DE112016005046T5

DE112016005046T5 - Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und Magnetfeld-Erfassungsverfahren

Info

Publication number: DE112016005046T5
Application number: DE112016005046.1T
Authority: DE
Inventors: Kei Tanabe
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-08-02
Also published as: US11073576B2; CN108351390B; JP6791162B2; JPWO2017077870A1; CN108351390A; WO2017077870A1; US20180321332A1

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden besteht darin, wahlweise ein Erfassungsmagnetfeld zu erfassen, ohne gesondert einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsmagnetfelds bereitzustellen. Eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung umfasst eine Magnetfeld-Erfassungseinheit 10, die ein Ausgangssignal S1 gemäß einem Magnetfeld erzeugt, eine erste Signalerzeugungseinheit 20, die eine vorgegebene Frequenzkomponente aus dem Ausgangssignal S1 extrahiert und ein Aufhebungssignal S2 basierend auf der vorgegebenen Frequenzkomponente erzeugt, eine erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40, die ein erstes Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 basierend auf dem Aufhebungssignal S2 anlegt, und eine zweite Signalerzeugungseinheit 30, die ein Erfassungssignal S3 basierend auf dem Ausgangssignal S1 der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 erzeugt, an der das erste Aufhebungsmagnetfeld angelegt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Aufhebungssignal basierend auf einer Frequenzkomponente eines Ausgangssignals erzeugt, und ein erstes Aufhebungsmagnetfeld wird an einer Magnetfeld-Erfassungseinheit unter Verwendung des Aufhebungssignals angelegt. Daher ist es nicht notwendig, gesondert einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsmagnetfelds bereitzustellen. Weil diese Ausgestaltung die Anzahl von Teilen verringert, können eine Verkleinerung sowie eine Kostenverringerung verwirklicht werden.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und ein Magnetfeld-Erfassungsverfahren, und insbesondere eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und ein Magnetfeld-Erfassungsverfahren, die ein Erfassungsmagnetfeld selektiv erfassen, indem sie ein Umgebungsmagnetfeld, welches das Erfassungsmagnetfeld überlagert, aufheben.
[Technischer Hintergrund]
Eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung, die ein schwaches Magnetfeld erfasst, das von einem menschlichen Körper oder dergleichen abgegeben wird, wird durch ein Umgebungsmagnetfeld, wie beispielsweise Geomagnetismus, stark beeinflusst. Deshalb ist es bei dieser Art von Vorrichtung erforderlich, die Einflüsse des Umgebungsmagnetfelds zu unterdrücken.
Eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung, die in Patentdokument 1 beschrieben wurde, hat einen Sensor, der ein Umgebungsmagnetfeld erfasst, gesondert von einem Sensor, der ein zu messendes Magnetfeld erfasst, und treibt eine Unterdrückungsspule basierend auf einem Ausgangssignal des gesondert bereitgestellten Sensors, um das Umgebungsmagnetfeld zu unterdrücken. Eine in Patentdokument 2 beschriebene Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung hat ebenfalls einen Sensor, der ein Umgebungsmagnetfeld erfasst, gesondert von einem Sensor, der ein zu messendes Magnetfeld erfasst, und berechnet eine Differenz zwischen Ausgangssignalen dieser Sensoren, um eine Komponente des zu erfassenden Magnetfelds zu extrahieren.
[Liste der Bezugnahmen]
[Patentdokument]

Patentdokument 1: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2009-297 224 A
Patentdokument 2: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2012-152 515 A

[Darstellung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösendes, technisches Problem]
Da jedoch beide Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen, die in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben werden, gesondert einen Sensor benötigen, der ein Umgebungsmagnetfeld erfasst, haben diese Magnetfeld-Erfassungsvorrichtungen ein Problem dahingehend, dass die Anzahl von Teilen erhöht ist und eine Kostenverringerung nur schwer zu verwirklichen ist.
Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und ein Magnetfeld-Erfassungsverfahren anzugeben, die ein Erfassungsmagnetfeld wahlweise erfassen können, ohne gesondert einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsmagnetfelds bereitzustellen.
[Mittel zur Lösung des Problems]
Eine Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Magnetfeld-Erfassungseinheit, die ein Ausgangssignal gemäß einem Magnetfeld erzeugt, eine erste Signalerzeugungseinheit, die eine vorgegebene Frequenzkomponente aus dem Ausgangssignal extrahiert und ein Aufhebungssignal basierend auf der vorgegebenen Frequenzkomponente erzeugt, eine erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit, die ein erstes Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit basierend auf dem Aufhebungssignal anlegt, und eine zweite Signalerzeugungseinheit, die ein Erfassungssignal basierend auf dem Ausgangssignal der Magnetfeld-Erfassungseinheit erzeugt, an der das erste Aufhebungsmagnetfeld angelegt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Aufhebungssignal basierend auf einer Frequenzkomponente eines Ausgangssignals erzeugt, und ein erstes Aufhebungsmagnetfeld wird an eine Magnetfeld-Erfassungseinheit unter Verwendung des Aufhebungssignals angelegt. Deshalb ist es nicht erforderlich, gesondert einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsmagnetfelds bereitzustellen. Weil diese Ausgestaltung die Anzahl der Teile verringert, können eine Verkleinerung und eine Kostensenkung verwirklicht werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die vorgegebene Frequenzkomponente eine DC-Komponente enthält. Entsprechend kann ein Erfassungsmagnetfeld in einem Zustand gemessen werden, in dem Geomagnetismus aufgehoben wurde.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die erste Signalerzeugungseinheit ein Tiefpassfilter, ein Bandsperrfilter, ein Hochpassfilter, oder ein Bandpassfilter beinhalten, oder sie kann einen A/D-Wandler, der das Ausgangssignal in ein digitales Signal wandelt, und ein Digitalfilter umfassen, das das digitale Signal verarbeitet.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit eine erste Spule umfasst, und dass die Magnetfeld-Erfassungseinheit in einem Innendurchmesserabschnitt der ersten Spule platziert ist. Dies ermöglicht es, dass ein Umgebungsmagnetfeld mit höherer Genauigkeit aufgehoben werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit umfasst, die ein zweites Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit basierend auf dem Ausgangssignal der Magnetfeld-Erfassungseinheit anlegt, an der das erste Aufhebungsmagnetfeld angelegt wird. Entsprechend kann eine genauere Erfassung eines Magnetfelds durch einen sogenannten geschlossenen Regelkreis erfolgen.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfeld-Erfassungseinheit ein Magnetfeld-Erfassungselement, das das Magnetfeld in eine Potentialdifferenz wandelt, und eine erste Verstärkungsschaltung beinhaltet, die die Potentialdifferenz verstärkt, um das Ausgangssignal zu erzeugen. In diesem Fall können das Magnetfeld-Erfassungselement und die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit auf einem selben Sensorchip integriert sein, oder die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit kann ferner auf dem Sensorchip integriert sein.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Magnetfeld-Erfassungseinheit ferner eine zweite Verstärkerschaltung umfasst, die gesondert von der ersten Verstärkerschaltung bereitgestellt ist, und die die Potentialdifferenz verstärkt, um das Erfassungssignal zu erzeugen. Entsprechend wird die Last von jeder der Verstärkerschaltungen verringert, und Schaltungskonstanten dieser können unabhängig voneinander festgelegt werden.
Ein Magnetfeld-Erfassungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Erfassen eines synthetischen Magnetfelds mit einem Umgebungsmagnetfeld, das ein Erfassungsmagnetfeld überlagert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das Extrahieren einer Frequenzkomponente, die dem Umgebungsmagnetfeld entspricht, aus dem Ausgangssignal, um ein Aufhebungssignal zu erzeugen, und das Aufheben des Umgebungsmagnetfelds basierend auf dem Aufhebungssignal, um eine Komponente, die dem Erfassungsmagnetfeld entspricht, aus dem Ausgangssignal zu extrahieren.
In der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Teile verringert, und es können eine Verkleinerung und eine Kostenverringerung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung verwirklicht werden, weil es nicht erforderlich ist, einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsmagnetfelds gesondert zu verwenden.
[ Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung ]
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Erfassungsmagnetfeld ohne gesondertes Bereitstellen eines Sensors zur Erfassung eines Umgebungsmagnetfelds selektiv zu erfassen.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer konkreten Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 veranschaulicht.
3 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel des Magnetfeld-Erfassungselements 11 veranschaulicht.
4 ist eine schematische Schnittansicht entlang einer Linie X-X, die in 3 veranschaulicht ist.
5 ist ein Schaltungsdiagramm zur Erläuterung einer Anschlussbeziehung zwischen den magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 und dem Operationsverstärker 12.
6 ist ein Schaubild, das eine Operation in einem Fall veranschaulicht, in dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Tiefpassfilter ist.
7 ist ein Schaubild, das eine Operation in einem Fall veranschaulicht, in dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Bandsperrfilter ist.
8 ist ein Schaubild, das eine Operation in einem Fall veranschaulicht, in dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Hochpassfilter ist.
9 ist ein Schaubild, das eine Operation in einem Fall veranschaulicht, bei dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Bandpassfilter ist.
10 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein anderes Beispiel der konkreten Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 veranschaulicht.
11 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß einem ersten Beispiel.
12 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die ein äußeres Erscheinungsbild der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß dem ersten Beispiel veranschaulicht.
13 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zur Erläuterung einer Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß einem zweiten Beispiel.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer konkreten Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 veranschaulicht.

[ Ausführungsformen ]
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung einer Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer konkreten Ausgestaltung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 darstellt.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Magnetfeld-Erfassungseinheit 10, die ein Ausgangssignal S1 erzeugt, eine erste Signalerzeugungseinheit 20, und eine zweite Signalerzeugungseinheit 30, die das Ausgangssignal S1 empfangen, und eine erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 und eine zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50, die ein Magnetfeld an die Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 anlegen.
Die Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 ist eine Schaltung, die den Pegel des Ausgangssignals S1 gemäß einem Magnetfeld verändert und ist nahe einem Erfassungszielobjekt platziert, um eine Erfassung eines zu erfassenden Magnetfelds (eines Erfassungsmagnetfelds) durchzuführen. Weil jedoch ein Umgebungsmagnetfeld das Erfassungsmagnetfeld überlagert, erfasst die Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 ein synthetisches Magnetfeld, das das Umgebungsmagnetfeld umfasst, welches das Erfassungsmagnetfeld überlagert. Daher muss, um nur die Komponente des Erfassungsmagnetfelds aus dem synthetischen Magnetfeld zu extrahieren, das Umgebungsmagnetfeld aufgehoben werden. Ein typisches Umgebungsmagnetfeld ist der Geomagnetismus. Obgleich nicht besonders beschränkt, kann eine konkrete Ausgestaltung der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 durch ein Magnetfeld-Erfassungselement 11 gebildet werden, das ein Differenzsignal ausgibt, und einen Operationsverstärker (eine Verstärkerschaltung) 12, die das von dem Magnetfeld-Erfassungselement 11 ausgegebene Differenzsignal verstärkt, wie in 2 dargestellt.
3 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel des Magnetfeld-Erfassungselements 11 darstellt, und 4 ist eine schematische Schnittansicht entlang einer Linie X-X, dargestellt in 3.
Bei den in den 3 und 4 dargestellten Beispielen handelt es sich bei dem Magnetfeld-Erfassungselement 11 um einen Sensorchip, und vier magnetoresistive Sensoren MR1 bis MR4 sind auf einem Substrat 13 bereitgestellt, das den Sensorchip darstellt. Für die magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 ist es bevorzugt, einen Riesenmagnetowiderstands-Sensor (GMR-Sensor) vom Spin-Valve-Typ mit einem elektrischen Widerstand zu verwenden, der sich in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Magnetfelds verändert. Die Magnetisierung festlegende Richtungen der magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 sind alle derart angeordnet, dass sie eine gleiche Richtung aufweisen, die durch einen Pfeil A in 3 angedeutet wird.
Ein Magnetelement 15 ist auf einer Oberfläche des Substrats 13 platziert, wobei eine Isolierschicht 14, die die magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 bedeckt, zwischen diesen angeordnet ist. Das Magnetelement 15 ist ein Block aus hochpermeablen Material wie beispielweise Ferrit und ist in einer Draufsicht zwischen den magnetoresistiven Sensoren MR1 und MR4 und den magnetoresistiven Sensoren MR2 und MR3 platziert. Wie in 4 dargestellt, funktioniert das Magnetelement 15 dahingehend, vertikale magnetische Flüsse ø zu bündeln, und die durch das Magnetelement 15 gegebündelten magnetischen Flüsse ø werden im Wesentlichen gleich nach rechts und links verteilt. Entsprechend werden die vertikalen magnetischen Flüsse ø im Wesentlichen gleich an den magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 bereitgestellt.
5 ist ein Schaltungsdiagramm zur Erläuterung einer Anschlussbeziehung zwischen den magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 und dem Operationsverstärker 12.
Wie in 5 dargestellt ist der magnetoresistive Sensor MR1 zwischen Anschlusselektroden E1 und E3 angeschlossen, der magnetoresistive Sensor MR2 ist zwischen Anschlusselektroden E2 und E3 angeschlossen, der magnetoresistive Sensor MR3 ist zwischen den Anschlusselektroden E1 und E4 angeschlossen, und der magnetoresistive Sensor MR4 ist zwischen den Anschlusselektroden E2 und E4 angeschlossen. Eine vorgegebene Spannung wird zwischen den Anschlusselektroden E1 und E2 durch eine Konstantspannungsquelle 16 angelegt. Die Anschlusselektroden E3 und E4 sind jeweils an Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers 12 angeschlossen, so dass eine Potentialdifferenz zwischen den Anschlusselektroden E3 und E4 verstärkt wird, um das Ausgangssignal S1 zu erzeugen.
Die magnetoresistiven Sensoren MR1 und MR4 sind in Draufsicht auf einer Seite (auf der linken Seite in 3) des Magnetelements 15 platziert, und die magnetoresistiven Sensoren MR2 und MR3 sind in Draufsicht auf der anderen Seite (auf der rechten Seite in 3) des Magnetelements 15 in Draufsicht platziert. Deshalb bilden die magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 eine Differenzialbrückenschaltung, und Veränderungen in den elektrischen Widerständen der magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 gemäß den magnetischen Flussdichten können mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden.
Das bedeutet, weil alle die magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 die gleiche die Magnetisierung festlegende Richtung haben, wenn die magnetischen Flüsse aus einer vertikalen Richtung in einer horizontalen Richtung gebogen sind, wie in 4 dargestellt, entsteht eine Differenz zwischen einer Änderungsmenge des Widerstands der magnetoresistiven Sensoren MR1 und MR4, die sich auf der linken Seite befinden, und einer Änderungsmenge des Widerstands der magnetoresistiven Sensoren MR2 und MR3, die sich auf der rechten Seite befinden. Diese Differenz wird durch die Differentialbrückenschaltung, dargestellt in 5, verstärkt, um sich zu verdoppeln, und wird durch den Operationsverstärker 12 verstärkt.
Unter Rückbezug auf 1 ist das Ausgangssignal S1, das durch die Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 erzeugt wird, eine Eingabe für die erste Signalerzeugungseinheit 20 und die zweite Signalerzeugungseinheit 30.
Die erste Signalerzeugungseinheit 20 ist eine Schaltung, die eine vorgegebene Frequenzkomponente aus dem Ausgangssignal S1 extrahiert und ein Aufhebungssignal S2 basierend auf der vorgegebenen Frequenzkomponente erzeugt. Die vorgegebene Frequenzkomponente ist eine Frequenzkomponente, die sich von der Frequenzkomponente des Erfassungsmagnetfelds unterscheidet, und resultiert aus einem Umgebungsmagnetfeld. Weil die Frequenzkomponente des Erfassungsmagnetfelds für jede Anwendung bekannt ist, handelt es sich bei der von dieser verschiedenen Frequenzkomponente um eine Komponente, die aus dem Umgebungsmagnetfeld resultiert, und durch die erste Signalerzeugungseinheit 20 extrahiert wird. Als Beispiel, wenn ein Erfassungsmagnetfeld, das mit einem Herzschlag verknüpft ist, ein Erfassungsziel ist, beträgt die Frequenzkomponente des Erfassungsmagnetfelds etwa 100 Hz, wohingegen der Geomagnetismus, der ein Umgebungsmagnetfeld ist, sich aus Frequenzkomponenten zusammensetzt, die gleich oder niedriger als einige Hz sind. Deshalb, wenn eine DC-Komponente, die in dem Ausgangssignal S1 enthalten ist, mithilfe eines Tiefpassfilters oder dergleichen extrahiert wird, kann das Aufhebungssignal S2, das dem Geomagnetismus entspricht, erzeugt werden. Ferner, um auch Frequenzkomponenten zu extrahieren, die von einem Motor oder dergleichen abgegeben werden und die höher sind als das Erfassungsmagnetfeld, wird ein Bandsperrfilter oder dergleichen eingesetzt, um Frequenzkomponenten nahe der Frequenzkomponente des Erfassungsmagnetfelds selektiv zu unterdrücken, so dass das Aufhebungssignal S2, das dem Geomagnetismus und Motorrauschen entspricht, erzeugt werden kann.
In dem in 2 dargestellten Beispiel ist die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Tiefpassfilter und umfasst einen Operationsverstärker 21, Widerstände 22 und 23, und einen Kondensator 24. Wie in 2 dargestellt ist der Widerstand 22 mit einem invertierenden Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers 21 in Reihe geschaltet, und der Widerstand 23 und der Kondensator 24 sind zwischen einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 21 und dem invertierenden Eingangsanschluss (-) parallelgeschaltet. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 21 ist geerdet. Mit dieser Ausgestaltung werden niederfrequente Komponenten, die in dem Ausgangssignal S1 enthalten sind, extrahiert und als das Aufhebungssignal S2 ausgegeben.
Das Aufhebungssignal S2 wird der ersten Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 zugeführt. Die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 ist ein Element, das ein erstes Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 basierend auf dem Aufhebungssignal S2 bereitstellt, und eine Spule, durch die das Aufhebungssignal S2 fließt, kann dafür verwendet werden. Mit dieser Ausgestaltung werden niederfrequente Komponenten des Magnetfelds, das an dem Magnetfeld-Erfassungselement 11 anzulegen ist, also ein Umgebungsmagnetfeld einschließlich Geomagnetismus aufgehoben, und es wird nur das Erfassungsmagnetfeld an dem Magnetfeld-Erfassungselement 11 angelegt. Im Ergebnis wird das Ausgangssignal S1 zu einem Signal, das im Wesentlichen nur das Erfassungsmagnetfeld widerspiegelt.
Weil jedoch die Operation zur Aufhebung eines Umgebungsmagnetfelds unter Verwendung der ersten Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 durch eine Rückkopplungsschleife mittels des Operationsverstärkers 21 erreicht wird, können mikroskopische Fluktuationen in Abhängigkeit von dem Ansprechverhalten der Rückkopplungsschleife und der Verstärkung des Operationsverstärkers 21 in dem Ausgangssignal S1 verbleiben. Es ist bevorzugt, dass die Frequenz solcher mikroskopischer Fluktationen zweckmäßig auf eine Schaltungskonstante der ersten Signalerzeugungseinheit 20 eingestellt werden, damit sie sich nicht mit dem Frequenzband des Erfassungsmagnetfelds überlappen.
Das Ausgangssignal S1, aus dem Einflüsse des Umgebungsmagnetfelds auf diese Weise entfernt wurden, wird der zweiten Signalerzeugungseinheit 30 zugeführt. Die zweite Signalerzeugungseinheit 30 umfasst zum Beispiel einen Widerstand 31 und eine Spannungserfassungsschaltung 32, die eine Spannung zwischen beiden Enden des Widerstands 31 misst, und erzeugt ein Erfassungssignal S3, das einem durch den Widerstand 31 fließenden Strom entspricht. Das Erfassungssignal S3 ist ein Ausgangssignal der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und ist eine Eingabe für eine andere Vorrichtung, die dieses Signal verwendet.
Das Ausgangssignal S1 wird auch der zweiten Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 zugeführt, und die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 stellt ein zweites Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 basierend auf dem Ausgangssignal S1 bereit. Eine Spule, durch die das Ausgangssignal S1 fließt, kann ebenfalls für die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 verwendet werden. Weil diese Ausgestaltung einen sogenannten geschlossenen Regelkreis verwirklicht, ist es möglich, das Erfassungsmagnetfeld genauer zu erfassen.
6 ist ein Diagramm, das eine Operation in einem Fall darstellt, bei dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Tiefpassfilter ist.
Zunächst, wenn das Ausgangssignal S1 Frequenzkomponenten hat, wie sie in 6A veranschaulicht sind, und die Frequenz des Erfassungsmagnetfelds f0 ist, kann festgehalten werden, dass von der Frequenz f0 des Erfassungsmagnetfelds beabstandeten Frequenzbänder f1 und f2, entfernt der Frequenz f0 Rauschkomponenten sind. In den 6A bis 6C sind die Frequenzbänder f1 und f2, die Rauschen sind, schraffiert, und ein Band nahe der Frequenz f0 des Erfassungsmagnetfelds ist schattiert.
Wie in 6B dargestellt, wird das Magnetfeld des Frequenzbands f1 durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 aufgehoben, wenn ein Tiefpassfilter LPF mit Eigenschaften verwendet wird, die es dem Frequenzband f1 ermöglichen, zu passieren. Im Ergebnis wird die Frequenzkomponente f1 aus dem Ausgangssignal S1 beseitigt, wie in 6C dargestellt, und deshalb wird das Signal/Rausch(S/N)-Verhältnis größer als jenes des ursprünglichen Ausgangssignals S1.
7 ist ein Diagramm, das eine Operation in einem Fall veranschaulicht, in dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Bandsperrfilter ist.
Ebenfalls sind in dem in 7A dargestellten Beispiel die Frequenzbänder f1 und f2 beabstandet von der Frequenz f0 des Erfassungsmagnetfelds Rauschkomponenten. Wenn wie in 7 dargestellt ein Bandsperrfilter BEF mit Eigenschaften verwendet wird, die es den Frequenzbändern f1 und f2 ermöglichen, zu passieren, werden die Magnetfelder der Frequenzbänder f1 und f2 durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 aufgehoben. Im Ergebnis werden die Frequenzkomponenten f1 und f2 aus dem Ausgangssignal S1, wie in 7C dargestellt, beseitigt, so dass das S/N-Verhältnis viel höher wird als jenes des ursprünglichen Ausgangssignals S1.
8 ist ein Diagramm, das eine Operation in einem Fall darstellt, bei dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Hochpassfilter ist.
In diesem Beispiel hat das Ausgangssignal S1 Frequenzkomponenten, die in 8A dargestellt sind, und das Frequenzband des Erfassungsmagnetfelds ist f10. Das Frequenzband f10 des Erfassungsmagnetfelds ist ein Band gleich oder tiefer als eine Frequenz f12, und enthält DC-Komponenten. In diesem Fall sind ein Frequenzband f11 höher als die Frequenz f12 Rauschkomponenten.
Wenn ein Hochpassfilter mit HPF Eigenschaften verwendet wird, die es dem Frequenzband f11 ermöglichen, zu passieren, wie in 8B dargestellt, wird das Magnetfeld des Frequenzbands f11 durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 kompensiert. Im Ergebnis wird die Frequenzkomponente f11 aus dem Ausgangssignal S1, wie in 8C dargestellt, beseitigt, und deshalb wird das S/N-Verhältnis größer als jenes des ursprünglichen Ausgangssignals S1. Dieses Beispiel ist wirksam, wenn das Frequenzband f10 des Erfassungsmagnetfelds DC-Komponenten oder eine tiefe Frequenz ist, oder wenn die Frequenz des Umgebungsmagnetfelds höher als die Frequenz des Erfassungsmagnetfelds ist.
9 ist ein Diagramm, das eine Operation in einem Fall darstellt, bei dem die erste Signalerzeugungseinheit 20 ein Bandpassfilter ist.
In diesem Beispiel hat das Ausgangssignal S1 Frequenzkomponenten, die in 9A dargestellt sind, und das Frequenzband der Rauschkomponenten ist f13. Die Frequenzbänder f14 und f15, die nicht das Frequenzband f13 sind, sind Frequenzbänder des Erfassungsmagnetfelds. Das Frequenzband f13 kann einen Teil des Erfassungsmagnetfelds umfassen.
Wenn ein Bandpassfilter mit BPF Eigenschaften verwendet wird, die es dem Frequenzband f13 ermöglichen, zu passieren, wie in 9B dargestellt, wird das Magnetfeld des Frequenzbands f13 durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 aufgehoben. Im Ergebnis wird die Frequenzkomponente f13 aus dem Ausgangssignal S1 beseitigt, wie in 9C dargestellt. Wenn das Frequenzband f13 einen Teil des Erfassungsmagnetfelds umfasst, wird der Teil des Erfassungsmagnetfelds ebenfalls durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 beseitigt. Dieses führt jedoch zu einer Zunahme des S/N-Verhältnisses, wenn die Rauschkomponenten, die in dem Frequenzband f13 enthalten sind, groß sind. Dieses Beispiel ist wirksam, wenn das Frequenzband von Rauschkomponenten vorab bekannt ist, wie in dem Fall eines Brummgeräuschs.
Wenn die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf diese Weise verwendet wird, wird das Umgebungsmagnetfeld wie beispielsweise Geomagnetismus durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 aufgehoben. Deshalb kann nur das Erfassungsmagnetfeld genau erfasst werden. Ferner, weil die Aufhebung des Umgebungsmagnetfelds den Betrag der Magnetfeldstärke, die an der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 anliegt, deutlich verringert, wird eine Sättigung der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 verhindert und es kann eine hochempfindliche Erfassung durchgeführt werden.
Im Übrigen ist es, weil der Aufhebungsvorgang durch Extrahieren von Frequenzkomponenten verwirklicht wird, die dem Umgebungsmagnetfeld entsprechen, nicht erforderlich, eine Vielzahl der Magnetfeld-Erfassungseinheiten 10 zu verwenden, und die Anzahl der Teile kann verringert werden. Ferner kann das Erfassungsmagnetfeld bei der vorliegenden Ausführungsform genauer erfasst werden, weil der geschlossene Regelkreis unter Verwendung der zweiten Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 ausgeführt wird.
10 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein anderes Beispiel der konkreten Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 darstellt.
In dem in 10 dargestellten Beispiel wird ein weiterer Operationsverstärker (eine Verstärkerschaltung) 17 der Magnetfeld-Erfassungseinheit 10 hinzugefügt. Der Operationsverstärker 12 und der Operationsverstärker 17 sind parallelgeschaltet. Ein Ausgangssignal S1a, das durch den Operationsverstärker 12 erzeugt wird, ist eine Eingabe für die erste Signalerzeugungseinheit 20, und ein Ausgangssignal S1b, das durch den Operationsverstärker 17 erzeugt wird, ist eine Eingabe für die zweite Signalerzeugungseinheit 30. Andere Merkmale des in 10 dargestellten Beispiels sind mit jenen in dem in 2 dargestellten Schaltungsbeispiel identisch.
Wenn die in 10 dargestellte Schaltung verwendet wird, verringert sich nicht nur die Last pro Operationsverstärker, sondern es wird auch verhindert, dass Elemente, die in der ersten Signalerzeugungseinheit 20 enthalten sind, unmittelbar mit Elementen verbunden werden, die in der zweiten Signalerzeugungseinheit 30 enthalten sind. Deshalb können eine Schaltungskonstante der ersten Signalerzeugungseinheit 20 und eine Schaltungskonstante der zweiten Signalerzeugungseinheit 30 unabhängig voneinander festgelegt werden, und diese Einstellung erleichtert den Entwurf der Schaltung.
Als nächstes wird eine Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
11 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß dem ersten Beispiel, und 12 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die eine Außenansicht dieser veranschaulicht.
Bei den in den 11 und 12 dargestellten Beispielen sind ein Sensorchip, der das Magnetfeld-Erfassungselement 11 darstellt, und eine Spule, die die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 darstellt, auf einer Oberfläche eines Schaltungssubstrats 18 montiert. Der Sensorchip ist in einem Innendurchmesserabschnitt der Spule platziert, welche die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 darstellt, und ein Aufhebungsmagnetfeld, das durch die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 erzeugt wird, wird daher genau und effizient an dem Sensorchip angelegt.
Eine Spule, die die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 darstellt, ist in dem Substrat 13 des Sensorchips eingebettet. Die Spule, die die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 darstellt, ist derart platziert, dass sie die magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4 in Draufsicht umgibt, und deshalb wird ein Aufhebungsmagnetfeld, das durch die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 erzeugt wird, genau und effizient an dem Sensorchip angelegt.
Wenn die magnetoresistiven Sensoren MR1 bis MR4, die das Magnetfeld-Erfassungselement 11 darstellen, und die Spule, die die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 darstellt, auf diese Weise auf dem gleichen Substrat 13 integriert sind, kann die Anzahl der Teile weiter verringert werden. Ferner, weil eine große Spule, die den Sensorchip umgibt, als Spule verwendet wird, die die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 darstellt, kann das Umgebungsmagnetfeld ausreichend aufgehoben werden, selbst wenn das Umgebungsmagnetfeld stark ist.
13 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Konfiguration der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß dem zweiten Beispiel.
In dem in 13 dargestellten Beispiel ist nicht nur die Spule, die die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 darstellt, sondern auch die Spule, die die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit 40 darstellt, auf dem Sensorchip integriert. Dies kann die Anzahl der Teile weiter verringern, und eine Spule, bei der ein Draht oder dergleichen zum Einsatz kommt, ist nicht erforderlich, so dass die Gesamtgröße der Vorrichtung verringert werden kann.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung einer Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 15 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer konkreten Ausgestaltung der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 darstellt.
Wie in den 14 und 15 dargestellt unterscheidet sich die Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform, dargestellt in den 1 und 2, dahingehend, dass die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 entfällt. Andere Merkmale der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform sind identisch zu jenen der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform, und daher werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und sich wiederholende Beschreibungen dieser Elemente entfallen.
Weil auf die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit 50 in der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verzichtet wird, wird das Erfassungsmagnetfeld nicht aufgehoben. Jedoch kann das Erfassungssignal S3 durch einen sogenannten offenen Regelkreis erzeugt werden. Zudem kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl der Teile verglichen mit der Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform weiter verringert werden.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern modifiziert und verändert werden kann, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel wird in den oben beschrieben Ausführungsformen die erste Signalerzeugungseinheit 20 durch ein Tiefpassfilter mittels eines Operationsverstärkers ausgebildet. Jedoch ist die Ausgestaltung des Tiefpassfilters nicht darauf beschränkt, und es kann ein Tiefpassfilter mittels eines Integrierers verwendet werden, oder ein Tiefpassfilter mittels eines A/D-Wandlers, der das Ausgangssignal S1 in ein digitales Signal wandelt, und ein Digitalfilter, das das Digitalsignal verarbeitet, kann verwendet werden.
Ferner muss die erste Signalerzeugungseinheit 20 kein Tiefpassfilter sein, und sie kann ein Bandsperrfilter, wie unter Bezugnahme auf 7 erläutert, ein Hochpassfilter, wie unter Bezugnahme auf 8 erläutert, und ein Bandpassfilter, wie unter Bezugnahme auf 9 erläutert, sein.
Bezugszeichenliste

10: Magnetfeld-Erfassungseinheit
11: Magnetfeld-Erfassungselement
12: Operationsverstärker (erste Verstärkerschaltung)
13: Substrat
14: Isolierschicht
15: Magnetelement
16: Konstantspannungsquelle
17: Operationsverstärker (zweite Verstärkerschaltung)
18: Schaltungssubstrat
20: erste Signalerzeugungseinheit
21: Operationsverstärker
22, 23: Widerstand
24: Kondensator
30: zweite Signalerzeugungseinheit
31: Widerstand
32: Spannungserfassungsschaltung
40: erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit
50: zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit
100, 200: Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung
E1 bis E4: Anschlusselektrode
MR1 bis MR4: magnetoresistiver Sensor
S1: Ausgangssignal
S2: Aufhebungssignal
S3: Erfassungssignal
ø: magnetischer Fluss

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 2009297224 A [0003]
JP 2012152515 A [0003]

Claims

Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung, aufweisend: eine Magnetfeld-Erfassungseinheit, die ein Ausgangssignal gemäß einem Magnetfeld erzeugt; eine erste Signalerzeugungseinheit, die eine vorgegebene Frequenzkomponente aus dem Ausgangssignal extrahiert und ein Aufhebungssignal basierend auf der vorgegebenen Frequenzkomponente erzeugt; eine erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit, die ein erstes Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit basierend auf dem Aufhebungssignal anlegt; und eine zweite Signalerzeugungseinheit, die ein Erfassungssignal basierend auf dem Ausgangssignal der Magnetfeld-Erfassungseinheit erzeugt, an der das erste Aufhebungsmagnetfeld angelegt wird.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Frequenzkomponente eine DC-Komponente beinhaltet.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Signalerzeugungseinheit ein Tiefpassfilter, ein Bandsperrfilter, ein Hochpassfilter, oder ein Bandpassfilter beinhaltet.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Signalerzeugungseinheit einen A/D-Wandler, der das Ausgangssignal in ein digitales Signal wandelt, und ein Digitalfilter, das das digitale Signal verarbeitet, beinhaltet.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit eine erste Spule umfasst, und wobei die Magnetfeld-Erfassungseinheit in einem Innenumfangsabschnitt der ersten Spule platziert ist.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit, die ein zweites Aufhebungsmagnetfeld an der Magnetfeld-Erfassungseinheit basierend auf dem Ausgangssignal der Magnetfeld-Erfassungseinheit anlegt, an der das erste Aufhebungsmagnetfeld angelegt wird.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinheit ein Magnetfeld-Erfassungselement, das das Magnetfeld in eine Potentialdifferenz wandelt, und eine erste Verstärkungsschaltung beinhaltet, die die Potentialdifferenz verstärkt, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Magnetfeld-Erfassungselement und die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinheit auf einem selben Sensorchip integriert sind.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei ferner die erste Magnetfeld-Erzeugungseinheit auf dem Sensorchip integriert ist.
Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Magnetfeld-Erfassungseinheit ferner eine zweite Verstärkerschaltung umfasst, die getrennt von der ersten Verstärkerschaltung bereitgestellt ist, und die die Potentialdifferenz verstärkt, um das Erfassungssignal zu erzeugen.
Magnetfeld-Erfassungsverfahren, umfassend: Erfassen eines synthetischen Magnetfelds, das ein Umgebungsmagnetfeld aufweist, dem ein Erfassungsmagnetfeld überlagert ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen; Extrahieren einer Frequenzkomponente, die dem Umgebungsmagnetfeld entspricht, aus dem Ausgangssignal, um ein Aufhebungssignal zu erzeugen; und Aufheben des Umgebungsmagnetfelds basierend auf dem Aufhebungssignal, um eine Komponente, die dem Erfassungsmagnetfeld entspricht, aus dem Ausgangssignal zu extrahieren.