JP3548757B2 - 物理量測定装置および磁気測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理量測定装置および磁気測定装置に関し、さらに詳しくは、検出信号の通過域利得と帯域幅の両方を大きくできると共に異なる複数の帯域の信号成分を同時に得ることができる物理量測定装置および磁気測定装置に関する。特に、地磁気の交流成分などの微弱な磁気を測定するのに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の磁気測定装置の一例を示す構成図である。
この磁気測定装置５００は、磁気に対して非線形の検出特性を有する磁気センサ１と、プリアンプ２と、積分器５３と、フィードバック抵抗Ｒと、フィードバックコイル４とを具備して構成されている。
前記磁気センサ１から取り出された磁気検出電流Ｉｓｅｎｓｏｒは、前記プリアンプ２で増幅されて、前記積分器５３へ送られる。前記積分器５３の出力信号は、磁気測定信号Ｏｕｔとして取り出されると共に、前記フィードバック抵抗Ｒによりフィードバック電流Ｉｆｂ’となって前記フィードバックコイル４へフィードバックされる。これにより、測定対象磁気Ｂｅｘｔとは逆向きのフィードバック磁気Ｂｆｂ’が前記フィードバックコイル４から発生して磁束固定ループ（FLL;Flux Locked Loop）の制御が行われ、前記磁気センサ１の検出特性が線形化される。
【０００３】
図１０は、上記磁気測定装置５００の通過域利得−周波数特性を示すグラフである。
遮断周波数Ｆｃは、利得が最大利得Ｇから３ｄＢ低下する周波数である。
一般に、積分器の出力の利得帯域幅積ＧＢＷ（Gain Band-Width product；最大利得Ｇから３ｄＢ低下した利得と，その利得以上の利得を有する帯域幅ＢＷとの積）は、該積分器の出力電圧のダイナミックレンジ（振れ幅）により制限される。前記ダイナミックレンジは、例えば±１５Ｖである。
したがって、前記積分器５３の時定数や前記フィードバック抵抗Ｒを調整して、利得Ｇを上げると帯域幅ＢＷが狭くなり（その周波数特性を一点鎖線で示す）、帯域幅ＢＷを広げると利得Ｇが下がる（その周波数特性を破線で示す）。
【０００４】
図１１は、磁気測定装置の他例を示す構成図である。
この磁気測定装置６００において、プリアンプ２の入力端子には、測定対象磁気Ｂｅｘｔが前記磁気センサ１に加わることにより発生する原検出電流Ｉｅｘｔと、フィードバック抵抗Ｒを介して積分器５３から送られるフィードバック電流Ｉｆｂ’とを共通接続点で合成した磁気検出電流Ｉｓｅｎｓｏｒが入力される。これにより、前記磁気センサ１の検出特性が線形化される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の磁気測定装置５００，６００では、先に図１０を参照して説明したように、利得帯域幅積が積分器５３の出力電圧のダイナミックレンジにより制限されるので、利得Ｇと帯域幅ＢＷの両方を十分に大きくすることが難しい問題点がある。
また、磁気測定信号Ｏｕｔとして、単一の帯域の信号成分のみしか出力できず、複数の帯域の信号成分が必要な場合に対応し難い問題点がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、検出信号の通過域利得と帯域幅の両方を大きくできると共に異なる複数の帯域の信号成分を測定信号として同時に得ることができる物理量測定装置および磁気測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の観点では、本発明は、測定対象の物理量に対して非線形の検出特性を有する非線形検出手段と、その非線形検出手段から取り出された検出信号を多段接続された複数の積分器により多重に積分して該多重度の違いによって異なる複数の帯域の信号成分を同時に得る多重積分手段と、前記信号成分の全部または一部に基づくフィードバック信号を前記非線形検出手段側へフィードバックして前記検出特性を線形化するフィードバック手段とを具備したことを特徴とする物理量測定装置を提供する。
上記第１の観点による物理量測定装置では、各段における利得帯域幅積は各積分器の出力電圧のダイナミックレンジにより規定されるので、広帯域を複数の帯域に分割したときの各帯域の信号成分の抽出を別々の積分器に分担させることで、全体としてダイナミックレンジの大きい広帯域フィルタ特性を実現することが出来る。すなわち、検出信号から信号成分を抽出する際の通過域利得と帯域幅の両方を十分に大きくすることが出来る。
また、各積分器の時定数やフィードバック特性を調整することで、検出信号から抽出される信号成分の帯域を積分器ごとに変えることが可能となり、異なる複数の帯域の信号成分を測定信号として同時に得ることが出来る。
【０００８】
第２の観点では、本発明は、磁気に対して非線形の検出特性を有する非線形磁気検出手段と、その非線形磁気検出手段から取り出された磁気検出信号を多段接続された複数の積分器により多重に積分して該多重度の違いによって異なる複数の帯域の信号成分を同時に得る多重積分手段と、前記信号成分の全部または一部に基づくフィードバック信号を前記非線形磁気検出手段側へフィードバックして前記検出特性を線形化するフィードバック手段とを具備したことを特徴とする磁気測定装置を提供する。
上記第２の観点による磁気測定装置は、上記第１の観点にかかる物理量測定装置の物理量として磁気を測定するものなので、磁気検出信号から信号成分を抽出する際の通過域利得と帯域幅の両方を十分に大きくすることが出来る。また、異なる複数の帯域の信号成分を磁気測定信号として同時に得ることが出来る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１０】
−第１の実施形態−
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる磁気測定装置を示す構成図である。この磁気測定装置１００は、磁気に対して非線形の検出特性を有する磁気センサ（磁気検出コイル）１と、プリアンプ２と、多段接続された積分器３−１，３−２，３−３と、フィードバック抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、フィードバックコイル４とを具備して構成されている。前記積分器３−１の時定数τ１，前記積分器３−２の時定数τ２，前記積分器３−３の時定数τ３は、τ１＜τ２＜τ３の関係を満たす。
前記磁気センサ１から取り出された磁気検出電流Ｉｓｅｎｓｏｒは、前記プリアンプ２で増幅された後、前記積分器３−１に入力され、積分される。そして、前記積分器３−２，３−３により多重に積分される。前記磁気センサ１の磁気検出感度は、例えば１μＶ／１ｆＴ（fT;femto-tesla）程度である。
【００１１】
１段目の積分器３−１の出力信号は、磁気測定信号Ｏｕｔ１として取り出されると共に、フィードバック抵抗Ｒ１を介してフィードバックコイル４へフィードバックされる。
２段目の積分器３−２の出力信号は、磁気測定信号Ｏｕｔ２として取り出されると共に、フィードバック抵抗Ｒ２を介してフィードバックコイル４へフィードバックされる。
３段目の積分器３−３の出力信号は、磁気測定信号Ｏｕｔ３として取り出されると共に、フィードバック抵抗Ｒ３を介してフィードバックコイル４へフィードバックされる。
この結果、フィードバック電流Ｉｆｂがフィードバックコイル４に送られて、測定対象磁気Ｂｅｘｔとは逆向きのフィードバック磁気Ｂｆｂが発生する。これにより、磁束固定ループの制御が行われ、前記磁気センサ１の検出特性が線形化される。
【００１２】
次に、この磁気測定装置１００の動作原理を説明する。
まず、図２に示すように、前記磁気センサ１と、前記プリアンプ２と、１段目の積分器３−１と、前記フィードバック抵抗Ｒ１のみを抽出した回路を想定する。
前記磁気センサ１と、前記プリアンプ２と、前記積分器３−１と、前記フィードバックコイル４は、全体として、１つの仮想オペアンプ（operational amplifier）Ａ１と見なせる。そして、前記仮想オペアンプＡ１の非反転入力端子に測定対象磁気Ｂｅｘｔを入力し、反転入力端子にフィードバック電流Ｉｆｂを入力するものとして取り扱う。
【００１３】
図３は、図２の回路の通過域利得−周波数特性を示すグラフである。
破線で示すように、前記仮想オペアンプＡ１の開ループゲインは、積分器３−１の周波数特性に依存するので、低域となるにつれて大きくなる。
前記仮想オペアンプＡ１の出力端子と反転入力端子の間にフィードバック抵抗Ｒ１を接続することで、前記仮想オペアンプＡ１の入出力特性が線形化される。このとき、前記積分器３−１から出力される磁気測定信号Ｏｕｔ１の周波数特性Ｃ１Ｌは、最大利得をＧａとし、遮断周波数をＦｃ１とするローパスフィルタ（LPF; Low-Pass Filter）の特性となる。前記最大利得Ｇａおよび前記遮断周波数Ｆｃ１は、前記積分器３−１の時定数およびフィードバック抵抗Ｒ１により決まる。ちなみに、フィードバック磁気Ｂｆｂにより前記磁気センサ１に発生する検出電圧とフィードバック電流Ｉｆｂとの比（＝検出電圧／フィードバック電流Ｉｆｂ）が、一般のオペアンプで非反転増幅回路を構成する場合の入力抵抗に相当する。
【００１４】
次に、図４に示すように、図２の回路部分と、積分器３−２と、フィードバック抵抗Ｒ２のみを抽出した回路を想定する。
前記プリアンプ２と、前記積分器３−１と、前記フィードバック抵抗Ｒ１は、全体として、１つの仮想アンプＰと見なせる。
前記磁気センサ１と、前記仮想アンプＰと、前記積分器３−２と、フィードバックコイル４は、全体として、１つの仮想オペアンプＡ２と見なせる。
【００１５】
図５は、図４の回路の通過域利得−周波数特性を示すグラフである。
前記仮想オペアンプＡ２の出力端子と反転入力端子の間にフィードバック抵抗Ｒ２を接続することで、前記仮想オペアンプＡ２の入出力特性が線形化される。このとき、前記積分器３−２から出力される磁気測定信号Ｏｕｔ２の周波数特性Ｃ２Ｌは、遮断周波数をＦｃ２（Ｆｃ２＜Ｆｃ１）とするローパスフィルタの特性となる。前記積分器３−１にかかる周波数特性Ｃ１は、フィードバック成分（前記遮断周波数Ｆｃ２以下の低域成分）を通過域としない特性、すなわち上側遮断周波数をＦｃ１とし下側遮断周波数をＦｃ２とするバンドパスフィルタ（BPF;Band-Pass Filter）の特性となる。
【００１６】
結局のところ、図６に示すように、前記磁気測定装置１００は、周波数特性Ｃ１に対応する帯域成分を有する磁気測定信号Ｏｕｔ１と、周波数特性Ｃ２に対応する帯域成分を有する磁気測定信号Ｏｕｔ２と、周波数特性Ｃ３に対応する帯域成分を有する磁気測定信号Ｏｕｔ３とを同時に出力する。すなわち、積分器３−１，３−２，３−３の全体として、遮断周波数Ｆｃ１以下の全帯域で実質的に平坦な利得Ｇａを維持するローパスフィルタ特性を実現できる。なお、「実質的に平坦」とは、前記周波数特性Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のそれぞれの端境で、利得がいったん３ｄＢ程度落ち込むことがあっても、ローパスフィルタとしての特性に支障がないことを意味する。
【００１７】
図７は、前記積分器３−１，３−２，３−３の通過域利得−周波数特性の他例を示すグラフである。
前記積分器３−１にかかる周波数特性Ｃ１’は、最大利得をＧ１とし、帯域幅をＢＷ１（上側遮断周波数はＦｃ１’，下側遮断周波数はＦｃ２’）とするバンドパスフィルタ特性である。
前記積分器３−２にかかる周波数特性Ｃ２’は、最大利得をＧ２（Ｇ２＞Ｇ１）とし、帯域幅をＢＷ２（上側遮断周波数は前記Ｆｃ２’，下側遮断周波数はＦｃ３’）とするバンドパスフィルタ特性である。
前記積分器３−３にかかる周波数特性Ｃ３’は、最大利得をＧ３（Ｇ２＞Ｇ３＞Ｇ１）とし、帯域幅をＢＷ３（遮断周波数は前記Ｆｃ３’）とするローパスフィルタ特性である。
数値例を示せば、前記最大利得Ｇ１は例えば２０ｄＢであり、前記最大利得Ｇ２は例えば４０ｄＢであり、前記最大利得Ｇ３は例えば３０ｄＢである。また、前記遮断周波数Ｆｃ１’は例えば２００Ｈｚであり、前記遮断周波数Ｆｃ２’は例えば３０Ｈｚであり、前記遮断周波数Ｆｃ３’は例えば０．１Ｈｚである。
なお、各周波数特性における利得帯域幅積は、各積分器３−１，３−２，３−３の出力電圧のダイナミックレンジにより規定される。
【００１８】
以上の磁気測定装置１００によれば、図６に示したように、磁気測定信号Ｏｕｔ１，Ｏｕｔ２，Ｏｕｔ３の全体として、遮断周波数Ｆｃ１以下の広帯域の信号成分を高利得で得ることが出来る。
また、図７に示したように、磁気検出電流Ｉｓｅｎｓｏｒから高域の信号成分を抽出した磁気測定信号Ｏｕｔ１と、中域の信号成分を抽出した磁気測定信号Ｏｕｔ２と、低域の信号成分を抽出した磁気測定信号Ｏｕｔ３とを同時に取り出すことが可能となる。
【００１９】
−第２の実施形態−
図８は、本発明の第２の実施形態にかかる磁気測定装置を示す構成図である。この磁気測定装置２００は、磁気に対して非線形の検出特性を有する磁気センサ１と、プリアンプ２と、多段接続された積分器３−１，３−２，３−３と、フィードバック抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とを具備して構成されている。
前記プリアンプ２の入力端子には、測定対象磁気Ｂｅｘｔが前記磁気センサ１に加わることにより発生する原検出電流Ｉｅｘｔと、フィードバック抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を介して各積分器３−１，３−２，３−３から送られるフィードバック電流Ｉｆｂとを共通接続点で合成した磁気検出電流Ｉｓｅｎｓｏｒが入力される。これにより、前記磁気センサ１の検出特性が線形化される。
以上の磁気測定装置２００によれば、フィードバックコイル（図１の４）が不要となるので、構成をさらに簡単にして、いっそう低コスト化できる。
【００２０】
なお、上記の実施形態では、３つの積分器３−１，３−２，３−３を多段接続したが、積分器の個数を２つに減らしてもよいし，４以上に増やしてもよい。個数を減らした場合には、構成を簡略化して、さらに低コスト化できる。個数を増やした場合には、総合的なダイナミックレンジをさらに大きくすると共に、より多数の帯域の信号成分をきめ細かく抽出することが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の物理量測定装置および磁気測定装置によれば、実質的な利得帯域幅積の大きいフィルタ特性を得ることができ、測定信号のダイナミックレンジや測定感度を向上することが出来る。また、多段接続された各積分器の時定数やフィードバック特性を変化させることで、各積分器から所望の帯域の信号成分を同時に出力することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる磁気測定装置を示す構成図である。
【図２】１段目の積分器までを抽出した回路を示す説明図である。
【図３】図２の回路の利得−周波数特性を示すグラフである。
【図４】２段目の積分器までを抽出した回路を示す説明図である。
【図５】図４の回路の利得−周波数特性を示すグラフである。
【図６】図１の磁気測定装置の各積分器の利得−周波数特性を示すグラフである。
【図７】図１の磁気測定装置の各積分器の利得−周波数特性の他例を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかる磁気測定装置を示す構成図である。
【図９】従来の磁気測定装置の一例を示す構成図である。
【図１０】図９の磁気測定装置の積分器の利得−周波数特性を示すグラフである。
【図１１】従来の磁気測定装置の他例を示す構成図である。
【符号の説明】
１００，２００ 磁気測定装置
１ 磁気センサ
２ プリアンプ
３−１，３−２，３−３ 積分器
４ フィードバックコイル
Ｂｅｘｔ 測定対象磁気
Ｂｆｂ フィードバック磁気
Ｉｅｘｔ 原検出電流
Ｉｆｂ フィードバック電流
Ｉｓｅｎｓｏｒ 磁気検出電流
Ｏｕｔ１，Ｏｕｔ２，Ｏｕｔ３ 磁気測定信号
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ フィードバック抵抗

Claims (2)

1. 測定対象の物理量に対して非線形の検出特性を有する非線形検出手段と、その非線形検出手段から取り出された検出信号を多段接続された複数の積分器により多重に積分して該多重度の違いによって異なる複数の帯域の信号成分を同時に得る多重積分手段と、前記信号成分の全部または一部に基づくフィードバック信号を前記非線形検出手段側へフィードバックして前記検出特性を線形化するフィードバック手段とを具備したことを特徴とする物理量測定装置。
2. 磁気に対して非線形の検出特性を有する非線形磁気検出手段と、その非線形磁気検出手段から取り出された磁気検出信号を多段接続された複数の積分器により多重に積分して該多重度の違いによって異なる複数の帯域の信号成分を同時に得る多重積分手段と、前記信号成分の全部または一部に基づくフィードバック信号を前記非線形磁気検出手段側へフィードバックして前記検出特性を線形化するフィードバック手段とを具備したことを特徴とする磁気測定装置。

Images