JP5839387B2 - 磁界検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気インピーダンス効果素子を用いて磁界を検出する磁界検出装置に関するものである。

この種の磁界検出装置として、下記特許文献に開示された磁界検出装置（磁界検出回路）が知られている。この磁界検出装置は、磁気インピーダンス効果素子である磁性体と、磁性体に対して並列に接続された可変抵抗および交流電流源からなる直列回路と、非反転入力端子が接地されて反転型増幅回路として構成されたオペアンプとを備えている。この場合、磁性体は、交流電流の通電（印加）によって生じる周方向の磁束の時間変化に対する電圧（以下、「磁気インピーダンス効果出力電圧」ともいう）を、外部印加磁界によって変化させる。また、磁性体は、この磁気インピーダンス効果出力電圧と共に、磁性体の抵抗成分に交流電流が流れることで発生する電圧を出力する。オペアンプの反転入力端子には、このようにして磁性体から出力される電圧、および可変抵抗の中間端子に発生する電圧がそれぞれ抵抗を介して入力される。

この磁界検出回路では、オペアンプにおいて、磁性体から出力される電圧のうちの抵抗成分に交流電流が流れることで発生する電圧が、可変抵抗に発生する電圧で相殺される。このため、磁気インピーダンス効果出力電圧のみがオペアンプから出力される。したがって、この磁気インピーダンス効果出力電圧に基づいて、外部印加磁界の強さを検出することが可能となっている。

特開平１０−１０２１５号公報（第２−４頁、第４図）

ところで、上記特許文献には特に記載されていないが、上記の磁界検出装置では、交流電流源から出力される交流電流の振幅を一定に維持することが前提となっている。その理由としては、交流電流の振幅が変化（変動）した場合には、この変化に起因して磁性体および可変抵抗に流れる電流の振幅も変化するため、外部印加磁界が変化していない状態であっても、磁気インピーダンス効果出力電圧が変化する。この結果、磁気インピーダンス効果出力電圧に基づいて外部印加磁界の強さを検出することが困難になるためである。

しかしながら、一定の振幅で交流電流を出力するように設定されている交流電流源を使用したとしても、実際には、この交流電流の振幅は僅かに変化している。このため、この磁界検出装置には、この交流電流の僅かな振幅の変化の影響を受けて、外部印加磁界の強さを正確に検出することが困難となるという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、磁気インピーダンス効果素子に印加される交流電流の振幅が変化している状態においても外部印加磁界を正確に検出し得る磁界検出装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の磁界検出装置は、一端が接地された磁気インピーダンス効果素子と、前記磁気インピーダンス効果素子の他端から当該磁気インピーダンス効果素子に交流電流を供給すると共に当該交流電流の振幅に比例して振幅が変化する電圧信号を出力する電流源と、前記磁気インピーダンス効果素子の前記他端に発生する交流電圧を増幅して増幅信号として出力する増幅部と、前記増幅信号を検波することにより、前記磁気インピーダンス効果素子に加わる外部印加磁界の大きさに応じて振幅が変化する第１検波電圧を出力する第１検波部と、前記電圧信号を検波することにより、前記交流電流の振幅に応じて振幅が変化する第２検波電圧を出力する第２検波部と、前記第１検波電圧と前記第２検波電圧との差分を検出して差分電圧として出力する差分検出部とを備えている。

請求項１記載の磁界検出装置では、電流源が、磁気インピーダンス効果素子に交流電流を供給すると共に交流電流の振幅に比例して振幅が変化する電圧信号（交流電圧）を出力し、増幅部が、磁気インピーダンス効果素子の他端に発生する磁気インピーダンス効果出力電圧を増幅して増幅信号として出力し、第１検波部が、増幅信号を検波することにより、磁気インピーダンス効果素子に加わる外部印加磁界の大きさに応じて振幅が変化する第１検波電圧を出力し、第２検波部が、電圧信号（交流電圧）を検波することにより、交流電流の振幅に応じて振幅が変化する第２検波電圧を出力し、差分検出部が、第１検波電圧と第２検波電圧との差分を検出して差分電圧として出力する。

したがって、この磁界検出装置によれば、交流電流の振幅が変化することにより、外部印加磁界の強さの変化によって変化する電圧成分、および交流電流の振幅の変化によって変化する電圧成分の双方が磁気インピーダンス効果出力電圧に含まれている状態であっても、増幅部の増幅率を調整することにより、第１検波電圧に含まれている電圧成分（交流電流の振幅の変化によって変化する電圧成分）を、第２検波電圧に含まれている電圧成分（交流電流の振幅の変化によって変化する電圧成分）で相殺することができる。これにより、この磁界検出装置によれば、交流電流の振幅が変化している状態においても、外部印加磁界の強さの変化によって変化する電圧成分にのみ比例する電圧成分で構成される差分電圧を出力することができる（すなわち、外部印加磁界を正確に検出することができる）。

磁界検出装置１の構成を示す構成図である。

以下、磁界検出装置１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、磁界検出装置１の構成について、図面を参照して説明する。

磁界検出装置１は、図１に示すように、磁気インピーダンス効果素子２、電流源３、増幅部４、第１検波部５、第２検波部６、第１バッファ部７、第２バッファ部８および差分検出部９を備えている。

磁気インピーダンス効果素子２は、一例として、アモルファス磁性線で構成されている。また、磁気インピーダンス効果素子２は、一端が接地され、他端に電流源３から後述の交流電流Ｓ１が供給（印加）される。なお、本例では発明の理解を容易にするため、磁気インピーダンス効果素子２の抵抗成分は無視できるものとする。このため、磁気インピーダンス効果素子２は、振幅が一定の交流電流Ｓ１が供給されている状態において外部印加磁界の強さが変化したときには、この外部印加磁界の強さの変化に応じてインダクタンス値を変化させることで、磁気インピーダンス効果出力電圧（交流電流Ｓ１の通電によって生じる周方向の磁束の時間変化に対する電圧。交流電圧）Ｖ１を出力する（発生させる）ものとする。なお、供給されている交流電流Ｓ１の振幅が変化したときには、磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１は、外部印加磁界の強さの変化に加えて、交流電流Ｓ１の振幅の変化に応じても変化する。

電流源３は、数十ＭＨｚ（例えば、１０ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ）の交流電流（高周波電流）Ｓ１を出力する。また、電流源３における交流電流Ｓ１が出力される出力端子（図示せず）は、磁気インピーダンス効果素子２の他端、および増幅部４を構成する後述のオペアンプにおける非反転入力端子に接続されている。

本例では電流源３は、一例として、電圧源３ａ、バッファ回路３ｂおよびＶ／Ｉ変換回路３ｃを備えて構成されている。この場合、電圧源３ａは、一定の振幅の交流電圧（高周波電圧）Ｖｖを出力する。バッファ回路３ｂは、交流電圧Ｖｖを入力すると共に、交流電圧Ｖｖをそのままの振幅で、かつ低インピーダンスで出力する。Ｖ／Ｉ変換回路３ｃは、交流電圧Ｖｖを入力すると共に、交流電圧Ｖｖの振幅に応じた電流値の交流電流Ｓ１に変換して出力する。この構成により、電流源３は、定電流源として機能して、交流電流Ｓ１を出力する。また、電流源３は、交流電圧Ｖｖを電圧信号として外部（検波部６）に出力する。上記したように、交流電流Ｓ１は交流電圧Ｖｖに基づいて生成されるため、電圧信号として検波部６に出力される交流電圧Ｖｖは、交流電流Ｓ１の振幅に比例して振幅が変化する。

増幅部４は、一例として、オペアンプ４ａ、抵抗４ｂおよび帰還抵抗４ｃを備えている。オペアンプ４ａは、反転入力端子が抵抗４ｂを介して接地されると共に、反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗４ｃが接続されている。また、オペアンプ４ａは、出力端子が第１検波部５の入力端子（図示せず）に接続されている。この構成により、増幅部４は、非反転増幅部として機能して、磁気インピーダンス効果素子２の他端に発生する磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１を増幅（一例としてα倍）して増幅信号Ｖ２として出力する。

第１検波部５は、増幅信号Ｖ２を入力すると共に検波（本例では一例として包絡線検波）することにより、増幅信号Ｖ２から交流電流Ｓ１の周波数成分を除去して、磁気インピーダンス効果素子２に加わる外部印加磁界の大きさに応じて振幅が変化する第１検波電圧Ｖｄ１を出力する。第２検波部６は、交流電圧Ｖｖを入力すると共に検波（本例では一例として包絡線検波）することにより、交流電圧Ｖｖの振幅に応じて振幅が変化する第２検波電圧Ｖｄ２を出力する。

第１バッファ部７は、第１検波電圧Ｖｄ１を入力すると共に、第１検波電圧Ｖｄ１をそのままの振幅で、かつ低インピーダンスで出力する。第２バッファ部８は、第２検波電圧Ｖｄ２を入力すると共に、第２検波電圧Ｖｄ２をそのままの振幅で、かつ低インピーダンスで出力する。差分検出部９は、第１検波電圧Ｖｄ１および第２検波電圧Ｖｄ２を入力すると共に、両検波電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２の差分（Ｖｄ１−Ｖｄ２）を検出して、差分電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

次に、磁界検出装置１の動作について説明する。

磁気インピーダンス効果素子２は、電流源３から交流電流Ｓ１が供給されている状態において、外部印加磁界によって変化する磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１を他端に発生させる。この場合、この磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１の振幅は、上記したように、交流電流Ｓ１の振幅が一定に維持されている状態では、外部印加磁界の強さの変化によってのみ変化するが、交流電流Ｓ１の振幅も同時に変化する状態では、外部印加磁界の強さに加えて、交流電流Ｓ１の振幅の変化によっても変化する。このため、磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１は、外部印加磁界の強さの変化によって変化する電圧成分Ｖ１ａと、交流電流Ｓ１の振幅の変化によって変化する電圧成分Ｖ１ｂとを含んで構成される。

増幅部４は、この磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１を増幅して、増幅信号Ｖ２として出力する。第１検波部５は、この増幅信号Ｖ２を包絡線検波して、第１検波電圧Ｖｄ１を出力する。この場合、増幅部４での増幅率をαとしたときには、第１検波電圧Ｖｄ１は、（α×Ｖ１ａ＋α×Ｖ１ｂ）で表される。

一方、第２検波部６は、交流電圧Ｖｖを入力して包絡線検波することにより、交流電圧Ｖｖの振幅に応じて振幅が変化する第２検波電圧Ｖｄ２を出力する。この場合、交流電流Ｓ１についての振幅の変化量は、この交流電流Ｓ１の元になる交流電圧Ｖｖについての振幅の変化量に比例する。このため、第２検波部６から出力される第２検波電圧Ｖｄ２は、β×Ｖ１ｂで表される。なお、βは比例定数とする。

第１バッファ部７は、入力した第１検波電圧Ｖｄ１を低インピーダンスで出力する。第２バッファ部８は、入力した第２検波電圧Ｖｄ２を低インピーダンスで出力する。

差分検出部９は、第１検波電圧Ｖｄ１および第２検波電圧Ｖｄ２を入力して、両検波電圧Ｖｄ１，Ｖｄ２の差分（Ｖｄ１−Ｖｄ２）を検出して、差分電圧Ｖｏｕｔとして出力する。この場合、上記したように、第１検波電圧Ｖｄ１は（α×Ｖ１ａ＋α×Ｖ１ｂ）で表され、第２検波電圧Ｖｄ２はβ×Ｖ１ｂで表される。このため、差分電圧Ｖｏｕｔは、（Ｖｄ１−Ｖｄ２）＝（α×Ｖ１ａ＋α×Ｖ１ｂ−β×Ｖ１ｂ）で表される。この場合、増幅部４での増幅率αを、比例定数βと等しくなるように予め設定しておくことにより、差分電圧Ｖｏｕｔに含まれている電圧成分（α×Ｖ１ｂ）および電圧成分（β×Ｖ１ｂ）は相殺される。したがって、この磁界検出装置１は、外部印加磁界の強さの変化によって変化する電圧成分Ｖ１ａにのみ比例する電圧成分（α×Ｖ１ａ）で構成される差分電圧Ｖｏｕｔを出力する。

このように、この磁界検出装置１では、電流源３が、磁気インピーダンス効果素子２に交流電流Ｓ１を供給すると共に交流電流Ｓ１の振幅に比例して振幅が変化する電圧信号（交流電圧Ｖｖ）を出力し、増幅部４が、磁気インピーダンス効果素子２の他端に発生する磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１を増幅して増幅信号Ｖ２として出力し、第１検波部５が、増幅信号Ｖ２を検波することにより、磁気インピーダンス効果素子２に加わる外部印加磁界の大きさに応じて振幅が変化する第１検波電圧Ｖｄ１を出力し、第２検波部６が、電圧信号（交流電圧Ｖｖ）を検波することにより、交流電流Ｓ１の振幅に応じて振幅が変化する第２検波電圧Ｖｄ２を出力し、差分検出部９が、第１検波電圧Ｖｄ１と第２検波電圧Ｖｄ２との差分（Ｖｄ１−Ｖｄ２）を検出して差分電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

したがって、この磁界検出装置１によれば、交流電流Ｓ１の振幅が変化することにより、外部印加磁界の強さの変化によって変化する電圧成分Ｖ１ａ、および交流電流Ｓ１の振幅の変化によって変化する電圧成分Ｖ１ｂの双方が磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１に含まれている状態であっても、増幅部４の増幅率αを調整することにより、第１検波電圧Ｖｄ１に含まれている電圧成分Ｖ１ｂ（交流電流Ｓ１の振幅の変化によって変化する電圧成分）を、第２検波電圧Ｖｄ２に含まれている電圧成分Ｖ１ｂ（交流電流Ｓ１の振幅の変化によって変化する電圧成分）で相殺することができる。これにより、この磁界検出装置１によれば、交流電流Ｓ１の振幅が変化している状態においても、外部印加磁界の強さの変化によって変化する電圧成分Ｖ１ａにのみ比例する電圧成分（α×Ｖ１ａ）で構成される差分電圧Ｖｏｕｔを出力することができる（すなわち、外部印加磁界を正確に検出することができる）。

なお、上記の構成に限定されない。例えば、電流源３において、電圧源３ａの出力インピーダンスが十分に低いときには、バッファ回路３ｂの配設を省略することもできる。また、各検波部５，６の出力インピーダンスが十分に低いときには、各バッファ部７，８の配設を省略することもできる。

１ 磁界検出装置
２ 磁気インピーダンス効果素子
３ 電流源
４ 増幅部
５ 第１検波部
６ 第２検波部
９ 差分検出部
Ｓ１ 交流電流
Ｖ２ 増幅信号
Ｖｄ１ 第１検波電圧
Ｖｄ２ 第２検波電圧
Ｖｏｕｔ 差分電圧
Ｖｖ 交流電圧

Claims (1)

1. 一端が接地された磁気インピーダンス効果素子と、
   前記磁気インピーダンス効果素子の他端から当該磁気インピーダンス効果素子に交流電流を供給すると共に当該交流電流の振幅に比例して振幅が変化する電圧信号を出力する電流源と、
   前記磁気インピーダンス効果素子の前記他端に発生する交流電圧を増幅して増幅信号として出力する増幅部と、
   前記増幅信号を検波することにより、前記磁気インピーダンス効果素子に加わる外部印加磁界の大きさに応じて振幅が変化する第１検波電圧を出力する第１検波部と、
   前記電圧信号を検波することにより、前記交流電流の振幅に応じて振幅が変化する第２検波電圧を出力する第２検波部と、
   前記第１検波電圧と前記第２検波電圧との差分を検出して差分電圧として出力する差分検出部とを備えている磁界検出装置。

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