(57)【要約】【課題】磁束が入力されてから検出結果が出力されるまでの時間を一定にすることが可能な磁気センサを提供する。【解決手段】磁気センサ１は、磁束密度を検出するホール素子１１と、磁束密度の検出結果に重畳されるオフセット電圧を除去するチョッピング部１２と、チョッピング部１２を駆動するチョッピング周波数を制御するオシレータ１３と、検出結果が所定の範囲内で振幅するように増幅して増幅信号を生成する増幅器１４と、増幅信号からチョッピング時に重畳されるチョッピングノイズを除去するフィルタ１５と、増幅信号からチョッピングノイズが除去された信号を出力信号として出力する出力部１６と、ホール素子１１に磁束が印加されてから出力部１６から出力信号が出力されるまでの時間が予め設定された時間になるようにチョッピング周波数を設定する設定部１７と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束密度を検出するホール素子と、
前記磁束密度の検出結果に重畳されるオフセット電圧を除去するチョッピング部と、
前記チョッピング部を駆動するチョッピング周波数を制御するオシレータと、
前記検出結果が予め設定された範囲内で振幅するように前記検出結果を増幅して増幅信号を生成する増幅器と、
前記増幅信号から前記チョッピング部によるチョッピング時に重畳されるチョッピングノイズを除去するフィルタと、
前記増幅信号から前記チョッピングノイズが除去された信号を出力信号として出力する出力部と、
前記ホール素子に磁束が印加されてから前記出力部から前記出力信号が出力されるまでの時間が予め設定された時間になるように前記チョッピング周波数を設定する設定部と、
を備える磁気センサ。
【請求項２】
前記設定部により前記チョッピング周波数を設定する際に、前記ホール素子に前記磁束密度を検出させる磁束を生成する磁束生成用コイルが備えられている請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記磁束生成用コイルは、前記ホール素子を囲んだ状態でモールド内に封入されている請求項２に記載の磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホール素子を用いて磁束密度を検出する磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な用途に亘ってホール素子を用いた磁気センサ利用されてきた。しかしながら、ホール素子で磁束密度を検出する場合、磁場が零である状態（所謂「零磁場の状態」）であってもオフセット電圧が重畳されることがある。そこで、このオフセット電圧をキャンセルするために、所定の周波数（本願の「チョッピング周波数」に相当）にしたがって、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周期的な入れ替え（以下「チョッピング」とする）が行われてきた。
【０００３】
しかしながら、このようなチョッピングを行うと、前記入れ替え後の信号にチョッピングに起因するノイズが重畳される。このようなノイズを除去すべく、フィルタが用いられてきたが、信号の伝達上、遅延が生じる。そこで、このような遅延を抑制する技術が検討されてきた（例えば特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に記載のホール起電力信号検出回路は、ホール素子の出力を増幅し、オフセット信号成分がチョッパークロックの周波数に変調された信号を出力する信号増幅回路と、信号増幅回路の出力信号からチョッパークロックに同期した成分をチョッパークロックに同期してサンプリングし、異なる時刻のサンプリング結果の差分を出力する差分計算回路と、差分計算回路の出力を時間領域で積分する積分回路と、積分回路の出力信号を信号増幅回路にフィードバックするフィードバック回路とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１１１５２１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、上記構成により高速応答性を実現している。しかしながら、信号増幅回路や差分計算回路や積分回路やフィードバック回路等で信号処理を行った際には夫々で遅延時間が生じ、この遅延時間は同じ回路であっても一定の範囲内でバラツキを有する。また、信号増幅回路は、チョッパークロックの周波数に基づいて信号処理を行うが、これは信号増幅回路を信号が通過するのに、チョッパークロックの周波数の逆数の伝搬時間を要することに相当する。ホール起電力信号検出回路の遅延時間は、各回路の遅延時間の総和と前記伝搬時間との和となるが、各回路での遅延時間がバラツキを有するため、ホール起電力信号検出回路の遅延時間のバラツキは更に大きくなる可能性がある。このため、ホール起電力信号検出回路の出力結果を用いるデバイスでの処理において、不都合（例えば誤動作等）が生じる可能性がある。
【０００７】
そこで、磁束が入力されてから検出結果が出力されるまでの時間を一定にすることが可能な磁気センサが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る磁気センサの特徴構成は、磁束密度を検出するホール素子と、前記磁束密度の検出結果に重畳されるオフセット電圧を除去するチョッピング部と、前記チョッピング部を駆動するチョッピング周波数を制御するオシレータと、前記検出結果が予め設定された範囲内で振幅するように前記検出結果を増幅して増幅信号を生成する増幅器と、前記増幅信号から前記チョッピング部によるチョッピング時に重畳されるチョッピングノイズを除去するフィルタと、前記増幅信号から前記チョッピングノイズが除去された信号を出力信号として出力する出力部と、前記ホール素子に磁束が印加されてから前記出力部から前記出力信号が出力されるまでの時間が予め設定された時間になるように前記チョッピング周波数を設定する設定部と、を備えている点にある。
【０００９】
このような特徴構成とすれば、磁気センサを大量生産した場合における、オシレータにより制御されるチョッピング周波数の製造バラツキや、ホール素子、増幅器、フィルタ、及び出力部の各機能部における信号遅延の製造バラツキからなる遅延時間のバラツキを、例えば出荷前検査等においてホール素子に磁束が印加されてから出力部から出力信号が出力されるまでの時間が予め設定された時間になるようにチョッピング周波数を設定することにより、一定の範囲内に収めることができる。したがって、磁気センサの出力を利用するデバイスを適切に制御し、当該デバイスの誤動作を防止できる。
【００１０】
また、前記設定部により前記チョッピング周波数を設定する際に、前記ホール素子に前記磁束密度を検出させる磁束を生成する磁束生成用コイルが備えられていると好適である。
【００１１】
このような構成とすれば、設定部によりチョッピング周波数を設定する際に、ホール素子に印加する磁束を適切に生成することができる。したがって、磁束生成用コイルに流れる電流を検出することで、ホール素子に磁束が印加されるタイミングを容易に検出することが可能となる。
【００１２】
また、前記磁束生成用コイルは、前記ホール素子を囲んだ状態でモールド内に封入されていると好適である。
【００１３】
例えばコイルに電流が流れた場合、磁束の生成を弱める方向に誘導起電力が生じる。このため、コイルに流れる電流波形を精度良く計測することは容易ではない。誘導起電力を小さくするためにはコイルに流す電流を小さくすれば良いが、係る場合、ホール素子に印加される磁束が少なくなるため、磁気センサから出力される信号も小さくなり、磁気センサの遅延時間を適切に演算することが困難となる。そこで、本構成のように、磁束生成用コイルでホール素子を囲むように設けることにより、磁束生成用コイルに流れる電流の電流波形の立ち上がり時間を短くすることができる。したがって、当該電流波形の立ち上がり時を精度良く検出することができるので、遅延時間の設定誤差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る磁気センサの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁気センサを用いた場合の遅延時間を示した図である。
【図３】第２の実施形態に係る磁気センサの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】第２の実施形態に係る磁気センサを用いた場合の信号遅延を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．第１の実施形態
本発明に係る磁気センサは磁束密度を検出するが、磁気センサに磁束が入力されてから検出結果を出力するまでの遅延時間を一定にする機能を備えて構成される。以下、第１の実施形態に係る磁気センサ１について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態の磁気センサ１の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示されるように、磁気センサ１は、ホール素子１１、チョッピング部１２、オシレータ１３、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６、設定部１７を備えて構成される。
【００１７】
ホール素子１１は、磁束密度を検出する。ホール素子１１は、外部から印加される磁束をホール起電力に変換して出力するが、この原理については公知であるので説明は省略する。ホール素子１１が出力するホール起電力は、磁束の密度（磁束密度）に応じたものとなる。
【００１８】
ホール素子１１は、印加される磁束がゼロ（磁界がゼロ）であっても、ホール起電力を出力する場合がある。このようなホール起電力はオフセット電圧といわれ、ホール素子１１に磁束が印加された場合のホール起電力にも重畳される。チョッピング部１２は、このような磁束密度の検出結果に重畳されるオフセット電圧を除去する。検出結果とは、ホール素子１１により検出された磁束密度の検出結果であり、ホール起電力が相当する。チョッピング部１２は、ホール素子１１が磁束密度を検出する際に流す制御電流を入力する端子を所定の周期で切り換えることによりオフセット電圧を除去する。このようなチョッピングについては、公知であるので説明は省略する。
【００１９】
オシレータ１３は、チョッピング部１２を駆動するチョッピング周波数を制御する。チョッピング部１２を駆動するチョッピング周波数とは、上述した、制御電流を入力する端子を切り替える周期に相当する。オシレータ１３は、このような周期を規定する周波数を制御する。
【００２０】
増幅器１４は、ホール素子により検出された磁束密度の検出結果が予め設定された範囲内で振幅するように検出結果を増幅して増幅信号を出力する。増幅器１４は、ファインアンプ１４Ａ及びコースアンプ１４Ｂから構成され、ホール起電力が所定の範囲の電圧出力となるように夫々のアンプにおいて適切なゲインで信号増幅を行う。
【００２１】
フィルタ１５は、増幅信号からチョッピング部１２によるチョッピング時に重畳されるチョッピングノイズを除去する。増幅信号とは、増幅器１４により信号増幅されたホール起電力である。チョッピングノイズとは、本来、ホール起電力には含まれない成分であり、ホール起電力のオフセット電圧を除去する際に重畳されることが知られている。フィルタ１５は、このようなチョッピングノイズを除去する。
【００２２】
出力部１６は、増幅信号からチョッピングノイズが除去された信号を出力信号として出力する。上述したように、増幅信号に重畳されたチョッピングノイズはフィルタ１５により除去される。本実施形態では、出力部１６は所謂ドライバとして機能し、磁気センサ１の出力を利用するデバイスがそのまま利用できるように、フィルタ１５から出力されるチョッピングノイズが除去された信号のドライブ能力を向上する。もちろん、磁気センサ１の出力を利用するデバイスが、フィルタ１５から出力されるチョッピングノイズが除去された信号をそのまま利用可能である場合には、出力部１６はフィルタ１５と併用して構成されても良い。
【００２３】
設定部１７は、ホール素子１１に磁束が印加されてから出力部１６から出力信号が出力されるまでの時間が予め設定された時間になるようにチョッピング周波数を設定する。「ホール素子１１に磁束が印加される」とは、本磁気センサ１が有する、磁気センサ１に磁束が入力されてから検出結果を出力するまでの遅延時間を一定にする機能を実現するために行われる磁束の印加である。このような磁束の印加は、例えば磁気センサ１の製造した時点や、使用する際に所定の箇所に設置する時点に行うと好適である。また、使用により磁気センサ１の特性が経年変化する可能性もある。このような経年変化による特性のズレを調整するために、使用してから所定時間が経過した際に上述した磁束の印加を行うように構成することも可能である。
【００２４】
ここで、上述したホール素子１１、チョッピング部１２、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６は、夫々、信号が入力されてから所定の信号を出力するまでの間に時間差がある。このような時間差を遅延時間という。また、特に、チョッピング周波数をＡ〔Ｈｚ〕とすると、サンプリングがＡ〔Ｈｚ〕で行われることになるので、信号が入力されてからチョッピング部１２を通過するまでの間に１／Ａ〔秒〕要することを意味する。設定部１７は、ホール素子１１、チョッピング部１２、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６における遅延時間が予め設定された時間になるように、チョッピング周波数を設定する。なお、この時、遅延時間が予め設定された時間になれば、チョッピング周波数はＡ〔Ｈｚ〕からずれていても何ら問題とならない。
【００２５】
図１の例では、設定部１７は遅延時間を観測するＬＳＩテスター２に設けられる。ＬＳＩテスター２は、磁気センサ１の出力端子１Ａ、観測端子１Ｂ、設定端子１Ｃを介して接続される。出力端子１Ａは、磁気センサ１の検出結果を出力する端子であり、観測端子１Ｂはオシレータ１３により制御されるチョッピング周波数を観測可能な端子である。観測端子１Ｂからは、チョッピング周波数で振幅する波形を出力するように構成すると好適である。設定端子１Ｃは、設定部１７からオシレータ１３に対するチョッピング周波数の設定指示の伝達に利用される端子である。
【００２６】
また、ＬＳＩテスター２には、設定部１７によりチョッピング周波数を設定する際に、ホール素子１１に磁束密度を検出させる磁束を生成する磁束生成用コイル１８が接続される。ここで、上述したホール素子１１、チョッピング部１２、オシレータ１３、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６は、モールド内に封入して構成される。磁束生成用コイル１８は、このモールドに隣接して、好ましくは、モールドに封入されたホール素子１１に隣接して配置すると良い。磁束生成用コイル１８に電流が流されると、ＬＳＩテスター２は電流波形を取得する。図１の例では、磁束生成用コイル１８はＬＳＩテスター２に接続され、ＬＳＩテスター２から電流が流される。ＬＳＩテスター２は表示部２Ａを有する。図２には、ＬＳＩテスター２から磁束生成用コイル１８に電流が流された場合の電流波形及び磁気センサ１の検出結果の一例が示される。
【００２７】
図２において、電流波形には符号３１が付して示され、ＬＳＩテスター２が磁束生成用コイル１８に流した際に取得される。この電流に起因した磁束が磁束生成用コイル１８からホール素子１１に印加され、上述の各機能部において所定の信号処理が行われた結果、磁気センサ１から出力された検出結果には、符号３２が付して示される。この時、電流波形３１と検出結果３２との遅延時間τ（図２では、立ち上がり時で算出）が、予め設定された時間になるように設定部１７により設定される。すなわち、遅延時間τが予め設定された時間でない場合には、設定部１７がチョッピング周波数を設定し直し、ＬＳＩテスター２から改めて磁束生成用コイル１８に電流が流され、遅延時間τが再度、演算される。この処理は、遅延時間τが予め設定された時間となるまで繰り返される。
【００２８】
このような処理を行うことにより、磁気センサ１に磁束が入力されてから検出結果３２を出力するまでの遅延時間τを一定にすることが可能となる。
【００２９】
２．第２の実施形態
次に、磁気センサ１の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、磁束生成用コイル１８が、磁気センサ１に隣接（好ましくはホール素子１１に隣接）して配置されるとして説明した。ここで、周知のように磁束生成用コイル１８のようなコイルに電流が流れた場合、磁束の生成を弱める方向に誘導起電力が生じる。このため、磁束生成用コイル１８に流れる電流波形を精度良く計測することは容易ではない。
【００３０】
誘導起電力を小さくするためには磁束生成用コイル１８に流す電流を小さくすれば良いが、ホール素子１１に印加される磁束が少なくなるため、磁気センサ１の検出結果も小さくなり、遅延時間τを適切に演算することが困難となる。そこで、磁束生成用コイル１８をホール素子１１の近傍に設けることが有効である。本実施形態では、磁束生成用コイル１８を磁気センサ１に内蔵し、ホール素子１１の近傍に設けている点で、上記第１の実施形態と異なる。
【００３１】
図３は、本実施形態の磁気センサ１の構成を模式的に示したブロック図である。本実施形態の磁気センサ１は、図３に示されるように、ホール素子１１、チョッピング部１２、オシレータ１３、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６、設定部１７、磁束生成用コイル１８を備えて構成される。ホール素子１１、チョッピング部１２、オシレータ１３、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６、設定部１７については、第１の実施形態と同様であるため説明は省略する。
【００３２】
本実施形態の磁束生成用コイル１８は、ホール素子１１を囲んだ状態でモールド内に封入されている。ここで、上述したように、ホール素子１１、チョッピング部１２、オシレータ１３、増幅器１４、フィルタ１５、出力部１６は、モールド内に封入して構成される。磁束生成用コイル１８は、モールドに封入されたホール素子１１を囲むように配置される。「ホール素子１１を囲む」とは、磁束生成用コイル１８が作る磁束がホール素子１１を垂直に貫くように、磁束生成用コイル１８がホール素子１１を囲むことを意味する。具体的には、磁束生成用コイル１８の巻線部分の径方向内側にホール素子１１を配置すると好適である。もちろん、磁束生成用コイル１８が所謂積層コイルを用いて構成する場合には、磁束生成用コイル１８とホール素子１１とを積層して構成しても良い。なお、磁束生成用コイル１８への電流供給は、磁気センサ１の外部から所定のデバイスから行っても良いし、磁気センサ１内に電流供給用デバイスを設けておいて、当該電流供給用デバイスから行っても良い。
【００３３】
本実施形態の磁気センサ１は、出力端子１Ａ、設定端子１Ｃ、電流観測端子１Ｄを備え、これらの端子を介してＬＳＩテスター２と接続される。出力端子１Ａは、磁気センサ１の検出結果を出力する端子であり、設定端子１Ｃは、設定部１７からオシレータ１３に対するチョッピング周波数の設定指示の伝達に利用される端子である。電流観測端子１Ｄは、磁束生成用コイル１８に流れる電流を観測するのに利用する端子である。第１の実施形態と同様に、オシレータ１３により制御されるチョッピング周波数で振幅する波形を出力する場合には、観測端子１Ｂを備えておいても良い。
【００３４】
このような構成とすれば、ホール素子１１により磁束生成用コイル１８に流れる電流を精度良く検出することができる。このような構成により、図４のＬＳＩテスター２から磁束生成用コイル１８に電流が流された場合の電流波形及び磁気センサ１の検出結果に示されるように、第１の実施形態の場合に比べて電流波形３１の立ち上がりを急峻にすることができる。このため、電流波形３１の立ち上がり時間を正確に読み取ることができるので、精度良く遅延時間τを演算することが可能となる。したがって、遅延時間τを正確に所定の時間（予め設定された時間）に設定することが可能となる。
【００３５】
３．その他の実施形態
上記実施形態では、設定部１７によりチョッピング周波数を設定する際に、ホール素子１１に磁束密度を検出させる磁束を生成する磁束生成用コイル１８が備えられているとして説明したが、磁束生成用コイル１８を別途設けずに構成することも可能である。この場合には、磁気センサ１を所定のデバイスに設置した際に印加される磁束に応じて遅延時間τが一定になるようにチョッピング周波数を設定するように構成することも可能である。
【００３６】
本発明は、ホール素子を用いて磁束密度を検出する磁気センサに用いることが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１:磁気センサ
１１：ホール素子
１２：チョッピング部
１３：オシレータ
１４：増幅器
１５：フィルタ
１６：出力部
１７：設定部
１８：磁束生成用コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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