JPS6057275A - 自励ブリツジ形磁気検出方法 - 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】 木兄明け、アモルファス磁性細線全磁心とする自励ブリ
ッ・ジ形磁気検出回路にＨする。

従来からあるブリッジ方式の４（１：６気検出回路は、
交流ブリノ・り孕４７．□ｉ成する４素子のうち、少′
、くとも１素子は、コイル中心部に磁心なｆｌａ＋冒ご
１し７たインダクタンス素子で栴成し、この磁心に印加
さｔ’する被４１１（定磁界によってインダクタンス素
子のインｌ〕“−ダンスｔ−変化さぜ、磁気’＋Ｉ’ｆ
報をブリッジの不３１′９ｊ’ｊド；圧伽巾値の変化と
じで取シ出ずようにしたものである。

この神のブリッジ回路から−１、被測定磁界のす１）さ
ゲ酌ｌ定することは、不平衡１１１圧振１↑］工９実施
できるが一＊ｌｉｌ：定磁界の極性（印加方向）音測定
することば、この１寸では不１１」能である。

そこで、印加方向全判別するためには、丑ず、不平衡電
圧、ｌニジ９Ｓ流ブリツジ印加Ｔｉｉ’、圧ｅｆの周波
数ｆ’に２倍にした倍周波成分、ｆｆ抽出する信号処理
回路部が必要になる１、 すなわち、不平衡電圧を、倍周波同調増巾回ｂ（１・、
に入力して、倍周波成分を増ＩＪＬ、その出力葡位相検
波するための同＃！整流部に入力するとともに、同期整
流のためのシ１（準参照信号ｅｒは、交流印加電圧ｅｔ
ｋ逓倍器に入力して得られる倍周波出力信号ｃｆ利用す
ることに工っで、初めて不平衡電圧は検波される。

そして、この位相検波出力雪圧の符号全識別することに
よって、印加方向を知ることになるわけである。

ところが、このような回路構成は、特公昭５４−６８５
６に開示されて因るようにフラックスゲートマグネトメ
ータにおけるイ菖号処理回路と全く同じであって、単な
るブリッジ回路からだけでけ、被１ｆｌｌ、ｌ定磁界の
完全計測（は不能であり、この方式における測定回路の
簡素化は不可能である。また、このようなブリッジ回路
では、ブリッジ回路に印加する交流電源部と磁気全感応
するインダクタンス素子とを結ぶ伝送、および、ブリッ
ジ回路全体と信号処理回路部との伝送は、Ａ　Ｉ　−Ａ
、　０伝送（交流伝送）であるため、伝送路が長くなる
と減衰がはけしくなり、数１００ｍぐら込離すと全く磁
気計測は不能になる。

しかるに゛：本発明は、これらの欠点を解決したアモル
ファス信ｌ性イ１（１線を磁心とする自励ブリッジ形磁
気検出回路にＩＩＩするものである。

すなわち、高透磁率、低保磁力の特性を岸゛犬眼に生か
せるアモルファス磁性ａｌ線磁心の非紐形磁気特性領域
を動作領域とする自励ブリッジ回路を磁気半導体結合力
式によって構成し、オペアンプの出力端子の方形波出力
電圧の正負半ザイクル持続期間盆被測定磁界によって制
御しうるようにしたものである。

本発明の第１の特徴は、磁気半導体納会回路方式による
自励ブリッジ回路全構成し、ブリッジ内のオペアンプの
正負飽和直流電圧全直接、ブリッジ回路に印加して磁界
の強さと極性を知ることができるようにした点である。

第２の特徴ｔま、磁心として、高透磁率、低保磁力であ
るアモルファス磁性細線を使用することにより小さな消
費電力にて高感度磁界測定全可能にしたことである。

第３の特徴は、フラックスゲート方式やブリッジ方式に
みられる交流励磁電圧、倍周波信号などの・ぐワー・信
号の送受方法けＡ（’！−ＡＯ伝送方式であったが、本
発明では減衰の少々いＤｏ−ＤＣ方式（直流伝送方式）
に改良することにより、コード長が数１００ｍに及んで
も高感度磁界測定全可能にしたことである。

第４の特徴は、ブリッジ回路及びフラックスゲートマグ
ネトメータの回路構成における交流励磁電源、逓倍器、
同調増巾器、同期整流部などの主要基本構成回路を全く
必要とせずに、簡素化された磁気半導体結合力式によっ
て磁界の強さと極性を測定しうるようにしたことである
。

第５の特徴は、オペアンプの正負両極性直流安定化電源
と表示回路部のアースをコモンアースにしたことにｊ　
４！１１１ｉｉＪ路構成全単純化したことである。

以下、図面において詳細に説明する。

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
。第１図（ａ）は、磁界測定の場合金示し１はガラス管
で、その外１１１１には端子２ａ、２ｂの一次巻線２と
、端子３　Ｒ、３ｂ　Ｃ’＞二次巻線３が巻かれている
。′コンデンサ５け磁心よシ発生する雑音成分を吸収さ
せるもので　ＦｉＡ子２ａ　、２ｂの巻線端子に接続さ
れ、３°１１１５子２ｂ　、３ｂは結線されてアースＧ
に落とされ−（゛いる。各巻線２，３の巻ｉｆＱ’［０
性は図示の通ｐ同（ｔｒＬ性とする。ガラス管１の中心
空間部には、ア七ルンアメ磁性４−１１１線磁心４（以
下、磁心という）が挿入されている　４ｒ（心旧料とし
ては、ｊへ透磁率、低保磁力であるアモルファス磁性祠
料が最Ｊであるが、その他、パーマロイなどこれｆ　ｌ
ｉ、ｉ定するものではない。

第１図（ｂ）　ｉ：　、電流１１１１１定の場外におい
て磁気検出素子全的流（Ｆ　Ｔ用に構成した時の基本構
成ケ示す。

磁心４は、アモルファス細線金環状にぐるぐる巻いて構
ｊ戊：し、この環状１．（磁心に巻線２．３が巻装され
ている。そしてこく７）磁心を貫通する電流ＩＣχを１
　ｅ、　ｘで作る磁界Ｈ↓り換算して高感度に測定しつ
るようにしたものである 第２図は、本発明の動作原理′に磁心４のＢ　−Ｈ特性
金月１いて説明するための図である。第２図し）は、＋
ｉｌｉ　側５ｉ：Ｊ、、；’４界）１ｃｘが零（Ｈｃ　
ｘ　”　（１）の（（：ｉにおけルｆ：ｃ、心４のＢ　
−１１！ｌ、性ケ示したものであ／、。磁心４にはヒス
テリシスが存在するため、励磁の］サイクルでは、１゛
・ｌ示されているように■→（２）−■→■→ｑ）の糸
ｒ路をたどることになる。ここで、１１ｅｘ−０の状７
／Ｎの時に、ｉＥの直流電圧’（０−次Ｑ　ｉ（、ｊ２
に印加し、正の励１匙界によって磁心４ヶ最大磁束密度
Ｂｍ−まで励磁させると、図示の辿りその磁束密度変化
中は△ｌ３１２となる。そして、６ソ２心４の磁束密度
が１３に達すると同時に直流電圧全零にすれば、（′：
ｉ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Ｒ４亙に戻る。

今度は、負の直流１１］４圧を印加して、負の励磁界に
よって磁心４を負の最大磁束密度−Ｉ（ｍ−まで励ｌ１
ｊ（させると、その磁束密度変化中はΔＢ３４となり、
１△山２１−１△Ｉｌ＋ｔｌが成立することにガる。と
ころが、第２図（ｂ）に７１’ｅづごとく、正の被測定
磁界Ｈｅｘ　（）　Ｏ）が、磁心４に印加し一〇いる状
態から、前述の励磁サイクル孕くりかえす′ｊＡ自発考
えてみると、址ず、正励磁界の印加時における磁束密度
変化中＆ｉ　△Ｂ、′、、　、−７１：励６°執界の印
加時゛１で（ｒｊ７＼Ｂ〜となり、△Ｂｉｚど△Ｂ３４
の間しこは、明らかに１．″−Ｉ賄、ｌ＜、ｌ／ｉ悩、
１が成立する。いいかえれば、励磁月１のｎ’ｉ　Ｍｊ
、　ｆ７ｊ圧が零状態から、（ＩＱ心４４：正あるい＆
：Ｉ　（’＋の最犬碍す壓１“６度レベルに寸で励磁す
るに侠する正励磁期間Ｌ　”十と負励磁期間ｔ′−の間
に、Ｌｆｌ、＜、ｔ′−の関係式が成立することになる
７、 次に、第２図（ヒ・）に示すごとく、負の被測定（３界
Ｈｅ″ｘ　（＜　Ｏ）が、磁心４に印加している状態か
ら、前述の励磁サイクル孕くり返えすと、正励磁時に△
甲′１２、負励磁時にΔＢ′６４の磁束密度変化がみら
れ、正励Ｖ矢期間ｔ″１−と負励磁期ＩＬｉ〕ｔ＋＋−
の間に、ｔ”’　）　ｔ″−が成立することになる。そ
こで、磁心十 ４に前述のＩＦ′ｈＦＪ・（サイクル時に印加する励磁
直ｆＪ１’１．４８’。

正値が磁心４の最大１．〉６束密度レベルにおいても低
下あるいは変動しないように、第３図の熱気検出回路に
示すごとく一次巻線２と１ｒｆ列に可変抵抗６を接続（
７、この可変抵抗に工つそインピータ゛ンス調整をする
。そこで、磁心４の？ｊ（４束レベルが最大磁束密度レ
ベル■あるいは■に律すると同時に自動的に直流電圧Ｖ
ｃ、−Ｖｃの極性が切シ換えされる焦合金考えると、端
子７（または、端子８）における電圧波形Ｃけ、正負両
極性？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、　ｌ１ｅｘ＝
＝　Ｑ　、　Ｉ−１’ｅｘ）＞０゜Ｌｌ”　ｅ　ｘ（Ｑ
の各場合における端子７における電圧波形ｅ’ｚ図示し
たものである。図かられかるように、両枠性方形波の正
の半サイクル持続期間ｔ＋、ｔ′＋。

１／／＋と、負の半サイクル持続期間ｔ−５ｔ’−１１
１／−は、被測定磁界■（ｅ　ｘ、　Ｉｉ’ｅｘ、　Ｉ
（ｅｘによって制御されることがわかる。それ故、ｃｋ
積分し、その？ｂ：圧積分値Ｅｏ、　Ｅ’ｏ、　’Ｅ’
：の符号と電圧値から被測定磁界Ｌｌ　ｅ　ｘの極性と
強さに対応させて換算表示することにニジ、磁界測定全
可能にすることができることがわかる。

り６５図は、本発明の動作原理全自動的に遂行するため
の全体回路図である。機能的には、磁気感応部１００．
表示回路部２００、直流安定化電源部３００から成立す
る。

まず、磁気感応部１００のブリッジ回路を構成する素子
として、−辺には可変抵抗６、−次巻線２とコンデンサ
５が存在し、他辺には可変抵抗］１と可変抵抗１０が存
在する。また、ブリッジ各辺の両端の一端はオペアンプ
ＯＰ！の出力端子７に、他端はアースＧに接続されてい
る。２次巻線３は、磁心４に印加する被測定磁界１１ｃ
ｘ’Ｑ打消ず方向に磁界？発生させるもので、これは表
示回路部２００から出力される打消し１１）：流が端子
３ａに入力されることにより実行される。このフィード
バック系は、磁気感応部の回路系を安定化させるためと
、被測定磁界に対する出力電圧の関係を表わす入出力特
性の直線性改善をねらうことを目的としたもので実用的
には非常に有用である。ただし、２次巻線３を省略して
も本発明の目的は変わるものではない。オペアンプＯＰ
Ｉの各入力端子への入力は、非反転端子Ｐには・次巻線
２の端子２ａが結点Ａを介して入力され、反転端子Ｎに
は可変抵抗ｌ０９１１の結点Ｂ全介して入力されている
。オペアンプＯＦ１の動作は、Ｉ）、Ｎ端子間における
入力電圧差ｅ　−ｅ１３．に増巾する増巾器として動作
しているのではなく、人力′ｉ＜、圧差ｃＡ　”Ｂが■
かあるいは負であるかを・識別し１、それぞれに対応し
て正あるいは負の砲オＤ直流電圧ケ出力する符号ｉｉ＋
ｆ２別器として機能させているのである。コンデンサ５
は、磁心４で発生ずる。Ｊ音成分音吸収させるとともに
１、ｆ！、速な磁束変化、たとえばブリッジ印加電圧の
正負切換えによって発生する磁束フライバック現象によ
る影響全抑制づ゛ることによって自励動作を゛安定化さ
せる、機能ケ有しでいるので、挿入することが望寸しい
。

次に、自励動作について説明する。

ここで、理１’＋’ｆｋ容易にするために　Ｔｉｌ変抵
抗抵抗６０　、１．　Ｊの４７’Ｖ抗値ｆ　Ｒ６＋　Ｒ
ｌｏ　＋　］Ｌｏとし、−次巻線２のインピーダンスを
Ｚ２とし、磁心４が最大磁束密度十丁稲に達する直前の
インピーダンスｅＺ＋ｍ−とじ、±１３．計こ達した時
のインピーダンスをＺ２　Ｉｎとして、これらの間にけ
１も。〉ｚ２及びＲ，□＋＞　ＪＬ＋。、かつＨ，６＝
Ｒ，、および２２ｍ−〉Ｊｔｌｏ＞２２ｍが成立してい
るひとつのト霜合に限定して考えることにする。仮９に
、今の瞬間において、オペアンプＯＰ１の出力端子７の
出力ｊｉＴ田が正の５：４第１１直涼１電田十■５に切
換わつＩＣとすれば、磁心４における磁束密度レベルは
被測定磁界で規定される磁束密度レベルにまで急速に戻
ることになる（■の状ｐ（−）。そ（〜て反転端子Ｎに
は抵抗１１と１０によって分圧された正のｉＨ圧ｅＢ（
）Ｏ）が入力されることになり、非反転端子Ｐには抵抗
６とコンデンサ５ヶ含む一次巻線２のインピーダンスと
の分圧によって定吐る正のＭｌ、圧ｅ　Ａ（”、ンＯ）
が入力される。ここで、−次巻線のインピーダンスＺ２
は磁心４が磁束不ｆ／１和状態ｒこ入っているため、非
常に大きく、抵抗１０との間にはＺ２　＞Ｒ１０が成立
するので、オペアンプ入力電圧差の符号は正（ｅ　Ａ−
ｃ　ｎ＞　０　）となり、オペアンプＯＰ】の出力′Ｉ
Ｎ圧はそのｍ：（よ正の印、和直流電圧十■、會維持す
る。ところが、磁心４における（１（４束密度レベルか
次第に上昇し、徐々に正の最大磁束密度Ｂ４０．に近づ
くＶこつれ、透磁率の減少にともない、−次巻線２のイ
ンピーダンスＺ２は低下し、磁心４が正の最大磁束密度
Ｂ。、に達する直前でＺ２　＝Ｚ２ｒｎ−となり、この
時点では２２ｍ−）Ｒｌｘｏが成立しているが次の瞬間
にｒ１磁心１（τＹ早大＠束密度工塙に達するので（■
の状態）、今ｆｉｆｅ　ｉ（ｔ　Ｚ２　＝Ｚ２ｒ□、（
Ｒ４ｎとなる。その結果ｅＡ＼ＣＢ７には負の飽和直流
重下−Ｖ、が発生する。そしてこの電圧は、ブリッジの
端子７とアースＧの間に印加されると同時に、磁心４の
磁束密度レベルは再び被測定磁界で規定されるレベルに
まで急速に戻る（■の状態）。この負の励磁サイクルに
突入−１−るとＺ２　＞Ｒｈｏ　；　ｅＡ（ｏ　；　ｅ
、Ｂ（０：　ｅＡ−ｅ　、３＜０の関係７５（成立し、
磁心４における磁束変化は、逆方向に向かって進む。そ
して時間の経過とともに、磁心４の磁束密度レベルが、
負の最大磁束密度−Ｂ１□１に達すると（■の状態）　
ｓ　Ｚ２　＝Ｚ２　ｍ（１１４（１、ＣＡ＞ＣＢが成立
ｌ〜、オ・′アンゾＯＰＩの入力電圧差の符号は正（ｅ
Ａ、　ｅＢ＞０）となって、ＯＰ、の出力端子７には正
の飽和直流πｉ、圧十ｖＳが出現することになるのであ
る。

以上の回路動作説明より、磁心４が最大磁束密度十Ｂ’
：ｊたけ−ｉｔ　にう−とするごとにオペアンプ０■゛
ＩＩｎ　Ｉｎ の飽１（１直流％ｆｆＥ　ｄ：Ｖ　、が交互に白”’、
’Ｊ　Ｉ’ｉ゛、ＪＶＣ切；）　換、　ラｔＵことが明
らかとなつ７℃。

また、磁心４に彼、　１ｓｌＩ！定磁界Ｈｅ　ｘ、）ｌ
’ｅ　Ｘ　（＞Ｏ）、１４’もＸ　（＜Ｏ）が印加され
た状態で前述の動作？させると、オペアンプＯＰ１の出
力端子では第４図に示されているような方形波電圧波形
が観測されることも容易に理解できるわけである。ただ
し、正確を期すならば、第４図の±ｖｃを±Ｖに置き換
えて４）−み取れ（・寸十分である。

２００は表示回１烙部で、ｇｉ気気感応１−００の出力
電圧を積分」￥７１１〕するオペアンプＯＰ２と、こｆ
ｌこ接続された積分用のコンデンサ１２と、抵抗１３゜
１４．１６．１８およびチョークコイル１７、指示釘１
９から構成されている。

オペアンプＯＰ２の出力端子１５では、被ｄ１１１定磁
界のＮ極あるいはＳ極とその怖さにそれぞれ対応する正
あるいは負の直流電圧値が勧測される。

チョークコイル１７は、磁心４に印加している被測定磁
界を打消す方向に電流を流す時に、磁気感応部１００力
・らの交が成５１′ｌ）′：表示回路ｇ１ζに影響孕与
えないようにする目的と、２次％　Ｄａ　Ｋ　贋＝すす
る誘起主用によって流れる誘導電流を阻止して、自励動
作を安定化させるために挿入されている。

このナヨークコイル１７を抵抗に工って代行させること
も可能である。３００は直流安定化電源部であり、オペ
アンプ”　”ｌ　＋　ＯＰ２全駆動するためのものであ
る。磁気感応部１００と表示回路部との伝送値、直流分
だけで目的が達成される本発明では、磁気感応部１００
と直流安定化電源部３００との伝送も自流外であること
から、・ξワーの送受、信号の送受は完全なりＣ−ＤＯ
方式になっている。それ故、ｆｃとえばｉｌｌ＋Ｉ定室
には直ｂ１）、安定化電源部：！　００と表示回路部２
　（ｌ　Ｏ奮設置し、数１００ｍ１ｄなれたところの取
り伺けられた磁気感応部１００が感応するｒセ気変化あ
るいは異常な地磁気の変動など金山１１定室においてモ
ニターゴることが可能になるのである。

第６図は磁気感応部１００の変形回路であって、第５図
に示した抵抗１１の代ジに２次巻線３を挿示している。

なお、自動動作は亀５図の説明から容易に推察できるの
で省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図ＱＡ本発明におけるＤ２気検出末子の基本構成ｒ
示す説明図。 第２図は本発明の動作原理を磁心のＩ（−Ｈ特性ケ用い
て説明する蒲、明図、 第３図は本発明の磁気検出回路図。 第４図は第３図に於て１１　ｃ　ｘ＝０．　Ｈ’ｅ　ｘ
）０、［−１’ｔｙｘ（０の各場外の端子における’ｒ
Ｆｉ圧波形ｅ。の図、８＋！５図は磁心を励磁する直？
ｉｆｉ　４１．圧孕自動的に切り喚えるようにした磁気
感応部、血流安定化１ｂ５み部、磁気感応部の出力全村
ｆ分増＋１］する表示回路部から成る全体回路の１例を
示す図、 ２１５６図は第５図のｊｉ（’ζ磁気感応部変形回路の
１例金示す図、 トガラス管　２・・−次巻線 ３・−・二次巻線　４・・・用性細線磁心５　コンデン
サ　２ｉ、２ｂ、：Ｌ＋、３ｂ・・・端子Ｇ・・・７−
ス　１ｔ’ｎ・磁気感応部２０　ｆｌ・・・表示回路＋
”ｔＲ３（ｌ　Ｏ−直流安定イに電４ヴＲ１（Ａ　、　
Ｂ・・活魚　ｒ）Ｐ、　、（、ＩＦ５・・・オペアンプ
Ｐ・・非Ｊ・・転つｌｊＡ子　１７・・・チョークコイ
ルＮ・・・反転〆１■子　１９・・・指示計代＋！１！
人　弁理士　秋　沢　政　光他２名 １−ｆａｘ（＜ｏ）　Ｈｅｘ（＞の ＣＣＩ＞　（ｂ） 酩１開 （６Ｌ） 昭和５８年１１月２日 １．事件の表示 特願昭５８−第１６６０８０　号 ２発明の名称 自励ブリッジ形磁気検出方法 ３　補正をする者 事件との関係　比　願　人 住所（居所）福岡県北九州市八幡東区枝光２丁目１番１
５号氏名（名称）三島光庖株式会社 ４代理人 居　所　東京都中央区日本橋兜町１２番１号大洋ヒル補
　正　の　内　容 願特許請求の範囲を下記の通り訂正する。 ［（１）　アモルファス磁性細線磁心ｌ（印加する被贈
ジＶ（よって定まる磁束密度レベルを基準とし、この基
準レベルから正負最大磁束密度レベルＶＣ到達するまで
の正の励磁期間と負の励磁期間ｙｃ時開差を生じさせる
両極性方形波電圧信号を得るためＣ１ ブリッジ回路を磁気半導体結合方式ＶＣよって構成し、
前記ブリッジ回路の少なくとも一辺ｌ（アモルファス磁
性細線磁心からなる非線形インククタンス素子を挿入し
、前記ブリッジの中間点ＶＣおける不平衡電圧の符号を
オペアンプＶＣで検出し、前記オペアンプの出力竹田で
ある正負飽和直流電圧前記ブリッジ回路内の前記アモル
ファス磁磁心を自励可能ＶＣしたことを特徴とする自ツ
ジ形磁気検出方法。」 細書才８貞初行「印加始までは」を［印加」と訂正する
。 第１４頁下か５３行目［勧測される。１を「観測される
。、」と訂正する。 ４．同３・１６百計１２行「電圧波形ｅ。」を「電圧波
形ｅ」と訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファス磁性細線磁心に印加する被測定磁界
   によって定まる磁束密度レベルケ基準とし、この５．！
   ；　′１９・レベルから正負最大磁束密度レベルに到達
   する１での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ｋ　？４Ｊるために、 ブリッジ回路ケ磁気半法・体結訃方式によって構成し、
   前記ブリッジ回路の少なくとも一辺にアモルファス磁性
   細線磁心からなる非細形インダクタンス素子を挿入し、
   前記ブリッジの中間点における不平衡電圧の符号をオペ
   アンプにて検出し、前記オペアンプの出力電圧である正
   負飽和直流１１Ｌ圧にて、前記ブリッジ回路内の前記ア
   モルファス磁性細線磁心ケ自励可能にしたことに’１に
   徴とする自励ブリッジ形磁気検出方法。