서 PMOS 트랜지스터 M42 의 드레인에 접속되어 있음으로써, 이 접속점 VA 및 출력 단자 VO 에서 제 1 차동 입력쌍과 제 2 차동 입력쌍의 각 차동 입력쌍으로 증폭된 전압이 가산되도록 동작한다. 이들 동작을 식으로 나타내면

VO = A1 × (V6 - V5) + A2 × (V8 - V7) … (61)

이 된다. 즉, 식 (14) 와 동등한 동작을 실시한다.

이상에 의해, 본 발명의 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명하고, 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출을 실현할 수 있는 것을 나타내었다. 본 설명에 있어서는, 차동 증폭기 (3) 및 증폭기 (4) 및 검출 전압 설정 회로 (5) 에 대한 구체적인 회로 구성 및 타이밍 차트를 나타냈지만, 본 설명 내에서 기재한 동작을 실시하는 구성이면 반드시 이 구성에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 차동 증폭기 (3) 의 구체적 구성을 도 2 에 나타냈지만, 구성은 이에 한정되는 것은 아니며, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 저항 R13 을 제거하고, 그 양단을 접속한 구성이어도 된다. 이 경우의 차동 증폭기 (3) 의 증폭률 G 는, 식 (13) 으로 나타낸 증폭률의 식에 있어서, 저항 R13 의 값을 한없이 작게 한 값으로 나타내고,

G = (R11 + R12)/R12 … (62)

가 되지만, 본 발명의 취지인 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출이라는 점에서 일탈하는 것은 아니다.

또, 전술한 설명에서는 S 극과 N 극을 분별하여 검출 가능함을 나타냈지만, 나아가서는 본 발명에 있어서의 자기 센서 장치는 교번 (交番) 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.

또, 도 4 또는 도 6 또는 도 7 또는 도 8 의 타이밍 차트에 있어서, 어느 검출 주기 T 에서는 S 극의 검지를 실시하도록 각 스위치를 제어하고, 다른 검출 주기 T 에서는 N 극의 검지를 실시하도록 각 스위치를 제어해도 된다.

또, 도 4 또는 도 6 또는 도 7 또는 도 8 의 타이밍 차트에 있어서, 검출 주기 T 와 검출 주기 T 사이에 일정 기간의 스탠바이 기간을 두어, 자기 센서 장치의 평균 소비 전류를 억제하는 구동 방법으로 한 경우에도 고정밀도의 자기 검출의 효과가 얻어진다.

또, 전술한 설명에서는, 페이즈 φF 일 때에 제 1 검출 상태 T1, 페이즈 φC 일 때에 제 2 검출 상태 T2 로 했지만, 이것과는 반대로 페이즈 φC 일 때에 제 1 검출 상태 T1, 페이즈 φF 일 때에 제 2 검출 상태 T2 로 해도 된다.

<제 2 실시형태>

도 12 는 본 발명의 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다. 도 1 에 나타낸 제 1 실시형태와의 차이는, 증폭기 (4B) 와 용량 C1B 와 스위치 S1B 를 추가하고, 추가한 요소와의 구별을 명시하기 위해서 증폭기 (4) 와 용량 C1 과 스위치 S1 에 기호 A 를 부여한 점, 및 검출 전압 설정 회로 (5) 에 있어서, 기준 전압 회로 ref1B 및 기준 전압 회로 ref2B 를 추가하고, 추가한 요소와의 구별을 명시하기 위해서 기준 전압 회로 ref1 과 기준 전압 회로 ref2 에 기호 A 를 부여한 점이다. 또 각 단자에 대해서도 구별을 위해서 부호 A 및 B 를 부여하고 있다. 추가한 요소는 다음과 같이 구성 및 접속된다.

용량 C1B 는, 용량 C1A 의 구성과 동등하고, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 차동 증폭기 (3) 의 제 1 출력 단자 V3 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4B) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5B 에 접속된다.

증폭기 (4B) 는, 증폭기 (4A) 의 구성과 동등하고, 4 개의 입력 단자와 1 개의 출력 단자를 갖고, 상세하게는 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5B 와, 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6B 와, 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7B 와, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8B 와, 출력 단자 VOB 를 갖는다. 증폭기 (4B) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6B 는, 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V7B 는 기준 전압 회로 ref1B 의 정극에 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8B 는 기준 전압 회로 ref2B 의 정극에 접속된다.

스위치 S1B 는, 스위치 S1A 의 구성과 동등하고, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 증폭기 (4B) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5B 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4B) 의 출력 단자 VOB 에 접속되고, 스위치 제어 신호 (회로도에는 도시되지 않음) 에 의해 온 또는 오프가 제어된다. 이 밖의 접속 및 구성에 대해서는 제 1 실시형태와 동일하다.

다음으로, 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명한다. 증폭기 (4B) 는, 증폭기 (4A) 와 동일하게, 전술한 증폭기 (4) 와 동일하게 동작한다. 용량 C1B, 증폭기 (4B), 스위치 S1B 로 이루어지는 구성은, 전술한 용량 C1A, 증폭기 (4A), 스위치 S1A 로 이루어지는 구성과 동등한 구성이고, 제 1 실시형태에서의 설명과 동일하게 동작한다.

도 13 에 제 2 실시형태의 자기 센서 장치에 있어서의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 4 에 나타낸 제 1 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트와의 차이는, 추가한 스위치 S1B 의 제어 신호를 추기 (追記) 하고, 추가한 요소와의 구별을 명시하기 위해서 스위치 S1 의 제어 신호에 기호 A 를 부여한 점에 있다. 스위치 S1B 는, 스위치 S1A 와 동일하게, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 되도록 제어되고, 스위치 S1A 가 페이즈 φF 일 때에 스위치 S1B 가 페이즈 φC 가 되고, 스위치 S1A 가 페이즈 φC 일 때에 스위치 S1B 가 페이즈 φF 가 되도록 제어된다.

여기서, 홀 소자 (1), 스위치 회로 (2), 차동 증폭기 (3), 증폭기 (4A), 용량 C1A, 스위치 S1A, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 기준 전압 회로 ref1A 및 기준 전압 회로 ref2A 로 이루어지는 회로 구성 A 는, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일하고, 스위치 제어 신호의 타이밍 차트에 대해서도 동일하므로, 동작에 대해서도 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일해진다. 즉, 페이즈 φC 에 있어서의 증폭기 (4A) 의 출력은 식 (49) 로부터 다음과 같이 나타낸다.

VOAφC = A1A × {ΔVsigA + (A2A/A1A) × ΔVrefA} + A1A × (Voa3AφC - Voa3AφF) + A2A × (Voa4AφC - Voa4AφF) … (63)

상기 식 중의 ΔVsigA, ΔVrefA 는 식 (50), (31) 로부터 다음과 같이 나타낸다.

ΔVsigA = G × {(Vh1 + Vh2) + (Voh1 - Voh2) - (Voa1φC - Voa1φF) - (Voa2φF - Voa2φC)} … (64)

ΔVrefA = (Vref2AφC - Vref1AφC) - (Vref2AφF - Vref1AφF) … (65)

여기서, 전술한 바와 같이, 각 항에는 추가한 요소와의 구별을 명시하기 위한 기호 A 를 부여하고 있다.

한편, 홀 소자 (1), 스위치 회로 (2), 차동 증폭기 (3), 증폭기 (4B), 용량 C1B, 스위치 S1B, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 기준 전압 회로 ref1B 및 기준 전압 회로 ref2B 로 이루어지는 회로 구성 B 는, 회로 구성 A 와 동일하게 전술한 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일한 구성이고, 동일하게 동작하지만, 스위치 제어 신호의 타이밍 차트가 일부 상이하다. 구체적으로는, 페이즈 φF 일 때에 제 2 검출 상태 T2 이고, 페이즈 φC 일 때에 제 1 검출 상태 T1 인 점이 상이하다. 따라서, 페이즈 φF, 페이즈 φC 의 각각의 페이즈에 있어서의 단자 V1 및 V2 의 전압은, 회로 구성 A 인 경우의 식 (34) ∼ (37) 에 대해 이하가 된다.

V1φC = Vcm1 + Vh1/2 + Voh1/2 … (66)

V2φC = Vcm1 - Vh1/2 - Voh1/2 … (67)

V1φF = Vcm2 - Vh2/2 + Voh2/2 … (68)

V2φF = Vcm2 + Vh2/2 - Voh2/2 … (69)

회로 구성 B 의 동작은 회로 구성 A 와 동일하고, 상기 식 (66) ∼ (69) 를 기초로, 전술한 식 (38) 내지 식 (50) 까지의 도출과 동일하게 도출을 실시하면, 페이즈 φC 에 있어서의 증폭기 (4B) 의 출력은 다음과 같이 나타낸다.

VOBφC = A1B × {ΔVsigB + (A2B/A1B) × ΔVrefB} + A1B × (Voa3BφC - Voa3BφF) + A2B × (Voa4BφC - Voa4BφF) … (70)

상기 식 중의 ΔVsigB, ΔVrefB 는 다음 식으로 나타낸다.

ΔVsigB = G × {-(Vh1 + Vh2) - (Voh1 - Voh2) - (Voa1φC - Voa1φF) - (Voa2φF - Voa2φC)} … (71)

ΔVrefB = (Vref2BφC - Vref1BφC) - (Vref2BφF - Vref1BφF) … (72)

여기서, A1B 및 A2B 는 증폭기 (4B) 를 구성하는 차동 증폭기 (41 및 42) 의 증폭률이며, Voa3B 및 Voa4B 는 증폭기 (4B) 의 제 1 차동쌍의 제 2 입력 단자 V6B 및 제 2 차동쌍의 제 2 입력 단자 V8B 에 있어서의 입력 오프셋 전압이다.

상기 식에 나타낸 바와 같이, 회로 구성 B 에 있어서도, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일하게, 차동 증폭기 (3) 및 증폭기 (4B) 의 입력 오프셋 전압 Voa1, Voa2, Voa3B, Voa4B 및 홀 소자 (1) 의 소자 오프셋 전압 Voh 는, 증폭기 (4B) 에 있어서의 페이즈 φC 의 비교 동작시에 제거되어, 고정밀도의 자계 강도 검출이 실현된다.

또 회로 구성 A 와 동일하게, 페이즈 φF 와 페이즈 φC 의 2 개의 페이즈에서 자계 강도의 검출이 가능하여, 고속이고 또한 고정밀도의 자계 강도의 검출이 실현된다. 나아가서는 회로 구성 A 에서는 제 2 검출 상태 T2 에 있어서 페이즈 φC 이고, 회로 구성 B 에서는 제 1 검출 상태 T1 에 있어서 페이즈 φC 이기 때문에, 증폭기 (4A) 로부터는 제 2 검출 상태 T2 에서 고정밀도의 자계 강도의 검출 결과가 얻어지고, 증폭기 (4B) 로부터는 제 1 검출 상태 T1 에서 고정밀도의 자계 강도의 검출 결과가 얻어지게 되어, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 비교하여 2 배의 고속화가 가능해진다.

따라서, 큰 면적과 소비 전력을 필요로 하는 센서 소자와 차동 증폭기 (3) 의 추가나, 차동 증폭기 (3) 나 증폭기 (4) 등의 아날로그 회로의 고속화에 의한 소비 전력의 증가를 수반하지 않고, 본 회로 구성에서는 고속화가 실현 가능하게 되고, 또 도 13 의 타이밍 차트의 스위치 제어 신호에 나타내는 바와 같이, 스위치 S1B 의 제어 신호는 스위치 S1A 의 제어 신호의 역상의 신호이기 때문에, 복잡한 회로의 추가를 필요로 하지 않고 스위치 제어 신호의 회로가 실현 가능한 점도 본 회로 구성의 큰 이점이다.

여기서, 도 12 의 자기 센서 장치를 구성하는 요소인 검출 전압 설정 회로 (5) 의 회로 구성의 일례에 대해 나타낸다.

도 14 는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례이다. 도 5 에 나타낸 검출 전압 설정 회로 (5) 와의 차이는, 스위치 S51B, S51Bx, S52B, S52Bx 를 추가하고, 추가한 요소와의 구별을 명시하기 위해서 스위치 S51, S51x, S52, S52x 에 기호 A 를 부여한 점이다. 또 기준 전압 회로 ref1, 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 대해서도 추가한 요소와의 구별을 위해서 부호 A 를 부여하고 있다. 추가한 요소는 다음과 같이 구성 및 접속된다.

스위치 S51B, S51Bx, S52B, S52Bx 는 2 개의 단자를 갖고, 스위치 제어 신호 (도시되지 않음) 에 의해 온 또는 오프로 제어된다. 스위치 S51B 의 일방의 단자는 접속점 Vn 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1B 의 정극에 접속된다. 스위치 S51Bx 의 일방의 단자는 접속점 Vnx 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1B 의 정극에 접속된다. 스위치 S52B 의 일방의 단자는 접속점 Vn 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2B 의 정극에 접속된다. 스위치 S52Bx 의 일방의 단자는 접속점 Vnx 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2B 의 정극에 접속된다. 이하의 설명에서는, 전원 전압 단자 VDD 및 그라운드 단자 VSS 의 전압을 각각 VDD, VSS, 접속점 Vn, Vnx 의 전압을 각각 Vn, Vnx, 기준 전압 회로 ref1A, 기준 전압 회로 ref2A, 기준 전압 회로 ref1B, 기준 전압 회로 ref2B 의 각 정극의 전압을, 각각 기준 전압 Vref1A, Vref2A, Vref1B, Vref2B 로 하여 설명한다.

도 14 의 검출 전압 설정 회로 (5) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다. 접속점 Vn 과 Vnx 의 전압은, 도 5 에서 나타낸 검출 전압 설정 회로 (5) 와 동일하게 식 (53), 식 (54) 로 부여되고, 임의로 조정 가능하다.

스위치 S51A 와 S51Ax 는 어느 일방이 온으로 되고, 다른 일방이 오프로 되도록 제어된다. 따라서, Vref1A 에는 Vn 또는 Vnx 중 어느 전압이 출력된다. 또, 스위치 S52A 와 S52Ax, 스위치 S51B 와 S51Bx, 스위치 S52B 와 S52Bx 에 대해서도 동일하게, 어느 일방이 온으로 되고, 다른 일방이 오프로 되도록 제어된다. 따라서, Vref2A, Vref1B, Vref2B 에는 Vn 또는 Vnx 중 어느 전압이 출력된다.

여기서, 도 14 에 나타내는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 각 스위치는 도 15 에 나타내는 타이밍 차트의 스위치 제어 신호로 제어되는 것으로 한다.

도 15 에 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례를 나타낸다. 도 6 에 나타내는 타이밍 차트와의 차이는, 스위치 S1B, S51B, S52B 의 제어 신호를 추기하고, 스위치 S1, S51, S52 의 제어 신호에 기호 A 를 부여한 점이다.

스위치 S1A, S51A, S51Ax, S52A, S52Ax 는, 도 6 에 나타내는 타이밍 차트와 동일하게 각 스위치가 제어되고, 각 페이즈에 있어서의 기준 전압 Vref1A, Vref2A 는 다음과 같이 된다.

Vref1AφF = Vn

Vref1AφC = Vn

Vref2AφF = Vn

Vref2AφC = Vnx

상기 식 및 식 (65) 로부터

ΔVrefA = (Vnx - Vn) … (73)

한편, S1B 는 페이즈 φF 에서 온, 페이즈 φC 에서 오프, 스위치 S52B 는 페이즈 φF 에서도 페이즈 φC 에서도 온, 스위치 S52Bx 는 페이즈 φF 에서도 페이즈 φC 에서도 오프, 스위치 S51B 는 페이즈 φF 에서 온, 페이즈 φC 에서 오프, 스위치 S51Bx 는 페이즈 φF 에서 오프, 페이즈 φC 에서 온으로 되도록 제어된다. 또한, 도 6 의 타이밍 차트에 있어서의 설명과 동일한 이유에 의해, 스위치 S51B, S51Bx 가 전환되는 타이밍은 스위치 S1B 가 전환되는 타이밍보다 느리도록 과장하여 도시하고 있다. 또, 스위치 S1B 가 온으로 될 때에는, 스위치 S1B 가 온으로 되는 타이밍과 스위치 S51B 및 S51Bx 가 전환되는 타이밍이 동일해도 되고, 또, 반대로 S51B 및 S51Bx 가 전환되는 타이밍이 빨라도 되는 점도 도 6 의 타이밍 차트에 있어서의 설명과 동일하다.

이상과 같이 각 스위치가 제어되므로, 각 페이즈에 있어서의 기준 전압 Vref1B, Vref2B 는 다음과 같이 된다.

Vref1BφF = Vn

Vref1BφC = Vnx

Vref2BφF = Vn

Vref2BφC = Vn

상기 식 및 식 (72) 로부터

ΔVrefB = -(Vnx - Vn) … (74)

가 되고, 식 (73) 에 나타내는 ΔVrefA 의 전압과 정부가 반대인 전압이 된다. 여기서, 식 (64) 에 나타내는 ΔVsigA 와, 식 (71) 에 나타내는 ΔVsigB 에 포함되는 홀 소자 (1) 의 소자 신호 전압 Vh 의 항에 주목하면, 정부의 부호가 반대이기 때문에, 결과적으로 회로 구성 A 도 회로 구성 B 도 동일 극성의 자계를 검출하고 있는 것이 된다. 예를 들어, 회로 구성 A 가 S 극을 검지하고 있는 경우에는 회로 구성 B 도 S 극을 검지하고 있게 되고, 회로 구성 A 가 N 극을 검지하고 있는 경우에는 회로 구성 B 도 N 극을 검지하고 있게 된다. 즉, 회로 구성 A 의 비교 결과는 페이즈 φC 인 제 2 검출 상태 T2 일 때에 출력되고, 회로 구성 B 의 비교 결과는 페이즈 φC 인 제 1 검출 상태 T1 일 때에 출력되기 때문에, 도 1 에 나타낸 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 비교하여 2 배의 고속화가 가능해진다. 본 발명의 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 이점에 대해서는, 최소한의 회로 추가로 고속화를 실현할 수 있는 것을 전술했지만, 검출 전압 설정 회로 (5) 에 대해서도 동일하고, 스위치를 추가함으로써 고속화가 가능해지는 이점을 갖는다.

또한 도 14 에 나타내는 검출 전압 설정 회로 (5) 의 각 스위치는, 도 16 에 나타내는 타이밍 차트의 스위치 제어 신호에 의해 제어되는 것으로 한다.

도 16 에 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례를 나타낸다. 도 15 에 나타내는 타이밍 차트와의 차이는, 스위치 S52B 는 페이즈 φF 에서 온, 페이즈 φC 에서 오프, 스위치 S52Bx 는 페이즈 φF 에서 오프, 페이즈 φC 에서 온, 스위치 S51B 는 페이즈 φF 에서도 페이즈 φC 에서도 온, 스위치 S51Bx 는 페이즈 φF 에서도 페이즈 φC 에서도 오프로 되도록 제어되는 점이다. 그 밖의 스위치에 대해서는, 도 15 에 나타내는 타이밍 차트와 동일하게 각 스위치가 제어된다.

이와 같이 스위치가 제어되면, 각 페이즈에 있어서의 기준 전압 Vref1B, Vref2B 는 다음과 같이 된다.

Vref1BφF = Vn

Vref1BφC = Vn

Vref2BφF = Vn

Vref2BφC = Vnx

상기 식 및 식 (72) 로부터

ΔVrefB = (VnX - Vn) … (75)

가 되고, 한편 ΔVrefA 에 대해서는 식 (73) 에 나타내는 ΔVrefA 와 동일한 전압이 얻어지기 때문에, ΔVrefB 와 ΔVrefA 는 정부의 부호가 동일한 전압이 된다. 도 15 에서의 설명과 동일하게, 식 (64) 에 나타내는 ΔVsigA 와, 식 (71) 에 나타내는 ΔVsigB 에 포함되는 홀 소자 (1) 의 소자 신호 전압 Vh 의 항에 주목하면, 정부의 부호가 반대이기 때문에, 도 16 에 나타내는 타이밍 차트의 경우에는, 회로 구성 A 와 회로 구성 B 에서 다른 극성의 자계를 검출하게 된다. 예를 들어, 회로 구성 A 가 S 극을 검지하고 있는 경우에는 회로 구성 B 는 N 극을 검지하게 되고, 회로 구성 A 가 N 극을 검지하고 있는 경우에는 회로 구성 B 는 S 극을 검지하게 된다. 따라서, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치로 S 극과 N 극의 자계의 검지를 실시하는 경우와 비교하여 2 배의 고속화가 가능해진다.

또, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례로서 도 17 을 나타낸다.

도 17 은 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례이다. 도 14 와의 차이는, 저항 R54, 스위치 S52Az, S51Az, S52Bz, S51Bz 를 추가한 점이며, 추가 요소는 이하와 같이 접속되어 구성된다. 저항 R54, R53, R52, R51 로 이루어지는 접속은 도 9 에 있어서의 접속과 동일하고, 각 접속점 Vn, Vnx, Vnz 의 전압은, 식 (58), 식 (59), 식 (60) 으로 부여되고, 임의로 조정 가능하다. 스위치 S52Az, S51Az, S52Bz, S51Bz 는 2 개의 단자를 갖고, 스위치 제어 신호 (도시되지 않음) 에 의해, 온 또는 오프가 제어된다. 스위치 S52Az 의 일방의 단자는 접속점 Vnz 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2A 의 정극에 접속된다. 스위치 S51Az 의 일방의 단자는 접속점 Vnz 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1A 의 정극에 접속된다. 스위치 S52Bz 의 일방의 단자는 접속점 Vnz 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref2B 의 정극에 접속된다. 스위치 S51Bz 의 일방의 단자는 접속점 Vnz 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref1B 의 정극에 접속된다. 추가된 요소 이외의 접속은 도 14 와 동일하다.

도 17 의 검출 전압 설정 회로 (5) 는 이상과 같이 접속되어 있고, 다음과 같이 동작한다.

스위치 S51A, S51Ax, S51Az 는, 스위치 S51A 가 온으로 되어 있을 때에는 S51Ax 와 S51Az 의 양방 모두 오프로 되고, 스위치 S51A 가 오프로 되어 있을 때에는 S51Ax 나 S51Az 중 어느 일방이 온으로 되고, 다른 편방은 오프로 되도록 제어된다. 스위치 S52A, S52Ax, S52Az 도 동일하게, 스위치 S52A 가 온으로 되어 있을 때에는 S52Ax 와 S52Az 의 양방 모두 오프로 되고, 스위치 S52A 가 오프로 되어 있을 때에는 S52Ax 나 S52Az 중 어느 일방이 온으로 되고, 다른 편방은 오프로 되도록 제어된다. 또한, 스위치 S51B, S51Bx, S51Bz 도 동일하게, 스위치 S51B 가 온으로 되어 있을 때에는 S51Bx 와 S51Bz 의 양방 모두 오프로 되고, 스위치 S51B 가 오프로 되어 있을 때에는 S51Bx 나 S51Bz 중 어느 일방이 온으로 되고, 다른 편방은 오프로 되도록 제어된다. 또한, 스위치 S52B, S52Bx, S52Bz 도 동일하게, 스위치 S52B 가 온으로 되어 있을 때에는 S52Bx 와 S52Bz 의 양방 모두 오프로 되고, 스위치 S52B 가 오프로 되어 있을 때에는 S52Bx 나 S52Bz 중 어느 일방이 온으로 되고, 다른 편방은 오프로 되도록 제어된다.

스위치 S51Az, S52Az, S51Bz, S52Bz 는, 도 9 의 경우와 동일하게, 검출 전압에 히스테리시스를 형성하기 위해 구비하고 있고, 스위치 S51Az 또는 S52Az, S51Bz 또는 S52Bz 에 의해 설정된 검출 전압에 의해 자계 강도가 검출되었을 경우, 다음의 검출 주기 T 에서 온으로 되는 스위치가 S51Az 로부터 S51Ax, 또는 S52Az 로부터 S52Ax, 또는 S51Bz 로부터 S51Bx, 또는 S52Bz 로부터 S52Bx 로 변경된다. 동일하게, 자계 강도의 검출이 해제되었을 경우, 다음의 검출 주기 T 에서 온으로 되는 스위치가 S51Ax 로부터 S51Az, 또는 S52Ax 로부터 S52Az, 또는 S51Bx 로부터 S51Bz, 또는 S52Bx 로부터 S52Bz 로 변경된다. 이로써, 본 발명의 제 2 실시형태의 자기 센서 장치에 있어서도, 최소한의 회로 요소의 추가에 의해, 자계 강도의 검출 및 해제시에 있어서의 채터링을 억제할 수 있다.

이상에 의해, 본 발명의 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명하고, 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출을 실현할 수 있으며, 본 발명의 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 경우와 비교하여, 2 배의 고속화가 최소한의 회로 추가에 의해 가능한 것을 나타냈다. 본 설명에 있어서는, 검출 전압 설정 회로 (5) 에 대한 구체적인 회로 구성 및 타이밍 차트를 나타냈지만, 본 설명 내에서 기재한 동작을 실시하는 구성이면, 반드시 이 구성에 제한되는 것은 아니다.

이것은, 본 발명의 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 경우와 동일하다. 예를 들어, 증폭기 (4B) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5B 는 용량 C1B 를 개재하여 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 접속되고, 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6B 는 차동 증폭기 (3) 의 제 1 출력 단자 V3 에 접속되어도 된다. 이 경우에는, 기준 전압 회로 ref1B 및 기준 전압 회로 ref2B 를 적절히 설정함으로써, 도 12 의 회로와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

<제 3 실시형태>

도 20 은 본 발명의 제 3 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다. 도 1 에 나타낸 제 1 실시형태와의 차이는, 용량 C2 와 스위치 S2 를 추가한 점, 및 검출 전압 설정 회로 (5) 에 있어서, 기준 전압 회로 ref0 를 추가한 점이다. 추가한 요소는 다음과 같이 구성 및 접속된다.

용량 C2 는, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 에 접속된다.

스위치 S2 는, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref0 의 정극에 접속되고, 스위치 제어 신호 (회로도에는 도시되지 않음) 에 의해 온 또는 오프가 제어된다. 이 밖의 접속 및 구성에 대해서는 제 1 실시형태와 동일하다.

다음으로, 제 3 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명한다. 스위치 S2 는, 스위치 S1 과 동일하게, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 되도록 제어된다. 이 밖의 요소는 제 1 실시형태에서의 설명과 동일하게 동작한다.

도 21 에 제 3 실시형태의 자기 센서 장치에 있어서의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트를 나타낸다. 도 4 에 나타낸 제 1 실시형태의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트와의 차이는, 추가한 스위치 S2 의 제어 신호를 추기한 점에 있다. 스위치 S2 는, 스위치 S1 과 동일하게, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 되도록 제어된다.

여기서, 홀 소자 (1), 스위치 회로 (2), 차동 증폭기 (3), 증폭기 (4), 용량 C1, 스위치 S1, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 기준 전압 회로 ref1 및 기준 전압 회로 ref2 로 이루어지는 회로 구성은, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일하고, 스위치 제어 신호의 타이밍 차트에 대해서도 동일하므로, 동작에 대해서도 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일해진다. 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 동작과의 차이는, 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 의 전압을 부여하는 방법에 있다.

페이즈 φF 에서는, 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 의 전압은, 제 1 실시형태에 있어서는 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 의해 부여되지만, 본 실시형태에 있어서는 온으로 되어 있는 스위치 S2 를 개재하여 기준 전압 회로 ref0 의 정극의 전압에 의해 부여된다. 기준 전압 회로 ref0 의 정극의 전압을 Vref0 로 하면, 페이즈 φF 에서 용량 C1 에 충전되는 전압 ΔVC1φF 는, 식 (20) 으로부터 식 (21) 의 도출에 있어서, V6 = V4 가 아니라 V6 = Vref0 로 부여되고, 다음과 같이 된다.

ΔVC1φF = (V3φF - Vref0φF) - (A2/A1) × (Vref2φF - Vref1φF) … (76)

또, 용량 C2 에는 전압 V4 와 전압 V6 의 차분 ΔVC2φF 가 충전되고, 페이즈 φF 에 있어서는 V6 = Vref0 이기 때문에, 다음 식을 얻는다.

ΔVC2φF = V4φF - V6φF = V4φF - Vref0φF … (77)

한편, 페이즈 φC 에서는 스위치 S2 는 오프로 되도록 제어된다. 용량 C2 에는 ΔVC2φF 가 충전되어 있으므로, 전압 V6 은 다음 식으로 나타낸다.

V6φC = V4φC - ΔVC2φF … (78)

증폭기 (4) 의 출력 VO 는 식 (25) 와 동일하게 나타낸다. 식 (25) 로부터 식 (26) 의 도출에 있어서는, V6 은 V6 = V4 가 아니라 식 (78) 로 부여되고,

VOφC = A1 × {(V4φC - ΔVC2φF - V5φC) + (A2/A1) × (Vref2φC - Vref1φC)} … (79)

가 된다. 전압 V5 는 식 (24) 와 동일하게 나타내기 때문에, 상기 식에 식 (24) 를 대입하여 정리하면, 다음과 같이 된다.

VOφC = A1 × {(V4φC - V3φC) + (A2/A1) × (Vref2φC - Vref1φC)} + A1 × (ΔVC1φF - ΔVC2φF) … (80)

상기 식과 제 1 실시형태의 설명에 있어서의 식 (27) 과 비교하면, 상기 식에서는 -A1 × ΔVC2φF 의 항이 추가되어 있다. 또한, 상기 식 (80) 에, 식 (76) 에 나타낸 용량 C1 에 충전되어 있는 전압 ΔVC1φF 와 식 (77) 에 나타낸 용량 C2 에 충전되어 있는 전압 ΔVC2φF 를 대입하여 정리하면 다음 식을 얻는다.

VOφC = A1 × [-{(V3φC - V4φC) - (V3φF - V4φF)} + (A2/A1) × {(Vref2φC - Vref1φC) - (Vref2φF - Vref1φF)}] … (81)

상기 식 (81) 에는 Vref0 의 항은 포함되지 않았다. 이것은, 용량 C1 에 충전되어 있는 전압 ΔVC1φF 와, 용량 C2 에 충전되어 있는 전압 ΔVC2φF 의 양방에 Vref0φF 의 항이 포함되어 있어, ΔVC1φF 와 ΔVC2φF 의 차분을 계산했을 때에 Vref0 의 항이 상쇄되었기 때문이다. 또 상기 식 (81) 은, 제 1 실시형태의 설명에 있어서의 식 (28) 과 완전히 동일한 식이다. 이것은, 본 실시형태의 자기 센서 장치가 Vref0 의 전압이 어떠한 값이어도 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동등한 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출 기능을 갖는 것을 나타내고 있다. 실제의 회로에 있어서는, 홀 소자 (1) 의 특성이나 오프셋 전압, 또 차동 증폭기 (3) 의 오프셋 전압 등의 영향에 의해, 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 의 전압이 증폭기 (4) 의 동상 입력 전압 범위를 일탈한 경우에는, 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출을 정상적으로 실시할 수 없을 가능성이 있다. 본 실시형태의 자기 센서 장치에서는, 기준 전압 회로 ref0 의 정극의 전압 Vref0 를 증폭기 (4) 의 동상 입력 전압 범위 내가 되도록 선택함으로써, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치가 갖는 이점을 저해하지 않고, 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출이 가능하다는 이점을 갖는다. 다른 표현을 하면, 증폭기 (4) 에 요구되는 넓은 동상 입력 전압 범위를 현저하게 완화할 수 있다는 이점을 가지고 있다고 할 수 있다.

도 22 는 제 3 실시형태에 있어서의 검출 전압 설정 회로 (5) 의 일례이다. 도 5 와의 차이는, 기준 전압 회로 ref0 의 정극을 추가한 점이며, 그 밖의 구성은 도 5 와 동일하다. 기준 전압 회로 ref0 의 정극은 접속점 Vn 에 접속되고, 이 전압을 기준 전압 Vref0 로 한다. 그 밖의 접속은 도 5 와 동일하다. 검출 전압 설정 회로 (5) 는, 도 5 의 검출 전압 설정 회로 (5) 와 동일하게 동작한다.

본 회로에 있어서는, 기준 전압 회로 ref0 의 정극을 접속점 Vn 에 접속했지만, 상기 서술한 바와 같이 기준 전압 Vref0 는 증폭기 (4) 의 동상 입력 전압 범위 내가 되도록 선택하는 것이 바람직하고, 이 범위를 일탈하지 않는 범위이면 어느 접속점에 접속해도 된다. 예를 들어 접속점 Vnx 나 기준 전압 회로 ref1 의 정극이나 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 기준 전압 회로 ref0 의 정극을 접속해도 된다.

이상에 의해, 본 발명의 제 3 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명하고, 제 1 실시형태의 자기 센서 장치와 동일하게, 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출을 실현할 수 있는 것을 나타냈다.

본 설명에 있어서는, 차동 증폭기 (3) 및 증폭기 (4) 및 검출 전압 설정 회로 (5) 에 대한 구체적인 회로 구성 및 스위치 제어의 타이밍 차트를 나타냈지만, 본 설명 내에서 기재한 동작을 실시하는 구성이면, 반드시 이 구성이나 스위치 제어 타이밍에 제한되는 것은 아닌 것은, 본 발명의 제 1 실시형태의 자기 센서 장치의 경우와 동일하다. 예를 들어, 도 21 로 나타낸 스위치 제어의 타이밍 차트에서는, 스위치 S1 과 스위치 S2 의 제어 신호를 따로따로 기재하고 있지만, 도 21 에 나타낸 바와 같이 동일한 타이밍이기 때문에, 동일한 제어 신호로 제어해도 된다. 또, 도 23 에 나타내는 바와 같이, 스위치 S1 이 오프로 되는 타이밍보다 먼저 스위치 S2 가 오프로 되는 타이밍으로 해도 된다. 증폭기 (4) 의 과도 응답 특성이 양호한 경우나, 증폭기 (4) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 와 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 사이의 기생 용량이 무시할 수 없는 크기인 등의 경우에는, 스위치 S2 를 오프로 했을 때에 발생하는 스위칭 노이즈가 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 으로부터 제 1 차동 입력쌍의 제 1 입력 단자 V5 로 전파하여, 용량 C1 에 충전하는 전압에 무시할 수 없는 오차를 발생시키는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 본 타이밍 차트에 나타내는 바와 같이, 스위치 S2 를 오프로 하는 타이밍보다 스위치 S1 을 오프로 하는 타이밍을 늦추는 것이 보다 바람직하다.

<제 4 실시형태>

도 24 는 본 발명의 제 4 실시형태의 자기 센서 장치의 회로도이다. 도 12 에 나타낸 제 2 실시형태와의 차이는, 용량 C2A 와 용량 C2B, 스위치 S2A 와 스위치 S2B 를 추가한 점, 및 검출 전압 설정 회로 (5) 에 있어서, 기준 전압 회로 ref0A 와 기준 전압 회로 ref0B 를 추가한 점이다. 추가한 요소는 다음과 같이 구성 및 접속된다.

용량 C2A 는, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4A) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6A 에 접속된다. 스위치 S2A 는, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 증폭기 (4A) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6A 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref0A 의 정극에 접속되고, 스위치 제어 신호 (회로도에는 도시되지 않음) 에 의해 온 또는 오프가 제어된다. 용량 C2B 는, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 증폭기 (4B) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6B 에 접속된다. 스위치 S2B 는, 2 개의 단자를 갖고, 일방의 단자는 증폭기 (4B) 의 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6B 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 기준 전압 회로 ref0B 의 정극에 접속되고, 스위치 제어 신호 (회로도에는 도시되지 않음) 에 의해 온 또는 오프가 제어된다. 이 밖의 접속 및 구성에 대해서는 제 2 실시형태와 동일하다.

다음으로, 제 4 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명한다. 스위치 S2A 는, 스위치 S1A 와 동일하게, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 되도록 제어된다. 또, 스위치 S2B 는, 스위치 S1B 와 동일하게, 페이즈 φF 에서 온으로 되고, 페이즈 φC 에서 오프로 되도록 제어된다. 이 밖의 요소는 제 2 실시형태에서의 설명과 동일하게 동작한다. 자세한 설명은 생략하지만, 본 실시형태의 자기 센서 장치는 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 이점과, 제 3 실시형태의 자기 센서 장치의 이점을 전혀 저해하지 않고 겸비한 동작을 한다.

생략하여 간단하게 설명하면, 홀 소자 (1), 스위치 회로 (2), 차동 증폭기 (3), 증폭기 (4A), 용량 C1A, 용량 C2A, 스위치 S1A, 스위치 S2A, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 기준 전압 회로 ref0A 및 기준 전압 회로 ref1A 및 기준 전압 회로 ref2A 로 이루어지는 회로 구성 A 는, 제 3 실시형태의 자기 센서 장치와 동일한 구성이고, 스위치 제어 신호의 타이밍 차트와 동일해지도록 제어하면, 동작에 대해서도 제 3 실시형태의 자기 센서 장치와 동일해진다.

한편, 홀 소자 (1), 스위치 회로 (2), 차동 증폭기 (3), 증폭기 (4B), 용량 C1B, 용량 C2B, 스위치 S1B, 스위치 S2B, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 기준 전압 회로 ref0B 및 기준 전압 회로 ref1B 및 기준 전압 회로 ref2B 로 이루어지는 회로 구성 B 는, 회로 구성 A 와 동일하게 전술한 제 3 실시형태의 자기 센서 장치와 동일한 구성이고, 동일하게 동작하지만, 전술한 제 2 실시형태의 자기 센서 장치에서 나타낸 스위치 제어 신호의 타이밍 차트와 동일해지도록 제어하면, 제 2 실시형태의 자기 센서 장치에서 나타낸 회로 구성 B 의 동작과 제 3 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 겸비한 동작을 실시한다.

이상에 의해, 본 발명의 제 4 실시형태의 자기 센서 장치의 동작을 설명하고, 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출을 실현할 수 있으며, 본 발명의 제 2 실시형태의 자기 센서 장치의 경우와 동등한 고속화가 최소한의 회로 추가에 의해 가능한 것을 나타냈다.

또한, 본 발명의 자기 센서 장치의 설명에 있어서는, 구체적인 예를 나타내어 설명했지만, 반드시 이 구성이나 스위치 제어 타이밍에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 센서 소자와 증폭기 사이에 차동 증폭기를 접속했을 경우에 대해 설명했지만, 예를 들어 센서 소자의 신호의 전압이 높은 경우에는, 차동 증폭기를 구비하지 않아도 된다.

또 예를 들어, 증폭기 (4) 는, 제 1 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V6 에 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자 V4 가 접속되고, 제 2 차동 입력쌍의 제 2 입력 단자 V8 은 기준 전압 회로 ref2 의 정극에 접속되어 있지만, 이 접속을 반대로 해도 동일한 동작 및 효과를 얻을 수 있다.

또, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 스위치 제어에 의해, S 극과 N 극을 분별하여 검출하는 것이 가능한 것을 나타냈지만, 스위치 회로 (2) 의 제어에 의해 S 극과 N 극을 전환하는 구성으로 해도, 본 발명의 이점을 저해하지 않고 고정밀도이고 또한 고속의 자기 검출이 가능하다.

또, 본 발명의 자기 센서 장치는, 교번 검지 용도에 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 센서 소자에 대해 자전 변환 소자를 사용하여 설명했지만, 가속도나 압력 등에 따라 전압을 출력하는 센서 소자를 사용하는 것도 가능하다.

1 홀 소자
2 스위치 회로
3, 31, 32, 41, 42 차동 증폭기
4, 4A, 4B 증폭기
43 가산기
5 검출 전압 설정 회로
I1 정전류 회로

Claims (9)

1. 센서 소자에 인가되는 물리량의 강도에 따라 논리 출력을 실시하는 센서 장치로서,
   상기 센서 소자의 제 1 단자쌍 및 제 2 단자쌍이 접속되고, 전원이 공급되는 단자쌍과 물리량의 강도에 따른 신호 전압을 출력하는 단자쌍을 전환 제어하며, 상기 센서 소자의 단자쌍으로부터 입력된 제 1 신호 전압과 제 2 신호 전압을 출력하는 스위치 회로와,
   제 1 기준 전압과 제 2 기준 전압을 출력하는 검출 전압 설정 회로와,
   제 1 입력 단자쌍과 제 2 입력 단자쌍과 출력 단자를 갖고,
   상기 제 1 입력 단자쌍의 제 1 입력 단자는, 상기 출력 단자와 제 1 스위치를 개재하여 접속되고, 또한 제 1 용량을 개재하여 상기 제 1 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되고,
   상기 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압 또는 상기 제 2 기준 전압이 입력되고,
   상기 제 2 입력 단자쌍의 제 1 입력 단자는 상기 제 1 기준 전압이 입력되고,
   상기 제 2 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는 상기 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자에 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되는 경우에는 상기 제 2 기준 전압이 입력되고, 상기 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자에 상기 제 2 기준 전압이 입력되는 경우에는 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되는 제 1 증폭기를 구비하고,
   상기 스위치 회로는,
   상기 센서 소자의 상기 제 1 단자쌍에 전원을 공급하고, 상기 제 2 단자쌍으로부터 상기 제 1 신호 전압을 출력하는 제 1 검출 상태와,
   상기 센서 소자의 상기 제 2 단자쌍에 전원을 공급하고, 상기 제 1 단자쌍으로부터 상기 제 2 신호 전압을 출력하는 제 2 검출 상태를 전환하는 기능을 갖고,
   상기 검출 전압 설정 회로는, 상기 제 1 검출 상태일 때 상기 제 1 기준 전압을 출력하고, 상기 제 2 검출 상태일 때 상기 제 2 기준 전압을 출력하고,
   상기 제 1 스위치는, 상기 제 1 검출 상태일 때 온 되고 상기 제 2 검출 상태일 때 오프되고,
   상기 제 1 증폭기는, 1 회의 상기 제 1 검출 상태와 1 회의 상기 제 2 검출 상태에 의해, 상기 제 1 신호 전압과 상기 제 2 신호 전압의 차이와 상기 제 1 기준 전압과 상기 제 2 기준 전압의 차이를 비교함으로써 상기 논리 출력을 실시하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서 장치는,
   추가로 제 3 기준 전압과 제 4 기준 전압을 출력하도록 구성된 상기 검출 전압 설정 회로와,
   제 1 입력 단자쌍과 제 2 입력 단자쌍과 출력 단자를 갖고,
   상기 제 1 입력 단자쌍의 제 1 입력 단자는, 상기 출력 단자와 제 2 스위치를 개재하여 접속되고, 또한 제 2 용량을 개재하여 상기 제 1 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되고,
   상기 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압 또는 상기 제 4 기준 전압이 입력되고,
   상기 제 2 입력 단자쌍의 제 1 입력 단자는 상기 제 3 기준 전압이 입력되고,
   상기 제 2 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는 상기 제 4 기준 전압 또는 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되는 제 2 증폭기를 구비하고,
   상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 배타적으로 온 오프로 되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 증폭기의 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는, 제 2 용량을 개재하여 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되고, 또한 제 2 스위치를 개재하여 임의의 전압 공급원과 접속된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 증폭기의 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는, 제 3 용량을 개재하여 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되고, 또한 제 3 스위치를 개재하여 임의의 전압 공급원과 접속되고,
   상기 제 2 증폭기의 제 1 입력 단자쌍의 제 2 입력 단자는, 제 4 용량을 개재하여 상기 제 2 신호 전압에 기초하는 전압이 입력되고, 또한 제 4 스위치를 개재하여 임의의 전압 공급원과 접속된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 검출 전압 설정 회로는, 전원 단자와 접지 단자 사이에 직렬로 접속된 복수의 저항으로 구성되고, 각 분압점으로부터 상기 제 1 기준 전압 및 상기 제 2 기준 전압 각각을 출력하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 스위치 회로의 2 개의 출력 단자가 각각 접속되는 2 개의 입력 단자와, 상기 신호 전압을 증폭시킨 결과를 출력하는 2 개의 출력 단자를 갖는 차동 증폭기를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 센서 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 물리량은 자기인, 센서 장치.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 물리량은 압력인, 센서 장치.
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 검출 전압 설정 회로는, 전원 단자와 접지 단자 사이에 직렬로 접속된 복수의 저항으로 구성되고, 각 분압점으로부터 상기 제 1 기준 전압, 상기 제 2 기준 전압, 상기 제 3 기준 전압 및 상기 제 4 기준 전압 각각을 출력하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.

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