CN103620433A - 磁场检测方法和磁场检测电路 - Google Patents

Abstract

提供一种使得能够通过使用低电流消耗来获得稳定的零点设置的磁场检测电路。为了进行磁场检测，对于线圈(2)卷绕磁性材料(1)或被配置在磁性材料(1)附近的磁检测元件，设置以下部件：用于向磁性材料(1)的两端分别施加振荡单元(3)所生成的高频脉冲和通过使该高频脉冲延迟了预定时间所获得的延迟脉冲、由此使电流(Im)以间歇方式在正方向和反方向上流动的部件；以及用于通过使用线圈(2)来检测磁性材料(1)内的与延迟脉冲的上升沿和下降沿相对应的磁通量变化的部件。

Description

磁场检测方法和磁场检测电路

技术领域

本发明涉及用于利用低电流消耗来驱动线圈卷绕磁性材料或者配置在磁性材料附近的磁检测元件的磁场检测方法和磁场检测电路。

背景技术

近年来，用于通过感测地磁来获得方位角的磁场传感器和用于根据电流来感测磁场的电流传感器利用太阳能发电或小型电池进行工作的机会增加，因此出现了用于利用低电力消耗来驱动这些传感器的需求。

在科学协会等中，将线圈卷绕磁性材料或配置在磁性材料附近的磁检测元件称为磁阻抗元件或正交磁通门传感器。向该磁检测元件的磁性材料供给高频电流，并且利用基于该高频电流的外部磁场使磁性材料内部的磁通量改变，由此基于在线圈中产生的感应输出的振幅变化来检测外部磁场的大小和方向。

在检测微小的地磁或直流电流的情况下，表示零磁场的零点处的电压的变化必须小。因此，作为磁检测元件的检测电路，提出了如本申请人在专利文献1中所公开的磁场检测电路。

在专利文献1中，通过使用利用高频电流重复高H和低L的脉冲信号来在正方向和负方向上向磁性材料均匀地施加电流。然后，通过捕捉与该脉冲的上升沿和下降沿有关的信号的变化来实现零点稳定的无滞后磁场检测。

更具体地，利用在脉冲的上升沿和下降沿处产生的磁性材料的磁通量变化所获得的检测信号由于磁性材料和线圈之间的电容耦合而叠加在线圈侧出现的峰值波形上，并且通过检波来进行提取。由于在该检波中使用二极管，因此正向电压的温度特性改变，但通过获得正侧和负侧之间的检波中点来抵消该变化，确保了零点的稳定性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-045246

专利文献2：日本特开2000-258517

专利文献3：国际公开2005/19851

发明内容

发明要解决的问题

然而，在该方法中，通过重复脉冲信号的高H和低L，电流始终流动，因此需要针对低电流消耗驱动的要求的改进。

如专利文献2和专利文献3所述，在为了低电流消耗而进行间歇驱动的方法中，仅需简单地施加宽度窄的脉冲。然而，为了在不存在任何滞后的情况下稳定地检测零点，需要电流在正方向和负方向上流动的专利文献1的想法，但专利文献2和专利文献3不具有该想法。显而易见，在专利文献2的图2所示的实验数据中滞后明显出现。

此外，在如专利文献2和专利文献3所述、进行间歇驱动的情况下，二极管在正方向上的温度特性差，因此使用利用模拟开关的采样保持电路所进行的检波。因此，可以对该部分进行改进，但需要电阻器和电容器来调整定时。因此，定时本身由于电阻器和电容器的时间常数而改变，或者定时由于时间常数的温度变化而偏移。这可能导致灵敏度的变化或温度特性的下降。

本发明的目的是解决上述问题，并且提供如下的磁场检测方法和磁场检测电路：在正方向和负方向上均匀地施加电流的同时进行间歇驱动，没有必要进行定时调整，可以确保灵敏度和零点的稳定性，并且电路结构不复杂。

用于解决问题的方案

用于实现以上目的的根据本发明的一种磁场检测方法，其特征在于，包括以下步骤：对于线圈卷绕磁性材料或被配置在所述磁性材料附近的磁检测元件，向所述磁性材料的两端施加高频脉冲和相对于所述高频脉冲延迟了预定时间的延迟脉冲，由此向所述磁性材料间歇地供给正电流和负电流；以及通过使用所述线圈来检测与所述延迟脉冲的上升沿和下降沿相对应的所述磁性材料的磁通量变化。

此外，根据本发明的一种磁场检测电路，其特征在于，包括：磁检测元件，其中在所述磁检测元件中，线圈卷绕磁性材料或被配置在所述磁性材料附近；用于向所述磁性材料的一端施加高频脉冲电压的电路；用于向所述磁性材料的另一端施加相对于所述高频脉冲发生了延迟的延迟脉冲电压的电路；以及用于检测响应于所述延迟脉冲的上升沿和下降沿而在所述线圈中产生的电压、并且基于检测结果来输出与外部磁场的强度相对应的信号的电路。

发明的效果

在根据本发明的磁场检测方法和磁场检测电路中，通过间歇驱动使得电流在正方向和负方向上均匀地流动，并且基于延迟侧的脉冲的上升沿和下降沿来进行检波。结果，并不特别必要进行定时调整，可以确保稳定的零点，并且可以利用低电流消耗进行磁场检测。

此外，即使在没有使用任何有源模拟开关的情况下，在利用二极管的检波中也可以确保精度和温度特性。由于电路规模减小，因此还可以实现在大小和成本方面优良的磁场检测。

附图说明

图1是磁场检测电路的结构图。

图2是施加电压和输出电压的时序图。

图3是磁检测元件的立体图。

图4是在从上方观看磁性材料的情况下的内部磁区构造的说明图。

图5是线圈端处的检波之前的检测波形图。

图6是在注入脉冲的情况下延迟侧的线圈端处的检测波形图。

图7是磁场检测的实测数据的曲线图。

具体实施方式

将基于附图所示的实施例来详细说明本发明。

图1是针对线圈2卷绕磁性材料1或被配置在磁性材料1附近的磁检测元件的磁场检测电路的电路结构图。图2是示出波形之间的关系的时序图。

磁性材料1是诸如非晶材料等的线材或薄铜板、或者形成在非磁性基板上的磁性薄膜。线圈2是通过使铜线卷绕磁性材料1的周围、或者将螺旋状的平面线圈放置或堆叠在磁性材料1附近或磁性材料1上来获得的。

在本实施例的磁检测元件中，如图3所示，2μm厚的多条细长的Fe-Ta-C系的磁性薄膜平行地排列在陶瓷基板上作为磁性材料1，并且呈曲折状串联电连接。其两端1a和1b之间的电阻值是230Ω。此外，通过在磁性材料1上以夹持绝缘膜(未示出)的方式堆叠由铜箔制成的螺旋状的平面线圈来形成线圈2。线圈2a和2b之间的匝数为73T。

参考图1，振荡器3的输出连接至磁检测器4，并且磁检测器4的输出顺次连接至峰值增强器5、检波器6、分压器7和放大器8。

振荡器3包括C-MOS反相器以及包含电阻器R和电容器C的CR电路，并且振荡器3的振荡频率为2MHz。如图2的Sa所示，来自振荡器3的输出a具有重复高H和低L的高频脉冲的波形。

在磁检测器4中，来自振荡器3的输出a的一部分经由反相器11和电阻器12连接至磁性材料1的一端。来自振荡器3的输出a的另一部分经由电阻器13、反相器14和电阻器15连接至磁性材料1的另一端，并且经由电阻器13和反相器14之间的电容器16接地。来自振荡器3的输出a的该另一部分被包括电阻器13和电容器16的CR延迟电路延迟了延迟时间δt，并且被输入至反相器14。因而，该CR延迟电路通过加上时间延迟来输出输入脉冲(高频脉冲电压)。来自反相器11和14的输出b和c分别如图2的Sb和Sc所示，并且连接至磁性材料1的两端部。注意，本实施例使用反相器11和14，但即使在使用非反相缓冲型元件的情况下也不会出现问题。

在磁检测器4中，利用电阻器12和15将流经磁性材料1的电流Im调整为具有预定电流值，并且如图2的Sd所示间歇地交替生成电流Im⁺和Im^-，由此在正方向和负方向上获得均匀的电流。为了确保该特征，使用输出电流规格和传播延迟时间均与反相器11和14相同的反相器是有利的。

在磁性材料1的外部存在磁场的情况下，在磁性材料1内产生磁通量，并且该磁通量与流经磁性材料1的电流Im同步地改变。以下将更加详细地说明该情况。图4的Si是在从磁场强度为零的薄膜状的磁性材料1的上方观看的情况下内部磁区构造的示意图。在如图4的Sj所示在箭头指示的长方向上应用磁场强度H的情况下，该方向分量的磁化增大，并且在磁场施加方向上产生磁通量φ作为总和。

在向磁性材料1供给电流Im的情况下，生成周向磁场，并且磁化在宽度方向上排列。在电流Im充分大的情况下，与磁场强度H的方向无关地，如图4的Sk所示在宽度方向上发生饱和，因此在作为长方向的磁场施加方向上的磁通量φ变为零。尽管没有示出，但在电流Im在相反方向上流动的情况下，在该相反方向上产生宽度方向上的磁通量φ，但磁场施加方向上的磁通量φ同样变为零。也就是说，仅在电流Im不流动的情况下才产生原来的磁通量φ。

图2的Se示出以下：在外部磁场的强度H为>0、=0和<0的状态下，磁通量φ的变化分别为φ⁺、0和φ^-。

具有预定匝数的线圈2堆叠在磁性材料1上，并且线圈2的一端接地。如图2的波形Sf所示，从线圈2的另一端获得与线圈2的匝数和磁通量φ的时间微分之积成比例的感应输出f。此外，将图2的Sg所示的感应输出g叠加在该感应输出f的成分上。感应输出g是由于磁性材料1和线圈2彼此接近配置而发生的电容耦合所获得的，并且仅图2的Sa和Sb所示的输出a和b的上升沿和下降沿处的高频成分寄生在该感应输出g上。

图5所示的S1～Sn是基于通过线圈2侧的实验所获得的波形的检测波形图。图5的S1示出在紧挨图1所示的检波器6之前磁场强度H为零的情况下的波形。由于在这种状态下在磁性材料1内没有产生磁通量φ，因此不存在图2的Sf所示的感应输出f，并且仅根据图2的Sa和Sb所示的输出a和b的上升沿和下降沿而寄生的图2的Sg所示的感应输出g出现。

在本实施例中，尽管延迟侧的波形的峰值大，但根据布线或磁检测元件的内部电容分布，结果有时相反。在图5中，为了简便，按从左侧开始的顺序依次向这些峰值赋予附图标记α、β、γ和δ，并且使这些峰值与图2的Sg中的利用虚线所包围的部分内的峰值位置相对应。

在从该状态起在正方向上向磁场强度H施加3G(高斯)的情况下，该波形变为图5所示的Sm。在密切观察该波形的情况下，在与无延迟侧的上升沿和下降沿有关的峰值α和γ中几乎没有出现变化，而在与延迟侧的上升沿和下降沿有关的峰值β和δ中出现变化。该趋势适用于磁场强度H在相反方向上的图5所示的Sn的波形。

之所以如此，很可能是因为在图2的Se所示的磁性材料1内的磁通量变化中、接近零的侧和远离零的侧的时间变化不同，因此与无延迟侧的上升沿和下降沿有关的峰值位置与磁通量变化的峰值不匹配，并且这导致无法精确地提取输出。重要的是，与延迟侧的上升沿和下降沿有关的峰值位置与磁通量φ从零恢复为原来磁通量φ的磁通量变化的峰值位置之间的关系便于提取信号。

此外，应当注意，如果延迟时间δt过短，则在从图5的S1观看的情况下，需要防止在峰值α之后的小峰值α’和要提取的峰值β之间的干涉。小峰值α’是在发生电容耦合的情况下出现的峰值α的衰减波，并且与磁性材料1无本质关系。作为延迟时间δt，因此需要确保从峰值α到小峰值α’的时间的1.5倍的时间。因此，优选延迟时间δt为30ns以上，并且在本实施例中设置为40ns。

根据电路板的布线或磁检测元件的内部电容分布的变化，峰值电压不总是满足β>α且δ<γ。因此，通过使用峰值增强器5的电阻器17和电容器18、基于延迟侧的输出c向检波器6注入如图2(h)所示的与上升沿和下降沿有关的峰值波形h，可以使峰值电压更加可靠地保持β>α且δ<γ。

电阻器17和电容器18不用于进行定时调整而是用于增强峰值β和δ。图6是连接至1kΩ的电阻器17和33pF的电容器18的线圈端处的检测波形图。上侧波形是图2的Sc所示的延迟侧的输出c，并且下侧波形是线圈2的端处的检测波形。尽管纵轴从200mV/div改变为500mV/div，但峰值β和δ显然增强。

在峰值电压满足β>α且δ<γ的情况下，即使在利用检波器6的二极管19和20的检波中也优先检测以基线为基准的峰值β和δ，并且获得正峰值β的峰值电压Vp和负峰值的峰值电压Vm。

如图5所示，外部磁场所产生的峰值β和δ相对于该磁场在相同的垂直方向上一起偏移。通过利用分压器7的电阻器21和22设置中点处的分压，可以以接地电压为基准通过放大器8来获得作为磁场传感器的磁检测元件的输出Eo=(Vp+Vm)/2。

尽管检波器6的二极管19和20在正方向上的温度变化大，但分压器7的电阻器21和22相对于基线对称地波动，因此可以通过利用分压器7从中点获得输出Vo来抵消该波动，并且不是特别必要使用任何模拟开关。

如图5的S1所示，在磁场强度H为零的情况下，峰值β的峰值电压Vp和峰值δ的峰值电压Vm相等，因此磁场检测电路的输出Eo为0。

此外，如图5的Sm所示在正方向上施加磁场强度H的情况下，输出Eo>0，并且该输出的大小表示磁场强度H的大小。另外，在如图5的Sn所示在负方向上施加磁场的情况下，Eo<0，并且该输出的大小表示磁场强度H的大小。

由于与图1所示的峰值增强器5的电阻器17和电容器16有关的时间常数的变化或温度变化，因此延迟时间δt波动。然而，由于以延迟侧的上升沿和下降沿为基准来构成检波器6，因此延迟时间δt的该波动根本没有产生影响。

图7是在图6所示的状态下磁场检测的实测数据的曲线图。将磁检测元件的由磁性膜构成的磁性材料1的电阻设置为230Ω，将通过3.3V驱动从振荡器3输出的脉冲的周期设置为2MHz，并且将脉冲延迟时间δt设置为40ns。此外，放大增益为101倍。

作为电流消耗，由于没有进行间歇驱动，因此可以在不会使磁场检测灵敏度下降的情况下使来自磁场检测电路的输出从传统的12mA减少为2mA。通过进一步缩短脉冲延迟时间δt或增大磁性材料1的阻抗，可以进一步降低电流消耗。

在本实施例中，外部磁场的强度H以正弦波形式往复施加，但直线性良好，并且在这种规模上完全没有发现滞后。这表明维持了在正方向和负方向上均匀地施加电流Im的效果。

附图标记说明

1   磁性材料

2   线圈

3   振荡器

4   磁检测器

5   峰值增强器

6   检波器

7   分压器

8   放大器

Claims (6)

1.一种磁场检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

对于线圈卷绕磁性材料或被配置在所述磁性材料附近的磁检测元件，向所述磁性材料的两端施加高频脉冲和相对于所述高频脉冲延迟了预定时间的延迟脉冲，由此向所述磁性材料间歇地供给正电流和负电流；以及

通过使用所述线圈来检测与所述延迟脉冲的上升沿和下降沿相对应的所述磁性材料的磁通量变化。

2.根据权利要求1所述的磁场检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：获得所述延迟脉冲的上升沿和下降沿的峰值电压的中点，由此获得施加于所述磁性材料的外部磁场的大小和方向。

3.根据权利要求1或2所述的磁场检测方法，其特征在于，所述脉冲的延迟时间为30ns以上。

4.一种磁场检测电路，其特征在于，包括：

磁检测元件，其中在所述磁检测元件中，线圈卷绕磁性材料或被配置在所述磁性材料附近；

用于向所述磁性材料的一端施加高频脉冲电压的电路；

用于向所述磁性材料的另一端施加相对于所述脉冲发生了延迟的延迟脉冲电压的电路；以及

用于检测响应于所述延迟脉冲的上升沿和下降沿而在所述线圈中产生的电压、并且基于检测结果来输出与外部磁场的强度相对应的信号的电路。

5.根据权利要求4所述的磁场检测电路，其特征在于，与所述外部磁场的强度相对应的信号是从所述延迟脉冲的上升沿和下降沿的峰值电压的中点获得的。

6.根据权利要求4或5所述的磁场检测电路，其特征在于，将所述延迟脉冲的输出施加至通过电阻器和电容器连接至所述线圈的检波侧的端部的电路。

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