JP2004045246A - 磁界検出回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】数MHzの高周波で数mAのパルス状の波形Iwの電流をMI素子に印加する。このパルス電流の立ち上がり、立ち下がりに応じて、プラスピークpp、マイナスピークmpを持つ波形Vwの出力電圧がMI素子の近傍に配置した検知コイルから得られる。外部磁界HがMI素子に印加されていない状態(H=0)では、ピークpp、mpの高さはベースラインに対して対称になるので、プラス側の検波電圧Vp、マイナス側の検波電圧Vmから得られる(Vp+Vm)/2はゼロ電圧になり、無調整で安定したゼロ点が得られる。外部磁界が印加(H≠0)されることで、両ピーク値が黒矢印のように同方向にシフトし、(Vp+Vm)/2により明確なゼロ点を定義することができる。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電流の印加された状態で外部磁界に対してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子を用いて、外部磁界の強度を検出する磁界検出回路であり、特に地磁気や微弱電流により発生する微小磁界を高感度かつ高精度に検出する磁界検出回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、地磁気検知による方位センサや微弱電流を検知する電流センサの用途として、微小磁界を高感度、高精度に検出することが求められている。そして、この種の磁界検出素子として磁気インピーダンス素子(以下、MI素子という)が注目されている。このMI素子を用いた磁界検出方法の1つは、磁性体に直接高周波電流を印加しながら、その磁性体に巻回又は近接して配置された検知コイルに発生する電圧信号を検波することにより行われる。
【0003】
この検出方法による磁界信号は外部磁界に対して奇関数的で、バイアス磁界を印加しなくとも、ゼロ磁界付近で感度が十分に得られる利点がある。
【0004】
図10はこの磁界検知方法の基本的な回路図を示している。破線の囲みにあるC−MOSインバータとCR回路による発振回路1により、MHz帯のパルス発振を行い、電流調整抵抗2を介してMI素子3に電流を流す。なお、この構成において発生する高周波電流(パルス電流)は、プラスにのみ変調されたものとなる。
【0005】
MI素子3に検知コイル4をソレノイド状に巻き付けるか又は渦巻型のような平面状にして近接させるなどして、MI素子3による磁束の変化を検知コイル4に発生する電圧変化として取り出す。MI素子3の一端は接地され、他端はダイオードとCR回路で構成される検波回路5に接続され、検波回路5から振幅変調された磁界信号が取り出される。その他の検波方法としては、アナログスイッチを用いて発振回路1の立ち上がり、立ち下がりに付近にタイミングを合わせて、同期検波することも考えられる。
【0006】
磁界信号は図11に示すようにMI素子3に流れるパルス電流波形Iwに対し、検知コイル4の電圧波形Vwは立ち上がり、立ち下がりに対してそれぞれピークを持ったものとなる。外部磁界(H)の大きさに応じてこのプラスピークppとマイナスピークmpは、矢印に示すようにベースラインに対して、相対的に逆方向の対称的な動きをする。また、出力Vsは図12に示すようにS字状となり、ゼロ磁界では直線的な傾きを持つ特性が得られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、方位センサや電流センサの用途では、直流の磁界を検知する上で、ゼロ磁界のときに信号出力がゼロになる設定、所謂ゼロ点設定が重要となる。これは、方位センサや電流センサの場合に、ゼロ点設定がなされていないと検出精度に大きな影響を与えてしまうためである。
【0008】
具体的には、方位センサでは水平面上の直交するX、Yの2軸にMI素子等の磁気検出素子をそれぞれ配置して地磁気を測定し、その2つの直流出力電圧を基に方位角を求める。方位角の精度はセンサ自体の外部磁界に対する直線性感度と、出力絶対電圧Vx、Vyの安定性が重要であり、特に後者の安定性が重要である。
【0009】
方位角はθ=tan−1{(Vx−Vxo)/(Vy−Vyo)}で求められるが、磁界ゼロでの出力Vxo、Vyoが狂うと演算上の誤差が生ずる。特に、磁極に近いところやビル内では地磁気の水平成分が100mG(ミリガウス)以下となり、10mGに相当するゼロ磁界出力変化でも精度に大きく影響が生ずる。
【0010】
また、電流センサにおいても電流線からの磁界を電圧に変換して、直流で数10mAというような微弱な電流を評価する際に、ゼロ点が安定していないと、数mG(ミリガウス)に対応して数mA程度は容易に誤差が生ずる場合がある。
【0011】
そのため、図10に示す従来構成では、図11の特性において磁界ゼロの電圧Vsoを探し、その電圧に合うように増幅アンプ6により電源電圧と接地端間に挿入した可変抵抗器6aによる基準電圧を設定し、増幅出力を見ながら手動でゼロ点電圧の調整が行われている。
【0012】
しかし、温度特性等で感度が変わった場合には、図11の破線で示すように特性曲線全体がシフトする可能性があり、その都度、手動調整をすることは困難である。また、自動調整回路を組み込むことも物理的には可能であるが、構成の複雑化、高コスト化を招くという問題がある。
【0013】
本発明の目的は、上述の課題を解決し、簡易、低コストな構成で安定したゼロ点設定が可能な磁界検出回路を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る磁界検出回路は、高周波電流が印加された状態で外部磁界に対してそのインピーダンスが変化する磁性体から成る磁気インピーダンス素子と、該インピーダンス素子に巻回又は近接配置した検知コイルと、前記磁気インピーダンス素子にプラス及びマイナスに概ね均等に振れるパルス状の高周波電流を印加する電流印加回路と、該印加したパルス電流の立ち上がり及び立ち下がりに対応して前記検知コイルに発生する電圧を検知し、該検知結果に基づいて外部磁界の強度に対応した信号を出力する検出回路とを有することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明を図1〜図9に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は実施の形態のMI素子を用いた磁界検出回路図である。破線で囲まれた発振回路11は、図10に示した従来例と同様に、C−MOSインバータとCR回路で構成されている。発振回路11の出力側はC−MOSインバータ12、電流調整用の抵抗13を介して、MI素子14の一端に接続され、M1素子14の他端はインバータ12の入力側に接続されている。この接続により、M1素子14にはプラス及びマイナスに対称に振れた電流が印加されることになる。
【0016】
なお、プラス及びマイナスの電流値はできるだけ等しくすることが望ましく、特に立ち上がり、立ち下がりのオーバーシュートの様子も同じであることが好ましい。そのため、電流値のプラスマイナスの差は、高周波での扱い難さを考慮しても、相対差10%以内にすることが好適である。別の方法としては、インバータ12とMI素子14の間に容量素子を挟み込み、MI素子14の一端を接地することも考えられる。
【0017】
ただし、MI素子14に供給する電流が比較的多く必要であることや、電流のプラスマイナス方向の対称性を考えると、同じ電圧でもインバータ12の入力に戻すことで、接地接続よりも電流変化量を大きくとれ、波形対称性が得られ易いために、図1の形態の方が好ましい。また、インバータ12の出力の仕様は、発振回路11の出力段の仕様と同様で、特に立ち上がり、立ち下がりの遅延時間が同じで、出力電流容量が大きいものが望ましい。
【0018】
また、M1素子14にはコイルが巻回され、或いはM1素子16の近傍に平面型の渦巻きコイルが配置され、検知コイル15として機能している。検知コイル15の一端は接地され、他端にはダイオードとCR回路から構成される検波回路16p、16mに接続されている。なお、検波回路16p、16mのダイオードは互いに逆極性で接続され、検波回路16pは検知コイル15に発生する電圧のプラスのピーク値をホールドし電圧値Vpを出力する。また、検波回路16mは検知コイル15に発生する電圧のマイナスのピーク値をホールドし電圧値Vmを出力する。この出力値より、1対1の抵抗比の抵抗17p、17mを介して基本的な検出出力である出力Vo=(Vp+Vm)/2が求められる。
【0019】
図2は図1の回路構成における波形応答の様子を示している。数MHzの高周波で数mA〜10数mAのパルス状の波形Iwで示される電流をMI素子14に印加する。このパルス電流の立ち上がり、立ち下がりに応じて、プラスピークpp、マイナスピークmpを持つ出力電圧波形Vwが検知コイル15により得られる。このピークpp、mpの波形は通常リンギングを伴い、MI素子14及び検知コイル15のインピーダンス特性に応じて変化する。因みに、図2では説明を分かり易くするために理想的な形で描いている。
【0020】
本発明者は研究の結果、MI素子14にプラス及びマイナスに均等に変調された電流を印加すると、プラス、マイナスのピークpp、mpは、従来例のようなプラスのみ、或いはマイナスのみで変調された電流を印加した場合と異なり、ピーク値の外部磁界に応じて変化の仕方が異なることが分かった。
【0021】
即ち、従来例ではプラス及びマイナスのピークpp、mpがベースラインに対して対称に、相対的に逆方向へ動くのに対して、本実施の形態の構成では、図2に示す黒矢印のようにプラス及びマイナスのピークpp、mpが同方向に動くことになる。
【0022】
外部磁界がMI素子14に印加されていない状態(H=0)では、プラスピークpp、マイナスピークmpの高さはベースラインに対して対称になるので、(Vp+Vm)/2はゼロ電圧になり、無調整で安定したゼロ点が得られる。外部磁界が印加(H≠0)されることで、プラス、マイナスの両ピーク値が同方向にシフトし、(Vp+Vm)/2の電圧変化が現れる。
【0023】
プラス側の検波電圧Vpとマイナス側の検波電圧Vmとは、図3に示すようにゼロ磁界で対称な電圧位置にあり、磁界に対する変化傾向が平行移動するように同傾向であることから、Vo=(Vp+Vm)/2により明確なゼロ点を定義することができる。
【0024】
最終的な検出出力は必要な電圧に対応するために、図1で示す増幅回路18で増幅される。増幅率を上げてゼロ点精度を厳しく要求する場合には、抵抗17p、17mの分圧を微調整することで対応が可能である。
【0025】
本実施の形態の構成による他の効果として、温度特性とS/N比が向上する。つまり、ダイオードは温度特性を持つが、本実施の形態のように検波回路16p、16mのダイオードの極性を互いに逆にして、プラス、マイナスの検波を行うことにより、ダイオードの温度特性の変化によるプラス、マイナスのピークpp、mpの変化方向は、図2に示すコイル出力波形Vwで白抜矢印のように、ベースライン(図ではGND)方向に対して対称な変化となり、(Vp+Vm)/2の加算により相殺される方向となる。このため、結果としてゼロ点の安定性は保証されることになる。
【0026】
またS/Nの点でも、電源ノイズは印加電流に振幅変調の形として畳重するが、ノイズによるプラス、マイナスのピークpp、mpの移動方向も前述のダイオードの温度特性と同様に、ベースラインに対する対称な変化となることから、加算で相殺される方向でS/Nも改善される。即ち、図1に示すような極めて簡素な構成において、ゼロ点の安定した設定が手動調整することなく可能となる。
【0027】
なお、図1の実施の形態ではインバータ12を用いたが、図4に示すようにNANDやNOR等の反転型論理素子12’、12”を使用できることは云うまでもなく、間欠駆動等にも対応できる。
【0028】
具体的な形態としては、図5に示すようにガラス等の非磁性基板21上に形成された磁性薄膜から成るMI素子14に、検知コイル15として銅の薄膜による渦巻状の平面コイル(ターン数61T)を、図示しない絶縁膜を挟んで成膜形成している。MI素子14、検知コイル15の端部はそれぞれ端子電極22に接続されている。なお、磁界検知方向は細長いMI素子14の長手方向である。
【0029】
この構成では、磁性薄膜のMI素子14と薄膜型の検知コイル15を積層しているので、MI素子14と検知コイル15とをμmオーダで近接配置でき、MI素子14側の磁束変化が極めて効率良く検知コイル15の誘起電圧に変換可能となり、高感度な検出が可能となる。
【0030】
この場合に、端子電極22を介してM1素子14に図1の発振回路10を接続する。この発振回路10は4MHzでパルス発振させ、MI素子14にはプラス及びマイナスそれぞれ10mA程度(幅20mA)の高周波電流を流す。
【0031】
図6はその応答波形を示し、上段の波形は図2に示すMI素子14に印加される電流波形Iwに対応し、下段は同様に検知コイル15の出力電圧波形Vwに対応している。
【0032】
MI素子14の電圧にはオーバーシュートが発生し、検知コイル15のピーク電圧波形は図2のものと異なっているが、丸で囲んだプラス、マイナスのピークpp、mpは、矢印で示すように外部磁界が印加された状態でゼロ磁界の状態よりも矢印の方向にシフトしている。なお、このデータは外部磁界を4エルステッド印加した状態である。
【0033】
図7はプラス、マイナスのピークpp、mpを検波回路16p、16mにより取り出し、増幅回路18で50倍に増幅した結果の外部磁界検知特性を示している。外部磁界Hがゼロの状態ではほぼゼロ電圧を示し、直線性も良好で830mV/Oeの感度が得られている。S字状の両端の変曲点は増幅回路18の飽和特性によるものであり、検出回路16p、16m自体は±5Oeまで直線的な感度が得られる。
【0034】
図8は検知コイル15から検出出力を取り出す他の実施の形態の回路図を示し、MI素子14への通電方法と検知コイル15の配置形態は前述の実施の形態と同様なので、同一機能の構成については同符号を付して説明を省略する。
【0035】
検知コイル15の両端は、抵抗31、32を介して接地されている。双方の抵抗31、32の両端電圧により、共にプラスかマイナスのピークpp、mpのホールドを検波回路33、34で行い、その出力を差動増幅回路35により差動増幅し出力Eoを得る。
【0036】
図9はこの実施の形態における応答波形を示し、MI素子14に印加されるパルス状の高周波電流Iwに対して、抵抗31、32の両端電圧波形は波形Vw1、Vw2となる。波形Vw1、Vw2に対してプラス、マイナスのピークpp、mpの動きは図9の矢印の通り逆となり、またゼロ磁界でピーク電圧が同じ高さに出力されることから、この方法でもゼロ点の安定した設定が無調整で可能となる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る磁界検出回路は、MI素子に対してプラス及びマイナスに均等に振られた高周波のパルス状電流を印加することで、検知コイル側に発生する電圧のプラス及びマイナス両ピークの挙動が外部磁界に対して同方向に動くことになり、その両ピーク値を検波して取り出し、分圧抵抗により加算処理することでゼロ点が安定し、温度特性、S/Nに優れた磁界検知が簡易、低コストな構成で可能となる。
【0038】
また、検知コイルの両端と接地端間にそれぞれ抵抗を接続し、双方の抵抗の両端電圧を検波し差動増幅することでも同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態の磁界検出回路図である。
【図2】応答波形図である。
【図3】出力波形図である。
【図4】反転型論理回路を用いた変形例の磁気検出回路図である。
【図5】MI素子の具体的な構成図である。
【図6】応答波形図である。
【図7】出力波形図である。
【図8】他の実施の形態の磁界検出回路図である。
【図9】応答波形図である。
【図10】従来の磁界検出回路の構成図である。
【図11】応答波形図である。
【図12】出力波形図である。
【符号の説明】
11 発振回路
12 C−MOSインバータ
13、17p、17m、31、32 抵抗
14 MI素子
15 検知コイル
16p、16m、33、34 検波回路
18 増幅回路
21 非磁性基板
22 端子電極
35 差動増幅回路
Claims (5)
- 高周波電流が印加された状態で外部磁界に対してそのインピーダンスが変化する磁性体から成る磁気インピーダンス素子と、該インピーダンス素子に巻回又は近接配置した検知コイルと、前記磁気インピーダンス素子にプラス及びマイナスに概ね均等に振れるパルス状の高周波電流を印加する電流印加回路と、該印加したパルス電流の立ち上がり及び立ち下がりに対応して前記検知コイルに発生する電圧を検知し、該検知結果に基づいて外部磁界の強度に対応した信号を出力する検出回路とを有することを特徴とする磁界検出回路。
- 前記電流印加回路は、ロジックICによる発振出力に対し互いに反転関係にある出力を反転型ロジックICにより生成し、一方の出力を前記磁気インピーダンス素子の一端に供給し、他方の出力を他端に供給するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の磁界検出回路。
- 前記検出回路は、前記検知コイルに発生するプラスのピーク電圧とマイナスのピーク電圧をホールド又は検波する検波回路と、該ホールド又は検波したプラスのピーク電圧とマイナスのピーク電圧を分圧する分圧回路とを有し、該分圧された電圧値を前記外部磁界の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に記載の磁界検出回路。
- 前記分圧のための抵抗値は1対1であることを特徴とする請求項3に記載の磁界検出回路。
- 前記検出回路は、前記検知コイルの両端から接地端間に設けた抵抗と、前記検知コイルの両端の電圧をそれぞれ検波する回路と、該検波した電圧を差動増幅する増幅回路とを有することを特徴とする請求項1に記載の磁界検出回路。
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