JP4476309B2 - 電流センサ装置の調整方法 - Google Patents

Description

この発明は、磁束に応じて抵抗値が変化するホール素子を用いた電流センサ装置の調整方法に関するものである。

図１０は、例えば、特許文献１に同様の技術が開示されているように、従来から一般的に使用されている電流センサ装置の回路構成を示す図である。この図において、符号１０はホール素子を示し、このホール素子１０は、入力端子ａ、ｄ間に定電圧電源ＶＣＣが接続され、オペアンプ１１とトランジスタ１２を介して定電流駆動されている。ホール素子１０の出力端子ｂ、ｃは、ホール素子１０の出力信号を増幅する増幅回路である差動増幅回路１３に接続されている。抵抗１４はホール素子１０のゲイン温度特性を補正するための抵抗であり、可変抵抗１５はホール素子１０の駆動定電流を調整するための第１のトリミング抵抗である。また、可変抵抗１６はオフセット電圧を調整するための第２のトリミング抵抗である。なお、ホール素子１０は、定電流駆動に限らず、定電圧駆動とする回路構成としてもよい。

次に、上記のように構成された電流センサ装置のゲイン調整方法、並びにオフセット電圧調整方法について説明する。
図１１において、今仮に、Ｌ１を目標値とする電流センサ装置の特性とする。ホール素子１０への入力電流が０（Ａ）の時の出力電圧、即ち、オフセット電圧がＶｏｆｆ（Ｖ）、入力電流を＋Ｉ（Ａ）供給したときのゲイン幅が＋Ｖｇ（Ｖ）で出力電圧はＶｏｆｆ＋Ｖｇ（Ｖ）、入力電流を−Ｉ（Ａ）供給したときのゲイン幅が−Ｖｇ（Ｖ）であり、出力電圧はＶｏｆｆ−Ｖｇ（Ｖ）となるような特性である。

電流センサ装置を調整する前の特性が、例えばＬ２の特性であり、このＬ２の特性の電流センサ装置に対し、図１０に示す第１のトリミング抵抗１５をトリミングしてゲインを調整し、また第２のトリミング抵抗１６をトリミングしてオフセット電圧を調整することにより、目標値の特性Ｌ１となるように調整を実施する。

ゲイン調整の方法を説明する。まず、電流未供給時のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１（Ｖ）を測定する。次に、電流＋Ｉ（Ａ）を供給し、差動増幅回路１３の出力をフィードバックしながら、出力電圧がＶｏｆｆ１＋Ｖｇ（Ｖ）となるＬ３の特性まで、第１のトリミング抵抗１５をトリミングする。これでゲイン幅の調整が終了である。

次に、オフセット電圧の調整方法を図１２にて説明する。オフセット電圧の調整は、電流未供給の状態で、差動増幅回路１３の出力をフィードバックしながら、出力電圧がＶｏｆｆとなるＬ４の特性となるところまで、第２のトリミング抵抗１６をトリミングする。これで、電流センサ装置の調整が完了する。しかし、この時、電流センサ装置の出力特性は目標値とする特性Ｌ１には一致していない。

上記のように、従来の電流センサ装置の調整方法においては、ゲイン幅の調整をした後、オフセット電圧がＶｏｆｆ１からＶｏｆｆ２に変化するため、ゲイン幅が＋Ｖｇにならないという問題がある。これは、図１３に示すように、ホール素子１０は、駆動電流を変えることによりオフセット電圧が変わる特性を有しているためである。

このため、電流センサ装置の調整を終了した後、出力特性を検査する工程において、Ｌ１の目標値との差を比較して、許容精度を越えるものについては、電流センサ装置の回路基板を廃却するか、もしくはホール素子１０と第１及び第２のトリミング抵抗１５，１６を交換して再度、トリミングを実施するなど、調整に煩わしさが生じてコストアップの要因となっていた。

ところで、電流センサ回路基板の廃却や部品を置き換えての再トリミングを回避するため、ゲイン幅を調整する前に、ホール素子のオフセット電圧が零になる調整を行い、その後ゲイン幅を調整する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２０５６０号公報（段落００１６〜段落００１８、図１、図５） 特開平８−３２７４８２号公報（段落００１４〜段落００１８、図３）

上記特許文献２に開示された方法によれば、目標値とする電流センサの特性を得ることはできるが、ゲイン調整前に零オフセット調整するための調整工程、その後のゲイン調整工程、最後にオフセット調整工程と、合計３つの調整工程が必要である。従って、高価な調整器を使用する時間が長くなるため、大量生産した場合、調整器の設備能力が不足しやすく、新たな調整器購入が必要となり、やはりコストアップの要因となっていた。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、基板の廃却や再トリミングがなく、かつ調整工程も少なくて済む、低コストを目的とした電流センサ装置の調整方法を提供するものである。

この発明に係る電流センサ装置の調整方法は、磁束に応じて抵抗値が変化するホール素子と、上記ホール素子を駆動するための定電圧回路または定電流回路と、上記ホール素子からの出力信号を増幅する増幅回路とを備えた電流センサ装置を、上記増幅回路の出力をフィードバックしながら調整する電流センサ装置の調整方法において、上記電流センサ装置のゲインを調整するときのゲイン調整目標値を、上記ゲインの調整により生じるオフセット電圧の変化量を補正したゲイン調整目標値として調整し、その後、上記オフセット電圧を調整するものである。

この発明によれば、基板の廃却や再トリミングの必要がなく、かつ調整工程も少なくて済み、低コスト効果を発揮する電流センサ装置の調整方法を得ることができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電流センサ装置の調整方法について好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電流センサ装置の回路構成図であり、ホール素子１の出力端子ｂ、ｃに、ランドＸ，Ｙが設けられている。このランドＸ，Ｙは、ランド間開閉手段２により開閉されるように構成されている。また、ホール素子１の駆動定電流を調整するための第１のトリミング抵抗３が設けられており、この第１のトリミング抵抗３には、後述するように、ゲインの調整により生じるオフセット電圧の変化量を補正したゲイン調整目標値が入力される。また、オフセット電圧を調整するための第２のトリミング抵抗１６が設けられている。この第１のトリミング抵抗３は電流センサ装置のゲイン調整手段として機能し、第２のトリミング抵抗１６は電流センサ装置のオフセット電圧調整手段として機能する。なお、その他については図１０において説明した従来の回路構成図と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態１に係る電流センサ装置は上記のように構成されており、次に、その調整方法について図１〜図６を用いて説明する。
まず、電流未供給の状態で、ホール素子１の出力端子ｂ、ｃに接続されたランドＸ，Ｙ間をランド間開閉手段２により外部で短絡し、零オフセット電圧Ｖｏｆｆ３を測定すると共に、ランド間開閉手段２を開放してランドＸ，Ｙ間の短絡を外し、非零オフセット電圧Ｖｏｆｆ１を測定する。次に、電流＋Ｉ（Ａ）を供給して、ゲイン調整前のゲイン幅Ｖｇ１を測定する。これらの測定を実施した様子を図２及び図３に示している。

ここで、非零オフセット電圧Ｖｏｆｆ１と零オフセット電圧Ｖｏｆｆ３の値に差があるのは、前述したとおりホール素子１にオフセット電圧があるためである。ホール素子１のオフセット電圧は、一般的に駆動電流と比例関係にある。零オフセット電圧Ｖｏｆｆ３と非零オフセット電圧Ｖｏｆｆ１の電圧差は、ゲイン調整前の駆動電流における、ホール素子１のオフセット電圧×差動増幅回路１３のゲインとなっている。

ここで、電流センサ装置の第１のトリミング抵抗３を調整してゲインを変化させることによるオフセット電圧の変化量の計算について、図４を用いて説明する。

図１に示す回路構成において、ゲインを調整するとホール素子１の駆動電流が変わるため、ホール素子１のオフセット電圧が変化する。ホール素子１のオフセット電圧と駆動電流は比例関係にあり、また駆動電流と調整ゲイン幅も比例関係にあるため、結果、調整ゲイン幅とホール素子１のオフセット電圧も比例関係となる。そのため、ゲイン調整後におけるホール素子１のオフセット電圧の変化による電流センサ装置のオフセット電圧変化量は、次の（１）式で計算することができる。
ゲイン調整前後の電流センサ装置のオフセット電圧変化量＝
目標ゲインＶｇ÷調整前ゲインＶｇ１×（零オフセット電圧Ｖｏｆｆ３−非零オフセ
ット電圧Ｖｏｆｆ１） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
よって、ゲイン調整後のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２は、次の（２）式で計算される。
ゲイン調整後のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２＝
目標ゲインＶｇ ÷ 調整前ゲインＶｇ１×（零オフセット電圧Ｖｏｆｆ３−非零オフ
セット電圧Ｖｏｆｆ１）＋非零オフセット電圧Ｖｏｆｆ１ ・・・・・（２）

上記計算でゲイン調整後のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２が分かるので、ゲイン調整は＋Ｉ（Ａ）の電流を供給し、差動増幅回路１３の出力をフィードバックしながら、出力電圧が
「ゲイン調整後のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２＋目標ゲインＶｇ」となるところまで、第１のトリミング抵抗３をトリミングすればよい。この様子を図５に示す。この方法をとれば、ゲイン幅が正確に目標ゲインＶｇとなる特性Ｌ３となる。これでゲイン調整完了する。

次に、オフセット電圧を調整する。オフセット電圧の調整は、電流未供給の状態で差動増幅回路１３の出力をフィードバックしながら、出力電圧がＶｏｆｆとなるところまで、第２のトリミング抵抗１６をトリミングする。この様子を図６に示す。ゲインの調整、及びオフセット電圧の調整が完了した特性は、目標値とする特性Ｌ１に一致する。

なお、上記実施の形態１においては、ホール素子１の出力端子ｂ、ｃに設けられたランドＸ，Ｙ間をランド間開閉手段２により開閉する構成について図示説明したが、ランドＸ，Ｙ間はランド間開閉手段２を用いなくても、他の手段、例えば人的操作により、開閉しても良く、設計的変更は可能である。

以上のように、実施の形態１に係る電流センサ装置の調整方法によれば、調整後の特性を目標値とする特性Ｌ１に調整でき、目標特性から外れることがなくなる。従って、電流センサ基板を廃却したり、部品を載せ変えて再調整する必要がなく、また、前記特許文献１による方法と比べても、零オフセット電圧に設定するための調整工程がなく、従来と同じ２回の調整で済み設備能力を大きく取れるため、低コスト化に寄与できる効果がある。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る電流センサ装置の調整方法について図７〜図９を用いて説明する。図７は実施の形態２に係る電流センサ装置の回路構成図であり、実施の形態１で説明した第１及び第２のトリミング抵抗を使用する代わりに、ＥＥＰＲＯＭと８ビットＲ−２Ｒラダー抵抗を用いたデジタルトリミングの構成としたものである。

符号７０はＥＥＰＲＯＭを示し、符号７１はゲイントリミング部を示している。ゲイントリミング部７１は第１の８ビットＲ−２Ｒラダー抵抗７２とオペアンプ７３より構成されている。また、符号７４はオフセットトリミング部を示し、このオフセットトリミング部７４は第２の８ビットＲ−２Ｒラダー抵抗７５とオペアンプ７６より構成されている。

実施の形態１において第１及び第２のトリミング抵抗が実装されていた個所には、抵抗値が固定されている薄膜抵抗Ｒｉ，Ｒｏを用いている。なお、抵抗１４は実施の形態１と同様にホール素子１のゲイン温度特性を補正するための抵抗であり、その他の構成についても実施の形態１と同様であるので、同一符号を付すことにより説明を省略する。

実施の形態２に係る電流センサ装置は上記のように構成されており、実装されているホール素子１は、予めホール素子単体で駆動電流とオフセット電圧の関係が図８に示すように取得されている。ホール素子単体でオフセット電圧を測定する時の駆動電流は、図７に示す回路構成におけるゲイン調整前のホール素子駆動電流としている。ゲイン調整前のホール素子駆動電流は、ゲイントリミング部７１の８ビットの初期データを例えばＦＦｈとすれば、次の（３）式の計算で求めることが出来る。
ゲイン調整前駆動電流＝
Ｖｃｃ×２５５÷２５６×（Ｒ２＋Ｒｒ）÷（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒｒ）÷Ｒｉ ・・（３）
ここで、抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒｉは、抵抗値が固定されている薄膜抵抗を使用することにより、抵抗値精度が良いため、駆動電流を精度良く計算することが可能である。なお、レーザトリミング抵抗は初期抵抗値バラツキが大きく、駆動電流が精度良く計算できないため、デジタルトリミング構成とするのが望ましい。

次に、電流センサ装置の調整方法について説明する。目標とする特性は、実施の形態１と同じ図２，図３の特性Ｌ１とする。
まず、電流未供給の状態にて、オフセット電圧Ｖｏｆｆ１を測定する。次に、＋Ｉ（Ａ）の電流を供給し、ゲイン調整前のゲイン幅Ｖｇ１を測定する。

ここで、ゲイン調整後のオフセット電圧の変化量を計算する。図７の回路構成において、ゲインを調整するとホール素子駆動電流が変わるので、ホール素子１のオフセット電圧が変化する。調整ゲイン幅とホール素子１のオフセット電圧は前述のとおり比例関係にあるため、ゲイン調整後のホール素子１のオフセット電圧Ｖｈｏｆｆ２は次の（４）式にて計算できる。
ゲイン調整後のホール素子１のオフセット電圧Ｖｈｏｆｆ２＝
Ｖｈｏｆｆ１×Ｖｇ÷Ｖｇ１ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
ここで、Ｖｈｏｆｆ１は、ゲイン調整前駆動電流におけるホール素子単体で測定したオフセット電圧である。

差動増幅回路１４のゲインをＧとすれば、ゲイン調整後のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２は、次の（５）式により計算できる。
Ｖｏｆｆ２＝Ｖｏｆｆ１−Ｖｈｏｆｆ１×Ｇ＋Ｖｈｏｆｆ１×Ｇ ・・・（５）

上記計算でゲイン調整後のオフセット電圧Ｖｏｆｆ２が分かるので、ゲイン調整は＋Ｉ（Ａ）の電流を供給し、差動増幅回路１３の出力をフィードバックしながら、出力電圧がＶｏｆｆ２＋Ｖｇとなるところまで、ＥＥＰＲＯＭ７０に書き込むゲイントリミング部７１のデータを、初期ＦＦｈから下げていけばよい。この様子を図９に示す。このようにすれば、ゲイン幅が正確にＶｇとなる特性Ｌ３となる。これでゲインの調整が完了する。

次に、オフセット電圧を調整する。オフセット電圧の調整は、電流未供給の状態で、差動増幅回路１３の出力をフィードバックしながら、出力電圧がＶｏｆｆとなるところまで、ＥＥＰＲＯＭ７０に書き込むオフセットトリミング部７４のデータを変えればよい。この様子を図６に示す。ゲイン調整及びオフセット調整が完了した特性は、目標値とする特性Ｌ１となる。

以上のように、実施の形態２に係る電流センサ装置の調整方法によれば、調整後の特性を目標値とする特性Ｌ１に出来るため、従来例のように、目標特性から外れた場合に電流センサ基板を廃却したり、部品を載せ変えて再調整する必要がなく、また、前記特許文献１による方法と比べて調整工程も２回で済むので低コスト化に寄与できる効果がある。

この発明は、低コストを目的とした電流センサ装置の調整方法に利用できる。

この発明の実施の形態１に係る電流センサ装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電流センサ装置の零オフセット電圧と非零オフセット電圧を示す図である。 この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る電流センサ装置のゲイン調整前のゲイン幅を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電流センサ装置のゲイン調整によるオフセット電圧変化量の計算を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る電流センサ装置のゲイン調整時の目標電圧とゲイン調整後の特性の説明図である。 この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る電流センサ装置のオフセット調整の説明図である。 この発明の実施の形態２に係る電流センサ装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態２に係る電流センサ装置のゲイン調整によるオフセット電圧変化量の計算の説明図である。 この発明の実施の形態２に係る電流センサ装置のゲイン調整時の目標電圧とゲイン調整後の特性の説明図である。 従来から使用されている電流センサ装置の回路構成を示す図である。 従来のゲイン調整時の目標電圧とゲイン調整後の特性の説明図である。 従来のオフセット調整と調整完了後の特性の説明図である。 ホール素子のオフセット電圧と駆動電流の関係を示す図である。

符号の説明

１，１０ ホール素子
２ ランド間開閉手段
３，１５ 第１のトリミング抵抗
１１ オペアンプ
１２ トランジスタ
１３ 差動増幅回路
１４ 抵抗
１６ 第２のトリミング抵抗
ＶＣＣ 定電圧電源
Ｘ，Ｙ ランド
Ｌ１ 目標とする特性
Ｌ２ ゲイン調整前の特性
Ｌ３ ゲイン調整後の特性
Ｌ４ ゲイン／オフセット調整後の特性
Ｖｏｆｆ 目標とする特性のオフセット電圧
Ｖｏｆｆ１ ゲイン調整前のオフセット電圧（非零オフセット電圧）
Ｖｏｆｆ２ ゲイン調整後のオフセット電圧
Ｖｏｆｆ３ ホール素子出力ショート時のオフセット電圧（零オフセット電圧）
Ｖｇ 目標とする特性の＋Ｉ（Ａ）供給したときのゲイン幅
Ｖｇ１ ゲイン調整前の＋Ｉ（Ａ）供給したときのゲイン幅
Ｖｈｏｆｆ１ ゲイン調整前駆動電流でのホール素子のオフセット電圧
Ｖｈｏｆｆ２ ゲイン調整後駆動電流でのホール素子のオフセット電圧

Claims (6)

1. 磁束に応じて抵抗値が変化するホール素子と、上記ホール素子を駆動するための定電圧回路または定電流回路と、上記ホール素子からの出力信号を増幅する増幅回路とを備えた電流センサ装置を、上記増幅回路の出力をフィードバックしながら調整する電流センサ装置の調整方法において、
   上記電流センサ装置のゲインを調整するときのゲイン調整目標値を、上記ゲインの調整により生じるオフセット電圧の変化量を補正したゲイン調整目標値として調整し、その後、上記オフセット電圧を調整することを特徴とする電流センサ装置の調整方法。
2. 上記ゲインの調整により生じるオフセット電圧の変化量は、上記ホール素子の出力端子間を短絡させて測定した零オフセット電圧と、上記ホール素子の出力端子間を短絡させないで測定した非零オフセット電圧と、上記ゲインの調整前に測定した未調整時ゲイン幅、及び目標ゲイン幅を用いて計算されることを特徴とする請求項１記載の電流センサ装置の調整方法。
3. 上記計算は、目標ゲイン幅÷未調整ゲイン幅×（零オフセット電圧−非零オフセット電圧）であることを特徴とする請求項２記載の電流センサ装置の調整方法。
4. 上記ゲインの調整により生じるオフセット電圧の変化量は、予め、上記ホール素子を単体で測定して得た値を用いることを特徴とする請求項１記載の電流センサ装置の調整方法。
5. （削除）
6. （削除）

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