JP6004758B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上のホール素子を用いた磁気センサに関し、特にその特性異常検出用回路に関する。

磁気センサは、様々な可動物品の移動、回転を検知するために広く用いられている。例えば、携帯機器の開閉検出や、モーターの回転数検出などが挙げられる。近年、安価であるが、低感度でオフセット電圧の大きいＳｉ基板上に構成されたホール素子が用いられている。そして、ホール素子及び増幅器のオフセット電圧を信号処理によって相殺することで、安価で高い磁気検出精度の磁気センサを実現している。

図４に、従来の磁気センサのブロック図を示す。従来の磁気センサ１０は、ホール素子２と、切替えスイッチ回路３０と、増幅器４と、サンプリング回路５と、基準電圧回路６０と、比較器７と、出力回路８と、を備えている。従来の磁気センサ１０は、以下のように動作してオフセット電圧を相殺する。ホール素子２は、切替えスイッチ回路３０によって、対角線上の２端子間に流す電流経路を第１の期間、第２の期間で相補的に切り替える。その出力電圧は、増幅器４で増幅され、サンプリング回路５によって時分割で保持され、平均化される。基準電圧回路６０は、基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。比較器７は、サンプリング回路５で保持された電圧と基準電圧Ｖｒｅｆを比較判定する。磁気センサ１０は、判定結果を出力回路８を介して出力することによって、磁界に応じた検出信号を出力する。以上のように動作して、従来の磁気センサ１は、ホール素子及び増幅器のオフセット電圧を信号処理によって相殺する。

国際公開第２００６／０８５５０３号

しかしながら、ホール素子２の材質がＳｉの場合、オフセット電圧は磁界信号電圧に対し数桁大きい。オフセット電圧が大きい場合には、主に増幅器４の出力電圧の飽和によって、オフセット電圧が相殺されずに、磁気特性が著しく低化する、という課題があった。
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、安価で高精度な磁気特性を備えた磁気センサを提供する。

従来の課題を解決するために、本発明の磁気センサは以下のような構成とした。
第１の期間にホール素子の第１の端子対に電流を流し第２の端子対から第１の差動信号電圧を入力し、第２の期間に第２の端子対に電流を流し第１の端子対から第２の差動信号電圧を入力する切替えスイッチ回路に、ホール素子の各端子と切替えスイッチ回路の出力端子の間にそれぞれ直列に直列伝達スイッチと交差伝達スイッチを設け、交差伝達スイッチを制御してホール素子のオフセット電圧の大小を判別することが可能な磁気センサ。

本発明の磁気センサによれば、簡便な回路を追加しただけで、ホール素子と増幅回路のオフセット電圧に基づいた電圧を評価することが出来る。従って、検査工程においてオフセット電圧が大きな個体を２値判定で識別することが出来るので、製品の品質を向上させるという効果がある。

本実施形態の磁気センサのブロック図である。 本実施形態の磁気センサの切替えスイッチ回路の詳細を示す回路図である。 本実施形態の磁気センサの制御回路の一例を示す回路図である。 従来の磁気センサのブロック図である。

以下、本実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の磁気センサのブロック図である。
本実施形態の磁気センサ１は、ホール素子２と、切替えスイッチ回路３と、増幅器４と、サンプリング回路５と、基準電圧回路６と、比較器７と、出力回路８と、制御回路９とを備えている。

ホール素子２は、切替えスイッチ回路３を介して、電源端子から一方の対角線上の端子対（例えば、端子２１−端子２２）に電流が供給され、他方の端子対（例えば、端子２３−端子２４）の両端に差動信号電圧を出力する。ホール素子２の差動信号電圧は、切替えスイッチ回路３を介して、増幅器４に入力される。切替えスイッチ回路３は、制御回路９の出力する制御信号３Ａ〜３Ｄで制御され、ホール素子２の制御の第１の期間と第２の期間を切替える。増幅器４は、ホール素子の差動信号電圧を増幅し、差動信号増幅電圧を出力する。基準電圧回路６は、制御回路９の制御信号６Ａに応じて基準電圧を出力する。サンプリング回路５は、第１の期間と第２の期間の差動信号増幅電圧をそれぞれ保持し、その平均電圧を出力する。比較器７は、平均電圧と基準電圧の大小関係を比較し、論理信号を出力する。制御回路９は、切替えスイッチ回路３と、増幅器４と、基準電圧回路６のそれぞれに制御信号を出力する。出力回路８は、論理信号に基づいてラッチ動作、論理演算を行い、磁気センサとしての検出信号を出力する。

図２は、本実施形態の磁気センサの切替えスイッチ回路３の詳細を示す回路図である。 切替えスイッチ回路３は、第１〜第４の電流供給スイッチ３１１〜３１４と、第１〜第４の直列伝達スイッチ３２１〜３２４と、第１〜第４の交差伝達スイッチ３３１〜３３４と、を備える。信号３Ａ〜３Ｄは、制御回路９が出力する制御信号である。端子３０１及び３０２は、第１及び第２の差動信号電圧出力端子である。ここで、第１〜第４の電流供給スイッチ３１１〜３１４に印加される制御信号３Ａが“Ｌ”、３Ｂが“Ｈ”の時、すなわちホール素子２の端子２１−端子２２に電流が供給される時を第１の期間とし、制御信号３Ａが“Ｈ”、３Ｂが“Ｌ”の時、すなわちホール素子２の端子２３−端子２４に電流が供給される時を第２の期間とする。第１〜第４の直列伝達スイッチ３２１〜３２４は、第１〜第４の電流供給スイッチ３１１〜３１４に連動して切替えられる。第１〜第４の交差伝達スイッチ３３１〜３３４は、制御信号３Ｃ、３Ｄによって制御される。

図３は、本実施形態の磁気センサの制御回路の一例を示す回路図である。制御回路９は、動作状態設定回路９１と、ＮＡＮＤ回路９２と、ＯＲ回路９３、９４、９５と、を備えている。制御回路９は、基準ＣＬＫ信号が入力され、制御信号３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、及び制御信号６Ａを生成して、出力する。動作状態設定回路９１は“Ｈ”または“Ｌ”の信号を出力する回路であり、直列に接続されたヒューズとプルダウン抵抗で構成している。動作状態設定回路９１は、例えば、不揮発性メモリで構成しても、または外部端子を設けて状態設定信号を外部から入力するようにしても良い。また、その他の論理回路についても、所望の信号を生成することが出来れば、この回路構成に限定されるものではない。

上述したような磁気センサ１は、以下のように動作して、オフセット電圧の大小を判定する機能と、磁界の大小を判定する機能と、を有する。
本実施形態の磁気センサ１は、制御回路９の出力する制御信号によって、第１の動作状態と第２の動作状態を備えている。制御回路９の動作状態設定回路９１は、初期状態ではヒューズによって“Ｈ”の信号を出力している。従って、ＮＡＮＤ回路９２は、基準ＣＬＫ信号を反転して出力する。すなわち、制御信号３Ｃは基準ＣＬＫ信号を反転した信号に、３Ｄは基準ＣＬＫ信号と同じ信号になる。この状態が、第１の動作状態である。制御回路９の動作状態設定回路９１は、ヒューズを切断するとプルダウン抵抗によって“Ｌ”の信号を出力する。従って、ＮＡＮＤ回路９２は、出力が“Ｈ”に固定される。すなわち、制御信号３Ｃは“Ｈ”に、３Ｄは“Ｌ”に固定される。この状態が、第２の動作状態である。どちらの動作状態であっても、制御信号３Ａは基準ＣＬＫ信号を反転した信号、３Ｂは基準ＣＬＫ信号と同じ信号である。

先ず、第１の動作状態について説明する。第１の動作状態は、磁気センサ１のオフセット電圧の大小を判定することが出来る。
第１の動作状態において、制御回路９は、基準ＣＬＫ信号を反転した信号の制御信号３Ａ及び３Ｃと、基準ＣＬＫ信号と同じ信号の制御信号３Ｂ及び３Ｄと、を出力する。ホール素子２は、第１の期間において、第１及び第４の電流供給スイッチ３１１、３１４が導通して、端子２１−端子２２の端子対に電流が供給され、端子２３−端子２４の端子対から差動信号電圧を出力する。また、第２の期間において、第２及び第３の電流供給スイッチ３１２、３１３が導通して、端子２３−端子２４の端子対に電流が供給され、端子２１−端子２２の端子対から差動信号電圧を出力する。また、第１の期間では第２の交差伝達スイッチ３３２と第３の交差伝達スイッチ３３３が導通し、第２の期間では第１の交差伝達スイッチ３３１と第４の交差伝達スイッチ３３４が導通する。

従って、第１の期間では、第１の差動信号電圧出力端子３０１はホール素子２の端子２４と、第２の差動信号電圧出力端子３０２はホール素子２の端子２３と接続される。また、第２の期間では、第１の差動信号電圧出力端子３０１はホール素子２の端子２１と、第２の差動信号電圧出力端子３０２はホール素子２の端子２２と接続される。その出力電圧は、増幅器４で増幅されて出力される。

従って、増幅器４が第１の期間に出力する差動信号増幅電圧をＶｏ１Φ１、第２の期間に出力する差動信号増幅電圧をＶｏ１Φ２とすると、それぞれ式１と２で与えられる。
Ｖｏ１Φ１＝ＶＤＤ／２＋Ｇ（ＫＨ×Ｂｉｎ＋Ｖｏｓ）・・・（１）
Ｖｏ１Φ２＝ＶＤＤ／２＋Ｇ（−ＫＨ×Ｂｉｎ＋Ｖｏｓ）・・・（２）
ここで、ＶＤＤは電源電圧、Ｇは増幅器４の増幅率、ＫＨはホール素子１の磁電変換係数、Ｂｉｎは磁束密度、Ｖｏｓは増幅器４の出力電圧に含まれるオフセット電圧である。

従って、サンプリング回路５において差動信号増幅電圧Ｖｏ１Φ１及びＶｏ１Φ２を平均した平均電圧Ｖｏ１は式３で与えられる。
Ｖｏ１＝ＶＤＤ／２＋Ｇ×Ｖｏｓ・・・（３）
このとき、基準電圧回路６は、制御信号６Ａによって、出力する基準電圧をオフセット電圧判定用の基準電圧Ｖｒｅｆ２に切替えられている。従って、比較器７において平均電圧Ｖｏ１と基準電圧Ｖｒｅｆ２が比較され、オフセット電圧Ｖｏｓの大小の判定を行い、その結果を出力回路８から出力する。

このようにして、第１の動作状態において、磁気センサ１のオフセット電圧Ｖｏｓの大小の判定が可能になる。従って、検査工程において、磁気センサ１の回路の不良であるオフセット電圧Ｖｏｓが大きい固体の選別を、回路規模を増大することなく、検査冶具を追加することなく、実施することが出来る。
なお、増幅器４は、制御回路９の制御信号によってオフセット電圧判定用の増幅率に切替えられてもよい。基準電圧回路６の基準電圧と増幅器４の増幅率を適宜調整することで、オフセット電圧の検出動作を最適化することが出来る。

次に、第２の動作状態について説明する。第２の動作状態は、磁気の大小を判定する、通常の動作状態である。
第２の動作状態は、制御信号３Ｃは“Ｈ”に、３Ｄは“Ｌ”に固定されるので、第１の交差伝達スイッチ３３１と第４の交差伝達スイッチ３３４が導通状態に固定される。ホール素子２は、第１の期間において、第１及び第４の電流供給スイッチ３１１、３１４が導通して、端子２１−端子２２の端子対に電流が供給され、端子２３−端子２４の端子対から差動信号電圧を出力する。また、第２の期間において、第２及び第３の電流供給スイッチ３１２、３１３が導通して、端子２３−端子２４の端子対に電流が供給され、端子２１−端子２２の端子対から差動信号電圧を出力する。従って、第１の期間では、第１の差動信号電圧出力端子３０１はホール素子２の端子２３と、第２の差動信号電圧出力端子３０２はホール素子２の端子２４と接続される。また、第２の期間では、第１の差動信号電圧出力端子３０１はホール素子２の端子２１と、第２の差動信号電圧出力端子３０２はホール素子２の端子２２と接続される。その出力電圧は、増幅器４で増幅されて出力される。

増幅器４の第１の期間の出力電圧をＶｏ２Φ１、第２の期間の出力電圧をＶｏ２Φ２とする、それぞれ式４と５で与えられる。
Ｖｏ２Φ１＝ＶＤＤ／２＋Ｇ×（ＫＨ×Ｂｉｎ＋Ｖｏｓ）・・・（４）
Ｖｏ２Φ２＝ＶＤＤ／２＋Ｇ×（ＫＨ×Ｂｉｎ―Ｖｏｓ）・・・（５）
従って、サンプリング回路５において差動信号増幅電圧Ｖｏ２Φ１及びＶｏ２Φ２を平均した平均電圧Ｖｏ２は式６で与えられる。
Ｖｏ２＝ＶＤＤ／２＋Ｇ×ＫＨ×Ｂｉｎ・・・（６）
式６より、平均電圧Ｖｏ２においてオフセット電圧Ｖｏｓが相殺されていることがわかる。そして、式６で得られた平均電圧Ｖｏ２と基準電圧Ｖｒｅｆを比較器７で比較判定することによって、磁界に応じた検出信号を出力する。このとき、基準電圧回路６は、通常の基準電圧Ｖｒｅｆを出力するように切替えられている。

以上記載したように、本実施形態の磁気センサは、第１動作状態において、ホール素子と増幅回路のオフセット電圧に基づいた電圧を評価することが出来る。従って、製品の初期不良となる、磁気特性不良を発生する可能性が高いオフセット電圧が大きな個体を２値判定で識別することが出来る。すなわち、検査工程でオフセット電圧が大きな個体を排除することが出来るので、高精度の磁気センサを提供することが出来る。

なお、制御回路９を外部から制御信号を入力可能な構成にした場合には、外部から制御信号を入力することによって、製品出荷後も検査することが可能である。従って、経時変化によってオフセット電圧が大きくなった固体の識別が可能となる。

１ 磁気センサ
２ ホール素子
３、３０ 切替えスイッチ回路
４ 増幅器
５ サンプリング回路
６、６０ 基準電圧回路
７ 比較器
８ 出力回路
９ 制御回路

Claims (4)

1. ホール素子と、
   第１の期間に前記ホール素子の第１の端子対に電流を流し第２の端子対から第１の差動信号電圧を入力し、第２の期間に前記第２の端子対に電流を流し前記第１の端子対から第２の差動信号電圧を入力する切替えスイッチ回路と、
   前記切替えスイッチ回路を介して入力された前記第１及び第２の差動信号電圧を増幅した第１及び第２の差動信号増幅電圧を出力する増幅器と、
   前記増幅器から入力された第１及び第２の差動信号増幅電圧を保持し、前記第１及び第２の差動信号増幅電圧の平均電圧を出力するサンプリング回路と、
   基準電圧を発生する基準電圧回路と、
   前記サンプリング回路が出力する前記平均電圧と前記基準電圧回路が出力する前記基準電圧とを比較する比較器と、
   制御信号を出力して、前記切替えスイッチ回路を制御する制御回路と、を備え、
   前記切替えスイッチ回路は、前記ホール素子の各端子と接続される入力端子と出力端子の間にそれぞれ直列に直列伝達スイッチと交差伝達スイッチを備え、
   前記交差伝達スイッチが、前記第１の期間と前記第２の期間のいずれかで交差伝達するように制御される第１の動作状態と、
   前記交差伝達スイッチが、前記第１の期間と前記第２の期間のいずれも交差伝達しないように制御される第２の動作状態と、を有し、
   前記第１の動作状態において、前記平均電圧に含まれるオフセット電圧の大小を判定する、
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記制御回路は、ヒューズを備え、前記ヒューズの有無によって前記動作状態を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記制御回路は、不揮発性メモリを備え、前記不揮発性メモリのデータによって前記動作状態を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記制御回路は、状態設定端子を備え、前記状態設定端子に入力される信号によって前記動作状態を切替えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。

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