JP7007700B2

JP7007700B2 - 磁気計測装置

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Publication number: JP7007700B2
Application number: JP2017068879A
Authority: JP
Inventors: 晋介中山
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018169361A

Description

本発明は、磁気計測装置に関するものであり、特に磁気異方性を有する材料における磁気モーメントの変化に基づいて磁気を検出する磁気計測装置に関する。

例えばピコテスラやナノテスラのような次元での高感度の磁気の計測を行うための磁気計測装置に関する研究が広く行われており、例えば、超伝導量子干渉素子（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄｅｖｉｃｅ；ＳＱＵＩＤ）や磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）を用いた磁気計測装置が提案されている。

このうち、ＳＱＵＩＤを用いた磁気計測装置は、超電導ジョセフソン効果及び超電導コイルを用いるものであり、超電導を実現するための超低温を維持するための大規模な装置や、環境磁界を緻密に遮蔽するための設備が必要となるという課題がある。

一方、ＭＩセンサを用いた磁気センサは、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子に高周波数の交流電流を通電した時に起こる、導体表層部の電流伝導路（表皮効果）が、外部磁界に高度に影響を受けるというＭＩ効果を利用しているので、交流電流の周波数に依存して変化する現象を利用するセンサである。また、上述のＳＱＵＩＤを用いた磁気計測装置のような大規模な装置や設備を要しない利点がある。

ところで、本発明の発明者は、前記ＭＩ素子として用いられるアモルファスワイヤのような磁気異方性を有する磁性体に、あるいは、かかる磁性体に近接した導線に一過性直流電流（ステップパルス状の電流）を印可した場合に、その磁性体が磁界を発生すること、および、その発生する磁界は、その磁性体の置かれた周囲の磁界の強度に応じて異なることを見いだした。このように磁性体が発生する磁界は、前記ステップ状の電流のパルスが１つの場合、すなわち、電流が一定時間印可され、その後供給されなくなる場合でも生ずるものであるので、ＭＩ素子に交流電流を通電することによってインピーダンスの変化を生じるＭＩ効果とは本質的に異なるものである。

特開２００３－００４８３０号公報国際公開第２００５／０１９８５１号特開２０１０－２５６１０９号公報国際公開第２００９／１３０８１４号特開２０１２－１８５１０３号公報

Ｕｃｈｉｙａｍａ，Ｔ．，Ｎａｋａｙａｍａ，Ｓ．，Ｍｏｈｒｉ，Ｋ．，Ｂｕｓｈｉｄａ，Ｋ．， "ＢｉｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇｖｅｒｙｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｅＭＩｓｅｎｓｏｒｆｏｒｍｅｄｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ" ＰｈｙｓｉｃａＳｔａｔｕｓＳｏｌｉｄｉＡ－ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，２００９，２０６，６３９－６４３．Ｎａｋａｙａｍａ，Ｓ．，Ａｔｓｕｔａ，Ｓ．，Ｓｈｉｎｍｉ，Ｔ．，Ｕｃｈｉｙａｍａ，Ｔ．， "Ｐｕｌｓｅ－ｄｒｉｖｅｎｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｅｎｓｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｉｎｍｕｓｃｕｌａｔｕｒｅｓｗｉｔｈｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ" ＢｉｏｓｅｎｓｏｒｓａｎｄＢｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，２７，３４－３９．Ｎａｋａｙａｍａ，Ｓ．，Ｓａｗａｍｕｒａ，Ｋ．，Ｍｏｈｒｉ，Ｋ．，Ｕｃｈｉｙａｍａ，Ｔ．， "Ｐｕｌｓｅ－ｄｒｉｖｅｎｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｅｎｓｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃａｒｄｉａｃｍａｇｎｅｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ"，ＰＬｏＳＯＮＥ，２０１１，６（１０），ｅ２５８３４．ＭｅｌｏＬＧＣ，ＭｅｎａｒｄＤ，ＹｅｌｏｎＡ，ＤｉｎｇＬ，ＳａｅｚＳ，ＤｏｌａｂｄｊｉａｎＣ， "Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｎｏｉｓｅａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｅｎｓｏｒｓ" ＪＡｐｐｌＰｈｙｓ，２００８，１０３：０３３９０３．磁気センサ理工学（増補）毛利佳年雄コロナ社 pp1-181 (2016)

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、磁気異方性を有する磁性材料を用い、より簡易な構成を可能にする一方で精度のよい計測を可能にする磁気計測装置を提供することにある。

本願の発明者らは、磁気異方性を有する磁性材料は、周囲から磁界が加わっていない状態と測定対象となる外部磁界が加わった状態とでは、その内部磁化の配向が変化すること、また、その磁化材料の近傍に配された導線に一定量以上の電流が流された場合には、その誘導磁界に沿って（導線電流軸近傍の）磁性材料の内部磁化は整列させられることを見いだした（current induced para-axial magnetization alignment: IPA効果）。さらに、磁気異方性を有する磁性材料（具体的にはアモルファスメタルワイヤ）に、直流電流を間欠的に印可した時にも、類似の検出コイル起電力を得ることの観察から、近傍に配置された導線と同一の作用を発揮する導線状構造が磁性材料内部に存在し、近傍の磁性材料の内部磁化を整列させることを示唆すると考えられる。そこでこの効果は、疑似的なIPA効果に相当する（図4など）。本発明はかかる知見に基づいて成されたものである。

すなわち、前記目的を達成するための本発明の要旨とするところは、（ａ）センサヘッド部と、該センサヘッド部に通電するための間欠的直流電流（ステップ状のパルス）を生成する通電部と、前記センサヘッド部に生ずる磁界を計測するための検出コイルと、該検出コイルの起電力を前記通電部による前記センサヘッド部への通電に同期して検出する検出部と、を含む磁気計測装置であって、（ｂ）前記センサヘッド部は、磁気異方性を有する磁性体を有し、（ｃ）前記通電部は前記磁気異方性を有する磁性体もしくは該磁気異方性を有する磁性体に沿って設けられた導線に矩形波からなる前記間欠的な直流電流を通電するものであり、（ｄ）前記検出コイルは、前記磁気異方性を有する磁性体が生ずる磁界の変動に起因して起電力を生ずるものであり、（ｅ）前記磁気計測装置は、前記間欠的直流電流が小電流側から大電流側に変化したこと、および、大電流側から小電流側に変化したことの少なくとも一方に基づく前記検出コイルの起電力の変化に基づいて磁気の検出を行う演算部を有し、（ｆ）前記磁気計測装置は、前記通電部が通電する間欠的な直流電流における前記大電流側となる時間の長さが大きくなるほど、前記検出コイルの起電力の大きさが大きくなるとともに、前記大電流側となる時間の長さが所定値を超えると、前記検出コイルの起電力の大きさが飽和する特性を有し、（ｇ）前記通電部が通電する間欠的な直流電流における前記大電流側となる時間の長さは、前記所定値以上とされること、を特徴とする。

本発明の磁気計測装置によれば、磁気異方性を有する磁性体を有するセンサヘッド部と、該センサヘッド部に通電するための間欠的直流電流、すなわち、ステップ状のパルス信号を生成する通電部と、前記センサヘッド部の生ずる磁界を計測するための検出コイルと、該検出コイルの起電力を前記通電装置による前記センサヘッド部への通電に同期して検出する検出部と、を含む磁気計測装置において、通電部より、前記磁気異方性を有する磁性体もしくは該磁気異方性を有する磁性体に沿って設けられた導線に矩形波からなる前記間欠的直流電流が通電させられ、前記検出コイルにおいて、前記磁気異方性を有する磁性体が生ずる磁界の変動に起因して起電力が生じさせられ、前記演算部により、前記間欠的直流電流が小電流側から大電流側に変化したこと、および、大電流側から小電流側に変化したことの少なくとも一方に基づく前記検出コイルの起電力の変化に基づいて磁気の検出が行われる。また、前記磁気計測装置は、前記通電部が通電する間欠的な直流電流における前記大電流側となる時間の長さが大きくなるほど、前記検出コイルの起電力の大きさが大きくなるとともに、前記大電流側となる時間の長さが所定値を超えると、前記検出コイルの起電力の大きさが飽和する特性を有し、前記通電部が通電する間欠的な直流電流における前記大電流側となる時間の長さは、前記所定値以上とされるので、精度よく磁気計測が行われるとともに、センサの小型化が実現される。

好適には、前記磁性体の真空に対する比透磁率が１００００倍程度であるとともに、前記磁性体の内部磁化が順方向と反方向の配向をとるエネルギー差が電子のスピンに起因することにより、前記磁性体の電子スピンの集合が同時に変化する構造を有し、前記検出コイルの起電力が、検出する前記磁気の強度のボルツマン分布関数として近似され、該ボルツマン分布関数の中心部における直線状部分を測定対象領域とすることで、前記検出コイルが生ずる起電力は、外部磁界の変化に対して線形に変化するものである。このようにすれば、外部磁界の変化を検出コイルの起電力として正確に検出しうる。また好適には、前記演算部は、前記間欠的直流電流が小電流側から大電流側に変化したこと、および、該変化に続いて大電流側から小電流側に変化したことに基づく前記検出コイルの起電力の変化に基づいて磁気の検出を行うものである。このようにすれば、間欠的な直流電流が小電流側から大電流側に変化したこと、および、該変化に続いて大電流側から小電流側に変化したことを一対のものとして捉え、それらに基づく前記検出コイルの起電力の変化の振幅や面積を差分もしくは合計するなどした演算が可能となる。

好適には、一対の前記センサヘッド部と、該一対のセンサヘッド部に対応して一対の前記検出コイルを有し、前記演算部は、該一対の検出コイルの出力を差分もしくは増幅することにより磁気の検出を行うものである。このようにすれば、一対のセンサヘッドを差動、あるいは、併用などした磁気計測が可能となる。

また好適には、過去の演算結果を記憶する記憶部を有し、前記演算部は、現在の演算結果と該記憶部に記憶された過去の演算結果とを差分もしくは増幅することにより磁気の検出を行うものである。このようにすれば、センサヘッドが１つしかない場合においても時間的に異なる環境について得られるセンサ出力を差動、あるいは合計するなどした演算が可能となる。また現実には、バイアスコイルを使用して外部磁界を０にキャンセルした場合でも、検出コイルの起電力は一定に、すなわち、時間軸に対してに直線状になることはないので、検出コイルの起電力を大きく増幅してＡＤ変換することができず、ビット落ちが生ずる。そこで、事前に記録しておいた信号を差分すれば、大きくコイル起電力全体を増幅することができるので、ビット落ちによる信号低下を減少できる。

また好適には、前記検出コイルは、前記センサヘッド部および検出対象を該検出コイルの内部に取り囲むように設けられる。このようにすれば、検出対象およびセンサヘッド部を検出コイル内に設けることで装置の小型化を実現しうる。

また好適には、前記通電部の発生する間欠的な直流電流は、その大電流側となる時間の長さを変更可能であることを特徴とする。このようにすれば、間欠的な直流電流における大電流側となる時間の長さを変更することで、センサヘッド部から生ずる磁界の大きさを所望の値に適宜変更させることができる。さらに好適には、前記間欠的な直流電流の繰り返し周期が、１μ秒以上である。このようにすれば、間欠的な直流電流として、周期性のあるパルスを用いる場合において磁気計測を行うことができる。

また好適には、前記磁気計測装置は、測定対象に対して振動磁界を与える振動磁界発生部をさらに備え、前記検出部は、該振動磁界発生部によって発生させられる振動磁界の振動と同期して該検出コイルの起電力を検出することを特徴とする。このようにすれば、比較的低磁場における共鳴現象などを検出することができる。

さらに好適には、磁気計測装置は、前記センサヘッド部の近傍へ設置され、前記センサヘッド部へ通電される電流と同方向または直交する磁界を発生する磁界発生部を備え、該磁界発生部により前記センサヘッド部１２に通電される電流と同期した磁界を発生することで、磁気計測特性を調節することを特徴とする。このようにすれば、センサヘッド部が複数のセンサヘッドを有する場合に、少なくとも１つのセンサヘッドに前記磁界発生部からの磁界を加えることで、たとえば該磁界発生部からの磁界が間欠的な変調（調整）信号となり、個々のセンサヘッドのそれぞれについて感度の調整を行うことができる。例えば、２つのセンサヘッドを有するグラジオセンサを構築する場合に、一方のセンサヘッドの感度を修正することで、効果的な差動増幅効果が得られる。また、広範囲波長の電磁波の印可により磁気異方性を有する素材は、その内部磁化の状態変化に応じて感度や検出特性を調整できる。

さらに好適には、磁気計測装置は、前記センサヘッド部を取り付けるセンサヘッド取付部を有し、該センサヘッド取付部は前記センサヘッド部と前記磁界発生部との相対的な位置、すなわち、距離、角度を変化させることができることを特徴とする。このようにすれば、センサヘッドの感度補正を行うことができるとともに、距離、角度などを異ならせた場合の変化を効果的に計測することができる。

さらに好適には、磁気計測装置は、前記センサヘッド部にバイアス磁界を付加するバイアス磁界発生部を有することを特徴とする。このようにすれば、センサヘッド部に印可される環境磁界や測定対象からの磁界とバイアス磁界発生部により発生させられるバイアス磁界とを相殺、または合計することにより、磁気計測装置の感度を調整することができる。このようにすれば、このバイアス磁界発生部と過去の演算結果とを差分もしくは増幅する差動増幅装置を共に使用することにより、微小な外部磁界変動によって発生する検出コイル起電力を２つのピーク領域の時間にわたり大きく増幅することができるので、検出コイル起電力を入力されるＡＤ変換器の変換効率を高めビット落ちを最小にできる。

さらに好適には、前記センサヘッド部における磁気異方性を有する磁性体は、iron garnet、ダイヤモンド、ＳｉＣの少なくとも１を有する固体、もしくは微小固体の集合体であること、を特徴とする。このようにすれば、アモルファス素材などの磁気異方性を有する物質に代わり、直接に、これら微小粒子の中の磁界変動を検出コイルで検出することができるほか、近傍にフォトマルチプライヤなどを設置することで、補足的信号を検出することができる。また、広範囲の波長の電磁波発生器を付加して、センサヘッドを変調することができる。

本発明の磁気計測装置におけるセンサ部の概要を説明する（ａ）図および（ｂ）写真である。本実施例の磁気計測装置の構成を説明する図である。本実施例の磁気計測装置における制御回路の構成を説明する図である。デジタルディレイパルス発生器から発生させられるパルス信号と出力アンプに入力されるアナログ信号の例を示す図である。本実施例の磁気計測装置におけるコンピュータの演算方法を説明する図である。本実施例の磁気計測装置の動作原理を説明するための実験例を説明する図である。本実施例の磁気計測装置の検証を行うための実験例を説明する図である。本発明の別の実施例における制御回路の構成を説明する図であって、図３に対応する図である。本発明のさらに別の実施例におけるセンサ部の構成を説明する図であって、図１に対応するものである。本発明の更に別の実施例における磁気計測装置の構成を説明する図であって、図９に対応するものである。本発明のさらに別の実施例における磁気計測装置の構成を説明する図であって、図２、図３などに対応する図である。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図は適宜簡略化されており、また、図面における寸法などは、実際の寸法や比率などとは必ずしも一致するものではない。

図１は、本発明の磁気計測装置１０におけるセンサ部１２の構成の概要を説明する図である。このうち、図１（ａ）はセンサ部１２の構成の概要を説明する図であり、図１（ｂ）は外観を説明する図（写真）である。図１（ａ）に示すように、本発明の磁気計測装置１０はセンサ部１２と後述する回路部１４とを含んで構成される。本実施例におけるセンサ部１２には、２つのセンサヘッド１２ａ、１２ｂを有するように構成されており、後述するようにそれら２つのセンサヘッド１２ａ、１２ｂを差動させて用いることなどができるようになっている。

センサ部１２は、図１に示すように、１本のアモルファスワイヤ２２と、２つのセンサヘッド１２ａ、１２ｂに対応して検出コイル２６、２８が設けられている。アモルファスワイヤ２２は本発明の磁気異方性を有する磁性体に相当する。長手状のアモルファスワイヤ２２の両端には電極が設けられていて、一方の電極は接地される一方、他方の電極には電線２４が接続され、後述する回路部１４から駆動電圧Ｐ_ＥＸが供給される。この駆動電圧Ｐ_ＥＸもしくは後述するＤＰ１が、本発明の間欠的直流電流を印可するためのパルス信号に相当する。また、検出コイル２６、２８はそれぞれ一端が設置され、他端に接続された電線３０、３２がそれぞれ後述する回路部１４に接続されることにより、それら検出コイル２６、２８の両端電圧であるＥ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２をそれぞれ検出しうるようになっている。また、アモルファスワイヤ２２は、検出コイル２６、２８に沿った部分、すなわちセンサヘッド１２ａ、１２ｂに対応する部分２２ａ、２２ｂと、それ以外の部分であるバランス部２２ｃに分けられる。このバランス部１２ｃは前記駆動電圧Ｐ_ＥＸが印可される必要がないため、電気的な損失を低減するために、バランス部の両端を電気抵抗の小さいケーブルによって短絡するバイパスケーブル３４が設けられている。

図１（ｂ）は、本実施例のセンサ部１２の外観を説明する写真である。同図に示すように、本実施例のセンサ部１２は、一枚の基板３６上に実装されている。すなわち、基板３６にアモルファスワイヤ２２、検出コイル２６、２８が設けられるとともに、アモルファスワイヤ２２の両端と電気的に接続されたケーブルを取り出すためのコネクタ３８が、また、検出コイル２６、２８の両端のそれぞれと電気的に接続されたケーブルを取り出すためのコネクタ４０、４２がそれぞれ設けられている。

図２は、本実施例の磁気計測装置１０の全体の構成を説明する図であって、特に回路部１４の構成を説明する図である。図２に示すように回路部１４は制御回路４２、デジタルディレイパルス発生器４４、コンピュータ４６、アナログフィルタ４８、データロガー５０などを備えて構成される。

このうち、制御回路４２は、前記センサ部１２を制御、すなわち、駆動したり出力を取り出したりするためのものである。この制御回路は、所望の作動をおこなうよう設計された電子回路として構成されてもよいし、設計者が所望の論理機能をプログラムすることができるＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）などによって構成されてもよい。この制御回路４２は、本発明の通電部や検出部に対応する。

また、デジタルディレイパルス発生器４４は、操作者によって設定された形状のパルス波形を出力可能な装置である。すなわち、デジタルディレイパルス発生器４４は、パルスの間隔（周期）、幅、タイミング、大きさなどを所望の値として出力することができる。本実施例においては、デジタルディレイパルス発生器４４は少なくとも図２に示すＤＰ１およびＤＰ２の２系統の出力が可能とされている。デジタルディレイパルス発生器４４も本発明の通電部に対応する。

図３は、この制御回路４２の構成の一例を説明する回路図である。図３に示すように、制御回路４２は、入力アンプ５２、出力アンプ５４、５６、サンプルホールド回路５８、６０、ハイパスフィルタ６２、６４、ローパスフィルタ６６、６８、差動アンプ７０を含んで構成されている。

入力アンプ５２は、前記デジタルディレイパルス発生器４４から入力されるパルス信号ＤＰ１を所定の増幅率にて増幅して出力ポートＥＸから出力する。出力ポートＥＸからの出力Ｐ_ＥＸは、電線２４を介してセンサ部１２のアモルファスワイヤ２２に印可される。すなわち、デジタルディレイパルス発生器４４の出力するパルス信号ＤＰ１は、アモルファスワイヤ２２に印可する電圧パターンを決定するパルス信号である。

出力アンプ５４、５６は、検出コイル２６、２８のそれぞれについて設けられており、検出コイル２６、２８の出力電圧であるＥ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２［Ｖ］を入力ポートＳ１、Ｓ２からそれぞれ取り込み、所定の増幅率により増幅する。この増幅率は後述する高速ＡＤコンバータの分解能などの仕様に応じて決定される。

サンプルホールド回路５８、６０は、出力アンプ５４、５６からの出力であるアナログ波形に対し、前記デジタルディレイパルス発生器４４から供給されるパルス信号ＤＰ２に応じてホールド処理を行う。具体的には、パルス信号ＤＰ２が低電圧となった場合に、それをトリガとしてアナログ波形における値を再び高電圧となるまで保持する。

図４は、デジタルディレイパルス発生器４４から発生させられるパルス信号ＤＰ１およびＤＰ２と出力アンプ５４、５６に入力される入力ポートＳ１、Ｓ２のアナログ信号の例を示す図であり、図４（ａ）は理論値、図４（ｂ）は実際の実験値をそれぞれ表している。図４（ａ）に示すように、アモルファスワイヤ２２に印可される電圧を決定するパルス信号ＤＰ１は、本実施例においてはたとえば１［μｓｅｃ］程度の一定周期ｐ（すなわち１［ＭＨｚ］程度の周波数）、一定幅ｗのパルスである。また、サンプルホールド回路を制御するパルス信号ＤＰ２は、前記パルス信号ＤＰ１の立ち上がりから時間ｄだけ遅れて一瞬だけ落ち込むようになっている。そしてパルス信号ＤＰ２が落ち込んだ後に立ち上がるのをトリガとしてサンプルホールド処理が行われるものとされている。この時間ｄはたとえば、検出コイル２６、２８の出力電圧Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２がピークとなった際にサンプリングが可能となるように、事前にシミュレーションあるいは実験的に決定される。

また、図４（ｂ）に示すように、本実施例においては、パルス信号ＤＰ１、ＤＰ２とも、その振幅（パルスの大きさ）は５Ｖとされている。

サンプルホールド回路５８、６０から出力された信号は、ハイパスフィルタ６２、６４、および、ローパスフィルタ６６、６８を通過することにより、所定の周波数成分が除去される。なお、図３に示すように、ハイパスフィルタ６２およびローパスフィルタ６６はサンプルホールド回路５８から出力された信号、すなわち、検出コイル２６の出力Ｅ_ＴＣ１に対応して設けられたものであり、ハイパスフィルタ６４およびローパスフィルタ６８はサンプルホールド回路６０から出力された信号、すなわち、検出コイル２８の出力Ｅ_ＴＣ２に対応して設けられたものである。

差動アンプ７０は、ハイパスフィルタ６２、６４、および、ローパスフィルタ６６、６８を通過したサンプルホールド回路５８、６０の出力値の差分を出力する。これにより、２つの検出コイル２６、２８の出力電圧Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の差分を得ることができる。

なお、この図３に示す制御回路４２の例は、センサ部１２における２つのセンサヘッド１２ａ、１２ｂの出力を差動させる場合の制御回路の一例を説明するものである。したがって、２つのセンサヘッド１２ａ、１２ｂを差動させない場合、たとえば、それぞれのセンサヘッド１２ａ、１２ｂの出力を単独で用いるような場合には、制御回路４２における差動アンプ７０を要しない一方、出力端子が各センサヘッド１２ａ、１２ｂ毎にそれぞれ必要となる。

また、図３に示す制御回路４２においては、入出力される信号はアナログ信号とされているが、本実施例のように図２に示すように入力信号ＤＰ１、ＤＰ２がデジタルディレイパルス発生器４４によって発生させられるデジタル信号である場合には、制御回路４２において高速ＤＡコンバータを備えてアナログ信号に変換することができる。また、出力信号Ｅ_ＯＵＴについても同様であり、最終的にコンピュータ４６において演算処理されるのに先立って、適切な段階で高速ＡＤコンバータによってデジタル信号化されればよい。本実施例においては、これら高速ＤＡ／ＡＤコンバータの図示は省略している。

図２に戻って、コンピュータ４６は、たとえばＣＰＵ、メモリ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたいわゆるマイコンであり、あらかじめ記憶されたプログラムの内容にしたがって、前記デジタルディレイパルス発生器４４の差動を制御したり、あるいは、後述するデータロガー５０から得られるデータを所定の演算処理したりする。このコンピュータ４６が本発明の演算部に対応する。

アナログフィルタ４８は、たとえばバンドパスフィルタを含んで構成され、制御回路４２から出力された信号から所望の周波数成分のみを取り出す。

データロガー５０は、アナログフィルタ４８から出力されたデータを所定のサンプリングレートに応じて記憶する。また、記憶されたデータを前記コンピュータ４６に出力する。データロガー５０は本発明の記憶部に対応する。

本実施例において、コンピュータ４６は、データロガー５０から得られたデータについて、ノイズの低減を目的とした演算を行う。この演算を図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、アモルファスワイヤ２２にパルス状の電圧Ｐ_ＥＸが印可されると、そのアモルファスワイヤ２２のセンサヘッドに対応する部分２２ａ、２２ｂに近接させられた検出コイル２６、２８には電圧の変動が生ずる。前記パルス信号ＤＰ１において１回のパルスの発生に伴うセンサヘッド１２ａ、１２ｂのそれぞれの出力信号Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の変化を１つの単位とする。図５（ｂ）には、複数回のパルスが前記パルス信号ＤＰ１として供給された場合の検出コイルの該複数回の変化を伴う出力電圧Ｅ_ｃｏｉｌの例が記載されている。この検出コイルの出力電圧Ｅ_ｃｏｉｌは、前記検出コイル２６、２８の出力信号Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２に対応するものである。

コンピュータ４６は、かかる出力電圧Ｅ_ｃｏｉｌについて、Ｎ回のパルスによって生じた出力電圧を積算する。この積算は、たとえばパルス信号ＤＰ１の立ち上がり時を基準として、所定のサンプリングレートごとに出力電圧Ｅ_ｃｏｉｌを積算するものである。積算区間は、検出コイル２６、２８の出力波形に応じて、たとえば３００乃至１０００［μｓｅｃ］の範囲から適宜定められる。この出力電圧Ｅ_ｃｏｉｌの積算値ΣＥ_ｃｏｉｌが得られる。かかる積算値においては、ノイズの積算は平均化されて、信号の積算に対して相対的に小さくなることから、信号に対するノイズの影響を低減しうるものであることから、より精度のよい磁気検出を可能とすることができる。

本実施例の磁気計測装置１０の構成は上述の通りであり、アモルファスワイヤ２２への入力電圧Ｐ_ＥＸとしては、高電位と低電位をペアとして、少なくとも１回、あるいは反復的に与えるものである。このことは、以下のことを意図している。言い換えれば、アモルファスワイヤ２２には間欠的な直流電流が流れることとなる。センサヘッド部１２の（磁気異方性を有する）素材であるアモルファスワイヤ２２の内部の磁化素子は、環境磁界によって長手方向にボルツマンの法則に従って分布している。この内部磁化を高電位に伴う電流で一定方向に配向させる。この一定方向とは、本実施例のようにアモルファスワイヤ２２が線状、言い換えれば円柱形状である場合には、その周方向のベクトル成分を有するものである。さらに低電位、あるいはそれに伴う小電流や無電流へ戻すことで再び環境磁界の支配となる。この２つの過程では同じ割合の内部磁化の移動が反対方向に起こることとなる。則ち、環境磁界に依存した軸方向の内部磁化を高電位印可時に排出し、低電位側印可時には吸収する。この内部磁化排出と吸収反応の時定数（反応・緩和速度）が異なるため、間欠的に印可する直流電流の幅ｗ(duration)と間隔（interval）を好適に選ぶことで最大感度が得られる。このように、アモルファスワイヤ２２に間欠的な直流電流を印可することによって発生させる磁界は、一般的にコイルに交流電流を印可して得られるような磁界とはその原理も実際の現象、すなわち、実際に発生する磁界の時間変化なども異なる。本実施例の磁気計測装置１０は上述の原理に基づくものである。また、後述する構成により、回路ノイズを低減させる効果も有する。

なお、本明細書においては、パルス信号ＤＰ１が入力アンプ５２により増幅されてアモルファスワイヤ２２への入力電圧Ｐ_ＥＸとして印可される。そのため、パルス信号ＤＰ１における電圧の高低とアモルファスワイヤ２２への入力電圧Ｐ_ＥＸの高低とは対応した概念である。さらに、アモルファスワイヤ２２への入力電圧Ｐ_ＥＸの高低は、アモルファスワイヤ２２へ通電される電流の大小とも一致した概念である。

続いて、本発明の磁気計測装置の動作原理についての検討を行うために、発明者が行った実験について説明する。図６はかかる実験を説明する図であって、図６（ａ）はその実験における装置の構成を示す図である。図６（ａ）に示すように、センサ部１２における１つのセンサヘッド１２ａに対して、その長手方向、すなわち、アモルファスワイヤ２２の延びる方向（図６（ａ）における紙面内の上下方向）に対して直交する方向となるように所定の間隔を介して導線７４が配設される。そして、ある環境磁界Ｂｅの存在下において、導線７４には何も通電しない状態で、センサヘッド１２ａの検出コイル２６（図１など参照）のコイル起電力Ｅ_ＴＣ１をオシロスコープで観察した。このとき、アモルファスワイヤ１２に通電されるパルス状の電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの幅ｗ（図４（ａ）参照）の大きさを複数の異なる値に設定して、検出コイル２６（図１など参照）のコイル起電力Ｅ_ＴＣ１をそれぞれ測定した。このようにして得られた、パルスの幅ｗの値に対して、発生した検出コイル２６のコイル起電力（誘導起電力）Ｅ_ＴＣ１の振幅の関係を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）からわかるように、パルスの幅ｗの値が大きくなるにつれて、検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１の振幅の大きさが増加する一方、パルスの幅ｗの値が２００～３００［ｎｓｅｃ］程度において検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１の振幅の大きさは最大に達した。

続いて、前記導線７４に正弦波状の交流電流Ｉ_Ｔを通電して同様の実験を行った。このとき、サンプルホールド回路５８（図３参照）によりサンプルホールド処理されて連続的に出力されるセンサ出力Ｅ_ＯＵＴの振幅の大きさと、アモルファスワイヤ１２に通電されるパルス状の電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの幅ｗの大きさとの関係は、前述の導線７４に電流を流さない場合の検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１の振幅の大きさとパルスの幅ｗの大きさとの関係と一致した関係となった。すなわち、パルスの幅ｗの値が大きくなるにつれて、センサ出力Ｅ_ＯＵＴの振幅の大きさが増加する一方、パルスの幅ｗの値が２００～３００［ｎｓｅｃ］程度においてセンサ出力Ｅ_ＯＵＴの振幅の大きさは最大に達した。

これらの結果を考察すると、検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１の出力の回路には容量成分もあり、出力波系は遅れ平滑化されると考えられるが、パルス幅ｗが大きくなるのにつれて検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１の振幅の大きさも増大していることから、本発明の磁気計測装置の感度上昇には、励起パルスの直流成分が関与していると考えることができる。

ところで、本発明と同様にアモルファスワイヤのようなＭＩ素子に高周波電流を印可し、その際の表皮効果によりＭＩ素子のインピーダンスが変化することを利用して周辺の磁気変動を検出することにより磁気検出を行ういわゆるＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ－Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）センサが提案されている。

かかるＭＩセンサにおいては、前述のようにＭＩ素子の表皮効果を利用するものであるので、ＭＩ素子に印可する交流電流の高周波交流成分の影響を受ける。すなわち、前記ＭＩ素子のインピーダンスの変化は、ＭＩ素子に通電する交流電流の周波数に依存する。従ってワイヤへ励起信号は、サインウェーブ類似に加工された電流を周期的に印可しＭＩ効果を得ている（非特許文献５）。一方、本発明の磁気計測装置においては、アモルファスワイヤ２２に通電する直流電流のもととなるパルス信号ＤＰ１は、たとえば方形パルスのようなパルス波であるものの、前記ＭＩセンサとは異なり、該パルス波の高周波成分を利用していない。すなわち、前述の図６に示したように、低電圧状態と高電圧状態とが切り替わるパルス信号ＤＰ１において、低電圧状態から切り替わった高電圧状態の長さ、すなわち前記パルスの幅ｗに起因して検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１の大きさやセンサ出力Ｅ_ＯＵＴの大きさが変動している。また、図５などに示すように、パルス信号ＤＰ１において、高電圧状態から低電圧状態に切り替わったことに伴っても、低電圧状態から高電圧状態に切り替わった際とは逆向きの起電力が検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１に生じているが、この逆向きの起電力のピークの大きさも、低電圧状態に切り替わる前の高電圧状態の長さ、すなわち前記パルスの幅ｗの長さに伴って変化している。これらのことから、前記パルス信号ＤＰ１におけるパルスの幅ｗ、言い換えれば、アモルファスワイヤ２２に印可する電圧の直流成分により、アモルファスワイヤ２２の内部磁化の移動の大きさが変化し、これが磁気計測装置１０における検出感度を決定することと考えられるのである。これは本発明の発明者によって得られた知見に基づくものである。すなわち、パルスＯＮ／ＯＦＦによる内部磁化の排出と吸収過程と考えられる。

本発明においては、前記デジタルディレイパルス発生器４４は、高精度、具体的にはたとえばナノ秒（ｎｓｅｃ）単位で前記パルスの幅ｗを制御可能なものとされることが好ましい。また、前記パルスの高さｅ、すなわち、高電位状態と低電位状態との電位差についても精度よく制御可能なものであることが好ましい。ここで制御可能とはたとえば、かかる設定値とされた安定的なパルス信号が出力可能であることを意図している。このようにすれば、高感度、かつ、所望の感度の磁気計測装置を実現しうる。

さらに、本実施例の磁気計測装置を検証するために、本発明の発明者らによってなされた実験について説明する。図７は、本実験を説明する図であって、図７（ａ）は、装置の構成を表す図、図７（ｂ）は実験結果としての検出コイル２６、２８の出力電圧Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の時間変化を示す図、図７（ｃ）は、図７（ｂ）に示す実験結果を環境磁界の強さＭ_ＨＨと検出コイル２６、２８の出力電圧Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の振幅との関係を説明する図である。

図７（ａ）に示すように、本実験においては、ヘルムホルツ回路７８が用いられる。このヘルムホルツ回路７８は周知のものであり、円形の２つのコイルを平行かつ同軸に配置し、各コイルの半径と２つのコイルの間隔とを等しくしたものであって、コイルの中心付近に一様な磁場（磁界）Ｍ_ＨＨを発生することのできるものである。図７（ａ）に示すように、ヘルムホルツコイル７８のコイル中心付近にセンサヘッド１２ａ、１２ｂが位置するようにセンサ部１２を配置する。そして、ヘルムホルツコイル７８に複数の異なる強度の磁界Ｍ_ＨＨを発生させて、センサ部１２を用いた本実施例の磁気計測装置１０により磁界Ｍ_ＨＨの強度の計測を行った。なお、本実験においては図６（ａ）で説明した導線７４は用いられていない。

上述の実施例と同様に、デジタルディレイパルス発生器４４により発生させたパルス信号ＤＰ１を制御回路４２の入力アンプ５２により所定の増幅率で増幅させた電圧Ｐ_ＥＸをアモルファスワイヤ２２に印可した。図７（ｂ）は、このときの入力電圧Ｐ_ＥＸと検出コイル２６、２８の出力電圧Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の時間変化を共通する横向きの時間軸を用いて示すものであって、ヘルムホルツコイル７８に－１００［μＴ］から１００［μＴ］までの５つの異なる強度の磁界Ｍ_ＨＨを発生させた場合を示している。なお、本実験においては検出コイル２６、２８の出力は理論上同じものとなるので、図７（ｂ）、図７（ｃ）においては、一方の検出コイルのものを示しており、以下の説明においては、出力電圧Ｅ_ＴＣと記す。図７（ｂ）における（ｉ）乃至（ｖ）は、図７（ｃ）における（ｉ）乃至（ｖ）で示された三角形の印が付されたプロットの磁界Ｍ_ＨＨの強度に対応する出力電圧Ｅ_ＴＣである。

入力電圧Ｐ_ＥＸとして、幅（時間）ｗのステップ状のパルスを印可した際の出力電圧Ｅ_ＴＣの変化は、図７（ｂ）に示すように、外部磁界Ｍ_ＨＨの値に応じて異なるものとなっている。具体的にはたとえば、磁界Ｍ_ＨＨが１００［μＴ］付近の場合、入力電圧Ｐ_ＥＸが低電圧状態から高電圧状態に切り替わると、その後出力電圧Ｅ_ＴＣは極大となり、入力電圧Ｐ_ＥＸが高電圧状態から低電圧状態に切り替わると、その後出力電圧Ｅ_ＴＣは極小となる（図７（ｂ）の（ｉ））。また、磁界Ｍ_ＨＨが－１００［μＴ］付近の場合、出力電圧Ｅ_ＴＣは１００［μＴ］の場合と比べて正負がほぼ逆の出力となり、入力電圧Ｐ_ＥＸが低電圧状態から高電圧状態に切り替わると、その後出力電圧Ｅ_ＴＣは極小となり、入力電圧Ｐ_ＥＸが高電圧状態から低電圧状態に切り替わると、その後出力電圧Ｅ_ＴＣは極大となる（図７（ｂ）の（ｖ））。

ここで、図７（ｂ）の（ｉ）の例について検討すると、出力電圧Ｅ_ＴＣの変化における極大は、入力電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの高電圧状態における直流成分により、アモルファスワイヤ２２の内部磁化に軸方向に蓄えられていた環境磁界の影響が放出されることに起因するものであると考えられる。また、出力電圧Ｅ_ＴＣの変化における極小は、入力電圧Ｐ_ＥＸが低電圧状態、すなわち、アモルファスワイヤ２２に流される電流が小さい状態へ戻すことによる、アモルファスワイヤ２２の内部磁化が環境磁界の吸収過程に起因するものであるとと考えられる。つまり、出力電圧Ｅ_ＴＣの極大および極小の出現は、いずれも入力電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの変化に伴うものであるが、それぞれ入力電圧Ｐ_ＥＸが低電圧状態から高電圧状態への変化、および、その逆である高電圧状態から低電圧状態への変化に伴うものである、そして、出力電圧Ｅ_ＴＣの極大および極小に変化する際の遷移の時定数は、それぞれ異なる。すなわち、入力電圧Ｐ_ＥＸが低電圧状態から高電圧状態となり出力電圧Ｅ_ＴＣが極大となる過程では、出力電圧Ｅ_ＴＣのの時定数は数１０［ｎｓｅｃ］(several tens of nsec)であるため、２００［ｎｓｅｃ］程度で定常状態に達する。一方、入力電圧Ｐ_ＥＸが高電圧状態から低電圧状態となり出力電圧Ｅ_ＴＣが極小となる過程では、出力電圧Ｅ_ＴＣが極大となる過程より遅い。そのため、入力電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの間隔、すなわち、高電圧状態から低電圧状態に変化した後、再び高電圧状態となるまでの間隔は、２～３［μｓｅｃ］程度の間隔(interval/period)をもって与えないと、入力電圧Ｐ_ＥＸが再び高電圧状態となった際に出力電圧Ｅ_ＴＣの十分大きな反応を得られなくなる。なお、上記入力電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの高電圧状態と低電圧状態は、それぞれ相対的に高低を有する２つの電圧状態であればよいが、好適には低電圧状態は０［Ｖ］とされる。そのようにした場合、前記低電圧状態の場合にアモルファスワイヤ２２に流される電流も０［Ａ］である。

前記出力電圧Ｅ_ＴＣにおける極大および極小の２つのピークは、上述のように環境磁界Ｍ_ＨＨを反映するものであり、それぞれ反対方向を向いているので、これら２つのピーク値を差分することで、極大値のみ、あるいは極小値のみというように１つのピークを用いるよりも大きな振幅を得ることができる。また、入力電圧Ｐ_ＥＸにおけるパルスの繰り返し周期ｐ（図４（ａ）参照）を、ハムノイズ周波数などより十分に短くとることにより、低周波数の回路ノイズに対するフィルター効果が得ることができる。

励起直流電流の幅ｗは通常数百［ｎｓｅｃ］レベルである。従って、検出コイルの出力電圧Ｅ_ＴＣにおけるその反対方向のピーク位置または領域は、通常数百［ｎｓｅｃ］レベルの時間的なずれしか持たない。一方、回路ノイズ、例えば、電源の交流に依存する５０－６０［Ｈｚ］の電気的振動は、前述の反対方向ピークの数百［ｎｓｅｃ］レベルの時間差に対してきわめて長いため、出力電圧Ｅ_ＴＣにおける２つのピークに対して同じ方向の電気ノイズを与える。２つのピークの振幅・面積は、外部磁界に依存して反対符号方向へ変化を与えるので、２つのピークの振幅・面積を差分することで外部磁界を計測することができる。このとき、ピーク演算のためのサンプリング時間・積算時間を同じにすれば、通常の電源などの低周波数の電気ノイズは、差分により打ち消されることとなる。この差分演算は、外部磁界計測の精度を向上させるとともに、ノイズフィルター効果も同時に発揮する。

図７（ｃ）にみられるように、検出コイル２６，２８に発生する誘導起電力Ｅ_ＴＣの振幅は、外部磁界Ｍ_ＨＨに依存して変化している。アモルファスワイヤ２２の内部磁化の移動により誘導起電力Ｅ_ＴＣが発生するので、このグラフ曲線の中央部分は、外部磁界Ｍ_ＨＨ強度のボルツマン分布関数として近似できる。＋－５０μT程度で飽和するボルツマン曲線の中心部スロープから内部磁化が順方向と反方向の配向を取るエネルギー差ΔＥが電子のスピンに起因するとき、通常エネルギー差は磁束密度Ｂに比例しており、磁束密度Ｂは、比透磁率μs、真空の透磁率μ0と磁界強度Ｈの積で表される。そこで、使用するアモルファス素材の比透磁率は真空の１０,０００倍程度であると推定される。この見かけ上の比透磁率は、磁場（磁界強度）を強化する構造が感磁部材内部にあるか、または電子スピンの集合が同時に変化する構造となっているか、またはその両者の組み合わせと考えられる。従って、非特許文献４に記載されるような単一スピンが独立に磁界の影響を受けることを仮定する場合のノイズレベルは、１ｃｍの素材あたり１０［ｆＴ］程度と推定されるが、多くのスピンが同時に配向を変化する構造となっている場合、例えば１００００個が同時に配向を変える構造の場合には、ノイズレベルは１００［ｐＴ］となる。従って、多くの感磁部材を同時に制御する前記ＩＰＡの方式は、感磁部材の量（数、体積）を増加することにより、ノイズレベルを低減することができる。

本実施例の磁気計測装置１０によれば、磁気異方性を有するアモルファスワイヤ２２を有するセンサヘッド部１２と、センサヘッド部１２に通電するためのステップ状のパルス信号を生成するデジタルディレイパルス発生器４４および制御回路４２と、センサヘッド部１２の生ずる磁界を計測するための検出コイル２６、２８と、検出コイル２６、２８の起電力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２を制御回路４２によるセンサヘッド部１２への通電に同期して検出する制御回路４２と、を含み、制御回路４２より、アモルファスワイヤ２２もしくはアモルファスワイヤ２２にに沿って設けられた導線１２４にパルス信号ＤＰ１、Ｐ_ＥＸが通電させられ、検出コイル２６，２８において、アモルファスワイヤ２２が生ずる磁界の変動に起因して起電力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２が生じさせられ、コンピュータ４６により、パルス信号ＤＰ１が低電位側から高電位側に変化したこと、および、高電位側から低電位側に変化したことの少なくとも一方に基づく検出コイル２６，２８の起電力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の変化に基づいて磁気の検出が行われるので、精度よく磁気計測が行われるとともに、センサヘッド部１２の小型化が実現される。

また、上述の実施例によれば、コンピュータ４６は、ステップ状のパルス信号ＤＰ１，Ｐ_ＥＸが低電位側から高電位側に変化したこと、および、該変化に続いて高電位側から低電位側に変化したことに基づく検出コイル２６、２８の起電力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の変化に基づいて磁気の検出を行うので、パルス信号ＤＰ１，Ｐ_ＥＸが低電位側から高電位側に変化したこと、および、該変化に続いて高電位側から低電位側に変化したことを一対のものとして捉え、それらに基づく検出コイル２６、２８の起電力ＤＰ１，Ｐ_ＥＸの変化の振幅や面積を差分もしくは合計するなどした演算が可能となる。

また、上述の実施例によれば、一対の前記センサヘッド１２ａ、１２ｂと、一対のセンサヘッド１２ａ、１２ｂ部に対応して一対の前記検出コイル２６、２８を有し、制御回路４２の差動アンプ７０は、それら一対の検出コイル２６，２８の出力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２を差分もしくは増幅することにより磁気の検出を行うものであるので、一対のセンサヘッドを差動、あるいは、併用などした磁気計測が可能となる。

また、上述の実施例によれば、デジタルディレイパルス発生器４４の発生するステップ状のパルス信号ＤＰ１は、その高電位側となる時間ｗを変更可能であるので、センサヘッド部１２から生ずる磁界の大きさを所望の値に適宜変更させることができる。

また、上述の実施例によれば、磁気異方性を有する磁性体としては、アモルファスワイヤ２２が用いられているので、そのアモルファスワイヤ２２もしくはアモルファスワイヤ２２に沿って配設された導線１２４に電流を流すことで、所望の効果を得ることができる。

また前述の実施例によれば、磁気異方性を有する磁性体として、固体、液体、気体もしくは蒸気のいずれかの態様のものを用いることができるので、形状に自由度を持たせてセンサヘッド部１２を構成することができる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図８は、本発明の別の実施例における、制御回路１４２の構成を説明する図であって、前述の実施例における図３に対応する図である。本実施例においては、図８に示す制御回路１４２は、前述の実施例における制御回路４２に代えて用いられる。

本実施例の制御回路１４２は、前述の実施例の制御回路４２と比べて、以下の点においてその構成が異なっている。すなわち、前述の実施例の制御回路４２における差動アンプ７０は、２つのセンサヘッド１２ａ、１２ｂからの出力Ｅ_ＴＣ１およびＥ_ＴＣ２の差分を所定の増幅率（図３の例では２００倍）に増幅していた。一方、本実施例の制御回路１４２は、一方のセンサヘッド１２ａの出力Ｅ_ＴＣ１と、そのセンサヘッド１２ａの過去の出力Ｅ’_ＴＣ１との差分を増幅する。この過去の出力Ｅ’_ＴＣ１はたとえば、データロガー５０に記憶されていたものであって、たとえばアモルファスワイヤ２２に印可される電圧Ｐ_ＥＸの元となるパルス信号ＤＰ１の時間変化とともに記憶されている。そして、実際にアモルファスワイヤ２２に電圧Ｐ_ＥＸが印可される際に、その電圧Ｐ_ＥＸの変化、具体的にはたとえばその入力電圧Ｐ_ＥＸにおける低電圧状態から高電圧状態への立ち上がりなどを、データロガー５０に記憶された過去のパルス信号ＤＰ１の時間変化と同期させ、その過去のパルス信号ＤＰ１の時間変化に伴って記憶された出力電圧Ｅ’_ＴＣ１を順次出力し、差動アンプ７０に供給する。

かかる態様は、具体的には次のような場合に有効である。すなわち、環境磁界が時間の経過に関わらず一定である場合において、測定対象がある場合とない場合とで時間差をおいて本実施例の磁気計測装置１０により計測し、両者におけるセンサヘッド１２ａの検出コイル２６の出力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ’_ＴＣ１との差分を得ることができる。これにより、検出コイル２６の出力電圧から環境磁界の影響を除去もしくは低減することができ、限られた同一のハードウェアで分解能を向上させることができる。本実施例の磁気計測装置１０によれば、１つのセンサの時間的に異なる時点の出力を差動アンプ７０により差動させることができるので、１つのセンサヘッド１２ａしか要せず、構成を簡素にすることができる。

上述の実施例によれば、磁気計測装置１０は、過去の演算結果を記憶するデータロガー５０を有し、制御回路４２およびコンピュータ４６は、現在の演算結果とデータロガー５０に記憶された過去の演算結果とを差分もしくは増幅することにより磁気の検出を行うことができるので、センサヘッド１２ａが１つしかない場合においても、時間的に異なる環境について得られるセンサ出力Ｅ_ＴＣ１を差動、あるいは合計するなどした演算が可能となる。

図９は、本発明の磁気計測装置１０のさらに別の実施例を説明する図であって、センサ部１１２の構成を説明する図である。この図９は、前述の実施例の図１に対応する図である。

図９（ａ）は、本実施例のセンサ部１１２の構成の概要を説明する図であって、図９（ｂ）はその回路構成をより簡易に示した図である。本実施例のセンサ部１１２と前述の実施例のセンサ部１２とは以下の点で異なる。すなわち、（ｉ）アモルファスワイヤ２２が検出コイル２６の内部に配設されている点、および、（ｉｉ）アモルファスワイヤ２２に沿って導線１２４が併設されており、該導線１２４はアモルファスワイヤ２２とは電気的に接続されていない点が異なる。

制御回路４２の出力ＥＸから出力される方形波状の電圧Ｐ_ＥＸは、導線１２４に印可される。ここで、図９に示すように導線１２４は長手状のアモルファスワイヤ２２の長手方向に沿って配設されているので、導線１２４に電圧Ｐ_ＥＸが印可されて電流が流れる場合には、前述の実施例と同様に、その電流の直流成分によって、アモルファスワイヤ２２の内部磁化が変化することとなる。また、導線１２４を流れる電流の値は、アモルファスワイヤ２２の内部磁化を一致した方向に揃えることができるような程度の大きさとされる。

検出コイル２６は、本実施例においては円筒長手状のソレノイドコイルであり、円筒内部の空洞部分にアモルファスワイヤ２２および導線１２４が配設されている。これにより、アモルファスワイヤ２２の内部磁化の変化を検出コイル２６の起電力変化として捉えることができる。

なお、前述の実施例におけるセンサ部１２との相違点である、（ｉ）アモルファスワイヤ２２が検出コイル２６の内部に配設されている点、および、（ｉｉ）アモルファスワイヤ２２に沿って導線１２４が併設されており、該導線１２４はアモルファスワイヤ２２とは電気的に接続されていない点のうち、いずれか一方のみがセンサ部１２と異なるように構成することもできる。

また、図９においては、説明の簡単のため、センサ部１２として、長手状のアモルファスワイヤ２２に対して１つのセンサヘッド１２ａのみを説明したが、図１のセンサ部１２と同様に、長手状のアモルファスワイヤ２２に対して一対（２つ）のセンサヘッド１２ａ、１２ｂが設けられることができる。

前述の実施例においては、検出コイル２６は、センサヘッド部１２および検出対象９０を検出コイル２６の内部に取り囲むように設けられるので、装置の小型化を実現し、設計の自由度を向上しうる。

図１０は、本発明の磁気計測装置のさらに別の実施例の構成を説明する図であって、前述の実施例の図２、図３などに対応する図である。本実施例の磁気計測装置１１０においては、図２、図３で示された前述の実施例の磁気計測装置１０が、さらに後述する発振器８２およびコイル８４を有している。

図１０における発振器８２はコイル８４に接続されており、コイル８４は、そのコイル８４から発生する磁界を磁気計測装置１０の測定対象９０に与えることができるように配設されている。発振器８２からコイル８４電流が供給され、コイル８４から所定の周波数で振動する磁界が発生できるものとされている。ここで本実施例においては、コイル８４から発生する振動磁界が計測対象９０を共鳴させることができる周波数となるようにされている。発振器８２およびコイル８４が本発明の振動磁界発生部に対応する。

なお、本実施例や前述の実施例において一対のセンサヘッド１２ａ、１２ｂの出力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２が差動させられる場合においては、それら一対のセンサヘッド１２ａ、１２ｂのいずれか一方、図１０の例においてはセンサヘッド１２ａに測定対象９０が近接するようにセンサ部１２が配設されることができる。このようにすれば、一方のセンサヘッド１２ａには環境磁界および測定対象９０からの磁界が印可される一方、他方のセンサヘッド１２ｂには環境磁界のみが印可されるため、両者の検出コイル２６、２８の出力電圧出力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２が差動させられることにより環境磁界の影響を除去あるいは低減することができ、出力電圧の変動レンジが小さくなることから、同一のハードウェアを用いる場合においてより分解能を向上させることができる。

また、本実施例においては、デジタルディレイパルス発生器４４は、前述の実施例と同様に、アモルファスワイヤ２２に供給する駆動電圧Ｐ_ＥＸの元となるパルス信号ＤＰ１、サンプルホールド回路５８、６０を駆動させるための基準になるパルス信号ＤＰ２を発生するための２つのチャンネル１Ｃｈ、２Ｃｈに加え、発振器８２の作動を制御するためのトリガー信号を発生するためのチャンネル３Ｃｈを有しており、全体として少なくとも３チャンネルの出力ポートを有している。発振器８２はデジタルディレイパルス発生器４４（図２参照）に接続されており、デジタルパルス発生器４４からの制御信号に基づいて発振器８２がコイル８４に電流を供給するようにされている。そして、デジタルパルス発生器４４は、アモルファスワイヤ２２に励起電圧Ｐ_ＥＸを印可し、サンプルホールド回路５８、６０を制御するのに関連して、発振器８２の作動を制御するためのトリガー信号を発生する。このようにすれば、センサ部１２による磁気計測に併せて振動磁界を発生させることができる。

図１１は、本実施例の磁気計測装置１１０におけるデジタルディレイパルス発生器４４の各チャンネルごとの出力パターンと、発振器８２からの出力、コイル８４から測定対象９０に印可される振動磁界の時間変化を説明するためのタイムチャートである。

前述のとおり、デジタルディレイパルス発生器４４の１Ｃｈからは、アモルファスワイヤ２２を励起させるための電圧Ｐ_ＥＸのもとになるパルス信号ＤＰ１が発生させられる。そして、３Ｃｈからは、発振器８２を起動するためのトリガー信号が発生させられる。ここで図１１に示すように、デジタルディレイパルス発生器４４は、パルス信号ＤＰ１が低電圧状態から高電圧状態に立ち上がる時点から時間ｔ１３だけ前に、トリガー信号を発生させるものとされている。そして、かかるトリガー信号を受信した発振器８２は、所定時間ｔ_ＯＳＣの間、コイル８４に対して電流を供給する。コイル８４からは、その電流が流れているｔ_ＯＳＣの間、振動磁界が発生させられるとともに、その振動磁界は、電流が停止した後時間ｔ_ｄｍｐの間だけかかって減衰していく。一方、デジタルディレイパルス発生器４４は、コイル８４からの振動時間が減衰している途中において、サンプルホールド回路５８、６０がサンプルホールド処理を行うためのトリガー信号となるパルス信号ＤＰ２を２Ｃｈから出力する。

本実施例の磁気計測装置１１０によれば、測定対象９０に対して振動磁界を与える発振器８２およびコイル８４をさらに備え、制御回路４２およびデジタルディレイパルス発生器４２は、発振器８２およびコイル８４によって発生させられる振動磁界の振動と同期して検出コイル２６の起電力Ｅ_ＴＣ１を検出するので、共鳴現象などを検出できる。すなわち、環境磁界またはヘルムホルツコイル７８などで補助的に付加する低強度の静磁場環境において、計測対象物９０内部の原子核・電子が有する共鳴周波数に相当する振動磁界が周囲の別の第二のコイル（たとえばコイル８４）から印可されたとき、振動磁界印可後も、対象物内部の原子核・電子が発する振動磁界を（静磁界強度・スピンの種類やその）緩和時間に応じて検出する。このとき、本実施例の磁気計測装置による計測（励起直流電流印可）インターバルを対象物の共鳴周波数と同期させることで、効果的な測定を行うことができる。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

例えば、前述の実施例では２つのセンサ１２ａ、１２ｂを有するセンサヘッド１２の例を示したが、これに限られず、１つのセンサ１２ａを用いることによって磁気測定を行うことも可能である。かかる場合において、実施例２のような構成をとらないのであれば、２つのセンサの出力を作動させることを前提として設けられた回路部１４の構成部分、すなわち差動アンプ７０などは設けられる必要はない。

また、前述の実施例においては、磁気異方性を有する磁性体として長手状のアモルファスワイヤ２２が用いられたが、かかる態様に限られない。たとえば、磁気異方性を有する磁性体としては、iron garnet、ダイヤモンド、ＳｉＣの少なくとも１を有する物質が用いられてもよいし。また、形状も長手棒状に限られず、円筒状や平面状のものであってもよいし、平面状の磁性体をたとえば円筒状に巻き回したような所望の形状とされてもよい。さらに、磁気異方性を有する磁性体は、１つの固体に限られず、微小固体の集合体であってもよいし、固体に限られず、たとえば所望形状の容器に収納された磁気異方性を有する粒子を含有するイオン液体などのように、磁気異方性を有する液体や気体、蒸気とすることも可能である。さらに、アモルファス材料と上記イオン液体との複合物として設けることも可能である。

また、前述の実施例においては、回路部１４において、サンプルホールド回路５８、６０は、それぞれ検出コイル２６、２８の起電力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２の振幅のピーク（ピーク値）を検出するものとされたが、この際、検出コイル２６、２８の起電力Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２は、図示しないバンドパスフィルタによりＡＣカップリングされた後、サンプルホールド回路５８、６０に入力されるようにしてもよい。

また、前述の実施例においては、アモルファスワイヤ２２のうち、センサヘッド１２ａ、１２ｂに該当しない部分は電気的に短絡するためのバイパスケーブル（導線）３４が設けられたが、必ずしも必須ではなく、パルス信号に基づいて作成された電流Ｐ_ＥＸアモルファスワイヤ２２全体を流れるようにしてもよい。」

また、前述の実施例においては、アモルファスワイヤ２２に印可される励起電圧の基になるパルス信号ＤＰ１は一定周期ｐのものとされたが、これに限定されず、間欠的なパルス信号とされてもよい。すなわち、パルス幅ｗは一定であるが、その発生間隔は一定でなくてもよい。これは、本発明によれば、前述の通り、パルス信号ＤＰ１の立ち上がりおよび落ち込みとその後の直流電流成分に起因して検出コイル２６、２８による起電力の変化の検出を行うものであって、パルス信号ＤＰ１が所定周期であることを要しないためである。

また、前述の実施例おいては、デジタルディレイパルス発生器４４の発生するステップ状のパルス信号ＤＰ１は、その高電位側となる時間ｗを変更することによって、センサヘッド部１２から生ずる磁界の大きさを所望の値に適宜変更させるものとしたが、このような態様に限られない。この時間ｗの変更に代えて、あるいは加えて、アモルファスワイヤ２２に印可するパルス電位Ｐ_ＥＸの振幅を変化することや、または、センサヘッド部１２から生ずる磁界の大きさを変更することもできる。このパルス電位Ｐ_ＥＸの振幅の変化は、入力アンプ５２の増幅率を変更したり、あるいはパルス電位Ｐ_ＥＸの元となるパルス信号ＤＰ１の電圧を変更することによって実行される。これは、パルス電位Ｐ_ＥＸの振幅のある値によって生ずる磁界強度における遷移速度に依存して磁化の状態遷移が起こることによることで、定常状態に達するまでの時間ｗを十分な定常状態に達する前の値とすることで、検出コイルの誘導起電力を調整することができるためである。

１０：磁気計測装置
１２：センサヘッド部
２６、２８：検出コイル
４２：制御回路（通電部・検出部）
２２：アモルファスワイヤ（磁性体）
５０：データロガー（記憶部）
８２：発振器（振動磁界発生部）
８４：コイル（振動磁界発生部）
ＤＰ１：ステップ状のパルス信号
Ｅ_ＴＣ１、Ｅ_ＴＣ２：検出コイルの起電力

Claims

センサヘッド部と、該センサヘッド部に通電するための間欠的な直流電流を生成する通電部と、前記センサヘッド部に生ずる磁界を計測するための検出コイルと、該検出コイルの起電力を前記通電部による前記センサヘッド部への通電に同期して検出する検出部と、を含む磁気計測装置であって、
前記センサヘッド部は、磁気異方性を有する磁性体を有し、
前記通電部は前記磁気異方性を有する磁性体もしくは該磁気異方性を有する磁性体に沿って設けられた導線に矩形波からなる前記間欠的な直流電流を通電するものであり、
前記検出コイルは、前記磁気異方性を有する磁性体が生ずる磁界の変動に起因して起電力を生ずるものであり、
前記磁気計測装置は、前記間欠的な直流電流が小電流側から大電流側に変化したこと、および、大電流側から小電流側に変化したことの少なくとも一方に基づく前記検出コイルの起電力の変化に基づいて磁気の検出を行う演算部を有し、
前記磁気計測装置は、前記通電部が通電する間欠的な直流電流における前記大電流側となる時間の長さが大きくなるほど前記検出コイルの起電力の大きさが大きくなるとともに、前記大電流側となる時間の長さが所定値を超えると、前記検出コイルの起電力の大きさが飽和する特性を有し、
前記通電部が通電する間欠的な直流電流における前記大電流側となる時間の長さは、前記所定値以上とされること、
を特徴とする磁気計測装置。
前記磁性体の真空に対する比透磁率が１００００倍程度であるとともに、前記磁性体の内部磁化が順方向と反方向の配向をとるエネルギー差が電子のスピンに起因することにより、前記磁性体の電子スピンの集合が同時に変化する構造を有し、
前記検出コイルの起電力が、検出する前記磁気の強度のボルツマン分布関数として近似され、該ボルツマン分布関数の中心部における直線状部分を測定対象領域とすることで、
前記検出コイルが生ずる起電力は、外部磁界の変化に対して線形に変化すること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
前記演算部は、前記間欠的な直流電流が小電流側から大電流側に変化したこと、および、該変化に続いて大電流側から小電流側に変化したことに基づく前記検出コイルの起電力の変化に基づいて磁気の検出を行うこと、
を特徴とする請求項１または２のいずれか１に記載の磁気計測装置。
前記通電部の発生する間欠的な直流電流は、その大電流側となる時間の長さを変更可能であること、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の磁気計測装置。
前記磁気異方性を有する磁性体は、アモルファス材料であること、
を特徴とする請求項２に記載の磁気計測装置。
測定対象に対して振動磁界を与える振動磁界発生部をさらに備え、
前記検出部は、該振動磁界発生部によって発生させられる振動磁界の振動と同期して該検出コイルの起電力を検出すること、
を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の磁気計測装置。
前記間欠的な直流電流の繰り返し周期が、１μ秒以上であること、
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の磁気計測装置。