JP2010107460A - Magnetic sensor control circuit and magnetometric field measuring device - Google Patents

Magnetic sensor control circuit and magnetometric field measuring device Download PDF

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Hirohisa Suzuki
裕久 鈴木
Kazuo Hasegawa
和男 長谷川
Takashi Takagi
尚 高木
Kiyo Hirobe
希世 廣部
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Alps Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain both high-resolution and high-accuracy measurement and extension of dynamic range in a magnetic field device. <P>SOLUTION: Within the measurement range of magnetic field that is set in the linear area of input/output characteristic of a magnetometric sensor 8, an ADC comprised of a ΔΣ modulator 22 and a digital filter 24 converts the output of the magneto sensor 8 into magnetic field measurement data D<SB>M</SB>with high resolution. A bias magnetic field is applied to the magnetometric sensor 8 through a coil 10 so as to shift the measurement range of magnetic field. Driving current given to the coil 10 is discretely changed by current DAC 28. The moving step of magnetic field measurement range caused by a change in bias magnetic field is set larger than the resolution of magnetic field strength by the ADC. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気センサを含む磁気センサユニットを制御する磁気センサ制御回路、及び当該磁気センサ制御回路を用いた磁界測定装置に関する。   The present invention relates to a magnetic sensor control circuit that controls a magnetic sensor unit including a magnetic sensor, and a magnetic field measurement apparatus using the magnetic sensor control circuit.

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。   When performing azimuth measurement electronically, a magnetic sensor that detects an external magnetic field such as geomagnetism is used. A technique is known in which an alternating magnetic field is applied to a magnetic sensor and a voltage output from the magnetic sensor when the alternating magnetic field is applied when the orientation is obtained using the magnetic sensor.

この技術においては、外部磁界に応じて内部抵抗が変化する磁気抵抗素子を含む磁気センサが用いられる。磁気センサは磁気抵抗素子を含むブリッジ回路で構成され、ブリッジ回路に印加する電圧の極性に応じて、当該ブリッジ回路の出力信号の極性が切り替わる。   In this technique, a magnetic sensor including a magnetoresistive element whose internal resistance changes according to an external magnetic field is used. The magnetic sensor is composed of a bridge circuit including a magnetoresistive element, and the polarity of the output signal of the bridge circuit is switched according to the polarity of the voltage applied to the bridge circuit.

このような磁気センサは例えば、電子方位計として携帯電話などに搭載される。ここで、携帯電話に搭載される電子部品、例えばスピーカなどから発生する地磁気以外の磁界は地磁気に対するオフセット磁界となり地磁気の検出を妨げる。このようなオフセット磁界の影響を除去するために、磁気センサユニットには磁気センサにバイアス磁界を印加するコイルが設けられ、当該コイルに流す電流を調整してオフセット磁界をキャンセルする。
特開2007−271599号公報
Such a magnetic sensor is mounted on, for example, a mobile phone as an electronic azimuth meter. Here, a magnetic field other than the geomagnetism generated from an electronic component mounted on the mobile phone, for example, a speaker or the like, becomes an offset magnetic field with respect to the geomagnetism and prevents the detection of the geomagnetism. In order to remove the influence of such an offset magnetic field, the magnetic sensor unit is provided with a coil for applying a bias magnetic field to the magnetic sensor, and the current flowing through the coil is adjusted to cancel the offset magnetic field.
JP 2007-271599 A

検出対象の磁界は地磁気などの微弱な磁界であり得るのに対し、オフセット磁界は比較的大きな強度を有し得る。磁気センサの出力電圧は、印加磁界が比較的小さい範囲では線形な特性を示すが、印加磁界が大きくなると線形性が低下する。そのため、オフセット磁界が大きい場合、磁界測定値の線形性が低下するという問題がある。この問題は、上述のようにバイアス磁界によりオフセット磁界を好適にキャンセルできれば解決し得る。   The magnetic field to be detected can be a weak magnetic field such as geomagnetism, while the offset magnetic field can have a relatively large intensity. The output voltage of the magnetic sensor exhibits a linear characteristic in a range where the applied magnetic field is relatively small, but the linearity decreases as the applied magnetic field increases. Therefore, when the offset magnetic field is large, there is a problem that the linearity of the magnetic field measurement value is lowered. This problem can be solved if the offset magnetic field can be suitably canceled by the bias magnetic field as described above.

ここで、バイアス磁界を発生するコイルに流す電流を調整し、また調整された電流を維持する上で、DA変換器(DAC:Digital to Analog Converter)を用いて当該電流を生成する回路が用いられる。しかし、回路規模の抑制やコスト低減の要請から、DACのビット数は比較的小さな値に制限される。そのため、オフセット磁界を精度良くキャンセルしようとするとDACはその入力データの1ステップ当たりの出力電流の変化量を小さくする必要があり、その結果、調整可能範囲が小さくなり、大きなオフセット磁界に対応できないという問題がある。   Here, a circuit that generates a current using a DA converter (DAC: Digital to Analog Converter) is used to adjust the current flowing through the coil that generates the bias magnetic field and to maintain the adjusted current. . However, the number of DAC bits is limited to a relatively small value because of the demand for circuit size reduction and cost reduction. For this reason, if the offset magnetic field is to be canceled with high accuracy, the DAC needs to reduce the amount of change in the output current per step of the input data. As a result, the adjustable range becomes small and it cannot cope with a large offset magnetic field. There's a problem.

また、DACを用いて生成した電流は、DACを構成するMOSFETなどのトランジスタに起因するフリッカノイズ(1/fノイズ)を含んでいる。さらに、磁気センサや信号処理回路にて、磁気センサからの出力信号にオフセットノイズが生じ得る。これらのノイズが分解能の低下をもたらすという問題があった。   Further, the current generated using the DAC includes flicker noise (1 / f noise) caused by a transistor such as a MOSFET constituting the DAC. Furthermore, offset noise may occur in the output signal from the magnetic sensor in the magnetic sensor or signal processing circuit. There is a problem that these noises cause a reduction in resolution.

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、高分解能とダイナミックレンジの拡大を可能とすると共に、オフセット磁界だけでなく、フリッカノイズ等に起因するオフセットノイズの影響をも除去して高精度の磁界測定を可能とする磁気センサ制御回路、及び磁界測定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and enables high resolution and dynamic range expansion, and eliminates not only the offset magnetic field but also the effect of offset noise caused by flicker noise and the like. It is an object of the present invention to provide a magnetic sensor control circuit and a magnetic field measuring apparatus that enable highly accurate magnetic field measurement.

本発明に係る磁気センサ制御回路は、入出力特性において外部磁界の強度に応じ線形に変化する磁界計測信号を発生する線形領域を有すると共に、印加電圧の極性に応じて前記磁界計測信号の極性が切り替わる磁気センサと、前記磁気センサの計測位置に駆動信号に応じた強度のバイアス磁界を発生し、前記外部磁界の強度軸上での前記線形領域の位置をシフトさせるバイアス磁界発生手段とを含む磁気センサユニットに用いられる回路であって、前記バイアス磁界発生手段に供給する前記駆動信号を生成する回路であり、当該駆動信号の強度を離散的に設定することにより、前記外部磁界の強度軸上にて所定の設定ステップずつずれた複数の設定位置のいずれかを選択して、当該選択した設定位置に前記線形領域に包含される磁界計測範囲を配置する計測範囲設定回路と、前記磁界計測範囲にて得られる前記磁界計測信号をデジタルデータに変換し、前記磁界計測範囲における磁界強度を前記設定ステップより高い分解能で表現する磁界計測データを生成するAD変換器(ADC:Analog to Digital Converter)と、前記印加電圧の極性を切り換える制御部と、前記印加電圧を第1極性に設定して得られる第1の前記磁界計測データと、前記印加電圧を第2極性に設定して得られる第2の前記磁界計測データとを減算して前記外部磁界の測定値を求めるデータ合成手段と、を有するものである。   The magnetic sensor control circuit according to the present invention has a linear region that generates a magnetic field measurement signal that changes linearly according to the strength of the external magnetic field in input / output characteristics, and the polarity of the magnetic field measurement signal depends on the polarity of the applied voltage. A magnetic sensor comprising: a switching magnetic sensor; and a bias magnetic field generating means for generating a bias magnetic field having a strength corresponding to a drive signal at a measurement position of the magnetic sensor and shifting the position of the linear region on the strength axis of the external magnetic field. A circuit used in a sensor unit, which generates the drive signal to be supplied to the bias magnetic field generating means. By discretely setting the intensity of the drive signal, on the intensity axis of the external magnetic field. Magnetic field measurement range included in the linear region at the selected setting position by selecting any of a plurality of setting positions shifted by a predetermined setting step. A measurement range setting circuit to be arranged and the magnetic field measurement signal obtained in the magnetic field measurement range are converted into digital data, and magnetic field measurement data expressing the magnetic field strength in the magnetic field measurement range with higher resolution than the setting step is generated. An AD converter (ADC: Analog to Digital Converter), a control unit for switching the polarity of the applied voltage, the first magnetic field measurement data obtained by setting the applied voltage to the first polarity, and the applied voltage Data synthesizing means for subtracting the second magnetic field measurement data obtained by setting the second polarity to obtain the measurement value of the external magnetic field.

また、本発明に係る磁界測定装置は、上記磁気センサ制御回路と、前記磁気センサユニットとを有するものである。   The magnetic field measuring apparatus according to the present invention includes the magnetic sensor control circuit and the magnetic sensor unit.

本発明によれば、計測範囲設定回路は例えばDACを用いて構成され、当該計測範囲設定回路がバイアス磁界発生手段への駆動信号を離散的な強度で生成する。これにより、バイアス磁界も離散的な強度を有する。そのバイアス磁界の強度の設定ステップは磁界計測の所要分解能に比べて大きく設定される。これにより、磁気センサの線形領域を比較的少ない設定ステップ数で大きく移動させ、比較的広い磁界強度範囲に配置することができ、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。   According to the present invention, the measurement range setting circuit is configured using, for example, a DAC, and the measurement range setting circuit generates a drive signal to the bias magnetic field generation unit with discrete intensity. Thereby, the bias magnetic field also has a discrete strength. The step for setting the intensity of the bias magnetic field is set larger than the required resolution for magnetic field measurement. As a result, the linear region of the magnetic sensor can be moved greatly with a relatively small number of setting steps and can be arranged in a relatively wide magnetic field strength range, and the dynamic range can be expanded.

一方、磁界計測信号をデジタルデータに変換するADCは、線形領域が設定され得る磁界強度範囲の全体について量子化できる必要はなく、計測範囲設定回路により設定された或る位置における線形領域内の磁界計測範囲を量子化できればよい。すなわち、ADCは、比較的少ないビット数でも、バイアス磁界の設定ステップより微細なステップでの量子化を磁界強度に施すことができ、高分解能の磁界計測データを得ることができる。   On the other hand, an ADC that converts a magnetic field measurement signal into digital data need not be able to quantize the entire magnetic field strength range in which the linear region can be set, and the magnetic field in the linear region at a certain position set by the measurement range setting circuit. It suffices if the measurement range can be quantized. That is, the ADC can quantize the magnetic field strength in a finer step than the bias magnetic field setting step even with a relatively small number of bits, and can obtain high-resolution magnetic field measurement data.

さらに、磁気センサの印加電圧を反転させて得られる第1の磁界計測データと第2の磁界計測データとを減算することで、磁気センサやDAC等の回路に起因するオフセットノイズの影響が除去されるので、高精度の磁界測定が可能となる。   Further, by subtracting the first magnetic field measurement data and the second magnetic field measurement data obtained by inverting the applied voltage of the magnetic sensor, the influence of offset noise caused by circuits such as the magnetic sensor and the DAC is removed. Therefore, highly accurate magnetic field measurement is possible.

以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.

図1は、実施形態に係る磁気計測装置2の概略の回路構成図である。磁気計測装置2は、磁気センサユニット4と磁気センサ制御回路6とからなる。   FIG. 1 is a schematic circuit configuration diagram of a magnetic measurement device 2 according to the embodiment. The magnetic measuring device 2 includes a magnetic sensor unit 4 and a magnetic sensor control circuit 6.

磁気センサユニット4は、直交座標系(XYZ座標系)の3軸に対応して、3つの磁気センサ8(磁気センサ8x,8y,8z)を有する。磁気センサ8x,8y,8zはそれぞれ、外部磁界のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の成分を検出する。   The magnetic sensor unit 4 has three magnetic sensors 8 (magnetic sensors 8x, 8y, 8z) corresponding to the three axes of the orthogonal coordinate system (XYZ coordinate system). The magnetic sensors 8x, 8y, and 8z detect components of the external magnetic field in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, respectively.

各磁気センサ8は、抵抗素子Ra,Rb,Rc,Rdからなるブリッジ回路である。抵抗Ra,Rdは端子VIN1,VIN2の間に直列接続され、また、抵抗Rb,Rcも端子VIN1,VIN2の間に直列接続される。そして、抵抗Ra,Rdの接続点が出力端子VOUT1であり、抵抗Rb,Rcの接続点が出力端子VOUT2である。抵抗素子Ra,Rb,Rc,Rdのうち、磁気抵抗変化を示す素子はRa,Rcである。一方、Rb,Rdは固定抵抗である。このブリッジ回路の一対の入力端子VIN1,VIN2に電圧を印加すると、抵抗Ra,Rdで分圧された電圧が出力端子VOUT1に得られ、抵抗Rb,Rcで分圧された電圧が出力端子VOUT2に得られる。抵抗Ra,Rcは外部磁界により抵抗が変化するので、外部磁界に応じた電圧信号が、出力端子VOUT1,VOUT2から差動形式で出力される。また、Rb,Rdを磁気抵抗素子、Ra,Rcを固定抵抗素子としても、ブリッジ回路の差動出力であるため同様に動作する。 Each magnetic sensor 8 is a bridge circuit composed of resistance elements Ra, Rb, Rc, Rd. The resistors Ra and Rd are connected in series between the terminals V IN1 and V IN2 , and the resistors Rb and Rc are also connected in series between the terminals V IN1 and V IN2 . The connection point between the resistors Ra and Rd is the output terminal VOUT1 , and the connection point between the resistors Rb and Rc is the output terminal VOUT2 . Of the resistance elements Ra, Rb, Rc, and Rd, the elements that exhibit magnetoresistance change are Ra and Rc. On the other hand, Rb and Rd are fixed resistors. When a voltage is applied to the pair of input terminals V IN1 and V IN2 of this bridge circuit, a voltage divided by the resistors Ra and Rd is obtained at the output terminal VOUT1, and a voltage divided by the resistors Rb and Rc is output. Obtained at the terminal VOUT2 . Since the resistances of the resistors Ra and Rc are changed by an external magnetic field, voltage signals corresponding to the external magnetic field are output from the output terminals V OUT1 and V OUT2 in a differential format. Even if Rb and Rd are magnetoresistive elements and Ra and Rc are fixed resistance elements, they operate similarly because they are differential outputs of the bridge circuit.

磁気抵抗素子としては、磁界に対して対称性のある変化を示すものを用いる。このような磁気抵抗素子としては、MR(Magneto Resistance)素子、GIG(Granular In Gap)素子などが知られている。磁気計測装置2では例えば、MR素子の一種であるGMR(Giant Magneto Resistance)素子を抵抗Ra,Rcに用いる。   As the magnetoresistive element, an element exhibiting a symmetric change with respect to the magnetic field is used. As such a magnetoresistive element, an MR (Magneto Resistance) element, a GIG (Granular In Gap) element, and the like are known. In the magnetic measuring device 2, for example, a GMR (Giant Magneto Resistance) element which is a kind of MR element is used for the resistances Ra and Rc.

磁気センサ8には、コイル10が併設される。コイル10は、バイアス磁界発生手段であり、供給される電流に応じた強度のバイアス磁界を抵抗Ra,Rcに及ぼし、それらの抵抗を変化させることができる。   The magnetic sensor 8 is provided with a coil 10. The coil 10 is bias magnetic field generating means, and can apply a bias magnetic field having a strength corresponding to the supplied current to the resistors Ra and Rc and change the resistances.

スイッチSWX1,SWY1,SWZ1は、3つの磁気センサ8のいずれか1つの端子VIN1,VIN2に電圧印加を行うために設けられている。 The switches SW X1 , SW Y1 , and SW Z1 are provided for applying a voltage to one of the terminals V IN1 and V IN2 of the three magnetic sensors 8.

磁気センサ8の端子VIN1,VIN2の一方には正電圧VCCが印加され、他方には接地電位GNDが印加される。この印加電圧の極性は、極性反転部12のスイッチSWS1〜SWS4により切り換えることができる。 The positive voltage VCC is applied to one of the terminals V IN1 and V IN2 of the magnetic sensor 8, and the ground potential GND is applied to the other. The polarity of the applied voltage can be switched by the switches SW S1 to SW S4 of the polarity inverting unit 12.

また、磁気センサ8xの出力端子VOUT1,VOUT2から磁気センサ制御回路6への信号線にはスイッチSWX2,SWX3が設けられ、同様に、磁気センサ8yの出力端子VOUT1,VOUT2にはスイッチSWY2,SWY3が設けられ、磁気センサ8zにはスイッチSWZ2,SWZ3が設けられる。これら出力端子に設けられたスイッチを切り換えて、3つの磁気センサ8のいずれか1つの出力信号を磁気センサ制御回路6へ入力させることができる。 The signal lines from the output terminals V OUT1 and V OUT2 of the magnetic sensor 8x to the magnetic sensor control circuit 6 are provided with switches SW X2 and SW X3 , and similarly to the output terminals V OUT1 and V OUT2 of the magnetic sensor 8y. Are provided with switches SW Y2 and SW Y3 , and the magnetic sensor 8z is provided with switches SW Z2 and SW Z3 . By switching the switches provided at these output terminals, the output signal of any one of the three magnetic sensors 8 can be input to the magnetic sensor control circuit 6.

さらに、各磁気センサ8に併設されるコイル10への電流供給を選択的に行うために、スイッチSWX4,SWY4,SWZ4が設けられている。 Further, switches SW X4 , SW Y4 , and SW Z4 are provided in order to selectively supply current to the coils 10 provided along with the magnetic sensors 8.

磁気センサ制御回路6は、差動プリアンプ20、ΔΣ変調器22、デジタルフィルタ24、出力インターフェース26、電流DAC28及び制御部30を有する。   The magnetic sensor control circuit 6 includes a differential preamplifier 20, a ΔΣ modulator 22, a digital filter 24, an output interface 26, a current DAC 28, and a control unit 30.

差動プリアンプ20は、磁気センサ8の出力端子VOUT1,VOUT2から出力される差動形式の磁界計測信号Sを増幅する。 The differential preamplifier 20 amplifies the differential magnetic field measurement signal S M output from the output terminals V OUT1 and V OUT2 of the magnetic sensor 8.

ΔΣ変調器22とデジタルフィルタ24とはΔΣ型ADCを構成し、アナログ信号である磁界計測信号Sをデジタルデータに変換し磁界計測データDを生成する。差動プリアンプ20にて増幅された磁界計測信号SはΔΣ変調器22に入力される。ΔΣ変調器22は、1ビットのAD変換機能を有し、磁界計測信号Sを磁界計測データDのサンプルレート(サンプリング周波数)よりも高速にサンプリングする。このように、少ないビットで粗く量子化された出力には量子化ノイズが多く含まれる。この量子化ノイズは、ΔΣ変調器22内部のノイズシェーピング回路で、高周波領域にシフトされる。 The ΔΣ modulator 22 and the digital filter 24 constitutes a ΔΣ type ADC, to produce a converts the magnetic field measurement signal S M, which is an analog signal into digital data field measurement data D M. Field measurement signal S M, which is amplified by the differential preamplifier 20 is inputted to the ΔΣ modulator 22. The ΔΣ modulator 22 has a 1-bit AD conversion function, and samples the magnetic field measurement signal S M faster than the sample rate (sampling frequency) of the magnetic field measurement data D M. As described above, the output quantized roughly with a small number of bits contains a lot of quantization noise. This quantization noise is shifted to a high frequency region by a noise shaping circuit inside the ΔΣ modulator 22.

ΔΣ変調器22の出力は、デジタルフィルタ24に入力される。デジタルフィルタ24はローパスフィルタ(Low-Pass Filter:LPF)であり、ノイズシェーピング回路にて高周波領域に移された量子化ノイズを減衰させる一方、磁界計測データを表す信号成分が存在する低周波領域を通過させる。デジタルフィルタ24は、ΔΣ変調器22からの高速の1ビットデータにフィルタリングとダウンサンプリングを施し、相対的に低速で多ビットのデータとする。これが、磁界計測データDとして出力される。 The output of the ΔΣ modulator 22 is input to the digital filter 24. The digital filter 24 is a low-pass filter (LPF), which attenuates the quantization noise transferred to the high frequency region by the noise shaping circuit, while reducing the low frequency region where the signal component representing the magnetic field measurement data exists. Let it pass. The digital filter 24 performs filtering and downsampling on the high-speed 1-bit data from the ΔΣ modulator 22 to obtain multi-bit data at a relatively low speed. This is output as the magnetic field measured data D M.

デジタルフィルタ24にて生成された磁界計測データDは、半導体集積回路等で構成された磁気センサ制御回路6からバス等を介してマイコン等へ伝送される。出力インターフェース26は、X,Y,Z各軸方向の磁界計測データDをこのデータ伝送に適した形式に変換し、バス等へ送出する。 Field measurement data D M generated by the digital filter 24 is transmitted to the microcomputer from the magnetic sensor control circuit 6 including a semiconductor integrated circuit or the like via a bus or the like. The output interface 26 converts X, Y, the magnetic field measured data D M of Z axial directions into a format suitable for the data transmission, and sends it to the bus.

電流DAC28は、バイアス磁界発生手段であるコイル10に供給する駆動電流Iを生成する。電流DAC28は、制御部30から目的バイアス磁界データDを入力され、当該データを、アナログの駆動信号である駆動電流Iに変換する。 Current DAC28 generates and supplies driving current I B to the coil 10 is a bias magnetic field generating means. Current DAC28 is input the desired bias magnetic field data D B from the control unit 30, the data is converted into a drive current I B which is a driving signal of the analog.

制御部30は、スイッチSWX1〜SWX3,SWY1〜SWY3,SWZ1〜SWZ3を切り換えて、磁気センサ8x,8y,8zのうち、電圧を印加し、その出力を差動プリアンプ20へ取り出すものを順番に選択し、また、選択した磁気センサ8に対応して、スイッチSWX4,SWY4,SWZ4を切り換えて、当該磁気センサ8に併設されたコイル10へ電流DAC28から選択的に駆動電流Iを供給させる。さらに、制御部30は、選択した磁気センサ8での1回の磁界計測において、極性反転部12を制御して印加電圧の極性を反転させる動作を行う。また、制御部30は、磁気センサ8の切り換えや印加電圧の極性の切り換えに連動してデジタルフィルタ24の動作を制御する。さらに、制御部30は、磁気センサ8の切り換えなどに対応して出力インターフェース26の動作を制御する。 The control unit 30 switches the switches SW X1 to SW X3 , SW Y1 to SW Y3 , SW Z1 to SW Z3 , applies a voltage among the magnetic sensors 8 x, 8 y, and 8 z, and outputs the output to the differential preamplifier 20. The ones to be taken out are selected in order, and the switches SW X4 , SW Y4 , and SW Z4 are switched corresponding to the selected magnetic sensor 8, and the coil 10 provided in the magnetic sensor 8 is selectively supplied from the current DAC 28. to supply the driving current I B. Further, the control unit 30 performs an operation of inverting the polarity of the applied voltage by controlling the polarity inverting unit 12 in one magnetic field measurement by the selected magnetic sensor 8. The control unit 30 controls the operation of the digital filter 24 in conjunction with the switching of the magnetic sensor 8 and the switching of the polarity of the applied voltage. Further, the control unit 30 controls the operation of the output interface 26 in response to switching of the magnetic sensor 8 or the like.

図2は、磁気センサ8及びその出力信号の処理に関するタイミング図である。センサセレクトとして示す波形は、X,Y,Z軸方向のいずれについて磁界計測が行われるかを示している。例えば、X軸の磁気センサ8xは、X軸のセンサセレクトがH(High)レベルの期間40xに選択的に、電圧及びバイアス磁界を印加され、磁界計測信号Sが差動プリアンプ20に入力される。Y軸、Z軸のセンサセレクトも同様のことを示している。X軸、Y軸、Z軸のセンサセレクトは基本的に同じ長さずつ順番に設定される。 FIG. 2 is a timing chart relating to the processing of the magnetic sensor 8 and its output signal. The waveform shown as the sensor select indicates whether the magnetic field measurement is performed in the X, Y, or Z axis direction. For example, a magnetic sensor 8x in the X-axis is optionally sensor select the X-axis is the H (High) level period 40x, is applied a voltage and the bias magnetic field, the magnetic field measurement signal S M is inputted to the differential preamplifier 20 The Y-axis and Z-axis sensor select also shows the same thing. The sensor select for the X axis, the Y axis, and the Z axis is basically set in order of the same length.

センサ極性は、極性反転部12の状態を示しており、例えば、L(Low)レベルの期間42が、磁気センサ8への印加電圧が正極性であり、一方、Hレベルの期間44が、印加電圧が正極性とは反転した負極性であるとする。各磁気センサ8の1回の磁界計測期間にて正極性の期間42と負極性の期間44とが少なくとも1回ずつ、基本的に同じ長さずつ設定される。図2に示す動作では、各軸のセンサセレクトの期間40x,40y,40zがそれぞれ2等分され、前半が正極性、後半が負極性に設定される。   The sensor polarity indicates the state of the polarity reversing unit 12. For example, in the period 42 of L (Low) level, the applied voltage to the magnetic sensor 8 is positive, while the period 44 of H level is applied. It is assumed that the voltage is negative polarity that is reversed from the positive polarity. In one magnetic field measurement period of each magnetic sensor 8, the positive polarity period 42 and the negative polarity period 44 are set at least once, basically by the same length. In the operation shown in FIG. 2, the sensor select periods 40x, 40y, and 40z of each axis are divided into two equal parts, and the first half is set to positive polarity and the second half is set to negative polarity.

ΔΣ変調器22は、選択された磁気センサ8から出力される磁界計測信号Sをサンプリングしてパルス密度変調(Pulse Density Modulation:PDM)されたパルス列を生成する。デジタルフィルタ24は、ΔΣ変調器22から出力されるパルス列を例えば、移動平均処理することにより、ΔΣ変調器22の出力スペクトルの高周波領域に対する帯域制限を行う。移動平均処理では、デジタルフィルタ24に入力されるパルスの数が加算器を用いて所定の時間幅に亘り累積される。このように、デジタルフィルタ24は加算器を有し、デジタルフィルタ24はその加算器を用いて、印加電圧を正極性に設定して得られる第1の磁界計測データと、負極性に設定して得られる第2の磁界計測データとを減算して磁界計測データDを求めるデータ合成処理を行う。 ΔΣ modulator 22, a pulse density modulation by sampling the magnetic field measurement signal S M output from the magnetic sensor 8, which is selected (Pulse Density Modulation: PDM) pulse train to generate. The digital filter 24 performs band limitation on the high frequency region of the output spectrum of the ΔΣ modulator 22 by, for example, moving average processing the pulse train output from the ΔΣ modulator 22. In the moving average process, the number of pulses input to the digital filter 24 is accumulated over a predetermined time width using an adder. Thus, the digital filter 24 has an adder, and the digital filter 24 uses the adder to set the first magnetic field measurement data obtained by setting the applied voltage to the positive polarity and the negative polarity. a second magnetic field measurement data obtained by subtracting performing data synthesis processing for obtaining the magnetic field measured data D M and.

制御部30は正極性の期間42及び負極性の期間44それぞれの期間内に、デジタルフィルタ24を動作させる期間46,48を設定する。期間46と期間48とは同じ長さに設定される。また制御部30は、正極性の期間42ではデジタルフィルタ24での入力データに対する加算器の動作を加算動作とし、負極性の期間44では加算器の動作を減算動作とする。すなわち、加算器は期間46では、入力データを現在値に順次、加算し、一方、期間48では、入力データを現在値から順次、減算する。なお、期間46,48でそれぞれ別個に加算動作を行い、期間48の終了後に期間46での加算結果から期間48での加算結果を減算してもよい。このデータ合成を行うことで、後述するように、電流DAC28の出力電流に含まれるフリッカノイズなどに起因して生じる磁界計測信号Sのオフセットノイズを低減し、磁界計測データの高精度化を図ることができる。 The control unit 30 sets periods 46 and 48 for operating the digital filter 24 within each of the positive period 42 and the negative period 44. The period 46 and the period 48 are set to the same length. In addition, the control unit 30 sets the operation of the adder to the input data in the digital filter 24 as an addition operation in the positive period 42 and sets the operation of the adder as a subtraction operation in the negative period 44. That is, the adder sequentially adds the input data to the current value in period 46, while subtracting the input data from the current value sequentially in period 48. The addition operation may be performed separately in the periods 46 and 48, and the addition result in the period 48 may be subtracted from the addition result in the period 46 after the period 48 ends. By performing the data synthesis, as described below, to reduce the offset noise of the magnetic field measurement signal S M resulting from such a flicker noise contained in the output current of the current DAC 28, improve the accuracy of the magnetic field measured data be able to.

期間48が終了すると、デジタルフィルタ24ではデータ合成処理が完了して1つの磁界計測データDが得られる。制御部30は、得られた磁界計測データDを、次の磁界計測を開始する前の期間50に、加算結果を保持するカウンタから読み出し、出力インターフェース26によるデータ転送動作を行う。また、磁界計測データDのデータ転送動作を行うと、続く期間52にて制御部30はカウンタをリセットし、次の磁界計測の開始に備える。 When the period 48 ends, the digital filter 24 completes the data synthesis process, and one magnetic field measurement data DM is obtained. Control unit 30, the resulting magnetic field measured data D M, the period 50 before starting the next field measurement is read from the counter to hold the addition result, performing a data transfer operation by the output interface 26. Further, when the data transfer operation of the magnetic field measured data D M, the control unit 30 in the subsequent period 52 resets the counter, ready for the start of the next field measurement.

図3は、磁気センサ8及びその出力信号の処理に関する別の例を示すタイミング図である。図3に示す動作が図2と異なる点は、各磁気センサ8の1回の磁界計測期間(センサセレクトの期間40x,40y,40z)でのセンサ極性の反転回数及びそれに対応したデジタルフィルタ24の切り換え回数にある。すなわち、図2に示す動作では、1つのセンサセレクト期間40にて、正極性の期間42と負極性の期間44とが1回ずつ設定され、それに連動して、デジタルフィルタ24の動作が2つの期間46,48に分けられ、デジタルフィルタ24での加算と減算とが1回ずつ行われる。これに対して、図3に示す動作では、1つのセンサセレクト期間40にて、正極性の期間42と負極性の期間44とが2回ずつ設定され、それに連動して、デジタルフィルタ24の動作が4つの期間に分けられ、デジタルフィルタ24での加算と減算とが2回ずつ行われる。このように、1つのセンサセレクトの期間40での切り換え回数を増やすことで、デジタルフィルタ24の特性を変えることができ、例えば、より低い周波数のノイズが低減され得る。   FIG. 3 is a timing chart showing another example regarding the processing of the magnetic sensor 8 and its output signal. 3 differs from FIG. 2 in that the number of inversions of the sensor polarity in one magnetic field measurement period (sensor select periods 40x, 40y, and 40z) of each magnetic sensor 8 and the digital filter 24 corresponding thereto. It is in the number of switching. That is, in the operation shown in FIG. 2, the positive polarity period 42 and the negative polarity period 44 are set once in one sensor selection period 40, and the operation of the digital filter 24 is performed in conjunction with the two periods. Divided into periods 46 and 48, addition and subtraction in the digital filter 24 are performed once. On the other hand, in the operation shown in FIG. 3, the positive polarity period 42 and the negative polarity period 44 are set twice in one sensor selection period 40, and the operation of the digital filter 24 is interlocked with this. Are divided into four periods, and addition and subtraction in the digital filter 24 are performed twice. Thus, by increasing the number of times of switching in one sensor select period 40, the characteristics of the digital filter 24 can be changed. For example, lower frequency noise can be reduced.

次に、データ合成処理によるオフセットノイズの低減について説明する。図4は、外部磁界Bに対する磁界計測信号Sの特性を示す模式的なグラフである。図4において、横軸が外部磁界B、縦軸が磁界計測信号Sを表す。磁気センサ8の磁界計測信号Sのうちオフセットノイズの大きさsで表す。また、磁気センサ8特性曲線60は印加電圧が正極性の場合のものであり、特性曲線62は印加電圧が負極性の場合のものである。外部磁界Bが0であれば、印加電圧の正負にかかわらず本来、S=0となるはずであり、特性曲線60及び特性曲線62はB−S座標の原点、すなわち(B,S)=(0,0)を通り、特性曲線60と特性曲線62とはS=0を中心として互いに上下対称となるはずである。そして、特性曲線60と特性曲線62とは(0,0)で交差し、各特性曲線60,62はそれぞれそれらの交点Pを中心として対称となるはずである。しかし、オフセットノイズsが0でない場合、交点Pは図4に示すように(0,s)にシフトする。 Next, the offset noise reduction by the data synthesis process will be described. Figure 4 is a schematic graph showing a characteristic of a magnetic field measurement signal S M to an external magnetic field B. 4, the horizontal axis indicates an external magnetic field B, the vertical axis represents the magnetic field measurement signal S M. The offset noise of the magnetic field measurement signal S M of the magnetic sensor 8 representing the size s N. The magnetic sensor 8 characteristic curve 60 is for the case where the applied voltage is positive, and the characteristic curve 62 is for the case where the applied voltage is negative. If the external magnetic field B is 0, S M = 0 should be originally obtained regardless of whether the applied voltage is positive or negative, and the characteristic curve 60 and the characteristic curve 62 are the origins of the B−S M coordinates, that is, (B, S M ) = (0, 0), and the characteristic curve 60 and the characteristic curve 62 should be vertically symmetrical with respect to S M = 0. Then, the characteristic curve 60 and characteristic curve 62 intersects with (0,0), each characteristic curve 60, 62 should be symmetrical around the intersection thereof P C, respectively. However, if the offset noise s N is not 0, the intersection P C is shifted to the (0, s N) as shown in FIG.

或る外部磁界強度Bでの正極性電圧印加時の磁界計測信号Sの値をs、負極性電圧印加時の磁界計測信号Sの値をsとする。sのうち外部磁界の強度に対応する成分をsとすると、オフセットノイズsが0でない状態でのsは次式で表される。
=s+s ………(1)
The value of the magnetic field measurement signal S M of the positive polarity voltage is applied at an external magnetic field strength B s +, the value of the magnetic field measurement signal S M of the negative polarity voltage application s - to. If the component corresponding to the intensity of the external magnetic field in s + is s O , s + in the state where the offset noise s N is not 0 is expressed by the following equation.
s + = s O + s N (1)

一方、同じ外部磁界強度Bにてsは次式で表される。
=−s+s ………(2)
On the other hand, at the same external magnetic field strength B, s is expressed by the following equation.
s = −s O + s N (2)

は、正極性の動作期間46でのΔΣ変調器22の出力の加算結果に相当し、一方、sは、負極性の動作期間48での加算結果に相当する。(1)式から(2)式を減じると、次式に示されるように、オフセットノイズsが相殺され、外部磁界強度sを求めることができる。
−s=2s ………(3)
s + corresponds to the addition result of the output of the ΔΣ modulator 22 in the positive operation period 46, while s corresponds to the addition result in the negative operation period 48. When the expression (2) is subtracted from the expression (1), the offset noise s N is canceled and the external magnetic field strength s O can be obtained as shown in the following expression.
s + −s = 2s O (3)

デジタルフィルタ24の加算器を期間46では加算動作とし、期間48では減算動作とする上述のデータ合成処理は、(1),(2)式から(3)式を得る演算に対応しており、この原理により、デジタルフィルタ24にてオフセットノイズが低減される。   The above-described data synthesizing process in which the adder of the digital filter 24 is the addition operation in the period 46 and the subtraction operation in the period 48 corresponds to the calculation to obtain the expression (3) from the expressions (1) and (2). Based on this principle, the offset noise is reduced by the digital filter 24.

なお、デジタルフィルタ24として、例えば、FIR(Finite Impulse Response)フィルタを用いることができる。   As the digital filter 24, for example, an FIR (Finite Impulse Response) filter can be used.

磁気センサ8の入出力特性は、図4の特性曲線60,62に示すように、それらの交点Pを中心として外部磁界の強度Bの変化に応じて磁界計測信号Sが直線的、すなわち線形に変化する線形領域64を有する。一方、交点Pから大きく離れると磁界計測信号Sは飽和し線形性がなくなる。本磁気計測装置2は、磁気センサ8の入出力特性のうち、磁界計測データDに対応する外部磁界強度Bを求めることが容易な線形領域を利用する。 Input-output characteristic of the magnetic sensor 8, as shown in the characteristic curve 60, 62 in FIG. 4, a magnetic field measurement signal S M is linearly depending on the change in the intensity of the external magnetic field B around the intersection thereof P C, i.e. It has a linear region 64 that varies linearly. On the other hand, the intersection point P increases away when a magnetic field measurement signal from the C S M Linearity saturated disappears. The magnetometric apparatus 2, of the input-output characteristics of the magnetic sensor 8, it is utilized easy linear region to determine the external magnetic field intensity B corresponding to the magnetic field measured data D M.

磁気計測装置2は、磁気センサ8の入出力特性の線形領域を利用すると共に、コイル10が生成するバイアス磁界を調整することにより、計測可能な外部磁界の強度範囲を拡大する。図5は、磁気計測装置2の入出力特性を示す模式図であり、横軸が外部磁界強度B、縦軸が磁界計測データDを表す。なお、外部磁界強度Bにはバイアス磁界による成分は含まれないものとする。ここでは、説明の便宜上、電流DAC28は2ビットの分解能を有し、駆動電流Iを4段階に変化させることができる例を示している。4段階の駆動電流Iに対応して、図5には4本の特性曲線70-1〜70-4を示している。各特性曲線70が示す変化はそれぞれ特性曲線60と相似である。ちなみに、I=0でありバイアス磁界の強度が0の状態では、磁気計測装置2の入出力特性は、B−D座標の原点を通る特性曲線70-3に従う。 The magnetic measuring device 2 uses the linear region of the input / output characteristics of the magnetic sensor 8 and adjusts the bias magnetic field generated by the coil 10 to expand the measurable range of the external magnetic field. Figure 5 is a schematic diagram showing input and output characteristics of the magnetic measuring device 2, the horizontal axis external magnetic field strength B, the vertical axis represents the magnetic field measured data D M. The external magnetic field strength B does not include a component due to a bias magnetic field. Here, for convenience of explanation, the current DAC28 shows an example that can be varied has a resolution of 2 bits, the driving current I B in four stages. Four stages in response to the drive current I B, shows four characteristic curves 70-1~70-4 in FIG. The change indicated by each characteristic curve 70 is similar to the characteristic curve 60. Incidentally, when I B = 0 and the bias magnetic field intensity is 0, the input / output characteristics of the magnetic measuring device 2 follow a characteristic curve 70-3 passing through the origin of the B-D M coordinate.

各特性曲線70の線形領域内に磁界計測範囲72が設定され、ΔΣ変調器22及びデジタルフィルタ24からなるADCのダイナミックレンジは、この磁界計測範囲72に対応させて設定される。例えば、ADCは各磁界計測範囲72を12ビットや14ビットといった高分解能に量子化する。   A magnetic field measurement range 72 is set in the linear region of each characteristic curve 70, and the dynamic range of the ADC including the ΔΣ modulator 22 and the digital filter 24 is set corresponding to the magnetic field measurement range 72. For example, the ADC quantizes each magnetic field measurement range 72 with a high resolution such as 12 bits or 14 bits.

上述のように、電流DAC28のフリッカノイズ等に起因するオフセットノイズが除去されるので、各特性曲線70において、図4にて交点Pで示した特性曲線60の中心に対応する点は、D=0に位置する。すなわち特性曲線70-1〜70-4とB軸との交点PB1〜PB4が各特性曲線70の中心である。 As described above, the offset noise due to flicker noise or the like of the current DAC28 is removed, in each characteristic curve 70, a point corresponding to the center of the characteristic curve 60 shown at the intersection P C in FIG. 4, D It is located at M = 0. That is, the intersection points P B1 to P B4 between the characteristic curves 70-1 to 70-4 and the B axis are the centers of the characteristic curves 70.

ここで、差動プリアンプ20やADCのゲインを小さくすれば、例えば、特性曲線70の線形領域での傾斜が小さくなり、磁界計測範囲72を大きくすることができるので、駆動電流Iを一定値に固定したままでも大きな強度範囲の磁界計測が可能となる。しかし、そうすると、Dの1ステップに対応する外部磁界強度Bのステップが大きくなり、外部磁界の測定分解能が低下する。 Here, by reducing the gain of the differential preamplifier 20 and ADC, for example, the slope of the linear region of the characteristic curve 70 is reduced, it is possible to increase the magnetic field measurement range 72, a constant value the drive current I B Magnetic field measurement in a large intensity range is possible even when fixed to. However, this step of the external magnetic field intensity B corresponding to one step of the D M is large, the measurement resolution of the external magnetic field is reduced.

そこで、本磁気計測装置2では、図5に示すように、高分解能で外部磁界を測定できるように各特性曲線70は磁界計測範囲72にて大きな傾斜を有するものに設定する一方で、電流DAC28により駆動電流Iを変えてバイアス磁界の強度を離散的に変化させ、互いにB軸方向に位置がずれた複数の特性曲線70が得られるようにし、それらの磁界計測範囲72での磁界計測を可能としてダイナミックレンジを拡大している。ちなみに、このダイナミックレンジの拡大という目的から、駆動電流Iの変化ステップは、バイアス磁界の強度の設定ステップが、磁界計測の所要分解能ε、すなわちADCにより生成される磁界計測データDの1ステップに対応する外部磁界強度Bのステップに比べて大きくなるように設定される。 Therefore, in the magnetic measuring apparatus 2, as shown in FIG. 5, each characteristic curve 70 is set to have a large inclination in the magnetic field measurement range 72 so that the external magnetic field can be measured with high resolution, while the current DAC 28 is set. by changing the driving current I B by the intensity of the bias magnetic field discretely varied, as a plurality of characteristic curves 70 misaligned in the B-axis directions are obtained, a magnetic field measured in those magnetic field measurement range 72 The dynamic range is expanded as possible. Incidentally, the purpose of expanding the dynamic range, step change of the drive current I B, the setting step of the intensity of the bias magnetic field, one step of the required resolution epsilon, i.e. the magnetic field measured data D M generated by the ADC of the magnetic field measurement Is set to be larger than the step of the external magnetic field intensity B corresponding to.

駆動電流Iに応じた磁界計測範囲72の移動ステップは、必ずしもB軸上に磁界計測範囲72を連続して配置するものでなくてもよいが、一般的には連続した範囲で磁界計測ができることが望まれると考えられる。その場合には、例えば、図5に示すように、隣接する特性曲線70の磁界計測範囲72が互いにオーバーラップ領域を有するように、電流DAC28のゲインを調節して1ステップ当たりのIの変化量を設定することができる。 Moving steps of the magnetic field measurement range 72 corresponding to the drive current I B may not necessarily be one that continuously arranged magnetic field measurement range 72 on the B-axis, but generally the magnetic field measured by a continuous range It would be desirable to be able to do it. In that case, for example, as shown in FIG. 5, as the magnetic field measurement range 72 adjacent characteristic curve 70 has an overlap region with each other, the change in I B per step to adjust the gain of the current DAC28 The amount can be set.

例えば、制御部30は、ADCが生成する磁界計測データDが磁界計測範囲の上限又は下限に対応する値となった場合には、電流DAC28に入力する目的バイアス磁界データDを変更し、隣接する磁界計測範囲72に切り換える。この場合、例えば、磁界計測データDと、磁界計測範囲72の設定位置を示す情報、例えば目的バイアス磁界データとを出力インターフェース26から出力する。 For example, the control unit 30, when the magnetic field measurement data D M of the ADC generates becomes a value corresponding to the upper limit or lower limit of the magnetic field measurement range, change the objective bias magnetic field data D B to be inputted to the current DAC 28, Switch to the adjacent magnetic field measurement range 72. In this case, for example, the magnetic field measurement data DM and information indicating the set position of the magnetic field measurement range 72, for example, target bias magnetic field data are output from the output interface 26.

本発明によれば、磁気計測装置2は上述のように大きなダイナミックレンジを得ることができるが、これは、計測対象磁界のダイナミックレンジが大きいことを要求するものではない。本発明の磁気計測装置2は、計測対象磁界のダイナミックレンジが小さい場合にも好適である。   According to the present invention, the magnetic measuring device 2 can obtain a large dynamic range as described above, but this does not require that the dynamic range of the measurement target magnetic field be large. The magnetic measurement apparatus 2 of the present invention is also suitable when the dynamic range of the measurement target magnetic field is small.

例えば、地磁気等の微弱な磁界の計測を目的とする場合、外部磁界には計測目的成分だけでなく、オフセット磁界が重畳している場合がある。オフセット磁界が大きいと、外部磁界強度Bが磁界計測範囲72を超え、計測目的成分の変動を計測できなくなる。このような場合には、磁気計測装置2を搭載装置に組み込んだ状態等にて、オフセット磁界を予め計測し、当該オフセット磁界に基づいて定められた目的バイアス磁界データDを、例えば、制御部30内のレジスタ32等のデータ保持手段に格納する。 For example, when measuring a weak magnetic field such as geomagnetism, an offset magnetic field may be superimposed on the external magnetic field in addition to the measurement target component. If the offset magnetic field is large, the external magnetic field strength B exceeds the magnetic field measurement range 72, and fluctuations in the measurement target component cannot be measured. In such a case, in such a state that incorporates a magnetic measurement device 2 on the mounting device, measured in advance an offset magnetic field, the desired bias magnetic field data D B defined on the basis of the offset magnetic field, for example, the control unit The data is stored in a data holding means such as a register 32 in the 30.

電流DAC28は、目的バイアス磁界データDに基づいて駆動電流Iを生成する。目的バイアス磁界データDは、磁界計測範囲72を複数の設定位置のうち、計測目的成分の変動範囲を包含するものに対応した値が選択される。例えば、オフセット磁界の強度をbOFF、これに重畳する計測目的成分の変動幅をΔbとすると、特性曲線70とB軸との交点のうち最もオフセット磁界強度bOFFに近いB座標を有するものに対応する特性曲線70を選択すれば、その磁界計測範囲72に変動幅Δbが包含される。図5に示す例では、bOFFは交点PB4に最も近く、目的バイアス磁界データDとして、特性曲線70-4に対応する値が制御部30のレジスタ32に設定される。 Current DAC28 generates a drive current I B based on the object bias magnetic field data D B. The purpose bias magnetic field data D B, of the magnetic field measurement range 72 of a plurality of setting positions, a value corresponding to a intended to encompass a variation range of the measurement target component is selected. For example, if the offset magnetic field strength is b OFF and the fluctuation range of the measurement target component superimposed thereon is Δb, the intersection of the characteristic curve 70 and the B axis has the B coordinate closest to the offset magnetic field strength b OFF. If the corresponding characteristic curve 70 is selected, the fluctuation range Δb is included in the magnetic field measurement range 72. In the example shown in FIG. 5, b OFF is closest to the intersection point P B4, the purpose bias magnetic field data D B, a value corresponding to the characteristic curve 70-4 is set to the register 32 of the control unit 30.

なお、図5に示す例では電流DAC28は2ビットとしたが、本発明において当該ビット数は任意に設定できる。   In the example shown in FIG. 5, the current DAC 28 is 2 bits. However, in the present invention, the number of bits can be arbitrarily set.

本発明の実施形態に係る磁気計測装置の概略の回路構成図である。It is a schematic circuit block diagram of the magnetic measuring device which concerns on embodiment of this invention. 磁気センサ及びその出力信号の処理に関するタイミング図である。It is a timing diagram regarding processing of a magnetic sensor and its output signal. 磁気センサ及びその出力信号の処理に関する別の例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows another example regarding the process of a magnetic sensor and its output signal. 外部磁界に対する磁界計測信号の特性を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows the characteristic of the magnetic field measurement signal with respect to an external magnetic field. 磁気計測装置の入出力特性を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the input / output characteristic of a magnetic measuring device.

符号の説明Explanation of symbols

2 磁気計測装置、4 磁気センサユニット、6 磁気センサ制御回路、8 磁気センサ、10 コイル、12 極性反転部、20 差動プリアンプ、22 ΔΣ変調器、24 デジタルフィルタ、26 出力インターフェース、28 電流DAC、30 制御部、32 レジスタ。   2 Magnetic measurement device, 4 Magnetic sensor unit, 6 Magnetic sensor control circuit, 8 Magnetic sensor, 10 Coil, 12 Polarity inversion unit, 20 Differential preamplifier, 22 ΔΣ modulator, 24 Digital filter, 26 Output interface, 28 Current DAC, 30 control units, 32 registers.

Claims (8)

入出力特性において外部磁界の強度に応じ線形に変化する磁界計測信号を発生する線形領域を有すると共に、印加電圧の極性に応じて前記磁界計測信号の極性が切り替わる磁気センサと、前記磁気センサの計測位置に駆動信号に応じた強度のバイアス磁界を発生し、前記外部磁界の強度軸上での前記線形領域の位置をシフトさせるバイアス磁界発生手段とを含む磁気センサユニットに用いられる磁気センサ制御回路であって、
前記バイアス磁界発生手段に供給する前記駆動信号を生成する回路であり、当該駆動信号の強度を離散的に設定することにより、前記外部磁界の強度軸上にて所定の設定ステップずつずれた複数の設定位置のいずれかを選択して、当該選択した設定位置に前記線形領域に包含される磁界計測範囲を配置する計測範囲設定回路と、
前記磁界計測範囲にて得られる前記磁界計測信号をデジタルデータに変換し、前記磁界計測範囲における磁界強度を前記設定ステップより高い分解能で表現する磁界計測データを生成するAD変換器と、
前記印加電圧の極性を切り換える制御部と、
前記印加電圧を第1極性に設定して得られる第1の前記磁界計測データと、前記印加電圧を第2極性に設定して得られる第2の前記磁界計測データとを減算して前記外部磁界の測定値を求めるデータ合成手段と、
を有することを特徴とする磁気センサ制御回路。
A magnetic sensor having a linear region for generating a magnetic field measurement signal that linearly changes according to the intensity of an external magnetic field in input / output characteristics, and the polarity of the magnetic field measurement signal is switched according to the polarity of an applied voltage, and measurement of the magnetic sensor A magnetic sensor control circuit used in a magnetic sensor unit including a bias magnetic field generation unit that generates a bias magnetic field having a strength corresponding to a drive signal at a position and shifts the position of the linear region on the strength axis of the external magnetic field. There,
A circuit for generating the drive signal to be supplied to the bias magnetic field generating means, and by discretely setting the strength of the drive signal, a plurality of steps shifted by predetermined setting steps on the strength axis of the external magnetic field A measurement range setting circuit that selects any one of the setting positions and arranges the magnetic field measurement range included in the linear region at the selected setting position;
An AD converter that converts the magnetic field measurement signal obtained in the magnetic field measurement range into digital data, and generates magnetic field measurement data that expresses the magnetic field strength in the magnetic field measurement range with higher resolution than the setting step;
A controller for switching the polarity of the applied voltage;
The external magnetic field is obtained by subtracting the first magnetic field measurement data obtained by setting the applied voltage to the first polarity and the second magnetic field measurement data obtained by setting the applied voltage to the second polarity. A data synthesis means for obtaining a measured value of
A magnetic sensor control circuit comprising:
請求項1に記載の磁気センサ制御回路において、
前記AD変換器は、ΔΣ変調器と、当該ΔΣ変調器にて高周波領域にシフトされた量子化ノイズを除去する低域通過特性を有したデジタルフィルタと、を有し、
前記制御部は、1つの前記測定値を取得する測定期間内に、前記印加電圧を前記第1極性に設定する第1極性期間と、当該第1極性期間と同じ長さであって前記印加電圧を前記第2極性に設定する第2極性期間とを設け、
前記データ合成手段は、前記デジタルフィルタに設けられる加算器であり、前記第1極性期間及び前記第2極性期間の切り換えに同期して前記磁界計測データの加減算を切り換えること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
The magnetic sensor control circuit according to claim 1,
The AD converter includes a ΔΣ modulator and a digital filter having a low-pass characteristic that removes quantization noise shifted to a high frequency region by the ΔΣ modulator,
The control unit includes a first polarity period in which the applied voltage is set to the first polarity within a measurement period for acquiring the one measured value, and the applied voltage having the same length as the first polarity period. A second polarity period for setting the second polarity to the second polarity,
The data synthesizing unit is an adder provided in the digital filter, and switches addition / subtraction of the magnetic field measurement data in synchronization with switching between the first polarity period and the second polarity period;
A magnetic sensor control circuit.
請求項2に記載の磁気センサ制御回路において、
前記制御部は、前記測定期間内に、前記第1極性期間と前記第2極性期間とを交互に複数回ずつ設定すること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
The magnetic sensor control circuit according to claim 2,
The control unit alternately sets the first polarity period and the second polarity period a plurality of times within the measurement period;
A magnetic sensor control circuit.
請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の磁気センサ制御回路において、
前記外部磁界に存在し計測目的成分に重畳するオフセット成分に基づいて定められた目的バイアス磁界データを保持するデータ保持手段を有し、
前記計測範囲設定回路は、
デジタルデータである前記目的バイアス磁界データをアナログ信号である前記駆動信号に変換するDA変換器を有し、
前記磁界計測範囲を、前記計測目的成分の変動範囲を包含する位置に配置すること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
In the magnetic sensor control circuit according to any one of claims 1 to 3,
Data holding means for holding target bias magnetic field data determined based on an offset component that is present in the external magnetic field and superimposed on a measurement target component;
The measurement range setting circuit includes:
A DA converter that converts the target bias magnetic field data that is digital data into the drive signal that is an analog signal;
Arranging the magnetic field measurement range at a position including the fluctuation range of the measurement target component;
A magnetic sensor control circuit.
請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の磁気センサ制御回路と、
前記磁気センサユニットと、
を有することを特徴とする磁界測定装置。
A magnetic sensor control circuit according to any one of claims 1 to 4,
The magnetic sensor unit;
A magnetic field measuring apparatus comprising:
請求項5に記載の磁界測定装置において、
前記磁気センサは、磁界に対して単調に変化する抵抗変化を示す磁気抵抗素子を含むこと、を特徴とする磁界測定装置。
The magnetic field measurement apparatus according to claim 5, wherein
The magnetic sensor includes a magnetoresistive element that exhibits a change in resistance that monotonously changes with respect to a magnetic field.
請求項6に記載の磁界測定装置において、
前記磁気抵抗素子は、GMR素子であること、を特徴とする磁界測定装置。
The magnetic field measuring apparatus according to claim 6.
The magnetic field measuring device, wherein the magnetoresistive element is a GMR element.
請求項5から請求項7のいずれか1つに記載の磁界測定装置において、
前記磁気センサは、ブリッジ回路で構成されていること、を特徴とする磁界測定装置。
In the magnetic field measurement apparatus according to any one of claims 5 to 7,
The magnetic sensor is constituted by a bridge circuit.
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