(57)【要約】【課題】簡単な構成で、オフセットの影響を受けない精度よい計測結果を得る。【解決手段】ホール素子１の両端に接続された電源において、一定時間毎に電流Ｉ１／−Ｉ１の向きを逆転させながら当該電流Ｉ１／−Ｉ１を磁界中のホール素子１に与える。これによりホール素子１においてホール電圧を発生させ、ホール素子１で発生したホール電圧を増幅器３で増幅する。その出力電圧と、当該出力電圧を一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算し、出力電圧に含まれるオフセットを相殺して出力する。オフセットの影響を無くすことができる。【選択図】        図１
2005003541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界によってホール電圧を発生させるホール素子と、
前記ホール素子の両端に接続されて、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える電源と、
前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅する増幅器と、
前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する演算回路と
を備えるセンサ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ回路であって、
前記演算回路が、
前記増幅器からの出力電圧を前記一定時間だけ遅延させる遅延回路と、
前記増幅器からの出力電圧と、前記遅延回路で遅延された電圧との差分を演算する減算器と
を備えるセンサ回路。
【請求項３】
磁気を検出する磁気センサ回路であって、
前記磁界によってホール電圧を発生させるホール素子と、
前記ホール素子の両端に接続されて、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える電源と、
前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅する増幅器と、
前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する演算回路と
を備える磁気センサ回路。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気センサ回路であって、
前記演算回路が、
前記増幅器からの出力電圧を前記一定時間だけ遅延させる遅延回路と、
前記増幅器からの出力電圧と、前記遅延回路で遅延された電圧との差分を演算する減算器と
を備える磁気センサ回路。
【請求項５】
電流を検出する電流センサ回路であって、
電流によって生じる磁界を受けてホール電圧を発生させるホール素子と、
前記ホール素子の両端に接続されて、一定時間毎に前記電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える電源と、
前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅する増幅器と、
前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する演算回路と
を備える電流センサ回路。
【請求項６】
請求項５に記載の電流センサ回路であって、
前記演算回路が、
前記増幅器からの出力電圧を前記一定時間だけ遅延させる遅延回路と、
前記増幅器からの出力電圧と、前記遅延回路で遅延された電圧との差分を演算する減算器と
を備える電流センサ回路。
【請求項７】
ホール素子の両端に接続された電源において、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える第１の工程と、
前記ホール素子において、前記磁界によってホール電圧を発生させる第２の工程と、
前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅器で増幅する第３の工程と、
前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する第４の工程と
を備える、磁気または電流の大きさを検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ホール効果を利用して、磁界の強さ、または電流によって発生する磁界の強さにより被計測電流を計測するセンサ回路及びそれに関連する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気（磁界）を検出する磁気センサや電流を検出する電流センサとして、ホール素子と呼ばれる半導体素子が使用されることがある。
【０００３】
このホール素子は、電流に磁界を与えた際に生じるホール効果を利用して、その出力電圧に基づいて磁界の強さや電流を計測するもので、一般に、ガリウム・ヒ素、インジウム・アンチモン、または集積回路化されたシリコンなどが使用される。
【０００４】
参考のために、この発明に関連する先行技術文献を以下に示しておく。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｓ．Ｍ．ジィー、南日康夫、川辺光央、長谷川文夫、半導体デバイス−基礎理論とプロセス技術−、第１３刷、日本、産業図書株式会社、平成１１年０６月３０日、第２３７頁〜第３９頁
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７は、ホール素子からの出力電圧（ホール電圧）を増幅器に入力して検出したときの、ホール素子における磁界の強さと増幅器からの出力電圧との関係を示す図である。尚、ホール素子に与える電流は一定として仮定している。この図７において、横軸は磁界の強さ、縦軸はホール素子の出力電圧を示している。この図を見る通り、ホール素子を利用して磁界の強さを出力電圧として取り出す場合は、磁界の強さと出力電圧との関係がほぼ線形に現れるが、ただし、磁界がゼロであっても、その出力電圧はゼロ値とはならず、予測しにくいオフセットが発生していることが解る。
【０００７】
このオフセットは、個々のホール素子の製造上の誤差などに起因する個体差を要因とするオフセットＨｏｆｆｓｅｔが含まれる。このようなホール素子自体の個体差は、製造上の理由により完全に避けることが困難である。
【０００８】
また、オフセットの他の要因としては、増幅器自身が持っているオフセット電圧ＶＤＣが挙げられる。
【０００９】
そして、これらの要因により発生するオフセット（Ｈｏｆｆｓｅｔ＋ＶＤＣ）がどの程度の値となるかは、予め予測することが困難である。このように、ホール素子を利用してその出力電圧から磁界の強さなどを測定しようとしても、増幅器を経て検出される出力電圧に、予測困難なオフセット（Ｈｏｆｆｓｅｔ＋ＶＤＣ）が含まれてしまうと、最終的な測定結果に誤差が生じ、精度良い検出結果を得ることが困難となる。一般に、測定器では可変抵抗等を用いてオフセット調整機能を付加し、このオフセット分を自動または手動で調整している。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、簡単な構成で精度良い検出結果を得ることのできるセンサ回路及びそれに関連する技術を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、磁界によってホール電圧を発生させるホール素子と、前記ホール素子の両端に接続されて、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える電源と、前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅する増幅器と、前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する演算回路とを備えるものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサ回路であって、前記演算回路が、前記増幅器からの出力電圧を前記一定時間だけ遅延させる遅延回路と、前記増幅器からの出力電圧と、前記遅延回路で遅延された電圧との差分を演算する減算器とを備えるものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、磁気を検出する磁気センサ回路であって、前記磁界によってホール電圧を発生させるホール素子と、前記ホール素子の両端に接続されて、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える電源と、前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅する増幅器と、前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する演算回路とを備えるものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の磁気センサ回路であって、前記演算回路が、前記増幅器からの出力電圧を前記一定時間だけ遅延させる遅延回路と、前記増幅器からの出力電圧と、前記遅延回路で遅延された電圧との差分を演算する減算器とを備えるものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、電流を検出する電流センサ回路であって、電流によって生じる磁界を受けてホール電圧を発生させるホール素子と、前記ホール素子の両端に接続されて、一定時間毎に前記電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える電源と、前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅する増幅器と、前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する演算回路とを備えるものである。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の電流センサ回路であって、前記演算回路が、前記増幅器からの出力電圧を前記一定時間だけ遅延させる遅延回路と、前記増幅器からの出力電圧と、前記遅延回路で遅延された電圧との差分を演算する減算器とを備えるものである。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、ホール素子の両端に接続された電源において、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流を前記ホール素子に与える第１の工程と、前記ホール素子において、前記磁界によってホール電圧を発生させる第２の工程と、前記ホール素子で発生した前記ホール電圧を増幅器で増幅する第３の工程と、前記増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を前記一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、前記出力電圧に含まれるオフセットの成分を相殺して出力する第４の工程とを備えるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一の実施の形態に係るセンサ回路を示す図である。このセンサ回路は、例えば、電流によって発生した磁束をとらえることによって非接触に電流計測を行う電流センサ回路として使用されるものであって、図１の如く、ホール素子１と、このホール素子１の両端に接続されて一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流をホール素子１に与える電源２と、ホール素子１でホール効果により発生した出力電圧を増幅する増幅器３と、増幅器３からの出力電圧を遅延処理及び減算処理を行うことでオフセットの成分を相殺するよう演算する演算回路４とを備える。
【００１９】
ホール素子１は、図２の如く、ガリウム・ヒ素等から構成される半導体素子であって、ホール素子に電流を流した状態で外部から磁界１１を与えると、ホール電圧が発生することを利用して、このホール電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして外部に出力するようになっている。また、磁界１１の強さが一定の状態で、ホール素子１内に流す電流の大きさはそのままで、向きだけを反転させると、出力電圧Ｖｏｕｔは、その符合が反転するだけで、絶対値は同じである。
【００２０】
電源２は、両端がそれぞれホール素子１の両端に接続され、図３の如く、一定時間（１／ｆｓ）毎に電流Ｉ１／−Ｉ１の向きを逆転させるようになっており、電流Ｉ１の電流値が変化することが許容された電源において、その電流の方向を、電気的または機械的に正逆切り替えてホール素子１に与えるように構成されている。ここで、ｆｓは、演算回路４の出力として要求される応答特性の１０倍程度に設定され、例えば１ｋＨｚの応答特性が演算回路４の出力で要求される場合は、ｆｓは１０ｋＨｚ程度に設定される。
【００２１】
増幅器３は、ホール素子１の両端の電位差を増幅して演算回路４に出力する一般的な増幅器が使用される。尚、増幅器３の例えば正入力端子側には、ホール素子１からの出力電圧Ｖｏｕｔを人為的にずらすためのオフセット電圧調整回路１９が接続される。このオフセット電圧調整回路１９は、増幅器３の電源電圧をＶｃｃとして、その半分の電圧（Ｖｃｃ／２）を増幅器３の入力へ接続すると、増幅器３にオフセット成分Ｖｏｆｆｓｅｔを人為的に与えて、出力電圧Ｖｏｕｔのゼロ点を「ゼロ」から「Ｖｃｃ／２」に変化させるためのものである。ゼロ点を変化させることによって、双方向の磁界の強さを検出することが可能である。
【００２２】
演算回路４は、マイクロコンピュータチップ等のアナログ信号入力可能な論理演算回路であって、遅延回路１３と減算器１４とを備える。
【００２３】
遅延回路１３は、電源２において電流を逆転する時間（１／ｆｓ）だけ増幅器３からの出力電圧を遅延させて、この遅延した出力電圧を減算器１４に出力するものである。
【００２４】
尚、かかる構成に代えて、遅延回路１３の機能を、論理演算回路内のメモリとタイマ機能を使用してソフトウェアプログラムによって実現しても差し支えない。
【００２５】
減算器１４は、増幅器３から与えられた遅延前の出力電圧から、遅延回路１３で遅延された出力電圧を減算し、その差分を出力電圧として外部に出力するものである。
【００２６】
上記構成のセンサ回路の動作を説明する。
【００２７】
まず、電源２は、図３のように、一定時間（１／ｆｓ）毎に向きを逆転させるようにして電流Ｉ１／−Ｉ１をホール素子１に与える。これにより、ホール素子１の内部に流れる電流は、Ｉ１と−Ｉ１とが一定時間（１／ｆｓ）毎に交互に変化する。
【００２８】
そうすると、ホール素子１は、図２の如く、電流Ｉ１／−Ｉ１と磁界１１との作用によってホール効果が発生し、出力電圧Ｖｏｕｔが生じる。この出力電圧Ｖｏｕｔは、磁界１１の強さによって変化する。この出力電圧Ｖｏｕｔは、増幅器３によって増幅されて演算回路４に与えられる。
【００２９】
ここで、図４は、ホール素子１に電流Ｉ１が流れている場合に、磁界１１の強さによって増幅器３から出力された出力電圧が変化する様子を示す図、図５は、ホール素子１に図４の場合とは逆向きの電流−Ｉ１が流れている場合に、磁界１１の強さによって増幅器３から出力された出力電圧が変化する様子を示す図である。ここで、図４及び図５のいずれにも、増幅器３からの出力電圧には、増幅器３自身が持つオフセット電圧ＶＤＣの成分と、個々のホール素子１の個体差に起因するオフセットＨｏｆｆｓｅｔの成分と、双方向の磁界を見るために出力電圧Ｖｏｕｔとしてのゼロ点を調整すべくオフセット電圧調整回路１９により増幅器３に人為的に与えるオフセット成分Ｖｏｆｆｓｅｔとが含まれている。ただし、図４及び図５では、同一のホール素子１を使用しているため、個体差によるオフセットＨｏｆｆｓｅｔの成分は図４と図５で等しいと考えられ、また、同一の増幅器３を使用していることから、ＶＤＣ及びＶｏｆｆｓｅｔの成分も図４と図５で等しいと考えられる。
【００３０】
そこで、演算回路４では、これらのオフセット（ＶＤＣ＋Ｈｏｆｆｓｅｔ＋Ｖｏｆｆｓｅｔ）を相殺するよう演算処理を行う。
【００３１】
まず、演算回路４の遅延回路１３は、時間（１／ｆｓ）だけ増幅器３からの出力電圧を遅延させて、この遅延した出力電圧を減算器１４に出力する。
【００３２】
減算器１４は、増幅器３から与えられた遅延前の出力電圧から、遅延回路１３で遅延された出力電圧を減算し、外部に出力する。
【００３３】
ここで、図４（ホール素子１に電流Ｉ１が流れている場合）において、ホール素子１に与えられる磁界１１の強さをＢ１とし、このときにホール素子１から出力される出力電圧をＨｏｕｔ１、演算回路４に与えられる出力電圧をＶ１とする。増幅器３に入力された際に発生するオフセット電圧をＶＤＣ、ホール素子１の個体差に起因するオフセットをＨｏｆｆｓｅｔ、増幅器３のゲインをＧとすると、演算回路４に与えられる出力電圧Ｖ１は次の（１）式の通りである。
【００３４】
【数１】
2005003541.tif 000003
【００３５】
また同様にして、図５（ホール素子１に電流−Ｉ１が流れている場合）において、ホール素子１に与えられる磁界１１の強さがＢ１のときにホール素子１から出力される出力電圧をＨｏｕｔ２、演算回路４に与えられる出力電圧をＶ２とすると、演算回路４に与えられる出力電圧Ｖ２は次の（２）式の通りである。
【００３６】
【数２】
2005003541.tif 000004
【００３７】
上述のように、電源２は、一定時間（１／ｆｓ）毎に電流Ｉ１／−Ｉ１を切り替え、また演算回路４の遅延回路１３は増幅器３からの出力電圧Ｖ１／Ｖ２を一定時間（１／ｆｓ）だけ遅延させるため、増幅器３から減算器１４に直接出力電圧Ｖ１が与えられている時点で、遅延回路１３で遅延させて減算器１４に与える出力電圧はＶ２である。したがって、このときには、減算器１４は、増幅器３から直接与えられた出力電圧Ｖ１より、遅延器１３からの出力電圧Ｖ２を減算する。このときの減算器１４からの出力電圧をＶとすると、この出力電圧Ｖは次の（３）式の通りとなる。
【００３８】
【数３】
2005003541.tif 000005
【００３９】
ここで、ホール素子１からの両出力電圧Ｈｏｕｔ１，Ｈｏｕｔ２の関係は、互いに逆の電流Ｉ１／−Ｉ１が流れた結果の出力電圧の関係であることから、ＶＤＣ、Ｈｏｆｆｓｅｔ，Ｖｏｆｆｓｅｔが無い理想的な状態では、次の（４）式が成立する。
【００４０】
【数４】
2005003541.tif 000006
【００４１】
したがって、（３）式に（４）式を代入すれば、減算器１４からの出力電圧Ｖは次の（５）式のようになる。
【００４２】
【数５】
2005003541.tif 000007
【００４３】
ここで、この出力電圧Ｖと磁界１１の強さとの関係を図６に示す。二点差線の曲線はＶ１，Ｖ２を、実線の曲線はＶをそれぞれ示している。この図６のように、出力電圧Ｖはオフセット（ＶＤＣ＋Ｈｏｆｆｓｅｔ＋Ｖｏｆｆｓｅｔ）が相殺された曲線となっているため、この出力電圧Ｖに基づいて磁界の強さを判断することで、オフセット（ＶＤＣ＋Ｈｏｆｆｓｅｔ＋Ｖｏｆｆｓｅｔ）の影響を受けない精度よい計測結果を得ることが可能となる。
【００４４】
また、（５）式より減算器１４からの出力電圧Ｖはホール素子１の出力電圧に比較して２倍になっているので、増幅器の増幅率を１／２に抑えても充分な大きさの出力電圧Ｖを得ることができる。このように増幅率を抑制することにより、誤差の原因となる抵抗値の大きなものを使用しなくて良いことから、さらに精度よい計測結果を得ることができる。
【００４５】
そして、この実施の形態では、従来より使用されていたホール素子１及び増幅器３に加えて、正逆切り替えする電源２と演算回路４を追加するだけで精度よい計測結果を得ることができるため、極めて簡便なセンサ回路を提供できる。
【００４６】
尚、上記実施の形態では、増幅器３からの遅延前の出力電圧から遅延回路１３で遅延された出力電圧を減算するようにしていたが、逆に、遅延回路１３で遅延された出力電圧から増幅器３からの遅延前の出力電圧を減算するようにしても差し支えない。
【００４７】
また、上記実施の形態では、センサ回路として、電流によって発生した磁界を検出することで被計測電流を求める電流センサ回路に適用したが、物理的要因で発生した磁界を検出する磁気センサ回路に適用しても差し支えない。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１、請求項３、請求項５及び請求項７に記載の発明によれば、ホール素子の両端に接続された電源において、一定時間毎に電流の向きを逆転させながら当該電流をホール素子に与え、かかる状態で、ホール素子において、磁界によってホール電圧を発生させ、ホール素子で発生したホール電圧を増幅器で増幅した後、増幅器からの出力電圧と、当該出力電圧を一定時間だけ遅延した電圧との差分を演算することで、出力電圧に含まれるオフセット、即ち、増幅器への電圧入力により発生するオフセットや、ホール素子自身の個体差によるオフセットの成分を相殺して出力するようにしているので、このオフセットの影響を受けない精度よい計測結果を得ることが可能となる。
【００４９】
また、増幅器からの出力電圧に比較して、減算器で減算した後の出力電圧が２倍になるので、増幅器の増幅率を１／２に抑えても充分な大きさの出力電圧を得ることができ、さらに精度よい計測結果を得ることができる。
【００５０】
そして、従来より使用されていたホール素子及び増幅器に加えて、正逆切り替えする電源と演算回路を追加するだけで、電流または磁界の強さについて精度よい計測結果を得ることができるため、極めて簡便な構成により精度向上を実現できる。特に、請求項２、請求項４及び請求項６に記載の発明によれば、演算回路として遅延回路と減算器との簡単な構成で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施の形態に係るセンサ回路を示すブロック図である。
【図２】ホール素子を示す斜視図である。
【図３】電源の電流方向の切り替え動作を示す波形図である。
【図４】あるタイミングで増幅器から出力される出力電圧の磁界強さとの関係を示す図である。
【図５】他のタイミングで増幅器から出力される出力電圧の磁界強さとの関係を示す図である。
【図６】遅延前の出力電圧と遅延後の出力電圧との差分を演算した後の出力電圧を示す図である。
【図７】ホール電圧を増幅器で増幅した後の出力電圧を示す図である。
【符号の説明】
１  ホール素子１
２  電源２
３  増幅器３
４  演算回路４
１１  磁界１１
１３  遅延回路１３
１４  減算器１４
【図１】
2005003541.tif 000008
【図２】
2005003541.tif 000009
【図３】
2005003541.tif 000010
【図４】
2005003541.tif 000011
【図５】
2005003541.tif 000012
【図６】
2005003541.tif 000013
【図７】
2005003541.tif 000014