JP7479888B2 - 磁場検出装置 - Google Patents

Description

本発明は磁場検出装置に関し、特に、シールドルームを用いることなく微弱な磁場を検出可能な磁場検出装置に関する。

シールドルームを用いることなく微弱な磁場を検出可能な磁場検出装置としては、特許文献１に記載された磁場検出装置が知られている。特許文献１の図１に記載された磁場検出装置は、参照用の磁気センサを用いて環境磁場を検出し、これに基づいてキャンセルコイルにキャンセル電流を流すことにより、測定用の磁気センサに加わる環境磁場をキャンセルしている。また、特許文献１の図７に記載された磁場検出装置は、複数の磁気センサからの出力信号を加算することによって環境磁場成分を抽出し、複数の磁気センサにそれぞれ設けられたキャンセルコイルにキャンセル電流を流すことによって、複数の磁気センサに加わる環境磁場をキャンセルしている。

特開２０１７－１３３９９３号公報

しかしながら、特許文献１の図１に記載された磁場検出装置は、測定用の磁気センサと参照用の磁気センサにそれぞれ別個のキャンセルコイルが割り当てられており、特許文献１の図７に記載された磁場検出装置は、複数の磁気センサのそれぞれにキャンセルコイルが割り当てられていることから、部品点数が多いという問題があった。また、特許文献１の図７に記載された磁場検出装置は、複数の磁気センサからの出力信号を加算する必要があることから、回路構成が複雑になるという問題もあった。

したがって、本発明は、シールドルームを用いることなく微弱な磁場を検出可能な磁場検出装置において、部品点数を削減するとともに、回路構成を簡素化することを目的とする。

本発明による磁場検出装置は、感度軸方向が互いに一致する第１及び第２の磁気センサと、キャンセルコイルと、第１の磁気センサの出力信号に応じてキャンセルコイルにキャンセル電流を流すことにより、第１の磁気センサが配置された第１の位置を含むキャンセル空間の環境磁場を打ち消すフィードバック回路とを備え、第２の磁気センサは、キャンセル空間内であって第１の位置から離れた第２の位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の磁気センサに対して共通のキャンセルコイルを用いていることから、部品点数を削減することができるとともに、回路構成を簡素化することが可能となる。

本発明において、第１及び第２の磁気センサは、いずれもキャンセルコイルの軸方向から見てキャンセルコイルの内径領域と重なる位置に配置されていても構わない。これによれば、装置全体のサイズを小型化することが可能となる。この場合、第２の磁気センサの少なくとも一部は、キャンセルコイルの軸方向に対して垂直な方向から見て、キャンセルコイルの内径領域から突出していても構わない。これによれば、キャンセルコイルと測定対象物の干渉が避けられることから、測定対象物と第２の磁気センサの距離を近づけることが可能となる。

本発明による磁場検出装置は、第１の支持体と、第１及び第２の磁気センサとキャンセルコイルが固定され、第１の支持体に対する位置関係が可変である第２の支持体とをさらに備えていても構わない。これによれば、第２の磁気センサを測定対象物に近づけやすくなる。

本発明による磁場検出装置は、キャンセルコイルに並列接続され、抵抗値がキャンセルコイルの等価直列抵抗よりも大きい抵抗をさらに備えていても構わない。これによれば、第１の磁気センサ、フィードバック回路及びキャンセルコイルからなるフィードバックループの発振を防止することが可能となる。

本発明によれば、シールドルームを用いることなく微弱な磁場を検出可能であり、且つ、部品点数が少なく回路構成がシンプルな磁場検出装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による磁場検出装置１を測定面側から見た略斜視図である。 図２は、磁場検出装置１を裏面側から見た略斜視図である。 図３は、磁場検出装置１の略側面図である。 図４は、磁気センサＳ１，Ｓ２の内部構造の一例を示す模式図である。 図５は、磁場検出装置１の回路構成を示すブロック図である。 図６は、センサチップ２２の略平面図である。 図７は、図６に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図８は、磁気センサＳ１、フィードバック回路３１及びキャンセルコイルＣ２を含むフィードバックループの回路図である。 図９は、磁気センサＳ２及び検出回路３２の回路図である。 図１０は、磁気センサＳ１，Ｓ２が設けられる位置を説明するための模式図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態による磁場検出装置２の外観を示す略斜視図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態による磁場検出装置３の外観を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１～図３は、本発明の第１の実施形態による磁場検出装置１の外観を示す図であり、図１は測定面側から見た略斜視図、図２は裏面側から見た略斜視図、図３は略側面図である。

図１～図３に示すように、本実施形態による磁場検出装置１は、ｚ方向を軸方向とするキャンセルコイルＣ２と、ｚ方向から見てキャンセルコイルＣ２の内径領域と重なる位置に配置された磁気センサＳ１，Ｓ２を備えている。磁気センサＳ１，Ｓ２は、それぞれセンサ支持部材１１，１２を介して支持体１３に固定されている。また、キャンセルコイルＣ２は、支持体１３に固定されたコイルスタンド１４に保持されている。支持体１３は、ヒンジ部１５を介して支持体１６に連結されている。これにより、支持体１６に対する支持体１３の角度が可変とされている。支持体１３と支持体１６の角度は固定部材１７によって固定される。

磁気センサＳ１は地磁気などの環境磁場成分を検出するためのセンサであり、磁気センサＳ２は測定対象物から発せられる信号磁場成分を検出するためのセンサである。磁気センサＳ１，Ｓ２は感度軸方向がいずれもｚ方向であり、その大部分はキャンセルコイルＣ２の内径領域に位置している。本実施形態においては、ｘ方向から見て磁気センサＳ１，Ｓ２のセンサヘッドがキャンセルコイルＣ２の内径領域から突出している。これは、磁気センサＳ２のセンサヘッドを測定対象物により近づけるためである。つまり、磁気センサＳ２のセンサヘッドがキャンセルコイルＣ２の内径領域に配置されていると、測定対象物とキャンセルコイルＣ２が干渉するため、測定対象物と磁気センサＳ２のセンサヘッドの距離が大きくなるからである。

図４は、磁気センサＳ１，Ｓ２の内部構造の一例を示す模式図である。

図４に示す例では、磁気センサＳ１，Ｓ２が互いに同じ構造を有しており、いずれもセンサ収容体２０と、センサ収容体２０に収容された基板２１と、基板２１に搭載されたセンサチップ２２及び集磁体２３を備えている。集磁体２３はｚ方向に延在する棒状体であり、フェライトなどの高透磁率材料からなる。集磁体２３のｚ方向における一端はセンサヘッドＨを構成し、集磁体２３のｚ方向における他端にセンサチップ２２が配置される。これにより、センサヘッドＨの近傍に位置する測定対象物から発せられるｚ方向の信号磁場成分が集磁体２３によって集磁され、センサチップ２２に印加される。

図５は、本実施形態による磁場検出装置１の回路構成を示すブロック図である。

図５に示すように、本実施形態による磁場検出装置１は、磁気センサＳ１に接続されたフィードバック回路３１と、磁気センサＳ２に接続された検出回路３２を備えている。フィードバック回路３１は、環境磁場成分を打ち消すためのフィードバック電流Ｆ１を生成する回路であり、フィードバック回路３１によって生成されたフィードバック電流Ｆ１は、キャンセルコイルＣ２に供給される。これにより、磁気センサＳ１、フィードバック回路３１及びキャンセルコイルＣ２は、環境磁場成分を打ち消すフィードバックループを構成する。一方、検出回路３２は、磁気センサＳ２からの出力信号に応じて、測定対象物から発せられる信号磁場成分を示す検出信号Ｖｏｕｔを生成する。

図６はセンサチップ２２の略平面図であり、図７は図６に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図６及び図７に示すように、センサチップ２２の素子形成面には、４つの磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４と、キャンセルコイルＣ１が集積されている。キャンセルコイルＣ１は絶縁膜２４で覆われ、絶縁膜２４上に磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４が形成されている。磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４は、絶縁膜２５で覆われる。そして、集磁体２３はｚ方向から見て、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２と磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４の間に配置される。これにより、集磁体２３によって集磁されたｚ方向の磁界は、センサチップ２２の素子形成面上で＋ｘ方向及び－ｘ方向に分配される。その結果、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２と磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４には、互いに逆方向の磁界成分が印加される。ここで、磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４の固定磁化方向はいずれも＋ｘ方向又は－ｘ方向に揃えられている。

また、キャンセルコイルＣ１は、磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４と重なるように配置されており、キャンセルコイルＣ１にキャンセル電流を流すと、磁気抵抗効果素子Ｍ１，Ｍ２と磁気抵抗効果素子Ｍ３，Ｍ４には、互いに逆方向のキャンセル磁界が印加される。

図８は、磁気センサＳ１、フィードバック回路３１及びキャンセルコイルＣ２を含むフィードバックループの回路図である。

図８に示すように、磁気センサＳ１に含まれる磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４はブリッジ接続され、これにより生成される差動信号がフィードバック回路３１に含まれる差動アンプ３１ａに供給される。差動アンプ３１ａは、差動信号に基づいてフィードバック電流Ｆ１を生成する。フィードバック電流Ｆ１は、直列接続されたキャンセルコイルＣ１，Ｃ２に流れる。これにより、キャンセルコイルＣ１，Ｃ２は、磁気センサＳ１の出力信号である差動信号成分がゼロとなるよう、キャンセル磁界を発生させる。

また、本実施形態においては、キャンセルコイルＣ２に抵抗Ｒ１が並列接続されている。抵抗Ｒ１の抵抗値は、キャンセルコイルＣ２の等価直列抵抗（ＥＳＲ）よりも大きく、好ましくはＥＳＲの１０倍以上、より好ましくはＥＳＲの１００倍以上に設定される。これにより、フィードバック電流Ｆ１のうち、地磁気などに起因する低周波成分についてはキャンセルコイルＣ２を流れる一方、発振の原因となる高周波成分については抵抗Ｒ１をバイパスする。その結果、フィードバックループの発振を防止しつつ、地磁気などの環境磁場成分を正しくキャンセルすることが可能となる。

図９は、磁気センサＳ２及び検出回路３２の回路図である。

図９に示すように、磁気センサＳ２に含まれる磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４はブリッジ接続され、これにより生成される差動信号が検出回路３２に含まれる差動アンプ３２ａに供給される。差動アンプ３２ａは、差動信号に基づいてフィードバック電流Ｆ２を生成する。フィードバック電流Ｆ２は、キャンセルコイルＣ１に流れる。これにより、キャンセルコイルＣ１は、磁気センサＳ２の出力信号である差動信号成分がゼロとなるよう、キャンセル磁界を発生させる。

さらに、検出回路３２には、フィードバック電流Ｆ２を電流電圧変換する抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ２の両端間電圧を測定する電圧測定回路３３が設けられている。これにより、フィードバック電流Ｆ２が流れると、その電流量に比例した検出信号Ｖｏｕｔが生成される。

図１０は、磁気センサＳ１，Ｓ２が設けられる位置を説明するための模式図である。

図１０に示すように、キャンセルコイルＣ２の軸方向から見て、磁気センサＳ１は、キャンセルコイルＣ２の内径領域の中心からオフセットした位置に配置されている。上述の通り、キャンセルコイルＣ２は、磁気センサＳ１に印加される環境磁場成分がゼロとなるよう、キャンセル磁界を発生させる。しかしながら、環境磁場成分がゼロとなるのは磁気センサＳ１が配置された位置だけではなく、キャンセルコイルＣ２と同心円状に分布するキャンセル空間４０においても環境磁場成分がゼロとなる。これは、キャンセル磁界の強度分布が同心円状であるため、環境磁場成分が一様であれば、磁気センサＳ１と径方向位置が同じ領域においては環境磁場成分が完全に打ち消されるからである。

そして、本実施形態においては、このキャンセル空間４０内に磁気センサＳ２が配置される。これにより、磁気センサＳ２に印加される環境磁場成分もゼロとなることから、磁気センサＳ２には測定対象物から発せられる信号磁場成分のみが印加されることになる。このため、シールドルームを用いることなく、微弱な磁場を検出することが可能となる。しかも、２つの磁気センサＳ１，Ｓ２に対して共通のキャンセルコイルＣ２を割り当てていることから、部品点数を削減することができるとともに、回路構成を簡素化することが可能となる。

磁気センサＳ２を配置する位置は、キャンセル空間４０内であればどこに配置しても構わない。例えば、図１０に示す位置４１に磁気センサＳ２を配置しても構わない。しかしながら、測定対象物から発せられる信号磁場成分が磁気センサＳ１に印加されると、信号磁場成分の一部又は全部がキャンセルされてしまうため、磁気センサＳ１と磁気センサＳ２の距離はできるだけ離れていることが好ましい。このため、キャンセル空間４０内であって、磁気センサＳ１からの直線距離が最も遠い位置に磁気センサＳ２を配置することが好ましい。そして、微弱な磁場を発生する測定対象物を磁気センサＳ２のセンサヘッドに近接させた状態で測定を行えば、測定対象物から発せられる信号磁場成分をリアルタイムに検出することが可能となる。

また、測定対象物から発せられる信号磁場成分が非常に微弱であれば、測定対象物を磁気センサＳ２のセンサヘッドに近接させることにより、磁気センサＳ１は信号磁場成分の影響をほとんど受けなくなる。しかも、測定対象物を磁気センサＳ２のセンサヘッドに近接させると、磁気センサＳ１に印加される信号磁場成分の向きと磁気センサＳ２に印加される信号磁場成分の向きに差が生じる。そして、本実施形態においては、磁気センサＳ１，Ｓ２の感度軸方向が互いに同じであることから、磁気センサＳ１に含まれる磁気抵抗効果素子Ｍ１～Ｍ４には信号磁場成分はほとんど印加されなくなる。

このように、本実施形態による磁場検出装置１を用いれば、簡単な構成によって微弱な磁場を高感度に検出することが可能となる。

図１１は、本発明の第２の実施形態による磁場検出装置２の外観を示す略斜視図である。

図１１に示す例では、キャンセルコイルＣ２とコイルスタンド１４が２セット設けられる点において、第１の実施形態による磁場検出装置１と相違している。２つのキャンセルコイルＣ２は直列に接続されている。また、２つのキャンセルコイルＣ２は同軸に配置されており、これらキャンセルコイルＣ２の内径領域に磁気センサＳ１，Ｓ２が配置されている。このように、キャンセルすべき環境磁場成分の強さに応じて、複数のキャンセルコイルＣ２を用いても構わない。

図１２は、本発明の第３の実施形態による磁場検出装置３の外観を示す略斜視図である。

図１２に示す例では、磁気センサＳ２の向きがｚ軸方向に１８０°反転しているとともに、キャンセルコイルＣ２の中心からみた磁気センサＳ２の径方向位置が磁気センサＳ１と相違している点において、第１の実施形態による磁場検出装置１と相違している。本実施形態による磁場検出装置３が例示するように、感度軸方向が互いに同じである限り、磁気センサＳ１と磁気センサＳ２の向きが異なっていても構わないし、磁気センサＳ２の位置がキャンセル空間４０内である限り、磁気センサＳ１，Ｓ２の径方向位置が異なっていても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上述した各実施形態では、磁気センサＳ１，Ｓ２をキャンセルコイルＣ２の内径領域に配置しているが、磁気センサＳ２をキャンセル空間４０に配置する限り、磁気センサＳ１，Ｓ２をキャンセルコイルＣ２の外側領域に配置しても構わない。

１～３ 磁場検出装置
１１，１２ センサ支持部材
１３，１６ 支持体
１４ コイルスタンド
１５ ヒンジ部
１７ 固定部材
２０ センサ収容体
２１ 基板
２２ センサチップ
２３ 集磁体
２４，２５ 絶縁膜
３１ フィードバック回路
３１ａ 差動アンプ
３２ 検出回路
３２ａ 差動アンプ
３３ 電圧測定回路
４０ キャンセル空間
４１ 位置
Ｃ１，Ｃ２ キャンセルコイル
Ｆ１，Ｆ２ フィードバック電流
Ｈ センサヘッド
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
Ｍ１～Ｍ４ 磁気抵抗効果素子
Ｓ１，Ｓ２ 磁気センサ

Claims (3)

1. 感度軸方向が互いに一致する、環境磁場成分を検出するための第１の磁気センサ及び測定対象物から発せられる信号磁場成分を検出するための第２の磁気センサと、
   キャンセルコイルと、
   前記第１の磁気センサの出力信号に応じて前記キャンセルコイルにキャンセル電流を流すことにより、前記第１の磁気センサが配置された第１の位置を含むキャンセル空間の環境磁場を打ち消すフィードバック回路と、を備え、
   前記第２の磁気センサは、前記キャンセル空間内であって前記第１の位置から離れた第２の位置に配置されており、
   前記第１及び第２の磁気センサは、いずれも前記キャンセルコイルの軸方向から見て前記キャンセルコイルの内径領域と重なる位置であって、前記内径領域の中心からオフセットした位置に同心円状に配置されており、
   前記第２の磁気センサの少なくとも一部は、前記キャンセルコイルの前記軸方向に対して垂直な方向から見て、前記キャンセルコイルの前記内径領域から突出していることを特徴とする磁場検出装置。
2. 第１の支持体と、
   前記第１及び第２の磁気センサと前記キャンセルコイルが固定され、前記第１の支持体に対する位置関係が可変である第２の支持体と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁場検出装置。
3. 感度軸方向が互いに一致する第１及び第２の磁気センサと、
   キャンセルコイルと、
   前記第１の磁気センサの出力信号に応じて前記キャンセルコイルにキャンセル電流を流すことにより、前記第１の磁気センサが配置された第１の位置を含むキャンセル空間の環境磁場を打ち消すフィードバック回路と、
   前記キャンセルコイルに並列接続され、抵抗値が前記キャンセルコイルの等価直列抵抗よりも大きい抵抗と、を備え、
   前記第２の磁気センサは、前記キャンセル空間内であって前記第１の位置から離れた第２の位置に配置されていることを特徴とする磁場検出装置。

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