KR20040014263A

KR20040014263A - 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서

Info

Publication number: KR20040014263A
Application number: KR1020030053821A
Authority: KR
Inventors: 사이또고이찌
Original assignee: 로무 가부시키가이샤
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2004-02-14
Also published as: JP2004070543A; KR100573939B1; US20050285593A1; US20040021462A1; TWI225266B; US6937012B2; TW200406797A; US7053609B2

Abstract

포인팅 디바이스에 이용하기 위한 자기 센서 및 포인팅 제어 회로로 이루어지는 구성을 컴팩트하게 한다. 대략 사각형 IC 칩에서, 그 중앙부에 포인팅 제어 회로를 형성하고, 포인팅 제어 회로의 주변부의 4코너 부분에, 각각 홀 소자를 형성함으로써, 홀 소자로 이루어지는 자기 센서와 포인팅 제어 회로를 일체화한다. 또한, 홀 소자 및 포인팅 제어 회로가 IC 제조 공정에서 만들어 넣어지고, 홀 소자 및 포인팅 제어 회로를 일체로 하여 구성한다.

Description

포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서{MAGNETIC SENSOR WITH POINTING CONTROL CIRCUIT}

본 발명은, 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화기 등의 정보 기기의 입력 수단으로서 사용되는 포인팅 디바이스의 자기 센서, 특히 자석의 이동에 의해 자계의 변화를 검출함으로써 좌표 검출을 행하는 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서에 관한 것이다.

종래부터 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화기 등의 입력 수단으로서 조이스틱, 트랙볼 등의 포인팅 디바이스가 사용되고 있다. 포인팅 디바이스의 센서로서 광학식, 감압식, 가변 저항식, 자기 검출식이 실용화되어 있지만, 그 중에서도 최근 소형이며, 수명이 긴 자기 검출식 센서가 유력한 것으로 되어 있다. 특히, 홀 소자를 내장한 센서는 소형이고, 그 구조가 간단하므로 휴대 전자 장치의 포인팅 디바이스에 사용되는 경우가 많아지고 있다.

도 13은 종래의 포인팅 디바이스에 이용되는 자기 센서의 구조를 설명하기 위해서, 일본 특개2002-150904호 공보에 개시된 휴대 전화기의 사시도를 나타내고 있다. 또한, 도 14는 도 13에서의 A-A'를 따라 취한 주요부 단면도이다.

도 14에서, 포인팅 디바이스의 일부를 구성하는, 자기 센서와 자석의 지지체로 이루어지는 입력부(18)는, 프린트 기판(22) 상에서 해당 입력부(18)의 중심에 대하여 환 형상으로 배치된 4개의 홀 소자(2a∼2d)(홀 소자(2b, 2d)는 도시 생략)로 이루어지는 자기 센서, 및 이들 홀 소자(2a∼2d)에 간격을 두고 자석(26)을 대항 배치하는, 예를 들면 고무제의 자석 지지체(23)로 구성되어 있다. 자석 지지체(23)는 프린트 기판(22) 상에 배치된 원형 환상의 키 매트(21), 해당 키 매트(21)와 자석(26)을 수용한 입력부 본체(20)를 일체로 연결하는 가교부(25), 및 입력부 본체(20)의 중앙 하면으로부터 프린트 기판(22)으로 연장하는 원주(24)로 이루어져 있다.

입력부 본체(20)는 그 중심 이외의 부분이 눌러지면, 한쪽으로 기울고, 그 결과 자석(26)과 홀 소자(2a∼2d)와의 간격이 변화된다. 즉, 홀 소자(2a∼2d)는 이 변화에 따른 자기의 변화를 검출한다.

자석을 변위시키면, 홀 소자(2)는 자석과 각 홀 소자(2)의 거리와 자석의 방향의 함수로 표현되는 자계를 검출하고, 홀 소자(2)에 흐르는 전류 및 자석 자계의 방향에 수직으로 홀 전압을 발생한다.

도 15는 종래의 자기 센서를 설명하기 위해서, 일본 특개평10-20999호 공보에 개시된 자기 센서 및 자기 센서의 검출 출력을 처리하는 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 15에서, X축 방향과 Y축 방향의 각 홀 소자로 구성되는 자기 센서(27)의 출력은, 차동 증폭기(29), AD 변환기(30), 검출 제어부(31) 및 출력 제어부(32)로 구성되는 포인팅 제어 회로(28)에 입력되어, 처리가 행해진다. 포인팅 제어 회로(28)에 있어서, 자기 센서의 출력은 각각 차동 증폭기(29)로 증폭되어, 그 출력은 AD 변환기(30)로 디지털값으로 변환되고, 그 디지털 출력은 검출 제어부(31)에서 X 좌표값 및 Y 좌표값으로 변환되어, 출력 제어부(32)로 출력된다.

이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래의 포인팅 디바이스에서는 자기 센서와 그 출력을 처리하는 포인팅 제어 회로는 각각 독립된 배치 영역을 차지하여, 소형의 정보 기기에 있어서는 포인팅 제어 회로의 점유 면적은 무시할 수 없는 것으로 되어 있었다.

또한, 종래의 포인팅 디바이스의 자기 센서의 재료로 사용되는 홀 소자는 갈륨 비소(GaAs), 인듐 안티몬(InSb) 등이 이용되고 있지만, 실리콘을 이용하는 것은 그다지 사용되고 있지 않다. 이것은 실리콘을 사용하여 집적화하는 경우, 상기 재료에 비하여 충분한 자기 감도를 얻기 어렵기 때문이다.

본 발명의 목적은, 이들 종래의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 제1 목적은 자기 센서의 출력을 처리하는 포인팅 제어 회로의 점유 면적을 삭감하고, 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서를 실현하는 것이다. 또한, 본 발명의 제2 목적은 홀 소자를 IC에 내장한 자기 센서를 실현하는 것이다. 또한, 본 발명의 제3 목적은 자기 감도가 낮은 재료를 이용한 홀 소자와 홀 소자로부터의 출력을 증폭시키는 증폭기를 조합함으로써 자기 감도의 약점을 보충하고, 그것과 포인팅 제어 회로와 일체화한 자기 센서를 실현하는 것이다. 또한, 본 발명의 제4 목적은 노이즈 내성이 강하고, 자기 센서 전체로부터 보더라도 특성의 변동이 적고, 싱글 디바이스로서 취급이 용이한 자기 센서를 실현하는 것이다.

또한, 본 발명의 제5 목적은 이렇게 해서 생성된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서를 포인팅 디바이스로서 정보 기기에 내장하는 것이다.

도 1은 본 발명의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서의 제1 실시예를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서의 제3 실시예를 나타내는 도면.

도 3은 홀 소자와 프리앰프를 조합한 회로 블록도를 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서를 패키지화한 것의 단면도.

도 5는 본 발명의 패키지화한 자기 센서와 자석 지지체를 일체화한 포인팅 디바이스의 단면도.

도 6은 홀 소자와 전류원을 조합한 회로 블록도를 나타내는 도면.

도 7은 도 6에서의 홀 소자와 전류원의 온도 특성을 나타내는 도면.

도 8은 자기 검출을 샘플링에 의해 행하는 회로를 나타내는 도면.

도 9는 도 8의 회로에서의 샘플링의 타임차트를 나타내는 도면.

도 10은 아날로그 신호 처리 전용 부분을 설치한 본 발명의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서의 정면도.

도 11은 홀 소자의 오프셋 특성을 정의하는 도면.

도 12는 도 11에 도시하는 소자를 조합하여 오프셋 캔슬하는 홀 소자 구성을 나타내는 도면.

도 13은 휴대 전화기의 사시도.

도 14는 도 13의 A-A'선을 따라 취한 단면도.

도 15는 자기 센서와 포인팅 제어 회로의 회로 블록을 나타내는 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서

2 : 홀 소자

3 : 포인팅 제어 회로

4 : 본딩 패드

5 : 프리앰프

6 : 패키지화된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서

8 : 자석

14 : FET

15 : 아날로그 신호 전용 부분

29 : 차동 증폭기

30 : AD 변환기

청구항 1의 발명은, 중앙부에 포인팅 제어 회로가 형성된 대략 사각형 IC 칩으로서 포인팅 제어 회로의 주변부의 4코너 부분에, 각각 홀 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서이다.

청구항 2의 발명은, 홀 소자가 IC 제조 공정에서 만들어 넣어지는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서이다.

청구항 3의 발명은, 자기 감도가 낮은 재료의 홀 소자, 해당 홀 소자의 검출 전압을 증폭시키는 증폭기가 근접하여 배치되고, 포인팅 제어 회로의 IC 제조 공정에서 일체로 만들어 넣어져 구성되는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서이다.

청구항 4의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 제어 회로가 부착된 자기 센서와 변형 가능한 자석 지지체에 조립된 자석으로 이루어지고, 자석의 변위에 의한 자계의 변화를 상기 홀 소자에 의해 검출하는 포인팅 디바이스를 갖는 정보 기기이다.

〈실시예〉

도면에 기초하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서의 정면도이다. 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서(1)는 IC 칩으로 이루어져 있으며, 이 IC 칩은 대략 사각형상을 이루고, 중앙 부분에 포인팅 제어 회로(3)가 형성되고, 또한 그 주변부에는 상기 포인팅 제어 회로(3)를 위한 본딩 패드(4)와 입출력(IO)부(4')가 배치되어 있다. 본딩 패드(4)는 도시하지 않은 리드 프레임의 리드 전극과 금 세선으로 접속되어 있으며, IC 칩의 4코너 부분에는 각각 홀 소자(2)가 배치되어 있다.

대략 사각형의 IC 칩의 2개의 대각선 상의 홀 소자(2)쌍은, 도 15에 도시한 종래의 자기 센서의 X 또는 Y축선 상의 소자쌍에 대응하고 있으며, 각 홀 소자(2)는 자석이 정위치에 있을 때, 0 출력이 되도록 회로 조건이 설정되어 있다. 따라서, 자석을 변위시킴으로써, 홀 소자(2)가 검출하는 자계가 변화하고, 그 변화된 자계가 홀 소자(2)의 변위 전압으로서 검출된다.

X, Y축 상에 십자 형상으로 배치된 홀 소자(2)의 각 축 상의 2개의 홀 소자(2)의 출력 전압은 포인팅 제어부(3)에 입력되고, X, Y축의 변위량으로 된다.

본 발명의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서(1)는, 홀 소자(2)와 포인팅 제어부(3)가 1개의 IC 칩에 일체적으로 형성되어 있기 때문에, 종래의 별개로 형성되어 있던 것에 비하여 대폭적으로 컴팩트화가 가능하다. 여기서, 포인팅 제어 회로(3)는 로직 회로에 한정되지 않고, CPU와 그 소프트웨어를 기억하는 메모리로 구성해도 되고, IC 칩의 형상은 대략 사각형이면 되지만 정방형이 바람직하다.

제2 실시예의 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서는, 홀 소자(2)가 IC를 제조하는 제조 공정에서 포인팅 제어 회로(3)와 함께 만들어 넣어진다. 즉, 제1 실시예에서는 IC 칩의 4코너 부분에 각각 홀 소자(2)가 배치되어 있지만, 제2 실시예에서는 IC 칩의 4코너 부분에 각각 홀 소자(2)가 포인팅 제어 회로(3)와 함께 IC를 제조하는 제조 공정에서 만들어 넣어져, 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서가 구성된다.

도 2는 제3 실시예를 나타내는 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서의 정면도이다. 자기 감도가 낮은 재료로 만든 홀 소자를 자기 센서에 이용하기 위해서는출력을 증폭시켜야 한다. 도 3은 이를 위해 이용하는 증폭 회로를 나타낸다. 증폭 회로로서는 차동형의 증폭 회로(이하, 프리앰프라고 함)(5)를 사용하고, 프리앰프(5)는 포인팅 제어 회로(3)를 집적화하는 프로세스에 있어서 홀 소자(2)와 근접하여 일체적으로 IC 칩의 4코너 부분에 만들어 넣어진다. 이 경우, 도 2에 도시한 바와 같이 프리앰프(5)는 홀 소자(2)와 인접하여 형성할 수 있고, 홀 소자(2)에 대하여 상하의 위치에 형성해도 된다.

본 발명의 본 실시예에서는, 홀 소자(2), 프리앰프(5)와 포인팅 제어 회로(3)는 일체로서 IC를 제조하는 프로세스에서 집적화되어, 싱글 디바이스로서 형성되므로, 홀 소자, 프리앰프, 제어 회로의 개개의 특성의 변동을 IC 회로 기술을 이용하여 감소시킬 수 있어, 성능, 비용, 크기의 점에서 매우 유리하고, 용이하게 제조할 수 있다.

실리콘제의 홀 소자(2)를 사용하여, 프리앰프(5)와 포인팅 제어 회로(3)를 집적화할 때, 특히 CMOS 기술을 사용하면 집적화하기 쉽고, 다양한 회로를 실현할 수 있어, 유리하다.

도 1에 도시된 제1 실시예와 마찬가지로, 포인팅 제어 회로(3)는 로직 회로에 한정되지 않고, CPU와 그 소프트웨어를 기억하는 메모리로 구성해도 되고, 반도체 칩(1)의 형상은 대략 사각형이면 좋지만 정방형이 바람직하다.

도 4는 도 1 또는 도 2에 도시한 홀 소자(2)와 포인팅 제어 회로(3)가 일체적으로 구성되어 몰드 수지로 도포되어 패키지화된 포인팅용 자기 센서(6)의 측단면도이다. 도시한 바와 같이 홀 소자(2)를 갖는 자기 센서(1)에 있어서 본딩패드(4)는 포인팅 제어 회로용 집적 회로와 본딩선으로 접속되어 있다. 자기 센서(1)는 패키지에 일반적으로 사용되는 몰드 수지로 패키지화된다.

도 5는 도 4에 도시한 패키지화된 자기 센서(6)와 입력부를 구성하는 자석 지지체(7)를 조합하여 형성한 포인팅 디바이스의 측단면도이다.

도면 중, 포인팅 디바이스는 프린트 기판(10)의 상부에 패키지화된, 후기의 자기 센서(6)에 대하여 자석을 변위 가능하게 지지하는 고무 등의 가요 부재로 이루어지는 자석 지지체(7)를 설치하고, 프린트 기판(10)을 개재하여 이 자석 지지체(7)의 아래쪽에 패키지화한 자기 센서(6)를 배치하여 구성된다. 상기 자석 지지체(7)는 포인팅 디바이스의 입력부를 구성하는 것으로, 자석을 수용하는 본체 부분(7'), 프린트 기판(10) 상에 배치된 원형 환상 베이스부(9'), 및 상기 베이스부(9')와 자석(8)을 수용하는 본체 부분(7)을 연결하는 스커트형 가교부(9)로 이루어져 있다. 상기 패키지화된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서(6)는, 상기한 가요성의 자석 지지체(7) 이외의 자석 지지체(예를 들면, 코일 스프링에 의한 지지체)와 조합할 수 있는 것은 물론이다. 패키지에 대해서도, 어떠한 몰드 재료로 패키지해도 된다. 또한, 기판에 칩 온 보드 기술로 패키지하지 않고 실장할 수도 있다. 또한, 실장되는 기판도 프린트 기판에 한정되는 것이 아니라, 플라스틱 필름이어도 된다.

상기 패키지화된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서와 입력부를 구성하는 자석 지지체를 조합하여 구성하였기 때문에, 포인팅 디바이스의 포인팅 회로부가 공간 절약화되어 휴대 전화기 등의 소형 정보 기기의 소형화에 매우 유용하다.

또한, 본 발명은 홀 소자를 사용한 어떠한 포인팅 디바이스에도 적용 가능한 것은 물론이다.

다음으로, 본 발명의 자기 센서를 실현하는 데 있어서, 회로의 동작을 안정화, 전력 절약화, 로우 노이즈화하는 등의 회로 기술에 대하여 설명한다.

1. 온도 특성의 개선에 대하여

도 6은 홀 소자 단체(單體)(2)와 전류원(11)으로 구성되는 자기 검출 회로를 도시한다. 홀 소자(2)에 전류원(11)을 접속하여 전류 Io를 입력하고, 그 때의 홀 소자(2)의 출력 전압을 Vo로 한다. 입력 전류를 일정하게 하고, 온도를 X축, 출력 전압을 Y축으로 하면, 도 7의 (A)에 도시한 바와 같이 홀 소자의 온도 특성은 우 하향이다. 이 때, 도 7의 (B)와 같은 우 상향의 온도 특성을 갖는 전류원을 조합하면, 자기 검출기의 온도 특성이 캔슬되어, 포인팅 디바이스의 온도 특성이 온도에 상관없이 일정하게 되어, 온도에 대하여 안정된 특성이 얻어진다.

2. 저소비 전력화에 대하여

포인팅 디바이스는 휴먼 인터페이스로서 이용되지만, 이 디바이스는 항상 자기를 검출할 필요는 없다. 따라서, 샘플링 기술을 이용하여, 자기 소자에 통전하는 시간을 간헐적으로 함으로써, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 도 8은 이를 위한 회로를 도시한다.

전류원(11)(11')과 홀 소자(2)(2')로 이루어지는 자기 검출기의 각각의 홀 소자(2)(2')에 소스가 접지된 FET(14)(14')의 드레인 전극이 접속된다. 홀 소자(2, 2')의 홀 출력은 차동 증폭기(29)를 개재하여, AD 변환기(30)에 접속된다.AD 변환기(30)에 의해 디지탈화된 출력은 디지털 처리/데이터 유지 제어 회로(13)에 입력되어 처리된다. 샘플링을 위한 신호는 디지털 처리/데이터 유지 제어 회로(13)로부터 FET(14, 14)의 게이트에 공급되어, 자기 검출하는 기간 FET(14, 14')를 온 상태로 한다.

도 9는 도 8의 회로의 동작의 타임차트로, T1의 기간은 홀 소자(2, 2')에 통전하여, 자기를 검출하는 기간이고, T2의 기간은 이 기간 중에 자기 센서로 검출한 데이터를 처리하여, 보존한다. 자기 검출된 값은 AD 변환기에 의해 디지털값으로 변환되어, 처리되고, 도시되지 않은 레지스터에 저장된다. 디지털값의 기억은 CMOS 회로를 이용하여 미소 전력으로 유지할 수 있다.

3. 로우 노이즈화

홀 소자(2)에 공급하는 전류를 저감시키면 소비 전력을 저감시킬 수 있지만, 한편 홀 소자(2)의 출력은 작기 때문에 프리앰프를 이용하여 증폭시킬 필요가 있다. 입력 신호가 너무 작으면 프리앰프의 노이즈 특성을 무시할 수 없게 되므로, 홀 소자(2)와 프리앰프의 레이아웃까지 고려할 필요가 있다. 또, 본 발명의 제3 실시예에서 홀 소자(2)와 프리앰프와의 일체 회로(6a)로부터 차동 증폭기(29)에 이르는 선로 상의 신호는 작아 노이즈에 약하므로, IC 회로 부분으로부터 분리하여 노이즈에 대하여 보호해야 한다.

이를 위해, 본 발명에서는 도 10에 도시한 바와 같이 아날로그 신호용의 전용 에리어(15)를, IC의 포인팅 제어 회로(3)의 외측에서, 본딩 패드(4) 및 홀 소자(2)와 프리앰프와의 일체 회로(6)를 형성하는 부분의 내측에 배치하고, 디지털회로(차동 증폭기(29)를 제외한 포인팅 제어 회로(3))를 구성하는 부분으로부터 분리한다.

이와 같이 분리함으로써, 프리앰프(5)의 트랜지스터 사이즈를 크게 할 수 있어 노이즈 특성을 향상시킬 수 있고, 전류원이 IO부에 가까워지므로 전류 공급 조건이 개선된다. 또한, 증폭기까지의 거리, 증폭기로부터 포인팅 제어 회로 사이에서의 거리를 짧게 할 수 있어, 노이즈 특성이 개선된다.

4. 오프셋 캔슬

자계가 0일 때, 홀 소자의 출력 전압은 0V인 것이 바람직하지만, 실제로는 자계를 0으로 해도 오프셋 전압이 존재하기 때문에 홀 소자의 출력 전압은 0V로는 되지 않는다. 그 때문에 오프셋 전압을 캔슬할 필요가 있다. 도 11은 홀 소자(17)에 전류원으로부터 화살표의 방향으로 전류를 흘려, 자계가 0이 되었을 때 홀 소자(17)의 검은 색 동그라미 방향으로 오프셋 전압이 나타나는 것을 나타낸 도면이다. 도 12는 도 11에서 정의된 4개의 홀 소자(17)를 90도씩 전류의 방향을 바꾸어 배치하고, 4개의 소자(17)의 중심부(O)를 1전극, 외측의 코너부(a, b, c, d)를 1전극으로 하여 병렬로 출력을 추출하여 1개의 소자로 한 것이다. 전류의 방향을 90도씩 변이시키므로, 오프셋 전압이 상호 상쇄된다.

홀 소자를 데드 스페이스(dead space)인 칩의 4개의 코너에 배치하고, 홀 소자와 포인팅 제어 회로를 일체적으로 칩에 형성하였기 때문에, 포인팅 제어 회로의 점유 면적을 삭감시킬 수 있다. 홀 소자를 칩의 4코너 부분에 배치하는 것은, 서로 노이즈의 영향을 받기 어려워, 노이즈의 점으로부터도 유리하다.

또한, 홀 소자와 포인팅 제어 회로를 일체로 하여, 원칩화하였기 때문에, 홀 소자, 차동 증폭기, 제어 회로 등의 변동을 칩 전체적으로 조정할 수 있으므로, 시스템 전체의 변동이 없어져 양호한 성능의 자기 센서를 구성할 수 있다.

또한, 홀 소자와 포인팅 제어 회로와의 일체화에 의해 싱글 디바이스의 자기 센서로서 취급이 용이한 장치를 실현할 수 있다.

Claims

중앙부에 포인팅 제어 회로가 형성된 대략 사각형상의 IC 칩으로서, 포인팅 제어 회로의 주변부의 4코너 부분에, 각각 홀 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서.
제1항에 있어서,

홀 소자가 IC 제조 공정에서 만들어 넣어지는 것을 특징으로 하는 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서.
제1항에 있어서,

자기 감도가 낮은 재료의 홀 소자, 해당 홀 소자의 검출 전압을 증폭시키는 증폭기가 근접하여 배치되고, 포인팅 제어 회로의 IC 제조 공정에서 일체로서 만들어 넣어지는 것을 특징으로 하는 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 포인팅 제어 회로를 갖는 자기 센서를 포함한 포인팅을 갖는 정보 기기.