【手続補正書】
【提出日】令和2年2月17日(2020.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス生成手段で生成されたパルスが入力されるトランジスタと、
前記トランジスタの後段側で当該トランジスタとグランドとの間に配設され、コンデンサとコイルとが並列接続されるＬＣ共振回路と、
前記ＬＣ共振回路における前記コイルの後段側に接続するための第１端子と、
前記グランドに接続するための第２端子とを備え、
前記第１端子及び前記第２端子間に接続する抵抗体に、交流電流と当該交流電流の振幅よりも大きい値の直流電流とを重畳した電流を供給することを特徴とする電流供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流供給装置において、
前記パルス生成手段が生成するパルス周波数が、前記ＬＣ共振回路の共振周波数よりも大きい電流供給装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電流供給装置と、
前記第１端子及び前記第２端子間にセンサヘッドを構成する磁気コアが接続される基本波型直交フラックスゲートとを備える磁界センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁界センサにおいて、
前記基本波型直交フラックスゲートが、
前記磁気コアに検出コイルを巻回して形成されるセンサヘッドと、
少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える切替手段と、
前記検出コイルに接続され、前記センサヘッドで測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路とを備え、
前記切替手段が前記直流電流の極性を正極性に切り替えた場合に、正のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値とが等価となる正のバイアス直流電流値及び負のバイアス直流電流値のうち、前記正のバイアス直流電流値が前記電流供給装置により前記磁気コアに供給され、
前記切替手段が前記直流電流の極性を負極性に切り替えた場合には、前記負のバイアス直流電流値が前記電流供給装置により前記磁気コアに供給されることを特徴とする磁界センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の磁界センサにおいて、
前記電流供給装置が、矩形パルス波形を元に直流電流でバイアスされた交番電圧波形を生成し、前記矩形パルス波形のディーティ比に応じて前記バイアス用の直流電流の値を制御する磁界センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁界センサにおいて、
前記電流供給装置が、
前記磁気コアに供給する交流電流の半分の周期で矩形パルス波形を生成する矩形パルス波形生成手段と、
生成された矩形パルス波形に基づいて、一周期の間で時間の変化と共に出力が変化する周期波形を生成する周期波形生成手段と、
生成された前記周期波形に対して設定された閾値を調整する閾値調整手段とを備え、
前記閾値の変化に伴う前記周期波形の出力変化で前記矩形パルス波形のデューティ比を制御する磁界センサ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
正のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値とが等価となる正及び負のバイアス直流電流値を計測する計測手段を備え、
前記電流供給装置が、前記バイアス用の直流電流の値を前記計測手段で計測された正及び負のバイアス直流電流値に調整する磁界センサ。
【請求項８】
磁気コアに検出コイルを巻回して形成されるセンサヘッドと、
前記磁気コアに励磁用の交流電流及びバイアス用の直流電流を重畳させて供給する電流供給手段と、
少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える切替手段と、
前記検出コイルに接続され、前記センサヘッドで測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路とを備え、
前記切替手段が前記直流電流の極性を正極性に切り替えた場合に、正のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値とが等価となる正のバイアス直流電流値及び負のバイアス直流電流値のうち、前記正のバイアス直流電流値が前記電流供給手段により前記磁気コアに供給され、
前記切替手段が前記直流電流の極性を負極性に切り替えた場合には、前記負のバイアス直流電流値が前記電流供給手段により前記磁気コアに供給されることを特徴とする磁界センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の磁界センサにおいて、
前記電流供給手段が、
前記正のバイアス直流電流を供給する第１直流電源と、
前記負のバイアス直流電流を供給する第２直流電源と、
前記交流電流を供給する交流電源と、
前記第１直流電源が供給する正のバイアス直流電流又は前記第２直流電源が供給する前記負のバイアス直流電流と、前記交流電流とを加算して励磁電流を生成する加算手段とを有しており、
前記励磁電流の極性を切り替える第２切替手段を備える磁界センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】電流供給装置及び磁界センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流バイアス電流に交流電流が重畳した励磁電流を用いる磁界センサに関し、特にオフセットをゼロにする磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、基本波型直交フラックスゲートは、１０Ｈｚにおいて雑音密度が３ｐＴ／√Ｈｚ程度と高分解能化できることが知られている。しかしながら、０．１Ｈｚ以下の時間的に緩やかにしか変化しない小さい磁界の計測は困難性を有する。そのため、励磁周波数よりも遅い周波数で直流バイアス電流の極性を切り替え、正のバイアス時の出力と負のバイアス時の出力を極性反転して平均する方法（特許文献１を参照）や、直流バイアス電流と交流励磁電流が一体となった電流の極性を切り替えて、切り替える前の出力と切り替えた後の出力との平均を取って、オフセットを打ち消す方法が開示されている（非特許文献１を参照）。
【０００３】
特に、非特許文献１に示す技術では、図１２に示すようなフィードバック回路の組み込み方が提案されている。アモルファス磁性薄帯やアモルファス磁性ワイヤをコアとするセンサヘッドのオフセット特性は、バイアス直流電流の正と負とで必ずしも同等ではないため、正のバイアス時の磁界入力０におけるセンサ出力（＝オフセット）と負のバイアス時の磁界入力０におけるオフセットが異なるものとなっている。図１２に示す回路は、バイアス直流電流の極性切り替え直後に、センサが常に異なる動作点から自己の安定点に収束していく過程で、センサヘッドから過剰な磁気雑音が生じる問題を解決したものである。その方法は、バイアス直流電流の極性切り替え後の安定点を２つ設けたことであり、そのために、誤差増幅器の処理の後段で、収束点の差分電圧を必要に応じて加算する方法が取られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１５２２０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Naofumi Murata, Hikaru Karo, Ichiro Sasada and Takafumi Shimizu, “Fundamental Mode Orthogonal Fluxgate Magnetometer Applicable for Mesurements of DC and Low-Frequency Magnet Fields”, IEEE SENSORS JORNAL, VOL. 18, No. 7, April 1, 2018
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示す技術は、正のバイアス時の磁界入力０におけるオフセットと、負のバイアス時の磁界入力０におけるオフセットが異なるものとなっていることから、オフセットを０にすることが困難であり、そのために出力が変動してしまうという課題を有する。
【０００７】
また、非特許文献１に示す技術について、図１２に示すように、エラーアンプの後段で電圧を加算して安定化動作を追及した構成であることから、結果として得られる出力は電圧の加算の程度に応じてオフセットが０にならないという課題を有する（Ｆｉｇ．７に示すように、この図は雑音に関する記載であるが全体として−２２ｎＴ程度のオフセットが生じていることが示されている）。また、図１２に示したように回路構成が非常に複雑なものになってしまうという課題を有する。
【０００８】
本発明は、簡単な回路で直流バイアス電流と交流電流とが重畳した励磁電流を供給すると共に、オフセットをゼロにすることができる磁界センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電流供給装置は、パルス生成手段で生成されたパルスが入力されるトランジスタと、前記トランジスタの後段側で当該トランジスタとグランドとの間に配設され、コンデンサとコイルとが並列接続されるＬＣ共振回路と、前記ＬＣ共振回路における前記コイルの後段側に接続するための第１端子と、前記グランドに接続するための第２端子とを備え、前記第１端子及び前記第２端子間に接続する抵抗体に、交流電流と当該交流電流の振幅よりも大きい値の直流電流とを重畳した電流を供給するものである。
【００１０】
このように、本発明に係る電流供給装置においては、パルス生成手段で生成されたパルスが入力されるトランジスタと、前記トランジスタの後段側で当該トランジスタとグランドとの間に配設され、コンデンサとコイルとが並列接続されるＬＣ共振回路と、前記ＬＣ共振回路における前記コイルの後段側に接続するための第１端子と、前記グランドに接続するための第２端子とを備え、前記第１端子及び前記第２端子間に接続する抵抗体に、交流電流と当該交流電流の振幅よりも大きい値の直流電流とを重畳した電流を供給するため、簡単な回路構成で直流バイアス電流と交流電流とが重畳した励磁電流を供給することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁界センサのオフセット特性を示す第１の図である。
【図３】第１の実施形態に係る磁界センサのオフセット特性を示す第２の図である。
【図４】第２の実施形態に係る磁界センサの全体の回路ブロック図である。
【図５】第２の実施形態に係る磁界センサの電流供給部の回路ブロック図である。
【図６】第２の実施形態に係る磁界センサの電流供給部の具体的な回路構成の一例を示す図である。
【図７】図６の回路においてパルス波形のデューティ比を変えた場合の励磁電流をシミュレーションした結果を示す図である。
【図８】図６の回路においてパルス波形のデューティ比に対するバイアス直流電流と交流励磁電流の変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図９】図６の回路におけるパルス波形を生成する場合のタイミングチャートを示す図である。
【図１０】図６の回路においてパルス波形のハイレベルとローレベルとを反転した場合の正弦波を示す図である。
【図１１】図９（Ｄ）に相当する波形のデューティ比を０．３３、Ｅ’に相当する波形のデューティ比を０．６７とした場合の励磁電流の波形を示す図である。
【図１２】従来技術の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００１３】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、基本波型直交フラックスゲートにおいてバイアス直流電流の極性を切り替え、この極性の切り替えに応じたバイアス直流電流を通電することでオフセットをゼロにするものである。本実施形態において、バイアス直流電流の極性を切り替えると、オフセット特性は非特許文献１のＦｉｇ．２（ａ）に示すような特性となる。このような特性の場合、半サイクルの出力に−１を掛けて加算することで、結果的にオフセットを打ち消すことが可能となる。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。図１において、磁界センサ１は、励磁電流を供給する電流供給部４１と、当該励磁電流を構成する交流励磁電流及びバイアス直流電流を重畳させて通電される磁気コア１５及びこの磁気コア１５に巻回される検出コイル１３からなるセンサヘッド１４と、当該検出コイル１３の接地側ではない一端に接続される負帰還構成の検出回路１６とを備える。電流供給部４１は、正極用のバイアス直流電流を磁気コア１５に供給する直流電源１０ａ及び負極用のバイアス直流電流を磁気コア１５に供給する直流電源１０ｂからなるバイアス用の直流電源１０と、正極用の直流電源１０ａ又は負極用の直流電源１０ｂのいずれを通電状態にするかを周期的に切り替える第１スイッチ１１と、第１スイッチ１１を介して直流電源１０に直列に接続されて、励磁用の交流励磁電流を磁気コア１５に供給する交流電源１２とを備える。
【００１５】
なお、本実施形態に係る磁界センサ１は、磁気コア１５として無磁わい組成のアモルファス磁性ワイヤ、又は細長い無磁わい組成のアモルファス磁性薄帯を用い、交流励磁電流が直接ワイヤ又は磁性薄帯に通電され、検出信号が磁気コア１５の周囲に巻かれた検出コイル１３の誘起電圧として検出されるものであり、磁気コア１５の円周方向又は薄帯幅方向に現れる励磁磁界とワイヤ軸方向又は薄帯長手方向である検出磁界とが直交関係にある直交フラックスゲートセンサである。
【００１６】
また、本実施形態に係る磁界センサ１は、交流励磁電流の振幅より大きなバイアス直流電流を重畳することで、検出コイルの出力が交流励磁周波数と同じ基本波の出力で得られる基本波型直交フラックスゲートセンサである。つまり、磁気コア１５には、交流電源１２から供給される交流励磁電流の振幅より大きい値（負極性の場合はその絶対値より大きい値）を有するバイアス直流電流が直流電源１０から出力され、交流励磁電流に重畳されて供給される。さらに、交流電源１２の後段側に当該交流電源１２で供給される交流電流の位相を調整するための位相調整手段を設けるようにしてもよい。
【００１７】
検出回路１６は、外部磁界の印加によって検出コイル１３に誘起される電圧を同期整流器（ＰＳＤ）１７に極性を変えずに伝達する回路１８、極性を反転させて伝達する回路１９、両者を直流電源１０ａ，１０の極性切り換えを行う第１スイッチ１１に同期して選択する第２スイッチ２０を有している。また、検出回路１６を所定のタイミングで遮断するための第３スイッチ２１と、当該第３スイッチ２１の後段に接続されるローパスフィルタ２２と、ローパスフィルタ２２の後段に接続されるエラーアンプ２３と、エラーアンプ２３の後段側に接続し、他端側が検出コイル１３の接地側ではない一端に接続されている帰還抵抗２４とを備える。なお、ハイパスフィルタの後段に必要に応じてプリアンプを挿入しても良い。また、回路１９を用いずにＰＳＤ１７への同期パルスを反転させて（位相を１８０度ずらして）もよい。
【００１８】
バイアス直流電流の極性を周期的に切り替える場合、スイッチング周期で磁性コア１５の磁壁移動が生じるため、切り替えを行わない場合に比べて雑音が増加する。しかし、磁壁移動に伴い生じる雑音は、スイッチング直後の一定期間に集中して発生するため、この部分を除けば優れた雑音特性を得ることができる。すなわち、第３スイッチ２１（切替周波数：２ｆｓ）を用いて第１スイッチ１１（切替周波数：ｆｓ）を切り替えた瞬間に信号を一時的に遮断することで、例えば、第１スイッチ１１の切り替え直後から当該第１スイッチ１１のスイッチング周期の１／４周期分（第３スイッチ２１のスイッチング周期の１／２周期分）だけ検出回路１６を切断して信号を遮断し、次の１／４周期分（第３スイッチ２１のスイッチング周期の残りの１／２周期分）をフィードバック回路にもどすことで、バイアス直流電流の極性切り替えによる雑音を低減することが可能となっている。
【００１９】
検出回路１６のクローズドループ回路は、エラーアンプ２３が常に検出コイル１３に鎖交する磁束を最小にするようなフィードバック電流を流すため、センサ入出力特性の線形性誤差が低減される。また、フィードバックループ内の同期整流器１７の位相調整により、センサの最適な動作点を探る事ができ、最良な位相条件ではセンサの雑音が低減できることが報告されている（参考文献１：H.  Karo,  K.  Shimoda,  Y.  Maeda  and  I.  Sasada：  “The  First  36  Channel  Fluxgate-Sensor-Array  for  the  MCG  Measurement”,  IEEJ  Transactions  on  Sensors  and  Micromachines.  136，  No.6，  pp.224-228,  DOI:10.1541/ieejsmas.136.224,  2016）。
【００２０】
一方で、図１２に示すような従来の回路においては、正のバイアス直流電流が通電された場合のオフセットと負のバイアス直流電流が通電された場合のオフセットとが異なるため、バイアス直流電流を切り替えた場合にオフセットをゼロにすることができない。
【００２１】
バイアス直流電流が正の場合と負の場合とでそれぞれのオフセット特性が異なる理由は、センサヘッド１４のオフセット特性が、バイアス直流電流の正の領域と負の領域とで対称でないためである。一例として、図２に、バイアス直流電流０．０５Ａ及び−０．０５Ａに対するオフセット値Ａ，Ｂを示す。このように、一般的には、絶対値が同じとなるバイアス直流電流において、それぞれのオフセットが異なる値となっている。
【００２２】
この問題を解決するために、図３に示すような、オフセット値（＝Ａ）が等しくなる正及び負のバイアス直流電流（図３の場合は、ｉｄｃ１＝０．０５Ａとｉｄｃ２＝−０．０３Ａ）を用いて、バイアス直流電流の極性切り替えを行うことで、収束点が同一となり図１２に示したような誤差増幅後の電圧値の加算は不要となる。つまり、図１の磁界センサ１において、バイアス直流電流を供給する直流電源１０ａ及び１０ｂが、図３に示すようなオフセットが等価となるように電圧値が設定されている。
【００２３】
例えば、図３の場合は、正の領域においてバイアス直流電流がｉｄｃ１＝０．０５Ａ、負の領域においてバイアス直流電流がｉｄｃ２＝−０．０３Ａの場合に、それぞれのオフセット（＝Ａ）が等価となる。そのため、図１の磁界センサ１においては、キャリブレーションの際に、正極のバイアス直流電流を供給する直流電源１０ａがｉｄｃ１＝０．０５Ａを磁気コア１５に通電するように電圧値を設定する。同様に、負極のバイアス直流電流を供給する直流電源１０ｂがｉｄｃ２＝−０．０３Ａを磁気コア１５に通電するように電圧値を設定する。
【００２４】
なお、図３に示すバイアス直流電流ｉｄｃが０近傍のピーク領域Ｓについては、基本波型直交フラックスゲートの動作を行うために必要な条件であるバイアス直流電流ｉｄｃ＞交流励磁電流ｉａｃの条件を満たさない領域であるため、少なくともこの領域Ｓ外における電流値となる条件に基づいて磁気コア１５への通電を行うものとする。
【００２５】
このように、直流電源１０ａ，１０ｂのそれぞれの電圧値を正のバイアス直流電流と負のバイアス直流電流値とでオフセットが等価となるバイアス直流電流が供給されるように予め調整しておくことで、バイアス直流電流の極性切り替えを行った場合であっても、オフセットをゼロにして変動がない安定な磁界センサ１を実現すると共に、図１２に示すような複雑な回路を有する必要がなく、簡単な回路で高性能な磁気センサを実現することが可能となる。
【００２６】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る磁界センサについて、図４ないし図９を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、前記第１の実施形態に係る磁界センサと同様に、バイアス直流電流の極性が切り替わった場合であっても、その極性に対応した値でバイアス直流電流が通電されるように制御するものであるが、極性の切り替えをバイアス直流電流と交流励磁電流とが重畳された励磁電流に対して行うことで、バイアス直流電流の極性の切り替えを行うものである。本実施形態において、バイアス直流電流と交流励磁電流とが重畳された励磁電流に対して極性の切り替えを行うと、オフセット特性は非特許文献１のＦｉｇ．２（ｂ）に示すような特性となる。このような特性の場合、単純に正のオフセットと負のオフセットを加算することで、結果的にオフセットを打ち消すことが可能となる。すなわち、前記第１の実施形態の場合と同様に、オフセットが等価となるように電圧値が設定される。なお、本実施形態において前記第１の実施形態を重複する説明は省略する。
【００２７】
図４は、本実施形態に係る磁界センサの全体の回路ブロック図、図５は、本実施形態に係る磁界センサの電流供給部の回路ブロック図である。図４において、磁界センサ１は、バイアス直流電流及び交流励磁電流を供給する電流供給部４１と、電流供給部４１から供給されるバイアス直流電流及び交流励磁電流が重畳された励磁電流の極性を切り替える第４スイッチ４２と、この励磁電流が供給される磁気コア１５及びこの磁気コア１５に巻回される検出コイル１３からなるセンサヘッド１４と、検出コイル１３に接続される負帰還構成の検出回路１６とを備える。
【００２８】
検出回路１６は、検出コイル１３に接続され、検出コイル１３の信号を受けてインピーダンス変換をするバッファ回路４３と、その信号を増幅するプリアンプ回路４４と、プリアンプ回路４４の後段側に接続し、検出コイル１３からの信号に対して同期整流を行う同期整流器（ＰＳＤ）１７と、検出回路１６を所定のタイミングで遮断するための第３スイッチ２１と、第３スイッチ２１の後段に接続されるローパスフィルタ２２と、ローパスフィルタ２２の後段に接続されるエラーアンプ２３と、エラーアンプ２３の後段側に接続し、他端側が検出コイル１３の接地側ではない一端に接続されている帰還抵抗２４とを備える。なお、バッファ回路４３及びプリアンプ回路４４による信号の増幅後は、前記第１の実施形態において説明した構成と同じである。
【００２９】
図５は、図４における電流供給部４１の原理構成図であり、正極用のバイアス直流電流を磁気コア１５に供給する直流電源１０ａ及び負極用のバイアス直流電流を磁気コア１５に供給する直流電源１０ｂからなるバイアス用の直流電源１０と、正極用の直流電源１０ａ又は負極用の直流電源１０ｂのいずれを通電状態にするかを周期的に切り替える第１スイッチ１１と、励磁用の交流励磁電流を磁気コア１５に供給する交流電源１２と、交流励磁電流の位相を調整する位相シフタ５１と、直流と交流を加算する加算器５２とを備える。
【００３０】
第１スイッチ１１と第４スイッチ４２とは切り替え動作が同期しており、第４スイッチ４２が正極（図４において端子Ｐ１とＰ２が接続されて、磁気コア１５の上から下に向かってバイアス直流電流を通電する極性）に接続されている場合は、第１スイッチ１１が直流電源１０ａに接続され、第４スイッチ４２が負極（図４において端子Ｎ１とＮ２が接続されて、磁気コア１５の下から上に向かってバイアス直流電流を通電する極性）に接続されている場合は、第１スイッチ１１が直流電源１０ｂに接続される。第４スイッチ４２が正極に接続されている状態が、図３のプラス側の領域に対応しており、第４スイッチ４２が負極に接続されている状態が、図３のマイナス側の領域に対応している。つまり、直流電源１０ａ，１０ｂのそれぞれの電圧値は、図３に示すように正極時のオフセットと負極時のオフセットが等価となるバイアス直流電流が供給されるように制御される。
【００３１】
図６は、図５の電流供給部４１の具体的な回路構成の一例を示す図である。図６に示す回路は、バイアス直流電流に交流励磁電流が重畳された励磁電流をセンサヘッド１４の磁気コア１５に対して供給する際に、パルス生成手段で生成されたパルス波形をトランジスタのベース（Ｂ）に供給することで、バイアス直流電流に交流励磁電流が重畳された励磁電流を生成する。このとき、パルス発生手段が、パルス波形のデューティ比を調整することでバイアス直流電流の値を制御することが可能となっている。
【００３２】
図７は、図６の回路で励磁電流を生成した場合のシミュレーション結果を示す図である。図７（Ａ）はデューティ比を５０％にした場合、図７（Ｂ）はデューティ比を３２％にした場合のシミュレーション結果を示しており、グラフ下の矩形波は、デューティ比を示すための波形である。パルス波形の繰り返し周波数ｆ＝３１．２５ｋＨｚ、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒ＝１５．６５ｋＨｚである。このように、図６のトランジスタのベースに異なるデューティ比のパルス波形を供給することで、バイアス直流電流の値を制御した励磁電流を生成することが可能となる。
【００３３】
図８は、図６の回路においてパルス波形のデューティ比を変えた場合のバイアス直流電流と交流励磁電流のそれぞれの電流をシミュレーションした結果を示す図である。図８に示すように、デューティ比を大きくするに伴ってバイアス直流電流が増加している。つまり、図６の回路におけるパルス波形のデューティ比を調整することで、オフセットをゼロにすることができるバイアス直流電流を通電することが可能であることが明確である。なお、図８のグラフにおいて、交流励磁電流はほぼ一定に保たれている。
【００３４】
図７及び図８のシミュレーション結果から、図６に示す回路構成でバイアス直流電流及び交流励磁電流の値をパルス波形のデューティ比で制御することが可能であることがわかる。このように電流値が制御されたバイアス直流電流及び交流励磁電流を極性の切り替えのタイミングで正のオフセット値及び負のオフセット値を打ち消すように供給することで、オフセットをゼロにして高性能な磁界センサを実現することができる。
【００３５】
なお、図６の回路において、抵抗Ｒ１や抵抗Ｒ２の値を調整することで、励磁電流の増減を制御することが可能である。また、パルス波形の繰り返し周波数は、回路中のＬＣ共振回路の共振周波数の１．５倍以上、好ましくは、２〜３倍の間とするのが望ましい。
【００３６】
図６の回路においてパルス波形のデューティ比を制御する場合の処理について、より詳細に説明する。図９は、図６の回路におけるパルス波形を生成する場合のタイミングチャートを示す図である。図９（Ａ）において、タイマーＩＣにより交流励磁電流の周波数の２倍の繰り返し周波数でパルスが出力される。パルス生成手段は、図９（Ｂ）に示すように、タイマーＩＣの出力に合わせて矩形波を生成する。このとき、例えば図９（Ａ）の波形の立ち上がりに同期して変化するＴフリップフロップを利用して矩形波を生成することができる。また、図９（Ｃ）に示すように、図９（Ｂ）で生成された矩形波からランプ波（のこぎり波）を生成する。ランプ波は、例えば定電流回路でコンデンサを充電し、図９（Ｂ）の立ち上がりのタイミングで当該コンデンサを放電することで生成することが可能である。図９（Ｃ）で生成されたランプ波に対して閾値Ｔｈを設定し、この閾値Ｔｈに基づいて異なるデューティ比の矩形波が生成される（図９（Ｄ）、（Ｅ））。
【００３７】
なお、図４の回路図において、ＰＳＤ１７に入力される同期信号は、図９（Ｂ）で生成されたパルス波形となる。また、このとき位相シフトする必要がある場合は、図９（Ｂ）の波形をデューティ比Ｄ＝０．５を維持したまま時間的に遅らせる。例えば、図９（Ａ）の波形を単安定マルチバイブレータに入力し、単安定マルチバイブレータの出力の後端で第２のＴフリップフロップを駆動し、その出力をＰＳＤ１７に加えるようにしてもよい。
【００３８】
例えば、図９（Ｄ）の場合は、閾値Ｔｈが高めに設定されており、閾値Ｔｈとランプ波とを入力とするコンパレータを用いて、閾値Ｔｈがランプ波形よりも高い場合にハイレベルとなる矩形波が生成されている。図９（Ｅ）の場合も図９（Ｄ）の場合と同様であるが、閾値Ｔｈが図９（Ｄ）の場合よりも低めに設定されているため、パルス波形のデューティ比が異なるものとなっている。このように閾値Ｔｈを調整することでパルス波形のデューティ比を簡単な回路で容易に調整することができる。
【００３９】
図７のシミュレーション結果において説明したように、図６の回路においてパルス波形のデューティ比を調整することで、バイアス直流電流の大きさを制御することが可能となる。つまり、図３に示したように、オフセットが等価となる正のバイアス直流電流と負のバイアス直流電流とは、それぞれ絶対値が異なるため、各極性におけるオフセットを打ち消すような電流が供給されるように図６のパルス生成手段がパルス波形を生成する。このとき、図９に示したように、ランプ波形と比較する閾値Ｔｈを調整することで、パルス波形のデューティ比を調整し、このデューティ比に対応した大きさの電流値を正極性及び負極性のそれぞれにおいて供給することで、オフセットをゼロとする非常に高性能な磁界センサを実現することが可能となる。
【００４０】
なお、図９に示したランプ波はこれに限らず、一周期の間で時間の変化と共に出力が変化する、すなわち閾値Ｔｈから時間に変換可能な波形であればよい。例えば、時間と共に単調に増加又は減少する波形や、時間と共に変化する単峰性を有する波形を用いることが可能である。
【００４１】
また、本実施形態においては、正のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値とが等価となる正及び負のバイアス直流電流値を計測手段で計測し、電流供給部４１が、バイアス用の直流電流の値を計測手段で計測された正及び負のバイアス直流電流値に自動調整する構成としてもよい。
【００４２】
このように、本実施形態に係る磁界センサにおいては、矩形パルス波形を元に直流電流でバイアスされた交番電圧波形を生成し、前記矩形パルス波形のディーティ比に応じて前記バイアス用の直流電流の値を制御するため、オフセットをゼロにすることができると共に、回路構成を簡単にすることができる。
【００４３】
なお、上記各実施の形態に示した構成以外に、その他の実施の形態として以下に説明する。例えば、前記第１の実施形態に示した図１の回路図における検出回路１６と、第２の実施形態における図４や図６に示した電流供給部４１の回路とを組み合わせて本発明の磁界センサを実現することが可能である。
【００４４】
具体的には、まず図９（Ｅ）の波形について、ハイレベルとローレベルを反転する。図１０は、図６の回路においてパルス波形のハイレベルとローレベルとを反転した場合の正弦波を示す図である。図１０に示すように、パルス波形のハイレベルとローレベルを反転することで、正弦波成分もパルス波形に応じて反転する。
【００４５】
そして、反転した後のパルス波形において、デューティ比を直流電源１０ａの電圧が供給するバイアス直流電流の大きさになるよう調整する。このように調整した波形を仮にＥ’とし、バイアス直流電流の極性切り替えは図９（Ｄ）の波形とＥ’の波形を図４の切り替え方法を用いて行う。図１１は、図９（Ｄ）に相当する波形のデューティ比を０．３３、Ｅ’に相当する波形のデューティ比を０．６７とした場合の励磁電流の波形を示す図である。このようにＥ’の波形においてパルス波形を反転した場合に正弦波の位相も反転していることがわかる。つまり、交流励磁電流への影響なくバイアス直流電流を調整することが可能である。
【００４６】
その他の実施形態において、このような構成にすることで、必要なバイアス直流電流ｉｄｃ１及びｉｄｃ２を磁気コア１５に供給し、交流励磁電流の反転は、あらかじめ正弦波成分を反転させていたＥ’の波形を用いることで反転が２度生じ、本発明に係る磁界センサの動作を行うことが可能となる。
【００４７】
以下、本発明に係る付記を示す。本発明に係る磁界センサは、必要に応じて、磁気コアに検出コイルを巻回して形成されるセンサヘッドと、前記磁気コアに励磁用の交流電流及びバイアス用の直流電流を重畳させて供給する電流供給手段と、少なくとも前記バイアス用の直流電流の極性を切り替える切替手段と、前記検出コイルに接続され、前記センサヘッドで測定された磁界をフィードバック電流で検出する検出回路とを備え、前記切替手段が前記直流電流の極性を正極性に切り替えた場合に、正のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値とが等価となる正のバイアス直流電流値及び負のバイアス直流電流値のうち、前記正のバイアス直流電流値が前記電流供給手段により前記磁気コアに供給され、前記切替手段が前記直流電流の極性を負極性に切り替えた場合には、前記負のバイアス直流電流値が前記電流供給手段により前記磁気コアに供給されるものである。
【００４８】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、バイアス直流電流の極性を正極性に切り替えた場合に、正のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電したときに生じるオフセット値とが等価となる正のバイアス直流電流値及び負のバイアス直流電流値のうち、正のバイアス直流電流値が磁気コアに供給され、バイアス直流電流の極性を負極性に切り替えた場合には、負のバイアス直流電流値が磁気コアに供給されるため、バイアス直流電流が正極の場合と負極の場合とで、それぞれオフセットが等しく、バイアス電流が正又は負の時の出力のいずれか一方の極性を反転して平滑フィルタにおいて加算される時、オフセットが差っ引かれるようにバイアス直流電流値が制御され、オフセットをゼロにすることができるという効果を奏する。
【００４９】
本発明に係る磁界センサは、必要に応じて、前記電流供給手段が、前記正のバイアス直流電流を供給する第１直流電源と、前記負のバイアス直流電流を供給する第２直流電源と、前記交流電流を供給する交流電源と、前記第１直流電源が供給する正のバイアス直流電流又は前記第２直流電源が供給する負のバイアス直流電流と、前記交流電流とを加算して励磁電流を生成する加算手段とを有しており、前記励磁電流の極性を切り替える第２切替手段を備えるものである。
【００５０】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、前記電流供給手段が、前記正のバイアス直流電流を供給する第１直流電源と、前記負のバイアス直流電流を供給する第２直流電源と、前記交流電流を供給する交流電源と、前記正のバイアス直流電流又は前記負のバイアス直流電流と、前記交流電流とを加算して励磁電流を生成する加算手段とを有しており、前記励磁電流の極性を切り替える第２切替手段を備えるため、正又は負のオフセットに応じて当該オフセットを打ち消すように正又は負のバイアス直流電流を切り替えて磁気コアに供給することができ、オフセットをゼロにすることができるという効果を奏する。
【００５１】
本発明に係る磁界センサは、必要に応じて、前記電流供給手段が、矩形パルス波形を元に直流電流でバイアスされた交番電圧波形を生成し、前記矩形パルス波形のディーティ比に応じて前記バイアス用の直流電流の値を制御するものである。
【００５２】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、矩形パルス波形を元に直流電流でバイアスされた交番電圧波形を生成し、前記矩形パルス波形のディーティ比に応じて前記バイアス用の直流電流の値を制御するため、例えば、非特許文献２に示すような誤差増幅後の電圧値の加算等の処理やその回路が不要となり、回路を簡単にすることができると共に、オフセットをゼロにすることができるという効果を奏する。
【００５３】
本発明に係る磁界センサは、必要に応じて、前記電流供給手段が、前記磁気コアに供給する交流電流の半分の周期で矩形パルス波形を生成する矩形パルス波形生成手段と、生成された矩形パルス波形に基づいて、一周期の間で時間の変化と共に出力が変化する周期波形を生成する周期波形生成手段と、生成された前記周期波形に対して設定された閾値を調整する閾値調整手段とを備え、前記閾値の変化に伴う前記周期波形の出力変化で前記矩形パルス波形のデューティ比を制御するものである。
【００５４】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、磁気コアに供給する交流電流の半分の周期で矩形パルス波形を生成し、生成された矩形パルス波形に基づいて、一周期の間で時間の変化と共に出力が変化する周期波形を生成し、生成された周期波形に対して設定された閾値を調整し、当該閾値の変化に伴う周期波形の出力変化で矩形パルス波形のデューティ比を制御するため、閾値の調整だけで、バイアス直流電流の極性に応じた電流値を制御して通電することができ、回路構成を簡素化することができるという効果を奏する。
【００５５】
本発明に係る磁界センサは、必要に応じて、正のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値とが等価となる正及び負のバイアス直流電流値を計測する計測手段を備え、前記電流供給手段が、前記バイアス用の直流電流の値を前記計測手段で計測された正及び負のバイアス直流電流値に調整するものである。
【００５６】
このように、本発明に係る磁界センサにおいては、正のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値と、負のバイアス直流電流を通電した場合に生じるオフセット値とが等価となる正及び負のバイアス直流電流値を計測し、電流供給手段が、バイアス用の直流電流の値を計測手段で計測された正及び負のバイアス直流電流値に調整するため、オフセットの計測からその調整までを自動化して作業を格段に向上させることができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００５７】
１  磁界センサ
１０（１０ａ，１０ｂ）  直流電源
１１  第１スイッチ
１２  交流電源
１３  検出コイル
１４  センサヘッド
１５  磁性コア
１６  検出コイル
１７  同期整流器
１８，１９  回路
２０  第２スイッチ
２１  第３スイッチ
２２  ローパスフィルタ
２３  エラーアンプ
２４  帰還抵抗
４１  電流供給部
４２  第４スイッチ
４３  バッファ回路
４４  プリアンプ回路
５１  位相シフタ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2019211450.tif 000001
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2019211450.tif 000002
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2019211450.tif 000003
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2019211450.tif 000004