JP6457192B2 - ホール起電力信号処理装置、電流センサ及びホール起電力信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ホール起電力信号処理装置、電流センサ及びホール起電力信号処理方法に関する。

磁気センサとしては、ホール素子を使った構成が公知である。磁気センサは、磁石の位置の検出、近接センサ、リニア位置センサ及び回転角センサ等に用いられるばかりでなく、電流量を非接触で測定する電流センサにも使用されている。なお、電流量の測定は、電流導体を流れる電流によって誘起される磁場強度を検出することによって行われる。
電流センサのうち、特にモータのインバータ電流の検出に使用される電流センサには、モータ制御を効率的に行うため、高い周波数でスイッチングするインバータ電流を高精度に検出することが求められている。

ホール素子は、入力された磁束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、ホール素子は、基板からの応力や温度の変化等によって磁気感度が変動する。ホール素子の磁気感度の変動を抑えるため、磁気感度変動の補正や調整を行う技術が公知である。ホール素子の磁気感度を調整する公知の磁気センサは、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１には、磁気感知素子の感度を直接的、または間接的に測定し、測定された磁気センサの感度を調整する回路が記載されている。

特開２０１３−２２４９５８号公報

磁気検出用のホール素子を備えた磁気センサでは、ホール素子により外部磁場を検出する際に、駆動電流を流す向きを切り替えて磁気信号（ホール起電力信号）をチョッパ周波数で変調し、磁気信号を処理することが行われていた。しかしながら、特許文献１に記載の発明は、ホール素子の磁気感度の調整にあたり、電流を流す方向を考慮していない。このため、特許文献１に記載の発明は、上記処理において、充分高い精度を得ることができなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、ホール素子の感度を高い精度で調整することができるホール起電力信号処理装置、電流センサ及びホール起電力信号処理方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明の一態様のホール起電力信号処理装置は、磁場を検出する検出用ホール素子と、検出用ホール素子に供給される駆動電流の流れる方向を切替えるスイッチ回路と、検出用ホール素子の磁場検出の感度を調整する複数の感度調整用ホール素子と、複数の感度調整用ホール素子を各々囲んで配置される複数の内蔵コイルと、感度調整用ホール素子が生じるホール起電力に応じて駆動電流を生成し、生成された駆動電流を検出用ホール素子に供給する駆動電流生成回路と、を備え、スイッチ回路は、検出用ホール素子を流れる駆動電流の方向を、少なくとも、第１方向と、該第１方向と異なる第２方向の２方向に切り替え、複数の感度調整用ホール素子は、第１方向に駆動電流が流れる第１感度調整用ホール素子と、第２方向に駆動電流が流れる第２感度調整用ホール素子と、を含み、検出用ホール素子は、第１感度調整用ホール素子と第２感度調整用ホール素子との間に配置される。

また、本発明の一態様のホール起電力信号処理装置は、複数の端子を有し、磁場を検出する検出用ホール素子と、検出用ホール素子が有する複数の端子において、駆動電流が入力される入力端子を切替えるスイッチ回路と、複数の端子を有し、検出用ホール素子の磁場検出の感度を調整する少なくとも四つの感度調整用ホール素子と、複数の感度調整用ホール素子を各々囲んで配置される複数の内蔵コイルと、感度調整用ホール素子が生じるホール起電力に応じて駆動電流を生成し、生成された駆動電流を検出用ホール素子に供給する駆動電流生成回路と、を備え、検出用ホール素子が有する複数の端子及び感度調整用ホール素子が有する複数の端子は、第１端子及び該第１端子と対向する第１対向端子を含む第１端子対、並びに第２端子及び該第２端子と対向する第２対向端子を含む第２端子対を含み、スイッチ回路は、複数の端子のうちの第１端子と第２端子とを切替えていずれか一方を入力端子とし、感度調整用ホール素子において、駆動電流が第１端子対間または第２端子対間を流れ、検出用ホール素子は、複数の感度調整用ホール素子のうちの二つの感度調整用ホール素子の間であり、且つ複数の感度調整用ホール素子のうちの他の二つの感度調整用ホール素子の間に配置される。

また、本発明の一態様の電流センサは、請求項１から１４のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置を備える。
また、本発明の一態様のホール起電力信号処理方法は、第１端子、第２端子、第３端子及び第４端子を備え、外部磁場を検出する検出用ホール素子に、少なくとも、第１方向と、第１方向と異なる第２方向の２方向に駆動電流を流すステップと、第１端子、第２端子、第３端子及び第４端子を備え、検出用ホール素子に隣接して検出用ホール素子を挟んで両側に配置された第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子のうち、第１感度調整用ホール素子に駆動電流を第１方向に流し、第２感度調整用ホール素子に駆動電流を第１方向と異なる第２方向に流すステップと、第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子の周囲に配置された内蔵コイルにコイル電流を流すステップと、第１感度調整用ホール素子が出力したホール起電力及び第２感度調整用ホール素子が出力したホール起電力から感度調整信号を生成するステップと、感度調整信号に基づいて検出用ホール素子に流す駆動電流を制御するステップと、を含む。

また、本発明の一態様のホール起電力信号処理方法は、第１端子、該第１端子に対向する第３端子、第２端子及び該第２端子に対向する第４端子を備えた検出用ホール素子において、駆動電流が供給される端子を少なくとも第１端子と第２端子とに切替えるステップと、第１端子、第２端子、第３端子及び第４端子を備え、検出用ホール素子に隣接して検出用ホール素子を挟んで両側に配置された第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子のうち、第１感度調整用ホール素子の第１端子または第３端子から駆動電流を供給し、第２感度調整用ホール素子の第２端子または第４端子から駆動電流を供給するステップと、第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子の周囲に配置された内蔵コイルにコイル電流を流すステップと、第１感度調整用ホール素子が出力したホール起電力及び第２感度調整用ホール素子が出力したホール起電力から感度調整信号を生成するステップと、感度調整信号に基づいて検出用ホール素子に流す前記駆動電流を制御するステップと、を含む。

本発明によれば、検出用ホール素子において駆動電流が流れる方向と感度調整用ホール素子において駆動電流が流れる方向とを対応させている。このため、検出用ホール素子において駆動電流が流れる方向がホール起電力に及ぼす影響を感度調整用ホール素子において吸収することができる。したがって、本発明は、ホール素子の感度を高い精度で調整することができるホール起電力信号処理装置、電流センサ及びホール起電力信号処理方法を提供することができる。

公知の対称型ホール素子の構成を説明するための図である。 公知の対称型ホール素子の他の構成を説明するための図である。 ホール素子において行われる公知のチョッパ駆動を説明するための図である。 図３（ａ）、（ｂ）に示したホール素子において発生する信号波形を示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）に示したホール素子において発生する電圧信号の信号スペクトルを示す図である。 チョッパ駆動するホール素子のホール起電力信号処理装置を処理する回路を例示した図である。 図６に示したホール素子の駆動を詳細に説明するための図である。 図６に示したホール素子の駆動を詳細に説明するための他の図である。 本発明の一実施形態のホール起電力信号処理装置を説明するための図である。 本発明の一実施形態の電流センサの感度を調整するために用いられる内蔵コイルを説明するための図である。 本発明の一実施形態の検出用ホール素子と感度調整用ホール素子との配置を例示した図である。 本発明の一実施形態の駆動電流の切替えを概念的に示した図である。 本発明の一実施形態の検出用ホール素子と感度調整用ホール素子との配置の他の例を示した図である。 図１２に示した配線の他の構成を例示した図である。 本発明の一実施形態の検出用ホール素子と感度調整用ホール素子との配置の他の例を示した図である。 図１２に示した配置例において検出用ホール素子、感度調整用ホール素子を傾けて配置した例を示した図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、ホール起電力信号処理装置の構成に先だって、ホール素子について説明する。
［ホール素子］
磁電変換機能を有するホール素子としては、主としてSpinning Current Methodを適用することが可能な、いわゆる対称型ホール素子がある。
図１、図２は、対称型ホール素子の構成を説明するための図である。図１に示した対称型ホール素子１０は、ホール素子電源端子１２、１４、ホール起電圧出力端子１１、１３が設けられている。ホール素子電源端子１２とホール素子電源端子１４とは互いに対向して配置され、ホール起電圧出力端子１１とホール起電圧出力端子１３とは互いに対向して配置されている。

図２は、Popovicらによって考案された十字型形状の対称型ホール素子の構成を説明するための図である。図２に示した対称型ホール素子２０は、４つの凸部の各々には、少なくとも４つの端子が、互いに対向して位置するように設けられている。
すなわち、ホール素子電源端子２２、２４、ホール起電圧出力端子２１、２３が設けられている。ホール素子電源端子２２とホール素子電源端子２４とは、互いに対向して配置され、ホール起電圧出力端子２１とホール起電圧出力端子２３とは互いに対向して配置されている。

図１及び図２に示した対称型ホール素子１０、２０は、ホール素子電源端子の対とホール起電圧出力端子の対の配置を入れ替えても幾何学的形状は同一となることを意味し、換言すれば、対称型ホール素子とは、全体の形状が中心点（図示せず）を通る軸を回転軸として４回回転対称である（４回対称）ホール素子を意味する。
次に、ホール素子において行われる公知のチョッパ駆動について説明する。

［チョッパ駆動］
図３（ａ）、（ｂ）は、ホール素子のチョッパ駆動について説明するための図である。図３（ａ）、（ｂ）に示した例では、チョッパクロック信号の位相（以下、「チョッパクロック位相」と記す）がφ１とφ２との２値の間で切り替わるたび、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを０度方向と９０度方向とに切り替える。このような動作により、図３（ａ）、（ｂ）に示した回路は、ホール起電力を検出する。この際、図３中にＢで示した方向の磁束が検出される。

図３（ａ）は、チョッパクロック位相がφ１であって、駆動電流の向きが０度の状態のホール素子を示している。図３（ｂ）は、チョッパクロック位相がφ２であって、駆動電流の向きが９０度の状態のホール素子を示している。ホール素子は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の４つの抵抗を有する４端子の素子にモデル化されたホール素子である。ホール素子４の各端子を、図３において、端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４とする。端子ｃ１と端子ｃ３とは対向して配置され、端子ｃ２と端子ｃ４とは対向して配置される。

図３（ａ）、（ｂ）に示したホール素子において、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４の値は固定値でない場合がある。例えば、ホール素子４における抵抗が半導体基板中に形成されたウェルである場合、半導体製造時のプロセス勾配によってホール素子４の内部に不純物濃度の濃淡分布が発生する。このため、端子ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４のうち、いずれの端子からホール素子に駆動電流が供給されるかにより、ホール素子（Ｎウェル）内部での電位分布や空乏層の発生状況が変化する。

以上のことから、ホール素子における抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４の値は、駆動電流が供給される端子の位置によって変化する。
図３（ａ）、（ｂ）において、チョッパクロック位相がφ１（ホール素子の駆動方向は０度）のときと、チョッパクロック位相がφ２（ホール素子の駆動方向は９０度）の時に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束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、チョッパクロック位相にしたがって、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）の極性を反転することができる。このため、チョッパ駆動は、Ｖｓｉｇ（Ｂ）をチョッパクロック信号の周波数ｆ＿ｃｈｏｐに周波数変調することができる。一方で、ホール素子のオフセット電圧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）はチョッパクロック信号による周波数変調を受けない。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）は、上述した図３（ａ）、（ｂ）に示したホール素子において発生する信号波形を示す図である。図４（ａ）はチョッパクロック信号を示し、図４（ｂ）はチョッパクロック位相を示す。また、図４（ｃ）は、ホール素子の駆動方向を示し、図４（ｄ）は、ホール素子から出力される電圧信号Ｖｈａｌｌを示している。チョッパクロック位相φ１、φ２にしたがって、ホール素子の駆動電流の方向を０度と９０度の間で切替える場合、ホール素子において発生する電圧信号Ｖｈａｌｌは、図４（ａ）から図４（ｄ）に示すような波形となる。

図５は、ホール素子において発生する電圧信号Ｖｈａｌｌの信号スペクトルを示す図である。ホール素子において発生される信号のスペクトルは、図５に示すようなスペクトルとなることから、検出対象の磁束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。また、ホール起電力信号を処理する後段の回路のオフセット成分もＤＣであるため、チョッパ周波数で変調された磁気信号と分離することができる。

図６は、チョッパ駆動するホール素子を有するホール起電力信号処理装置を処理する回路を例示した図である。図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）は、図６に示した回路が、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを切替えながらホール起電力を検出する動作を説明するための図である。なお、図７（ａ）から図７（ｄ）に示した動作では、チョッパクロック位相がφ１、φ２、φ３、φ４の４つの値の間で切り替えられ、チョッパクロック位相の切替えに対応して駆動電流の向きが０度方向、９０度方向、２７０度方向、１８０方向と切り替えられる。

図６に示した回路は、ホール素子４、チョッパクロック生成回路６１、駆動電流生成回路６２、スイッチ回路６３及び信号処理回路６４を備えている。図７（ａ）から図７（ｄ）に示すように、図６に示した信号処理回路６４は、例えば、増幅器６４１と、復調用スイッチ回路６４２とによって構成される。
ホール素子４は、４つの端子ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４を備え、外部磁場と駆動電流とに応じて電圧信号Ｖｈａｌｌを発生させる。４つの端子を反時計回りに端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４とすると、端子ｃ１と端子ｃ３とが対向する位置に配置され、端子ｃ２と端子ｃ４とが対向する位置に配置される。なお、図６では、端子ｃ１から端子ｃ４を示したが、図６に示した回路は、端子ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４以外の端子を備えるものであってもよい。

チョッパクロック生成回路６１は、φ１、φ２、φ３、φ４のいずれかのチョッパクロック位相を有するチョッパクロック信号をスイッチ回路６３に供給する。スイッチ回路６３は、チョッパクロック生成回路６１から供給されたチョッパクロック信号に基づいて、ホール素子４の駆動電流の供給に使用される端子を切替える。図６に示した回路では、端子ｃ１から端子ｃ４は、端子ｖｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４の順番で切り替えられる。

なお、端子ｃ１から端子ｃ４を切替える順番は、特に限定されるものでなく、時計回り、または反時計回りのいずれの方向であってもよい。さらに、端子の切替は、隣り合って配置された端子を順に選択して行われるものに限定されるものではなく、例えば、端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ４、端子ｃ３の順番で、所謂「８の字」を書くように端子を切替えるものであってもよい。さらに、２方向チョッパ駆動の場合は、チョッパクロック信号位相に対応して、駆動電流の供給に使用される端子を切り替えるようにしてもよい。

また、スイッチ回路６３は、ホール素子４から出力されたホール起電力信号電圧を入力し、信号処理回路６４に出力する。信号処理回路６４は、ホール素子４が出力したホール起電力信号電圧を信号処理する。
図７Ａ（ａ）、（ｂ）及び図７Ｂ（ｃ）、（ｄ）は、図６に示したホール素子４の駆動電流の通電方向を決める端子対及びホール起電力信号を検出する端子対、チョッパー変調、復調のスイッチ切り替えを示した図である。

以下の表１は、ホール素子４の駆動電流の通電方向を決める端子を示し、表２は、ホール素子４のホール起電力信号を検出する端子を示している。ここで、端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４は、反時計回りに、順に端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４と並び、反時計回り方向を＋９０度方向（つまり、端子ｃ１から端子ｃ２の方向）、時計回り方向を−９０度方向（つまり、端子ｃ２から端子ｃ１の方向）として説明する。

ホール素子４において、ホール起電力信号を検出する場合、検出されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ３（復調前）は、表３のようになり、復調後の信号は表４のようになる。ここで、復調を行うチョッパクロック信号は、チョッパクロック位相がφ１からφ２への遷移時とφ３からφ４への遷移時に極性を切り替える信号である。
本実施形態において、復調用チョッパクロック信号は、反時計回りに＋９０度遷移時及び時計回りに−９０度遷移時に極性を切り替える信号となっている。

ここで、ホール素子４の磁束Ｂに対応した信号成分としてＶｓｉｇ（Ｂ）を用いた。一方、ホール素子４のオフセット成分については、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，２７０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，１８０°）を仮定している。これは、上述したように、各ホール素子内部で、半導体製造時のプロセス勾配に起因する不純物濃度の濃淡分布があるため、ホール素子の端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４のうち、どの端子から駆動電流が注入されるかによって、ホール素子内部での空乏層の発生状態が変わるためである。また、ホール起電力加算回路のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ａｄｄ）を仮定している。

上記したように、図６に示した回路は、ホール素子４において駆動電流を流す端子を周期的に切り替えてホール起電力信号をチョッパ周波数で変調する。図６に示した回路は、このような動作により、ホール起電力信号からホール素子のオフセット成分及び後段のオフセット成分を分離することができる。それにより、例えば、後段で復調することによって、磁気信号成分をＤＣ成分とし、ホール素子４のオフセット成分をチョッパ周波数帯域に変調することができる。また、図６に示した回路は、後段にＬＰＦ等を設けることにより、ＬＰＦ等でオフセット成分を除去し、磁気信号成分のみを取り出すことができる。

［ホール起電力信号処理装置］
図８は、本実施形態のホール起電力信号処理装置を説明するための図であって、電流センサに適用された構成を例示している。このようなホール起電力信号処理装置は、検出用センサが電流の変化を検出するものとする。
図８に示したホール起電力信号処理装置１は、磁場を検出するための検出用ホール素子８０１、駆動電流を生成し、生成された駆動電流を検出用ホール素子８０１に供給する駆動電流生成回路８０４、検出用ホール素子８０１に供給される駆動電流の流れ方向を切替えるスイッチ回路８０２及びチョッパクロック生成回路８０３及びスイッチ回路８０２の出力信号を処理する信号処理回路８０５を備えている。

また、ホール起電力信号処理装置１は、感度調整用ホール素子８０６、感度調整用ホール素子８０７及び感度調整用ホール素子８０６、８０７の出力信号に基づいて、駆動電流生成回路８０４に感度調整信号を出力する感度調整信号生成回路８１０を備えている。さらに、感度調整用ホール素子８０６とグランドとの間には定電流源８０８が接続されていて、感度調整用ホール素子８０７とグランドとの間には定電流源８１１が接続されている。

また、図８に示したホール起電力信号処理装置１は、感度調整用ホール素子８０６を囲むように配置された内蔵コイル（Ｂｃｏｉｌ（Ａ））と、感度調整用ホール素子８０７を囲むように配置された内蔵コイル（Ｂｃｏｉｌ（Ｂ））とを有している。なお、本実施形態では、検出用ホール素子８０１、感度調整用ホール素子８０６、８０７を全て図２に示した十字型形状の対称型ホール素子とする。

図２に示したように、検出用ホール素子８０１、感度調整用ホール素子８０６、８０７は、４つの端子を有している。４つの端子を反時計回りに順に端子ｃ１、端子ｃ２、端子ｃ３、端子ｃ４とすると、端子ｃ１と端子ｃ３は対向する位置に配置され、端子ｃ２と端子ｃ４とが対向する位置に配置される。
検出用ホール素子８０１及び感度調整用ホール素子８０６、８０７は、同一基板上に形成され、互いに隣接して配置されていることが好ましい。また、検出用ホール素子８０１及び感度調整用ホール素子８０６、８０７は、同一形状で、同一サイズであることが好ましい。

上記構成のうち、駆動電流生成回路８０４は、検出用ホール素子８０１に流れる駆動電流を生成する。駆動電流の大きさは、後述の感度調整信号生成回路８１０の感度調整信号に基づいて制御される。チョッパクロック生成回路８０３は、チョッパ周波数をもつチョッパクロック信号を生成し、スイッチ回路８０２に出力する。
本実施形態のチョッパクロック生成回路８０３は、２方向切替（９０度チョッパ駆動）でチョッパ駆動を行っている。チョッパクロック生成回路８０３のチョッパ駆動は、先に説明した図６のチョッパクロック生成回路６１のチョッパ駆動と同様に行われる。また、本実施形態は、チョッパクロック生成回路８０３が２方向切替のチョッパ駆動をするものに限定されるものでなく、４方向の切り替え（３６０度チョッパ駆動）でチョッパ駆動することも可能である。

チョッパクロック生成回路８０３は、チョッパクロック生成回路６１と同様にチョッパ駆動し、チョッパクロック信号を生成する。生成されたチョッパクロック信号は、スイッチ回路８０２に出力される。スイッチ回路８０２は、チョッパクロック信号に基づいて、検出用ホール素子８０１において駆動電流の供給に使用される端子を切替える。信号処理回路８０５は、端子を切替えながら入力されたホール起電力信号（チョッパ変調されたホール起電力信号）を増幅、復調する。なお、信号処理回路８０５は、チョッパ変調されたホール起電力信号を復調する復調用スイッチ回路を備えるものであってもよい。

感度調整用ホール素子８０６、８０７は、後述する内蔵コイルによって発生した磁場と後述する駆動電流源の駆動電流により、それぞれホール起電力信号を生成する。駆動電流源は、感度調整用ホール素子８０６及び感度調整用ホール素子８０７に駆動電流を供給する。
内蔵コイルは、コイル電流が流れることによって、磁場を発生させる。発生した磁場と駆動電流源の駆動電流により、感度調整用ホール素子８０６、８０７は、ホール起電力信号を生成する。本実施形態のホール起電力信号処理装置は、内蔵コイルにコイル電流を供給するコイル電流源Ｖｃｃを有している。

感度調整信号生成回路８１０は、感度調整用ホール素子８０６、８０７が生成したホール起電力信号から、検出用ホール素子８０１の感度変動を補正、調整するための感度調整信号を生成する。２方向切替のチョッパ駆動では、検出用ホール素子８０１の端子ｃ１から端子ｃ３へ駆動電流が流れるフェーズ１と、端子ｃ２から端子ｃ４へ駆動電流が流れるフェーズ２とがある。
感度調整用ホール素子８０６では、感度調整用ホール素子８０６の端子ｃ１から端子ｃ３へ（０度方向へ）駆動電流が流れ、または、端子ｃ３から端子ｃ１へ（１８０度方向へ）駆動電流が流れる。感度調整用ホール素子８０７においては、端子ｃ２から端子ｃ４へ（９０度方向へ）駆動電流が流れ、または、端子ｃ４から端子ｃ２へ（２７０度方向へ）駆動電流が流れる。

なお、上記例では、感度調整用ホール素子８０６はｃ１から端子ｃ３へ（０度方向へ）又はｃ３から端子ｃ１へ（１８０度方向へ）駆動電流を固定し、感度調整用ホール素子８０７はｃ２から端子ｃ４へ（９０度方向へ）又はｃ４から端子ｃ２へ（２７０度方向へ）駆動電流を固定しているが、感度調整用ホール素子も検出用ホール素子と同様にチョッパ駆動するように構成してもよい。この場合、検出用ホール素子８０１のチョッパ駆動の各フェーズに併せて、感度調整用ホール素子８０６、８０７もチョッパ駆動し、例えば、前述のフェーズ１では、感度調整用ホール素子８０６は０度方向へ駆動電流が流れ、感度調整用ホール素子８０７は９０度方向へ駆動電流が流れ、前述のフェーズ２では、感度調整用ホール素子８０６は１８０度方向へ駆動電流が流れ、感度調整用ホール素子８０７は２７０度方向へ駆動電流が流れる構成であってもよい。また、前述のフェーズ１では、感度調整用ホール素子８０６は０度方向へ駆動電流が流れ、感度調整用ホール素子８０７は９０度方向へ駆動電流が流れ、前述のフェーズ２では、感度調整用ホール素子８０６は９０度方向へ駆動電流が流れ、感度調整用ホール素子８０７は０度方向へ駆動電流が流れる構成であってもよい。

検出用ホール素子のチョッパ駆動の駆動電流方向を考慮して、チョッパ駆動しない感度調整用ホール素子の駆動電流方向の組み合わせを考慮すればよい。
以上の動作により、感度調整用ホール素子８０６及び感度調整用ホール素子８０７は、内蔵コイルが発生する磁場と駆動電流から生じるホール起電力信号を感度調整信号生成回路８１０に出力する。感度調整信号生成回路８１０は、感度調整信号に基づいて、検出用ホール素子８０１の駆動電流を制御する。

電流センサが形成された基板に応力が加わることによって検出用ホール素子８０１の感度が変動した場合、感度調整用ホール素子８０６、８０７は、間接的に検出用ホール素子８０１の感度変動を検出する。検出された感度の変動を示すホール起電力信号は、感度調整信号生成回路８１０を介して感度調整信号となる。感度調整信号は、駆動電流生成回路８０４に入力する。

例えば、検出用ホール素子８０１の感度が増大した場合、感度調整用ホール素子８０６、８０７の感度も変動する。このとき、感度調整用ホール素子８０６、８０７の内蔵コイルが発生する磁束Ｂｃｏｉｌと駆動電流Ｉとから生じるホール起電力信号は、増大することとなる。そのため、感度調整信号生成回路８１０は、ホール起電力の増大した量に応じて、駆動電流生成回路８０４の駆動電流を制御することによって、検出用ホール素子８０１の感度変動を補正、調整することができる。

また、検出用ホール素子８０１がチョッパ駆動される場合、応力等による感度変動の影響は、流れる駆動電流の向きによって異なることがある。本実施形態によれば、検出用ホール素子８０１がチョッパ駆動される方向に対応して感度調整用ホール素子８０６、８０７を備えているため、感度変動を精度良く調整、補正することができる。

［内蔵コイル］
次に、感度調整用ホール素子８０６、８０７の内蔵コイルについて説明する。
図９は、電流センサの感度を調整するために用いられる内蔵コイル３０を説明するための図である。内蔵コイル３０は、感度調整用ホール素子８０６、８０７と同一基板上に、感度調整用ホール素子８０６、８０７の配線層で使用されるメタル部材で作成される。内蔵コイル３０と感度調整用ホール素子８０６、８０７を同一基板上に形成することで、内蔵コイル３０と感度調整用ホール素子８０６、８０７との距離を近づけ、より強い磁場強度を得ることができる。

また、本実施形態は、多層の半導体プロセスを用いることにより、内蔵コイル３０のターン数を調整することも可能である。内蔵コイルに一定方向（図９中に矢印を示す：図９においては「時計回り」の方向とする）の電流を流すことにより、内蔵コイル内部に任意の磁場を発生することができる。ここで、図９を用い、内蔵コイル３０によって発生する磁場について説明する。

図９に示した通り、時計回りに電流が流れた場合、内蔵コイル３０の内側には紙面奥向き方向の磁束Ｂ１が発生する。一方、内蔵コイル３０の外側の点Ａにおいては、図９に示す通り、紙面手前側に磁束Ｂ２が発生する。磁束Ｂ１、Ｂ２の密度は、内蔵コイル３０を流れるコイル電流の大きさに比例し、内蔵コイル３０からの距離に反比例する。
図１０は、内蔵コイルから生じる磁場を検出するための感度調整用ホール素子８０６、８０７と、検出用ホール素子８０１との配置を例示した図である。図１０に示した例では、内蔵コイル８１６が隙間ｓを有する略円形形状を有している。また、内蔵コイル８１７が隙間ｓを有する略円形形状を有している。本実施形態では、このような内蔵コイルの形状を、以下、単に「円形」と記す。

感度調整用ホール素子８０６は、内蔵コイル８１６が形成する円形の内部に配置され、感度調整用ホール素子８０７は、内蔵コイル８１７が形成する円形の内部に配置される。感度調整用ホール素子８０６は、中心点が内蔵コイル８１６が形成する円形の中心点と一致するように配置される。感度調整用ホール素子８０７は、中心点が内蔵コイル８１７が形成する円形の中心点と一致するように配置される。このようにすることにより、感度調整用ホール素子８０６、８０７は、一定方向の磁場のみを検出できる。

本実施形態では、感度調整用ホール素子８０６、８０７と検出用ホール素子８０１とは同一サイズ、同一形状のものとした。ただし、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、感度調整用ホール素子８０６、８０７と検出用ホール素子８０１とのサイズや形状が異なっても良い。ただし、基板からの応力、温度等をより精度良く調整したい場合には、感度調整用ホール素子８０６、８０７と検出用ホール素子８０１が同一サイズ、同一形状であることが望まれる。また、図１０に示した構成では、感度調整用ホール素子８０６及び内蔵コイル８１６によって発生する磁場と、感度調整用ホール素子８０７及び内蔵コイル８１７によって発生する磁場との向きが反対になっている。しかし、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、感度調整用ホール素子８０６及び内蔵コイル８１６によって発生する磁場と、感度調整用ホール素子８０７及び内蔵コイル８１７によって発生する磁場との向きが同じ方向であっても良い。

また、本実施形態では、内蔵コイルを円形としたが、内蔵コイルの形状は、円形に限定されるものでなく、三角形、四角形、多角形のように、感度調整用ホール素子８０６、８０７が、一定方向の磁場のみを検出できる形状であればよい。
また、内蔵コイルに流す電流の向きを変えて感度調整用ホール素子に発生する磁場が正転、反転する構成としてもよい。
本実施形態では、感度調整用ホール素子８０６、感度調整用ホール素子８０７及び検出用ホール素子８０１を隣接して配置することにより、感度調整用ホール素子８０６、８０７が、検出用ホール素子８０１の感度変動を、間接的に精度良く検出することができる。

［感度調整用ホール素子の駆動電流の向き］
図１１は、検出用ホール素子８０１に流れる駆動電流が、チョッパ駆動によって、０度方向（端子ｃ１から端子ｃ３）、９０度方向（端子ｃ２から端子ｃ４）と切り替わることを概念的に示している。また、駆動電流は、感度調整用ホール素子８０６において０度方向（端子ｃ１から端子ｃ３）に供給され、感度調整用ホール素子８０７においては０度方向（端子ｃ２から端子ｃ４）に供給されている。なお、検出用ホール素子８０１及び感度調整用ホール素子８０６、８０７の各端子は、同じ方向に配置されている。

検出用ホール素子８０１がチョッパ駆動される場合、応力等による感度変動の影響は、駆動電流の向きによって相違することがある。本実施形態は、検出用ホール素子８０１がチョッパ駆動される方向に対応した駆動電流が流れる感度調整用ホール素子８０６、８０７を備えている。このため、本実施形態は、電流センサの感度変動を精度良く調整、補正することができる。

なお、図８に示した感度調整信号生成回路８１０は、感度調整用ホール素子８０６、８０７が出力したホール起電力信号に基づいて感度調整信号を生成する。感度調整信号生成回路８１０は、感度調整用ホール素子８０６が出力したホール起電力信号と、感度調整用ホール素子８０７が出力したホール起電力信号とを加算、または平均して感度調整信号を生成する構成であってもよい。また、感度調整信号生成回路８１０は、検出用ホール素子８０１のチョッパ駆動に合わせてホール起電力信号に重み付けをした上で感度調整用ホール素子８０６が出力したホール起電力信号と、感度調整用ホール素子８０７が出力したホール起電力信号とを加算、または平均してもよい。

さらに、感度調整信号生成回路８１０は、検出用ホール素子８０１のチョッパ駆動に合わせ、感度調整用ホール素子８０６、８０７のいずれかが出力したホール起電力信号に基づいて感度調整信号を生成する構成であってもよい。
［感度調整用ホール素子を４個設ける例］
図１２は、４つの感度調整用ホール素子と検出用ホール素子８０１との配置関係を例示した図である。図１２に示した感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７は、各々対応する円形の内蔵コイル８１６、８１７、９１６、９１７の内側に配置されている。円形の内蔵コイル８１６、８１７、９１６、９１７は、いずれも直線状の配線部９００と接続されている。配線部９００は、内蔵コイル８１６、８１７、９１６、９１７に電源ＶＣＣ及びＧＮＤを接続し、内蔵コイル８１６、８１７、９１６、９１７を単一の電流源によって駆動する。

図１２に示した構成では、検出用ホール素子８０１が２方向で駆動（９０度チョッパ駆動）されている。このため、感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７には、第１の方向、または第２の方向に沿って駆動電流が流れる。図１２では、感度調整用ホール素子８０７は端子ｃ１から端子ｃ３へ（０度方向）、感度調整用ホール素子８０６は端子ｃ２から端子ｃ４へ（９０度方向）、感度調整用ホール素子９０７は端子ｃ１から端子ｃ３へ（０度方向）、感度調整用ホール素子９０６は端子ｃ２から端子ｃ４へ（９０度方向）駆動電流が流れる。

なお、本実施形態の駆動電流の流れ方向は、上記した例に限定されるものではない。例えば、感度調整用ホール素子８０６を流れる駆動電流と感度調整用ホール素子８０７を流れる駆動電流とが同じ方向であってもよいし、感度調整用ホール素子９０６を流れる駆動電流と感度調整用ホール素子９０７を流れる電流とが同じ方向であってもよい。
検出用ホール素子８０１の駆動電流のオフセット成分は、Spinning Current Methodを２方向に流れる駆動電流の各々に適用することで分離することができる。

また、感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７と検出用ホール素子８０１の感度は、基板からの応力、温度等に対して同様の影響を受けることが望ましい。このため、本実施形態は、検出用ホール素子８０１がチョッパ駆動される方向に対応した駆動電流が流れる感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７を同一基板上に備える構成としている。このような本実施形態は、感度変動を精度良く調整、補正することができる。特に、本実施形態は、検出用ホール素子８０１の周囲に４個の感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７が隣接して配置されているため、より高い精度で検出用ホール素子８０１の感度調整及びホール起電力信号の補正が可能となる。

図１３は、図１２に示した配線部９００に代えて、配線部９２０を設けた例を示した図である。
図１４は、４つの感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７と検出用ホール素子８２１との配置関係の他の例を示した図である。検出用ホール素子８２１は、４方向で駆動（３６０度チョッパ駆動）する。感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７を流れる駆動電流は、第１の方向（０度方向）、第２の方向（９０度方向）、第３の方向（１８０度方向）、第４の方向（２７０度方向）に沿って流れる。感度調整用ホール素子８０７は、端子ｃ４から端子ｃ２へ（２７０度方向）、感度調整用ホール素子８０６は端子ｃ２から端子ｃ４へ（９０度方向）、感度調整用ホール素子９０７は端子ｃ１から端子ｃ３へ（０度方向）、感度調整用ホール素子９０６は端子ｃ３から端子ｃ１へ（１８０度方向）駆動電流が流れる。

なお、本実施形態は、図１４に示した例に限定されるものではない。例えば、感度調整用ホール素子８０６、感度調整用ホール素子８０７を流れる駆動電流の向きが１８０度方向または０度方向であり、感度調整用ホール素子９０６、感度調整用ホール素子９０７を流れる駆動電流の向きが９０度または２７０度方向であってもよい。
図１５は、図１２に示した検出用ホール素子８０１及び感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７が配置される角度を変えた一例である。図１５に示した構成であっても、上述の効果が得られる。

なお、本実施形態は、検出用ホール素子８０１による磁気検出と、感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７による感度調整とを、間欠動作してもよい。
また、本実施形態は、テスト工程等において、感度調整用ホール素子８０６、８０７、９０６、９０７によって検出用ホール素子８０１の感度調整を予め行う形態であってもよい。

以上説明した本発明は、高い精度が要求される電流センサや磁気センサに好適である。

１：ホール起電力信号処理装置、４：ホール素子、１０、２０：対称型ホール素子
１２，１４，２２，２４：ホール素子電源端子
１１，１３，２１，２３：ホール起電圧出力端子、３０，９１６，９１７：内蔵コイル
６１：チョッパクロック生成回路、６２：駆動電流生成回路、６３：スイッチ回路
６４：信号処理回路，６４１：増幅器、６４２：復調用スイッチ回路
８０１，８２１，９０１：検出用ホール素子、８０２：スイッチ回路
８０３：チョッパクロック生成回路、８０４：駆動電流生成回路、８０５：信号処理回路
８０６，８０７，９０６，９０７：感度調整用ホール素子
８０８，８１１：定電流源、８１０：感度調整信号生成回路
８１６，８１７ 内蔵コイル，９００，９２０：配線部

Claims (18)

1. 磁場を検出する検出用ホール素子と、
   前記検出用ホール素子に供給される駆動電流の流れる方向を切替えるスイッチ回路と、
   前記検出用ホール素子の磁場検出の感度を調整する複数の感度調整用ホール素子と、
   複数の前記感度調整用ホール素子を各々囲んで配置される複数の内蔵コイルと、
   前記感度調整用ホール素子が生じるホール起電力に応じて前記駆動電流を生成し、生成された前記駆動電流を前記検出用ホール素子に供給する駆動電流生成回路と、を備え、
   前記スイッチ回路は、前記検出用ホール素子を流れる前記駆動電流の方向を、少なくとも、第１方向と、該第１方向と異なる第２方向の２方向に切り替え、
   複数の前記感度調整用ホール素子は、前記第１方向に前記駆動電流が流れる第１感度調整用ホール素子と、前記第２方向に前記駆動電流が流れる第２感度調整用ホール素子と、を含み、
   前記検出用ホール素子は、前記第１感度調整用ホール素子と前記第２感度調整用ホール素子との間に配置されるホール起電力信号処理装置。
2. 前記検出用ホール素子及び前記感度調整用ホール素子は、複数の端子を有し、前記駆動電流の流れる方向は、前記端子の組合せによって決定する請求項１に記載のホール起電力信号処理装置。
3. 複数の端子を有し、磁場を検出する検出用ホール素子と、
   前記検出用ホール素子が有する複数の前記端子において、駆動電流が入力される入力端子を切替えるスイッチ回路と、
   複数の端子を有し、前記検出用ホール素子の磁場検出の感度を調整する少なくとも四つの感度調整用ホール素子と、
   複数の前記感度調整用ホール素子を各々囲んで配置される複数の内蔵コイルと、
   前記感度調整用ホール素子が生じるホール起電力に応じて前記駆動電流を生成し、生成された前記駆動電流を前記検出用ホール素子に供給する駆動電流生成回路と、を備え、
   前記検出用ホール素子が有する複数の前記端子及び前記感度調整用ホール素子が有する複数の前記端子は、第１端子及び該第１端子と対向する第１対向端子を含む第１端子対、並びに第２端子及び該第２端子と対向する第２対向端子を含む第２端子対を含み、
   前記スイッチ回路は、複数の前記端子のうちの前記第１端子と前記第２端子とを切替えていずれか一方を前記入力端子とし、
   前記感度調整用ホール素子において、前記駆動電流が前記第１端子対間または前記第２端子対間を流れ、
   前記検出用ホール素子は、複数の前記感度調整用ホール素子のうちの二つの感度調整用ホール素子の間であり、且つ前記複数の前記感度調整用ホール素子のうちの他の二つの感度調整用ホール素子の間に配置されるホール起電力信号処理装置。
4. 複数の前記感度調整用ホール素子は、第１感度調整用ホール素子、第２感度調整用ホール素子、第３感度調整用ホール素子及び第４感度調整用ホール素子を含み、
   前記検出用ホール素子及び前記感度調整用ホール素子は、前記第１端子と、前記第１端子と対向する第３端子と、前記第２端子と、前記第２端子と対向する第４端子と、を有し、
   前記スイッチ回路は、少なくとも前記第１端子と前記第２端子とを切替えて、いずれか一方を前記入力端子とし、
   前記第１感度調整用ホール素子においては、前記第１端子から前記駆動電流が供給され、
   前記第２感度調整用ホール素子においては、前記第２端子から前記駆動電流が供給され、
   前記第３感度調整用ホール素子においては、前記第３端子から前記駆動電流が供給され、
   前記第４感度調整用ホール素子においては、前記第４端子から前記駆動電流が供給される請求項３に記載のホール起電力信号処理装置。
5. 複数の前記感度調整用ホール素子は、第１感度調整用ホール素子、第２感度調整用ホール素子、第３感度調整用ホール素子及び第４感度調整用ホール素子を含み、
   前記検出用ホール素子及び前記感度調整用ホール素子は、前記第１端子と、前記第１端子と対向する第３端子と、前記第２端子と、前記第２端子と対向する第４端子と、を有し、
   前記スイッチ回路は、前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子及び前記第４端子を切替えて、いずれか一つを前記入力端子とし、
   前記第１感度調整用ホール素子においては、前記第１端子から前記駆動電流が供給され、
   前記第２感度調整用ホール素子においては、前記第２端子から前記駆動電流が供給され、
   前記第３感度調整用ホール素子においては、前記第３端子から前記駆動電流が供給され、
   前記第４感度調整用ホール素子においては、前記第４端子から前記駆動電流が供給される請求項３に記載のホール起電力信号処理装置。
6. 前記検出用ホール素子及び前記感度調整用ホール素子の複数の前記端子は、前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子、前記第４端子の順で円周に沿って配置され、
   前記スイッチ回路は、前記検出用ホール素子の前記端子を、前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子、前記第４端子の順に切替える、または、前記第１端子、前記第２端子、前記第４端子、前記第３端子の順に切替える、
   請求項５に記載のホール起電力信号処理装置。
7. 前記内蔵コイルは、
   前記第１感度調整用ホール素子の周囲を取り囲む第１磁場発生コイルと、
   前記第２感度調整用ホール素子の周囲を取り囲む第２磁場発生コイルと、
   前記第３感度調整用ホール素子の周囲を取り囲む第３磁場発生コイルと、
   前記第４感度調整用ホール素子の周囲を取り囲む第４磁場発生コイルと、を含む請求項４から６のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
8. 前記第１感度調整用ホール素子、前記第２感度調整用ホール素子、前記第３感度調整用ホール素子及び前記第４感度調整用ホール素子は、前記検出用ホール素子を中央に、４回対称の位置に配置されている請求項４から７のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
9. 前記検出用ホール素子と、前記第１感度調整用ホール素子、前記第２感度調整用ホール素子、前記第３感度調整用ホール素子及び前記第４感度調整用ホール素子とにおいて、前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子及び前記第４端子の向きが同じである請求項４から８のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
10. 前記検出用ホール素子は、前記第１感度調整用ホール素子及び前記第２感度調整用ホール素子それぞれとの距離が同一となる位置に配置される請求項１または２に記載のホール起電力信号処理装置。
11. チョッパクロック信号を生成するチョッパクロック信号生成回路を備え、
    前記スイッチ回路は、前記チョッパクロック信号にしたがって前記駆動電流の流れる方向を切替える請求項１、２、１０のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
12. 前記第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子の各ホール起電力から感度調整信号を生成する感度調整信号生成回路をさらに有し、前記駆動電流生成回路は、前記感度調整信号に基づいて前記駆動電流を生成する請求項１または２に記載のホール起電力信号処理装置。
13. 前記第１感度調整用ホール素子から第４感度調整用ホール素子の各ホール起電力から感度調整信号を生成する感度調整信号生成回路をさらに有し、前記駆動電流生成回路は、前記感度調整信号に基づいて前記駆動電流を生成する請求項４から９のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
14. 前記検出用ホール素子は、前記複数の前記感度調整用ホール素子のうちの二つの感度調整用ホール素子それぞれとの距離が同一となり、且つ前記他の二つの感度調整用ホール素子それぞれとの距離が同一となる位置に配置される請求項３から９のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
15. 前記検出用ホール素子と、前記感度調整用ホール素子は、隣接して配置される請求項１から１４のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載のホール起電力信号処理装置を備えた電流センサ。
17. 第１端子、第２端子、第３端子及び第４端子を備え、外部磁場を検出する検出用ホール素子に、少なくとも、第１方向と、第１方向と異なる第２方向の２方向に駆動電流を流すステップと、
    第１端子、第２端子、第３端子及び第４端子を備え、前記検出用ホール素子に隣接して該検出用ホール素子を挟んで両側に配置された第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子のうち、前記第１感度調整用ホール素子に駆動電流を第１方向に流し、前記第２感度調整用ホール素子に駆動電流を前記第１方向と異なる第２方向に流すステップと、
    前記第１感度調整用ホール素子及び前記第２感度調整用ホール素子の周囲に配置された内蔵コイルにコイル電流を流すステップと、
    前記第１感度調整用ホール素子が出力したホール起電力及び前記第２感度調整用ホール素子が出力したホール起電力から感度調整信号を生成するステップと、
    前記感度調整信号に基づいて前記検出用ホール素子に流す前記駆動電流を制御するステップと、
    を含むホール起電力信号処理方法。
18. 第１端子、該第１端子に対向する第３端子、第２端子及び該第２端子に対向する第４端子を備えた検出用ホール素子において、駆動電流が供給される端子を少なくとも前記第１端子と前記第２端子とに切替えるステップと、
    前記第１端子、前記第２端子、前記第３端子及び前記第４端子を備え、前記検出用ホール素子に隣接して該検出用ホール素子を挟んで両側に配置された第１感度調整用ホール素子及び第２感度調整用ホール素子のうち、前記第１感度調整用ホール素子の前記第１端子または前記第３端子から駆動電流を供給し、前記第２感度調整用ホール素子の前記第２端子または前記第４端子から駆動電流を供給するステップと、
    前記第１感度調整用ホール素子及び前記第２感度調整用ホール素子の周囲に配置された内蔵コイルにコイル電流を流すステップと、
    前記第１感度調整用ホール素子が出力したホール起電力及び前記第２感度調整用ホール素子が出力したホール起電力から感度調整信号を生成するステップと、
    前記感度調整信号に基づいて前記検出用ホール素子に流す前記駆動電流を制御するステップと、
    を含むホール起電力信号処理方法。

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