JP5801019B1 - 磁界検出装置 - Google Patents

Abstract

マーカコイルから発生する交番磁界を高いＳＮ比で検出することができる磁界検出装置を提供する。磁界検出装置１は、交番磁界の磁界信号を電圧信号に変換する巻き線状のコイル１１及び該コイル１１と並列接続されたコンデンサ１２を有する共振回路１０と、該共振回路１０の後段に直列接続されたコンデンサ２０と、該コンデンサ２０の後段に接続された低雑音増幅器３０とを備え、コンデンサ２０は、交番磁界の検出周波数における共振回路１０のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスを有し、共振回路１０及びコンデンサ２０の合成インピーダンスの絶対値は、コイル１１の内部抵抗よりも小さい。

Description

本発明は、微弱な磁界を検出する磁界検出装置に関する。

検出対象物が発生する微弱な磁界を検出することにより、該検出対象物の位置を測定する位置測定技術が知られている。例えば、内視鏡の分野においては、被検体の消化管内に導入可能な大きさに形成されたカプセル型内視鏡の内部に交番磁界を発生するマーカコイルを取り付け、マーカコイルが発生した交番磁界を被検体の外部に設けた磁界検出装置によって検出して、被検体内におけるカプセル型内視鏡の位置を測定する位置検出システムの開発が進められている。

このような位置検出システムにおいては、マーカコイルが発生する交番磁界の強度は微弱となるので、カプセル型内視鏡の位置検出精度を向上させるためには、磁界検出装置の信号検出感度（検出信号のＳＮ比）を高くする必要がある。

高感度の磁界検出装置の例として、超伝導量子干渉効果を利用したＳＱＵＩＤ磁束計や、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ磁界センサ等が知られている。これらの磁界検出装置においては高感度化のために自己励磁を用いるが、一般に、自己励磁は回路構成が複雑である。

検出感度の高感度化に関連する技術として、特許文献１には、コンデンサマイクロフォンのキャパシタンスの微小変化を検出する容量微小変化検出方法及び検出回路が開示されている。また、特許文献２には、磁界検出装置の検出コイルに渦電流が発生することにより増加する実抵抗成分を低減する技術が開示されている。

特開２００１−１１６７８３号公報 特開２０１２−２９９７２号公報

自己励磁を用いることなく、簡単な構成で磁界検出装置を高感度化するためには、例えば、磁界検出装置に設けられた磁界の検出コイルの巻き線数を増やしたり、検出コイルの磁界検出面（開口面）の面積を大きくしたりすることが考えられる。しかしながら、検出コイルの巻き数や磁界検出面の面積を増加させると、それに伴い、検出コイルの抵抗も増加するため、熱雑音が増加してしまう。より詳細には、熱雑音は、検出コイルの抵抗値の２乗根に比例して増加する。その結果、検出コイルによる磁界の検出信号のＳＮ比を高くすることができないという問題があった。従って、微弱な磁界を検出可能な高感度且つ低ノイズの磁界検出装置を実現するためには、熱雑音を低減することが必要である。

上記特許文献１においては、並列共振回路と直列共振回路とを組み合わせ、周波数領域においてインピーダンス変化の急峻な領域を作り、該急峻な領域を動作点とすることで、キャパシタンスの変化の検出感度の向上を図っている。しかしながら、特許文献１には、共振回路の抵抗成分を低減する方法は開示されていない。

また、上記特許文献２においては、検出コイルの巻き数を所定の条件式で規定される値未満に制限することにより、抵抗成分を低減している。しかしながら、この場合、巻き数の増加による検出感度の向上に限界が生じるため、高感度且つ低ノイズを実現可能な範囲が制限されてしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、マーカコイルから発生する交番磁界を高いＳＮ比で検出することができる磁界検出装置を提供する。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る磁界検出装置は、交番磁界の磁界信号を電圧信号に変換する巻き線状のコイル、及び該コイルと並列接続されたコンデンサを有する共振回路と、前記共振回路の後段に直列接続された素子と、前記素子の後段に接続された低雑音増幅器と、を備え、前記素子は、前記交番磁界の検出周波数における前記共振回路のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスを有し、前記共振回路及び前記素子の合成インピーダンスの絶対値は、前記コイルの内部抵抗よりも小さいことを特徴とする。

上記磁界検出装置において、前記コイルの自己インダクタンスをＬｓ、前記コンデンサのキャパシタンスをＣ₁とした場合に、前記コイルのインピーダンスの絶対値は√（２Ｌｓ／Ｃ₁）よりも大きいことを特徴とする。

上記磁界検出装置において、前記素子の前記検出周波数におけるリアクタンスは、前記共振回路のインピーダンスの虚部の大きさと等しいことを特徴とする。

上記磁界検出装置において、前記素子は、第２のコンデンサと、巻き線状の第２のコイルと、抵抗器との少なくともいずれかを含むことを特徴とする。

上記磁界検出装置において、前記素子は、前記共振回路に対して直列接続された前記第２のコンデンサと、該第２のコンデンサと前記低雑音増幅器との間に設けられ、前記共振回路に対して並列接続された前記抵抗器とを含むことを特徴とする。

上記磁界検出装置において、前記素子は、所定の周波数帯域の電気信号をカットするフィルタを構成することを特徴とする。

本発明によれば、共振回路に対し、該共振回路のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスを有する素子を接続すると共に、共振回路及び素子の合成インピーダンスの絶対値を、共振回路を構成するコイルの内部抵抗よりも小さくするので、コイルの巻き数や開口面の面積を増加させた場合であっても、コイルに発生する熱雑音を抑制し、ノイズレベルを低減することができる。従って、高いＳＮ比で交番磁界を検出することができる磁界検出装置を実現することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る磁界検出装置の一構成例を示す模式図である。 図２は、図１に示す磁界検出装置の等価回路を示す図である。 図３は、図１に示す磁界検出装置におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。 図４は、本発明の実施の形態２に係る磁界検出装置の等価回路を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２の変形例４に係る磁界検出装置の等価回路を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る磁界検出装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、各図は本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。なお、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁界検出装置の一構成例を示す模式図である。また、図２は、図１に示す磁界検出装置の等価回路を示す図である。図１に示すように、実施の形態１に係る磁界検出装置１は、交番磁界を受信して磁界信号を電気信号に変換する装置であり、共振回路１０と、該共振回路１０の後段に直列接続された素子であるコンデンサ２０と、該コンデンサ２０の後段に接続された低雑音増幅器３０とを備える。

共振回路１０は、巻き線からなり、受信した磁界信号を電圧信号に変換するコイル１１と、該コイル１１に並列接続されたコンデンサ１２とを有する。以下、図２に示すようにコイル１１の内部抵抗をＲ_S、自己インダクタンスをＬ_Sとし、コンデンサ１２のキャパシタンスをＣ₁とする。また、共振回路１０のインピーダンスをＺ₁とする。

共振回路１０の後段に接続される素子としては、磁界検出装置１が検出対象とする交番磁界の周波数（検出周波数ｆ_det）における共振回路１０のインピーダンスＺ₁の虚部Ｉｍ[Ｚ₁]に対し、符号が反対のリアクタンスを有する素子であれば、コンデンサ、コイル、抵抗器等のいずれを用いても良い。実施の形態１においては、このような素子としてコンデンサ２０を用いている。以下、コンデンサ２０のキャパシタンスをＣ₂とする。

低雑音増幅器３０は、コイル１１により磁界信号から変換され、コンデンサ２０を介して入力された電圧信号を増幅する。

次に、図３を参照しながら、磁界検出装置１を構成する各部の特性値の条件について説明する。まず、磁界検出装置１のノイズレベルＮ_mは、次式（１）によって与えられる。

式（１）において、符号Ｖ_nは低雑音増幅器３０の電圧ノイズ、符号Ｉ_nは低雑音増幅器３０の電流ノイズ、符号Ｚ_inは低雑音増幅器３０から見た入力インピーダンス、即ち、共振回路１０及びコンデンサ２０の合成インピーダンスを示す。また、符号ｋはボルツマン定数、符号Ｔは絶対温度、Ｒｅ[Ｚ_in]は合成インピーダンスＺ_inの実部を示す。

ここで、磁界の検出感度を高くするためには、コイル１１の巻き数及び磁界検出面（開口面）の面積を大きくする必要がある。一方、コイル１１の巻き数及び開口面の面積を大きくすると、コイル１１の内部抵抗Ｒ_Sが大きくなるため、式（１）の熱雑音成分４ｋＴ・Ｒｅ[Ｚ_in]が大きくなる。

そこで、実施の形態１においては、コンデンサ１２及びコンデンサ２０の特性を設定することにより、上記熱雑音成分の低減を図っている。

コイル１１のリアクタンスをＸ_S＝ωＬ_s、コンデンサ１２のリアクタンスをＸ₁＝１／ωＣ₁とすると、共振回路１０のインピーダンスＺ₁は、次式（２）によって与えられる。なお、ω＝２πｆ_detであり、符号ｊは虚数単位を示す。

また、共振回路１０及びコンデンサ２０の合成インピーダンスＺ_inは、コンデンサ２０のリアクタンスをＸ₂＝１／ωＣ₂とすると、次式（３）によって与えられる。
Ｚ_in＝Ｚ₁−ｊＸ₂ …（３）

式（１）より、ノイズレベルＮ_mを低減するためには、合成インピーダンスＺ_inを小さくすれば良い。そのためには、共振回路１０のインピーダンスＺ₁の虚部Ｉｍ[Ｚ₁]を、該共振回路１０の後段に接続された素子のリアクタンスにより低減できれば良い。このため、実施の形態１においては、共振回路１０の後段に、リアクタンスの符号が共振回路１０のインピーダンスＺ₁の虚部Ｉｍ[Ｚ₁]の符号と反対になるコンデンサ２０を用いている。

より好ましくは、コンデンサ２０のリアクタンスＸ₂を、共振回路１０のインピーダンスＺ₁の虚部Ｉｍ[Ｚ₁]の大きさと等しくすると良い。それにより、該虚部Ｉｍ[Ｚ₁]を相殺し、合成インピーダンスＺ_inの絶対値を最小にすることができる。この条件は、次式（４）によって与えられる。

このとき、合成インピーダンスＺ_inは、次式（５）によって与えられる。

一方、合成インピーダンスの絶対値｜Ｚ_in｜がコイル１１の内部抵抗Ｒ_Sよりも小さいとき、ノイズレベルＮ_mを低減することができる。より厳密には、合成インピーダンスの実部Ｒｅ[Ｚ_in]がコイル１１の内部抵抗Ｒ_Sよりも小さいとき、式（１）に示す熱雑音成分４ｋＴ・Ｒｅ[Ｚ_in]を低減することができる。式（３）より、共振回路１０の後段に接続された素子がコンデンサ２０である場合、Ｒｅ[Ｚ_in]＝Ｒｅ[Ｚ₁]となるので、この条件を満たす範囲は、図３に示す周波数ｆ₁未満の範囲、又は周波数ｆ₂より大きい範囲となる。

これより、熱雑音を低減し、ノイズレベルＮ_mを最も低く抑制することができる条件式（６）が得られる。

この条件式（６）を、コイル１１の自己インダクタンスＬ_S及びコンデンサ１２のキャパシタンスＣ₁を用いて表すと、次式（６’）のとおりとなる。

式（６’）の左辺に示すＲ_S ²＋Ｘ_S ²は、コイル１１のインピーダンスの絶対値の２乗に相当する。従って、次式（７）を満足するように、検出周波数ｆ_detにおけるコンデンサ１２のキャパシタンスＣ₁を設定することにより、合成インピーダンスＺ_inの抵抗成分（実部）をコイル１１の内部抵抗Ｒ_Sよりも小さくし、熱雑音成分を低減することが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１によれば、共振回路１０のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスを有するコンデンサ２０を用いることにより、磁界検出装置１のノイズレベルを低減することができる。好ましくは、コンデンサ２０のリアクタンスを、共振回路１０のインピーダンスの虚部の大きさと等しくすることにより、共振回路１０及びコンデンサ２０の合成インピーダンスを最小にすることができるので、ノイズレベルをさらに低減することが可能となる。加えて、式（７）を満足するようにコンデンサ１２のキャパシタンスを設定することにより、熱雑音成分を低減することが可能となる。従って、高感度化のためにコイル１１の巻き数及び開口面の面積を増加させた場合であっても、ノイズレベルを低く抑え、高ＳＮ比で磁界を検出することが可能となる。

（変形例１）
上記実施の形態１においては、共振回路１０の後段に接続される素子としてコンデンサ２０を用いたが、共振回路１０のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスを有する素子であれば、コイルや抵抗器等を適用しても良い。例えば、コイル１１及びコンデンサ１２の特性等の条件によっては、共振回路１０のインピーダンスの虚部の符号が負になる場合がある。この場合には、共振回路１０の後段に、別途コイルを接続すれば良い。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図４は、本発明の実施の形態２に係る磁界検出装置の等価回路を示す図である。図４に示すように、実施の形態２に係る磁界検出装置２においては、共振回路１０の後段に直列接続される素子として、図１に示すコンデンサ２０の代わりに、コンデンサ４１及び抵抗器４２を含む素子４０を適用している。磁界検出装置２の素子４０以外の構成については、実施の形態１と同様である。以下、コンデンサ４１のキャパシタンスをＣ_fとし、抵抗器４２の抵抗値をＲ_fとする。

素子４０のうち、コンデンサ４１は、共振回路１０に対して直列に接続されており、実施の形態１におけるコンデンサ２０と同様に、共振回路１０のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスとして作用する。好ましくは、コンデンサ４１として、リアクタンスが共振回路１０のインピーダンスの虚部の大きさと等しい素子を用いると良い。

一方、抵抗器４２は、共振回路１０に対して並列に接続される。このため、共振回路１０及び素子４０全体の合成抵抗は、共振回路１０の抵抗成分よりも小さくなる。従って、低雑音増幅器３０に入力される信号のノイズレベルＮ_mを、実施の形態１の場合よりもさらに小さくすることができる。

また、この場合、素子４０は、低域カット（高域通過）フィルタとしても作用する。従って、キャパシタンスＣ_f及び抵抗値Ｒ_fを適宜設定することにより、特定の周波数（ｆ_C＝１／２πＲ_fＣ_f）以上の高周波帯域の磁界のみを選択的に検出することが可能となる。

以上説明したように、実施の形態２によれば、ノイズレベルを低減しつつ、特定の周波数以上の磁界のみを選択的に検出することが可能となる。

（変形例２）
実施の形態２においては、キャパシタンスＣ_f及び抵抗値Ｒ_fを適宜設定することにより、素子４０を、特定の周波数以下の低周波帯域の磁界のみを選択的に検出する高域カット（低域通過）フィルタとして用いても良い。

（変形例３）
実施の形態２において、コイル１１及びコンデンサ１２（図１参照）の特性等の条件により、共振回路１０のインピーダンスの虚部の符号が負になる場合には、コンデンサ４１の代わりにコイルを接続することによりリアクタンスの符号を反対（正）にすれば良い。

（変形例４）
図５は、実施の形態２の変形例４に係る磁界検出装置の等価回路を示す図である。変形例４においては、実施の形態２において説明した素子４０を多段に設けている。この場合、共振回路１０に対して並列接続された抵抗器４２が増加する分、共振回路１０及び複数の素子４０全体の合成抵抗成分が小さくなるため、低雑音増幅器３０に入力される信号のノイズレベルをさらに低減することが可能となる。また、この場合、急峻なフィルタ特性を得ることができるため、信号の微小な変化を検出することが可能となる。

以上説明した実施の形態１及び２並びに変形例１〜４は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施の形態１及び２並びに変形例１〜４に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を生成することができる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは、上記記載から自明である。

１、２ 磁界検出装置
１０ 共振回路
１１ コイル
１２、２０、４１ コンデンサ
３０ 低雑音増幅器
４０ 素子
４２ 抵抗器

Claims (6)

1. 交番磁界の磁界信号を電圧信号に変換する巻き線状のコイル、及び該コイルと並列接続されたコンデンサを有する共振回路と、
   前記共振回路の後段に直列接続された素子と、
   前記素子の後段に接続された低雑音増幅器と、
   を備え、
   前記素子は、前記交番磁界の検出周波数における前記共振回路のインピーダンスの虚部と符号が反対のリアクタンスを有し、
   前記共振回路及び前記素子の合成インピーダンスの絶対値は、前記コイルの内部抵抗よりも小さいことを特徴とする磁界検出装置。
2. 前記コイルの自己インダクタンスをＬｓ、前記コンデンサのキャパシタンスをＣ₁とした場合に、前記コイルのインピーダンスの絶対値は√（２Ｌｓ／Ｃ₁）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出装置。
3. 前記素子の前記検出周波数におけるリアクタンスは、前記共振回路のインピーダンスの虚部の大きさと等しいことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出装置。
4. 前記素子は、第２のコンデンサと、巻き線状の第２のコイルと、抵抗器との少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁界検出装置。
5. 前記素子は、前記共振回路に対して直列接続された前記第２のコンデンサと、該第２のコンデンサと前記低雑音増幅器との間に設けられ、前記共振回路に対して並列接続された前記抵抗器とを含むことを特徴とする請求項４に記載の磁界検出装置。
6. 前記素子は、所定の周波数帯域の電気信号をカットするフィルタを構成することを特徴とする請求項５に記載の磁界検出装置。

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