JPH02162278A - 磁界の強さを測定する回路および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、磁界を生じている装置からの磁界の強さを検
出するのにホール素子を使用している、磁界の強さを測
定する回路および方法に関し、更に詳細には、ホール素
子における電圧差をゼロにするようホール電流軸に電流
を注入し、かつ注入された電流を電圧に変換する演算増
幅器により、注入された電流を測定する磁束センサ回路
に関する。

〔発明の背景〕

磁気アクチク−エータ、磁気ザスベンシフン装醪、磁気
、ベアリング、磁気スイッチング装Ｖガどの磁界を生じ
る装置の磁界の強さを測定す；り磁束測定回路は、従来
技術にナタいて周知であ２〕、、従来装置面にυ１、こ
の、！二うカニ磁界発生装置（（ノニク発牛された磁束
を測定するのにホール素子を使用１−でいるものが（八
くつかある。

磁界を牛じている装置における磁束を測定ずろのにホー
ル素子を使用１〜でいる従来の方法では、回路の電荷キ
ャリヤの流れを阻止ｊ〜でいン、。その後、計測増幅器
を使用１〜で、素子は、流れを阻止したこと釦より集群
した電荷キャリヤによって生じたホール電圧（Ｖｌ、）
　　を測定する。第１図の回路図に１、従来回路の例を
示１−７でい２）。第１図において、回路１３は、電源
１５．抵抗１？、ホ・−ル素子１９．負荷抵抗（Ｒ，、
）　２５　　、計測増幅器７９゜電圧出力１４を含んで
いる。電圧出力は、電圧側゛などに接続１〜でいる。ホ
ール素子１９は、ホール接点（Ｉ　＋）　１９）Ａ　、
ホール接点（Ｉ　−）　１９ｔ＋　、ホール接点（Ｖｈ
＋）　ｉ９ｃ　、ホール接点（ｖｈ−）１９ｄを含んで
いＺ）。電流制御抵抗ＩＴｉｄ１、電源１５と接点１９
ハの間に接続１〜でいる。接点ｉ９）＞ｉ嶋　ア・−ス
フ１に接続しでいる。祇抗２５ｔなわ１−）負荷損シ）
ｒ、　ｙ、Ｌは、接続点２３．２７の間に接続！〜でい
Ｚ〕。負荷抵抗フ５は、接続点２３．２７の間の電圧を
維持づＺ）のに使用され、？）。負荷抵抗２５における
電ＩＦ降下は、デイバイスＤｖによりもρ−らされグｌ
磁界の強さの太さ７Ｓの関数で、りる。計測増幅器ノ９
は、ビン３１．３３を介して回路に接続してい７）。−
ｆの結果生じノｔ′、電圧”ｈは、肝泪１１増幅器：／
９に供給され、増幅さｊｌ−７’Ｃ電圧は出力１４に供
給さノ′シろ３、出力１４は、電圧用−などに接続さ′
１１．ている、。

以上の」二うに、第１図に示されでいる従来のホー刃・
回路Ｕ：、唱”副増幅器２９を使用することに、１゛す
、チャー・ジの集群により生じた電荷キャリヤの流れを
阻止ｊ′ろよう動作する。第１図のホール回路のホール
電ｌＴ：は、代表的には、約１０ミリボルト／キロガウ
スでちる。どのレベルのホー刃・電圧では、磁Ｗスイッ
チングのノイズのあるＲ境で磁界の強さを側穿づ゛ると
と（ｄｌ、非常に困難であ２）、。

さらに、とこに示され−Ｃいる従来回路の６１制御電流
Ｉｅは％　ｈ”Ｊ　１５０ミ’）アンペアで、第１図に
示されている１５ボルトの電源１５の場合約２．２５　
ワットになる。とのため、従来回路では高い電力を必要
とし、電力消費量も大きい。七の結〃１、回路の電子部
品にかかるストレスが増し、磁界において動作ｊ〜でい
る電子部品の故障につなかつて１〜食う。

〔発明の概要〕

本発明は、磁界発生装置がホール素子に作用可能に接ｊ
〜ている場合、上記磁界を発生している装置の磁界の強
さ検たは磁束を検出するのにボール素子を使用１〜でい
る改良されたセンザ回路を掛供する。ホール磁束検出回
路は、ホール動に電流Ｉｅを注入し、ホール素子におり
る電圧差をゼロにする。注入された電流は、千の後、演
算増幅器構成、７壕しくは、トランスレジスタンス増幅
器とフィトバック回路の組合せにより出力電圧に変換さ
れる。出力電圧は、電圧側”などにより検出される。

ホール電圧ではなくホール電流を使用する仁とは、キャ
リヤ集群の非線形作用をガ＜１．て、電流、を効果的に
線形化することができる１、さらに、本発明の装置（づ
：、従来の装置に〃・いて６１１１定されてい７１づ二
うな電圧への代りに、電流■ｃを測定１゛ることに、」
ニリ、雑音余裕度を改＠１〜でいる。ホール電流（づ：
、約１０ミリアンペアの制御電流に関し約１ミリアンペ
ア／キｐガウスのメーダであＺ）。

制御電流は、約５ミリアンペア′企て低減さｈ得る。こ
れは、第１図の従来装置と比較１〜だ場合、約３０分の
１も電力消費Ｉを減少することになる。

この電力減少により、制御電流を供給す２−１襟雑な回
路や、複雑でしかも高価な部品の数を低減−メることが
できる。さらに、トランスレジスタンス増＠器を使用す
ることにより、第１図のｎ」側増幅器を使用した場合よ
りも、コストを下げることができる。洩プ仏低い制御１
電流を使用ずＺ貸二とにより、さらにトランジスタ回路
を設けることなく、トラシース１／ジスタンス増幅器の
ような演算増幅器を使用フ”ることがてきる。

本発明の目的は、回路の電力消費ｆ′を低減するホール
効果磁束検出回路を提供１゛るととである。

本発明の他の目的は、回路の特性を改善するホール効果
磁束検出回路を提供することである。

本発明の別の目的は、信頼性の高いホール効果磁束検出
回路を提供することである。

以下、添付の図面に基いて、本発明の実施例に関し説明
する。

〔実施例〕

磁界を生じている装置における磁界の強さを測定するホ
ール・センサの機能と用途を理解する次め、第２図に示
されているホール素子について簡単に説明する。第２図
のホール素子１１は、３つの軸、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ
軸を有する比較的純粋な半導体材料のブロックから成っ
ている。通常の動作において、磁束検出電流、すなわち
制御電流工　は、素子１１のＸ軸方向に流される。磁束
Ｂは、Ｙ軸方向に供給される。この磁束Ｂは、磁束を発
生しているデイバイスＤにより発生される。

このデイバイスは、最大磁束を発生するよう、ホール素
子１１のすぐ近くに設けられている。一般に、デイバイ
スＤは、動作中、Ｙ軸の作用可能な付近に配置されてい
る。したがって、磁界は、磁束Ｂの関数である。ホール
電流Ｉ、は、ｚ軸方向に発生する。本発明において開示
されかつ例として使用されているデイバイスは、フロリ
ダ州所在のエフ・ダブリュ・ペルにより供給されたＢＨ
−２００である。なお、本発明は、これに類似した他の
デイバイスを使用してもよいことは、尚業者には明白で
あろう。

簡単に言えば、制御電流Ｉｅが素子１１に注入されると
、素子１１は、磁気アクチュエータ、磁気サスペンショ
ン装置、磁気ベアリング、または磁気スイッチング回路
などのような素子からのＹ軸方向の磁界１（Ｋさらされ
る。その結果、Ｚ軸方向に電荷キャリヤ・ホール電流の
移動が生じる。

第３図および第４図は、本発明の実施例を示している。

第４図は、磁束を生じている装置りに関連して、ホール
素子４７を立体的に示している（第３図には、電気的記
号で示されている）。前述したように、装置りは、磁気
アクチュエータ、磁気スイッチング装置、またはこれら
に類似した装置である。第４図は、第３図および第４図
に示されたホール磁束検出回路４１・の動作に関連し、
第２図に示したホール素子の動作の詳細を示している。

第３図および第４図において、磁界を生じる装置りから
の磁束Ｂを検出するホール電流注入回路４１は、電源４
３．抵抗４５．ホール素子４７゜演算増幅器５７．フィ
ードバック抵抗５９．電圧出力（ｖｏｕＴ）６３から成
っている。抵抗４５は、一般に、抵抗４５における”ｅ
　”ｉｅ　　電圧降下を生じる大きな抵抗である。ホー
ル素子４Ｔは、ホール接点（Ｉｅ＋）　４Ｔ＆　、ホー
ル接点ＣＩ、−）　４７ｂ　、ホール接点（Ｖ、＋）　
４７ｅ　、ホール接点（Ｖ、−）　４７ｄを含んでいる
。電圧源４３は、１５ボルトの電源か、またはこれに等
価なものである。抵抗（Ｒ，。）４５は、電圧源４３と
ホール接点（Ｉｅす４７ａの間に接続している。ホール
接点（■。−）　４７ｂはアースに接続している。フィ
ードバック抵抗５９は、接続点５１゜６１間に接続して
いる。演算増幅器５７のピン５３は、ピン５１により回
路に接続している。ピン５５は、ホール接点（Ｖｈ＋）
　４７ａの出力に接続している。

接続点６１は、出力（ｖｏｕＴ）　　６３と演算増幅器
５７の出力間に接続している。演算増幅器５７に接続し
たフィードバック回路の部分としてのフィードバック抵
抗５９の機能については、後述する演算増幅器の説明に
関して詳細に説明する。

第４図における磁気デイバイスＤは、磁気アクチュエー
タ、磁気ベアリング、磁気スイッチング回路ｉ喪はこれ
らと等価のデイバイスである。磁気デイバイスＤは、ホ
ール素子４７のＹ軸の作用可能な近くに配置されている
。これは、ホール素子に磁束Ｂを生じる。

第４図に示した電流注入回路４１の動作は、以下のとお
りである。

第４図は、ホール素子４７の２軸に注入される注入電流
Ｉａを示している。ホール素子４７の２軸に十分な電流
Ｉ、が注入されると、ホール素子４Ｔの電圧差はゼロに
駆動される。その結果、演算増幅器５Ｔの入力の電圧も
ゼロになる。トランスレジスタンス増幅器５７に流入す
る注入電流■。

は、フィードバック抵抗５９に送られる。この抵抗は、
増幅器５Ｔのトランスレジスタンス・ゲインを設定する
。接続点６１の出力電圧ｖ０は、注入電流！、にフィー
ドバック抵抗５９のレジスタンスをかけたものである。

この出力電圧は、出力６３における電圧計または同等の
装置により測定できる。この種の電流増幅装置は、従来
技術において周知である。ホール回路４１は、ホール電
圧ｖｈではなく注入ホール電流１．を測定する。増幅器
５７は、磁束の関数として注入電流！、を測定する。ト
ランスレジスタンス増幅器は、注入ホール電流Ｉ８を出
力６１における出力電圧に変換する。フィードバック抵
抗５９は、演算増幅器５７のピン５３と接続点６１０間
に位置し、増幅器５７にフィードバック電流を供給する
。

ホール素子４７を使用するには、ホール注入電流ま九は
出力電流■、対Ｉ０および磁束Ｂについて考慮する必要
がある。第３図に示された回路の動作を規定する式は、
次のとおりである。

Ｉ＝Ｋｈｉ　　・　！　　・　Ｂ ｓ　　　　　　　　　　　　　ｅ ここで、Ｋｈｉは、経験的に決定された電流モードのホ
ール定数である。Ｋｈｌは、代表的には、ＢＨ−２００
ホール素子に関し約０．１／ａｍｐ　Ｋガウスである。

これは、！、が、工、およびＢの関数で、Ｉ、またはＢ
のいずれか、または両方の大きさにしたがって変化する
ことを示している。

第５．６．７図において、電流注入ホール検出回路４１
を含んでいる同様の全ての磁束測定素子は、電流変化、
温度２周波数変化などによる一般的な異常に対して敏感
である。さらに、この回路で使用されている特定の演算
増幅器の特性による回路内のオフセット電圧により、回
路４１の動作が低下する。さらに、ホール素子のホール
接点Ｖ、＋およびＶ、−が整合していない場合、回路を
特別に調整しなければならない。オフセット電圧の異常
と非整合は、後述されている従来技術において周知の一
般的な平衡回路により調整される。第５図は、代表的な
電流平衡回路を示している。第５図の回路図において詳
細に示されているようＫ、演算増幅器５７の特性による
オフセット電圧とホール・キャリヤ接点の非整合のため
、調整を必要とする場合がよくある。平衡回路は、Ｒ選
択抵抗６６と、抵抗６８と、電源７２＜！：、抵抗Ｔ４
から成っている。この調整は、増幅器５Ｔに接続したピ
ン７６．８４の間に位置し九校正回路のＲ選択抵抗６６
によジ制御できる。

ホール素子を形成している半導体材料の不純物およびプ
ロセス変動によっても、電流モード・ホール定数（Ｋｈ
りは変化することがある。一般に、この変化は、第５図
に示したゲイン回路のゲイン調整選択抵抗５８により調
整することができる。

特Ｋ、抵抗６６は、０ガウス磁界において、ホール注入
電流！、をゼロ、すカわち演算増幅器５７のピン１０８
からピン５３の電圧をゼロ・ボルトにするよう選択され
なければならない。半導体の不純物とプロセス変動によ
り、前述した電流モード・ホール定数（Ｋｈ　ｉ　）は
、デイバイスごとに変化することがある。この調整は、
デイバイス中に含まれているローパス・フィルタ回路に
より行なわれる。この回路は、抵抗５６と、Ｒ選択抵抗
５８と、キャパシタ５４を含んでいる。抵抗５６．５８
は、それぞれ接続点５１，６０．６２の間に接続してい
る。ホール接点の非整合によるオフセット電圧は、演算
増幅器５７のピン６４に接続し７’ｊＲ選択抵抗６６で
補正される。

ここで述べられている種類の変動は、演算増幅器５７の
ピン１０８に接続したゲイン調整選択抵抗５８を有する
ゲイン回路で補正される。この抵抗５８は、小さい温度
変化を補償するのにも使用できる。ゲイン調整は、約２
５℃プラス・マイナス２℃で行なうのが望ましい。なお
、ここに示されているこの回路は、従来技術において周
知の回路であり、示されているゲインおよび平衡回路は
、センシングを平衡しかつ調整する代表的表目路の単な
る例である。

第６図において、抵抗９２を適切にゲイン調整して、基
準電圧４６からの温度出力をバッファすることによフ、
ホール素子４１に対する温度補償制御を行なうことがで
きる。たとえば、第６図に示し次バッファリング回路は
、基準電圧源４６を含んでおり、出力Ｖおよびｖｔは抵
抗（Ｒｖ）９４に接続し、抵抗（Ｒｖｔ）　９６は、ピ
ン８６．９２を介して増幅器ＡＫ接続している。フィー
ドバック抵抗（Ｒ，）８２は、接続点８４．８０の間に
接続している。低電圧基準装置４６からの温度出力のパ
ファリングは、第６図に示されている回路の適当なゲイ
ン抵抗（Ｒ，）９２を選択することＫより行なわれる。

ゲイン抵抗（Ｒ，）９２の大きさは、温度の関数である
。したがって、電流！を温度に関して変化することによ
り、周囲の温度に関して変化する電圧を生じ、温度に関
してバッファすなわち調整される低制御電流Ｉｃを生じ
る。抵抗Ｒ５が調整されると、抵抗Ｒｃ　Ｉ　Ｒｖ　ｌ
　Ｒｖｔは、バッファ回路として制御動作する。温度を
制御するこの回路構成は、周知の標準的なバッファ回路
である。

第７図において、周知の様々な技術により、ホール磁束
センサ回路４１を周波数補償することができる。第７図
は、その１つの技術を示している。

ホール素子４７と演算増幅器５Ｔは、ローパス・フィル
タ回路に接続し、この回路は、接続点６０゜６２の間に
接続した抵抗５６と、選択抵抗５Ｂと、キャパシタ５４
を含んでいる。ローパス・フィルタは、周波数を制限し
かつ回路４１における周波数変動を補償するよう作用す
る。基準電圧４６からの基準電圧の温度出力は、ホール
素子４Ｔに対する温度補償制御電流Ｉｅを生じる。また
、電流注入ホール・センシング回路を、周波数補償する
こともできる。これは、（Ｒ選択）５８に対して適当な
抵抗値を選択することにより、第７図に示した周波数制
御回路で行なうことができる。この回路は、電流注入ホ
ール・センシング回路に関して動作周波数を設定するプ
リセット・ブレーク・ポイントを有するローパス・フィ
ルタである。周波数補償回路は周知のものである。なお
、本発明は、他の周波数補償回路を使用してもよい。

以上の説明において、ホール・センサ回路４１の構成お
よび作用の他、本発明の様々な特性および利点について
説明してきたが、本発明は、本発明の思想の範囲内にお
いて特定の回路設計、寸法など様々に改変できることは
、当業者には明白であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、磁界を発生しているデイバイスの磁束を測定
するため、ホール素子を使用している“従来技術°°の
回路図、第２図は、代表的なホール素子と同形のホール
素子の図と、Ｘ軸に供給された制御電流（！。〕　、Ｙ
軸に供給された磁束（Ｂ）。 上記素子の２軸に発生され九ホール電流工りとの間の電
気／磁気関係を示し、第３図は、本発明の実施例である
磁界を生じているデイバイスにおける磁界の強さを検出
するホール電流注入回路を示した回路図、第４図は、ホ
ール素子の作用可能な付近に磁束発生デイバイスを有す
る回路に接続したホール素子の立体図を伴なうホール注
入磁束検出回路の回路図、第５図は、回路における周波
数補償回路を有するホール電流注入回路の回路図、第６
図は、温度補償制御電流を生じる回路を含んでいるホー
ル電流注入回路の回路図、第７図は、周波数補償回路を
含んでいるホール注入装置の回路図である。 １４．８３・・・・電圧出力、１５．４３・・４５・・
・・抵抗、１９．４７ ２５・・・・負荷抵抗、２９ ２１・・・・アース、３１゜ ４１・・・・ホール電流注入 基準電圧源、５７・・・・演 ・・ゲイン調整選択抵抗、 フィードバック抵抗、６６・ ９２・・　・　・ゲイン抵抗。 電圧源、１７゜ ・・・・ホール素子、 ・・計測増幅器、 ３３・・・・ビン 回路、４６・・・・ 算増幅器、５８・・ ５９．８２・・・・ ・・・Ｒ選択抵抗、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気装置における磁界の強さを測定する回路にお
   いて、 （ａ）ホール素子のホール電流軸に電流を注入する装置
   と、 （ｂ）上記ホール素子の出力に接続し、出力電流を測定
   する測定装置と、 から成り、上記磁気装置は、上記ホール素子に接続して
   磁界を発生し、かつ上記ホール素子は、上記磁界の関数
   として出力電流を発生することを特徴とする磁界の強さ
   を測定する回路。
2. （２）磁気ディバイスにおける磁界の強さを測定する方
   法において、 （ａ）上記ディバイスの磁界の強さを表わしているホー
   ル電流を発生する過程と、 （ｂ）上記ホール電流を測定する過程と、 から成ることを特徴とする磁界の強さを測定する方法。
3. （３）磁気デイバイスにおける磁界の強さを測定する方
   法において （ａ）ホール素子に、それを横断する電圧差が零となる
   ように電流を注入する過程と、 （ｂ）注入した電流を、磁界の強さの関数として測定す
   る過程と、 から成ることを特徴とする磁界の強さを測定する方法。