JP3786887B2 - 磁気検出器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁場に対応した電気信号を出力する磁気検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気センサ（特開２０００−２５８５１７）は、図１０に示されるように外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子Ｉと、該磁気インピーダンス素子Ｉによって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルＣと、前記磁気インピーダンス素子Ｉに対する負帰還磁場を発生する負帰還コイルＮＣを備え、該負帰還コイルＮＣにより前記磁気インピーダンス素子Ｉに対する負帰還磁場を発生することによって、外部磁場を相殺するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に地球上には地磁気などの自然界の磁場から人工的な磁場まで、すなわち直流から高周波までの磁場が存在するため、このような磁場環境の中で磁気計測を行う場合、検出目的の磁気信号以外のものは不要成分であるが、上記従来の磁気センサにおいては、目的とする磁気信号と不要信号成分とは区別をつけないで一様に検出するので、検出目的とする信号が不要信号成分よりも小さい場合所望のレベルまで増幅器を追加して増幅しようとすると不要成分が大きくなりすぎて信号が飽和して、精度を悪くするという問題があった。
【０００４】
上記問題点を解決するために磁気センサの後段に、所定の周波数特性のフィルター手段を追加するとすると、要求される出力を得るために増幅器が必要となり、装置が大型になるとともに、部品数の増加よって価格の増大を招くという問題があった。
【０００５】
本発明者は、磁気検出器に検出目的信号と不要信号の周波数的関係に応じた周波数特性の磁気的特性を付与して、検出目的とする信号を選択的に高い感度で検出できるようにするという本願発明の基礎になっている着眼点に着目したのである。
【０００６】
たとえば、目的とする信号がレベルの低い交流で不要信号成分がレベルの大きな直流信号成分の場合は交流の磁気信号成分を選択的に高い感度で検出するようにする必要があり、これとは逆に目的とする信号がレベルの低い直流で不要信号成分がレベルの大きな交流信号成分の場合は直流の磁気信号成分を選択的に高い感度で検出するようにする必要があり、さらに目的とする信号が特定の周波数範囲の信号であり不要信号成分が特定の周波数範囲以外の信号の場合は特定の周波数範囲の信号を選択的に高い感度で検出するようにする必要があるのである。
【０００７】
そこで本発明者は、外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、該磁気インピーダンス素子によって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルと、前記磁気インピーダンス素子の内部磁場を制御する負帰還コイルを備えた磁気検出器において、該磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する負帰還回路に周波数特性付与手段を配設して、検出目的とする信号を選択的に高い感度で検出するようにするために負帰還信号に周波数特性を付与するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を選択的に高い感度で精度良く検出するとともに、コストダウンを可能にするという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の磁気検出器は、
外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、該磁気インピーダンス素子によって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルと、前記磁気インピーダンス素子の内部磁場を制御する負帰還コイルを備えた磁気検出器において、
該磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する負帰還回路に、前記磁気検出器の出力信号のなかから不要な周波数領域の信号を選択的に負帰還することにより、負帰還信号に周波数特性を付与する周波数特性付与手段を配設したものである。
【０００９】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の磁気検出器は、
前記第１発明において、
前記周波数特性付与手段が、前記磁気インピーダンス素子の不要な周波数領域における内部磁場を零とすることにより磁気検出器に周波数特性を付与するための濾波器である
ものである。
【００１０】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の磁気検出器は、前記磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する前記負帰還回路に配設された前記周波数特性付与手段によって、前記磁気検出器の出力信号のなかから不要な周波数領域の信号を選択的に負帰還することにより、負帰還信号に周波数特性を付与するので、検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を選択的に高い感度で精度良く検出するとともに、コストダウンを可能にするという効果を奏する。
【００１１】
上記構成より成る第２発明の磁気検出器は、前記第１発明において、前記周波数特性付与手段を構成する前記濾波器が、前記磁気インピーダンス素子の不要な周波数領域における内部磁場を零とすることにより、磁気検出器に検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を選択的に検出するように周波数特性を付与するためのものであるので、安価に検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を高い感度で精度良く検出するという効果を奏する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本第１実施形態の磁気検出器は、図１に示されるように外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）１１と該ＭＩ素子１１の周囲に巻回した検出コイル１２および負帰還コイル１３と、磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイル１３とを接続する負帰還回路７００に配設された負帰還信号に周波数特性を付与することにより、前記負帰還信号の周波数領域の信号成分のみが非常に小さくなった周波数特性の磁気的信号成分を高い感度で検出できるようにする周波数特性付与手段としての濾波器７０とから成る。
【００１４】
本第１実施形態の磁気検出器は、上述に加え、図１に示されるように二つの同期したパルスを出力する信号発生器３０と、前記検出コイル１２に接続された検波回路４０と、検波出力を増幅する増幅器６０とを備えている。
【００１５】
前記磁気インピーダンス素子（以下ＭＩ素子と言う）１１は、前記信号発生器３０の二つの同期したパルスを出力する端子の一方の出力端子３１に接続されている。
【００１６】
前記ＭＩ素子１１は、外部磁場に対応して内部に作用する内部磁場が変化することによりインピーダンスが変化する。前記出力端子３１からパルスが印加されるとＭＩ素子１１は、前記インピーダンスに対応する電流を流す。ＭＩ素子１１の周囲に巻回した前記検出コイル１２は、上記電流に基づく電圧を発生することによって、外部磁場に対応する情報を出力する。
【００１７】
前記検波回路４０は、前記信号発生器３０のもう一方の出力端子３２に接続されている。該検波回路４０は、アナログスイッチ４１およびコンデンサ４２からなるサンプルホールド回路によって構成され、前記検出コイル１２の電圧を前記出力端子３２の信号のタイミングでホールドする。
【００１８】
前記増幅器６０は、前記サンプルホールド回路の電圧を増幅して出力端子Ｐから磁場に対応する信号を出力する。
【００１９】
前記濾波器７０は、磁気検出器の出力端子Ｐと前記負帰還コイル１３とを接続する前記負帰還回路７００に配設された負帰還信号に周波数特性を付与する周波数特性付与手段を構成するもので、外部磁場に対応して変化した前記ＭＩ素子１１の内部の磁場をゼロとする極性で前記ＭＩ素子１１に巻回したもうひとつのコイルである前記負帰還コイル１３に負帰還することにより、前記負帰還コイル１３に電流を流して前記外部磁場に対応して作用している前記ＭＩ素子１１の内部磁場を相殺するものである。
【００２０】
上記構成より成る本第１実施形態の磁気検出器は、前記出力端子のＰ点の信号のうち前記濾波器７０の周波数特性に対応して通過する周波数領域の信号成分は負帰還コイル１３により磁気的に負帰還される。
【００２１】
該負帰還により前記ＭＩ素子１１の内部磁場が相殺されてゼロ近くに弱められるため、前記検出コイル１２に現れる濾波器７０を通過した周波数領域の信号成分のみが非常に小さくなる。
【００２２】
一方、前記濾波器７０を通過できなかった周波数領域の信号成分は負帰還されないので、前記ＭＩ素子１１の内部磁場が弱められることがなく、前記検出コイル１２で電圧変換された磁場信号はそのまま前記増幅器６０で増幅され出力されるので、目的とする周波数領域の磁気信号成分を選択的に高感度で検出することが可能になる。
【００２３】
上記作用を奏する本第１実施形態の磁気検出器は、前記負帰還路７００に前記濾波器７０を挿入することにより、周波数選択性のある磁気検出器を実現するという効果を奏する。
【００２４】
本第１実施形態の磁気検出器は、不要な信号を排除し磁気信号のなかから目的とする周波数成分のみを選択的に高感度で検出することが出来る。すなわち不要信号成分による増幅器の飽和や信号対雑音比の低下などを防ぎ高精度な計測を可能とする。
【００２５】
さらに本第１実施形態の磁気検出器は、負帰還路７００に小数の部品からなる周波数選択回路としての前記濾波器７０を挿入するのみで、ＣＲ要素以外の電流増幅器が不要のため、従来の磁気センサの後段に、所定の周波数特性のフィルター手段を追加するとすると、要求される電流を得るために電流増幅器が必要となり、装置が大型になるとともに、部品数の増加よって価格の増大を招くという問題を解消するとともに、後述する実施形態で述べるように磁気センサ（磁場変動検出器）を複数個使用する場合には、省スペース、省コストの面で有利である。
【００２６】
なお、前記濾波器７０は、目的に対応して低周波通過濾波器、高周波通過濾波器、 帯域通過濾波器および帯域阻止濾波器を使用することができる。
【００２７】
すなわち目的とする信号がレベルの低い交流で不要信号成分がレベルの大きな直流信号成分の場合は交流の磁気信号成分を選択的に高い感度で検出するようにする必要があり、その場合は、低周波通過濾波器を用いるものである。
【００２８】
これとは逆に目的とする信号がレベルの低い直流で不要信号成分がレベルの大きな交流信号成分の場合は、高周波通過濾波器を用いるものである。
【００２９】
（第２実施形態）
本第２実施形態の磁気検出器は、地磁気を高精度で計測する必要がある地震予知などの研究に供するための地磁気観測器に適用したものであり、以下説明する。
【００３０】
地磁気あるいは岩石に着磁された磁場は、直流あるいはそれに近い極低周波で非常に緩やかに変動し、またその大きさも非常に低レベルである。そのためモータ、発電機などの人工的な交流磁場信号の混入は、計測の障害になる。そこで本第２実施形態では、交流成分を排除してほぼ直流磁場成分のみを選択的に高感度で計測する磁気センサを実現するものである。
【００３１】
本第２実施形態の磁気検出器は、図２に示されるように電気回路は基本的に図１に示される前記第１実施形態と同じであるが、濾波器７０として高周波通過濾波器を採用している点が異なるので、その相違部分を中心に説明する。
【００３２】
前記濾波器７０は、コンデンサＣ７１および抵抗器Ｒ７１からなる高周波通過濾波器であり、カットオフ周波数はコンデンサ容量と抵抗値との積から決定され、ここでは一例として０．０１Ｈz である。
【００３３】
コンデンサＣ７１の一方の電極は、磁気検出器の出力端子であるＰに接続されもう一方の端子は抵抗器Ｒ７１とともに前記負帰還コイル１３に接続されており、０．０１Ｈz 以上の交流信号成分が負帰還される。
【００３４】
これによって本第２実施形態の磁気検出器１００は、０．０１Ｈz 以下の直流あるいはそれに近い緩やかに変動する磁気信号に対してのみ高感度であり、障害となる交流磁場成分を排除して目的とする周波数領域の磁気信号成分のみを高精度で計測することができる。
【００３５】
図３は、図２に示される本第２実施形態の磁気検出器１００をそれぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３個用いて、地磁気観測器を構成した例である。
【００３６】
すなわち各磁気検出器Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ矢印方向に感度軸を持つよう配設してあり、３個の検出器で３次元の直流磁場成分を計測するものである。
【００３７】
それぞれの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器７１を介してコンピュータ７２に取り込まれ、ソフトウエアにより√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ＋Ｚ2 ）なる演算により磁場ベクトルとしてデータ処理される。
【００３８】
（第３実施形態）
本第３実施形態の磁気検出器は、図４に示されるように紙幣の検査など印刷されたインクに含まれる磁性体の磁場を検出する用途に磁気検出器を適用した例である。
【００３９】
紙幣の検査は、通常、図４に示すごとく紙幣の挿入口からローラで装置内部に搬送される過程において、紙幣の移動にともない磁場を持つインクが磁気検出器の近傍を通過するときの瞬時の磁場変動を捉えるものである。
【００４０】
インクの持つ磁場は、非常に微弱であるため高感度な磁気検出が必要であるが、磁気検出器を高感度化すると地磁気の成分を無視できなくなり、紙幣検査装置を置く場所、向き（方向）などにより地磁気成分が誤差量として混入したり、磁気検出器を飽和させるなどの障害があるため、これを排除する必要がある。
【００４１】
一方、検出器が捉えるインクによる磁場信号はパルス状であり交流信号であるが、地磁気は直流成分である。よって、交流成分のみを選択的に計測できる磁場検出器を実現することで高精度な紙幣検査を可能にするものである。
【００４２】
本第３実施形態の磁気検出器１０１は、図５に示されるように交流成分のみを選択的に計測するためのものであり、電気回路は基本的に図１と同じであるが、濾波器７０として低周波通過濾波器を用いている点が相違点であり、相違点を中心に説明する。
【００４３】
前記濾波器７０は、コンデンサＣ７２および抵抗器Ｒ７２からなる低周波通過濾波器によって構成され、カットオフ周波数はコンデンサ容量と抵抗値との積から決定され、本第３実施形態において１０Ｈz に設定されている。
【００４４】
前記抵抗器Ｒ７２の一方の電極は、磁気検出器の出力端子であるＰに接続されもう一方の端子はコンデンサＣ７２とともに前記負帰還コイル１３に接続されており、１０Ｈz 以下の直流信号成分が負帰還される。
【００４５】
これによって本第３実施形態の磁気検出器１０１は、１０Ｈz 以上の交流磁気信号に対して高感度であり、障害となる直流磁場成分を排除して目的とする周波数領域の磁気信号成分を高精度で計測可能にすることができる。
【００４６】
（第４実施形態）
本第４実施形態の磁気検出器は、人が刃物その他の磁性体を所持しているか否かを検査する磁気ゲートシステムの磁気検出器に適用したものである。
【００４７】
磁性体は、自然着磁されているため人の移動に伴い磁場変動を生じるが、自然着磁からなる磁性体の磁気量は微少であり通常、地磁気のレベルよりも低い。このため目的とする前記磁場変動成分（信号）のみを高感度で選択的に検出する磁気検出器が必要である。
【００４８】
また着磁された磁性体が、人に所持されて移動するときに磁気検出器に到達する磁場変動信号の周波数成分は、人の移動速度を1cm/秒から10m/秒の範囲とすれば、０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの範囲である。
【００４９】
本第４実施形態においては、０．０１Ｈz 以上および１０Ｈz 以下の磁気信号を選択的に検出するため、図７に示されるように負帰還回路７００に０．０１Ｈz 以下の信号を通過させる低周波濾波器（Ｒ７５、Ｃ７５）と１０Ｈz 以上の信号を通過させる高周波濾波器（Ｒ７６、Ｃ７６）とから成る帯域除去濾波器を配設する形態と、図９に示されるように負帰還回路７００に０．０１Ｈz 以下の信号を通過させる低周波濾波器７７１を配設するとともに、１０Ｈz 以上の不要な磁気信号を減衰させ排除するために出力端子Ｐの後段に新たに急峻な減衰特性が得られる２次の低周波濾波器７７２を追加する形態とが採用可能であり、ともに磁気検出器１０２に図６に示される周波数特性を持たせるものである。
【００５０】
上述のように図９に示される磁気検出器においては、出力端子Ｐの後段に新たに２次の低周波濾波器７７２を追加するものであるが、これはモータやコンピュータなどの人工的な磁気ノイズ成分はレベルが高いため、かかるレベルの高い磁気ノイズ成分を強く排除して、計測精度を高めるためである。
【００５１】
したがって図７および図９に示される磁気検出器は、図６に示されるように目的の０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの信号領域の磁気信号のみを選択的に計測する帯域通過濾波特性を持つ磁気検出器を実現することでは等価であり、高精度な磁気ゲートシステムを可能にするものである。
【００５２】
本第４実施形態の磁気検出器１０２は、図６ないし図９に示されるように０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの帯域の磁場信号成分のみを選択的に計測するための磁気検出器であり、電気回路は基本的に図１に示される前記第１実施形態と同じであるが、濾波器７０として帯域除去濾波器を適用しているところのみが相違するので、相違する部分を中心に説明する。
【００５３】
信号発生器３０は、図９に示されるようにロジック素子および抵抗器ならびにコンデンサから構成されその出力端子３１はＭＩ素子１１に、もうひとつの出力端子３２は検波回路４０のアナログスイッチ４１にそれぞれ互いに同期するパルス信号を発生する。
【００５４】
前記濾波器７０は、図７に示されるようにコンデンサＣ７５およびＣ７６、抵抗器Ｒ７５および抵抗器Ｒ７６、加算増幅器７５からなる帯域除去濾波器である。帯域除去濾波器は、低周波通過特性と高周波通過特性とを併せ持つものであり、低周波通過のカットオフ周波数はコンデンサＣ７５の容量と抵抗器Ｒ７５の抵抗値との積から決定され、ここでは０．０１Ｈz である。また高周波通過のカットオフ周波数はコンデンサＣ７６の容量と抵抗器Ｒ７６の抵抗値との積から決定され、本第４実施形態においては１０Ｈz に設定されている。
【００５５】
前記抵抗器Ｒ７５の一方の電極は、磁気検出器の出力端子であるＰに接続され、もう一方の電極は、コンデンサＣ７５とともに加算増幅器７５の一方の入力端子に接続され、低周波濾波器７５１を構成する。
【００５６】
またコンデンサＣ７６の一方の電極は、前記抵抗器Ｒ７５と同じく磁気検出器の出力端子であるＰに接続され、もう一方の電極は抵抗器Ｒ７６とともに加算増幅器７５のもう一方の入力端子に接続され、高周波濾波器７６１を構成する。
【００５７】
さらに加算増幅器７５の出力端子は、前記負帰還コイル１３に接続されており、０．０１Ｈz 以下の信号成分と１０Ｈz 以上の信号成分が負帰還される。これによって、不要な０．０１Ｈz 以下の信号成分および１０Ｈz 以上の信号成分が排除され、前記磁性体の移動に伴う０．０１Ｈz から１０Ｈz の磁場変動信号に対してのみ選択的に計測できる高感度な磁気検出器が実現できる。
【００５８】
図７に示される増幅器６０（図９においては符号６６がこれに相当する）は、図７および図９に示されるようにOPアンプおよび抵抗器ならびにコンデンサから構成され出力端子Ｐに信号を出力する。
【００５９】
図９に示される周波数選択回路７は、図７に示される前記濾波器７０に相当し、前記周波数選択回路７の一部を構成する低周波通過濾波器７７１は、図９中OPアンプ５および抵抗器Ｒ５１ならびにコンデンサＣ５１からなり、０．０１Ｈｚをカットオフ周波数とするもので、図７の前記濾波器７０の前記低周波濾波器７５１に相当する。該低周波通過濾波器７７１は、前記増幅器６６の出力端子P の電圧が入力され、０．０１Ｈｚ以下の濾波出力を負帰還コイル１３に付与する。
【００６０】
外部磁場に対応するＭＩ素子１１のインピーダンス変化が電圧として検出された信号は、検出コイル１２から検波回路４０を介して増幅器６６で増幅され出力される。該出力信号のうち前記低周波通過濾波器７７１の低周波通過特性により選択された低周波の信号成分が、負帰還コイル１３によって磁気的に負帰還され、磁気的に相殺されるので、地磁気のような直流を含む極低周波の信号は非常に小さくなる。
【００６１】
一方図９において前記周波数選択回路７の前記低周波通過濾波器７７１を通過しなかった周波数成分すなわち磁場変動成分は、増幅器６６で増幅作用を受ける。かようにして負帰還路７００に周波数選択回路７を挿入することよって目的とする信号成分を選択的に高感度で検出する磁場変動検出器を実現できる。
【００６２】
図９に示される前記磁場変動検出器は、増幅器６６の出力端子Ｐに、モータやコンピュータなどの人工的なレベルの高い磁気ノイズ成分を確実に除くために、前記周波数選択回路７の一部を構成する低周波通過濾波器７７２が接続されている。該低周波通過濾波器７７２は、OPアンプ６および抵抗器Ｒ６１、Ｒ６２ならびにコンデンサＣ６１、Ｃ６２からなる１０Ｈｚのカットオフ周波数以上の磁気信号成分を減衰させることにより低周波通過濾波特性を実現するもので、その出力端子OUT における磁場変動検出器としての性能は、図７に示される磁気検出器と同様に図６に示される０．０１〜１０Ｈｚの周波数特性を最終的に実現するものである。
【００６３】
本第４実施形態の磁気検出器は、図８に示されるような磁気ゲートシステムに適用するものである。
【００６４】
ゲート本体は、人が通過できる幅を持つアルミニウム製の枠４５からなり、かかるゲート４の枠内面の上下左右には２４個の前記磁場変動検出器Ｓ１からＳ２４が配設されている。２４個の磁場変動検出器はすべて同じ特性のものであるので、そのうちのひとつを代表例で説明する。
【００６５】
前記２４個の磁場変動検出器の出力端子OUT は、それぞれマルチプレクサＭ１に接続されており、各々の磁場変動信号は、順次コンピュータＣ１に取り込まれる。
【００６６】
コンピュータＣ1 は、各々の磁場変動信号があらかじめ設定された所定の大きさの磁場変動以上であるか否かを信号処理により求め、その結果から刃物のような磁性体を所持しているか否かおよび磁性体の所持部位を判断しディスプレイにより表示するので、磁性体の所持および所持部位の確実な検出を可能にするものである。
【００６７】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００６８】
上述の実施形態は、一例として検出コイルと負帰還コイルとを別個のコイルによって構成する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、１個のコイルによって検出コイルの機能と負帰還コイルの機能とを共に実現する実施形態を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図３】本第２実施形態の磁気検出器によるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の地磁気観測器の構成例を示すブロック回路図である。
【図４】本発明の第３実施形態の磁気検出器による紙幣検査装置の構成例を示す側面図である。
【図５】本第３実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図６】本第４実施形態の磁気検出器における濾波器の帯域通過濾波特性を示す線図である。
【図７】本第４実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図８】本第４実施形態の磁気検出器を適用した磁気ゲートシステムを示す全体図である。
【図９】本第４実施形態の磁気検出器を示す詳細ブロック回路図である。
【図１０】従来の磁気センサを示すセンサ構成図である。
【符号の説明】
１１ 磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）
１２ 検出コイル
１３ 負帰還コイル
７０ 濾波器
７００ 負帰還回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁場に対応した電気信号を出力する磁気検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の磁気センサ（特開２０００−２５８５１７）は、図１０に示されるように外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子Ｉと、該磁気インピーダンス素子Ｉによって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルＣと、前記磁気インピーダンス素子Ｉに対する負帰還磁場を発生する負帰還コイルＮＣを備え、該負帰還コイルＮＣにより前記磁気インピーダンス素子Ｉに対する負帰還磁場を発生することによって、外部磁場を相殺するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に地球上には地磁気などの自然界の磁場から人工的な磁場まで、すなわち直流から高周波までの磁場が存在するため、このような磁場環境の中で磁気計測を行う場合、検出目的の磁気信号以外のものは不要成分であるが、上記従来の磁気センサにおいては、目的とする磁気信号と不要信号成分とは区別をつけないで一様に検出するので、検出目的とする信号が不要信号成分よりも小さい場合所望のレベルまで増幅器を追加して増幅しようとすると不要成分が大きくなりすぎて信号が飽和して、精度を悪くするという問題があった。
【０００４】
上記問題点を解決するために磁気センサの後段に、所定の周波数特性のフィルター手段を追加するとすると、要求される出力を得るために増幅器が必要となり、装置が大型になるとともに、部品数の増加よって価格の増大を招くという問題があった。
【０００５】
本発明者は、磁気検出器に検出目的信号と不要信号の周波数的関係に応じた周波数特性の磁気的特性を付与して、検出目的とする信号を選択的に高い感度で検出できるようにするという本願発明の基礎になっている着眼点に着目したのである。
【０００６】
たとえば、目的とする信号がレベルの低い交流で不要信号成分がレベルの大きな直流信号成分の場合は交流の磁気信号成分を選択的に高い感度で検出するようにする必要があり、これとは逆に目的とする信号がレベルの低い直流で不要信号成分がレベルの大きな交流信号成分の場合は直流の磁気信号成分を選択的に高い感度で検出するようにする必要があり、さらに目的とする信号が特定の周波数範囲の信号であり不要信号成分が特定の周波数範囲以外の信号の場合は特定の周波数範囲の信号を選択的に高い感度で検出するようにする必要があるのである。
【０００７】
そこで本発明者は、外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、該磁気インピーダンス素子によって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルと、前記磁気インピーダンス素子の内部磁場を制御する負帰還コイルを備えた磁気検出器において、該磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する負帰還回路に周波数特性付与手段を配設して、検出目的とする信号を選択的に高い感度で検出するようにするために負帰還信号に周波数特性を付与するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を選択的に高い感度で精度良く検出するとともに、コストダウンを可能にするという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の磁気検出器は、
外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、該磁気インピーダンス素子によって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルと、前記磁気インピーダンス素子の内部磁場を制御する負帰還コイルを備えた磁気検出器において、
該磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する負帰還回路に、前記磁気検出器の出力信号のなかから不要な周波数領域の信号を選択的に負帰還することにより、負帰還信号に周波数特性を付与する周波数特性付与手段を配設したものである。
【０００９】
本発明（請求項２に記載の第２発明）の磁気検出器は、
前記第１発明において、
前記周波数特性付与手段が、前記磁気インピーダンス素子の不要な周波数領域における内部磁場を零とすることにより磁気検出器に周波数特性を付与するための濾波器である
ものである。
【００１０】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の磁気検出器は、前記磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する前記負帰還回路に配設された前記周波数特性付与手段によって、前記磁気検出器の出力信号のなかから不要な周波数領域の信号を選択的に負帰還することにより、負帰還信号に周波数特性を付与するので、検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を選択的に高い感度で精度良く検出するとともに、コストダウンを可能にするという効果を奏する。
【００１１】
上記構成より成る第２発明の磁気検出器は、前記第１発明において、前記周波数特性付与手段を構成する前記濾波器が、前記磁気インピーダンス素子の不要な周波数領域における内部磁場を零とすることにより、磁気検出器に検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を選択的に検出するように周波数特性を付与するためのものであるので、安価に検出目的とする周波数領域の磁気的信号成分を高い感度で精度良く検出するという効果を奏する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本第１実施形態の磁気検出器は、図１に示されるように外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）１１と該ＭＩ素子１１の周囲に巻回した検出コイル１２および負帰還コイル１３と、磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイル１３とを接続する負帰還回路７００に配設された負帰還信号に周波数特性を付与することにより、前記負帰還信号の周波数領域の信号成分のみが非常に小さくなった周波数特性の磁気的信号成分を高い感度で検出できるようにする周波数特性付与手段としての濾波器７０とから成る。
【００１４】
本第１実施形態の磁気検出器は、上述に加え、図１に示されるように二つの同期したパルスを出力する信号発生器３０と、前記検出コイル１２に接続された検波回路４０と、検波出力を増幅する増幅器６０とを備えている。
【００１５】
前記磁気インピーダンス素子（以下ＭＩ素子と言う）１１は、前記信号発生器３０の二つの同期したパルスを出力する端子の一方の出力端子３１に接続されている。
【００１６】
前記ＭＩ素子１１は、外部磁場に対応して内部に作用する内部磁場が変化することによりインピーダンスが変化する。前記出力端子３１からパルスが印加されるとＭＩ素子１１は、前記インピーダンスに対応する電流を流す。ＭＩ素子１１の周囲に巻回した前記検出コイル１２は、上記電流に基づく電圧を発生することによって、外部磁場に対応する情報を出力する。
【００１７】
前記検波回路４０は、前記信号発生器３０のもう一方の出力端子３２に接続されている。該検波回路４０は、アナログスイッチ４１およびコンデンサ４２からなるサンプルホールド回路によって構成され、前記検出コイル１２の電圧を前記出力端子３２の信号のタイミングでホールドする。
【００１８】
前記増幅器６０は、前記サンプルホールド回路の電圧を増幅して出力端子Ｐから磁場に対応する信号を出力する。
【００１９】
前記濾波器７０は、磁気検出器の出力端子Ｐと前記負帰還コイル１３とを接続する前記負帰還回路７００に配設された負帰還信号に周波数特性を付与する周波数特性付与手段を構成するもので、外部磁場に対応して変化した前記ＭＩ素子１１の内部の磁場をゼロとする極性で前記ＭＩ素子１１に巻回したもうひとつのコイルである前記負帰還コイル１３に負帰還することにより、前記負帰還コイル１３に電流を流して前記外部磁場に対応して作用している前記ＭＩ素子１１の内部磁場を相殺するものである。
【００２０】
上記構成より成る本第１実施形態の磁気検出器は、前記出力端子のＰ点の信号のうち前記濾波器７０の周波数特性に対応して通過する周波数領域の信号成分は負帰還コイル１３により磁気的に負帰還される。
【００２１】
該負帰還により前記ＭＩ素子１１の内部磁場が相殺されてゼロ近くに弱められるため、前記検出コイル１２に現れる濾波器７０を通過した周波数領域の信号成分のみが非常に小さくなる。
【００２２】
一方、前記濾波器７０を通過できなかった周波数領域の信号成分は負帰還されないので、前記ＭＩ素子１１の内部磁場が弱められることがなく、前記検出コイル１２で電圧変換された磁場信号はそのまま前記増幅器６０で増幅され出力されるので、目的とする周波数領域の磁気信号成分を選択的に高感度で検出することが可能になる。
【００２３】
上記作用を奏する本第１実施形態の磁気検出器は、前記負帰還路７００に前記濾波器７０を挿入することにより、周波数選択性のある磁気検出器を実現するという効果を奏する。
【００２４】
本第１実施形態の磁気検出器は、不要な信号を排除し磁気信号のなかから目的とする周波数成分のみを選択的に高感度で検出することが出来る。すなわち不要信号成分による増幅器の飽和や信号対雑音比の低下などを防ぎ高精度な計測を可能とする。
【００２５】
さらに本第１実施形態の磁気検出器は、負帰還路７００に小数の部品からなる周波数選択回路としての前記濾波器７０を挿入するのみで、ＣＲ要素以外の電流増幅器が不要のため、従来の磁気センサの後段に、所定の周波数特性のフィルター手段を追加するとすると、要求される電流を得るために電流増幅器が必要となり、装置が大型になるとともに、部品数の増加よって価格の増大を招くという問題を解消するとともに、後述する実施形態で述べるように磁気センサ（磁場変動検出器）を複数個使用する場合には、省スペース、省コストの面で有利である。
【００２６】
なお、前記濾波器７０は、目的に対応して低周波通過濾波器、高周波通過濾波器、 帯域通過濾波器および帯域阻止濾波器を使用することができる。
【００２７】
すなわち目的とする信号がレベルの低い交流で不要信号成分がレベルの大きな直流信号成分の場合は交流の磁気信号成分を選択的に高い感度で検出するようにする必要があり、その場合は、低周波通過濾波器を用いるものである。
【００２８】
これとは逆に目的とする信号がレベルの低い直流で不要信号成分がレベルの大きな交流信号成分の場合は、高周波通過濾波器を用いるものである。
【００２９】
（第２実施形態）
本第２実施形態の磁気検出器は、地磁気を高精度で計測する必要がある地震予知などの研究に供するための地磁気観測器に適用したものであり、以下説明する。
【００３０】
地磁気あるいは岩石に着磁された磁場は、直流あるいはそれに近い極低周波で非常に緩やかに変動し、またその大きさも非常に低レベルである。そのためモータ、発電機などの人工的な交流磁場信号の混入は、計測の障害になる。そこで本第２実施形態では、交流成分を排除してほぼ直流磁場成分のみを選択的に高感度で計測する磁気センサを実現するものである。
【００３１】
本第２実施形態の磁気検出器は、図２に示されるように電気回路は基本的に図１に示される前記第１実施形態と同じであるが、濾波器７０として高周波通過濾波器を採用している点が異なるので、その相違部分を中心に説明する。
【００３２】
前記濾波器７０は、コンデンサＣ７１および抵抗器Ｒ７１からなる高周波通過濾波器であり、カットオフ周波数はコンデンサ容量と抵抗値との積から決定され、ここでは一例として０．０１Ｈz である。
【００３３】
コンデンサＣ７１の一方の電極は、磁気検出器の出力端子であるＰに接続されもう一方の端子は抵抗器Ｒ７１とともに前記負帰還コイル１３に接続されており、０．０１Ｈz 以上の交流信号成分が負帰還される。
【００３４】
これによって本第２実施形態の磁気検出器１００は、０．０１Ｈz 以下の直流あるいはそれに近い緩やかに変動する磁気信号に対してのみ高感度であり、障害となる交流磁場成分を排除して目的とする周波数領域の磁気信号成分のみを高精度で計測することができる。
【００３５】
図３は、図２に示される本第２実施形態の磁気検出器１００をそれぞれＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３個用いて、地磁気観測器を構成した例である。
【００３６】
すなわち各磁気検出器Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ矢印方向に感度軸を持つよう配設してあり、３個の検出器で３次元の直流磁場成分を計測するものである。
【００３７】
それぞれの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器７１を介してコンピュータ７２に取り込まれ、ソフトウエアにより√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ＋Ｚ2 ）なる演算により磁場ベクトルとしてデータ処理される。
【００３８】
（第３実施形態）
本第３実施形態の磁気検出器は、図４に示されるように紙幣の検査など印刷されたインクに含まれる磁性体の磁場を検出する用途に磁気検出器を適用した例である。
【００３９】
紙幣の検査は、通常、図４に示すごとく紙幣の挿入口からローラで装置内部に搬送される過程において、紙幣の移動にともない磁場を持つインクが磁気検出器の近傍を通過するときの瞬時の磁場変動を捉えるものである。
【００４０】
インクの持つ磁場は、非常に微弱であるため高感度な磁気検出が必要であるが、磁気検出器を高感度化すると地磁気の成分を無視できなくなり、紙幣検査装置を置く場所、向き（方向）などにより地磁気成分が誤差量として混入したり、磁気検出器を飽和させるなどの障害があるため、これを排除する必要がある。
【００４１】
一方、検出器が捉えるインクによる磁場信号はパルス状であり交流信号であるが、地磁気は直流成分である。よって、交流成分のみを選択的に計測できる磁場検出器を実現することで高精度な紙幣検査を可能にするものである。
【００４２】
本第３実施形態の磁気検出器１０１は、図５に示されるように交流成分のみを選択的に計測するためのものであり、電気回路は基本的に図１と同じであるが、濾波器７０として低周波通過濾波器を用いている点が相違点であり、相違点を中心に説明する。
【００４３】
前記濾波器７０は、コンデンサＣ７２および抵抗器Ｒ７２からなる低周波通過濾波器によって構成され、カットオフ周波数はコンデンサ容量と抵抗値との積から決定され、本第３実施形態において１０Ｈz に設定されている。
【００４４】
前記抵抗器Ｒ７２の一方の電極は、磁気検出器の出力端子であるＰに接続されもう一方の端子はコンデンサＣ７２とともに前記負帰還コイル１３に接続されており、１０Ｈz 以下の直流信号成分が負帰還される。
【００４５】
これによって本第３実施形態の磁気検出器１０１は、１０Ｈz 以上の交流磁気信号に対して高感度であり、障害となる直流磁場成分を排除して目的とする周波数領域の磁気信号成分を高精度で計測可能にすることができる。
【００４６】
（第４実施形態）
本第４実施形態の磁気検出器は、人が刃物その他の磁性体を所持しているか否かを検査する磁気ゲートシステムの磁気検出器に適用したものである。
【００４７】
磁性体は、自然着磁されているため人の移動に伴い磁場変動を生じるが、自然着磁からなる磁性体の磁気量は微少であり通常、地磁気のレベルよりも低い。このため目的とする前記磁場変動成分（信号）のみを高感度で選択的に検出する磁気検出器が必要である。
【００４８】
また着磁された磁性体が、人に所持されて移動するときに磁気検出器に到達する磁場変動信号の周波数成分は、人の移動速度を1cm/秒から10m/秒の範囲とすれば、０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの範囲である。
【００４９】
本第４実施形態においては、０．０１Ｈz 以上および１０Ｈz 以下の磁気信号を選択的に検出するため、図７に示されるように負帰還回路７００に０．０１Ｈz 以下の信号を通過させる低周波濾波器（Ｒ７５、Ｃ７５）と１０Ｈz 以上の信号を通過させる高周波濾波器（Ｒ７６、Ｃ７６）とから成る帯域除去濾波器を配設する形態と、図９に示されるように負帰還回路７００に０．０１Ｈz 以下の信号を通過させる低周波濾波器７７１を配設するとともに、１０Ｈz 以上の不要な磁気信号を減衰させ排除するために出力端子Ｐの後段に新たに急峻な減衰特性が得られる２次の低周波濾波器７７２を追加する形態とが採用可能であり、ともに磁気検出器１０２に図６に示される周波数特性を持たせるものである。
【００５０】
上述のように図９に示される磁気検出器においては、出力端子Ｐの後段に新たに２次の低周波濾波器７７２を追加するものであるが、これはモータやコンピュータなどの人工的な磁気ノイズ成分はレベルが高いため、かかるレベルの高い磁気ノイズ成分を強く排除して、計測精度を高めるためである。
【００５１】
したがって図７および図９に示される磁気検出器は、図６に示されるように目的の０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの信号領域の磁気信号のみを選択的に計測する帯域通過濾波特性を持つ磁気検出器を実現することでは等価であり、高精度な磁気ゲートシステムを可能にするものである。
【００５２】
本第４実施形態の磁気検出器１０２は、図６ないし図９に示されるように０．０１Ｈｚから１０Ｈｚの帯域の磁場信号成分のみを選択的に計測するための磁気検出器であり、電気回路は基本的に図１に示される前記第１実施形態と同じであるが、濾波器７０として帯域除去濾波器を適用しているところのみが相違するので、相違する部分を中心に説明する。
【００５３】
信号発生器３０は、図９に示されるようにロジック素子および抵抗器ならびにコンデンサから構成されその出力端子３１はＭＩ素子１１に、もうひとつの出力端子３２は検波回路４０のアナログスイッチ４１にそれぞれ互いに同期するパルス信号を発生する。
【００５４】
前記濾波器７０は、図７に示されるようにコンデンサＣ７５およびＣ７６、抵抗器Ｒ７５および抵抗器Ｒ７６、加算増幅器７５からなる帯域除去濾波器である。帯域除去濾波器は、低周波通過特性と高周波通過特性とを併せ持つものであり、低周波通過のカットオフ周波数はコンデンサＣ７５の容量と抵抗器Ｒ７５の抵抗値との積から決定され、ここでは０．０１Ｈz である。また高周波通過のカットオフ周波数はコンデンサＣ７６の容量と抵抗器Ｒ７６の抵抗値との積から決定され、本第４実施形態においては１０Ｈz に設定されている。
【００５５】
前記抵抗器Ｒ７５の一方の電極は、磁気検出器の出力端子であるＰに接続され、もう一方の電極は、コンデンサＣ７５とともに加算増幅器７５の一方の入力端子に接続され、低周波濾波器７５１を構成する。
【００５６】
またコンデンサＣ７６の一方の電極は、前記抵抗器Ｒ７５と同じく磁気検出器の出力端子であるＰに接続され、もう一方の電極は抵抗器Ｒ７６とともに加算増幅器７５のもう一方の入力端子に接続され、高周波濾波器７６１を構成する。
【００５７】
さらに加算増幅器７５の出力端子は、前記負帰還コイル１３に接続されており、０．０１Ｈz 以下の信号成分と１０Ｈz 以上の信号成分が負帰還される。これによって、不要な０．０１Ｈz 以下の信号成分および１０Ｈz 以上の信号成分が排除され、前記磁性体の移動に伴う０．０１Ｈz から１０Ｈz の磁場変動信号に対してのみ選択的に計測できる高感度な磁気検出器が実現できる。
【００５８】
図７に示される増幅器６０（図９においては符号６６がこれに相当する）は、図７および図９に示されるようにOPアンプおよび抵抗器ならびにコンデンサから構成され出力端子Ｐに信号を出力する。
【００５９】
図９に示される周波数選択回路７は、図７に示される前記濾波器７０に相当し、前記周波数選択回路７の一部を構成する低周波通過濾波器７７１は、図９中OPアンプ５および抵抗器Ｒ５１ならびにコンデンサＣ５１からなり、０．０１Ｈｚをカットオフ周波数とするもので、図７の前記濾波器７０の前記低周波濾波器７５１に相当する。該低周波通過濾波器７７１は、前記増幅器６６の出力端子P の電圧が入力され、０．０１Ｈｚ以下の濾波出力を負帰還コイル１３に付与する。
【００６０】
外部磁場に対応するＭＩ素子１１のインピーダンス変化が電圧として検出された信号は、検出コイル１２から検波回路４０を介して増幅器６６で増幅され出力される。該出力信号のうち前記低周波通過濾波器７７１の低周波通過特性により選択された低周波の信号成分が、負帰還コイル１３によって磁気的に負帰還され、磁気的に相殺されるので、地磁気のような直流を含む極低周波の信号は非常に小さくなる。
【００６１】
一方図９において前記周波数選択回路７の前記低周波通過濾波器７７１を通過しなかった周波数成分すなわち磁場変動成分は、増幅器６６で増幅作用を受ける。かようにして負帰還路７００に周波数選択回路７を挿入することよって目的とする信号成分を選択的に高感度で検出する磁場変動検出器を実現できる。
【００６２】
図９に示される前記磁場変動検出器は、増幅器６６の出力端子Ｐに、モータやコンピュータなどの人工的なレベルの高い磁気ノイズ成分を確実に除くために、前記周波数選択回路７の一部を構成する低周波通過濾波器７７２が接続されている。該低周波通過濾波器７７２は、OPアンプ６および抵抗器Ｒ６１、Ｒ６２ならびにコンデンサＣ６１、Ｃ６２からなる１０Ｈｚのカットオフ周波数以上の磁気信号成分を減衰させることにより低周波通過濾波特性を実現するもので、その出力端子OUT における磁場変動検出器としての性能は、図７に示される磁気検出器と同様に図６に示される０．０１〜１０Ｈｚの周波数特性を最終的に実現するものである。
【００６３】
本第４実施形態の磁気検出器は、図８に示されるような磁気ゲートシステムに適用するものである。
【００６４】
ゲート本体は、人が通過できる幅を持つアルミニウム製の枠４５からなり、かかるゲート４の枠内面の上下左右には２４個の前記磁場変動検出器Ｓ１からＳ２４が配設されている。２４個の磁場変動検出器はすべて同じ特性のものであるので、そのうちのひとつを代表例で説明する。
【００６５】
前記２４個の磁場変動検出器の出力端子OUT は、それぞれマルチプレクサＭ１に接続されており、各々の磁場変動信号は、順次コンピュータＣ１に取り込まれる。
【００６６】
コンピュータＣ1 は、各々の磁場変動信号があらかじめ設定された所定の大きさの磁場変動以上であるか否かを信号処理により求め、その結果から刃物のような磁性体を所持しているか否かおよび磁性体の所持部位を判断しディスプレイにより表示するので、磁性体の所持および所持部位の確実な検出を可能にするものである。
【００６７】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００６８】
上述の実施形態は、一例として検出コイルと負帰還コイルとを別個のコイルによって構成する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、１個のコイルによって検出コイルの機能と負帰還コイルの機能とを共に実現する実施形態を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図３】本第２実施形態の磁気検出器によるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の地磁気観測器の構成例を示すブロック回路図である。
【図４】本発明の第３実施形態の磁気検出器による紙幣検査装置の構成例を示す側面図である。
【図５】本第３実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図６】本第４実施形態の磁気検出器における濾波器の帯域通過濾波特性を示す線図である。
【図７】本第４実施形態の磁気検出器を示すブロック回路図である。
【図８】本第４実施形態の磁気検出器を適用した磁気ゲートシステムを示す全体図である。
【図９】本第４実施形態の磁気検出器を示す詳細ブロック回路図である。
【図１０】従来の磁気センサを示すセンサ構成図である。
【符号の説明】
１１ 磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）
１２ 検出コイル
１３ 負帰還コイル
７０ 濾波器
７００ 負帰還回路
Claims (2)
- 外部磁場に対応してインピーダンスが変化する磁気インピーダンス素子と、該磁気インピーダンス素子によって検出されたインピーダンスの変化を電気信号に変換する検出コイルと、前記磁気インピーダンス素子の内部磁場を制御する負帰還コイルを備えた磁気検出器において、
該磁気検出器の出力端子と前記負帰還コイルとを接続する負帰還回路に、前記磁気検出器の出力信号のなかから不要な周波数領域の信号を選択的に負帰還することにより、負帰還信号に周波数特性を付与する周波数特性付与手段を配設したことを特徴とする磁気検出器。 - 請求項１において、
前記周波数特性付与手段が、前記磁気インピーダンス素子の不要な周波数領域における内部磁場を零とすることにより磁気検出器に周波数特性を付与するための濾波器である
ことを特徴とする磁気検出器。
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