传感器装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种传感器装置，其能够去除传感器装置中的传感器元件、差动放大器、放大器的各偏移电压的影响，高精度地检测物理量。该传感器装置具有：开关切换电路，其与传感器元件的第一端子对以及第二端子对连接，对这些端子对进行切换控制，输出检测电压；差动放大器，其第一输入端子以及第二输入端子分别与开关切换电路的第一输出端子以及第二输出端子连接，输出对检测电压进行差动放大后的结果；放大器，其具有两个以上的差动输入对，向一个差动输入对输入由差动放大器输出的差动信号，向至少一个差动输入对输入与所检测的物理量对应的基准信号；以及检测电压设定电路，其向放大器输出基准信号。
【专利说明】传感器装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及检测物理量、并将检测出的物理量例如磁场强度转换为电信号的传感 器装置。
【背景技术】
[0002] 以往使用了磁传感器装置，来作为移动电话和笔记本计算机等中的开闭状态检测 用传感器，此外还作为电机等的旋转位置检测传感器（例如，参照专利文献1)。图15示出 了该磁传感器装置的电路图。该磁传感器装置通过磁电转换元件（例如，霍尔元件），输出 与磁场强度（或磁通密度）对应的（通常为大致成比例的）电压，利用放大器将该输出电 压放大，并使用比较器来判定是大于还是小于规定的磁场强度或磁通密度（以H信号或L 信号这两个值来输出）。
[0003] 上述磁电转换元件的输出电压通常很微小，存在如下问题：磁电转换元件具有的 偏移（offset)电压（元件偏移电压）、放大器和比较器具有的偏移电压（输入偏移电压）、 以及它们的噪声成为引起误差的因素，从而导致精度下降。上述元件偏移电压主要是因磁 电转换元件从封装受到的应力等而产生的。上述输入偏移电压主要是因构成放大器和比较 器的输入电路的元件的特性偏差等而产生的。此外，上述噪声主要是由构成电路的单体晶 体管具有的闪烁噪声、单体晶体管和电阻元件具有的热噪声产生的。
[0004] 为了减小上述的磁电转换元件和放大器具有的偏移电压的影响，图15所示的磁 传感器装置具有如下结构。其构成为具有：霍尔元件1501 ;开关切换电路1502,其对霍尔元 件1501的第一检测状态和第二检测状态进行切换；差动放大电路1503,其对开关切换电路 1502的两个输出端子的电压差（V1-V2)进行放大；电容1504,其一端与差动放大电路1503 的一个输出端子连接；开关1506,其连接在差动放大电路1503的另一个输出端子与电容 1504的另一端之间；以及比较器1505。
[0005] 此处，在第一检测状态下，从端子A和C输入电源电压，从端子B和D输出检测电 压。此外，在第二检测状态下，从端子B和D输入电源电压，从端子A和C输出检测电压。设 霍尔元件1501的与磁场强度对应的差动信号电压（以下，记作元件信号电压）为Vh，设霍 尔兀件1501的偏移电压（以下，记作兀件偏移电压）为Voh,设差动放大电路1503的放大 率为G，设差动放大电路1503的输入偏移电压为Voa。设第一检测状态以及第二检测状态 下的元件信号电压Vh分别为Vhl、Vh2,针对元件偏移电压Voh，也设为Vohl、Voh2。
[0006] 霍尔元件1501的元件偏移电压通常可通过被称作旋转电流法的公知方法来抵 消。具体而言，以得到同相的信号成分与反相的元件偏移成分（或反相的信号成分与同相 的元件偏移成分）的方式切换开关切换电路，由此抵消偏移成分。通过旋转电流法，Vh2与 Vhl大致相等，Voh2与Vohl大致相等，在第一检测状态下，成为V1-V2 = Vhl+Vohl，在第二 检测状态下，成为V1-V2 = -Vh2+Voh2。
[0007] 此外，在第一检测状态下，开关1506接通，以Vcl = (V3-V4) = GX (V1-V2)= GX (Vhl+Vohl+Voa)对电容1504进行充电。接着，在第二检测状态下，开关1506断开，从差 动放大电路 1503 输出 V3-V4 = GX (V1-V2) = GX (_Vh2+Voh2+Voa)。
[0008] 由此，第二检测状态下的比较器1505的差动输入电压为
[0009] V5-V6 = (V3-Vcl)-V4
[0010] = (V3-V4)-Vcl
[0011] = GX (-Vh2+Voh2+Voa)-GX (Vhl+Vohl+Voa)
[0012] =GX (-Vhl-Vh2)+GX (Voh2-Vohl),
[0013] 输入偏移电压的影响被抵消，此外，Voh2与Vohl大致相等，因此元件偏移电压也 被抵消。
[0014] 由此，不会受到输入偏移电压的影响而能够得到偏差小的输出，能够实现小型且 便宜的磁传感器。
[0015] 现有技术文献 [0016] 专利文献
[0017] 专利文献1 :日本特开2001-337147号公报
【发明内容】
[0018] 发明要解决的问题
[0019] 但是，在上述那样的现有的磁传感器装置中，存在如下问题：由于不能去除比较器 1505的输入偏移电压，因此，由于该输入偏移电压的偏差和应力等引起的变化，导致在检测 的磁场强度中产生偏差和误差。
[0020] 本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种磁传感器装置，其能够以 简单的电路结构去除元件偏移电压、放大器以及比较器的输入偏移电压的影响，能够高精 度地检测磁场强度。
[0021] 用于解决问题的手段
[0022] 为了解决现有的这样的问题，本发明的传感器装置以如下方式构成。
[0023] 在根据施加于传感器元件的物理量的强度而进行逻辑输出的传感器装置中，具 有：开关切换电路，其与传感器元件的第一端子对以及第二端子对连接，对被提供电源的端 子对和输出与物理量的强度对应的检测电压的端子对进行切换控制，并具有输出检测电压 的第一输出端子以及第二输出端子；差动放大器，其第一输入端子以及第二输入端子分别 与开关切换电路的第一输出端子以及第二输出端子连接，并具有输出对检测电压进行差动 放大后的结果的第一输出端子以及第二输出端子；放大器，其具有第一输入端子、第二输入 端子、第三输入端子、第四输入端子以及输出端子，第一输入端子和输出端子经由第一开关 连接，第一输入端子经由第一电容与差动放大器的第一输出端子连接，第二输入端子与差 动放大器的第二输出端子连接；以及检测电压设定电路，其向放大器的第三输入端子和第 四输入端子输出不同的电压。
[0024] 发明效果
[0025] 根据本发明的传感器装置，通过有效地灵活运用开关和电容，能够以简单的电路 结构去除在构成传感器装置的传感器元件、差动放大器中产生的偏移成分。因此，能够高精 度地设定物理量的强度的检测电压电平，从而能够提供高精度的传感器装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是第1实施方式的磁传感器装置的电路图。
[0027] 图2是在本发明的磁传感器装置中使用的差动放大器的电路图的一例。
[0028] 图3是在第1实施方式中使用的放大器的电路图的一例。
[0029] 图4是本发明的磁传感器装置的开关控制信号的时序图的一例。
[0030] 图5是在本发明的磁传感器装置中使用的检测电压设定电路的电路图的一例。
[0031] 图6是第1实施方式的开关控制信号的时序图的一例。
[0032] 图7是第1实施方式的开关控制信号的时序图的一例。
[0033] 图8是第1实施方式的开关控制信号的时序图的一例。
[0034] 图9是在本发明的磁传感器装置中使用的检测电压设定电路的电路图的一例。
[0035] 图10是在第1实施方式中使用的放大器的电路图的一例。
[0036] 图11是在本发明的磁传感器装置中使用的差动放大器的电路图的一例。
[0037] 图12是第2实施方式的磁传感器装置的电路图。
[0038] 图13是在第2实施方式中使用的放大器的电路图的一例。
[0039] 图14是在第2实施方式中使用的放大器的电路图的一例。
[0040] 图15是现有的磁传感器装置的电路图。
【具体实施方式】
[0041] 本发明的传感器装置、例如磁传感器装置作为折叠式移动电话和笔记本计算机等 中的开闭状态检测传感器以及电机的旋转位置检测传感器等、检测磁场强度状态的传感器 而被广泛利用。以下，参照附图，对本实施方式进行说明。
[0042] <第1实施方式>
[0043] 图1是本发明的第1实施方式的磁传感器装置的电路图。第1实施方式的磁传感 器装置具有作为磁电转换兀件的霍尔兀件1、开关切换电路2、差动放大器3、放大器4、电容 C1、开关Sl以及检测电压设定电路5。检测电压设定电路5由基准电压设定电路Vrefl以 及基准电压设定电路Vref2构成。
[0044] 霍尔元件1具有第一端子对A-C和第二端子对B-D。
[0045] 开关切换电路2具有：与霍尔元件1的各端子A、B、C、D连接的4个输入端子；以 及第一输出端子和第二输出端子。
[0046] 差动放大器3具有：与开关切换电路2的第一输出端子和第二输出端子分别连接 的第一输入端子Vl和第二输入端子V2 ;以及第一输出端子V3和第二输出端子V4。
[0047] 电容Cl具有两个端子，一个端子与差动放大器3的第一输出端子V3连接，另一个 端子与放大器4的第一差动输入对的第一输入端子V5连接。
[0048] 放大器4具有4个输入端子和1个输出端子，具体而言，具有第一差动输入对的第 一输入端子V5、第一差动输入对的第二输入端子V6、第二差动输入对的第一输入端子V7、 第二差动输入对的第二输入端子V8以及输出端子V0。放大器4的第一差动输入对的第二 输入端子V6与差动放大器3的第二输出端子V4连接，第二差动输入对的第一输入端子V7 与基准电压设定电路Vref 1的正极连接，第二差动输入对的第二输入端子V8与基准电压设 定电路Vref 2的正极连接。
[0049] 开关SI具有两个端子，一个端子与放大器4的第一差动输入对的第一输入端子V5 连接，另一个端子与放大器4的输出端子VO连接，并通过开关控制信号（在电路图中未图 示）来控制接通或断开。
[0050] 接下来，说明第1实施方式的磁传感器装置的动作。
[0051] 开关切换电路2具有切换第一检测状态和第二检测状态功能，其中，在第一检测 状态中，向霍尔元件1的第一端子对A-C输入电源电压，从第二端子对B-D输出检测电压， 在第二检测状态中，向第二端子对B-D输入电源电压，从第一端子对A-C输出检测电压。
[0052] 霍尔元件1输出与磁场强度（或磁通密度）对应的信号电压，并且，输出作为误差 成分的偏移电压。
[0053] 差动放大器3具有对两个输入电压之差进行放大并作为两个输出电压之差而输 出的功能。如果用式子来表示该放大功能，则为
[0054] V3-V4 = GX (V1-V2) · · · (1)。
[0055] 此处，G为放大率，各端子Vl?V4的电压分别为Vl?V4。这样的差动放大器3 的功能例如可以由图3所示的电路结构来实现。
[0056] 图2是示出差动放大器3的一例的电路图。
[0057] 图2的差动放大器3构成为具有差动放大器31、32和电阻1?11、1?12、1?13，且以如下 方式进行连接。差动放大器3的第一输入端子Vl与差动放大器31的同相输入端子连接， 第二输入端子V2与差动放大器32的同相输入端子连接，第一输出端子V3与差动放大器31 的输出端子连接，第二输出端子V4与差动放大器32的输出端子连接。电阻Rll、R12、R13 串联连接在第一输出端子V3和第二输出端子V4之间，Rll和R12的连接点VI'与差动放 大器31的反相输入端子连接，R12和R13的连接点V2'与差动放大器32的反相输入端子 连接。
[0058] 差动放大器3如上这样连接，以如下方式工作。
[0059] 差动放大器31作为同相放大器进行工作，以使和反相输入端子连接的连接点VI' 与和同相输入端子连接的Vl大致相等的方式进行工作。此外，差动放大器32作为同相放 大器进行工作，以使和反相输入端子连接的连接点V2'与和同相输入端子连接的V2大致相 等的方式进行工作。此外，流过电阻R11、R12、R13的电流相等，因此，得到下式。
[0060] (V3-V1)+Rll = (V1-V2)+R12 · · · (2)
[0061] (V2-V4)+R13 = (V1-V2)+R12 · · · (3)
[0062] 如果根据式（2)和式（3)计算V3以及V4,则成为如下这样。
[0063] V3 = +(R11 + R12+1 + 2) X (V1-V2) + (V1+V2) +2 · · · (4)
[0064] V4 = -(R13 + R12+1 + 2) X (V1-V2) + (V1+V2) +2 · · · (5)
[0065] 如果将式（4)和式（5)的右边的包含电阻的括弧的项分别设为放大率Gl、G2、即 设为
[0066] Gl = R11 + R12+1 + 2 · · · (6)
[0067] G2 = R13 + R12+1 + 2 · · · (7)，
[0068] 则式⑷和式（5)成为如下这样。
[0069] V3 = +GlX (V1_V2) + (V1+V2) + 2 · · · (8)
[0070] V4 = -G2X (V1-V2) + (V1+V2) + 2 · · · (9)
[0071] 如果根据式（8)和式（9)计算V3-V4,则成为如下这样。
[0072] V3-V4 = (G1+G2) X (V1-V2) · · · (10)
[0073] 此处，如果设放大率G为
[0074] G = G1+G2 · · · (11)，
[0075] 则式（11)成为
[0076] V3-V4 = GX (V1-V2) · · · (12)，
[0077] 得到与式（1)相同的结果。S卩，在图2所示的电路例中，具有将两个输入电压之差 放大而作为两个输出电压之差进行输出的功能。此外，在图2所示的电路例中，通过设为这 样的具有计测功能的放大器结构，能够抑制输入中的同相噪声的影响。此外，根据式（11)、 (6)和（7)，得到
[0078] G = (R11+R12+R13)+R12 · · · (13)，
[0079] 因此，放大率G可通过电阻Rll、R12、R13任意设定。
[0080] 放大器4具有输出对一对输入电压之差进行放大后的值与对另一对输入电压之 差进行放大后的值之和的功能。图3示出了概念性地表示该放大功能的图。
[0081] 图3是示出放大器4的功能的概念图。
[0082] 图3的放大器4构成为具有差动放大器41、42和加法器44,且以如下方式进行连 接。放大器4的第一差动输入对的第一输入端子V5与差动放大器41的反相输入端子连接， 第一差动输入对的第二输入端子V6与差动放大器41的同相输入端子连接，第二差动输入 对的第一输入端子V7与差动放大器42的反相输入端子连接，第二差动输入对的第二输入 端子V8与差动放大器42的同相输入端子连接。差动放大器41的输出和差动放大器42的 输出分别与加法器44的输入连接，加法器44的输出与放大器4的输出端子VO连接。
[0083] 放大器4如上这样连接，以如下方式进行工作。
[0084] 差动放大器41将两个输入端子V5与V6的电压之差放大后输入到加法器44,差动 放大器42将两个输入端子V7与V8的电压之差放大后输入到加法器44。加法器44输出差 动放大器41和差动放大器42的输出之和。用式子表示该放大功能的话，则为
[0085] VO = AlX (V6-V5)+A2X (V8-V7) · · · (14)。
[0086] 此处，Al以及A2分别为差动放大器41以及42的放大率。此外，设各端子V5? V8以及VO的电压分别为V5?V8以及V0。
[0087] 在图1的磁传感器装置中，图3所示的放大器4的第一差动输入对的第一输入端 子V5和输出端子VO与开关Sl的两端连接。
[0088] 在开关Sl接通的状态下，VO与V5为大致相等的电压，因此VO根据式（15)而如 下所示。
[0089] VO = Al + (1+A1) XV6+A2+ (1+A1) X (V8-V7) · · · (15)，
[0090] 为了便于说明而设放大率Al以及A2足够大时，得到下式。
[0091] VO = V6+(A2+A1) X (V8-V7) · · · (16)
[0092] 即，放大器4在开关SI接通的状态下，进行如下这种电压跟随器的动作：差动放大 器41的反相输入端子经由第一差动输入对的第一输入端子V5而与输出端子VO电连接，形 成反馈环路，输出电压VO不仅追踪输入电压V6,还输出输入电压V6与以放大率Al和A2之 比对输入V8与V7的电压的差分进行放大后的电压之和。
[0093] 另一方面，在开关SI断开的状态下，在放大器4中不形成反馈环路，因此，VO作为 比较器（比较器）进行工作。根据式（14)，得到
[0094] VO = AlX {(V6-V5) + (A2+A1) X (V8-V7)} · · · (17)，
[0095] S卩，放大器4在开关SI断开的状态下，进行如下这样的比较动作：针对V6和V5的 差分电压与以放大率Al和A2之比将V8和V7的差分放大后的电压之和的电压，以足够大 的放大率Al进行放大，向输出端子VO输出高电平信号（通常为正的电源电压电平）或低 电平信号（通常为负的电源电压电平或GND电平）。
[0096] 图4示出了开关控制信号的时序图。
[0097] 检测动作的一个周期T由第一阶段φ?和第二阶段φ2构成。开关Sl被图4的开关 控制信号控制，在第一阶段φ?中接通，在第二阶段φ2中断开。此外，开关切换电路2以及霍 尔元件1也被图4的开关控制信号控制，在第一阶段φ?中成为第一检测状态Τ1，在第二阶 段φ2中成为第二检测状态Τ2。如果对各阶段中的图1的磁传感器装置的动作的概略进行 说明的话，则第一阶段Φ?是将霍尔元件1的元件信号电压和元件偏移电压、以及差动放大 器3和放大器4的偏移电压存储到电容Cl中的阶段，第二阶段φ2是抵消第一阶段φ?中的 偏移成分，并且对根据元件信号电压表示的磁场强度而决定的电压与检测电压进行比较的 阶段。以下进行详细说明。
[0098] 在第一阶段φ?中，霍尔元件1为第一检测状态Τ1，开关Sl接通。由于开关Sl接 通，因此放大器4如上述一种电压跟随器那样进行工作。如果将其用式子来表示，则根据式 (16)而成为如下这样。
【权利要求】
1. 一种传感器装置，其根据施加于传感器元件的物理量的强度而进行逻辑输出，其特 征在于，该传感器装置具有： 开关切换电路，其与所述传感器元件的第一端子对以及第二端子对连接，对被提供电 源的端子对和输出与物理量的强度对应的检测电压的端子对进行切换控制，并具有输出所 述检测电压的第一输出端子以及第二输出端子； 差动放大器，其第一输入端子以及第二输入端子分别与所述开关切换电路的第一输出 端子以及第二输出端子连接，并具有输出对所述检测电压进行差动放大后的结果的第一输 出端子以及第二输出端子； 放大器，其具有第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子、第四输入端子以及输出 端子，该第一输入端子和该输出端子经由第一开关连接，该第一输入端子经由第一电容而 与所述差动放大器的所述第一输出端子连接，该第二输入端子与所述差动放大器的所述第 二输出端子连接；以及 检测电压设定电路，其向所述放大器的所述第三输入端子和所述第四输入端子输出不 同的电压。
2. 根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于， 所述检测电压设定电路由串联连接在电源端子与接地端子之间的多个电阻构成，具有 至少3个分压点， 所述检测电压设定电路具有： 第二开关，其设置在第一分压点与所述放大器的所述第三输入端子之间； 第三开关，其设置在第二分压点与所述放大器的所述第三输入端子之间； 第四开关，其设置在第三分压点与所述放大器的所述第三输入端子之间； 第五开关，其设置在所述第一分压点与所述放大器的所述第四输入端子之间； 第六开关，其设置在所述第二分压点与所述放大器的所述第四输入端子之间；以及 第七开关，其设置在所述第三分压点与所述放大器的所述第四输入端子之间。
3. 根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于， 所述开关切换电路具有切换第一检测状态和第二检测状态的功能，其中， 在所述第一检测状态中，向所述传感器元件的所述第一端子对提供电源，从所述第二 端子对输出所述检测电压； 在所述第二检测状态中，向所述传感器元件的所述第二端子对提供电源，从所述第一 端子对输出所述检测电压。
4. 根据权利要求1?3中的任意一项所述的传感器装置，其特征在于， 所述放大器具有两个以上的差动输入对， 向至少一个差动输入对输入由所述差动放大器输出的差动信号， 向至少一个差动输入对输入与所检测的物理量对应的基准信号。
5. 根据权利要求1?4中的任意一项所述的传感器装置，其特征在于， 所述物理量为磁。
6. 根据权利要求1?4中的任意一项所述的传感器装置，其特征在于， 所述物理量为压力。
【文档编号】G01R33/07GK104246526SQ201380015694
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2012年3月22日
【发明者】有山稔, 村冈大介, 挽地友生, 深井健太郎 申请人:精工电子有限公司