JP4949008B2 - 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、ホール素子に極性を切り換えて電源を供給し、前記ホール素子から出力され、所定の低周波成分、所定の第１の高周波成分及びオフセットを含むセンサ信号に基づいて、前記センサ信号の２倍の信号と比較して、１倍分の前記所定の第１の高周波成分及び２倍分の前記オフセットを含まない信号成分と等価な信号成分を抽出する信号抽出手段と、前記センサ信号から、前記オフセットの２倍の信号に相当するオフセット低周波成分、及び所定の第２の高周波成分を含むオフセット成分を抽出するオフセット抽出手段と、該オフセット成分から、前記オフセット低周波成分を除去して、前記所定の第２の高周波成分を抽出する高周波成分抽出手段と、前記電源の切換周期に応じて、前記所定の第２の高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させることで、前記所定の第１の高周波成分と等価な信号を出力する振幅極性反転手段と、前記信号成分と前記振幅極性反転手段から出力される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、前記信号抽出手段は、切り換えられる前記電源の極性に対応して、前記センサ信号をサンプルホールドし、正の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、負の極性時にホールドした信号を、正の極性に対応した第１のサンプルホールド信号として生成し、負の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、正の極性時にホールドした信号を、負の極性に対応した第２のサンプルホールド信号として生成し、前記第１のサンプルホールド信号から前記第２のサンプルホールド信号を減算して、前記信号成分を抽出し、前記オフセット抽出手段は、切り換えられる前記電源の極性に対応して、前記センサ信号をサンプルホールドし、正の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、負の極性時にホールドした信号を、正の極性に対応した第３のサンプルホールド信号として生成し、負の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、正の極性時にホールドした信号を、負の極性に対応した第４のサンプルホールド信号として生成し、前記第３のサンプルホールド信号と前記第４のサンプルホールド信号とを加算して、オフセット成分を抽出する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、ホール素子に極性を切り換えて電源を供給し、ホール素子から出力されるセンサ信号に基づいてオフセットを含まない信号成分を抽出するとともに、センサ信号からオフセットを抽出する。そして、オフセットの高周波成分を抽出し、電源の切換周期に応じて、高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させ、抽出した信号成分と振幅極性を反転させた信号とを合成して出力信号を生成する。したがって、ホール素子に極性を切り換えて電源を供給して得られるオフセットを含まない信号成分とオフセット成分とを別々に取り扱うことで、オフセットの安定性と応答速度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、前記高周波成分抽出手段が、低域通過フィルタ（例えば、図１のＬＰＦ１１に相当）を備え、前記オフセット抽出手段から抽出されたオフセット成分から前記低域通過フィルタを通過した前記オフセット低周波成分を減ずることにより、前記オフセット高周波成分を抽出する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、オフセット抽出手段から抽出されたオフセットから低域通過フィルタを通過したオフセットの低周波成分を減ずることにより、オフセットの高周波成分を抽出する。したがって、低域通過フィルタにより、オフセットを低周波成分と高周波成分とに分離し、高周波成分を抽出した信号成分に合成することにより、信号波形の歪を改善するとともに、応答特性の改善を図ることができる。

（３）本発明は、（１）又は（２）の電流センサについて、前記振幅極性反転手段が、２つのスイッチを有するスイッチ回路網（例えば、図１のスイッチ回路網１４に相当）を備え、一方のスイッチに前記高周波成分抽出手段により抽出されたオフセット高周波成分の信号を入力し、他方のスイッチに該オフセット高周波成分の信号の振幅を反転させた信号を入力するとともに、該スイッチ回路網の２つのスイッチを前記電源の極性切換周期に応じて、交互に閉状態とすることにより、前記所定の高周波成分と等価な信号を出力する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、スイッチ回路網の２つのスイッチを電源の切換周期に応じて、交互に閉状態とすることにより、高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させた信号を出力する。したがって、スイッチを用いた簡易な構成で高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させた信号を出力することができる。

（４）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、（１）又は（２）の電流センサに対応するオフセット除去方法を提案している。

この発明によれば、ホール素子に極性を切り換えて電源を供給して、ホール素子から出力されるセンサ信号を抽出し、抽出したセンサ信号からオフセットを含まない信号成分を抽出する。そして、抽出したセンサ信号からオフセットを抽出するとともに、このオフセットの高周波成分を抽出し、これを電源の切換周期に応じて、高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させ、信号成分と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、サンプルホールド回路を利用した場合の応答遅れの影響を緩和しつつ、動的なオフセット除去を簡易な構成で実現できるという効果がある。また、従来の方式のように、順方向のセンサ出力と逆方向のセンサ出力とが揃わなくても、順方向のセンサ出力とオフセットあるいは逆方向のセンサ出力とオフセットにより出力信号を得ることができるため、従来の半分の周期で出力信号を得ることができ、これにより、応答特性を改善す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。
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。

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４の正端子に、ホール端子３ｄは、差動増幅器４の負端子に接続されている。また、差動増幅器４の出力端子は、サンプルホールド回路（ＳＨ１（＋）、ＳＨ１（−））５、６に接続されている。

サンプルホールド回路５（ＳＨ１（＋））の出力端子およびサンプルホールド回路６（ＳＨ１（−））の出力端子は、減算器７に接続され、減算器７の出力は、加算器８ａに接続されている。また、加算器８ａの出力は、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１５に接続され、ＬＰＦ１５の出力端子は、電流センサの信号出力端子となっている。

一方、差動増幅器４の出力端子は、サンプルホールド回路（ＳＨ２（＋）、ＳＨ２（−））９、１０にも接続され、サンプルホールド回路（ＳＨ２（＋）、ＳＨ２（−））９、１０の出力は、加算器８ｂに接続されている。また、加算器８ｂの出力端子は、ＬＰＦ１１および減算器１２のプラス端子に接続され、ＬＰＦ１１の出力端子も減算器１２のマイナス端子に接続されている。

減算器１２の出力端子は、スイッチ回路網１４内のスイッチＳｅおよび反転器１３を介して、スイッチ回路網１４内のスイッチＳｆに接続され、スイッチＳｅおよびスイッチＳｆの出力端子は、加算器８ａに接続されている。

ここで、定電流源１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は、磁気を電気信号に変換する素子であり、差動増幅器４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、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り、スイッチ回路網１４は、入力される２つ信号を電源の極性切り換え周期に応じて、通過および遮断することにより、入力される２つ信号を合成して出力信号を生成する。また、ＬＰＦ１１は、サンプルホールド回路９、１０から抽出したオフセットを平滑化して安定化させるとともに、オフセットを低域成分と高域成分とに分離する機能を有し、ＬＰＦ１５は、加算器８ａで合成された信号から、電源の極性切り換えに伴う高周波ノイズを除去して滑らかな出力信号を生成する。なお、差動増幅器４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２および図３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にリファレンス信号として、図２（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に電流を供給する。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（ＨＥ（＋）、ＨＥ（−））をホール端子３ｃ、３ｄから差動増幅器４に出力する。

差動増幅器４は、ホール素子３からの出力信号（ＨＥ（＋）、ＨＥ（−））に応じて、図２（２）に示すような信号（ＨＥＳｉｇ）を出力する（図３のステップＳ１０１）。ここで、図２（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。

次に、差動増幅器４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（ＳＨ１（＋）、ＳＨ１（−））５または６に入力される。すなわち、図２（２）に示す実線部分の信号は、サンプルホールド回路（ＳＨ１（＋））５に、図２（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（ＳＨ１（−））に入力される。

サンプルホールド回路（ＳＨ１（＋）、ＳＨ１（−））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（ＳＨ１（＋）、ＳＨ１（−））から図２（３）および（４）に示すような信号（ＨＥＳｉｇ（＋）、ＨＥＳｉｇ（−））が出力され、これらの信号（ＨＥＳｉｇ（＋）、ＨＥＳｉｇ（−））は、減算器７に入力され、図２（５）に示すような２倍の値を有する信号成分（２ＨＥＳｉｇ）が抽出される（図３のステップＳ１０２）。

一方、差動増幅器４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（ＳＨ２（＋）、ＳＨ２（−））９または１０に入力される。すなわち、図２（２）に示す実線部分の信号は、サンプルホールド回路（ＳＨ２（＋））９に、図２（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１０（ＳＨ２（−））に入力される。

サンプルホールド回路（ＳＨ２（＋）、ＳＨ２（−））９および１０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（ＨＥＳｉｇ＋、ｎＨＥＳｉｇ）は、加算器８ｂに入力され、図２（６）に示すような２倍の値を有するオフセット成分（２ＨＥｏｆ）が抽出される（図３のステップＳ１０３）。

抽出されたオフセット成分（２ＨＥｏｆ）は、ＬＰＦ１１および減算器１２のプラス端子に入力される。また、ＬＰＦ１１の出力も減算器１２のマイナス端子に入力される。これにより、オフセット成分が低域成分と高域成分に分離され、減算器１２の出力端子から図２（７）に示すようなオフセットの高域成分（２ＨＥｏｆＡＣ）のみが抽出される（図３のステップＳ１０４）。

そして、このオフセットの高域成分はスイッチ回路網１４内のスイッチＳｅに入力されるとともに、一方で、反転器１３により極性反転されてスイッチ回路網１４内のスイッチＳｆに入力される。ここで、スイッチＳｅは、定電流源１を正の極性あるいは負の極性に切り換えるスイッチ回路網２の切り換え周期のうち、例えば、正の極性に切り換えられているタイミングで閉状態となり、スイッチＳｆは、例えば、負の極性に切り換えられているタイミングで閉状態となる。そして、図２（８）に示すような信号（ＳｉｇＴＲＩＭ）が出力される。この信号（ＳｉｇＴＲＩＭ）は、加算器８ａで、減算器７の出力信号（２ＨＥＳｉｇ）と合成され、図２（９）に示すような信号を出力する（図３のステップＳ１０５）。そして、この信号は、ＬＰＦ１５を介して、センサ出力信号として出力される。

したがって、本実施形態によれば、ホール素子に極性を切り換えて電源を供給して得られるオフセットを含まない信号成分とオフセット成分とを別々に取り扱うことで、オフセットの安定性と応答速度の改善を図ることができる。

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（チョッパス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（チョッパス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。 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・・・定電流源、２、１４・・・スイッチ回路網、３・・・ホール素子、４・・・差動増幅器、５、６、９、１０・・・サンプルホールド回路、７、１２・・・減算器、８ａ、８ｂ・・・加算器、１１、１５・・・ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、１３・・・反転器

Claims (4)

1. ホール素子を用いた電流センサであって、
   ホール素子に極性を切り換えて電源を供給し、前記ホール素子から出力され、所定の低周波成分、所定の第１の高周波成分及びオフセットを含むセンサ信号に基づいて、前記センサ信号の２倍の信号と比較して、１倍分の前記所定の第１の高周波成分及び２倍分の前記オフセットを含まない信号成分と等価な信号成分を抽出する信号抽出手段と、
   前記センサ信号から、前記オフセットの２倍の信号に相当するオフセット低周波成分、及び所定の第２の高周波成分を含むオフセット成分を抽出するオフセット抽出手段と、
   該オフセット成分から、前記オフセット低周波成分を除去して、前記所定の第２の高周波成分を抽出する高周波成分抽出手段と、
   前記電源の切換周期に応じて、前記所定の第２の高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させることで、前記所定の第１の高周波成分と等価な信号を出力する振幅極性反転手段と、
   前記信号成分と前記振幅極性反転手段から出力される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、
   前記信号抽出手段は、
   切り換えられる前記電源の極性に対応して、前記センサ信号をサンプルホールドし、
   正の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、負の極性時にホールドした信号を、正の極性に対応した第１のサンプルホールド信号として生成し、
   負の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、正の極性時にホールドした信号を、負の極性に対応した第２のサンプルホールド信号として生成し、
   前記第１のサンプルホールド信号から前記第２のサンプルホールド信号を減算して、前記信号成分を抽出し、
   前記オフセット抽出手段は、
   切り換えられる前記電源の極性に対応して、前記センサ信号をサンプルホールドし、
   正の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、負の極性時にホールドした信号を、正の極性に対応した第３のサンプルホールド信号として生成し、
   負の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、正の極性時にホールドした信号を、負の極性に対応した第４のサンプルホールド信号として生成し、
   前記第３のサンプルホールド信号と前記第４のサンプルホールド信号とを加算して、オフセット成分を抽出する
   ことを特徴とする電流センサ。
2. 前記高周波成分抽出手段が、低域通過フィルタを備え、
   前記オフセット抽出手段から抽出されたオフセット成分から前記低域通過フィルタを通過した前記オフセット低周波成分を減ずることにより、前記所定の第２の高周波成分を抽出することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記振幅極性反転手段が、２つのスイッチを有するスイッチ回路網を備え、
   一方のスイッチに前記高周波成分抽出手段により抽出された前記所定の第２の高周波成分の信号を入力し、他方のスイッチに該所定の第２の高周波成分の信号の振幅を反転させた信号を入力するとともに、該スイッチ回路網の２つのスイッチを前記電源の極性切換周期に応じて、交互に閉状態とすることにより、前記所定の第１の高周波成分と等価な信号を出力することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
4. 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、
   ホール素子に極性を切り換えて電源を供給し、前記ホール素子から出力され、所定の低周波成分、所定の第１の高周波成分及びオフセットを含むセンサ信号を抽出する第１のステップと、
   該抽出したセンサ信号に基づいて、前記センサ信号の２倍の信号と比較して、１倍分の前記所定の第１の高周波成分及び２倍分の前記オフセットを含まない信号成分と等価な信号成分を抽出する第２のステップと、
   該抽出したセンサ信号から、前記オフセットの２倍の信号に相当するオフセット低周波成分、及び所定の第２の高周波成分を含むオフセット成分を抽出する第３のステップと、
   該オフセット成分から、前記オフセット低周波成分を除去して、前記所定の第２の高周波成分を抽出する第４のステップと、
   前記電源の切換周期に応じて、前記所定の第２の高周波成分の振幅極性を一つ置きに反転させることで、前記所定の第１の高周波成分と等価な信号を生成し、当該等価な信号を、前記信号成分と合成して出力信号を生成する第５のステップと、
   を含み、
   前記第２のステップは、
   切り換えられる前記電源の極性に対応して、前記センサ信号をサンプルホールドし、
   正の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、負の極性時にホールドした信号を、正の極性に対応した第１のサンプルホールド信号として生成し、
   負の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、正の極性時にホールドした信号を、負の極性に対応した第２のサンプルホールド信号として生成し、
   前記第１のサンプルホールド信号から前記第２のサンプルホールド信号を減算して、前記信号成分を抽出する、
   ステップを含み、
   前記第３のステップは、
   切り換えられる前記電源の極性に対応して、前記センサ信号をサンプルホールドし、
   正の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、負の極性時にホールドした信号を、正の極性に対応した第３のサンプルホールド信号として生成し、
   負の極性時にサンプルしている最中の信号、及び、正の極性時にホールドした信号を、負の極性に対応した第４のサンプルホールド信号として生成し、
   前記第３のサンプルホールド信号と前記第４のサンプルホールド信号とを加算して、オフセット成分を抽出する、
   ステップを含む
   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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