JP3580905B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定するために用いる磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性体の磁気特性（主にＢ−Ｈ特性）を測定する方式として静磁場方式と交流磁場方式がある。静磁場方式は、図５（ａ）に示すように、直流電源２２から励磁コイル２１に直流を流すことにより得られる強力な一対の磁石２１ａを近接させ、空隙２１ｂに生じる磁界中に被測定磁性体２４を置き、この磁性体２４を振動させることによって生じる磁束変化を検知コイル２３と増幅器２５とで検知増幅し、検出信号をとり出すものである（ＶＳＭ方式）。この方式の欠点は装置が大がかりになるため、簡単に交流磁気特性が得られないことである。
次に、交流磁場方式は、図５（ｂ）に示すように、励磁コイル２１に交流電源２６から交流電流を流し、それによって生ずる磁界中に被測定磁性体２４を置き、励磁電流の変化によって生ずる磁界強度変化に対応した磁束密度変化を検知コイル２３と増幅器２５とで検知増幅するものであり、前方式に比べ装置が比較的簡単であるが薄膜のように磁化の強さが小さなものを測定するには特殊な検知コイルを必要としている。
【０００３】
この交流磁場方式には補償コイル無し方式と有り方式がある。補償コイル無し方式では図５（ｂ）に示すコアのような比較的大きな磁性体を測定するために用いられ、励磁コイル２１を被測定磁性体２４に巻き付けるかまたは検知コイル２３も同様に被測定磁性体２４に巻き付けて磁性材の磁気特性を測定している。この方式では比較的簡単に磁気特性が測定できるが、一方コイルを巻く手間と、被測定磁性体２４にある程度大きな質量を必要とする欠点がある。
【０００４】
次に、補償コイル有りの方式は図６に示すように、励磁コイル２１の中に一対の空芯コイルＢを有し、一方は励磁成分を相殺するための補償コイル２７として、もう一方は被測定磁性体２４を入れる検知コイル２３として使用される。
この補償コイル有りの方式の欠点は、空芯コイルＢを励磁手段としているため強い磁界を得ることが難しく、磁性薄膜や、磁気インク等の磁化が小さなものに対しては測定が困難である。
また、被測定磁性体２４を磁場内部に挿入する構成をとっているため、紙，プラスチックのカードやシートの如き媒体中に埋め込まれるか又はその媒体の表面に付けられた磁性体をその媒体に付着したままで測定することが困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の磁気特性測定器においては、磁化の小さな磁性体の磁気特性を簡単に測定することは困難である。即ち、交流磁場方式においては比較的簡単に磁気特性の測定が行なえるが、励磁コイル，検知コイルを被測定物に巻く必要があるため、膜状のものや粉末状の被測定磁性体の磁気特性を測定することが出来ないという欠点がある。また、補償コイルを有する交流磁場方式では、検知コイル内部に被測定磁性体を挿入する必要があるため、磁気材料サンプルを検知コイル内部に入れうる大きさに切り出す必要がある。この欠点を防止するために、検知コイルの周辺に被測定磁性体を近づけて測定することも考えられる。しかし、この方式では励磁磁界が弱くなり、しかも、検知感度も低くなるために、磁性体そのものを検出する磁気検出器のようなものには使用できるが磁性体の特性を検出する磁気特性検出器としては実用的ではないという欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は、簡単な構造でかつ検知感度が高く、膜，粉末状の被測定磁性体であっても、被測定磁性体を切り出すことなく磁気特性を測定することができる磁気センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明による磁気センサは、空芯の励磁コイルと、該励磁コイルの一端の内周面に沿うように設けられた検知コイルと、前記励磁コイルの他端の内周面に沿うように設けられ、かつ前記検知コイルの巻き数と同じ巻き数であって巻き方向が逆方向となるように前記検知コイルと接続された補償コイルと、前記検知コイル又は前記補償コイルを前記励磁コイルの内周面に沿って軸方向に移動でき、かつその移動範囲内の任意の位置に固定し得る移動手段とを備え、
前記検知コイル近傍に被測定磁性体が配置されていない状態で該検知コイル近傍の起電力が最小となるように前記検知コイル又は前記補償コイルを前記移動手段により移動せしめた状態で、前記励磁コイルの励磁電流の変化に対応して、前記励磁コイルの一端側に配置される被測定磁性体の磁束密度変化を前記検知コイルにより検知するように構成されたものである。
【０００８】
【作用】
この磁気センサは補償コイルと、検知コイルを同じ巻き数で、かつ巻き方向が逆であれば励磁コイルによって励磁された起電力は被測定磁性体が存在しないときに、検知コイルの出力側で殆ど相殺することができる。しかも、空芯励磁コイルの磁界分布特性から励磁コイル端面付近の磁界は単調変化するため、補償コイルあるいは検知コイルをわずかに移動させるだけで励磁磁界の成分について０に極めて近い完全なバランスをとることができる。このように完全に近いバランスのとれたこのような磁気センサによれば、検知コイルの近傍に置かれた被測定磁性体によるわずかな磁束密度の変化をも感度よく検出することができる。
【０００９】
【原理】
本発明の理解を容易にするために補償コイル付き磁気センサの原理について図１，図２を参照して説明する。
強磁性体の磁化特性は次のように表わされる。
【数１】
Ｂ＝μＨ （１）
Ｂ：磁束密度、 Ｈ：磁界の強さ、 μ：透磁率
ただし、μは一般に線形ではなく磁性材固有の非線形特性を有している。
【００１０】
この特性は、磁界の強さを変化させながら磁束密度を測定することによって得られる。極めて薄い（厚さ１μｍ以下）磁性膜や、磁性材が薄く塗布された磁気テープ，磁気インク等の磁気特性を測定する場合には、この場合の磁性材料の磁化が極めて小さいため測定が困難である。式（１）は次の式（２）のように書き直すことができる。
【数２】
Ｂ＝μ０ Ｈ＋Ｊ （２）
Ｈ：磁界の強さ、 Ｊ：磁性体の変化の強さ、 μ０ ：真空透磁率
ここで、μ０ は極めて小さいので Ｂ≒Ｊとおくことができる。
【００１１】
検知コイル３により検知される電圧ｅは
【数３】
ｅ＝−ｄφ／ｄｔ （３）
φ：検知コイルを貫く磁束
【数４】
φ＝∫Ｊｄｖ （４）
であるから、微少体積ｄｖをもつ磁性体からの検知電圧は極めて小さいことがわかる。
【００１２】
一方、補償コイル７を接続した図１の回路構成を有する検知コイル３に生じる電圧Ｖｅ は次のように表わされる。
【数５】
Ｖｅ ＝Ｖｂ −Ｖｄ （５）
Ｖｂ ：検知コイルの電圧、 Ｖｄ ：補償コイルの電圧
被測定磁性体４が無い場合には、Ｖｂ ＝Ｖｄ になるように調整しているためＶｅ ＝０となる。磁性体４が有る場合には、
【数６】
Ｖｅ ＝Ｎｂ ・Ｓｂ ・ｄＢ／ｄｔ （６）
Ｎｂ ：センサコイルの巻数、Ｓｂ ：センサコイルの断面積、Ｂ：コイル内部の磁束密度
【００１３】
ここで、式（２）に示すように、Ｂ＝μ０ Ｈはキャンセルされて
【数７】
Ｖｅ ＝Ｎｂ ・Ｓｂ ・ｄＪ／ｄｔ （７）
となり被測定磁性体４に起因する磁気特性Ｊが得られる。
【００１４】
【実施例】
次に、補償コイル７を移動可能とした本発明の構造とその作用について説明する。
図１は本発明による磁気センサ回路の構成例であり、図２（ａ），（ｂ）はその具体的構造例である。
図２（ａ）は補償コイル７を有する磁気センサで、プラスチックやベークライト等の非金属材料の円形コイルボビン１０に励磁コイル１を巻き、補償コイル７と検知コイル３を巻いたボビン１０ａ，１０ｂを励磁コイル１の円形コイルボビン１０の内側に配置した構造となっている。補償コイル７のコイルボビン１０ａの表面と励磁コイル１のコイルボビン１０の内壁との間にはねじ１１が切ってあり、補償コイル７を回転させることにより、励磁コイル１の内側に沿って補償コイル７をわずかに移動できるようになっている。
【００１５】
図２（ｂ）は補償コイル７を移動させるための別の構成例である。ねじ付ボルト１２の回転調整により、励磁コイル１のコイルボビン１０に対する補償コイル７のコイルボビン１０ｃの位置を微調整することができる。前記（ａ）の構成と異なり、補償コイル７の移動に伴いその補償コイル７が回転しない利点がある。
これらはいずれもゼロ点調整用のもので励磁コイル１に電流を流し、検知コイル３，補償コイル７を図１で示されるような回路により出力電圧を監視して、被測定磁性体が無い状態で、電圧最小となる位置に調整する。
この例では円形のボビン１０ａ，１０ｂ，１０ｃにコイルを巻いてあるが、横長のものを測定するための長方形ボビンや左右対象であれば目的にあった形に変形することもできる。
また、検知コイル３、補償コイル７の代わりに、特性の揃ったホール素子，磁気抵抗素子などの磁気検知素子を用いても同様な効果がある。すなわち、空芯コイルＡの端面ａにある磁性体４の磁気特性を感度良く測定するには、被測定磁性体４に空芯コイルＡによって作られる磁界を効率良く加え、この磁界によって磁化される被測定磁性体４の磁束密度のみを検知できれば良い。
【００１６】
空芯コイルＡの作る磁界強度Ｈｒ は、端面ａからの距離ｒにより次の式（８）で表わされる。
【数８】
Ｎ：巻数、 Ｉ：電流、 Ｌ：長さ、 ａ：半径
【００１７】
この式（８）から端面ａの磁界強度は中心部の約半分であり、離れるにしたがって減少する。空芯コイルＡの外部にある被測定磁性体４は励磁コイル１の端面ａに近いほど強い磁界を与えられる。また、検知コイル３もまた端面ａに近いほど磁束変化を効率よく検知できるので、図１，図２に示される構成が最も効率が良いことがわかる。
また、この方式での磁気検知感度を高めるには、検知コイル３と補償コイル７との起電力バランスを取る必要がある。上記の式（８）から、励磁コイル１の端面ａの磁界の強さは、その面ａを離れるにしたがって小さくなるから、補償コイル７を移動可能な構造とすることで零バランスを簡単にとることができる。
【００１８】
すなわち、本発明による磁気センサは、図２に示すように、補償コイル７と検知コイル３が励磁コイル１の両端に位置し、かつ補償コイル７または検知コイル３が励磁コイル１の内部を軸方向に沿って移動できかつその移動範囲の任意の位置で固定することができる構造を持っている。この磁気センサ７は補償コイルと、検知コイル３を同じ巻き数で、かつ巻き方向が逆であれば励磁コイル１によって励磁された起電力は被測定磁性体４が存在しないときに、検知コイル３の出力側で殆ど相殺することができる。しかも、空芯励磁コイルＡの磁界分布特性から励磁コイル端面付近の磁界は単調変化するため、補償コイル７あるいは検知コイル３をわずかに移動させるだけで励磁磁界の成分について０に極めて近い完全なバランスをとることができる。完全に近いバランスのとれたこのような磁気センサによれば、検知コイル３の近傍に置かれた被測定磁性体４によるわずかな磁束密度の変化をも感度よく検出することができる。
【００１９】
また、励磁コイル１によって作られる磁界によって測定時に問題となる励磁ノイズを無視することができ、強い磁界を被測定磁性体４に印加することができ、磁化の小さなものでも感度良く測定可能であるという利点がある。
【００２０】
次に、ゼロ点補償バンドの作用について説明する。この場合の図３は、本発明の一実施例を示す部分構造図であり、補償用バンド１３を有する磁気センサである。
図２の構造で零バランスを取っていても、使用目的により近くに鉄のような磁性体があると、装置に取付けた状態でバランスが崩れることがある。
【００２１】
このバランス崩れを簡単に修復する本発明の構成について検討する。
バランスが崩れた状態では、被測定磁性体４が存在しない状態での検知コイルの出力Ｖｅ０は、
【数９】
Ｖｅ０＝ΔＮ・ｄ（μ０ Ｈ）／ｄｔ （９）
ΔＮ：バランス変化分
であり、励磁磁界強度Ｈに比例した電圧が検知される。この電圧は被測定磁性体４に無関係でＳ／Ｎ比を悪くする原因となる。
【００２２】
透磁率μ1 なる補償用磁性バンド１３を、次の関係になるように補償コイル７に追加する。
【数１０】
Ｖe0＝ΔＮ・ｄ（μ0 Ｈ）／ｄｔ−ΔＶ・ｄ（μ1 Ｈ）／ｄｔ （10)
ΔＶ：磁性バンドの磁束変化分
μ1 ，ΔＶを適当に選び、励磁空芯コイル１は位置によりＨが異なることを利用し、Ｖe0＝０になるように磁性バンド１３の位置を調整することにより零調整をすることができる。
【００２３】
具体的構造について述べると補償用バンド１３を有する磁気センサである。補償用バンド１３は強磁性体でできた板状のバンドである。補償用バンド１３はわずかではあるがゼロバランスを調整することができ、しかも簡単に調整できるため、例えばある機器に磁気センサを取り付けた後、地磁気の影響、機器周辺からの磁界の影響を取り除くために使用して便利である。本実施例ではバンド１３は溝用筒１５上に螺旋状に形成された移動溝１４に沿って移動できる構造となっており、より簡単に調整することができる。またバンドの太さ、磁性体の磁化強度（透磁率）を変えることで調整の度合いを変えることができる。
従って、取付位置が可変のゼロ点補償用磁性体バンド１３は、さらに簡単に励磁磁界に対するバランスを取ることができる利点がある。
【００２４】
さらに、空芯コイルＡに空隙１６のある強磁性材（磁性体心棒）１７を入れた構造の作用について説明する。
図４は、本発明の一実施例を示す部分構造図であり、磁性体心棒１７入りの磁気センサの例である。
磁性材の特性を測定する場合、Ｂｍ （飽和磁束密度）やＢｒ （保持磁束密度）の大きな材料では励磁磁界強度Ｈを強くする必要がある。空芯コイルＡのみでは
【数１１】
Ｈ＝Ｎ・Ｉ （１１）
Ｎ：巻数、 Ｉ：電流
なる関係から、大きな磁界強度ＨをもたせるにはＮ及びＩを大きくする必要がある。Ｎ及びＩをそのままの大きさにしてＨを大きくするには、透磁率μの大きな強磁性材を磁界中に置き、強磁性体の端面ａ’近傍の磁界を利用することができる。
式（１）に示すＢ＝μＨから、大きな透磁率μをもつ材料の内部磁束密度Ｂは大きくすることができる。大きな磁束密度Ｂを持った材料が空気中で相接している場合、端面ａ’の磁界強度Ｈは端面近傍においてはＢと等しくなり、大きな磁界強度が得られる。
【００２５】
この場合、補償コイルと検知コイルを含む磁気センサ本体２０を連続で貫通する強磁性体の心棒１７であれば、被測定磁性体４によって変化する検知コイル近傍の磁束密度Ｂの変化はそのまま補償コイル近傍の磁束密度Ｂを変化させることになる。そのため磁性材の特性が検知できない。この影響をなくするためには心棒１７の中心位置で空隙１６を設けると
【数１２】
Ｒｍ ＝Ｒ０ ＋Ｒ１ ＋Ｒ２ （１２）
Ｒｍ ：心棒全体の磁気抵抗、Ｒ０ ：空隙の磁気抵抗、Ｒ１ ＝Ｒ２ ：左右の心棒間の磁気抵抗
ただし、
【数１３】
Ｒ０ ＞＞Ｒ１ ，Ｒ２ （１３）
であるから、測定側の磁束密度変化が補償コイル側へ伝達される量は極めて小さい。
【００２６】
具体的構造について述べると、励磁コイル１の空芯部に挿入された磁性体心棒１７はその端面において非常に強い磁界を作り出すことができる。そのため保持磁界Ｈｃ ，飽和磁界Ｂｍ が大きな磁性材料の特性を測定する場合に便利である。但し、補償コイルと検知コイルとの間の磁気干渉を充分に無視できるだけの空隙１６を心棒１７の中央部に設けることが望ましい。
このように、励磁コイルの空芯部の中央部に空隙を有する強磁性体を挿入したものは励磁時間をより効率よく被測定物に印加することができ、より広範囲の磁化レンジにわたって特性を測定することができる。
以上のように感度の高い交流磁気特性を簡単に測定できる磁気センサが実現できれば、既に塗布あるいは挿入されている微少な磁気材料の磁気特性を検知することができ、しかも、製造工程にある磁性体を製造工程を中断することなしに随時又は連続的に測定することができる。また、特殊な磁性材を用いたセキュリティタグの検知センサとして利用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による磁気センサは、検出コイルの出力側で励磁磁界成分に対するバランスをとることが容易であり、検知コイルの近傍に置かれた膜状や粉末状の被測定磁性体のわずかな磁束密度の変化も感度よく測定できる。また、磁性材でできた励磁コイル上を移動可能なバンドを有した磁気センサは外部磁界に対するバランスをとることも容易であって、磁気センサ感度が極めて高い。また、励磁コイルの空芯部に空隙を有する強磁性体心棒を挿入させた場合には、被測定磁性体に強い磁界を与えることができ、より広範囲の測定レンジでの磁性特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための回路図である。
【図２】本発明による磁気センサの構造例を示す縦断面図である。
【図３】補償用バンドを用いた本発明の実施例を説明するための斜視略図である。
【図４】本発明による磁性心棒入り磁気センサの構造例を示す縦断面略図である。
【図５】従来の静磁場方式（ａ）及び交流磁場方式（ｂ）による磁気センサを説明するための接続図である。
【図６】補償コイルを有する従来の磁気センサを示す斜視略図である。
【符号の説明】
１ 励磁コイル
２ 直流電源
３ 検知コイル
４ 被測定磁性体
５ 増幅器
６ 交流電源
７ 補償コイル
８ 励磁電源
９ 差動増幅器
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ コイルボビン
１１ ねじ
１２ ボルト
１３ 補償用バンド
１４ 移動用溝
１５ 溝用筒
１６ 空隙
１７ 磁性心棒
２０ 磁気センサ本体
２１ 励磁コイル
２１ａ 磁石
２１ｂ 空隙
２２ 直流電源
２３ 検知コイル
２４ 被測定磁性体
２５ 増幅器
２６ 交流電源
２７ 補償コイル
【産業上の利用分野】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定するために用いる磁気センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性体の磁気特性（主にＢ−Ｈ特性）を測定する方式として静磁場方式と交流磁場方式がある。静磁場方式は、図５（ａ）に示すように、直流電源２２から励磁コイル２１に直流を流すことにより得られる強力な一対の磁石２１ａを近接させ、空隙２１ｂに生じる磁界中に被測定磁性体２４を置き、この磁性体２４を振動させることによって生じる磁束変化を検知コイル２３と増幅器２５とで検知増幅し、検出信号をとり出すものである（ＶＳＭ方式）。この方式の欠点は装置が大がかりになるため、簡単に交流磁気特性が得られないことである。
次に、交流磁場方式は、図５（ｂ）に示すように、励磁コイル２１に交流電源２６から交流電流を流し、それによって生ずる磁界中に被測定磁性体２４を置き、励磁電流の変化によって生ずる磁界強度変化に対応した磁束密度変化を検知コイル２３と増幅器２５とで検知増幅するものであり、前方式に比べ装置が比較的簡単であるが薄膜のように磁化の強さが小さなものを測定するには特殊な検知コイルを必要としている。
【０００３】
この交流磁場方式には補償コイル無し方式と有り方式がある。補償コイル無し方式では図５（ｂ）に示すコアのような比較的大きな磁性体を測定するために用いられ、励磁コイル２１を被測定磁性体２４に巻き付けるかまたは検知コイル２３も同様に被測定磁性体２４に巻き付けて磁性材の磁気特性を測定している。この方式では比較的簡単に磁気特性が測定できるが、一方コイルを巻く手間と、被測定磁性体２４にある程度大きな質量を必要とする欠点がある。
【０００４】
次に、補償コイル有りの方式は図６に示すように、励磁コイル２１の中に一対の空芯コイルＢを有し、一方は励磁成分を相殺するための補償コイル２７として、もう一方は被測定磁性体２４を入れる検知コイル２３として使用される。
この補償コイル有りの方式の欠点は、空芯コイルＢを励磁手段としているため強い磁界を得ることが難しく、磁性薄膜や、磁気インク等の磁化が小さなものに対しては測定が困難である。
また、被測定磁性体２４を磁場内部に挿入する構成をとっているため、紙，プラスチックのカードやシートの如き媒体中に埋め込まれるか又はその媒体の表面に付けられた磁性体をその媒体に付着したままで測定することが困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の磁気特性測定器においては、磁化の小さな磁性体の磁気特性を簡単に測定することは困難である。即ち、交流磁場方式においては比較的簡単に磁気特性の測定が行なえるが、励磁コイル，検知コイルを被測定物に巻く必要があるため、膜状のものや粉末状の被測定磁性体の磁気特性を測定することが出来ないという欠点がある。また、補償コイルを有する交流磁場方式では、検知コイル内部に被測定磁性体を挿入する必要があるため、磁気材料サンプルを検知コイル内部に入れうる大きさに切り出す必要がある。この欠点を防止するために、検知コイルの周辺に被測定磁性体を近づけて測定することも考えられる。しかし、この方式では励磁磁界が弱くなり、しかも、検知感度も低くなるために、磁性体そのものを検出する磁気検出器のようなものには使用できるが磁性体の特性を検出する磁気特性検出器としては実用的ではないという欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は、簡単な構造でかつ検知感度が高く、膜，粉末状の被測定磁性体であっても、被測定磁性体を切り出すことなく磁気特性を測定することができる磁気センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明による磁気センサは、空芯の励磁コイルと、該励磁コイルの一端の内周面に沿うように設けられた検知コイルと、前記励磁コイルの他端の内周面に沿うように設けられ、かつ前記検知コイルの巻き数と同じ巻き数であって巻き方向が逆方向となるように前記検知コイルと接続された補償コイルと、前記検知コイル又は前記補償コイルを前記励磁コイルの内周面に沿って軸方向に移動でき、かつその移動範囲内の任意の位置に固定し得る移動手段とを備え、
前記検知コイル近傍に被測定磁性体が配置されていない状態で該検知コイル近傍の起電力が最小となるように前記検知コイル又は前記補償コイルを前記移動手段により移動せしめた状態で、前記励磁コイルの励磁電流の変化に対応して、前記励磁コイルの一端側に配置される被測定磁性体の磁束密度変化を前記検知コイルにより検知するように構成されたものである。
【０００８】
【作用】
この磁気センサは補償コイルと、検知コイルを同じ巻き数で、かつ巻き方向が逆であれば励磁コイルによって励磁された起電力は被測定磁性体が存在しないときに、検知コイルの出力側で殆ど相殺することができる。しかも、空芯励磁コイルの磁界分布特性から励磁コイル端面付近の磁界は単調変化するため、補償コイルあるいは検知コイルをわずかに移動させるだけで励磁磁界の成分について０に極めて近い完全なバランスをとることができる。このように完全に近いバランスのとれたこのような磁気センサによれば、検知コイルの近傍に置かれた被測定磁性体によるわずかな磁束密度の変化をも感度よく検出することができる。
【０００９】
【原理】
本発明の理解を容易にするために補償コイル付き磁気センサの原理について図１，図２を参照して説明する。
強磁性体の磁化特性は次のように表わされる。
【数１】
Ｂ＝μＨ （１）
Ｂ：磁束密度、 Ｈ：磁界の強さ、 μ：透磁率
ただし、μは一般に線形ではなく磁性材固有の非線形特性を有している。
【００１０】
この特性は、磁界の強さを変化させながら磁束密度を測定することによって得られる。極めて薄い（厚さ１μｍ以下）磁性膜や、磁性材が薄く塗布された磁気テープ，磁気インク等の磁気特性を測定する場合には、この場合の磁性材料の磁化が極めて小さいため測定が困難である。式（１）は次の式（２）のように書き直すことができる。
【数２】
Ｂ＝μ０ Ｈ＋Ｊ （２）
Ｈ：磁界の強さ、 Ｊ：磁性体の変化の強さ、 μ０ ：真空透磁率
ここで、μ０ は極めて小さいので Ｂ≒Ｊとおくことができる。
【００１１】
検知コイル３により検知される電圧ｅは
【数３】
ｅ＝−ｄφ／ｄｔ （３）
φ：検知コイルを貫く磁束
【数４】
φ＝∫Ｊｄｖ （４）
であるから、微少体積ｄｖをもつ磁性体からの検知電圧は極めて小さいことがわかる。
【００１２】
一方、補償コイル７を接続した図１の回路構成を有する検知コイル３に生じる電圧Ｖｅ は次のように表わされる。
【数５】
Ｖｅ ＝Ｖｂ −Ｖｄ （５）
Ｖｂ ：検知コイルの電圧、 Ｖｄ ：補償コイルの電圧
被測定磁性体４が無い場合には、Ｖｂ ＝Ｖｄ になるように調整しているためＶｅ ＝０となる。磁性体４が有る場合には、
【数６】
Ｖｅ ＝Ｎｂ ・Ｓｂ ・ｄＢ／ｄｔ （６）
Ｎｂ ：センサコイルの巻数、Ｓｂ ：センサコイルの断面積、Ｂ：コイル内部の磁束密度
【００１３】
ここで、式（２）に示すように、Ｂ＝μ０ Ｈはキャンセルされて
【数７】
Ｖｅ ＝Ｎｂ ・Ｓｂ ・ｄＪ／ｄｔ （７）
となり被測定磁性体４に起因する磁気特性Ｊが得られる。
【００１４】
【実施例】
次に、補償コイル７を移動可能とした本発明の構造とその作用について説明する。
図１は本発明による磁気センサ回路の構成例であり、図２（ａ），（ｂ）はその具体的構造例である。
図２（ａ）は補償コイル７を有する磁気センサで、プラスチックやベークライト等の非金属材料の円形コイルボビン１０に励磁コイル１を巻き、補償コイル７と検知コイル３を巻いたボビン１０ａ，１０ｂを励磁コイル１の円形コイルボビン１０の内側に配置した構造となっている。補償コイル７のコイルボビン１０ａの表面と励磁コイル１のコイルボビン１０の内壁との間にはねじ１１が切ってあり、補償コイル７を回転させることにより、励磁コイル１の内側に沿って補償コイル７をわずかに移動できるようになっている。
【００１５】
図２（ｂ）は補償コイル７を移動させるための別の構成例である。ねじ付ボルト１２の回転調整により、励磁コイル１のコイルボビン１０に対する補償コイル７のコイルボビン１０ｃの位置を微調整することができる。前記（ａ）の構成と異なり、補償コイル７の移動に伴いその補償コイル７が回転しない利点がある。
これらはいずれもゼロ点調整用のもので励磁コイル１に電流を流し、検知コイル３，補償コイル７を図１で示されるような回路により出力電圧を監視して、被測定磁性体が無い状態で、電圧最小となる位置に調整する。
この例では円形のボビン１０ａ，１０ｂ，１０ｃにコイルを巻いてあるが、横長のものを測定するための長方形ボビンや左右対象であれば目的にあった形に変形することもできる。
また、検知コイル３、補償コイル７の代わりに、特性の揃ったホール素子，磁気抵抗素子などの磁気検知素子を用いても同様な効果がある。すなわち、空芯コイルＡの端面ａにある磁性体４の磁気特性を感度良く測定するには、被測定磁性体４に空芯コイルＡによって作られる磁界を効率良く加え、この磁界によって磁化される被測定磁性体４の磁束密度のみを検知できれば良い。
【００１６】
空芯コイルＡの作る磁界強度Ｈｒ は、端面ａからの距離ｒにより次の式（８）で表わされる。
【数８】
【００１７】
この式（８）から端面ａの磁界強度は中心部の約半分であり、離れるにしたがって減少する。空芯コイルＡの外部にある被測定磁性体４は励磁コイル１の端面ａに近いほど強い磁界を与えられる。また、検知コイル３もまた端面ａに近いほど磁束変化を効率よく検知できるので、図１，図２に示される構成が最も効率が良いことがわかる。
また、この方式での磁気検知感度を高めるには、検知コイル３と補償コイル７との起電力バランスを取る必要がある。上記の式（８）から、励磁コイル１の端面ａの磁界の強さは、その面ａを離れるにしたがって小さくなるから、補償コイル７を移動可能な構造とすることで零バランスを簡単にとることができる。
【００１８】
すなわち、本発明による磁気センサは、図２に示すように、補償コイル７と検知コイル３が励磁コイル１の両端に位置し、かつ補償コイル７または検知コイル３が励磁コイル１の内部を軸方向に沿って移動できかつその移動範囲の任意の位置で固定することができる構造を持っている。この磁気センサ７は補償コイルと、検知コイル３を同じ巻き数で、かつ巻き方向が逆であれば励磁コイル１によって励磁された起電力は被測定磁性体４が存在しないときに、検知コイル３の出力側で殆ど相殺することができる。しかも、空芯励磁コイルＡの磁界分布特性から励磁コイル端面付近の磁界は単調変化するため、補償コイル７あるいは検知コイル３をわずかに移動させるだけで励磁磁界の成分について０に極めて近い完全なバランスをとることができる。完全に近いバランスのとれたこのような磁気センサによれば、検知コイル３の近傍に置かれた被測定磁性体４によるわずかな磁束密度の変化をも感度よく検出することができる。
【００１９】
また、励磁コイル１によって作られる磁界によって測定時に問題となる励磁ノイズを無視することができ、強い磁界を被測定磁性体４に印加することができ、磁化の小さなものでも感度良く測定可能であるという利点がある。
【００２０】
次に、ゼロ点補償バンドの作用について説明する。この場合の図３は、本発明の一実施例を示す部分構造図であり、補償用バンド１３を有する磁気センサである。
図２の構造で零バランスを取っていても、使用目的により近くに鉄のような磁性体があると、装置に取付けた状態でバランスが崩れることがある。
【００２１】
このバランス崩れを簡単に修復する本発明の構成について検討する。
バランスが崩れた状態では、被測定磁性体４が存在しない状態での検知コイルの出力Ｖｅ０は、
【数９】
Ｖｅ０＝ΔＮ・ｄ（μ０ Ｈ）／ｄｔ （９）
ΔＮ：バランス変化分
であり、励磁磁界強度Ｈに比例した電圧が検知される。この電圧は被測定磁性体４に無関係でＳ／Ｎ比を悪くする原因となる。
【００２２】
透磁率μ1 なる補償用磁性バンド１３を、次の関係になるように補償コイル７に追加する。
【数１０】
Ｖe0＝ΔＮ・ｄ（μ0 Ｈ）／ｄｔ−ΔＶ・ｄ（μ1 Ｈ）／ｄｔ （10)
ΔＶ：磁性バンドの磁束変化分
μ1 ，ΔＶを適当に選び、励磁空芯コイル１は位置によりＨが異なることを利用し、Ｖe0＝０になるように磁性バンド１３の位置を調整することにより零調整をすることができる。
【００２３】
具体的構造について述べると補償用バンド１３を有する磁気センサである。補償用バンド１３は強磁性体でできた板状のバンドである。補償用バンド１３はわずかではあるがゼロバランスを調整することができ、しかも簡単に調整できるため、例えばある機器に磁気センサを取り付けた後、地磁気の影響、機器周辺からの磁界の影響を取り除くために使用して便利である。本実施例ではバンド１３は溝用筒１５上に螺旋状に形成された移動溝１４に沿って移動できる構造となっており、より簡単に調整することができる。またバンドの太さ、磁性体の磁化強度（透磁率）を変えることで調整の度合いを変えることができる。
従って、取付位置が可変のゼロ点補償用磁性体バンド１３は、さらに簡単に励磁磁界に対するバランスを取ることができる利点がある。
【００２４】
さらに、空芯コイルＡに空隙１６のある強磁性材（磁性体心棒）１７を入れた構造の作用について説明する。
図４は、本発明の一実施例を示す部分構造図であり、磁性体心棒１７入りの磁気センサの例である。
磁性材の特性を測定する場合、Ｂｍ （飽和磁束密度）やＢｒ （保持磁束密度）の大きな材料では励磁磁界強度Ｈを強くする必要がある。空芯コイルＡのみでは
【数１１】
Ｈ＝Ｎ・Ｉ （１１）
Ｎ：巻数、 Ｉ：電流
なる関係から、大きな磁界強度ＨをもたせるにはＮ及びＩを大きくする必要がある。Ｎ及びＩをそのままの大きさにしてＨを大きくするには、透磁率μの大きな強磁性材を磁界中に置き、強磁性体の端面ａ’近傍の磁界を利用することができる。
式（１）に示すＢ＝μＨから、大きな透磁率μをもつ材料の内部磁束密度Ｂは大きくすることができる。大きな磁束密度Ｂを持った材料が空気中で相接している場合、端面ａ’の磁界強度Ｈは端面近傍においてはＢと等しくなり、大きな磁界強度が得られる。
【００２５】
この場合、補償コイルと検知コイルを含む磁気センサ本体２０を連続で貫通する強磁性体の心棒１７であれば、被測定磁性体４によって変化する検知コイル近傍の磁束密度Ｂの変化はそのまま補償コイル近傍の磁束密度Ｂを変化させることになる。そのため磁性材の特性が検知できない。この影響をなくするためには心棒１７の中心位置で空隙１６を設けると
【数１２】
Ｒｍ ＝Ｒ０ ＋Ｒ１ ＋Ｒ２ （１２）
Ｒｍ ：心棒全体の磁気抵抗、Ｒ０ ：空隙の磁気抵抗、Ｒ１ ＝Ｒ２ ：左右の心棒間の磁気抵抗
ただし、
【数１３】
Ｒ０ ＞＞Ｒ１ ，Ｒ２ （１３）
であるから、測定側の磁束密度変化が補償コイル側へ伝達される量は極めて小さい。
【００２６】
具体的構造について述べると、励磁コイル１の空芯部に挿入された磁性体心棒１７はその端面において非常に強い磁界を作り出すことができる。そのため保持磁界Ｈｃ ，飽和磁界Ｂｍ が大きな磁性材料の特性を測定する場合に便利である。但し、補償コイルと検知コイルとの間の磁気干渉を充分に無視できるだけの空隙１６を心棒１７の中央部に設けることが望ましい。
このように、励磁コイルの空芯部の中央部に空隙を有する強磁性体を挿入したものは励磁時間をより効率よく被測定物に印加することができ、より広範囲の磁化レンジにわたって特性を測定することができる。
以上のように感度の高い交流磁気特性を簡単に測定できる磁気センサが実現できれば、既に塗布あるいは挿入されている微少な磁気材料の磁気特性を検知することができ、しかも、製造工程にある磁性体を製造工程を中断することなしに随時又は連続的に測定することができる。また、特殊な磁性材を用いたセキュリティタグの検知センサとして利用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による磁気センサは、検出コイルの出力側で励磁磁界成分に対するバランスをとることが容易であり、検知コイルの近傍に置かれた膜状や粉末状の被測定磁性体のわずかな磁束密度の変化も感度よく測定できる。また、磁性材でできた励磁コイル上を移動可能なバンドを有した磁気センサは外部磁界に対するバランスをとることも容易であって、磁気センサ感度が極めて高い。また、励磁コイルの空芯部に空隙を有する強磁性体心棒を挿入させた場合には、被測定磁性体に強い磁界を与えることができ、より広範囲の測定レンジでの磁性特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための回路図である。
【図２】本発明による磁気センサの構造例を示す縦断面図である。
【図３】補償用バンドを用いた本発明の実施例を説明するための斜視略図である。
【図４】本発明による磁性心棒入り磁気センサの構造例を示す縦断面略図である。
【図５】従来の静磁場方式（ａ）及び交流磁場方式（ｂ）による磁気センサを説明するための接続図である。
【図６】補償コイルを有する従来の磁気センサを示す斜視略図である。
【符号の説明】
１ 励磁コイル
２ 直流電源
３ 検知コイル
４ 被測定磁性体
５ 増幅器
６ 交流電源
７ 補償コイル
８ 励磁電源
９ 差動増幅器
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ コイルボビン
１１ ねじ
１２ ボルト
１３ 補償用バンド
１４ 移動用溝
１５ 溝用筒
１６ 空隙
１７ 磁性心棒
２０ 磁気センサ本体
２１ 励磁コイル
２１ａ 磁石
２１ｂ 空隙
２２ 直流電源
２３ 検知コイル
２４ 被測定磁性体
２５ 増幅器
２６ 交流電源
２７ 補償コイル
Claims (3)
- 空芯の励磁コイルと、
該励磁コイルの一端の内周面に沿うように設けられた検知コイルと、
前記励磁コイルの他端の内周面に沿うように設けられ、かつ前記検知コイルの巻き数と同じ巻き数であって巻き方向が逆方向となるように前記検知コイルと接続された補償コイルと、
前記検知コイル又は前記補償コイルを前記励磁コイルの内周面に沿って軸方向に移動でき、かつその移動範囲内の任意の位置に固定し得る移動手段とを備え、
前記検知コイル近傍に被測定磁性体が配置されていない状態で該検知コイル近傍の起電力が最小となるように前記検知コイル又は前記補償コイルを前記移動手段により移動せしめた状態で、前記励磁コイルの励磁電流の変化に対応して、前記励磁コイルの一端側に配置される被測定磁性体の磁束密度変化を前記検知コイルにより検知するように構成された磁気センサ。 - 前記励磁コイルの外側近傍に該励磁コイルと同心関係で任意の位置に取付可能なゼロ点補償用磁性体バンドをさらに備えた請求項１に記載の磁気センサ。
- 前記励磁コイルの空芯部の中央位置に空隙を有する強磁性体心棒がさらに挿入配置されている請求項１又は２に記載の磁気センサ。
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