JP4757260B2 - 連続校正式磁界センサー - Google Patents

Description

本発明は、温度、経時劣化、機械的応力、オフセット電圧などの問題に起因する遷移特性の変動を補正できるよう連続的に校正処理される磁界センサーに関する。特に、センサーのゲイン値を一定に保持するため、連続的に校正を行う。また、本発明は、連続的に校正処理される磁界センサーにより、外部導電体内の電流量を測定する電流センサーに関する。

数多くの磁界センサーでは、磁界センサーの信号処理回路のゲイン値の温度ドリフトやオフセット電圧を補正できるよう、製造工程中に校正処理が行われる。しかしながら、工場における校正では、多様な部品や回路の機械的応力や経時劣化などの問題に起因するセンサーの遷移特性の変動の補正は不可能である。後者の問題に対処する方法として、米国特許第４、７５２、７３３号に記載のように、センサー使用時に校正を行う方法がある。
米国特許第４、７５２、７３３号

上記の特許に記載の磁界センサーは、ホール効果セルなどの磁界検知素子で測定する磁界に、基準磁界を重畳する基準磁界発生器を備える。そのため、磁界検知ユニットの遷移特性の変動が、例えば、電流センサーの場合などで、測定する電流から発生する外部磁界の測定値、および、基準磁界に影響する恐れがある。そこで、基準磁界は周知値であって、磁界センサーによる測定信号は対応する特定値を示すため、その変動をフィードバック経路に付与して、磁界検知セルの遷移特性を補正するのである。

前記の米国特許第４、７５２、７３３号に記載のセンサーの問題の１つは、基準信号が、センサーの出力端における測定信号に内包されてしまう、あるいは、測定する信号を汚染させないよう基準信号を取り除くための減衰器を回路内に配備しなければならないことである。

前記の米国特許に記載の別の例では、別個のホールセルが異なる基準コイルに接続されている。基準信号を取り除く解決策は、実行が困難であって、温度やその他の原因による変動が避けられない。米国特許第４、７５２、７３３号に記載の電流センサーのさらなる問題点は、その測定帯域が制限されていることであって、特に、１００ｋＨｚまでの高周波数電流値の測定に対処できていない。

上記の観点から、本発明の目的は、信頼性が高く、経時的な精度の維持が可能な磁界センサーを提供することである。

本発明の別の目的は、信頼性が高く、経時的な精度の維持が可能な磁界センサーを備える電流センサーを提供することである。

また、０〜１００ｋＨｚなどの大きな周波数帯域において電流値を正確に測定できる電磁電流センサーを提供することも有益である。

さらに、機械的応力や熱応力の変化に遭遇した場合でも、信頼性が高く、精度の維持が可能な磁界センサーを提供することも有益である。

さらにまた、産業スケールでの製造の点で経済的な磁界センサーを提供することも有益である。

前記の本発明の目的は、付随する請求項１に記載の磁界センサーにより達成できる。

以下に説明する磁界センサーは、基準磁界発生器と、磁界検知素子を備える磁界検知セルと、前記磁界検知セルの出力端に接続された信号処理回路とを備える。前記基準磁界発生器は、さらに、前記磁界検知セルに供給するための周波数変調された基準磁界を作成できるよう構成された基準磁界変調機を備え、前記磁界検知セルは、さらに、前記基準磁界発生器の変調周波数と異なる周波数でそれ自体の出力信号を変調できるよう構成された磁界検知セル変調器を備える。前記信号処理回路は、磁界センサーの遷移特性における誤差変動を前記磁界検知セルに対するゲイン補正し及び／又は前記信号処理回路自身のオフセット補正するためのフィードバック線を備えると共に、前記両変調器により変調された４つの位相の出力の加算又は減算により前記ゲイン補正及び／又は前記オフセット補正の情報を求める。

また、前記の本発明の目的は、付随する請求項１９に記載の外部磁界を測定する方法により達成できる。

以下に説明する外部磁界を測定する方法は、前記両変調器により変調された４つの位相の出力の加算又は減算により前記ゲイン補正及び／又は前記オフセット補正の情報を求める請求項１〜１８のいずれかに記載の磁界センサーを用いた外部磁界を測定する方法であって、その外部磁界に前記基準磁界変調器で変調された基準磁界を重畳するステップと、前記基準磁界の変調周波数と異なる周波数で磁界検知セルの出力信号を前記磁界検知セル変調器で変調するステップと、前記外部磁界に対応する測定信号と前記基準磁界に対応する基準信号とを別々に抽出するため、前記両変調器により変調された４つの位相の出力を加算または減算するステップとからなる。

したがって、本発明による磁界センサーや外部磁界を測定する方法においては、基準信号を、正確、単純、かつ、確実に測定信号から分離でき、フィードバック経路に付与して、前記の磁界検知セルの遷移特性の誤差変動を補正することができ、同時に、前記の基準磁界成分に影響されないセンサー出力信号を作成することができる。

前記の磁界検知セルの変調周波数は、基準磁界の変調周波数の偶数の倍数または係数であるの望ましく、例えば、１／２または２倍数であるのが好ましい。前記の磁界検知セルは、複数の磁界検知素子からなる、あるいは、集積回路に構成された複数のホール効果素子からなり、周波数変調器を経由して演算増幅器に接続されるのが望ましい。前記の演算増幅器は、複数の磁界検知素子の出力信号の差を加算して増幅する差分差動増幅器（ＤＤＡ）であるのが望ましい。磁界検知素子のアレイ構成を利用の場合、基準信号の振幅が測定信号よりも（１０²から１０⁴倍程度）小さくなるため、基準信号の精度が向上する。後者の場合、基準磁界が磁界検知素子において対向方向に向くよう、少なくとも２個の基準コイルを２個の磁界検知素子に対応させることにより実現できる。従って、片方の信号から他方の信号の減算の結果（差）は、基準信号の２倍の値になる。測定する電流から作成される信号である、単方向性の外部磁界は、２個の磁界センサーからの出力信号の減算によりキャンセルできる。

前記の基準コイルおよび磁界検知セルからの出力信号の変調処理により、検知セル増幅器のオフセット現象を排除することができる。しかしながら、増幅器や復調器の飽和状態を避けるためには、演算増幅器の出力端から演算増幅器のオフセット制御入力端まで伸びるフィードバック経路にてオフセット信号を補正するのが望ましい。オフセット信号の補正は、ゲイン補正とは別に実行するのが望ましく、磁界検知セルの精度に影響する機械的応力、熱ドリフト、その他の要素も起因する変動値の補正を行う。その結果、特に、オフセットやドリフトの補正に対する正確性や応答性がより高くなる。

前記の信号処理回路は、変調処理や復調処理から発生する高周波数成分を低減するため、磁界センサーの出力信号線上の復調器の後に接続されたローパスフィルターを備えるのが望ましい。

前記の信号処理回路は、変調処理のエリアシングからの高周波数の外部信号成分を低減するため、磁界センサーのゲイン補正用フィードバック線上の復調器の後に接続された、あるいは、それと一体構成されたローパスフィルターを備えるのが望ましい。前記の磁界検知セルおよびセンサー回路では、低周波数の妨害信号成分を自然低減する機能をもち、ハイパス寄生遷移関数として示せる。低カットオフ周波数のゲイン補正用フィードバック線におけるローパスフィルターを適切に調整することにより、寄生成分の帯域を制限して、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。フィルター処理では、基準信号は不変に保持される。

本発明のさらなる別の目的や長所は、前記の請求項、下記の説明、付随する図面から明白になるであろう。

図１ａから図３に示す本発明の電磁界センサーは、基本的に、磁界検知回路２と信号処理回路４とで構成される。磁界検知回路２は、磁界検知セル６と、基準磁界発生器８と、ゲイン補正入力部１０とを備える。

前記の磁界検知セル６は、例えば、従来技術で周知の、単独のホール効果センサーまたは集積回路構成のホール効果センサーアレイなどの、単数または複数の磁界検知素子１２からなり、さらに、磁界検知セル６は、各磁界検知素子１２の出力信号を変調する変調器１４を備える。基準磁界発生器８は、各磁界検知素子１２に供給する基準磁界Ｂ_refを発生させる目的で、複数の基準コイル１８の１つを駆動するための変調基準電流入力部（基準磁界変調器）１６を備える。基準コイルの磁界センサー信号の変調器を駆動する周波数は、クロック信号２０で制御されるため、磁界検知セル変調器１４のクロック周波数は、元の変調器を駆動する周波数の、１／２または２倍などの、偶係数または倍数であるのが望ましい。変調器１４、１６は、信号の極性を変更するための複数のスイッチやスイッチ構造で形成できる。基準コイル電流やセンサー信号電流のスイッチ処理による信号極性の変更例Ｓ₁とＳ₂を、それぞれ図２ａに示す。

図１ａと１ｂに示すように、信号処理回路４は、磁界検知セル６の出力端１１に接続された増幅器回路部２２と、復調回路部２４、２４’と、磁界検知セル６の入力端へゲイン補正フィードバックさせるためのフィードバック経路２８を備える。復調回路部は、磁界センサー出力端２６に繋がる出力端２３を備える復調器３５と、ゲイン補正用フィードバック経路２８に繋がる出力端２５を備える復調器３７と、オフセット補正用フィードバック経路２８に繋がる出力端２７を備える復調器３３とからなる。

図１ａに示す実施例では、精度や応答性を高めるためのオフセット補正やゲイン補正に、個別の復調器３３、３７を使用している。別の例として、図１ｂに示すように、その出力端２５がオフセット補正用フィードバック経路２７’とゲイン補正用フィードバック経路２８とに繋がる信号復調器３７’を利用することも可能である。さらにまた、フィードバック経路やセンサー出力線２６に１個の復調器だけを接続して、出力信号やオフセット補正信号を断続的に作成できるよう復調処理を変更可能にしても構わない。言い換えれば、以下のような信号の異なる成分を復調するのに必要な数の復調器を、プリアンプ出力端に接続すればよいのである。
・外部磁界Ｂ_extの測定値。
・ゲイン校正に利用する基準磁界Ｂ_refの測定値。
・センサーとプリアンプのオフセット値。

図１ａに示すように、そのような各信号成分を別個の復調器で抽出するか、あるいは、図１ｂに示すように、周期毎に異なる復調処理が可能な同じ復調器で別々の信号成分を次々に抽出するのである。

前記磁界検知セル変調器１４は、オフセット値Ｖ_offと検知セル信号Ｖ_Hの符号を変更して、４つの組み合わせ、Ｖ_H＋Ｖ_off、Ｖ_H−Ｖ_off、−Ｖ_H＋Ｖ_off、−Ｖ_H−Ｖ_off、を作成できるスイッチ構造を備えることも可能である。

図２ｂに示すように、オフセット値の符号の変更は、形状不変で９０°回転する（方形または交差式の）ホール検知素子においては、電流入力Ｉ_inが９０°回転するとオフセット値Ｖ_offが反転するが、ホール電圧値Ｖ_Hは変動しないという事実を利用して変更することも可能である。ホール電圧値の反転は、ホール検知素子１２の出力信号を反転させることにより行える。前記で説明した適切な接続操作から、４つの異なる信号、Ｖ_H＋Ｖ_off、Ｖ_H−Ｖ_off、−Ｖ_H＋Ｖ_off、−Ｖ_H−Ｖ_off、を出力することができる。ホール検知素子１２における接続変更は、スイッチ箱１４で制御可能である。

また、前記の信号処理回路に、復調器の下流側の測定信号出力線２６に接続したローパスフィルター３１や、そのセンサーが接続される装置の電子回路の特性に、信号振幅を適合させるための演算増幅器としてのバッファ３０を備えることも可能である。

さらに、前記の信号処理回路は、変調による基準帯域内でのエイリアシング信号成分を削減できるよう、ローパスフィルター３９を、変調器３７の下流側、あるいは、それと一体構造で、ゲイン補正用フィードバック経路２８に接続設置することも可能である。

さらにまた、前記の信号処理回路は、例えば、シグマ／デルタ変換器などの、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３４を、変調器３９の下流側のゲイン補正用フィードバック経路２８に接続設置することも可能である。

図２ａを参照して、本発明における変調処理の基本原理を、次に説明する。

本発明における変調処理では、２重変調された基準信号を利用しており、基準磁界変調器１６により、変調基準磁界信号が偶数の乗算処理または割算処理され、増幅信号からの情報を抽出する目的で、特に、測定信号と基準信号とが取り出される。オフセット値も、適当な復調処理により抽出できる。その変調信号は、オフセット値などの不要な変動値を排除するのに使用される。例えば、Ｖ_out＝Ａ・Ｖ_in＋Ｖ_offsetという増幅に代えて、入力値を反転させることにより、下記のように２つの位相で増幅を行うのである。
Ｖ_out1＝Ａ・(＋Ｖ_in)＋Ｖ_offset （１）
Ｖ_out2＝Ａ・(−Ｖ_in)＋Ｖ_offset （２）
これら２つの位相を合わせると、
Ｖ_out＝Ｖ_out1−Ｖ_out2＝２Ａ・Ｖ_in (＋０・Ｖ_offset) （３)
それゆえ、オフセット電圧値を排除して、真の入力値を抽出できる。

また、下記のように、入力信号の存在に関係なく、オフセット値などの不要な成分を隔離することも可能であることにも注意してほしい。
Ｖ_out1＋Ｖ_out2＝２Ｖ_offset （４）

本発明における電圧オフセット値は、変調出力信号の２つの位相を使って、増幅器回路部２２の出力端から差分差動増幅器（ＤＤＡ）４１のオフセット制御入力端４３へ繋がるフィードバック経路にて補正することができる。そのため、オフセット値のより直接的で応答的な補正が可能となる。さらに、温度、機械的応力、経時劣化などに起因する磁界センサーのゲイン値ドリフトも、図１ａと１ｂに示すゲイン補正用フィードバック経路２８にて補正する可能である。

続いて、ゲイン補正用フィードバック経路や出力測定信号などの情報抽出を、図２ａを参照して、以下に説明する。

前記の基準磁界Ｂ_refからの基準信号Ｖ_refは、測定すべき信号である、外部磁界Ｂ_extからの測定信号Ｖ_extに加算され、その信号は、例えば、磁界検知セル変調器１４の極性（Ｓ₂）変更の周波数の半分の周波数による、極性（Ｓ₁）（符号）の周期変動にて変調される。その結果、下記の式が成り立つ。
Ｖ_out＝Ａ・（±)(Ｖ_ext±Ｖ_ref)＋Ｖ_offset （５）
↑ ↑
Ｓ₂ Ｓ₁
それゆえ、符号Ｓ₁とＳ₂は、図２ａに示すように異なる周波数で変化する。

図２ａに示すＴ_mod1とは、第１の変調器の周期であり、Ｔ_mod2は第２の変調器の周期である。それゆえ、４つの連続する位相ｐ₁、ｐ₂、ｐ₃、ｐ₄の、１／Ｔ_mod2または２／Ｔ_mod1の周波数での周期反復が存在する。それら４つの位相に対応する出力は以下のようになる。
Ｖ_out1＝Ａ・(＋)(Ｖ_ext＋Ｖ_ref)＋Ｖ_offset＝ＡＶ_ext＋ＡＶ_ref＋Ｖ_offset （６）
Ｖ_out2＝Ａ・(−)(Ｖ_ext＋Ｖ_ref)＋Ｖ_offset＝ＡＶ_ext−ＡＶ_ref＋Ｖ_offset （７）
Ｖ_out3＝Ａ・(＋)(Ｖ_ext−Ｖ_ref)＋Ｖ_offset＝ＡＶ_ext−ＡＶ_ref＋Ｖ_offset （８）
Ｖ_out4＝Ａ・(−)(Ｖ_ext−Ｖ_ref)＋Ｖ_offset＝−ＡＶ_ext＋ＡＶ_ref＋Ｖ_offset (９）

それゆえ、位相の加算や減算から、下記の情報を抽出することができるのである。
Ａ・Ｖ_ext （増幅信号）
Ａ・Ｖ_ref （増幅基準信号）
Ｖ_offset （オフセット電圧）

前記の先立つ値の線形結合も、抽出可能である。Ａ・Ｖ_extは、下記のような４つの位相の線形結合から算定できる。
Ｖ_out1−Ｖ_out2＋Ｖ_out3−Ｖ_out4＝４ＡＶ_ext （１０）

Ａ・Ｖ_refは、下記のような４つの位相の線形結合から算定できる。
Ｖ_out1−Ｖ_out2−Ｖ_out3＋Ｖ_out4＝４ＡＶ_ref （１１）

この場合、第２周期Ｔ_mod2は、変調処理中に反転して、＋、−、−、＋という順序となる。

なお、オフセット電圧Ｖ_offsetの値は、下記のような４つの位相の線形結合から算定できる。
Ｖ_out1＋Ｖ_out2＋Ｖ_out3＋Ｖ_out4＝４ＡＶ_offset （１２）
ただし、この場合の変調順序は、＋、＋、＋、＋となる。

さらにまた、下記のように、４つの位相の出力値、Ｖ_out1、Ｖ_out2、Ｖ_out3、Ｖ_out4、を直接に使用することなく、部分的な和や差を使うなどの、２つの部分差を利用することも可能である。
Ｖ_out,A＝Ｖ_out1−Ｖ_out2 （１３）
Ｖ_out,B＝Ｖ_out3−Ｖ_out4 （１４）
Ｖ_out,A＋Ｖ_out,B＝４ＡＶ_ext （１５）
Ｖ_out,A−Ｖ_out,B＝４ＡＶ_ref （１６）

前記の基準信号Ｖ_refは周知の値であるため、上記の等式（１１）または（１６）からゲイン値Ａを算定できる。このことは、例えば、熱、機械的応力、経時劣化などに起因する磁界センサーの遷移特性の変動が原因でゲイン値が変動する場合に有効である。等式（１１）により復調された出力値Ｖ_outの変動を、時間関数として観測できるため、前記のような問題に起因する測定誤差を連続的に補正し、結果としてゲイン値Ａの補正により基準信号を一定に維持する操作から、安定化させることが可能となる。それゆえ、基準信号Ｂ_refが一定で、等式（１１）にて出力値Ｖ_outを一定にできるようゲイン値Ａに作用するため、ゲイン値Ａが補正され、ドリフトが排除されるのである。

前記の等式（１１）からゲイン総値の情報を抽出できるよう別個の復調器を利用することも可能であるが、２つの復調器を接続して、構造を簡略化し、等式（１６）から部分和を算定しても構わない。

また、復調器回路を開閉キャパシタで構成すれば、復調処理に必要な加算や減算を簡単に行うことができる。このことは、図２ａを参照して下記に説明する。

前記の磁界センサーに測定する磁界は、以下のように示せる。
Ｂ＝Ｂ_ext＋Ｂ_ref （１７）

前記の増幅器の入力端における電位は、次のとおりである。
Ｖ_H＝ＳＩ_CＢ＋Ｖ_Hoffset （１８）
ただし、Ｓは磁界センサーの感度、Ｉ_cは磁界センサークロック周波数の周期でスイッチ箱により９０°回転したセンサーバイアス電流値、Ｂ_refは、例えば、センサークロック周波数の１／２である基準コイルクロック周波数の周期で極性が変動する基準磁界、Ｖ_Hoffsetは磁界センサーにより増幅器２２の入力端で発生したオフセット電圧値である。

前記の増幅器２２により、増幅器入力値Ｖ_Hの電位が増幅され、下記のように示せる。
Ｖ_A＝Ａ_ampli・Ｖ_H ＋Ｖ_Aoffset
＝Ａ_ampli(ＳＩ_C(Ｂ_ext＋Ｂ_ref)＋Ｖ_Hoffset)＋Ｖ_Aoffset （１９）
＝Ａ_ampliＳＩ_CＢ_ext＋Ａ_ampliＳＩ_CＢ_ref＋Ａ_ampliＶ_Hoffset＋Ｖ_Aoffset
＝ ±ＡＢ_ext ±ＡＢ'_ref ＋ Ｖ_offset
＝Ａ・(±)(Ｂ_ext±Ｂ'_ref)＋Ｖ_offset （２０）
ただし、Ｖ_Aoffsetは増幅器のオフセット値、Ａ＝Ａ_ampliＳ｜Ｉ_c｜、Ｂ’_ref＝｜Ｂ_ref｜である。
なお、ゲイン値ＡはＡ_ampliＳ｜Ｉ_c｜と同じ、Ｂ_ref＝｜Ｂ_ref｜と同じ、極性±は、それぞれ第１と第２の変調器１６、１４の極性Ｓ₁とＳ₂に対応する。等式（２０）は等式（５）と同等であるので、システムのゲイン総値を安定化でき、温度、機械的応力、その他の要素によるドリフトから保護することが可能となる。

上記で説明した変調処理技術では、図７ａと７ｂに示す表に従って復調処理中に加算または減算を行って異なる連続位相を結合させることにより、測定信号と基準信号とを同じセンサーと増幅器から抽出できる。両方の図の表からは同じ結果が得られるが、それぞれの回路動作は異なるので、それを以下に説明する。図７ｂの表を使うと、ハイパス遷移関数のコーナー周波数（図６ａに示す）を、例えば、図７ａの周波数の２倍くらいの、高い周波数に変更できるが、その場合、システムの基準コイルを２倍の周波数で動作を行わせる必要がある。

また、図７ｄに示すように、連続する位相２と３、４と１とを結合させることにより、信号データ速度を２倍にすることも可能である。これらの動作を行うには、同じ復調器を使用する。

図３に示すのは、測定信号と基準信号を抽出するためセンサー素子構成を利用した別の実施例であり、単数または複数の一体化基準コイル１８から発生した基準磁界に４つのホール効果センサーを配置している。磁界検知素子１２の変調出力値は、差分差動増幅器（ＤＤＡ）４１の入力端に接続される。この構成では、図７ｃに示す表から、復調回路２４の前に、測定信号と基準信号を抽出することができる。つまり、２つの位相中に、基準信号がキャンセルされ、測定信号が加算される。次の２つの位相では、測定信号がキャンセルされ、基準信号が加算される。この構成の有利な点は、センサーの測定値が減算されて、センサーアレイ構成により測定信号がキャンセルされるため、基準信号の抽出のさい、基準信号が測定信号に影響されないことである。

図３に示すように、スイッチ箱により、検知素子がＤＤＡの入力端１１および電流バイアス源Ｉ_bias４５に接続されている。ゲイン補正は、アナログ／デジタル変換器（ＤＡＣ）４７で作成された可変電流値を定バイアス電流値Ｉ_bias４５と加算または減算することにより行える。ＤＡＣ４７の制御は、シグマ／デルタ変換器３４のデジタル出力値と基準定数値との比較に基づいて、電流を増加すべきか低減すべきかを判断するデジタル式アルゴリズムを使う。

図７ａと７ｂに示す表では、測定信号と基準信号は、復調器で抽出された場合には両方ともが存在するため、基準信号が測定信号よりもかなり低い場合には、測定信号の変動が基準信号の抽出に不釣り合いに大きな影響を与えるため、図７ｃに示すような変調／復調技術ほど有効ではない。

前記のゲイン補正で使う基準信号の抽出をさらに改善するには、図５に示す回路構造をもつローパスフィルター３９を、復調器３７の出力端に、あるいは、それと一体構造で接続する。ローパスフィルター３９は、一体化コイル１８から生成された基準磁界Ｂ_refが、測定すべき外部磁界Ｂ_extに対して非常に小さいため、Ｓ／Ｎ比を高める効果をもつ。帯域制限がない場合には、ＲＭＳノイズ量のせいで正確な測定が不可能となる。別の問題として、変調処理中に測定する信号が基準信号の基本帯域に畳み込まれるため、寄生効果が発生する。信号の低周波数成分は確実に低減できるが、高周波数成分はできないため、図６ａに示すようなハイパス寄生遷移関数の現象を引き起こす。それゆえ、図６ａに示す、例えば５００Ｈｚなどの低いカットオフ周波数をもつローパスフィルター３９により、ノイズを確実に低減することができ、近似変調信号である基準信号は変動なく一定となる。図６ａに示す寄生信号成分は、基準復調器での基準信号内の外部信号成分のエリアシングに起因するものである。本来の（低減回路を備えない）遷移関数はハイパス特性をもつ。その特性は、特に、外部信号が基準信号の１００倍ほどの大きさである場合に、回路動作に大きな影響を与える。寄生成分を削減するため、復調器にローパスフィルターを備え、および／または、その下流側にローパスフィルターを接続するのである。結果としての遷移関数は、バンドパス特性をもつ。さらに、出力信号をシグマ／デルタ変調器３４でローパスフィルター処理すると、ピーク寄生幅がよりいっそう低減され、図６ｂに示すように無視できる程度になる。フィルター処理はバンドパス特性で行い、スピン電流周波数までは第一次低減を行い、その後に第二次低減を行う。

前記の復調器２４は、図４ａに示す回路構成を有しており、加算や減算を行う従来式の開閉キャパシタ構成の復調器である。

図４ｂに示すのは、図７ａに示す＋、−、＋、−順序の復調を行うため、図４ａの復調器スイッチに入力される指令信号の例であって、測定する外部信号Ｂ_extが抽出される。

図５に示す回路は、ローパスフィルターと同じく復調器の作用をする回路であって、図４ａに示す復調器回路部位を備え、ローパスフィルターとして作用する復調器を形成するフィードバック経路上にフィルター回路３９が追加接続されている。

前記の抽出された基準信号は、シグマ／デルタ変調器３４でデジタル化されて、デジタル形式でローパスフィルター処理される。デジタル形式のゲイン測定値は、ゲイン誤差を補正するのに必要な補正電流を作成するためのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）でシステム全体のゲイン値を調整するのに利用される。

前記のシグマ／デルタ変換器は、ローパスフィルターとして作用する積分器の役目をする。復調器から出力される復調およびフィルター処理された基準信号は、周期的（復調値が算定される４サイクル毎）に加算され、一定の基準電圧値が加算または減算されて、各サイクルごとに、シグマ／デルタ出力値がゼロになる。それゆえ、ゼロを中心に振動し、積分周期の最後では、シグマ／デルタ出力値がほぼゼロであるため、基準信号のサンプル値の中間値は、プラス動作とマイナス動作との差に等しくなる。この数値はシグマ／デルタ制御回路により保持され、そのデジタル出力端に送られる。

ΣV_demod＝Σ(ｋ_plus−ｋ_minus)Ｖ_ref＋ε
ただし、(ｋ_plus−ｋ_minus)はデジタル形式のシグマ／デルタ出力値、(ｋ_plus＋ｋ_minus)は、変換中でのステップ動作数（一般的には、１ステップは１秒の百万分の１、マイクロ秒）、εはε＜Ｖ_ref、V_demodはシグマ／デルタ入力端に入力される復調器／フィルターの出力信号、Ｖ_refはシグマ／デルタ変換器のゲイン値を制御するための一定の基準電圧値、ｋ_plusは、一般的に１秒間の積分周期中に加算されるＶ_refの回数、ｋ_minusは、積分周期中に減算されるＶ_refの回数、εは量子化誤差総数である。

本発明による磁界センサーは、数多くの異なる適用例に利用可能であり、例えば、位置センサー、地上コンパス、電磁モータ磁界測定用センサー、電流センサーなどが挙げられる。例えば、電流センサーとしての適用例において、一次導電体内に流れる電流により、測定する電流値に比例する磁界が発生する。電流センサーは、その磁気コア部が磁界集磁器として作用できるよう、一次導電体を取り囲む、高透磁性をもつ材質でできた磁気コア部を備えるのが好ましいが、そうでなくても構わない。電流センサーが磁気コア部を備える場合、その磁界検知セルを磁気コア部の空隙内に配置するのが望ましい。さらに、磁気コア部は一次導電体を取り囲むよう配置するのが望ましい。それゆえ、磁界の測定値は、上記で説明した磁界センサーの電流センサーとしての利用における電流値と相関性をもつ。

本発明のよる磁界センサーは、上記で説明した外部磁界と基準磁界とから得られた信号の分離、および、フィードバック経路での寄生信号の効果的な削減の観点から、０から１００ｋＨｚていどの大きな周波数帯域における電流を測定することができる。

図１ａと図１ｂは、本発明のそれぞれ第１の実施例と第２の実施例における、磁界センサーの全体回路と部品を概略的に示すブロック図である。 本発明の簡略例における、基準磁界発生器、磁界検知セル、演算増幅器を概略的に示すブロック図である。 検知セル信号を変調するためのホール検知素子のスイッチ動作を示す概略図である。 本発明の実施例における、マルチ入力差分差動増幅器（ＤＤＡ）に接続されたマルチ基準磁界発生器と磁界センサーアレイを示す概略図である。 本発明による磁界センサーの信号処理回路内の復調器の回路図である。 図４ａに示す復調器の時間関数としてのスイッチの制御信号を示すグラフ図である。 信号処理回路のゲインフィードバック経路内のローパスフィルターを備えた復調器の回路図である。 磁界センサーとローパスフィルターの寄生信号遷移関数のグラフ図である。 シグマ／デルタ変換器の遷移関数と、フィードバック経路でのフィルター処理後の寄生信号遷移関数とを示すグラフ図である。 図７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは変調信号の連続する異なる位相の結合により基準信号と測定信号とを抽出するための、異なる変調／復調方法を示す表である。

Claims (21)

1. 基準磁界発生器と、
   磁界検知素子を備える磁界検知セルと、
   前記磁界検知セルの出力端に接続された信号処理回路とを備え、
   前記基準磁界発生器は、
   さらに、前記磁界検知セルに供給するための周波数変調された基準磁界を作成できるよう構成された基準磁界変調器を備え、
   前記磁界検知セルは、さらに、前記基準磁界発生器の変調周波数と異なる周波数でそれ自体の出力信号を変調できるよう構成された磁界検知セル変調器を備え、
   前記信号処理回路は、磁界センサーの遷移特性における誤差変動を前記磁界検知セルに対するゲイン補正し及び／又は前記信号処理回路自身のオフセット補正するためのフィードバック線を備えると共に、前記両変調器により変調された４つの位相の出力の加算又は減算により前記ゲイン補正及び／又は前記オフセット補正の情報を求める磁界センサー。
2. 前記両変調器が、入力端の接続を切り替えられるよう構成されており、前記両変調器の片方の切替動作の周波数が、前記他方の変調器の切替周波数の整数倍数である請求項１記載の磁界センサー。
3. 前記整数倍数が２である請求項２記載の磁界センサー。
4. 前記磁界検知セルが、複数の磁界検知素子からなる請求項１〜３のいずれかに記載の磁界センサー。
5. 前記複数の磁界検知素子が、集積回路内において方形に配列された４つのホール効果センサーである請求項４記載の磁界センサー。
6. 前記基準磁界発生器が、集積回路内において直列に接続された４つのコイルである請求項４または５記載の磁界センサー。
7. 前記磁界検知セルの電流入力が、変調において前記磁界検知セル変調器により９０°回転する請求項５記載の磁界センサー。
8. 前記磁界検知セル変調器が差分差動増幅器（ＤＤＡ）の入力端に接続されている請求項１〜７のいずれかに記載の磁界センサー。
9. 前記信号処理回路が、さらに、復調処理において前記加算又は減算を行う復調回路部を備える請求項１〜８のいずれかに記載の磁界センサー。
10. 前記復調回路部が、前記磁界検知セルに接続された増幅回路の出力端に接続された入力端を備え、前記フィードバック線、および、前記センサーの出力線に接続された出力端を備える請求項９記載の磁界センサー。
11. 前記復調回路部が、前記それぞれのフィードバック線と出力線のための別途の復調器からなる請求項９または１０記載の磁界センサー。
12. 前記フィードバック線が、前記磁界検知セルのゲイン補正入力端に入力接続するゲイン補正用フィードバック線を含む請求項９〜１１のいずれかに記載の磁界センサー。
13. さらに、前記ゲイン補正用フィードバック線において、前記復調回路部の復調器の後に接続された、または、その復調器と一体化構成されたローパスフィルターとからなる請求項１２記載の磁界センサー。
14. 前記ゲイン補正用フィードバック線が、前記復調されたゲイン補正フィードバック信号をデジタル化するためのシグマ／デルタ式のアナログ／デジタル変換器を備える請求項１２または１３記載の磁界センサー。
15. 前記フィードバック線が、前記磁界検知セル変調器に接続された増幅回路のオフセット調整入力端に入力接続するオフセット補正用フィードバック線を含む請求項１〜１４のいずれかに記載の磁界センサー。
16. 前記オフセット補正用フィードバック線が、前記両変調器により変調された信号を復調する復調回路部の出力端に接続されている請求項１５記載の磁界センサー。
17. 測定する電流により発生する外部磁界の計測から導電体内に流れる電流を測定する電流センサーであって、請求項１〜１６のいずれかに記載の磁界センサーからなる電流センサー。
18. さらに、高透磁性をもつ素材で形成され、前記磁界検知セルが配置された空隙をもつ磁気コア部とからなる請求項１７記載の電流センサー。
19. 前記両変調器により変調された４つの位相の出力の加算又は減算により前記ゲイン補正及び／又は前記オフセット補正の情報を求める請求項１〜１８のいずれかに記載の磁界センサーを用いた外部磁界を測定する方法であって、
    その外部磁界に前記基準磁界変調器で変調された基準磁界を重畳するステップと、前記基準磁界の変調周波数と異なる周波数で磁界検知セルの出力信号を前記磁界検知セル変調器で変調するステップと、前記外部磁界に対応する測定信号と前記基準磁界に対応する基準信号とを別々に抽出するため、前記両変調器により変調された４つの位相の出力を加算または減算するステップとを備えた外部磁界を測定する方法。
20. 前記変調された基準磁界の変調周波数が、前記変調磁界検知セル信号の変調周波数と整数倍数分だけ異なる請求項１９記載の外部磁界を測定する方法。
21. 前記整数倍数が２である請求項２０記載の外部磁界を測定する方法。

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