JP2003177167A - Magnetic sensor - Google Patents

Magnetic sensor

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JP2003177167A
JP2003177167A JP2001376714A JP2001376714A JP2003177167A JP 2003177167 A JP2003177167 A JP 2003177167A JP 2001376714 A JP2001376714 A JP 2001376714A JP 2001376714 A JP2001376714 A JP 2001376714A JP 2003177167 A JP2003177167 A JP 2003177167A
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JP
Japan
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magnetic sensor
magnetic
sensor element
magnetic field
vector
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JP2001376714A
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Japanese (ja)
Inventor
Osamu Shimoe
治 下江
Kenichi Arai
賢一 荒井
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Proterial Ltd
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Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To heighten the accuracy of a magnetic sensor utilizing a magnetic impedance effect. <P>SOLUTION: This magnetic sensor for detecting an external magnetic field by the magnetic impedance effect is a magnetic sensor capable of detecting a differential voltage vector between a back electromotive force vector generated on the terminal of a magnetic sensor element and a required reference voltage vector, and measuring the external magnetic field and/or the polarity, and the sensor is constituted in a three-terminal or bridge circuit, to thereby improve furthermore the accuracy. Especially, the magnetic sensor has such a characteristic that, assuming that a vector locus of the back electromotive force generated by the change of the external magnetic field is drawn on a complex plane, and that the starting point of the reference voltage vector is placed on the origin of the complex plane, the end point thereof is in a circle when the circle having a radius of curvature on the vector locus is arranged on a required position. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、地磁気レベル以下
の低磁場の測定が可能な磁気センサに係り、特に10
−4〜10−10Tの外部磁場を高精度に測定できる磁
気インピーダンス効果を利用した磁気センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic sensor capable of measuring a low magnetic field below a geomagnetic level, and more particularly to a magnetic sensor.
The present invention relates to a magnetic sensor utilizing a magnetic impedance effect capable of measuring an external magnetic field of −4 to 10 −10 T with high accuracy.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、磁性体に表皮効果を生じさせる程
度の高周波電流を通流することによって、外部磁場の大
きさをインピーダンスの変化として検出する磁気センサ
が知られている。例えば、特開平7−181239号公
報に記載される磁気センサは、磁性線に高周波電流を流
して生じる円周磁束の時間変化に対する逆起電圧が、外
部印加磁界に依存して変動することを利用した磁気イン
ピーダンス効果によるセンサである。また、特開200
1−27664号公報には磁性膜を短冊状に形成してな
る2個の磁気センサ素子を3端子ブリッジ回路に接続
し、それぞれの磁気センサ素子に逆方向のバアイアス磁
界を与えながら、3端子ブリッジ回路の中点電位の変化
を検出する方法が記載されている。図12(a)および
(b)はその磁気センサの上面図と断面図である。この
センサの動作を簡単に説明する。
2. Description of the Related Art Heretofore, a magnetic sensor has been known which detects the magnitude of an external magnetic field as a change in impedance by passing a high-frequency current that causes a skin effect in a magnetic body. For example, the magnetic sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-181239 utilizes that the counter electromotive voltage with respect to the time change of the circumferential magnetic flux generated by flowing a high frequency current in the magnetic wire varies depending on the externally applied magnetic field. The sensor is based on the magnetic impedance effect. In addition, JP-A-200
In JP-A 1-276664, two magnetic sensor elements each having a magnetic film formed in a strip shape are connected to a three-terminal bridge circuit, and a three-terminal bridge is provided while applying a reverse biasing magnetic field to each magnetic sensor element. A method for detecting changes in the midpoint potential of a circuit is described. 12A and 12B are a top view and a sectional view of the magnetic sensor. The operation of this sensor will be briefly described.

【0003】図12(a)において、磁気センサ90は
基板91上に形成された磁気検出コア92,93と、絶
縁されたスパイラルコイル99からなる。磁気検出コア
92,93は短冊状の磁性膜で構成され、隣接する端部
が出力電極96によって接続された3端子ブリッジ回路
である。バイアス電極97および98間にバイアス電圧
を印加すると、図12(b)に示すように磁気検出コア
92および93は互いに逆方向の直流磁界Hbiasでバイ
アスされる。駆動電圧印加電極94と接地電極95間に
高周波電圧源を印加すると、磁気検出コアの長手方向と
一致する外部磁場Hextの成分に応じた電圧が、磁気検
出コア92および93の各端子間に生じる。各磁気検出
コアの端子間のHextによる電圧変動分は逆位相の関係
にあるため、出力電極96から得られる電圧は単独の場
合の2倍になり、検出感度を高めている。
In FIG. 12 (a), a magnetic sensor 90 comprises magnetic detection cores 92 and 93 formed on a substrate 91 and an insulated spiral coil 99. The magnetic detection cores 92 and 93 are three-terminal bridge circuits which are composed of strip-shaped magnetic films and whose adjacent ends are connected by output electrodes 96. When a bias voltage is applied between the bias electrodes 97 and 98, the magnetic detection cores 92 and 93 are biased by the DC magnetic fields H bias in mutually opposite directions as shown in FIG. When a high frequency voltage source is applied between the drive voltage applying electrode 94 and the ground electrode 95, a voltage corresponding to the component of the external magnetic field H ext that coincides with the longitudinal direction of the magnetic detection core is applied between the terminals of the magnetic detection cores 92 and 93. Occurs. Since the voltage variation due to H ext between the terminals of each magnetic detection core has an opposite phase relationship, the voltage obtained from the output electrode 96 is double that of the case where it is used alone, thus increasing the detection sensitivity.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】さて、従来の磁気セン
サは低磁場の測定に関して感度が十分でなかった。最
近、急速にニーズが増加している生体における磁場検出
では、10−8Tオーダ以上の高分解能が要求されるよ
うになっている。前述した特開2001−27664号
公報では、1mV当り約10−6Tの出力が得られる旨
の記載があるが、この程度のセンサ感度では要求される
性能を満足できない。
By the way, the conventional magnetic sensor is not sufficiently sensitive for measuring a low magnetic field. In recent years, magnetic field detection in a living body, which has rapidly increased needs, requires high resolution of 10 −8 T order or higher. Although the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 2001-27664 describes that an output of about 10 −6 T per mV is obtained, the required performance cannot be satisfied with such a sensor sensitivity.

【0005】一方、磁気センサの高感度化として、「1
−10T台の磁界検出分解能力を持つ高周波キャリア
型薄膜磁界センサ」(電気学会マグネテック研究会資料
MAG−00−133 1−6P)等の論文発表があ
る。この文献では、磁性膜を多層化すると同時に、セン
サ素子の一軸異方性を維持しながらセンサ素子幅を狭小
化する方法が記載されている。また、上記した文献のい
ずれもが磁気センサ素子のインピーダンス変化を電圧変
動に変換する方法である。しかしながら、外部磁場に対
するインピーダンス変化を電圧変動として捉える上述の
センサ検出方法は、センサ自体の熱雑音、アンプのゲイ
ン対周波数特性等によって分解能が制限され、10−8
Tオーダを超える分解能を得ることは困難であった。
On the other hand, in order to improve the sensitivity of the magnetic sensor, "1
0 there is a -10 T stage high frequency carrier type thin film magnetic field sensor having a magnetic field detection decomposition ability of "(Institute of Electrical Engineers magnetic Tech Research Group materials MAG-00-133 1-6P) papers such as. This document describes a method of narrowing the sensor element width while maintaining the uniaxial anisotropy of the sensor element while forming the magnetic film in multiple layers. Further, all of the above-mentioned documents are methods for converting the impedance change of the magnetic sensor element into a voltage change. However, the above-described sensor detection method of capturing an impedance change with respect to the external magnetic field as a voltage variation, the thermal noise of the sensor itself, the resolution by the gain versus frequency characteristics of the amplifier is limited, 10-8
It has been difficult to obtain a resolution exceeding T order.

【0006】一方、センサ出力電圧の振幅変化を検出量
としない例として、特開平8−320362号公報に開
示される方法は、単一のセンサ素子を用いてそのインピ
ーダンス変動を位相変化として捉えるものである。この
磁気センサ素子は、基板上に形成された導電体層とこの
導電体層の周囲に設けられた磁性体層からなる積層型構
造である。センサ素子の通電電流方向と直交する方向に
磁化容易軸が設定され、さらにセンサ素子の低抵抗化に
より従来素子より2桁低い駆動周波数範囲でも、外部磁
場による磁気センサ素子のインピーダンス変化を位相変
動として検知できる旨が記載されている。駆動電圧の周
波数は0.1〜10MHzに低減され、駆動周波数が低下
した分だけ製造上の許容度が増すことが考えられる。
On the other hand, as an example in which the change in the amplitude of the sensor output voltage is not used as the detection amount, the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-320362 uses a single sensor element to detect the impedance fluctuation as a phase change. Is. This magnetic sensor element has a laminated structure including a conductor layer formed on a substrate and a magnetic layer provided around the conductor layer. The easy axis of magnetization is set in the direction orthogonal to the current flowing through the sensor element, and the resistance change of the sensor element reduces the impedance change of the magnetic sensor element due to the external magnetic field as phase fluctuation even in the drive frequency range that is two orders of magnitude lower than the conventional element. It states that it can be detected. The frequency of the driving voltage is reduced to 0.1 to 10 MHz, and it is considered that the manufacturing tolerance increases as the driving frequency decreases.

【0007】また、この磁気センサ素子感度はアンプな
しで27mV/10−4Tであることが記載されてお
り、10−5T程度に相当する感度である。この感度は
上記の出力電圧の増幅方法とほぼ同程度であり、この方
法でも目標とする感度が得られていない。加えて、同公
報の図18および図21等を参照すると、被検出磁界が
10−3T(10Oe)以下の低磁場領域では、位相お
よびインダクタンスが磁界に対して変化しない不感帯を
示すデータが記載されており、明らかに10−8T以下
の測定には不適な方法である。
Further, it is described that the sensitivity of this magnetic sensor element is 27 mV / 10 −4 T without an amplifier, which is a sensitivity corresponding to about 10 −5 T. This sensitivity is almost the same as the above-mentioned output voltage amplification method, and the target sensitivity is not obtained even by this method. In addition, referring to FIGS. 18 and 21 of the publication, data indicating a dead zone in which the phase and the inductance do not change with respect to the magnetic field is described in the low magnetic field region where the detected magnetic field is 10 −3 T (10 Oe) or less. However, this method is clearly unsuitable for measurement of 10 −8 T or less.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】磁気センサの高感度化の
実現するためには、(1)センサ素子自体の高感度化を
実現してセンサ出力を増大させる方法と、(2)センサ
素子からの微弱な出力を検出回路側の信号処理あるいは
分解能で向上させる方法があるが、本発明は後者に属す
る考えである。また、磁気センサ素子の構成に関係なく
一般的な磁気センサにも応用でき、高感度で優れた特性
を有するものである。
To achieve high sensitivity of a magnetic sensor, (1) a method of increasing the sensor output by realizing high sensitivity of the sensor element itself, and (2) There is a method of improving the weak output of the signal by signal processing or resolution on the detection circuit side, but the present invention is considered to belong to the latter. Further, it can be applied to a general magnetic sensor regardless of the structure of the magnetic sensor element, and has high sensitivity and excellent characteristics.

【0009】従来の磁気センサによる外部磁場測定で
は、インピーダンス変化を単一の磁気センサ素子あるい
は3端子ブリッジ回路の出力電圧の変化分ΔVとして検
知し、外部磁場と対応させている。即ち、今まで用いら
れてきた磁気センサではセンサ出力の電圧振幅値を検知
量とする方法である。センサの特性上、ΔVは一般的に
は微小であるために相当のアンプ処理が必要であると共
に、磁気インピーダンス効果を利用する磁気センサは1
00MHz程度以上の高周波信号で動作するため、安定な
動作を得るには高価なアンプの使用と高度な設計技術が
必要不可欠であった。このため、従来の方法を使う外部
磁場測定では、動作域あるいは感度が原理的に制限さ
れ、この限界値を打破することは困難であるとされてき
た。しかしながら、本発明は従来の制限要件が基本的に
全く入らない方法である。以下、本発明の解決手段つい
て詳しく述べる。なお、図面あるいは説明には磁性膜を
用いた磁気センサの例を示すが、軟磁性体の磁性線によ
る場合でも何ら変更することなく本発明の実施ができ、
同一の効果が得られる。
In the external magnetic field measurement by the conventional magnetic sensor, the impedance change is detected as a change ΔV in the output voltage of a single magnetic sensor element or a three-terminal bridge circuit, and made to correspond to the external magnetic field. That is, this is a method in which the magnetic sensor used up to now uses the voltage amplitude value of the sensor output as the detection amount. Due to the characteristics of the sensor, ΔV is generally very small, so a considerable amount of amplifier processing is required, and the magnetic sensor that utilizes the magnetic impedance effect is 1
Since it operates with a high-frequency signal of about 00 MHz or more, use of an expensive amplifier and advanced design technology were indispensable to obtain stable operation. For this reason, in the external magnetic field measurement using the conventional method, the operating range or sensitivity is theoretically limited, and it has been difficult to overcome this limit value. However, the present invention is a method in which the conventional limiting requirements are basically not entered. Hereinafter, the solving means of the present invention will be described in detail. Although an example of a magnetic sensor using a magnetic film is shown in the drawings or the description, the present invention can be implemented without any change even when using a magnetic wire of a soft magnetic material,
The same effect is obtained.

【0010】図1に本発明の原理を示す。この図は磁気
センサ素子の逆起電圧eのベクトル軌跡を複素平面上に
描いたもので、パラメータは外部磁場Hの大きさであ
る。図2(a)に示すように抵抗50Ωと磁気センサ素
子21の直列回路に高周波電源23を接続し、外部磁場
Hを磁気センサ素子21の長手方向に印加しながら、磁
気センサ素子21に生じる逆起電圧Eのベクトルを測定
したもので、逆電圧ベクトルの始点を原点に選び、ベク
トルの終点の軌跡を示す。
FIG. 1 shows the principle of the present invention. In this figure, the vector locus of the back electromotive force e of the magnetic sensor element is drawn on the complex plane, and the parameter is the magnitude of the external magnetic field H. As shown in FIG. 2A, a high frequency power supply 23 is connected to a series circuit of a resistance 50Ω and a magnetic sensor element 21, and while applying an external magnetic field H in the longitudinal direction of the magnetic sensor element 21, a reverse generated in the magnetic sensor element 21 occurs. The vector of the electromotive voltage E is measured. The starting point of the reverse voltage vector is selected as the origin, and the locus of the ending point of the vector is shown.

【0011】磁気センサ21は抵抗RとリアクタンスX
が直列に接続された等価回路として扱うことができ、外
部磁場Hに対して図2(b)および(c)のように変化
する。図では100と500MHzの場合を示す。高周波
電源23の周波数が高くなる程、RおよびXのHに対す
る変化は大きく、センサのS/Nから考えると高い周波
数の方が好都合であるが、GHzに近い周波数であるため
漂遊容量等の影響が大きく、また高周波の信号処理回路
の構成が難しくなる等で、実用的には100MHzが適当
と考え、これ以降は100MHzの場合を中心に説明を進
める。
The magnetic sensor 21 has a resistance R and a reactance X.
Can be treated as an equivalent circuit connected in series, and changes with respect to the external magnetic field H as shown in FIGS. 2B and 2C. The figure shows the case of 100 and 500 MHz. The higher the frequency of the high-frequency power supply 23, the larger the changes of R and X with respect to H, and the higher frequency is more convenient in view of the S / N of the sensor. However, since the frequency is close to GHz, the influence of stray capacitance etc. Is large, and the configuration of a high-frequency signal processing circuit becomes difficult. Therefore, 100 MHz is considered to be suitable for practical use, and thereafter, the explanation will be focused on the case of 100 MHz.

【0012】発明の原理に言及する前に、磁気センサが
具備する最低条件についてまず触れることにする。磁気
センサ素子に流れる高周波電流は100MHzであるため
インピーダンス整合を考慮して、磁気センサ素子は特性
インピーダンスである50Ω付近に選ぶ必要がある。従
って、磁気センサ素子の構造あるいは大きさ等はこの規
定を満足するように、製造調整するとよい。図2(a)
ではこの条件を満たすために、直列抵抗を50Ωに選択
している。因みに、磁気センサ21はCo−Nd−Zr
のスパッタ膜を使用し、長さ3mm、幅50μm、厚さ
3μmに加工したものである。磁性膜の材質としてはパ
ーマロイ等の強磁性膜が好適であるが、表皮効果が得ら
れる強磁性体であるならば本発明の実施には支障をきた
さない。
Before referring to the principles of the invention, the minimum conditions that a magnetic sensor has will be described first. Since the high frequency current flowing through the magnetic sensor element is 100 MHz, it is necessary to select the magnetic sensor element near the characteristic impedance of 50Ω in consideration of impedance matching. Therefore, the structure, size, etc. of the magnetic sensor element may be manufactured and adjusted so as to satisfy this regulation. Figure 2 (a)
Then, in order to satisfy this condition, the series resistance is selected to be 50Ω. Incidentally, the magnetic sensor 21 is Co-Nd-Zr.
3 mm long, 50 μm wide, and 3 μm thick. A ferromagnetic film such as permalloy is suitable as the material of the magnetic film, but if it is a ferromagnetic material that can obtain the skin effect, it does not hinder the practice of the present invention.

【0013】図1にはベクトル軌跡A−B−C、逆起電
圧ベクトルEおよび基準電圧ベクトルEのそれぞれの
位置関係を模式的に示す。まず、ベクトル軌跡A−B−
Cは外部磁場Hを0〜∞に変化させた場合に得られる図
形であり、曲線上にプロットした点はそれぞれ外部磁場
H=0,1.5x10−4T(1.5Oe),3x10
−4T(3Oe),4.5x10−4T(4.5O
e),6x10−4T(6Oe),15x10−4
(15Oe)および∞に対する逆起電圧ベクトルEの終
点位置である。なお、バイアス磁界は3x10−4Tで
ある。図示するようにベクトル軌跡A−B−CはH=0
とH=∞がほぼ一致した閉曲線を形成し、且つ扁平な楕
円状となる。図2(b)および(c)に示すRとXのH
に対する変化状況を参照すれば明らかなように、Rおよ
びXはHに対して同じ傾向で変わり、ピーク値を一箇所
有することおよびH=∞で飽和し初期値にほぼ戻ること
を考え合わせると、扁平な楕円状になることは理解され
る。また、外部磁場Hを逆転させてもRおよびXが軸対
称性を有するため、ベクトル軌跡は図1と同一の結果が
得られる。
FIG. 1 schematically shows the positional relationship among the vector loci A-B-C, the back electromotive force vector E and the reference voltage vector E 0 . First, the vector locus A-B-
C is a figure obtained when the external magnetic field H is changed from 0 to ∞, and the points plotted on the curve are the external magnetic field H = 0, 1.5 × 10 −4 T (1.5 Oe) and 3 × 10, respectively.
-4 T (3 Oe), 4.5 x 10 -4 T (4.5 O
e), 6x10 -4 T (6Oe), 15x10 -4 T
It is the end point position of the back electromotive force vector E with respect to (15 Oe) and ∞. The bias magnetic field is 3 × 10 −4 T. As shown, the vector locus A-B-C has H = 0.
And H = ∞ form a substantially closed curve, and a flat elliptical shape is formed. H of R and X shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c)
As is clear from the change situation with respect to, considering that R and X change with the same tendency with respect to H, have one peak value, and saturate at H = ∞ and return to the initial value almost, It is understood that it becomes flat and elliptical. Further, even if the external magnetic field H is reversed, R and X have axial symmetry, so that the vector locus has the same result as in FIG.

【0014】なお、軌跡曲線上のB点はRおよびXのピ
ーク値付近に対応する。この時のHは磁性膜の異方性磁
界Hで示される物性定数であり、使用材料によって自
ずと決まる値で、図1のB点のHは6x10−4Tであ
る。本発明はAからB点に至る低磁場領域を対象に説明
するが、原理的には高磁場領域でも可能であり、Bから
C点の任意の点あるいは範囲を動作域とすることができ
る。しかし、AからCを動作域とする場合は2値問題を
解決する必要がある。
The point B on the locus curve corresponds to the peak values of R and X. At this time, H is a physical property constant indicated by the anisotropic magnetic field H k of the magnetic film, which is a value naturally determined by the material used, and H at the point B in FIG. 1 is 6 × 10 −4 T. The present invention will be described for the low magnetic field region from point A to point B, but in principle it can be applied to the high magnetic field region, and any point or range from point B to point C can be set as the operating range. However, it is necessary to solve the binary problem when the operating range is from A to C.

【0015】さて、本発明で重要な点の一つは基準電圧
ベクトルEの決め方である。図1では、A点とB点を
結ぶ線分の中点Mを求めた後、原点OからM点に向かっ
て引いた直線が基準電圧ベクトルEである。外部磁場
によって変化する量は、図示するようにEからEをベ
クトル的に引算した差電圧ベクトルΔEである。例え
ば、H=0からH=6x10−4TまでHが変化した場
合、ΔEは180度近く変化して向きが反転する程にな
る。6x10−4Tの変化で位相が180度近く変わ
る。しかし、特開平8−320362号公報に記載のあ
る方法では、図1に示す逆起電圧Eの偏角φを検知する
ため、図面上では精々20〜30度程度の位相変化しか
得られない。
Now, one of the important points in the present invention is how to determine the reference voltage vector E 0 . In FIG. 1, after the midpoint M of the line segment connecting the points A and B is obtained, a straight line drawn from the origin O toward the point M is the reference voltage vector E 0 . The amount changed by the external magnetic field is the difference voltage vector ΔE obtained by vector-wise subtracting E 0 from E 0 as shown in the figure. For example, when H changes from H = 0 to H = 6 × 10 −4 T, ΔE changes by nearly 180 degrees and the direction is reversed. The phase changes by nearly 180 degrees with a change of 6 × 10 −4 T. However, according to the method disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-320362, since the deviation angle φ of the counter electromotive voltage E shown in FIG. 1 is detected, only a phase change of about 20 to 30 degrees can be obtained on the drawing.

【0016】以上の記述から理解されるように、本発明
のポイントは基準電圧ベクトルEのとり方である。図
1ではM点を外部磁場の最小と最大値の中間点か、もし
くは中間点を通過する垂線上に設ける例を示したが、磁
気センサ素子の逆電圧ベクトル軌跡の形状を考慮して決
めることにすれば、測定範囲あるいは精度等を改善でき
るばかりか、特異な用途に本発明の磁気センサを適用す
る道が拓かれる。基準電圧ベクトルEの典型的なとり
方のいくつかを図3に示す。
As can be understood from the above description, the point of the present invention is how to take the reference voltage vector E 0 . Although FIG. 1 shows an example in which the point M is provided at the midpoint between the minimum and maximum values of the external magnetic field or on the perpendicular line passing through the midpoint, it should be determined in consideration of the shape of the reverse voltage vector locus of the magnetic sensor element. In this case, not only can the measurement range, accuracy, etc. be improved, but also the way to apply the magnetic sensor of the present invention to a peculiar application is opened up. Some typical ways of taking the reference voltage vector E 0 are shown in FIG.

【0017】まず、基準電圧ベクトルE01の場合は外
部磁場Hの零付近の比較的狭い範囲をカバーする方法
で、M点はH=0に接近してかつ正面に配置した。ベ
クトル軌跡上において、曲率半径を算定してMを決め
る方法などが考えられる。次にE02はH付近を対象
にした場合である。これまでの例は軌跡曲線の内側から
の設定を考えたものであるが、本発明では図示のように
軌跡曲線の外側にのM点を置いても、前出の例と同様
に発明の効果を奏することができる。さらに、E 03
はベクトルの終点Mを軌跡曲線上に設けた場合であ
る。このようにE を決めると、動作原理から容易に
理解されるように差電圧ベクトルΔEは、M 以下に対
応する外部磁場(ここでは1.5x10−4T)には外
部磁場の減少する方向に向いているが、Mを超えると
外部磁場の増加方向に向き、これはΔEの反転を意味す
る。即ち、閾値を設定した磁気スイッチ、リレーあるい
は外部磁場の極性判定等に応用できる。
First, the reference voltage vector E01If outside
For covering a relatively narrow range of the partial magnetic field H near zero
And M1The point was located close to H = 0 and in front. Be
Calculate the radius of curvature on the cuttle locus and1Decide
It is possible to use Then E02Is HkTarget the neighborhood
This is the case. The previous examples are from inside the trajectory curve
However, in the present invention, as shown in the figure,
M outside the trajectory curveTwoEven if you put points, it is the same as the previous example
The effect of the invention can be obtained. Furthermore, E 03so
Is the end point M of the vectorThreeIs set on the locus curve,
It Like this0 ThreeThe operating principle,
As can be seen, the differential voltage vector ΔE is M ThreeTo
External magnetic field (1.5 x 10 here)-4Outside on T)
The magnetic field is in the direction of decreasing magnetic field, but MThreeExceeds
Facing the increasing direction of the external magnetic field, which means the reversal of ΔE
It That is, a magnetic switch or relay with a threshold set or
Can be applied to the polarity judgment of the external magnetic field.

【0018】ここで強調しておきたいことは、基準電圧
ベクトルの位相が出力に対して反転させる働きを持つだ
けであり、本質的な問題ではないことである。例えば、
測定したい外部磁界が大きい場合に、正の大きい電圧の
出力とするか、あるいは磁界が低い時に負にするかの問
題である。また、アナログ出力の場合でも同様で、測定
磁界の大きさで出力電圧の極性もしくは零の選択が可能
である。また、磁気センサ素子に使用する軟磁性体は磁
気インピーダンス効果が得られればよく、その効果の大
小には関係ないことは本願の測定原理から明らかであ
る。加えて、磁気センサ素子の検知部の形態として薄膜
もしくは線状が可能であるが、好ましくは薄膜方式の方
が小型化あるいは製造上のメリットを生かせる。
What should be emphasized here is that the phase of the reference voltage vector has only a function of inverting the phase with respect to the output, and is not an essential problem. For example,
The problem is whether to output a large positive voltage when the external magnetic field to be measured is large, or to make it negative when the magnetic field is low. The same applies to the case of analog output, and the polarity of the output voltage or zero can be selected depending on the magnitude of the measured magnetic field. Further, it is clear from the measurement principle of the present application that the soft magnetic material used for the magnetic sensor element has only to obtain the magnetic impedance effect and is not related to the magnitude of the effect. In addition, a thin film or a linear shape can be used as the form of the detecting portion of the magnetic sensor element, but the thin film method is preferably more advantageous in size reduction or manufacturing.

【0019】(作用)本発明によれば、磁気インピーダ
ンスの外部磁界変化に対する変化分のみを拡大して検出
することができるため、高感度のセンサとして利用でき
るばかりか、微少の磁界変化を捉えてオン−オフ動作を
するリレーとして適用が可能である。さらに、磁性薄膜
等を使用することによってセンサの集積化が可能であ
る。この他に本発明は、地表での磁気の分布から地中の
金属埋設物の位置を特定し、磁性体(鉄あるいは鉄合
金)の混入あるいは移動を検知追跡することや、人体に
固定した複数個の永久磁石片等による磁界の変動から人
あるいは筋肉の動きを知る方法等に応用することが考え
られる。
(Operation) According to the present invention, since only the change of the magnetic impedance with respect to the change of the external magnetic field can be magnified and detected, it can be used not only as a highly sensitive sensor, but also for detecting a slight change of the magnetic field. It can be applied as a relay that performs on-off operation. Furthermore, the sensor can be integrated by using a magnetic thin film or the like. In addition to this, the present invention identifies the position of a metal buried object in the ground from the distribution of magnetism on the surface of the earth, detects and tracks the mixing or movement of a magnetic body (iron or iron alloy), and fixes a plurality of objects fixed on the human body. It can be considered to be applied to a method of knowing the movement of a person or muscle from the fluctuation of the magnetic field due to individual permanent magnet pieces or the like.

【0020】本発明の磁気センサは、軟磁性体からなる
磁性膜もしくは磁性線と、バイアスコイルとを備えた磁
気センサ素子を有し、前記磁気センサ素子に表皮効果を
生じる程度の高周波電流を通じて外部磁場を検出する磁
気センサにおいて、前記磁気センサ素子端子間に生じる
逆起電圧ベクトルと所要の基準電圧ベクトルとの差電圧
ベクトルを検知して、外部磁場および/または極性を測
定することを特徴とする。この磁気センサにおいて、外
部磁場の変化によって生じる前記逆起電圧のベクトル軌
跡を複素平面上に描き、前記基準電圧ベクトルは複素平
面の原点を始点とした場合、終点がベクトル軌跡上の曲
率半径を有する円を所要位置に配したときの円内にある
ことを特徴とする。さらに、前記基準電圧ベクトルの終
点は、前記ベクトル軌跡の一部もしくは全てを包含する
円内にあることを特徴とする。
The magnetic sensor of the present invention has a magnetic sensor element having a magnetic film or a magnetic wire made of a soft magnetic material and a bias coil, and is supplied with a high-frequency current to the outside to generate a skin effect on the magnetic sensor element. A magnetic sensor for detecting a magnetic field is characterized by detecting a differential voltage vector between a counter electromotive voltage vector generated between the magnetic sensor element terminals and a required reference voltage vector to measure an external magnetic field and / or a polarity. . In this magnetic sensor, a vector locus of the back electromotive force generated by a change in an external magnetic field is drawn on a complex plane, and when the origin of the reference plane is the starting point of the complex plane, the end point has a radius of curvature on the vector locus. It is characterized by being inside the circle when the circle is placed at the required position. Further, the end point of the reference voltage vector is in a circle including a part or all of the vector locus.

【0021】本発明の他の磁気センサは、軟磁性体から
なる磁性膜もしくは磁性線と、バイアスコイルとを備え
た磁気センサ素子を有し、前記磁気センサ素子に表皮効
果を生じる程度の高周波電流を通じて外部磁場を検出す
る磁気センサにおいて、前記磁気センサ素子端子間に生
じる逆起電圧ベクトルと所要の基準電圧ベクトルとの差
電圧ベクトルを検知して、外部磁場および/または極性
を測定するものであり、前記基準電圧ベクトルの終点が
前記逆起電圧のベクトル軌跡上に設定されることを特徴
とする。
Another magnetic sensor of the present invention has a magnetic sensor element having a magnetic film or a magnetic wire made of a soft magnetic material and a bias coil, and has a high-frequency current to the extent that a skin effect is produced in the magnetic sensor element. In a magnetic sensor for detecting an external magnetic field through a magnetic sensor element, a differential voltage vector between a counter electromotive voltage vector generated between the magnetic sensor element terminals and a required reference voltage vector is detected to measure the external magnetic field and / or the polarity. The end point of the reference voltage vector is set on the vector locus of the counter electromotive voltage.

【0022】上記本発明に係るいずれかの構成におい
て、前記磁気センサ素子は3端子もしくはブリッジ回路
の少なくとも一辺として接続され、出力電圧と前記基準
電圧を入力とする位相検出手段を備えることを特徴とす
る。出力電圧は、磁気センサ素子を有する3端子の出力
電圧、もしくは磁気センサ素子を含むブリッジ回路の出
力電圧とすることができる。
In any one of the above-mentioned configurations of the present invention, the magnetic sensor element is connected to at least one side of a three-terminal or a bridge circuit, and is provided with phase detection means for inputting an output voltage and the reference voltage. To do. The output voltage can be the output voltage of the three terminals having the magnetic sensor element or the output voltage of the bridge circuit including the magnetic sensor element.

【0023】本発明の他の磁気センサは、軟磁性体から
なる磁性膜もしくは磁性線と、バイアスコイルとを備え
る磁気センサ素子を有し、前記磁気センサ素子に表皮効
果を生じる程度の電流を供給する高周波電源と、前記磁
気センサ素子の出力の処理回路を有する磁気センサにお
いて、前記磁気センサ素子を単独または3端子もしくは
ブリッジの少なくとも一辺として接続し、センサ出力電
圧ベクトルと基準電圧ベクトルとの差電圧ベクトルを検
知して、10−4〜10−10Tの外部磁場を測定する
ことを特徴とする。さらに、前記外部磁場は0から50
kHz程度までの周波数成分を含むことが望ましい。
Another magnetic sensor of the present invention has a magnetic sensor element having a magnetic film or magnetic wire made of a soft magnetic material and a bias coil, and supplies a current to the magnetic sensor element to the extent that a skin effect is produced. In a magnetic sensor having a high-frequency power supply and a processing circuit for processing the output of the magnetic sensor element, the magnetic sensor element is connected alone or as at least one side of three terminals or a bridge, and a differential voltage between a sensor output voltage vector and a reference voltage vector. It is characterized by detecting a vector and measuring an external magnetic field of 10 −4 to 10 −10 T. Further, the external magnetic field is 0 to 50
It is desirable to include frequency components up to about kHz.

【0024】本発明の他の磁気センサは、磁気センサ素
子を用いて外部磁場を検出する磁気センサにおいて、前
記磁気センサ素子端子間に生じる逆起電圧ベクトルと所
要の基準電圧ベクトルとの位相差を検知して、外部磁場
および/または極性を測定することを特徴とする。さら
に、前記磁気センサ素子は3端子もしくはブリッジ回路
の少なくとも一辺として接続され、前記3端子もしくは
ブリッジ回路の出力電圧と前記基準電圧を入力とする位
相検出手段を備えることが望ましい。
Another magnetic sensor of the present invention is a magnetic sensor for detecting an external magnetic field using a magnetic sensor element, wherein a phase difference between a counter electromotive force vector generated between the magnetic sensor element terminals and a required reference voltage vector is determined. It is characterized by sensing and measuring the external magnetic field and / or the polarity. Further, it is preferable that the magnetic sensor element is connected to at least one side of a three-terminal or bridge circuit, and is provided with a phase detection unit that receives the output voltage of the three-terminal or bridge circuit and the reference voltage as inputs.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以上述べた本発明の原理に基づい
た実施例を詳細に説明するが、これら実施例により本発
明が限定されるものではない。これ以降、参照図中の番
号は同一機能を有する部品等で、同じ番号を使用する。
図4は本発明による磁気センサの基本構成を示す回路図
である。図示するように磁気センサは外部磁界を検知す
る検知部20と基準電圧発生回路40からなり、それぞ
れの出力は位相比較回路47に入力される。さらに、位
相比較回路47の出力は必要に応じてアナログ出力もし
くはデジタル出力に変換する処理回路49に入力され
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments based on the principle of the present invention described above will be described in detail, but the present invention is not limited to these embodiments. From this point onward, the numbers in the reference drawings are parts having the same function, and the same numbers are used.
FIG. 4 is a circuit diagram showing the basic configuration of the magnetic sensor according to the present invention. As shown in the figure, the magnetic sensor comprises a detection unit 20 for detecting an external magnetic field and a reference voltage generation circuit 40, and the respective outputs are input to the phase comparison circuit 47. Further, the output of the phase comparison circuit 47 is input to a processing circuit 49 for converting it into an analog output or a digital output as required.

【0026】図4に示す実施例の特徴的な点を述べる
と、(1)検知部20の出力は差動電圧であること。
(2)基準電圧発生回路40は減衰器43および移相器
45を備え、高周波電源23’は同期回路41によって
完全に検知側の高周波電源23に同期していること。
(3)処理回路45の出力はアナログだけでなく、A/
D変換器を用いないデジタル出力でも得られること等で
ある。
Characteristic points of the embodiment shown in FIG. 4 are as follows: (1) The output of the detecting section 20 is a differential voltage.
(2) The reference voltage generation circuit 40 includes the attenuator 43 and the phase shifter 45, and the high frequency power supply 23 ′ is completely synchronized with the high frequency power supply 23 on the detection side by the synchronization circuit 41.
(3) The output of the processing circuit 45 is not only analog but also A /
It is also possible to obtain a digital output without using a D converter.

【0027】本発明では、基準電圧ベクトルとセンサの
逆起電圧ベクトルとの位相差を検出するため、従来必要
であった整流回路(検波回路)による小信号領域での非
線形部分を無くすことができ、補正回路の挿入など回路
的な考慮が不要となり、回路の簡略化と共に高感度で磁
界を検知できる。特に、高周波電圧を直接整流する従来
方式では、キャリア周波数の基本波成分の脈動電圧が大
きく、また微小信号同士の処理のため高いS/Nを得る
ことは非常に難しかった。しかし、本発明はセンサ出力
を回路処理できる程度に増幅すればよく、振幅値による
精度の低下は原理的に発生しない。したがって、小信号
で雑音の混入し易い部分がないことから、安定な測定が
可能となる。通常、高周波で直線性よく増幅するには、
高度の電子回路技術を必要とするが、本発明における高
周波増幅は位相に着目しているため、回路および素子の
線形性に特段の注意を払うことなく容易に実施できる。
また、増幅された信号は大振幅となるため、雑音の混入
が少ない。
In the present invention, since the phase difference between the reference voltage vector and the back electromotive force vector of the sensor is detected, it is possible to eliminate the non-linear portion in the small signal region due to the rectification circuit (detection circuit) which has been conventionally required. Therefore, it is possible to detect the magnetic field with high sensitivity while simplifying the circuit because it is not necessary to consider the circuit such as inserting the correction circuit. Particularly, in the conventional method of directly rectifying the high frequency voltage, the pulsating voltage of the fundamental wave component of the carrier frequency is large, and it is very difficult to obtain a high S / N due to the processing of minute signals. However, the present invention only needs to amplify the sensor output to the extent that the circuit processing can be performed, and in principle, the accuracy does not decrease due to the amplitude value. Therefore, since there is no portion where a small signal is likely to be mixed with noise, stable measurement can be performed. Normally, in order to amplify linearly at high frequency,
Although high-level electronic circuit technology is required, since the high frequency amplification in the present invention focuses on the phase, it can be easily implemented without paying particular attention to the linearity of the circuit and the element.
Moreover, since the amplified signal has a large amplitude, noise is less mixed.

【0028】次に、本発明における被測定磁界の検出分
解能について説明する。検出限界を決める因子は、磁気
センサ素子を構成している磁性膜の熱雑音、増幅器の熱
雑音、バイアスコイルの直流電源から伝播してくる雑音
電流および高周波発振器の雑音等である。しかし、検出
信号に関しては高周波域での差動出力をとるため、上記
の雑音の影響は充分小さくできる。また、バイアスコイ
ル電源の雑音は注意深く設定したローパスフィルタ等の
使用によって、交流成分を充分減衰させた直流電流が得
られるため、無視できる程度に小さくすることができ
る。また、高周波発振器による雑音分は、検知部20で
差動演算されるため誤差の大部分が相殺され、その影響
は極小化される。
Next, the detection resolution of the magnetic field to be measured in the present invention will be described. Factors that determine the detection limit are thermal noise of the magnetic film forming the magnetic sensor element, thermal noise of the amplifier, noise current propagating from the DC power source of the bias coil, noise of the high frequency oscillator, and the like. However, since the detection signal is differentially output in a high frequency range, the influence of the above noise can be sufficiently reduced. Further, the noise of the bias coil power source can be reduced to a negligible level because a DC current with a sufficiently attenuated AC component can be obtained by using a carefully set low-pass filter or the like. Further, noise components due to the high frequency oscillator are differentially calculated by the detection unit 20, so most of the errors are canceled out, and the influence thereof is minimized.

【0029】一方、増幅器の発生する雑音は近年の通信
機用半導体や衛星放送の目覚しい進展により、安価で高
性能の集積回路を利用できるため全く問題なく低雑音化
が可能である。磁気センサ素子の抵抗としての熱雑音で
制限される10−10T/Hz1/2が、測定限界であ
る。この値は1Hz当り10−10Tの分解能を意味し、
周波数帯域が広くなるに伴って分解能は低下する。さら
に、図4に示すように磁界成分を電圧振幅でなく位相変
化を検出信号としているため、アナログ信号電圧に変換
できることは当然であるが、時間軸に乗った信号出力と
して直接デジタル信号を得ることも可能である。
On the other hand, the noise generated by the amplifier can be reduced without any problems because an inexpensive and high-performance integrated circuit can be used with the recent remarkable progress of semiconductors for communication equipment and satellite broadcasting. The measurement limit is 10 −10 T / Hz 1/2 , which is limited by thermal noise as the resistance of the magnetic sensor element. This value means a resolution of 10 -10 T per Hz,
The resolution decreases as the frequency band becomes wider. Furthermore, as shown in FIG. 4, since the magnetic field component is not a voltage amplitude but a phase change as a detection signal, it is natural that it can be converted into an analog signal voltage, but it is possible to directly obtain a digital signal as a signal output along the time axis. Is also possible.

【0030】一例として、デジタル信号の発生方法を説
明する。基準電圧と磁気センサ素子からの検出電圧を増
幅して波形整形回路に入力し、矩形波に整形した後、排
他論理和をとる。この排他論理和の出力は、両入力の位
相差に比例したパルス幅を持つパルス列が得られる。ク
ロックパルスをこのパルス列でゲート制御することによ
って、パルス幅即ち位相差に比例したクロックパルス数
が得られる。このパルス数をカウンタで計数することに
よってアナログ電圧を直接デジタル値に変換することが
できる。センサに加える周波数より高い周波数のパルス
を計数することは一般的でないため、通常高周波信号電
圧と比較信号の両者を別置の共通の局部発振器出力を用
いた。周波数変換器を使用して、低い周波数に変換して
精度を高める方法が用いられる。上記した波形例を図1
1(a)に示す。同図(b)にアナログ電圧を得る方法
の一例を示した。基準電圧および検知電圧を波形整形し
た後、排他論理和をとる。この波形を平滑することによ
って、位相差0度で0V、位相差180度で電源電圧
(5V)が得られる。
As an example, a method of generating a digital signal will be described. The reference voltage and the detection voltage from the magnetic sensor element are amplified and input to the waveform shaping circuit, shaped into a rectangular wave, and then the exclusive OR is calculated. As the output of the exclusive OR, a pulse train having a pulse width proportional to the phase difference between both inputs is obtained. By gating the clock pulse with this pulse train, the number of clock pulses proportional to the pulse width, that is, the phase difference can be obtained. An analog voltage can be directly converted into a digital value by counting the number of pulses with a counter. Since it is not common to count pulses with a frequency higher than the frequency applied to the sensor, a common local oscillator output is usually used for both the high frequency signal voltage and the comparison signal. A frequency converter is used to convert to a lower frequency to improve accuracy. The above waveform example is shown in FIG.
1 (a). An example of a method for obtaining an analog voltage is shown in FIG. After waveform shaping of the reference voltage and the detection voltage, the exclusive OR is taken. By smoothing this waveform, 0 V with a phase difference of 0 degrees and a power supply voltage (5 V) with a phase difference of 180 degrees can be obtained.

【0031】図5は第2の実施例における磁気センサの
構成平面図と付属部品との接続を示す概念図である。磁
気センサ素子21−1および21−2は図に示すように
3端子ブリッジ結合され、トランス19の二次コイルに
接続される。トランス19の二次コイルは中点が接地さ
れているため、180度位相が異なる高周波電流が流れ
ることになる。また、磁気センサ素子21−1および2
1−2は絶縁シート15−1および15−2を介してバ
イアスコイル13上に配置されるため、磁気センサの長
手方向にバイアス磁界が印加される。この実施例では、
基準電圧は磁気センサ素子21−2に印加される電圧と
同相の電圧である。
FIG. 5 is a conceptual plan view showing the configuration of the magnetic sensor in the second embodiment and a conceptual diagram showing the connection with the accessory parts. The magnetic sensor elements 21-1 and 21-2 are 3-terminal bridge-coupled as shown in the figure and connected to the secondary coil of the transformer 19. Since the middle point of the secondary coil of the transformer 19 is grounded, high-frequency currents having phases different by 180 degrees flow. Further, the magnetic sensor elements 21-1 and 2
Since 1-2 is arranged on the bias coil 13 via the insulating sheets 15-1 and 15-2, a bias magnetic field is applied in the longitudinal direction of the magnetic sensor. In this example,
The reference voltage is a voltage in phase with the voltage applied to the magnetic sensor element 21-2.

【0032】また、図6(a)に示す第3の実施例は基
準電圧ベクトルの発生を簡易な方法で実現する場合であ
る。ブリッジ構成にした左側の直列回路には磁気センサ
素子21を挿入して中点から出力を得ると共に、右側辺
は抵抗とコンデンサの直列回路が接続され、抵抗とコン
デンサを適宜選ぶことによって所望の移相と大きさの基
準電圧が得られる。
The third embodiment shown in FIG. 6A is a case where the generation of the reference voltage vector is realized by a simple method. The magnetic sensor element 21 is inserted in the bridge-side left series circuit to obtain an output from the middle point, and the right side is connected with a series circuit of a resistor and a capacitor. A reference voltage of phase and magnitude is obtained.

【0033】従来方式の電圧振幅の差動出力でも外部磁
界と電圧出力の関係が、図6(b)に示すようなV字型
特性を示す。原点に近い低磁界を検知する場合、検出電
圧が微少であるため誤差が混入し易く、精度の良い測定
することは相当難しい。これに対して、本発明は位相変
化に着目しているため検出電圧の振幅の大きさに関係な
く、一定した精度の検出が可能である。図6(c)は外
部磁界と位相差の関係である。このデータは3x10
−4Tのバイアス磁界を印加し、図6(a)の回路を使
用して測定したもので、回路定数を図6(d)にまとめ
て示す。図中の〜の特性曲線を見れば、外部磁場の
僅かな変動で位相が180度近く変わることがわかる。
〜の特性曲線はゲインを変更した場合である。これ
は図6(a)の中点電位を調整することと等価であり、
図1のM点を移動することになる。従って、M点をP点
(H=3Oe(3x10−4T))により近くに設定す
ることによって、より大きな感度が得られることは自明
である。なお、曲線は図6(b)の原点に近い点を折
り返す場合で、原点を通過する場合は無限大のゲイン、
即ちスイッチング動作が得られる。
Even in the voltage amplitude differential output of the conventional method, the relationship between the external magnetic field and the voltage output exhibits a V-shaped characteristic as shown in FIG. 6B. When a low magnetic field close to the origin is detected, an error is likely to be mixed because the detected voltage is very small, and accurate measurement is considerably difficult. On the other hand, since the present invention focuses on the phase change, it is possible to perform detection with constant accuracy regardless of the magnitude of the amplitude of the detection voltage. FIG. 6C shows the relationship between the external magnetic field and the phase difference. This data is 3x10
The circuit constants are collectively shown in FIG. 6D, which were measured by using the circuit of FIG. 6A with a bias magnetic field of −4 T applied. It can be seen from the characteristic curves (1) to (3) in the figure that the phase changes by nearly 180 degrees with a slight change in the external magnetic field.
The characteristic curves of are when the gain is changed. This is equivalent to adjusting the midpoint potential of FIG.
The point M in Fig. 1 will be moved. Therefore, it is obvious that a larger sensitivity can be obtained by setting the M point closer to the P point (H = 3Oe (3 × 10 −4 T)). It should be noted that the curve is a case where a point near the origin of FIG. 6B is folded back, and an infinite gain when passing through the origin,
That is, a switching operation can be obtained.

【0034】図7〜10に実用的な回路を示す。まず、
図7の実施例は基板、短冊状の磁性膜に電極を設けた図
5に示す磁気センサ素子21−1および21−2を3端
子ブリッジ回路に接続して外部磁場を測定する磁気セン
サの構成である。磁気センサ素子21−1,21−2に
それぞれ逆位相の高周波電圧を印加して、3端子ブリッ
ジ回路の中点電圧の位相を検出する方法である。所謂、
トランス付きのブリッジ構成としたものであるが、逆位
相の高周波電圧が得られれば、上記のようなトランス構
成を必ずしも用いる必要はない。
A practical circuit is shown in FIGS. First,
In the embodiment shown in FIG. 7, the magnetic sensor elements 21-1 and 21-2 shown in FIG. 5 in which electrodes are provided on a substrate and a strip-shaped magnetic film are connected to a three-terminal bridge circuit to measure an external magnetic field. Is. This is a method of applying a high frequency voltage of opposite phase to each of the magnetic sensor elements 21-1 and 21-2 and detecting the phase of the midpoint voltage of the three-terminal bridge circuit. So-called
Although a bridge structure with a transformer is used, the above-described transformer structure is not necessarily used as long as a high frequency voltage having an opposite phase can be obtained.

【0035】この実施例では、2個の磁気センサ素子2
1−1,21−2は長手方向と一致する外部磁場Hに比
例した電圧が、3端子ブリッジ回路の中点から得られ
る。磁気センサの印加電圧が同相の場合、外部磁場の強
さと共に上部辺と下部辺の磁気センサのインピーダンス
が、同時に変化するため中点電位は変動せず、その結果
外部磁場に見合った電圧変化が得られない。また、二つ
の磁気センサ素子21−1および21−2の差動出力が
得られることによって、単位磁束密度変化当りの出力を
2倍にすることができると共に、高周波発振器に含まれ
る雑音が逆相で加えられるため、相殺されてS/N比が
向上して分解能が改善される。したがって、2点間の磁
界の差を測定する場合など、測定する箇所にセンサを設
置すれば、それぞれの磁気センサ出力の差動電圧が得ら
れ、容易に外部磁界の磁界差や変化量を知ることができ
る。
In this embodiment, two magnetic sensor elements 2 are used.
In 1-1 and 21-2, a voltage proportional to the external magnetic field H coinciding with the longitudinal direction is obtained from the middle point of the three-terminal bridge circuit. When the voltages applied to the magnetic sensors are in phase, the impedance of the magnetic sensors on the upper and lower sides changes simultaneously with the strength of the external magnetic field, so the midpoint potential does not fluctuate, and as a result, the voltage changes commensurate with the external magnetic field. I can't get it. Further, by obtaining the differential output of the two magnetic sensor elements 21-1 and 21-2, the output per unit magnetic flux density change can be doubled, and the noise included in the high frequency oscillator has a negative phase. , The S / N ratio is improved and the resolution is improved. Therefore, if a sensor is installed at the measurement location, such as when measuring the difference in magnetic field between two points, the differential voltage of each magnetic sensor output can be obtained, and the magnetic field difference and change amount of the external magnetic field can be easily known. be able to.

【0036】図8は2つの抵抗と磁気センサ素子を用い
たブリッジであり、1入力のアンプに入力するためにト
ランスを使用する方法である。この構成は汎用ICが利
用できることから、構成回路の低コスト化が可能であ
る。
FIG. 8 shows a bridge using two resistors and a magnetic sensor element, which is a method of using a transformer for inputting to a one-input amplifier. Since a general-purpose IC can be used in this configuration, the cost of the configuration circuit can be reduced.

【0037】図9は2入力端子を持つ差動アンプを用い
る場合の回路構成で、図7および8で用いたトランスを
省略することができ、高価なトランスを使用しない分コ
ストを低減できる。
FIG. 9 shows a circuit configuration when a differential amplifier having two input terminals is used. The transformer used in FIGS. 7 and 8 can be omitted, and the cost can be reduced because an expensive transformer is not used.

【0038】図10は1個の磁気センサ素子21を用い
た場合の例で、磁気センサ素子21とその負荷抵抗の関
係、即ちリアクタす成分を持つ磁気センサ素子と純抵抗
成分の負荷との関係によって生じる位相変化を、純抵抗
とコンデンサの並列回路に直列の純抵抗間の電圧として
検出する方法であり、差動アンプに入力する。
FIG. 10 shows an example in which one magnetic sensor element 21 is used. The relationship between the magnetic sensor element 21 and its load resistance, that is, the relationship between the magnetic sensor element having a reactor component and the load of a pure resistance component. The phase change caused by this is detected as the voltage between the pure resistors in series with the parallel circuit of the pure resistor and the capacitor, and is input to the differential amplifier.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明の構成によって、センサ素子から
の微弱な出力を向上させ、高感度な磁気センサが得られ
る。同時に、測定範囲が大幅に拡大できるため、様々な
用途にも適用可能である。
According to the structure of the present invention, a weak output from the sensor element can be improved and a highly sensitive magnetic sensor can be obtained. At the same time, the measurement range can be greatly expanded, so it can be applied to various applications.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を説明するための原理図である。FIG. 1 is a principle diagram for explaining the present invention.

【図2】磁気センサの外部磁場に対する特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram of a magnetic sensor with respect to an external magnetic field.

【図3】基準電圧ベクトルの設定例である。FIG. 3 is an example of setting a reference voltage vector.

【図4】本発明の基本概念図である。FIG. 4 is a basic conceptual diagram of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施例を示す磁気センサ素子の
平面図である。
FIG. 5 is a plan view of the magnetic sensor element according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例を示す回路図と特性であ
る。
FIG. 6 is a circuit diagram and characteristics showing a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施例を示す回路構成図であ
る。
FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第4の実施例を示す回路構成図であ
る。
FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing a fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第5の実施例を示す回路構成図であ
る。
FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing a fifth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第6の実施例を示す回路構成図であ
る。
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing a sixth embodiment of the present invention.

【図11】各部の電圧波形例である。FIG. 11 is an example of a voltage waveform of each part.

【図12】従来の磁気センサの構成図である。FIG. 12 is a configuration diagram of a conventional magnetic sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11:基板、13:バイアスコイル、14:電極、1
5:絶縁シート、16:中点電極、17:アンプ、1
9:トランス、20:検知部、21:磁気センサ素子、
23:高周波電源、25:アンプ、40:基準電圧発生
回路、41:同調回路、43:位相比較回路、45:処
理回路、47:減衰器、49:移相器、90:磁気セン
サ、91:基板、 92,93:磁気検出コア、94:
駆動電圧印加電極、95:接地電極、96:出力電極、
97,98:バイアス電極、 99:スパイラルコイ
ル。
11: substrate, 13: bias coil, 14: electrode, 1
5: Insulation sheet, 16: Midpoint electrode, 17: Amplifier, 1
9: transformer, 20: detector, 21: magnetic sensor element,
23: high frequency power supply, 25: amplifier, 40: reference voltage generation circuit, 41: tuning circuit, 43: phase comparison circuit, 45: processing circuit, 47: attenuator, 49: phase shifter, 90: magnetic sensor, 91: Substrate, 92, 93: Magnetic detection core, 94:
Drive voltage applying electrode, 95: ground electrode, 96: output electrode,
97 and 98: bias electrodes, 99: spiral coil.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 軟磁性体からなる磁性膜もしくは磁性線
と、バイアスコイルとを備えた磁気センサ素子を有し、 前記磁気センサ素子に表皮効果を生じる程度の高周波電
流を通じて外部磁場を検出する磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子端子間に生じる逆起電圧ベクトルと
所要の基準電圧ベクトルとの差電圧ベクトルを検知し
て、外部磁場および/または極性を測定することを特徴
とする磁気センサ。
1. A magnetic sensor having a magnetic film or a magnetic wire made of a soft magnetic material and a bias coil, for detecting an external magnetic field through a high-frequency current that causes a skin effect on the magnetic sensor element. In the sensor, the external magnetic field and / or the polarity is measured by detecting a differential voltage vector between a counter electromotive voltage vector generated between the magnetic sensor element terminals and a required reference voltage vector.
【請求項2】 請求項1において、外部磁場の変化によ
って生じる前記逆起電圧のベクトル軌跡を複素平面上に
描き、前記基準電圧ベクトルは複素平面の原点を始点と
した場合、終点がベクトル軌跡上の曲率半径を有する円
を所要位置に配したときの円内にあることを特徴とする
磁気センサ。
2. The vector locus of the back electromotive force generated by a change of an external magnetic field according to claim 1, drawn on a complex plane, and when the reference voltage vector has an origin of the complex plane as a starting point, an end point is on the vector locus. A magnetic sensor characterized by being within a circle when a circle having a radius of curvature of is arranged at a required position.
【請求項3】 請求項2において、前記基準電圧ベクト
ルの終点は、前記ベクトル軌跡の一部もしくは全てを包
含する円内にあることを特徴とする磁気センサ。
3. The magnetic sensor according to claim 2, wherein the end point of the reference voltage vector is within a circle including a part or all of the vector locus.
【請求項4】 請求項1において、前記基準電圧ベクト
ルの終点が前記逆起電圧のベクトル軌跡上に設定される
ことを特徴とする磁気センサ。
4. The magnetic sensor according to claim 1, wherein an end point of the reference voltage vector is set on a vector locus of the counter electromotive voltage.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかにおいて、前記
磁気センサ素子は3端子もしくはブリッジ回路の少なく
とも一辺として接続され、出力電圧と前記基準電圧を入
力とする位相検出手段を備えることを特徴とする磁気セ
ンサ。
5. The magnetic sensor element according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic sensor element is connected as at least one side of a three-terminal or a bridge circuit, and is provided with a phase detection means for inputting an output voltage and the reference voltage. And a magnetic sensor.
【請求項6】 軟磁性体からなる磁性膜もしくは磁性線
と、バイアスコイルとを備える磁気センサ素子を有し、 前記磁気センサ素子に表皮効果を生じる程度の電流を供
給する高周波電源と、前記磁気センサ素子の出力の処理
回路を有する磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子を単独または3端子もしくはブリッ
ジの少なくとも一辺として接続し、センサ出力電圧ベク
トルと基準電圧ベクトルとの差電圧ベクトルを検知し
て、10−4〜10−10Tの外部磁場を測定すること
を特徴とする磁気センサ。
6. A magnetic sensor element comprising a magnetic film or a magnetic wire made of a soft magnetic material and a bias coil, a high frequency power source for supplying a current to the magnetic sensor element to the extent that a skin effect is produced, and the magnetic sensor. In a magnetic sensor having a processing circuit for the output of a sensor element, the magnetic sensor element is connected alone or as at least one side of a three terminal or a bridge, and a difference voltage vector between a sensor output voltage vector and a reference voltage vector is detected to detect 10 A magnetic sensor which measures an external magnetic field of -4 to 10 -10 T.
【請求項7】 請求項6において、前記外部磁場は0か
ら50kHz程度までの周波数成分を含むことを特徴と
する磁気センサ。
7. The magnetic sensor according to claim 6, wherein the external magnetic field includes a frequency component of about 0 to 50 kHz.
【請求項8】 磁気センサ素子を用いて外部磁場を検出
する磁気センサにおいて、 前記磁気センサ素子端子間に生じる逆起電圧ベクトルと
所要の基準電圧ベクトルとの位相差を検知して、外部磁
場および/または極性を測定することを特徴とする磁気
センサ。
8. A magnetic sensor for detecting an external magnetic field using a magnetic sensor element, which detects a phase difference between a counter electromotive voltage vector generated between the magnetic sensor element terminals and a required reference voltage vector to detect an external magnetic field and A magnetic sensor characterized by measuring polarity.
【請求項9】 請求項8において、前記磁気センサ素子
は3端子もしくはブリッジ回路の少なくとも一辺として
接続され、前記3端子もしくはブリッジ回路の出力電圧
と前記基準電圧を入力とする位相検出手段を備えること
を特徴とする磁気センサ。
9. The magnetic sensor element according to claim 8, further comprising phase detection means connected to at least one side of the three-terminal or bridge circuit, and receiving the output voltage of the three-terminal or bridge circuit and the reference voltage as input. Magnetic sensor characterized by.
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