JP5629302B2 - 自己診断機能を有する電流センサ及び信号処理回路 - Google Patents

Description

本発明は、自己診断機能を有する電流センサ及び信号処理回路に関し、より詳細には、磁気センサが動作している状態での故障検出が可能な自己診断機能を有する電流センサ及び信号処理回路に関する。

一般に、ホール素子を使った磁気センサには、磁石の位置情報の検出を行うセンサとして近接センサ、リニア位置センサ、回転角度センサなどに用いられているだけでなく、電流導体を流れる電流によって誘起される磁界を検出することによって、電流導体を流れる電流量を非接触で測定する電流センサとしても広く利用されている。
特に、モータのインバータ電流を検出するために利用される電流センサにおいては、モータ制御を効率化する目的で、高速な周波数スイッチングされるインバータ電流を高精度に検出することが要求されている。

この種のホール素子は、入力された磁界の強度に応じたホール起電力信号を発生する磁電変換機能を有するため、磁気センサとして広く用いられている。しかしながら、ホール素子には、磁場が零である状態、すなわち、無磁場の状態でも、零でない有限の電圧が出力されてしまうというオフセット電圧（不平衡電圧）が存在する。
そこで、ホール素子を利用した磁気センサにおいては、ホール素子が持つオフセット電圧をキャンセルする目的で、スピニングカレント（Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）法又はＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ法といった名称で一般的に知られているホール素子の駆動方法が存在する。この方法とは、ホール素子に駆動電流を流すための端子対の位置と、ホール起電力信号を検出するための端子対の位置との間で、チョッパークロックと呼ばれるクロックにしたがって周期的に入れ替える操作を行うものである（例えば、非特許文献１参照）。

このオフセット電圧のキャンセルを目的としたＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法は、ＣＭＯＳ半導体回路においてもスイッチ回路を用いて構成できるものであるため、高精度な磁気センサを実現するためのホール起電力検出回路は、一般的に、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現するためのスイッチ回路を備えたものとなる。
また、ホール素子において発生されるホール起電力信号は、一般に微弱なものであるため、このホール起電力信号を信号増幅する目的で、ホール起電力信号検出回路は信号増幅回路を含んだ回路となる。ここで、この信号増幅回路に有限なオフセット電圧が有る場合には、信号増幅回路が持つオフセット電圧についてもオフセットキャンセルが必要となる。

このような背景のもとで、ホール素子から発生されるホール起電力を検出して信号増幅するホール起電力信号検出回路に関しては、ホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法との組み合わせに適した電流帰還形アンプ回路を用いた信号増幅回路の回路構成が知られている。この電流帰還型アンプ回路において、チョッパークロックによりアンプ回路が持つオフセット電圧をチョッパークロックの周波数に変調する回路構成は、チョッパーアンプという名称で一般的に知られている回路構成である。

このように、ホール素子におけるＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現する回路と、信号増幅回路におけるチョッパーアンプの回路構成を組み合わせたホール起電力検出回路を用いれば、ホール素子が持つオフセット電圧と信号増幅回路が持つオフセット電圧の両方をチョッパークロックの周波数に変調することができることが知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献２参照）。

以下に、スピニングカレント（Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）法によるホール素子のオフセットキャンセルについて説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は、チョッパークロックの位相がφ１、φ２の２値の間で切り替わるたびに、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを、それぞれ、０度と９０度と切り替えるときのホール起電力検出を説明した図で、図１（ａ）は、チョッパークロックの位相がφ１でホール素子の駆動方向が０度のとき、図１（ｂ）は、チョッパークロックの位相がφ２でホール素子を駆動方向が９０度のときを示している。なお、ホール素子は、４つの抵抗からなる４端子の素子としてモデル化されており、定電流駆動されている。

図１（ａ）及び（ｂ）において、ホール素子の駆動方法を０度と９０度の間で切替えた時に、ホール素子において測定される電圧信号 Ｖｈａｌｌ（φ１）とＶｈａｌｌ（φ２）は、数式１のように、ホール素子を使った磁気センサの検出対象となる磁場Ｂに対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）とホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）の和として表される。

ここで、チョッパークロックにしたがって、ホール素子のバイアス電流の方向を０度と９０度の間で周期的に切替えることによって、検出対象の磁場に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）の極性を反転／非反転の間で切替えることができるため、検出対象の磁場に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）をチョッパークロックの周波数ｆ＿ｃｈｏｐに周波数変調することが出来る。一方で、ホール素子のＤＣオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）に関しては、ホール素子の駆動方向を０度と９０度の間で切替えても同じ極性の値となるため、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）はチョッパークロックによる周波数変調を受けない。

以上のことから、チョッパークロックにしたがって、ホール素子の駆動電流の方向を０度と９０度の間で切替える操作を行う場合、ホール素子において発生される信号Ｖｈａｌｌは、図２（ａ）乃至（ｄ）に示すような波形となる。また、ホール素子において発生される信号のスペクトルは、図３に示すようなスペクトルとなることから、検出対象の磁界に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）とホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）は、周波数領域において分離されることが解る。これが、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法によるオフセットキャンセルの原理である。

なお、ここでは、４つの端子を有するホール素子の駆動方向として、０度と９０度の２つの方向の間で切り替える例について説明を行ったが、ホール素子の駆動方向を０度、９０度、１８０度、２７０度の４方向の間で切り替えても、ホール起電力信号とオフセット電圧を周波数領域において分離することが可能である。
このようにして、ホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法により、チョッパークロックの周波数ｆ＿ｃｈｏｐに周波数変調されたホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）に対しては、ホール起電力信号検出回路の後段で、チョッパークロックを用いた復調操作が行われる。この復調操作の結果、ホール起電力信号検出回路の出力信号における信号スペクトルは、図７のようになる。そこで、図７の信号スペクトルから理解されるように、時間領域で見たホール起電力信号検出回路の出力信号の波形は、検出対象の磁界に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）に加えて、ホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）がチョッパークロックの周波数ｆ＿ｃｈｏｐに周波数変調されて発生するＲｉｐｐｌｅ（リップル）が重畳した波形となる。

高精度なホール起電力信号という目的を実現するためには、このホール起電力信号検出回路の出力信号おけるＲｉｐｐｌｅの発生はキャンセルされる必要がある。そこで、このＲｉｐｐｌｅの発生をキャンセルする回路方式のひとつとして、ホール起電力信号検出回路の出力信号からのフィードバックを利用する回路方式が存在する。
上述したように、フィードバックによって信号増幅後の出力信号におけるＲｉｐｐｌｅの発生をキャンセルする方式のホール起電力信号検出回路に関しては、例えば、特許文献１のものがあるが、２値の値をとる出力信号における誤差信号（オフセット）の影響をキャンセルする回路方式としては、例えば、特許文献２のものがある。この特許文献２においては、Ｒｉｐｐｌｅの発生をキャンセルするためのフィードバック回路のなかで、ＡＤ変換器、デジタル回路、ＤＡ変換器を用いた回路構成が示されている。

米国特許第６６７４３２２号明細書（Ｂ２） 米国特許第７４９２１４９号明細書（Ｂ２）

R S Popovic著 Hall Effect Devices (ISBN-10:0750300965) Inst of Physics Pub Inc (1991/05)刊 IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.32, No.6, 1997, Page829~836 Bilotti他著"Monolithic Magnetic Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation"

上述した特許文献２に記載のものは、ホール素子を用いた磁性体の位置情報を２値量子化して出力する磁気センサのために使用されるホール起電力検出回路において、ホール素子のオフセット及び信号増幅回路のオフセットをキャンセルするためのフィードバック回路が用意されている。つまり、このフィードバック回路は、ホール素子のオフセットおよび信号増幅回路のオフセットによって、出力信号が２値の間で遷移する遷移点が本来の遷移点からずれることによる磁性体の位置情報の検出誤差を防止するものである。

しかしながら、この特許文献２には、このフィードバック回路を、ＡＤ変換器、デジタル回路、ＤＡ変換器を用いて構成した例が示されているものの、不揮発性メモリを利用して、このフィードバック回路の初期引き込み時間の短縮といった性能向上を実現する技術及び不揮発性メモリを利用して、磁気センサの故障診断を実現する技術については、全く言及されていない。

このように、上述した文献のいずれにも信号処理回路の故障診断に関する技術については何ら記載されていない。つまり、本発明は、電流センサをはじめとしてホール素子を使用した磁気センサに関して、故障診断の必要性という課題を解決するものである。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、磁気センサが動作している状態での故障検出が可能な自己診断機能を有する電流センサ及び信号処理回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、信号成分とオフセット成分を含むホール素子の出力信号から、周波数変調により前記信号成分と前記オフセット成分とを分離し、前記オフセット成分を取り出すオフセット成分出力回路と、基準信号を出力する基準信号出力部と、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分と前記基準信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成回路とを備えたことを特徴とする電流センサである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記オフセット成分出力回路は、ホール素子の出力を増幅し、前記信号成分と前記オフセット成分の何れか一方が直流を含む低周波成分に、他方がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力する信号増幅回路とを備え、該信号増幅回路の出力からオフセット成分を取り出すことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記オフセット成分を受け取り、該オフセット成分を前記信号増幅回路にフィードバックするフィードバック回路を更に備えることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記フィードバック回路は、前記信号増幅回路の前記出力信号に含まれるオフセット成分をキャンセルするように作用する適応制御によって前記オフセット成分を制御することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の発明において、前記フィードバック回路を動作させるための値が記憶された動作値記憶部を備え、前記フィードバック回路は、前記オフセット成分出力回路の出力と前記動作値記憶部の出力の一方を前記オフセット成分として設定する選択回路を備えていることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記選択回路は、前記フィードバック回路の初動動作時に前記動作値記憶部の出力を前記オフセット成分として設定し、初動動作後に前記オフセット成分出力回路の出力を前記オフセット成分として設定することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分に基づき、前記動作値記憶部に記憶された値を更新する動作値更新部を備えることを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の発明において、前記信号増幅回路は、前記信号成分が直流を含む低周波成分に、前記オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記信号増幅回路は、前記オフセット成分が直流を含む低周波成分に、前記信号成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された信号をトランスコンダクタンス素子により電流信号に変換して信号増幅し、該得られた信号を前記チョッパークロックの周期で変調することで、前記信号成分が直流を含む低周波成分に、前記オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記オフセット成分を受け取り、該オフセット成分を前記信号増幅回路にフィードバックするフィードバック回路を備え、該フィードバック回路は、前記オフセット成分をトランスコンダクタンス素子により電流信号に変換して信号増幅し、前記信号増幅回路にフィードバックすることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項８，９又は１０に記載の発明において、前記オフセット成分出力回路は、前記信号増幅回路の出力を前記チョッパークロックの周期で同期検波することでオフセット成分を取り出すことを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記基準信号出力部は、基準信号記憶部を備え、前記基準信号記憶部に記憶された値に基づき基準信号を出力することを特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記基準信号記憶部に記憶された値は、前記オフセット成分を予め測定して得られる値であることを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１２又は１３に記載の発明において、前記基準信号記憶部が、ＯＴＰＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭであることを特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１２，１３又は１４に記載の発明において、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分に基づき、前記基準信号記憶部に記憶された値を更新する基準信号更新部を備えることを特徴とする。
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１乃至１５のいずれかに記載の発明において、前記エラー信号生成回路は、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分と、前記基準信号と、の比較結果に基づいて、エラー信号を生成することを特徴とする。

また、請求項１７に記載の発明は、請求項１乃至１６のいずれかに記載の発明において、前記エラー信号生成回路は、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分が示す値と、前記基準信号が示す値との比又は差に基づいてエラー信号を生成することを特徴とする。
また、請求項１８に記載の発明は、請求項１乃至１７のいずれかに記載の発明において、前記エラー信号生成回路は、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分が示す値と、前記基準信号が示す値との比較を上限値と下限値とを用いて比較し、該比較結果に比較結果に基づいて、エラー信号を生成することを特徴とする。

また、請求項１９に記載の発明は、信号成分とオフセット成分を含む信号から、周波数変調により前記信号成分と前記オフセット成分とを分離し、前記オフセット成分を取り出すオフセット成分出力回路と、基準信号を出力する基準信号出力部と、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分と前記基準信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成回路とを備えたことを特徴とする自己診断機能を有する信号処理回路である。

本発明によれば、センサ出力信号の信号処理の過程で抽出されるセンサ出力信号のオフセット成分を用いているので、特別な構成を用いることなく、自己診断を行うことができる。
また、信号成分とオフセット成分の何れか一方が直流を含む低周波成分に、他方がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調するので、フィルタなどの所望の手段でオフセット成分を取り出すことができる。

また、オフセット成分出力回路が取り出したオフセット成分を自己診断に用いるとともに、オフセット成分をキャンセルするための適応制御にも適用できる。

（ａ）及び（ｂ）は、チョッパークロックの位相がφ１、φ２の２値の間で切り替わるたびに、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを、それぞれ、０度と９０度と切り替えるときのホール起電力検出を説明した図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、ホール素子において発生する信号波形を示す図である。 ホール素子において発生する信号Ｖｈａｌｌの信号スペクトルを示す図である。 本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例１を説明するためのブロック構成図である。 本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例２を説明するためのブロック構成図である。 図４及び図５に示した本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例１及び２を説明するための回路構成図である。 図６に示した信号増幅回路の出力電圧Ｖｏｕｔにおける信号スペクトルを示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、ホール素子を使った磁気センサの検出対象の磁界において時間変化が無いとき、または時間変化が緩やかな場合にサンプリングを行ってＶｏｕｔ（φ１）、Ｖｏｕｔ（φ２）を検出する様子を示す図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の適応制御によるリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）状のノイズをキャンセルする様子及びオフセットに関する故障が検出されない場合のサーボ変数Ｘ（ｉ）の収束の様子を示す図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の適応制御によるリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）状のノイズをキャンセルする様子及びオフセットに関する故障が検出される場合のサーボ変数Ｘ（ｉ）の収束の様子を示す図である。 本発明に係る故障診断機能を備えた信号処理回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。

図４は、本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例１を説明するためのブロック構成図で、図中符号１００は電流センサ、１０１はホール素子、１０２はオフセット成分出力回路、１０３は基準信号発生部（兼動作値記憶部；メモリ）、１０４はエラー信号生成回路、１０６は信号増幅回路、１０７はオフセット成分推定部を示している。
本発明の自己診断機能を有する電流センサは、信号成分とオフセット成分を含むホール素子１０１の出力信号からオフセット成分を取り出すオフセット成分出力回路１０２と、基準信号を出力する基準信号発生部１０３と、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分と基準信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成回路１０４とを備えている。

このような構成により、センサ出力信号の信号処理の過程で抽出されるセンサ出力信号のオフセット成分を用いているので、特別な構成を用いることなく、自己診断を行うことができる。
また、オフセット成分出力回路１０２は、ホール素子１０１の出力を増幅し、信号成分とオフセット成分の何れか一方が直流を含む低周波成分に、他方がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力する信号増幅回路１０６と、オフセット成分推定部１０７とを備え、この信号増幅回路１０６の出力からオフセット成分を取り出すように構成されている。

このような構成により、信号成分とオフセット成分の何れか一方が直流を含む低周波成分に、他方がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調するので、フィルタなどの所望の手段でオフセット成分を取り出すことができる。
また、信号増幅回路１０６は、信号成分が直流を含む低周波成分に、オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力するものである。

このような構成により、信号成分が直流を含む低周波成分に、オフセット成分をチョッパークロックに同期したリップル成分に変調することで、オフセット成分を取り除いた後の信号成分を変調等の処理をすることなくそのまま信号成分として使用することができる。
また、オフセット成分出力回路１０２は、信号増幅回路１０６の出力をチョッパークロックの周期で同期検波することでオフセット成分を取り出すように構成されている。
このような構成により、信号増幅回路１０６の出力をチョッパークロックの周期で同期検波することでオフセット成分を取り出すことができる。

図６は、図４に示した本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例１を説明するための回路構成図である。図中符号１１はホール素子、１２は第１のスイッチ回路、１４はチョッパークロック発生回路、１３１は第１のトランジスタの差動対（Ｇｍ，１）、１３２は第２のスイッチ回路、１３３は第２のトランジスタの差動対（Ｇｍ，２）、１３４は第３のスイッチ回路、１３５は第４のトランジスタの差動対（Ｇｍ，ｏｕｔ）、１５３はＭビットＡＤ変換器、１５４はデジタル積分器を示している。なお、第１のスイッチ回路１２は、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現するためのスイッチ回路である。

信号増幅回路１０６は、第１のスイッチ回路１２と、第１のトランスコンダクタンス素子（トランジスタの差動対；Ｇｍ，１）１３１と、第２のスイッチ回路１３２と、第２のトランスコンダクタンス素子（トランジスタの差動対；Ｇｍ，２）１３３と、第３のスイッチ回路１３４と、信号増幅回路１０６の出力段（トランジスタの差動対；Ｇｍ，ｏｕｔ）１３５とを備えている。

本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路は、ホール素子において発生するホール起電力信号を予め定められた信号増幅率で信号増幅した出力電圧信号を生成するホール起電力信号検出回路を備えている。第１のスイッチ回路１２は、ホール素子１１の端子対に関して、ホール素子１１に駆動電流を流すための端子対の位置とホール起電力信号を検出するための端子対の位置との間で端子対の位置の入れ替えを行い、ホール素子１１において発生するホール起電力信号をチョッパークロックの周波数に変調するものである。

本発明に係る自己診断機能を有する信号処理回路（ホール起電力信号検出回路）は、磁気センサが動作している状態での故障を検出するものである。
また、信号増幅回路１０６は、チョッパークロックによって変調された信号成分と、ＤＣオフセット成分から成る入力信号とを、トランスコンダクタンス素子による電流信号への変換を経て、信号増幅して出力電圧信号を得るもので、この信号増幅回路１０６は、信号成分が直流を含む低周波成分に、オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力するものである。

つまり、ホール素子のホール起電力信号から電流への変換を行って第１の電流を生成する第１のトランスコンダクタンス素子１３１と、出力電圧信号を定められた比で電圧分割する抵抗Ｒ１，Ｒ２と、チョッパークロックにしたがって、電圧分割により生成される電圧の極性を反転する第２のスイッチ回路１３２と、第２のスイッチ回路１３２）の出力電圧から電流への変換を行って第２の電流を生成する第２のトランスコンダクタンス素子１３３と、第１のトランスコンダクタンス素子１３１の後段に設けられた、チョッパークロック周波数での復調操作を行う第３のスイッチ回路１３４と、この第３のスイッチ回路１３４に接続された出力段１３５を備えている。

また、信号増幅回路１０６は、オフセット成分が直流を含む低周波成分に、信号成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された信号をトランスコンダクタンス素子により電流信号に変換して信号増幅し、この得られた信号をチョッパークロックの周期で変調することで、信号成分が直流を含む低周波成分に、オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力するものである。
このような構成により、トランスコンダクタンス素子により電流信号に変換することで、信号増幅回路の出力に含まれるオフセット成分を電流量の足し引きで制御することが可能となり、簡単な回路構成で信号増幅回路の出力信号に含まれるオフセット成分をキャンセルすることができる。

また、オフセット成分出力回路１０２は、上述した信号増幅回路１０６と、チョッパークロック生成回路１４と、オフセット成分推定部１０７とを備えている。
チョッパークロック生成回路１４は、第１のスイッチ回路１２を周期的に駆動するチョッパークロックを生成するものである。また、信号増幅回路１０６は、第１のスイッチ回路１２からの出力電圧信号を増幅するものである。また、オフセット成分推定部１０７は、ＭビットＡＤ変換器１５３と、デジタル積分器１５４とを備えている。

図５は、本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例２を説明するためのブロック構成図で、図６は、図５に示した本発明に係る自己診断機能を有する電流センサの実施例２を説明するための回路構成図である。図中符号１０５はフィードバック回路、１５１はチョッパークロックカウンタ、１５６は選択回路、１５７はＮビットレジスタ、１５８はＮビットＤＡ変換器、１５９は第３のトランジスタの差動対（Ｇｍ，３）を示している。その他、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。

フィードバック回路１０５は、オフセット成分を受け取り、オフセット成分を信号増幅回路１０６にフィードバックするもので、この信号増幅回路１０６の出力信号に含まれるオフセット成分をキャンセルするように作用する適応制御によってオフセット成分を制御するものである。
このような構成により、オフセット成分出力回路が取り出したオフセット成分を自己診断に用いるとともに、オフセット成分をキャンセルするための適応制御にも適用できる。

また、フィードバック回路１０５は、オフセット成分をトランスコンダクタンス素子により電流信号に変換して信号増幅し、信号増幅回路１０６にフィードバックするものである。
このような構成により、トランスコンダクタンス素子により電流信号に変換することで、信号増幅回路の出力に含まれるオフセット成分を電流量の足し引きで制御することが可能となり、簡単な回路構成で信号増幅回路の出力信号に含まれるオフセット成分をキャンセルすることができる。

また、フィードバック回路１０５を動作させるための値が記憶された動作値記憶部１０３を備え、フィードバック回路１０５は、オフセット成分出力回路１０２の出力と動作値記憶部１０３の出力の一方をオフセット成分として設定する選択回路１５６を備えている。
このような構成により、動作値記憶部で記憶された値を基にフィードバック回路を動作させる動作させることで、電源投入直後のスタートアップ時間を短縮することが出来る。

また、この選択回路１５６は、フィードバック回路１０５の初動動作時に動作値記憶部１０３の出力をオフセット成分として設定し、初動動作後にオフセット成分出力回路１０２の出力をオフセット成分として設定するものである。
また、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分に基づき、動作値記憶部１０３に記憶された値を更新する動作値更新部（図示せず）を備える。

また、オフセット成分推定部１０７は信号増幅回路１０６の出力をチョッパークロックの周期で同期検波することでオフセット成分を取り出すものである。
このような構成により、オフセット成分出力回路が出力するオフセット成分に基づき、動作値記憶部に記憶された値を更新することで、動作値記憶部で記憶された値を実際の使用環境に応じて設定することができ、電源投入直後のスタートアップ時間をより短縮することが可能となる。

また、基準信号発生部１０３は、基準信号記憶部（図示せず）を備え、この基準信号記憶部に記憶された値に基づき基準信号を出力するもので、基準信号記憶部に記憶された値は、オフセット成分を予め測定して得られる値である。また、基準信号記憶部は、ＯＴＰＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭであることが望ましい。
このような構成により、メモリに記憶された値にオフセット成分を予め測定して得られる値を用いることで、精度よく自己診断を行うことが可能となる。

また、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分に基づき、基準信号記憶部に記憶された値を更新する基準信号更新部（図示せず）を備えている。
このような構成により、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分に基づき、メモリ１０３に記憶された値を更新するので、基準信号の値を実際の使用環境に応じて設定することが可能となる。

また、エラー信号生成回路１０４は、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分と、基準信号との比較結果に基づいて、エラー信号を生成するもので、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分が示す値と、基準信号が示す値との比又は差に基づいてエラー信号を生成するもので、さらには、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分が示す値と、基準信号が示す値との比較を上限値と下限値とを用いて比較し、この比較結果に比較結果に基づいて、エラー信号を生成するものである。このような構成により、精度よく自己診断を行うことができる。

また、フィードバック回路１０５は、選択回路１５６と、Ｎビットレジスタ１５７と、ＮビットＤＡ変換器１５８と、第３のトランスコンダクタンス素子（トランジスタの差動対；Ｇｍ，３）１５９とを備えている。
フィードバック回路１０５は、信号増幅回路１０６の出力電圧信号からチョッパークロックに同期した信号成分を同期検波して検出し、同期検波の結果として得られるＤＣ信号を、サーボ変数としてＮビットレジスタ１５７に格納し、信号増幅回路１０６において、電流信号にフィードバックするものである。

また、メモリ１０３は、フィードバック回路１０５が、信号増幅回路１０６の出力電圧信号におけるＲｉｐｐｌｅ状のノイズの発生をキャンセルするための適応制御を行う際に、Ｎビットレジスタ１５７に格納されている適応制御のサーボ変数の収束値を予め測定して得られる値を記憶するものである。
また、エラー信号生成回路１０４は、メモリ１０３に記憶された値とフィードバック回路１０５の適応制御によって決定される値との間で比較してエラー信号を生成するものである。具体的には、このエラー信号生成回路１０４は、メモリ１０３に記憶された値とフィードバック回路１０５の適応制御によって決定されるサーボ変数の値との間での比較操作の結果に基づいてエラー信号を発行するものである。

これらの２つの値を比較する操作については、エラー信号生成回路１０４において、２つの値の間の差または比を計算することによって行われるものである。エラー信号生成回路１０４は、これらの差または比の値を上限値と下限値と比較した結果に基づいて、エラー信号を発行する機能を有する。
また、選択回路１５６は、メモリ１０３に記憶された値とフィードバック回路１０５の適応制御によって決定されるサーボ変数の値との間でＮビットレジスタに格納する値を選択するものである。

また、メモリ１０３は、ＯＴＰ（ワンタイム・プログラマブル；Ｏｎｅ−Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）ＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ；電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ）である。また、磁気センサは、ホール素子を用いることが最適である。
以上は、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を行うホール素子に関して、本発明に係る故障診断機能を有する電流センサについて、図６を用いて概要説明を行ったが、この電流センサは、信号処理回路として利用することができる。以下では、図６に基づいて信号処理回路の動作について詳細な説明を行う。

本発明の自己診断機能を有する信号処理回路は、信号成分とオフセット成分を含む信号からオフセット成分を取り出すオフセット成分出力回路１０２と、基準信号を出力する基準信号発生部１０３と、オフセット成分出力回路１０２が出力するオフセット成分と基準信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成回路１０４とを備えている。
このような構成により、センサ出力信号の信号処理の過程で抽出されるセンサ出力信号のオフセット成分を用いているので、特別な構成を用いることなく、自己診断を行うことができる。

ホール素子において発生するホール起電力信号は、第１のスイッチ回路１２によって、チョッパークロック周波数ｆ＿ｃｈｏｐに変調され、信号Ｖｈａｌｌとして、トランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１に入力される。トランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１においては、数式２にしたがって、電流Ｉ１が生成される。ここで、信号増幅回路のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１）１３１にもオフセットＶｏｓ（Ｇｍ，１）が存在するため、電流Ｉ１は、このオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｇｍ，１）の影響を受けることになる。

なお、図６のなかで、電流Ｉ１は差動信号となっている。このため、図６のなかの記号Ｉ１＋，Ｉ１−について説明すると、Ｉ１＝（Ｉ１＋）−（Ｉ１−）という関係があることに注意が必要である。
図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路においては、出力電圧Ｖｏｕｔから抵抗Ｒ１，Ｒ２を使ったフィードバックが用意されており、ここで、基準電圧Ｖｒｅｆを０とすれば、数式３に示したように、出力電圧Ｖｏｕｔからのフィードバック電圧Ｖｆｂが生成される。

信号増幅回路のなかのトランジスタの差動対（Ｇｍ，２）１３３は、数式３で表される出力電圧Ｖｏｕｔからのフィードバック電圧Ｖｆｂによって駆動されているが、トランジスタ差動対（Ｇｍ，２）１３３にもオフセットＶｏｓ（Ｇｍ，１）が存在するため、Ｇｍ，２から出力される電流Ｉ２は数式４で表される。

なお、図６のなかで、電流Ｉ２は差動信号となっている。このため、図６のなかの記号Ｉ２＋，Ｉ２−について説明すると、Ｉ２＝（Ｉ２＋）−（Ｉ２−）という関係があることに注意が必要である。
図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路においては、トランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１からの出力電流Ｉ１とトランジスタの差動対（Ｇｍ，２）１３３からの出力電流Ｉ２の和がゼロになるようにフィードバックが働くことになる。したがって、Ｉ１＋Ｉ２＝０として、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路の出力電圧Ｖｏｕｔを計算すると、数式５が得られる。

ここで、数式５に表されるように、チョッパークロックによって変調された信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）は、図６に示す第３のスイッチ回路１３４によって復調されることに注意が必要である。このように、検出対象となる信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）に対して、前段でチョッパークロックによって変調してから、後段でチョッパークロックによって復調することから、図６に示す信号増幅回路に類する回路は、チョッパーアンプと呼ばれる回路構成である。チョッパーアンプはオフセットキャンセル機能を実現する信号増幅回路として知られている回路構成である。

上述した数式５のなかで｛ ｝で囲まれた成分はチョッパークロックの位相がφ１とφ２の間で切り替わる度に極性が反転することから解るように、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路においては、チョッパークロックの位相がφ１とφ２の間で切り替わる度に、ホール素子のオフセット電圧、Ｇｍ，１のオフセット電圧、Ｇｍ，２のオフセット電圧の和がチョッパークロックによって変調されて信号増幅回路の出力ＶｏｕｔにおけるＲｉｐｐｌｅ状のノイズが発生する。数式５を見れば、信号増幅回路の出力Ｖｏｕｔの信号スペクトルが、図７に示すようなスペクトルとなることが理解できる。周波数領域でのＶｏｕｔの信号スペクトルである図７の中で、チョッパークロック周波数ｆ＿ｃｈｏｐにある成分が、時間領域で見た場合、信号増幅回路の出力Ｖｏｕｔに重畳するＲｉｐｐｌｅ状のノイズとなる。したがって、信号増幅回路の出力Ｖｏｕｔに重畳するＲｉｐｐｌｅ状のノイズを低減することは、図７に示した信号スペクトルにおいて、チョッパークロック周波数ｆ＿ｃｈｏｐにある成分を低減することに他ならない。

また、数式５から上述したＲｉｐｐｌｅ状のノイズの存在を除いた場合には、数式６が得られる。これは、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路において、磁気センサの検出対象の磁界Ｂに対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）が、所定の信号増幅率（１＋Ｒ２／Ｒ１）（Ｇｍ，１／Ｇｍ，２）で信号増幅されることを示している。

このように、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路においては、信号増幅回路の出力Ｖｏｕｔに重畳するＲｉｐｐｌｅ状のノイズを充分に低減することが要求される。
そこで、Ｒｉｐｐｌｅ状のノイズの発生を抑止する目的で、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路においては、ホール起電力信号を信号増幅する信号増幅回路の出力信号Ｖｏｕｔから、信号増幅回路において電流Ｉ１と電流Ｉ２を加算する回路ノードに向けたフィードバック回路１０５が用意されている。
このフィードバック回路１０５は、Ｎビットレジスタ１５７、ＮビットＤＡ変換器１５８、トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９から構成されている。

トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９は、ＮビットＤＡ変換器１５８からの出力電圧Ｖｉｎｔによって駆動され、トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９から出力される電流Ｉ３は、数式７で表される電流Ｉ１＋Ｉ２＝Ｇｍ，１・Ｖｈａｌｌ＋Ｇｍ，２・Ｖｆｂのなかに含まれるＤＣオフセット電流成分Ｉｏｓをキャンセルするように作用する。すなわち、トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９から出力される電流Ｉ３が、数式８を満足する様に作用することによって、信号増幅回路の出力電圧信号ＶｏｕｔにおけるＲｉｐｐｌｅ状のノイズの発生を解消することができる。

なお、図６に示した電流Ｉ３は差動信号となっている。このため、図６のなかの記号Ｉ３＋，Ｉ３−について説明すると、Ｉ３＝（Ｉ３＋）−（Ｉ３−）という関係があることに注意が必要である。
以下では、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路のなかのフィードバック回路１０５について詳細に説明する。
チョッパークロックカウンタ１５１は、２相の値（φ１、φ２）を取るチョッパークロックをカウントして、カウンタ値ｉを生成する回路である。

図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路において、ＭビットＡＤ変換器１５３は、故障診断機能を有する信号処理回路の出力電圧信号Ｖｏｕｔに接続されており、チョッパークロック位相がφ１からφ２に切り替わる直前のタイミングでＶｏｕｔをサンプリングして得られる信号Ｖｏｕｔ（φ１）と、チョッパークロック位相がφ２からφ１に切り替わる直前のタイミングでＶｏｕｔをサンプリングして得られる信号Ｖｏｕｔ（φ２）との間の差分信号Ｖｄｉｆｆ＝Ｖｏｕｔ（φ１）−Ｖｏｕｔ（φ２）に対するＡＤ変換を行って、Ｍビット幅のデジタル信号ＡＤＣ（Ｖｄｉｆｆ）を生成する。ここで、図８（ａ）乃至（ｃ）は、ＭビットＡＤ変換器による信号Ｖｏｕｔのサンプリング操作を説明するための図である。

デジタル積分器１５４は、ＭビットＡＤ変換器１５３の出力信号ＡＤＣ（Ｖｄｉｆｆ）に対して、チョッパークロックカウンタ１５１のカウンタ値ｉを使って数式９の漸化式で表される積分操作を行う回路である。ここで、αは、積分器の時定数（フィルター特性）を決定する定数であって、本発明の信号処理回路においては、フィードバックループの周波数特性を狭帯域にする必要があるため、一般に、０．００１以下の小さな正の値が使用される。

数式９の漸化式から、デジタル積分器の伝達関数Ｈｉｎｔ（ｚ）は、数式１０で与えられる一次のローパスフィルタとなる。したがって、デジタル積分器の後段に配置されたＮビットレジスタのレジスタ値Ｘ（ｉ）は、ＭビットＡＤ変換器の出力信号ＡＤＣ（Ｖｄｉｆｆ）に対して積分操作を行って得られる値である。

チョッパークロックカウンタ１５１のカウンタ値がｉのとき、Ｎビットレジスタ１５７に格納されているデジタル信号Ｘ（ｉ）は、ＮビットＤＡ変換器１５８によって、アナログ電圧信号Ｖｉｎｔに変換される。数式１１は、ＮビットＤＡ変換器１５８におけるＤＡ変換操作を表す数式である。

ＮビットＤＡ変換器１５８から出力されるアナログ電圧信号Ｖｉｎｔは、トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９によって電流Ｉ３に変換される。数式１２は、トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９における電流Ｉ３の生成を表す数式である。

以上の説明から解るように、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路の図６のなかのフィードバック回路は、ホール素子のオフセット電圧、トランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１のオフセット電圧、トランジスタの差動対（Ｇｍ，２）１３３のオフセットが与えられたときに、信号増幅後のホール起電力信号ＶｏｕｔにおけるＲｉｐｐｌｅ状のノイズの発生を低減するように適応制御（サーボ動作）を行う。すなわち、時間の経過に応じて、チョッパークロックカウンタの値ｉが増加する度に、Ｎビットレジスタ１５７に格納されたサーボ変数Ｘ（ｉ）が適応制御（サーボ動作）を行い、サーボ変数Ｘ（ｉ）は数式８を満たす値に向けて収束していく。図９及び図１０は、こうしたサーボ変数Ｘ（ｉ）の適応制御（サーボ動作）の様子を説明する図である。

ここで、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路の図６のなかのフィードバック回路の動作について説明する。数式７によって表されるＤＣオフセット電流Ｉｏｓは、ホール素子のオフセット電圧、トランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１のオフセット電圧、トランジスタの差動対（Ｇｍ，２）１３３のオフセット電圧がトランジスタの差動対によってＤＣオフセット電流に変換されたものであり、このＤＣオフセット電流Ｉｏｓが第３のスイッチ回路１３４においてチョッパークロックの周波数に変調されることによって、信号増幅回路の出力電圧信号ＶｏｕｔにＲｉｐｐｌｅ状のノイズ（信号スペクトルとしては図３）が発生するわけである。

したがって、上述したフィードバック電流Ｉ３によって、（Ｉ１＋Ｉ２）に含まれるＤＣ成分であるＩｏｓとＩ３の和が零になるようにフィードバックが作用する（数式８）ことにより、上述したＲｉｐｐｌｅ状のノイズの発生を解消することができる。このことから理解されるように、図８（ａ）乃至（ｃ）においては、上述した全てのオフセット、すなわち、ホール素子のオフセット電圧、トランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１のオフセット電圧、トランジスタの差動対（Ｇｍ，２）１３３のオフセット電圧の影響がキャンセルされることになる。

以下では、本発明の信号処理回路におけるフィードバック回路及びそのフィードバック回路の動作について詳細な説明する。
図６に示したフィードバック回路に含まれる各回路ブロックは、以下に説明する様に機能することにより、信号増幅器の出力信号において発生するＲｉｐｐｌｅ状のノイズの発生をキャンセルする適応制御（サーボ動作）を実現する。

ＭビットＡＤ変換器１５３は、信号増幅されたホール起電力信号Ｖｏｕｔのなかに含まれるＲｉｐｐｌｅ状のノイズ成分Ｖｄｉｆｆ＝Ｖｏｕｔ（φ１）−Ｖｏｕｔ（φ２）をＭビットＡＤ変換器１５３によってＡＤ変換して、Ｍビットのデジタル信号ＡＤＣ（Ｖｄｉｆｆ）を生成する。
デジタル積分器１５４は、チョッパークロックカウンタ１５１がカウント動作を行いカウンタ値ｉがカウントアップする度に、Ｍビットデジタル信号ＡＤＣ（Ｖｄｉｆｆ）に対する積分操作を行い、Ｎビットのデジタル積分器１５４の出力信号Ｘｉｎｔ（ｉ）を更新する。

Ｎビットレジスタ１５７は、メモリ１０３に記憶された値Ｘｍｅｍとデジタル積分器１５４の出力信号Ｘｉｎｔ（ｉ）のうちの一方から選択回路１５６によって選択されたほうの値をサーボ変数の値Ｘ（ｉ）として保持する。
ＮビットＤＡ変換器１５８は、Ｎビットのサーボ変数の値Ｘ（ｉ）をアナログ電圧信号Ｖｉｎｔに変換する。

トランジスタの差動対（Ｇｍ，３）１５９は、Ｖｉｎｔの電圧値に応じて、電流Ｉ３を生成し、ホール素子のオフセットならびに信号増幅回路のオフセットに起因して発生する電流Ｉ１＋Ｉ２のなかのＤＣ成分をキャンセルする。
このように、フィードバック回路１０５は、信号増幅回路１０６にフィードバックする値を、メモリに記憶された値Ｘｍｅｍ、またはフィードバック回路１０５の適応制御（サーボ動作）により決定される値（これは、デジタル積分器の出力Ｘｉｎｔ（ｉ））の間から選択して、フィードバック動作を行う。

図６に示した本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路の特徴は、以下のものである。
１）信号増幅回路の出力におけるＲｉｐｐｌｅの発生をキャンセルするためのフィードバック回路のサーボ変数Ｘ（ｉ）として、メモリに記憶された値Ｘｍｅｍとデジタル積分器の出力信号Ｘｉｎｔ（ｉ）のうちの一方を選択するための選択回路を備えている。

２）上述した選択回路の選択動作は、エラー信号生成回路によって生成される選択信号によって制御されており、電源投入後のスタートアップ動作においては、サーボ変数の初期値としてＸｍｅｍを使ってフィードバック回路の動作を開始する。すなわち、電源投入後のスタートアップ動作においては、チョッパークロックカウンタのカウンタ値ｉについて、ｉ＝０となっているが、ｉ＝０のときは、サーボ変数の初期値として、メモリから読み出したＸｍｅｍの値を使って、Ｘ（０）＝Ｘｍｅｍと設定する。初回のスタートアップ動作以外の場合、すなわち、ｉ≧１のときは、Ｘ（ｉ）＝Ｘｉｎｔ（ｉ）と設定して、フィードバック回路の適応制御（サーボ動作）を行う。この選択回路の選択動作は、エラー信号生成回路において生成される選択信号によって制御される。

３）サーボ変数Ｘ（ｉ）が収束した後の値と、メモリに記憶された値Ｘｍｅｍの間の乖離が、予め定められた許容範囲Ｘａｄｊを越えた場合には、数式１３に示すように、ホール素子を用いた磁気センサにおいて、ホール素子のオフセットの異常または信号増幅回路のオフセットの異常と判断し、磁気センサからのエラー信号を発行する。

本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路を備えた磁気センサについては、製品を出荷する際に、キャリブレーションを行って、メモリに記憶させるサーボ変数Ｘｍｅｍの値を決定する。このキャリブレーションの方法は、以下に説明するように、非常に簡単な方法となる。例えば、本発明に係る故障診断機能を備えた信号処理回路を備えた磁気センサを、予め定められた磁気センサの環境温度、磁気センサへの応力といった、ある環境条件のもとで、充分に長い時間、動作させる。

図９（ａ）乃至（ｄ）は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の適応制御によるリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）状のノイズをキャンセルする様子及びオフセットに関する故障が検出されない場合のサーボ変数Ｘ（ｉ）の収束の様子を示す図である。図１０（ａ）乃至（ｄ）は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の適応制御によるリップル（Ｒｉｐｐｌｅ）状のノイズをキャンセルする様子及びオフセットに関する故障が検出される場合のサーボ変数Ｘ（ｉ）の収束の様子を示す図である。

図９（ａ）乃至（ｄ）及び図１０（ａ）乃至（ｄ）に示したように、時間の経過に応じて、サーボ変数Ｘ（ｉ）の値が収束し、信号増幅回路の出力信号におけるＲｉｐｐｌｅ状のノイズがゼロに向かって収束する。したがって、充分に長い時間が経過したところで、サーボ変数Ｘ（ｉ）の値をＸｍｅｍの値として、メモリに記憶させればよい（数式１４）。ここで、図６のなかでは、特に明示されていないが、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路においては、上述したキャリブレーションの方法によって、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路のなかで決定された値Ｘ（ｉ）を、Ｘｍｅｍの値としてメモリに書き込んで記憶させるメモリへの書き込み機能が用意されている。

また、このとき、メモリに記憶されたＸｍｅｍの値は、キャリブレーションを実施したときの環境条件（環境温度、磁気センサへの応力）に対応したＸ（ｉ）の値となるため、磁気センサが出荷された後、実際の磁界検出の目的のために使用されているときの磁気センサの環境温度、磁気センサへの応力といった環境条件とキャリブレーションが行われたときの環境条件の違いによって生じるオフセットの変動分（ホール素子のオフセットならびに信号増幅回路のオフセット）を、フィードバック回路のなかのサーボ変数Ｘ（ｉ）が適応制御（サーボ動作）を行うことでキャンセルする。

本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路を備えた磁気センサにおいては、上述したように、製品出荷時のキャリブレーション操作のなかで、メモリに記憶するＸｍｅｍの値を決定する。こうしてキャリブレーション操作によって得られるＸｍｅｍの値は、磁気センサの個体ごとに異なるホール素子のオフセット値及び信号増幅回路のオフセット値を反映した値となっている。しかしながら、製品出荷後、磁気センサとしての動作中の環境温度が、出荷時のキャリブレーションを行ったときの環境温度と異なると、上述したオフセットの値も環境温度の違いに起因してキャリブレーションを行ったときの値から変動する。また、磁気センサの製品出荷後に磁気センサが実装された際には、キャリブレーションを行ったときと比較して、磁気センサへの応力（パッケージ応力）が変化しているため、上述したオフセットの値が、キャリブレーションを行ったときの値から変動する。

以上のように、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路を備えた磁気センサにおいては、製品出荷後に磁気センサが使用されるときの環境条件と製品出荷時にキャリブレーションを行うときの環境条件の違いに起因して、製品の出荷後に発生するオフセット変動（ホール素子のオフセット変動及び信号増幅回路のオフセット変動）に対して、フィードバック回路の適応制御（サーボ動作）が機能することにより、上述した製品出荷後のオフセット変動を補正するものである。

次に、温度によるホール素子のオフセットの変動について以下に説明する。
ＣＭＯＳ半導体チップのなかで、ホール素子がＮウェルとして形成される場合、Ｎウェルの抵抗値は、一般に、温度とともに上昇する。そこで、ＣＭＯＳ半導体チップのなかで、Ｎウェルとして形成されたホール素子のオフセットについては、図１に示した抵抗ブリッジを用いたホール素子のモデルから想像されるように、温度が上昇するとともに、一般に、オフセット値も上昇する。

したがって、ＣＭＯＳ半導体チップのなかで、Ｎウェルとして形成されたホール素子のオフセット値の温度による変動範囲は、室温でのオフセット値を基準として、氷点下温度の低温領域、１００℃以上の高温領域を含めた温度範囲で、凡そ、０．５倍から２倍程度であり、この範囲を大きく超えて、オフセット値の変動が見られる場合には、そのホール素子に関して、故障の可能性が考えられる。上記の温度によるホール素子のオフセット変動を考慮すると、上述したＸａｄｊの値は、約５０％という値に設定されることになる。

実際には、ホール素子のオフセットは、温度だけでなく応力によっても変動するため、温度、応力などを含む変動要因を考慮して、Ｘａｄｊの値を決定することになる。
次に、本発明における最も特徴的な適応制御（サーボ動作）のなかでの故障の自己診断について以下に説明する。
本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路を備えた磁気センサについては、製品出荷時にキャリブレーションを行ったときの環境条件と磁気センサが使用されるときの環境条件の間の違いに起因して発生するオフセットの変動分を、フィードバック回路の適応制御（サーボ動作）によってリアルタイムに補正する機能を持っているため、この機能を磁気センサの故障についての自己診断の目的に利用することができる。

すなわち、フィードバック回路のなかのサーボ変数Ｘ（ｉ）が収束した後の値が、Ｘｍｅｍ±Ｘａｄｊの範囲に含まれるか、あるいは、この範囲の外部となるかによって、自己診断結果を行う（数式１３）。
図９（ａ）乃至（ｄ）は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の収束後の値がＸｍｅｍ±Ｘａｄｊの範囲に含まれる場合のサーボ変数Ｘ（ｉ）の動作を説明した図であり、この場合には、エラー信号が出力されない。図１０（ａ）乃至（ｄ）は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の収束後の値がＸｍｅｍ±Ｘａｄｊの範囲に含まれない場合のサーボ変数Ｘ（ｉ）の動作を説明した図であり、この場合には、エラー信号が出力される。

つまり、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路を備えた磁気センサにおいては、電源投入直後に、メモリに記憶されたキャリブレーション値を使用することにより、電源投入直後のスタートアップ時間を短縮することが可能となるだけでなく、磁気センサの動作中に更新されるレジスタ値をメモリに記憶されたキャリブレーション値との間で比較することにより、ホール素子及びホール起電力信号検出回路の故障についての自己診断を、磁気センサとしての動作中に実行することが出来る。

磁気センサが製品として出荷された後の製品寿命の間に、ホール素子に関する故障が起こることが考えられるが、このような故障のなかで、ホール素子のオフセットに異常が現れる種類の故障モードについては、本発明に係る故障診断機能を備えた信号処理回路を備えた磁気センサにおいて、自己診断機能によって検出することが可能となる。
また、ここで、図６を見て解るように、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路において、故障の自己診断機能を実現するために追加された回路は、サーボ変数Ｘ（ｉ）の値とメモリに記憶されたＸｍｅｍの値の間の差異をモニタするための比較操作を行う簡単なデジタル回路だけとなるので、本発明の信号処理回路は、極めて低コストで故障の自己診断を実現し、高い信頼性を持つ磁気センサの実現にとって有効な回路構成である。

磁気センサのなかでも、モータのインバータ電流を非接触で検出する電流センサについては、電流センサによって検出された電流値に基づいて、モータの回転制御が行われている。したがって、本発明に係る故障診断機能を備えた信号処理回路によって、磁気センサとしての動作中の故障の自己診断が可能になることは、高い信頼性を備えた電流センサを安価に製造することが可能になることを意味している。

ここで、図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路は、ホール素子において発生するホール起電力信号を、第１のスイッチ回路１２において、チョッパークロック周波数ｆ＿ｃｈｏｐに変調して得られる信号Ｖｈａｌｌをトランジスタの差動対（Ｇｍ，１）１３１によって電流Ｉ１に変換した後、第３のスイッチ回路１３４においてチョッパー復調を行い、信号増幅されたホール起電力信号Ｖｏｕｔを生成するものであり、その信号増幅率は、数式６で表される。この図６に示した故障診断機能を有する信号処理回路では、信号増幅率（数式６）を決定するために、トランジスタの差動対（Ｇｍ，２）１３３からの電流Ｉ２が帰還されているために、一般に電流帰還型のチョッパーアンプと呼ばれている信号増幅回路構成のなかのひとつの回路形態であるが、信号増幅後のホール起電力信号ＶｏｕｔにおけるＲｉｐｐｌｅ状のノイズの発生をキャンセルするという目的に関しては、信号増幅回路の構成は、電流帰還型に限定されるものではない。したがって、本発明は、電流帰還型のチョッパーアンプの構成に限定されるものではない。

このように、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路は、適応制御の初期引き込み過程でのサーボ変数の値の変化をモニタする手段、ならびに、適応制御が収束した後のサーボ変数の値を、メモリに記憶されたサーボ変数の初期値（製品出荷時のキャリブレーション値）と比較する手段を、本発明の信号処理回路のなかに実装することにより、故障の自己診断機能を実現することが可能となる。

これは、磁気センサの出荷後、磁気センサが動作している状態での故障を検出する自己診断機能という意味において、高い信頼性が要求される磁気センサの実現にとって好適な特性である。
したがって、本発明に係る故障診断機能を有する信号処理回路は、インバータのスイッチング電流を検出する目的で使用される電流センサをはじめとした、ホール素子を用いた磁気センサにおいて高い信頼性を実現することが可能となる。

図１１は、本発明に係る故障診断機能を備えた信号処理回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。つまり、磁気センサが動作している状態での故障の自己診断機能を説明するためのフローチャートである。
電源が投入されて、本発明の信号処理回路がスタートアップ動作を開始するとき、以下の動作が実行される。

まず、ステップＳ１において、チョッパークロックカウンタの値が０に初期化される。つまり、チョッパークロックカウンタの値ｉを０に設定し、Ｎビットレジスタに格納されるサーボ変数に、メモリに記憶された値が代入されて、Ｘ（ｉ）＝Ｘ（０）＝Ｘｍｅｍとなる。また、フィードバック回路の適応制御（サーボ動作）に関して、スタートアップ動作における収束が完了したかどうかを記憶する目的のために図６のエラー信号生成回路のなかに実装されている２値の変数ＦＬＡＧ＿ＣＯＮＶが、収束が完了していないことを示す値である０に初期化される。つまり、ＦＬＡＧ＿ＣＯＮＶ＝０となる。

次に、ステップＳ２において、フィードバック回路の動作を実行され、Ｎビットレジスタに格納されたサーボ変数Ｘ（ｉ）の値が更新される。
次に、ステップ３において、サーボ変数Ｘ（ｉ）の値が更新されるたびに、ＦＬＡＧ＿ＣＯＮＶの値を確認して、条件分岐を行う。ＦＬＡＧ＿ＣＯＮＶの値が、収束が完了したことを示す値１になっていれば、収束がタイムアウトしているかどうかを確認するステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ６の動作は実行されず、ステップＳ３の次の動作ステップはステップＳ７となる。ここで、ＦＬＡＧ＿ＣＯＮＶの値が、収束が未完了であることを示す値０になっていれば、ステップＳ３の次の動作はステップＳ４となる。

次に、ステップＳ４においては、チョッパークロックカウンタの値ｉの値を、予め定められた値ＭＡＸ＿ＣＯＵＮＴと比較することにより、スタートアップ動作における収束を判定し、動作の条件分岐を行う。
次に、ステップＳ４において、チョッパークロックカウンタの値ｉが予め定められた値ＭＡＸ＿ＣＯＵＮＴを超えた場合には、スタートアップ動作における収束がタイムアウトしたと判断して、本発明の信号処理回路は、外部に向けてエラー信号を発行する。（ステップＳ４からステップＳ９に移行）
次に、ステップＳ５においては、スタートアップ時の収束の判定を行う。この判定方法の一例として、チョッパークロックカウンタの値について、カウンタ値がｉのときのサーボ変数の値Ｘ（ｉ）とカウンタ値がｉ−１のときのサーボ変数の値Ｘ（ｉ−１）との間の差をもとに判定を行うことが可能である。具体的には、数式１５に示すように、予め定められたしきい値Ｘｃｏｎｖに対して、｜Ｘ（ｉ）−Ｘ（ｉ−１）｜がしきい値Ｘｃｏｎｖ以下になったかどうかを判定基準とすることが出来る。

次に、ステップＳ６において、上述した判定方法（数式１５）に基づく判定により、スタートアップ時の収束が完了したと判定された場合、変数ＦＬＡＧ＿ＣＯＮＶの値が、収束が完了していないことを示す値０から、収束が完了したことを示す値１にセットされる。
次に、ステップＳ７においては、収束後のフィードバック回路のサーボ変数Ｘ（ｉ）の値が予め定められた許容範囲に入っているかどうかを確認し、条件分岐を行う。

次に、ステップＳ７において、サーボ変数Ｘ（ｉ）が収束した後の値と、メモリに記憶された値Ｘｍｅｍの間の乖離が、予め定められた許容範囲Ｘａｄｊを越えた場合には、ホール素子を用いた磁気センサにおいて、ホール素子のオフセットの異常または信号増幅回路のオフセットの異常と判断し、磁気センサからのエラー信号を発行する。（ステップＳ７からステップＳ９に移行）

反対に、ステップＳ７において、サーボ変数Ｘ（ｉ）が収束した後の値と、メモリに記憶された値Ｘｍｅｍの間の乖離が、予め定められた許容範囲Ｘａｄｊの範囲内であれば、ホール素子を用いた磁気センサにおいて、ホール素子および信号増幅回路のオフセットに異常はないと判断し、磁気センサからのエラー信号を発行されない。（ステップＳ７からステップＳ８に移行）
上述した動作のなかで異常が検出されたかどうかにかかわらず、本発明の信号処理回路は磁気センサとしての磁界信号を検出するセンサ動作を継続的に実行する。（ステップＳ８からステップＳ２への移行、ならびに、ステップＳ９からステップＳ２への移行）

以上、図１１を参照して、本発明の信号処理回路において故障診断機能を実行する動作の一例について説明を行った。この説明からも理解されるように、本発明の故障診断機能を有する信号処理回路は、インバータのスイッチング電流を検出する目的で使用される電流センサをはじめとした、ホール素子を用いた磁気センサにおいて高い信頼性を実現することが可能となる。また、上述したような本発明の故障診断機能を有する信号処理回路は、電流センサとして利用することもできる。

また、エラー信号生成回路は、適応制御によって決定される値に基づいてメモリに記憶された値を更新するメモリ更新部を備えていても良い。即ち、製品出荷後、電流センサが基板に実装された後で、電流センサを動作させて決まるサーボ変数Ｘ（ｉ）（ここでのｉの値は大きな数）の値を、メモリに書き込んでも良い。（出荷時のキャリブレーションで得られる値と比較して、実動作に応じた環境条件でのサーボ変数の初期値が得られる。）

１１ ホール素子
１２ 第１のスイッチ回路
１４ チョッパークロック発生回路
１００ 電流センサ
１０１ ホール素子
１０２ オフセット成分出力回路
１０３ 基準信号発生部（兼動作値記憶部；メモリ）
１０４ エラー信号生成回路
１０５ フィードバック回路
１０６ 信号増幅回路
１０７ オフセット成分推定部
１３１ 第１のトランジスタの差動対（Ｇｍ，１）
１３２ 第２のスイッチ回路
１３３ 第２のトランジスタの差動対（Ｇｍ，２）
１３４ 第３のスイッチ回路
１３５ 第４のトランジスタの差動対（Ｇｍ，ｏｕｔ）
１５１ チョッパークロックカウンタ
１５３ ＭビットＡＤ変換器
１５４ デジタル積分器
１５６ 選択回路
１５７ Ｎビットレジスタ
１５８ ＮビットＤＡ変換器
１５９ 第３のトランジスタの差動対（Ｇｍ，３）

Claims (19)

1. 信号成分とオフセット成分を含むホール素子の出力信号から、周波数変調により前記信号成分と前記オフセット成分とを分離し、前記オフセット成分を取り出すオフセット成分出力回路と、
   基準信号を出力する基準信号出力部と、
   前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分と前記基準信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成回路と
   を備えたことを特徴とする自己診断機能を有する電流センサ。
2. 前記オフセット成分出力回路は、ホール素子の出力を増幅し、前記信号成分と前記オフセット成分の何れか一方が直流を含む低周波成分に、他方がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力する信号増幅回路とを備え、該信号増幅回路の出力からオフセット成分を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
3. 前記オフセット成分を受け取り、該オフセット成分を前記信号増幅回路にフィードバックするフィードバック回路を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
4. 前記フィードバック回路は、前記信号増幅回路の前記出力信号に含まれるオフセット成分をキャンセルするように作用する適応制御によって前記オフセット成分を制御することを特徴とする請求項３に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
5. 前記フィードバック回路を動作させるための値が記憶された動作値記憶部を備え、前記フィードバック回路は、前記オフセット成分出力回路の出力と前記動作値記憶部の出力の一方を前記オフセット成分として設定する選択回路を備えていることを特徴とする請求項３又は４に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
6. 前記選択回路は、前記フィードバック回路の初動動作時に前記動作値記憶部の出力を前記オフセット成分として設定し、初動動作後に前記オフセット成分出力回路の出力を前記オフセット成分として設定することを特徴とする請求項５に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
7. 前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分に基づき、前記動作値記憶部に記憶された値を更新する動作値更新部を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
8. 前記信号増幅回路は、前記信号成分が直流を含む低周波成分に、前記オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力することを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の自己診断機能を有する電流センサ。
9. 前記信号増幅回路は、前記オフセット成分が直流を含む低周波成分に、前記信号成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された信号をトランスコンダクタンス素子により電流信号に変換して信号増幅し、該得られた信号を前記チョッパークロックの周期で変調することで、前記信号成分が直流を含む低周波成分に、前記オフセット成分がチョッパークロックに同期したリップル成分に変調された出力信号を出力することを特徴とする請求項８に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
10. 前記オフセット成分を受け取り、該オフセット成分を前記信号増幅回路にフィードバックするフィードバック回路を備え、該フィードバック回路は、前記オフセット成分をトランスコンダクタンス素子により電流信号に変換して信号増幅し、前記信号増幅回路にフィードバックすることを特徴とする請求項９に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
11. 前記オフセット成分出力回路は、前記信号増幅回路の出力を前記チョッパークロックの周期で同期検波することでオフセット成分を取り出すことを特徴とする請求項８，９又は１０に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
12. 前記基準信号出力部は、基準信号記憶部を備え、前記基準信号記憶部に記憶された値に基づき基準信号を出力することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の自己診断機能を有する電流センサ。
13. 前記基準信号記憶部に記憶された値は、前記オフセット成分を予め測定して得られる値であることを特徴とする請求項１２に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
14. 前記基準信号記憶部が、ＯＴＰＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
15. 前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分に基づき、前記基準信号記憶部に記憶された値を更新する基準信号更新部を備えることを特徴とする請求項１２，１３又は１４に記載の自己診断機能を有する電流センサ。
16. 前記エラー信号生成回路は、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分と、前記基準信号と、の比較結果に基づいて、エラー信号を生成することを特徴とする１乃至１５のいずれかに記載の自己診断機能を有する電流センサ。
17. 前記エラー信号生成回路は、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分が示す値と、前記基準信号が示す値との比又は差に基づいてエラー信号を生成することを特徴とする１乃至１６のいずれかに記載の自己診断機能を有する電流センサ。
18. 前記エラー信号生成回路は、前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分が示す値と、前記基準信号が示す値との比較を上限値と下限値とを用いて比較し、該比較結果に比較結果に基づいて、エラー信号を生成することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の自己診断機能を有する電流センサ。
19. 信号成分とオフセット成分を含む信号から、周波数変調により前記信号成分と前記オフセット成分とを分離し、前記オフセット成分を取り出すオフセット成分出力回路と、
    基準信号を出力する基準信号出力部と、
    前記オフセット成分出力回路が出力する前記オフセット成分と前記基準信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成回路と
    を備えたことを特徴とする自己診断機能を有する信号処理回路。

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