TW201346224A

TW201346224A - 感測器裝置

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Publication number: TW201346224A
Application number: TW102104382A
Authority: TW
Inventors: Minoru Ariyama; Daisuke Muraoka; Tomoki Hikichi; Kentaro Fukai
Original assignee: Seiko Instr Inc
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-11-16
Also published as: US9128127B2; EP2829889B1; KR101918338B1; KR20140146079A; TWI554743B; US20150022241A1; JP2013195379A; CN104246526B; CN104246526A; EP2829889A4; WO2013140851A1; EP2829889A1; JP5926081B2

Abstract

本發明是在於提供一種除去感測器裝置的感測器元件、差動放大器、放大器的各偏移電壓的影響，可高精度檢測出物理量之感測器裝置。具備：開關切換電路，其係連接感測器元件的第一端子對及第二端子對、切換控制該端子對、輸出檢測電壓；差動放大器，其係開關切換電路的第一輸出端子及第二輸出端子分別連接至第一輸入端子及第二輸入端子，輸出差動放大檢測電壓的結果；放大器，其係具有2個以上的差動輸入對，在一個的差動輸入對輸入由差動放大器所輸出的差動訊號，在至少一個的差動輸入對輸入對應於所檢測出的物理量的基準訊號；及檢測電壓設定電路，其係對放大器輸出基準訊號。

Description

感測器裝置

本發明是有關檢知物理量，將檢知的物理量，例如磁場的強度變換成電氣訊號之感測器裝置。

作為行動電話或筆記型電腦等的開閉狀態檢知用感測器，且作為馬達等的旋轉位置檢知感測器，有使用磁氣感測器裝置(例如參照專利文獻1)。在圖15中顯示此磁氣感測器裝置的電路圖。此磁氣感測器裝置是藉由磁電變換元件(例如霍爾元件)來輸出對應於磁場強度(或磁束密度)(一般是大概成比例)的電壓，且以放大器來放大該輸出電壓，利用比較器來判定比所定的磁場強度或磁束密度更大或小(以H訊號或L訊號的二值輸出)。

上述的磁電變換元件的輸出電壓一般是微小，磁電變換元件所持有的偏移電壓(元件偏移電壓)或放大器、比較器所持的偏移電壓(輸入偏移電壓)或該等的雜訊會成為誤差的要因，而有精度降低的問題。上述的元件偏移電壓主要是磁電變換元件因自封裝所受的應力等而發生。上述的輸入偏移電壓主要是因構成放大器或比較器的輸入電路的元件的特性偏差等而發生。又，上述的雜訊主要是構成電路的單體電晶體所持的閃爍雜訊(flicker noise)或單體電晶體、電阻元件所持的熱雜訊(thermal noise)而發生。

為了降低上述的磁電變換元件或放大器所持的偏移電壓的影響，圖15所示的磁氣感測器裝置是成為以下的構成。成為具有：霍爾元件1501、及切換霍爾元件1501的第一檢測狀態及第二檢測狀態的開關切換電路1502、及放大開關切換電路1502的二個輸出端子的電壓差(V1-V2)的差動放大電路1503、及差動放大電路1503的一方的輸出端子連接於一端的電容1504、及連接於差動放大電路1503的另一方的輸出端子與電容1504的另一端之間的開關1506、及比較器1505的構成。

在此，就第一檢測狀態而言，是從端子A及C輸入電源電壓，從端子B及D輸出檢測電壓。又，就第二檢測狀態而言，是從端子B及D輸入電源電壓，從端子A及C輸出檢測電壓。將對應於磁場強度的霍爾元件1501的差動訊號電壓(以下稱為元件訊號電壓)設為Vh，將霍爾元件1501的偏移電壓(以下稱為元件偏移電壓)設為Voh，將差動放大電路1503的放大率設為G，將差動放大電路1503的輸入偏移電壓設為Voa。將在第一檢測狀態及第二檢測狀態的元件訊號電壓Vh分別設為Vh1、Vh2，有關元件偏移電壓Voh也設為Voh1、Voh2。

霍爾元件1501的元件偏移電壓一般是可使用被稱為旋轉電流的周知手法來相抵。具體而言，以能夠取得同相的訊號成分與反相的元件偏移成分(或反相的訊號成分與同相的元件偏移成分)之方式切換開關切換電路，藉此相抵偏移成分。藉由旋轉電流，Vh2是大概相等於Vh1，Voh2是大概相等於Voh1，在第一檢測狀態是成為V1-V2=Vh1+Voh1，在第二檢測狀態是成為V1-V2=-Vh2+Voh2。

並且，在第一檢測狀態是開關1506為ON，在電容1504充電Vc1=(V3-V4)=G×(V1-V2)=G×(Vh1+Voh1+Voa)。接著，在第二檢測狀態是開關1506為OFF，V3-V4=G×(V1-V2)=G×(-Vh2+Voh2+Voa)會從差動放大電路1503輸出。

以上，在第二檢測狀態的比較器1505的差動輸入電壓是成為：V5-V6=(V3-Vc1)-V4=(V3-V4)-Vc1=G×(-Vh2+Voh2+Voa)-G×(Vh1+Voh1+Voa)=G×(-Vh1-Vh2)+G×(Voh2-Voh1)

輸入偏移電壓的影響會被相抵，且由於Voh2是大概相等於Voh1，因此元件偏移電壓也被相抵。

藉由以上可實現一種不受輸入偏移電壓的影響，可取得偏差少的輸出，小型且價格便宜的磁氣感測器。

〔先行技術文獻〕〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕特開2001-337147號公報

然而，在上述那樣的以往的磁氣感測器裝置中，因為無法除去比較器1505的輸入偏移電壓，所以因此輸入偏移電壓的偏差或應力等所產生的變化，而有在檢測磁場強度發生偏差或誤差的課題。

本發明是有鑑於如此的點而研發者，其目的是在於提供一種以簡便的電路構成來除去元件偏移電壓與放大器及比較器的輸入偏移電壓的影響，可高精度地檢測出磁場強度的磁氣感測器裝置。

為了解決以往那樣的問題點，本發明的感測器裝置是設為以下那樣的構成。

一種感測器裝置，係按照施加於感測器元件的物理量的強度來進行邏輯輸出之感測器裝置，其特徵為具備：開關切換電路，其係連接前述感測器元件的第一端子對及第二端子對，切換控制被供給電源的端子對及輸出對應於物理量的強度的檢測電壓的端子對，且具有輸出前述檢測電壓的第一輸出端子及第二輸出端子；差動放大器，其係前述開關切換電路的第一輸出端子及第二輸出端子分別連接至第一輸入端子及第二輸入端子，且具有輸出差動放大前述檢測電壓的結果的第一輸出端子及第二輸出端子；放大器，其係具備第一輸入端子、第二輸入端子、第三輸入端子、第四輸入端子及輸出端子，該第一輸入端子及該輸出端子係經由第一開關來連接，該第一輸入端子係經由第一電容來與前述差動放大器的前述第一輸出端子連接，該第二輸入端子係與前述差動放大器的前述第二輸出端子連接；及檢測電壓設定電路，其係輸出不同於前述放大器的前述第三輸入端子及前述第四輸入端子的電壓。

若根據本發明的感測器裝置，則可藉由有效地活用開關及電容，以簡便的電路構成來除去構成感測器裝置的感測器元件、差動放大器中所發生的偏移成分。因此，可精度佳地設定物理量的強度的檢測電壓位準，所以可提供一種高精度的感測器裝置。

1‧‧‧霍爾元件

2‧‧‧開關切換電路

3、31、32、41、42、43‧‧‧差動放大器

4、4b‧‧‧放大器

44‧‧‧加算器

5‧‧‧檢測電壓設定電路

I1‧‧‧定電流電路

Vref1、Vref2、Vref3、Vref4‧‧‧基準電壓設定電路

圖1是第1實施形態的磁氣感測器裝置的電路圖。

圖2是使用在本發明的磁氣感測器裝置的差動放大器的電路圖的一例。

圖3是使硬在第1實施形態的放大器的電路圖的一例。

圖4是本發明的磁氣感測器裝置的開關控制訊號的時序圖的一例。

圖5是使用在本發明的磁氣感測器裝置的檢測電壓設定電路的電路圖的一例。

圖6是第1實施形態的開關控制訊號的時序圖的一例。

圖7是第1實施形態的開關控制訊號的時序圖的一例。

圖8是第1實施形態的開關控制訊號的時序圖的一例。

圖9是使用在本發明的磁氣感測器裝置的檢測電壓設定電路的電路圖的一例。

圖10是使用在第1實施形態的放大器的電路圖的一例。

圖11是使用在本發明的磁氣感測器裝置的差動放大器的電路圖的一例。

圖12是第2實施形態的磁氣感測器裝置的電路圖。

圖13是使用在第2實施形態的放大器的電路圖的一例。

圖14是使用在第2實施形態的放大器的電路圖的一例。

圖15是以往的磁氣感測器裝置的電路圖。

本發明的感測器裝置例如磁氣感測器裝置是廣泛作為折疊式行動電話或筆記型電腦等的開閉狀態檢知感測器或馬達的旋轉位置檢知感測器等檢知磁場強度的狀態的感測器利用。以下，參照圖面來說明有關本實施形態。

<第1實施形態>

圖1是本發明的第1實施形態的磁氣感測器裝置的電路圖。第1實施形態的磁氣感測器裝置是具備磁電變換元件的霍爾元件1、開關切換電路2、差動放大器3、放大器4、電容C1、開關S1及檢測電壓設定電路5。檢測電壓設定電路5是以基準電壓設定電路Vref1及基準電壓設定電路Vref2所構成。

霍爾元件1是具備第一端子對A-C及第二端子對B-D。

開關切換電路2是具有與霍爾元件1的各端子A、B、C及D連接的4個輸入端子，和第一輸出端子及第二輸出端子。

差動放大器3是具有：分別連接開關切換電路2的第一輸出端子及第二輸出端子的第一輸入端子V1及第二輸入端子V2，和第一輸出端子V3及第二輸出端子V4。

電容C1是具有2個的端子，一方的端子是被連接至差動放大器3的第一輸出端子V3，另一方的端子是被連接至放大器4的第一差動輸入對的第一輸入端子V5。

放大器4是具有4個的輸入端子及1個的輸出端子，詳細是具有第一差動輸入對的第一輸入端子V5、第一差動輸入對的第二輸入端子V6、第二差動輸入對的第一輸入端子V7、第二差動輸入對的第二輸入端子V8及輸出端子VO。放大器4的第一差動輸入對的第二輸入端子V6是被連接至差動放大器3的第二輸出端子V4，第二差動輸入對的第一輸入端子V7是被連接至基準電壓設定電路Vref1的正極，第二差動輸入對的第二輸入端子V8是被連接至基準電壓設定電路Vref2的正極。

開關S1是具有2個的端子，一方的端子是被連接至放大器4的第一差動輸入對的第一輸入端子V5，另一方的端子是被連接至放大器4的輸出端子VO，藉由開關控制訊號(在電路圖是未圖示)來控制開啟或關閉。

其次，說明第1實施形態的磁氣感測器裝置的動作。

開關切換電路2是具有切換：對霍爾元件1的第一端子對A-C輸入電源電壓，從第二端子對B-D輸出檢測電壓的第一檢測狀態、及對第二端子對B-D輸入電源電壓，從第一端子對A-C檢測出檢測電壓的第二檢測狀態之機能。

霍爾元件1是輸出對應於磁場強度(或磁束密度)的訊號電壓，且輸出誤差差成分的偏移電壓。

差動放大器3是具有放大2個輸入電壓的差，作為2個輸出電壓的差輸出的機能。若以式子來表示此放大機能，則形成：V3-V4=G×(V1-V2)．．．(1)

在此，G是放大率，將各端子V1~V4的電壓分別設為V1~V4。如此的差動放大器3的機能是以例如圖3所示那樣的電路構成來實現。

圖2是表示差動放大器3的一例的電路圖。

圖2的差動放大器3是具有差動放大器31、32及電阻R11、R12、R13，如以下般連接構成。差動放大器3的第一輸入端子V1是被連接至差動放大器31的非反轉輸入端子，第二輸入端子V2是被連接至差動放大器32的非反轉輸入端子，第一輸出端子V3是被連接至差動放大器31的輸出端子，第二輸出端子V4是被連接至差動放大器32的輸出端子。電阻R11、R12、R13是被串聯於第一輸出端子V3與第二輸出端子V4之間，R11及R12的連接點V1＇是被連接至差動放大器31的反轉輸入端子，R12及R13的連接點V2＇是被連接至差動放大器32的反轉輸入端子。

差動放大器3是如以上般連接，如其次般動作。

差動放大器31是作為非反轉放大器動作，連接至反轉輸入端子的連接點V1＇會動作成與連接至非反轉輸入端子的V1大概相等。並且，差動放大器32是作為非反轉放大器動作，連接至反轉輸入端子的連接點V2＇會動作成與連接至非反轉輸入端子的V2大概相等。又，由於流至電阻R11、R12、R13的電流是相等，因此取得其次的式子。

(V3-V1)÷R11=(V1-V2)÷R12．．．(2)

(V2-V4)÷R13=(V1-V2)÷R12．．．(3)

若由式(2)及式(3)來計算V3及V4，則形成如其次般。

V3=+(R11÷R12+1÷2)×(V1-V2)+(V1+V2)÷2．．．(4)

V4=-(R13÷R12+1÷2)×(V1-V2)+(V1+V2)÷2．．．(5)

若將包括式(4)及式(5)的右邊的電阻之括弧的項分別設為放大率G1、G2(如式(6)及式(7)所示般)，則式(4)及式(5)是形成如式(8)及式(9)所示般。

G1=R11÷R12+1÷2．．．(6)

G2=R13÷R12+1÷2．．．(7)

V3=+G1×(V1-V2)+(V1+V2)÷2．．．(8)

V4=-G2×(V1-V2)+(V1+V2)÷2．．．(9)

若由式(8)及式(9)來計算V3-V4，則形成如其次般。

V3-V4=(G1+G2)×(V1-V2)．．．(10)

在此，若將放大率G設為：G=G1+G2．．．(11)，則式(11)是形成：V3-V4=G×(V1-V2)．．．(12)，可取得與式(1)同樣的結果。亦即，圖2所示的電路例是具有將2個輸入電壓的差放大，作為2個輸出電壓的差輸出的機能。並且，圖2所示的電路例是藉由設為如此的計裝放大器構成，可抑制輸入之同相雜訊的影響。

另外，由式(11)及(6)、(7)，G=(R11+R12+R13)÷R12．．．(13)

因此放大率G是可藉由電阻R11、R12、R13來任意設定。

放大器4是具有輸出：放大一對的輸入電壓的差的值與放大另一對的輸入電壓的差的值的和之機能。將概念性地表示此放大機能的圖顯示於圖3。

圖3是表示放大器4的機能的概念圖。

圖3的放大器4是具有差動放大器41、42及加算器44，如以下般連接構成。放大器4的第一差動輸入對的第一輸入端子V5是被連接至差動放大器41的反轉輸入端子，第一差動輸入對的第二輸入端子V6是被連接至差動放大器41的非反轉輸入端子，第二差動輸入對的第一輸入端子V7是被連接至差動放大器42的反轉輸入端子，第二差動輸入對的第二輸入端子V8是被連接至差動放大器42的非反轉輸入端子。差動放大器41的輸出及差動放大器42的輸出是分別被連接至加算器44的輸入，加算器44的輸出是被連接至放大器4的輸出端子VO。

放大器4是如以上般連接，如其次般動作。

差動放大器41是放大2個輸入端子V5及V6的電壓的差，而輸入至加算器44，差動放大器42是放大2個輸入端子V7及V8的電壓的差，而輸入至加算器44。加算器44是輸出差動放大器41與差動放大器42的輸出的和。若以式子來表示此放大機能，則成為：VO=A1×(V6-V5)+A2×(V8-V7)．．．(14)

在此，A1及A2是分別為差動放大器41及42的放大率。並且，將各端子V5~V8及VO的電壓分別設為V5~V8及VO。

就圖1的磁氣感測器裝置而言，圖3所示的放大器4的第一差動輸入對的第一輸入端子V5及輸出端子VO是被連接至開關S1的兩端。

在開關S1開啟的狀態，由於VO與V5是形成大概相等的電壓，因此VO是由式(15)如其次般表示。

VO=A1÷(1+A1)×V6+A2÷(1+A1)×(V8-V7)．．．(15)

基於說明的方便起見，若放大率A1及A2設為充分大，則取得次式。

VO=V6+(A2÷A1)×(V8-V7)．．．(16)

亦即放大器4是在開關S1開啟的狀態，輸出端子VO與經由第一差動輸入對的第一輸入端子V5的差動放大器41的反轉輸入端子會被電性連接，形成反饋迴路，輸出電壓VO不僅追從輸入電壓V6，也輸出與以放大率A1及A2的比來放大輸入V8與V7的電壓的差分的電壓的和，進行一種的電壓輸出器之類的動作。

另一方面，開關S1關閉的狀態是在放大器4未形成反饋迴路，所以VO是作為比較器(comparator)動作。由式(14)，VO=A1×{(V6-V5)+(A2÷A1)×(V8-V7)}．．．(17)

亦即放大器4是在開關S1關閉的狀態，以充分大的放大率A1來放大V6與V5的差分的電壓與以放大率A1及A2的比來放大V8與V7的差分的電壓之和的電壓，而進行將高位準訊號(一般是正的電源電壓位準)或低位準訊號(一般是負的電源電壓位準或GND位準)輸出至輸出端子VO的比較動作。

在圖4顯示開關控制訊號的時序圖。

檢測動作的一週期T是由第一相 1及第二相 2所構成。開關S1是藉由圖4的開關控制訊號來控制，在第一相 1開啟，在第二相 2關閉。並且，開關切換電路2及霍爾元件1亦藉由圖4的開關控制訊號來控制，在第一相 1形成第一檢測狀態T1，在第二相 2形成第二檢測狀態T2。若說明在各相的圖1的磁氣感測器裝置的動作的概略，則第一相 1是將霍爾元件1的元件訊號電壓及元件偏移電壓以及差動放大器3和放大器4的偏移電壓記憶於電容C1之相，第二相 2是一面相抵第一相 1的偏移成分，一面進行按照元件訊號電壓所示的磁場強度來決定的電壓與檢測電壓的比較之相。以下詳細說明。

就第一相 1而言，霍爾元件1是形成第一檢測狀態T1，開關S1是開啟。藉由開關S1開啟，放大器4如前述般像一種的電壓隨耦器(Voltage Follower)那樣動作。若予以式子表示，則由式(16)形成其次般。

各電壓的末尾的 1是表示第一相 1的電壓。之後，有關其他的電壓，第二相 2也同樣表記。

並且，電壓V3與電壓V5的差分△VC1 1會被充電於電容C1。

若將式(18)代入上式，則取得次式。

在此，以能夠成為V6=V4的方式連接，且在放大器4的第二差動輸入對的第一輸入端子V7連接基準電壓設定電路Vref1的正極，在第二差動輸入對的第二輸入端子V8連接基準電壓設定電路Vref2的正極，因此若將各基準電壓設定電路的正極的電壓分別設為Vref1、Vref2，則式(20)是以次式來表示。

並且，由式(12)，

因此若予以代入式(21)，則形成如其次般。

亦即，以放大率G來放大V1與V2的差分之電壓與以放大率A1和A2的比來放大Vref2與Vref1的差分之電壓的差的電壓會被充電於電容C1。

另一方面，就第二相 2而言，霍爾元件1是形成第二檢測狀態T2，開關S1是關閉。由於△VC1 1會被充電於電容C1，因此電壓V5是以次式來表示。

放大器4的輸出是由式(17)形成次式般。

如前述般，以能夠成為V6=V4的方式連接，且在放大器4的第二差動輸入對的第一輸入端子V7連接基準電壓設定電路Vref1的正極，在第二差動輸入對的第二輸入端子V8連接基準電壓設定電路Vref2的正極，因此式(25)是成為：

若將式(24)代入於此，則形成如其次般。

若將被充電於式(23)所示的電容C1之電壓△VC1 1代入於上式而整理，則取得次式。

為了容易了解式(28)，若將經由差動放大器3來供給至放大器4的電壓成分設為△Vsig，將從基準電壓設定電路供給至放大器4的電壓成分設為△Vref，則式(28)是表示成其次般。

在此，

亦即，比較從差動放大器3供給的電壓成分△Vsig與以放大率A1及A2的比來放大從基準電壓設定電路5供給的電壓成分△Vref後的電壓之結果是最終從放大器4的輸出端子VO作為高位準訊號或低位準訊號輸出。

並且，由式(12)，

因此若將上式(32)及式(22)代入至式(30)，則取得：

其次，將霍爾元件1的輸出端子對的差動輸出電壓設為Vh，且將同相電壓設為Vcm，針對有效訊號成分的傳達進行說明。差動輸出電壓Vh是對應於磁場強度的訊號電壓。

就第一相 1而言，霍爾元件1是檢測狀態T1，端子V1及V2的電壓是成為以下般。

由上式及式(23)，

就第二相 2而言，霍爾元件1是檢測狀態T2，端子V1及V2的電壓是成為以下般。

若將式(34)、(35)、(37)、(38)代入至式(33)，則成為：

並且，△Vref是成為與式(31)相同的結果。因此，經由差動放大器3來供給至放大器4的電壓成分△Vsig是將對應於訊號強度的訊號電壓予以放大的訊號成分，在第二相，於放大器4中，訊號成分△Vsig與藉由基準電壓設定電路所定的基準電壓成分△Vref是以根據式(29)的式子來比較，其結果會被輸出至端子VO。

其次，說明有關將霍爾元件1的元件偏移電壓設為Voh來進行同樣的計算，元件偏移成分的傳達。在上述的有效訊號成分的計算是霍爾元件1的輸出電壓成分會在第一檢測狀態T1及第二檢測狀態T2成為反相，因此元件偏移成分是成為同相。

由上式及式(23)

若將式(40)、(41)、(43)、(44)代入至式(33)，則成為：

一般，霍爾元件1的元件偏移電壓Voh是在第一檢測狀態及第二檢測狀態中大概相等，因此Voh 2-Voh 1是幾乎成為零的值，在第二相的放大器4的比較動作時，元件偏移成分是被除去，作為比較結果出現於輸出的元件偏移電壓的影響會被抑制。

其次，將差動放大器3的輸入偏移電壓，在第一輸入端子V1中設為Voa1，在第二輸入端子V2中設為Voa2，且將放大器4的各差動輸入對的輸入偏移電壓，在第一差動輸入對的第二輸入端子V6中設為Voa3，在第二差動輸入對的第二輸入端子V8中設為Voa4，針對放大器的偏移成分的傳達進行說明。

就第一相 1而言，端子V1及V2的電壓是成為以下般。

由式(22)及上式，

並且，由式(18)，

如前述般，由於V6=V4，V7=Vref1，V8=Vref2，因此式(49)是如其次般表示。

若將上式(50)代入至式(19)，則成為：

就第二相 2而言，端子V1及V2的電壓是成為以下般。

由式(33)及上式，

並且，由式(25)，

如前述般，由於V6=V4、V7=Vref1、V8=Vref2，因此式(55)是如其次般表示。

由式(24)，因為V5 2=V3 2-△VC1 1，所以上式(56)是如其次般表示。

上式(57)中的△VC1 1是在第一相 1中被充電於電容C1的電壓，因為以式(51)來表示，所以若予以代入至式(57)，則成為：

若將式(48)(54)代入至上式(58)，則成為：

為了將上式與式(29)作對比，若導入經由差動放大器3來供給至放大器4的電壓成分△Vsig、及從基準電壓設定電路5供給至放大器4的電壓成分△Vref，則式(59)是成為：

形成與式(29)相同的式。在此，

嚴格來講，差動放大器3及放大器4的偏移電壓Voa1~4是顯示歷時變化或溫度變化(溫度漂移)，但只要第一相 1及第二相 2的時間對於該等的歷時變化或溫度變化而言為充分短的時間，偏移電壓的值便可在第一相 1及第二相 2視為大概相等的值。因此，在式(59)中，Voa1 2-Voa1 1，Voa2 2-Voa2 1，Voa3 2-Voa3 1，Voa4 2-Voa4 1是成為大致零的值，在第二相的放大器4的比較動作時，差動放大器3及放大器4的偏移成分是被去除。

綜上所陳，如在前述的式(39)、(45)、(59)所示般，本發明的磁氣感測器裝置是去除在霍爾元件1、差動放大器3、放大器4中發生的所有偏移成分，可比較霍爾元件的訊號成分與基準電壓，實現高精度的磁場強度的檢測。並且，在理想的霍爾元件中，第一檢測狀態與第二檢測狀態的同相電壓Vcm 1、Vcm 2是相等，但在實際的霍爾元件中不一定是相等的值，這也會成為在高精度的磁場強度的檢測產生誤差的要因。在本發明的磁氣感測器裝置中是如式(59)所示般，在比較結果的式中不含該等的項，實現除去霍爾元件的同相電壓的非理想成分之高精度的磁場強度的檢測。

並且，與霍爾元件的訊號成分作比較的基準電壓成分△Vref是如式(31)所示般，可藉由基準電壓設定電路Vref1及準電壓設定電路Vref2的第一相 1的值及第二相 2的各個的值來任意地設定。亦即，在本發明的磁氣感測器裝置是可藉由任意設定基準電壓來任意設定所檢測出的磁場強度。

又，由於一般霍爾元件的感度是具有溫度依存性，因此對應於霍爾元件1所輸出的磁場強度的訊號電壓也具有溫度依存性。為了予以補正，例如使基準電壓設定電路Vref1及基準電壓設定電路Vref2持有溫度依存性，藉此可抑制檢測出的磁場強度的溫度依存。

在此，顯示有關構成圖1的磁氣感測器裝置的要素之檢測電壓設定電路5的電路構成的一例。

圖5是檢測電壓設定電路5的一例。

圖5的檢測電壓設定電路5是具有電阻R51、R52、R53、及開關S51、S51x、S52、S52x，如以下般連接構成。電阻R51、R52、R53是被串聯於正的電源電壓端子(以下稱電源電壓端子)VDD與負的電源電壓端子(以下稱接地端子)VSS之間。將R51與R52的連接點設為Vn1，將R52與R53的連接點設為Vn2。開關S51、S51x、S52、S52x是具有2個的端子，藉由開關控制訊號(未圖示)來控制開啟或關閉。開關S51的一方的端子是被連接至連接點Vn1，另一方的端子是被連接至基準電壓設定電路Vref1的正極。開關S51x的一方的端子是被連接至連接點Vn2，另一方的端子是被連接至基準電壓設定電路Vref1的正極。開關S52的一方的端子是被連接至連接點Vn1，另一方的端子是被連接至基準電壓設定電路Vref2的正極。開關S52x的一方的端子是被連接至連接點 Vn2，另一方的端子是被連接至基準電壓設定電路Vref2的正極。在以下的說明是將電源電壓端子VDD及接地端子VSS的電壓分別設為VDD、VSS，將連接點Vn1、Vn2的電壓分別設為Vn1、Vn2，將基準電壓設定電路Vref1的正極，Vref2的正極的電壓分別設為基準電壓Vref1、Vref2來進行說明。

檢測電壓設定電路5是如以上般連接，如其次般動作。

由於連接點Vn1及Vn2的電壓是以電阻R51、R52、R53來分壓VDD及VSS的電壓，因此成為：Vn1=R51÷(R51+R52+R53)×(VDD-VSS)．．．(63)

Vn2=(R51+R52)÷(R51+R52+R53)×(VDD-VSS)．．．(64)

電壓Vn1及Vn2是可藉由電阻R51、R52、R53來任意設定。

開關S51及S51x是被控制成其中一方開啟，另一方關閉。因此，Vn1或Vn2的其中一方的電壓會被輸出至Vref1。並且，有關開關S52及S52x也同樣被控制成其中一方開啟，另一方關閉。因此，Vn1或Vn2的其中一方的電壓會被輸出至Vref2。

在此，圖5所示的檢測電壓設定電路5的各開關是以圖6所示的時序圖的開關控制訊號來控制。

在圖6顯示開關控制訊號的時序圖。

開關S1是如前述般，藉由開關控制訊號來控制，在第一相 1開啟，在第二相 2關閉。又，開關S51及 S51x是藉由開關控制訊號來控制，在開關S51是在 1及 2皆開啟，開關S51x是在 1及 2皆關閉。又，開關S52及S52x是藉由開關控制訊號來控制，開關S52是 1開啟，在 2關閉。開關S51x是在 1關閉，在 2關閉。在此，當開關S1關閉時，為了在第一相 1充電於電容C1的電壓不會發生誤差，而需要使開關S52及S52x切換的時序比開關S1關閉的時序更慢。為了予以明示，在圖6的時序圖中誇張圖示。另外，在圖6的時序圖中，在開關S1開啟時也是設為使開關S52及S52x切換的時序慢那樣的時序，但在開關S1開啟時，開關S1開啟的時序與開關S52及S52x切換的時序亦可為相同，且亦可相反的，S52及S52x切換的時序較快。

由於開關如以上那樣控制，因此各相的基準電壓Vref1、Vref2是形成其次般。

由上式及式(31)成為：△Vref=(Vn2-Vn1)．．．(65)

因此，在放大器4與來自霍爾元件的訊號成分作比較的電壓△Vref是以可任意設定的電壓Vn1、Vn2的差分來賦予。如前述般，在本發明的磁氣感測器裝置是可任意設定基準電壓，亦即可任意設定所檢測出的磁場強度。

其次，圖5所示的檢測電壓設定電路5的各開關是以圖7所示的時序圖的開關控制訊號來控制。

在圖7顯示開關控制訊號的時序圖的一例。與圖6所示的時序圖不同的是開關S51在 1關閉，在 2開啟，開關S51x在 1開啟，在 2關閉的點。若如此控制開關，則各相的基準電壓Vref1、Vref2是形成如其次般。

由上式及式(31)成為：△Vref=2×(Vn2-Vn1)．．．(66)

因此，可取得在圖6的時序圖所取得的△Vref的電壓的2倍的電壓。亦即，在電阻R51、R52、R53的值一致地決定，連接點Vn1及Vn2的電壓一致地決定的狀態中，藉由切換開關S51、S51x、S52、S52x的開啟及關閉的控制，可切換所檢測出的磁場強度。

而且，圖5所示的檢測電壓設定電路5的各開關是以圖8所示的時序圖的開關控制訊號來控制。

在圖8顯示開關控制訊號的時序圖的一例。與圖6所示的時序圖不同的是開關S51在 2關閉的點，開關S51x在 2開啟的點，開關S52在 1及 2皆開啟的點，開關S52x在 1及 2皆關閉的點。

若如此控制開關，則各相的基準電壓Vref1、Vref2 是形成如其次般。

由上式及式(31)成為：△Vref=-(Vn2-Vn1)．．．(67)

因此，可取得與在圖6的時序圖所取得的△Vref的電壓正負相反的電壓。在此，由霍爾元件的特性，被輸出至霍爾元件1的輸出端子對的差動輸出電壓Vh的符號是在S極及N極反轉。亦即，被輸入至放大器4的訊號成分是在檢知S極及N極時符號為反轉。因此，有關在檢測電壓設定電路5所設定的檢測電壓也是需要符號為反的檢測電壓。就圖8的時序圖的情況而言，可取得與圖6的時序圖的情況符號為反的△Vref，符合上述要件。亦即，在第一相 1及第二相 2切換開啟及關閉的開關，使△Vref的符號反轉，藉此可分別S極及N極來檢測出。

並且，顯示圖9作為檢測電壓設定電路5的一例。

圖9是檢測電壓設定電路5的一例。與圖5不同的是追加電阻R54、開關S51x＇、S52x＇的點，追加要素是如以下般連接構成。電阻R54是被串聯於圖5的電源電壓端子VDD與電阻R53之間。將R53及R54的連接點設為Vn2＇。開關S51x＇、S52x＇是具有2個的端子，藉由開關控制訊號(未圖示)來控制開啟或關閉。開關S51x＇的一方的端子是被連接至連接點Vn2＇，另一方的端子是被連接至基準電壓設定電路Vref1的正極。開關S52x＇的一方的端子是被連接至連接點Vn2＇，另一方的端子是被連接至基準電壓設定電路Vref2的正極。所被追加的要素以外的連接是與圖5同樣。

檢測電壓設定電路5是如以上般連接，如其次般動作。

由於連接點Vn1、Vn2及Vn2＇的電壓是以電阻R51、R52、R53、R54來分壓VDD及VSS的電壓、因此成為：Vn1=R51÷(R51+R52+R53+R54)×(VDD-VSS)．．．(68)

Vn2=(R51+R52)÷(R51+R52+R53+R54)×(VDD-VSS)．．．(69)

Vn2=(R51+R52+R53)÷(R51+R52+R53+R54)×(VDD-VSS)．．．(70)

電壓Vn1及Vn2、Vn2＇是可藉由電阻R51、R52、R53、R54來任意設定。

開關S51、S51x、S51x＇是在開關S51開啟時控制成S51x及S51x＇的雙方皆關閉，在開關S51關閉時控制成S51x或S51x＇的其中一方開啟，另一方關閉。開關S52、S52x、S52x＇也同樣在開關S52開啟時控制成S52x及S52x＇的雙方皆關閉，在開關S52關閉時控制成S52x或S52x＇的其一方開啟，另一方關閉。開關S51x＇、S52x＇是為了在檢測電壓設置磁滯(Hysteresis)而具備，依據藉由開關S51x＇或S52x＇所設定的檢測電壓來檢測出磁場強度時，以其次的檢測週期T開啟的開關會從S51x＇變更成S51x或從S52x＇變更成S52x。同樣，當磁場強度的檢測被解除時，以其次的檢測週期T開啟的開關會從S51x變更成S51x＇或從S52x變更成S52x＇。藉此，可抑制磁場強度的檢測及解除時的振盪(chattering)。

綜上所陳，如前述的圖5~圖9的說明所示般，本發明的磁氣感測器裝置是可實現任意設定藉由從基準電壓設定電路5供給至放大器4的電壓成分△Vref的大小及符號所檢測出的磁場強度，可實現容易進行S極及N極的判別，可實現容易設定檢測及解除的磁滯。如此的本電路構成的多機能性不僅是根據圖5及圖9所示的檢測電壓設定電路5的電路構成，且根據如式(31)所示般可藉由基準電壓設定電路Vref1及基準電壓設定電路Vref2的第一相 1及第二相 2的電壓來設定基準電壓成分△Vref的電路構成。

在此，顯示有關構成圖1的磁氣感測器裝置的要素之放大器4的電路構成的一例。在圖3的概念圖所示的放大器4的機能更具體而言是例如可以圖10所示那樣的電路構成來實現。

圖10是放大器4的電路構成的一例。

放大器4是具有：定電流電路I1，及NMOS電晶體M43、M44A、M44B、M45A、M46A、M45B、M46B，及PMOS電晶體M41、M42，如其次般連接構成。定電流電路I1的一方是被連接至電源電壓端子VDD，另一方是被連接至NMOS電晶體M43的汲極及閘極。將此連接點設為VBN。VBN是被連接至NMOS電晶體M44a的閘極及NMOS電晶體M44b的閘極。NMOS電晶體M43、M44A、M44B的源極是被連接至接地端子VSS。NMOS電晶體M45A及M46A的源極是被連接至M44A的汲極，NMOS電晶體M45B及M46B的源極是被連接至M44B的汲極。NMOS電晶體M45A及M45B的汲極是被連接至PMOS電晶體M41的汲極。將此連接點設為VA。NMOS電晶體M46A及M46B的汲極是被連接至PMOS電晶體M42的汲極。此連接點是被連接至放大器4的輸出端子VO。PMOS電晶體M41及M42的閘極是被連接至連接點VA，源極是被連接至電源電壓端子VDD。NMOS電晶體M45A、M46A的閘極是分別被連接至第一差動輸入對的第二輸入端子V6、第一輸入端子V5，NMOS電晶體M45B、M46B的閘極是分別被連接至第二差動輸入對的第二輸入端子V8、第一輸入端子V7。

放大器4是如以上般連接，如其次般動作。

定電流電路I1是產生定電流，供給至NMOS電晶體M43。NMOS電晶體M43、M44A、M44B是構成電流鏡電路，在NMOS電晶體M44A、M44B的汲極-源極間是流動有根據流動於M43的汲極-源極間的電流之電流。由NMOS電晶體M44A、M45A、M46A、PMOS電晶體M41、M42所構成的5個電晶體是構成差動放大器，以能夠放大構成第一差動輸入對的NMOS電晶體M45A、 M46A的閘極電壓的差，亦即第一差動輸入對的第二輸入端子V6與第一差動輸入對的第一輸入端子V5的電壓差來輸出至輸出端子VO的方式動作。將此放大率設為A1。在此，有關電流鏡電路構成及差動放大器構成的動作是在CMOS類比電路的文獻等詳細記載，在此是詳細的說明省略。並且，由NMOS電晶體M44B、M45B、M46B、PMOS電晶體M41、M42所構成的5個電晶體也構成差動放大器，以能夠放大構成第二差動輸入對的NMOS電晶體M45B、M46B的閘極電壓的差，亦即第二差動輸入對的第二輸入端子V8與第二差動輸入對的第一輸入端子V7的電壓差來輸出至輸出端子VO的方式動作。將此放大率設為A2。並且，構成第一差動輸入對的NMOS電晶體M45A的汲極及構成第二差動輸入對的NMOS電晶體M45B的汲極是以連接點VA來連接至PMOS電晶體M41的汲極、構成第一差動輸入對的NMOS電晶體M46A的汲極及構成第二差動輸入對的NMOS電晶體M46B的汲極是以輸出端子VO來連接至PMOS電晶體M42的汲極，藉此以在第一差動輸入對及第二差動輸入對的各差動輸入對所放大的電壓能夠被加算於此連接點VA及輸出端子VO的方式動作。若以式子來表示該等的動作，則成為：VO=A1×(V6-V5)+A2×(V8-V7)．．．(71)

進行與式(14)同等的動作。

以上，說明本發明的第1實施形態的磁氣感測器裝置的動作，顯示可實現高精度的磁氣檢測。有關構成本發明的第1實施形態的差動放大器3及放大器4以及檢測電壓設定電路5是顯示具體的電路構成及時序圖，但並非一定限於此構成，只要是進行本說明內記載的動作的構成即可。例如，在圖2顯示差動放大器3的具體的構成，但構成並非限於此，如圖11所示般，亦可除去電阻R13，連接其兩端的構成。此情況的差動放大器3的放大率G是在式(13)所示的放大率的式中，以無限縮小電阻R13的值之值來表示，成為：G=(R11+R12)÷R12．．．(72)

但並非是脫離本發明的宗旨之高精度的磁氣檢測的點者。

並且，在前述的說明是顯示可分別S極及N極來檢測出，但本發明的磁氣感測器裝置是亦可使用在交替檢知(例如馬達的旋轉檢知)用途。交替檢知是由進行一方(例如S極)的極性的檢知的狀態切換成一旦其一方的極性被檢知，則進行另一方(N極)的極性的檢知的狀態之磁氣感測器裝置。

並且，在圖4或圖6或圖7或圖8的時序圖中，即使在檢測週期T與檢測週期T之間設置一定期間的待機期間，作為抑制磁氣感測器裝置的平均耗費電流的驅動方法時，還是可取得高精度的磁氣檢測的效果。

另外，在前述是說明有關使用磁電變換元件的磁氣感測器裝置，但本發明的裝置是亦可取代按照磁場強度來進行電壓輸出的磁電變換元件，而使用按照加速度或壓力等來同樣地進行電壓輸出的變換元件。

<第2實施形態>

圖12是本發明的第2實施形態的磁氣感測器裝置的電路圖。

與圖1所示的第1實施形態不同的是將放大器4變更成放大器4b，變更檢測電壓設定電路5的構成的點。放大器4b與放大器4不同的是在於追加第三差動輸入對，追加第三差動輸入對的第一輸入端子V9、及第三差動輸入對的第二輸入端子V10的點。檢測電壓設定電路5的變更點是在於追加基準電壓設定電路Vref3及基準電壓設定電路Vref4的點。放大器4b的第三差動輸入對的第一輸入端子V9是被連接至基準電壓設定電路Vref3的正極，放大器4b的第三差動輸入對的第二輸入端子V10是被連接至基準電壓設定電路Vref4的正極。有關此外的連接及構成是與第一實施形態相同。

圖13是表示放大器4b的機能的概念圖。

圖13所示的放大器4b與圖3所示的放大器4不同的是在於追加了差動放大器43及其輸入端子V9、V10的點。放大器4b的第三差動輸入對的第一輸入端子V9是被連接至差動放大器43的反轉輸入端子，第三差動輸入對的第二輸入端子V10是被連接至差動放大器43的非反轉輸入端子。差動放大器43的輸出是被連接至加算器44的輸入。有關此外的連接及構成是與圖3所示的放大器4相同。差動放大器43是與差動放大器41、42同樣動作，將2個輸入端子V9及V10的電壓的差放大而輸入至加算器44。在加算器44是除了差動放大器41及差動放大器42的輸出以外還輸出差動放大器43的輸出的和。

若以式子來表示此放大機能，則在式(14)中追加差增放大電路43的項，成為：VO=A1×(V6-V5)+A2×(V8-V7)+A3×(V10-V9)．．．(73)

在此，A3是差動放大器43的放大率。

本發明的第2實施形態的磁氣感測器裝置的動作是與第1實施形態的磁氣感測器裝置的動作同樣說明，結果以其次的式子來表示。

第二相 2的放大器4的輸出是與式(29)同樣成為：

訊號成分△Vsig是與式(30)、(33)同樣，

並且，基準電壓成分△Vref是在式(31)中追加基準電壓設定電路Vref3及基準電壓設定電路Vref4的項，成為：

在前述的第1實施形態的磁氣感測器裝置的說明中，將基準電壓設定電路Vref1及基準電壓設定電路Vref2的電壓設當設定於第一相 1及第二相 2，藉此顯示所檢測出的磁場強度的任意設定、或S極及N極的判別、或檢測及解除的磁滯設定可能等的多機能性，但在本電路構成中是更暗示可在第一相 1及第二相 2適當設定基準電壓設定電路Vref3及基準電壓設定電路Vref4的電壓，可實現更廣泛的磁氣檢測機能。並且，在前述的第1實施形態的磁氣感測器裝置的說明是顯示可藉由使基準電壓設定電路Vref1及基準電壓設定電路Vref2持有溫度依存性來補正霍爾元件的感度的溫度依存，抑制所檢測出的磁場強度的溫度依存，但就本構成而言，例如基準電壓設定電路Vref1及基準電壓設定電路Vref2是輸出不依存於溫度的基準電壓，基準電壓設定電路Vref3及基準電壓設定電路Vref4是輸出依存於溫度的基準電壓，藉此以Vref1及Vref2進行在基準溫度的檢測磁場強度的設定，以Vref3及Vref4進行來自基準溫度的溫度補正部分的設定。

在此，顯示有關構成圖12的磁氣感測器裝置的要素之放大器4b的電路構成的一例。在圖13的概念圖所示的放大器4b的機能更具體而言是例如可以圖14所示那樣的電路構成來實現。

圖14是放大器4b的電路構成的一例。

放大器4b與放大器4不同的是在於追加NMOS電晶體M44C、M45C、M46C的點。追加的要素是在放大器4的構成如其次般連接。NMOS電晶體M44C的源極是被連接至接地端子VSS。NMOS電晶體M45C及M46C的源極是被連接至M44C的汲極。NMOS電晶體M45C的汲極是被連接至連接點VA。NMOS電晶體M46C的汲極是被連接至輸出端子VO。NMOS電晶體M45C、M46C的閘極是分別被連接至第三差動輸入對的第二輸入端子V10、第一輸入端子V9。有關除此以外的連接及構成是與圖10所示的放大器4相同。

放大器4b是如以上般連接，如其次般動作。針對來自放大器4的追加部分進行說明。

NMOS電晶體M43及M44C是構成電流鏡電路，在NMOS電晶體M44C的汲極-源極間是流動有根據流動於M43的汲極-源極間的電流之電流。由NMOS電晶體M44C、M45C、M46C、PMOS電晶體M41、M42所構成的5個電晶體是構成差動放大器，以放大構成第三差動輸入對的NMOS電晶體M45C、M46C的閘極電壓的差，亦即第三差動輸入對的第二輸入端子V10與第一差動輸入對的第一輸入端子V9的電壓差來輸出至輸出端子VO的方式動作。將此放大率設為A3。構成第一差動輸入對的NMOS電晶體M45A的汲極、構成第二差動輸入對的NMOS電晶體M45B的汲極及構成第三差動輸入對的NMOS電晶體M45C的汲極是以連接點VA來連接至PMOS電晶體M41的汲極，構成第一差動輸入對的NMOS電晶體M46A的汲極、構成第二差動輸入對的NMOS電晶體M46B的汲極及構成第三差動輸入對的NMOS電晶體M46C的汲極是以輸出端子VO來連接至PMOS電晶體 M42的汲極，藉此以在第一差動輸入對、第二差動輸入對及第三差動輸入對的各差動輸入對所放大的電壓能夠被加算於此連接點VA及輸出端子VO的方式動作。若以式子來表示該等的動作，則成為：VO=A1×(V6-V5)+A2×(V8-V7)+A3×(V10-V9)．．．(78)

顯示進行與式(73)同等的動作。

1‧‧‧霍爾元件

2‧‧‧開關切換電路

3‧‧‧差動放大器

4‧‧‧放大器

5‧‧‧檢測電壓設定電路

Vref1、Vref2‧‧‧基準電壓設定電路

C1‧‧‧電容

S1‧‧‧開關

Claims

一種感測器裝置，係按照施加於感測器元件的物理量的強度來進行邏輯輸出之感測器裝置，其特徵為具備：開關切換電路，其係連接前述感測器元件的第一端子對及第二端子對，切換控制被供給電源的端子對及輸出對應於物理量的強度的檢測電壓的端子對，且具有輸出前述檢測電壓的第一輸出端子及第二輸出端子；差動放大器，其係前述開關切換電路的第一輸出端子及第二輸出端子分別連接至第一輸入端子及第二輸入端子，且具有輸出差動放大前述檢測電壓的結果的第一輸出端子及第二輸出端子；放大器，其係具備第一輸入端子、第二輸入端子、第三輸入端子、第四輸入端子及輸出端子，該第一輸入端子及該輸出端子係經由第一開關來連接，該第一輸入端子係經由第一電容來與前述差動放大器的前述第一輸出端子連接，該第二輸入端子係與前述差動放大器的前述第二輸出端子連接；及檢測電壓設定電路，其係輸出不同於前述放大器的前述第三輸入端子及前述第四輸入端子的電壓。
如申請專利範圍第1項之感測器裝置，其中，前述檢測電壓設定電路係以被串聯於電源端子與接地端子之間的複數的電阻所構成，至少具備3個的分壓點，具備：設在第一分壓點與前述放大器的前述第三輸入端子之間的第二開關；設在第二分壓點與前述放大器的前述第三輸入端子之間的第三開關；設在第三分壓點與前述放大器的前述第三輸入端子之間的第四開關；設在前述第一分壓點與前述放大器的前述第四輸入端子之間的第五開關；設在前述第二分壓點與前述放大器的前述第四輸入端子之間的第六開關；及設在前述第三分壓點與前述放大器的前述第四輸入端子之間的第七開關。
如申請專利範圍第1或2項之感測器裝置，其中，前述開關切換電路係具有切換第一檢測狀態及第二檢測狀態的機能，該第一檢測狀態係對前述感測器元件的前述第一端子對供給電源，從前述第二端子對輸出前述檢測電壓，該第二檢測狀態係對前述感測器元件的前述第二端子對供給電源，從前述第一端子對輸出前述檢測電壓。
如申請專利範圍第1~3項中的任一項所記載之感測器裝置，其中，前述放大器係具有2個以上的差動輸入對，至少對一個的差動輸入對輸入由前述差動放大器所輸出的差動訊號，至少對一個的差動輸入對輸入對應於所檢測出的物理量的基準訊號。
如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之感測器裝置，其中，前述物理量為磁氣。
如申請專利範圍第1~4項中的任一項所記載之感測器裝置，其中，前述物理量為壓力。