JP2019002688A - 勾配磁界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】グラディオメータにおける一対のセンサヘッドの感度を簡単な構成で容易に調整することで、局所磁界を高感度に検知する勾配磁界センサを提供。【解決手段】励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部４０と、磁気コア１１０と、磁気コア１１０に通電されるバイアス直流電流を調整可能な第１調整部２１０と、磁気コア１２０に並列接続され、磁気コア１２０に通電される前記バイアス直流電流を調整可能な第２調整部２２０と、磁気コア１１０に巻回される検出コイル１１と、磁気コア１１０及び検出コイル１１からなるセンサヘッド１が外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、磁気コア１２０に巻回され、検出コイル１１と直列接続される検出コイル１２と、検出コイル１１及び検出コイル１２が出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、一様磁界には不感で局所的に生じる磁界の乱れのみを検出する勾配磁界センサに関する。

空間に一様に分布させた磁界で異物などの検出対象物を励磁し、磁界中に局所的な乱れを生じさせ、その磁界の乱れを検出することで、検出対象物を高感度に検知することが可能となる。局所的な磁界の乱れを高感度に検出するためには、一様に分布する磁界には不感で局所的な磁界の乱れのみに反応することが望ましい。グラディオメータは、２地点における磁界の強さの差に反応する勾配磁界センサの１つで、上記の目的を達成するために利用することができる。

グラディオメータは、理想的には２地点における磁界の差のみに反応するが、２地点の磁界を別々のセンサヘッドで検知する場合、それぞれのセンサヘッドの製造誤差などから生じる特性の不整合により、実際には一様磁界の強度にも反応して検知してしまう場合がある。本来不必要である一様磁界に反応する感度が大きくなってしまうと、一様磁界強度に比べて極めて小さい磁界の乱れしか生じない微小な異物等を検出する能力が低下してしまう。

上記のような問題に関連して、例えば特許文献１に、グラディオメータに関する技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、勾配磁界センサ（４）は、磁性コア（１１０、１２０）と、当該磁性コアに巻かれた検出コイル（１１、１２）と、を有し、当該磁性コアに励磁用交流電流及び励磁用直流電流が印加され、各々の延在方向の磁界に応じた検出電圧を出力する第１センサヘッド（１）及び第２センサヘッド（２）と、第１センサヘッドが出力する検出電圧と、第２センサヘッドが出力する検出電圧と、の合成電圧が入力され、当該合成電圧に応じた勾配磁界検出信号を出力するセンサ回路（３）と、を備え、第１センサヘッド及び第２センサヘッドは、互いに離間されながら、各々の延在方向が同一軸線上又は平行となるように配置されるものである。

また、特許文献１にはセンサヘッドの調整方法についても開示されている。図１０は、従来のグラディオメータにおけるセンサヘッドの調整方法を示す図である。図１０において、センサヘッド１の磁性コアとセンサヘッド２の磁性コアとは、交流電源と、その振幅より大きな電圧値を持つ直流電源と、直列に接続される。交流電源及び直流電源が、センサヘッド１の磁性コア、センサヘッド２の磁性コアに対し所定の交流電圧及び直流電圧を印加して通電することで、センサヘッド１、２が励磁される。このとき、交流電流より直流電流が大きくなるように調整されている。これにより、センサヘッド１、２は、各々の延在方向に沿う磁界に応じた検出電圧を出力可能な、いわゆる直交フラックスゲート（基本波型直交フラックスゲート（ＭＦ−ＯＦＧ：Fundamental mode orthogonal fluxgate））をなす。これにより、バルクハウゼンノイズの低減及びセンサの高感度化を図ることができる。なお、検出方法についての説明は、上記特許文献に記載されているためここでは省略する。

そして、図１０において、一様磁界の影響を完全になくす事ができるのはセンサヘッド１とセンサヘッド２で感度（係数Ｋ）が完全に等しい場合である。センサヘッド１、２の感度が異なると、一様磁界は完全には打ち消されず、局所磁界検出信号に影響を与えてしまう。実際のセンサヘッド１、２の感度は、上述したように、それぞれの磁性コアの励磁条件を同じにしても、製作時に生じる個体差によって、センサヘッド１、２とで若干異なる。ここで、基本波型直交フラックスゲートにおいては、励磁用交流電流（交流電源の交流電圧の印加により流れる電流）を一定とした場合、センサヘッド１、２の感度（係数Ｋ）は、励磁用交流電流に重畳される直流バイアス電流（直流電源の直流電圧の印加により流れる電流）に対し、単調減少の関係を有することが知られている。

すなわち、図１０に示すような回路構成とすることで、直流電源Ｅ’が出力する直流電圧は、抵抗器Ｒｖを通じてセンサヘッド２の磁性コアにのみ印加され、センサヘッド２の磁性コアには、抵抗Ｒｖに基づく直流電流Ｉｄｃ２（直流バイアス電流）が更に流れるため、センサヘッド２の感度を調整することができる。つまり、センサヘッド２の感度（係数Ｋ）がセンサヘッド１の感度よりも大きいときは、直流電流Ｉｄｃ２を大きくする（可変抵抗Ｒｖの抵抗値を減少させる）ことで、センサヘッド１、２の感度を同一とすることができる。なお、このとき、基本波型直交フラックスゲートの動作を保証するためには、Ｉｄｃ＞Ｉａｃである必要があるが、例えば、Ｉｄｃ２の調整量は、非特許文献１に示すように、Ｉｄｃ１が４０ｍＡに対して、Ｉｄｃ２が１．８４ｍＡ（すなわち、Ｉｄｃ２はＩｄｃ１の５％以下程度）で実現できるものとなっているため、基本波型直交フラックスゲートの動作は保証されている。

国際公開第２０１５／０６０３４４号公報

Ichiro Sasada, Shoumu Harada, "Fundamental Mode Orthogonal Fluxgate Gradiometer", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 50, NO. 11, NOV 2014

しかしながら、図１０に示す回路構成の場合は、センサヘッドの感度調整ように別途電源（直流電源Ｅ’）が必要となるため、構成が複雑になると共に、装置が大型してしまう。また、図１０の構成においては、センサヘッド２の感度（係数Ｋ）がセンサヘッド１の感度よりも大きいときは、直流電流Ｉｄｃ２を大きくすることで、センサヘッド２の感度を小さくしてセンサヘッド１、２の感度を同一とすることができるが、逆の場合は、直流電源Ｅ’の極性を変えてセンサヘッド２に流れる直流バイアス電流量を小さく調整して感度を大きくする必要があり、極性の切替手段を有する必要がある。

本発明は、グラディオメータにおける一対のセンサヘッドの感度を受動部品のみからなる簡単な回路を付加することで容易に調整し、局所磁界を高感度に検知することができる勾配磁界センサを提供する。

本発明に係る勾配磁界センサは、励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、当該電源部に直列接続される第１の磁気コアと、当該第１の磁気コアに直列接続される第２の磁気コアとで閉回路が形成されており、前記第１の磁気コアに並列接続され、一端側の端子が前記第１の磁気コアの電源部側に接続され、他端側の端子が前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続され、前記第１の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第１の調整手段と、前記第２の磁気コアに並列接続され、一端側の端子が前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続され、他端側の端子が前記第２の磁気コアの電源部側に接続され、前記第２の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第２の調整手段と、前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと、前記第１の磁気コア及び前記第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルと、前記第１の検出コイル及び第２の検出コイルが出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路とを備えるものである。

このように、本発明に係る勾配磁界センサにおいては、励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、当該電源部に直列接続される第１の磁気コアと、当該第１の磁気コアに直列接続される第２の磁気コアとで閉回路が形成されており、前記第１の磁気コアに並列接続され、一端側の端子が前記第１の磁気コアの電源部側に接続され、他端側の端子が前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続され、前記第１の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第１の調整手段と、前記第２の磁気コアに並列接続され、一端側の端子が前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続され、他端側の端子が前記第２の磁気コアの電源部側に接続され、前記第２の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第２の調整手段と、前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと、前記第１の磁気コア及び前記第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルと、前記第１の検出コイル及び第２の検出コイルが出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路とを備えるため、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度調整のために、別途電源を用意する必要がなく、回路構成を簡単にして小型化することができるという効果を奏する。

また、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度調整の操作は、受動素子を調整するのみで、電源の極性を変えるような切替手段を別途用意する必要がなく、センサの構成を簡素化して小型化することができるという効果を奏する。

さらに、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドのそれぞれの感度を第１の調整手段及び第２の調整手段で個別に調整することが可能であり、精密な感度調整を行うことができるという効果を奏する。

本発明に係る勾配磁界センサは、前記第１の調整手段における受動素子の回路が、直列接続された第１のコイルと第１の可変抵抗器とを有し、前記第２の調整手段における受動素子の回路が、直列接続された第２のコイルと第２の可変抵抗器とを有するものである。

このように、本発明に係る勾配磁界センサにおいては、前記第１の調整手段における受動素子の回路が、直列接続された第１のコイルと第１の可変抵抗器とを有し、前記第２の調整手段における受動素子の回路が、直列接続された第２のコイルと第２の可変抵抗器とを有するため、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度調整を第１の可変抵抗器及び／又は第２の可変抵抗器を調整するという簡単な操作で行うことができるという効果を奏する。

本発明に係る勾配磁界センサは、前記第１の調整手段における受動素子の回路が第１のコイルを有し、前記第２の調整手段における受動素子の回路が第２のコイルを有しており、前記第１の調整手段における受動素子の回路、及び、前記第２の調整手段における受動素子の回路に共通し、前記第１のコイル及び前記第２のコイルに両端部がそれぞれ接続される第３の可変抵抗器を備え、前記第１の調整手段の他端側の端子、及び、前記第２の調整手段の一端側の端子が、前記第３の可変抵抗器の抵抗値を可変する第３の端子を介して前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続されているものである。

このように、本発明に係る勾配磁界センサにおいては、前記第１の調整手段における受動素子の回路が第１のコイルを有し、前記第２の調整手段における受動素子の回路が第２のコイルを有しており、前記第１の調整手段における受動素子の回路、及び、前記第２の調整手段における受動素子の回路に共通し、前記第１のコイル及び前記第２のコイルに両端部がそれぞれ接続される第３の可変抵抗器を備え、前記第１の調整手段の他端側の端子、及び、前記第２の調整手段の一端側の端子が、前記第３の可変抵抗器の抵抗値を可変する第３の端子を介して前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続されているため、１つの可変抵抗器で第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度を調整することができ、回路構成を簡単にして小型化することができると共に、１つの可変抵抗器を調整するだけで、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度を相補的に調整することが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る勾配磁界センサは、前記第１のコイル及び第２のコイルが、前記第１の磁気コア及び第２の磁気コアの長手方向とは異なる方向に当該第１のコイル及び第２のコイル内の磁束が発生するように配置されているものである。

このように、本発明に係る勾配磁界センサにおいては、第１のコイル及び第２のコイルが、第１の磁気コア及び第２の磁気コアの長手方向とは異なる方向に当該第１のコイル及び第２のコイルの磁束が発生するように配置されるため、感度調整用の第１のコイル及び第２のコイルによる磁束の影響が第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドに及ぶことを防止して、高感度に局所磁界を検知することができるという効果を奏する。特に、センサヘッドを作成する基板と共通の基板上に各調整手段を作成する場合に有効である。

本発明に係る勾配磁界センサは、前記第１のコイル及び第２のコイルが、それぞれが発生する磁束の方向が反対方向となるように隣接して並設されているものである。

このように、本発明に係る勾配磁界センサにおいては、第１のコイル及び第２のコイルが、それぞれが発生する磁束の方向が反対方向となるように隣接して並設されているため、第１のコイルと第２のコイルとで生じる磁束の大部分が一巡し、遠方にその影響を及ぼさず、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドへの第１のコイル及び第２のコイルからの磁界の影響を低減することができるという効果を奏する。

本発明に係る勾配磁界センサは、少なくとも前記第１のコイル及び第２のコイルが磁気シールド筐体内に配設されるものである。

このように、本発明に係る勾配磁界センサにおいては、少なくとも前記第１のコイル及び第２のコイルが磁気シールド筐体内に配設されるため、第１のコイル及び第２のコイルで生じる磁束を外部に漏らすことなく、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドへの第１のコイル及び第２のコイルからの磁界の影響を排除することができるという効果を奏する。

本発明に係る勾配磁界センサは、励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、前記電源部に直列接続される第１の磁気コアと、前記電源部に直列接続され、前記第１の磁気コアに並列接続される第２の磁気コアと、前記第１の磁気コアに直列接続され、前記第１の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第１の調整手段と、前記第２の磁気コアに直列接続され、前記第２の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第２の調整手段と、前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと、前記第１の磁気コア及び前記第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルと、前記第１の検出コイル及び第２の検出コイルが出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路とを備えるものである。

このように、励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、前記電源部に直列接続される第１の磁気コアと、前記電源部に直列接続され、前記第１の磁気コアに並列接続される第２の磁気コアと、前記第１の磁気コアに直列接続され、前記第１の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第１の調整手段と、前記第２の磁気コアに直列接続され、前記第２の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第２の調整手段と、前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと、前記第１の磁気コア及び前記第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルと、前記第１の検出コイル及び第２の検出コイルが出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路とを備えるため、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度調整のために、別途電源を用意する必要がなく、回路構成を簡単にして小型化することができるという効果を奏する。

また、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドの感度調整の操作は、受動素子を調整するのみで、電源の極性を変えるような切替手段を別途用意する必要がなく、センサの構成を簡素化して小型化することができるという効果を奏する。

さらに、第１のセンサヘッド及び第２のセンサヘッドのそれぞれの感度を第１の調整手段及び第２の調整手段で個別に調整することが可能であり、精密な感度調整を行うことができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。 第２の実施形態に係る勾配磁界センサの調整部の構成を示す回路ブロック図である。 第３の実施形態に係る勾配磁界センサの調整部の構成を示す第１の回路ブロック図である。 第３の実施形態に係る勾配磁界センサの調整部の構成を示す第２の回路ブロック図である。 その他の実施形態に係る勾配磁界センサにおける調整コイルの配置構成を示す図である。 その他の実施形態に係る勾配磁界センサにおける調整部の筐体を示す図である。 実施例において、印加した一様磁界の波形を示している。 実施例において、可変抵抗器を調整せずに勾配磁界センサの出力を測定した結果を示す図である。 実施例において、可変抵抗器を調整して勾配磁界センサの出力を測定した結果を示す図である。 従来の勾配磁界センサにおける感度調整方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る勾配磁界センサについて、図１を用いて説明する。本実施形態に係る勾配磁界センサは、基本波型直交フラックスゲートセンサを構成する２つのセンサヘッドを用いて局所磁界（勾配磁界）を検知するグラディオメータを用いたものであり、それぞれのセンサヘッドの製造誤差などによる特性の差を容易且つ高精度に調整して、極めて微小な異物などの局所磁界を高感度に検知するものである。

図１は、本実施形態に係る勾配磁界センサの構成を示す回路ブロック図である。センサヘッド１（第１のセンサヘッド）は、磁性コア１１０（第１の磁性コア）と、検出コイル１１（第１の検出コイル）とを有する。また、センサヘッド２（第２のセンサヘッド）は、磁性コア１２０（第２の磁性コア）と、検出コイル１２（第２の検出コイル）とを有する。磁性コア１１０及び磁性コア１２０は、例えば、Ｕ字型（又はヘアピン型）やＷ型に形成されたＣｏ基アモルファスワイヤにより構成される。検出コイル１１は、磁性コア１１０の周囲を包むように、その延在方向（Ｚ軸線）回りに巻回されるコイルである。同様に、検出コイル１２は、磁性コア１２０の周囲を囲うように、その延在方向回りに巻回されるコイルである。検出コイル１１及び検出コイル１２は、例えば、巻き数を１０００ターンとされる。

なお、磁性コア１１０及び磁性コア１２０は、Ｕ字型やＷ型以外にＩ字型（棒状）であってもよい。その場合、折り返し部分を導線などの配線で構成するようにしてもよい。

また、磁性コア１１０及び磁性コア１２０に用いる材料は、導電率が高く適切な軟磁性を有する材料であればこれに限定されない。例えば、磁気歪みが小さい、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍ程度の断面を持つ細長いコバルト基アモルファス磁性薄帯を用いることができる。さらに、直径０．１ｍｍ程度のパーマロイワイヤや、断面が幅１ｍｍ、厚さ１０〜２０μｍ程度のパーマロイ薄帯を用いることもできる。

さらにまた、図１においては、センサヘッド１及びセンサヘッド２は、各々の磁性コア（磁性コア１１０、１２０）の延在方向が平行となるように配置されているが、各々の磁性コアの延在方向が同軸となるように配置することもできる。

図１に示すように、磁性コア１１０及び磁性コア１２０は、交流電源ＶＥＸと、その振幅より大きな値を持つ直流電源Ｅとを有する電源部４０と、調整部２０を介して直列に接続される。交流電源ＶＥＸ及び直流電源Ｅが、磁性コア１１０及び磁性コア１２０に対して、調整部２０を介して所定の交流電圧及び直流電圧を印加して通電することで、センサヘッド１、２が励磁される。これにより、センサヘッド１、２は、各々の延在方向に沿う磁界に応じた検出電圧を出力可能な、いわゆる直交フラックスゲートセンサ（基本波型直交フラックスゲート（ＭＦ−ＯＦＧ：Fundamental mode orthogonal fluxgate））をなす。これにより、バルクハウゼンノイズの低減及びセンサの高感度化を図ることができる。

また、図１に示すように、検出コイル１１と、検出コイル１２とは、直列接続となるように各々の一端が電気配線で結線される。また、検出コイル１２の他端側がフラックスゲートセンサ回路３に接続されるとともに、検出コイル１１の他端側がグラウンドに接続される。また、検出コイル１１と、検出コイル１２とは、同一方向の磁界に対して生じる誘起電圧（検出電圧Ｖ１、Ｖ２）が互いに打ち消し合うように（互いの極性が逆向きとなるように）接続される。これにより、同一方向の磁界に対しては、センサヘッド１の検出電圧Ｖ１及びセンサヘッド２の検出電圧Ｖ２の合成電圧（センサ出力）として、それぞれのセンサヘッド１、２から出力される検出電圧の差分を取ったもの（Ｖ２−Ｖ１）が現れる。このようにすることで、遠方から到達してくるような一様磁界に関しては、センサヘッド１、２の両方で同様にピックアップされてセンサ出力には現れない。しかし、局所的な磁界に対しては、一方のセンサヘッド（例えば、センサヘッド２）でのみピックアップされるので、センサ出力として観測される。これにより、一様磁界の雑音を除去して信号を検出する事ができるようになり、対雑音性能を向上させることができる。

フラックスゲートセンサ回路３は、同期検波回路３０（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detector）、平滑回路３１（smoothing filter）、及び誤差増幅器３２（Error Amplifier）を有して負帰還回路（参考文献：笹田一郎・村上雅則：「負帰還構成にした基本波型直交フラックスゲートの動作と特性」，電気学会研究会資料，MAG-08-133 (2008)を参照）を構成する。センサヘッド１、２からのセンサ出力Ｖ２−Ｖ１は、コンデンサＣ、同期検波回路３０及び平滑回路３１を通じて、センサ出力Ｖ２−Ｖ１に応じた所定電圧となって、誤差増幅器３２に送られる。その後、誤差増幅器３２への入力（センサ出力Ｖ２−Ｖ１）が０になるように、帰還抵抗Ｒｆを通して帰還電流ｉｆが検出コイル１１、１２に流れる。このときに帰還抵抗Ｒｆに生じる電圧の変位（局所磁界検出信号Ｖｏ）がセンサ出力Ｖ２−Ｖ１に相当する。

調整部２０は、交流電源ＶＥＸ及び直流電源Ｅに直列接続され、磁気コア１１０に並列接続される調整コイル２１１及び可変抵抗器２１２からなる第１調整部２１０と、磁気コア１２０に並列接続される調整コイル２２１及び可変抵抗器２２２からなる第２調整部２２０とを備える。第１調整部２１０及び第２調整部２２０は、それぞれ調整コイル２１１及び２２１を有することで、電源部４０からの交流電流に対するインピーダンスを大きくし、第１調整部２１０及び第２調整部２２０に直流電流のみが流れるように構成している。センサヘッド１、２のインピーダンスは、アモルファスワイヤの抵抗値に基づくもので、例えば１０Ω程度である。したがって、調整コイル２１１及び２２１のインピーダンスは、その１０倍以上、すなわち１００Ω程度以上であることが望ましい。このとき、可変抵抗器２１２及び２２２の抵抗値の最大値は、１ｋΩ〜５０ｋΩ（すなわち、０ｋΩ〜１ｋΩないし０ｋΩ〜５０ｋΩ程度）とすることが望ましい。

上述したように、従来は、センサヘッド１、２が２地点の磁界をそれぞれ検知する必要があるため、検出感度が同一である必要がある。しかしながら、製造誤差などから生じる特性の不整合により、実際には一様磁界の強度にも反応して検知してしまう場合があるため、図１０に示すような、磁性コア１２０に通電する直流電流を調整して感度調整をすることが行われていた。これに対して、本実施形態に係る勾配磁界センサにおいては、第１調整部２１０に通電される直流電流と、第２調整部２２０に通電される直流電流とを、可変抵抗器２１２及び２２２で調整することで、それぞれの磁性コア１１０、１２０に通電される直流電流量を調整し、それぞれのセンサヘッド１、２の感度調整を行う。つまり、感度が高い方のセンサヘッドについては、直流電流を増やして感度を小さく、感度が低い方のセンサヘッドについては、直流電流を減らして感度を大きくするように、可変抵抗器２１２及び２２２を調整する。

このような調整部２０による各センサヘッドの感度調整を行うことで、センサヘッド１の感度調整、及びセンサヘッド２の感度調整をフレキシブルに行うことが可能となる。また、感度調整用の電源が不要となり、装置の小型化を図ることが可能となる。さらに、可変抵抗器２１２及び２２２の抵抗値を変えることで、磁性コア１１０、１２０に通電される直流電流量の増減を調整することが可能であるため、極性を変えるような手間を省いて、簡単に感度調整を行うことが可能となる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る勾配磁界センサについて、図２を用いて説明する。本実施形態に係る勾配磁界センサは、前記第１の実施形態における勾配磁界センサの調整部の回路構成を変更したものである。なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

図２は、本実施形態に係る勾配磁界センサの調整部の回路構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態においては、調整部２０が、交流電源ＶＥＸ及び直流電源Ｅに直列接続され、磁気コア１１０及び１２０に並列接続される調整コイル２１１、可変抵抗器２１２及び調整コイル２２１を有する。調整コイル２１１、可変抵抗器２１２及び調整コイル２２１は、この順番で順次直列接続されている。可変抵抗器２１２は、調整コイル２１１及び調整コイル２２１にそれぞれ接続する両端子２１１ａ及び２２１ａを有し、さらに、磁気コア１１０及び１２０の間と抵抗器の間とを結線して接続するための第３の端子２３０ａを有している。この第３の端子２３０ａの位置は、摺動子により抵抗器上で変更可能となっている。すなわち、調整コイル２１１と可変抵抗器２１２の一の部分で第１調整部２１０を構成し、調整コイル２２１と可変抵抗器２１２の他の部分で第２調整部２２０を構成している。

図２においては、可変抵抗器２１２の摺動子の位置を調整することにより、磁性コア１１０及び１２０に通電するバイアス直流電流量を相補的に調整することが可能となる。すなわち、可変抵抗器２１２の摺動子の位置を変えて調整コイル２１１側の抵抗値を大きくすると、磁性コア１１０のバイアス直流電流量が増加し感度が下がる。同時に、調整コイル２２１側の抵抗値は小さくなるため、磁性コア１２０のバイアス直流電流量が減少し感度が上がる。

このように、センサヘッド１、２の感度の大小に応じて、可変抵抗器２１２の摺動子の位置を調整するだけの簡単な操作で、センサヘッド１、２の感度を相補的に調整して一致させることが可能となる。

（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る勾配磁界センサについて、図３及び図４を用いて説明する。本実施形態に係る勾配磁界センサは、前記各実施形態における勾配磁界センサと同じ原理であるが、回路構成が異なるものである。なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明は省略する。

図３は、本実施形態に係る勾配磁界センサの調整部の回路構成を示す第１の図、図４は、勾配磁界センサの調整部の回路構成を示す第２の図である。図３は、前記第１の実施形態における図１の構成に対応するものであり、図４は、前記第２の実施形態における図２の構成に対応するものである。図３及び図４において、前記各実施形態と異なるのは、磁性コア１１０、１２０が並列接続になっており、第１調整部２１０は磁性コア１１０に直列接続され、第２調整部２２０は磁性コア１２０に直列接続されていることである。

図３において、磁性コア１１０と磁性コア１２０とはそれぞれが並列接続されてると共に、電源部４０に直列接続されている。つまり、磁性コア１１０と磁性コア１２０とには、それぞれの抵抗値に応じた電圧が印加されて電流が分流される。上述したように、磁性コア１１０、１２０は理論上同一の性能であっても、製造誤差等により僅かな特性の差が生じている可能性が高いため、磁性コア１１０、１２０に流れる電流が完全に１：１にならない場合がある。図３においては、磁性コア１１０に対しては第１調整部２１０が、磁性コア１２０に対しては第２調整部２２０がそれぞれ直列接続されている。第１調整部２１０は、コンデンサ３１１と可変抵抗器２１２とが並列接続された回路からなり、第２調整部２２０は、コンデンサ３２１と可変抵抗器２２２とが並列接続された回路からなる。このような回路で可変抵抗器２１２及び／又は可変抵抗器２２２の抵抗値を調整することで、各磁性コア１１０、１２０に流れるバイアス直流電流の増減を調整し、センサヘッド１、２の感度調整を行うことが可能となる。

また、図４の場合は、図３における第１調整部２１０の可変抵抗器２１２、及び第２調整部２２０の可変抵抗器２２２の代わりに、それぞれの可変抵抗器２１２と可変抵抗器２２２とが一体になった共通の可変抵抗器３１０を備えており、可変抵抗器３１０の摺動子の位置を調整することにより、磁性コア１１０及び１２０に通電するバイアス直流電流量を相補的に調整する。そうすることで、センサヘッド１、２の感度調整を行うことが可能となる。

なお、図３及び図４の場合、前記第１の実施形態や第２の実施形態の場合と異なり、可変抵抗器２１２、２２２及び３１０は、各磁性コア１１０、１２０に対して直列接続となることから、抵抗値は０〜数Ω程度であればよい。

（本発明のその他の実施形態）
本実施形態に係る勾配磁界センサについて、図５及び図６を用いて説明する。本実施形態に係る勾配磁界センサは、前記各実施形態における勾配磁界センサの各構成部品の配置構成を変更したものである。なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態に係る勾配磁界センサは、調整部２０に２つの調整用のコイル（調整コイル２１１と調整コイル２２１）を有することから、電流が通電されることでそれぞれのコイルに磁界が発生する。また、本実施形態に係る勾配磁界センサは、外部の一様磁界を完全に打消し、極めて微細な異物等の局所磁界を検出する場合があり、そのためには外部のノイズ磁界を完全に遮断する必要がある。そこで、本実施形態においては、図１及び図２に示すように、調整用のコイルの磁束がセンサヘッド１、２の感度に影響しないよう、調整コイル２１１と調整コイル２２１が、磁気コア１１０及び１２０の長手方向とは異なる方向（例えば、垂直方向）に当該調整コイル２１１と調整コイル２２１の磁束が発生するように配置されることが望ましい。

また、図５に示すように、調整コイル２１１と調整コイル２２１の磁束が、磁気コア１１０及び１２０の長手方向とは異なる方向となるように配置すると共に、調整コイル２１１で発生する磁束と調整コイル２２１で発生する磁束とが反対方向となるように配置することで、調整コイル２１１と調整コイル２２１とで生じる磁束の大部分が一巡し、遠方にその影響を及ぼさず、センサヘッド１、２への影響をより低減することが可能となる。特に、センサヘッド１、２と調整コイル２１１、２２１とが同一基板上に形成されるような場合には、それぞれの磁束の影響を排除して、高性能なセンサを実現することが可能となる。

さらに、図６に示すように、少なくとも調整コイル２１１、２２１を含む調整部２０を磁界をシールドすることが可能な筐体４１に内包することで、センサヘッド１、２への影響を排除するようにしてもよい。

本発明に係る勾配磁界センサを使って、以下の実験を行った。以下の実験では、図１に示した回路で勾配磁界センサを作成して測定を行なった。センサヘッド１、２の長さを３０ｍｍ、検出コイル１１、１２の巻き数を各１０００ターンとし、センサヘッド１、２の励磁は、１００ｋＨｚで実効値１２ｍＡ、直流バイアス電流を４０ｍＡとした。センサヘッド１、２は、端部を揃えて平行となるように配置し、センサ間を１２ｍｍ離隔して配置した。実効値が１．２７μＴ、周波数２０Ｈｚの一様磁界を印加した状態で勾配磁界センサの抑圧特性を調べた。図７は、印加した一様磁界の波形を示している。本実施例における一つのセンサヘッドで構成されるマグネットメータは１μＴに対して２５０ｍＶを出力する。

まず、図１に示す回路図において、可変抵抗器２１２、２２２（理論値はどちらも５０ｋΩ）を調整せずに、勾配磁界センサの出力を測定した。この測定結果を図８に示す。このとき、波形の実効値は１．８９ｍＶである。図８における勾配磁界センサの一様磁界に対する抑圧比を、（マグネットメータの出力／グラディオメータの出力（本発明の勾配磁界センサ））で評価すると、０．２５０／（０．００１８９／１．２７）≒１６８となる。

次に、図１に示す回路図において、可変抵抗器２１２、２２２（理論値はどちらも５０ｋΩ）を調整して、勾配磁界センサの出力を測定した。この測定結果を図９に示す。このとき、可変抵抗器２１２、２２２を調整して振幅が最小となった状態において、実効値が０．１２８ｍＶである。上記と同様に抑圧比を求めると、０．２５０／（０．０００１２８／１．２７）≒２４８０となる。

以上のことから、図９の測定結果に示されるように、本発明に係る勾配磁界センサは、可変抵抗器２１２、２２２を調整することで、理論上は同一の特性を有するセンサヘッドであっても、製造誤差などにより僅かな差が生じているセンサヘッドに対して、それぞれの誤差を低減し、限りなく同一特性の状態に調整して高感度に局所磁界を検出することが可能であることが明らかとなった。

１，２ センサヘッド
３ フラックスゲートセンサ回路
１１，１２ 検出コイル
２０ 調整部
３０ 同期検波回路
３１ 平滑回路
３２ 誤差増幅器
４０ 電源部
１１０，１２０ 磁性コア
２１０ 第１調整部
２２０ 第２調整部
２１１，２２１ 調整コイル
２１２，２２２ 可変抵抗器
２１１ａ，２２１ａ 端子
２３０ａ 第３の端子
３１１，３２１ コンデンサ
３１０ 可変抵抗器

Claims (7)

1. 励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、当該電源部に直列接続される第１の磁気コアと、当該第１の磁気コアに直列接続される第２の磁気コアとで閉回路が形成されており、
   前記第１の磁気コアに並列接続され、一端側の端子が前記第１の磁気コアの電源部側に接続され、他端側の端子が前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続され、前記第１の磁気コアに通電される前記バイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第１の調整手段と、
   前記第２の磁気コアに並列接続され、一端側の端子が前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続され、他端側の端子が前記第２の磁気コアの電源部側に接続され、前記第２の磁気コアに通電される前記バイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第２の調整手段と、
   前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと、
   前記第１の磁気コア及び前記第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルと、
   前記第１の検出コイル及び第２の検出コイルが出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路とを備えることを特徴とする勾配磁界センサ。
2. 請求項１に記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第１の調整手段における受動素子の回路が、直列接続された第１のコイルと第１の可変抵抗器とを有し、前記第２の調整手段における受動素子の回路が、直列接続された第２のコイルと第２の可変抵抗器とを有することを特徴とする勾配磁界センサ。
3. 請求項１に記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第１の調整手段における受動素子の回路が第１のコイルを有し、前記第２の調整手段における受動素子の回路が第２のコイルを有しており、
   前記第１の調整手段における受動素子の回路、及び、前記第２の調整手段における受動素子の回路に共通し、前記第１のコイル及び前記第２のコイルに両端部がそれぞれ接続される第３の可変抵抗器を備え、
   前記第１の調整手段の他端側の端子、及び、前記第２の調整手段の一端側の端子が、前記第３の可変抵抗器の抵抗値を可変する第３の端子を介して前記第１の磁気コアと前記第２の磁気コアとの間の配線に接続されていることを特徴とする勾配磁界センサ。
4. 請求項１ないし３のに記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第１のコイル及び第２のコイルが、前記第１の磁気コア及び第２の磁気コアの長手方向とは異なる方向に当該第１のコイル及び第２のコイルの磁束が発生するように配置されていることを特徴とする勾配磁界センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の勾配磁界センサにおいて、
   前記第１のコイル及び第２のコイルが、それぞれが発生する磁束の方向が反対方向となるように隣接して並設されていることを特徴とする勾配磁界センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の勾配磁界センサにおいて、
   少なくとも前記第１のコイル及び第２のコイルが磁気シールド筐体内に配設されることを特徴とする勾配磁界センサ。
7. 励磁用の交流電流及びバイアス直流電流を供給する電源部と、
   前記電源部に直列接続される第１の磁気コアと、
   前記電源部に直列接続され、前記第１の磁気コアに並列接続される第２の磁気コアと、
   前記第１の磁気コアに直列接続され、前記第１の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第１の調整手段と、
   前記第２の磁気コアに直列接続され、前記第２の磁気コアに通電されるバイアス直流電流を調整可能な受動素子の回路からなる第２の調整手段と、
   前記第１の磁気コアに巻回される第１の検出コイルと、
   前記第１の磁気コア及び前記第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドが外部からの一様磁界に対して出力する検出信号を打ち消すように、前記第２の磁気コアに巻回され、前記第１の検出コイルと直列接続される第２の検出コイルと、
   前記第１の検出コイル及び第２の検出コイルが出力する検出電圧に基づいて、局所磁界を出力するセンサ回路とを備えることを特徴とする勾配磁界センサ。

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