JP3019546B2 - 磁気検出装置 - Google Patents

磁気検出装置

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正憲 鮫島
秀之 谷川
寛 嶋村
邦宏 松田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気抵抗素子に適当な
バイアス磁界を付与し、地磁気や電流が流れて発生する
磁気を電気信号として得る手段とその信号を処理して被
検出体の状態を知る手段とから成る、磁気検出装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】一般に、弱磁界感度が良好な強磁性の磁
気抵抗素子を用いた磁気センサは、検出信号の処理の容
易さ及び他の電気制御への応用が可能であり、更に小型
化が可能である等の利点があり、磁気抵抗素子と永久磁
石を組み合わせた磁気センサが考えられている。
【0003】図6に磁気抵抗素子を用いた従来の磁気セ
ンサを示す。図6において41は基板であり、アルミ
ナ,ガラス,シリコン等が用いられる。42a,42b
は磁気抵抗エレメントであり2つのエレメントを直列に
接続して所定の電圧または電流を印加して2つのエレメ
ントの接続点から出力を取り出している。被検出体がN
S着磁された磁気スケール等の場合には2つの磁気抵抗
エレメントは互いに平行に配置され、被検出体が単一の
磁気信号の場合には2つの磁気抵抗エレメントは互いに
直交するように配置される。この種の磁気センサでは、
信号磁界に対する感度を高めるため、線形性を高めるた
めに、永久磁石43等により、磁気抵抗素子に直流バイ
アス磁界を印加して用いる。すなわち図7に示すように
直流バイアス磁界により、磁気抵抗素子の動作点をA点
からB点に移行させ、信号磁界に対する磁気抵抗素子の
動作領域を直線性の良好な状態で動作させている。磁気
抵抗素子の出力電圧は微少であるため従来の磁気検出器
ではこのような磁気センサを用いてその出力信号を増幅
したのち信号処理回路にて被検出体の状態を判定してい
る。図8(a)に従来の磁気検出装置の磁気検出例を示
す。被検出体が1つの磁石を埋め込んだ回転体を検出す
るもので、図8(b)に示すような磁気センサ出力を増
幅して更にしきい値に対する大小判定により回転数を計
数するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
磁気抵抗素子を用いた磁気検出器では、磁気抵抗エレメ
ントの抵抗値が等しいことが理想であるが、実際には抵
抗値にばらつきがあり直流オフセット電圧が発生し信号
出力のみを有効に取り出すことが困難になる。すなわち
図8(c)に示すように、各磁気センサの出力は、変化
量ΔVは同じであっても、その絶対値が異なるというn
波形結果になる。図8(c)において実線,点線で示す
波形は磁気抵抗エレメント42a,42bの出力であ
る。この問題は、前述の磁気検出例図8に示した、物体
の存在の有無をあるしきい値レベルでの判定で行う場合
にはそれほど問題にならないが、検出出力の大きさで、
被検出体の状態を知る、すなわち線形出力を要求される
用途では大変困難な問題となる。
【0005】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、簡単な構成で正確な状態判定を行う磁気検出装置を
提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の磁気検出装置は、パターンの長手方向に通電
すると電気抵抗がパターンに直交する磁界の強さに応じ
て変化する4個の磁気抵抗エレメントをパターンの長手
方向が互いに直交しかつ直列に接続されるように絶縁基
板上に形成するとともに所定の入力端子と出力端子を設
けた磁気抵抗素子を、前記磁気抵抗エレメントのある面
がその中心部にくるように上記磁気抵抗素子を設置する
台と上記磁気抵抗エレメントに対して45°方向にバイ
アス磁界を付与するためのバイアスコイルを巻くための
溝を有するホルダー内に設置し、バイアスコイルを所定
の巻数で形成した磁気センサと、所定のタイミングで前
記バイアスコイルに励磁電流を交流的にかつパルス的に
印加する励磁電流印加回路と、前記コイルの励磁に同期
して磁気抵抗素子を動作しその出力をホールドするホー
ルド回路と、ホールドした信号を処理する演算回路を備
えている。
【0007】
【作用】本発明によれば、磁気センサ部分の高精化と、
信号出力処理方法の高精度化により、誤差の少ない磁気
検出が可能となり、デジタル的な検出のみでなく、地磁
気検出,電流検出といった線形的出力の検出まで精度が
向上する。
【0008】
【実施例】
(実施例1)以下、本発明の一実施例の磁気検出装置を
用いた電流検出装置について、図面を参照しながら説明
する。図1(a)は本検出装置の磁気センサ部であり、
図1(b)はバイアスコイルを切り欠いて見た上面図で
ある。10は磁気抵抗素子、11は磁気抵抗素子の基板
でありガラス基板を用いている。12は磁気抵抗エレメ
ントでありNiFe1000Åを真空蒸着したのちフォ
トリソグラフィーにより所定のパターンを形成した。こ
の磁気抵抗素子10は巻線用の溝を有するホルダー13
内の所定の位置に設置している。14はホルダー13に
形成したバイアスコイルであり前記磁気抵抗エレメント
に対して45°方向に磁界が加わるようにしている。1
5は被検出電流を流す絶縁被覆導体であり、磁気抵抗素
子10の面と平行にかつ中心を通るように配置し、前記
バイアスコイル14と直交して磁気が発生するようにそ
の方向を決めている。図2(a)は電流検出装置の構成
を示すブロック図である。この検出装置を用いた電流検
出動作は、磁気抵抗素子10の端子t1,t4間に定電圧
を加え、まずバイアスコイルに順方向に所定の電流を流
したときの磁気抵抗素子の出力va2,va3を端子t2
3からとり、ホールドする。次にバイアスコイルに逆
方向に順方向時と同じ大きさの電流を流したときの出力
b2,vb3をとりホールドする。この出力信号電圧の差
((va2−va3)−(vb2−vb3))を求めて増幅、判
定回路にて電流の方向と大きさを検出する。このように
して電流の大きさに比例する信号磁界の検出を行った結
果を図2(b)に示すように、直線性のよい特性が得ら
れた。これにより、検出信号から、逆に電流状態を判定
することが可能である。
【0009】(実施例2)本発明の他の実施例の方位検
出装置について、図面を参照しながら説明する。図3
(a)は本実施例における方位検出装置のセンサ部の外
形を示した斜視図であり、図3(b)は同センサの上面
を切り欠いた断面図である。
【0010】図において、センサ部の構成は実施例1と
ほとんど同じであるが、直交する2つのバイアスコイル
24a,24bを磁気抵抗エレメント45°方向に傾斜
させている。なお、外側に巻くコイルの位置は内側のコ
イルの厚さd1を考慮して予め外巻き用溝の位置を変え
ている。図4(a)は本実施例の動作及び出力処理のブ
ロック図である。動作はコイル1,2に100msec間
隔,印加時間10msecで励磁電流を流し、これに同期し
てこの方位センサの端子T1,T3間に定電圧を加え、端
子T2,T4間の出力電圧v1,v2,v3,v4を検出しホ
ールドする。更に演算回路でv01=(v1−v2)とv02
=(v3−v4)を求め、更に逆正接(v01/v02)を求
める。
【0011】この値と上記v01の符号の組合せから最終
方位を決定する。本実施例の検出装置を用いて方位を実
測したところ、センサ部の出力はその出力は図4(b)
のようになり、90°位相がずれ、しかも振幅の大きさ
は同等の波形が得られ、最終の検出精度は±1〜2°で
あった。
【0012】この構成では、磁気抵抗素子は、4つの磁
気抵抗エレメントを直交配置しブリッジを構成すること
により素子出力の安定性を取っている。更にバイアス磁
界の方向は、従来通り、各磁気抵抗エレメントに対して
45°方向であるが、磁界をコイルで発生させるため、
発生磁界の大きさ及び方向が安定するように、センサ設
置位置とコイル巻線,高さを所定の位置に設定したホル
ダーにコイル巻線を行っている。そして、そのホルダー
内に磁気抵抗素子を設置している。
【0013】次にセンサ出力の取り出し方であるが、出
力はバイアス磁界は所定のタイミングでバイアスコイル
の励磁電流の方向を切り替え、この時のセンサ出力を得
るわけであるが、バイアス磁界により動作点を直線的に
変化する領域に移しているので、このときの抵抗値の変
化は図5(b)に示すようにその変化量ΔRが等しく、
その増減が逆方向になる。従って出力の関係は図5
(a)に示すように、前述の直流オフセット電圧を中心
として±に信号磁界に対応した出力電圧が加わった出力
になる。従って1つの信号磁界に対してバイアス磁界を
順方向,逆方向に切り替え、そのときの磁気センサ出力
OA,VOBの差をとれば、直流オフセット電圧出力を除
去することが可能である。本発明では、この操作を
OA,VOBをホールド回路で保持した後、その差を求
め、次に増幅回路で信号増幅することにより行いさらに
その後目的に応じてマイコン等を用いて出力処理,判定
すれば出力信号を効率的に使った磁気検出器ができるこ
とになる。またパルス的にコイル励磁電流を流すこと
は、印加時間を適切に選べば、低消費電力化につなが
る。
【0014】以上、磁気センサ信号出力の取り込み方法
及び出力の回路処理方法及びそれに伴うコイルによるバ
イアス磁界を行う磁気センサ部分の安定化といった、総
合的な安定化により簡単な構成で、正確な線形出力及び
状態判定を示す磁気検出装置を実現できる。
【0015】以上のように本実施例によれば磁気抵抗素
子に印加するバイアス磁界の方向を切り替えて各状態時
の出力をホールドしたのちその差出力を増幅して信号処
理、判定するので、直流オフセット電圧は除去される。
またセンサ部も直交、ブリッジパターンを磁気抵抗エレ
メントで形成すると共に、バイアスコイルに対しても所
定のホルダを用いるので誤差の少ない高精度な磁気検出
が可能である。
【0016】更にバイアス磁界の励磁をパルス的に行う
ので低消費電力化が可能である。
【0017】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、磁気セ
ンサ部分の高精化と、信号出力処理方法の高精度化によ
り、誤差の少ない、磁気検出が可能となり、デジタル的
な検出のみでなく、地磁気検出,電気検出といった線形
的出力の検出まで精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の一実施例における電流検出装
置のセンサ部の外形図 (b)は同断面図
【図2】(a)は電流検出装置のブロック図 (b)は本実施例における電流検出装置の電流検出特性
【図3】(a)は本発明の他の実施例における方位検出
装置のセンサ部の外形図 (b)同断面図
【図4】(a)は方位検出のブロック図 (b)は本実施例における方位検出装置の方位検出特性
【図5】(a)は磁気抵抗素子のバイアス磁界方向と出
力の関係を示した説明図 (b)は同素子のバイアス磁界方向と抵抗値変化の関係
を示した説明図
【図6】従来の磁気センサの外形図
【図7】従来の磁気センサの動作を示す説明図
【図8】(a)は従来の磁気検出装置の一例を示す平面
図 (b)(c)は同装置の出力図
【符号の説明】
10,20 磁気抵抗素子 12,22 磁気抵抗エレメント 13,23 ホルダー 14,24 バイアスコイル t1,t2,t3,t4 磁気抵抗素子端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 邦宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−186285(JP,A) 特開 平3−223685(JP,A) 実開 昭56−102414(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 33/00 - 33/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】4つの直交する辺を有する絶縁基板上にパ
    ターンの長手方向に通電すると電気抵抗がパターンに直
    交する磁界の強さに応じて変化する4個の磁気抵抗エレ
    メントをパターンの長手方向が互いに直交しかつ前記絶
    縁基板の各辺に対して45°の方向を向くように配置し
    互いに直列に接続するとともに所定の入力端子と出力端
    子を設けて構成した磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗エレ
    メントを形成した面がその中心部にくるように上記磁気
    抵抗素子を設置する台座を有しかつ上記磁気抵抗エレメ
    ントに対して45°方向にバイアス磁界を付与するため
    のバイアスコイルを巻くための溝を有するホルダーとか
    ら磁気センサを構成し、所定のタイミングで前記バイア
    スコイルに励磁電流を交流的にかつパルス的に印加する
    励磁電流印加回路と、前記バイアスコイルの励磁に同期
    して磁気抵抗素子を動作しその出力をホールドするホー
    ルド回路と、ホールドした信号を処理する演算回路を備
    えた磁気検出装置。
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KR20040011132A (ko) * 2002-07-29 2004-02-05 주식회사 씨앤케이 평면 바이어스 코일을 이용한 자계센서
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