JP2005291906A

JP2005291906A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2005291906A
Application number: JP2004106884A
Authority: JP
Inventors: Manabu Aizawa; 学相澤; Hiroshi Onuma; 博大沼; Shin Sasaki; 伸佐々木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】印加されている磁界の強度を方位情報とは別個独立に検出する。
【解決手段】指向性を有する磁気検出素子により、各方向に印加されている磁気を各方向ごとに検出する磁気検出部２と、磁気検出部２の各磁気検出素子からの電磁変換出力に基づき、所定の信号を生成する信号生成部６と、信号生成部６により生成された信号の振幅を検出する振幅検出部９とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、地磁気の印加強度及び方位を測定する磁気センサに関する。

従来、地磁気等の磁界を検出する手段としてフラックスゲート型、ＭＲ素子型、Ｈａｌｌ素子型、ＭＩ素子型等数多くの手段が存在している。これらの手段は、磁界に対し指向性を持つ。つまり、図２３（ａ）に示すように、センサ素子と被測定磁界のなす角度により、磁界検出の感度が異なることとなる。また、図２３（ｂ）に示すように、印加される外部磁界とセンサ素子の感度軸のなす角によりセンサ出力は、正弦波状の信号となる。この特性を利用し、地磁気の方向を検出する地磁気方位センサ等が実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、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ために、図２４に示すように、指向性を持つ磁気センサ素子Ｘ１６１，Ｙ１６２を、９０°の位置関係に配し、これらから検出・増幅回路１６３を介して得られる二つの出力Xout、Youtを基に方位を求める方法が主に用いられてきた。

つまり、方位角θに対する、個々のセンサの出力（Xout、Yout）は、指向性／位置関係のため、下記（１）、（２）式に示すように９０°位相のずれた正弦波状（図２５に波形を示す）に変化する。
Xout0＝cos(θ) ・・・（１）
Yout0＝sin(θ) ・・・（２）
これから、
θ_０＝Tan^−１(Yout0／Xout0)＝Tan^−１(sinθ／cosθ) ・・・（３）
を計算することにより、方位角θ_０が求められる。

ただし、Tan^−１は不連続点を持つため、下記の条件に従いθ_０を補正する必要がある。
条件：Xout≧０、Yout0≧０なら θ＝θ_０
Xout＜０なら θ＝θ_０＋１８０°
Xout≧０、Yout0＜０なら θ＝θ_０＋３６０°
・・・（４）
特開２００３−１８５７２４号公報

ところで、上述のようなセンサでは、検出した磁界の方向情報に基づいて、外部磁界の強度の計測を行っている。

しかしながら、磁界の印加方向の影響を受けずに、磁界強度のみを検出したいケースが存在する。従来のセンサでは、磁界強度を測定する場合に、磁界の向きとセンサの感度軸とを一致させた上で、測定を行うか、感度軸方向が９０度異なる２つのセンサ（Ｘ軸とＹ軸）を用い、磁界をベクトル量として測定し、得られた結果から演算により絶対値を得る等複雑な操作が必要となる。

したがって、従来のセンサでは、磁界の方向を考慮する必要があるため、方向を検出する要部が必須となり装置が複雑化、大型化する問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、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、さらに高精度に磁界強度を測定することができる磁気センサの提供を目的とする。

本発明に係る磁気センサは、上記課題を解決するために、指向性を有する磁気検出素子により、各方向に印加されている磁気を各方向ごとに検出する磁気検出手段と、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に基づき、所定の信号を生成する信号生成手段と、上記信号生成手段により生成された信号の振幅を検出する振幅検出手段とを備える。

本発明の磁気センサによれば、強度情報生成部により方位情報とは別個独立に強度情報ＳＩを算出することができるので、磁界情報のみを求めたい場合に、方向合わせなどの調整作業や、各方向ごとに印加されている磁気を検出した後の演算処理等の複雑な作業を行う必要がなく、磁界の入射方向に寄らず簡便に、磁界強度（絶対値）の検出を行うことができる。

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、指向性を有する複数の磁気検出素子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に基づき、外部磁界の強度情報ＳＩを生成し、又、該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ＤＩを生成する磁気測定装置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にて各磁気検出素子の電磁変換出力を取り出し、強度情報ＳＩ及び方位情報ＤＩ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、この実施の形態では、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。なお、この磁気検出素子群２の詳細については後述する。

次に、磁気測定装置１の詳細な構成について図２を参照して説明する。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６、同期検波回路７、増幅回路８からなる。また、増幅回路８から出力された信号は、外部磁界の強度を表す強度情報ＳＩを生成する強度情報生成部９と、外部磁界の印加方向を表す方位情報ＤＩを生成する方位情報生成部１０とに供給される。

また、制御部５に相当する部分は、発振器１６、分周回路１７、ドライブ回路１８からなる。

図２において、磁気検出素子群２の１６個の磁気検出素子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６の電子スイッチ部６ａに供給される。電子スイッチ部６ａは、１６個の電子スイッチＳ１・・・，Ｓ１５，Ｓ１６からなり、１６個の磁気検出素子からの検出出力を受け取る。電子スイッチ部６ａ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６ｂ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７に供給する。

同期検波回路７は、誘導電圧信号を励磁信号周波数（ｆ／２）の２倍の周波数（ｆ）で同期検波し、増幅回路８に供給する。増幅回路８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に十分なレベルに増幅するとともに、高周波成分をＬＰＦ８ａにより除去し、条件判断回路１４に供給する。

スイッチング回路６と同期検波回路７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。

強度情報生成部９は、増幅回路８から出力された信号を整流する半端整流回路で構成さえれている整流部１１と、整流部１１で整流された信号（正又は負の半周期の信号）をホールドするホールドコンデンサ部１２と、ホールドコンデンサ部１２の出力信号を増幅する増幅器１３とを備える。

整流部１１は、半波整流回路又は全波整流回路で構成されており、増幅回路８から供給された信号を半波整流又は全波整流し、ホールドコンデンサ部１２に供給する。

ホールドコンデンサ部１２は、所定量の電荷を蓄積するコンデンサで構成されており、該コンデンサを整流部１１から供給された信号でチャージする。ホールドコンデンサ部１２は、コンデンサの時定数を半波整流波形又は全波整流波形の周波数より十分に小さくなるように選び、かつ、後段回路の入力インピーダンスを高くする。

増幅器１３は、ホールドコンデンサ部１２から出力される信号を増幅し、強度情報ＳＩとして出力する。

また、方位情報生成部１０は、増幅回路８から出力された信号を一定条件下にトリガ信号trを発生する条件判断回路１４と、条件判断回路１４から供給されたトリガ信号trに基づく所定の信号を方位情報ＤＩとして出力する出力インターフェース回路１０とを備える。

条件判断回路１４は、増幅回路８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１５へ供給する。なお、一定条件としては、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１５は、条件判断回路１４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１６は、磁気検出素子群２の励磁コイルにドライブ回路１８を介して供給する信号、スイッチング回路６に供給されて電子スイッチ部６ａを切り換えるための信号、同期検波回路７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１７は、発振器１６からの周波数ｆの信号を、ｆ／２に分周してドライブ回路１８に供給する。また、発振器１６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６ｂを介して電子スイッチ部６ａの各電子スイッチＳ１〜Ｓ１６へ供給する。

ドライブ回路１８は、分周回路１７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６は、分周回路１７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６ｂにて電子スイッチ部６ａ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６ｂ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、強度情報生成部９及び方位情報生成部１０に供給される。

したがって、強度情報生成部９は、順次スイッチングされたセンサ出力信号が、増幅回路８を介して供給され、供給されたセンサ出力信号に対してピークホールド処理を行うことにより、該信号の振幅を算出し、該振幅の大きさから磁気測定装置１の外部に印加されている磁界強度を知ることができる。

また、方位情報生成部１０は、順次スイッチングされたセンサ出力信号が、増幅回路８を介して供給され、供給されたセンサ出力信号に対して、一定条件かどうかの条件判断を行い、条件判断後の信号を所定のタイミングで抽出した信号から、外部磁界が印加されている方位を知ることができる。

次に、磁気検出素子群２の具体例の構成及び動作原理を説明する。

磁気検出素子群２は、図３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。各磁気検出素子２ａ〜２ｐは、図４に示すように、軟磁性材料からなる磁気コア２０と、それを励磁する励磁コイル２１と、外部磁界を検出する検出コイル２２から構成されるフラックスゲート型のセンサである。

励磁コイル２１に電流ieを流すと、磁気コア２０内には図５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２０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２２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ie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２０の磁束密度Bは図６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、磁気検出素子群２に外部から磁界Hが印加された場合、磁気コア２０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２０の飽和点が図７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ie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。なお、磁気検出素子群２は、環状（リング）の磁気コア２０に励磁コイル２１及び検出コイルが２２が巻回されてなる構成であっても良い。

次に、スイッチング回路６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６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６ａと、電子スイッチ部６ａ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６ｂとを備えてなる。そして、スイッチング回路６は、１６個の磁気検出素子２ａ〜２ｐの出力を分周回路１７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１７の構成について詳細に説明する。分周回路１７は、バイナリカウンタにより構成され、発振器１６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１８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６のエンコーダ６ｂに供給する。また、この分周回路１７は、出力インターフェース回路１５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１５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１５は、ラッチ１５ａを有し、条件判断回路１４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。

ここで、本実施の形態の磁気測定装置１の動作の詳細を説明する。図８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４に示したように、外部磁界Hに対する、軟磁性体の磁気コア２０内の磁束は、コア接線と外部磁界Hの印加方向の方位角に対し正弦波状の分布となる。つまり、コア接線が外部磁界H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６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９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６は、検出コイルと同期検波回路７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。なお、磁気測定装置１では、電気信号によりｏｎ／ｏｆｆ可能な所定の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６ｂ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、ディジタルで回路を組みやすくすべく２^ｎとなるよう設定すれば、このスイッチング回路６を容易に形成できる。つまり、励磁信号ieをバイナリカウンタにより分周（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Hの方位をディジタル的に表した値となる。

ここで、例えば、図１０に示すように、磁界強度が異なる２つの外部磁界（外部磁界H1と外部磁界H2（H1＞H2））が印加された場合における強度情報生成部９の動作について以下に説明する。

外部磁界H1が印加された場合、磁気検出部４は、上述したように各方向ごとに磁気検出素子群２により検出された電磁変換出力を順次スイッチングして、所定の振幅Ａを有する信号を生成し、強度情報生成部９に供給する。

強度情報生成部９は、供給された信号に対してピークホールド処理を行い、供給された信号の振幅Ａを算出する（図１１（ａ））。なお、図１１（ａ）は、整流部１１が半波整流回路で構成されている場合の信号波形であって、全波整流回路で構成されている場合には、図１１（ｃ）のような信号波形となる。

また、外部磁界H2が印加された場合、磁気検出部４は、各方向ごとに磁気検出素子群２により検出された電磁変換出力を順次スイッチングして、所定の振幅Ｂを有する信号を生成し、強度情報生成部９に供給する。

強度情報生成部９は、供給された信号に対してピークホールド処理を行い、供給された信号の振幅Ｂを算出する（図１１（ｂ））。なお、図１１（ｂ）は、整流部１１が半波整流回路で構成されている場合の信号波形であって、全波整流回路で構成されている場合には、図１１（ｄ）のような信号波形となる。

したがって、本実施の形態の磁気測定装置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６と同期検波回路７が順次スイッチングして取り出し、取り出された電磁変換出力に基づき強度情報生成部９で振幅（強度情報ＳＩ）を絶対値で算出するので、方位情報ＤＩとは別個独立に強度情報ＳＩを求めることができ、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、さらに高精度に磁界強度を測定することができる。

つぎに、方位情報生成部１０により方位情報ＤＩを算出する具体的な動作について説明する。

条件判断回路１４は、磁気検出部４からスイッチングされた出力信号が供給され、該出力信号の振幅が最大値（正のピーク）となったときに、トリガ信号trを発生し、該トリガ信号trを出力インターフェース回路１５に供給する。出力インターフェース回路１５は、供給されたトリガ信号trにより、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１５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８及び図１０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９）。

また、例えば、図８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「１５」をダイレクトにディジタル値「１１１１」として出力する（図９）。

このように、本実施の形態の磁気測定装置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６と同期検波回路７が順次スイッチングして取り出し、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条件判断回路１４で判断し、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１５で方位情報ＤＩを算出するので、強度情報ＳＩとは別個独立に方位情報ＤＩを求めることができ、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、磁気測定装置１が用いる磁気検出素子群２は、図３に示した具体例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個の磁気検出素子で共通に用いてなる図１２に示す磁気検出素子群３０である。そして、各励磁コイル３２と検出コイル３３は等間隔に形成されている。また、磁気コア３１は、軟磁性材料からなる。

図１２を用いて説明すると、各磁気検出素子３０ａ〜３０ｐは、共通のループ状磁気コア３１を１６等分割したそれぞれの部分に形成されている。励磁コイル３２と検出コイル３３は、各磁気検出素子毎に磁気コア３１に巻回されており、等価回路は、図１３に示すようになる。

また、磁気検出素子群３０は、図５〜図７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３１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３１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３１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３０を用いた磁気測定装置１にあっても、誘導電圧信号を励磁信号周波数（ｆ／２）の２倍の周波数（ｆ）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、環状（ループ状）の一つの磁気コア４１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１４に外観を示す磁気検出素子群４０である。検出コイル４３は、各磁気検出素子４０ａ〜４０ｐ毎に磁気コア４１に巻回されている。

図１４及び図１５を用いて説明すると、各磁気検出素子４０ａ〜４０ｐは、共通のループ状磁気コア４１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４２は全ての磁気検出素子４０ａ〜４０ｐで共通に用いられるように磁気コア４１全体に連続して巻回されている。等価回路は、図１６に示すようになる。なお、この具体例は、薄膜プロセスにより、非磁性基板上に、磁気コア４１、励磁コイル４２、検出コイル４３を薄膜形成することにより構成されてもよい。図１５は、薄膜形成された素子の詳細を示す図である。

図１５は、薄膜形成された素子の詳細を示す図である。図１５（ａ）は、励磁コイル４２の層と検出コイル４３の層とからなり、磁気コア４１の上側に巻回されている上層コイルを示しており、図１５（ｂ）は、上層コイルと下層コイルが巻回される磁気コア４１を示しており、図１５（ｃ）は、励磁コイル４２の層と検出コイル４３の層とからなり、磁気コア４１の下側に巻き回しされている下層コイルを示している。

また、磁気検出素子群４０は、磁化力をある程度以上に大きくすれば磁気コア４１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４１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４１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４０を用いた磁気測定装置１にあっても、誘導電圧信号を励磁信号周波数（ｆ／２）の２倍の周波数（ｆ）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、この磁気検出素子群４０は、励磁コイル４２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、環状の一つの磁気コア５１を１６個の磁気検出素子５０ａ〜５０ｐで共通に用い、また一つの励磁コイル５２を１６個の磁気検出素子５０ａ〜５０ｐで共通に用いてなり、さらに１６個の検出コイル５３の一端を共通とした図１７に外観を示す磁気検出素子群５０である。

図１７及び図１８を用いて説明すると、各磁気検出素子５０ａ〜５０ｐは、共通の環状磁気コア５１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５２は全ての磁気検出素子５０ａ〜５０ｐで共通に用いられるように磁気コア５１全体に連続して巻回されている。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５１、励磁コイル５２、検出コイル５３を薄膜形成することにより構成されてもよい。

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５２の層と検出コイル５３の層とからなり、磁気コア５１の上側に巻回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５１を示しており、図１８（ｃ）は、励磁コイル５２の層からなり、磁気コア５１の下側に巻回されている下層コイルを示している。

また、磁気検出素子群５０は、磁化力をある程度以上に大きくすれば磁気コア５１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５１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５１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５０を用いた磁気測定装置１にあっても、この磁気検出素子群５０により得られる、誘導電圧信号を励磁信号周波数（ｆ／２）の２倍の周波数（ｆ）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、この磁気検出素子群５０は、励磁コイル５２を共通化し、検出コイル５３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。

第２の他の具体例、第３の他の具体例は薄膜プロセスにより形成されるのに適している。この場合の各磁気検出素子の薄膜プロセスについて図２０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上８０に、Ｃｕを例えば２μｍメッキして下層コイル８１を形成する。この下層コイル８１は、後述の上層コイル８５と接続され、磁気コア８３にスパイラル状に巻回されることになる。下層コイル８１上と基板８０上の一部には、下層コイル８１を保護すると共に、この下層コイル８１と磁気コア８３との絶縁を図るためのコイル絶縁層８２を例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

コイル絶縁層８２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８３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８３の上には、磁気コア８３と後述する上層コイル８５とを絶縁するためのコイル絶縁層８４を例えばフォトレジストを熱硬化して形成する。

コイル絶縁層８４上には、上層コイル８５を前記下層コイル８１と同様にＣｕを例えば２μｍメッキして形成する。そして、上層コイル８５上とコイル絶縁層８４の一部上には、上層コイル８５を保護するための保護層８６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、本発明の実施の形態で用いる磁気検出素子群は、非磁性基板上に薄膜プロセスにより、上記ループ状の磁気コア、励磁用、検出用のコイルを形成して作ることができる。

また、図３に示した磁気検出素子群１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２１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９０を用いてもよい。各磁気検出素子９１〜９８は、図４に示したように磁気コア上に励磁コイルと検出コイルが巻き回されて構成されている。

この磁気検出素子群９０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８における、上記一定条件としては、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。

また、磁気測定装置の他の構成例について以下に述べる。なお、上述した磁気測定装置１と同様の構成要素については同じ番号を付し、その説明を省略する。

磁気測定装置１００は、図２２に示すように、指向性を有し、外部磁界Hを検出する磁気検出素子２ａと、該磁気検出素子２ａが配設されるターンテーブル１０１と、ターンテーブル１０１を所定の速度で回転駆動する回転駆動部１０２と、磁気検出素子２ａの出力信号を発振器１６から供給される信号に基づき同期検波する同期検波回路７と、同期検波した信号を増幅する増幅回路８と、増幅後の信号から強度情報ＳＩを算出する強度情報生成部９と、増幅後の信号から方位情報ＤＩを算出する方位情報生成部１０と、回転駆動部１０２と、同期検波回路７と、方位情報生成部１０に所定の周波数の信号を供給する発振器１６を備える。

磁気測定装置１００は、磁気検出素子２ａが配設されたターンテーブル１０１を回転駆動部１０２により水平方向に所定の速度で回転させることで、各方向に印加されている磁気を検出し、検出した磁気の信号を同期検波回路７及び増幅回路８を介して、強度情報生成部９及び方位情報生成部１０に供給する。

なお、回転駆動部１０２は、各方向ごとに印加されている磁気を磁気検出素子２ａにより検出できればどのような構成であっても良く、例えば、ターンテーブル１０１を静止させずに、所定の速度で連続回転させる構成であっても良いし、また、テーブルを所定の角度ごとに静止させ、角度ごとに回転させる構成であっても良い。

したがって、本実施の形態の磁気測定装置１００は、強度情報生成部９により方位情報ＤＩとは別個独立に強度情報ＳＩを算出することができ、また、方位情報生成部１０により強度情報ＳＩとは別個独立に方位情報ＤＩを算出することができ、従来必要としていた演算手段を不要とし、また簡単な構成で量産性に影響を及ぼすことがなく、さらに高精度に強度及び方位を測定することができる。

また、上述した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ことができる。

本発明の実施の形態となる、磁気測定装置の概略構成を示すブロック図である。磁気測定装置の詳細な構成を示す回路図である。磁気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。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。異なる外部磁界が印加されている様子を示す図である。磁気測定装置に備えられている磁気検出部から供給された信号に、強度情報生成部でピークホールド処理したときの信号波形を示す図である。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図である。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図である。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。磁気検出素子群のさらに他の具体例の模式図である。磁気測定装置の他の構成例を示すブロック図である。センサ素子の感度軸と外部磁界とのなす角について説明するための図である。従来の磁気検出素子を示す図である。磁気検出素子による方位角−出力特性図である。

符号の説明

１，１００磁気測定装置、２磁気検出素子群、３検出・増幅回路、４磁気検出部、５制御部、６スイッチング回路、６ａ電子スイッチ部、６ｂエンコーダ、７同期検波回路、８増幅回路、９強度情報生成部、１０方位情報生成部、１１整流部、１２ホールドコンデンサ部、１３増幅器、１４条件判断回路、１５出力インターフェース回路、１６発振器、１７分周回路、１８ドライブ回路、１０１ターンテーブル、１０２回転駆動部

Claims

指向性を有する磁気検出素子により、各方向に印加されている磁気を各方向ごとに検出する磁気検出手段と、
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に基づき、所定の信号を生成する信号生成手段と、
上記信号生成手段により生成された信号の振幅を検出する振幅検出手段とを備えることを特徴とする磁気センサ。
上記振幅検出手段は、半波整流回路又は全波整流回路と、ホールドコンデンサにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
上記磁気検出手段は、指向性を有する２個以上の磁気検出素子が、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されてなり、
上記信号生成手段は、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し、所定の信号を生成することを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
一定規則で回転する回転手段を備え、
上記磁気検出手段は、指向性を有する磁気検出素子が、上記回転部上に配置され、一定規則で回転させられることにより、各方向に印加されている磁気を各方向ごとに検出し、
上記信号生成手段は、上記磁気検出手段の磁気検出素子からの電磁変換出力に基づき、所定の信号を生成することを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
上記信号生成手段により生成された信号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ることを特徴とする請求項３又は４何れか１項記載の磁気センサ。