JPWO2015060344A1 - 勾配磁界センサ - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2013年10月22日に、日本に出願された特願2013−219016号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
以下、第1の実施形態に係る勾配磁界センサについて図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、第1の実施形態に係る勾配磁界センサ4(グラディオメータ)は、いわゆる基本波型直交フラックスゲートセンサヘッド(FM−OFG:fundamental mode orthogonal fluxgate)を構成する2つのセンサヘッド1、2と、フラックスゲートセンサ回路3(センサ回路)と、を備えている。
磁性コア110及び磁性コア120は、例えば、U字型(又はヘアピン型)に形成されたCo基アモルファスワイヤにより構成される。なお、他の実施形態において、磁性コア110及び磁性コア120(磁性ワイヤ)に用いる材料は、導電率が高く適切な軟磁性を有する材料であればこれに限定されない。
検出コイル11は、磁性コア110の周囲を包むように、その延在方向(Z軸線)回りに巻かれてなるコイルである。同様に、検出コイル12は、磁性コア120の周囲を囲うように、その延在方向回りに巻かれてなるコイルである。
検出コイル11及び検出コイル12は、例えば、巻き数が1000巻とされる。
このようにすることで、遠方から到達してくるような一様磁気雑音に関しては、センサヘッド1、2の両方で同様にピックアップされてセンサ出力には現れない。しかし、心磁界の様に局所的な磁界に対しては、一方のセンサヘッド(例えば、センサヘッド2)でのみピックアップされるので、センサ出力として観測される。これにより、一様磁気雑音を除去して信号を検出する事ができるようになり、対雑音性能を向上させることができる。
センサヘッド1、2からのセンサ出力V2−V1は、コンデンサC、同期検波回路30(PSD:Phase Sensitive Detector)及び平滑回路31(smoothing filter)を通じて、センサ出力V2−V1に応じた一定電圧となって、誤差増幅器32(Error Amplifier)に送られる。その後、誤差増幅器32への入力(センサ出力V2−V1)が0になるように、帰還抵抗Rfを通して帰還電流ifが検出コイル11、12に流れる。このときに帰還抵抗Rf間に生じる電圧の変位(勾配磁界検出信号Vo)がセンサ出力V2−V1に相当する。なお、同期検波回路30で生じるスイッチングリプルを低減するため、勾配磁界検出信号Voは、ローパスフィルタ33を介して出力される。
負帰還電流ifは、センサヘッド1においては磁性コア110への入力磁界Hを強める方向に磁界n・ifを生成し、センサヘッド2においては入力磁界H+lGを打ち消す方向に磁界n・ifを生成する。
次に、第1の実施形態に係る勾配磁界センサ4の感度の調整方法について、図2を参照しながら説明する。
第1の実施形態に係る勾配磁界センサ4によれば、一様磁界Hの影響をなくす事ができることを式(5)で示したが、この式(5)が成り立つのはセンサヘッド1とセンサヘッド2で感度(係数K)が完全に等しい場合である。センサヘッド1、2の感度が異なると、一様磁界Hは完全には打ち消されず、勾配磁界検出信号Voに影響を与える。実際のセンサヘッド1、2の感度は、磁性コア110、120の励磁条件を同じにしても製作時に生じる個体差によって、センサヘッド1、2で若干異なる。
そこで、本実施形態に係る勾配磁界センサ4のうち、図1に示す交流電源VEX及び直流電源Eは、実際には、図2に示すような回路構成とされる。
また、直流電源E’(実際には、バッテリー等)が出力する直流電圧は、可変抵抗Rvを通じて磁性コア120にのみ印加される。これにより、磁性コア110には、可変抵抗Rvに基づく直流電流Idc2(励磁用直流電流)が更に流れる。
このように、直流電源E’及び可変抵抗Rvは、センサヘッド1の磁性コア110に印加される励磁用直流電流を、センサヘッド2に対し独立に変更可能とする励磁調整部として機能する。ただし、図2に示す回路構成は、センサヘッド1(センサヘッド2)の磁性コア110(120)に印加される励磁用直流電流を独立に変更可能とする手段の一例であって、図2に示す回路構成には限定されない。他の回路構成例については後述する(図15参照)。
図3は、センサヘッド1の構成例を示す写真である。図3に示すように、検出コイル11、12の延在方向の長さ(センサヘッド長L)は、例えば30mmとされる。また、検出コイル11、12の延直径は、例えば3mmとされる。
図4は、2つのセンサヘッド1、2の配置例を示している。本実施形態においては、センサヘッド1、2は、図4に示すように、同軸線上(Z軸線上、図1参照)に離間距離lをもって配される。離間距離lは、具体的には、センサヘッド1、2各々の中心位置間の距離であって、例えば50mmとされる。
図5は、2つのセンサヘッド1、2のホルダーの例を示している。図5に示すように、2つのセンサヘッド1、2を精確に同一軸線上(図4参照)に配置できるように、プラスチックカバー内にセンサヘッド1、2の2個を格納している。なお、本実施形態においては、図5左側に配される突起にはセンサヘッド1が格納されており、図5右側のプラスチックカバー本体には、センサヘッド2が格納されている。
勾配磁界センサ4の評価には、三組の円形コイルを組み合わせたヘルムホルツコイル5(非特許文献11参照)を使用している。ヘルムホルツコイル5は、左右のコイルで同じ向きに励磁電流ieを流すと一様磁界を発生させる事ができる(図6A)。本評価例では、例えば、3.5mAの励磁電流ieで、1.0μTの一様磁界を発生させることができる。
一方、励磁電流ieを逆向きに電流を流すと、ヘルムホルツコイル5間の中心の磁界を0とした磁界勾配を発生させる事ができる(図6B)。3.5mAの励磁電流ieで、2.25μT/mの磁界勾配を発生させることができる。
なお、評価において、一様磁界の環境ノイズ成分を除去するため、ヘルムホルツコイル5には、例えば、5Hzの交流電流を流して評価を行う。また、地磁気の影響を避けるため、センサヘッド1、2の延在方向(Z軸、図1参照)が東西を向くように配置している。
実際に、ヘルムホルツコイルを用いて勾配磁界を発生させて、勾配磁界に対する勾配磁界センサ4の感度を測定した結果、離間距離l=5cmにおいて5.98mV/(μT/m)を得ることができる。
具体的には、図7に示すグラフは、横軸に、センサヘッド2にのみ流れる直流電流Idc2を示しており、縦軸に、当該直流電流Idc2に応じた抑圧比(Suppression ratio)を示している。ここで、「抑圧比」は、1μTの一様磁界に対して、本実施形態に係る勾配磁界センサ4(グラディオメータ)として観測した場合と、センサヘッド2を取り外してマグネトメータとして観測した場合と、の勾配磁界検出信号Voの比としている。
図7に示す測定においては、5HzのFFT(Fast Fourier Transform)処理により勾配磁界検出信号Voの出力強度(振幅)のみを取得している。図7に示す通り、試作したいずれのセンサヘッドHead1〜Head3もV字状の特性を示しており、直流電流Idc2を、2mA以内の調整レンジで、センサヘッドHead1〜Head3の各々に対応する値に調整することで、抑圧比を最小化することができる。
具体的には、図8は、図7に示すセンサヘッドHead1を用いた場合における勾配磁界検出信号Voの波形を示している。図7に示す通り、センサヘッドHead1における直流電流Idc2の最適条件は、Idc2=0.28mAである。この場合において、図8によれば、勾配磁界検出信号Voの振幅が最小化していることがわかる。Idc2=0.28mAにおける出力信号Voの振幅は、Idc2=0mA(調整なし)の場合に比べて、一様磁界に基づく勾配磁界検出信号Voの出力強度を1/42にまで低減できることがわかる。
図9に示す表は、試作した3つのセンサヘッドHead1、Head2、Head3における、未調整時(Idc2=0)の場合の抑圧比の逆数(1/Supp.ratio)と、各センサヘッドHead1〜Head3の最適条件に設定したときの抑圧比の逆数と、をまとめている。
図9によれば、より調和した組が、より少ない直流電流Idc2を要することが分かる。また、直流電流Idc2未調整であっても抑圧比は、1/60〜1/150となる。
次に、第2の実施形態に係る勾配磁界センサ4の場合について説明する。
図10は、第2の実施形態に係るセンサヘッドの構成を説明する図である。
第2の実施形態に係る勾配磁界センサ4において、センサヘッド1、2は、図10に示すように、離間距離l(50mm)をもって、各々の延在方向が互いに平行となるように配されている。
図11に示すグラフは、図7と同様、横軸に、センサヘッド2にのみ流れる直流電流Idc2を示しており、縦軸に、当該直流電流Idc2の変化に応じた抑圧比(Suppression ratio)を示している。
また、一様磁界と直流電流Idc2との依存性を調査したところ、その依存性は高くないことが判明されている。例えば、一様磁界が1μT〜5μTの範囲では、高い抑圧比を得るための直流電流Idc2は、5%の上昇に留まる。
図12に示す通り、第2の実施形態に係る勾配磁界センサ4も、第1の実施形態と同様の範囲の抑圧比が得られることが分かる。これは、本実施形態に係る勾配磁界センサ4が、離れた場所から来る磁気ノイズに対する耐性が高いことを意味している。特に、本実施形態の場合、離間距離lを1cm以下まで小さくすることによって、磁気小片のような小さい磁気源をも感知することができる。ただし、この場合において、センサヘッド1、2は、当該磁気小片に対し1cmから5mm以下の範囲に配置される必要がある。
以上より、上述の実施形態に係る勾配磁界センサ4によれば、容易かつ高感度に微弱磁界を測定できる。
従来の勾配磁界検出法の一例としては、図14に示す勾配磁界センサ9のように、2つの独立したセンサヘッド1、2を離間距離lで配置し、各々の検出電圧の差から勾配磁界を、作動アンプを通じた減算によって求める。
この方法の場合、フラックスゲートセンサ回路3をセンサヘッド1、2ごとに用意する必要があるため回路規模が2倍程度になるばかりでなく、センサヘッド1、2の感度が整合しておかないと勾配磁界のみならず、その点での磁界の一部まで検出することになり、信号磁界が微弱であれば雑音磁界の影響が大きく計測できなくなる。また、H>>l・G(H:一様磁界、G:離間距離l方向の磁界勾配)であると、センサヘッド1、2は大きな一様磁界Hに対してその出力が飽和しないよう感度を小さく設定しなければならない。その結果、l・Gの計測は高感度に計測できないことになる。
上述の各実施形態に係る勾配磁界センサ4は、フラックスゲートセンサ回路3の前段、即ち、センサヘッド1、2の段階で一様磁界Hをキャンセルすることで上記課題を解決している。また、勾配磁界センサ4は、図1に示す通り、フラックスゲートセンサ回路3を一つのみ有する態様であるため、回路規模の縮小化を図ることができる。
図15は、各実施形態の変形例に係る勾配磁界センサの調整方法を説明する図である。
図2において、第1、第2の実施形態に係る勾配磁界センサ4は、磁性コア110、磁性コア120の少なくとも一方に印加される励磁用直流電流を、独立に変更可能とする励磁調整部(直流電源E’、可変抵抗Rv)を有することを説明した。
一方、第1、第2の実施形態の変形例として、例えば、図15に示すような回路構成により、励磁調整部を実現してもよい。
これにより、勾配磁界センサ4のオペレータは、可変抵抗Rv1の抵抗値に基づいて交流電流Iac2を独立して変更することができ、また、可変抵抗Rv2の抵抗値に基づいて直流電流Idc2を独立して変更することができる。
これにより、勾配磁界センサ4のオペレータは、可変抵抗Rv3の抵抗値に基づいて交流電流Iac1を独立して変更することができ、また、可変抵抗Rv4の抵抗値に基づいて直流電流Idc1を独立して変更することができる。
2 センサヘッド(第2センサヘッド)
11 検出コイル(第1検出コイル)
12 検出コイル(第2検出コイル)
110 磁性コア(第1磁性コア)
120 磁性コア(第2磁性コア)
3 フラックスゲートセンサ回路(センサ回路)
30 同期検波回路
31 平滑回路
32 誤差増幅器
33 ローパスフィルタ
4 勾配磁界センサ
5 ヘルムホルツコイル
9 勾配磁界センサ
Rv、Rv1、Rv2、Rv3、Rv4 可変抵抗(励磁調整部)
Claims (4)
- 第1磁性コアと、当該第1磁性コアに巻かれた第1検出コイルと、を有し、当該第1磁性コアに励磁用交流電流及び励磁用直流電流が印加され、延在方向の磁界に応じた検出電圧を出力する第1センサヘッドと、
第2磁性コアと、当該第2磁性コアに巻かれた第2検出コイルと、を有し、当該第2磁性コアに励磁用交流電流及び励磁用直流電流が印加され、延在方向の磁界に応じた検出電圧を出力する第2センサヘッドと、
前記第1センサヘッドが出力する検出電圧と、前記第2センサヘッドが出力する検出電圧と、の合成電圧が入力され、当該合成電圧に応じた勾配磁界検出信号を出力するセンサ回路と、
を備え、
前記第1センサヘッド及び前記第2センサヘッドは、
互いに離間されながら、各々の延在方向が同一軸線上又は平行となるように配置されるとともに、同一方向の磁界に対して出力する前記検出電圧が互いに打ち消し合うように接続されている
勾配磁界センサ。 - 前記第1検出コイル及び前記第2検出コイルは、各々の一端が結線され、前記第1検出コイルの他端がグラウンドに接続され、前記第2検出コイルの他端が前記センサ回路に接続されている
請求項1に記載の勾配磁界センサ。 - 前記第1磁性コア、前記第2磁性コアの少なくとも一方に印加される前記励磁用直流電流を、独立に変更可能とする励磁調整部を更に備える
請求項1又は請求項2に記載の勾配磁界センサ。 - 前記センサ回路は、
帰還抵抗を有する負帰還回路であって、前記合成電圧に応じて当該帰還抵抗間に生ずる電圧の変位を前記勾配磁界検出信号として出力する
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の勾配磁界センサ。
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