(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インピーダンス変化特性を示す磁気検出素子と、該磁気検出素子にバイアス磁界を印加するバイアスコイルと、該バイアスコイルに間欠的に交流の励磁電流を流す交流電流印加手段と、前記磁気検出素子に高周波電流を流す高周波電流印加手段と、前記励磁電流に同期して間欠的に前記磁気検出素子の端子に発生する高周波電圧を検波する検波手段とを備えたことを特徴とする磁界強度検出装置。
【請求項２】
前記励磁電流の電流波形は、正負が交互に反転するパルス状波形であることを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置。
【請求項３】
前記励磁電流が印加される期間は、検波出力が安定したレベルに達する期間以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置。
【請求項４】
前記検波手段はマイクロコンピュータで構成していることを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【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を利用した磁界強度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のコンピュータの普及により、産業や社会全体の高度な自動化や情報化が進歩し、各種のセンシングに必要なセンサに対する要求も一段と厳しくなってきている。磁気センサは他の光学、半導体などのセンサと共に重要な役割を担っているが、より小型、高感度で信頼性に優れたセンサが求められている。そのような状況において磁気インピーダンス素子（以下、ＭＩ素子と云う）は、小型、高感度を実現可能なものとして注目を集めている。
【０００３】
図１４は代表的なＭＩ素子の外部磁界検知特性を示し、ＭＩ素子の出力は外部磁界強度に応じて軸対称のＶ字特性を示している。ＭＩ素子を用いる場合に、温度変化によるオフセットの問題などを解消するために、交流矩形波バイアス磁界（ＡＣバイアス）を印加するのが一般的である。
【０００４】
無磁界時には、図１４に示すようにプラス側（−Ｈｏ）、マイナス側（＋Ｈｏ）に均等に振れるＡＣバイアスを印加すると、ピークに段差のない出力Ｖｏが得られる。そこに、外部磁界ΔＨが印加されると、図１５に示すようにプラス側、マイナス側のそれぞれの動作点は移動し、ピークに段差のある出力が得られる。この出力を差動増幅（ΔＶ）することで、磁界変化に比例した感度の良い出力を得ることができる。
【０００５】
図１６は、この動作を行う駆動回路の一例を示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯電話や腕時計に方位センサとして、この種の磁気センサを搭載する提案がなされている。しかし、図１６で示される駆動回路においては、常時ＭＩ素子Ｓに高周波電流が印加され、またバイアスコイルＣに励磁電流が印加されている。そのため、消費電流が大きく、電池駆動である携帯電話や腕時計などの携帯機器には搭載することが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、このような問題に鑑みなされたものであり、電池駆動の携帯機器等に搭載可能な小型、高感度な磁気センサ、磁界強度検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に係る本発明は、インピーダンス変化特性を示す磁気検出素子と、該磁気検出素子にバイアス磁界を印加するバイアスコイルと、該バイアスコイルに間欠的に交流の励磁電流を流す交流電流印加手段と、前記磁気検出素子に高周波電流を流す高周波電流印加手段と、前記励磁電流に同期して間欠的に前記磁気検出素子の端子に発生する高周波電圧を検波する検波手段とを備えたことを特徴とする磁界強度検出装置である。
【０００９】
請求項２に係る本発明は、前記励磁電流の電流波形は、正負が交互に反転するパルス状波形であることを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置である。
【００１０】
請求項３に係る本発明は、前記励磁電流が印加される期間は、検波出力が安定したレベルに達する期間以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置である。
【００１１】
請求項４に係る本発明は、前記検波手段はマイクロコンピュータで構成していることを特徴とする請求項１に記載の磁界強度検出装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態のブロック回路構成図であり、図１４、図１５に示す特性を有する磁気検出素子１の近傍に、この磁気検出素子１にバイアス磁界を加えるバイアスコイル２が配置されている。バイアスコイル２には、反対向きでほぼ同一電流値の電流を所定の間隔で交互に流す交流矩形波電流印加回路３の出力が接続され、交流矩形波電流印加回路３にはこの印加回路３を間欠的に動作させる間欠駆動回路４の出力が接続されている。磁気検出素子１の出力は高周波電流を流す高周波電流印加回路５の出力が接続され、更に磁気検出素子１には磁気検出素子１の端子に発生する高周波電圧を検波する検波回路６に接続され、検波回路６の検波出力はバイアス磁界の極性に応じて識別する検波出力識別回路７に接続されている。また、発振器８からのクロック信号が、交流矩形波電流印加回路３、間欠駆動回路４、高周波電流印加回路５、検波出力識別回路７にそれぞれ接続されている。
【００１６】
交流矩形波電流印加回路３においては、発振器８のクロック信号を受け入れる３２分周器の出力が、ＡＮＤゲート３０及び反転ゲートを介してＡＮＤゲート３１に接続されている。また、ＡＮＤゲート３１には間欠駆動回路４の出力が接続されている。ＡＮＤゲート３０、３１の出力は、それぞれスイッチ素子３２、３３及びスイッチ素子３４、３５に出力され、更に定電流源３６の出力がスイッチ素子３２、スイッチ素子３４に接続されスイッチ素子３３、３５の一部は接地されている。バイアスコイル２の一端にはスイッチ素子３２、３５が接続され、バイアスコイル２の他端にはスイッチ素子３３、３４が接続されている。
【００１７】
間欠駆動回路４は発振器８の出力を２５６分周器、５１２分周器で受け入れ、２５６分周器の出力は反転ゲートを経てＡＮＤゲート４０に接続され、５１２分周器の出力はＡＮＤゲート４０に直接に接続され、ＡＮＤゲート４０の間欠駆動出力Ａは交流矩形波電流印加回路３に接続されている。
【００１８】
高周波電流印加回路５は発振器８からのクロック信号が接続されるＡＮＤゲート５０を有しており、ＡＮＤゲート５０にはクロック信号が直接に接続されると共に、反転ゲートを介しても接続され、ＡＮＤゲート５０の出力は抵抗を介して磁気検出素子１に出力するようにされている。
【００１９】
検波回路６は磁気検出素子１の出力を検波する回路であり、ダイオードを介して入力された磁気検出素子１の出力を、増幅器６０を介して検波出力Ｂとして検波出力識別回路７に出力するようになっている。
【００２０】
検波出力識別回路７においては、発振器８のクロック信号を受け入れてそれぞれ分周する８分周器、１６分周器、３２分周器、１２８分周器、２５６分周器、５１２分周器の出力が組み合わされ、サンプリングパルスＣ、Ｄを生成し、サンプリングパルスＣはスイッチ素子７０に、サンプリングパルスＤはスイッチ素子７１に接続されている。一方、スイッチ素子７０、７１には検波回路６の検波出力Ｂが接続されている。また、スイッチ素子７０から得られるホールド電圧Ｅは抵抗、コンデンサ７２を介して増幅器７４に接続され、スイッチ素子７１からのホールド電圧Ｆは抵抗、コンデンサ７３を介して増幅器７５に接続され、これらの増幅器７４、７５の出力はそれぞれ増幅器７６に接続され、増幅器７６からは差動増幅出力Ｇが出力するようになっている。
【００２１】
図２は図１の回路の動作を説明するためのタイミングチャート図であり、各分周器の出力波形、間欠駆動回路４の間欠駆動出力Ａの波形、バイアスコイル２に流れる励磁電流波形、検波回路６の検波出力Ｂの波形、検波出力識別回路７内の２つのサンプリングパルスＣ、Ｄと２つのホールド電圧Ｅ、Ｆと検波出力識別回路７の差動増幅出力Ｇを示している。
【００２２】
間欠駆動回路４の間欠駆動出力Ａは、発振器８のクロック信号の２５６分周信号の反転信号と５１２分周信号の論理積であり、図２に図示した区間だけアクティブとなり、交流矩形波電流印加回路３を活性化する。交流矩形波電流印加回路３では、発振器８からのクロック信号を３２分周した信号とその反転信号を、それぞれＡＮＤゲート３０とＡＮＤゲート３１に入力し、間欠駆動出力Ａとそれぞれ論理積にしている。これにより、間欠駆動出力Ａがアクティブでない期間は、４個のスイッチ素子３２〜３５は共にオフになり励磁電流は流れない。
【００２３】
間欠駆動出力Ａがアクティブの期間は、３２分周信号がＨレベルにあればスイッチ素子３２、３３がオンとなり、定電流源３６とバイアスコイル２の上側端子が、バイアスコイル２の下側端子とアースがそれぞれ接続され、正方向の励磁電流が流れる。一方、３２分周信号がＬレベルであれば、スイッチ素子３４、３５がオンとなり、定電流源３６とバイアスコイル２の下側端子が、バイアスコイル２の上側端子が接地され、負方向の励磁電流が流れる。
【００２４】
本実施の形態では、正方向と負方向の励磁電流がそれぞれ４回ずつ交互に流れ、その後に再び間欠駆動出力Ａがアクティブになるまでの間は励磁が停止する。このように、励磁電流が間欠的に流れるため、消費電力の低減が可能になる。
【００２５】
なお、アクティブ期間は検波出力Ｂが安定なレベルに達するまでの期間以上必要であり、換言すれば励磁電流の供給開始時の過渡特性の影響のある期間以上であり、安定したＭＩ素子の出力の基で検波が行える期間に設定されている。これにより、検波出力の平滑化されている部分の影響を受けることなく、アクティブ期間中に良好な検波を行うことが可能となる。
【００２６】
高周波電流印加回路５は発振器８からのクロック信号を、抵抗とコンデンサと反転ゲートで遅延させて反転した信号と、クロック信号そのものとをＡＮＤゲート５０で論理積にする。これにより、クロック信号と周波数は同一で、パルス幅の狭い高周波信号が形成され、磁気検出素子１に印加される。クロック信号の周波数が十分に高く取れない場合に、パルス幅の狭い信号は磁気検出素子１の感度を上げるために有効である。
【００２７】
前述したように、本実施の形態における磁気検出素子１は、バイアス磁界と外部磁界の和に対してインピーダンスがＶ字形に変化するため、正方向の外部磁界ΔＨに対しては、正方向の励磁電流の流れる期間の方が、負方向の励磁電流の流れる期間に比較して検波出力ＢはΔＶだけ高い。そのため、検波出力Ｂは図２に示すように間欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけΔＶの段差を持ち、４回繰返されるくし型波形となる。これを検波出力識別回路７の中でサンプリングするタイミングをサンプリングパルスＣ、Ｄが決定している。サンプリングパルスＣ、Ｄは８、１６、３２、１２８、２５６、５１２分周器のそれぞれの出力を組合わせて合成されており、間欠駆動出力Ａがアクティブな期間の後半分だけをサンプリングするように動作する。
【００２８】
励磁電流が流れ始めてから暫くの間は、消費電流の変動による電源電圧の過渡的変動があり、検波出力Ｂの変動も避けられない。特に、ボタン電池などを電源とする小型装置などでは、これらの変動が顕著な精度低下を引き起こす。
【００２９】
それを避けるため、本実施の形態では有効な検波出力のうちの後半分だけをサンプリングして取り込むように構成している。サンプリングパルスＣはスイッチ素子７０を働かせて、正方向の励磁電流に対する検波出力Ｂを通過させ、ホールド電圧Ｅを生成する。サンプリングパルスＤはスイッチ素子７１を働かせて、負方向の励磁電流に対する検波出力Ｂを通過させ、ホールド電圧Ｆを生成する。ホールド電圧Ｅ、Ｆは、それぞれコンデンサ７２、７３によって暫く保持されるので、サンプリングパルスＣ、Ｄが停止した後も暫くは電圧が低下することはない。ホールド電圧Ｅがホールド電圧Ｆよりも約ΔＶだけ高いのは、正方向の外部磁界ΔＨによるものであり、外部磁界がなければホールド電圧Ｅ、Ｆは同電位になる。
【００３０】
ホールド電圧ＥとＦの電位差を、増幅器７４〜７６によって構成した差動増幅回路により増幅して差動増幅出力Ｇを得る。差動増幅出力Ｇは間欠駆動出力Ａの切れる瞬間の前後が最も安定しており、この付近の差動増幅出力Ｇを外部磁界ΔＨに対する計測結果として利用すれば、精度が良く消費電力の低い磁界強度検出装置が構成できる。
【００３１】
以上の説明では、磁界が強いほどインピーダンスが増加するＶ字型の特性を持つ磁気検出素子１を想定しているが、逆に印加磁界の無い点を極大点とし、磁界の極性に拘らず対称的に磁界が強いほどインピーダンスが下がるΛ字形の特性を持つ磁気検出素子においても同様に実現できる。
【００３２】
分周器については、交流矩形波電流印加回路３、間欠駆動回路４、検波出力識別回路７の相互で共通するものは共用してもよい。また、分周数については一例であり、これ以外の分周数を設定して実現してもよい。また、論理回路の信号遅延に起因するグリッチの発生を防止する回路を付加することも考えられる。また、論理回路全体をクロック同期回路の形で実現することもできる。
【００３３】
図３は第１の実施の形態の変形例のブロック回路構成図であり、高周波電流印加回路５には３入力ＡＮＤゲート５１が使用され、間欠駆動回路４の間欠駆動出力Ａはこの３入力ＡＮＤゲート５１にも接続されている。
【００３４】
これにより、間欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１に高周波電流を流れることになり、更に消費電流が低減できる。
【００３５】
図４は第２の実施の形態のブロック回路構成図であり、図１の第１の実施の形態と異なるのは、交流矩形波電流印加回路３が交流パルス電流印加回路３’に置換されており、１６分周器とＡＮＤゲート３７と反転ゲート３８が付加されている。
【００３６】
図５のタイミングチャート図に示すように、バイアスコイル２に流れる励磁電流を、正方向、負方向とも細いパルス状にしている。これにより、バイアスコイル２の励磁により消費される電力が更に低減できる。
【００３７】
図６は第２の実施の形態の変形例のブロック回路構成図であり、図３に示す第１の実施の形態の変形例のように、高周波電流印加回路５に３入力ＡＮＤゲート５１が使用され、間欠駆動回路４の出力Ａがアクティブな期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１へ高周波電流を流すようにしている。これにより、更に消費電流が低減できる。
【００３８】
図７は第３の実施の形態のブロック回路構成図であり、図１の第１の実施の形態と異なるのは、検波出力識別回路７の代りに使用される検波出力識別回路９の構成である。即ち、検波出力識別回路９は検波回路６の検波出力Ｂを受け入れるサンプルホールド回路９０のホールド電圧ＪがＡ／Ｄコンバータ回路９１に接続され、そのデジタルデータＬはマイクロコンピュータ９２に接続されている。また、発振器８のクロック信号はマイクロコンピュータ９２に接続され、マイクロコンピュータ９２のサンプリングパルスＩはサンプルホールド回路９０に、Ａ／ＤタイミングパルスＫはＡ／Ｄコンバータ回路９１に接続されている。更に、間欠駆動回路４の駆動出力Ａはマイクロコンピュータ９２にも接続されている。
【００３９】
図８はこの第３の実施の形態の動作を説明するタイミングチャート図である。マイクロコンピュータ９２は間欠駆動出力Ａがアクティブになった瞬間から所定の遅延をとって、一連のサンプリングパルスＩをサンプルホールド回路９０に入力する。サンプルホールド回路９０は検波出力Ｂを受けてホールド電圧ＪをＡ／Ｄコンバータ回路９１に入力する。
【００４０】
Ａ／Ｄコンバータ回路９１はマイクロコンピュータ９２からのＡ／ＤタイミングパルスＫに同期して、ホールド電圧ＪをデジタルデータＬに変換して、マイクロコンピュータ９２に転送する。マイクロコンピュータ９２は取り込んだデジタルデータＬの順番によって、奇数番のデータは正方向の励磁電流が流れた場合の検波出力Ｂに対応し、偶数番のデータは負方向の励磁電流が流れた場合の検波出力Ｂに対応すると解釈し、デジタル演算によって外部磁界ΔＨを算定する。
【００４１】
図９は第３の実施の形態の変形例のブロック回路構成図であり、第１、第２の実施の形態の変形例のように、高周波電流印加回路５には３入力ＡＮＤゲート５１が使用され、間欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１に高周波電流を流すようにしている。これにより、更に消費電流が低減できる。
【００４２】
図１０は第４の実施の形態のブロック回路構成図であり、図７の第３の実施の形態と異なるのは、検波回路６がダイオードを使わずに、スイッチ素子６１を用いたサンプルホールド回路の構成になっていることと、検波出力識別回路９がサンプルホールド回路９０を含まなくなっていることである。サンプルホールドのタイミングは、マイクロコンピュータ９２を経由してクロック信号と適度な遅延量を保って同期していることで同期検波回路となっている。
【００４３】
図１１は第４の実施の形態の変形例のブロック回路構成図であり、第１、第２、第３の実施の形態の変形例と同様に、高周波電流印加回路５に３入力ＡＮＤゲート５１が使用され、間欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１に高周波電流を流すようにしている。これにより、更に消費電流が低減できる。
【００４４】
図１２は第５の実施の形態のブロック回路構成図であり、図１０の第４の実施の形態と異なるのは、検波回路６、検波出力識別回路７、間欠駆動回路４の機能を、サンプルホールド、Ａ／Ｄコンバータ内蔵型マイクロコンピュータ１０により実現していることである。また、交流矩形波電流印加回路３も簡略化されており、本実施の形態が他の実施の形態に比べて最も簡単で安価となる。
【００４５】
図１３は第５の実施の形態の変形例のブロック回路構成図であり、先の実施の形態の変形例と同様に、高周波電流印加回路５に３入力ＡＮＤゲート５１が使用され、マイクロコンピュータ１０から出力される間欠駆動出力Ａがアクティブな期間だけ、高周波電流印加回路５から磁気検出素子１に高周波電流を流すようにしている。これにより、更に消費電流が低減できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る磁界強度検出装置によれば、消費電力が大きなバイアスコイルへの励磁電流の供給を間欠的に行っているため、従来の回路に比べて消費電力を大幅に低減できる。更に、アクティブ期間中の磁気検出素子の出力が安定している期間においてのみ、磁気検出素子の出力検波を行うようにしているため、間欠駆動であっても高い測定精度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のブロック回路構成図である。
【図２】タイミングチャート図である。
【図３】変形例のブロック回路構成図である。
【図４】第２の実施の形態のブロック回路構成図である。
【図５】タイミングチャート図である。
【図６】変形例のブロック回路構成図である。
【図７】第３の実施の形態のブロック回路構成図である。
【図８】タイミングチャート図である。
【図９】変形例のブロック回路構成図である。
【図１０】第４の実施の形態のブロック回路構成図である。
【図１１】変形例のブロック回路構成図である。
【図１２】第５の実施の形態のブロック回路構成図である。
【図１３】変形例のブロック回路構成図である。
【図１４】交流矩形波バイアス磁界印加時のＭＩ素子の特性図である。
【図１５】交流矩形波バイアス磁界と正方向外部磁界印加時のＭＩ素子の特性図である。
【図１６】従来のＭＩ素子の駆動回路図である。
【符号の説明】
１  磁気検出素子
２  バイアスコイル
３  交流矩形波電流印加回路
３’交流パルス電流印加回路
４  間欠駆動回路
５  高周波電流印加回路
６  検波回路
７、９  検波出力識別回路
８  発振器
１０、９２  マイクロコンピュータ
３０、３１、３７、４０、５０  ＡＮＤゲート
３２〜３５、６１、７０、７１  スイッチ素子
３６  定電流源
３８  反転ゲート
５１  ３入力ＡＮＤゲート
６０、７４、７５、７６  増幅器
７２、７３  コンデンサ
９０  サンプルホールド回路
９１  Ａ／Ｄコンバータ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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