JP5437918B2 - 磁界補償 - Google Patents

Description

本発明は、磁界補償のためのデバイスに関し、詳細には、磁気抵抗センサを有する磁界補償デバイスに関する。

磁界を補償するためのデバイスが知られている。一般にこのようなデバイスは、フィードバック制御ループを用い、干渉磁界振幅は１つまたは複数のセンサによって測定される。測定された信号は、制御デバイスによって処理されて、補償磁界を発することによってその場所でのセンサの位置の干渉磁界振幅を最小化するヘルムホルツ・コイルに制御信号として渡される。

補償されるべき磁界は地磁界の場合もあり、または周囲の他のデバイスによって発生される場合もある。

まったくのアナログ・フィードバック・システムのほかに、まったくデジタル的に動作するフィードバック・システムを用いることもできる。まったくアナログ的に動作するシステム、またはまったくデジタル的に動作するシステムの欠点を避けるために、複合システムも開発された。

たとえば本出願人の欧州特許出願公開第１８７３５４３（Ａ１）号は、このような磁界を補償するための複合システムを述べている。この磁界を測定するためのシステムには、コイル検出素子ならびにフラックスゲート・センサを有する組み合わせセンサが用いられる。これに関してコイル検出素子の信号は制御のアナログ部のために用いられ、フラックスゲート・センサの信号はデジタル部のために用いられる。

コイル検出素子を用いて、コイル内の外部磁界によって誘起される電圧が測定される。

２軸および３軸のフラックスゲート・センサが存在する。このようなセンサは、平面に垂直な、または空間の３方向すべての磁界を測定することができる。その際に２つの強磁性体コア上に、それぞれ３つのコイルがある。三角波発生器は、励磁コイルを通って流れる電流を発生する。この電流によって強磁性体コア内に磁界が生成される。磁束の変化は、いわゆるピックアップコイル内に電圧を誘起する。外部磁界がない場合は、ピックアップコイルの電圧の差はゼロとなる。外部磁界が生成されると、差電圧が発生される。

アナログおよびデジタル制御ループを有するこのような複合システムは、コイル検出素子ならびにフラックスゲート・センサを１つのハウジング内に配置しなければならないという欠点がある。そうすることでフラックスゲート・センサがコイル検出素子に物理的に近接していることにより、コイルにチョッパ周波数のクロストークを引き起こし、それと共にコイル信号内に望ましくない周波数成分を引き起こす。これに関連してチョッパ周波数は、フラックスゲート・センサの励磁コイルが動作する周波数と理解される。したがってこのクロストークを小さく保つために、個々のセンサはハウジングの内部に正確に配置されなければならない。しかしながら約２ｃｍ×２ｃｍ×８ｃｍの構造形状および３００ｇの重さは、ほとんど整合し得ない。

欧州特許出願公開第１８７３５４３（Ａ１）号

したがって本発明の目的は、寸法が従来のセンサの場合よりも大幅に小さい、補償磁界デバイス内で用いられるセンサを提供することである。

本発明の目的は、請求項１による磁界を補償するためのデバイスによってすでに解決されている。

本発明の好ましい実施形態および他の発展形態は、具体的な従属項から捉えられるものである。

したがって、磁界センサと、センサによって供給される測定信号を処理するための測定増幅器とを備える、磁界を補償するためのデバイスが提供される。ここで磁界センサは、単一の磁気抵抗センサとして形成され、これに少なくとも２つの測定増幅器ループ、すなわち測定された信号を増幅しそれにより、これらの信号を増幅器に入力して補償コイルを励磁させることができるようにするための回路が、割り当てられる。

磁気抵抗センサの動作モードは、磁気抵抗効果に基づく。これらの効果の場合は、外部磁界を印加することにより、材料の電気抵抗が磁界の大きさに比例して変化する。具体的には磁気抵抗効果としては、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ効果）、「巨大」磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）、ＣＭＲ効果、ＴＭＲ効果、および平面ホール効果がある。ここで非磁性材料での磁気抵抗効果（ホール効果）、磁性材料での磁気抵抗効果（たとえばＡＭＲ効果）、ならびに非磁性および磁性材料からなる複合材料での磁気抵抗効果（たとえばＧＭＲ効果、ＣＭＲ効果）が区別される。

明瞭にするために、通常のホール効果は平面ホール効果とは大きく異なり、磁気抵抗効果ではないことが指摘されるべきである。

本発明の好ましい一実施形態では、磁気抵抗センサは３軸センサである。

低ノイズ電子回路組立体を追加することにより、このようなデバイスによってＤＣから１７０ｋＨｚまでの、またはそれより高いセンサ信号を得ることができる。

２つの測定増幅器の一方はアナログ広帯域コントローラであり、他方はデジタル広帯域コントローラである。デジタル広帯域コントローラの前にはアナログ−デジタル変換器が配置される。デジタル広帯域コントローラの後にはデジタル−アナログ変換器が配置される。ここで「広帯域」という用語は、その中において信号が存在しかつ処理できる、大きな周波数スペクトル、または「広い」周波数帯域という意味で理解されなければならない。

本発明によれば、両方の測定増幅器ループを並列に動作させることができる。別法として、一時にデジタルまたはアナログ測定増幅器ループのみが用いられるように、２つの測定増幅器ループの間で磁界センサを切り換えることができる。好ましい一実施形態ではデジタル測定増幅器は、異なる周波数領域のための複数の並列コントローラを備える。これによって磁界センサの測定信号は、その周波数成分に応じて異なるコントローラに送られる。

他の実施形態では、０から１ｋＨｚまでの周波数領域のためのローパスフィルタがデジタル広帯域コントローラと直列に接続され、１ｋＨｚから少なくとも１７０ｋＨｚまでの周波数領域のためのハイパスフィルタがアナログ広帯域コントローラと直列に接続される。

磁界センサによって供給される測定信号が、それより上ではデジタル広帯域コントローラには入力されなくなるがアナログ広帯域コントローラには入力されるようになる周波数は、２０Ｈｚ程度とすることもでき、それにより２０Ｈｚより低い周波数のためのローパスフィルタがデジタル広帯域コントローラに、２０Ｈｚより高い周波数のためのハイパスフィルタがアナログ広帯域コントローラに直列に接続される。

本発明の他の実施形態では、選択可能なハイパスフィルタが２つの測定増幅器ループの１つと直列に接続され、それにより、磁界センサによって供給される測定信号が、それより上ではデジタル広帯域コントローラには入力されなくなるがアナログ広帯域コントローラには入力されるようになる周波数を手動で設定することができる。

磁界センサは、磁界補償のためのヘルムホルツ・コイルの内側に配置される。その際に空間の３方向のそれぞれに対して、それぞれ１対のヘルムホルツ・コイルが設けられる。測定増幅器ループの出力信号は制御信号としてヘルムホルツ・コイルに渡され、それにより磁界センサの位置で測定される磁界が補償される。

ヘルムホルツ・コイルの代わりに、空間の１方向当たりに１つの単一コイルを用いることもできる。

本発明による磁界センサは、その少なくとも２つの測定増幅器ループを含めて比較的小型の構造形状内に実現することができる。１つの軸に対して約２０ｍｍ×４ｍｍ×５ｍｍの大きさを有する単層回路基板を実現することができる。また３軸の実施形態では本発明による磁界センサは、磁界を補償するための同程度のセンサ装置より大幅に小さく軽量となる。

アナログ広帯域コントローラがデジタル広帯域コントローラと並列に接続される、磁界測定装置の一実施形態を示す図である。 アナログ広帯域コントローラが、複数の単一周波数制御ループを有するデジタル広帯域コントローラ装置と並列に接続される、磁界測定装置の一実施形態を示す図である。 広帯域コントローラが選択可能なハイパスフィルタを備える、磁界測定装置の一実施形態を示す図である。 デジタルコントローラ装置、および単一周波数のための単一コントローラへの細分化を有する、磁界測定装置の一実施形態を示す図である。 磁界を補償するための装置を示す図である。 磁気抵抗センサを有する測定装置のブロック図である。

以下では本発明について、例示的実施形態により、同じ参照記号は同じ構成要素を指す添付の図を参照して、より詳細に説明する。

ブロック図において図６は、磁気抵抗センサを有する測定装置を示す。チップの形での磁気抵抗センサ１には、電圧源６５によって５Ｖの基準電圧が供給される。リセット切り換え回路６６は「パワーアップ」、ならびにリセット信号６９により磁気抵抗センサチップを減磁するようにフリップコイルが活動化される外部リセットを可能にする。センサ１の出力信号は、出力信号を増幅する計装用増幅器６２に印加される。増幅率は典型的には、約２００である。計装用増幅器６２の出力信号は、ローパスフィルタを有する加算増幅器６３に印加される。加算増幅器６３の増幅率は典型的には、約３６である。加算増幅器６３の出力信号６８は、およびそれを用いた測定装置の出力はデジタルであり、典型的には１２０ｋＨｚの周波数を有する。出力信号のレベルは典型的には、測定磁界のμＴ当たり１４０ｍＶである。空間の方向ごとに、図６による測定装置が設けられる。

図１は、その出力信号６８が並列に構成された２つの測定増幅器枝路またはループに送られる１つの単一磁界センサ１を有する、複合磁界測定装置を示す。これらの測定増幅器ループのそれぞれは、センサ軸の数に応じて１つ、２つ、または３つの増幅器チャネルを備え、すなわち特定の信号は１つまたは複数の構成要素を有する。図１の上側増幅器枝路は、直列に接続されたハイパスフィルタ２を有するアナログ広帯域コントローラ３を備える。図１の下側測定増幅器枝路またはループには、その出力信号がデジタル広帯域コントローラ５と直列のアナログ−デジタル（ＡＤ）変換器に送られる、ローパスフィルタ４が設けられる。広帯域コントローラ５のデジタル出力信号は、ＤＡ変換器７によってアナログ信号に変換される。

並列に構成された２つの測定増幅器枝路の出力信号は、加算器８によって加算され、磁界補償装置を形成するためにヘルムホルツ・コイルの対Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３（図５）を有するヘルムホルツ・コイル装置Ｈに送られる。ヘルムホルツ・コイルの対の代わりに、軸当たり１つの単一コイルを用いることもできる。アナログおよびデジタル測定増幅器枝路は、図５の測定増幅器Ｍに組み合わせられる。

磁界測定装置の出力信号の成分は、ヘルムホルツ・コイルＨ１、Ｈ２、Ｈ３、または単一コイル内の特定の電流を制御するために信号成分を用いることにより、磁界を補償するために用いることができる。これらのコイルは、測定の位置または場所を取り囲み、したがって磁界センサ１を取り囲む。フィードバック制御の概念が用いられ、それと共に局部磁界の干渉磁界振幅がセンサ１によって測定される。この干渉磁界振幅の大きさに応じて、それに従って制御された信号成分がヘルムホルツ・コイルまたは単一コイルに送られ、それにより測定の位置での干渉磁界振幅が最小化される。

アナログコントローラおよびデジタルコントローラは、それらの特有の利点および欠点を有する。アナログコントローラは、より広い帯域幅に対処し、一方デジタルコントローラは、制御特性に関してより高い融通性を示し、代替の制御プログラムの使用の可能性を有する。磁界測定装置のアナログ部により、まったくのデジタルシステムの欠点が避けられる。このためにこれらのシステムは、センサ信号のＡＤ変換を行う必要があるだけでなく、出力信号を元のアナログ信号に変換する必要もある。

信号のスキャンにより、このＡＤ−ＤＡ変換に起因して位相損失を結果として生じ、これは有用な制御システムにおける制御の帯域幅を制限する。現在入手可能なデジタルシステムは、最大で１ｋＨｚの帯域幅を達成する。

アナログとデジタル測定増幅器枝路を組み合わせることにより、この欠点が避けられる。そうすることで磁界センサ１の出力信号は、その周波数部分に分割される。図１の実施形態では、２０Ｈｚより高い周波数はハイパスフィルタ２を用いてアナログ広帯域コントローラ３に送られ、２０Ｈｚより低い周波数はローパスフィルタ４、変換器６、７、およびデジタルコントローラ５を含むデジタル測定枝路に送られる。制限周波数はたとえば、並列に構成された２つの測定増幅器枝路の効率を最適化するように、異なる周波数に選ぶことができる。

図２は、複合磁界測定装置の他の実施形態を示す。ここでも磁気抵抗磁界センサ１の出力信号６８は、並列に構成された２つの測定増幅器枝路に送られ、その図１の上側枝路は、やはり直列に接続されたハイパスフィルタ２を有するアナログ広帯域コントローラ３を備える。下側枝路には複数のコントローラＲ１、Ｒ２、・・・、Ｒｎの並列接続があり、そのそれぞれは、直列にそれぞれのフィルタＦ１、Ｆ２・・・、Ｆｎを含む。コントローラＲ１、Ｒ２、・・・、Ｒｎの出力信号は加算され、ＤＡ変換器７によってアナログ信号に変換され、加算器８に送られる。

好ましくは、フィルタＦ１、Ｆ２・・・、Ｆｎは次のように調整される。

Ｆ１：ローパスフィルタ ２０Ｈｚ
Ｆ２：１６、６７Ｈｚバンドパスフィルタ
Ｆ３：その地域の電源周波数に従って５０Ｈｚ（またはそれぞれ６０Ｈｚ）バンドパスフィルタ
Ｆ４〜Ｆｎ：それぞれのバンドパスフィルタとして電源周波数の整数倍、したがって２×５０Ｈｚ／２×６０Ｈｚ、３×５０Ｈｚ／３×６０Ｈｚなど

ローパスフィルタ４およびハイパスフィルタ２を用いたセンサ１の出力信号６８の分割は、両方の領域に対して、すなわちデジタルの低周波領域ならびにアナログの高周波領域に対して、それぞれ最適な効率が達成されるように選択される。典型的にはこれらの周波数領域は、０〜２ｋＨｚ、２ｋＨｚ〜１７０ｋＨｚ、または０〜４ｋＨｚ、４ｋＨｚ〜１７０ｋＨｚ、またはそれ以上である。

上述のように磁界測定装置の出力信号は、磁界を補償するために用いられる。

図３は、磁界測定装置の他の実施形態を示し、すなわち図１によるアナログ枝路を示す。アナログ広帯域コントローラ３に直列に接続されたハイパスフィルタ２は、スイッチ９を切り換えることにより迂回することができ、それにより磁気抵抗磁界センサ１の出力信号６８は、フィルタリングされずにその帯域幅全体を有してアナログ広帯域コントローラ３に到達する。磁界センサ１のフィルタリングされた、およびフィルタリングされない出力信号６８は、加算器１０によって加算される。

直列に接続されたハイパスフィルタ２は、センサ１の出力信号６８の帯域制限をもたらす。好ましくは本実施形態では、ハイパスフィルタ２のフィルタ周波数は約０．１Ｈｚである。ＤＣ補償が必要な場合は、ハイパスフィルタ２が用いられる。そうでない場合はハイパスフィルタ２は、スイッチ９を手動で切り換えることによって迂回される。別法としてスイッチ９は、ソフトウェアによって動作させることもできる。

ここでまた磁界測定装置の出力信号の成分は、磁界を補償するために用いられる。

図４は、主に図２の下側測定増幅器枝路に相当するデジタル磁界測定装置の一実施形態を示す。装置はローパスフィルタ４を備え、その出力信号はＡＤ変換器によってデジタル信号に変換され、この信号は直列に接続されたフィルタＦ１、Ｆ２・・・、Ｆｎを有する、並列に構成された単一コントローラＲ１、Ｒ２、・・・、Ｒｎへ送られる。好ましくはローパスフィルタ４のフィルタ周波数は、１〜５ｋＨｚである。フィルタＦ１、Ｆ２・・・、Ｆｎは、単一周波数に応じて入力信号をコントローラＲ１、Ｒ２、・・・、Ｒｎの間で分割する。周波数は、すでに述べた形でフィルタＦ１、Ｆ２・・・、Ｆｎの間で分割される。コントローラＲ１、Ｒ２、・・・、Ｒｎの出力信号は、磁界を補償するために用いるようにＤＡ変換器によってアナログ信号に変換される。

図５は、磁界補償装置Ｈ内の磁気抵抗磁界センサ１を示す。磁界補償装置Ｈは、１対から３対のヘルムホルツ・コイルＨ１、Ｈ２、Ｈ３を備える。ヘルムホルツ・コイルの各対は、空間の１つの方向に向いた磁界を発生する。磁気抵抗磁界センサ１は、ヘルムホルツ・コイルの対Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の間の中央領域に配置される。センサ１の測定信号６８の３つの成分は、図１〜４で述べたように磁界測定デバイスＭに渡される。測定信号は増幅され、磁界補償デバイスに戻される前に処理される。そうすることにより信号のそれぞれの成分は、ヘルムホルツ・コイルの対Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のための制御信号として用いられる。

代替実施形態では、ヘルムホルツ・コイルの対の代わりに、空間軸当たりに単一コイルが用いられる。

Claims (8)

1. 磁界センサと、
   測定増幅器ループとを
   有する磁界測定装置を備える、磁界を補償するためのデバイスであって、
   前記磁界センサは単一の磁気抵抗センサであり、少なくとも２つの測定増幅器ループを並列に有し、その一方のループはアナログ広帯域コントローラ・ループであり、他方のループはデジタル広帯域コントローラ・ループであり、
   前記デジタル広帯域コントローラは、並列に接続された、異なる周波数領域（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）のための複数のコントローラ（Ｒ１、Ｒ２、・・・、Ｒｎ）を備える、デバイス。
2. 前記磁気抵抗センサが３軸である、請求項１に記載の磁界を補償するためのデバイス。
3. 前記磁界センサを前記測定増幅器ループの間で切り換えることができる、請求項１または２に記載の磁界を補償するためのデバイス。
4. 前記デジタル広帯域コントローラが０〜１ｋＨｚの領域を有するローパスフィルタと直列に接続され、前記アナログ広帯域コントローラが１ｋＨｚから少なくとも１７０ｋＨｚのハイパスフィルタと直列に接続される、請求項１に記載の磁界を補償するためのデバイス。
5. 前記デジタル広帯域コントローラ・ループが、直列に接続された２０Ｈｚより低い周波数のためのローパスフィルタを含み、前記アナログ広帯域コントローラが、直列に接続された２０Ｈｚより高い周波数のためのハイパスフィルタを含む、請求項１に記載の磁界を補償するためのデバイス。
6. 前記測定増幅器ループの１つに、選択可能なハイパスフィルタが直列に接続された、請求項１に記載の磁界を補償するためのデバイス。
7. 前記磁気抵抗センサがヘルムホルツ・コイル装置（Ｈ）によって取り囲まれた、請求項１に記載の磁界を補償するためのデバイス。
8. 前記磁気抵抗センサが単一コイル装置によって取り囲まれた、請求項１に記載の磁界を補償するためのデバイス。

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