JP5711368B2 - 磁界検出方法及び磁界検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、磁性体にコイルが巻回又は近接配置された磁気検出素子を低消費電流で駆動する磁界検出方法及び磁界検出回路に関するものである。

近年、地磁気を検知して方位角を求める磁界センサや電流からの磁界を検知する電流センサでは、ソーラー発電や小型バッテリで動かす機会が増えて、より低消費電力で駆動することが求められている。

磁性体にコイルを巻回又は近接配置した磁気検出素子は、学会等では磁気インピーダンス素子又は直交フラックスゲートセンサと呼ばれている。磁気検出素子の磁性体に高周波電流を流し、この高周波電流に基づいて外部磁界による磁性体内の磁束を変化させ、コイルにおいて発生する誘導出力の振幅変化を基に外部磁界の大きさと方向を検知する。

微細な地磁気やＤＣ電流の検知では、磁界ゼロを示すゼロ点の電圧の変化が小さくなくてはならず、磁気検出素子の検出回路には本出願人による特許文献１のような磁界検出回路が提案されている。

この特許文献１では、高周波電流による高低Ｈ、Ｌを繰り返すパルス信号を用いて、磁性体にはプラス、マイナス方向に均等に電流を印加させる。そして、パルスの立ち上がりと立ち下がりに関する信号の変化を捉えることで、ヒステリシスのないゼロ点が安定した磁界検知を実現している。

具体的には、パルスの立ち上がりと立ち下がり部で発生する磁性体内の磁束変化による検知信号は、磁性体とコイル間の容量結合によりコイル側に表れる尖頭波形に重畳されて検波により取り出される。検波にはダイオードを使用しているため、順方向電圧の温度特性の変化が発生するが、プラス側とマイナス側の検波の中点を求めて相殺することで、ゼロ点の安定性を確保している。

特開２００４−４５２４６号公報 特開２０００−２５８５１７号公報 国際公開第２００５／１９８５１号

しかし、この方法ではパルス信号の高低Ｈ、Ｌを繰り返して電流が常に流れるので、低消費電流の駆動の要求に対する改良が必要である。

特許文献２、３のように、低消費電流のために間欠駆動させる方法では、単純に幅の狭いパルスを印加すればよい。しかし、ヒステリシスがなくゼロ点を安定的に検知する上では、プラスとマイナス方向に電流を流す特許文献１の発想を必要とするが、特許文献２、３にはその発想はない。その証拠に、特許文献２の図２で示す実験データにはヒステリシスが明確に現れている。

また、この特許文献２、３のように間欠駆動をする場合に、ダイオードの順方向の温度特性が悪いことから、アナログスイッチによるサンプルホールド回路の検波を用いており、その部分では改良が図れるが、タイミングを調整する抵抗やコンデンサを必要としている。従って、抵抗やコンデンサの時定数によるタイミング自体のばらつきや時定数の温度変化でタイミングがずれて、感度のばらつきや温度特性の低下につながる虞れがある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、プラス及びマイナス方向に均等に電流を印加しながら間欠駆動を行い、タイミング調整を必要とせず、感度やゼロ点の安定性を確保でき、回路構成が複雑にならない磁界検出方法及び磁界検出回路を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る磁界検出方法は、磁性体にコイルを巻回又は近接配置した磁気検出素子に対して、前記磁性体の両端に高周波パルスと該パルスよりも所定の時間遅延させたパルスとをそれぞれ印加して、間欠的に前記磁性体にプラスとマイナスに電流を流す工程と、前記所定の時間遅延させたパルスの印加によって得られる出力をピーク強調部によって強調する工程と、前記ピーク強調部によって強調されたピーク波形において、前記遅延させたパルスの立ち上がりと立ち下がりに対応した前記磁性体の磁束変化を前記コイルにより検出する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る磁界検出回路は、磁性体にコイルを巻回又は近接配置した磁気検出素子と、前記磁性体の一端に高周波パルスを印加する回路と、前記磁性体の他端に前記パルスよりも所定の時間遅延させたパルスを印加する回路と、前記所定の時間遅延させたパルスの印加によって得られる出力を強調するピーク強調回路と、前記ピーク強調部によって強調されたピーク波形において、前記遅延させたパルスの立ち上がりと立ち下がりに対応して前記コイルに発生する電圧を検知し、この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回路とを有することを特徴とする。

本発明に係る磁界検出方法及び磁界検出回路によれば、間欠駆動でプラスとマイナス方向に均等に電流を流し、遅延側のパルスの立ち上がりと立ち下がりを基準として検波をすることで、特にタイミング調整を必要とせず、安定したゼロ点を確保でき低消費電流による磁界検知が可能となる。

また、アクティブなアナログスイッチに頼らなくとも、ダイオードの検波で精度や温度特性を確保できることから、回路規模も小さくなり、サイズやコストにも優れた磁界検出が実現できる。

磁界検出回路の構成図である。 印加電圧、出力電圧のタイミングチャート図である。 磁気検出素子の斜視図である。 磁性体を上から見た内部磁区構造の説明図である。 コイル端での検波前の検知波形図である。 パルスを注入した際の遅延側のコイル端の検知波形図である。 磁界検知の実測データのグラフ図である。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は磁性体１にコイル２が巻回又は近接配置された磁気検出素子に対する磁界検出回路の回路構成図であり、図２は波形の関係を示すタイミングチャート図である。

磁性体１はアモルファス等の線材や薄銅板、又は非磁性基板上に形成された磁性薄膜が使用されている。コイル２は銅線で磁性体１の周囲を巻回するか、渦巻状の平面コイルを近接又は積層形成等により配置している。

実施例の磁気検出素子は、図３に示すように磁性体１としてセラミック基板上に厚さ２μｍの複数本の細長いＦｅ−Ｔａ−Ｃ系の磁性薄膜が平行して配列され、電気的にはつづれ折り状に直列接続され、その両端１ａ、１ｂ間の抵抗値は２３０Ωとされている。また、コイル２は銅箔による渦巻状の平面コイルが磁性体１に対し、図示しない絶縁フィルムを挟んで積層され、コイル２ａ、２ｂ間のターン数は７３Ｔとされている。

図１において、発振部３の出力は磁気検知部４に接続され、磁気検知部４の出力はピーク強調部５、検波部６、分圧部７、増幅部８に順次に接続されている。

発振部３はＣ−ＭＯＳインバータと抵抗Ｒ、容量ＣのＣＲ回路とで構成され、発振部３の発振周波数は２ＭＨｚとされている。この発振部３の出力ａは図２のＳａに示すように、高低Ｈ、Ｌを繰り返す高周波パルスの波形となる。

磁気検知部４においては、発振部３の出力ａの一方はインバータ１１、抵抗１２を介して磁性体１の一端に接続されている。発振部３の出力ａの他方は、抵抗１３、インバータ１４、抵抗１５を介して磁性体１の他端に接続され、抵抗１３、インバータ１４の間でコンデンサ１６を介して接地されている。そして、この発振部３の出力ａの他方は抵抗１３、コンデンサ１６によるＣＲ遅延回路で遅延時間δｔだけ遅らされてインバータ１４に入力されている。このように、ＣＲ遅延回路は、入力されたパルス（高周波パルス電圧）を
時間遅延して出力する。インバータ１１、１４のそれぞれの出力ｂ、ｃは、図２のＳｂ、Ｓｃに示すようになり、磁性体１の両端部にそれぞれ接続されている。なお、実施例では、インバータ１１、１４を用いたが、反転しないバッファタイプでも問題はない。

磁気検知部４において、磁性体１に流れる電流Ｉｍは、抵抗１２、１５により所定の電流値になるよう調整されて、図２のＳｄに示すように間欠的に交互にＩｍ⁺、Ｉｍ^-の電流が発生してプラスとマイナス方向で均等な電流が得られる。それを保証するには、インバータ１１、１４は出力電流規格や伝播遅延時間の特性が同じものを使用することが好ましい。

磁性体１の外部に磁界が存在すると、磁性体１内には磁束が発生し、磁性体１に流れる電流Ｉｍに同期して磁束が変化する。具体的に説明すると、図４のＳｉは磁界の強度がゼロでの薄膜状の磁性体１の上部から見た内部の磁区構造の模式図である。そこに、図４のＳｊのように矢印に示す長手方向に磁界の強度Ｈが印加されると、その方向成分の磁化が大きくなり、総和として磁界印加方向に磁束φが発生する。

磁性体１に電流Ｉｍが供給されると、周回磁界の発生により幅方向へ磁化が整列され、電流Ｉｍが十分に大きい場合は磁界の強度Ｈの方向に依存せず、図４のＳｋに示すように幅方向に飽和して、長手方向である磁界印加方向の磁束φはゼロとなる。図示は省略しているが、電流Ｉｍが逆方向となると、幅方向の磁束φも逆方向になるだけで、同様に磁界印加方向の磁束φはゼロになる。つまり、電流Ｉｍが流れない時間のみに本来の磁束φが発生することになる。

図２のＳｅは外部磁界の強度Ｈが＞０、＝０、＜０の状態で、磁束φがφ⁺、０、φ^-となる変化をそれぞれ示している。

磁性体１にはコイル２が所定のターン数で積層されており、コイル２の一端は接地されている。図２のＳｆの波形に示すように、コイル２の他端からコイル２のターン数と磁束φの時間微分との積に比例した誘導出力ｆが得られる。また、この誘導出力ｆの成分には、磁性体１とコイル２が近接していることで容量結合し、図２のＳａ、Ｓｂに示す出力ａ、ｂの立ち上がりと立ち下がりの周波数の高い成分のみが寄生した図２のＳｇに示す誘導出力ｇが重畳される。

図５のＳｌ〜のＳｎはこのコイル２側の実験で得られた波形を基にした検知波形図である。図５のＳｌは図１に示す検波部６の直前での磁界の強度Ｈがゼロ時の波形を示している。このときは、磁性体１内には磁束φが発生しないために、図２のＳｆの誘導出力ｆはなく、磁性体１の両端に印加される図２のＳａ、Ｓｂの出力ａ、ｂの立ち上がり、立ち下がりから寄生する図２のＳｇの誘導出力ｇのみが現れる。

実施例の波形では、遅延側の波形のピークが大きい結果となっているが、引き回しや磁気検出素子の内部の容量分布の結果によっては、逆になる場合もある。図５では、便宜的にピークをα、β、γ、δと左から順に記号を付し、図２のＳｇの破線で囲む部分のピーク位置と対応させている。

この状態から、磁界の強度Ｈがプラス方向に３Ｇ(ガウス)印加されると、波形は図５のＳｍとなる。子細に観察すると、遅延しない側の立ち上がり、立ち下がりに関するピークα、γは変化が殆どなく、遅延した側の立ち上がり、立ち下がりに関するピークβ、δに変化が現われていることが分かる。この傾向は磁界の強度Ｈを逆方向とした図５のＳｎの波形でも同様である。

このことは、図２のＳｅで示した磁性体１内の磁束変化で、ゼロに向かう側と離れる側の時間的変化が異なり、遅延しない側の立ち上がりと立ち下がりに関するピークの位置とその磁束変化のピークが合わず、出力が正確に取り出せないと考えられる。重要なことは、遅延側の立ち上がりと立ち下がりに関するピーク位置と磁束φがゼロ側から本来の磁束φに戻る側の磁束変化のピークの位置との関係が信号を抽出し易いことにある。

また、注意すべき点としては、遅延時間δｔを短くし過ぎると、図５のＳｌから見て、ピークαの次の小ピークα'と取り出すべきピークβとが干渉しないようにする必要がある。この小ピークα'は容量結合に際して現われるピークαの減衰波であり、磁性体１とは本質的な関係はない。遅延時間δｔはピークαから小ピークα'までの時間の１．５倍は確保しておきたいことから、３０ｎｓ以上とすることが好ましく、本実施例では遅延時間δｔを４０ｎｓとしている。

回路基板の引き回しや磁気検出素子内部の容量分布のばらつきにより、ピーク電圧がβ＞α、δ＜γの関係を満たせるとは限らない。従って、ピーク強調部５の抵抗１７とコンデンサ１８により、遅延側の出力ｃを基に図２(ｈ)のように立ち上がりと立ち下がりに関するピーク波形ｈを検波部６に注入することで、より確実にピーク電圧をβ＞α、δ＜γの関係に保つことができる。

抵抗１７とコンデンサ１８はタイミングの調整を行うためのものではなく、ピークβ、δを強調することが目的である。因みに、図６は１ｋΩの抵抗１７と３３ｐＦのコンデンサ１８に接続したコイル端の検知波形図を示している。上側の波形は図２のＳｃに示す遅延側の出力ｃであり、下側の波形はコイル２端での検知波形である。縦軸が２００ｍＶ／ｄｉｖ→５００ｍＶ／ｄｉｖに変わっているが、明確にピークβ、δが強調されていることが分かる。

ピーク電圧がβ＞α、δ＜γの関係を満たせば、検波部６のダイオード１９、２０による検波でも、ベースラインを基準としたピークβ、δが優先されて、プラスピークβのピーク電圧Ｖｐと、マイナスピークのピーク電圧Ｖｍとが求められる。

外部磁界によるピークβ、δの動きは、図５で示すように磁界に対して、共に上下同方向にシフトする関係となっている。分圧部７の抵抗２１、２２による中点での分圧を設定して、接地電圧を基準に増幅部８を通して、磁界センサとして磁気検出素子の出力Ｅｏ＝（Ｖｐ＋Ｖｍ）／２を得ることができる。

検波部６のダイオード１９、２０の順方向の温度変化は大きいが、ベースラインに対して分圧部７の抵抗２１、２２は対称に変動するために、分圧部７で中点から出力Ｖｏを求めることで相殺することができ、特にアナログスイッチを用いる必要はない。

図５のＳｌに示すように、磁界の強度Ｈがゼロのときには、ピークβのピーク電圧Ｖｐとピークδのピーク電圧Ｖｍは等しく、磁界検出回路の出力Ｅｏ＝０となる。

また、図５のＳｍに示すように磁界の強度Ｈがプラス方向に印加されると、出力Ｅｏ＞０となり、その大きさは磁界の強度Ｈの大きさを現わしており、また図５のＳｎに示すマイナス方向の磁界では、Ｅｏ＜０となり、その大きさは磁界の強度Ｈの大きさを現わしている。

図１のピーク強調部５の抵抗１７とコンデンサ１６に関する時定数のばらつきや温度変化により、遅延時間δｔが変動するが、遅延側の立ち上がりと立ち下がりを基準に検波部６を構成しているため、遅延時間δｔの変動の影響は全くない。

図７はこの図６の状態で磁界検知の実測データのグラフ図である。磁気検出素子の磁性膜から成る磁性体１の抵抗を２３０Ω、３．３Ｖ駆動で発振部３で出力されるパルスの周期を２ＭＨｚとし、パルスの遅延時間δｔを４０ｎｓとした。また、増幅ゲインは１０１倍としている。

消費電流は磁界検知感度を間欠駆動しないところから感度を落とすことなく、磁界検出回路の出力を従来の１２ｍＡから２ｍＡに下げることができた。パルスの遅延時間δｔを更に短縮することや、磁性体１の抵抗を大きくすることで、更に低消費電流にすることが可能である。

実施例では、外部からの磁界の強度Ｈは正弦波で往復して印加したが、直線性は良好で、このスケールではヒステリシスが全く見られず、プラス、マイナス均等に電流Ｉｍを印加することの効果が維持されていることが分かる。

１ 磁性体
２ コイル
３ 発振部
４ 磁気検知部
５ ピーク強調部
６ 検波部
７ 分圧部
８ 増幅部

Claims (8)

1. 磁性体にコイルを巻回又は近接配置した磁気検出素子に対して、前記磁性体の両端に高周波パルスと該高周波パルスよりも所定の時間遅延させたパルスとをそれぞれ印加して、間欠的に前記磁性体にプラスとマイナスに電流を流す工程と、
   前記所定の時間遅延させたパルスの印加によって得られる出力をピーク強調部によって強調する工程と、
   前記ピーク強調部によって強調されたピーク波形において、前記遅延させたパルスの立ち上がりと立ち下がりに対応した前記磁性体の磁束変化を前記コイルにより検出する工程と
   を有することを特徴とする磁界検出方法。
2. 前記遅延させたパルスの立ち上がりと立ち下がりのそれぞれのピーク電圧の中点を求めて、前記磁性体に加わる外部磁界の大きさ、方向を求める工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の磁界検出方法。
3. 前記パルスの遅延時間を３０ｎｓ以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁界検出方法。
4. 磁性体にコイルを巻回又は近接配置した磁気検出素子と、
   前記磁性体の一端に高周波パルスを印加する回路と、
   前記磁性体の他端に前記高周波パルスよりも所定の時間遅延させたパルスを印加する回路と、
   前記所定の時間遅延させたパルスの印加によって得られる出力を強調するピーク強調回路と、
   前記ピーク強調回路によって強調されたピーク波形において、前記遅延させたパルスの立ち上がりと立ち下がりに対応して前記コイルに発生する電圧を検知し、この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回路と
   を有することを特徴とする磁界検出回路。
5. 前記外部磁界の強度に対応した信号は、前記遅延させた立ち上がりと立ち下がりのそれぞれのピーク電圧の中点から求めることを特徴とする請求項４に記載の磁界検出回路。
6. 前記遅延させたパルスの出力を前記コイルの検波側の端部に抵抗と容量で結合した回路に加えることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁界検出回路。
7. 前記高周波パルス及び前記遅延させたパルスの立ち上がり方向がそれぞれ同一方向であり、且つ前記高周波パルス及び前記遅延させたパルスの立ち下り方向がそれぞれ同一方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁界検出方法。
8. 前記高周波パルス及び前記遅延させたパルスの立ち上がり方向がそれぞれ同一方向であり、且つ前記高周波パルス及び前記遅延させたパルスの立ち下り方向がそれぞれ同一方向であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の磁界検出回路。

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