JP2003215220A

JP2003215220A - 磁界センサ

Info

Publication number: JP2003215220A
Application number: JP2002012006A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Sasada; 一郎笹田
Original assignee: Kyushu TLO Co Ltd
Current assignee: Kyushu TLO Co Ltd
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP4209114B2

Abstract

(57)【要約】【課題】オフセットが原理的に生じず応答が線形、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に極性が交番する
電流にバイアス電流を重畳させる直交フラックスゲート
磁界センサにおいて、前記バイアス電流の極性を周期的
に切り換えて感度の正負を反転しその差を求めることに
よってオフセットがほぼ完全に除去された出力を得る回
路構成とし、励磁電流を直流を含むパルス列とし、この
パルス列の極性を周期的に反転させるようにしてもよ
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、
アクティブ磁気シールドなどに用いる小型高感度磁界セ
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（ＭＩ効果）を用いるものがある。１
９５３年T.M.PalmerによってProc.IEE(London)Vol.100,
PartB, pp.545-550に "A Small Sensitive Magnetomete
r" として報告された直交フラックスゲートは、磁性ワ
イヤとそれに施された巻き線を基本構成とし、磁性ワイ
ヤ軸方向に印加された磁界を、その極性を含めて検出す
ることができる利点を持っている。この方法では、磁性
ワイヤに交流励磁電流を通電し、ワイヤ軸方向に磁界が
存在すれば、巻き線に励磁周波数の２倍の周波数が現れ
る現象を利用する。これまで、磁性ワイヤとして線径 4
2 S.W.G.（約0.1mm ）のミューメタル線を使用し良好な
線形性を持つ結果が上述の文献に示されている。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、200
0 ）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、電子回路
が複雑になるのが避けられず、また、高い感度も得にく
いものであった。また、直交フラックスゲートの原理を
アモルファス磁性ワイヤに直接適用すると、入出力特性
が原点近傍で大きく感度変化する非線形性が有り、実用
化に難があった。

【０００３】一方、アモルファス磁性ワイヤを用いる磁
界検出法に磁気−インピーダンス効果（ＭＩ効果）の利
用が知られている。この方法によっても上述の直交フラ
ックスゲートと同程度のサイズで高感度の磁界センサが
実現できることが知られている。しかしながら、この方
法では、印加磁界の極性判別にバイアス磁界を与えてお
く必要があること、また、印加磁界がゼロのとき直接の
出力はゼロにならず、オフセットを差っ引く必要があ
り、このためゼロ点の安定性、構造の簡単さの点で欠点
を有する。

【０００４】これらの技術上の問題に対して、直交フラ
ックスゲートの構成で、交流励磁電流に直流電流をバイ
アスとして施せば、磁界の印加によって、検出巻き線に
励磁周波数と同じ成分が高感度で現れることが判明した
ので、これを特許出願（特願２００１−８１０８３号）
し、電気学会マグネティックス研究会資料、ＭＡＧ−０
１−１１７に報告した。これによって、印加磁界の極性
判別が可能な上、回路の簡略化と高感度化が達成でき
た。しかし、アモルファス磁性ワイヤに製造時の磁気異
方性が無視できない場合は、印加磁界がゼロの時、出力
がゼロとならない問題があった。これは、直流バイアス
電流を６６ｍＡ程度に大きくすればかなり低減できる
（ＭＡＧ−０１−１１７）が、消費電力も大きくなる欠
点があった。以上のように、小型低消費電力で、オフセ
ットが十分に小さく、感度の高い、構造簡単な磁界セン
サは未だ実現されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、励磁周波数
ｆと同じ周波数ｆの誘起電圧成分の検出に基づき、オフ
セットが原理的に生じず、応答が線形で、低消費電力、
小型、構造の簡単な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】前記目的を解決するため
に、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直流電流を重畳し、励
磁周波数ｆと同じ周波数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ようにしたものにおいて、
前記直流電流の極性を周期的に反転させれば感度の極性
が反転するが、一方では、オフセットは変化しないこと
を利用する。即ち、直流電流の極性を正とした場合の磁
界応答と負とした場合の磁界応答を減算することによっ
て、オフセットのみをキャンセルし、出力は加算される
構造とする。そこで、本発明請求項１に記載の磁界セン
サでは、細長い磁性体と、前記細長い磁性体に巻回され
た検出コイルを持ち、前記細長い磁性体に極性が交番す
る電流にバイアス電流を重畳させる直交フラックスゲー
ト磁界センサにおいて、前記バイアス電流の極性を切り
換えて感度の正負を反転できるようにした。

【０００７】請求項２記載の磁界センサでは、請求項１
に記載の磁界センサにおいて、交番する電流の周期より
長い周期でバイアス電流の極性を周期的に切り換え、同
期整流を行なう復調器への入力電圧の符号をこれと同期
して極性反転させて出力を得るようにした。

【０００８】請求項３記載の磁界センサでは、請求項２
に記載の磁界センサにおいて、交番する電流が直流を含
むパルス列からなる。

【０００９】請求項４記載の磁界センサでは、請求項
１、２または３に記載の磁界センサにおいて、磁界セン
サの受感部が、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、その周囲に巻回された検出
コイルとからなる。

【００１０】請求項５記載の磁界センサでは、請求項
１、２または３に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。

【００１１】請求項６記載の磁界センサでは、請求項５
に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。

【００１２】請求項７記載の磁界センサでは、請求項５
に記載の磁界センサにおいて、磁性ワイヤがわずか負の
磁わいを持つ。

【００１３】請求項８記載の磁界センサでは、請求項２
または３に記載の磁界センサにおいて、バイアス電流の
切り換え周波数が交番電流またはパルス電流の周期の４
〜２５６倍である。

【００１４】

【作用】本発明の磁界センサでは、細長い磁性体に巻回
された検出コイルを持ち、前記細長い磁性体に極性が交
番する電流にバイアス電流を重畳させる直交フラックス
ゲート磁界センサにおいて、前記バイアス電流の極性を
切り換えて感度の正負を反転できるようにしたことによ
り、感度は大きさを保ちその極性を反転するが、オフセ
ットはその大きさを保ちながら極性も不変に保つ。これ
により、直流バイアス電流を正に設定し印加磁界Ｈexに
対し得た出力と、次に磁界Ｈexが変化しない内に直流バ
イアス電流の極性を反転させ、同じように得た出力の差
を取ることにより、オフセットがほぼ完全に除去された
出力を得る。

【００１５】

【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
明の原理図である。磁性ワイヤには、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１を使用し、その周
囲に細い導線で検出コイル２を巻回する。励磁回路３は
発振器４とそれに直列に挿入された直流電源５および直
流電源の極性を周期的に切り換える第１スイッチ６とか
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。外部磁界の印加によって検出コイ
ル２に誘起されるｆＨｚの電圧を同期整流器（ＰＳＤ）
７に直接伝達する回路８、極性を反転させて伝達する回
路９、両者を直流バイアス電源の極性切り換えに同期し
て選択する第２スイッチ１０、最終段が励磁周波数ｆＨ
ｚを参照入力とする同期整流器７によって直流出力を得
る回路である。

【００１６】次に、動作原理を説明する。先ず、感度の
極性が直流バイアス電流の極性反転によって反転するこ
とを説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれバイア
ス電流が正の場合と負の場合に対する、アモルファス磁
性ワイヤ１の磁化Ｊs の振る舞い、およびそれによる検
出コイル２への鎖交磁束φ、誘起電圧ｅについてのモデ
ルである。ここでＨexは外部から印加される磁界、Ｋu
はアモルファス磁性ワイヤに存在する一軸磁気異方性、
Ｈacは交流励磁磁界、Ｈdcは直流バイアス磁界である。
図２（ａ）図では、交流励磁磁界が（１）で正のピー
ク、（２）で負のピークを取るが、これに応じて磁化Ｊ
s は図中矢印で示すように、（１）の時は励磁磁界の方
に引き寄せられ、（２）の時はＨexやＫu の方に引き寄
せられる。この励磁磁界の一周期で、検出コイル２には
（ａ）図右側に示すように磁束波形が鎖交し、誘起電圧
が生じる。交流励磁源に同期して作製された同期整流器
ゲートコントロール信号が図のように与えられると、右
方最下段の整流波形が得られ、負出力となる。バイアス
電流が負極性の場合を図２（ｂ）図に示している。この
場合は、交流励磁電流が（１）となる時に励磁磁界が最
も小さくなり、磁化Ｊs はＨexの方向へ引き寄せられ
る。次に（２）の交流励磁電流が負のピークとなるとき
は、励磁電流の絶対値が最大となり、磁化Ｊs は励磁磁
界方向に引き寄せられる。この結果、（ａ）図の場合と
逆極性の鎖交磁束および誘起電圧が生じる。ゲートコン
トロール信号は同一であるから、結果的に、（ｂ）図右
側最下段のように正出力になる。このように、感度の極
性はバイアス電流の極性反転で反転する。

【００１７】次に、オフセットはバイアス電圧の極性に
よらず一定符号となることを説明する。図３に磁界Ｈex
＝０に対する鎖交磁束の発生機構、並びに誘起電圧、同
期整流器出力の関係を示す。図２の場合とほぼ同様に考
えることができる。ただ、この場合注意すべきは、磁化
Ｊs の存在する象限が正の直流バイアス電流に対しては
図３（ａ）図に示すように第一象限であり、負の直流バ
イアスに対しては第三象限にあることである。これは、
つぎのようにして理解される。Ｋu は一軸性であるの
で、磁化Ｊs は磁気異方性からＫu(sin(α−θ))² のエ
ネルギーを受け、これを小さくするように回転しようと
する。即ち、( α−θ)の絶対値を小さくするようにＪs
に回転力が働く。一方、励磁磁界方向にもＪsは引っ張
られるので、励磁磁界方向にも向こうとする。この結
果、（ａ）図、（ｂ）図の安定方向となる。この状態
で、交流励磁磁界が図３のように変化すると、図２の場
合と同じ考えによって、検出コイル２に鎖交磁束が発生
することが分かる。ここで、重要なのは（ａ）図、
（ｂ）図のいずれの場合も磁束が最初負に振れ、その
後、正に振れることである。この結果、ほぼ同様の誘起
電圧を得る。特に、外部磁界が無いときはθの変化はご
くわずかであり、これらはほぼ等しくなる。

【００１８】以上がバイアス電流の極性と、感度および
オフセット電圧の極性との説明である。要約すると、バ
イアス電流の極性を切り換えることによって、感度は大
きさを保ちその極性を反転するが、オフセットはその大
きさを保ちながら極性も不変に保つ。この効果によっ
て、直流バイアス電流を正に設定し印加磁界Ｈexに対し
出力を得、次に磁界Ｈexが変化しない内に直流バイアス
電流の極性を反転させ、同じように出力を得、その後差
を取れば、オフセットがほぼ完全に除去された出力を得
ることができる。このための構成が図１に示されてい
る。この効果のもう１つの利点は、誘起電圧を増幅する
ための差動増幅器にオフセットが存在しても同様にキャ
ンセルされることである。

【００１９】

【実施例】図４は本発明第１実施例の回路図を示す。ア
モルファス磁性ワイヤ１と検出コイル２からなるセンサ
ヘッドには、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ターンの巻き線を施したものからなる。これに５
０ｋＨz の交流励磁電流と、１ｋＨz の正負対称な振幅
を持つ矩形波とを合成することによって、等価的に直流
バイアス電流が周期的に正負に交番する効果を与えるこ
とができる。励磁電流波形の一例を図５に示す。

【００２０】検出コイル２に生じる誘起電圧は、差動増
幅器１１によって１０倍に増幅され、一方は直接、他方
は反転増幅器１２によって−１倍されて次段に送られ
る。直流出力電圧へ変換する過程は、１Ｋz の矩形波に
同期して切り換えられるアナログスイッチ１３によって
交互に切り換えられ、感度が常に定符号となるようにな
っている。引き算は出力最終段の抵抗とコンデンサから
なる平滑回路１４によって自動的に行なわれる。本回路
では切り換え周波数を励磁周波数の１／５０としている
がこれに限るものではない。結果を図６以下に示す。図
６においては、出力電圧の表示には、オフセットの調整
など一切行なっていない、第一実施例の出力の生データ
である。正負の入力に対してほぼ完全に対称である。こ
のことは、オフセットが極めて小さいことを意味する。
また、正負対称であることはセンサとして好都合である
ことは言うまでもない。この図において、正負４０Ａ／
ｍ内の範囲が入力範囲として使用できることが分かる。
この時の励磁条件は、直流バイアス電流が振幅７．１ｍ
Ａ、交流電流成分が実効値５．０ｍＡであった。励磁電
力はアモルファス磁性ワイヤの抵抗値約３Ωと直列に接
続された抵抗１０Ωでの電力消費から約１ｍＷと極めて
小さく、電池での駆動が可能である。

【００２１】図７に直流バイアス電流を正負に切り換え
る方式と一定とする方式での特性比較を示す。破線が直
流バイアス電流を７．１ｍＡ一定（切り替え無し）とし
た場合でオフセットが見られ、また、特性は正負の入力
に対し対称でない。この結果から、本発明の優位性が分
かる。

【００２２】次に、図８に基づいて第２実施例を説明す
る。前記のように本発明第１実施例では、誘起電圧を反
転する回路を使用しているが、図８に示すような、同期
整流の位相を１８０度反転させた回路を使用しても極性
の反転が可能であるので、第１実施例と同様の効果が得
られる。図中のｎは４〜２５６程度の間で調整すること
ができる。

【００２３】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、極性切り換
え周波数、励磁周波数は任意に設定することができる。
極性反転回路も任意である。同期整流はかけ算器など他
の方法によっても行なうことができる。また、デジタル
的に本発明の方法を実現することも容易である。また、
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。

【００２４】

【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簡単な構造で、オフセットがほと
んどない、高感度、高精度で低消費電力の磁界センサが
構成できる。（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】本発明を説明するための原理図である。

【図２】原理図における感度の極性と直流バイアス電流
の極性との関係を示すモデル図であり、（ａ）はバイア
ス電流が正極性の場合、（ｂ）は負極性の場合を示す。

【図３】原理図におけるオフセットの極性と直流バイア
ス電流の極性との関係を示す説明図であり、（ａ）はバ
イアス電流が正極性の場合、（ｂ）は負極性の場合を示
す。

【図４】第１実施例の磁界センサを示す回路図である。

【図５】第１実施例の直流バイアスが交互に極性反転す
る励磁電流波形の一例を示す波形図である。

【図６】第１実施例の入出力特性を示す特性図である。

【図７】第１実施例の直流バイアス電流を正負に切り替
える方式と従来の一定する方式での特性を比較した特性
比較図である。

【図８】第２実施例の磁界センサを示す回路図である。

【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第１スイッチ７同期整流器１０第２スイッチ

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
回された検出コイルを持ち、前記細長い磁性体に極性が
交番する電流にバイアス電流を重畳させる直交フラック
スゲート磁界センサにおいて、前記バイアス電流の極性を切り換えて感度の正負を反転
できるようにしたことを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】交番する電流の周期より長い周期でバイ
アス電流の極性を周期的に切り換え、同期整流を行なう
復調器への入力電圧の符号をこれと同期して極性反転さ
せて出力を得るようにしたことを特徴とする請求項１に
記載の磁界センサ。
【請求項３】交番する電流が直流を含むパルス列から
なることを特徴とする請求項２に記載の磁界センサ。
【請求項４】磁界センサの受感部が、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、そ
の周囲に巻回された検出コイルとからなることを特徴と
する請求項１、２または３に記載の磁界センサ。
【請求項５】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、２または３に記載の磁界センサ。
【請求項６】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５に記載の
磁界センサ。
【請求項７】磁性ワイヤがわずか負の磁わいを持つこ
とを特徴とする請求項５に記載の磁界センサ。
【請求項８】バイアス電流の切り換え周波数が交番電
流またはパルス電流の周期の４〜２５６倍であることを
特徴とする請求項２または３に記載の磁界センサ。