JP2021085713A - Magnetic field detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界検出装置に関する。 The present invention relates to a magnetic field detector.
従来、磁界検出装置としては、例えばホール素子を用いるもの(ホール型)や磁気抵抗効果素子を用いるもの(MR型)が知られている(例えば、特許文献1を参照)。さらには、MI(磁気インピーダンス)効果素子を用いるものも知られている。 Conventionally, as a magnetic field detection device, for example, a device using a Hall element (Hall type) and a device using a magnetoresistive effect element (MR type) are known (see, for example, Patent Document 1). Further, those using MI (magnetic impedance) effect elements are also known.
ここで、従来の磁界検出装置は、例えば、導体に流れる電流により発生する磁界を検出することに使用される場合があった。上記電流が交流電流である場合、電流の変化により磁界の変化が生じるので、磁界検出装置は、磁界の変化に追従して磁界を検出する必要がある。 Here, the conventional magnetic field detection device may be used, for example, to detect a magnetic field generated by a current flowing through a conductor. When the current is an alternating current, the change in the current causes a change in the magnetic field. Therefore, the magnetic field detection device needs to detect the magnetic field by following the change in the magnetic field.
上記状況に鑑み、本発明は、磁界の変化への追従性を高めて正確に磁界を検出することを可能とする磁界検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above situation, it is an object of the present invention to provide a magnetic field detection device capable of accurately detecting a magnetic field by improving the ability to follow changes in the magnetic field.
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る磁界検出装置は、
磁界検出部と、
前記磁界検出部から出力される検出信号を増幅させるアンプと、
前記アンプに印加させるオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成部と、
前記アンプから出力される増幅信号をA/D変換してデジタル信号を出力するDAC(D/Aコンバータ)と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記アンプのゲインを第1ゲインに設定した上で前記デジタル信号を取得し、
取得された前記デジタル信号に基づいて前記オフセット電圧生成部による前記オフセット電圧の生成を制御しつつ、前記アンプのゲインを前記第1ゲインよりも大きい第2ゲインに設定する構成としている(第1の構成)。
The magnetic field detection device according to one aspect of the present invention in order to achieve the above object
Magnetic field detector and
An amplifier that amplifies the detection signal output from the magnetic field detection unit, and
An offset voltage generator that generates an offset voltage to be applied to the amplifier,
A DAC (D / A converter) that A / D-converts the amplified signal output from the amplifier and outputs a digital signal,
Control unit and
With
The control unit
After setting the gain of the amplifier to the first gain, the digital signal is acquired, and the digital signal is acquired.
While controlling the generation of the offset voltage by the offset voltage generation unit based on the acquired digital signal, the gain of the amplifier is set to a second gain larger than the first gain (first). Constitution).
上記第1の構成において、前記第1ゲインにより設定される測定ウィンドウは、前記磁界検出部の測定可能範囲全体を含むこととしてもよい(第2の構成)。 In the first configuration, the measurement window set by the first gain may include the entire measurable range of the magnetic field detection unit (second configuration).
また、上記第1または第2の構成において、前記磁界検出部は、MI(磁気インピーダンス)効果素子と、前記MI効果素子に巻回されたピックアップコイルと、前記MI効果素子にパルス状の駆動電流を供給するパルス駆動部と、を有するMIセンサを含み、
前記制御部は、前記第1ゲインを設定した上で前記パルス駆動部に第1パルスを生成させ、前記第2ゲインを設定した上で前記パルス駆動部に第2パルスを生成させることとしてもよい(第3の構成)。
Further, in the first or second configuration, the magnetic field detection unit includes an MI (magnetic impedance) effect element, a pickup coil wound around the MI effect element, and a pulse-shaped drive current around the MI effect element. Includes a pulse drive unit, and has an MI sensor
The control unit may set the first gain and then cause the pulse drive unit to generate the first pulse, and after setting the second gain, cause the pulse drive unit to generate the second pulse. (Third configuration).
また、上記第3の構成において、前記アンプは、前記オフセット電圧が印加される非反転入力端を有するオペアンプと、前記オペアンプの出力端と前記オペアンプの反転入力端との間に接続される可変キャパシタと、を含み、
前記磁界検出部は、前記ピックアップコイルの両端間に接続されるキャパシタと、前記ピックアップコイルの一端と前記キャパシタの一端との間に配置される第1スイッチと、前記ピックアップコイルの他端と前記キャパシタの他端との間に配置される第2スイッチと、第3スイッチと、を含み、
前記キャパシタの他端は、接地端に接続され、
前記キャパシタの一端は、前記第3スイッチを介して前記反転入力端と接続されることとしてもよい(第4の構成)。
Further, in the third configuration, the amplifier is a variable capacitor connected between an operational amplifier having a non-inverting input terminal to which the offset voltage is applied, and an output end of the operational amplifier and an inverting input terminal of the operational amplifier. And, including
The magnetic field detection unit includes a capacitor connected between both ends of the pickup coil, a first switch arranged between one end of the pickup coil and one end of the capacitor, the other end of the pickup coil, and the capacitor. Including a second switch and a third switch arranged between the other end of the
The other end of the capacitor is connected to the ground end and
One end of the capacitor may be connected to the inverting input end via the third switch (fourth configuration).
また、上記第4の構成において、前記磁界検出部は、前記キャパシタの両端間に接続される短絡用スイッチを含むこととしてもよい(第5の構成)。 Further, in the fourth configuration, the magnetic field detection unit may include a short-circuit switch connected between both ends of the capacitor (fifth configuration).
また、上記第4または第5の構成において、前記アンプは、前記可変キャパシタの両端間に接続される放電用スイッチを含むこととしてもよい(第6の構成)。 Further, in the fourth or fifth configuration, the amplifier may include a discharge switch connected between both ends of the variable capacitor (sixth configuration).
また、上記第1から第6のいずれかの構成において、前記オフセット電圧生成部は、DAC(D/Aコンバータ)であることとしてもよい(第7の構成)。 Further, in any of the first to sixth configurations, the offset voltage generation unit may be a DAC (D / A converter) (seventh configuration).
また、上記第1から第7のいずれかの構成において、前記磁界検出部は、直交する少なくとも2つの軸の各軸方向の磁界を検出する磁界検出部のうちの1つであることとしてもよい(第8の構成)。 Further, in any of the first to seventh configurations, the magnetic field detection unit may be one of the magnetic field detection units that detect magnetic fields in each axial direction of at least two orthogonal axes. (8th configuration).
また、本発明の別の態様は、上記第8の構成とした磁界検出装置を含む携帯機器である。 Another aspect of the present invention is a portable device including the magnetic field detection device having the eighth configuration.
また、本発明のさらに別の態様は、上記第1から第8のいずれかの構成とした磁界検出装置と、交流電流が流れる配線を形成された基板と、を含む電流センサである。 Further, another aspect of the present invention is a current sensor including a magnetic field detection device having any of the above-mentioned first to eighth configurations and a substrate on which a wiring through which an alternating current flows is formed.
本発明の磁界検出装置によれば、磁界の変化への追従性を高めて正確に磁界を検出することが可能となる。 According to the magnetic field detection device of the present invention, it is possible to improve the ability to follow changes in the magnetic field and accurately detect the magnetic field.
以下に本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。 An exemplary embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<1.磁界検出装置の全体構成>
図1は、本発明の例示的な実施形態に係る磁界検出装置の全体構成を示すブロック図である。図1に示す磁界検出装置10は、地磁気センサとして構成される。
<1. Overall configuration of magnetic field detector>
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a magnetic field detection device according to an exemplary embodiment of the present invention. The magnetic
磁界検出装置10は、X軸用MI(磁気インピーダンス)センサ1と、Y軸用MIセンサ2と、Z軸用MIセンサ3と、サンプル/ホールド回路4と、PGA(可変ゲインアンプ)5と、オフセット電圧生成部6と、ADC(A/Dコンバータ)7と、シリアルインタフェース8と、ロジック部9と、を備え、これらの構成要素を1チップに集積化した半導体装置である。
The magnetic
X軸用MIセンサ1は、互いに直交するX軸、Y軸、およびZ軸のうちX軸方向の磁界を検出する。Y軸用MIセンサ2は、Y軸方向の磁界を検出する。Z軸用MIセンサ3は、Z軸方向の磁界を検出する。X軸用MIセンサ1、Y軸用MIセンサ2、およびZ軸用MIセンサ3ともに、MI効果素子を用いて磁界検出を行う。
The
X軸用MIセンサ1およびY軸用MIセンサ2は、水平方向の磁界を検出する。Z軸用MIセンサ3による磁界検出結果から磁界検出装置10の水平からの傾きを検出できるので、当該傾きの検出結果に基づきX軸用MIセンサ1およびY軸用MIセンサ2の各検出結果を補正することで、より正確な方位角を検出できる。例えば、磁北からのX軸の角度を検出できる。
The
サンプル/ホールド回路4は、X軸用MIセンサ1から出力される磁界検出結果としてのセンサ信号S1、Y軸用MIセンサ2から出力される磁界検出結果としてのセンサ信号S2、およびZ軸用MIセンサ3から出力される磁界検出結果としてのセンサ信号S3のそれぞれをサンプル/ホールドする。サンプル/ホールド回路4は、サンプル/ホールドの結果として、サンプル/ホールド信号SHを生成する。
The sample / hold circuit 4 includes a sensor signal S1 as a magnetic field detection result output from the
PGA5は、サンプル/ホールド信号SHに対してオフセット電圧生成部6により生成されるオフセット電圧Vofによるオフセットを行いつつ所定ゲインで増幅を行う。当該所定ゲインは、可変である。PGA5は、増幅結果として増幅信号SAを生成する。
The PGA 5 amplifies the sample / hold signal SH with a predetermined gain while offsetting the sample / hold signal SH by the offset voltage Vof generated by the offset
ADC7は、増幅信号SAをA/D(アナログ/デジタル)変換してデジタル信号SDを生成する。シリアルインタフェース8は、デジタル信号SDをシリアル信号SSへ変換して磁界検出装置10の外部へ出力する。
The ADC 7 converts the amplified signal SA into A / D (analog / digital) to generate a digital signal SD. The
ロジック部9は、磁界検出装置10の各部を制御する制御部である。より具体的には、ロジック部9は、例えば、X軸用MIセンサ1、Y軸用MIセンサ2、およびZ軸用MIセンサ3のそれぞれの駆動制御、サンプル/ホールド回路4の動作制御、PGA5のゲイン調整、およびオフセット電圧Vofの調整を行うことができる。
The logic unit 9 is a control unit that controls each unit of the magnetic
なお、磁界検出装置10は、図1に図示した構成以外にも、例えば内部電圧Vregを生成するレギュレータなどを有する。
In addition to the configuration shown in FIG. 1, the magnetic
<2.磁界検出結果出力構成>
次に、図2を用いて、MIセンサ、サンプル/ホールド回路4、およびPGA5から構成される磁界検出結果を出力する構成について、詳細に説明する。なお、図2では、便宜上、MIセンサおよびサンプル/ホールド回路4の構成については、X軸用MIセンサ1に対応する構成のみを代表的に示す。また、図2において、X軸用MIセンサ1と、サンプル/ホールド回路4に含まれる構成とから磁界検出部が構成される。
<2. Magnetic field detection result output configuration>
Next, the configuration for outputting the magnetic field detection result composed of the MI sensor, the sample / hold circuit 4, and the PGA 5 will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 2, for convenience, only the configuration corresponding to the
図2に示すように、X軸用MIセンサ1は、MI効果素子1Aと、ピックアップコイル1Bと、パルス駆動部1Cと、を含む。MI効果素子1Aは、例えばアモルファスワイヤとして構成される。ピックアップコイル1Bは、MI効果素子1Aに巻回されて構成され、自身の両端間に発生する誘起電圧をセンサ信号S1として出力する。パルス駆動部1Cは、ロジック部9の指令に応じてMI効果素子1Aにパルス状の駆動電流Ipを供給する。
As shown in FIG. 2, the
ここで、MI効果素子1Aを用いた磁界検出方法の原理について述べる。MI効果素子1Aに通電していないときは、MI効果素子1Aにおいて電子スピンは周方向に向く。なお、周方向とは、MI効果素子1Aの軸方向周りの方向である。そして、通電していないMI効果素子1Aに外部磁界が印加されると、電子スピンは傾く。ここで、MI効果素子1Aに通電すると、電流により生じる周方向の磁界により電子スピンが回転し、周方向の一方向に揃う。この回転の際に生じるMI効果素子1Aの軸方向の磁気ベクトル変化の速度に比例した誘起電圧がピックアップコイル1Bに発生する。その後、通電を解除すると、電子スピンは外部磁界に応じた傾いた状態に変化し、その際のMI効果素子1Aの軸方向の磁気ベクトル変化の速度に比例した誘起電圧がピックアップコイル1Bに発生する。
Here, the principle of the magnetic field detection method using the
従って、図3に示すように、MI効果素子1Aに通電されていない状態から駆動電流Ipにより通電されると(パルス波の立上り)、ピックアップコイル1Bに外部磁界に応じた誘起電圧VHが発生し、センサ信号S1として出力される。また、MI効果素子1Aが通電された状態から駆動電流Ipによる通電が停止されると(パルス波の立下り)、ピックアップコイル1Bに先の誘起電圧とは逆極性の誘起電圧VLが発生し、センサ信号S1として出力される。なお、外部磁界の向きが逆となると、発生する誘起電圧の極性も逆となる(すなわち、誘起電圧VLが発生してからVHが発生する)。
Therefore, as shown in FIG. 3, when the
サンプル/ホールド回路4は、X軸用MIセンサ1に対応する構成として、第1スイッチ41、第2スイッチ42、第3スイッチ43、第4スイッチ44、第5スイッチ45、およびキャパシタ4Aを有する。また、PGA5は、オペアンプ5Aと、可変キャパシタ5Bと、放電用スイッチ5Cと、を有する。
The sample / hold circuit 4 has a
第1スイッチ41は、ピックアップコイル1Bの一端とキャパシタ4Aの一端との間に配置される。第2スイッチ42は、ピックアップコイル1Bの他端とキャパシタ4Aの他端との間に配置される。キャパシタ4Aの他端は、接地端に接続される。キャパシタ4Aの両端間電圧としてサンプル/ホールド信号SHが生成される。サンプル/ホールド信号SHは、磁界検出部の検出信号に相当する。
The
キャパシタ4Aの一端と他端との間には、第5スイッチ45が接続される。キャパシタ4Aの一端は、第3スイッチ43を介してオペアンプ5Aの反転入力端と接続ノードN1で接続される。キャパシタ4Aの他端は、第4スイッチ44を介してオペアンプ5Aの反転入力端と接続ノードN1で接続される。
A
オペアンプ5Aの非反転入力端には、オフセット電圧生成部6の一例としてのDAC(D/Aコンバータ)6の出力端が接続される。DAC6は、ロジック部9から出力されるデジタル指令をD/A(デジタル/アナログ)変換してオフセット電圧Vofをオペアンプ5Aの非反転入力端に印加させる。
The output end of a DAC (D / A converter) 6 as an example of the offset
オペアンプ5Aの出力端と接続ノードN1との間には、可変キャパシタ5Bが配置される。可変キャパシタ5Bの両端間には、放電用スイッチ5Cが配置される。オペアンプ5Aの出力端と可変キャパシタ5Bと放電用スイッチ5Cとが接続される接続ノードN2には、増幅信号SAが生成される。
A
ロジック部9により、第1スイッチ41〜第5スイッチ45、および放電用スイッチ5Cのそれぞれのオンオフが制御される。また、可変キャパシタ5Bの容量は、ロジック部9からの制御信号に応じて可変である。
The logic unit 9 controls the on / off of each of the
次に、図2に示す構成における磁界検出結果の出力動作について、図4A〜図4Cを用いて説明する。 Next, the output operation of the magnetic field detection result in the configuration shown in FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 4A to 4C.
まず、図4Aに示すように、第1スイッチ41および第2スイッチ42をオンとし、第3スイッチ43〜第5スイッチ45をオフとした状態で、パルス駆動部1Cからパルス状の駆動電流IpをMI効果素子1Aに供給する。これにより、図3で示したような波形のセンサ信号S1によりキャパシタ4Aの充電が行われる。キャパシタ4Aは充電開始時には電荷はゼロであり、充電に応じてサンプル/ホールド信号SHが生成される。すなわち、ここではサンプリング動作が行われる。
First, as shown in FIG. 4A, with the
また、このとき、放電用スイッチ5Cはオンとされ、可変キャパシタ5Bの両端間が短絡されることで、可変キャパシタ5Bの電荷がゼロとなるまで放電される。すなわち、可変キャパシタ5Bが初期化される。
Further, at this time, the
次に、図4Bに示すように、第1スイッチ41、第4スイッチ44および第5スイッチ45をオフとし、第2スイッチ42および第2スイッチ43をオンとする。これにより、キャパシタ4Aに生じるサンプル/ホールド信号SHの電圧値は保持され、ホールド動作が行われる。ホールド動作を行うタイミングは、例えば、図3で示した誘起電圧VHのピークPHのタイミングでもよいし、誘起電圧VLのピークPLのタイミングでもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, the
このとき、放電用スイッチ5Cはオフとされ、キャパシタ4Aからオンとなった第3スイッチ43を介して可変キャパシタ5Bに電荷が転送される。このとき、オペアンプ5Aの非反転入力端と反転入力端の間のイマジナリショートにより、オフセット電圧Vof、サンプル/ホールド信号SH、およびスイッチ43のオン抵抗に基づいた電流によって可変キャパシタ5Bが充電される。
At this time, the
そして、図4Cに示すように、第1スイッチ41、第3スイッチ43、および第4スイッチ44をオフとし、第2スイッチ42および第5スイッチ45をオンとする。これにより、キャパシタ4Aから可変キャパシタ5Bへの電荷の転送が停止され、可変キャパシタ5Bの充電が停止される。このときに接続ノードN2に生成される増幅信号SAが磁界検出結果の出力として後段のADC7(図1)へ出力される。増幅信号SAは、サンプル/ホールド信号SHに対してオフセット電圧Vofによりオフセットを行いつつ可変キャパシタ5Bの容量に基づくゲインによって増幅を行って生成される。
Then, as shown in FIG. 4C, the
また、このとき、オンとなった第5スイッチ45(短絡用スイッチ)により、キャパシタ4Aの両端間が短絡され、キャパシタ4Aは電荷がゼロになるまで放電される。なお、可変キャパシタ5Bに充電された電荷は、次回の図4Aに示す動作のときに、オンとした放電用スイッチ5Cにより放電される。
Further, at this time, the fifth switch 45 (short-circuit switch) turned on short-circuits between both ends of the
なお、Y軸用MIセンサ2およびZ軸用MIセンサ3それぞれの構成は、図2に示すX軸用MIセンサ1と同様に構成され、図2に示すサンプル/ホールド回路4における構成と同様の構成は、Y軸用MIセンサ2およびZ軸用MIセンサ3それぞれについて設けられる。そして、Y軸用MIセンサ2およびZ軸用MIセンサ3それぞれについて設けられたサンプル/ホールド回路4の構成における接続ノードN1に相当する接続ノードは、接続ノードN1に接続される。すなわち、PGA5は、3つのMIセンサに対して共通に設けられる。また、Y軸用MIセンサ2およびZ軸用MIセンサ3それぞれについての磁界検出結果出力動作は、X軸用MIセンサ1と同様である。
The configurations of the Y-
<3.比較例に係る磁界検出動作>
ここで、本発明との比較のため、比較例に係る磁界検出装置による磁界検出動作について説明する。なお、比較例に係る磁界検出装置は、図1および図2で示した構成とほぼ同様であるが、後述のようにPGA5のゲインは固定でよいので、可変キャパシタ5Bは容量が固定のキャパシタとしてよい。
<3. Magnetic field detection operation according to the comparative example>
Here, for comparison with the present invention, the magnetic field detection operation by the magnetic field detection device according to the comparative example will be described. The magnetic field detection device according to the comparative example has almost the same configuration as that shown in FIGS. 1 and 2, but the gain of PGA5 may be fixed as described later, so that the
本比較例では、図5Aに示すように、オフセット値から相対的に+側である所定の正側磁界量(一例として+300μT)に対応する増幅信号SAが、ADC7の出力であるデジタル信号SDの所定の正側デジタル値に相当し、オフセット値から相対的に−側である所定の負側磁界量(一例として−300μT)に対応する増幅信号SAが、デジタル信号SDの所定の負側デジタル値に相当するように、PGA5のゲインが設定される。当該ゲインは、固定値であり、可変キャパシタ5Bの代わりに設けられる容量が固定のキャパシタの容量値に基づいて設定される。
In this comparative example, as shown in FIG. 5A, the amplification signal SA corresponding to a predetermined positive magnetic field amount (+300 μT as an example) on the + side relative to the offset value is the output of the digital signal SD of the ADC 7. The amplified signal SA corresponding to a predetermined negative magnetic field amount (-300 μT as an example) corresponding to a predetermined positive digital value and relatively negative from the offset value is a predetermined negative digital value of the digital signal SD. The gain of PGA5 is set so as to correspond to. The gain is a fixed value, and the capacitance provided in place of the
図5Aでは、一例として、14ビットモードの場合、上記正側デジタル値は+7200LSBであり、上記負側デジタル値は−7200LSBであり、12ビットモードの場合、上記正側デジタル値は+1800LSBであり、上記負側デジタル値は−1800LSBである。 In FIG. 5A, as an example, in the 14-bit mode, the positive digital value is +7200 LSB, the negative digital value is −7200 LSB, and in the 12-bit mode, the positive digital value is +1800 LSB. The negative digital value is -1800LSB.
これにより、本比較例では、正側磁界量と負側磁界量により規定される範囲(図5Aの例では±300μT)が測定ウィンドウとなる。図5Aでは、測定ウィンドウのオフセット値は0μTであり、これはオフセット電圧Vof=0Vに相当する。そして、オフセット電圧Vofを調整することにより、図5Aの矢印で示すように、測定ウィンドウを+側または−側にシフトすることができる。 As a result, in this comparative example, the measurement window is in the range defined by the amount of the positive magnetic field and the amount of the negative magnetic field (± 300 μT in the example of FIG. 5A). In FIG. 5A, the offset value of the measurement window is 0 μT, which corresponds to the offset voltage Vof = 0 V. Then, by adjusting the offset voltage Vof, the measurement window can be shifted to the + side or the − side as shown by the arrow in FIG. 5A.
ここで、図5Aに示すように、磁界検出装置の環境に外乱磁界が無い場合は、地磁気は0μTを中心に±50μTの範囲内に収まる。従って、外乱磁界が無い場合は、測定ウィンドウのオフセット値が0μTであっても、測定対象磁界は測定ウィンドウに収まる。 Here, as shown in FIG. 5A, when there is no disturbance magnetic field in the environment of the magnetic field detection device, the geomagnetism falls within the range of ± 50 μT centered on 0 μT. Therefore, when there is no disturbance magnetic field, the magnetic field to be measured fits in the measurement window even if the offset value of the measurement window is 0 μT.
また、磁界検出装置が外乱磁界の存在する環境に置かれた場合には、外乱磁界に応じて中心値が0μTからずれて、その中心値から±50μTの範囲内に測定対象磁界が存在する。外乱磁界が比較的小さい場合は、上記中心値のずれが小さいので、測定ウィンドウのオフセット値が0μTであっても、測定対象磁界は測定ウィンドウに収まる。しかしながら、外乱磁界が比較的大きい場合は、上記中心値のずれが大きくなるので、測定対象磁界が測定ウィンドウの範囲外となることが生じうる。 Further, when the magnetic field detection device is placed in an environment where a disturbance magnetic field exists, the center value deviates from 0 μT according to the disturbance magnetic field, and the magnetic field to be measured exists within a range of ± 50 μT from the center value. When the disturbance magnetic field is relatively small, the deviation of the center value is small, so that the magnetic field to be measured fits in the measurement window even if the offset value of the measurement window is 0 μT. However, when the disturbance magnetic field is relatively large, the deviation of the center value becomes large, so that the magnetic field to be measured may be out of the range of the measurement window.
図5Aの例では、MIセンサ自体は±1200μTの範囲内で磁界を検出可能であり、MIセンサが−300μTより小さい磁界を検出した場合、検出された磁界は図5Aの測定ウィンドウの範囲外となるので、デジタル信号SDは、負側デジタル値(−7200LSBまたは−1800LSB)となる。また、MIセンサが+300μTより大きい磁界を検出した場合、検出された磁界は図5Aの測定ウィンドウの範囲外となるので、デジタル信号SDは、正側デジタル値(+7200LSBまたは+1800LSB)となる。 In the example of FIG. 5A, the MI sensor itself can detect a magnetic field within the range of ± 1200 μT, and when the MI sensor detects a magnetic field smaller than −300 μT, the detected magnetic field is outside the range of the measurement window of FIG. 5A. Therefore, the digital signal SD has a negative digital value (-7200 LSB or -1800 LSB). Further, when the MI sensor detects a magnetic field larger than +300 μT, the detected magnetic field is out of the range of the measurement window of FIG. 5A, so that the digital signal SD becomes a positive digital value (+7200 LSB or +1800 LSB).
このような場合、例えば図5Bに示すように、測定ウィンドウをシフトさせる調整を行うことで、測定対象磁界を測定ウィンドウに収めることができる。図5Bの例では、測定対象磁界が−1000μTの場合、測定ウィンドウのオフセット値を−800μTとして測定ウィンドウを−側にシフトさせる調整を行うことで、測定対象磁界を測定ウィンドウに収めることができている。 In such a case, for example, as shown in FIG. 5B, the magnetic field to be measured can be accommodated in the measurement window by adjusting the measurement window to be shifted. In the example of FIG. 5B, when the magnetic field to be measured is -1000 μT, the magnetic field to be measured can be stored in the measurement window by adjusting the offset value of the measurement window to be -800 μT and shifting the measurement window to the − side. There is.
図6は、このような比較例に係る磁界検出装置における磁界検出動作を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing a magnetic field detection operation in the magnetic field detection device according to such a comparative example.
まず、ステップS11で、先述した図4A〜図4Cで示した方法によりMIセンサによる磁界検出結果を増幅信号SAとして出力させ、ADC7により増幅信号SAをA/D変換したデジタル信号SDをロジック部9が取得する。 First, in step S11, the magnetic field detection result by the MI sensor is output as the amplification signal SA by the method shown in FIGS. 4A to 4C described above, and the digital signal SD obtained by A / D converting the amplification signal SA by the ADC 7 is converted into the logic unit 9. Gets.
次に、ステップS12で、ロジック部9は、取得されたデジタル信号SDは、上記正側デジタル値以上であるか、または上記負側デジタル値以下であるかを判定する。すなわち、デジタル信号SDの絶対値が所定の最大値(図5Aの例では7200LSBまたは1800LSB)以上であるかを判定する。 Next, in step S12, the logic unit 9 determines whether the acquired digital signal SD is equal to or greater than the positive digital value or equal to or less than the negative digital value. That is, it is determined whether the absolute value of the digital signal SD is equal to or more than a predetermined maximum value (7200 LSB or 1800 LSB in the example of FIG. 5A).
デジタル信号SDの絶対値が所定の最大値以上である場合(ステップS12のY)、測定対象磁界が測定ウィンドウに収まっていないので、ステップS13に進む。ここで、ロジック部9は、DAC6へ制御信号を送ることで、オフセット電圧Vofを調整することで測定ウィンドウをシフトさせる。ここで、ステップS12で、デジタル信号SDが負の値である場合は、測定ウィンドウを−側へシフトさせ、デジタル信号SDが正の値である場合は、測定ウィンドウを+側へシフトさせる。 When the absolute value of the digital signal SD is equal to or greater than a predetermined maximum value (Y in step S12), the magnetic field to be measured is not contained in the measurement window, so the process proceeds to step S13. Here, the logic unit 9 shifts the measurement window by adjusting the offset voltage Vof by sending a control signal to the DAC6. Here, in step S12, if the digital signal SD has a negative value, the measurement window is shifted to the − side, and if the digital signal SD has a positive value, the measurement window is shifted to the + side.
ステップS13の後、ステップS11に戻り、ロジック部9は、デジタル信号SDを取得する。ステップS12で、取得されたデジタル信号SDの絶対値が所定の最大値以上でない場合は(ステップS12のN)、測定対象磁界が測定ウィンドウに収まっているので、取得されたデジタル信号SDを測定結果として確定する。 After step S13, the process returns to step S11, and the logic unit 9 acquires the digital signal SD. If the absolute value of the acquired digital signal SD is not equal to or greater than the predetermined maximum value in step S12 (N in step S12), the magnetic field to be measured is within the measurement window, so the acquired digital signal SD is measured. Confirmed as.
このように比較例であれば、外乱磁界が測定対象磁界に影響した場合でも、磁界を正確に検出することが可能となる。しかしながら、測定対象磁界が高速に変化するような場合は、測定ウィンドウのオフセット調整が測定対象磁界の変化に追従できなくなり、測定対象磁界を測定ウィンドウに収めることができず、正確な磁界検出を行えない虞がある。また、ロジック部9への負荷が大きくなる虞もある。 In this way, in the comparative example, even when the disturbance magnetic field affects the magnetic field to be measured, the magnetic field can be accurately detected. However, when the magnetic field to be measured changes at high speed, the offset adjustment of the measurement window cannot follow the change of the magnetic field to be measured, the magnetic field to be measured cannot be stored in the measurement window, and accurate magnetic field detection can be performed. There is no risk. In addition, the load on the logic unit 9 may increase.
<4.本発明の実施形態に係る磁界検出動作>
このように上記比較例には改善の余地が存在するため、以下、本発明の実施形態について説明する。図8は、本発明の実施形態に係る磁界検出動作を示すフローチャートである。ここでは、X軸用MIセンサ1による磁界検出動作について代表的に説明するが、Y軸用MIセンサ2およびZ軸用MIセンサ3についても磁界検出動作は同様である。
<4. Magnetic field detection operation according to the embodiment of the present invention>
As described above, since there is room for improvement in the above comparative example, an embodiment of the present invention will be described below. FIG. 8 is a flowchart showing a magnetic field detection operation according to the embodiment of the present invention. Here, the magnetic field detection operation by the
図8の処理が開始されるとまず、ステップS1で、ロジック部9は、可変キャパシタ5Bに制御信号を送ることにより、可変キャパシタ5Bの容量を調整することで、PGA5のゲインを所定の第1ゲインに設定する。また、ロジック部9は、DAC6にデジタル指令を送ることにより、オフセット電圧Vofを0Vに設定する。
When the process of FIG. 8 is started, first, in step S1, the logic unit 9 sends a control signal to the
ここで、図7Aの例に示すように、X軸用MIセンサ1により測定可能な所定の正側最大磁界量(一例として+1200μT)に対応する増幅信号SAが、ADC7の出力であるデジタル信号SDの所定の正側デジタル値に相当し、X軸用MIセンサ1により測定可能な所定の負側最大磁界量(一例として−1200μT)に対応する増幅信号SAが、デジタル信号SDの所定の負側デジタル値に相当するように、上記第1ゲインが設定される。
Here, as shown in the example of FIG. 7A, the amplification signal SA corresponding to the predetermined positive maximum magnetic field amount (+1200 μT as an example) that can be measured by the
図7Aでは、一例として、14ビットモードの場合、上記正側デジタル値は+7200LSBであり、上記負側デジタル値は−7200LSBであり、12ビットモードの場合、上記正側デジタル値は+1800LSBであり、上記負側デジタル値は−1800LSBである。 In FIG. 7A, as an example, in the 14-bit mode, the positive digital value is +7200 LSB, the negative digital value is −7200 LSB, and in the 12-bit mode, the positive digital value is +1800 LSB. The negative digital value is -1800LSB.
これにより、負側最大磁界量から正側最大磁界量までの範囲の第1測定ウィンドウを設定することができ、X軸用MIセンサ1による測定可能範囲全体を第1測定ウィンドウに収めることができる。図7Aの例では、0μTを中心とした±1200μTの範囲の第1測定ウィンドウを設定できる。
As a result, the first measurement window in the range from the maximum negative magnetic field amount to the maximum positive magnetic field amount can be set, and the entire measurable range by the
ステップS1の後、ステップS2に進み、先述した図4A〜図4Cで示した方法によりX軸用MIセンサ1による磁界検出結果を増幅信号SAとして出力させ、ADC7により増幅信号SAをA/D変換したデジタル信号SDをロジック部9が取得する。すなわち、ここでは、ロジック部9からの指令により、パルス駆動部1Cは、図9に示す第1パルスPS1の駆動電流IpをMI効果素子1Aに供給する。
After step S1, the process proceeds to step S2, the magnetic field detection result by the
ステップS1で先述したようにX軸用MIセンサ1による測定可能範囲全体を収める第1測定ウィンドウを設定しているので、上記測定可能範囲内の測定対象磁界であれば、任意の測定対象磁界を検出可能である。図7Aの例では、−1000μTの測定対象磁界を検出している。
Since the first measurement window that accommodates the entire measurable range of the
但し、第1測定ウィンドウは比較的広い範囲に設定するため、磁界の検出精度は比較的粗くなる。図7Aの例であれば、磁界検出感度は、14ビットモードの場合、1200μT/7200LSBとなり、12ビットモードの場合、1200μT/1800LSBとなる。 However, since the first measurement window is set in a relatively wide range, the magnetic field detection accuracy becomes relatively coarse. In the example of FIG. 7A, the magnetic field detection sensitivity is 1200 μT / 7200 LSB in the 14-bit mode and 1200 μT / 1800 LSB in the 12-bit mode.
次に、ステップS3で、ロジック部9は、ステップS2で取得されたデジタル信号SD(磁界検出結果)に基づいてオフセット電圧Vofを調整するとともに、PGA5のゲインを所定の第2ゲインに設定する。これにより、第2測定ウィンドウが設定される。 Next, in step S3, the logic unit 9 adjusts the offset voltage Vof based on the digital signal SD (magnetic field detection result) acquired in step S2, and sets the gain of the PGA 5 to a predetermined second gain. As a result, the second measurement window is set.
図7Bに示すように、オフセット値(一例として−800μT)から相対的に+側である所定の正側磁界量(一例として+300μT)に対応する増幅信号SAが、デジタル信号SDの上記正側デジタル値に相当し、オフセット値から相対的に−側である所定の負側磁界量(一例として−300μT)に対応する増幅信号SAが、デジタル信号SDの上記負側デジタル値に相当するように、上記第2ゲインが設定される。第2ゲインは、第1ゲインよりも大きいため、上記正側磁界量および上記負側磁界量により規定される第2測定ウィンドウは、第1測定ウィンドウよりも狭い。図7Bの例では、±300μTの第2測定ウィンドウは、図7Aで示す±1200μTの第1測定ウィンドウよりも狭い。第2測定ウィンドウのオフセット値(図7Bの例では−800μT)は、オフセット電圧Vofによって調整される。 As shown in FIG. 7B, the amplification signal SA corresponding to a predetermined positive magnetic field amount (+300 μT as an example), which is relatively + side from the offset value (−800 μT as an example), is the positive side digital of the digital signal SD. The amplified signal SA corresponding to the predetermined negative magnetic field amount (-300 μT as an example) corresponding to the value and relatively negative from the offset value corresponds to the negative digital value of the digital signal SD. The second gain is set. Since the second gain is larger than the first gain, the second measurement window defined by the positive magnetic field amount and the negative magnetic field amount is narrower than the first measurement window. In the example of FIG. 7B, the ± 300 μT second measurement window is narrower than the ± 1200 μT first measurement window shown in FIG. 7A. The offset value of the second measurement window (-800 μT in the example of FIG. 7B) is adjusted by the offset voltage Vof.
次に、ステップS4で、先述した図4A〜図4Cで示した方法によりX軸用MIセンサ1による磁界検出結果を増幅信号SAとして出力させ、ADC7により増幅信号SAをA/D変換したデジタル信号SDを生成する。すなわち、ここでは、ロジック部9からの指令により、パルス駆動部1Cは、図9に示す第2パルスPS2の駆動電流IpをMI効果素子1Aに供給する。従って、図9に示すように、第1パルスPS1に連続して第2パルスPS2を発生させる。
Next, in step S4, the magnetic field detection result by the
ステップS2で取得された磁界検出結果(図7Aの例であれば−1000μT)を含むようステップS3において第2測定ウィンドウのオフセット値を調整しているので、ステップS4では、正確に磁界検出結果(図7Bの例であれば−1000μT)を取得できる。このとき、第2測定ウィンドウによる検出精度は、第1測定ウィンドウによる検出精度よりも高い。図7Bの例であれば、磁界検出感度は、14ビットモードの場合、300μT/7200LSBとなり、12ビットモードの場合、300μT/1800LSBとなる。従って、より正確な磁界検出結果を取得できる。 Since the offset value of the second measurement window is adjusted in step S3 so as to include the magnetic field detection result (-1000 μT in the example of FIG. 7A) acquired in step S2, the magnetic field detection result (-1000 μT in the example of FIG. 7A) is accurately adjusted in step S4. In the case of the example of FIG. 7B, −1000 μT) can be obtained. At this time, the detection accuracy by the second measurement window is higher than the detection accuracy by the first measurement window. In the example of FIG. 7B, the magnetic field detection sensitivity is 300 μT / 7200 LSB in the 14-bit mode and 300 μT / 1800 LSB in the 12-bit mode. Therefore, a more accurate magnetic field detection result can be obtained.
このような本実施形態によれば、磁界変化が高速の場合でも、比較的に広い第1測定ウィンドウにより粗い精度で磁界を検出してから、その検出結果に基づき比較的に狭い第2測定ウィンドウを設定して、高い精度で磁界を検出するので、磁界変化への追従性を高めて磁界を正確に検出することが可能となる。 According to this embodiment, even when the magnetic field change is high speed, the magnetic field is detected with coarse accuracy by the relatively wide first measurement window, and then the second measurement window is relatively narrow based on the detection result. Is set to detect the magnetic field with high accuracy, so that it is possible to improve the followability to the change in the magnetic field and detect the magnetic field accurately.
<5.磁界検出装置の第1適用例>
ここでは、本発明の実施形態に係る磁界検出装置をスマートフォンに適用した例について説明する。なお、スマートフォンは、携帯機器の一例である。
<5. First application example of magnetic field detection device>
Here, an example in which the magnetic field detection device according to the embodiment of the present invention is applied to a smartphone will be described. A smartphone is an example of a mobile device.
図10は、本発明の例示的な実施形態に係るスマートフォン15の構成を示すブロック図である。スマートフォン15は、通信部151、カメラ部152、表示部153、音声入出力部154、地磁気センサ155、操作部156、記憶部157、および制御部158を備える。
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a
通信部151は、移動通信網における基地局に対し無線通信を行う。この無線通信を用いて、音声データ、映像データ、電子メールデータ等の送受信や、Webデータやストリーミングデータ等の受信を行う。
The
カメラ部152は、CMOSイメージセンサーなどの撮像素子を用いて電子撮像するものであり、撮像された画像を例えばJPEG形式で圧縮し、圧縮データを記憶部157に記憶させることができる。
The
表示部153は、例えば液晶パネルとバックライトから構成され、各種画像が表示される。音声入出力部154は、入力される周囲の音声を集音して電気信号に変換するマイクロフォンや、入力される音声信号を音声に変換して外部に出力するスピーカを含む。
The
地磁気センサ155は、方位を検出するための地磁気を検出するセンサであり、先述した本発明の実施形態に係る磁界検出装置10を用いることができる。
The
操作部156は、スマートフォン15の筐体に配される電源操作や音量操作などの各種操作のためのキーや、表示部153の例えば液晶パネルの表面に配されるタッチパネルから構成される。
The
記憶部157は、制御部158のための制御プログラムや制御データ、通信相手の名称や電話番号などを対応づけたアドレスデータ、送受信した電子メールデータ、WebブラウジングによりダウンロードしたWebデータや、ダウンロードしたコンテンツデータを記憶し、またストリーミングデータなどを一時的に記憶するものである。なお、記憶部157は、例えばフラッシュメモリ、RAM、ROMなどにより構成される。
The
制御部158は、記憶部157に記憶された制御プログラムや制御データに従って動作し、スマートフォン15の各部を統括制御するものである。
The
このようなスマートフォン15においては、音声入出力部154に含まれるマイクロフォンやスピーカに永久磁石が設けられており、地磁気センサ155には、地磁気に加えて当該永久磁石による外乱磁界も印加される。しかしながら、地磁気センサ155として先述した磁界検出動作を行う磁界検出装置10を用いることにより、即時に磁界を正確に検出することができる。
In such a
<6.磁界検出装置の第2適用例>
次に、本発明の実施形態に係る磁界検出装置を電流センサに適用した例について説明する。図11は、本発明の例示的な実施形態に係る電流センサ25の構成を示す模式的な平面図である。なお、電流センサ25では、磁界検出装置10を地磁気センサとしてではなく、電流により発生する磁界を検出するために用いられる。
<6. Second application example of magnetic field detection device>
Next, an example in which the magnetic field detection device according to the embodiment of the present invention is applied to a current sensor will be described. FIG. 11 is a schematic plan view showing the configuration of the current sensor 25 according to the exemplary embodiment of the present invention. In the current sensor 25, the magnetic
図11に示す電流センサ25は、本発明の実施形態に係る磁界検出装置10と、プリント基板20と、を有する。プリント基板20は、導体(銅箔など)から形成される配線201を内部に有する。磁界検出装置10は、プリント基板20の表面に載置される。
The current sensor 25 shown in FIG. 11 includes a magnetic
配線201に交流電流Iaが流れる。交流電流Iaの電流値は時間的に変化するので、交流電流Iaにより生じる磁界の磁界量も時間的に変化する。また、交流電流Iaの極性の切替に応じて、交流電流Iaにより生じる磁界の向きが切替わる。磁界検出装置10には、交流電流Iaにより生じるこのような磁界が印加される。
An alternating current Ia flows through the
交流電流Iaによって、例えば図12に示すような磁界が発生し、ここでは、磁界が±300μTを超える期間が存在する。この場合、先述した比較例に係る磁界検出動作を行う場合、測定ウィンドウのシフト位置をサーチすることになるが、図12に示すタイミングt1、t2など(磁界>+300μT)、タイミングt3、t4など(磁界<−300μT)で磁界変化に追従できず、正確な磁界を検出できない虞がある。 The alternating current Ia generates, for example, a magnetic field as shown in FIG. 12, where there is a period during which the magnetic field exceeds ± 300 μT. In this case, when the magnetic field detection operation according to the comparative example described above is performed, the shift position of the measurement window is searched, but the timings t1, t2, etc. (magnetic field> + 300 μT), timings t3, t4, etc. shown in FIG. The magnetic field <-300 μT) cannot follow the change in the magnetic field, and there is a possibility that an accurate magnetic field cannot be detected.
これに対し、先述した本発明の実施形態に係る磁界検出動作を行う磁界検出装置10を用いれば、上記タイミングt1、t2など、タイミングt3、t4などにおいて、磁界変化に追従して正確に磁界を検出することが可能となる。
On the other hand, if the magnetic
<7.その他>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変更が可能である。
<7. Others>
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments can be changed in various ways within the scope of the gist of the present invention.
本発明は、例えば、地磁気センサや電流センサなどに利用することができる。 The present invention can be used, for example, in a geomagnetic sensor, a current sensor, or the like.
1 X軸用MIセンサ
1A MI効果素子
1B ピックアップコイル
1C パルス駆動部
2 Y軸用MIセンサ
3 Z軸用MIセンサ
4 サンプル/ホールド回路
41 第1スイッチ
42 第2スイッチ
43 第3スイッチ
44 第4スイッチ
45 第5スイッチ
4A キャパシタ
5 PGA
5A オペアンプ
5B 可変キャパシタ
5C 放電用スイッチ
6 オフセット電圧生成部(DAC)
7 ADC
8 シリアルインタフェース
9 ロジック部
10 磁界検出装置
15 スマートフォン
20 プリント基板
25 電流センサ
1
5A
7 ADC
8 Serial interface 9
Claims (10)
前記磁界検出部から出力される検出信号を増幅させるアンプと、
前記アンプに印加させるオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成部と、
前記アンプから出力される増幅信号をA/D変換してデジタル信号を出力するDAC(D/Aコンバータ)と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記アンプのゲインを第1ゲインに設定した上で前記デジタル信号を取得し、
取得された前記デジタル信号に基づいて前記オフセット電圧生成部による前記オフセット電圧の生成を制御しつつ、前記アンプのゲインを前記第1ゲインよりも大きい第2ゲインに設定する、磁界検出装置。 Magnetic field detector and
An amplifier that amplifies the detection signal output from the magnetic field detection unit, and
An offset voltage generator that generates an offset voltage to be applied to the amplifier,
A DAC (D / A converter) that A / D-converts the amplified signal output from the amplifier and outputs a digital signal,
Control unit and
With
The control unit
After setting the gain of the amplifier to the first gain, the digital signal is acquired, and the digital signal is acquired.
A magnetic field detection device that sets the gain of the amplifier to a second gain larger than the first gain while controlling the generation of the offset voltage by the offset voltage generation unit based on the acquired digital signal.
前記制御部は、前記第1ゲインを設定した上で前記パルス駆動部に第1パルスを生成させ、前記第2ゲインを設定した上で前記パルス駆動部に第2パルスを生成させる、請求項1または請求項2に記載の磁界検出装置。 The magnetic field detection unit is an MI sensor having an MI (magnetic impedance) effect element, a pickup coil wound around the MI effect element, and a pulse drive unit that supplies a pulsed drive current to the MI effect element. Including
The control unit sets the first gain and causes the pulse drive unit to generate a first pulse, and after setting the second gain, causes the pulse drive unit to generate a second pulse. Alternatively, the magnetic field detection device according to claim 2.
前記磁界検出部は、前記ピックアップコイルの両端間に接続されるキャパシタと、前記ピックアップコイルの一端と前記キャパシタの一端との間に配置される第1スイッチと、前記ピックアップコイルの他端と前記キャパシタの他端との間に配置される第2スイッチと、第3スイッチと、を含み、
前記キャパシタの他端は、接地端に接続され、
前記キャパシタの一端は、前記第3スイッチを介して前記反転入力端と接続される、請求項3に記載の磁界検出装置。 The amplifier includes an operational amplifier having a non-inverting input end to which the offset voltage is applied, and a variable capacitor connected between the output end of the operational amplifier and the inverting input terminal of the operational amplifier.
The magnetic field detection unit includes a capacitor connected between both ends of the pickup coil, a first switch arranged between one end of the pickup coil and one end of the capacitor, the other end of the pickup coil, and the capacitor. Including a second switch and a third switch arranged between the other end of the
The other end of the capacitor is connected to the ground end and
The magnetic field detection device according to claim 3, wherein one end of the capacitor is connected to the inverting input end via the third switch.
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