JP2009133789A - 磁気センサを用いた外部磁界の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高精度に磁気を検出することが可能な磁気センサを用いた外部磁界の測定方法を提供する。
【解決手段】外部磁界により磁気特性が変化する感磁体と、感磁体に電流を供給する駆動回路と、感磁体の磁気特性の変化を電圧の変化として誘起する検出コイルと、検出コイルに誘起された電圧の大きさである誘起電圧値をサンプルホールドするサンプルホールド回路を備えた磁気センサを用いて、誘起電圧値に基づき外部磁界Ｈ_ｅｘｔの大きさを測定する際、駆動回路から感磁体に供給される電流Ｉは、通電方向が第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する波形を有するパルス電流であり、サンプルホールド回路は、通電方向が第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する期間のうち第２の方向に反転しているときに同期して誘起電圧値をサンプルホールドする。
【選択図】図４

Description

本発明は、高精度に磁気を検出することが可能な磁気センサを用いた外部磁界の測定方法に関する。

微小な磁界を高精度に検出する磁気センサとして、磁気インピーダンス効果素子（ＭＩ素子）を利用したＭＩセンサがある。ＭＩセンサは、ＭＩ素子の感磁体であるアモルファスワイヤや磁性体薄膜の周囲または近傍に検出コイルを配置して、直交フラックスゲートセンサのように使用することがある。具体的には、ＭＩ素子に矩形パルスのような高周波パルス電流を印加した状態で、感磁体に外部磁界がかかると、その外部磁界に応じた磁化の回転が起こり、検出コイルに誘起電圧が生じる。この誘起電圧の大きさを、例えばサンプルホールド回路を用いて測定することにより、感磁体にかかった外部磁界の大きさを測定することができる。

このタイプの磁気センサの精度を向上させるために、帰還回路を利用したり、通電電流の遮断に同期して誘起電圧を測定する（例えば特許文献１を参照）等の方法が取られてきた。
特許第３８０１１９４号公報

通電電流の遮断に同期して誘起電圧を測定する場合、図１に示すように、磁化の向きが一方向に揃っている通電状態（図１（ａ）参照）から、電流遮断により一斉に磁化の回転が起こる（図１（ｂ）参照）ので、リニアリティやヒステリシスが向上すると考えられる。遮断とは逆に、電流印加のタイミングで誘起電圧を測定する場合は、磁化の向きが統一されていない無通電状態（図２（ａ）参照）から、電流印加により磁化の回転が起こる（図２（ｂ）参照）ので、リニアリティやヒステリシスが悪い。

しかし、パルス電流の遮断に同期して誘起電圧を測定する場合、磁化の向きの初期状態は通電により一方向に揃っている状態となるが、遮断後の磁化の状態は統一されていない。よって、より高い精度を求める場合には限界がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より高精度に磁気を検出することが可能な磁気センサを用いた外部磁界の測定方法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、外部磁界により磁気特性が変化する感磁体と、前記感磁体に電流を供給する駆動回路と、前記感磁体の周囲または近傍に配され、前記感磁体の磁気特性の変化を電圧の変化として誘起する検出コイルと、前記検出コイルに誘起された電圧の大きさである誘起電圧値をサンプルホールドするサンプルホールド回路を備えた磁気センサを用いて、前記誘起電圧値に基づき、外部磁界の大きさを測定する方法であって、前記駆動回路から前記感磁体に供給される電流は、通電方向が第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する波形を有するパルス電流であり、前記サンプルホールド回路は、前記通電方向が前記第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する期間のうち前記第２の方向に反転しているときに同期して前記誘起電圧値をサンプルホールドするものであることを特徴とする磁気センサを用いた外部磁界の測定方法を提供する。
本発明において、前記パルス電流は、前記通電方向が逆転される前および後において前記感磁体が単磁区構造となる電流値をとる波形を有するものであることが好ましい。

本発明によれば、通電方向が逆転する波形を有するパルス電流を印加し、かつ通電方向が反転したときのタイミングで誘起電圧を測定するので、通電方向が逆転する際の磁化の回転が統一されているため、リニアリティ、ヒステリシス、感度を向上することができる。また、リニアリティ、ヒステリシス、感度が向上するので、印加する電流値を小さくして消費電力を下げることも可能である。

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、本発明で用いられるパルス電流の波形の一例を示す図であり、図４（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ図３に示す波形のａ〜ｇの各点における感磁体の磁化の向きを模式的に表す図であり、図５は、図３に示す波形のＡ〜Ｆの各点における誘起電圧の大きさを模式的に表す図である。

本発明で用いる磁気センサは、外部磁界により磁気特性が変化する感磁体と、前記感磁体に電流を供給する駆動回路と、前記感磁体の周囲または近傍に配され、前記感磁体の磁気特性の変化を電圧の変化として誘起する検出コイルと、前記検出コイルに誘起された電圧の大きさである誘起電圧値をサンプルホールドするサンプルホールド回路を少なくとも備えるものである。

磁気センサの感磁体としては、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。このような感磁体としては、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、感磁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。
感磁体の周囲に検出コイルを配する場合は、導線を感磁体の周囲に巻いて形成したコイルが挙げられる。また、感磁体より上側の層に配された第１の導体層と、下側の層に配された第２の導体層と、第１の導体層の一方の端と第２の導体層の一方の端とを接続する貫通配線と、第１の導体層の他方の端と第２の導体層の他方の端とを接続する貫通配線とにより、感磁体の周囲に配されたコイルを形成しても良い。
感磁体の近傍に検出コイルを配する場合は、感磁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。

磁気センサの駆動回路としては、通電方向が第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する波形を有するパルス電流を感磁体に供給（印加）することが可能なものが用いられる。そして、サンプルホールド回路としては、通電方向が第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する期間のうち第２の方向に反転しているときに同期して、検出コイルの誘起電圧値をサンプルホールドするものが用いられる。

本発明の測定方法は、誘起電圧値に基づき外部磁界の大きさを測定する方法であって、上述の磁気センサを用いることにより、パルス電流の通電方向が逆転する際、通電方向が反転したときに同期して、検出コイルの誘起電圧値を測定する。例えば図３に示すように、通電方向が逆転される波形を有するパルス電流を感磁体に印加することにより、測定の際、磁化回転の開始時と終了時の磁化の向きをそれぞれ統一することができる。通電方向が逆転する波形とは、第１の方向から第２の方向へ逆転する途中で電流値がゼロになる時が存在する波形であれば特に限定されず、図３や図１０に示すように、負の電流値から正の電流値へと逆転する波形でも良く、図１１に示すように、正の電流値から負の電流値へと逆転する波形でも良い。

図４は、通電方向が逆転する波形を有するパルス電流を感磁体に印加したときの感磁体における磁化の動きを示す図である。図４の（ａ）から（ｇ）は、それぞれ図３に示す波形の点ａからｇに対応する。初期状態（ａ）は、無通電状態である。このため、磁化の向きは、図４（ａ）に示すように、外部磁界Ｈ_ｅｘｔの方向（図４では下から上に向かう方向）に傾きながらも左右の向きが統一されていない。

次に、第１の方向に電流（図４（ｂ）の下向きの電流Ｉ）を通じると、電流によって磁化の向きは一方向（図４（ｂ）では左向き）に統一される。次に、第１の方向とは逆である第２の方向に電流（図４（ｆ）の上向きの電流Ｉ）を通じると、この逆向きの電流によって磁化の向きは逆方向（図４（ｆ）では右向き）へと一斉に回転する。このときの磁化の回転方向は外部磁界Ｈ_ｅｘｔの方向によって決まり、例えば図４に示すように、下から上へと外部磁界Ｈ_ｅｘｔがある場合は、磁化は、図４（ｄ）に示すように外部磁界Ｈ_ｅｘｔと同じく上向きとなる状態を経て、一定の方向（図４では右回り）に回転する。逆に、上から下へと外部磁界Ｈ_ｅｘｔがある場合は、磁化は外部磁界Ｈ_ｅｘｔと同じく下向きとなる状態を経て、一定の方向に回転する。終了後は無通電状態に戻り、図４（ｇ）に示すように、外部磁界Ｈ_ｅｘｔの方向（図４では下から上に向かう方向）に傾きながらも左右の向きが統一されていない状態となる。

図５は、通電方向が逆転する波形を有するパルス電流を感磁体に印加したときに、検出コイルへ誘起される電圧の変化を示す図である。図５中、ＡからＦおよびｄの各点は、図３に示す波形のＡ〜Ｆおよびｄの各点に対応し、「Ａ→Ｂ」は、無通電状態から第１の方向が印加される間のピークを、「Ｃ→ｄ」は、第１の方向からゼロ電流に向かう間のピークを、「ｄ→Ｄ」は、ゼロ電流から第２の方向に向かう間のピークを、「Ｅ→Ｆ」は、第２の方向から無通電状態に戻る間のピークを、それぞれ表している。

パルス電流の通電方向が逆転する前後においては、第１の方向からゼロ電流に向かうＣ→ｄでは、磁化の向きは、図４の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように回転する。この回転時に、図４（ｃ）に示すように上方向への磁束Φが発生し、図５のＣ→ｄの誘起電圧を生じさせる。また、ゼロ電流から第２の方向に向かう（反転する）ｄ→Ｄでは、磁化の向きは、図４の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すように回転する。この回転時に、図４（ｅ）に示すように下方向への磁束Φが発生し、図５のｄ→Ｄの誘起電圧を生じさせる。このときのピークＣ→ｄまたはｄ→Ｄに基づいて外部磁界を検出すると、非常に高いリニアリティ特性とヒステリシス特性が得られる。

このように、通電方向を逆転するタイミングで誘起電圧を測定することにより、通電方向が逆転する際の磁化の回転が、開始から終了まで統一されているため、リニアリティおよびヒステリシスとともに、感度（単位磁界変化に対する誘起電圧の変化量）を向上することができる。また、リニアリティ、ヒステリシス、感度が向上するので、印加する電流値を小さくして消費電力を下げることも可能である。

通電方向を逆転するタイミングで誘起電圧を測定する方法としては、第１の方向からゼロに向かうとき（図３から図５におけるＣ→ｄ）に同期して誘起電圧値をサンプルホールドする方法、ゼロから第２の方向に向かうとき（図３から図５におけるｄ→Ｄ）に同期して誘起電圧値をサンプルホールドする方法、第１の方向から第２の方向に向かうとき（図３から図５におけるＣ→ｄ→Ｄ）に同期して誘起電圧値をサンプルホールドする方法が考えられる。これらはいずれを採用することもできる。
本発明においては、第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する期間のうち第２の方向に反転しているとき、すなわち、ゼロから第２の方向に向かうとき（図３から図５におけるｄ→Ｄ）に同期して誘起電圧値をサンプルホールドする。

パルス電流の波形は、通電方向の逆転が起こる前において感磁体が単磁区構造となる電流値をとるものであることが好ましい。これにより、磁化回転前の感磁体が単磁区構造となるので、リニアリティ、ヒステリシス、感度をさらに向上することができる。図３に示す場合では、通電方向の逆転が起こる前の電流値とは、点Ｂから点Ｃにおける電流値である。

また、パルス電流の波形は、通電方向の逆転後において感磁体が単磁区構造となる電流値をとるものであることが好ましい。これにより、磁化回転後の感磁体が単磁区構造となるので、リニアリティ、ヒステリシス、感度をさらに向上することができる。図３に示す場合では、通電方向の逆転後の電流値とは、点Ｄから点Ｅにおける電流値である。
さらに好ましくは、通電方向が逆転される前および逆転後（図３では、Ｂ→ＣおよびＤ→Ｅ）において感磁体が単磁区構造となる電流値をとるものであることが望ましい。

感磁体が単磁区構造となる電流値は、カー効果顕微鏡やビッター法などを利用することで確認することができる。
電流値の符号が負の場合は、感磁体が単磁区構造となる最大の電流値を求め、この負の最大電流値以下の電流値を採用することにより、感磁体が単磁区構造となる電流値を得ることができる。また、電流値の符号が正の場合は、感磁体が単磁区構造となる最小の電流値を求め、この正の最小電流値以上の電流値を採用することにより、感磁体が単磁区構造となる電流値を得ることができる。

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６から図９は、外部磁界に対する誘起電圧値を測定した結果の一例を示すグラフである。

図６は、電流印加のタイミングで磁気検出を行う方法、すなわち一方向に通電して立ち上がりのタイミングで誘起電圧を測定した結果である。このときの電流値の変化は０ｍＡから１５０ｍＡで、感度は２２ｍＶ／Ｏｅであった。

図７は、特許文献１と同様に、電流遮断のタイミングで磁気検出を行う方法、すなわち一方向に通電して立ち下がりのタイミングで誘起電圧を測定した結果である。このときの電流値の変化は１５０ｍＡから０ｍＡで、感度は２４ｍＶ／Ｏｅであった。

図８および図９は、本発明の電流逆転のタイミングで磁気検出を行う方法、すなわち通電方向を第１の方向から第２の方向に逆転させ、ゼロ電流から第２の方向に反転しているときに誘起電圧を測定した結果である。図８の例では電流値の変化は−７５ｍＡから７５ｍＡで、感度は３０ｍＶ／Ｏｅであった。図９の例では電流値の変化は−７５ｍＡから１５０ｍＡで、感度は５７ｍＶ／Ｏｅであった。

図７に示すように電流遮断のタイミングで磁気検出を行う方法は、図６に示すように電流印加のタイミングで磁気検出を行う方法に比べ、リニアリティ特性およびヒステリシス特性がともに優れているが、図８に示すように、通電方向を逆転させ、反転のタイミングで磁気検出を行う方法では、リニアリティ特性およびヒステリシス特性がさらに向上しており、感度も上昇している。図８の例における反転後の電流値（７５ｍＡ）は、図６，図７の電流値（１５０ｍＡ）の半分であるが、驚くべきことに、より高い感度が得られたのである。また、反転後の電流値を図６，図７に示す例と同じ１５０ｍＡまで上げた図９の例では、感度は、図６，図７の３倍近くにも上昇した。

このような磁気センサは、通電する電流値が高いほど高感度になるが、必要な感度、リニアリティおよびヒステリシス特性が得られる場合、通電電流値を落とすことも可能であり、消費電力も従来より低減することが可能になると考えられる。

本発明は、高精度に磁気を検出することが可能な磁気センサに利用することができる。

従来の電流遮断のタイミングで磁気検出を行う方法を説明する図である。 電流印加のタイミングで磁気検出を行う方法を説明する図である。 本発明で用いられるパルス電流の波形の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｇ）は、それぞれ図３に示す波形のａ〜ｇの各点における感磁体の磁化の向きを模式的に表す図である。 図３に示す波形のＡ〜Ｆの各点における誘起電圧の大きさを模式的に表す図である。 電流印加のタイミングで磁気検出を行う方法における磁界−電圧特性の一例を示すグラフである。 電流遮断のタイミングで磁気検出を行う方法における磁界−電圧特性の一例を示すグラフである。 通電方向を逆転させ、反転のタイミングで磁気検出を行う方法における磁界−電圧特性の一例を示すグラフである。 通電方向を逆転させ、反転のタイミングで磁気検出を行う方法における磁界−電圧特性の別の例を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明で用いられるパルス電流の波形の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明で用いられるパルス電流の波形の別の例を示す図である。

符号の説明

Ｈ_ｅｘｔ…外部磁界、Ｉ…電流、Φ…磁束。

Claims (2)

1. 外部磁界により磁気特性が変化する感磁体と、前記感磁体に電流を供給する駆動回路と、前記感磁体の周囲または近傍に配され、前記感磁体の磁気特性の変化を電圧の変化として誘起する検出コイルと、前記検出コイルに誘起された電圧の大きさである誘起電圧値をサンプルホールドするサンプルホールド回路を備えた磁気センサを用いて、前記誘起電圧値に基づき、外部磁界の大きさを測定する方法であって、
   前記駆動回路から前記感磁体に供給される電流は、通電方向が第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する波形を有するパルス電流であり、前記サンプルホールド回路は、前記通電方向が前記第１の方向からその反対である第２の方向に逆転する期間のうち前記第２の方向に反転しているときに同期して前記誘起電圧値をサンプルホールドするものであることを特徴とする磁気センサを用いた外部磁界の測定方法。
2. 前記パルス電流は、前記通電方向が逆転される前および後において前記感磁体が単磁区構造となる電流値をとる波形を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサを用いた外部磁界の測定方法。