TWI225266B - Magnetic sensor with a pointing control circuit - Google Patents

Description

丄225266 玖 、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 口。 ^發明係有關於一種具有指示器控制電路之磁感測 係被使用為個人計算機、行動電話機等資訊機器之 ，入機構的指示器裝置之磁感測器，<其是以藉由磁鐵的 牙夕動來進行檢測磁場變化而進行座標檢測者。 【先前技術】 以往-般使用操縱桿（j〇y-stick)、幸九跡球（trackbaii)等 曰二，置作為個人計算機、行動電話機等之輸入機構。 二…襄置之感測器而言’雖已實際使用光學式 '感壓 :二：變電阻式、磁性賴’不過，其中以小型且使用 β p、之兹m則式感測$在近年來已漸具影響力。尤其 是、，由^組農有霍爾元件（Hall element)之感測器小型且其 構&間早’所以已漸被使用於行動電子裝置之指示 置。 第13圖係為說明習知用於指示器裝置之磁感測器之 構造’用以表示揭示於日本專利特開2⑻2_i5G9G4號公報 之4亍動電話機之讳岡 # ” 圖。而弟14圖係沿著第13圖之A-A， 線之主要部分剖視圖。 ，、第14圖t ’構成指示n裝置之—部分的由磁感測器 及磁鐵支持體所構成之輪人部18，係由在印刷基板22上 以相對於該輪入部18之中心以環狀配置之4個霍爾元件 2a至雨爾元件2b、2d未圖示)所構成之磁感測器以及

與上述备爾7L件9 pi 5。_ Q - d隔以間距將磁鐵2 6加以相對配置 314801 5 1225266 23?士由橡路衣仏之磁鐵支持體23所構成。磁鐵支持體 一手' 由配置於印刷基板22上的圓環狀鍵塾（㈣_如、將 :有该鍵墊21與磁鐵26之輸入部本體2〇 一體連結之橋 接口P 25、以及從輸入部本體2〇中枣下； …柱24所構成。 巾央下面延伸至印刷基板 輸入部本體㈣當按下其中心以外的部分時，會向單 =，其二果…鐵％與霍爾元件…之間隔發 之磁性變化進行檢測。 ^對上述變化所引起 :磁鐵26發生位移時，霍爾元件2將對於以磁鐵μ 二:爾兀件2之距離及磁鐵26方向之函數所表示之磁場 進订核測，且產生流至霍爾元件2 場方向的霍_電壓。 “及垂直於磁鐵磁 :15圖係為說明習知之磁感測器，而概略式顯 ==。，999號公報中所揭示之用以處理磁感測 口口 达感測為之檢測輸出之電路圖。 :第15圖中，由χ轴方向及γ軸方向之各霍爾元件 斤構成之磁感測器27之輸出係輸入至由差動放大器Μ、 ^轉換器（anal〇g_t〇_dighal⑶购⑽，類比數位轉換 二)3 〇、檢測控制部3 1及輸出控制部3 2所構成之指示 制電…進行處理。於指示器控制電 = =係分別以差㈣^ 車寸換器30轉換為數位值後，利用檢測控制部3 數位輸出轉換為x座標值及Υ座標值，然後再輪出至輪出 31480] 6 1225266 控制部3 2。 由以上說明可知，在習知之指一 及用以處理其輪出 。。 曰不态裳置中，磁感測器 置區域，導致在小型==電路係分別佔據獨立之配 路之佔有面積。 、抑並恶法忽視指示器控制電 而且’習知之指示器裝置 的霍爾元件係採用钟化鎵、：用的磁感測器之材料 採用石夕之材料者並不太被使用。匕銦叫等，至於 體化時，與前述柯料相較之下較難二二：使用:夕進行積 致。 、于】充为的磁敏感度所 【發明内容】

本發明之目的—A 勺在方；解決前述習 其第一目的係減少用♦、、白头之問蝻點所開發者， 電路之佔有面積/ ^磁感測器之輸出的指示器控制 器。而本發明之塗_ 、八有礼不器控制電路之磁感測 乐一目的係實現一 # —

之磁感測器。再去, 、 、隹爾兀件嵌製入1C 感度較低之材料的^ $二目的係藉由將使用磁敏 放大之放大器力J::元件及用以對霍爾元件之輸出加以 其與指示器控制電路彌補磁敏感度之弱點，而實現 第四目的係實現_種雜;ι體化之磁感測器。而本發明之 看，特性不-致之情开^耐性強，且從整體磁感測器來 device)加以處理之^又知而且容易作為單-裝置（如… 、里之磁感測器。 此外，本發明之楚 ^ φΙ t ^ ^ 目的係將上述所得之具有指示器 才工制宅路之磁感測器作 為礼不益裝置而組裝於資訊機器 31480] 7 1225266 中 ο !丹有指示哭批生ι + 路之磁感測器，其係於中央部形成有：工1 -电 呈正:形…片中，在指示器控制電:之= 個角落部分分別設置霍爾元件。 、 申請專利範圍第2項之發明係如中請專利範 之具有指示器控制電路之磁感測器，其中，於Ic制 工、 將霍爾元件嵌入。 ' 衣牙王中’ 申請專利範圍第3項之發明係如申i « >…T %專利範圍第1工g 之”有 <日不器控制電路之磁感測器，苴 、 * , , /、甲，係將磁敏成声 較低之材料製作的霍爾元件與放大 以度 > ^丄。。 隹爾兀件之檢測電壓 之放大裔加以迎接配置，且於指示器 。。k制電路之1C製稆Φ 嵌入製成為一體。 衣私中 申請專利範圍第4項之發明俜_絲A上 向^ , 種含有由申請專利範 ^ Μ至弟3項之具有指示器控制電路之磁感測器及组 ^於可變形之磁鐵支持體的磁鐵所構成，且藉由前述霍爾 兀件對於磁鐵位移所造成之磁場纟^ ^ ^ ^ 置的資訊機器。 匕進…則之指不器裝 【實施方式】 以下根據圖示說明本發明之實施形態。 第1 1U丁、為本發明之具有指示器控制電路之磁感測器 之正視圖。具有指示器控制電路之磁感測器1係由1C晶片 所構成，該1C晶片略s π十π 正方形，灰中央部分形成有指示器 控制電路3，而且，於1网、喜 ，、周邊部配置有為上述指示器控制 314801 8 1225266 電路3而設之焊墊（b〇ndingpad)4及輸出入（1〇）部4，。焊墊 4係以細金線與未圖示之導線架〇ead 之導線電極相 連接，1C晶片的4個角落部分分別載置有霍爾元件2。 於略呈正方形之1C晶片的2條對角線上的2對霍爾元 件2係與第15圖所示之習知磁感測器的χ軸或γ軸線上 的元件組相對應，各霍爾元件2係當磁鐵處於固定位置 時，即設定電路條件，為形成。輸出。因&，藉由使磁鐵 產生位移，霍爾兀件2所檢測的磁場將會產生變化，然後 檢測其產生變化之磁場作為霍爾元件2之位移電壓。 於X軸、Y軸上呈十字狀配置之霍爾元件2之各軸上 的2個霍爾元件2的輸出電壓係輸入至指示器控制部3， 且作為X、Y軸之位移量。 本發明之具有指示器控制電路之磁感測器丨中，由於 霍爾元件2及指示器控制部3係一體形成於i個ic晶片 中，因此，相較於習知技術中分別形成者，可大幅精簡化。 在此，指示器控制電路3亦可以cpu及儲存其軟體之記憶 體構成，而並非侷限於邏輯電路，而且IC晶片雖可略呈正 方形，但以正方形為宜。 第2實施形態之具有指示器控制電路之磁感測器係來 霍爾元件2於製造1C之製程中與指示器控制電路3共同奋 製。換言之，在第1實施形態的發明中，雖麸 比日日片# 4個角落部分分別載置有霍爾元件2， 、你弟2貫施形髮 的發明中，則係在1C晶片的4個角落部分使霍爾元件2 於製造I C之製程中與指示器控制電路3共同嵌製，而構$ 314801 9 ，、為控制電路之磁感測器。 罘2圖係為表示第3實施形態之具有指示器控制電路 之磁感測器的正視圖。為了在磁感測器中使用以磁敏感度 =之材料製成霍爾元件，因此必須放大輸出。第3圖即 疋為此而使用之放大電路。使用差動型放大電路（以下 輪為爾置放大器（pre_amplifier))5作為放大電路， 大器係：指示器控制電路3積體化製程中，靠近霍爾元件 而以體式嵌製在Ic晶片的4個角落部分。此時，如第 2圖所示，前罟姑 叮、)引置放大裔5可與霍爾元件2相鄰接形成，也 可以形成在霍爾元件2的上下位置。 的本1明之本貫施形態中，由於使霍爾元件2、前置 '5及指示器控制電路3成為-體，且在製造1C的製 乂積月旦化，而形成單一裝置心―），因此， T IC電路技術，可以減少霍爾元件、前置放大器及控制 Γ之各個特性的不1,而且在性能、成本、尺寸大小 方面可極為有利且容易地製造。 使用以石夕衣造的霍爾元件2將前置放大器5及指示器

制電路3加以積體化時，尤其當使用CMOS (complementary metal · ide semiconductor ,互補金氧半導 :)技術時’較易進行積體化，且可實現多樣電路，因此非 常有利。 與第1 路3亦可以 於邏輯電路 圖所示的第1實施形態相同地，指示器控制電 CPU及储存其軟體之記憶體構成，*並非偈限 ’而且半導體IC晶“可略呈正方形，但以.正 J0 3)480) 1225266 方形為宜。 係為將帛i圖或第2圖所示之霍爾元件2及指 示态控制電路3 —體構$，j α # H 五稱咸且以塑& H t π it 祕(package)之指示器用磁感測器6的側面剖視圖。如 =，於具有霍爾元件2之磁感測器Η ’焊塾“系以 干、.泉（她118 與指示器控制電路用積體電路相連 接。磁感測器i是以一般使用於封裝的塑模樹脂進行封 裝0 5圖係為將第4圖所示之已進行封裝之磁感測器6 及構成輪入部之磁鐵支持體7加以組合而形成的指示器裝 置之側面剖視圖。 立=中，指不器裝置（p〇inting deWce)係在印刷基板Μ 夕X有可使磁鐵對已封裝好之後述的磁感測器ό發生位 =纟方式予以支撐之由橡膠等可撓性構件構成的磁鐵支持 且透過印刷基板1 0而在該磁鐵支持體7的下方裝設 、—^裝之磁感’則為β而構成。上述磁鐵支持體7係構 成‘不☆裝置之輸人部者，其係由用以收容磁鐵之本體部 刀7 、載置於印刷基板1 〇上之圓環狀基部9,、以及 基部9,1田丨、，^ 立 /、 收谷磁鐵8之本體部分7相連結的裙狀橋接 斤構成。别述已封裝妤之具有指示器控制電路之磁感 涓1J器 6去妙__r A w 田A亦可與w述可撓性磁鐵支持體7以外的磁鐵支 、旦（例如由螺旋彈簧（c〇u spring)形成的支持體）相組合。 心作菓則亦可以任何塑模材料進行封裝。此外，可 板上利用晶片直接封裝（chip on b〇ard)技術而無需封 η 314801 1225266 裝作業即可進行封裝。而且， 々封衣之基板亦可為塑膠_ 離sue mm)，而並非偈限於印刷基板。 」 由於將前述已進行封裝之具有指示器控制電 測器及構成輸入部之磁 途感 _。。壯 之磁鐵支持體相組合而構成，因此，指 置的指示器電路部已被節省空間化，對於行動電話 H等小型通訊機器之小型化極有助益。 ^卜’本發明當然亦適用於使用霍爾元件之任何指示 益裝置。

接:，為實現本發明之磁感測器，就電路動作之穩定 化、4電化、低雜訊（1〇W n〇ise)化等電路技術加以說明。 1 ·改善溫度特性 八弟6圖係表示由霍爾元件單體2及電流源丨〗構成之磁 仏測电路。將電流源])與霍爾元件2相連接且輸入電流 1〇，將此時霍爾元件2之輸出電壓設為Vo。將輸入電流設 為定，且將溫度設為X軸、將輸出電壓設為γ軸時，如 第7圖（a)所示，霍爾元件之溫度特性係呈右下遞減。此時，0 當將如第7圖（b)所示之具有右上遞增之溫度特性的電流源 加以組合時，磁感測器的溫度特性將被抵消（cance])，而且 心示杰A置之溫度特性將成為一定，而與溫度無關，關於 溫度可得到穩定的特性。 2 ·低耗電化 才曰示1置雖被作為人機介面（human interface)使用，不 過’ 5亥1置並不需要恒時對磁性進行檢測。因此使用取樣 (sampling)技術，藉由間歇式設定於磁性元件進行通電的時

12 31480J 1225266 間’可降低消耗電力。篦 圖卩係表示上述用途的電路< 夂由^ 4源】】⑴，）及霍爾元件2(2，）所構成之磁感測 益的。個崔爾元件2(2，）與使源極接地之ρΕτ (㈣秦t an；:siGr，場效電晶體)14(1 4。的汲極相連接。霍爾元件 、二之霍爾輸出係透過差動放大器29而與W轉換器3〇 = = AD轉換器3。而被數位化之輸出係輸入至數位 處理/貧料保持控制雷路 進仃處理。取樣用信號係由數 位處理/育料保持控制電路13供給至咖4、14，之閉極， 而將磁性檢測期間之FET14、14,予以導通。 圖係為第8圖之電路動作之時序圖， 期間係4對霍_元件2、2，進行通電且 …i山期間内對於由磁感測器檢測出之資料 二:：='經磁性檢測之值係藉由AD轉換器轉換 值：：以處理，且收納於未圖示之暫存器中。數位 值之“存係採用⑽s電路而可用些微電力加以保持。 3 ·低雜訊（1 〇'ν η 〇 i s e)化 雖=降低供給至霍爾元件2之電流時，▼降低消耗 田」 由於霍爾元件2之輪出較小，故需使 二：放大器加以放大。當輸入信號過小時，即無法二 則1放大器之雜訊特性，因此，連霍爾元件2 k配置一)都必須加以考慮。其中，於本發明之t 貝施形態中，由於由霍爾元件2暨前置放 6a到差動放大器29之線路上的信號較小，因此不耐::：路 疋故必須從IC電路部分加以分離而針對雜訊方面力:以。保 314801 13 1225266 護。 因此，在本發明中，如第10圖所示’使類比信號用之 專用區域15配置在IC之指示器控制電路3之外側，並配 置在形成焊塾4及霍爾元件2暨前置放大器之-體電路6 之部分的内側，且由構成數位電路 外的指示器控制電路3)之部分分離。 力力為29之 藉由上述之分離，可加大 而可提高雜訊特性，而且裔5之電晶體尺寸 可改善電流供給條件…卜源接近⑴部，故 距離及從放大器到指示器控 ^_與放大器之間的 訊特性。 制电路間的距離，故可改善雜 4·補償抵消（〇ffSet cance】） 當磁場為0時，霍爾元件 過，事實上即便使磁場為〇 ’ /電壓以ον為佳，不 voltage)，因此，霍爾元件之輪出子有^償電塵（offset 此，必須將補償電壓抵消。第電壓並無法成為0V。因 經箭號方向流向霍爾元件17 圖係表示使電流從電流源 件17之黑點方向出現補償電：使磁：成為〇時’於霍爾元 90度改變電流方向的方式^不意圖。第12圖係以每 件17，且使4個霍爾元件 弟11圖定義之4個霍爾元 側角落部分(a、b、c、d)為：心部0為1個電極，外 而成為1個元件者。由於·^ 9Λ電極，然後並聯取出輪出 補償電壓相互抵消。 又轉換電流方向，因此可使 [發明致果] Η 3J4S0] 在…效工間（dead space)之晶片 I 〇 π命π -从 7 4個角洛配置霍爾元 件，且使隹爾兀件及指示器控制 市』甩路一體形成於晶片上， 故可削減指不器控制電路之佔有 曰」 ®知將霍爾元件配置在 曰曰片的4個角落部分不僅彼此 雜訊方面來看亦為有利。 “到“影響’而且從 使隹爾兀件及指示器控制電路形成為-體而進 化，故可使霍爾元件、差動放大器、控 、士 日日片而加以調整，因此，可 消除整體系統之不一致，而構成 取Γ生此優良之磁感測器。 再者，藉由霍爾元件及指示器柝 者 °。彳工制電路之一體化，可 貝現一種容易視為單一裝置（sin & . gie device)加以處理之磁 感測器的裝置。 【圖式簡單說明】 第1圖係表示本發明之具有指示 。。 和不為控制電路之磁感測 為之第1實施形態。 第2圖係表示本發明之具有指 。。 和不為控制電路之磁感測 為之第3實施形態。 第3圖係表示將霍爾元件及前置放大器加以組合之電 路方塊圖。 第4圖係表示將本發明之具有沪 。 令才日不荔控制電路之磁感 $進行封裝後之剖視圖。 第5圖係表示將本發明之已進行封裝之磁感測器及磁 •載支持體加以一體化之指示器裝置剖視圖。 第6圖係表示由霍爾ic件及電流源、组合而成之電路方 314801 15 1225266 塊圖。 第7圖（A)及（B)係表示第6圖之霍爾元件及電流源之 溫度特性。 弟8圖係表示利用取樣進行磁性檢測之電路。 第9圖係表示在第8圖之電路中取樣之時序圖。 第1 〇圖係表示設置類比信號處理專用部分之本發明 之具有指示器控制電路之磁感測器之正面圖。 第11圖係表示將霍爾元件之補償特性加以定義之示 苐12圖係表示將第11 所千 竹乐U圖所不之兀件加以組合並 補償抵消之霍爾元件構成。 丁 第13圖係表示行動電話機之斜視圖。 苐1 4圖係表示沿菩裳 者弟13圖之A-A，線之剖視圖。 第15圖係表示習知 口 ^ , 白*之磁感測器及指示器控制雷故+ 電路方塊圖。 t利包路之 電路之磁感測器 3 指示器控制電路 4 ’ 輸出入部 2 4 5 具有指示器控制 2a至2d霍爾元件 焊墊 前置放大器 6 已進行封裝之具右 7 磁鐵支持體、指示器控制電路之磁感測器 9， 圓環狀基部 9 裙狀橋接部· 11、] Γ電流源 10 印刷基板 31480] 】6 1225266 13 數位處理/資料保持控制電路 14 、 14’ FET 15 類比信號專用部分 17 霍爾元件 18 輸入部 20 輸入部本體 21 鍵墊 22 印刷基板 23 磁鐵支持體 24 圓柱 25 橋接部 26 磁鐵 27 磁感測裔 28 指示器控制電路 29 差動放大器 30 AD轉換器 3 1 檢測控制部 32 輸出控制部

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Claims (1)

1. 甲5月專利範圍： 一種呈有；J；t 一 士 3不器控制電路之磁感測器，其係於中央部开 成有指示界批& ^ 一 &制電路之略呈正方形之1C晶片中，在於 不裔控制雷跋+、 刊包路之週邊部的4個角落部分分別設置霍 元件。 …=明專利範圍第1項之具有指示器控制電路之磁感 ，測裔’其中’於1C製程中，將霍爾元件加以嵌製。 3·如:請專利範圍第1項之具有指示器控制電路之磁感 則态其中’將磁性敏感度較低之材料製作的霍爾元件 與放大該霍爾元件之檢測電壓的放大器予以近接配 置’且於指示器控制電路之IC製程中嵌製成為一體 者。 且 4·-種資訊機器，係含有具備如申請專利範圍帛i項至第 3項之具有指不器控制電路之磁感測器之指示器裝置。 3)4801 18