JP6414498B2 - 差動型磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、離れた２つの地点に配設された２つの磁気インピーダンスセンサにより、２つの地点共通の背景磁場成分を消去して、一方の磁気インピーダンスセンサによって、局所的な微弱磁場の検出を可能にする磁気センサに関するものである。

近年、物理化学研究の分野で鉄粉等のような非常に微弱な磁気を計測するニーズが多くなっており、異なる２つの地点の磁場の差を高感度で計測することで局所的な微弱磁場を計測できる高感度な差動型磁気センサのニーズが多くなってきている。

ここで差動型磁気センサとは、２つの磁気インピーダンスセンサより成る磁気検知手段を用い、一方の磁気センサを鉄粉等の測定対象物に近づけ、もう一方の磁気センサを鉄粉等の測定対象物から離れた位置に配置して、それぞれの地点の磁気センサの磁場信号の差を演算することにより、２つの地点共通の背景磁場成分すなわち背景ノイズ成分（地磁気等）を消去し、鉄粉等の測定対象物のみから発生している磁場等、局所的な微弱磁場を抽出可能とするものである。

ここで磁気インピーダンスセンサは、感磁体としてアモルファスワイヤあるいは薄膜体を用いて磁気インピーダンス素子を構成することができるが、ここではアモルファスワイヤを用いた例を中心に説明する。すなわち、磁気インピーダンスセンサは、特許文献１に示されるようにアモルファスワイヤ等の感磁体にパルス電流あるいは高周波電流を通電することにより、アモルファスワイヤに磁気インピーダンス効果を発現させ、これにより生じる外部磁場（アモルファスワイヤが置かれている周囲の磁場）に対応する交流電圧を、前記アモルファスワイヤの両端またはアモルファスワイヤに巻回した検出コイルの両端から取り出し、サンプルホールド回路その他の信号処理回路によって、磁気あるいは磁場信号電圧として出力するものである。

前記従来の差動型磁気センサは、図１に示されるように、距離Ｌ［ｍ］離れた二つの地点の磁場Ｈ１、Ｈ２の環境におかれた検出感度が互いに等しい２つの磁気検知手段Ｓ１、Ｓ２と、この磁気検知手段から得られる磁場信号の差を求める差動演算手段ＤＡとによって、２つの磁気検知手段から得られる磁場信号の差Ｈ１−Ｈ２を出力するものである。

ＷＯ２００５／０１９８５１号公報

しかしながら、たとえば直径０．１ｍｍの鉄粉の磁場が１ｎＴほどと極めて小さい磁場であるのに対して、ノイズとなる背景の磁場は、例えば、地磁気を例にとると数万ｎＴとなり、測定目的の磁場に比べ非常に大きいものとなることもある。一方、これよりも低い磁場レベルである工場、作業場、実験室などのモータ、照明器具等から発せられる背景磁気ノイズでも、数百ｎＴ以上のこともあり、たとえば２つの磁気検知手段の感度差が１％であるとすると、差動演算の結果、すなわち前記Ｈ１−Ｈ２に相当する残留磁場成分が数ｎＴ相当の背景磁場として残ってしまい、前記鉄粉による磁場成分の１ｎＴと区別ができないという不都合が生じる。そして、これにより大きい背景磁場の場合には、さらに感度差の影響が大きくなる。従って、このような局所的に存在する微弱磁場を精度よく抽出するためには、２つの磁気検知手段の検出感度の差が極力小さくなるようにし、理想的にはほぼ一致させる必要があり、２つの磁気信号が差動演算手段に入力されるまでに精確に検出感度を合わせておく必要がある。

このため従来においては、２つの磁気検知手段の特性が互いに一致するようにインライン検査をしながら製作するか、あるいは複数製作した中から特性の一致するものを選択して用いるという手法がとられてきたが、このような手法は工数および時間が増加することから、製作費用が高額になるという問題があった。

本発明者らは上記課題を解決し、高感度差動型磁気センサを安価に製作可能とするために、磁気インピーダンスセンサに信号調整手段を付加することによって、前記磁気インピーダンス素子の感度特性にばらつきによる差があっても検出された磁場信号電圧が差動演算手段に入力されるまでの間において調整され、２つの磁気検知手段の検出感度を極力等しいと見做せるように調整するという本発明の第１の技術的思想に着眼したものである。

本発明者らは、さらに検出感度の異なる前記２つの磁気インピーダンスセンサの検出感度の差異に対応して、信号調整手段により駆動手段から供給される駆動電流を調整するという本発明の第２の技術的思想に着眼するとともに、信号調整手段により２つの磁気インピーダンス素子に接続される信号処理手段の利得を調整するという本発明の第３の技術的思想に着眼した。
すなわち、前記した通り、差動型磁気センサで鉄粉等の局所的な微小磁場を測定しようとすると、２つの磁気インピーダンス素子の検出感度をほぼ一致させる必要があるが、実際には、製造上のばらつき等により、同じ検出感度の磁気インピーダンス素子を提供しようとしても、結果的に検出感度に差が生じてしまう場合がある。本発明では、このような場合でも信号調整手段を設けて、前記検出感度の差に応じて駆動電流または信号処理手段の利得が調整されることにより、局所的な微小磁場を精度良く測定可能とすることができる。

以上の検討の結果得られた本発明（請求項１に記載の第１発明）の差動型磁気センサは、
駆動電流を出力する駆動手段と、離れた２つの地点に配設された前記駆動電流が印加される２つの感磁体より成る２つの磁気インピーダンス素子を備え、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する磁場信号電圧を出力する２つの磁気検知手段と、
前記２つの磁気検知手段から出力される２つの磁場信号電圧の差を演算することにより、前記２つの地点の磁場の強さの差の信号を出力する差動演算手段とから成る差動型磁気センサにおいて、
前記駆動手段と前記差動演算手段との間に設けられ、検出感度の異なる前記２つの磁気インピーダンス素子を備えた前記２つの磁気検知手段が、前記感磁体の周辺の磁場強さが同じであれば同じレベルの磁場信号電圧を出力するように前記２つの磁気インピーダンス素子の異なる検出感度に応じて出力信号を調整する信号調整手段を備え、
互いに磁気インピーダンス素子の検出感度が略同じであると見做せるような出力信号を調整するようにして、前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、該背景磁場成分に比べて微弱な磁場を検出するように構成されている
ものである。

本発明（請求項２に記載の第２発明）の差動型磁気センサは、
前記第１発明において、
前記信号調整手段として、前記２つの磁気インピーダンス素子を構成する前記感磁体の検出感度の差異に対応して、前記駆動手段から供給される前記駆動電流が調整されるように構成されているものである。

本発明（請求項３に記載の第３発明）の差動型磁気センサは、
前記第１発明において、
前記信号調整手段として、前記２つの磁気インピーダンスセンサを構成する前記感磁体の検出感度の差異に対応して、前記２つの磁気インピーダンス素子に接続される前記磁気検知手段を構成する信号処理手段の利得が調整されるように構成されているものである。

上記構成より成る第１発明の差動型磁気センサは、駆動電流を出力する駆動手段と、離れた２つの地点に配設された前記駆動電流が印加される２つの感磁体より成る２つの磁気インピーダンス素子を備え、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する磁場信号電圧を出力する２つの磁気検知手段と、前記２つの磁気検知手段から出力される２つの磁場信号電圧の差を演算することにより、前記２つの地点の磁場の強さの差の信号を出力する差動演算手段とから成る差動型磁気センサにおいて、前記駆動手段と前記差動演算手段との間に設けられた前記信号調整手段が、前記２つの磁気インピーダンス素子の異なる検出感度に応じて出力信号を調整することにより、検出感度の異なる前記２つの磁気インピーダンス素子を備えた前記２つの磁気検知手段が周辺の磁場強さが同じであれば同じレベルの磁場信号電圧を出力するように出力信号を調整し、互いに磁気検知手段の検出感度が略同じであると見做せるような出力信号を調整するようにして、前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、局所的な前記背景磁場成分に比べて微弱である磁場の検出を可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る第２発明の差動型磁気センサは、前記第１発明における前記信号調整手段として、前記２つの磁気インピーダンス素子を構成する前記感磁体の検出感度の差異に対応して、前記駆動手段から供給される前記駆動電流が調整されるように構成されていることにより、前記２つの磁気インピーダンス素子が検出感度が異なっていても前記アモルファスワイヤの周辺の磁場強さに対応する磁場信号電圧を出力する際に、互いに検出感度が略同じとなるような磁場信号電圧に調整されて出力されるため、前記２つの地点共通の背景磁場成分を消去して、局所的な微弱磁場の精確な検出を可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る第３発明の差動型磁気センサは、前記信号調整手段が、前記２つの磁気インピーダンス素子を構成する前記感磁体の検出感度の差異に対応して、前記２つの磁気インピーダンス素子に接続される前記それぞれの信号処理手段の利得が調整されるように構成されているので、検出感度が異なる前記２つの磁気インピーダンス素子を用いても、前記差動演算手段へ入力するまでの間に互いに略同一の感度となるように前記信号処理手段の利得を調整することができるので、前記２つの地点共通の背景磁場成分を消去して、局所的な微弱磁場の精確な検出を可能にするという効果を奏する。

従来の差動型磁気センサにおける基本構成を説明するためのブロック回路図である。 本発明の第１実施形態の差動型磁気センサの要部を説明するためのブロック回路図である。 本発明の第２実施形態の差動型磁気センサの要部を示す回路図である。 本発明の第３実施形態の差動型磁気センサの要部を示す回路図である。 本発明の第１実施例の差動型磁気センサの詳細を示す詳細回路図である。 本発明の第２実施例の差動型磁気センサの詳細を示す詳細回路図である。 本発明の第３実施例の差動型磁気センサの詳細を示す詳細回路図である。 本発明の第４実施例の差動型磁気センサの要部を示す部分詳細回路図である。 本発明の第５実施例の差動型磁気センサの要部を示す部分詳細回路図である。 本第５実施例の差動型磁気センサによる計測例および信号調整手段を適用しない比較例における計測例を示す線図である。

以下、本発明の最良の実施の形態について、実施形態および実施例に基づき、図面を用いて説明する。

実施形態１

本第１実施形態の差動型磁気センサは、図２に示される様に２つの感磁体としてのアモルファスワイヤを備える磁気インピーダンス素子を含む２つの磁気検知手段Ｓ１およびＳ２と差動演算手段ＤＡからなり、異なる２つの地点の磁場の差の信号を出力する差動型磁気センサにおいて、前記磁気検知手段Ｓ１およびＳ２と差動演算手段ＤＡとの間に前記２つの磁気インピーダンス素子の前記アモルファスワイヤの検出感度の差に応じて周辺の磁場強さが同じであれば同じ大きさの磁場信号電圧が出力されるように出力信号を調整する信号調整手段ＳＴを設けるものである。

上記構成より成る第１実施形態の差動型磁気センサは、前記信号調整手段ＳＴが前記２つの磁気インピーダンス素子の検出感度に応じて信号を調整するので、前記２つの磁気インピーダンス素子の間に仮に検出感度に差異があったとしても２つの磁気インピーダンス素子の周辺の磁場強さが同じであれば、同じ大きさの磁場信号電圧が出力されると見做せるように、信号電圧が調整される。従って、前記差動演算手段ＤＡにより前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、局所的な微弱磁場の検出を可能にするという効果を奏する。

実施形態２

本第２実施形態の差動型磁気センサは、前記第１実施形態において、図３に示されるように前記２つの磁気インピーダンスセンサＳ１およびＳ２が、前記アモルファスワイヤより成る磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２とパルス電流を出力する駆動回路ＤＣを含み、前記それぞれの磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２の検出感度とそれぞれの磁気インピーダンス素子に印加される駆動電流との積が互いに略等しくなるように前記磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２と前記駆動回路ＤＣとの間に前記信号調整手段ＳＴとして抵抗回路ｒ１およびｒ２を挿入するものである。

上記構成より成る第２実施形態の差動型磁気センサは、前記駆動回路ＤＣに挿入された前記抵抗回路ｒ１およびｒ２の抵抗値が、前記２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２の検出感度の比率に応じた駆動電流が印加されるように設定されているので、前記２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２の周辺の磁場強さに対応する交流電圧を検出コイルＫＣ１およびＫＣ２を介して出力するとともに前記駆動回路ＤＣのもう一つのパルス出力によって動作するアナログスイッチＡＳ１１、ＡＳ２１とコンデンサＣｈ１１、Ｃｈ２１からなるサンプルホールド回路ＳＨ１、ＳＨ２により磁場信号に変換し、前記差動演算手段ＤＡにより前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、微小鉄粉等に基づく局所的な微弱磁場の精確な検出を可能にするという効果を奏する。

実施形態３

本第３実施形態の差動型磁気センサは、図４に示されるように前記２つの磁気インピーダンスセンサＳ１およびＳ２は、増幅回路Ａ１およびＡ２を含むサンプルホールド回路ＳＨ１およびＳＨ２を含み、前記それぞれの感磁体より成る磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２の検出感度とそれぞれの磁気インピーダンス素子に接続される信号処理手段としてのサンプルホールド回路ＳＨ１およびＳＨ２の利得との積が互いに略等しくなるように、前記信号調整手段ＳＴとして抵抗回路（図示せず）を挿入して前記サンプルホールド回路ＳＨ１およびＳＨ２の前記増幅回路Ａ１およびＡ２の増幅度が設定されているものである。

上記構成より成る第３実施形態の差動型磁気センサは、前記サンプルホールド回路ＳＨ１およびＳＨ２の前記増幅回路Ａ１およびＡ２の増幅度が、前記２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２の検出感度の比率に応じて設定されているので、前記２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１およびＥ２の周辺の磁場強さが同一であれば対応する磁場信号電圧に基づく増幅出力が同じ値と見做せるように調整され、前記差動演算手段ＤＡに出力されることにより、前記差動演算手段ＤＡの演算により前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、局所的な微小鉄粉等に基づく微弱磁場の精確な検出を可能にするという効果を奏する。

第１実施例の差動型磁気センサは、２つのアモルファスワイヤに通電する駆動電流を検出感度に応じて調整することにより、感度を一致させるもので、ある２点の外部磁場強さＨ１およびＨ２の差すなわち磁場の差（Ｈ１−Ｈ２）を計測する差動型磁気センサ、すなわち高感度磁気傾度計を構築するもので、本第１発明および第２発明に基づく実施例である。

第１実施例の差動型磁気センサは、図５に示されるように検出コイル１２および２２が卷回された感磁体としての第１および第２のアモルファスワイヤ１１および２１と、２つのパルスＰ１およびＰ２を出力するパルス発振回路１０と、２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１０およびＥ２０を構成する前記第１および第２のアモルファスワイヤ１１および２１を駆動する駆動電流を出力する駆動回路２と、前記第１および第２のアモルファスワイヤ１１および２１の検出感度に応じた駆動電流に調整する信号調整回路３と、前記第１および第２の検出コイル２１および２２が出力する外部磁場信号をホールドする第１および第２のサンプルホールド回路４１および４２より成る信号処理手段４と、外部磁場の差（Ｈ１−Ｈ２）を演算する差動演算手段５とから成る。

前記感磁体を構成する前記アモルファスワイヤ１１、２１からなる２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１０、Ｅ２０は、図５に示されるように距離Ｌだけ離して配置される。このＬは、通常は０．０１から１０ｍ程度のニーズが多いが、これ以外のニーズもある。

前記アモルファスワイヤ１１は、外径１０μｍ、長さ６ｍｍのＦｅＣｏＳｉＢ系合金より成り、外部磁場Ｈ１が作用するある地点に配設され、一端は後述する直列に２個接続された抵抗ｒ１１、ｒ２１の一方の抵抗ｒ１１の一端に接続され、他端は、接地、周囲に検出コイル１２が巻回されている。

前記アモルファスワイヤ２１は、外径１０μｍ、長さ６ｍｍのＦｅＣｏＳｉＢ系合金より成り、前記ある地点からＬメートル（ｍ）離れた外部磁場Ｈ２が作用する点に配設され、一端は後述する直列に２個接続された抵抗ｒ１１，ｒ２１の他方の抵抗ｒ２１の一端に接続され、他端は接地され、周囲に検出コイル２２が卷回されている。

パルス発振回路１０（詳細図は省略）は、直列に接続された２個のロジック素子と抵抗およびコンデンサから成り、一定のパルス幅のパルス出力Ｐ１を出力する第１の出力端１０Ａと、該パルス出力Ｐ１のパルス幅より狭いパルスＰ２を同期させて出力する第２の出力端１０Ｂを備えている。

駆動回路２は、所定の直流電流を出力する電圧源Ｅと、該電圧源Ｅのプラス端に一端が接続され、前記パルス発振回路１１からのパルスＰ１が制御端に出力されている時に前記電圧源Ｅから出力される直流電流を供給するように制御する電子スイッチＤＳとから成る。

前記信号調整回路３は、直列に接続された第１および第２の抵抗ｒ１１およびｒ２１とから成り、該第１の抵抗ｒ１１と第２の抵抗ｒ２１との接続点ｒｃが前記駆動回路２の前記電子スイッチＤＳの他端に接続され、前記電子スイッチＤＳの前記制御端に前記パルス出力Ｐ１が印加されている間は、前記接続点に電圧源Ｅからの直流電流が通電されるように構成されている。

前記第１の検出コイル１２は、一端１２１が所定の直流電位の直流電源（図示せず）に接続され、他端１２２がサンプルホールド回路４１のアナログスイッチＡＳ１１に接続され、両端の間に前記アモルファスワイヤ１１が置かれている周囲の外部磁場Ｈ１に対応する交流電圧が発生し、出力するように構成されている。

前記第２の検出コイル２２は、一端２２１が所定の直流電位の直流電源（図示せず）に接続され、他端２２２がサンプルホールド回路のアナログスイッチＡＳ２１に接続され、前記両端２２１，２２２の間に前記アモルファスワイヤ２１に前記信号調整回路３の前記第２の抵抗ｒ２１を介して駆動電流が印加されている時に、前記アモルファスワイヤ２１が置かれている周囲の外部磁場Ｈ２に対応する交流電圧が発生し、出力するように構成されている。

前記信号処理手段４は、図５に示されるように前記第１の検出コイルに接続された第１のサンプルホールド回路４１と前記第２の検出コイルに接続された第２のサンプルホールド回路４２とから成る。

前記第１のサンプルホールド回路４１は、前記第１の検出コイル１２の前記他端１２２に一端が接続されるとともに、制御端が前記パルス発振回路１０の第２の出力端１０Ｂに接続された第１のアナログスイッチＡＳ１１と、該第１のアナログスイッチＡＳ１１の他端に一端が接続されるとともに、他端が前記直流電源（図示せず）に接続されたホールドコンデンサＣｈ１１とから成り、前記アナログスイッチＡＳ１１の他端に接続され、ホールドされた磁場Ｈ１に対応する電圧を増幅して出力する第１の緩衝増幅器Ａ１１を備えている。

前記第２のサンプルホールド回路４２は、前記第２の検出コイル２２の前記他端２２２に一端が接続されるとともに、制御端が前記パルス発振回路１０の前記第２の出力端１０Ｂに接続された第２のアナログスイッチＡＳ２１と、該第２のアナログスイッチＡＳ２１の他端に一端が接続されるとともに、他端が前記直流電源（図示せず）に接続されたホールドコンデンサＣｈ２１とから成り、前記アナログスイッチＡＳ２１の他端に接続され、ホールドされた磁場Ｈ２に対応する電圧を増幅して出力する第２の緩衝増幅器Ａ２１を備えている。

前記差動演算手段５は、前記第１の緩衝増幅器Ａ１１の出力端Ｐ１１にプラス入力端が接続されるとともに、前記第２の緩衝増幅器Ａ２１の出力端Ｐ２１にマイナス入力端が接続され、前記第１および第２の緩衝増幅回路Ａ１１およびＡ２１からの出力電圧の差の電圧を出力する差動増幅器Ａ３１によって構成されている。

上記構成より成る第１実施例の差動型磁気センサにおける２つの磁気インピーダンスセンサの検出感度の調整について説明する。
前記アモルファスワイヤ１１、２１と前記検出コイル１２、２２からなる磁気インピーダンス素子Ｅ１０、Ｅ２０は、それぞれ製造過程においてばらつきが発生するので、磁気インピーダンス素子として組上げたときには、互いに検出感度における差を持つおそれがある。

たとえば前記パルスＰ１に基づき、前記アモルファスワイヤ１１、２１に所定の同じパルス電流を流したときの磁気インピーダンス素子としての検出感度をｋ１、ｋ２とすると、両者の素子の感度に差異がある場合には通常以下の数１に示されるように検出感度ｋ１とｋ２は同じ値にならなくなる。

（数１）
ｋ１≠ｋ２

したがって上記２つの磁気インピーダンス素子を同一の基準となる磁場環境Ｈ０においたときの前記緩衝増幅器Ａ１１、Ａ２１の利得を１とすると出力端子Ｐ１１、Ｐ２１のそれぞれの出力Ｈ０×ｋ１およびＨ０×ｋ２は、以下の数２に示されるように同じ出力にはならない。製造上のばらつきによる検出感度の差異は微差のことが多く、大きな差異となることは少ないかもしれないが、前記した用途のように、例えば数ｎＴレベルの非常に微小な鉄粉の磁場を測定しようとする場合には、このような検出感度の違いは、致命的な精度低下の原因となる。

（数２）
Ｈ０×ｋ１≠Ｈ０×ｋ２

すなわち前記出力端子Ｐ１１、Ｐ２１は、前記差動演算手段５としての差動増幅器Ａ３１の入力端子を兼ねているので、該差動演算手段５の入力端子における２つの磁気検知手段の出力が異なるということであり、精確な磁場検出を可能にする差動型磁気センサとはならないため、検出感度の調整が必要になる。

前記２つの磁気インピーダンス素子の検出感度ｋ１、ｋ２は、前記パルスＰ１にもとづいて前記駆動回路２による前記アモルファスワイヤ１１、２１に流される電流の大きさに略比例するので、前記２つのアモルファスワイヤ１１、２１に流す電流を調整することにより、磁気インピーダンス素子としての検出感度の調整をすることができることになる。

すなわち前記２つの磁気検知手段の検出感度を同一にするには、検出感度の低い側の磁気インピーダンス素子のアモルファスワイヤに対してより大きなパルス電流を流すようにするか、または検出感度の高い側のアモルファスワイヤに対するパルス電流を減らすことで達成できるのである。

すなわち各アモルファスワイヤ１１、１２に流すパルス電流を、以下の数３に示される関係が成立するパルス電流ｉ１１、ｉ２１とすることにより、２つの磁気インピーダンス素子の検出感度を実質的に同一にすることができるのである。

（数３）
Ｈ０×ｋ１×ｉ１１＝Ｈ０×ｋ２×ｉ２１

上記の式を整理すると、以下の数４に示されるようになる。すなわちこれが、２つの磁気インピーダンス素子の検出感度とそれぞれの磁気インピーダンス素子の駆動電流との積を互いに略等しくすることによって、検出感度を実質的に同一にする技術的原理である。

（数４）
ｋ１×ｉ１１＝ｋ２×ｉ２１

前記２つのアモルファスワイヤ１１、１２に流れるパルス電流ｉ１１、ｉ２１は、２つのアモルファスワイヤの抵抗値をｗ１１、ｗ２１および駆動回路２の電源Ｅの電圧をＥｄとすると、以下の数５および数６のようになる。なお、以下抵抗器の説明として記載するｒ２１、ｒ２２等は、抵抗器の記号と抵抗値の両方を兼ねる意味で記載する。

（数５）
ｉ１１＝Eｄ／（ｒ１１＋ｗ１１）

（数６）
ｉ２１＝Eｄ／（ｒ２１＋ｗ２１）

上記数５および数６を、上述の数４に適用すると、以下の数７が得られる。

（数７）
ｒ２１＝ｋ２／ｋ１（ｒ１１＋ｗ１１）−ｗ２１

すなわち、一方の磁気インピーダンス素子に所望の検出感度を与えるための駆動電流を印加することが出来る抵抗値の抵抗器ｒ１１を決定し、もう一方の磁気インピーダンス素子にこれと同じ感度を得るための抵抗器ｒ２１の抵抗値を上記数７により決定して、前記信号調整手段３として前記駆動回路２に前記抵抗器ｒ１１、ｒ２１より成る抵抗回路を挿入して駆動電流を調整すればよいのである。これにより２つの磁気検知手段のトータルの検出感度を実質的に同一と見做せるように調整することができるのである。

上記構成より成り、上述の調整が成された第１実施例の差動型磁気センサは、２つの磁気検知手段としての前記２つの磁気インピーダンスセンサと１つの差動演算手段とからなり、各磁気インピーダンスセンサはそれぞれのアモルファスワイヤ１１、２１をパルス駆動するための共通のパルス発振回路１０とアモルファスワイヤ駆動回路２を備えている。

すなわち前記パルス発振回路１０は、互いに同期関係にある所定周期のパルスＰ１とＰ２を２つの出力端１０Ａおよび１０Ｂより出力する。
前記駆動回路２において、電子スイッチＤＳはその制御端子が、前記パルス発振回路１０の前記パルスＰ１を出力する出力端１０Ａに接続され、接点が開閉制御される。該電子スイッチＤＳの一方の接点電極は、前記電圧源Eに接続され、もう一方の接点電極は前記アモルファスワイヤ１１、２１に直列接続された抵抗器 ｒ１１、 ｒ２１にそれぞれ接続されていることから、これにより前記パルスＰ１のオンオフに対応して前記アモルファスワイヤ１１、２１に対して、それぞれパルス電流ｉ１１、ｉ２１が通電される。

このパルス電流により前記アモルファスワイヤ１１、２１は、磁気インピーダンス効果を発現し、前記検出コイル１２、２２の各端子間にそれぞれのアモルファスワイヤ１１、２１が置かれている周囲の外部磁場Ｈ１、Ｈ２に対応する交流電圧が発生する。

この交流電圧はアナログスイッチＡＳ１１、ＡＳ２１とホールドコンデンサＣｈ１１、Ｃｈ２１と緩衝増幅器Ａ１１、Ａ２１からなる２つのサンプルホールド回路４１および４２により、前記パルスＰ２に基づき所定のタイミングでそれぞれサンプルされ、前記ホールドコンデンサＣｈ１１、Ｃｈ２１に電圧としてホールドされ、該緩衝増幅器Ａ１１、Ａ２１からそれぞれ出力される。
該緩衝増幅器Ａ１１、Ａ２１の各出力端子Ｐ１１、Ｐ２１から出力される出力は、前記磁場Ｈ１とＨ２に対応し、かつ、両者の検出感度が同じと見做せるような出力に調整された出力となっている。

よって第１実施例の差動型磁気センサは、前記差動演算手段５を構成する前記差動増幅器Ａ３１に入力されるまでの間に２つの磁気検知手段の検出感度を極力等しくするような出力に調整することができるので、従来のように同じ感度の磁気インピーダンス素子の組み合わせを探す工程も不要で、かつ生産した磁気インピーダンス素子をすべて有効に活用して、安価で微小鉄粉等の微弱磁場の高感度および高精度の検出を可能にするとともに、高感度・高精度の差動型磁気センサを実現することができるという作用効果を奏する。

第２実施例の差動型磁気センサは、図６に示されるように上述の第１実施例の差動型磁気センサにおける前記信号調整手段３に対して、可変抵抗ｒ３２を付加するもので、以下相違点を中心に説明する。

前記信号調整手段において、電流調整を行う抵抗器の選択工程に可変抵抗器を用いる例であって、本第２実施例においては固定抵抗器ｒ１２、ｒ２２は同じ抵抗値とし、可変抵抗器ｒ３２の一方の電極と摺動子との間の抵抗値をｒａ、もう一方の電極と摺動子との間の抵抗値をｒｂとすると、パルス電流ｉ１１、ｉ２１は以下の数８および数９のごとく設定できる。

（数８）
ｉ１１＝Ｅｄ／（ｒ１２＋ｒａ＋ｗ１１）

（数９）
ｉ２１＝Ｅｄ／（ｒ２２＋ｒｂ＋ｗ２１）

この数８および数９を上記数４に適用すると、以下の数１０を得ることが出来る。

（数１０）
ｒｂ＝ｋ２／ｋ１（ｒ１１＋ｒａ＋ｗ１１）−（ｒ２１＋ｗ２１）

すなわち前記信号調整手段３として前記駆動回路２と前記アモルファスワイヤ１１および２１の間に抵抗ｒ１２、ｒａおよびｒ２２、ｒｂによる抵抗回路３２を介挿配設することで、２つの磁気検知手段のトータルの検出感度を実質的に同一と見做せるように調整することができるのである。

本第２実施例の差動型磁気センサは、前記可変抵抗器ｒ３２により抵抗値ｒａおよびｒｂを連続的に高精度で設定ができるので、上述の第１実施例における固定抵抗器の取替え作業に比べて、感度を同一にするための工程の生産性をいちじるしく向上させることが出来るとともに、検査中に検出感度のバランスが変化しても、速やかに調整して対応出来るという作用効果を奏する。

本第２実施例においては、電子回路を簡略化する観点より磁気インピーダンス素子Ｅ１０、Ｅ２０の各検出コイル１２、２２を差動接続することにより、前記第１実施例における差動増幅器を省略するものである。

すなわち本第２実施例の差動型磁気センサは、各検出コイル１２、２２の巻終わり電極ｂ、ｄを互いに接続して、巻き始め電極ａとｃの両電極間の電圧すなわち前記検出コイル１２、２２に生じる前記交流電圧の差の電圧を前記アナログスイッチＡＳ３１および前記ホールドコンデンサＣｈ３１から成り、前記緩衝増幅器を省略した１個のサンプルホールド回路のみによって、サンプルホールドすることにより、２つの磁場Ｈ１とＨ２との差の磁場信号を、緩衝増幅器を兼ねた差動演算手段５としての高入力インピーダンス増幅器Ａ３２の出力端子から出力するものであるので、電子回路を簡素化することにより、コストダウンを可能にして、精確な微弱磁場検出を可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る第２実施例の差動型磁気センサは、高入力インピーダンス増幅器Ａ３２が、通常のＯＰアンプ（演算増幅器）を用いて高入力インピーダンス増幅回路を実現することも可能であり、高感度差動型磁気センサをより安価に実現するという作用効果を奏するものである。

本第３実施例の差動型磁気センサは、信号処理手段におけるサンプルホールド回路において利得調整する本第３発明に基づく実施例であり、以下上述した第１実施例との相違点を中心に説明する。

本第３実施例の差動型磁気センサは、前記した本第１実施例および第２実施例とは異なり、アモルファスワイヤに通電する駆動電流の調整によって、感度を調整するものではなく、図７に示すように前記２つのアモルファスワイヤ１１、２１は、従来の差動型磁気センサと同様に同じ抵抗値の抵抗器ｒ０を介して同じパルス電流で駆動されている。従って、製造工程のばらつき等により、前記２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１０およびＥ２０の検出感度が相違していた場合には、前記２つの磁気インピーダンス素子からの出力は互いに異なることとなる。

そこで、本第３実施例においては、磁気インピーダンス素子の検出感度の調整は前記信号処理手段４としての前記サンプルホールド回路に信号調整手段３としての抵抗回路３３１，３３２を挿入することにより、１以下の利得として減衰率を調整することにより行うものである。

より具体的には、緩衝増幅器としてＯＰアンプによる増幅度１のフォロワーＡ１１、Ａ２１の出力端子と出力端子Ｐ１１、Ｐ２１との間に直列に接続された抵抗器ｒ１１、ｒ１２からなり、一端が直流電流源（図示せず）に接続され他端がフォロアーＡ１１の出力端に接続されるとともに、抵抗器ｒ１１およびｒ１２の接続点が前記出力端子Ｐ１１に接続された第１の抵抗回路３３１と、直列に接続された抵抗ｒ２１、ｒ２２とからなり、一端が直流電流源（図示せず）に接続され他端がフォロアーＡ２１の出力端子に接続されるとともに、抵抗器ｒ２１およびｒ２２の接続点が前記出力端子Ｐ２１に接続された第２の抵抗回路３３２をそれぞれ挿入するものである。

前記第１および第２の抵抗回路の減衰率は、
ｒ１１／（ｒ１１＋ｒ１２）および
ｒ２１／（ｒ２１＋ｒ２２）である。

ここで前記２つの磁気インピーダンス素子Ｅ１０およびＥ２０の固有の検出感度をｋ１、ｋ２とするとき、以下の数１１に示されるように前記抵抗器ｒ１１、ｒ１２、ｒ２１、ｒ２２の抵抗値を設定することにより、前記差動演算手段５を構成する差動増幅器Ａ３３に入力されるまでの間に前記２つの磁気インピーダンス素子の検出感度が実質的に等しいと見做せるような出力信号に調整することができるのである。

（数１１）
ｋ１×ｒ１１／（ｒ１１＋ｒ１２)＝ｋ２×ｒ２１／（ｒ２１＋ｒ２２）

具体的には、以下の数１２に示されるようであり、前記抵抗器ｒ１１、ｒ１２、ｒ２１の抵抗値をあらかじめ決定し、ｒ２２の抵抗値を下記数１２に基づき算出して前記抵抗回路に適用するものである。

（数１２）
ｒ２２＝（ｋ２×ｒ２１）／（ｋ１×ｒ１１）×（ｒ１１＋ｒ１２）−ｒ２１

なお前記抵抗ｒ１１、ｒ２１は、一例として緩衝増幅器Ａ１２、Ａ２１に対して大きな負荷とならない通常１ｋΩ以上とし、前記抵抗ｒ１２は抵抗ｒ１１との比において減衰率がたとえば１０％程度となるようたとえば０．１ｋΩとした。 これは磁気インピーダンス素子の検出感度のばらつきが高々数％以内であるので、この範囲内で如何なるばらつきに対しても信号調整を可能にするｒ２２の抵抗値の算出を可能にするためである。
なお前記抵抗器 ｒ１１、ｒ１２、ｒ２１、ｒ２２として可変抵抗器を採用することもできる。

上記構成より成る第３実施例の差動型磁気センサは、製造上のばらつき等により前記２つの磁気インピーダンス素子の検出感度に差異が生じた場合であっても、前記サンプルホールド回路４１および４２に介挿された信号調整手段としての第１および第２の抵抗回路３３１および３３２によって、前記差動演算手段５を構成する差動増幅器Ａ３３に入力される出力信号は、磁気検知手段の最終的な検出感度が実質的に同一になると見做せるような出力信号に調整することができるので、前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、検出すべき微小鉄粉等に基づく局所的な微弱磁場の精確な検出を可能にするという効果を奏する。

第４実施例の差動型磁気センサは、低価格化を可能にするために、図８に要部が示されるように、上述の第３実施例における差動演算手段５に対応するものとして、高入力インピーダンスの差動増幅器Ａ３４を用いることと、信号処理手段４としてのサンプルホールド回路４１および４２の緩衝増幅器A１１、A２１を省略したものであり、以下相違点を中心に説明する。

前記サンプルホールド回路４１および４２のホールドコンデンサＣｈ１、Ｃｈ２と前記差動演算手段５としての高入力インピーダンス差動増幅器Ａ３４の入力端子Ｐ１１、Ｐ２１との間に、前記信号調整手段３として挿入する抵抗器ｒ１１、 ｒ１２および抵抗ｒ２１、ｒ２２からなる抵抗回路３３１および３３２による減衰回路を挿入するものである。

ここで ２つの磁気インピーダンス素子の検出感度を同一にする条件は、図７と同様であり既に記載した数１２に基づいてｒ２２を算出する。

ここで抵抗器ｒ１１、ｒ２１とサンプルホールド回路４１および４２のホールドコンデンサＣｈ1、Ｃｈ２との積で決まる放電時定数ｔ１、ｔ２は、以下の数１３および数１４のようになる。

（数１３）
ｔ１＝（ｒ１１＋ｒ１２）×Ｃｈ１≒ｒ１１×Ｃｈ１ ∵ ｒ１１≫ｒ１２

（数１４）
ｔ２＝（ｒ２１＋ｒ２２）×Ｃｈ２≒ｒ２１×Ｃｈ２ ∵ｒ２１≫ｒ２２

前記パルス発振回路１０から出力される前記パルスＰ１、Ｐ２の周期をＴとすると、前記サンプルホールド回路４１および４２による磁気信号の更新も周期Ｔで行われる。
上記放電時定数ｔ１、ｔ２がこの周期Ｔと同じか、それよりも大、すなわち以下の数１５を満足するものであれば、サンプルホールドされたホールドコンデンサの電圧、すなわち検出した磁場信号を次の新たなサンプルホールドのタイミングまで所定の正確さで保持することができる。

（数１５）
ｔ１、ｔ２ ≥ Ｔ

この場合に前記差動増幅器Ａ３４の入力インピーダンスが、前記抵抗器ｒ１１、 ｒ２１よりも十分高ければ、図７に示された前記緩衝増幅器Ａ１１、Ａ２１を省略することができるのである。

なお本第４実施例においては前記パルスＰ１、Ｐ２の繰り返し周期Ｔを１μｓ（マイクロ秒）、前記抵抗回路３３１、３３２によって構成される減衰回路の抵抗器の抵抗器ｒ１１、ｒ２１を、一例として３００ｋΩ、コンデンサＣｈ1、Ｃｈ２を１００ｐＦ（ピコファラッド）に設定した。

この場合の前記放電時定数ｔ１、ｔ２は、以下の数１６および数１７のようになる。

（数１６）
ｔ１＝ｒ１１×Ｃｈ１＝３００×１０３×１００×１０−１２＝３０×１０−６＝３０μｓ

（数１７）
ｔ２＝ｒ２１×Ｃｈ２＝３００×１０３×１００×１０−１２＝３０×１０−６＝３０μｓ

よって前記放電時定数ｔ１、ｔ２は、ともにパルスＰ１、Ｐ２の周期Ｔ＝１μｓよりも十分大であり、前記数１５が成り立ち、また通常の高入力インピーダンス増幅器の入力インピーダンスは、抵抗器ｒ１１、ｒ２１に用いた３００ｋΩに比べて無視できるほど高いので、前記のごとく緩衝増幅器を省略できた。

なお前記信号調整手段３としての抵抗器ｒ１１とｒ１２およびｒ２１とｒ２２からなる前記抵抗回路３３１および３３２より成る減衰回路により、２つの信号検知手段の感度を精確度高く調整できることは上記説明したとおりである。

以上から明らかな様に第４実施例の差動型磁気センサは、上述の第３実施例における緩衝増幅器としてのＯＰアンプのフォロワー回路を用いる必要がないので、さらなる低コスト化が実現できるという作用効果を奏する。
なお第３実施例と同様に前記抵抗器ｒ１１、ｒ１２、ｒ２１、ｒ２２として可変抵抗器を採用することができる。

第５実施例の差動型磁気センサは、図９に示す通り、信号調整手段３としてサンプルホールド回路４１および４２の緩衝増幅器Ａ１２およびＡ２２をＯＰアンプと抵抗回路３５１，３５２による非反転増幅器によって実現して差動演算器Ａ３５に出力するものである。

前記緩衝増幅器としてＯＰアンプＡ１２、抵抗器ｒ１３、ｒ１４とＯＰアンプＡ２２、抵抗器ｒ２３、ｒ２４からなる２つの非反転増幅器の利得は、以下のように設定できる。
（１＋ ｒ１４/ ｒ１３）
（１＋ ｒ２４/ ｒ２３）

したがって 前記２つの磁気インピーダンス素子の固有の感度をｋ１、ｋ２とするとき、以下の数１８となるように、抵抗器ｒ１３、ｒ１４、ｒ２３、ｒ２４の抵抗値を設定することにより、差動演算手段Ａ３５に入力されるまでの間に前記２つの磁気インピーダンス素子の検出感度を実質的に等しくなるように調整することができるのである。

（数１８）
ｋ１×（１＋ｒ１４／ｒ１３）＝ｋ２×（１＋ｒ２４／ｒ２３）

具体的には抵抗器ｒ１３、ｒ１４の抵抗値の設定によって、一方の磁気インピーダンス素子を所望の検出感度に設定し、もう一方の磁気インピーダンス素子の検出感度は抵抗ｒ２３＝ｒ１３として数１９によって算出したｒ２４を適用する。

（数１９）
ｒ２４＝ｒ２３／ｋ２×（ｋ２−ｋ１−ｋ１×ｒ１４／ｒ１３）
なお前記抵抗器 ｒ１３、ｒ１４、ｒ２３、ｒ２４を可変抵抗器によって構成することができる。

上記構成より成る第５実施例の差動型磁気センサは、前記信号調整手段３として前記サンプルホールド回路４１および４２の緩衝増幅器Ａ１２およびＡ２２をＯＰアンプと抵抗回路３５１，３５２による非反転増幅器によって実現して差動演算器Ａ３５に出力するものであるので、前記抵抗回路３５１および３５２の抵抗値を設定することにより、利得を１以上で増幅しながら実質的に磁気検知手段の最終的な検出感度が同一と見做せるような出力電圧を得ることができるため、より高感度な差動型磁気センサを実現するという作用効果を奏する。

本第５実施例の差動型磁気センサを用いて、実際に磁場計測を行った計測例について、図１０（Ａ）を用いて以下に説明する。
すなわち２つの磁気検知手段の２つの磁気インピーダンスセンサ素子の距離を３０ｍｍとし、一方をベルトコンベアーにより通過する直径０．３mmの鉄粉の通過路近傍上部に、配設するとともに、もう一方をそれよりも上部にずらして配設して、計測を行ったものである。

上記計測の結果を示す図１０（Ａ）において、ａ、ｂは、各磁気検知手段の出力端子Ｐ１１，Ｐ２１からの出力の波形を示す。ａ、ｂは、ほぼ同等の波形であり、見やすくするため図１０（Ａ）においては上下にずらして表示している。
ａの波形には鉄粉通過の微弱な磁気信号が含まれているが、ノイズとなる背景磁場成分がａ、ｂともに最大で約８０ｎＴ程度あるため、そのままでは微小な鉄粉通過時の磁気信号が、背景磁場成分に隠れてしまい、明確には視認できない。ｃは、前記差動演算器Ａ３５の差動演算の出力であり、差動演算効果により両出力の背景ノイズが約１／４００に小さくなるとともにピーク値１．２ｎＴの鉄粉通過による磁場変動波形を観察することができた。なお、ｃの波形は、磁場変動を見やすくするため、ａ、ｂに比べて縦軸のスケールを拡大して表示したものである。
なお、上記の計測実験では、地磁気が直流磁場であることを考慮し、低周波を除去するフィルタを用いて測定結果に影響が及ばないようにし、実験を行っている。

図１０（Ｂ）に示される波形ｄは、本第５実施例の特徴である信号調整手段を適用せずに上記と同じ計測を行った比較例における差動演算後の出力波形である。この場合、背景ノイズが十分に小さくならず、それによって矢印で示した位置にみられるはずの鉄粉通過の波形が隠されてしまった例である。

上述の実施形態および実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。

上述の実施形態および実施例においては、一例として感磁体としてアモルファスワイヤを採用したものについて説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものではなく、感磁体として薄膜その他のものを必要に応じて採用することができるものである。

上述の実施形態および実施例においては、一例として感磁体としてのアモルファスワイヤの周囲に巻回した検出コイルによって外部磁場を検出する例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものではなく、感磁体としてのアモルファスワイヤの両端の出力電圧によって外部磁場を検出する例を採用することができるものである。

上述の実施形態および実施例においては、一例として２つの磁気インピーダンス素子の検出感度の差に応じて、周辺の磁場強さが同じであれば同じ大きさの磁場信号電圧が出力されるように信号を調整する信号調整手段の例について説明したが、本発明としてはそれに限定されるものではなく、２つの磁気インピーダンス素子の検出感度の差を補うように信号を調整して、磁場信号電圧のレベルを等しくする信号調整手段や、２つの磁気検出手段のトータルの検知感度が等価と見做せるレベルの磁場信号電圧が出力されるように信号を調整する信号調整手段や、２つの磁気インピーダンス素子の検出感度に差があっても、２つの磁気検出手段の最終的な検知感度が等価であると仮定できるように、信号を調整する信号調整手段等を必要に応じて採用することができるものである。

理化学研究分野における微弱磁気検出、火山活動などによる地磁気その他の微小変動計測、複数の地点における磁場検出などの用途に好適である。

１１、２１ アモルファスワイヤ
１０ パルス発振回路
２ 駆動回路
３ 信号調整手段
５ 差動演算手段
１２、２２ 検出コイル
４１、４２ サンプルホールド回路

Claims (3)

1. 駆動電流を出力する駆動手段と、離れた２つの地点に配設された前記駆動電流が印加される２つの感磁体より成る２つの磁気インピーダンス素子を備え、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する磁場信号電圧を出力する２つの磁気検知手段と、
   前記２つの磁気検知手段から出力される２つの磁場信号電圧の差を演算することにより、前記２つの地点の磁場の強さの差の信号を出力する差動演算手段とから成る差動型磁気センサにおいて、
   前記駆動手段と前記差動演算手段との間に設けられ、検出感度の異なる前記２つの磁気インピーダンス素子を備えた前記２つの磁気検知手段が、前記感磁体の周辺の磁場強さが同じであれば同じレベルの磁場信号電圧を出力するように前記２つの磁気インピーダンス素子の異なる検出感度に応じて出力信号を調整する信号調整手段を備え、
   互いに磁気インピーダンス素子の検出感度が略同じであると見做せるような出力信号を調整するようにして、前記２つの地点共通の背景磁場成分を相殺して、該背景磁場成分に比べて微弱な磁場を検出するように構成されている
   ことを特徴とする差動型磁気センサ。
2. 前記請求項１において、
   前記信号調整手段が、前記２つの磁気インピーダンス素子を構成する前記感磁体の検出感度の差異に対応して、前記駆動手段から供給される前記駆動電流が調整されるように構成されていることを特徴とする差動型磁気センサ。
3. 前記請求項１において、
   前記信号調整手段が、前記２つの磁気インピーダンス素子を構成する前記感磁体の検出感度の差異に対応して、前記２つの磁気インピーダンス素子に接続される前記磁気検知手段を構成する信号処理手段の利得が調整されるように構成されていることを特徴とする差動型磁気センサ。
   
   
   

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