JP6823878B2 - Fluxgate magnetic field sensor - Google Patents

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本発明は、フラックスゲート磁界センサに関し、より詳しくは、ピックアップ電圧を独立した増幅率で増幅することによって極めて良好な温度特性を有するフラックスゲート磁界センサ、及びそのための調節方法に関する。 The present invention relates to a fluxgate magnetic field sensor, and more particularly to a fluxgate magnetic field sensor having extremely good temperature characteristics by amplifying a pickup voltage with an independent amplification factor, and an adjusting method for the same.

磁界センサの一種である基本波型直交フラックスゲートセンサは、磁性コアの励磁磁界と測定対象の磁界が互いに直交関係にある小型のフラックスゲートセンサである。これは、励磁磁界を発生させる励磁電流として交流電流に直流バイアス電流を重畳させることで、低雑音化、高感度化、基本波信号での磁界検出等を実現したものである(特許文献1)。基本波型直交フラックスゲートでは、磁性コアの磁気異方性等により出力に大きなオフセットが発生しうるため、これを抑制するバイアススイッチングと呼ばれる方法が提案されている(特許文献2)。そのバイアススイッチングでは、上述の励磁電流における直流バイアス電流の極性を(及び場合によっては直流バイアス電流の極性と同時に交流電流の位相も)所定の周期で交番に切り替えたうえで、励磁電流の各極性下で検出された信号を減算処理(直流バイアス電流の極性のみを切り替えた場合)もしくは加算・平均化処理(直流バイアス電流の極性に加えて交流電流の位相も切り替えた場合)することで、オフセットおよびそのドリフトを相殺し安定化を図っている。 The fundamental wave type orthogonal fluxgate sensor, which is a kind of magnetic field sensor, is a small fluxgate sensor in which the exciting magnetic field of the magnetic core and the magnetic field to be measured are orthogonal to each other. By superimposing a DC bias current on an alternating current as an exciting current that generates an exciting magnetic field, noise reduction, sensitivity improvement, magnetic field detection with a fundamental wave signal, etc. are realized (Patent Document 1). .. In the fundamental wave type orthogonal fluxgate, a large offset may occur in the output due to the magnetic anisotropy of the magnetic core, and a method called bias switching for suppressing this has been proposed (Patent Document 2). In the bias switching, the polarity of the DC bias current in the above-mentioned exciting current (and in some cases, the polarity of the DC bias current and the phase of the alternating current at the same time) is switched to an alternating current at a predetermined cycle, and then each polarity of the exciting current. Offset by subtracting the signal detected below (when only the polarity of the DC bias current is switched) or adding / averaging (when switching the phase of the AC current in addition to the polarity of the DC bias current). And the drift is offset and stabilized.

基本波型直交フラックスゲートセンサにおいて、センサ部周辺で温度変化があると、センサの機械的変形を引き起こすほかに、磁性コア内の異方性を変化させる。そして、これらの影響が検出信号中に現れることで、オフセットが温度に依存してドリフトする。上述のとおり、既存のバイアススイッチングは励磁電流の極性を反転させて得られる検出信号を加減算することでオフセットとなる成分を相殺する。基本波型直交フラックスゲートセンサにおいては、磁性コアとして典型的にはアモルファス磁性ワイヤにピックアップコイルを巻いた構造のセンサ部が使用され、これによって外部磁界量を変調したピックアップ信号が取得される。このようなセンサ部は、ワイヤ物性の異方性の影響を直に受けて出力に現われるオフセットレベルが大きく、その温度安定性が極めて悪い(数十nT/℃程度)ところ、励磁電流の極性を周期的に反転させて検波波形を平均化することで、そのようなオフセットレベルの変動をキャンセルすることができ、0.1nT/℃〜1nT/℃程度の温度安定性が得られる。しかしながら、磁性コアの物性や、励磁電流の極性反転を実現する回路等の影響により、励磁電流の極性に応じて得られるピックアップ信号のうち、オフセットの成分は実際には真に等価とはならず、アンバランスが存在する。そのため加減算では相殺できずに残留するオフセット由来の信号成分が存在し、これにより従来技術では、出力に現われるオフセットの温度ドリフトの抑制には、限界やバラつきがあった。すなわち、従来技術のバイアススイッチングにおいては、センサ部の温度変化に対する出力の変動割合である温度係数を向上させることは困難であった。しかし、そのような温度による出力変動は、一般に小さければ小さいほど望ましい。特に、激しい温度変化にさらされる宇宙機用等の用途で使用するためには、更なる改善が必要である。この問題に対する解決法として、ピックアップ信号を直接デジタル値として計算機に取り込み、後処理でアンバランスを調整する手法が提案されている(非特許文献1)。しかし、後述するように、この手法にも問題がある。 In a fundamental wave orthogonal fluxgate sensor, if there is a temperature change around the sensor unit, it causes mechanical deformation of the sensor and also changes the anisotropy in the magnetic core. Then, these effects appear in the detection signal, so that the offset drifts depending on the temperature. As described above, the existing bias switching cancels the offset component by adding or subtracting the detection signal obtained by reversing the polarity of the exciting current. In the fundamental wave type orthogonal fluxgate sensor, a sensor unit having a structure in which a pickup coil is wound around an amorphous magnetic wire is typically used as the magnetic core, and a pickup signal in which the amount of the external magnetic field is modulated is acquired. Such a sensor unit is directly affected by the anisotropy of the wire physical properties and has a large offset level that appears at the output, and its temperature stability is extremely poor (about several tens of nT / ° C.), but the polarity of the exciting current is changed. By periodically inverting and averaging the detection waveforms, such fluctuations in the offset level can be canceled, and temperature stability of about 0.1 nT / ° C to 1 nT / ° C can be obtained. However, due to the physical characteristics of the magnetic core and the influence of the circuit that realizes the polarity reversal of the exciting current, the offset component of the pickup signal obtained according to the polarity of the exciting current is not actually truly equivalent. , There is an imbalance. Therefore, there is a signal component derived from the offset that remains without being offset by addition and subtraction, and as a result, in the prior art, there are limits and variations in suppressing the temperature drift of the offset that appears in the output. That is, in the bias switching of the prior art, it is difficult to improve the temperature coefficient, which is the fluctuation ratio of the output with respect to the temperature change of the sensor unit. However, the smaller the output fluctuation due to such temperature, the more desirable it is. In particular, further improvement is required for use in applications such as spacecraft that are exposed to drastic temperature changes. As a solution to this problem, a method has been proposed in which a pickup signal is directly taken into a computer as a digital value and an imbalance is adjusted by post-processing (Non-Patent Document 1). However, as will be described later, this method also has a problem.

特許第4565072号Patent No. 4565072 特許第4209114号Patent No. 4209114

M. Butta、I. Coroli、「Low offset drift-low-noise orthogonal fluxgate with synchronized polarity flipping」、Article. Sequence No.(論文番号)4001406、IEEE Transactions on Magnetics, voI.53, no.4、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)、2016年12月9日M. Butta, I. Coroli, "Low offset drift-low-noise orthogonal fluxgate with synchronized polarity flipping", Article. Sequence No. (article number) 4001406, IEEE Transactions on Magnetics, voI.53, no.4, IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers), December 9, 2016

上述のように、センサ部周辺で温度変化があると、オフセットが温度に依存してドリフトする。これに対して、バイアススイッチングにより励磁電流の極性を反転させて得られるピックアップ信号を加減算することでオフセットとなる成分を相殺するようにしても、それらの間に存在するアンバランスのために加減算では完全にはオフセット成分を相殺できず、残留するオフセット由来の信号成分が存在する。このように、オフセットの温度ドリフトの抑制には限界があった。 As described above, when there is a temperature change around the sensor unit, the offset drifts depending on the temperature. On the other hand, even if the offset components are canceled by adding or subtracting the pickup signal obtained by inverting the polarity of the exciting current by bias switching, the addition or subtraction is due to the imbalance existing between them. The offset component cannot be completely offset, and there is a residual offset-derived signal component. As described above, there is a limit to the suppression of offset temperature drift.

従来のバイアススイッチングでは励磁電流の極性を反転させて得られる2通りのピックアップ信号を、センサ雑音や感度が最適となるよう検波を行う単一の検出回路を通して出力を得ていた。そして、この状態で得られる温度係数が磁性コア物性や回路上の限界として永らく改善はなされなかった。これは、温度変化が激しい宇宙機用等の用途では特に問題であり、本センサの実用を妨げているものの、適切な改善策は見つかっていなかった。また、この問題に対する技術として、上述したピックアップ信号を直接デジタル値として計算機に取り込む手法も提案されているが、この手法ではセンサのリアルタイム検出性が失われるのみならず、フィードバックをかけないオープンループ構成のみでしか実現できないため、センサの入出力線形性はコアとして用いる磁性体の特性に大きく依存して悪化し、実用性が極めて乏しいものである。 In the conventional bias switching, two types of pickup signals obtained by inverting the polarity of the exciting current are output through a single detection circuit that detects the optimum sensor noise and sensitivity. The temperature coefficient obtained in this state has not been improved for a long time as the physical characteristics of the magnetic core and the limit on the circuit. This is a particular problem in applications such as spacecraft where the temperature changes drastically, and although it hinders the practical use of this sensor, no appropriate improvement measures have been found. In addition, as a technique for this problem, a method of directly capturing the above-mentioned pickup signal as a digital value into a computer has been proposed, but this method not only loses the real-time detectability of the sensor, but also has an open-loop configuration without feedback. Since it can be realized only by itself, the input / output linearity of the sensor deteriorates largely depending on the characteristics of the magnetic material used as the core, and its practicality is extremely poor.

上記の課題は以下のような特徴をもつ本願発明によって解決される。すなわち、本発明は、極性が正極性と負極性の間で周期的に切り替えられる直流バイアス電流を交流電流に重畳させた励磁電流が流される、検出される磁界が印加される細長い磁性体からなる磁性コアに巻回されたピックアップコイルからのピックアップ信号を増幅器で増幅し、増幅されたピックアップ信号を検波することにより検波信号を出力し、検波信号から検出される磁界に対応しない信号を除去してセンサ出力を生成するフラックスゲート磁界センサにおいて、増幅器は、直流バイアス電流の正極性と負極性のそれぞれに対応するピックアップ信号をそれぞれ独立した増幅率で増幅するものであることを特徴とする。本発明は、交流電流は、直流バイアス電流と同じ周期で極性が周期的に反転させられるように構成してもよい。本発明は、増幅器は、センサ出力の温度係数が実質的に最小となるようにそれぞれの増幅率が独立して調節されているように構成できる。本発明は、増幅器が、センサ部周辺の温度を変化させた場合に直流バイアス電流が正極性と負極性のときのそれぞれの検波信号あるいはピックアップ信号に含まれるオフセット成分の絶対値がお互いに等しいままとなるように、それぞれの増幅率が独立して調節されているように構成できる。また本発明は、出力回路が、磁界検出信号を積分したフィートバック信号をピックアップコイルに磁界検出信号を打ち消す極性で入力し、フィードバック信号からセンサ出力を生成するようなクローズドループ構成としても構成できる。 The above problem is solved by the present invention having the following features. That is, the present invention comprises an elongated magnetic material to which a detected magnetic field is applied, in which an exciting current in which a DC bias current whose polarity is periodically switched between positive and negative is superimposed on an AC current is passed. The pickup signal from the pickup coil wound around the magnetic core is amplified by an amplifier, and the detected pickup signal is output by detecting the amplified pickup signal, and the signal that does not correspond to the magnetic field detected from the detected signal is removed. In the flux gate magnetic field sensor that generates the sensor output, the amplifier is characterized in that the pickup signals corresponding to the positive and negative characteristics of the DC bias current are amplified by independent amplification factors. In the present invention, the alternating current may be configured so that the polarity is periodically reversed in the same period as the direct current bias current. In the present invention, the amplifier can be configured such that each amplification factor is independently adjusted so that the temperature coefficient of the sensor output is substantially minimized. In the present invention, when the amplifier changes the temperature around the sensor unit, the absolute values of the offset components contained in the respective detection signals or pickup signals when the DC bias currents are positive and negative remain equal to each other. Each amplification factor can be adjusted independently so as to be. Further, the present invention can also be configured as a closed loop configuration in which the output circuit inputs a footback signal obtained by integrating the magnetic field detection signal to the pickup coil with a polarity that cancels the magnetic field detection signal, and generates a sensor output from the feedback signal.

本発明は、バイアススイッチングの回路中に励磁電流の直流バイアス成分の各極性に応じたピックアップ信号の間の相対的な感度関係を調節可能とする機構を設けたことにより、励磁電流の直流バイアス成分の各極性に応じたピックアップ信号のうち、オフセットとなる成分の割合を回路上で調節することが可能となる。これによって、リアルタイムに、かつオープンループ構成かフィードバック構成かにかかわらず、従来はピックアップ信号の加減算時に残留していたオフセットのアンバランスを最小化し、温度係数を低減することが可能となる。また、検波に同期検波を使用した場合は、同期検波における参照信号とピックアップ信号の位相関係を位相器によって調節することにより間接的にアンバランスを変化させることが可能である。しかし、本発明は、そのような位相関係を調節する手法は用いず、励磁電流の直流バイアス成分の極性に応じたピックアップ信号の相対感度関係を直接的に調整することによって、単一の移相器が何らかの理由で調整に適さない場合(位相を変化させると雑音特性が著しく悪化する場合等)や単一の移相器では十分な温度特性の改善が行えない場合であっても、温度特性の改善を行うことができるという効果を有する。本発明の構成により、リアルタイムで基本波型直交フラックスゲートセンサにおける温度係数を、従来技術と比較して1/4以下とすることが可能となる。 The present invention provides a mechanism in the bias switching circuit that allows the relative sensitivity relationship between the pickup signals according to each polarity of the DC bias component of the exciting current to be adjusted, thereby providing the DC bias component of the exciting current. It is possible to adjust the ratio of the offset component in the pickup signal corresponding to each polarity on the circuit. This makes it possible to minimize the offset imbalance that has conventionally remained at the time of addition / subtraction of the pickup signal and reduce the temperature coefficient in real time regardless of the open loop configuration or the feedback configuration. Further, when synchronous detection is used for detection, the imbalance can be indirectly changed by adjusting the phase relationship between the reference signal and the pickup signal in the synchronous detection with a phase controller. However, the present invention does not use a method for adjusting such a phase relationship, but directly adjusts the relative sensitivity relationship of the pickup signal according to the polarity of the DC bias component of the exciting current to perform a single phase shift. Even if the instrument is not suitable for adjustment for some reason (such as when the noise characteristics deteriorate significantly when the phase is changed) or when a single phase shifter cannot sufficiently improve the temperature characteristics, the temperature characteristics It has the effect of being able to improve. According to the configuration of the present invention, the temperature coefficient of the fundamental wave type orthogonal fluxgate sensor can be reduced to 1/4 or less as compared with the prior art in real time.

従来のフラックスゲート磁界センサの概略回路図である。It is a schematic circuit diagram of the conventional fluxgate magnetic field sensor. 本発明のフラックスゲート磁界センサの概略回路図である。It is a schematic circuit diagram of the fluxgate magnetic field sensor of this invention. 極性毎に独立した増幅率を設定可能な増幅器の一例の具体的な回路図である。It is a concrete circuit diagram of an example of an amplifier in which an independent amplification factor can be set for each polarity. フラックスゲート磁界センサの概略構造を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the fluxgate magnetic field sensor. 正極性におけるフラックスゲート磁界センサの磁性コアの磁化の説明図である。It is explanatory drawing of the magnetization of the magnetic core of the fluxgate magnetic field sensor in the positive electrode property. 負極性におけるフラックスゲート磁界センサの磁性コアの磁化の説明図である。It is explanatory drawing of the magnetization of the magnetic core of the fluxgate magnetic field sensor in the negative electrode property. 理想状態における、同期検波を説明する図である。It is a figure explaining the synchronous detection in an ideal state. 理想状態における、温度が変化した場合の同期検波を説明する図である。It is a figure explaining the synchronous detection when the temperature changes in an ideal state. 正負オフセットにアンバランスがある場合の同期検波を説明する図である。It is a figure explaining the synchronous detection when there is an imbalance in a positive / negative offset. 正負オフセットにアンバランスがある場合の、正負オフセット変動が極小となるように極性毎の増幅率を設定した場合の同期検波を説明する図である。It is a figure explaining the synchronous detection at the time of setting the amplification factor for each polarity so that the positive / negative offset variation becomes the minimum when there is an imbalance in a positive / negative offset. 正負オフセットにアンバランスがある場合の、正負オフセット変動が極小となるように極性毎の増幅率を設定した場合の、温度が変化したときの同期検波を説明する図である。It is a figure explaining the synchronous detection when the temperature changes when the amplification factor for each polarity is set so that the positive / negative offset variation becomes the minimum when there is an imbalance in a positive / negative offset. 従来技術と本発明に係るフラックスゲート磁界センサの、温度ドリフトと温度係数の実測値のグラフである。It is a graph of the measured value of the temperature drift and the temperature coefficient of the fluxgate magnetic field sensor which concerns on the prior art and the present invention. 直流励磁電流の極性に応じた増幅割合のパラメータに対する温度係数の実測値のグラフである。It is a graph of the measured value of the temperature coefficient with respect to the parameter of the amplification ratio according to the polarity of the DC exciting current.

(従来のフラックスゲート磁界センサの構造)
本発明は、従来の磁界センサと同様に、検波においてセンサの感度や雑音が良好となるように調整したままとする一方、励磁電流の直流バイアス成分の極性に応じたピックアップ信号の振幅をそれぞれ独立した増幅率で増幅させる増幅器を回路中に設けるものである。これから図面を参照して、本願発明の説明を行う。まず、本願発明の前提となる、従来のフラックスゲート磁界センサ100の構造について説明する。図1は、従来のフラックスゲート磁界センサ100の概略回路図である。この回路では、典型的な検波方法として同期検波を用いている。また検出した磁界を打ち消すような電流をピックアップコイルに流すことにより、磁性体の特性の良好な領域でセンサを動作させるクローズドループの構成を採用している。
(Structure of conventional fluxgate magnetic field sensor)
In the present invention, as in the case of the conventional magnetic field sensor, the sensitivity and noise of the sensor are adjusted to be good in the detection, while the amplitude of the pickup signal according to the polarity of the DC bias component of the exciting current is independent. An amplifier that amplifies at the increased amplification factor is provided in the circuit. The present invention will be described below with reference to the drawings. First, the structure of the conventional fluxgate magnetic field sensor 100, which is the premise of the present invention, will be described. FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a conventional fluxgate magnetic field sensor 100. In this circuit, synchronous detection is used as a typical detection method. In addition, a closed loop configuration is adopted in which the sensor is operated in a region where the characteristics of the magnetic material are good by passing a current that cancels the detected magnetic field through the pickup coil.

フラックスゲート磁界センサ100は、直流重畳交流励磁部101、移相器102、励磁極性スイッチング部103、センサ部104、ボルテージフォロア105、増幅器106、同期検波器107、ローパスフィルタ108、積分器109、フィードバック抵抗110、出力端子111から構成される。この例では、移相器102は、直流重畳交流励磁部101内の交流源の直後に配置されている。交流源は周波数fHzの交流電流を発生させるが、それと所定の位相関係で同期検波をさせるための参照信号も出力することが通常である。参照信号は方形波とすることが多いため、図1において交流源のシンボルは、正弦波と方形波の両方を表わすものとして記載している。 The fluxgate magnetic field sensor 100 includes a DC superimposition AC exciter 101, a phase shifter 102, an exciting magnetic pole switching unit 103, a sensor unit 104, a voltage follower 105, an amplifier 106, a synchronous detector 107, a low-pass filter 108, an integrator 109, and feedback. It is composed of a resistor 110 and an output terminal 111. In this example, the phase shifter 102 is arranged immediately after the AC source in the DC superimposition AC excitation unit 101. The alternating current source generates an alternating current having a frequency of fHz, but usually also outputs a reference signal for synchronous detection in a predetermined phase relationship with the alternating current. Since the reference signal is often a square wave, the symbol of the AC source is described in FIG. 1 as representing both a sine wave and a square wave.

直流重畳交流励磁部101は、交流電流に直流バイアス電流を重畳させた励磁電流を提供する回路である。直流重畳交流励磁部101は、後段の励磁極性スイッチング部103とともにバイアススイッチング方式の励磁回路を構成する。 The DC superimposed AC excitation unit 101 is a circuit that provides an exciting current in which a DC bias current is superimposed on an AC current. The DC superimposition AC excitation unit 101 and the magnetic field strength switching unit 103 in the subsequent stage form a bias switching type excitation circuit.

移相器102は、直流重畳交流励磁部101の励磁電流の交流成分の位相を調節する回路である。移相器102は、信号の位相をある調節量(移相量)だけずらすことによって調節する。図1の例では、移相器102は直流重畳交流励磁部101内に備えられ、励磁電流の交流成分のみの位相を調節している。従来技術においては、励磁電流の位相(そして、同期検波における励磁電流との位相関係)は、フラックスゲート磁界センサ100の感度が最大(クローズドループ構成においては雑音が最小)となるように調節される。センサ部104からの出力であるピックアップ信号は、同期検波器107によって、それが参照する参照信号との位相関係に応じて同期検波されるが、移相器102は、その位相関係を調節するものであり、センサ部104からの出力に対して最大の検波感度が得られるように位相関係を調節するものである。移相器102は、位相を動的に調節するものではなく、一旦、最適な位相の移動量を移相量として設定すると、それを保持して、その移相量だけ位相をずらす。移相器102は、典型的には、オペアンプで構成された遅延回路である。 The phase shifter 102 is a circuit that adjusts the phase of the AC component of the exciting current of the DC superimposed AC exciting unit 101. The phase shifter 102 adjusts the phase of the signal by shifting the phase by a certain adjustment amount (phase shift amount). In the example of FIG. 1, the phase shifter 102 is provided in the DC superimposing AC exciting unit 101, and adjusts the phase of only the AC component of the exciting current. In the prior art, the phase of the exciting current (and the phase relationship with the exciting current in synchronous detection) is adjusted to maximize the sensitivity of the fluxgate magnetic field sensor 100 (minimum noise in a closed-loop configuration). .. The pickup signal, which is the output from the sensor unit 104, is synchronously detected by the synchronous detector 107 according to the phase relationship with the reference signal referred to by the synchronous detector 107, and the phase shifter 102 adjusts the phase relationship. The phase relationship is adjusted so that the maximum detection sensitivity can be obtained with respect to the output from the sensor unit 104. The phase shifter 102 does not dynamically adjust the phase, and once the optimum phase shift amount is set as the phase shift amount, it holds it and shifts the phase by the phase shift amount. The phase shifter 102 is typically a delay circuit composed of operational amplifiers.

励磁極性スイッチング部103は、センサ部104に流す励磁電流の極性を周期的に切り替える回路である。これにより、直流バイアス電流成分は周期的に極性が切り替えられ、バイアススイッチング方式による励磁電流がセンサ部104の磁性コアに供給される。励磁極性スイッチング部103は、極性の切り替えの周期を決定する、周波数がfbsHzのクロックを有しており、それによって極性を切り替えるスイッチが駆動され、励磁電流は周期的に極性が切り替えられる。周波数fbsのクロックは典型的には励磁電流の交流成分の周波数を整数分の一で分周して使用される。図1に示すように励磁極性スイッチング部103が直流重畳交流励磁部101からの出力をスイッチングする場合、直流バイアス電流の極性の切り替えに同期して交流電流の位相も反転させられることになり、励磁電流(直流バイアス電流)の各極性に対して、磁気異方性に起因するオフセット成分は逆極性で現われ、磁界の感度成分は同極性で現われる。 The magnetic field switching unit 103 is a circuit that periodically switches the polarity of the exciting current flowing through the sensor unit 104. As a result, the polarity of the DC bias current component is periodically switched, and the exciting current by the bias switching method is supplied to the magnetic core of the sensor unit 104. The exciting pole switching unit 103 has a clock having a frequency of f bs Hz that determines the polarity switching cycle, whereby a switch for switching the polarity is driven, and the polarity of the exciting current is periodically switched. A clock having a frequency of f bs is typically used by dividing the frequency of the AC component of the exciting current by an integral fraction. As shown in FIG. 1, when the exciting magnetic pole switching unit 103 switches the output from the DC superimposed AC exciting unit 101, the phase of the AC current is also inverted in synchronization with the switching of the polarity of the DC bias current, and the excitation is performed. For each polarity of the current (DC bias current), the offset component due to magnetic anisotropy appears in the opposite polarity, and the sensitivity component of the magnetic field appears in the same polarity.

なお、励磁電流とは、直流バイアス電流を交流電流に重畳させたものである。直流バイアス電流成分について言及するときは、文脈に応じて、直流バイアス電流、励磁電流の直流成分、直流励磁電流などの他の表現を用いることがあり、また、交流電流成分について言及するときは、文脈に応じて、交流励磁電流、励磁電流の交流成分などの他の表現を用いることがある。 The exciting current is a DC bias current superimposed on an alternating current. When referring to the DC bias current component, other expressions such as DC bias current, DC component of exciting current, and DC exciting current may be used depending on the context, and when referring to AC current component, Other expressions such as alternating current and alternating current components of the exciting current may be used, depending on the context.

センサ部104は、測定対象の外部の磁界を検出するセンサ素子であり、検出される磁界が印加される細長い磁性体からなる磁性コアと、その磁性コアに巻回されたピックアップコイルを有する。 The sensor unit 104 is a sensor element that detects an external magnetic field to be measured, and has a magnetic core made of an elongated magnetic material to which the detected magnetic field is applied, and a pickup coil wound around the magnetic core.

ボルテージフォロア105は、センサ部104からのピックアップ信号を、インピーダンスを変換することにより、後段に正確に伝達するための構成要素である。増幅器106は、ボルテージフォロア105からの出力を適切なレベルに増幅する構成要素である。図1においては、ボルテージフォロア105からの出力は、キャパシタを通過させて交流成分のみを取りだし、後段の増幅器106に送られる。なお、ボルテージフォロア105、増幅器106、およびそれらの間のキャパシタは、ピックアップ信号を適切なレベルで正確に伝達させるための付加的な構成であり、本発明においては必ずしも必要ない。 The voltage follower 105 is a component for accurately transmitting the pickup signal from the sensor unit 104 to the subsequent stage by converting the impedance. The amplifier 106 is a component that amplifies the output from the voltage follower 105 to an appropriate level. In FIG. 1, the output from the voltage follower 105 passes through a capacitor to take out only the AC component, and is sent to the amplifier 106 in the subsequent stage. The voltage follower 105, the amplifier 106, and the capacitor between them are additional configurations for accurately transmitting the pickup signal at an appropriate level, and are not necessarily required in the present invention.

同期検波器107は、増幅器106から出力された、センサ部104からのピックアップ信号に対して、同期検波を行う回路の構成要素である。同期検波器107は、センサ部104のピックアップコイルに誘起される誘起電圧であるピックアップ信号を、励磁電流における交流電流と周波数が同期した参照信号を参照して同期検波することにより、センサ出力を定めることになる検波信号とする。同期検波器107は、センサ部104からのピックアップ信号に対して直流重畳交流励磁部101の励磁電流の交流成分と同一の周波数を持つ参照信号との位相関係に応じて、検波を行うものである。 The synchronous detector 107 is a component of a circuit that performs synchronous detection on the pickup signal from the sensor unit 104 output from the amplifier 106. The synchronous detector 107 determines the sensor output by synchronously detecting the pickup signal, which is the induced voltage induced in the pickup coil of the sensor unit 104, with reference to the reference signal whose frequency is synchronized with the AC current in the exciting current. It is a detection signal that will be different. The synchronous detector 107 detects the pickup signal from the sensor unit 104 according to the phase relationship with the reference signal having the same frequency as the AC component of the exciting current of the DC superimposed AC excitation unit 101. ..

ここで、同期検波は、検波される信号に、信号が正弦波で搬送される場合は、その正弦波を乗算することで行うことができる。励磁電流の交流成分により外部磁界を変調しているため、励磁電流の交流成分である正弦波をピックアップ信号に乗算することによって同期検波を行うことができるが、通常は、アナログスイッチなどで同期検波回路が簡単に構成できる、正弦波ではなく方形波が乗算に使用される。すなわち、方形波は振幅が1,−1であるため、それとの乗算結果は、方形波の振幅が1の時にピックアップ信号を同じ極性で通過させ、方形波の振幅が−1の時にピックアップ信号を極性を反転させて通過させることにより、同期検波を行うことができる。ここでは、参照信号の符号によってゲートコントロール(通過させるピックアップ信号の極性を反転させるか否かの制御)を行わせるために、参照信号として励磁電流の交流成分に周波数及び位相が同期した方形波を使用している。 Here, synchronous detection can be performed by multiplying the detected signal by the sine wave when the signal is conveyed by a sine wave. Since the external magnetic field is modulated by the AC component of the exciting current, synchronous detection can be performed by multiplying the pickup signal by the sine wave, which is the AC component of the exciting current, but normally, synchronous detection is performed with an analog switch or the like. A square wave is used for multiplication instead of a sine wave, which makes the circuit easy to configure. That is, since the square wave has an amplitude of 1, -1, the multiplication result is that the pickup signal is passed through with the same polarity when the amplitude of the square wave is 1, and the pickup signal is passed when the amplitude of the square wave is -1. Synchronous detection can be performed by reversing the polarity and passing through. Here, in order to perform gate control (control of whether or not the polarity of the pick-up signal to be passed is inverted) by the sign of the reference signal, a square wave whose frequency and phase are synchronized with the AC component of the exciting current is used as the reference signal. I'm using it.

同期検波器107には、励磁電流の交流成分と同一の周波数の信号が参照信号として入力されており、それによって、検波するピックアップ信号との位相関係が決定される。図1においては、参照信号の伝達経路は、直流重畳交流励磁部101内の周波数fHzの交流源から同期検波器107に向けた破線で示されている。これにより、例えば、参照信号の半周期(例えば振幅が1の時)はピックアップ信号を同じ極性で通過させ、参照信号の残りの半周期(例えば振幅が−1の時)はピックアップ信号の極性を反転させることによって、直流重畳交流励磁部101が発生する交流成分に同期させた検波を行う。 A signal having the same frequency as the AC component of the exciting current is input to the synchronous detector 107 as a reference signal, whereby the phase relationship with the pickup signal to be detected is determined. In FIG. 1, the transmission path of the reference signal is shown by a broken line from the AC source having a frequency of fHz in the DC superimposed AC excitation unit 101 toward the synchronous detector 107. As a result, for example, the pickup signal is passed through with the same polarity for half a cycle of the reference signal (for example, when the amplitude is 1), and the polarity of the pickup signal is changed for the other half cycle of the reference signal (for example, when the amplitude is -1). By inverting, detection is performed in synchronization with the AC component generated by the DC superimposition AC excitation unit 101.

ローパスフィルタ108は、同期検波器107からの出力である検波信号を平均化する回路の構成要素である。これにより、検波信号から、検出する磁界の大きさを表す磁界検出信号を取り出す。この例では、直流バイアス電流の極性の切り替えに同期して交流電流の位相も反転させられており、ピックアップ信号において、直流バイアス電流の各極性に対して、磁気異方性に起因するオフセット成分は逆極性で現われ、磁界の感度成分は同極性で現われるため、検波信号を加算(平均化により実現)することにより、検波信号から検出される磁界に対応しない信号を除去した磁界検出信号が求められる。 The low-pass filter 108 is a component of a circuit that averages the detection signal that is the output from the synchronous detector 107. As a result, the magnetic field detection signal indicating the magnitude of the magnetic field to be detected is extracted from the detection signal. In this example, the phase of the AC current is also inverted in synchronization with the switching of the polarity of the DC bias current, and in the pickup signal, the offset component due to magnetic anisotropy for each polarity of the DC bias current is Since it appears in the opposite polarity and the sensitivity components of the magnetic field appear in the same polarity, a magnetic field detection signal that removes the signal that does not correspond to the magnetic field detected from the detection signal can be obtained by adding (realizing by averaging) the detection signals. ..

積分器109は、クローズドループ構成でシステムを動作させる場合において、ローパスフィルタ108から出力される磁界検出信号を積分する回路の構成要素である。積分器109の出力は、後述するフィードバック抵抗110を経て、センサ部104のピックアップコイルを通じて、センサ部104の磁性コアに対して磁界による負帰還のフィードバックをかける。結果的に積分器109の入力となる磁界検出信号は、このフィードバックの偏差を表わし、積分器109は磁界検出信号をゼロに近づける制御を行うことになる。 The integrator 109 is a component of a circuit that integrates the magnetic field detection signal output from the low-pass filter 108 when the system is operated in a closed loop configuration. The output of the integrator 109 applies negative feedback by a magnetic field to the magnetic core of the sensor unit 104 through the pickup coil of the sensor unit 104 via the feedback resistor 110 described later. As a result, the magnetic field detection signal that is the input of the integrator 109 represents the deviation of this feedback, and the integrator 109 controls the magnetic field detection signal to approach zero.

フィードバック抵抗110は、積分器109から出力されたフィードバック信号を負帰還させてセンサ部104のピックアップコイルに入力させる際の、フィードバック信号が通過する抵抗である。負帰還により、センサ部104のピックアップコイルには、測定対象の外部磁界を打ち消すような磁界が発生させられる。フィードバック信号によって流れる電流が、測定対象の外部磁界に対応するものであり、その電流値をフィードバック抵抗110で電圧として検出したものが、測定対象の外部磁界の大きさを表わすセンサ出力となる。 The feedback resistance 110 is a resistance through which the feedback signal passes when the feedback signal output from the integrator 109 is negatively fed back and input to the pickup coil of the sensor unit 104. Due to the negative feedback, a magnetic field that cancels the external magnetic field to be measured is generated in the pickup coil of the sensor unit 104. The current flowing by the feedback signal corresponds to the external magnetic field to be measured, and the current value detected as a voltage by the feedback resistor 110 is the sensor output indicating the magnitude of the external magnetic field to be measured.

出力端子111は、フィードバック抵抗110を流れる電流を、外部磁界の大きさを表わす電圧に変換したセンサ出力を外部に出力させるノードである。 The output terminal 111 is a node that outputs a sensor output obtained by converting the current flowing through the feedback resistor 110 into a voltage representing the magnitude of an external magnetic field.

(従来のフラックスゲート磁界センサの動作)
次に、本願発明の前提となる、従来のフラックスゲート磁界センサ100の動作について説明する。図4は、フラックスゲート磁界センサの概略構造を示す図である。図4の(a)には、センサ部104の模式図が示されている。アモルファス磁性ワイヤが上下方向に伸びており、それにピックアップコイルが巻回されている。アモルファス磁性ワイヤの円周方向をx方向、長手方向をz方向とする。検出される外部磁界は、z方向でアモルファス磁性ワイヤに流入する。励磁電流が図で下から上に流れると、その励磁電流による磁界はx方向であり、検出される外部磁界の方向と直交する。図4の(b)には、直流重畳交流励磁部101から出力される、交流電流に直流バイアス電流を重畳させた波形が示されている。励磁極性のスイッチングはまだ行われていないため、片バイアスの状態である。アモルファス磁性ワイヤ内には一軸性の異方性Kuがあり、励磁磁界、異方性、外部磁界のエネルギーが最小化する位置で磁化Jsが振動することとなる。この振動のz軸射影がピックアップコイルに電圧を誘導し、それをピックアップ信号として取り出すことができる。この電圧には外部磁界の影響が変調されており、同期検波により出力を取り出すことができる。外部磁界がない時も異方性の影響でオフセット成分が発生するが、直流バイアス電流の極性を反転させることによって励磁極性の極性を反転すれば、一軸性の対称性により、オフセット成分の大きさを保ったまま、オフセットの極性も反転することとなる。この性質を利用し、周期的に励磁極性を反転して出力を加算(平均化)することで、出力に現れるオフセット成分を抑制することが可能である。図4の(c)には、そのような反転をさせるための、励磁極性スイッチング部103から出力される、周期的に極性が切り替えられた、交流電流に直流バイアス電流を重畳させた励磁電流の波形が示されている。
(Operation of conventional fluxgate magnetic field sensor)
Next, the operation of the conventional fluxgate magnetic field sensor 100, which is the premise of the present invention, will be described. FIG. 4 is a diagram showing a schematic structure of a fluxgate magnetic field sensor. FIG. 4A shows a schematic view of the sensor unit 104. An amorphous magnetic wire extends in the vertical direction, and a pickup coil is wound around it. The circumferential direction of the amorphous magnetic wire is the x direction, and the longitudinal direction is the z direction. The detected external magnetic field flows into the amorphous magnetic wire in the z direction. When the exciting current flows from the bottom to the top in the figure, the magnetic field due to the exciting current is in the x direction and is orthogonal to the direction of the detected external magnetic field. FIG. 4B shows a waveform in which a DC bias current is superimposed on an AC current output from the DC superimposed AC excitation unit 101. Since the excitation pole switching has not been performed yet, it is in a one-biased state. The in amorphous magnetic wire has uniaxial anisotropy K u, the excitation magnetic field, anisotropy, magnetization J s at the position where the energy of the external magnetic field is minimized so that the vibrating. The z-axis projection of this vibration induces a voltage in the pickup coil, which can be taken out as a pickup signal. The influence of an external magnetic field is modulated on this voltage, and the output can be taken out by synchronous detection. Even when there is no external magnetic field, an offset component is generated due to the influence of anisotropy, but if the polarity of the exciting pole is reversed by reversing the polarity of the DC bias current, the magnitude of the offset component due to uniaxial symmetry. The polarity of the offset will also be reversed while maintaining the above. By utilizing this property and periodically inverting the polarity and adding (averaging) the output, it is possible to suppress the offset component that appears in the output. In FIG. 4 (c), the exciting current output from the exciting magnetic field switching unit 103 for such inversion, whose polarity is periodically switched, and the DC bias current superimposed on the AC current. The waveform is shown.

次に、センサ部104においてピックアップコイルからピックアップされる信号の波形(ピックアップ信号の波形)や磁化のベクトル図を示して、波形の説明を行う。以下において、単に「正極性」と言えば直流バイアス電流が正極性の場合を、単に「負極性」と言えば直流バイアス電流が負極性の場合をいう。図5は、正極性におけるフラックスゲート磁界センサのセンサ部の磁化の説明図である。図5の(a)には、ピックアップ信号の波形が示されている。励磁電流による磁化のz軸射影をJs・sin(θ(t))としたとき、それの時間微分がピックアップコイルに誘導される。誘導されたピックアップ信号の波形は、アモルファス磁性ワイヤの一軸性の異方性Kuによって生じるオフセット成分を含んでいる。図5の(b)には、外部磁界Hex、アモルファス磁性ワイヤの一軸性の異方性Ku、励磁磁界H(t)に対するアモルファス磁性ワイヤの磁化Jsの方向を示す図が示されている。外部磁界Hexは、クローズドループ制御のため、ゼロと見なすことができる。x軸には、励磁磁界H(t)=Hac・sin(2πft)+Hdc(Hacは交流励磁磁界、Hdcは直流バイアス磁界)が印加されており、また、z軸成分も有する異方性Kuが存在している。これらの外部磁界Hex、異方性Ku、励磁磁界H(t)により、アモルファス磁性ワイヤの磁化Jsが生じる。磁化Jsの円周方向からの角度を角度θ0とすると、励磁磁界H(t)が交流成分によって振動することにより、角度θ0はそれと同じ周波数で振動する。図5の(c)には、励磁磁界H(t)が示されている。励磁磁界H(t)が正のピークのときに、それに影響されて角度θ0は小さくなり、励磁磁界H(t)が負のピークのときに、それの影響が小さくなることにより角度θ0は大きくなる。すなわち、励磁磁界H(t)が(1)で正のピークの時に磁化Jsは励磁磁界H(t)の方向に最も引き寄せられ、励磁磁界H(t)が(2)で負のピークのときに磁化Jsは励磁磁界H(t)の方向から最も離れる。そして、磁化のz軸成分であるJs・sin(θ0)の成分がピックアップコイルと鎖交する磁束を発生させて、ピックアップコイルにピックアップ信号を発生させる。 Next, the waveform of the signal picked up from the pickup coil by the sensor unit 104 (waveform of the pickup signal) and the vector diagram of the magnetization will be shown to explain the waveform. In the following, the term "positive electrode property" refers to the case where the DC bias current is positive electrode property, and the term "negative electrode property" refers to the case where the DC bias current is negative electrode property. FIG. 5 is an explanatory diagram of the magnetization of the sensor portion of the fluxgate magnetic field sensor in the positive electrode property. FIG. 5A shows the waveform of the pickup signal. When the z-axis projection of the magnetization by the exciting current is J s · sin (θ (t)), its time derivative is induced in the pickup coil. Waveform of the induced pickup signal includes an offset component caused by uniaxial anisotropy K u of the amorphous magnetic wire. The (b) of FIG. 5, the external magnetic field H ex, the amorphous magnetic wire uniaxial anisotropy K u, and shows the direction of magnetization J s of the amorphous magnetic wire to the exciting magnetic field H (t) is shown There is. The external magnetic field H ex can be regarded as zero because of the closed loop control. The x-axis, the excitation magnetic field H (t) = H ac · sin (2πft) + H dc (H ac AC excitation field, H dc is the DC bias magnetic field) is applied, also different with even z-axis component Directional K u exists. The external magnetic field H ex , the anisotropic K u , and the exciting magnetic field H (t) generate the magnetization J s of the amorphous magnetic wire. Assuming that the angle of the magnetization J s from the circumferential direction is the angle θ 0 , the exciting magnetic field H (t) oscillates due to the AC component, so that the angle θ 0 oscillates at the same frequency. The exciting magnetic field H (t) is shown in FIG. 5 (c). When the exciting magnetic field H (t) has a positive peak, the angle θ 0 becomes smaller due to the influence of it, and when the exciting magnetic field H (t) has a negative peak, the influence of it becomes smaller, so that the angle θ 0 becomes smaller. Becomes larger. That is, when the exciting magnetic field H (t) has a positive peak at (1), the magnetization J s is most attracted in the direction of the exciting magnetic field H (t), and when the exciting magnetic field H (t) has a negative peak at (2). Sometimes the magnetization J s is farthest from the direction of the exciting magnetic field H (t). The components of a z-axis component of the magnetization J s · sin (θ 0) is to generate a pickup coil magnetic flux interlinking to generate a pickup signal to the pickup coil.

次に、直流バイアス電流の極性を反転させた場合の説明をする。図6は、負極性におけるフラックスゲート磁界センサのセンサ部の磁化の説明図である。この例は、直流バイアス電流の極性を反転させると共に、それが重畳される交流電流の位相も反転させている。図6は、図5と同様に、図6の(a)にピックアップ信号の波形、図6の(b)にアモルファス磁性ワイヤの磁化Jsの方向、図6の(c)に励磁磁界H(t)が示されている。図6の(c)においては、図5の(c)とは反対に、励磁磁界H(t)が正のピークのときに、それの影響が小さくなることにより角度θ0は大きくなり、励磁磁界H(t)が負のピークのときに、それに影響されて角度θ0は小さくなる。すなわち、励磁磁界H(t)が(1)で負のピークの時に磁化Jsは励磁磁界H(t)の方向に最も引き寄せられ、励磁磁界H(t)が(2)で正のピークのときに励磁磁界H(t)の方向から最も離れる。 Next, the case where the polarity of the DC bias current is reversed will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram of the magnetization of the sensor portion of the fluxgate magnetic field sensor in the negative electrode property. In this example, the polarity of the DC bias current is reversed, and the phase of the alternating current on which it is superimposed is also reversed. Figure 6 is similar to FIG. 5, the waveform of the pick-up signal in (a) of FIG. 6, the direction of magnetization J s of amorphous magnetic wire (b) of FIG. 6, the excitation magnetic field H in FIG. 6 (c) ( t) is shown. In FIG. 6 (c), contrary to FIG. 5 (c), when the exciting magnetic field H (t) has a positive peak, the influence of the peak is reduced, so that the angle θ 0 becomes larger and the excitation is performed. When the magnetic field H (t) has a negative peak, the angle θ 0 becomes smaller due to the influence of the peak. That is, when the exciting magnetic field H (t) is (1) and has a negative peak, the magnetization J s is most attracted in the direction of the exciting magnetic field H (t), and when the exciting magnetic field H (t) is (2) and has a positive peak. Sometimes it is farthest from the direction of the exciting magnetic field H (t).

このように、直流バイアス磁界Hdcの方向が反転すると、角度θ0も反転し、ピックアップコイルと鎖交する磁束も反転する。このとき、異方性Kuにアンバランスが存在しない理想的な場合を想定すると、異方性Kuによって生じるオフセット成分は、励磁電流が正極性の場合とは逆極性で現れるが、正極性と同じ量だけ存在することとなる。そのため、励磁電流の極性の切り替えを行うと、最終的に回路上でこれらのオフセット成分を平均化することによって、出力に現れるオフセットを0とすることができる。また、異方性Kuが温度によって変化し、これに起因するオフセットが変化したとしても、その変化は常に対称的に現れるため、その平均は安定しており、出力に現れるオフセット成分は0のままである。 In this way, when the direction of the DC bias magnetic field H dc is reversed, the angle θ 0 is also reversed, and the magnetic flux interlinking with the pickup coil is also reversed. At this time, assuming that anisotropy K u to ideal imbalance exists, the offset component caused by the anisotropy K u is manifested in the opposite polarity to the case excitation current of positive polarity, positive polarity Will be present in the same amount as. Therefore, when the polarity of the exciting current is switched, the offset appearing at the output can be set to 0 by finally averaging these offset components on the circuit. Further, even if the anisotropic K u changes with temperature and the offset caused by this changes, the change always appears symmetrically, so that the average is stable and the offset component appearing at the output is 0. There is up to.

感度やオフセット成分の大きさと極性に関しては、磁化Jsの時間変化によってピックアップ信号がピックアップコイルに誘起され、このピックアップ信号に外部磁界Hexやオフセット成分の情報が含まれている。従って、上述のように、励磁電流による励磁磁界H(t)、異方性Ku、外部磁界Hexのそれぞれのファクターに応じて、どのように磁化Jsが動くのかということによって、外部磁界に対する感度の大きさと極性及び異方性Kuに起因するオフセット成分の大きさと極性が決定される。 Regarding the sensitivity and the magnitude and polarity of the offset component, a pickup signal is induced in the pickup coil by the time change of the magnetization J s , and the pickup signal contains information on the external magnetic field H ex and the offset component. Therefore, as described above, the external magnetic field depends on how the magnetization J s moves according to the respective factors of the exciting magnetic field H (t) due to the exciting current, the anisotropic K u , and the external magnetic field H ex. magnitude and polarity of the offset component due to the magnitude and polarity and anisotropic K u of sensitivity is determined for.

(本発明のフラックスゲート磁界センサの構造)
次に、本発明に係るフラックスゲート磁界センサ200の構造について説明する。フラックスゲート磁界センサ200は、直流バイアス電流の正極性と負極性のそれぞれに対応するピックアップ信号をそれぞれ独立した増幅率で増幅するものである。従来のフラックスゲート磁界センサ100においては、同期検波における参照信号との位相関係は、通常、磁界センサとして感度を最大化したり、雑音を最適化するように調節されている。本発明に係るフラックスゲート磁界センサ200では、一般的なフラックスゲート磁界センサにおいて、バイアススイッチングを適用した際に、励磁電流の直流バイアス成分の極性に応じたピックアップ信号間に存在するアンバランスが実質的に打ち消されるように、直流バイアス成分の極性に対応した独立した増幅率でピックアップ信号を増幅する。このように、アンバランスを打ち消すように直流バイアス成分の極性に応じた増幅率とすることで、温度係数の最小化を実現することができる。フラックスゲート磁界センサ200は、このような原理で、優れた温度特性を実現したものである。
(Structure of Fluxgate Magnetic Field Sensor of the Present Invention)
Next, the structure of the fluxgate magnetic field sensor 200 according to the present invention will be described. The fluxgate magnetic field sensor 200 amplifies the pickup signals corresponding to the positive electrode property and the negative electrode property of the DC bias current at independent amplification factors. In the conventional fluxgate magnetic field sensor 100, the phase relationship with the reference signal in the synchronous detection is usually adjusted so as to maximize the sensitivity or optimize the noise as the magnetic field sensor. In the fluxgate magnetic field sensor 200 according to the present invention, when bias switching is applied in a general fluxgate magnetic field sensor, the imbalance existing between the pickup signals according to the polarity of the DC bias component of the exciting current is substantially present. The pickup signal is amplified with an independent amplification factor corresponding to the polarity of the DC bias component so as to be canceled by. In this way, the temperature coefficient can be minimized by setting the amplification factor according to the polarity of the DC bias component so as to cancel the imbalance. The fluxgate magnetic field sensor 200 realizes excellent temperature characteristics based on such a principle.

図2は、フラックスゲート磁界センサ200の概略回路図である。この回路では、典型的な検波方法として同期検波を用いている。また検出した磁界を打ち消すような電流をフィードバックによりピックアップコイルに流すことにより、磁性体の特性の良好な領域でセンサを動作させるクローズドループの構成を採用している。なお、代替的に、検出される磁界を打ち消すためにピックアップコイルを兼用させずに専用のコイルを別途設けたクローズドループ構成や、フィードバックを行わないオープンループの構成を採用することも可能である。 FIG. 2 is a schematic circuit diagram of the fluxgate magnetic field sensor 200. In this circuit, synchronous detection is used as a typical detection method. In addition, a closed loop configuration is adopted in which the sensor is operated in a region where the characteristics of the magnetic material are good by passing a current that cancels the detected magnetic field through the pickup coil by feedback. Alternatively, it is also possible to adopt a closed loop configuration in which a dedicated coil is separately provided without using the pickup coil in order to cancel the detected magnetic field, or an open loop configuration in which feedback is not performed.

フラックスゲート磁界センサ200は、従来のフラックスゲート磁界センサ100と同様の構成を有しており、直流重畳交流励磁部201、移相器202(図示せず)、励磁極性スイッチング部203、センサ部204、ボルテージフォロア205、増幅器206、同期検波器207、ローパスフィルタ208、積分器209、フィードバック抵抗210、出力端子211から構成される。なお、移相器202は、同期検波器207での同期検波における励磁電流の交流成分との位相関係を感度が実質的に最大となるように調節するものであるが、そのように位相関係を調節することができるような、励磁電流、ピックアップ信号、参照信号などが伝達される経路中の任意の位置に配置することが可能である。このため、図2には、移相器202を特定の位置に記載していない。 The fluxgate magnetic field sensor 200 has the same configuration as the conventional fluxgate magnetic field sensor 100, and has a DC superimposition AC excitation unit 201, a phase shifter 202 (not shown), an exciting magnetic pole switching unit 203, and a sensor unit 204. , Voltage follower 205, amplifier 206, synchronous detector 207, low-pass filter 208, integrator 209, feedback resistor 210, and output terminal 211. The phase shifter 202 adjusts the phase relationship of the exciting current with the AC component in the synchronous detection of the synchronous detector 207 so that the sensitivity is substantially maximized. It can be placed at any position in the path through which the exciting current, pickup signal, reference signal, etc. are transmitted so that it can be adjusted. Therefore, FIG. 2 does not show the phase shifter 202 at a specific position.

直流重畳交流励磁部201は、交流電流に直流バイアス電流を重畳させた励磁電流を提供する回路である。直流重畳交流励磁部201は、典型的には、公知の電源回路である。交流電流をセンサ部204に流すことで外部の磁界を変調させ、直流バイアス電流を重畳させることにより、後段の励磁極性スイッチング部203とともにバイアススイッチング方式の励磁回路を構成する。この場合、直流バイアス電流が重畳される交流電流は、直流バイアス電流の極性の切り替えに合わせて極性が切り替えられることになる。 The DC superimposed AC excitation unit 201 is a circuit that provides an exciting current in which a DC bias current is superimposed on an AC current. The DC superimposition AC excitation unit 201 is typically a known power supply circuit. By passing an alternating current through the sensor unit 204 to modulate an external magnetic field and superimposing a direct current bias current, a bias switching type excitation circuit is configured together with the exciting magnetic field switching unit 203 in the subsequent stage. In this case, the polarity of the alternating current on which the direct current bias current is superimposed is switched according to the switching of the polarity of the direct current bias current.

バイアススイッチングにおいては、直流バイアス電流の極性を周期的に切り替える必要がある。ここで、直流バイアス電流が重畳される交流電流を、直流バイアス電流の極性の切り替えに合わせて極性を切り替える構成と、切り替えない構成の両方が可能である。上述の例は、交流電流と直流バイアス電流の両方の極性を切り替えるものであり、この場合、同期検波後において加算処理(平均化処理)を行えば、検出される磁界に対応しない信号を除去してセンサ出力を得ることができる。 In bias switching, it is necessary to periodically switch the polarity of the DC bias current. Here, the AC current on which the DC bias current is superimposed can be configured to switch the polarity according to the change of the polarity of the DC bias current, or to not switch the polarity. In the above example, the polarities of both AC current and DC bias current are switched. In this case, if addition processing (averaging processing) is performed after synchronous detection, signals that do not correspond to the detected magnetic field are removed. The sensor output can be obtained.

代替的に、交流電流の極性を直流バイアス電流の極性と共に切り替えない構成とするため、直流重畳交流励磁部201は、極性を周期的に切り替えた直流バイアス電流を交流電流に重畳させた励磁電流を提供する構成とすることもできる。この場合、後述の励磁極性スイッチング部203は不要となる。また、磁界検出信号を得るためには、同期検波後において、直流バイアス電流のそれぞれの極性における検波号の差を取る必要がある。そのためには、例えば、一方の直流バイアス電流の極性における検波信号の極性を反転させた後に加算処理(平均化処理)を行うとよい。 Alternatively, in order not to switch the polarity of the AC current together with the polarity of the DC bias current, the DC superimposed AC excitation unit 201 uses an exciting current in which the DC bias current whose polarity is periodically switched is superimposed on the AC current. It can also be configured to provide. In this case, the exciting magnetic field switching unit 203 described later becomes unnecessary. Further, in order to obtain the magnetic field detection signal, it is necessary to take the difference in the detection number at each polarity of the DC bias current after the synchronous detection. For that purpose, for example, it is preferable to perform the addition process (averaging process) after inverting the polarity of the detection signal at the polarity of one of the DC bias currents.

図示していないが、移相器202は、同期検波における直流重畳交流励磁部201内の交流源からの交流励磁電流との位相関係を、従来のフラックスゲート磁界センサ100と同様に、通常、その感度が最大(クローズドループ構成では雑音が最小)となるように調節するものである。なお、実質的に最小とは、数学的に厳密に正確な最小という意味ではなく、実際的に調節可能な正確性の範囲での最小という意味である。センサ部204からの出力は、同期検波器207によって交流電流と周波数が同期した参照信号の位相を参照して同期検波されるが、移相器202は、それとの位相関係を調節することができるような任意の位置に配置することが可能である。 Although not shown, the phase shifter 202 usually has a phase relationship with an AC exciting current from an AC source in the DC superimposed AC excitation unit 201 in synchronous detection, similarly to the conventional fluxgate magnetometer 100. The sensitivity is adjusted to the maximum (the noise is the minimum in the closed loop configuration). It should be noted that the substantially minimum does not mean a mathematically exact minimum, but a minimum within a range of practically adjustable accuracy. The output from the sensor unit 204 is synchronously detected by the synchronous detector 207 with reference to the phase of the reference signal whose AC current and frequency are synchronized, and the phase shifter 202 can adjust the phase relationship with the reference signal. It is possible to arrange it at any position such as.

励磁極性スイッチング部203は、センサ部204に流す励磁電流の極性を周期的に切り替える回路である。これにより、直流バイアス電流成分は周期的に極性が切り替えられ、バイアススイッチング方式による励磁電流がセンサ部204の磁性コアに供給される。励磁極性スイッチング部203は、極性の切り替えの周期を決定する、周波数がfbsHzのクロックを有しており、それによって極性を切り替えるスイッチが駆動され、励磁電流は周期的に極性が切り替えられる。周波数fbsのクロックは典型的には励磁電流の交流成分の周波数を整数分の一で分周して使用される。図2に示すように励磁極性スイッチング部203が直流重畳交流励磁部201からの出力をスイッチングする場合、直流バイアス電流の極性の切り替えに同期して交流電流の位相も反転させられることになり、直流バイアス電流の各極性に対して、磁気異方性に起因するオフセット成分は逆極性で現われ、磁界の感度成分 は同極性で現われる。クロックの周波数は、直流重畳交流励磁部201が発生する交流電流の周波数より小さいものとされる。またクロックには、典型的には直流重畳交流励磁部201が発生する交流励磁電流に対して周波数が整数分の一で分周され、必要に応じて任意に移相されたタイミング信号が使用される。例えば、直流重畳交流励磁部201からの励磁電流の交流成分の周波数を80kHzとしたときに、励磁極性スイッチング部203の切り替え周波数fbsHzを5kHz程度として、正弦波16個程度で直流バイアス電流の極性のスイッチングを繰り返す構成とすることができる。 The magnetic field switching unit 203 is a circuit that periodically switches the polarity of the exciting current flowing through the sensor unit 204. As a result, the polarity of the DC bias current component is periodically switched, and the exciting current by the bias switching method is supplied to the magnetic core of the sensor unit 204. The exciting pole switching unit 203 has a clock having a frequency of f bs Hz that determines the polarity switching cycle, whereby a switch for switching the polarity is driven, and the polarity of the exciting current is periodically switched. A clock having a frequency of f bs is typically used by dividing the frequency of the AC component of the exciting current by an integral fraction. As shown in FIG. 2, when the exciting pole switching unit 203 switches the output from the DC superimposed AC exciting unit 201, the phase of the AC current is also inverted in synchronization with the switching of the polarity of the DC bias current, and the DC For each polarity of the bias current, the offset component due to magnetic anisotropy appears in the opposite polarity, and the sensitivity component of the magnetic field appears in the same polarity. The frequency of the clock is set to be smaller than the frequency of the alternating current generated by the direct current superimposed alternating current excitation unit 201. Further, the clock typically uses a timing signal whose frequency is divided by a fraction of an integer with respect to the AC exciting current generated by the DC superimposing AC exciting unit 201, and the phase is arbitrarily shifted as needed. To. For example, when the frequency of the AC component of the exciting current from the DC superimposed AC excitation unit 201 is 80 kHz, the switching frequency f bs Hz of the exciting magnetic pole switching unit 203 is set to about 5 kHz, and the DC bias current is about 16 sine waves. It can be configured to repeat polarity switching.

バイアススイッチング方式においては、直流バイアス電流成分の極性を周期的に切り替えることが重要であり、その際に、交流成分の位相を同時に反転させる構成と反転させない構成の両方が可能である。励磁極性スイッチング部203を使用すると、直流バイアス電流が重畳された交流電流である励磁電流全体の極性を切り替えるため、直流バイアス電流成分の極性の切り替えに同期して交流電流成分の位相も反転させられることになる。この場合、ピックアップ信号において、直流バイアス電流の各極性に対して、磁気異方性に起因するオフセット成分は逆極性で現われ、磁界の感度成分は同極性で現われる。 In the bias switching method, it is important to periodically switch the polarity of the DC bias current component, and at that time, both a configuration in which the phases of the AC components are simultaneously inverted and a configuration in which the phases are not inverted are possible. When the exciting magnetic pole switching unit 203 is used, the polarity of the entire exciting current, which is an alternating current on which the direct current bias current is superimposed, is switched, so that the phase of the alternating current component can be inverted in synchronization with the switching of the polarity of the direct current bias current component. It will be. In this case, in the pickup signal, the offset component due to magnetic anisotropy appears with the opposite polarity and the sensitivity component of the magnetic field appears with the same polarity with respect to each polarity of the DC bias current.

なお、代替的に、直流バイアス電流成分の極性のみを周期的に切り替え、交流成分の位相を同時に反転させない場合は、励磁極性スイッチング部203は不要である。この場合は、直流重畳交流励磁部201が、極性を周期的に切り替えた直流バイアス電流を交流電流に重畳させた励磁電流を提供する構成となる。直流バイアス電流成分の極性の切り替えにかかわらず、交流電流成分の位相が反転させられない場合、ピックアップ信号において、直流バイアス電流の各極性に対して、磁気異方性に起因するオフセット成分は同極性で現われ、磁界の感度成分は逆極性で現われる。 Alternatively, if only the polarity of the DC bias current component is periodically switched and the phases of the AC components are not inverted at the same time, the exciting magnetic pole switching unit 203 is unnecessary. In this case, the DC superimposed AC excitation unit 201 is configured to provide an exciting current in which a DC bias current whose polarity is periodically switched is superimposed on the AC current. If the phase of the AC current component is not inverted regardless of the polarity switching of the DC bias current component, the offset component due to magnetic anisotropy has the same polarity with respect to each polarity of the DC bias current in the pickup signal. The sensitivity component of the magnetic field appears in the opposite polarity.

センサ部204は、測定対象の外部の磁界を検出するセンサ素子であり、検出される磁界が印加される細長い磁性体からなる磁性コアと、その細長い磁性体に巻回されたピックアップコイルを有する。センサ部204は、典型的には、U字型に曲げたアモルファス磁性ワイヤにピックアップコイルを巻いた構造である。アモルファス磁性ワイヤは、磁気異方性が生じにくい無磁わい組成のものである。センサ部204は、典型的には、U字型に曲げたアモルファス磁性ワイヤにピックアップコイルを巻いた構造である。なお、アモルファス磁性ワイヤの形状は、U字型には限られず、先端を導線等でショートさせたII型などとすることができる。アモルファス磁性ワイヤに生じた、外部の磁界による磁化の影響を含む、アモルファス磁性ワイヤに流される励磁電流によって発生する変化する磁束をピックアップコイルで検出した検出電圧(ピックアップ信号)によって、外部の磁界の大きさを測定する。アモルファス磁性ワイヤは、単線のI型の形状でも動作するが、磁性体が2本であって高い感度が得られるU型やII型より、感度は低くなる。また、感度を高めるためにU型、II型、I型等の形状をそれぞれ複数本組み合わせて使用することもできる。センサ部204は、ワイヤに励磁電流を直接流す直交フラックスゲートの構成を有するものであるが、直流を重畳した交流を励磁電流とすることでコア内の磁化を一方向とし、磁化反転に伴う磁性体の磁気ノイズを低減することで低雑音が図られるものである。 The sensor unit 204 is a sensor element that detects an external magnetic field to be measured, and has a magnetic core made of an elongated magnetic material to which the detected magnetic field is applied, and a pickup coil wound around the elongated magnetic material. The sensor unit 204 typically has a structure in which a pickup coil is wound around an amorphous magnetic wire bent into a U shape. The amorphous magnetic wire has a non-magnetic dwarf composition in which magnetic anisotropy is unlikely to occur. The sensor unit 204 typically has a structure in which a pickup coil is wound around an amorphous magnetic wire bent into a U shape. The shape of the amorphous magnetic wire is not limited to the U-shape, and may be a type II in which the tip is short-circuited with a conducting wire or the like. The magnitude of the external magnetic field is determined by the detection voltage (pickup signal) detected by the pickup coil of the changing magnetic flux generated by the exciting current flowing through the amorphous magnetic wire, including the effect of magnetization by the external magnetic field generated in the amorphous magnetic wire. Measure the magnetic flux. The amorphous magnetic wire operates even in the shape of a single wire I type, but the sensitivity is lower than that of the U type or II type which can obtain high sensitivity with two magnetic materials. Further, in order to increase the sensitivity, a plurality of shapes such as U-type, II-type, and I-type can be used in combination. The sensor unit 204 has a structure of an orthogonal fluxgate in which an exciting current is directly passed through a wire, but by using an alternating current in which a direct current is superimposed as an exciting current, the magnetization in the core is made one direction, and the magnetism accompanying the magnetization reversal. Low noise is achieved by reducing the magnetic noise of the body.

ボルテージフォロア205は、センサ部204からのピックアップ信号を、インピーダンスを変換することにより、後段に正確に伝達するための構成要素である。ピックアップコイルに誘起される電圧からは十分な電流を取り出すことができないため、後段のインピーダンスによっては電圧降下が生じてして感度が下がる可能性がある。ボルテージフォロア205は、そのような感度低下を防止するものである。ボルテージフォロア205は、典型的には、オペアンプで構成された増幅率が1の増幅回路である。 The voltage follower 205 is a component for accurately transmitting the pickup signal from the sensor unit 204 to the subsequent stage by converting the impedance. Since a sufficient current cannot be taken out from the voltage induced in the pickup coil, a voltage drop may occur depending on the impedance of the subsequent stage and the sensitivity may decrease. The voltage follower 205 prevents such a decrease in sensitivity. The voltage follower 205 is typically an amplifier circuit composed of an operational amplifier and having an amplification factor of 1.

増幅器206は、ボルテージフォロア205からの出力を適切なレベルに増幅する構成要素である。増幅器206は、周波数がfbsHzの直流バイアス電流の極性の切り替えに応じて、正極性、負極性のそれぞれの極性に対して独立した増幅率で増幅できるように構成されている。このようにすることによって、それぞれの極性毎にピックアップ信号の振幅を調節することができる。そして好適には、増幅器206は、それぞれの極性に応じたピックアップ信号間に存在するアンバランスが実質的に打ち消されるように、直流バイアス成分の極性に応じた独立した増幅率で増幅する。図3に、極性毎に独立した増幅率を設定可能な増幅器206の一例の具体的な回路図を示す。周波数がfbsHzの直流バイアス電流の極性の切り替えに応じて、増幅率を定める抵抗が、可変抵抗252Aと可変抵抗252Bとの間で切り替えられ、増幅回路251の増幅率が切り替えられる。 The amplifier 206 is a component that amplifies the output from the voltage follower 205 to an appropriate level. The amplifier 206 is configured to be capable of amplifying with independent amplification factors for each of the positive and negative polarities according to the switching of the polarity of the DC bias current having a frequency of f bs Hz. By doing so, the amplitude of the pickup signal can be adjusted for each polarity. And preferably, the amplifier 206 amplifies at an independent amplification factor according to the polarity of the DC bias component so that the imbalance existing between the pickup signals corresponding to each polarity is substantially canceled. FIG. 3 shows a specific circuit diagram of an example of the amplifier 206 in which an independent amplification factor can be set for each polarity. The resistor that determines the amplification factor is switched between the variable resistor 252A and the variable resistor 252B according to the switching of the polarity of the DC bias current having a frequency of f bs Hz, and the amplification factor of the amplifier circuit 251 is switched.

なお、図2においては、ボルテージフォロア205からの出力は、キャパシタを通過させて交流成分のみを取りだし、後段の増幅器206に送られる。これにより、ピックアップ電圧に含まれる(フィードバック信号による電圧などの)不要な直流成分が除去される。なお、ボルテージフォロア205、およびキャパシタは、ピックアップ信号を適切なレベルで正確に伝達させるための付加的な構成であり、本発明においては必ずしも必要ない。 In FIG. 2, the output from the voltage follower 205 passes through the capacitor to take out only the AC component, and is sent to the amplifier 206 in the subsequent stage. As a result, unnecessary DC components (such as the voltage due to the feedback signal) included in the pickup voltage are removed. The voltage follower 205 and the capacitor are additional configurations for accurately transmitting the pickup signal at an appropriate level, and are not necessarily required in the present invention.

同期検波器207は、増幅器206から出力された、センサ部204からのピックアップ信号に対して、同期検波を行う回路の構成要素である。同期検波器207は、センサ部204のピックアップコイルに誘起される誘起電圧であるピックアップ信号を、励起電流における交流電流と周波数が同期した参照信号の位相を参照して同期検波することにより、センサ出力を定めることになる検波信号とする。同期検波器207は、センサ部204からのピックアップ信号に対して直流重畳交流励磁部201の励磁電流の交流成分と同一の周波数を持つ参照信号との位相関係に応じて、検波を行うものである。同期検波器207には、直流重畳交流励磁部201の交流電流と同一の周波数の信号が参照信号として入力されており、それによって、検波するピックアップ信号との位相関係が決定される。典型的には、参照信号を直流重畳交流励磁部201における励磁電流の交流成分と同期した方形波のゲートコントロール信号とした場合、これによって内部のスイッチを駆動して、ゲートコントロール信号が負(LOW)の時のタイミングでピックアップ信号の極性を反転させて折り返す。これによって、参照信号に同期した成分からなる意味のある出力を得ることができる。同期検波器207は、典型的には、アナログスイッチなどの素子で構成されている。なお、ピックアップ信号からセンサ出力を定める検波信号を得るためには、同期検波によらなくとも、尖頭値検波などの他の手段を使用することもできる。 The synchronous detector 207 is a component of a circuit that performs synchronous detection on the pickup signal from the sensor unit 204 output from the amplifier 206. The synchronous detector 207 synchronously detects the pickup signal, which is the induced voltage induced in the pickup coil of the sensor unit 204, by referring to the phase of the reference signal whose frequency is synchronized with the AC current in the excitation current, thereby outputting the sensor. It is a detection signal that will determine. The synchronous detector 207 detects the pickup signal from the sensor unit 204 according to the phase relationship with the reference signal having the same frequency as the AC component of the exciting current of the DC superimposed AC excitation unit 201. .. A signal having the same frequency as the AC current of the DC superimposed AC excitation unit 201 is input to the synchronous detector 207 as a reference signal, whereby the phase relationship with the pickup signal to be detected is determined. Typically, when the reference signal is a square wave gate control signal synchronized with the AC component of the exciting current in the DC superimposed AC excitation unit 201, this drives an internal switch and the gate control signal becomes negative (LOW). ), The polarity of the pickup signal is inverted and turned back. This makes it possible to obtain a meaningful output consisting of components synchronized with the reference signal. The synchronous detector 207 is typically composed of elements such as an analog switch. In order to obtain a detection signal that determines the sensor output from the pickup signal, other means such as peak value detection can be used without using synchronous detection.

ローパスフィルタ208は、同期検波器207からの出力である検波信号を平均化する回路の構成要素である。これにより、検波信号から検出する磁界の大きさを表す磁界検出信号を取り出す。この例では、直流バイアス電流の極性の切り替えに同期して交流電流の位相も反転させられており、ピックアップ信号において、直流バイアス電流の各極性に対して、磁気異方性に起因するオフセット成分は逆極性で現われ、磁界の感度成分は同極性で現われるため、検波信号を加算(平均化により実現)することにより、検波信号から検出される磁界に対応しない信号を除去した磁界検出信号を得ることができる。具体的には、ローパスフィルタ208により、検波信号から、脈流である磁界の大きさを表わす信号の波形を平滑化して直流にし、極性が切り替えられる直流バイアス電流に起因するオフセットを加算により除去する。 The low-pass filter 208 is a component of a circuit that averages the detection signals that are the outputs of the synchronous detector 207. As a result, the magnetic field detection signal representing the magnitude of the magnetic field detected from the detection signal is extracted. In this example, the phase of the AC current is also inverted in synchronization with the switching of the polarity of the DC bias current, and in the pickup signal, the offset component due to magnetic anisotropy is present for each polarity of the DC bias current. Since it appears in the opposite polarity and the sensitivity components of the magnetic field appear in the same polarity, by adding the detection signals (realized by averaging), a magnetic field detection signal is obtained by removing signals that do not correspond to the magnetic field detected from the detection signal. Can be done. Specifically, the low-pass filter 208 smoothes the waveform of the signal representing the magnitude of the magnetic field that is the pulsating current from the detection signal to make it DC, and removes the offset caused by the DC bias current whose polarity is switched by addition. ..

なお、代替的に直流バイアス電流成分の極性のみを周期的に切り替え、交流成分の位相を同時に反転させない場合、すなわち励磁極性スイッチング部203を使用することなく、直流重畳交流励磁部201が極性を周期的に切り替えた直流バイアス電流を交流電流に重畳させた励磁電流を提供する場合は、直流バイアス電流成分の極性の切り替えにかかわらず、交流電流成分の位相が反転させられない。この場合、ピックアップ信号において、直流バイアス電流の各極性に対して、磁気異方性に起因したオフセット成分は同極性で現われ、磁界の感度成分は逆極性で現われる。そのため、磁界検出信号を得るためには、直流バイアス電流の各極性毎の検波信号の差を求める必要がある。具体的には、直流バイアス電流の一方の極性における検波信号を反転(−1倍)させた後に、直流バイアス電流の他方の極性における検波信号と共に加算処理(平均化処理)を実行するとよい。これによって、検波信号から検出される磁界に対応しない信号を除去した磁界検出信号を得ることができる。 Alternatively, when only the polarity of the DC bias current component is periodically switched and the phases of the AC components are not inverted at the same time, that is, the DC superimposing AC exciting unit 201 periodically switches the polarity without using the exciting magnetic pole switching unit 203. In the case of providing an exciting current in which the DC bias current is superposed on the AC current, the phase of the AC current component is not inverted regardless of the polarity switching of the DC bias current component. In this case, in the pickup signal, the offset component due to magnetic anisotropy appears with the same polarity and the sensitivity component of the magnetic field appears with the opposite polarity with respect to each polarity of the DC bias current. Therefore, in order to obtain the magnetic field detection signal, it is necessary to obtain the difference between the detection signals for each polarity of the DC bias current. Specifically, after inverting (-1 times) the detection signal at one polarity of the DC bias current, it is preferable to execute an addition process (averaging process) together with the detection signal at the other polarity of the DC bias current. Thereby, the magnetic field detection signal obtained by removing the signal corresponding to the magnetic field detected from the detection signal can be obtained.

積分器209は、クローズドループ構成でシステムを動作させる場合において、ローパスフィルタ208から出力されたステップ波形を積分する回路の構成要素である。積分器209の出力は、後述するフィードバック抵抗210を経て、センサ部204のピックアップコイルを通じて、センサ部204の磁性コアに対して磁界による負帰還のフィードバックをかける。結果的に積分器209の入力となる磁界検出信号は、このフィードバックの偏差を表わし、積分器209は磁界検出信号をゼロに近づける制御を行うことになる。 The integrator 209 is a component of a circuit that integrates the step waveform output from the low-pass filter 208 when the system is operated in a closed loop configuration. The output of the integrator 209 applies negative feedback by a magnetic field to the magnetic core of the sensor unit 204 through the pickup coil of the sensor unit 204 via the feedback resistor 210 described later. As a result, the magnetic field detection signal that is the input of the integrator 209 represents the deviation of this feedback, and the integrator 209 controls the magnetic field detection signal to approach zero.

フィードバック抵抗210は、積分器209から出力されたフィードバック信号を負帰還させてセンサ部204に入力させる際の、フィードバック信号が通過する抵抗である。負帰還のために、磁界検出信号を積分したフィートバック信号は、ピックアップコイルに磁界検出信号を打ち消す極性で入力させる。負帰還により、センサ部204のピックアップコイルには、測定対象の外部磁界を打ち消すような磁界が発生させられる。フィードバック信号によって流れる電流が、測定対象の外部磁界に対応するものであり、その電流値をフィードバック抵抗210で電圧として検出したものが、測定対象の外部磁界の大きさを表わすセンサ出力となる。 The feedback resistor 210 is a resistor through which the feedback signal passes when the feedback signal output from the integrator 209 is negatively fed back and input to the sensor unit 204. For negative feedback, the footback signal integrated with the magnetic field detection signal is input to the pickup coil with a polarity that cancels the magnetic field detection signal. Due to the negative feedback, a magnetic field that cancels the external magnetic field to be measured is generated in the pickup coil of the sensor unit 204. The current flowing by the feedback signal corresponds to the external magnetic field to be measured, and the current value detected as a voltage by the feedback resistor 210 is the sensor output indicating the magnitude of the external magnetic field to be measured.

上述の例は、クローズドループ構成であるため、磁気コアに流入した検出される外部磁界を打ち消す磁界を発生させるフィードバック信号をピックアップコイルに入力し、そのフィードバック信号の大きさをセンサ出力とするものである。従って、ローパスフィルタ208、積分器209、フィードバック抵抗210によって、検波信号から検出される磁界に対応しない信号を除去した磁界検出信号に基づいてセンサ出力を生成する出力回路が構成される。 Since the above example has a closed loop configuration, a feedback signal that generates a magnetic field that cancels the detected external magnetic field that has flowed into the magnetic core is input to the pickup coil, and the magnitude of the feedback signal is used as the sensor output. is there. Therefore, the low-pass filter 208, the integrator 209, and the feedback resistor 210 constitute an output circuit that generates a sensor output based on the magnetic field detection signal obtained by removing the signal that does not correspond to the magnetic field detected from the detection signal.

なお、オープンループ構成の場合は、ローパスフィルタ208の出力が測定対象の外部磁界を表わすものであるため、積分器209、フィードバック抵抗210は不要である。そして、ローパスフィルタ208の出力からセンサ出力を得ることができる。 In the case of the open loop configuration, since the output of the low-pass filter 208 represents the external magnetic field to be measured, the integrator 209 and the feedback resistor 210 are unnecessary. Then, the sensor output can be obtained from the output of the low-pass filter 208.

出力端子211は、フィードバック抵抗210を流れる電流を、外部磁界の大きさを表わす電圧に変換したセンサ出力を外部に出力させるノードである。これにより、測定対象の外部磁界を打ち消す磁界を発生させる電流の大きさを、測定対象の外部磁界を表わす測定量として出力する。 The output terminal 211 is a node that outputs a sensor output obtained by converting the current flowing through the feedback resistor 210 into a voltage representing the magnitude of an external magnetic field. As a result, the magnitude of the current that generates the magnetic field that cancels the external magnetic field of the measurement target is output as a measurement quantity representing the external magnetic field of the measurement target.

(理想状態における同期検波)
これから、理想状態、すなわち、直流バイアスを切り替えた際のオフセットのアンバランスがない回路における同期検波の動作について各ポイントの信号波形を示しながら説明する。説明のため、センサ部204は、磁気シールド内などの外部磁場が十分に小さい空間に置かれているものとする。図7は、理想状態における、同期検波を説明する図である。図7の(a)には、励磁極性スイッチング部103の直後における、励磁極性スイッチング時の励磁電流波形が示されている。その波形は、直流バイアス成分が重畳された交流の極性を周期的に切り替えた波形である。図で、前半は直流バイアス成分が正極性、後半は直流バイアス成分が負極性である。正極性から負極性に切り替わる際の電圧が不連続となっている。図7の(b)には、増幅器106の直後における励磁極性スイッチング時のピックアップ信号の波形(増幅後)が示されている。前半は、正極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であり、後半は負極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号である。その波形は、励磁電流により磁性コア内に励磁される磁化のz軸射影成分の時間微分に相当する交流波形である。図7の(c)には、同期検波器107の直後における検波信号の波形が示されている。その波形は、直流重畳交流励磁部101内の交流源から交流電流と同一の周波数を持つ方形波の参照信号として生成される同期検波器107のゲートコントロール信号が負(LOW)の時のタイミングで信号の波形を、同期検波器107が極性を反転させて折り返すことによって、検波したものである。検波によって、ピックアップ信号の図で点線の波形の部分が反転させられて実線の波形の部分となり、ゲートコントロール信号が正(HIGH)の部分のピックアップ信号と正負が揃って波形に含まれる情報が出力となる。検波で極性を反転させるタイミングはピックアップ信号の瞬時値がゼロとなる点であるため、検波出力(すなわち感度)は最大となっている。なお、ゲートコントロール信号のタイミングは、フラックスゲート磁界センサ100の感度が最大となる位置で固定される。これは、具体的には、同期検波器107のゲートコントロール信号とピックアップ信号との位相関係を定める移相器102による移相量を、フラックスゲート磁界センサ100の感度が最大となる位置で固定することによって行うことができる。図7の(d)の左側には、ローパスフィルタ108においてなされる平均化における、正極性時に現れるオフセットと、負極性時に現れるオフセットとを示している。図7の(d)の右側には、ローパスフィルタ108において得られる最終的な全体平均値が示されている。全体平均値は、理想状態であってオフセットのアンバランスが存在しないため、常にゼロとなる。
(Synchronous detection in ideal state)
From now on, the operation of synchronous detection in an ideal state, that is, a circuit in which there is no offset imbalance when the DC bias is switched, will be described while showing the signal waveform of each point. For the sake of explanation, it is assumed that the sensor unit 204 is placed in a space where the external magnetic field is sufficiently small, such as in a magnetic shield. FIG. 7 is a diagram illustrating synchronous detection in an ideal state. FIG. 7A shows an exciting current waveform at the time of exciting magnetic field switching immediately after the exciting magnetic field switching unit 103. The waveform is a waveform in which the polarity of the alternating current on which the DC bias component is superimposed is periodically switched. In the figure, the DC bias component is positive in the first half, and the DC bias component is negative in the second half. The voltage when switching from positive electrode to negative electrode is discontinuous. FIG. 7B shows the waveform (after amplification) of the pickup signal at the time of exciting magnetic pole switching immediately after the amplifier 106. The first half is a pickup signal corresponding to the offset appearing at the time of positive electrode property, and the latter half is a pickup signal corresponding to the offset appearing at the time of negative electrode property. The waveform is an AC waveform corresponding to the time derivative of the z-axis projection component of the magnetization excited in the magnetic core by the exciting current. FIG. 7C shows the waveform of the detection signal immediately after the synchronous detector 107. The waveform is generated at the timing when the gate control signal of the synchronous detector 107 generated as a reference signal of a square wave having the same frequency as the AC current from the AC source in the DC superimposed AC excitation unit 101 is negative (LOW). The waveform of the signal is detected by the synchronous detector 107 inverting the polarity and folding back. By detection, the dotted waveform part is inverted in the pickup signal diagram to become the solid waveform part, and the information contained in the waveform is output with the positive and negative of the pickup signal in the positive (HIGH) part of the gate control signal. It becomes. Since the timing of reversing the polarity in the detection is the point where the instantaneous value of the pickup signal becomes zero, the detection output (that is, sensitivity) is maximized. The timing of the gate control signal is fixed at the position where the sensitivity of the fluxgate magnetic field sensor 100 is maximized. Specifically, this fixes the phase shift amount by the phase shifter 102 that determines the phase relationship between the gate control signal and the pickup signal of the synchronous detector 107 at the position where the sensitivity of the fluxgate magnetic field sensor 100 is maximized. Can be done by On the left side of FIG. 7D, the offset appearing at the time of positive electrode property and the offset appearing at the time of negative electrode property in the averaging performed by the low-pass filter 108 are shown. On the right side of FIG. 7D, the final overall average value obtained by the low-pass filter 108 is shown. The overall mean value is always zero because it is in the ideal state and there is no offset imbalance.

(温度が変化した場合の理想状態における同期検波)
次に、直流バイアスを切り替えた際のオフセットのアンバランスがない理想状態で、センサ部104の温度が変化してオフセットが変化した回路における同期検波の動作について各ポイントの信号波形を示しながら説明する。図8は、理想状態における、温度が変化した場合の同期検波を説明する図である。図8の(a)には、励磁極性スイッチング部103の直後における、励磁極性スイッチング時の励磁電流波形が示されている。その波形は、図7の(a)の場合と同じく、直流バイアス成分が重畳された交流の極性を周期的に切り替えた波形である。図8の(b)には、センサ部104の温度が変化した場合の、増幅器106の直後における励磁極性スイッチング時のピックアップ信号の波形(増幅後)が示されている。前半は、正極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であり、図7の(b)の場合と比べると、温度変化により異方性に起因するオフセット成分の量が変動しており、振幅が大きくなっている。後半は、負極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であり、図7の(b)の場合と比べると、温度変化により異方性に起因するオフセット成分の量が変動しており、振幅が大きくなっている。ただし、前半と後半を比較すると、いずれも振幅が大きくなっているが、両方の波形は対称的に変化している。図8の(c)には、同期検波器107の直後における検波信号の波形が示されている。その波形は、図7の(c)の場合と比べると、振幅が大きくなっているが、正負オフセットの比率は変化していない。図8の(d)の左側には、ローパスフィルタ108においてなされる平均化における、正極性時に現れるオフセットと、負極性時に現れるオフセットとを示している。図8の(d)の右側には、ローパスフィルタ108において得られる最終的な全体平均値が示されている。検波した波形の振幅は大きくなっているが、正負極性のそれぞれのオフセット変動が同じ割合(1:1)であれば、温度変化にかかわらず正負オフセットの和に変動は無いため、全体平均値は常にゼロのままとなる。そのため、温度変化によって出力が変動することはない。
(Synchronous detection in ideal state when temperature changes)
Next, the operation of synchronous detection in a circuit in which the temperature of the sensor unit 104 changes and the offset changes in an ideal state where there is no offset imbalance when the DC bias is switched will be described while showing the signal waveform of each point. .. FIG. 8 is a diagram illustrating synchronous detection when the temperature changes in an ideal state. FIG. 8A shows an exciting current waveform at the time of exciting magnetic field switching immediately after the exciting magnetic field switching unit 103. The waveform is a waveform in which the polarity of the alternating current on which the DC bias component is superimposed is periodically switched, as in the case of FIG. 7A. FIG. 8B shows the waveform (after amplification) of the pickup signal at the time of exciting magnetic pole switching immediately after the amplifier 106 when the temperature of the sensor unit 104 changes. The first half is a pickup signal corresponding to the offset that appears at the time of positive electrode property. Compared with the case of (b) in FIG. 7, the amount of the offset component due to anisotropy fluctuates due to the temperature change, and the amplitude is large. It has become. The latter half is a pickup signal corresponding to the offset that appears at the time of negative electrode property. Compared with the case of (b) in FIG. 7, the amount of the offset component due to anisotropy fluctuates due to the temperature change, and the amplitude is large. It has become. However, when comparing the first half and the second half, the amplitudes are larger in both cases, but both waveforms change symmetrically. FIG. 8C shows the waveform of the detection signal immediately after the synchronous detector 107. The waveform has a larger amplitude than the case of FIG. 7 (c), but the ratio of positive and negative offsets does not change. On the left side of FIG. 8D, the offset appearing at the time of positive electrode property and the offset appearing at the time of negative electrode property in the averaging performed by the low-pass filter 108 are shown. On the right side of FIG. 8D, the final overall average value obtained by the low-pass filter 108 is shown. Although the amplitude of the detected waveform is large, if the offset fluctuations of the positive and negative polarities are the same ratio (1: 1), the sum of the positive and negative offsets does not change regardless of the temperature change, so the overall average value is It always remains zero. Therefore, the output does not fluctuate due to temperature changes.

(正負オフセットにアンバランスがある場合の同期検波)
上述の図7、図8を引用した説明は、温度変化にかかわらず正負オフセットにアンバランスがない理想的な状態に基づくものである。しかし実際には、正負オフセットにはアンバランスがあるのが通常である。そのような場合について、以下に説明する。図9は、正負オフセットにアンバランスがある場合の同期検波を説明する図である。図9の(a)には、励磁極性スイッチング部103の直後における、励磁極性スイッチング時の励磁電流波形が示されている。その波形は、図7の(a)の場合と同じく、直流バイアス成分が重畳された交流の極性を周期的に切り替えた波形である。図9の(b)には、センサ部104の温度が常温から変化したの場合の、増幅器106の直後における励磁極性スイッチング時のピックアップ信号の波形(増幅後)が示されている。ここでは典型例として、正負オフセットのアンバランスとして波形に歪みが存在する場合が示されている。オフセットのアンバランスとして、前半の正極性時に比べて後半の負極性時の波形が歪む場合を考える。ここで、温度変化によるオフセット変動で振幅が大きくなるとともに正負オフセットのアンバランスも拡大される。具体的には、前半は正極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であり、図7の(b)の場合と同等である。後半は、負極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であるが、図7の(b)の場合と比べると、温度変化により振幅と共に歪みも増大している。図9の(c)には、同期検波器107の直後における検波信号の波形が示されている。その波形も図7の(c)の場合と比べると、後半の歪みを含んだままである。ただし、前半、後半とも、検波で極性を反転させるタイミングはピックアップ信号の瞬時値がゼロとなる点であるため、検波出力(すなわち感度)は最大となっている。図9の(d)の左側には、ローパスフィルタ108においてなされる平均化における、正極性時に現れるオフセットと、負極性時に現れるオフセットとが示されている。図9の(d)の右側には、ローパスフィルタ108において得られる最終的な全体平均値が示されている。図9の(d)の右側に示す全体平均値は、歪みを含んだ後半の影響を受けてゼロから負側にずれている。なお、そのずれの量は温度に応じて変化することとなる。このように、正負オフセットにアンバランスがある場合は、温度変化により、全体平均値に波形の歪みに起因するアンバランスによる変動が発生する。そのため、温度変化のためにセンサ出力はゼロとはならない。
(Synchronous detection when there is an imbalance between positive and negative offsets)
The above description with reference to FIGS. 7 and 8 is based on an ideal state in which there is no imbalance between positive and negative offsets regardless of temperature changes. However, in reality, there is usually an imbalance between positive and negative offsets. Such a case will be described below. FIG. 9 is a diagram illustrating synchronous detection when there is an imbalance between the positive and negative offsets. FIG. 9A shows an exciting current waveform at the time of exciting magnetic field switching immediately after the exciting magnetic field switching unit 103. The waveform is a waveform in which the polarity of the alternating current on which the DC bias component is superimposed is periodically switched, as in the case of FIG. 7A. FIG. 9B shows the waveform (after amplification) of the pickup signal at the time of exciting magnetic pole switching immediately after the amplifier 106 when the temperature of the sensor unit 104 changes from room temperature. Here, as a typical example, a case where distortion exists in the waveform as an imbalance between positive and negative offsets is shown. As an offset imbalance, consider a case where the waveform at the negative electrode property in the latter half is distorted as compared with the positive electrode property in the first half. Here, the amplitude increases due to the offset fluctuation due to the temperature change, and the imbalance between the positive and negative offsets also increases. Specifically, the first half is a pickup signal corresponding to the offset that appears at the time of positive electrode property, which is the same as the case of FIG. 7B. The latter half is a pickup signal corresponding to the offset that appears at the time of negative electrode, but as compared with the case of FIG. 7B, the distortion increases with the amplitude due to the temperature change. FIG. 9C shows the waveform of the detection signal immediately after the synchronous detector 107. The waveform also contains the distortion in the latter half as compared with the case of (c) of FIG. However, in both the first half and the second half, the detection output (that is, sensitivity) is maximized because the timing of reversing the polarity in the detection is the point where the instantaneous value of the pickup signal becomes zero. On the left side of FIG. 9D, the offset appearing at the time of positive electrode property and the offset appearing at the time of negative electrode property in the averaging performed by the low-pass filter 108 are shown. On the right side of FIG. 9D, the final overall average value obtained by the low-pass filter 108 is shown. The overall mean value shown on the right side of FIG. 9D is deviated from zero to the negative side due to the influence of the latter half including distortion. The amount of deviation will change depending on the temperature. As described above, when there is an imbalance between the positive and negative offsets, the overall average value fluctuates due to the imbalance due to the distortion of the waveform due to the temperature change. Therefore, the sensor output does not become zero due to the temperature change.

(正負オフセットにアンバランスがある場合の、極性に対応する独立した増幅率で増幅したときの同期検波)
これから、本発明に係る、温度による正負オフセット変動にアンバランスがある場合において、直流バイアス電流の極性に対応する独立した増幅率で増幅することによって、最終的な出力に温度による変化を生じさせないようにする手法について説明する。図10は、正負オフセット変動にアンバランスがある場合の、温度を変化させた場合の直流バイアス電流のそれぞれの極性における検波信号(あるいは、その基となるピックアップ信号)内のオフセット成分の絶対値が実質的にお互いに等しいままなるように、それぞれの極性に対応するピックアップ信号を独立した増幅率で増幅することによって、正負オフセットの和が極小となるように増幅割合を調節した場合の同期検波を説明する図である。ここでのセンサ部204の温度は常温である。図10の(a)には、励磁極性スイッチング部203の直後における、励磁極性スイッチング時の励磁電流波形が示されている。その波形は、図7の(a)の場合と同じく、直流バイアス成分が重畳された交流の極性を周期的に切り替えた波形である。図10の(b)には、センサ部204の磁性コアの温度が常温の場合の、増幅器206の直後における励磁極性スイッチング時のピックアップ信号の波形(増幅後)が示されている。正負オフセット(励磁電流の直流バイアス成分が正極性の時のオフセット成分と負極性の時のオフセット成分)のアンバランス(対称的でないこと)により、前半の正極性時のピックアップ波形に対して、後半の負極性時のピックアップ波形は歪みを含んだ状態である。図10の(c)には、同期検波器207の直後における検波信号の波形が示されており、後半は歪みを含んでいる。なお、前半、後半とも、検波で極性を反転させるタイミングはピックアップ信号の瞬時値がゼロとなる点であるため、検波出力(すなわち感度)は最大となっている。
(Synchronous detection when amplified with an independent amplification factor corresponding to the polarity when there is an imbalance between the positive and negative offsets)
From this, when there is an imbalance in the positive / negative offset fluctuation due to temperature according to the present invention, the final output is not changed due to temperature by amplifying with an independent amplification factor corresponding to the polarity of the DC bias current. The method of making is explained. In FIG. 10, the absolute value of the offset component in the detection signal (or the pickup signal that is the basis thereof) at each polarity of the DC bias current when the temperature is changed when the positive / negative offset fluctuation is unbalanced is shown. Synchronous detection when the amplification ratio is adjusted so that the sum of the positive and negative offsets is minimized by amplifying the pickup signals corresponding to each polarity with independent amplification factors so that they remain substantially equal to each other. It is a figure explaining. The temperature of the sensor unit 204 here is room temperature. FIG. 10A shows an exciting current waveform at the time of exciting magnetic field switching immediately after the exciting magnetic field switching unit 203. The waveform is a waveform in which the polarity of the alternating current on which the DC bias component is superimposed is periodically switched, as in the case of FIG. 7A. FIG. 10B shows the waveform (after amplification) of the pickup signal at the time of exciting magnetic pole switching immediately after the amplifier 206 when the temperature of the magnetic core of the sensor unit 204 is room temperature. Due to the imbalance (not symmetric) of the positive and negative offsets (the offset component when the DC bias component of the exciting current is positive and the offset component when it is negative), the latter half of the pickup waveform when the positive electrode is positive is compared to the latter half. The pickup waveform at the time of negative electrode property is in a state including distortion. FIG. 10C shows the waveform of the detection signal immediately after the synchronous detector 207, and the latter half includes distortion. In both the first half and the second half, the detection output (that is, sensitivity) is maximized because the timing of reversing the polarity in the detection is the point where the instantaneous value of the pickup signal becomes zero.

増幅器206は、正極性、負極性のそれぞれの極性に対して独立した増幅率で増幅できる。ここで増幅器206は、センサ出力の温度係数が実質的に最小となるようにそれぞれの増幅率が独立して調節される。具体的には、そのそれぞれの増幅率(増幅割合)は、それぞれの極性に応じたピックアップ信号間に存在するオフセット成分のアンバランスが実質的に打ち消されるように、一定割合で定められる。すなわち、(外部磁場無しまたは一定に保った状態で)センサ部204周辺の温度を変化させた場合の最終的なセンサ出力値が実質的に等しいままとなるように定められる。図10の(d)の左側には、ローパスフィルタ208においてなされる平均化における、正極性時に現れるオフセットと、負極性時に現れるオフセットとが示されている。そして、それらのオフセットの絶対値は温度が変化してもお互いに等しいままになるように増幅器206の正極性、負極性の増幅率が独立して調節されている。このように調節すると、センサ部204周辺の温度が変化しても、それぞれの極性における異方性Kuに起因する、検波信号(あるいは、その基となるピックアップ信号)に含まれるオフセット成分の絶対値がお互いに等しいままとなり、センサ部204周辺の温度が変化してもオフセット成分の変動によるアンバランスを排除することができる。図10の(d)の右側には、ローパスフィルタ108において得られる最終的な全体平均値が示されている。正極性時に現れる正のオフセットと、負極性時に現れる負のオフセットの絶対値は温度が変化してもお互いに等しいままになるように調節されているため、それらの全体平均値はゼロとなる。このように、オフセットのアンバランスがキャンセルされるように、正極性、負極性のそれぞれの極性のピックアップ信号に対して独立した増幅率によってピックアップ信号が増幅されているため、全体平均値は変動せずに、常にゼロとなる。 The amplifier 206 can amplify with independent amplification factors for each of the positive and negative polarities. Here, each amplification factor of the amplifier 206 is independently adjusted so that the temperature coefficient of the sensor output is substantially minimized. Specifically, each amplification factor (amplification ratio) is determined at a constant ratio so that the imbalance of the offset component existing between the pickup signals corresponding to the respective polarities is substantially canceled. That is, the final sensor output values are set to remain substantially equal when the temperature around the sensor unit 204 is changed (without an external magnetic field or kept constant). On the left side of FIG. 10D, the offset appearing at the time of positive electrode property and the offset appearing at the time of negative electrode property in the averaging performed by the low-pass filter 208 are shown. The positive and negative amplification factors of the amplifier 206 are independently adjusted so that the absolute values of these offsets remain equal to each other even when the temperature changes. With this regulation, be varied temperature around the sensor unit 204 is due to the anisotropy K u in each polarity, the detection signal (or a pickup signal which becomes the base) absolute offset component contained in the Even if the values remain equal to each other and the temperature around the sensor unit 204 changes, the imbalance due to the fluctuation of the offset component can be eliminated. On the right side of FIG. 10D, the final overall average value obtained by the low-pass filter 108 is shown. Since the absolute values of the positive offset appearing at the positive electrode property and the negative offset appearing at the negative electrode property are adjusted so as to remain equal to each other even when the temperature changes, their overall average values are zero. In this way, the pickup signal is amplified by an independent amplification factor for the pickup signals of the positive and negative polarities so that the offset imbalance is canceled, so that the overall average value fluctuates. Instead, it is always zero.

(正負オフセットにアンバランスがある場合の、極性に対応する独立した増幅率で増幅したときの温度が変化した場合の同期検波)
次に、正負オフセットにアンバランスがある場合において、極性に対応する独立した増幅率で増幅したときの温度が常温から変化した場合について説明する。図11には、図10の場合と同様の正負オフセットにアンバランスがある場合において、温度が常温から変化したときの同期検波を説明する図が示されている。図11の(a)には、励磁極性スイッチング部203の直後における、励磁極性スイッチング時の励磁電流波形が示されている。その波形は、図7の(a)の場合と同じく、直流バイアス成分が重畳された交流の極性を周期的に切り替えた波形である。図11の(b)には、センサ部204の温度が常温から変化した場合の、増幅器206の直後における励磁極性スイッチング時のピックアップ信号の波形(増幅後)が示されている。ここでは典型例として、図10の場合と同様の正負オフセットのアンバランスとして負極性のときの波形に歪みが存在する場合が示されている。ただし、温度が常温から変化したことにより振幅が大きくなるとともに正負オフセットのアンバランスも拡大される。具体的には、前半は正極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であり、図10の(b)の場合と比べると、振幅が増大したものとなっている。後半は、負極性時に現れるオフセットに対応するピックアップ信号であるが、図10の(b)の場合と比べると、振幅とともに歪みも増大している。図11の(c)には、同期検波器207の直後における検波信号の波形が示されている。その波形も図10の(c)の場合と比べると、後半の歪みを含んだままである。ただし、前半、後半とも、検波で極性を反転させるタイミングはピックアップ信号の瞬時値がゼロとなる点であるため、検波出力(すなわち感度)は最大のままである。図11の(d)の左側には、ローパスフィルタ108においてなされる平均化における、正極性時に現れるオフセットと、負極性時に現れるオフセットとが示されている。図10の場合と比較すると、オフセットが大きくなっているが、増幅器206の増幅率は、正負それぞれの極性に応じたピックアップ信号間に存在するオフセット成分のアンバランスが実質的に打ち消されるように、一定割合で調節されているため、温度が変化しても正極性、負極性のオフセットの絶対値は同じである。図11の(d)の右側には、ローパスフィルタ108において得られる最終的な全体平均値が示されている。正極性時に現れる正のオフセットと、負極性時に現れる負のオフセットの絶対値は温度が変化してもお互いに等しいままとなるように調節されているため、温度が常温から変化してオフセットの絶対値が大きくなったとしてもそれらの全体平均値はゼロとなる。このように、温度が変化してもオフセットのアンバランスがキャンセルされるように、正極性、負極性のそれぞれの極性のピックアップ信号に対して独立した増幅率によってピックアップ信号が増幅されているため、温度が常温から変化しても、全体平均値は変動せずに、常にゼロとなる。このように、温度変化による出力の変動は極小となる。
(Synchronous detection when the temperature changes when amplified by an independent amplification factor corresponding to the polarity when there is an imbalance between the positive and negative offsets)
Next, when there is an imbalance between the positive and negative offsets, the case where the temperature when amplified by an independent amplification factor corresponding to the polarity changes from room temperature will be described. FIG. 11 shows a diagram for explaining synchronous detection when the temperature changes from room temperature when there is an imbalance in the positive and negative offsets similar to the case of FIG. FIG. 11A shows an exciting current waveform at the time of exciting magnetic field switching immediately after the exciting magnetic field switching unit 203. The waveform is a waveform in which the polarity of the alternating current on which the DC bias component is superimposed is periodically switched, as in the case of FIG. 7A. FIG. 11B shows the waveform (after amplification) of the pickup signal at the time of exciting magnetic pole switching immediately after the amplifier 206 when the temperature of the sensor unit 204 changes from room temperature. Here, as a typical example, a case where distortion exists in the waveform at the time of negative electrode property is shown as an imbalance of positive and negative offsets similar to the case of FIG. However, as the temperature changes from room temperature, the amplitude increases and the imbalance between positive and negative offsets also increases. Specifically, the first half is a pickup signal corresponding to the offset that appears at the time of positive electrode property, and the amplitude is increased as compared with the case of FIG. 10B. The latter half is a pickup signal corresponding to the offset that appears at the time of the negative electrode property, but the distortion increases with the amplitude as compared with the case of FIG. 10B. FIG. 11 (c) shows the waveform of the detection signal immediately after the synchronous detector 207. The waveform also contains the distortion in the latter half as compared with the case of (c) of FIG. However, in both the first half and the second half, the detection output (that is, sensitivity) remains at the maximum because the timing of reversing the polarity in the detection is the point where the instantaneous value of the pickup signal becomes zero. On the left side of FIG. 11D, the offset appearing at the time of positive electrode property and the offset appearing at the time of negative electrode property in the averaging performed by the low-pass filter 108 are shown. Although the offset is larger than that in the case of FIG. 10, the amplification factor of the amplifier 206 is such that the imbalance of the offset component existing between the pickup signals corresponding to the positive and negative electrodes is substantially canceled. Since it is adjusted at a constant rate, the absolute values of the positive and negative offsets are the same even if the temperature changes. On the right side of FIG. 11D, the final overall average value obtained by the low-pass filter 108 is shown. Since the absolute values of the positive offset that appears when the positive electrode is positive and the negative offset that appears when the negative electrode is negative are adjusted so that they remain equal to each other even if the temperature changes, the temperature changes from normal temperature and the absolute offset is absolute. Even if the values increase, their overall average value will be zero. In this way, the pickup signal is amplified by an independent amplification factor for the positive and negative polarity pickup signals so that the offset imbalance is canceled even if the temperature changes. Even if the temperature changes from normal temperature, the overall average value does not change and is always zero. In this way, the fluctuation of the output due to the temperature change is minimized.

次に、本発明によって温度係数がどの程度向上させることができたのかを説明する。従来の、感度や雑音の特性が最良となるように同期検波のタイミングが調節されたフラックスゲート磁界センサ100と、本発明の、さらに温度特性が最良となるように極性に対応する独立した増幅率で増幅したフラックスゲート磁界センサ200とを、それぞれセンサ部の温度を変化させる環境におき、そのときの温度係数を測定した。このとき、センサ部204を外部磁場が極めて小さく安定な磁気シールドボックス内に設置し、測定される出力変化を出力オフセット変化そのものと見なすことができるようにした。図12は、従来技術と本発明に係るフラックスゲート磁界センサの、温度変化と温度係数の実測値のグラフである。図12の(a)は、それらのセンサに与えた温度変化である。実線が本発明のフラックスゲート磁界センサ200のグラフであり、一点鎖線のグラフが従来のフラックスゲート磁界センサ100のグラフである。温度変化としては、最初に−30度程度に急冷した後、3時間以上かけて、徐々に室温近くに戻すような低温側温度サイクルを与えた。両方のセンサの実際の温度変化には、許容できる程度の若干の差があった。図12の(b)には、そのような温度変化を与えた時のオフセットが示されている。オフセットの温度係数は、実線で示される本発明のフラックスゲート磁界センサ200では、0.026nT/℃であるが、一点鎖線で示される従来のフラックスゲート磁界センサ100では、0.12nT/℃である。このように、本発明のフラックスゲート磁界センサ200では、従来技術のセンサと比較すると温度係数が4〜5倍低減しており、顕著な効果を奏するものであることが確認された。 Next, how much the temperature coefficient could be improved by the present invention will be described. The conventional fluxgate magnetometer 100 in which the timing of synchronous detection is adjusted so that the sensitivity and noise characteristics are the best, and the independent amplification factor of the present invention corresponding to the polarity so that the temperature characteristics are the best. The fluxgate magnetic field sensor 200 amplified in 1 was placed in an environment in which the temperature of the sensor unit was changed, and the temperature coefficient at that time was measured. At this time, the sensor unit 204 is installed in a stable magnetic shield box in which the external magnetic field is extremely small so that the measured output change can be regarded as the output offset change itself. FIG. 12 is a graph of measured values of temperature change and temperature coefficient of the fluxgate magnetic field sensor according to the prior art and the present invention. FIG. 12A shows the temperature change given to these sensors. The solid line is the graph of the fluxgate magnetic field sensor 200 of the present invention, and the one-point chain line graph is the graph of the conventional fluxgate magnetic field sensor 100. As for the temperature change, a low temperature side temperature cycle was given in which the temperature was first rapidly cooled to about −30 ° C. and then gradually returned to near room temperature over 3 hours or more. There was an acceptable slight difference in the actual temperature changes of both sensors. FIG. 12B shows the offset when such a temperature change is applied. The temperature coefficient of the offset is 0.026 nT / ° C in the fluxgate magnetic field sensor 200 of the present invention shown by the solid line, but is 0.12 nT / ° C. in the conventional fluxgate magnetic field sensor 100 shown by the one-point chain line. .. As described above, it was confirmed that the fluxgate magnetic field sensor 200 of the present invention has a temperature coefficient reduced by 4 to 5 times as compared with the sensor of the prior art, and exerts a remarkable effect.

(直流励磁電流の極性に応じた増幅割合のパラメータ)
次に、正負オフセット変動が極小となるように、直流励磁電流の極性毎の増幅率(増幅割合)をどのように設定するかについて説明する。図13には、直流励磁電流の極性に応じた増幅割合に対する温度係数の実測例のグラフが示されている。図の横軸は正規化した増幅割合のパラメータであり、増幅率を設定する可変抵抗252A及び252Bにより、(可変抵抗252Aの値−可変抵抗252Bの値)/可変抵抗252Aの値で示される値である。そして、縦軸に温度係数が示されている。ある増幅割合における温度係数は、可変抵抗252A及び252Bによってその増幅割合に設定した状態で、環境の温度を変化させながらセンサ出力を実測することによって測定した。図13から理解されるように、増幅割合のパラメータを低い値から高い値に徐々に変化させると、温度係数は高い値から低くなるが、あるところで極小値をとり、次に反転して高くなる。図13の例では、増幅割合のパラメータが−0.2のときに温度係数が最小となっている。従って、負極性時の可変抵抗値を正極性時の可変抵抗値より20%程度高くしたときに、正負オフセット変動が極小となり、温度係数が最小となるものであることが理解される。なお、実際の増幅率は可変抵抗252A及び252Bを切り替えるアナログスイッチのON抵抗の差が加味されるため、増幅割合のパラメータが0の場合が従来の増幅器106を使用した場合に直接は対応しない。このように、極小値となる増幅割合のパラメータが適切な値になるように直流励磁電流の極性毎の増幅率を設定することで、温度係数を最小にすることができる。なお、上述の例は、直流励磁電流の極性に応じた増幅率の増幅器によって温度係数を最小にするものであるが、そのために必要な構成は、直流励磁電流の極性に応じてピックアップ信号のレベルを独立して調節するための構成である。従って、増幅以外の方法で、極性に応じてピックアップ信号のレベルを調節することによっても、温度係数が最小になるように調節することが可能である。例えば、直流励磁電流の極性に応じた独立した減衰率を有する減衰器によっても、同様に温度係数を最小にすることが可能である。この場合、それぞれの極性のピックアップ信号を同じ増幅率で増幅した後に、それぞれの極性に対応する減衰率で減衰させることなどができる。また、ピックアップ信号のレベルに対応する他の信号、例えば、検波信号などに対して、直流励磁電流の極性に応じてそれのレベルを独立して調節する増幅器などの構成を用いることも可能である。
(Parameter of amplification ratio according to the polarity of DC exciting current)
Next, how to set the amplification factor (amplification ratio) for each polarity of the DC exciting current so that the positive / negative offset fluctuation is minimized will be described. FIG. 13 shows a graph of an actual measurement example of the temperature coefficient with respect to the amplification ratio according to the polarity of the DC exciting current. The horizontal axis of the figure is a parameter of the normalized amplification ratio, and is a value indicated by (value of variable resistance 252A-value of variable resistance 252B) / value of variable resistance 252A by variable resistors 252A and 252B for setting the amplification factor. Is. The temperature coefficient is shown on the vertical axis. The temperature coefficient at a certain amplification ratio was measured by actually measuring the sensor output while changing the temperature of the environment in a state where the amplification ratio was set by the variable resistors 252A and 252B. As can be seen from FIG. 13, when the amplification ratio parameter is gradually changed from a low value to a high value, the temperature coefficient decreases from a high value, but takes a minimum value at a certain point and then inverts and increases. .. In the example of FIG. 13, the temperature coefficient is the minimum when the amplification ratio parameter is −0.2. Therefore, it is understood that when the variable resistance value in the negative electrode property is made higher than the variable resistance value in the positive electrode property by about 20%, the positive / negative offset fluctuation becomes the minimum and the temperature coefficient becomes the minimum. Since the actual amplification factor takes into account the difference in the ON resistance of the analog switch that switches between the variable resistors 252A and 252B, the case where the amplification ratio parameter is 0 does not directly correspond to the case where the conventional amplifier 106 is used. In this way, the temperature coefficient can be minimized by setting the amplification factor for each polarity of the DC exciting current so that the parameter of the amplification ratio that becomes the minimum value becomes an appropriate value. In the above example, the temperature coefficient is minimized by an amplifier having an amplification factor according to the polarity of the DC exciting current, but the configuration required for that purpose is the level of the pickup signal according to the polarity of the DC exciting current. It is a configuration for adjusting independently. Therefore, it is possible to adjust the temperature coefficient so as to be minimized by adjusting the level of the pickup signal according to the polarity by a method other than amplification. For example, an attenuator having an independent attenuation rate depending on the polarity of the DC exciting current can also minimize the temperature coefficient. In this case, the pickup signals of each polarity can be amplified with the same amplification factor and then attenuated with the attenuation factor corresponding to each polarity. It is also possible to use a configuration such as an amplifier that independently adjusts the level of another signal corresponding to the level of the pickup signal, for example, a detection signal, according to the polarity of the DC exciting current. ..

本発明は、フラックスゲート磁界センサの温度係数を極めて良好な値にすることができ、宇宙機用のみならず、温度変化にさらされる環境で使用される磁界センサに好適に適用することができる。 The present invention can set the temperature coefficient of the fluxgate magnetic field sensor to an extremely good value, and can be suitably applied not only to spacecraft but also to magnetic field sensors used in an environment exposed to temperature changes.

100 :フラックスゲート磁界センサ
101 :直流重畳交流励磁部
102 :移相器
103 :励磁極性スイッチング部
104 :センサ部
105 :ボルテージフォロア
106 :増幅器
107 :同期検波器
108 :ローパスフィルタ
109 :積分器
110 :フィードバック抵抗
111 :出力端子
200 :フラックスゲート磁界センサ
200A :フラックスゲート磁界センサ
200B :フラックスゲート磁界センサ
201 :直流重畳交流励磁部
202 :移相器
203 :励磁極性スイッチング部
204 :センサ部
205 :ボルテージフォロア
206 :増幅器
207 :同期検波器
208 :ローパスフィルタ
209 :積分器
210 :フィードバック抵抗
211 :出力端子
251 :増幅回路
252A :可変抵抗
252B :可変抵抗
H :励磁磁界
dc :直流バイアス磁界
ex :外部磁界
s :磁化
u :異方性
bs :切り替え周波数
100: Flux gate magnetometer 101: DC superimposition AC exciter 102: Phase shifter 103: Exciting magnetic pole switching unit 104: Sensor unit 105: Voltage follower 106: Amplifier 107: Synchronous detector 108: Low-pass filter 109: Integrator 110: Feedback resistance 111: Output terminal 200: Flux gate magnetic field sensor 200A: Flux gate magnetic field sensor 200B: Flux gate magnetic field sensor 201: DC superimposing AC magnetometer 202: Phase shifter 203: Exciting magnetic pole switching unit 204: Sensor unit 205: Voltage follower 206: Amplifier 207: Synchronous detector 208: Low-pass filter 209: Integrator 210: Feedback resistance 211: Output terminal 251: Amplification circuit 252A: Variable resistance 252B: Variable resistance H: Exciting magnetic field H dc : DC bias magnetic field H ex : External Magnetic field J s : Magnetospheric K u : Animate f bs : Switching frequency

Claims (6)

検出される磁界が印加される細長い磁性体からなる磁性コアと、
前記磁性コアに巻回されたピックアップコイルと、
極性が正極性と負極性の間で周期的に切り替えられる直流バイアス電流を交流電流に重畳させた励磁電流を前記磁性コアに供給する直流重畳交流励磁部と、
前記ピックアップコイルからのピックアップ信号を増幅する増幅器と、
増幅された前記ピックアップ信号を検波することにより検波信号を出力する検波器と、
前記検波信号から前記検出される磁界に対応しない信号を除去した磁界検出信号に基づいてセンサ出力を生成する出力回路と、を含むフラックスゲート磁界センサにおいて、
前記増幅器は、前記直流バイアス電流の前記正極性と前記負極性のそれぞれに対応する前記ピックアップ信号をそれぞれ独立した増幅率で増幅することを特徴とするフラックスゲート磁界センサ。
A magnetic core made of an elongated magnetic material to which a detected magnetic field is applied,
The pickup coil wound around the magnetic core and
A DC superimposed AC excitation unit that supplies an exciting current in which a DC bias current whose polarity is periodically switched between positive and negative electrodes is superimposed on an AC current to the magnetic core.
An amplifier that amplifies the pickup signal from the pickup coil and
A detector that outputs a detection signal by detecting the amplified pickup signal, and
In a fluxgate magnetic field sensor including an output circuit that generates a sensor output based on a magnetic field detection signal obtained by removing a signal that does not correspond to the detected magnetic field from the detection signal.
The amplifier is a fluxgate magnetic field sensor that amplifies the pickup signals corresponding to the positive electrode property and the negative electrode property of the DC bias current at independent amplification factors.
前記検波器は、増幅された前記ピックアップ信号を前記直流重畳交流励磁部からの交流電流と周波数が同期した参照信号を参照して同期検波するものである、請求項1に記載のフラックスゲート磁界センサ。 The fluxgate magnetometer according to claim 1, wherein the detector synchronously detects the amplified pickup signal with reference to a reference signal whose frequency is synchronized with the AC current from the DC superimposed AC excitation unit. .. 前記交流電流は、前記直流バイアス電流と同じ周期で極性が周期的に反転させられる、請求項1又は2に記載のフラックスゲート磁界センサ。 The fluxgate magnetic field sensor according to claim 1 or 2, wherein the alternating current has a polarity that is periodically reversed in the same cycle as the direct current bias current. 前記増幅器は、前記センサ出力の温度係数が実質的に最小となるようにそれぞれの前記増幅率が独立して調節されている、請求項1から3のいずれか1項に記載のフラックスゲート磁界センサ。 The fluxgate magnetic field sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the amplifier is independently adjusted for each amplification factor so that the temperature coefficient of the sensor output is substantially minimized. .. 前記増幅器は、センサ周辺の温度を変化させた場合に、前記直流バイアス電流が前記正極性と前記負極性のときのそれぞれの前記検波信号に含まれるオフセット成分の絶対値がお互いに等しいままであるように、それぞれの前記増幅率が独立して調節されている、請求項4に記載のフラックスゲート磁界センサ。 In the amplifier, when the temperature around the sensor is changed, the absolute values of the offset components contained in the detection signals when the DC bias current is positive and negative remain equal to each other. The fluxgate magnetic field sensor according to claim 4, wherein each of the amplification factors is adjusted independently. 前記出力回路は、前記磁界検出信号を積分したフィートバック信号を前記ピックアップコイルに前記磁界検出信号を打ち消す極性で入力し、前記フィードバック信号から前記センサ出力を生成する、請求項1から5のいずれか1項に記載のフラックスゲート磁界センサ。 The output circuit is any one of claims 1 to 5, wherein a footback signal obtained by integrating the magnetic field detection signal is input to the pickup coil with a polarity that cancels the magnetic field detection signal, and the sensor output is generated from the feedback signal. The flux gate magnetic field sensor according to item 1.
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