磁気センサ制御回路、及び磁界測定装置
【課題】磁界測定装置において、高分解能・高精度での測定とダイナミックレンジの拡大との両立を図る。
【解決手段】磁気センサ８の入出力特性の線形領域に設定される磁界計測範囲では、ΔΣ変調器２２及びデジタルフィルタ２４からなるＡＤＣが磁気センサ８の出力を高分解能の磁界計測データＤＭに変換する。磁気センサ８には、コイル１０によりバイアス磁界を及ぼし、磁界計測範囲をシフトさせることができる。コイル１０への駆動電流は、電流ＤＡＣ２８により離散的に変化させる。バイアス磁界の変化による磁界計測範囲の移動ステップは、ＡＤＣによる磁界強度の分解能より大きく設定する。
【解決手段】磁気センサ８の入出力特性の線形領域に設定される磁界計測範囲では、ΔΣ変調器２２及びデジタルフィルタ２４からなるＡＤＣが磁気センサ８の出力を高分解能の磁界計測データＤＭに変換する。磁気センサ８には、コイル１０によりバイアス磁界を及ぼし、磁界計測範囲をシフトさせることができる。コイル１０への駆動電流は、電流ＤＡＣ２８により離散的に変化させる。バイアス磁界の変化による磁界計測範囲の移動ステップは、ＡＤＣによる磁界強度の分解能より大きく設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサを含む磁気センサユニットを制御する磁気センサ制御回路、及び当該磁気センサ制御回路を用いた磁界測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子的に方位測定を行う場合には、地磁気などの外部磁界を検出する磁気センサを用いて行う。磁気センサを用いて方位を求める場合に、磁気センサに対して交流磁界を印加し、交流磁界を印加したときに磁気センサから出力される電圧を用いる技術が知られている。
【０００３】
この技術においては、外部磁界に応じて内部抵抗が変化する磁気抵抗素子を含む磁気センサが用いられる。磁気センサは磁気抵抗素子を含むブリッジ回路で構成され、ブリッジ回路に印加する電圧の極性に応じて、当該ブリッジ回路の出力信号の極性が切り替わる。
【０００４】
このような磁気センサは例えば、電子方位計として携帯電話などに搭載される。ここで、携帯電話に搭載される電子部品、例えばスピーカなどから発生する地磁気以外の磁界は地磁気に対するオフセット磁界となり地磁気の検出を妨げる。このようなオフセット磁界の影響を除去するために、磁気センサユニットには磁気センサにバイアス磁界を印加するコイルが設けられ、当該コイルに流す電流を調整してオフセット磁界をキャンセルする。
【特許文献１】特開２００７−２７１５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
検出対象の磁界は地磁気などの微弱な磁界であり得るのに対し、オフセット磁界は比較的大きな強度を有し得る。磁気センサの出力電圧は、印加磁界が比較的小さい範囲では線形な特性を示すが、印加磁界が大きくなると線形性が低下する。そのため、オフセット磁界が大きい場合、磁界測定値の線形性が低下するという問題がある。この問題は、上述のようにバイアス磁界によりオフセット磁界を好適にキャンセルできれば解決し得る。
【０００６】
ここで、バイアス磁界を発生するコイルに流す電流を調整し、また調整された電流を維持する上で、ＤＡ変換器（ＤＡＣ：Digital to Analog Converter）を用いて当該電流を生成する回路が用いられる。しかし、回路規模の抑制やコスト低減の要請から、ＤＡＣのビット数は比較的小さな値に制限される。そのため、オフセット磁界を精度良くキャンセルしようとするとＤＡＣはその入力データの１ステップ当たりの出力電流の変化量を小さくする必要があり、その結果、調整可能範囲が小さくなり、大きなオフセット磁界に対応できないという問題がある。
【０００７】
また、ＤＡＣを用いて生成した電流は、ＤＡＣを構成するＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタに起因するフリッカノイズ（１／ｆノイズ）を含んでいる。さらに、磁気センサや信号処理回路にて、磁気センサからの出力信号にオフセットノイズが生じ得る。これらのノイズが分解能の低下をもたらすという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、高分解能とダイナミックレンジの拡大を可能とすると共に、オフセット磁界だけでなく、フリッカノイズ等に起因するオフセットノイズの影響をも除去して高精度の磁界測定を可能とする磁気センサ制御回路、及び磁界測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る磁気センサ制御回路は、入出力特性において外部磁界の強度に応じ線形に変化する磁界計測信号を発生する線形領域を有すると共に、印加電圧の極性に応じて前記磁界計測信号の極性が切り替わる磁気センサと、前記磁気センサの計測位置に駆動信号に応じた強度のバイアス磁界を発生し、前記外部磁界の強度軸上での前記線形領域の位置をシフトさせるバイアス磁界発生手段とを含む磁気センサユニットに用いられる回路であって、前記バイアス磁界発生手段に供給する前記駆動信号を生成する回路であり、当該駆動信号の強度を離散的に設定することにより、前記外部磁界の強度軸上にて所定の設定ステップずつずれた複数の設定位置のいずれかを選択して、当該選択した設定位置に前記線形領域に包含される磁界計測範囲を配置する計測範囲設定回路と、前記磁界計測範囲にて得られる前記磁界計測信号をデジタルデータに変換し、前記磁界計測範囲における磁界強度を前記設定ステップより高い分解能で表現する磁界計測データを生成するＡＤ変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）と、前記印加電圧の極性を切り換える制御部と、前記印加電圧を第１極性に設定して得られる第１の前記磁界計測データと、前記印加電圧を第２極性に設定して得られる第２の前記磁界計測データとを減算して前記外部磁界の測定値を求めるデータ合成手段と、を有するものである。
【００１０】
また、本発明に係る磁界測定装置は、上記磁気センサ制御回路と、前記磁気センサユニットとを有するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、計測範囲設定回路は例えばＤＡＣを用いて構成され、当該計測範囲設定回路がバイアス磁界発生手段への駆動信号を離散的な強度で生成する。これにより、バイアス磁界も離散的な強度を有する。そのバイアス磁界の強度の設定ステップは磁界計測の所要分解能に比べて大きく設定される。これにより、磁気センサの線形領域を比較的少ない設定ステップ数で大きく移動させ、比較的広い磁界強度範囲に配置することができ、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００１２】
一方、磁界計測信号をデジタルデータに変換するＡＤＣは、線形領域が設定され得る磁界強度範囲の全体について量子化できる必要はなく、計測範囲設定回路により設定された或る位置における線形領域内の磁界計測範囲を量子化できればよい。すなわち、ＡＤＣは、比較的少ないビット数でも、バイアス磁界の設定ステップより微細なステップでの量子化を磁界強度に施すことができ、高分解能の磁界計測データを得ることができる。
【００１３】
さらに、磁気センサの印加電圧を反転させて得られる第１の磁界計測データと第２の磁界計測データとを減算することで、磁気センサやＤＡＣ等の回路に起因するオフセットノイズの影響が除去されるので、高精度の磁界測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、実施形態に係る磁気計測装置２の概略の回路構成図である。磁気計測装置２は、磁気センサユニット４と磁気センサ制御回路６とからなる。
【００１６】
磁気センサユニット４は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）の３軸に対応して、３つの磁気センサ８（磁気センサ８ｘ，８ｙ，８ｚ）を有する。磁気センサ８ｘ，８ｙ，８ｚはそれぞれ、外部磁界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の成分を検出する。
【００１７】
各磁気センサ８は、抵抗素子Ｒa，Ｒb，Ｒc，Ｒdからなるブリッジ回路である。抵抗Ｒa，Ｒdは端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２の間に直列接続され、また、抵抗Ｒb，Ｒcも端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２の間に直列接続される。そして、抵抗Ｒa，Ｒdの接続点が出力端子ＶＯＵＴ１であり、抵抗Ｒb，Ｒcの接続点が出力端子ＶＯＵＴ２である。抵抗素子Ｒa，Ｒb，Ｒc，Ｒdのうち、磁気抵抗変化を示す素子はＲa，Ｒcである。一方、Ｒb，Ｒdは固定抵抗である。このブリッジ回路の一対の入力端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２に電圧を印加すると、抵抗Ｒa，Ｒdで分圧された電圧が出力端子ＶＯＵＴ１に得られ、抵抗Ｒb，Ｒcで分圧された電圧が出力端子ＶＯＵＴ２に得られる。抵抗Ｒa，Ｒcは外部磁界により抵抗が変化するので、外部磁界に応じた電圧信号が、出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２から差動形式で出力される。また、Ｒｂ，Ｒｄを磁気抵抗素子、Ｒａ，Ｒｃを固定抵抗素子としても、ブリッジ回路の差動出力であるため同様に動作する。
【００１８】
磁気抵抗素子としては、磁界に対して対称性のある変化を示すものを用いる。このような磁気抵抗素子としては、ＭＲ（Magneto Resistance）素子、ＧＩＧ（Granular In Gap）素子などが知られている。磁気計測装置２では例えば、ＭＲ素子の一種であるＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子を抵抗Ｒa，Ｒcに用いる。
【００１９】
磁気センサ８には、コイル１０が併設される。コイル１０は、バイアス磁界発生手段であり、供給される電流に応じた強度のバイアス磁界を抵抗Ｒa，Ｒcに及ぼし、それらの抵抗を変化させることができる。
【００２０】
スイッチＳＷＸ１，ＳＷＹ１，ＳＷＺ１は、３つの磁気センサ８のいずれか１つの端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２に電圧印加を行うために設けられている。
【００２１】
磁気センサ８の端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２の一方には正電圧ＶＣＣが印加され、他方には接地電位ＧＮＤが印加される。この印加電圧の極性は、極性反転部１２のスイッチＳＷＳ１〜ＳＷＳ４により切り換えることができる。
【００２２】
また、磁気センサ８ｘの出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２から磁気センサ制御回路６への信号線にはスイッチＳＷＸ２，ＳＷＸ３が設けられ、同様に、磁気センサ８ｙの出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２にはスイッチＳＷＹ２，ＳＷＹ３が設けられ、磁気センサ８ｚにはスイッチＳＷＺ２，ＳＷＺ３が設けられる。これら出力端子に設けられたスイッチを切り換えて、３つの磁気センサ８のいずれか１つの出力信号を磁気センサ制御回路６へ入力させることができる。
【００２３】
さらに、各磁気センサ８に併設されるコイル１０への電流供給を選択的に行うために、スイッチＳＷＸ４，ＳＷＹ４，ＳＷＺ４が設けられている。
【００２４】
磁気センサ制御回路６は、差動プリアンプ２０、ΔΣ変調器２２、デジタルフィルタ２４、出力インターフェース２６、電流ＤＡＣ２８及び制御部３０を有する。
【００２５】
差動プリアンプ２０は、磁気センサ８の出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２から出力される差動形式の磁界計測信号ＳＭを増幅する。
【００２６】
ΔΣ変調器２２とデジタルフィルタ２４とはΔΣ型ＡＤＣを構成し、アナログ信号である磁界計測信号ＳＭをデジタルデータに変換し磁界計測データＤＭを生成する。差動プリアンプ２０にて増幅された磁界計測信号ＳＭはΔΣ変調器２２に入力される。ΔΣ変調器２２は、１ビットのＡＤ変換機能を有し、磁界計測信号ＳＭを磁界計測データＤＭのサンプルレート（サンプリング周波数）よりも高速にサンプリングする。このように、少ないビットで粗く量子化された出力には量子化ノイズが多く含まれる。この量子化ノイズは、ΔΣ変調器２２内部のノイズシェーピング回路で、高周波領域にシフトされる。
【００２７】
ΔΣ変調器２２の出力は、デジタルフィルタ２４に入力される。デジタルフィルタ２４はローパスフィルタ(Low-Pass Filter：ＬＰＦ)であり、ノイズシェーピング回路にて高周波領域に移された量子化ノイズを減衰させる一方、磁界計測データを表す信号成分が存在する低周波領域を通過させる。デジタルフィルタ２４は、ΔΣ変調器２２からの高速の１ビットデータにフィルタリングとダウンサンプリングを施し、相対的に低速で多ビットのデータとする。これが、磁界計測データＤＭとして出力される。
【００２８】
デジタルフィルタ２４にて生成された磁界計測データＤＭは、半導体集積回路等で構成された磁気センサ制御回路６からバス等を介してマイコン等へ伝送される。出力インターフェース２６は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向の磁界計測データＤＭをこのデータ伝送に適した形式に変換し、バス等へ送出する。
【００２９】
電流ＤＡＣ２８は、バイアス磁界発生手段であるコイル１０に供給する駆動電流ＩＢを生成する。電流ＤＡＣ２８は、制御部３０から目的バイアス磁界データＤＢを入力され、当該データを、アナログの駆動信号である駆動電流ＩＢに変換する。
【００３０】
制御部３０は、スイッチＳＷＸ１〜ＳＷＸ３，ＳＷＹ１〜ＳＷＹ３，ＳＷＺ１〜ＳＷＺ３を切り換えて、磁気センサ８ｘ，８ｙ，８ｚのうち、電圧を印加し、その出力を差動プリアンプ２０へ取り出すものを順番に選択し、また、選択した磁気センサ８に対応して、スイッチＳＷＸ４，ＳＷＹ４，ＳＷＺ４を切り換えて、当該磁気センサ８に併設されたコイル１０へ電流ＤＡＣ２８から選択的に駆動電流ＩＢを供給させる。さらに、制御部３０は、選択した磁気センサ８での１回の磁界計測において、極性反転部１２を制御して印加電圧の極性を反転させる動作を行う。また、制御部３０は、磁気センサ８の切り換えや印加電圧の極性の切り換えに連動してデジタルフィルタ２４の動作を制御する。さらに、制御部３０は、磁気センサ８の切り換えなどに対応して出力インターフェース２６の動作を制御する。
【００３１】
図２は、磁気センサ８及びその出力信号の処理に関するタイミング図である。センサセレクトとして示す波形は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のいずれについて磁界計測が行われるかを示している。例えば、Ｘ軸の磁気センサ８ｘは、Ｘ軸のセンサセレクトがＨ(High)レベルの期間４０ｘに選択的に、電圧及びバイアス磁界を印加され、磁界計測信号ＳＭが差動プリアンプ２０に入力される。Ｙ軸、Ｚ軸のセンサセレクトも同様のことを示している。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のセンサセレクトは基本的に同じ長さずつ順番に設定される。
【００３２】
センサ極性は、極性反転部１２の状態を示しており、例えば、Ｌ(Low）レベルの期間４２が、磁気センサ８への印加電圧が正極性であり、一方、Ｈレベルの期間４４が、印加電圧が正極性とは反転した負極性であるとする。各磁気センサ８の１回の磁界計測期間にて正極性の期間４２と負極性の期間４４とが少なくとも１回ずつ、基本的に同じ長さずつ設定される。図２に示す動作では、各軸のセンサセレクトの期間４０ｘ，４０ｙ，４０ｚがそれぞれ２等分され、前半が正極性、後半が負極性に設定される。
【００３３】
ΔΣ変調器２２は、選択された磁気センサ８から出力される磁界計測信号ＳＭをサンプリングしてパルス密度変調（Pulse Density Modulation：ＰＤＭ）されたパルス列を生成する。デジタルフィルタ２４は、ΔΣ変調器２２から出力されるパルス列を例えば、移動平均処理することにより、ΔΣ変調器２２の出力スペクトルの高周波領域に対する帯域制限を行う。移動平均処理では、デジタルフィルタ２４に入力されるパルスの数が加算器を用いて所定の時間幅に亘り累積される。このように、デジタルフィルタ２４は加算器を有し、デジタルフィルタ２４はその加算器を用いて、印加電圧を正極性に設定して得られる第１の磁界計測データと、負極性に設定して得られる第２の磁界計測データとを減算して磁界計測データＤＭを求めるデータ合成処理を行う。
【００３４】
制御部３０は正極性の期間４２及び負極性の期間４４それぞれの期間内に、デジタルフィルタ２４を動作させる期間４６，４８を設定する。期間４６と期間４８とは同じ長さに設定される。また制御部３０は、正極性の期間４２ではデジタルフィルタ２４での入力データに対する加算器の動作を加算動作とし、負極性の期間４４では加算器の動作を減算動作とする。すなわち、加算器は期間４６では、入力データを現在値に順次、加算し、一方、期間４８では、入力データを現在値から順次、減算する。なお、期間４６，４８でそれぞれ別個に加算動作を行い、期間４８の終了後に期間４６での加算結果から期間４８での加算結果を減算してもよい。このデータ合成を行うことで、後述するように、電流ＤＡＣ２８の出力電流に含まれるフリッカノイズなどに起因して生じる磁界計測信号ＳＭのオフセットノイズを低減し、磁界計測データの高精度化を図ることができる。
【００３５】
期間４８が終了すると、デジタルフィルタ２４ではデータ合成処理が完了して１つの磁界計測データＤＭが得られる。制御部３０は、得られた磁界計測データＤＭを、次の磁界計測を開始する前の期間５０に、加算結果を保持するカウンタから読み出し、出力インターフェース２６によるデータ転送動作を行う。また、磁界計測データＤＭのデータ転送動作を行うと、続く期間５２にて制御部３０はカウンタをリセットし、次の磁界計測の開始に備える。
【００３６】
図３は、磁気センサ８及びその出力信号の処理に関する別の例を示すタイミング図である。図３に示す動作が図２と異なる点は、各磁気センサ８の１回の磁界計測期間（センサセレクトの期間４０ｘ，４０ｙ，４０ｚ）でのセンサ極性の反転回数及びそれに対応したデジタルフィルタ２４の切り換え回数にある。すなわち、図２に示す動作では、１つのセンサセレクト期間４０にて、正極性の期間４２と負極性の期間４４とが１回ずつ設定され、それに連動して、デジタルフィルタ２４の動作が２つの期間４６，４８に分けられ、デジタルフィルタ２４での加算と減算とが１回ずつ行われる。これに対して、図３に示す動作では、１つのセンサセレクト期間４０にて、正極性の期間４２と負極性の期間４４とが２回ずつ設定され、それに連動して、デジタルフィルタ２４の動作が４つの期間に分けられ、デジタルフィルタ２４での加算と減算とが２回ずつ行われる。このように、１つのセンサセレクトの期間４０での切り換え回数を増やすことで、デジタルフィルタ２４の特性を変えることができ、例えば、より低い周波数のノイズが低減され得る。
【００３７】
次に、データ合成処理によるオフセットノイズの低減について説明する。図４は、外部磁界Ｂに対する磁界計測信号ＳＭの特性を示す模式的なグラフである。図４において、横軸が外部磁界Ｂ、縦軸が磁界計測信号ＳＭを表す。磁気センサ８の磁界計測信号ＳＭのうちオフセットノイズの大きさｓＮで表す。また、磁気センサ８特性曲線６０は印加電圧が正極性の場合のものであり、特性曲線６２は印加電圧が負極性の場合のものである。外部磁界Ｂが０であれば、印加電圧の正負にかかわらず本来、ＳＭ＝０となるはずであり、特性曲線６０及び特性曲線６２はＢ−ＳＭ座標の原点、すなわち（Ｂ，ＳＭ）＝（０，０）を通り、特性曲線６０と特性曲線６２とはＳＭ＝０を中心として互いに上下対称となるはずである。そして、特性曲線６０と特性曲線６２とは（０，０）で交差し、各特性曲線６０，６２はそれぞれそれらの交点ＰＣを中心として対称となるはずである。しかし、オフセットノイズｓＮが０でない場合、交点ＰＣは図４に示すように（０，ｓＮ）にシフトする。
【００３８】
或る外部磁界強度Ｂでの正極性電圧印加時の磁界計測信号ＳＭの値をｓ＋、負極性電圧印加時の磁界計測信号ＳＭの値をｓ−とする。ｓ＋のうち外部磁界の強度に対応する成分をｓＯとすると、オフセットノイズｓＮが０でない状態でのｓ＋は次式で表される。
ｓ＋＝ｓＯ＋ｓＮ ………（１）
【００３９】
一方、同じ外部磁界強度Ｂにてｓ−は次式で表される。
ｓ−＝−ｓＯ＋ｓＮ ………（２）
【００４０】
ｓ＋は、正極性の動作期間４６でのΔΣ変調器２２の出力の加算結果に相当し、一方、ｓ−は、負極性の動作期間４８での加算結果に相当する。（１）式から（２）式を減じると、次式に示されるように、オフセットノイズｓＮが相殺され、外部磁界強度ｓＯを求めることができる。
ｓ＋−ｓ−＝２ｓＯ ………（３）
【００４１】
デジタルフィルタ２４の加算器を期間４６では加算動作とし、期間４８では減算動作とする上述のデータ合成処理は、（１），（２）式から（３）式を得る演算に対応しており、この原理により、デジタルフィルタ２４にてオフセットノイズが低減される。
【００４２】
なお、デジタルフィルタ２４として、例えば、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを用いることができる。
【００４３】
磁気センサ８の入出力特性は、図４の特性曲線６０，６２に示すように、それらの交点ＰＣを中心として外部磁界の強度Ｂの変化に応じて磁界計測信号ＳＭが直線的、すなわち線形に変化する線形領域６４を有する。一方、交点ＰＣから大きく離れると磁界計測信号ＳＭは飽和し線形性がなくなる。本磁気計測装置２は、磁気センサ８の入出力特性のうち、磁界計測データＤＭに対応する外部磁界強度Ｂを求めることが容易な線形領域を利用する。
【００４４】
磁気計測装置２は、磁気センサ８の入出力特性の線形領域を利用すると共に、コイル１０が生成するバイアス磁界を調整することにより、計測可能な外部磁界の強度範囲を拡大する。図５は、磁気計測装置２の入出力特性を示す模式図であり、横軸が外部磁界強度Ｂ、縦軸が磁界計測データＤＭを表す。なお、外部磁界強度Ｂにはバイアス磁界による成分は含まれないものとする。ここでは、説明の便宜上、電流ＤＡＣ２８は２ビットの分解能を有し、駆動電流ＩＢを４段階に変化させることができる例を示している。４段階の駆動電流ＩＢに対応して、図５には４本の特性曲線７０-1〜７０-4を示している。各特性曲線７０が示す変化はそれぞれ特性曲線６０と相似である。ちなみに、ＩＢ＝０でありバイアス磁界の強度が０の状態では、磁気計測装置２の入出力特性は、Ｂ−ＤＭ座標の原点を通る特性曲線７０-3に従う。
【００４５】
各特性曲線７０の線形領域内に磁界計測範囲７２が設定され、ΔΣ変調器２２及びデジタルフィルタ２４からなるＡＤＣのダイナミックレンジは、この磁界計測範囲７２に対応させて設定される。例えば、ＡＤＣは各磁界計測範囲７２を１２ビットや１４ビットといった高分解能に量子化する。
【００４６】
上述のように、電流ＤＡＣ２８のフリッカノイズ等に起因するオフセットノイズが除去されるので、各特性曲線７０において、図４にて交点ＰＣで示した特性曲線６０の中心に対応する点は、ＤＭ＝０に位置する。すなわち特性曲線７０-1〜７０-4とＢ軸との交点ＰＢ１〜ＰＢ４が各特性曲線７０の中心である。
【００４７】
ここで、差動プリアンプ２０やＡＤＣのゲインを小さくすれば、例えば、特性曲線７０の線形領域での傾斜が小さくなり、磁界計測範囲７２を大きくすることができるので、駆動電流ＩＢを一定値に固定したままでも大きな強度範囲の磁界計測が可能となる。しかし、そうすると、ＤＭの１ステップに対応する外部磁界強度Ｂのステップが大きくなり、外部磁界の測定分解能が低下する。
【００４８】
そこで、本磁気計測装置２では、図５に示すように、高分解能で外部磁界を測定できるように各特性曲線７０は磁界計測範囲７２にて大きな傾斜を有するものに設定する一方で、電流ＤＡＣ２８により駆動電流ＩＢを変えてバイアス磁界の強度を離散的に変化させ、互いにＢ軸方向に位置がずれた複数の特性曲線７０が得られるようにし、それらの磁界計測範囲７２での磁界計測を可能としてダイナミックレンジを拡大している。ちなみに、このダイナミックレンジの拡大という目的から、駆動電流ＩＢの変化ステップは、バイアス磁界の強度の設定ステップが、磁界計測の所要分解能ε、すなわちＡＤＣにより生成される磁界計測データＤＭの１ステップに対応する外部磁界強度Ｂのステップに比べて大きくなるように設定される。
【００４９】
駆動電流ＩＢに応じた磁界計測範囲７２の移動ステップは、必ずしもＢ軸上に磁界計測範囲７２を連続して配置するものでなくてもよいが、一般的には連続した範囲で磁界計測ができることが望まれると考えられる。その場合には、例えば、図５に示すように、隣接する特性曲線７０の磁界計測範囲７２が互いにオーバーラップ領域を有するように、電流ＤＡＣ２８のゲインを調節して１ステップ当たりのＩＢの変化量を設定することができる。
【００５０】
例えば、制御部３０は、ＡＤＣが生成する磁界計測データＤＭが磁界計測範囲の上限又は下限に対応する値となった場合には、電流ＤＡＣ２８に入力する目的バイアス磁界データＤＢを変更し、隣接する磁界計測範囲７２に切り換える。この場合、例えば、磁界計測データＤＭと、磁界計測範囲７２の設定位置を示す情報、例えば目的バイアス磁界データとを出力インターフェース２６から出力する。
【００５１】
本発明によれば、磁気計測装置２は上述のように大きなダイナミックレンジを得ることができるが、これは、計測対象磁界のダイナミックレンジが大きいことを要求するものではない。本発明の磁気計測装置２は、計測対象磁界のダイナミックレンジが小さい場合にも好適である。
【００５２】
例えば、地磁気等の微弱な磁界の計測を目的とする場合、外部磁界には計測目的成分だけでなく、オフセット磁界が重畳している場合がある。オフセット磁界が大きいと、外部磁界強度Ｂが磁界計測範囲７２を超え、計測目的成分の変動を計測できなくなる。このような場合には、磁気計測装置２を搭載装置に組み込んだ状態等にて、オフセット磁界を予め計測し、当該オフセット磁界に基づいて定められた目的バイアス磁界データＤＢを、例えば、制御部３０内のレジスタ３２等のデータ保持手段に格納する。
【００５３】
電流ＤＡＣ２８は、目的バイアス磁界データＤＢに基づいて駆動電流ＩＢを生成する。目的バイアス磁界データＤＢは、磁界計測範囲７２を複数の設定位置のうち、計測目的成分の変動範囲を包含するものに対応した値が選択される。例えば、オフセット磁界の強度をｂＯＦＦ、これに重畳する計測目的成分の変動幅をΔｂとすると、特性曲線７０とＢ軸との交点のうち最もオフセット磁界強度ｂＯＦＦに近いＢ座標を有するものに対応する特性曲線７０を選択すれば、その磁界計測範囲７２に変動幅Δｂが包含される。図５に示す例では、ｂＯＦＦは交点ＰＢ４に最も近く、目的バイアス磁界データＤＢとして、特性曲線７０-4に対応する値が制御部３０のレジスタ３２に設定される。
【００５４】
なお、図５に示す例では電流ＤＡＣ２８は２ビットとしたが、本発明において当該ビット数は任意に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気計測装置の概略の回路構成図である。
【図２】磁気センサ及びその出力信号の処理に関するタイミング図である。
【図３】磁気センサ及びその出力信号の処理に関する別の例を示すタイミング図である。
【図４】外部磁界に対する磁界計測信号の特性を示す模式的なグラフである。
【図５】磁気計測装置の入出力特性を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
２ 磁気計測装置、４ 磁気センサユニット、６ 磁気センサ制御回路、８ 磁気センサ、１０ コイル、１２ 極性反転部、２０ 差動プリアンプ、２２ ΔΣ変調器、２４ デジタルフィルタ、２６ 出力インターフェース、２８ 電流ＤＡＣ、３０ 制御部、３２ レジスタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサを含む磁気センサユニットを制御する磁気センサ制御回路、及び当該磁気センサ制御回路を用いた磁界測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子的に方位測定を行う場合には、地磁気などの外部磁界を検出する磁気センサを用いて行う。磁気センサを用いて方位を求める場合に、磁気センサに対して交流磁界を印加し、交流磁界を印加したときに磁気センサから出力される電圧を用いる技術が知られている。
【０００３】
この技術においては、外部磁界に応じて内部抵抗が変化する磁気抵抗素子を含む磁気センサが用いられる。磁気センサは磁気抵抗素子を含むブリッジ回路で構成され、ブリッジ回路に印加する電圧の極性に応じて、当該ブリッジ回路の出力信号の極性が切り替わる。
【０００４】
このような磁気センサは例えば、電子方位計として携帯電話などに搭載される。ここで、携帯電話に搭載される電子部品、例えばスピーカなどから発生する地磁気以外の磁界は地磁気に対するオフセット磁界となり地磁気の検出を妨げる。このようなオフセット磁界の影響を除去するために、磁気センサユニットには磁気センサにバイアス磁界を印加するコイルが設けられ、当該コイルに流す電流を調整してオフセット磁界をキャンセルする。
【特許文献１】特開２００７−２７１５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
検出対象の磁界は地磁気などの微弱な磁界であり得るのに対し、オフセット磁界は比較的大きな強度を有し得る。磁気センサの出力電圧は、印加磁界が比較的小さい範囲では線形な特性を示すが、印加磁界が大きくなると線形性が低下する。そのため、オフセット磁界が大きい場合、磁界測定値の線形性が低下するという問題がある。この問題は、上述のようにバイアス磁界によりオフセット磁界を好適にキャンセルできれば解決し得る。
【０００６】
ここで、バイアス磁界を発生するコイルに流す電流を調整し、また調整された電流を維持する上で、ＤＡ変換器（ＤＡＣ：Digital to Analog Converter）を用いて当該電流を生成する回路が用いられる。しかし、回路規模の抑制やコスト低減の要請から、ＤＡＣのビット数は比較的小さな値に制限される。そのため、オフセット磁界を精度良くキャンセルしようとするとＤＡＣはその入力データの１ステップ当たりの出力電流の変化量を小さくする必要があり、その結果、調整可能範囲が小さくなり、大きなオフセット磁界に対応できないという問題がある。
【０００７】
また、ＤＡＣを用いて生成した電流は、ＤＡＣを構成するＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタに起因するフリッカノイズ（１／ｆノイズ）を含んでいる。さらに、磁気センサや信号処理回路にて、磁気センサからの出力信号にオフセットノイズが生じ得る。これらのノイズが分解能の低下をもたらすという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、高分解能とダイナミックレンジの拡大を可能とすると共に、オフセット磁界だけでなく、フリッカノイズ等に起因するオフセットノイズの影響をも除去して高精度の磁界測定を可能とする磁気センサ制御回路、及び磁界測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る磁気センサ制御回路は、入出力特性において外部磁界の強度に応じ線形に変化する磁界計測信号を発生する線形領域を有すると共に、印加電圧の極性に応じて前記磁界計測信号の極性が切り替わる磁気センサと、前記磁気センサの計測位置に駆動信号に応じた強度のバイアス磁界を発生し、前記外部磁界の強度軸上での前記線形領域の位置をシフトさせるバイアス磁界発生手段とを含む磁気センサユニットに用いられる回路であって、前記バイアス磁界発生手段に供給する前記駆動信号を生成する回路であり、当該駆動信号の強度を離散的に設定することにより、前記外部磁界の強度軸上にて所定の設定ステップずつずれた複数の設定位置のいずれかを選択して、当該選択した設定位置に前記線形領域に包含される磁界計測範囲を配置する計測範囲設定回路と、前記磁界計測範囲にて得られる前記磁界計測信号をデジタルデータに変換し、前記磁界計測範囲における磁界強度を前記設定ステップより高い分解能で表現する磁界計測データを生成するＡＤ変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）と、前記印加電圧の極性を切り換える制御部と、前記印加電圧を第１極性に設定して得られる第１の前記磁界計測データと、前記印加電圧を第２極性に設定して得られる第２の前記磁界計測データとを減算して前記外部磁界の測定値を求めるデータ合成手段と、を有するものである。
【００１０】
また、本発明に係る磁界測定装置は、上記磁気センサ制御回路と、前記磁気センサユニットとを有するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、計測範囲設定回路は例えばＤＡＣを用いて構成され、当該計測範囲設定回路がバイアス磁界発生手段への駆動信号を離散的な強度で生成する。これにより、バイアス磁界も離散的な強度を有する。そのバイアス磁界の強度の設定ステップは磁界計測の所要分解能に比べて大きく設定される。これにより、磁気センサの線形領域を比較的少ない設定ステップ数で大きく移動させ、比較的広い磁界強度範囲に配置することができ、ダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００１２】
一方、磁界計測信号をデジタルデータに変換するＡＤＣは、線形領域が設定され得る磁界強度範囲の全体について量子化できる必要はなく、計測範囲設定回路により設定された或る位置における線形領域内の磁界計測範囲を量子化できればよい。すなわち、ＡＤＣは、比較的少ないビット数でも、バイアス磁界の設定ステップより微細なステップでの量子化を磁界強度に施すことができ、高分解能の磁界計測データを得ることができる。
【００１３】
さらに、磁気センサの印加電圧を反転させて得られる第１の磁界計測データと第２の磁界計測データとを減算することで、磁気センサやＤＡＣ等の回路に起因するオフセットノイズの影響が除去されるので、高精度の磁界測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、実施形態に係る磁気計測装置２の概略の回路構成図である。磁気計測装置２は、磁気センサユニット４と磁気センサ制御回路６とからなる。
【００１６】
磁気センサユニット４は、直交座標系（ＸＹＺ座標系）の３軸に対応して、３つの磁気センサ８（磁気センサ８ｘ，８ｙ，８ｚ）を有する。磁気センサ８ｘ，８ｙ，８ｚはそれぞれ、外部磁界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の成分を検出する。
【００１７】
各磁気センサ８は、抵抗素子Ｒa，Ｒb，Ｒc，Ｒdからなるブリッジ回路である。抵抗Ｒa，Ｒdは端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２の間に直列接続され、また、抵抗Ｒb，Ｒcも端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２の間に直列接続される。そして、抵抗Ｒa，Ｒdの接続点が出力端子ＶＯＵＴ１であり、抵抗Ｒb，Ｒcの接続点が出力端子ＶＯＵＴ２である。抵抗素子Ｒa，Ｒb，Ｒc，Ｒdのうち、磁気抵抗変化を示す素子はＲa，Ｒcである。一方、Ｒb，Ｒdは固定抵抗である。このブリッジ回路の一対の入力端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２に電圧を印加すると、抵抗Ｒa，Ｒdで分圧された電圧が出力端子ＶＯＵＴ１に得られ、抵抗Ｒb，Ｒcで分圧された電圧が出力端子ＶＯＵＴ２に得られる。抵抗Ｒa，Ｒcは外部磁界により抵抗が変化するので、外部磁界に応じた電圧信号が、出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２から差動形式で出力される。また、Ｒｂ，Ｒｄを磁気抵抗素子、Ｒａ，Ｒｃを固定抵抗素子としても、ブリッジ回路の差動出力であるため同様に動作する。
【００１８】
磁気抵抗素子としては、磁界に対して対称性のある変化を示すものを用いる。このような磁気抵抗素子としては、ＭＲ（Magneto Resistance）素子、ＧＩＧ（Granular In Gap）素子などが知られている。磁気計測装置２では例えば、ＭＲ素子の一種であるＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子を抵抗Ｒa，Ｒcに用いる。
【００１９】
磁気センサ８には、コイル１０が併設される。コイル１０は、バイアス磁界発生手段であり、供給される電流に応じた強度のバイアス磁界を抵抗Ｒa，Ｒcに及ぼし、それらの抵抗を変化させることができる。
【００２０】
スイッチＳＷＸ１，ＳＷＹ１，ＳＷＺ１は、３つの磁気センサ８のいずれか１つの端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２に電圧印加を行うために設けられている。
【００２１】
磁気センサ８の端子ＶＩＮ１，ＶＩＮ２の一方には正電圧ＶＣＣが印加され、他方には接地電位ＧＮＤが印加される。この印加電圧の極性は、極性反転部１２のスイッチＳＷＳ１〜ＳＷＳ４により切り換えることができる。
【００２２】
また、磁気センサ８ｘの出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２から磁気センサ制御回路６への信号線にはスイッチＳＷＸ２，ＳＷＸ３が設けられ、同様に、磁気センサ８ｙの出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２にはスイッチＳＷＹ２，ＳＷＹ３が設けられ、磁気センサ８ｚにはスイッチＳＷＺ２，ＳＷＺ３が設けられる。これら出力端子に設けられたスイッチを切り換えて、３つの磁気センサ８のいずれか１つの出力信号を磁気センサ制御回路６へ入力させることができる。
【００２３】
さらに、各磁気センサ８に併設されるコイル１０への電流供給を選択的に行うために、スイッチＳＷＸ４，ＳＷＹ４，ＳＷＺ４が設けられている。
【００２４】
磁気センサ制御回路６は、差動プリアンプ２０、ΔΣ変調器２２、デジタルフィルタ２４、出力インターフェース２６、電流ＤＡＣ２８及び制御部３０を有する。
【００２５】
差動プリアンプ２０は、磁気センサ８の出力端子ＶＯＵＴ１，ＶＯＵＴ２から出力される差動形式の磁界計測信号ＳＭを増幅する。
【００２６】
ΔΣ変調器２２とデジタルフィルタ２４とはΔΣ型ＡＤＣを構成し、アナログ信号である磁界計測信号ＳＭをデジタルデータに変換し磁界計測データＤＭを生成する。差動プリアンプ２０にて増幅された磁界計測信号ＳＭはΔΣ変調器２２に入力される。ΔΣ変調器２２は、１ビットのＡＤ変換機能を有し、磁界計測信号ＳＭを磁界計測データＤＭのサンプルレート（サンプリング周波数）よりも高速にサンプリングする。このように、少ないビットで粗く量子化された出力には量子化ノイズが多く含まれる。この量子化ノイズは、ΔΣ変調器２２内部のノイズシェーピング回路で、高周波領域にシフトされる。
【００２７】
ΔΣ変調器２２の出力は、デジタルフィルタ２４に入力される。デジタルフィルタ２４はローパスフィルタ(Low-Pass Filter：ＬＰＦ)であり、ノイズシェーピング回路にて高周波領域に移された量子化ノイズを減衰させる一方、磁界計測データを表す信号成分が存在する低周波領域を通過させる。デジタルフィルタ２４は、ΔΣ変調器２２からの高速の１ビットデータにフィルタリングとダウンサンプリングを施し、相対的に低速で多ビットのデータとする。これが、磁界計測データＤＭとして出力される。
【００２８】
デジタルフィルタ２４にて生成された磁界計測データＤＭは、半導体集積回路等で構成された磁気センサ制御回路６からバス等を介してマイコン等へ伝送される。出力インターフェース２６は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向の磁界計測データＤＭをこのデータ伝送に適した形式に変換し、バス等へ送出する。
【００２９】
電流ＤＡＣ２８は、バイアス磁界発生手段であるコイル１０に供給する駆動電流ＩＢを生成する。電流ＤＡＣ２８は、制御部３０から目的バイアス磁界データＤＢを入力され、当該データを、アナログの駆動信号である駆動電流ＩＢに変換する。
【００３０】
制御部３０は、スイッチＳＷＸ１〜ＳＷＸ３，ＳＷＹ１〜ＳＷＹ３，ＳＷＺ１〜ＳＷＺ３を切り換えて、磁気センサ８ｘ，８ｙ，８ｚのうち、電圧を印加し、その出力を差動プリアンプ２０へ取り出すものを順番に選択し、また、選択した磁気センサ８に対応して、スイッチＳＷＸ４，ＳＷＹ４，ＳＷＺ４を切り換えて、当該磁気センサ８に併設されたコイル１０へ電流ＤＡＣ２８から選択的に駆動電流ＩＢを供給させる。さらに、制御部３０は、選択した磁気センサ８での１回の磁界計測において、極性反転部１２を制御して印加電圧の極性を反転させる動作を行う。また、制御部３０は、磁気センサ８の切り換えや印加電圧の極性の切り換えに連動してデジタルフィルタ２４の動作を制御する。さらに、制御部３０は、磁気センサ８の切り換えなどに対応して出力インターフェース２６の動作を制御する。
【００３１】
図２は、磁気センサ８及びその出力信号の処理に関するタイミング図である。センサセレクトとして示す波形は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のいずれについて磁界計測が行われるかを示している。例えば、Ｘ軸の磁気センサ８ｘは、Ｘ軸のセンサセレクトがＨ(High)レベルの期間４０ｘに選択的に、電圧及びバイアス磁界を印加され、磁界計測信号ＳＭが差動プリアンプ２０に入力される。Ｙ軸、Ｚ軸のセンサセレクトも同様のことを示している。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のセンサセレクトは基本的に同じ長さずつ順番に設定される。
【００３２】
センサ極性は、極性反転部１２の状態を示しており、例えば、Ｌ(Low）レベルの期間４２が、磁気センサ８への印加電圧が正極性であり、一方、Ｈレベルの期間４４が、印加電圧が正極性とは反転した負極性であるとする。各磁気センサ８の１回の磁界計測期間にて正極性の期間４２と負極性の期間４４とが少なくとも１回ずつ、基本的に同じ長さずつ設定される。図２に示す動作では、各軸のセンサセレクトの期間４０ｘ，４０ｙ，４０ｚがそれぞれ２等分され、前半が正極性、後半が負極性に設定される。
【００３３】
ΔΣ変調器２２は、選択された磁気センサ８から出力される磁界計測信号ＳＭをサンプリングしてパルス密度変調（Pulse Density Modulation：ＰＤＭ）されたパルス列を生成する。デジタルフィルタ２４は、ΔΣ変調器２２から出力されるパルス列を例えば、移動平均処理することにより、ΔΣ変調器２２の出力スペクトルの高周波領域に対する帯域制限を行う。移動平均処理では、デジタルフィルタ２４に入力されるパルスの数が加算器を用いて所定の時間幅に亘り累積される。このように、デジタルフィルタ２４は加算器を有し、デジタルフィルタ２４はその加算器を用いて、印加電圧を正極性に設定して得られる第１の磁界計測データと、負極性に設定して得られる第２の磁界計測データとを減算して磁界計測データＤＭを求めるデータ合成処理を行う。
【００３４】
制御部３０は正極性の期間４２及び負極性の期間４４それぞれの期間内に、デジタルフィルタ２４を動作させる期間４６，４８を設定する。期間４６と期間４８とは同じ長さに設定される。また制御部３０は、正極性の期間４２ではデジタルフィルタ２４での入力データに対する加算器の動作を加算動作とし、負極性の期間４４では加算器の動作を減算動作とする。すなわち、加算器は期間４６では、入力データを現在値に順次、加算し、一方、期間４８では、入力データを現在値から順次、減算する。なお、期間４６，４８でそれぞれ別個に加算動作を行い、期間４８の終了後に期間４６での加算結果から期間４８での加算結果を減算してもよい。このデータ合成を行うことで、後述するように、電流ＤＡＣ２８の出力電流に含まれるフリッカノイズなどに起因して生じる磁界計測信号ＳＭのオフセットノイズを低減し、磁界計測データの高精度化を図ることができる。
【００３５】
期間４８が終了すると、デジタルフィルタ２４ではデータ合成処理が完了して１つの磁界計測データＤＭが得られる。制御部３０は、得られた磁界計測データＤＭを、次の磁界計測を開始する前の期間５０に、加算結果を保持するカウンタから読み出し、出力インターフェース２６によるデータ転送動作を行う。また、磁界計測データＤＭのデータ転送動作を行うと、続く期間５２にて制御部３０はカウンタをリセットし、次の磁界計測の開始に備える。
【００３６】
図３は、磁気センサ８及びその出力信号の処理に関する別の例を示すタイミング図である。図３に示す動作が図２と異なる点は、各磁気センサ８の１回の磁界計測期間（センサセレクトの期間４０ｘ，４０ｙ，４０ｚ）でのセンサ極性の反転回数及びそれに対応したデジタルフィルタ２４の切り換え回数にある。すなわち、図２に示す動作では、１つのセンサセレクト期間４０にて、正極性の期間４２と負極性の期間４４とが１回ずつ設定され、それに連動して、デジタルフィルタ２４の動作が２つの期間４６，４８に分けられ、デジタルフィルタ２４での加算と減算とが１回ずつ行われる。これに対して、図３に示す動作では、１つのセンサセレクト期間４０にて、正極性の期間４２と負極性の期間４４とが２回ずつ設定され、それに連動して、デジタルフィルタ２４の動作が４つの期間に分けられ、デジタルフィルタ２４での加算と減算とが２回ずつ行われる。このように、１つのセンサセレクトの期間４０での切り換え回数を増やすことで、デジタルフィルタ２４の特性を変えることができ、例えば、より低い周波数のノイズが低減され得る。
【００３７】
次に、データ合成処理によるオフセットノイズの低減について説明する。図４は、外部磁界Ｂに対する磁界計測信号ＳＭの特性を示す模式的なグラフである。図４において、横軸が外部磁界Ｂ、縦軸が磁界計測信号ＳＭを表す。磁気センサ８の磁界計測信号ＳＭのうちオフセットノイズの大きさｓＮで表す。また、磁気センサ８特性曲線６０は印加電圧が正極性の場合のものであり、特性曲線６２は印加電圧が負極性の場合のものである。外部磁界Ｂが０であれば、印加電圧の正負にかかわらず本来、ＳＭ＝０となるはずであり、特性曲線６０及び特性曲線６２はＢ−ＳＭ座標の原点、すなわち（Ｂ，ＳＭ）＝（０，０）を通り、特性曲線６０と特性曲線６２とはＳＭ＝０を中心として互いに上下対称となるはずである。そして、特性曲線６０と特性曲線６２とは（０，０）で交差し、各特性曲線６０，６２はそれぞれそれらの交点ＰＣを中心として対称となるはずである。しかし、オフセットノイズｓＮが０でない場合、交点ＰＣは図４に示すように（０，ｓＮ）にシフトする。
【００３８】
或る外部磁界強度Ｂでの正極性電圧印加時の磁界計測信号ＳＭの値をｓ＋、負極性電圧印加時の磁界計測信号ＳＭの値をｓ−とする。ｓ＋のうち外部磁界の強度に対応する成分をｓＯとすると、オフセットノイズｓＮが０でない状態でのｓ＋は次式で表される。
ｓ＋＝ｓＯ＋ｓＮ ………（１）
【００３９】
一方、同じ外部磁界強度Ｂにてｓ−は次式で表される。
ｓ−＝−ｓＯ＋ｓＮ ………（２）
【００４０】
ｓ＋は、正極性の動作期間４６でのΔΣ変調器２２の出力の加算結果に相当し、一方、ｓ−は、負極性の動作期間４８での加算結果に相当する。（１）式から（２）式を減じると、次式に示されるように、オフセットノイズｓＮが相殺され、外部磁界強度ｓＯを求めることができる。
ｓ＋−ｓ−＝２ｓＯ ………（３）
【００４１】
デジタルフィルタ２４の加算器を期間４６では加算動作とし、期間４８では減算動作とする上述のデータ合成処理は、（１），（２）式から（３）式を得る演算に対応しており、この原理により、デジタルフィルタ２４にてオフセットノイズが低減される。
【００４２】
なお、デジタルフィルタ２４として、例えば、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを用いることができる。
【００４３】
磁気センサ８の入出力特性は、図４の特性曲線６０，６２に示すように、それらの交点ＰＣを中心として外部磁界の強度Ｂの変化に応じて磁界計測信号ＳＭが直線的、すなわち線形に変化する線形領域６４を有する。一方、交点ＰＣから大きく離れると磁界計測信号ＳＭは飽和し線形性がなくなる。本磁気計測装置２は、磁気センサ８の入出力特性のうち、磁界計測データＤＭに対応する外部磁界強度Ｂを求めることが容易な線形領域を利用する。
【００４４】
磁気計測装置２は、磁気センサ８の入出力特性の線形領域を利用すると共に、コイル１０が生成するバイアス磁界を調整することにより、計測可能な外部磁界の強度範囲を拡大する。図５は、磁気計測装置２の入出力特性を示す模式図であり、横軸が外部磁界強度Ｂ、縦軸が磁界計測データＤＭを表す。なお、外部磁界強度Ｂにはバイアス磁界による成分は含まれないものとする。ここでは、説明の便宜上、電流ＤＡＣ２８は２ビットの分解能を有し、駆動電流ＩＢを４段階に変化させることができる例を示している。４段階の駆動電流ＩＢに対応して、図５には４本の特性曲線７０-1〜７０-4を示している。各特性曲線７０が示す変化はそれぞれ特性曲線６０と相似である。ちなみに、ＩＢ＝０でありバイアス磁界の強度が０の状態では、磁気計測装置２の入出力特性は、Ｂ−ＤＭ座標の原点を通る特性曲線７０-3に従う。
【００４５】
各特性曲線７０の線形領域内に磁界計測範囲７２が設定され、ΔΣ変調器２２及びデジタルフィルタ２４からなるＡＤＣのダイナミックレンジは、この磁界計測範囲７２に対応させて設定される。例えば、ＡＤＣは各磁界計測範囲７２を１２ビットや１４ビットといった高分解能に量子化する。
【００４６】
上述のように、電流ＤＡＣ２８のフリッカノイズ等に起因するオフセットノイズが除去されるので、各特性曲線７０において、図４にて交点ＰＣで示した特性曲線６０の中心に対応する点は、ＤＭ＝０に位置する。すなわち特性曲線７０-1〜７０-4とＢ軸との交点ＰＢ１〜ＰＢ４が各特性曲線７０の中心である。
【００４７】
ここで、差動プリアンプ２０やＡＤＣのゲインを小さくすれば、例えば、特性曲線７０の線形領域での傾斜が小さくなり、磁界計測範囲７２を大きくすることができるので、駆動電流ＩＢを一定値に固定したままでも大きな強度範囲の磁界計測が可能となる。しかし、そうすると、ＤＭの１ステップに対応する外部磁界強度Ｂのステップが大きくなり、外部磁界の測定分解能が低下する。
【００４８】
そこで、本磁気計測装置２では、図５に示すように、高分解能で外部磁界を測定できるように各特性曲線７０は磁界計測範囲７２にて大きな傾斜を有するものに設定する一方で、電流ＤＡＣ２８により駆動電流ＩＢを変えてバイアス磁界の強度を離散的に変化させ、互いにＢ軸方向に位置がずれた複数の特性曲線７０が得られるようにし、それらの磁界計測範囲７２での磁界計測を可能としてダイナミックレンジを拡大している。ちなみに、このダイナミックレンジの拡大という目的から、駆動電流ＩＢの変化ステップは、バイアス磁界の強度の設定ステップが、磁界計測の所要分解能ε、すなわちＡＤＣにより生成される磁界計測データＤＭの１ステップに対応する外部磁界強度Ｂのステップに比べて大きくなるように設定される。
【００４９】
駆動電流ＩＢに応じた磁界計測範囲７２の移動ステップは、必ずしもＢ軸上に磁界計測範囲７２を連続して配置するものでなくてもよいが、一般的には連続した範囲で磁界計測ができることが望まれると考えられる。その場合には、例えば、図５に示すように、隣接する特性曲線７０の磁界計測範囲７２が互いにオーバーラップ領域を有するように、電流ＤＡＣ２８のゲインを調節して１ステップ当たりのＩＢの変化量を設定することができる。
【００５０】
例えば、制御部３０は、ＡＤＣが生成する磁界計測データＤＭが磁界計測範囲の上限又は下限に対応する値となった場合には、電流ＤＡＣ２８に入力する目的バイアス磁界データＤＢを変更し、隣接する磁界計測範囲７２に切り換える。この場合、例えば、磁界計測データＤＭと、磁界計測範囲７２の設定位置を示す情報、例えば目的バイアス磁界データとを出力インターフェース２６から出力する。
【００５１】
本発明によれば、磁気計測装置２は上述のように大きなダイナミックレンジを得ることができるが、これは、計測対象磁界のダイナミックレンジが大きいことを要求するものではない。本発明の磁気計測装置２は、計測対象磁界のダイナミックレンジが小さい場合にも好適である。
【００５２】
例えば、地磁気等の微弱な磁界の計測を目的とする場合、外部磁界には計測目的成分だけでなく、オフセット磁界が重畳している場合がある。オフセット磁界が大きいと、外部磁界強度Ｂが磁界計測範囲７２を超え、計測目的成分の変動を計測できなくなる。このような場合には、磁気計測装置２を搭載装置に組み込んだ状態等にて、オフセット磁界を予め計測し、当該オフセット磁界に基づいて定められた目的バイアス磁界データＤＢを、例えば、制御部３０内のレジスタ３２等のデータ保持手段に格納する。
【００５３】
電流ＤＡＣ２８は、目的バイアス磁界データＤＢに基づいて駆動電流ＩＢを生成する。目的バイアス磁界データＤＢは、磁界計測範囲７２を複数の設定位置のうち、計測目的成分の変動範囲を包含するものに対応した値が選択される。例えば、オフセット磁界の強度をｂＯＦＦ、これに重畳する計測目的成分の変動幅をΔｂとすると、特性曲線７０とＢ軸との交点のうち最もオフセット磁界強度ｂＯＦＦに近いＢ座標を有するものに対応する特性曲線７０を選択すれば、その磁界計測範囲７２に変動幅Δｂが包含される。図５に示す例では、ｂＯＦＦは交点ＰＢ４に最も近く、目的バイアス磁界データＤＢとして、特性曲線７０-4に対応する値が制御部３０のレジスタ３２に設定される。
【００５４】
なお、図５に示す例では電流ＤＡＣ２８は２ビットとしたが、本発明において当該ビット数は任意に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気計測装置の概略の回路構成図である。
【図２】磁気センサ及びその出力信号の処理に関するタイミング図である。
【図３】磁気センサ及びその出力信号の処理に関する別の例を示すタイミング図である。
【図４】外部磁界に対する磁界計測信号の特性を示す模式的なグラフである。
【図５】磁気計測装置の入出力特性を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
２ 磁気計測装置、４ 磁気センサユニット、６ 磁気センサ制御回路、８ 磁気センサ、１０ コイル、１２ 極性反転部、２０ 差動プリアンプ、２２ ΔΣ変調器、２４ デジタルフィルタ、２６ 出力インターフェース、２８ 電流ＤＡＣ、３０ 制御部、３２ レジスタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入出力特性において外部磁界の強度に応じ線形に変化する磁界計測信号を発生する線形領域を有すると共に、印加電圧の極性に応じて前記磁界計測信号の極性が切り替わる磁気センサと、前記磁気センサの計測位置に駆動信号に応じた強度のバイアス磁界を発生し、前記外部磁界の強度軸上での前記線形領域の位置をシフトさせるバイアス磁界発生手段とを含む磁気センサユニットに用いられる磁気センサ制御回路であって、
前記バイアス磁界発生手段に供給する前記駆動信号を生成する回路であり、当該駆動信号の強度を離散的に設定することにより、前記外部磁界の強度軸上にて所定の設定ステップずつずれた複数の設定位置のいずれかを選択して、当該選択した設定位置に前記線形領域に包含される磁界計測範囲を配置する計測範囲設定回路と、
前記磁界計測範囲にて得られる前記磁界計測信号をデジタルデータに変換し、前記磁界計測範囲における磁界強度を前記設定ステップより高い分解能で表現する磁界計測データを生成するＡＤ変換器と、
前記印加電圧の極性を切り換える制御部と、
前記印加電圧を第１極性に設定して得られる第１の前記磁界計測データと、前記印加電圧を第２極性に設定して得られる第２の前記磁界計測データとを減算して前記外部磁界の測定値を求めるデータ合成手段と、
を有することを特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサ制御回路において、
前記ＡＤ変換器は、ΔΣ変調器と、当該ΔΣ変調器にて高周波領域にシフトされた量子化ノイズを除去する低域通過特性を有したデジタルフィルタと、を有し、
前記制御部は、１つの前記測定値を取得する測定期間内に、前記印加電圧を前記第１極性に設定する第１極性期間と、当該第１極性期間と同じ長さであって前記印加電圧を前記第２極性に設定する第２極性期間とを設け、
前記データ合成手段は、前記デジタルフィルタに設けられる加算器であり、前記第１極性期間及び前記第２極性期間の切り換えに同期して前記磁界計測データの加減算を切り換えること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気センサ制御回路において、
前記制御部は、前記測定期間内に、前記第１極性期間と前記第２極性期間とを交互に複数回ずつ設定すること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の磁気センサ制御回路において、
前記外部磁界に存在し計測目的成分に重畳するオフセット成分に基づいて定められた目的バイアス磁界データを保持するデータ保持手段を有し、
前記計測範囲設定回路は、
デジタルデータである前記目的バイアス磁界データをアナログ信号である前記駆動信号に変換するＤＡ変換器を有し、
前記磁界計測範囲を、前記計測目的成分の変動範囲を包含する位置に配置すること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の磁気センサ制御回路と、
前記磁気センサユニットと、
を有することを特徴とする磁界測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の磁界測定装置において、
前記磁気センサは、磁界に対して単調に変化する抵抗変化を示す磁気抵抗素子を含むこと、を特徴とする磁界測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の磁界測定装置において、
前記磁気抵抗素子は、ＧＭＲ素子であること、を特徴とする磁界測定装置。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか１つに記載の磁界測定装置において、
前記磁気センサは、ブリッジ回路で構成されていること、を特徴とする磁界測定装置。
【請求項１】
入出力特性において外部磁界の強度に応じ線形に変化する磁界計測信号を発生する線形領域を有すると共に、印加電圧の極性に応じて前記磁界計測信号の極性が切り替わる磁気センサと、前記磁気センサの計測位置に駆動信号に応じた強度のバイアス磁界を発生し、前記外部磁界の強度軸上での前記線形領域の位置をシフトさせるバイアス磁界発生手段とを含む磁気センサユニットに用いられる磁気センサ制御回路であって、
前記バイアス磁界発生手段に供給する前記駆動信号を生成する回路であり、当該駆動信号の強度を離散的に設定することにより、前記外部磁界の強度軸上にて所定の設定ステップずつずれた複数の設定位置のいずれかを選択して、当該選択した設定位置に前記線形領域に包含される磁界計測範囲を配置する計測範囲設定回路と、
前記磁界計測範囲にて得られる前記磁界計測信号をデジタルデータに変換し、前記磁界計測範囲における磁界強度を前記設定ステップより高い分解能で表現する磁界計測データを生成するＡＤ変換器と、
前記印加電圧の極性を切り換える制御部と、
前記印加電圧を第１極性に設定して得られる第１の前記磁界計測データと、前記印加電圧を第２極性に設定して得られる第２の前記磁界計測データとを減算して前記外部磁界の測定値を求めるデータ合成手段と、
を有することを特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサ制御回路において、
前記ＡＤ変換器は、ΔΣ変調器と、当該ΔΣ変調器にて高周波領域にシフトされた量子化ノイズを除去する低域通過特性を有したデジタルフィルタと、を有し、
前記制御部は、１つの前記測定値を取得する測定期間内に、前記印加電圧を前記第１極性に設定する第１極性期間と、当該第１極性期間と同じ長さであって前記印加電圧を前記第２極性に設定する第２極性期間とを設け、
前記データ合成手段は、前記デジタルフィルタに設けられる加算器であり、前記第１極性期間及び前記第２極性期間の切り換えに同期して前記磁界計測データの加減算を切り換えること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気センサ制御回路において、
前記制御部は、前記測定期間内に、前記第１極性期間と前記第２極性期間とを交互に複数回ずつ設定すること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の磁気センサ制御回路において、
前記外部磁界に存在し計測目的成分に重畳するオフセット成分に基づいて定められた目的バイアス磁界データを保持するデータ保持手段を有し、
前記計測範囲設定回路は、
デジタルデータである前記目的バイアス磁界データをアナログ信号である前記駆動信号に変換するＤＡ変換器を有し、
前記磁界計測範囲を、前記計測目的成分の変動範囲を包含する位置に配置すること、
を特徴とする磁気センサ制御回路。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の磁気センサ制御回路と、
前記磁気センサユニットと、
を有することを特徴とする磁界測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の磁界測定装置において、
前記磁気センサは、磁界に対して単調に変化する抵抗変化を示す磁気抵抗素子を含むこと、を特徴とする磁界測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の磁界測定装置において、
前記磁気抵抗素子は、ＧＭＲ素子であること、を特徴とする磁界測定装置。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか１つに記載の磁界測定装置において、
前記磁気センサは、ブリッジ回路で構成されていること、を特徴とする磁界測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１０７４６０（Ｐ２０１０−１０７４６０Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８１９８４（Ｐ２００８−２８１９８４）
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５０６２２７８８４）三洋半導体株式会社 (1,155)
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【出願人】（５０６２２７８８４）三洋半導体株式会社 (1,155)
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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