WO2014136825A1

WO2014136825A1 - 磁気検出装置

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Publication number: WO2014136825A1
Application number: PCT/JP2014/055592
Authority: WO
Inventors: 毅水間; 信次郎竹内
Original assignee: 独立行政法人交通安全環境研究所; 株式会社羽野製作所
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2014-09-12
Also published as: JP5521143B1; EP2975422B1; JP2014173886A; CN104854469B; EP2975422A1; US9389282B2; US20150316622A1; EP2975422A4; CN104854469A; HK1210269A1

Abstract

磁気発振センサの特性を最大限に発揮できるように、磁気発振センサおよび磁気検出装置を改善する技術の提供。複数個の磁気発振センサの各々の演算増幅回路部８，１７，２６間を電気的連結子１，２，３で接続して磁気発振センサの発振周波数を統一する発振同期信号回路網を構築し、該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と演算増幅回路部８，１７，２６から出力される励磁電流との合成励磁電流によって、磁気感応部４，１３，２２の各々のコア６，１５，２４が強制的に統一磁気発振周波数で励磁されるようにした磁気検出装置。

Description

磁気検出装置

　本発明は、鉄道車両及び自動車によって生じる車内外の漏れ磁界等を測定する磁気発振センサおよび磁気検出装置に関し、さらに詳細には、直流磁界の測定は当然のことながら、上限が１００ｋＨｚ前後までの交流磁界の測定が可能な磁気検出装置に関する。

　さらに、本発明は、ＩＥＣ６１７８６規格やＪＩＳ－Ｃ１９１０規格で定義されているフラックスゲート型磁界測定器、すなわち「強磁性体磁心を含むプローブ又はセンサ部の非線形磁気特性を利用して磁界を測定する測定器」における磁気検出装置に関するものである。

　鉄道車両や自動車の車体の内外部における漏れ磁界の測定用磁気センサでは、電磁誘導を利用したサーチコイル型磁気センサが主体であったが、コイルを用いた磁気センサでは直流磁界の測定は不可能という原理的な欠点があった。

　一方、従来から実用されてきたフラックスゲート型磁界測定器では、測定対象磁界の有効範囲が直流磁界から高々数ｋＨｚまでの交流磁界範囲に止まっており、直流磁界から１００ｋＨｚ前後の交流磁界までの周波数帯全域を計測するフラックスゲート型磁界測定器は未だ実用化されていない。それは、同じ磁界強度の直流磁界から１００ｋＨｚ前後の交流磁界を同じ振幅の電気信号に変換する技術は非常に難しく、その性能保証も非常に困難であるためである。

　近年、鉄道車両においては、強力な漏れ磁界を発生する車両の生産が多くなるとともに、漏れ磁界が人体、磁気記録媒体などに影響を与えることが懸念されるようになってきたため、「鉄道車両の漏れ磁界の測定方法（ＪＩＳ　Ｅ　４０１８）」が、日本工業標準調査会の審議を経て制定された。

　これによれば測定項目は、車内外の漏れ磁界（磁束密度）および磁界発生機器などの電流と規定し、車両の状態に応じて計測条件を規定している。たとえば、走行状態では、磁界発生機器の近傍における車内の漏れ磁界を磁界発生機器が最大電流になる車両速度域で測定することなどを規定している。発車時における直流磁界の変動では、磁束密度で１～２ｍＴ程度の磁界を測定するので、測定器としてホール素子を使用した測定器を使用することが多い。

　具体的には、精度が±５％程度の測定器を使用して、磁界のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の測定を行い、その各軸成分の合成値を（１）式によって計算し、この合成値で表すものと規定している。測定結果の記録においては、磁束密度は合成値と各軸成分を記録するとも規定している。
　Ｂ＝√（Ｂ_x ²＋Ｂ_y ²＋Ｂ_z ²）　　　　　（１）

　磁界測定に当たっては、Ｘ、Ｙ、Ｚの各成分を同時測定することが基本である。従来の測定器では、実効値表示あるいは波高値表示の一般的汎用測定器であったため、瞬時波形測定や広帯域周波特性に関する性能保証はされておらず、交流磁界測定時の合成値は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各実効値あるいは波高値を基にして（１）式によって計算されていた。その結果、合成磁界の最大値を計算しても、Ｘ、Ｙ、Ｚ各成分間のデータ同時性と位相関係を無視したものであったため、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の瞬時値で計算する真の全磁力（磁界べクトルの大きさあるいは絶対値）とは一致しなかった。

　その原因は、実効値表示値あるいは波高値表示値は、変動するＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分間の位相関係を示す情報を無視していることによる。たとえば、波高値表示値によって計算される磁界合成値（合成による磁界べク卜ルの大きさ）は、三軸同時計測時のデータから計算される真の全磁力に比べ、特殊な場合を除いては常に大きい値となり、その誤差は数１０％以上になるため、測定器の許容精度±５％を遙かに上回る。結果的には、波高値表示値による磁界合成値は、位相無視による誤差によって真の磁界ベク卜ルの大きさからほど遠いものになるという問題があった。

　別の観点からみれば、従来の実効値表示値あるいは波高値表示値の磁界測定器は、磁界波形のひずみや位相関係を無視して、時間的平均値で磁界の強さを測定するタイプの機器であって、高い周波数成分を含む磁界に対する瞬時応答性や測定された磁界波形の忠実な再現性に関しては、何も保証していなかった。

　ところで、自動車や鉄道車両から発生する磁界の周波数帯域は、直流磁界からインバータ周波数、さらにスイッチングによる高周波雑音磁界までの広帯域にわたる磁界である。これらの磁界をＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析するためには、直流磁界、変動磁界、商用周波数の磁界などを含む低周波領域から１００ｋＨｚ前後の高周波領域に至る広帯域磁界を、一様に同じ検出感度で測定できる実用機として広帯域型磁界測定器が必要になってきた。

　また、この広帯域型磁界測定器に要求されるダイナミックレンジは、数ｍＴ程度の強い磁界から、人体ヘの影響が懸念されている数１００ｎＴ～数１０ｎＴ程度の微弱な磁界まで測定可能であり、非常に広いダイナミックレンジの磁界測定器であることも条件の一つとして必要になってきた。

　磁気センサの磁気検出方式には、磁気検出原理により直流から数Ｈｚまでの直流変動磁界の測定に適するもの、直流から数１００Ｈｚまでの直流変動磁界の測定に適するもの、数Ｈｚ～数１０ｋＨｚの交流磁界しか測定できないもの、微弱磁界しか測定できないもの、強磁界しか測定できないものなどと、いろいろな方式が存在する。

　たとえば、ホール素子方式の磁気センサを例に取れば、磁界測定器の実用有効精度は、数１０μＴ程度であって、１～２ｍＴ程度の強磁界測定時では数１０μＴ程度の小さな磁界は誤差として無視できるので、強磁界測定向きである。しかし、人体ヘの影響が懸念されている微弱な数μＴ以下の漏れ磁界の測定では、信号より誤差の方が大きくて弱磁界信号は雑音中に埋もれることになる。このように、長所もあれば短所もある。

　そこで、これらの課題を解決する対策の一つとして、各磁気検出方式の長所を積極的に活用するという構想の下に、直流磁界を含む低周波領域と高周波領域を２種類の磁気センサでそれぞれ分担して測定させる技術が発明された。

　具体的には、特許文献１の「鉄道車両の磁界測定方法および磁界測定装置」において開示された技術で、強磁性体磁心を含むプローブ又はセンサ部の非線形磁気特性を利用して磁界を測定するフラックスゲート（ＩＥＣ　６１７８６　規格の定義）に属する磁気発振センサと、サーチコイル方式の磁気センサとの組み合わせで、互いの短所を補完し合って広帯域磁界測定に対応できるようにした複合型磁気センサである。

　すなわち、数１０Ｈｚ以上の交流磁界の検出を得意とするサーチコイル型磁気センサを第１三軸磁気センサとし、直流磁界や変動磁界の計測に適している磁気発振センサを第２三軸磁気センサとして、２種類の磁気検出方式の各長所を組み合わせることによって、測定不能領域を皆無にしようとするものである。

　そして、各方式では３個の磁気感応部の磁気検出軸（最大磁気感応方向）を互いに直交させ外部磁界をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三軸成分に分解して検出できるように構成している。

　図７は、特許文献１における磁気センサの事例で、磁気感応部をセンサケース内に一体実装した場合の基本構成を示す。

　第１の三軸磁気センサ５１の磁気感応部は交流磁界測定専用であり、３個の直交するサーチコイルで構成されている。各軸のサーチコイルで検出された磁界信号（誘起電圧）はセンサケーブル５３を通って測定器本体へ送られ、信号回路部で処理されて出力される。

　第２の三軸磁気発振センサ５２には、直流磁界および低周波磁界を測定する磁気発振センサを使用し、その磁気感応部には強磁性体を磁芯とする３個のコア付きコイルがあり各コア付きコイルの磁気検出軸は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各座標軸に沿って互いに直交するように配置されている。

　図８に示す磁気発振センサの回路は、三軸磁界測定器の基本回路構成図である。図中の１００はＸ軸回路部、１０４はＸ軸用の磁気感応部、２００はＹ軸回路部、２０４はＹ軸用の磁気感応部、３００はＺ軸回路部、３０４はＺ軸用の磁気感応部である。ここでは、各軸とも同じ回路構成であるので、Ｘ軸回路部１００について説明する。

　この磁気発振センサの回路は、マルチバイブレータの変形回路であって、発振時に電圧変化を繰り返すコンデンサ端子間電圧の変動機能を、交流電流が流れると非線形特性を有するコア付きコイル端子間電圧が独特の変動を起こす現象と入れ替えて、マルチバイブレータの変形回路が発振するように再構築したものである。

　これは、マルチバイブレータ回路における発振現象が、磁性材料の非線形磁化特性を利用して発振する現象であるため、この発振回路を「磁気発振回路」と言い、この磁気発振現象を磁気センサに応用したものを「磁気発振センサ」あるいは「磁気発振型磁気センサ」と言う。

　また、この磁気発振回路内を流れる発振電流は、コア付きコイル１０５を通って流れるためコア１０６を正方向あるいは負方向ヘと交互に励磁して磁気飽和させることになる。
　それゆえ、この発振電流のことを「励磁電流」とも言う。

　Ｘ軸回路の磁気発振センサは、コア１０６を磁芯とするコア付きコイル１０５で構成された磁気感応部１０４と、オペアンプ（演算増幅器）１０８に抵抗１０７，１０９，１１０を付帯した構成からなる。コア付きコイル１０５の端子Ｐ２０は、オペアンプ１０８の非反転入力端子に接続され、コア付きコイル１０５の他端は接地されている。１１１はローパスフィルタ回路で、主として磁気検出信号に含まれる磁気発振周波数成分を減衰させる機能を有する。１１２は増幅回路で、磁気感応部で検出した外部磁界強度に対応するように、電圧の増幅度を調整して端子Ｑ１０から出力する。

　コア１０６に印加する磁界が発振電流による励磁磁界だけであれば、コア１０６が正方向に磁気飽和するタイミングまでの励磁時間と、逆に負の方向に励磁して磁気飽和するタイミングまでの励磁時間は、磁性材料の磁化特性（Ｂ－Ｈ曲線）の原点対称性から同じになる。

　別の観点から言い換えれば、コア１０６の動作原点はＢ－Ｈ曲線の座標軸原点であるため、コア１０６が正方向と負方向に磁気飽和するまでの正負の励磁時間は共に等しく、その時間差は零になるので、オペアンプ１０８の方形波出力電圧の積分値も零になる。

　ところが、この状態で外部磁界がコア１０６に印加されると、励磁磁界に外部磁界が重畳する。これにより、コアの動作原点であるＢ－Ｈ曲線の座標軸原点から外部磁界の強さ分だけ動作点がずれるため、コアが正負に磁気飽和するタイミングにずれが生じる。すなわち、外部磁界によって、その正の半サイクル期間と負の半サイクル期間の比（「デューテイ比」という）が変化するため、オペアンプ１０８の出力電圧の積分値も同様に変化をする。

　言い換えれば、磁気発振センサにおいて外部磁界は、オペアンプ１０８の出力電圧の積分値の変化となって検出されたことになる。

　なお、磁気発振センサの初期における発振周波数の調整（出荷時調整）では、オペアンプ１０８の出力端子に接続された抵抗１０９と抵抗１１０の分圧比を変えることによって実施する。
　しかしながら、このような回路構成状態では次のような大きな問題があった。

　第１の問題は、複数個の磁気発振センサ間に発振周波数の違いが生じると、ビート周波数（周波数がわずかに異なる２つの波を重ね合わせる時に生じる「うなり」周波数をいう）の信号が発生することである。

　換言すれば、外部磁界中には存在してないビート周波数成分の信号が検出信号に雑音となって重畳する。このビート周波数成分を磁気発振センサの磁気検出信号から識別することは非常に困難であり、ビート周波数成分の磁界も外部磁界であると認識せざるを得ないという問題点があった。更に、このような現象が起きると、磁気発振センサの出力には外乱磁界の強さによっては、数１０ｎＴから数１０００ｎＴ程度の直流レベルにも変動誤差が生じて、環境磁界の正確な測定が不可能になったり、強磁界中では磁界測定そのものが不可能になったりした。

　磁気発振センサでは、強磁界測定中では磁気発振周波数が低くなる傾向にあるため、この周波数変化によってビート現象は起こりやすくなり、磁気発振センサの多々ある性能面の長所をも打ち消すくらいの致命的な欠陥でもあったので、早急に解決しなければならなかった。

　第２の問題は、三軸磁気発振センサのコア付きコイル間における電磁誘導雑音や、隣接するサーチコイル式磁気センサヘの電磁誘導雑音のために、外乱磁場磁界の測定精度が劣化するという問題点である。

　そのため、各軸の磁気感応部や回路部も含めて独立分離させたり、センサの磁気感応部の距離を十分離して分散配置したりして、センサケースに収納するなどの必要があった。すなわち、磁気発振センサ同士でも十分な間隔を取ってバラバラに分散配置したり、コア付きコイル同士あるいはサーチコイルとの間隔を十分に取って分散配置すると共に、両センサを収納するセンサケースも大きくして各磁気センサを収納したりするという対策が取られていた。

　しかし、この対処方法では、それぞれの分散位置における磁界を測定することになるため、新たな問題が生じてきた。それは、磁界測定点の位置がバラバラに分散するため磁界の測定位置情度が悪くなり、誤差も大きくなるということである。

　均一な平行磁界空間における測定ならば、センサ間の分散位置に関係なく測定値も一致するので全く問題はないが、磁界が局所的に急な勾配で歪んでいる鉄道車両や自動車の内外における磁界の測定では、磁場強度は分散配置されたセンサの位置毎に著しく異なる箇所も出てくるため、各センサの磁気感応部の位置ずれによる測定誤差が必然的に生じ、磁界測定値が信頼できないという致命的な問題も包含していたことになる。

特開２００５－６９８２９号公報

　強磁性体磁心の非線形磁気特性を利用して磁界を測定するフラックスゲート型磁気センサは、磁気感応部のコア付きコイルに流す励磁電流の供給方法から分類してみると、他励式と自励式に大別される。

　前者の他励式はコア付きコイルとは分離独立した外部の発振回路あるいは外部の交流電源から励磁電流の供給を受ける外部励磁方式である。この方式は１９３９年に公表された方法で、フラックスゲート型磁気センサにおいて最も基本的励磁方式として、今日でも広く利用されているものである。その測定有効範囲は、直流磁界から数ｋＨｚの交流磁界であるため、フラックスゲート型磁気センサは低周波領域における弱磁界計測用として広く使われてきた。

　他励式は外部電源から励磁電流の供給を受けるという条件が必須条件であるため、仮に、外部磁界の強さが数１０００μＴ以上あるような強磁界測定ともなれば、励磁磁界の強さも数１０００μＴの数倍以上の強さの励磁電流を一定振幅の交流電流として流す必要が有り、磁気センサのコアを励磁させる励磁電流の電力も大きくする必要がある。

　逆に、弱磁界測定の場合では、コアを磁気飽和させる励磁電流は小さくて十分であるが、数１０００μＴ以上の強磁界も弱磁界も、併せて測定できるようにするためには、常時、最大磁界に対応させて強磁界測定可能な過励磁状態にしておく必要があり、そのために、数１０００μＴの数倍以上の強さの無駄な励磁電流を磁気感応部に流しておく必要がある。

　そのためには、磁気感応部の構造改良、コイルの異常発熱対策、励磁電流の安定化対策など弱磁界測定では全く問題にならなかった困難な技術的課題の解決が必要になる。

　ちなみに、この性能を満たす磁界測定器は市販品では存在せず、実用的にはほとんど対応不能という状態で取り残されている。

　これに対して、後者の自励式であるフラックスゲート型磁気センサは磁気発振センサと呼ばれるもので、磁気発振センサの最も簡単な回路は、オペアンプで構成される無安定マルチバイブレータの発振回路のコンデンサ端子電圧の変化によって引き起こされる発振現象を、コア付きコイルの非線形磁気特性を利用して変化する電圧変化に置き換えることよって、変形型マルチバイブレータを再構築して磁気センサに供するものとしたのである。

　この構成の磁気センサでは、コア付きコイル自身が発振回路の構成部品となって機能するため、発振回路の発振電流は当然のことながらコア付きコイルに励磁電流として流れる。この方式では、回路を流れる発振電流が励磁電流となってコア付きコイル自身を励磁するため、外部の交流電源によって励磁される必要が無く、独立した自立型励磁方式であると言える。

　磁気発振センサでは、励磁電流成分である磁気発振用の交流成分と、外乱磁界の強さに比例した成分が磁気感応部のコア付きコイルを流れる。磁気発振センサのコア付きコイルを流れる励磁電流の積分値は、外部磁界の強さに比例するので、他励式フラックスゲートのような測定限界以上の励磁磁界を常時発生させる励磁方法と異なり、励磁電流に無駄がないので、効率の良い省エネルギー型の磁気センサであると言える。

　本発明は、国際規格ＩＥＣ／ＴＳ６２５９７（鉄道車両の車内外の漏れ磁界測定に関する国際規格）に準拠した直流から交流までの磁界測定を可能にするために、上述してきた磁気発振センサの特性を最大限に発揮できるように、磁気検出装置を改善することを目的とする。

　具体的には、本発明の第１の解決課題は、磁界を測定する測定点における位置ずれを最小にすることである。
　また、本発明の第２の解決課題は、各磁気発振センサ間における発振周波数の違いによって発生するビート現象を阻止する技術を確立することである。

　前記課題を解決するための発明の第１の構成は、磁性材料のコアと、そのコアの周囲に巻いたコイルからなるコア付きコイルの磁気感応部と、前記コア付きコイルのコイルに交流の励磁電流を流し、前記コアに印加される磁界の大きさに応じた出力を生成する演算増幅回路部とを有する磁気発振センサにおいて、
　前記磁気感応部のコア付きコイルと近接して配置され、前記コア付きコイルに流れる励磁電流により発生する漏れ磁界と同じ強度で逆方向の磁界を発生する電流が供給される空芯コイルを設けたことを特徴とする。

　磁界の検出精度を向上させるには、磁界を測定する測定点における位置ずれを最小にすることが重要である。測定位置精度を向上させるために磁気感応部のコア付きコイルを極力密接させて、小型センサケース内に収納可能にすることが必要になった。そのためには、磁気感応部のコア付きコイル間における電磁誘導を極力避けて、誘導雑音を極力抑制する必要がある。

　本発明の第１の構成では、隣接する他軸のコア付きコイルヘの影響を小さくして、誘導雑音を極力抑制するために、磁界を検出する磁気感応部のコア付きコイルに流れる励磁電流を、空芯コイルにも流して、漏れ磁界を打ち消すように逆方向から励磁磁界と同じ強度の磁界を空芯コイルから発生させて相殺する手段を採用した。
　この技術は、磁気感応部から外部に漏れて出る漏れ磁界の空間を極力小さくできるので、磁気発振センサ単独で磁界測定する場合でも有効で、隣接する電子機器や回路ヘの誘導雑音を極力抑制することができる。

　本発明の第２の構成は、磁性材料のコアと、そのコアの周囲に巻いたコイルからなるコア付きコイルの磁気感応部と、前記コア付きコイルのコイルと回路素子と演算増幅回路部とからなるマルチバイブレータとから構成される磁気発振センサを複数備えた磁気検出装置において、
　前記複数個の磁気発振センサの各々の前記演算増幅回路部間を電気的連結子で接続して前記磁気発振センサの発振周波数を統一する発振同期信号回路網を構築し、
　該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と前記演算増幅回路部から出力される励磁電流との合成励磁電流によって、前記磁気感応部の各々のコアが強制的に統一磁気発振周波数で励磁されるようにしたことを特徴とする。

　この第２の構成では、複数個の磁気発振センサの各々の磁気発振周波数成分を共有できるように回路を接続し、その接続された回路の共有情報によって統一できる共通の磁気発振周波数で各々のコアが励磁されるようにするために、演算増幅回路部を電気的に結合して発振同期信号回路網を構築し、この回路を流れる発振同期信号によって、ビー卜現象を阻止した。

　本発明の第３の構成は、第２の構成において、前記発振同期信号回路網は、前記複数個の磁気発振センサの各演算増幅回路部の出力端子を、受動素子あるいは能動素子で環状に接続したものである。

　この第３の構成では、受動素子あるいは能動素子で接続することにより、環状型の発振同期信号回路網を構築し、該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と前記演算増幅回路部から流れる励磁電流との合成励磁電流によって、磁気感応部の各々のコアを強制的に統一磁気発振周波数で励磁するようにした。

　本発明の第４の構成は、第２の構成において、前記発振同期信号回路網は、前記複数個の磁気発振センサの各演算増幅回路部の出力端子を、受動素子あるいは能動素子で星状に接続したものである。

　この第４の構成では、受動素子あるいは能動素子で接続することにより、星状型の発振同期信号回路網を構築し、該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と前記演算増幅回路部から流れる励磁電流との合成励磁電流によって、磁気感応部の各々のコアを強制的に統一磁気発振周波数で励磁するようにした。

　本発明の第５の構成は、第２の構成において、前記統一磁気発振周波数と同じ周波数の電気信号を発生する外部信号発生回路と前記演算増幅回路部との間を電気的連結子で接続して、統一磁気発振周波数を固定化した発振同期信号回路網を構築したことを特徴とする。

　この第５の構成では、統一磁気発振周波数と同じ周波数の電気信号を発生する外部信号発生回路と演算増幅回路部の間を電気的連結子で接続して、統一磁気発振周波数の発振同期信号回路網を構築し、該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と演算増幅回路部から流れる励磁電流との合成励磁電流によって、磁気感応部の各コアが強制的に統一磁気発振周波数で励磁されるようにした。

　本発明の第６の構成は、第２～第５の構成において、前記各磁気発振センサは、第１の構成の空芯コイルが設けられたものであることを特徴とする。

　第１の構成の空芯コイルを設けた磁気発振センサを第２～第５の構成に適用することにより、各磁気発振センサのコア付きコイルから漏れる励磁磁界が他の磁気発振センサによる検出に影響されることを低減し、磁界検出時の精度が向上する。

　本発明は、国際規格ＩＥＣ／ＴＳ６２５９７に準拠させながら、従来の磁気発振センサに改良を加えたもので、その成果としての最大の特徴は、正常な発振状態を維持する限りコア付きコイルに流れる電流によって印加磁界を打ち消すことが可能になり、数１０００μＴ以上の磁界測定や、直流磁界から１００ｋＨｚ前後までの交流磁界の計測も可能となる。

　また、測定磁界強度の下限では、雑音レベルの低減によって数ｎＴ以下まで下がり、測定磁界の強度のダイナミックレンジは強磁界の数ｍＴから数ｎＴ以下の弱磁界までという非常に広い測定範囲の磁界の検出が可能になる。

　さらに、複数の磁気検出方式によって測定範囲を分担させることなく、単一の磁気発振型の磁気検出方式で、直流から数１００ｋＨｚ前後までに及ぶ広帯域周波数の磁界測定が可能となった。この性能は既存のフラックスゲート式磁界測定器の上限周波数である高々５ｋＨｚに比べてみると、２０倍近くも凌駕したことになる。

　また、磁気発振センサでは、コアを励磁する励磁電流が外部磁界の強さに比例する省エネルギー型の磁気センサであるため、変化する磁界の強度分布を多数の計測点で同時測定する用途には最適である。

　このように、本発明の磁気検出装置は、鉄道車両及び自動車における磁界測定用磁気センサの性能としては、十分満足できるものであると言える。また、他の技術分野における各種研究開発や広く産業界においても、送電線からの磁界や環境磁界の測定においても、有用な高性能磁気センサの一つとして幅広く活用されることが期待できる。

本発明の実施の形態の磁気発振センサの磁気感応部周辺を示すもので、（ａ）は回路図、（ｂ）は漏れ磁界の説明図である。一般的な磁気発振センサの磁気感応部周辺を示すもので、（ａ）は回路図、（ｂ）は漏れ磁界の説明図である。本発明の実施の形態を示す磁気発振センサの磁気感応部周辺の回路図である。本発明の第１の実施の形態を示す磁気検出装置の回路図である。本発明の第２の実施の形態を示す磁気検出装置の回路図である。本発明の第３の実施の形態を示す磁気検出装置の回路図である。特許文献１における磁気センサの説明図である。三軸磁界測定器の基本回路構成図である。

　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。

　図１に、本発明の実施の形態の磁気発振センサの磁気感応部周辺を示す。
　また、図２に一般的な磁気発振センサの磁気感応部周辺を示す。
　図２（ａ）あるいは図８に示すように、一般的な磁気発振センサでは、端子Ｐ１０から抵抗等の受動素子１０７を介して磁気感応部のコア１０６の周囲に配置されたコア付きコイル１０５に励磁電流を流し、端子Ｐ２０の電圧の変化を演算増幅器１０８により検出して外部磁界の強度を検出している。この磁気発振センサにおいて、コア付きコイル１０５に励磁電流が流れると、図２（ｂ）に示すようにコイル周辺には漏れ磁界が発生する。図中の矢印の向きは、コア付きコイル１０５内部の磁界の極性を示している。

　コア付きコイル１０５単独では、コイルから漏れた励磁磁界が周辺に広がっているので、この空間内に電子機器、通信機、その他の電子回路などがあれば、当然のことながら誘導雑音の影響を受けることになる。

　この誘導雑音から防護するための対策は、磁気感応部から遠ざけるか、あるいは誘導雑音が存在する空間を縮小させるかのいずれかである。

　前者は測定位置精度を低下させるので磁界測定器では採用できない。

　後者の雑音空間の縮小対策として、磁性材料で囲んで磁気シールドする方法がある。しかし磁気シールド材が磁気感応部の付近にあると、外部磁界が磁気シールド材の影響を受けて正確な外部磁界測定が不能になる。結局のところ、漏れ磁界を遮蔽するには励磁磁界と同じ磁界を逆方向から印加して漏れ磁界を打ち消す手法に到達するのである。

　これを解決するために、本発明の実施の形態の磁気発振センサは、図１（ａ）に示すように、図２の受動素子１０７の代わりに空芯コイル７０を用い、空芯コイル７０をコア付きコイル５に極力接近させて逆磁界を発生できるように配置している。図１（ｂ）は、空芯コイル７０による漏れ磁界の打ち消し効果をイメージとして表現したもので、誘導雑音の影響を受ける雑音空間の広がりが縮小していることがわかる。図１の矢印の向きは、コア付きコイル５と空芯コイル７０内部の磁界の極性を示している。

　図３は外部からの発振同期信号で、強磁界の外部磁界印加時に起こりやすい発振周波数の変動を阻止する単一磁気発振センサの回路実施例であり、複数個の磁気発振センサにおける外部同期型磁気発振センサの基本回路である。

　Ａは外部信号発生回路で、磁気発振センサ回路の外側に新たに追加された回路である。外部信号発生回路Ａの周波数は、磁気発振センサが最も安定して発振できる周波数に選定し、その周波数成分を発振同期信号として出力端子ＰＡから端子Ｐ１を経由して磁気感応部に送られる。

　磁気感応部４のコア付きコイル５内のコア６は、この発振同期信号と演算増幅回路部の励磁電流との合成励磁電流によって、発振同期信号に同期した安定な励磁電流で励磁されることになる。

　連結子Ｂは、電気的な受動素子あるいは能動素子で構成する。

　Ｐ１３は受動素子で抵抗あるいはコイルを使用し、そのインピーダンスの値は磁気発振が安定して持続するように、短絡の場合も含めて最適になるような値にする。

　この実施の形態によれば、コア付きコイル５に近接して空芯コイル７０を設けることにより、磁気感応部４から外部に漏れて出る漏れ磁界の空間を極力小さくできるので、磁気発振センサ単独で磁界測定する場合に有効であり、隣接する電子機器や回路ヘの誘導雑音を極力抑制することができる。

　図４に示す本発明の第１の実施形態は、複数個の磁気発振センサで構成される代表例として、３個の磁気発振センサで構成される三軸磁界測定器の回路図である。

　複数個の磁気発振センサで構成される他の回路例として、単独の磁気発振センサを複数個の測定点に配置して磁界測定するような多点同時測定の場合も、以下の説明の変形として説明できるので、重複を避けるためにその回路例は割愛する。

　指向性を有する磁気センサで外部磁界を測定する場合、その全磁力をＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分にベク卜ル分解して、各直交成分を個別に測定する方法が一般的である。

　三軸磁界測定器の回路全体は、Ｘ軸回路部１０００、Ｙ軸回路部２０００、Ｚ軸回路部３０００に分離独立している回路部を一体化したものである。

　磁気発振センサには指向性があって、磁界を強く感じる軸方向を磁気検出軸とも言う。具体的な例として、磁気感応部の各コアが直線状の真っ直ぐなコアで、そのコアの長軸に対して直交する方向でコア付きコイル５、１４、２３が巻かれている場合では、磁気検出軸はコア６，１５，２４の長軸方向になる。

　本実施の形態の三軸磁界測定器では、磁気発振センサの磁気感応部４、１３、２２の磁気検出軸が互いに直交するように、コア６，１５，２４の軸方向の角度を微調整してセンサケース内に配置する。

　高情度で磁界を測定するためには、ビート現象の発生を阻止しなければならない。そのためには、各磁気発振センサ間の磁気発振周波数を統一し、同一周波数の励磁電流で磁気感応部の各コア６、ｌ５、２４を励磁する必要がある。

　本発明における最重点技術は、そのビート現象の発生を阻止するための周波数統一手段として、複数個の磁気発振センサの演算増幅回路部間を電気的連結子で接続して発振周波数を統一する発振同期信号回路網を構築し、発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と演算増幅回路部から出力される励磁電流との合成励磁電流によって、同一周波数の励磁電流で磁気感応部の各コア６、ｌ５、２４を励磁できるようにしたことである。

　具体的には、演算増幅回路部８、１７、２６の出力端子Ｐ３、Ｐ６、Ｐ９と、それに接続された受動素子Ｐ１３、Ｐ４６、Ｐ７９を介して出力される出力端子Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７の端子間において、端子Ｐ１とＰ９、端子Ｐ３とＰ４、端子Ｐ６とＰ７の各端子間を、図示した電気的連結子１，２，３で順次結合させて、統一磁気発振周波数の信号を共有できるように環状型の発振同期信号回路網を構築し、演算増幅回路部の励磁電流と統一磁気発振周波数の発振同期信号との合成励磁電流で、磁気感応部の各コア６、１５、２４を励磁できるようにした。

　連結子１，連結子２，連結子３の構成は、電気的な受動素子あるいは能動素子で構成する。

　受動素子の中で最も簡単な構成例は、１本の電気抵抗体（以下、抵抗という）からなる連結子である。その他の受動素子としては、抵抗、コンデンサ、コイル等を種々組み合わせた回路によって構成することができ、また、連結子に電力増幅機能を付加した能動素子の回路を使うことも可能である。

　７，１６，２５およびＰ１３、Ｐ４６，Ｐ７９が受動素子である場合には、抵抗あるいはコイルを使用する。そして、そのインピーダンスの値には、発振回路の回路定数や構成条件によっては受動素子を必要としない短絡の場合（０Ωの場合）もある。

　そのため、本明細書における用語「演算増幅回路部の出力端子」の適用範囲は、端子Ｐ３、Ｐ６、Ｐ９のみならず受動素子Ｐ１３、Ｐ４６、Ｐ７９のインピーダンスの値に関係なく、その出力側の端子Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７も演算増幅回路部の出力端子に含むものとする。

　演算増幅回路部８、１７、２６は、オペアンプを主構成要素とする増幅回路であり、必要に応じて電力増幅機能を追加した回路構成にする場合もある。

　演算増幅回路部８、１７、２６の出力端子Ｐ３、Ｐ６、Ｐ９における出力電圧は、抵抗９と１０、抵抗１８と１９、抵抗２７と２８によって各々分圧され、分圧された抵抗１０、１９、２８の端子電圧は、各演算増幅回路部の反転端子に入力される。磁気発振周波数は、抵抗９と抵抗１０、抵抗１８と抵抗１９、抵抗２７と抵抗２８の分圧比で決まるため、通常は可変抵抗のトリマを使って分圧比の微調整を可能にしておく。

　１１、２０、２９はフィルタ回路であり、測定対象外の不要な周波数成分や磁気発振周波数成分が出力端子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の出力電圧に含まれないように阻止する機能を主目的とする回路である。

　１２、２１、３０は校正を目的とした増幅度調整用の増幅回路である。測定された磁界強度の数値が信頼できるようにするためには、定められた国家基準等に適合する磁界強度の数値に一致させる必要がある。校正作業では、国家基準に対してトレーサビリティがとれている標準磁界発生器を使い、その標準磁界発生器で作った標準磁界中に磁気感応部を設置して、増幅回路１２、２１、３０の各増幅度を調整する。

　この第１の実施の形態の特徴は、もしも、三軸磁界測定器の回路部の温度変化や磁気発振センサに加わる外乱磁場磁界によって発振周波数に変動があっても、複数個の磁気発振センサの発振周波数が全て一緒になって変動するので、ビート現象が生じないという特徴である。

　図５は本発明の第２の実施の形態を示すものであり、磁気感応部のコア付きコイルから外部に漏れて放射される漏れ磁界を打ち消すために空芯コイルを付帯させ、コア付きコイルから周辺に放射される漏れ磁界を打ち消して周辺機器への電磁誘導雑音による悪影響を抑制した防磁対策型三軸磁界測定器の回路事例である。この周辺機器ヘの電磁誘導雑音抑制の防磁対策は、１個の磁気発振センサにおいても有効である。

　この回路は、図４の第１の実施の形態における抵抗７、１６、２５を、図５に示す第２の実施の形態では、前に述べた空芯コイル７０、１６０、２５０に置き換え、コア付きコイル５，１４，２３から周辺に放射される漏れ磁界を打ち消ようにした回路である。

　空芯コイル７０、１６０、２５０は磁気感応部のコア付きコイル５，１４，２３にそれぞれ密接して磁気検出の軸方向が平行になるように配置する。

　空芯コイル７０、１６０、２５０と磁気感応部４、１３、２２との接続端子Ｐ２、Ｐ５、Ｐ８は、演算増幅回路部８、１７、２６の各非反転端子に接続されて磁気発振センサの回路を構成する。

　各磁気感応部４、１３、２２のコア付きコイル５，１４，２３内のコア６，１５，２４は、図４の場合と同じく発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と演算増幅回路部から出力される励磁電流との合成励磁電流によって、同一磁気発振周波数の励磁電流で励磁される磁気発振センサとして動作する。

　図６は、発振同期信号を形成するための星状型発振同期信号回路網を構築し、更に、この回路網に外部信号発生回路を付加し、この外部信号発生回路からの発振同期信号で磁気発振周波数を固定化して、磁気発振周波数のずれによって起きるビート現象を完全に阻止する第３の回路実施例である。

　発振同期信号を形成するための星状型発振同期信号回路網の形態は、複数個の磁気発振センサの演算増幅回路部に接続された受動素子あるいは能動素子の一方の端子が、電気的連結子を介して共通端子ＰＡに統合接続された回路である。この回路を共通端子ＰＡから磁気発振センサ側を見れば、複数の磁気発振センサに向かって星の光のように放射状に配線が展開して星状に接続された回路網の状態であることから、星状型発振同期信号回路網であると言える。

　すなわち、発振同期信号回路網を流れる発振同期信号は、外部信号発生回路からの固定周波数の信号であり、これを励磁電流の発振周波数として共有するので、この発振同期信号と演算増幅回路部から流れる励磁電流との合成励磁電流によって、統一磁気発振周波数で磁気感応部の各々のコアは励磁される。この星状型発振同期信号回路網も、実用上から見ても非常に有意義な発振同期信号回路網の一つである。

　しかしながら、磁気発振センサはセンサ回路自体で励磁電流を作り出す独立した自励方式であるために、測定する磁界の強さなどによっては、発振周波数自体が変動することや、統一磁気発振周波数自体が微変動するなどの影響を受けることがある。

　この現象は、高精度に磁界を測定する場合では障害になるので、この統一磁気発振周波数自体の微小変動も阻止する必要があり、この対策として図６に示す実施例のように、外部発振回路の発振同期信号を使って磁気発振周波数を完全に固定化することが必要になる。

　外部信号発生回路からの統一磁気発振周波数の発振同期信号は、電気的連結子の接続によって構築された星状型発振同期信号回路網を通過して、演算増幅回路部からの励磁電流と合流し、統一磁気発振周波数の合成励磁電流として磁気感応部の各コアを励磁する。

　すなわち、発振同期信号回路網を流れる外部信号発生回路からの固定化された発振同期信号と演算増幅回路部から流れる励磁電流によって、磁気感応部の各々のコアは強制的に統一磁気発振周波数で励磁されるのである。

　図においてＡは外部信号発生回路で、磁気発振センサ回路の星状型発振同期信号回路網の外側に、新たに共通端子ＰＡに追加接続された回路である。外部信号発生回路Ａの周波数は、磁気発振センサが最も安定して発振できる周波数に選定し、その周波数成分の発振同期信号は、共通端子ＰＡから各電気的連結子Ｂ、Ｃ、Ｄを介して端子Ｐ１、Ｐ４、Ｐ７を経由して各コイルに送られる。

　磁気感応部４、１３、２２のコア付きコイル５，１４，２３内の各コア６，１５，２４は、外部信号発生回路からの固定化された発振同期信号と演算増幅回路部の励磁電流との合成励磁電流によって、周波数の変動のない安定した統一磁気発振周波数で励磁されることになる。

　換言すれば、図６の実施例は、星状型発振同期信号回路網の弱点を更に改善したもので、統一磁気発振周波数と同じ周波数の電気信号を発生する外部信号発生回路と演算増幅回路部との間を電気的連結子で接続することにより、星状型発振同期信号回路網における発振同期信号の周波数を、外部信号発生回路から出力される電気信号の周波数に同期させて固定させた磁気検出装置の実施例であると言える。

　連結子Ｂ、Ｃ、Ｄは、図４の各連結子の場合と同じく、電気的な受動素子あるいは能動素子で構成する。

　Ｐ１３、Ｐ４６、Ｐ７９に受動素子の抵抗あるいはコイルを使用した場合、そのインピーダンスの値は磁気発振が安定して持続するように、短絡の場合も含めて最適になるような値にする。

　この外部同期信号に関する技術は、複数個の磁気発振センサの場合だけではなく、単独の磁気発振センサで強磁界を測定する場合に起こる磁気発振周波数の変勤を抑制したり、外部磁界の高精度な一軸磁界測定や多点同時測定などに使用したりする磁気センサにも応用できる技術であるので、実用面から見ても有効な技術と言える。

　本発明は、磁気発振センサの特性を最大限に発揮できるように、磁気発振センサおよび磁気検出装置を改善する技術として、鉄道車両や自動車の車体の内外部における漏れ磁界の測定に好適に利用することができる。

　１，２，３　連結子
　４，１３，２２　磁気感応部
　５，１４，２３　コア付きコイル
　６，ｌ５，２４　コア
　７，１６，２５　受動素子
　８，１７，２６　演算増幅回路部
　９，１０，１８，１９，２７，２８　抵抗
　１１，２０，２９　フィルタ回路
　１２，２１，３０　増幅回路
　７０，１６０，２５０　空芯コイル
　１０００　Ｘ軸回路部
　２０００　Ｙ軸回路部
　３０００　Ｚ軸回路部

Claims

　磁性材料のコアの周囲にコイルを巻いて形成されたコア付きコイルからなる磁気感応部と、前記コア付きコイルのコイルに交流の励磁電流を流し、前記コアに印加される外部磁界の大きさに応じた出力を生成する演算増幅回路部とを有する自励式フラックスゲート型の磁気発振センサを、直交する三軸の各軸に備えた磁気検出装置において、
　前記各軸の磁気発振センサのコア付きコイルに、前記各コアを囲まない空芯コイルを近接して且つ平行に配置し、
　前記各軸のコア付きコイルの非接地側端子と前記空芯コイルの一方の端子の接続点を前記演算増幅回路部の非反転入力端子に接続し、前記空芯コイルの他方の端子と前記演算増幅回路部の出力端子とを、受動素子を介して接続し、前記磁気感応部のコア付きコイルを励磁電流で励磁したときに前記コア付きコイルから外部に漏れて放射される漏れ磁界を打ち消すために、前記漏れ磁界と同じ強度で逆方向の磁界を発生する電流を前記演算増幅回路部により生成して前記空芯コイルに供給するようにし、
　前記各軸の磁気発振センサ間の発振周波数の違いによって生じるビート現象を阻止するために、前記各軸の磁気発振センサの各々の前記演算増幅回路部の出力端子と次の軸の空芯コイルの端子間を電気的連結子で接続して前記各軸の磁気発振センサの発振周波数を統一する環状型の発振同期信号回路網を構築し、
　該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と前記演算増幅回路部から出力される励磁電流との合成励磁電流によって、前記磁気感応部の各々のコアが強制的に統一磁気発振周波数で励磁されるようにした
ことを特徴とする磁気検出装置。
　磁性材料のコアの周囲にコイルを巻いて形成されたコア付きコイルからなる磁気感応部と、前記コア付きコイルのコイルに交流の励磁電流を流し、前記コアに印加される外部磁界の大きさに応じた出力を生成する演算増幅回路部とを有する自励式フラックスゲート型の磁気発振センサを、直交する三軸の各軸に備えた磁気検出装置において、
　前記各軸の磁気発振センサのコア付きコイルに、前記各コアを囲まない空芯コイルを近接して且つ平行に配置し、
　前記各軸のコア付きコイルの非接地側端子と前記空芯コイルの一方の端子の接続点を前記演算増幅回路部の非反転入力端子に接続し、前記空芯コイルの他方の端子と前記演算増幅回路部の出力端子とを、受動素子を介して接続し、前記磁気感応部のコア付きコイルを励磁電流で励磁したときに前記コア付きコイルから外部に漏れて放射される漏れ磁界を打ち消すために、前記漏れ磁界と同じ強度で逆方向の磁界を発生する電流を前記演算増幅回路部により生成して前記空芯コイルに供給するようにし、
　前記各軸の磁気発振センサ間の発振周波数の違いによって生じるビート現象を阻止するために、前記各軸の空芯コイルの端子を、電気的連結子を介して共通端子に接続して前記各軸の磁気発振センサの発振周波数を統一する星型の発振同期信号回路網を構築し、
　該発振同期信号回路網を流れる発振同期信号と前記演算増幅回路部から出力される励磁電流との合成励磁電流によって、前記磁気感応部の各々のコアが強制的に統一磁気発振周波数で励磁されるようにした
ことを特徴とする磁気検出装置。
　前記統一磁気発振周波数と同じ周波数の電気信号を発生する外部信号発生回路と前記共通端子とを接続して、統一磁気発振周波数を固定化した発振同期信号回路網を構築したことを特徴とする請求項２記載の磁気検出装置。