JP5000584B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、第１ホール素子および第２ホール素子を用いた電流センサに関する。

従来より、ホール素子を利用した電流センサを用いて、各種電気機器のライン電流の電流値を検出することが行われている。
この電流センサでは、具体的には、ギャップを有するコアを用意し、測定対象となるライン電流がコアの中心軸上を通過するように配置する。そして、ギャップの間にホール素子を配置し、このホール素子に制御電流を流す。
この電流センサによれば、ライン電流に比例して発生する磁力は、コアで収束されて、ホール素子を通過する。すると、このホール素子は、磁力を電圧に変換して、検出信号として出力する。

ところで、以上の電流センサを構成するホール素子には、部品較差、固体差等に伴う固有のオフセット電圧が存在する。そこで、ホール素子のオフセット電圧を予め測定しておき、この測定結果に基づいてオフセット電圧を除去する手法がある。この手法によれば、応答性を維持しつつオフセット電圧を除去できるが、このオフセット電圧は、周囲温度の変化や時間の経過に伴って変化するという特性があるため、一度設定したオフセット電圧のレベルが変化する場合があった。

この問題を解決するため、ホール素子に流す制御電流の極性を切り換えるチョッピング制御を行って、出力された電流検出信号の差分値を求めることにより、ホール素子のオフセット電圧を除去する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この手法によれば、周囲温度の変化や時間の経過などによりオフセット電圧のレベルが変化しても、このオフセット電圧を動的に除去できる。
特開２００５−３００３０３号公報

しかしながら、特許文献１に示された手法では、電流の極性を切り換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、チョッピング周波数を上げることに限界があった。よって、応答性が低くなる、という問題があった。

本発明は、オフセットを動的に除去できかつ応答性が高い電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサ（例えば、後述の電流センサ１）は、第１ホール素子（例えば、後述の第１ホール素子１１）および第２ホール素子（例えば、後述の第２ホール素子２１）を用いた電流センサであって、前記第１ホール素子から出力される第１センサ信号の波形に、第２ホール素子から出力される第２センサ信号の波形が一致するように、当該第２センサ信号の波形を修正するための修正値を求める修正値演算手段（例えば、後述の補正値演算回路３３）と、前記第２ホール素子の電源の極性を切り換えて、極性が反転した反転第２センサ信号を前記第２ホール素子から出力させる電源切換手段（例えば、後述のシーケンス制御回路３８）と、前記修正値に基づいて、前記反転第２センサ信号の波形を修正する波形修正手段（例えば、後述の波形修正回路３４）と、前記修正した反転第２センサ信号および前記第１センサ信号に基づいて、オフセット量を検出するオフセット検出手段（例えば、後述のオフセット検出回路３５）と、前記第１センサ信号から前記検出したオフセット量を除去するオフセット除去手段（例えば、後述の減算器３７）と、を備えることを特微とする。

この場合、前記第１センサ信号および前記第２センサ信号のそれぞれの最大値および最小値を検出するピーク検出手段（例えば、後述の第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２）を備え、前記修正値演算手段は、前記ピーク検出手段で検出した最大値および最小値に基づいて、ゲインのずれ量およびピークのずれ量を前記修正値として求めることが好ましい。

この場合、前記オフセット検出手段は、前記修正した反転第２センサ信号と前記第１センサ信号との交差点または平均値を、オフセット量として検出することが好ましい。

この場合、前記オフセット検出手段と前記オフセット除去手段との間に設けられ、前記オフセット検出手段で検出したオフセット量をラッチするサンプルアンドホールド回路（例えば、後述のサンプルアンドホールド回路３６）を備えることが好ましい。

この発明によれば、以下の手順で、オフセットを除去する。
まず、修正値演算手段により、第１ホール素子から出力される第１センサ信号の波形に、第２ホール素子から出力される第２センサ信号の波形が一致するように、当該第２センサ信号の波形を修正するための修正値を求める。
次に、電源切換手段により、第２ホール素子の電源の極性を切り換えて、極性が反転した反転第２センサ信号を第２ホール素子から出力させる。
次に、波形修正手段により、修正値に基づいて、反転第２センサ信号の波形を修正する。
次に、オフセット検出手段により、修正した反転第２センサ信号および第１センサ信号に基づいて、オフセット量を検出する。
次に、オフセット除去手段により、第１センサ信号から検出したオフセット量を除去する。

これにより、チョッピング制御を行わないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。
さらに、修正値を用いるので、第１ホール素子の特性と第２ホール素子の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。

また、オフセット量を検出している期間、第２ホール素子からの出力信号の極性を反転させるため、オフセット量の出力が途切れてしまう。
そこで、この発明によれば、オフセット検出手段とオフセット除去手段との間にサンプルアンドホールド回路を設けた。よって、オフセット量を途切れることなく連続して出力できる。

本発明によれば、チョッピング制御を行わないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。さらに、修正値を用いるので、第１ホール素子の特性と第２ホール素子の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサ１の信号処理回路の構成を示す図である。
電流センサ１は、第１ホール素子回路１０、第２ホール素子回路２０、ピーク検出手段としての第１ピーク検出回路３１、ピーク検出手段としての第２ピーク検出回路３２、修正値演算手段としての補正値演算回路３３、波形修正手段としての波形修正回路３４、オフセット検出手段としてのオフセット検出回路３５、サンプルアンドホールド回路３６、オフセット除去手段としての減算器３７、および、これらを制御する電源切換手段としてのシーケンス制御回路３８を備える。

第１ホール素子回路１０は、磁気を電気信号に変換して出力する回路である。この出力信号には、オフセットが含まれる。
この第１ホール素子回路１０は、第１ホール素子１１および差動増幅器１２を備える。

差動増幅器１２は、入力される２つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器１２のゲインは、適切な値に設定されているものとする。

第１ホール素子１１は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子１１ａ、１１ｂと、これら１１ａ、１１ｂの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子１１ｃ、１１ｄと、を備える。
ホール端子１１ａは、定電流源１３に接続され、ホール端子１１ｂは、グランドに接続され、ホール端子１３ｃは、差動増幅器１２の正端子に接続され、ホール端子１３ｄは、差動増幅器１２の負端子に接続される。

第２ホール素子回路２０は、磁気を電気信号に変換して出力する回路である。この出力信号には、オフセットが含まれている。
この第２ホール素子回路２０は、第２ホール素子２１、スイッチ回路網２２、および差動増幅器２３を備える。

差動増幅器２３は、入力される２つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器２３のゲインは、適切な値に設定されているものとする。

第２ホール素子２１は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子２１ａ、２１ｂと、これら２１ａ、２１ｂの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子２１ｃ、２１ｄと、を備える。
ホール端子２１ｃは、差動増幅器２３の正端子に接続され、ホール端子２１ｄは、差動増幅器２３の負端子に接続される。

スイッチ回路網２２は、４つのスイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなる。スイッチＳａの一端は、定電流源２４に接続され、他端は、ホール端子２１ａに接続される。スイッチＳｂの一端は、グランドに接続され、他端は、ホール端子２１ａに接続される。スイッチＳｃの一端は、定電流源２４に接続され、他端は、ホール端子２１ｂに接続される。スイッチＳｄの一端は、グランドに接続され、他端は、ホール端子２１ｂに接続される。

スイッチ回路網２２では、スイッチＳａ、Ｓｄを閉じてスイッチＳｂ、Ｓｃを開いた状態と、スイッチＳａ、Ｓｄを開いてスイッチＳｂ、Ｓｃを閉じた状態と、を切り換え可能となっている。

以上の第２ホール素子回路２０によれば、スイッチ回路網２２を制御することにより、定電流源２４から第２ホール素子２１に供給する電流の極性を切り換えて、出力信号の極性を反転できる。

第１ピーク検出回路３１は、シーケンス制御回路３８から初期化信号が入力されると、その後の一定期間に亘って、第１ホール素子回路１０の出力信号の最大値および最小値を検出する。
第２ピーク検出回路３２は、シーケンス制御回路３８から初期化信号が入力されると、その後の一定期間に亘って、第２ホール素子回路２０の出力信号の最大値および最小値を検出する。

補正値演算回路３３は、第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２で検出した出力信号の最大値および最小値に基づいて、第１ホール素子回路１０の第１センサ信号としての出力信号の波形に、第２ホール素子回路２０の第２センサ信号としての出力信号の波形が一致するように、第２ホール素子回路２０の出力信号の波形を修正するための修正値を求める。

波形修正回路３４は、第２ホール素子回路２０からの出力信号を修正値に基づいて修正する。

オフセット検出回路３５は、入力される２つの信号に基づいて、オフセット量を求める。具体的には、入力される２つの信号の交差する点または平均値を求めて、オフセット量とする。
サンプルアンドホールド回路３６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。具体的には、オフセット検出回路３５で検出したオフセット量をラッチする。
減算器３７は、第１ホール素子回路１０の出力信号からオフセット量を除去する。

以上の電流センサ１の動作を、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、第１ホール素子回路１０から信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）が出力され、第２ホール素子回路２０から信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）が出力されているものとする。これら信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）および信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）は、同時に得られる信号であるため、印加磁界に対する位相の変化が同じになっている。

ステップＳ１では、シーケンス制御回路３８により第１ピーク検出回路３１を初期化し、その後、この第１ピーク検出回路３１により、図３に示すように、第１ホール素子回路１０から出力される信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）の最大値および最小値を検出する。
ステップＳ２では、シーケンス制御回路３８により第２ピーク検出回路３２を初期化し、その後、この第２ピーク検出回路３２により、図３に示すように、第２ホール素子回路２０から出力される信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）の最大値および最小値を検出する。

ステップＳ３では、補正値演算回路３３により、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）とのゲインのずれ量およびピークのずれ量を修正値として求める。
具体的には、第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２から出力される最大値および最小値に基づいて、図４に示すように、ゲインおよびピークのずれ量を修正値として求める。

ステップＳ４では、波形修正回路３４により、修正値に基づいて、図５に示すように、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）の波形を修正する。すると、この信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）の波形は信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）の波形に近似することになる。
ステップＳ５では、シーケンス制御回路３８により、第２ホール素子回路２０のスイッチ回路網２２を切り換えて、波形の極性が反転した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）を第２ホール素子回路２０から出力させる。すると、波形修正回路３４により、この反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）の波形は、既に求めた修正値に基づいて修正される。

ステップＳ６では、修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）と信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）とを用いて、オフセット量を求める。
ここで、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）は、修正した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）と等しいため、修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）と、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と、を比較して、オフセット量を求める。
具体的には、図６に示すように、修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）と信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）との交差する点または平均値を求めて、オフセット量とする。

例えば、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）のオフセット量をｏｆｓｅｔとすると、
信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）＝ Ｓｉｇ（ＨＥ１）＋ｏｆｓｅｔ
修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）＝−Ｓｉｇ（ＨＥ２）＋ｏｆｓｅｔ
となる。

そこで、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と、修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）と、を加算すると、以下のようになる。
（（Ｓｉｇ（ＨＥ１）＋ｏｆｓｅｔ）＋（−Ｓｉｇ（ＨＥ２）＋ｏｆｓｅｔ）
≒２・ｏｆｓｅｔ
このようにして、オフセット量ｏｆｓｅｔを求めることができる。

ステップＳ７では、シーケンス制御回路３８により、第２ホール素子回路２０のスイッチ回路網２２を再び切り換えて、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）を第２ホール素子回路２０から出力させる。
ステップＳ８では、減算器３７により、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）からオフセット量を除去する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）チョッピング制御を行わないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。
さらに、修正値を用いるので、第１ホール素子１１の特性と第２ホール素子２１の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。

（２）オフセット検出回路３５と減算器３７との間にサンプルアンドホールド回路３６を設けた。これにより、オフセット量を途切れることなく連続して出力できる。

（３）第１ホール素子回路１０の出力信号を主信号として、この主信号の極性を反転させずにオフセット量を調整したので、第１ホール素子回路１０から主信号を常時出力できる。

（４）オフセット量のドリフトは緩やかであるため、第２ホール素子回路２０の出力信号の極性を頻繁に反転させずに間欠的に補正することにより、電力消費を抑えることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、第２ホール素子回路２０の出力信号のオフセット量およびゲインの両方を調整したが、これに限らず、第１ホール素子回路１０および第２ホール素子回路２０からの出力信号の特性に応じて、どちらか一方のみを調整してもよい。

具体的には、第１ホール素子回路１０や第２ホール素子回路２０からの出力信号が緩やかに変化する信号である場合、この出力信号の最大値および最小値を検出することが困難となる。そこで、この場合、第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２を設けず、ゲインは同一であるとみなして、オフセット量を検出してもよい。

本発明の一実施形態に係る電流センサの信号処理回路の構成を示す図である。 前記実施形態に係る電流センサの動作を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る電流センサについて、出力信号の最大値よび最小値を検出する手順を説明するための図である。 前記実施形態に係る電流センサについて、出力信号のゲインおよびピークのずれ量を検出する手順を説明するための図である。 前記実施形態に係る電流センサについて、出力信号の波形を修正する手順を説明するための図である。 前記実施形態に係る電流センサについて、オフセット量を検出する手順を説明するための図である。

符号の説明

１ 電流センサ
１１ 第１ホール素子
２１ 第２ホール素子
３１ 第１ピーク検出回路（ピーク検出手段）
３２ 第２ピーク検出回路（ピーク検出手段）
３３ 補正値演算回路（修正値演算手段）
３４ 波形修正回路（波形修正手段）
３５ オフセット検出回路（オフセット検出手段）
３６ サンプルアンドホールド回路
３７ 減算器（オフセット除去手段）
３８ シーケンス制御回路（電源切換手段）

Claims (4)

1. 第１ホール素子および第２ホール素子を用いた電流センサであって、
   前記第１ホール素子から出力される第１センサ信号の波形に、第２ホール素子から出力される第２センサ信号の波形が一致するように、当該第２センサ信号の波形を修正するための修正値を求める修正値演算手段と、
   前記第２ホール素子の電源の極性を切り換えて、極性が反転した反転第２センサ信号を前記第２ホール素子から出力させる電源切換手段と、
   前記修正値に基づいて、前記反転第２センサ信号の波形を修正する波形修正手段と、
   前記修正した反転第２センサ信号および前記第１センサ信号に基づいて、オフセット量を検出するオフセット検出手段と、
   前記第１センサ信号から前記検出したオフセット量を除去するオフセット除去手段と、を備えることを特微とする電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記第１センサ信号および前記第２センサ信号のそれぞれの最大値および最小値を検出するピーク検出手段を備え、
   前記修正値演算手段は、前記ピーク検出手段で検出した最大値および最小値に基づいて、ゲインのずれ量およびピークのずれ量を前記修正値として求めることを特徴とする電流センサ。
3. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記オフセット検出手段は、前記修正した反転第２センサ信号と前記第１センサ信号との交差点または平均値を、オフセット量として検出することを特徴とする電流センサ。
4. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   前記オフセット検出手段と前記オフセット除去手段との間に設けられ、前記オフセット検出手段で検出したオフセット量をラッチするサンプルアンドホールド回路を備えることを特徴とする電流センサ。

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