JP2008151534A - 磁束測定法及び磁気センサー - Google Patents

Abstract

【課題】
極めて簡単な構成で、高精度な磁束測定法及び磁気センサーを提供することを目的とする。
【解決手段】
磁場強度測定に用いられているホール素子の誤差要因となる直流オフセット出力を除去し、あわせて感度向上を実現する使用法を考案した。方法は、ホール素子を回転させて使用するという単純かつ簡単な方法である。この方法を用いると地磁気（約3×10-5T）程度の小さな磁束密度を1000分の1以上の分解能で精密に測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁束測定法及び磁気センサーに関する。

ある場所の磁束密度を測定することは磁性物体の検出や磁気記録媒体の記録・再生など生産や生活のいろいろな場面において用いられている。特に地磁気の簡易な高精度測定はIT機器と組み合わせて日常生活に使用される可能性がある。また物理実験においては空芯コイルに流した電流が周辺に作り出す磁場強度を容易に測定できる。

そこで、磁束密度の測定には、磁界のレベルや測定対象に応じて、様々なセンサーが用いられている。コイルや、半導体磁気センサー、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、プロトン磁力計、超電導量子干渉素子など、多様な素子が使用されている。これらの内、測定したい磁場強度、周波数応答などに応じて使用する素子が選定される。しかし一つの素子で広範囲の強度を測定できるものがないため、いくつかの素子を組み合わせて使用する必要がある。例えば、地磁気（約3×10^-5T）を含む10^-8Tから10Tの磁束密度測定の場合、コイル、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、プロトン磁力計の組合が用いられる。これらの素子のなかでホール素子は直線性も良く、測定可能領域が広く、小型で使用が容易である。

ホール素子（特許文献１）は、半導体中に電流を加えた場合、電流と垂直方向に磁界が加わると、電流及びと磁界と垂直方向に電圧が発生するホール効果を利用している。ホール効果による起電力を測定して、磁界の強さ、変化を検出する。モーター等の回転体の回転スピード制御や、ガウスメータ（磁束計）のセンサーとして実用化されている。（特許文献２）、また、ホール素子を用いて、携帯電話（特許文献３）、腕時計（特許文献４）などの携帯電子機器に搭載して地磁気を測定する小型方位計が提案されている。

特開２００６−１７９５９４号公報 特開２００６−２９２５１７号公報 特開２００４−０１２４１６号公報 特開平０８−２５４４２７号公報

しかし、従来のホール素子を用いた磁束測定法及び磁気センサーは、以下の課題があり、例えば、地磁気（0.3ガウス）程度の小さな磁束測定には不充分であった。
（１）０磁場オフセット補正
ホール素子は、構造が複雑なため、製造上、等価回路（抵抗ブリッジ）が非平衡になり、素子内部の電位分布にアンバランス（不平衡）が生じ安い。この結果、素子内部の電流経路に偏りが生じ、０磁場でも出力電圧が生じて、オフセット電圧（不平衡電圧）が発生して、正確な磁界検出の妨げになる。このため、補正回路を設ける必要がある。また、オフセット電圧は温度依存性が強い。様々な環境で使用する携帯電子機器では不都合である。さらに、補正回路を設ける場合、携帯電子機器への実装上、スペース的な制約やコストアップ等を伴う。例えば、特許文献１のように、様々な改善が試みられているが、まだ、充分と言えない。

（２）測定可能な最低磁束密度
ホール素子は、磁束の変化をリニアに測定できる特性があるが、出力信号が数１０ｍＡと小さい。増幅器が必要になる。測定できる磁束密度は、10-4ガウス程度に制限される。そこで、さらに低い磁束密度を測定するためには、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子、プロトン磁力計、超電導量子干渉素子などと組み合わせて用いることも考えられるが、コストアップを伴い、携帯電子機器に搭載することは困難である。

（３）高分解能
例えば、地磁気（0.3ガウス）等の低磁束密度領域では、増幅器で出力信号の増幅率を変える。しかし、ノイズも増幅されるので、ＳＮ比が悪化する。このため、様々な改善が試みられているが、コストアップを伴い、充分と言えない。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、極めて簡単な構成で、高精度な磁束測定法及び磁気センサーを提供することを目的とする。

（着目点）
上記課題を解決するため、本発明者は、鋭意研究の結果、磁場強度測定に用いられているホール素子の誤差要因となる直流オフセット出力を除去し、あわせて感度向上を実現する使用法を創出した。

即ち、磁束測定に用いるホール素子を回転させ、該回転させたホール素子の出力電圧の交流成分を検出する事により、0磁場オフセットを除去することができる。また検出信号を回転数で同期検波することによりSNを改善し、100倍以上の感度向上が実現できる。また磁束の絶対値測定に必要な素子定数の較正は動作が安定なヘルムホルツコイルを用いて行う。そこで、以下のように、本発明を構成する。

請求項１の発明は、ホール素子を回転する駆動部と、該駆動部により回転するホール素子と、該ホール素子に給電する手段と、該ホール素子からホール起電力を出力する手段と、該検出信号を同期検波する手段を有することを特徴とする磁気センサーである。

請求項２の発明は、上記同期検波手段は、回転させたホール素子の出力交流成分を検出した信号を、該ホール素子の回転数で同期検波することを特徴とする請求項１記載の磁気センサーである。

請求項３の発明は、上記同期検波手段は、駆動部の回転軸に配置した反射部と、回転軸の回転数を光学的に検出する反射型フォト検出器と、該反射型フォト検出器の出力信号を位相検波する位相検波増幅器であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサー
である。

請求項４の発明は、ホール素子に給電する手段は、ホール素子に接続され回転軸に配置した接点と、該接点に接する端子を含むことを特徴とする請求項１ないしは３いずれか１項に記載の磁気センサーである。

請求項５の発明は、ホール素子からホール起電力を出力する手段は、ホール素子に接続され回転軸に配置した接点と該接点に接する端子を含むことを特徴とする請求項１ないしは４いずれか１項に記載の磁気センサーである。

請求項６の発明は、ホール素子の感受面を、回転軸方向に対して、平行に配置することを特徴とする請求項１ないしは５いずれか１項に記載の磁気センサーである。

請求項７の発明は、駆動部は、磁気的にシールドされていることを特徴とする請求項１ないしは６いずれか１項に記載の磁気センサーである。

請求項８の発明は、請求項１ないしは７いずれか１項に記載の磁気センサーを有する地磁気測定装置である。

請求項９の発明は、請求項１ないしは７いずれか１項に記載の磁気センサーを有する方位測定装置である。

請求項１０の発明は、請求項１ないしは７いずれか１項に記載の磁気センサーを有する携帯電子機器である。

請求項１１は、ホール素子の感受面を、回転軸方向に対して、平行に配置して回転させるステップと、該ホール素子からのホール起電力を出力するステップと、該出力信号を回転数により同期検波するステップを有することを特徴とする磁場測定方法である。

請求項１２は、駆動部に接続された回転軸に配置されたホール素子を回転させ、該回転軸の回転数を検出し、該ホール素子からのホール起電力を出力し、該出力電圧の交流成分を回転数により同期検波することを特徴とする磁場測定方法である。

上記のように構成した本発明により、以下のように課題を解決する。
（１）０オフセット補正
回転させたホール素子の出力電圧の交流成分を検出する事により０磁場オフセットを除去することができる。

（２）高精度
また検出信号を回転数で同期検波することにより、SNを改善し、100倍以上の感度向上が実現できる。また磁束の絶対値測定に必要な素子定数の較正は動作が安定なヘルムホルツコイルを用いて行うことができる

（３）簡易性
ホール素子の感受面画が回転軸と平行になるようにして回転軸に固定すれば良いので、極めて簡単な構成を取ることができる。

以下に、この発明の実施形態（以下本発明という）を、図面１および２により説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下に限定されるものではない。

（１）基本構成
図１に示すように、回転軸２を有する駆動部７と、該回転軸２に配置されたホール素子１と、該ホール素子１に、電源より給電する手段３と、該ホール素子１からのホール起電力を出力する手段４と、該検出した出力電圧の交流成分を検出する検波検出手段５、６を含むプローブと該該ホール素子からのホール起電力を出力する手段４の出力信号を、回転軸２の回転数で同期検波する位相検波増幅器８を有する磁気センサーである。図２に、本発明の磁場測定センサーのプローブを示し、以下に説明する。

（２）ホール素子
ホール素子９（旭化成電子社製 HW105CR）の感受面画が、回転軸と平行になるようにしてモーター１４で回転する回転軸１５に固定する。

（３）駆動部と回転軸
上記回転軸１５は、モーター（コパル電子製 13H055B010）１４の回転軸と直結させている。実施例では、ホール素子に給電する2本のリード線と、これに接してホール起電力を取り出す2本のリード線（回転軸１５に配置）合わせた4個のリード線引出用ブラシ１０、１１を回転軸１５に取り付ける。図２では、該ブラシは、回転軸１５を挟持した構造である。モーター１４は測定磁場に影響を与えない方が望ましい。ＤＣモーターの場合、磁気シールドするのが望ましいが、圧電素子の弾性振動を駆動源とする小型超音波モーターを使用することも可能である。

（４）同期検波手段
同期検波に必要な回転検出用に、反射型フォト検出器１２を、回転軸１５から少し離れたところに設置してある。回転軸１５に配置した反射部１３の反射光で、回転軸の回転数を検出する。ホール素子９からの出力信号を、回転軸１５の回転数で同期検波する位相検波増幅器を用いる。

以上述べた磁気センサーを用いて、以下のように、磁場を測定する方法を説明する。
（５）測定方法と測定結果
（ステップ１）
ホール素子９を測定場所に配置し、モーター１４を回転させる。

（ステップ２）
ホール素子９にブラシを経由して駆動電流を流し、ホール起電力出力はブラシを経由して位相検波増幅器８（NF回路社製、LI-575型）の入力に接続する。図１では、位相検波増幅器側からホール素子の駆動電流を、給電手段３により供給しているが、別途、電源から供給することもできる。
（ステップ３）

位相検波増幅器８の参照信号としては反射型フォト検出器６からの出力を用いる。

（測定結果）
モーター回転数：50rps、ホール電流：3mAの場合、地磁気（0.3ガウス）によるホール起電力は0.3mＶであった。このとき位相検波増幅器のノイズレベルは0.1μVであったので検出磁場感度は10^-4ガウスに相当する結果を得た。磁束の絶対値測定に必要な素子定数の
較正は、動作が安定なヘルムホルツコイルを用いて行うことができる。

（６）効果
本発明ではホール素子の欠点である0磁場でのオフセット電圧出力を解消し、かつ測定感度を100倍以上向上して、測定可能な最低磁束密度を10^-8Tまで拡大することができる。

（７）応用
本発明により、小型で高分解能の地磁気センサーを構成できる。例えば、地磁気センサーを用いて、携帯電子機器に搭載できる高精度な方位計を実現することができる。また、本発明者が特許出願した卓上（組立）実験装置、実験システムの実験用センサーとして利用することができる。

以上述べたように、本発明は、極めて簡単な構成で、高精度な磁束測定法及び磁気センサーを提供し、特に、地磁気（約3×10-5T）程度の小さな磁束密度を1000分の1以上の分解能で精密に測定することができるので、応用範囲が広く、極めて有用である。

本発明のホール素子を用いた磁場センサーの概念図 本発明のホール素子を用いた磁場センサーの測定用プローブ。

符号の説明

１…ホール素子
２…回転軸
３…給電手段
４…出力手段
５…反射部
６…反射型フォト検出器
７…回転軸駆動部
８…位相検波増幅器
９…感受面が回転軸に平行に配置されたホール素子
１０…給電ブラシ
１１…出力ブラシ
１２…反射型フォト検出器
１３…反射部
１４…モーター
１５…回転軸

Claims (12)

1. ホール素子を回転する駆動部と、該駆動部により回転するホール素子と、
   該ホール素子に給電する手段と、該ホール素子からホール起電力を出力する手段と、該検出信号を同期検波する手段を有することを特徴とする磁気センサー。
2. 上記同期検波手段は、回転させたホール素子の出力交流成分を検出した信号を、該ホール素子の回転数で同期検波することを特徴とする請求項１記載の磁気センサー。
3. 上記同期検波手段は、駆動部の回転軸に配置した反射部と、回転軸の回転数を光学的に検出する反射型フォト検出器と、該反射型フォト検出器の出力信号を位相検波する位相検波増幅器であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサー。
4. ホール素子に給電する手段は、ホール素子に接続され回転軸に配置した接点と、該接点に接する端子を含むことを特徴とする請求項１ないしは３いずれか１項に記載の磁気センサー。
5. ホール素子からホール起電力を出力する手段は、ホール素子に接続され回転軸に配置した接点と該接点に接する端子を含むことを特徴とする請求項１ないしは４いずれか１項に記載の磁気センサー。
6. ホール素子の感受面を、回転軸方向に対して、平行に配置することを特徴とする請求項１ないしは５いずれか１項に記載の磁気センサー。
7. 駆動部は、磁気的にシールドされていることを特徴とする請求項１ないしは６いずれか１項に記載の磁気センサー。
8. 請求項１ないしは７いずれか１項に記載の磁気センサーを有する地磁気測定装置。
9. 請求項１ないしは７いずれか１項に記載の磁気センサーを有する方位測定装置。
10. 請求項１ないしは７いずれか１項に記載の磁気センサーを有する携帯電子機器。
11. ホール素子の感受面を、回転軸方向に対して、平行に配置して回転させるステップと、該ホール素子からのホール起電力を出力するステップと、該出力信号を回転数により同期検波するステップを有することを特徴とする磁場測定方法。
12. 駆動部に接続された回転軸に配置されたホール素子を回転させ、該回転軸の回転数を検出し、該ホール素子からのホール起電力を出力し、該出力電圧の交流成分を回転数により同期検波することを特徴とする磁場測定方法。