特許 7352075 磁気検出装置および磁気検出信号増幅用半導体集積回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】磁気検出装置および磁気検出信号増幅用半導体集積回路

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20230921BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20230921BHJP

   G01R 35/00 20060101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

G01R33/02 X

G01R19/00 L

G01R35/00 M

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019161642

(22)【出願日】2019-09-05

(65)【公開番号】P2021039041

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-08-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090033

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 博司

(74)【代理人】

【識別番号】100093045

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 良男

(72)【発明者】

【氏名】小川 裕

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１１２４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７１１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２４４０９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ０１Ｒ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流磁界を検出する磁気センサからの検出信号を増幅する増幅回路を備えた磁気検出装置であって、
前記増幅回路の出力の変化に応じて起動され所定の時間を計時すると出力が変化するタイマ回路と、
前記タイマ回路の出力を入力とする論理回路と、
前記タイマ回路の動作クロック信号を生成するための発振回路と、を備え、
前記タイマ回路は、前記所定の時間の計時が完了する前に前記増幅回路の出力が他の方向へ変化するとリセットされることによって、半周期が前記所定の時間よりも短い交流磁界による前記論理回路の出力の変化を禁止するように構成されていることを特徴とする磁気検出装置。

【請求項2】

前記増幅回路は、出力が第１レベルと第２レベルとに変化するものであり、
前記タイマ回路は、前記増幅回路の出力の第１レベルから第２レベルへの変化に応じて起動され所定の時間を計時する第１タイマと、前記増幅回路の出力の第２レベルから第１レベルへの変化に応じて起動され所定の時間を計時する第２タイマとを備え、
前記第１タイマと第２タイマは、それぞれ前記増幅回路の出力の、起動時と異なる方向への変化に応じてリセットされることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。

【請求項3】

前記論理回路は、フリップフロップ回路を備え、
前記フリップフロップ回路は、前記第１タイマの出力の変化により出力がハイレベルまたはローレベルに変化し、前記第２タイマの出力の変化により出力がローレベルまたはハイレベルに変化することを特徴とする請求項２に記載の磁気検出装置。

【請求項4】

前記第１タイマと前記第２タイマは、前記増幅回路の出力状態に応じていずれか一方が動作状態とされ、他方は非動作状態とされることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気検出装置。

【請求項5】

前記第１タイマおよび／または前記第２タイマが計時する所定の時間を外部から設定するためのレジスタを備えることを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の磁気検出装置。

【請求項6】

請求項５に記載の磁気検出装置が１つの半導体基板上に半導体集積回路として形成されている磁気検出信号増幅用半導体集積回路であって、前記レジスタは、前記半導体集積回路に設けられている外部端子よりシリアルデータとして設定値が入力可能に構成されていることを特徴とする磁気検出信号増幅用半導体集積回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気検出装置および磁気検出信号増幅用半導体集積回路に関し、特に磁気検出装置における交流磁界入力のキャンセルに利用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、磁気の有無や強度を検出する磁気検出センサが様々な分野で使用されている。例えば、アクチュエータの作動状態を検出するため、アクチュエータの可動部材にマグネットを設け、このマグネットの磁気を検出して増幅するようにした磁気検出装置がある。かかる磁気検出装置が交流電源装置や交流送電線などの近傍に配設されていると、磁気検出センサに交流磁界がノイズとして入力されて誤検出を起こしてしまうおそれがある。
従来、磁気検出装置におけるノイズを除去する発明として、例えば特許文献１～３に記載されているものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－２９６３３２号公報

【文献】特開２０１４－１６２２９号公報

【文献】特開２０１５－１５２５０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されている磁気検出装置は、センサの出力信号に誘導されるノイズ成分を抽出し、この抽出したノイズ成分をセンサの出力信号に加算または減算して出力信号に含まれるノイズ成分を相殺して除去するとともに、センサの待機中にセンサ出力信号に加・減算するノイズ成分のレベル調整を行うようにしたものである。しかし、この発明の磁気検出装置は、回路が複雑で占有面積が大きくなるという課題がある。

【0005】

特許文献２に記載されている磁気検出装置は、磁気センサより出力される信号の高周波成分を、第１のコンデンサを介して取り出して増幅する増幅回路において、第１のコンデンサと近接させつつ略同一姿勢で面実装させた第２のコンデンを設け、第２のコンデンサから得られる信号を基に、第１のコンデンサにおいて発生するノイズ相当分を増幅信号より除去するノイズキャンセル回路を設けたものである。しかし、この発明の磁気検出装置は、セラミックコンデンサのような部品を使用するため、半導体集積回路として形成するのに向いていないという課題がある。

【0006】

特許文献３に記載されている磁気検出装置は、磁気センサからの出力信号を処理する検出回路部が繰り返し周波数近傍のノイズがエイリアス信号となって、繰り返し周波数よりも低周波のノイズとなる場合に、その低周波のノイズの振幅が半分以下となるように、繰り返し周波数の周期内において平均化区間を設け、その平均化区間において平均化処理を行う平均化処理部を設けたものである。しかし、この発明の磁気検出装置は、エイリアスノイズを除去することを目的とするもので、交流磁界入力によるノイズを除去する本発明とは、課題も課題の解決手段も異なる。

【0007】

本発明の目的は、磁気センサの検出信号を増幅する増幅回路を備えた磁気検出装置において、コンデンサや抵抗などの外付け部品を用いることなく交流磁界入力によるノイズを除去できるようにすることにある。
また、本発明の目的は、交流磁界強度の高い環境で使用することができるとともに半導体集積回路化に適した磁気検出装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、ノイズとして除去したい交流磁界の周波数を変えることができる磁気検出装置および磁気検出信号増幅用半導体集積回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明は、
交流磁界を検出する磁気センサからの検出信号を増幅する増幅回路を備えた磁気検出装置において、
前記増幅回路の出力の変化に応じて起動され所定の時間を計時すると出力が変化するタイマ回路と、
前記タイマ回路の出力を入力とする論理回路と、
前記タイマ回路の動作クロック信号を生成するための発振回路と、を備え、
前記タイマ回路は、前記所定の時間の計時が完了する前に前記増幅回路の出力がリセットされることによって、前記所定の時間よりも短い交流磁界による前記論理回路の出力の変化を禁止するように構成したものである。

【0009】

上記のような構成によれば、コンデンサや抵抗などの外付け部品を用いることなく交流磁界入力によるノイズを除去することができる。また、交流磁界強度の高い環境で使用することができるとともに、セラミックコンデンサのような部品が不要であるため半導体集積回路化に適している。

【0010】

ここで、望ましくは、前記増幅回路は、出力が第１レベルと第２レベルとに変化するものであり、
前記タイマ回路は、前記増幅回路の出力の第１レベルから第２レベルへの変化に応じて起動され所定の時間を計時する第１タイマと、前記増幅回路の出力の第２レベルから第１レベルへの変化に応じて起動され所定の時間を計時する第２タイマとを備え、
前記第１タイマと第２タイマは、それぞれ前記増幅回路の出力の、起動時と異なる方向への変化に応じてリセットされるように構成する。

【0011】

上記のような構成によれば、論理回路の出力が有意なレベル（磁気検出レベル）に立ち上がる前には、第１タイマのリセットによって所定の周波数以下の交流磁界による論理回路の誤動作を防止し、論理回路の出力が有意なレベルに立ち上がった後には、第２タイマのリセットによって所定の周波数以下の交流磁界による論理回路の誤動作を防止することができる。

【0012】

また、望ましくは、前記論理回路は、フリップフロップ回路を備え、
前記フリップフロップ回路は、前記第１タイマの出力の変化により出力がハイレベルまたはローレベルに変化し、前記第２タイマの出力の変化により出力がローレベルまたはハイレベルに変化するように構成する。
かかる構成によれば、比較的簡単な回路で論理回路を構成し、論理回路から監視対象の磁界を検出したか否かを示す信号を出力させることができる。

【0013】

さらに、望ましくは、前記第１タイマと前記第２タイマは、前記増幅回路の出力状態に応じていずれか一方が動作状態とされ、他方は非動作状態とされるように構成する。
このような構成によれば、回路の消費電力を低減することができる。

【0014】

さらに、望ましくは、前記第１タイマおよび／または前記第２タイマが計時する所定の時間を外部から設定するためのレジスタを備えるように構成する。
かかる構成によれば、レジスタへの設定値を変えることで、ノイズとして除去したい交流磁界の周波数を変えることができる。

【0015】

本出願の他の発明は、上記のような構成を有する磁気検出装置が１つの半導体基板上に半導体集積回路として形成されている磁気検出信号増幅用半導体集積回路において、前記レジスタは、前記半導体集積回路に設けられている外部端子よりシリアルデータとして設定値が入力可能に構成したものである。
上記のような構成を有する半導体集積回路によれば、外部端子の数を大幅に増やすことなく、レジスタへ設定値を入力することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、磁気センサの検出信号を増幅する増幅回路を備えた磁気検出装置において、回路の外部にコンデンサや抵抗などの部品を用いることなく交流磁界入力によるノイズを除去することができる。また、交流磁界強度の高い環境で使用することができるとともに、半導体集積回路化に適した磁気検出装置を実現することができる。さらに、本発明によれば、ノイズとして除去したい交流磁界の周波数を変えることができる磁気検出装置および磁気検出信号増幅用半導体集積回路を提供することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の磁気検出装置の一実施形態を示す回路構成図である。

【図2】（Ａ）～（Ｅ）は実施形態の磁気検出装置におけるノイズとしての交流磁界と、検出対象の磁界と、磁気センサの出力およびアンプの出力、回路出力の変化を示すタイミングチャート、（Ｆ）はタイマ回路を設けない磁気検出装置における回路出力の変化を示すタイミングチャートである。

【図3】本発明の磁気検出装置の第２の実施例を示す回路構成図である。

【図4】従来の磁気検出装置の例を示す回路構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気検出装置を示す回路図である。なお、図１の磁気検出装置１０においては、特に限定されるものではないが、一点鎖線Ａで囲まれた範囲の回路素子は、１個の半導体基板（半導体チップ）上に、半導体集積回路（磁気検出用ＩＣ）として形成されている。また、磁気センサ２０を構成する素子も、検出回路を構成する素子と共に１つの半導体チップに形成されていてもよい。磁気センサ２０としては、例えば、ホール素子や磁気抵抗素子などを用いることができる。

【0019】

本実施形態に係る磁気検出装置１０は、磁気センサ２０の検出信号を増幅する増幅回路（ＭＲアンプ）１１と、増幅回路１１の出力信号の立ち上がりに同期して所定の設定時間の計時を行うオンタイマ回路１２Ａおよび増幅回路１１の出力信号の立ち下がりに同期して所定の設定時間の計時を行うオフタイマ回路１２Ｂと、タイマ回路１２Ａ，１２Ｂの動作クロック信号ＣＫを生成する発振回路（ＯＳＣ）１３を備える。タイマ回路１２Ａ，１２Ｂは、カウンタ回路によって構成することができる。
また、磁気検出装置１０は、タイマ回路１２Ａ，１２Ｂの出力信号を入力とする論理回路１４と、論理回路１４の出力信号を受けてチップ外部へ出力する信号ＯＵＴ（磁気検知出力）を生成する出力ドライバ回路１５を備える。

【0020】

オンタイマ回路１２Ａは、増幅回路１１の出力信号の立ち上がりに同期して計時動作を開始して所定の時間を計時すると出力がハイレベルに変化し、増幅回路１１の出力信号をインバータＩＮＶ１で反転した信号のハイレベルへの変化によってリセットされ、出力がローレベルに変化する。一方、オフタイマ回路１２Ｂは、増幅回路１１の出力信号をインバータＩＮＶ１で反転した信号によって、増幅回路１１の出力信号の立ち下がりに同期して計時動作を開始して所定の時間を計時すると出力がハイレベルに変化し、増幅回路１１の出力信号のハイレベルへの変化によってリセットされ、出力がローレベルに変化する。

【0021】

増幅回路１１は、例えば入力の電位に応じて出力が変化するアンプと該アンプの出力と所定の電圧とを比較するコンパレータなどから構成されている。発振回路１３は、リングオシレータなどによって構成することができる。
論理回路１４は、ＲＳフリップフロップにより構成することができ、オンタイマ回路１２Ａの出力がハイレベルに変化すると、出力がハイレベルに変化してその出力状態を保持する。また、オフタイマ回路１２Ｂの出力がハイレベルに変化すると、出力がローレベルに変化してその出力状態を保持する。

【0022】

次に、上記磁気検出装置１０の機能を、図２のタイミングチャートを用いて説明する。
図１に示す磁気検出装置１０におけるタイマ回路１２Ａ，１２Ｂおよび論理回路１４がない図４に示す従来の検出回路の場合、図２（Ａ）に示すような交流磁界のある環境に磁気センサ２０が置かれている状況で、図２（Ｂ）に示すような検出対象の磁界が磁気センサ２０に入ると、磁気センサ２０の出力が図２（Ｃ）に示すように変化し、増幅回路１１の出力が図２（Ｄ）に示すように変化する。すると、出力ドライバ回路１５から出力される信号ＯＵＴは、図２（Ｆ）に示すように交流磁界によるノイズを含んだ信号になってしまう。

【0023】

これに対し、上記実施形態の磁気検出装置１０においては、増幅回路１１の出力が図２（Ｄ）に示すように変化した場合、オンタイマ回路１２Ａは、増幅回路１１の出力信号の立ち上がりタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で計時動作を開始するが、所定の時間を計時する前に増幅回路１１の出力信号が下がるとリセットがかかり、図２（Ｅ）に示すように出力信号ＯＵＴからノイズが除去される。そして、本来の検出対象の磁界が変化したことにより増幅回路１１の出力信号の立ち上がったタイミングｔ４から所定の時間を計時したタイミングｔ５で出力信号ＯＵＴがハイレベルに変化することとなる。

【0024】

また、出力信号ＯＵＴが立ち上がった後は、増幅回路１１の出力が図２（Ｄ）に示すように変化した場合、オフタイマ回路１２Ｂが、増幅回路１１の出力信号の立ち下がりタイミングｔ６，ｔ７，ｔ８で計時動作を開始するが、所定の時間を計時する前に増幅回路１１の出力信号が上がるとリセットがかかり、図２（Ｅ）に示すように出力信号ＯＵＴからノイズが除去される。そして、本来の検出対象の磁界が変化したことにより増幅回路１１の出力信号の立ち下がったタイミングｔ９から所定の時間を計時したタイミングｔ１０で出力信号ＯＵＴがローレベルに変化することとなる。

【0025】

従って、上記実施形態の磁気検出装置１０は、可変式のタイマ回路１２Ａ，１２Ｂの計時時間を適宜設定することによって、所定の周波数以下の交流磁界によるノイズを除去することができる。また、コンデンサや抵抗など外付け部品を設けることなく交流磁界によるノイズを除去することができる。例えば、タイマ回路１２Ａ，１２Ｂの計時時間を１０ｍｓとすることで５０Ｈｚ以下のノイズを除去できる。
次に図３を用いて上記実施形態の磁気検出装置１０の第２の実施例について説明する。

【0026】

第２の実施例の磁気検出装置は、図３に示すように、タイマ回路１２Ａ，１２Ｂが計時する所定時間を外部から設定可能なレジスタ１６および設定値を入力するための外部端子Ｐ１を設けたものである。
上記のような構成によれば、レジスタ１６に設定する値を変えることによって、除去したい交流磁界の周波数を任意に設定することができるようになる。なお、レジスタ１６は、端子数を減らすため、外部からデータをシリアルに入力することができるシフトレジスタを用いると良い。また、レジスタ１６を２個設けて、オンタイマ回路１２Ａが計時する時間と、オフタイマ回路１２Ｂが計時する時間を別々に設定できるように構成しても良い。

【0027】

さらに、図３の実施例の磁気検出装置においては、論理回路１４の出力を反転するインバータＩＮＶ２を設けて、インバータＩＮＶ２で反転した信号を、オンタイマ回路１２Ａの計時動作を許可するイネーブル信号ＥＮ１としてオンタイマ回路１２Ａへ供給するとともに、論理回路１４の出力信号を、オフタイマ回路１２Ｂの計時動作を許可するイネーブル信号ＥＮ２としてオフタイマ回路１２Ｂへ供給するように構成されている。
上記のような構成を有する磁気検出装置によれば、オンタイマ回路１２Ａが計時動作している間はオフタイマ回路１２Ｂの計時動作を停止させ、オフタイマ回路１２Ｂが計時動作している間はオンタイマ回路１２Ａの計時動作を停止させることができ、それによって回路の消費電力を低減することができるという利点がある。

【0028】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでない。例えば上記実施形態では、増幅回路１１として、入力の電位に応じて出力が変化するアンプと該アンプの出力と所定の電圧とを比較するコンパレータとから構成されていると説明したが、アンプとシュミットトリガ回路とから構成されているものや、出力がハイレベルとローレベルに変化する特性を有するアンプであっても良い。

【0029】

また、上記実施形態では、タイマ回路１２Ａ，１２Ｂが計時動作するためのクロック信号を生成する発振回路１３をチップ内部に設けているが、外部からクロック信号を入力するための外部端子を設けて発振回路１３を省略するように構成しても良い。
さらに、本発明の磁気検出装置は、アクチュエータの作動状態を検出する用途に限定されず、モータのロータ位置検出その他、交流磁界がノイズとして入る可能性のある個所に配設され監視対象の磁界を検出する磁気センサからの出力信号を増幅する磁気検出装置に広く利用することができる。

【符号の説明】

【0030】

１０・・・磁気検出装置、１１・・・増幅回路、１２Ａ・・・オンタイマ回路（第１タイマ）、１２Ｂ・・・オフタイマ回路（第２タイマ）、１３・・・発振回路、１４・・・論理回路、１５・・・出力ドライバ回路、１６・・・レジスタ、２０・・・磁気センサ、ＯＵＴ・・・磁気検知出力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】