JP2014190774A - 磁気計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有する磁気計測装置であって、該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を高精度に計測することが可能な磁気計測装置を提供することにある。
【解決手段】調整手段50により前記一対のMIセンサ14、16の位置における局所磁界差およびそれら一対のMIセンサ14、16間の感度差が許容値以下とされるので、一対のMIセンサ14、16の出力Ocoil1,Ocoil2の差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対のMIセンサ14、16に共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対のMIセンサ14、16の一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】調整手段50により前記一対のMIセンサ14、16の位置における局所磁界差およびそれら一対のMIセンサ14、16間の感度差が許容値以下とされるので、一対のMIセンサ14、16の出力Ocoil1,Ocoil2の差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対のMIセンサ14、16に共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対のMIセンサ14、16の一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。
【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、磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有する磁気計測装置に関する。
磁気異方性材料である磁性アモルファスワイヤ等のアモルファス素材とピックアップコイルを用いた磁気センサを用いた磁気計測装置が知られている。たとえば特許文献2に記載の磁気センサ(MIセンサ)がそれである。このMIセンサは、環境磁界の綿密な遮蔽や超低温を維持するためのコンテナなどの大がかりな装置を必要としない反面、超伝導量子干渉素子(SQUID;superconducting quantum interference device)のように高感度な計測を行うためには、精密な調整が必要である。
すなわち、前記SQUIDなどの超伝導磁気計測技術では、磁気シールドルームなどの特殊な環境下ではあるが、安定してピコテスラ(pT)、フェムトテスラ(fT)レベルの微小磁界計測が行える。一方、これまでの非超伝導技術では、高感度化されたMIセンサーにおいてピコテスラレベルの計測が行われているが、その利用は未だ限定的である。
このMIセンサは、磁気異方性材料であるアモルファス材料に通電する交流電流周波数に依存してそのインピーダンスが変化する現象を利用した磁気センサである。高感度化したMIセンサにおいては、磁性アモルファスワイヤへ通電したときにコイルに発生する一過性の誘導起電力波形のピークをサンプルホールドして検出し、その変化から磁界を計測している。
非特許文献1乃至4は、高感度化されたMIセンサを用いた磁気計測装置に関するものである。これらに開示されたように、高感度化するために一般的に2つのMI素子を使用してグラジオセンサー方式で計測を行う。図10は、たとえば非特許文献2、3に記載されたMIセンサを用いてピコテスラレベルの磁気計測を行うための磁気計測装置の一例である。図10の磁気計測装置においては、CMOS IC106から生成されるクロック信号に基づいてパルスジェネレータ(パルスゲート)PGを駆動してパルスPeを対象物測定用センサMI1および環境磁界差分用センサMI2へ印可する。対象物測定用センサMI1および環境磁界差分用センサMI2のそれぞれのコイル誘導起電力は、サンプルホールド回路SH1およびSH2で処理され、ピーク振幅が検出される。検出のタイミングは、CMOS IC106のクロックと同期している。その出力は、差動アンプ108で差分されたのち、ハイカット・ローカットフィルタ110で所定上限周波数以上の成分がハイカット及び所定下限周波数以下の成分がローカットされ、増幅器(アンプ)112で1000倍程度に信号増幅され、ハイカット・ローカットフィルタ114で再度ハイカット及びローカットされ、出力される。
ところで、MI素子の磁気―電圧変換効率は、一般的に100μV/nT(0.1μV/pT)程度であるため、ピコテスラレベルの微小な磁界信号変化を検出するためには、オペアンプ、具体的には前記差動アンプ108、ハイカット・ローカットフィルタ110、114、アンプ112などでセンサMI1、MI2の出力を大きく増幅する前に信号を安定させる必要がある。そのためMIセンサを用いた高感度の磁気計測装置では、センサMI1、MI2の出力をサンプルホールド回路(SH1、SH2)でそれぞれ処理した後に、差動アンプ108においてコンデンサーを配置した差動アンプ108を交流アンプ(ACアンプ)としており、またアンプ112もコンデンサーを直列に配置して交流アンプとしている。
このように、従来においては、MIセンサを用いて高感度化して使用する磁気計測装置においては、差動増幅前後での直列コンデンサーを用いたACアンプを使用しなくては、安定した計測が行えない。従って、回路のハイパス特性の時定数で、信号が減衰するため、一過性の磁界変化しか検出することができない。そのため、応用範囲が限定されるという問題があった。即ち、高感度で磁性体の発する静磁界を検出する場合は、磁性体とセンサヘッド部分(MIセンサ)の相対的な位置関係を変化させなければ磁界の変化が起こらないので、実際の使用にはかなりの困難があった。
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, Vol.206, p.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, Vol.27, p.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
Uchiyama, T., Mohri, K. & Nakayama, S., "Measurement of spontaneous oscillatory magnetic field of guinea-pig stomach muscle preparation using pico-Tesla resolution amorphous wire magneto-impedance sensor", IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47, p.3070-3073
このように、これまでのMIセンサを用いた磁気計測においては、ACアンプおよびDCアンプを使用した場合の計測範囲・条件などの差異が考慮されていない。特に磁気コンパスのような用途とは異なり、生体における磁気計測のような高分解能が必要となる磁気計測では、計測装置の最終出力はACアンプを用いたものとされており、時間的に変動する磁界のみを計測している。さらに、サンプルホールド回路で検出コイルの誘導起電力波形の振幅を検出する際は、オペアンプでDC(直流信号)のままで検出している。しかしながら、このサンプルホールド回路での検出では、DCである必要はなく、むしろ、ACカップルしバンドパスフィルタも使用して、目的の周波数波形を検出する方が有利である。このようにこれまで、高感度の磁界計測では、DCアンプとしてMIセンサーを使用した場合の使用条件や回路特性について考慮されていない。
さらに、現在のコイル電圧のサンプルホールド方式処理では、パルス繰り返しの頻度(例えば1乃至4μsecに1回)でしか信号検出が行われないので、ノイズレベルを低減しようとしても、このサンプルホールド回路による情報量の取捨で、本来の分解能を損ねてしまうという問題もあった。
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、上記課題を解決することを目的としたものであり、磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有する磁気計測装置であって、該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を高精度に計測することが可能な磁気計測装置を提供することにある。
かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、(a)磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有し、該一対の磁気センサの出力に基づいて磁気を計測する磁気計測装置であって、(b)該一対の磁気センサの位置における局所磁界差および該一対の磁気センサ間の感度差がそれぞれ所定の許容値以下となるように調整する調整手段を有し、(c)該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を計測すること、にある。
本発明の磁気計測装置によれば、前記一対の磁気センサの位置における局所磁界差およびそれら一対の磁気センサ間の感度差が許容値以下とされるので、一対の磁気センサの出力差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対の磁気センサに共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対の磁気センサの一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。
好適には、前記調整手段は、前記一対の磁気センサの近傍に調整部材を配置するものであり、該調整部材は、磁性体、磁石、導体及びコイルの少なくとも1つである。このようにすれば、一対の磁気センサの位置における局所磁界差を予め設定された許容値以下とすることができる。
また好適には、前記調整手段は、前記一対の磁気センサの方向を相対的に変更する機械的機構である。このようにすれば、一対の磁気センサ間の感度差を予め設定された許容値以下とすることができる。
また好適には、前記磁気計測装置は、(a)前記一対の磁気センサに励起パルスを通電するパルスゲート器具と、該一対の磁気センサの出力が入力される高速インスツゥルメンツアンプを有し、(b)該高速インスツゥルメンツアンプは、該一対の磁気センサの出力の差分の算出および増幅を行うこと、を特徴とする。このようにすれば、一対の磁気センサはパルスゲート器具により励起させられて磁気の計測を行うことができるとともに、該一対の磁気センサの出力が前記高速インスツゥルメンツアンプにより差分の算出および増幅が行われるので、一対の磁気センサを差動させることにより磁気計測を行うことのできる磁気計測装置が構成される。
また好適には、前記磁気計測装置は、前記一対の磁気センサの出力を、前記励起パルスに同期して検出する検出手段を有するものである。このようにすれば、前記一対の磁気センサがパルスゲート器具により励起させられるのに同期して前記検出手段によりその出力が検出されるので、前記磁気センサの出力を好適に検出しうる。
また好適には、前記磁気計測装置は、前記一対の磁気センサの出力を、所定のサンプリング周波数によりサンプリングすることによりデジタル化するAD変換部を有することを特徴とする。このようにすれば、静磁界成分を有する磁界を検出する際においても、好適にデジタル演算を行うことができる。
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、本発明の一実施例である磁気計測装置10の構成の概要を説明する図である。磁気計測装置10は後述するクロック回路24、電源部26、パルスジェネレータ(パルスゲート)18、一対のMIセンサ14、16、ACカップル器20、インスツルメンツアンプ22、ACカップル器30、ロックインアンプ32、ローパスフィルタ34などを含んで構成されている。
このうち、クロック回路24は後述するパルスジェネレータ18やロックインアンプ32の差動のタイミングを決定するためのクロック信号をそれらに供給する。クロック回路24としては、繰り返し時間の精度が高く、好適には5桁以上の精度を持って正確に繰り返すファンクションジェネレータなどがクロックとして使用される。このクロック回路24において、クロック信号の繰り返し時間を可変にする事により、適切な励起効率を得ることが出来る。
パルスジェネレータ18は、後述するMIセンサ(磁気センサ)14、16を駆動するためのパルス状の駆動電流PeをMIセンサ14、16に供給するためのもので、電源部(power supply)26によって供給された電力により作動する。またパルスジェネレータ18は前記クロック回路24から出力されたクロック信号に基づいて駆動電流を反復的に出力する。この駆動電流Peは、地磁気などの影響を考慮して、例えば5V、100ns程度のパルスが0.25乃至1MHz程度の周波数とされる。
一対のMIセンサ14、16はそれぞれ、前記パルスジェネレータ18から供給される駆動電流(励磁電流)Peが流されるためのMI素子と該MI素子の周囲の磁界を計測するための検出コイルとを含んで構成されている。一対のMIセンサ14、16の両者は同様の構成を有している。
図2はこの一対のMIセンサ14、16の構成の一例を説明する図である。図2に示す一対のMIセンサ14、16は、2つのセンサに共通するMI素子38と、それぞれのMIセンサ14、16に対して設けられた検出コイル40、42を含んでいる。この検出コイル40、42は、MI素子によって生ずる磁界変化を検出することができる位置に設けられており、図2の例においてはソレノイド状のコイル40、42の中心をMI素子38が突き抜けるように配設されている。前記パルスジェネレータ18とMIセンサ14、16のMI素子38とは電気的に接続されており、パルスジェネレータ18から出力された駆動電流Peは、MI素子38を流れるようになっている。このように一対のMIセンサ14、16で共通するMI素子38を有することで、それらMIセンサ14、16の出力を共通する磁界に対して同じものとすることができる。共通するMI素子38はアモルファスワイヤなどの磁気異方性材料により構成されている。そのため、駆動電流PeがMI素子38に流されるとその表皮効果により検出コイル40、42に一過性の誘導起電力波形を生ずることとなる。MIセンサ14の検出コイル40の出力Ocoil1およびMIセンサ16の検出コイル42の出力Ocoil2(以下それぞれ、MIセンサ14の出力Ocoil1およびMIセンサ16の出力Ocoil2ともいう。)はそれぞれ後述するACカップル器20に入力される。本実施例の磁気計測装置10は、前記一過性の誘導起電力波形の所定の位相における値、例えばピーク値に基づいて磁界を計測する。具体的には、一対のMIセンサ14、16の両方には地磁気などの環境磁界が加わっている一方、一方のMIセンサ、例えばMIセンサ14にのみ計測対象となる磁界Bmesを加えることにより、一対のMIセンサ14、16が出力する誘導起電力波形は異なるものとなる。本発明の磁気計測装置10はその波形の相違に基づいて計測対象の磁界Bmesを計測するものである。
なお、図2の例においては、MIセンサ14、16に共通するMI素子38のうち、コイル40、42による磁界の検出するに関与しない部分においては駆動電流Peを流す必要がないため、MI素子38よりも電気抵抗の低い導線44により駆動電流Peをバイパスすることが可能とされているが、これは必須のものではない。
図1に戻って、MIセンサ14、16のOcoil1およびOcoil2はそれぞれACカップル器(バンドパスフィルタ)20に入力され、例えば10kHzから100MHz程度のカップリングが行われる。そして、インスツゥルメンツアンプ22においてオフセット等のバランス調整、差分の算出、所定の増幅率による増幅が行われる。このインスツゥルメンツアンプ22には、好適には例えば2MHz以上の信号伝達が可能な高速インスツゥルメンツアンプが用いられる。
インスツゥルメンツアンプ22の出力は、更にACカップル器30によりクロック回路24のクロック周波数(繰り返し周波数)に適合した所定のバンドパスフィルタによる処理が行われ、さらにロックインアンプ32に入力される。ロックインアンプ32には前述のクロック回路部24からクロック信号が供給されるようになっており、ロックインアンプ32はインスツゥルメンツアンプ22によって差分されたMIセンサ14、16の出力Ocoil1、Ocoil2の振幅を、クロック回路24のクロック信号と同期して検出する。具体的には検出した振幅、すなわちピーク値を連続的に出力する。そしてこの出力は、所定のオフセット電圧だけオフセットされた後に所定の増幅率、例えば1000倍程度に増幅される。このロックインアンプ32の出力は、さらにローパスフィルタ34により高周波成分が取り除かれた後、磁気計測装置10の出力信号とされる。なお、好適には、このように生成した出力信号だけではなく、前記オフセット電圧や、検出位相(ディレイ時間)についても併せて出力するようにしてもよい。
また、図2の例においては、磁気計測装置10を構成する部材のうち、パルスジェネレータ18、MIセンサ14、16、ACカップル器20、およびインスツゥルメンツアンプ22が一つの筐体に収められて、センサプローブ12とされている。このようにすれば、センサプローブ12を磁気計測装置10の本体部分とケーブルなどにより接続されることによりその本体部分とは離れて設けられるとができるので、センサプローブ12のみを計測対象となる部分に近接させることができる。
さらに、本実施例の磁気計測装置10は、一対のMIセンサ14、16の位置における局所磁界差および一対のMIセンサ14、16間の感度差がそれぞれ所定の許容値以下となるように調整する調整手段を有している。この調整手段は、前記一対の磁気センサの方向を相対的に変更する機械的機構であるセンサ位置調整手段45と、一対のMIセンサ14、16の少なくとも一方の近傍に配置する調整部材である局所磁界調整手段50とを含む。
図3は前記センサ位置調整手段45の一例を説明する図である。図3に示すように、センサ位置調整手段45は一対のボード46、47を含んでおり、それら一対のボード46、47はそれぞれと一体的に設けられた回転軸48、49を中心に回動可能とされている。一方、ボード46、47にはそれぞれ一対のMIセンサ14、16が固定されている。ボード46、47、および一対のMIセンサ14、16はそれぞれ同一平面内を動くものとされている。すなわちボード46、47がそれぞれ回転軸48、49を中心に回動することにより、一対のMIセンサ14、16の相対的な角度を増減することができるものとされている。
例えば、環境磁界として最大のものである磁気の影響を考慮すると、MIセンサ14、16は地磁気の影響を低減するため、いずれも南北方向に直交して設置することが考えられる。このように同一の向きに一対のMIセンサ14、16が配設され、共通する環境磁界が加えられると、一対のMIセンサ14、16が同一のセンサである場合には、理想的には同一の磁界を印加した場合において同一の出力が得られることとなる。しかしながら、両者の個体差などによりその出力が相違する場合には、例えば出力が大きくなるMIセンサを、そのセンサが配設されたボード46または47を回動させ環境磁界との角度を異ならせることで環境磁界の影響を弱めることができ、その出力を補正し、結果として一対のMIセンサ14、16の出力を予め定められた所定値以下、例えば同一なものとすることができる。
図4は、局所磁界調整手段50の一例を説明する図である。図4の例においては、局所磁界調整手段50は例えば調整部材としての磁性体52であり、一対のMIセンサ14、16の少なくとも一方の近傍に配設される。この磁性体52は、前記センサ位置調整手段45と同様、一対のMIセンサ14、16に同一の磁界を印加した場合に両者の出力が相違する場合に、少なくとも一方の出力を補正するために用いられる。例えば磁性体52が図4のx,y,zの各方向に可動とされており、その磁性体による磁界Beqが一対のMIセンサ14,16の前記少なくとも一方に影響を与える結果、一対のMIセンサ14、16に同一の磁界を印加した場合に両者の出力が予め定められた所定値以下、例えば等しくなるように実験的にその位置が決定されればよい。
本実施例の磁気計測装置10によれば、調整手段50により前記一対のMIセンサ14、16の位置における局所磁界差およびそれら一対のMIセンサ14、16間の感度差が許容値以下とされるので、一対のMIセンサ14、16の出力Ocoil1,Ocoil2の差を算出した場合に、例えば地磁気のようにこれらの一対のMIセンサ14、16に共通して印加される磁界の影響が精度よく相殺されることになる。そのため前記一対のMIセンサ14、16の一方にのみ印加される計測対象の磁界が直流成分を含むものであったとしても好適に計測可能となる。
また、本実施例の磁気計測装置10によれば、調整手段50は、一対のMIセンサ14、16の近傍に配置する調整部材として局所磁界調整手段を有し、その調整部材は、磁性体、磁石、電磁石、導体、コイルの少なくとも1つであるので、一対のMIセンサ14、16の位置における局所磁界差を予め設定された許容値以下とすることができる。
また、本実施例の磁気計測装置10によれば、調整手段は、一対のMIセンサ14、16の方向を相対的に変更する機械的機構としての相互に回動可能なボード46、47であるので、一対のMIセンサ14、16間の感度差を予め設定された許容値以下とすることができる。
また、本実施例の磁気計測装置10は、(a)一対のMIセンサ14、16に励起パルスを通電するパルスジェネレータ18と、一対のMIセンサ14、16の出力が入力される高速インスツゥルメンツアンプ22を有し、(b)高速インスツゥルメンツアンプ22は、一対のMIセンサ14、16の出力Ocoil1,Ocoil2の差分の算出および増幅を行うので、一対のMIセンサ14,16はパルスジェネレータ18により励起させられて磁気の計測を行うことができるとともに、一対のMIセンサ14、16の出力が高速インスツゥルメンツアンプ22により差分の算出および増幅が行われるので、一対の磁気センサを差動させることにより磁気計測を行うことのできる磁気計測装置が構成される。
また、本実施例の磁気計測装置10は、一対のMIセンサ16,18の出力Ocoil1、Ocoil2を、励起電流Peに同期して検出する検出手段としてのロックインアンプ32を有するので、一対のMIセンサ14、16がパルスジェネレータ18により励起させられるのに同期してロックインアンプ32によりその出力が検出されるので、MIセンサ14、16の出力を好適に検出しうる。
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60の構成の概要を説明する図である。本実施例の磁気計測装置60は、前述の実施例の磁気計測装置10におけるクロック回路24、ロックインアンプ32などが高速のコンピュータシステム61により実装されている点で異なる。
すなわち、コンピュータシステム61はRAM、ROMなどに記憶されたプログラムに従ってCPUなどにおいて処理を実行するものであり、クロック部62、第1デジタルアナログ変換部(DAC1)63、第1アナログデジタル変換部(ADC1)64、データ処理部66、第2デジタルアナログ変換部68などを機能的に有する。このうち、クロック部62は前述の実施例1におけるクロック回路24に想到するもので、周期的に所定のクロック信号を発生させる。
第1デジタルアナログ変換部63は、クロック部62から出力されるデジタル信号としてのクロック信号をアナログ信号に変換してパルスジェネレータ18に送信する。また、ACカップリング器30からの出力は、第1アナログデジタル変換部64に入力される。第1アナログデジタル変換部64においては、クロック部62から第1デジタルアナログ変換部63を介して供給されるクロック信号に基づいて、所定のサンプリングレートによりデジタル信号に変換される。第1アナログデジタル変換部64の出力信号はデータ処理部66に入力される。
データ処理部66においては、一対のMIセンサ14、16から発生する出力信号Ocoil1、Ocoil2の差分信号を連続的に積算し、ノイズを1/√(積算回数)に低下させたのちに所定の位相(ディレイ時間)における振幅を検出する。このように複数の位相(ディレイ時間)での振幅を演算することにより、より正確な磁界変化を計算することが出来る。例えば、単純には、時間ドメインでパルス通電Peのオン状態とオフ状態で出来る2つのピークは反対方向の振幅となる。この振幅またはピークを差分すればより正確に磁界を検出できる。
以下においては、本願の発明者らが本実施例の磁気計測装置60を用いて行った磁気計測の実験例を示す。この実験例においては、図7の磁気計測装置60を用いたが、クロック信号についてはコンピュータ61のクロック部62に代えて図示しないファンクションジェネレータによりトリガーパルスを1μsec間隔で発生させた。このパルスをトリガーとして、センサプローブ12内のパルスゲート18用のICを駆動して、約100ns幅、5V振幅のパルス状の電流を、駆動電流Peとして発生させ、この駆動電流Peを図5に示すMIセンサ14、16に共通するMI素子38に通電させた。このときのMIセンサ14、16の検出コイル40、42の誘導起電力Ocoil1,Ocoil2を検出プローブ12内の高速インストゥルメンツアンプ22で差分した。
差分された信号は、1m程度離れたコンピュータ61へケーブルを介して送信される。コンピュータ61においては、第1アナログデジタル変換部64によって400MHz高速A/D変換され、14bit、2.5ns間隔でコンピュータメモリーへ取り込まれる。取り込まれたデジタルデータは、400個(=1μs分のデータ相当)を単位として1μs間隔で1000回の積算が順次行われる。1000回積算(=1ms分のデータ相当)とコンピュータメモリーの書き込みまでの全てのプロセスで約1.1msを要した。図6(b)は前記1ms分を積算して得られた平均誘導起電力差分波形の一例である。なお、図6においては、インスツゥルメンツアンプ22のゲインは1倍としている。続いて、差分波形の繰り返し周期内に4点の計測位相を設け(図6(b)のP1乃至P4)、約1.1ms間隔で連続的に計測を行ったところ、それぞれの計測位相ごとの値の変化は図6(a)に示すものが得られた。正方向のピーク位相であるP2の値の時間変化と負方向のピーク位相であるP3の値の時間変化とを比較すると、両者は反対の方向へ、すなわち、P2の値が増加する場合にはP3の値は減少するように、あるいはP2の値が減少する場合にはP3の値は増加するように、それぞれの値が変化している。しかし、電流通電直前の位相であるP1およびP4の値の時間変化は、僅かしか信号変化が起こらなかった。
図7は、本実施例の局所磁界調整手段50の有効性を検証するための実験結果であり、MIセンサ16の近傍に配置した磁性体52を配置した場合の誘導起電力差分波形をそれぞれ図7(a)に、磁性体52の位置をさらに調整した場合の誘導起電力差分波形を図7(b)にそれぞれ示している。なお、図7においてはインスツゥルメンツアンプ22のゲインは10倍とされている。前記差分波形の振幅は図7(a)の場合で約200mVであり、図7(b)の場合で約100mVとなっていることが分かる。さらに、図6(a)のように局所磁界調整手段50を設けない場合の振幅は約500mVであったことから、局所磁界調整手段50を設けること、さらに適切な位置に調整することにより振幅を抑えることが出来ていることがわかる。従って、第1アナログデジタル変換部64が14bitであり、そのフルレンジを100mVと設定すると、ある1つの位相において計測する電位変動に対応した磁界分解能は60pT程度にする事が出来る。すなわちピコテスラレベルでの磁気計測が可能となる。本実施例に示すように、前記調整手段としてのセンサ位置調整手段45および局所磁界調整手段50により一対のMIセンサ14、16の出力を等しい、もしくはそれに近づけることができるので、インスツゥルメンツアンプ22における差分の値が小さくすることができる。その結果、第1アナログデジタル変換部64における変換の対象となるレンジを小さくできる。すなわち、AD変換におけるレンジ幅に対応する数値範囲を小さくすることができるので、AD変換における分解能が向上するという効果が得られる。
本実施例の磁気計測装置10は、一対のMIセンサ14、16の出力を、所定のサンプリング周波数によりサンプリングすることによりデジタル化する第1アナログデジタル変換部64を有するので、静磁界成分を有する磁界を検出する際においても、好適にデジタル演算を行うことができる。
図8は、本発明の別の実施例における一対のMIセンサ114、116の態様を説明する図であって、前述の実施例における図2のMIセンサ14、16に対応する図である。図8のMIセンサ114、116はそれぞれMI素子138、139および検出コイル140、142を有して構成されている。このMI素子138、139はそれぞれパルスジェネレータ18(図1などを参照)に電気的に接続され、パルスジェネレータ18によって発生させられるパルス状の駆動電流Peが流されるようになっている。また、MIセンサ114、116の検出コイル140、142の誘導起電力は出力信号Ocoil1、Ocoil2としてそれぞれ出力されるようになっている。すなわち、図2のMIセンサ14、16は相互に共通するMI素子38を有していた一方、本実施例のMIセンサ114、116はそれぞれがMI素子138および139を有している点において異なる。このような場合であっても、2つのMIセンサ114、116のMI素子138、139の局所磁界差及び出力の感度差を本発明の手段で許容値以下の精度で等しくすることにより、、一対のMIセンサ114、116の出力Ocoil1、Ocoil2を差動させることにより測定対象となる静磁界成分を含む磁界Bmesを計測しうる。
図9は、本発明の別の実施例におけるセンサ位置調整手段145の態様を説明する図であって、前述の実施例における図3のセンサ位置調整手段45に代えて、あるいは加えて用いられ得るものである。図9の例においては、一対のMIセンサ14、16は1枚の平面状のボード146上に配設されている。しかしながら、ボード146の微小なひずみの影響により、一対のMIセンサ14、16のそれぞれの外部磁界に対する方向が異なることがあり、かかる場合には一対のMIセンサ14、16に同じ磁界を加えた場合の出力が異なることがある。本実施例においては、前記ボード146に平行なボード147が設けられており、両者は対応する位置に複数のネジ穴が設けられている。そして、これらの対応するネジ穴のそれぞれにボルト154aが通されるとともに、ボルト154が通された一対のナット154bでボード146を、別の一対のナット154bでボード147をそれぞれ挟み込むようにされている。そしてこれらナット154bの位置を変更することにより各ネジ穴ごとにボード146とボード147との距離を調節可能とされている。かかる構成において各ボルト154a毎にナット154bの位置を調整し、ボード146のひずみを低減させることにより、一対のMIセンサ14、16の外部磁界に対する方向を同じものとすることができ、ひいては一対のMIセンサ14、16の出力を差動させた場合に、好適に外部磁界の影響を低減しうる。
このように、本実施例においては、ボード146、147、複数のボルト154aおよび各ボルトごとに設けられたナット154bがセンサ位置調整手段145に対応する。なお、図9においては例として一本のボルト154aが図示されているが、上述のようにボルト154aは複数本設けられる。また、好適にはボルト154aおよびナット154bは非磁性体の素材により構成される。なお、本実施例4は実施例3のMIセンサ114、116に対して適用することも可能である。
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、前述の実施例においては、インスツゥルメンツアンプ22において一対のMIセンサ14、16の出力Ocoil1、Ocoil2の差分が算出された後に増幅されたが、このような態様に限られない。例えば一対のMIセンサ14、16のそれぞれに対してインスツゥルメンツアンプが用意され、それぞれのMIセンサ14、16の出力が対応するインスツゥルメンツアンプにより増幅された後、前述の実施例と同様にして出力波形の計測位相(例えばピーク)の値が検出された後に、別に用意される差動アンプにより差分が算出されるようにしてもよい。
また、前述の実施例においては、調整手段としてセンサ位置調整手段45と局所磁界調整手段50とが設けられたが、両方が同時に設けられる必要はなく、いずれか一方のみが設けられた場合であっても一定の効果を生ずる。
また、前述の実施例においては、パルスジェネレータ18、MIセンサ14、16、ACカップル器20、およびインスツゥルメンツアンプ22が一つの筐体に収められて、センサプローブ12とされたが、センサプローブ12を構成する組み合わせはこれに限られず、少なくともMIセンサ14、16が含まれればよい。
また、前述の実施例の構成に加え、地磁気低減作用をもたらすために、または、この地磁気低減作用をさらに補助するために、センサプローブ12、もしくは磁気計測装置10全体を取り囲むようにパーマロイなどの磁気遮蔽板を設置したり、アクティブシールド装置を設置してもよい。
前述の実施例において、一対のMIセンサ14、16の出力の差分を増幅するアンプの増幅率は可変としてもよい。また、一対のMIセンサ14、16の出力の相違をセンサ位置調整手段45、145および局所磁界調整手段50によっても十分に調整できない場合には、いずれか一方のセンサの出力を微調整増幅するためのアンプをさらに設けることもできる。
また、前述の実施例においては、局所磁界調整手段50としての磁性体磁性体52は、図4に示すように1個設けられて、MIセンサ16の近傍に配設されているが、これに限定されない。これに代えて、あるいはこれに加えて他方のMIセンサ14の近傍にも設けられても良いし、複数の磁性体52が1つのMIセンサの近傍に設けられてもよい。また、調整部材としての磁性体52は磁性アモルファス材料を含むものであってもよく、さらに磁性体52に代えて磁石や電磁石、導体、コイル等が設けられてもよいし、それらが組み合わせて用いられてもよい。また、コイルが設けられた場合、そのコイルに電流を流して電磁石として磁界を発生して局所的に磁界を補正してもよいが、MIセンサ14、16の検出コイル40、42と調整部材としてのコイルとをデカップルさせ、コイル検出効率を補正することもできる。
また、前述の実施例2においては、積算した時系列データをフーリエ変換し、周波数ドメインでの対象となる計測磁界のピークの振幅や面積に基づいてより正確な計算が出来るほか、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する事が可能となる。
また、前述の実施例2において、第1アナログデジタル変換部64により高速AD変換して通電中および通電後のコイル起電力の一部又は全体を計測する場合には、回路中のバンドパスフィルタを調整し、適度な共鳴・共振回路として使用すれば、誘導起電力を効果的に検出することができる。通電によって発生する直接の誘導起電力ピークだけでなく、通電後しばらくの間において共振波形が検出できるので、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の信号強度を評価することで、検出感度を向上することができる。
10、60:磁気計測装置
14、16、114、116:MIセンサ(磁気センサ)
18:パルスジェネレータ(パルスゲート器具)
22:インスツゥルメンツアンプ
32:ロックインアンプ(検出手段)
38、138、139:MI素子(磁気異方性材料)
40、42、140、142:検出コイル(ピックアップコイル)
45、145:センサ位置調整手段(調整手段、機械的機構)
50:局所磁界調整手段(調整手段)
52:磁性体(調整部材)
64:第1アナログデジタル変換部(AD変換部)
66:データ処理部(検出手段)
14、16、114、116:MIセンサ(磁気センサ)
18:パルスジェネレータ(パルスゲート器具)
22:インスツゥルメンツアンプ
32:ロックインアンプ(検出手段)
38、138、139:MI素子(磁気異方性材料)
40、42、140、142:検出コイル(ピックアップコイル)
45、145:センサ位置調整手段(調整手段、機械的機構)
50:局所磁界調整手段(調整手段)
52:磁性体(調整部材)
64:第1アナログデジタル変換部(AD変換部)
66:データ処理部(検出手段)
Claims (6)
- 磁気異方性材料とピックアップコイルとを含む一対の磁気センサを有し、該一対の磁気センサの出力に基づいて磁気を計測する磁気計測装置であって、
該一対の磁気センサの位置における局所磁界差および該一対の磁気センサ間の感度差がそれぞれ所定の許容値以下となるように調整する調整手段を有し、
該一対の磁気センサの出力の差分を算出することにより磁気の静磁界成分を計測すること、
を特徴とする磁気計測装置。 - 前記調整手段は、前記一対の磁気センサの近傍に調整部材を配置するものであり、
該調整部材は、磁性体、磁石、導体、コイルの少なくとも1つであること、
を特徴とする請求項1に記載の磁気計測装置。 - 前記調整手段は、前記一対の磁気センサの方向を相対的に変更する機械的機構であること、
を特徴とする請求項1または2に記載の磁気計測装置。 - 前記一対の磁気センサに励起パルスを通電するパルスゲート器具と、該一対の磁気センサの出力が入力される高速インスツゥルメンツアンプを有し、
該高速インスツゥルメンツアンプは、該一対の磁気センサの出力の差分および増幅を行うこと、
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。 - 前記一対の磁気センサの出力を、前記励起パルスに同期して検出する検出手段を有すること、
を特徴とする請求項4に記載の磁気計測装置。 - 前記一対の磁気センサの出力を、所定のサンプリング周波数によりサンプリングすることによりデジタル化するAD変換部を有すること、
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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JP2013065238A JP2014190774A (ja) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | 磁気計測装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP5991634B1 (ja) * | 2015-12-18 | 2016-09-14 | マグネデザイン株式会社 | 磁気検出装置 |
DE102019200192A1 (de) | 2018-01-19 | 2019-07-25 | Advantest Corporation | Messvorrichtung, Verfahren und Programm |
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CN112368147A (zh) * | 2018-05-02 | 2021-02-12 | 东洋制罐集团控股株式会社 | 包含纳米纤维素的成形物及其生产方法 |
JP7326130B2 (ja) | 2019-11-26 | 2023-08-15 | ローム株式会社 | 磁界検出装置 |
-
2013
- 2013-03-26 JP JP2013065238A patent/JP2014190774A/ja active Pending
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