(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に近接して配置された一対の磁気インピーダンス素子と、この各磁気インピーダンス素子に巻かれたバイアス巻線及びフィードバック巻線と、前記バイアス巻線に接続された電流源と、前記一対の磁気インピーダンス素子の各一端を接続した部分が中点となるように接続された二相高周波発振器と、前記二相高周波発振器の出力により方形波を生成するコンパレータと、前記一対の磁気インピーダンス素子の各一端を接続した部分の出力電圧を前記コンパレータの出力により同期検波する同期検波回路と、この同期検波回路の出力の高周波成分をカットして直流成分に変換し増幅する直流アンプからなり、前記フィードバック巻線には前記直流アンプの出力の大きさを調整してフィードバックする構成とした磁気インピーダンスセンサ回路。
【請求項２】
二相高周波発振器は一つの高周波発振器と、その出力を反転増幅する反転増幅器によって構成される請求項１に記載の磁気インピーダンスセンサ回路。
【請求項３】
磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に巻かれたバイアス巻線及びフィードバック巻線と、前記磁気インピーダンス素子の両端を駆動する高周波発振器と、この高周波発振器の出力により方形波を生成するコンパレータと、このコンパレータの出力の逓倍信号を生成する逓倍回路と、前記磁気インピーダンス素子の電圧を前記コンパレータの出力により同期検波する同期検波回路と、この同期検波回路の出力を前記逓倍回路の出力により同期検波する二次同期検波回路と、前記同期検波回路の出力の高周波成分をカットして直流成分に変換し増幅する直流アンプからなり、前記バイアス巻線には前記逓倍回路の出力の大きさを調整して電流を供給し、前記フィードバック巻線には前記直流アンプの出力の大きさを調整してフィードバックする構成とした磁気インピーダンスセンサ回路。
【請求項４】
同期検波回路に代えてダイオード検波回路を用いた請求項３に記載の磁気インピーダンスセンサ回路。
【請求項５】
逓倍回路に代えて低周波方形波発振器を用いた請求項３に記載の磁気インピーダンスセンサ回路。
【請求項６】
コンパレータと逓倍回路に代えて低周波方形波発振器を用いた請求項４に記載の磁気インピーダンスセンサ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小型で高感度な磁気インピーダンス素子を用いるための高周波駆動、検波回路を含む磁気インピーダンスセンサ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁気インピーダンス素子を用いた磁気インピーダンスセンサ回路は特開平９−３１８７１９号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
図１０に従来の磁気インピーダンスセンサ回路の構造を示しており、図１０において１はコルピッツ発振器であり、インダクタンス素子の一部として磁気インピーダンス素子２を含んでいる。３は基準信号発生器であり、外部磁界などの影響を受けずに一定周波数の信号を出力することができる。４は比較器であり、コルピッツ発振器１と基準信号発生器３との周波数の差に応じた信号を出力するように構成されている。
【０００４】
以上のように構成された磁気インピーダンスセンサ回路の動作を説明する。コルピッツ発振器１は、その回路定数に応じた周波数の発振をし、その周波数の正弦波を出力する。このとき、コルピッツ発振器１に含まれる磁気インピーダンス素子２に外部磁界が加わると、磁気インピーダンス素子２のインピーダンスが変化し、コルピッツ発振器１の発振周波数が変化する。また、基準信号発生器３は外部磁界などの影響を受けずに常に一定の周波数で発振するため、これらの周波数を比較することで磁気インピーダンス素子２に加わっている外部磁界の大きさを知ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような磁気インピーダンスセンサ回路において、温度が変化し、磁気インピーダンス素子２の特性が変化した場合、その変化分は磁気インピーダンスセンサ回路の出力として表れてしまうため、これによる温度ドリフトが発生してしまう。
【０００６】
磁気インピーダンスセンサ回路においては、高感度であるがゆえの温度ドリフトや回路特性の不安定要因によるドリフトの影響が問題視されており、温度的要因を含めて安定な駆動・検出回路が要求されている。
【０００７】
本発明は磁気インピーダンス素子及びその駆動・検出回路の温度ドリフトを低減する磁気インピーダンスセンサ回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、二つの磁気インピーダンス素子を用いてそれぞれに逆方向のバイアス磁界を与えておき、発振周波数で同期検波することで温度による磁気インピーダンス素子の特性変化を打ち消すことができるように構成したものである。
【０００９】
これにより、磁気インピーダンス素子及び回路素子の温度特性に影響されず、安定した出力が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、平行に近接して配置された一対の磁気インピーダンス素子と、この各磁気インピーダンス素子に巻かれたバイアス巻線及びフィードバック巻線と、前記バイアス巻線に接続された電流源と、前記一対の磁気インピーダンス素子の各一端を接続した部分が中点となるように接続された二相高周波発振器と、この二相高周波発振器の出力により方形波を生成するコンパレータと、前記一対の磁気インピーダンス素子の各一端を接続した部分の出力電圧を前記コンパレータの出力により同期検波する同期検波回路と、この同期検波回路の出力の高周波成分をカットして直流成分に変換し増幅する直流アンプからなり、前記フィードバック巻線には前記直流アンプの出力の大きさを調整してフィードバックする構成としたものであり、磁気インピーダンス素子の温度特性を打ち消し、さらに回路的な温度ドリフトを低減することで温度ドリフトの小さい磁気インピーダンスセンサ回路を提供できるという作用を有する。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、その二相高周波発振器を一つの高周波発振器とその出力を反転する反転増幅器とによって構成し、容易に二相信号を生成することができるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、磁気インピーダンス素子と、この磁気インピーダンス素子に巻かれたバイアス巻線及びフィードバック巻線と、前記磁気インピーダンス素子の両端を駆動する高周波発振器と、この高周波発振器の出力により方形波を生成するコンパレータと、このコンパレータの出力の逓倍信号を生成する逓倍回路と、前記磁気インピーダンス素子の電圧を前記コンパレータの出力により同期検波する同期検波回路と、この同期検波回路の出力を前記逓倍回路の出力により同期検波する二次同期検波回路と、前記同期検波回路の出力の高周波成分をカットして直流成分に変換し増幅する直流アンプからなり、前記バイアス巻線には前記逓倍回路の出力の大きさを調整して電流を供給し、前記フィードバック巻線には前記直流アンプの出力の大きさを調整してフィードバックする構成としたものであり、磁気インピーダンス素子の個々のばらつきにも影響されずに温度ドリフトを低減できるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、同期検波回路をダイオード検波回路で置き換えることによって構成し、高速同期検波を行う必要なく温度特性の優れた回路を実現できるという作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、逓倍回路の代わりに低周波方形波発振器を用いることによって構成され、検出する外部磁界の周波数が低い場合には、低周波方形波発振器の周波数を高周波発振器の周波数に比べて十分低くすることで周波数的に安定した信号出力を得ることができるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、コンパレータと逓倍回路に代えて低周波方形波発振器を用いて構成され、高速なコンパレータや同期検波の回路処理が不要となるため、高速動作可能な電子部品を用いる必要がなく、しかも温度特性に優れた回路を実現できるという作用を有する。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明の第一の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示し、図１において１ａ及び１ｂは磁気インピーダンス素子であり、それぞれ近接して平行に磁界を検出する部分に配置される。２ａ及び２ｂはバイアス巻線であり、それぞれ磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂに同一形状に同一ターン数巻かれている。３ａ及び３ｂはフィードバック巻線であり、それぞれ磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂに同一形状に同一ターン数巻かれている。４は定電流源であり、バイアス巻線２ａ及び２ｂに直列に一定電流を供給する。
【００１８】
この電流は、図２に示す磁気インピーダンス素子の感度特性において、感度カーブの中央付近Ａ点にバイアスするだけの磁界を発生する値に設定されており、電流の向きは、磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂにはそれぞれ逆向きの磁界が発生する方向とする。５は二相高周波発振器であり、磁気インピーダンス素子１ａと１ｂの接続部分が中点となるように配線され、磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂに高周波電流を供給する。６はコンパレータであり、二相高周波発振器５の正弦波信号をデューティー５０％の方形波に変換する。
【００１９】
７は同期検波回路であり、磁気インピーダンス素子１ａと１ｂの接続部分が中点の信号をコンパレータ６の信号により同期検波する。８は直流アンプであり、二相高周波発振器５の周波数を十分平滑できるローパスフィルタ及び平滑された直流信号を所望の電圧レベルに増幅するアンプからなる。直流アンプ８の出力は、センサ出力となると同時にフィードバック巻線３ａ及び３ｂに直列に供給される。電流の向きは、磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂにはそれぞれ同じ向きの磁界が発生する方向とする。
【００２０】
以上のように構成された磁気インピーダンスセンサ回路の動作を説明する。磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂには、二相高周波発振器５から高周波電流を供給されており、また、バイアス巻線２ａ及び２ｂによりバイアス磁界Ｈｂが加えられている。これにより、磁気インピーダンス素子１ａは図２に示す動作点Ａにあり、磁気インピーダンス素子１ｂは動作点Ｂにある。
【００２１】
この状態で、磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂに外部磁界Ｈｅｘが加わると、磁気インピーダンス効果により磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂのインピーダンスが変化し、動作点が変化する。磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂには逆方向のバイアス磁界を加えているため、動作点の移動方向は逆向きであり、それらの差として外部磁界Ｈｅｘを検出することができる。具体的には、磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂの振幅値をそれぞれ正負として同期検波回路７で同期検波し、直流アンプ８で平滑・増幅することで、外部磁界Ｈｅｘが直流電圧値に変換される。これらの信号処理波形を図３に示す。また、直流アンプ８の出力をフィードバック巻線３ａ及び３ｂに供給することで回路動作を安定させ、またそのフィードバック量により感度を決定することができる。
【００２２】
以上のように、二つの磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂにそれぞれ逆向きのバイアス磁界を与え、同期検波により出力を得ることにより、温度変化により磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂの特性が変化した場合は、同一方向に動作点が動くため、センサ出力としては現れない。また、ダイオードなどの包絡線検波回路と比較した場合、同期検波回路７を用いることで、検波回路の温度特性を大きく改善することができる。また、オフセット電圧の特性は、定電流源４や二相高周波発振器５の出力特性の影響も同期検波処理により打ち消すことができるため、温度の非常に優れた磁気インピーダンスセンサ回路を提供することができる。
【００２３】
（実施の形態２）
本発明の第二の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路は、多くの部分が本発明の第一の実施の形態に示すものと共通であるため、二相高周波発振器の部分のみ異なるため、この部分のみについて説明する。図４に二相高周波発振器の構成を示す。図４において、９は高周波発振器である。１２は反転増幅器であり、高周波発振器９の出力に接続される。高周波発振器９の出力及び反転増幅器１２の出力は、図１における磁気インピーダンス素子１ａ及び１ｂの両端に接続される。
【００２４】
以上のように構成された磁気インピーダンスセンサ回路は、本発明の第一の実施の形態に示すものと同様の動作を行う。つまり、高周波発振器９の出力を反転増幅器１２で反転することにより、図１に示す二相高周波発振器５の出力と等価な出力が得られる。
【００２５】
以上のように構成することにより、位相差のあった二相高周波信号が容易に得られる。
【００２６】
なお、反転増幅器１２の位相遅れや温度特性を補償するために、高周波発振器９の出力を直接磁気インピーダンス素子１ａ，１ｂに接続せずに、非反転増幅器を介して接続することも効果的である。
【００２７】
（実施の形態３）
図５は本発明の第三の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示し、図５において１は磁気インピーダンス素子であり、磁界を検出する部分に配置される。２はバイアス巻線であり、磁気インピーダンス素子１に巻かれている。３はフィードバック巻線であり、磁気インピーダンス素子１に巻かれている。９は高周波発振器であり、磁気インピーダンス素子１に高周波電流を供給する。６はコンパレータであり、高周波発振器９の正弦波信号をデューティー５０％の方形波に変換する。１１は逓倍回路であり、コンパレータ６の方形波出力を逓倍する。ここでは、２逓倍、４逓倍など適当な値が可能である。逓倍回路１１の出力は、バイアス巻線２に電流を供給する。このとき、磁気インピーダンス素子１には正負対称のバイアス磁界が交互に印加されるようにし、その動作点が図２のＡ及びＢとなるような電流値とする。
【００２８】
７は同期検波回路であり、磁気インピーダンス素子１の出力信号をコンパレータ６の信号により同期検波する。１０は二次同期検波回路であり、同期検波回路７の出力を逓倍回路１１の信号で同期検波する。８は直流アンプであり、高周波発振器９の周波数を十分平滑できるローパスフィルタ及び平滑された直流信号を所望の電圧レベルに増幅するアンプからなる。直流アンプ８の出力は、センサ出力となると同時にフィードバック巻線３に供給される。
【００２９】
以上のように構成された磁気インピーダンスセンサ回路の動作を説明する。磁気インピーダンス素子１には、高周波発振器９から高周波電流を供給されており、また、バイアス巻線２により正負対称のバイアス磁界Ｈｂが逓倍回路１１で決定される周期で加えられている。これにより、正バイアスのときには磁気インピーダンス素子１は図２に示す動作点Ａにあり、負バイアスのときには動作点Ｂにある。この状態で、磁気インピーダンス素子１に平行に外部磁界Ｈｅｘが加わると、磁気インピーダンス効果により磁気インピーダンス素子１のインピーダンスが変化し、動作点が変化する。磁気インピーダンス素子１には周期的に逆方向のバイアス磁界を加えているため、正負各動作点の移動方向は逆向きであり、それらの差として外部磁界Ｈｅｘを検出することができる。
【００３０】
具体的には、まず磁気インピーダンス素子１の振幅値をその基本周波数を用いて同期検波回路７で同期検波し、次に正負それぞれのバイアス磁界における出力をそれぞれ正負として二次同期検波回路１０で同期検波する。これを直流アンプ８で平滑・増幅することで、外部磁界Ｈｅｘが直流電圧値に変換される。これらの信号処理波形を図６に示す。また、直流アンプ８の出力をフィードバック巻線３に供給することで回路動作を安定させ、またそのフィードバック量により感度を決定することができる。
【００３１】
以上のように、磁気インピーダンス素子１に周期的に正負対称のバイアス磁界を与え、同期検波により出力を得ることにより、温度変化により磁気インピーダンス素子の特性が変化した場合は、同一方向に動作点が動くためセンサ出力としては現れない。磁気インピーダンス素子１は一つで構成できるため、複数の磁気インピーダンス素子を用いた場合のそれぞれの素子間のばらつきなどを考慮する必要もない。また、ダイオードなどの包絡線検波回路と比較した場合、同期検波回路７を用いることで、検波回路の温度特性を大きく改善することができる。また、回路特性的には、定電流源４や高周波発振器９の出力特性も同期検波処理により打ち消すことができるため、温度特性の非常に優れた磁気インピーダンスセンサ回路を提供することができる。
【００３２】
（実施の形態４）
図７は本発明の第四の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示し、図７において多くの部分は本発明の第三の実施の形態に示すものと同一であり、以下において、異なる部分であるダイオード検波回路の部分のみ説明する。
【００３３】
１３はダイオード検波回路であり、磁気インピーダンス素子１の出力信号を正の電圧のみ通過させ検波する。ダイオード検波回路１３の出力は二次同期検波回路１０に接続される。
【００３４】
この構成による動作は、基本的には図６に示す本発明の第三の実施の形態で説明したものと同一であるが、ダイオード検波回路１３の出力は一般には半波整流となる。
【００３５】
以上のように構成することにより、ダイオード検波回路１３が温度特性をもつことが考えられるが、後段の二次同期検波回路１０によりダイオード検波回路１３の温度特性によるオフセットドリフトは打ち消されるため、温度特性は安定している。そして、一般に磁気インピーダンス効果は数ＭＨｚ以上の周波数を必要とするが、ダイオード検波回路１３は同期検波回路７よりも高速動作が可能であるため、本発明の第三の実施の形態に示すものに比べ回路構成が容易となるという効果を有する。
【００３６】
（実施の形態５）
図８は本発明の第五の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示し、図８において多くの部分は本発明の第三の実施の形態に示すものと同一であり、以下において、異なる部分である低周波方形波発振器の部分のみ説明する。
【００３７】
１４は低周波方形波発振器であり、バイアス巻線２及び二次同期検波回路１０に接続される。これは、本発明の第三の実施の形態に示す逓倍回路１１に相当するが、その周波数は高周波発振器９に比べて十分低い周波数という条件で任意に設定することができる。
【００３８】
この構成による動作は、基本的には図６に示す本発明の第三の実施の形態で説明したものと同一であるが、逓倍回路１１の出力に相当する低周波方形波発振器１４の周波数は十分低くすることができる。たとえば、高周波発振器９の発振周波数を１０ＭＨｚとして、低周波方形波発振器１４の発振周波数を１ｋＨｚとすることができる。ここで、低周波方形波発振器１４の発振周波数は、磁気インピーダンスセンサ回路のカットオフ周波数よりも十分高い値とすることも必要となる。
【００３９】
以上のように構成することにより、低周波方形波発振器１４の発振周波数を磁気インピーダンス効果を得るために必要な高周波と、磁気インピーダンスセンサ回路の応答性として必要なカットオフ周波数との中間の周波数に選ぶことが容易となり、回路設計の自由度を高くすることができる。
【００４０】
（実施の形態６）
図９は本発明の第六の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示し、図９において各々の部分は本発明の第四及び第五の実施の形態に示すものと同一であり、以下において、構成を簡単に説明する。
【００４１】
１は磁気インピーダンス素子であり、２及び３はそれぞれ磁気インピーダンス素子１に巻かれたバイアス巻線及びフィードバック巻線である。磁気インピーダンス素子１は高周波発振器９によって駆動され、ダイオード検波回路１３さらに二次同期検波回路１０により検波処理される。そして、直流アンプ８により平滑・増幅され出力信号として出力されるとともに、フィードバック巻線３に出力をフィードバックする。また、低周波方形波発振器１４の出力は、バイアス巻線２に供給されるとともに二次同期検波回路１０の検波タイミング信号とされる。
【００４２】
この構成による動作は、基本的には図６に示す本発明の第三の実施の形態で説明したものと同一であるが、ダイオード検波回路１３の出力は一般に半波整流であり、低周波方形波発振器１４の発振周波数は高周波発振器９の発振周波数に比べ十分に低いという特徴を有する。
【００４３】
以上のように構成することにより、磁気インピーダンス効果として必要な数ＭＨｚ以上の周波数で動作している部分は、高周波発振器９、磁気インピーダンス素子１、ダイオード検波回路１３のみであり、一般にこれらは同期検波回路などに比べ容易に高速動作させることができる。よって、高周波発振器９の発振周波数を回路動作的な周波数の制限を受けずに、磁気インピーダンス効果として最適な周波数に設定することができる。これにより、磁気インピーダンスセンサ回路としての特性を向上させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、磁気インピーダンス素子の温度特性に影響を受けず、またダイオードやトランジスタなどの回路部品の温度特性にほとんど影響されることなく、磁気インピーダンスセンサの温度安定性を向上させることができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示す図
【図２】磁気インピーダンス素子の感度特性を示す図
【図３】本発明の第一の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路の動作波形を示す図
【図４】本発明の第二の実施の形態による発振回路を示す図
【図５】本発明の第三の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示す図
【図６】本発明の第三の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路の動作波形を示す図
【図７】本発明の第四の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示す図
【図８】本発明の第五の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示す図
【図９】本発明の第六の実施の形態による磁気インピーダンスセンサ回路を示す図
【図１０】従来の磁気インピーダンスセンサ回路を示す図
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ  磁気インピーダンス素子
２，２ａ，２ｂ  バイアス巻線
３，３ａ，３ｂ  フィードバック巻線
４  定電流源
５  二相高周波発振器
６  コンパレータ
７  同期検波回路
８  直流アンプ
９  高周波発振器
１０  二次同期検波回路
１１  逓倍回路
１２  反転増幅器
１３  ダイオード検波回路
１４  低周波方形波発振器
【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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