JPH1078477A - 磁気インピーダンス素子を具える磁気センサ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気インピーダンス素子を具える磁気センサ
回路において、磁気インピーダンス素子が本来的に持っ
ているきわめて高い分解能を、広い温度範囲に亘って維
持できるとともに検出すべき外部磁界の周波数の広い範
囲に亘って安定に動作するものを提供する。 【解決手段】 磁気インピーダンス素子を有する自己発
振回路100 と、その出力信号の振幅を検波する振幅検波
回路200 と、この振幅検波されて得られる信号の直流成
分をカットして交流成分のみを通す交流結合回路300
と、直流成分がカットされた信号を増幅する増幅回路40
0 と、この増幅回路の出力信号を自己発振回路100 の磁
気インピーダンス素子へ負帰還する負帰還回路500 とを
設ける。この負帰還回路500 を電流帰還型回路として構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気インピーダン
ス素子を可変インピーダンス要素として具える自己発振
回路と、この自己発振回路の出力信号を検波する振幅検
波回路と、この振幅検波回路の出力信号を増幅する増幅
回路と、この増幅回路の出力信号を前記自己発振回路へ
負帰還する負帰還回路とを具える磁気センサ回路に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気検出センサとしては磁気抵抗
素子が広く用いられているが、検出感度の点で満足すべ
きものではなかった。また、磁気抵抗素子は応答周波数
が高々数十KHz 程度であり、高い周波数で変化する磁界
の検出ができなかった。この磁気抵抗素子に代わる高感
度磁気検出センサの代表的なものとしてフラックスゲー
ト(FG)があり、地磁気などの空間的に一様な磁界を検出
する場合には、10^-6Oeの非常に高い分解能を有してい
る。しかし、このFGセンサは、磁気記録やロータリエン
コーダなどの磁気ヘッドとして使用することはできな
い。その理由は、FGセンサのヘッドの寸法が、例えば±
2Oe フルスケールで28mmと長いので、記録媒体の表面磁
界のように微小空間に限定された磁界を検出することが
できないためである。例えば、磁気ヘッドの長さを2 〜
3mm と短くすると、反磁界が増大して感度が急激に低下
してしまい、地磁気の検出さえも困難となってしまう。

【０００３】上述したようなFGセンサの欠点を解消する
ものとして磁気インピーダンス素子(MI 素子) が提案さ
れている。このMI素子は、例えば特開平6-176930号公報
および同6-283344号公報に記載されているように、アモ
ルファス柔磁性のワイヤや薄膜などに微小高周波電流を
通電し、その表皮効果によりインピーダンスが外部印加
磁界によって微小に変化する磁気効果を利用した高感度
および高速応答の素子である。このようなMI素子では、
磁性体ヘッドは通電電流で円周方向に励磁されるので、
ヘッドの長さ方向の検出磁界による反磁界は非常に小さ
いものとなるため、ヘッド長を1mm 以下としても磁界の
検出感度は低下せず、きわめて高いものとなる。

【０００４】このようなMI素子を用いて外部磁界を検出
する磁気センサ回路として、MI素子を自己発振回路、特
にコルピッツ発振器に組み込み、検出すべき外部交流磁
界によって振幅変調される発振回路の出力電圧の振幅の
変化を検出するようにしたMI素子を具える磁気センサ回
路が提案されている。図１はこのような既知の磁気セン
サ回路の一例を示すものである。検出すべき外部磁界He
x に曝されるように配置されたMI素子を組み込んだコル
ピッツ発振回路10の出力電圧の振幅を振幅検波回路20で
検出し、この検波出力電圧を増幅回路30で増幅して、検
出信号を出力するとともにこの増幅回路30の出力信号を
負帰還回路40を介してコルピッツ発振回路10へ帰還する
ようにしている。 コルピッツ発振回路10にはトランジ
スタ11が設けられ、このトランジスタのベースとコレク
タとの間にコイル12と直列に、例えばアモルファス軟磁
性ワイヤよりなるMI素子13が接続され、コレクタは抵抗
14を経て直流電源の正端子Vcc に接続され、エミッタは
抵抗15を経て接地され、ベースはコンデンサ16を経て接
地されている。さらに、MI素子13には磁気バイアス用の
コイル17が巻回されているとともに帰還用のコイル18が
巻回されている。また、バイアス用のコイル17は可変抵
抗19を経て抵抗14とトランジスタ11のコレクタとの接続
点に接続されている。

【０００５】振幅検波回路20には、ダイオード21が設け
られ、そのアノードはコルピッツ発振回路10の出力端
子、すなわちトランジスタ11のコレクタに接続されてい
るとともにコンデンサ22を経て接地されている。また、
ダイオード21のカソードは抵抗23およびコンデンサ24の
並列回路を介して接地されているとともに抵抗25の一端
に接続されており、この抵抗の他端はコンデンサ26を経
て接地されている。 増幅回路30には、第１および第２
の演算増幅器31および32が設けられており、第１の増幅
器31の第１の入力端子は抵抗33を経て振幅検波回路20の
出力端子、すなわち抵抗25とコンデンサ26との接続点に
接続されている。第１の増幅器31の第２の入力端子は抵
抗34を経て接地されているとともに抵抗35および可変抵
抗36の直列回路を経て接地されている。第１の増幅器31
の出力端子は帰還抵抗37を経て第１の入力端子に接続さ
れている。第２の増幅器32の第１の入力端子は抵抗38を
経て第１の増幅器31の出力端子に接続され、第２の入力
端子は接地されている。また、第２の増幅器32の出力端
子は帰還抵抗39を介して第１の入力端子に接続されてい
る。負帰還回路40には、可変抵抗41が設けられており、
その一端は増幅回路30の出力端子、すなわち第２の増幅
器32の出力端子に接続され、他端はコルピッツ発振回路
10に設けた帰還用のコイル18に接続されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１に示した従来のMI
素子13を有する磁界センサ回路においては、種々の回路
素子、特にコルピッツ発振回路10に設けたトランジスタ
11や振幅検波回路20に設けたダイオード21のような半導
体素子の温度特性のために出力電圧Eoに大きな変動が生
じ、安定な検出ができない欠点がある。例えば、ダイオ
ード21では、1 ℃の温度変化に対して2mV 程度のドリフ
トが生ずるので、10℃の温度変動があると、20mVのドリ
フトが発生してしまい、この電圧が次段の増幅回路30に
おいて、例えば100 倍に増幅されると2Vといったきわめ
て大きなオフセット電圧が発生してしまい、高い磁界検
出感度を安定に維持できない欠点がある。

【０００７】図２は、図１に示した従来のMI素子を具え
る磁気センサ回路の、出力電圧の温度特性を、横軸に温
度( ℃) をとり、縦軸に出力電圧の変化率(%) をとって
示すグラフである。また、曲線A, BおよびC は、それぞ
れ10 mOeの検出すべき外部磁界Hex の周波数を1KHz, 50
KHz および1000KHz としたときの特性を示すものであ
り、直流バイアス電流を7mA とし、磁気インピーダンス
素子13の長さを5mm として測定したものである。いずれ
の周波数においても、出力電圧の変化率は温度によって
大きく変動し、特に0 ℃近傍の低温では60% 以上の大き
な変化率が現れており、実用できないことがわかる。

【０００８】さらに、従来の磁気センサ回路におけるコ
ルピッツ発振回路10は、自己バイアス（電圧帰還型バイ
アス）回路を使用しているので、安定性の点で問題があ
り、外部磁界の周波数の広い範囲に亘って安定に動作し
ない欠点もある。この外部磁界の周波数は応答速度に関
連するものであり、安定な検出をするためには、使用す
る周波数範囲の全域に亘って一定の検出出力が発生され
る必要がある。例えば、周波数が高くなるに伴って検出
出力が低下する場合には、応答速度が低くなり、高速度
で変化する磁界を正確に検出できないことになる。従来
の磁気センサ回路では、検出可能な磁界の周波数は数十
KHz 程度であり、それ以上の高い周波数では安定な検出
ができなかった。したがって、このような磁気センサ回
路を利用してGHz オーダーの高い周波数の電磁波を検知
する電磁波チェッカーや、高分解能で高速回転するロー
タリーエンコーダや、高周波数の電流センサを実現する
ことができなかった。したがって本発明の目的は、上述
した従来のMI素子を利用した磁気センサ回路の欠点を軽
減し、広い温度範囲および広い周波数範囲に亘ってMI素
子が本来持っているきわめて高い分解能を発揮でき、し
たがって微小な外部磁界を高感度および高速度で検出す
ることができる磁気センサ回路を提供しようとするもの
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は磁気インピーダ
ンス素子を可変インピーダンス要素として具える自己発
振回路と、この自己発振回路の出力信号を検波する振幅
検波回路と、この振幅検波回路の出力信号を増幅する増
幅回路と、この増幅回路の出力信号を前記自己発振回路
へ負帰還する負帰還回路とを具える磁気センサ回路にお
いて、前記振幅検波回路と増幅回路との間に直流電圧を
阻止し、交流電圧のみを通す交流結合回路を設け、前記
負帰還回路を電流帰還型の回路としたことを特徴とする
ものである。このような本発明による磁気センサ回路の
好適な実施例においては、前記自己発振回路をコルピッ
ツ発振回路として構成する。

【００１０】上述した本発明によるMI素子を具える磁気
センサ回路においては、自己発振回路と振幅検波回路と
の間に直流電圧をカットして交流電圧のみを通す交流結
合回路を設けたため、トランジスタやダイオードなどの
半導体素子の温度ドリフトによるオフセット電圧をカッ
トすることができ、したがって広い温度範囲に亘って高
い分解能を安定に維持することができる。さらに、負帰
還回路を電流帰還型としたため、周波数特性が安定し、
広い周波数範囲に亘って安定に動作するようになり、こ
れら両者の総合効果としてMI素子が本来的に持っている
高い分解能および高速応答性を十分に発揮させることが
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図３は本発明による磁気センサ回
路の一実施例の構成を示す回路図である。本発明による
磁気センサ回路は、基本的には、自己発振回路100 と、
振幅検波回路200 と、交流結合回路300 と、増幅回路40
0 と、負電流帰還回路5000とを具えるものである。本例
においては、さらに、増幅回路400 の出力信号を２つの
ゲインで切換え増幅する可変利得増幅回路600 と、所望
の周波数以上の信号をカットするフィルタ回路700 とを
設けるが、これらの可変利得増幅回路600 およびフィル
タ回路700 は本発明の要部ではない。

【００１２】自己発振回路100 はコルピッツ発振回路と
して構成し、その基本的な回路構成は図１に示した従来
のものと同じであるが、本発明では負帰還を電圧帰還で
はなく、電流帰還としている点が相違している。コルピ
ッツ発振回路100 は、トランジスタ101 を具え、そのコ
レクタを抵抗102 および103 を経て直流電源の正端子Vc
c に接続する。トランジスタ101 のエミッタは、抵抗10
4 および抵抗105 とコンデンサ106 との並列回路を経て
接地する。さらに、トランジスタ101 のベースは抵抗10
7 を経て接地する。トランジスタ101 のコレクタと抵抗
102 との接続点をコイル108 、磁気インピーダンス素子
109 およびコンデンサ110 を経てトランジスタのベース
に接続する。この磁気インピーダンス素子109 とコンデ
ンサ110 との接続点はコンデンサ111 を経て接地する。
また、抵抗102 5 と103 との接続点を抵抗112 を経てト
ランジスタ101 のベースに接続するともにコンデンサ11
3 および電解コンデンサ114の並列回路を経て接地す
る。磁気インピーダンス素子109 には直流バイアス磁界
を掛けるためのバイアス用コイル115 を巻回するともに
一端が負帰還回路500 に接続された帰還用コイル116 を
巻回する。バイアス用コイル115 の一端は抵抗117 を経
て電源正端子Vcc に接続する。また、これらのコイル11
3 および114 の他端は接地する。

【００１３】振幅検波回路200 の構成も図１に示した従
来の振幅検波回路の構成と同様であり、コルピッツ発振
回路100 の出力端子、すなわちトランジスタ101 のコレ
クタと抵抗102 との接続点にアノードを接続したダイオ
ード201 を具える。このダイオード201 のアノードをコ
ンデンサ202 を経て接地する。ダイオード201 のカソー
ドを抵抗203 およびコンデンサ204 の並列回路を経て接
地する。これら抵抗203 およびコンデンサ204 の接続点
を抵抗205 の一端に接続し、この抵抗の他端をコンデン
サ206 を経て接地する。これら抵抗205 およびコンデン
サ206 の接続点が振幅検波回路300 の出力端子となる。

【００１４】本発明においては、上述したようにトラン
ジスタ101 やダイオード201 などの回路素子の温度特性
によって生じるドリフトの影響を防止するために、振幅
検波回路200 の出力信号の直流成分を阻止し、交流成分
だけを通す交流結合回路300を設ける。図３に示すよう
に、この交流結合回路300 はコンデンサ301 を有する簡
単な回路とすることができる。

【００１５】上述したように交流結合回路300 によって
直流成分をカットした信号を、増幅回路400 に供給す
る。この増幅回路400 には、第１および第２の演算増幅
器401および402 を設ける。第１の演算増幅器401 の第
１入力端子を、交流結合回路400 の出力端子に接続する
とともに抵抗403 を経て接地する。第１演算増幅器401
の出力端子を帰還抵抗404 を介して第２の入力端子に接
続し、この第２の入力端子を抵抗405 を経て接地する。
第１の演算増幅器401 の出力端子を抵抗406 および407
を経て第２の演算増幅器402 の第１の入力端子に接続す
る。これらの抵抗406 および407 の接続点をコンデンサ
408 を経て接地する。また、第２演算増幅器402 の出力
端子を帰還抵抗409 を介して第１の入力端子に接続し、
第２の演算増幅器の第２の入力端子を抵抗410 を経て接
地する。第１の演算増幅器401 には、ポテンショメータ
411 を接続し、このポテンショメータの摺動端子を抵抗
412 を経て電源正端子Vcc に接続する。このポテンショ
メータを調整することによって第１演算増幅器401 のド
リフトによる出力電圧の変動をどう無くすことができ
る。

【００１６】増幅回路400 の出力端子を構成する第２の
演算増幅器402 の出力端子を、負帰還回路500 を経てコ
ルピッツ発振回路100 に接続する。すなわち、負帰還回
路500 には帰還抵抗501 を設け、その一端を増幅回路40
0 の出力端子に接続し、他端をコルピッツ発振回路100
に設けた帰還用コイル116 の一端に接続する。上述した
ようにこの帰還用コイル116 の他端は接地してある。本
発明では、このように負帰還回路500 を電流帰還回路と
して構成し、従来の電圧帰還回路に比べて広い周波数に
亘って安定した動作を得ることができる。

【００１７】本例においては、増幅回路400 の出力信号
を可変利得増幅回路600 で増幅し、さらにフィルタ回路
700 に通して所望のレベルを有するとともに所望の周波
数を有する信号を磁気センサの検出信号Eoとして出力す
るように構成する。可変利得増幅回路600 は、演算増幅
器601 の帰還回路に設けたスイッチ602 を切換えること
によって利得を１桁変える事が出来るように構成されて
いる。上述したように可変利得増幅回路600 およびフィ
ルタ回路700 は本発明の要部を構成するものではないの
で、これ以上詳細には説明しない。本例においては、コ
ルピッツ発振回路100 の発振周波数を50MHz とし、フィ
ルタ回路700 を、140KHzの遮断周波数を有するローパス
フィルタとして構成する。しかし、本発明はこのような
数値例に限定されるものではなく、例えば自己発振回路
の発振周波数を数十GHz とし、フィルタ回路のカットオ
フ周波数を数GHz とすることにより、直流から数GHz と
いったきわめて高い周波数で変化する外部磁界を検出す
ることができる。したがって、本発明によればGHz オー
ダーの電磁波チェッカーやきわめて高い磁気ピッチを有
して超高速で回転するロータリーエンコーダや数GHz 程
度のきわめて高い周波数の電流センサなどを実現するこ
とができる。

【００１８】図４〜６は上述した本発明による磁気セン
サ回路の特性を示すグラフである。図４は、出力電圧の
変化率の温度特性を示すものであり、横軸に温度( ℃)
、縦軸に出力電圧の変化率(%) を示す。なお、曲線
Ａ，ＢおよびＣは、それぞれ測定すべき外部磁界の周波
数を1KHz, 10KHz および100KHzとしたものである。いず
れの周波数においても、出力電圧の変化率は図２に示し
た従来の磁気センサ回路に比べて著しく小さくなってい
ることがわかる。従来の磁気センサ回路ではきわめてお
おきな変動を示した-20 ℃から20℃に低い温度範囲にお
ける変化率が従来に比べて特に小さくなっている。

【００１９】図５は、本発明のような負帰還を設けた場
合と、設けない場合での出力電圧の変動を示すものであ
る。本発明による負帰還を設けた場合の出力電圧の変化
を曲線Ａで示し、このような負帰還を設けない場合の出
力電圧の変化を曲線Ｂで示す。負帰還を設けない場合に
は、10KHz 程度から出力電圧の低下が見られるが、本発
明による場合には、100KHz程度まで出力電圧の低下は見
られない。

【００２０】図６は本発明による磁気センサ回路の検出
特性を、横軸に外部磁界(mOe) を取り、縦軸に出力電圧
(V) を取って示すものである。上述した３つの周波数に
対して測定したが、それらの特性曲線は殆ど一致してい
るので、図３では、10KHz の周波数に対する特性曲線だ
けを示した。図６から明らかなように、本発明において
は出力電圧は印加磁界の増大とともにリニアに増大して
いることがわかる。なお、図６において、100mOeにおい
て出力電圧が急激に変化しているのは、図３に示す可変
利得増幅回路600 のスイッチ602 を切換えて利得を1/10
としたためである。

【００２１】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例では、自己発振回路としてコルピッ
ツ発振回路を用いたが、ハートレイ発振回路や双安定マ
ルチバイブレータなどの自己発振回路を用いることもで
きる。

【００２２】

【発明の効果】上述したように本発明による磁気インピ
ーダンス素子を具える磁気センサ回路においては、振幅
検波回路と増幅回路との間に交流結合回路を設けるとと
もに負帰還回路を電流帰還型とすることによって、回路
素子の温度特性によるドリフトの影響を除去して広い温
度範囲に亘って高い分解能を得ることができるとともに
検出すべき外部磁界の広い周波数範囲に亘って安定した
動作を得ることができ、したがって磁気インピーダンス
素子が本来的に持っているきわめて優れた特性を最大限
に発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の磁気インピーダンス素子を具え
る磁気センサ回路の構成を示す回路図である。

【図２】図２は、同じく従来の磁気センサ回路の温度特
性を示すグラフである。

【図３】図３は、本発明による磁気インピーダンス素子
を具える磁気センサ回路の一実施例の構成を示す回路図
である。

【図４】図４は、本発明による磁気センサ回路の温度特
性を示すグラフである。

【図５】図５は、本発明による磁気センサ回路の周波数
特性を示すグラフである。

【図６】図６は、本発明による磁気センサ回路の出力特
性を示すグラフである。

【符号の説明】

100 自己発振回路、 200 振幅検波回路、 300
交流結合回路、 400増幅回路、 500 負帰還回路、
600 可変利得増幅回路、 700 フィルタ回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気インピーダンス素子を可変インピー
   ダンス要素として具える自己発振回路と、この自己発振
   回路の出力信号を検波する振幅検波回路と、この振幅検
   波回路の出力信号を増幅する増幅回路と、この増幅回路
   の出力信号を前記自己発振回路へ負帰還する負帰還回路
   とを具える磁気センサ回路において、前記振幅検波回路
   と増幅回路との間に直流電圧を阻止し、交流電圧のみを
   通す交流結合回路を設け、前記負帰還回路を電流帰還型
   の回路としたことを特徴とする磁気インピーダンス素子
   を具える磁気センサ回路。
2. 【請求項２】 前記自己発振回路をコルピッツ発振回路
   としたことを特徴とする請求項１に記載の磁気インピー
   ダンス素子を具える磁気センサ回路。