JP3216038B2

JP3216038B2 - 振動子による磁気検出方法および磁気検出装置

Info

Publication number: JP3216038B2
Application number: JP30536495A
Authority: JP
Inventors: 飯島　　保
Original assignee: ニスカ株式会社
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 2001-10-09
Anticipated expiration: 2015-11-24
Also published as: JPH09145807A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、振動子の振動に
より磁界内において容易に且つ正確に磁界の強度を測定
可能とする磁気測定方法および磁気測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁界中の磁気を検出し測定する方法とし
て、さぐりコイル（サーチコイルともいう）によるセン
サ、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を使用した
センサ、さらには、光ファイバ磁気センサ等が知られて
いる。

【０００３】サーチコイルによるセンサとは、所定の面
積に巻線されたコイルを磁界中から引きに抜いて磁界ゼ
ロの場所に移動させることにより、磁界の変化に応じた
電圧あるいは電流をそのコイルに発生させ、その電圧、
電流の変化から磁界の強さを求めようとするものであ
る。また、サーチコイルを移動する代わりにサーチコイ
ルを磁界中で回転させることによっても磁界を測定する
ことが可能である。

【０００４】ホール素子による半導体型磁気センサと
は、電流の流れている導体や半導体に対して直角方向に
磁界を加えると、電流を司る電荷は電流の方向と磁界の
方向に直角に力を受け、その力の方向に電位を有するこ
とを利用し、この電位から磁界の強さを求めようとする
ものである。

【０００５】磁気抵抗素子とは、ホール素子と同様の考
えで、磁界により電流通路が変わり電気抵抗が大きくな
ることを利用し、その抵抗を計ることにより磁界を求め
ようとするものである。

【０００６】光ファイバを使用した磁気センサとは、光
の磁気光学効果を利用して磁気検出を行おうとするもの
である。一般的には光学材料中の光に外部磁界を加える
とファラディ効果により光が偏光するため、その偏光面
と磁界との関連から磁界の強さが求められる。

【０００７】以上のセンサは、それぞれこの技術の分野
における当業者に周知のことであるため、これ以上の説
明を行わない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のセンサは、
それぞれについて以下の問題を有している。すなわち、
サーチコイルによるセンサの場合は、サーチコイル自体
を磁界中で移動あるいは回転させるためにモータやソレ
ノイド及びそれに関連して動く機械構成を必要としてい
る。それ故、機構が複雑であったり、一定の移動や、回
転速度を保つための調整に非常に手間がかかるばかり
か、モータに加える電圧が変動したり、あるいは機械的
な部分での磨耗、損傷が生じた場合には、それによりサ
ーチコイルの移動が安定せず、結果として適正な磁界の
測定が得られないと行った問題が生じる。さらに、この
ような機械的構成の必要上、狭い領域での測定が困難と
いった問題をも有している。

【０００９】ホール素子による場合は、その構成上機械
的可動部を必要としないために上記欠点を有することは
ないが、反面、一般にゲルマニュウム等の半導体の薄板
を必要とし、かつ発生する電位はホール係数（ホール定
数ともいう）に依存する。このホール係数は物質の種類
や温度によって異なるため、一定の電位を求めて適切な
磁界を測定するためには、その物質の選定や、薄板の大
きさを厳密に管理しなければならず、測定するうえにお
いても、一定温度環境下において測定するか、あるいは
ホール素子自体の温度を測定して、その測定結果に基づ
き校正を行った後に実際の磁界の強さを求めなければな
らず、厳密な磁界測定が困難である。

【００１０】磁気抵抗素子においても上記と同様な欠点
を有する他、抵抗値を高めるために、半導体中に複数の
金属電極を埋め込み、磁気抵抗素子を直列に接続すると
いったような技術的に高度で複雑な工夫も行わなければ
ならない。

【００１１】光ファイバによる磁気センサは、磁気的な
変化から磁界の強度を求めるものではなく光の偏光を利
用するため、電磁障害や外部からの電磁気の影響に左右
されないといった利点があり、厳しい電磁雑音環境下に
おいても使用が可能である。しかし、光学材料の使用
や、光学材料内への光ファイバによる光の導入、そして
光の偏光面の測定等、非常に複雑で高価であって一般的
な使用には適していない。

【００１２】従って、本願発明は、モータ等を使用して
機械的に移動を行う必要が無く、装置の構成が簡単であ
りながら安定した振動を確保して電磁誘導をもたらす安
価な磁気検出方法及び装置を提供することを目的とす
る。

【００１３】本願発明の第２の目的は、磁界強度に対す
る線形性及び応答性が良く、簡易でありながら精度が高
い磁気検出方法及び装置を提供することである。

【００１４】本願発明の第３の目的は、温度に依存せ
ず、データの信頼性が高い磁気検出方法及び装置を提供
することである。

【００１５】さらに、本発明の第４の目的は、振動材料
として加工成形が容易であって量産技術に適したより実
用的な磁気検出方法及び装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本願発明によ
れば、圧電素子からなる振動子の振動により応じて振動
するように導体を当該振動子に設け、磁界中において圧
電素子からなる振動子を振動させることで振動させた導
体に電磁誘導による起電力を誘導し、この起電力に基づ
いて磁界中の磁気の強さを検出する。その圧電素子は、
例えば圧電セラミック、水晶、チタン酸バリウム、ニオ
ブ酸リチウムのいずれかの圧電物質から作られる。ま
た、その圧電素子には所定の交流電圧が印加される。こ
のとき、振動子は所定の振動を生じることから導体には
所定の電磁誘導による起電力が発生する。該導体の両端
は抵抗でショートされても良く、その抵抗の電磁誘導エ
ネルギー消費によりもたらされた交流電圧の周波数変動
から磁界の強さを求めることもできる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１に示すように、板状の振動子
１の一面に円形の閉じたコイル２を形成する。さらに、
振動子１は、所定の振動周波数で振動をしている。振動
のモードは基本的に縦型振動と横型振動があるが、この
技術分野における当業者にとって周知であるのでここで
は詳細には説明しない。この振動にともなってコイル２
も振動している。もしここでコイルを横切る磁束ベクト
ルＢが矢印のように存在すれば、コイル２には電磁誘導
が発生する。従ってこの起電力を検出することにより、
コイル２を横切る磁束Ｂの値を測定できる。

【００１８】いま、コイルの振動による磁束の変化をΔ
φとすると、

【００１９】

【式１】である。ここでνはコイル２の振動速度である。従って
コイル２に発生する起電力ｅは、コイル内を横切る磁束
密度が一定のＢとすると、

【００２０】

【式２】で与えられる。今、コイル２が円のまま振動し、振動振
幅をａ、円周をＬとすると、式（２）より、

【００２１】

【式３】となる。ここでωは振動の角周波数である。

【００２２】次に、上記本発明に基づき磁界を測定する
手段を図２を使用して更に説明する。図２は本発明に基
づき、コイルの両端に現れる誘起起電力を測定して磁界
の強さを求める概略図である。図１の振動子１として圧
電素子１１を使用している。圧電素子１１には交流信号
を印加可能なように電源１３が接続されている。電源１
３はおよそ４０ＫＨｚから１５０ＫＨｚまでの間で交流
周波数の信号を掃引して印加することが可能である。磁
界を発生する手段としては、励磁コイル１４を使用し
た。励磁コイル１４はφ＝１０ｍｍの鉄心に７００回巻
線をしたものである。圧電素子１１の大きさ及び材料は
２０ｘ２０ｘ３ｍｍ角の板状のＰＺＴである。このＰＺ
Ｔ上にφ＝０．１８ｍｍの巻線を直径約１０ｍｍで３０
回巻いたコイル１２（検出コイル）を接着剤で固定し
た。尚、検出コイル１２及び励磁コイル１４を概略的に
示すためにＸ印で図示している。この検出コイル１２の
巻線端部は出力Ｖｏとして測定することができる。ここ
で、図３乃至図５に図２で示した磁気検出手段により検
出した結果を示す。

【００２３】図３は、図２で示したものと構成はほぼ同
じだが、励磁コイル１４の代わりに永久磁石を使用し、
永久磁石を検出コイル１２上に接近して置いた場合と置
かない場合の出力Ｖｏの比較を行ったものである。電源
１３からＰＺＴへの入力信号（ＰＺＴを振動させるため
の交流信号であり励振信号という）として電圧１．５
Ｖ、周波数（励振周波数という）としてほぼ４０ＫＨｚ
から１５０ＫＨｚに掃引した。図３中で△印を実線でつ
なげたグラフは永久磁石がある場合の結果であり、一方
□印を破線でつなげたグラフは永久磁石が無い場合の結
果である。永久磁石がある場合には励振周波数としてｆ
＝８３．３ＫＨｚのときに顕著な出力の変化を得ること
ができた。この顕著な変化が見られる励振周波数は、ち
ょうど圧電素子１１が共振し、対称的な面内振動モード
で振動する為の周波数と考えられる。従って、上記内容
から振動子によって電磁誘導を誘起できることが明らか
となった。

【００２４】図４は、図２の構成を使用し、且つ圧電素
子１１の励振周波数８３．３ＫＨｚを保ちながら、励磁
コイル１４への印加電流（励磁電流という）及び印加電
圧（励磁電圧という）と検出コイル出力Ｖｏの電圧の関
係を示すグラフである。その結果、各励磁電圧において
も、励磁電流と検出コイル１２の出力Ｖｏの電圧とはほ
ぼ比例していることが分かった。励磁コイル１４の直下
の検出コイル１２を貫く磁束は、理論的には励磁コイル
１４に与える励磁電流に比例すると考えられるため、本
発明による図２では、磁束に対して極めて線形性が良い
ことが明らかとなった。従って、検出コイル１２に励起
される誘導電圧を計ることにより、一義的に磁界が求め
られることとなる。

【００２５】図５は、図２での温度特性を示したもので
ある。図４と同様にＰＺＴの励振周波数を８３．３ＫＨ
ｚに保ち、さらに励磁コイル１４への励磁電圧を１．５
Ｖとした。温度は２５℃と６５℃で測定した。△印を破
線でつなげたグラフが周囲温度温度６５℃の時の励磁電
流と出力Ｖｏの電圧の関係を示し、＋印を実線でつなげ
たグラフは周囲温度２５℃の時の励磁電流と出力Ｖｏの
電圧の関係を示す。その結果、両温度でも、励磁電流と
出力Ｖｏとは良好な直線性を示し、温度差４０度での両
出力電圧の差は最大でも５．１％であった。従って、温
度に対し極めて安定的な磁気検出手段を達成できること
が明らかとなった。

【００２６】図２では、振動子としてＰＺＴを使用して
いる。このＰＺＴの振動幅は極めて微小であるが、一方
振動周波数が高く、従って、式（３）よりω大きいこと
から出力電圧Ｖｏが高く、磁界変化に対する応答速度が
極めて良いことが特徴である。従って、振動周波数が高
い振動子であれば同様の検出装置が達成可能である。例
えば、ＰＺＴ以外の圧電セラミックでも達成することが
できる。圧電セラミックとして代表的なものはＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸塩、ＰｂＺｒＯ₃-ＰｂＴｉＯ₃）
系とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）系のものがあるが、そ
のどちらでもよく、又他の圧電セラミックでもよい。さ
らには、圧電セラミック以外の圧電素子によっても本願
発明の目的を達成することができる。例えば、水晶、チ
タン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、ニオブ酸リチウム
（ＬｉＮｉＯ）などの圧電物質からなる振動子である。
水晶においては圧電セラミック以上に温度特性がよく、
従って温度変化に対して安定した測定が可能となる。ニ
オブ酸リチウムは表面弾性波素子として有効であり、圧
電セラミックと同様に剛性が高く、高い振動周波数を有
することが可能である。

【００２７】図２では、検出コイル１２として複数回円
形に巻線した銅のコイルを振動子表面に接着して使用し
ている。理論的には、コイルは丸形状が誘導起電力を発
生するには効率が良く、その例として図６に磁気検出用
のコイルを振動子に形成した概略図を示す。図５の
（ａ）は、円柱状の振動子の回りに銅線を複数回巻いた
コイルを形成した概略図を示し、図５の（ｂ）は銅線を
渦状に巻いてコイルを振動子の両表面平坦部に接着した
概略図を示したものである。図５の（ｂ）の両表面のコ
イルは振動子のほぼ中心軸に沿って延びお互いが接続さ
れている。このコイルは銅線によるものだが、このほか
に金や銀あるいはその他の導体を蒸着あるいは接着して
設けてもよい。さらには、そのようなコイルを２つのあ
るいは複数の振動子で挟み込みんだものであってもよ
い。このように電磁誘導を感知する手段としては、振動
子の振動に伴って振動し、電磁誘導を誘起するものであ
るならば形状や材料や位置、その形成方法は本発明の技
術的思想上において限定されることはない。

【００２８】さらに、図２においては、検出コイル１２
の両端に発生する出力電圧Ｖｏを測定して磁界の強度を
測定したが、図７では、その検出コイル１２端子の両端
を抵抗Ｒでショートし、磁気検出のための励振周波数の
変化をカウンタ１５で測定することにより磁界の検出を
可能とするものである。すなわち、検出コイル１２は抵
抗Ｒによりショートされるため、磁界中において電磁誘
導が発生すると、その抵抗Ｒで検出コイル１２自体の電
気誘導エネルギーが消費される。その結果、振動子１１
の振動エネルギー損失が発生し、共振周波数の変化とな
って現れるものである。一方磁界が無く電磁誘導が起こ
らない場合は検出コイル１２自体のエネルギー消費は起
こらず振動子１１自体の振動エネルギー損失が起こるこ
ともない。従って振動子に与える励振周波数の変化を観
測すれば磁界の有無、そしてその強度をも測定できる。
図７では周波数を測定するためにカウンタ１５を電源の
出力両端に並列に設けているが、励振周波数を確認でき
るものであるならば、どのような接続方法や装置であっ
てもよい。

【００２９】今まで述べた実施の形態においては、磁界
の強度を測定することは可能であるが、図８では、磁界
の方向、すなわち磁界極性の検出をさらに可能とするも
のである。図８で、磁界Ｂの２つの矢印はそれぞれ異な
った極性の磁界を表している。振動子１１及び検出コイ
ル１２および電源１３は前記形態のいずれかと同様であ
り、ここでは構成を簡単にするため磁界の強度を測定す
るための手段は示していない。いま、検出コイル１２の
端子の一方を位相検出器１６の入力に接続する。さらに
その位相検出器１６の別の入力は電源１３の振動子１１
への入力信号のための端子の一方と接続されている。従
って、位相検出器１６は、電磁誘導により検出コイル１
２に発生する起電力と振動子１１に加える入力信号の交
流波形の位相を検出することができる。

【００３０】図９に、図８により観測した入力信号波形
Ｗ0と検出した起電力波形を示す。図９の（ａ）は、検
出コイル１２上にＳ極の永久磁石を近接して検出コイル
１２の出力電圧波形Ｗ1を観測したものであり、図９の
（ｂ）は、検出コイル１２上にＮ極の永久磁石を近接し
て検出コイル１２の出力電圧波形Ｗ2を観測したもので
ある。それぞれの対比により、入力信号波形Ｗ0との位
相が明らかに異なっており、出力電圧波形Ｗ1とＷ2とは
それぞれほぼ逆位相であることが分かる。この理由は、
磁界の方向によって誘起電流の方向が逆となり、結果と
して観測される起電力は逆位相となるからである。起電
力の位相はコイルの導体の巻線方向やコイル端子のどち
らを使用するか等によって異なるため、予め磁界の極性
とコイル検出電圧の位相との関係を知っておけばその磁
界の極性が把握できる。ここでは、検出コイル１２に発
生した起電力と励振信号の位相から磁界の極性を判断し
たが、本発明の技術的思想においては、振動子への入力
信号と同期し、且つ磁界極性により異なった電磁誘導に
よりもたらされた検出信号であるならばどのような方法
や構成であってもよく、図８に限定されることがない。
又、位相検出器１６はその位相検出できるものであれ
ば、位相を波形的に観察できるもの（例えばオシロスコ
ープ）や数値的に出力されるもの等どのようなものであ
ってもよい。

【００３１】図３乃至図５のグラフから明らかなよう
に、永久磁石が無い場合（図３）、あるいは励磁電流が
加わらない場合（図４、５に励磁電流０（ゼロ）の位
置）においても、検出コイル１２の出力は０（ゼロ）の
値を示さない。この原因は、検出コイル１２が振動子１
１の一方向（図２のおいて振動子１１の上面）にあるの
みで、振動子１１の漏れ電界に対して非対称であるた
め、検出コイルに起電力が発生したものと推察される。
従って、出力を０にするようなオフセット調整があれ
ば、より実用的である。図１０は、このオフセット調整
を行うための概要図である。

【００３２】図１０の（ａ）においては振動子の板状の
両面に同数に巻いた銅線から成るコイルを形成し、それ
を振動子１１の中心付近ｏ−ｏ’で相互に接続すること
により、両面検出コイル相互の電圧をキャンセルさせ、
オフセットしようとするものである。尚、図５における
コイル形状であっても同様のオフセットの効果を与える
ことが可能である。従って検出コイル１２の出力Ｖｏは
ゼロレベルに調整される。図１０の（ｂ）においては、
電圧レベル調整器１７により、磁界がないときのレベル
分を強制的に検出コイル出力Ｖｏ（図示しない）から差
し引き、オフセットするものである。検出コイル１２は
振動子の一端面にのみ設けられているため、ゼロ磁界中
でもレベルシフトして検出コイルは０（ゼロ）の値を示
さない。従って検出コイル１２の端子の一つｃと電源の
出力の一つｄをそれぞれ電圧レベル調整器１７に入力す
ると、電圧レベル調整器１７は、磁界が無いときにその
差分として出力Ｖｆを出力する。このＶｆの値をオフセ
ット値として使用して検出コイルの誘起起電力（図示し
ない）の値を調整すれば、適正な磁界測定が可能とな
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明により、磁界の強度に対する線形
性が良く、簡易でありながら精度が高い磁界検出方法お
よび装置が可能となった。また、機械的に強制して振動
させる必要が無く、振動子の安定周波数の共振振動によ
り検出用の導体を振動させるため、装置の信頼性が高
く、非常に安定した測定データを得ることが可能となっ
た。しかも、振動子の周波数を超音波領域に高めること
により、応答性が優れ、迅速且つ容易に磁界の強さを測
定することができるようになった。加えて、温度変化に
対して振動子そのものの振動周波数が安定しており、よ
り実用的で信頼性のある磁界検出を達成することが可能
となった。さらにはその振動子そのものの振動が微小且
つ高速であるため、微小コイルでも十分な磁界測定が可
能であり、微小磁界領域においても磁界測定に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な構成を示す斜視図である。

【図２】本発明に基づき磁界検出を測定するための実施
形態と磁気印加用コイルを示す概略図である。

【図３】磁界の存在の有無による本発明による磁界検出
測定の比較を示すグラフである。

【図４】振動子を一定振動に保ったままの磁界変化に対
する検出コイル出力の測定結果を示すグラフである。

【図５】振動子を一定振動に保ったままの温度変化に対
する検出コイル出力の測定結果を示すグラフである。

【図６】磁気検出用のコイルを振動子に形成した斜視図
である。

【図７】検出コイルの両端を抵抗で接続し、振動子への
励振用信号の周波数を測定する概略図である。

【図８】磁界の方向を測定するための概略図である。

【図９】図８で示した磁界方向測定装置により観測した
磁界方向別の検出コイル出力波形である。

【図１０】磁気検出のオフセットを行う概略図である。

【符号の説明】

１、１１．．．振動子２、１２．．．検出コイル１３．．．電源１４．．．励磁コイル１５．．．周波数カウンタ１６．．．位相検出器１７．．．電圧レベル調整器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁界中において圧電素子からなる振動子
を振動させ、前記振動子の振動に応じて振動するよう当該振動子に設
けられた導体を、前記振動子の振動によって振動させ、当該振動した導体に電磁誘導起電力を誘起させて磁界の
強さを求める磁気検出方法。
【請求項２】前記圧電素子が圧電セラミック、水晶、
チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウムのいずれかの圧電
物質からなる請求項１に記載の磁気検出方法。
【請求項３】前記振動子に交流電圧を印加し当該振動
子に所定の周波数の振動をもたらす請求項１に記載の磁
気検出方法。
【請求項４】前記振動子に交流電圧を印加し、当該交
流電圧の位相と前記電磁誘導起電力の位相との位相差に
基づいて磁界の極性を得る請求項１に記載の磁気検出方
法。
【請求項５】前記振動子の振動が超音波領域の振動周
波数を有する請求項１に記載の磁気検出方法。
【請求項６】前記導体の端部を抵抗で接続して電磁誘
導エネルギーを消費させ、そのエネルギー消費により前記交流電圧の周波数の変動
をもたらすことにより、その変動から前記磁界中の磁気
の強さを検出する請求項３に記載の磁気検出方法。
【請求項７】前記導体の形状がコイル状である請求項
１に記載の磁気検出方法。
【請求項８】前記導体は前記振動子内若しくは前記振
動子の表面に蒸着されている請求項１に記載の磁気検出
方法。
【請求項９】前記導体は前記振動子内もしくは前記振
動子の表面に接着されている請求項１に記載の磁気検出
方法。
【請求項１０】前記導体を前記振動子からの漏れ磁界
をオフセットするように前記振動子に設ける請求項１に
記載の磁気検出方法。
【請求項１１】圧電素子からなる振動子と、前記振動子の振動に応じて振動するよう当該振動子に設
けられた導体とを有し、磁界中において前記導体を前記振動子の振動によって振
動させ、当該振動した導体に電磁誘導起電力を誘起させ
ること特徴とする磁気検出装置。
【請求項１２】磁界の極性を得るために前記振動子の
振動を誘起する交流電圧の位相と前記電磁誘導起電力の
位相との位相差を検知する位相検出手段を更に有する請
求項１１に記載の磁気検出装置。
【請求項１３】前記圧電素子が圧電セラミック、水
晶、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウムのいずれかの
圧電物質からなる請求項１１に記載の磁気検出装置。
【請求項１４】更に前記振動子に交流電圧を印加し所
定の振動周波数の振動を当該振動子にもたらす電圧印加
手段を有する請求項１１に記載の磁気検出装置。
【請求項１５】前記振動子の振動が超音波領域の振動
である請求項１１に記載の磁気検出装置。
【請求項１６】前記導体の端部に設けられ電磁誘導の
エネルギーを消費する抵抗と、そのエネルギー消費によりもたらされた前記交流電圧の
周波数の変動を測定し、その変動から磁界の強さを検出
する検出手段とを有する、請求項１４に記載の磁気検出
装置。
【請求項１７】前記導体は前記振動子内若しくは前記
振動子の表面に蒸着されている請求項１１に記載の磁気
検出装置。
【請求項１８】前記導体は前記振動子からの漏れ磁界
をオフセットするように前記振動子に設けられている請
求項１１に記載の磁気検出装置。