KR20150023348A

KR20150023348A - 자기 센서

Info

Publication number: KR20150023348A
Application number: KR1020147034110A
Authority: KR
Inventors: 도모키 히키치; 미노루 아리야마
Original assignee: 세이코 인스트루 가부시키가이샤
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2015-03-05
Also published as: EP2860541A1; WO2013183355A1; US9523743B2; JP6004758B2; KR101972629B1; JP2013253886A; TW201350893A; EP2860541A4; US20150084620A1; TWI567406B; EP2860541B1; CN104364670B; CN104364670A

Abstract

자기 특성의 초기 불량의 원인이며, 또한 시간 경과적으로 변화할 가능성이 있는 오프셋 전압이 큰 개체를 식별하는 것이 가능한 자기 센서를 제공하는 것.
홀 소자가 출력하는 차동 신호 전압을 증폭 회로에 전달하기 위한 전환 스위치 회로에 교차 전달 스위치를 형성하고, 제어 회로로부터의 제어 신호에 의해, 홀 소자에 흘리는 전류를 전환하는 제 1 기간과 제 2 기간에 있어서, 어느 기간에 교차 전달하도록 하여, 오프셋 전압의 대소를 판정 식별할 수 있는 구성으로 하였다.

Description

자기 센서{MAGNETIC SENSOR}

본 발명은, 반도체 기판 상의 홀 소자를 사용한 자기 센서에 관한 것으로, 특히 그 특성 이상 검출용 회로에 관한 것이다.

자기 센서는, 여러 가지 가동 (可動) 물품의 이동, 회전을 검지하기 위해서 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 휴대 기기의 개폐 검출이나, 모터의 회전수 검출 등을 들 수 있다. 최근, 저렴하지만, 저감도이며 오프셋 전압이 큰 Si 기판 상에 구성된 홀 소자가 사용되고 있다. 그리고, 홀 소자 및 증폭기의 오프셋 전압을 신호 처리에 의해 상쇄함으로써, 저렴하고 높은 자기 검출 정밀도의 자기 센서를 실현하고 있다.

도 4 에, 종래의 자기 센서의 블록도를 나타낸다. 종래의 자기 센서 (10) 는, 홀 소자 (2) 와, 전환 스위치 회로 (30) 와, 증폭기 (4) 와, 샘플링 회로 (5) 와, 기준 전압 회로 (60) 와, 비교기 (7) 와, 출력 회로 (8) 를 구비하고 있다. 종래의 자기 센서 (10) 는, 이하와 같이 동작하여 오프셋 전압을 상쇄한다. 홀 소자 (2) 는, 전환 스위치 회로 (30) 에 의해, 대각선 상의 2 단자 사이에 흘리는 전류 경로를 제 1 기간, 제 2 기간에 상보적으로 전환한다. 그 출력 전압은, 증폭기 (4) 로 증폭되고, 샘플링 회로 (5) 에 의해 시분할로 유지되어 평균화된다. 기준 전압 회로 (60) 는, 기준 전압 (Vref) 을 출력한다. 비교기 (7) 는, 샘플링 회로 (5) 에서 유지된 전압과 기준 전압 (Vref) 을 비교 판정한다. 자기 센서 (10) 는, 판정 결과를 출력 회로 (8) 를 통해 출력함으로써, 자계에 따른 검출 신호를 출력한다. 이상과 같이 동작하여, 종래의 자기 센서 (10) 는, 홀 소자 및 증폭기의 오프셋 전압을 신호 처리에 의해 상쇄한다.

국제 공개 제2006/085503호

그러나, 홀 소자 (2) 의 재질이 Si 인 경우, 오프셋 전압은 자계 신호 전압에 비해 수 자릿수 크다. 오프셋 전압이 큰 경우에는, 주로 증폭기 (4) 의 출력 전압의 포화에 의해, 오프셋 전압이 상쇄되지 않고, 자기 특성이 현저하게 저화된다는 과제가 있었다.

본 발명은, 이상과 같은 과제를 해결하기 위해서 고안된 것으로, 저렴하고 고정밀도의 자기 특성을 구비한 자기 센서를 제공한다.

종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 자기 센서는 이하와 같은 구성으로 하였다.

제 1 기간에 홀 소자의 제 1 단자쌍에 전류를 흘려 제 2 단자쌍으로부터 제 1 차동 신호 전압을 입력하고, 제 2 기간에 제 2 단자쌍에 전류를 흘려 제 1 단자쌍으로부터 제 2 차동 신호 전압을 입력하는 전환 스위치 회로에, 홀 소자의 각 단자와 전환 스위치 회로의 출력 단자 사이에 각각 직렬로 직렬 전달 스위치와 교차 전달 스위치를 형성하고, 교차 전달 스위치를 제어하여 홀 소자의 오프셋 전압의 대소를 판별하는 것이 가능한 자기 센서.

본 발명의 자기 센서에 의하면, 간편한 회로를 추가한 것만으로, 홀 소자와 증폭 회로의 오프셋 전압에 기초한 전압을 평가할 수 있다. 따라서, 검사 공정에 있어서 오프셋 전압이 큰 개체를 2 치 판정으로 식별할 수 있으므로, 제품의 품질을 향상시킨다는 효과가 있다.

도 1 은 본 실시형태의 자기 센서의 블록도이다.
도 2 는 본 실시형태의 자기 센서의 전환 스위치 회로의 상세를 나타내는 회로도이다.
도 3 은 본 실시형태의 자기 센서의 제어 회로의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 4 는 종래의 자기 센서의 블록도이다.

이하, 본 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 은, 본 실시형태의 자기 센서의 블록도이다.

본 실시형태의 자기 센서 (1) 는, 홀 소자 (2) 와, 전환 스위치 회로 (3) 와, 증폭기 (4) 와, 샘플링 회로 (5) 와, 기준 전압 회로 (6) 와, 비교기 (7) 와, 출력 회로 (8) 와, 제어 회로 (9) 를 구비하고 있다.

홀 소자 (2) 는, 전환 스위치 회로 (3) 를 통해, 전원 단자로부터 일방의 대각선 상의 단자쌍 (예를 들어, 단자 (21)-단자 (22)) 에 전류가 공급되고, 타방의 단자쌍 (예를 들어, 단자 (23)-단자 (24)) 의 양단에 차동 신호 전압을 출력한다. 홀 소자 (2) 의 차동 신호 전압은, 전환 스위치 회로 (3) 를 통해, 증폭기 (4) 에 입력된다. 전환 스위치 회로 (3) 는, 제어 회로 (9) 가 출력하는 제어 신호 (3A ∼ 3D) 로 제어되고, 홀 소자 (2) 의 제어의 제 1 기간과 제 2 기간을 전환한다. 증폭기 (4) 는, 홀 소자 (2) 의 차동 신호 전압을 증폭하고, 차동 신호 증폭 전압을 출력한다. 기준 전압 회로 (6) 는, 제어 회로 (9) 의 제어 신호 (6A) 에 따라 기준 전압을 출력한다. 샘플링 회로 (5) 는, 제 1 기간과 제 2 기간의 차동 신호 증폭 전압을 각각 유지하고, 그 평균 전압을 출력한다. 비교기 (7) 는, 평균 전압과 기준 전압의 대소 관계를 비교하고, 논리 신호를 출력한다. 제어 회로 (9) 는, 전환 스위치 회로 (3) 와, 증폭기 (4) 와, 기준 전압 회로 (6) 의 각각에 제어 신호를 출력한다. 출력 회로 (8) 는, 논리 신호에 기초하여 래치 동작, 논리 연산을 실시하고, 자기 센서로서의 검출 신호를 출력한다.

도 2 는, 본 실시형태의 자기 센서의 전환 스위치 회로 (3) 의 상세를 나타내는 회로도이다.

전환 스위치 회로 (3) 는, 제 1 ∼ 제 4 전류 공급 스위치 (311 ∼ 314) 와, 제 1 ∼ 제 4 직렬 전달 스위치 (321 ∼ 324) 와, 제 1 ∼ 제 4 교차 전달 스위치 (331 ∼ 334) 를 구비한다. 신호 (3A ∼ 3D) 는, 제어 회로 (9) 가 출력하는 제어 신호이다. 단자 (301 및 302) 는, 제 1 및 제 2 차동 신호 전압 출력 단자이다. 여기서, 제 1 ∼ 제 4 전류 공급 스위치 (311 ∼ 314) 에 인가되는 제어 신호의 3A 가 "L", 3B 가 "H" 일 때, 즉 홀 소자 (2) 의 단자 (21)-단자 (22) 에 전류가 공급될 때를 제 1 기간으로 하고, 제어 신호의 3A 가 "H", 3B 가 "L" 일 때, 즉 홀 소자 (2) 의 단자 (23)-단자 (24) 에 전류가 공급될 때를 제 2 기간으로 한다. 제 1 ∼ 제 4 직렬 전달 스위치 (321 ∼ 324) 는, 제 1 ∼ 제 4 전류 공급 스위치 (311 ∼ 314) 에 연동하여 전환된다. 제 1 ∼ 제 4 교차 전달 스위치 (331 ∼ 334) 는, 제어 신호 (3C, 3D) 에 의해 제어된다.

도 3 은, 본 실시형태의 자기 센서의 제어 회로의 일례를 나타내는 회로도이다. 제어 회로 (9) 는, 동작 상태 설정 회로 (91) 와, NAND 회로 (92) 와, OR회로 (93, 94, 95) 를 구비하고 있다. 제어 회로 (9) 는, 기준 CLK 신호가 입력되고, 제어 신호 (3A, 3B, 3C, 3D), 및 제어 신호 (6A) 를 생성하여, 출력한다. 동작 상태 설정 회로 (91) 는 "H" 또는 "L" 의 신호를 출력하는 회로이며, 직렬로 접속된 휴즈와 풀다운 저항으로 구성되어 있다. 동작 상태 설정 회로 (91) 는, 예를 들어, 불휘발성 메모리로 구성해도 되고, 또는 외부 단자를 형성하여 상태 설정 신호를 외부로부터 입력하도록 해도 된다. 또, 그 밖의 논리 회로에 대해서도, 원하는 신호를 생성할 수 있으면, 이 회로 구성에 한정되는 것은 아니다.

상기 서술한 바와 같은 자기 센서 (1) 는, 이하와 같이 동작하여, 오프셋 전압의 대소를 판정하는 기능과, 자계의 대소를 판정하는 기능을 갖는다.

본 실시형태의 자기 센서 (1) 는, 제어 회로 (9) 가 출력하는 제어 신호에 의해, 제 1 동작 상태와 제 2 동작 상태를 구비하고 있다. 제어 회로 (9) 의 동작 상태 설정 회로 (91) 는, 초기 상태에서는 휴즈에 의해 "H" 의 신호를 출력하고 있다. 따라서, NAND 회로 (92) 는, 기준 CLK 신호를 반전하여 출력한다. 즉, 제어 신호의 3C 는 기준 CLK 신호를 반전한 신호가, 3D 는 기준 CLK 신호와 동일한 신호가 된다. 이 상태가, 제 1 동작 상태이다. 제어 회로 (9) 의 동작 상태 설정 회로 (91) 는, 휴즈를 절단하면 풀다운 저항에 의해 "L" 의 신호를 출력한다. 따라서, NAND 회로 (92) 는, 출력이 "H" 로 고정된다. 즉, 제어 신호의 3C 는 "H" 로, 3D 는 "L" 로 고정된다. 이 상태가, 제 2 동작 상태이다. 어느 쪽의 동작 상태여도, 제어 신호 (3A) 는 기준 CLK 신호를 반전한 신호, 3B 는 기준 CLK 신호와 동일한 신호이다.

먼저, 제 1 동작 상태에 대해 설명한다. 제 1 동작 상태는, 자기 센서 (1) 의 오프셋 전압의 대소를 판정할 수 있다.

제 1 동작 상태에 있어서, 제어 회로 (9) 는, 기준 CLK 신호를 반전한 신호의 제어 신호 (3A 및 3C) 와, 기준 CLK 신호와 동일한 신호의 제어 신호 (3B 및 3D) 를 출력한다. 홀 소자 (2) 는, 제 1 기간에 있어서, 제 1 및 제 4 전류 공급 스위치 (311, 314) 가 도통하고, 단자 (21)-단자 (22) 의 단자쌍에 전류가 공급되어, 단자 (23)-단자 (24) 의 단자쌍으로부터 차동 신호 전압을 출력한다. 또, 제 2 기간에 있어서, 제 2 및 제 3 전류 공급 스위치 (312, 313) 가 도통하고, 단자 (23)-단자 (24) 의 단자쌍에 전류가 공급되어, 단자 (21)-단자 (22) 의 단자쌍으로부터 차동 신호 전압을 출력한다. 또, 제 1 기간에서는 제 2 교차 전달 스위치 (332) 와 제 3 교차 전달 스위치 (333) 가 도통하고, 제 2 기간에서는 제 1 교차 전달 스위치 (331) 와 제 4 교차 전달 스위치 (334) 가 도통한다.

따라서, 제 1 기간에서는, 제 1 차동 신호 전압 출력 단자 (301) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (24) 와, 제 2 차동 신호 전압 출력 단자 (302) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (23) 와 접속된다. 또, 제 2 기간에서는, 제 1 차동 신호 전압 출력 단자 (301) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (21) 와, 제 2 차동 신호 전압 출력 단자 (302) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (22) 와 접속된다. 그 출력 전압은, 증폭기 (4) 로 증폭되어 출력된다.

따라서, 증폭기 (4) 가 제 1 기간에 출력하는 차동 신호 증폭 전압을 Vo1Φ1, 제 2 기간에 출력하는 차동 신호 증폭 전압을 Vo1Φ2 로 하면, 각각 식 1 과 2 로 주어진다.

Vo1Φ1 = VDD/2 ＋ G(KH × Bin ＋ Vos) … (1)

Vo1Φ2 = VDD/2 ＋ G(-KH × Bin ＋ Vos) … (2)

여기서, VDD 는 전원 전압, G 는 증폭기 (4) 의 증폭률, KH 는 홀 소자 (2) 의 자전 변환 계수, Bin 을 자속 밀도, Vos 는 증폭기 (4) 의 출력 전압에 포함되는 오프셋 전압이다.

따라서, 샘플링 회로 (5) 에서 차동 신호 증폭 전압 Vo1Φ1 및 Vo1Φ2 를 평균한 평균 전압 (Vo1) 은 식 3 으로 주어진다.

Vo1 = VDD/2 ＋ G × Vos … (3)

이 때, 기준 전압 회로 (6) 는, 제어 신호 (6A) 에 의해, 출력하는 기준 전압을 오프셋 전압 판정용의 기준 전압 (Vref2) 으로 전환하고 있다. 따라서, 비교기 (7) 에서 평균 전압 (Vo1) 과 기준 전압 (Vref2) 이 비교되고, 오프셋 전압 (Vos) 의 대소의 판정을 실시하여, 그 결과를 출력 회로 (8) 로부터 출력한다.

이와 같이 하여, 제 1 동작 상태에 있어서, 자기 센서 (1) 의 오프셋 전압 (Vos) 의 대소의 판정이 가능해진다. 따라서, 검사 공정에 있어서, 자기 센서 (1) 의 회로의 불량인 오프셋 전압 (Vos) 이 큰 개체의 선별을, 회로 규모를 증대하지 않고, 검사 지그를 추가하지 않고, 실시할 수 있다.

또한, 증폭기 (4) 는, 제어 회로 (9) 의 제어 신호에 의해 오프셋 전압 판정용의 증폭률로 전환해도 된다. 기준 전압 회로 (6) 의 기준 전압과 증폭기 (4) 의 증폭률을 적절히 조정함으로써, 오프셋 전압의 검출 동작을 최적화할 수 있다.

다음으로, 제 2 동작 상태에 대해 설명한다. 제 2 동작 상태는, 자계의 대소를 판정하는, 통상적인 동작 상태이다.

제 2 동작 상태는, 제어 신호의 3C 는 "H" 로, 3D 는 "L" 로 고정되므로, 제 1 교차 전달 스위치 (331) 와 제 4 교차 전달 스위치 (334) 가 도통 상태로 고정된다. 홀 소자 (2) 는, 제 1 기간에 있어서, 제 1 및 제 4 전류 공급 스위치 (311, 314) 가 도통하고, 단자 (21)-단자 (22) 의 단자쌍에 전류가 공급되어, 단자 (23)-단자 (24) 의 단자쌍으로부터 차동 신호 전압을 출력한다. 또, 제 2 기간에 있어서, 제 2 및 제 3 전류 공급 스위치 (312, 313) 가 도통하고, 단자 (23)-단자 (24) 의 단자쌍에 전류가 공급되어, 단자 (21)-단자 (22) 의 단자쌍으로부터 차동 신호 전압을 출력한다. 따라서, 제 1 기간에서는, 제 1 차동 신호 전압 출력 단자 (301) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (23) 와, 제 2 차동 신호 전압 출력 단자 (302) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (24) 와 접속된다. 또, 제 2 기간에서는, 제 1 차동 신호 전압 출력 단자 (301) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (21) 와, 제 2 차동 신호 전압 출력 단자 (302) 는 홀 소자 (2) 의 단자 (22) 와 접속된다. 그 출력 전압은, 증폭기 (4) 로 증폭되어 출력된다.

증폭기 (4) 가 제 1 기간에 출력하는 차동 신호 증폭 전압을 Vo2Φ1, 제 2 기간에 출력하는 차동 신호 증폭 전압을 Vo2Φ2 로 하면, 각각 식 4 와 5 로 주어진다.

Vo2Φ1 = VDD/2 ＋ G × (KH × Bin ＋ Vos) … (4)

Vo2Φ2 = VDD/2 ＋ G × (KH × Bin ― Vos) … (5)

따라서, 샘플링 회로 (5) 에서 차동 신호 증폭 전압 Vo2Φ1 및 Vo2Φ2 를 평균한 평균 전압 Vo2 는 식 6 으로 주어진다.

Vo2 = VDD/2 ＋ G × KH × Bin … (6)

식 6 으로부터, 평균 전압 (Vo2) 에 있어서 오프셋 전압 (Vos) 이 상쇄되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 식 6 에서 얻어진 평균 전압 (Vo2) 과 기준 전압 (Vref) 을 비교기 (7) 로 비교 판정함으로써, 자계에 따른 검출 신호를 출력한다. 이 때, 기준 전압 회로 (6) 는, 통상적인 기준 전압 (Vref) 을 출력하도록 전환되어 있다.

이상 기재한 바와 같이, 본 실시형태의 자기 센서는, 제 1 동작 상태에 있어서, 홀 소자와 증폭 회로의 오프셋 전압에 기초한 전압을 평가할 수 있다. 따라서, 제품의 초기 불량이 되는, 자기 특성 불량을 발생시킬 가능성이 높은 오프셋 전압이 큰 개체를 2 치 판정으로 식별할 수 있다. 즉, 검사 공정에서 오프셋 전압이 큰 개체를 배제할 수 있으므로, 고정밀도인 자기 센서를 제공할 수 있다.

또한, 제어 회로 (9) 를 외부로부터 제어 신호를 입력 가능한 구성으로 한 경우에는, 외부로부터 제어 신호를 입력함으로써, 제품 출하 후에도 검사하는 것이 가능하다. 따라서, 시간 경과적 변화에 의해 오프셋 전압이 커진 개체의 식별이 가능해진다.

1 : 자기 센서
2 : 홀 소자
3, 30 : 전환 스위치 회로
4 : 증폭기
5 : 샘플링 회로
6, 60 : 기준 전압 회로
7 : 비교기
8 : 출력 회로
9 : 제어 회로

Claims

홀 소자와,
제 1 기간에 상기 홀 소자의 제 1 단자쌍에 전류를 흘려 제 2 단자쌍으로부터 제 1 차동 신호 전압을 입력하고, 제 2 기간에 상기 제 2 단자쌍에 전류를 흘려 상기 제 1 단자쌍으로부터 제 2 차동 신호 전압을 입력하는 전환 스위치 회로와,
상기 전환 스위치 회로를 통해 입력된 상기 제 1 및 제 2 차동 신호 전압을 증폭한 제 1 및 제 2 차동 신호 증폭 전압을 출력하는 증폭기와,
상기 증폭기로부터 입력된 제 1 및 제 2 차동 신호 증폭 전압을 유지하고, 상기 제 1 및 제 2 차동 신호 증폭 전압의 평균 전압을 출력하는 샘플링 회로와,
기준 전압을 발생하는 기준 전압 회로와,
상기 샘플링 회로가 출력하는 상기 평균 전압과 상기 기준 전압 회로가 출력하는 상기 기준 전압을 비교하는 비교기와,
제어 신호를 출력하여, 상기 전환 스위치 회로를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
상기 전환 스위치 회로는, 상기 홀 소자의 각 단자와 접속되는 입력 단자와 출력 단자 사이에 각각 직렬로 직렬 전달 스위치와 교차 전달 스위치를 구비한 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 교차 전달 스위치가, 상기 제 1 기간과 상기 제 2 기간 중 어느 하나에서 교차 전달하도록 제어되는 제 1 동작 상태와,
상기 교차 전달 스위치가, 상기 제 1 기간과 상기 제 2 기간 모두 교차 전달하지 않게 제어되는 제 2 동작 상태를 갖고,
상기 제 1 동작 상태에 있어서, 상기 평균 전압에 포함되는 오프셋 전압의 대소를 판정하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 회로는, 휴즈를 구비하고, 상기 휴즈의 유무에 의해 상기 동작 상태를 전환하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 회로는, 불휘발성 메모리를 구비하고, 상기 불휘발성 메모리의 데이터에 의해 상기 동작 상태를 전환하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 회로는, 상태 설정 단자를 구비하고, 상기 상태 설정 단자에 입력되는 신호에 의해 상기 동작 상태를 전환하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.