JPH03252577A - 磁界検出法および磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、双安定磁気特性を有する磁心を利用し、磁界
の有無、大きさ、角度等を検出することができ、方位セ
ンサ、回転センサ、位置センサ、傾斜センサなどに使用
可能な磁界検出法および磁界センサに関するものである
。

（従来の技術） 従来の磁気センサには第８図に示すように、磁心ｌｏｔ
に励磁巻線１０２と検出巻線１０３とを巻回したものが
ある。いま、励磁巻線１０２に電源１０４により交流電
流を流し、これにより磁心１０１に磁心の細心方向に内
部交流磁界Ｈ１を発生させると、該内部磁界Ｈ１に対し
てバイアスとして作用する外部磁界Ｈ０の大きさにより
、検出巻線１０３の出力端子１０５にあられれる基本波
または高調波の出力電圧が変化する。この磁気センサは
、例えば電流センサとして使用されるものであり、電流
の大小の変化が出力電圧の変化として検出できる。

第９図は、第８図の磁気センサの用途を変えたものであ
り、磁心１０１と外部磁界Ｈｅｘとの相対的な向き（角
度θ）が変化するように磁気センサあるいは磁石等の外
部磁界発生手段を配置し、磁心】０１の内部交流磁界Ｈ
，に対し、外部磁界Ｈ１、の磁心１０１と同方向成分の
Ｈｏ、・ｃｏｓθの変化が出力電圧の変化として現れる
ようにしたものである。この磁気センサは、単体あるい
は複数個のものを組み合わせて方位センサ、傾斜センサ
等に使用される。

第８図および第９図に示す磁気センサが検知する磁場は
、磁界のベクトル性により、内部交流磁界Ｈ１に対し外
部磁界Ｈ８つの方向が平行となり、外部磁界Ｈａ　ｍと
内部交流磁界Ｈ１の向きが同じである場合には磁界強度
が最大となり、半周期後に両者が逆方向となると最小と
なる。この磁界の時間的変化に対応した変化が出力電圧
として検出できるわけである。

従来の磁気センサとしては、他に、ホール素子や磁気抵
抗素子を用いたものがある。

（発明が解決しようとする課題） 第８図および第９図に示した従来の磁気センサは、感度
を向上させるために、磁心１０１として保持力が小さく
角形性のよい、すなわち透磁率の大きな軟磁性材料を用
いる。しかし、磁心の本質的な形態が磁気回路として開
磁路構造となるため、センサとして構成した場合には、
充分な透磁率を得ることが出来ず、感度を向上させるこ
とが困難であった。また、出力電圧を増大させる方法と
して励磁用の交流電流の周波数を高くする方法も考えら
れるが、一般に励磁周波数の増加とともに磁性体の透磁
率は低下するｔ；め、高周波数化によるセンサの感度向
上にも限界があった。さらに、磁性体としての特性が非
線形であるため、検出巻線１０３の検出電圧より磁界の
大小を測定する処理回路等が複雑になった。また、磁心
の特性のばらつきを一般に２０〜３０％程度見込む必要
があるため、このばらつきを考慮した検出手段が必要で
あった。これらの点から、第８図および第９図に示した
磁気センサは使い勝手の悪いものであった。

また、ホール素子や磁気抵抗素子を用いたセンサにおい
ては、これらの素子の感度が低いことに加え、温度特性
にも課題があった。

本発明は、高感度で外部磁界を検出できる磁界検出法及
び磁界センサを提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明に係る磁
界センサは励磁巻線と検出巻線をそれぞれ巻回した構造
をもつ磁気素子を磁界検出素子とする磁界センサであっ
て、励磁巻線に接続され、励磁巻線に交流電流を通電し
て得られる励磁磁界の振幅Ｈ０を、磁心の逆軸形成限界
磁界以上とできる励磁電源と前記励磁磁界により誘起さ
れた磁心の磁化反転を、検出巻線にて電圧パルスとして
検出する回路と、該磁気素子に外部磁界Ｈ３，が作用し
た際、前記検出電圧パルスが消滅したことを検知し出力
する出力回路を有することを特徴とする。

本発明は、双安定磁気特性を有する磁心の連軸形成限界
磁界♂の値が極めて安定しており、また、該特性をもつ
磁心の磁化反転の際に検出巻線に誘起される電圧の値が
安定しており、かつ、ホール素子等と比較して１桁以上
大きくできるという特徴に注目してなされたものであり
、比較的簡単な磁心励磁手段と検出手段でもって、高感
度な磁気センサを実現するものである。

本発明に係る磁界検出法は、双安定磁気特性を有する線
状または帯状の磁心に励磁巻線と検出巻線をそれぞれ巻
回した構造をもつ磁気素子の励磁巻線に交流電流を通電
して、磁心の連軸形成限界磁界？以上の振幅Ｈ０の交流
磁界を励磁し、前記交流磁界により誘起された磁心の磁
化反転を検出巻線にて電圧パルスとして検出し、該磁気
素子に外部磁界Ｈ，、が作用した際、前記電圧パルスの
消滅によりＨ，−一以上の外部磁界Ｈ１、の存在を検出
することを特徴とする。

本発明に係る磁界検出法は、励磁電流により交流励磁さ
れている双安定磁心の磁化反転現象が、外部磁界が大き
くなると外部磁界のバイアス効果により阻害されること
を利用して、励磁磁界の振幅から外部磁界の有無および
大小を検出する。すなわち、本発明は、双安定磁気特性
を有する磁心に一定振幅Ｈ０の交流励磁磁界を加え、磁
心がデジタル的に工員に磁化される様子を検出巻線上に
生じる電圧パルスの列として検出し、大きな外部磁界Ｈ
０が磁心にバイアス磁界として加わった際に、このパル
ス列が消滅することにより外部磁界の有無および大小を
検出する。（Ｈａ＞＞♂ならば、Ｈ９、≧Ｈ，か否かが
判断できる。）なお、双安定磁気特性とは、磁心が磁気
的にソフトな層とハードな層の２層構造を有した際に現
れる特性である。すなわち、外部磁界により、磁心のソ
フトな層とハードな層のエネルギー的なバランスが崩れ
たときに磁化反転が急激に起こる現象であり、一般には
大バルクハウゼンジャンプと呼ばれている［日本応用磁
気学会誌、第８巻第２号、ｐｐ、２３３−２３６（１９
８４年）参照］。また、連軸形成限界磁界♂は、磁心の
二不ルギーバランスがくずれ、大バルクハウゼンジャン
プが発生する限界の外部磁界の値であり、♂の値と磁化
反転時に検出巻線上に生じる誘起電圧の値が、励磁濁波
数やＩＩＪ磁交流磁界の振幅に対して不変であることが
特徴である。

（実施例） 以下、添付の図面を参照して、実施例に基づき本発明を
説明する。

第１図は本発明による磁界センサの要部構成を示す図面
である。

磁心】は双安定磁気特性を有する材料であり、外部磁場
に感応可能な形態（磁心ｌと外部磁場とが平行なときに
反磁界係数が無視できるような形状）、例えば同図に示
したような直線状の形に形成されている。この磁心の周
囲のボビン６に励磁巻線２と検出巻線３が巻回されてお
り、それぞれ励磁用電源回路４とパルス電圧検出回路５
に接続される。なお、この磁界センサが検出する磁界発
生源がセンサの近傍に存在することになるが、この図で
は省略されている。この磁界発生源は、たとえばセンサ
に近付く永久磁石である。

次に第２図は、励磁用電源回路４が励磁巻線２に電流を
流して、磁心１の連軸形成限界磁界？以上の振幅Ｈ０の
交流磁界Ｈ＠５ｉｎａ＋ｔを発生したときの磁心ｌの双
安定磁気特性を示す磁気ヒステリシス曲線である。磁化
Ｍの反転が急峻なため、磁心ｌはａ　−Ｃ間、またはｄ
−ｆ間の磁化状態でのみ存在可能であり、外部磁界が変
化した際には、図における土♂の位置（ｃ　＝　８間、
ｄ−ｂ間）で磁化を反転し、反転時に第３図に示したよ
うな急峻な誘導電圧を検出巻線３に誘起する。

本発明は、この双安定磁気特性を有する磁心のヒステリ
シス特性を有効に利用したものであり、以下にその作動
について、第１図〜第４図を用いて説明する。

前に説明したように、磁心１は、通常、第１図の励磁用
電源回路４より励磁巻線２に導かれた交流電流により交
流励磁される。この際の励磁交流磁界の振幅Ｈ０は、第
２図における連軸形成限界磁界♂を上回る値に設定され
る。したがって、磁心ｌの磁化状態は、交流磁界Ｈａｓ
ｉｎｗｔに対応してｆＩ／Ｃ２ｒｇＪに示したヒステリ
シス曲線上を周期的に変化し、ｃ−８間、またはｄ−ｂ
間の磁化反転時に、第３図に示した急峻な電圧パルスを
検出巻線３に生じせしめる。検出巻線３に生じｔ：電圧
パルスは、励磁磁界巻線の周波数ωに対応した電圧パル
ス列であり、パルス検出回路５は、このパルス列の有無
の検出を行う機能を有する。

いま、連軸形成限界磁界♂を上回る一定振幅の交流磁界
Ｈｏ５ｉｎａ＋ｔを印加した状態で外部磁界Ｈ０，が第
１図における磁心１に印加されたとすると、磁心１の磁
化状態は第４図（ａ）に示したように、磁界ＨがＨｅ　
ｗ分バイアスされた磁気ヒステリシス曲線を描くように
なる。この状態（Ｈ＊＜ＨＯＨ−−すなわちＨ，、＜Ｈ
，−ＨＯ）においても、磁心ｌはパルス列を発生し続け
るが、更に外部磁界Ｈｅｘが増加し第４図（ｂ）の状態
（Ｈｌｌ−Ｈ，、＜♂すなわちＨ，、＞Ｈｏ−）Ｉ＊）
になると、磁心ｌは磁化反転しなくなり、パルス列は検
出されなくなる。このパルス列が消滅した状態を、Ｈｏ
−一以上の外部磁界が存在することを示す外部磁界検出
信号として出力するものである。♂がＨ，に比べて十分
小さい場合は、８０以上の外部磁界の存在が検出できる
。外部磁界の変動は、磁気センサが強磁性体に近付いた
ときなどに生じる。

なお、外部磁界Ｈ０、が連続的に変化する場合、外部磁
界検出信号が発生又は消滅したときの外部磁界Ｈ−の値
は、次の式で、簡単に計算される。

Ｈ、、”　Ｈｏ−♂ 具体的には、この磁気センサは、永久磁石の接近を検出
するために使用できる。永久磁石がこの磁気センサに接
近してくると、外部磁界Ｈａ　ｗが増大してくる。そし
て外部磁界Ｈｅｘが一定値（Ｈｅ−）Ｉ＊）以上になる
と外部磁界検出信号が発生される。たとえば、遊戯施設
（パチンコ）においての不正摘発に使用できる。さらに
、リードスイッチなどにも使用可能である。

本実施例はスイッチ出力を得るための磁界センサについ
て説明したが、励磁磁界の振幅Ｈ０を掃引することによ
りアナログ出力を得ることも容易であり、例えば、地磁
気の値を検出する方位センサとしても構成することがで
きる。

以上、本発明に関する基本的な説明を行ったが、次に本
発明の具体的な事例を再度第１図に主に参照しながら述
べる。

磁心ｌとして双安定磁気特性を有する直径３０μｉｉ、
長さｌＱｉ＋＋ｍの（Ｃｏ５０−Ｆｅ５０）７８−５ｉ
９−Ｂ　１３アモルファス合金線を用い、ポビン６内に
納め、ポビン６に直径５０μ園の被覆銅線にて４０ター
ンの励磁巻線、同じ＜１６００ターンの検出巻線を巻回
した磁気センサを用いた。磁心ｌとしてアモルファス合
金線を用いた理由は、該アモルファス合金線が優れた双
安定磁気特性を有し、センサの高精度化と小を化に有利
なためである。また、他の双安定磁気特性を有する材料
（たとえば、アモルファス合金薄帯、パイカロイ線）を
用いることも可能である。

励磁巻線２と検出巻線３はそれぞれ励磁用電源回路４と
パルス検出回路５に接続されている。本実施例において
用いた励磁用電源回路４とパルス検出回路５の構成をそ
れぞれ第５図と第６図に示す。

電源回路４は、第５図に示されるように、１００ｖ商用
電源からトランス（本図では略されている）にて２４Ｖ
に降圧された６０Ｈｚの交流電流を１２００Ωの抵抗を
介して励磁巻線２に供給する構造となっている。

第６図のパルス検出回路５では、検出巻線３に検知され
たパルス列は、十分な電圧を得るため２段の増幅器４１
と増幅器４２でもって増幅され、デジタルＩＣである再
トリガ可能な単安定マルチバイブレータ４３に入力され
る。この単安定マルチバイブレータ４３は、増幅器４１
．４２により増幅された正のパルスによりトリガされ、
出力端子Ｑより論理１のデジタル信号を出力する。ここ
で、該単安定マルチバイブレータ４３のパルス幅ｔｖを
励磁電源の周期（交流磁界Ｈ０の周期）を上回る値に設
定することにより、パルス列がパルス検出回路５に入力
される限り、出力端子Ｑは論理ｌの信号を保持し続ける
。本実施例では、励磁電源４より供給される電流の周波
数が６０Ｈｚ（周期１６．７ｍ５）で、パルス幅ｔｗは
６０ｍ５に設定されている。

なお、パルス幅ｔｗは励磁電源周期（交流磁界Ｈ０の周
期）を上回ればよいが、誤動作を防止する意味では励磁
電源周期の２倍以上に設定されることが望ましい。また
、パルス幅ｔｗが過大である場合は、磁界センサの応答
速度が過度に低下することになるので、励磁電源周期の
１０倍を越えないように設寓されることが望ましい。さ
らに、励磁電流波形としては正弦波が信号処理の容易さ
から考えて望ましいが、これに限定されるものではない
。

次に、本実施例における磁界検出動作例を第７図に示し
たタイミングチャートを用いて説明する。

第７図において、外部磁界（被検出磁界）Ｈｏ、は、■
の時点において、０から１００ｅに増加している。一方
、交流磁界は一定振幅Ｈ０で６０Ｈｚの磁界で励磁巻線
により発生される。検出巻線３により検出されたパルス
列は■の時点より検出されなくなっている。これに対応
して、単安定マルチバイブレータ４３の出力Ｑは、最後
のパルスが検出されてから６０ｍ５後にＱ−０となり、
Ｈ０＋−以上の大きさの外部磁界Ｈｅｘの存在を示す磁
界検出信号を出力したことになる。

以上のように、本発明を用いた磁界検出法および磁界セ
ンサは、簡単な構造でありながら一定値以上の磁界の存
在を正確に検出できる特徴を有しており、本発明の有用
性が十分認識される。また、パルス検出に関してデジタ
ル回路との整合性に優れていることも大きな特徴となっ
ている。

以上では外部磁界Ｈ６，が磁気センサの磁心１の軸に平
行な場合を説明した。外部磁界Ｈｅｘが第１０図のよう
に平行でない場合も、外部磁界の磁心方向の成分Ｈ，，
・ｃｏｓθの変化が同様に検出できる。

なお、ここでは一定振幅の交流励磁磁界に対して外部磁
界の変動にデジタル的に動作する磁界センサを例に説明
をしてきたが、交流励磁磁界の振幅Ｈ０を時間的に掃引
することにより、外部磁界量をアナログ的に求めること
ももちろん可能である。

（発明の効果） 以上に述べたように、本発明に係る磁界検出法および磁
界センサは、従来のものと比較して高感度、高精度な測
定法およびセンサを、簡単にかつ安価に構成することが
できる。また、出力がデジタル的に変化することが、コ
ンピュータ等のデジタル機器との接続を容易にしており
、この観点からも、従来のものと比べ優れたものとなっ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の磁界センサの概略を示す構成図であ
る。 第２図は、双安定磁気特性を示すヒステリシス曲線の図
である。 第３図は、双安定磁気特性を有する磁心が磁化反転した
際、検出巻線に生じる電圧パルス波形の図である。 第４図（ａ）、（ｂ）は、外部磁界が変化した場合のヒ
ステリシス曲線の図である。 第５図は、励磁用電源回路の回路図である。 第６図は、パルス検出回路の回路図である。 笈７図は、磁界検出の動作を説明するタイミングチャー
トである。 第８図および第９図は、従来型のセンサの構造と動作を
説明する図である。 ｌ・・・磁心、　　２・・・励磁巻線。 ３・・・検出巻線、　４・・・電源回路。 ５・・・パルス検出回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）双安定磁気特性を有する線状または帯状の磁心に
   励磁巻線と検出巻線をそれぞれ巻回した構造をもつ磁気
   素子の励磁巻線に交流電流を通電して、磁心の逆軸形成
   限界磁界Ｈ＾＊以上の振幅Ｈ＿０の交流磁界を励磁し、 前記交流磁界により誘起された磁心の磁化反転を検出巻
   線にて電圧パルスとして検出し、該磁気素子に外部磁界
   Ｈ＿ｅ＿ｘが作用した際、前記電圧パルスの消滅により
   Ｈ＿■−Ｈ＾＊以上の外部磁界Ｈ＿ｅ＿ｘの存在を検出
   することを特徴とする磁界検出法。
2. （２）双安定磁気特性を有する線状または帯状の磁心に
   、励磁巻線と検出巻線をそれぞれ巻回した構造をもつ磁
   気素子を磁界検出素子とする磁界センサであつて、 励磁巻線に接続され、励磁巻線に交流電流を通電して得
   られる励磁磁界の振幅Ｈ＿０を、磁心の逆軸形成限界磁
   界以上とできる励磁電源と、 前記励磁磁界により誘起された磁心の磁化反転を、検出
   巻線にて電圧パルスとして検出する回路と、 該磁気素子に外部磁界Ｈ＿ｅ＿ｘが作用した際、前記検
   出電圧パルスが消滅したことを検知し出力する出力回路
   を有することを特徴とする磁界センサ。