JP2018081057A - 磁界検出センサ - Google Patents
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Abstract
Description
(1)磁界を検出できる範囲が狭い。
(2)磁気インピーダンス素子の磁気インピーダンス特性がM字型であるため、交流バイアスを用いる場合に、傾きが急峻な位置まで交流バイアスをかけないと高感度の測定ができない。そのため、消費電流が増大する。
(3)磁気インピーダンス特性がM字型の磁気インピーダンス素子は、ピラミッド型と比べてヒステリシスが大きくなる。そのため、検出精度が低下する。
(1) 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイルとで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路と、を有する磁界検出センサであって、
外部磁界が印加されない状態の前記磁気検出素子の特性におけるインピーダンスの極値位置を基準点とし、前記基準点からのインピーダンスの変化量に応じて変化する電気信号を出力する検出回路を備え、
前記検出回路は、少なくとも前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅を検出する振幅検出回路を含む、
ことを特徴とする磁界検出センサ。
前記磁気検出素子の磁性材料と、3個の抵抗器とで構成され、前記磁気検出素子が前記基準点のインピーダンスである時に平衡状態になるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
を備える、ことを特徴とする上記(1)に記載の磁界検出センサ。
前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける位相差を検出する位相差検出回路と、
前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路のいずれか一方、または両方を選択する選択回路、
を備える、ことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の磁界検出センサ。
外部磁界の強さの大小を識別した結果に応じて、前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路のいずれか一方、または両方を自動的に選択する、
ことを特徴とする上記(3)に記載の磁界検出センサ。
前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路の両方の出力を利用して、位相差に基づいて算出した第1の磁界強度、および振幅に基づいて算出した第2の磁界強度を取得し、前記第1の磁界強度、および前記第2の磁界強度を平均化した結果に基づいて、最終的な外部磁界の大きさを検出する、
ことを特徴とする上記(4)に記載の磁界検出センサ。
本発明の実施形態における磁界検出センサ200の構成例を図1に示す。
図1に示した磁界検出センサ200は、駆動ユニット20および検出ユニット30により構成されている。詳細については後で説明するが、駆動ユニット20に含まれている磁気インピーダンス素子12は、磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料を含んでいる。つまり、この磁界検出センサ200は磁気インピーダンス素子12を利用して外部磁界を検出する。
2種類の磁気インピーダンス素子12の各々の構成例を図2(a)および図2(b)にそれぞれ示す。図2(a)に示すように、磁気インピーダンス素子12は、非磁性基板12aと、磁性薄膜(磁性膜)12bと、電極12c、12dとにより構成されている。
磁気インピーダンス素子12の磁気検出特性の具体例を図3に示す。図3において、横軸は外部磁界の大きさおよび方向H[Oe]を表し、縦軸は磁性薄膜12bの長手方向の両端の間のインピーダンス(直流抵抗)[Ω]を表す。
磁気インピーダンス素子12における入力磁界と出力信号との相関関係の例を図4に示す。図4において、インピーダンス特性41のグラフの横軸は磁気インピーダンス素子12に加わる入力磁界の大きさおよび方向H[A/m]を表し、縦軸は磁気インピーダンス素子12の磁性薄膜12bにおける長手方向両端間のインピーダンスZ(直流抵抗値)[Ω]を表す。
磁界検出センサ200内部の主要な信号の変化例を図5に示す。図5において、各信号の横軸は共通の時間tを表し、縦軸は電位を表している。
また、信号SG2−Aにおいて、振幅A1とA2は同じである。ここで、振幅A1はバイアス信号SG3の電位が上昇から下降に変化する各頂点の時刻t21、t25、t29、・・・における振幅を表し、振幅A2はバイアス信号SG3の電位が下降から上昇に変化する各頂点の時刻t23、t27、・・・における振幅を表す。
一方、信号SG2−Bにおいては、振幅A1BとA2Bとが異なっている。ここで、振幅A1Bは、信号SG01の1周期T0の間で、バイアス信号SG3の電位が上昇から下降に変化する頂点の時刻t55における振幅を表し、振幅A2Bはバイアス信号SG3の電位が下降から上昇に変化する頂点の時刻t57における振幅を表す。
一方、信号SG2−Cにおいては、振幅A1CとA2Cとが異なっている。ここで、振幅A1Cは、信号SG01の1周期T0の間で、バイアス信号SG3の電位が上昇から下降に変化する頂点の時刻75における振幅を表し、振幅A2Bはバイアス信号SG3の電位が下降から上昇に変化する頂点の時刻t77における振幅を表す。
外部磁界が大きい場合の主要な信号の変化例を図6に示す。図6において、各信号の横軸は共通の時間tを表し、縦軸は電位を表している。また、図6中の各信号SG01、SG3、SG2−A、およびSG4−Aは、図5の内容と同一である。
検出ユニット30内の増幅器31の入力には、駆動ユニット20の計装増幅器29から出力される信号SG2が印加される。この信号SG2は、外部磁場がゼロの場合には図5に示した信号SG2−Aのような三角波の波形である。また、外部磁場がプラス方向の場合、およびマイナス方向の場合には、それぞれ図5に示した信号SG2−B、およびSG2−Cのような波形になる。また、外部磁界の大きさがバイアス信号の振幅Vp以上になった場合には、図6に示した信号SG2−D、およびSG2−Eのような波形になる。この信号SG2は、増幅器31で増幅され、スイッチ回路32の切替により、振幅検出回路33および位相検出回路34のいずれかの入力に選択的に印加される。
振幅検出回路33においては、図5の信号SG2A、SG2−B、SG−2Cと同等の波形の信号がローパスフィルタ(LPF)33aの入力に印加される。ローパスフィルタ33aは、信号の積分動作を行い、周波数の高い成分を除去する。したがって、例えば波形が三角波の信号が入力された場合には、正弦波に近い波形の信号SG6がローパスフィルタ33aから出力される。
位相検出回路34においては、図5の信号SG2−A、SG2−B、SG−2Cと同等の波形の信号が、スイッチ回路32の出力から微分回路34aに入力される。位相検出回路34は、この入力信号を微分回路34aで微分処理した後、増幅器34bで増幅し、次の微分回路34cで再び微分処理して信号SG4を生成する。
マイクロコンピュータ35は、振幅検出回路33から出力される振幅検出信号SG9の電圧を計測することにより、例えば図5に示した振幅A1B、A2Bのいずれか一方、または両方を把握し、その結果に基づいて外部磁界の大きさおよび方向を算出することができる。また、マイクロコンピュータ35は、位相検出回路34から出力される位相差検出信号SG5のタイミングに基づいて、例えば図5に示した各時間周期Tの長さを計測し、その結果に基づいて外部磁界の大きさおよび方向を算出することができる。
外部磁界と位相検出回路34の動作との関係の例を図7に示す。図7に示した特性C71は、検出ユニット30内の位相検出回路34における検出特性の例を表している。また、図7において横軸は外部磁界H[A/m]の大きさおよび方向を表し、縦軸は位相検出回路34の信号SG4、SG5におけるプラス方向のパルスPpの時間周期T(図5、図6参照)の長さを表している。
外部磁界と位相検出回路34が検出する振幅との関係の例を図8に示す。図8に示した特性C81、C82は振幅検出回路33の検出特性を表し、特性C81、およびC82は、それぞれ振幅検出回路33が出力する振幅検出信号SG9における図5中の振幅A1およびA2に対応する。
外部磁界と振幅検出回路33の動作との関係の例を図9に示す。図9に示した特性C91は振幅検出回路33の検出特性を表し、具体的には、振幅検出回路33が出力する振幅検出信号SG9における図5中の振幅A1とA2との差分(A1−A2)に対応する。図9において、横軸は外部磁界H[A/m]の大きさおよび方向を表し、縦軸は振幅差分(A1−A2)の電圧[V]を表す。
磁界検出センサ200における特徴的な動作の処理手順を図10に示す。すなわち、磁界検出センサ200のマイクロコンピュータ35が図10に示した処理手順を実行することにより、振幅検出回路33および位相検出回路34を状況に応じて自動的に使い分けることが可能になる。
(A)振幅および位相差の両方の情報を利用して外部磁界Heの大きさを算出する。
(B)位相差の情報のみを利用して外部磁界Heの大きさを算出する。
(C)振幅の情報のみを利用して外部磁界Heの大きさを算出する。
Ht=(Ha+Hp)/2
Ha:振幅の情報のみに基づいて算出した外部磁界の大きさ
Hp:位相差の情報のみに基づいて算出した外部磁界の大きさ
[1] 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料(磁性薄膜12b)と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイル(14)とで構成される磁気検出素子(磁気インピーダンス素子12)と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路(発振回路21)と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路(増幅器37)と、を有する磁界検出センサ(200)であって、
外部磁界が印加されない状態の前記磁気検出素子の特性におけるインピーダンスの極値位置(図3の特性のピーク位置)を基準点とし、前記基準点からのインピーダンスの変化量に応じて変化する電気信号を出力する検出回路(検出ユニット30)を備え、
前記検出回路は、少なくとも前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅(A1、A2)を検出する振幅検出回路(33)を含む、
ことを特徴とする磁界検出センサ。
前記磁気検出素子の磁性材料(磁性薄膜12b)と、3個の抵抗器(24、25、26)とで構成され、前記磁気検出素子が前記基準点のインピーダンスである時に平衡状態になるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の出力電圧を検出する電圧検出回路(信号処理部23)と、
を備える、ことを特徴とする上記[1]に記載の磁界検出センサ。
前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける位相差を検出する位相差検出回路(位相検出回路34)と、
前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路のいずれか一方、または両方を選択する選択回路(スイッチ回路32、マイクロコンピュータ35)、
を備える、ことを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の磁界検出センサ。
外部磁界の強さの大小を識別した結果に応じて、前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路のいずれか一方、または両方を自動的に選択する(ステップS13〜S15)、
ことを特徴とする上記[3]に記載の磁界検出センサ。
前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路の両方の出力を利用して、位相差に基づいて算出した第1の磁界強度(Hp)、および振幅に基づいて算出した第2の磁界強度(Ha)を取得し、前記第1の磁界強度、および前記第2の磁界強度を平均化した結果に基づいて、最終的な外部磁界の大きさ(Ht)を検出する、
ことを特徴とする上記[4]に記載の磁界検出センサ。
12a 非磁性基板
12b 磁性薄膜
12c,12d 電極
14 バイアスコイル
20 駆動ユニット
21 発振回路
22 ブリッジ回路
23 信号処理部
24,25,26 抵抗器
27,28 ピークホールド回路
29 計装増幅器
30 検出ユニット
31,34b 増幅器
32 スイッチ回路
33 振幅検出回路
33a ローパスフィルタ(LPF)
33b,34d コンパレータ(COMP)
33c アナログスイッチ
33d ピークホールド回路
34 位相検出回路
34a,34c 微分回路
35 マイクロコンピュータ
36 スイッチ回路
37 増幅器
41 インピーダンス特性
41r 基準点
42 交流バイアス磁界
42P,42N 外部磁界と交流バイアス磁界の和
43,43P,43N センサ出力信号
100 プリント基板
100a,100b 電極
100c 切欠き部
200 磁界検出センサ
Claims (5)
- 磁気インピーダンス効果が生じる磁性材料と、前記磁性材料に対してバイアス磁界を印加するバイアスコイルとで構成される磁気検出素子と、前記磁性材料に高周波電流を供給する高周波発振回路と、前記バイアスコイルに交流バイアス電流を供給する交流バイアス回路と、を有する磁界検出センサであって、
外部磁界が印加されない状態の前記磁気検出素子の特性におけるインピーダンスの極値位置を基準点とし、前記基準点からのインピーダンスの変化量に応じて変化する電気信号を出力する検出回路を備え、
前記検出回路は、少なくとも前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける振幅を検出する振幅検出回路を含む、
ことを特徴とする磁界検出センサ。 - 前記検出回路は、
前記磁気検出素子の磁性材料と、3個の抵抗器とで構成され、前記磁気検出素子が前記基準点のインピーダンスである時に平衡状態になるブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の磁界検出センサ。 - 前記検出回路は、
前記電気信号の電圧の変化の方向が切り替わる各頂点のタイミングにおける位相差を検出する位相差検出回路と、
前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路のいずれか一方、または両方を選択する選択回路、
を備える、ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の磁界検出センサ。 - 前記選択回路は、
外部磁界の強さの大小を識別した結果に応じて、前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路のいずれか一方、または両方を自動的に選択する、
ことを特徴とする請求項3に記載の磁界検出センサ。 - 前記検出回路は、
前記位相差検出回路、および前記振幅検出回路の両方の出力を利用して、位相差に基づいて算出した第1の磁界強度、および振幅に基づいて算出した第2の磁界強度を取得し、前記第1の磁界強度、および前記第2の磁界強度を平均化した結果に基づいて、最終的な外部磁界の大きさを検出する、
ことを特徴とする請求項4に記載の磁界検出センサ。
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