CN1932542B

CN1932542B - 磁传感器的励磁线圈驱动电路

Info

Publication number: CN1932542B
Application number: CN2006101055223A
Authority: CN
Inventors: 小林一行; 铃木达也; 金田安弘
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: KR100804389B1; EP1762858A2; JP2007078422A; CN1932542A; JP4856915B2; US20070057669A1; DE602006018231D1; TWI300850B; US7355398B2; EP1762858B1; EP1762858A3; KR20070030130A; TW200710421A

Abstract

提供一种具有高精度和稳定性的、制造偏差较小且可实现小型化的磁传感器的励磁线圈驱动电路。磁传感器的励磁线圈驱动电路，包括：D/A变换器(24)；同相放大器(22)，向该同相输入端子输入D/A变换器(24)的输出信号，并输出施加在磁传感器(11)的励磁线圈(112)的一端中的驱动信号(P)；和反相放大器(23)，向该同相输入端子输入D/A变换器(24)的输出信号，向该反相输入端子输入同相放大器(22)的输出，并输出施加在励磁线圈(112)的一端中的驱动信号(N)。

Description

磁传感器的励磁线圈驱动电路

技术领域

本发明涉及磁传感器的励磁线圈驱动电路，涉及用于提供具有高精度和稳定性的磁传感器的励磁线圈驱动电路的技术。

背景技术

有一种公知的所谓的磁通量闸门磁力计，其通过给缠绕在软磁性铁心(core)上的励磁线圈输入周期的驱动信号，让磁通量周期性饱和，根据对应于作为测定对象的外部磁场之大小进行变化的饱和时间间隔，来测定外部磁场的强度。磁通量闸门磁力计，作为磁力计具有各种优秀的特征：(1)灵敏度以及磁场分辨率较高、(2)能够测定微弱的磁场、(3)测定范围广、(4)与其他方式的磁力计相比温度稳定性较好、(5)对输入磁场的直线性高。

作为这样的磁通量闸门磁力计的一例，专利文献1中公开了一种磁力计，其具有通过加载给励磁线圈的交流信号的通电，将磁检测材料所构成的环形铁心励磁到饱和磁场的区域，利用环形铁心中所激励的饱和磁通量密度的对称性，来测量磁通量密度的磁传感器。另外，专利文献2中公开了一种通过振荡器给在铁心中缠绕励磁线圈与检测线圈所构成的磁通量闸门的励磁线圈加载激励电流，通过同步整流电路对检测线圈的输出进行同步整流并输出的磁力计。最近还期待应用于便携式指南针用磁传感器等小型机器中。

但是，在用于驱动磁通量闸门磁力计所使用的磁传感器的励磁线圈的驱动电路中，需要高精度和稳定性。另外，在进行对多个空间轴方向的磁场测定的情况等时，要求磁通量闸门磁力计被多个并用而使用，在大量生产之时减少各个磁通量闸门磁力计的制造偏差。进一步，向小型仪器的适用过程中，要求：要求部件数目较少，在集成化时不占芯片面积。

专利文献1：特开2005-147947号公报；

专利文献2：特开平8-285929号公报；

专利文献3：特开2005-61969号公报。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种，具有高精度和稳定性，且制造偏差较少，可实现小型化的磁传感器的励磁线圈驱动电路。

为了实现上述目的的本发明中的主要的发明之一为磁传感器的励磁线圈驱动电路，包括：D/A变换器，输入用于检测磁场的数字数据；第一放大器，其基于所述D/A变换器的输出信号，输出施加在磁传感器的励磁线圈的一端的驱动信号P；第二放大器，其基于所述D/A变换器的输出信号，输出施加在所述励磁线圈的另一端的与所述驱动信号P反相的驱动信号N，所述驱动信号N的振幅和所述驱动信号P的振幅，至少由最小值变化为最大值再变化为最小值或者由最大值变化为最小值再变化为最大值，二者交叉两次以上；和开关电路，其与多个所述励磁线圈连接，用于选择所述多个所述励磁线圈。

由此，利用D/A变换器数字性地构成磁传感器的励磁线圈驱动电路，从而能够实现不容易受到温度变化等的外部因素的影响的驱动电路。从而能够生成高精度且稳定的驱动信号。另外，能够抑制批量生产时的制造偏差。

由此，通过开关选择施加驱动信号的励磁线圈，从而可以通过同一个励磁线圈驱动来驱动多个励磁线圈。因此能够抑制驱动信号的偏差。另外，通过使励磁线圈驱动电路共通化，能够减少驱动电路的部件数或芯片面积。

根据本发明，能够提供一种具有高精度和稳定性的、制造偏差较小且可实现小型化的磁传感器的励磁线圈驱动电路。

本发明的另一种磁传感器的励磁线圈驱动电路，包括：SC积分器，其被输入用于检测磁场的数字数据；第一放大器，其基于所述SC积分器的输出信号，输出施加在磁传感器的励磁线圈的一端上的驱动信号P；第二放大器，其基于所述SC积分器的输出信号，输出施加在所述励磁线圈的另一端的与所述驱动信号P反相的驱动信号N，所述驱动信号N的振幅和所述驱动信号P的振幅，至少由最小值变化为最大值再变化为最小值或者由最大值变化为最小值再变化为最大值，二者交叉两次以上；和开关电路，其与多个所述励磁线圈连接，并用于选择所述多个所述励磁线圈。

附图说明

图1是表示作为本发明的一个实施方式说明的磁通量闸门磁力计1的结构的图；

图2是表示作为本发明的一个实施方式说明的磁通量闸门磁力计1的动作的时序图的图；

图3是表示作为本发明的一个实施方式说明的SC积分器80的一例的图；

图4(a)、(b)是表示生成驱动信号的升压期间的信号时的SC积分器80的开关SW1～SW4的状态的图；

图5(a)、(b)是表示生成驱动信号的降压期间的信号时的SC积分器80的开关SW1～SW4的状态的图；

图6(a)、(b)是通过SC积分器80生成的驱动信号的一例。

图中：

1-磁通量闸门磁力计；11、12、13-磁传感器；111、121、131-磁性体铁心；112、122、132-励磁线圈；113、123、133-检测线圈；21-励磁侧开关电路；22-同相放大器；23-反相放大器；24-D/A变换器；25-DAC控制逻辑；31-检测侧开关电路；32-电压调整电路；33-差动放大器；34-磁滞比较器；35-计数器；41-控制电路；411-存储器；51-控制线；61-总线；71-微型计算机。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行详细地说明。图1表示作为本发明的一个实施方式说明的磁通量闸门磁力计的构成。在该图中所示的磁通量闸门磁力计1，具有与X轴、Y轴、Z轴的各个轴对应的三个磁传感器11、12、13。这些磁传感器11、12、13通过在纳米(ナノ)结晶软磁性材料等软磁性材料所构成的磁性体铁心111、121、131上缠绕励磁线圈112、122、132以及检测线圈113、123、133而构成。励磁线圈112、122、132，通过励磁线圈驱动电路来驱动，所述励磁线圈驱动电路，含有励磁侧开关电路21、同相放大器22、反相放大器23、D/A变换器24、及控制D/A变换器24的动作的控制逻辑(logic)(以下，称作DAC控制逻辑25)而构成。另外，检测线圈113、123、133的输出电压，通过信号检测电路来进行处理，所述信号检测信号，含有检测侧开关电路31、将输出电压调整为规定的电压电平的电压调整电路32、对输出电压进行放大的差动放大器33、在输出电压含有的两个峰值状电压间的期间输出低(LOW)电平的数字信号的磁滞比较器34、及在从磁滞比较器34输出的数字信号为低电平的期间对时钟信号的脉冲进行计数的计数器35而构成。

控制电路41，控制DAC控制逻辑25。控制电路41，接收从计数器35输入的计数值，并将这些值存储到内部的存储器411中。在控制电路41中连接有励磁侧开关电路21及检测侧开关电路31的控制线51，控制电路41通过控制线51控制开关21及开关31的接通断开。控制电路41，经由总线61与微型计算机71(外部装置)可通信地连接，将存储在存储器411中的计数值适当发送到微型计算机71中。

图2是表示本实施方式的磁通量闸门磁力计1的动作的时序图。下面，与该图所示的时序图一起对磁通量闸门磁力计1的动作进行说明。此外，在下面的说明中，励磁侧开关电路21及检测侧开关电路31的全部的接点设为预先被打开(断开)的接点。

如图2所示，首先从微型计算机71向控制电路41经由总线61输入测定开始信号(t1)。若输入测定开始信号，则控制电路41，接着向励磁侧开关电路21及检测侧开关电路31输出用于将X轴的接点接通的信号(下面，称作X轴选择信号)(t2)。若输入X轴选择信号，则励磁侧开关电路21及检测侧开关电路31，将用于测定X轴方向的磁场的磁传感器11的励磁线圈112及检测线圈113的接点接通。由此，通过励磁侧开关电路21，选择施加后述的驱动信号P及驱动信号N的励磁线圈112、122、132。

接着，控制电路41，向DAC控制逻辑25输出驱动开始使能(enable)信号(t3)。DAC控制逻辑25，若输入驱动开始使能信号，则向D/A变换器24输入DAC数据。具体而言，首先作为DAC数据输入倒计(down count)数据(t4～t5)。通过该倒计数据，将用来防止励磁线圈112中产生给同相放大器22以及反相放大器23等电路元件带来损伤的高压反电动势的信号，在即将到后述的升压期间之前加载。接下来，DAC控制逻辑25将正计(up count)数据作为DAC数据输出给D/A变换器24(t5)。通过这样，从D/A变换器24输出三角波的升压期间的信号(t5～t8)。

接下来，DAC控制逻辑25在t8中停止对D/A变换器24的正计数据的输出，此次输出倒计数据。通过这样，从D/A变换器24输出三角波的降压期间的信号(t8～t11)。接下来，DAC控制逻辑25在t11中停止对D/A变换器24的倒计数据的输出，输出正计数据。通过该倒计数据，将用来防止励磁线圈中产生给同相放大器22以及反相放大器23等电路元件带来损伤的高压反电动势的信号，在上述降压期间之后立刻加载。

D/A变换器24的驱动信号，供给给同相放大器22的同相输入端子。D/A变换器24的Vref信号供给给反相放大器23的同相输入端子。同相放大器22的反相输入端子中，被负反馈同相放大器22的输出。另外，反相放大器23的反相输入端子，被输入了同相放大器22的输出。通过这样，从同相放大器22输出将D/A变换器24的输出信号进行了放大的图2中通过实线所示的信号(以下称作驱动信号P)，另外，从反相放大器23输出将驱动信号P的振幅进行了反相的图2中通过虚线所示的信号(以下称作驱动信号N)。

同相放大器22所输出的驱动信号P，加载给励磁线圈112的两个端子中之一。另外，从反相放大器23所输出的驱动信号N，加载给励磁线圈112的两个端子中的另一端。因此，励磁线圈112中被加载了驱动信号P与驱动信号N的差分电压(以下将该电压称作励磁电压)。

如图2所示，检测线圈113的端子间所产生的尖峰状电压(t7、t10)，是基于磁传感器11的B-H曲线(B：磁通密度，H：磁场)中的非饱和区间中所生成的电动势的电压。t7、t10中的两个尖峰状电压的时间间隔(Tx)，对应于磁传感器11中所加载的外部磁场ΔH进行变化。也即，通过测定输出两个尖峰状电压的时间间隔(Tx)，能够得到关于外部磁场ΔH的强度等的信息。

检测线圈113中所产生的尖峰状电压，通过电压调整电路32变换成了给定的电平之后，输入给差动放大器33并放大。由差动放大器33放大过的输出电压，输入给磁滞比较器34。

磁滞比较器34，输出在输出电压中所含有的相邻的尖峰状电压所夹持的期间中为低电平，在此外的期间中为高(High)电平的数字信号。初始状态中，磁滞比较器34输出高电平。之后，磁滞比较器34在被输入了因t6中的励磁电压的极性反相所引起的尖峰状电压时，开始低电平的输出(t7)。另外，磁滞比较器34，在被输入了因t9中的励磁电压的极性反相所引起的尖峰状电压时，将输出切换成高电平(t10)。

磁滞比较器34所输出的数字信号，输入给计数器35。计数器35中被输入了时钟信号，计数器35对磁滞比较器34所输出的数字信号变为低电平的期间中的时钟信号的脉冲数进行计数。数字信号变为高电平，结束了脉冲数的计数之后，计数器35将计数值输出给控制电路41。控制电路41将所输入的计数值存储在存储器411中。

接下来，控制电路41将输入给DAC控制逻辑25的驱动开始使能信号截止(t13)。另外，控制电路41停止对励磁侧开关电路21以及检测侧开关电路31的X轴选择信号的输入(t14)。通过这样，将用来测定X轴方向的磁场的磁传感器11的励磁线圈112以及检测线圈113的接点断开。

接下来，控制电路41输出用来将励磁侧开关电路21以及检测侧开关电路31与Y轴的接点接通的信号(以下称作Y轴选择信号)(t15)。通过这样开始对Y轴的处理。另外，t15～t16的期间中所进行的对Y轴的处理，与X轴的情况一样进行。另外，t17～t18的期间中所进行的对Z轴的处理，也与X轴的情况一样进行。

通过以上操作将对X轴、Y轴、Z轴的计数值存储到存储器411中之后，接下来，控制电路41将通知计数值的写入完成的中断信号，发送给微型计算机71(t19)。微型计算机71接收到中断信号之后，向控制电路41发送读出请求。通过这样，由微型计算机71读出存储在控制电路41的存储器411中的分别关于X轴、Y轴、Z轴的计数值(t20)。另外，微型计算机71所读出的计数值，提供给外部磁场ΔH的强度测定等用途。

但是，以上所说明的结构所构成的本实施方式的磁通量闸门磁力计1，由称作DAC控制逻辑25以及D/A变换器24的数字电路生成用来驱动励磁线圈112、122、132的信号。因此，与使用模拟电路的情况相比，很难受到温度等的影响，能够生成高精度且稳定的驱动信号。另外，通过使用数字电路还能够抑制造偏差。

另外，本实施方式的磁通量闸门磁力计1中，多个励磁线圈112、122、132由同一个D/A变换器24驱动。因此能够给励磁线圈112、122、132分别加载均匀的励磁电压，抑制输出的偏差。另外，通过让电路共通化，在集成化时还能够削减零部件的数目以及芯片面积。

另外，本实施方式的磁通量闸门磁力计1，通过使用数字电路，能够让驱动信号的升压期间(t5～t8)与降压期间(t8～t11)的长度高精度一致，从而能够提高测定精度。不需要例如为了对时间间隔(Tx、Ty、Tz)中所含有的误差的测定间隔的影响进行修正，而测定驱动信号全体的长度的电路等在模拟电路的情况下必需的电路，通过这样，能够实现小型且低消耗功率的磁通量闸门磁力计1。

另外，本实施方式的磁通量闸门磁力计1，通过计数器35对时钟信号的脉冲数进行计数，来测定两个尖峰状电压的时间间隔(Tx、Ty、Tz)，因此与使用模拟电路的情况相比，能够进行高精度的测定。另外在通过模拟电路进行时间间隔(Tx、Ty、Tz)的测定的情况下，通常在集成化时需要芯片占有面积较大的A/D变换器，但由于使用芯片占有面积较小的计数器35，而能够实现小型的磁通量闸门磁力计1。

另外，在通过相位检波与滤波的组合进行时间间隔(Tx、Ty、Tz)的测定的通常方法中，为了提高测定值的精确度而需要积分器，很难缩短测定时间，但通过使用计数器35能够在短时间内进行测定。另外，这样还抑制了消耗电流。

另外，本实施方式的磁通量闸门磁力计1中，通过磁滞比较器33将检测线圈113、123、133的输出电压在早期数字化，因此很难受到温度或噪声的影响。

另外，本实施方式的磁通量闸门磁力计1中，对多个检测线圈113、123、133的输出电压的处理，通过同一个差动放大器33以及同一个磁滞比较器34来进行，因此各个检测线圈113、123、133间的测定值的偏差较小。另外，通过像这样使用同一个电路来进行检测线圈113、123、133的输出电压的处理，在集成化时能够削减零部件数目与芯片面积。

另外，本实施方式的磁通量闸门磁力计1中，输出电压的放大使用差动放大器33，因此共态噪声(コモンモ一ドノィズ)的混入较少。另外，检测线圈113、123、133均没有接地，通过这样也能够抑制共态噪声的混入。

以上，对本发明的一实施方式进行了详细说明，但以上的实施方式的说明仅仅用来让本发明容易理解，而并不对本发明进行限定。本发明能够在不脱离其要点的范围内进行变更、改良，同时本发明还包括其等价物。例如，可以在D/A变换器24的后段设置低通滤波器，将D/A变换器24所输出的驱动信号平滑化。

另外，驱动信号的生成，还可以代替D/A变换器24，例如通过图3中所示的结构所组成的SC(开关电容器)积分器来生成。如图所示的SC积分器80，由4个开关SW1～SW4、电容器C1、以及使用运算放大器的积分电路81构成。开关SW1、电容器C1、以及SW4按顺序串联起来，SW1与直流电源Vin相连接，SW4的输出输入给构成积分电路81的运算放大器的反相输入端子。开关SW1与电容器C1之间，连接有一端接地的开关SW2。电容器C1与开关SW4之间，连接有一端接地的开关SW3。

在通过图3的SC积分器80生成在由三角波所构成的驱动信号的升压期间中的信号的情况下，开关SW1～SW4以一定间隔Δt₁进行接通断开(爬行(craw1)驱动方式)，交互变为图4(a)、(b)所示的状态。通过这样，如图6(a)所示，能够得到以一定的斜率阶梯状升压的驱动信号。另外，在生成驱动信号的降压期间中的信号的情况下，开关SW1～SW4以一定间隔Δt₂进行接通断开(蝶形驱动方式)，交互变为图5(a)、(b)所示的状态。通过这样，如图6(b)所示，能够得到以一定的斜率阶梯状降压的驱动信号。另外，SC积分器80所输出的驱动信号，从低通滤波器中通过并被平滑化，从而能够得到直线状的驱动信号。

上述SC积分器80中，能够使用公知的数字电路让Δt₁与Δt₂准确地一致，从而能够生成升压期间与降压期间的斜率高精度一致的准确的三角波。因此，即使在使用SC积分器80的情况下，也和D/A变换器24的情况相同，能够实现一种可高精度进行磁场测定的磁通量闸门型磁力计1。

Claims

1.一种磁传感器的励磁线圈驱动电路，包括：

D/A变换器，其被输入用于检测磁场的数字数据；

第一放大器，其基于所述D/A变换器的输出信号，输出施加在磁传感器的励磁线圈的一端的驱动信号P；

第二放大器，其基于所述D/A变换器的输出信号，输出施加在所述励磁线圈的另一端的与所述驱动信号P反相的驱动信号N，所述驱动信号N的振幅和所述驱动信号P的振幅，至少由最小值变化为最大值再变化为最小值或者由最大值变化为最小值再变化为最大值，二者交叉两次以上；和

开关电路，其与多个所述励磁线圈连接，用于选择所述多个所述励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

所述D/A变换器的所述输出信号为三角波，

具有DAC控制逻辑电路，输出：输入到所述D/A变换器中的、用于生成所述三角波的升压期间的信号的正计数据；和输入到所述D/A变换器中的、用于生成所述三角波的降压期间的信号的倒计数据。

3.根据权利要求2所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

所述DAC控制逻辑电路，向所述D/A变换器输出用于附加信号的倒计数据，所述附加的信号用于防止在所述D/A变换器的所述输出信号的所述升压期间之前在所述励磁线圈中产生高压的反电动势。

4.根据权利要求2所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

所述DAC控制逻辑电路，向所述D/A变换器输出用于附加信号的正计数据，所述附加的信号用于防止在所述D/A变换器的所述输出信号的所述降压期间之后在所述励磁线圈中产生高压的反电动势。

5.根据权利要求2所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

具有控制电路，其与外部装置可通信地连接，并与所述DAC控制逻辑电路连接，

所述控制电路，从所述外部装置输入测定开始信号时，向所述DAC控制逻辑电路输出使能信号，

所述DAC控制逻辑电路，在输入所述使能信号之时，开始输出所述正计数据或所述倒计数据。

6.根据权利要求5所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

所述控制电路向所述开关电路输出用于选择所述励磁线圈中的一个的选择信号，

所述开关电路，根据所输入的所述选择信号，选择施加了所述驱动信号P及所述驱动信号N的励磁线圈。

7.根据权利要求1所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

所述第一放大器为同相放大器，

所述第二放大器为反相放大器，

向所述第一放大器的同相输入端子输入所述D/A变换器的输出信号，所述第一放大器输出施加在磁传感器的励磁线圈的一端中的驱动信号P，

向所述第二放大器的同相输入端子输入所述D/A变换器的输出信号，向该反相输入端子输入所述同相放大器的输出，并输出施加在所述励磁线圈的一端中的驱动信号N。

8.根据权利要求7所述的磁传感器的励磁线圈驱动电路，其特征在于，

还包括低通滤波器，其对所述D/A变换器的输出信号进行滤波，

向所述第一放大器的所述同相输入端子及所述第二放大器的所述同相输入端子分别输入通过所述低通滤波器之后的输出信号。

9.一种磁传感器的励磁线圈驱动电路，包括：

SC积分器，其被输入用于检测磁场的数字数据；

第一放大器，其基于所述SC积分器的输出信号，输出施加在磁传感器的励磁线圈的一端上的驱动信号P；

第二放大器，其基于所述SC积分器的输出信号，输出施加在所述励磁线圈的另一端的与所述驱动信号P反相的驱动信号N，所述驱动信号N的振幅和所述驱动信号P的振幅，至少由最小值变化为最大值再变化为最小值或者由最大值变化为最小值再变化为最大值，二者交叉两次以上；和

开关电路，其与多个所述励磁线圈连接，并用于选择所述多个所述励磁线圈。