JP5629956B2

JP5629956B2 - 磁気センサ

Info

Publication number: JP5629956B2
Application number: JP2010151920A
Authority: JP
Inventors: 英己安井; 晋久田代
Original assignee: Shinshu University NUC; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: Shinshu University NUC; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: JP2012013610A

Description

本発明は磁気センサに係り、詳しくはＭＨｚ帯域の微弱磁界の検出に好適な磁気センサに関するものである。

近年、様々な磁気センサが提案されている。特に微弱磁界を検出可能な磁気センサの開発は、宇宙探査用人工衛星に搭載するための磁気観測用センサ、ハイブリッド自動車等のパワーエレクトロニクス素子を制御するための電流センサ、ヒトの脳や心臓から自然に発生する磁界を検出する生体磁気計測磁気センサ等の応用分野の発展に大きく寄与している。
また、ＭＨｚ帯域の磁界検出は、核磁気共鳴現象を用いたＮＭＲやＭＲＩ等の装置や、空港のセキュリティーゲート等に用いられる金属探知機、およびＰＷＭ制御による高効率モータの電流波形を歪みなく観測するための電流センサ等で必要とされている。
微弱磁界の中でも１ｐＴ以下という極めて微弱な磁界を検出しようとする場合、代表的な検出方式は以下に挙げる３つに限定される。

第１の検出方式としては、超電導量子干渉素子を用いたＳＱＵＩＤセンサが挙げられる。これは超電導量子干渉素子が磁束量子単位の微弱な磁界を非線形ながらも電圧に変換できることを利用したものであり、ＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路と呼ばれるフィードバック回路を用いることで、磁束波形に比例した電圧波形を出力する磁気センサである。

第２の検出方式としては、ゼーマン効果を利用した光ポンピング磁力計が挙げられる。これは、セシウム等のアルカリ金属の蒸気をガラス管に封入し、これに特定の波長の光を当てながら高周波磁界を印加するものであり、印加する高周波磁界の周波数により、測定対象となる磁界に対応した波長の光が吸収されることを利用した磁気センサである。

第３の検出方式としては、ファラデーの電磁誘導の法則よりコイルに鎖交した磁束により誘導される電圧を測定する磁気センサが挙げられる。これは、コイルの巻数が電圧波形に比例する特性を有しており、この電圧波形を積分し、高感度電圧アンプで増幅した磁気センサである（非特許文献１）。また、磁性材料を検出コイルのコアとして用いることで、コイルに鎖交する磁束を増加させ、感度を上げる手法も用いられている。
また、ウクライナのKorepanovらによって報告されたデータが上述した第３の検出方式での世界最高の性能を達成している。低周波タイプ（０．３ｍＨｚ〜２００Ｈｚ）では１Ｈｚにおいて１００ｆＴ／Ｈｚ^1/2、中間周波数タイプ（１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）では１０ｋＨｚにおいて１０ｆＴ／Ｈｚ^1/2、高周波タイプ（１０Ｈｚ〜６００ｋＨｚ）では５０ｋＨｚで２ｆＴ／Ｈｚ^1/2というノイズフロアレベルが示されている（非特許文献２）。

田代晋久、垣内厚弥、森泉建一、脇若弘之著、マグネティックス研究会資料、社団法人電気学会、平成２１年３月、MAG-09-32、p.1-6 V. Korepanov, R. Berkman, L. Rakhlin, Y. Klymovych, A. Prystai, A. Marussenokov, and M. Afanassenko, "Advanced field magnetometers comparative study," Measurement, 2001, vol. 29, pp. 137-146

しかしながら、上述した第１の検出方式では、液体冷媒が不可欠であり大規模な構成になることや、１ＭＨｚ以上で動作可能なＦＬＬ回路の開発が困難であるという問題がある。
また、上述した第２の検出方式では、装置構成が複雑であること、ハイパワーの光源が必要であること、および長い緩和時間が周波数応答を制限してしまうという問題がある。
また、上述した非特許文献１に開示された第３の検出方式では、コイルの巻数を増加させると、抵抗値上昇による熱雑音の増加や、コイルの寄生容量の増加により感度が悪化するため、好ましくない。さらに、磁性材料を用いた場合には、磁性体の磁気ノイズ、渦電流の影響により高周波において高い透磁率を付与することは容易では無いという問題がある。また、電圧波形を積分する積分器や電圧アンプで発生するノイズ、および電圧アンプの増幅率の限界が感度に影響するという問題もある。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成にして、ＭＨｚ帯域の微弱磁界を検出することの可能な磁気センサを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の磁気センサは、微弱な高周波磁界を検出する検出コイルと、該検出コイルに誘導される誘導電流をインピーダンス変換して電圧信号として出力するトランスインピーダンスアンプとを具備し、前記検出コイルの巻数は、１であり、前記トランスインピーダンスアンプは、入力された対象周波数の電流信号に対し可変のトランスインピーダンスゲインを選択する選択回路と、前記対象周波数の電流信号のみを電圧に変換するフィルタ回路と、を備えることを特徴とする。

請求項１の磁気センサによれば、微弱な高周波磁界を検出する検出コイルの巻数は、１であり、トランスインピーダンスアンプにより検出コイルに誘導される誘導電流をインピーダンス変換して電圧信号として出力するようにしている。
従って、検出コイルに積分器や層数の多い多層コイルを使用する必要が無く、検出コイル側の等価回路は単純なＲＬ回路となるため、検出コイルのインダクタンスと抵抗によってカットオフ周波数が決まる。カットオフ周波数以上の周波数領域では、インダクタンスの定義により検出コイルに鎖交する総磁束φ[Ｗｂ]とインダクタンスＬ[Ｈ]より誘導される電流Ｉ＝φ／Ｌ[Ａ]が決まる。

即ち、磁束に対し誘導電流が比例するため、積分器を用いることなく磁束に比例した波形を観測することができる。また、インダクタンスＬを小さくすれば、微弱な磁界でも大きな誘導電流が流れるため、多層コイルにより巻数に比例した誘導電圧を得る手法に比べ、インダクタンスが小さい検出コイル、即ち寄生容量が小さい巻数の検出コイルでも高感度な磁気センサを実現することができる。

また、本発明に係る磁気センサは、常温での作動が可能である。そのため、上記第１の検出方式の磁気センサとは異なり、液体冷媒を必要とせず、検出コイルを冷却するためのデュワーや冷凍機等も不要であるため、センサシステムを小型化することができる。また、液体冷媒のメンテナンスも不要となるため、メンテナンスに掛かるコストを大幅に低減することができる。

また、第２の検出方式の磁気センサとは異なり、高周波磁界発生装置，および光源の校正が不要であるため、システム構成を簡単にすることができる。
そして、上述した第３の検出方式の磁気センサと比べて検出コイル側のインピーダンスが極めて低いため、磁気センサの測定限界を決める熱雑音が極めて低いので、感度を良好に維持することができる。さらに、磁性材料を必要としないため、磁性体のノイズの問題が発生せず、測定したい磁気分布を乱さないので、検査精度を向上させることが可能である。

また、市販されている低ノイズ電圧アンプのゲインは、１ＭＨｚで６０ｄＢ程度であるのに比べ、トランスインピーダンスアンプは、１ＭＨｚで１４０ｄＢのゲインを有するものが市販されているので、極めて高感度な磁気センサを実現することができる。

また、請求項１の磁気センサによれば、可変のトランスインピーダンスゲインを選択する選択回路とフィルタ回路とを備えることにより、極めて微弱な磁界を検出することが可能となる。
これは、周囲に存在する環境磁界が測定対象の微弱磁界に比べて大きい場合、測定対象磁界の周波数成分のみを増幅することで、トランスインピーダンスアンプの出力波形の飽和を抑制することができるからである。

さらに、請求項１の磁気センサによれば、検出コイルの巻数は１であるので、ワンターンコイルは多層コイルと比較して寄生容量が極めて小さく十分無視できるため、ＭＨｚ帯域に不本意な共振周波数を生み出さずに磁気センサの周波数特性を制御することができる。即ち、ワンターンコイルに制御可能な容量を有するキャパシタを接続することで、意図的に測定対象周波数と共振周波数を一致させることが可能であり、極めて高い感度を実現することができる。

本発明に係る磁気センサのブロック構成図である。ワンターンコイルの一例を示した概略図である。ワンターンコイルを構成する同軸ケーブルの一例を示した概略図である。トランスインピーダンスアンプの構成の一例を示す回路図である。磁気センサの感度の周波数特性測定を行った実験装置を示す概略構成図である。１０ｎＴの磁束密度に対する磁気センサの感度の周波数特性を示すグラフである。１０ｎＴの磁束密度に対するワンターンコイルの出力電圧の周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る磁気センサの概略構成図である。
図１に示すように、磁気センサ１は、検出コイル２のコイル端子をトランスインピーダンスアンプ３の入力側に接続し、トランスインピーダンスアンプ３の出力波形を信号解析装置４にて観測するように構成される。
検出コイル２の巻数は、ＭＨｚオーダの周波数帯域に不本意な共振周波数を生み出さない寄生容量の巻数で構成される。

トランスインピーダンスアンプ３は、測定対象磁束を検出コイル２に鎖交させた際に誘導される電流を、トランスインピーダンスゲインの値に比例した電圧として出力する。
信号解析装置４は、例えばオシロスコープやスペクトラムアナライザ等である。測定対象周波数の磁界がカットオフ周波数以上の周波数の場合は、鎖交磁束に比例した波形が観測される。測定対象周波数の磁界がカットオフ周波数以下の周波数では、周波数と鎖交磁束に比例した電圧信号として波形が観測される。

ここで、検出コイル２を図２に示すようなワンターンコイル２ａとすることで、インダクタンスＬ[Ｈ]および抵抗Ｒ[Ω]により誘導電流の制御が容易である。ワンターンコイル２ａは、ポリウレタン等の被覆付き銅線を用いてもよいが、この場合、コイル端５、５は被覆を剥き、トランスインピーダンスアンプ３の入力への接続を可能としておく。このようなワンターンコイル２ａにより、検出コイル２の寄生容量をＭＨｚオーダの周波数帯域に不本意な共振周波数を生み出さない程度に抑制することができる。

また、図３に同軸ケーブルの概略図を示すように、内部導体６および外部導体７を有する同軸ケーブル２ｂを用いて、図２のようなワンターンコイル２ａを構成してもよい。この場合、内部導体６の両端部をトランスインピーダンスアンプ３に接続する。ここで、外部導体７の両端部のうち、一端のみをトランスインピーダンスアンプ３の入力端子の接地点側に接続する、あるいは外部導体７の両端部をどこにも接続しない状態とすることができる。

トランスインピーダンスアンプ３は、例えば図４に回路図を示すように、対象周波数の電流信号に対し可変のトランスインピーダンスゲインを選択できる可変抵抗（選択回路）８を具備し、対象周波数の電流信号のみを電圧に変換するフィルタ回路９を有して構成されるのがよい。このような構成により、周囲に存在する環境磁界に比べて測定対象となる磁界が小さく周波数が決まっている場合、測定対象となる磁界の周波数成分のみを増幅させることで測定対象磁界を高感度に検出することができる。

図５は直径１４ｃｍ、線径２ｍｍのワンターンコイル２ａを用いて製作した磁気センサ１の感度の周波数特性測定を行った際の実験装置である。測定は電波暗室内にて電磁界発生装置１０を用いて行った。設置したワンターンコイル２ａに１０ｎＴの磁束密度を鎖交させるため、校正済みの電界センサを用いて３Ｖ／ｍとなるように電磁界発生装置を調整した。

上述した本発明の実施形態で、図６にグラフを示すように、１０ｎＴの磁界に対するトランスインピーダンスアンプ３を用いた磁気センサの周波数特性を測定した。トランスインピーダンスアンプ３のトランスインピーダンスゲインを１０の３乗（６０ｄＢ）とし、１００Ｈｚ以下の周波数をカットするフィルタを用いた。トランスインピーダンスアンプ３の出力信号をスペクトラムアナライザにてバンド幅１０ｋＨｚ刻みで計測した。比較として、磁界が無入力状態の際の出力電圧も共に示す。
本測定によれば、３００ｋＨｚ付近から５ＭＨｚ程度まで、周波数によらず７６ｄＢμＶ程度の磁束密度に比例した出力信号が得られた。３００ｋＨｚ以下の周波数において、周波数に比例した出力信号が得られた。

以上の結果より、上述した磁気センサ１の動作原理を確認できた。磁界が無入力状態の際の出力電圧から、バンド幅１０ｋＨｚ刻みでもｎＴ以下の磁界、詳しくはｐＴオーダの磁界を十分検出可能であることを確認した。見積もられたノイズフロアレベルは１ｐＴ／Ｈｚ^1/2であった。また、バンド幅を狭めるとともに、トランスインピーダンスゲインを上げることで、ｆＴオーダの磁界検出も十分行えることを確認した。トランスインピーダンスを６０ｄＢとした場合、磁気センサ１は３００ｋＨｚ〜５ＭＨｚまで線形応答し、１０ｎＴの磁界に対する出力電圧は７６ｄＢｍＶであった。

また、１０ＭＨｚ付近からワンターンコイル２ａが有する寄生容量によると思われる共振周波数が確認できた。即ち、ワンターンコイル２ａのコイル端５、５とトランスインピーダンスアンプ３を繋ぐケーブルを短く接続すれば寄生容量を容易に低減できるため、磁束密度に比例した出力信号が得られる周波数帯域を広く取ることができる。また、制御可能な容量を有するキャパシタを接続することで、意図的に測定対象周波数と共振周波数を一致させることが可能であるため、極めて高い感度を実現することができる。

比較例として、図７に１０ｎＴの磁界に対するワンターンコイル２ａの出力電圧の周波数特性を測定したグラフを示す。本結果は、上述した従来技術の１つである第３の検出方式の問題点を提起するために示した。スペクトラムアナライザにてバンド幅１０ｋＨｚ刻みで計測した。比較として、磁界が無入力状態の際の出力電圧を共に示す。

ファラデーの電磁誘導の法則に基づく誘導電圧を検出する方式では、周波数に比例した出力信号が得られる。検出コイルの巻数、および電圧アンプを用いれば出力電圧を上げることができる反面、抵抗増加に伴う熱雑音と電圧アンプから発生するノイズにより、磁界が無入力状態の際の出力電圧が上昇する。即ち、微弱磁界による誘導電圧がノイズに埋もれてしまい、磁気センサとしての最小磁界分解能が劣化する。また、磁束に比例した波形を観測するためには積分器が必要となるが、同様に磁気センサとしての最小磁界分解能が劣化する。

なお、３Ｖ／ｍ以下の電界強度を測定可能な電界センサはほとんど流通していないため、電磁界発生装置に入力する電力量の比から１ｎＴの磁界を発生して実験も行った。バンド幅１０ｋＨｚ刻みによる評価において、トランスインピーダンスゲインを、１０の３乗から５乗（６０ｄＢ〜１００ｄＢ）まで変化させて計測を行った。トランスインピーダンスゲインを１０倍するごとに１０倍程度の出力電圧が得られることを確認した。

トランスインピーダンスゲインを１００ｄＢ程度まで上げると、１ｎＴという微弱磁界に対してもトランスインピーダンスアンプ３の出力波形が飽和する程度という極めて大きな振幅波形となる。また、電波暗室内部においても存在する微弱磁界も増幅するため、対象磁界の周波数と振幅に合わせてトランスインピーダンスゲインおよびフィルタを適宜調節することで、汎用性のある高感度の磁気センサを提供することができる。

１磁気センサ
２検出コイル
２ａワンターンコイル
３トランスインピーダンスアンプ
４信号解析装置
５コイル端
６内部導体
７外部導体
８可変抵抗（選択回路）
９フィルタ回路
１０電磁界発生装置

Claims

微弱な高周波磁界を検出する検出コイルと、
該検出コイルに誘導される誘導電流をインピーダンス変換して電圧信号として出力するトランスインピーダンスアンプとを具備し、
前記検出コイルの巻数は、１であり、
前記トランスインピーダンスアンプは、入力された対象周波数の電流信号に対し可変のトランスインピーダンスゲインを選択する選択回路と、前記対象周波数の電流信号のみを電圧に変換するフィルタ回路と、を備えることを特徴とする磁気センサ。