CN105408757A - 磁场检测装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够以高SN比检测从标记线圈产生的交变磁场的磁场检测装置。磁场检测装置(1)具备：谐振电路(10)，其具有将交变磁场的磁场信号变换为电压信号的卷绕状的线圈(11)以及与该线圈(11)并联连接的电容器(12)；串联连接在该谐振电路(10)的后级的电容器(20)；以及连接在该电容器(20)的后级的低噪声放大器(30)，其中，电容器(20)具有符号与交变磁场的检测频率下的谐振电路(10)的阻抗的虚部的符号相反的电抗，谐振电路(10)和电容器(20)的合成阻抗的绝对值小于线圈(11)的内阻。

Description

磁场检测装置

技术领域

本发明涉及一种对微弱的磁场进行检测的磁场检测装置。

背景技术

已知一种通过对检测对象物所产生的微弱的磁场进行检测来测定该检测对象物的位置的位置测定技术。例如，在内窥镜领域，正在加快开发如下一种位置检测系统：在形成为能够被导入到被检体的消化道内的大小的胶囊型内窥镜的内部安装产生交变磁场的标记线圈，通过设置于被检体的外部的磁场检测装置来检测标记线圈所产生的交变磁场，从而测定胶囊型内窥镜在被检体内的位置。

在这种位置检测系统中，标记线圈所产生的交变磁场的强度微弱，因此，为了提高胶囊型内窥镜的位置检测精度，需要提高磁场检测装置的信号检测灵敏度(检测信号的SN比(信噪比))。

作为高灵敏度的磁场检测装置的例子，已知利用超导量子干涉效应的SQUID磁通计、利用巨磁阻效应的GMR磁场传感器等。在这些磁场检测装置中，为了实现高灵敏度而使用自励磁，但是一般来说，自励磁的电路结构是复杂的。

作为与检测灵敏度的高灵敏度化相关联的技术，在专利文献1中公开了一种对电容式麦克风的容量的微小变化进行检测的容量微小变化检测方法和检测电路。另外，在专利文献2中公开了一种降低由于在磁场检测装置的检测线圈中产生涡电流而增加的实际电阻成分的技术。

专利文献1：日本特开2001-116783号公报

专利文献2：日本特开2012-29972号公报

发明内容

发明要解决的问题

为了不使用自励磁而以简单的结构实现磁场检测装置的高灵敏度，例如能够考虑增加设置于磁场检测装置的磁场的检测线圈的匝数，或者使检测线圈的磁场检测面(开口面)的面积变大。然而，当增加检测线圈的匝数、磁场检测面的面积时，检测线圈的电阻也随之增加，因此导致热噪声增加。更详细地说，热噪声与检测线圈的电阻值的平方根成比例地增加。其结果，存在无法使由检测线圈检测出的磁场的检测信号的SN比变高的问题。因而，为了实现能够对微弱的磁场进行检测的高灵敏度且低噪声的磁场检测装置，需要降低热噪声。

在上述专利文献1中，将并联谐振电路与串联谐振电路进行组合来在频率区域内创建阻抗急剧变化的区域，将该急剧变化的区域设为动作点，由此实现容量变化的检测灵敏度的提高。然而，在专利文献1中未公开降低谐振电路的电阻成分的方法。

另外，在上述专利文献2中，通过将检测线圈的匝数限制为小于以规定的条件式限定的值来降低电阻成分。然而，在该情况下，对于通过增加匝数来实现检测灵敏度的提高而言存在限制，因此能够实现高灵敏度且低噪声的范围受到限制。

本发明是鉴于上述问题而完成的，提供一种能够以高SN比检测从标记线圈产生的交变磁场的磁场检测装置。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题并达成目的，本发明所涉及的磁场检测装置的特征在于，具备：谐振电路，其具有将交变磁场的磁场信号变换为电压信号的卷绕状的线圈以及与该线圈并联连接的电容器；串联连接在上述谐振电路的后级的元件；以及连接在上述元件的后级的低噪声放大器，其中，上述元件具有符号与上述交变磁场的检测频率下的上述谐振电路的阻抗的虚部的符号相反的电抗，上述谐振电路和上述元件的合成阻抗的绝对值小于上述线圈的内阻。

上述磁场检测装置的特征在于，在将上述线圈的自感设为L_s、将上述电容器的容量设为C₁的情况下，上述线圈的阻抗的绝对值大于

上述磁场检测装置的特征在于，上述元件在上述检测频率下的电抗与上述谐振电路的阻抗的虚部的大小相等。

上述磁场检测装置的特征在于，上述元件具有第二电容器、卷绕状的第二线圈以及电阻器中的至少任一个。

上述磁场检测装置的特征在于，上述元件具有：上述第二电容器，其与上述谐振电路串联连接；以及上述电阻器，其设置于该第二电容器与上述低噪声放大器之间，与上述谐振电路并联连接。

上述磁场检测装置的特征在于，上述元件构成使规定的频带的电信号截止的滤波器。

发明的效果

根据本发明，对谐振电路连接具有符号与该谐振电路的阻抗的虚部的符号相反的电抗的元件，并且使谐振电路和元件的合成阻抗的绝对值小于构成谐振电路的线圈的内阻，因此，即使在使线圈的匝数、开口面的面积增加了的情况下，也能够抑制线圈中产生的热噪声，从而降低噪声水平。因而，能够实现能够以高SN比检测交变磁场的磁场检测装置。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的磁场检测装置的一个结构例的示意图。

图2是表示图1所示的磁场检测装置的等效电路的图。

图3是表示图1所示的磁场检测装置中的阻抗的频率特性的曲线图。

图4是表示本发明的实施方式2所涉及的磁场检测装置的等效电路的图。

图5是表示本发明的实施方式2的变形例4所涉及的磁场检测装置的等效电路的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式所涉及的磁场检测装置。此外，在下面的说明中，各图只是以能够理解本发明的内容的程度概要性地示出形状、大小以及位置关系。因而，本发明并不限定于各图中例示的形状、大小以及位置关系。此外，在附图的记载中，对相同部分标注相同的附图标记。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的磁场检测装置的一个结构例的示意图。另外，图2是表示图1所示的磁场检测装置的等效电路的图。如图1所示，实施方式1所涉及的磁场检测装置1是接收交变磁场并将磁场信号变换为电信号的装置，该磁场检测装置1具备谐振电路10、作为串联连接在该谐振电路10的后级的元件的电容器20以及连接在该电容器20的后级的低噪声放大器30。

谐振电路10具有：线圈11，其由卷线构成，将接收到的磁场信号变换为电压信号；以及电容器12，其与该线圈11并联连接。下面，如图2所示那样将线圈11的内阻设为R_S、将自感设为L_s、将电容器12的容量设为C₁。另外，将谐振电路10的阻抗设为Z₁。

作为连接在谐振电路10的后级的元件，只要是具有符号与作为磁场检测装置1的检测对象的交变磁场的频率(检测频率f_det)下的谐振电路10的阻抗Z₁的虚部Im[Z₁]的符号相反的电抗的元件即可，可以使用电容器、线圈、电阻器等中的任一种。在实施方式1中，使用电容器20作为这种元件。下面，将电容器20的容量设为C₂。

低噪声放大器30对经由电容器20输入的电压信号进行放大，该电压信号是通过线圈11从磁场信号变换得到的。

接着，参照图3来说明构成磁场检测装置1的各部的特性值的条件。首先，通过下式(1)给出磁场检测装置1的噪声水平N_m。

【数式1】

$N_m=\sqrt{{V_n}^2+{\left(\right|Z_{in}\left|I_n\right)}^2+(4kT\·\mathrm{Re}\[Z_{in}\])}\mathrm{...}\left(1\right)$

在式(1)中，符号V_n表示低噪声放大器30的电压噪声，符号I_n表示低噪声放大器30的电流噪声，符号Z_in表示对于低噪声放大器30的输入阻抗、即谐振电路10和电容器20的合成阻抗。另外，符号k表示波尔兹曼常数，符号T表示绝对温度，Re[Z_in]表示合成阻抗Z_in的实部。

在此，为了提高磁场的检测灵敏度，需要增加线圈11的匝数和磁场检测面(开口面)的面积。另一方面，当增加线圈11的匝数和开口面的面积时，线圈11的内阻R_S变大，因此式(1)的热噪声成分4kT·Re[Z_in]变大。

因此，在实施方式1中，通过设定电容器12和电容器20的特性来实现上述热噪声成分的降低。

当将线圈11的电抗设为X_S＝ωL_s、将电容器12的电抗设为X₁＝1/ωC₁时，通过下式(2)给出谐振电路10的阻抗Z₁。此外，ω＝2πf_det，符号j表示虚数单位。

【数式2】

$Z_1=\frac{R_S{X_1}^2+{\mathrm{jX}}_1\left(X_S{X}_1-{R_S}^2-{X_S}^2\right)}{{R_S}^2+{\left(X_S-X_1\right)}^2}\mathrm{...}\left(2\right)$

另外，当将电容器20的电抗设为X₂＝1/ωC₂时，通过下式(3)给出谐振电路10和电容器20的合成阻抗Z_in。

Z_in＝Z₁-jX₂…(3)

根据式(1)，为了降低噪声水平N_m，只要使合成阻抗Z_in变小即可。因此，只要能够通过连接在谐振电路10的后级的元件的电抗来降低该谐振电路10的阻抗Z₁的虚部Im[Z₁]即可。因此，在实施方式1中，在谐振电路10的后级使用电抗的符号与谐振电路10的阻抗Z₁的虚部Im[Z₁]的符号相反的电容器20。

更为优选的是，可以使电容器20的电抗X₂与谐振电路10的阻抗Z₁的虚部Im[Z₁]的大小相等。由此，能够抵消该虚部Im[Z₁]，从而使合成阻抗Z_in的绝对值最小。通过下式(4)给出该条件。

【数式3】

$X_2=\frac{X_1(X_S{X}_1-{R_S}^2-{X_S}^2)}{{R_S}^2+{(X_S-X_1)}^2}\mathrm{...}\left(4\right)$

此时，通过下式(5)给出合成阻抗Z_in。

【数式4】

$Z_{in}=\frac{R_S{X_1}^2}{{R_2}^2+{(X_S-X_1)}^2}\mathrm{...}\left(5\right)$

另一方面，当合成阻抗的绝对值|Z_in|小于线圈11的内阻R_S时，能够降低噪声水平N_m。更严格地说，当合成阻抗的实部Re[Z_in]小于线圈11的内阻R_S时，能够降低式(1)所示的热噪声成分4kT·Re[Z_in]。根据式(3)，在连接在谐振电路10的后级的元件是电容器20的情况下，Re[Z_in]＝Re[Z₁]，因此满足该条件的范围是图3所示的小于频率f₁的范围或者大于频率f₂的范围。

由此，得到能够降低热噪声并将噪声水平N_m抑制到最低的条件式(6)。

【数式5】

$R_S>\frac{R_S{X_1}^2}{{R_S}^2+{(X_S-X_1)}^2}$

R_S ²+X_s ²>2X_SX₁…(6)

当使用线圈11的自感L_s和电容器12的容量C₁来表示该条件式(6)时，成为如下式(6’)那样。

【数式6】

${R_S}^2+{X_S}^2>\frac{2L_S}{C_1}\mathrm{...}\left(6^{,}\right)$

式(6’)的左边所示的R_S ²+X_S ²与线圈11的阻抗的绝对值的平方相当。因而，以满足下式(7)的方式对检测频率f_det下的电容器12的容量C₁进行设定，由此能够使合成阻抗Z_in的电阻成分(实部)小于线圈11的内阻R_S，能够降低热噪声成分。

【数式7】

如以上说明的那样，根据实施方式1，通过使用具有符号与谐振电路10的阻抗的虚部的符号相反的电抗的电容器20，能够降低磁场检测装置1的噪声水平。优选的是使电容器20的电抗与谐振电路10的阻抗的虚部的大小相等，由此能够使谐振电路10和电容器20的合成阻抗最小，因此能够进一步降低噪声水平。除此之外，以满足式(7)的方式对电容器12的容量进行设定，由此能够降低热噪声成分。因而，即使在为了实现高灵敏度而使线圈11的匝数和开口面的面积增加了的情况下，也能够将噪声水平抑制得低，从而能够以高SN比检测磁场。

(变形例1)

在上述实施方式1中，使用电容器20作为连接在谐振电路10的后级的元件，但是只要是具有符号与谐振电路10的阻抗的虚部的符号相反的电抗的元件即可，也可以应用线圈、电阻器等。例如，根据线圈11和电容器12的特性等条件，谐振电路10的阻抗的虚部的符号有时为负。在该情况下，只要在谐振电路10的后级另行连接线圈即可。

(实施方式2)

接着，说明本发明的实施方式2。

图4是表示本发明的实施方式2所涉及的磁场检测装置的等效电路的图。如图4所示，在实施方式2所涉及的磁场检测装置2中，取代图1所示的电容器20而应用具有电容器41和电阻器42的元件40来作为串联连接在谐振电路10的后级的元件。除磁场检测装置2的元件40以外，与实施方式1的结构相同。下面，将电容器41的容量设为C_f，将电阻器42的电阻值设为R_f。

元件40中的电容器41与谐振电路10串联连接，与实施方式1中的电容器20同样地，电容器41作为符号与谐振电路10的阻抗的虚部的符号相反的电抗而发挥作用。优选的是，可以将电抗与谐振电路10的阻抗的虚部的大小相等的元件用作电容器41。

另一方面，电阻器42与谐振电路10并联连接。因此，谐振电路10和元件40整体的合成电阻小于谐振电路10的电阻成分。因而，与实施方式1的情况相比，能够进一步减小被输入到低噪声放大器30的信号的噪声水平N_m。

另外，在该情况下，元件40还作为低频截止(高通)滤波器而发挥作用。因而，通过适当地设定容量C_f和电阻值R_f，能够选择性地仅对特定的频率(f_C＝1/2πR_fC_f)以上的高频带的磁场进行检测。

如以上说明的那样，根据实施方式2，能够降低噪声水平并且选择性地仅对特定的频率以上的磁场进行检测。

(变形例2)

在实施方式2中，通过适当地设定容量C_f和电阻值R_f，可以将元件40用作选择性地仅对特定的频率以下的低频带的磁场进行检测的高频截止(低通)滤波器。

(变形例3)

在实施方式2中，在根据线圈11和电容器12(参照图1)的特性等条件而谐振电路10的阻抗的虚部的符号为负的情况下，只要通过取代电容器41而连接线圈来使电抗的符号变为相反(正)即可。

(变形例4)

图5是表示实施方式2的变形例4所涉及的磁场检测装置的等效电路的图。在变形例4中，多级地设置有在实施方式2中说明的元件40。在该情况下，与谐振电路10并联连接的电阻器42增加，与之相应地，谐振电路10和多个元件40整体的合成电阻成分变小，因此能够进一步降低被输入到低噪声放大器30的信号的噪声水平。另外，在该情况下，能够得到急剧变化的滤波器特性，因此能够检测出信号的微小的变化。

以上说明的实施方式1和2以及变形例1～4只是用于实施本发明的例子，本发明并不限定于上述实施方式和变形例。另外，本发明通过将各实施方式1和2以及变形例1～4中公开的多个结构要素适当地组合而能够生成各种发明。根据上述记载，显而易见的是，本发明能够根据规格等进行各种变形，并且在本发明的范围内能够采用其它各种实施方式。

附图标记说明

1、2：磁场检测装置；10：谐振电路；11：线圈；12、20、41：电容器；30：低噪声放大器；40：元件；42：电阻器。

Claims (6)

1.一种磁场检测装置，其特征在于，具备：

谐振电路，其具有将交变磁场的磁场信号变换为电压信号的卷绕状的线圈以及与该线圈并联连接的电容器；

串联连接在所述谐振电路的后级的元件；以及

连接在所述元件的后级的低噪声放大器，

其中，所述元件具有符号与所述交变磁场的检测频率下的所述谐振电路的阻抗的虚部的符号相反的电抗，

所述谐振电路和所述元件的合成阻抗的绝对值小于所述线圈的内阻。

2.根据权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，

在将所述线圈的自感设为L_s、将所述电容器的容量设为C₁的情况下，所述线圈的阻抗的绝对值大于

3.根据权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述元件在所述检测频率下的电抗与所述谐振电路的阻抗的虚部的大小相等。

4.根据权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述元件具有第二电容器、卷绕状的第二线圈以及电阻器中的至少任一个。

5.根据权利要求4所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述元件具有：所述第二电容器，其与所述谐振电路串联连接；以及所述电阻器，其设置于该第二电容器与所述低噪声放大器之间，与所述谐振电路并联连接。

6.根据权利要求5所述的磁场检测装置，其特征在于，

所述元件构成使规定的频带的电信号截止的滤波器。