JP4465038B2 - 磁界センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁界の強さ及び／又は磁界の向きを検出するための磁界センサに関する。

磁界の強さを高感度で検出する磁界センサとしては、ファラデー効果を利用した光磁界センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような光磁界センサは、ファラデー素子、偏光子、検光子、光学レンズ等の複数の高価な光学部品を、光軸がずれないよう高精度で接合したものであり、構成が複雑で価格が高いという問題がある。

特開昭６１−８２１７９号公報

簡易な構成で、高感度に磁界を検出できる磁界センサを提供することを目的とする。

本発明者らは、磁性を有する粒子（磁性粒子）を分散させた分散液を磁界影響下に置くと、磁性粒子が磁界と平行な向きに鎖状に整列して連結し、その結果、分散液の光透過率が変化すること、さらに、分散液の光透過率の変化は磁界の強度に依存することを見出した。そして、このような知見に基づき、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、磁性粒子を分散させた分散液を入れた容器と、前記容器に光を照射する光源とを有する、磁界センサである。

本発明によれば、磁性粒子分散液と光源という、非常に簡易な構成により、高感度で磁界を検出できる。

以下に本発明の最良の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明においては、分散媒に分散した磁性粒子を磁界影響下に置くと、磁性粒子が磁界と平行な向きに整列、連結してチェーンを形成するという現象を利用する。この現象のモデル図を図１に示す。図１において、（Ａ）は磁界の影響がない場合、（Ｂ）、（Ｃ）は磁界の影響がある場合の分散媒に分散した磁性粒子のモデル図であり、１は分散媒、２は磁性粒子、３は磁界の向きを表す。このとき、形成される磁性粒子のチェーンの長さは磁界の強さに依存し、磁界強度が高いほど長くなる傾向にある。

磁性粒子２が磁界の向き３と平行に整列、連結してチェーンを形成している磁性粒子分散液に、磁性粒子が吸収又は反射する波長の光４を照射すると（図１（Ｂ）、（Ｃ））、磁性粒子分散液を透過した透過光４´の強度は、磁性粒子が整列していない時（図１（Ａ））と比較して高くなる（すなわち、磁性粒子分散液の光透過率が高くなる）。このとき、透過光４´の強度は、磁界の強さに依存し、磁界強度が高いほど高くなる傾向にある。

磁性粒子分散液を透過した透過光４´の強度は、また、光４の照射方向と磁界の向き３とのなす角θにも依存する。具体的には、磁性粒子分散液を透過した透過光４´の強度は、光４の照射方向が磁界の向き（すなわち、チェーン）と平行である（θ=０°又は１８０°である）ときに最大となり、逆に、光の照射方向が磁界の向き（すなわち、チェーン）と垂直である（θ=９０°又は２７０°である）ときに最小となる。

図２に、磁性粒子分散液を透過した透過光の強度と、測定に用いた光の照射方向と磁界の向きとのなす角θとの関係の一例を示す。図２において、グラフの縦軸は磁性粒子分散液を透過した透過光の強度Ｉを示し、横軸は光の照射方向と磁界の向きとのなす角θ（°）を示している。また、実線は磁界強度がｘ（Ｏｅ）である場合、点線は磁界強度がｙ（Ｏｅ）（ｘ＞ｙ）である場合のデータである。
図２に示すように、磁性粒子分散液を透過した透過光の強度は、θと共に変化し、θ＝０°から１８０°毎に極大値を、θ＝９０°から１８０°毎に極小値を示す。また、透過光の強度は、磁界強度が高いほど高くなり、その傾向は特に、θ＝０°から１８０°毎に顕著に現れる。

以上の現象を利用して磁界の強度を検出する方法の具体例を説明する。
本発明においては、磁界の影響下に置いた磁性粒子分散液に光源から光を照射し、磁性粒子分散液を透過した透過光の強度に基づいて磁界の強さを決定する。
磁界の強度の正確な値が必要な場合は、例えば、強度が既知の磁界を用いて予め作成しておいた検量線を利用して検出することができる。具体的には、強度が既知の磁界の影響下に、本発明の磁界センサを、例えば、光源の照射方向が磁界の向きと一致するように配置して磁性粒子分散液を透過した透過光の強度を測定し、透過光強度と磁界強度の関係を示す検量線を用意しておく。次いで、検量線を作成したときと同様に、検出対象の磁界の影響下に、本発明の磁界センサを、光源の照射方向が磁界の向きと一致するように配置する。そして、磁性粒子分散液を透過した透過光の強度を測定し、その結果を用意しておいた検量線にあてはめて磁界強度を決定する。

磁界の向きは、本発明の磁界センサを用いて以下のようにして検出することができる。
前述の通り、磁界影響下に置かれた磁性粒子分散液を透過した透過光の強度は、光の照射方向が磁界の向きと平行である（θ=０°又は１８０°である）ときに最大となる。したがって、検出対象の磁界の影響下において、光の照射方向を変化させながら磁性粒子分散液を透過した透過光の強度を測定し、その強度が最大となったときの測定光の照射方向を特定すれば、その方向又はこれと１８０°をなす方向が磁界の向きということになる。

次に、本発明の磁界センサの構成について説明する。
本発明の磁界センサは、磁性粒子を分散させた分散液を入れた容器と、前記容器に光を照射する光源とを有する。

磁性粒子は、磁性を有し、使用する光源の光を吸収するか又は反射する粒子であれば特に限定はなく、固体であっても液体であっても構わない。
磁性粒子の具体例としては、高分子材料からなる粒子中に磁性粉を分散させたものや、高分子材料からなる芯材粒子の表面に磁性粉末を付着したものが挙げられる。ここで、磁性粉の具体例としては、マグネタイト、ヘマタイト、フェライト等の酸化鉄が挙げられるが、これに限定されない。また、高分子材料の具体例としては、ポリスチレン、スチレン系共重合体、ポリエステル等が挙げられるが、これに限定されない。磁性粒子中の磁性粉の濃度は、例えば、１〜１０ｇ／ｃｍ^３とすることができる。

使用する光源の光に対する吸収率又は反射率を増加させるために、磁性粒子の表面を測定用光源の光に対する吸収率又は反射率の高い材料で被覆してもよい。被覆材料の具体例としては、Ａｕ等が挙げられるが、これに限定されない。

磁性粒子の粒径は、分散媒に分散できる大きさであればよく、特に限定はない。
一般に、分散質である磁性粒子の粒径が小さい方が安定な分散が実現できる。本発明において、磁性粒子の粒径は、例えば、０．１〜５０μｍ程度であってもよい。なお、ここで、粒径とは、レーザ回析・光散乱法で測定されるストークス径をいう。
また、磁性粒子に含まれる磁性粉の粒径は、例えば、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ程度であってもよい。磁性粉の粒径がこのような範囲内にあると、磁性粉は超常磁性を示すが、その粒径があまり大きくなると、磁性粉は強磁性に転じる傾向にあり、その場合、磁性粒子どうしが凝集し分散液とすることができなくなる。

分散液の分散媒は、磁性粒子を分散させることができ、使用する光源の光を透過できるものであればよく、特に限定はない。
分散媒中の磁性粒子の分散が安定であると、安定して磁界の検出を行うことができるので、分散媒の種類は、安定な分散が実現できるよう使用する磁性粒子に合わせ適宜選択してもよい。分散媒中の磁性粒子の分散の安定化のために、界面活性剤を用いることもできる。
また、使用する光源の光に対する分散媒の光透過率が高いと、磁性粒子の整列による分散液の光透過率変化を高感度で検出できるので、分散媒の種類は、使用する光源の波長に合わせて適宜選択してもよい。
分散媒の具体例としては、水やエタノール等の有機溶媒が挙げられるが、これに限定されない。

分散媒の粘度が低いと、磁界影響下に置いたときの磁性粒子の移動（整列、連結）が容易になり、測定に要する時間が短くなるという利点がある。一方、分散媒の粘度が高いと、磁界の影響により生じた磁性粒子の整列、連結が外部振動等により乱れることを防ぎ、安定した測定が可能になるという利点がある。
分散媒の粘度は、分散媒の種類を選択したり粘度調整剤を添加するなどして、磁界センサの用途に合わせて適宜調整してもよい。

分散液中の磁性粒子の濃度に特に限定はない。例えば、１〜１００ｍｇ／ｍｌとしてもよい。

磁性粒子分散液を入れる容器は、分散液を保持し、使用する光源の光を透過できるものであればよく、特に限定はない。
使用する光源の光に対する容器の光透過率が高いと、磁性粒子の整列による分散液の光透過率変化を高感度で検出できるので、容器を構成する材料の種類は、使用する光源の波長に合わせて適宜選択してもよい。容器を構成する材料の具体例としては、ガラスや光透過性樹脂（例えば、アクリル系樹脂）等の透明材料が挙げられるが、これに限定されない。

容器の形状に限定はなく、具体例としては、直方体、円柱等が挙げられるが、これに限定されない。容器のサイズに限定はなく、例えば、測定ノイズを低減するという観点から、厚みを薄く（数ｍｍ程度）してもよい。

光源は、分散液を入れた容器を透過できる波長の光を検出可能な強度で放射できるものであればよく、特に限定はない。光源の具体例としては、レーザ光源や、白熱灯、蛍光灯等の拡散光光源が挙げられるが、これに限定されない。

光源は、磁性粒子分散液を入れた容器に光を照射できる場所に設置する。安定した測定を行うために、分散液を入れた容器と光源との間の距離、或いは、分散液を入れた容器に対する光源の相対的な位置を固定してもよい。

本発明の磁界センサは、さらに、前記容器を挟んで前記光源と反対側に配置された、前記容器を透過した透過光の強度を測定するための光強度測定手段を有していてもよい。
光強度測定手段は、磁性粒子分散液を入れた容器を透過した透過光の強度を測定できるものであればよく、特に限定はない。
光強度測定手段は、磁性粒子分散液を入れた容器を透過した透過光を受光できる位置、すなわち、容器を挟んで光源と対面する位置に設置する。安定した測定を行うために、分散液を入れた容器と光強度測定手段との間の距離、或いは、分散液を入れた容器に対する光強度測定手段の相対的な位置を固定してもよい。

本発明の磁界センサは、さらに、光強度測定手段により測定した透過光の強度に基づいて磁界の強度を判断する判断手段を有していてもよい。この判断手段には、予め作成した検量線の情報を保存する記憶手段を接続してもよい。
また、本発明の磁界センサは、磁界の向きの検出を容易にするために、さらに、容器、光源及び光強度測定手段を載置するための鉛直軸周りに回転自在な回転台を有していてもよい。

次に、本発明の磁界センサ及びその使用方法の具体例について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明の磁界センサ１０の一例の概略図である。この磁界センサは、磁性粒子１２を分散媒１１に分散させた磁性粒子分散液を入れた容器１５、光源１６、光強度測定手段１７及びこれらを載置するための回転台１８とから構成され、必要に応じて、情報処理部分２０（図示しない）が光強度測定手段１７に有線又は無線で接続される。
図３の例においては、磁性粒子１２としてＭｉｃｒｏｍｅｒ社製磁性ビーズ（平均粒径１０ｎｍのＦｅ_２Ｏ_３粒子を分散させたポリスチレン微粒子、平均粒径：１．５μｍ）、分散媒１１として水（磁性粒子分散液の濃度は２５ｍｇ／ｍｌ）、容器１５として幅１２ｍｍ×奥行１２ｍｍ×高さ４５ｍｍのアクリル樹脂製直方体容器、光源として白熱灯（タングステンランプ）を用いている。
情報処理部分２０は、光強度測定手段１７により測定された透過光強度Iを記憶するための記憶手段２１、及び、透過光強度Iに基づいて磁界の強さを判断する判断手段２２とから構成される。該判断手段２２には、検量線情報記憶手段２３が接続され、該検量線情報記憶手段２３には、磁界検出部分１０を強度及び向きが既知の磁界中に光源１６の照射方向がその磁界の向きと一致するように配置して作成した検量線の情報が保存されている。

この磁界センサ１０を、向き、強度が未知の磁界中の任意の位置に任意の向きで設置する。
光源１６のスイッチをオンにして、磁性粒子分散液を入れた容器１５に光１４を照射し、容器５を透過した透過光１４´の強度Iを光強度測定手段１７により測定し、記憶手段２１に記憶させる。次いで、回転台１８を鉛直軸周りにわずかに、例えば、５°、回転させることによって、光源１６からの光１４の照射方向を変え、当初設置位置からの回転角α＝５°における透過光強度Ｉを測定し、記憶手段２１に記憶させる。この操作をα＝０°からα＝１８０°となるまで繰り返し、得られた結果の中から、最も高い透過光強度Ｉmax（すなわち、光源の照射方向が磁界の向きと一致するときの透過光強度）を特定し、Iｍａｘと、検量線情報記憶手段２３に保存された検量線情報とに基づいて判断手段２２により磁界の強度を決定する。

本発明の磁界センサは、磁界の強度及び／又は向きの検出が求められる各種用途、例えば、送電線や変電所等の異常検出、非破壊検査等に利用できる。

本発明において利用する現象のモデル図である。 磁性粒子分散液を透過した透過光の強度Ｉと、測定に用いた光の照射方向と磁界の向きとのなす角θとの関係の一例を示す図である。 本発明の磁界センサの一例の概略図である。

符号の説明

１ 分散媒
２ 磁性粒子
３ 磁界の向き
４ 光源からの光
４´ 透過光
１０ 磁界センサ
１１ 分散媒
１２ 磁性粒子
１４ 光源からの光
１４´透過光
１５ 容器
１６ 光源
１７ 光強度測定手段
１８ 回転台

Claims (2)

1. 磁性粒子を分散させた分散液を入れた容器と、
   前記容器に光を照射する光源と、
   前記容器を挟んで前記光源と反対側に配置された、前記容器を透過した透過光の強度を測定するための光強度測定手段と、
   前記光強度測定手段により測定した強度に基づいて磁界の強度を判断する判断手段を有する、磁界センサであって、
   前記磁性粒子が、高分子材料と、該高分子材料中に分散した粒径が０．１ｎｍ〜１０ｎｍの磁性粉とを含む、磁界センサ。
2. 前記磁性粒子が、表面がＡｕで被覆されている、請求の範囲第１項に記載の磁界センサ。