DE102017220620A1

DE102017220620A1 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102017220620A1
Application number: DE102017220620.9A
Authority: DE
Inventors: Junya TANIGAWA; Hiroki Sugiyama; Makoto Ishii
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-05-24
Also published as: US10481217B2; JP6870960B2; JP2018081057A; US20180143266A1

Abstract

Ein Magnetfeldsensor umfasst ein Magneterfassungselement, das ein magnetisches Material, das einen Magnetimpedanzeffekt vorsieht, und eine Vorspannspule zum Anlegen eines Vorspann-Magnetfelds an dem magnetischen Material enthält, eine Hochfrequenz-Oszillationsschaltung, die einen hochfrequenten Strom zu dem Magnetmaterial zuführt, eine AC-Vorspannschaltung, die einen AC-Vorspannstrom zu der Vorspannspule zuführt, und eine Erfassungsschaltung die einen Referenzpunkt in Entsprechung zu einer extremen Impedanzposition in einer Kennlinie des Magneterfassungselements in einem Zustand, in dem kein externes Magnetfeld angelegt wird, setzt und ein elektrisches Signal ausgibt, das sich in Reaktion auf eine Impedanzänderungsgröße von dem Referenzpunkt ändert. Die Erfassungsschaltung enthält eine Amplitudenerfassungsschaltung, die eine Amplitude des elektrischen Signals mit einem Timing jedes Scheitels, an dem wenigstens eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor, der einen Magnetimpedanzeffekt verwendet.
Stand der Technik
Zum Beispiel geben JP-A-H09-127218 , JP-A-2000-180521 und JP-A-2015-92144 einen Magnetsensor aus dem Stand der Technik an, der ein Magneterfassungselement (M1-Element) mit einem Magnetimpedanzeffekt verwendet. Zum Beispiel ändert sich in einem hochdurchlässigen und magnetischen Legierungsmaterial wie etwa einem Draht aus einer amorphen Legierung die Impedanz empfindlich in Reaktion auf ein externes Magnetfeld unter dem Einfluss eines Skineffekts. Dies ist ein Magnetimpedanzeffekt.
In der Konfiguration von JP-A-H09-127218 ist ein M1-Element in einer Colpitts-Oszillationsschaltung integriert. Wenn ein AC-Vorspannstrom zu einer um das M1-Element gewickelten Spule fließt, wird ein AC-Vorspannmagnetfeld an dem M1-Element angelegt. Dann wird eine amplitudenmodulierte Wellenform in der Ausgabe der Oszillationsschaltung durch eine Änderung in der Impedanz des M1-Elements in Reaktion auf das externe Magnetfeld und das Vorspannmagnetfeld erhalten. Eine Höhendifferenz der amplitudenmodulierten Wellenform entspricht der Stärke des externen Magnetfelds. Es wird also ein Ausgabesignal mit einer pulsbreitenmodulierten digitalen Wellenform erhalten, indem die amplitudenmodulierte Wellenform erfasst wird, ein DC-Element entfernt wird und eine Spannung durch einen Komparator verglichen wird. Die Stärke des externen Magnetfelds wird aus einer Änderung in der Amplitude der Ausgabe der Oszillationsschaltung erhalten.
In einer in JP-A-2000-180521 angegebenen Konfiguration wird eine hochfrequente, sinuswellenförmige Stromausgabe aus der Oszillationsschaltung an beiden Enden eines Magnetkerns eines Dünnfilm-Magnetimpedanzelements über eine Pufferschaltung angelegt. Eine Detektorschaltung erfasst eine Magnetänderungsgröße des externen Magnetfelds aus einer Änderungsgröße des hochfrequenten Stroms, der sich in Reaktion auf ein an dem Magnetimpedanzelement angelegtes externes Magnetfeld ändert. Es wird eine Hystereseaufhebungsschaltung vorgesehen, die die Hysterese des Magnetimpedanzelements entfernt. Um den Operationspunkt des Magnetimpedanzelements zu verschieben, fließt ein Strom zu der Vorspannspule. Weiterhin fließt ein Strom zu einer Negativrückkopplungsspule in Reaktion auf das erfasste Magnetfeld.
In dem Magnetfeldsensor von JP-A-2015-92144 wird ein Magnetimpedanzelement mit einer spezifischen Konfiguration verwendet. Das Magnetimpedanzelement weist also eine magnetische Anisotropie auf, in der eine Längsrichtung als eine Magnetfelderfassungsrichtung gesetzt ist und eine Einfachmagnetisierungsachse eines Magnetfilms als die Längsrichtung gesetzt ist. Weil dabei die Magnetfelderfassungsrichtung gleich der Einfachmagnetisierungsachsenrichtung des Magnetfilms ist, kann eine pyramidenförmige Magnetimpedanzkennlinie vorgesehen werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, DC- und AC-Vorspannungen bis zu einem Punkt, an dem eine Neigung steil wie bei einer M-förmigen Kennlinie wird, anzulegen.
Und weil die Hysterese in der Pyramidenform kleiner ist als in der M-Form kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden. Und weil die Neigung mit einem vorbestimmten Grad über den gesamten Bereich geneigt ist, kann der Erfassungsbereich verbreitert werden. Dadurch kann der Verbrauchsstrom unterdrückt werden, kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden und kann der Erfassungsbereich verbreitert werden.
Der in JP-A-H09-127218 und JP-A-2000-180521 beschriebene Magnetfeldsensor mit dem Magnetimpedanzeffekt aus dem Stand der Technik weist jedoch die folgenden Probleme auf. (1) Der Bereich zum Erfassen des Magnetfelds ist schmal. (2) Weil das Magnetimpedanzelement die M-förmige Magnetimpedanzkennlinie aufweist, kann eine hochempfindliche Messung nur dann durchgeführt werden, wenn die AC-Vorspannung an einer Position mit einer steilen Steigung angelegt wird und die AC-Vorspannung verwendet wird. Dadurch wird jedoch der Verbrauchsstrom vergrößert. (3) In dem Magnetimpedanzelement mit der M-förmigen Magnetimpedanzkennlinie wird die Hysterese größer als bei einer pyramidenförmigen. Dadurch wird die Erfassungsgenauigkeit verschlechtert.
Wenn das Magnetimpedanzelement mit der pyramidenförmigen Magnetimpedanzkennlinie von JP-A-2015-92144 verwendet wird, können die Probleme (2) und (3) gelöst werden. Wenn jedoch das Magnetfeld unter Verwendung einer Schaltung mit der in 1 von JP-A-2015-92144 gezeigten Konfiguration erfasst wird, tritt der für die Ausgabe der in 6D von JP-A-2015-92144 gezeigten Differenzierungsschaltung erforderliche Puls nicht auf, wenn das externe Magnetfeld größer wird. Aus diesem Grund kann die Phase des Pulses nicht erfasst werden und kann das Magnetfeld nicht erfasst werden. Deshalb kann das Problem (1) nicht gelöst werden.
Die Erfindung nimmt auf die oben geschilderten Umstände Bezug, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Magnetfeldsensor anzugeben, der einen Stromverbrauch unterdrücken kann, die Erfassungsgenauigkeit verbessern kann und einen Magnetfelderfassungsbereich verbreitern kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, weist der Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung die folgenden Merkmale (1) bis (5) auf.

(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Magnetfeldsensor:
- ein Magneterfassungselement, das ein magnetisches Material, das einen Magnetimpedanzeffekt verursacht, und eine Vorspannspule zum Anlegen eines Vorspannmagnetfelds an dem magnetischen Material enthält,
- eine Hochfrequenz-Oszillationsschaltung, die einen hochfrequenten Strom zu dem magnetischen Material zuführt,
- eine AC-Vorspannschaltung, die einen AC-Vorspannstrom zu der Vorspannspule zuführt, und
- eine Erfassungsschaltung, die einen Referenzpunkt in Entsprechung zu einer extremen Impedanzposition in einer Kennlinie des Magneterfassungselements in einem Zustand, in dem kein externes Magnetfeld angelegt wird, setzt und ein elektrisches Signal ausgibt, das sich in Reaktion auf eine Impedanzänderungsgröße von dem Referenzpunkt ändert,
- wobei die Erfassungsschaltung eine Amplitudenerfassungsschaltung enthält, die eine Amplitude des elektrischen Signals mit dem Timing jedes Scheitels, an dem wenigstens eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst.
(2) In dem Magnetfeldsensor von (1) enthält die Erfassungsschaltung:
- eine Brückenschaltung, die das magnetische Material des Magneterfassungselements und drei Widerstände enthält und einen ausgeglichenen Zustand annimmt, wenn das Magneterfassungselement eine Impedanz des Referenzpunkts aufweist, und
- eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung der Brückenschaltung erfasst.
(3) In dem Magnetfeldsensor von (1) oder (2) enthält die Erfassungsschaltung:
- eine Phasendifferenzerfassungsschaltung, die eine Phasendifferenz mit dem Timing jedes Scheitels, an dem eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst, und
- eine Auswahlschaltung, die die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung wählt.
(4) In dem Magnetfeldsensor von (3) wählt die Auswahlschaltung automatisch die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung in Reaktion auf ein Ergebnis des Identifizierens einer Größe der Stärke des externen Magnetfelds.
(5) In dem Magnetfeldsensor von (4) erhält die Erfassungsschaltung eine basierend auf der Phasendifferenz berechnete erste Magnetfeldstärke und eine basierend auf der Amplitude berechnete zweite Magnetfeldstärke unter Verwendung der Ausgaben der Phasendifferenzerfassungsschaltung und der Amplitudenerfassungsschaltung und erfasst eine endgültige Größe des externen Magnetfelds basierend auf einem durch das Mitteln der ersten Magnetfeldstärke und der zweiten Magnetfeldstärke erhaltenen Ergebnisses.

Bei dem Magnetfeldsensor mit der Konfiguration von (1) wird die Amplitude mit dem Timing jedes Scheitels, an dem die Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals aufgrund des Einflusses des an dem Magneterfassungselement angelegten externen Magnetfelds wechselt, erfasst. Wenn also die Amplitude durch die Amplitudenerfassungsschaltung erfasst wird, kann die Größe des externen Magnetfelds erfasst werden. Und weil eine Änderung der Amplitude auch dann erfasst werden kann, wenn das externe Magnetfeld größer wird, kann der Magnetfelderfassungsbereich verbreitert werden. Weil eine Impedanzänderungsgröße von dem Referenzpunkt erfasst wird, muss kein Fluss eines großen Vorspannstroms für die Bewegung des Operationspunkts zugelassen werden und kann eine Vergrößerung des Verbrauchsstroms unterdrückt werden.
Weil bei dem Magnetfeldsensor mit der Konfiguration von (2) die Brückenschaltung verwendet wird, wird er kaum durch eine Änderung in der Spannung einer Stromversorgung oder eine Änderung in der Temperatur beeinflusst. Und weil die Brücke einen ausgeglichenen Zustand annimmt, wenn sich das Magneterfassungselement in dem Referenzpunktzustand befindet und die Ausgabespannung gleich null wird, kann eine Impedanzänderungsgröße in Bezug auf den Referenzpunktzustand als eine Spannung ausgegeben werden. Dadurch wird die Erfassungsgenauigkeit verbessert.
Bei dem Magnetfeldsensor mit der Konfiguration von (3) können die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung bei Bedarf separat unter Verwendung der Auswahlschaltung verwendet werden. Dementsprechend kann der Magnetfelderfassungsbereich verbreitert oder die Erfassungsgenauigkeit vergrößert werden.
Weil bei dem Magnetfeldsensor mit der Konfiguration von (4) die Auswahlschaltung verwendet wird, können die Phasendifferenzschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung separat und automatisch in Reaktion auf die Stärke des externen Magnetfelds verwendet werden. Es kann also ein optimales Erfassungsergebnis in Abhängigkeit von einer Situation ohne eine besondere Auswahlbetätigung eines Benutzers erhalten werden.
Weil bei dem Magnetfeldsensor mit der Konfiguration von (5) ein Ergebnis ausgegeben wird, das durch das Mitteln der basierend auf der Phasendifferenz berechneten ersten Magnetfeldstärke und der basierend auf der Amplitude berechneten zweiten Magnetfeldstärke erhalten wird, kann ein Erfassungsfehler reduziert werden.
Bei dem Magnetfeldsensor der Erfindung kann der Verbrauchsstrom unterdrückt werden, kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden und kann der Magnetfelderfassungsbereich verbreitert werden. Es kann also die Größe des externen Magnetfelds erfasst werden, indem die Amplitude mit dem Timing jedes Scheitels, an dem die Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals aufgrund des Einflusses des an dem Magneterfassungselement angelegten externen Magnetfelds wechselt, durch die Amplitudenerfassungsschaltung erfasst werden. Und weil eine Änderung in der Amplitude auch dann erfasst werden kann, wenn das externe Magnetfeld größer wird, kann der Magnetfelderfassungsbereich verbreitert werden. Weil die Impedanzänderungsgröße von dem Referenzpunkt erfasst wird, muss der Fluss des großen Vorspannstroms für die Bewegung des Operationspunkts nicht zugelassen werden und kann eine Vergrößerung des Verbrauchsstroms unterdrückt werden. Durch die Verwendung einer Vielzahl von verschiedenen Schaltungen wird die Erfassungsgenauigkeit verbessert.
Die Erfindung wurde oben kurz beschrieben. Details der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines Magnetfeldsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2A und 2B sind perspektivische Ansichten, die jeweils Konfigurationsbeispiele von zwei Arten von Magnetimpedanzelementen zeigen.
3 ist ein Kurvendiagramm, das ein spezifisches Beispiel einer Magneterfassungskennlinie des Magnetimpedanzelements zeigt.
4 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für die Korrelation zwischen einem Eingangsmagnetfeld und einem Ausgabesignal in dem Magnetimpedanzelement zeigt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das Änderungsbeispiele für Hauptsignale eines Magnetfeldsensors zeigt.
6 ist ein Zeitdiagramm, das Änderungsbeispiele für Hauptsignale, wenn ein externes Magnetfeld groß ist, zeigt.
7 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld und einer Operation einer Phasenerfassungsschaltung zeigt.
8 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld und einer durch eine Amplitudenerfassungsschaltung erfassten Amplitude zeigt.
9 ist ein Kurvendiagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld und einer Operation einer Amplitudenerfassungsschaltung zeigt.
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozesssequenz einer typischen Operation eines Magnetfeldsensors zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
<Konfigurationsbeispiel eines Magnetfeldsensors 200>
1 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Magnetfeldsensors 200 in einer Ausführungsform der Erfindung.
Der in 1 gezeigte Magnetfeldsensor 200 umfasst eine Treibereinheit 20 und eine Erfassungseinheit 30. Neben den nachfolgend beschriebenen Details enthält ein in der Treibereinheit 20 enthaltenes Magnetimpedanzelement 12 ein magnetisches Material, das einen magnetischen Impedanzeffekt verursacht. Der Magnetfeldsensor 200 erfasst also ein externes Magnetfeld unter Verwendung des Magnetimpedanzelements 12.
Die in 1 gezeigte Treibereinheit 20 enthält eine Oszillationsschaltung 21, eine Brückenschaltung 22 und eine Signalverarbeitungseinheit 23. Die Brückenschaltung 22 enthält das Magnetimpedanzelement 12 und drei Widerstände 24, 25 und 26. Ein Ende und das andere Ende des Magnetimpedanzelements 12 in der Längsrichtung des magnetischen Materials sind mit der Brückenschaltung 22 verbunden.
Eine Vorspannspule 14, die an der Peripherie des magnetischen Materials des Magnetimpedanzelements 12 angeordnet ist, ist vorgesehen, um ein AC-Vorspannmagnetfeld an dem magnetischen Material anzulegen. In der Ausführungsform wird die Vorspannspule 14 verwendet, um ein Negativrückkopplungs-Magnetfeld zu erzeugen. Ein AC-Vorspannsignal SG3 wird an einem Ende der Vorspannspule 14 angelegt. Das andere Ende der Vorspannspule 14 wird mit einer Erde verbunden. Eine Wellenform des AC-Vorspannsignals SG3 ist im Grunde eine Wellenform, die durch das Schalten einer Schaltschaltung 36 ausgewählt wird.
Das Magnetimpedanzelement 12, das als ein Widerstand dient, ist mit der Brückenschaltung 22 verbunden. Das Magnetimpedanzelement 12, das in der Ausführungsform verwendet wird, weist eine Kennlinie auf, in der die Impedanz (ein DC-Widerstand) in einem Referenzzustand, in dem kein externes Magnetfeld angelegt wird, maximal wird. Dann werden die Widerstandswerte des Widerstands 24, 25 und 26 derart gesetzt, dass die Brückenschaltung 22 einen ausgeglichenen Zustand annimmt, während die Impedanz des Magnetimpedanzelements 12 maximal wird.
Eingangsanschlüsse 22a und 22b der Brückenschaltung 22 sind jeweils mit einem Ausgang der Oszillationsschaltung 21 und einer Erde verbunden. Die Oszillationsschaltung 21 führt zum Beispiel eine hochfrequente Spannung von ungefähr mehreren zehn MHz als ein Signal SG1 zu der Brückenschaltung 22. Die Wellenform des Signals SG1 ist diejenige einer Rechteckwelle, einer Sinuswelle oder einer Dreieckwelle.
Ausgangsanschlüsse 22c und 22d der Brückenschaltung 22 sind jeweils mit Eingangsanschlüssen der Signalverarbeitungseinheit 23 verbunden. Die Signalverarbeitungseinheit 23 umfasst zwei Spitzenhalteschaltungen (P/H) 27 und 28 und einen Instrumentationsverstärker (INS) 29.
Die Spitzenhalteschaltung 27 erfasst das Spitzenpotential in dem Potential des Anschlusses 22c der Brückenschaltung 22 und hält das Spitzenpotential. Die Spitzenhalteschaltung 28 erfasst das Spitzenpotential des Potentials in dem Anschluss 22d der Brückenschaltung 22 und hält das Spitzenpotential. Der Instrumentationsverstärker 29 verstärkt eine Potentialdifferenz zwischen dem durch die Spitzenhalteschaltung 27 gehaltenen Spitzenpotential und dem durch die Spitzenhalteschaltung 28 gehaltenen Spitzenpotential und gibt die Potentialdifferenz als ein Signal SG2 aus.
Weiterhin enthält die Erfassungsschaltung 30 einen Verstärker (AMP) 31, eine Schaltschaltung (SW) 32, eine Amplitudenerfassungsschaltung 33, eine Phasenerfassungsschaltung 34, einen Mikrocomputer (MICOM) 35, eine Schaltschaltung 36 und einen Verstärker 37.
Die Amplitudenerfassungsschaltung 33 enthält ein Tiefpassfilter (LPF) 33a, einen Komparator (COMP) 33b, einen analogen Schalter 33c und eine Spitzenhalteschaltung 33d. Die Phasenerfassungsschaltung 34 umfasst eine Differenzierungsschaltung 34a, einen Verstärker 34b, eine Differenzierungsschaltung 34c und einen Komparator (COMP) 34d.
Der Mikrocomputer 35 führt verschiedene Steuerungen für das Realisieren einer Funktion des Magnetfeldsensors 200 durch das Ausführen eines integrierten Programms durch. Zum Beispiel werden die Größe und die Richtung eines basierend auf einem Amplitudenerfassungssignal SG9 aus der Amplitudenerfassungsschaltung 33 und einem Phasendifferenzerfassungssignal SG5 aus der Phasenerfassungsschaltung 34 erfassten externen Magnetfelds geprüft und werden entsprechende Informationen als ein digitales Ausgabesignal SG10 ausgegeben. Ein Dreieckige-AC-Vorspannwellenform-Ausgabesignal SG11 und ein Sinusförmige-AC-Vorspannwellenform-Ausgabesignal SG12 werden von dem Mikrocomputer 35 ausgegeben.
Die AC-Vorspannwellenform-Ausgabesignale SG11 und SG12 werden an der Treibereinheit 20 über die Schaltschaltung 36 und den Verstärker 37 angelegt und als das AC-Vorspannsignal SG3 zu der Vorspannspule 14 zugeführt.
<Konfigurationsbeispiel für das Magnetimpedanzelement 12>
Konfigurationsbeispiele für zwei Arten von Magnetimpedanzelementen 12 sind jeweils in 2A und 2B gezeigt. Wie in 2A gezeigt, enthält das Magnetimpedanzelement 12 ein nichtmagnetisches Substrat 12a, einen magnetischen Dünnfilm (einen Magnetfilm) 12b und Elektroden 12c und 12d.
Das nicht-magnetische Substrat 12a ist ein Substrat, das aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet ist und auf einer Leiterplatte 100 platziert ist. Das nicht-magnetische Substrat 12a besteht aus Calciumtitanat, Oxidglas, Titandioxid, Aluminiumdioxid und ähnlichem und ist in dieser Ausführungsform im Wesentlichen rechteckig-parallelepipedförmig ausgebildet.
Der magnetische Dünnfilm 12b besteht aus einem hochmagnetischen, permeablen Metallmagnetfilm und ist mäanderförmig (spiralfalzförmig) in einer Draufsicht in einer Fläche gegenüber einer mit der Leiterplatte 100 versehenen Fläche des nicht-magnetischen Substrats 12a wie in 2A gezeigt ausgebildet. Insbesondere erstreckt sich die Oben-Unten-Richtung der rechteckigen Wellenform des magnetischen Dünnfilms 12b im Wesentlichen in der Längsrichtung des nicht-magnetischen und im Wesentlichen parallelepipedförmig ausgebildeten Substrats 12a.
Der magnetische Dünnfilm 12b weist eine magnetische Anisotropie auf, in der eine Einfachmagnetisierungsachsenrichtung gleich der Längsrichtung des magnetischen Dünnfilms 12b in einer Filmfläche ist, sodass die Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a insgesamt gleich der Einfachmagnetisierungsachsenrichtung ist.
Die Elektroden 12c und 12d sind auf der Oberfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a für eine Positionierung an beiden Enden des magnetischen Dünnfilms 12b vorgesehen und sind mit den Elektroden 100a und 100b auf der Leiterplatte 100 durch einen Bondingdraht verbunden. Die Elektroden 100a und 100b auf der Leiterplatte 100 sind also jeweils mit den Anschlüssen 22a und 22c der Brückenschaltung 22 von 1 verbunden.
Wie in 2A gezeigt, umfasst die Leiterplatte 100 Nutteile 100c auf beiden Seiten in der Breitenrichtung des Magnetimpedanzelements 12, um von dem Magnetimpedanzelement 12 beabstandet zu sein. Der Nutteil 100c erstreckt sich von einem Ende der Leiterplatte 100 in die Nachbarschaft der Mitte der Leiterplatte 100.
Die Vorspannspule 14 ist auf das Magnetimpedanzelement 12 durch den Nutteil 100c der Leiterplatte 100 gewunden. Aus diesem Grund ist die Spulenachsenrichtung der Vorspannspule 14 gleich der Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a und wird die Längsrichtung des Magnetimpedanzelements 12 eine Magnetfelderfassungsrichtung. Und weil die Längsrichtung des nicht-magnetischen Substrats 12a wie oben beschrieben gleich der Einfachmagnetisierungsachsenrichtung gesetzt ist, ist die magnetische Anisotropie derart gesetzt, dass die einfache Magnetisierungsachse des magnetischen Dünnfilms 12b gleich der Magnetfelderfassungsrichtung wird.
Wie in 2B gezeigt, kann der magnetische Dünnfilm 12b an einer Rückfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a ausgebildet sein, d.h. auf einer mit der Leiterplatte 100 versehenen Fläche. In diesem Fall sind die Elektroden 12c und 12d an der Rückfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a vorgesehen, um an beiden Enden des magnetischen Dünnfilms 12b positioniert zu werden. Die Elektroden 100a und 100b auf der Leiterplatte 100 sind auch an der Rückfläche des nicht-magnetischen Substrats 12a ausgebildet. Für das Magnetimpedanzelement 12 des Magnetfeldsensors 200 von 1 kann eine der in 2A und 2B verwendeten Konfigurationen verwendet werden.
<Magneterfassungskennlinie des Magnetimpedanzelements 12>
Ein spezifisches Beispiel der Magneterfassungskennlinie des Magnetimpedanzelements 12 ist in 3 gezeigt. In 3 gibt die horizontale Achse die Größe und die Richtung H [Oe] des externen Magnetfelds an und gibt die vertikale Achse eine Impedanz (einen DC-Widerstand) [Ω] zwischen beiden Enden des magnetischen Dünnfilms 12b in der Längsrichtung an.
Die Impedanz des Magnetimpedanzelements 12 wird also pyramidenförmig wie in 3 gezeigt gebildet, wobei die Impedanz des Magnetimpedanzelements maximal wird, wenn die Größe des externen Magnetfelds gleich null wird, und die Impedanz proportional zu der Größe des externen Magnetfelds kleiner wird, wenn das externe Magnetfeld in der normalen oder umgekehrten Richtung angelegt wird. Die Kennlinie des Magnetimpedanzelements 12 unterscheidet sich stark von einer M-förmigen Kennlinie eines allgemeinen Magnetimpedanzelements wie in JP-A-H09-127218 und JP-A-2000-180521 gezeigt.
Indem das Magnetimpedanzelement 12 mit einer derartigen pyramidenförmigen Kennlinie verwendet wird, wird die Impedanzänderungssteigung in Bezug auf eine Änderung in dem externen Magnetfeld wie in 3 gezeigt auch in Nachbarschaft zu einem Referenzpunkt, an dem die Impedanz einen extremen Wert (in diesem Fall einen Spitzenwert) erreicht, ausreichend vergrößert. Aus diesem Grund kann das externe Magnetfeld hochempfindlich erfasst werden, ohne einen Operationspunkt zu einer von dem Referenzpunkt abweichenden Position zu verschieben, und muss kein großer Vorspannstrom fließen.
<Grundlegendes Betriebsprinzip bei der Verwendung des Magnetimpedanzelement 12>
Ein Beispiel für eine Korrelation zwischen dem Eingangsmagnetfeld und dem Ausgabesignal in dem Magnetimpedanzelement 12 ist in 4 gezeigt. In dem Kurvendiagramm von 4 zu der Impedanzkennlinie 41 gibt die horizontale Achse die Größe und die Richtung des an dem Magnetimpedanzelement 12 angelegten Eingangsmagnetfelds H [A/m] wieder und gibt die vertikale Achse die Impedanz Z (einen DC-Widerstandswert) [Ω] zwischen beiden Enden des magnetischen Dünnfilms 12b des Magnetimpedanzelements 12 in der Längsrichtung wieder.
Wie in 4 gezeigt, wird ein AC-Vorspannmagnetfeld 42 an dem magnetischen Dünnfilm 12b durch einen zu der Vorspannspule 14 fließenden Strom für einen Betrieb um einen Referenzpunkt 41r der Impedanzkennlinie 41 angelegt. In dem Beispiel von 4 wird ein Fall angenommen, in dem das AC-Vorspannmagnetfeld 42 mit einer dreieckigen Wellenform an der Größe der Amplitude Vp angelegt wird. Die Richtung des AC-Vorspannmagnetfelds 42 wechselt also alternierend an der Amplitude Vp in der Plusrichtung und in der Minusrichtung um den Referenzpunkt 41r herum.
Dann wird ein externes Magnetfeld, das ein Erfassungsziel ist, an dem magnetischen Dünnfilm 12b zusätzlich zu dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 angelegt. Wie in 4 gezeigt, werden also die Summen 42P und 42N aus dem externen Magnetfeld und dem AC-Vorspannmagnetfeld an dem magnetischen Dünnfilm 12b angelegt. Wenn dabei das externe Magnetfeld in der Plusrichtung ausgerichtet ist, wird eine Wellenform, die durch das Verschieben der Wellenform des AC-Vorspannmagnetfelds 42 in der Plusrichtung um die Größe des externen Magnetfelds erhalten wird, als die Summe 42P aus dem externen Magnetfeld und dem AC-Vorspannmagnetfeld an dem magnetischen Dünnfilm 12b angelegt. Und wenn das externe Magnetfeld in der Minusrichtung ausgerichtet ist, wird eine Wellenform, die durch das Verschieben der Wellenform des AC-Vorspannmagnetfelds 42 in der Minusrichtung um die Größe des externen Magnetfelds erhalten wird, an dem magnetischen Dünnfilm 12b angelegt.
Dann ändert sich die Impedanz Z in Entsprechung zu dem an dem magnetischen Dünnfilm 12b angelegten Magnetfeld, d.h. dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 und den Summen 42P und 42N aus dem externen Magnetfeld und dem AC-Vorspannmagnetfeld, und der Impedanzkennlinie 41. Diese Änderung in der Impedanz Z kann als Sensorausgabesignale 43, 43P und 43N zum Beispiel unter Verwendung der Brückenschaltung 22 von 1 herausgenommen werden.
In 4 entsprechen die Sensorausgabesignale 43, 43P und 43N jeweils dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 und den Summen 42P und 42N aus dem externen Magnetfeld und dem AC-Vorspannmagnetfeld. Das heißt, dass die Zustände der Sensorausgabesignale 43, 43P und 43N in Reaktion auf eine Änderung in dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 und dem externen Magnetfeld bestimmt werden. Für die in 4 gezeigten Sensorausgabesignale 43, 43P und 43N gibt die vertikale Richtung das Potential und die Amplitude des Signals wieder und gibt die horizontale Richtung eine Änderung in der Zeit t wieder.
Wenn das externe Magnetfeld gleich null ist, wird das Sensorausgabesignal 43 ausgegeben. Das heißt, dass das Sensorausgabesignal 43 erhalten werden kann, das sich in Entsprechung zu einer Änderung in dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 zwischen einem Potential Vr in Entsprechung zu einem Widerstandswert des Referenzpunkts 41r und einem Potential VI, das von dem Referenzpunkt durch eine Potentialdifferenz in Entsprechung zu der Amplitude Vp abweicht, ändert.
Wenn das externe Magnetfeld in der Plusrichtung angelegt wird, kann das Sensorausgabesignal 43P erhalten werden, das sich in Entsprechung zu einer Änderung in dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 zwischen Potentialen, die nach oben und nach unten durch eine Potentialdifferenz in Entsprechung zu der Amplitude Vp um ein von dem Potential Vr des Referenzpunkts 41r mit der Größe des externen Magnetfelds verschobenes Potential VrP abweichen, ändert. Wenn das externe Magnetfeld in der Minusrichtung angelegt wird, kann das Sensorausgabesignal 43N erhalten werden, das sich in Entsprechung zu einer Änderung in dem AC-Vorspannmagnetfeld 42 zwischen Potentialen, die nach oben und unten durch eine Potentialdifferenz in Entsprechung zu der Amplitude Vp um ein von dem Potential Vr des Referenzpunkts 41r mit der Größe des externen Magnetfelds verschobenes Potential VrN abweichen, ändert.
Wie in 4 gezeigt, tritt eine Änderung in Reaktion auf eine Differenz in der Größe und in der Richtung des externen Magnetfelds in den Sensorausgabesignalen 43, 43P und 43N auf. Auf diese Weise können die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds basierend auf den Sensorausgabesignalen 43P und 43N spezifiziert werden.
<Änderungsbeispiel für das Hauptsignal in dem Magnetfeldsensor 200>
Ein Änderungsbeispiel für ein Hauptsignal in dem Magnetfeldsensor 200 ist in 5 gezeigt. In 5 gibt die horizontale Achse jedes Signals die gemeinsame Zeit t wieder und gibt die vertikale Achse das Potential wieder.
Wenn wie in 5 gezeigt die Wellenform des an der Vorspannspule 14 angelegten Vorspannsignals SG3 zu einer dreieckigen Wellenform gesetzt ist, wird das basierend auf der Wellenform des AC-Vorspannwellenformsignals SG11 erzeugte Vorspannsignal SG3 von dem Mikrocomputer 35 ausgegeben.
Wenn zum Beispiel das Potential des Signals SG01 von einem niedrigen Potential VL zu einem hohen Potential VH zum Zeitpunkt t11 ansteigt, beginnt das Potential des Vorspannsignals SG3 mit einer konstanten Neigung zu fallen, wobei dieser Zustand fortgesetzt wird, bis das Signal SG01 von dem hohen Potential VH zu dem niedrigen Potential VL zum Zeitpunkt t12 fällt. Das Potential des Vorspannsignals SG3 beginnt mit einer konstanten Steigung zum Zeitpunkt t12 zu steigen, wobei dieser Zustand fortgesetzt wird, bis das Signal SG01 von dem niedrigen Potential VL zu dem hohen Potential VH zum Zeitpunkt t13 ansteigt. Durch die wiederholten Operationen wird die dreieckige Wellenform erzeugt.
Die Signale SG2-A, SG2-B und SG2-C von 5 entsprechen jeweils der Ausgabe der Brückenschaltung 22 und zum Beispiel der Wellenform des von der Signalverarbeitungseinheit 23 in 1 ausgegebenen Signals SG2. Die Signale SG4-A, SG4-B und SG4-C entsprechen jeweils der Ausgabe der Differenzierungsschaltung und zum Beispiel dem von der Differenzierungsschaltung 34c in 1 ausgegebenen Signal SG4. Die Signale SG2-A und SG4-A zeigen einen Zustand, in dem das externe magnetische Feld gleich null ist. Die Signale SG2-B und SG4-B zeigen ein Beispiel für einen Fall, in dem das externe Magnetfeld in der Plusrichtung ausgerichtet ist. Und die Signale SG2-C und SG4-C zeigen ein Beispiel für einen Fall, in dem das externe Magnetfeld in der Minusrichtung ausgerichtet ist.
Die Wellenform des Signals SG2-A von 5 ändert sich wie in der Wellenform des Sensorausgabesignals 43 von 4. Das heißt, dass die Wellenform des Signals SG2-A ein niedriges Potential VL2 in Entsprechung zu dem Referenzpunkt 41r zu den Zeitpunkten t22, t24 usw. wird, an denen das Potential des Vorspannsignals SG3 gleich null wird und sich das Potential zu höher als VL2 in Entsprechung zu einer Änderung im Potential des Vorspannsignals SG3 zu den anderen Zeitpunkten ändert. Die Wellenform des Signals SG2-A wird also eine dreieckige Wellenform, wobei jedoch seine Periode gleich der halben Periode des Vorspansignals SG3 wird.
<Fall eines externen Magnetfelds von null>
In dem Signal SG2-A sind die Amplituden A1 und A2 gleich. Dabei gibt die Amplitude A1 die Amplitude zu den Zeitpunkten t21, t25, t29 usw. bei jedem Scheitel, an dem das Potential des Vorspannsignals SG3 von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechselt, an und gibt die Amplitude A2 die Amplitude zu den Zeitpunkten t23, t27 usw. bei jedem Scheitel, an dem das Potential des Vorspannsignals SG3 von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechselt, an.
Weiterhin tritt in der Wellenform des Signals SG4-A von 5 ein Puls Pn mit einer kurzen Zeitbreite in der Minuspotentialrichtung zu den Zeitpunkten t21, t23, t25 usw. bei jedem Scheitel, an dem das Potential des Signals SG2-A von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechselt, auf. In der Wellenform des Signals SG4-A tritt ein Puls Pp mit einer kurzen Zeitbreite in der Pluspotentialrichtung zu den Zeitpunkten t22, t24, t26 usw. bei einem Scheitel, an dem das Potential des Signals SG2-A von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechselt, auf.
Zum Beispiel ist in der Wellenform des Signals SG4-A eine Zeitperiode T zwischen zwei benachbarten Pulsen Pp in der Pluspotentialrichtung konstant mit einer Länge einer halben Periode T0 des Signals SG01. Das gleiche gilt für den Puls Pn in der Minuspotentialrichtung. Wenn die Frequenz des Signals SG01 gleich f0 ist, wird die Periode T0 durch den Kehrwert ausgedrückt, d.h. (1/f0).
<Fall der Anlegung eines externen Magnetfelds in der Plusrichtung>
Weiterhin sind die Amplituden A1B und A2B in dem Signal SG2-B verschieden voneinander. Dabei gibt die Amplitude A1B eine Amplitude zum Zeitpunkt t55 eines Scheitels, an dem das Potential des Vorspannsignals SG3 von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechselt, für eine Periode T0 des Signals SG01 an und gibt die Amplitude A2B eine Amplitude zum Zeitpunkt t57 eines Scheitels, an dem das Potential des Vorspannsignals SG3 von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechselt, an.
Weil also das Signal SG2-B durch das auf den magnetischen Dünnfilm 12b angelegte externe Magnetfeld in der Plusrichtung beeinflusst wird, wird die Amplitude A1B größer als die Amplitude A1, wenn das externe Magnetfeld gleich null ist, und wird die Amplitude A2B kleiner als die Amplitude A2, wenn das externe Magnetfeld gleich null ist. Weil also eine Änderung in den Amplituden A1B und A2B die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds reflektiert, können die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds unter Verwendung wenigstens einer der Amplituden A1B und A2B berechnet werden.
Weiterhin tritt in der Wellenform des Signals SG4-B von 5 der Puls Pn mit einer kurzen Zeitbreite in der Minuspotentialrichtung zu den Zeitpunkten t51, t53, t55 usw. jedes Scheitels, an dem das Potential des Signals SG2-B von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechselt, auf. In der Wellenform des Signals SG4-B tritt der Puls Pp mit einer kurzen Zeitbreite in der Pluspotentialrichtung zu den Zeitpunkten t52, t54, t56 usw. jedes Scheitels, an dem das Potential des Signals SG2-B. von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechselt, auf.
Das Timing des Pulses Pp in der Pluspotentialrichtung der Wellenform des Signals SG4-B weicht von demjenigen des Signals SG4-A ab. Das heißt, dass der Einfluss des externen Magnetfelds in den Phasen (einer Änderung im Timing) der Pulse Pp und Pn reflektiert wird. Zum Beispiel ist die Zeitperiode T zwischen den Pulsen Pp von dem Puls Pp zum Zeitpunkt t54, an dem das Potential des Signals SG4-B zu steigen beginnt, bis zu dem nächsten Puls Pp zu dem Zeitpunkt t56, an dem das Potential des Signals SG4-B zu steigen beginnt, größer als das Signal SG4-A.
Das heißt, dass die Zeitperiode T zwischen den Pulsen Pp in der Pluspotentialrichtung die durch den Einfluss des externen Magnetfelds erzeugte Phasendifferenz der Pulse Pp reflektiert. Auf diese Weise können die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds berechnet werden, indem die Phasendifferenz der Pulse Pp oder die Zeitperiode T erfasst wird.
<Fall der Anlegung eines externen Magnetfelds in der Minusrichtung>
Weiterhin sind die Amplituden A1C und A2C in dem Signal SG2-C verschieden voneinander. Dabei gibt die Amplitude A1C eine Amplitude zum Zeitpunkt t75 eines Scheitels, an dem das Potential des Vorspannsignals SG3 von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechselt, während einer Periode T0 des Signals SG01 an und gibt die Amplitude A2B eine Amplitude zum Zeitpunkt t77 eines Scheitels, an dem das Potential des Vorspannsignals SG3 von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechselt, an.
Weil also das Signal SG2-C durch das an dem magnetischen Dünnfilm 12b in der Minusrichtung angelegte externe Magnetfeld beeinflusst wird, wird die Amplitude A1C kleiner als die Amplitude A1, wenn das externe Magnetfeld gleich null ist, und wird die Amplitude A2C größer als die Amplitude A2, wenn das externe Magnetfeld gleich null ist. Weil also eine Änderung der Amplituden A1C und A2C die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds reflektiert, können die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds unter Verwendung wenigstens einer der Amplituden A1C und A2C berechnet werden.
Weiterhin tritt in der Wellenform des Signals SG4-C von 5 der Puls Pn mit einer kurzen Zeitbreite in der Minuspotentialrichtung zu den Zeitpunkten t71, t73, t75 usw. jedes Scheitels, an dem das Potential des Signals SG2-C von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechselt, auf. In der Wellenform des Signals SG4-C tritt der Puls Pp mit einer kurzen Zeitbreite in der Pluspotentialrichtung zu den Zeitpunkten t72, t74, t76 usw. jedes Scheitels, an dem das Potential des Signals SG2-C von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechselt, auf.
Das Timing des Pulses Pp in der Pluspotentialrichtung der Wellenform des Signals SG4-C weicht von demjenigen des Signals SG4-A ab. Das heißt, dass der Einfluss des externen Magnetfelds in der Phase (einer Änderung in der Zeit) des Pulses Pp und Pn reflektiert wird. Zum Beispiel ist die Zeitperiode T zwischen den Pulsen Pp von dem Puls Pp zum Zeitpunkt, an dem das Potential des Signals SG4-C zu steigen beginnt, bis zu dem nächsten Puls Pp zum Zeitpunkt t76, an dem das Potential des Signals SG4-C zu steigen beginnt, kleiner als das Signal SG4-A.
Das heißt, dass die Zeitperiode T zwischen den Pulsen Pp in der Pluspotentialrichtung die durch den Einfluss des externen Magnetfelds erzeugte Phasendifferenz der Pulse Pp reflektiert. Auf diese Weise können die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds berechnet werden, indem die Phasendifferenz der Pulse Pp oder die Zeitperiode T erfasst wird.
<Änderungsbeispiele für Hauptsignale im Fall eines großen externen Magnetfelds>
Ein Änderungsbeispiel des Hauptsignals für den Fall eines großen externen Magnetfelds ist in 6 gezeigt. In 6 gibt die horizontale Achse jedes Signals eine gemeinsame Zeit t wieder und gibt die vertikale Achse ein Potential wieder. Die Signale SG01, SG3, SG2-A und SG4-A von 6 sind gleich denjenigen von 5.
Die Signale SG2-A, SG2-D und SG2-E von 5 entsprechen jeweils der Ausgabe der Brückenschaltung 22 und zum Beispiel der Wellenform des von der Signalverarbeitungseinheit 23 in 1 ausgegebenen Signals SG2. Die Signale SG4-A, SG4-D und SG4-E entsprechen jeweils der Ausgabe der Differenzierungsschaltung und zum Beispiel dem von der Differenzierungsschaltung 34c in 1 ausgegebenen Signal SG4.
Die Signale SG2-A und SG4-A zeigen jeweils einen Zustand, in dem das externe Magnetfeld gleich null ist. Die Signale SG2-D und SG4-D zeigen ein Beispiel für einen Fall, in dem das externe Magnetfeld in der Plusrichtung ausgerichtet ist und die Größe des externen Magnetfelds größer als die Amplitude VP der AC-Vorspannung ist. Die Signale SG2-E und SG4-E zeigen ein Beispiel für einen Fall, in dem das externe Magnetfeld in der Minusrichtung ausgerichtet ist und die Größe des externen Magnetfelds größer als die Amplitude VP der AC-Vorspannung ist.
In dem Beispiel von 6 sind die Wellenformen der Signale SG2-D und SG2-E im Wesentlichen gleich denjenigen des Vorspannsignals SG3 aufgrund eines Einflusses, in dem das externe Magnetfeld größer als die Amplitude Vp ist. Aus diesem Grund wird die Phase jedes Pulses Pp in der Plusrichtung in dem Signal SG4-D konstant und wird auch die Zeitperiode T zwischen zwei benachbarten Pulsen Pp konstant. Entsprechend wird auch in dem Signal SG4-E die Phase jedes Pulses Pp in der Plusrichtung konstant und wird die Zeitperiode T zwischen zwei benachbarten Pulsen Pp konstant.
Deshalb kann in dem Zustand von 6 das externe Magnetfeld nicht aus der Phase oder der Periode des Pulses in den Signalen SG4-D oder SG4-E erfasst werden. Es kann also eine Änderung in der Phase des Pulses Pp wie in den Signalen SG4-B und SG4-C von 5 nur dann erfasst werden, wenn die Größe des externen Magnetfelds kleiner ist als die Amplitude Vp der AC-Vorspannung.
Weil jedoch auch in dem Zustand von 6 die Amplituden A1D und A2D des Signals SG2-D durch die Größe des externen Magnetfelds beeinflusst werden, können die Größe oder die Richtung des externen Magnetfelds basierend auf Informationen wenigstens einer der Amplituden A1D und A2D berechnet werden. Und weil entsprechend die Amplituden A1E und A2E des Signals SG2-E durch die Größe des externen Magnetfelds beeinflusst werden, können die Größe oder die Richtung des externen Magnetfelds basierend auf Informationen wenigstens einer der Amplituden A1E und A2E berechnet werden.
<Betrieb der Erfassungseinheit 30>
Das von dem Instrumentationsverstärker 29 der Treibereinheit 20 ausgegebene Signal SG2 wird an dem Eingang des Verstärkers 31 in der Erfassungseinheit 30 angelegt. Das Signal SG2 weist eine dreieckige Wellenform ähnlich wie das Signal SG2-A von 5 auf, wenn das externe Magnetfeld gleich null ist. Die Wellenformen der Signale SG2-B und SG2-C von 5 werden jeweils gebildet, wenn das externe Magnetfeld in der Plusrichtung oder in der Minusrichtung ausgerichtet ist. Wenn die Größe des externen Magnetfelds gleich oder größer als die Amplitude Vp des Vorspannsignals wird, werden die Wellenformen der Signale SG2-D und SG2-E von 6 gebildet. Das Signal SG2 wird durch den Verstärker 31 verstärkt und wahlweise an einem Eingang der Amplitudenerfassungsschaltung 33 und der Phasenerfassungsschaltung 34 durch das Schalten der Schaltschaltung 32 angelegt.
<Betrieb der Amplitudenerfassungsschaltung 33>
In der Amplitudenerfassungsschaltung 33 wird ein Signal mit einer Wellenform, die gleich derjenigen der Signale SG2-A, SG2-B und SG2-C von 5 ist, an dem Eingang des Tiefpassfilters (LPF) 33a angelegt. Das Tiefpassfilter 33a entfernt ein hochfrequentes Element, indem es eine Signalintegrationsoperation durchführt. Wenn zum Beispiel ein Signal mit einer dreieckigen Wellenform eingegeben wird, wird das Signal SG6 mit einer im Wesentlichen sinusförmigen Wellenform von dem Tiefpassfilter 33a ausgegeben.
Der Komparator (COMP) 33b vergleicht das Potential des Ausgabesignals des Tiefpassfilters 33a mit einem Schwellwert und erzeugt ein binäres Signal SG8 für das Steuern des Ein/Aus-Zustands des analogen Schalters 33c. Das Signal SG6, das von dem Tiefpassfilter 33a ausgegeben wird, wird zu der Spitzenhalteschaltung 33d über den analogen Schalter 33c ausgegeben.
Die Spitzenhalteschaltung 33d kann das Spitzenpotential des von dem analogen Schalter 33c ausgegebenen Signals SG7 erfassen und das Spitzenpotential halten. Auf diese Weise können zum Beispiel Spannungen jeweils in Entsprechung zu den Amplituden A1B, A2B, A1C und A2C der Signale SG2-B und SG2-C von 5 als die Amplitudenerfassungssignale SG9 ausgegeben werden.
<Betrieb der Phasenerfassungsschaltung 34>
In der Phasenerfassungsschaltung 34 wird ein Signal mit einer Wellenform, die gleich derjenigen der Signale SG2-A, SG2-B und SG2-C von 5 ist, von dem Ausgang der Schaltschaltung 32 zu der Differenzierungsschaltung 34a eingegeben. Die Phasenerfassungsschaltung 34 differenziert das eingegebene Signal mittels der Differenzierungsschaltung 34a, verstärkt das Signal durch den Verstärker 34b und differenziert das Signal wiederum durch die nächste Differenzierungsschaltung 34c, um das Signal SG4 zu erzeugen.
Deshalb tritt wie in den Signalen SG4-B und SG4-C von 5 gezeigt der Puls Pn in der Minusrichtung mit dem Timing jedes Scheitels, an dem die Potentiale der Signale SG2-B und SG2-C von einem steigenden Zustand zu einem fallenden Zustand wechseln, auf. Der Puls Pp in der Plusrichtung tritt mit dem Timing jedes Scheitels, an dem die Potentiale der Signale SG2-B und SG2-C von einem fallenden Zustand zu einem steigenden Zustand wechseln, auf.
Der Komparator (COMP) 34d gibt ein durch das Vergleichen des Potentials des von der Differenzierungsschaltung 34c ausgegebenen Signals SG4 mit einem Schwellwert erhaltenes Ergebnis als ein binäres Signal aus. Das binäre Signal ist das Phasendifferenzerfassungssignal SG5, das genau das Timing jedes Pulses Pp in der Plusrichtung wiedergibt.
<Grundbetrieb des Mikrocomputers 35>
Der Mikrocomputer 35 kann die Spannung des von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignals SG9 messen, um zum Beispiel eine oder beide der Amplituden A1B und A2B von 5 zu prüfen und die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds basierend auf dem Ergebnis zu berechnen. Der Mikrocomputer 35 kann zum Beispiel die Länge jeder in 5 gezeigten Zeitperiode T basierend auf dem Timing des von der Phasenerfassungsschaltung 34 ausgegebenen Phasendifferenzerfassungssignals SG5 messen und die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds basierend auf dem Ergebnis berechnen.
<Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld und der Operation der Phasenerfassungsschaltung 34>
Ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld und der Operation der Phasenerfassungsschaltung 34 ist in 7 gezeigt. Eine in 7 gezeigte Kennlinie C71 ist ein Beispiel für die Erfassungskennlinie der Phasenerfassungsschaltung 34 in der Erfassungseinheit 30. In 7 gibt die horizontale Achse die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds H [A/m] wieder und gibt die vertikale Achse die Länge der Zeitperiode T (siehe 5 und 6) des Pulses Pp in der Plusrichtung der Signale SG4 und SG5 der Phasenerfassungsschaltung 34 an.
Wie in 7 gezeigt, wird in der Kennlinie C71 die erfasste Zeitperiode T, während das externe Magnetfeld H gleich null ist, zu „(1/2×f0)“. Die Frequenz f0 ist die Grundfrequenz des Signals SG01. Wenn das externe Magnetfeld H im Bereich von „-Vp<H<+Vp“ liegt, wird die erfasste Zeitperiode T proportional zu einer Änderung in der Größe des externen Magnetfelds H linear größer. „Vp“ gibt die Amplitude des AC-Vorspannmagnetfelds an. Wenn sich das externe Magnetfeld H in dem Bereich gleich oder kleiner als „-Vp“ befindet und das externe Magnetfeld H im Bereich gleich oder größer als „Vp“ befindet, nimmt die erfasste Zeitperiode T einen konstanten Wert an, d.h. „T=(1/f0)“.
Wenn also das externe Magnetfeld H im Bereich von „-Vp<H<+Vp“ liegt, kann der Mikrocomputer 35 die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds H basierend auf der Gleichung in Entsprechung zu der Kennlinie C71 und der Zeitperiode T des aus der Phasenerfassungsschaltung 34 ausgegebenen Phasendifferenzerfassungssignals SG5 berechnen.
Die Richtung des externen Magnetfelds H kann als die Plusrichtung bestimmt werden, wenn die erfasste Zeitperiode T größer als „(1/(2×f0)“ ist, und kann als die Minusrichtung bestimmt werden, wenn die erfasste Zeitperiode T kleiner als „(1/(2×f0)“ wie in der Kennlinie C71 von 7 gezeigt ist.
Wenn jedoch das externe Magnetfeld H in einem Bereich gleich oder kleiner als „-Vp“ liegt und das externe Magnetfeld H in einem Bereich gleich oder größer als „+Vp“ liegt, kann das externe Magnetfeld H nicht aus der erfassten Zeitperiode T berechnet werden. Wenn also das externe Magnetfeld H in einem Bereich gleich oder kleiner als „-Vp“ liegt und das externe Magnetfeld H in einem Bereich gleich oder größer als „+Vp“ liegt, berechnet der Mikrocomputer 35 die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds H unter Verwendung des von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignals SG9.
<Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld und der durch die Phasenerfassungsschaltung 34 erfassten Amplitude“
Ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld und der durch die Phasenerfassungsschaltung 34 erfassten Amplitude ist in 8 gezeigt. Die Kennlinien C81 und C82 von 8 zeigen die Erfassungskennlinie der Amplitudenerfassungsschaltung 33, wobei die Kennlinien C81 und C82 jeweils den Amplituden A1 und A2 von 5 in dem von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignal SG9 entsprechen.
Das heißt, dass die Amplitude A1 die Spannung [V] der Amplitude des Signals SG2 während der Anstiegszeit des Signals SG01 angibt und die Amplitude A2 die Spannung der Amplitude des Signals SG2 während der Abfallzeit des Signals SG01 angibt. In 8 gibt die horizontale Achse die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds H [A/m] wieder und gibt die vertikale Achse die Spannungen der Amplituden A1 und A2 wieder.
Wie in 8 gezeigt, wird in der Kennlinie C81 die Spannung der Amplitude A1 minimal, wenn die Größe des externen Magnetfelds H auf der Minusseite gleich „2 Vp“ ist, und wird die Spannung der Amplitude A1 größer, wenn die Größe des externen Magnetfelds H weiter von dem Referenzpunkt entfernt ist.
In der Kennlinie C82 wird die Spannung der Amplitude A2 minimal, wenn die Größe des externen Magnetfelds H auf der Plusseite gleich „2 Vp“ ist, und wird die Spannung der Amplitude A2 größer, wenn die Größe des externen Magnetfelds H weiter von dem Referenzpunkt entfernt ist.
Auf diese Weise kann die Größe des externen Magnetfelds H basierend auf zum Beispiel Informationen der Kennlinie C81 und/oder der Kennlinie C82 von 8 und auf den Spannungen der Amplituden A1 und A2 des von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignals SG9 berechnet werden. Weil die Kennlinien C81 und C82 voneinander verschieden sind, kann die Richtung (plus/minus) des externen Magnetfelds H spezifiziert werden, indem zum Beispiel die Größenbeziehung der Spannungen der Amplituden A1 und A2 verglichen wird.
<Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld und der Operation der Amplitudenerfassungsschaltung 33>
Ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld und der Operation der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ist in 9 gezeigt. Eine in 9 gezeigte Kennlinie C91 gibt die Erfassungskennlinie der Amplitudenerfassungsschaltung 33 an und entspricht insbesondere der Differenz (A1 - A2) zwischen den Amplituden A1 und A2 in 5 des von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignals SG9. In 9 gibt die horizontale Achse die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds H [A/m] wieder und gibt die vertikale Achse die Spannung [V] der Amplitudendifferenz (A1 - A2) wieder.
Wie in 9 gezeigt, wird in der Kennlinie C91 die Spannung der Amplitudendifferenz (A1- A2) gleich null, während das externe Magnetfeld H gleich null ist. In dem Plusbereich des externen Magnetfelds H wird die Spannung der Amplitudendifferenz (A1 - A2) in der Plusrichtung proportional zu einer Vergrößerung der Größe des externen Magnetfelds H größer. In dem Minusbereich des externen Magnetfelds H wird die Spannung der Amplitudendifferenz (A1 - A2) in der Minusrichtung proportional zu einer Vergrößerung der Größe des externen Magnetfelds H größer.
Das heißt, dass der Mikrocomputer 35 die Spannung der Amplitudendifferenz (A1 - A2) basierend auf der Spannung des von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignals SG9 berechnen kann und die Größe des externen Magnetfelds H basierend auf der Amplitudendifferenz (A1 - A2) und der Kennlinie C91 von 9 berechnen kann. Die Richtung (plus/minus) des externen Magnetfelds H kann spezifiziert werden, indem der positive/negative Zustand der Spannung der Amplitudendifferenz (A1 - A2) identifiziert wird.
<Prozesssequenz des kennzeichnenden Betriebs>
Eine Prozesssequenz eines kennzeichnenden Betriebs des Magnetfeldsensors 200 ist in 10 gezeigt. Wenn der Mikrocomputer 35 des Magnetfeldsensors 200 die in 10 gezeigte Prozesssequenz durchführt, können die Amplitudenerfassungsschaltung 33 und die Phasenerfassungsschaltung 34 automatisch und separat in Abhängigkeit von der Situation verwendet werden.
In Schritt S11 erhält der Mikrocomputer 35 Informationen zu einer oder beiden Amplituden A1 und A2, indem ein Signal in Entsprechung zu dem Signal SG2 zu der Amplitudenerfassungsschaltung 33 durch das Schalten der Schaltschaltung 32 und das Messen der Spannung des von der Amplitudenerfassungsschaltung 33 ausgegebenen Amplitudenerfassungssignals SG9 eingegeben wird.
In Schritt S12 gibt der Mikrocomputer 35 ein Signal in Entsprechung zu dem Signal SG2 zu der Phasenerfassungsschaltung 34 durch das Schalten der Schaltschaltung 32 ein und misst die Zeitperiode T von dem von der Phasenerfassungsschaltung 34 ausgegebenen Phasendifferenzerfassungssignal SG5.
In Schritt S13 vergleicht der Mikrocomputer 35 die AC-Vorspannperiode T0(=1/f) mit der Zeitperiode T, die durch das Erfassen der Phasendifferenz von Schritt S12 erhalten wird. Im Fall von „T=T0“ schreitet die Routine zu Schritt S14 fort. Und wenn die Zeitperiode T verschieden ist von der AC-Vorspannperiode T0, schreitet die Routine zu Schritt S15 fort.
In einem Zustand, in dem die Routine zu Schritt S14 fortschreitet, ist die Größe des an dem Magnetimpedanzelement 12 angelegten externen Magnetfelds He gleich oder größer als die Amplitude Vp des AC-Vorspannsignals SG3 und können keine Informationen zu der Phasendifferenzänderung in Reaktion auf das externe Magnetfeld wie in den Signalen SG4-D und SG4-E von 6 erhalten werden.
Deshalb berechnet der Mikrocomputer 35 in Schritt S14 die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds He unter Verwendung von nur dem Amplitudenerfassungsergebnis (A1 und A2) von Schritt S11.
Und in einem Zustand, in dem die Routine zu Schritt S15 fortschreitet, ist die Größe des an dem Magnetimpedanzelement 12 angelegten externen Magnetfelds He kleiner als die Amplitude Vp des AC-Vorspannsignals SG3 und können Informationen zu der Phasendifferenzänderung in Reaktion auf das externe Magnetfeld wie in den Signalen SG4-B und SG4-C von 5 erhalten werden.
Deshalb berechnet der Mikrocomputer 35 in Schritt S15 die Größe und die Richtung des externen Magnetfelds He unter Verwendung des Amplitudenerfassungsergebnisses (A1 und A2) von Schritt S11 und des Phasenerfassungsergebnisses (T) von Schritt S12.
In Schritt S15 kann eine der folgenden Operationen (A), (B) und (C) durch zum Beispiel die Auswahlbetätigung eines Benutzers oder eine automatische Operation in Abhängigkeit von der Situation ausgewählt werden, um zum Beispiel ein genaueres Erfassungsergebnis zu erhalten. (A) Die Größe des externen Magnetfelds He wird unter Verwendung von Informationen zu der Amplitude und der Phasendifferenz berechnet. (B) Die Größe des externen Magnetfelds He wird unter Verwendung von nur Informationen zu der Phasendifferenz berechnet. (C) Die Größe des externen Magnetfelds He wird unter Verwendung von nur Informationen zu der Amplitude berechnet.
Wenn die Operation (A) durchgeführt wird, kann die endgültige Größe Ht des externen Magnetfelds zum Beispiel durch den folgenden Ausdruck berechnet werden.
$Ht = (Ha + Hp) /2$

Ha: Größe des externen Magnetfelds, die nur basierend auf Informationen zu der Amplitude berechnet wird
Hp: Größe des externen Magnetfelds, die nur basierend auf Informationen zu der Phasendifferenz berechnet wird

Durch das Durchführen eines derartigen Mittelns kann ein genaueres Erfassungsergebnis in einem breiten Bereich der Größe des externen Magnetfelds erhalten werden.
Im Folgenden werden die Merkmale der Ausführungsform des Magnetfeldsensors gemäß der Erfindung in den Punkten [1] bis [5] zusammengefasst.
[1] Magnetfeldsensor (200), der umfasst:

ein Magneterfassungselement (ein Magnetimpedanzelement 12), das ein magnetisches Material (einen magnetischen Dünnfilm 12b), das einen Magnetimpedanzeffekt verursacht, und eine Vorspannspule (14) zum Anlegen eines Vorspannmagnetfelds an dem magnetischen Material enthält,
eine Hochfrequenz-Oszillationsschaltung (eine Oszillationsschaltung 21), die einen hochfrequenten Strom zu dem magnetischen Material zuführt,
eine AC-Vorspannschaltung (einen Verstärker 37), die einen AC-Vorspannstrom zu der Vorspannspule zuführt, und
eine Erfassungsschaltung (eine Erfassungseinheit 30), die einen Referenzpunkt in Entsprechung zu einer extremen Impedanzposition (einer Spitzenposition der Kennlinie von 3) in einer Kennlinie des Magneterfassungselements in einem Zustand, in dem kein externes Magnetfeld angelegt wird, setzt und ein elektrisches Signal ausgibt, das sich in Reaktion auf eine Impedanzänderungsgröße von dem Referenzpunkt ändert,
wobei die Erfassungsschaltung eine Amplitudenerfassungsschaltung (33) enthält, die eine Amplitude (A1, A2) mit dem Timing jedes Scheitels, an dem wenigstens eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst.

[2] Magnetfeldsensor nach [1],
wobei die Erfassungsschaltung enthält:

eine Brückenschaltung, die das magnetische Material (den magnetischen Dünnfilm 12b) des Magneterfassungselements und drei Widerstände (24, 25, 26) enthält und einen ausgeglichenen Zustand annimmt, wenn das Magneterfassungselement eine Impedanz an dem Referenzpunkt aufweist, und
eine Spannungserfassungsschaltung (die Signalverarbeitungseinheit 23), die eine Ausgangsspannung der Brückenschaltung erfasst.

[3] Magnetfeldsensor nach [1] oder [2],
wobei die Erfassungsschaltung enthält:

eine Phasendifferenzerfassungsschaltung (die Phasenerfassungsschaltung 34), die eine Phasendifferenz mit dem Timing jedes Scheitels, an dem eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst, und
eine Auswahlschaltung (die Schaltschaltung 32, den Mikrocomputer 35), die die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung wählt.

[4] Magnetfeldsensor nach [3],
wobei die Auswahlschaltung automatisch die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung in Reaktion auf ein Ergebnis des Identifizierens einer Größe der Stärke des externen Magnetfelds wählt (Schritt S13 bis Schritt S15).
[5] Magnetfeldsensor nach [4],
wobei die Erfassungsschaltung eine basierend auf der Phasendifferenz berechnete erste Magnetfeldstärke (Hp) und eine basierend auf der Amplitude berechnete zweite Magnetfeldstärke (Ha) unter Verwendung der Ausgaben der Phasendifferenzerfassungsschaltung und der Amplitudenerfassungsschaltung erhält und eine endgültige Größe (Ht) des externen Magnetfelds basierend auf einem durch das Mitteln der ersten Magnetfeldstärke und der zweiten Magnetfeldstärke erhaltenen Ergebnisses erfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP H09127218 A [0002, 0003, 0007, 0040]
JP 2000180521 A [0002, 0004, 0007, 0040]
JP 2015092144 A [0002, 0005, 0008]

Claims

Magnetfeldsensor, der umfasst: ein Magneterfassungselement, das ein magnetisches Material, das einen Magnetimpedanzeffekt verursacht, und eine Vorspannspule zum Anlegen eines Vorspannmagnetfelds an dem magnetischen Material enthält, eine Hochfrequenz-Oszillationsschaltung, die einen hochfrequenten Strom zu dem magnetischen Material zuführt, eine AC-Vorspannschaltung, die einen AC-Vorspannstrom zu der Vorspannspule zuführt, und eine Erfassungsschaltung, die einen Referenzpunkt in Entsprechung zu einer extremen Impedanzposition in einer Kennlinie des Magneterfassungselements in einem Zustand, in dem kein externes Magnetfeld angelegt wird, setzt und ein elektrisches Signal ausgibt, das sich in Reaktion auf eine Impedanzänderungsgröße von dem Referenzpunkt ändert, wobei die Erfassungsschaltung eine Amplitudenerfassungsschaltung enthält, die eine Amplitude des elektrischen Signals mit dem Timing jedes Scheitels, an dem wenigstens eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei die Erfassungsschaltung enthält: eine Brückenschaltung, die das magnetische Material des Magneterfassungselements und drei Widerstände enthält und einen ausgeglichenen Zustand annimmt, wenn das Magneterfassungselement eine Impedanz des Referenzpunkts aufweist, und eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung der Brückenschaltung erfasst.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erfassungsschaltung enthält: eine Phasendifferenzerfassungsschaltung, die eine Phasendifferenz mit dem Timing jedes Scheitels, an dem eine Spannungsänderungsrichtung des elektrischen Signals wechselt, erfasst, und eine Auswahlschaltung, die die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung wählt.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 3, wobei die Auswahlschaltung automatisch die Phasendifferenzerfassungsschaltung und/oder die Amplitudenerfassungsschaltung in Reaktion auf ein Ergebnis des Identifizierens einer Größe der Stärke des externen Magnetfelds wählt.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 4, wobei die Erfassungsschaltung eine basierend auf der Phasendifferenz berechnete erste Magnetfeldstärke und eine basierend auf der Amplitude berechnete zweite Magnetfeldstärke unter Verwendung der Ausgaben der Phasendifferenzerfassungsschaltung und der Amplitudenerfassungsschaltung erhält und eine endgültige Größe des externen Magnetfelds basierend auf einem durch das Mitteln der ersten Magnetfeldstärke und der zweiten Magnetfeldstärke erhaltenen Ergebnisses erfasst.