JPH0432787A - 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」二の利用分野〉 本発明は、磁界センサに係り、特に、外部磁界を検出す
るのに好適な小型化された＆１界センサに関する。

〈従来の技術〉 従来の外部磁界を検出する磁界センサとしては、例えば
、第６図に示されるように、２個の磁芯１ａ、Ｉｂを用
いて、それぞれの磁芯１ａ、ｌｂに巻回された励磁用コ
イル２を逆接続し、この磁芯ｌａ、ｌｂに共通に巻回さ
れた検出コイル３から倍周波信号を取り出すように構成
されているのが一般的である。

これにより、磁芯１ａ、ｌｂのヒステリシス特性を利用
して、被検出外部磁界を図示しない演算回路で検出して
いた。このヒステリシス特性は、磁壁移動ならびに磁化
回転モードの複合によるものであった。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記した従来例は励磁用コイル２により
磁芯１ａ、ｌｂの周囲を大型化し、かつ複雑化し、磁壁
移動に伴う磁気エネルギー雑音と高周波損失が大きくな
り、低感度、低速、低精度となるなどの欠点があった。

そこで、本発明者らは、このような従来例の有する欠点
を改善すべく、既に特願平１−２２８２２１号によって
アモルファス合金製の磁芯にコイルを２個ないし３個巻
回した磁界センサを１２案した。

ここで２コイル磁芯の内容について説明すると、第７図
に示すように、アモルファス合金から構成される磁芯１
に、励磁回路２によって１０なる高周波制御電流を直接
通電するようにし、その磁芯ｌの周囲には被検出外部磁
界１■。、を検出する検出コイル３と負帰還コイル４と
の２つのコイルを巻回する。

そして、検出コイル３により検出された検出信号Ｓ１を
増幅回路８で増幅して信号Ｓ！とその信号を反転させた
信号Ｓ、とを同期整流回路９において発振器１３の周波
数ｒ、の倍周波数２ｆ、で同期整流して信号Ｓ４とし、
さらにこの信号Ｓ４を積分回路１０で積分して信号Ｓ、
として加算回路１１に出力する。

一方、直流電源７からは磁芯１の磁化モーＩ′が第８図
に示すような回転磁化モードになるように直流のバイア
ス電圧Ｓ４を加算回路１１に通電し、加算回路１１にお
いて信号Ｓ、と加算演算した信号Ｓ、を電圧／電流変換
回路１２を介して負帰還信号ＩＦｍとして磁芯ｌに印加
する。

これによって、磁芯１の磁化モードは回転磁化領域モー
ドになるとともに、磁化回転角度が一定となるから、磁
芯１から検出コイル３により検出される信号値は初期の
バイアス状態に復帰することになる。なお、積分回路１
０から出力される信号Ｓ、を表示ＲＮ１４に出力するよ
うにすれば、被検出外部磁界■１０．の値の大きさを表
示することができる。

しかし、この特願平１−２２８２２７号の改良型ｉｆｆ
界センサにおいても、磁芯ｌに検出コイル３と負帰還コ
イル４の２コイルを巻回しなければならないから、磁芯
とされるアモルファス合金として例えば極細のワイヤ状
のものを用いたとしても、磁界センサの外形を小さくす
るには限界が生じるのである。

本発明は、上記のような課題を解消すべくなされたもの
であって、検出の性能を損なわないでコイルを１個とし
て小型化を実現した磁界センサを稈供することを目的と
する。

〈課題を解決するだめの手段〉 本発明は、細長いアモルファス磁性合金を中央部で折り
曲げ加工して左右対称に構成される磁芯と、該磁芯に高
周波制’１ｎｉｔ流を直接通電する励磁回路と、前記磁
芯の周囲に巻回されて磁界を検出する検出コイルと、該
検出コイルに直流の電流を通電して前記磁芯の磁化モー
ドを回転磁化領域モードにし、かつ磁化Ｆ」転角度が被
検出外部磁界がゼ〔１のときに一定となるようにバイア
スする直流５ｔｌ電源および電圧／電流変換回路と、前
記検出コイルの検出信号に含まれる交流成分を分離して
増幅・整流した発生電圧に含まれる前記バイアス分を、
比較用基準電源から出力される一定電圧によって消去し
て被検出外部磁界の信号成分のみを１ｎ分する積分回路
と、該積分回路で平滑された出力信号と前記直流基準電
源から出力されるバイアス電圧とを加算する加算回路と
、該加算回路の出力信号を前記電圧／電流変換回路を経
て前記検出コイルに負帰還して、被検出外部磁界によっ
て変化する前記磁芯の磁化回転角度を一定にするように
制御する負帰還回路と、前記積分回路の出力電圧を被検
出外部磁界信号として外部に出力して表示する表示回路
と、からなることを特徴とする磁界センサである。

なお、前記磁芯の形ぜはＵ字状あるいは複数の折り曲が
り加工が施された形状となし得ることができる。

く作　川〉 本発明者らは、上記した特願平１−２２８２２７号の改
良型磁界センサの有する課題について鋭意検討し、実験
・研究を重ねた結果、以下のような新たな特性を見出し
、この知見に基づいて本発明を完成させるに至った。

■　前出第７図の磁界センサを用いて種々の実験の結果
、検出コイル３と負帰還コイル４に誘起する電圧の波形
はほぼ同一に近いものであることが判明した。

■　さらに精査した結果、それらの電圧波形は各コイル
の内部インピーダンス（例えば１００Ω以下）とそれら
のコイルに接続される負荷の大きさとの関係で差異が発
生ずることを突き止めた。

■　また、検出コイル３と負帰還コイル４の２個のコイ
ルと励振される磁芯ｌとは、ともに相互インダクタンス
によって［ｆｆｆ的に強く結合されているため、磁芯１
または検出コイル３と負帰還コイル４のいずれかのコイ
ルの１個所に負荷を強くかけると、他のコイルまたはけ
芯ｌにもかなりの影響を及ぼすことが判明した。

■　したがって、負帰還コイル４の駆動抵抗と検出コイ
ル３の負荷抵抗とをそれぞれ例えば１０にΩの値に高く
すると、検出コイル３と負帰還コイル４の双方の電圧波
形が全く同一になることが判明した。

以上のような知見に基づいて、負帰還コイル４を駆動す
るバイアス電流源である電圧／Ｎ流変換回ｍ１２に高周
波領域まで高インピーダンスを有する例えば４〜１０　
ＭＩ＋２の高周波増幅器を用いて制御するようにすれば
、高周波信号まで十分高いインピーダンスを保つことが
できるから、負帰還コイル４と検出コイル３の双方に同
一波形を発生させることできることが判明した。

また、このように負帰還コイル４の直流電流源である電
圧／電流変換回路１２に高周波増幅器を用いてバイアス
ｆｆａＪ　ｊｒａ　シてやるこきにより、２個のコイル
ずなわち検出コイル３と負帰還コイル４を１個に減じて
も同一波形が保持されることが鎮圧された。

さらに、検出コイル３によって被検出外部磁界■Ｉｏを
検出する場合は、被検出外部磁界の交流成分よりも１桁
以上高く設定した励振周波数に同期する信号のろを取り
出してやればよいので、例えばＣＰなどの交流結合とす
ることにより、１個のコイルを用いてバイアスおよび負
帰還制御を行い、かつ交流結合によって回転磁界の（８
号を検出することができることがわかった。

なお、ここで、本発明における被検出外部磁界の測定原
理について簡単に説明すると、前出第８図に示すように
、磁芯の磁壁移動に１↑うヒステリソス特性をなくする
ために、磁芯をバイアス磁界ｔｌ　ｂで磁気飽和の状態
に保ち、磁芯にＭ　ｉｆｆ電流を通電することによりこ
の励磁電流に直交した６１１界Ｉ＋、を磁芯内部につく
り出す、その結果、磁化はバイアス磁界Ｉ＋、を中心に
磁化回転モードをつくり、このときの磁化が回転する角
度（θ）はバイアス６ｆｉ界１１．と励磁電流による直
交磁界１１　、の正接に比例する。

このため、磁化回転によるバイアス磁界１１．方向の磁
化変化成分１１２１゜が検出コイルに倍周波電圧を誘起
させ、外部磁化の強さによって磁化回転角度θが変化す
る。すなわち、外部磁界が大きくなると！１支化回転角
度が小さくなるので検出電圧が減少し、磁化回転角度を
一定に保つために負帰還コイルにより外部磁界を補償し
、この補（Ｍ　ｋｍ界を外部磁界の値として検出するこ
とができる。

また、検出電圧が倍周波電圧になることは周知ではある
が説明すると、検出コイルに誘起される電圧は、バイア
ス磁界Ｈ，方向の磁化変化の時間微分であるから、半ｍ
ｌルＩの直交磁界ＩＩＰの時間変化の間に１周期の磁界
変化を生ずるので、倍周波電圧を発住させることができ
るのである。

さらに、本発明によれば、磁芯はアモルファス合金から
構成されるから、高周波の直接励磁が可能となり、高速
応答特性を有することとなる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳し
く説明する。

第１図は、本発明に係る実施例の構成を示すブロック図
であり、第２図は制御回路の波形を示す特性図である。

なお、図中において、従来例と同一部材は同一符号を付
しである。

磁芯ＩＡは、細長いアモルファス合金のワイヤを、その
中央部において左右対称になるように例えばＵ字状とさ
れ、その両端部に励磁回路２から直接ｆ、なる高周波制
ｊｒｇ電流が１ｉｌｌ電される。

この磁芯ＩＡの周囲には検出コイル３Ａが１個のみ巻回
され、被検出外部磁界Ｈ０゜の検出機能と、磁芯ＩＡの
磁化モードを回転磁化モードにするバイアス状態能と、
さらに磁芯ＩＡの磁化回転角度が一定になるようにｆ＋
、帰還制御をする機能の３つの機能を有する。

検出コイル３Ａにおいて検出される信号Ｓ１は、コンデ
ンサＣ，，Ｃ２および抵抗Ｒ１，Ｒｚで構成されるＣＩ
？の交流結合によって交流分のみとされる。

制？１１１回路６Δは、直流基準電源７．増幅回路８同
！す１整流回路９．積分回路１０．加算回路１１．高イ
ンピーダンスを有する電圧／［流変換回路１２Ａ。

発振器１３．仕較基串電源１５から構成され、それぞれ
の回路においては第２図に示すような波形で動作する。

ずなわら、まず検出コイル３Δで検出される信号Ｓ、は
、増幅回路８で信号Ｓ、とその信号を反転さ−ｌた信号
Ｓ、ｌとに増幅され、同期整流回路９において発振器１
３の周波数ｆ＃の倍周波数２Ｔ。

で同期整流されて電圧信号Ｓ、とされる。

ついで、この電圧信号Ｓ４は積分回ＩＰＩｌｏに入力さ
れ、積分回路１０において比較用基準電源１５から出力
される一定な比較電圧信号Ｓ、と比較されてバイアス電
圧分が消去され、被検出外部磁界Ｉ１．。

の信号成分のみが積分されて信号Ｓ、を加算回路１１に
出力する。

加算回Ｎｉｌにおいては、積分回路ＩＯからの出力信号
Ｓ、と直流基準Ｔ！ｊ、源７から磁芯１の磁化モードを
回転６１１化モードになるように供給される直流のバイ
アス電流Ｓ、とを加算し、その加算された信号Ｓ、は高
インピーダンスにて高周波領域まで動作する電圧／ｉｔ
流変換回７ａ１２Ａで変換され、負帰還信号ＩＦＩとし
て磁芯ＩＡに負帰還させることにより電流制御が行われ
る。

これによって、磁化回転角度が一定となるとともに、磁
芯ＩＡの磁化モードは第３図に示すように回転磁化領域
モードになる。すなわち、被検出外部磁界夏１．０がゼ
ロのとき、直流基ｔ＃電源７によりバイアスミ電流が加
算回路１１Ａ、電圧／電流変換回路１２Ａを介して磁芯
ＩＡに流れると、磁芯ＩＡにおいて回転磁化モードＨ、
で倍周波出力電圧Ｖ、が得られるとする。

そこで、被検出外部磁界Ｈ，，が存在すると倍周波出力
電圧は■おからＶに変化することになるから、負帰還信
号！、を負帰還して被検出夕１部磁界１１−を打ら消ず
ことにより、検出磁化位置を図中のｔ３点から４点に移
動さ−υて、常に一定点で検出Ｊることができる。これ
により、被検出外部１イ１界１１．１と検出信号Ｓ、と
の間に比例関係がなくてもよいことになり、検出精度が
向」−することになる。

このようにして、検出コイル３△により検出される信号
値は常に初ル１のバイアス状態に復帰する。

なお、積分回路１０から出力される信号Ｓ、を分岐して
表示器１４に出力し、被検出外部磁界ＩＩ、Ｘの値の大
きさを表示する。

本発明の磁界センサの磁芯ＩΔとして、拐質がＣｏ４９
で寸法が直径；　　Ｏ，Ｉｍｍφ×長さ；３０ｍｆのア
モルファスワイヤを中央部から左右対称にＵ字状に２重
に折り曲げて、その表面に被膜絶縁を施して互いに接触
して電流が流れないように構成し、また電圧／電流変換
回Ｈ２八には４〜１０　ＭＩＩｚＯ高インピーダンスを
有するオペレーショナルアンプを用いた。

そして、励磁周波数［。；　２００ｋｌｌｚ、励磁電圧
；２００＋＋Ｖ　（正弦波）として磁芯を直接励磁して
、被検出外部磁界１１．工（Ｏｅ）を変化させたときの
負帰還電流１□（−八）との関係を調べたところ、第４
図に示すように極めて良好な直線性を得ることができた
。

なお、上記実施例において、磁芯ＩＡの形状をＵ字状と
して説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、第５図（ａ）に示すように、例えばＷ字状などの折
り曲がり加工が複数とされる磁芯１１３とすることによ
りファンダメンタル波形成分の少ない検出が可能となり
、より安定性を増すことが可能である。

また、磁芯１Δに用いるアモルファス合金はワイヤ状の
ものとして説明したが、第５図（ｂ）に示すように、リ
ボン状のけ芯ＩＣとして用いても同様の作用を得ること
ができる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明の磁界センサによれば、ア
モルファス合金の磁芯の周囲に巻回するコイルを１個に
したので、検出部をさらに小型化することが可能となり
、また検出部へのリード線も４木と最小の結線でよいか
ら回路の小純化が可能である。

これによって、磁界センサの製造に要するコストを大幅
に低減させることができるから、その経済的効果は大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る実施例の構成を示すブロック図
、第２図は、制御１１回路の波形を示す特性図、第３図
は、本発明の作用を示す説明図、第４図は、被検出外部
磁界と負帰還信号との関係を示す特性図、第５図（ａ）
、　（ｂ）は、磁芯の他の実施例を示す概要図、第６図
は、磁界センサの従来例を示す概要図、第７図は、改良
型磁界セ、ンサの構成を示すブロック図、第８図は、改
良型磁界センサの原理の説明図である。 ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ・・・磁芯、　　２・・・励磁回路３
Ａ・・・検出コイル、　　５・・・被検出外部磁界コイ
ル、６Δ・・・制御回路、　　７・・・直流基準電源８
・・・増幅回路、　　９・・・同期整流回路、　　１０
・・・積分回路、１１・・・加算回路、　　１２Ａ・・
・電圧／［流度１＾回路、１３・・・発振器、　　１４
・・・表示器、１５・・比較基準電源。 第　２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、細長いアモルファス磁性合金を中央部で折り曲げ加
   工して左右対称に構成される磁芯と、該磁芯に高周波制
   御電流を直接通電する励磁回路と、前記磁芯の周囲に巻
   回されて磁界を検出する検出コイルと、該検出コイルに
   直流の電流を通電して前記磁芯の磁化モードを回転磁化
   領域モードにし、かつ磁化回転角度が被検出外部磁界が
   ゼロのときに一定となるようにバイアスする直流基準電
   源および電圧／電流変換回路と、前記検出コイルの検出
   信号に含まれる交流成分を分離して増幅・整流した発生
   電圧に含まれる前記バイアス分を、比較用基準電源から
   出力される一定電圧によって消去して被検出外部磁界の
   信号成分のみを積分する積分回路と、該積分回路で平滑
   された出力信号と前記直流基準電源から出力されるバイ
   アス電圧とを加算する加算回路と、該加算回路の出力信
   号を前記電圧／電流変換回路を経て前記検出コイルに負
   帰還して、被検出外部磁界によって変化する前記磁芯の
   磁化回転角度を一定にするように制御する負帰還回路と
   、前記積分回路の出力電圧を被検出外部磁界信号として
   外部に出力して表示する表示回路と、からなることを特
   徴とする磁界センサ。 ２、前記磁芯の形状がＵ字状とされることを特徴とする
   請求項１記載の磁界センサ。 ３、前記磁芯は複数の折り曲がり加工が施された形状と
   されることを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。