(57)【要約】【課題】応答性に優れた動的なオフセット除去を可能とする電流センサを提供することを目的とする。【解決手段】第１のホール素子を電源の極性を切り替えて駆動し、その出力を切り替えられる極性に対応してサンプルホールドし、正の極性に対応したサンプルホールド値から負の極性に対応したサンプルホールド値を減じて第１の信号を得、第２のホール素子を定電流源で駆動して第２の信号を得る。そして、第２の信号から第１の信号を減じて、オフセットを抽出し、第２の信号からオフセットを減じて、出力信号を得る。【選択図】図３
2008157688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホール素子を用いた電流センサであって、
第１のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、オフセットを含まない第１の信号を抽出する第１の信号抽出手段と、
第２のホール素子を定電流源で駆動し、第２の信号を抽出する第２の信号抽出手段と、
前記第２の信号から前記第１の信号を減じて、オフセットを抽出するオフセット抽出手段と、
前記第２の信号から前記オフセットを減じて出力信号を生成する出力信号生成手段と、
を備えたことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記第１の信号抽出手段が、切り替えられる電源の極性に対応して、前記第１のホール素子からの出力信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記第１の信号抽出手段が、前記サンプルホールド回路の出力信号から高周波のノイズを除去する第１の低域通過フィルタを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記第２の信号抽出手段と前記オフセット抽出手段との間に、前記第１の低域通過フィルタと同様の周波数特性を有する第２の低域通過フィルタを備えたことを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
【請求項５】
前記第２の信号抽出手段と前記低域通過フィルタとの間に、前記サンプルホールド回路と同一の構成を有するサンプルホールド回路を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
ホール素子を用いた電流センサのオフセット除去方法であって、
第１のホール素子を電源の極性を切り替えて駆動し、その出力を切り替えられる極性に対応してサンプルホールドし、正の極性に対応したサンプルホールド値から負の極性に対応したサンプルホールド値を減じて第１の信号を得る第１のステップと、
第２のホール素子を定電流源で駆動して第２の信号を得る第２のステップと、
前記第２の信号から前記第１の信号を減じて、オフセットを抽出する第３のステップと、
前記第２の信号から前記オフセットを減じて、出力信号を得る第４のステップと、
を有することを特徴とする電流センサのオフセット除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホール素子を用いた電流センサおよび電流センサのオフセット除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気−電気変換機能を持つホール素子は、電気的絶縁を必要とする電流センサとして利用され、測定回路に比べて高電圧になる線路や各種電気機器のライン電流を検出するために、ギャップを有するコアを介してライン電流で発生する磁界の強さを電圧に変換して電流検出信号として取り出すものである。しかし、このホール素子には、部品較差、固体差等に伴う固有のオフセットが存在し、このオフセットは、さらに感度のバラツキや温度変化等の環境的な要因によって変化する特性を有している。
【０００３】
そのため、こうしたオフセットを除去する方法として、ホール素子の出力を予め測定し、オフセットレベルが規定値に合うように予めトリミングを行い調整する方法がある。しかしながら、この方法は、応答速度が速いという利点を有するものの、径時変化にともなう特性の劣化や環境温度の変化等の要因によって、一度調整したオフセット値がずれてしまうという問題がある。
【０００４】
そのため、上記の問題に対応するために、動的にホール素子のオフセットを除去する方法として、ホール素子に印加する駆動電圧の極性を切り替えて、出力された信号の差分値を得ることにより、ホール素子のオフセットを除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−３００３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、電源の極性を切り替えるための時間や出力信号が安定するまでの時間、演算に必要な時間等が制約となり、電源の極性を切り替える周波数を上げることに限界があったために、応答性が悪いという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、応答性に優れた動的なオフセット除去を可能とする電流センサおよび電流センサのオフセット除去方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の事項を提案している。
（１）本発明は、ホール素子を用いた電流センサであって、第１のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、オフセットを含まない第１の信号を抽出する第１の信号抽出手段と、第２のホール素子を定電流源で駆動し、第２の信号を抽出する第２の信号抽出手段と、前記第２の信号から前記第１の信号を減じて、オフセットを抽出するオフセット抽出手段と、前記第２の信号から前記オフセットを減じて出力信号を生成する出力信号生成手段と、を備えたことを特徴とする電流センサを提案している。
【０００８】
この発明によれば、第２の信号からオフセットを含まない第１の信号を減算することによりオフセットを抽出する。そして、第２の信号から抽出したオフセットを減算することにより出力信号を得る。したがって、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを、電源の極性を切り替えて駆動するホール素子の出力信号により自動的に補正することから、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを除去する方法と等価な構成となる。そのため、応答性に優れた動的なオフセット除去が可能であるとともに、オフセットを除去した高速なセンサ信号を得ることができる。
【０００９】
（２）本発明は、（１）の電流センサについて、前記第１の信号抽出手段が、切り替えられる電源の極性に対応して、前記第１のホール素子からの出力信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路（例えば、図１のサンプルホールド回路５、６に相当）を備えたことを特徴とする電流センサを提案している。
【００１０】
この発明によれば、切り替えられる電源の極性に対応して、第１のホール素子からの出力信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路を設けたことから、正の極性に対応したサンプルホールド回路のサンプルホールド値から負の極性に対応したサンプルホールド回路のサンプルホールド値を減算することにより、オフセットを含まない第１のホール素子のセンサ信号を得ることができる。
【００１１】
（３）本発明は、（２）の電流センサについて、前記第１の信号抽出手段が、前記サンプルホールド回路の出力信号から高周波のノイズを除去する第１の低域通過フィルタ（例えば、図２のＬＰＦ８に相当）を備えたことを特徴とする電流センサを提案している。
【００１２】
この発明によれば、サンプルホールド回路の出力信号から高周波のノイズを除去する第１の低域通過フィルタを設けたことから、例えば、サンプルホールド回路のサンプリング周期に伴う高周波のノイズ（チョッパノイズ）を除去することにより滑らかなセンサ信号を得ることができる。
【００１３】
（４）本発明は、（３）の電流センサについて、前記第２の信号抽出手段と前記オフセット抽出手段との間に、前記第１の低域通過フィルタと同様の周波数特性を有する第２の低域通過フィルタ（例えば、図２のＬＰＦ９に相当）を備えたことを特徴とする電流センサを提案している。
【００１４】
この発明によれば、第２の信号抽出手段とオフセット抽出手段との間に、第１の低域通過フィルタと同様の周波数特性を有する第２の低域通過フィルタを備えたことから、第１の低域通過フィルタによるセトリングタイムの影響を除去して、第２の信号の信号に対する第１の信号の位相遅れを緩和することができる。
【００１５】
（５）本発明は、（４）の電流センサについて、前記第２の信号抽出手段と前記低域通過フィルタとの間に、前記サンプルホールド回路と同一の構成を有するサンプルホールド回路（例えば、図３のサンプルホールド回路１０、１１に相当）を備えたことを特徴とする電流センサを提案している。
【００１６】
この発明によれば、第２の信号抽出手段と低域通過フィルタとの間に、さらに、サンプルホールド回路と同一の構成を有するサンプルホールド回路を備えたことから、サンプルホールド回路およびノイズ除去手段による第２の信号の信号に対する第１の信号の位相遅れを解消することができる。
【００１７】
（６）本発明は、ホール素子を用いた電流センサのオフセット除去方法であって、第１のホール素子を電源の極性を切り替えて駆動し、その出力を切り替えられる極性に対応してサンプルホールドし、正の極性に対応したサンプルホールド値から負の極性に対応したサンプルホールド値を減じて第１の信号を得る第１のステップ（例えば、図５のステップＳ１０１、Ｓ１０２に相当）と、第２のホール素子を定電流源で駆動して第２の信号を得る第２のステップ（例えば、図５のステップＳ１０３に相当）と、前記第２の信号から前記第１の信号を減じて、オフセットを抽出する第３のステップ（例えば、図５のステップＳ１０４に相当）と、前記第２の信号から前記オフセットを減じて、出力信号を得る第４のステップ（例えば、図５のステップＳ１０５に相当）と、を有することを特徴とする電流センサのオフセット除去方法を提案している。
【００１８】
この発明によれば、第１のホール素子を電源の極性を切り替えて駆動し、その出力を切り替えられる極性に対応してサンプルホールドし、正の極性に対応したサンプルホールド値から負の極性に対応したサンプルホールド値を減じて第１の信号を得、第２のホール素子を定電流源で駆動して第２の信号を得る。そして、第２の信号から第１の信号を減じて、オフセットを抽出するとともに、第２の信号からオフセットを減じて、出力信号を得る。したがって、（１）と同様の作用が期待できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ホール素子のオフセット除去に関して、応答性に優れた動的なオフセット除去を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて、詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係る電流センサの回路構成を示している。
図１に示すように、スイッチ回路網２は、４つのスイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなっている。スイッチＳａは、一端が定電流源１に、他端がホール素子３の電流端子３ａに接続され、スイッチＳｂは、一端がグランドに、他端がホール素子３の電流端子３ａに接続され、スイッチＳｃは、一端が定電流源１に、他端がホール素子３の電流端子３ｂに接続され、スイッチＳｄは、一端がグランドに、他端がホール素子３の電流端子３ｂに接続されている。
【００２２】
ホール素子３は、例えば、十字形をなし、相対向する電流端子３ａ、３ｂと相対向するホール端子３ｃ、３ｄの４つの端子が設けられ、ホール端子３ｃは、差動増幅器４ａの正端子に、ホール端子３ｄは、差動増幅器４ａの負端子に接続されている。また、差動増幅器４ａの出力端子は、サンプルホールド回路５、６に接続されている。
【００２３】
サンプルホールド回路５の出力端子は、差動増幅器４ｂの正端子に、サンプルホールド回路６の出力端子は、差動増幅器４ｂの負端子に接続され、差動増幅器４ｂの出力端子は、差動増幅器４ｄの負端子に接続されている。
【００２４】
一方、ホール素子７は、電流端子７ａが定電流源２０に、電流端子７ｂがグランドに、ホール端子７ｃが差動増幅器４ｃの正端子に、ホール端子７ｄが差動増幅器４ｃの負端子に接続されており、差動増幅器４ｃの出力端子が差動増幅器４ｄの正端子および差動増幅器４ｅの正端子に接続されている。また、差動増幅器４ｄの出力端子が差動増幅器４ｅの負端子に接続されており、差動増幅器４ｅの出力端子が電流センサのセンサ信号出力端子となっている。
【００２５】
ここで、定電流源１、２０は、一定の電流を供給する電源であり、スイッチ回路網２は、図示しない制御部により、定電流源１から供給される電流の極性を切り替えてホール素子３に供給する。ホール素子３、７は、磁気を電気信号に変換する素子であり、差動増幅器４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅは、入力される信号の差分を増幅して出力する増幅器である。また、サンプルホールド回路５、６は、入力信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングした値を一時的に保持する回路である。なお、差動増幅器４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅのゲインについては、適切なゲインに設定されているものとする。
【００２６】
次に、図１、図４および図５を用いて、本実施形態に係る電流センサの動作について説明する。
まず、ホール素子３、７にリファレンス信号として、図４（１）に示す信号を入力する。スイッチ回路網２は、図示しない制御部のコントロールにより、所定の周期で、定電流源１からの電流の極性を切り替えてホール素子３の電流端子３ａ、３ｂに供給する。ホール素子３は、供給される電流の極性に応じた出力信号（ＨＥ１＋、ＨＥ１−）をホール端子３ｃ、３ｄから差動増幅器４ａに出力する。
【００２７】
差動増幅器４ａは、ホール素子３からの出力信号（ＨＥ１＋、ＨＥ１−）に応じて、図４（２）に示すような信号（ＨＥ１ＤＳｉｇ）を出力する。ここで、図４（２）において、実線で示された信号波形は、供給された電流が正極性のときのものであり、一点鎖線で示された信号波形は、供給された電流が負極性のときのものである。
【００２８】
次に、差動増幅器４ａから出力された信号は、ホール素子３に供給される電流の極性に応じて、サンプルホールド回路５または６に入力される。すなわち、図４（２）に示す実線部分の信号は、サンプルホールド回路５に、図４（２）に示す一点鎖線の部分の信号は、サンプルホールド回路６に入力される（図５のステップＳ１０１）。
【００２９】
サンプルホールド回路５および６では、入力した信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、その値をホールドする。そして、サンプルホールド回路５および６から出力された信号（ＨＥ１Ｓｉｇ＋、ＨＥ１Ｓｉｇ−）は、差動増幅器４ｂに入力され、図４（３）に示すような出力信号（ＨＥ１Ｓｉｇ）を得る（図５のステップＳ１０２）。つまり、正の極性に対応したサンプルホールド回路のサンプルホールド値から負の極性に対応したサンプルホールド回路のサンプルホールド値を減算することにより、オフセットを含まないホール素子３のセンサ信号を得ることができる。
【００３０】
一方、電流端子７ａに定電流源２０、電流端子７ｂにグランドが接続されたホール素子７のホール端子７ｃ、７ｄからの出力信号（ＨＥ２＋、ＨＥ２−）は、差動増幅器４ｃに入力され、差動増幅器４ｃからは、図４（４）に示されるような信号（ＨＥ２Ｓｉｇ）が出力される（図５のステップＳ１０３）。また、差動増幅器４ｂからの信号出力（ＨＥ１Ｓｉｇ）は、差動増幅器４ｄの負端子に入力され、差動増幅器４ｃからの信号出力（ＨＥ２Ｓｉｇ）は、差動増幅器４ｄの正端子に入力されて、差動増幅器４ｄの出力端子から図４（５）に示すようなオフセット（ＨＥ２ｏｆ）が抽出される（図５のステップＳ１０４）。
【００３１】
抽出されたオフセット（ＨＥ２ｏｆ）は、差動増幅器４ｅの負端子に入力され、差動増幅器４ｅの正端子には、差動増幅器４ｃの出力信号（ＨＥ２Ｓｉｇ）が入力されて、差動増幅器４ｅの出力端子からは、図４（６）に示すようなオフセットが除去されたホール素子７のセンサ出力（ＨＥ２ＳｉｇＯｕｔ）が得られる（図５のステップＳ１０５）。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを、電源の極性を切り替えて駆動するホール素子の出力信号により自動的に補正することから、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを除去する方法と等価な構成となる。そのため、応答性に優れた動的なオフセット除去が可能であるとともに、オフセットを除去した高速なセンサ信号を得ることができる。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
図２は、本実施形態に係る電流センサの回路構成を示している。
なお、第１の実施形態と同一の符号を付す構成要素については、同一の機能を有するものであるため、詳細な説明は省略する。また、差動増幅器４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅのゲインについては、適切なゲインに設定されているものとする。
【００３４】
図２に示すように、本実施形態に係る電流センサの回路構成は、第１の実施形態に係る電流センサの回路構成に対して、差動増幅器４ｂの出力端子と差動増幅器４ｄの負端子との間にＬＰＦ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）８を設け、さらに、差動増幅器４ｃの出力端子と差動増幅器４ｄの正端子との間にＬＰＦ９を設けた構成となっている。
【００３５】
ここで、ＬＰＦ８は、例えば、サンプルホールド回路５、６のサンプリング周期に伴う高周波のノイズ（チョッパノイズ）を除去するものであり、これにより滑らかなセンサ信号を得ることができるという作用を有する。また、ＬＰＦ９は、ＬＰＦ８を追加したことに伴うセトリングタイムの影響を除去するものであり、ＬＰＦ９は、ＬＰＦ８と同様の周波数特性を有している。ＬＰＦ８を追加することにより、差動増幅器４ｂの出力は、図４（３）に示す信号から図４（７）に示す信号となり、差動増幅器４ｄの出力は、図４（５）に示す信号から図４（８）に示すような信号になり、さらに、差動増幅器４ｅの出力は、図４（６）に示す信号から図４（９）に示すような信号になる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを電源の極性を切り替えて駆動するホール素子の出力信号により自動的に補正することから、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを除去する方法と等価な構成となり、そのため、応答性に優れた動的なオフセット除去が可能であるとともに、オフセットを除去した高速なセンサ信号を得ることができる。さらに、ＬＰＦ８を備えることにより、滑らかなセンサ信号を得ることができ、また、さらにＬＰＦ９を備えることにより、ＬＰＦ８を追加したことに伴うセトリングタイムの影響を除去することができる。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
図３は、本実施形態に係る電流センサの回路構成を示している。
なお、第１の実施形態および第２の実施形態と同一の符号を付す構成要素については、同一の機能を有するものであるため、詳細な説明は省略する。また、差動増幅器４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅのゲインについては、適切なゲインに設定されているものとする。
【００３８】
図３に示すように、本実施形態に係る電流センサの回路構成は、第２の実施形態に係る電流センサの回路構成に対して、差動増幅器４ｃの出力端子とＬＰＦ９との間に、サンプルホールド回路１０、１１と加算器１２とを設けた構成となっている。
【００３９】
ここで、サンプルホールド回路１０、１１は、サンプルホールド回路５、６と同等のものであり、その入力端子が差動増幅器４ｃの出力端子に接続されている。また、サンプルホールド回路１０の出力端子およびサンプルホールド回路１１の出力端子は、ともに加算器１２に接続されている。
【００４０】
すなわち、サンプルホールド回路５、６と、差動増幅器４ｂと、ＬＰＦ８により構成される回路ブロックと同様の回路ブロックをサンプルホールド回路１０、１１と、加算器１２と、ＬＰＦ９とにより構成することで、サンプルホールド回路に起因する高周波ノイズ（チョッパノイズ）の影響を相殺するとともに、ＬＰＦ８から出力される信号の位相遅れを解消することができる。
【００４１】
したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを電源の極性を切り替えて駆動するホール素子の出力信号により自動的に補正することから、定電流源で駆動されるホール素子のオフセットを除去する方法と等価な構成となる。そのため、応答性に優れた動的なオフセット除去が可能であるとともに、オフセットを除去した高速なセンサ信号を得ることができる。さらに、サンプルホールド回路に起因する高周波ノイズ（チョッパノイズ）の影響を相殺するとともに、出力される信号の位相遅れを解消することができる。
【００４２】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、上述の実施形態においては、ホール素子に供給する電源の極性を切り換えることにより、オフセットの除去（チョッパタビライゼーション）とオフセットの検出を行う手法について説明したが、シリコンのホール素子の場合には、素子の製造工程において生じる歪みやパッケージに対する応力等の影響によりピエゾ抵抗効果が生じ、これにより生じるオフセットの方が大きいという特徴がある。そのため、シリコンのホール素子の場合には、ホール素子に印加する電源と信号出力端子の関係を９０度回転させて、得られた出力信号によりオフセットの除去（チョッパタビライゼーション）やオフセットの検出を行うことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電流センサの回路構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電流センサの回路構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る電流センサの回路構成を示す図である。
【図４】回路各部の波形を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る電流センサの動作を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１、２０・・・定電流源、２・・・スイッチ回路網、３、７・・・ホール素子、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ・・・差動増幅器、５、６、１０、１１・・・サンプルホールド回路、８、９・・・ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、１２・・・加算器、
【図１】
2008157688.tif 000003
【図２】
2008157688.tif 000004
【図３】
2008157688.tif 000005
【図４】
2008157688.tif 000006
【図５】
2008157688.tif 000007