JPS60135874A - 差動形自励式磁気検出方法 - 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】 本発明は、高透磁率の磁心とオペアンプによつ従来技術
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
磁心を用いたフラックスゲートは、交流励磁電源を別口
路とする他励式であって、その最高感度は数１０−５ガ
ウス〜数１０−６ガウスであり、京磁気の約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ｆ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Ｃ２ｆ’）成分を
増巾Ｌ、位相検波する同期整流部、励磁周波数ｆより２
ｆ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場勾配測定
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Ｃ２ｆ）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っ
た。

これを解決する方法として、特公昭５４−６８５６号公
報、特公昭５４−１６２３２号公報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、検出回路にコンテ”ン
サを□挿入して倍周波成分２ｆで共振もしくは発振さ＃
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太
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μ、高々数ｍ以下におさえなけれ
ばならなかった。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、高感度磁場勾配計測は全く
不可能になった。

そこで、本発明では、このような環境条件下でペアンプ
からなる磁気感応部それ自体で磁気半導体結合形の自励
回路を構成し、まだ、磁気感応部からの出力信号は印加
磁界によって正負半サイクル期間の比率が可変する方形
Ａ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っ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伝送方式を実現＃した点であるＯ 第２の特徴は、磁気感応部に使用する磁心としてアモル
ファス材料、パーマロイ等の高透率材料を使用すること
により磁気半導体結合回路として非常に安定した磁気感
応型自励回路を構成したことである。その結果、高周波
交流励破電源、交流振巾安定化回路部が不用になシ、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った。

第３の特徴は、磁場勾配の方向と強さを、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
機能を持たせたことである。

第４の特徴は２つの正負直流安定化電源によって磁気感
応部を駆動させるもので、信号処理回路に使用されるオ
ペアンプ用電源が共用でき、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
した曇実用性と汎用性の高い差動形磁気センサ方式であ
るといえる。すなわち、磁、ｔ 、１７６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、外付はパワートランジスタによる励
磁電流増巾回路をｉ加しなくても動作しうるようにした
点である。

以下、図面において本発明の詳細な説明する。

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第
１磁心４ａと第２磁心４ｂにおいて逆極性とする。ガラ
ス管１ａ、ｊｂの中心空間部には、第１磁心４ａと第２
磁心４ｂが挿入されている。磁心材料は、低保磁力、高
透磁率のリボン状、あるいは線材状のアモルファス磁→
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、純鉄フェライトなどの使用も不可能
ではなく、磁性材料の形状には特に制約はない。

第２図は、本発明の動作原理を磁心のＢ−Ｈ特性を用い
て説明するだめの図である。ここで、理解を簡単にする
ために第１磁心および第２磁心に印加する磁界の強さの
差すなわち勾配磁界を△Ｈｅｘとし、この差分に相等す
る磁界△Ｈｅｘが第１磁心に印加しているとして考える
ことにする。

第２図（ａ）は勾配磁界がない、平行磁界あるいは無磁
場の中、すなわち△ｌ’（ｅｘ＝＝００時における第１
磁心と第２磁心を巻線側より統合してみたときの統合磁
心のＢ−Ｆ（特性を示したものでるる。磁性材料にはヒ
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、△Ｈ，ｅｘ＝０の状態の時に、正の直
流電圧を一次巻線２に印加し、正の励磁界によって統合
磁心としての最大磁束密度Ｂｍまで励磁させると、図示
の通シ、その磁束密度変化中はΔＢ１２となる。そして
統合磁心の磁束密度がＢｍに達すると同時に直流電圧を
零にすれば、統合磁心に印加している励磁界はなくなる
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、負の励磁界によって
統合磁心を負の最大磁束密度−Ｂｍ　まで励磁させると
、その磁束密度変化は△Ｂ３４となり、１ΔＢ！２１＝
ｌΔＢ５４１　が成立することになる。

ところが、第２図（ｂ）に示すごとく、正の勾配磁界、
Ｈｌ　ｅＸ　（＞　Ｏ）が、第１磁心４ａに印加してい
る状態から、前述の励磁サイクルをく９かえず場合を考
えてみると、まず、正励磁界の印加時における磁束密度
変化中は△Ｂ’＋２　、負励磁界の印加時ではΔＢ′３
．となり、ΔＢ′１２　とΔＢ′あ　の間には、明らか
に１△Ｂ’＋２１　＜　ｌ△Ｂ’３４１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、統合磁心
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″十と負励磁期間ｔ′−の態から、
前述の励磁サイクルをくりかえすと、正励磁時にΔＢ’
′１２　、負励磁時にΔＢ″３４の磁束密度変化が見ら
れ、正励磁期間Ｃ十と負励磁期間ｃ′−の間に、ｔ”　
＋）ｔ″−が成立することになる。そこで、統合磁心に
前述の励磁サイクル時に、印加する励磁直流電圧値が、
統合磁心の磁気飽和、不飽和状態によって低下あるいは
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
によってインピーダンス調整をする。このようにすれば
、統合磁心の磁束レベルが最大磁束密度レベル■あるに
おける電圧波形ｅ。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、ΔＥＪｅｘ　＝　０　。

△Ｈ，ｅ’　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。図かられかるように、両極性方形波の正の半サ
イクル持続期間ｔ’　＋、　ｔ”十七負の半サイクル持
続期間ｔ’　−、ｔ″−は、勾配磁界Δｔ（ｅ　ｘ、△
［（’ｅｘ＋△Ｈ″ｅｘによって制御されることがわか
る。それ故、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勾配磁界ΔＨｅｘの極性と強さに対
応させて、換算表示することにより第１磁心に印加して
いる外部磁界と第２磁心に印加している外部磁界との差
すなわち勾配磁界の測定を可能にすること次に、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
であって磁心４ａ、４ｂ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４ａ。

４ｂよシ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１０には、可変抵抗９
が接続され、この抵抗によって出力端子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Ｖｓ０＞　０　）であるとすれば、励磁電流は抵
抗９を通って一次巻線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４ａ’、’４ｂを介して
誘起電圧が発生する。仁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
苓次第に低下し、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に誘起電圧によって充電されていた
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、二次巻
線３の３ａ端子側の電圧は、いままで正であったものが
負電圧に変シ、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ｅ。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、第１磁心、第２磁心の統合磁心としての磁
束密度レベルは勾配磁界ΔＥ（ｅｘで規定されるレベル
まで一旦急速に戻シ、次いで負の飽和電圧−Ｖｓによっ
て、磁束密度変化は負の最大磁束密度レベル−Ｂｍに向
かっ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、負となっ
ているため、オペアンプ６の出力電圧ｅ。

は−Ｖｓを保持しつづけ、コンデンサ５には、誘起電圧
によって電荷が充電されることになる。そして統合磁心
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
共振現象によってオペアンプ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ｅ。は正の直流飽和電圧Ｖｓ　に切シ換わるのであ
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
流電圧子Ｖｃ　は、磁心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に飽和電圧子■
８　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（デユーティ比）は、被測定勾配磁界△Ｈｅｘによ
っ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
容量をもって代行させるように、磁心４ａ、４ｂ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って
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、３０
０は表示回路部で、方形波出力電圧ｅＱ　は、バッファ
１２の非反転端子１１に入力される。バッファ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ィルター（図示せず〕を経て、ゲイ
ン調整用オペアンプ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、被測定勾配磁
界△ｔ（ｅｘの強さによって選択できるように、抵抗１
７〜２ｏ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を任意に選択するだめの切シ換え
スイッチである。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
直流定電圧子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だめの変
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６０反転端子７は、−
次巻線２の端子２ｂに接続され、強磁界印加時によって
発生する自励停止現象の復起は、この２５の端子電圧の
負帰還作用によって実施している。

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
路によって実施している。

第７図は、プローブを示し、磁気感応部１００をブロー
ブケ〜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ｅ。の平均直流分の伝送のみで十分でアシ、
そのため減衰は極めて少ない。

以上、本発明では、磁場勾配を測定する技術において、
磁気半導体結合回路方式により、その性能と実用性にお
いて大いに期待できる差動形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差動形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統合磁心のＢ−Ｈ特性を用
いて説明する説明図、 第３図は本発明の差動形磁気検出回路図、第４図は第３
図に於て△Ｆｆｅｘ：＝０．△Ｅ（ｅｘ’）Ｏ。 △Ｈｅｘ“〈０の各場合の端子における電圧波形ｅ。 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
すプローブの図である。 ｌａ、ｌｂ・・・ガラス管、２・・−次巻線、３・・二
次巻線、４ａ、４ｂ・・磁心、５・・コンデンサ、２ａ
、２ｂ、３ａ、３ｂ一端子、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。 代理人　弁理士　秋　沢　政　光 他２名 芹　６図 ７？７Ｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｌｉ　第１磁心と第２磁心に巻装される各々２つの巻
   線を直列接続してなる１次巻線および２次巻線において
   、第１磁心に対して巻装される１次巻線と２次巻線の巻
   線極性は同一とし、第２磁心に巻装される１次巻線と２
   次巻線の極性は第１磁心の巻線極性とは逆極性になるよ
   うに巻装し、第１磁心と第２磁心に印加する磁界の磁場
   勾配を、各磁心を励磁するｌ正の励磁期間と負の励磁期
   間に時間差を生じさせる両極性方形波電圧信号に磁電変
   換するために、磁気感応部の１次巻線をオペアンプの出
   力端子側回路に、２次巻線を入力端子側回路に挿入して
   磁気半導体結合回路を構成し、前記上ｇ イ線の端子間電圧信号を、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ることにより、前記
   オペアンプの両極性を有する飽和量力 直流定電圧によって前記磁心を自≠可能にしだことを特
   徴とする差動形自励式磁気検出方法。