TWI497096B

TWI497096B - Magnetic sensor device

Info

Publication number: TWI497096B
Application number: TW099140405A
Authority: TW
Inventors: Daisuke Muraoka; Minoru Ariyama; Tomoki Hikichi; Manabu Fujimura
Original assignee: Seiko Instr Inc
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2015-08-21
Also published as: TW201144845A; US8502529B2; CN102087342B; KR101581966B1; CN102087342A; KR20110063339A; US20110241662A1; JP2011117811A; JP5285585B2

Description

磁性感測器裝置

本發明係關於將磁場強度變換成電氣信號之磁性感測器裝置，例如，係與利用於折疊式行動電話或筆記型電腦等之開閉狀態檢測用感測器、或馬達之旋轉位置檢測感測器等的磁性感測器裝置相關。

折疊式行動電話或筆記型電腦等之開閉狀態檢測用感測器、或馬達之旋轉位置檢測感測器，係使用磁性感測器裝置(例如，參照專利文獻1)。該磁性感測器裝置之電路圖如第5圖所示。

磁性感測器裝置，係藉由磁電變換元件(例如，霍爾元件)，輸出與磁場強度或磁束密度成比例之電壓，以放大器放大該輸出電壓，利用比較器進行判定，輸出H信號或L信號之二值。因為磁電變換元件之輸出電壓較為微小，而有磁電變換元件所持有之偏置電壓(元件偏置電壓)、及放大器或比較器所持有之偏置電壓(輸入偏置電壓)、或變換裝置內之雜訊的問題。元件偏置電壓，主要是因為磁電變換元件從組件所承受到之應力等而發生。輸入偏置電壓，則主要是因為構成放大器之輸入電路的元件特性誤差等而發生。雜訊，主要是因為構成電路之單體電晶體所持有的閃爍雜訊、單體電晶體或電阻元件所持有的熱雜訊而發生。

為了降低上述磁電變換元件或放大器所持有之偏置電壓的影響，第5圖所示之磁性感測器裝置，為以下之構成。第5圖所示之磁性感測器裝置，係由：霍爾元件1、用以切換霍爾元件1之第一檢測狀態及第二檢測狀態的開關切換電路2、用以放大開關切換電路2之二個輸出端子之電壓差(V1-V2)的差動放大器3、將差動放大器3之一方輸出端子連結至一端之電容C1、用以連結於差動放大器3之另一方輸出端子與電容C1之另一端之間的開關S1、比較器4、以及D型正反器D1所構成。此處，第一檢測狀態，係從端子A及C輸入電源電壓，並從端子B及D輸出檢測電壓。此外，第二檢測狀態，係從端子B及D輸入電源電壓，並從端子A及C輸出檢測電壓。

磁電變換元件之差動輸出電壓為Vh，差動放大器之放大率為G，差動放大器之輸入偏置電壓為Voa。第一檢測狀態時，開關S1為ON，對電容C1進行Vc1=V3-V4=G(Vh1+Voa)之充電。接著，第二檢測狀態時，開關S1為OFF，輸出Vc2=V3-V4=G(-Vh2+Voa)。此處，V5-V6=V3-Vc1-V4=Vc2-Vc1=-G(Vh1+Vh2)，輸入偏置電壓之影響互相抵銷。此外，磁電變換元件之檢測電壓Vh1及Vh2，一般而言，因為具有同相之有效信號成份及反相之元件偏置成份，上述輸出電壓已被去除元件偏置成份之影響。其次，於比較器，進行被施加之磁場強度及基準電壓之比較，比較輸出結果被鎖定。基準電壓，於第5圖時，係與磁電變換元件之同相電壓，可以電路追加來任意設定。

[專利文獻1]　日本特開2001-337147號公報

然而，如上所述之傳統磁性感測器裝置時，無法完全抑制感測器裝置內部之各構成元件所發出之雜訊(閃爍雜訊、熱雜訊)及外來雜訊的影響，而有檢測磁場強度發生誤差的課題。尤其是，因為差動放大器3之輸入端子部所發生之雜訊被放大，而成為其主要原因。

所以，本發明之目的，係在提供一種磁性感測器裝置，於某期間複數次鎖定比較器之輸出信號，並進行該等之對照，來抑制雜訊之影響並可以高精度檢測磁場強度。

為了解決如上之傳統問題點，本發明之磁性感測器裝置的構成如下所示。

係對應施加於磁電變換元件之磁場強度來進行邏輯輸出之磁性感測器裝置，該磁性感測器裝置之特徵係具備：輸入前述磁電變換元件之輸出經過放大的信號，輸出比較之結果的比較器；前述比較器之輸出端子分別連結於輸入端子之第一D型正反器及第二D型正反器；前述第一D型正反器及前述第二D型正反器之輸出端子連結於輸入端子之XOR電路；以及前述第二D型正反器之輸出端子及第三D型正反器之輸出端子連結於輸入端子，對應前述XOR電路之輸出，對前述第三D型正反器選擇性地輸出輸入信號之選擇器電路。

依據本發明之磁性感測器裝置，可以降低裝置內部之各構成元件所發出之雜訊或外來雜訊所導致之磁場強度檢測或解除之判定誤差。所以，可以提供可進行高精度磁場強度之檢測或解除的磁性感測器裝置。

以下，依據圖式，針對本發明之實施形態，進行詳細說明。本發明之磁性感測器裝置，被廣泛地被當做折疊弍行動電話或筆記型電腦等之開閉狀態檢測感測器、或馬達之旋轉位置檢測感測器等用以檢測磁場強度狀態之感測器來使用。以下之實施形態時，係針對利用磁電變換元件之磁性感測器裝置來進行說明，然而，本發明之變換裝置，亦可以為利用對應加速度或壓力等來進行電壓輸出之變換元件來取代對應磁場強度進行電壓輸出之磁電變換元件。

[實施例1]

第1圖，係本發明之實施例1之磁性感測器裝置的電路圖。實施例1之磁性感測器裝置，具備：磁電變換元件之霍爾元件1、開關切換電路2、差動放大器3、比較器4、選擇器電路5、D型正反器、以及XOR電路。

霍爾元件1，具有第一端子對A-C及第二端子對B-D。開關切換電路2，具有連結於霍爾元件1之各端子A、B、C及D的4個輸入端子、及第一輸出端子與第二輸出端子。差動放大器3，具有分別連結於開關切換電路2之第一輸出端子與第二輸出端子的第一輸入端子與第二輸入端子、及第一輸出端子與第二輸出端子。此外，具有一端連結著差動放大器3之第一輸出端子的電容C1、連結於差動放大器3之第二輸出端子與電容C1之另一端之間的開關S1、以及比較器4。其次，其構成上，具有：比較器4之輸出端子分別連結於輸入端子之第一D型正反器D1與第二D型正反器D2；第一D型正反器D1與第二D型正反器D2之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子之XOR電路X；第二D型正反器D2之輸出端子與第三D型正反器D3之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子A、B，XOR電路X之輸出連結於選擇器端子ΦS，對應X之輸出而選擇性地輸出AB之輸入的選擇器電路5；以及選擇器電路5之輸出端子連結於輸入端子之第三D型正反器D3。

選擇器電路5之一例的電路圖如第6圖所示。選擇器電路5，例如，由二個傳輸閘TM1與TM2及二個反相器I1與I2所構成。藉由來自選擇器端子ΦS之H/L輸入信號來控制二個傳輸閘TM1與TM2之ON/OFF，實現將輸入端子A或輸入端子B之任一方之信號傳送給輸出端子的機能。

開關切換電路2，具有用以切換將電源電壓輸入霍爾元件1之第一端子對A-C並從第二端子對B-D輸出檢測電壓之第一檢測狀態、及將電源電壓輸入第二端子對B-D並從第一端子對A-C輸出檢測電壓之第二檢測狀態的機能。

差動放大器3之一例的電路圖如第7圖所示。差動放大器3，一般為測量放大器構成。差動放大器3，具備差動放大器11、12及電阻R11、R12、R13。差動放大器11及12，分別執行非反轉放大器之動作。差動放大器3之第一輸入端子連結於差動放大器11之非反轉輸入端子，第二輸入端子則連結於差動放大器12之非反轉輸入端子，第一輸出端子連結於差動放大器11之輸出端子，第二輸出端子連結於差動放大器12之輸出端子。差動放大器3，藉由為如上之測量放大器構成，可以抑制差動輸入之同相雜訊的影響。

其次，說明第1實施例之磁性感測器裝置的動作。第2圖，係第1實施例之磁性感測器裝置之控制信號的時序圖。此處，ΦDm，係代表被輸入第m之D型正反器Dm之輸入鎖定用時鐘信號。此外，只要未特別註記，D型正反器從L信號轉變成H信號時，實施輸入資料之鎖定。

檢測動作之一周期T，依上述開關切換電路2之動作，而分成第一檢測狀態T1及第二檢測狀態T2。此外，依開關S1之開關，分成抽樣相F1及比較相F2。抽樣相F1，將霍爾元件1、差動放大器3之偏置成份記憶於電容C1。比較相F2，則將對應磁場強度所決定之電壓及檢測電壓電平進行比較。此處，磁電變換元件之差動輸出電壓為Vh，差動放大器之放大率為G，差動放大器之輸入偏置電壓為Voa。

抽樣相F1時，霍爾元件1為第一檢測狀態T1，而開關S1為ON。由S1為ON，對電容C1進行

Vc1=(V3-V4)=G(Vh1+Voa)‧‧‧(1)

之充電。接著，比較相F2(第二檢測狀態T2)時，開關S1為OFF，輸出

Vc2=(V3-V4)=G(-Vh2+Voa)‧‧‧(2)

。此處，

V5-V6=V3-Vc1-V4=Vc2-Vc1=-G(Vh1+Vh2)‧‧‧(3)

，輸入偏置電壓的影響互相抵銷。此外，磁電變換元件之檢測電壓VH1及Vh2，因為一般係具有同相之有效信號成份及反相之元件偏置成份，上述輸出電壓，元件偏置成份的影響亦被取消。

其次，比較相F2時，於比較器4，將式(3)所表示之施加磁場強度的檢測電壓成份與基準電壓進行比較，並輸出H信號(VDD)或L信號(GND)。此處，基準電壓係磁電變換元件之同相電壓。此外，基準電壓，可以追加電路來任意設定。該輸出信號，藉由連結著比較器4之輸出端子之二個D型正反器D1及D2，而依各時序實施二次鎖定。其次，藉由該二個輸出所連結之XOR電路，只有該二個輸出值為相同時，由選擇器電路，輸出比較器之輸出信號並以D型正反器D3鎖定輸出信號。相反的，若D型正反器D1及D2之二個輸出值不同，直接將D型正反器D3所保持之前次檢測時之輸出結果進行輸出。

藉此，可以抑制因為來自感測器裝置內部或外部之雜訊而使磁場強度之判定結果所產生之誤差。

[實施例2]

第3圖，係本發明實施例2之磁性感測器裝置的電路圖。實施例2之磁性感測器裝置，係檢測S極及N極之兩方的磁場強度(兩極檢測)。

實施例2之磁性感測器裝置，具備磁電變換元件之霍爾元件1、開關切換電路2、差動放大器3、比較器4、選擇器電路5、D型正反器、XOR電路、以及OR電路。

其構成上，係含有：比較器4之輸出端子分別連結於輸入端子之第一D型正反器D1n與第二D型正反器D2n；第一D型正反器D1n之輸出端子連結於輸入端子之第三D型正反器D1s；第二D型正反器D2n之輸出端子連結於輸入端子之第四D型正反器D2s第三D型正反器D1s與第四D型正反器D2s之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子之第一XOR電路Xs；第一D型正反器D1n與第二D型正反器D2n之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子之第二XOR電路Xn；第一XOR電路Xs與第二XOR電路Xn之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子之第一OR電路OR1；第二D型正反器D2n與第四D型正反器D2s之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子之第二OR電路OR2；第二OR電路OR2之輸出端子與第五D型正反器D3b之輸出端子分別連結於第一、第二輸入端子A、B，第一OR電路OR1之輸出連結於選擇器端子ΦS，對應OR1之輸出而選擇性地輸出AB之輸入的選擇器電路5；以及選擇器電路5之輸出端子連結於輸入端子之第五D型正反器D3b。此外，亦可以為以下之構成，亦即，對應比較器4於磁場強度檢測時輸出H信號或輸出L信號，而使前述第二OR電路OR2成為AND電路。

此處，因為霍爾元件1、開關切換電路2、差動放大器3、以及比較器4之構成部分與實施例1所說明者相同，故省略。此外，選擇器電路5、開關切換電路2、差動放大器3之詳細，也因相同理由而省略。

其次，說明第2實施例之磁性感測器裝置的動作。第4圖，係第2實施例之磁性感測器裝置之控制信號的時序圖。檢測兩極時，執行2次檢測周期，並綜合其結果來進行判定。檢測動作之一周期T，係依上述開關切換電路2之動作，而分成第一檢測周期T11及T12與第二檢測周期T21及T22。

首先，於第一檢測周期T11及T12(例如，S極檢測期間)之比較相F2，由比較器4輸出H信號(VDD)或L信號(GND)，該輸出信號，被連結著比較器4之輸出端子的二個D型正反器D1n及D2n，依各時序進行二次鎖定。其次，於第二檢測周期T21及T22(例如，N極檢測期間)之比較相F2，比較器4之輸出信號被D型正反器D1n及D2n，依各時序進行二次鎖定。此時，因為D型正反器D1n與D2n分別串聯於D型正反器D1s與D2s，於檢測周期T1，保持於D型正反器D1n與D2n之資料分別被移至D型正反器D1s與D2s。其次，取連結著該等D型正反器D1n與D2n之二個輸出的XOR電路、及連結著D型正反器D1s與D2s之二個輸出的XOR電路之各輸出的OR，將該信號當做選擇器電路之選擇器信號。此外，磁場強度之檢測信號方面，若檢測出S極、N極之任一方的磁場強度，即將其視為檢測判定，並取D型正反器D2n與D2s之輸出之OR或AND做為選擇器電路之一輸入。如此，於S極檢測期間及N極檢測期間之雙方，只有各為二次鎖定之輸出信號的值獲得整合時，才由選擇器電路輸出上述檢測判定之輸出信號，並以D型正反器D3b鎖定輸出信號。相反的，S極檢測期間及N極檢測期間之任一方，各為二次之鎖定之輸出信號未能獲得整合時，直接輸出D型正反器D3b所保持之前次檢測時的輸出結果。

此外，實施例1及實施例2時，連結著比較器4之輸出的D型正反器，係以二個來進行說明，然而，D型正反器亦可以為三個以上。此時，只畏該等輸出之全部值未能一致，則保持前次檢測結果。如上所示，該併聯之D型正反器的數目愈多，愈可抑制雜訊的影響。

此外，實施例所示之磁性感測器裝置時，霍爾元件1至比較電路4為止之電路係以如第1圖及第3圖之構成來進行說明，然而，並未受限於該電路。例如，輸入比較電路4之電壓，亦可以為以發生基準電壓之電路所提供之電壓做為基準的電壓。

此外，第2圖及第4圖之時序圖時，於相同比較相期間內，實施二次來自比較器之輸出的鎖定，然而，二次鎖定之時序，於相同比較相期間內並無必要。例如，亦可以如下所示，第一次檢測周期T時，利用ΦD1之時鐘只實施一次鎖定，再連續重複一次檢測周期T，其中之比較相時，利用ΦD2之時鐘，實施第二次鎖定，再綜合該等結果進行判定。

此外，本發明之磁性感測器裝置，亦可以使用於交替檢測(例如，馬達之旋轉檢測)用途。交替檢測，係從只執行一方(例如，S極)極性之檢測的狀態，切換成檢測到其一方之極性時只執行另一方(N極)極性之檢測的狀態之磁性感測器裝置。

此外，第2圖及第4圖之時序圖時，於檢測周期T與檢測周期T之間，設有一定期間之待機期間，對於以抑制磁性感測器裝置之平均消耗電流的驅動方法而言，也可得到相同的效果。

1．．．霍爾元件

2．．．開關切換電路

3．．．差動放大器

4．．．比較器

5．．．選擇器電路

11、12．．．差動放大器

D1、D2、D1s、D1n、D2s、D2n、D3、D3b．．．D型正反器

X、Xs、Xn．．．XOR電路

OR1、OR2．．．OR電路

TM1、TM2．．．傳輸閘

第1圖係第1實施例之磁性感測器裝置的電路圖。

第2圖係第1實施例之控制信號之時序圖。

第3圖係第2實施例之磁性感測器裝置的電路圖。

第4圖係第2實施例之控制信號之時序圖。

第5圖係傳統之磁性感測器裝置之電路圖。

第6圖係選擇器電路之一例的電路圖。

第7圖係差動放大器之一例的電路圖。

1．．．霍爾元件

2．．．開關切換電路

3．．．差動放大器

4．．．比較器

5．．．選擇器電路

D1、D2、D3．．．D型正反器

X．．．XOR電路

Claims

一種磁性感測器裝置，係對應施加於磁電變換元件之磁場強度，來執行邏輯輸出之磁性感測器裝置，其特徵為具備：比較器，用以輸入放大前述磁電變換元件之輸出之信號，並輸出比較結果；第一D型正反器及第二D型正反器，輸入端子分別連結著前述比較器之輸出端子；第三D型正反器，輸入端子連結著前述第一D型正反器之輸出端子；第四D型正反器，輸入端子連結著前述第二D型正反器之輸出端子；第一XOR電路，輸入端子連結著前述第三D型正反器之輸出端子及前述第四D型正反器之輸出端子；第二XOR電路，輸入端子連結著前述第一D型正反器之輸出端子及前述第二D型正反器之輸出端子；第一OR電路，輸入端子連結著前述第一XOR電路之輸出端子及前述第二XOR電路之輸出端子；第二OR電路，輸入端子連結著前述第二D型正反器之輸出端子及前述第四D型正反器之輸出端子；以及選擇器電路，輸入端子連結著前述第二OR電路之輸出端子及第五D型正反器之輸出端子，對應前述第一OR電路之輸出，選擇性對前述第五D型正反器輸出輸入信號。
如申請專利範圍第1項所記載之磁性感測器裝置，其中前述磁性感測器裝置更具備：前述磁電變換元件；開關切換電路，用以切換前述磁電變換元件之第一檢測狀態及第二檢測狀態；差動放大器，用以放大前述開關切換電路之二個輸出端子之電壓差；電容，一方端子連結於前述差動放大器之輸出端子，用以保持偏置；以及開關，連結於前述電容之另一方端子。
如申請專利範圍第2項所記載之磁性感測器裝置，其中前述選擇器電路具備：第一傳輸閘，連結於第一輸入端子；及第二傳輸閘，連結於第二輸入端子，且藉由選擇器端子之輸入信號，切換並輸出前述第一傳輸閘及前述第二傳輸閘之輸出。
如申請專利範圍第2或3項所記載之磁性感測器裝置，其中前述開關切換電路含有切換狀態之機能，前述狀態包含：第一檢測狀態，對前述磁電變換元件之第一端子對輸入電源電壓，從第二端子對輸出檢測電壓；及第二檢測狀態，對前述磁電變換元件之前述第二端子對輸入電源電壓，從前述第一端子對輸出檢測電壓。
如申請專利範圍第4項所記載之磁性感測器裝置，其中藉由抽樣相(sample phase)和比較相，對應施加於前述磁電變換元件之磁場強度來執行邏輯輸出，該抽樣相係在前述第一檢測狀態下，使前述電容保持偏置，該比較相係在前述第二檢測狀態下，一邊抵銷前述偏置一邊比較施加之磁場強度及基準電壓。
如申請專利範圍第5項所記載之磁性感測器裝置，其中前述第一D型正反器及前述第二D型正反器鎖定之時序為同一比較相。