JP2000065908A - Magnetic sensor and magnetic detection system - Google Patents

Magnetic sensor and magnetic detection system

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JP2000065908A
JP2000065908A JP10239220A JP23922098A JP2000065908A JP 2000065908 A JP2000065908 A JP 2000065908A JP 10239220 A JP10239220 A JP 10239220A JP 23922098 A JP23922098 A JP 23922098A JP 2000065908 A JP2000065908 A JP 2000065908A
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Japan
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magnetic field
magnetic
magnet
circuit
piezoelectric element
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Chikara Inoue
主税 井上
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Victor Company of Japan Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor capable of having an excellent linearity as against the magnetic field intensity of a detected output, decreasing the temperature dependency of a magnetic field detection sensitivity, and to provide a magnetic detection system capable of realizing magnetic field detecting circuit configuration simply. SOLUTION: A magnetic sensor 2 is provided with a magnet 23 which does not invert poles against an external magnetic field, and a piezoelectric element 21 which detects a magnetic field intensity applied to the magnet 23 as dynamic force. As a magnet 23, a rare earth cobalt magnet is used. As a piezoelectric element 21, a crystal is used. And this magnetic detection system 1 is provided with the magnetic sensor 2, an oscillation circuit 31A whose oscillation frequency varies according to dynamic force applied to the piezoelectric element 21 of the magnetic sensor 2, and a displaying means (a display circuit) 38 which measures the change of the oscillation frequency of the oscillation circuit 31A and displays a magnetic field intensity detected by the magnetic sensor 2.

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、磁場強度の検出を
行う磁気センサ及びこの磁気センサを備えた磁気検出シ
ステムに関し、特に検出感度に優れた磁気センサ及びこ
の磁気センサを備え磁場検出回路構成が簡易に実現でき
る磁場検出システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic sensor for detecting the intensity of a magnetic field and a magnetic detection system provided with the magnetic sensor. In particular, the present invention relates to a magnetic sensor having excellent detection sensitivity and a magnetic field detection circuit having the magnetic sensor. The present invention relates to a magnetic field detection system that can be easily realized.

【0002】[0002]

【従来の技術】磁場強度の検出にはホール素子で構成さ
れた磁気センサ(ガウスメータ)が一般的に使用されて
いる。ホール素子は半導体薄板で形成され、半導体薄板
にバイアス電流を流すと半導体薄板に加わる外部磁界に
依存した出力が得られる。すなわち、ホール素子は、半
導体薄板に電流を流し、この電流方向と直角方向に外部
磁界を加えると、ローレンツ力により電流方向と外部磁
界方向との双方に直角方向にホール起電力が発生する。
2. Description of the Related Art A magnetic sensor (gauss meter) composed of a Hall element is generally used for detecting a magnetic field intensity. The Hall element is formed of a semiconductor thin plate. When a bias current is applied to the semiconductor thin plate, an output depending on an external magnetic field applied to the semiconductor thin plate can be obtained. That is, when a current flows through a semiconductor thin plate and an external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the current direction, the Hall element generates a Hall electromotive force in a direction perpendicular to both the current direction and the external magnetic field direction by Lorentz force.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前述のホール素子で構
成された磁気センサにおいては、以下の点について配慮
がなされていない。
In the magnetic sensor composed of the above-mentioned Hall element, no consideration is given to the following points.

【0004】(1)磁気センサは、ホール効果を利用し
ているので、温度に対して半導体的な挙動を呈する。す
なわち、ホール素子自体に温度依存性がある。このた
め、環境温度の変化に応じて磁気センサの磁場検出感度
が変化してしまう。
(1) Since the magnetic sensor utilizes the Hall effect, it exhibits semiconductor-like behavior with respect to temperature. That is, the Hall element itself has temperature dependency. For this reason, the magnetic field detection sensitivity of the magnetic sensor changes according to the change in the environmental temperature.

【0005】(2)ホール素子の温度依存性を補正する
には、磁気センサを含む磁気検出システムに温度補償回
路が必要になる。温度補償回路は複雑な回路構成を有
し、回路規模が比較的大きくなるので、磁気検出システ
ムが複雑化しかつ大型になる。
(2) In order to correct the temperature dependency of the Hall element, a temperature compensation circuit is required in a magnetic detection system including a magnetic sensor. Since the temperature compensation circuit has a complicated circuit configuration and a relatively large circuit scale, the magnetic detection system becomes complicated and large.

【0006】(3)ホール素子においては、ホール起電
力の外部磁場に対する直線性を有する範囲(リニア域)
が狭い。具体的には、外部磁場の磁束密度が2テスラ程
度から直線性が失われる。このため、磁気センサによる
外部磁場の検出範囲が狭い範囲に限定される。
(3) In the Hall element, a range in which the Hall electromotive force has linearity with respect to an external magnetic field (linear region)
Is narrow. Specifically, linearity is lost when the magnetic flux density of the external magnetic field is about 2 Tesla. For this reason, the detection range of the external magnetic field by the magnetic sensor is limited to a narrow range.

【0007】(4)磁気検出システムにおいては、ホー
ル素子に定電流の交流電流を供給する定電流発生回路、
さらに小さなホール起電力を信号として検出するための
同期検波回路等が必須である。このため、磁気検出シス
テムの特に計測回路系が複雑化しかつ大型になる。さら
に、複雑な回路構成であるために、磁気検出システムの
製作コストが増大する。
(4) In the magnetic detection system, a constant current generating circuit for supplying a constant current to the Hall element,
Further, a synchronous detection circuit or the like for detecting a small Hall electromotive force as a signal is essential. For this reason, especially the measurement circuit system of the magnetic detection system becomes complicated and large. Further, the complicated circuit configuration increases the manufacturing cost of the magnetic detection system.

【0008】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものである。従って、本発明の目的は、磁場検出感度
の温度依存性を減少させつつ、検出感度の磁場強度に対
する直線性を向上させることができる磁気センサを提供
することである。
The present invention has been made to solve the above problems. Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetic sensor capable of improving the linearity of the detection sensitivity with respect to the magnetic field strength while reducing the temperature dependence of the magnetic field detection sensitivity.

【0009】さらに、本発明の目的は、磁場検出感度の
温度依存性を減少させつつ、検出感度の磁場強度に対す
る直線性を向上させることができる磁気センサを備え、
かつ磁場検出回路構成が簡易に実現できる磁気検出シス
テムを提供することである。
It is a further object of the present invention to provide a magnetic sensor capable of improving the linearity of the detection sensitivity with respect to the magnetic field strength while reducing the temperature dependence of the magnetic field detection sensitivity.
Another object of the present invention is to provide a magnetic detection system that can easily realize a magnetic field detection circuit configuration.

【0010】特に本発明の目的は、磁場検出回路構成を
簡易に実現することにより、システム全体の小型化を実
現し、さらに製作コストの削減を実現できる磁気検出シ
ステムを提供することである。
In particular, an object of the present invention is to provide a magnetic detection system capable of realizing the miniaturization of the whole system and further reducing the manufacturing cost by simply realizing the configuration of the magnetic field detection circuit.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の第1の特徴は、外部磁場に対して極反転
しない磁石と、磁石に加わる磁場強度を力学的な力とし
て検出する圧電素子とを備えた磁気センサであることこ
とである。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, a first feature of the present invention is to detect a magnet which does not pole-reverse with respect to an external magnetic field and a magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force. That is, the magnetic sensor includes a piezoelectric element.

【0012】磁石には希土類金属と鉄族遷移金属との化
合物、さらに詳細には高飽和磁化を有しかつ結晶磁気異
方性が高い強磁性金属である希土類コバルト磁石、特に
サマリウム・コバルト(SmCo5又はSm2Co17)を使用する
ことが好ましい。
As the magnet, a compound of a rare earth metal and an iron group transition metal, more specifically, a rare earth cobalt magnet which is a ferromagnetic metal having high saturation magnetization and high crystal magnetic anisotropy, particularly, samarium cobalt (SmCo) 5 or Sm 2 Co 17 ) is preferably used.

【0013】圧電素子には水晶を使用することが好まし
い。さらに、圧電素子にはランタン・タンタル・ガリウ
ム酸化物(La3Ga5.5Ta0.5O14)単結晶、ランタン・ガリ
ウム・シリコン酸化物(La3Ga5SiO14)単結晶、ランタ
ン・ニオブ・ガリウム酸化物(La3Ga5.5Nb0.5O14)単結
晶が実用的に使用できる。
It is preferable to use quartz for the piezoelectric element. Further, the piezoelectric element includes a lanthanum tantalum gallium oxide (La 3 Ga 5.5 Ta 0.5 O 14 ) single crystal, a lanthanum gallium silicon oxide (La 3 Ga 5 SiO 14 ) single crystal, and a lanthanum niobium gallium oxide. (La 3 Ga 5.5 Nb 0.5 O 14 ) single crystal can be used practically.

【0014】このように構成される磁気センサにおいて
は、磁気モーメントMを有する磁石に外部磁場Hが作用
すると、磁気モーメントMと外部磁場Hとの外積(H×
M)方向を軸とするトルクTが働く。そして、外部磁場
Hの強度が高くなると力学的な力であるトルクTが増大
する。この磁石で発生したトルクTは圧電素子に応力
(ねじり応力)を生じさせ、外部磁場Hは応力に変換さ
れる。
In the magnetic sensor thus configured, when the external magnetic field H acts on the magnet having the magnetic moment M, the outer product (H × H) of the magnetic moment M and the external magnetic field H is obtained.
M) A torque T acting on the axis acts. When the intensity of the external magnetic field H increases, the torque T, which is a mechanical force, increases. The torque T generated by the magnet generates a stress (torsional stress) on the piezoelectric element, and the external magnetic field H is converted into the stress.

【0015】この発明の第2の特徴は、外部磁場に対し
て極反転しない磁石、及び磁石に加わる磁場強度を力学
的な力として検出する圧電素子を備えた磁気センサと、
磁気センサの圧電素子に加わる力学的な力に応じて発振
周波数が変化する発振回路と、発振回路の発振周波数の
変化を計測し、磁気センサで検出された磁場強度を表示
する手段とを備えた磁気検出システムであることであ
る。この磁気検出システムに用いる圧電素子としては、
検出感度の温度依存性が小さく、外部磁場の変化量と歪
量との間の直線的比例範囲(リニア域)が比較的広い材
料を選ぶことが好ましい。このような圧電素子として、
水晶が好適である。水晶の熱膨張率は極めて小さく、水
晶振動の誤差は10-6〜10-7の範囲で極めて安定している
からである。さらに外部磁場Hの磁束密度が1テスラ乃
至10テスラの範囲内で外部磁場の変化量と歪量との間
に直線的比例範囲が存在する。従って、検出出力の温度
依存性を減少させつつ、検出出力の磁場強度に対する直
線性を向上させることができる磁気センサが実現でき
る。
A second feature of the present invention is that a magnetic sensor includes a magnet that does not pole-reverse with respect to an external magnetic field, and a piezoelectric element that detects a magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force.
An oscillation circuit whose oscillation frequency changes according to a mechanical force applied to the piezoelectric element of the magnetic sensor, and means for measuring the change in the oscillation frequency of the oscillation circuit and displaying the magnetic field strength detected by the magnetic sensor It is a magnetic detection system. As a piezoelectric element used in this magnetic detection system,
It is preferable to select a material having a small temperature dependence of the detection sensitivity and a relatively wide linear proportional range (linear range) between the amount of change in the external magnetic field and the amount of strain. As such a piezoelectric element,
Quartz is preferred. This is because the coefficient of thermal expansion of quartz is extremely small, and the error in quartz oscillation is extremely stable in the range of 10 -6 to 10 -7 . Further, when the magnetic flux density of the external magnetic field H is in the range of 1 Tesla to 10 Tesla, there is a linear proportional range between the amount of change in the external magnetic field and the amount of distortion. Therefore, it is possible to realize a magnetic sensor capable of improving the linearity of the detection output with respect to the magnetic field strength while reducing the temperature dependency of the detection output.

【0016】このように構成される磁気検出システムに
おいては、前述の第1の特徴で得られる効果に加えて、
磁気センサの磁石に加わる磁場強度を力学的な力として
圧電素子で検出し、この圧電素子で検出された力学的な
力に基づき発振回路の発振周波数を変化させ、この発振
周波数の変化を測定し、磁気センサによる磁場強度を表
示することができる。発振回路の発振周波数の変化を測
定する簡易な手法で磁場強度が計測できるので、磁場検
出回路構成を簡易に実現することができる。このように
磁場検出回路構成を簡易に実現することができる結果、
磁気検出システムの小型化が実現でき、さらに磁気検出
システムの製作コストを削減することができる。
In the magnetic detection system configured as described above, in addition to the effects obtained by the first feature,
The strength of the magnetic field applied to the magnet of the magnetic sensor is detected as a mechanical force by a piezoelectric element, and the oscillation frequency of the oscillation circuit is changed based on the mechanical force detected by the piezoelectric element, and the change in the oscillation frequency is measured. In addition, the magnetic field intensity by the magnetic sensor can be displayed. Since the magnetic field strength can be measured by a simple method of measuring a change in the oscillation frequency of the oscillation circuit, the configuration of the magnetic field detection circuit can be easily realized. As described above, the magnetic field detection circuit configuration can be easily realized,
The size of the magnetic detection system can be reduced, and the manufacturing cost of the magnetic detection system can be reduced.

【0017】特に、圧電素子上の磁石と離間した位置、
即ち、磁石のトルクによる応力の影響を受けない位置に
非磁性金属の電極を更に配設することが好ましい。この
非磁性金属の電極による発振回路の発振周波数を基準周
波数として、磁石に加わる磁場強度による発振周波数の
変化を測定するようにすればより高精度な測定が可能と
なるからである。
In particular, a position separated from the magnet on the piezoelectric element,
That is, it is preferable to further arrange a non-magnetic metal electrode at a position that is not affected by the stress due to the torque of the magnet. If the oscillation frequency of the oscillation circuit formed by the non-magnetic metal electrode is used as a reference frequency and a change in the oscillation frequency due to the strength of the magnetic field applied to the magnet is measured, more accurate measurement is possible.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図1は本発明の実施の形態に係る
磁気センサを含む磁気検出システムの概略構成図、図2
は磁気センサの斜視図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetic detection system including a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a magnetic sensor.

【0019】図1及び図2に示すように、本発明の実施
の形態に係る磁気センサ2は、少なくとも、外部磁場に
対して極反転しない磁石23と、磁石23に加わる磁場
強度を力学的な力として検出する圧電素子21とを備え
ている。圧電素子21には、検出感度の温度依存性が小
さい特徴があり、外部磁場の変化量と歪量との間の直線
的比例範囲(リニア域)が比較的広い材料を選べばよ
い。例えば、圧電素子21として、円板形状で形成され
た水晶(石英)を使用することが好ましい。水晶の熱膨
張率は極めて小さく、水晶振動の誤差範囲は10-6〜10-7
で極めて安定している。さらに、水晶には外部磁場の磁
束密度が1テスラ乃至10テスラの範囲内で外部磁場の
変化量と歪量との間に直線的比例範囲が存在する。ま
た、本発明の実施の形態に係る磁気センサ2は、圧電素
子21の表面上において、磁石23と離間した位置で磁
石23のトルクによる応力の影響を受けない領域に非磁
性金属24が配設されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetic sensor 2 according to the embodiment of the present invention has at least a magnet 23 which does not pole-reverse with respect to an external magnetic field, and a magnetic field strength applied to the magnet 23, A piezoelectric element 21 for detecting as a force. The piezoelectric element 21 has a feature that the temperature sensitivity of the detection sensitivity is small, and a material having a relatively wide linear proportional range (linear range) between the amount of change in the external magnetic field and the amount of strain may be selected. For example, it is preferable to use a quartz (quartz) formed in a disk shape as the piezoelectric element 21. Quartz has a very low coefficient of thermal expansion, and the error range of quartz oscillation is 10 -6 to 10 -7
It is extremely stable. Further, the quartz has a linear proportional range between the amount of change in the external magnetic field and the amount of distortion when the magnetic flux density of the external magnetic field is in the range of 1 Tesla to 10 Tesla. Further, in the magnetic sensor 2 according to the embodiment of the present invention, the non-magnetic metal 24 is disposed on the surface of the piezoelectric element 21 at a position separated from the magnet 23 and in a region which is not affected by the stress due to the torque of the magnet 23. Have been.

【0020】磁石23は圧電素子21の表面上に一方に
N極、他方にS極を有する直方体形状で配設されれてい
る。磁石23には、希土類金属と鉄族遷移金属との化合
物、さらに詳細には高飽和磁化を有しかつ結晶磁気異方
性が高い強磁性金属である希土類コバルト磁石が実用的
に使用できる。希土類コバルト磁石としてはサマリウム
・コバルト(SmCo5又はSm2Co17)が実用的に使用するこ
とができる。サマリウム・コバルトは、例えばスパッタ
リング法に圧電素子21の表面上に、容易軸方向が圧電
素子21面内に存在するように直接成膜し、成膜後に着
磁される。なお、磁石23は発振回路31Aを構築する
水晶振動子の電極としても使用される。このため、図2
に示すように磁石23にはリード配線25が接続されて
いる。また、非磁性金属24は例えばスパッタリング法
で成膜された銅(Cu)で磁石23と同一寸法の直方体形
状に形成され、こちらも水晶振動子の電極として機能し
ている。従って、この非磁性金属24にも発振回路31
Bを構築するためのリード配線25が接続されている。
圧電素子21の裏面には水晶振動子の裏面電極22が配
設され、(図2には図示しないが)磁石23及び非磁性
金属24に接続されるリード配線25と同様にリード配
線が接続され、発振回路31A及び31Bを構築してい
る。
The magnet 23 is disposed on the surface of the piezoelectric element 21 in a rectangular parallelepiped shape having an N pole on one side and an S pole on the other side. As the magnet 23, a compound of a rare earth metal and an iron group transition metal, more specifically, a rare earth cobalt magnet which is a ferromagnetic metal having high saturation magnetization and high crystal magnetic anisotropy can be practically used. Samarium-cobalt (SmCo 5 or Sm 2 Co 17 ) can be practically used as the rare earth cobalt magnet. Samarium / cobalt is directly formed on the surface of the piezoelectric element 21 by, for example, a sputtering method so that the easy axis direction is present in the surface of the piezoelectric element 21, and is magnetized after the film formation. Note that the magnet 23 is also used as an electrode of a quartz oscillator that constitutes the oscillation circuit 31A. Therefore, FIG.
As shown in FIG. 7, a lead wire 25 is connected to the magnet 23. The nonmagnetic metal 24 is formed of, for example, copper (Cu) formed by a sputtering method in a rectangular parallelepiped shape having the same dimensions as the magnet 23, and also functions as an electrode of the crystal resonator. Therefore, the oscillation circuit 31 is also provided in the non-magnetic metal 24.
Lead wiring 25 for constructing B is connected.
A back electrode 22 of a quartz oscillator is provided on the back surface of the piezoelectric element 21, and a lead wire is connected to the magnet 23 (not shown in FIG. 2) in the same manner as a lead wire 25 connected to the non-magnetic metal 24. , And oscillation circuits 31A and 31B.

【0021】図1に示すように、本発明の磁気検出シス
テム1は、前述の磁気センサ2と、磁気センサ2の圧電
素子21に加わる力学的な力に応じて発振周波数が変化
する発振回路31Aと、発振回路31Aの発振周波数の
変化を計測し磁気センサ2で検出された磁場強度を表示
するための複数の回路とを備えている。発振回路31A
は、磁気センサ2の磁石23、圧電素子21、CMOSイン
バータ回路32Aを帰還路内に配設して構築され、圧電
素子21に加わる応力すなわち磁石23に印加される外
部磁界に応じた所定発振周波数の出力信号をCMOSインバ
ータ回路32Aから出力する。更に、前述のように圧電
素子21に非磁性金属24が配設され、非磁性金属2
4、圧電素子21、CMOSインバータ回路32Bを帰還路
内に配設した発振回路31Bが配設されている。非磁性
金属24には外部磁場が印加されてもトルクを生じない
ので、この非磁性金属24及び圧電素子21を帰還路に
含む発振回路31Bは、常時、外部磁場が零の状態の発
振周波数で動作する基準周波数となる。
As shown in FIG. 1, the magnetic detection system 1 of the present invention comprises an oscillation circuit 31A whose oscillation frequency changes according to the above-mentioned magnetic sensor 2 and a mechanical force applied to the piezoelectric element 21 of the magnetic sensor 2. And a plurality of circuits for measuring a change in the oscillation frequency of the oscillation circuit 31A and displaying the magnetic field strength detected by the magnetic sensor 2. Oscillation circuit 31A
Is constructed by arranging the magnet 23 of the magnetic sensor 2, the piezoelectric element 21, and the CMOS inverter circuit 32 </ b> A in the feedback path, and has a predetermined oscillation frequency corresponding to the stress applied to the piezoelectric element 21, that is, the external magnetic field applied to the magnet 23. Is output from the CMOS inverter circuit 32A. Further, the non-magnetic metal 24 is disposed on the piezoelectric element 21 as described above, and the non-magnetic metal 2
4. An oscillation circuit 31B in which the piezoelectric element 21 and the CMOS inverter circuit 32B are arranged in the feedback path is provided. Since no torque is generated even when an external magnetic field is applied to the non-magnetic metal 24, the oscillation circuit 31B including the non-magnetic metal 24 and the piezoelectric element 21 in the feedback path always operates at the oscillation frequency where the external magnetic field is zero. It is the reference frequency at which it operates.

【0022】磁気検出システム1を構築する複数の回路
には、カウンタ回路33A、33B、減算回路34、補
償回路35、較正係数発生回路36、乗算回路37及び
表示装置38が含まれる。カウンタ回路33Aは発振回
路31Aから出力される単位時間当たりのパルス数をカ
ウントする。同様に、カウンタ回路33Bは発振回路3
1Bから出力される単位時間当たりのパルス数をカウン
トする。減算回路34は、カウンタ回路33Aでカウン
トされたパルス数とカウンタ回路33Bでカウントされ
たパルス数との差を演算する。
The plurality of circuits constituting the magnetic detection system 1 include a counter circuit 33A, 33B, a subtraction circuit 34, a compensation circuit 35, a calibration coefficient generation circuit 36, a multiplication circuit 37, and a display device 38. The counter circuit 33A counts the number of pulses per unit time output from the oscillation circuit 31A. Similarly, the counter circuit 33B includes the oscillation circuit 3
The number of pulses per unit time output from 1B is counted. The subtraction circuit 34 calculates a difference between the number of pulses counted by the counter circuit 33A and the number of pulses counted by the counter circuit 33B.

【0023】外部磁場が零の時、発振回路31A、31
Bのそれぞれから出力されるパルス数は同じで減算回路
34の減算出力は零になるはずであるが、実際には磁石
23や非磁性金属24の面積のばらつき、圧電素子21
の厚みのばらつき等により双方から出力されるパルス数
に差が生じる。補償回路35は、このようなパルス数の
差を補償し、外部磁場が零の時の出力(補償回路35か
らの出力)を零にする。較正係数発生回路36は補償回
路35からの出力を外部磁場の値として表示するための
較正係数を出力する。乗算回路37は補償回路35から
の出力に較正係数発生回路36からの較正係数を乗算す
る。表示回路38は乗算回路37からの出力に基づき磁
気センサ2で検出された外部磁界の値を表示する。
When the external magnetic field is zero, the oscillation circuits 31A, 31A
B, the number of pulses output from each of them is the same, and the subtraction output of the subtraction circuit 34 should be zero.
There is a difference in the number of pulses output from both sides due to variations in the thickness of the two. The compensation circuit 35 compensates for such a difference in the number of pulses, and makes the output when the external magnetic field is zero (the output from the compensation circuit 35) zero. The calibration coefficient generation circuit 36 outputs a calibration coefficient for displaying the output from the compensation circuit 35 as a value of the external magnetic field. The multiplication circuit 37 multiplies the output from the compensation circuit 35 by the calibration coefficient from the calibration coefficient generation circuit 36. The display circuit 38 displays the value of the external magnetic field detected by the magnetic sensor 2 based on the output from the multiplication circuit 37.

【0024】次に、磁気センサ2及び磁気検出システム
1の磁気検出動作を説明する。
Next, the magnetic detection operation of the magnetic sensor 2 and the magnetic detection system 1 will be described.

【0025】図3に示すように、磁気センサ2の磁石2
3に外部磁場Hが作用すると、磁石23の磁気モーメン
トMと外部磁場Hとの外積(H×M)方向を軸とするト
ルクが働く。圧電素子21としての水晶の表面と磁石2
3との間は機械的に接合されているので、このトルクT
が水晶に応力(ねじり応力)を生じさせる。
As shown in FIG. 3, the magnet 2 of the magnetic sensor 2
When the external magnetic field H acts on 3, a torque acts on the axis of the direction of the outer product (H × M) of the magnetic moment M of the magnet 23 and the external magnetic field H. The surface of quartz as the piezoelectric element 21 and the magnet 2
3 are mechanically joined to each other, the torque T
Causes stress (torsional stress) in the crystal.

【0026】外部磁場Hの強度が高くなると、力学的な
力であるトルクTは増大する。応力は圧電素子21の結
晶に歪を生じさせ、圧電素子21を帰還路に含む発振回
路31Aの発振周波数が歪量に応じて変化する。発振周
波数の変化はわずかであるが、例えば圧電素子21の発
振周波数を10MHzのオーダーに設定し、圧電素子21、
磁石(電極)23、裏面電極22のそれぞれの形状を適
宜選定すれば10MHz〜100MHzの範囲で発振周波数を自由
に設定することができる。
As the strength of the external magnetic field H increases, the torque T, which is a mechanical force, increases. The stress causes the crystal of the piezoelectric element 21 to be distorted, and the oscillation frequency of the oscillation circuit 31A including the piezoelectric element 21 in the feedback path changes according to the amount of distortion. Although the change in the oscillation frequency is slight, for example, the oscillation frequency of the piezoelectric element 21 is set to the order of 10 MHz,
By appropriately selecting the shapes of the magnet (electrode) 23 and the back electrode 22, the oscillation frequency can be freely set in the range of 10 MHz to 100 MHz.

【0027】このように、圧電素子21に生じた応力は
圧電素子21の結晶に歪を生じさせ、図1に示す発振回
路31Aは応力に応じた発振周波数でパルス信号を出力
する。このパルス数はカウンタ回路33Aでカウントさ
れる。一方、非磁性金属24にも外部磁場Hが印加され
るが、圧電素子21には応力を生じることがないので、
図1に示す発振回路31Bは応力が発生しない時の発振
周波数でパルス信号を出力する。このパルス数はカウン
タ回路33Bでカウントされる。減算回路34はカウン
タ回路33Aでカウントされたパルス数とカウンタ回路
33Bでカウントされたパルス数との差を演算する。減
算回路34の出力は補償回路35を通して乗算回路37
に出力され、乗算回路37においては補償回路35の出
力と較正係数発生回路36からの較正係数を乗算する。
そして、乗算回路37からの出力に基づき表示回路38
は磁気センサ2で検出された外部磁界の値を表示する。
As described above, the stress generated in the piezoelectric element 21 causes the crystal of the piezoelectric element 21 to be distorted, and the oscillation circuit 31A shown in FIG. 1 outputs a pulse signal at an oscillation frequency corresponding to the stress. This pulse number is counted by the counter circuit 33A. On the other hand, although the external magnetic field H is also applied to the non-magnetic metal 24, no stress is generated in the piezoelectric element 21.
The oscillation circuit 31B shown in FIG. 1 outputs a pulse signal at an oscillation frequency when no stress occurs. This pulse number is counted by the counter circuit 33B. The subtraction circuit 34 calculates the difference between the number of pulses counted by the counter circuit 33A and the number of pulses counted by the counter circuit 33B. The output of the subtraction circuit 34 is passed through a compensation circuit 35 to a multiplication circuit 37.
The multiplication circuit 37 multiplies the output of the compensation circuit 35 by the calibration coefficient from the calibration coefficient generation circuit 36.
Then, based on the output from the multiplication circuit 37, the display circuit 38
Indicates the value of the external magnetic field detected by the magnetic sensor 2.

【0028】このように構成される磁気センサ2におい
ては、磁石23及び圧電素子21により外部磁場を力学
的な力に変換し、圧電素子21自体に磁場検出感度の温
度依存性が少なく、磁場検出感度の磁場強度に対する直
線性が高い圧電材料を使用したので、磁場検出感度の温
度依存性を減少させつつ、磁場検出感度の磁場強度に対
する直線性を向上させることができる。
In the magnetic sensor 2 configured as described above, the external magnetic field is converted into a mechanical force by the magnet 23 and the piezoelectric element 21, and the piezoelectric element 21 itself has little temperature dependency of the magnetic field detection sensitivity. Since the piezoelectric material having high linearity of the sensitivity with respect to the magnetic field intensity is used, it is possible to improve the linearity of the magnetic field detection sensitivity with respect to the magnetic field intensity while reducing the temperature dependence of the magnetic field detection sensitivity.

【0029】さらに、磁場検出回路構成を簡易に実現す
ることができる。特に、従来必要とされていたホール素
子に定電流を供給する定電流発生回路や微小なホール起
電力を検出するための同期検波回路を使用しなくなり、
単純な発振回路31Aとカウンタ回路33Aとで基本的
に磁場強度が検出できるので、磁気検出システム1の磁
場検出回路構成が大幅に簡略化できる。さらに、磁気検
出システム1の小型化が実現できる。さらに、磁気検出
システム1の製作コストが大幅に削減でき、非常に安価
な磁気検出システム1が提供できる。
Further, the configuration of the magnetic field detection circuit can be easily realized. In particular, the use of a constant current generation circuit that supplies a constant current to the Hall element and a synchronous detection circuit for detecting a small Hall electromotive force, which were conventionally required, have been eliminated.
Since the magnetic field strength can be basically detected by the simple oscillation circuit 31A and the counter circuit 33A, the configuration of the magnetic field detection circuit of the magnetic detection system 1 can be greatly simplified. Further, downsizing of the magnetic detection system 1 can be realized. Furthermore, the manufacturing cost of the magnetic detection system 1 can be significantly reduced, and a very inexpensive magnetic detection system 1 can be provided.

【0030】なお、圧電素子21の表面上において、磁
石23と非磁性金属24との間隔は、磁石23のトルク
による応力の影響を受けない距離が必要である。つま
り、高精度な磁気測定をするためには磁石23と非磁性
金属24との間一定の距離が必要である(この距離は経
験則によって定まる)。従って、よりコンパクトな磁気
センサを実現するためには、磁石23と非磁性金属24
の中間(センターライン)で圧電素子21を2分割し、
隣接した半円板のそれぞれの領域に磁石23と非磁性金
属24とを配設するようにすれば、磁石23と非磁性金
属24とを近接させても、磁石23のトルクによる応力
の影響が非磁性金属24が配設された圧電素子側に及ば
ないように出来る。また、図2に示す磁石23と非磁性
金属24の中間(センターライン)に溝を設けてもよ
い。このような、磁石23のトルクによる応力の影響を
受けないような構造は、工程数が若干増大する欠点はあ
るが、より高精度且つコンパクトな磁気センサを提供す
ることができる。磁石23と非磁性金属24とを近接さ
せることにより空間的な分解能が向上するので、磁界の
空間分布の高精度な測定が可能となる。
The distance between the magnet 23 and the non-magnetic metal 24 on the surface of the piezoelectric element 21 needs to be a distance that is not affected by the stress caused by the torque of the magnet 23. That is, a fixed distance is required between the magnet 23 and the non-magnetic metal 24 in order to perform high-accuracy magnetic measurement (this distance is determined by empirical rules). Therefore, in order to realize a more compact magnetic sensor, the magnet 23 and the nonmagnetic metal 24 are required.
The piezoelectric element 21 is divided into two in the middle (center line) of
If the magnet 23 and the non-magnetic metal 24 are arranged in the respective areas of the adjacent semi-circular plates, even if the magnet 23 and the non-magnetic metal 24 are brought close to each other, the influence of the stress due to the torque of the magnet 23 is reduced. The non-magnetic metal 24 can be prevented from reaching the piezoelectric element side on which the non-magnetic metal 24 is provided. Further, a groove may be provided in the middle (center line) between the magnet 23 and the non-magnetic metal 24 shown in FIG. Such a structure that is not affected by the stress due to the torque of the magnet 23 has the disadvantage of slightly increasing the number of steps, but can provide a more accurate and compact magnetic sensor. Since the spatial resolution is improved by bringing the magnet 23 and the non-magnetic metal 24 close to each other, it is possible to measure the spatial distribution of the magnetic field with high accuracy.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明によれば、磁場検出感度の温度依
存性を減少させつつ、検出感度の磁場強度に対する直線
性を向上させることができる磁気センサを提供できる。
According to the present invention, it is possible to provide a magnetic sensor capable of improving the linearity of the detection sensitivity with respect to the magnetic field strength while reducing the temperature dependence of the magnetic field detection sensitivity.

【0032】さらに、本発明によれば、磁場検出感度の
温度依存性を減少させつつ、検出感度の磁場強度に対す
る直線性を向上させることができる磁気センサを備え、
かつ磁場検出回路構成が簡易に実現できる磁気検出シス
テムを提供できる。
Further, according to the present invention, there is provided a magnetic sensor capable of improving the linearity of the detection sensitivity with respect to the magnetic field strength while reducing the temperature dependence of the magnetic field detection sensitivity,
In addition, it is possible to provide a magnetic detection system that can easily realize a magnetic field detection circuit configuration.

【0033】特に本発明によれば、磁気検出システムの
小型化が実現でき、さらに磁気検出システムの製作コス
トを削減できる。
In particular, according to the present invention, the size of the magnetic detection system can be reduced, and the manufacturing cost of the magnetic detection system can be reduced.

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

【図1】本発明の実施の形態に係る磁気センサを含む磁
気検出システムの概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetic detection system including a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態に係る磁気センサの斜視図
である。
FIG. 2 is a perspective view of the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態に係る磁気センサの磁石側
を示す原理図である。
FIG. 3 is a principle view showing a magnet side of the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 磁気検出システム 2 磁気センサ 21 圧電素子 22 裏面電極 23 磁石 24 非磁性金属 31A,31B 発振回路 32A,32B インバータ回路 33A,33B カウンタ回路 34 減算回路 35 補償回路 36 較正係数発生回路 37 乗算回路 38 表示回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic detection system 2 Magnetic sensor 21 Piezoelectric element 22 Back electrode 23 Magnet 24 Non-magnetic metal 31A, 31B Oscillation circuit 32A, 32B Inverter circuit 33A, 33B Counter circuit 34 Subtraction circuit 35 Compensation circuit 36 Calibration coefficient generation circuit 37 Multiplication circuit 38 Display circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 外部磁場に対して極反転しない磁石と、 前記磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出する
圧電素子と、 を備えたことを特徴とする磁気センサ。
1. A magnetic sensor, comprising: a magnet that does not pole-reverse with respect to an external magnetic field; and a piezoelectric element that detects a magnetic field strength applied to the magnet as a mechanical force.
【請求項2】 外部磁場に対して極反転しない磁石、及
び前記磁石に加わる磁場強度を力学的な力として検出す
る圧電素子を備えた磁気センサと、 前記磁気センサの圧電素子に加わる力学的な力に応じて
発振周波数が変化する発振回路と、 前記発振回路の発振周波数の変化を計測し、前記磁気セ
ンサで検出された磁場強度を表示する手段と、 を備えたことを特徴とする磁気検出システム。
2. A magnetic sensor comprising: a magnet that does not undergo pole reversal with respect to an external magnetic field; a piezoelectric element that detects a magnetic field intensity applied to the magnet as a mechanical force; and a mechanical sensor that applies a piezoelectric element to the magnetic sensor. An oscillation circuit whose oscillation frequency changes according to a force, and a means for measuring a change in the oscillation frequency of the oscillation circuit and displaying a magnetic field strength detected by the magnetic sensor. system.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004070408A1 (en) * 2003-02-04 2004-08-19 Nec Tokin Corporation Magnetic sensor
CN103454596A (en) * 2012-06-04 2013-12-18 国民技术股份有限公司 Alternating magnetic field sensing device

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