JP2003329745A

JP2003329745A - 磁界強度検出装置

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Publication number: JP2003329745A
Application number: JP2002132338A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Negishi; 隆一根岸; Masahiro Kawase; 正博川瀬
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-19
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: JP4229634B2

Abstract

(57)【要約】【課題】感度、精度が良好で、消費電力の少ない磁界
強度検出装置を得る。【解決手段】間欠駆動回路４の間欠駆動出力Ａは、発
振器８のクロック信号の２５６分周信号の反転信号と５
１２分周信号の論理積であり、その区間だけアクティブ
となり、交流矩形波電流印加回路３を活性化する。間欠
駆動出力Ａがアクティブでない期間は、４個のスイッチ
素子３２〜３５は共にオフになり励磁電流は流れない。
間欠駆動出力Ａがアクティブの期間は、３２分周信号が
Ｈレベルにあればスイッチ素子３２、３３がオンとな
り、バイアスコイル２に正方向の励磁電流が流れる。一
方、３２分周信号がＬレベルであれば、スイッチ素子３
４、３５がオンとなり、バイアスコイル２に負方向の励
磁電流が流れる。正方向と負方向の励磁電流がそれぞれ
４回ずつ交互に流れ、その後に再び間欠駆動出力Ａがア
クティブになるまでの間は励磁が停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気インピーダン
ス効果を利用した磁界強度検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のコンピュータの普及により、産業
や社会全体の高度な自動化や情報化が進歩し、各種のセ
ンシングに必要なセンサに対する要求も一段と厳しくな
ってきている。磁気センサは他の光学、半導体などのセ
ンサと共に重要な役割を担っているが、より小型、高感
度で信頼性に優れたセンサが求められている。そのよう
な状況において磁気インピーダンス素子（以下、ＭＩ素
子と云う）は、小型、高感度を実現可能なものとして注
目を集めている。

【０００３】図１４は代表的なＭＩ素子の外部磁界検知
特性を示し、ＭＩ素子の出力は外部磁界強度に応じて軸
対称のＶ字特性を示している。ＭＩ素子を用いる場合
に、温度変化によるオフセットの問題などを解消するた
めに、交流矩形波バイアス磁界（ＡＣバイアス）を印加
するのが一般的である。

【０００４】無磁界時には、図１４に示すようにプラス
側（−Ｈｏ）、マイナス側（＋Ｈｏ）に均等に振れるＡ
Ｃバイアスを印加すると、ピークに段差のない出力Ｖｏ
が得られる。そこに、外部磁界ΔＨが印加されると、図
１５に示すようにプラス側、マイナス側のそれぞれの動
作点は移動し、ピークに段差のある出力が得られる。こ
の出力を差動増幅（ΔＶ）することで、磁界変化に比例
した感度の良い出力を得ることができる。

【０００５】図１６は、この動作を行う駆動回路の一例
を示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、携帯電話や
腕時計に方位センサとして、この種の磁気センサを搭載
する提案がなされている。しかし、図１６で示される駆
動回路においては、常時ＭＩ素子Ｓに高周波電流が印加
され、またバイアスコイルＣに励磁電流が印加されてい
る。そのため、消費電流が大きく、電池駆動である携帯
電話や腕時計などの携帯機器には搭載することが困難で
ある。

【０００７】本発明の目的は、このような問題に鑑みな
されたものであり、電池駆動の携帯機器等に搭載可能な
小型、高感度な磁気センサ、磁界強度検出装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に係る本発明は、インピーダンス変化特性を
示す磁気検出素子と、該磁気検出素子にバイアス磁界を
印加するバイアスコイルと、該バイアスコイルに間欠的
に交流の励磁電流を流す交流電流印加手段と、前記磁気
検出素子に高周波電流を流す高周波電流印加手段と、前
記磁気検出素子の端子に発生する高周波電圧を検波する
検波手段とを備えたことを特徴とする磁界強度検出装置
である。

【０００９】請求項２に係る本発明は、前記励磁電流の
電流波形は、正負が交互に反転するパルス状波形である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置で
ある。

【００１０】請求項３に係る本発明は、前記励磁電流が
印加される期間は、検波出力が安定したレベルに達する
期間以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁界
強度検出装置である。

【００１１】請求項４に係る本発明は、前記検波手段
は、前記励磁電流の正の電流印加時と負の電流印加時の
それぞれにおいて前記高周波電圧をサンプルホールド
し、それらの差分を磁界強度に対応した信号として出力
することを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の磁
界強度検出装置である。

【００１２】請求項５に係る本発明は、前記検波手段
は、前記検波出力が安定したレベルに達した後に、前記
サンプルホールドを開始することを特徴とする請求項４
に記載の磁界強度検出装置である。

【００１３】請求項６に係る本発明は、前記高周波電流
は前記励磁電流に同期して間欠的に前記磁気検出素子に
流すことを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装
置である。

【００１４】請求項７に係る本発明は、前記検波手段は
マイクロコンピュータで構成していることを特徴とする
請求項１に記載の磁界強度検出装置である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明を図示の実施の形態に基づ
いて詳細に説明する。図１は第１の実施の形態のブロッ
ク回路構成図であり、図１４、図１５に示す特性を有す
る磁気検出素子１の近傍に、この磁気検出素子１にバイ
アス磁界を加えるバイアスコイル２が配置されている。
バイアスコイル２には、反対向きでほぼ同一電流値の電
流を所定の間隔で交互に流す交流矩形波電流印加回路３
の出力が接続され、交流矩形波電流印加回路３にはこの
印加回路３を間欠的に動作させる間欠駆動回路４の出力
が接続されている。磁気検出素子１の出力は高周波電流
を流す高周波電流印加回路５の出力が接続され、更に磁
気検出素子１には磁気検出素子１の端子に発生する高周
波電圧を検波する検波回路６に接続され、検波回路６の
検波出力はバイアス磁界の極性に応じて識別する検波出
力識別回路７に接続されている。また、発振器８からの
クロック信号が、交流矩形電流印加回路３、間欠駆動回
路４、高周波電流印加回路５、検波出力識別回路７にそ
れぞれ接続されている。

【００１６】交流矩形波電流印加回路３においては、発
振器８のクロック信号を受け入れる３２分周器の出力
が、ＡＮＤゲート３０及び反転ゲートを介してＡＮＤゲ
ート３１に接続されている。また、ＡＮＤゲート３１に
は間欠駆動回路４の出力が接続されている。ＡＮＤゲー
ト３０、３１の出力は、それぞれスイッチ素子３２、３
３及びスイッチ素子３４、３５に出力され、更に定電流
源３６の出力がスイッチ素子３２、スイッチ素子３４に
接続されスイッチ素子３３、３５の一部は接地されてい
る。バイアスコイル２の一端にはスイッチ素子３２、３
５が接続され、バイアスコル２の他端にはスイッチ素子
３３、３４が接続されている。

【００１７】間欠駆動回路４は発振器８の出力を２５６
分周器、５１２分周器で受け入れ、２５６分周器の出力
は反転ゲートを経てＡＮＤゲート４０に接続され、５１
２分周器の出力はＡＮＤゲート４０に直接に接続され、
ＡＮＤゲート４０の間欠駆動出力Ａは交流矩形波電流印
加回路３に接続されている。

【００１８】高周波電流印加回路５は発振器８からのク
ロック信号が接続されるＡＮＤゲート５０を有してお
り、ＡＮＤゲート５０にはクロック信号が直接に接続さ
れると共に、反転ゲートを介しても接続され、ＡＮＤゲ
ート５０の出力は抵抗を介して磁気検出素子１に出力す
るようにされている。

【００１９】検波回路６は磁気検出素子１の出力を検波
する回路であり、ダイオードを介して入力された磁気検
出素子１の出力を、増幅器６０を介して検波出力Ｂとし
て検波出力識別回路７に出力するようになっている。

【００２０】検波出力識別回路７においては、発振器８
のクロック信号を受け入れてそれぞれ分周する８分周
器、１６分周器、３２分周器、１２８分周器、２５６分
周器、５１２分周器の出力が組み合わされ、サンプリン
グパルスＣ、Ｄを生成し、サンプリングパルスＣはスイ
ッチ素子７０に、サンプリングパルスＤはスイッチ素子
７１に接続されている。一方、スイッチ素子７０、７１
には検波回路６の検波出力Ｂが接続されている。また、
スイッチ素子７０から得られるホールド電圧Ｅは抵抗、
コンデンサ７２を介して増幅器７４に接続され、スイッ
チ素子７１からのホールド電圧Ｆは抵抗、コンデンサ７
３を介して増幅器７５に接続され、これらの増幅器７
４、７５の出力はそれぞれ増幅器７６に接続され、増幅
器７６からは差動増幅出力Ｇが出力するようになってい
る。

【００２１】図２は図１の回路の動作を説明するための
タイミングチャート図であり、各分周器の出力波形、間
欠駆動回路４の間欠駆動出力Ａの波形、バイアスコイル
２に流れる励磁電流波形、検波回路６の検波出力Ｂの波
形、検波出力識別回路７内の２つのサンプリングパルス
Ｃ、Ｄと２つのホールド電圧Ｅ、Ｆと検波出力識別回路
７の差動増幅出力Ｇを示している。

【００２２】間欠駆動回路４の間欠駆動出力Ａは、発振
器８のクロック信号の２５６分周信号の反転信号と５１
２分周信号の論理積であり、図２に図示した区間だけア
クティブとなり、交流矩形波電流印加回路３を活性化す
る。交流矩形波電流印加回路３では、発振器８からのク
ロック信号を３２分周した信号とその反転信号を、それ
ぞれＡＮＤゲート３０とＡＮＤゲート３１に入力し、間
欠駆動出力Ａとそれぞれ論理積にしている。これによ
り、間欠駆動出力Ａがアクティブでない期間は、４個の
スイッチ素子３２〜３５は共にオフになり励磁電流は流
れない。

【００２３】間欠駆動出力Ａがアクティブの期間は、３
２分周信号がＨレベルにあればスイッチ素子３２、３３
がオンとなり、定電流源３６とバイアスコイル２の上側
端子が、バイアスコイル２の下側端子とアースがそれぞ
れ接続され、正方向の励磁電流が流れる。一方、３２分
周信号がＬレベルであれば、スイッチ素子３４、３５が
オンとなり、定電流源３６とバイアスコイル２の下側端
子が、バイアスコイル２の上側端子が接地され、負方向
の励磁電流が流れる。

【００２４】本実施の形態では、正方向と負方向の励磁
電流がそれぞれ４回ずつ交互に流れ、その後に再び間欠
駆動出力Ａがアクティブになるまでの間は励磁が停止す
る。このように、励磁電流が間欠的に流れるため、消費
電力の低減が可能になる。

【００２５】なお、アクティブ期間は検波出力Ｂが安定
なレベルに達するまでの期間以上必要であり、換言すれ
ば励磁電流の供給開始時の過渡特性の影響のある期間以
上であり、安定したＭＩ素子の出力の基で検波が行える
期間に設定されている。これにより、検波出力の平滑化
されている部分の影響を受けることなく、アクティブ期
間中に良好な検波を行うことが可能となる。

【００２６】高周波電流印加回路５は発振器８からのク
ロック信号を、抵抗とコンデンサと反転ゲートで遅延さ
せて反転した信号と、クロック信号そのものとをＡＮＤ
ゲート５０で論理積にする。これにより、クロック信号
と周波数は同一で、パルス幅の狭い高周波信号が形成さ
れ、磁気検出素子１に印加される。クロック信号の周波
数が十分に高く取れない場合に、パルス幅の狭い信号は
磁気検出素子１の感度を上げるために有効である。

【００２７】前述したように、本実施の形態における磁
気検出素子１は、バイアス磁界と外部磁界の和に対して
インピーダンスがＶ字形に変化するため、正方向の外部
磁界ΔＨに対しては、正方向の励磁電流の流れる期間の
方が、負方向の励磁電流の流れる期間に比較して検波出
力ＢはΔＶだけ高い。そのため、検波出力Ｂは図２に示
すように間欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけΔＶの
段差を持ち、４回繰返されるくし型波形となる。これを
検波出力識別回路７の中でサンプリングするタイミング
をサンプリングパルスＣ、Ｄが決定している。サンプリ
ングパルスＣ、Ｄは８、１６、３２、１２８、２５６、
５１２分周器のそれぞれの出力を組合わせて合成されて
おり、間欠駆動出力Ａがアクティブな期間の後半分だけ
をサンプリングするように動作する。

【００２８】励磁電流が流れ始めてから暫くの間は、消
費電流の変動による電源電圧の過渡的変動があり、検波
出力Ｂの変動も避けられない。特に、ボタン電池などを
電源とする小型装置などでは、これらの変動が顕著な精
度低下を引き起こす。

【００２９】それを避けるため、本実施の形態では有効
な検波出力のうちの後半分だけをサンプリングして取り
込むように構成している。サンプリングパルスＣはスイ
ッチ素子７０を働かせて、正方向の励磁電流に対する検
波出力Ｂを通過させ、ホールド電圧Ｅを生成する。サン
プリングパルスＤはスイッチ素子７１を働かせて、負方
向の励磁電流に対する検波出力Ｂを通過させ、ホールド
電圧Ｆを生成する。ホールド電圧Ｅ、Ｆは、それぞれコ
ンデンサ７２、７３によって暫く保持されるので、サン
プリングパルスＣ、Ｄが停止した後も暫くは電圧が低下
することはない。ホールド電圧Ｅがホールド電圧Ｆより
も約ΔＶだけ高いのは、正方向の外部磁界ΔＨによるも
のであり、外部磁界がなければホールド電圧Ｅ、Ｆは同
電位になる。

【００３０】ホールド電圧ＥとＦの電位差を、増幅器７
４〜７６によって構成した差動増幅回路により増幅して
差動増幅出力Ｇを得る。差動増幅出力Ｇは間欠駆動出力
Ａの切れる瞬間の前後が最も安定しており、この付近の
差動増幅出力Ｇを外部磁界ΔＨに対する計測結果として
利用すれば、精度が良く消費電力の低い磁界強度検出装
置が構成できる。

【００３１】以上の説明では、磁界が強いほどインピー
ダンスが増加するＶ字型の特性を持つ磁気検出素子１を
想定しているが、逆に印加磁界の無い点を極大点とし、
磁界の極性に拘らず対称的に磁界が強いほどインピーダ
ンスが下がるΛ字形の特性を持つ磁気検出素子において
も同様に実現できる。

【００３２】分周器については、交流矩形波電流印加回
路３、間欠駆動回路４、検波出力識別回路７の相互で共
通するものは共用してもよい。また、分周数については
一例であり、これ以外の分周数を設定して実現してもよ
い。また、論理回路の信号遅延に起因するグリッチの発
生を防止する回路を付加することも考えられる。また、
論理回路全体をクロック同期回路の形で実現することも
できる。

【００３３】図３は第１の実施の形態の変形例のブロッ
ク回路構成図であり、高周波数電流印加回路５には３入
力ＡＮＤゲート５１が使用され、間欠駆動回路４の間欠
駆動出力Ａはこの３入力ＡＮＤゲート５１にも接続され
ている。

【００３４】これにより、間欠駆動出力Ａがアクティブ
な期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１
に高周波電流を流れることになり、更に消費電流が低減
できる。

【００３５】図４は第２の実施の形態のブロック回路構
成図であり、図１の第１の実施の形態と異なるのは、交
流矩形波電流印加回路３が交流パルス電流印加回路３’
に置換されており、１６分周器とＡＮＤゲート３７と反
転ゲート３８が付加されている。

【００３６】図５のタイミングチャート図に示すよう
に、バイアスコイル２に流れる励磁電流を、正方向、負
方向とも細いパルス状にしている。これにより、バイア
スコイル２の励磁により消費される電力が更に低減でき
る。

【００３７】図６は第２の実施の形態の変形例のブロッ
ク回路構成図であり、図３に示す第１の実施の形態の変
形例のように、高周波電流印加回路５に３入力ＡＮＤゲ
ート５１が使用され、間欠駆動手段４の出力Ａがアクテ
ィブな期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素
子１へ高周波電流を流すようにしている。これにより、
更に消費電流が低減できる。

【００３８】図７は第３の実施の形態のブロック回路構
成図であり、図１の第１の実施の形態と異なるのは、検
波出力識別回路７の代りに使用される検波出力識別回路
９の構成である。即ち、検波出力識別回路９は検波回路
６の検波出力Ｂを受け入れるサンプルホールド回路９０
のホールド電圧ＪがＡ／Ｄコンバータ回路９１に接続さ
れ、そのデジタルデータＬはマイクロコンピュータ９２
に接続されている。また、発振器８のクロック信号はマ
イクロコンピュータ９２に接続され、マイクロコンピュ
ータ９２のサンプリングパルスＩはサンプルホールド回
路９０に、Ａ／ＤタイミングパルスＫはＡ／Ｄコンバー
タ回路９１に接続されている。更に、間欠駆動手段４の
駆動出力Ａはマイクロコンピュータ９２にも接続されて
いる。

【００３９】図８はこの第３の実施の形態の動作を説明
するタイミングチャート図である。マイクロコンピュー
タ９２は間欠駆動出力Ａがアクティブになった瞬間から
所定の遅延をとって、一連のサンプリングパルスＩをサ
ンプルホールド回路９０に入力する。サンプルホールド
回路９０は検波出力Ｂを受けてホールド電圧ＪをＡ／Ｄ
コンバータ回路９１に入力する。

【００４０】Ａ／Ｄコンバータ回路９１はマイクロコン
ピュータ９２からのＡ／ＤタイミングパルスＫに同期し
て、ホールド電圧ＪをデジタルデータＬに変換して、マ
イクロコンピュータ９２に転送する。マイクロコンピュ
ータ９２は取り込んだデジタルデータＬの順番によっ
て、奇数番のデータは正方向の励磁電流が流れた場合の
検波出力Ｂに対応し、偶数番のデータは負方向の励磁電
流が流れた場合の検波出力Ｂに対応すると解釈し、デジ
タル演算によって外部磁界ΔＨを算定する。

【００４１】図９は第３の実施の形態の変形例のブロッ
ク回路構成図であり、第１、第２の実施の形態の変形例
のように、高周波電流印加回路５には３入力ＡＮＤゲー
ト５１が使用され、間欠駆動出力Ａがアクティブな期間
だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１に高周
波電流を流すようにしている。これにより、更に消費電
流が低減できる。

【００４２】図１０は第４の実施の形態のブロック回路
構成図であり、図７の第３の実施の形態と異なるのは、
検波回路６がダイオードを使わずに、スイッチ素子６１
を用いたサンプルホールド回路の構成になっていること
と、検波出力識別回路９がサンプルホールド回路９０を
含まなくなっていることである。サンプルホールドのタ
イミングは、マイクロコンピュータ９２を経由してクロ
ック信号と適度な遅延量を保って同期していることで同
期検波回路となっている。

【００４３】図１１は第４の実施の形態の変形例のブロ
ック回路構成図であり、第１、第２、第３の実施の形態
の変形例と同様に、高周波電流印加回路５に３入力ＡＮ
Ｄゲート５１が使用され、間欠駆動出力Ａがアクティブ
な期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１
に高周波電流を流すようにしている。これにより、更に
消費電流が低減できる。

【００４４】図１２は第５の実施の形態のブロック回路
構成図であり、図１０の第４の実施の形態と異なるの
は、検波回路６、検波出力識別回路７、間欠駆動手段４
の機能を、サンプルホールド、Ａ／Ｄコンバータ内蔵型
マイクロコンピュータ１０により実現していることであ
る。また、交流矩形波電流印加回路３も簡略化されてお
り、本実施の形態が他の実施の形態に比べて最も簡単で
安価となる。

【００４５】図１３は第５の実施の形態の変形例のブロ
ック回路構成図であり、先の実施の形態の変形例と同様
に、高周波電流印加回路５に３入力ＡＮＤゲート５１が
使用され、マイクロコンピュータ１０から出力される間
欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけ、高周波電流印加
回路５から磁気検出素子１に高周波電流を流すようにし
ている。これにより、更に消費電流が低減できる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る磁界強
度検出装置によれば、消費電力が大きなバイアスコイル
への励磁電流の供給を間欠的に行っているため、従来の
回路に比べて消費電力を大幅に低減できる。更に、アク
ティブ期間中の磁気検出素子の出力が安定している期間
においてのみ、磁気検出素子の出力検波を行うようにし
ているため、間欠駆動であっても高い測定精度を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態のブロック回路構成図であ
る。

【図２】タイミングチャート図である。

【図３】変形例のブロック回路構成図である。

【図４】第２の実施の形態のブロック回路構成図であ
る。

【図５】タイミングチャート図である。

【図６】変形例のブロック回路構成図である。

【図７】第３の実施の形態のブロック回路構成図であ
る。

【図８】タイミングチャート図である。

【図９】変形例のブロック回路構成図である。

【図１０】第４の実施の形態のブロック回路構成図であ
る。

【図１１】変形例のブロック回路構成図である。

【図１２】第５の実施の形態のブロック回路構成図であ
る。

【図１３】変形例のブロック回路構成図である。

【図１４】交流矩形波バイアス磁界印加時のＭＩ素子の
特性図である。

【図１５】交流矩形波バイアス磁界と正方向外部磁界印
加時のＭＩ素子の特性図である。

【図１６】従来のＭＩ素子の駆動回路図である。

【符号の説明】

１磁気検出素子２バイアスコイル３交流矩形波電流印加回路３’交流パルス電流印加回路４間欠駆動回路５高周波電流印加回路６検波回路７、９検波出力識別回路８発振器１０、９２マイクロコンピュータ３０、３１、３７、４０、５０ＡＮＤゲート３２〜３５、６１、７０、７１スイッチ素子３６定電流源３８反転ゲート５１３入力ＡＮＤゲート６０、７４、７５、７６増幅器７２、７３コンデンサ９０サンプルホールド回路９１Ａ／Ｄコンバータ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インピーダンス変化特性を示す磁気検出
素子と、該磁気検出素子にバイアス磁界を印加するバイ
アスコイルと、該バイアスコイルに間欠的に交流の励磁
電流を流す交流電流印加手段と、前記磁気検出素子に高
周波電流を流す高周波電流印加手段と、前記磁気検出素
子の端子に発生する高周波電圧を検波する検波手段とを
備えたことを特徴とする磁界強度検出装置。
【請求項２】前記励磁電流の電流波形は、正負が交互
に反転するパルス状波形であることを特徴とする請求項
１に記載の磁界強度検出装置。
【請求項３】前記励磁電流が印加される期間は、検波
出力が安定したレベルに達する期間以上であることを特
徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置。
【請求項４】前記検波手段は、前記励磁電流の正の電
流印加時と負の電流印加時のそれぞれにおいて前記高周
波電圧をサンプルホールドし、それらの差分を磁界強度
に対応した信号として出力することを特徴とする請求項
１又は２又は３に記載の磁界強度検出装置。
【請求項５】前記検波手段は、前記検波出力が安定し
たレベルに達した後に、前記サンプルホールドを開始す
ることを特徴とする請求項４に記載の磁界強度検出装
置。
【請求項６】前記高周波電流は前記励磁電流に同期し
て間欠的に前記磁気検出素子に流すことを特徴とする請
求項１に記載の磁界強度検出装置。
【請求項７】前記検波手段はマイクロコンピュータで
構成していることを特徴とする請求項１に記載の磁界強
度検出装置。