JP2011237341A - 磁気センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コイルとコンデンサを直列接続した共振回路に対し、所定の電圧と接地とを交互に接続する。また、フリーホイールダイオードを二つ設けて、電圧或は接地から切断した直後にコイルから生じる起電力を受け流し、コンデンサに電荷を蓄積させると共に回路を安定化させる。その後、コンデンサ或はコンデンサとコイルの直列接続よりなる負荷の両端電圧を取得して、コイル電流による磁界と外部磁界が同一極性の状態と逆極性の状態との電圧を比較して、磁界の有無と方向を検出する。
【選択図】図3
Description
より詳細には、高感度のアクティブ型磁気センサに、これまで除去できなかったオフセットを除去し、少ないハードウェアリソースで安定した特性を実現する、新規な磁気センサに関する。
図10(a)は磁気センサの原理を説明する回路図であり、図10(b)は図10(a)の回路のスイッチSWの状態を示す図であり、図10(c)は図10(a)の回路のコンデンサCの両端電圧の過渡応答特性を示すグラフである。
この電圧波形の、スイッチSWをオン操作した直後の立ち上がりの傾きは、コイルLのインダクタンスが大きいほど緩やかになり、コイルLのインダクタンスが小さいほど急峻になることは周知である。
本出願人の磁気センサは、このコイルのインダクタンスの変化を過渡応答現象から得ることで実現している。
コイルに電流を流さない状態で外部磁界を印加すると、ヨークの磁束密度は飽和磁束密度に至るとそれ以上増えなくなる(S1001)。
コイルに正方向の電流を流した状態で、ヨークに正方向の磁界を与えて、同様にヨークの磁束密度を見ると、電流で正方向の磁界が発生している分だけ磁束密度は正方向にオフセットして、電流が流れていない状態よりも弱い外部磁界で、飽和磁束密度に達する(S1002)。
コイルに逆方向の電流を流した状態で、ヨークに正方向の磁界を与えて、同様にヨークの磁束密度を見ると、電流で負方向の磁界が発生している分だけ磁束密度は負方向にオフセットして、電流が流れていない状態よりも強い外部磁界で、飽和磁束密度に達する(S1003)。
このように、パーマロイをヨークに用いたコイルは、正方向、負方向の両方向の磁界を区別して検出できるセンサとして応用できる。
特許文献1及び特許文献2は、上述の技術を応用した、本願発明者による磁気センサを用いた電流センサの先行技術文献である。
しかし、コイルを二つ用意する、ということは、部品点数の増加を招き、装置の小型化を阻害する。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。
磁気センサ101は、樹脂モールドされた回路を内蔵した一体型のセンサとして形成されている。
磁気センサ101の検出突起101aの中にはパーマロイのヨークに巻かれたコイルが内蔵されている。
この検出突起101aに磁石102を近接すると、アナログの検出信号が得られる。
磁気センサ101は、ヨーク201に巻かれたコイルL202のインダクタンスの変化を検出する検出部203と、この検出部203に一定周期のパルスを複数出力するシーケンサ204よりなる。シーケンサ204は、後述する図6(a)、(b)、(c)及び(d)に示す波形のパルスを出力する。
第一スイッチ301は第二スイッチ302に直列接続され、電源電圧+Vccが印加される。第二スイッチ302は第一スイッチ301と接地との間に接続される。
第一スイッチ301及び第二スイッチ302はトランジスタスイッチである。
コンデンサC305には、コンデンサC305の両端電圧を検出するための回路として、二つのサンプルホールド回路が接続されている。コンデンサC305の後続の回路は、電圧変化取得部ともいえる。
コンデンサC309とコンデンサC305との間には、第四スイッチ310が介在する。第四スイッチ310はシーケンサ204が出力するサンプリングパルス信号P4によってオン・オフ制御される。
オペアンプ307の出力に接続される抵抗R312と、オペアンプ311の出力に接続される抵抗R313は、加算回路の入力部を構成する。抵抗R312と抵抗R313の中点、すなわち加算信号はオペアンプ314の反転入力に印加される。
こうして、オペアンプ314はコンデンサC305の平均電圧を出力する。
このコンデンサC305の平均電圧は、コイルL202に印加される磁界に応じて変化する。この仕組みの詳細については後述する。
シーケンサ204は、後述する図6(a)、(b)、(c)及び(d)に示す波形のパルスを出力する。この周期的なパルスを出力するために、シーケンサ204は、クロック発生器401と、ループカウンタ402と、ROM403とデコーダ404よりなる。
ループカウンタ402は、クロック発生器401が生成するパルスを受けて、0から予め定められた数Nまで計数し、その計数値データを出力する。ループカウンタ402はNまで計数すると、再び計数値を0に戻して、再度計数を繰り返す。
なお、シーケンサ204はこの構成に限らず、複数のカウンタとフリップフロップ等の論理回路を組み合わせて構成してもよいし、マイコンで構成してもよい。
図5(a)、(b)、(c)及び(d)は、磁気センサ101の動作原理を説明する図である。
図6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)及び(f)は、磁気センサ101の各部の波形図である。
先ず、図6(a)は制御パルス信号P1の波形であり、図6(b)は制御パルス信号P2の波形であり、図6(c)はサンプリングパルス信号P3の波形であり、図6(d)はサンプリングパルス信号P4の波形である。
図6(e)は、コイルL202に流れる電流の波形図である。
時点t1で制御パルス信号P1がオンになると、図5(a)の矢印に示す電流が流れる。コイルL202の特性により、電流は正方向に徐々に増加する。
コイルL202に電流が流れると、コイルL202に電流に比例する磁界が生じる。時点t2において、電流がある値に至ると、コイルL202のヨーク201の透磁率が飽和し、コイルL202のインダクタンスは減少する。コイルL202のインダクタンスが減少すると、電流増加の傾きは急峻になる。
なお、制御パルス信号P1のパルス幅は、ヨークが十分飽和するまでの値が必要である。言い換えれば、パルス幅が狭いと磁気センサとして機能しない。コイルL202のインダクタンス及びクロック発生器401の周波数はこの条件を満たすために適切に設定されなければならない。
コイルL202に電流が流れると、コイルL202に電流に比例する磁界が生じる。時点t9において、電流がある値に至ると、コイルL202のヨーク201の透磁率が飽和し、コイルL202のインダクタンスは減少する。コイルL202のインダクタンスが減少すると、電流増加の傾きは急峻になる。
コンデンサC305に蓄積される電荷は、コイルL202に発生する電流によって上下する。したがって、時点t1から時点t5までは両端電圧が増加し、時点t5から時点t8までは安定し、時点t8から時点t12までは両端電圧が減少し、時点t12から時点t15までは安定する。この周期を繰り返す。
逆に、図6には図示してはいないものの、コイルL202に正方向の磁界を印加すると、オペアンプ314の出力には、無磁界の時点で得られた、電源電圧+Vcc/2の電圧に相当する信号より負方向にオフセットした信号が得られる。
図7は、本発明の第二の実施形態に係る磁気センサの、検出部の回路図である。第二の実施形態の磁気センサは、第一の実施形態の磁気センサ101の、検出部のみが異なり、それ以外の部分は共通するので、共通部分の説明は割愛する。
図8は、本発明の第三の実施形態に係る磁気センサの、検出部の回路図である。第三の実施形態の磁気センサは、第一の実施形態の磁気センサ101の、検出部のみが異なり、それ以外の部分は共通するので、共通部分の説明は割愛する。
先に説明したように、図8の検出部801であれば、検出部801からコイルL802のみ取り出してケーブルで引き回すことができる。センサであるコイルL802が検出部801から離して配置できるので、第一の実施形態の磁気センサ101と比べると、磁気センサとしての配置の自由度が高い。
(1)検出部203、701及び801では、第一スイッチ301及び抵抗R315に印加される電圧は電源電圧であったが、これは必ずしも電源電圧である必要はない。これら素子に印加する電圧をどのように決定するかは設計的事項である。
コイルとコンデンサを直列接続した共振回路に対し、所定の電圧と接地とを交互に接続する。また、フリーホイールダイオードを二つ設けて、電圧或は接地から切断した直後にコイルから生じる起電力を受け流し、コンデンサに電荷を蓄積させると共に回路を安定化させる。その後、コンデンサ或はコンデンサとコイルの直列接続よりなる負荷の両端電圧を取得して、コイル電流による磁界と外部磁界が同一極性の状態と逆極性の状態との電圧を比較して、磁界の有無と方向を検出する。
従来技術とは異なり、コイルに双方向の電流を流すので、回路定数が変化した場合でも検出電圧の変化が電流方向の違いでそれぞれ同じ大きさになり相殺される。このため無磁界時のオフセットが生じ難い。したがって、従来技術のように二つのコイルを設ける必要がなく、部品点数が少なくなるので、低コストで高精度な磁気センサを実現できる。
特に、第三の実施形態では、コイルを単体でセンサとして回路ブロックから引き出すことができる。その際、従来技術と比べるとコイルが一つだけで済むので、センサが小型化でき、更に回路ブロックとコイルとを結線する信号ケーブルの本数を節約して低コスト化に一層寄与することができる。
Claims (5)
- 所定の電圧が印加される第一スイッチと、
前記第一スイッチに並列接続される第一フリーホイールダイオードと、
前記第一スイッチと接地との間に接続される第二スイッチと、
前記第二スイッチに並列接続される第二フリーホイールダイオードと、
前記第一スイッチと前記第二スイッチとの間に接続される、ヨークを有するコイルと、
前記コイルと接地との間に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサの両端電圧の変化を取得する電圧変化取得部と、
前記第一スイッチと前記第二スイッチとを交互にオン・オフ制御する制御パルス信号を出力するシーケンサと
を備える磁気センサ。 - 前記電圧変化取得部は、
前記シーケンサによって前記第一スイッチがオン制御された後、前記コンデンサの両端電圧を取得する第一サンプルホールド回路と、
前記シーケンサによって前記第二スイッチがオン制御された後、前記コンデンサの両端電圧を取得する第二サンプルホールド回路と、
前記第一サンプルホールド回路と前記第二サンプルホールド回路の出力を加算する加算回路と
よりなる、請求項1記載の磁気センサ。 - 前記電圧変化取得部はローパスフィルタよりなる、請求項1記載の磁気センサ。
- 所定の電圧が印加される第一スイッチと、
前記第一スイッチに並列接続される第一フリーホイールダイオードと、
前記第一スイッチと接地との間に接続される第二スイッチと、
前記第二スイッチに並列接続される第二フリーホイールダイオードと、
前記第一スイッチと前記第二スイッチとの間に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサと接地との間に接続される、ヨークを有するコイルと、
前記コンデンサ及び前記コイルの直列接続の両端電圧の変化を取得する電圧変化取得部と、
前記第一スイッチと前記第二スイッチとを交互にオン・オフ制御する制御パルス信号を出力するシーケンサと
を備える磁気センサ。 - 前記電圧変化取得部は、
前記シーケンサによって前記第一スイッチがオン制御された後、前記コンデンサの両端電圧を取得する第一サンプルホールド回路と、
前記シーケンサによって前記第二スイッチがオン制御された後、前記コンデンサの両端電圧を取得する第二サンプルホールド回路と、
前記第一サンプルホールド回路と前記第二サンプルホールド回路の出力を加算する加算回路と
よりなる、請求項4記載の磁気センサ。
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