JP4418042B2

JP4418042B2 - Magnetic sensor

Info

Publication number: JP4418042B2
Application number: JP28007698A
Authority: JP
Inventors: 能啓須藤; 純一大内; 新一笹川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: JP2000111628A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気インピーダンス効果素子（以下、ＭＩ素子と略称する）を使用した磁気センサに係り、例えば第１のＭＩ素子と第２のＭＩ素子を互いに平行に配置して、その第１のＭＩ素子と第２のＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルを備えた磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気インピーダンス効果（以下、ＭＩ効果と略称する）は、高透磁率を有する磁性体に高周波電流を流した際の表皮効果により、その磁性体のインピーダンスが外部磁界によって変化する現象である。
【０００３】
図６はこのＭＩ効果を利用した従来のＭＩ素子の駆動回路図である。第１の線状磁性体５１と第２の線状磁性体５２が互いに平行に配置され、第１の線状磁性体５１に対して直流バイアス磁界付加用の第１の励磁コイル５３が巻回され、第２の線状磁性体５２に対して第２の励磁コイル５４が巻回されている。第１の励磁コイル５３と第２の励磁コイル５４に流すコイル電流の方向は、線状磁性体５１，５２に流すワイヤ電流に対して一方が左回り、他方が右回りになるように構成されている。このように線状磁性体５１，５２を複数本（この例ては２本）使用することにより、センサとしての感度の向上と温度特性の向上を図ることができる。
【０００４】
図中の５５はクロック発生器、５６はクロック発生器５５からのクロック信号に基づいて前記第１の線状磁性体５１と第２の線状磁性体５２に対してそれぞれパルス電流を流す素子駆動回路、５７は検出回路で、平滑回路５８とオペアンプ５９から構成されている。また、平滑回路５８はダイオード（ＳＢＤ Schottky Barrier Diode）と平滑用コンデンサと抵抗から構成されている。図７はこの駆動回路の各部の波形図である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この従来のＭＩ素子の駆動回路は、線状磁性体５１，５２に印加されるパルス電圧を平滑回路５８で平滑にして、オペアンプ５９に入力していた。ところで平滑回路５８を構成しているダイオード（ＳＢＤ）の電圧降下があるため、波形▲３▼（図７参照）の高さが平滑回路５８で維持できず、その結果図７の波形▲４▼のようになり、パルス電圧が正確に検出できず、誤差が生じる。また、パルスの駆動周波数が変更になると、平滑用コンデンサと抵抗の値を変更する必要があるなどの不都合があった。
【０００６】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、ＭＩ素子のパルス電圧が正確に検出でき、またパルスの駆動周波数が変更になっても時定数の調整が不要な磁気センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、例えば線状磁性体などからなる１つ若しくは複数の磁気インピーダンス効果素子と、その磁気インピーダンス効果素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルと、その励磁コイルに通電するコイル駆動回路と、前記磁気インピーダンス効果素子をパルスで駆動する素子駆動回路と、その素子駆動回路に同期して前記磁気インピーダンス効果素子のパルス電圧を保持するサンプル・ホールド回路を有する検出回路を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は前述のような構成になっており、従来の平滑回路に代えて検出回路にサンプル・ホールド回路またはピークホールド回路を用いたため、ＭＩ素子のパルス電圧を保持してそれを正確に検出できるから、検出誤差が少なく信頼性の向上が図れる。また、パルスの駆動周波数が変更になっても、従来のように時定数の調整をする必要がなく、そのため取扱いが便利である。
【０００９】
次に本発明の実施の形態を図とともに説明する。図１は第１の実施の形態に係るＭＩ素子の駆動回路図、図２はその駆動回路の各部の波形図である。
【００１０】
第１の線状磁性体１と第２の線状磁性体２が互いに平行に配置され、この線状磁性体１，２としては例えばＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系の合金組成からなる零磁歪アモルファスワイヤが好適である。この線状磁性体１，２に対して直流バイアス磁界印加用の第１の励磁コイル３と第２の励磁コイル４がそれぞれ数十ターンずつ個別に巻回されている。
【００１１】
図中の５はクロック発生器、６はパルス列電流を前記第１の線状磁性体１と第２の線状磁性体２へ流す素子駆動回路である。この素子駆動回路６は電流値が１０ｍＡ以上に設定された電流出力型のもので、また素子駆動回路６はデジタル回路のゲートに少なくとも線状磁性体１，２のインピーダンスの１０倍以上の抵抗Ｒを接続している。
【００１２】
７は検出回路で、前記第１の線状磁性体１の両端ピーク電圧を所定のタイミングでサンプリングしてホールドする第１のサンプル・ホールド回路８と、前記第２の線状磁性体２の両端ピーク電圧を所定のタイミングでサンプリングしてホールドする第２のサンプル・ホールド回路９と、両サンプル・ホールド回路８，９の出力信号を入力して差動増幅するオペアンプ１０で構成されている。なお、サンプル・ホールド回路８，９のホールドタイミングは、前記素子駆動回路６のパルス後縁で行なわれるように構成されている。
【００１３】
このように従来の平滑部に代わりに第１のサンプル・ホールド回路８と第２のサンプル・ホールド回路９を設けることにより、それに入力されるクロック信号で、図２に示すように▲３▼の波形の波高値を正確にホールドすることができる。
【００１４】
図３は第２の実施の形態に係るＭＩ素子の駆動回路図、図４はその駆動回路に用いるＭＩ素子の構成図、図５はその駆動回路の各部のタイミングチャートである。この実施の形態に係るＭＩ素子は、図４に示すように平行に配置された第１の線状磁性体１１と第２の線状磁性体１２に対して１本の励磁コイル１３が巻回されている。従って励磁コイル１３の芯部に、第１の線状磁性体１１と第２の線状磁性体１２が配置されている。
【００１５】
図３において１４はクロック発生器、１５は分周器、１６は第１のアンドゲート、１７は第２のアンドゲート、１８は素子駆動回路、１９は前記励磁コイル１３への通電をオンオフ制御するスイッチング素子を備えたコイル駆動回路で、励磁コイル１３によって発生するバイアス磁界の向きが周期的に反転するように構成されている（図４の矢印Ｙ１，Ｙ２参照なお、図４の矢印Ｘ１，Ｘ２は線状磁性体１１，１２へ通電する電流方向を示している）。
【００１６】
２０は検出回路で、スイッチング回路２１と、前記第１の線状磁性体１１の両端ピーク電圧を所定のタイミングでサンプリングしてホールドする第１のサンプル・ホールド回路２２と、前記第２の線状磁性体１２の両端ピーク電圧を所定のタイミングでサンプリングしてホールドする第２のサンプル・ホールド回路２３と、両サンプル・ホールド回路２２，２３の出力信号を入力して差動増幅するオペアンプ２４で構成されている。前記スイッチング回路２１は、前記コイル駆動回路１９と同期がとられている。
【００１７】
図５はこの駆動回路図の各部のタイミングチャートで、図中のＣＫ２とＣＫ４で励磁コイル１２によって発生するバイアス磁界の向きが周期的に反転するようになっている。またこのコイル駆動と同期して、ＭＩ駆動パルスにより第１の線状磁性体１１と第２の線状磁性体１２が順次駆動される。
【００１８】
前記実施の形態では第１の線状磁性体と第２の線状磁性体を共に平行に配置したが、両者を例えば直角など定まった角度に配置することもできる。また前記の実施の形態では線状磁性体を２本用いたが、３本以上の複数本でも構わない。
【００１９】
前記実施の形態ではサンプル・ホールド回路を用いたが、その代わりにピークホールド回路を用いることもできる。
【００２０】
本発明のＭＩ素子駆動回路は、例えば磁界の強さ、向き、分布などを検出、測定する磁気センサや磁気方位センサなどの駆動回路に適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明は前述のような構成になっており、従来の平滑回路に代えて検出回路にサンプル・ホールド回路を用いたため、ＭＩ素子のパルス電圧を保持してそれを正確に検出できるから、検出誤差が少なく信頼性の向上が図れる。また、パルスの駆動周波数が変更になっても、従来のように時定数の調整をする必要がなく、そのため取扱いが便利である。
【００２２】
請求項３記載の本発明は前述のような構成になっており、ＭＩ素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルが１つで済むから、複数の励磁コイルを用いた場合のように励磁コイル間の特性調整が不要となり、組み立て作業が容易になる。また、励磁コイルが１つであるから小型化、軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路の各部の波形図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図４】第２の実施の形態に係る磁気インピーダンス効果素子の構成図である。
【図５】第２の実施の形態に係る駆動回路のタイミングチャートである。
【図６】従来の磁気インピーダンス効果素子の駆動回路図である。
【図７】従来の磁気インピーダンス効果素子の駆動回路の各部の波形図である。
【符号の説明】
１，１１第１の線状磁性体
１，１２第２の線状磁性体
３第１の励磁コイル
４第２の励磁コイル
５，１４クロック発生器
６，１８素子駆動回路
７，２０検出回路
８，２２第１のサンプル・ホールド回路
９，２３第２のサンプル・ホールド回路
１０，２４オペアンプ
１３励磁コイル
１５分周器
１６第１のアンドゲート
１７第２のアンドゲート
１９コイル駆動回路
２１スイッチング回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic sensor using a magneto-impedance effect element (hereinafter abbreviated as MI element). For example, a first MI element and a second MI element are arranged in parallel to each other, and the first MI element is arranged. The present invention relates to a magnetic sensor including an excitation coil that applies a bias magnetic field to the element and the second MI element.
[0002]
[Prior art]
The magnetic impedance effect (hereinafter abbreviated as the MI effect) is a phenomenon in which the impedance of a magnetic material is changed by an external magnetic field due to the skin effect when a high-frequency current is passed through a magnetic material having high permeability.
[0003]
FIG. 6 is a drive circuit diagram of a conventional MI element utilizing this MI effect. The first linear magnetic body 51 and the second linear magnetic body 52 are arranged in parallel to each other, and a first exciting coil 53 for adding a DC bias magnetic field is wound around the first linear magnetic body 51. The second exciting coil 54 is wound around the second linear magnetic body 52. The direction of the coil current flowing through the first exciting coil 53 and the second exciting coil 54 is configured such that one is counterclockwise and the other is clockwise with respect to the wire current flowing through the linear magnetic bodies 51 and 52. ing. Thus, by using a plurality (two in this example) of the linear magnetic bodies 51 and 52, it is possible to improve the sensitivity and temperature characteristics of the sensor.
[0004]
In the figure, 55 is a clock generator, 56 is an element drive for passing a pulse current to the first linear magnetic body 51 and the second linear magnetic body 52 based on a clock signal from the clock generator 55, respectively. A circuit 57 is a detection circuit, and includes a smoothing circuit 58 and an operational amplifier 59. The smoothing circuit 58 includes a diode (SBD Schottky Barrier Diode), a smoothing capacitor, and a resistor. FIG. 7 is a waveform diagram of each part of the drive circuit.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In this conventional MI element driving circuit, the pulse voltage applied to the linear magnetic bodies 51 and 52 is smoothed by the smoothing circuit 58 and input to the operational amplifier 59. By the way, since there is a voltage drop of the diode (SBD) constituting the smoothing circuit 58, the height of the waveform (3) (see FIG. 7) cannot be maintained by the smoothing circuit 58. As a result, the waveform (4) in FIG. Thus, the pulse voltage cannot be accurately detected, and an error occurs. Further, when the pulse driving frequency is changed, there is a disadvantage that the values of the smoothing capacitor and the resistor need to be changed.
[0006]
The object of the present invention is to provide a magnetic sensor that eliminates the disadvantages of the prior art, can accurately detect the pulse voltage of the MI element, and does not require adjustment of the time constant even when the pulse drive frequency is changed. There is to do .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides one or a plurality of magneto-impedance effect elements made of, for example, a linear magnetic material, an excitation coil for applying a bias magnetic field to the magneto-impedance effect element, and energizing the excitation coil. A detection circuit having a coil drive circuit for driving, an element drive circuit for driving the magneto-impedance effect element with pulses, and a sample-and-hold circuit for holding the pulse voltage of the magneto-impedance effect element in synchronization with the element drive circuit It is characterized by that.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is configured as described above. Since the sample-and-hold circuit or peak-hold circuit is used as the detection circuit in place of the conventional smoothing circuit, the pulse voltage of the MI element can be held and accurately detected. Therefore, the detection error is small and the reliability can be improved. Even if the pulse driving frequency is changed, it is not necessary to adjust the time constant as in the prior art, and the handling is convenient.
[0009]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a drive circuit diagram of an MI element according to the first embodiment, and FIG. 2 is a waveform diagram of each part of the drive circuit.
[0010]
The first linear magnetic body 1 and the second linear magnetic body 2 are arranged in parallel to each other, and the linear magnetic bodies 1 and 2 include, for example, zero magnetostriction made of an Fe—Co—Si—B alloy composition. Amorphous wire is preferred. A first exciting coil 3 and a second exciting coil 4 for applying a DC bias magnetic field are individually wound around the linear magnetic bodies 1 and 2 by several tens of turns.
[0011]
In the figure, 5 is a clock generator, and 6 is an element driving circuit for passing a pulse train current to the first linear magnetic body 1 and the second linear magnetic body 2. This element driving circuit 6 is a current output type whose current value is set to 10 mA or more, and the element driving circuit 6 has a resistance R at least 10 times the impedance of the linear magnetic bodies 1 and 2 at the gate of the digital circuit. Is connected.
[0012]
Reference numeral 7 denotes a detection circuit, a first sample and hold circuit 8 that samples and holds the peak voltage across the first linear magnetic body 1 at a predetermined timing, and both ends of the second linear magnetic body 2. It comprises a second sample and hold circuit 9 that samples and holds the peak voltage at a predetermined timing, and an operational amplifier 10 that differentially amplifies the output signals of both sample and hold circuits 8 and 9. The hold timing of the sample and hold circuits 8 and 9 is configured to be performed at the trailing edge of the pulse of the element driving circuit 6.
[0013]
Thus, by providing the first sample-and-hold circuit 8 and the second sample-and-hold circuit 9 instead of the conventional smoothing unit, the clock signal input to the first sample-and-hold circuit 8 can be obtained as shown in FIG. The peak value of the waveform can be accurately held.
[0014]
3 is a drive circuit diagram of the MI element according to the second embodiment, FIG. 4 is a configuration diagram of the MI element used in the drive circuit, and FIG. 5 is a timing chart of each part of the drive circuit. In the MI element according to this embodiment, one exciting coil 13 is wound around the first linear magnetic body 11 and the second linear magnetic body 12 arranged in parallel as shown in FIG. Has been. Therefore, the first linear magnetic body 11 and the second linear magnetic body 12 are arranged at the core of the exciting coil 13.
[0015]
In FIG. 3, 14 is a clock generator, 15 is a frequency divider, 16 is a first AND gate, 17 is a second AND gate, 18 is an element drive circuit, and 19 is an on / off control of energization to the excitation coil 13. A coil drive circuit including a switching element is configured such that the direction of the bias magnetic field generated by the exciting coil 13 is periodically reversed (see arrows Y1 and Y2 in FIG. 4). Indicates the direction of current flowing through the linear magnetic bodies 11 and 12).
[0016]
Reference numeral 20 denotes a detection circuit, a switching circuit 21, a first sample and hold circuit 22 that samples and holds the peak voltage across the first linear magnetic body 11 at a predetermined timing, and the second linear shape. It comprises a second sample and hold circuit 23 that samples and holds the peak voltage at both ends of the magnetic body 12 at a predetermined timing, and an operational amplifier 24 that differentially amplifies the output signals of both sample and hold circuits 22 and 23. Has been. The switching circuit 21 is synchronized with the coil driving circuit 19.
[0017]
FIG. 5 is a timing chart of each part of this drive circuit diagram. The direction of the bias magnetic field generated by the exciting coil 12 is periodically reversed at CK2 and CK4 in the figure. In synchronism with this coil drive, the first linear magnetic body 11 and the second linear magnetic body 12 are sequentially driven by the MI drive pulse.
[0018]
In the above-described embodiment, the first linear magnetic body and the second linear magnetic body are both arranged in parallel, but both may be arranged at a fixed angle such as a right angle. In the above embodiment, two linear magnetic bodies are used, but a plurality of three or more may be used.
[0019]
Although the sample and hold circuit is used in the above embodiment, a peak hold circuit can be used instead.
[0020]
The MI element driving circuit of the present invention can be applied to a driving circuit such as a magnetic sensor or a magnetic azimuth sensor that detects and measures the strength, direction, distribution, and the like of a magnetic field.
[0021]
【The invention's effect】
The present invention according to claim 1 is configured as described above. Since the sample-and-hold circuit is used in the detection circuit instead of the conventional smoothing circuit, the pulse voltage of the MI element is held and accurately detected. Therefore, the detection error is small and the reliability can be improved. Even if the pulse driving frequency is changed, it is not necessary to adjust the time constant as in the prior art, and the handling is convenient.
[0022]
The present invention according to claim 3 is configured as described above. Since only one excitation coil for applying a bias magnetic field to the MI element is required, the excitation coils can be connected between the excitation coils as in the case of using a plurality of excitation coils. There is no need to adjust the characteristics, making assembly work easier. Further, since the number of exciting coils is one, the size and weight can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drive circuit diagram of a magneto-impedance effect element according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a waveform diagram of each part of the drive circuit of the magneto-impedance effect element according to the first embodiment.
FIG. 3 is a drive circuit diagram of a magneto-impedance effect element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a magneto-impedance effect element according to a second embodiment.
FIG. 5 is a timing chart of the drive circuit according to the second embodiment.
FIG. 6 is a drive circuit diagram of a conventional magneto-impedance effect element.
FIG. 7 is a waveform diagram of each part of a driving circuit of a conventional magneto-impedance effect element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 1st linear magnetic body 1,12 2nd linear magnetic body 3 1st excitation coil 4 2nd excitation coil 5,14 Clock generator 6,18 Element drive circuit 7,20 Detection circuit 8 , 22 First sample-and-hold circuit 9, 23 Second sample-and-hold circuit 10, 24 Operational amplifier 13 Excitation coil 15 Frequency divider 16 First AND gate 17 Second AND gate 19 Coil drive circuit 21 Switching circuit

Claims

磁気インピーダンス効果素子と、
その磁気インピーダンス効果素子にバイアス磁界を印加する励磁コイルと、
その励磁コイルに通電するコイル駆動回路と、
前記磁気インピーダンス効果素子をパルスで駆動する素子駆動回路と、
その素子駆動回路に同期して前記磁気インピーダンス効果素子のパルス電圧を保持するサンプル・ホールド回路を有する検出回路を備えたことを特徴とする磁気センサ。A magneto-impedance effect element;
An exciting coil for applying a bias magnetic field to the magneto-impedance effect element;
A coil drive circuit for energizing the excitation coil;
An element driving circuit for driving the magneto-impedance effect element with a pulse;
A magnetic sensor comprising a detection circuit having a sample-and-hold circuit for holding a pulse voltage of the magneto-impedance effect element in synchronization with the element driving circuit.

請求項１記載において、前記サンプル・ホールド回路のホールドタイミングは、前記素子駆動回路のパルス後縁で行なわれるように構成されていることを特徴とする磁気センサ。2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the hold timing of the sample and hold circuit is configured to be performed at the trailing edge of the pulse of the element driving circuit.

請求項１記載において、前記励磁コイルが１つ設けられ、前記コイル駆動回路はその励磁コイルに通電する電流の向きを交互に反転するようになっており、そのコイル駆動回路と同期して前記磁気インピーダンス効果素子を駆動するように構成されていることを特徴とする磁気センサ。 2. The excitation coil according to claim 1, wherein one excitation coil is provided, and the coil drive circuit is configured to alternately reverse the direction of the current supplied to the excitation coil, and the magnetic field is synchronized with the coil drive circuit. A magnetic sensor configured to drive an impedance effect element .