JP2009133672A - 磁界の検出方法、磁界検出用集積回路および磁気センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】直交フラックスゲート方式の磁気センサにおいて、簡単な構成でオフセット電圧をキャンセルすることが可能にする。
【解決手段】軟磁性体１１および検出コイル１３を備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサ１０を用いた磁界の検出方法であって、軟磁性体１１へパルス電流を通電したとき、パルス電流の立ち上がり波形に対応する検出コイル１３の波高値Ｖ_０およびパルス電流の立ち下がり波形に対応する検出コイル１３の波高値Ｖ_１を測定し、軟磁性体１１に印加された磁界を、前記両波高値Ｖ_０，Ｖ_１の差分に基づいて検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、直交フラックスゲート方式の磁気センサに関するもので、特にその検出方法を改善せしめたものである。

高感度磁気センサとして、直交フラックスゲート方式の磁気センサが知られている。直交フラックスゲート方式は、磁性ワイヤや薄膜磁性体などの磁性体と、この磁性体に巻回された検出コイルを持ち、磁性体に高周波電流またはパルス電流を流した際に検出コイルに誘起された電圧を測定し、この誘起電圧値に基づいて磁界を検出する方式である（例えば特許文献１，２を参照）。

図１に、直交フラックスゲート方式の磁気センサの一例を示し、その測定原理を説明する。図１に示す磁気センサ１０は、軟磁性体１１および検出コイル１３を備え、軟磁性体１１には、磁性体用電極パッド１２を通じて接続されたパルス電源１５よりパルス電流が供給され、検出コイル１３に誘起された電圧は、コイル用電極パッド１４を通じて接続されたオシロスコープ１６により電圧波形が測定される構成である。図１の下側に記載されたグラフ中、入力（Ｉｎｐｕｔ）とは、パルス電源１５より供給されるパルス電流の波形であり、出力（Ｏｕｔｐｕｔ）とは、検出コイル１３に誘起される電圧の波形である。
従来の直交フラックスゲート方式の磁気センサにおいては、入力されるパルス電流の立ち上がり波形に対応する波高値Ｖ_０を測定し、軟磁性体１１に印加された磁界を波高値Ｖ_０に基づいて検出する。

直交フラックスゲート方式の磁気センサでは、図２に示すような電圧−磁界（Ｖ−Ｈ）特性を得ることができる。図２中、両向き矢印で示す範囲（−５〜５Ｏｅの範囲）では誘起電圧値と外部磁界の大きさとがほぼ直線的に対応し、この範囲内では、感度（単位磁界変化に対する誘起電圧の変化量）をあらかじめ求めておき、誘起電圧値を感度で除算することにより、外部磁界の大きさを求めることができる。

ところで、Ｖ−Ｈ特性において磁界０に対応する電圧が０でなく、オフセットを有するときには、誘起電圧と感度とを用いて磁界の大きさを求める際、磁界０に対応する出力電圧（オフセット電圧）をあらかじめ求めておき、誘起電圧の測定値からオフセット電圧を減ずる必要がある。

したがって、オフセット値が経時的変化により変動したとき、その変動を考慮することなく磁界を求めれば、磁界の値も変動して不正確になることを意味する。例えば１００ｍＶ／Ｏｅの感度および１００ｍＶのオフセット値をもつ磁気センサを使用したとき、その磁気センサによる誘起電圧の測定値が１１０ｍＶであれば、磁界の値は０．１（Ｏｅ）と求められる。その後、オフセット値が変動して１２０ｍＶになっている場合、誘起電圧の測定値が１１０ｍＶのときには、−０．１（Ｏｅ）の外部磁界がかかっており、本体はこの値を出力すべきであるが、オフセット値が１００ｍＶのままで磁界を求めると、＋０．１（Ｏｅ）という誤った結果を出してしまう。

オフセットをキャンセルする方法としては、種々の提案がある。
例えば特許文献３では、直流電流を重畳させた交流電流により素子を駆動させ、正ピークによる測定磁界と負ピークによる測定磁界の差を取ることにより、オフセットをキャンセルしている。しかし、この方式では、交流電源のほかに両極性の電源が必要であり、回路構成が大きくなる問題がある。

また、特許文献４では、極性を反転させたバイアス磁界を印加し、出力の差を取ることでオフセットをキャンセルしている。しかし、この方式では、出力が磁界に対し線対称であるデバイスには有効であるが、原点に対し点対称である直交フラックスゲート方式に適用することはできない。

また、特許文献５では、偶数本の対をなす磁性体にそれぞれ検出コイルを巻回して２組の素子を形成し、２組の検出コイルが励起電流による励起磁界によって発生する誘起電圧をキャンセルするように接続した磁気センサを開示している。しかし、この方式では、磁性体および検出コイルを２組以上設けることが必要であり、センサ構成が大きくなる問題がある。
特許第３５７２４５７号公報 特許第３４９４９４７号公報 特開２００３−２１５２２０号公報 特開２００２−１８１９０８号公報 特開２００５−３１５８１２号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、直交フラックスゲート方式の磁気センサにおいて、簡単な構成でオフセット電圧をキャンセルすることが可能な磁界の検出方法、磁界検出用集積回路および磁気センサモジュールを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、軟磁性体および検出コイルを備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサを用いた磁界の検出方法であって、前記軟磁性体へパルス電流を通電したとき、前記パルス電流の立ち上がり波形に対応する前記検出コイルの波高値および前記パルス電流の立ち下がり波形に対応する前記検出コイルの波高値を測定し、前記軟磁性体に印加された磁界を、前記両波高値の差分に基づいて検出することを特徴とする磁気センサを用いた磁界の検出方法を提供する。

また、本発明は、軟磁性体および検出コイルを備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサに用いられる磁界検出用集積回路であって、前記軟磁性体へパルス電流を通電したとき、前記パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期して、前記検出コイルの波高値を検出するとともに、それぞれの波高値を保持する機能を有することを特徴とする磁界検出用集積回路を提供する。

また、本発明は、軟磁性体および検出コイルを備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサと、前記軟磁性体へパルス電流を通電したとき、前記パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期して、前記検出コイルの波高値を検出するとともに、それぞれの波高値を保持する機能を有する磁界検出用集積回路を備えることを特徴とする磁気センサモジュールを提供する。

本発明によれば、パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形を利用することにより、直交フラックスゲート方式の磁気センサにおいて、簡単な構成でオフセット電圧をキャンセルすることが可能になる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図３は、本発明の磁界検出方法の一形態例を示す説明図である。図３に示す磁気センサ１０は、軟磁性体１１および検出コイル１３を備え、軟磁性体１１には、磁性体用電極パッド１２を通じて接続されたパルス電源１５よりパルス電流が供給され、検出コイル１３に誘起された電圧は、コイル用電極パッド１４を通じて接続されたオシロスコープ１６により電圧波形が測定されるものであり、図１に示す構成と同様である。
また、図３の下側に記載されたグラフ中、入力（Ｉｎｐｕｔ）とは、パルス電源１５より供給されるパルス電流の波形であり、出力（Ｏｕｔｐｕｔ）とは、検出コイル１３に誘起される電圧の波形である。

本形態例においては、図３に示すように、軟磁性体１１へパルス電流を通電したとき、パルス電流の立ち上がり波形に対応する検出コイル１３の波高値Ｖ_０と、パルス電流の立ち下がり波形に対応する検出コイル１３の波高値Ｖ_１を測定する。立ち上がりの波高値Ｖ_０の代表値としては、例えば最大値を採用することができる。また、立ち下がりの波高値Ｖ_１の代表値としては、例えば最小値を採用することができる。

そして、立ち上がり波形に対応する波高値Ｖ_０と立ち下がり波形に対応する波高値Ｖ_１の差分を取り、この差分値に基づいて検出する。両波高値の差分は、Ｖ_０−Ｖ_１またはＶ_１−Ｖ_０のいずれでも良いが、あらかじめいずれかに決定しておく必要がある。
軟磁性体１１に印加された磁界を検出するためには、例えば、両波高値Ｖ_０，Ｖ_１の差分を感度で除算することで、軟磁性体１１に印加された磁界の大きさ（符号を含む。）を求めることができる。なお、両波高値Ｖ_０，Ｖ_１の差分を絶対値｜Ｖ_０−Ｖ_１｜として求めることで、磁界の大きさの絶対値を求めるようにすることもできる。

図４は、波高値の差分をＶ_０−Ｖ_１で求めた場合の測定例である。図４から分かるように、立ち上がり波形に対応する検出コイル１３の波高値Ｖ_０および立ち下がり波形に対応する検出コイル１３の波高値Ｖ_１がいずれもほぼ直線性を示す範囲であれば、その差分もほぼ直線性を示し、磁界の検出に利用することが可能である。

磁気センサの軟磁性体としては、導電性を有する線状、帯状あるいは棒状の磁性体素子を用いることができる。このような軟磁性体としては、例えば帯状やメアンダ形状等の形状を有する薄膜磁性体素子が挙げられる。

磁気センサの検出コイルとしては、軟磁性体の周囲または近傍に配され、センサ出力を取り出すために用いられる。検出コイルは、特に限定されるものではなく、従来のフラックスゲートセンサに用いられるものと同様のものを用いることができる。

軟磁性体の周囲に検出コイルを配する場合は、導線を軟磁性体の周囲に巻いて形成したコイルが挙げられる。また、図５に示すように、軟磁性体１１より上側の絶縁層１７ａに配された第１の導体層１３ａと、下側の絶縁層１７ｂに配された第２の導体層１３ｂと、第１の導体層１３ａの一方の端と第２の導体層１３ｂの一方の端とを接続する貫通配線と、第１の導体層１３ａの他方の端と第２の導体層１３ｂの他方の端とを接続する貫通配線とにより、軟磁性体１１の周囲に配されたコイル１３を形成しても良い。
軟磁性体の近傍に検出コイルを配する場合は、軟磁性体より上側の層または下側の層に、スパイラルコイルなどの薄膜コイルを形成しても良い。

層間絶縁層１７ａ，１７ｂは、軟磁性体１１とコイル１３の間を絶縁する絶縁体１７を構成するものであり、材質は１種または２種以上を適宜選択して用いることが可能であるが、例えば、プラズマＣＶＤ法によるシリコン酸化膜等の酸化膜や樹脂等の有機絶縁膜などにより構成することが可能である。
基板１８としては、例えば酸化膜付きのシリコン（Ｓｉ）基板、ガラス基板、セラミック基板等の非磁性基板を用いることができる。

また、本発明の機能を磁気センサに組み込む方法として、例えば図７に示すように、軟磁性体２１へパルス電流を通電したとき、パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期して、検出コイル２３の波高値を検出するとともに、それぞれの波高値を保持する機能を有することを特徴とする磁界検出用集積回路２７を用いる方法が挙げられる。

磁界検出用集積回路２７がパルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期した制御を行う方法としては、パルス電流の電流値を時間微分してその微分値を所定のしきい値と比較し、微分値が正の所定値以上になったときをパルスの立ち上がりとして検出するとともに、微分値が負の所定値以下になったときをパルスの立ち下がりとして検出する方法が挙げられる。パルス電流は、立ち上がりおよび立ち下がりが急峻であるため、当該集積回路（ＩＣ）における検出が容易になるという利点がある。

磁界検出用集積回路２７により両波高値を測定するには、該ＩＣが、立ち上がりをトリガーとし、その際に検出コイル２３に誘起された電圧の波高値Ｖ_０を測定するとともに、立ち下がりをトリガーとし、その際に検出コイル２３に誘起された電圧の波高値Ｖ_１を測定する機能を備えるものとすることができる。また、検出コイルの出力電圧の最大値および最小値を検出することにより、立ち上がりに対応する波高値Ｖ_０を最大値として、および立ち下がりに対応する波高値Ｖ_１を最小値として、それぞれピークホールドを行うことが可能である。
立ち上がり、立ち下がりの感度が異なる場合は、予め両者の感度を測定し出力値に乗算することにより、補正が可能である。

本形態例の磁気センサにおいては、磁気センサを小型化するため、軟磁性体２１および検出コイル２３を備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサ２０と、軟磁性体２１へパルス電流を通電したとき、パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期して、前記検出コイルの波高値を検出するとともに、それぞれの波高値を保持する機能を有する磁界検出用集積回路２７を備える磁気センサモジュール２８を構成することが好ましい。

磁界検出用集積回路２７は、磁性体用電極パッド２２を通じて軟磁性体２１にパルス電流を供給する駆動部２５と、コイル用電極パッド２４を通じて検出コイル２３から出力された誘起電圧を検出する検出部２６を備える。磁気センサ２０は、図５に示すように、非磁性基板上に軟磁性体および検出コイルを備えるものが好ましい。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

図５に示すように、チップサイズ約２．５ｍｍ×１．２ｍｍ×厚さ（ｔ）６２５μｍのシリコン（Ｓｉ）基板上に、つづら折れ状に形成されたＣｏＺｒＮｂと、それを挟み込むように形成された検出コイルを備える。磁性体は、スパッタ法とエッチングを組み合わせて作製し、ライン／スペース（Ｌ／Ｓ）は４０μｍ／２０μｍで、磁性体膜の厚さは約１μｍである。また、検出コイルは、銅（Ｃｕ）のメッキ法によって形成された導体層からなり、ライン／スペース（Ｌ／Ｓ）は２０μｍ／１５μｍで、コイルを構成する導体層の厚さは約１０μｍである。磁性体とコイルの間は、プラズマＣＶＤ法による酸化膜、もしくは樹脂等の樹脂膜などからなる層間絶縁膜によって電気的に絶縁されている。

この磁気センサ素子に対し、−２０〜２０（Ｏｅ）の磁界を印加しながら、パルス（電圧３Ｖ、パルス幅１００ｎｓ）電圧を印加し、パルス電圧（パルス電流）の立ち上がりおよび立ち下がりに対応した検出コイルからの波高値（立ち上がり時の最大値、立ち下がり時の最小値）をオシロスコープにより測定した。立ち上がりに対応した波高値Ｖ_０と、立ち下がりに対応した波高値Ｖ_１との差分（Ｖ_０−Ｖ_１）をとったところ、図６（ａ）に示す値を得た。

次に、時間的変化等の要因により、オフセット値がずれたことを想定し、１００ｍＶのオフセット値を与えた状態で、−２０〜２０（Ｏｅ）の磁界を印加しながら、パルス（電圧３Ｖ、パルス幅１００ｎｓ）電圧を印加し、立ち上がりおよび立ち下がりに対応した検出コイルからの波高値（立ち上がり時の最大値、立ち下がり時の最小値）をオシロスコープにより測定した。このときの測定値の差分（Ｖ_０−Ｖ_１）をとったところ、図６（ｂ）に示す値を得た。

さらに、−１００ｍＶのオフセット値を与えた状態で、−２０〜２０（Ｏｅ）の磁界を印加しながら、パルス（電圧３Ｖ、パルス幅１００ｎｓ）電圧を印加し、立ち上がりおよび立ち下がりに対応した検出コイルからの波高値（立ち上がり時の最大値、立ち下がり時の最小値）をオシロスコープにより測定した。このときの測定値の差分（Ｖ_０−Ｖ_１）をとったところ、図６（ｃ）に示す値を得た。

オフセット電圧が０ｍＶのときの結果である図６（ａ）、＋１００ｍＶのオフセット電圧を与えたときの結果である図６（ｂ）、−１００ｍＶのオフセット電圧を与えたときの結果である図６（ｃ）の比較から、立ち上がりに対応する出力電圧および立ち下がりに対応する出力電圧は、オフセット電圧の大きさ（すなわち、人為的なオフセット値の変動）により、測定値に変動が生じたが、差分による出力電圧は、オフセット電圧を変化させても、変化がないことが確認された。

本発明は、直交フラックスゲート方式の磁気センサとして、高感度で小型の各種磁気センサに好適に利用することができる。

直交フラックスゲート方式の磁気センサを用いた従来の磁界検出方法を示す説明図である。 従来の直交フラックスゲート方式の磁気センサによって得られる電圧−磁界（Ｖ−Ｈ）特性の一例を示すグラフである。 直交フラックスゲート方式の磁気センサを用いた本発明の磁界検出方法を示す説明図である。 波高値およびその差分の測定例を示すグラフである。 （ａ）は、磁気センサの要部を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。 出力電圧の測定結果の一例であり、（ａ）はオフセット電圧が０ｍＶのときの結果を、（ｂ）は１００ｍＶのオフセット電圧を与えたときの結果を、（ｃ）は−１００ｍＶのオフセット電圧を与えたときの結果を、それぞれ示すグラフである。 本発明の磁気センサの一形態例を示す概略構成図である。

符号の説明

Ｖ_０…パルス電流の立ち上がり波形に対応する波高値、Ｖ_１…パルス電流の立ち下がり波形に対応する波高値、１０，２０…磁気センサ、１１，２１…軟磁性体、１２，２２…磁性体用電極パッド、１３，２３…検出コイル、１４，２４…コイル用電極パッド、１５…駆動電源（パルス電源）、１６…検出装置（オシロスコープ）、２５…駆動部、２６…検出部、２７…磁界検出用集積回路（検出用ＩＣ）、２８…磁気センサモジュール。

Claims (3)

1. 軟磁性体および検出コイルを備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサを用いた磁界の検出方法であって、
   前記軟磁性体へパルス電流を通電したとき、前記パルス電流の立ち上がり波形に対応する前記検出コイルの波高値および前記パルス電流の立ち下がり波形に対応する前記検出コイルの波高値を測定し、前記軟磁性体に印加された磁界を、前記両波高値の差分に基づいて検出することを特徴とする磁気センサを用いた磁界の検出方法。
2. 軟磁性体および検出コイルを備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサに用いられる磁界検出用集積回路であって、
   前記軟磁性体へパルス電流を通電したとき、前記パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期して、前記検出コイルの波高値を検出するとともに、それぞれの波高値を保持する機能を有することを特徴とする磁界検出用集積回路。
3. 軟磁性体および検出コイルを備えた直交フラックスゲート方式の磁気センサと、
   前記軟磁性体へパルス電流を通電したとき、前記パルス電流の立ち上がり波形および立ち下がり波形に同期して、前記検出コイルの波高値を検出するとともに、それぞれの波高値を保持する機能を有する磁界検出用集積回路を備えることを特徴とする磁気センサモジュール。

Images