CN107076805A - 磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使在MI传感器的灵敏度发生了变化的情况下，也能够准确地测量磁场的磁场测量装置。磁场测量装置(1)包括MI传感器(2)和灵敏度算出单元(3)。MI传感器(2)包括感磁体(20)、检测线圈(21)以及通过通电来产生磁场的磁场产生线圈(22)。灵敏度算出单元(3)在从MI传感器(2)的外侧作用到感磁体(20)上的磁场即传感器外磁场H_O为一定的状态下，使流至磁场产生线圈(22)的电流发生变化。由此，使作用在感磁体(20)上的磁场发生变化，并算出将检测线圈(21)输出电压的变化量除以作用在感磁体(20)上磁场的变化量而得到的值、即灵敏度a。

Description

磁场测量装置

技术领域

本发明涉及具备磁阻抗传感器的磁场测量装置。

背景技术

已知使用磁阻抗传感器(以下，也记为MI传感器)的装置作为测量磁场的磁场测量装置(参照下述专利文献1)。MI传感器包括由非晶合金构成的感磁体，以及卷绕在该感磁体上的检测线圈。MI传感器构成为从所述检测线圈输出与作用在感磁体上的磁场相对应的电压。

在作用于所述感磁体的磁场比较弱的情况下，检测线圈的输出电压与磁场大致成比例。即，这种情况下，所述输出电压表现为磁场的一次函数。所述磁场测量装置将该一次函数的斜率作为灵敏度而存储。而且，构成为使用该灵敏度和检测线圈的输出电压来算出作用于感磁体上的磁场。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2005/19851号

发明内容

发明要解决的问题

然而，所述磁场测量装置具有磁场的测量精度不充分高这样的问题。即，所述磁场测量装置构成为，存储好在制造工厂等中测量到的MI传感器的灵敏度，在用户使用时，使用存储的灵敏度的值算出磁场。磁场测量装置是假定灵敏度从制造时起不发生变化而设计的。因此，并不是重新测量灵敏度的结构。然而，实际上，MI传感器的灵敏度具有随温度而变化，或是经年变化的情况。因此，存在着如果不测量并使用变化后的灵敏度的值的话，就不能准确地算出磁场这样的问题。

本发明正是鉴于这样的背景而完成的，其提供一种即使在MI传感器的灵敏度发生了变化的情况下，也能够准确地测量磁场的磁场测量装置。

解决问题的技术手段

本发明的一方式为测量磁场的磁场测量装置，其特性在于，包括：

磁阻抗传感器感以及灵敏度算出单元，

所述磁阻抗传感器感具备感磁体；检测线圈，其卷绕在该感磁体上，输出与作用在该感磁体上的磁场相对应的电压；以及磁场产生线圈，其卷绕在所述感磁体上并通过通电而产生磁场；

所述灵敏度算出单元在从该磁阻抗传感器的外侧作用至所述感磁体的磁场即传感器外磁场为一定的状态下，通过使流至所述磁场产生线圈的电流发生变化，来使作用在所述感磁体上的磁场发生变化，并算出灵敏度，所述灵敏度为将所述检测线圈输出电压的变化量除以作用在所述感磁体上磁场的变化量而得到的值。

发明的效果

在所述磁场测量装置中，在MI传感器的感磁体形成有所述磁场产生线圈。而且，设有使用该磁场产生线圈来算出所述灵敏度的灵敏度算出单元。

因此，在用户使用磁场测量装置时，能够定期地算出MI传感器的灵敏度。因此，即使在灵敏度发生了变化的情况下，也能够使用该变化后的灵敏度算出磁场。因此，能够准确地测量磁场。

如以上所述，根据本发明，能够提供即使在MI传感器的灵敏度发生了变化的情况下，也能准确地测量磁场的磁场测量装置。

附图说明

图1为实施例1中的MI传感器的俯视图。

图2为表示实施例1中的、作用在感磁体上的磁场与检测线圈的输出电压的关系的图表。

图3为将图2的图表的原点附近放大了的图表。

图4为进行了经年变化等之后的图3的图表。

图5为将图2所示的B1区域的一部分放大了的图表。

图6为实施例1中的磁场测量装置的流程图。

图7为紧接着图6的流程图。

图8为实施例1中的磁场测量装置的概念图。

图9为实施例1中的便携设备的分解立体图。

图10为实施例1中的、在两个检测线圈之间设有磁场产生线圈的MI传感器的俯视图。

图11为实施例1中的、将两个检测线圈相互连接的MI传感器的俯视图。

图12为实施例2中的磁场测量装置的流程图。

图13为紧接着图12的流程图。

图14为表示实施例2中的、作用在感磁体上的磁场与检测线圈的输出电压的关系的图表。

具体实施方式

优选地，在所述磁场测量装置中，所述磁阻抗传感器配置于便携设备内，所述传感器外磁场为将从所述便携设备外作用至所述感磁体上的设备外磁场、与从设于所述便携设备内的电子零件产生并作用在所述感磁体上的设备内磁场进行合成后的磁场，所述磁场测量装置具备磁场算出单元，该磁场算出单元通过由所述灵敏度算出单元算出的所述灵敏度与所述检测线圈的所述输出电压，算出所述设备外磁场的值。

所述设备内磁场大多比作为测量对象的设备外磁场强。因此，若将MI传感器设于便携设备内，则强的设备内磁场作用在感磁体上的情况较多。对于MI传感器，灵敏度为一定的磁场的范围是确定的，若超过该范围的强磁场作用在感磁体上，则灵敏度就会发生变化(参照图2)。因此一直以来，需要将MI传感器限制在能够将灵敏度视为一定的范围内使用。但是，本发明的磁场测量装置具备所述灵敏度算出单元，因此，即使在强的设备内磁场作用在感磁体上、偏离了能够将灵敏度视为一定的范围的情况下，也能够算出此时的灵敏度，并使用该灵敏度准确地测量所述设备外磁场。因此，即使在強磁场作用在感磁体上的情况下，也能够使用MI传感器。即，能够扩大能使用MI传感器的磁场的强度范围。

另外，优选构成如下，所述灵敏度算出单元使流至所述磁场产生线圈的电流的量发生变化，从而通过从所述磁场产生线圈产生的线圈磁场来进一步消除所述设备内磁场，并在使该电流发生变化的过程中算出所述灵敏度，所述磁场算出单元通过使电流流至所述磁场产生线圈，来在使作用在所述感磁体上的磁场的强度小于预先规定的阈值的状态下，算出所述设备外磁场的值。

如上所述，对于MI传感器，灵敏度为一定的磁场的强度范围存在界线(参照图2的A区域)。在所述磁场测量装置中，在使电流流过磁场产生线圈，且使作用在感磁体上的磁场小于所述阈值的状态下，算出所述设备外磁场的值。因此，即使在作用在感磁体上的磁场的强度超出灵敏度为一定的范围的情况下，也能够通过所述磁场产生线圈减小该磁场的强度，在所述磁场的强度成为灵敏度为一定的范围内之后测量所述设备外磁场。因此，能够更准确地算出设备外磁场。

【实施例】

(实施例1)

使用图1～图11对所述磁场测量装置所涉及的实施例进行说明。正如图8所示，本实施例的磁场测量装置1包括MI传感器2和灵敏度算出单元3。

正如图1所示，MI传感器2包括感磁体20、检测线圈21以及磁场产生线圈22。检测线圈21卷绕在感磁体20上，输出与作用在该感磁体20上的磁场相对应的电压。磁场产生线圈22卷绕在感磁体22上，通过通电产生磁场。

正如图6的流程图(详细内容后述)所示，灵敏度算出单元3在从MI传感器2的外侧作用在感磁体20上的磁场即传感器外磁场H_O为一定的状态下，使流至磁场产生线圈22的电流发生变化。由此，使作用在感磁体20上的磁场发生变化，如步骤S6所示，构成为：算出将检测线圈21输出电压的变化量V_C2-V_C1除以作用在感磁体20上磁场的变化量H_C2-H_C1的值、即灵敏度a。

正如图9所示，MI传感器2配置于便携设备10内。所述传感器外磁场H_O为将从便携设备10外作用在感磁体20上的设备外磁场H_E，与从设于便携设备10内的电子零件103产生并作用在感磁体20上的设备内磁场H_I进行合成之后的磁场。本实施例的磁场测量装置1包括磁场算出单元5，该磁场算出单元5使用由灵敏度算出单元3算出的灵敏度a和检测线圈21的输出电压，来算出所述设备外磁场H_E的值。另外，在本实施例中，算出地磁场作为设备外磁场H_E。

正如图9所示，在便携设备10中，设有微型计算机8。正如图8所示，微型计算机8包括CPU 81、ROM 82、RAM 83、I/O 84以及连接这些构成的配线85。ROM 82中存储有程序82p。通过CPU 81读取并执行程序82p，来实现本实施例的灵敏度算出单元3以及磁场算出单元5。

然后，使用图1，对MI传感器2的结构进行说明。MI传感器2包括基板(未图示)。在该基板上，固定有感磁体20。感磁体20由能够发挥MI效果的材料构成，例如由Co-Fe-Si-B系的、零磁致伸缩的非晶合金构成。感磁体20的表面由绝缘树脂等覆盖。检测线圈21由Cu等金属构成。检测线圈21例如由介于感磁体20和基板之间的下侧布线部210以及与该下侧布线部210连接并覆盖感磁体20的上侧布线部211组成。

另外，在从两侧夹着检测线圈21的位置，形成有两个磁场产生线圈22。磁场产生线圈22具有与检测线圈21同样的结构，由下侧布线部220与上侧布线部221组成。

在本实施例中，在MI传感器2制造时，通过对金属薄膜进行光刻工序和蚀刻工序，同时地形成检测线圈21的下侧布线部210和磁场产生线圈22的下侧布线部220。同样地在本实施例中，通过进行光刻工序和蚀刻工序，同时地形成检测线圈21的上侧布线部211和磁场产生线圈22的上侧布线部221。如此，在本实施例中，在形成对于MI传感器2来说必须的线圈即检测线圈21时，同时地通过相同工序形成磁场产生线圈22。由此，不增加用于形成磁场产生线圈22的专用的工序，也能够形成磁场产生线圈22。

另外，在本实施例中，将三个MI传感器2进行组合，构成三轴MI传感器200。构成为使用由三个MI传感器2测量出的、设备外磁场H_E(地磁场)的值，来测定便携设备10的朝向，并显示于显示画面102(参照图9)上。即在本实施例中，将磁场测量装置1利用为电子罗盘。

在此，假如设备外磁场H_E不存在的话，则仅设备内磁场H_I作用在MI传感器2上。这种情况下，从输出线圈21输出仅设备内磁场H_I作用时的输出电压，即输出失调电压V_OFF。该失调电压V_OFF能够通过使便携设备10朝向各种方向、即进行所谓的校准操作来进行测量。

随后，对MI传感器2的输出特性进行说明。正如图2所示，在作用在感磁体20上的磁场H比较小的区域(A区域)，检测线圈21的输出电压V与磁场H大致成比例。即，在该A区域，灵敏度a大致一定。但是，在经年变化了的情况、加热了的情况下，灵敏度a会发生变化(参照图3、图4)。另外，若比A区域强的磁场作用时，则灵敏度a会发生变化。在本实施例中，即使在A区域的灵敏度a发生了变化的情况下，也能够准确地测量设备外磁场H_E。另外，不仅在A区域，即使在比A区域强的磁场产生了作用的情况下，例如在B1、B2区域，也能够准确地测量设备外磁场H_E。首先，对A区域中的、灵敏度a和设备外磁场H_E的算出方法进行说明。

在算出A区域中的最新灵敏度a₁时，首先，使便携设备10的朝向一定，从而所述传感器外磁场H_O不发生变化。在该状态下，使电流流过磁场产生线圈22，产生第1线圈磁场H_C1。正如图4所示，在该状态下，磁场H_O+H_C1会作用在感磁体20上。测量此时的输出电压V_C1。接着，使流至磁场产生线圈22的电流发生变化，产生第2线圈磁场H_C2。在该状态下，磁场H_O+H_C2会作用在感磁体20上。测量此时的输出电压V_C2。然后，使用下式算出灵敏度a₁。

a₁＝(V_C2-V_C1)/{(H_O+H_C2)-(H_O+H_C1)}

＝(V_C2-V_C1)/(H_C2-H_C1)

在测量设备外磁场H_E时，预先进行所述校准操作等，测量好所述失调电压V_OFF。然后，在设备外磁场H_E存在的状态下，测量检测线圈21的输出电压V_X。该输出电压V_X为在失调电压V_OFF上增加了设备外磁场H_E的影响部分而得到的值。正如图4所示，在这些输出电压V_X、失调电压V_OFF、灵敏度a₁和设备外磁场H_E中存在下式的关系。能够使用该式，算出设备外磁场H_E。

H_E＝(V_X-V_OFF)/a₁

然后，对作用在感磁体20上的磁场偏离了A区域的情况进行说明。如果强的设备内磁场H_I作用在感磁体20上，并偏离A区域，则正如图2所示，输出电压V就会成为曲线。但是，如本实施例那样，在将地磁场作为设备外磁场H_E进行测量的情况下，由于设备外磁场H_E的测量范围被限定在非常狭窄的范围(地磁场的情况下为±40000～50000T)，因此，如果限定于该范围的话，即使将输出电压V看作磁场H的一次函数，也不会产生大的误差。

在磁场偏离了A区域的情况中，算出灵敏度a₂以及设备外磁场H_E的方法与A区域相同。使用图5、图6来说明算出磁场偏离了A区域的情况下的灵敏度a₂时的处理。在算出灵敏度a₂之时，首先，判断便携设备10的朝向在规定时间内是否一定(步骤S1)。即，判断作用在感磁体10上的所述传感器外磁场H_O在规定时间内是否一定。在此判断为“是”的情况下，移到步骤S2，从磁场产生线圈22产生第1线圈磁场H_C1。因此，作用在感磁体20上的磁场成为H_O+H_C1(参照图5)。随后，移到步骤S3，测量检测线圈22的输出电压V_C1。

然后，移到步骤S4，从磁场产生线圈22产生第2线圈磁场H_C2。因此，作用在磁场20上的磁场成为H_O+H_C2(参照图5)。随后，移到步骤S5，测量检测线圈22的输出电压V_C2。此外，需要注意的是，在步骤S2～S5中，需要将线圈磁场H_C1、H_C2的强度作为要测量的设备外磁场H_E的变动范围内的强度。另外，在要测量的设备外磁场H_E为地磁场的情况下，如果改变便携设备10的朝向，则构成三轴MI传感器200的三个MI传感器2分别检测的地磁场的强度就以0(T)为中心进行变动。因此，也能够选择0(T)作为H_C1和H_C2中某一个的强度。通过这样做，能够在作为测量对象的地磁场的变动范围内求出有效的灵敏度a₂。

步骤S5之后，移到步骤S6，使用下式算出灵敏度a₂。

a₂＝(V_C2-V_C1)/{(H_O+H_C2)-(H_O+H_C1)}

＝(V_C2-V_C1)/(H_C2-H_C1)

正如图7所示，在测量设备外磁场H_E时，在停止向磁场产生线圈22通电的状态下，测量检测线圈21的输出电压V_X(步骤S7)。随后，使用下式由输出电压V_X、失调电压V_OFF以及灵敏度a₂算出设备外磁场H_E(步骤S8)。

H_E＝(V_X-V_OFF)/a₂

对本实施例的作用效果进行说明。正如图1所示，在本实施例中，在MI传感器2的感磁体20形成有磁场产生线圈22。而且，设有使用该磁场产生线圈22来算出灵敏度a的灵敏度算出单元3。

因此，在用户使用磁场测量装置1时，能够定期地算出MI传感器2的灵敏度a。因此，即使在由于测量环境发生变化因而作用在感磁体20上的磁场的强度、感磁体20的温度等发生变化，从而灵敏度a发生了变化的情况下，也能够使用该变化后的灵敏度a，算出测量对象的磁场、即设备外磁场H_E。因此，能够准确地测量测量对象的磁场。

另外，正如图9所示，本实施例的MI传感器配置于便携设备10内。

所述设备内磁场H_I大多比作为测量对象的设备外磁场H_E强。因此，若将MI传感器2设于便携设备10内，则强的设备内磁场H_I作用在感磁体20上的情况较多。在作用在感磁体20上的磁场为图2所示的A区域内的情况下，MI传感器2的灵敏度a能够视为一定，但若超出A区域的强磁场作用在感磁体20上的话，则存在灵敏度a发生变化的情况。但是，本实施例的磁场测量装置1由于具备所述灵敏度算出单元3，因此即使在强的设备内磁场H_I作用在感磁体20上、灵敏度a发生了变化的情况下，也能够算出此时的灵敏度a。因此，能够使用该变化后的灵敏度a，准确地测量所述设备外磁场H_E。

如上所述，以往需要限定在MI传感器的灵敏度为大致一定的A区域来使用MI传感器，但是如本实施例那样通过设置灵敏度算出单元3，从而即使在超过A区域的强度的磁场作用在感磁体20上的情况下，也能够测量设备外磁场H_E。因此，能够扩大能使用MI传感器2的、磁场的强度范围。

如同以上所述，根据本实施例，能够提供一种即使在MI传感器的灵敏度发生了变化的情况下也能够准确测量磁场，并且能使用MI传感器的磁场的强度范围较广的磁场测量装置。

此外，在本实施例中，如图1所示，在两个磁场产生线圈22之间设置了一个检测线圈21，但是本发明并不限于此。即，例如如图10所示，也可以在两个检测线圈21之间设置一个磁场产生线圈22。另外，如图11所示，也可以通过连接线29连接两个检测线圈21(21a、21b)。

另外，在本实施例中，如图4、图5所示，在算出灵敏度a时，从磁场产生线圈22产生第1线圈磁场H_C1和第2线圈磁场H_C2，使用此时获得的输出电压V_C1、V_C2，但是本发明并不限于此。即，也可以产生3强度以上的线圈磁场H_C，使用最小二乘法由各自的输出电压V算出灵敏度a。

另外，在本实施例中，如地磁场那样测量范围狭窄的磁场作为测量对象，因此，如上所述，在要测量的磁场的变动范围内，能够将输出电压V与磁场H的关系视为一次函数。因此，在该范围灵敏度a能够视为一定，仅存储一个数值作为灵敏度a就足够了。但是，在作为测量对象的磁场的变动范围很大、能够判定在该变动范围灵敏度a不为一定的情况下，优选产生3强度以上的线圈磁场H_C，获得能够求出从有可能变动的下限到上限为止的灵敏度的数学式，并进行存储。

另外，如图7的步骤S7所示，在本实施例中，在测量输出电压V_X时，停止向磁场产生线圈22的通电，但是本发明并不限于此。即，也可以在对磁场产生线圈22通电、产生了线圈磁场H_C的状态下，测量输出电压V_X。这种情况下，就在输出电压V_X上增加了线圈磁场H_C的影响。因此，就通过下式算出了设备外磁场H_E与线圈磁场H_C之和(H_E+H_C)。

H_E+H_C＝(V_X-V_OFF)/a₂

因此，为了算出设备外磁场H_E，需要从算出的值H_E+H_C减去线圈磁场H_C。

(实施例2)

本实施例为通过从磁场产生线圈22产生的线圈磁场H_C来消除设备内磁场H_I的例子。如图14所示，在偏离了A区域的区域，例如C点也能够测量设备外磁场H_E，但是相比于C点，A区域内由于灵敏度a稳定，有时能更准确地测量设备外磁场H_E。因此在本实施例中，通过从磁场产生线圈22产生的线圈磁场H_C消除设备内磁场H_I，由此，减小作用在感磁体20上的磁场的大小，使其为A区域内的值之后，测量设备外磁场H_E。

使用图12、图13的流程图对本实施例的磁场测量装置1的处理进行说明。如图12所示，在本实施例中，首先，在步骤S10中，判断在规定时间内便携设备10的朝向是否一定。即，判断作用在感磁体20上的传感器外磁场H_O在规定时间内是否一定。在此判断为“是”的情况下，移到步骤S11。在此，使流至磁场产生线圈22的电流以规定值变化，从而通过线圈磁场H_C进一步消除设备内磁场H_I。

随后，移到步骤S12，算出灵敏度a_n。接着，移到步骤S13，判断作用在感磁体20上的磁场的大小是否为预先规定的阈值Ha以下。在此判断为“是”的情况下，移到步骤S14，在判断为“否”的情况下返回步骤S11。

此外，在步骤S12中，例如，能够使用例如下式，由上次测量到的输出电压V_n-1、本次测量到的输出电压V_n以及磁场的变化量H_n-1-H_n来算出灵敏度a_n。

a_n＝(V_n-1-V_n)/(H_n-1-H_n)

另外，在步骤S13中，例如，判断测量到的多个灵敏度a_n、a_n-1n、a_n-2n、…是否一定，在为一定的情况下，能够使用下式算出作用在感磁体20上的磁场H。

H＝V/a_n

在步骤S13中，判断这样算出的磁场H的大小是否小于阈值Ha。

在步骤S14中，由用户进行所述校准操作，并算出失调电压V_OFF。然后，移到步骤S15，测量输出电压V_X。随后，移到步骤S16，使用下式，算出设备外磁场H_E的值。

H_E＝(V_X-V_OFF)/a_n

对本实施例的作用效果进行说明。如果作用在感磁体20上的磁场为图2的A区域内的话，则MI传感器2的灵敏度a能够视为一定，但如果超过A区域强度的磁场进行作用的话，则灵敏度a会发生变动。因此，如本实施例那样，如果在使电流流过磁场产生线圈22、使作用在感磁体20上的磁场小于所述阈值Ha的状态下算出设备外磁场H_E的值的话，则由于能够在灵敏度a更加稳定的状态下测量磁场，因而能够更加准确地算出设备外磁场H_E。

其他方面，具备与实施例1相同的构成以及作用效果。

Claims (3)

1.一种磁场测量装置，其测量磁场，所述磁场测量装置的特征在于，包括：

磁阻抗传感器以及灵敏度算出单元，

所述磁阻抗传感器包括：感磁体；检测线圈，其卷绕在该感磁体上并输出与作用在该感磁体上的磁场相对应的电压；以及磁场产生线圈，其卷绕在所述感磁体上并通过通电来产生磁场，

所述灵敏度算出单元在从该磁阻抗传感器的外侧作用至所述感磁体上的磁场即传感器外磁场为一定的状态下，通过使流至所述磁场产生线圈的电流发生变化，来使作用在所述感磁体上的磁场发生变化，并算出灵敏度，所述灵敏度为将所述检测线圈的输出电压的变化量除以作用在所述感磁体上的磁场的变化量而得到的值。

2.如权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，

所述磁阻抗传感器配置于便携设备内，

所述传感器外磁场为将从所述便携设备外作用在所述感磁体上的设备外磁场、与从设于所述便携设备内的电子零件产生并作用在所述感磁体上的设备内磁场进行合成后的磁场，

具备磁场算出单元，其通过由所述灵敏度算出单元算出的所述灵敏度和所述检测线圈的所述输出电压，算出所述设备外磁场的值。

3.如权利要求2所述的磁场测量装置，其特征在于，

所述灵敏度算出单元使流至所述磁场产生线圈的电流的量发生变化，从而通过从所述磁场产生线圈产生的线圈磁场来进一步消除所述设备内磁场，并在使该电流变化的过程中算出所述灵敏度，

所述磁场算出单元通过使电流流至所述磁场产生线圈，在使作用在所述感磁体上的磁场的强度小于预先规定的阈值的状态下，算出所述设备外磁场的值。