JP2014173980A - 磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度のよい高感度な磁気計測装置１０を提供する。
【解決手段】磁気計測装置１０は、磁気異方性を有する固体、液体のいずれかからなる磁性材料であるアモルファス材料４６、４８と、アモルファスワイヤ４６、４８に近接して、そのアモルファスワイヤ４６、４８の容易磁化方向に対して直角方向の成分を有する電流誘起磁界ベクトルを与えられるように配置された導線４２、４４と、磁界を検出するためのコイル５０、５２と、を有し、導線４２、４４に電流を反復的に流し、コイル５０、５２に生じさせられた起電力を検出して、出力信号とするので、アモルファス材料４６、４８は導線４２、４４に流された電流に基づいて磁界を生ずるととともに、その磁界によってコイル５０、５２に起電力を生じさせることができ、コイル５０、５２の起電力を測定することにより磁気検出を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気計測装置に関するものであり、特に磁気異方性を有する材料における磁気モーメントの変化に基づいて磁気を検出する磁気検出装置に関する。

例えばピコテスラやナノテスラのような次元での高感度の磁気の計測を行うための磁気計測装置に関する研究が広く行われており、例えば、超伝導量子干渉素子（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅ；ＳＱＵＩＤ）や磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）を用いた磁気計測装置が提案されている。

このうち、ＳＱＵＩＤを用いた磁気検出装置は、超電導ジョセフソン効果及び超電導コイルを用いるものであり、超電導を実現するための超低温を維持するための大規模な装置や、環境磁界を緻密に遮蔽するための設備が必要となるという課題がある。

一方、ＭＩセンサを用いた磁気センサは、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子に交流電流を通電することにより、表皮効果によりＭＩ素子のインピーダンスが通電した交流電流の周波数に依存して変化する現象を利用するセンサであり、上述のＳＱＵＩＤを用いた磁気検出装置のような大規模な装置や設備を要しない利点がある。

しかしながら、かかるＭＩセンサにおいては、磁気異方性アモルファスワイヤに交流電流を通電するための導線を電気的に接続する必要がある。これには、半田付けや超音波接合などの方法が用いられている。これらを行う際にアモルファスワイヤに加えられる熱や振動などにより、アモルファスワイヤが熱膨張や収縮、位置ずれを生じ、その結果アモルファスワイヤの張力がばらつくことになり、これにより磁界の検出効果を損なってしまう。このとき、アモルファスワイヤの変性、すなわち半田付けなどにより膨張・収縮、位置ずれによる張力のばらつきを制御することは困難であるにもかかわらず、製品としての均質性を求められることとなる。このように、均質なＭＩセンサを作製することが困難となる恐れがあった。図１２は、本発明者らによって実験的に得られたアモルファスワイヤにおける張力とセンサの感度との関係を表す図である。図１２の横軸はアモルファスワイヤにかかる張力の大きさを、縦軸はそのアモルファスワイヤを用いたＭＩセンサの感度をそれぞれ表している。図１２に示すように、アモルファスワイヤの張力とセンサの感度とはその張力が大きいほどセンサの感度、すなわち分解能が悪化するものであり、両者は密接な関係を有している。このように、アモルファスワイヤをセンサに取り付ける際の張力のばらつきは、完成されたセンサの性能を維持する上で無視できないものである。

特に、２つのセンサの出力差に基づいて磁界を検出するグラジオセンサ（勾配磁界検出装置）を構成しようとする場合、２つのセンサにおける感度が一致するように作製されなければならず、上述のようにアモルファスワイヤを半田付けなどによって用いる方法では困難が生ずる可能性がある。

特開２００３−００４８３０号公報 国際公開第２００５／０１９８５１号 特開２０１０−２５６１０９号公報 国際公開第２００９／１３０８１４号 特開２０１２−１８５１０３号公報

Ｕｃｈｉｙａｍａ， Ｔ．， Ｎａｋａｙａｍａ， Ｓ．， Ｍｏｈｒｉ， Ｋ．， Ｂｕｓｈｉｄａ， Ｋ．， "Ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＭＩ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｍｅｄｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ" Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ−Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００９， ２０６， ６３９−６４３． Ｎａｋａｙａｍａ， Ｓ．， Ａｔｓｕｔａ， Ｓ．， Ｓｈｉｎｍｉ， Ｔ．， Ｕｃｈｉｙａｍａ， Ｔ．， "Ｐｕｌｓｅ−ｄｒｉｖｅｎ ｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ｍｕｓｃｕｌａｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｙ" Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２０１１， ２７， ３４−３９． Ｎａｋａｙａｍａ， Ｓ．， Ｓａｗａｍｕｒａ， Ｋ．， Ｍｏｈｒｉ， Ｋ．， Ｕｃｈｉｙａｍａ， Ｔ．， "Ｐｕｌｓｅ−ｄｒｉｖｅｎ ｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｄｉａｃ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｙ"， ＰＬｏＳ ＯＮＥ， ２０１１， ６（１０）， ｅ２５８３４． Ｍｅｌｏ ＬＧＣ， Ｍｅｎａｒｄ Ｄ， Ｙｅｌｏｎ Ａ， Ｄｉｎｇ Ｌ， Ｓａｅｚ Ｓ， Ｄｏｌａｂｄｊｉａｎ Ｃ， "Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒｓ" Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ， ２００８ ，１０３： ０３３９０３．

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、磁気異方性を有する磁性材料を用い、より簡易な構成を可能にする一方で精度のよい計測を可能にする磁気計測装置を提供することにある。

本願の発明者らは、磁気異方性を有する磁性材料は、周囲から磁界が加わっていない状態と測定対象となる外部磁界が加わった状態とでは、その内部磁化の配向が変化すること、また、その磁化材料の近傍に配された導線に一定量以上の電流が流された場合には、その誘導磁界に沿って磁性材料の内部磁化は整列させられることを見いだした。本発明はかかる知見に基づいて成されたものである。

すなわち、前記目的を達成するための本発明の要旨とするところは、（ａ）磁気異方性を有する固体、液体のいずれかまたはその複合物からなる磁性材料と、（ｂ）該磁性材料に近接して、該磁性材料の容易磁化方向に対して直角方向の成分を有する電流誘起磁界ベクトルを与えられるように配置された導電体と、（ｃ）磁界を検出するためのコイルと、を有する磁気計測装置であって、（ｄ）該導電体に電流を反復的に流し、（ｅ）前記コイルに生じさせられた起電力を検出して、該コイルの出力を信号とすること、にある。

請求項１の磁気計測装置によれば、前記磁性材料は導電体に流された電流に基づいて磁界を生ずるととともに、その磁界によって前記コイルに起電力を生じさせることができ、その起電力を測定することにより磁気検出を行うことができるので、磁性材料に積極的に通電する必要がない。また、磁性材料に通電する必要がないことから、その磁性材料を電気的に接続する必要がなく、熱、振動などによる変性の影響を受けずに磁気計測装置を構成することができる。

好適には、前記磁性材料はアモルファス材料である。このようにすれば、前記測定しようとする磁気、および導電体を流れる電流により発生する磁界によって前記磁性材料の磁化が容易に変化するので、その磁界によりコイルに起電力を生じさせやすい。そのため、磁気の測定を容易かつ精度よく行うことができる。

また好適には、前記電流は、パルス電流、所定のパターンで反復的に変化する電流、もしくはこれらが重畳された電流である。このようにすれば、前記導電体を流れる電流の大きさが周期的に変化するので、その周期に同期した前記コイルの起電力の変化に基づいて磁気を計測し得る。

また好適には、（ａ）前記磁性材料は、少なくとも１本の長手方向に容易磁化方向を有するアモルファスワイヤであり、（ｂ）前記導電体は、少なくとも１本の導線である。このようにすれば、前記磁性材料と前記導電体とを好適に配置した磁気測定装置を構成しうる。

また好適には、（ａ）前記磁性材料は、前記磁性材料の容易磁化方向における中点を通り、該容易磁化方向に対して直角な直線または面を対称線または対称面として対称の形状を有し、（ｂ）前記コイルは、該対称線または対称面に対して対称となるように一対設けられることにより、（ｃ）グラジオセンサを構成するものである。このようにすれば、２つのコイルが共通する磁性材料に対してその対称線または対称面に対して対称となるように設けられ、地磁気などの環境磁界の影響を好適に相殺することができ、グラジオセンサを作製した際の精度が向上し得る。

また好適には、（ａ）前記磁性材料は、磁気異方性を有するアモルファス材料を含み、（ｂ）該アモルファス材料は、少なくとも一層で前記導電体を囲むように筒状に構成されている。このようにすれば、アモルファス材料と導電体とが近接した状態で磁気計測装置を構成することができる。

また好適には、（ａ）前記磁性材料は、磁気異方性を有する長手状のアモルファス材料を含んで構成され、（ｂ）該長手状アモルファス材料は、少なくとも一層で前記導電体を囲むようにコイル状に構成されている。このようにすれば、アモルファス材料と導電体とが近接した状態で磁気計測装置を構成することができる。

さらに好適には、前記アモルファス材料と前記導電体とは電気的に絶縁されるものである。このようにすれば、アモルファス材料が生ずる磁界について、そのアモルファス材料を流れる電流の影響が生じないこととなる。しかしながら、該導電体を流れる電流量が磁気の計測に影響を生じない程度のものである場合には、前記アモルファス材料と前記導電体とを必ずしも絶縁する必要はない。

本発明の磁気計測装置の概要を説明する図である。 プローブ部の基本構成を概念的に説明する図である。 センサの電気的な構成を説明する図である。 アモルファス材料中の磁荷の分布を説明する図である。 本発明の別の実施例における、磁気計測装置を構成するセンサの概要を説明する図である。 本発明のさらに別の実施例における、磁気計測装置を構成するセンサの概要を説明する図である。 本発明のさらに別の実施例における、磁気計測装置を構成するセンサの概要を説明する図である。 本発明の別の実施例におけるプローブ部の構成を説明する図であって、図３に対応する図である。 本発明の別の実施例における磁気計測装置の構成を説明する図であって、図１に対応するものである。 本発明の更に別の実施例における磁気計測装置の構成を説明する図であって、図９に対応するものである。 実施例１の磁気計測装置を用いて行った磁気の計測実験の結果を示す図である。 アモルファスワイヤの張力とそのアモルファスワイヤを用いたＭＩセンサの感度との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の磁気計測装置１０の概要を説明する図である。磁気計測装置１０は磁気を検出するためのプローブ部１２とそのプローブ部１２を駆動するための回路部１４とを含んで構成されている。本実施例においては、プローブ部１２は磁気グラジオセンサを構成しており、後述するように２つの磁気センサを含んで構成されている。プローブ部１２の構成は後述する。

回路部１４は、後述するプローブ部１２の導体部４２、４４に電流を供給するために設けられたクロック部２０、電源供給部２１およびパルスジェネレータ（パルス生成器）２２を有している。クロック部２０は例えばＣＭＯＳ ＩＣなどであり、所定の間隔でパルス信号を出力する。パルスジェネレータ２２は該クロック部２０から出力されるパルス信号および電源供給部２１から供給される電源電圧に基づいて、周期的に変化する電流Ｉｅをプローブ部１２の導体部４２、４４に電流を供給する。周期的に変化する電流Ｉｅとは、例えばパルス状に変化する方形波である。

また、回路部１４は、後述するプローブ部１２のコイル５０、５２の誘導起電力Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２を検出するために設けられたサンプルホールド回路２４、２６、差動アンプ２８、フィルタ３０、アンプ３２、フィルタ３４を有している。サンプルホールド回路２４、２６は、それぞれコイル５０、５２の起電力Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２の振幅のピーク（ピーク値）を検出する。なお、前記クロック部２０からは、これらサンプルホールド回路２４、２６にトリガ信号が供給されるようになっており、サンプルホールド回路２４、２６におけるピーク値の検出はこのトリガ信号に同期して所定の位相ごとに行われる。差動アンプ２８は、サンプルホールド回路２４、２６の出力値の差分を出力する。これにより、プローブ部１２の２つの磁気センサを作動させたグラジオセンサが実現される。フィルタ３０は差動アンプ２８の出力から高周波成分および低周波成分を除去（ハイカットおよびローカット）し、所望の周波数成分のみを取り出す。アンプ３２は、フィルタ３０の出力信号を、所定のオフセット電圧Ｏｆｆｓｅｔにより例えば１０００倍程度に増幅を行う。フィルタ３４はアンプ３２の出力から再度高周波成分および低周波成分を除去し、所望の周波数成分のみを取り出す。このようにして出力された信号が、図示しないモニタなどの表示装置に表示されたり、記録装置に記録されたり、他の装置に送信されるようになっている。

図２はプローブ部１２の基本構成を概念的に説明する図である。本実施例においてはプローブ部１２にはセンサ３６、３８を含んで構成されている。前述のように、本実施例の磁気計測装置１０はグラジオセンサを構成しているので、センサ３６、３８のうち一方は検出対象となる磁気Ｂｍｅｓを計測するためのセンサとして用いられ、他方は参照用のセンサとして用いられる。そのため、センサ３６、３８は同様の構成を有している。センサ３６、３８はそれぞれ、磁性材料としてのアモルファス材料４６、４８、導電体としての導線４２、４４、コイル５０、５２を有して構成されている。このうち、アモルファス材料４６、４８は長手状の形状を有するアモルファスワイヤである。導線４２、４４はそれぞれアモルファス材料４６、４８に近接して設けられており、アモルファス材料４６、４８の長手方向に平行となるように伸びている。コイル５０、５２はそれぞれ、アモルファス材料４６、４８および導線４２、４４をそれぞれその内部に含むようなソレノイド状のコイルとして設けられている。なお、アモルファス材料４６、４８と導線４２、４４とは例えば空間が設けられたり、絶縁体が介在させられることなどによりそれぞれ電気的に接合していない状態とされている。後述するように、センサの構成としてはこのようなものに限られず、例えばアモルファス材料４６、４８の形状は長手方向に延びるものであれば、図２に示すような棒状のものに限定されるものではない。また、コイル５０、５２とアモルファス材料４６、４８および導線４２、４４との位置関係は、コイル５０、５２の内部にアモルファス材料４６、４８および導線４２、４４を含むものに限られず、アモルファス材料４６、４８によって誘導される電流を発生することができるようにコイル５０、５２が配置されればよい。なお、センサ３６、３８は、その一方が検出対象となる磁気Ｂｍｅｓを検出する一方、他方は検出しないように、両者が離れた位置とされている。

図３は、センサ３６、３８の電気的な構成を説明する図である。導線４２、４４には図１に示すパルスジェネレータ２２から供給されるパルス電流Ｉｅが流れる。また、コイル５０、５２の起電力Ｅｃｏｉｌ１，Ｅｃｏｉｌ２はそれぞれサンプルホールド回路２４、２６に出力される。なお、本実施例においてはセンサ３６、３８のように構成されるセンサをｉＰＡセンサ（ｉｎｄｕｃｅｄ ｐａｒａ−ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ）もしくはｉＰＡセンサ素子と呼ぶ。

図４を用いて、センサ３６、３８、すなわちｉＰＡセンサの動作原理の概要を説明する。図４は、ｉＰＡセンサのうち、アモルファス材料４６、４８および導線４２、４４のみを記載したものであり、アモルファス材料４６、４８中の磁荷の分布を説明する図である。アモルファス材料４６、４８中の矢印のそれぞれが磁荷の向きを概念的に示している。図４のうち、（ａ）はｉＰＡセンサに外部磁界が加わっていない無磁界状態、あるいは環境磁界のみが印加されているいわゆるコントロール状態Ｓ（０）を示している。図４の（ｂ）は、計測対象からの磁界Ｂｍｅｓが印加された状態Ｓ（１）を示しており、（ｃ）は導線４２、４４に十分な励起電流Ｉｅが印加された際の状態Ｓ（ｅ）を示している。

図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、アモルファス材料４６、４８における磁化は、外部から印加される微小な磁界により、例えば図４（ａ）のＳ（０）から図４（ｂ）のＳ（１）のように変化させられる。すなわち、前記コントロール状態Ｓ（０）では、アモルファス材料４６、４８の磁化（Ｍａｍ）は例えばその長手方向に直交する方向を向いている。一方、磁界Ｂｍｅｓが印加された状態Ｓ（１）では、一部の容易磁化方向を形成する磁気モーメントの配向が変化する。一方、図４（ｃ）に示すように、アモルファス材料４６、４８に近接して配設された導線４２、４４に十分な励起電流Ｉｅが流された場合には、その励起電流Ｉｅが図４（ｃ）における点線で示されるような磁界Ｂｅを発生する。そして、アモルファス材料４６、４８中の磁化の一定量は、その磁界Ｂｅの方向に整列した状態Ｓ（ｅ）となる。このように、励起電流Ｉｅが流されることにより磁化が整列するため、一過性の磁界を発生することとなる。ここで、励起電流Ｉｅを流す前の磁界、より詳細にはその磁界の下でのアモルファス材料４６、４８の磁化の状態により、磁化の整列に伴って生ずる前記一過性の磁界の大きさが異なる。具体的には、アモルファスワイヤ４６、４８が状態Ｓ（０）から状態Ｓ（ｅ）に変化する際の一過性の磁界と、状態Ｓ（１）から状態Ｓ（ｅ）に変化する際の一過性の磁界とはその大きさが異なる。

このようにしてアモルファスワイヤ４６、４８が生ずる一過性の磁界を、コイル５０、５２（図２、３参照）のそれぞれにより、それらコイル５０、５２における起電力の変化Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２として検出する。この起電力の変化は、励起電流Ｉｅの通電前後のアモルファス材料４６、４８における磁化の変化に対応するものとなる。具体的には、励起電流Ｉｅの通電前におけるアモルファスワイヤ４６、４８が受けていた磁界に応じて異なり、通電前におけるアモルファスワイヤ４６、４８の状態がＳ（０）であった場合には、
｛ Ｍａｍ（Ｓ（ｅ））−Ｍａｍ（Ｓ（０））｝／Δｔ
となり、通電前におけるアモルファスワイヤ４６、４８の状態がＳ（１）であった場合には、
｛ Ｍａｍ（Ｓ（ｅ））−Ｍａｍ（Ｓ（１））｝／Δｔ
となる。このように、コイル５０、５２における起電力の変化Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２は、計測対象の磁界Ｂｍｅｓを反映したものとなり、起電力の変化Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２に基づいて磁界Ｂｍｅｓの大きさを算出し得ることとなる。なお、前記Δｔは磁化が整列するのに要する時間であり、例えばナノ秒単位の時間である。

本実施例においては、励起電流Ｉｅはパルス電流であるので、電流が通電されアモルファス材料４６、４８の磁化が整列される励起状態期間と、通電が停止され、磁化が元の状態に戻る弛緩状態期間とが高周波で繰り返される。そのため、コイル５０、５２における誘導起電力の前記励起状態期間と弛緩状態期間とにおける差を検出することができる。また、これを複数回くり返して平均値などを算出することもできる。

前記励起電流Ｉｅは、環境磁界、すなわち通常の室内環境において受ける地磁気中においてアモルファスワイヤ４６、４８の内部磁化を整列させることができる程度の電流となるようにその大きさが定められる。具体的には、図２乃至図４に示すように導線４２、４４が直線上のものである場合には、励起電流Ｉｅの通電時におけるその近傍の誘導磁界Ｂｅの大きさは、アンペールの法則より
Ｂｅ＝μ_０Ｉ／２πｒ
のように近似される。ここでμ_０は真空の透磁率（＝４π×１０^−７（Ｔ／Ａ／ｍ）であり、ｒは導線４２、４４の中心からの距離である。ここで、励起電流Ｉｅの大きさＩを２００ｍＡとすると、導線４２、４４の中心から１０００μｍ（１０^−３ｍ）の距離におけるアモルファス材料４６、４８にも４×１０^−５Ｔの誘導磁界Ｂｅを加えることができる。この値は地磁気に匹敵するものであるから、地磁気の下においてアモルファス材料４６、４８の磁化を整列するのに十分であると考えられる。

前述の実施例によれば、本実施例の磁気計測装置１０は、磁気異方性を有する固体、液体のいずれかまたはその複合物からなる磁性材料であるアモルファス材料４６、４８と、アモルファスワイヤ４６、４８に近接して、該磁性材料の容易磁化方向に対して直角方向の成分を有する電流誘起磁界ベクトルを与えられるように配置された導線４２、４４と、磁界を検出するためのコイル５０、５２と、を有し、導線４２、４４に電流を反復して流し、コイル５０、５２に生じさせられた起電力を検出して、出力信号とするので、アモルファス材料４６、４８は導線４２、４４に流された電流に基づいて磁界を生ずるととともに、その磁界によってコイル５０、５２に起電力を生じさせることができる。なお、容易磁化方向とは、アモルファス材料４６、４８においてその磁気モーメントが向きやすい方向である。そしてコイル５０、５２の起電力を測定することにより磁気検出を行うことができるので、アモルファス材料４６、４８に積極的に通電する必要がない。また、アモルファス材料４６、４８に通電する必要がないことから、そのアモルファス材料４６、４８を電気的に接続する必要がなく、半田づけ等の加工による変性の影響を受けずに磁気計測装置１０を構成することができる。

また、前述の実施例においては、磁性材料としてアモルファス材料４６、４８が用いられるので、測定しようとする磁気、および導線４２、４４を流れる電流により発生する磁界によってアモルファス材料４６、４８の磁化が容易に変化するので、その磁界によりコイル５０、５２に起電力を生じさせやすい。そのため、磁気の測定を容易かつ精度よく行うことができる。

また、前述の実施例においては、導線４２、４４を流れる電流は、パルス電流、所定のパターンで反復的に変化する電流、もしくはこれらが重畳された電流であるので、導線４２、４４を流れる電流の大きさが反復して変化し、その変化する電流に同期したコイル５０、５２の起電力の変化に基づいて磁気を計測し得る。

また、前述の実施例においては、磁性材料は、少なくとも１本の長手方向に容易磁化方向を有するアモルファスワイヤ４６、４８であり、導電体は、少なくとも１本の導線４２、４４であるので、磁性材料と導電体とを好適に配置した磁気測定装置１０を構成しうる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、本発明の別の実施例における、磁気計測装置１０を構成するセンサ（ｉＰＡセンサ）１３６の概要を説明する図である。図５（ａ）はその構造を説明するための図であり、図５（ｂ）はその長手方向に垂直な面における断面図である。このセンサ１３６は、前述の実施例におけるセンサ３６、３８に代えて用いられ得る。

図５に示すセンサ１３６においては、前述の実施例１におけるセンサ３６、３８とほぼ同様の構成を有する。具体的には、センサ１３６は、磁性材料としてのアモルファス材料１４６、導電体としての導線４２、コイル５０を有して構成されており、アモルファス材料１４６は長手状の形状を有するアモルファスワイヤである。導線４２はそれぞれアモルファス材料１４６に近接して設けられており、アモルファス材料１４６の長手方向に平行となるように伸びている。コイル５０は、アモルファス材料１４６および導線４２をそれぞれその内部に含むようなソレノイド状のコイルとして設けられている。

図５のセンサ１３６においては、アモルファス材料１４６として複数の（図５においては４本の）アモルファス材料１４６として１４６ａ乃至１４６ｄが設けられている。前述の実施例１における図２に図示するセンサ３６、３８では一本のアモルファス材料４６、４８が設けられており、両者はこの点について異なる。

図５に示すようにアモルファスワイヤの本数を複数設けることができ、また、その形状を異ならせることもできる。ここで、その本数や形状は磁気計測装置１０に要求される検出感度に応じて変化させればよい。具体的には、図５においては、断面が円のアモルファス材料１４６ａ、１４６ｃと断面が四角形のアモルファス材料１４６ｂ、１４６ｄとがそれぞれ二本ずつ設けられているが、このような態様に限定されるものでない。すなわち、断面が円あるいは四角形以外の形状のアモルファス材料であってもよいし、その本数や組み合わせも図５のものに限定されるものではない。すなわち、本発明においては、アモルファス材料４６、１４６ａ〜１４６ｄに積極的に電流を流すものではないので、アモルファス材料の本数、断面積が変化したとしても励起電流が減少したり、総電流量が増加したりすることがないという利点がある。

実施例２のセンサ１３６によれば、実施例１と同様の効果が得られるとともに、センサ１３６の感度をアモルファス材料１４６の本数や形状などによって設定することができる。

図６は、本発明のさらに別の実施例における、磁気計測装置１０を構成するセンサ（ｉＰＡセンサ）２３６の概要を説明する図である。図６（ａ）はその構造を説明するための図であり、図６（ｂ）はその長手方向に垂直な面における断面図である。このセンサ２３６は、前述の実施例におけるセンサ３６、３８に代えて用いられ得る。

図６に示すセンサ２３６においては、前述の実施例１におけるセンサ３６、３８とほぼ同様の構成を有する。具体的には、センサ１３６は、磁性材料としてのアモルファス材料２４６、導電体としての導線４２、コイル５０を有して構成されている。アモルファス材料２４６は薄膜状の磁気異方性アモルファス材料を円筒状に巻くことによって作製されている。そして円筒状とされたアモルファス材料２４６の中心部分を導線４２が貫いている。あるいは、アモルファス材料２４６が導線４２に巻き付けられるようにして作製されてもよい。このとき、好適にはアモルファス材料２４６とそれによって囲まれる導線４２とは絶縁されるが、導電体４２に必要十分な量の電流が流れるのであれば、アモルファス材料２４６に導電体４２から一部の電流が分流しても差し支えなく、アモルファス材料２４６および導線４２とが必ずしも絶縁される必要はない。

なお、円筒状とされるアモルファス材料２４６は少なくとも１層で巻かれればよいが、複数層巻かれるものであっても差し支えない。その層の数は、磁気計測装置１０に要求される検出感度に応じて変化させればよい。

本実施例においても導線４２はアモルファス材料２４６に近接するとともに、アモルファス材料２４６の長手方向に平行となるようにされている。コイル５０は、アモルファス材料２４６および導線４２をその内部に含むようなソレノイド状のコイルとして設けられている。

実施例３のセンサ２３６およびそれを用いた磁気計測装置１０によれば、磁性材料はシート状の磁気異方性を有するアモルファス材料２４６であり、シート状のアモルファス材料２４６は、導線４２を少なくとも１層で囲むように巻きつけられ、または一層以上重ねられているので、実施例１と同様の効果が得られるとともに、アモルファス材料２４６と導線４２とが近接した状態として磁気計測装置１０を構成することができる。

図７は、本発明のさらに別の実施例における、磁気計測装置１０を構成するセンサ（ｉＰＡセンサ）３３６の概要を説明する図である。図７（ａ）はその構造を説明するための図であり、図７（ｂ）はその長手方向に垂直な面における断面図である。このセンサ３３６は、前述の実施例におけるセンサ３６、３８に代えて用いられ得る。

図７に示すセンサ３３６においては、前述の実施例１におけるセンサ３６、３８とほぼ同様の構成を有する。具体的には、センサ１３６は、磁性材料としてのアモルファス材料３４６、導電体としての導線４２、コイル５０を有して構成されている。アモルファス材料３４６は、例えばワイヤ状、あるいは幅広の紐状などの長手状の磁気異方性アモルファス材料を導線４２を囲むように少なくとも一層でコイル状に巻かれたものである。このとき、アモルファス材料３４６を導線４２に巻き付けられるようにして作製されてもよいし、円筒状になるように中心に空間を設けるようにして巻いた後、その中心に生じた空間に導線４２を配置するようにしてもよい。このとき、アモルファス材料３４６とそれによって囲まれる導線４２とは、前述の実施例３の場合と同様に絶縁されてもよいし、されなくてもよい。

なお、アモルファス材料３４６を巻き付ける際の間隔や巻き重ねる層の数は、例えば、磁気計測装置１０に要求される検出感度に応じて変化させればよい。具体的には間隔が生じないように隣接するアモルファス材料が接するように巻いても良いし、所定の間隔により巻いてもよい。また巻き重ねる際は少なくとも１層で巻かれればよいが、複数層巻かれるものであっても差し支えない。

本実施例のように、導線４２はアモルファス材料３４６に近接する一方、アモルファス材料３４６の長手方向と導線４２の長手方向とは平行となるものではない構成であっても一定の効果を生ずる。また、コイル５０は、アモルファス材料３４６および導線４２をその内部に含むようなソレノイド状のコイルとして設けられている。

実施例４のセンサ３３６およびそれを用いた磁気計測装置１０によれば、磁性材料は長手状の磁気異方性を有するアモルファス材料３４６であり、アモルファス材料３４６は、導線４２を少なくとも１層で囲むように巻きつけられているので、実施例１乃至３と同様の効果が得られるとともに、アモルファス材料３４６と導線４２とが近接した状態として磁気計測装置１０を構成することができる。

図８は、本発明の別の実施例におけるプローブ部１２の構成を説明する図であって、図３に対応する図である。すなわち、本実施例のプローブ部１２は図３のプローブ部１２に代えて用いられる。図３のプローブ部１２においては、２つのセンサ３６、３８はそれぞれアモルファス材料４６、４８および導線４２、４４を有していたが、図８に示す本実施例のプローブ部１２は、２つのセンサ３６、３８は共通するアモルファス材料４４６および１つの導線４４２を有する点において異なる。ここで、共通するアモルファス材料４４６とは、２つのセンサ３６、３８が磁気回路的に直列に結合されたアモルファス材料４４６を共有することを意味している。

図８において、アモルファス材料４４６は、その容易磁化方向、すなわち長手方向における中点を通り、容易磁化方向に対して直角な直線を対称線として対称の形状を有している。そして、一対のセンサ３６、３８における一対のコイル５０、５２は、その対称線または対称面に対して対称となる位置に設けられている。このようにすれば、本願発明者らの知見に基づけば、例えば環境磁界のように２つのセンサ３６、３８に共通して加わる磁界は、アモルファス材料４４６においてその中点あるいは対称線に対して対称となる。従って、これら２つのセンサ３６、３８を用いてグラジオセンサを構成する場合に、環境磁界の影響を好適に打ち消すことが可能になり、より精度のよい磁気計測装置１０を提供することができる。なお、このことは特許文献５にも記載されている。

本実施例によれば、アモルファス材料４４６は、その容易磁化方向における中点を通り、容易磁化方向に対して直角な直線を対称線として対称の形状を有し、センサ３６、３８における一対のコイル５０、５２は、その対称線に対して対称となるように一対設けられ、それらセンサ３６、３８によりグラジオセンサが構成されるので、地磁気などの環境磁界の影響をこれら一対のセンサ３６、３８を差動させることにより好適に相殺することができ、グラジオセンサを用いて構成した磁気計測装置１０の精度が向上し得る。

図９は、本発明の別の実施例における磁気計測装置１０の構成を説明する図である。図９の磁気計測装置１０においては、プローブ部１２を含む磁気計測装置１０の一部をセンサプローブ２１２としている。このセンサプローブ２１２は磁気計測装置１０の本体と分離された形態とされ、両者がケーブルで接続されることにより、本体と離れた場所の磁気の計測が可能にされている。図９の実施例においては、センサプローブ２１２はプローブ部１２に加え、回路部１４の一部であるパルスジェネレータ２２、ＡＣカップリング器２２４、インスツルメンテーションアンプ２２８を含んで構成されているが、このような態様に限定されるものではなく、これらのうち一部はセンサプローブ２１２に含まれなくても良いし、逆に回路部１４の他の構成部分がセンサプローブ２１２に含まれてもよい。

本実施例における回路部１４は、クロック部２０、電源供給部２１、パルスジェネレータ２２、ＡＣカップル器２２４、インスツルメンテーションアンプ２２８、ＡＣカップル器２６０、ロックインアンプ２６２、およびローパスフィルタ２６４などを含んで構成されている。このうち、クロック部２０、電源供給部２１、パルスジェネレータ２２は前述の実施例１におけるものと同様であるので説明を省略する。なお、クロック部２０が出力するクロック信号は、精度のよい、例えば５桁以上の精度を有するクロック信号であることが好ましい。また、クロック部２０は回路部１４に設けられる必要がなく、例えば、磁気計測装置１０の外に設けられ、磁気計測信号１０にクロック信号を供給するものであってもよい。

センサ３６、３８からの出力は、ＡＣカップル器２２４を介してインスツルメンタルアンプに入力される。このとき、雑音の除去のため、センサ３６、３８からの出力は、例えば１０ｋＨｚから１００ＭＨｚを通過させる図示しないバンドパスフィルタを介してＡＣカップル器２２４に入力されてもよい。そして、ＡＣカップル器２２４によりカップリングが、またインスツルメンテーションアンプ２２８によりそれらの差分が算出されて、さらに所定の増幅率で増幅される。

インスツルメンテーションアンプ２２８の出力はさらに、ＡＣカップル器２６０に入力されカップリングが行われる。また、必要に応じてハイパスフィルタにより、クロック信号の周波数に対応した高周波成分が除去される。そしてロックインアンプ２６２に入力される。ロックインアンプ２６２においては、クロック部２０から供給されるクロック信号に基づいて、差分されたセンサ３６、３８の誘導起電力である出力の振幅を検出する。検出された振幅は連続値とされた後、予め設定されたオフセット電圧分だけオフセットされて、例えば１０００倍などの所定の増幅率で増幅される。さらに、ローパスフィルタ２６４により所定周波数より低周波側の成分を除去した後、出力がなされる。このとき、増幅した信号に加え、オフセット電圧や検出位相（ディレイ時間）も合わせて出力されるようにしてもよい。

本実施例の磁気計測装置１０によれば、前述の実施例１と同様の効果に加え、センサプローブ２１２が磁気計測装置１０の本体と分離して構成されるので、本体部と離れた位置の磁気の計測が可能となる。

図１０は、本発明の更に別の実施例における磁気計測装置１０の構成を説明する図であって、図９に対応するものである。図１０においては、回路部１４にデジタル処理部２８０が用いられている点において異なる。このデジタル処理部２８０は、信号のＡＤ変換を行う機能を有している。

電源供給部２１、パルスジェネレータ２２の差動は前述の実施例と共通するものであるので説明を省略する。なお、前述の実施例においては、図９に示すようにクロック部２０が回路部１４に設けられていたが、本実施例においては図１０に示すようにクロック部２８２としてデジタル処理部２８０内部のクロックが用いられている。具体的にはデジタル処理部２８０の内部に設けられたクロック部２８２から出力されるデジタル信号としてのクロック信号を第１ＤＡ変換部２８３を介してアナログデータに変換し、パルスジェネレータ２２に供給する。なお、実施例６と同様に、クロック信号は磁気計測装置１０以外から供給されてもよい。

センサ３６、３８からの信号を処理するＡＣカップル部２２４およびインスツルメンテーションアンプ２２８の差動も前述の実施例と同様であるため説明を省略する。インスツルメンテーションアンプ２２８の出力はＡＣカップル部２７０に入力されカップリングが行われる。また、必要に応じてバンドパスフィルタにより、クロック信号の周波数に対応した所定周波数帯域の成分のみが通過させられる。

ＡＣカップル部２７０の出力はデジタル処理部２８０に入力され、第１ＡＤ変換部２８４においてデジタル信号に高速ＡＤ変換される。この第１ＡＤ変換部２８４には前述の第１ＤＡ変換部２８３を介してクロック部２８２からのクロック信号が供給されており、第１ＡＤ変換部２８４はこのクロック信号に同期して動作する。第１ＡＤ変換部２８４により変換されたデジタルデータは後述するデータ処理部２８６に伝達されて処理が行われるのに加え、例えば、図示しないデジタル処理部２８０内の記憶装置などに記憶されてもよいし、デジタル信号のまま他の機器のために出力されてもよい。

データ処理部２８６においては、前記デジタル信号に変換されたセンサ３６、３８の出力信号の差分を連続的に積算し、ノイズを低下させる。そして、任意の位相（ディレイ時間）における振幅を検出する。この振幅が測定しようとする磁界に対応するものとなる。データ処理部２８６において処理されて得られたデータは、第２ＤＡ変換部２８８によりアナログ信号に変換され、図示しないモニタなどに出力される。

図１１は、本実施例の磁気計測装置１０を用いて行った磁気の計測実験の結果を示す図である。磁気計測装置１０として図１に示すものを用い、センサ３６、３８としては図８に示すものを用いた。また、パルスジェネレータ２２からセンサ３６、３８の導線４２、４４に供給される励起電流Ｉｅは幅１００ｎｓ、振幅５Ｖのパルス状の１００ｍＡの電流とした。センサ３６、３８において、導線４２、４４とアモルファス材料４６、４８との距離はそれぞれ３００μｍとした。計測対象となる磁界として、センサ３６、３８およびその周囲に、約２ｍ四方の３方向ヘルムホルツコイルを通じて微弱な正弦波状に変化する磁界を印加した。このときの磁気計測装置１０のセンサ３６、３８のうち、いずれか一方のセンサ（例えば３６）の出力の時間変化を示したのが図１１である。このように印加磁界と相同の正弦波出力が得られている。なお、本実験においては差動アンプ２２８においては増幅を行っておらず、図１１の縦軸はセンサ（例えば３６）の出力電圧に対応している。

本実施例にの磁気計測装置１０によれば、前述の実施例６における磁気計測装置１０と同様の効果が得られるのに加え、デジタル処理部２８０が用いられることから演算やデータの記録、出力がデジタルデータとして行うことができる。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

例えば、前述の実施例では２つのセンサ３６、３８によってグラジオセンサを構成する磁気検出装置１０の例を示したが、これに限られず、１つのセンサを用いることによって磁気測定を行うことも可能である。この場合、２つのセンサの出力を作動させることを前提として設けられた回路部１４の構成部分、すなわち差動アンプ２８などは設けられる必要はない。

また、前述の実施例においては、パルスジェネレータ２２がプローブ部１２の導体部４２、４４に供給する電流は、方形波とされたが、これに限られない。例えば正弦波、のこぎり波、三角波、交流波など波形の形状を問わず、所定のパターンで反復的に変化するものであればよく、さらに、その所定のパターンが一定値だけ正または負方向にオフセットされた、直流成分が重畳されたものであってもよい。また、電流が反復的に変化する際の周期は一定である必要はなく、また、例えば方形波において高出力の時間と低出力の時間とが均等である必要はない。

また、前述の実施例においては、磁性材料としてワイヤ状もしくはシート状のアモルファス材料４６、４８、１４６、２４６、３４６、４４６が用いられたが、磁気異方性を有する材料であればこれに限定されない。具体的には、磁気異方性を有する粒子を含有するイオン液体などのように、磁気異方性を有する液体を所定の容器に含むような構成とすることも可能である。さらに、アモルファス材料と上記イオン液体との複合物として設けることも可能である。

また、前述の実施例においては、回路部１４において、サンプルホールド回路２４、２６は、それぞれコイル５０、５２の起電力Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２の振幅のピーク（ピーク値）を検出するものとされたが、この際、コイル５０、５２の起電力Ｅｃｏｉｌ１、Ｅｃｏｉｌ２の出力は、図示しないバンドパスフィルタによりＡＣカップリングされた後、サンプルホールド回路２４、２６に入力されるようにしてもよい。

また、前述の実施例においては、導線４２、４４とアモルファス材料４６、４８との間は絶縁するものとされたが、必ずしも必須ではなく、これらが接触することにより、導線４２、４４を流れる電流のうち微小な成分がアモルファス材料４６、４８を流れることとなっても差し支えない。

また、前述の実施例においてはソレノイド上のコイル５０、５２の内側に導体４２、４４、アモルファス材料４６、４８が設けられたが、これは必須の構成ではない。すなわち、コイル５０、５２は、アモルファス材料４６、４８における磁化の変化に基づいて起電力を生ずることができれば、実施例のような配置に限られず、例えば、ソレノイド状のコイル５０、５２の外側にアモルファス材料４６、４８および導体４２、４４、あるいはそれらの一方が設けられてもよい。

また、前述の実施例３においては、円筒状のアモルファス材料２４６はシート状のアモルファス材料が巻かれることによって構成されたが、かかる方法に限られない。具体的には例えば、アモルファス材料の製造過程において引き延ばす際に円筒状あるいはチューブ状に引き延ばされたものがそのままアモルファス材料２４６として用いられてもよい。

また、前述の実施例５においては、２つのセンサ３６、３８に共通するアモルファス材料４４６は一体により構成されても良いし、２以上の磁性体材料を磁気的に結合したものであってもよい。このとき、磁気回路的に直列に結合したものと同等なものであれば、それらが密着する必要がなく、それらの間に空間が介在していてもよい。

また、前述の実施例５においては、アモルファス材料４４６は、その容易磁化方向に対して直角な直線を対称線として対称の形状を有していたが、これに限られず、例えばその容易磁化方向に対して直角な面を対称面として対称の形状を有していてもよい。すなわち、アモルファス材料４４６における磁界の分布が、容易磁化方向における中点に対して対象となるものであればよい。

また、前述の実施例５においては、アモルファス材料４４６は一本のアモルファスワイヤとされたが、これに限られず、実施例２〜４のような構成であってもよい。すなわち、長手状のアモルファス材料（アモルファスワイヤ）４４６が一本でなく複数本であってもよいし、その断面形状が円に限られない。あるいは、長手状のアモルファス材料４４６に代えて、シート状のアモルファス材料を円筒状に巻き、あるいは、長手状のアモルファス材料をソレノイド状に巻いてコイル５０、５２を貫くようにしてもよい。

また、前述の実施例６ではセンサプローブ２１２が磁気計測装置１０の本体と分離されるとともに、回路部１０の回路が実施例１のものとは異なるものとされたが、これに限られるものではなく、回路部１０の構成は図１のものと同様としつつセンサープローブ２１２を磁気計測装置１０の本体と分離するようにしてもよい。逆に、実施例６あるいは７の回路部１４を実施例１の回路部１４と置き換えることも差し支えない。

また、前述の実施例７においては、２つのセンサ３６、３８の出力信号はアナログ信号のままインスツルメンテーションアンプ２２８によって差分の算出および増幅が行われ、その後第１ＡＤ変換部２８４によりデジタル信号に変換されてデータ処理部２８６において処理が行われたが、このような態様に限定されるものではない。例えばセンサ３６、３８の出力信号がそれぞれ増幅アンプにより増幅された後、増幅された信号のそれぞれに対して設けられたＡＤ変換部によりデジタル信号への変換が行われ、それらデジタル信号がデータ処理部２８６に入力される一方、データ処理部２８６における演算によりそれらデジタル信号の差分が算出されるようにしてもよい。

また、前述の実施例７においては、データ処理部２８６の前述の作動に加えて、積算した時系列データをフーリエ変換することもできる。これにより、周波数ドメインでの対象ピークの振幅や面積からより正確な計算ができるほか、磁界変化以外の原因で見かけ上発生する時間ドメインでの信号変化も推定できる。

また、前述の実施例７において、第１ＡＤ変換部２８４により励起電流の通電中および通電後のコイル起電力の少なくとも一部を高速ＡＤ変換して計測する場合には、回路部１４にバンドパスフィルターを設け、通過させる帯域を調整することで回路部１４を適度な共鳴・共振回路として使用すれば、センサ３６、３８の誘導起電力を効果的に検出することができる。すなわち、通電によって発生する直接の誘導起電力のピーク値だけでなく、通電後しばらくの間の共振波形が検出できるので、これをフーリエ変換し、この波形も含め周波数ドメインで対象とする周波数領域での信号強度を調整することで、磁気計測装置１０の感度を向上することができる。

また、前述の実施例において用いられたＡＣカップル器２２４、２６０に代えて、ＤＣカップル器が用いられてもよく、かかる場合においても同様の効果が得られる。

１０：磁気計測装置
３６、３８、１３６、２３６、３３６：センサ
４２、４４、４４２：導線（導電体）
４６、４８、１４６、２４６、３４６、４４６：アモルファス材料（磁性材料）
５０、５２：コイル

Claims (7)

1. 磁気異方性を有する固体、液体のいずれかまたはその複合物からなる磁性材料と、
   該磁性材料に近接して、該磁性材料の容易磁化方向に対して直角方向の成分を有する電流誘起磁界ベクトルを与えられるように配置された導電体と、
   磁界を検出するためのコイルと、を有する磁気計測装置であって、
   該導電体に電流を反復的に流し、
   前記コイルに生じさせられた起電力を検出して、該コイルの出力を信号とすること、を特徴とする磁気計測装置。
2. 前記磁性材料はアモルファス材料であること、を特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
3. 前記電流は、パルス電流、所定のパターンで反復的に変化する電流、もしくはこれらが重畳された電流であること、を特徴とする請求項１または２に記載の磁気計測装置。
4. 前記磁性材料は、少なくとも１本の長手方向に容易磁化方向を有するアモルファスワイヤであり、
   前記導電体は、少なくとも１本の導線であること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の磁気計測装置。
5. 前記磁性材料は、前記磁性材料の容易磁化方向における中点を通り、該容易磁化方向に対して直角な直線または面を対称線または対称面として対称の形状を有し、
   前記コイルは、該対称線または対称面に対して対称となるように一対設けられることにより、
   グラジオセンサを構成すること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の磁気計測装置。
6. 前記磁性材料は、磁気異方性を有するアモルファス材料を含み、
   該アモルファス材料は、少なくとも一層で前記導電体を囲むように筒状に構成されていること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の磁気計測装置。
7. 前記磁性材料は、磁気異方性を有する長手状のアモルファス材料を含んで構成され、
   該長手状のアモルファス材料は、少なくとも一層で前記導電体を囲むようにコイル状に構成されていること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の磁気計測装置。
   

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