JP4160330B2

JP4160330B2 - 磁界検出回路

Info

Publication number: JP4160330B2
Application number: JP2002203754A
Authority: JP
Inventors: 正博川瀬
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: US20040008026A1; US6897649B2; JP2004045246A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電流の印加された状態で外部磁界に対してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子を用いて、外部磁界の強度を検出する磁界検出回路であり、特に地磁気や微弱電流により発生する微小磁界を高感度かつ高精度に検出する磁界検出回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地磁気検知による方位センサや微弱電流を検知する電流センサの用途として、微小磁界を高感度、高精度に検出することが求められている。そして、この種の磁界検出素子として磁気インピーダンス素子（以下、ＭＩ素子という）が注目されている。このＭＩ素子を用いた磁界検出方法の１つは、磁性体に直接高周波電流を印加しながら、その磁性体に巻回又は近接して配置された検知コイルに発生する電圧信号を検波することにより行われる。
【０００３】
この検出方法による磁界信号は外部磁界に対して奇関数的で、バイアス磁界を印加しなくとも、ゼロ磁界付近で感度が十分に得られる利点がある。
【０００４】
図１０はこの磁界検知方法の基本的な回路図を示している。破線の囲みにあるＣ−ＭＯＳインバータとＣＲ回路による発振回路１により、ＭＨｚ帯のパルス発振を行い、電流調整抵抗２を介してＭＩ素子３に電流を流す。なお、この構成において発生する高周波電流（パルス電流）は、プラスにのみ変調されたものとなる。
【０００５】
ＭＩ素子３に検知コイル４をソレノイド状に巻き付けるか又は渦巻型のような平面状にして近接させるなどして、ＭＩ素子３による磁束の変化を検知コイル４に発生する電圧変化として取り出す。ＭＩ素子３の一端は接地され、他端はダイオードとＣＲ回路で構成される検波回路５に接続され、検波回路５から振幅変調された磁界信号が取り出される。その他の検波方法としては、アナログスイッチを用いて発振回路１の立ち上がり、立ち下がりに付近にタイミングを合わせて、同期検波することも考えられる。
【０００６】
磁界信号は図１１に示すようにＭＩ素子３に流れるパルス電流波形Ｉｗに対し、検知コイル４の電圧波形Ｖｗは立ち上がり、立ち下がりに対してそれぞれピークを持ったものとなる。外部磁界（Ｈ）の大きさに応じてこのプラスピークｐｐとマイナスピークｍｐは、矢印に示すようにベースラインに対して、相対的に逆方向の対称的な動きをする。また、出力Ｖｓは図１２に示すようにＳ字状となり、ゼロ磁界では直線的な傾きを持つ特性が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、方位センサや電流センサの用途では、直流の磁界を検知する上で、ゼロ磁界のときに信号出力がゼロになる設定、所謂ゼロ点設定が重要となる。これは、方位センサや電流センサの場合に、ゼロ点設定がなされていないと検出精度に大きな影響を与えてしまうためである。
【０００８】
具体的には、方位センサでは水平面上の直交するＸ、Ｙの２軸にＭＩ素子等の磁気検出素子をそれぞれ配置して地磁気を測定し、その２つの直流出力電圧を基に方位角を求める。方位角の精度はセンサ自体の外部磁界に対する直線性感度と、出力絶対電圧Ｖｘ、Ｖｙの安定性が重要であり、特に後者の安定性が重要である。
【０００９】
方位角はθ＝ｔａｎ^-1｛（Ｖｘ−Ｖｘｏ）／（Ｖｙ−Ｖｙｏ）｝で求められるが、磁界ゼロでの出力Ｖｘｏ、Ｖｙｏが狂うと演算上の誤差が生ずる。特に、磁極に近いところやビル内では地磁気の水平成分が１００ｍＧ（ミリガウス）以下となり、１０ｍＧに相当するゼロ磁界出力変化でも精度に大きく影響が生ずる。
【００１０】
また、電流センサにおいても電流線からの磁界を電圧に変換して、直流で数１０ｍＡというような微弱な電流を評価する際に、ゼロ点が安定していないと、数ｍＧ（ミリガウス）に対応して数ｍＡ程度は容易に誤差が生ずる場合がある。
【００１１】
そのため、図１０に示す従来構成では、図１１の特性において磁界ゼロの電圧Ｖｓｏを探し、その電圧に合うように増幅アンプ６により電源電圧と接地端間に挿入した可変抵抗器６ａによる基準電圧を設定し、増幅出力を見ながら手動でゼロ点電圧の調整が行われている。
【００１２】
しかし、温度特性等で感度が変わった場合には、図１１の破線で示すように特性曲線全体がシフトする可能性があり、その都度、手動調整をすることは困難である。また、自動調整回路を組み込むことも物理的には可能であるが、構成の複雑化、高コスト化を招くという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、上述の課題を解決し、簡易、低コストな構成で安定したゼロ点設定が可能な磁界検出回路を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る磁界検出回路は、高周波電流が印加された状態で外部磁界に対してそのインピーダンスが変化する磁性体から成る磁気インピーダンス素子と、該インピーダンス素子に巻回又は近接配置した検知コイルと、前記磁気インピーダンス素子にプラス及びマイナスに概ね均等に振れるパルス状の高周波電流を印加する電流印加回路と、該印加したパルス電流の立ち上がり及び立ち下がりに対応して前記検知コイルに発生する電圧を検知し、該検知結果に基づいて外部磁界の強度に対応した信号を出力する検出回路とを有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図９に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は実施の形態のＭＩ素子を用いた磁界検出回路図である。破線で囲まれた発振回路１１は、図１０に示した従来例と同様に、Ｃ−ＭＯＳインバータとＣＲ回路で構成されている。発振回路１１の出力側はＣ−ＭＯＳインバータ１２、電流調整用の抵抗１３を介して、ＭＩ素子１４の一端に接続され、Ｍ１素子１４の他端はインバータ１２の入力側に接続されている。この接続により、Ｍ１素子１４にはプラス及びマイナスに対称に振れた電流が印加されることになる。
【００１６】
なお、プラス及びマイナスの電流値はできるだけ等しくすることが望ましく、特に立ち上がり、立ち下がりのオーバーシュートの様子も同じであることが好ましい。そのため、電流値のプラスマイナスの差は、高周波での扱い難さを考慮しても、相対差１０％以内にすることが好適である。別の方法としては、インバータ１２とＭＩ素子１４の間に容量素子を挟み込み、ＭＩ素子１４の一端を接地することも考えられる。
【００１７】
ただし、ＭＩ素子１４に供給する電流が比較的多く必要であることや、電流のプラスマイナス方向の対称性を考えると、同じ電圧でもインバータ１２の入力に戻すことで、接地接続よりも電流変化量を大きくとれ、波形対称性が得られ易いために、図１の形態の方が好ましい。また、インバータ１２の出力の仕様は、発振回路１１の出力段の仕様と同様で、特に立ち上がり、立ち下がりの遅延時間が同じで、出力電流容量が大きいものが望ましい。
【００１８】
また、Ｍ１素子１４にはコイルが巻回され、或いはＭ１素子１６の近傍に平面型の渦巻きコイルが配置され、検知コイル１５として機能している。検知コイル１５の一端は接地され、他端にはダイオードとＣＲ回路から構成される検波回路１６ｐ、１６ｍに接続されている。なお、検波回路１６ｐ、１６ｍのダイオードは互いに逆極性で接続され、検波回路１６ｐは検知コイル１５に発生する電圧のプラスのピーク値をホールドし電圧値Ｖｐを出力する。また、検波回路１６ｍは検知コイル１５に発生する電圧のマイナスのピーク値をホールドし電圧値Ｖｍを出力する。この出力値より、１対１の抵抗比の抵抗１７ｐ、１７ｍを介して基本的な検出出力である出力Ｖｏ＝（Ｖｐ＋Ｖｍ）／２が求められる。
【００１９】
図２は図１の回路構成における波形応答の様子を示している。数ＭＨｚの高周波で数ｍＡ〜１０数ｍＡのパルス状の波形Ｉｗで示される電流をＭＩ素子１４に印加する。このパルス電流の立ち上がり、立ち下がりに応じて、プラスピークｐｐ、マイナスピークｍｐを持つ出力電圧波形Ｖｗが検知コイル１５により得られる。このピークｐｐ、ｍｐの波形は通常リンギングを伴い、ＭＩ素子１４及び検知コイル１５のインピーダンス特性に応じて変化する。因みに、図２では説明を分かり易くするために理想的な形で描いている。
【００２０】
本発明者は研究の結果、ＭＩ素子１４にプラス及びマイナスに均等に変調された電流を印加すると、プラス、マイナスのピークｐｐ、ｍｐは、従来例のようなプラスのみ、或いはマイナスのみで変調された電流を印加した場合と異なり、ピーク値の外部磁界に応じて変化の仕方が異なることが分かった。
【００２１】
即ち、従来例ではプラス及びマイナスのピークｐｐ、ｍｐがベースラインに対して対称に、相対的に逆方向へ動くのに対して、本実施の形態の構成では、図２に示す黒矢印のようにプラス及びマイナスのピークｐｐ、ｍｐが同方向に動くことになる。
【００２２】
外部磁界がＭＩ素子１４に印加されていない状態（Ｈ＝０）では、プラスピークｐｐ、マイナスピークｍｐの高さはベースラインに対して対称になるので、（Ｖｐ＋Ｖｍ）／２はゼロ電圧になり、無調整で安定したゼロ点が得られる。外部磁界が印加（Ｈ≠０）されることで、プラス、マイナスの両ピーク値が同方向にシフトし、（Ｖｐ＋Ｖｍ）／２の電圧変化が現れる。
【００２３】
プラス側の検波電圧Ｖｐとマイナス側の検波電圧Ｖｍとは、図３に示すようにゼロ磁界で対称な電圧位置にあり、磁界に対する変化傾向が平行移動するように同傾向であることから、Ｖｏ＝（Ｖｐ＋Ｖｍ）／２により明確なゼロ点を定義することができる。
【００２４】
最終的な検出出力は必要な電圧に対応するために、図１で示す増幅回路１８で増幅される。増幅率を上げてゼロ点精度を厳しく要求する場合には、抵抗１７ｐ、１７ｍの分圧を微調整することで対応が可能である。
【００２５】
本実施の形態の構成による他の効果として、温度特性とＳ／Ｎ比が向上する。つまり、ダイオードは温度特性を持つが、本実施の形態のように検波回路１６ｐ、１６ｍのダイオードの極性を互いに逆にして、プラス、マイナスの検波を行うことにより、ダイオードの温度特性の変化によるプラス、マイナスのピークｐｐ、ｍｐの変化方向は、図２に示すコイル出力波形Ｖｗで白抜矢印のように、ベースライン（図ではＧＮＤ）方向に対して対称な変化となり、（Ｖｐ＋Ｖｍ）／２の加算により相殺される方向となる。このため、結果としてゼロ点の安定性は保証されることになる。
【００２６】
またＳ／Ｎの点でも、電源ノイズは印加電流に振幅変調の形として畳重するが、ノイズによるプラス、マイナスのピークｐｐ、ｍｐの移動方向も前述のダイオードの温度特性と同様に、ベースラインに対する対称な変化となることから、加算で相殺される方向でＳ／Ｎも改善される。即ち、図１に示すような極めて簡素な構成において、ゼロ点の安定した設定が手動調整することなく可能となる。
【００２７】
なお、図１の実施の形態ではインバータ１２を用いたが、図４に示すようにＮＡＮＤやＮＯＲ等の反転型論理素子１２’、１２”を使用できることは云うまでもなく、間欠駆動等にも対応できる。
【００２８】
具体的な形態としては、図５に示すようにガラス等の非磁性基板２１上に形成された磁性薄膜から成るＭＩ素子１４に、検知コイル１５として銅の薄膜による渦巻状の平面コイル（ターン数６１Ｔ）を、図示しない絶縁膜を挟んで成膜形成している。ＭＩ素子１４、検知コイル１５の端部はそれぞれ端子電極２２に接続されている。なお、磁界検知方向は細長いＭＩ素子１４の長手方向である。
【００２９】
この構成では、磁性薄膜のＭＩ素子１４と薄膜型の検知コイル１５を積層しているので、ＭＩ素子１４と検知コイル１５とをμｍオーダで近接配置でき、ＭＩ素子１４側の磁束変化が極めて効率良く検知コイル１５の誘起電圧に変換可能となり、高感度な検出が可能となる。
【００３０】
この場合に、端子電極２２を介してＭ１素子１４に図１の発振回路１０を接続する。この発振回路１０は４ＭＨｚでパルス発振させ、ＭＩ素子１４にはプラス及びマイナスそれぞれ１０ｍＡ程度（幅２０ｍＡ）の高周波電流を流す。
【００３１】
図６はその応答波形を示し、上段の波形は図２に示すＭＩ素子１４に印加される電流波形Ｉｗに対応し、下段は同様に検知コイル１５の出力電圧波形Ｖｗに対応している。
【００３２】
ＭＩ素子１４の電圧にはオーバーシュートが発生し、検知コイル１５のピーク電圧波形は図２のものと異なっているが、丸で囲んだプラス、マイナスのピークｐｐ、ｍｐは、矢印で示すように外部磁界が印加された状態でゼロ磁界の状態よりも矢印の方向にシフトしている。なお、このデータは外部磁界を４エルステッド印加した状態である。
【００３３】
図７はプラス、マイナスのピークｐｐ、ｍｐを検波回路１６ｐ、１６ｍにより取り出し、増幅回路１８で５０倍に増幅した結果の外部磁界検知特性を示している。外部磁界Ｈがゼロの状態ではほぼゼロ電圧を示し、直線性も良好で８３０ｍＶ／Ｏｅの感度が得られている。Ｓ字状の両端の変曲点は増幅回路１８の飽和特性によるものであり、検出回路１６ｐ、１６ｍ自体は±５Ｏｅまで直線的な感度が得られる。
【００３４】
図８は検知コイル１５から検出出力を取り出す他の実施の形態の回路図を示し、ＭＩ素子１４への通電方法と検知コイル１５の配置形態は前述の実施の形態と同様なので、同一機能の構成については同符号を付して説明を省略する。
【００３５】
検知コイル１５の両端は、抵抗３１、３２を介して接地されている。双方の抵抗３１、３２の両端電圧により、共にプラスかマイナスのピークｐｐ、ｍｐのホールドを検波回路３３、３４で行い、その出力を差動増幅回路３５により差動増幅し出力Ｅｏを得る。
【００３６】
図９はこの実施の形態における応答波形を示し、ＭＩ素子１４に印加されるパルス状の高周波電流Ｉｗに対して、抵抗３１、３２の両端電圧波形は波形Ｖｗ１、Ｖｗ２となる。波形Ｖｗ１、Ｖｗ２に対してプラス、マイナスのピークｐｐ、ｍｐの動きは図９の矢印の通り逆となり、またゼロ磁界でピーク電圧が同じ高さに出力されることから、この方法でもゼロ点の安定した設定が無調整で可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る磁界検出回路は、ＭＩ素子に対してプラス及びマイナスに均等に振られた高周波のパルス状電流を印加することで、検知コイル側に発生する電圧のプラス及びマイナス両ピークの挙動が外部磁界に対して同方向に動くことになり、その両ピーク値を検波して取り出し、分圧抵抗により加算処理することでゼロ点が安定し、温度特性、Ｓ／Ｎに優れた磁界検知が簡易、低コストな構成で可能となる。
【００３８】
また、検知コイルの両端と接地端間にそれぞれ抵抗を接続し、双方の抵抗の両端電圧を検波し差動増幅することでも同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の磁界検出回路図である。
【図２】応答波形図である。
【図３】出力波形図である。
【図４】反転型論理回路を用いた変形例の磁気検出回路図である。
【図５】ＭＩ素子の具体的な構成図である。
【図６】応答波形図である。
【図７】出力波形図である。
【図８】他の実施の形態の磁界検出回路図である。
【図９】応答波形図である。
【図１０】従来の磁界検出回路の構成図である。
【図１１】応答波形図である。
【図１２】出力波形図である。
【符号の説明】
１１発振回路
１２Ｃ−ＭＯＳインバータ
１３、１７ｐ、１７ｍ、３１、３２抵抗
１４ＭＩ素子
１５検知コイル
１６ｐ、１６ｍ、３３、３４検波回路
１８増幅回路
２１非磁性基板
２２端子電極
３５差動増幅回路

Claims

高周波電流が印加された状態で外部磁界に対してそのインピーダンスが変化する磁性体から成る磁気インピーダンス素子と、該インピーダンス素子に巻回又は近接配置した検知コイルと、前記磁気インピーダンス素子にプラス及びマイナスに概ね均等に振れるパルス状の高周波電流を印加する電流印加回路と、該印加したパルス電流の立ち上がり及び立ち下がりに対応して前記検知コイルに発生する電圧を検知し、該検知結果に基づいて外部磁界の強度に対応した信号を出力する検出回路とを有することを特徴とする磁界検出回路。
前記電流印加回路は、ロジックＩＣによる発振出力に対し互いに反転関係にある出力を反転型ロジックＩＣにより生成し、一方の出力を前記磁気インピーダンス素子の一端に供給し、他方の出力を他端に供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出回路。
前記検出回路は、前記検知コイルに発生するプラスのピーク電圧とマイナスのピーク電圧をホールド又は検波する検波回路と、該ホールド又は検波したプラスのピーク電圧とマイナスのピーク電圧を分圧する分圧回路とを有し、該分圧された電圧値を前記外部磁界の強度に対応した信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁界検出回路。
前記分圧のための抵抗値は１対１であることを特徴とする請求項３に記載の磁界検出回路。
前記検出回路は、前記検知コイルの両端から接地端間に設けた抵抗と、前記検知コイルの両端の電圧をそれぞれ検波する回路と、該検波した電圧を差動増幅する増幅回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の磁界検出回路。