JP4209114B2

JP4209114B2 - 磁界センサ

Info

Publication number: JP4209114B2
Application number: JP2002012006A
Authority: JP
Inventors: 一郎笹田
Original assignee: Kyushu TLO Co Ltd
Current assignee: Kyushu TLO Co Ltd
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003215220A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナビゲータの電子コンパス、セキュリティシステム、電磁的非破壊検査、アクティブ磁気シールドなどに用いる小型高感度磁界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型化に適した磁界センサに、磁性ワイヤや磁性薄膜を用いる直交フラックスゲートと磁気−インピーダンス効果（ＭＩ効果）を用いるものがある。
１９５３年T.M.PalmerによってProc.IEE(London)Vol.100,PartB, pp.545-550 に "A Small Sensitive Magnetometer" として報告された直交フラックスゲートは、磁性ワイヤとそれに施された巻き線を基本構成とし、磁性ワイヤ軸方向に印加された磁界を、その極性を含めて検出することができる利点を持っている。この方法では、磁性ワイヤに交流励磁電流を通電し、ワイヤ軸方向に磁界が存在すれば、巻き線に励磁周波数の２倍の周波数が現れる現象を利用する。これまで、磁性ワイヤとして線径 42 S.W.G.（約0.1mm ）のミューメタル線を使用し良好な線形性を持つ結果が上述の文献に示されている。
この方法は、磁性ワイヤとしてパーマロイのメッキ線を用いたもの（竹内信次郎他、「直交フラックスゲート形磁性薄膜マグネトメータの動作機構の解析」電気学会論文誌Ｃ、第93号巻 2号、1973）や、磁性ワイヤを磁性薄膜で置き換え、更に小型化したもの、（及川亭他、「薄膜型直交フラックスゲート磁界センサの作製とその評価」第24回日本応用磁気学会学術講演会概要集、13aD-6、2000 ）などへ発展させられている。
しかし、何れにおいても、２ｆ成分の検出を必要とするものであり、電子回路が複雑になるのが避けられず、また、高い感度も得にくいものであった。
また、直交フラックスゲートの原理をアモルファス磁性ワイヤに直接適用すると、入出力特性が原点近傍で大きく感度変化する非線形性が有り、実用化に難があった。
【０００３】
一方、アモルファス磁性ワイヤを用いる磁界検出法に磁気−インピーダンス効果（ＭＩ効果）の利用が知られている。この方法によっても上述の直交フラックスゲートと同程度のサイズで高感度の磁界センサが実現できることが知られている。しかしながら、この方法では、印加磁界の極性判別にバイアス磁界を与えておく必要があること、また、印加磁界がゼロのとき直接の出力はゼロにならず、オフセットを差っ引く必要があり、このためゼロ点の安定性、構造の簡単さの点で欠点を有する。
【０００４】
これらの技術上の問題に対して、直交フラックスゲートの構成で、交流励磁電流に直流電流をバイアスとして施せば、磁界の印加によって、検出巻き線に励磁周波数と同じ成分が高感度で現れることが判明したので、これを特許出願（特願２００１−８１０８３号）し、電気学会マグネティックス研究会資料、ＭＡＧ−０１−１１７に報告した。これによって、印加磁界の極性判別が可能な上、回路の簡略化と高感度化が達成できた。しかし、アモルファス磁性ワイヤに製造時の磁気異方性が無視できない場合は、印加磁界がゼロの時、出力がゼロとならない問題があった。これは、直流バイアス電流を６６ｍＡ程度に大きくすればかなり低減できる（ＭＡＧ−０１−１１７）が、消費電力も大きくなる欠点があった。以上のように、小型低消費電力で、オフセットが十分に小さく、感度の高い、構造簡単な磁界センサは未だ実現されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、励磁周波数ｆと同じ周波数ｆの誘起電圧成分の検出に基づき、オフセットが原理的に生じず、応答が線形で、低消費電力、小型、構造の簡単な磁界センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を解決するために、磁性ワイヤとそれに巻回されたコイルを用い、磁性ワイヤに通電する交流励磁電流に直流電流を重畳し、励磁周波数ｆと同じ周波数ｆの誘起電圧が外部印加磁界に対して高感度に発生するようにし、合わせて周波数ｆの誘起電圧成分のみを検出するようにしたものにおいて、前記直流電流の極性を周期的に反転させれば感度の極性が反転するが、一方では、オフセットは変化しないことを利用する。即ち、直流電流の極性を正とした場合の磁界応答と負とした場合の磁界応答を減算することによって、オフセットのみをキャンセルし、出力は加算される構造とする。
そこで、本発明請求項１に記載の磁界センサでは、細長い磁性体と、前記細長い磁性体に巻回された検出コイルを持ち、前記コイルの巻回された細長い磁性体に交流励磁電流を通電し、さらに、前記交流励磁電流にバイアス電流を重畳して通電させる直交フラックスゲート磁界センサにおいて、前記バイアス電流の極性を切り換えて感度の正負を反転できるようにした。
【０００７】
請求項２記載の磁界センサでは、請求項１に記載の磁界センサにおいて、交番する電流の周期より長い周期でバイアス電流の極性を周期的に切り換え、同期整流を行なう復調器への入力電圧の符号をこれと同期して極性反転させて出力を得るようにした。
【０００８】
請求項３記載の磁界センサでは、請求項２に記載の磁界センサにおいて、交番する電流が直流を含むパルス列からなる。
【０００９】
請求項４記載の磁界センサでは、請求項１、２または３に記載の磁界センサにおいて、磁界センサの受感部が、電流を流す導体と、その導体に近接して配置された細長い磁性体あるいは導体周囲に配置された略円筒形の細長い磁性体と、その周囲に巻回された検出コイルとからなる。
【００１０】
請求項５記載の磁界センサでは、請求項１、２または３に記載の磁界センサにおいて、細長い磁性体が磁性ワイヤである。
【００１１】
請求項６記載の磁界センサでは、請求項５に記載の磁界センサにおいて、磁性ワイヤが無磁わい組成のアモルファス磁性ワイヤである。
【００１２】
請求項７記載の磁界センサでは、請求項５に記載の磁界センサにおいて、磁性ワイヤがわずか負の磁わいを持つ。
【００１３】
請求項８記載の磁界センサでは、請求項２または３に記載の磁界センサにおいて、バイアス電流の切り換え周波数が交番電流またはパルス電流の周期の４〜２５６倍である。
【００１４】
【作用】
本発明の磁界センサでは、細長い磁性体に巻回された検出コイルを持ち、前記コイルの巻回された細長い磁性体に交流励磁電流を通電し、さらに、前記交流励磁電流にバイアス電流を重畳して通電させる直交フラックスゲート磁界センサにおいて、前記バイアス電流の極性を切り換えて感度の正負を反転できるようにしたことにより、感度は大きさを保ちその極性を反転するが、オフセットはその大きさを保ちながら極性も不変に保つ。これにより、直流バイアス電流を正に設定し印加磁界Ｈexに対し得た出力と、次に磁界Ｈexが変化しない内に直流バイアス電流の極性を反転させ、同じように得た出力の差を取ることにより、オフセットがほぼ完全に除去された出力を得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の磁界センサを図面に基づいて説明する。
まずその構造から説明する。
図１は本発明の原理図である。磁性ワイヤには、応力の影響を受けにくく、また製造段階でも磁気異方性が生じにくい無磁わい組成のアモルファス磁性ワイヤ１を使用し、その周囲に細い導線で検出コイル２を巻回する。
励磁回路３は発振器４とそれに直列に挿入された直流電源５および直流電源の極性を周期的に切り換える第１スイッチ６とからなり、直流が重畳された交流励磁電流は前記磁性ワイヤ１に直接通電する。外部磁界の印加によって検出コイル２に誘起されるｆＨｚの電圧を同期整流器（ＰＳＤ）７に直接伝達する回路８、極性を反転させて伝達する回路９、両者を直流バイアス電源の極性切り換えに同期して選択する第２スイッチ１０、最終段が励磁周波数ｆＨｚを参照入力とする同期整流器７によって直流出力を得る回路である。
【００１６】
次に、動作原理を説明する。
先ず、感度の極性が直流バイアス電流の極性反転によって反転することを説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれバイアス電流が正の場合と負の場合に対する、アモルファス磁性ワイヤ１の磁化Ｊs の振る舞い、およびそれによる検出コイル２への鎖交磁束φ、誘起電圧ｅについてのモデルである。ここでＨexは外部から印加される磁界、Ｋu はアモルファス磁性ワイヤに存在する一軸磁気異方性、Ｈacは交流励磁磁界、Ｈdcは直流バイアス磁界である。
図２（ａ）図では、交流励磁磁界が（１）で正のピーク、（２）で負のピークを取るが、これに応じて磁化Ｊs は図中矢印で示すように、（１）の時は励磁磁界の方に引き寄せられ、（２）の時はＨexやＫu の方に引き寄せられる。この励磁磁界の一周期で、検出コイル２には（ａ）図右側に示すように磁束波形が鎖交し、誘起電圧が生じる。交流励磁源に同期して作製された同期整流器ゲートコントロール信号が図のように与えられると、右方最下段の整流波形が得られ、負出力となる。
バイアス電流が負極性の場合を図２（ｂ）図に示している。この場合は、交流励磁電流が（１）となる時に励磁磁界が最も小さくなり、磁化Ｊs はＨexの方向へ引き寄せられる。次に（２）の交流励磁電流が負のピークとなるときは、励磁電流の絶対値が最大となり、磁化Ｊs は励磁磁界方向に引き寄せられる。この結果、（ａ）図の場合と逆極性の鎖交磁束および誘起電圧が生じる。ゲートコントロール信号は同一であるから、結果的に、（ｂ）図右側最下段のように正出力になる。このように、感度の極性はバイアス電流の極性反転で反転する。
【００１７】
次に、オフセットはバイアス電圧の極性によらず一定符号となることを説明する。
図３に磁界Ｈex＝０に対する鎖交磁束の発生機構、並びに誘起電圧、同期整流器出力の関係を示す。図２の場合とほぼ同様に考えることができる。ただ、この場合注意すべきは、磁化Ｊs の存在する象限が正の直流バイアス電流に対しては図３（ａ）図に示すように第一象限であり、負の直流バイアスに対しては第三象限にあることである。これは、つぎのようにして理解される。
Ｋu は一軸性であるので、磁化Ｊs は磁気異方性からＫu(sin(α−θ))² のエネルギーを受け、これを小さくするように回転しようとする。即ち、( α−θ) の絶対値を小さくするようにＪs に回転力が働く。一方、励磁磁界方向にもＪs は引っ張られるので、励磁磁界方向にも向こうとする。この結果、（ａ）図、（ｂ）図の安定方向となる。この状態で、交流励磁磁界が図３のように変化すると、図２の場合と同じ考えによって、検出コイル２に鎖交磁束が発生することが分かる。ここで、重要なのは（ａ）図、（ｂ）図のいずれの場合も磁束が最初負に振れ、その後、正に振れることである。この結果、ほぼ同様の誘起電圧を得る。特に、外部磁界が無いときはθの変化はごくわずかであり、これらはほぼ等しくなる。
【００１８】
以上がバイアス電流の極性と、感度およびオフセット電圧の極性との説明である。要約すると、バイアス電流の極性を切り換えることによって、感度は大きさを保ちその極性を反転するが、オフセットはその大きさを保ちながら極性も不変に保つ。この効果によって、直流バイアス電流を正に設定し印加磁界Ｈexに対し出力を得、次に磁界Ｈexが変化しない内に直流バイアス電流の極性を反転させ、同じように出力を得、その後差を取れば、オフセットがほぼ完全に除去された出力を得ることができる。このための構成が図１に示されている。
この効果のもう１つの利点は、誘起電圧を増幅するための差動増幅器にオフセットが存在しても同様にキャンセルされることである。
【００１９】
【実施例】
図４は本発明第１実施例の回路図を示す。
アモルファス磁性ワイヤ１と検出コイル２からなるセンサヘッドには、直径約１２０ミクロンメートルのＣｏベースのアモルファス磁性ワイヤの長さ約２ｃｍのものに約２００ターンの巻き線を施したものからなる。これに５０ｋＨz の交流励磁電流と、１ｋＨz の正負対称な振幅を持つ矩形波とを合成することによって、等価的に直流バイアス電流が周期的に正負に交番する効果を与えることができる。励磁電流波形の一例を図５に示す。
【００２０】
検出コイル２に生じる誘起電圧は、差動増幅器１１によって１０倍に増幅され、一方は直接、他方は反転増幅器１２によって−１倍されて次段に送られる。直流出力電圧へ変換する過程は、１Ｋz の矩形波に同期して切り換えられるアナログスイッチ１３によって交互に切り換えられ、感度が常に定符号となるようになっている。引き算は出力最終段の抵抗とコンデンサからなる平滑回路１４によって自動的に行なわれる。本回路では切り換え周波数を励磁周波数の１／５０としているがこれに限るものではない。結果を図６以下に示す。
図６においては、出力電圧の表示には、オフセットの調整など一切行なっていない、第一実施例の出力の生データである。正負の入力に対してほぼ完全に対称である。このことは、オフセットが極めて小さいことを意味する。また、正負対称であることはセンサとして好都合であることは言うまでもない。この図において、正負４０Ａ／ｍ内の範囲が入力範囲として使用できることが分かる。この時の励磁条件は、直流バイアス電流が振幅７．１ｍＡ、交流電流成分が実効値５．０ｍＡであった。励磁電力はアモルファス磁性ワイヤの抵抗値約３Ωと直列に接続された抵抗１０Ωでの電力消費から約１ｍＷと極めて小さく、電池での駆動が可能である。
【００２１】
図７に直流バイアス電流を正負に切り換える方式と一定とする方式での特性比較を示す。破線が直流バイアス電流を７．１ｍＡ一定（切り替え無し）とした場合でオフセットが見られ、また、特性は正負の入力に対し対称でない。
この結果から、本発明の優位性が分かる。
【００２２】
次に、図８に基づいて第２実施例を説明する。
前記のように本発明第１実施例では、誘起電圧を反転する回路を使用しているが、図８に示すような、同期整流の位相を１８０度反転させた回路を使用しても極性の反転が可能であるので、第１実施例と同様の効果が得られる。図中のｎは４〜２５６程度の間で調整することができる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態を図面により説明したが、具体的な構成は前記実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても本発明に含まれる。
例えば、極性切り換え周波数、励磁周波数は任意に設定することができる。極性反転回路も任意である。同期整流はかけ算器など他の方法によっても行なうことができる。また、デジタル的に本発明の方法を実現することも容易である。
また、アモルファス磁性ワイヤ１の線径、長さ、成分、処理構成などは任意に設定することができる。パーマロイワイヤも同様である。
検出コイルの構成も任意に設定することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば下記の効果を発揮する。
（１）１個の磁性ワイヤとそれに巻回された１個の検出コイルを主要素とした簡単な構造で、オフセットがほとんどない、高感度、高精度で低消費電力の磁界センサが構成できる。
（２）部品点数が少なく、小型化に適した磁界センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するための原理図である。
【図２】原理図における感度の極性と直流バイアス電流の極性との関係を示すモデル図であり、（ａ）はバイアス電流が正極性の場合、（ｂ）は負極性の場合を示す。
【図３】原理図におけるオフセットの極性と直流バイアス電流の極性との関係を示す説明図であり、（ａ）はバイアス電流が正極性の場合、（ｂ）は負極性の場合を示す。
【図４】第１実施例の磁界センサを示す回路図である。
【図５】第１実施例の直流バイアスが交互に極性反転する励磁電流波形の一例を示す波形図である。
【図６】第１実施例の入出力特性を示す特性図である。
【図７】第１実施例の直流バイアス電流を正負に切り替える方式と従来の一定する方式での特性を比較した特性比較図である。
【図８】第２実施例の磁界センサを示す回路図である。
【符号の説明】
１磁性ワイヤ
２検出コイル
３励磁回路
４発振器
５直流電源
６第１スイッチ
７同期整流器
１０第２スイッチ

Claims

細長い磁性体と、前記細長い磁性体に巻回された検出コイルを持ち、前記コイルの巻回された細長い磁性体に交流励磁電流を通電し、さらに、前記交流励磁電流にバイアス電流を重畳して通電させる直交フラックスゲート磁界センサにおいて、
前記バイアス電流の極性を切り換えて感度の正負を反転できるようにしたことを特徴とする磁界センサ。
交番する電流の周期より長い周期でバイアス電流の極性を周期的に切り換え、同期整流を行なう復調器への入力電圧の符号をこれと同期して極性反転させて出力を得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ。
交番する電流が直流を含むパルス列からなることを特徴とする請求項２に記載の磁界センサ。
磁界センサの受感部が、電流を流す導体と、その導体に近接して配置された細長い磁性体あるいは導体周囲に配置された略円筒形の細長い磁性体と、その周囲に巻回された検出コイルとからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の磁界センサ。
細長い磁性体が磁性ワイヤであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の磁界センサ。
磁性ワイヤが無磁わい組成のアモルファス磁性ワイヤであることを特徴とする請求項５に記載の磁界センサ。
磁性ワイヤがわずか負の磁わいを持つことを特徴とする請求項５に記載の磁界センサ。
バイアス電流の切り換え周波数が交番電流またはパルス電流の周期の４〜２５６倍であることを特徴とする請求項２または３に記載の磁界センサ。