JP4252170B2

JP4252170B2 - 磁界検出装置

Info

Publication number: JP4252170B2
Application number: JP27364999A
Authority: JP
Inventors: 一実豊田
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2019-09-28
Also published as: JP2001091608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁界検出装置、特に、磁気インピ−ダンス効果（ＭＩ効果）を利用した磁界検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファス合金ワイヤとして、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが開発されている。
かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波電流を通電したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μ_θは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。
而るに、この通電中のアモルファスワイヤに外部磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と外部磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μ_θが変化する。すなわち、外部磁界が作用したときの前記磁束の周方向からのずれをφとすれば、周方向磁束がcosφ倍減少され、この回転磁化により前記μ_θが減少される。従って、このμ_θの減少により、上記インダクタンス電圧分が減少されるようになる。
【０００３】
更に、上記通電電流の周波数がMHzオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμ_θ）^１／２（μ_θは前記した通り、円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り、外部磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も外部磁界で変動するようになる。
【０００４】
そこで、外部磁界による上記インダクタンス電圧分と抵抗電圧分の双方、すなわち、ワイヤ両端間出力電圧の変動（この外部磁界による出力電圧の変動はＭＩ効果と称されている）から外部磁界を検出することが提案されている（特開平７−１８１２３９号）。
上記において、外部磁界の方向の正負により上記磁束の周方向ずれφにも正負が生じるが、周方向の磁束の減少倍率cos±φは変わらず、従ってμ_θの減少度は外部磁界の方向の正負によっては変化されない。
【０００５】
上記ＭＩエレメントを用いた磁界検出装置は、基本的に（１）ＭＩエレメント、（２）ＭＩエレメントに高周波電流またはパルス電流を通電するための発振回路部、（３）ＭＩエレメントに加わる外部磁界によるＭＩエレメント両端間のインピ−ダンス変化に基づく変調波を復調して外部磁界信号を検波する検波部、（４）検出特性を安定化するための強負帰還回路部、（５）外部磁界を正負を区別して検出できるように直線特性とするために外部磁界に直流バイアス磁界を重畳するバイアス回路部とから構成される。
【０００６】
従来、上記ＭＩ効果を用いた磁界センサとして、図４に示すように、ＭＩエレメントのインダクタンスをＬとして用いたコルピッツ発振型磁界検出装置が公知である。
図４において、１'はトランジスタＴｒとＭＩエレメント４'及びコンデンサＣ1，Ｃ2とから成るコルピッツ発振回路であり、その発振出力は正弦波である。Ｒｅは温度変化に対する発振の安定性を高めると共に感度及び測定磁界範囲を変化させるために挿入されている。５'はシヨットキバリアダイオ−ドＤとＲＣ回路とから成る検波回路、６'は復調波出力を増幅するための増幅回路、６１'は信号出力端である。７１’は強負帰還用コイル、７２’は直流バイアス磁界発生用コイルである。
このコルピッツ発振型磁界検出装置においては、外部磁界によるＭＩエレメント４'のＬの変動により発振波の振幅が変調され、この変調波が検波回路５'で復調され、これが作動増幅回路６'で増幅されてセンサ出力として取り出される。
【０００７】
前記した通り、アモルファスワイヤのＭＩ効果は表皮効果によっても発生する。而るに、表皮効果はワイヤ中心部ほど電磁誘導による逆起電力が大きくなって電流がワイヤ表面に集中する現象であり、その逆起電力がワイヤ通電電流の変化速度に比例するから、通電電流を立上りや立ち下がりが急峻なパルス波にすると、上記ＭＩ効果が大となる。
そこで、かかるパルスＭＩ効果を用いた磁界センサとして、図５に示すようにＣＭＯＳインバ−タＩＣを用いたＭＩ磁界検出装置が提案されている。
このＣＭＯＳインバ−タＩＣ・ＭＩ磁界検出装置では、インバ−タＱ₁，Ｑ₂とで無安定マルチバイブレ−タ発振回路を構成し、インバ−タの反転時にＮ型とＰ型のＭＯＳＦＥＴが同時に通電状態になり、ＩＣのＶcc端子とＧＮＤ端子間のインピ−ダンスが数１０オ−ム程度になってＲLにパルス電流が流れ、このパルス電流の立上り時と立ち下がり時にアモルファスワイヤ４'の両端に現われるパルス電圧がショットキ−バリアダイオ−ドＳＢＤ、コンデンサＣH、抵抗ＲHでホ−ルドされ、増幅器６’で増幅されてセンサ出力とされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記何れの磁界検出装置においても、センサヘッドにＭＩエレメント４’ と強負帰還用コイル７１’と直流バイアス磁界発生用コイル７２’とを具備させる必要があり、センサヘッドの大型化が避けられない。さらに、ＭＩエレメント４’
に強負帰還用コイル７１’と直流バイアス磁界発生用コイル７２’とを電磁的にカップリングさせており、強負帰還用コイル７１’と直流バイアス磁界発生用コイル７２’との間も電磁的にカップリングされ易く、バイアス磁界が負帰還信号で変動されるなどのために高度の直線性を達成し難い。
【０００９】
また、コルピッツ発振型磁界検出装置では、ＭＩエレメント４'の長さによってＬが変わるのでＭＩエレメント４'の長さに応じて回路定数を変更しなければならず取扱が容易ではなく、また、浮遊容量等の影響で共振のＱが変り通電電流や発振周波数が変化するために動作が不安定である。
上記ＣＭＯＳインバ−タＩＣ・ＭＩ磁界検出装置では、上記コルピッツ発振型磁界検出装置の不利は解消できるが、パルス電流の立上り時間がＩＣの寄生容量により左右され、ＭＩ特性がＩＣのロット間格差や周囲温度変化により影響される不具合がある。
【００１０】
本発明の目的は、磁界検出装置、特にＭＩエレメントを用いた磁界検出装置において、センサヘッドの小型化及び高度の直線性を達成することにある。
更に本発明の目的は、上記目的に加え、ロット間格差や周囲温度変化の影響を充分に排除して安定な検出を可能とすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁界検出装置は、外部磁界検出素子としてのＭＩ素子と、ＭＩ素子に励磁電流として高周波三角波電流を通電するための励磁電流発生部と、外部磁界で前記励磁電流が変調されて前記ＭＩ端に現れる変調波を入力して外部磁界を復調しその復調波を出力する検波部と、検波部出力側に設けられた外部磁界検出端とを有し、前記ＭＩ素子に１個のコイルを電磁的にカップリングさせ、前記外部磁界検出端電圧をＭＩ素子に負帰還させて外部磁界を直線特性で検出するための信号とＭＩ素子に直流バスアス磁界を作用させるための信号との重畳信号を前記コイルに入力する演算回路を負帰還回路に設けたことを特徴とする。
上記高周波三角波電流を、矩形波発振回路の発振出力を積分して発生させること、矩形波発振回路として水晶発振回路が用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る磁界検出装置の基本的な回路構成の一例を示している。
図１において、１は高周波励磁電流発生部である。４はＭＩエレメントであり、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等が使用される。５はＭＩエレメント４の出力波からＭＩ効果による出力分（以下、外部磁界信号と称する）を取り出すための検波回路である。６１は外部磁界信号Ｅoutの検出端である。
７はＭＩエレメント４に電磁的にカップリングさせたコイル、８は外部磁界信号に直流バイアス磁界発生用信号を加算、または減算し、その加算または減算出力を前記コイル７に入力する演算回路であり、図示の例では、出力より反転入力端子に負帰還をかけた演算増幅器(負帰還路挿入インピーダンスＺ_２、入力側挿入インピーダンスＺ_１)を使用してある。
【００１３】
上記の磁界検出装置で検出しようとする最大外部磁界Ｈexを±Ｈmaxとすれば、ほぼ＋Ｈmaxの直流バイアス磁界またはほぼ−Ｈmax以下の直流バイアス磁界を前記コイルに発生させるように、緒定数（Ｖcc，Ｚ_１，Ｚ_２，抵抗Ｒ，コイル巻数等）を調整してある。
【００１４】
また、負帰還を施さない場合の検出感度をα、帰還率をβとすれば、負帰還理論によってαβ≫１に設定して
【数１】
Ｅout＝Ｈex／β−Ｋ
としてあり（ただし、Ｋは直流バイアス電流で定まる定数）、コイルの巻数をｎ、コイル長をｌ、負帰還抵抗をＲとすれば、β＝ｎＺ_１／（ｌＲＺ_２）
であり、
【数２】
Ｅout＝Ｚ_２ｌＲＨex／Ｚ_１ｎ−Ｋ
を成立させて検出特性の安定化を図ってある。
【００１５】
本発明に係る磁界検出装置を用いて外部磁界を検出するには、上記磁界検出装置のＭＩエレメントを外部磁界Ｈexの作用場に曝し、ＭＩエレメント４に励磁電流を通電する。
而して、外部磁界のＭＩエレメント軸方向成分Ｈexのために磁化回転が発生し、前記したμθが低下する。そして、表皮効果が強く現れる高周波のもとでのＭＩエレメントのインピ−ダンスが、（ｗμ_θ）^１／２に比例するから、前記Ｈexの増大に伴うμ_θの減少により信号出力Ｅoutが変化していく。
この信号出力はＭＩエレメントのインピ−ダンス変化に基づくものであるから、ＭＩエレメント４の通電電流の振幅変調波として現れる。
そこで検波回路５で復調し出力信号を取出して外部磁界信号Ｅoutを得る。
【００１６】
上記において、直流バイアス磁界を加えない場合、検出特性が対称形になるが、本発明の磁界検出装置では、直流バイアス磁界を重畳しているから、非対称形であり、符号が異なる等しい強度の外部磁界を判別して検出できる。
また、負帰還をかけており、前記の式２の通の関係を充足させ得るから、外部磁界信号を安定に直線形で検出できる。
従来例では、バイアス磁界成分に本来の直流成分のほか負帰還信号による誘導磁界成分が含まれ易く、上記式２のＫがＥoutによっても変動され、Ｅoutが厳密にはＨexの一次函数にならない結果、高度の直線性を達成し難い。
しかしながら、本発明によれば、前記式２から明らかなように、高度の直線性を達成できる。
【００１７】
本発明に係る磁界検出装置において、ＭＩエレメントの励磁電流のソ−スには、周囲温度による影響が少ない圧電効果型発振器（圧電効果を利用した発振器であり、代表的なものは水晶発振器であるが、セラミックス発振器も使用可能である）を用いることが有利であり、その発振器の矩形発振出力を積分して得られる三角波を励磁電流として使用することが好ましい。
その理由は、矩形波のままで使用すると、電流値変化の無い水平部の期間ではＭＩエレメントの磁壁振動の駆動力が零となり、正弦高周波とは異なる磁気的挙動が起るようになり、常に電流変化がある三角波で使用する方が適確に磁気インピ−ダンス効果を発現させ得るからである。
【００１８】
本発明において三角波には、水平部をほとんど含まず立上り傾斜部と立ち下がり傾斜部との繰返しからなるものであれば全て含まれ、いわゆるノコギリ波も含まれる。
【００１９】
上記図１において、ＭＩエレメント４に通電する電流値が小さいと、外部磁界Ｈexが低い領域でのＭＩエレメント４の励磁電流Ｈ特性がヒステリシスル−プを呈し、磁化回転に基づくＭＩ効果が抑制されるので、必要に応じ、励磁電流発生回路部１とＭＩエレメント４との間に増幅回路を挿入することができる。
【００２０】
上記検波回路５には、ダイオ−ドを使用した復調回路を用いることもできるが、ダイオ−ドの不安定な温度特性のために周囲温度によっても信号出力（外部磁界検出値）の変動が生じるので、理想ダイオ−ドを用いた復調回路を使用することが望ましい。
【００２１】
また、上記復調信号が通常０．０５ｖ／Ｏｅ程度であり極めて小さいので、その信号を制御回路や表示器の出力として使用する場合、増幅器で増幅することが望ましい。
【００２２】
図２は本発明において使用する磁界検出回路の一例を示している。
図２において、ＯＳＣは水晶発振器であり、その発振出力は矩形波である。Ｃは直流分カット用コンデンサ、２は積分回路であり、矩形波を三角波に形成している。３は三角波増幅回路、３１は増幅入力調節器である。４はＭＩエレメントである。５は検波器としてのショットキ−バリアダイオ−ド、６１は信号出力端である。
７はＭＩエレメント４に電磁的にカップリングさせたコイル、８は演算増幅器であり、外部磁界信号と直流バイアス磁界発生用信号とを入力し、所定の増幅度で増幅して前記コイル７に入力している。
【００２３】
図３は本発明に係る磁界検出回路の別例を示している。
図３において、１は矩形波発振回路であり、低電力のＣＭＯＳ−ＩＣを発振部とし、発振周波数の安定化のために水晶発振子Ｐを並設してある。２は三角波形成用積分回路、３は増幅回路である。４はＭＩエレメントである。５は検波回路であり、ショットキ−バリアダイオ−ドと演算増幅器とを組み合わせてなる反転型理想ダイオオ−ドを使用して周囲温度による復調出力の変動を防止している。５１は復調信号のピ−クホ−ルド回路、６は出力信号増幅器、６２は０点調節器、６１は信号出力端である。７はＭＩエレメント４に電磁的にカップリングさせたコイル、８は演算増幅器であり、外部磁界信号と直流バイアス磁界発生用信号とを入力し、所定の増幅度で増幅して前記コイルに入力している。
【００２４】
なお、上記の実施例では、外部磁界信号に前記外部磁界に対する直流バイアス信号を加算または減算してそのバイアス信号重畳負帰還信号を前記コイルに入力する演算回路に演算増幅回路を使用しているが、作動増幅回路を使用することもでき、更にアイソレ−ションアンプ、フォトカプラ等の使用も可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る磁界検出装置では、前記の式２から明らかな通り、高度の直線性を達成できる。また、１個のコイルを磁界検出エレメントに電磁自適的にカップリングさせればよいから、センサヘッドの小型化を図ることができる。
また、周囲温度による影響が少ない水晶発振器の矩形波発振出力、または水晶発振子で発振周波数を安定化したＣＭＯＳ・ＩＣ発振器の矩形波発振出力を積分して得た三角波を励磁電流に使用することにより、周囲温度の影響をよく抑えて外部磁界を検出できる。
更に、検波回路に理想ダイオード回路を使用することにより、励磁電流に振幅変調された外部磁界信号を周囲温度の影響を充分に抑えて検波できる。
従って、本発明によれば、特に、高透磁率磁性体エレメントのＭＩ効果を利用してリニア−特性で、かつ周囲温度の影響をよく防止して外部磁界を的確・高精度にて検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁界検出装置の基本的な回路図の一例である。
【図２】本発明に係る磁界検出装置の一例を示す図面である。
【図３】本発明に係る磁界検出装置の別例を示す図面である。
【図４】従来の磁界検出装置を示す図面である。
【図５】上記とは別の従来の磁界検出装置を示す図面である。
【符号の説明】
１励磁電流発生部
４高透磁率磁性体エレメント
５検波回路部
７コイル
８演算回路

Claims

外部磁界検出素子としてのＭＩ素子と、ＭＩ素子に励磁電流として高周波三角波電流を通電するための励磁電流発生部と、外部磁界で前記励磁電流が変調されて前記ＭＩ端に現れる変調波を入力して外部磁界を復調しその復調波を出力する検波部と、検波部出力側に設けられた外部磁界検出端とを有し、前記ＭＩ素子に１個のコイルを電磁的にカップリングさせ、前記外部磁界検出端電圧をＭＩ素子に負帰還させて外部磁界を直線特性で検出するための信号とＭＩ素子に直流バスアス磁界を作用させるための信号との重畳信号を前記コイルに入力する演算回路を負帰還回路に設けたことを特徴とする磁界検出装置。
演算回路が演算増幅器である請求項１記載の磁界検出装置。
高周波三角波電流が、矩形波発振回路の発振出力が積分されて発生される請求項１または２記載の磁界検出装置。
矩形波発振回路として水晶発振回路が用いられている請求項３記載の磁界検出装置。