JP5085274B2

JP5085274B2 - 磁界センサ

Info

Publication number: JP5085274B2
Application number: JP2007279921A
Authority: JP
Inventors: 一実豊田
Original assignee: 双日マシナリー株式会社
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: JP2009109258A

Description

本発明は磁性インピーダンス効果素子を用いた磁界強度測定若しくは検出用の磁気インピーダンス効果型磁界センサに関するものである。

零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤは自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流を流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁界によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μ_θは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁界と被検出磁界との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁界の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μ_θが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流を搬送波とし、被検出磁界を被検出波として変調される現象ということができる。

更に、上記通電電流の周波数がＭＨｚオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμ_θ）^１／２（μ_θは前記した通り円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出磁界（信号波）で変調される現象ということができる。

前記のワイヤ両端間出力はアモルファス磁性ワイヤに流した高周波励磁電流の磁界（搬送波）が被検出磁界（信号波）で変調された変調波であり、この変調波が復調されて被検出磁界相当出力が得られ、これが検出出力とされる。

アモルファス合金ワイヤは磁気インピーダンス効果素子と称され、この磁気インピーダンス効果素子を感磁素子とする磁界センサが種々開発されている（例えば、特許文献１）。
特開平１４−１９８５８２号公報図５は磁気インピーダンス効果素子を使用した磁界センサの基本的な回路を示している。図５において、１は磁気インピーダンス効果素子、２は磁気インピーダンス効果素子１に高周波励磁電流を加えるための高周波電流源回路である。Ｈは磁気インピーダンス効果素子１の軸方向に作用する被検出磁界を示し、磁気インピーダンス効果素子の出力端には、前記高周波励磁電流（搬送波）が被検出磁界（被検出波）Ｈで変調されたものが出力される。３は検波回路であり、変調波が検波され被検出磁界（被検出波）Ｈが復調されて出力される。４は増幅器、５は出力端である。

上記において、被検出磁界の正負により磁気インピーダンス効果素子内磁界の周方向ずれφにも正負が生じるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμθの減少度は外部磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、被検出磁界−出力特性は磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、図６の（イ）に示すように、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。また、図６の（イ）に示すように、非線形になる。
そこで、図５において、６で示す負帰還用コイルで負帰還をかけて図６の（ロ）に示すように特性を直線化している。
更に、図５において、７で示すバイアス磁界用コイルにより、図６の（ロ）の特性を、図６の（ハ）に示すようにバイアス磁界Ｈｂにより矢印方向に移動させて極性判別可能としている。

図６に示す磁界センサは、磁界強度を測定若しくは検出するものである。
この磁界センサにおいては、磁気インピーダンス効果自体は高感度、高精度、高分解能の性能を有しているにもかかわらず、携帯電話、スパーク、スイッチのオン・オフ、インバータ等による電磁波ノイズや地磁気、検波回路や増幅回路等での回路素子の温度ドリフトなどによる測定若しくは検出障害を受け易い。

図７に示す磁気インピーダンス効果型磁界センサは差動式であり、磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの感磁出力の差が差動増幅回路４で差動増幅されて検出出力とされるるから、磁界センサ移動方向の磁界強度の勾配が測定若しくは検出される。
この差動式磁界センサでは、前記の電磁波ノイズ、地磁気ノイズ、回路素子の温度ドリフトノイズ等が差動増幅回路に対し同相で入力するから、それらの影響を良好に排除できる。
しかしながら、磁界強度の勾配を測定若しくは検出するものであり、磁界強度を直接測定若しくは検出することはできない。

本発明の目的は、電磁波ノイズや地磁気等の影響をよく排除して磁界強度を測定若しくは検出できる磁気インピーダンス効果型磁界センサを提供することにある。

請求項１に係る磁気センサは、磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流し、該素子に加わる被検出磁界で励磁電流磁界を変調させ、その変調波を復調して被検出磁界に対する出力を発生させる主回路と、この主回路に対して磁気インピーダンス効果素子を、磁気インピーダンス効果を呈しないもとでの磁気インピーダンス効果素子と出力端インピーダンスが等しいインピーダンス素子で置換した補助回路と、主回路の出力と補助回路の出力とを差動増幅する差動増幅回路を有し、しかも、励磁電流の通電のもとで被検出磁界を零にしたときの差動増幅回路の出力を基準値に近似するように差動増幅の出力を入力信号として補償信号を発生させ、この補償信号を前記差動増幅回路に入力してその差動増幅回路の出力を基準値に設定するオフセット調整回路を付設したことを特徴とする。
請求項２に係る磁気センサは、請求項１の磁界センサにおいて、差動増幅回路の出力端とオフセット調整回路の入力端との間に差動増幅出力をｎ（ｎ＞１）倍してオフセット調整回路に入力する手段を付設したことを特徴とする。
請求項３に係る磁気センサは、請求項１または２の磁界センサにおいて、インピーダンス素子が抵抗から構成されることを特徴とする。
請求項４に係る磁気センサは、請求項１〜３何れかの磁界センサにおいて、インピーダンス素子が抵抗とコイルから構成されることを特徴とする。
請求項５に係る磁気センサは、請求項１〜４何れかの磁界センサにおいて、磁気インピーダンス効果素子にバイアス磁界を加えるための手段及び差動増幅出力を磁気インピーダンス効果素子に負帰還させるための手段を付設したことを特徴とする。

磁気インピーダンス効果素子はＧＨzオーダの外部磁界に対しては実質上磁気インピーダンス効果を奏さないから、ＧＨzオーダの電磁波ノイズにより主回路及び補助回路に誘導される電圧は実質上等しく、主回路及び補助回路のインピーダンスが等しくされているから、この電磁波ノイズにより各回路から差動増幅回路の±入力端子に送入される入力は同相で、かつ同等値である。従って、電磁波ノイズは差動増幅回路の出力として現れない。
地磁気は、主回路の磁気インピーダンス効果素子が磁気インピーダンス効果のために地磁気を拾うが、これは直流であり、差動増幅回路のオフセット調整回路でこの直流分を打ち消すことができるから、地磁気の影響も排除できる。
また、磁気インピーダンス効果素子を主回路のみに設けてあり、補助回路のインピーダンス素子の感磁性能が磁気インピーダンス効果素子に較べて実質的に零乃至は無視できるるから、磁気インピーダンス効果素子の磁気インピーダンス効果に基づく磁界検出出力が主回路のみに発生され、差動増幅回路から出力される。
従って、ＧＨzオーダの電磁波ノイズや地磁気の影響を排除して磁気インピーダンス効果素子により磁界強度を測定若しくは検出できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。
図１−１は本発明に係る磁気インピーダンス効果型磁界センサの一実施例の回路図を示している。
図１−１において、Ａは主回路であり、磁気インピーダンス効果素子１及び検波回路３ａを備えている。２は磁気インピーダンス効果素子１に高周波励磁電流を流すための電流電源回路である。Ｈは磁気インピーダンス効果素子１に加えられる被検出磁界を示し、前記励磁電流により発生する高周波磁界（搬送波）が被検出磁界Ｈにより変調された変調波が磁気インピーダンス効果素子１の出力端ｏに現れ、この出力が検波回路３ａで復調されて被検出磁界出力が発生される。
Ｂは補助回路であり、主回路Ａに並設されており、主回路Ａと異なる点は磁気インピーダンス効果素子１がオーミックなインピーダンス素子１’に置換されている点であって、インピーダンス素子１’のインピーダンスが励磁電流通電下のもとでの磁気インピーダンス効果素子１の出力端ｏでのインピーダンス値に同等とされており、主回路と同様に検波回路３ｂを備えている。４は差動増幅回路であり、±の各入力端に各回路Ａ、Ｂの出力端が接続されている。
前記インピーダンス素子１’には抵抗素子を使用できる。磁気インピーダンス効果素子１の出力端ｏでのインピーダンス値とは、出力端ｏとアース間のインピーダンスであり、磁気インピーダンス効果素子が抵抗を介して接地されている場合は、磁気インピーダンス効果素子とその抵抗との直列接続のインピーダンス値である。

図１−１に示す磁界センサにおいても、従来例と同様、出力特性の直線化や安定化のために、磁気インピーダンス効果素子１に負帰還用コイル６を付設して差動増幅出力を磁気インピーダンス効果素子１に負帰還させることが好ましい。また、被検出磁界の極性判別を可能とするために、磁気インピーダンス効果素子１にバイアス磁界用コイル７を付設して磁気インピーダンス効果素子１に所望の直流バイアス磁界を加えることが好ましい。バイアス磁界用コイルに代え、永久磁石を付設することもできる。バイアス磁界用コイルと永久磁石とを付設することも可能である。

本発明に係る磁界センサにおいては、磁気インピーダンス効果のみが外部磁界を検出し、従って、主回路のみに外部磁界検出出力が発生し、補助回路にはその外部磁界検出出力の発生がないから、差動増幅回路の入力端に外部磁界検出出力が差動入力分のみで入力され、同相入力分が実質上０となる結果、差動増幅回路の出力端に、増幅された外部磁界検出出力が現われる。
携帯電話等のＧＨzオーダの電磁波ノイズに対し、磁気インピーダンス効果素子は磁気インピーダンス効果を実質上呈さず通常のインピーダンス素子として作用し、主回路のライン及び補助回路のラインに同等の誘導電圧が発生する。而るに、励磁電流に対し主回路の磁気インピーダンス効果素子の出力端及び補助回路のインピーダンス素子の出力端に現れる電圧を同等とするように、インピーダンス素子のインピーダンスを磁気インピーダンス効果素子のインピーダンスに同等値に設定してあり、すなわち、同値・同相の入力に対し、主回路の磁気インピーダンス効果素子の出力端及び補助回路のインピーダンス素子の出力端に現れる電圧が等しくなるようにしてあるから、両回路のＧＨｚ電磁波ノイズに基づく電圧も実質上同値・同相となり、差動増幅回路に対するその差動入力が零となるから、ＧＨｚ電磁波ノイズの影響を排除できる。
また、電磁波ノイズが磁気インピーダンス効果素子の感磁周波数帯域内の場合は、図１−２に示すように、インピーダンス素子を抵抗ｒとコイルｃ(コイル単独でインピーダンスを磁気インピーダンス効果素子に同等にできれば、コイルのみとしてもよい)
によって構成することにより、インピーダンス素子によっても電磁波ノイズを検出し、後段の差動増幅回路４によってインピーダンス素子の検出磁界出力と差動増幅することにより電磁波ノイズを打ち消すことも可能となる。

本発明に係る磁界センサは、磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流し、該素子に加わる被検出磁界で励磁電流磁界を変調させ、その変調波を復調して被検出磁界に対する出力を発生させる主回路と、この主回路に対して磁気インピーダンス効果素子をインピーダンス素子で置換した補助回路と、主回路の出力と補助回路の出力とを作動増幅する差動増幅回路を有し、電磁波ノイズなどが主回路と補助回路に誘導されても、磁気インピーダンス効果素子の出力端とインピーダンス素子の出力端とで電磁波ノイズ電圧を等しくして差動増幅回路に対するそのノイズの差入力を０とし、そのノイズを出力させないように、インピーダンス素子のインピーダンスを設定してある。

地磁気については、主回路の磁気インピーダンス効果素子が磁気インピーダンス効果によりその地磁気を検出するのに対し、補助回路にはこの検出がないから、地磁気ノイズは差動増幅回路に差入力≠０として作用する。
そこで、この差入力に対する差動増幅回路の出力、すなわち、検出しようとする被検出磁界を０としたとき（被検出外部磁界を作用させない状態としたとき）の差動増幅回路の出力（オフセット）を検出し、この検出値と設定基準値Ｋとの差が＋（−）であると−（＋）の出力を発生させ、その出力を差動増幅回路の＋（−）の入力端子に入力して差動増幅回路のオフセットを基準値とすることを自動的に行わせるオフセット調整回路を図１の符号８で示すように差動増幅回路４の入力端側に付設して地磁気の影響を排除できる。
このオフセット調整回路には、入力信号によってボリウムの可動子の位置が変化するのと同じ作用を呈するＩＣ、所謂電子ボリウムを使用することができる。

前記基準値Ｋは通常０とされる。これに代え、オフセットＳが−１ボルト＜Ｓ＜＋１ボルトであれば、例えばＳ＝±０．８ボルトであれば、オフセット不調整とすることもできる。この場合、オフセット調整回路の入力端と差動増幅回路の出力端との間にゲインｎ（ｎ＞１）のバッフアを挿入して、オフセット調整回路の入力ｎＳが±１ボルトの範囲内になるようにオフセット調整することもできる。したがって、オフセットＳが−１／ｎボルト＜Ｓ＜＋１／ｎボルトでは不調整、Ｓ＞＋１／ｎボルトまたはＳ＜−１／ｎボルトで調整されることになる。例えば、バッフアのゲインを２にすれば、オフセットＳが−０．５ボルト＜Ｓ＜＋０．５ボルトでは不調整、Ｓ＞＋０．５ボルトまたはＳ＜−０．５ボルトで調整されることになる。

図２に示すように、オフセット調整回路８の出力を差動増幅回路４のオフセット設定端子４’に入力してオフセット調整する方式とすることもできる。
図２において、図１と同一の符号は同一の構成要素を示している。

前記主回路及び補助回路における磁気インピーダンス効果素子の特性のバラツキ、各回路の電子部品例えば検波回路の電子部品の特性のバラツキ、同電子部品の温度ドリフト等も被検出磁界回路のオフセット発生原因となるが、このオフセットも前記のオフセット調整回路により所定の基準値範囲内に納められる。

前記のオフセット調整は励磁電流通電下（起動済みの状態または起動時）で、被検出磁界が作用してない段階で行われる。
例えば、磁界センサを走行させ、磁性物をその磁性物が発生する磁界の強度を測定することにより検出する場合、磁界センサが磁性物から遠く離れていて磁界センサに磁性物の磁界が感磁されない位置で、オフセット調整を行う。

本発明に係る磁界センサは、被検出磁界が直流磁界である場合も、その磁界強度の測定または検出に使用できる。
例えば、磁化された磁性物に対し磁界センサを相対的に移動させて磁性物の位置を測定する場合に使用できる。この場合は、移動を行う前に、オフセット調整が行われる。
オフセット調整は、主回路及び補助回路の電子部品の温度ドリフトの影響の排除にも有効であり、測定中、周囲温度が変化する場合、その変化の都度、オフセット調整のリセットが行われる。例えば、工場のコンベアラインで搬送物品における磁性異物の混入の有無を本磁界センサにより検出する場合、朝、昼、夜にオフセット調整のリセットが行われる。

本発明に係る磁界センサは機器に組み込んで使用できる。この場合、機器制御用ＰＣ等からの外部信号によりオフセット調整回路の電子ボリウムの作動またはオフセット補償信号の発信、更新、停止を制御可能とし、機器の起動時、予め定めたタイミングまたはインターバルでオフセット調整を自動的に行わせることができる。

前記差動増幅回路には、図３に示すようにＯＰ_３の入力側にＯＰ_１及びＯＰ_２を付加したものを使用すれば、ＯＰ_３単一のものに較べ同相除去率を高くできる。更に、抵抗Ｒにより差動利得を変えることができ、磁気インピーダンス効果素子の磁界検出範囲である±２００［Ａ／ｍ］を越える磁界でも、差動増幅回路に所望の増幅率を持たせることにより負帰還量を調整し、磁界検出範囲±２００［Ａ／ｍ］の一部を取出して検出することができる。

前記磁気インピーダンス効果素子１には、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。抵抗素子には、ワイヤの外、リボン、スパッタ膜等も使用できる。

前記磁気インピーダンス効果素子１には、遷移金属と非金属の合金で非金属が１０〜３０原子％組成のもの、特に遷移金属と非金属との合金で非金属量が１０〜３０原子％を占め、遷移金属がＦｅとＣｏで非金属がベルトコンベアとＳｉであるかまたは遷移金属がＦｅで非金属がＢとＳｉである組成のものを使用することができ、例えば、組成Ｃｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５、長さ２０００μｍ〜６０００μｍ、外径３０μｍ〜５０μｍφのものを使用できる。

高周波励磁電流には、例えば連続正弦波、パルス波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、ＣＭＯＳ−ＩＣを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。

検波回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。
また、被変調波（周波数ｆｓ）に同調させた周波数ｆｓの方形波を被変調波に乗算して信号波をサンプリングする同調検波を使用することができる。
上記の例では、被変調波の復調によって信号磁界（信号波）を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果素子に作用する信号磁界（信号波）で変調された高周波励磁電流波（搬送波）から信号磁界を検波し得るものであれば、適宜の検波手段を使用できる。

負帰還用コイルは磁気インピーダンス効果素子に巻き付けることができる。また、図４に示すように磁気インピーダンス効果素子とループ磁気回路を構成する鉄芯に負帰還用コイルを巻き付けることもできる。
図４の（イ）は鉄芯コイル付き磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図４の（ロ）は同じく底面図、図４の（ハ）は図４の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図４において、１００は基板チップであり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、磁気インピーダンス効果素子接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３は鉄やフェライト等からなるＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。
７ｘはＣ型鉄芯に巻装した直流バイアス磁界用コイルである。

本発明に係る磁気インピーダンス効果型磁界センサの一実施例を示す回路図である。本発明に係る磁気インピーダンス効果型磁界センサの別実施例を示す回路図である。本発明に係る磁気インピーダンス効果型磁界センサの他の別実施例を示す回路図である。本発明において使用される差動増幅回路の一例を示す回路図である。前記の磁気インピーダンス効果センサにおいて使用される磁気インピーダンス効果ユニットを示す図面である。従来の磁気インピーダンス効果センサを示す回路図である。磁気インピーダンス効果センサの検知出力特性を示す図面である。従来の上記とは別の磁気インピーダンス効果センサを示す回路図である。

符号の説明

１磁気インピーダンス効果素子
１’ インピーダンス素子
２励磁電流源
３ａ検波回路
３ｂ検波回路
４差動増幅回路
６負帰還用コイル
７バイアス磁界用コイル
８オフセット調整回路

Claims

磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流し、該素子に加わる被検出磁界で励磁電流磁界を変調させ、その変調波を復調して被検出磁界に対する出力を発生させる主回路と、この主回路に対して磁気インピーダンス効果素子を、磁気インピーダンス効果を呈しないもとでの磁気インピーダンス効果素子と出力端インピーダンスが等しいインピーダンス素子で置換した補助回路と、主回路の出力と補助回路の出力とを差動増幅する差動増幅回路を有し、しかも、励磁電流の通電のもとで被検出磁界を零にしたときの差動増幅回路の出力を基準値に近似するように差動増幅の出力を入力信号として補償信号を発生させ、この補償信号を前記差動増幅回路に入力してその差動増幅回路の出力を基準値に設定するオフセット調整回路を付設したことを特徴とする磁界センサ。
差動増幅回路の出力端とオフセット調整回路の入力端との間に差動増幅出力をｎ（ｎ＞１）倍してオフセット調整回路に入力する手段を付設したことを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
インピーダンス素子が抵抗から構成されることを特徴とする請求項１〜２何れか記載の磁界センサ。
インピーダンス素子が抵抗とコイルから構成されることを特徴とする請求項１〜２何れか記載の磁界センサ。
磁気インピーダンス効果素子にバイアス磁界を加えるための手段及び差動増幅出力を磁気インピーダンス効果素子に負帰還させるための手段を付設したことを特徴とする請求項１〜４何れか記載の磁界センサ。