TWI551046B - Magnetic sensor device - Google Patents

Description

磁性感測器裝置

本發明係關於將磁場強度轉換成電性訊號的磁性感測器裝置，例如關於利用於折疊式行動電話機或筆記型電腦等中之開關狀態檢測用感測器，或是馬達之旋轉位置檢測感測器等之磁性感測器裝置。

就以摺疊式行動電話機或筆記型電腦等中之開關狀態檢測用感測器，或馬達之旋轉位置檢測感測器而言，使用有磁性感測器裝置(例如，參照專利文獻1)。

磁性感測器裝置係藉由磁電轉換元件(例如霍耳元件)輸出與磁場強度或磁通密度呈比例之電壓，以放大器放大其輸出電壓，使用比較器而進行判定，以H訊號或L訊號之二值輸出。因磁電轉換元件之輸出電壓微小，故磁電轉換元件所持有之偏置電壓(元件偏置電壓)，或放大器或比較器所持有之偏置電壓(輸入偏置電壓)，或者轉換裝置內之雜訊成為問題。元件偏置電壓主要係磁電轉換元件藉由封裝體所受到之應力等而產生。輸入偏置電壓主要藉由構成放大器之輸入電路之元件的特性偏差等而產生。雜訊主要係藉由構成電路之單體電晶體所持有之閃爍雜音、單體電晶體或電阻元件所持有之熱雜音而產生。

為了降低上述磁電轉換元件或放大器所持有之偏置電壓的影響，提案有第4圖所示之磁性感測器裝置。

以往之磁性感測器裝置之構成為具有霍耳元件1、切換霍耳元件1之第一檢測狀態和第二檢測狀態的開關切換電路2、放大開關切換電路2之兩個輸出端子之電壓差(V1-V2)之差動放大器3、一端連接差動放大器3之一方之輸出端子的電容C1、被連接於差動放大器3之另一方之輸出端子和電容C1之另一端之間的開關S1、比較器4，和D型正反器D1。在此，第一檢測狀態係從端子A和C輸入電源電壓，並從端子B和D輸出檢測電壓。再者，第二檢測狀態係從端子B和D輸入電源電壓，並從端子A和C輸出檢測電壓。

將磁電轉換元件之差動輸出電壓設為Vh，將差動放大器之放大率設為G，將差動放大器之輸入偏置電壓設為Voa。在第一檢測狀態中，開關S1為ON，電容C1被充電Vc1=V3-V4=G(Vh1+Voa)。接著，在第二檢測狀態中，開關S1為OFF，輸出Vc2=V3-V4=G(-Vh2+Voa)。在此，成為V5-V6=V3-Vc1-V4=Vc2-Vc1=-G(Vh1+Vh2)，輸入偏差電壓之影響被抵銷。再者，磁電轉換元件之檢測電壓Vh1和Vh2因一般持有同相之有效訊號成分和逆相之元件偏置成分，故上述之輸出電壓也去除元件偏置成分之影響。然後，在比較器進行被施加之磁場強度和基準電壓之比較，比較輸出結果被閂鎖。基準電壓在第4圖之時為磁電轉換元件中之同相電壓，能夠電路追加且任意設定。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2001-337147號公報

但是，在以往之磁性感測器裝置中，無法完全抑制因感測器裝置內部之各構成元件發出之雜訊(閃爍雜音、熱雜音)或外來雜訊所造成之影響，有檢測或解除時之磁場強度產生偏差之課題。尤其，因在差動放大器3之輸入端子部產生之雜訊被放大，故成為主要原因。

本發明係為了解決上述般之課題而創作出，提供一種利用複數次重複磁場檢測之動作，進行該些判定結果之比對，抑制因雜訊所造成之影響且高精度檢測或解除磁場強度的磁性感測器裝置。並且，成為僅在自前次之檢測狀態有變化之時進行上述複數次比對之構成，抑制不必要之消耗電力。

為了解決以往般之問題點，本發明之磁性感測器裝置構成下述般。

為一種因應被施加於磁電轉換元件之磁場強度而進行邏輯輸出的磁性感測器裝置，係由輸入放大磁電轉換元件之輸出的訊號，並輸出比較之結果的比較器，和對比較器之輸出訊號進行運算處理的邏輯電路所構成。邏輯電路僅於藉由磁場強度之變換而在邏輯輸出產生變化之時，進行 連續複數次之邏輯輸出的比對判定。

若藉由本發明之磁性感測器裝置時，則可以抑制消耗電力，並降低由於裝置內部之各構成元件發出之雜訊或外來雜訊所產生之磁場強度之檢測或解除的判定偏差。再者，可以提供能以低消耗電流進行高精度之磁場強度之檢測或解除的磁性感測器裝置。

本實施型態之磁性感測器裝置係作為折疊式行動電話機或筆記型電腦等中之開關狀態檢測感測器，或馬達之旋轉位置檢測感測器等，檢測磁場強度之狀態的感測器而被廣泛利用。在以下之實施型態中，雖然針對使用磁電轉換元件之磁性感測器裝置予以說明，但是本發明之轉換裝置亦可以使用因應加速度或壓力等而同樣進行電壓輸出之轉換元件，來取代因應磁場強度而進行電壓輸出之磁電轉換元件。

第1圖為本實施型態之磁性感測器裝置之電路圖。本實施型態之磁性感測器裝置係由屬於磁電轉換元件之霍耳元件1、開關切換電路2、差動放大器3、比較器4、ON/OFF電路5、D型正反器D1、D2、D3、XOR電路X1、X2、選擇器電路SL1、SL2、AND電路AN1、OR電路OR1、電容C1、開關S1、輸出端子VOUT、ON/OFF訊 號源 E1、 E2所構成。霍耳元件1具有第一端子對A-C和第二端子對B-D。開關切換電路2具有與霍耳元件1之各端子A、B、C及D連接之四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具有第一輸入端子及第二輸入端子，和第一輸出端子及第二輸出端子。選擇器電路SL1、SL2具有輸入端子A和輸入端子B和選擇端子 S和輸出。

差動放大器3係第一輸出端子被連接於電容C1之一端，第二輸出端子被連接於開關S1之一端。比較器4係第一輸入被連接於電容C1之另一端及開關S1之另一端，第二輸入被連接於差動放大器3之第二輸出端子，輸出被連接於D型正反器D1和D型正反器D2。XOR電路X1係第一輸入被連接於D型正反器D1之輸出，第二輸入被連接於D型正反器D2之輸出，輸出被連接於選擇器電路SL1之選擇端子 S。XOR電路X2係第一輸入被連接於D型正反器D1之輸出和選擇器電路SL1之輸入端子A，第二輸入連接於選擇器電路SL1之輸入端子B和選擇器電路SL2之輸入端子A和D型正反器D3之輸出和輸出端子VOUT，輸出被連接於選擇器電路SL2之選擇端子 S和AND電路AN1之第一輸入。選擇器電路SL2係輸入端子B被連接於選擇器電路SL1之輸出端子，輸出端子被連接於D型正反器D3之輸入。AND電路AN1係第二輸入被連接於ON/OFF訊號源 E2，輸出被連接於OR電路OR1之第一輸入。OR電路OR1係第二輸入被連接於 ON/OFF訊號源 E1，輸出被連接於ON/OFF電路5。ON/OFF電路5係對開關切換電路2、差動放大器3、比較器4輸出 EN訊號。

第5圖表示選擇器電路SL1及SL2之電路圖之一例。選擇器電路係由構成傳輸閘TM1之PMOS電晶體501及NMOS電晶體502，和構成傳輸閘TM2之PMOS電晶體503及NMOS電晶體504和反相器I1、I2所構成。關於連接，選擇端子 S被連接於反相器I1之輸入，反相器I1之輸出被連接於反相器I2之輸入和NMOS電晶體502之閘極和PMOS電晶體503之閘極。反相器I2之輸出係被連接於PMOS電晶體501之閘極和NMOS電晶體504之閘極。PMOS電晶體501係汲極被連接於輸入端子A及NMOS電晶體502之汲極，源極被連接於輸出端子及NMOS電晶體502之源極。PMOS電晶體503係汲極被連接於輸入端子B及NMOS電晶體504之汲極，源極被連接於輸出端子及NMOS電晶體502之源極。利用由來自選擇端子 S之H/L輸入訊號控制兩個傳輸閘TM1及TM2之ON/OFF，發揮將輸入端子A或輸入端子B之任一方的訊號傳達至輸出端子之作用。

第6圖表示差動放大器3之電路圖之一例。差動放大器3一般設為測量放大器構成。差動放大器3具備有差動放大器11、12和電阻R11、R12、R13。關於連接，差動放大器11係非反轉輸入端子被連接於第一輸入端子，反轉輸入端子被連接於電阻R11之一方之端子和電阻R12 之一方之端子之連接點，輸出被連接於第一輸出端子和電阻R11之另一方之端子。差動放大器12係非反轉輸入端子被連接於第二輸入端子，反轉輸入端子被連接於電阻R13之一方之端子和電阻R12之另一方之端子之連接點，輸出被連接於第二輸出端子和電阻R13之另一方之端子。差動放大器3係藉由設成如此之測量放大器構成，而能夠抑制差動輸入中之同相雜訊的影響。

開關切換電路2具有切換對霍耳元件1之第一端子對A-C輸入電源電壓，並從霍耳元件1之第二端子對B-D輸出檢測電壓的第一檢測狀態，和對第二端子對B-D輸入電源電壓，並從第一端子對A-C輸出檢測電壓的第二檢測狀態的功能。

接著，針對本實施型態之磁性感測器裝置之動作予以說明。第2圖為本實施型態之磁性感測器裝置中之控制訊號等之時序圖。在此， Dm係表示被輸入至第m的D型正反器Dm的閂鎖用之時脈訊號。再者，雖無特別記載，但是D型正反器係於從L訊號升起至H訊號之時，進行輸入資料之閂鎖。

檢測動作之一周期T係藉由上述開關切換電路2之動作，被區分成第一檢測狀態T1和第二檢測狀態T2。再者，檢測動作之一周期T係藉由開關S1之開關被區分成樣品相F1和比較相F2。樣品相F1係將霍耳元件1、差動放大器3之偏置成分記憶於電容C1。比較相F2係進行因應磁場強度而決定之電壓和檢測電壓位準的比較。在此， 將磁電轉換元件之差動輸出電壓設為Vh，將差動放大器之放大率設為G，將差動放大器之輸入偏置電壓設為Voa。

在樣品相F1中，霍耳元件1成為第一檢測狀態T1，開關S1為ON。由於S1為ON，電容C1則被充電Vc1=(V3-V4)=G(Vh1+Voa)．．．(1)接著，在比較相F2(第二檢測狀態T2)中，開關S1為OFF，輸出Vc2=(V3-V4)=G(-Vh2+Voa)．．．(2)在此，成為V5-V6=V3-Vc1-V4=Vc2-Vc1=-G(Vh1+Vh2)．．．(3)輸入偏置電壓之影響被抵銷。再者，磁電轉換元件之檢測電壓Vh1和Vh2因一般持有同相之有效訊號成分和逆相之元件偏置成分，故上述之輸出電壓也去除元件偏置成分之影響。

然後，在比較相F2中，在式(3)中所示之施加磁場強度之檢測電壓成分在比較器4中與基準電壓比較，輸出訊號V7(H訊號(VDD)或L訊號(GND))被輸出。

在此，本實施例之時之基準電壓為磁電轉換元件中之同相電壓。再者，基準電壓可追加電路且任意設定。

比較器4之輸出的訊號V7被輸入至以下詳細說明之邏輯電路。比較器4之輸出的訊號V7藉由兩個D型正反器D1及D2，在不同之時序被兩次閂鎖。第二次之閂鎖係於連續之再檢測動作中，即是第一次之閂鎖之一檢測周期T後進行。然後，藉由連接該些兩個輸出之XOR電路X1，僅於該些兩個輸出值成為相同之時，通過選擇器電路SL1，比較器之輸出訊號被輸入至選擇器電路SL2。相反地，若D型正反器D1及D2之二輸出之值不同時，被保持於D型正反器D3之前檢測時的輸出結果原樣地被輸入至選擇器電路SL2。即是，除了如T般之時間外只要相同的檢測(解除)狀態不繼續，檢測或解除之判定就不會被進行，可以防止瞬間性之雜訊的影響的錯誤檢測、錯誤解除。

接著，藉由被保持於D型正反器D3之前檢測時中之輸出結果和連接D型正反器D1之輸出的XOR電路X2，僅於該些兩個輸出值不同之時，通過選擇器電路SL2，選擇器電路SL1之輸出訊號被輸入至D型正反器D3，最終在 D3之時序被閂鎖。相反地，若被輸入至XOR電路X2之兩個輸出值相同時，被保持於D型正反器D3之前檢測時之輸出結果原樣地被輸入至D型正反器D3，並被閂鎖。再者，XOR電路X2之輸出和ON/OFF訊號 E2被輸入至AND電路AN1，僅在被輸入至XOR電路X2之兩 個輸出值不同之時，ON/OFF訊號 E2經AND電路AN1被輸入至OR電路OR1。然後，以OR電路OR1調合ON/OFF訊號 E1和ON/OFF訊號 E2，當作 EN訊號被輸出。另外，被輸入至XOR電路X2之兩個輸出值為相同之時，因AND電路AN1之輸出被固定於L訊號，故ON/OFF訊號 E1原樣地當作 EN訊號從OR電路OR1被輸出。

即是，若第一次之閂鎖結果和前檢測結果不同時，進行第二次判定，藉由第一次和第二次之結果的比對，決定檢測結果。此時，消耗二檢測周期分(2T)之電力。相反地，若第一次閂鎖結果和前檢測結果相同時，不進行第二次之判定，也中止差動放大器等之訊號處理的電路的電流。此時，可以刪減一檢測周期T分之消耗電力。並且，即使第一次之閂鎖結果和前檢測結果不同之時，第一次之閂鎖結果和第二次之閂鎖結果不同之時，因第一次之判定無效，故雖然檢測結果VOUT不變化，但消耗二檢測周期分(2T)之電力。

藉由上述，能夠抑制因感測器裝置內部或來自外部之雜訊在磁場強度之檢測或解除之判定結果產生之偏差，並且將消耗電力抑制成所需之最低限。

再者，如第3圖所示般，即使在兩極檢測用途中亦可應用本發眀。在此，兩極檢測係於以S極或N極中之任一極性進行檢測或解除之判定之時輸出邏輯反轉者。在本發明中，例如以S極進行檢測或解除之判定時，於通常之 S極、N極兩判定後再次進行S極判定，兩次之判定結果若為相同，輸出邏輯則反轉。此時，不進行第二次之N極判定。相反的，以N極進行檢測或解除之判定時也相同，於通常之S極、N極兩判定後再次進行N極判定，兩次之判定結果若為相同，輸出邏輯則反轉。此時，不進行第二次之S極判定。如此一來，藉由僅對進行檢測或解除之判定時被判定出之極性側，進行再判定，可以實現高精度之磁場強度之檢測並且消耗電力的抑制。

並且，在本實施型態中，雖然將連接比較器4之輸出的D型正反器設為兩個而予以說明，但是D型正反器即使為三個以上亦可。此時，只要該些輸出所有值不齊全，就保持前檢測結果。若增加如此地被並聯連接之D型正反器之數量越多，越能抑制雜訊之影響力。

再者，在本實施型態所示之磁性感測器裝置中，雖然將從霍耳元件1至比較器4為止之電路設為第1圖般之構成而進行說明，但是並不限定於該電路構成。例如，就以在比較器4被比較之基準電壓而言，即使為從另外設置之基準電壓電路供給任意之電壓的構成亦可。

並且，本發眀中之磁性感測器裝置亦可以使用於交變檢測(例如馬達之旋轉檢測)用途。從交變檢測係從進行僅一方(例如S極)之極性的檢測之狀態，當其一方之極性被檢測時，則切換至進行僅另一方(N極)之極性的檢測之狀態的磁性感測裝置。

再者，在第2圖之時序圖中，即使為不設置位於檢測 周期T和檢測周期T之間的待機期間的驅動方法之時，亦可取得相同之效果。

1‧‧‧霍耳元件

2‧‧‧開關切換電路

3‧‧‧差動放大器

4‧‧‧比較器

5‧‧‧ON/OFF電路

11、12‧‧‧差動放大器

AN1‧‧‧AND電路

OR1‧‧‧OR電路

X1、X2‧‧‧電路XOR

D1、D2、D3‧‧‧D型正反器

SL1、SL2‧‧‧選擇器電路

TM1、TM2‧‧‧傳輸閘

第1圖為表示本實施型態之磁性感測器裝置的電路圖。

第2圖為本實施型態之磁性感測器裝置之時序圖。

第3圖為本實施型態之磁性感測器裝置之應用例之時序圖。

第4圖為以往之磁性感測器裝置之電路圖。

第5圖為表示選擇器電路之一例的電路圖。

第6圖為表示差動放大器之一例的電路圖。

1‧‧‧霍耳元件

2‧‧‧開關切換電路

3‧‧‧差動放大器

4‧‧‧比較器

5‧‧‧ON/OFF電路

AN1‧‧‧AND電路

OR1‧‧‧OR電路

X1、X2‧‧‧電路XOR

D1、D2、D3‧‧‧D型正反器

SL1、SL2‧‧‧選擇器電路

Claims (7)

1. 一種磁性感測器裝置，因應被施加於磁電轉換元件之磁場強度而進行邏輯輸出，該磁性感測器裝置之特徵為具備：比較器，其係用以輸入放大上述磁電轉變元件之輸出的訊號，並輸出比較的結果，和邏輯電路，其係對上述比較器之輸出訊號進行運算處理，上述邏輯電路僅於藉由上述磁場強度之變化而在上述邏輯輸出產生變化之時，進行連續的複數次之邏輯輸出的比對判定，上述邏輯電路具備：第一D型正反器及第二D型正反器，該些之各個輸入端子連接上述比較器之輸出端子；第一XOR電路，其係在輸入端子連接上述第一D型正反器之輸出端子和上述第二D型正反器之輸出端子；第二XOR電路，其係在輸入端子連接上述第一D型正反器之輸出端子和第三D型正反器之輸出端子；第一選擇器電路，其係在輸入端子連接上述第一D型正反器之輸出端子和上述第三D型正反器之輸出端子，因應上述第一XOR電路之輸出而選擇性地輸出輸入訊號；及第二選擇器電路，其係在輸入端子連接上述第三D型正反器之輸出端子和上述第一選擇器電路之輸出端子， 因應上述第二XOR電路之輸出而對上述第三D型正反器選擇性地輸出輸入訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之磁性感測器裝置，其中上述磁性感測器裝置又具備：上述磁電轉換元件；開關切換電路，其係用以切換上述磁電轉換元件之第一檢測狀態和第二檢測狀態；差動放大器，其係用以放大上述開關切換電路之兩個輸出端子的電壓差；電容，其係一方之端子被連接於上述差動放大器之輸出端子，用以保持偏置(offset)；及開關，其係被連接於上述電容之另一方的端子。
3. 如申請專利範圍第2項所記載之磁性感測器裝置，其中上述磁性感測器裝置具備：AND電路，其係在輸入端子連接上述第二XOR電路之輸出端子和第二ON/OFF訊號源；OR電路，其係在輸入端子連接上述AND電路之輸出端子和第一ON/OFF訊號源；及ON/OFF電路，其係因應上述OR電路之輸出訊號而進行各對上述開關切換電路、上述差動放大器、上述比較器供給電流之控制。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之磁性感測器裝置， 其中上述選擇器電路具備：第一傳輸閘，其係被連接於第一輸入端子，和第二傳輸閘，其係被連接於第二輸入端子，藉由選擇端子之輸入訊號切換上述第一傳輸閘和上述第二傳輸閘之輸出而予以輸出。
5. 如申請專利範圍第2或3項所記載之磁性感測器裝置，其中上述開關切換電路具有切換第一檢測狀態和第二檢測狀態之功能，第一檢測狀態係對上述磁電轉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，第二檢測狀態係對上述磁電轉換元件之上述第二端子對輸入電源電壓，從上述第一端子對輸出檢測電壓。
6. 如申請專利範圍第5項所記載之磁性感測器裝置，其中藉由樣品相和比較相因應被施加於上述磁電轉換元件之磁場強度而進行邏輯輸出，上述樣品相係在上述第一檢測狀態中於上述電容保持偏置，上述比較相係在上述第二檢測狀態下進行一面抵銷上述偏置一面被施加之磁場強度和基準電壓之比較。
7. 如申請專利範圍第1項所記載之磁性感測器裝置，其中，上述邏輯電路係於藉由S極、N極中之任一方之上述 磁場強度之變化而在上述邏輯輸出產生變化之時，僅對產生上述磁場強度之變化的極性，進行連續複數次之邏輯輸出的比對判定。