JP5116433B2 - 変動磁場検出用磁気検出器 - Google Patents

Description

本発明は磁気検出器の高感度化および微小鉄片などの異物検出技術に関する。

食品工場あるいは衣料品工場などの製品検査工程において、製品の中に混入する微小な鉄製の異物を検査する必要がある。この異物検査の手段として、製品中の微小な異物が有するわずかな磁気がコンベアで搬送されるとき、その周辺に微弱な磁場変動が生じるのを磁気センサを利用した磁気検出装置で検出することが一般的に知られている。

しかし、上記鉄片のような微小物体が発する磁場は地磁気と異なって、局部的であるため、フラックスゲート磁気センサのような体積の大きなセンサでは空間分解能が低いので検出が困難である。一方、磁気インピーダンスセンサ素子（以下、ＭＩ素子という。）からなるＭＩ磁気センサは非常に小型であるため空間分解能が高く、微小物体の検出に適している。
ここで、ＭＩ素子は、感磁体であるアモルファスワイヤにパルス電流または高周波電流を印加したときに上記アモルファスワイヤの周囲に巻回した検出コイルに周辺の磁場に対応する電圧を出力するものである。

一方、例えば、０．２ｍｍ前後の大きさの異物を見つけるためには、所定の距離離れたところから磁気検出装置は地磁気の影響を排除しつつ、さらに地磁気の数千分の一程度に相当する１００μＧ（マイクロガウス）あるいはそれ以下の磁気変動を検出する必要がある。

磁気検出装置としてのＭＩ磁気センサは、小薄型化、高感度化の技術が開示されているが、図８に示すように外部磁場±２．５G（ガウス）当りの出力電圧は高々±０．６V程度であることから、感度はおよそ０．２４V／Gである（特許文献１）。
しかし、上記の０．２ｍｍの大きさの異物による１００μGオーダーの磁場に対応する出力電圧は数十μV程度と非常に小さな電圧になるので、実際にはＭＩ素子あるいはＭＩ素子を駆動する電子回路に含まれる同程度の電圧ノイズに隠されてしまって実用的な検出ができないおそれがある。図９はＭＩ素子をゼロ磁場環境が実現できるパーマロイ製の磁気シールドケースに収納して前記ＭＩ素子の出力電圧を１００倍に増幅したあとの信号を記録したものであるが、３ｍVｐｐ程度のランダムノイズが観測されている。この３ｍVｐｐの電圧は磁場換算すると１２０μG相当であり、上記０．２ｍｍの大きさの異物の磁場強さと同等か、あるいはそれ以上である。したがって、十分な精度で異物に対応する信号とノイズとを判別することができない。このため、ＭＩ素子の検出電圧がこのノイズよりたとえば５倍以上大きくなるように高感度化するか、あるいはノイズが５分の１以下になるように高精度化することが必要である。

また、図１０に示すように印加磁界±８０A／ｍ当りのコイルパルス電圧は０．３５V程度であり、ガウス当たりの感度は０．３５V／Gとなる（特許文献２）。これは前述の感度０．２４V／Gよりも１．５倍ほど高いものの、前記の５倍の感度には達しないのでＭＩ素子のさらなる高感度化が必要である。
さらに、微弱な変動磁場を検出するためには図１１に示された電子回路における増幅器６の増幅度を高める必要がある（特許文献２）。しかし、この増幅器の増幅度を高めると、前記変動磁場成分に重畳する周辺の地磁気の直流磁場成分も併せて増幅される。よって、変動磁場成分が地磁気成分よりも小さい場合には、この変動磁場成分を十分な大きさまで増幅する以前に地磁気成分が増幅器の飽和電圧に達してしまって、動作点が不安定になり正確かつ安定に変動磁場成分を検出することができないという問題がある。
したがって、変動磁場成分のみを正確かつ安定に検出することが必要である。

また、負帰還により目的とする周波数領域の磁気信号成分を選択的に高感度で検出する技術が開示されている（特許文献３）。しかし、負帰還コイルおよび負帰還回路を必要とするので回路規模が大きくなるため、ＭＩ素子により小型化しても磁気検出器全体としては大型化し、かつコスト高にもなり、さらに負帰還電流が流れることにより電源の消費電力も増加するという問題がある。

国際公開公報ＷＯ２００３／０７１２９９ 特開２０００−２５８５１７号公報 特開２００３−２５５０２９号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、小型で高感度かつ高精度で変動磁場を検出できる変動磁場検出用磁気検出器を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、アモルファスワイヤにパルス電流を印加し、前記アモルファスワイヤに巻回した検出コイルに周辺の磁場強さに対応する電圧を発生する磁気インピーダンス素子であって、
前記検出コイルの巻数が１０乃至５００であり、前記アモルファスワイヤの直径に対する前記検出コイルの直径の比が１．０５乃至１０であり、前記検出コイルの直径に対する前記検出コイルの長さの比が１０乃至２００である磁気インピーダンス素子が用いられ、
前記磁気インピーダンス素子の前記検出コイルが発生する電圧を電子スイッチを介してホールドコンデンサに蓄積するとともに、前記電圧から、高周波フィルタによって直流磁場成分を除去して検出対象とする変動磁場成分のみを抽出し、抽出された変動磁場成分の信号のみを増幅器によって増幅して出力するよう構成されていることを特徴とする変動磁場検出用磁気検出器にある（請求項１）。

アモルファスワイヤに巻回した検出コイルの巻数を１０以上とすることにより、ＭＩ素子の出力は検出コイルの巻数に対応して大きくなるので所定の磁場変動成分を検出できる感度が得られる。一方、検出コイルのインダクタンスは巻数の二乗に比例して大きくなるので、過大なインダクタンスにより検出コイル周辺の回路の浮遊静電容量と共振回路を形成することによるノイズの発生をさけるため、検出コイルの巻数の上限を５００とする。

アモルファスワイヤの直径に対する前記検出コイルの直径との比を１．０５以上とすることは、MＩ素子の製造が可能となるからである。
以下、本発明のＭＩ素子の断面を表す図1により説明する。
ＭＩ素子は、直径RのアモルファスワイヤWの周囲に所定の厚さからなる絶縁体Nを介して直径S、長さLの検出コイルCを形成している。検出コイルCが磁気インピーダンス効果に基づいて電圧を生じるのは、アモルファスワイヤWが発する磁束Feが検出コイルCと鎖交するからである。しかし、検出コイルCの直径が大きいとアモルファスワイヤWが発した磁束の一部Fｃが検出コイルCの内部を通るため有効な鎖交とならず、感度の低下が生じる。そこで、本発明では絶縁体Nを僅少として検出コイルの直径Sを小さくし、検出コイルがより多くの磁束と鎖交するようにして高感度化を図っている。
したがって、所定の厚さを有する絶縁体Nの製造上の限界からアモルファスワイヤの直径Rに対して検出コイルの直径との比の下限を１．０５と設定するものである。

一方、アモルファスワイヤの直径に対する検出コイルの直径との比を１０以下とすることにより、検出コイルの直径が過度に大きくならないためにＭＩ素子の感度低下を実用的な範囲で回避することができる。

前述のようにアモルファスワイヤWの直径Rに対する検出コイルCの直径Sの比が大きくなると感度が低くなるが、検出コイルの直径に対するコイルの長さの比を１０乃至２００にすることにより、検出コイルの直径Sとコイルの長さLとの比を所定の値に設定し、コイルの直径Sが大きくなったらコイルの長さLを大きくして巻き数を増加することでＭＩ素子としての感度をほぼ一定にすることができ高感度化を維持できる。
また、上記変動磁場検出用磁気検出器は、磁気インピーダンス素子の検出コイルに発生する電圧を電子スイッチを介してホールドコンデンサに蓄積するとともに、前記ホールドコンデンサと増幅器とを高周波フィルタで接続してある。
これにより、ホールドコンデンサによって蓄積された周囲の磁場の強さに対応する信号電圧の変動磁場成分である交流分のみが高周波フィルタによって増幅器の入力端子に伝達される。これによって検出する目的の磁場変動信号のみを増幅し、かつ出力することができる。一方、地磁気のような直流信号成分は高周波フィルタで阻止されるので増幅器の増幅度を十分高くしても電圧飽和することがなく、正確でかつ高い安定度で増幅が可能になり高感度の異物検出ができる。
以上により変動磁場検出用磁気検出器の小型化および高感度化を奏するものである。

また、前記アモルファスワイヤに電子スイッチを介してコンデンサからパルス電流を印加する変動磁場検出用磁気検出器であることが好ましい（請求項２）。

この場合には、電荷を蓄積しているコンデンサは、電子スイッチを用いて前記アモルファスワイヤと導通させることにより瞬間的に電流を流すことができる。

ＭＩ素子はアモルファスワイヤに流れる電流の変化が大きいほど、すなわち立ち上がり、立ち下がりの速さが大きいほど出力が大きくなるという特性があり、これにより磁場検出としての感度が高くなる。
以上により変動磁場検出用磁気検出器の高感度化を奏するものである。

そして、負帰還回路を必要としないことから、電子回路の規模を大きくすることがないので変動磁場検出用磁気検出器を小型、低コストで実現でき、さらに負帰還電流が流れることがないので電源の消費電力を低くできる。

また、前記増幅器を差動増幅器とする変動磁場検出用磁気検出器であることが好ましい（請求項３）。

この場合には、差動増幅器の同相成分抑圧効果により、入力される検出された磁場信号に対応するホールドコンデンサの電圧以外の同相ノイズはキャンセルされる。すなわち、アモルファスワイヤを駆動するパルスには高周波成分が含まれているので、その成分が電磁誘導あるいは静電誘導により同相ノイズとして増幅器に入力されるおそれがあるが、増幅器を差動増幅器とすることでキャンセルできるので安定に高い増幅度を得ることができ、高感度の変動磁場検出用磁気検出器を実現することができる。

また、二つあるいはそれ以上の前記磁気インピーダンス素子のそれぞれの検出コイルを直列接続する変動磁場検出用磁気検出器であることが好ましい（請求項４）。
検出コイルを直列接続することにより各検出コイルに発生した周辺の磁場に対応する電圧が互いに加算されるので、高感度の変動磁場検出用磁気検出器を実現することができる。

また、二つあるいはそれ以上の前記磁気インピーダンス素子のそれぞれの検出コイルを並列接続する変動磁場検出用磁気検出器であることが好ましい（請求項５）。
検出コイルを並列接続することにより信号源としての検出コイルのインピーダンスを低下させ、磁気インピーダンスセンサが発生するランダムノイズを小さくする効果を得ることができるので、高精度の変動磁場検出用磁気検出器を実現することができる。

本発明の変動磁場検出用磁気検出器は、地磁気などの直流磁場成分の影響を受けずに、変動磁場成分のみを正確かつ高い安定度で増幅できるので、高感度かつ高精度で微弱な変動磁場成分を検出することができる。また、電子回路の規模を小さくできるので小型で低コスト、さらに低消費電力を実現できる。

以下、図２乃至図７を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図２は、本発明の変動磁場検出用磁気検出器（以下において、適宜「磁気検出器」という。）の回路図である。検出した磁場を電圧に変換するＭＩ素子１はアモルファスワイヤ１１およびその周回方向に巻回した検出コイル１２および電流制限抵抗１３からなる。アモルファスワイヤ１１は駆動回路２の出力パルスＰ１によって駆動電流が印加される。ここで、アモルファスワイヤ１１はＣｏＦｅＳｉＢ系合金からなる長さが４ｍｍ、直径が２０μｍである。検出コイル１２はアモルファスワイヤ１１の周囲に絶縁体を介して平均直径（円相当直径）約１００μｍ、９３回巻きで長さ約４ｍｍのコイルを形成したものである。これにより小型のＭＩ素子が実現できる。
検出コイル１２は電子スイッチＳ１に接続される。この電子スイッチＳ１は駆動回路２の出力パルスＰ２によって“開”、“閉”が制御される。

駆動回路２はインバータICＱ１、Q２、抵抗R１、コンデンサC１からなる発振器およびインバータICＱ３、Q４、Q５、抵抗R３、コンデンサC３ならびに一端が電源Ｖｄｄに接続された抵抗Ｒｐ、コンデンサCp、電子スイッチＳ２からなり、パルスＰ１を前記アモルファスワイヤ１１に出力するパルス発生器とインバータICＱ６および抵抗Ｒ４、コンデンサＣ２からなり、パルスＰ２を出力するパルス発生器からなる。
ここでパルスＰ１およびＰ２はともに１MHｚの周波数で繰り返して出力されるがＰ１およびＰ２は所定の時間差で互いに同期している。
なお、コンデンサCpの電荷は電子スイッチＳ２によりアモルファスワイヤ１１に放電されるので、前記アモルファスワイヤ１１に通電するパルスＰ１を立ち上がりの速い電流とすることができる。これにより磁気検出器を高感度化するものである。

電子スイッチS１は常時“開”の状態であるが、パルスＰ２により所定の時間“閉”とされるとき、前記検出コイル１２が検出した磁場信号電圧をホールドコンデンサChに蓄積する。前述のようにこのホールドコンデンサChに蓄積された電圧はＭＩ素子１が検出した周辺磁場の強さに対応するものである。

ホールドコンデンサChは、カットオフ周波数を決定するコンデンサC３１と抵抗R３１からなる高周波フィルタ３の入力側に接続される。なおこのカットオフ周波数は １／（２π×R３１×C３１）で決定される。
ここで前記のカットオフ周波数は異物が搬送されるときに生じる磁気変動信号に含まれる信号成分の最低の周波数から決定した。

また、この高周波フィルタ３の出力側は計装増幅回路からなる差動増幅器４の入力端子に接続されているため、ホールドコンデンサChの磁場信号電圧の変動磁場成分のみが増幅器４に入力され、地磁気のような直流磁場成分が排除されるので増幅器４に入力されない。このとき高周波フィルタ３の抵抗R３１の一方の端子はバイアス電圧回路６を構成する抵抗R６１およびR６２との接続点に接続されている。このバイアス電圧回路６は増幅器４が必要とする所定のバイアス電圧を供給できるように電源電圧Vddを抵抗R６１とR６２で分圧することで実現している。以上により、磁場変動信号のみを正確かつ高安定度で増幅することができる。

増幅器４に入力された変動磁場成分は所定の増幅度で増幅され、さらに低周波フィルタ回路５で不要な高周波雑音が取り除かれてから、出力端子５１から出力される。

以上の説明から本実施態様のＭＩ素子の感度は２V／Gであり、従来のＭＩ素子の感度よりも５〜８倍の高感度を得ることができた。

図３は、本発明の磁気検出器による測定例である。直径が０．２ｍｍの鋼球が磁気検出器から１０ｍｍ離れたところを通過したときに得られた信号波形であり、１００倍の増幅器を通して観測した結果０．１秒の間に最大値が約２０ｍVの変動磁場信号を得ることができた。また、磁場信号意外のランダムノイズは２ｍV以下に小さくなり、磁場信号がノイズに隠されることなく高精度な異物検知が可能となった。
これによって高感度化および高精度化を達成できたことが分かる。

また、図４は本発明の磁気検出器のゼロ磁場環境におけるノイズを測定した例である。ランダムノイズの振幅が１５μＧ程度であり、図９に示したランダムノイズ１２０μG（３mV）に比べて大きく減少しており、高精度化が達成されたことが分かる。

図５はさらなる高感度の磁気検出器を実現するために前記ＭＩ素子１として二つのＭＩ素子を用いて、それぞれの検出コイルを直列に接続して構成したＭＩ素子１aの実施例である。すなわち一方のアモルファスワイヤ１１aに巻回した検出コイル１２aと、もう一方のアモルファスワイヤ１１ｂに巻回した検出コイル１２ｂとを互いに直列接続するものである。

これにより図２に示したＭＩ素子を一つ用いる前記実施例の約２倍の感度を得ることができた。
なお、ＭＩ素子の数は二つに限らず多いほどさらに高感度を実現できる。
また、図５において二つのアモルファスワイヤ１１aと１１ｂは互いに直列接続されるとともに電流制限抵抗１３aに接続されているが、アモルファスワイヤ１１aと１１ｂを互いに並列接続してもよい。

図６はさらなる高精度の磁気検出器を実現するために前記ＭＩ素子１として二つのＭＩ素子を用いて、それぞれの検出コイルを並列に接続して構成したＭＩ素子１ｃの実施例である。すなわち一方のアモルファスワイヤ１１ｃに巻回した検出コイル１２ｃと、もう一方のアモルファスワイヤ１１ｄに巻回した検出コイル１２ｄとを互いに並列接続するものである。

これにより信号源としての検出コイルのインピーダンスを１／２に低くすることで、ＭＩ素子１ｃからのランダムノイズをほぼ√（１／２）＝０．７倍に低減することができた。
すなわち、図７に示した本実施例による磁気検出器のゼロ磁場環境におけるランダムノイズの振幅は１０μG相当であり、図４に示したＭＩ素子をひとつ用いる前記実施例のほぼ０．７倍に減少していることが分かる。これにより、さらなる高精度化が達成されたことがわかる。
なお、ＭＩ素子の数は二つに限らず多いほどさらに高精度を実現できる。

また、図６において二つのアモルファスワイヤ１１ｃと１１ｄは互いに並列接続されるとともに電流制限抵抗１３ｃに接続されているが、アモルファスワイヤ１１ｃと１１ｄを互いに直列接続してもよい。

本発明の磁気検出器は小型高感度であるので、一般の高感度磁気センサとしてさらには銃・刀の所持を発見するセキュリティのための磁気ゲート用センサとしての利用が可能である。

ＭＩ素子の断面図である。 本発明の実施例の回路図である。 本発明の実施例による大きさが０．２ｍｍの鋼球の検出信号波形である。 本発明の実施例による、磁気検出器のゼロ磁場環境における磁場におけるノイズを測定した例である。 本発明の実施例による、検出コイルを直列に接続して構成したＭＩ素子の回路の構成図である。 本発明の実施例による、検出コイルを並列に接続して構成したＭＩ素子の回路の構成図である。 本発明の実施例による、磁気検出器のゼロ磁場環境におけるノイズを測定した例である。 特許文献１に示された第１実施例のセンサと従来のボビンタイプのセンサにおける外部磁場と出力電圧の関係を示す線図である。 ＭＩ素子を用いて測定したランダムノイズである。 特許文献２に示された第１実施例のコイルパルス電圧対磁界の特性図である。 特許文献２に示された第１実施例を示す磁気インピーダンス効果マイクロ磁気（ＭＩ）センサ回路の構成図である。

符号の説明

１ ＭＩ素子
２ 駆動回路
３ 高周波フィルタ
４ 差動増幅器
５ 低周波フィルタ回路
６ バイアス電圧回路
１１ アモルファスワイヤ
１２ 検出コイル
S1 電子スイッチ
S2 電子スイッチ
Ch ホールドコンデンサ
Cｐ コンデンサ

Claims (5)

1. アモルファスワイヤにパルス電流を印加し、前記アモルファスワイヤに巻回した検出コイルに周辺の磁場強さに対応する電圧を発生する磁気インピーダンス素子であって、前記検出コイルの巻数が１０乃至５００であり、前記アモルファスワイヤの直径に対する前記検出コイルの直径の比が１．０５乃至１０であり、前記検出コイルの直径に対する前記検出コイルの長さの比が１０乃至２００である磁気インピーダンス素子が用いられ、
   前記磁気インピーダンス素子の前記検出コイルが発生する電圧を電子スイッチを介してホールドコンデンサに蓄積するとともに、前記電圧から、高周波フィルタによって直流磁場成分を除去して検出対象とする変動磁場成分のみを抽出し、抽出された変動磁場成分の信号のみを増幅器によって増幅して出力するよう構成されていることを特徴とする変動磁場検出用磁気検出器。
2. 請求項１に記載の磁気検出器において、前記アモルファスワイヤに電子スイッチを介してコンデンサからパルス電流を印加することを特徴とする変動磁場検出用磁気検出器。
3. 請求項１または請求項２の磁気検出器において、前記増幅器が差動増幅器からなることを特徴とする変動磁場検出用磁気検出器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の磁気検出器において、二つまたはそれ以上の前記磁気インピーダンス素子の検出コイルを直列に接続することを特徴とする変動磁場検出用磁気検出器。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の磁気検出器において、二つまたはそれ以上の前記磁気インピーダンス素子の検出コイルを並列に接続することを特徴とする変動磁場検出用磁気検出器。