JP7531889B2 - Magnetic Oscillation Sensor - Google Patents

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JP7531889B2 JP2020161992A JP2020161992A JP7531889B2 JP 7531889 B2 JP7531889 B2 JP 7531889B2 JP 2020161992 A JP2020161992 A JP 2020161992A JP 2020161992 A JP2020161992 A JP 2020161992A JP 7531889 B2 JP7531889 B2 JP 7531889B2
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Description

本発明は、強磁性体磁心を含むプローブ又はセンサ部の非線形磁気特性を利用して磁界を測定するフラックスゲート方式の磁気センサに関し、特に、磁気発振センサから漏れる磁束の抑制対策と、励磁コイルの小型化および密集化等に関するものである。 The present invention relates to a fluxgate type magnetic sensor that measures magnetic fields by utilizing the nonlinear magnetic properties of a probe or sensor part that includes a ferromagnetic core, and in particular, to measures to suppress magnetic flux leakage from a magnetic oscillation sensor, and to miniaturization and density of excitation coils, etc.

従来のフラックスゲート方式の磁気センサは、磁気センサの形状に比べて非常に大きく広がった自然空間、施設、設備、構造物、各種装置などの内外に付帯する空間の磁場測定に使用されることが多かった。しかしながら、フラックスゲート方式の磁気センサでは、励磁コイルから漏れる磁束を外部へ放出しているので、磁気センサ近傍の磁場測定においては、励磁コイルの漏れ磁束から磁場環境を守るための磁場環境保全対策および磁気センサ同士の接近による電磁的干渉抑制策などに関しては、未解決のままであった。 Conventional fluxgate magnetic sensors have often been used to measure magnetic fields in natural spaces, facilities, equipment, structures, various devices, and other spaces that are much larger than the shape of the magnetic sensor. However, because fluxgate magnetic sensors release magnetic flux leaking from the excitation coil to the outside, when measuring magnetic fields near the magnetic sensor, measures to protect the magnetic environment from the leakage flux of the excitation coil and measures to suppress electromagnetic interference caused by magnetic sensors being placed close to each other remain unsolved.

測定磁場の環境保全のための従来技術として、特許文献1に記載の磁気検出装置が知られている。この特許文献1に記載の磁気検出装置は、磁気発振センサ近傍における測定磁場環境保全のための対策として、磁気感応部の励磁コイルから外部に漏れて出る磁束を打ち消すための空芯コイルを励磁コイルの隣に並行して配置する並列コイル方式で対応している。 The magnetic detection device described in Patent Document 1 is known as a conventional technique for environmental conservation of the measured magnetic field. The magnetic detection device described in Patent Document 1 uses a parallel coil method to counteract the magnetic flux leaking from the excitation coil of the magnetic sensing unit to the outside, by arranging an air-core coil in parallel next to the excitation coil, as a measure to protect the measured magnetic field environment near the magnetic oscillation sensor.

特許第5521143号公報Patent No. 5521143

特許文献1に記載の磁気検出装置における、この方式の課題は、2個のコイルを必要とした事で磁気感応部の形状が大きくなり、励磁磁界によって乱される磁場空間の最小化も、高々一辺が20mmの立方空間ぐらいまでが限界であった。それ以下にするためには、磁気発振センサ自身の形状を小さくして磁気センサ間同士の電磁的干渉を抑制する新規技術が必要であった。 The problem with this method of the magnetic detection device described in Patent Document 1 is that the need for two coils makes the magnetic sensing part larger, and the magnetic field space disturbed by the excitation magnetic field can only be minimized to a cubic space with a side length of 20 mm. To reduce the size below this, a new technology was needed to reduce the size of the magnetic oscillation sensor itself and suppress electromagnetic interference between magnetic sensors.

本発明は、磁気発振センサを使用してフラックスゲート方式の磁気センサにおける共通的な技術的課題、すなわち、1)励磁コイルからの漏れ磁束抑制、2)電磁的干渉の抑制、3)磁気センサ近傍における測定磁場の環境保全、4)励磁コイルの小型化と密集化などの技術的諸課題を解決しようとするものである。 The present invention uses a magnetic oscillation sensor to solve common technical problems in fluxgate type magnetic sensors, namely, 1) suppression of leakage magnetic flux from the excitation coil, 2) suppression of electromagnetic interference, 3) environmental conservation of the measured magnetic field in the vicinity of the magnetic sensor, and 4) miniaturization and density of the excitation coil.

課題解決のための第1の解決手段は、
磁芯となる可飽和磁性体と、前記可飽和磁性体の周囲に巻装され、前記可飽和磁性体の正負の各磁気飽和点に到達するまでの励磁磁界を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルの両端に備えられ、前記励磁コイルの両端面から放出される励磁磁界の漏れ磁束を抑制する環状電流回路とをもって磁気を検出する磁気感応基本素子が構成され、
前記磁気感応基本素子において、前記可飽和磁性体が挿入された貫通口が、前記励磁コイルおよび前記環状電流回路の構成部品の各々の中央部に設けられ、
前記環状電流回路は、円盤状導体を積層状態に重ね合わせて一体化して形成され、
前記可飽和磁性体が磁気飽和するタイミング毎に極性が反転する励磁電流を出力するセンサ回路部を前記磁気感応基本素子の励磁コイルに接続して磁気発振回路が構成された磁気発振センサを課題解決手段として活用するものである。この解決手段は本発明の根幹をなす基本技術である。
The first solution to the problem is:
A magnetically sensitive basic element for detecting magnetism is constituted by a saturable magnetic body that serves as a magnetic core, an excitation coil that is wound around the saturable magnetic body and generates an excitation magnetic field until the excitation magnetic field reaches each of the positive and negative magnetic saturation points of the saturable magnetic body, and a ring-shaped current circuit that is provided on both ends of the excitation coil and suppresses leakage magnetic flux of the excitation magnetic field emitted from both end faces of the excitation coil,
In the magnetically-sensitive basic element, a through hole into which the saturable magnetic body is inserted is provided at the center of each of the components of the exciting coil and the ring-shaped current circuit;
The annular current circuit is formed by stacking and integrating disc-shaped conductors in a laminated state,
The magnetic oscillation sensor is used as a means for solving the problem, in which a sensor circuit section that outputs an excitation current whose polarity is reversed every time the saturable magnetic material becomes magnetically saturated is connected to the excitation coil of the magnetically sensitive basic element to form a magnetic oscillation circuit. This solution is the basic technology that forms the basis of the present invention.

課題解決のための第の解決手段は、
磁芯となる可飽和磁性体と、前記可飽和磁性体の周囲に巻装され、前記可飽和磁性体の正負の各磁気飽和点に到達するまでの励磁磁界を発生する複数個の励磁コイルと、前記励磁コイルの端面から放出される励磁磁界の漏れ磁束を抑制する複数個の環状電流回路とを備えた密集型磁気感応部であり、前記環状電流回路は、円盤状導体を積層状態に重ね合わせて一体化して形成され、前記可飽和磁性体が挿入された貫通口が、前記励磁コイルおよび前記環状電流回路の構成部品の各々の中央部に設けられ、前記前記励磁コイルと、前記環状電流回路とを、交互に並べて密集させた前記密集型磁気感応部が構成され、
前記励磁コイル毎に、前記可飽和磁性体が磁気飽和するタイミング毎に極性が反転する励磁電流を出力するセンサ回路部が各々接続されることで、複数個の磁気発振回路が構成された磁気発振センサを解決手段として活用するものである。
このような励磁コイルの密集構成の実現によって、従来技術では未解決であった磁気発振センサの高密度化が可能になったのである。
The second solution to the problem is:
a dense magnetic sensing unit including a saturable magnetic body that serves as a magnetic core, a plurality of excitation coils wound around the saturable magnetic body to generate an excitation magnetic field that reaches each of the positive and negative magnetic saturation points of the saturable magnetic body, and a plurality of annular current circuits that suppress leakage magnetic flux of the excitation magnetic field emitted from the end faces of the excitation coils , the annular current circuits being formed by stacking and integrating disk-shaped conductors in a laminated state, a through hole through which the saturable magnetic body is inserted is provided in the center of each of the components of the excitation coils and the annular current circuits, the dense magnetic sensing unit being configured by closely arranging the excitation coils and the annular current circuits alternately ,
A sensor circuit unit is connected to each excitation coil, and outputs an excitation current whose polarity reverses each time the saturable magnetic material becomes magnetically saturated. This allows a magnetic oscillation sensor having multiple magnetic oscillation circuits to be used as a solution.
By realizing such a dense configuration of excitation coils, it has become possible to increase the density of magnetic oscillation sensors, something that was not possible with conventional technology.

課題解決のための第の解決手段は、
前記センサ回路部には、信号発生器から出力された制御信号を、ダイオードとコンデンサの直列回路で構成した伝送回路を介した後に伝送することで、前記センサ回路部の出力に不要な雑音が混入しないようにした。この解決手段は、磁気検出情報を持つ複数個のセンサ回路部の出力電圧に混在する雑音を最小化して、磁気検出分解能を全体的に向上させる使命を持った総合的な性能向上手段でもある。
The third solution to the problem is:
The control signal output from the signal generator is transmitted to the sensor circuit section via a transmission circuit configured with a series circuit of a diode and a capacitor, thereby preventing unwanted noise from being mixed into the output of the sensor circuit section. This solution is also a comprehensive performance improvement means with the mission of minimizing noise mixed into the output voltage of multiple sensor circuits having magnetic detection information and improving magnetic detection resolution overall.

本発明により、励磁コイルからの漏れ磁束抑制、電磁的干渉の抑制、磁気センサ近傍における測定磁場の環境保全、および励磁コイルの小型化と密集化などの効果が得られる。 The present invention provides the following benefits: suppression of leakage flux from the excitation coil, suppression of electromagnetic interference, environmental protection of the measured magnetic field in the vicinity of the magnetic sensor, and miniaturization and density of the excitation coil.

本発明の実施の形態に係る磁気発振センサを構成する磁気感応基本素子とセンサ回路部とを示す図である。1 is a diagram showing a magnetically-sensitive basic element and a sensor circuit portion that constitute a magnetic oscillation sensor according to an embodiment of the present invention; 図1に示す磁気発振センサ(磁気発振回路)の動作原理を説明するための図であり、(a)は図1に示す磁気発振回路が動作している時の可飽和磁性体のB-H曲線のグラフ、(b)は、オペアンプの出力電圧波形の関係を示す説明図である。2A and 2B are diagrams for explaining the operating principle of the magnetic oscillation sensor (magnetic oscillation circuit) shown in FIG. 1, in which (a) is a graph of the B-H curve of a saturable magnetic material when the magnetic oscillation circuit shown in FIG. 1 is operating, and (b) is an explanatory diagram showing the relationship of the output voltage waveform of an operational amplifier. 図1に示す磁気発振センサの環状電流回路の部品構成の一例の図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a component configuration of a circular current circuit of the magnetic oscillation sensor shown in FIG. 1 . (a)および(b)は隣接する励磁コイルの磁束分布を説明するための図である。5A and 5B are diagrams for explaining the magnetic flux distribution of adjacent excitation coils. 複数個の磁気感応基本素子で構成した磁気感応部を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a magnetic sensing part composed of a plurality of magnetic sensing basic elements. 本発明の実施の形態に係る密集型磁気発振センサの構成図である。1 is a diagram showing a configuration of a dense magnetic oscillation sensor according to an embodiment of the present invention;

(実施の形態)
本発明の実施の形態に係る磁気発振センサを図面に基づいて説明する。
フラックスゲート方式磁気センサの使用に当たっては、測定対象物の一辺が励磁コイル長さと同程度かそれ以下であれば、測定しようとする磁場を乱す恐れが十分にあるので、磁場測定環境や測定対象との距離と磁気センサの形状寸法、測定方法等を考慮して、使用の可否を判断する必要があった。
(Embodiment)
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A magnetic oscillation sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
When using a fluxgate magnetic sensor, if one side of the object to be measured is approximately the same as or shorter than the length of the excitation coil, there is a high risk of disturbing the magnetic field to be measured, so it was necessary to determine whether or not to use it by taking into account the magnetic field measurement environment, the distance to the object to be measured, the shape and dimensions of the magnetic sensor, the measurement method, etc.

その主な原因を整理すると、磁芯を励磁する磁界の一部が電磁波となって周囲に放出されていること、フラックスゲート型磁気センサの近傍では測定磁場空間の磁場環境を乱すことがありうること、小物体の残留磁気測定では磁気センサによる消磁作用が機能するので測定値が小さくなること、複数個の磁気センサを密集させて磁場測定をすると、相互に電磁干渉を起こして不確実な測定データしか得られない等の問題点があって、従来技術のフラックスゲート型磁気センサでは、特に励磁コイルの小型化、密集化は実用上不可能に近い技術的課題として残っていた。 The main reasons for this are that part of the magnetic field that excites the magnetic core is emitted into the surrounding area as electromagnetic waves, that the magnetic environment in the measurement magnetic field space can be disturbed in the vicinity of the fluxgate magnetic sensor, that the demagnetizing effect of the magnetic sensor works when measuring the residual magnetism of a small object, so the measured value is small, and that when multiple magnetic sensors are closely spaced to measure the magnetic field, electromagnetic interference occurs between them, resulting in unreliable measurement data. With conventional fluxgate magnetic sensors, the miniaturization and close-packing of the excitation coil in particular remained a technical challenge that was nearly impossible to put into practical use.

漏れ磁束を阻止あるいは抑制するためには、通常は磁性材料を使用して磁気シールドする事が多い。しかしながら、磁性材料が強い磁界に一旦暴露されると多かれ少なかれ残留磁気が磁性材料に残る。磁気センサ側から見れば、この残留磁気の影響が測定磁界の真値に常に加算されて不正確な磁場測定値になるので、磁気発振センサにおける磁気シールド用としの磁性材料は全く不適切な材料であると言える。 To prevent or suppress leakage magnetic flux, magnetic materials are usually used for magnetic shielding. However, once a magnetic material is exposed to a strong magnetic field, residual magnetism remains in the magnetic material to a greater or lesser extent. From the perspective of the magnetic sensor, the effect of this residual magnetism is always added to the true value of the measured magnetic field, resulting in inaccurate magnetic field measurements, so it can be said that magnetic materials are completely unsuitable for use as magnetic shields in magnetic oscillation sensors.

図1は、本発明の実施の形態に係る磁気感応基本素子100とセンサ回路部Aとの接続関係を説明するための磁気発振センサ1を示す図であり、電源部は省略している。センサ回路部Aは発振器では無いので単独で発振することはない。しかし、可飽和磁性体10を磁芯とする可変インダクタンスの励磁コイル20がセンサ回路部Aに接続されると磁気検出が出来る磁気発振回路(磁気発振センサ1)が構成され、磁気発振現象が出現する。 Figure 1 shows a magnetic oscillation sensor 1 for explaining the connection relationship between a magnetically sensitive basic element 100 and a sensor circuit section A according to an embodiment of the present invention, with the power supply section omitted. The sensor circuit section A is not an oscillator, so it does not oscillate on its own. However, when a variable inductance excitation coil 20 with a saturable magnetic material 10 as its magnetic core is connected to the sensor circuit section A, a magnetic oscillation circuit (magnetic oscillation sensor 1) capable of magnetic detection is formed, and a magnetic oscillation phenomenon appears.

磁気感応基本素子100は、可飽和磁性体10を磁芯とし、これを中央部に貫通させる形態で巻装された励磁コイル20と、励磁コイル20の両端には、中央部に貫通口を有する環状電流回路30とを備えている。
可飽和磁性体10には高透磁率でかつ保磁力が小さい可飽和磁性材料を使用し、磁気発振の安定化と磁気検出感度の向上をはかる。
可飽和磁性体10は、励磁コイル20に流れ込む交流の励磁電流で作られる励磁磁界によって、正の磁気飽和点から磁気不飽和の領域を通って負の磁気飽和点まで磁化され、負の磁気飽和点到達の瞬間に励磁電流の極性が反転して、次は負の磁気飽和点から磁気不飽和の領域を通って正の磁気飽和点に向かって励磁される。
The magnetically sensitive basic element 100 has a saturable magnetic material 10 as a magnetic core, an excitation coil 20 wound in a manner that passes through the center, and a ring-shaped current circuit 30 having a through hole in the center at both ends of the excitation coil 20.
The saturable magnetic body 10 is made of a saturable magnetic material having high magnetic permeability and small coercive force, thereby stabilizing magnetic oscillation and improving magnetic detection sensitivity.
The saturable magnetic material 10 is magnetized from the positive magnetic saturation point through a magnetic unsaturated region to the negative magnetic saturation point by an excitation magnetic field created by an alternating excitation current flowing into the excitation coil 20, and at the moment of reaching the negative magnetic saturation point, the polarity of the excitation current is reversed, and the material is then excited from the negative magnetic saturation point through the magnetic unsaturated region toward the positive magnetic saturation point.

このように励磁電流の極性を周期的に反転させると、可飽和磁性体10の正あるいは負の磁気飽和点を境にして、励磁コイル20のインダクタンスの値も小(正の磁気飽和点)-大(磁気不飽和領域通過時)-小(負の磁気飽和点)-大(磁気不飽和領域通過時)と変化し、当然のことながら励磁コイル20の端子21,22間電圧の絶対値もインダクタンス変化と同じように小-大-小-大と変化する。
励磁コイル20の端子21,22間電圧の絶対値は、この正負の磁気飽和のタイミングで最も小さくなるので、小さくなった電圧の瞬間を励磁電流の反転スイッチング信号としてオペアンプ40で検出すれば、出力電圧および励磁電流の極性を磁気飽和のタイミングで反転させることができるのである。
When the polarity of the excitation current is periodically reversed in this manner, the inductance value of the excitation coil 20 also changes from small (positive magnetic saturation point) - large (when passing through the magnetic unsaturated region) - small (negative magnetic saturation point) - large (when passing through the magnetic unsaturated region) with the positive or negative magnetic saturation point of the saturable magnetic body 10 as the boundary, and naturally, the absolute value of the voltage between terminals 21, 22 of the excitation coil 20 also changes from small - large - small - large in the same way as the inductance changes.
The absolute value of the voltage between terminals 21, 22 of excitation coil 20 is smallest at the timing of this positive and negative magnetic saturation, so if the moment when the voltage becomes small is detected by operational amplifier 40 as a reversal switching signal for the excitation current, the polarity of the output voltage and excitation current can be reversed at the timing of magnetic saturation.

図2は、図1の磁気発振回路(磁気発振センサ1)が動作している時の可飽和磁性体10のB-H曲線とオペアンプ40の出力電圧波形の関係を示す説明図である。
まずは、可飽和磁性体10に外部磁界Hexが加わっていない場合について説明する。
図1に示すオペアンプ40の出力端子42から出力される方形波電圧を励磁コイル20に印加すれば、可飽和磁性体10のB-H曲線上では図2(a)に示すようにP11-P12(正の磁気飽和点)-P13-P14(負の磁気飽和点)-P11の経路を辿って元の位置に戻る。
P11から正の磁気飽和点P12に到達するまでに要する時間とP13から負の磁気飽和点P14に到達するまでに要する時間は、B-H特性の対称性から同じになる。この時のオペアンプ40の出力電圧波形は図2(b)の上段に示すように正と負の各半サイクルが同じ期間長の電圧波形となり、その平均値は零となる。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the BH curve of the saturable magnetic body 10 and the output voltage waveform of the operational amplifier 40 when the magnetic oscillation circuit (magnetic oscillation sensor 1) of FIG. 1 is in operation.
First, a case where no external magnetic field Hex is applied to the saturable magnetic body 10 will be described.
When the square wave voltage output from the output terminal 42 of the operational amplifier 40 shown in FIG. 1 is applied to the excitation coil 20, the saturable magnetic material 10 returns to its original position on the BH curve via the path P11-P12 (positive magnetic saturation point)-P13-P14 (negative magnetic saturation point)-P11, as shown in FIG. 2(a).
The time required to reach the positive magnetic saturation point P12 from P11 and the time required to reach the negative magnetic saturation point P14 from P13 are the same due to the symmetry of the BH characteristics. At this time, the output voltage waveform of the operational amplifier 40 becomes a voltage waveform in which the positive and negative half cycles have the same period length, as shown in the upper part of Figure 2(b), and the average value is zero.

ところが外部磁界Hexが可飽和磁性体10に加わるとB-H曲線において、元のP11、P13の動作基準位置がHex分だけバイアスされてP21及びP23の位置に移動する。この状態で方形波電圧を印加すると、B-H曲線ではバイアスされたP21点からP21-P22(正の磁気飽和点)-P23-P24(負の磁気飽和点)-P21の経路を辿って元の位置に戻る。 However, when an external magnetic field Hex is applied to the saturable magnetic material 10, the original operating reference positions P11 and P13 on the BH curve are biased by the amount of Hex and move to positions P21 and P23. When a square wave voltage is applied in this state, the BH curve returns to the original position from the biased point P21 via the path P21-P22 (positive magnetic saturation point)-P23-P24 (negative magnetic saturation point)-P21.

その結果、オペアンプ40の出力電圧波形は、図2(b)の下段の波形のように外部磁界Hexによって出力電圧波形のデューティ比が変化して、正と負の各半サイクルの期間長に差が生じる波形となる。この期間差は外部磁界Hexによって生じたものであるから、オペアンプ40の出力電圧をローパスフィルタ44(図1参照)において平均値化と平均値電圧の極性を反転させれば、外部磁界の強さと極性に対応する情報を得ることができる。 As a result, the duty ratio of the output voltage waveform of the operational amplifier 40 changes due to the external magnetic field Hex, as shown in the lower waveform of Figure 2 (b), resulting in a difference in the duration of each positive and negative half cycle. Since this duration difference is caused by the external magnetic field Hex, by averaging the output voltage of the operational amplifier 40 in the low-pass filter 44 (see Figure 1) and inverting the polarity of the average voltage, information corresponding to the strength and polarity of the external magnetic field can be obtained.

図1に示すオペアンプ40の出力電圧の極性反転時を識別するためには、比較するための反転基準電圧が必要になる。可飽和磁性体10の磁気飽和点では励磁コイル20の端子21,22間電圧の絶対値が最低電圧になる瞬間であるから、あらかじめ磁気不飽和の状態の時からこの電圧を反転基準電圧としてオペアンプの反転端子に入力しておく必要がある。
そのためには、オペアンプ40の出力電圧を抵抗R2と可変抵抗VRで分割した時の分圧端子43の分圧電圧を反転基準電圧と一致するように可変抵抗VRで調整しておく必要がある。そして、この反転基準電圧を抵抗R3を介してオペアンプ40の反転入力端子にあらかじめ入力しておいて、この反転基準電圧と非反転端子に入る励磁コイル20の変動電圧との大小関係を比較しながら逆転するタイミングを監視し続けるのである。
当然のことながら、オペアンプ40の出力電圧を分圧した反転基準電圧の極性はオペアンプ40の出力電圧と常に同極性であるので、オペアンプ40の出力電圧の極性が反転する毎に、反転基準電圧の極性も同じように反転する。
An inversion reference voltage for comparison is required to identify the polarity reversal of the output voltage of the operational amplifier 40 shown in Fig. 1. The magnetic saturation point of the saturable magnetic body 10 is the moment when the absolute value of the voltage between the terminals 21 and 22 of the exciting coil 20 becomes the minimum voltage, so this voltage must be input in advance to the inversion terminal of the operational amplifier as an inversion reference voltage from a magnetically unsaturated state.
For this purpose, it is necessary to adjust the divided voltage at the voltage dividing terminal 43 when the output voltage of the operational amplifier 40 is divided by the resistor R2 and the variable resistor VR so that it coincides with the inverted reference voltage by the variable resistor VR. Then, this inverted reference voltage is input in advance to the inverted input terminal of the operational amplifier 40 via the resistor R3, and the timing of reversal is continuously monitored while comparing the magnitude relationship between this inverted reference voltage and the fluctuating voltage of the exciting coil 20 input to the non-inverted terminal.
Naturally, the polarity of the inverted reference voltage obtained by dividing the output voltage of the operational amplifier 40 is always the same as the output voltage of the operational amplifier 40, so that every time the polarity of the output voltage of the operational amplifier 40 is inverted, the polarity of the inverted reference voltage is also inverted in the same manner.

このようにして、外部磁界Hexによって生じたオペアンプ40の出力電圧波形のデューティ比の変化から、励磁コイル20直下部の可飽和磁性体に印加している外部磁界を検出し、その外部磁界の強さと方向は電圧とその極性に変換されて、センサ回路部Aの出力電圧から外部磁界情報を得ることができるのである。
ちなみに、通常の巻線型コイルにおいても直流磁界測定は出来ないものの、交流磁界であれば検出は可能である。巻線型コイルにおいては、小型でインダクタンスの値を大きくするために巻線コイルの磁芯に高透磁率の磁性材料を使用する。この磁性材料で利用する励磁過程の領域は、透磁率の値があまり大きく変化しない磁気不飽和領域で、磁気検出対象の交流磁界も5Hz前後から上の高い周波数帯である。
In this way, the external magnetic field applied to the saturable magnetic material directly below the excitation coil 20 is detected from the change in duty ratio of the output voltage waveform of the operational amplifier 40 caused by the external magnetic field Hex, and the strength and direction of the external magnetic field are converted into a voltage and its polarity, making it possible to obtain external magnetic field information from the output voltage of the sensor circuit section A.
Incidentally, although a normal wire-wound coil cannot measure a DC magnetic field, it can detect an AC magnetic field. In a wire-wound coil, a magnetic material with high magnetic permeability is used for the magnetic core of the coil to make it small and increase the inductance value. The excitation process region used with this magnetic material is the magnetic unsaturation region where the permeability value does not change much, and the AC magnetic field to be detected is also in the high frequency band from around 5 Hz onwards.

一般的に言って巻線コイルは、インダクタンスが大きくてその値もほとんど変化しない線形部品と見なして使用される事が多いインダクタ部品である。巻線コイルのこのような磁化特性からして磁気飽和領域での使用は通常あり得ない。言うまでもなく、巻線コイルに流れる電流を反転させるようなスイッチング信号を巻線コイル自身の磁化状態から発信する事は不可能であり、巻線コイル自体の使用目的から見てもその必要性は全く存在しない。 Generally speaking, wound coils are inductor components that are often used as linear components with a large inductance whose value hardly changes. Due to the magnetization characteristics of wound coils, they cannot normally be used in the magnetic saturation region. Needless to say, it is impossible to send a switching signal that reverses the current flowing through the wound coil from the magnetization state of the winding coil itself, and there is absolutely no need for this in terms of the intended use of the winding coil itself.

しかし、本実施の形態における励磁コイル20の磁化領域では、正の磁気飽和領域から磁気不飽和領域を通過して負の磁気飽和領域までの磁化領域全体の励磁周期を利用するものであって、この励磁周期を繰り返す事によって磁気検出するものである。このような事象を利用する一般の巻線コイルは存在せず、本発明と通常の巻線コイルによる磁界測定との間には全く対極的と言えるほどの技術的相違がある。
磁気発振センサ1における励磁コイル20では、通常の巻線型コイルの動作領域や磁化特性とは異なって、通常の巻線型コイルで問題点となる非線形特性を、本発明では最大の利点として活用するのである。
However, in the magnetized region of the excitation coil 20 in this embodiment, the excitation period of the entire magnetized region from the positive magnetic saturation region through the magnetic unsaturation region to the negative magnetic saturation region is utilized, and magnetic detection is performed by repeating this excitation period. There are no ordinary winding coils that utilize such a phenomenon, and there is a technical difference between the present invention and magnetic field measurement using ordinary winding coils that can be said to be polar opposites.
The excitation coil 20 in the magnetic oscillation sensor 1 has a different operating range and magnetization characteristics from those of a normal wire-wound coil, and the present invention utilizes the nonlinear characteristics that are a problem with normal wire-wound coils as its greatest advantage.

次に、磁気感応基本素子100の構成要素のひとつである環状電流回路30は、重要な役割を果たすことを説明する。
環状電流回路を採用した第1の目的は、励磁コイル20から外部に放出される励磁磁界の磁束を、励磁コイル20の両端に配置した導体の環状電流回路30で阻止あるいは抑制して、測定対象の発磁体が形成している磁場空間を極力乱さずに、高精度で発磁体が発する磁場をありのままの磁場環境を保全しながら測定出来るように整える事である。その成果として、磁場の環境保全とセンサの小型化と密集化が可能になったのである。
Next, it will be explained that the circular current circuit 30, which is one of the components of the magnetic sensing basic element 100, plays an important role.
The first purpose of adopting the circular current circuit is to block or suppress the magnetic flux of the excitation magnetic field emitted from the excitation coil 20 to the outside with the circular current circuit 30 of the conductor arranged on both ends of the excitation coil 20, so that the magnetic field generated by the magnetized body to be measured can be measured with high accuracy while preserving the natural magnetic field environment, without disturbing the magnetic field space formed by the magnetized body to be measured as much as possible. As a result, it has become possible to preserve the magnetic field environment and to make the sensor smaller and more densely packed.

本実施の形態に係る環状電流回路30を正確に記述すれば、導体の中央付近には可飽和磁性体を貫通させる穴が有り、電気的には断線部分の無い短絡閉回路を形成している導体のことを言う。
環状電流回路30は中空形状の非磁性導体で構成される。励磁コイル20から放出される励磁磁界の磁束を効率よく捕捉できるように環状電流回路30を励磁コイル20の端面に密着配置させると、励磁コイル20から放出される磁束との電磁結合が密となって環状電流回路に誘導電流が発生する。
そして、この誘導電流がリング状の閉回路である環状電流回路30を流れる事によって、新しく生まれた磁界が励磁コイル20から放出される磁束を阻止あるいは抑制するのである。
環状電流回路30の材質としては銅やアルミニュウムなどのような抵抗値が低い導体が望ましい。
To accurately describe the circular current circuit 30 of this embodiment, it is a conductor that has a hole near the center through which a saturable magnetic material passes, and which forms an electrically short-circuited closed circuit with no open circuits.
The looped current circuit 30 is made of a hollow non-magnetic conductor. When the looped current circuit 30 is placed in close contact with the end face of the excitation coil 20 so as to efficiently capture the magnetic flux of the excitation magnetic field emitted from the excitation coil 20, the looped current circuit 30 is electromagnetically coupled closely with the magnetic flux emitted from the excitation coil 20, and an induced current is generated in the looped current circuit.
When this induced current flows through the circular current circuit 30 , which is a ring-shaped closed circuit, the newly generated magnetic field blocks or suppresses the magnetic flux emitted from the exciting coil 20 .
The material of the circular current circuit 30 is preferably a conductor having a low resistance value, such as copper or aluminum.

図3は、環状電流回路30の部品構成の一例を示す。
図中の30aは、円盤状導体を用いて励磁コイル20から放出された磁束によって生成される誘導電流が流れる環状電流回路30を、複数個の独立させた円盤状導体の集合体として構成した事例である。実際に磁気感応部に組み込む場合は、各々の円盤状導体を積層状態に重ね合わせて一体化した環状電流回路として使用する。
環状電流回路30に流れる電流方向を極力平行かつ均一にするために、言い換えれば、励磁コイル20から放出された磁束によって生成される誘導電流が流れる回路を、分散独立させた複数個の回路の集合体として機能させる場合には、各円盤状導体間に絶縁層を設けるか、あるいは絶縁体でコーテングされた円盤状導体を使用するなどして、各円盤状導体を電気的に分離独立させることも可能である。
FIG. 3 shows an example of the component configuration of the circular current circuit 30.
In the figure, 30a is an example of a circular current circuit 30 configured as an assembly of multiple independent disc-shaped conductors, in which a circular current circuit 30 using a disc-shaped conductor flows, and in which an induced current generated by the magnetic flux emitted from the excitation coil 20 flows. When actually incorporating it into a magnetic sensing unit, each disc-shaped conductor is stacked and used as an integrated circular current circuit.
In order to make the direction of the current flowing in the circular current circuit 30 as parallel and uniform as possible, in other words, to make the circuit through which the induced current generated by the magnetic flux emitted from the excitation coil 20 flows function as a collection of multiple distributed and independent circuits, it is also possible to electrically separate and independent each disk-shaped conductor by providing an insulating layer between each disk-shaped conductor or by using a disk-shaped conductor coated with an insulator.

30bはテープ状の導体を巻き重ねたもので、これを、軸線方向に沿って複数個密集させて並べて構成する事も可能である。
30cは棒状導体の中央に可飽和磁性体が貫通する穴を設けた導体である。この形態では径が異なる肉厚の薄いパイプを組み合わせて多重管状態にして構成することも出来る。
Reference numeral 30b denotes a tape-shaped conductor that is wound and overlapped, and it is also possible to configure a plurality of such wound conductors by closely arranging them in the axial direction.
Reference numeral 30c denotes a rod-shaped conductor having a hole in the center through which a saturable magnetic body passes. In this configuration, it is also possible to combine thin pipes with different diameters to form a multiple pipe configuration.

環状電流回路の形状については事例に限定するものでは無く、目的に合った任意形状で良い。また、図3に示す環状電流回路30の導体部分(リード線)を破線で図示したように磁気感応基本素子100の励磁コイル20の端子210、220として回路構成することも可能である。
いずれも構造的には非常に単純であるが、本発明を通して空間的に隣接する磁気感応基本素子100同士への電磁誘導現象の抑制と、磁気感応基本素子100自体の小型化及び密集化の諸課題を同時に解決する糸口になった技術でもある。
The shape of the circular current circuit is not limited to the example, and may be any shape suitable for the purpose. In addition, the conductor portion (lead wire) of the circular current circuit 30 shown in Figure 3 can be configured as the terminals 210, 220 of the exciting coil 20 of the magnetically sensitive basic element 100 as shown by the dashed lines.
Both are structurally very simple, but through the present invention, they are technologies that have provided a clue to simultaneously suppressing the electromagnetic induction phenomenon between spatially adjacent magnetic sensing basic elements 100, and solving the various issues of miniaturization and density of the magnetic sensing basic elements 100 themselves.

環状電流回路30の使用目的の第2は、励磁コイル20端面から放出される磁束による消磁作用を抑制する事である。
特に、小物などに残っている残留磁気は数10mGかそれ以下の弱磁気であることが多く、測定対象物に従来型のフラックスゲート型センサを近づけるとセンサから放出される交流磁束によって測定対象物の残留磁気を消磁してしまい、測定前に持っていた元々の残留磁気の測定が再現不可能な状態まで消磁してしまうという磁気測定上の致命的問題があった。この現象は、従来からのフラックスゲート方式の各磁気センサにおいて共通する未解決の技術的課題でもあった。
しかし、本発明の実施の形態に係る磁気発振センサ1では、この課題も円盤状等からなる導体の環状電流回路30を励磁コイル20の端面に極力密接させる事により、励磁コイル20の端面から放出される交流磁束を環状電流回路30で抑制して、測定対象物の残留磁気を消磁すること無く、測定対象物が有していた残留磁気をありのままで測定する事を可能にしたのである。
A second purpose of using the loop current circuit 30 is to suppress the demagnetizing effect caused by the magnetic flux emitted from the end face of the exciting coil 20 .
In particular, residual magnetism remaining in small objects is often a weak magnetism of several tens of mG or less, and when a conventional fluxgate sensor is brought close to the object to be measured, the alternating magnetic flux emitted from the sensor demagnetizes the residual magnetism of the object to be measured, to the point where it becomes impossible to reproduce the original residual magnetism that existed before the measurement, which is a fatal problem in magnetic measurement. This phenomenon was a common unsolved technical issue for all conventional fluxgate type magnetic sensors.
However, in the magnetic oscillation sensor 1 according to the embodiment of the present invention, this problem is solved by bringing the circular current circuit 30 made of a conductor having a disk shape or the like as close as possible to the end face of the excitation coil 20, so that the AC magnetic flux emitted from the end face of the excitation coil 20 is suppressed by the circular current circuit 30, making it possible to measure the residual magnetism possessed by the object to be measured as it is, without demagnetizing the residual magnetism of the object to be measured.

次に、センサ回路部Aの機能について説明する。
図1に示す励磁コイル20に可飽和磁性体10を励磁するための交流の励磁電流を供給する機能と、その励磁電流の極性反転のタイミングを識別する機能と、可飽和磁性体10に印加した外部磁界Hexの情報を電圧として出力する機能を有する。
その構成要素は、オペアンプ40と、抵抗R1、R2、R3、R4および可変抵抗VRと、ローパスフィルタ44である。
オペアンプ40の出力電圧は、抵抗R1の端子間電圧と励磁コイル20によって分割され、分割端子41(端子22)における励磁コイル20の電圧は、励磁コイル20の磁化過程におけるインダクタンス変化によって大きく変動する電圧として、抵抗R4を介してオペアンプ40の非反転入力端子に入力される。そして、この電圧の絶対値は、変化しながら磁気飽和点に到達したタイミング毎に最小になる。非反転入力端子における磁気飽和時の励磁コイル20の電圧は、後述する反転入力端子側における反転タイミングの基準電圧値とも一致する。
Next, the function of the sensor circuit portion A will be described.
It has a function of supplying an AC excitation current to the excitation coil 20 shown in Figure 1 to excite the saturable magnetic material 10, a function of identifying the timing of polarity reversal of the excitation current, and a function of outputting information about the external magnetic field Hex applied to the saturable magnetic material 10 as a voltage.
The components are an operational amplifier 40, resistors R1, R2, R3, and R4, a variable resistor VR, and a low-pass filter 44.
The output voltage of the operational amplifier 40 is divided by the terminal voltage of resistor R1 and the exciting coil 20, and the voltage of the exciting coil 20 at the divided terminal 41 (terminal 22) is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 40 via resistor R4 as a voltage that varies greatly due to the inductance change in the magnetization process of the exciting coil 20. The absolute value of this voltage changes and becomes a minimum each time the magnetic saturation point is reached. The voltage of the exciting coil 20 at the non-inverting input terminal when magnetically saturated also coincides with the reference voltage value of the inversion timing at the inverting input terminal side described later.

一方、オペアンプ40の反転入力端子側では、励磁電流を反転させるタイミングを識別するための反転基準電圧が必要であり、この電圧は励磁コイル20の電圧の変化に左右されない別回路として抵抗R2と可変抵抗VRでオペアンプ40の出力電圧を分圧して設定することになる。
具体的には、この反転基準電圧値は励磁コイル20の端子21,22間の電圧の絶対値が最も小さくなるタイミングの最小電圧値との大小関係を識別するものであるから、反転基準電圧値の設定は、オペアンプ40の出力電圧を抵抗R2と可変抵抗VRで分割した分割電圧を最小電圧値に一致するように可変抵抗VRで調整することになる。調整された分割電圧は分圧端子43から抵抗R3を介して反転基準電圧としてオペアンプ40の反転端子に入力される。この反転基準電圧と非反転端子に入力された励磁コイル電圧が等しくなった時を励磁電流の反転タイミングとして自動的に励磁電流の極性を反転させることになる。
On the other hand, an inverting reference voltage is required on the inverting input terminal side of the operational amplifier 40 to identify the timing for reversing the excitation current, and this voltage is set by dividing the output voltage of the operational amplifier 40 using resistor R2 and variable resistor VR, which are separate circuits that are not affected by changes in the voltage of the excitation coil 20.
Specifically, since this inversion reference voltage value is used to identify the magnitude relationship with the minimum voltage value at the timing when the absolute value of the voltage between the terminals 21 and 22 of the exciting coil 20 is smallest, the inversion reference voltage value is set by adjusting the divided voltage, obtained by dividing the output voltage of the operational amplifier 40 by resistor R2 and variable resistor VR, with variable resistor VR so that it coincides with the minimum voltage value. The adjusted divided voltage is input as an inversion reference voltage from voltage dividing terminal 43 through resistor R3 to the inverting terminal of the operational amplifier 40. The time when this inversion reference voltage and the exciting coil voltage input to the non-inverting terminal become equal becomes the timing for reversing the exciting current, and the polarity of the exciting current is automatically reversed.

図4は、可飽和磁性体10に励磁コイル20同士を隣接させた場合における励磁磁界の分布状況を示す。
図4(a)において励磁コイル20aと励磁コイル20bに各々のオペアンプ40(図1参照)から励磁電流が流れ込むと、隣接する励磁コイル20a,20bの端面付近では、励磁コイル20a,20bから外部に放出される漏れ磁束同士がかなり重なり合って、両者の励磁コイル20a,20b間同士で、電磁的に複雑な結合状態が発生する。なお、図4(a)では、励磁コイル20a,20bの巻線状態の表記は省略している。
その結果として、各励磁コイル20a,20bの電圧が乱れ、磁気発振センサ飽和点に到達する時間に影響が出て、磁気発振回路の発振周波数が乱れて不安定になる。そして、最終的には磁気検出電圧に雑音や誤差が生じることになる。
FIG. 4 shows the distribution of the exciting magnetic field when exciting coils 20 are arranged adjacent to the saturable magnetic body 10. As shown in FIG.
In Fig. 4(a), when excitation currents flow from the respective operational amplifiers 40 (see Fig. 1) into the excitation coils 20a and 20b, leakage magnetic fluxes emitted to the outside from the excitation coils 20a and 20b overlap considerably near the end faces of the adjacent excitation coils 20a and 20b, and a complex electromagnetic coupling state occurs between the two excitation coils 20a and 20b. Note that in Fig. 4(a), the winding state of the excitation coils 20a and 20b is omitted.
As a result, the voltage of each exciting coil 20a, 20b is disturbed, affecting the time to reach the saturation point of the magnetic oscillation sensor, disturbing and making the oscillation frequency of the magnetic oscillation circuit unstable, and finally causing noise and errors in the magnetic detection voltage.

この現象を抑止する対策として、図4(b)に示すように、本実施の形態では励磁コイル20間に環状電流回路30を配置する。そうすれば、環状電流回路30に生じる誘導電流によって形成される磁界が励磁磁界の漏れ磁束を打ち消すので、不要な電磁結合を抑止する事が出来る。
図4(b)は環状電流回路30を励磁コイル間に挿入した場合、励磁磁界の磁場分布領域が小さくなる事を示す。各励磁コイル20に環状電流回路30を密着させる事により隣接する励磁コイル20間の電磁誘導は抑制され、密集型磁気感応部の構成が可能になったのである。 換言すれば、各励磁コイル自身が占有する磁場空間を小さくして、各々の励磁コイル20自身が各々の占有する空間内の磁場を高精度、高感度に測定出来るようになったのである。
As a measure to prevent this phenomenon, in this embodiment, as shown in Fig. 4(b), a looped current circuit 30 is placed between the exciting coils 20. In this way, the magnetic field formed by the induced current generated in the looped current circuit 30 cancels the leakage magnetic flux of the exciting magnetic field, making it possible to prevent unnecessary electromagnetic coupling.
Figure 4 (b) shows that when the circular current circuit 30 is inserted between the excitation coils, the magnetic field distribution area of the excitation magnetic field becomes smaller. By closely contacting each excitation coil 20 with the circular current circuit 30, the electromagnetic induction between adjacent excitation coils 20 is suppressed, making it possible to configure a dense magnetic sensing section. In other words, the magnetic field space occupied by each excitation coil itself is reduced, and each excitation coil 20 can measure the magnetic field within its own occupied space with high accuracy and sensitivity.

図5は、複数個の磁気感応基本素子100で構成した磁気感応部1000を示している。磁気感応部1000は、磁気感応基本素子100の可飽和磁性体10の部分を細長くして、複数個の励磁コイル20と複数個の円盤状導体を積層した環状電流回路30を交互に並べて密集させた磁気感応基本素子の集合体の事例である。図示の事例では、密集化時に磁気感応基本素子100の環状電流回路30同士が密接するので、磁気感応基本素子100の片側の環状電流回路30を省略して密集化させることも可能であるという事例でもある。
そして、図6に示すように、この磁気感応部1000にセンサ回路部A1~Anと制御回路部70を接続すれば、いわゆる密集型磁気発振センサ2が構成されるのである。
5 shows a magnetic sensing section 1000 composed of a plurality of magnetically-sensing basic elements 100. The magnetically-sensing section 1000 is an example of an assembly of magnetically-sensing basic elements in which the saturable magnetic body 10 of the magnetically-sensing basic element 100 is elongated, and a plurality of exciting coils 20 and a ring-shaped current circuit 30 formed by stacking a plurality of disk-shaped conductors are alternately arranged and densely packed. In the example shown in the figure, the ring-shaped current circuits 30 of the magnetically-sensing basic elements 100 are in close contact with each other when densely packed, so it is also possible to omit the ring-shaped current circuit 30 on one side of the magnetically-sensing basic element 100 to achieve dense packing.
6, by connecting the sensor circuit sections A1 to An and the control circuit section 70 to the magnetic sensing section 1000, a so-called dense magnetic oscillation sensor 2 is constructed.

可飽和磁性体10を内蔵する、筒状の支持体60の機能には、可飽和磁性体10の磁化特性が外部からの応力によって磁気特性が変化しないように可飽和磁性体10を保護する目的と、環状電流回路300~300+nと励磁コイル201~200+nの重量を保持する目的がある。支持体60には、非磁性、非金属性の不導体を使用する。
図6では、磁気感応部1000の直線状の事例を示しているが、屈曲、屈折、曲線状など限定するものでは無い。測定対象の磁場成分に応じて形を変形させる事も可能で、磁場測定の環境条件に即応するようにして磁場測定をすれば良い。
図6は、図5で示した磁気感応部1000とセンサ回路部A1~Anを合体接続した複合体としての密集型磁気発振センサ2の構成事例である。
The function of the cylindrical support 60 incorporating the saturable magnetic material 10 is to protect the saturable magnetic material 10 so that its magnetic properties do not change due to external stress, and to support the weight of the circular current circuits 300 to 300+n and the exciting coils 201 to 200+n. A non-magnetic, non-metallic insulator is used for the support 60.
6 shows an example of a linear magnetic sensing part 1000, but the magnetic sensing part 1000 is not limited to a bent, curved, etc. It is also possible to change the shape according to the magnetic field components to be measured, and the magnetic field measurement can be performed in response to the environmental conditions of the magnetic field measurement.
FIG. 6 shows an example of the configuration of a dense magnetic oscillation sensor 2 as a composite body in which the magnetic sensing part 1000 shown in FIG. 5 and the sensor circuit parts A1 to An are combined and connected.

ここで、密集型磁気発振センサ2について図6に基づいて詳細に説明する。
密集型磁気感応部2000(磁気感応部1000)は、1本の細長い可飽和磁性体10にn個の励磁コイル201~200+nと、n+1個の環状電流回路300~300+nを交互に貫通させて構成したものである。nは整数(n≧2)である。
密集型磁気発振センサ2の両先端部にある環状電流回路300,300+nについては、磁場計測の目的次第では一方側あるいは両側とも省略することが出来る。
Here, the dense magnetic oscillation sensor 2 will be described in detail with reference to FIG.
The dense magnetic sensing part 2000 (magnetic sensing part 1000) is configured by alternately passing n exciting coils 201 to 200+n and n+1 circular current circuits 300 to 300+n through a single elongated saturable magnetic body 10. n is an integer (n≧2).
The circular current circuits 300, 300+n at both ends of the dense magnetic oscillation sensor 2 may be omitted on one side or both sides depending on the purpose of the magnetic field measurement.

密集型磁気感応部2000では、各磁気感応基本素子101~100+nにオペアンプ40に付帯する抵抗R1、R2、R3、R4、可変抵抗VRとローパスフィルタ44からなるセンサ回路部A1~Anが接続され、各々が個別に磁気発振回路(磁気発振センサ1(図1参照))を構成している。ローパスフィルタ44は、オペアンプ40の出力端子42から出力される発振電圧を平均化するもので、磁界の強さと極性に関する情報を電圧に変換して、各磁気発振回路で検出された磁気情報が出力端子E1~Enからそれぞれ個別に同時出力する。 In the dense magnetic sensor 2000, each magnetic sensor basic element 101-100+n is connected to a sensor circuit A1-An consisting of resistors R1, R2, R3, R4, a variable resistor VR, and a low-pass filter 44 attached to an operational amplifier 40, and each individually constitutes a magnetic oscillation circuit (magnetic oscillation sensor 1 (see Figure 1)). The low-pass filter 44 averages the oscillation voltage output from the output terminal 42 of the operational amplifier 40, converts information about the strength and polarity of the magnetic field into a voltage, and the magnetic information detected by each magnetic oscillation circuit is individually and simultaneously output from the output terminals E1-En.

図中の70は制御回路部で、各磁気発振回路の発振周波数の不揃いを制御して、センサ回路部A1~Anの出力に不要な雑音が混入しないようにするためのものである。
制御回路部70の構成は、信号発生器、ダイオード、コンデンサからなる。
方形波あるいはパルス状などの電圧波形を出力する信号発生器OSCから出力される制御信号はダイオードD1~DnとコンデンサC1~Cnの直列回路で構成した複数個(ここではn個)の伝送回路L1~Lnを介して各々のセンサ回路部A1~Anへ伝送される。
具体的には、ダイオードD1~Dnの他端の端子にはコンデンサC1~Cnが各々直列接続され、各コンデンサの他端子(伝送回路L1~Lnの出力端子S1~Sn)からは発振周波数を制御する制御信号がセンサ回路部A1~Anの各オペアンプ40の反転入力端子へ出力されるという構成になっている。
In the figure, reference numeral 70 denotes a control circuit section, which controls the non-uniformity of the oscillation frequencies of the magnetic oscillation circuits to prevent unwanted noise from being mixed into the outputs of the sensor circuits A1 to An.
The control circuit section 70 is composed of a signal generator, a diode, and a capacitor.
A control signal is output from a signal generator OSC, which outputs a voltage waveform such as a square wave or a pulse waveform, and is transmitted to each of the sensor circuit sections A1 to An via a plurality of (here, n) transmission circuits L1 to Ln, each of which is composed of a series circuit of diodes D1 to Dn and capacitors C1 to Cn.
Specifically, capacitors C1 to Cn are connected in series to the other end terminals of diodes D1 to Dn, respectively, and a control signal for controlling the oscillation frequency is output from the other terminal of each capacitor (output terminals S1 to Sn of transmission circuits L1 to Ln) to the inverting input terminal of each operational amplifier 40 in the sensor circuit sections A1 to An.

前記制御回路部70から出力される制御信号の電圧には最適範囲が有り、制御信号の電圧が高すぎると磁気発振回路の発振波形は、信号発生器から出る周波数と位相がほとんど一致して外部磁界によるオペアンプの出力波形のデューティ比の変化が非常に小さくなり、磁気検出の性能が著しく低下してしまう。
反対に制御信号の電圧が低すぎると、磁気発振回路の発振周波数の統一が出来ずに不揃いのままでバラバラになってしまい、結果的にはセンサ回路部A1~Anの出力端子E1~Enの端子電圧に雑音を多く含んだ出力電圧になってしまう。コンデンサ容量の増減においても然りである。
それ故、前記制御回路部70とセンサ回路部A1~Anとの結合は,緩やかな結合状態になるように、制御信号の電圧値の調整とコンデンサ容量の選定によって最適値を探す必要がある。
図示以外の伝送回路として、ダイオードを抵抗に代えて伝送回路を構成することも可能である。
There is an optimum range for the voltage of the control signal output from the control circuit section 70. If the voltage of the control signal is too high, the oscillation waveform of the magnetic oscillation circuit will almost match the frequency and phase of the signal generator, causing a very small change in the duty ratio of the output waveform of the operational amplifier due to an external magnetic field, resulting in a significant decrease in magnetic detection performance.
On the other hand, if the voltage of the control signal is too low, the oscillation frequencies of the magnetic oscillation circuits cannot be unified and will remain uneven, resulting in output voltages containing a lot of noise at the terminal voltages of the output terminals E1 to En of the sensor circuit parts A1 to An. The same is true for increasing or decreasing the capacitance of the capacitor.
Therefore, it is necessary to find an optimum value by adjusting the voltage value of the control signal and selecting the capacitance of the capacitor so that the coupling between the control circuit section 70 and the sensor circuit sections A1 to An is loosely coupled.
As a transmission circuit other than that shown in the figure, it is also possible to configure a transmission circuit by replacing the diode with a resistor.

密集型磁気発振センサ2の特徴は、
細長い1本の可飽和磁性体10に複数個の励磁コイル201~200+nと環状電流回路300~300+nとを取り付けた磁気感応部1000を構成することにより、磁気感応基本素子1000を密集させて磁界測定点の高密度化した点である。
単位長あたりの磁気発振センサ密度の増大により、複数個の磁気発振センサ1(図1参照)で、高い空間的分解能を維持しながら局小空間における磁場測定も出来るようになったのである。
数値的には、従来の磁芯磁体の長さが最短でも20mm前後で、励磁コイル20の長さもほぼ同じ寸法であったために、約20mm立方の磁場空間が最小化の限界であった。
しかし、本発明の密集型磁気発振センサにおいて、可飽和磁性体に巻装される励磁コイルの長さを2mmまで縮小しても、正常に磁気検出ができることを確認したのである。
The features of the dense magnetic oscillation sensor 2 are:
By constructing a magnetic sensing unit 1000 by attaching multiple excitation coils 201 to 200+n and circular current circuits 300 to 300+n to a single, elongated saturable magnetic body 10, the magnetic sensing basic elements 1000 are closely packed together, thereby increasing the density of magnetic field measurement points.
By increasing the density of the magnetic oscillation sensors per unit length, it has become possible to measure the magnetic field in a small space using a plurality of magnetic oscillation sensors 1 (see FIG. 1) while maintaining high spatial resolution.
Numerically, the length of a conventional magnetic core is at least about 20 mm, and the length of the exciting coil 20 is also of approximately the same dimension, so the magnetic field space could be minimized to about 20 mm cubic.
However, it has been confirmed that in the dense magnetic oscillation sensor of the present invention, magnetic detection can be performed normally even if the length of the exciting coil wound around the saturable magnetic material is reduced to 2 mm.

すなわち、従来より約10倍前後の空間分解能の性能向上が確認出来たことになる。また、可飽和磁性体10の長さ60mmの部分に環状電流回路300~310も含めて10個の磁気感応基本素子101~110を並べて密集させたライン状磁気感応部の製作も可能にしたのである。
別の表現をすれば、各励磁コイル201~200+nの間隔を狭く出来るので、測定点の高密度化とデータの同時刻性の保証が可能になったということである。たとえば、測定対象空間の磁場が激しく変動する場合には、測定データ間での同時刻性が問題になる。この場合でも、本発明の密集型磁気発振センサを使用すれば、測定磁場空間の空間分解能の高密度化と、複数個に分割された計測磁場空間を同時に測定することにより測定データ間の同時刻性も確保出来るという特徴が生かされるのである。
In other words, it was confirmed that the spatial resolution performance was improved by about 10 times compared to the conventional method. In addition, it became possible to manufacture a linear magnetic sensing part in which 10 magnetically sensitive basic elements 101-110, including the circular current circuits 300-310, are densely arranged in a section of the saturable magnetic body 10 having a length of 60 mm.
In other words, the intervals between the excitation coils 201 to 200+n can be narrowed, making it possible to increase the density of measurement points and ensure the simultaneity of data. For example, when the magnetic field in the measurement target space fluctuates violently, the simultaneity of measurement data becomes an issue. Even in this case, by using the dense magnetic oscillation sensor of the present invention, the spatial resolution of the measurement magnetic field space can be increased and the simultaneity of measurement data can be ensured by simultaneously measuring the measurement magnetic field space divided into multiple parts.

本発明は、磁気測定点の高密度化により小規模な磁場空間の磁界測定に好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for measuring magnetic fields in small magnetic spaces by increasing the density of magnetic measurement points.

1 磁気発振センサ
2 密集型磁気発振センサ
10 可飽和磁性体
20,201~200+n 励磁コイル
21,22,210,220 端子
30,300~300+n 環状電流回路
40 オペアンプ
41 分割端子
42 出力端子
43 分圧端子
44 ローパスフィルタ
60 支持体
70 制御回路部
100,101~100+n 磁気感応基本素子
1000 磁気感応部
2000 密集型磁気感応部
A、A1~An センサ回路部
C1~Cn コンデンサ
D1~Dn ダイオード
E,E1~En センサ回路部の出力端子
L1~Ln 伝送回路
OSC 信号発生器
R1,R2,R3,R4 抵抗
S1~Sn 伝送回路の出力端子
VR 可変抵抗
1 Magnetic oscillation sensor 2 Dense magnetic oscillation sensor 10 Saturable magnetic material
20, 201 to 200+n Excitation coil 21, 22, 210, 220 Terminal 30, 300 to 300+n Ring-shaped current circuit 40 Operational amplifier 41 Divided terminal 42 Output terminal 43 Voltage dividing terminal 44 Low-pass filter 60 Support 70 Control circuit section 100, 101 to 100+n Magnetic sensing basic element 1000 Magnetic sensing section 2000 Dense magnetic sensing section A, A1 to An Sensor circuit section C1 to Cn Capacitors D1 to Dn Diodes E, E1 to En Output terminals of sensor circuit section L1 to Ln Transmission circuit OSC Signal generator R1, R2, R3, R4 Resistors S1 to Sn Output terminals of transmission circuit VR Variable resistor

Claims (3)

磁芯となる可飽和磁性体と、前記可飽和磁性体の周囲に巻装され、前記可飽和磁性体の正負の各磁気飽和点に到達するまでの励磁磁界を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルの両端に備えられ、前記励磁コイルの両端面から放出される励磁磁界の漏れ磁束を抑制する環状電流回路とをもって磁気を検出する磁気感応基本素子が構成され、
前記磁気感応基本素子において、前記可飽和磁性体が挿入された貫通口が、前記励磁コイルおよび前記環状電流回路の構成部品の各々の中央部に設けられ、
前記環状電流回路は、円盤状導体を積層状態に重ね合わせて一体化して形成され、
前記可飽和磁性体が磁気飽和するタイミング毎に極性が反転する励磁電流を出力するセンサ回路部を前記磁気感応基本素子の励磁コイルに接続して磁気発振回路が構成された磁気発振センサ。
A magnetically sensitive basic element for detecting magnetism is constituted by a saturable magnetic body that serves as a magnetic core, an excitation coil that is wound around the saturable magnetic body and generates an excitation magnetic field until the excitation magnetic field reaches each of the positive and negative magnetic saturation points of the saturable magnetic body, and a ring-shaped current circuit that is provided on both ends of the excitation coil and suppresses leakage magnetic flux of the excitation magnetic field emitted from both end faces of the excitation coil,
In the magnetically-sensitive basic element, a through hole into which the saturable magnetic body is inserted is provided at the center of each of the components of the exciting coil and the ring-shaped current circuit;
The annular current circuit is formed by stacking and integrating disc-shaped conductors in a laminated state,
The magnetic oscillation sensor has a magnetic oscillation circuit formed by connecting a sensor circuit section that outputs an excitation current whose polarity is reversed every time the saturable magnetic body becomes magnetically saturated to an excitation coil of the magnetically sensitive basic element.
磁芯となる可飽和磁性体と、前記可飽和磁性体の周囲に巻装され、前記可飽和磁性体の正負の各磁気飽和点に到達するまでの励磁磁界を発生する複数個の励磁コイルと、前記励磁コイルの端面から放出される励磁磁界の漏れ磁束を抑制する複数個の環状電流回路とを備えた密集型磁気感応部であり、前記環状電流回路は、円盤状導体を積層状態に重ね合わせて一体化して形成され、前記可飽和磁性体が挿入された貫通口が、前記励磁コイルおよび前記環状電流回路の構成部品の各々の中央部に設けられ、前記前記励磁コイルと、前記環状電流回路とを、交互に並べて密集させた前記密集型磁気感応部が構成され、
前記励磁コイル毎に、前記可飽和磁性体が磁気飽和するタイミング毎に極性が反転する励磁電流を出力するセンサ回路部が各々接続されることで、複数個の磁気発振回路が構成された磁気発振センサ。
a dense magnetic sensing unit including a saturable magnetic body that serves as a magnetic core, a plurality of excitation coils wound around the saturable magnetic body to generate an excitation magnetic field that reaches each of the positive and negative magnetic saturation points of the saturable magnetic body, and a plurality of annular current circuits that suppress leakage magnetic flux of the excitation magnetic field emitted from the end faces of the excitation coils , the annular current circuits being formed by stacking and integrating disk-shaped conductors in a laminated state, a through hole through which the saturable magnetic body is inserted is provided in the center of each of the components of the excitation coils and the annular current circuits, the dense magnetic sensing unit being configured by closely arranging the excitation coils and the annular current circuits alternately ,
A magnetic oscillation sensor in which multiple magnetic oscillation circuits are formed by connecting each of the excitation coils to a sensor circuit unit that outputs an excitation current whose polarity reverses each time the saturable magnetic material becomes magnetically saturated.
前記センサ回路部には、信号発生器から出力され制御信号を、ダイオードとコンデンサの直列回路で構成した伝送回路を介した後に伝送することで、前記センサ回路部の出力に不要な雑音が混入しないようにしている請求項記載の磁気発振センサ。 3. A magnetic oscillation sensor as described in claim 2, wherein a control signal output from a signal generator is transmitted to the sensor circuit section via a transmission circuit composed of a series circuit of a diode and a capacitor , thereby preventing unnecessary noise from being mixed into the output of the sensor circuit section .
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