JP2019184240A

JP2019184240A - 磁気検出器

Info

Publication number: JP2019184240A
Application number: JP2018070550A
Authority: JP
Inventors: 剛健河野; Gouken Kono; 英男荒川; Hideo Arakawa
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2019-10-24

Abstract

【課題】バイアス磁場或いは負帰還磁場に対応する電流を磁気インピーダンス素子の検出コイルに通電した場合であっても、精確な磁気信号を取得可能な磁気検出器を提供しようとするものである。【解決手段】アモルファスワイヤ１０にパルス電流又は高周波電流を通電すると共に、アモルファスワイヤ１０に巻き回した検出コイル１１に誘起する外部磁場に対応する大きさの交流減衰振動電圧を出力する磁気インピーダンス素子１と、交流減衰振動電圧を外部磁場に対応する電圧信号に変換する検波回路４と、検出コイル１１に通電して検出コイル１１内に生じる磁場によってアモルファスワイヤ１０に磁場を印加するデカップリング回路３とを備えた磁気検出器において、検出コイル１１と検波回路４との間に、交流結合回路８を設けている。【選択図】図３

Description

本発明は磁気検出器において、特に、直流及び交流磁場の強さ、或いは磁気変動の計測並びに微小磁石などの検出に好適な磁気検出器に関するものである。

磁気検出器のセンサの一つとして用いられる磁気インピーダンスセンサは、例えば、直径２０μｍ、長さ６ｍｍの感磁体であるアモルファスワイヤとこのアモルファスワイヤの周囲に巻き回された検出コイルからなる磁気インピーダンス素子、この磁気インピーダンス素子に駆動信号を入力する駆動回路、磁気インピーダンス素子からの出力を処理する検波回路や増幅器などを備えている。

上記の磁気インピーダンスセンサを用いて磁場を検出する場合、アモルファスワイヤに対して駆動回路から入力信号としてパルス電流或いは高周波電流を印加し、検出コイルの両端に生じるアモルファスワイヤ周辺の外部磁場に対応する交流電圧を、検波回路によって磁気信号電圧に変換し、この磁気信号電圧を増幅器により所定の増幅度で増幅して出力する。この磁気インピーダンスセンサを利用することで、小型で且つ高感度な磁気検出器が実現可能であることが知られている。

具体的に、上記の磁気インピーダンスセンサを地磁気の微弱変動を観測する高感度磁気検出器として利用する場合、平均的な地磁気成分（例えば東京では約４５０００ｎＴ：ナノテスラ）が変動分（１０〜１００ｎＴ）よりも格段に大きいので、この地磁気の平均値成分によって磁気インピーダンスセンサの出力が飽和しないように、地磁気の平均値成分を打ち消すためのバイアス磁場を、検出コイルとは別に設けたバイアスコイルからアモルファスワイヤに印加する必要がある。

また、磁気インピーダンスセンサを利用して、直線性の優れた高精密型磁気測定器を実現する場合には、磁気インピーダンスセンサが測定対象の外部磁場内に設置されてもアモルファスワイヤに印加される磁場を常にゼロに保つことができる零位法で測定することが有効な手段ではあるが、この手段を採用する場合、上記同様検出コイルとは別に設けたフィードバックコイルから磁気インピーダンスセンサの出力信号を負帰還磁場としてアモルファスワイヤに印加する必要がある。

しかし、上記のようにバイアスコイルやフィードバックコイルを追加する構造を採用する場合、製造コストの増加や回路構造の複雑化を招くという問題が生じる。この問題を解決する手段として、例えば、特許文献１には、バイアスコイルやフィードバックコイルを追加的に設けずに、検出コイルに直接電流を通電することで、アモルファスワイヤにバイアス磁場あるいは負帰還磁場を印加する技術が記載されている。

上記の特許文献１の技術についてさらに説明する。特許文献１の図４に記載の磁気検出器は、電圧源又は電流源Ｅからデカップリング回路３を介して検出コイル１１へ通電することでアモルファスワイヤ１０にバイアス磁場を印加するように構成されている。また、特許文献１の図６に記載の磁気検出器は、増幅器５の出力である磁気信号を、デカップリング回路３を介して検出コイル１１へ通電してアモルファスワイヤ１０に負帰還磁場を印加するように構成されている。ここでいうデカップリング回路３は、後述する交流電圧Ｖａｃが、電圧源または電流源Ｅ、あるいは増幅器５へ流れることを妨げるためのものである。

特許文献１のような技術（回路構造）を採用すると、従来の磁気インピーダンスセンサに対して、バイアスコイルやフィードバックコイル等の検出コイルとは別のコイルを設ける必要がなくなるので、追加コイルを起因とする製造コストの増加や回路構造の複雑化を抑制することができる、というメリットがある。

特開２０１５−１４５８００号公報

ところで、上記の特許文献１の図４及び図６におけるパルス発振器２と磁気インピーダンス素子１の回路部分のみを、本願の図８に簡易的に示しているが、実際上、図８に示すように、検出コイル１１を形成する銅線には、巻線抵抗成分ｒがあるので、検出コイル１１にバイアス磁場或いは負帰還磁場に対応する電流ｉを通電すると、巻線抵抗成分ｒと電流ｉとの積、すなわち、ｒ×ｉ＝ｖという電圧ｖが検出コイルの内部に生じてしまう。

このため、検出コイル１１の両端には、外部磁場を検出した交流信号Ｖａｃに対して、この巻線抵抗成分ｒによって生じる電圧ｖが重畳したＶａｃ＋ｖが出力されることになる。すると、検出コイル１１からＶａｃ＋ｖが後段の検波回路へ入力されて検波され、増幅器で増幅されて出力されることになるので、電圧ｖの成分が誤差分となり磁気信号電圧に重畳されてしまい、精確な磁気の値を得ることができなくなる虞がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、バイアス磁場或いは負帰還磁場に対応する電流を磁気インピーダンス素子の検出コイルに通電した場合であっても、精確な磁気信号を取得可能な磁気検出器を提供しようとするものである。

本発明はバイアス磁場や負帰還磁場を印加するために検出コイルに通電する電流ｉの周波数成分が直流から数１０ｋＨｚであることに対して、検出コイルに誘起する外部磁場に対応する交流電圧Ｖａｃの周波数成分が数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ以上と格段に高いことに着目して、検出コイルと検波回路との間を、ハイパスフィルタ（高周波通過濾波回路）などの交流結合回路で接続することで、低周波成分をカットし、高周波成分の交流電圧Ｖａｃのみを検波回路に入力するものである。

以上の検討の結果得られた本発明の磁気検出器は、アモルファスワイヤにパルス電流又は高周波電流を通電すると共に、前記アモルファスワイヤに巻き回した検出コイルに誘起する外部磁場に対応する大きさの交流減衰振動電圧を出力する磁気インピーダンス素子と、前記交流減衰振動電圧を外部磁場に対応する電圧信号に変換する検波回路と、前記検出コイルに通電して該検出コイル内に生じる磁場によって前記アモルファスワイヤに磁場を印加するデカップリング回路とを備えた磁気検出器において、前記検出コイルと前記検波回路との間に、交流結合回路を設けたことを特徴としている。

上記の磁気検出器によれば、検出コイルと検波回路との間に交流結合回路を設けたことで、デカップリング回路を介して検出コイルにバイアス磁場や負帰還磁場を印加するための電流に対応する低い周波数成分の電圧については、検波回路に入力されることがないので、従来からあるバイアスコイルやフィードバックコイルを追加的に設けず検出コイルで兼用する構造であっても、精確な磁気検出が可能になる。

第１実施形態の磁気検出器の要部を示すブロック回路図である。第２実施形態の磁気検出器の要部を示すブロック回路図である。第１実施例の磁気検出器の詳細を示す詳細回路図である。第２実施例の磁気検出器の詳細を示す詳細回路図である。第３実施例の磁気検出器の詳細を示す詳細回路図である。第４実施例の磁気検出器の詳細を示す詳細回路図である。第４実施例の磁気検出器の磁場に対する出力の関係を示すグラフである。従来構造の磁気検出器の要部を示す回路図である。

以下、本発明の最良の実施形態について、実施形態及び実施例に基づき図面を用いて説明する。
（実施形態１）

本第１実施形態の磁気検出器は、図１に示されるように、発振器２、この発振器２から駆動信号が入力されるアモルファスワイヤ１０及び外部磁場に対応した信号を出力する検出コイル１１からなる磁気インピーダンス素子１、検出コイル１１からの出力を処理する信号処理回路であって、交流結合回路８、検波回路４及び増幅器５からなる信号処理回路、検出コイル１１の一端に接続されたインピーダンス回路網としてのデカップリング回路３、このデカップリング回路３に接続された電圧源（または電流源）Ｅなど備えている。

磁気インピーダンス素子１において、発振器２からアモルファスワイヤ１０にパルス電流又は高周波電流が通電されると、アモルファスワイヤ１０に巻き回した検出コイル１１に誘起する外部磁場に対応する大きさの交流減衰振動電圧を出力する。検出コイル１１から出力される交流減衰振動電圧は、交流結合回路８によって直流成分（低周波成分）が遮断され、交流成分（高周波成分）のみの交流減衰振動電圧は、検波回路４によって外部磁場に対応する電圧信号（磁気信号）に変換され、さらに増幅器５によって所定の大きさの電圧に増幅されることで、外部磁場に対応する磁気信号を出力する。

また、検出コイル１１の一端には、所定の抵抗値を含むデカップリング回路３を介して電圧源（又は電流源）Ｅに接続されている。検出コイル１１から出力される交流減衰振動電圧は、デカップリング回路３が接続されているので、交流減衰振動電圧の電流がデカップリング回路３側へ殆ど流出することがない。一方、電圧源Ｅからデカップリング回路３を介して電流が検出コイル１１に流入すると、検出コイル１１内に磁場が生じるので、アモルファスワイヤ１０に任意に磁気バイアスを印加することができる。
（実施形態２）

本第２実施形態の磁気検出器は、図２に示されるように、発振器２、この発振器２から駆動信号が入力されるアモルファスワイヤ１０及び外部磁場に対応した信号を出力する検出コイル１１からなる磁気インピーダンス素子１、検出コイル１１からの出力を処理する信号処理回路であって、交流結合回路８、検波回路４及び増幅器５からなる信号処理回路、検出コイル１１の入力端子に接続されると共に増幅器５の出力端子に接続されたフィードバック回路としてのデカップリング回路３などを備えている。

また、検出コイル１１の一端は、所定の抵抗値を含むデカップリング回路３を介して電圧源Ｅとしての増幅器５の出力端子に接続されている。検出コイル１１から出力される交流減衰振動電圧は、デカップリング回路３が接続されているので、交流減衰振動電圧の電流がデカップリング回路３側へ殆ど流出することがない。

本第２実施形態の磁気検出器においては、検出した磁気に対応する電圧信号を増幅器５により増幅し、その出力をアモルファスワイヤ１０に磁気的にフィードバックする。つまり、増幅器５の出力の一部が、電流としてデカップリング回路３を介して検出コイル１１に流入する。すると、検出コイル１１内に磁場が生じるので、アモルファスワイヤ１０に任意に負帰還磁気を印加することができる。尚、必要に応じて、増幅器５とデカップリング回路３との間に周波数選択回路を設け、アモルファスワイヤ１０に対して周波数選択したフィードバック磁場を印加するようにしても良い。

ところで、第１実施形態及び第２実施形態の検出コイル１１は、銅線で形成されており、巻き線部分の巻線抵抗成分ｒを有しているので、検出コイル１１にバイアス磁場に対応する電流ｉを通電すると、巻線抵抗成分ｒと電流ｉとの積、すなわち、ｒ×ｉ＝ｖという電圧ｖが検出コイル１１の内部に生じてしまう。

しかし、交流減衰振動電圧に含まれる上記の電圧ｖは、後述するように、交流結合回路８によって遮断されるので、検波回路４には交流減衰振動電圧の高周波成分のみが入力され、変換された磁気信号を増幅器５で増幅して出力することができる。尚、図１、図２では、検出コイル１１の巻線抵抗成分ｒの図示は省略している。

よって、デカップリング回路３によって検出コイル１１にバイアス磁場又はフィードバック磁場を印加するための電流に対応する低い周波数成分の電圧については、交流結合回路８によって検波回路４に入力されることがないので、バイアスコイルやフィードバックコイルを追加的に設けない構造であっても、精確な磁気検出が可能になる。尚、デカップリング回路の種々の具体的な構造については、特開２０１５−１４５８００号公報に開示されているものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

本第１実施例の磁気検出器は、第１実施形態、請求項１に記載の第１発明及び請求項２に記載の第２発明に基づくものであり、図３に示すように、パルス発振器２と、このパルス発振器２から駆動信号が入力されるアモルファスワイヤ１０及び検出コイル１１からなる磁気インピーダンス素子１、この磁気インピーダンス素子１の検出コイル１１からの出力を処理するハイパスフィルタ８、アナログスイッチＳＷを備えた検波回路４及び増幅器５からなる信号処理回路、検出コイル１１の入力端子に接続されるインピーダンス回路網（デカップリング回路）３、このインピーダンス回路網３に接続された電圧源Ｅなどを備えている。

パルス発振器２は、マルチバイブレータ型パルス発振回路によって構成され、アモルファスワイヤ１０に所定の周期のパルス電流を印加している。パルス発振器２は、ロジックＩＣ即ち論理回路Ｉ１及びＩ２と、ロジックＩＣの各入力及び出力端子間に接続された抵抗器ｒ１及びコンデンサＣ１によって構成されるマルチバイブレータから成る。パルス発振器２の出力端子には、パルス発振器２から印加されるパルス電流と同期して所定のタイミングでアナログスイッチＳＷを開閉するスイッチ信号が出力されるタイミング回路４０が接続されている。

タイミング回路４０は、パルス発振器２の出力端子に一端が接続されたコンデンサＣ２と、コンデンサＣ２の他端とロジック素子Ｉ３の入力端および回路電源Ｑに接続された抵抗ｒ２と、アナログスイッチＳＷに接続されたロジック素子Ｉ３とから回路構成されている。そして、このタイミング回路４０によりパルス発振回路２から印加されるパルス電流と同期して所定のタイミングでアナログスイッチＳＷを開閉するスイッチ信号が出力される。

インピーダンス回路網３は、設定された出力電圧または出力電流が出力される電圧源Ｅに接続された抵抗器Ｒから成る。インピーダンス回路網３は、検出コイル１１の出力端子に接続され、電圧源Ｅからの設定された出力電圧または出力電流が検出コイル１１に対して出力される。

ここで、本発明の特徴である交流結合回路について説明する。
図３に示すように、交流結合回路としてのハイパスフィルタ８は、検出コイル１１の出力端子に一端が接続されたコンデンサＣｆと、このコンデンサＣｆの他端とアナログスイッチＳＷの入力端子及びアースに接続された抵抗Ｒｆとから回路構成されている。このハイパスフィルタ８は、インピーダンス回路網３から通電される直流電流ｉによって検出コイル１１の内部に生じる低周波成分の電圧ｖが検波回路４側へ流入するのを防止するので、検波回路４には外部磁気に対応した交流減衰振動電圧のみが入力される。

検波回路４は、検出コイル１１の出力端子に接続され、タイミング回路４０からのスイッチ信号によって、所定のタイミングでアナログスイッチＳＷを開閉することにより、ハイパスフィルタ８によって低周波成分の電圧ｖが遮断された検出コイル１１の検知出力、即ち交流減衰振動電圧をサンプルホールドして磁気信号に対応する電圧信号に変換し、ホールドコンデンサＣｈに電圧として蓄積するようになっている。

増幅器５は、一方の入力端子は検波回路４の出力端子に接続され、他方の入力端子はアースとの間に抵抗ｒ３が接続される共に出力端子との間に抵抗ｒ４が接続されたＯＰアンプから成る。増幅器５は、ホールドコンデンサＣｈに蓄積された磁気信号としての電圧信号を所定の大きさに増幅して出力端子Ｐより出力するようになっている。

磁気インピーダンス素子１の周囲に平均的な地磁気成分と検出するべき微弱な磁気変動成分が存在するとき、これに対応するアモルファスワイヤ１０の内部の磁場Ｂｗは、Ｂｅ（平均磁場対応成分）とＢｓ（変動磁場対応成分）の和、即ちＢｅ＋Ｂｓとなる。

インピーダンス回路網３が、抵抗Ｒのみによって構成される場合は、検出コイル１１のインピーダンスよりも高いインピーダンス（抵抗値）であると共に、所定の磁気バイアスを実現するため所定の電流が設定される抵抗値を用い、かかるインピーダンス回路網３を通じて電源Ｅから電流が検出コイル１１に対して通電される。

磁気インピーダンス素子１の検出コイル１１によりアモルファスワイヤ１０内に地磁気の平均値と大きさが等しく逆方向の磁気バイアス−Ｂｂが生成される（｜Ｂｂ｜＝｜Ｂｅ｜）ので、以下の数式に示される関係となる。
Ｂｗ＝Ｂｅ＋Ｂｓ−Ｂｂ＝Ｂｓ・・・数１

この結果、アモルファスワイヤ１０の内部の平均磁場Ｂｅと検出コイル１１によるバイアス磁場Ｂｂが相殺されるので、アモルファスワイヤ１０の内部には変動磁場Ｂｓのみになり、変動磁場Ｂｓに対応する交流振動減衰電圧が検出コイルから出力される。

次に、本第１実施例の磁気検出器の作用及び効果について説明する。
先ずは、Ｉ１、Ｉ２、ｃ１、ｒ１から成るバルス発振器２によってアモルファスワイヤ１０にパルス電流が通電されると共に、インピーダンス回路網３から検出コイル１１にバイアス磁場に対応する電流が通電されると、検出コイル１１の両端に、変動磁場Ｂｓに対応する交流減衰振動電圧Ｔと巻線抵抗成分ｒと電流ｉとの積に対応する電圧ｖが生じるが、この電圧ｖはハイパスフィルタ８によって遮断される。

次に、Ｉ３、ｃ２、ｒ２から成るタイミング回路４０により所定のタイミングでアナログスイッチＳＷが開閉されるので、ホールドコンデンサＣｈからなる検波回路４は、変動磁場Ｂｓに対応する磁気信号電圧のみがホールドコンデンサＣｈに蓄積するため、蓄積された変動磁場Ｂｓに対応する磁気信号電圧が増幅器５によって所定の大きさに増幅され、出力端子Ｐから出力される。

このように、検出コイル１１と検波回路４との間にハイパスフィルタ８を設けたことで、インピーダンス回路網３によって検出コイル１１にバイアス磁場を印加するための電流に対応する低周波成分の電圧については、ハイパスフィルタ８によって検波回路４に入力されることがないので、バイアスコイルを追加的に設けない構造であっても、精確な磁気検出が可能になる。

また、電圧源Ｅから抵抗Ｒを通じて直流電流ｉを検出コイル１１に通電してアモルファスワイヤ１０に直流バイアス磁場を印加するので、この直流電流ｉを所定の値に設定することで、例えば、アモルファスワイヤ１０に印加される地磁気の平均値成分を打ち消すことができるので、磁気検出器の出力が飽和することがなく、所定の増幅度に設定した増幅器５によって、地磁気の微弱変動のみを高感度で観測することが可能になる。

本第２実施例の磁気検出器は、第２実施形態、請求項１に記載の第１発明及び請求項３に記載の第３発明に基づくものであり、図４に示すように、パルス発振器２、このパルス発振器２から駆動信号が入力されるアモルファスワイヤ１０及び検出コイル１１からなる磁気インピーダンス素子１、この磁気インピーダンス素子１の検出コイル１１からの出力を処理するハイパスフィルタ８、アナログスイッチＳＷを備えた検波回路４及び増幅器５からなる信号処理回路、検出コイル１１の入力端子に接続されると共に増幅器５の出力端子に接続されるフィードバック回路（デカップリング回路）３などを備えている。

本第２実施例は、第１実施例の構成と大部分は共通するため、以下の説明では、相違点についてのみ説明する。本第２実施例の磁気検出器は、図４に示すように、検出コイル１１と検波回路４との間を交流結合回路としてのハイパスフィルタ８で接続すると共に、図３の回路における抵抗Ｒの一方の端子を増幅器５の出力端子に接続してフィードバック回路を構成することで、増幅器５が出力する磁気信号に対応する電流を検出コイル１１に通電して、アモルファスワイヤ１０に負帰還磁場を印加するように構成されている。

上記構成より成る第２実施例の磁気検出器は、検出した磁気出力信号を増幅器５の出力から検出コイル１１に対して通電することでアモルファスワイヤ１０に磁気的に負帰還して零位法で測定することができるので、入力磁場に対する出力信号の直線性に極めて優れた高精密磁気測定器が実現できる。

上記の第２実施例の別の態様として第３実施例は、図５に示すごとく図３における電圧源Ｅを除いた残りすべての電気回路をひとつの電子回路基板２０に実装すると共に、抵抗Ｒの一方の電極を基板２０の電極端子Ｐｂに接続して、外部から電圧を供給できるように構成したものである。

この第３実施例の構成によれば、磁気検出器のユーザーが所有している可変電源装置から任意の値にバイアス磁場を印加することができるので高感度磁場計測システムとして測定対象ごとに容易にバイアスのセッティングができるという利便性が向上する。

上記の第３実施例の別の態様として第４実施例は、図６に示すごとく増幅器５の後段に演算増幅器ＯＰｉと抵抗器Ｒｉ並びにキャパシタＣｉからなる積分回路６を挿入し、この積分回路６の出力端を、磁気信号の出力端子Ｐとすると共に、この出力端子から抵抗Ｒを介して検出コイル１１に通電してアモルファスワイヤ１０に磁気的に積分負帰還するように構成したものである。

この第４実施例の構成によれば、積分負帰還によってアモルファスワイヤ１０に印加される外部磁場成分が極力打消されて、エラー（打消し誤差）が殆どゼロになるので、さらなる高精密磁気検出器が実現できる。また、増幅器５を積分回路とすることもできる。

図７には、本第４実施例による磁気検出器の磁場に対する出力の関係を示すが図示しない方法で非直線性誤差を測定すると±０．０１％以下であった。尚、図６において積分回路６を追加することによって信号の極性が反転（プラスがマイナスに、マイナスがプラス）するが、これに対応して検出コイル１１の巻き方向を逆方向に巻回するか、または極性をもう一度反転するための位相反転目的の図示しない増幅器を積分器の後段に用いることで負帰還状態を構築しても良い。

尚、実施例１〜４において、インピーダンス回路網３またはフィードバック回路網３を構成する抵抗器Ｒは、検出コイル１１へバイアス磁場またはフィードバック磁場を印加するための電流を設定する抵抗器を兼ねている。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１磁気インピーダンス素子
２発信器
３デカップリング回路（インピーダンス回路網、フィードバック回路）
４検波回路
５増幅器
８交流結合回路
１０アモルファスワイヤ
１１検出コイル

Claims

アモルファスワイヤにパルス電流又は高周波電流を通電すると共に、前記アモルファスワイヤに巻き回した検出コイルに誘起する外部磁場に対応する大きさの交流減衰振動電圧を出力する磁気インピーダンス素子と、
前記交流減衰振動電圧を外部磁場に対応する電圧信号に変換する検波回路と、
前記検出コイルに通電して該検出コイル内に生じる磁場によって前記アモルファスワイヤに磁場を印加するデカップリング回路とを備えた磁気検出器において、
前記検出コイルと前記検波回路との間に、交流結合回路を設けたことを特徴とする磁気検出器。
前記デカップリング回路は、前記検出コイルに対して直流電流又は低周波電流を通電することで、前記アモルファスワイヤにバイアス磁場を印加するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出器。
前記デカップリング回路は、前記検出コイルに対して前記検波回路から増幅されて出力される電気信号を通電することで、前記アモルファスワイヤに負帰還磁場を印加するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出器。