磁場檢測方法和磁場檢測電路的製作方法
2023-10-08 10:20:39 10
磁場檢測方法和磁場檢測電路的製作方法
【專利摘要】提供一種使得能夠通過使用低電流消耗來獲得穩定的零點設置的磁場檢測電路。為了進行磁場檢測，對於線圈(2)卷繞磁性材料(1)或被配置在磁性材料(1)附近的磁檢測元件，設置以下部件：用於向磁性材料(1)的兩端分別施加振蕩單元(3)所生成的高頻脈衝和通過使該高頻脈衝延遲了預定時間所獲得的延遲脈衝、由此使電流(Im)以間歇方式在正方向和反方向上流動的部件；以及用於通過使用線圈(2)來檢測磁性材料(1)內的與延遲脈衝的上升沿和下降沿相對應的磁通量變化的部件。
【專利說明】磁場檢測方法和磁場檢測電路【技術領域】
[0001]本發明涉及用於利用低電流消耗來驅動線圈卷繞磁性材料或者配置在磁性材料附近的磁檢測元件的磁場檢測方法和磁場檢測電路。
【背景技術】
[0002]近年來，用於通過感測地磁來獲得方位角的磁場傳感器和用於根據電流來感測磁場的電流傳感器利用太陽能發電或小型電池進行工作的機會增加，因此出現了用於利用低電力消耗來驅動這些傳感器的需求。
[0003]在科學協會等中，將線圈卷繞磁性材料或配置在磁性材料附近的磁檢測元件稱為磁阻抗元件或正交磁通門傳感器。向該磁檢測元件的磁性材料供給高頻電流，並且利用基於該高頻電流的外部磁場使磁性材料內部的磁通量改變，由此基於在線圈中產生的感應輸出的振幅變化來檢測外部磁場的大小和方向。
[0004]在檢測微小的地磁或直流電流的情況下，表示零磁場的零點處的電壓的變化必須小。因此，作為磁檢測元件的檢測電路，提出了如本 申請人:在專利文獻I中所公開的磁場檢測電路。
[0005]在專利文獻I中，通過使用利用高頻電流重複高H和低L的脈衝信號來在正方向和負方向上向磁性材料均勻地施加電流。然後，通過捕捉與該脈衝的上升沿和下降沿有關的信號的變化來實現零點穩定的無滯後磁場檢測。
[0006]更具體地，利用在脈衝的上升沿和下降沿處產生的磁性材料的磁通量變化所獲得的檢測信號由於磁性材料和線圈之間的電容耦合而疊加在線圈側出現的峰值波形上，並且通過檢波來進行提取。由於在該檢波中使用二極體，因此正向電壓的溫度特性改變，但通過獲得正側和負側之間的檢波中點來抵消該變化，確保了零點的穩定性。
_7] 現有技術文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特開2004-045246
[0010]專利文獻2:日本特開2000-258517
[0011]專利文獻3:國際公開2005/19851
【發明內容】
[0012]發明要解決的問題
[0013]然而，在該方法中，通過重複脈衝信號的高H和低L，電流始終流動，因此需要針對低電流消耗驅動的要求的改進。
[0014]如專利文獻2和專利文獻3所述，在為了低電流消耗而進行間歇驅動的方法中，僅需簡單地施加寬度窄的脈衝。然而，為了在不存在任何滯後的情況下穩定地檢測零點，需要電流在正方向和負方向上流動的專利文獻I的想法，但專利文獻2和專利文獻3不具有該想法。顯而易見，在專利文獻2的圖2所示的實驗數據中滯後明顯出現。[0015]此外，在如專利文獻2和專利文獻3所述、進行間歇驅動的情況下，二極體在正方向上的溫度特性差，因此使用利用模擬開關的採樣保持電路所進行的檢波。因此，可以對該部分進行改進，但需要電阻器和電容器來調整定時。因此，定時本身由於電阻器和電容器的時間常數而改變，或者定時由於時間常數的溫度變化而偏移。這可能導致靈敏度的變化或溫度特性的下降。
[0016]本發明的目的是解決上述問題，並且提供如下的磁場檢測方法和磁場檢測電路:在正方向和負方向上均勻地施加電流的同時進行間歇驅動，沒有必要進行定時調整，可以確保靈敏度和零點的穩定性，並且電路結構不複雜。
[0017]用於解決問題的方案
[0018]用於實現以上目的的根據本發明的一種磁場檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟:對於線圈卷繞磁性材料或被配置在所述磁性材料附近的磁檢測元件，向所述磁性材料的兩端施加高頻脈衝和相對於所述高頻脈衝延遲了預定時間的延遲脈衝，由此向所述磁性材料間歇地供給正電流和負電流；以及通過使用所述線圈來檢測與所述延遲脈衝的上升沿和下降沿相對應的所述磁性材料的磁通量變化。
[0019]此外，根據本發明的一種磁場檢測電路，其特徵在於，包括:磁檢測元件，其中在所述磁檢測元件中，線圈卷繞磁性材料或被配置在所述磁性材料附近；用於向所述磁性材料的一端施加高頻脈衝電壓的電路；用於向所述磁性材料的另一端施加相對於所述高頻脈衝發生了延遲的延遲脈衝電壓的電路；以及用於檢測響應於所述延遲脈衝的上升沿和下降沿而在所述線圈中產生的電壓、並且基於檢測結果來輸出與外部磁場的強度相對應的信號的電路。
[0020]發明的效果
[0021 ] 在根據本發明的磁場檢測方法和磁場檢測電路中，通過間歇驅動使得電流在正方向和負方向上均勻地流動，並且基於延遲側的脈衝的上升沿和下降沿來進行檢波。結果，並不特別必要進行定時調整，可以確保穩定的零點，並且可以利用低電流消耗進行磁場檢測。
[0022]此外，即使在沒有使用任何有源模擬開關的情況下，在利用二極體的檢波中也可以確保精度和溫度特性。由於電路規模減小，因此還可以實現在大小和成本方面優良的磁場檢測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是磁場檢測電路的結構圖。
[0024]圖2是施加電壓和輸出電壓的時序圖。
[0025]圖3是磁檢測元件的立體圖。
[0026]圖4是在從上方觀看磁性材料的情況下的內部磁區構造的說明圖。
[0027]圖5是線圈端處的檢波之前的檢測波形圖。
[0028]圖6是在注入脈衝的情況下延遲側的線圈端處的檢測波形圖。
[0029]圖7是磁場檢測的實測數據的曲線圖。
【具體實施方式】
[0030]將基於附圖所示的實施例來詳細說明本發明。[0031]圖1是針對線圈2卷繞磁性材料I或被配置在磁性材料I附近的磁檢測元件的磁場檢測電路的電路結構圖。圖2是示出波形之間的關係的時序圖。
[0032]磁性材料I是諸如非晶材料等的線材或薄銅板、或者形成在非磁性基板上的磁性薄膜。線圈2是通過使銅線卷繞磁性材料I的周圍、或者將螺旋狀的平面線圈放置或堆疊在磁性材料I附近或磁性材料I上來獲得的。
[0033]在本實施例的磁檢測元件中，如圖3所示，2 μ m厚的多條細長的Fe-Ta-C系的磁性薄膜平行地排列在陶瓷基板上作為磁性材料1，並且呈曲折狀串聯電連接。其兩端Ia和Ib之間的電阻值是230Ω。此外，通過在磁性材料I上以夾持絕緣膜(未示出)的方式堆疊由銅箔製成的螺旋狀的平面線圈來形成線圈2。線圈2a和2b之間的匝數為73T。
[0034]參考圖1，振蕩器3的輸出連接至磁檢測器4，並且磁檢測器4的輸出順次連接至峰值增強器5、檢波器6、分壓器7和放大器8。
[0035]振蕩器3包括C-MOS反相器以及包含電阻器R和電容器C的CR電路,並且振蕩器3的振蕩頻率為2MHz。如圖2的Sa所示，來自振蕩器3的輸出a具有重複高H和低L的高頻脈衝的波形。
[0036]在磁檢測器4中，來自振蕩器3的輸出a的一部分經由反相器11和電阻器12連接至磁性材料I的一端。來自振蕩器3的輸出a的另一部分經由電阻器13、反相器14和電阻器15連接至磁性材料I的另一端，並且經由電阻器13和反相器14之間的電容器16接地。來自振蕩器3的輸出a的該另一部分被包括電阻器13和電容器16的CR延遲電路延遲了延遲時間S t，並且被輸入至反相器14。因而，該CR延遲電路通過加上時間延遲來輸出輸入脈衝(高頻脈衝電壓)。來自反相器11和14的輸出b和c分別如圖2的Sb和Sc所示，並且連接至磁性材料I的兩端部。注意，本實施例使用反相器11和14，但即使在使用非反相緩衝型元件的情況下也不會出現問題。
[0037]在磁檢測器4中，利用電阻器12和15將流經磁性材料I的電流Im調整為具有預定電流值，並且如圖2的Sd所示間歇地交替生成電流Im+和Im_，由此在正方向和負方向上獲得均勻的電流。為了確保該特徵，使用輸出電流規格和傳播延遲時間均與反相器11和14相同的反相器是有利的。
[0038]在磁性材料I的外部存在磁場的情況下,在磁性材料I內產生磁通量,並且該磁通量與流經磁性材料I的電流Im同步地改變。以下將更加詳細地說明該情況。圖4的Si是在從磁場強度為零的薄膜狀的磁性材料I的上方觀看的情況下內部磁區構造的示意圖。在如圖4的Sj所示在箭頭指示的長方向上應用磁場強度H的情況下，該方向分量的磁化增大，並且在磁場施加方向上產生磁通量Φ作為總和。
[0039]在向磁性材料I供給電流Im的情況下，生成周向磁場，並且磁化在寬度方向上排列。在電流Im充分大的情況下，與磁場強度H的方向無關地，如圖4的Sk所示在寬度方向上發生飽和，因此在作為長方向的磁場施加方向上的磁通量Φ變為零。儘管沒有示出，但在電流Im在相反方向上流動的情況下，在該相反方向上產生寬度方向上的磁通量Φ，但磁場施加方向上的磁通量Φ同樣變為零。也就是說，僅在電流Im不流動的情況下才產生原來的磁通量Φ。
[0040]圖2的Se示出以下:在外部磁場的強度H為>0、=0和〈O的狀態下，磁通量Φ的變化分別為Φ+、0和Φ—。[0041]具有預定匝數的線圈2堆疊在磁性材料I上，並且線圈2的一端接地。如圖2的波形Sf所示，從線圈2的另一端獲得與線圈2的匝數和磁通量Φ的時間微分之積成比例的感應輸出f。此外，將圖2的Sg所示的感應輸出g疊加在該感應輸出f的成分上。感應輸出g是由於磁性材料I和線圈2彼此接近配置而發生的電容耦合所獲得的，並且僅圖2的Sa和Sb所示的輸出a和b的上升沿和下降沿處的高頻成分寄生在該感應輸出g上。
[0042]圖5所示的SI?Sn是基於通過線圈2側的實驗所獲得的波形的檢測波形圖。圖5的SI示出在緊挨圖1所示的檢波器6之前磁場強度H為零的情況下的波形。由於在這種狀態下在磁性材料I內沒有產生磁通量Φ，因此不存在圖2的Sf所示的感應輸出f，並且僅根據圖2的Sa和Sb所示的輸出a和b的上升沿和下降沿而寄生的圖2的Sg所示的感應輸出g出現。
[0043]在本實施例中，儘管延遲側的波形的峰值大，但根據布線或磁檢測元件的內部電容分布，結果有時相反。在圖5中，為了簡便，按從左側開始的順序依次向這些峰值賦予附圖標記α、β、Y和δ，並且使這些峰值與圖2的Sg中的利用虛線所包圍的部分內的峰值位置相對應。
[0044]在從該狀態起在正方向上向磁場強度H施加3G (高斯)的情況下，該波形變為圖5所示的Sm。在密切觀察該波形的情況下，在與無延遲側的上升沿和下降沿有關的峰值α和Y中幾乎沒有出現變化，而在與延遲側的上升沿和下降沿有關的峰值β和δ中出現變化。該趨勢適用於磁場強度H在相反方向上的圖5所示的Sn的波形。
[0045]之所以如此，很可能是因為在圖2的Se所示的磁性材料I內的磁通量變化中、接近零的側和遠離零的側的時間變化不同，因此與無延遲側的上升沿和下降沿有關的峰值位置與磁通量變化的峰值不匹配，並且這導致無法精確地提取輸出。重要的是，與延遲側的上升沿和下降沿有關的峰值位置與磁通量Φ從零恢復為原來磁通量Φ的磁通量變化的峰值位置之間的關係便於提取信號。
[0046]此外，應當注意，如果延遲時間δ t過短，則在從圖5的SI觀看的情況下，需要防止在峰值α之後的小峰值α 』和要提取的峰值β之間的幹涉。小峰值α 』是在發生電容耦合的情況下出現的峰值α的衰減波，並且與磁性材料I無本質關係。作為延遲時間5t，因此需要確保從峰值α到小峰值α 』的時間的1.5倍的時間。因此，優選延遲時間St為30ns以上，並且在本實施例中設置為40ns。
[0047]根據電路板的布線或磁檢測元件的內部電容分布的變化，峰值電壓不總是滿足β>α且δ〈Υ。因此，通過使用峰值增強器5的電阻器17和電容器18、基於延遲側的輸出c向檢波器6注入如圖2(h)所示的與上升沿和下降沿有關的峰值波形h，可以使峰值電壓更加可靠地保持β > α且δ〈 Y。
[0048]電阻器17和電容器18不用於進行定時調整而是用於增強峰值β和δ。圖6是連接至IkQ的電阻器17和33pF的電容器18的線圈端處的檢測波形圖。上側波形是圖2的Sc所示的延遲側的輸出C，並且下側波形是線圈2的端處的檢測波形。儘管縱軸從200mV/div改變為500mV/div，但峰值β和δ顯然增強。
[0049]在峰值電壓滿足β>α且δ〈Υ的情況下，即使在利用檢波器6的二極體19和20的檢波中也優先檢測以基線為基準的峰值β和S，並且獲得正峰值β的峰值電壓Vp和負峰值的峰值電壓Vm。[0050]如圖5所不,夕卜部磁場所產生的峰值β和δ相對於該磁場在相同的垂直方向上一起偏移。通過利用分壓器7的電阻器21和22設置中點處的分壓，可以以接地電壓為基準通過放大器8來獲得作為磁場傳感器的磁檢測元件的輸出Eo=(Vp+Vm)/2。
[0051]儘管檢波器6的二極體19和20在正方向上的溫度變化大，但分壓器7的電阻器21和22相對於基線對稱地波動，因此可以通過利用分壓器7從中點獲得輸出Vo來抵消該波動，並且不是特別必要使用任何模擬開關。
[0052]如圖5的SI所示，在磁場強度H為零的情況下，峰值β的峰值電壓Vp和峰值δ的峰值電壓Vm相等，因此磁場檢測電路的輸出Eo為O。
[0053]此外，如圖5的Sm所示在正方向上施加磁場強度H的情況下，輸出Εο>0，並且該輸出的大小表不磁場強度H的大小。另外,在如圖5的Sn所不在負方向上施加磁場的情況下，Εο〈0,並且該輸出的大小表不磁場強度H的大小。
[0054]由於與圖1所示的峰值增強器5的電阻器17和電容器16有關的時間常數的變化或溫度變化，因此延遲時間St波動。然而，由於以延遲側的上升沿和下降沿為基準來構成檢波器6，因此延遲時間δ t的該波動根本沒有產生影響。
[0055]圖7是在圖6所示的狀態下磁場檢測的實測數據的曲線圖。將磁檢測元件的由磁性膜構成的磁性材料I的電阻設置為230 Ω，將通過3.3V驅動從振蕩器3輸出的脈衝的周期設置為2MHz，並且將脈衝延遲時間δ t設置為40ns。此外，放大增益為101倍。
[0056]作為電流消耗，由於沒有進行間歇驅動，因此可以在不會使磁場檢測靈敏度下降的情況下使來自磁場檢測電路的輸出從傳統的12mA減少為2mA。通過進一步縮短脈衝延遲時間S t或增大磁性材料I的阻抗，可以進一步降低電流消耗。
[0057]在本實施例中，外部磁場的強度H以正弦波形式往復施加，但直線性良好，並且在這種規模上完全沒有發現滯後。這表明維持了在正方向和負方向上均勻地施加電流Im的效果。
[0058]附圖標記說明
[0059]I 磁性材料
[0060]2 線圈
[0061]3 振蕩器
[0062]4 磁檢測器
[0063]5 峰值增強器
[0064]6 檢波器
[0065]7 分壓器
[0066]8 放大器
【權利要求】
1.一種磁場檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟: 對於線圈卷繞磁性材料或被配置在所述磁性材料附近的磁檢測元件，向所述磁性材料的兩端施加高頻脈衝和相對於所述高頻脈衝延遲了預定時間的延遲脈衝，由此向所述磁性材料間歇地供給正電流和負電流；以及 通過使用所述線圈來檢測與所述延遲脈衝的上升沿和下降沿相對應的所述磁性材料的磁通量變化。
2.根據權利要求1所述的磁場檢測方法，其特徵在於，還包括以下步驟:獲得所述延遲脈衝的上升沿和下降沿的峰值電壓的中點，由此獲得施加於所述磁性材料的外部磁場的大小和方向。
3.根據權利要求1或2所述的磁場檢測方法，其特徵在於，所述脈衝的延遲時間為30ns以上。
4.一種磁場檢測電路，其特徵在於，包括: 磁檢測元件，其中在所述磁檢測元件中，線圈卷繞磁性材料或被配置在所述磁性材料附近； 用於向所述磁性材料的一端施加高頻脈衝電壓的電路； 用於向所述磁性材料的另一端施加相對於所述脈衝發生了延遲的延遲脈衝電壓的電路；以及 用於檢測響應於所述延遲脈衝的上升沿和下降沿而在所述線圈中產生的電壓、並且基於檢測結果來輸出與外部磁場的強度相對應的信號的電路。
5.根據權利要求4所述的磁場檢測電路，其特徵在於，與所述外部磁場的強度相對應的信號是從所述延遲脈衝的上升沿和下降沿的峰值電壓的中點獲得的。
6.根據權利要求4或5所述的磁場檢測電路，其特徵在於，將所述延遲脈衝的輸出施加至通過電阻器和電容器連接至所述線圈的檢波側的端部的電路。
【文檔編號】G01R33/02GK103620433SQ201280030463
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年6月21日 優先權日:2011年6月22日
【發明者】川瀨正博 申請人:佳能電子株式會社