CN108351390B - 磁场检测装置及磁场检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场检测装置及磁场检测方法，不另行设置用于检测环境磁场的传感器而选择性地检测检测磁场。一种磁场检测装置，其具备：磁场检测部(10)，其生成与磁场对应的输出信号(S1)；第一信号生成部(20)，其从输出信号(S1)提取规定的频率分量，并基于规定的频率分量生成消除信号(S2)；第一磁场发生部(40)，其基于消除信号(S1)对磁场检测部(10)赋予消除磁场；以及第二信号生成部(30)，其基于赋予了消除磁场的磁场检测部(10)的输出信号(S1)生成检测信号(S3)。根据本发明，由于基于输出信号的频率分量生成消除信号，并使用消除信号对磁场检测部赋予第一消除磁场，所以无需另行设置用于检测环境磁场的传感器。由此，因为零件数量被消减，所以可以实现小型化及低成本化。

Description

磁场检测装置及磁场检测方法

技术领域

本发明涉及一种磁场检测装置及磁场检测方法，尤其是涉及一种通过消除与检测磁场重叠的环境磁场，从而选择性地检测检测磁场的磁场检测装置及磁场检测方法。

背景技术

检测从人体等发出的微弱的磁场的磁场检测装置强烈地受到地磁等的环境磁场的影响。因此，在这种装置中，需要消除环境磁场的影响。

专利文献1中记载的磁场检测装置在用于检测成为测定目标的磁场的传感器之外另外设置用于检测环境磁场的传感器，通过基于其输出信号驱动消除线圈来消除环境磁场。另外，专利文献2中记载的磁场检测装置也在用于检测成为测定目标的磁场的传感器之外另外设置用于检测环境磁场的传感器，通过计算这些输出信号的差值，提取应检测磁场的分量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-297224号公报

专利文献2：日本特开2012-152515号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

但是，专利文献1、2中记载的磁场检测装置均另行需要用于检测环境磁场的传感器，因此，存在零件数量变多，难以实现低成本化的问题。

因此，本发明的目的在于，提供一种不另行设置用于检测环境磁场的传感器而可以选择性地检测检测磁场的磁场检测装置及磁场检测方法。

用于解决技术问题的手段

本发明提供一种磁场检测装置，其特征在于，具备：磁场检测部，其生成与磁场对应的输出信号；第一信号生成部，其从所述输出信号提取规定的频率分量，并基于所述规定的频率分量生成消除信号；第一磁场发生部，其基于所述消除信号对所述磁场检测部赋予第一消除磁场；第二信号生成部，其基于被赋予了所述第一消除磁场的所述磁场检测部的所述输出信号生成检测信号。

根据本发明，因为基于输出信号的频率分量生成消除信号，并使用消除信号对磁场检测部赋予第一消除磁场，所以无需另行设置用于检测环境磁场的传感器。由此，能够减少零件数量，所以能够实现小型化及低成本化。

在本发明中，优选所述规定的频率分量包含直流分量。据此，可以在消除地磁的状态下进行检测磁场的测定。

在本发明中，所述第一信号生成部可以包含低通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器或带通滤波器，也可以包含将所述输出信号转换为数字信号的A/D转换器和处理所述数字信号的数字滤波器。

在本发明中，优选所述第一磁场发生部包含第一线圈，且所述磁场检测部配置于所述第一线圈的内径部。据此，能够更正确地消除环境磁场。

优选本发明的磁场检测装置还具备第二磁场发生部，其基于被赋予了所述第一消除磁场的所述磁场检测部的所述输出信号，对所述磁场检测部赋予第二消除磁场。据此，可以通过所谓的闭环控制进行更正确的磁场的检测。

在此，优选所述磁场检测部包含将所述磁场转换为电位差的磁场检测元件和通过放大所述电位差而生成所述输出信号的第一放大电路。该情况下，所述磁场检测元件和所述第二磁场发生电路可以集成于相同的传感器芯片，所述第一磁场发生电路也可以进一步集成于所述传感器芯片。

在本发明中，优选所述磁场检测部还包含第二放大电路，所述第二放大电路与所述第一放大电路分开设置，通过放大所述电位差而生成所述检测信号。据此，各放大电路的负载变小，并且，可以相互独立地设定电路常数。

另外，本发明提供一种磁场检测方法，其特征在于，通过检测在检测磁场重叠有环境磁场的合成磁场，生成输出信号，通过从所述输出信号提取与所述环境磁场对应的频率分量，从而生成消除信号，通过基于所述消除信号消除所述环境磁场，从所述输出信号提取与所述检测磁场对应的分量。

在本发明中，因为无需另行使用用于检测环境磁场的传感器，所以减少零件数量，可以实现磁场检测装置的小型化及低成本化。

发明效果

根据本发明，能够不另行设置用于检测环境磁场的传感器而选择性地检测检测磁场。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的磁场检测装置100的结构的框图。

图2是表示磁场检测装置100的具体的结构的一例的电路图。

图3是表示磁场检测元件11的一例的大致俯视图。

图4是沿着图3所示的X-X线的大致截面图。

图5是用于说明磁阻效应元件MR1～MR4和运算放大器12的连接关系的电路图。

图6是表示第一信号生成部20为低通滤波器时的动作的图。

图7是表示第一信号生成部20为带阻滤波器时的动作的图。

图8是表示第一信号生成部20为高通滤波器时的动作的图。

图9是表示第一信号生成部20为带通滤波器时的动作的图。

图10是表示磁场检测装置100的具体的结构的其它例的电路图。

图11是用于说明第一例的磁场检测装置100的构造的大致截面图。

图12是表示第一例的磁场检测装置100的构造的外观的大致立体图。

图13是用于说明第二例的磁场检测装置100的构造的大致截面图。

图14是表示本发明第二实施方式的磁场检测装置200的结构的框图。

图15是表示磁场检测装置200的具体的结构的一例的电路图。

符号说明

10……磁场检测部

11……磁场检测元件

12……运算放大器(第一放大电路)

13……基板

14……绝缘层

15……磁性体

16……恒电压源

17……运算放大器(第二放大电路)

18……电路基板

20……第一信号生成部

21……运算放大器

22、23……电阻

24……电容器

30……第二信号生成部

31……电阻

32……电压检测电路

40……第一磁场发生部

50……第二磁场发生部

100、200……磁场检测装置

E1～E4……端子电极

MR1～MR4……磁阻效应元件

S1……输出信号

S2……消除信号

S3……检测信号

φ……磁通量

具体实施方式

以下，参照添加的附图对本发明的优选实施方式进行详细地说明。

图1是表示本发明的第一实施方式的磁场检测装置100的结构的框图。另外，图2是表示磁场检测装置100的具体的结构的一例的电路图。

如图1及图2所示，本实施方式的磁场检测装置100具备：磁场检测部10，其生成输出信号S1；第一信号生成部20及第二信号生成部30，其接收输出信号S1；第一磁场发生部40及第二磁场发生部50，其对磁场检测部10赋予磁场。

磁场检测部10为根据磁场改变输出信号S1的电平的电路，配置于检测目标物的附近并进行应检测的磁场(检测磁场)的检测。但是，因为在检测磁场重叠有环境磁场，所以磁场检测部10检测环境磁场与检测磁场重叠的合成磁场。因此，为了从合成磁场仅提取检测磁场的分量，需要消除环境磁场。代表性的环境磁场为地磁。磁场检测部10的具体结构没有特别限定，但如图2所示，可以由输出差动信号的磁场检测元件11和放大从磁场检测元件11输出的差动信号的运算放大器(放大电路)12构成。

图3是表示磁场检测元件11的一例的大致俯视图，图4是沿着图3所示的X-X线的大致截面图。

在图3及图4所示的例子中，磁场检测元件11由传感器芯片构成，在构成传感器芯片的基板13上设有四个磁阻效应元件MR1～MR4。作为磁阻效应元件MR1～MR4，优选使用电阻按照磁场的方向进行变化的自旋阀型的巨磁阻效应元件(GMR元件)。磁阻效应元件MR1～MR4的磁化固定方向与图3的箭头A所示的方向完全一致。

在基板13的表面经由覆盖磁阻效应元件MR1～MR4的绝缘层14载置有磁性体15。磁性体15为由铁氧体等高磁导率材料构成的块，俯视时配置在磁阻效应元件MR1、MR4和磁阻效应元件MR2、MR3之间。如图4所示，磁性体15起到集中垂直方向的磁通φ的作用，通过磁性体15聚磁的磁通φ大致均等地分配在左右。因此，垂直方向的磁通φ相对于磁阻效应元件MR1～MR4被大致均等地赋予。

图5是用于说明磁阻效应元件MR1～MR4和运算放大器12的连接关系的电路图。

如图5所示，磁阻效应元件MR1连接于端子电极E1、E3间，磁阻效应元件MR2连接于端子电极E2、E3间，磁阻效应元件MR3连接于端子电极E1、E4间，磁阻效应元件MR4连接于端子电极E2、E4间。而且，在端子电极E1、E2间，通过恒电压源16施加规定的电压。另外，端子电极E3、E4与运算放大器12的输入端子连接，由此，端子电极E3、E4间的电位差被放大，生成有输出信号S1。

而且，磁阻效应元件MR1、MR4配置于俯视时从磁性体15观察的一侧(图3中的左侧)，磁阻效应元件MR2、MR3配置于俯视时从磁性体15观察的另一侧(图3中的右侧)，因此，磁阻效应元件MR1～MR4构成差动电桥电路，可以高灵敏度地检测与磁通密度对应的磁阻效应元件MR1～MR4的电阻的变化。

即，因为磁阻效应元件MR1～MR4全都具有相同的磁化固定方向，所以当来自垂直方向的磁通如图4所示向水平方向弯曲时，在位于左侧的磁阻效应元件MR1、MR4的电阻变化量和位于右侧的磁阻效应元件MR2、MR3的电阻变化量之间产生差。该差通过图5所示的差动电桥电路放大2倍，并通过运算放大器12放大。

返回图1，通过磁场检测部10生成的输出信号S1被输入到第一信号生成部20及第二信号生成部30。

第一信号生成部20为从输出信号S1提取规定的频率分量，并基于规定的频率分量生成消除信号S2的电路。在此，规定的频率分量是指与检测磁场的频率分量不同的频率分量，是由环境磁场引起的分量。检测磁场的频率分量针对每一应用是已知的，因此，与其不同的频率分量是由环境磁场引起的分量，该分量通过第一信号生成部20提取。作为一例，在与心律联动的检测磁场为检测目标的情况下，检测磁场的频率分量为100Hz左右，相对于此，作为环境磁场的地磁由数Hz以下的频率分量构成，因此，若使用低通滤波器等提取包含于输出信号S1的直流分量，则能够生成与地磁对应的消除信号S2。进而，为了提取比从发动机等发出的检测磁场更高的频率分量，如果使用带阻滤波器等选择性地除去检测磁场的频率分量附近的分量，则能够生成与地磁和发动机噪声对应的消除信号S2。

在图2所示的例子中，第一信号生成部20为低通滤波器，由运算放大器21、电阻22、23及电容器24构成。如图2所示，电阻22相对于运算放大器21的反相输入端子(-)串联连接，电阻23及电容器24并联连接于运算放大器的输出端子和反相输入端子(-)之间。运算放大器21的非反相输入端子(+)被接地。通过该结构，提取包含于输出信号S1中的低频率分量，将其作为消除信号S2输出。

消除信号S2供给到第一磁场发生部40。第一磁场发生部40为基于消除信号S2对磁场检测部10赋予第一消除磁场的元件，能够使用能流通消除信号S2的线圈。通过该结构，施加到磁场检测元件11的磁场的低频率分量、即由地磁构成的环境磁场被消除，对磁场检测元件11中仅施加检测磁场。其结果，输出信号S1实质上仅反映检测磁场。

但是，使用了第一磁场发生部40的环境磁场的消除动作通过使用了运算放大器21的反馈回路来实现，因此，依存于反馈回路的响应性及运算放大器21的增益的微小的变动可以保留在输出信号S1中。优选适当设定第一信号生成部20的电路常数，以使这样的微小的变动的频率不与检测磁场的频段重复。

这样除去了环境磁场的影响的输出信号S1被供给到第二信号生成部30。第二信号生成部30例如由电阻31及测定其两端的电压的电压检测电路32构成，生成与在电阻31中流动的电流对应的检测信号S3。检测信号S3为本实施方式的磁场检测装置100的输出信号，被输入到利用该信号的其它装置。

进而，输出信号S1也被供给到第二磁场发生部50，第二磁场发生部50基于输出信号S1对磁场检测部10赋予第二消除磁场。关于第二磁场发生部50，也能够使用能够流通输出信号S1的线圈。通过该结构，能实现所谓的闭环控制，因此，能够更高精度地检测检测磁场。

图6是表示第一信号生成部20为低通滤波器时的动作的图。

首先，输出信号S1具有图6(a)所示的频率分量，在检测磁场的频率为f0的情况下，远离检测磁场的频率f0的频段f1、f2可以说是噪声分量。图6中，在作为噪声的频段f1、f2上附加有阴影，并在检测磁场的频率f0的附近附加网点图案。

而且，如图6(b)所示，如果使用具有能通过频段f1的特性LPF的低通滤波器，则通过第一磁场发生部40可消除频段f1的磁场。其结果，如图6(c)所示，频率分量f1被从输出信号S1中除去，因此，与原始的输出信号S1相比，SN比提高。

图7是表示第一信号生成部20为带阻滤波器时的动作的图。

在图7(a)所示的例子中，远离检测磁场的频率f0的频段f1、f2也为噪声分量。而且，如图7(b)所示，如果使用具有能通过频段f1、f2的特性BEF的带阻滤波器，则通过第一磁场发生部40能消除频段f1、f2的磁场。其结果，如图7(c)所示，频率分量f1、f2被从输出信号S1中除去，因此，与原始的输出信号S1相比，SN比更进一步提高。

图8是表示第一信号生成部20为高通滤波器时的动作的图。

在本例中，输出信号S1具有图8(a)所示的频率分量，检测磁场的频段为f10。检测磁场的频段f10为频率f12以下的频段，包含直流分量。该情况下，比频率f12更高的频段f11为噪声分量。

而且，如图8(b)所示，如果使用具有能通过频段f11的特性HPF的高通滤波器，则通过第一磁场发生部40能消除频段f11的磁场。其结果，如图8(c)所示，频率分量f11被从输出信号S1中除去，因此，与原始的输出信号S1相比，SN比提高。本例在检测磁场的频段f10为直流分量或低频率的情况下，或在环境磁场的频率为比检测磁场的频率高的情况下是有效的。

图9是表示第一信号生成部20为带通滤波器时的动作的图。

在本例中，输出信号S1具有图9(a)所示的频率分量，噪声分量的频段为f13。其它的频段f14、f15为检测磁场的频段。此外，在频段f13中也可以包含检测磁场的一部分。

而且，如图9(b)所示，如果使用具有能通过频段f13的特性BPF的带通滤波器，则通过第一磁场发生部40能消除频段f13的磁场。其结果，如图9(c)所示，频率分量f13能够被从输出信号S1中除去。在此，在频段f13中包含检测磁场的一部分的情况下，检测磁场的一部分会被第一磁场发生部40除去，但在包含于频段f13中的噪声分量强的情况下，结果是SN比被提高。本例在如蜂鸣器那样预先判明了噪声分量的频段的情况下是有效的。

这样，如果使用本实施方式的磁场检测装置100，则可通过第一磁场发生部40消除地磁等环境磁场，因此，可以正确地仅检测检测磁场。另外，通过消除环境磁场，施加到磁场检测部10的磁场强度的绝对值变得非常小，因此，能够防止磁场检测部10的饱和，并进行高灵敏度地检测。

而且，通过提取与环境磁场对应频率分量而进行消除操作，因此，能够无需使用多个磁场检测部10而减少零件数量。进而，在本实施方式中，由于进行使用了第二磁场发生部50的闭环控制，所以可以更正确地检测检测磁场。

图10是表示磁场检测装置100的具体结构的其它例子的电路图。

在图10所示的例子中，在磁场检测部10追加有另一个运算放大器(放大电路)17。运算放大器12和运算放大器17并联设置，通过运算放大器12生成的输出信号S1a被输入到第一信号生成部20，通过运算放大器17生成的输出信号S1b被输入到第二信号生成部30。其它方面与图2所示的电路例相同。

如果使用图8所示的电路，则不仅降低每个运算放大器的负载，而且因为包含在第一信号生成部20的元件和包含在第二信号生成部30的元件未直接连接，所以可以相互独立地设定第一信号生成部20的电路常数和第二信号生成部30的电路常数，电路设计变得容易。

接下来，对本实施方式的磁场检测装置100的构造进行说明。

图11是用于说明第一例的磁场检测装置100的构造的大致截面图，图12是表示其外观的大致立体图。

在图11及图12所示的例子中，在电路基板18的表面搭载有构成磁场检测元件11的传感器芯片及构成第一磁场发生部40的线圈。传感器芯片配置在构成第一磁场发生部40的线圈的内径部，由此，通过第一磁场发生部40生成的消除磁场能够正确且高效地赋予给传感器芯片。

另外，在传感器芯片的基板13上嵌入有构成第二磁场发生部50的线圈。构成第二磁场发生部50的线圈以俯视时包围磁阻效应元件MR1～MR4的方式进行配置，由此，通过第二磁场发生部50生成的消除磁场能够正确且高效地赋予给传感器芯片。

这样，如果将构成磁场检测元件11的磁阻效应元件MR1～MR4和构成第二磁场发生部50的线圈集成于相同的基板13，则能够进一步减少零件数量。另外，对于构成第一磁场发生部40的线圈，因为使用了包围传感器芯片的大型线圈，所以即使在环境磁场强的情况下也能够充分地消除该情况。

图13是用于说明第二例的磁场检测装置100的构造的大致截面图。

在图13所示的例子中，不仅构成第二磁场发生部50的线圈，连构成第一磁场发生部40的线圈也被集成于传感器芯片上。据此，可以进一步减少零件数量，并且，由于不需要使用了电线等的线圈，所以可以将装置整体的尺寸小型化。

图14是表示本发明第二实施方式的磁场检测装置200的结构的框图。另外，图15是表示磁场检测装置200的具体的结构的一例的电路图。

如图14及图15所示，本实施方式的磁场检测装置200在省略了第二磁场发生部50这一点上与图1及图2所示的第一实施方式的磁场检测装置100不同。其它方面与第一实施方式的磁场检测装置100相同，因此，对于相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。

本实施方式的磁场检测装置200中，第二磁场发生部50被省略，因此，检测磁场没有被消除，但能够通过所谓的开环控制而生成检测信号S3。而且，根据本实施方式，可以比第一实施方式的磁场检测装置100进一步减少零件数量。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内，进行各种变更，显然它们也包含于本发明的范围内。

例如，在上述实施方式中，通过使用了运算放大器的低通滤波器构成第一信号生成部20，但低通滤波器的结构不限定于此，可以为使用了积分器的低通滤波器，也可以为将输出信号S1转换为数字信号的A/D转换器和使用了处理数字信号的数字滤波器的低通滤波器。

另外，第一信号生成部20不必为低通滤波器，也可以是如使用图7所说明的那样的带阻滤波器，也可以是如使用图8所说明那样的高通滤波器，也可以是如使用图9所说明那样的带通滤波器。

Claims (4)

1.一种磁场检测装置，其特征在于，具备：

磁场检测部，其生成与磁场对应的第一输出信号；

第一放大电路和第二放大电路，其相互并联连接，并基于所述第一输出信号分别生成第二输出信号和第三输出信号；

第一信号生成部，其从所述第二输出信号提取规定的频率分量，并基于所述规定的频率分量生成消除信号；

第一磁场发生部，其不接收所述第三输出信号，并基于所述消除信号对所述磁场检测部赋予第一消除磁场；

第二信号生成部，其基于被赋予了所述第一消除磁场的所述磁场检测部的基于所述第一输出信号生成的所述第三输出信号生成检测信号，以及

第二磁场发生部，其不接收所述第二输出信号和所述消除信号，并基于被赋予了所述第一消除磁场的所述磁场检测部的基于所述第一输出信号生成的所述第三输出信号，对所述磁场检测部赋予第二消除磁场，

所述磁场检测部包含将所述磁场转换为电位差的磁场检测元件，

所述磁场检测元件和所述第二磁场发生部集成于相同的传感器芯片，

所述第一磁场发生部包含第一线圈，所述传感器芯片配置于所述第一线圈的内径部，

所述磁场检测元件包含集成于所述传感器芯片并且将所述磁场转换为电位差的第一、第二、第三和第四磁阻效应元件、以及配置于所述传感器芯片上的磁性体，

所述第一和第四磁阻效应元件配置于俯视时从所述磁性体观察的一侧，所述第二和第三磁阻效应元件配置于俯视时从所述磁性体观察的另一侧。

2.根据权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述规定的频率分量包含直流分量。

3.根据权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述第一信号生成部包含低通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器或带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述第一信号生成部包含将所述输出信号转换为数字信号的A/D转换器和处理所述数字信号的数字滤波器。

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