JP4267135B2

JP4267135B2 - 磁界検出方法

Info

Publication number: JP4267135B2
Application number: JP23337799A
Authority: JP
Inventors: 一実豊田
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2019-08-20
Also published as: JP2001056364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気インピ−ダンス効果（ＭＩ効果）を利用した磁界検出方法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正弦波電流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が変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。
【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）。
【０００５】
従来、上記ＭＩ効果を用いた磁界センサとして、図５に示すように、アモルファスワイヤのインダクタンスをＬとしてコルピッツ発振回路を組み立てたものが公知である。
図５において、１’はトランジスタＴｒとアモルファスワイヤ４’及びコンデンサＣ1，Ｃ2とから成るコルピッツ発振回路を示し、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’はシヨットキダイオ−ドＤとＲＣ回路とから成る検波回路を、６’は復調波出力を増幅するための増幅回路を、６１’は信号出力端をそれぞれ示している。
このコルピッツ発振型ＭＩ磁界センサにおいては、外部磁界によるアモルファスワイヤ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。
【０００６】
しかしながら、このＭＩ磁界センサでは、アモルファスワイヤ４’の長さによってＬが変わるのでアモルファスワイヤ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。
【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６に示すようにＣＭＯＳインバ−タＩＣを用いたＭＩ磁界センサが提案されている。
このＣＭＯＳインバ−タＩＣ・ＭＩ磁界センサにおいては、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−ルドされセンサ出力とされる。
【０００８】
しかしながら、このＣＭＯＳインバ−タＩＣ・ＭＩ磁界センサでは、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り、本発明者の実験結果によれば、発振電流値が３０℃を越えると急激に減少して６０℃付近で殆ど発振しなくなる。
【０００９】
本発明の目的は、ＭＩエレメントのＬに左右されること無く安定に検出できるＭＩ効果を利用した磁界検出方法を提供することにある。
【００１０】
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る磁界検出方法は、磁気インピーダンスエレメントに高周波の励磁電流を通電し、外部磁界による前記エレメントの両端間のインピーダンス変化から外部磁界を検出する方法において、前記高周波の励磁電流として高周波三角波電流を使用することを特徴とする。
【００１１】
【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は本発明において使用する磁界検出装置の回路構成を示している。
図１において、１は矩形波発振回路である。２は発振矩形波を三角波に形成するための三角波形成回路（積分回路）である。４は三角波電流が通電される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、信号出力と称する）を取り出すための検波回路である。６は信号出力の増幅回路である。
【００１２】
本発明により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の作用場に曝し、高周波三角波電流をＭＩエレメント４に通電する。
而して、三角波の立上り及び立下がりに基づく高周波成分によりＭＩエレメントの前記ＭＩ効果が顕著に現われる。すなわち、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μ_θ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として現れる。
而して、検波回路５で復調し出力信号を取出して外部磁界の検出信号とする。
【００１３】
図２の実線曲線は、本発明に係る磁界検出法でのＨｅｘ−信号出力特性を示し、単峰形となるのは、全Ｈｅｘ領域においてＭＩエレメント通電に基づく磁壁振動が一様に生じ、他方、Ｈｅｘが大きくなるほどＨｅｘによる磁化回転が大きくなってそれに伴いμ_θが大きく減少していくからである。
【００１４】
本発明において、高周波矩形波を三角波に形成したうえでＭＩエレメントに通電する理由は、高周波矩形波を直接ＭＩエレメントに通電すると、図２の点線曲線で示すようにＨｅｘ−信号出力特性が双峰形となり非直線性になって適確な磁界検出に支障になるからである。
このような双峰形になる理由としては、Ｈｅｘが低い領域では、Ｈｅｘ（外部磁界）による磁化回転が小さくて通電電流による磁壁振動でμ_θが与えられるが、矩形波の場合、水平部が磁壁振動の駆動力０の期間となり、常に電流変化があって磁壁振動駆動力が発生される三角波の場合に較べてμ_θが小になるためであると推定される。
【００１５】
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。
【００１６】
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ＢＨ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、三角波形成回路２とＭＩエレメント４との間に増幅回路３を挿入してある。
【００１７】
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ができるが、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。
【００１８】
また、上記復調信号が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６で増幅することが必要である。
【００１９】
上記矩形波発振回路１には、熱的に安定な水晶発振回路を使用することが好ましい。
【００２０】
図３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３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。
【００２１】
図４は本発明において使用する磁界検出回路の別例を示している。
図４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。
【００２２】
【発明の効果】
本発明では、高透磁率磁性体エレメントに励磁電流を通電し、外部磁界による前記エレメント両端間のインピ−ダンス変化から外部磁界を検出する場合、励磁電流に三角波を使用しているから外部磁界−信号出力特性を単峰形の準リニア−特性にできる。
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できるから、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、励磁電流に重畳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、高透磁率磁性体エレメントのＭＩ効果を利用して準リニア−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】本発明において使用する磁界検出装置の説明図である。
【図２】本発明による磁界検出方法における被検出磁界−検出出力特性を示す図面である。
【図３】本発明において使用する磁界検出装置の一例を示す回路図である。
【図４】本発明において使用する磁界検出装置の別例を示す回路図である。
【図５】従来例での磁界検出装置の一例を示す回路図である。
【図６】上記とは別の従来例での磁界検出装置の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１矩形波発振回路
２三角波形成回路
３増幅回路
４高透磁率磁性体エレメント
５検波回路
６信号出力増幅回路

Claims

磁気インピーダンスエレメントに高周波の励磁電流を通電し、外部磁界による前記エレメントの両端間のインピーダンス変化から外部磁界を検出する方法において、前記高周波の励磁電流として高周波三角波電流を使用することを特徴とする磁界検出方法。
矩形波発振回路の発振出力を積分して高周波三角波電流を得る請求項１記載の磁界検出方法。
矩形波発振回路として水晶発振回路を用いる請求項２記載の磁界検出方法。
エレメント両端間のインピーダンス変化に基づく変調波を理想ダイオード回路で復調して検出信号を得る請求項１〜３何れか記載の磁界検出方法。