JP2017161505A - 磁気センサ及び磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサ装置の配線の断線や短絡などの異常を正確に判定する事が出来る磁気センサ及び磁気センサ装置を提供する。【解決手段】磁気センサの出力制御回路は、出力端子に接続された分圧回路と、分圧回路の電圧と基準電圧が等しくなるように磁気センサの出力端子に接続されたＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御するアンプを備えたので、磁気センサの出力電圧は、基準電圧と分圧回路の分圧比によって決定される。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサに関し、より詳しくは出力端子を外部でプルアップする構成の磁気センサ及び磁気センサ装置に関する。

磁気センサ装置は、磁束密度を電気信号に変換する磁気検出素子を備え、磁性体が設けられた被検出部材との相対距離の変化に応じて変化する磁束密度が予め設定された磁束密度閾値との大小を電気的に判定し、２レベルの電圧の検出信号を出力する。磁気センサを用いるスイッチングシステム、特に自動車の分野においては、自動車の利用者に安全を提供するため、機能安全（ＩＳＯ２６２６２）の観点からシステムを構築することが要求される。例えば、磁気センサ素子自体の故障や、システム内の信号伝達経路の故障により、誤ったスイッチング動作が行われてしまう懸念を払拭させることが要求される。

図４は、従来の磁気センサ装置である。磁気センサ５０は、磁気センサを含む信号処理回路５１と、トランジスタ５２と、定電流回路５３と、抵抗５４で構成される。判別回路５９は、磁気センサ５０とＧＮＤが共通に接続され、端子ＩＮが磁気センサ５０の端子ＯＵＴと接続されている。更に、磁気センサ５０の端子ＩＮは、プルアップ抵抗５８によって電圧ＶＤＤにプルアップされている。

磁気センサ５０は、電圧ＶＤＤより所定値だけ低い高レベル値と電圧ＧＮＤより所定値だけ高い低レベル値の２値を端子ＯＵＴに出力する。判別回路５９は、入力電圧レベルがそれら２値の近傍以外の電圧である場合に異常と判定する異常検出機能を有する。

このように電圧ＶＤＤや電圧ＧＮＤと等価でない所定の電圧レベルを正常と判断するよう構成することで、入力端子の断線など異常を容易に検出する事が出来る。例えば、磁気センサ５０の端子ＯＵＴと判別回路５９の端子ＩＮの間の配線が断線しオープンになった場合は、判別回路５９の入力レベルが電圧ＶＤＤとなるため異常と判定される。また、磁気センサ５０の端子ＯＵＴと判別回路５９の端子ＩＮの間の配線が電圧ＧＮＤに短絡した場合は、判別回路５９の入力レベルが電圧ＧＮＤとなるため異常と判定される。

特開２００１−１６５９４４号公報

上述の回路構成の場合、正常時の判別回路５９の入力電圧レベルは、抵抗５４と定電流回路５３とトランジスタ５２及びプルアップ抵抗５８により決まる。従って、プルアップ抵抗５８は、製造ばらつきにより抵抗値がばらつくため、入力電圧レベルが変動してしまい、判別回路５９が誤判定をしてしまうという課題がある。

このような課題を解決するため、本発明の磁気センサは、出力制御回路を、出力端子に接続された分圧回路と、分圧回路の電圧と基準電圧が等しくなるように磁気センサの出力端子に接続されたＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御するアンプを備えた。

本発明の磁気センサによれば、磁気センサの出力電圧は、基準電圧と分圧回路の分圧比によって決定されるので、プルアップ抵抗の抵抗値ばらつきに左右されないという効果がある。従って、判別回路は磁気センサ装置の配線の断線や短絡などの異常を正確に判定する事が出来る。

本発明の磁気センサの第一実施形態を示す回路図である。 本発明の磁気センサの第二実施形態を示す回路図である。 本発明の磁気センサの第三実施形態を示す回路図である。 従来の磁気センサ装置を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の磁気センサの第一実施形態を示す回路図である。
磁気センサ装置は、磁気センサ１と、プルアップ抵抗１８と、判別回路１９で構成される。

第一実施形態の磁気センサ１は、磁気センサ素子３と、磁気判定回路４と、出力制御回路１０で構成される。出力制御回路１０は、ＭＯＳスイッチ５と、出力ドライブ素子６と、アンプ７と、基準電圧回路８と、分圧回路である抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３とで構成される。

磁気センサ１は、出力端子ＯＵＴが判別回路１９の入力端子とプルアップ抵抗１８を介して外部電源端子ＶＰＵに接続される。磁気センサ素子３は、入力端子が電源端子ＶＤＤ及びＧＮＤに接続され、出力端子が磁気判定回路４の入力端子に接続される。出力ドライブ素子６は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成され、ドレインは出力端子ＯＵＴに接続され、ソースは接地端子ＧＮＤに接続されている。抵抗Ｒ１は、一端が出力端子ＯＵＴに接続され、他端（ノードＮ１）が抵抗Ｒ２の一端に接続されている。抵抗Ｒ２は、他端（ノードＮ２）が抵抗Ｒ３の一端に接続されている。抵抗Ｒ３は、他端が接地端子ＧＮＤに接続されている。アンプ７は、出力端子が出力ドライブ素子６のゲートに接続され、反転入力端子は基準電圧回路８の出力端子に接続され、非反転入力端子はノードＮ１に接続されている。ＭＯＳスイッチ５は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成され、ゲートは磁気判定回路４の出力端子に接続され、ドレインはノードＮ２に接続され、ソースは接地端子ＧＮＤに接続される。

判別回路１９は、磁気センサ１が出力する磁束密度に応じた高レベル値と低レベル値を区別する機能に加え、異常検出機能を有する。異常検出機能は、入力される電圧が高レベル値と低レベル値の近傍である場合に磁気センサ装置が正常であると判定し、入力される電圧がそれ以外の電圧領域である場合に磁気センサ装置が異常であると判定する、
磁気センサ素子３は、電圧ＶＤＤを電源とし、磁気センサ素子へ入力される磁束密度に応じた電気信号を出力する。磁気センサ素子３は、例えばホール素子を用いる事ができる。磁気判定回路４は、磁気センサ素子３の出力する電気信号と、予め設定された閾値信号とを比較し、磁気判定結果を電圧ＶＤＤと電圧ＧＮＤの２値電圧で出力制御回路１０に出力する。

磁気判定回路４の出力が電圧ＧＮＤの場合、ＭＯＳスイッチ５はオフ状態であり、ノードＮ２は抵抗Ｒ３によって接地端子ＧＮＤと接続されている。
一方、磁気判定回路４の出力が電圧ＶＤＤの場合、ＭＯＳスイッチ５はオン状態であり、ノードＮ２は接地端子ＧＮＤと接続されている。

出力端子ＯＵＴと接地端子ＧＮＤの間には、分圧回路と電気的に並列に出力ドライブ素子６が接続される。出力ドライブ素子６は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、ゲート電圧を制御することで、出力端子ＯＵＴと接地端子ＧＮＤの間にドレイン電流を流すことができる。また、アンプ７は、ノードＮ１が非反転入力端子に接続され、基準電圧回路８が反転入力端子に接続され、出力端子が出力ドライブ素子６のゲート端子に接続されているため、ノードＮ１の電圧を基準電圧回路８の基準電圧に等しくなるように出力ドライブ素子６を制御する。

磁気センサ１の出力端子ＯＵＴの出力電圧をＶＯＵＴとし、基準電圧回路８の基準電圧をＶＲＥＦとすると、出力電圧ＶＯＵＴは、磁気判定結果の場合分けにより２つの式で表わされる。
ＶＯＵＴ＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×ＶＲＥＦ ・・・（１）
ＶＯＵＴ＝｛１＋Ｒ１／（Ｒ２＋Ｒ３）｝×ＶＲＥＦ ・・・（２）
式１は、磁気判定回路４の出力が電圧ＶＤＤの場合の出力電圧ＶＯＵＴを表わす。式２は、磁気判定回路４の出力が電圧ＧＮＤの場合の出力電圧ＶＯＵＴを表わす。

このように、磁気センサ１の出力電圧ＶＯＵＴは、プルアップ抵抗１８の抵抗値に依存しないため、プルアップ抵抗１８のばらつきに対して影響を受けることがない。したがってプルアップ抵抗値を柔軟に設定できるため、さらなる効果として、プルアップ抵抗値を大きくすることで磁気センサシステムの省電力化も可能となる。

以下に、第一実施形態の磁気センサを実現する具体的な抵抗値の例を示す。
外部電源ＶＰＵを５．０Ｖ、基準電圧ＶＲＥＦを０．３Ｖとした場合の、式１の出力電圧ＶＯＵＴが４．５Ｖ、式２の出力電圧ＶＯＵＴが０．５Ｖとなるような回路定数を求める。式１および式２から、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３の比率は７：０．５：１０に設定すればよいことがわかる。

さらに具体的には、プルアップ抵抗１８の抵抗値を限定しないためには、抵抗Ｒ１からＲ３の抵抗値は大きいほど望ましい。ＲＰＵをプルアップ抵抗１８の抵抗値とすると、その許容値は式３より求められる。
ＲＰＵ＞（ＶＰＵ−ＶＯＵＴ（１））／｛ＶＯＵＴ（１）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）｝・・・（３）
例えば、Ｒ１＝７００ｋΩ、Ｒ２＝５０ｋΩ、Ｒ３＝１ＭΩとすると、プルアップ抵抗１８の抵抗値ＲＰＵは、１９４ｋΩ未満であれば動作可能となる。
より現実的に出力ドライバ素子のドレイン電流許容範囲を考慮すれば、プルアップ抵抗１８の抵抗値は数十Ω以上であることが望ましい。

以上説明したように、第一実施形態の磁気センサ１によれば、判別回路１９の入力電圧が基準電圧と分圧回路の分圧比によって決定されるので、プルアップ抵抗１８の抵抗値ばらつきに左右されずに、配線の断線や短絡などの異常を正確に判定する事が出来る。
なお、判別回路１９の求める入力電圧に応じて、出力電圧ＶＯＵＴを調整できるよう分圧回路の抵抗をトリミング手段可能な構成にしてもよい。

図２は、本発明の磁気センサの第二実施形態を示す回路図である。
磁気センサ１００は、磁気センサ素子３と、磁気判定回路４と、出力制御回路２０で構成される。出力制御回路２０は、出力ドライブ素子６と、アンプ７と、分圧回路である抵抗Ｒ１、Ｒ２、基準電圧回路８１と、基準電圧回路８２と、ＭＯＳスイッチ９０ととで構成される。

磁気センサ１００と、判別回路１９と、プルアップ抵抗１８は、第一実施形態と同様に接続され、同様の動作をする。さらに、磁気センサ素子３と、磁気判定回路４と、出力ドライブ素子６と、アンプ７は、第一実施形態と同様に接続され、同様の動作をするため、説明を省略する。

ＭＯＳスイッチ９０は、例えばＣＭＯＳトランジスタで構成され、基準電圧回路８１あるいは基準電圧回路８２を択一的に選択してアンプ７の反転入力端子に接続する。ＭＯＳスイッチ９０は、制御端子を備え、制御端子には磁気判定回路４の出力する２値電圧が入力される。

磁気判定回路４の出力が電圧ＧＮＤの場合、ＭＯＳスイッチ９０は基準電圧回路８１を選択し、基準電圧回路８１の出力端子をアンプ７の反転入力端子に接続する。
一方、磁気判定回路４の出力が電圧ＶＤＤの場合、ＭＯＳスイッチ９０は基準電圧回路８２を選択し、基準電圧回路８２の出力端子をアンプ７の反転入力端子に接続する。

基準電圧回路８１が生成する基準電圧をＶＲＥＦ１とし、基準電圧回路８２が生成する基準電圧をＶＲＥＦ２とする。基準電圧ＶＲＥＦ１と基準電圧ＶＲＥＦ２は、互いに値が異なる基準電圧である。

磁気センサ１００の出力端子ＯＵＴの出力電圧をＶＯＵＴとすると、出力電圧ＶＯＵＴは、磁気判定結果の場合分けにより２つの式で表わされる。
ＶＯＵＴ＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×ＶＲＥＦ１・・・（４）
ＶＯＵＴ＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×ＶＲＥＦ２・・・（５）
式４は、磁気判定回路４の出力が電圧ＧＮＤの場合の出力電圧ＶＯＵＴを表わす。式５は磁気判定回路４の出力が電圧ＶＤＤの場合の出力電圧ＶＯＵＴを表わす。

以下に第二実施形態の磁気センサを実現する具体的な数値例を示す。
外部電源ＶＰＵを５．０Ｖとし、式４の出力電圧ＶＯＵＴが４．５Ｖ、式５の出力電圧ＶＯＵＴが０．５Ｖとなるような回路定数を求める。基準電圧ＶＲＥＦ１が３．０Ｖとなるように基準電圧回路８１を設定する場合、式４より、Ｒ１：Ｒ２の比率は０．５：１に設定すれば良いことがわかる。また、基準電圧ＶＲＥＦ２は、式４および式５から、０．３３Ｖに設定すればよいことがわかる。

図３は、本発明の磁気センサの第三実施形態を示す回路図である。
基準電圧回路は、第二実施形態と異なり、抵抗９１と抵抗９２と抵抗９３で構成される。また磁気センサ２００は、外部電源ＶＰＵが接続されるＶＤＤ２端子を備え、ＶＤＤ２端子は抵抗９３の一端とアンプ７の反転入力端子に接続される。抵抗９３は、ＭＯＳスイッチ９０によって抵抗９１と抵抗９２のいずれかに接続される。そして、それらの抵抗は、電圧ＶＰＵを抵抗分圧することで基準電圧が得られる。

磁気判定回路４の出力が電圧ＶＤＤの場合、ＭＯＳスイッチ９０は抵抗９１を選択して抵抗９３と直列接続する。磁気判定回路４の出力が電圧ＧＮＤの場合、ＭＯＳスイッチ９０は抵抗９２を選択して抵抗９３と直列接続する。

外部電源ＶＰＵと抵抗９３と抵抗９１とで生成される基準電圧をＶＲＥＦ１とし、外部電源ＶＰＵと抵抗９３と抵抗９２とで生成される基準電圧をＶＲＥＦ２とする。基準電圧ＶＲＥＦ１と基準電圧ＶＲＥＦ２は、互いに値が異なる基準電圧である。
磁気センサ２００の出力端子ＯＵＴの出力電圧をＶＯＵＴとすると、出力電圧ＶＯＵＴは第二実施形態の磁気センサと同様に式４と式５で表される。

以下に第三実施形態の磁気センサを実現する具体的な数値例を示す。
外部電源ＶＰＵを５．０Ｖとし、式４の出力電圧ＶＯＵＴが４．５Ｖ、式５の出力電圧ＶＯＵＴが０．５Ｖとなるような回路定数を求める。式４の出力電圧ＶＯＵＴと式５の出力電圧ＶＯＵＴの比は、９：１であるから、基準電圧ＶＲＥＦ１と基準電圧ＶＲＥＦ２の比も９：１となるように設定する。基準電圧ＶＲＥＦ１が３．０Ｖ、基準電圧ＶＲＥＦ２が０．３３Ｖとすると、式４よりＲ１：Ｒ２の比率は０．５：１に設定すれば良いことがわかる。さらに、抵抗９１と抵抗９２と抵抗９３は、抵抗９１が３００ｋΩ、抵抗９２が１４ｋΩ、抵抗９３が２００ｋΩとすることで第三実施形態を実現することができる。

以上説明したように、本発明の磁気センサによれば、判別回路１９の入力電圧が基準電圧と分圧回路の分圧比によって決定されるので、プルアップ抵抗１８の抵抗値ばらつきに左右されずに、配線の断線や短絡などの異常を正確に判定する事が出来る。

１、１００、２００ 磁気センサ
３ 磁気センサ素子
４ 磁気判定回路
５、９０ ＭＯＳスイッチ
６ 出力ドライブ素子
７ アンプ
８、８１、８２ 基準電圧回路
１９ 判別回路

Claims (3)

1. 判別回路の入力端子に接続される出力端子がプルアップ抵抗で外部電源端子と接続された磁気センサであって、
   前記磁気センサは、磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子の出力電圧が入力される判定回路と、前記判定回路の信号を前記磁気センサの出力端子に出力する出力制御回路と、を備え、
   前記出力制御回路は、
   前記磁気センサの出力端子と接地端子の間に直列接続された第１、第２、第３の抵抗と、
   ゲートが前記判定回路の出力端子に接続され、ドレインが前記第２の抵抗と前記第３の抵抗の接点に接続され、ソースが接地端子に接続された第１のＭＯＳトランジスタと、
   反転入力端子が基準電圧回路の出力端子に接続され、非反転入力端子が前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の接点に接続されたアンプと、
   ゲートが接続され前記アンプの出力端子に接続され、ドレインが前記磁気センサの出力端子に接続され、ソースは接地端子に接続された第２のＭＯＳトランジスタと、
   を備えたことを特徴とする磁気センサ。
2. 判別回路の入力端子に接続される出力端子がプルアップ抵抗で外部電源端子と接続された磁気センサであって、
   前記磁気センサは、磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子の出力電圧が入力される判定回路と、前記判定回路の信号を前記磁気センサの出力端子に出力する出力制御回路と、を備え、
   前記出力制御回路は、
   前記磁気センサの出力端子と接地端子の間に直列接続された第１、第２の抵抗と、
   制御端子が前記判定回路の出力端子に接続され、第一入力端子が第一基準電圧回路に接続され、第二入力端子が第二基準電圧回路に接続され、出力端子が前記アンプの反転入力端子に接続されたスイッチと、
   非反転入力端子が前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の接点に接続されたアンプと、
   前記アンプの出力端子がゲートに接続され、ドレインが前記磁気センサの出力端子に接続され、ソースが接地端子に接続されたＭＯＳトランジスタと、
   を備えたことを特徴とする磁気センサ。
3. 請求項１または２に記載の磁気センサと、
   入力端子に前記磁気センサの出力端子が接続される判別回路と、
   前記磁気センサの出力端子と外部電源端子の間に接続されるプルアップ抵抗と、
   備えたことを特徴とする磁気センサ装置。

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