JP2010078401A - 非接触磁気変調型信号増幅器。 - Google Patents

Abstract

【課題】
往来の方法では静磁界検出を利用して電気回路の5V100mA程度の直流電気信号の検出が実用化の目処であり、電子回路信号（直流5V2mA）程度の電気信号を静磁界検出を利用して非接触で確実に読み取り検出することは殆ど実現不可能であり、検出する回路には電気的に接続するしかなく、真の電気信号測定にするためには測定器の内部抵抗も絡んでおり、きわめて産業上不利益をもたらしており、またエネルギー上も微小回路の微小な電力消費に対しても無視するしか無く諦められている部分であった。
【解決手段】
本発明は、検出する回路には電気的に接続することなく電子回路信号（直流5V2mA）程度の電気信号でも静磁場を利用して非接触で確実に読み取り検出し、外来磁気や地磁気の影響も安価な方法で無視でき、かつ微小な磁気信号を増幅し検出することで、その欠点を除くために考えたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は磁気平衡を利用して磁束の移動若しくは強弱、又は通過及び停止を検出するブリッジ形磁気変調器において、地磁気若しくは所望外の磁気による影響を排除し、高感度で被検出直流信号を増幅し検出信号として出力することを可能にするブリッジ形非接触磁気変調器を利用した信号増幅器に関するものである。

往来の磁気平衡ブリッジを利用した、磁束の移動若しくは強弱、又は通過及び停止を検出するブリッジ形磁気センサは、外来磁気変化や地磁気の日変化により磁界の影響を受け、
被検出磁気が対外来磁気変化や地磁気変化比的にそれほど大きくない場合は、磁気検出の
大きな障害雑音となることで、従来の磁気抵抗素子に磁界が印加され方向性の検出が可能
とされているブリッジ形磁気センサの場合、磁気平衡がとれず、地磁気の方向と交差及び
平行方向となるように磁気センサが向けられると、出力端に地磁気起因出力が出力される
結果、地磁気等による誤検出が生じ、センサの向きにより検出感度が振舞い、誤出力し、
仮に磁気シールドを行っても、負帰還磁束で平衡をとろうとしても、常に磁気平衡を保つ
ことは困難で、被検出磁束が直流微小信号のような場合は特に、コストを含め多くの問題
があった。

また、往来の磁気平衡ブリッジを利用した、磁気センサは複数個設置することでその外
来磁気通過状態を検出順序及び検出時間差や差動検出出力を利用して磁束の速度及び方向
及び磁束の強さを演算補正検出することが可能となっているが、大がかりな回路と装置が
必要となっていた。

以上に述べた往来の磁気平衡ブリッジを利用した、磁束の移動著しく強弱、又は通過及
び停止を検出する磁気センサは、自ら静磁界を持つ永久磁石や、または回転磁界を持つ物
体が周囲に存在し、または移動すれば、所要のタイミングで検出（誤検出）し、さらに外
来磁界の強さが変化した場合には加算減算され正しく検出することが出来ず、実際の被検
出磁束とはまったく違う状態を、誤作動として正常検出することがしばしば有り誤検出の
発生が避けられないという欠点があった。

その上、往来の方法では静磁界検出を利用して電気回路の5V100mA程度の直流電気信号の検出が実用化の目処であり、電子回路信号（直流5V2mA）程度の電気信号を静磁界検出を利用して非接触で確実に読み取り検出することは殆ど実現不可能であり、検出する回路には電気的に接続するしかなく、真の電気信号測定にするためには測定器の内部抵抗も絡んでおり、また法律規則上接続を許可されない回路もあり、きわめて産業上不利益をもたらしており、またエネルギー上も微小回路の微小な電力消費に対しても無視するしか無く諦められている部分でもあり、こうした使用者の強い要望に答えるために発明されたものである。

本発明は、このような往来の構成が有していた問題を解決しようというものであり、上
記のように、検出する回路には電気的に接続することなく電子回路信号（直流5V2mA）程
度の電気信号でも静磁場を利用して非接触で確実に読み取り検出し、外来磁気や地磁気の影響も安価な方法で無視でき、かつ微小な磁気信号を増幅し検出することで、その欠点を除くために考えたものである。

上記の課題を解決するために、請求項1の本発明の非接触磁気変調型信号増幅器は、図
1のように4個の磁気抵抗を環状に接続し、向かい合った接続点ab及びcd間に、それぞ
れ磁気励磁用コイルNと励磁用交流電源B及び負荷コイルGと整流形検出器Vを接続し
た回路を備え、磁気ホイートストンブリッジ形状とし、負荷コイルGを通るcd間に現れる
磁束密度はΦcd＝ZRΦr・ZPΦp＝ZQΦq・ZXΦxとなり、このΦcdがΦcd＝0ならば平衡と言い、ZP／ZR＝ZQ／ZXとZPZX＝ZQZRが成り立つ状態をつくるが、ここで仮に外部磁界の影響で不平衡となっても、仮の平衡とし、ここへ被検出磁束を通過若しくは貫通させることで平衡を推進若しくはさらに崩し、結果として負荷コイルに対して変動磁束による電圧を誘導し、誘導電圧波形を整流形検出器Vを接続し差動検出することを特徴とする。

さらに上記の課題を解決するために、請求項2の本発明の非接触磁気変調型信号増幅器は、図2のように6個の磁気抵抗を環状に接続し、向かい合った接続点ad及びef間に、それぞれ磁気励磁用コイルNと励磁用交流電源B及び負荷コイルGと整流形検出器Vを接続した回路を備え、磁気ダブルブリッジ形状とし、このΦefがΦef＝0ならばホイートストンブリッジと同じく平衡と言い、m／n＝m’／n’=X／Rとm・n’＝m’・nが成り立つ状態をつくるが、もし仮に外部磁界の影響で不平衡となっても、仮の平衡とし、ここへ被検出磁束を通過若しくは貫通させることで平衡を推進若しくはさらに崩し、結果として負荷コイルに対して変動磁束による電圧を誘導し、誘導電圧波形を整流形検出器Vを接続し差動検出することを特徴とする。

上述したように本発明では、磁気ブリッジの平衡状態を真の平衡状態ではなくとも整流
差動検出することにより、非常に困難な磁気ブリッジ回路の平衡条件を、仮に満たした状
態で正常検出動作が可能となり、磁気平衡状態を作る為の磁気抵抗の調整（断面積の調整
等）や帰還コイルによる磁気バランス調整、磁気シールド等の付随措置を一切不用とし、
微小な磁気信号変化を検出し、さらに所要の励磁電力により増幅して出力することで、外
乱磁界やノイズによる誤作動を同時に解決するという効果を発揮するものである。

また、磁気ブリッジを構成する磁心の磁性体透磁率は温度によってはなはだしく変化す
るものであり、さらに漏れ磁束を生ずるのが一般的であるが、この温度変化や漏れ磁束の
変化による誤作動をも解決するという効果を発揮するものである。

以下、本発明の実施形態を図1〜図3に基づいて説明する。

図1〜図3は本発明の実施形態に係り、図1は請求項1に関する回路図、図2は請求項2
に関する回路図、図3はその実施実態を示す電気回路図である。

図1に示すように本非接触磁気変調型信号増幅器は、貫通した穴を3箇所有する磁気ホイートストンブリッジ構造の磁心を持ち、磁心のブリッジ部abに、磁気励磁用コイルNと励磁用交流電源Bを接続し、もう一方のブリッジ部cdに負荷コイルGと整流形検出器Vを接続した回路を備え、その他の磁心部分は全て磁気抵抗として磁気閉回路を構成し、その磁気閉回路の負荷コイルを取り付ける磁心ブリッジ部（穴）に簡易的な静磁界発生用として被信号検出電線を貫通させる。

励磁用交流電源Bは磁気励磁用コイルNに対して、被検出信号の大きさと変化速度にあわせて交流電圧と周波数を可変式に変更することで、起磁界の周波数と磁束量を変化させ、負荷コイルGへ与える誘導電圧と周波数が変動するので、整流形検出器によって直流化した場合には、結果として検出速度と信号増幅率とを可変することが可能となる。

また図2に示すように、請求項2のダブルブリッジ形非接触磁気変調型信号増幅器は、貫通した穴を4箇所有するダブルブリッジ形を持ち、磁心のブリッジ部abに、磁気励磁用
コイルNと励磁用交流電源Bを接続し、もう一方のブリッジ部efに負荷コイルGと整流形検出器Vを接続した回路を備え、その他の磁心部分は全て磁気抵抗として磁気閉回路を構成し、その磁気閉回路の負荷コイルを取り付ける磁心ブリッジ部（穴）に簡易的な静磁界発生用として被信号検出電線を貫通させる。

前記のダブルブリッジ形非接触磁気変調型信号増幅器に措いても、励磁用交流電源Bは
磁気励磁用コイルNに対して、被検出信号の大きさと変化速度にあわせて交流電圧と周波
数を可変式に変更することで、起磁界の周波数と磁束量を変化させ、負荷コイルGへ与え
る誘導電圧と周波数が変動するので、整流形検出器によって直流化した場合には、結果として検出速度と信号増幅率とを可変することが可能となる。

前記のようにして構成された非接触磁気変調型信号増幅器において、図3に示す整流形
検出器Vには、微小な検出変動時の直流成分を含む場合の誤差を阻止するコンデンサCを
直列に挿入し、被測定電圧が磁心不平衡や外来磁界の影響や温度変動による直流成分誤差
で誤作動しないようにして整流し、また、この場合でも出力先機器の内部抵抗Rには交流
分も流れるので、出力先機器と並列にコンデンサCfを側路として挿入する。

前記整流形検出器において、磁気励磁用コイルNと励磁用交流電源Bとで起磁された周波数の磁束が、負荷コイルNgへ第2調波で誘導し起電力を与えることは公知であるので、その周波数を全波整流し、変化磁束量のみを直流成分として差動出力させることで、磁心不平衡や外来磁界の影響や温度変動による直流成分誤差で誤作動しないように仮平衡オフセットして整流し検出出力する。

前記ブリッジ形磁心において、被検出磁束を通過若しくは貫通させる、ブリッジ部acは、
被測定電線の電気信号により電流の向きに対して右ネジの法則にしたがって磁束Φが電線周囲に生じることで磁気ブリッジ平衡を推進若しくはさらに崩す方向で働き、結果として負荷コイルに対して変動磁束による電圧を誘導し、検出するので、このブリッジ部をクランプ式若しくは取り外し式（分離式）とすることで、ブリッジ部に1回貫通させるだけでなく、2回3回と貫通させることで感度を上げることが可能である。
試験磁束電線を貫通させたのは、磁束密度の定義で最も広く用いられている電流に作用する力によって定義される方法であり、空間上に試験電流Ioが流れたとき、単位長さ当りに働く電磁的な力をその点における磁束密度と定義しているからであり、これを簡易的な静磁界発生用として利用するためである。

また、検出ブリッジ部を可とう性磁心を用いることで、動物、人体、植物の形状に合わせて取り付けることができ、微小な磁気変化を前記と同様に検出することができる。

前記非接触磁気変調型信号増幅器は構成部品が少なく軽量安価であるので、多数所要の形状に配置し人体の部位を計測することで、現在実用化されているMRI装置やCT装置等の
簡易的な可般型の補助診断装置として、若しくは危険物持込審査用のゲート等に形状を変形することで大きな物体の微小な電流、微小な磁界の検出が可能である。

磁気回路においては静電界と同じ形式で取り扱うことが一般的になっており、下記電気回路と磁気回路において、電荷と電位は磁荷と磁位、電気力線と電流は磁力線と磁束、起電力と起磁力、等電位面と等磁位面は一致するものとして、考えることができる。
図1のように4個の抵抗を環状に接続し、向かい合った接続点ab及びcd間に、それぞれ
電源B及び検流計Gを接続した回路をホイートストンブリッジといい、検流計Gを通るcd間に現れる電圧はVcd＝ZPip・ZRir＝ZQiq・ZXixとなり、このVcdがVcd＝0ならば平衡と言い、ip＝iq，ir＝ixとなり、ZP/ZR＝ZQ/ZXとZPZX＝ZQZRが成り立つことは良く知られている。
また、検流計Gと電源Bを入替えても同条件となることも知られている。
上記ホイートストンブリッジの形式も磁気回路においても同様に取り扱うことが出来、図
1のように4個の磁気抵抗を環状に接続し、向かい合った接続点ab及びcd間に、それぞ
れ励磁源B及び検出器Gを接続した回路を磁気ホイートストンブリッジとし、検出器Gを
通るcd間に現れる磁束密度はΦcd＝ZRΦr・ZPΦp＝ZQΦq・ZXΦxとなり、このΦcdが
Φcd=0ならば平衡と言い、ZP/ZR＝ZQ/ZXとZPZX＝ZQZRが成り立つ。
しかし、磁気回路において平衡をとるために磁気抵抗を調整することは比較的困難であり、
また、外来磁束、漏れ磁束、地磁気による磁束等の影響によって完全に平衡をとることは、
磁気シールド、磁束帰還制御器、磁気平衡制御器等非常にコストがかかり、その結果として社会に安価な磁気ブリッジを用いた製品が皆無となっているので、これをダブルブリッジ化することで通常のブリッジを用いた場合の接触抵抗や磁気回路を構成する磁気の抵抗や漏れ磁束を回路的に除去することが出来る。
特許公開 2006-98332

本発明の請求項1の実施実態を示す回路図 本発明の請求項2の実施実態を示す回路図 本発明の実施実態例を示す電気回路図

符号の説明

1 磁気ブリッジ形磁心
2 磁気抵抗部
3 磁気励磁用コイルN
4 励磁用交流電源B
5 負荷コイルG
6 整流形検出器V
7 ダイオード
8 コンデンサ
9
電圧検出装置

Claims (3)

1. 交流電源と入力コイルと負荷コイルとホイートストンブリッジ形磁心と整流形電圧検出
   器とを備えたことを特徴とする非接触磁気変調型信号増幅器。
2. 上記ホイートストンブリッジ形磁心をダブルブリッジ形磁心としたことを特徴とする請
   求項1に記載の非接触磁気変調型信号増幅器。
3. 請求項1及び請求項2に記載のブリッジ形磁心において平衡状態を満たしていない状態
   を仮の平衡状態として信号の正常出力を可能とした、請求項1及び請求項2に記載の非接
   触磁気変調型信号増幅器。