JP2005283503A - 磁気検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホール素子のオフセット電圧と、ホール素子の出力を増幅する増幅器に固有のオフセット電圧を除去する。
【解決手段】 切換制御部５によりスイッチ２を制御して、４端子ホール素子１に固有のホールオフセット電圧の極性が１サイクルに４回交番するように、４つの端子のうちの対向する２つの端子に対して電流の向きを切り換え、差動増幅器３により、この電流の向きに直交する方向にあって対向する２つの端子から電圧を増幅し、スイッチ２による電流の向きの切り換えのうち、直前の電流の向きに対して逆の向きになる切り換えがあったとき、これに同期して、切換制御部５によりスイッチ４を制御して、差動増幅器３からの電圧の極性を反転させ、かつこの直後の電流の向きの切り換えに同期して、切換制御部５によりスイッチ４を制御して、差動増幅器３からの電圧の極性を反転させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ホール素子を有する磁気検出装置に関する。

ホール素子を採用した磁気検出装置においては、ホール素子がオフセット電圧を有することから、このオフセット電圧を除去することが行われており、その一例としては、非特許文献１に記載のspinning current principleが知られている。

このspinning current principleを、４端子ホールプレートについて、図６を参照して説明する。４端子ホールプレートの４端子のうちの対向する２端子の間に、電流を、その向きを反時計方向に９０°づつ回転させて流し、かつ４端子のうちの残りの対向する２端子を、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、差動増幅器の反転端子および非反転端子に接続し、かつ差動増幅器の出力の極性を、スイッチにより、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように切り換えるものとする。このとき、図６（ａ）に示す状態（以下、この状態を「０°状態」といいい、（０°）で表す。）での差動増幅器出力電圧をＶ１（０°）＝Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅと定義すると、スイッチの出力は、Ｖ２（０°）＝Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅとなる。図６（ｂ）に示す状態（以下、この状態を「９０°状態」といいい、（９０°）で表す。）では、スイッチの出力は、Ｖ２（９０°）＝Ｖｈ−Ｏｈ＋Ｏｅで表せ、図６（ｃ）に示す状態（以下、この状態を「１８０°状態」といいい、（１８０°）で表す。）では、スイッチの出力Ｖ２は、Ｖ２（１８０°）＝Ｖｈ＋Ｏｈ−Ｏｅと表せ、図６（ｄ）に示す状態（以下、この状態を「２７０°状態」といいい、（２７０°）で表す。）では、スイッチの出力は、Ｖ２（２７０°）＝Ｖｈ−Ｏｈ−Ｏｅと表わせられる。ただし、磁界の方向は紙面から紙背に向かう方向で図６（ａ）から図６（ｄ）まで変化がないものとし、Ｖｈはホール電圧、Ｏｈはこの４端子ホールプレートのオフセット電圧、Ｏｅは差動増幅器固有のオフセット電圧である。

そして、上記各状態におけるスイッチの出力電圧を加算すると、
Ｖ２（０°）＋Ｖ２（９０°）＋Ｖ２（１８０°）＋Ｖ２（２７０°）
＝ （Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅ）＋（Ｖｈ−Ｏｈ＋Ｏｅ）
＋（Ｖｈ＋Ｏｈ−Ｏｅ）＋（Ｖｈ−Ｏｈ−Ｏｅ）
＝ ４×Ｖｈ
となって、Ｖｈのみに関係し、４端子ホールプレートのオフセット電圧（Ｏｈ）と、差動増幅器固有のオフセット電圧（Ｏｅ）とに無関係な式が得られる。図７は、上記各状態における、差動増幅器の出力Ｖ１と、スイッチの出力Ｖ２との関係を示す。ここで、Ｏｈ＞＞Ｖｈであり、Ｏｈ＞＞Ｏｅであるから、Ｖ１≒Ｏｈである。また、ホール素子のオフセット電圧が、地磁気などの非常に小さい磁力を測定した場合のホール電圧よりもはるかに大きい場合、ホール素子の出力を積分することが有効である。

このspinning current principleをインプリメントした磁気検出装置としては、図８に示すように、ホール素子８１と、スイッチ８２と、差動増幅器８３と、スイッチ８４と、スイッチ８２、８４を上記各状態において適正に切り換える切換制御部８５と、スイッチ８４の出力を積分する積分器８６とにより構成したものが考えられる。

特開２００２−３０３６６１号公報 特開平９−３２９４６０号公報 A. Bakker, A. A. Bellekom, S. Middelhoek and J. H. Huijsing "Low-Offset Low-Noise 3.5mW CMOS Spinning-Current Hall Effect Sensor With Integrated Chopper Amplifier" The 13th European Conference on Solid-State Transducers September 12-15, 1999, The Hague, The Netherlands, pp.1045-1048

しかしながら、この磁気検出装置においては、スイッチ８２の切り換えにより差動増幅器８３の入力電圧の極性が異なったときの差動増幅器のセトリング時間が有限であって、入力電圧の立ち上がり時におけるセトリング時間（Ｔｒ）と、立ち下がり時におけるセトリング時間（Ｔｆ）が異なっており、これにより、差動増幅器８３の出力電圧Ｖ１と、スイッチ８４の出力電圧Ｖ２の電圧波形にその影響が現れることになる。これら電圧波形は例えば図９（ａ）（ｂ）に示すようになる。このようにスイッチ８４の出力電圧Ｖ２の電圧波形が異なるので、スイッチ８４の出力電圧Ｖ２を積分器８６により積分しても、ホール素子８１のオフセット電圧と、差動増幅器８３の固有のオフセット電圧とを除去することができず、この磁気検出装置によっても、地磁気などの非常に小さい磁力を測定することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点を解決し、ホール素子のオフセット電圧と、ホール素子の出力を増幅する増幅器に固有のオフセット電圧を除去することができる磁気検出装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、十字形状をしたホールプレートと、該ホールプレートの各端部に配置した４つの端子とを有する４端子ホール素子と、電流供給手段と、前記４端子ホール素子に固有のホールオフセット電圧の極性が各サイクルごとに４回交番するように、該各サイクルに４回、前記４端子ホール素子の４つの端子のうちの対向する２つの端子に対して前記電流供給手段からの電流の向きを切り換え、この電流の向きに直交する方向にあって対向する２つの端子から電圧を取り出す切換手段と、該切換手段による切り換えにより取り出された電圧を増幅する増幅手段と、前記切換手段による前記各サイクルにおける４回の電流の向きの切り換えのうち、直前の電流の向きに対して逆の向きになる切り換えがあったとき、これに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させ、かつこの直後の電流の向きの切り換えに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させる反転手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明において、前記切換手段は、前記ホール素子の４つの端子のうちの第１の端子から該第１の端子に対向する第２の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第１および第２の端子とを接続し、かつ第３の端子および該第３の端子に対向する第４の端子を、前記増幅器の第１の端子および第２の端子にそれぞれ接続する第１の切り換えと、前記第３の端子から前記第４の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第３および第４の端子とを接続し、かつ前記第１の端子および前記第２の端子をそれぞれ前記増幅器の前記第２の端子および前記第１の端子に接続する第２の切り換えと、前記第２の端子から前記第１の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第１および第２の端子とを接続し、かつ前記第３の端子および前記第４の端子を、前記増幅器の前記第１の端子および前記第２の端子にそれぞれ接続する第３の切り換えと、前記第４の端子から前記第３の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第３および第４の端子とを接続し、かつ前記第１の端子および前記第２の端子を、前記増幅器の前記第２の端子および前記第１の端子に接続する第４の切り換えとを、前記各サイクルにおいて、前記第１の切り換え、前記第２の切り換え、前記第４の切り換え、前記第３の切り換えの順に行うことができ、前記反転手段は、前記第４の切り換えと前記第３の切り換えとに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させることができる。

請求項１の発明において、前記切換手段は、前記各サイクルごとに、請求項２に記載の、前記第１の切り換え、前記第３の切り換え、前記第４の切り換え、前記第２の切り換えの順に切り換えを行うことができ、前記反転手段は、前記第３の切り換えと前記第４の切り換えとに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させることができる。

請求項１の発明において、前記切換手段は、各２サイクルごとに、請求項２に記載の、前記第１の切り換え、前記第２の切り換え、前記第４の切り換え、前記第３の切り換えの順に行う第１サイクルと、請求項２に記載の、前記第１の切り換え、前記第３の切り換え、前記第４の切り換え、前記第２の切り換えの順に行う第２サイクルとを含む２つのサイクルを繰り返す切り換えを行うことができ、前記反転手段は、前記増幅手段からの電圧の極性を、前記第１サイクルの前記第４の切り換えと前記第３の切り換えとに同期して反転させ、前記第２サイクルの前記第３の切り換えと前記第４の切り換えとに同期して反転させることができる。

本発明によれば、上記のように構成したので、ホール素子のオフセット電圧と、このホール素子の出力を増幅する増幅器に固有のオフセット電圧を除去することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態を示す。これは磁気検出装置の例である。図１において、１はホール素子であって、十字形状のホールプレートと、４つの端子とを有し、これら４つの端子は、電流を供給するためのものであり、このホールプレートに現れた電圧を取り出すためのものである。これら４つの端子のうち、図１において、上側の端子を「端子１」といい、この端子１と対向する下側の端子を「端子２」といい、左側の端子を「端子３」といい、この端子３に対向する端子を「端子４」というものとする。２はスイッチであり、ホール電圧が現れた端子対の各端子と、スイッチ２の後段に設けた差動増幅器３の反転端子および非反転端子との接続を切り換えるためのものである。差動増幅器３はスイッチ２の出力電圧を反転増幅するものである。４はスイッチであり、差動増幅器３の出力電圧の極性を切り換えるためのものである。５は切換制御部であり、スイッチ２、４の内部接続の切り換えを制御するものである。６は積分器であり、スイッチ４の出力を積分するものである。７はＡＤＣ（analog-to-digital converter）であり、積分器６からのアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。

図２（ａ）〜（ｄ）に図示する状態は、それぞれ、既に図６に関連して説明した、０°状態、９０°状態、１８０°状態、２７０°状態に対応する状態であり、ここでも、同様に、それぞれ、０°状態、９０°状態、１８０°状態、２７０°状態といい、それぞれ、（０°）、（９０°）、（１８０°）、（２７０°）と表すものとする。

ここで、スイッチ２およびスイッチ４の内部接続を図１に示す接続に切り換えた状態が、０°状態であるが、図１においては、図を簡単にするため、この状態のみを示し、その他の、９０°状態、１８０°状態、２７０°状態は図示していない。

０°状態とは、切換制御部５がスイッチ２を制御して、ホール素子１の４端子のうち、端子１を電源Ｖｄｄに、端子２をグランドに接続するとともに、端子３を差動増幅器３の反転端子に、端子４を差動増幅器３の非反転端子に接続し、また、スイッチ４を制御して、差動増幅器３の出力の極性が反転しないように切り換えた状態をいう。この０°状態においては、差動増幅器３の出力電圧は、Ｖ１＝Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅとなり、スイッチ４の出力電圧は、Ｖ２＝Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅとなる。

９０°状態とは、切換制御部５がスイッチ２を制御して、ホール素子１の４端子のうち、端子３を電源Ｖｄｄに、端子４をグランドに接続するとともに、端子２を差動増幅器３の反転端子に、端子１を差動増幅器３の非反転端子に接続し、また、スイッチ４を制御して、差動増幅器３の出力の極性が反転しないように切り換えた状態をいう。この９０°状態においては、差動増幅器３の出力電圧は、Ｖ１＝Ｖｈ−Ｏｈ＋Ｏｅとなり、スイッチ４の出力電圧は、Ｖ２＝Ｖｈ−Ｏｈ＋Ｏｅとなる。

１８０°状態とは、切換制御部５がスイッチ２を制御して、ホール素子１の４端子のうち、端子２を電源Ｖｄｄに、端子１をグランドに接続するとともに、端子３を差動増幅器３の反転端子に、端子４を差動増幅器３の非反転端子に接続し、また、スイッチ４を制御して、差動増幅器３の出力の極性が反転するように切り換えた状態をいう。この１８０°状態においては、差動増幅器３の出力電圧は、Ｖ１＝−Ｖｈ−Ｏｈ＋Ｏｅとなり、スイッチ４の出力電圧は、Ｖ２＝−（−Ｖｈ−Ｏｈ＋Ｏｅ）となる。

２７０°状態とは、切換制御部５がスイッチ２を制御して、ホール素子１の４端子のうち、端子４を電源Ｖｄｄに、端子３をグランドに接続するとともに、端子２を差動増幅器３の反転端子に、端子１を差動増幅器３の非反転端子に接続し、また、スイッチ４を制御して、差動増幅器３の出力の極性が反転するように切り換えた状態をいう。この２７０°状態においては、差動増幅器３の出力電圧は、Ｖ１＝−Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅとなり、スイッチ４の出力電圧は、Ｖ２＝−（−Ｖｈ＋Ｏｈ＋Ｏｅ）となる。

次に、図２を参照して図１の切換制御部５によるスイッチ２、４の切り換え制御について説明する。切換制御部５は、スイッチ２については、差動増幅器３の反転端子および非反転端子に供給される、ホール素子１のオフセット電圧の極性が、交互に変化するように切り換える。ここで、ホール素子１のオフセット電圧の極性が交互に変化する状態遷移としては、（０°）→（９０°）→（２７０°）→（１８０°）と遷移する状態遷移（以下「第１状態遷移」という。）と、（０°）→（１８０°）→（２７０°）→（９０°）と遷移する状態遷移（以下「第２状態遷移」という。）の２つがあり、切換制御部５は、第１状態遷移または第２状態遷移のいずれかを１サイクルとして、スイッチ２、４を制御することになる。

まず、切換制御部５が第１状態遷移を１サイクルとして、スイッチ２、４を制御する例を説明する。切換制御部５により、第１状態遷移を１サイクルとして、スイッチ２が制御されると、差動増幅器３の出力電圧の波形は、図３（ａ）に示すように、状態の遷移に応じて、この出力電圧の立ち上がり時と立ち下がり時において、差動増幅器３のセトリングの影響を受け、同時に、電流の向きが逆になる切り換えがあったとき（すなわち（２７０°））、これに同期して、差動増幅器３の出力電圧の極性を反転させ、かつこの直後の電流の向きの切り換え（すなわち（１８０°））に同期して、スイッチ４が、スイッチ４の出力電圧の極性が反転するように制御されると、スイッチ４の出力電圧の波形は図３（ｂ）に示すようになる。

この図３（ｂ）から分かるように、第１状態遷移の１サイクルの前の半サイクル（すなわち（０°）および（９０°））に現れた電圧波形を電圧軸に対して反転させた電圧波形が、後の半サイクル（（２７０°）および（１８０°））において現れている。

次に、切換制御部５が第２状態遷移を１サイクルとして、スイッチ２、４を制御する例を説明する。切換制御部５により、第２状態遷移を１サイクルとして、スイッチ２が制御されると、差動増幅器３の出力電圧の波形は、図４（ａ）に示すように、この出力電圧の立ち上がり時と立ち下がり時において、状態の遷移に応じて、差動増幅器３のセトリングの影響を受け、同時に、電流の向きが逆になる切り換えがあったとき（すなわち（１８０°））、これに同期して、差動増幅器３の出力電圧の極性を反転させ、かつこの直後の電流の向きの切り換え（すなわち（２７０°））に同期して、スイッチ４が、スイッチ４の出力電圧の極性が反転するように制御されると、スイッチ４の出力電圧の波形は図４（ｂ）に示すようになる。

この図４（ｂ）から分かるように、第２状態遷移の１サイクルの前の半サイクル（すなわち（０°）および（１８０°））に現れた電圧波形を電圧軸に対して反転させた電圧波形が、後の半サイクル（（２７０°）および（９０°））において現れている。

そして、スイッチ４の出力端子に現れた電圧が、積分器６により積分されると、これにより、ホール素子１のオフセット電圧と、差動増幅器３に固有のオフセット電圧とが除去され、ホール電圧のみがＡＤＣ７に出力される。

以上、ホール素子として４端子のホール素子を用いた磁気検出装置の例を説明したが、本発明を、図５に示すような８端子のホール素子を有する磁気検出装置に適用することができる。図５においては、電流の流れる向きを矢印で表し、ホール電圧を取り出すための外部端子のみを図示してある。図５において、このような状態が、図５（ａ）→図５（ｃ）→図５（ｅ）→図５（ｇ）のように変化するものと、図５（ｂ）→図５（ｄ）→図５（ｆ）→図５（ｈ）のように変化するものとを、それぞれ、４端子のホール素子とみなし、各々に対して本発明を独立に適用し、組み合わせることが有効である。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態との比較でいえば、切換制御部５がスイッチ２を制御して作り出す１サイクルの状態遷移が異なる。すなわち、第１の実施の形態では、（０°）→（９０°）→（２７０°）→（１８０°）という第１状態遷移か、または（０°）→（１８０°）→（２７０°）→（９０°）という第２状態遷移を作り出すようにしたが、これに対して、本実施の形態では、１サイクルの状態変換を、第１状態遷移→第２状態遷移、すなわち（０°）→（９０°）→（２７０°）→（１８０°）→（０°）→（１８０°）→（２７０°）→（９０°）か、または第２状態遷移→第１状態遷移、すなわち（０°）→（１８０°）→（２７０°）→（９０°）→（０°）→（９０°）→（２７０°）→（１８０°）を作り出すようにした。

本実施の形態においては、切換制御部５により、第１および第２状態遷移に基いてスイッチ２が制御されるとともに、（１８０°）および（２７０°）においてスイッチ４が制御され、スイッチ４の出力端子に現れた電圧が、積分器６により積分されるので、ホール素子１のオフセット電圧と、差動増幅器３に固有のオフセット電圧とが除去されることになる。

本発明の第１の実施の形態を示すブロック図である。 切換制御部５がスイッチ２を制御して作り出す状態を説明するための説明図である。 第１状態遷移が作り出されたときの差動増幅器３の出力電圧の波形と、スイッチ４の出力電圧の波形を示す波形図である。 第２状態遷移が作り出されたときの差動増幅器３の出力電圧の波形と、スイッチ４の出力電圧の波形を示す波形図である。 ８端子のホール素子に対して流す電流の向きとホール電圧の取り出し方を説明するための説明図である。 従来例において作り出される状態を説明するための説明図である。 各状態における、差動増幅器の出力Ｖ１とスイッチの出力Ｖ２との関係を示す波形図である。 従来の磁気検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 図８の差動増幅器８３の出力電圧の波形と、スイッチ８４の出力電圧の波形とを示す波形図である。

符号の説明

１ ホール素子
２、４ スイッチ
３ 差動増幅器
５ 切換制御部
６ 積分器
７ ＡＤＣ

Claims (4)

1. 十字形状をしたホールプレートと、該ホールプレートの各端部に配置した４つの端子とを有する４端子ホール素子と、
   電流供給手段と、
   前記４端子ホール素子に固有のホールオフセット電圧の極性が各サイクルごとに４回交番するように、該各サイクルに４回、前記４端子ホール素子の４つの端子のうちの対向する２つの端子に対して前記電流供給手段からの電流の向きを切り換え、この電流の向きに直交する方向にあって対向する２つの端子から電圧を取り出す切換手段と、
   該切換手段による切り換えにより取り出された電圧を増幅する増幅手段と、
   前記切換手段による前記各サイクルにおける４回の電流の向きの切り換えのうち、直前の電流の向きに対して逆の向きになる切り換えがあったとき、これに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させ、かつこの直後の電流の向きの切り換えに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させる反転手段と
   を備えたことを特徴とする磁気検出装置。
2. 請求項１において、前記切換手段は、
   前記ホール素子の４つの端子のうちの第１の端子から該第１の端子に対向する第２の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第１および第２の端子とを接続し、かつ第３の端子および該第３の端子に対向する第４の端子を、前記増幅器の第１の端子および第２の端子にそれぞれ接続する第１の切り換えと、
   前記第３の端子から前記第４の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第３および第４の端子とを接続し、かつ前記第１の端子および前記第２の端子をそれぞれ前記増幅器の前記第２の端子および前記第１の端子に接続する第２の切り換えと、
   前記第２の端子から前記第１の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第１および第２の端子とを接続し、かつ前記第３の端子および前記第４の端子を、前記増幅器の前記第１の端子および前記第２の端子にそれぞれ接続する第３の切り換えと、
   前記第４の端子から前記第３の端子に向かって、前記電流供給手段からの電流が流れるように、該電流供給手段と、前記第３および第４の端子とを接続し、かつ前記第１の端子および前記第２の端子を、前記増幅器の前記第２の端子および前記第１の端子に接続する第４の切り換えと
   を、前記各サイクルにおいて、前記第１の切り換え、前記第２の切り換え、前記第４の切り換え、前記第３の切り換えの順に行い、
   前記反転手段は、前記第４の切り換えと前記第３の切り換えとに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させる
   ことを特徴とする磁気検出装置。
3. 請求項１において、前記切換手段は、前記各サイクルごとに、請求項２に記載の、前記第１の切り換え、前記第３の切り換え、前記第４の切り換え、前記第２の切り換えの順に切り換えを行い、
   前記反転手段は、前記第３の切り換えと前記第４の切り換えとに同期して、前記増幅手段からの電圧の極性を反転させる
   ことを特徴とする磁気検出装置。
4. 請求項１において、前記切換手段は、各２サイクルごとに、請求項２に記載の、前記第１の切り換え、前記第２の切り換え、前記第４の切り換え、前記第３の切り換えの順に行う第１サイクルと、請求項２に記載の、前記第１の切り換え、前記第３の切り換え、前記第４の切り換え、前記第２の切り換えの順に行う第２サイクルとを含む２つのサイクルを繰り返す切り換えを行い、
   前記反転手段は、前記増幅手段からの電圧の極性を、前記第１サイクルの前記第４の切り換えと前記第３の切り換えとに同期して反転させ、前記第２サイクルの前記第３の切り換えと前記第４の切り換えとに同期して反転させる
   ことを特徴とする磁気検出装置。
   

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