JP2006266909A - 磁気検出装置及びそれを用いた電子方位計 - Google Patents

Abstract

【課題】相対的に大きな外乱を有する環境下においても外部磁界の強さを求めることができる磁界検出装置及びそれを用いた電子方位計を提供すること。
【解決手段】コイル１１２に与える電流ｃ及びその電流偏差ｘを設定する。電流ｃ、電流ｃ＋ｘ、電流ｃ−ｘをそれぞれコイル１１２に与えて交流磁界を発生させてＭＲ素子１１１に印加することにより、電圧Ｖ₀−Ｖ₂を検出する。振幅判定部１４において、電圧検出部１３で検出された電圧Ｖ₀−Ｖ₂を用いてＭＲ素子１１１の検出範囲外であるかどうかを判断する。ＭＲ素子１１１の検出範囲外の場合には、振幅制御部１７において、電流偏差ｘを大きくし、電流増幅部１８において、振幅制御部１７で設定し直した電流偏差を用いて電流をコイル１１２に与える。このようにしてＭＲ素子１１１の傾きを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気検出装置及びそれを用いた電子方位計に関する。

電子的に方位測定を行う場合には、地磁気などの外部磁界を検出する磁気センサを用いて行う。磁気センサを含む磁気検出回路を用いて方位を求める場合に、磁気センサに対して交流磁界を印加し、交流磁界を印加したときに磁気センサから出力される電圧を用いる技術が知られている。

この技術においては、磁界を印加すると内部抵抗が変化する磁気抵抗素子を含む磁気センサを用いる。この磁気抵抗素子は、図３に示すように、磁界に対して対称性のある抵抗変化を示す。地磁気のような外部磁界が加わると、図３の特性曲線において左右いずれかの方向にずれる。このとき、磁気抵抗素子の動作点は特性曲線の傾斜領域（リニア領域、例えばＣの位置）にある。この磁気抵抗素子に交流磁界を重畳すると、磁気抵抗素子の特性を利用して抵抗値の変化を検出することができる。そして、この外部磁界をキャンセルする方向に電流を付与して図３のピークの位置に移動させることにより、外部磁界に対応する電流を測定することができる。この電流値から外部磁界の強さを求めることができる。

APPLICATION NOTE "Electronic Compass Design using KMZ51 and KMZ52", AN00022, Philips Semiconductors

しかしながら、上記技術においては、磁気抵抗素子に相対的に大きな外乱、例えば携帯電話におけるスピーカなどによる外乱が与えられると、すなわち、図３において大きく左右にずれた状態になると、磁気抵抗素子の動作点が特性曲線の平坦な部分となり、抵抗値の変化がない状態にずれる。この状態は、磁気抵抗素子の検出範囲外の状態であるが、磁気検出装置内では、外部磁界がキャンセルされて抵抗値の変化がないのか、検出範囲外で抵抗値の変化がないのかの判断をすることができない。このため、このような相対的に大きい外乱のある環境下では、上述のように外部磁界の強さを求めることができないという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、相対的に大きな外乱を有する環境下においても外部磁界の強さを求めることができる磁界検出装置及びそれを用いた電子方位計を提供することを目的とする。

本発明の磁気検出装置は、抵抗値変化により磁気を検出する磁気センサと、前記磁気センサに交流磁界を印加する磁界発生手段と、印加された前記交流磁界に対応する出力電圧に基づいて前記磁気センサの検出範囲外であるかどうかを判定する判定手段と、前記磁気センサの検出範囲内でない場合に前記交流磁界の振幅を制御する振幅制御手段と、前記磁気センサに重畳された、検出対象である外部磁界をキャンセルする分の直流電流を前記磁界発生手段に供給する磁界キャンセル手段と、前記直流電流値から前記外部磁界の強度を求めて出力する出力手段と、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、磁気センサの検出範囲外であるかどうかを判定し、磁気センサの検出範囲内でない場合に交流磁界の振幅を制御するので、すなわち磁気センサの特性曲線において傾きが検出できるようにフィードバック制御するので、磁気センサの特性である抵抗値の変化を利用することができる。したがって、相対的に大きい外乱を有する環境下であっても磁気検出を行うことが可能となる。

本発明の磁気検出装置においては、前記磁界発生手段はコイルを含み、前記コイルに電流を与えることにより前記磁気センサに交流磁界を印加し、前記振幅制御手段は前記コイルに与える電流の電流偏差を変えることにより前記交流磁界の振幅を制御することが好ましい。

本発明の磁気検出装置においては、前記判定手段は、特定電流を前記コイルに与えた際の第１の電圧、前記特定電流から電流偏差を減算した電流を前記コイルに与えた際の第２の電圧、及び前記特定電流に前記電流偏差を加算した電流を前記コイルに与えた際の第３の電圧を用いて判定を行うことが好ましい。この場合において、前記判定手段は、前記第１から第３の電圧が略等しい場合に前記磁気センサの検出範囲外であると判定することが好ましい。

この構成によれば、磁気センサの特性曲線における平坦領域である、すなわち検出範囲外であることを確実に判定することができる。このため、磁界キャンセルを意味する傾きのない状態と区別することができ、傾き検出のフィードバック制御に移行することが可能となる。

本発明の磁気検出装置においては、前記磁界キャンセル手段は、前記第１の電圧が前記第２及び第３の電圧よりも大きく、かつ、前記第２の電圧と前記第３の電圧が略等しい場合に磁界がキャンセルされたと判定することが好ましい。

この構成によれば、通常の磁気検出と異なり、特定電圧（動作点）である第１の電圧を用いた条件を採用しているので、確実に磁界キャンセルを意味する特性曲線におけるピークを判定することができる。このため、磁気センサの検出範囲外での傾きのない状態と区別することができる。

本発明の磁気検出装置においては、前記磁気センサは、磁界に対して対称性のある抵抗変化を示す磁気抵抗素子であることが好ましい。

本発明の磁気検出装置においては、前記磁気抵抗素子に所定の設定値の電流を与える定電流回路と、前記磁気抵抗素子の端子電圧が略一定となるように前記設定値を制御する電流設定値制御手段と、を具備することが好ましい。

この構成においては、端子電圧に基づいて電流設定値をフィードバック制御しているので、磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきや温度変化の影響を小さくすることができる。このため、単一の磁気抵抗素子でも正確に磁気検出を行うことができる。その結果、磁気検出装置の構成を簡略化することができる。

本発明の磁気検出装置においては、前記磁気抵抗素子は、ＧＩＧ素子又はＭＲ素子であることが好ましい。

本発明の電子方位計は、上記複数の磁気検出装置と、前記複数の磁気検出装置により求められたそれぞれの出力値を用いて方位を求める方位算出手段と、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、第１〜第３の電圧Ｖ₀〜Ｖ₂を用いてフィードバック制御を行って磁気センサの検出範囲外であるかどうかを判定し、磁気センサの検出範囲内でない場合に交流磁界の振幅をフィードバック制御する構成を有する磁気検出装置を備えているので、相対的に大きい外乱を有する環境下であっても方位を求めることが可能となる。

本発明によれば、印加された交流磁界に対応する出力電圧に基づいて磁気センサの検出範囲外であるかどうかを判定し、磁気センサの検出範囲内でない場合に交流磁界の振幅を制御するので、相対的に大きい外乱を有する環境下であっても磁気センサの特性である抵抗値の変化を利用することができ、磁気検出を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。この磁気検出装置は、磁気を検出する磁気センサ１１と、磁気センサ１１に電源電圧を供給する電源１２と、磁気センサ１１に交流磁界が印加されたときに出力される電圧を検出する電圧検出部１３と、磁気センサ１１に印加された交流磁界に対応する電圧に基づいて磁気センサ１１の検出範囲外であるかどうかを電圧の振幅により判定する振幅判定部１４と、磁気センサ１１に印加された交流磁界に対応する電圧に基づいて電圧のピークを検出するピーク検出部１５と、磁気センサ１１に加わった外部磁界をキャンセルする分の直流電流を磁界発生部に供給する磁界キャンセル部１６と、振幅判定部１４の判定結果に基づいて交流磁界の振幅を制御する振幅制御部１７と、磁気センサ１１に印加する交流磁界を発生させる電流を増幅する電流増幅部１８と、磁界キャンセル分の直流電流値から外部磁界の強度を求めて出力する出力部２０とから主に構成されている。

磁気センサ１１は、磁界に対して対称性のある抵抗変化を示す磁気抵抗素子であるＭＲ（MagnetoResistance）素子１１１と、ＭＲ素子１１１に外部磁界を印加するコイル１１２とから構成されている。なお、磁気抵抗素子としては、ＭＲ素子１１１以外に、比較的地磁気をより感度良く検出することができるＧＩＧ（Granular In Gap）素子などを用いても良い。磁気センサ１１においては、図１に示すように、２つのＭＲ素子１１１がＭＲ素子と同等の抵抗値の温度係数を持つ２つの抵抗１１３とブリッジ接続されている。このようなブリッジ接続することにより、ＭＲ素子１１１の抵抗値の温度変化をキャンセルすると共に電圧検出部１３に出力する電圧を２倍にすることができる。

電源１２は、電源電圧をＭＲ素子１１１に印加する。電圧検出部１３は、図３に示すように、交流磁界２２が印加されたＭＲ素子１１１の抵抗値の変化を電圧の形で取り出す。電圧検出部１３は、バッファアンプ１３１ａ，１３１ｂと、差動増幅器１３２と、Ａ／Ｄ変換部１３３と、オフセット電圧検出部１３４と、Ｄ／Ａ変換部１３５とから構成されており、ＭＲ素子１１１間の電圧をバッファアンプ１３１ａ，１３１ｂでインピーダンス変換し、差動増幅器１３２で両者の差を求める。この差をＡ／Ｄ変換部１３３でディジタル信号に変換した後に、オフセット電圧検出部１３４でこの差（ブリッジにおけるアンバランス：オフセット電圧）に基づいて補正値を求め、Ｄ／Ａ変換部１３５で補正電圧として差動増幅器１３２にフィードバックする。このような構成にすることにより、磁気センサ１１におけるブリッジ接続によるアンバランスを修正することができる。

電圧検出部１３で検出された電圧は、振幅判定部１４及びピーク検出部１５に送られる。また、この電圧検出部１３では、特定電流ｃをコイル１１２に与えた際の第１の電圧（Ｖ₀）、特定電流ｃから電流偏差ｘを減算した電流ｃ−ｘをコイル１１２に与えた際の第２の電圧（Ｖ₁）、及び特定電流ｃに電流偏差ｘを加算した電流ｃ+ｘをコイル１１２に与えた際の第３の電圧（Ｖ₂）を検出する。これらの第１〜第３の電圧は、振幅判定部１４に送られる。

振幅判定部１４は、磁気センサ１１に印加された磁界に対応する電圧に基づいて磁気センサ１１の検出範囲外であるかどうかを判定する。この振幅判定部１４においては、図３に示すように、電圧検出部１３で検出した第１〜第３の電圧（Ｖ₀〜Ｖ₂）を用いて判定を行う。従来の磁気検出装置のように図３に示す特性曲線の傾きを検出するのであれば、第２の電圧Ｖ₂及び第３の電圧Ｖ₃を得ることにより傾きを検出することができるが、ＭＲ素子１１１の検出範囲内にあるかどうかを判定するためには、第１の電圧Ｖ₀を用いる必要がある。図３に示すように、特性曲線のピークＰと平坦領域Ｘで特性曲線の傾きが０になっている。すなわち、磁界をキャンセルしたときに傾きが０になり、ＭＲ素子１１１の検出範囲外になったときにも傾きが０になる。このため、相対的に大きな外乱を有する環境下においては、磁界キャンセルできた、すなわち図３におけるピークＰの状態であるのか、ＭＲ素子１１１の検出範囲外（平坦領域Ｘ）であるのかの判断をすることができない。したがって、上記のように、第１〜第３の電圧（Ｖ₀〜Ｖ₂）を用いてＭＲ素子１１１の検出範囲内にあるかどうかの判定を行う。具体的には、振幅判定部１４は、第１，第２，第３の電圧Ｖ₀，Ｖ₁，Ｖ₂が略等しい場合、すなわち、Ｖ₀≒Ｖ₁≒Ｖ₂である場合には、図３における平坦領域Ｘであるので、ＭＲ素子１１１の検出範囲外であると判定する。なお、この略等しいとは、互いの差が約１ｍＶ以下である場合も含む意味である。この判定結果は振幅制御部１７に送られる。このような条件を用いることにより、ＭＲ素子１１１の特性曲線における平坦領域Ｘである、すなわち検出範囲外であることを確実に判定することができる。このため、磁界キャンセルを意味する傾きのない状態と区別することができ、傾き検出のフィードバック制御に移行することが可能となる。

ピーク検出部１５は、電圧検出部１３からの電圧に基づいて図３に示す特性曲線におけるピークＰを検出する。磁界キャンセル部１６は、磁気センサ１１に加わった外部磁界をキャンセルする。外部磁界がキャンセルされた状態は、図３に示す特性曲線のピークＰの位置にある状態である。このため、ピークＰの位置を判定するために、上述したように、振幅判定部１４において、電力検出部１３で検出した第１〜第３の電圧（Ｖ₀〜Ｖ₂）を用いて振幅判定を行う。この場合、第１の電圧Ｖ₀が第２の電圧Ｖ₁，第３の電圧Ｖ₂よりも大きく、かつ、第２の電圧Ｖ₁と第３の電圧Ｖ₂が略等しいこと、すなわちＶ₀＞Ｖ₁，Ｖ₂（式１）、Ｖ₁≒Ｖ₂（式２）が条件となる。なお、略等しいとは、約１ｍＶ以下の差を含む意味である。磁界キャンセルされていない状態の場合、すなわち上記２つの式１，２のいずれかを満たさない場合には、後述する電流増幅部１８にＶ₁−Ｖ₂に比例した制御信号（ＤＣ成分）を送り、コイル１１２に与える電流ｃを制御する。このとき、電流ｃの制御とＶ₁−Ｖ₂の検出を繰り返し行って制御量を修正する。そして、磁界がキャンセルされたと判定したときに、外部磁界に対応した電流Ｃが検出されるので、この電流から外部磁界の強度を求めて、その強度を検出装置出力（外部磁界強度）として出力部２０から出力する。このように、通常の磁気検出と異なり、特定電圧（動作点）である第１の電圧Ｖ₀を用いた条件を採用することにより、確実に磁界キャンセルを意味する特性曲線におけるピークを判定することができる。このため、ＭＲ素子１１１の検出範囲外での傾きのない状態と区別することができる。

振幅制御部１７は、振幅判定部１４の判定結果に基づいて交流磁界の振幅を制御する。振幅判定部１４によりＭＲ素子１１１の検出範囲外と判定された場合には、ＭＲ素子１１１に印加する交流磁界の振幅を大きくして抵抗値の変化の傾きが検出できるようにする。その後、振幅を大きくした交流磁界で得られた電圧から再び振幅判定部１４において判定を行う。なお、振幅を大きくする程度については特に制限はないが、一回の振幅拡大動作で、図３に示す特性曲線の反対側の象限（図３において右側の象限）にまで及ぶ程度に大きくすると電圧上昇を見落とす可能性が生じるので好ましくない。具体的には、検出状況を確認しながら順次コイル１１２に与える電流の電流偏差ｘを変えることにより交流磁界の振幅を制御する。

電流増幅部１８は、ＭＲ素子１１１に印加する交流磁界を発生させる電流を増幅し、その電流をコイル１１２に与える。なお、電流増幅部１８とコイル１１２とにより磁界発生手段を構成する。これにより、ＭＲ素子１１１に交流磁界を印加することができる。したがって、磁気抵抗素子の特性を利用して抵抗値の変化からその傾きを検出することが可能となる。なお、コイル１１２の巻き数を増加することにより、電源電流を小さくすることができ、回路の低消費電力化を実現することができる。また、電流増幅部１８は、磁界キャンセル部１６の判定結果に基づいて、磁界がキャンセルされていない場合には、コイル１１２に与える電流ｃを変える制御を行う。そして、新しく設定された電流による交流電界が印加されたＭＲ素子１１１の電圧を用いて磁界がキャンセルされたかどうかを判定する。

次に、上記構成を有する磁気検出装置の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る磁気検出装置における検出動作を説明するフローチャートである。まず、コイル１１２に与える電流ｃ＝ｃ₀、その電流偏差（振幅）ｘ＝ｘ₀、及びループ回数Ｎ＝０を設定する（ＳＴ１１）。この設定値は、デフォルトとして設定されていても良く、必要に応じて入力できるようにしても良い。

次いで、ループ回数を１インクリメントして（ＳＴ１２）、電流ｃをコイル１１２に与えて交流磁界を発生させてＭＲ素子１１１に印加する。そして、電圧検出部１３において、このときの抵抗値変化を電圧Ｖ₀として検出する（ＳＴ１３）。なお、ＭＲ素子１１１には電圧供給部１２から電源電圧が印加されている。次いで、電流ｃ−ｘをコイル１１２に与えて交流磁界を発生させてＭＲ素子１１１に印加する。そして、電圧検出部１３において、このときの抵抗値変化を電圧Ｖ₁として検出する（ＳＴ１４）。さらに、電流ｃ+ｘをコイル１１２に与えて交流磁界を発生させてＭＲ素子１１１に印加する。そして、電圧検出部１３において、このときの抵抗値変化を電圧Ｖ₂として検出する（ＳＴ１５）。なお、ＳＴ１３〜ＳＴ１５については、この順序で検出する必要はなく、適宜順序を変えて検出を行っても良い。

次いで、振幅判定部１４において、電圧検出部１３で検出された上記第１〜第３の電圧Ｖ₀，Ｖ₁，Ｖ₂を用いてＭＲ素子１１１の検出範囲外であるかどうかを判断する。具体的には、次のような処理を行う。ここでは、電流偏差の最大値を８ｘ₀とした。ｘが８ｘ₀となるのはループ回数が４回目である。したがって、Ｖ₀：Ｖ₂の最大値からＶ₀：Ｖ₂の最小値を減算した電圧が１ｍＶ以下かどうかを判断し（ＳＴ１６）、減算後の電圧が１ｍＶ未満であると、電流偏差が４ｘ₀以下かどうかを判断する（ＳＴ１９）。減算後の電圧が１ｍＶ未満であって電流偏差が４ｘ₀以上であれば、図３における特性曲線の平坦部であると考えられるので、測定範囲外であると判断して（ＳＴ２１）、処理を終了する。減算後の電圧が１ｍＶ未満であって電流偏差が４ｘ₀以下であれば、その旨の制御信号を振幅制御部１７に送り、振幅制御部１７において電流偏差を２倍にする（ＳＴ２０）。その制御情報は電流増幅部１８に送られ、電流増幅部１８において修正後の電流偏差を用いて電流をコイル１１２に与える。そして、ループ回数を１インクリメントしてから（ＳＴ１２）、電圧検出工程（ＳＴ１３〜ＳＴ１５）を行う。一方、減算後の電圧が１ｍＶ以上であれば、電流偏差ｘが初期値であるかどうか、すなわちｘ＝ｘ₀であるかどうかを判断し（ＳＴ１７）、初期値でなければ電流偏差ｘを半分にする（ＳＴ１８）。このようなフィードバック制御を行って、ＭＲ素子１１１の特性曲線の傾きを検出する。なお、短時間で磁界をキャンセルして検出装置出力であるＶ_outを得るためには、コイル電流ｃの初期値ｃ₀として前回測定時のｃの値を用いることが望ましい。また、磁気的外乱の変動が大きく電流値Ｃが収束せず、ＭＲ素子１１１の特性曲線のピークＰを検出できない場合には、検出不能として制御を終了するようにしても良い。例えば、検出時間やループ回数を予め決めておき、その検出時間やループ回数を超えたときに制御を終了するようにする。

次いで、上記のようなフィードバック制御によりＭＲ素子１１１の傾きが検出されたとき、ＭＲ素子１１１に重畳されている外部磁界をキャンセルする。このとき、磁界がキャンセルされたかどうかは、電圧検出部１３で検出された第１〜第３の電圧Ｖ₀，Ｖ₁，Ｖ₂を用いて判定する。すなわち、Ｖ₀＞Ｖ₁，Ｖ₂、Ｖ₁≒Ｖ₂を満たしているかどうかを判断する。具体的には、Ｖ₁がＶ₀より小さいかどうかを判断し（ＳＴ２２）、Ｖ₁がＶ₀よりも小さければ、Ｖ₂がＶ₀より小さいかどうかを判断する（ＳＴ２４）。なお、ＳＴ２２とＳＴ２４とはいずれを先に行っても良い。Ｖ₁がＶ₀以上であるときは、電流ｃを電流ｃ−ｘとして（ＳＴ２３）、ループ回数を１インクリメントしてから（ＳＴ１２）、電圧検出工程（ＳＴ１３〜ＳＴ１５）を行う。また、Ｖ₂がＶ₀以上であるときは、電流ｃを電流ｃ＋ｘとして（ＳＴ２５）、ループ回数を１インクリメントしてから（ＳＴ１２）、電圧検出工程（ＳＴ１３〜ＳＴ１５）を行う。そして、Ｖ₁がＶ₀より小さく、Ｖ₂がＶ₀より小さいときには、ループ回数が１０回以下であるかどうか判断する（ＳＴ２６）。ループ回数が１０回以下である場合には、Ｖ₁とＶ₂との間の差が１ｍＶ以下であるか、すなわちＶ₁とＶ₂とがほぼ等しいかどうかを判断する（ＳＴ２７）。この条件を満たしている場合には、磁界がキャンセルされた時点での電流が外部磁界に対応する値であるので、（Ｖ₂−Ｖ₁）／（２Ｖ₀−Ｖ₁−Ｖ₂）に比例した量でコイル電流ｃを調整して磁界キャンセルを行う。すなわち、磁気検出装置の出力電圧Ｖ_OUT＝ａｃ（ａ：感度係数）を求める（ＳＴ２８）。一方、Ｖ₁とＶ₂との間の差が１ｍＶ以下でない場合には、磁界キャンセル部１６からの制御信号（ＤＣ成分）に基づいて電流増幅部１８で電流ｃをｃ＋｛（Ｖ₂−Ｖ₁）／（２Ｖ₀−Ｖ₁−Ｖ₂）｝・ｂｘ（ｂ：比例定数）に変更して（ＳＴ２９）、ループ回数を１インクリメントしてから（ＳＴ１２）、電圧検出工程（ＳＴ１３〜ＳＴ１５）を行う。そして、このフィードバック制御を磁界がキャンセルされるまで行い、上記と同様にして磁気検出装置の出力電圧を求める（ＳＴ２８）。ループ回数が１０回を超える場合には、上記の条件（Ｖ₀＞Ｖ₁，Ｖ₂、Ｖ₁≒Ｖ₂）を満たしているとして、磁気検出装置の出力電圧を求める（ＳＴ２８）。なお、ループ回数や、電流偏差の変更割合、Ｖ₂−Ｖ₁の値などについては、本実施の形態に限定されずに適宜変更することが可能である。例えば、外部磁界の時間的な変動が小さい場合には、比例定数ｂを適切に設定することにより、Ｖ₂−Ｖ₁の値をループ１回毎に１／３程度に縮小することができる。

このように、本実施の形態に係る磁気検出装置においては、第１〜第３の電圧Ｖ₀〜Ｖ₂を用いてフィードバック制御を行ってＭＲ素子１１１の検出範囲外であるかどうかを判定し、磁気センサの検出範囲内でない場合に交流磁界の振幅を制御するので、すなわち傾きが検出できるようにフィードバック制御するので、ＭＲ素子１１１の特性である抵抗値の変化を利用することができる。したがって、相対的に大きい外乱を有する環境下であっても磁気検出を行うことが可能となる。

また、本実施の形態に係る磁気検出の方法によれば、フィードバック制御により傾き検出を行い、上記式１，２により磁界キャンセルを判定するので、ＭＲ素子のような磁気抵抗素子の特性曲線においてピークが先鋭でない場合や、ピークが先鋭であっても検出範囲が狭い（高感度のもの）場合であっても、正確に外部磁界の検出を行うことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、ＭＲ素子１１１が単一の素子で構成されている場合について説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。図４において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４に示す磁気検出装置は、ＭＲ素子１１１に所定の電流を与える定電流回路１９を備えている。また、この磁気検出装置においては、磁気センサ１１が、単一のＭＲ素子１１１と、コイル１１２とから構成されている。さらに、この磁気検出装置においては、電圧検出部１３がバッファアンプ１３１と、Ａ／Ｄ変換部１３３と、ＭＲ素子１１１の端子電圧に基づいて所定の電流が略一定なるように制御する電流設定値制御手段である平均値検出部１３６と、Ｄ／Ａ変換部１３５とから構成されている。定電流回路１９としては、低い電源電圧で高いインピーダンスが得られるＣＭＯＳアナログ回路であるカレントミラー回路などを用いることができる。

このような磁気検出装置においては、平均値検出部１３６において、オペアンプを用いたバッファ回路又は非反転増幅回路により、高いインピーダンスでＭＲ素子１１１の端子電圧を検出する。そして、平均値検出部１３６は、端子電圧の平均値を求め、定電流回路１９の電流設定値をフィードバック制御する。具体的には、ＭＲ素子１１１の抵抗値が高い場合には、磁気センサの検出動作に拘らず常時電流を流すように定電流回路１９を制御する。これにより、浮遊容量の影響により、電流を流してから端子電圧が安定するまでの遅れ時間の影響を小さくすることができる。一方、ＭＲ素子１１１の抵抗値が低い場合には、磁気検出時のみ電流を流すように定電流回路１９を制御する。この場合、定電流回路１９の電流設定値は、前回の磁気検出の電流設定値を参照して適宜決定する。このような端子電圧に基づく電流設定値のフィードバック制御を行うことにより、ＭＲ素子１１１の抵抗値のばらつきや温度変化に伴うＭＲ素子の抵抗値変化の、磁気検出装置の検出機能に対する影響を小さくすることができる。このため、単一のＭＲ素子１１１でも正確に磁気検出を行うことができる。その結果、磁気検出装置の構成を簡略化することができる。また、ＭＲ素子１１１の抵抗値のばらつきが大きい場合や、抵抗値の経時又は温度変化が大きい場合においても、無調整で測定を行うことができる。

この構成においては、磁界発生手段である電流増幅部１８及びコイル１１２の動作状態を監視する機構を設け、磁界発生手段が定電流状態に達した後に、電圧検出部１３においてＭＲ素子１１１の端子電圧を測定するようにしても良い。これにより、インダクタンスの大きいコイルを用いることによる電流上昇速度の遅れを補正することができる。

この磁気検出装置においても、コイル１１２に与える電流ｃ及びその電流偏差ｘを設定し、電流ｃ、電流ｃ＋ｘ、電流ｃ−ｘをそれぞれコイル１１２に与えて交流磁界を発生させてＭＲ素子１１１に印加することにより、第１〜第３の電圧Ｖ₀−Ｖ₂を検出する。次いで、振幅判定部１４において、電圧検出部１３で検出された第１〜第３の電圧Ｖ₀−Ｖ₂を用いてＭＲ素子１１１の検出範囲外であるかどうかを判断する。そして、ＭＲ素子１１１の検出範囲外の場合には、振幅制御部１７において、電流偏差ｘを大きくし、電流増幅部１８において、振幅制御部１７で設定し直した電流偏差を用いて電流をコイル１１２に与える。このようにしてＭＲ素子１１１の傾きを検出する。その後、磁界キャンセルをして外部磁界を求める。したがって、本実施の形態の磁気検出装置においても、ＭＲ素子１１１の特性である抵抗値の変化を利用することができる。このため、相対的に大きい外乱を有する環境下であっても磁気検出を行うことが可能となる。

上記実施の形態１，２における磁気検出装置において、アナログ検出方式で構成した場合には、時間的に連続した検出方式であるために、広い検出範囲が得られ、出力信号の応答性が高い。また、検出精度はコイル１１２の電流／磁気変換精度に依存し、ＭＲ素子１１１に依存しないので、検出感度の温度依存性が小さい。また、コイル１１２を定電流駆動することにより、周囲温度の変化によるコイルの抵抗値の変化や電源電圧の変化による誤差を低減することができる。一方、ディジタル検出方式で構成した場合には、間欠的な検出であるために、複数の検出方向のＭＲ素子１１１において磁気検出回路を共用することができる。また、信号処理回路のＤ／Ａ変換精度が検出精度を決定するため、Ａ／Ｄ変換精度に依存しない。このため、小規模のＡ／Ｄ変換器を用いることができるので、装置の小型化及び低消費電力化を測ることができる。また、磁気検出回路自身がＡ／Ｄ変換機能を有するので、Ａ／Ｄ変換前のアナログ回路に起因する誤差がない。

本実施の形態のように単一のＭＲ素子を用いる場合には、出力電圧を大きくすることができる。すなわち、２つのＭＲ素子を用いたブリッジ接続においては、ＭＲ素子に印加する電源電圧は１／２・Ｖddであるが、本実施の形態における単一のＭＲ素子の磁気センサにおいては、Ｖddに近い電圧を印加することができる。これにより、同一の電源電圧でブリッジ接続されたＭＲ素子を用いる場合よりも出力電圧を大きくすることができる。また、単一のＭＲ素子を用いるので、磁気センサの占有面積を小さくすることができ、低消費電力化や回路の小型化を図ることができる。また、ブリッジ接続されたＭＲセンサで問題になるブリッジのアンバランス電圧の問題も発生しない。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、上記実施の形態１，２の磁気検出装置を用いた電子方位計について説明する。図５は、本発明に係る磁気検出装置を用いた電子方位計の概略構成を示すブロック図である。

図５に示す電子方位計は、磁気検出装置３１と、磁気検出装置３１の出力電圧を用いて方位を算出する演算部３２とから主に構成されている。磁気検出装置３１は、それぞれ実施の形態１，２の構成を有するＸ軸用磁気検出回路３１１、Ｙ軸用磁気検出回路３１２、Ｚ軸用磁気検出回路３１３を有する。また、演算部３２は、Ｘ軸用磁気検出回路３１１から出力された出力電圧を格納するデータ保存部３２１と、Ｙ軸用磁気検出回路３１２から出力された出力電圧を格納するデータ保存部３２２と、Ｚ軸用磁気検出回路３１３から出力された出力電圧を格納するデータ保存部３２３と、これらの出力電圧から方位を求める方位算出部３２４とから主に構成されている。

上記構成の電子方位計においては、まず、磁気検出装置３１において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の磁気検出回路３１１〜３１３を用いて、上記実施の形態１，２にしたがって外部磁界を求める。その外部磁界に対応する出力電圧がそれぞれデータ保存部３２１〜３２３に格納される。その後、方位算出部３２４において、データ保存部３２１〜３２３に格納された出力電圧を用いて方位を算出する。すなわち、Ｘ軸用の出力電圧とＹ軸用の出力電圧の比に対して逆正接をとることにより方位を算出する。また、Ｚ軸用の出力電圧は、電子方位の傾斜した状態を補正する演算において用いる。このように、本実施の形態の電子方位計は、第１〜第３の電圧Ｖ₀〜Ｖ₂を用いてフィードバック制御を行ってＭＲ素子１１１の検出範囲外であるかどうかを判定し、磁気センサの検出範囲内でない場合に交流磁界の振幅をフィードバック制御する構成を有する磁気検出装置を備えているので、相対的に大きい外乱を有する環境下であっても方位を求めることが可能となる。

本実施の形態に係る電子方位計においては、各軸の出力電圧をデータ保存部３２１〜３２３に格納しておくので、各磁気検出回路３１１〜３１３において、新たに磁気検出を行う際に格納している出力電圧を用いることにより、フィードバック制御で収束させる時間が短くなり、検出時間を短縮することができる。その結果、電子方位計全体の消費電力の低減を図ることができる。

また、各磁気検出回路３１１〜３１３をＣＭＯＳアナログスイッチで切り替える場合には、実施の形態２のように各磁気検出回路に定電流回路と、電圧検出用のバッファ回路又は非反転増幅回路とを設けることにより、低インピーダンス化された信号の切り替えになるので、浮遊容量の増加により応答速度の低下やノイズ混入などを防止することができる。

本実施の形態の電子方位計においては、各磁気検出回路をアナログ検出方式で構成すると、各軸の磁気検出を連続的に行うので応答性が良い。また、各磁気検出回路をディジタル検出方式で構成すると、各軸の磁気検出回路を共用することができるので、小規模化を図ることができ、消費電力を低減することが可能となる。

本発明は上記実施の形態１〜３に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態１，２における回路構成や処理手順などについては一例であり、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る磁気検出装置における検出動作を説明するフローチャートである。 磁気抵抗素子の特性を説明するための特性図である。 本発明の実施の形態２に係る磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る磁気検出装置を用いた電子方位計の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 磁気センサ
１２ 電源
１３ 電圧検出部
１４ 振幅判定部
１５ ピーク検出部
１６ 磁界キャンセル部
１７ 振幅制御部
１８ 電流増幅部
１９ 定電流回路
２０ 出力部
３１ 磁気検出装置
３２ 演算部
１１１ ＭＲ素子
１１２ コイル
１３４ オフセット電圧検出部
１３６ 平均値検出部
３１１〜３１３ 磁気検出回路
３２１〜３２３ データ保存部
３２４ 方位算出部

Claims (10)

1. 抵抗値変化により磁気を検出する磁気センサと、前記磁気センサに交流磁界を印加する磁界発生手段と、印加された前記交流磁界に対応する出力電圧に基づいて前記磁気センサの検出範囲外であるかどうかを判定する判定手段と、前記磁気センサの検出範囲内でない場合に前記交流磁界の振幅を制御する振幅制御手段と、前記磁気センサに重畳された、検出対象である外部磁界をキャンセルする分の直流電流を前記磁界発生手段に供給する磁界キャンセル手段と、前記直流電流値から前記外部磁界の強度を求めて出力する出力手段と、を具備することを特徴とする磁気検出装置。
2. 前記磁気発生手段はコイルを含み、前記コイルに電流を与えることにより前記磁気センサに交流磁界を印加し、前記振幅制御手段は前記コイルに与える電流の電流偏差を変えることにより前記交流磁界の振幅を制御することを特徴とする請求項１記載の磁気検出装置。
3. 前記判定手段は、特定電流を前記コイルに与えた際の第１の電圧、前記特定電流から電流偏差を減算した電流を前記コイルに与えた際の第２の電圧、及び前記特定電流に前記電流偏差を加算した電流を前記コイルに与えた際の第３の電圧を用いて判定を行うことを特徴とする請求項２記載の磁気検出装置。
4. 前記判定手段は、前記第１から第３の電圧が略等しい場合に前記磁気センサの検出範囲外であると判定することを特徴とする請求項３記載の磁気検出装置。
5. 前記磁界キャンセル手段は、前記第１の電圧が前記第２及び第３の電圧よりも大きく、かつ、前記第２の電圧と前記第３の電圧が略等しい場合に磁界がキャンセルされたと判定することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の磁気検出装置。
6. 前記磁気センサは、磁界に対して対称性のある抵抗変化を示す磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気検出装置。
7. 前記磁気センサは、単一の磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気検出装置。
8. 前記磁気抵抗素子に所定の設定値の電流を与える定電流回路と、前記磁気抵抗素子の端子電圧が略一定となるように前記設定値を制御する電流設定値制御手段と、を具備することを特徴とする請求項７記載の磁気検出装置。
9. 前記磁気抵抗素子は、ＧＩＧ素子又はＭＲ素子であることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載の磁気検出装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の複数の磁気検出装置と、前記複数の磁気検出装置により求められたそれぞれの出力値を用いて方位を求める方位算出手段と、を具備することを特徴とする電子方位計。
    

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