特開 2024-135077 磁気センサのノイズ評価方法、磁気センサのノイズ評価装置及びコンピュータプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135077

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】磁気センサのノイズ評価方法、磁気センサのノイズ評価装置及びコンピュータプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20240927BHJP

   G01R 23/16 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01R33/09

G01R23/16 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045590

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】原谷 進

【テーマコード（参考）】

2G017

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AB07

2G017AD55

2G017BA05

2G017BA15

(57)【要約】

【課題】磁気センサの１／ｆノイズを定量的に評価する。
【解決手段】本開示による磁気センサのノイズ評価方法は、磁気センサ１０に印加される磁場が一定である状態で、磁気センサ１０から出力される定常ノイズ成分を所定時間収録することによって測定データを取得し（ステップＳ１）、測定データをフーリエ変換することによって、定常ノイズ成分の周波数特性を取得し（ステップＳ５）、周波数特性から、所定の評価周波数における定常ノイズ成分の密度を抽出し（ステップＳ７）、抽出されたノイズ密度に基づいて磁気センサのノイズ特性を評価する（ステップＳ８）ものである。これによれば、磁気センサ１０の１／ｆノイズを定量的に評価することが可能となる。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気センサに印加される磁場が一定である状態で、前記磁気センサから出力される定常ノイズ成分を所定時間収録することによって測定データを取得し、
前記測定データをフーリエ変換することによって、前記定常ノイズ成分の周波数特性を取得し、
前記周波数特性から、所定の評価周波数における前記定常ノイズ成分の密度を抽出し、
前記密度に基づいて、前記磁気センサのノイズ特性を評価する、
磁気センサのノイズ評価方法。

【請求項2】

前記測定データに不規則ノイズ成分が重畳している場合、前記測定データから、前記不規則ノイズ成分が含まれる期間を除去した後に、前記フーリエ変換を行う
請求項１に記載の磁気センサのノイズ評価方法。

【請求項3】

前記測定データを時間軸で分割することにより複数の分割データを生成し、
前記複数の分割データごとに、所定のしきい値を超える変動が生じている場合に、前記不規則ノイズ成分が重畳していると判定する、
請求項２に記載の磁気センサのノイズ評価方法。

【請求項4】

前記所定のしきい値は、対応する前記分割データにおける定常ノイズ成分の平均値に比例する、
請求項３に記載の磁気センサのノイズ評価方法。

【請求項5】

前記測定データに含まれる前記評価周波数の１／１０未満の周波数成分を除去する、
請求項１に記載の磁気センサのノイズ評価方法。

【請求項6】

前記測定データをフーリエ変換した後、関数フィッティングにより前記周波数特性を修正する、
請求項１に記載の磁気センサのノイズ評価方法。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載のノイズ評価方法を実行する、磁気センサのノイズ評価装置。

【請求項8】

コンピュータに、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のノイズ評価方法を実行させるためのコンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は磁気センサのノイズ評価方法に関し、特に、磁気センサの１／ｆノイズを評価する方法に関する。また、本開示は、このようなノイズ評価方法を実行するための装置及びコンピュータプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１～４には、磁気センサのノイズ評価方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０－３２０７２７号公報

【特許文献2】特開２００８－２５１０８０号公報

【特許文献3】特許第３８３５１５５号公報

【特許文献4】特許第４０１５９２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１～４に開示された方法では、磁気センサの１／ｆノイズを定量的に評価することが困難である。

【0005】

本開示においては、磁気センサの１／ｆノイズを定量的に評価する技術が説明される。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面による磁気センサのノイズ評価方法は、磁気センサに印加される磁場が一定である状態で、磁気センサから出力される定常ノイズ成分を所定時間収録することによって測定データを取得し、測定データをフーリエ変換することによって、定常ノイズ成分の周波数特性を取得し、周波数特性から、所定の評価周波数における定常ノイズ成分の密度を抽出し、密度に基づいて磁気センサのノイズ特性を評価するものである。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、磁気センサの１／ｆノイズを定量的に評価する技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示に係る技術の一実施形態による磁気センサのノイズ評価装置１００の構成を説明するためのブロック図である。

【図2】図２は、磁気センサ１０の回路図の一例である。

【図3】図３は、評価用出力回路２０の回路図の一例である。

【図4】図４は、収録装置３０に収録された測定データの一例を示す波形図である。

【図5】図５は、磁気センサのノイズ評価方法を説明するためのフローチャートである。

【図6】図６は、測定データに不規則ノイズ成分が含まれている状態を示す波形図である。

【図7】図７は、フーリエ変換によって得られた定常ノイズ成分の周波数特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら、本開示に係る技術の実施形態について詳細に説明する。

【0010】

図１は、本開示に係る技術の一実施形態による磁気センサのノイズ評価装置１００の構成を説明するためのブロック図である。

【0011】

図１に示すように、本実施形態によるノイズ評価装置１００は、磁気センサ１０のノイズ特性を評価するための装置であり、評価用出力回路２０、収録装置３０及びコンピュータ４０を備えている。収録装置３０は、コンピュータ４０の一部であっても構わない。

【0012】

図２は、磁気センサ１０の回路図の一例である。

【0013】

図２に示す磁気センサ１０は、電源ＶＣＣ及びグランドＧＮＤ間に、４つの磁気抵抗効果素子１１～１４がブリッジ接続された構成を有している。磁気抵抗効果素子１１～１４は、磁場強度に応じて電気抵抗が変化する素子であり、例えばＧＭＲ素子である。磁気抵抗効果素子１１，１２は直列に接続され、これらの接続点からセンサ信号Ｖｂが出力される。磁気抵抗効果素子１４，１３は直列に接続され、これらの接続点からセンサ信号Ｖａが出力される。センサ信号Ｖａ，Ｖｂは、評価用出力回路２０に供給される。磁気抵抗効果素子１１～１４の２つ又は３つを純抵抗に置き換えても構わない。

【0014】

図３は、評価用出力回路２０の回路図の一例である。

【0015】

図３に示す評価用出力回路２０は、センサ信号Ｖａ，Ｖｂを増幅するアンプＡと、アンプＡの出力信号Ｖｃから低周波成分を除去するハイパスフィルタ２１と、アンプＡの出力信号Ｖｃを増幅するアンプＣと、アンプＣの出力信号Ｖｄから低周波成分を除去して出力信号Ｖｏｕｔを生成するハイパスフィルタ２２とを備えている。アンプＡは、端子Ａ１～Ａ８を有しており、端子Ａ４，Ａ１にそれぞれセンサ信号Ｖａ，Ｖｂが入力される。端子Ａ２，Ａ３間には、ゲイン調整用の抵抗２３が接続される。端子Ａ８には正の電源電位（例えば＋１５Ｖ）が供給され、端子Ａ５には負の電源電位（例えば－１５Ｖ）が供給される。端子Ａ６にはリファレンス電位Ｒｅｆが供給され、端子Ａ７からは出力信号Ｖｃが出力される。出力信号Ｖｃの振幅の中間レベルは、端子Ａ６に供給されるリファレンス電位Ｒｅｆによって決まる。これにより、センサ信号Ｖａ，Ｖｂのレベル差が増幅され、リファレンス電位Ｒｅｆを中心として変動する出力信号Ｖｃが生成される。

【0016】

アンプＡの出力信号Ｖｃは、ハイパスフィルタ２１に供給される。ハイパスフィルタ２１は、アンプＢを含んでいる。アンプＢは、端子Ｂ２～Ｂ４，Ｂ６，Ｂ７を有しており、抵抗２４を介して端子Ｂ２にアンプＡの出力信号Ｖｃが入力される。端子Ｂ３は接地される。端子Ｂ７には正の電源電位（例えば＋１５Ｖ）が供給され、端子Ｂ４には負の電源電位（例えば－１５Ｖ）が供給される。端子Ｂ６からはリファレンス電位Ｒｅｆが出力される。また、端子Ｂ２と端子Ｂ６の間には、キャパシタ２５が接続される。これにより、出力信号ＶｃのオフセットがアンプＡにフィードバックされ、キャンセルされる。つまり、出力信号Ｖｃの低周波成分がカットされる。

【0017】

低周波成分が除去された出力信号Ｖｃは、アンプＣに供給される。アンプＣは、端子Ｃ２～Ｃ４，Ｃ６，Ｃ７を有しており、端子Ｃ３にアンプＡの出力信号Ｖｃが入力される。端子Ｃ２は、抵抗２６を介して接地されるとともに、抵抗２７を介して端子Ｃ６に接続される。端子Ｃ７には正の電源電位（例えば＋１５Ｖ）が供給され、端子Ｃ４には負の電源電位（例えば－１５Ｖ）が供給される。端子Ｃ６からは出力信号Ｖｄが出力される。これにより、アンプＡの出力信号ＶｃがアンプＣによってさらに増幅される。

【0018】

アンプＣの出力信号Ｖｄは、ハイパスフィルタ２２に供給される。ハイパスフィルタ２２は、キャパシタ２８及び抵抗２９を含んでおり、これらの接続点から出力信号Ｖｏｕｔが出力される。これにより、出力信号Ｖｄに含まれる直流成分などの低周波成分がカットされる。このようにして生成される出力信号Ｖｏｕｔは、収録装置３０に供給される。

【0019】

そして、実際に磁気センサ１０のノイズ特性を評価する場合には、磁気センサ１０に印加される磁場が一定である状態で、出力信号Ｖｏｕｔを収録装置３０に所定時間収録することによって測定データを取得する。磁気センサ１０に印加される磁場が一定である状態とは、例えば磁気シールドルーム内に磁気センサ１０を収容した状態であっても構わないし、磁気センサ１０に印加される磁場が地磁気だけである状態であっても構わない。このような状態においては、磁気抵抗効果素子１１～１４に印加される磁界が同じであることから、理想的にはセンサ信号Ｖａ，Ｖｂのレベルが一致し、差動信号成分がゼロとなる。しかしながら、実際には、磁気抵抗効果素子１１～１４に印加される磁界が同じであっても、センサ信号Ｖａ，Ｖｂのレベルが完全に一致することはなく、差動信号成分が現れる。このような差動信号成分は、磁気センサ１０に固有の定常ノイズ成分である。

【0020】

図４は、収録装置３０に収録された測定データの一例を示す波形図である。図４に示す例では、定常ノイズ成分の中心レベルが－０．００７５Ｖであり、振幅の最大値が約０．０１５Ｖ、振幅の平均値が約０．０１Ｖである。磁気センサ１０は、定常ノイズ成分の振幅が小さいほど優れている（低ノイズである）と言えるが、測定対象となる磁界の周波数成分が例えば１ｋＨｚ以下といった低い周波数帯である場合には、１／ｆノイズの影響が大きく、単純に定常ノイズ成分の振幅だけでは評価が困難である。

【0021】

図５は、本実施形態による磁気センサのノイズ評価方法を説明するためのフローチャートである。図５に示す動作は、コンピュータ４０を構成するハードウェア資源が所定のコンピュータプログラムを実行することにより行っても構わない。

【0022】

まず、上述の通り、磁気センサ１０に印加される磁場が一定である状態で、出力信号Ｖｏｕｔを収録装置３０に所定時間収録することによって測定データを取得した後（ステップＳ１）、定常ノイズ成分の振幅の平均値に基づいて、所定のしきい値を設定する（ステップＳ２）。しきい値は、測定データに不規則ノイズ成分が重畳しているか否かを判定するための値であり、定常ノイズ成分の振幅の平均値に比例する値とすることができる。一例として、定常ノイズ成分の振幅の平均値が０．０１Ｖであれば、その２倍である０．０２Ｖをしきい値として設定しても構わない。

【0023】

そして、測定データにしきい値を超える変動が含まれているか否かを評価することにより、不規則ノイズの有無を判定する（ステップＳ３）。不規則ノイズとは、定常ノイズ成分とは異なり、突発的に生じる一種のポップコーンノイズ又はバルクハウゼンノイズの類である。図６は、測定データに不規則ノイズ成分が含まれている状態を示す波形図である。図６に示すように、不規則ノイズが発生すると、出力信号Ｖｏｕｔのレベルが瞬間的に大きく変動する。このような変動は、定常ノイズ成分の正しい評価の妨げとなることから、不規則ノイズ成分が含まれている場合には、不規則ノイズ成分が含まれる期間を除去する（ステップＳ４）。除去すべき期間としては、例えば、図６に示すように、不規則ノイズが発生する直前のタイミングｔ１から数秒が経過したタイミングｔ２までの期間とすることができる。これにより、不規則ノイズの影響をほぼ完全に除去することができる。

【0024】

また、測定データを時間軸で分割することにより複数の分割データを生成し、複数の分割データごとに不規則ノイズ成分の有無判定（ステップＳ３）及び除去処理（ステップＳ４）を行っても構わない。これによれば、より正確な不規則ノイズ成分の有無判定を行うことが可能となる。

【0025】

このようにして不規則ノイズ成分の除去を行った後、測定データをフーリエ変換することによって、定常ノイズ成分の周波数特性を取得する（ステップＳ５）。図７は、フーリエ変換によって得られた定常ノイズ成分の周波数特性を示すグラフである。図７に示す特性Ｄは、不規則ノイズ成分の除去を行った後に測定データをフーリエ変換することによって得られた周波数特性を示し、図７に示す特性Ｅは、不規則ノイズ成分の除去を行うことなく測定データをフーリエ変換することによって得られた周波数特性を示している。図７に示すように、１ｋＨｚ以下の周波数帯域においては１／ｆノイズが顕著であり、周波数に反比例してノイズ密度が高くなる。また、特性Ｄと特性Ｅの比較から分かるように、不規則ノイズ成分の除去を行わない場合、不規則ノイズ成分の影響によって低周波帯域におけるノイズ密度が高くなる。

【0026】

測定データをフーリエ変換した後、フーリエ変換により得られた周波数特性を関数フィッティングにより修正する（ステップＳ６）。本発明においてこのような関数フィッティングを行うことは必須でないが、関数フィッティングを行うことにより、直線的な周波数特性が得られることから、より正確なノイズ特性評価が可能となる。

【0027】

次に、得られた周波数特性から、所定の評価周波数における定常ノイズ成分の密度を抽出する（ステップＳ７）。評価周波数は、評価対象である磁気センサ１０の用途に応じて決定すれば良く、磁気センサ１０の実使用時において、測定対象となる周波数帯域内の任意の周波数に設定すればよい。特に、実使用時に測定対象となる周波数帯域の最も低い周波数を評価周波数として設定すれば、より高いノイズ密度を得ることができる。一例として、実使用時に測定対象となる周波数帯域が１Ｈｚ～１ｋＨｚであれば、１Ｈｚを評価周波数とすればよい。

【0028】

そして、評価周波数における定常ノイズ成分の密度が規定値以下か否かを評価し（ステップＳ８）、規定値以下であれば合格品であると判定し（ステップＳ９）、規定値を超えていれば不合格品であると判定する（ステップＳ１０）。或いは、磁気センサ１０の良否を判定するだけでなく、評価周波数におけるノイズ密度に応じて磁気センサ１０のグレードを判定しても構わない。

【0029】

以上説明したように、本実施形態よるノイズ評価方法を用いれば、測定対象となる磁界の周波数成分が低い場合に顕著となる１／ｆノイズの発生密度を正しく評価することが可能となる。また、図７に示すように、評価周波数におけるノイズ密度は、不規則ノイズ成分の影響を大きく受けるものの、不規則ノイズ成分を除去することにより（特性Ｅ→特性Ｄ）、定常ノイズ成分のノイズ密度をより正確に評価することが可能となる。

【0030】

しかも、本実施形態においては、ハイパスフィルタ２１，２２を含む評価用出力回路２０を用いることによって、低周波成分が除去された出力信号Ｖｏｕｔを生成していることから、センサ信号Ｖａ，Ｖｂの揺らぎなどに起因するノイズ成分が評価に影響することがない。評価用出力回路２０によって除去する低周波成分としては、評価周波数の１／１０未満の周波数成分としても構わない。これによれば、評価周波数におけるノイズ密度に影響を与えることなく、揺らぎなどノイズ評価に不要な成分を除去することが可能となる。

【0031】

以上、本開示に係る技術の実施形態について説明したが、本開示に係る技術は、上記の実施形態に限定されることなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本開示に係る技術の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【0032】

本開示に係る技術には、以下の構成例が含まれるが、これに限定されるものではない。

【0033】

本開示の一側面による磁気センサのノイズ評価方法は、磁気センサに印加される磁場が一定である状態で、磁気センサから出力される定常ノイズ成分を所定時間収録することによって測定データを取得し、測定データをフーリエ変換することによって、定常ノイズ成分の周波数特性を取得し、周波数特性から、所定の評価周波数における定常ノイズ成分の密度を抽出し、密度に基づいて磁気センサのノイズ特性を評価するものである。これによれば、磁気センサの１／ｆノイズを定量的に評価することが可能となる。

【0034】

上記のノイズ評価方法において、測定データに不規則ノイズ成分が重畳している場合、測定データから、不規則ノイズ成分が含まれる期間を除去した後に、フーリエ変換を行っても構わない。これによれば、不規則ノイズ成分の影響を排除した状態で評価を行うことが可能となる。

【0035】

上記のノイズ評価方法において、測定データを時間軸で分割することにより複数の分割データを生成し、複数の分割データごとに、所定のしきい値を超える変動が生じている場合に、不規則ノイズ成分が重畳していると判定しても構わない。これによれば、より正確な不規則ノイズ成分の有無判定を行うことが可能となる。

【0036】

上記のノイズ評価方法において、所定のしきい値は、対応する分割データにおける定常ノイズ成分の平均値に比例するものであっても構わない。これによれば、より正確な不規則ノイズ成分の有無判定を行うことが可能となる。

【0037】

上記のノイズ評価方法において、測定データに含まれる評価周波数の１／１０未満の周波数成分を除去しても構わない。これによれば、評価周波数におけるノイズ密度に影響を与えることなく、揺らぎなどノイズ評価に不要な成分を除去することが可能となる。

【0038】

上記のノイズ評価方法において、測定データをフーリエ変換した後、関数フィッティングにより周波数特性を修正しても構わない。これによれば、直線的な周波数特性が得られることから、より正確なノイズ特性評価が可能となる。

【符号の説明】

【0039】

１０ 磁気センサ
１１～１４ 磁気抵抗効果素子
２０ 評価用出力回路
２１，２２ ハイパスフィルタ
２３，２４，２６，２７，２９ 抵抗
２５，２８ キャパシタ
３０ 収録装置
４０ コンピュータ
１００ ノイズ評価装置
Ａ，Ｂ，Ｃ アンプ
Ａ１～Ａ８，Ｂ２～Ｂ４，Ｂ６，Ｂ７，Ｃ２～Ｃ４，Ｃ６，Ｃ７ 端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】