JP5241200B2

JP5241200B2 - 磁性物の検出方法

Info

Publication number: JP5241200B2
Application number: JP2007281079A
Authority: JP
Inventors: 一実豊田
Original assignee: 双日マシナリー株式会社
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: JP2009109304A

Description

本発明は磁性インピーダンス効果型センサを使用して磁性物を検出する方法に関するものである。

零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤは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。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励磁電流を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界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の軸方向に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁界と被検出磁界との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁界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。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流を搬送波とし、被検出磁界を被検出波として変調される現象ということができる。

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は角周波数をそれぞれ示す)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り、被検出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被検出磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出磁界（信号波）で変調される現象ということができる。

アモルファス合金ワイヤは磁気インピーダンス効果素子と称され、この磁気インピーダンス効果素子を感磁素子とする磁界センサが種々開発されている。
図６は磁気インピーダンス効果素子を使用した従来の磁界センサの一例を示している。
図６において、１は磁気インピーダンス効果素子、２は磁気インピーダンス効果素子１に高周波励磁電流を加えるための高周波電流源回路である。Ｈは磁気インピーダンス効果素子１の軸方向に作用する被検出磁界を示し、磁気インピーダンス効果素子の出力端には、前記高周波励磁電流（搬送波）が被検出磁界（被検出波）Ｈで変調されたものが出力される。３は検波回路であり、変調波が検波され被検出磁界（被検出波）Ｈが復調されて出力される。４は増幅器、５は出力端である。

上記において、被検出磁界の正負により磁気インピーダンス効果素子内磁界の周方向ずれφにも正負が生じるが、周方向の磁界の減少倍率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。従って、被検出磁界−出力特性は磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、図７の（イ）に示すように、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。また、図７の（イ）に示すように、非線形になる。
そこで、図６において、６で示す負帰還用コイルで負帰還をかけて図７の（ロ）に示すように特性を直線化している。
更に、図６において、７で示すバイアス磁界用コイルにより、図７の（ロ）の特性を、図７の（ハ）に示すようにバイアス磁界Ｈｂにより矢印方向に移動させて極性判別可能としている。

従来、前記バイアス磁界用コイルによるバイアス印加に代え、永久磁石を使用することが公知である（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６０７４４７号公報前記磁気インピーダンス効果型センサによる磁界測定中にバイアス磁界が変動すると、その変動にともなって被検出磁界のシフト量が変動することになるので、満足な磁界測定ができなくなる。従って、磁気インピーダンス効果型センサを走行させてその走行ラインに沿い磁界を測定する場合、その走行中でのバイアス磁界の変動は許されない。

磁性物を磁気センサにより検出する場合、通常は励磁器を先行させて磁性物を磁化し、その磁化物から発する磁界を検出している。しかし、事前の磁化処理を必要とし、厄介である。

本発明の目的は、磁性物を強制的に磁化することなく磁気インピーダンス効果型センサにより検出可能にする方法を提供することにある。

請求項１に係る磁性物の検出方法は、磁気センサ素子としての磁気インピーダンス効果素子及びこの磁気センサ素子に感磁軸方向磁界を通過させる永久磁石を備えた磁気センサを走査させ、該磁気センサが被検出磁性物を通過する際の前記永久磁石からの被検出磁性物への磁界の通過による前記磁気センサ素子における感磁軸方向磁界の変化で前記磁気センサの出力を変化させ、この変化から被検出磁性物を検出する方法において、磁気インピーダンス効果素子の検出出力と、励磁電流周波数域におけるインピーダンス値が磁気インピーダンス効果素子のインピーダンス値に等しい抵抗素子の検出出力とを差動増幅して磁気センサ出力とすることを特徴とする。
請求項２に係る磁性物の検出方法は、磁気センサ素子としての磁気インピーダンス効果素子及びこの磁気センサ素子に感磁軸方向磁界を通過させる永久磁石を備えた磁気センサを走査させ、該磁気センサが被検出磁性物を通過する際の前記永久磁石からの被検出磁性物への磁界の通過による前記磁気センサ素子における感磁軸方向磁界の変化で前記磁気センサの出力を変化させ、この変化から被検出磁性物を検出する方法において、磁気インピーダンス効果素子の検出出力と、抵抗素子とコイルまたはコイルから構成され励磁電流周波数域におけるインピーダンス値が磁気インピーダンス効果素子のインピーダンス値に等しい複合素子の検出出力とを差動増幅して磁気センサ出力とすることを特徴とする。
請求項３に係る磁性物の検出方法は、請求項１〜２何れかの磁性物の検出方法において、磁性物の検出にあたっての磁気センサ出力の０点調整を自動的に行わせることを特徴とする。
請求項４に係る磁性物の検出方法は、請求項１〜２何れかの磁性物の検出方法において、磁気センサを、永久磁石による磁界のもと、磁気インピーダンス効果素子を通る感磁軸方向磁界が０になるように、前記磁気インピーダンス効果素子を前記永久磁石の中央点を垂直に横断する直線方向に配設した構成とすることを特徴とする。
請求項５に係る磁性物の検出方法は、請求項１〜２何れかの磁性物の検出方法において、噴霧塗装中での磁性部位の検出に使用することを特徴とする。

磁気インピーダンス効果型センサに永久磁石を設けてあり、その永久磁石から出る磁力線中、被検出磁性物が存在しないとき（遠方に存在するとき）磁気インピーダンス効果素子の軸方向を通過する磁界に対し、前記磁気インピーダンス効果型センサが被検出磁性物に接近したとき、永久磁石からの前記磁力線中の一部が磁気誘導効果のために被検出磁性物側に偏向されて被検出磁性物の軸方向を通過し被検出磁性物に近い側の磁気インピーダンス効果素子の感磁軸を通るから、その磁気インピーダンス効果素子の通過磁界が増加する。その磁界の増加ΔＨのために、永久磁石付き磁気インピーダンス効果型センサの検出出力が変化して被検出磁性物を検出できる。

図１は本発明において使用する磁気インピーダンス効果型センサの一例の回路図を示している。
図１において、１ａ，１ｂは一対の磁気インピーダンス効果素子、１ｃは棒状永久磁石であり、これらは実質的に同一平面内に図２の（イ）に示すように、棒状永久磁石１ｃを対称中心線として磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂを対称に配設してあり、図示の例では、永久磁石１ｃを対称中心線とし、永久磁石１ｃの中央点に直交する線上に、磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂを対称的に配設してある。
図１において、２は磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに高周波励磁電流を加えるための高周波電流源回路、３ａ，３ｂは各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの出力端に接続した検波回路、４は両検波回路３ａ，３ｂの出力を差動増幅する演算増幅回路である。６’ａ，６’ｂは増幅出力を負帰還用コイル６ａ，６ｂを介して各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに負帰還させる負帰還回路である。８は検出出力の零点調整器であり、増幅回路出力と所定の基準電圧とを比較し、その差電圧を０とするようにその差電圧で電子ボリュームを回動させその電子ボリュームの出力を増幅回路４に入力して前記基準電圧を自動的に０点とするものを使用できる。５は検出出力端である。７ａ，７ｂは永久磁石１ｃのバラツキを調整するために必要に応じて設けられたバイアス磁界用コイル、＋Ｖｃｃはバイアス磁界用電源であり、これらは省略することもできる。

前記の磁気インピーダンス効果素子、永久磁石、高周波電流源回路、検波回路、差動増幅回路は共通の基板上に搭載し、検出出力端や零点調整器はリード線を介して接続してもよい。
次に、前記磁気インピーダンス効果型センサを使用しての本発明の磁性物の検出方法について説明する。

前記永久磁石には、磁極を磁気インピーダンス効果素子に吸着接触させれば、磁気インピーダンス効果素子がその磁界検出範囲を越えるまで磁化されるような強力なものを使用できる。
図２の（イ）に示す状態おいて、永久磁石１ｃの中央点を垂直に横断する直線方向の磁界線分は０であり、従って磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの感磁軸方向磁界が０であるから、センサ出力は０である。
図２の（ロ）に示すように、磁気インピーダンス効果型センサが被検出磁性物Ｍに近づくと、永久磁石１ｃによる被検出磁性物Ｍでの磁気誘導が生じて磁力線の分布が変化し、永久磁石１ｃから出る磁力線が被検出磁性物１ａが存在する側に偏在し、被検出磁性物Ｍに近い側の磁気インピーダンス効果素子１ａ周りの磁界分布が、反対側の磁気インピーダンス効果素子１ｂ周りの磁界分布よりも大きく変歪されて被検出磁性物Ｍに近い側の磁気インピーダンス効果素子１ａの感磁軸を通る磁束が増えるようになり、その感磁軸方向磁界が磁気インピーダンス効果型センサが被検出磁性物Ｍに近づくに従い増加し、永久磁石１ｃが被検出磁性物Ｍ直上を越えるその磁界変化の様相が逆転する。

永久磁石１ｃが被検出磁性物Ｍ直上を通過するときをｘ＝０とすれば、被検出磁性物Ｍに近い側の磁気インピーダンス効果素子１ａには、図３の（イ）に示すパターンの感磁軸方向磁界Ｈが作用し、反対側の磁気インピーダンス効果素子１ｃの感磁軸方向に作用する磁界Ｈは図３の（ロ）に示すようにほぼ０となる。
従って、磁気インピーダンス効果型センサの永久磁石の中心が被検出磁性物の中心上に在るときを基準とし、このときに両者間の距離ｘをｘ＝０とすると、被検出磁性物に近い側の磁気インピーダンス効果素子１ａの感磁磁界は図３の（イ）に示すように変化し、被検出磁性物側と反対側の磁気インピーダンス効果素子１ｂの感磁磁界は図３の（ロ）に示すように変化し、高周波励磁電流に基づく各磁気インピーダンス効果素子の周方向磁界、すなわち搬送波が図３の（イ）（ロ）に示すパターンの軸方向磁界で変調されて各磁気インピーダンス効果素子の出力端に出力される。
この各磁気インピーダンス効果素子の出力が各検波回路で検波されて図に示したパターンの信号波が復調され、この両復調波が差動増幅回路で差動増幅され、図３の（イ）と図３の（ロ）との差のパターン波形の検出出力が得られる。
従って、検出出力にピークが生じることから目的の被検出磁性物の位置を検出できる。各磁気インピーダンス効果素子の中心間の間隔が通常５０ｍｍ程度であり、各各磁気インピーダンス効果素子が拾う地磁気等のノイズはほぼ同等であるから、差動により打ち消すことができる。

図４−１は本発明において使用する永久磁石付き磁気インピーダンス効果型センサの別例の回路図であり、図１に示した磁気インピーダンス効果型センサに対し、片側の磁気インピーダンス効果素子（被検出磁性物の反対側となる磁気インピーダンス効果素子１ｂ）を、励磁電流周波数域におけるインピーダンス値が磁気インピーダンス効果素子のインピーダンス値に等しい抵抗素子１００ｂに置換し、その抵抗素子１００ｂには増幅回路出力を負帰還させていない点を除けば、実質的に同じである。
図４−１において、図１と同一符号の箇所は、図１と同一の構成部分を示している。
このセンサを使用すれば、差動増幅回路の入力側のコモンモードノイズ（電磁波、温度ドリフトなど）を差動により打ち消すことができる。

図４−２は本発明において使用する永久磁石付き磁気インピーダンス効果型センサの別例の回路図である。周囲に有害な交流磁界ノイズが存在する場合、これを除去するために、図４−２に示すように、磁気インピーダンス効果素子の感磁軸方向とコイル軸方向が同方向のコイル１０２ｂを抵抗１０１ｂに直列に接続し、交流磁界ノイズによりコイル１０２ｂに誘導される電流と高周波励磁電流との合成電流による抵抗素子端１０３ｂの出力が検波回路３ｂを経て検波回路３ｂの出力側に現れる出力と、高周波励磁電流磁界が交流磁界ノイズで磁気インピーダンス効果１ａにより変調され検波回路３ａで復調されて検波回路３ａの出力端に現れる出力とを等しくするように、複合コイル抵抗素子１００ｂのインピーダンスが設定されている。複合コイル抵抗素子１００ｂに代え磁気インピーダンス効果素子と商用周波数インピーダンスが等しいコイルを使用することもできる。
地磁気の影響は、前記した検出出力の０点調整で排除できる。

前記磁気インピーダンス効果素子と永久磁石との配置パターンは、図示のものには限定されず、永久磁石から発せられる磁界が、磁気インピーダンス効果素子の感磁軸においては、磁気センサの磁界検出範囲内に入るように永久磁石の数量・設置位置・設置角度を調整すればよい。
前記実施例では、外来ノイズ、例えば地磁気、電線磁界等の影響を排除するために差動式磁気センサを使用しているが、外来ノイズが問題とならない環境下での被検出磁性物の検出には、磁気インピーダンス効果素子を単一とする非差動方式を使用することができる。

本発明は、非磁性物例えばコンクリート中に埋設された鉄筋等の磁性物をコンクリート表面から検出するのに使用できる。
また、噴霧塗装工程では、投光・受光方式によるワークの位置検出が不可であり、この場合、ワークが磁性物であれば、本発明によりワークを位置検出できる。例えば、本体にワークを仮セットした状態で噴霧塗装を行い、ロボットのアームでワークを検出してワークの本取付けを行う場合のワークの検出に使用できる。

前記磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂには、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。抵抗素子には、ワイヤの外、リボン、スパッタ膜等も使用できる。

前記磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂには、遷移金属と非金属の合金で非金属が１０〜３０原子％組成のもの、特に遷移金属と非金属との合金で非金属量が１０〜３０原子％を占め、遷移金属がＦｅとＣｏで非金属がベルトコンベアとＳｉであるかまたは遷移金属がＦｅで非金属がＢとＳｉである組成のものを使用することができ、例えば、組成Ｃｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５、長さ２０００μｍ〜６０００μｍ、外径３０μｍ〜５０μｍφのものを使用できる。

高周波励磁電流には、例えば連続正弦波、パルス波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、ＣＭＯＳ−ＩＣを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。

検波回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。
また、被変調波（周波数ｆｓ）に同調させた周波数ｆｓの方形波を被変調波に乗算して信号波をサンプリングする同調検波を使用することができる。
上記の例では、被変調波の復調によって信号磁界（信号波）を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果素子に作用する信号磁界（信号波）で変調された高周波励磁電流波（搬送波）から信号磁界を検波し得るものであれば、適宜の検波手段を使用できる。

負帰還用コイルは磁気インピーダンス効果素子に巻き付けることができる。また、図５に示すように磁気インピーダンス効果素子とループ磁気回路を構成する鉄芯に負帰還用コイルを巻き付けることもできる。
図５の（イ）は鉄芯コイル付き磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図５の（ロ）は同じく底面図、図５の（ハ）は図５の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図５において、１００は基板チップであり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、磁気インピーダンス効果素子接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３は鉄やフェライト等からなるＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。
７ｘはＣ型鉄芯に必要に応じて巻装した直流バイアス磁界用コイルであり、前記した永久磁石の極性強さにバラツキがあっても、このコイルの＋Ｖｃｃ電源による通電で発生される直流磁界で調整できる（調整は図１の可変抵抗ｒで行われる）。

本発明で使用される永久磁石付き磁気インピーダンス効果センサの一例を示す回路図である。本発明に係る磁性物の検出方法を示す説明図である。本発明に係る磁性物の検出方法でセンサの各磁気インピーダンス効果素子の感磁軸方向に作用する磁界変化を示す図面である。本発明で使用される永久磁石付き磁気インピーダンス効果センサの別例を示す回路図である。本発明で使用される永久磁石付き磁気インピーダンス効果センサの上記とは別の例を示す回路図である。前記の磁気インピーダンス効果センサにおいて使用される磁気インピーダンス効果ユニットを示す図面である。従来の磁気インピーダンス効果センサを示す回路図である。磁気インピーダンス効果センサの検知出力特性を示す図面である。

符号の説明

１ａ磁気インピーダンス効果素子
１ｂ磁気インピーダンス効果素子
１ｃ永久磁石
４差動増幅回路
８零点調整器
Ｍ被検出磁化物

Claims

磁気センサ素子としての磁気インピーダンス効果素子及びこの磁気センサ素子に感磁軸方向磁界を通過させる永久磁石を備えた磁気センサを走査させ、該磁気センサが被検出磁性物を通過する際の前記永久磁石からの被検出磁性物への磁界の通過による前記磁気センサ素子における感磁軸方向磁界の変化で前記磁気センサの出力を変化させ、この変化から被検出磁性物を検出する方法において、磁気インピーダンス効果素子の検出出力と、励磁電流周波数域におけるインピーダンス値が磁気インピーダンス効果素子のインピーダンス値に等しい抵抗素子の検出出力とを差動増幅して磁気センサ出力とすることを特徴とする磁性物の検出方法。
磁気センサ素子としての磁気インピーダンス効果素子及びこの磁気センサ素子に感磁軸方向磁界を通過させる永久磁石を備えた磁気センサを走査させ、該磁気センサが被検出磁性物を通過する際の前記永久磁石からの被検出磁性物への磁界の通過による前記磁気センサ素子における感磁軸方向磁界の変化で前記磁気センサの出力を変化させ、この変化から被検出磁性物を検出する方法において、磁気インピーダンス効果素子の検出出力と、抵抗素子とコイルまたはコイルから構成され励磁電流周波数域におけるインピーダンス値が磁気インピーダンス効果素子のインピーダンス値に等しい複合素子の検出出力とを差動増幅して磁気センサ出力とすることを特徴とする磁性物の検出方法。
磁性物の検出にあたっての磁気センサ出力の０点調整を自動的に行わせることを特徴とする請求項１〜２何れか記載の磁性物の検出方法。
磁気センサを、永久磁石による磁界のもと、磁気インピーダンス効果素子を通る感磁軸方向磁界が０になるように、前記磁気インピーダンス効果素子を前記永久磁石の中央点を垂直に横断する直線方向に配設した構成とすることを特徴とする請求項１〜３何れか記載の磁性物の検出方法。
噴霧塗装中での磁性部位の検出に使用することを特徴とする請求項１〜４何れか記載の磁性物の検出方法。