JP6159296B2 - Hall sensor and hall electromotive force detection method - Google Patents
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Description
本発明は、ホール素子を用いて磁気的変量を検出する磁気センサ等を構成するホールセンサ及びホール起電力検出方法に関する。 The present invention relates to a Hall sensor and a Hall electromotive force detection method that constitute a magnetic sensor or the like that detects a magnetic variable using a Hall element.
従来から、ホール素子を内蔵した磁気センサ半導体集積回路として、電流から発生する磁場を検出する電流センサ、磁石の回転を検出する回転角センサ及び磁石の位置を検出するポジションセンサ等が知られている(例えば、特許文献1並びに非特許文献1及び2)。このようなホール素子の用途では、ホール素子の出力するホール起電力信号の磁気感度(単位磁場あたりのホール起電力出力)やオフセットによる誤差、あるいはホール起電力信号を増幅する増幅器の増幅率やオフセットによる誤差が、電流量や磁石位置等の検出精度を劣化させ、種々の問題となる。
Conventionally, as a magnetic sensor semiconductor integrated circuit incorporating a Hall element, a current sensor that detects a magnetic field generated from a current, a rotation angle sensor that detects rotation of a magnet, a position sensor that detects the position of a magnet, and the like are known. (For example,
例えば電流センサは、バッテリーから充放電される電力量の検出に使われており、電流センサの読み取る電流値を積分することで電力量が計算される。しかし、電流センサに磁気感度のずれやオフセットによる誤差が生じた場合、正確な電流値が検出できず、電力量の算出結果に大きなずれが生じてくる。
そのため、ホール素子の信号処理においては、磁場の検出精度を向上させるための多くの技術が提案されているが、より高精度かつ高分解能な磁場検出装置が求められるようになっている。
For example, a current sensor is used to detect the amount of power charged / discharged from a battery, and the amount of power is calculated by integrating the current value read by the current sensor. However, when a magnetic sensitivity shift or an error due to an offset occurs in the current sensor, an accurate current value cannot be detected, and a large shift occurs in the calculation result of the electric energy.
For this reason, in the signal processing of the Hall element, many techniques for improving the magnetic field detection accuracy have been proposed. However, a magnetic field detection device with higher accuracy and higher resolution is required.
上述した従来技術は、高精度かつ高分解能な磁場検出ができなかった。
本発明の目的は、高精度かつ高分解能な磁場検出が可能なホールセンサ及びホール起電力検出方法を提供することにある。
The above-described conventional technology cannot detect a magnetic field with high accuracy and high resolution.
An object of the present invention is to provide a Hall sensor and a Hall electromotive force detection method capable of detecting a magnetic field with high accuracy and high resolution.
上記目的を達成するために、本発明の一態様によるホールセンサは、ホール素子と、前記ホール素子の通電方向を切り替えて前記ホール素子を駆動する駆動部と、前記ホール素子のホール起電力に応じた第1のアナログ信号をサンプリングしないサンプリング非実行期間と、前記第1のアナログ信号をサンプリングするサンプリング実行期間とを有し、前記サンプリング実行期間にサンプリングした第1のアナログ信号をデジタル信号に変換する離散時間型AD変換器と、前記離散時間型AD変換器のアナログ信号パスに設けられ、前記サンプリング非実行期間に前記アナログ信号パスのダイナミックエレメントマッチングを行うダイナミックエレメントマッチング部と、を備えている。 In order to achieve the above object, a Hall sensor according to an aspect of the present invention includes a Hall element, a drive unit that switches the energization direction of the Hall element to drive the Hall element, and a Hall electromotive force of the Hall element. A sampling non-execution period during which the first analog signal is not sampled and a sampling execution period during which the first analog signal is sampled, and the first analog signal sampled during the sampling execution period is converted into a digital signal. A discrete time AD converter; and a dynamic element matching unit that is provided in an analog signal path of the discrete time AD converter and performs dynamic element matching of the analog signal path during the sampling non-execution period.
前記離散時間型AD変換器は、離散時間型ΔΣ変調器であってもよい。
前記離散時間型AD変換器は、離散時間型積分器を有していてもよく、前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記離散時間型積分器の入出力端子に設けられていてもよい。
前記離散時間型AD変換器は、前記デジタル信号を第2のアナログ信号に変換するDA変換部と、前記第2のアナログ信号をバッファするバッファ部と、前記第1のアナログ信号とバッファされた前記第2のアナログ信号との減算を行う減算部と、を有していてもよく、前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記バッファ部の入出力端子に設けられていてもよい。
The discrete time AD converter may be a discrete time ΔΣ modulator.
The discrete time AD converter may include a discrete time integrator, and the dynamic element matching unit may be provided at an input / output terminal of the discrete time integrator.
The discrete time AD converter includes a DA converter that converts the digital signal into a second analog signal, a buffer that buffers the second analog signal, and the buffered first analog signal. A subtracting section that performs subtraction with the second analog signal, and the dynamic element matching section may be provided at an input / output terminal of the buffer section.
前記離散時間型AD変換器は、離散時間型積分型AD変換器であってもよい。
前記離散時間型AD変換器は、離散時間型積分器を有していてもよく、前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記離散時間型積分器の入出力端子に設けられていてもよい。
前記離散時間型AD変換器は、リファレンス信号をバッファして第2のアナログ信号を出力するバッファ部と、前記第1のアナログ信号と前記第2のアナログ信号のいずれかを選択する選択部と、前記選択部で選択された信号を積分する離散時間型積分器と、を有していてもよく、前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記バッファ部の入出力端子に設けられていてもよい。
The discrete time AD converter may be a discrete time integral AD converter.
The discrete time AD converter may include a discrete time integrator, and the dynamic element matching unit may be provided at an input / output terminal of the discrete time integrator.
The discrete time AD converter includes: a buffer unit that buffers a reference signal and outputs a second analog signal; a selection unit that selects one of the first analog signal and the second analog signal; A discrete-time integrator that integrates the signal selected by the selection unit, and the dynamic element matching unit may be provided at an input / output terminal of the buffer unit.
前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記離散時間型積分器の入出力端子に設けられていてもよい。
前記アナログ信号パスは、差動信号パスであってもよい。
前記サンプリング非実行期間は、前記通電方向の切り替えに同期して開始してもよい。
前記サンプリング実行期間は、前記通電方向の切り替えに同期して終了してもよい。
The dynamic element matching unit may be provided at an input / output terminal of the discrete-time integrator.
The analog signal path may be a differential signal path.
The sampling non-execution period may start in synchronization with the switching of the energization direction.
The sampling execution period may end in synchronization with the switching of the energization direction.
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様によるホール起電力検出方法は、ホール素子の通電方向を切り替え、前記通電方向を切り替えてから、離散時間型AD変換器のアナログ信号パスのダイナミックエレメントマッチングを、前記アナログ信号パスに送信されるアナログ信号をサンプリングしないサンプリング非実行期間に行い、前記ダイナミックエレメントマッチングを行ってから、前記ホール素子のホール起電力に応じたアナログ信号を前記離散時間型AD変換器でデジタル信号に変換する。 In order to achieve the above object, the Hall electromotive force detection method according to one aspect of the present invention switches the energization direction of the Hall element, and after switching the energization direction, the analog signal path of the discrete-time AD converter The dynamic element matching is performed in a sampling non-execution period in which the analog signal transmitted to the analog signal path is not sampled, and after performing the dynamic element matching, the analog signal corresponding to the Hall electromotive force of the Hall element is converted to the discrete time. A digital signal is converted by a type AD converter .
本発明によれば、高精度かつ高分解能な磁場検出をすることができる。 According to the present invention, magnetic field detection with high accuracy and high resolution can be performed.
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態によるホールセンサ及びホール起電力検出方法について図1から図12を用いて説明する。図1は、本実施形態によるホールセンサ1の概略構成を示すブロック図である。
図1に示すように、ホールセンサ1は、ホール素子2と、ホール素子2の通電方向を切り替えてホール素子2を駆動する駆動部3と、駆動部3から出力されたアナログ信号を増幅する増幅器4とを有している。また、ホールセンサ1は、増幅器4から入力するアナログの入力信号VIN(+),VIN(−)をデジタル出力信号に変換する離散時間型アナログ−デジタル変換器6(以下、アナログ−デジタル変換を「AD変換」と称する場合がある)を有している。さらに、ホールセンサ1は、離散時間型AD変換器6に設けられたダイナミックエレメントマッチング部61(以下、ダイナミックエレメントマッチングを「DEM」と略記する場合がある)と、駆動部3及び離散時間型AD変換器6に入力する各種制御信号を生成する制御信号生成部5とを有している。
[First Embodiment]
A Hall sensor and Hall electromotive force detection method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the
As shown in FIG. 1, the
ホール素子2は、ホール素子2に流れる電流の向きと直交する向きに、ホール効果により電位勾配(ホール起電力)を発生させる半導体素子である。ホール素子2は、第1から第4端子2a,2b,2c,2dを有している。第1端子2a及び第2端子2bは、ホール素子2の駆動方向が0°のときにホール起電力を出力し、ホール素子2の駆動方向が90°のときに駆動部3から入力する駆動電流を通電する端子である。第3端子2c及び第4端子2dは、ホール素子2の駆動方向が0°のときに駆動部3から入力する駆動電流を通電し、ホール素子2の駆動方向が90°のときにホール起電力を出力する端子である。
The
駆動部3は、駆動電源35(図1では不図示)から出力された電源電圧が印加される電源入力端子33と、基準電位(例えばグランド電位)が印加される基準電位入力端子34とを有している。駆動部3は、ホール素子2に通電する駆動電流を生成する駆動電流源32と、ホール素子2に通電する駆動電流の方向を切り替える電流方向切替スイッチ31とを有している。駆動電流源32の正極側端子は電流方向切替スイッチ31の負極側端子に接続され、駆動電流源32の負極側端子は基準電位入力端子34に接続されている。電流方向切替スイッチ31の正極側端子は電源入力端子33に接続されている。電流方向切替スイッチ31は、4つの入力端子を有し、各入力端子には、ホール素子2の第1から第4端子2a,2b,2c,2dが接続されている。電流方向切替スイッチ31は2つの出力端子を有し、各出力端子には、増幅器4の非反転入力端子(+)及び反転入力端子(−)が接続されている。
The
ホール素子2の直後に配置される電流方向切替スイッチ31は、スピニングカレント(詳細は後述)を行う回路である。電流方向切替スイッチ31は、ホール素子2が有する第1及び端子2a,2b間並びに第3及び第4端子2c,2d間のそれぞれに供給する駆動電流の通電方向を切り替えてホール起電力信号からオフセット成分を分離するようになっている。電流方向切替スイッチ31は、ホール素子2の駆動方向が0°のときには例えば、第1端子2aを増幅器4の非反転入力端子(+)に接続し、第2端子2bを増幅器4の反転入力端子(−)に接続し、第3端子2cを電源入力端子33に接続し第4端子を駆動電流源32に接続する。一方、電流方向切替スイッチ31は、ホール素子2の駆動方向が90°のときには例えば、第1端子2aを駆動電流源32に接続し、第2端子2bを電源入力端子33に接続し、第3端子2cを増幅器4の非反転入力端子(+)に接続し、第4端子を増幅器4の反転入力端子(−)に接続する。
A current
電流方向切替スイッチ31には、制御信号生成部5が生成した電流方向切替信号Scsが入力するようになっている。電流方向切替スイッチ31は、例えば入力する電流方向切替信号Scsの極性に基づいて、電源入力端子33と駆動電流源32との間に第1端子2a,2b及び第2端子2c,2dのいずれか一方を接続し、増幅器4の非反転入力端子(+)及び反転入力端子(−)に第1端子2a,2b及び第2端子2c,2dのいずれか他方を接続する。
A current direction switching signal Scs generated by the control
増幅器4は、電流方向切替スイッチ31に接続されている。増幅器4は、ホール素子2が出力するホール起電力信号を増幅するようになっている。さらに、増幅器4は、遮断周波数fcの高域遮断特性を有し、離散時間型AD変換器6においてホール起電力信号に応じた第1のアナログ信号をサンプリングした際に発生する折り返しノイズを防止する折り返し防止フィルタとしても機能するようになっている。すなわち、増幅器4は、ホール起電力信号を単に増幅するだけに留まらず、折り返し防止フィルタとしての機能も発揮可能な折り返し防止フィルタ兼増幅器である。また、増幅器4は、差動アンプであり、差動信号を入力し差動信号を出力する。増幅器4が出力する差動信号は、入力信号VIN(+),VIN(−)として離散時間型AD変換器6に入力する。
The
離散時間型AD変換器6は、増幅器4からのアナログ信号をサンプル信号Sspに応じてサンプリングし、デジタル信号を出力する回路である。離散時間型AD変換器6は、ホール素子2のホール起電力に応じた第1のアナログ信号をサンプリングしないサンプリング休止期間(サンプリング非実行期間の一例)と、第1のアナログ信号をサンプリングするサンプリング実行期間とを有している。離散時間型AD変換器6は、サンプリング実行期間にサンプリングした第1のアナログ信号をデジタル信号に変換するようになっている。詳細は後述するが第1のアナログ信号は、入力信号VIN+,VIN−からリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)を減算した信号が相当する。離散時間型AD変換器6は、AD変換部62と、ダイナミックエレメントマッチング部61とを有している。
The discrete
AD変換部62及びDEM部61の概略構成について図2を用いて説明する。図2は、AD変換部62及びDEM部61の概略構成を示すブロック図である。
図2に示すように、AD変換部62は、減算器62aと、制御信号生成部5(図2では不図示)から入力するサンプル信号Sspの極性に応じて、減算器62aからの出力信号を積分する積分動作を行うスイッチトキャパシタ(以下、「SC」と略記する場合がある)積分器62bと、このサンプル信号Sspに応じてSC積分器62bからの出力信号の電圧値の大小に基づき+1又は−1の出力を更新する1ビット量子化器(クロックトコンパレータ)62cとを有している。また、AD変換部62は、1ビット量子化器62cの出力するデジタル出力信号を積算し、Nビットのデジタル出力信号を出力するデジタルフィルタ62dと、1ビット量子化器62cの出力するデジタル出力信号が入力するデジタル−アナログ変換(以下、デジタル−アナログ変換を「DA変換」と称する場合がある)素子62eと、DA変換素子62eから出力されるリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)(第2のアナログ信号の一例)の各電圧信号を保持するバッファアンプ62f及びバッファアンプ62gとを有している。DA変換素子62eは、1ビット量子化器62cが出力するデジタル出力信号を第2のアナログ信号に変換するDA変換部に相当する。
A schematic configuration of the
As shown in FIG. 2, the
DEM部61は、制御信号生成部5から入力するDEM信号Sdeの極性に従って入出力の接続を入れ替えるDEMスイッチ61a及びDEMスイッチ61bを有している。 DEM部61は、バッファアンプ62f,62gの入出力端子に設けられている。DEMスイッチ61aは、バッファアンプ62f,62gの入力側に設けられ、DEMスイッチ61bは、バッファアンプ62f,62gの出力側に設けられている。DEMスイッチ61aは、DA変換素子62eが出力するリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)が入力する2つの入力端子と、入力したリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)をバッファアンプ62f,62gに出力する2つの出力端子とを有している。バッファアンプ62f,62gは、第2のアナログ信号をバッファするバッファ部に相当する。DEMスイッチ61bは、バッファアンプ62f,62gが出力するリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)が入力する2つの入力端子と、入力したリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)を減算器62aに出力する2つの出力端子とを有している。DEM部61は、アナログ信号であるリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)が送信されるアナログ信号パス63に設けられている。アナログ信号パス63は、DA変換素子62e、バッファアンプ62f,62g及び減算器62aを含んで構成されている。
The
減算器62aは、増幅器4から入力する入力信号VIN(+),VIN(−)と、DEMスイッチ61a、バッファアンプ62f,62g及びDEMスイッチ61bを介してDA変換素子62eから入力するリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)との減算を行う。減算器62aは、第1のアナログ信号とバッファされた第2のアナログ信号との減算を行う減算部に相当する。より具体的に、減算器62aは、入力信号VIN(+)と入力信号VIN(−)との差信号から、リファレンス電圧信号Vref(+)とリファレンス電圧信号Vref(−)との差信号を減算して得られた信号をSC積分器62bに出力する。
The
DEMスイッチ61a,61bはそれぞれ、DEM信号Sdeの極性に応じて、一方の入力端子と一方の出力端子とを接続するとともに他方の入力端子と他方の出力端子とを接続したり、一方の入力端子と他方の出力端子とを接続するとともに他方の入力端子と一方の出力端子とを接続したりする。DEM部61は、DEMスイッチ61a,61bのそれぞれの入出力端子の接続関係を切り替えることによりアナログ信号パス63のダイナミックエレメントマッチングを行うようになっている。ダイナミックエレメントマッチングとは、回路を構成する種々の素子を順次入れ替えて使用することをいう。DEM部61は、リファレンス電圧信号Vref(+)をバッファアンプ62f,62gのいずれを介して減算器62aに入力するのかを、DEMスイッチ61a,61bの入出力端子の接続関係を切り替えることによって順次入れ替える。こうして、DEM部61は、アナログ信号パス63のダイナミックエレメントマッチングを行う。詳細は後述するが、DEM部61は、アナログ信号パス63のダイナミックエレメントマッチングをAD変換部62のサンプリング休止時間に行うようになっている。
Each of the DEM switches 61a and 61b connects one input terminal and one output terminal and connects the other input terminal and the other output terminal in accordance with the polarity of the DEM signal Sde. And the other output terminal and the other input terminal and one output terminal are connected to each other. The
次に、SC積分器62bの概略構成について図3を用いて説明する。図3は、SC積分器62bの概略構成を示す回路図である。また、図3には、理解を容易にするため、SC積分器62bに接続された減算器62aと、バッファアンプ62f,62gと、DEM部61とが併せて図示されている。
図3に示すように、SC積分器62bは、減算器62aが出力する第1のアナログ信号が入力するSC回路601と、SC回路601が出力する出力信号が入力する演算増幅器602と、演算増幅器602の入出力端子間に接続された静電容量素子603,604とを有している。
Next, a schematic configuration of the
As shown in FIG. 3, the
SC回路601は、減算器62aの一方の出力端子から出力される第1のアナログ信号が入力するスイッチ601aと、演算器62aの他方の出力端子から出力される第1のアナログ信号が入力するスイッチ601aとを有している。また、SC回路601は、スイッチ601aから出力する出力信号に基づく電荷が蓄積される静電容量素子601iと、スイッチ601cから出力する出力信号に基づく電荷が蓄積される静電容量素子601jとを有している。また、SC回路601は、スイッチ601aの出力端子と静電容量素子601iの一方の電極との間に一方の端子が接続され、基準電位の入力端子に他方の端子が接続されたスイッチ601fを有している。また、SC回路601は、スイッチ601cの出力端子と静電容量素子601jの一方の電極との間に一方の端子が接続され、基準電位に他方の端子が接続されたスイッチ601hを有している。
The
また、SC回路601は、静電容量素子601iの他方の電極にそれぞれの一方の端子が接続されたスイッチ601b及びスイッチ601eと、静電容量素子601jの他方の電極にそれぞれの一方の電極が接続されたスイッチ601d及びスイッチ601gとを有している。スイッチ601b及びスイッチ601dのそれぞれの他方の端子は、基準電位の入力端子に接続されている。スイッチ601eの他方の電極から出力された第1のアナログ信号は、演算増幅器602の非反転入力端子(+)に入力される。スイッチ601gの他方の端子から出力された第1のアナログ信号は、演算増幅器602の反転入力端子(−)に入力される。
In addition, the
静電容量素子603は、一方の電極が演算増幅器602の非反転入力端子(+)に接続され、他方の電極が演算増幅器602の出力端子に接続されている。静電容量素子604は、一方の電極が演算増幅器602の反転入力端子(−)に接続され、他方の電極が演算増幅器602の出力端子に接続されている。静電容量素子603,604は、帰還容量素子としての機能を発揮するようになっている。
The
サンプル信号Sspの極性が低レベルの場合に、スイッチ601a,601b,601c,601dは閉状態となり、スイッチ601e,601f,601g,601hは開状態となる。これにより、静電容量素子601i,601jには、入力する第1のアナログ信号の電圧値に応じた電荷が蓄積される。また、サンプル信号Sspの極性が高レベルの場合に、スイッチ601a,601b,601c,601dは開状態となり、スイッチ601e,601f,601g,601hは閉状態となる。これにより、静電容量素子601iに蓄積されている電荷は演算増幅器602の非反転入力端子(+)に転送され、静電容量素子601jに蓄積されている電荷は演算増幅器602の反転入力端子(−)に転送される。演算増幅器602が出力する出力信号の電圧値は、静電容量素子603,603に蓄積される電荷量に比例した値となり、スイッチ601a,601b,601c,601d,601e,601f,601g,601hの開閉動作が繰り返されることにより積分動作が行われる。
When the polarity of the sample signal Ssp is low, the
図1に戻って、ホールセンサ1に備えられた制御信号生成部5は、駆動部3における駆動電流の流れる方向を切り替えるための電流方向切替信号Scsと、DEM部61でのアナログ信号パス63のダイナミックエレメントマッチングを行うためのDEM信号Sdeと、AD変換部62での第1のアナログ信号をサンプリングするためのサンプル信号Sspとを生成するようになっている。制御信号生成部5は、不図示の制御部の指令に基づいてこれらの信号を生成し、電流方向切替信号Scsを駆動部3に備えられた電流方向切替スイッチ31に出力し、DEM信号SdeをDEM部61に出力し、サンプル信号SspをAD変換部62に備えられたSC積分器62b及び1ビット量子化器62c(図2参照)に出力する。
Returning to FIG. 1, the control
離散時間型AD変換器6は、増幅器4から入力する入力信号VIN(+),VIN(−)の差信号「VIN(+)−VIN(−)」と、DEMスイッチ61a,61b及びバッファアンプ62f,62gを介してDA変換素子62eから入力するリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)の差信号「Vref(+)−Vref(−)」とを比較し、アナログ電圧信号をデジタル出力信号に変換する回路である。離散時間型AD変換器6の分解能をNビットとすると、AD変換後のデジタル出力信号は、以下の式(1)で表される。
The discrete
リファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)を保持するバッファアンプ62f、62gにオフセット電圧が生じると、離散時間型AD変換器6のデジタル出力信号には、式(1)で表されるデジタル出力信号に対して誤差が生じる。例えば、バッファアンプ62fの出力信号にオフセット電圧Voffが生じたとする。図2では、オフセット電圧Voffを○印で模式的に示している。バッファアンプ62fの出力信号にオフセット電圧Voffが生じた場合のAD変換後のデジタル出力信号は、以下の式(2)で表される。
When an offset voltage is generated in the
式(2)に示すように、バッファアンプ62fの出力信号にオフセット電圧信号Voffが生じると、バッファアンプ62fの出力信号にオフセット電圧が生じていない場合(式(1)参照)と比較して、AD変換後のデジタル出力信号には、オフセット電圧Voff分だけ誤差が生じる。そのため、本実施形態によるホールセンサ1は、バッファアンプ62f,62gが設けられたアナログ信号パス63のダイナミックエレメントマッチングを行う回路としてDEMスイッチ61a,61bを有している。これにより、ホールセンサ1は、DEM信号Sdeの極性に応じてバッファアンプ62f,62gの入出力部の接続状態を制御してバッファアンプ62f,62gを入れ替えて使用することができる。DEM信号Sdeの極性が高レベルにおけるデジタル出力信号は、以下の式(3)で表される。
As shown in Expression (2), when the offset voltage signal Voff occurs in the output signal of the
また、DEM信号Sdeの極性が低レベルにおけるデジタル出力信号は、以下の式(4)で表される。
デジタルフィルタ62dは、DEM信号Sdeが高レベルの場合のデジタル出力信号と低レベルの場合のデジタル出力信号とを平均化したデジタル出力信号を出力する。DEM信号Sdeが高レベル及び低レベルにおけるデジタル出力信号を平均化することにより、式(3)の第2かっこ内の「−Voff/(Vref(+)−Vref(−))」の項と、式(4)の第2かっこ内の「+Voff/(Vref(+)−Vref(−))」の項とが相殺される。これにより、オフセット電圧Voffの影響による誤差は、デジタルフィルタ62dが出力するデジタル出力信号から除去される。
このように、本実施形態によるホールセンサ1は、ホール素子2やバッファアンプ62f,62gに生じるオフセット電圧による誤差をAD変換後のデジタル出力信号から除去することができる。
The
Thus, the
次に、本実施形態によるホールセンサ1の動作及びホール起電力検出方法について、図1から図3を参照しつつ図4から図11を用いて説明する。また、ホールセンサ1の動作及びホール起電力検出方法の説明と併せて、従来のホールセンサ及びホール起電力検出方法の問題点についても説明する。
図1から図3を用いて説明したように、本実施形態によるホールセンサ1は、ホール素子2の駆動電流の方向を0°方向及び90°方向に交互に切り替えることで、ホール起電力からオフセットを分離するスピニングカレント法と呼ばれる方法によりホール素子2を駆動している。制御信号生成部5が出力する電流方向切替信号Scsの極性に基づいて駆動部3を制御してホール素子2の通電方向を切り替える際に(通電方向切替ステップの一例)、ホール素子2が磁場を検出する。そうすると、ホール素子2は、ホール効果により同一平面内で、駆動電流の流れる方向と直交する方向にホール起電力を発生する。
Next, the operation of the
As described with reference to FIGS. 1 to 3, the
図4は、ブリッジ抵抗でホール素子2をモデル化した状態を示している。図4(a)は、第3及び第4端子2c,2d間に駆動電流を通電している状態を示し、図4(b)は、第1及び第2端子2a,2b間に駆動電流を通電している状態を示している。以下、図4(a)に示す状態でホール素子2に流れる駆動電流の方向を0°方向と呼び、図4(b)に示す状態でホール素子2に流れる駆動電流の方向を90°方向と呼ぶ。
FIG. 4 shows a state in which the
図4に示すように、ホール素子2は例えば、直列接続された抵抗R1,R2と直列接続された抵抗R3,R4とが並列に接続されたブリッジ抵抗でモデル化される。このブリッジ抵抗において例えば、抵抗R2及び抵抗R4の接続点が第1端子2aとなり、抵抗R1と抵抗R3との接続点が第2端子2bとなり、抵抗R1と抵抗R2との接続点が第3端子2cとなり、抵抗R3と抵抗R4との接続点が第4端子2dとなる。
As shown in FIG. 4, the
ホール起電力は、ホール効果と呼ばれる、電流を通電した状態で磁場を印加することによって電子がローレンツ力を受けて生じる電位勾配に基づいて発生する。このため、図4(a)に示すように、例えば第3端子に駆動電源35が接続され、第4端子に駆動電流源32が接続され、第3端子2cから第4端子2dに向かう駆動電流がホール素子2に流れている状態で、ホール素子の感磁面に対して下方から上方に向かう磁場Hがホール素子2に印加されると、第1端子2a側に正電圧Vh(+)が誘起され、第2端子2b側に負電圧Vh(−)が誘起される。一方、図4(b)に示すように、例えば第2端子に駆動電源35が接続され、第1端子に駆動電流源32が接続され、第2端子2bから第1端子2aに向かう駆動電流がホール素子2に流れている状態で、紙面下方から上方に向かう磁場Hがホール素子2に印加されると、第3端子2c側に正電圧Vh(+)が誘起され、第4端子2d側に負電圧Vh(−)が誘起される。ホール素子2に誘起された正電圧Vh(+)と負電圧Vh(−)との電位差「Vh(+)−Vh(−)」から磁場強度を測定できる。
The Hall electromotive force is generated on the basis of a potential gradient, which is called the Hall effect, which is generated when electrons are subjected to Lorentz force by applying a magnetic field in a state where current is applied. Therefore, as shown in FIG. 4A, for example, the
ホール素子2は、ブリッジ抵抗R1,R2,R3,R4の不均衡、パッケージの応力あるいは実装時の応力による抵抗値の変化によってオフセット電圧が発生する。例えば、抵抗R1の抵抗値が他の抵抗R2,R3,R4の抵抗値と異なると、ホール素子2が出力するホール起電力は、磁場Hの磁場強度に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」にオフセット電圧Voffが加算された電圧となる。本実施形態によるホールセンサ1は、スピニングカレント法を用いることによりホール素子2に生じるオフセット電圧Voffを除去することができる。すなわち、ホールセンサ1は、ホール素子2に流れる駆動電流の方向を0度方向と90度方向とに切り替えて制御することにより、オフセット電圧Voffの極性を反転し出力できる構成を有している。ホール素子2を0°方向の駆動電流で駆動した際に得られるホール起電力をVh(0)とし、ホール素子2を90°方向の駆動電流で駆動した際に得られるホール起電力をVh(90)とし、オフセット電圧をVoffとすると、ホール起電力Vh(0),Vh(90)は、以下の式(5)及び式(6)で表される。
Vh(0)=Vh(+)−Vh(−)−Voff ・・・(5)
Vh(90)=Vh(+)−Vh(−)+Voff ・・・(6)
In the
Vh (0) = Vh (+) − Vh (−) − Voff (5)
Vh (90) = Vh (+) − Vh (−) + Voff (6)
図5は、ホール素子2に流す駆動電流の方向を切り替えた場合に駆動部3から出力され増幅器4の非反転入力端子(+)に入力するホール起電力の電圧信号波形の一例を示す図である。横軸は時間(t)を示し、縦軸はホール起電力の電圧[V]を示している。期間T1,T2,T3,T4の周期は、電流方向切替スイッチ31を制御する電流方向切替信号Scsの極性が反転する周期である。すなわち、期間T1,T2,T3,T4の周期は、ホール素子2に通電する駆動電流の駆動方向が0°方向と90°方向とに交互に切り替わる周期である。期間T1及び期間T3は、ホール素子2を0°の方向で駆動する期間を示し、期間T2及び期間T4は、ホール素子2を90°の方向で駆動する期間を示している。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a voltage signal waveform of the Hall electromotive force output from the
図1を用いて説明したように、ホール素子2の直後に配置される電流方向切替スイッチ31は、ホール素子2に通電する駆動電流の方向を0°方向と90°方向とに切り替えるスイッチである。このため、ホール素子2は、電流方向切替信号Scsの極性が反転する一定の周期に同期してホール素子2に通電する電流方向が切り替わるように制御される。その結果、図5に示すように、電流方向切替スイッチ31から出力され増幅器4の非反転入力端子(+)に入力するホール起電力の電圧値は、期間T1,T3ではVh(0)となり、期間T2,T4ではVh(90)となる。
As described with reference to FIG. 1, the current direction change-over
期間T1,T3でのホール起電力Vh(0)は、「Vh(+)−Vh(−)−Voff」であり、期間T2、T4でのホール起電力Vh(90)は、「Vh(+)−Vh(−)+Voff」である。この時、回路後段に平滑化回路(図2のデジタルフィルタ62d)を設けることで、信号波形は、期間T1,T3でのホール起電力Vh(0)の電圧値と期間T2,T4でのホール起電力Vh(90)の電圧値との平均値となる。このため、平滑化された信号電圧の電圧値は、ホール起電力Vh(0)とホール起電力Vh(90)との平均値となり、「Vh(+)−Vh(−)」(=((Vh(+)−Vh(−)−Voff)+(Vh(+)−Vh(−)+Voff))/2)となる。また、平滑化された信号電圧の信号波形は、図5中に破線で示すように、電圧値が「Vh(+)−Vh(−)」である直線の波形となる。ホール素子2の駆動電流方向の切り替わりは一定の周期で制御されている。このため、信号波形は、ホール素子2を0°の方向で駆動している際に発生する負のオフセット電圧Voffと、ホール素子2を90°の方向で駆動している際に発生する正のオフセット電圧Voffとが相殺した波形となる。このため、ホール素子2の出力信号の電圧値から、デジタルフィルタ62dを経由することで、磁場Hに依存する出力の電圧値「Vh(+)−Vh(−)」のみを最終的に取得できる。
The Hall electromotive force Vh (0) in the periods T1 and T3 is “Vh (+) − Vh (−) − Voff”, and the Hall electromotive force Vh (90) in the periods T2 and T4 is “Vh (+). ) −Vh (−) + Voff ”. At this time, by providing a smoothing circuit (
ホール素子2において生じるオフセット電圧を含んだ増幅器4から出力された出力信号は、入力信号VIN(+),VIN(−)として離散時間型AD変換器6に入力する。離散時間型AD変換器6において、離散時間型AD変換器6に入力する入力信号VIN(+),VIN(−)に基づく第1のアナログ信号が送信されるアナログ信号パスのダイナミックエレメントマッチングが行われる(ダイナミックエレメントマッチングステップの一例)。図6は、離散時間型AD変換器6内部の信号波形等を示す図である。図6中の1段目の「Scs」は、電流方向切替信号の信号波形を示し、2段目の「Sis」は、増幅器4の非反転入力端子(+)に入力する入力信号から反転入力端子(−)に入力する入力信号減算した入力差信号の信号波形を示し、3段目の「Sos」は、増幅器4の正側出力端子(+)から出力する出力信号(すなわち入力信号VIN(+))から負側出力端子(−)に出力する出力信号(すなわち入力信号VIN(−))を減算した出力差信号の信号波形を示している。図6中の4段目の「Sde」は、DEM部61を制御するDEM信号Sdeの信号波形を示し、5段目の「Ssk」は、アナログ信号パス63をダイナミックエレメントする際に生じるスパイク信号の信号波形を示し、6段目の「Ssp」は、サンプル信号の信号波形を示している。格段において縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示している。また、図6中、左から右に向かって時の経過が表されている。
The output signal output from the
図6中の1段目に示すように、電流方向切替信号Scsは、ホール素子2の駆動電流方向を0°及び90°に交互に切り替えるために、所定の周期で極性が反転する矩形の信号波形を有している。時刻t0から時刻t4までの期間は、ホール素子2を90°の方向に駆動する期間であり、時刻t4から時刻t7の期間はホール素子2を0°の方向に駆動する期間である。
As shown in the first stage in FIG. 6, the current direction switching signal Scs is a rectangular signal whose polarity is inverted at a predetermined cycle in order to alternately switch the driving current direction of the
図6中の2段目に示すように、増幅器4の非反転入力端子(+)に入力する入力信号と反転入力端子(−)に入力する入力信号との入力差信号Sisは、磁場強度に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」に、正のオフセット信号Voff(図6には、「+Voff」と表記されている)及び負のオフセット電圧Voff(図6には、「−Voff」と表記されている)が、電流方向切替信号Scsの極性の変化に応じて交互に重畳した信号となる。このため、図6中の1段目及び2段目に示すように、時刻t0において、ホール素子2の駆動方向が0°から90°に切り替わると、入力差信号Sisは、重畳する負のオフセット電圧Voffから正のオフセット電圧Voffへの変化により、信号レベルが相対的に低い状態から相対的に高い状態に変化する。入力差信号Sisの立ち上がり時間は、電流方向切替スイッチ31が切り替わる時間分だけ電流方向切替信号Scsの立ち上がり時間に対して一定時間だけ遅延する。その結果、入力差信号Sisは時刻t1で立ち上がりが完了する。
As shown in the second stage in FIG. 6, the input difference signal Sis between the input signal input to the non-inverting input terminal (+) of the
図6中の3段目に示すように、増幅器4の正側出力端子(+)から出力する出力信号と負側出力端子(−)に出力する出力信号との差の信号である出力差信号Sosは、増幅器4によって増幅された磁場強度に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」に、正のオフセット電圧Voff及び負のオフセット電圧Voffが交互に重畳した信号波形である。出力差信号Sosは、入力差信号Sisに対して、ホール素子2の駆動電流方向の切り替え時点から、増幅器4の持つ高域遮断特性により一定時間だけ遅延する。出力差信号Sosは、時刻t0から開始し時刻t3にかけて、信号レベルが相対的に低い状態から相対的に高い状態へ変化する。
As shown in the third stage in FIG. 6, an output difference signal that is a difference signal between the output signal output from the positive output terminal (+) of the
図6中の4段目に示すように、DEM信号Sdeは、出力差信号Sosの信号レベルが安定化するまでの、時刻t0から時刻t3までの期間に極性が反転するように設定されている。出力差信号Sosは、例えば時刻t0と時刻t3との間の期間において相対的に低い状態から高い状態に信号レベルが変化する。また、出力差信号Sosは、例えば時刻t4と時刻t6との間の期間において相対的に高い状態から低い状態に信号レベルが変化する。DEM信号Sdeの極性に応じてリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)を入力するバッファアンプ62f,62gの入れ替え動作が制御される。
詳細は後述するが、図6中の5段目に示すように、DEM信号Sdeの極性反転に伴って時刻t2,t9でそれぞれ発生するスパイク信号Sskがバッファアンプ62f又はバッファアンプ62gの出力信号に混入する。
As shown in the fourth stage in FIG. 6, the DEM signal Sde is set so that the polarity is inverted during the period from time t0 to time t3 until the signal level of the output difference signal Sos is stabilized. . The signal level of the output difference signal Sos changes from a relatively low state to a high state in a period between time t0 and time t3, for example. Further, for example, the signal level of the output difference signal Sos changes from a relatively high state to a low state in a period between time t4 and time t6. The switching operation of the
Although details will be described later, as shown in the fifth stage in FIG. 6, spike signals Ssk generated at times t2 and t9 in accordance with the polarity inversion of the DEM signal Sde are output to the
図6中の6段目に示すように、サンプル信号Sspは、出力差信号Sosが一定値に収束した後、例えば時刻t3から時刻t4、時刻t6から時刻t7の間に出力される。本実施形態では、増幅器4の出力差信号Sosが一定値になる前、すなわち時刻t0から時刻t3,時刻t4から時刻t6の間に、スパイク信号Sskが基準電位Vcomレベルまで減衰するようにDEM信号Sdeの入力タイミングが設定されている。これにより、ホールセンサ1は、アナログ信号パス63のダイナミックエレメントマッチングによって生じるスパイク信号SskがAD変換後のデジタル信号に混入してしまうのを防止できる(詳細は後述)。サンプル信号Sspは通常、1/fsampの周期でホール起電力をサンプリングするように設定される。サンプリング信号は、ホール素子2のオフセット信号のセトリングを待つために、駆動電流方向の切り替えのタイミングから一定の時間だけ第1のアナログ信号のサンプリングを休止する時間を持つように調整される。このサンプリングを休止する時間はサンプル休止時間(サンプリング非実行期間の一例)と呼ばれる。また、第1のアナログ信号のサンプリングを休止していない時間、すなわち第1のアナログ信号をサンプリングしている時間は、サンプリング実行期間と呼ばれる。本実施形態では、時刻t0から時刻t3までの期間、時刻t4から時刻t6までの期間及び時刻t7から時刻t10までの期間がサンプリング休止時間に相当する。また、時刻t3から時刻t4までの期間、時刻t6から時刻t7までの期間及び時刻t10から時刻t11までの期間がサンプリング実行期間に相当する。サンプリング休止時間は、ホール素子2への通電方向の切替に同期して開始する(例えば、時刻t0、時刻t4、時刻t7及び時刻t11)。また、サンプリング実行期間は、ホール素子2への通電方向の切替に同期して終了する(例えば、時刻t0、時刻t4、時刻t7及び時刻t11)。サンプリング休止時間の開始タイミングはサンプリング実行期間の終了タイミングに一致する。
As shown in the sixth stage in FIG. 6, the sample signal Ssp is output, for example, from time t3 to time t4 and from time t6 to time t7 after the output difference signal Sos converges to a constant value. In the present embodiment, before the output difference signal Sos of the
本実施形態によるホールセンサ1は、ダイナミックエレメントマッチングを使用している点において特許文献1に開示された発明と共通している。一方、ホールセンサ1は、離散時間方式である離散時間型AD変換器6を有している点において、連続時間方式のΔΣAD変換装置が使用されている、特許文献1に開示された発明と相違している。連続時間方式のΔΣAD変換装置においてダイナミックエレメントマッチングを行った場合、バッファアンプなどの素子の入れ替えに伴う全てのスパイク信号が積分器で積算される。これに対し、本実施形態では、離散時間型AD変換器6を用いることにより、第1のアナログ信号をサンプリングする時点でスパイク信号の電圧レベルを基準電位(例えば0V)に近い大きさに収束させることができる。このため、ホールセンサ1は、スパイク信号の影響による誤差がSC積分器62bで積算される信号に発生するのを防止できる。
The
離散時間型AD変換器6のサンプル周期Ts(1/fsamp)は、数100ナノ秒と極めて短い周期であるため、スパイク信号を基準電圧レベルまで完全に収束させる時間としては不十分である。そこで、本実施例形態によるホールセンサ1は、ホール素子2の信号処理回路に離散時間型AD変換器6を有し、離散時間型AD変換器6では必要な構成となるサンプル休止時間をバッファアンプ62f,62gの入れ替え動作の実行期間に割り当てるようになっている。これにより、ホールセンサ1は、スパイク信号が基準電圧レベルに収束するまでのセトリング時間を十分に確保できる構成を有し得る。
The sample period Ts (1 / fsamp) of the discrete-
離散時間型AD変換器6がホール起電力信号をデジタル出力に変換する場合にサンプル休止時間が必須構成であることについて説明する。離散時間型AD変換器6は、連続時間方式のAD変換器と異なり、アナログ信号のサンプリングに伴う折り返しノイズが発生する。この折り返しノイズは、サンプリングを行うアナログ信号中に高周波ノイズが多く含まれるほど影響が大きくなる。特に、ホール素子2は、磁場を検出するセンサであり、ホール素子2周辺の電子機器が放射する高周波の電磁ノイズの影響を受けるため、折り返しノイズに対する対策が必要となる。この折り返しノイズを防止するには、サンプリングを行う回路の前段に高域遮断特性を備えた折り返し防止フィルタを配置して高周波ノイズを低減させる。本実施形態によるホールセンサ1は、離散時間型AD変換器6の前段に配置される増幅器4が、この折り返し防止フィルタとして機能する構成を有している。
It will be described that the sample pause time is an essential component when the discrete-
ただし、この折り返し防止フィルタをホール素子の信号処理において使用した場合、ホール素子の出力信号には、ホール起電力信号と同等以上の大きさのオフセット信号が含まれる。ホール素子の駆動電流方向の切り替えに伴ってオフセット信号の極性が反転した際に、ホール素子の出力信号に折り返し防止フィルタで生じる遅延が生じる。これにより、オフセット信号が一定値に収束するまで、離散時間型AD変換器6のサンプリングを行えない時間が生じる。本実施形態によるホールセンサ1は、ホール素子2の信号処理を離散時間型AD変換器6でAD変換する際に、このサンプル休止時間を利用してバッファアンプ62f,62gの入れ替え動作を行い、スパイク信号の影響を低減するようになっている。
However, when this anti-folding filter is used in the signal processing of the Hall element, the output signal of the Hall element includes an offset signal having a magnitude equal to or larger than that of the Hall electromotive force signal. When the polarity of the offset signal is reversed in accordance with the switching of the drive current direction of the Hall element, a delay caused by the anti-aliasing filter occurs in the output signal of the Hall element. This causes a time during which the discrete
また、本実施形態において、折り返し防止フィルタ、すなわち増幅器4の遮断周波数fcは、ナイキスト周波数と呼ばれる1/(2・fsamp)の周波数以下に設定されることが好適である。折り返しノイズは、高周波のノイズ成分がサンプリングされることで、1/2・fsamp以下の周波数帯域にノイズが集中する現象である。増幅器4の遮断周波数fcをナイキスト周波数以下に設定しておくと、サンプリング前に1/2・fsamp以上の周波数帯域のノイズが低減されるので、折り返しノイズの発生をほぼ0に抑えられる。
In the present embodiment, the anti-aliasing filter, that is, the cutoff frequency fc of the
また、オフセット信号が折り返し防止フィルタ通過後に一定値に収束するために要するオフセット電圧信号のセトリング時間は、折り返し防止フィルタの遮断周波数をfcとすると、一般に2.2τ(τ=1/(2πfc))で定義される。このため、離散時間型AD変換器6のサンプル休止時間は、ホール素子2の駆動電流方向の切り替え時から2.2τ(τ=1/(2πfc))以上の時間に設定することが好適である。
Further, the settling time of the offset voltage signal required for the offset signal to converge to a constant value after passing through the anti-aliasing filter is generally 2.2τ (τ = 1 / (2πfc)), where fc is the cutoff frequency of the anti-aliasing filter. Defined by For this reason, the sample pause time of the discrete
ここで、本実施形態によるホールセンサ1においてダイナミックエレメントマッチングを行った場合に、スパイク信号が積分器で積算される信号に影響しない理由について図7を用いて説明する。図7は、離散時間型AD変換器6に備えられた構成要素のうち、SC積分器62bの入力側に設けられたスイッチトキャパシタ回路601と、DEMスイッチ61a,61bと、バッファアンプ62f,62gとを示している。図7では、離散時間型AD変換器6内のSC積分器62bがサンプル休止時間におけるSC回路601のスイッチ601a〜601hの開閉状態が図示されている。
Here, the reason why the spike signal does not affect the signal integrated by the integrator when the dynamic element matching is performed in the
図7に示すように、DEMスイッチ61a,61bには、制御信号生成部5(図7では不図示)のDEM信号出力端子に接続されてDEM信号Sdeを送信するための信号配線65が接続されている。DEMスイッチ61a,61bやバッファアンプ62fの容量及び種々の信号配線間に形成される容量などにより、信号配線65と信号配線66との間には、寄生容量64が形成される。信号配線66はアナログ信号パス63に含まれる配線である。信号配線66は、DEMスイッチ61aとバッファアンプ62fとを接続する配線であり、リファレンス電圧信号Vref(+)又はリファレンス電圧信号Vref(−)が送信される。信号配線65、DEM信号Sdeの極性が反転するタイミングで寄生容量64及び信号配線66を介して電荷Qがバッファアンプ62f内に混入する。その結果、バッファアンプ62fの出力信号にはスパイク状のスパイク信号Sskが発生する。
As shown in FIG. 7, the DEM switches 61a and 61b are connected to the
図6に示すように、本実施形態によるホールセンサ1は、ダイナミックエレメントマッチングによるバッファアンプ62f,62gの入れ替えをサンプル休止時間に行うように調整されている。サンプル休止時間においてサンプル信号Sspの極性は、常に低レベルとなっている。このため、SC回路601のスイッチ601a〜601dは閉状態になり、スイッチ601e〜601hは開状態になる。スイッチ601e〜601hが開状態であると、SC回路601と演算増幅器602及び静電容量素子603,604(図3参照)とは電気的に切断される。さらに、サンプル休止時間は、駆動電流方向の切り替えからホール起電力信号が一定値に収束するのに必要な時間が確保されているが、ダイナミックエレメントマッチングに伴って発生するスパイク信号の電圧レベルが基準電位レベルに収束するために十分な時間である。このため、ダイナミックエレメントマッチングに伴って発生するスパイク信号は、演算増幅器602の出力信号の電圧値を決める静電容量素子603,604に混入せず、ホールセンサ1は、アナログ信号パス63において実行するダイナミックエレメントマッチングに伴って発生するスパイク信号の影響を除去できる。
ホールセンサ1は、ダイナミックエレメントマッチングを行う際に発生するスパイク信号の影響を除去できるタイミングで、ダイナミックエレメントマッチングを行ってから、ホール素子2のホール起電力に応じたアナログ信号を離散時間型AD変換器6でデジタル信号に変換する(AD変換ステップの一例)。
As shown in FIG. 6, the
The
次に、関連技術の問題点について図8から図11を用いて説明する。
AD変換器を使用した場合、AD変換器自体の持つ誤差要因により、測定する信号の検出精度が劣化する問題が生じる。特許文献1では連続時間方式のΔΣAD変換器について、AD変換器の持つ誤差を低減するための回路技術が開示されている。一般にΔΣAD変換器は、装置内部にDA変換素子を複数個備えた構成となっている。そのDA変換素子間にミスマッチが生じると、AD変換器の出力信号から線形性が損なわれる問題が生じる。特許文献1には、回路を構成する種々の素子を順次入れ替えて使用する、ダイナミックエレメントマッチング(Dynamic Element Matching:DEM)と呼ばれる技術を用いることが開示されている。特許文献1には、ダイナミックエレメントマッチングを用い、DA変換素子を順次入れ替えて使用することで、DA変換素子間のばらつきの影響を除去し、線形性を向上させた、高精度の連続時間方式のΔΣ型AD変換器を実現できることが開示されている。
Next, problems of related technologies will be described with reference to FIGS.
When the AD converter is used, there is a problem that the detection accuracy of the signal to be measured is deteriorated due to an error factor of the AD converter itself.
また、ホール素子の磁気感度は、温度や応力によって変化することが知られている。非特許文献2には、ホール素子からのアナログ信号を、連続時間方式のΔΣAD変換器でデジタル値に変換し、デジタル部の演算により、ホール素子の信号から温度や応力による変動を補正する技術が開示されている。
磁場の検出精度を向上させるには、前述したようなスピニングカレント法や、ダイナミックエレメントマッチングを備えたAD変換器を利用する必要がある。しかし、AD変換器でダイナミックエレメントマッチングを行う場合、前述のスパイク信号が寄生容量を介してAD変換器内に混入し、磁場検出の精度を劣化させる問題が生じる。以下、これらの問題点について詳述する。
Further, it is known that the magnetic sensitivity of the Hall element changes with temperature and stress.
In order to improve the detection accuracy of the magnetic field, it is necessary to use the spinning current method as described above and an AD converter equipped with dynamic element matching. However, when dynamic element matching is performed by an AD converter, the spike signal described above is mixed into the AD converter via a parasitic capacitance, causing a problem of degrading the accuracy of magnetic field detection. Hereinafter, these problems will be described in detail.
図8は、本実施形態によるホールセンサ1の関連技術のホールセンサに備えられた連続時間型ΔΣAD変換器のトランスコンダクタンスアンプ−容量(以下、「Gm−C」と略記する)積分器7の概略構成を示すブロック図である。図8(a)は、GM−C積分器7の概略構成を示し、図8(b)は、GM−C積分器7に設けられたGmアンプ71bの回路構成を示している。
FIG. 8 is a schematic of a transconductance amplifier-capacitance (hereinafter abbreviated as “Gm-C”)
図8(a)に示すように、Gm−C積分器7は、不図示のホール素子が出力した信号が入力するDEMスイッチ71aと、DEMスイッチ71aが出力する信号が入力するGmアンプ71bとを有している。また、Gm−C積分器7は、Gmアンプ71bが出力した出力信号を切り替えるDEMスイッチ71cと、DEMスイッチ71cが出力する信号が入力するGmアンプ71dとを有している。さらに、Gm−C積分器7は、Gmアンプ71dの一方の入出力端子間に接続された静電容量素子71eと、Gmアンプ71dの他方の入出力端子間に接続された静電容量素子71fとを有している。
As shown in FIG. 8A, the Gm-
図8(b)に示すように、Gmアンプ71bは、トランジスタ対710と、トランジスタ対710に流れる電流を生成する電流源711とを有している。Gmアンプ71bは、Gmアンプ71bに入力する入力信号VIN(+),VIN(−)を出力電流I(+),I(−)に変換する電圧電流変換素子である。Gmアンプ71bは、入力信号VIN(+),VIN(−)の電圧値に応じた電流値の出力電流I(+),I(−)を出力する。
As illustrated in FIG. 8B, the
Gmアンプ71bから出力した出力電流I(+),I(−)は、DEMスイッチ71cを介して静電容量素子71e,71fに充電される。Gmアンプ71dは、静電容量素子71e,71fに充電された電荷量に応じた電圧値の出力電圧VOUT(+),−VOUT(−)を出力する。Gmアンプ71bの出力電流I(+),I(−)は、入力信号VIN(+),VIN(−)が0(V)の場合、通常0(A)となる。しかしながら、Gmアンプ71bに備えられたトランジスタ対710を構成するトランジスタ710a及びトランジスタ710bのそれぞれの電気的特性に製造ばらつき等の要因によりミスマッチが生じると、Gmアンプ71bは、入力信号VIN(+),VIN(−)が0(V)であっても一定の出力電流I(+),I(−)を出力する。この現象は等価的にはGmアンプ71bの入力部にオフセット電圧Voff1が入力された場合に相当する。図8(a)では、このオフセット電圧Voff1は、DEMスイッチ71aとGmアンプ71bとの間に破線の○印によって模式的に表されている。
オフセット電圧Voff1を考慮した場合、連続時間型ΔΣAD変換器より出力されるデジタル出力信号は、以下の式(7)で表される。
The output currents I (+) and I (−) output from the
In consideration of the offset voltage Voff1, the digital output signal output from the continuous-time ΔΣ AD converter is expressed by the following equation (7).
式(7)に示すように、オフセット電圧Voff1を考慮したデジタル出力信号は、オフセット電圧を考慮していないデジタル出力信号(式(1)参照)と比較して、オフセット電圧Voff1の電圧分だけ誤差が生じる。オフセット電圧Voff1の影響を低減するために、図8に示す連続時間型ΔΣAD変換器は、Gmアンプ71bの入出力段に、入力信号VIN(+),VIN(−)を入力するトランジスタ710a,710bを入れ替える入力信号切替スイッチ71aを有している。さらに、連続時間型ΔΣ変換器は、トランジスタ710a,710bの切り替えに伴って反転するGmアンプ71bの出力の極性を再反転するDEMスイッチ71cを有している。入力信号切替スイッチ71a及びDEMスイッチ71cは、DEM信号Sdeの極性に基づいて制御される。
As shown in the equation (7), the digital output signal considering the offset voltage Voff1 has an error corresponding to the voltage of the offset voltage Voff1 compared to the digital output signal not considering the offset voltage (see equation (1)). Occurs. In order to reduce the influence of the offset voltage Voff1, the continuous-time ΔΣ AD converter shown in FIG. 8 has
Gm−C積分器7に入力する入力信号VIN(+),VIN(−)は、Gmアンプ71dに入力するまでに、DEMスイッチ71a及びDEMスイッチ71cのそれぞれで1回ずつ合計2回切り替えられる。このため、入力信号VIN(+),VIN(−)は、復調してGmアンプ71dの非反転入力端子(+)及び反転入力端子(−)にそれぞれ入力される。これに対し、オフセット電圧Voff1は、Gmアンプ71dに入力するまでに、DEMスイッチ71cで1回のみ切り替えられる。このため、Gmアンプ71dの非反転入力端子(+)及び反転入力端子(−)には、DEM信号Sdeの極性反転に基づいて極性の反転したオフセット電圧Voff1が交互に入力される。
The input signals VIN (+) and VIN (−) input to the Gm-
図9は、Gm−C積分器7の信号波形を示す図である。図9中の上段に示す「Sde」は、DEM信号の信号波形を示し、下段に示す「Sis」は、Gmアンプ71dの非反転入力端子(+)に入力する入力信号の信号波形を示している。図9中の上段の縦軸は電圧を示し、下段の縦軸は電流を示し、横軸は時間を示している。図9中の左から右に向かって時の経過が示されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating a signal waveform of the Gm-
図9に示すように、DEM信号Sdeの極性が反転すると、Gmアンプ71dに入力する入力信号の極性も反転する。DEM信号Sdeの極性が高レベルの場合には、入力信号の電流レベルは高レベルとなり、DEM信号Sdeの極性が低レベルの場合には、入力信号の電流レベルは低レベルとなる。入力信号が高レベルのときの電流値は、Voff1・Gmとなり、入力信号が低レベルのときの電流値は、−Voff1・Gmとなる。ここで、「Voff1」は、オフセット電圧Voff1の電圧値を表し、「Gm」はGmアンプ71bのトランスコンダクタンスを表している。Gmアンプ71dに入力する入力信号が高レベルの電流値と低レベルの電流値とは絶対値が同じである。DEMスイッチ71a及びDEMスイッチ71cの入出力の接続状態を切り替えることによってGmアンプ71b内のトランジスタ710a,710bに入力する入力信号VIN(+),VIN(−)の切り替え動作を行うと、Gm71dの出力信号には、正のオフセット電圧Voff1と負のオフセット電圧Voff1とが交互に混入する。Gmアンプ71dの出力信号が入力する1ビット量子化器(不図示)のデジタル出力信号はGmアンプ71dの出力信号をデジタル出力信号に変換して得られる。このため、連続時間型ΔΣAD変換器のデジタル出力信号にも、正のオフセット電圧Voff1と負のオフセット電圧Voff1とが交互に混入する。1ビット量子化器から出力されたデジタル出力信号は、1ビット量子化器の後段に設けられたデジタルフィルタ(不図示)によって平均化される。DA変換素子(不図示)が出力するリファレンス信号をVref(+),Vref(−)とすると、連続時間型ΔΣAD変換器が出力するデジタル出力信号は、以下の式(8)で表すことができる。
連続時間型ΔΣAD変換器がダイナミックエレメントマッチング機能を備えていてもGmアンプに生じるオフセット電圧の影響が完全に除去されるのは寄生容量などが生じていない理想的な場合である。ここで、ダイナミックエレメントマッチング機能を備えたGm−C積分器の出力信号の誤差の要因となる寄生容量を考慮した場合について説明する。図10は、寄生容量を考慮した場合の連続時間型ΔΣAD変換器のGm−C積分器7の概略構成を示すブロック図である。
As shown in FIG. 9, when the polarity of the DEM signal Sde is inverted, the polarity of the input signal input to the
Even if the continuous-time ΔΣ AD converter has a dynamic element matching function, the effect of the offset voltage generated in the Gm amplifier is completely removed in an ideal case where no parasitic capacitance is generated. Here, a case where a parasitic capacitance that causes an error in the output signal of the Gm-C integrator having the dynamic element matching function is considered will be described. FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of the Gm-
図10に示すように、DEM信号Sdeが送信される信号配線72とGmアンプ71bの入力部の信号配線73と間には、DEMスイッチ71bの容量や信号配線72,73間に生じる容量によって寄生容量75が存在する。このため、DEM信号Sdeの極性が反転するタイミングで寄生容量75を介して電荷+Q,−QがGm−C積分器7内に混入してスパイク状のノイズが発生する。
As shown in FIG. 10, there is a parasitic between the
図11は、寄生容量75を考慮した場合のGm−C積分器7の信号波形を示す図である。図11中の上段に示す「Sde」はDEM信号の信号波形を示し、中段に示す「Ssk1」はGmアンプ71bに入力されるスパイク信号の信号波形を示し、下段に示す「Ssk2」はGmアンプ71dに入力されるスパイク信号の信号波形を示している。縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示している。図11中の左から右に向かって時の経過が示されている。
FIG. 11 is a diagram illustrating a signal waveform of the Gm-
図11に示すように、DEM信号Sdeの極性が反転するタイミングでスパイク状のスパイク信号Ssk1が発生する。スパイク信号Ssk1は、急峻に立ち上がり又は立ち下がりその後元の電圧レベルに収束する。DEM信号Sdeの電圧レベルが低レベルから高レベルに切り替わる場合には急峻に立ち上がるスパイク信号が発生する。一方、DEM信号Sdeの電圧レベルが高レベルから低レベルに切り替わる場合には急峻に立ち下がるスパイク信号が発生する。正極側に急峻に立ち上がるスパイク信号と、負極側に急峻に立ち下がるスパイク信号とはGmアンプ71bの入力部に交互に発生する。DEMスイッチ71eでGmアンプ71bの出力信号の反転動作が行われると、Gmアンプ71bの入力側に発生するスパイク信号Ssk2は、図11中の下段に示すように、同じ極性のスパイク信号としてGmアンプ71dに入力される。スパイク信号Ssk2は、デジタルフィルタにより平均化されるが、同じ極性であるため、平均化後もオフセット電圧Voff2として残存する。この場合に、連続時間型ΔΣAD変換器が出力するデジタル出力信号は、以下の式(9)で表すことができる。
ダイナミックエレメントマッチングによってGmアンプ71b内のトランジスタ710a,710bのミスマッチに起因するオフセット電圧Voff1の影響の低減を図っても、連続時間型ΔΣAD変換器にはスパイク信号に起因する新たなオフセット電圧Voff2が生じる。また、ホール素子から出力される磁場に依存するホール起電力信号は、数μVから数mV程度の微弱な電圧である。このため、スパイク信号に起因するオフセット電圧Voff2によって生じるデジタル出力信号の誤差は無視できない大きさとなる。
Even if the effect of the offset voltage Voff1 due to the mismatch between the
近年、ホール素子を使った磁場検出装置の技術分野では、高精度・高分解能な磁場検出装置が求められるようになっている。本願発明者らは、上述のスパイク信号に起因する新たなオフセット電圧が生じることを発見し、これが磁場検出装置の高精度化の妨げになることを見出した。
このスパイク信号を生じさせないようにすることは困難であるため、鋭意検討した結果、本願発明者らは、離散時間型AD変換器を採用し、ホール素子のホール起電力に応じた第1のアナログ信号をサンプリングしないサンプリング非実行期間に、第1のアナログ信号が送信されるアナログ信号パスのダイナミックエレメントマッチングを行うことで、スパイク信号の影響が低減され、高精度かつ高分解能なホールセンサの作製に成功した。
In recent years, in the technical field of magnetic field detection devices using Hall elements, high-precision and high-resolution magnetic field detection devices have been required. The inventors of the present application discovered that a new offset voltage is generated due to the spike signal described above, and found that this hinders high accuracy of the magnetic field detection device.
Since it is difficult to prevent the spike signal from being generated, as a result of intensive studies, the inventors of the present application employ a discrete time AD converter, and the first analog corresponding to the Hall electromotive force of the Hall element. By performing dynamic element matching of the analog signal path where the first analog signal is transmitted during the sampling non-execution period when the signal is not sampled, the influence of the spike signal is reduced, and a highly accurate and high resolution Hall sensor is produced. Successful.
(変形例)
次に、本実施形態の変形例によるホールセンサ1について図1を参照しつつ図12を用いて説明する。本変形例によるホールセンサ1は、増幅器4と離散時間型AD変換器6との間に変調スイッチ11及び復調スイッチ9を備えている点に特徴を有している。以下、図1に示すホールセンサ1と異なる点のみを簡述する。また、図1に示すホールセンサ1と同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
(Modification)
Next, a
電流方向切替スイッチ31でホール素子2のオフセット電圧の極性を反転させる場合、図1に示すように、増幅器4の出力は離散時間型AD変換器6に直接入力される構成となる。一方、ホール起電力信号の極性を反転させる場合、図12に示すように、ホールセンサ1は、離散時間型AD変換器6に設けられた変調スイッチ11と復調スイッチ9とを有している。変調スイッチ11は増幅器4の前段に設けられ、復調スイッチ9は増幅器4の後段に設けられている。変調スイッチ11は、電流方向切替スイッチ31から出力された2つのホール起電力信号を切り替えて増幅器4の非反転入力端子(+)と非反転入力端子(−)に交互に入力する構成を有する。復調スイッチ9は、増幅器4から出力されるホール起電力信号を入力する前に、ホール起電力信号を直流信号に戻す構成を有する。
When the polarity of the offset voltage of the
また、スピニングカレント法は、磁場強度に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」の信号とオフセット電圧Voffとを分離する技術である。図1に示すホールセンサ1では、ホール素子2の駆動電流方向の切り替えに伴ってオフセット電圧を反転させている(図6参照)。これに対し、本変形例によるホールセンサ1は、電流方向切替スイッチ31と増幅器4の接続方法を変更することにより90°方向に駆動電流を通電した際のホール起電力信号Vh(90)を反転させることで、磁場に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」を反転させる構成となっている。変調スイッチ11はVh(90)の極性を反転させるスイッチであり、増幅器4へ入力されるホール起電力信号Vh(0)及びホール起電力信号Vh(90)は、以下の式(10)及び式(11)で表される。すなわち、増幅器4へ入力されるホール起電力信号Vh(90)は、増幅器4へ入力されるホール起電力信号Vh(0)に対して磁場に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」が反転した信号となる。
Vh(0)=Vh(+)−Vh(−)−Voff ・・・(10)
Vh(90)=−(Vh(+)−Vh(−))−Voff ・・・(11)
The spinning current method is a technique for separating a signal of a potential difference “Vh (+) − Vh (−)” depending on the magnetic field strength and an offset voltage Voff. In the
Vh (0) = Vh (+) − Vh (−) − Voff (10)
Vh (90) = − (Vh (+) − Vh (−)) − Voff (11)
ホール素子2から出力されたホール起電力Vh(90)は、変調スイッチ11で極性の反転動作が行われた後、増幅器4によって増幅され、復調スイッチ9により極性が再反転される。復調スイッチ9の通過後に磁場に依存する電位差「Vh(+)−Vh(−)」の信号は直流に戻る。一方、オフセット信号Voffはホール素子2の駆動電流方向によって極性が反転する。そのため、復調スイッチ9から出力されるホール起電力信号は、前述の式(5)及び式(6)で表される信号と等しくなり、離散時間型AD変換部に入力される。この場合、ホールセンサ1の製造時のばらつきに伴って発生する、増幅器4の持つオフセット電圧に関しても、ホール素子2の持つオフセット電圧Voffと同様に極性の反転が行われる。このため、増幅器4の持つオフセット電圧もホール素子2の持つオフセット電圧Voffと同時にデジタルフィルタ62dにより取り除くことが可能である。
The Hall electromotive force Vh (90) output from the
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態によるホールセンサ及びホール起電力検出方法について図1を参照しつつ図13及び図14を用いて説明する。本実施形態によるホールセンサは、上記第1の実施形態によるホールセンサ1と比較して、全体構成は同一であるものの、離散時間型AD変換器の構成が異なっている。したがって、以下、本実施形態によるホールセンサについて、上記第1の実施形態によるホールセンサ1と異なる点のみを説明する。
[Second Embodiment]
Next, a Hall sensor and Hall electromotive force detection method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14 while referring to FIG. The Hall sensor according to the present embodiment has the same overall configuration as the
図13は、本実施形態によるホールセンサに備えられた離散時間型AD変換器6の概略構成を示すブロック図である。図13に示すように、本実施形態における離散時間型AD変換器6は、上記第1の実施形態における離散時間型AD変換器6と同様に、サンプリング非実行期間とサンプリング実行期間とを有し、サンプリング実行期間にサンプリングした第1のアナログ信号をデジタル信号に変換するようになっている。上記第1の実施形態と同様に、第1のアナログ信号は、入力信号VIN(+),VIN(−)からリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)を減算した信号が相当する。
FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of the discrete-
図13に示すように、離散時間型AD変換器6は、AD変換部62と、DEM部61とを有している。AD変換部62は、減算器62aと、制御信号生成部5(図1参照)から出力されたサンプル信号Sspの極性に応じて積分動作を行うSC積分器62bと、サンプル信号Sspに応じて+1又は−1の出力を更新する1ビット量子化器(クロックトコンパレータ)62cとを有している。また、AD変換部62は、1ビット量子化器62cの出力信号が入力するデジタルフィルタ62dと、1ビット量子化器62cの出力信号が入力するDA変換素子62eと、DA変換素子62eから出力されるリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)の各電圧信号を保持するバッファアンプ62f及びバッファアンプ62gとを有している。
As illustrated in FIG. 13, the discrete
DEM部61は、SC積分器62bの入出力端子に設けられている。DEM部61は、DEM信号Sdeの極性に従って入出力の接続を入れ替えるDEMスイッチ61a及びDEMスイッチ61bを有している。DEMスイッチ61aはSC積分器62bの入力側に設けられ、DEMスイッチ61bはSC積分器62bの出力側に設けられている。DEMスイッチ61aは、減算器62aが出力する第1のアナログ信号が入力する。第1のアナログ信号は差動信号である。DEMスイッチ61aは、差動信号の正側及び差動信号の負側を入力可能なように2つの入力端子と、入力した第1のアナログ信号をSC積分器62bに出力する2つの出力端子とを有している。出力端子の一方は、第1のアナログ信号を構成する差動信号の正側を出力し、出力端子の他方は、第1のアナログ信号を構成する差動信号の負側を出力する。
The
DEMスイッチ61bは、SC積分器62bが積分した第1のアナログ信号が入力する。SC積分器62bは、第1のアナログ信号を構成する正側及び差動信号の負側のいずれも積分する。このため、DEMスイッチ61bは、積分された差動信号の正側及び負側を入力可能なように2つの入力端子を有している。また、DEMスイッチ61bは、入力した第1のアナログ信号を1ビット量子化器62cに出力する2つの出力端子を有している。出力端子の一方は、第1のアナログ信号を構成する差動信号の正側を出力し、出力端子の他方は、第1のアナログ信号を構成する差動信号の負側を出力する。
The
DEM部61は、第1のアナログ信号が送信されるアナログ信号パス68に設けられている。アナログ信号パス68は、減算器62a、SC積分器62b及び1ビット量子化器62cで構成されている。
DEMスイッチ61a,61bはそれぞれ、DEM信号Sdeの極性に応じて、一方の入力端子と一方の出力端子とを接続するとともに他方の入力端子と他方の出力端子とを接続したり、一方の入力端子と他方の出力端子とを接続するとともに他方の入力端子と一方の出力端子とを接続したりする。DEM部61は、DEMスイッチ61a,61bのそれぞれの入出力端子の接続関係を切り替えることによりアナログ信号パス68のダイナミックエレメントマッチングを行うようになっている。
The
Each of the DEM switches 61a and 61b connects one input terminal and one output terminal and connects the other input terminal and the other output terminal in accordance with the polarity of the DEM signal Sde. And the other output terminal and the other input terminal and one output terminal are connected to each other. The
SC積分器62bは、演算増幅器602(図3参照)を有している。演算増幅器602は、非反転入力端子(+)及び反転入力端子(−)の入力部に差動対の2つのトランジスタ(不図示)を有している。この2つのトランジスタの電気的特性等のミスマッチにより、演算増幅器602の出力電圧にはオフセット電圧Voff3が生じる。図13では、このオフセット電圧Voff3は、DEMスイッチ61aとSC積分器62bとの間に○印で模式的に表されている。本実施形態によるホールセンサは、オフセット電圧Voff3を演算増幅器602の出力電圧から除去するためにDEMスイッチ61a,61bをSC積分器62bの入出力側に設けた構成を有している。これにより、図8及び図9を用いて説明したように、本実施形態によるホールセンサは、DEM信号Sdeの極性に応じて演算増幅器602の差動対を構成する2つのトランジスタを入れ替えて使用できるため演算増幅器602の出力電圧からオフセット電圧Voff3を除去することができる。本実施形態において、DEM信号Sdeの極性が高レベルの場合のデジタル出力信号は、以下の式(12)で表され、DEM信号Sdeの極性が低レベルの場合のデジタル出力信号は、以下の式(13)で表される。
DEM信号Sdeの極性が高レベルのときに1ビット量子化器62cが出力するデジタル出力信号と、DEM信号Sdeの極性が低レベルの時に1ビット量子化器62cが出力するデジタル出力信号とは、デジタルフィルタ62dで平均化される。このため、デジタル出力信号に重畳しているオフセット電圧Voff3は除去される。すなわち、式(12)及び式(13)における「Voff3」の項は相殺される。
The digital output signal output by the 1-
本実施形態におけるDEM動作は、DEM信号Sdeが極性反転することによって生じるスパイク信号の影響を離散時間型AD変換器6が出力するデジタル出力信号に与えないために、上記第1の実施形態と同様に、サンプル休止時間内で実行される。ここで、本実施形態によるホールセンサでのサンプル休止時間における1ビット量子化器62cの入力部のスイッチの開閉状態について図14を用いて説明する。図14は、1ビット量子化器62cの内部構成とともに、サンプル休止時間におけるスイッチ606a,606bの開閉状態を示す図である。また、図14には、理解を容易にするため、1ビット量子化器62cに接続されたDEMスイッチ61bと、DEMスイッチ61bに接続されたSC積分器62bと、SC積分器62bに接続されたDEMスイッチ61aとが併せて図示されている。
The DEM operation in the present embodiment is the same as that in the first embodiment in order not to affect the digital output signal output from the discrete
図14に示すように、1ビット量子化器62cは、DEMスイッチ61bの一方の出力端子から出力された出力信号が入力するスイッチ606aと、DEMスイッチ61bの他方の出力端子から出力された出力信号が入力するスイッチ606bとを有している。また、1ビット量子化器62cは、スイッチ606a,606bのそれぞれから出力された出力信号が入力する比較器605を有している。さらに、1ビット量子化器62cは、比較器605の一方の入力端子及びスイッチ606aの出力端子に一方の電極が接続され、他方の電極が基準電位となる静電容量素子607aと、比較器605の他方の入力端子及びスイッチ606bの出力端子に一方の電極が接続され、他方の電極が基準電位となる静電容量素子607bとを有している。
As shown in FIG. 14, the 1-
1ビット量子化器62cは、制御信号生成部5(図1参照)が出力するサンプル信号Sspの極性反転に同期して+1または−1の出力が更新されるクロックトコンパレータで構成されている。1ビット量子化器62cは、スイッチ606a,606bが閉状態の間に静電容量素子607a,607bにSC積分器62bの出力信号の信号レベルに応じた電荷を蓄積する。また、1ビット量子化器62cは、スイッチ606a,606bが閉状態から開状態に切り替わるタイミングで静電容量素子607a,607bに蓄積している電荷量の大小に応じて比較器605の出力を更新する。サンプル休止時間ではスイッチ606a,606bは常に開状態となっている。また、DEM信号Sdeは、サンプル休止時間に反転するように設定されている。さらに、サンプル休止時間は、スパイク信号Sskが基準電位レベルに収束するのに十分な期間となるように設定されている。このため、DEM信号Sdeが送信される信号配線65とDEMスイッチ61aとSC積分器62bとを接続する信号配線67との間に形成される寄生容量66に起因するスパイク信号Sskが、SC積分器62bに入力され、DEMスイッチ61bを介して1ビット量子化器62cに入力したとしても、静電容量素子607a,607bには蓄積されない。これにより、静電容量素子602b,602cに保持された電荷量は一定値を維持する。したがって、本実施形態によるホールセンサはデジタル出力信号からスパイク信号の影響を除去できる。
The 1-
〔第3の実施形態〕
本発明の第3の実施形態について図1を参照しつつ図15及び図16を用いて説明する。本実施形態によるホールセンサは、上記第1の実施形態によるホールセンサ1と比較して、全体構成は同一であるものの、離散時間型AD変換器の構成が異なっている。本実施形態によるホールセンサは、ダイナミックエレメントマッチングを行うAD変換器として離散時間方式の2重積分AD変換器(離散時間型積分型AD変換器の一例)を備えた点に特徴を有している。したがって、以下、本実施形態によるホールセンサについて、上記第1の実施形態によるホールセンサ1と異なる点のみを説明する。
[Third Embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 and 16 with reference to FIG. The Hall sensor according to the present embodiment has the same overall configuration as the
図15は、本実施形態によるホールセンサに備えられた離散時間型AD変換器6の概略構成を示すブロック図である。図15に示すように、本実施形態における離散時間型AD変換器6は、上記第1の実施形態における離散時間型AD変換器6と同様に、サンプリング非実行期間とサンプリング実行期間とを有し、サンプリング実行期間にサンプリングした第1のアナログ信号をデジタル信号に変換するようになっている。入力信号VIN(+),VIN(−)が第1のアナログ信号に相当し、リファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)が第2のアナログ信号に相当する。
FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of the discrete
図15に示すように、離散時間型AD変換器6は、制御信号生成部5(図1参照)から出力されたサンプル信号Sspの極性に応じて積分動作を行うSC積分器62bと、サンプル信号Sspに応じて+1又は−1の出力を更新する1ビット量子化器(クロックトコンパレータ)62cとを有している。また、AD変換部62は、1ビット量子化器62cの出力信号が入力するDA変換素子62eと、DA変換素子62eから出力されるリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)の各電圧信号を保持するバッファアンプ62f及びバッファアンプ62gとを有している。さらに、AD変換部62は、SC積分器62の入力部に入力信号VIN(+),VIN(−)とリファレンス電圧信号Vref(−),Vref(+)とのいずれか一方を選択する選択部62hと、1ビット量子化器62cが出力するデジタル出力信号が入力され、リファレンス電圧信号Vref(−)からリファレンス電圧信号Vref(+)を減算した差信号を積算した回数をカウントするカウンタ部62iとを有している。
As shown in FIG. 15, the discrete-
選択部62hは、入力信号VIN(+)が入力するスイッチ621aと、入力信号VIN(−)が入力するスイッチ621bと、リファレンス電圧信号Vref(+)が入力するスイッチ621cと、リファレンス電圧信号Vref(−)が入力するスイッチ621dとを有している。スイッチ621aは、入力信号VIN(+)が入力する入力端子と、SC積分器62bの非反転入力端子(+)及びスイッチ621dの出力端子に接続された出力端子とを有している。スイッチ621bは、入力信号VIN(−)が入力する入力端子と、SC積分器62bの反転入力端子(−)及びスイッチ621cの出力端子に接続された出力端子とを有している。スイッチ621cは、DEMスイッチ61bを介してバッファアンプ62gの出力端子に接続された入力端子と、SC積分器62bの反転入力端子(−)に接続された出力端子とを有している。スイッチ621dは、DEMスイッチ61bを介してバッファアンプ62fの出力端子に接続された入力端子と、SC積分器62bの非反転入力端子(+)に接続された出力端子とを有している。選択部62hは、制御信号生成部5が生成して出力する選択信号Ssの極性に応じてSC積分器62bへ入力する信号を選択するようになっている。
The
SC積分器62bは、選択部62hを介して入力する入力信号VIN(+)から入力信号VIN(−)を減算した電圧値をサンプル信号Sspに応じて一定のサンプル回数積算し、その後リファレンス電圧信号Vref(−)の電圧値からリファレンス電圧信号Vref(+)の電圧値を減算した電圧値をサンプル信号Sspに応じて積算する。SC積分器62bは、リファレンス電圧信号Vref(−)からリファレンス電圧信号Vref(+)を減算した電圧値が負の値に反転するまで積算する。SC積分器62bは、1ビット量子化器62cが出力するデジタル出力信号が低レベルから高レベルへの切り替わりに基づいて出力信号の反転するタイミングを判定する。
The
カウンタ部62iは、カウント信号Sctに応じてリファレンス電圧信号Vref(−)の電圧値からリファレンス電圧信号Vref(−)の電圧値を減算した電圧値を積算した回数をカウントする。カウント信号Sctは、制御信号生成部5によって生成され、制御信号生成部5からカウンタ部62iに入力される。なお、図1では、カウント信号Sctの図示は省略されている。
The
ここで、図15を参照しつつ図16を用いて離散時間型AD変換器6の動作について説明する。図16は、離散時間型AD変換器6の各部の信号波形を示す図である。図16中の1段目の「Ssp」はサンプル信号の信号波形を示し、2段目の「Ss」は選択信号の信号波形を示し、3段目の「Sct」はカウンタ信号の信号波形を示している。図16中の4段目の「CT」はカウンタ部62iがリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)をカウントしたカウント数を示し、5段目の「Sde」はDEM信号の信号波形を示し、「SC−OUT」はSC積分器62bの出力電圧の信号波形を示し、「QT−OUT」は1ビット量子化器62cの出力信号波形を示している。
Here, the operation of the discrete
図16に示すように、カウント信号Sctは、選択信号Ssの極性が高レベルとなりリファレンス電圧信号Vref(+),Vref(−)が積算される場合のみ、サンプル信号Sspと同期した波形となる。この際、カウンタ部62iのカウントするカウント数「CT」の値N(Nは、負数を除く整数)は、1ビット量子化器62cの出力信号QT−OUTの極性が高レベルに切り替わった際に最終値となる。
As shown in FIG. 16, the count signal Sct has a waveform synchronized with the sample signal Ssp only when the polarity of the selection signal Ss is high and the reference voltage signals Vref (+) and Vref (−) are integrated. At this time, the value N (N is an integer other than a negative number) of the count number “CT” counted by the
図16では、時刻t0から時刻t1までの期間が、入力信号VIN(+)の電圧値から入力信号VIN(−)の電圧値を減算した電圧値をSC積分器62bにおいて積分する期間である。時刻t1から時刻t2までの期間が、リファレンス電圧信号Vref(−)の電圧値からリファレンス電圧信号Vref(+)の電圧値を減算した電圧値をSC積分器62bにおいて積分する期間である。SC積分器62bの出力電圧「SC−OUT」に示すように、入力信号VIN(+)の電圧値から入力信号VIN(−)の電圧値を減算した電圧値の積算数が多いほど、リファレンス電圧信号Vref(−)の電圧値からリファレンス電圧信号Vref(+)の電圧値を減算した電圧値の積算数が多くなる。なお、図16に示すΔVINは、入力信号VIN(+)の電圧値から入力信号VIN(−)の電圧値を減算した電圧値を表し、ΔVrefは、リファレンス電圧信号Vref(−)の電圧値からリファレンス電圧信号Vref(+)の電圧値を減算した電圧値にオフセット電圧Voff4(詳細は後述)を加算した電圧値を表している。カウント数「CT」は、入力信号VIN(+)の電圧値から入力信号VIN(−)の電圧値を減算した電圧値が大きいほどNの値は増加する。本実施形態における離散時間型AD変換器6において採用している2重積分AD変換器では、カウンタ部62iがカウントするカウント数「CT」の値「N」がデジタル出力信号に相当する。
In FIG. 16, the period from time t0 to time t1 is a period in which the
図15に戻って、2重積分AD変換器の構成を採用した離散時間型AD変換器6についても、上記第1及び第2の実施形態における離散時間型AD変換器6と同様に、バッファアンプ62f,62gにおいて生じるオフセット電圧Voff4やSC積分器62b内の演算増幅器602において生じるオフセット電圧により、デジタル出力信号に誤差が生じる。なお、図15では、理解を容易にするため、オフセット電圧Voff4は、バッファアンプ62fとDEMスイッチ61aとの間に○印で模式的に図示されている。しかしながら、本実施形態によるホールセンサは、上記第1及び第2の実施形態によるホールセンサと同様に、DEMスイッチ62f,62gを備えているので、バッファアンプ62f,62gなどの各素子間のミスマッチに伴う誤差を低減できる。また、本実施形態によるホールセンサは、上記第1及び第2の実施形態によるホールセンサと同様に、サンプル休止時間にDEM動作を実行するように調整されている。これにより、本実施形態によるホールセンサは、DEM動作に伴って発生するスパイク信号の影響を除去できる。
上記第1から上記第3の実施形態における各構成は、同時に実施することも可能であり、AD変換器内の複数の箇所でダイナミックエレメントマッチングを行い、各素子の入れ替えのタイミングをサンプル休止時間に調整することも好適である。
Returning to FIG. 15, the discrete
The configurations in the first to third embodiments can be performed simultaneously, and dynamic element matching is performed at a plurality of locations in the AD converter, and the replacement timing of each element is set as the sample pause time. It is also suitable to adjust.
1 ホールセンサ
2 ホール素子
2a 第1端子
2b 第2端子
2c 第3端子
2d 第4端子
3 駆動部
4 増幅器
5 制御信号生成部
6 離散時間型AD変換器
31 電流方向切替スイッチ
33 電源入力端子
34 基準電位入力端子
35 駆動電源
61 DEM部
61a,61b DEMスイッチ
62 AD変換部
62a 減算器
62b SC積分器
62c 1ビット量子化器
62d デジタルフィルタ
62e DA変換素子
62f,62g バッファアンプ
62h 選択部
62i カウンタ部
601a〜601h スイッチ
602 演算増幅器
603,604 静電容量素子
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ホール素子の通電方向を切り替えて前記ホール素子を駆動する駆動部と、
前記ホール素子のホール起電力に応じた第1のアナログ信号をサンプリングしないサンプリング非実行期間と、前記第1のアナログ信号をサンプリングするサンプリング実行期間とを有し、前記サンプリング実行期間にサンプリングした第1のアナログ信号をデジタル信号に変換する離散時間型AD変換器と、
前記離散時間型AD変換器のアナログ信号パスに設けられ、前記サンプリング非実行期間に前記アナログ信号パスのダイナミックエレメントマッチングを行うダイナミックエレメントマッチング部と、
を備えているホールセンサ。 A Hall element;
A drive unit that drives the Hall element by switching the energization direction of the Hall element;
A sampling non-execution period in which the first analog signal corresponding to the Hall electromotive force of the Hall element is not sampled; and a sampling execution period in which the first analog signal is sampled. A discrete time AD converter that converts the analog signal of
A dynamic element matching unit that is provided in an analog signal path of the discrete-time AD converter and performs dynamic element matching of the analog signal path during the sampling non-execution period;
Hall sensor equipped with.
請求項1に記載のホールセンサ。 The Hall sensor according to claim 1, wherein the discrete-time AD converter is a discrete-time ΔΣ modulator.
前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記離散時間型積分器の入出力端子に設けられている
請求項2に記載のホールセンサ。 The discrete time AD converter has a discrete time integrator,
The Hall sensor according to claim 2, wherein the dynamic element matching unit is provided at an input / output terminal of the discrete-time integrator.
前記デジタル信号を第2のアナログ信号に変換するDA変換部と、
前記第2のアナログ信号をバッファするバッファ部と、
前記第1のアナログ信号とバッファされた前記第2のアナログ信号との減算を行う減算部と、
を有し、
前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記バッファ部の入出力端子に設けられている
請求項2または3に記載のホールセンサ。 The discrete time AD converter includes:
A DA converter that converts the digital signal into a second analog signal;
A buffer unit for buffering the second analog signal;
A subtractor for subtracting the first analog signal from the buffered second analog signal;
Have
The Hall sensor according to claim 2, wherein the dynamic element matching unit is provided at an input / output terminal of the buffer unit.
請求項1に記載のホールセンサ。 The Hall sensor according to claim 1, wherein the discrete-time AD converter is a discrete-time integral AD converter.
前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記離散時間型積分器の入出力端子に設けられている
請求項5に記載のホールセンサ。 The discrete time AD converter has a discrete time integrator,
The Hall sensor according to claim 5, wherein the dynamic element matching unit is provided at an input / output terminal of the discrete-time integrator.
リファレンス信号をバッファして第2のアナログ信号を出力するバッファ部と、
前記第1のアナログ信号と前記第2のアナログ信号のいずれかを選択する選択部と、
前記選択部で選択された信号を積分する離散時間型積分器と、
を有し、
前記ダイナミックエレメントマッチング部は、前記バッファ部の入出力端子に設けられている
請求項6に記載のホールセンサ。 The discrete time AD converter includes:
A buffer unit for buffering the reference signal and outputting a second analog signal;
A selection unit that selects one of the first analog signal and the second analog signal;
A discrete-time integrator that integrates the signal selected by the selector;
Have
The hall sensor according to claim 6, wherein the dynamic element matching unit is provided at an input / output terminal of the buffer unit.
請求項7に記載のホールセンサ。 The hall sensor according to claim 7, wherein the dynamic element matching unit is provided at an input / output terminal of the discrete-time integrator.
請求項1から8までのいずれか1項に記載のホールセンサ。 The hall sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the analog signal path is a differential signal path.
請求項1から9までのいずれか1項に記載のホールセンサ。 The hall sensor according to claim 1, wherein the sampling non-execution period starts in synchronization with switching of the energization direction.
請求項1から10までのいずれか1項に記載のホールセンサ。 The Hall sensor according to any one of claims 1 to 10, wherein the sampling execution period ends in synchronization with the switching of the energization direction.
前記通電方向を切り替えてから、離散時間型AD変換器のアナログ信号パスのダイナミックエレメントマッチングを、前記アナログ信号パスに送信されるアナログ信号をサンプリングしないサンプリング非実行期間に行い、
前記ダイナミックエレメントマッチングを行ってから、前記ホール素子のホール起電力に応じたアナログ信号を前記離散時間型AD変換器でデジタル信号に変換する
ホール起電力検出方法。 Switch the energization direction of the Hall element,
After switching the energization direction, the dynamic element matching of the analog signal path of the discrete time AD converter is performed in a sampling non-execution period in which the analog signal transmitted to the analog signal path is not sampled .
A Hall electromotive force detection method, wherein after performing the dynamic element matching, an analog signal corresponding to the Hall electromotive force of the Hall element is converted into a digital signal by the discrete time AD converter.
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