JP2005147947A - 磁気センサー用コア、磁気センサー及びフラックスゲート磁力計 - Google Patents

Abstract

【課題】磁力測定の更なる高精度化を達成できるフラックスゲート磁力計を提供する。
【解決手段】励磁コイルへの交番信号の通電により磁気検知材料からなるリングコア３を飽和磁界の領域まで励磁し、該リングコア３に誘起される飽和磁束密度の対称性を利用して磁束密度を計測する磁気センサーを備えたフラックスゲート磁力計において、リングコア３は、非磁性で、低熱膨張率の特性を備えた材料、例えばインコーネル合金によりリング状に形成されたベースリング１を基材にし、このベースリング１の外周部に形成した周溝１ａに磁性材料であるナノ結晶化合金からなる磁性体部２を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明はフラックスゲート磁力計に用いられる磁気センサーに係り、特に磁気センサーに用いられるリングコアに関するものである。

フラックスゲート磁力計は、磁気センサーを構成する軟磁性材料製コアの飽和磁束密度の対称性を利用して磁束密度を計測するものとして知られている。この磁気センサーは、軟磁性材料製のコアを励磁する励磁コイルと、該コアに誘起する磁束密度の変化を検出する検出コイルとを有している。そして、計測装置の駆動回路から前記励磁コイルへ駆動電圧を印加することにより前記コアを飽和領域まで交番磁界で励磁し、コアに誘起する磁束密度の変化を前記検出コイルから検出する。

前記コアに励磁磁界以外の磁界が印加されていない状態では、誘起する磁束密度も対称であり、前記検出コイルには、励磁波の奇数時高調波しか発生しない。ここで、前記コアにセンサー外部から磁界が印加されると、励磁磁界に該外部磁界が加算されるため、等価的に該コアに加わる磁界に偏りが生じて磁束密度の変化が非対称となり、前記検出コイルに偶数時高調波が発生する。

フラックスゲート磁力計は、この偶数時高調波を検出することにより磁界を計測する。

すなわち、高透磁率を備えた物質は、非直線的磁気特性を有しており、図５（ａ）に示すヒステリシス（履歴曲線：Ｂ−Ｈカーブ）を有するとした場合、前記励磁コイルに図５（ｂ）に示す１/Ｔとなる周波数でコアが十分に飽和する磁界Ｈ_Ｄで励振させると、コアは±Ｈ_Ｃで飽和し、誘導磁束Ｂは±Ｂ_Ｓとなる。

このコアに二次コイル（検出コイル）を巻回し、該検出コイルから見た磁束は図５（ｃ）に示すように、±Ｂ_Ｓで飽和値となった波形となる。

そして、検出コイルに誘起される出力信号は、磁束の時間変化（dB_R/dt）であって、図５（ｄ）に示すように、±Ｂ_Ｓでパルス状に発生する。

ここで、図５（ｂ）に示す状態で、外部磁場ΔＨがなければ、図５（ｃ）に示す波形は、Ｂ＝０に対して正負の波形は対称となり、図５（ｄ）における正負側のパルス出力周期が等しくなる。

これに対し、外部磁場ΔＨが存在すると、ΔＨ＋Ｈcosωtによって生じる誘導磁場は、図５（ｂ）で励振する零点がずれるため、図５（ｃ）に示すように、出力パルスの正側から負側までの時間がＴ/２（50％デューティ）でなくなる。

一方、コアを構成する磁気検出材料としてパーマロイが用いられ、コアの形状としては、リングコアと称されるリング形状に形成されたものが知られており、該コアに励磁コイルを巻回し、該コアを収容した非磁性材で形成された筐体に検出コイルを巻回している。このリングコアを用いた磁気センサーにあっては、励磁電力が小さく、大きな出力が得られるという特性を有している。

上記したリングコアを用いた磁気センサーは雑音が小さいため高精度の測定が可能であるが、さらなる高精度の測定を行うには限界があった。

図５（ａ）に示す履歴曲線は理想的なものであり、実際には磁界Ｈが飽和磁界に達し、これ以降の飽和磁界領域で誘導磁束の変化割合が緩やかになる。そして、この磁界Ｈが飽和磁界に達する点を原点（Ｈ＝０）が判別できることにより、図５（ｂ）に示すようにΔＨを求めることができるのである。

しかし、磁力の測定について更なる高精度化を図ろうとする場合、この履歴曲線に生じる僅かなノイズが大きく影響する。すなわち、この履歴曲線に生じるノイズが上述した磁界Ｈ＝０となる原点の判別を難しくしているため、測定精度の高精度化に限界があった。

この履歴曲線にノイズが生じる原因について、本発明者はコアを形成する磁性材料に着目し、該磁性材料中に存在する磁区の不均一性、磁歪等の磁気的物性に起因するのではないかと推察し、本発明を為すに至ったものである。

本願発明の目的は、このような従来の問題に鑑みなされたもので、更なる磁力測定の高精度化を達成できる磁気センサー用コア、磁気センサー及びフラックスゲート磁力計を提供しようとするものである。

第１の発明は、請求項１に記載のように、磁気センサー用のコアにおいて、磁気検出材料にナノ結晶化合金を用いたことを特徴とする磁気センサー用のコアにある。

第２の発明は、請求項２に記載のように、磁気センサー用のコアにおいて、非磁性材料で形成されたベース部材と、前記ベース部材に形成された磁気検出材料からなる磁性体部とを有し、前記磁性体部はナノ結晶化合金により構成したことを特徴とする磁気センサー用のコアにある。

第３の発明は、請求項３に記載のように、上記した第１または第２の発明の磁気センサー用のコアと、励磁信号の通電により前記コアを励磁する励磁コイルと、前記コアに発生する磁束の非対称成分を検知する検出コイルとを有することを特徴とする磁気センサーにある。

第４の発明は、請求項４に記載のように、上記した第3の発明の磁気センサーと、前記磁気センサーの励磁コイルへ励磁信号を通電すると共に、前記検出コイルからの検知信号に基づいて計測磁界を出力する計測装置とを有することを特徴とするフラックスゲート磁力計にある。

請求項１に係る発明によれば、コアを構成する磁気検出材料にナノ結晶化合金を用いるという簡単な構成で、コアが十分に飽和する磁界でコアを励振させた際、履歴曲線上に発生するノイズを大幅に減少させることができるという効果が得られる。

請求項２に係る発明によれば、コアを構成するベース部材にナノ結晶化合金からなる磁性体部を設けた構成で、コアが十分に飽和する磁界でコアを励振させた際、履歴曲線上に発生するノイズを大幅に減少させることができるという効果が得られる。

請求項３に係る発明によれば、コアに発生する磁束の非対称成分を高精度に検知することができる。

請求項４に係る発明によれば、磁気センサーのコアにナノ結晶化合金を用いることにより、磁気センサーが持つ出力ノイズの要因となる磁気特性上の要因を大幅に改善し、フラックスゲート磁力計の出力ノイズの低減化が図れ、計測限界を飛躍的に向上させることができる。

図１は、本発明によるフラックスゲート磁力計の磁気センサーに好適に用いられるリングコア３を示し、（ａ）は（ｂ）に示すリングコアのＡ-Ａ矢視断面図、（ｂ）はリングコア３の平面図である。図２は図１に示すリングコア３を用いた磁気センサーを示す。

本実施の形態のリングコア３は、非磁性で、低熱膨張率の特性を備えた材料、例えばインコーネル合金によりリング状に形成されたベースリング１を基材にし、このベースリング１の外周部に形成した周溝１ａに磁性材料であるナノ結晶化合金からなる磁性体部２を形成したものである。

磁性体部２を構成するナノ結晶化合金（日立金属社製「商標：ファインメット」）は、Ｆｅ（鉄）基軟磁性材料を主成分に、Ｓｉ（シリコン：ケイ素）とＢ（ボロン）、及び微量のＣｕ（銅）とＮｂ（ニオブ）を添加した高温融液を急冷固化したアモルファス（非晶質）薄帯を素材とし、これを例えばベースリング１の周溝１ａに複数層に巻き付け（積層化）、結晶化温度以上で熱処理して形成されたもので、結晶粒径が10ｎｍ（ナノメータ）程度となっている。

図２に示す磁気センサーＳは、リングコア３に励磁コイル４を巻回したものを、非磁性のセンサー筺体Ｓｂに収容し、このセンサー筺体Ｓｂの外周に検出コイル（ピックアップコイル）６を巻回したものである。

この磁気センサーＳをフラックスゲート磁力計に用いた場合、励磁コイル４には後述する図４に示す測定回路の駆動回路７から交番信号である励磁信号が印加され、また検出コイル６からは計測磁界を反映してリングコア３中に発生する磁束の非対称成分を電気信号として前記測定回路に出力する。

なお、図２に示す磁気センサーＳは模式的に示したもので、励磁コイル４、ピックアップコイル５の巻回方法等はこれに限定されるものではない。

図４は、図２に示す磁気センサーＳをフラックスゲート磁力計に適用した場合の測定回路１６、およびこの測定回路１６にベクトルシグナルアナライザ１１を接続して構成したノイズレベル測定系を示す。

測定回路１６は、磁気センサーＳの励磁コイル４に交番信号である励磁信号を印加する駆動回路７、検出コイル６からの検出信号を増幅する増幅器１２と、増幅器１２からの増幅した検出信号が入力される２次高調波増幅回路８、位相検波器９、ローパスフィルター１３、フィードバック回路１０、駆動回路７と位相検波器９に駆動信号、位相信号を出力する励磁・位相信号発生回路１４、磁力計の電源を各回路などへ供給するＥＭＩフィルター１５などで構成されている。

駆動回路７から図５（ｂ）に示すような励磁信号が励磁コイル４に印加されると、リングコア３は磁界が発生して徐々に磁界が増す。そして、飽和磁界にＨ_Ｄに達すると、飽和領域における誘導磁束Ｂの上昇角度が緩やかになる。検出コイル６からは前述したように、コア３に発生する磁束Ｂの非対称成分を電気信号として検出し増幅器１２に出力し、増幅器１２で増幅された検出信号は、２次高調波増幅回路８に出力される。

２次高調波増幅回路８では、検出コイル６で検出した計測磁界を反映した磁束の非対称成分により誘起した２次高調波を増幅する。２次高調波増幅回路８で増幅した計測磁界が交流の電気信号として抽出される。

位相検波器９は、２次高調波増幅回路８で増幅された２次高調波である交流電気信号化された計測磁界を検波して直流電気信号に変換するもので、計測磁界が直流の電圧信号に変換される。

そして、位相検波器９からの計測磁界を直流の電気信号に変換した信号がローパスフィルター（ＬＰＦ）１３を介してベクトルシグナルアナライザ１１に出力される。また、位相検波器９からの出力信号はフィードバック回路１０へ出力される。

フィードバック回路１０は、計測磁界を反映する直流電圧信号を電流に変換して検出コイル６に供給する。検出コイル６は、フィードバック回路１０からの電流により、計測磁界を打ち消す方向のフィードバック磁界をコア３に与える。すなわち、検出コイル６と、２次高調波増幅回路８と、位相検波器９と、フィードバック回路１０により、計測磁界は電気信号に変換され、帰還されるフィードバックループが構成される。このフィードバックループは、計測磁界とフィードバック磁界の差を増幅してこれを打ち消すように働くので、フィードバック磁界は計測磁界と等しく、これを作る電流は計測磁界に比例する。この電流を与える２次高調波増幅回路８が出力する直流電圧は、計測磁界と対応しているので、これを磁力計の出力として取り出すことにより、磁界が計測される。

図３は、図２に示す磁気センサーＳを適用したフラックスゲート磁力計と、従来のパーマロイを用いた磁気センサーを適用したフラックスゲート磁力計におけるノイズレベルを示す。

図３において、縦軸はノイズ密度（pTrms/rtHz）、横軸はノイズ周波数である。図３において、磁気センサーのコアにパーマロイを用いた従来品にあっては、ノイズ周波数が１Hｚで20 pTrms/rtHzであるのに対し、磁気センサーのコアにナノ結晶化合金を用いた本実施の形態によるものでは、ノイズ周波数が１Hｚで1.8 pTrms/rtHzであり、ノイズレベルを大幅に低減することができた。

これにより、測定精度が飛躍的に向上し、従来では測定不可能であった範囲での磁力測定が可能となった。

上述のように、フラックスゲート磁力計は、交番磁界をコアを構成する磁性体に与え、該コアに生じる誘導磁束の磁束密度の変化が計測磁界により非対称となる成分を検出することにより磁界を計測するものである。そして、本発明者は上述のように磁気センサーのコアにパーマロイを用いた従来品において、従来のコアを構成するパーマロイなどの磁性材料中に存在する磁区の不均一性（磁軸の反転における不均一性）、磁歪等の磁気的物性に起因して出力ノイズが発生するのではないかと推察した。

そこで、コアを構成する磁性材料としてナノ結晶化合金に着目し、磁気センサーのコアにナノ結晶化合金を用いた本実施の形態では、ナノ結晶化合金は結晶粒が微細であるため、磁区自体が微細であり、磁軸の反転が均一となると推定される。このため、出力ノイズの低減化が図れ、これにより高精度の計測が実現できることになる。

本発明による磁気センサーを構成するリングコアの実施の形態を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ-Ａ線断面図、（ｂ）は平面図。 図１のリングコアを用いた磁気センサーの概略構成を示す分解斜視図。 ノイズレベルを示す図。 フラックスゲート磁力計及びノイズレベル測定系の回路ブロック図。 フラックスゲート磁力計の駆動原理を示し、（ａ）は履歴曲線、（ｂ）は励磁信号の波形図、（ｃ）は検知信号の波形図、（ｄ）は出力信号のパルス波形図。

符号の説明

Ｓ 磁気センサー
Ｓｂ センサー筺体
１ ベースリング
１ａ 周溝
２ 磁性体部
３ リングコア
４ 励磁コイル
６ 検出コイル（ピックアップコイル）
７ 駆動回路
８ ２次高調波増幅回路
９ 位相検波回路
１０ フィードバック回路
１１ ベクトルシグナルアナライザ
１２ 増幅器
１３ ＬＰＦ
１４ 励磁・位相信号発生回路
１５ ＥＭＩフィルター
１６ 測定回路

Claims (4)

1. 磁気センサー用のコアにおいて、磁気検出材料にナノ結晶化合金を用いたことを特徴とする磁気センサー用のコア。
2. 磁気センサー用のコアにおいて、非磁性材料で形成されたベース部材と、前記ベース部材に形成された磁気検出材料からなる磁性体部とを有し、前記磁性体部はナノ結晶化合金により構成したことを特徴とする磁気センサー用のコア。
3. 請求項１または２に記載の磁気センサー用のコアと、励磁信号の通電により前記コアを励磁する励磁コイルと、前記コアに発生する磁束の非対称成分を検知する検出コイルとを有することを特徴とする磁気センサー。
4. 請求項３に記載の磁気センサーと、前記磁気センサーの励磁コイルへ励磁信号を通電すると共に、前記検出コイルからの検知信号に基づいて計測磁界を出力する計測装置とを有することを特徴とするフラックスゲート磁力計。
   

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