JP2002277522A

JP2002277522A - 磁界センサ

Info

Publication number: JP2002277522A
Application number: JP2001081083A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Sasada; 一郎笹田
Original assignee: Kyushu TLO Co Ltd
Current assignee: Kyushu TLO Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-25
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP4565072B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】印加磁界がゼロの時は誘起電圧がゼロとなり
磁界に対する応答が線形であり高感度で高精度かつ簡単
な電子回路で構成できる磁界センサを提供する。【解決手段】磁性ワイヤ１と磁性ワイヤ１に巻回され
た検出コイル２を持ち、磁性ワイヤ１に交流励磁電流を
流し検出コイル２に誘起する電圧を検出出力とするセン
サにおいて、励磁電流に直流バイアス電流を重畳させ、
誘起電圧の中に含まれる励磁周波数成分から出力を取り
出す構成とし、磁性ワイヤ１に変えて筒状磁性体として
も良く、磁性ワイヤが無磁わい組成のアモルファス磁性
ワイヤでも良く、また、磁性ワイヤが僅か負の磁わいを
持っても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ナビゲータの電子
コンパス、セキュリティシステム、電磁的非破壊検査な
どに適した磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】小型化に適した磁界センサに、磁性ワイ
ヤや磁性薄膜を用いる直交フラックスゲートと磁気−イ
ンピーダンス効果を用いるものがある。このうち、前記
直交フラックスゲート型センサは、磁性ワイヤに直接交
流励磁電流を通電し、磁性ワイヤの方向に印加された磁
界により、磁性ワイヤの周囲に巻回されたコイルに発生
する励磁周波数ｆの２倍の２ｆ成分の誘起電圧をセンサ
出力としているものである。この方法は、１９５３年T.
M.PalmerによってProc.IEE(London)Vol.100,PartB, pp.
545-550 に "A Small Sensitive Magnetometer"として
報告されている。この中では、磁性ワイヤとして線径 4
2 S.W.G.（約0.1mm ）のミューメタル線が使用されてい
る。ところで、前記磁性ワイヤに軸方向に傾いた方向に
磁化容易軸を持つ磁気異方性が存在すれば、励磁磁界か
ら検出コイルへの結合が発生し、印加磁界に無関係な周
波数ｆの誘起電圧が発生する。従って、上記方法では、
２ｆの周波数成分をセンサ出力とすることによって、周
波数ｆの誘起電圧の影響を排除し高精度の磁界検出が可
能であることを述べている。この方法は、磁性ワイヤと
してパーマロイのメッキ線を用いたもの（竹内信次郎
他、「直交フラックスゲート形磁性薄膜マグネトメータ
の動作機構の解析」電気学会論文誌Ｃ、第93号巻 2号、
1973）や、磁性ワイヤを磁性薄膜で置き換え、更に小型
化したもの、（及川亭他、「薄膜型直交フラックスゲ
ート磁界センサの作製とその評価」第24回日本応用磁気
学会学術講演会概要集、13aD-6、2000 ）などへ発展させ
られている。しかし、何れにおいても、２ｆ成分の検出
を必要とするものであり、これに伴い複雑な電子回路が
使用されてきた。

【０００３】一方、前記磁気−インピーダンス効果型セ
ンサは、線引きした３０ミクロン程度のアモルファス磁
性ワイヤを用いて構成されている（例えば、特開平７−
１８１２３９号公報）。この磁界センサはワイヤに高周
波電流を直接通電し、ワイヤに印加される外部磁界の強
度によるワイヤの抵抗変化をワイヤ両端の電位差から検
出するものである。この方式では、センサ自体は小型化
に適し、励磁周波数と同じ電圧の検出であるが、そのま
までは磁界の正負が識別できず、また、印加磁界がゼロ
でも電位差はゼロにならず常にオフセット電圧が存在す
る。このため、動作点を線形部分へずらすためのバイア
ス磁界の印加と、オフセットをキャンセルするための引
き算回路を必要としてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の磁
界センサにおいて、直交フラックスゲート型センサのよ
うに、２ｆ成分の検出を行なうものについては２倍周波
数発生回路などを要し、電子回路が複雑になるのが避け
られないという問題があった。また、磁気−インピーダ
ンス効果型センサのように、動作点をずらすためバイア
ス磁界を印加するバイアス磁界発生回路、出力オフセッ
トをキャンセルするための出力オフセット除去回路など
複雑な構造を必要とするし、装置が大掛かりになるなど
の問題があった。このように、１つの磁性ワイヤや磁性
薄膜を用いて基本動作に必要な巻線が高々１つであり、
電子回路が簡単化できる励磁周波数と同じ誘起電圧成分
の検出を行なうような、装置構造を簡単とし小型化する
のに適した磁界センサは未だ実現されていない。

【０００５】本発明は、このような従来の問題点を解決
するためになされたものであり、励磁周波数ｆと同じ周
波数の誘起電圧成分の検出に基づき、印加磁界がゼロの
時は誘起電圧がゼロとなり、かつ磁界に対する応答が線
形である、高感度で高精度かつ簡単な電子回路で構成で
きる磁界センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明請求項１記載の磁界センサでは、細長い磁性
体と、前記細長い磁性体に巻回されたコイルを持ち、前
記細長い磁性体に交流励磁電流を流し、前記コイルに誘
起する電圧を検出出力とするセンサにおいて、前記励磁
電流に直流バイアス電流を重畳させ、前記誘起電圧の中
に含まれる励磁周波数成分から出力を取り出すことを特
徴とする。

【０００７】請求項２記載の磁界センサにあっては、電
流を流す導体と、その導体に近接して配置された細長い
磁性体、あるいは導体周囲に配置された略円筒形の細長
い磁性体と、前記磁性体周囲に巻回されたコイルとから
なり、前記導体に交流励磁電流を流し、前記コイルに誘
起する電圧を検出出力とするセンサにおいて、前記励磁
電流に直流バイアス電流を重畳させ、前記誘起電圧の中
に含まれる励磁周波数成分から出力を取り出すことを特
徴とする。

【０００８】請求項３記載の磁界センサにあっては、請
求項１記載の磁界センサにおいて、細長い磁性体が磁性
ワイヤであることを特徴とする。

【０００９】請求項４記載の磁界センサにあっては、請
求項３記載の磁界センサにおいて、磁性ワイヤが無磁わ
い組成のアモルファス磁性ワイヤであることを特徴とす
る。

【００１０】請求項５記載の磁界センサにあっては、請
求項３記載の磁界センサにおいて、磁性ワイヤが僅か負
の磁わいを持つことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の磁界センサでは、磁性ワイヤとそれに
巻回されたコイルを用い、磁性ワイヤに通電する交流励
磁電流には、磁性ワイヤを円周方向に磁化飽和させる程
度の直流電流を重畳し、交流励磁周波数ｆＨｚの１サイ
クルの間に磁性ワイヤがただ一度磁化飽和するように
し、励磁周波数ｆの誘起電圧が外部印加磁界に対して高
感度に発生するようにし、合わせて周波数ｆの誘起電圧
成分のみを検出する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の磁界センサを図面に基づ
いて説明する。まずその構造から説明する。図１は本発
明実施の形態１の磁界センサを示す概略図であり、１は
磁性ワイヤである。前記磁性ワイヤ１には、応力の影響
を受けにくく、また製造段階でも磁気異方性が生じにく
い無磁わい組成のアモルファス磁性ワイヤを使用し、そ
の周囲に細い導線で検出コイル２を巻き回している。３
は励磁回路であり、発振器４とそれに直列に挿入された
直流電源５からなり、直流が重畳された交流励磁電流は
前記磁性ワイヤ１に直接通電する。６は同調用コンデン
サであり、外部磁界の印加によって検出コイル２に誘起
されるｆＨｚの電圧を選択的に取り出すため、前記検出
コイル２に並列に接続されている。尚、この同調用コン
デンサ６は必ずしも必要ではなく、不付きとすることも
できる。７は同期整流器であり、励磁周波数ｆＨｚを参
照入力として前記誘起電圧を同期整流して直流に変換さ
せる。８は直流電圧計である。

【００１３】次に動作原理を説明する。無磁わい組成の
アモルファス磁性ワイヤ１には、その製造段階でかなり
小さいながら磁気異方性が生じる。図２に示すように、
ワイヤ内の磁化は小さい磁気異方性に束縛され円周方向
９からずれた方向を向くが、この状態にあるワイヤ１に
直流電流ｉdcを流すことにより、ワイヤ表層部に磁界Ｈ
dcが生じ、これにより磁化を円周方向９の１方向に向け
ることができる。この図２において、磁気異方性をＫu
、磁化をＪs として示している。直流電流ｉdcで磁性
ワイヤ１の磁化が一方向に向けられたところで、図３，
図４に示すように、直流磁界より振幅の小さな交流磁界
を発生させる交流電流ｉacｓｉｎ［２πｆｔ］を通電
し、外部磁界がワイヤ軸方向に印加された状態を考え
る。尚、図４において、外部磁界Ｈexは記号で示すよう
に紙面に対し垂直に印加された状態を示す。図５は外部
磁界Ｈexおよび励磁磁界Ｈdc＋Ｈacｓｉｎ［２πｆｔ］
に対し磁化の方向を図示したものである。外部磁界Ｈex
の印加により磁化Ｊs が円周方向から角θをなし、励磁
磁界Ｈdc＋ＨacＳｉｎ［２πｆｔ］が小さくなると外部
磁界Ｈexの影響が相対的に大きくなるために角θは大き
くなり、逆に、励磁磁界Ｈdc＋ＨacＳｉｎ［２πｆｔ］
が大きくなると角θは小さくなる。この磁化Ｊs の振動
の周期は励磁周波数と同じｆＨｚであり、Ｊs Ｓｉｎ
（θ）成分が図１の検出コイル２と鎖交する磁束を生み
出す。

【００１４】前記角θと外部磁界Ｈexの間の関係は大域
的には非線形関係であるが、外部磁界Ｈexの小さい範囲
に限定すれば角θと外部磁界Ｈexの関係は線形関係とな
る。外部磁界Ｈexの向きが反転されると、角θの範囲も
負側に反転し、検出コイル２への鎖交磁束の極性も反転
する。このようにして、印加磁界の正負が識別される。
図５ではＫu の方向をαの正方向に図示しているが、ワ
イヤの場所ごとに揺らいでおり、全体としてαは正負ほ
ぼ均等に分布すると考えて良い。従って、Ｋu は外部磁
界Ｈexの正または負のいずれかの極性に対して出力を大
きくするような非対称な作用を持たない。

【００１５】図６には直径約１２０ミクロンメートルの
Ｃｏベースのアモルファス磁性ワイヤの長さ約２ｃｍの
ものに約２００ターンの巻線を施したものに、直流電流
２０ｍＡ、周波数ｆ＝５０ｋＨｚ、実効値約１０ｍＡの
交流電流を流した時の励磁電流波形と検出コイル誘起電
圧波形を示している。磁性ワイヤへの軸方向印加磁界は
０．５Ｇとしている。直流電流によって励磁周波数と同
じ周波数の誘起電圧が生じていることがわかる。印加磁
界の極性を反転すると図７のように誘起電圧の極性も反
転する。このことから、印加磁界の極性判別が可能なこ
とがわかる。もし、直流電流を流さない場合は、通常の
直交フラックスゲートと同じような励磁周波数の２倍の
誘起電圧が現れる。この事実を図８に示す。図６〜図８
の実験結果は約０．５Ｏe の同じ大きさの磁界を印加し
たものであるが、直流電流を重畳した場合が振幅の大き
な出力が得られていることがわかる。以上より、誘起電
圧を周波数ｆで同期整流すれば磁界の正負に応じた検出
出力が得られることがわかる。また、図５の説明から、
Ｈex＝０の時は、角θ＝０、即ち、Ｓｉｎ（θ）＝０と
なって、出力が０となることも分る。

【００１６】次に、結果の一例を示す。図９はヘルムホ
ルツコイルでセンサに磁界を印加し、入出力特性を調べ
た結果を示す。励磁条件は図６の波形を観測したのと同
じである。出力電圧はロックインアンプを同期整流器と
して用いて測定している。誘起電圧は増幅していない。
これから、良好な直線性と十分な感度が得られることが
分かる。直流電流を重畳しない場合は、通常の直交フラ
ックスゲートとなるが、直流電流の重畳の効果を示すた
めに、図８に示すような２ｆの誘起電圧を検出した結果
を図１０に示した。この時の励磁条件は図９の場合と同
じであるが、同期整流器への参照周波数はこの場合、２
ｆである。直線性、感度共に劣ることが分かる。直線性
が悪いのは、小さくはあるが円周方向以外の方向に磁化
容易軸を持つ磁気異方性がアモルファス磁性ワイヤにラ
ンダムに存在しているためと考えられる。

【００１７】以上説明してきたように本実施の形態の磁
界センサでは、励磁電流に直流バイアス電流を重畳さ
せ、励磁周波数ｆと同じ周波数の誘起電圧成分の検出を
行なうことにより、印加磁界がゼロの時は誘起電圧がゼ
ロとなり、かつ磁界に対する応答が線形であり、高感度
で高精度かつ簡単な電子回路で構成できるなどの効果が
得られる。

【００１８】次に、図１１に基づいて実施の形態２を説
明する。尚、前記実施の形態１と同一構成部分には同一
の符号を付してその具体的な説明は省略する。本実施の
形態の磁界センサは、交流励磁電流に直流バイアス電流
を重畳させて印加する導体１０と、その導体１０の周囲
に配置された略円筒形の磁性体１１と、その周囲に巻回
された検出コイル１２とからなっていることを特徴とす
る。前記磁性体１１は導体１０の外周面にアモルファス
磁性薄帯を巻いて、或はパーマロイ膜をメッキして形成
したものであり、その膜厚は数ミクロンから２０ミクロ
ン程度で十分であり、検出コイル１２はその外周面に巻
回された構造となっている。また、導体１０の径は、
０．１〜１ｍｍ程度であればよい。本実施の形態では、
導体１０はその芯の役目と励磁回路３の給電部をなし、
磁性体１１に一様な円周方向励磁磁界が印加されるよう
になっている。

【００１９】以上、本発明の実施の形態を図面により説
明したが、具体的な構成は前記実施の形態に限定される
ものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更
などがあっても本発明に含まれる。例えば、アモルファ
ス磁性ワイヤ１の線径、長さ、成分、処理構成などは任
意に設定することができる。パーマロイワイヤも同様で
ある。検出コイルの構成も任意に設定することができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば下記
の効果を発揮する。（１）１個の磁性ワイヤとそれに巻回された１個の検出
コイルを主要素とした、２倍周波数発生回路、バイアス
磁界発生回路、出力オフセット除去回路を必要としな
い、高感度、高精度で入出力関係が線形関係となる磁界
センサを構成することができる。（２）部品点数が少なく、小型化に適した磁界センサを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態１の交流励磁電流に直流バイ
アス電流を重畳させた磁界センサによる検出回路を原理
的に示す構成図である。

【図２】実施の形態１の一軸磁気異方性Ｋu を仮定した
アモルファス磁性ワイヤにおける励磁電流による磁界、
磁化ベクトルＪs の関係を示す説明図である。

【図３】実施の形態１の一軸磁気異方性Ｋu および磁化
ベクトルＪs の円周方向からなす角を示す説明図であ
る。

【図４】実施の形態１の直流磁界より小さな振幅の交流
磁界を発生させる交流電流を通電し外部磁界がワイヤ軸
方向に印加された状態を示す説明図である。

【図５】実施の形態１の外部磁界および励磁磁界に対し
磁化の方向を示す説明図である。

【図６】実施の形態１の直径１２０μｍ長さ２ｃｍのア
モルファス磁性ワイヤに２００ターンの巻線を施し直流
電流２０ｍＡ、周波数５０ｋＨｚ、実効値約１０ｍＡの
交流電流を流したときの励磁電流波形と誘起電圧波形を
示すグラフである。

【図７】図６の印加磁界の極性を反転させたとき誘起電
圧の極性が反転し印加磁界の極性判別が可能なことを示
すグラフである。

【図８】実施の形態１の直流電流を流さないとき直交フ
ラックスゲートと同様な励磁周波数の２倍の誘起電圧が
現れることを示すグラフである。

【図９】実施の形態１のヘルムホルツコイルで磁界をセ
ンサに印加した時の入出力特性図である。

【図１０】実施の形態１で直流電流を流さないように
し、ヘルムホルツコイルで磁界をセンサに印加した時で
あって同期整流器への参照周波数を２ｆとした時の入出
力特性図である。

【図１１】実施の形態２の交流励磁電流に直流バイアス
電流を重畳させた磁界センサによる検出回路を原理的に
示す構成図である。

【符号の説明】

１磁性ワイヤ２検出コイル３励磁回路４発振器５直流電源６同調用コンデンサ７同期整流器８直流電圧計９磁性ワイヤの円周方向１０導体１１円筒型の磁性体１２検出コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長い磁性体と、前記細長い磁性体に巻
回されたコイルを持ち、前記細長い磁性体に交流励磁電
流を流し、前記コイルに誘起する電圧を検出出力とする
センサにおいて、前記励磁電流に直流バイアス電流を重
畳させ、前記誘起電圧の中に含まれる励磁周波数成分か
ら出力を取り出すことを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】電流を流す導体と、その導体に近接して
配置された細長い磁性体、あるいは導体周囲に配置され
た略円筒形の細長い磁性体と、前記磁性体周囲に巻回さ
れたコイルとからなり、前記導体に交流励磁電流を流
し、前記コイルに誘起する電圧を検出出力とするセンサ
において、前記励磁電流に直流バイアス電流を重畳さ
せ、前記誘起電圧の中に含まれる励磁周波数成分から出
力を取り出すことを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】細長い磁性体が磁性ワイヤであることを
特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
【請求項４】磁性ワイヤが無磁わい組成のアモルファ
ス磁性ワイヤであることを特徴とする請求項３記載の磁
界センサ。
【請求項５】磁性ワイヤが僅か負の磁わいを持つこと
を特徴とする請求項３記載の磁界センサ。