JP2015078949A - ホール起電力信号検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子の基板バイアス効果因による特性劣化を低減したホール起電力加減算回路を提供すること。【解決手段】第１及び第２のホール素子１１，１２は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する。第１の増幅器３１は、反転入力端子が、第１のホール素子１１の第１の端子に接続され、非反転入力端子が、コモン電圧に接続され、出力端子が、第１のホール素子１１の第２の端子に接続されている。第２の増幅器３２は、反転入力端子が、第２のホール素子１２の第３の端子に接続され、非反転入力端子が、コモン電圧に接続され、出力端子が、第２のホール素子１２の第２の端子に接続されている。第１のホール素子１１の第３の端子と第２のホール素子１２の第１の端子から出力を検出する。【選択図】図６

Description

本発明は、ホール起電力を加減算するホール起電力信号検出回路に関し、より詳細には、基板バイアス効果因によるホール素子の特性劣化の影響を著しく低減するようにしたホール起電力信号検出回路に関する。

従来からホール素子を使った磁気センサには、磁石の位置情報の検出を行うセンサとして近接センサ、リニア位置センサ、回転角度センサなどに用いられているだけでなく、電流導体を流れる電流によって誘起される磁界を検出することによって電流導体を流れる電流量を非接触で測定する電流センサの用途においても広く利用されている。
特に、モータのインバータ電流を検出するために利用される電流センサにおいては、モータ制御を効率化する目的で、高い周波数でスイッチングするインバータの電流を高精度に検出することが要求されている。

この種のホール素子は、入力された磁界の強度に応じたホール起電力信号を発生する磁電変換機能を有するため、磁気センサとして広く用いられている。しかしながら、ホール素子には、磁場が零である状態、すなわち、無磁場の状態でも、零でない有限の電圧が出力されてしまうというオフセット電圧（不平衡電圧）が存在する。
そこで、ホール素子を利用した磁気センサにおいては、ホール素子が持つオフセット電圧をキャンセルする目的で、スピニングカレント（Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）法又はＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ法といった名称で一般的に知られているホール素子の駆動方法が存在する。この方法とは、ホール素子に駆動電流を流すための端子対の位置と、ホール起電力信号を検出するための端子対の位置との間で、チョッパークロックと呼ばれるクロックにしたがって周期的に入れ替える操作を行うものである（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）
以下に、図１（ａ），（ｂ）に基づいてホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法について説明する（例えば、特許文献２参照）。

図１（ａ），（ｂ）は、チョッパークロックの位相がφ１、φ２の２値の間で切り替わるたびに、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを、それぞれ、０度と９０度と切り替えるときのホール起電力検出を説明した図である。
図中のホール素子は、４つの抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）からなる４端子の素子としてモデル化されており、定電流駆動されている。

図１（ａ），（ｂ）に示したホール素子のモデルにおいて、これらの４つの抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の抵抗値は、固定値でないことに注意が必要である。ホール素子が半導体基板の中のＮウェルとして形成される場合、一般に半導体製造時のプロセス勾配によって、各ホール素子の内部に不純物濃度の濃淡分布が発生する。このため、４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）のどの端子から駆動電流が注入されるかによって、ホール素子（Ｎウェル）内部での電位分布が変わり、ホール素子（Ｎウェル）内部での空乏層の発生状況も変わる。したがって、ホール素子のモデルにおける４つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の抵抗値は、ホール素子の４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）のどの端子から駆動電流が注入されるかに依存して、それぞれの値が変化することになる。

図１（ａ），（ｂ）において、チョッパークロックの位相がφ１（ホール素子の駆動方向は０度）のときと、チョッパークロックの位相がφ２（ホール素子の駆動方向は９０度）の時に測定される電圧信号Ｖｈａｌｌ（φ１）とＶｈａｌｌ（φ２）は、下記の数式１のように、ホール素子を使った磁気センサの検出対象となる磁場Ｂに対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）とホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）の和として表される。

ここで、チョッパークロックの位相にしたがって、ホール素子のバイアス電流の方向を０度と９０度の間で周期的に切替えることによって、検出対象の磁場に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）の極性を反転することができるため、Ｖｓｉｇ（Ｂ）をチョッパークロックの周波数ｆ＿ｃｈｏｐに周波数変調することができる。

一方で、ホール素子のＤＣオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）に関しては、ホール素子の駆動方向を０度と９０度の間で切替えても同じ極性の値となるため、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）はチョッパークロックによる周波数変調を受けない。
以上のことから、チョッパークロックの位相にしたがって、ホール素子の駆動電流の方向を０度と９０度の間で切替える操作を行う場合、ホール素子において発生される信号Ｖｈａｌｌは、図２（ａ）乃至（ｄ）に示すような波形となる。また、ホール素子において発生される信号のスペクトルは、図３に示すようなスペクトルとなることから、検出対象の磁界に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）とホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）は、周波数領域において分離されることが解る。これが、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法によるホール素子のオフセットキャンセルの原理である。

図４は、従来のホール起電力信号検出回路を説明するための回路構成図で、２つのホール素子を接続してその信号を加算する回路の例を示している。図中符号１はチョッパークロック生成回路、２は駆動電流生成回路、３は第１のホール素子、４は第１のスイッチ回路、５は第２のホール素子、６は第２のスイッチ回路、７はホール起電力信号加算回路を示している。

図４に示したホール起電力信号検出回路は、２つのホール素子である第１のホール素子３と第２のホール素子５において発生させるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２をホール起電力信号加算回路７によって加算して、出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２を生成する回路である。
第１のホール素子３及び第２のホール素子５のそれぞれは、４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）を備えており、第１のホール素子３及び第２のホール素子５のそれぞれに接続された第１のスイッチ回路４及び第２のスイッチ回路６においては、チョッパークロック生成回路１において生成される２相のチョッパークロック信号の位相φ（φ１、φ２）にしたがって、ホール素子を駆動する駆動電流を注入する端子対及びホール起電力信号を検出する端子対を切替えて、第１のホール素子３及び第２のホール素子５のそれぞれにおいて発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２を検出する。すなわち、第１のホール素子３及び第２のホール素子５については、それぞれ、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法によるオフセットキャンセルを行うものとする。

上述したホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、ホール起電力信号加算回路７によって加算され、出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２が得られる。

米国特許第４４３５６５３号明細書（Ａ） 特開２０１３−１７８２２９号公報

Ｒ Ｓ Ｐｏｐｏｖｉｃ著 Ｈａｌｌ Ｅｆｆｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ （ＩＳＢＮ−１０：０７５０３００９６５） Ｉｎｓｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂ，Ｉｎｃ．，（１９９１／０５）刊

しかしながら、図４に示すような構成では、ホール起電力の出力コモン電圧が動作温度によって変動してしまう。これは、図５に示すように、ホール起電力の出力コモン電圧（Ｖｃｏｍ）が、ホール素子抵抗の温度変動により、大きく変動するためである。
ホール起電力の出力コモン電圧が変動する結果、ホール素子の磁気感度が、ホール素子固有の特性だけでなく、基板バイアス効果によっても変動してしまい、出力感度の温度特性に非線形性が生じてしまう。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、基板バイアス効果因によるホール素子の特性劣化の影響を著しく低減するようにしたホール起電力信号検出回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第１のホール素子（１１）と、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第２のホール素子（１２）と、前記第１のホール素子（１１）の第４の端子と、前記第２のホール素子（１２）の第４の端子に駆動電流を流す電流源（２１，２２）と、反転入力端子（−）が、前記第１のホール素子（１１）の第１の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、コモン電圧に接続され、出力端子が、前記第１のホール素子（１１）の第２の端子に接続される第１の増幅器（３１）と、反転入力端子（−）が、前記第２のホール素子（１２）の第３の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、コモン電圧に接続され、出力端子が、前記第２のホール素子（１２）の第２の端子に接続される第２の増幅器（３２）とを備えていることを特徴とするホール起電力信号検出回路である。（図６；実施例１）
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電流源（２１，２２）は、前記第１のホール素子（１１）の第４の端子に駆動電流を流す第１の電流源（２１）と、前記第２のホール素子（１２）の第４の端子に駆動電流を流す第２の電流源（２２）であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１のホール素子（１１）の第３の端子と前記第２のホール素子（１２）の第１の端子から出力を検出することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、チョッパークロック信号を生成するチョッパークロック生成回路（５１）と、チョッパークロック信号に応じて、前記第１のホール素子（１１）の各端子の接続を切り替える第１のスイッチ回路（４１）と、チョッパークロック信号に応じて前記第２のホール素子（１２）の各端子の接続を切り替える第２のスイッチ回路（４２）とを備え、前記第１のホール素子（１１）の各端子と、前記第１の増幅器（３１）及び前記第１の電流源（２１）とは、前記第１のスイッチ回路（４１）を介して接続され、前記第２のホール素子（１２）の各端子と、前記第２の増幅器（３２）及び前記第２の電流源（２２）とは、前記第２のスイッチ回路（４２）を介して接続されていることを特徴とする。（図７；実施例２）
また、請求項５に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第１のホール素子（１１）の各端子は、右回りに第１の端子と第４の端子と第３の端子と第２の端子の順に切り替えられ、前記第２のホール素子（１２）の各端子は、左回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子の順に切り替えられることを特徴とする。（図９）

また、請求項６に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第１のホール素子（１１）の各端子は、第１の端子と第２の端子と第４の端子と第３の端子の順に切り替えられ、前記第２のホール素子（１２）の各端子は、第４の端子と第３の端子と第１の端子と第２の端子の順に切り替えられることを特徴とする。（図１０）
また、請求項７に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第１のホール素子（１１）と前記第２のホール素子（１２）に入力される磁場の方向が逆方向となる磁気収束板を備え、前記第１のホール素子（１１）の各端子は、右回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子と配置され、前記第２のホール素子（１２）の各端子は、左回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子と配置されていることを特徴とする。（図１１；実施例３）

また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第３のホール素子（１３）と、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第４のホール素子（１４）と、前記第１のホール素子（１１）の第４の端子と、前記第２のホール素子（１２）の第４の端子と、前記第３のホール素子（１３）の第４の端子と、前記第４のホール素子（１４）の第４の端子に駆動電流を流す電流源（２１，２２，２３，２４）と、反転入力端子（−）が、前記第３のホール素子（１３）の第１の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、前記第１のホール素子（１１）の第３の端子に接続され、出力端子が、前記第３のホール素子（１３）の第２の端子に接続される第３の増幅器（３３）と、反転入力端子（−）が、前記第４のホール素子（１４）の第３の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、前記第２のホール素子（１２）の第３の端子に接続され、出力端子が、前記第４のホール素子（１４）の第２の端子に接続される第４の増幅器（３４）とを備え、前記第３のホール素子（１３）の第３の端子と前記第４のホール素子（１４）の第１の端子から出力を検出することを特徴とする。（図１２；実施例４）

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記電流源（２１，２２，２３，２４）は、前記第１のホール素子（１１）の第４の端子に駆動電流を流す第１の電流源（２１）と、前記第２のホール素子（１２）の第４の端子に駆動電流を流す第２の電流源（２２）と、前記第３のホール素子（１３）の第４の端子に駆動電流を流す第３の電流源（２３）と、前記第４のホール素子（１４）の第４の端子に駆動電流を流す第４の電流源（２４）であることを特徴とする。

本発明によれば、ホール起電力の出力コモン電圧を一定に保つことによりホール素子の基板バイアス効果変動因による特性劣化（例えば、磁気感度の温度特性の非線形性）を著しく低減することが可能となる。
また、複数のホール起電力信号の加減算が駆動回路のみで実現可能となる。つまり、極性や大きさの異なる磁場を検出し、その信号を加減算することができ、例えば、磁気収束板を用いた横磁場の検出用途としても好適に使用することができる。

（ａ），（ｂ）は、チョッパークロックの位相がφ１、φ２の２値の間で切り替わるたびに、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを、それぞれ、０度と９０度と切り替えるときのホール起電力検出を説明した図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、図１に示したホール素子において発生する信号波形を示す図である。 ホール素子において発生する信号Ｖｈａｌｌの信号スペクトルを示す図である。 従来のホール起電力信号検出回路を説明するための回路構成図である。 図１において温度変動によりホール起電力出力の出力コモン電圧が温度により変動することを説明するための図である。 本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例１を説明するための回路構成図である。 本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例２を説明するための回路構成図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、第１のホール素子及び第２のホール素子において、チョッパークロックの位相φがφ１，φ２，φ３，φ４の間で切り替わる際に、ホール素子の駆動電流を通電する２つの端子と、ホール起電力信号を検出する２つの端子について示した図である。 図７に示した本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例２における駆動方法を説明するための回路構成図である。 図７に示した本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例２における他の駆動方法を説明するための回路構成図である。 本発明に係るホール起電力検出回路の実施例３を説明するための回路構成図である。 本発明に係るホール起電力検出回路の実施例４を説明するための回路構成図である。 温度とホール起電力コモン電圧との関係を示した図である。

まず、本発明の前提となるホール起電力の出力コモン電圧について、図１（ａ）及び図４に基づいて以下に説明する。本構成においては、Ｖｒｅｆにバイアスされた端子２から駆動電流生成回路２に接続された端子４へ駆動電流を通電することにより端子１と端子３の電位差をホール起電力として検出するように構成したものである。ホール素子１は、第１乃至第４の端子を備えてホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌを発生させるものである。

ホール素子がＮ型半導体として形成されており、ホール素子１に印加される磁界Ｂの向きが、紙面の裏側面から表側面に向けて垂直な向きである場合、端子２と端子４の間に発生するホール起電力信号は、端子２に＋側の電位＋Ｖｓｉｇ（Ｂ）を持ち、端子４に−側の電位−Ｖｓｉｇ（Ｂ）を持つ電圧信号として発生する。そこで、ホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１は、端子４を基準として測定される端子２の電位として定義されるため、ホール素子１において発生されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１は、＋２Ｖｓｉｇ（Ｂ）として検出されることになる。

図１（ａ）において、ホール素子の各ブリッジ抵抗をＲｈ、駆動電流をＩｄ、駆動電圧をＶｄとした場合、ホール起電力のコモン電圧Ｖｃ（＝（Ｖｈａｌｌ（＋）−Ｖｈａｌｌ（―））／２）は以下の式で表される。
Ｖｃ＝Ｖｄ―Ｒｈ・Ｉｄ／２
ここでＶｄ、Ｉｄは温度によらず一定であるものとし、Ｒｈ（＝Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）は温度Ｔに依存するものとすると、コモン電圧Ｖｃは、温度Ｔにより変動する。

コモン電圧Ｖｃが変動するということは、ホール素子の基板バイアスＶｂが変動するということである。また、基板バイアスＶｂが変動すると、ホール素子のウェルに形成されている空乏層が変化してしまうため、ホール素子の感度Ｓも変動してしまう。
以上をまとめると、コモン電圧Ｖｃが変動することにより、感度Ｓが変動してしまうことがわかる。

［実施形態］
以下、本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施形態について説明する。
本実施形態のホール起電力信号検出回路は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第１のホール素子と、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第２のホール素子と、第１のホール素子の第４の端子と、第２のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す電流源とを備えている。
第１の端子と第３の端子が対向し、第２の端子と第４の端子が対向した位置に配置されていることが好ましい。また、第１の端子から順に、略９０度ずつ右回り又は左回りに第２の端子と第３の端子と第４の端子が配置されていることが好ましい。この他に端子を有していてもよい。電流源としては、ホール素子毎に有していてもよく、共有されていてもよい。

また、本実施形態のホール起電力信号検出回路は、反転入力端子が、第１のホール素子の第１の端子に接続され、非反転入力端子が、コモン電圧に接続され、出力端子が、第１のホール素子の第２の端子に接続される第１の増幅器と、反転入力端子が、第２のホール素子の第３の端子に接続され、非反転入力端子が、コモン電圧に接続され、出力端子が、第２のホール素子の第２の端子に接続される第２の増幅器とを備えている。増幅器としては、オペアンプなどが挙げられる。

このような構成により、第１のホール素子の第１の端子と第２のホール素子の第３の端子は、コモン電圧となるため、ホール素子の出力コモン電圧が一定に保たれる。
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図６は、本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例１を説明するための回路構成図である。図中符号１１は第１のホール素子、１２は第２のホール素子、２１は第１の駆動電流生成回路、２２は第２の駆動電流生成回路、３１は第１のオペアンプ（増幅器）、３２は第２のオペアンプ（増幅器）を示している。
第１のホール素子１１は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有するものである。また、第２のホール素子１２は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有するものである。

また、電流源２１，２２は、第１のホール素子１１の第４の端子と、第２のホール素子１２の第４の端子にそれぞれ駆動電流を流すものである。
また、第１の増幅器３１は、反転入力端子（−）が、第１のホール素子１１の第１の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、コモン電圧（Ｖｃｏｍ）に接続され、出力端子が、第１のホール素子１１の第２の端子に接続されている。

また、第２の増幅器３２は、反転入力端子（−）が、第２のホール素子１２の第３の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、コモン電圧に接続され、出力端子が、第２のホール素子１２の第２の端子に接続されている。
また、電流源２１，２２は、第１のホール素子１１の第４の端子に駆動電流を流す第１の電流源２１と、第２のホール素子１２の第４の端子に駆動電流を流す第２の電流源２２を有している。また、第１のホール素子１１の第３の端子と第２のホール素子１２の第１の端子から出力を検出する。

つまり、本実施例１では、第１のホール素子１１に駆動電流を通電することにより発生するホール起電力Ｖｈａｌｌ１と、第２のホール素子１２に駆動電流を通電することにより発生するホール起電力Ｖｈａｌｌ２の加算した電圧（Ｖｈａｌｌ）を検出するように構成したものである。
第１のホール素子（一方のホール素子）１１は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ１を発生させるものである。

第２のホール素子（他方のホール素子）１２は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ２を発生させるものである。
それぞれのホール素子は並列に複数のホール素子が接続されていても構わない。
第１及び第２のホール駆動電流生成回路２１，２２はそれぞれ第１，第２のホール素子１１，１２に駆動電流を供給するものである。

第１のオペアンプ３１は、第１のホール素子１１の端子１、すなわち、ホール起電力を生成する一方の端子がコモン電圧出力回路から供給される電圧Ｖｃｏｍに等しくなるように負帰還をかけてその出力電圧（端子２の電圧）を調整するものである。
第２のオペアンプ３２は、第２のホール素子１２の端子３、すなわち、ホール起電力を生成する一方の端子がＶｃｏｍに等しくなるように負帰還をかけてその出力電圧（端子２の電圧）を調整するものである。

表１は、第１のホール素子１１及び第２のホール素子１２においてホール起電力信号を検出する端子対及びホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１，Ｖｈａｌｌ２，Ｖｈａｌｌについてまとめたものである。

ここで、第１のホール素子と第２のホール素子は、異なる２つのホール素子であるが、第１のホール素子第２とホール素子との間では、磁気感度の値が揃っていると仮定して、第１のホール素子と第２のホール素子との間で共通な値Ｖｓｉｇ（Ｂ）を用いている。この仮定に関し、第１のホール素子と第２のホール素子が半導体ＩＣプロセスを使って形成され、ＩＣ内で互いに近接して配置される場合には、第１のホール素子と第２のホール素子に対して、半導体製造時のプロセス勾配が一様に及ぶことになるため、この仮定は妥当な仮定である。

図６に示した回路で特に注目すべき点は、ホール素子の出力コモン電圧が、ホール素子のブリッジモデルの抵抗Ｒｈの変動によらず、常にＶｃｏｍに保たれていることである。そのため、本構成においては、Ｒｈの変動によらずホール素子の基板バイアス効果が一定に保たれるため、図４の構成と比較して、ホール素子の基板バイアス効果を起源とする感度Ｓの変動、特に温度特性を著しく低減することができる。表２に、各ホール素子のホール起電力と出力コモン電圧を示す。

表２より、ホール素子に磁場が印加された際には、ホール起電力が生じるため、第１のホール素子１１の出力コモン電圧はＶｃｏｍではなくＶｃｏｍ−Ｖｓｉｇ（Ｂ）となり、基板バイアス効果が変動してしまう。しかし、第２のホール素子１２の出力コモン電圧は、Ｖｃｏｍ＋Ｖｓｉｇ（Ｂ）となるため、感度Ｓの基板バイアスＶｂに依存する一次成分は相殺される。

仮に、感度Ｓの基板バイアスＶｂに依存する成分が一次しかないと仮定して、その影響を考慮すると、ホール素子の感度ＳはＳ（１＋α・ΔＶｂ）と表される。ここでΔＶｂは無磁場入力状態からのＶｂの変化を、αはその定数係数を表す。
磁界Ｂが印加されたとき、表２より、第１のホール素子の感度Ｓ１は、Ｓ（１―α・Ｖｓｉｇ（Ｂ））、第２のホール素子の感度Ｓ２は、Ｓ（１＋α・Ｖｓｉｇ（Ｂ））とそれぞれ表すことができる。そして、全体の感度は、それぞれの感度の和になるためＳ１＋Ｓ２＝２Ｓとなり、印加される磁場によらず感度を一定に保つことができる。このため、感度の出力直線性の劣化は問題にはならない。

なお、感度Ｓが、Ｖｂに依存する成分が一次成分しかないと仮定したが、実際のホール起電力は、数ｍＶ〜十数ｍＶ程度と微小な値であるため、一次成分がほぼ支配的であると考えてよく、この仮定は妥当な仮定である。
本実施例１によれば、図１３に示すように、ホール起電力のコモン電圧を温度によらず一定に保つことができるため、バックバイアス効果による影響を著しく低減することが可能である。また、コモン電圧が一定であるため後段回路の入力レンジが狭くて良いという利点もあり、より自由度の高い設計が可能となる。

図７は、本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例２を説明するための回路構成図である。図中符号４１は第１のスイッチ回路、４２は第２のスイッチ回路、５１はチョッパークロック生成回路を示している。なお、図６と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
図６に示した実施例１との違いは、本実施例２は、スイッチ回路とチョッパークロック生成回路とを備えている点である。以下では、上述した実施例１と異なる点について説明する。

本実施例２のホール起電力信号検出回路は、複数の端子を備えたホール素子１１，１２に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路である。
本実施例２のホール起電力信号検出回路は、チョッパークロック生成回路５１と第１のスイッチ回路４１と第２のスイッチ回路４２とを備えている。チョッパークロック生成回路５１は、チョッパークロック信号を生成するものである。

また、第１のスイッチ回路４１は、チョッパークロック信号に応じて、第１のホール素子１１の各端子の接続を切り替えるものである。また、第２のスイッチ回路４２は、チョッパークロック信号に応じて第２のホール素子１２の各端子の接続を切り替えるものである。
また、第１のホール素子１１の各端子と、第１の増幅器３１及び第１の電流源２１とは、第１のスイッチ回路４１を介して接続され、第２のホール素子１２の各端子と、第２の増幅器３２及び第２の電流源２２とは、第２のスイッチ回路４２を介して接続されている。

第１及び第２のスイッチ回路４１，４２は、チョッパークロック生成回路から供給されるクロック信号に応じてホール素子の各端子の接続を切り替えるものである。つまり、２つ以上の位相を切り替えることによりＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現するものである。このようなスイッチ回路はなくても構わないが、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法と組み合わせることでより高精度なホール起電力検出回路を実現することができる。

図８（ａ）乃至（ｄ）は、第１のホール素子及び第２のホール素子において、チョッパークロックの位相φがφ１，φ２の間で切り替わる際に、ホール素子の駆動電流を通電する２つの端子と、ホール起電力信号を検出する２つの端子について示した図である。
図８（ａ）乃至（ｄ）では、出力コモン電圧を一定にしてバックバイアス効果による変動を抑えつつ、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法と組み合わせることで、より高精度にホール起電力を検出することが可能となる。

＜０°−９０°チョッパ＞
チョッパークロック位相φ１で図８（ａ）、φ２で図８（ｂ）を繰り返すことによって、出力コモン電圧を一定にしつつ、チョッパー駆動によるオフセットキャンセルが可能である。φ１とφ２で９０°の位相差がある駆動であればどのような駆動方法でもよく、例えば、ホール素子１１，１２の駆動方向をそれぞれ回転させた場合や相対角度を変更させても構わない。また、２つのホール素子１１，１２で駆動方向の遷移が互いに逆となるためのチョッパー駆動を組み合わせているため、チョッパー切り替え時のスパイクをキャンセルすることが可能である。

＜０°−９０°−１８０°−２７０°チョッパ＞
チョッパークロック位相φ１で図８（ａ）、φ２で図８（ｂ）、φ３で図８（ｃ）、φ４で図８（ｄ）を繰り返すことによって、出力コモン電圧を一定にしつつ、チョッパー駆動によるオフセットキャンセルが可能である。この時、ホール素子１１及び１２は、それぞれ時計回り、反時計回りにチョッパー駆動されている。

また、本実施例２によれば、３６０°チョッパー駆動となるため、より高精度にホール素子のオフセットをキャンセルすることができる。また、２つのホール素子１１，１２で逆回りのチョッパー駆動を組み合わせているため、チョッパー切り替え時のスパイクをキャンセルすることが可能である。時計回りの駆動と反時計回りの駆動の組み合わせであればどのような駆動方法でもよく、例えば、ホール素子１１，１２の駆動方向をそれぞれ回転させた場合や相対角度を変更させても構わない。

＜０°−９０°−２７０°−１８０°チョッパ＞
チョッパークロック位相φ１で図８（ａ）、φ２で図８（ｂ）、φ３で図８（ｄ）、φ４で図８（ｃ）を繰り返すことによって、出力コモン電圧を一定にしつつ、チョッパー駆動によるオフセットキャンセルが可能である。この時、第１のホール素子１１は、φ１で０°，φ２で９０°，φ３で２７０°，φ４で１８０°の順に８の字回りでチョッパー駆動され、第２のホール素子１２は、φ１で２７０°，φ２で１８０°，φ３で０°，φ４で９０°の順に８の字とは逆回りにチョッパー駆動される。

また、本実施例２によれば、３６０°チョッパー駆動となるため、より高精度にホール素子のオフセットをキャンセルすることができる。また、２つのホール素子１１，１２で逆回りのチョッパー駆動を組み合わせているため、チョッパー切り替え時のスパイクをキャンセルすることが可能である。８の字回りの駆動とその逆回りの駆動の組み合わせであればどのような駆動方法でもよく、例えば、ホール素子１１，１２の駆動方向をそれぞれ回転させた場合や相対角度を変更させても構わない。

図９は、図７に示した本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例２における駆動方法を説明するための回路構成図である。
第１のホール素子１１の各端子は、右回りに第１の端子と第４の端子と第３の端子と第２の端子の順に切り替えられ、第２のホール素子１２の各端子は、左回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子の順に切り替えられる。つまり、時計回りの駆動と反時計回りの駆動の組み合わせた駆動方法である。

図１０は、図７に示した本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例２における他の駆動方法を説明するための回路構成図である。
第１のホール素子１１の各端子は、第１の端子と第２の端子と第４の端子と第３の端子の順に切り替えられ、第２のホール素子１２の各端子は、第１の端子と第２の端子と第４の端子と第３の端子の順に切り替えられる。つまり、８の字回りの駆動とその逆回りの駆動の組み合わせた駆動方法である。

図１１は、本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例３を説明するための回路構成図である。図６の回路構成は、図６と比較して、第１のホール素子１１のホール起電力出力端子である第１の端子と第３の端子の接続が入れ替わっているため、第１のホール素子１１と第２のホール素子１２でそれぞれ出力されるホール起電力の極性が、逆極性である。また、第１のホール素子１１と第２のホール素子１２に逆方向の磁場が印加されていることを表している。

つまり、図１１の構成は、第１のホール素子１１と第２のホール素子１２に入力される磁場の方向が逆方向となる磁気収束板１５を備え、第１のホール素子の各端子は、右回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子と配置され、第２のホール素子の各端子は、左回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子と配置されたホール起電力信号検出回路である。

図１１の回路構成は、それぞれのホール素子に逆方向の磁場が印加された場合にもそれぞれのホール起電力が相殺されることなくその加算結果を得ることができるため、例えば、磁気収束板１５を利用した磁場検出に使用することができる。
磁気収束板１５を用いるときは、例えば、第１のホール素子１１と第２のホール素子１２に、別々の磁気収束版を設ける構成とすることで、第１のホール素子１１と第２のホール素子１２に印加される磁場の方向が逆になるため、図１１の回路構成では、ホール起電力の極性が逆になるように接続されている。

このような本実施例３においても、出力コモン電圧を一定とすることができ、バックバイアス効果の変動を抑えて、感度のリニアリティを向上させることができる。

図１２は、本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例４を説明するための回路構成図である。図中符号１３は第３のホール素子、１４は第４のホール素子、２３は第３の駆動電流生成回路、２４は第４の駆動電流生成回路、３３は第３のオペアンプ、３４は第４のオペアンプを示している。
本実施例４のホール起電力信号検出回路は、第３のホール素子１３と第４のホール素子１４と電流源２１，２２，２３，２４と第３の増幅器３３と第４の増幅器３４とを備えている。

第３のホール素子１３は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有するものである。また、第４のホール素子１４は、第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有するものである。
また、電流源２１，２２，２３，２４は、第１のホール素子１１の第４の端子と、第２のホール素子１２の第４の端子と、第３のホール素子１３の第４の端子と、第４のホール素子１４の第４の端子に駆動電流を流すものである。

また、第３の増幅器３３は、反転入力端子（−）が、第３のホール素子１３の第１の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、第１のホール素子１１の第３の端子に接続され、出力端子が、第３のホール素子１３の第２の端子に接続されている。また、第４の増幅器３４は、反転入力端子（−）が、第４のホール素子１４の第３の端子に接続され、非反転入力端子（＋）が、第２のホール素子１２の第１の端子に接続され、出力端子が、第４のホール素子１４の第２の端子に接続されている。また、第３のホール素子１３の第３の端子と第４のホール素子１４の第１の端子から出力を検出する。

また、電流源２１，２２，２３，２４は、第１のホール素子１１の第４の端子に駆動電流を流す第１の電流源２１と、第２のホール素子１２の第４の端子に駆動電流を流す第２の電流源２２と、第３のホール素子１３の第４の端子に駆動電流を流す第３の電流源２３と、第４のホール素子１４の第４の端子に駆動電流を流す第４の電流源２４とを有している。

つまり、本実施例４のホール起電力信号検出回路は、第１のホール素子１１に駆動電流を通電することにより発生するホール起電力Ｖｈａｌｌ１と、第２のホール素子１２に駆動電流を通電することにより発生するホール起電力Ｖｈａｌｌ２、第３のホール素子１３に駆動電流を通電することにより発生するホール起電力Ｖｈａｌｌ３、第４のホール素子１４に駆動電流を通電することにより発生するホール起電力Ｖｈａｌｌ４の加算した電圧（Ｖｈａｌｌ）を検出するように構成したものである。

第１のホール素子１１は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ１を発生させるものである。第２のホール素子１２は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ２を発生させるものである。
第３のホール素子１３は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ３を発生させるものである。第４のホール素子１４は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ４を発生させるものである。

それぞれのホール素子は、並列に複数のホール素子が接続されていても構わない。第１乃至第４のホール駆動電流生成回路２１，２２，２３，２４は、それぞれ第１乃至第４のホール素子１１，１２，１３，１４に駆動電流を供給するものである。
第１のオペアンプ３１は、第１のホール素子１１の端子１、すなわち、ホール起電力を生成する一方の端子がＶｃｏｍに等しくなるように負帰還をかけてその出力電圧（端子２の電圧）を調整するものである。

第２のオペアンプ３２は、第２のホール素子１２の端子３、すなわち、ホール起電力を生成する一方の端子がＶｃｏｍに等しくなるように負帰還をかけてその出力電圧（端子２の電圧）を調整するものである。
第３のオペアンプ３３は、第３のホール素子１３の端子１、すなわち、ホール起電力を生成する一方の端子が第１のホール素子１１の端子３の電位に等しくなるように負帰還をかけてその出力電圧（第３のホール素子の端子２の電圧）を調整するものである。

第４のオペアンプ３４は、第４のホール素子１４の端子３、すなわち、ホール起電力を生成する一方の端子が第２のホール素子１２の端子１の電位に等しくなるように負帰還をかけてその出力電圧（第４のホール素子の端子２の電圧）を調整するものである。
図１２に示した回路構成でホール起電力を直列に加算することでより大きなホール起電力を出力として得ることができる。また、図１２では４つのホール起電力を直列に加算した例を示したがそれ以上の数を接続してももちろん構わない。

また、図１２のように、第１のホール素子と第２のホール素子と第３のホール素子と第４のホール素子を直列に加算する形態以外にも、第１のホール素子と第２のホール素子を直列に加算し、第３のホール素子と第４のホール素子を直列に加算し、それらの出力を後段で演算する形態であってもよい。

１１ 第１のホール素子
１２ 第２のホール素子
１３ 第３のホール素子
１４ 第４のホール素子
１５ 磁気収束板
２１ 第１の駆動電流生成回路
２２ 第２の駆動電流生成回路
２３ 第３の駆動電流生成回路
２４ 第４の駆動電流生成回路
３１ 第１のオペアンプ（増幅器）
３２ 第２のオペアンプ（増幅器）
３３ 第３のオペアンプ（増幅器）
３４ 第４のオペアンプ（増幅器）
４１ 第１のスイッチ回路
４２ 第２のスイッチ回路
５１ チョッパークロック生成回路

Claims (9)

1. 第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第１のホール素子と、
   第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第２のホール素子と、
   前記第１のホール素子の第４の端子と、前記第２のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す電流源と、
   反転入力端子が、前記第１のホール素子の第１の端子に接続され、非反転入力端子が、コモン電圧に接続され、出力端子が、前記第１のホール素子の第２の端子に接続される第１の増幅器と、
   反転入力端子が、前記第２のホール素子の第３の端子に接続され、非反転入力端子が、コモン電圧に接続され、出力端子が、前記第２のホール素子の第２の端子に接続される第２の増幅器と
   を備えていることを特徴とするホール起電力信号検出回路。
2. 前記電流源は、前記第１のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す第１の電流源と、前記第２のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す第２の電流源であることを特徴とする請求項１に記載のホール起電力信号検出回路。
3. 前記第１のホール素子の第３の端子と前記第２のホール素子の第１の端子から出力を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のホール起電力信号検出回路。
4. チョッパークロック信号を生成するチョッパークロック生成回路と、
   チョッパークロック信号に応じて、前記第１のホール素子の各端子の接続を切り替える第１のスイッチ回路と、
   チョッパークロック信号に応じて前記第２のホール素子の各端子の接続を切り替える第２のスイッチ回路とを備え、
   前記第１のホール素子の各端子と、前記第１の増幅器及び前記第１の電流源とは、前記第１のスイッチ回路を介して接続され、
   前記第２のホール素子の各端子と、前記第２の増幅器及び前記第２の電流源とは、前記第２のスイッチ回路を介して接続されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のホール起電力信号検出回路。
5. 前記第１のホール素子の各端子は、右回りに第１の端子と第４の端子と第３の端子と第２の端子の順に切り替えられ、
   前記第２のホール素子の各端子は、左回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子の順に切り替えられることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のホール起電力信号検出回路。
6. 前記第１のホール素子の各端子は、第１の端子と第２の端子と第４の端子と第３の端子の順に切り替えられ、
   前記第２のホール素子の各端子は、第４の端子と第３の端子と第１の端子と第２の端子の順に切り替えられることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のホール起電力信号検出回路。
7. 前記第１のホール素子と前記第２のホール素子に入力される磁場の方向が逆方向となる磁気収束板を備え、
   前記第１のホール素子の各端子は、右回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子と配置され、
   前記第２のホール素子の各端子は、左回りに第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子と配置されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のホール起電力信号検出回路。
8. 第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第３のホール素子と、
   第１の端子と第２の端子と第３の端子と第４の端子を有する第４のホール素子と、
   前記第１のホール素子の第４の端子と、前記第２のホール素子の第４の端子と、前記第３のホール素子の第４の端子と、前記第４のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す電流源と、
   反転入力端子が、前記第３のホール素子の第１の端子に接続され、非反転入力端子が、前記第１のホール素子の第３の端子に接続され、出力端子が、前記第３のホール素子の第２の端子に接続される第３の増幅器と、
   反転入力端子が、前記第４のホール素子の第３の端子に接続され、非反転入力端子が、前記第２のホール素子の第３の端子に接続され、出力端子が、前記第４のホール素子の第２の端子に接続される第４の増幅器とを備え、
   前記第３のホール素子の第３の端子と前記第４のホール素子の第１の端子から出力を検出することを特徴とする請求項１に記載のホール起電力信号検出回路。
9. 前記電流源は、前記第１のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す第１の電流源と、前記第２のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す第２の電流源と、前記第３のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す第３の電流源と、前記第４のホール素子の第４の端子に駆動電流を流す第４の電流源であることを特徴とする請求項８に記載のホール起電力信号検出回路。

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