JPH08122422A - 可逆磁化率を利用した磁場センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁性体の可逆磁化率の鋭い弱磁場依存性を利
用し、必要最小限の最大外形に設計でき、かつ安価で製
造容易な、交流磁場励磁法を採用した高感度磁場センサ
を提供する。 【構成】 互いに逆巻にして直列に接続した２つの検出
コイル２、３と、検出コイル２、３の上から巻いた励磁
コイル４と、検出コイルの一方のコイル内または一方の
コイルに近い位置に固定した磁性体５とからなり、励磁
コイル４には励磁交流電流とバイアス電流とを重畳して
流し、磁性体５はあらかじめ検出コイル出力に励磁交流
電流信号の一部を混合してゼロ出力としてから前記位置
に固定し、検出コイル出力の振幅が磁性体の可逆磁化率
に比例するようにし、磁性体５に印加される外部磁場を
検出コイル出力の振幅変化として得る可逆磁化率を利用
した磁場センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁性体の交流磁場励磁法
による高感度磁場センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】室温で安価に磁場を測る手段はロボット
に代表される工業上の検知手段や情報機器での精密位置
制御技術などで不可欠となっている。この磁場センサと
しては、ホール素子や磁気抵抗素子が多用されている
が、ホール素子は磁場感度が最小０．１［Ｏｅ］程度が
実用限界で、不平衡電圧や大きな温度依存性の問題があ
る。磁気抵抗素子は細い薄膜パターンをブリッジ状に形
成することで高感度が得られるが、製造上の歩留まりの
問題が完全には解決されていない。また、高感度の素子
ほど磁場に対する出力特性が非線形になりやすく、通
常、出力の線形特性を最適にするために、磁気抵抗素子
の周囲に励磁コイルを巻いて一定のバイアス電流を流し
て使用する方法が採られる。しかしこの方法では平面基
板上の薄膜パターンに励磁コイルを巻かねばならないの
で、この大きめの励磁コイルの大きさ・形状がそのまま
磁場センサの大きさ・形状を決定し、それ以上の小形化
が困難である。

【０００３】室温での高感度磁場センサとしては、パー
マロイや非晶質合金などの高透磁率磁性体を使用した、
交流磁場励磁法による方式が採用されており、フラック
ス・ゲートと自己発振（resonator）型センサが代表例
である。フラックス・ゲートは最も高感度であるが、磁
性体をリング状などにして使用するために形が大きくな
りやすく、その外側にバイアス磁場用のコイルを巻く
と、さらに大きくなる。地磁気などの一様磁場は問題な
く計測できるが、数ｃｍオーダーでやや不均一に分布し
た磁場は正確には測れない。自己発振型センサはインダ
クタンス回路要素として磁性体の透磁率を使用するもの
で、発振状況が他の回路要素にも依存するため、長期間
安定した出力特性を示す保証がない。

【０００４】また一般には磁場に対する出力特性が非線
形で、バイアス磁場用のコイルの大きさが磁場センサの
大きさ・形状を決定する事態は、磁気抵抗素子やフラッ
クス・ゲートと同じである。さらに、フラックス・ゲー
ト磁場センサや自己発振型磁場センサは比較的材料費の
高いパーマロイや非晶質合金などを使用せねば十分な感
度が得られず、構造もあまり簡単にはできなく、また特
に自己発振型磁場センサではセンサ自体が一つの能動的
な電気回路なので、多数の部品を使用しなければならな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、磁場セン
サを高感度化するには交流磁場励磁法を採用したほうが
有利だが、高感度のセンサは一般に磁場に対する直線応
答性に乏しくなりがちであり、少しでも直線応答に近い
特性を得るためにはバイアス磁場印加用のコイルが必要
で、高透磁率磁性体をいかに小さく形成できても、バイ
アス磁場コイルのために、磁場センサは小形化できない
という事情にある。バイアス磁場の均一性を犠牲にして
コイルを小さくすると、必要なバイアス磁場の大きさを
得るために、コイルに大きな電流を流さなければなら
ず、磁性体の加熱による出力特性の劣化ないしは発熱に
よるコイルの損傷を招きやすい。コイルの発熱を少なく
するためには、電子冷却ないしはバイアス電流を間欠的
に流して使用する方法が考えられるが、電子冷却はコス
トが大きくアップし、室温で使用する高感度センサとい
うメリットがあまりなくなる。バイアス電流を間欠的に
流して使用する方式では、駆動回路がその分複雑化して
コストアップし、またバイアス電流が流れていない時間
帯がセンサの不感時間となって、応答速度を落とした状
態でしか使用できていない。

【０００６】磁気抵抗素子の場合、比較的低感度の磁場
センサとして使用する例では、バイアス磁場印加用にコ
イルではなく永久磁石を採用することも行われている。
しかし、高感度磁場センサに永久磁石を組み込むと、微
弱な外部磁場が永久磁石のある部分に集中してセンシン
グ用の磁性体まで十分届かなくなることも起きやすく、
感度の低下や外部磁場の印加方向による応答特性の歪み
などの劣化が起こる。このため、高感度磁場センサのバ
イアス磁場印加は、どうしてもコイルによらねばならな
い。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の可逆磁化率を利用した磁場センサは、互いに
反対の回転方向に巻いて直列に接続した２つのコイルか
らなる検出コイルと、該検出コイルの上から巻いた励磁
コイルと、該検出コイルの一方のコイル内または一方の
コイルに近い位置に固定した磁性体とからなり、該励磁
コイルには励磁交流電流とバイアス電流とを重畳して流
し、該磁性体はあらかじめ検出コイルの出力に励磁交流
電流信号の一部を混合してほぼゼロ出力になるようにバ
ランスをとってから前記位置に固定し、該検出コイルの
出力の振幅がほぼ前記励磁交流電流で励磁された磁性体
の可逆磁化率に比例するようにし、前記バイアス電流を
調整して、磁性体に印加される外部磁場を前記検出コイ
ルの出力の振幅変化として得るように構成したことを特
徴とする。

【０００８】上記励磁コイルが交流励磁とバイアス磁場
印加とを兼用しているので、これ以上コイルを巻き付け
てセンサの形を大きくしなくてもよい。すなわち、検出
コイルと励磁コイルの大きさ・形状でほぼ磁場センサの
大きさ・形状が決まる。

【０００９】もし２つの検出コイルが、巻き方向が反対
で他は理想的に等しく巻かれ、励磁コイルもこの２つの
コイルの中点を中心として完全に対称となるように巻か
れているならば、理論的には検出コイルの出力（以下、
「検知出力」という）は僅かの高調波信号を残してゼロ
となる。しかし、ここまで精密にコイルを巻くことは製
造工程のコスト・アップに繋がるので、目視検査あるい
は自動形状検査程度で上記のコイル群が大体上述の形状
に近い形で巻かれておれば良いとする。この場合、検出
コイル出力は一般にはゼロではないので、これに励磁交
流電流信号の一部を混合してほぼゼロ出力になるように
バランスをとってゼロ検知出力とする。

【００１０】このようにしても、励磁コイル自体が検出
コイルの上に巻かれているので、結果的には上述のよう
に精密にコイルを巻いた場合とそれほど大きな違いはな
い。このように調整してから、磁性体を検出コイルの一
方のコイル内または一方のコイルに近い位置に固定し
て、前記検知出力の振幅がほぼ前記励磁交流電流で励磁
した磁性体の可逆磁化率に比例するように構成し、バイ
アス電流を調整して、磁性体に印加される外部磁場を前
記検知出力の振幅変化として得る。

【００１１】磁性体のある磁場Ｈ［Ｏｅ］での可逆磁化
率とは、磁性体に磁場Ｈを印加した状態で、Ｈに重畳し
て振幅ΔＨ［Ｏｅ］の交流磁場を印加したときに検出さ
れる、磁性体の磁化の変化の振幅ΔＭ［Ｇ］をΔＨで割
った量のことで、磁場Ｈのほか交流磁場の周波数にも依
存し、一般に磁化曲線から幾何学的に求められる微分磁
化率より小さい。ΔＨが一定ならば可逆磁化率は検出量
ΔＭに比例する。可逆磁化率の磁場依存性は図２の例に
示すようなものである。

【００１２】ここで、図１によって磁性体の可逆磁化率
を利用した磁場センサの原理を説明する。磁性体はキュ
リー温度約３００℃のＮｉＺｎフェライト、励磁交流磁
場の周波数は１ＭＨｚの場合で、横軸に磁場の大きさ、
縦軸に可逆磁化率をとって変化の様子を示した。この周
波数での可逆磁化率の最大値Χ₀は５００程度である。
また、保磁力程度の小さなヒステリシスが見られるが、
実用上はあまり問題とはならない。磁性体の形状（長円
柱）から来る反磁場が作用しているために、１０［Ｏ
ｅ］以上まで強磁場磁化率を越える裾野があるが、反磁
場がなければ、理論状の曲線はもっと急勾配で磁場と共
に減衰する。この鋭い減衰曲線から明らかなように、数
Ｏｅ程度のバイアス磁場を印加しておけば、バイアス点
からの僅かの磁場変化に対しても高感度の検知が可能で
ある。

【００１３】本発明の磁場センサの磁性体には、感度は
落ちるが安価なものとして産業廃棄物から回収した混合
フェライトや、鉄粉を樹脂で固めたものも採用できる。
高感度で更に小型化するには、小さな励磁コイルすなわ
ち小さなバイアス磁場で動作できるように、磁性体に細
長い鉄ガーネットなどを採用すればよい。キュリー温度
の高いフェライト、鉄ガーネットなどを使えば、室温付
近での温度変化によるセンサ出力値の変動は非常に小さ
くなる。また自己発振型磁場センサとは異なり、外部か
ら水晶振動子などを使った安定な発信回路で励磁できる
ので、長期間保守が不要で信頼性の高い磁場センサが実
現できる。

【００１４】

【実施例】図１に基づいて本発明の実施例を説明する。
外径２ｍｍ、長さ１２ｍｍの薄肉ガラスパイプ１に密着
して、直径０．０４ｍｍのホルマル被覆銅線を互いに反
対の回転方向に６０回ずつ巻いて直列に接続した２つの
コイル２、３を検出コイルとし、この検出コイルの上か
ら直径０．０８ｍｍのホルマル被覆銅線を８０回巻い
て、これを励磁コイル４とする。

【００１５】まず磁性体５をガラスパイプ１に挿入しな
い状態で、次のように調整する。発振器６からの１ＭＨ
ｚの出力電流を励磁交流電流とし、容量７を通して励磁
コイル４に流し、検出コイル２、３からの出力を差動増
幅器１１に入力する。発振器６から励磁交流電流信号の
一部を取り出して移相器９と減衰器１０で調節しながら
差動増幅器１１の−入力端子に入れ、差動増幅器１１の
出力がほぼゼロになるようにバランスをとってゼロ検知
出力とする。このように調整された状態で、磁性体５と
してキュリー温度約３００度ＣのＮｉＺｎフェライトを
ガラスパイプ１内に図１のような位置に挿入して、前記
励磁交流電流で励磁した、磁性体５の可逆磁化率に対応
した振幅で振動する信号Ｖｓを差動増幅器１１から出力
する。次に、電流源８からバイアス電流２０−３０ｍＡ
を励磁コイル４に、前記励磁交流電流に重畳して流して
磁性体５に数Ｏｅのバイアス磁場を印加し、Ｖｓの振幅
変化が外部磁場の大きさゼロ、プラスマイナス１．５
［Ｏｅ］の範囲でほぼ線形応答のセンサ出力となるよう
に調整して、磁場センサの組み立てを終了する。

【００１６】この実施例による磁場センサ出力Ｖｓの検
波方法により、磁場の検知感度限界が異なる。まず低コ
スト化を優先させた方法では、Ｖｓを励磁交流電流信号
が外部磁場で振幅変調されたものとみなして、単にダイ
オ−ド等で振幅検波して、モニターに必要なレベルまで
増幅させる。この実施例では、検知感度限界が０．０１
［Ｏｅ］程度、すなわちホール素子の１０分の１程度で
あった。

【００１７】次に検知精度を上げるために、発振器６を
水晶発振器型の安定な回路とし、発振出力の一部Ｖｒを
参照信号、センサ出力Ｖｓを入力信号として同期検波し
た。この場合は１［ｍＯｅ］程度の検知感度限界、すな
わち高感度タイプの磁気抵抗素子程度の性能が、安価な
材料と製造方法で得られる。

【００１８】この実施例による磁場センサ出力Ｖｓを上
述のように同期検波するように調整しておき、磁場発生
源として商用５０［Ｈｚ］交流が流れているコードをケ
イ素鋼に巻き付けたものを用意して、これを近づけた時
の検波出力波形を図３に示す。期待通り、おおよそ正弦
波の波形が検出されているのが明らかである。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、磁性
体の可逆磁化率の鋭い弱磁場依存性を利用し、一番外側
の一つのコイルに交流励磁コイルとバイアス磁場印加コ
イルとを兼用させて必要最小限の最大外形に設計でき、
かつ安価で製造容易な、交流磁場励磁法を採用した高感
度磁場センサが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁場センサの一実施例の構成を示す図
である。

【図２】可逆磁化率の磁場依存性を示す図である。

【図３】本発明の実施例における検波出力波形である。

【符号の説明】

１ 薄肉ガラスパイプ ２、３ 検出コイル ４ 励磁コイル ５ 磁性体 ６ 発振器 ７ 容量 ９ 移相器 １０ 減衰器 １１ 差動増幅器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに反対の回転方向に巻いて直列に接
   続した２つのコイルからなる検出コイルと、該検出コイ
   ルの上から巻いた励磁コイルと、該検出コイルの一方の
   コイル内または一方のコイルに近い位置に固定した磁性
   体とからなり、該励磁コイルには励磁交流電流とバイア
   ス電流とを重畳して流し、該磁性体はあらかじめ検出コ
   イルの出力に励磁交流電流信号の一部を混合してほぼゼ
   ロ出力になるようにバランスをとってから前記位置に固
   定し、該検出コイルの出力の振幅がほぼ前記励磁交流電
   流で励磁された磁性体の可逆磁化率に比例するように
   し、前記バイアス電流を調整して、磁性体に印加される
   外部磁場を前記検出コイルの出力の振幅変化として得る
   ように構成した、磁性体の可逆磁化率を利用した磁場セ
   ンサ。