JP2005265621A

JP2005265621A - 磁気検出素子及び磁気方位測定装置

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Publication number: JP2005265621A
Application number: JP2004078938A
Authority: JP
Inventors: Manabu Aizawa; 学相澤; Hiroshi Onuma; 博大沼; Junichi Honda; 順一本多; Shin Sasaki; 伸佐々木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】検出コイルよりも内側における内部磁界の強度を均一にする。
【解決手段】軟磁性材料からなる磁気コア２５と、磁気コア２５に流れる磁界を検出する検出コイル２３，２７と、磁気コア２５を励磁する励磁コイル２１，２９とからなり、検出コイル２３，２７は、磁気コア２５の長手方向に巻回され、励磁コイル２１，２９は、検出コイル２３，２７が長手方向に巻回されている磁気コア２５の長手方向に巻回されている磁気検出素子２ａを用いることにより課題を解決する。
【選択図】図６

Description

本発明は、地磁気方位測定する磁気検出素子及び磁気方位測定装置に関する。

従来、地磁気等の外部磁界と、磁気センサ装置の間の方位角を得るものとして、フラックスゲート式磁気センサ等の種々のものがある。ここで、フラックスゲート式磁気センサの原理について説明する。

フラックスゲート式磁気センサは、図２４に示すように、磁性体からなるコアに検出コイルと、検出コイルを挟んで励磁コイルを巻回した構造を持ち、励磁コイルを挟んでなる検出コイルは、相互に差動接続、つまり互いに逆向きに巻かれた状態でその一端どうしが接続される。

このようなフラックスゲート型磁気センサは、励振コイルに交流電流（励振電流）を流すことによってコアに沿って発生する交流磁束が、各検出コイルの内部を互いに逆向きに貫くことになる。この状態でセンサに外部磁気が作用すると、その磁気による磁束は、各検出コイルに対して同方向に作用するため、各検出コイルを貫いている交流磁束は、結局、外部磁気によって互いに逆向きにバイアスが掛った状態となり、その検出コイルの両端から、外部磁気に比例し、かつ、励振電流の２倍の周波数の交流電圧信号を取り出すことができる。この交流電圧信号を例えば交流増幅器で増幅し、整流した後に検波することによって、外部磁気に比例した電圧信号を得ることができ、感度が良好で温度に対して安定した磁気センサとなる。

また、このようなフラックスゲート式磁気センサを小型化するために、従来半導体等の製造で使われてきた薄膜プロセス等を用いて、超小型化が図られるようになった。

特開平１１−２３６８３号公報

ところで、薄膜プロセスにより形成される薄膜フラックスゲート式磁気センサは、図２５に示すように、所定のパターンニングにより基板上にコアを巻回してなる検出コイルと励磁コイルが形成されている。なお、図２５では、薄膜化のために、検出コイルと、励磁コイルを同一層上に形成し、コアの長手方向に交互（１対１）に巻回す構造（以下、「３層１対１構造」という。）となっている。

しかしながら、薄膜フラックスゲート型磁気センサは、３層１対１構造の場合には、励磁コイルの巻線の間に検出コイルが入り込む部分が存在することになるため、検出コイルが巻かれている領域においては、励磁コイルの巻線間隔が広くなってしまう。

また、励磁コイルに流す電流により発生する磁界の強度は、コイル導体からの距離に反比例するので、励磁コイルが巻かれている領域と比較して、検出コイルが巻かれている領域（励磁コイルの間隔が広い領域）においては、磁界強度は低下してしまう。また、薄膜フラックスゲート型磁気センサの構造を、コアの長手方向に検出コイルを２巻きし、励磁コイルを３巻きするパターンが複数形成されてなる構造（以下、「３層２対３構造」という。）のように励磁コイルを検出コイルよりも多くコアの周囲に巻き回した場合であっても、磁界強度は励磁コイルの箇所で低下してしまう。

したがって、同一の層に励磁コイルと検出コイルが混在している場合には、磁気センサ内の部位ごとの磁界強度分布の不均一性が大きくなってしまい、その結果、検出コイルの検出動作に不均一が生じてしまう。

さらに、コイル全体でみた場合、コイル同士の間隔が広い部位では、漏れ磁束が増加するため、励磁効率が低下してしまう。

また、薄膜フラックスゲート式磁気センサは、動作原理としてコアの飽和を必要とするため、励磁電流が大きくなる欠点がある。したがって、少ない電流でコアが飽和するように励磁効率を高めることが重要となる。

また、検出コイルは、ファラデーの法則に従い、コイル断面と鎖交する磁束の変化を最小とするような逆起電力を発生する。この信号が検出信号となるが、この信号に含まれている２次高調波成分により、センサ外部の被測定磁界強度を検出する。そのため、検出コイル断面と鎖交する磁束を増やすことにより、逆起電力を増し出力の感度及びＳＮ比を向上させる必要がある。

これらの特性向上のためには、コイルの巻数を増やすことが有効な手段であるが、実際にはサイズ及び抵抗値等の制約から巻数は上限が決められてしまうので、限られた巻数の中で、コアの励磁及びコアに発生する磁束の検出の効率を最適化する必要がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、コアにかかる強度分布が一定となり、かつ、励磁効率が低下しない磁気検出素子及び磁気方位測定装置の提供を目的とする。

本発明に係る磁気検出素子は、上述の課題を解決するために、軟磁性材料からなる磁気コアと、外部磁界を検出する検出コイルと、磁気コアを励磁する励磁コイルとからなり、検出コイルは、磁気コアの長手方向に沿って巻回され、励磁コイルは、磁気コアの長手方向に沿って巻回されている検出コイルの外側に、長手方向に沿って巻回されている。

また、本発明に係る磁気方位測定装置は、上述の課題を解決するために、指向性を有する２個以上の磁気検出素子を、それらの指向性が異なるように一定規則で等間隔に配置してなる磁気検出手段と、上記磁気検出手段の各磁気検出素子からの電磁変換出力を順次スイッチングして取り出す取り出し手段と、上記取り出し手段により順次スイッチングされて取り出された上記電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断する条件判断手段と、上記条件判断手段の判断結果に基づいて磁気方位情報を出力する方位情報出力手段とを備え、上記磁気検出手段は、軟磁性材料からなる磁気コアと、外部磁界を検出する検出コイルと、上記磁気コアを励磁する励磁コイルとからなり、上記検出コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回され、上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、長手方向に沿って巻回されている。

本発明に係る磁気検出素子は、磁気コアの長手方向に巻回されてなる内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとするので、コイル内部の磁界強度の不均一性を少なくすることが可能となり、磁界検出動作の安定性を向上することが可能となる。また、本発明に係る磁気検出素子は、磁界発生効率を高くすることができる。

また、本発明に係る磁気方位測定装置は、磁気検出素子群が磁気コアの内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとするので、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔が原理的には薄膜プロセスのパターンニングの分解能により決定される間隔まで狭めることができるので、コイル内部の磁界強度の不均一性を少なくすることが可能となり、磁界検出動作の安定性を向上することが可能となる。また、本発明に係る磁気方位測定装置は、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔を狭めることにより、漏れ磁束を減少させ、磁界発生効率を向上することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。この実施の形態は、図１に概略構成を示すように、本願発明に係る指向性を有する磁気検出素子複数個からなる磁気検出素子群２を備え、磁気検出素子群２の各磁気検出素子の電磁変換出力を、検出・増幅回路３により順次スイッチングして取り出し、取り出した電磁変換出力が所定の条件となったときに、外部磁界の方位情報を生成する磁気方位測定装置１である。

磁気検出素子群２としては、後述するようにフラックスゲート方式、磁気抵抗素子、ホール素子等を用いることができる。この磁気検出素子群２と検出・増幅回路３とが、磁気検出部４を構成している。

制御部５は、磁気検出素子群２の後述する励磁コイルを励磁するための励磁信号や、検出・増幅回路３にて各時期検出素子の電磁変換出力を取り出し、方位情報を出力するための制御信号を生成して、各部に供給する。

なお、本実施の形態では、説明の便宜上磁気検出素子の数を１６個とするが、２個以上であれば、３，４，５，６，７，・・・１５、さらには１７，１８，１９，・・・２４・・・３０個でもよい。もちろん、３１個以上でもよい。また、２^ｎ個（ｎは１以上の整数）でもよい。具体的には、２，４，８，１６，３２，６４，１２８,２５６個でもよい。磁気検出素子が多くなれば、磁気方位の測定を精細に行うことができる。

磁気検出素子群２内の例えば１６個の磁気検出素子２ａ〜２ｐは、それらの指向性が異なるように、例えば、円周上に一定規則で等間隔に配置される。すなわち、磁気検出素子群２は、磁気検出素子２ａ〜２ｐの配置の仕方や、後述する励磁コイルや、検出コイルの巻き方などに特徴がある。

ここで、磁気検出素子２ａ〜２ｐの構造及び動作について説明する。なお、磁気検出素子２ａ〜２ｐは、すべて同一の構造であるため、以下では、磁気検出素子２ａと総称する。磁気検出素子２ａは、図２に示すように、軟磁性材料からなる磁気コア１０と、それを励磁する励磁コイル１１と、外部磁界を検出する検出コイル１２から構成されており、フラックスゲート型のセンサである。

励磁コイル１１に電流ieを流すと、磁気コア１０内には図３に示すような励磁磁界（磁束）Hieが発生する。励磁電流ieを交流信号とすることにより、磁気コア１０内磁束Hieも時間tに対して交流的に変化し、各々の検出コイル１２には電磁誘導の法則により誘導電圧eが発生する。励磁電流の振幅を大きくし、磁化力をある程度以上に大きくしても磁気コア１０の磁束密度Bは図４に示すように増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。ここで、磁気検出素子２ａに外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア１０内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、磁気コア１０の飽和点が図５に示すように正または負側にシフトする。これにより、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。これは誘導電圧の２次高調波成分が変化することと等価である。このため、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。

また、磁気検出素子２ａは、薄膜プロセスにより形成される薄膜素子であってもよい。ここで、薄膜プロセスについて図６を用いて以下に説明する。

先ず、Ｓｉ等の非磁性材料よりなる基板２０上に、絶縁層３１を介して、Ｃｕをメッキして第１の下層コイル２１を形成する。この第１の下層コイル２１は、後述の第１の上層コイル２９と接続され、外周側コイルとして磁気コア２５にスパイラル状に巻回しされることになる。第１の下層コイル２１上と基板２０上の一部には、第１の下層コイル２１を保護すると共に、この第１の下層コイル２１と第２の下層コイル２３との絶縁を図るための第１のコイル絶縁層２２を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

また、第１のコイル絶縁層２２の上部に第２の下層コイル２３を形成する。この第２の下層コイル２３は、後述する第２の上層コイル２７と接続され、内周側コイルとして磁気コア２５にスパイラル状に巻回しされることになる。第２の下層コイル２３上と第１のコイル絶縁層２２上の一部には、第２の下層コイル２３を保護すると共に、この第２の下層コイル２３と磁気コア２５の絶縁を図るための第２のコイル絶縁層２４を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

第２のコイル絶縁層２４の上には、例えばＣｏ系アモルファス合金をリフトオフしてなる磁気コア２５を形成する。このＣｏ系アモルファス合金は、熱処理と磁場によって誘導磁気異方性を付与及び除去できる材料である。

さらに、磁気コア２５の上には、磁気コア２５と後述する第２の上層コイル２７とを絶縁するための第３のコイル絶縁層２６を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

第３のコイル絶縁層２６上には、第２の上層コイル２７を前記第２の下層コイル２３と同様にＣｕをメッキして形成する。そして、第２の上層コイル２７上と第３のコイル絶縁層２６上の一部には、第２の上層コイル２７を保護するための第４のコイル絶縁層２８を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

また、第４のコイル絶縁層２８上には、第１の上層コイル２９を前記第１の下層コイル２１と同様にＣｕをメッキして形成する。そして、第１の上層コイル２９上と第４のコイル絶縁層２８上の一部には、第１の上層コイル２９を保護するための保護層３０を、例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

このようにして磁気検出素子２ａは、非磁性基板２０上に薄膜プロセスにより、磁気コア２５と、磁気コア２５最近傍の第２の上層コイル２７と第２の下層コイル２３が接続されてなる内周側コイルと、第１の上層コイル２９と第１の下層コイル２１が接続されてなる外周側コイルとが形成される。

また、例えば、磁気コア２５近傍の内周側コイルを励磁用のコイルとし、外周側コイルを検出用のコイルとした場合、図７に示すように、コイルに時計回りの電流が流れているときには、右ねじの法則にしたがって、内周側コイル（励磁コイル）の内側及び外側に磁束が発生する。このとき、内周側コイルの磁気コア２５を含めた内側と、外側で発生する磁束の向きが異なる。なお、センサの感度に直接寄与するのは磁気コア２５内部を通る磁束である。

検出コイルである外周側コイルは、励磁コイルの外側に配置されているため、励磁コイル内側及び外側の両方の磁束と鎖交することになる。検出コイルからみて、励磁コイルの内側及び外側の両方に生じている互いに異なる向きの磁束は、打ち消しあい（キャンセル）全体の磁束数は減少することになり、検出コイルの検出感度も悪化してしまう。

そこで、本願発明に係る磁気検出素子２ａでは、図８に示すように、内周側コイルを検出用のコイルとし、外周側コイルを励磁用のコイルとして用いる。磁気検出素子２ａは、励磁コイルに時計回りの電流が流れている場合、右ねじの法則にしたがって、外周側コイル（励磁コイル）の内側には、同一方向の磁束が発生する。したがって、内周側コイル（検出コイル）の内側はすべて同一方向に磁束が発生することになり、磁気コア２５内を通る磁束を損なうことなく検出コイルと鎖交し、検出感度に寄与することになる。

このような特徴を有する磁気検出素子２ａからなる磁気検出素子群２は、図９に示すように、１６個の磁気検出素子２ａ〜２ｐを、それらの指向性が異なるように一定規則で等間隔で配置してなる。ここでは、特に円周上に等間隔で配置している。

上述したように、磁気検出素子２ａは、磁気コアの長手方向に巻回されてなる内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとするので、図１０から明らかなように、コイル内部の磁界強度の不均一性を少なくすることが可能となり、磁界検出動作の安定性を向上することが可能となる。なお、図１０において、太実線は、本願発明に係る磁気検出素子（以下、「本願実施例１」という。）の磁界強度−磁気コア長さの特性を示しており、細実線は、磁気コアの長手方向に交互（１対１）に検出コイルと励磁コイルを巻回す従来の磁気検出素子（以下、「従来例１」という。）の磁界強度−磁気コア長さの特性を示しており、破線は、磁気コアの長手方向に所定比（２対３）で検出コイルと励磁コイルが巻回されてなる磁気検出素子（以下、「従来例２」という。）の磁界強度−磁気コア長さの特性を示す。

また、図１１に、本願実施例１と、従来例１と、従来例２における磁界強度−起磁力の特性を示す。本願実施例１は、従来例１及び従来例２よりも低い起磁力で磁界強度が飽和することが分かる。この結果は、本願発明に係る磁気検出素子の磁界発生効率が高いことを示している。

次に、磁気方位測定装置の詳細な構成について図１２を参照して説明する。特に図１の検出・増幅回路３に相当する部分や、制御部５に相当する部分の詳細な構成について説明する。なお、説明の便宜上、地磁気を電気信号に変換する方式として公知技術であるフラックスゲート方式を用い、検出素子数を１６個とする。もちろん、磁電変換方式として他の方式（例えば磁気抵抗素子、ホール素子など）を用いることも可能であり、また、検出素子数を１６個以外の数とすることも可能である。図１の検出・増幅回路３に相当する部分は、スイッチング回路４０、同期検波回路４１、増幅回路４２、条件判断回路４３、出力インターフェース回路４４からなる。また、制御部５に相当する部分は、発振器４５、分周回路４６、ドライブ回路４７からなる。

図１２において、磁気検出素子群２の１６個の磁気検出素子２ａからの検出出力である誘導電圧信号は、スイッチング回路４０の電子スイッチ部４８に供給される。電子スイッチ部４８は、１６個の電子スイッチＳ１・・・，Ｓ１５，Ｓ１６からなり、１６個の磁気検出素子２ａからの検出出力を受け取る。電子スイッチ部４８の１６個の電子スイッチは、スイッチング回路内のエンコーダ４９からのデジタル出力によって順次ある周期毎に切り換わり、切り換えた誘導電圧信号を同期検波回路４１に供給する。

同期検波回路４１は、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波し、増幅回路４２に供給する。増幅回路４２は、同期検波された誘導電圧信号を後段回路で信号を処理するのに十分なレベルに増幅するとともに、高周波成分をＬＰＦ５０により除去し、条件判断回路４３に供給する。

スイッチング回路４０と同期検波回路４１とは、各磁気検出素子からの電磁変換出力をスイッチングし、さらにスイッチングされた信号を所定の周波数により同期検波して外部磁界強度に応じた電圧変化を取り出す取り出し手段である。

条件判断回路４３は、増幅回路４２からの出力波形が一定条件（例えば、最大）となった際に、トリガ信号trを発生し、出力インターフェース回路４４へ供給する。なお、一定条件としては、上記出力波形が最小、又はゼロクロスとなったこととしてもよい。

出力インターフェース回路４４は、条件判断回路４３が発生したトリガ信号trにより、スイッチング信号（ディジタル）をホールドし、例えばピーク時を検出し、出力することで方位情報ＤＩとする。また、外部機器に対し方位情報ＤＩ出力を行うためのタイミング調整などを行う。

発振器４５は、磁気検出素子群２の励磁コイルにドライブ回路４７を介して供給する信号、スイッチング回路４０に供給されて電子スイッチ部４８を切り換えるための信号、同期検波回路４１に供給されて同期検波用の制御信号の基になる周波数ｆの信号を発振する。

分周回路４６は、発振器４５からの周波数ｆの信号を、ｆ／２に分周してドライブ回路４７に供給する。また、発振器４５からの周波数ｆの信号を、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍに分周することにより、例えば１６進のカウンタを構成し、数列１，２・・・１６をエンコーダ４９を介して電子スイッチ部４８の各電子スイッチＳ１〜Ｓ１６へ供給する。

ドライブ回路４７は、分周回路４６からのｆ／２の信号を用いて磁気検出素子群２の励磁コイルを駆動する。励磁コイルは、後述するように、磁気検出素子毎に設けられたり、あるいは全ての磁気検出素子に共通に設けられている。

スイッチング回路４０は、分周回路４６を１６進のカウンタとして構成した際に、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍの信号に基づいた数列１，２・・・１６を受け取り、エンコーダ４９にて電子スイッチ部４８の各電子スイッチを切り換えるためのディジタル出力に変換する。

前記数列１，２・・・１６をエンコーダ４９にて変換したデータは、各電子スイッチＳ１〜Ｓ１６のセンサ出力に一対一で対応しているので、個々の検出コイルの位置（方向）に対応することになる。つまり、順次スイッチングされたセンサ出力信号が、条件判断回路４３で判断されるある一定条件となったタイミングの、外部磁界の方位をディジタル的に表した値となる。このディジタル的な値を用いれば外部磁界の方位を知ることができる。

次に、スイッチング回路４０の構成について詳細に説明する。前述のようにスイッチング回路４０は、１６個の磁気検出素子２ａ〜２ｐの電磁変換出力の読み出しを電気的に行う１６個の電子スイッチＳ１〜Ｓ１６を有する電子スイッチ部４８と、電子スイッチ部４８の１６個の電子スイッチＳ１〜Ｓ１６の切り換えを制御するディジタル出力を生成するエンコーダ４９とを備えてなる。そして、スイッチング回路４０は、１６個の磁気検出素子の出力を分周回路４６から供給されたｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍよりなる１６進カウンタからの数列にしたがったディジタル値に基づいて順次切り換える。

次に、分周回路４６の構成について詳細に説明する。分周回路４６は、バイナリカウンタにより構成され、発振器４５からの周波数ｆをクロックCLK端子から取り入れて、ｆ／２、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍを出力する。ｆ／２の信号は、ドライブ回路４７に供給される。また、ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍの信号に基づいた数列１，２・・・１６をスイッチング回路４０のエンコーダ４９に供給する。また、この分周回路４６は、出力インターフェース回路４４にもｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍの信号に基づいた数列１，２・・・１６を選択的に供給する。

次に、出力インターフェース回路４４の詳細な構成について説明する。出力インターフェース回路４４は、ラッチ５１を有し、条件判断回路４３からのトリガ信号trに基づいて、例えばピーク時のスイッチング信号をホールドし、方位情報ＤＩを出力する。

次に、本実施の形態の磁気方位測定装置の動作の詳細を説明する。図１３は、磁気検出素子群２の各磁気検出素子２ａ〜２ｐを模式的に示している。また、外部磁界Ｈが矢印の方向から印加されていることを示している。

図２に示したように、外部磁界Hに対する、軟磁性体コア４０内の磁束は、コア接線と外部磁界方向の方位角に対し正弦波状の分布となる。つまり、コア接線が磁界と平行となる近傍で最大値MAX、反平行となる部分で最小値MINとなり、その間の部分では、正弦波状に連続的な変化をする。このような磁束の分布に対し、検出コイルをコアの局部にのみ巻回し、同様の検出コイルを等間隔で１６個配置した場合、各検出コイルからの出力は、コイル近傍のコア内磁束分布に従い分布することとなる。

これらの検出コイルからの出力を、スイッチング回路により、時系列的に順次スイッチングすれば、前記コイル位置（方位）による出力分布に従い、図１４に示すように、時間に対し段階的に変化する正弦波状の信号が得られる。

このため、スイッチング回路４０は、検出コイルと同期検波回路４１の間に配置され、検出コイルの出力を順次スイッチングする。電気信号によりｏｎ／ｏｆｆ可能な、ある周期ごとに、切換を行っていく方法を採る。これら電子スイッチＳ１〜Ｓ１６群は前述したようにエンコーダ４９からのディジタル信号によって切り換えられる。

ここで、検出コイルの数を、２^ｎとなるよう設定すれば（ディジタルで回路を組みやすくなる）、このスイッチング回路４０を容易に形成できる。つまり、励磁信号をバイナリカウンタにより分周し（ｆ／２^ｎ、ｆ／２^ｎ＋１・・・ｆ／２^ｎ＋ｍに分周して）個々のスイッチのｏｎ／ｏｆｆ信号とすることができる。

このスイッチング信号は、個々の検出スイッチ（センサ出力）に一対一で対応している。つまり、個々の検出コイルの位置（方向）に対応することとなる。その為、順次スイッチングされたセンサ出力信号が、ある一定条件となったタイミングの、スイッチング信号は、外部磁界の方位をディジタル的に表した値となる。

例えば、条件判断回路４３は、スイッチングされた出力信号が最大（正のピーク）となった事を検出したら、トリガ信号trを発生し、このトリガ信号trにより、出力インターフェース回路４４がスイッチング信号を保持する。この出力インターフェース回路４４で、保持されたスイッチング信号は、外部磁界Ｈに平行な検出コイル位置をディジタル的に表したものである。したがって、センサ素子に対する外部磁界Ｈの方位を知ることができる。

例えば、図１３においては、磁気検出素子２ｇの出力が最大MAXとなり、検出素子番号（方位）‘７’をダイレクトにディジタル値「０１１１」として出力する（図１４）。

また、図１３においては、磁気検出素子２ｏの出力が最小MINとなり、検出素子番号（方位）‘１５’をダイレクトにディジタル値「１１１１」として出力する（図１４）。

このように、本実施の形態の磁気方位測定装置１は、磁気検出素子群２の各磁気検出素子２ａ〜２ｐからの電磁変換出力を、取り出し手段となるスイッチング回路４０と同期検波回路４１が順次スイッチングして取り出し、条件判断回路４３が取り出された電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断し、その判断結果に基づいて方位情報出力手段である出力インターフェース回路４４が磁気方位情報ＤＩを出力するので、演算手段や回転等のメカ的な動作を不要とし、また簡単な構成で量産性に影響を及ぼすことがなく、さらに高精度に方位を測定することができる。

なお、磁気方位測定装置１が用いる磁気検出素子群２は、図１３に示した具体例（磁気検出素子群２）に限定されるものではなく、他の具体例を用いることもできる。以下には、磁気検出素子群２のいくつかの他の具体例について説明する。

第１の他の具体例は、ループ状の一つの磁気コアを１６個の磁気検出素子２ａで共通に用いてなる図１５に示す磁気検出素子群６０である。そして、各励磁コイル７１と検出コイル７２は等間隔に形成されている。磁気コア７０は軟磁性材料からなる。

図１５を用いて説明すると、各磁気検出素子６０ａ〜６０ｐは、共通のループ状磁気コア７０を１６等分割したそれぞれの部分に形成されている。磁気検出素子６０ａ〜６０ｐは、図６に示したように、励磁コイル７１と検出コイル７２が、各磁気検出素子毎に磁気コア７０に巻回しされており、等価回路は、図１６に示すようになる。

この磁気検出素子群６０にあっても、図３〜図５に示したように磁化力をある程度以上に大きくすれば磁気コアの磁束密度Bは増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。そして、外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、磁気コアの飽和点が正または負側にシフトし、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。

このため、磁気検出素子群６０を用いた磁気方位測定装置１にあっても、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。

また、第２の他の具体例は、ループ状の一つの磁気コアを１６個の磁気検出素子で共通に用いてなり、さらに一つの励磁コイルを１６個の磁気検出素子で共通に用いてなる図１７に外観を示す磁気検出素子群８０である。検出コイルは、各磁気検出素子８０ａ〜８０ｐ毎に磁気コア９０に巻回しされている。

図１７及び図１８を用いて説明すると、各磁気検出素子８０ａ〜８０ｐは、共通のループ状磁気コア９０を１６等分割したそれぞれの部分に形成されている。また、励磁コイル９１は全ての磁気検出素子で共通に用いられるように磁気コア部全体に連続して巻回しされている。等価回路は、図１９に示すようになる。なお、この具体例は、非磁性基板上に、磁気コア、励磁コイル、検出コイルを薄膜形成することにより構成されている。

図１８は、薄膜形成された素子の詳細を示す図である。図１８（ａ）は、励磁コイル９１の層と検出コイル９２の層とからなり、磁気コア９０の上側に巻回しされている上層コイルを示しており、図１８（ｂ）は、上層コイルと下層コイルが巻回される磁気コア９０を示しており、図１８（ｃ）は、励磁コイル９１の層と検出コイル９２の層とからなり、磁気コア９０の下側に巻き回しされている下層コイルを示している。

この磁気検出素子群８０にあっても、磁化力をある程度以上に大きくすれば磁気コア９０の磁束密度Bは増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。そして、外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、磁気コアの飽和点が正または負側にシフトし、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。

このため、磁気検出素子群８０を用いた磁気方位測定装置１にあっても、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。特に、この磁気センサ部は、励磁コイルを共通化することにより、シンプルな構成となる。

また、第３の他の具体例は、ループ状の一つの磁気コアを１６個の磁気検出素子で共通に用い、また一つの励磁コイルを１６個の磁気検出素子で共通に用いてなり、さらに１６個の検出コイルの一端を共通とした図２０に外観を示す磁気検出素子群１００である。

図２０及び図２１を用いて説明すると、各磁気検出素子１００ａ〜１００ｐは、共通のループ状磁気コア１０１を１６等分割したそれぞれの部分に形成されている。また、励磁コイル１０２は全ての磁気検出素子で共通に用いられるように磁気コア部全体に連続して巻回しされている。等価回路は、図２２に示すようになる。なお、この具体例についても第２の他の実施例同様、非磁性基板上に、磁気コア、励磁コイル、検出コイルを薄膜形成することにより構成されてもよい。

図２１は薄膜形成された素子の詳細を示している。図２１（ａ）は、励磁コイル１０２の層と検出コイル１０３の層とからなり、磁気コア１０１の上側に巻回しされている上層コイルを示しており、図２１（ｂ）は、上層コイルと下層コイルが巻回される磁気コア１０１を示しており、図２１（ｃ）は、励磁コイル１０２の層からなり、磁気コア１０１の下側に巻回しされている下層コイルを示している。等価回路は、図２２に示すようになる。

この磁気検出素子群１００にあっても、磁化力をある程度以上に大きくすれば磁気コアの磁束密度Bは増加しなくなり飽和状態となって、検出コイル誘導電圧eが大きく歪むこととなる。そして、外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア内磁束は励磁磁束Hieと外部磁界Hによる磁束が加算されたものとなる（Hie＋H）。このため、外部磁界Hの強度に応じ、磁気コアの飽和点が正または負側にシフトし、検出コイル誘導電圧eは、正負非対称な波形となる。

このため、磁気検出素子群１００を用いた磁気方位測定装置１にあっても、この磁気検出素子群１００により得られる、誘導電圧信号を励磁信号の２倍の周波数で同期検波することにより、外部磁界強度Hに応じた電圧変化を取り出すことが可能となる。特に、この磁気センサ部は、励磁コイルを共通化し、検出コイルの一方の端子を共通化しているので、さらにシンプルな構成となる。

また、図１３に示した磁気検出素子群２は、各磁気検出素子を、円周上に配置して構成したが、多角形の外周上に形成してよいのはもちろんである。例えば、８個の磁気検出素子を８角形の周上に配置したり、１６個の磁気検出素子を１６角形の周上に配置してもよい。

また、図２３に示すように、放射状に８個の磁気検出素子を配置した構成の磁気検出素子群１１０を用いてもよい。なお、各磁気検出素子１１０ａ〜１１０ｈは、図２に示したように磁気コア上に励磁コイルと検出コイルを巻回ししている。

この磁気検出素子群１１０によっても、外部磁界と平行な磁気検出素子は、電磁変換出力を最大とするので、図１に示す磁気方位測定装置１において用いることができる。もちろん、１６個の磁気検出素子を放射状に配置すれば、正確な磁気方位を測定することができる。

また、条件判断回路４３における、一定条件としては、最大値を採る他に、例えば最小値（負のピーク）あるいは、一定電圧値（例えばゼロクロス点）等が使える。

したがって本願発明に係る磁気方位測定装置１は、磁気検出素子群２が磁気コアの内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとするので、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔が原理的には薄膜プロセスのパターンニングの分解能により決定される間隔まで狭めることができるので、コイル内部の磁界強度の不均一性を少なくすることが可能となり、磁界検出動作の安定性を向上することが可能となる。

また、本願発明に係る磁気方位測定装置１は、磁気コアの長手方向における励磁コイルの導体の間隔を狭めることにより、漏れ磁束を減少させ、磁界発生効率を向上することが可能となる。

また、図１における磁気検出素子群としては、フラックスゲートを用いる他に、例えば磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、ホール素子等を用いる事が出来る。

また、本願発明に係る磁気検出素子群は、薄膜プロセスを用いたフラックスゲート型磁気センサのみならず、従来のようにバルク型センサであっても良く、この場合であっても、励磁コイルを磁気コアの長手方向に沿って、外周側から隙間なく巻回すことができるので、コイル内部の磁界強度を均一化することができ、また、漏れ磁束を減少させ、磁界発生効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態となる、磁気方位測定装置の概略構成を示すブロック図である。磁気検出素子の詳細な構成を示す図である。励磁磁界の変動を示す図である。磁気コアのＢ−Ｈ特性図である。外部磁界の影響を受けた磁気コアのＢ−Ｈ特性図である。薄膜プロセスによる磁気検出素子の形成を説明するための図である。内周側コイルを励磁コイルとし、外周側コイルを検出コイルとした場合における磁束の向きを示す図である。内周側コイルを検出コイルとし、外周側コイルを励磁コイルとした場合における磁束の向きを示す図である。磁気方位測定装置で用いる磁気検出素子群の配置図である。磁気検出素子の構造の違いによる磁界強度とコア長さの特性を示す図である。磁気検出素子の構造の違いによる起磁力と磁界強度の特性を示す図である。磁気方位測定装置の詳細な構成を示す回路図である。円周状に配置した磁気検出素子を示す図である。磁気検出素子の出力をスキャンした波形図である。磁気検出素子群の第１の他の具体例の外観図である。第１の他の具体例の等価回路である。磁気検出素子群の第２の他の具他例の外観図である。第２の他の具体例の分解図である。第２の他の具体例の等価回路である。磁気検出素子群の第３の他の具他例の外観図である。第３の他の具体例の分解図である。第３の他の具体例の等価回路である。磁気検出素子群のさらに他の具体例の模式図である。フラックスゲート型磁気センサの構造を示すブロック図である。薄膜フラックスゲート型磁気センサの構造を示す断面図である。

符号の説明

１磁気方位測定装置、２，６０，８０，１００，１１０磁気検出素子群、２ａ〜２ｐ，６０ａ〜６０ｐ，８０ａ〜８０ｐ，１００ａ〜１００ｐ，１１０ａ〜１１０ｈ磁気検出素子、３検出・増幅回路、４磁気検出部、５制御部、１０，７０，９０，１０１磁気コア、１１励磁コイル、１２検出コイル、２０基板、２１第１の下層コイル、２２第１のコイル絶縁層、２３第２の下層コイル、２４第２のコイル絶縁層、２５磁気コア、２６第３のコイル絶縁層、２７第２の上層コイル、２８第４のコイル絶縁層、２９第１の上層コイル、３０保護層、４０スイッチング回路、４１同期検波回路、４２増幅回路、４３条件判断回路、４４出力インターフェース回路、４５発振器、４６分周回路、４７ドライブ回路、４８電子スイッチ部、４９エンコーダ、５０ＬＰＦ、５１ラッチ

Claims

軟磁性材料からなる磁気コアと、
外部磁界を検出する検出コイルと、
上記磁気コアを励磁する励磁コイルとからなり、
上記検出コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回され、
上記励磁コイルは、上記検出コイルの外側に、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されていることを特徴とする磁気検出素子。
上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、ｎ層（ｎ＞１）に渡って上記長手方向に巻回されていることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子。
上記磁気コア、上記検出コイル及び上記励磁コイルは、非磁性基板上に薄膜プロセスにより形成されることを特徴とする請求項１記載の磁気検出素子。
指向性を有する２個以上の磁気検出素子を、それらの指向性が異なるように一定規則で等間隔に配置してなる磁気検出手段と、
上記磁気検出手段の各磁気検出素子からの電磁変換出力を順次スイッチングして取り出す取り出し手段と、
上記取り出し手段により順次スイッチングされて取り出された上記電磁変換出力が所定の条件となったか否かを判断する条件判断手段と、
上記条件判断手段の判断結果に基づいて磁気方位情報を出力する方位情報出力手段とを備え、
上記磁気検出手段は、軟磁性材料からなる磁気コアと、外部磁界を検出する検出コイルと、上記磁気コアを励磁する励磁コイルとからなり、
上記検出コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回され、
上記励磁コイルは、上記磁気コアの長手方向に沿って巻回されている上記検出コイルの外側に、長手方向に沿って巻回されていることを特徴とする磁気方位測定装置。