JP2002022705A - 磁気センサ及び磁界検出方法並びに装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】鋼板の内部乃至は表面欠陥に基づく漏洩磁束を
磁気インピ−ダンス素子によって、磁束の方向性を判別
し、かつ安定な直線特性のもとで検出することを可能と
する磁気センサを提供する。 【解決手段】外部磁界により変動される変動波を出力す
る磁気インピ−ダンス素子Ａを基板１１の片面に設け、
前記磁気インピ−ダンス素子Ａにバイアス磁界と負帰還
磁界とを重畳させて印加するためのコイルＣを基板１１
の他面に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気インピ−ダン
ス効果を利用した磁気センサ及び磁界検出方法並びに装
置に関し、例えば、漏洩磁束法により鋼板の内部乃至は
表面欠陥を検出するときに使用するものである。

【０００２】

【従来の技術】アモルファス合金ワイヤとして、自発磁
化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交
互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃
至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが開発されてい
る。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイ
ヤに高周波電流を通電したときに発生するワイヤ両端間
出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面
内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁
化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発
生する。従って、周方向透磁率μθは同外殻部の円周方
向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファ
スワイヤに外部磁界を作用させると、上記通電による円
周方向磁束と外部磁束との合成により、上記円周方向に
易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方
向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くな
り、上記周方向透磁率μθが変化する。すなわち、外部
磁界が作用したときの前記磁束の周方向からのずれをφ
とすれば、周方向磁束がcosφ倍減少され、この回転磁
化により前記μθが減少される。従って、このμθの減
少により、上記インダクタンス電圧分が減少されるよう
になる（磁気インダクタンス効果と称されている）。

【０００３】更に、上記通電電流の周波数がMHzオ−ダ
になると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝
（２ρ／wμθ）^１／２（μθは前記した通り、円周方
向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数)がμθにより
変化し、このμθが前記した通り、外部磁界によって変
化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も外
部磁界で変動するようになる（インダクタンス電圧分の
変動と抵抗電圧分の変動とを合わせて磁気インピ−ダン
ス効果と称されている）。

【０００４】そこで、外部磁界による上記インダクタン
ス電圧分と抵抗電圧分の双方、すなわち、ワイヤ両端間
出力電圧の変動から外部磁界を検出することが提案され
ている（例えば、特開平７−１８１２３９号）。

【０００５】上記の磁気インダクタンス効果や磁気イン
ピ−ダンス効果（インピ−ダンスはインダクタンスの上
位概念であり、以下、磁気インダクタンス効果を含めて
磁気インピ−ダンス効果と称する）によれば、前記アモ
ルファスワイヤ（以下、磁気インピ−ダンス素子と称す
る）に高周波電流を流したときに生じる磁気インピ−ダ
ンス素子両端間電圧が外部磁界により、振幅変調、周波
数変調または位相変調されることになる。而して、上記
磁気インピ−ダンス素子を用いて外部磁界を検出するに
は、基本的には、図８に示すように、励磁電流発生部
１'により磁気インピ−ダンス素子ａ’に高周波電流ま
たはパルス電流を通電し、磁気インピ−ダンス素子ａ’
に加わる外部磁界Ｈexによる磁気インピ−ダンス素子両
端間のインピ−ダンス変化に基づく変調波を検波部５'
で復調して外部磁界信号Ｅoutを検波していけばよい。

【０００６】上記の磁気インピ−ダンス効果において、
外部磁界の方向の正負により上記磁束の周方向ずれ角φ
にも正負が生じるが、周方向の磁束の減少倍率cos±φ
は変わらず、従って、μθの減少度は外部磁界の方向の
正負によっては変化されず、磁界の方向に対する判別性
がない。そこで、図８において、磁気インピ−ダンス素
子ａ’にバイアス用コイルｂ2'を付設し、Ｖｃｃによる
通電で外部磁界にバイアス磁界を重畳して作動点を移動
させることにより外部磁界の方向性を判別することが知
られている。すなわち、大きさが同一で方向が逆の外部
磁界−Ｈｘ、＋Ｈｘにバイアス磁界Ｈｂを印加して（Ｈ
ｂ−Ｈｘ）と（Ｈｂ＋Ｈｘ）とし、−Ｈｘと＋Ｈｘとを
識別して検出することが公知である。また、図８におい
て、磁気インピ−ダンス素子ａ’に負帰還用コイルｂ1'
を付設し、前記検出出力Ｅoutで磁気インピ−ダンス素
子ａ’に強負帰還をかけて検出特性の直線化を図ること
も知られている。而して、従来の磁気インピ−ダンス素
子使用の磁気センサでは、バイアス用コイル及び負帰還
用コイルを巻き付けたボビンに磁気インピ−ダンス素子
を挿入している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】鋼板内部乃至は表面の
欠陥を検出する方法として、走行中の鋼板に所定の位置
で磁界を印加し、欠陥のために漏洩する磁束の水平成分
を磁気センサで検出することが公知であり、その磁束の
鋼板表面からの漏洩範囲は極めて狭小である（通常、１
０００μｍ以内）。而るに、従来の磁気インピ−ダンス
素子使用の磁気センサでは、バイアス用コイル及び負帰
還用コイルを巻き付けたボビンのために、磁気インピ−
ダンス素子と鋼板表面との間隔が上記磁束漏洩範囲より
も大きくなり、効果的な欠陥検出を行い難い。

【０００８】尤も、国際公開Ｗ０９９／０６８４８号公
報には、絶縁基板の片面に磁気インピ−ダンス素子を設
け、絶縁基板の他面にバイアス磁界用プリントコイルを
設けた磁気センサが開示されている。しかしながら、こ
の磁気センサでは、負帰還磁界用コイルを備えておら
ず、直線検出特性を達成できない。この場合、絶縁基板
の他面にバイアス磁界用のプリントコイルと共に負帰還
磁界用のプリントコイルを形成することも考えられる
が、通常の絶縁基板の寸法内（巾５ｍｍ以下、長さ１０
ｍｍ以下）でバイアス磁界用のプリントコイルと共に負
帰還磁界用のプリントコイルを形成することは、スペ−
ス上困難であり、磁気センサの寸法増大乃至はコストア
ップが避けられない。

【０００９】本発明の目的は、鋼板の内部乃至は表面欠
陥に基づく漏洩磁束を磁気インピ−ダンス素子によっ
て、磁束の方向性を判別し、かつ安定な直線特性のもと
で検出することを可能とする磁気センサを提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る磁気センサ
は、外部磁界により変動される変動波を出力する磁気イ
ンピ−ダンス素子を基板の片面に設け、前記磁気インピ
−ダンス素子にバイアス磁界と負帰還磁界とを重畳させ
て印加するためのコイルを基板の他面に設けたことを特
徴とする構成であり、コイルには、一対の巻線コイル、
または一対のプリントコイルを用いることができる。ま
た、磁気インピ−ダンス素子とで磁気ループ回路を構成
するＣ型またはコ型磁性コアに巻線コイルを巻装するこ
ともできる。本発明に係る磁界検出方法は、前記磁気セ
ンサの基板片面側を被磁界検出体に近接させると共に磁
気インピ−ダンス素子にバイアス磁界と負帰還磁界とを
重畳させて印加しつつ、磁気センサと被磁界検出体とを
相対的に移動させることを特徴とする構成である。本発
明に係る磁界検出装置は、外部磁界により変動される変
動波を出力する磁気インピ−ダンス素子を磁気センサと
して用いる磁界検出装置であり、積層基板の片面に前記
磁気インピ−ダンス素子を設け、該磁気インピ−ダンス
素子にバイアス磁界と負帰還磁界とを重畳させて印加す
るためのプリントコイルを積層基板の中間層に設け、積
層基板の他面に前記磁気インピ−ダンス素子及びコイル
以外の回路部分を設けたことを特徴とする構成である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１の（イ）は本発明に
係る磁気センサの一実施例を示す平面図、図１の（ロ）
は同じく底面図、図１の（ハ）は図１の（ロ）における
ハ−ハ断面図をそれぞれ示している。図１において、１
１は絶縁基板、例えばセラミックス基板である。１２，
１２は絶縁基板１１の片面に設けた対電極であり、導電
ペ−ストの印刷・焼付けにより形成できる。１２１は電
極１２に設けた突出部である。１３は各電極１２にはん
だ付けや溶接により固着したリ−ドピンである。Ａは電
極１２，１２の突出部１２１，１２１間にはんだ付けや
溶接により接続した磁気インピ−ダンス素子であり、零
磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファス
リボンを使用できる。その外、スパッタ膜の使用も可能
である。Ｃは絶縁基板１１の他面に設けた一対の巻線コ
イル、１４１は一対の巻線コイル間を接続した導線であ
り、磁気回路ｍに磁気インピ−ダンス素子Ａの全長を含
ませ、かつ発生磁束を最大とするように、各巻線コイル
をその中心と磁気インピ−ダンス素子端とを位置的に一
致させて基板１１に垂直に接着剤で固定してある。１４
は巻線コイルの磁性コアである。

【００１２】図２の（イ）に示すように、磁気インピ−
ダンス素子の全長を含む磁気回路を構成するＣ形乃至コ
型の磁性コアに両巻線コイルＣを巻装すれば、磁気回路
の磁気抵抗を小さくして巻線コイルの同一の通電電流の
もとでの発生磁束を増加させることができる。また、図
２の（ロ）に示すように、磁気インピ−ダンス素子の全
長を含む磁気回路を構成するＣ形乃至コ形磁性コア１４
０に一個の巻線コイルＣを巻装し、これを基板１１の他
面に接着剤で固定することもできる。上記において、プ
リントコイルＣを、基板１１の他面に印刷し、その印刷
面上に絶縁層をコートしたり、プリントコイルＣを印刷
した絶縁フィルムのその印刷面を基板１１の他面に接着
することができる。

【００１３】図３の（イ）は本発明に係る磁気センサの
別実施例を示す平面図、図３の（ロ）は同じく底面図を
それぞれ示している。図３において、１１は絶縁基板、
１２，１２は絶縁基板１１の片面に設けた対電極、１３
は各電極１２に固着したリ−ドピン、Ａは電極１２，１
２の突出部１２１，１２１間に接続した磁気インピ−ダ
ンス素子である。Ｃは絶縁基板１１の他面に形成した一
対のプリントコイルであり、磁気回路に磁気インピ−ダ
ンス素子Ａの全長を含ませ、かつ磁束を最大とするよう
に、実質的に磁気インピ−ダンス素子Ａの各端と各プリ
ントコイルＣの中心とを一致させてある。これらプリン
トコイルの形状は四角形の渦巻パタ−ンとすることがで
きる。１４１はプリントコイル間を導通したプリント導
体であり、プリントコイルとは絶縁膜によって絶縁され
ている。

【００１４】図４は本発明に係る磁気センサを用いた基
本的な磁界検出装置の回路構成の一例を示している。図
４において、１は高周波励磁電流発生部である。Ｅは本
発明に係る上記の磁気センサであり、Ａは磁気インピ−
ダンス素子を、Ｃはコイルをそれぞれ示している。５は
磁気インピ−ダンス素子Ａの出力波から磁気インピ−ダ
ンス効果による出力分（以下、外部磁界信号と称する）
を取り出すための検波回路である。６１は外部磁界信号
Ｅoutの検出端である。８は外部磁界信号にバイアス磁
界発生用信号を加算、または減算し、その加算または減
算出力を前記コイル負帰還磁界に入力する演算回路であ
り、図示の例では、出力より反転入力端子に負帰還をか
けた演算増幅器(負帰還路挿入インピーダンスＺ_２、入
力側挿入インピーダンスＺ_１)を使用している。

【００１５】上記の磁界検出装置によって検出しようと
する最大外部磁界Ｈexを±Ｈmaxとすれば、その全域に
わたり、検出特性が極性判別可能な非対称となる、バイ
アス磁界を前記コイルによって印加できるように、諸定
数（Ｖcc，Ｚ_１，Ｚ_２，抵抗Ｒ，コイル巻数等）を調整
してある。

【００１６】また、負帰還を施さない場合の検出感度を
α、帰還率をβとすれば、負帰還理論によってαβ≫１
に設定して

【数１】 Ｅout＝Ｈex／β＋Ｋ （１） としてあり（ただし、Ｋはバイアス電流で定まる定
数）、コイルの巻数をｎ、コイル長をＬ、負帰還抵抗を
Ｒとすれば、β＝ｎＺ_２／（ＬＲＺ_１）であり、

【数２】 Ｅout＝Ｚ₁ＬＲＨex／Ｚ_２ｎ＋Ｋ （２） を成立させて検出特性を直線性としてある。

【００１７】上記磁界検出装置を用いて鋼板の内部欠陥
を検出するには、図５に示すように、鋼板Ｐを走行さ
せ、磁化ロ−ルＲ内の磁化器Ｍで鋼板Ｐを磁化し、鋼板
表面に磁気センサＥの磁気インピ−ダンス素子搭載面の
リードピンを接触させ（スプリングＳ等で弾性的に接触
させる）、前記したように磁気センサＥの磁気インピ−
ダンス素子に励磁電流を通電する。鋼板に欠陥が存在す
ると、磁束が欠陥部上の空間に漏洩し、この漏洩磁界の
水平成分が磁気インピ−ダンス素子を通過するために磁
気インピ−ダンス素子に磁化回転が発生し、前記したμ
θが低下する。そして、表皮効果が強く現れる高周波の
もとでの磁気インピ−ダンス素子のインピ−ダンスが、
（ｗμθ）^１／２に比例するから、前記Ｈexの増大に伴
うμθの減少により信号出力Ｅoutが変化する。この信
号出力は磁気インピ−ダンス素子のインピ−ダンス変化
に基づくものであるから、磁気インピ−ダンス素子の通
電電流の振幅変調波として現れる。そこで、図４に示す
検出装置の検波回路５で復調し出力信号を取出して外部
磁界信号Ｅoutを得る。

【００１８】上記において、バイアス磁界を加えない場
合、検出特性が対称形になるが、上記の実施例では、外
部磁界にバイアス磁界を重畳しているから、非対称形で
あり、符号が異なる等しい磁界強度の外部磁界を判別し
て検出できる。而して、漏洩磁束の大きさが等しく符号
がことなる対称異方向性の鋼板内部欠陥の対称異方向性
を判別できる。また、負帰還をかけており、前記の式２
の関係を充足させ得るから、漏洩磁束を安定に直線形で
検出できる。

【００１９】上記磁気センサにおいては、表皮効果が現
れる周波数帯域の励磁電流を流して磁気インピ−ダンス
効果を利用しているが、表皮効果が現れれない周波数帯
域の励磁電流を流してインダクタンス変化のみを利用す
ること、すなわち磁気インダクタンス効果を利用するこ
ともできる。

【００２０】上記磁界検出装置における、磁気インピ−
ダンス素子の励磁電流のソ−スには、周囲温度による影
響が少ない圧電効果型発振器（圧電効果を利用した発振
器であり、代表的なものは水晶発振器であるが、セラミ
ックス発振器も使用可能である）を用いることが有利で
あり、その発振器の矩形発振出力を積分して得られる三
角波を励磁電流として使用することが好ましい。この三
角波には、水平部をほとんど含まず立上り傾斜部と立ち
下がり傾斜部との繰返しからなるものであれば全て含ま
れ、いわゆるノコギリ波も含まれる。また、上記検波回
路５には、ダイオ−ドを使用した復調回路を用いること
もできるが、ダイオ−ドの不安定な温度特性のために周
囲温度によっても信号出力（外部磁界検出値）の変動が
生じるので、理想ダイオ−ドを用いた復調回路を使用す
ることが望ましい。更に、上記復調信号が通常０．６３
×１０^−３Ｖ／Ａ/m程度であり極めて小さいので、その
信号を制御回路や表示器の出力として使用する場合、増
幅器で増幅することが望ましい。

【００２１】図６は本発明に係る磁気センサを用いた磁
界検出装置の一例を示している。図６において、ＯＳＣ
は水晶発振器であり、その発振出力は矩形波である。
ｃ'は直流分カット用コンデンサ、２は積分回路であ
り、矩形波を三角波に形成している。３は三角波増幅回
路、３１は増幅入力調節器である。Ｅは本発明に係る磁
気センサであり、Ａは磁気インピ−ダンス素子を、Ｃは
コイルをそれぞれ示している。５は検波器としてのショ
ットキ−バリアダイオ−ド、６１は信号出力端である。
８は演算増幅器であり、外部磁界信号とバイアス磁界発
生用信号とを入力し、所定の増幅度で増幅して前記コイ
ル負帰還磁界に入力している。

【００２２】図７は本発明に係る磁気センサを用いた磁
界検出装置の別例を示している。図７において、１は矩
形波発振回路であり、低電力のＣＭＯＳ−ＩＣを発振部
とし、発振周波数の安定化のために水晶発振子Ｐを並設
してある。２は三角波形成用積分回路、３は増幅回路で
ある。Ｅは本発明に係る磁気センサであり、Ａは磁気イ
ンピ−ダンス素子を、Ｃはコイルをそれぞれ示してい
る。５は検波回路であり、ショットキ−バリアダイオ−
ドと演算増幅器とを組み合わせてなる反転型理想ダイオ
オ−ドを使用して周囲温度による復調出力の変動を防止
している。５１は復調信号のピ−クホ−ルド回路、６は
出力信号増幅器、６２は０点調節器、６１は信号出力端
である。８は演算増幅器であり、外部磁界信号とバイア
ス磁界発生用信号とを入力し、所定の増幅度で増幅して
前記コイル負帰還磁界に入力している。

【００２３】上記の磁界検出回路では、外部磁界信号に
前記外部磁界に対するバイアス信号を加算または減算し
てそのバイアス信号重畳負帰還信号を前記コイルに入力
する演算回路に演算増幅回路を使用しているが、差動増
幅回路を使用することもでき、更にアイソレ−ションア
ンプ、フォトカプラ等の使用も可能である。

【００２４】上記のように、周囲温度による影響が少な
い水晶発振器の矩形波発振出力、または水晶発振子で発
振周波数を安定化したＣＭＯＳ・ＩＣ発振器の矩形波発
振出力を積分して得た三角波を励磁電流に使用すれば、
周囲温度の影響をよく抑えて外部磁界を検出でき、更
に、検波回路に理想ダイオード回路を使用すれば、励磁
電流に振幅変調された外部磁界信号を周囲温度の影響を
充分に抑えて検波できる、等の利点が得られる。

【００２５】上記図４、図６、図７等に示した磁界検出
装置の小型化を図るために、、積層基板の片面に磁気イ
ンピ−ダンス素子Ａを設け、磁気インピ−ダンス素子に
バイアス磁界と負帰還磁界とを重畳させて印加するため
のプリントコイルＣを積層基板の中間層に設け、積層基
板の他面に磁気インピ−ダンス素子及びコイル以外の回
路部分、例えば図４に示す装置の場合は、 高周波励磁
電流発生部１、検波回路５、外部磁界信号Ｅoutの検出
端６１、は外部磁界信号にバイアス磁界発生用信号を加
算、または減算し、その加算または減算出力を前記コイ
ル負帰還磁界に入力する演算回路８等を設けることがで
きる。

【００２６】

【発明の効果】本発明は磁気インピ−ダンス素子を用い
た磁気センサにおいて、基板の片面に磁気インピ−ダン
ス素子を設け、基板の他面にコイルを設けており、基板
片面を鋼板表面に近接させることによって鋼板内部欠陥
箇所の磁束漏洩範囲内に磁気インピ−ダンス素子を位置
させることができるから、鋼板の内部欠陥を磁気インピ
−ダンス素子により検出でき、しかも、その検出におい
て、基板他面の共通のコイルで磁気インピ−ダンス素子
に負帰還磁界とバイアス磁界とを印加できるから、漏洩
磁束の方向性、従って欠陥の方向性を判別し、かつ安定
な直線特性のもとで検出できる。また、負帰還磁界とバ
イアス磁界の両磁界を印加するためのコイルを共用の一
個にしているから、別々のコイルを使用する場合に較べ
磁気センサの小型化乃至は低廉化を図ることができる。
更に、請求項５の磁界検出装置では、積層による三次元
構造にしているから、上記磁気センサの小型化と相俟っ
て磁気検出装置全体の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気センサの一例を示す図面であ
る。

【図２】本発明に係る磁気センサの上記とは別の異なる
例の要部を示す図面である。

【図３】本発明に係る磁気センサの上記とは別の例を示
す図面である。

【図４】本発明に係る磁気センサを使用した磁界検出装
置の基本的な回路構成を示す図面である。

【図５】本発明に係る磁気センサを使用した金属板の漏
洩磁束探傷法を示す図面である。

【図６】本発明に係る磁気センサを使用した磁界検出装
置の別例を示す図面である。

【図７】本発明に係る磁気センサを使用した上記とは別
の磁界検出装置の例を示す図面である。

【図８】従来の磁界検出装置を示す図面である。

【符号の説明】

１１ 基板 Ａ 磁気インピ−ダンス素子 Ｃ コイル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部磁界により変動される変動波を出力す
   る磁気インピ−ダンス素子を基板の片面に設け、前記磁
   気インピ−ダンス素子にバイアス磁界と負帰還磁界とを
   重畳させて印加するためのコイルを基板の他面に設けた
   ことを特徴とする磁気センサ。
2. 【請求項２】コイルが一対の巻線コイルからなる請求項
   １記載の磁気センサ。
3. 【請求項３】コイルが一対のプリントコイルからなる請
   求項１記載の磁気センサ。
4. 【請求項４】磁気インピ−ダンス素子とで磁気ループ回
   路を構成するＣ型またはコ型磁性コアに巻線コイルを巻
   装した請求項１記載の磁気センサ。
5. 【請求項５】請求項１記載の磁気センサの基板片面側を
   被磁界検出体に近接させると共に磁気インピ−ダンス素
   子にバイアス磁界と負帰還磁界とを重畳させて印加しつ
   つ、磁気センサと被磁界検出体とを相対的に移動させる
   ことを特徴とする磁界検出方法。
6. 【請求項６】外部磁界により変動される変動波を出力す
   る磁気インピ−ダンス素子を磁気センサとして用いる磁
   界検出装置であり、積層基板の片面に前記磁気インピ−
   ダンス素子を設け、該磁気インピ−ダンス素子にバイア
   ス磁界と負帰還磁界とを重畳させて印加するためのプリ
   ントコイルを積層基板の中間層に設け、積層基板の他面
   に前記磁気インピ−ダンス素子及びコイル以外の回路部
   分を設けたことを特徴とする磁気検出装置。