KR20100131929A

KR20100131929A - 자기 센서 장치

Info

Publication number: KR20100131929A
Application number: KR1020100053061A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 무라오카; 미노루 아리야마; 도모키 히키치; 마나부 후지무라
Original assignee: 세이코 인스트루 가부시키가이샤
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2010-12-16
Also published as: TWI447418B; JP2010281801A; TW201111821A; KR101355738B1; US8193807B2; CN101907691B; CN101907691A; JP5225938B2; US20100308815A1

Abstract

과제
자기 센서 장치에 있어서의 자전 변환 소자, 증폭기, 비교기의 각 오프셋 전압의 영향을 억제하고, 또한 임의의 검출 자계 강도를 설정하여 정확한 자기 판독을 가능하게 한다.
해결 수단
자전 변환 소자의 전원 전압이 인가되는 단자쌍과 자계 강도의 검출 전압을 출력하는 단자쌍을 전환 제어하는 스위치 전환 회로와, 검출 전압을 차동 증폭시키는 차동 증폭기와, 차동 증폭기의 제 1 출력 단자에 접속된 제 1 용량과, 차동 증폭기의 제 2 출력 단자에 접속된 제 2 스위치와, 제 1 용량과 제 1 입력 단자가 접속되고, 제 2 스위치와 제 2 입력 단자가 접속된 비교기와, 비교기의 제 1 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된 제 1 스위치와, 비교기의 제 2 입력 단자에 접속된 제 2 용량과, 제 2 용량에 접속된 검출 전압 설정 회로를 구비한다.

Description

자기 센서 장치{MAGNETIC SENSOR DEVICE}

본 발명은 자계 강도를 전기 신호로 변환하는 자기 센서 장치에 관한 것으로, 예를 들어 폴더식 휴대전화기나 노트북 컴퓨터 등에 있어서의 개폐 상태 검지용 센서, 또는 모터의 회전 위치 검지 센서에 이용되는 자기 센서 장치에 관한 것이다.

폴더식 휴대전화기나 노트북 컴퓨터 등에 있어서의 개폐 상태 검지용 센서로서, 또한 모터의 회전 위치 검지 센서로서 자기 센서 장치가 사용되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그 자기 센서 장치의 회로도를 도 7 에 나타낸다.

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 판정한다 (H 신호나 L 신호의 2치로 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 발생된다. 입력 오프셋 전압은, 주로 증폭기의 입력 회로를 구성하는 소자의 특성 편차 등에 의해 발생된다. 노이즈는 주로 회로를 구성하는 단체 (單體) 트랜지스터가 갖는 플리커 잡음, 단체 트랜지스터나 저항 소자가 갖는 열 잡음에 의해 발생된다.

상기 서술한 자전 변환 소자나 증폭기가 갖는 오프셋 전압의 영향을 저감시키기 위해, 도 7 에 나타낸 자기 센서 장치는 이하의 구성으로 되어 있다. 도 7 에 나타낸 자기 센서 장치는, 홀 소자 (1) 와, 홀 소자 (1) 의 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태를 전환하는 스위치 전환 회로 (2) 와, 스위치 전환 회로 (2) 의 2 개의 출력 단자의 전압차 (V1 - V2) 를 증폭시키는 차동 증폭기 (3) 와, 차동 증폭기 (3) 의 일방의 출력 단자가 일단 (一端) 에 접속되는 용량 (C1) 과, 차동 증폭기 (3) 의 타방의 출력 단자와 용량 (C1) 의 타단 사이에 접속되는 스위치 (S1) 와, 비교기 (4) 를 갖는 구성으로 되어 있다. 여기에서, 제 1 검출 상태는, 단자 A 와 C 로부터 전원 전압을 입력하고, 단자 B 와 D 로부터 검출 전압을 출력한다. 또, 제 2 검출 상태는, 단자 B 와 D 로부터 전원 전압을 입력하고, 단자 A 와 C 로부터 검출 전압을 출력한다.

자전 변환 소자의 차동 출력 전압을 Vh, 차동 증폭기의 증폭률을 G, 차동 증폭기의 입력 오프셋 전압을 Voa 로 한다. 제 1 검출 상태에서는, 스위치 (S1) 가 ON 되어, 용량 (C1) 에 Vc1 = (V3 - V4) = G (Vh1 + Voa) 가 충전된다. 계속해서 제 2 검출 상태에서는, 스위치 (S1) 가 OFF 되어, Vc2 = (V3 - V4) = G (- Vh2 + Voa) 가 출력된다. 여기에서, V5 - V6 = V3 - Vc1 - V4 = Vc2 - Vc1 = - G (Vh1 + Vh2) 가 되어, 입력 오프셋 전압의 영향이 상쇄된다. 또, 자전 변환 소자의 검출 전압 (Vh1 과 Vh2) 은, 일반적으로 동상의 유효 신호 성분과 역상의 소자 오프셋 성분을 갖기 때문에, 상기 서술한 출력 전압은 소자 오프셋 성분의 영향도 제거된다.

일본 공개특허공보 2001-337147호

그러나, 상기 서술한 바와 같은 종래의 자기 센서 장치에서는, 후단 (後段) 에 접속되는 비교기 (4) 의 입력 오프셋 전압을 제거하지 못해, 검출 자계 강도에 편차가 생긴다는 과제가 있다.

그래서, 본 발명의 목적은, 비교적 간단한 회로 구성으로 소자 오프셋 전압과, 증폭기 및 비교기의 입력 오프셋 전압의 영향을 제거하여, 자계 강도를 고정밀도로 검출할 수 있는 자기 센서 장치를 제공하는 것이다.

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

자전 변환 소자의 제 1 단자쌍 및 제 2 단자쌍이 접속되어, 전원 전압이 인가되는 단자쌍과 자계 강도의 검출 전압을 출력하는 단자쌍을 전환 제어하고, 검출 전압을 출력하는 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 갖는 스위치 전환 회로와, 스위치 전환 회로의 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자가 각각 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자에 접속되고, 검출 전압을 차동 증폭시킨 결과를 출력하는 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 갖는 차동 증폭기와, 차동 증폭기의 제 1 출력 단자와 일방의 단자가 접속된 제 1 용량과, 차동 증폭기의 제 2 출력 단자와 일방의 단자가 접속된 제 2 스위치와, 제 1 용량의 타방의 단자와 제 1 입력 단자가 접속되고, 제 2 스위치의 타방의 단자와 제 2 입력 단자가 접속되고, 그 입력 단자에 입력되는 전압의 비교 결과를 출력 단자에 출력하는 비교기와, 비교기의 제 1 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된 제 1 스위치와, 비교기의 제 2 입력 단자에 일단이 접속된 제 2 용량과, 제 2 용량의 타방의 단자에 접속된 검출 전압 설정 회로를 구비하는 자기 센서 장치.

본 발명의 자기 센서 장치에 의하면, 스위치와 용량을 유효적으로 활용함으로써 간편한 회로 구성으로, 자기 센서 장치를 구성하는 자전 변환 소자, 차동 증폭기, 비교기에서 발생되는 오프셋 성분을 제거할 수 있게 된다. 또, 자계 강도의 검출 전압 레벨을 양호한 정밀도로 설정할 수 있다. 따라서, 고정밀도의 자계 강도의 검출을 가능하게 하는 자기 센서 장치를 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 자기 센서 장치의 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 자기 센서 장치의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 3 은 본 발명의 자기 센서 장치의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트의 다른 예이다.
도 4 는 본 발명의 자기 센서 장치의 차동 증폭기의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 5 는 본 발명의 자기 센서 장치의 차동 증폭기의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 6 은 본 발명의 자기 센서 장치의 아날로그 스위치의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 7 은 종래의 자기 센서 장치의 회로도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 자기 센서 장치는, 폴더식 휴대전화기나 노트북 컴퓨터 등에 있어서의 개폐 상태 검지 센서나, 모터의 회전 위치 검지 센서 등, 자계 강도의 상태를 검지하는 센서로서 폭넓게 이용되고 있다. 이하의 실시형태에서는, 자전 변환 소자를 사용한 자기 센서 장치에 대하여 설명하지만, 본 발명의 변환 장치는 자계 강도에 따라 전압 출력을 행하는 자전 변환 소자 대신에, 가속도나 압력 등에 따라 마찬가지로 전압 출력이 이루어지는 변환 소자를 사용할 수도 있다.

도 1 은 본 발명의 자기 센서 장치의 회로도이다. 본 발명의 자기 센서 장치는, 자전 변환 소자인 홀 소자 (1) 와, 스위치 전환 회로 (2) 와, 차동 증폭기 (3) 와, 비교기 (4) 와, 검출 전압 설정 회로 (5) 와, 제 1 용량 (C1) 및 제 2 용량 (C2) 과, 제 1 스위치 (S1) 및 제 2 스위치 (S2) 를 구비한다.

홀 소자 (1) 는 제 1 단자쌍 (A - C) 과 제 2 단자쌍 (B - D) 을 갖는다. 스위치 전환 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 전환 회로 (2) 의 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자가 각각 접속되는 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자와, 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 갖는다. 제 1 용량 (C1) 은, 차동 증폭기 (3) 의 제 1 출력 단자에 일방의 단자가 접속된다. 제 2 스위치 (S2) 는, 차동 증폭기 (3) 의 제 2 출력 단자에 일방의 단자가 접속된다. 비교기 (4) 는, 제 1 입력 단자에 제 1 용량 (C1) 의 타방의 단자가 접속되고, 제 2 입력 단자에 제 2 스위치 (S2) 의 타방의 단자가 접속되어, 각각에 입력되는 전압의 비교 결과를 출력 단자에 출력한다. 제 1 스위치 (S1) 는, 비교기 (4) 의 제 1 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된다. 제 2 용량 (C2) 은, 비교기 (4) 의 제 2 입력 단자에 일방의 단자가 접속된다. 검출 전압 설정 회로 (5) 는, 제 2 용량 (C2) 의 타방의 단자에 접속된다. 검출 전압 설정 회로 (5) 는, 전원 단자 (VDD) 와 접지 단자 (GND) 사이에 접속되는 브리더 저항과, 각 저항의 접속점과 제 2 용량 (C2) 의 타방의 단자를 접속시키는 스위치 회로를 가지고 있다.

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

차동 증폭기 (3) 는, 도 4 에 나타낸 바와 같은 인스트루먼테이션 앰프 구성을 하고 있다. 차동 증폭기 (3) 는, 차동 증폭기 (11, 12) 와 저항 (R11, R12, R13) 을 구비한다. 차동 증폭기 (11 및 12) 는, 각각 비반전 증폭기로서 동작한다. 차동 증폭기 (3) 의 제 1 입력 단자가 차동 증폭기 (11) 의 비반전 입력 단자에 접속되고, 제 2 입력 단자가 차동 증폭기 (12) 의 비반전 입력 단자에 접속되고, 제 1 출력 단자가 차동 증폭기 (11) 의 출력 단자에 접속되고, 제 2 출력 단자가 차동 증폭기 (12) 의 출력 단자에 접속된다. 차동 증폭기 (3) 는, 이와 같은 인스트루먼테이션 앰프 구성으로 함으로써, 차동 입력에 있어서의 동상 노이즈의 영향을 억제할 수 있게 된다. 여기에서, 차동 증폭기 (11 및 12) 의 증폭률이 동일하게 설정되어 있는 것으로 한다.

스위치 (S1 및 S2) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같은 아날로그 스위치를 사용한다. 아날로그 스위치는, 입력 단자와 출력 단자 사이에 직렬로 접속된 2 개의 트랜스미션 게이트로 구성된다. 입력 단자측 트랜스미션 게이트는, NMOS 트랜지스터 (M31) 와 PMOS 트랜지스터 (M32) 로 구성된다. 출력 단자측 트랜스미션 게이트는, 각각의 소스와 드레인을 단락시킨 NMOS 트랜지스터 (M33) 및 PMOS 트랜지스터 (M34) 로 구성된다. 여기에서, NMOS 트랜지스터 (M33) 는, NMOS 트랜지스터 (M31) 와 동일한 L 길이, 절반의 W 길이로 설정한다. 마찬가지로, PMOS 트랜지스터 (M34) 는, PMOS 트랜지스터 (M32) 와 동일한 L 길이, 절반의 W 길이로 설정한다. 그리고, NMOS 트랜지스터 (M31) 와 PMOS 트랜지스터 (M34) 의 게이트에는 신호 (ΦA) 가 입력되고, PMOS 트랜지스터 (M32) 와 NMOS 트랜지스터 (M33) 의 게이트에는 신호 (ΦA) 를 반전시킨 신호가 입력된다. 여기에서, 도 6 에서 나타내는 아날로그 스위치는, 출력 단자측에 노이즈를 발생시키지 않기 때문에, 제 1 스위치 (S1) 는 제 1 용량 (C1) 측을 출력 단자로 하고, 제 2 스위치 (S2) 는 제 2 용량 (C2) 측을 출력 단자로 한다.

다음으로, 본 발명의 자기 센서 장치의 동작을 설명한다. 제 1 실시형태로서, 차동 증폭기 (3) 는 도 4 의 구성으로 하고, 도 2 의 스위치 제어 신호의 타이밍 차트로 각 스위치가 구동되는 것으로 한다.

검출 동작의 일주기 (T) 는, 상기 서술한 스위치 전환 회로 (2) 의 동작에 의해 제 1 검출 상태 (T1) 와 제 2 검출 상태 (T2) 로 나뉘어져 있다. 또, 각 스위치의 개폐에 따라 제 1 샘플 페이즈 (F1), 제 2 샘플 페이즈 (F2), 비교 페이즈 (F3) 로 나뉘어져 있다. 제 1 샘플 페이즈 (F1) 는 홀 소자 (1), 차동 증폭기 (3), 비교기 (4) 의 오프셋 성분을 용량 (C1 및 C2) 에 기억시킨다. 제 2 샘플 페이즈 (F2) 는, 자계 강도의 검출 전압 레벨을 설정하는 준비를 한다. 비교 페이즈 (F3) 는, 자계 강도에 따라 정해지는 전압과 검출 전압 레벨을 비교한다.

제 1 샘플 페이즈 (F1) 에서는, 홀 소자 (1) 는 제 1 검출 상태 (T1) 가 되고, 스위치 (S1, S2 및 S3) 는 ON 된다. S1 이 ON 됨으로써, 비교기 (4) 는 볼티지 팔로어 회로로서 동작한다. 따라서, 용량 (C1) 에는 전압 (V3) 과 전압 (V5) 의 차분 (ΔC1) 이 충전된다.

ΔC1 = V3 - V5 … (1)

제 2 샘플 페이즈 (F2) 에서는, 홀 소자 (1) 는 제 2 검출 상태 (T2) 가 되고, 스위치 (S1) 가 OFF 된다. 용량 (C1) 에는 ΔC1 이 유지되고 있기 때문에, 전압 (V5) 은, 식 (2) 로 나타내어진다.

V5 = V3 - ΔC1 … (2)

또, 용량 (C2) 에는, 전압 (V6) 과 전압 (V8) 의 차분 (ΔC2) 이 충전된다.

ΔC2 = V6 - V8 = V6 - Vr1 … (3)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 스위치 (S2 와 S3) 가 OFF 되고, 스위치 (S4a) 가 ON 된다. 그러면, 용량 (C2) 에는 ΔC2 가 유지되기 때문에, 전압 (V6) 은, 식 (4) 로 나타내어진다.

V6 = V8 + ΔC2 = Vr2 + ΔC2 … (4)

최종적으로, 식 (2) 로 나타내어지는 전압 (V5) 과 식 (4) 로 나타내어지는 전압 (V6) 의 전압이 비교기 (4) 에서 비교되어, H 신호 (VDD) 또는 L 신호 (GND) 가 출력된다.

다음으로, 홀 소자 (1) 의 출력 단자쌍에 있어서의 차동 출력 전압을 Vh, 동상 전압을 Vcm (≒ VDD/2), 차동 증폭기 (3) 의 증폭률을 G 로 하여 유효 신호 성분의 전달에 대하여 설명한다. 상기 서술한 식 (1) ∼ (4) 에 기초하여 산출한다.

제 1 샘플 페이즈 (F1) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V1 = Vcm + Vh/2, V2 = Vcm - Vh/2 … (5)

V3 = Vcm + GVh/2, V4 = Vcm - GVh/2 … (6)

V5 = V7 = V6 = V4 = Vcm - GVh/2 … (7)

ΔC1 = V3 - V5 = GVh … (8)

제 2 샘플 페이즈 (F2) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V1 = Vcm - Vh/2, V2 = Vcm + Vh/2 … (9)

V3 = Vcm - GVh/2, V4 = Vcm + GVh/2 … (10)

V5 = V3 - ΔC1 = Vcm - 3GVh/2 … (11)

ΔC2 = V6 - V8 = Vcm + GVh/2 - Vr1 … (12)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V5 = Vcm - 3GVh/2 … (13)

V6 = Vr2 + ΔC2 = Vcm + GVh/2 + Vr2 - Vr1 … (14)

V6 - V5 = 2GVh + Vr2 - Vr1 … (15)

따라서, 비교 페이즈 (F3) 에서, 비교기 (4) 에서 신호 성분 (2GVh) 과 브리더 저항의 저항비에 의해 정해지는 검출 전압 성분 (Vr1 - Vr2) 이 비교된다.

다음으로, 홀 소자 (1) 의 소자 오프셋 전압을 Voh 로 하여 동일한 계산을 실시한다. 상기 서술한 계산에서는, 홀 소자 (1) 의 출력 전압 성분이 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태에서 역상으로 하고 있기 때문에, 소자 오프셋 성분은 동상이 된다.

V1 = Vcm + Voh/2, V2 = Vcm - Voh/2 … (16)

V3 = Vcm + GVoh/2, V4 = Vcm - GVoh/2 … (17)

V5 = V7 = V6 = V4 = Vcm - GVoh/2 … (18)

ΔC1 = V3 - V5 = GVoh … (19)

V1 = Vcm + Voh/2, V2 = Vcm - Voh/2 … (20)

V3 = Vcm + GVoh/2, V4 = Vcm - GVoh/2 … (21)

V5 = V3 - ΔC1 = Vcm - GVoh/2 … (22)

ΔC2 = V6 - V8 = Vcm - GVoh/2 - Vr1 … (23)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V5 = Vcm - GVoh/2 … (24)

V6 = Vr2 + ΔC2 = Vcm - GVoh/2 + Vr2 - Vr1 … (25)

V6 - V5 = Vr2 - Vr1 … (26)

따라서, 비교 페이즈 (F3) 에서 소자 오프셋 성분은 제거된다.

다음으로, 차동 증폭기 (3) 의 제 1 입력 단자에 있어서의 입력 오프셋 전압을 Voa1, 제 2 입력 단자에 있어서의 입력 오프셋 전압을 Voa2, 비교기 (4) 의 입력 오프셋 전압을 Voa3 으로 하여 동일한 계산을 실시한다.

V1 = Vcm, V2 = Vcm … (27)

V3 = Vcm + GVoa1, V4 = V6 = Vcm + GVoa2 … (28)

V5 = V7 = V6 + Voa3 = Vcm + GVoa2 + Voa3 … (29)

ΔC1 = V3 - V5 = GVoa1 - GVoa2 - Voa3 … (30)

V1 = Vcm, V2 = Vcm … (31)

V3 = Vcm + GVoa1, V4 = V6 = Vcm + GVoa2 … (32)

V5 = V3 - ΔC1 = Vcm + GVoa2 + Voa3 … (33)

ΔC2 = V6 - V8 = Vcm + GVoa2 - Vr1 … (34)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V5 = Vcm + GVoa2 + Voa3 … (35)

V6 = Vr2 + ΔC2 = Vcm + GVoa2 + Vr2 - Vr1 … (36)

여기에서, 비교시에 있어서의 비교기 (4) 의 입력 오프셋 성분을 고려하는, 즉 비교시에는 V6 에 Voa3 을 가산하여 비교된다.

(V6 + Voa3) - V5 = Vr2 - Vr1 … (37)

따라서, 비교 페이즈 (F3) 에서 차동 증폭기 (3) 및 비교기 (4) 의 입력 오프셋 성분은 제거된다.

이상을 정리하면, 상기 서술 식 (15), (26), (37) 로 나타내어지는 바와 같 이, 본 발명의 자기 센서 장치에서는, 홀 소자 (1), 차동 증폭기 (3), 비교기 (4) 에서 발생되는 모든 오프셋 성분을 제거할 수 있다. 또, 자계 강도의 검출 전압 레벨을 브리더 저항의 저항비만으로 임의로 설정할 수 있다. 결과적으로, 자전 변환 소자에 의해 검출되는 신호 성분만이 상기 서술한 브리더 저항의 저항비에 의해 설정한 검출 전압과 비교되어, 고정밀도의 자계 강도의 검출이 실현된다.

또한, 상기 서술한 홀 소자 (1) 의 동상 전압을 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태에서 공통된 동상 전압 (Vcm) 으로 했는데, 상이한 전압이어도 동일한 결과가 된다.

또, 본 발명의 자기 센서 장치는, 비교기 (4) 의 각각 입력 단자에 용량 (C1 및 C2) 이 접속되는 구성이기 때문에, 각각 입력 단자에 접속되는 스위치가 개폐되는 순간의 클록 피드스루 노이즈나 차지 인젝션 노이즈의 영향을 억제할 수 있다. 또한, 스위치 (S1 및 S2) 는, 도 6 에 나타내는 아날로그 스위치를 사용하고 있기 때문에, 상기 노이즈의 영향을 더욱 억제할 수 있다. 따라서, 자기 센서 장치는 고정밀도의 자계 강도의 검출이 가능해진다. 또, 도 6 에 나타내는 아날로그 스위치는, 스위치 (S3, S4a, S4b) 에 사용해도 된다.

다음으로, 본 발명의 자기 센서 장치의 동작을 차동 증폭기 (3) 가 도 5 의 구성인 것으로 하여 설명한다.

도 5 에 나타내는 차동 증폭기 (3) 는, 차동 증폭기 (21, 22) 와 저항 (R21, R22) 을 구비한다. 차동 증폭기 (21) 는 비반전 증폭기로서, 차동 증폭기 (22) 는 볼티지 팔로어로서 동작한다. 차동 증폭기 (3) 의 제 1 입력 단자가 차동 증폭기 (21) 의 비반전 입력 단자에 접속되고, 제 2 입력 단자가 차동 증폭기 (22) 의 비반전 입력 단자에 접속되고, 제 1 출력 단자가 차동 증폭기 (21) 의 출력 단자에 접속되고, 제 2 출력 단자가 차동 증폭기 (22) 의 출력 단자에 접속된다. 본 구성에서 상기 서술한 식 (5) ∼ (37) 로 나타내어진 계산을, 유효 신호 성분과 각 오프셋 성분을 혼합한 형태로 동일하게 실시한다.

V1 = Vcm + Vh/2 + Voh/2 … (38)

V2 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 … (39)

V3 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + G (Vh + Voh + Voa1 - Voa2) … (40)

V4 = V6 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 … (41)

V5 = V7 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + Voa3 … (42)

ΔC1 = G (Vh + Voh + Voa1 - Voa2) - Voa3 … (43)

V1 = Vcm - Vh/2 + Voh/2 … (44)

V2 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 … (45)

V3 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + G (- Vh + Voh + Voa1 - Voa2) … (46)

V4 = V6 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 + Voa2 … (47)

V5 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 - 2GVh + Voa2 + Voa3 … (48)

ΔC2 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 + Voa2 - Vr1 … (49)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V5 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 - 2GVh + Voa2 + Voa3 … (50)

V6 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + Vr2 - Vr1 … (51)

여기에서, 비교시에 있어서의 비교기 (4) 의 입력 오프셋 성분을 고려하는, 즉 비교시에는 전압 (V6) 에 전압 (Voa3) 을 가산하여 비교된다.

(V6 + Voa3) - V5 = 2GVh + Vr2 - Vr1 … (52)

따라서, 비교 페이즈 (F3) 에서 신호 성분 (2GVh) 과 브리더 저항에 있어서의 저항비에 의해 정해지는 검출 전압 성분 (Vr1 - Vr2) 이 비교된다. 즉, 차동 증폭기 (3) 는, 도 5 의 구성이라 하더라도 동일한 효과가 얻어진다.

여기에서, 비교 페이즈 (F3) 에 있어서의 노드 전압 (V5 와 V6) 은, 식 (50), (51) 로부터 알 수 있는 바와 같이, 차동 증폭기 (3) 에 의해 증폭된 오프셋 성분은 포함되지 않는다. 따라서, 비교시에 비교기 (4) 의 각각 입력 단자에 증폭된 오프셋 성분이 존재하지 않기 때문에, 비교기 (4) 의 동상 입력 전압 범위를 유효하게 활용할 수 있다. 이것은 보다 저전원 전압의 환경 하에서도 자기 센서 장치의 정상 동작이 가능해진다는 것까지도 나타낸다.

또한, 홀 소자 (1) 의 동상 전압을 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태에서 공통된 동상 전압 (Vcm) 으로 했는데, 상이한 동상 전압이라 하더라도 비교되는 성분에 영향은 없어 동일한 결과가 된다.

다음으로, 도 3 에 나타내는 스위치 제어 신호에 의해 동작하는 경우에 대하여 설명한다. 도 3 에 나타내는 타이밍 차트에서는, 검출 동작의 일주기 (T) 는, 각 스위치의 개폐에 따라 제 1 샘플 페이즈 (F1) 와 비교 페이즈 (F3) 로 나뉘어져 있다. 제 1 샘플 페이즈 (F1) 는, 홀 소자 (1), 차동 증폭기 (3), 비교기 (4) 의 오프셋 성분을 용량 (C1 및 C2) 에 기억시킨다. 비교 페이즈 (F3) 는, 자계 강도에 따라 정해지는 전압과 검출 전압 레벨을 비교한다.

제 1 샘플 페이즈 (F1) 에서는, 홀 소자 (1) 는 제 1 검출 상태 (T1) 가 되고, 스위치 (S1, S2 및 S3) 는 ON 된다. S1 가 ON 됨으로써, 비교기 (4) 는 볼티지 팔로어 회로로서 동작한다. 따라서, 용량 (C1) 에는 전압 (V3) 과 전압 (V5) 의 차분 (ΔC1) 이 충전된다.

ΔC1 = V3 - V5 … (53)

또, 용량 (C2) 에는 전압 (V6) 과 전압 (V8) 의 차분 (ΔC2) 이 충전된다.

ΔC2 = V6 - V8 = V6 - Vr1 … (54)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 홀 소자 (1) 는 제 2 검출 상태 (T2) 가 되고, 스위치 (S1) 가 OFF 된다. 용량 (C1) 에는 ΔC1 이 유지되고 있기 때문에, 전압 (V5) 은, 식 (55) 로 나타내어진다.

V5 = V3 - ΔC1 … (55)

동시에 스위치 (S2, S3) 가 OFF 되고, 스위치 (S4a) 가 ON 된다. 그러면, 용량 (C2) 에는 ΔC2 가 유지되고 있기 때문에, 전압 (V6) 은, 식 (56) 으로 나타내어진다.

V6 = V8 + ΔC2 = Vr2 + ΔC2 … (56)

따라서, 식 (55) 로 나타내어지는 전압 (V5) 과 식 (56) 으로 나타내어지는 전압 (V6) 이 비교기 (4) 에서 비교되어, H 신호 (VDD) 또는 L 신호 (GND) 가 출력된다.

다음으로, 홀 소자 (1) 의 출력 단자쌍에 있어서의 차동 출력 전압을 Vh, 동상 전압을 Vcm (≒ VDD/2), 소자 오프셋 전압을 Voh, 차동 증폭기 (3) 의 증폭률을 G, 제 1 입력 단자에 있어서의 입력 오프셋 전압을 Voa1, 제 2 입력 단자에 있어서의 입력 오프셋 전압을 Voa2, 비교기 (4) 의 입력 오프셋 전압을 Voa3 으로 하여 신호 전달을 계산한다. 상기 서술한 식 (53) ∼ (56) 에 기초하여 산출한다. 또한, 홀 소자 (1) 의 출력 전압 성분을 제 1 검출 상태 (T1) 와 제 2 검출 상태 (T2) 에서 역상으로 하기 때문에, 오프셋 성분은 동상이 된다. 제 1 샘플 페이즈 (F1) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V1 = Vcm + Vh/2 + Voh/2 … (57)

V2 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 … (58)

V3 = Vcm + G (Vh/2 + Voh/2 + Voa1) … (59)

V4 = V6 = Vcm + G (- Vh/2 - Voh/2 + Voa2) … (60)

V5 = V7 = Vcm + G (- Vh/2 - Voh/2 + Voa2) + Voa3 … (61)

ΔC1 = G (Vh + Voh + Voa1 - Voa2) - Voa3 … (62)

ΔC2 = Vcm + G (- Vh/2 - Voh/2 + Voa2) - Vr1 … (63)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V1 = Vcm - Vh/2 + Voh/2 … (64)

V2 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 … (65)

V3 = Vcm + G (- Vh/2 + Voh/2 + Voa1) … (66)

V5 = Vcm + G (- 3Vh/2 - Voh/2 + Voa2) + Voa3 … (67)

V6 = Vcm + G (- Vh/2 - Voh/2 + Voa2) + Vr2 - Vr1 … (68)

(V6 + Voa3) - V5 = GVh + Vr2 - Vr1 … (69)

따라서, 비교 페이즈 (F3) 에서 신호 성분 (GVh) 과 브리더 저항에 있어서의 저항비에 의해 정해지는 검출 전압 성분 (Vr1 - Vr2) 이 비교된다. 도 2 의 타이밍 차트의 경우와 비교하면, 유효 신호 성분이 절반의 크기로는 되지만, 제 2 샘플 페이즈 (F2) 가 필요하지 않게 된다는 장점이 있다.

또, 상기 서술한 식 (57) ∼ (69) 의 계산에서는, 차동 증폭기 (3) 는 도 4 의 인스트루먼테이션 앰프 구성을 사용한 경우를 상정하고 있지만, 도 5 의 회로 구성을 사용해도 된다. 이 경우의 계산도 마찬가지로 실시하면, 이하와 같이 나타내어진다.

V1 = Vcm + Vh/2 + Voh/2 … (70)

V2 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 … (71)

V3 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + G (Vh + Voh + Voa1 - Voa2) … (72)

V4 = V6 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 … (73)

V5 = V7 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + Voa3 … (74)

ΔC1 = G (Vh + Voh + Voa1 - Voa2) - Voa3 … (75)

ΔC2 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 - Vr1 … (76)

비교 페이즈 (F3) 에서는, 각 노드의 전압은 이하가 된다.

V1 = Vcm - Vh/2 + Voh/2 … (77)

V2 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 … (78)

V3 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + G (- Vh + Voh + Voa1 - Voa2) … (79)

V5 = Vcm + Vh/2 - Voh/2 - 2GVh + Voa2 + Voa3 … (80)

V6 = Vcm - Vh/2 - Voh/2 + Voa2 + Vr2 - Vr1 … (81)

(V6 + Voa3) - V5 = (2G - 1) Vh + Vr2 - Vr1 … (82)

따라서, 비교 페이즈 (F3) 에서 신호 성분 ((2G - 1) Vh) 과 브리더 저항에 있어서의 저항비에 의해 정해지는 검출 전압 성분 (Vr1 - Vr2) 이 비교된다.

또한, 도 3 에 나타내는 스위치 제어 신호에 의해 동작하는 경우에는, 홀 소자 (1) 의 동상 전압을 제 1 검출 상태와 제 2 검출 상태에서 공통된 동상 전압 (Vcm) 으로 할 필요가 있다.

이상, 도 2 또는 도 3 의 타이밍 차트를 사용하여 설명한 자기 센서 장치의 구동 방법에 있어서, 1 개의 검출 주기 (T) 는, S 극 또는 N 극 중 어느 1 개의 자기 강도를 검지한다. 따라서, S 극과 N 극의 양방의 자기 강도를 검지하는 경우에는, 검출 주기 (T) 를 2 회 반복한다. 여기에서, S 극과 N 극에서는, 홀 소자 (1) 의 출력 단자쌍에 출력되는 차동 검출 전압 (Vh) 이 역상이 된다. 즉, 비교기 (4) 에 입력되는 신호 성분은, S 극과 N 극을 검지하는 경우에 부호가 역전된다. 따라서, 검출 전압 설정 회로 (5) 에서 설정하는 검출 전압도, 전압이 동일하고 부호가 반대인 검출 전압을 필요로 한다. 그러나, 전압이 동일하고 부호가 반대인 검출 전압을 출력하도록 브리더 저항을 구성으로 한 경우, 저항의 제조 편차가 검출 전압에 영향을 미칠 가능성이 있다.

그래서, 스위치 전환 회로 (2) 는, S 극과 N 극의 검출에 있어서, 홀 소자 (1) 의 출력 단자쌍과 차동 증폭기 (3) 의 입력 단자의 접속이 바뀌도록 제어한다. 이와 같이 스위치 전환 회로 (2) 가 제어함으로써, 검출 전압 설정 회로 (5) 에서 설정하는 검출 전압도 부호가 반대인 검출 전압을 필요로 하지 않기 때문에, 도 1 의 회로 구성으로 할 수 있다. 따라서, 저항 회로는 절반으로 구성할 수 있어, 저항의 제조 편차가 검출 전압에 영향을 미치는 경우도 없다.

또, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 스위치 (S4b) 는, 검출 전압에 히스테리시스를 형성하기 위해 구비하고 있다. 스위치 (S4a) 에 의해 설정된 자계 강도가 검출된 경우, 다음 검출 주기 (T) 의 비교 페이즈 (F3) 에서 ON 하는 스위치가 S4b 로 변경된다. 마찬가지로, 자계 강도의 검출이 해제된 경우, 다음 검출 주기 (T) 의 비교 페이즈 (F3) 에서 ON 하는 스위치가 S4a 로 변경된다. 이로써 자계 강도의 검출, 해제시에 있어서의 채터링을 억제할 수 있다.

또, 검출 전압 설정 회로 (5) 의 각 스위치는, 홀 소자 (1) 로부터 출력되는 유효 신호 성분의 부호에 따라 GND 측에서부터 S3, S4b, S4a 의 순서로 접속하는 경우도 있다.

또한, 본 발명에 있어서의 자기 센서 장치는, 교번 검지 (예를 들어, 모터의 회전 검지) 용도에 사용할 수도 있다. 교번 검지는 일방 (예를 들어, S 극) 의 극성만을 검지하는 상태에서, 그 일방의 극성이 검지되면 타방 (N 극) 의 극성만을 검지하는 상태로 바뀌는 자기 센서 장치이다.

또, 도 2 또는 도 3 의 타이밍 차트에 있어서, 검출 주기 (T) 와 검출 주기 (T) 사이에 일정 기간의 스탠바이 기간을 형성하여, 자기 센서 장치의 평균 소비 전류를 억제하는 구동 방법으로 한 경우에도 동일한 효과가 얻어진다.

1 : 홀 소자
2 : 스위치 전환 회로
3 : 차동 증폭기
4 : 비교기
5 : 검출 전압 설정 회로
11, 12, 21, 22 : 차동 증폭기

Claims

자전 변환 소자에 인가되는 자계 강도에 따라 논리 출력을 행하는 자기 센서 장치로서,
상기 자전 변환 소자의 제 1 단자쌍 및 제 2 단자쌍이 접속되어, 전원 전압이 인가되는 단자쌍과 자계 강도의 검출 전압을 출력하는 단자쌍을 전환 제어하고, 상기 검출 전압을 출력하는 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 갖는 스위치 전환 회로와,
상기 스위치 전환 회로의 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자가 각각 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자에 접속되고, 상기 검출 전압을 차동 증폭시킨 결과를 출력하는 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 갖는 차동 증폭기와,
상기 차동 증폭기의 제 1 출력 단자와 일방의 단자가 접속된 제 1 용량과,
상기 차동 증폭기의 제 2 출력 단자와 일방의 단자가 접속된 제 2 스위치와,
상기 제 1 용량의 타방의 단자와 제 1 입력 단자가 접속되고, 상기 제 2 스위치의 타방의 단자와 제 2 입력 단자가 접속되고, 그 입력 단자에 입력되는 전압의 비교 결과를 출력 단자에 출력하는 비교기와,
상기 비교기의 제 1 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속된 제 1 스위치와,
상기 비교기의 제 2 입력 단자에 일방의 단자가 접속된 제 2 용량과,
상기 제 2 용량의 타방의 단자에 접속된 검출 전압 설정 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 검출 전압 설정 회로는, 전원 단자와 접지 단자 사이에 직렬로 접속되는 제 1 저항, 제 2 저항 및 제 3 저항을 갖는 브리더 저항과,
상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항의 접속점과, 상기 제 2 용량의 타방의 단자 사이에 형성된 제 3 스위치와,
상기 제 2 저항과 상기 제 3 저항의 접속점과, 상기 제 2 용량의 타방의 단자 사이에 형성된 제 4 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 검출 전압 설정 회로는,
추가로 상기 브리더 저항에 제 4 저항을 갖고,
상기 제 3 저항과 상기 제 4 저항의 접속점과, 상기 제 2 용량의 타방의 단자 사이에 형성된 제 5 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 스위치 전환 회로는,
상기 자전 변환 소자의 제 1 단자쌍에 전원 전압을 입력하고, 제 2 단자쌍으로부터 검출 전압을 출력하는 제 1 검출 상태와,
상기 자전 변환 소자의 제 2 단자쌍에 전원 전압을 입력하고, 제 1 단자쌍으로부터 검출 전압을 출력하는 제 2 검출 상태를 전환하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 검출 상태에 있어서, 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 닫혀 있고, 상기 제 4 스위치가 열려 있는 제 1 샘플 페이즈와,
상기 제 2 검출 상태에 있어서, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 닫혀 있고, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 4 스위치가 열려 있는 제 2 샘플 페이즈와,
상기 제 2 검출 상태에 있어서, 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 열려 있고, 상기 제 4 스위치가 닫혀 있는 비교 페이즈에 의해 상기 자전 변환 소자에 인가되는 자계 강도에 따라 논리 출력을 행하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 검출 상태에 있어서, 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 닫혀 있고, 상기 제 4 스위치가 열려 있는 제 1 샘플 페이즈와,
상기 제 2 검출 상태에 있어서, 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 열려 있고, 상기 제 4 스위치가 닫혀 있는 비교 페이즈에 의해 상기 자전 변환 소자에 인가되는 자계 강도에 따라 논리 출력을 행하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.