(57)【要約】【課題】高ＳＮＲと高速応答性を両立させた磁気検出装置を提供すること。【解決手段】ホール素子の駆動方向を縦方向と横方向の間で、繰り返し規則的に切り替えるのではなく、ＰＮ符号発生器と呼ばれるランダムな２値信号を生成する回路からの切り換え信号を用いて、ホール起電力信号をランダムに変調し、ホール起電力信号をＤＣ帯域から周波数ｆChopにわたる広い帯域にスペクトル拡散する。この拡散された信号を増幅し、増幅された信号を、この切り換え信号を使用して復調する。復調された信号をローパス・フィルタを介して出力し、スペクトル拡散されたホール起電力信号に重畳されているオフセット、およびスペクトル拡散されたホール起電力信号ラインに飛び込んだ各種のノイズ成分が除去されたホール起電力信号を得る。これにより、ノイズ成分を除去しながらも、ホール起電力の帯域幅に合わせた帯域幅のローパス・フィルタを使用することができる。【選択図】図６
2008286695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２対の対向する端子を有するホール素子と、
前記ホール素子用の電流源と、
差動入力信号を増幅し、差動出力信号を出力する差動増幅器と、
入力した切り換え信号にしたがって、前記ホール素子用の１対の対向する電極に対して前記電流源を前記２対の間で、切り換えて供給し、この切り換えに同期して、前記電流源が接続された対以外の対からのホール電圧を、そこに含まれるオフセット電圧の極性を変えないように切り換えて取り出し、取り出したホール起電力を前記差動増幅器の差動入力信号へ出力する第１のスイッチ手段と、
前記切り換え信号を入力し、前記第１のスイッチ手段に同期して切り換え動作するスイッチ手段であって、前記増幅器の差動出力信号を入力し、入力した反転および非反転の信号の間で切り替えて出力する第２のスイッチ手段と、
前記第２のスイッチ手段からの信号を低域濾波するローパス・フィルタと、
前記切り換え信号として、前記第２のスイッチ手段の入力信号のスペクトルを拡散させる信号を供給するランダムな切り換え信号発生手段と
を備えたことを特徴とする磁気検出装置。
【請求項２】
前記ランダムな切り換え信号発生手段は、擬似ランダム符号発生器であることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する２対の電極を有するホール素子を使用して、ホール素子がおかれた場所の磁界を検出する磁気検出装置に関する。より詳細には、ホール素子やそこからの信号を受けて増幅する増幅器などが受ける外乱ノイズを排除しながらも、高速応答性を有することが可能な磁気検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、ホール素子を使用した磁気検出の基本的な構成を示す図である。符号１１は、電源、符号１３は４端子のホール素子、符号１５は、差動入力差動出力の信号増幅器、符号１９は信号増幅された信号を処理してホール素子が検出した磁気を検出する検出部である。電源１１の電圧を対向する電極に印可し、もう一方の対向する電極からの信号を増幅する回路を示している。
【０００３】
しかしながら、現在においては、特にオフセットの問題が無視できない分野においては、通常、次の方法が採られている。その方法では、対向する２対の電極を有するホール素子を駆動するにあたっては２つの対向する電極を切り換えて何れか一方を駆動するが、このとき駆動方向を縦方向の向きと横方向の向きに交互に切り替えることにより、駆動に使用する対向する電極以外の電極からホール起電力の極性を交互に反転させて検出するという方法である（たとえば、特許文献１および２を参照）。このように、周波数ｆChopの切り換え信号を使用して、交互に切り換えてホール起電力を周波数ｆChopのＡＣ信号として、ホール起電力を変調して検出することにより、ホール起電力に重畳して出力されるホール素子のオフセット電圧の極性が結果として交互に反転することになり、その結果、オフセット電圧の影響を検出出力から除去することが可能となる。さらに、図１における増幅器のオフセット電圧も、同時に、同様な方法を使用して除去することも行われている（たとえば、特許文献２を参照）。
【０００４】
図２は、上述した駆動方法、たとえば特許文献２で開示された構成の動作を説明する図である。図１と同様な部分は、同じ符号で示している。この図は、上部の位相１（縦方向駆動）動作と下部の位相２（横方向駆動）動作が規則的に繰り返されることを示している。すなわち、切り換え信号入力にしたがって、ホール素子の駆動方向を縦方向、横方向の間で、規則的に切り替えると共に、信号増幅器の反転入力端子と非反転入力端子へ入力信号も同期して切り替えて入力することを示している。電源１１とホール素子１３および信号増幅器の間の接続を図示するように接続することにより、増幅器１５の出力では、位相１及び位相２においても、オフセット電圧は同じ極性となる。反対に、ホール素子からの磁界の強さに応じた信号成分は、位相１ではオフセット電圧の極性と反対の極性に、位相２ではオフセット電圧の極性と同じ極性になる。
【０００５】
復調器１６とは、ホール素子のオフセットに加えて、その前段の増幅器のオフセットをも除去するために設けられたものである。ここでは、ホール素子の駆動に同期して、入力の２端子と出力の２端子の間の接続の切り換え制御を行い、その出力を平滑化して得られる信号にホール素子と増幅器のオフセットの影響がないようにするためのものである。たとえば、位相１の場合に復調器の入出力間を平行に接続し、位相２の場合には、交差接続する。この詳細な説明は、以下で、図４を使用して詳細に説明する。
【０００６】
図３は、図２に示した動作をするための回路構成を示している。図１と同様な部分は、同じ符号で示している。ここで、スイッチ回路１４は、電源１１、ホール素子１３および信号増幅器１５の間の接続を、図２に示したように切り換えるスイッチ回路である、このスイッチ回路と復調器１６は、同じ切り換え信号（周波数ｆChop）で、原則的には同期して動作する。実際の場合には、スイッチ回路１４の制御遅れ、信号増幅器の伝搬遅延、復調器の制御遅れとが存在し、位相調整される必要がある。
【０００７】
図４は、図２および図３に示した構成における動作を示す図であり、ホール素子における磁界が一定の場合の、（ａ）のスイッチ回路を切り換える切り換え信号波形４１、（ｂ）の信号増幅器の出力波形４２、および（ｃ）の復調器出力信号波形４４と、この出力を平滑化して得られる信号波形４５の各信号波形の相互関係を示している。復調器の出力信号波形４４は、ローパス・フィルタ１７でフィルタ処理することにより、オフセットのリップル分が除去され、オフセット（正確には、ホール素子とその次段の増幅器のオフセット）が除去されたホール起電力信号波形４５に変換されることを示している。
【０００８】
信号増幅器の出力信号波形４２（点線）は、オフセット（正確には、ホール素子とその次段の増幅器のオフセット）４３を含み、このオフセット電位に対して、正負の方向に変位している。この図４において、信号増幅器の出力信号波形４２は、切り換え信号波形４１がＬのとき、この正のオフセット電圧と正のホール起電力とが加算された値を示し、切り換え信号がＨのとき、正のオフセット電位に対して負のホール起電力が重畳された値を示している。
【０００９】
スイッチ回路１４は、切り換え信号１８を入力して、ホール素子から発生させるホール起電力を、図４に示したように切り換えて出力する、すなわち、周波数ｆChopで変調する。復調器は、信号増幅器の出力を切り換え信号にしたがって、入力と出力の関係を切り替え、オフセット成分については反転・非反転を繰り返すが、ホール起電力については反転した信号を元の信号に戻す、復調動作を実行する。このとき、復調器の出力に、周波数ｆChopで変調されたホール起電力信号にオフセット（正確には、ホール素子のオフセットおよび信号増幅器オフセット）によるリップル分が重畳していても、復調器の出力をローパス・フィルタ１７で平滑化することで、このリップル分を除去することができる。このことは、復調後には、ホール起電力信号がＤＣ成分として検出されるのに対して、これらのオフセット成分は、復調器によって周波数ｆChopのＡＣ成分に変調されるため、復調器から出力される信号を、ローパス・フィルタを通過させることによって、ＤＣ成分が通過し、ＡＣ成分が除去されるからである。
【００１０】
オフセットについては、上記の方法で除去することが可能である。また、図３の構成において、信号増幅器のオフセットが無視することができる場合、復調器の機能も、スイッチ部に持たせ、復調器を削除することができること理解されよう。
【００１１】
【特許文献１】米国特許公報４０３７１５０号公報
【特許文献２】特開平０９−３２９４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図５の（ａ）は、上述した図３の構成における、信号増幅器１６の出力信号４２における、オフセット（正確にはホール素子と信号増幅器のオフセット）のスペクトル５１、外乱ノイズのスペクトル５３、およびホール起電力信号のスペクトル５２を示した図である。オフセットのスペクトル５１は、たとえば図４に示したように、スイッチ回路出力でも極性に変化はなく、ほぼＤＣ成分のままである。ホール起電力信号は、図４にも示すように、切り換え信号の周波数ｆChopの周波数に変換される。
【００１３】
図４に示した構成で、ホール素子を使用した磁場検出を行うときに、周波数ｆChop付近の周波数帯に外乱磁場の成分５３があり、これが信号増幅器の出力に重畳されている場合を考察する。
【００１４】
図５の（ｂ）は、復調器出力信号における、オフセットのスペクトル５１’、ホール起電力の信号のスペクトル５２’、外乱ノイズのスペクトル５３’を示す図である。周波数ｆChop付近の外乱磁場成分は、復調器出力の次段におかれるローパス・フィルタの帯域内（符号５５で示す）の周波数成分５３’に変換され、ローパス・フィルタ出力に外乱磁場成分の信号が残存することになる。このような外乱ノイズ成分は、ローパス・フィルタ１７のカットオフ周波数を下げて、これを通過帯域外としない限り、除去できないことになる。
【００１５】
こうした外乱ノイズの例としては、モーターを駆動するときに発生するスイッチング・ノイズなどがあり、このような場合、ホール素子を使用した信号検出が達成できるＳＮ比は、外乱ノイズの存在によって、限定されてしまうことになる。
【００１６】
ホール素子を用いて磁場の検出を行う場合、通常、ホール素子部において発生した微弱なホール起電力信号を信号増幅部で信号増幅する。この信号増幅されるまでの配線においては、通常、外界からの電磁的ノイズの影響を受ける。外界からの電磁的ノイズの影響を受ける環境下では、図３のような構成の磁気検出装置の場合、ホール起電力信号のＳＮ品質の劣化が見られる。
【００１７】
このため、微弱な磁場の検出を行うためには、信号増幅部の後に、ノイズを除去するためのローパス・フィルタを使用することになる。しかしながら、ノイズの除去のために帯域の狭いローパス・フィルタを使用すると、ローパス・フィルタによる信号処理遅延が生じてしまい、結果として、高ＳＮＲと高速応答性を両立させる磁場検出は、困難となる。
【００１８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高ＳＮＲと高速応答性を両立させた磁気検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明の磁気検出装置は、２対の対向する端子を有するホール素子と、前記ホール素子用の電流源と、差動入力信号を増幅し、差動出力信号を出力する差動増幅器と、入力した切り換え信号にしたがって、前記ホール素子用の１対の対向する電極に対して前記電流源を前記２対の間で、切り換えて供給し、この切り換えに同期して、前記電流源が接続された対以外の対からのホール電圧を、そこに含まれるオフセット電圧の極性を変えないように切り換えて取り出し、取り出したホール起電力を前記差動増幅器の差動入力信号へ出力する第１のスイッチ手段と、前記切り換え信号を入力し、前記第１のスイッチ手段に同期して切り換え動作するスイッチ手段であって、前記増幅器の差動出力信号を入力し、入力した反転および非反転の信号の間で切り替えて出力する第２のスイッチ手段と、前記第２のスイッチ手段からの信号を低域濾波するローパス・フィルタと、前記切り換え信号として、前記第２のスイッチ手段の入力信号のスペクトルを拡散させる信号を供給するランダムな切り換え信号発生手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気検出装置であって、前記ランダムな切り換え信号発生手段は、擬似ランダム符号発生器であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
上述したように、本発明は、ホール素子の駆動方向を縦方向と横方向の間で、繰り返し規則的に切り替えるのではなく、ＰＮ符号発生器と呼ばれるランダムな２値信号を生成する回路を用いて、ホール起電力信号をランダムに変調し、その結果、ホール起電力信号をＤＣ帯域から周波数ｆChopにわたる広い帯域にスペクトル拡散し、増幅し、増幅された信号を復調することを特徴とする。ここで、ＰＮ符号とは、Pseudo Noise（擬似雑音）を意味し、その符号によって変調されたホール起電力信号は、ＤＣから周波数ｆChopの間で、ほぼ平坦なスペクトルを持つようにスペクトル拡散される。
【００２２】
本発明の方式によれば、ホール素子から発生されるホール起電力信号は広帯域にスペクトル拡散されて増幅され復調されるので、そこには、処理利得（＝ｆChop／ｆHall）が得られることになり、スペクトル拡散されたホール起電力信号に重畳してくるオフセットだけでなく、スペクトル拡散された後の信号に混入する各種のノイズを効果的に除去することが可能になる。さらに、各種のノイズを効果的に除去するために、ローパス・フィルタのカットオフ周波数の調整以外に、スペクトル拡散の帯域調整も調整することが可能になり、これにより、ホール起電力の信号帯域を適切に維持するカットオフ周波数のローパス・フィルタを使用することが可能になる。
【００２３】
したがって、本発明により、高ＳＮＲと高速応答性を両立させた磁気検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００２５】
図６は、本発明の磁気検出装置の構成の１例を示す図である。図３と類似する構成は、同じ符号を使用している。この図６の構成の特徴は、ＰＮ（Pseudorandam Noise：擬似ランダム雑音、あるいは、Pseudo Noise：擬似雑音）符号発生器を有し、この出力信号を、スイッチ回路と復調器の切り換え信号に使用していることにある。
【００２６】
図３の構成では、切り換え信号のパルス幅や周期が一定であったが、本発明の磁気検出装置では、ＰＮ符号発生器から出力される切り換え信号は、そのパルス幅や間隔が、ＰＮ符号発生器に入力されるクロック信号の周期を単位として、ランダムに変化する。このＰＮ符号発生器に入力されるクロック信号は、一定の周期を有するクロック信号である。また、図３においてスイッチ回路および復調器に入力されていた切り換え信号（周波数ｆChop）は、本発明の磁気検出装置では、ＰＮ符号発生器への（シフト）クロック入力となっている。
【００２７】
図７は、ＰＮ符号発生器の例を示す図である。この図では、５ビットのシフトレジスタと加算器（ＸＯＲ）で構成したＭ（Maximum length code）系列の発生器の例を示している。
【００２８】
このＰＮ符号発生器が取りうる状態数は、３１状態である（２の５乗の状態から５ビット全てが０の状態を除く）。
【００２９】
図８は、図７に示すＰＮ符号発生器に３１状態を示す図である。この図８から、スイッチ回路および復調器に入力される切り換え信号は、すなわちＰＮ符号発生器の出力は、周波数ｆchopの周期を単位として、０と１の周期が、それぞれ順番に、４、１、１、１、１、３、１、２、３、５、２、３、１、１、２および１となる周期のパルスとなる。したがって、１の周期が８回、２の周期が４回、３の周期は２回、４の周期が１回、５の周期が１回となり、この分布は、ランダムの条件を満たしている。
【００３０】
ＰＮ符号は、通常、スペクトル拡散で使用される信号であり、図６に示す磁気検出装置では、スイッチ回路の入力信号と、復調器の入力信号とをスペクトル拡散するように切り換え制御することになる。しかしながら、オフセット信号成分は、スイッチ回路１４の出力ではほぼＤＣ成分であり、このＤＣ成分は、復調器において実質的にＰＮ符号発生器の出力に応じてスペクトル拡散が行われる。一方、スイッチ回路１４に入力されるホール起電力の信号そのものについては、スイッチ回路と復調器との動作を考慮すると、復調器の出力では、ホール素子１３そのものの起電力が復元される。しかし、スイッチ回路１４では、ホール起電力の信号もスペクトル拡散処理を受けることになる。
【００３１】
ここで、外乱ノイズが、図６に示す構成の磁気検出装置に影響を与える場合を考察する。その１として、ホール素子１３からスイッチ回路１４の間の信号ラインに重畳された外乱ノイズは、スイッチ回路１４でスペクトル拡散され、復調器で、元の外乱ノイズに復元されることになる。この場合、周波数ｆChop近傍の外乱ノイズは、ローパス・フィルタで容易に除去することができる。このような外乱ノイズは、たとえば、図３に示した従来の構成でも除去可能である。
【００３２】
次ぎに、その２として、スイッチ回路から復調器の入力までの信号ライン上で外乱ノイズが重畳された場合を考察する。この考察は、上述した「発明が解決しようとする課題」で言及した場合の外乱ノイズの場合と同様である。このような外乱ノイズは、復調器で、スペクトル拡散が行われ、広い周波数帯域に拡散される。このことは、上述した単一の周波数の切り換え信号で復調器を制御した場合に、ローパス・フィルタの帯域内の周波数に変換される周波数ｆChop近傍の外乱ノイズが、広い周波数帯域（例示した実施形態においては、図６と図８から、周波数ｆChopの１／５の周波数から周波数ｆChopまでの帯域）の変調波で拡散されることを意味する。
【００３３】
図９の（ａ）は、図６における、信号増幅器１５の出力と、復調器１６の出力における、オフセット（正確にはホール素子と信号増幅器のオフセット）のスペクトル５１、外乱ノイズのスペクトル５３、およびホール起電力の信号のスペクトル９２の関係を示す図である。信号増幅器の出力信号上のオフセットは、たとえば図４に示したように、スイッチ回路出力でも極性に変化はなく、ほぼＤＣ成分のままを維持する。信号増幅器の出力信号上のホール起電力信号は、ＰＮ符号によってスイッチ回路で、図に示すようにスペクトル拡散されている。スイッチ回路から復調器の信号入力の間の信号ライン上で飛び込む外乱ノイズは、信号増幅器の出力では、周波数変換されずにそのままの周波数成分を維持する。
【００３４】
図９の（ｂ）は、復調器の出力信号におけるホール起電力９６、オフセット＋外乱ノイズ５３のスペクトルを示す図である。ここで、ホール起電力９６は、図３の構成と同じように、ほぼＤＣ成分に変換され、オフセット（正確にはホール素子と信号増幅器のオフセット）と外乱ノイズ９７は、スペクトル拡散が行われ、図に示すようになる。このようなスペクトルを有する信号が、図に示す特性のローパス・フィルタを通されると、ローパス・フィルタの出力に出現するオフセットと外乱ノイズの成分は、ローパス・フィルタのカット周波数と拡散された帯域幅との関係に依存して低減されることになる。
【００３５】
前述したように、この低減される比率は、処理利得と呼ばれる拡散されたベースバンドと元の信号の間の比率(dB)に依存することになる。言い換えれば、拡散された帯域幅とローパス・フィルタのカットオフ周波数との関係になり、ローパス・フィルタのカットオフ周波数を変更せずに、拡散される帯域幅を拡大することにより、低減率を向上させることができる。
【００３６】
なお、ランダムな切り換え信号発生手段として、ＰＮ符号発生器を使用した例を示した。しかし、本発明の磁気検出装置では、無線通信で使用される周波数拡散のための、送信機と受信機の間で同期することが求められるＰＮ符号発生器とは異なり、実質的には同一の切り換え信号で周波数拡散と逆拡散を実施することができる。したがって、図７に示したＰＮ符号の繰り返し周期は３１であるが、この繰り返し周期が無限大を含む大きな周期のものでも使用することができることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ホール素子を使用した磁気検出の基本的な構成を示す図である。
【図２】改良された磁気検出の構成におけるホール素子の駆動を説明する図である。
【図３】図２の改良された回路構成を示す図である。
【図４】図２および図３に示した構成における動作を示す図であり、切り換え信号、信号増幅器の出力および復調器出力の各信号波形の相互関係を示し、復調器の出力ではオフセットがリップル分に変換されることを示す図である。
【図５】図２および図３に示した構成における、周波数軸で見たホール起電力信号と外乱ノイズとの関係を示す図である。
【図６】本発明におけるホール起電力を検出ための回路構成を示す図である。
【図７】本発明における、周波数軸で見たホール起電力、外乱ノイズとの関係を示す図である。
【図８】本発明に使用可能なＰＮ符号発生器の構成を示す図である。
【図９】図８に示したＰＮ符号発生器の状態遷移を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１    電源
１３    ホール素子
１４    スイッチ回路
１５    信号増幅部
１６    復調器
１７    ローパス・フィルタ
１８    切り換え信号
１９    信号検出部
２０    ＰＮ符号発生器
４１    切り換え信号の波形例
４２    信号増幅器の出力波形例
４３    信号増幅器の出力波形中のオフセット成分の例
４４    復調器の出力信号の波形例
４５    ローパス・フィルタの出力のホール起電力成分
５１    信号増幅器の出力におけるオフセットのスペクトル
５２    信号増幅器の出力における外乱ノイズのスペクトル
５３    信号増幅器の出力におけるホール起電力信号のスペクトル
５１’    信号増幅器の出力におけるオフセットのスペクトル
５２’    信号増幅器の出力におけるホール起電力信号のスペクトル
５３’    信号増幅器の出力における外乱ノイズのスペクトル
５５    ローパス・フィルタの特性図
９２    スイッチ回路出力におけるスペクトル拡散後のホール起電力信号のスペクトル
９５    ローパス・フィルタの特性図
９６    復調器出力における、逆拡散後のホール起電力信号のスペクトル
９７    復調後の、（オフセット＋外乱ノイズ）のスペクトル
【図１】
2008286695.tif 000003
【図２】
2008286695.tif 000004
【図３】
2008286695.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008286695.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008286695.tif 000009
【図８】
2008286695.tif 000010
【図９】
2008286695.tif 000011