JP4267135B2 - 磁界検出方法 - Google Patents
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Description
【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μθ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μθ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/wμθ)1/2(μθ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μθにより変化し、このμθ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、(wμθ)1/2に比例するから、前記Hexの増大に伴うμθ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μθ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μθ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μθ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 (4)
- 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。
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