JPH095084A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高感度且つ高精度に磁界を検出することが可
能な磁気センサを提供する。 【構成】 本発明の磁気センサは、軟磁性材料からなる
磁芯１に巻線２を施してなるインダクタ３のインダクタ
ンスの変化に基づいて外部磁界Ｈ_EXT を検出する磁気セ
ンサであり、インダクタ３に接続されたパルス電流発振
器４を備えている。そして、このパルス電流発振器４か
ら、上記インダクタ３にパルス状の励磁電流Ｉｐを流し
て、外部磁界Ｈ_EXT を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軟磁性材料からなる磁
芯に巻線を施してなるインダクタのインダクタンスの変
化に基づいて外部磁界を検出する磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気センサは、外部磁界を検出するセン
サであり、地磁気方位センサや磁気ヘッド等に使用され
ている。このような磁気センサとしては、半導体のホー
ル効果を応用したものや、パーマロイ等の強磁性体の磁
気抵抗効果を応用したもの等が利用されている。しか
し、これらの磁気センサは、感度が著しく低く、例えば
地磁気のような微弱な磁気を検出するためには不十分で
あった。

【０００３】これに対して、近年、より高感度が期待で
きる磁気センサとして、軟磁性材料の磁気飽和近傍の部
分における透磁率の急変性を利用したもの、すなわち、
いわゆる可飽和リアクトルの原理を応用したものが開発
されている。

【０００４】この磁気センサは、図９に示すように、軟
磁性材料からなる磁芯１００に巻線１０１を施したオー
プン磁路型のインダクタ１０２に、直流バイアス電流Ｉ
_DCを供給するための直流電源１０３を接続して構成され
る。ここで、磁芯１００の透磁率が外部磁界Ｈ_EXT の大
きさによって変化するので、インダクタ１０２のインダ
クタンスは外部磁界Ｈ_EXT の大きさによって変化する。
したがって、インダクタ１０２のインダクタンスを測定
することにより、外部磁界Ｈ_EXT の大きさを検知するこ
とができることとなる。

【０００５】ところで、このようなインダクタ１０２の
インダクタンスの直流重畳特性は、一般に、図１０に示
すようになる。すなわち、インダクタンスは、直流バイ
アス電流Ｉ_DCを増やすにしたがって、図１０中Ａに示す
ように、磁芯１００の磁気飽和の直前付近から徐々に低
下し始め、その後、図１０中Ｂに示すように傾きが大き
くなり、最終的に、図１０中Ｃに示すように、再び傾斜
が緩くなって飽和状態に達する。参考として、実際に、
インダクタンスの直流重畳特性を測定した例を図１１に
示す。

【０００６】これらの図１０及び図１１から分かるよう
に、上述のような磁気センサでは、インダクタンスの変
化が大きくなるように直流バイアス電流Ｉ_DCを流して、
図１０のＢに示した部分を用いて磁界を検出するように
することにより、感度を高めることができる。そこで、
このような磁気センサでは、図９に示したように、直流
電源１０３からインダクタ１０２に直流バイアス電流Ｉ
_DCを供給しながら、インダクタ１０２のインダクタンス
を測定することにより、外部磁界Ｈ_EXT の検出を行う。

【０００７】このような原理に基づく磁気センサを、実
際に外部磁界の大きさを電気的出力として得られるよう
にしたものを図１２に示す。この磁気センサは、軟磁性
材料からなる磁芯１１０に巻線１１１を施したオープン
磁路型のインダクタ１１２と、定電流化用抵抗１１３
と、交流電源１１４と、直流電源１１５とが直列に接続
されるとともに、インダクタ１１２の両端から出力端子
１１６，１１７が導出されて構成される。ここで、イン
ダクタ１１２と一方の出力端子１１６との間には、出力
から直流成分を除去するために、コンデンサ１１８が配
される。

【０００８】そして、外部磁界Ｈ_EXT を検出する際に
は、交流電源１１４からの交流電流Ｉ_ACと、直流電源１
１５からの直流バイアス電流Ｉ_DCとを重畳した、図１２
の（Ａ）に示すような電流を、インダクタ１１２に流
す。ここで、直流バイアス電流Ｉ_DCは、上述したように
インダクタンスの変化が大きくなるような適当なレベル
とする。このとき、外部磁界Ｈ_EXT の大きさによって、
インダクタ１１２のインダクタンスが変化するので、出
力端子１１６，１１７から出力される出力電圧の波形
は、外部磁界Ｈ_EXT の大きさによって、図１３のａやｂ
に示すように変化する。

【０００９】このような磁気センサを用いて、実際に、
外部磁界と出力電圧の関係を、直流バイアス電流Ｉ_DCの
値を変えて測定した例を図１４に示す。ここで、交流電
流Ｉ_ACは、３０ｋＨｚ、４ｍＡとし、直流バイアス電流
Ｉ_DCは、図１４中に示す通りとした。この図１４に示し
た例では、のとき、すなわち直流バイアス電流Ｉ_DCが
１２ｍＡのときに、外部磁界の変化量に対する出力電圧
の変化量が大きくなり、最も高感度となることが分か
る。

【００１０】このように、軟磁性材料からなる磁芯に巻
線を施してなるインダクタのインダクタンスの変化に基
づいて外部磁界を検出する磁気センサでは、割合に高い
感度を得ることが可能である。そして、具体的には、図
１４のに示した例においては、１Ａ／ｍの外部磁界の
変化量に対して、出力電圧は１．３ｍＶ程度の変化量が
得られている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、軟磁性
材料からなる磁芯に巻線を施してなるインダクタのイン
ダクタンスの変化に基づいて外部磁界を検出する磁気セ
ンサでは、割合に高い感度を得ることが可能であるが、
例えば地磁気のような微弱な磁気を検出するためには、
未だ感度が不十分である。したがって、より微弱な磁界
を検出できるように、さらに高感度化することが望まれ
ている。

【００１２】また、図１４に示した測定結果の例からも
分かるように、この磁気センサでは、外部磁界と出力電
圧の関係について、直線性があまり良くなく、測定精度
の向上の妨げとなってしまっている。したがって、この
ような磁気センサにおいては、より高精度に磁界を検出
できるように、外部磁界と出力電圧の関係について、直
線性を良くすることも望まれている。

【００１３】そこで本発明は、このような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、高感度且つ高精度に磁界
を検出することが可能な磁気センサを提供することを目
的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに完成された本発明に係る磁気センサは、軟磁性材料
からなる磁芯に巻線を施してなるインダクタのインダク
タンスの変化に基づいて外部磁界を検出する磁気センサ
であって、上記インダクタに接続されたパルス電流発振
器を備え、上記パルス電流発振器から、上記インダクタ
にパルス状の励磁電流を流すことを特徴とするものであ
る。

【００１５】ここで、励磁電流のパルス幅は、パルス周
期の５０％以下であることが好ましい。また、磁芯は、
コバルト系アモルファスからなることが好ましい。

【００１６】また、上記パルス電流発振器としては、例
えば、方形波発振器と、ベースが上記方形波発振器と接
続され、エミッタがコンデンサと接続されたトランジス
タとを備え、上記トランジスタのコレクタから上記イン
ダクタに対してパルス状の励磁電流を供給するものが挙
げられる。ここで、パルス電流発振器は、上記トランジ
スタのベースに接続された電源を備え、上記電源からバ
イアス電流を供給することにより、励磁電流のパルス幅
を制御するものであってもよい。

【００１７】

【作用】本発明に係る磁気センサでは、パルス電流発振
器から、軟磁性材料からなる磁芯に巻線を施してなるイ
ンダクタに、パルス状の励磁電流を流して、このインダ
クタのインダクタンスの変化を検出する。そして、この
インダクタンスの変化に基づいて外部磁界を検出する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発
明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、構成、形状、材質等を任意に
変更することが可能であることは言うまでもない。

【００１９】まず、図１に、本発明を適用した磁気セン
サの基本的な回路を示す。図１に示すように、この磁気
センサは、コバルト系アモルファス等の軟磁性材料から
なる磁芯１に巻線２を施したオープン磁路型のインダク
タ３に、パルス電流発振器４が接続されるとともに、イ
ンダクタ３の両端から出力端子５，６が導出されて構成
される。ここで、インダクタ３と一方の出力端子５との
間には、出力から直流成分を除去するために、コンデン
サ７が配される。

【００２０】そして、磁界を検出する際には、磁芯１が
磁気飽和の直前となるように、パルス電流発振器４から
インダクタ３に、図１中（Ａ）で示すように、１μｓ程
度のパルス幅のパルス電流を励磁電流Ｉｐとして流す。
なお、ここで、励磁電流Ｉｐのパルス幅は、パルス周期
の５０％以下であることが好ましい。そして、このと
き、出力端子５，６から出力される出力電圧の波形は、
図２に示すようになる。そして、実験によると、この出
力電圧は、外部磁界Ｈ_EXT によって著しく変調を受ける
ため、このような出力電圧に基づいて外部磁界を検出す
る、本発明の磁気センサでは、従来の磁気センサに比べ
て１０倍以上の検出感度が得られる。

【００２１】このような磁気センサでは、先鋭なパルス
状の電流で励磁するため、磁芯が磁気飽和の直前となる
まで励磁するにも関わらず、直流入力としては極めて僅
かな電流で済む。したがって、省電力化が可能であり、
特に電池を電源とするようなときに、非常に好適であ
る。

【００２２】つぎに、このような原理に基づく磁気セン
サについて、より具体的な例を詳細に説明する。

【００２３】この磁気センサは、図３に示すように、マ
ルチバイブレータ等のような方形波発振器１０と、ＮＰ
Ｎ型のトランジスタＴｒと、軟磁性材料からなる磁芯１
１に巻線１２を施したオープン磁路型のインダクタ１３
と、３つの出力端子１４，１５，１６とを備えている。

【００２４】上記トランジスタＴｒのベースは、直流成
分を除去するためのコンデンサＣ１と、主として励磁電
流のピーク値を制御するための可変抵抗器ＶＲと、直流
成分を除去するためのコンデンサＣ２とを介して方形波
発振器１０と接続されるとともに、抵抗Ｒ１を介してイ
ンダクタ１３の一端と接続され、さらに、抵抗Ｒ２を介
して接地されている。ここで、インダクタ１３の一端
は、さらに、直流バイアス電流を供給するための電源Ｂ
と接続されるとともに、交流成分を短絡するためのバイ
パス用のコンデンサＣ３を介して接地されている。な
お、上記抵抗Ｒ１，Ｒ２は、直流バイアス制御用の抵抗
であり、入力される方形波のスライスレベルを変化させ
て励磁電流のパルス幅を制御するために、トランジスタ
Ｔｒのベースに所定の直流バイアス電流が流れるように
するためのものである。

【００２５】また、トランジスタＴｒのエミッタは、並
列に配されたコンデンサＣ４及び抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒｓ
とを介して、接地されている。ここで、抵抗Ｒｓは、励
磁電流をオシロスコープ等でモニターできるようにする
ための抵抗であり、回路に影響を与えないように、回路
のインピーダンスに対して、充分に小さい値の抵抗値と
される。

【００２６】また、トランジスタＴｒのコレクタは、イ
ンダクタンスの他端に接続されるとともに、出力端子１
４，１５，１６と接続されている。ここで、出力端子１
４は、直流成分を除去するためのコンデンサＣ５と、正
側のパルス電流のみを通過するダイオードＤａと、抵抗
Ｒａとを介してトランジスタＴｒのコレクタと接続され
ており、出力端子１６は、上記コンデンサＣ５と、負側
のパルス電流のみを通過するダイオードＤｂと、抵抗Ｒ
ｂとを介してトランジスタＴｒのコレクタと接続されて
いる。また、出力端子１５は、コンデンサＣａを介して
出力端子１４と接続されるとともに、コンデンサＣｂを
介して出力端子１６と接続されている。

【００２７】以上のような磁気センサでは、方形波発振
器から図４（Ａ）に示すような方形波がトランジスタＴ
ｒのベースに入力される。ここで、図４（Ａ）は、図３
中の端子ＴＰ１における出力波形である。そして、この
方形波は、トランジスタＴｒを導通し、コンデンサＣ４
を、方形波の立ち上がり時間ｔの期間だけ充電する。し
たがって、図３中の端子ＴＰ２における出力波形は、図
４（Ｂ）に示すようになる。その結果、インダクタ１３
には、図４（Ｃ）に示すようなパルス状の励磁電流が流
れ、図４（Ｄ）に示すような波形の電圧が誘起される。
ここで、図４（Ｃ）は、図３中の端子ＴＰ３における出
力波形であり、図４（Ｄ）は、図３中の端子ＴＰ４にお
ける出力波形である。

【００２８】このとき、インダクタ１３に誘起される電
圧は、上述したように、外部磁界Ｈ_EXT の大きさに依存
しており、その波形は外部磁界Ｈ_EXT によって著しく変
調を受ける。

【００２９】そして、図４（Ｄ）に示した電圧、すなわ
ち正及び負のパルスを有する電圧にうち、正側のパルス
が出力端子１４と出力端子１５の間における直流電圧と
して出力され、負側のパルスが出力端子１５と出力端子
１６の間における直流電圧として出力される。すなわ
ち、正及び負のパルスを有する電圧にうち、正側のパル
スのみがダイオードＤａを通過し、この正側のパルスが
抵抗ＲａとコンデンサＣａによって積分されて、出力端
子１４と出力端子１５の間に、図４（Ｅ）に示すような
直流電圧として出力され、負側のパルスのみがダイオー
ドＤｂを通過し、この負側のパルスが抵抗Ｒａとコンデ
ンサＣａによって積分されて、出力端子１５と出力端子
１６の間に、図４（Ｆ）に示すような直流電圧として出
力される。

【００３０】ここで、出力端子１４と出力端子１５の間
の直流電圧出力と、出力端子１５と出力端子１６の間の
直流電圧出力とは、図４（Ｅ）及び図４（Ｆ）に示すよ
うに、符号が反対であり、大きさがほぼ同じとなる。し
たがって、差動加算することにより、容易且つ有効に利
用することができる。そして、この磁気センサでは、出
力端子１４と出力端子１５の間の直流電圧出力と、出力
端子１５と出力端子１６の間の直流電圧出力とを差動加
算した結果を検出出力電圧とし、この検出出力電圧によ
って外部磁界の大きさを検知する。

【００３１】このような磁気センサでは、後述の実験結
果から明らかなように、高い検出感度が得られる。ま
た、この磁気センサは、高い検出感度が得られるため、
出力を増幅するような回路等が不要であり、回路構成を
シンプルなものとすることができ、低価格化が可能であ
る。

【００３２】以上のような磁気センサにおいては、励磁
電流のピーク値、パルス幅、周期等や、インダクタの構
造、すなわちインダクタの磁芯の材質や形状等が、外部
磁界を検出する際の性能に大きく影響を与える。そこ
で、これらを変えたときに、磁気センサの検出感度等が
どのように変化するかを、上述のような回路構成の磁気
センサを用いて、実際に実験を行った結果について説明
する。なお、以下の説明において、検出感度は、外部磁
界の変化量に対する検出出力電圧の変化量としている。

【００３３】まず、図５に、励磁電流のピーク値と検出
感度の関係について測定した結果を示す。この図５に示
すように、検出感度にはピークが存在しており、励磁電
流のピーク値がある値のときに、検出感度は最大とな
る。ここで、検出感度が最大になるときの励磁電流のピ
ーク値は、インダクタの磁芯が磁気飽和する直前のレベ
ルであると考えられる。

【００３４】つぎに、図６に、外部磁界と検出出力電圧
の関係を、励磁電流のパルス幅Ｐｗを変えて測定した結
果を示す。ここで、励磁電流のパルス幅は、いわゆる半
値幅の値としており、各励磁電流のパルス幅Ｐｗは、図
６中に示す通りである。また、図６において、各曲線の
傾きは検出感度に相当している。

【００３５】図６から明らかなように、本実施例の磁気
センサでは、いずれのパルス幅Ｐｗのときにおいても、
前述の図１４に示したような従来の磁気センサの場合に
比べて、検出感度が高くなっているとともに、外部磁界
と検出出力電圧との関係の直線性が非常に良くなってい
る。したがって、本実施例の磁気センサでは、高感度且
つ高精度に磁界を検出することが可能である。

【００３６】ただし、この図６から分かるように、外部
磁界と検出出力電圧の関係は励磁電流のパルス幅に依存
しており、励磁電流のパルス幅によって、その直線性や
検出感度が変化している。そして、この例では、励磁電
流のパルス幅が、０．４５μｓのときに、最も感度が高
く、直線性も比較的に良くなっており、最適であること
が分かる。

【００３７】つぎに、図７に、励磁電流のパルス幅と検
出感度の関係を、励磁電流の周期を変えて測定した結果
を示す。ここで、各励磁電流の周期は、図７中に示す通
りである。このように、励磁電流の周期は、検出感度に
大きく影響を及ぼしている。そして、この例では、周期
が短い方が検出感度が高くなっており、比較的にパルス
幅が狭い領域に検出感度が最大となるポイントがある。
なお、この例では、励磁電流の周期が短いほど検出感度
が高くなっているが、磁芯の形状や材質等によっては、
ある周期で検出感度のピークを持つ場合もあるので、常
に周期が小さい方が検出感度が高くなるとは限らない。

【００３８】つぎに、図８に、励磁電流のパルス幅と検
出感度の関係を、磁芯の形状や材質を変えて測定した結
果を示す。ここで、励磁電流のピーク値及び周期は一定
としている。そして、図８中のととでは、磁芯の形
状は同一で、その材質が僅かに異なっており、図８中の
ととでは、磁芯の材質は同一で、その形状が異なっ
ており、の磁芯の幅に対して、の磁芯の幅が約２倍
とされている。この図８から、パルス幅の最適ポイント
や、磁界の検出特性は、磁芯の材質や形状によって変化
することが分かる。

【００３９】以上の実験結果から、本実施例の磁気セン
サの検出感度は、励磁電流のピーク値、パルス幅、周期
等や、インダクタの磁芯の材質や形状等に大きく影響を
受けるが、これらを適切に選択することにより、非常に
高い検出感度が得られることが分かる。具体的には、本
実施例の磁気センサでは、外部磁界の変化量１Ａ／ｍに
対して、検出出力電圧として２０ｍＶ程度の変化量、す
なわち、約１６００ｍＶ／Ｏｅの検出感度を得ることが
可能である。したがって、この磁気センサでは、地球磁
界のような微弱な磁界であって、高精度に検出すること
ができる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、高感度且つ高精度に磁界を検出することが可
能な磁気センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した磁気センサの基本的な構成例
を示す回路図である。

【図２】図１に示す磁気センサの出力電圧の一例を示す
波形図である。

【図３】本発明を適用した磁気センサの具体的な構成例
を示す回路図である。

【図４】図３に示す磁気センサの動作を説明するための
波形図である。

【図５】励磁電流のピーク値と検出感度との関係を測定
した結果の一例を示す特性図である。

【図６】外部磁界と検出出力電圧との関係を、励磁電流
のパルス幅を変えて測定した結果の一例を示す特性図で
ある。

【図７】励磁電流のパルス幅と検出感度との関係を、励
磁電流の周期を変えて測定した結果の一例を示す特性図
である。

【図８】励磁電流のパルス幅と検出感度との関係を、イ
ンダクタの磁芯の形状や材質を変えて測定した結果の一
例を示す特性図である。

【図９】磁気センサの原理を説明するための模式図であ
る。

【図１０】インダクタのインダクタンスと直流バイアス
電流との関係を示す特性図である。

【図１１】インダクタのインダクタンスと直流バイアス
電流との関係を測定した結果の一例を示す特性図であ
る。

【図１２】従来の磁気センサの一構成例を示す回路図で
ある。

【図１３】図１２に示す磁気センサからの出力の一例を
示す波形図である。

【図１４】従来の磁気センサについて、外部磁界と検出
出力電圧との関係を、直流バイアス電流の値を変えて測
定した結果の一例を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 磁芯 ２ 巻線 ３ インダクタ ４ パルス電流発振器 ５，６ 出力端子 ７ コンデンサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟磁性材料からなる磁芯に巻線を施して
   なるインダクタのインダクタンスの変化に基づいて外部
   磁界を検出する磁気センサにおいて、 上記インダクタに接続されたパルス電流発振器を備え、 上記パルス電流発振器から、上記インダクタにパルス状
   の励磁電流を流すことを特徴とする磁気センサ。
2. 【請求項２】 前記励磁電流のパルス幅が、パルス周期
   の５０％以下であることを特徴とする請求項１記載の磁
   気センサ。
3. 【請求項３】 前記磁芯が、コバルト系アモルファスか
   らなることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
4. 【請求項４】 前記パルス電流発振器が、方形波発振器
   と、ベースが上記方形波発振器と接続され、エミッタが
   コンデンサと接続されたトランジスタとを備え、 上記トランジスタのコレクタから前記インダクタに対し
   てパルス状の励磁電流を供給することを特徴とする請求
   項１記載の磁気センサ。
5. 【請求項５】 前記パルス電流発振器が、前記トランジ
   スタのベースに接続された電源を備え、 上記電源からバイアス電流を供給することにより、前記
   励磁電流のパルス幅を制御することを特徴とする請求項
   ４記載の磁気センサ。