JP2007085824A

JP2007085824A - 磁気検出装置

Info

Publication number: JP2007085824A
Application number: JP2005273486A
Authority: JP
Inventors: Moichi Kawai; 茂一川合; Yutaka Saito; 豊斉藤; Toshiharu Hayashi; 俊春林; Akira Matsuzaki; 顕松崎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】高周波電源を用いることなく、また複雑な設計のＭＩ素子を用いずとも構成可能で、小型で、かつ従来の高周波電源を用いた磁気検出装置と同等の感度を有する高感度な磁気検出装置を提供する。
【解決手段】磁気検出装置１０は、矩形波のパルス電圧を作るパルス発生部１と、外部磁界に対し３軸方向独立して電気的に応答する回路を有する磁気検出部２と、磁気検出部２の出力に対しその差分を出力する差動増幅部３と、差動増幅部３の出力に対しその出力のピークを一定時間維持する機能を有するピークホールド部４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子とそのインピーダンスを検出する測定部とで構成される、磁気検出装置に関する。

従来の技術として、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ-Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子を使用した磁気検出装置が知られている。ＭＩ素子は、微小な外部磁界の変化に基づいてインピーダンスが変化する特性を有し、外部磁界の変化を電圧の出力信号として検出する磁気抵抗素子として小型の地磁気検出方位センサーや姿勢制御用センサーの用途が見込まれている（例えば、特許文献１）。

この磁気検出装置は、外部磁界に基づいたインピーダンスを示すＭＩ素子と、ＭＩ素子に交流磁気バイアスをかけるためのバイアスコイルと、ＭＩ素子のインピーダンス変化を測定するための、１０〜１００ＭＨｚの高周波ドライブ電流を発生するコルピッツ発振回路と、検波回路、およびコンパレータを有する。
特開平９−１２７２１８号公報

しかし、従来の磁気検出装置によると、磁気検出のために高周波電源が必要であり、検波回路、コンパレータ共に複雑な回路を要し、装置の小型化が困難であるという問題がある。また、ＭＩ素子の特性上、高周波を使用する場合には設計や、製造工程が複雑になるという問題がある。

従って、本発明の目的は、高周波電源を用いることなく、また複雑な設計のＭＩ素子を用いずとも構成可能で、小型で、かつ従来の高周波電源を用いた磁気検出装置と同等の感度を有する高感度な磁気検出装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、パルス電圧を発生するパルス発生部と、外部磁界を検出するＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ-Ｉｍｐｅｄａｃｅ）素子と、前記外部磁界に不感の抵抗とを有し、前記外部磁界を少なくとも１軸方向で検出し、１軸あたり少なくとも一対の対向配置された前記ＭＩ素子と、一対の対向配置された前記抵抗とでブリッジ回路を構成してなる磁気検出部と、前記外部磁界の変化に応じた前記磁気検出部の出力を検出する差動増幅部とを有することを特徴とする磁気検出装置を提供する。

また、本発明は上記目的を達成するため、立ち上がり時間２〜１０ｎｓ、パルス幅１０〜１００ｎｓで周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのパルス電圧を発生するパルス発生部と、外部磁界を検出するＭＩ素子と、前記外部磁界に不感の抵抗とを有し、前記外部磁界を少なくとも１軸方向で検出し、１軸あたり少なくとも一対の対向配置された前記ＭＩ素子と、一対の対向配置された前記抵抗とでブリッジ回路を構成してなる磁気検出部と、前記外部磁界の変化に応じた前記磁気検出部の出力を検出する差動増幅部とを有することを特徴とする磁気検出装置を提供する。

また、本発明は上記目的を達成するため、立ち上がり時間２〜１０ｎｓ、パルス幅１０〜１００ｎｓで周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのパルス電圧を発生するパルス発生部と、外部磁界を検出するＭＩ素子と、前記外部磁界に不感の抵抗とを有し、前記外部磁界を少なくとも１軸方向で検出し、１軸あたり少なくとも一対の対向配置された前記ＭＩ素子と、一対の対向配置された前記抵抗とでブリッジ回路を構成してなる磁気検出部と、前記外部磁界の変化に応じた前記磁気検出部の出力を検出する差動増幅部と、前記差動増幅部の出力をピークホールドするためのピークホールド部とを有することを特徴とする磁気検出装置を提供する。

前記ピークホールド部は、ＢｉＣＭＯＳ（ＢｉｐｏｌａｒＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いて構成することが好ましい。

本発明によれば、高周波電源を用いることなく、また複雑な設計のＭＩ素子を用いずとも構成可能で、小型で、かつ従来の高周波電源を用いた磁気検出装置と同等の感度を有する高感度な磁気検出装置を構成することができる。

以下に、本発明の磁気検出装置の実施の形態を図面を参考にして詳細に説明する。

（磁気検出装置の構成）
図１は本発明の実施の形態に係る磁気検出装置の概略構成図である。

この磁気検出装置１０は、矩形波のパルス電圧を発生するパルス発生部１と、外部磁界に対し３軸方向独立して電気的に応答する回路を有する磁気検出部２と、各軸方向毎に設けられて磁気検出部２の２つの出力に対してその差分を出力する差動増幅部３と、各差動増幅部３の出力に対しその出力のピークを一定時間維持する機能を有するピークホールド部４とを有する。磁気検出装置１０の外部には、ピークホールド部４の出力を、磁気検出装置１０を搭載する電子機器に対応した所望の出力に変換する信号処理部５が設置される。

ピークホールド部４は、差動増幅部３からの出力に対し時間的に十分に応答することができるＢｉＣＭＯＳ（ＢｉｐｏｌａｒＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を使用して構成する。

図２は本発明の実施の形態に関する磁気検出装置の磁気検出部の回路図である。図２は３軸方向のうちの１軸に関するものであり、全く同様の回路が残り２軸に対しても適用される。

磁気検出部２は、対向配置された２つのＭＩ素子２０と、対向配置された２つの抵抗２１を有し、ブリッジ回路にて構成されている。Ｉｉｎはパルス発生部１に接続され、Ｖ１とＶ２は差動増幅部３に接続される。

図３（ａ）は本発明に係るＭＩ素子の構成を示す平面図である。（ｂ）は（ａ）におけるＭＩ素子の等価回路図である。

図３（ａ）に示すように、ＭＩ素子２０は、シリコン等の材質からなる平面状の基板２００と、基板２００の表面に高周波スパッタリングによって形成されるＮｉＦｅ等の高透磁率材料からなるセンサ素子２０１と、センサ素子２０１間を電気的に接続するＣｕからなる素子接合部２０２と、センサ素子２０１を外部と電気的に接続するＣｕからなる電極２０３とを有する。

ＭＩ素子２０は、図３（ｂ）に示すように、インダクタ２０４と、抵抗２０５を直列接続し、それらとコンデンサ２０６を並列接続した等価回路を構成する。

（磁気検出装置の動作）
以下に、本発明の実施の形態における磁気検出装置の動作を図１から図５を参照しつつ説明する。

ＭＩ素子２０のインピーダンスは、外部磁界の強さに比例して変化する。図３（ｂ）の等価回路において、インダクタ２０４とコンデンサ２０６の特性は磁界に基づいて変化せず、抵抗２０５の特性は磁界に基づいて変化する。その結果、ＭＩ素子２０全体としてのインピーダンスが変化する。

パルス電圧は、パルス発生部１から入力され、図２に示す磁気検出部２において、パルス電圧に基づく電流がブリッジ回路の右側と左側を流れる。ブリッジ回路の右側を流れる電流は、左側を流れる電流に対し、ＭＩ素子２０のインピーダンスに基づいて位相差が生じたものになる。その結果、ブリッジ回路の左側における電圧Ｖ１は、右側におけるＶ２のものより立ち上がりがなだらかなものとなる。

図４は本発明の実施の形態に関する磁気検出部の入力、および出力波形と、差動増幅部の出力波形の模式図である。（ａ）は外部磁界Ｂが弱い場合、（ｂ）は外部磁界Ｂが強い場合を示している。

磁気検出部２に矩形波のパルス電圧を入力すると、出力される電圧Ｖ１、Ｖ２はＭＩ素子２０のインピーダンスに比例してそれぞれ立ち上がりがなだらかな矩形波になる。例えば、図４（ａ）と（ｂ）に示すように、磁気検出部２が異なる強さの磁界中にある場合、（ａ）に対して（ｂ）の出力電圧Ｖ１、Ｖ２は、よりなだらかな立ち上がりの矩形波を示す。

上記した磁気検出部２の特徴に基づいて、差動増幅部３より出力されるＶ１とＶ２の差は、図４に示すように磁界が強いときに大きく、磁界が弱いときに小さくなる。

差動増幅部３の出力は、ピーク幅が短いためにエネルギーが小さい。そのため、ピークホールド部４は、差動増幅部３の出力のピークを一定時間維持し、十分なエネルギーを有する信号として信号処理部５に対して出力する。信号処理部５は、ピークホールド部４より受け取った信号を所望の命令信号へと変換する。

図５は一般的な矩形波を示す模式図である。

磁気検出部２の特徴に基づき、磁気検出装置１０の外部磁界に対する線形性は、図５に示すように、立ち上がり時間がＴｒ、パルス幅がＴｗの矩形波において、Ｔｒ＝２〜１０ｎｓ、Ｔｗ＝１０〜１００ｎｓの場合に良好であり、特にＴｒ＝５ｎｓ、Ｔｗ＝３０ｎｓの場合に最適となる。また、本実施の形態では、パルス信号の周波数を２５０ｋＨｚとしており、特に高周波を用いずとも良好な線形性が得られることを確認している。

なお、以上に説明した動作は３軸空間のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して同様に適用できるものである。

また、ＭＩ素子は、良好な感度を得るために、また磁界方向を判断するために図示しないコイル等で直流電流による磁気バイアスを与えている。

また、信号処理部５は磁気検出装置１０内に設置しても、搭載する電子機器に設置してもよい。

（磁気検出装置の効果）
上記した実施の形態によると、磁気検出装置１０は磁気検出部２からの出力は入力するパルス電圧の立ち上がり時間、およびパルス幅に依存し、その波形には依存しない。また、実施の形態の説明では２５０ｋＨｚのパルス電圧を用いたが、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ程度のパルス電圧であれば、その入力に基づいて磁界の微小な変化を検出できるので、高周波を必要とせず、パルス発生部１として高性能なものを使用することなく構成できる。

また、高周波電源を使用せずに構成したため、高周波に対応した複雑な設計のＭＩ素子を使用する必要がなく、検波回路や、高周波に対応したコンパレータ等も必要としない。その結果、磁気検出装置１０の設計における制約が減少し、小型に設計することが容易になると同時に、コストを抑えることができる

また、ＭＩ素子をブリッジ構成したことにより、ＭＩ素子の磁界に対する微小な応答を精度良く検出することができ、従来の高周波電源を用いた磁気検出装置と同等の感度を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る磁気検出装置の概略構成図である。本発明の実施の形態に関する磁気検出装置の磁気検出部の回路図である。（ａ）は本発明に係るＭＩ素子の構成を示す平面図である。（ｂ）は（ａ）におけるＭＩ素子の等価回路図である。本発明の実施の形態に関する磁気検出部の入力、および出力波形と、差動増幅部の出力波形の模式図である。（ａ）は外部磁界が弱い場合、（ｂ）は外部磁界が強い場合を示している。一般的な矩形波を示す模式図である。

符号の説明

１…パルス発生部、２…磁気検出部、３…差動増幅部、４…ピークホールド部、
５…信号処理部、１０…磁気検出装置、２０…ＭＩ素子、２１…抵抗、２００…基板、
２０１…センサ素子、２０２…素子接合部、２０３…電極、２０４…インダクタ
２０５…抵抗、２０６…コンデンサ

Claims

パルス電圧を発生するパルス発生部と、
外部磁界を検出するＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ-Ｉｍｐｅｄａｃｅ）素子と、前記外部磁界に不感の抵抗とを有し、前記外部磁界を少なくとも１軸方向で検出し、１軸あたり少なくとも一対の対向配置された前記ＭＩ素子と、一対の対向配置された前記抵抗とでブリッジ回路を構成してなる磁気検出部と、
前記外部磁界の変化に応じた前記磁気検出部の出力を検出する差動増幅部とを有することを特徴とする磁気検出装置。
立ち上がり時間２〜１０ｎｓ、パルス幅１０〜１００ｎｓで周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのパルス電圧を発生するパルス発生部と、
外部磁界を検出するＭＩ素子と、前記外部磁界に不感の抵抗とを有し、前記外部磁界を少なくとも１軸方向で検出し、１軸あたり少なくとも一対の対向配置された前記ＭＩ素子と、一対の対向配置された前記抵抗とでブリッジ回路を構成してなる磁気検出部と、
前記外部磁界の変化に応じた前記磁気検出部の出力を検出する差動増幅部とを有することを特徴とする磁気検出装置。
立ち上がり時間２〜１０ｎｓ、パルス幅１０〜１００ｎｓで周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのパルス電圧を発生するパルス発生部と、
外部磁界を検出するＭＩ素子と、前記外部磁界に不感の抵抗とを有し、前記外部磁界を少なくとも１軸方向で検出し、１軸あたり少なくとも一対の対向配置された前記ＭＩ素子と、一対の対向配置された前記抵抗とでブリッジ回路を構成してなる磁気検出部と、
前記外部磁界の変化に応じた前記磁気検出部の出力を検出する差動増幅部と、
前記差動増幅部の出力をピークホールドするためのピークホールド部とを有することを特徴とする磁気検出装置。
前記ピークホールド部は、ＢｉＣＭＯＳ（ＢｉｐｏｌａｒＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いて構成される請求項３に記載の磁気検出装置。