JP4684356B1 - Magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】単一のコイルで直流オフセットを効果的に抑止し、小型でありながら高精度な磁気センサを提供する。
【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3Disclosed is a magnetic sensor that effectively suppresses a DC offset with a single coil and is small but highly accurate.
A predetermined voltage and ground are alternately connected to a resonance circuit in which a coil and a capacitor are connected in series. In addition, two free wheel diodes are provided to receive an electromotive force generated from the coil immediately after being disconnected from the voltage or ground to accumulate electric charges in the capacitor and stabilize the circuit. Then, obtain the voltage across the capacitor or the load consisting of the capacitor and coil connected in series, compare the voltage between the magnetic field due to the coil current and the external magnetic field with the same polarity and the opposite polarity, And detect the direction.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、磁気センサに関する。
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。
The present invention relates to a magnetic sensor.
More specifically, the present invention relates to a novel magnetic sensor that removes an offset that could not be removed so far from a high-sensitivity active magnetic sensor and realizes stable characteristics with less hardware resources.
出願人は、周知のホール素子と比べて感度で三桁以上の高感度特性を実現する、アクティブ型磁気センサを製造販売している。以下、このアクティブ型磁気センサの動作原理について説明する。 The applicant manufactures and sells an active type magnetic sensor that realizes a high-sensitivity characteristic of three orders of magnitude or more compared with a known Hall element. Hereinafter, the operating principle of this active magnetic sensor will be described.
図10(a)、(b)及び(c)は、出願人が製造販売する磁気センサの動作原理を説明するための、コイルの諸特性を説明するグラフである。
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。
FIGS. 10A, 10B, and 10C are graphs for explaining various characteristics of the coil for explaining the operation principle of the magnetic sensor manufactured and sold by the applicant.
10A is a circuit diagram for explaining the principle of the magnetic sensor, FIG. 10B is a diagram showing the state of the switch SW of the circuit of FIG. 10A, and FIG. 10C is FIG. It is a graph which shows the transient response characteristic of the both ends voltage of the capacitor | condenser C of the circuit of (a).
図10(a)に示すように、直流電源Eに、スイッチSW、抵抗R、コイルLとコンデンサCを直列に接続し、図10(b)に示すようにスイッチをオン操作すると、コンデンサCの両端電圧は、図10(c)に示すように、コイルLの作用で徐々に増加して、その後振動しながらある一定の電圧に収束する。これは典型的なステップ応答の波形である。
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。
As shown in FIG. 10A, when a switch SW, a resistor R, a coil L and a capacitor C are connected in series to the DC power source E, and the switch is turned on as shown in FIG. As shown in FIG. 10C, the both-end voltage gradually increases due to the action of the coil L and then converges to a certain voltage while vibrating. This is a typical step response waveform.
It is well known that the rising slope of the voltage waveform immediately after the switch SW is turned on becomes gentler as the inductance of the coil L becomes larger and becomes steeper as the inductance of the coil L becomes smaller.
The magnetic sensor of the present applicant is realized by obtaining the change in inductance of the coil from a transient response phenomenon.
コイルの中心に透磁率の高いヨーク(継鉄)を介在させると、コイルのインダクタンスは増加する。透磁率の高い磁性材料として、磁気ヘッドで周知のパーマロイがある。このパーマロイには、高い透磁率の他に、強い磁界を与えるとある時点以降は磁束密度がそれ以上増えず、実質的に透磁率がゼロになる、という特性がある。強磁性体には強い磁界を与えると磁化して磁束密度がそれ以上増えない、飽和磁束密度が存在するが、パーマロイの場合は残留磁束密度が小さいので、トランスやコイル等のヨークとして用いるに適した材料である。そこで、ヨークにパーマロイを用いたコイルを用意して、外部から磁界を加える時と加えない時とで、インダクタンスの変化を検出すると、磁気センサが実現できる。 If a yoke with high magnetic permeability is interposed in the center of the coil, the inductance of the coil increases. As a magnetic material having a high magnetic permeability, there is a permalloy known for a magnetic head. In addition to high magnetic permeability, this permalloy has the property that when a strong magnetic field is applied, the magnetic flux density does not increase further after a certain point, and the magnetic permeability is substantially zero. There is a saturation magnetic flux density that magnetizes when a strong magnetic field is applied to a ferromagnet and the magnetic flux density does not increase any more, but in the case of permalloy, the residual magnetic flux density is small, so it is suitable for use as a yoke for transformers, coils, etc. Material. Therefore, a magnetic sensor can be realized by preparing a coil using permalloy for the yoke and detecting a change in inductance depending on whether or not a magnetic field is applied from the outside.
図10(d)は、パーマロイをヨークに用いたコイルの、外部から印加する磁界の強さに対する、磁束密度の関係を示すグラフ(B−H曲線)である。
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。
FIG. 10D is a graph (BH curve) showing the relationship of the magnetic flux density to the strength of the magnetic field applied from the outside of the coil using Permalloy as the yoke.
When an external magnetic field is applied in a state where no current flows through the coil, the magnetic flux density of the yoke does not increase any more when the saturation magnetic flux density is reached (S1001).
When a positive magnetic field is applied to the yoke while a positive current is applied to the coil, and the magnetic flux density of the yoke is observed in the same manner, the magnetic flux density is positive by the amount that a positive magnetic field is generated by the current. The saturation magnetic flux density is reached with an external magnetic field weaker than that in a state where no current flows (S1002).
When a current in the reverse direction is applied to the coil and a magnetic field in the positive direction is applied to the yoke, and the magnetic flux density of the yoke is observed in the same manner, the magnetic flux density is in the negative direction as much as the negative magnetic field is generated by the current. The saturation magnetic flux density is reached with an external magnetic field stronger than that in a state where no current flows (S1003).
Thus, a coil using permalloy as a yoke can be applied as a sensor that can distinguish and detect magnetic fields in both the positive and negative directions.
Patent Document 1 and
特許文献1及び特許文献2に開示されている技術内容は、コイルのインダクタンスの変化をステップ応答特性を利用して検出するための技術が共通する。コンデンサと直列接続されているコイルにパルス状の直流電圧を連続的に印加し、コイルの電流変化を捉える。特許文献1及び特許文献2は、ダイオードを用いた包絡線検波で電流変化を検出している。
The technical contents disclosed in Patent Literature 1 and
これら従来技術に用いられている検出回路は、その動作原理上、検出電圧に直流オフセット成分が含まれる。そして、このオフセット電圧は回路定数などによってバラツキが生じ、また温度などの環境変化によって変動する、という問題があった。このため、従来技術はコイルを二つ用意して、それぞれの出力を減算し、オフセットをキャンセルして回避している。
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。
In the detection circuits used in these conventional techniques, a DC offset component is included in the detection voltage due to the operation principle. The offset voltage varies depending on circuit constants, and fluctuates due to environmental changes such as temperature. For this reason, the prior art prepares two coils, subtracts the respective outputs, and cancels the offset to avoid it.
However, preparing two coils leads to an increase in the number of parts and hinders downsizing of the apparatus.
本発明はかかる課題を解決し、単一のコイルで直流オフセットを効果的に抑止し、小型でありながら高精度な磁気センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such a problem and to provide a magnetic sensor with high accuracy while being small in size by effectively suppressing a DC offset with a single coil.
上記課題を解決するために、本発明の磁気センサは、所定の電圧が印加される第一スイッチと、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、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、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、第一スイッチと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、コイルと接地との間に接続されるコンデンサと、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、第一スイッチと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。 In order to solve the above problems, a magnetic sensor of the present invention includes a first switch to which a predetermined voltage is applied, a first freewheeling diode connected in parallel to the first switch, and between the first switch and ground. A second switch connected to the second switch, a second freewheeling diode connected in parallel to the second switch, a coil having a yoke connected between the first switch and the second switch, and a coil and ground A capacitor connected in between, a voltage change acquisition unit that acquires a change in voltage across the capacitor, and a sequencer that outputs a control pulse signal for alternately turning on and off the first switch and the second switch.
また、上記課題を解決するために、本発明の磁気センサは、所定の電圧が印加される第一スイッチと、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、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、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、第一スイッチと第二スイッチとの間に接続されるコンデンサと、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、コンデンサ及び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、第一スイッチと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。 In order to solve the above problems, a magnetic sensor of the present invention includes a first switch to which a predetermined voltage is applied, a first freewheeling diode connected in parallel to the first switch, a first switch, and a ground. A second switch connected between the second switch, a second freewheeling diode connected in parallel to the second switch, a capacitor connected between the first switch and the second switch, and between the capacitor and ground A connected coil having a yoke, a voltage change acquisition unit for acquiring a change in voltage across the capacitor and the series connection of the coil, and a control pulse signal for alternately turning on and off the first switch and the second switch. And a sequencer for output.
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。 A predetermined voltage and ground are alternately connected to a resonance circuit in which a coil and a capacitor are connected in series. In addition, two free wheel diodes are provided to receive an electromotive force generated from the coil immediately after being disconnected from the voltage or ground to accumulate electric charges in the capacitor and stabilize the circuit. Then, obtain the voltage across the capacitor or the load consisting of the capacitor and coil connected in series, compare the voltage between the magnetic field due to the coil current and the external magnetic field with the same polarity and the opposite polarity, And detect the direction.
本発明により、単一のコイルで直流オフセットを効果的に抑止し、小型でありながら高精度な磁気センサを提供できる。 According to the present invention, it is possible to effectively suppress a direct current offset with a single coil, and to provide a highly accurate magnetic sensor while being small.
[第一の実施形態]
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。
[First embodiment]
FIG. 1 is an external perspective view of the magnetic sensor according to the first embodiment of the present invention.
The magnetic sensor 101 is formed as an integrated sensor incorporating a resin-molded circuit.
A coil wound around a permalloy yoke is incorporated in the detection projection 101 a of the magnetic sensor 101.
When the
図2は、磁気センサ101のブロック図である。
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。
FIG. 2 is a block diagram of the magnetic sensor 101.
The magnetic sensor 101 includes a
図3は、検出部203の回路図である。
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。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
The
The
第一スイッチ301はシーケンサ204が出力する制御パルス信号P1によってオン・オフ制御される。同様に、第二スイッチ302はシーケンサ204が出力する制御パルス信号P2によってオン・オフ制御される。制御パルス信号P1と制御パルス信号P2は、互いにオン・オフ動作するので、第一スイッチ301と第二スイッチ302が同時にオン動作することはない。
The
第一スイッチ301には、第一フリーホイールダイオードD303が並列接続されている。同様に、第二スイッチ302には、第二フリーホイールダイオードD304が並列接続されている。
A first freewheel diode D303 is connected in parallel to the
第一スイッチ301と第二スイッチ302との間の中点には、コイルL202とコンデンサC305が直列接続されている。コンデンサC305はその一端が接地される。
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。
A coil L202 and a capacitor C305 are connected in series at the midpoint between the
Two sample and hold circuits are connected to the capacitor C305 as a circuit for detecting the voltage across the capacitor C305. The circuit subsequent to the capacitor C305 can be said to be a voltage change acquisition unit.
サンプルホールド回路は、第一サンプルホールド回路ともいえるコンデンサC306とオペアンプ307、及び第二サンプルホールド回路ともいえるコンデンサC309とオペアンプ311で構成される。オペアンプ307及び311は帰還抵抗がゼロの非反転増幅器、すなわちボルテージフォロワを構成し、コンデンサC306の両端電圧をそのまま出力する。
The sample and hold circuit includes a capacitor C306 and an
コンデンサC306とコンデンサC305との間には、第三スイッチ308が介在する。第三スイッチ308はシーケンサ204が出力するサンプリングパルス信号P3によってオン・オフ制御される。
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。
A
A
コンデンサC306とC309は、コンデンサC305の両端電圧を取得する際、コンデンサC305に蓄積されている電荷の量を大きく変化させないために、コンデンサC305と比べると十分小さな静電容量である必要がある。一例として、C305の100分の1以下であることが望ましい。 Capacitors C306 and C309 need to have a sufficiently small capacitance compared to capacitor C305 in order not to greatly change the amount of charge accumulated in capacitor C305 when acquiring the voltage across capacitor C305. As an example, it is desirable that it is 1/100 or less of C305.
サンプルホールド回路を構成するオペアンプ307の出力とオペアンプ311の出力は、加算回路に入力される。
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。
The output of the
The resistor R312 connected to the output of the
反転増幅器を構成するオペアンプ314の非反転入力には、バイアス電圧として、抵抗R315と抵抗R316で分圧された、電源電圧+Vccの半分の電圧が印加される。
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。
A voltage that is half of the power supply voltage + Vcc divided by the resistors R315 and R316 is applied as a bias voltage to the non-inverting input of the
Thus, the
The average voltage of the capacitor C305 changes according to the magnetic field applied to the coil L202. Details of this mechanism will be described later.
図4は、シーケンサ204のブロック図である。
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。
FIG. 4 is a block diagram of the
The
クロック発生器401は所定の周波数の矩形波のパルスを出力する。
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。
The clock generator 401 outputs a rectangular wave pulse having a predetermined frequency.
The
ループカウンタ402の計数値データはROM403のアドレスとして入力される。ROM403にはクロック発生器401のパルスも入力されるので、ROM403に書き込まれているデータがアドレス0からNまで順番に読み出される。データは、制御パルス信号P1、制御パルス信号P2、サンプリングパルス信号P3及びサンプリングパルス信号P4の種別と、出力する論理値の組み合わせである。
Count value data of the
ROM403から出力されるデータは、デコーダ404に入力される。デコーダ404は入力されるデータに従って、制御パルス信号P1、制御パルス信号P2、サンプリングパルス信号P3及びサンプリングパルス信号P4を出力する。
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。
Data output from the
The
[動作]
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。
[Operation]
FIGS. 5A, 5 </ b> B, 5 </ b> C, and 5 </ b> D are diagrams illustrating the operation principle of the magnetic sensor 101.
6A, 6 </ b> B, 6 </ b> C, 6 </ b> D, 6 </ b> E, and 6 </ b> F are waveform diagrams of each part of the magnetic sensor 101.
First, FIG. 6A shows the waveform of the control pulse signal P1, FIG. 6B shows the waveform of the control pulse signal P2, FIG. 6C shows the waveform of the sampling pulse signal P3, and FIG. d) is a waveform of the sampling pulse signal P4.
図6(a)及び(b)に示すように、制御パルス信号P1と制御パルス信号P2は、それぞれ交互にオン・オフ動作する。また、制御パルス信号P1がオフになってから制御パルス信号P2がオンになる間(時点t3からt8まで)と、制御パルス信号P2がオフになってから制御パルス信号P1がオンになる間(時点t10からt15まで)にはそれぞれ両者が共にオフになる期間が設けられている。この、制御パルス信号P1と制御パルス信号P2が共にオフになっている期間に、サンプリングパルス信号P3とサンプリングパルス信号P4による、コンデンサC305の両端電圧のサンプリングが行われる。 As shown in FIGS. 6A and 6B, the control pulse signal P1 and the control pulse signal P2 are alternately turned on and off. Further, while the control pulse signal P2 is turned on after the control pulse signal P1 is turned off (from time t3 to t8), and between when the control pulse signal P2 is turned off and when the control pulse signal P1 is turned on ( Between the time points t10 to t15), a period in which both are turned off is provided. During the period in which both the control pulse signal P1 and the control pulse signal P2 are off, the voltage across the capacitor C305 is sampled by the sampling pulse signal P3 and the sampling pulse signal P4.
図5(a)は、制御パルス信号P1がオンになっている期間(時点t1からt3まで)における、検出部203に流れる電流を示す図である。制御パルス信号P1は第一スイッチ301をオン制御するので、電源電圧+VccがコイルL202とコンデンサC305に印加され、矢印に示す電流が過渡応答として流れる。
FIG. 5A is a diagram illustrating a current flowing through the
図5(b)は、図5(a)の期間の後、制御パルス信号P1がオフになり、制御パルス信号P2もオフのままの期間(時点t3からt8まで)における、検出部203に流れる電流を示す図である。制御パルス信号P1は第一スイッチ301をオフ制御すると、コイルL202にはそれまで流れていた電流とは逆方向の起電力が生じる。この起電力を逃がすため、第二フリーホイールダイオードD304が設けられている。
In FIG. 5B, after the period of FIG. 5A, the control pulse signal P1 is turned off and the control pulse signal P2 is also turned off and flows to the
図5(c)は、図5(b)の期間の後、制御パルス信号P2がオンになっている期間(時点t8からt10まで)における、検出部203に流れる電流を示す図である。制御パルス信号P2は第二スイッチ302をオン制御するので、コンデンサC305に蓄積されていた電荷がコイルL202を通じて接地に流れ、矢印に示す電流が過渡応答として流れる。
FIG. 5C is a diagram illustrating a current flowing through the
図5(d)は、図5(c)の期間の後、制御パルス信号P2がオフになり、制御パルス信号P1もオフのままの期間(時点t10からt15まで)における、検出部203に流れる電流を示す図である。制御パルス信号P2は第二スイッチ302をオフ制御すると、コイルL202にはそれまで流れていた電流とは逆方向の起電力が生じる。この起電力を逃がすため、第二フリーホイールダイオードD304が設けられている。
In FIG. 5D, after the period of FIG. 5C, the control pulse signal P2 is turned off, and the control pulse signal P1 flows to the
以上、図5(a)、(b)、(c)及び(d)にて説明した回路の動作を踏まえて、図6(e)及び(f)を説明する。
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。
6 (e) and 6 (f) will be described based on the operation of the circuit described in FIGS. 5 (a), 5 (b), 5 (c) and 5 (d).
FIG. 6E is a waveform diagram of a current flowing through the coil L202.
When the control pulse signal P1 is turned on at time t1, a current indicated by an arrow in FIG. Due to the characteristics of the coil L202, the current gradually increases in the positive direction.
When a current flows through the coil L202, a magnetic field proportional to the current is generated in the coil L202. When the current reaches a certain value at time t2, the permeability of the yoke 201 of the coil L202 is saturated, and the inductance of the coil L202 decreases. When the inductance of the coil L202 decreases, the current increase becomes steep.
The pulse width of the control pulse signal P1 needs to be a value until the yoke is sufficiently saturated. In other words, if the pulse width is narrow, it does not function as a magnetic sensor. The inductance of the coil L202 and the frequency of the clock generator 401 must be set appropriately to satisfy this condition.
時点t3で制御パルス信号P1がオフになると、図5(b)の矢印に示す電流が流れる。時点t2以降、ヨーク201の透磁率は飽和しているので、コイルL202に流れる電流は急激に減少するが、時点t4になるとヨーク201に印加されている磁界が弱まって飽和状態が解消され、コイルL202のインダクタンスは増加する。コイルL202のインダクタンスが増加すると、電流減少の傾きは緩やかになって、時点t5で電流はゼロになる。 When the control pulse signal P1 is turned off at time t3, a current indicated by an arrow in FIG. 5B flows. Since the magnetic permeability of the yoke 201 is saturated after the time point t2, the current flowing through the coil L202 rapidly decreases. However, at the time point t4, the magnetic field applied to the yoke 201 is weakened, and the saturation state is eliminated. The inductance of L202 increases. As the inductance of the coil L202 increases, the slope of the current decrease becomes gradual, and the current becomes zero at time t5.
コイルL202の過渡現象である時点t1からt5までの現象が終わった後、コンデンサC305にはコイルL202が流した電流によって電荷が蓄積される。この、コンデンサC305の両端電圧を、コイルL202の過渡現象が終了したt5の後、シーケンサ204が時点t6からサンプリングパルス信号P3を発生すると、サンプルホールド回路はt7の間までサンプリングする。
After the phenomenon from the time point t1 to the time point t5, which is a transient phenomenon of the coil L202, is finished, electric charges are accumulated in the capacitor C305 by the current flowing through the coil L202. When the
時点t8で制御パルス信号P2がオンになると、図5(c)の矢印に示す電流が流れる。コイルL202の特性により、電流は負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。
When the control pulse signal P2 is turned on at time t8, a current indicated by an arrow in FIG. Due to the characteristics of the coil L202, the current gradually increases in the negative direction.
When a current flows through the coil L202, a magnetic field proportional to the current is generated in the coil L202. When the current reaches a certain value at time t9, the magnetic permeability of the yoke 201 of the coil L202 is saturated, and the inductance of the coil L202 decreases. When the inductance of the coil L202 decreases, the current increase becomes steep.
時点t10で制御パルス信号P2がオフになると、図5(d)の矢印に示す電流が流れる。時点t9以降、ヨーク201の透磁率は飽和しているので、コイルL202に流れる電流は急激に減少するが、時点t11になるとヨーク201に印加されている磁界が弱まって飽和状態が解消され、コイルL202のインダクタンスは増加する。コイルL202のインダクタンスが増加すると、電流現象の傾きは緩やかになって、時点t12で電流はゼロになる。 When the control pulse signal P2 is turned off at time t10, a current indicated by an arrow in FIG. Since the magnetic permeability of the yoke 201 is saturated after the time t9, the current flowing through the coil L202 decreases rapidly. The inductance of L202 increases. As the inductance of the coil L202 increases, the slope of the current phenomenon becomes gentler, and the current becomes zero at time t12.
コイルL202の過渡現象である時点t8からt12までの現象が終わった後、コンデンサC305にはコイルL202が流した電流によって電荷が蓄積される。この、コンデンサC305の両端電圧を、コイルL202の過渡現象が終了したt12の後、シーケンサ204が時点t13からサンプリングパルス信号P4を発生すると、サンプルホールド回路はt14の間までサンプリングする。
After the phenomenon from the time point t8 to t12, which is a transient phenomenon of the coil L202, is finished, electric charge is accumulated in the capacitor C305 by the current flowing through the coil L202. When the
コイルL202に磁界が印加されていないときは、コイルL202には図6(e)の実線に示す電流が流れる。これに対し、コイルL202に負方向の磁界を印加すると、コイルL202には図6(e)の点線に示す電流が流れる。つまり、コイルL202のB−H曲線が負方向にオフセットされるので、正方向には電流が増加し(時点t1からt5)、負方向には電流が減少する(時点t8からt12)。 When a magnetic field is not applied to the coil L202, a current indicated by a solid line in FIG. On the other hand, when a negative magnetic field is applied to the coil L202, a current indicated by a dotted line in FIG. That is, since the BH curve of the coil L202 is offset in the negative direction, the current increases in the positive direction (time t1 to t5) and decreases in the negative direction (time t8 to t12).
図6(f)は、コンデンサC305の両端電圧の波形図である。
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。
FIG. 6F is a waveform diagram of the voltage across the capacitor C305.
The electric charge accumulated in the capacitor C305 is increased or decreased by the current generated in the coil L202. Therefore, the voltage between both ends increases from time t1 to time t5, stabilizes from time t5 to time t8, decreases between time t8 and time t12, and stabilizes from time t12 to time t15. Repeat this cycle.
コイルL202に磁界が印加されていないときは、コンデンサC305の両端電圧は図6(f)の実線に示す変化となる。したがって、時点t6からt7の間と、時点t13からt14の間のコンデンサC305の両端電圧をサンプリングして、加算すると、オペアンプ314の出力からは電源電圧+Vcc/2の電圧に相当する信号が得られる。
When no magnetic field is applied to the coil L202, the voltage across the capacitor C305 changes as shown by the solid line in FIG. Therefore, when the voltage across the capacitor C305 between time t6 and time t7 and between time t13 and time t14 is sampled and added, a signal corresponding to the voltage of the power supply voltage + Vcc / 2 is obtained from the output of the
これに対し、コイルL202に負方向の磁界を印加すると、コンデンサC305の両端電圧は図6(f)の点線に示す変化となる。つまり、コイルL202のB−H曲線は負方向にオフセットされるので、正方向には電流が増加した結果、コンデンサC305の両端電圧は正方向にオフセットする。したがって、時点t6からt7の間と、時点t13からt14の間のコンデンサC305の両端電圧をサンプリングして加算すると、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正方向にオフセットした信号が得られる。
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。
On the other hand, when a negative magnetic field is applied to the coil L202, the voltage across the capacitor C305 changes as indicated by the dotted line in FIG. That is, since the BH curve of the coil L202 is offset in the negative direction, the current increases in the positive direction, and as a result, the voltage across the capacitor C305 is offset in the positive direction. Therefore, when the voltage between both ends of the capacitor C305 between time t6 and time t7 and between time t13 and time t14 is sampled and added, the output of the
On the contrary, although not shown in FIG. 6, when a magnetic field in the positive direction is applied to the coil L202, the output of the
以上説明したように、コイルL202に直流磁界が印加されると、コンデンサC305の両端電圧の変化は直流磁界の方向に応じて正方向又は負方向にオフセットされる。サンプルホールド回路は、このコンデンサC305の両端電圧の変化の平均を採取することで、安定した検出出力を得る。この検出出力は、外部磁界がゼロの時は電源電圧+Vcc/2であり、コンデンサC305の容量誤差、制御パルス信号P1及びP2のパルス幅の誤差、コイルL202のインダクタンス誤差、ヨーク201の磁気特性の誤差などの回路定数のばらつきの影響を受けず変化しない。すなわち、ゼロ点ドリフトのない安定した出力が得られる。 As described above, when a DC magnetic field is applied to the coil L202, the change in the voltage across the capacitor C305 is offset in the positive direction or the negative direction depending on the direction of the DC magnetic field. The sample and hold circuit obtains a stable detection output by taking the average of changes in the voltage across the capacitor C305. This detection output is the power supply voltage + Vcc / 2 when the external magnetic field is zero, the capacitance error of the capacitor C305, the pulse width error of the control pulse signals P1 and P2, the inductance error of the coil L202, and the magnetic characteristics of the yoke 201. Unaffected by variations in circuit constants such as errors. That is, a stable output with no zero point drift can be obtained.
第一の実施形態の検出部203の特徴は、特許文献1及び特許文献2に開示されている技術内容と異なり、図5(a)乃至(d)及び図6(e)にて説明したように、コイルL202及びコンデンサC305には双方向の電流が流れる、という点である。つまり、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ので、無磁界状態のオフセットが殆ど生じない。したがって、従来技術のようにコイルL202を二つ並べてオフセットキャンセルを行う必要がなく、コイルL202一つだけで磁界を正しく検出できる。
The feature of the
[第二の実施形態]
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。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a circuit diagram of the detection unit of the magnetic sensor according to the second embodiment of the present invention. The magnetic sensor of the second embodiment differs from the magnetic sensor 101 of the first embodiment only in the detection unit, and the other parts are common, so the description of the common part is omitted.
図7に示す検出部701の、図3の検出部203との相違点は、サンプルホールド回路の代わりに抵抗R702とコンデンサC703を用いた積分回路を用いた点である。このような簡素な回路でも、磁気センサ101を実現することはできる。但し、図7の検出部701の場合、図3の検出部203と比べると応答特性がやや劣る。
The difference between the detection unit 701 shown in FIG. 7 and the
[第三の実施形態]
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。
[Third embodiment]
FIG. 8 is a circuit diagram of the detection unit of the magnetic sensor according to the third embodiment of the present invention. The magnetic sensor of the third embodiment is different from the magnetic sensor 101 of the first embodiment only in the detection unit, and the other parts are common, so the description of the common part is omitted.
図8に示す検出部801の、図3の検出部203との相違点は、第一スイッチ301と第二スイッチ302との中点にコンデンサC305を接続し、コンデンサC305の先にコイルL802を接続した点である。したがって、サンプルホールド回路はコンデンサC305とコイルL802の直列回路の両端電圧をサンプルすることとなる。
8 is different from the
図8の検出部801の、図3の検出部203から比べた優位点は、コイルL802が接地されている、という点である。センサであるコイルL802が接地されているので、コイルL802に対する外来ノイズの影響を受け難い。したがって、図3の検出部203と比べると、検出部801からコイルL802のみをケーブルで引き伸ばして配置することが比較的容易にできる。
The advantage of the detection unit 801 of FIG. 8 compared to the
図9は、本発明の第三の実施形態に係る磁気センサの外観斜視図である。
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。
FIG. 9 is an external perspective view of a magnetic sensor according to the third embodiment of the present invention.
As described above, with the detection unit 801 in FIG. 8, only the coil L802 can be taken out from the detection unit 801 and routed with a cable. Since the coil L802, which is a sensor, can be arranged away from the detection unit 801, the degree of freedom of arrangement as a magnetic sensor is high compared to the magnetic sensor 101 of the first embodiment.
上述の実施形態の他、以下のような応用例が考えられる。
(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。
In addition to the embodiment described above, the following application examples are conceivable.
(1) In the
(2)ヨーク201はパーマロイであったが、透磁率が高く、且つ飽和磁束密度の小さい材料であればこれに限られない。例えば、アモルファス合金等が挙げられる。 (2) The yoke 201 is permalloy, but the material is not limited to this as long as the material has a high magnetic permeability and a low saturation magnetic flux density. For example, an amorphous alloy etc. are mentioned.
本実施形態では、磁気センサを開示した。
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。
In the present embodiment, a magnetic sensor has been disclosed.
A predetermined voltage and ground are alternately connected to a resonance circuit in which a coil and a capacitor are connected in series. In addition, two free wheel diodes are provided to receive an electromotive force generated from the coil immediately after being disconnected from the voltage or ground to accumulate electric charges in the capacitor and stabilize the circuit. Then, obtain the voltage across the capacitor or the load consisting of the capacitor and coil connected in series, compare the voltage between the magnetic field due to the coil current and the external magnetic field with the same polarity and the opposite polarity, And detect the direction.
Unlike the prior art, since a bidirectional current flows through the coil, even if the circuit constant changes, the change in the detection voltage becomes the same magnitude due to the difference in the current direction and cancels out. For this reason, an offset at the time of no magnetic field hardly occurs. Therefore, it is not necessary to provide two coils as in the prior art, and the number of parts is reduced, so that a highly accurate magnetic sensor can be realized at low cost.
In particular, in the third embodiment, the coil can be pulled out from the circuit block as a single sensor. At that time, since only one coil is required as compared with the prior art, the sensor can be miniaturized, and further, the number of signal cables connecting the circuit block and the coil can be saved, thereby further contributing to cost reduction. .
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications may be made without departing from the gist of the present invention described in the claims. Includes application examples.
101…磁気センサ、102…磁石、201…ヨーク、203…検出部、204…シーケンサ、301…第一スイッチ、302…第二スイッチ、307…オペアンプ、308…第三スイッチ、310…第四スイッチ、311…オペアンプ、314…オペアンプ、401…クロック発生器、402…ループカウンタ、403…ROM、404…デコーダ、701…検出部、801…検出部、C305…コンデンサ、C306…コンデンサ、C309…コンデンサ、C703…コンデンサ、D303…第一フリーホイールダイオード、D304…第二フリーホイールダイオード、L202…コイル、L802…コイル、R312…抵抗、R313…抵抗、R315…抵抗、R316…抵抗、R702…抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Magnetic sensor, 102 ... Magnet, 201 ... Yoke, 203 ... Detection part, 204 ... Sequencer, 301 ... First switch, 302 ... Second switch, 307 ... Operational amplifier, 308 ... Third switch, 310 ... Fourth switch, 311...
Claims (5)
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。 A first switch to which a predetermined voltage is applied;
A first freewheeling diode connected in parallel to the first switch;
A second switch connected between the first switch and ground;
A second freewheeling diode connected in parallel to the second switch;
A coil having a yoke connected between the first switch and the second switch;
A capacitor connected between the coil and ground;
A voltage change acquisition unit for acquiring a change in the voltage across the capacitor;
A magnetic sensor comprising a sequencer that outputs a control pulse signal for alternately turning on and off the first switch and the second switch.
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。 The voltage change acquisition unit
After the first switch is turned on by the sequencer, a first sample and hold circuit that acquires a voltage across the capacitor;
A second sample-and-hold circuit for obtaining a voltage across the capacitor after the second switch is turned on by the sequencer;
The magnetic sensor according to claim 1, further comprising an adder circuit that adds outputs of the first sample hold circuit and the second sample hold circuit.
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。 A first switch to which a predetermined voltage is applied;
A first freewheeling diode connected in parallel to the first switch;
A second switch connected between the first switch and ground;
A second freewheeling diode connected in parallel to the second switch;
A capacitor connected between the first switch and the second switch;
A coil having a yoke connected between the capacitor and ground;
A voltage change acquisition unit for acquiring a change in voltage across the capacitor and the coil connected in series;
A magnetic sensor comprising a sequencer that outputs a control pulse signal for alternately turning on and off the first switch and the second switch.
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。 The voltage change acquisition unit
After the first switch is turned on by the sequencer, a first sample and hold circuit that acquires a voltage across the capacitor;
A second sample-and-hold circuit for obtaining a voltage across the capacitor after the second switch is turned on by the sequencer;
The magnetic sensor according to claim 4, further comprising an adder circuit that adds outputs of the first sample hold circuit and the second sample hold circuit.
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