JPH0224476B2

JPH0224476B2 -

Info

Publication number: JPH0224476B2
Application number: JP16608183A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Harada; Shinjiro Takeuchi
Original assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Current assignee: Mishima Kosan Co Ltd
Priority date: 1983-09-09
Filing date: 1983-09-09
Publication date: 1990-05-29
Also published as: JPS6057277A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、高透磁率の磁性細線磁心とオペアン
プによつて検出回路を構成し、この回路の自励動
作によつて、例えば交通信号システムにおける信
号検出などの磁気検出をおこなう方法に関する。

従来技術の弱磁界測定方法の代表とされる環状
磁心あるいは棒状磁心を用いたフラツクスゲート
は、交流励磁電源を別回路とする他励式であつ
て、その最高感度は数10^-5ガウス〜数10^-6ガウス
であり、地磁気の約１万分の１という非常に高感
度なものである。

この方式の基本構成は、磁気検出素子として環
状磁心あるいは棒状磁心を用いた磁気感応部、磁
心を数ＫHzから数10KHzの励磁周波数で励磁す
る交流励磁電源を内蔵する駆動回路部、磁心の倍
周波（2）成分を増巾し、位相検波する同期整流
部、励磁周波数より2成分の参照信号を作りだ
し、同期整流部に入力するための逓倍回路部、さ
らに磁界の極性と強さを表示する表示回路部から
成り立つ。

しかしながら、局小部空間における高感度磁界
測定を可能にするためには、磁心形状を極力小形
にする必要がある、その結果として小形な磁心よ
り検出される倍周波（2）成分は、非常に小さく
なり、Ｓ／Ｎが極端に悪化して、高感度磁界測定
が困難になつた。

これを解決する方法として、特公昭54−6856、
特公昭54−16232にも開示されているように、励
磁周波数の高周波化、たとえば、励磁周波数とし
て数ＭHzを採用し、かつ、検出回路にコンデンサ
を挿入して倍周波成分2で共振もしくは発振させ
ることにより検出回路出力の電圧振巾を大きくし
て同調増巾器に入力した後、同期整流回路部に送
り込む方法がとられた。

しかしながら、これらの方法では、高周波駆動
電流による励磁であるため、伝送路における減衰
及び波形歪が大きくＳ／Ｎが悪化するので磁気感
応部と駆動回路部とを接続するコードの長さは、
高々数ｍ以下におさえなければならなかつた。特
に、局小空間部位に配置された磁気感応部と駆動
回路部を数10m〜数100m離さなければならない
測定環境下では、高感度磁気計測は全く不可能に
なつた。

本発明は、上記欠点を磁性細線磁心とオペアン
プとを結合して構成した検出回路を用いて解決し
た自励式磁気検出方法を提供するものである。

すなわち本発明は、磁性細線磁心に第１巻線と
第２巻線とを同極性になるように巻装した磁気感
応部の前記第１巻線をオペアンプの出力側端子
に、また第２巻線を該アンプの入力端子側回路に
それぞれ接続して検出回路を構成し、前記磁性細
線磁心に印加した被測定磁界によつて第２巻線に
生ずる端子間電圧信号を前記オペアンプの反転入
力端子と非反転入力端子間に印加せしめて生ずる
両極性を有する飽和直流定電圧出力を第１巻線に
帰還して磁性細線磁心を自励可能とし、印加した
被測定磁界によつて定まる磁束密度レベルを基準
としてこの基準レベルから前記磁気感応部が正負
最大磁束密度レベルに到達するまでの正の励磁時
間および負の励磁時間に対応する正負両極性を有
する方形波電圧をオペアンプの出力側に発生せし
め、該正負方形波電圧をそれぞれ両者の励磁時間
差から被測定磁界の強さおよび極性を検出するこ
とを特徴とする自励式磁気検出方法である。ま
ず、第１の特徴は、駆動回路部から磁気感応部へ
送る電流は直流伝送とし、磁性細線磁心とオペア
ンプからなる磁気感応部それ自体で自励回路を構
成し、また、磁気感応部からの出力信号は印加磁
界によつて正負半サイクル期間の比率が可変する
方形波交流信号とし、これを積分して得られる直
流信号を磁気検出の対象信号とすることによつて
磁気感応部と駆動回路部を数10m〜数100m離し
ても磁気検出信号を取り出せるDC−DC伝送方式
に実現にした点である。

第２の特徴は、磁気感応部に使用する磁性細線
磁心を使用することにより、非常に安定して磁気
に感応する自励回路を構成したことである。その
結果、高周波交流励磁電源、交流振巾安定化回路
部が不用になり、伝送路途上での交流励磁電流の
減衰防止対策、信号電圧の減衰防止対策が全く不
用になつた。

第３の特徴は、被測定磁界の印加方向と強さ
を、位相検波や振巾検波回路を使用せずに、出力
電圧の極性と電圧値に直接変換し、信号処理を磁
気感応部自体で処理してしまう機能を待たせたこ
とである。

第４の特徴は２つの正負直流安定化電源によつ
て磁気感応部を駆動させるもので、信号処理回路
に使用されるオペアンプ用電源を共用でき、か
つ、コモンアースを可能にしたことである。

第５の特徴は、磁気感応部は、消費電力が非常
に小さいため、リニアICレベルのプリント基板
上で共存可能にした、実用性と汎用性の高い磁気
センサ方式であるといえる。すなわち、磁心を励
磁する電流値は10mA以下で、オペアンプの出力
で充分であり、外付けパワートランジスタによる
励磁電流増巾などの回路は全く不用になつた点で
ある。

第６の特徴は、磁心形状が小形であるため、従
来のフラツクスゲート型センサより小さい局部空
間における磁界測定を可能にした点である。

以下、図面において本発明の詳細を説明する。

第１図は、本発明における磁気検出素子の基本
構成を示す。

１はガラス管で、その外側には、端子２ａ，２
ｂの一次巻線２と、端子３ａ，３ｂを有する二次
巻線３が巻装されている。コンデンサ５は、端子
３ａ，３ｂの導線に結線されていて、かつ、端子
２ｂと３ｂは結線され、アースＧされている。各
巻線２，３の巻線極性は図示の通りの極性であ
る。ガラス管１の中心空間部には、磁性細線磁心
（以下、磁心という）４が挿入されている。磁心
材料は、低保磁力、高透磁率のアモルフアス磁性
細線材料が最適である。ただし、他の材料として
線状に加工されたパーマロイ線材、磁性薄膜を付
着させた線材（磁性線）、硅素鋼、純鉄フエライ
トなどの使用も不可能ではない。

第２図は、本発明の動作原理を磁心４のＢ−Ｈ
特性を用いて説明するための図である。第２図ａ
は、被測定磁界Hexが零（Hex＝０）の時におけ
る磁心４のＢ−Ｈ特性を示したものである。磁心
４にはヒステリシスが存在するため、励磁の１サ
イクルで図示されているように→→→→
の経路をたどることになる。ここで、Hex＝０
の状態の時に、正の直流電圧を一次巻線２に印加
し、正の励磁界によつて磁心４を最大磁束密度
Bmまで励磁させると、図示の通り、その磁束密
度変化巾は△B₁₂となる。そして磁心４の磁束密
度がBmに達すると同時に直流電圧を零にすれ
ば、磁心４に印加している磁界はなくなるので磁
束密度レベルは点から点のレベルに急速に戻
る。

今度は、負の直流電圧を印加して、負の励磁界
によつて磁心４を負の最大磁束密度−Bmまで励
磁させると、その磁束密度変化巾は△B₃₄とな
り、｜△B₁₂｜＝｜△B₃₄｜が成立することにな
る。

ところが、第２図ｂに示すごとく、正の被測定
磁界H′ex（＞０）が、磁心４に印加している状態
から、前述の励磁サイクルをくりかえす場合を考
えてみると、まず、正励磁界の印加時における磁
束密度変化巾は△B′₁₂、負励磁界の印加時では△
B′₃₄となり、△B′₁₂と△B′₃₄の間には、明らかに
｜△B′₁₂｜＜｜△B′₃₄｜が成立する。いいかえれ
ば、励磁用の直流電圧が零状態から、磁心４を正
あるいは負の最大磁束密度レベルにまで励磁する
に要する正励磁期間t′＋と負励磁期間t′−の間に
t′＋＜t′−の関係式が成立することになる。

次に、第２図Ｃに示すごとく、負の被測定磁界
He″x（＜０）が、磁心４に印加している状態か
ら、前述の励磁サイクルをくりかえすと、正励磁
時に△B″₁₂、負励磁時に△B″₃₄の磁束密度変化が
見られ、正励磁期間t″＋と負励磁期間t″−の間
に、t″＋＞t″−が成立することになる。そこで、
磁心４に前述の励磁サイクル時に、印加する励磁
直流電圧値が、磁心４の磁気飽和、不飽和状態に
よつて低下あるいは変動しないように、第３図の
磁気検出回路に示すごとく一次巻線２と直列に可
変抵抗９を接続し、この可変抵抗によつてインピ
ーダンス調整をする。このようにすれば、磁心４
の磁束レベルが最大磁束密度レベルあるいは
に達すると同時に自動的に直流電圧Vc，−Vcの
極性が切り換える場合を考えると、端子１０にお
ける電圧波形e₀は、正負両極性を有する方形波電
圧波形として観測されることになる。第４図は、
このような仮定のもとに、Hex＝０，He′x＞０，
He″x＜０の各場合における端子１０における方
形波電圧波形を図示したものである。図からわか
るように、両極性方形波の正の半サイクル持続期
間t′＋，t″＋と負の半サイクル持続期間t′−，t″−
は、被測定磁界Hex，H′ex，H″exによつて制御
されることがわかる。その故、この方形波電圧を
積分し、その電圧積分値の符号と電圧値から被測
定磁界Hexの極性と強さに対応させて、換算表示
することにより磁界測定を可能にすることができ
ることがわかる。

次に、本発明の動作原理を、具体的回路におい
て説明する。

第５図は、本発明の動作原理を自動的に遂行す
る回路例であつて磁心４を励磁する直流電圧を自
動的に切り換えるようにした磁気感応部１００、
正負駆動直流電源Ｓを内蔵する駆動部２００、磁
気感応部１００の出力を積分増巾する表示回路部
３００から成り立つ。

まず、磁気感応部１００について説明すれば、
オペアンプ６の反転端子７はアースＧされ、非反
転端子８には、二次巻線３の端子３ａが接続さ
れ、端子３ｂは、アースＧされている。コンデン
サ５は、二次巻線３の両端に接続され、磁心４よ
り発生する雑音成分を吸収するとともに、回路構
成上では二次巻線３に対する共振回路を構成し、
直流電圧切り換え時のタイミング動作を安定化す
るのに寄与している。オペアンプ６の出力端子１
０には、可変抵抗９が接続され、この抵抗によつ
て出力端子１０の電圧波形の調整、いいかえれ
ば、可変抵抗９と一次巻線２を含めた負荷インピ
ーダンスの調整を行い、出力端子電圧波形が極力
方形波になるようにする。

次に、自励動作の原理について説明すれば、今
仮りに、オペアンプ６が正に飽和していて、端子
１０の電圧が飽和電圧Vs（＞０）であるとすれ
ば、磁心４を励磁する励磁電流は抵抗９を通つて
一次巻線２を流れ、アースＧへ流れ込む。この
時、二次巻線３では、磁心４を介して誘起電圧が
発生する。この誘起電圧の極性は、３ａ端子側で
正となるので、オペアンプ６の非反転端子８には
正電圧が入力され、その結果、オペアンプ６は正
の飽和電圧出力Vsを出しつづける。そして、こ
の間にも磁心４は励磁されており、やがて最大磁
束密度レベルBmに達するまで励磁される間に、
磁心４の透磁率は次第に低下し、誘起電圧の低下
とともに二次巻線３のコイルインピーダンスも極
端に低下する。この時、これまで、コンデンサ５
に誘起電圧によつて充電されていた電荷は放電す
ることになる。ところが、コンデンサ５と二次巻
線３は、共振回路を構成しているので、コンデン
サ５の放電後は、共振現象のため逆極性の電荷が
コンデンサ５に再充電されることになる。そし
て、次のサイクルで再放電するわけであるが、こ
の放電タイミングに入ると、二次巻線３の３ａ端
子側の電圧は、いままで正であつたものが負電圧
に変り、オペアンプ６の非反転端子８には負電圧
信号が入力され、出力端子１０の出力電圧e₀は、
自動的に負の直流飽和電圧−Vsに切り換わる。
そして、次の瞬間には、磁心４における磁束密度
レベルは被測定磁界Hexで規定されるレベルまで
一旦急速に戻り、次いで負の飽和電圧−Vsによ
つて、磁心４における磁束密度変化は負の最大磁
束密度レベル−Bmに向かつて変化することにな
る。この時二次巻線３の３ａ端子の電圧は、勿
論、負となつているため、オペアンプ６の出力電
圧e₀は−Vsを保持しつづけ、コンデンサ５には、
誘起電圧によつて電荷が充電されることになる。
そして磁心４の磁束密度レベルが負の最大磁束密
度レベル−Bmに到達する頃には、コンデンサ５
の放電が開始され、次いで共振現象による再充電
サイクルが行なわれる。そして、次の再放電サイ
クルにおいて、オペアンプ６の非反転端子８に
は、極性反転した入力電圧信号（＞０）が入力さ
れ、出力端子電圧e₀は正の直流飽和電圧Vsに切
り換わるのである。

このようにして、オペアンプ６に印加されてい
る駆動直流電圧±Vcは、磁心４の二次巻線に誘
起する電圧信号を受けて、オペアンプ６の出力端
子１０に飽和電圧±Vsを交互に出力するととも
に、この両極性を有する飽和電圧波形（出力電圧
波形）の正期間と負期間との期間長比（デユーテ
イ比）は、被測定磁界Hexによつて制御されるこ
とになるのである。

尚、コンデンサ５の機能代行は、巻線間に存在
する浮遊容量をもつて代行させるように、磁心４
に巻装される巻線線径、巻線数を適切に選択する
ことによつて可能である。この場合、コンデンサ
５は、あえて取付けなくてもよいことは自明であ
る。第５図において、３００は表示回路部で、方
形波出力電圧e₀は、バツフア１２の非反転端子１
１に入力される。バツフア１２の出力信号は、抵
抗１３とコンデンサ１４からなる積分回路あるい
はローパスフイルター（図示せず）を経て、ゲイ
ン調整用のオペアンプ１６の非反転端子１５に入
力され、増巾される。オペアンプ１６の増巾度
は、被測作磁界Hexの強さによつて選択できるよ
うに、抵抗１７〜２０がオペアンプ１６の出力端
子と反転端子、アース端子間に接続されている。
２１はコンデンサで、不用な交流雑音成分を除去
する目的で挿入されている。２２は、増巾度Ａ，
Ｂ，Ｃを任意に選択するための切り換えスイツチ
である。２３は、指示計で、電流の極性と強さを
表示する機能を有するものである。２４は、可変
抵抗で、指示計２３へ流れ込む電流値を調整す
る。２００は、駆動回路部で、オペアンプ用の正
負直流定電圧±Vcの供給電源である。第６図は、
第５図で示した磁気感応部１００の自励動作を、
強磁界印加後においても安定に実行させるための
変形回路実施例である。

第６図ａにおけるインピーダンス２５は抵抗、
またはコンデンサ、または抵抗とコンデンサから
なる並列接続回路を意味する。オペアンプ６の反
転端子７は、一次巻線２の端子２ｂに接続され、
強磁界印加時によつて発生する自励停止現象の復
起は、この２５の端子電圧の負帰還作用によつて
実施している。

第６図ｂでは、インピーダンス２５による負帰
還作用を一次巻線２から分離して、可変抵抗２６
との直列回路によつて実施している。

第７図は印加磁界Hexと表示回路部３００の出
力電圧E₀との関係を示す入出力特性である。磁
心４にはアモルフアス磁性細線を使用した。図か
らわかるように実線において−3G〜3Gの範囲
において、非常に良好な直線性を有しており、最
高検出感度は10^-5〜100^-6ガウスに入つたことを
確認した。また、磁気感応部１００に供給する直
流電圧±Vcに、正負電圧値にわずかなずれが発
生した場合、たとえば｜＋Vc｜＜｜−Vc｜の場
合には、そのずれ電圧の大きさと極性に相当した
バイヤス電圧E_Bが出力に出現するが、実線に
示すように入出力特性の直線性は測定有効範囲に
おいてそのまま保持される特徴を有していること
が実証された。

そこで、この特徴を生かせば、磁心４に印加す
る大きな背景磁場を、正負直流電圧の不平衡調整
することによつて回路的に打消し（E_Bのレベル
で零調）、大きな背景磁場内における微弱磁界の
変動測定も可能になる。この場合、表示回路部の
正負直流電圧系統と磁気感応部を駆動する正負直
流電源系統は独立させることが望ましい。

第８図は、プローブを示し、磁気感応部１００
をプローブケース２９に内蔵し、コード３０に接
続した構成を示している。

図中のコード長を数10〜数100mの長さにのば
しても、表示回路部３００は直流増巾回路系であ
るため、出力端子電圧e₀の平均直流分の伝送のみ
で十分であり、そのため減衰は極めて少ない。

第９図は、直流CTへの応用例で磁性細線４を
環状に巻き、その上に絶縁被覆された巻線を巻い
て閉磁路タイプの磁気検出素子を構成し、その環
状磁心４を貫通して流れる電流i_exを高感度に測
定するものである。検出原理はi_exによつて作ら
れる磁界を前述のHexに置きかえてみれば容易に
理解できるので省略する。

以上、本発明では、磁性細線の応用する技術に
おいて、IC基板上で共存しうる回路方式により、
その性能と実用性において大いに期待できる磁気
検出方法を提供した次第である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における磁気検出素子の基本構
成を示す説明図、第２図は本発明の動作原理を磁
心のＢ−Ｈ特性を用いて説明する説明図、第３図
は本発明を実施する磁気検出回路の一例を示す図
面、第４図は第３図に於てHex＝０，Hex′＞０，
Hex″＜０の各場合の端子における電圧波形e₀の
図、第５図は磁心を励磁する直流電圧を自動的に
切り換えるようにした磁気感応部、正負駆動直流
電源を内蔵する駆動部、磁気感応部の出力を積分
増巾する表示回路から成る全体回路の１例を示す
図、第６図は第５図の磁気感応部の自励動作を強
磁界印加後においても安定に実行できる変形回路
の１例を示す図、第７図は印加磁界と表示回路部
の出力電圧との関係を示す入出力特性図、第８図
は磁気感応部を内蔵しコードに接続した構成を示
すプローブの図、第９図は直流CTへの応用例を
示す図、である。１……ガラス管、２……一次巻線、３……二次
巻線、４……磁性細線磁心、５……コンデンサ、
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ……端子、Ｇ……アー
ス、１００……磁気感応部、２００……駆動部、
３００……表示回路部、６……オペアンプ、７…
…反転端子、８……非反転端子、９……可変抵
抗、１０……出力端子。

Claims

【特許請求の範囲】

１磁性細線磁心に第１巻線と第２巻線とを同極
性になるように巻装した磁気感応部の前記第１巻
線をオペアンプの出力側端子に、また第２巻線を
該アンプの入力端子側回路にそれぞれ接続して検
出回路を構成し、前記磁性細線磁心に印加した被
測定磁界によつて第２巻線に生ずる端子間電圧信
号を前記オペアンプの反転入力端子と非反転入力
端子間に印加せしめて生ずる両極性を有する飽和
直流定電圧出力を第１巻線に帰還して磁性細線磁
心を自励可能とし、印加した被測定磁界によつて
定まる磁束密度レベルを基準としてこの基準レベ
ルから前記磁気感応部が正負最大磁束密度レベル
に到達するまでの正の励磁時間および負の励磁時
間に対応する正負両極性を有する方形波電圧をオ
ペアンプの出力側に発生せしめ、該正負方形波電
圧をそれぞれ両者の励磁時間差から被測定磁界の
強さおよび極性を検出することを特徴とする自励
式磁気検出方法。