JPS6057277A - 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、高透磁率のアモルファス磁性細線磁心とオペ
アンプによって磁気半導体結合回路を構成し、この回路
の自励動作によって磁気検出する方法に関すパる。

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ンクスゲートは、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−ｓガラスル数１０−６ガウスであり、地磁気の約
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
るいは棒状磁心音用いた磁気感応部、磁心を数ＫＨ２か
ら数１０ＫＨ２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（２ｆ）成分を増
巾し、位相検波する同期整流部、励磁周波数ｆより２ｆ
成分の参照信号を作りだし、同期整流部に入力する念め
の逓倍回路部、さらに磁界の極性と強さを表示する表示
回路部から成シ立つ。

しかしながら、局小部空間における高感度磁界測定を可
能にするためには、磁心形状全極力小形にする必要があ
る、その結果として小形なの心より検出される倍周波（
２ｆ）成分は、非常に小さくなシ、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、特
公昭５’４−１６２３２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Ｍ
Ｅ−Ｌｚｆ採用し、かつ、検出回路にコンデンサを挿入
して倍周波成分２ｆで共振もしくは発振させることにょ
）検出回路出方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が案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は、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Ｉｏｍ〜数１００ｍ離さなけれ
ばならない測定環境下では、高感度磁気計測は全く不可
能になった。

そこで、本発明では、このような環境条件下での使用を
可能にした自励式磁気検出方法を提供する。まず、第１
の特徴は、駆動回路部から磁気感応部へ送る電流は直流
伝送とし、磁性細線磁心とオ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
た、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波交流信号とし、
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シ出せるＤｏ−
Ｄｏ伝送方式を実現にした点である。

第２の特徴は、磁気感応部に使用する磁性ｍ線磁心とし
てアモルファス材料を使用することによシ磁気半導体結
合回路として非常に安定した碍気感応型自励回路を構成
したことである。その結果、高周波交流励磁電源、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
不用になつた。

第３の特徴は、復側定磁界の印加方向と強さを、位相検
波や振巾検波回路を使用せずに、出方電圧の極性と電圧
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
応部全駆動させるもので、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、がっ、。

コモンアースを可能にしたことである。

第５の特徴屯磁気感応部は、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、実用性と汎用性の高い磁気センサ方式であ−るとい
える。すなわち、磁心を励磁する電流値はＪ、　ＯｍＡ
以下でオペアンプの出方で充分であシ、外イ１けパワー
トランジスタによる励磁電流増巾などの回路は全く不用
になった点である。

第６の％徴は、磁心形状が小形であるため、従来のフラ
ンクスゲート型七／すよシ小さい局部空間における磁界
測定全可能にした点である。

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楢成金示
す。

１はガラス管で、その外１１１には、端子２ａ、２ｂ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２　ｂと３ｂは結線さ
れ、アースｑされている。各巻線２，３０巻ｍ極性は図
示の通り同極性とする。

ガラス管１の中心空間部には、磁性細線磁心（以下、磁
心という）４が挿入されている。磁心材料は、低保磁ブ
ハ高透礎率のアモルファス磁性■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ノ々−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い。

第２図は、本発明の動作原理を磁心４のＢ　−Ｈ特性を
用いて説明するための図である。第２図（ａ）はｔ被測
定磁界Ｈｅｘが零（Ｈｅｘ＝０　）の時における磁心４
のＢ　−Ｉ−Ｉ特性を示したものである。磁心４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、Ｈｅ　ｘ　＝　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
磁心４を最大磁束密度Ｂｍまで励磁させると、図示の通
り、その磁束密度変化巾はΔＢ１２となる、そして磁心
４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、磁心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■のし４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
磁心４全負の最大磁束密１１−Ｂｍまで励磁させると、
その磁束密度変化巾はΔＢ３４となり、１ΔＢ１２１　
＝　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、正の被測定磁界
Ｈ’ｅｘ（＞　０　）が、磁心４に印加している状態か
ら、前述の励磁サイクルをくシかえず場合を考えてみる
と、まず１．正励磁界の印加時における磁束密度変１ヒ
巾はムｌ３１２’ｔ　負励磁界の印加時ではΔＢ／、４
となシ、△１３Ｂ’　とΔＢ′３４の間には、明らかに
１ΔＢ’１２１　＜　ＩΔＢ’！１４　ｌ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、磁心４
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′−の間にｔ’
＋（ｔ’−の関係式が成立することになる。

次に、第２図（仁ｐに示すごとく、負の被測定磁界Ｈｅ
”ｘ　（（０）が、磁心４に印加している状態から、前
述の励磁サイクルヲ＜シかえすと、正励磁時にΔＢ”１
２．、負励磁時にΔＢ“３４の磁束密度変化が見られ、
正励磁期間ｔ“十と負励磁期間ｔ“−の間に、ｔ“＋〉
ｔ“−が成立することになる。そこで、磁心４に前述の
励磁サイクル時に、印加する励磁直流電圧値が、磁心４
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、磁心４
の磁束レベルが最大磁束密度レベル■あるいは■に達す
ると同時に自動的に直流’［ＥＶｃ、−Ｖｃの極性が切
シ換える場合を考えると、端子１０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、
Ｈｅｘ　＝　Ｑ　、　Ｈｅ’ｘ　）　Ｏ。

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７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”十と負の半サイクル持続期間ｔ′、−、ｔ′Ｌは、
被測定磁界Ｈｅｘ　、　Ｈ’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被測定磁
界１−１ｅｘの極性と強さに対応させて、換算表示する
ことにより磁界測定全可能にすることができることがわ
かる。

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４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′成シ立つ。

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４よ多発生する雑音成分全吸収するととも
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、直流電圧切シ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Ｖ８（＞Ｏ）であるとすれば、磁心４を励磁する
励磁電流は抵抗９全通って−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４全介して
誘起電圧が発生する。この誘起電圧の極性は、３ａ端子
側で正と々るので、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、オペアンゾロは正の飽和電
圧出力■ＳＳ出出つづける。そして、この間にも磁心４
は励磁されており、やがて最大磁束密度レベルＢｍに達
するまで励磁される間に、磁心４の透磁率は次第に低下
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
、共振回路全構成Ｉ−でいるので、コンデンサ５の放電
後は、共振現象のため逆極性の電荷がコンデンサ５に再
充電されることになる。そして、次のサイクルで再放電
するわけであるが、この放電タイミングに入ると、二次
巻線３の３ａ端子側の電圧は、いままで正であつ念もの
が負電圧に変り、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、磁心４における磁束密度レベルは被測定
磁界Ｈ（Ｘで規定されるレベル１で一旦急速に戻り、次
いで負の飽和電圧−Ｖｓによって、磁心４における磁束
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３８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　ｆ保持シラづけ、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
磁心４の磁束密度レベルが負の最大磁束密度レベル−Ｂ
ｍに到達する頃には、コンデンサ５の放Ｗ？が開始′さ
れ、次いで共振現象による再充電サイクルが行なわれる
。そして、次の再放電サイクルにおいて、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
ンが入力され、出力端子電圧ｅ。

は正の直流飽和電圧■３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±Ｖｃは、磁心４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１０電圧±
Ｖｓを交互に出力するとともに、この両極性金有する飽
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：被測定磁界Ｔ−Ｔｅｘ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４に巻装される巻
線線経、巻線数音適切に選択することによって可能でち
る。この場合、コンデンサ５は、あえて取イ」けなくて
もよいことは自明である。第５図において、３００は表
示回路部で、方形波出力電圧ｅ。は、　・々ソファ１２
の非反転端子１１に入力される。７々ソフア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
るいはローノぐスフイルター（図示せず）を経て、ケイ
ン調整用のオペアンプ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、被測作磁界
Ｈｅｘの強さによって選択できるように、抵抗１７〜２
０がオペアンプＪ６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けコン′デンサで、不用々交流雑音成分を除去する
目的で挿入されている。２２ば、増巾度Ａ。

Ｂ、Ｏ全任意に選択するための切り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
田土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Ｚｏｏの自励動作全、強磁界印加後におい
ても安定に実行させるための変形回路実施例である。

第６図６）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
回路全意味する。オペアンプ６の反転端子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
還作用によって笑施している。

第６図（ｂ）では、インピーダンス２５による負帰遺作
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図は印加磁界１１ｅｘと表示回路部３００の出力電
圧Ｅｏとの関係を示す入出力％性である。磁心４にはア
モＡ・ファス磁性細線を使用した。図かられかるように
実線のにおいて一３０〜３Ｇの範囲において、非常に良
好な直線性を有しており、最高検出感度は１０−５〜１
０−６ガウスに入ったこと全確認（７念。才た、磁気感
応部１００に供給する直流電圧±Ｖｃに、正負電圧値に
わずかなずれが発生した場合、たとえばｌ　＋Ｖｃ　ｌ
　（１−Ｖｃ　ｌの場合には、そのずれ電圧の大きさと
極性に相当した／々イアク電圧ＥＢが出力に出現するが
、実線■に示すように入出力特性の直線性は測定有効範
囲においてそのまま保持される特徴を有していることが
東証されたつ そこで、この特徴を生かせば、磁心４に印加する大きな
背景磁場金、正負直流電圧の不平衡調整することによっ
て回路的に打消しく　ＥＢのレベルで零調）、大きな背
景磁場内における微弱磁界の変動測定も可能になる。こ
の場合、表示回路部の正負直流電量系統と磁気感応部を
駆動する正負直流電源系統は独立させることが望ましい
。

第８図は、プローブを示し、磁気感応部１００をプロー
ブケース２９に内蔵し、コード３ｏに接続した構成を示
している。

図中のコード長ｔを数１０〜数１００ｍの長さにのばし
ても、表示回路部３００は直流増ｉＪ回路系であるため
、出力端子電圧ｅ’０の平均直流分の伝送のみで十分で
あり、そのため減衰は極めて少ないう 第９図は、直流ＣＴへの応用例で磁性細線４全環状に巻
き、その上に絶縁被覆された巻線を巻いて閉磁路タイプ
の磁気検出素子全構成し、その環状磁心４全貫通して流
れる電流ｉｅｘを高感度に測定するものである。検出原
理は’ｅｘによって作られる磁界を前述のＨｅｘに置き
かえてみれば容易に理解できるので省略する。

以上、本発明では、磁性細線の応用する技術において、
ＩＯ基板上で共存しうる磁気半導体結合回路方式によシ
、その性能と実用性において大いに期待できる磁気検出
方法を提供し念次第である。

【図面の簡単な説明】

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
説明図、 第２図は本発明の動作原理全磁心のＢ　−Ｈ特性を用い
て説明する説明図、 第３図は本発明の磁気検出回路図、 第４図は第３図に於てＨｅｘ　＝　Ｏ、Ｈｅｘ”：）　
Ｏ。 Ｈｅｘ″（Ｏの各場合の端子における電圧波形ｅ。 の図、 第５図は磁心全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、重置駆動直流電源を内蔵する駆
動部、磁気感応部の出力全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
部の自励動作全強磁界印加稜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図は印加磁界と表示回路部の出力電圧との関係を示
す入出力特注図、 第８図は磁気感応部全内蔵しコードに接続した構成を示
すブ′ローブの図、 第９図は直流ＯＴへの応用例全示す図、である。 １・・・ガラス管、２・・・−次巻線、３・・・二次巻
線、４・・・磁性細線磁心、５・・・コンデンサ、２ａ
、２ｂ、３ａ、３ｂ・・・端子、Ｇ＝−アース、１００
・・・磁気感応部、２００・・・１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 １、事件の表示 特願昭５８−第　１６６０８１　号 ２、発明の名称 自励式磁気検出方法 ３、補正をする者 事件との関係　出　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）三島光産株式会社 ４、代　理　人 居　所　東京都中央区日本橋兜町１２番１号大洋ビル補
」「命令 ５、ｔＴｉＪｅＵｌｔ＋ａｂ＋　の日付昭和　年　月　
日（発送）補　正　の　内　容 １、　明細書、矛３百下から７行目１案化する−」を「
悪化する」と言Ｊ正する。 ２、　同牙１６頁７行目「コード長沼」を「コード長」
と訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁性細線磁心に印加する被測定磁界によって定ま
   る磁束密度レベルを基準とし、この基準し堅ルから正負
   最大磁束密度レベルに到達するま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
   を得るために、磁気感応部の第１巻線全オにアンプの出
   力端子側回路に、第２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、前記第２巻線の端子間電
   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シ、前記オペアンプの両
   極性を有する飽和直流定電圧圧よって前記磁性細線磁心
   を自励可能にしたことを特徴とする自励式磁気検出方法
   。