(57)【要約】【課題】磁気センサ装置における磁電変換素子、増幅器、比較器の各オフセット電圧の影響を抑制し、かつ任意の検出磁界強度を設定し、正確な磁気読み取りを可能にする。【解決手段】  磁電変換素子の電源電圧が印加される端子対と磁界強度の検出電圧を出力する端子対とを切り替え制御するスイッチ切替回路と、検出電圧を差動増幅する差動増幅器と、差動増幅器の第一出力端子に接続された第一容量と、差動増幅器の第二出力端子に接続された第二スイッチと、第一容量と第一入力端子が接続され第二スイッチと第二入力端子が接続された比較器と、比較器の第一入力端子と出力端子との間に接続された第一スイッチと、比較器の第二入力端子に接続された第二容量と、第二容量に接続された検出電圧設定回路を備える。【選択図】図１
2010281801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁電変換素子に印加される磁界強度に応じて論理出力を行う磁気センサ装置であって、
前記磁電変換素子の第一端子対および第二端子対が接続され、電源電圧が印加される端子対と磁界強度の検出電圧を出力する端子対とを切り替え制御し、前記検出電圧を出力する第一出力端子及び第二出力端子を有するスイッチ切替回路と、
前記スイッチ切換回路の第一出力端子及び第二出力端子が各々第一入力端子及び第二入力端子に接続され、前記検出電圧を差動増幅した結果を出力する第一出力端子及び第二出力端子を有する差動増幅器と、
前記差動増幅器の第一出力端子と一方の端子が接続された第一容量と、
前記差動増幅器の第二出力端子と一方の端子が接続された第二スイッチと、
前記第一容量の他方の端子と第一入力端子が接続され、前記第二スイッチの他方の端子と第二入力端子が接続され、該入力端子に入力される電圧の比較結果を出力端子に出力する比較器と、
前記比較器の第一入力端子と出力端子との間に接続された第一スイッチと、
前記比較器の第二入力端子に一端が接続された第二容量と、
前記第二容量の他方の端子に接続された検出電圧設定回路と、
を備えることを特徴とする磁気センサ装置。
【請求項２】
前記検出電圧設定回路は、電源端子と接地端子の間に直列に接続される第一抵抗、第二抵抗、及び第三抵抗を有するブリーダ抵抗と、
前記第一抵抗と前記第二抵抗の接続点と、前記第二容量の他方の端子の間に設けられた第三スイッチと、
前記第二抵抗と前記第三抵抗の接続点と、前記第二容量の他方の端子の間に設けられた第四スイッチと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ装置。
【請求項３】
前記検出電圧設定回路は、
さらに前記ブリーダ抵抗に第四抵抗を有し、
前記第三抵抗と前記第四抵抗の接続点と、前記第二容量の他方の端子の間に設けられた第五スイッチを備えることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ装置。
【請求項４】
前記スイッチ切替回路は、
前記磁電変換素子の第一端子対に電源電圧を入力し、第二端子対から検出電圧を出力する第一検出状態と、
前記磁電変換素子の第二端子対に電源電圧を入力し、第一端子対から検出電圧を出力する第二検出状態と、
を切り替え機能を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ装置。
【請求項５】
前記第一検出状態において、前記第一スイッチ、前記第二スイッチ、及び前記第三スイッチが閉じ、前記第四スイッチが開いている第一サンプルフェーズと、
前記第二検出状態において、前記第二スイッチ、及び前記第三スイッチが閉じ、前記第一スイッチ、及び前記第四スイッチが開いている第二サンプルフェーズと、
前記第二検出状態において、前記第一スイッチ、前記第二スイッチ、及び前記第三スイッチが開き、前記第四スイッチが閉じている比較フェーズと、
によって前記磁電変換素子に印加される磁界強度に応じて論理出力を行うことを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ装置。
【請求項６】
前記第一検出状態において、前記第一スイッチ、前記第二スイッチ、及び前記第三スイッチが閉じ、前記第四スイッチが開いている第一サンプルフェーズと、
前記第二検出状態において、前記第一スイッチ、前記第二スイッチ、及び前記第三スイッチが開き、前記第四スイッチが閉じている比較フェーズと、
によって前記磁電変換素子に印加される磁界強度に応じて論理出力を行うことを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界強度を電気信号に変換する磁気センサ装置に関し、例えば折りたたみ式携帯電話機やノートパソコン等における開閉状態検知用センサ、またはモータの回転位置検知センサに利用される磁気センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
折りたたみ式携帯電話機やノートパソコン等における開閉状態検知用センサとして、またモータの回転位置検知センサとして磁気センサ装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。その磁気センサ装置の回路図を図７に示す。
【０００３】
磁気センサ装置は、磁電変換素子（例えばホール素子）によって磁界強度または磁束密度に比例した電圧を出力し、その出力電圧を増幅器で増幅し、比較器を用いて判定する（Ｈ信号かＬ信号の二値で出力する）。磁電変換素子の出力電圧は微小であるため、磁電変換素子が持つオフセット電圧（素子オフセット電圧）や、増幅器や比較器が持つオフセット電圧（入力オフセット電圧）、または変換装置内のノイズが問題となる。素子オフセット電圧は、主に磁電変換素子がパッケージから受ける応力等により発生する。入力オフセット電圧は、主に増幅器の入力回路を構成する素子の特性ばらつき等により発生する。ノイズは、主に回路を構成する単体トランジスタが持つフリッカ雑音、単体トランジスタや抵抗素子が持つ熱雑音により発生する。
【０００４】
上述の磁電変換素子や増幅器が持つオフセット電圧の影響を低減するため、図７に示した磁気センサ装置は、以下の構成となっている。図７に示した磁気センサ装置は、ホール素子１と、ホール素子１の第一検出状態と第二検出状態とを切り替えるスイッチ切替回路２と、スイッチ切替回路２の二つの出力端子の電圧差（Ｖ１−Ｖ２）を増幅する差動増幅器３と、差動増幅器３の一方の出力端子が一端に接続される容量Ｃ１と、差動増幅器３の他方の出力端子と容量Ｃ１の他端との間に接続されるスイッチＳ１と、比較器４とを有する構成となっている。ここで、第一検出状態は、端子ＡとＣから電源電圧を入力し、端子ＢとＤから検出電圧を出力する。また、第二検出状態は、端子ＢとＤから電源電圧を入力し、端子ＡとＣから検出電圧を出力する。
【０００５】
磁電変換素子の差動出力電圧をＶｈ、差動増幅器の増幅率をＧ、差動増幅器の入力オフセット電圧をＶｏａとする。第一検出状態では、スイッチＳ１がＯＮし、容量Ｃ１にＶｃ１＝（Ｖ３−Ｖ４）＝Ｇ（Ｖｈ１＋Ｖｏａ）が充電される。続いて第二検出状態では、スイッチＳ１がＯＦＦし、Ｖｃ２＝（Ｖ３−Ｖ４）＝Ｇ（−Ｖｈ２＋Ｖｏａ）が出力される。ここで、Ｖ５−Ｖ６＝Ｖ３−Ｖｃ１−Ｖ４＝Ｖｃ２−Ｖｃ１＝−Ｇ（Ｖｈ１＋Ｖｈ２）となり、入力オフセット電圧の影響が相殺される。また、磁電変換素子の検出電圧Ｖｈ１とＶｈ２は、一般に同相の有効信号成分と逆相の素子オフセット成分とを持つため、上述の出力電圧は素子オフセット成分の影響も取り除かれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３３７１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したような従来の磁気センサ装置では、後段に接続される比較器４の入力オフセット電圧を取り除くことができず、検出磁界強度にばらつきが生じるという課題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、比較的簡単な回路構成で素子オフセット電圧と、増幅器および比較器の入力オフセット電圧の影響を取り除き、磁界強度を高精度に検出できる磁気センサ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来のこのような問題点を解決するために、本発明の磁気センサ装置は以下のような構成とした。
【００１０】
磁電変換素子の第一端子対および第二端子対が接続され、電源電圧が印加される端子対と磁界強度の検出電圧を出力する端子対とを切り替え制御し、検出電圧を出力する第一出力端子及び第二出力端子を有するスイッチ切替回路と、スイッチ切換回路の第一出力端子及び第二出力端子が各々第一入力端子及び第二入力端子に接続され、検出電圧を差動増幅した結果を出力する第一出力端子及び第二出力端子を有する差動増幅器と、差動増幅器の第一出力端子と一方の端子が接続された第一容量と、差動増幅器の第二出力端子と一方の端子が接続された第二スイッチと、第一容量の他方の端子と第一入力端子が接続され、第二スイッチの他方の端子と第二入力端子が接続され、該入力端子に入力される電圧の比較結果を出力端子に出力する比較器と、比較器の第一入力端子と出力端子との間に接続された第一スイッチと、比較器の第二入力端子に一端が接続された第二容量と、第二容量の他方の端子に接続された検出電圧設定回路と、を備える磁気センサ装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の磁気センサ装置によれば、スイッチと容量を有効的に活用することにより簡便な回路構成で、磁気センサ装置を構成する磁電変換素子、差動増幅器、比較器において発生するオフセット成分を取り除くことが可能とる。また、磁界強度の検出電圧レベルを精度よく設定することが出来る。従って、高精度な磁界強度の検出を可能とする磁気センサ装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の磁気センサ装置の回路図である。
【図２】本発明の磁気センサ装置のスイッチ制御信号のタイミングチャートの一例である。
【図３】本発明の磁気センサ装置のスイッチ制御信号のタイミングチャートの他の例である。
【図４】本発明の磁気センサ装置の差動増幅器の一例を示す回路図である。
【図５】本発明の磁気センサ装置の差動増幅器の他の例を示す回路図である。
【図６】本発明の磁気センサ装置のアナログスイッチの一例を示す回路図である。
【図７】従来の磁気センサ装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。本発明の磁気センサ装置は、折りたたみ式携帯電話機やノートパソコン等における開閉状態検知センサや、モータの回転位置検知センサなど、磁界強度の状態を検知するセンサとして幅広く利用されている。以下の実施形態では、磁電変換素子を用いた磁気センサ装置について説明するが、本発明の変換装置は磁界強度に応じて電圧出力を行う磁電変換素子の代わりに、加速度や圧力などに応じて同様に電圧出力がなされる変換素子を用いることもできる。
【００１４】
図１は、本発明の磁気センサ装置の回路図である。本発明の磁気センサ装置は、磁電変換素子であるホール素子１と、スイッチ切替回路２と、差動増幅器３と、比較器４と、検出電圧設定回路５と、第一容量Ｃ１及び第二容量Ｃ２と、第一スイッチＳ１及び第二スイッチＳ２と、を備える。
【００１５】
ホール素子１は、第一端子対Ａ―Ｃと第二端子対Ｂ―Ｄとを有する。スイッチ切替回路２は、ホール素子１の各端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤと接続される４つの入力端子と、第一出力端子及び第二出力端子を有する。差動増幅器３は、スイッチ切換回路２の第一出力端子及び第二出力端子が各々接続される第一入力端子及び第二入力端子と、第一出力端子及び第二出力端子とを有する。第一容量Ｃ１は、差動増幅器３の第一出力端子に一方の端子が接続される。第二スイッチＳ２は、差動増幅器３の第二出力端子に一方の端子が接続される。比較器４は、第一入力端子に第一容量Ｃ１の他方の端子が接続され、第二入力端子に第二スイッチＳ２の他方の端子が接続され、それぞれに入力される電圧の比較結果を出力端子に出力する。第一スイッチＳ１は、比較器４の第一入力端子と出力端子との間に接続される。第二容量Ｃ２は、比較器４の第二入力端子に一方の端子が接続される。検出電圧設定回路５は、第二容量Ｃ２の他方の端子に接続される。検出電圧設定回路５は、電源端子ＶＤＤと接地端子ＧＮＤの間に接続されるブリーダ抵抗と、各抵抗の接続点と第二容量Ｃ２の他方の端子とを接続するスイッチ回路を有している。
【００１６】
スイッチ切替回路２は、ホール素子１の第一端子対Ａ―Ｃに電源電圧を入力し、第二端子対Ｂ―Ｄから検出電圧を出力する第一検出状態と、第二端子対Ｂ―Ｄに電源電圧を入力し、第一端子対Ａ―Ｃから検出電圧を出力する第二検出状態とを切り替える機能を有する。
【００１７】
差動増幅器３は、図４に示したようなインスツルメンテーションアンプ構成をしている。差動増幅器３は、差動増幅器１１、１２と抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３を備える。差動増幅器１１及び１２は、それぞれ非反転増幅器として動作する。差動増幅器３の第一入力端子が差動増幅器１１の非反転入力端子に接続され、第二入力端子が差動増幅器１２の非反転入力端子に接続され、第一出力端子が差動増幅器１１の出力端子に接続され、第二出力端子が差動増幅器１２の出力端子に接続される。差動増幅器３は、このようなインスツルメンテーションアンプ構成とすることにより、差動入力における同相ノイズの影響を抑制することが可能となる。ここで、差動増幅器１１及び１２の増幅率が等しく設定されているとする。
【００１８】
スイッチＳ１及びＳ２は、図６に示すようなアナログスイッチを用いる。アナログスイッチは、入力端子と出力端子の間に直列に接続された２つのトランスミッションゲートで構成される。入力端子側のトランスミッションゲートは、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１とＰＭＯＳトランジスタＭ３２で構成される。出力端子側のトランスミッションゲートは、各々のソースとドレインを短絡したＮＭＯＳトランジスタＭ３３及びＰＭＯＳトランジスタＭ３４で構成される。ここで、ＮＭＯＳトランジスタＭ３３は、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１と等しいＬ長、半分のＷ長に設定する。同様に、ＰＭＯＳトランジスタＭ３４は、ＰＭＯＳトランジスタＭ３２と等しいＬ長、半分のＷ長に設定する。そして、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１とＰＭＯＳトランジスタＭ３４のゲートには信号ΦＡが入力され、ＰＭＯＳトランジスタＭ３２とＮＭＯＳトランジスタＭ３３のゲートには信号ΦＡを反転した信号が入力される。ここで、図６で示すアナログスイッチは、出力端子側にノイズを発生させないので、第一スイッチＳ１は第一容量Ｃ１側が出力端子とし、第二スイッチＳ２は第二容量Ｃ２側が出力端子とする。
【００１９】
次に、本発明の磁気センサ装置の動作を説明する。第一の実施形態として、差動増幅器３は図４の構成として、図２のスイッチ制御信号のタイミングチャートで各スイッチが駆動されるものとする。
【００２０】
検出動作の一周期Ｔは、上述のスイッチ切替回路２の動作によって、第一検出状態Ｔ１と第二検出状態Ｔ２とに分かれている。また、各スイッチの開閉によって第１サンプルフェーズＦ１、第２サンプルフェーズＦ２、比較フェーズＦ３に分かれている。第１サンプルフェーズＦ１は、ホール素子１、差動増幅器３、比較器４のオフセット成分を容量Ｃ１及びＣ２に記憶する。第２サンプルフェーズＦ２は、磁界強度の検出電圧レベル設定の準備をする。比較フェーズＦ３は、磁界強度に応じて決まる電圧と検出電圧レベルとの比較を行う。
【００２１】
第１サンプルフェーズＦ１では、ホール素子１は第一検出状態Ｔ１になり、スイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３はＯＮする。Ｓ１がＯＮすることで、比較器４はボルテージフォロア回路として動作する。従って、容量Ｃ１には電圧Ｖ３と電圧Ｖ５の差分ΔＣ１が充電される。
【００２２】
ΔＣ１＝Ｖ３−Ｖ５・・・（１）
第２サンプルフェーズＦ２では、ホール素子１は第二検出状態Ｔ２になり、スイッチＳ１がＯＦＦする。容量Ｃ１にはΔＣ１が保持されているので、電圧Ｖ５は式（２）で表される。
【００２３】
Ｖ５＝Ｖ３−ΔＣ１・・・（２）
また容量Ｃ２には電圧Ｖ６と電圧Ｖ８の差分ΔＣ２が充電される。
【００２４】
ΔＣ２＝Ｖ６−Ｖ８＝Ｖ６−Ｖｒ１・・・（３）
比較フェーズＦ３では、スイッチＳ２とＳ３がＯＦＦし、スイッチＳ４ａがＯＮする。そうすると、容量Ｃ２にはΔＣ２が保持されるため、電圧Ｖ６は式（４）で表される。
【００２５】
Ｖ６＝Ｖ８＋ΔＣ２＝Ｖｒ２＋ΔＣ２・・・（４）
最終的に、式（２）で表される電圧Ｖ５と式（４）で表される電圧Ｖ６の電圧が比較器４において比較され、Ｈ信号（ＶＤＤ）またはＬ信号（ＧＮＤ）が出力される。
【００２６】
次に、ホール素子１の出力端子対における差動出力電圧をＶｈ、同相電圧をＶｃｍ（≒ＶＤＤ/２）、差動増幅器３の増幅率をＧとして、有効信号成分の伝達について説明する。上述の式（１）〜（４）に基づいて算出する。
第１サンプルフェーズＦ１では、各ノードの電圧は以下となる。
【００２７】
Ｖ１＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２、Ｖ２＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２・・・（５）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋ＧＶｈ/２、Ｖ４＝Ｖｃｍ−ＧＶｈ/２・・・（６）
Ｖ５＝Ｖ７＝Ｖ６＝Ｖ４＝Ｖｃｍ−ＧＶｈ/２・・・（７）
ΔＣ１＝Ｖ３−Ｖ５＝ＧＶｈ・・・（８）
第２サンプルフェーズＦ２では、各ノードの電圧は以下となる。
【００２８】
Ｖ１＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２、Ｖ２＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２・・・（９）
Ｖ３＝Ｖｃｍ−ＧＶｈ/２、Ｖ４＝Ｖｃｍ＋ＧＶｈ/２・・・（１０）
Ｖ５＝Ｖ３−ΔＣ１＝Ｖｃｍ−３ＧＶｈ/２・・・（１１）
ΔＣ２＝Ｖ６−Ｖ８＝Ｖｃｍ＋ＧＶｈ/２−Ｖｒ１・・・（１２）
比較フェーズＦ３では、各ノードの電圧は以下となる。
【００２９】
Ｖ５＝Ｖｃｍ−３ＧＶｈ/２・・・（１３）
Ｖ６＝Ｖｒ２＋ΔＣ２＝Ｖｃｍ＋ＧＶｈ/２＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（１４）
Ｖ６−Ｖ５＝２ＧＶｈ＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（１５）
従って、比較フェーズＦ３で比較器４において、信号成分２ＧＶｈとブリーダ抵抗の抵抗比で決まる検出電圧成分（Ｖｒ１−Ｖｒ２）が比較される。
【００３０】
次に、ホール素子１の素子オフセット電圧をＶｏｈとして同様の計算を行う。上述の計算ではホール素子１の出力電圧成分が第一検出状態と第二検出状態とで逆相としているため、素子オフセット成分は同相となる。
第１サンプルフェーズＦ１では、各ノードの電圧は以下となる。
【００３１】
Ｖ１＝Ｖｃｍ＋Ｖｏｈ/２、Ｖ２＝Ｖｃｍ−Ｖｏｈ/２・・・（１６）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏｈ/２、Ｖ４＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２・・・（１７）
Ｖ５＝Ｖ７＝Ｖ６＝Ｖ４＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２・・・（１８）
ΔＣ１＝Ｖ３−Ｖ５＝ＧＶｏｈ・・・（１９）
第２サンプルフェーズＦ２では、各ノードの電圧は以下となる。
【００３２】
Ｖ１＝Ｖｃｍ＋Ｖｏｈ/２、Ｖ２＝Ｖｃｍ−Ｖｏｈ/２・・・（２０）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏｈ/２、Ｖ４＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２・・・（２１）
Ｖ５＝Ｖ３−ΔＣ１＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２・・・（２２）
ΔＣ２＝Ｖ６−Ｖ８＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２−Ｖｒ１・・・（２３）
比較フェーズＦ３では、各ノードの電圧は以下となる。
【００３３】
Ｖ５＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２・・・（２４）
Ｖ６＝Ｖｒ２＋ΔＣ２＝Ｖｃｍ−ＧＶｏｈ/２＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（２５）
Ｖ６−Ｖ５＝Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（２６）
従って、比較フェーズＦ３において素子オフセット成分は取り除かれる。
【００３４】
次に、差動増幅器３の第一入力端子における入力オフセット電圧をＶｏａ１、第二入力端子における入力オフセット電圧をＶｏａ２、比較器４の入力オフセット電圧をＶｏａ３として同様の計算を行う。
第１サンプルフェーズＦ１では、各ノードの電圧は以下となる。
【００３５】
Ｖ１＝Ｖｃｍ、Ｖ２＝Ｖｃｍ・・・（２７）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ１、Ｖ４＝Ｖ６＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２・・・（２８）
Ｖ５＝Ｖ７＝Ｖ６＋Ｖｏａ３＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（２９）
ΔＣ１＝Ｖ３−Ｖ５＝ＧＶｏａ１−ＧＶｏａ２−Ｖｏａ３・・・（３０）
第２サンプルフェーズＦ２では、各ノードの電圧は以下となる。
【００３６】
Ｖ１＝Ｖｃｍ、Ｖ２＝Ｖｃｍ・・・（３１）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ１、Ｖ４＝Ｖ６＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２・・・（３２）
Ｖ５＝Ｖ３−ΔＣ１＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（３３）
ΔＣ２＝Ｖ６−Ｖ８＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２−Ｖｒ１・・・（３４）
比較フェーズＦ３では、各ノードの電圧は以下となる。
【００３７】
Ｖ５＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（３５）
Ｖ６＝Ｖｒ２＋ΔＣ２＝Ｖｃｍ＋ＧＶｏａ２＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（３６）
ここで、比較時における比較器４の入力オフセット成分を考慮する、すなわち比較時にはＶ６にＶｏａ３を加算して比較される。
【００３８】
（Ｖ６＋Ｖｏａ３）−Ｖ５＝Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（３７）
従って、比較フェーズＦ３において差動増幅器３および比較器４の入力オフセット成分は取り除かれる。
【００３９】
以上をまとめると、上述式（１５）、（２６）、（３７）で示されるように、本発明の磁気センサ装置では、ホール素子１、差動増幅器３、比較器４において発生する全てのオフセット成分を取り除くことが出来る。また、磁界強度の検出電圧レベルをブリーダ抵抗の抵抗比のみで任意に設定することができる。結果として、磁電変換素子で検出される信号成分のみが上述のブリーダ抵抗の抵抗比で設定した検出電圧と比較され、高精度の磁界強度の検出が実現される。
【００４０】
なお、上述のホール素子１の同相電圧を、第一検出状態と第二検出状態とで共通の同相電圧Ｖｃｍとしたが、異なる電圧であっても同様の結果となる。
【００４１】
また、本発明の磁気センサ装置は、比較器４の各々入力端子に容量Ｃ１及びＣ２が接続される構成なので、各々入力端子に接続されるスイッチが開閉する瞬間のクロックフィードスルーノイズやチャージインジェクションノイズの影響を抑制することが出来る。更に、スイッチＳ１及びＳ２は、図６に示すアナログスイッチを用いているので、上記ノイズの影響をさらに抑制することができる。従って、磁気センサ装置は高精度な磁界強度の検出が可能となる。また、図６に示すアナログスイッチは、スイッチＳ３、Ｓ４ａ、Ｓ４ｂに用いても良い。
【００４２】
次に、本発明の磁気センサ装置の動作を、差動増幅器３が図５の構成であるとして説明する。
【００４３】
図５に示す差動増幅器３は、差動増幅器２１、２２と抵抗Ｒ２１、Ｒ２２を備える。差動増幅器２１は非反転増幅器として、差動増幅器２２はボルテージフォロアとして動作する。差動増幅器３の第一入力端子が差動増幅器２１の非反転入力端子に接続され、第二入力端子が差動増幅器２２の非反転入力端子に接続され、第一出力端子が差動増幅器２１の出力端子に接続され、第二出力端子が差動増幅器２２の出力端子に接続される。本構成において、上述の式（５）〜（３７）で示された計算を、有効信号成分と各オフセット成分を混合した形で同様に行う。
第１サンプルフェーズＦ１では、各ノードの電圧は以下となる。
【００４４】
Ｖ１＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２・・・（３８）
Ｖ２＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２・・・（３９）
Ｖ３＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２
＋Ｇ（Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）・・・（４０）
Ｖ４＝Ｖ６＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２・・・（４１）
Ｖ５＝Ｖ７＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（４２）
ΔＣ１＝Ｇ（Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）−Ｖｏａ３・・・（４３）
第２サンプルフェーズＦ２では、各ノードの電圧は以下となる。
【００４５】
Ｖ１＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２・・・（４４）
Ｖ２＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２・・・（４５）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２
＋Ｇ（−Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）・・・（４６）
Ｖ４＝Ｖ６＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２・・・（４７）
Ｖ５＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２−２ＧＶｈ＋Ｖｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（４８）
ΔＣ２＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２−Ｖｒ１・・・（４９）
比較フェーズＦ３では、各ノードの電圧は以下となる。
【００４６】
Ｖ５＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２−２ＧＶｈ＋Ｖｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（５０）
Ｖ６＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（５１）
ここで、比較時における比較器４の入力オフセット成分を考慮する、すなわち比較時には電圧Ｖ６に電圧Ｖｏａ３を加算して比較される。
【００４７】
（Ｖ６＋Ｖｏａ３）−Ｖ５＝２ＧＶｈ＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（５２）
従って、比較フェーズＦ３において信号成分２ＧＶｈとブリーダ抵抗における抵抗比で決まる検出電圧成分（Ｖｒ１−Ｖｒ２）が比較される。すなわち、差動増幅器３は、図５の構成であっても、同様の効果が得られる。
【００４８】
ここで、比較フェーズＦ３におけるノード電圧Ｖ５とＶ６は、式（５０）、（５１）から分かるように、差動増幅器３によって増幅されたオフセット成分は含まれない。従って、比較時に比較器４の各々入力端子に増幅されたオフセット成分が存在しないため、比較器４の同相入力電圧範囲を有効に活用することができる。このことは、より低電源電圧の環境下においても磁気センサ装置の正常動作が可能となることをも示す。
【００４９】
なお、ホール素子１の同相電圧を第一検出状態と第二検出状態とで共通の同相電圧Ｖｃｍとしたが、異なる同相電圧であっても、比較される成分に影響はなく、同様の結果となる。
【００５０】
次に、図３に示すスイッチ制御信号で動作する場合について説明する。図３に示すタイミングチャートでは、検出動作の一周期Ｔは、各スイッチの開閉によって第１サンプルフェーズＦ１と比較フェーズＦ３に分かれている。第１サンプルフェーズＦ１は、ホール素子１、差動増幅器３、比較器４のオフセット成分を容量Ｃ１及びＣ２に記憶する。比較フェーズＦ３は、磁界強度に応じて決まる電圧と検出電圧レベルとの比較を行う。
【００５１】
第１サンプルフェーズＦ１では、ホール素子１は第一検出状態Ｔ１になり、スイッチＳ１、Ｓ２およびＳ３はＯＮする。Ｓ１がＯＮすることで、比較器４はボルテージフォロア回路として動作する。従って、容量Ｃ１には電圧Ｖ３と電圧Ｖ５の差分ΔＣ１が充電される。
【００５２】
ΔＣ１＝Ｖ３−Ｖ５・・・（５３）
また容量Ｃ２には電圧Ｖ６と電圧Ｖ８の差分ΔＣ２が充電される。
【００５３】
ΔＣ２＝Ｖ６−Ｖ８＝Ｖ６−Ｖｒ１・・・（５４）
比較フェーズＦ３では、ホール素子１は第二検出状態Ｔ２になり、スイッチＳ１がＯＦＦする。容量Ｃ１にはΔＣ１が保持されているので、電圧Ｖ５は式（５５）で表される。
【００５４】
Ｖ５＝Ｖ３−ΔＣ１・・・（５５）
同時にスイッチＳ２、Ｓ３がＯＦＦし、スイッチＳ４ａがＯＮする。すると容量Ｃ２にはΔＣ２が保持されているので、電圧Ｖ６は式（５６）で表される。
【００５５】
Ｖ６＝Ｖ８＋ΔＣ２＝Ｖｒ２＋ΔＣ２・・・（５６）
従って、式（５５）で表される電圧Ｖ５と式（５６）で表される電圧Ｖ６が比較器４において比較され、Ｈ信号（ＶＤＤ）またはＬ信号（ＧＮＤ）が出力される。
【００５６】
次に、ホール素子１の出力端子対における差動出力電圧をＶｈ、同相電圧をＶｃｍ（≒ＶＤＤ/２）、素子オフセット電圧をＶｏｈ、差動増幅器３の増幅率をＧ、第一入力端子における入力オフセット電圧をＶｏａ１、第二入力端子における入力オフセット電圧をＶｏａ２、比較器４の入力オフセット電圧をＶｏａ３として、信号伝達の計算を行う。上述の式（５３）〜（５６）に基づいて算出する。なお、ホール素子１の出力電圧成分を第一検出状態Ｔ１と第二検出状態Ｔ２で逆相とするため、素子オフセット成分は同相となる。
第１サンプルフェーズＦ１では、各ノードの電圧は以下となる。
【００５７】
Ｖ１＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２・・・（５７）
Ｖ２＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２・・・（５８）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋Ｇ（Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ１）・・・（５９）
Ｖ４＝Ｖ６＝Ｖｃｍ＋Ｇ（−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２）・・・（６０）
Ｖ５＝Ｖ７＝Ｖｃｍ＋Ｇ（−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２）＋Ｖｏａ３
・・・（６１）
ΔＣ１＝Ｇ（Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）−Ｖｏａ３・・・（６２）
ΔＣ２＝Ｖｃｍ＋Ｇ（−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２）−Ｖｒ１・・・（６３）
比較フェーズＦ３では、各ノードの電圧は以下となる。
【００５８】
Ｖ１＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２・・・（６４）
Ｖ２＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２・・・（６５）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋Ｇ（−Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ１）・・・（６６）
Ｖ５＝Ｖｃｍ＋Ｇ（−３Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２）＋Ｖｏａ３・・・（６７）
Ｖ６＝Ｖｃｍ＋Ｇ（−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２）＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（６８）
ここで、比較時における比較器４の入力オフセット成分を考慮する、すなわち比較時には電圧Ｖ６に電圧Ｖｏａ３を加算して比較される。
【００５９】
（Ｖ６＋Ｖｏａ３）−Ｖ５＝ＧＶｈ＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（６９）
従って、比較フェーズＦ３において信号成分ＧＶｈとブリーダ抵抗における抵抗比で決まる検出電圧成分（Ｖｒ１−Ｖｒ２）が比較される。図２のタイミングチャートの場合と比較すると、有効信号成分が半分の大きさにはなるが、第２サンプルフェーズＦ２が不要となるメリットがある。
【００６０】
また、上述の式（５７）〜（６９）の計算では、差動増幅器３は図４のインスツルメンテーションアンプ構成を用いた場合を想定しているが、図５の回路構成を用いてもよい。この場合の計算も同様に行うと以下のように示される。
第１サンプルフェーズＦ１では、各ノードの電圧は以下となる。
【００６１】
Ｖ１＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２・・・（７０）
Ｖ２＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２・・・（７１）
Ｖ３＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２
＋Ｇ（Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）・・・（７２）
Ｖ４＝Ｖ６＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２・・・（７３）
Ｖ５＝Ｖ７＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（７４）
ΔＣ１＝Ｇ（Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）−Ｖｏａ３・・・（７５）
ΔＣ２＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２−Ｖｒ１・・・（７６）
比較フェーズＦ３では、各ノードの電圧は以下となる。
【００６２】
Ｖ１＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２＋Ｖｏｈ/２・・・（７７）
Ｖ２＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２・・・（７８）
Ｖ３＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２
＋Ｇ（−Ｖｈ＋Ｖｏｈ＋Ｖｏａ１−Ｖｏａ２）・・・（７９）
Ｖ５＝Ｖｃｍ＋Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２−２ＧＶｈ＋Ｖｏａ２＋Ｖｏａ３・・・（８０）
Ｖ６＝Ｖｃｍ−Ｖｈ/２−Ｖｏｈ/２＋Ｖｏａ２＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（８１）
ここで、比較時における比較器４の入力オフセット成分を考慮する、すなわち比較時には電圧Ｖ６に電圧Ｖｏａ３を加算して比較される。
【００６３】
（Ｖ６＋Ｖｏａ３）−Ｖ５＝（２Ｇ−１）Ｖｈ＋Ｖｒ２−Ｖｒ１・・・（８２）
従って、比較フェーズＦ３において信号成分（２Ｇ−１）Ｖｈとブリーダ抵抗における抵抗比で決まる検出電圧成分（Ｖｒ１−Ｖｒ２）が比較される。
【００６４】
なお、図３に示すスイッチ制御信号で動作する場合には、ホール素子１の同相電圧を第一検出状態と第二検出状態とで共通の同相電圧Ｖｃｍとする必要がある。
【００６５】
以上、図２または図３のタイミングチャートを用いて説明した磁気センサ装置の駆動方法において、一つの検出周期Ｔは、Ｓ極またはＮ極のどちらか一つの磁気強度を検知する。従って、Ｓ極とＮ極の両方の磁気強度を検知する場合は、検出周期Ｔを２回繰り返す。ここで、Ｓ極とＮ極とでは、ホール素子１の出力端子対に出力される差動検出電圧Ｖｈが逆相になる。すなわち、比較器４に入力される信号成分は、Ｓ極とＮ極を検知する場合で符号が逆転する。従って、検出電圧設定回路５で設定する検出電圧も、電圧が同じで符号が逆の検出電圧を必要とする。しかしながら、電圧が同じで符号が逆の検出電圧を出力するようにブリーダ抵抗を構成とした場合、抵抗の製造バラツキが検出電圧に影響を及ぼす可能性がある。
【００６６】
そこで、スイッチ切替回路２は、Ｓ極とＮ極の検出において、ホール素子１の出力端子対と差動増幅器３の入力端子の接続が入れ替わるように制御する。このようにスイッチ切替回路２が制御することで、検出電圧設定回路５で設定する検出電圧も、符号が逆の検出電圧を必要としないので、図１の回路構成とすることが出来る。従って、抵抗回路は半分で構成することが出来、抵抗の製造バラツキが検出電圧に影響を及ぼすこともない。
【００６７】
また、検出電圧設定回路５のスイッチＳ４ｂは検出電圧にヒステリシスを設けるために備えている。スイッチＳ４ａによって設定された磁界強度が検出された場合、次の検出周期Ｔの比較フェーズＦ３でＯＮするスイッチがＳ４ｂに変更される。同様に、磁界強度の検出が解除された場合、次の検出周期Ｔの比較フェーズＦ３でＯＮするスイッチがＳ４ａに変更される。これにより磁界強度検出、解除時におけるチャタリングを抑制することができる。
【００６８】
また、検出電圧設定回路５の各スイッチは、ホール素子１から出力される有効信号成分の符号に応じてＧＮＤ側からＳ３、Ｓ４ｂ、Ｓ４ａの順序で接続する場合もある。
【００６９】
さらには、本発明における磁気センサ装置は、交番検知（たとえばモータの回転検知）用途に使用することもできる。交番検知は一方（例えばＳ極）の極性のみの検知を行う状態から、その一方の極性が検知されると他方（Ｎ極）の極性のみの検知を行う状態に切り換わる磁気センサ装置である。
【００７０】
また、図２または図３のタイミングチャートにおいて、検出周期Ｔと検出周期Ｔの間に一定期間のスタンバイ期間を設け、磁気センサ装置の平均消費電流を抑える駆動方法とした場合でも、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７１】
１  ホール素子
２  スイッチ切替回路
３  差動増幅器
４  比較器
５  検出電圧設定回路
１１、１２、２１、２２  差動増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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