JP4590391B2 - 電流センサおよび電流センサのオフセット除去方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。）。
特開２００５−３００３０３号公報

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。

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。

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のホール素子を定電流源で駆動し、少なくとも所定周波数より高い高域成分と、少なくとも前記所定周波数より低い低域成分とを含む第１のセンサ信号を抽出するセンサ信号抽出手段と、該第１のセンサ信号から、前記所定周波数より低い周波数帯域を通過させる周波数特性を有する第１の低域通過フィルタによりオフセットを含んだ第１の低域成分信号を抽出する第１の低域成分抽出手段と、前記第１のセンサ信号から前記第１の低域成分信号を減じて、第１の信号を抽出する第１の信号抽出手段と、第２のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、前記第２のホール素子から出力される、前記高域成分と前記低域成分とを含む第２のセンサ信号から、前記高域成分及びオフセットが除去された第２の信号を抽出する第２の信号抽出手段と、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成し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。

この発明によれば、第１のセンサ信号から低域通過フィルタによりオフセットを含んだ第１の低域成分信号を抽出し、第１のセンサ信号から第１の低域成分信号を減算することにより第１の信号を得る。そして、この第１の信号とオフセットが除去された第２の信号とを合成することにより出力信号を生成する。したがって、電源の極性を切り換えて駆動するホール素子から低域成分の信号を検出し、定電流源で駆動されるホール素子から高域成分の信号を検出して、この抽出した低域成分の信号と高域成分の信号とを合成することによりオフセット出力の除去と応答特性の改善を図ることができる。

（２）本発明は、（１）の電流センサについて、前記第２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２のセンサ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（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）９、１０に相当）を備え、前記第２のセンサ信号から除去される高域成分は、前記サンプルホールド回路の周波数応答に起因して欠落する周波数成分を含む、ことを特徴とする電流センサを提案している。

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２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２のホール素子のセンサ信号を得ることができる。また、サンプルホールド回路は、サンプルホールド中には、信号を受け付けないことから、周波数応答が悪く、出力される信号の高周波特性が悪化するために、原信号に対して、高周波成分が欠落した信号となるが、高周波成分を含んだ第１の信号と合成することにより、こうした問題を解消することができる。

本発明は、（２）の電流センサについて、前記第２の信号抽出手段が、前記サンプルホールド回路の後段に、前記第１の低域通過フィルタの前記周波数帯域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ＬＰＦ１１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。

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２の低域成分抽出手段を設けたことから、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。

（４）本発明は、（３）の電流センサについて、前記第１の低域成分抽出手段が、前記センサ信号抽出手段と前記第１の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（ＳＨ１＋、ＳＨ−）１２、１３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。

この発明によれば、センサ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。

（５）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のホール素子を定電流源で駆動し、少なくとも所定周波数より高い高域成分と、少なくとも前記所定周波数より低い低域成分とを含む第１のセンサ信号を抽出するとともに、該第１のセンサ信号から、前記所定周波数以下の周波数帯域を通過させる周波数特性を有する低域通過フィルタによりオフセットを含んだ第１の低域成分信号を抽出する第１のステップ（例えば、図５のステップＳ１０１に相当）と、前記第１のセンサ信号から前記第１の低域成分信号を減じて、第１の信号を抽出する第２のステップ（例えば、図５のステップＳ１０２に相当）と、第２のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、前記第２のホール素子から出力される、前記高域成分と前記低域成分とを含む第２のセンサ信号から、前記高域成分及びオフセットが除去された第２の信号を抽出する第３のステップ（例えば、図５のステップＳ１０３、１０４に相当）と、前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力信号を生成する第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。

この発明によれば、第１のホール素子を定電流源で駆動し、第１のセンサ信号を抽出するとともに、該第１のセンサ信号から低域通過フィルタによりオフセットを含んだ第１の低域成分信号を抽出し、第１のセンサ信号から第１の低域成分信号を減じて、第１の信号を抽出する。そして、第２のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、第２のホール素子から出力される第２のセンサ信号からオフセットが除去された第２の信号を抽出し、第１の信号と第２の信号とを合成して出力信号を生成する。したがって、（１）と同様の作用が期待できる。

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。また、オフセットを適切に除去しつつ、原信号と同等の周波数特性を有する出力信号を得ることができるという効果がある。

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。

＜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。
ホール素子２は、例えば、十字形をなし、相対向する電流端子２ａ、２ｂと相対向するホール端子２ｃ、２ｄの４つの端子が設けられており、電流端子２ａは定電流源１に、電流端子２ｂはグランドに、ホール端子２ｃは差動増幅器３ａの正端子に、ホール端子２ｄは差動増幅器３ａの負端子に接続されている。

差動増幅器３ａの出力端子は、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）４および減算器５ａに接続され、ＬＰＦ４の出力も減算器５ａに接続されている。また、減算器５ａの出力は、加算器６に接続されている。

一方、スイッチ回路網７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２０に、他端がホール素子８の電流端子８ａ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８の電流端子８ａに接続され、スイッチＳｃは、一端が定電流源２０に、他端がホール素子８の電流端子８ｂ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８の電流端子８ｂに接続されている。

ホール素子８のホール端子８ｃは、差動増幅器３ｂの正端子に、ホール端子８ｄは、差動増幅器３ｂの負端子に接続されている。また、差動増幅器３ｂの出力端子は、サンプルホールド回路９、１０に接続されている。

サンプルホールド回路９の出力端子およびサンプルホールド回路１０の出力端子は、ともに減算器５ｂに接続され、減算器５ｂの出力は、加算器６に接続されている。そして、加算器６の出力端子が電流センサの信号出力端子となっている。

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７は、図示しない制御部により、定電流源２０から供給される電流の極性を切り替えてホール素子８に供給する。ホール素子２、８は、磁気を電気信号に変換する素子であり、差動増幅器３ａ、３ｂ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９、１０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３ａ、３ｂ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。

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２、８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。電流端子２ａに定電流源１、電流端子２ｂにグランドが接続されたホール素子２は、ホール端子２ｃ、２ｄからの出力信号（ＨＥ１＋、ＨＥ１−）を差動増幅器３ａに入力し、差動増幅器３ａは、図４（２）に示されるような信号を出力する。

差動増幅器３ａからの信号出力（ＨＥ１Ｓｉｇ）は、減算器５ａに入力される一方で、ＬＰＦ４に入力され、ＬＰＦ４から低域成分信号（ＨＥ１ｏｆ）が抽出され、減算器５ａに入力される（図５のステップＳ１０１）。そして、減算器５ａにおいて、差動増幅器３ａからの信号出力（ＨＥ１Ｓｉｇ）から抽出した低域成分信号（ＨＥ１ｏｆ）を減じることにより、図４（５）に示すような第１の信号が得られる（図５のステップＳ１０２）。

一方、スイッチ回路網７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２０からの電流を、極性を切り替えてホール素子８の電流端子８ａ、８ｂに供給する。ホール素子８は、供給される電流の極性に応じた出力信号（ＨＥ２＋、ＨＥ２−）をホール端子８ｃ、８ｄから差動増幅器３ｂに出力する。

差動増幅器３ｂは、ホール素子８からの出力信号（ＨＥ２＋、ＨＥ２−）に応じて、図４（３）に示すような信号（ＨＥ２ＤＳｉｇ）を出力する。ここで、図４（３）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。

次に、差動増幅器３ｂから出力された信号（ＨＥ２ＤＳｉｇ）は、ホール素子８に供給される極性に応じて、サンプルホールド回路（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）９または１０に入力される。すなわち、図４（３）に示す実線部分の信号は、サンプルホールド回路９（ＳＨ２＋）に、図４（３）に示す一点鎖線の部分の信号は、サンプルホールド回路１０（ＳＨ２−）に入力される（図５のステップＳ１０３）。

サンプルホールド回路９および１０（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）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９および１０（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）から出力された信号（ＨＥ２Ｓｉｇ＋、ＨＥ２Ｓｉｇ−）は、減算器５ｂに入力され、図４（４）に示すような第２の信号が得される（図５のステップＳ１０４）。つまり、正の極性に対応したサンプルホールド回路９（ＳＨ２＋）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１０（ＳＨ２−）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８のセンサ信号を得ることができる。

そして、加算器６において、減算器５ａから出力された第１の信号と減算器５ｂから出力された第２の信号とが合成され、図４（６）に示すような出力信号（ｏｕｔｐｕｔ）が得られる（図５のステップＳ１０５）。

したがって、本実施形態によれば、電源の極性を切り換えて駆動するホール素子から低域成分の信号を検出し、定電流源で駆動されるホール素子から高域成分の信号を検出して、この抽出した低域成分の信号と高域成分の信号とを合成することによりオフセット出力の除去と応答特性の改善を図ることができる。また、ＬＰＦ４により、低域成分信号を抽出することから、簡易な構成で、高周波成分を含んだ信号を得ることができる。

＜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３ａ、３ｂ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。

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、減算器５ｂと加算器６との間にＬＰＦ１１を設けた構成となっている。

ここで、ＬＰＦ１１は、例えば、サンプルホールド回路９、１０（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）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、ＬＰＦ１１を追加することにより、ＬＰＦ４との間のセトリングタイムの影響を除去することができる。ここで、ＬＰＦ１１の周波数特性は、ＬＰＦ４の周波数特性と同様の特性であることが望ましい。さらに、ＬＰＦ１１を追加することにより、減算器５ｂの出力は、図４（４）に示す信号から図４（７）に示す信号となる。

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、電源の極性を切り換えて駆動するホール素子から低域成分の信号を検出し、定電流源で駆動されるホール素子から高域成分の信号を検出して、この抽出した低域成分の信号と高域成分の信号とを合成することによりオフセット出力の除去と応答特性の改善を図ることができる。また、ＬＰＦ４により、低域成分信号を抽出することから、簡易な構成で、高周波成分を含んだ信号を得ることができる。さらに、ＬＰＦ１１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、ＬＰＦ１１を備えることにより、ＬＰＦ４との間のセトリングタイムの影響を除去することができる。

＜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３ａ、３ｂ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。

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３ａの出力端子とＬＰＦ４との間に、サンプルホールド回路１２、１３（ＳＨ１＋、ＳＨ１−）と加算器１４とを設けた構成となっている。

ここで、サンプルホールド回路１２、１３（ＳＨ１＋、ＳＨ１−）は、サンプルホールド回路９、１０（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）と同等のものであり、その入力端子が差動増幅器３ａ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１２（ＳＨ１＋）の出力端子およびサンプルホールド回路１３（ＳＨ１−）の出力端子は、加算器１４に接続されている。これにより、加算器１４からは、低域成分信号が抽出され、ＬＰＦ４によって、サンプルホールド回路１２、１３（ＳＨ１＋、ＳＨ１−）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。

上記の構成、すなわち、サンプルホールド回路９、１０（ＳＨ２＋、ＳＨ２−）と、減算器５ｂと、ＬＰＦ１１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１２、１３（ＳＨ１＋、ＳＨ１−）と、加算器１４と、ＬＰＦ４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、出力される信号の位相遅れを解消することができる。

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、電源の極性を切り換えて駆動するホール素子から低域成分の信号を検出し、定電流源で駆動されるホール素子から高域成分の信号を検出して、この抽出した低域成分の信号と高域成分の信号とを合成することによりオフセット出力の除去と応答特性の改善を図ることができる。また、ＬＰＦ４により、低域成分信号を抽出することから、簡易な構成で、高周波成分を含んだ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。

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。

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。 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。 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。 回路各部の波形を示す図である。 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

１、２０・・・定電流源、２、８・・・ホール素子、３ａ、３ｂ・・・差動増幅器、４、１１・・・ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、５ａ、５ｂ・・・減算器、６、１４・・・加算器、７・・・スイッチ回路網、９、１０、１２、１３・・・サンプルホールド回路、

Claims (5)

1. ホール素子を用いた電流センサであって、
   第１のホール素子を定電流源で駆動し、少なくとも所定周波数より高い高域成分と、少なくとも前記所定周波数より低い低域成分とを含む第１のセンサ信号を抽出するセンサ信号抽出手段と、
   該第１のセンサ信号から、前記所定周波数より低い周波数帯域を通過させる周波数特性を有する第１の低域通過フィルタによりオフセットを含んだ第１の低域成分信号を抽出する第１の低域成分抽出手段と、
   前記第１のセンサ信号から前記第１の低域成分信号を減じて、第１の信号を抽出する第１の信号抽出手段と、
   第２のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、前記第２のホール素子から出力される、前記高域成分と前記低域成分とを含む第２のセンサ信号から、前記高域成分及びオフセットが除去された第２の信号を抽出する第２の信号抽出手段と、
   前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力信号を生成する出力信号生成手段と、
   を備えることを特徴とする電流センサ。
2. 前記第２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２のセンサ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、
   前記第２のセンサ信号から除去される高域成分は、前記サンプルホールド回路の周波数応答に起因して欠落する周波数成分を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第２の信号抽出手段が、前記サンプルホールド回路の後段に、前記第１の低域通過フィルタの前記周波数帯域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２に記載の電流センサ。
4. 前記第１の低域成分抽出手段が、前記センサ信号抽出手段と前記第１の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３に記載の電流センサ。
5. 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のホール素子を定電流源で駆動し、少なくとも所定周波数より高い高域成分と、少なくとも前記所定周波数より低い低域成分とを含む第１のセンサ信号を抽出するとともに、該第１のセンサ信号から、前記所定周波数以下の周波数帯域を通過させる周波数特性を有する低域通過フィルタによりオフセットを含んだ第１の低域成分信号を抽出する第１のステップと、
   前記第１のセンサ信号から前記第１の低域成分信号を減じて、第１の信号を抽出する第２のステップと、
   第２のホール素子に極性を切り替えて電源を供給し、前記第２のホール素子から出力される、前記高域成分と前記低域成分とを含む第２のセンサ信号から、前記高域成分及びオフセットが除去された第２の信号を抽出する第３のステップと、
   前記第１の信号と前記第２の信号とを合成して出力信号を生成する第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。

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