JP2013044561A

JP2013044561A - 磁界検出装置

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Publication number: JP2013044561A
Application number: JP2011180663A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Takahashi; 哲哉高橋
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-03-04
Anticipated expiration: 2031-08-22
Also published as: JP5758229B2

Abstract

【課題】外部導体と容量結合した状態においても外部印加磁界を正確に検出する。
【解決手段】一端が抵抗３を介して接地された磁気インピーダンス効果素子２と、磁気インピーダンス効果素子２の他端から磁気インピーダンス効果素子２に交流電流Ｓ１を供給する電流源４と、非反転入力端子が磁気インピーダンス効果素子２の他端に接続されると共に反転入力端子がコンデンサ５を介して磁気インピーダンス効果素子２の一端に接続され、反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗６ｂが接続されてコンデンサ５に流れる電流Ｉ１を電圧Ｖｉに変換して出力するオペアンプ６ａを有する電流電圧変換部６と、電流電圧変換部６から出力される電圧Ｖｉを検波することにより、磁気インピーダンス効果素子２に加わる外部印加磁界の大きさに応じて変化する検波電圧Ｖｄを出力する検波部７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気インピーダンス効果素子を用いて磁界を検出する磁界検出装置に関するものである。

この種の磁界検出装置として、下記特許文献に開示された磁界検出装置（磁界検出回路）が知られている。この磁界検出装置は、磁気インピーダンス効果素子である磁性体と、磁性体に対して並列に接続された可変抵抗および交流電流源からなる直列回路と、非反転入力端子が接地されて反転型増幅回路として構成されたオペアンプとを備えている。この場合、磁性体は、交流電流の通電によって生じる周方向の磁束の時間変化に対する電圧（以下、「磁気インピーダンス効果出力電圧」ともいう）を、外部印加磁界によって変化させる。また、磁性体は、この磁気インピーダンス効果出力電圧と共に、磁性体の抵抗成分に交流電流が流れることで発生する電圧と共に出力する。オペアンプの反転入力端子には、このようにして磁性体から出力される電圧、および可変抵抗の中間端子に発生する電圧がそれぞれ抵抗を介して入力される。

この磁界検出回路では、オペアンプにおいて、磁性体から出力される電圧のうちの抵抗成分に交流電流が流れることで発生する電圧が、可変抵抗に発生する電圧で相殺される。このため、磁気インピーダンス効果出力電圧のみがオペアンプから出力される。したがって、この磁気インピーダンス効果出力電圧に基づいて、外部印加磁界の強さを検出することが可能となっている。

特開平１０−１０２１５号公報（第２−４頁、第４図）

ところが、上記の磁界検出回路には、以下の解決すべき課題が存在している。すなわち、この磁界検出回路では、測定しようとする磁界の発生場所の近くに電圧の変動する外部導体が存在しているときには、この発生場所に配置した磁気インピーダンス効果素子である磁性体がこの外部導体と容量結合する場合があり、この場合には、変動する外部導体の電圧の影響を受けて磁性体の電圧も変動する。しかしながら、この磁界検出回路では、この外部導体との容量結合に基づいて磁性体に発生する電圧の変動については、相殺することができない。このため、この磁界検出回路には、電圧の変動する外部導体と容量結合する場所での外部印加磁界を正確に測定することができないという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、外部導体と容量結合した状態においても外部印加磁界を正確に検出し得る磁界検出装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の磁界検出装置は、一端が抵抗を介して接地された磁気インピーダンス効果素子と、前記磁気インピーダンス効果素子の他端から当該磁気インピーダンス効果素子に交流電流を供給する電流源と、非反転入力端子が前記磁気インピーダンス効果素子の前記他端に接続されると共に反転入力端子がコンデンサを介して前記磁気インピーダンス効果素子の前記一端に接続され、前記反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗が接続されて前記コンデンサに流れる電流を電圧に変換して出力するオペアンプを有する電流電圧変換部と、前記電流電圧変換部から出力される前記電圧を検波することにより、前記磁気インピーダンス効果素子に加わる外部印加磁界の大きさに応じて変化する検波電圧を出力する検波部とを備えている。

請求項２記載の磁界検出装置は、請求項１記載の磁界検出装置において、前記磁気インピーダンス効果素子のインダクタと前記コンデンサとが並列共振回路を構成し、当該並列共振回路の共振周波数が前記交流電流の周波数に規定されている。

請求項１記載の磁界検出装置では、一端が磁気インピーダンス効果素子に接続され、かつ他端が電流電圧変換部のオペアンプにおける反転入力端子に接続されたコンデンサを備え、電流電圧変換部が、コンデンサの両端の各電圧の差分に応じてコンデンサに流れる電流を電圧に変換して出力する。

したがって、この磁界検出装置によれば、磁気インピーダンス効果素子が外部導体と容量結合して、磁気インピーダンス効果素子の電圧が外部導体の電圧の変動の影響を受けて変動したとしても、外部印加磁界の強さの変化に伴って変化する磁気インピーダンス効果出力電圧のみを検出して、外部印加磁界の大きさに応じてのみ変化する検波電圧を出力することができる。

また、請求項２記載の磁界検出装置では、磁気インピーダンス効果素子のインダクタとコンデンサとが並列共振回路を構成し、このインダクタのインダクタンス値とコンデンサの静電容量値とで規定される並列共振回路の共振周波数が交流電流の周波数に規定されているため、わずかな外部印加磁界の強さの変化が、コンデンサに流れる電流の大きな変化、ひいては検波電圧の大きな変化に変換される。したがって、この磁界検出装置によれば、外部印加磁界の強さのわずかな変化を高感度で検出して、検波電圧として出力することができる。

磁界検出装置１の構成を示す構成図である。

以下、磁界検出装置１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、磁界検出装置１の構成について、図面を参照して説明する。

磁界検出装置１は、図１に示すように、磁気インピーダンス効果素子２、抵抗３、電流源４、コンデンサ５、電流電圧変換部６、検波部７および増幅部８を備えている。

磁気インピーダンス効果素子２は、一例として、アモルファス磁性線で構成されている。また、磁気インピーダンス効果素子２は、一端が抵抗３を介して接地され、他端に電流源４から後述の交流電流Ｓ１が供給される。なお、本例では発明の理解を容易にするため、磁気インピーダンス効果素子２の抵抗成分は無視できるものとする。このため、磁気インピーダンス効果素子２は、交流電流Ｓ１が供給されている状態において外部印加磁界の強さが変化したときには、この外部印加磁界の強さの変化に応じてインダクタンス値を変化させることで、磁気インピーダンス効果出力電圧（交流電流Ｓ１の通電によって生じる周方向の磁束の時間変化に対する電圧）Ｖ１のみを出力する（発生させる）ものとする。

電流源４は、数十ＭＨｚ（例えば、１０ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ）の交流電流（高周波電流）Ｓ１を出力する。また、電流源４における交流電流Ｓ１が出力される出力端子（図示せず）は、磁気インピーダンス効果素子２の他端、および電流電圧変換部６を構成する後述のオペアンプにおける非反転入力端子に接続されている。コンデンサ５は、一端が磁気インピーダンス効果素子２の一端に接続されると共に、他端が電流電圧変換部６を構成する後述のオペアンプにおける反転入力端子に接続されている。

電流電圧変換部６は、一例として、オペアンプ６ａおよび帰還抵抗６ｂを備えている。オペアンプ６ａは、反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗６ｂが接続されている。また、オペアンプ６ａは、非反転入力端子に電流源４の出力端子が接続され、反転入力端子にコンデンサ５の他端が接続されている。また、オペアンプ６ａは、出力端子が検波部７の入力端子（図示せず）に接続されている。

この構成により、電流電圧変換部６は、コンデンサ５の一端に発生する電圧Ｖａと他端に発生する電圧Ｖｂとの差分（Ｖｂ−Ｖａ）に応じて、コンデンサ５に流れる電流Ｉ１を電圧Ｖｉに変換して出力する。この場合、コンデンサ５の他端に接続されているオペアンプ６ａの反転入力端子は、バーチャルショート状態の非反転入力端子を介して磁気インピーダンス効果素子２の他端と同電位に規定される。これにより、磁気インピーダンス効果素子２のインダクタとコンデンサ５とは等価的に並列共振回路を構成する。また、並列共振回路は、外部印加磁界の強さがゼロのときの磁気インピーダンス効果素子２のインダクタンス値と、コンデンサ５の静電容量値とで規定される並列共振周波数が交流電流Ｓ１の周波数と一致またはその近傍となるように構成されている。

検波部７は、電圧Ｖｉを検波（本例では、包絡線検波）して、検波電圧Ｖｄを出力する。増幅部８は、この検波電圧Ｖｄを増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

次に、磁界検出装置１の動作について説明する。

磁気インピーダンス効果素子２が外部導体１１と容量結合していない状態において、電流源４から磁気インピーダンス効果素子２に対して交流電流Ｓ１が供給されているときには、磁気インピーダンス効果素子２は、外部印加磁界によって変化する磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１を発生させる。この場合、コンデンサ５の一端（磁気インピーダンス効果素子２の一端に接続されている端部）に発生する電圧Ｖａを基準としたときに、磁気インピーダンス効果素子２の他端には、電圧（Ｖａ＋Ｖ１）が発生する。

この電圧（Ｖａ＋Ｖ１）はオペアンプ６ａの非反転入力端子に印加されるが、オペアンプ６ａでは非反転入力端子と反転入力端子とはバーチャルショート状態であるため、電圧（Ｖａ＋Ｖ１）は、電圧Ｖｂとしてコンデンサ５の他端に印加される。

これにより、電流電圧変換部６は、差分（Ｖｂ−Ｖａ）、すなわち電圧Ｖ１（＝Ｖｂ−Ｖａ＝Ｖａ＋Ｖ１−Ｖａ）に応じてコンデンサ５に流れる電流Ｉ１を電圧Ｖｉに変換して出力する。検波部７は、この電圧Ｖｉを検波して、磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１にのみ応じて変化する検波電圧Ｖｄを出力し、増幅部８は、この検波電圧Ｖｄを増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。したがって、磁界検出装置１は、磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１にのみ応じて変化する出力電圧Ｖｏｕｔ、つまり、外部印加磁界によってのみ変化する出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

また、この磁界検出装置１では、外部印加磁界の強さがゼロのときの磁気インピーダンス効果素子２のインダクタンス値とコンデンサ５の静電容量値で規定される磁気インピーダンス効果素子２とコンデンサ５の並列共振回路の共振周波数が交流電流Ｓ１の周波数と一致またはその近傍となるように構成されている。このため、この磁界検出装置１では、わずかな外部印加磁界の強さの変化を、コンデンサ５に流れる電流Ｉ１の大きな変化として、電圧Ｖｉの大きな変化、ひいては出力電圧Ｖｏｕｔの大きな変化として検出することが可能となっている。つまり、この磁界検出装置１では、わずかな外部印加磁界の強さの変化を高感度で検出することが可能となっている。

一方、この状態において、磁気インピーダンス効果素子２が外部導体１１と容量結合したときには、磁気インピーダンス効果素子２全体の電位は、外部導体１１の電圧の変動の影響を受けて変動する。この場合、この外部導体１１の電圧の変動に起因する磁気インピーダンス効果素子２の電位の変動分が電圧Ｖ２であるときには、この電圧Ｖ２は、コンデンサ５の一端に発生する電圧Ｖａに重畳すると共に、磁気インピーダンス効果素子２の他端に発生する電圧（Ｖａ＋Ｖ１）にも重畳する。また、この電圧（Ｖａ＋Ｖ１）への電圧Ｖ２の重畳により、磁気インピーダンス効果素子２の他端に接続されたオペアンプ６ａの非反転入力端子とバーチャルショート状態となるオペアンプ６ａの反転入力端子の電圧Ｖｂにも電圧Ｖ２が重畳する。

このようにして、電圧Ｖａ，Ｖｂの双方に電圧Ｖ２が重畳するため、電流電圧変換部６は、差分（Ｖｂ−Ｖａ）に応じてコンデンサ５に流れる電流Ｉ１を電圧Ｖｉに変換することにより、電圧Ｖ２を相殺した状態で、磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１に応じてコンデンサ５に流れる電流Ｉ１を電圧Ｖｉに変換して出力する。検波部７は、この電圧Ｖｉを検波して、検波電圧Ｖｄを出力し、増幅部８は、この検波電圧Ｖｄを増幅して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。したがって、磁界検出装置１は、磁気インピーダンス効果素子２が外部導体１１と容量結合することによって、磁気インピーダンス効果素子２の電位が電圧Ｖ２で変動している状態においても、外部印加磁界の強さの変化に伴って変化する磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１を高感度で検出して、外部印加磁界によってのみ変化する出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

このように、この磁界検出装置１では、一端が磁気インピーダンス効果素子２に接続され、かつ他端が電流電圧変換部６のオペアンプ６ａにおける反転入力端子に接続されたコンデンサ５を備え、電流電圧変換部６が、コンデンサ５の他端（オペアンプ６ａのバーチャルショートによって磁気インピーダンス効果素子２の他端と同電位となる端部）における電圧Ｖｂとコンデンサの一端における電圧Ｖａとの差分（Ｖｂ−Ｖａ）に応じてコンデンサ５に流れる電流Ｉ１を電圧Ｖｉに変換して出力する。

したがって、この磁界検出装置１によれば、磁気インピーダンス効果素子２が外部導体１１と容量結合して、磁気インピーダンス効果素子２の電圧が外部導体１１の電圧の変動の影響を受けて変動したとしても、外部印加磁界の強さの変化に伴って変化する磁気インピーダンス効果出力電圧Ｖ１のみを検出して、外部印加磁界によってのみ変化する出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。

また、この磁界検出装置１では、磁気インピーダンス効果素子２のインダクタとコンデンサ５とが並列共振回路を構成し、このインダクタのインダクタンス値とコンデンサ５の静電容量値とで規定される並列共振回路の共振周波数が交流電流Ｓ１の周波数に規定されているため、わずかな外部印加磁界の強さの変化が、コンデンサ５に流れる電流Ｉ１の大きな変化、ひいては出力電圧Ｖｏｕｔの大きな変化に変換される。したがって、この磁界検出装置１によれば、外部印加磁界の強さのわずかな変化を高感度で検出して、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力することができる。

なお、上記の構成に限定されない。例えば、検波部７から出力される検波電圧Ｖｄの振幅で十分な場合には、増幅部８を設けることなく、この検波電圧Ｖｄを出力電圧として出力する構成を採用することもできる。

１磁界検出装置
２磁気インピーダンス効果素子
３抵抗
４電流源
５コンデンサ
６電流電圧変換部
６ａオペアンプ
６ｂ帰還抵抗
７検波部
Ｓ１交流電流
Ｖｄ検波電圧

Claims

一端が抵抗を介して接地された磁気インピーダンス効果素子と、
前記磁気インピーダンス効果素子の他端から当該磁気インピーダンス効果素子に交流電流を供給する電流源と、
非反転入力端子が前記磁気インピーダンス効果素子の前記他端に接続されると共に反転入力端子がコンデンサを介して前記磁気インピーダンス効果素子の前記一端に接続され、前記反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗が接続されて前記コンデンサに流れる電流を電圧に変換して出力するオペアンプを有する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力される前記電圧を検波することにより、前記磁気インピーダンス効果素子に加わる外部印加磁界の大きさに応じて変化する検波電圧を出力する検波部とを備えている磁界検出装置。
前記磁気インピーダンス効果素子のインダクタと前記コンデンサとが並列共振回路を構成し、当該並列共振回路の共振周波数が前記交流電流の周波数に規定されている請求項１記載の磁界検出装置。