JP2018502291A - 磁場センサ及び磁場測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明の磁場センサは、磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、第１電極と第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、第１電極と第２電極に一端が連結され、共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器、第１電極と電源供給器の間の抵抗値と第２電極と電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗、及び正の端子を介して第１電極に連結され、負の端子を介して第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで第１電極によって形成された第１キャパシタンスと第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

Description

本発明は磁場センサ測定システムに関するものであって、直流と広い周波数領域の交流磁場を測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置に関するものである。

磁場は、直流磁場と交流磁場に区分される。大部分の磁場センサは直流から数百ヘルツ（Ｈｚ）までの交流磁場を測定することができる。しかし、交流磁場を測定する磁場センサの場合、直流磁場を測定することが難しい。また、交流磁場を測定する場合、数十キロヘルツ（ｋＨｚ）から数メガヘルツ（ＭＨｚ）までの交流磁場を測定するためには周波数帯域に応じて異なる種類の磁場センサを利用すべきである。

このように、磁場の測定、つまり直流と交流磁場を測定するためには様々な他の装備とセンサを使用すべきであり、広い周波数帯域の範囲内で磁場を測定するためには更に多い装備とセンサを必要とする問題点があった。

本発明の目的は、広い周波数帯域の範囲内で直流と交流磁場を全て測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、温度のような環境的な影響を減少して磁場を測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置を提供することにある。

本発明による磁場センサは、磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、前記第１電極と第２電極に一端が連結され、前記共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器、前記第１電極と前記電源供給器の間の抵抗値と前記第２電極と前記電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗、及び正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場の印加によって前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極にしよって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

この実施例において、前記第１電極と共通電極が一つの電気容量センサを形成し、前記第２電極と前記共通電極が他の一つの電気容量センサを形成する。

この実施例において、前記可変抵抗は前記第１電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第１可変抵抗素子、及び前記第２電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第２可変抵抗素子のうち少なくとも一つを含む。

この実施例において、前記第１可変抵抗素子と前記第２可変抵抗素子は抵抗制御信号に応答して前記差の値をゼロ（０）または最小値に調節する抵抗変化値を出力する。

この実施例において、前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極をゼロガウスチェンバーの内部に含ませて前記磁場を測定するための平衡状態を測定し、前記平衡状態による磁場の変化を基準に印加される磁場によって前記差の値を出力し、前記平衡状態は前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極から形成された前記差の値をゼロまたは最小値になるように設定した状態である。

この実施例において、前記磁場は前記第１電極と前記第２電極の表面を基準に垂直な方向に印加される。

本発明による磁場測定装置は、磁場の変化によるキャパシタンスを測定する少なくとも一つの磁場センサ、及び前記キャパシタンスを受信し、前記キャパシタンスに基づいて前記磁場を測定する信号処理器を含み、前記少なくとも一つの磁場センサそれぞれは磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、前記第１電極と第２電極に一端が連結され、前記共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器と、前記第１電極と前記電源供給器の間の抵抗値と前記第２電極と前記電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗、及び正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

この実施例において、前記信号処理器は前記差の値を受信し、受信された差の値の利得を補償する利得補償器、前記差の値に対応する磁場の大きさが貯蔵された磁場測定テーブルを貯蔵するメモリ、前記利得が補償された差の値に対応する磁場の強度を前記磁場測定テーブルに基づいて獲得し、前記獲得された磁場の強度を出力する制御器、及び前記出力される磁場の大きさをディスプレーするディスプレー部を含む。

この実施例において、前記制御器は前記可変抵抗の抵抗値を前記差の値をゼロまたは最小になるように制御する抵抗制御信号を出力すると、前記抵抗制御信号と、前記抵抗制御信号に応じて制御される抵抗値のうち一つに基づいて前記磁場を測定する。

この実施例において、前記第１電極と前記共通電極が一つの電気容量センサを形成し、前記第２電極と前記共通電極が他の一つの電気容量センサを形成する。

この実施例において、前記可変抵抗は前記第１電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第１可変抵抗素子、及び前記第２電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第２可変抵抗素子のうち少なくとも一つを含む。

この実施例において、前記第１可変抵抗素子と前記第２可変抵抗素子は抵抗制御信号に応答して前記磁場を測定するために前記差の値をゼロ（０）または最小値に調節する抵抗変化値を出力する。

この実施例において、前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極をゼロガウスチェンバーの内部に含ませて前記磁場を測定するための平衡状態を測定し、前記平衡状態による前記磁場の変化を基準に印加される磁場によって前記差の値を出力するが、前記平衡状態は前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極から形成された前記差の値をゼロまたは最小値になるように設定された状態である。

この実施例において、前記磁場は前記第１電極と前記第２電極の表面を基準に垂直な方向に印加される。

本発明による磁場センサは、磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、前記第１電極と前記共通電極に連結されて測定しようとする周波数帯域の第１電源を供給する第１電源供給器、前記第２電極と前記共通電極に連結されて測定しようとする周波数帯域の第２電源を供給する第２電源供給器、及び正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

本発明の磁場センサは、磁場の印加による磁性物質と非磁性物質を含む電極らそれぞれから形成された容量（つまり、キャパシタンス）を利用して磁場を測定することで、広い周波数帯域の範囲内で他の装備または他のセンサを追加することなく直流と交流磁場を全て測定することができる。また、非磁性電極と磁性電極共に温度、湿度のような同じ外部環境的影響を受けることで、外部環境による変化は２つの電極が同じであるため、非磁性物質を介して形成されたキャパシタンスを基準に磁場を測定することで外部環境的影響による補正を行わなくても磁場を測定することができる。

本発明による磁場測定装置を例示的に示す図である。 図１に示した電極に対して磁場の印加による間隔の変化を例示的に示す図である。 本発明の他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。 本発明のまた他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。 本発明の更に他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。 本発明の他の実施例による磁場測定装置を例示的に示す図である。

本発明を実施するための最善の形態を示す図面は図１である。

以下、本発明による好ましい実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。下記説明では本発明による動作を理解するのに必要な部分のみが説明され、その他の部分の説明は本発明の要旨を不明確にさせないようにするために省略されることを留意すべきである。

本発明は磁場を測定するために磁性物質を含む電極と非磁性物質を含む電極を利用して形成された２つの電気容量（例えば、キャパシタンス）間の差の値を利用して磁場を測定する磁場センサと、このような磁場センサを含む磁場測定装置を提供する。

図１は、本発明による磁場測定装置を例示的に示す図である。

図１を参照すると、磁場測定装置１００は磁場センサ１１０と信号処理器１５０を含む。

磁場センサ１１０は磁場の印加によって発生する電気容量（つまり、キャパシタンス）を出力する。磁場センサ１１０は電極１１１、１１２、１１３、電源供給器１１４、可変抵抗１１５、及び差動増幅器１１６を含む。

電極１１１、１１２、１１３は磁場の印加によるキャパシタンスを形成するために共通電極１１１を基準に第１電極１１２と第２電極１１３が両側に位置する。この際、第１電極１１２は少なくとも一部に磁性物質を含む。このために、第１電極１１２が全て磁性物質で形成されてもよい。また、第１電極１１２が非磁性物質で構成されると、第１電極１１２の一側面または両側面にコーティングなどの形態で磁性物質が結合されてもよい。

これとは異なって、第２電極１１３は少なくとも一部に非磁性物質を含む。このために、第２電極１１３が非磁性物質で形成されるか、非磁性物質が第２電極１１３の一側面または両側面にコーティングなどの形態で非磁性物質が結合される。

ここで、第１電極１１２が磁性物質を含み、第２電極１１３が非磁性物質を含むことを例示的に説明したが、これとは逆に第１電極１１２が少なくとも一部に非磁性物質を含み、第２電極１１３が少なくとも一部に磁性物質を含むように構成されてもよい。

一方、磁場が印加されると、共通電極１１１と第１電極１１２との間にキャパシタンスが形成され、共通電極１１１と第２電極１１３との間にキャパシタンスが形成される。この際、磁場は平板状の電極１１１、１１２、１１３に垂直な方向から印加されてもよく、第１方向１１と第２方向１２のうち少なくとも一つの方向から前記磁場センサ１１０の外部から磁場が印加されてもよい。

電源供給器１１４の一端は第１電極１１２に第１可変抵抗素子１１５１を介して連結され、第２電極１１３に第２可変抵抗素子１１５２を介して連結される。電源供給器１１４の他の一端は共通電極１１１に連結されて電源を供給する。電源供給器１１４は測定しようとする周波数帯域の電源を供給するが、このために、電源供給器１１４は周波数発生器を含むか周波数発生器の機能を有してもよい。

可変抵抗１１５は第１電極１１２と電源供給器１１４との間の抵抗値と第２電極１１３と電源供給器１１４との間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する。このために、可変抵抗１１５は第１可変抵抗素子１１５１と第２可変抵抗素子１１５２のうち少なくとも一つを含む。

第１可変抵抗素子１１５１は一端が第１電極１２２と差動増幅器１１７の接点に連結され、他の一端は電源供給器１１４の端子（例えば、正（＋）の端子）に連結される。

第２可変抵抗素子１１５２は一端が第２電極１２３と差動増幅器１１７の接点に連結され、他の一端は電源供給器１１４の端子（例えば、正（＋）の端子）に連結される。

図１では、可変抵抗素子１１５１、１１５２が第１電極１１２と電源供給器１１４との間（第１電極１１２側）と第２電極１１３と電源供給器１１４との間（第２電極１１３側）のそれぞれに位置することを例示的に説明したが、第１電極１１２側と第２電極１１３側のうち一つにのみ可変抵抗が位置してもよい。

この際、可変抵抗素子１１５１、１１５２を、制御器１５３などを、介して出力される抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２を利用して制御してもよく、磁場を測定する前（一例として、初期状態）に差動増幅器１１７を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定してもよい。差動増幅器１１６は第１電極１１２に連結された正（＋）の端子と第２電極１１３に連結された負（−）の端子を含む。これを介して、差動増幅器１１６は共通電極１１１と第１電極１１２によって形成されたキャパシタンスと、差動増幅器１１１と第２電極１１２によって形成されたキャパシタンス間の差の値を出力する。言い換えると、第１電極１１２によって形成されたキャパシタンス（自己容量）と第２電極１１３を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）間の差を差動増幅して出力する。

一方、磁場が印加された状態で差動増幅器１１６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定する場合、可変抵抗１１５の抵抗値を制御する抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２または可変抵抗１１５（または、可変抵抗素子１１５１、１１５２）が有する抵抗値の検出（必要に応じては抵抗値を検出する検出器を含んでもよい）に基づいて磁場を測定してもよい。

信号処理器１５０は磁場センサ１１０を介して受信された信号処理を介して磁場を測定する。信号処理器１５０は利得補償器１５１、メモリ１５２、制御器１５３及びディスプレー機器１５２を含む。

利得補償器１５１は差動増幅器１１６を介して出力された信号を、増幅を介して利得（ｇａｉｎ）を補償する。利得補償器１５１は利得が補償された信号を制御器１５３に出力する。

メモリ１５２は信号処理器１５０の動作のための動作プログラムまたは信号処理器１５０の動作中に発生するデータを制御器１５３の制御によって貯蔵するか、貯蔵されたデータを制御器１５３に提供する。また、メモリ１５２は磁場センサ１１０を介して出力された信号、つまりキャパシタンスに対応する磁場値が貯蔵された磁場測定テーブルを貯蔵する。

制御器１５３は利得が補償された信号、つまりキャパシタンスに対応する磁場の大きさを獲得する。このために、制御器１５３はメモリ１５２に貯蔵されたデータ、つまり磁場測定テーブルを利用してもよく、メモリ１５２を含む形態で具現してもよい。制御器１５３は受信された信号に基づいて測定された磁場の大きさをディスプレー機器１５４に出力する。また、制御器１５３は磁場が印加される前に差動増幅器１１６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小になるように可変抵抗１１５１、１１５２を制御する制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２を出力する。

一方、制御器１５３が可変抵抗素子１１５１、１１５２の抵抗値を利用して磁場を測定する場合、制御器１５３は磁場が印加された後、差動増幅器１１６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小になるように可変抵抗素子１１５１、１１５２を制御する制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２を出力してもよい。次に、制御器は差動増幅器の出力がゼロ（０）または最小になる時点に抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２または可変抵抗１１５（または、可変抵抗素子１１５１、１１５２）が有する抵抗値の検出に基づいて磁場を測定してもよい。

ディスプレー機器１５４は受信された磁場の大きさを、画面を介して出力する。

このように、本発明で提案された磁場センサ１１０は磁性物質と非磁性物質をそれぞれ含む電極１１２，１１３と、電極１１２，１１３の間に位置する共通電極１１１で形成された２つの電気容量センサを形成する。これを介して、磁場センサ１１０はキャパシタンスを形成する２つの電気容量センサが結合された構造を利用するため、磁場センサ１１０は直流磁場だけでなく、一例としてメガヘルツ帯域の高い周波数範囲までの交流磁場を全て測定することができる。

また、２つの電気容量センサのうち磁性物質を含む第１電極１１２によって形成されたキャパシタンスと非磁性物質を含む第２電極１１２によって形成されたキャパシタンスを同時に利用して磁場の大きさを測定する。このように、磁場の測定にキャパシタンスを利用することで、広い周波数帯域の範囲内で他の装備または他のセンサを追加することなく直流と交流磁場を全て測定することができる。

また、磁性電極（一例として、第１電極１１２）と非磁性電極（一例として、第２電極１１３）は温度、湿度のような同じ外部環境的影響を受けるため、外部環境による変化は２つの電極共に同じく適用される。よって、２つの電極を介して形成されたキャパシタンスを利用して磁場の大きさを測定することで、外部環境的影響による補正を行わずに磁場を測定することができる。これを介して、測定された磁場の大きさに対して外部環境的要因による補正を必要としなくなる。

図２は、本発明による磁場の印加による電極の間隔の変化を例示的に示す図である。

図２を参照すると、左側には磁場が印加される際の電極１１１、１１２、１１３が示され、右側には第１方向１１に磁場が印加される際の電極１１１、１１２、１１３が示される。

第１方向１１に磁場が印加されると、磁性物質を含む第１電極１１２は磁場の大きさに比例して共通電極１１１との間隔が左側のｄ１からｄ１’に変化する。この際、電極１１１、１１２間の間隔の変化に応じて電気容量、つまりキャパシタンスの大きさも変化する。これとは異なって、非磁性物質を含む第２電極１１３は共通電極１１１との間隔がｄ２かｄ２に変化せず、電気容量、つまりキャパシタンスの値も変化しない。非磁性物質は磁場による影響を受けない物質であるため、磁場によって第２電極１１３によるキャパシタンス値が変化しない。よって、２つのキャパシタンス間の差を同時に測定すると、磁場によって変化した電気容量の大きさを測定することができる。

大部分の磁場を測定するセンサは温度、湿度のような周辺環境の変化に敏感に反応するため、このような変化による補正を行うことで正確な磁場の大きさを測定することができる。しかし、本発明で提案した磁場センサ１１０は２つの電気容量センサ（第１電極１１２と共通電極１１１によって形成された第１電気容量センサと第２電極１１３と共通電極１１１によって形成された第２電気容量センサ）が一つのセンサを形成することによって相対的な電気容量を測定（第２電気容量センサは第１電気容量センサと同じ環境的影響を受ける）することで、環境的要因（一例として、温度、湿度など）による変化量による補正手順を必要としない。つまり、２つの電気容量センサ間の間隔変化（環境的要因は２つの電気容量センサ全てに同じく反映される）の差を利用することで、環境的要因による影響に対する別途の補正手順を必要としない。

図３は、本発明の他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。

図３を参照すると、磁場センサ１２０は電極１２１、１２２、１２３、電源供給器１２４、可変抵抗１２５、及び差動増幅器１２６を含む。この際、磁場センサ１２０は図１に示した磁場センサ１１０の代わりに信号処理器１５０に連結される。ここで、磁場センサ１２０の全般的な構造に関する説明は、チェンバー２０の利用を除けば図１の磁場センサ１１０と類似しているため、図１の磁場センサ１１０の説明を参照する。

磁場センサ１２０の電極１２１、１２２、１２３はチェンバー、一例として、ゼロ（０）ガウスチェンバー（Ｚｅｒｏ−Ｇａｕｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ）２０内に位置するようにする。ここで、ゼロガウスチェンバー２０の使用は説明の便宜上のものであって、ゼロガウスチェンバー２０以外の他の形態のチェンバーが、外部環境的要因による影響なしに電極１２１、１２２、１２３の平衡状態（ｎｕｌｌ ｂａｌａｎｃｅ）を測定するために使用されてもよい。

これを介して、ゼロガウスチェンバー２０の内部で電極１２１、１２２、１２３の平衡状態を測定することができる。このために、図１の信号処理器１５０の制御などを介して測定しようとする周波数の電源を印加し、電極１２１、１２２、１１３をゼロガウスチェンバー２０内に位置した状態で電極１２１、１２２、１２３を平衡状態（つまり、ゼロガウスチェンバー２０内の電極１２１、１２２、１２３の出力をゼロに設定（または最小に設定））になるようにする。次に、ゼロガウスチェンバー２０が存在しない状態で、電極１２１、１２２、１２３を介して印加される磁場の大きさを測定する。

また、磁場センサ１２０はゼロガウスチェンバー２０を使用する際、可変抵抗１２５を含む。この際、可変抵抗１２５に含まれた可変抵抗素子１２５１、１２５２は図１のように少なくとも一つを含む。このため、可変抵抗１２５は第１可変抵抗素子１２５１のみを含むか、第２可変抵抗１２５２のみを含むか、または第１可変抵抗素子１２５１及び第２可変抵抗素子１２５２を全て含んでもよい。

次に、必要に応じて制御器１５３から抵抗制御信号または可変抵抗素子のゼロガウスチェンバー２０が存在しない状態、つまりゼロガウスチェンバー２０の外部から可変抵抗素子１２５１、１２５２を使用して出力がゼロまたは最小になるように設定する。

このような、磁場センサ１２０を利用した磁場測定装置は磁場の印加による可変抵抗素子１２５１、１２５２の抵抗値を調節することで出力をゼロまたは最小になるように設定する抵抗制御信号ＲＣＴＬ２１、ＲＣＴＬ２２（制御器１５３などから出力）、または可変抵抗素子１２５１、１２５２の抵抗値から磁場の大きさを測定してもよい。

図３は、本発明の他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。

図３を参照すると、磁場センサ１２０は電極１２１、１２２、１２３、電源供給器１２４、可変抵抗１２５、及び差動増幅器１２６を含む。この際、磁場センサ１２０は図１に示した磁場センサ１１０の代わりに信号処理器１５０に連結される。ここで、磁場センサ１２０の全般的な構造に関する説明は、チェンバー２０の利用を除けば図１の磁場センサ１１０と類似しているため、図１の磁場センサ１１０の説明を参照する。

磁場センサ１２０の電極１２１、１２２、１２３はチェンバー、一例として、ゼロ（０）ガウスチェンバー（Ｚｅｒｏ−Ｇａｕｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ）２０内に位置するようにする。ここで、ゼロガウスチェンバー２０の使用は説明の便宜上のものであって、ゼロガウスチェンバー２０以外の他の形態のチェンバーが、外部環境的要因による影響なしに電極１２１、１２２、１２３の平衡状態（ｎｕｌｌ ｂａｌａｎｃｅ）を測定するために使用されてもよい。

これを介して、ゼロガウスチェンバー２０の内部で電極１２１、１２２、１２３の平衡状態を測定することができる。このために、図１の信号処理器１５０の制御などを介して測定しようとする周波数の電源を印加し、電極１２１、１２２、１１３をゼロガウスチェンバー２０内に位置した状態で電極１２１、１２２、１２３を平衡状態（つまり、ゼロガウスチェンバー２０内の電極１２１、１２２、１２３の出力をゼロに設定（または最小に設定））になるようにする。次に、ゼロガウスチェンバー２０が存在しない状態で、電極１２１、１２２、１２３を介して印加される磁場の大きさを測定する。

また、磁場センサ１２０はゼロガウスチェンバー２０を使用する際、可変抵抗１２５を含む。この際、可変抵抗１２５に含まれた可変抵抗素子１２５１、１２５２は図１のように少なくとも一つを含む。このため、可変抵抗１２５は第１可変抵抗素子１２５１のみを含むか、第２可変抵抗１２５２のみを含むか、または第１可変抵抗素子１２５１及び第２可変抵抗素子１２５２を全て含んでもよい。

次に、必要に応じて制御器１５３から抵抗制御信号または可変抵抗素子のゼロガウスチェンバー２０が存在しない状態、つまりゼロガウスチェンバー２０の外部から可変抵抗素子１２５１、１２５２を使用して出力がゼロまたは最小になるように設定する。

このような、磁場センサ１２０を利用した磁場測定装置は磁場の印加による可変抵抗素子１２５１、１２５２の抵抗値を調節することで出力をゼロまたは最小になるように設定する抵抗制御信号ＲＣＴＬ２１、ＲＣＴＬ２２（制御器１５３などから出力）、または可変抵抗素子１２５１、１２５２の抵抗値から磁場の大きさを測定してもよい。図４は、本発明のまた他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。

図４を参照すると、磁場センサ１３０は電極１３１、１３２、１３３、電源供給器１３４、１３５及び差動増幅器１３６を含む。ここでも、磁場センサ１３０は図１の信号処理器１５０に連結されてもよい。

電極１３１、１３２、１３３の全般的な説明は図１で説明された電極１１１、１１２、１１３と類似しているため、図１の説明を参照する。

第１電極１３２は差動増幅器１３５の正（＋）の端子に連結され、第２電極１３３は差動増幅器１３６の負（−）の端子に連結される。また、共通電極１３１は接地端に連結、つまり接地される。

電源供給器１３４、１３５は電極１３１、１３２、１３３に電源を供給し、測定しようとする周波数帯域の電源を供給する。このために、電源供給器１３４、１３５は周波数発生器を含むか周波数発生器の機能を有する。

第１電源供給器１３４の一端が第１電極１３２に連結され、他の一端は共通電極１３１に連結される。

第２電源供給器１３５の一端が第２電極１３３に連結され、他の一端は共通電極１３１に連結される。これを介して、第１電源供給器１３４と第２電源供給器１３５間の接点が共通電極１３１に連結される。

電源供給器１３４、１３５は一つの電源ソースから分岐されて供給される電源であってもよいが、独立的に供給される電源であってもよい。

差動増幅器１３６は第１電極１３２に連結された正（＋）の端子と第２電極１３３に連結された負（−）の端子を含む。これを介して、差動増幅器１３６は共通電極１３１と第１電極１３２によって形成されたキャパシタンスと、共通電極１３１と第２電極１３２によって形成されたキャパシタンス間の差の値を出力する。言い換えると、第１電極１３２を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）と第２電極１３３を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）間の差を差動増幅して出力する。

図４では詳細に説明していないが、磁場センサ１３０は可変抵抗（または可変抵抗素子）と必要に応じて追加的な抵抗（または、抵抗素子）を含む。この際、可変抵抗素子の制御などを介して磁場を測定する前の初期状態設定（差動増幅器１３６の出力をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）に設定）するなどのような動作を行ってもよい。

図５は、本発明の更に他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。

図５を参照すると、磁場センサ１４０は電極１４１、１４２、１４３、電源供給器１４４、可変抵抗１４５及び差動増幅器１４６を含む。ここでも、磁場センサ１４０は図１の信号処理器１５０に連結されてもよい。

電極１４１、１４２、１４３の全般的な説明は図１で説明された電極１１１、１１２、１１３と類似しているため、図１の説明を参照する。

電源供給器１４４の一端は第１電極１４２と第２電極１４３に連結され、他の一端は共通電極１４１に連結されて電源を供給する。

電源供給器１４４は測定しようとする周波数帯域の電源を供給するが、このために、電源供給器１４４は周波数発生器を含むか周波数発生器の機能を有する。

可変抵抗１４５は第１電極１４２と差動増幅器１４６の間の抵抗値と第２電極１４３と差動増幅器１４６間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する。このために、可変抵抗１４５は第１可変抵抗素子１４５１と第２可変抵抗素子１４５２のうち少なくとも一つを含む。

第１可変抵抗素子１４５１は一端が第１電極１４２に連結され、他の一端は差動増幅器１４６の正（＋）の端子に連結される。

第２可変抵抗素子１４５２は一端が第２電極１４３に連結され、他の一端は差動増幅器１４６の正（＋）の端子と第１可変抵抗素子１４５１との間の接点に連結される。

図４では、可変抵抗素子１４５１、１４５２が第１電極１４２と差動増幅器１４６との間（第１電極１４２側）と第２電極１４３と差動増幅器１４６との間（第２電極１４３側）のそれぞれに位置することを例示的に説明したが、第１電極１４２側と第２電極１４３側のうち一つのみに可変抵抗が位置してもよい。

この際、可変抵抗１４５１、１４５２を図１の制御器１５３などを介して出力される抵抗制御信号ＲＣＴＬ３１、ＲＣＴＬ３２を利用して制御してもよく、磁場を測定する前に差動増幅器１４６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定してもよい。

差動増幅器１４６は第１電極１４２、及び第２電極１４３に連結された正（＋）の端子と共通電極１４１に連結された負（−）の端子を含む。これを介して、差動増幅器１４６は共通電極１４１と第１電極１４２によって形成されたキャパシタンスと、共通電極１４１と第２電極１４２によって形成されたキャパシタンス間の差の値を出力する。言い換えると、第１電極１４２を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）と第２電極１４３を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）間の差を差動増幅して出力する。

一方、磁場が印加された状態で差動増幅器１４６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定する場合、可変抵抗１４５の抵抗値を制御する抵抗制御信号ＲＣＴＬ３１、ＲＣＴＬ３２または可変素子１４５（または、可変抵抗素子１４５１、１４５２）が有する抵抗値の検出（必要に応じては、抵抗値を検出する検出器を含んでもよい）に基づいて磁場を測定してもよい。

図１、図３、図５及び図６では可変抵抗（または、可変抵抗素子）の使用を記載しているが、可変抵抗の代わりに可変コンデンサ（または、可変コンデンサ素子）が使用されてもよい。

図６は、本発明の他の実施例による磁場測定装置を例示的に示す図である。

図６を参照すると、磁場測定装置２００は第１磁場センサ２１０、第ｎ磁場センサ２１ｎ、及び信号処理器２５０を含む。磁場測定装置２００は一つの信号処理器２５０にアレイ状で複数個の磁場センサ２１０、…、２１ｎが配列される。

この際、磁場センサ２１０、…、２１ｎは図１に示した磁場センサ１１０と類似した構造を例示的に示しているが、図３乃至図５に示した構造を有してもよい。

また、信号処理器２５０は磁場センサ２１０、…、２１ｎを介して受信された信号処理を介して磁場を測定する。信号処理器２５０は利得補償器２５１、メモリ２５２、制御器２５３及びディスプレー機器２５４を含む。

ここで、信号処理器の全般的な動作は図１で示した信号処理器１５０と類似しているため、信号処理器１５０の動作を参照する。

但し、ここで利得補償器１５２は磁場センサ２１０、…、２１ｎの信号を受信する。よって、制御器２５３は磁場センサ２１０、…、２１ｎそれぞれに対する磁場の大きさを獲得し、獲得された磁場の大きさをディスプレー機器２５４に出力する。

これを介して、磁場測定装置２００を活用すると、磁場センサ２１０、…、２１ｎを多様な地点に位置させて特定な領域または地域内の磁場の変化を測定してもよい。

一方、本発明で提案された磁場測定装置は平衡状態に至った磁場の変換に基づいて差動増幅器を介して出力されるキャパシタンス（つまり、２つのキャパシタンスの差の値）と抵抗値（または、抵抗制御信号）のうち少なくとも一つから磁場を測定してもよい。

本発明で提案された磁場測定装置は、共通電極を基準に磁性物質と非磁性物質を含む電極で構成された一つのセンサで直流磁場と交流磁場を全て測定することができる。そして、磁場測定装置は交流磁場を測定する場合、メガヘルツ帯域までの広い周波数範囲を測定することができる。これを介して、提案された磁場測定装置は直流磁場だけでなく交流磁場の測定にも活用される。また、提案された磁場測定装置は温度、湿度のような環境的影響に対する補正を必要としない構造を有することで、環境的影響を最小化して磁場を測定することができる。

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で様々な変形が可能であることはもちろんである。よって、本発明の範囲は上述した実施例に限って決められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この発明の特許請求の範囲と均等なものによって決められるべきである。

本発明は磁場測定システムに関するものであって、直流と広い周波数領域の交流磁場を測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置を提供することができる。

本発明は磁場センサ測定システムに関するものであって、直流と広い周波数領域の交流磁場を測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置に関するものである。

磁場は、直流磁場と交流磁場に区分される。大部分の磁場センサは直流から数百ヘルツ（Ｈｚ）までの交流磁場を測定することができる。しかし、交流磁場を測定する磁場センサの場合、直流磁場を測定することが難しい。また、交流磁場を測定する場合、数十キロヘルツ（ｋＨｚ）から数メガヘルツ（ＭＨｚ）までの交流磁場を測定するためには周波数帯域に応じて異なる種類の磁場センサを利用すべきである。

このように、磁場の測定、つまり直流と交流磁場を測定するためには様々な他の装備とセンサを使用すべきであり、広い周波数帯域の範囲内で磁場を測定するためには更に多い装備とセンサを必要とする問題点があった。

本発明の目的は、広い周波数帯域の範囲内で直流と交流磁場を全て測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、温度のような環境的な影響を減少して磁場を測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置を提供することにある。

本発明による磁場センサは、磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、前記第１電極と第２電極に一端が連結され、前記共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器、前記第１電極と前記電源供給器の間の抵抗値と前記第２電極と前記電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗、及び正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場の印加によって前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極にしよって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

この実施例において、前記第１電極と共通電極が一つの電気容量センサを形成し、前記第２電極と前記共通電極が他の一つの電気容量センサを形成する。

この実施例において、前記可変抵抗は前記第１電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第１可変抵抗素子、及び前記第２電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第２可変抵抗素子のうち少なくとも一つを含む。

この実施例において、前記第１可変抵抗素子と前記第２可変抵抗素子は抵抗制御信号に応答して前記差の値をゼロ（０）または最小値に調節する抵抗変化値を出力する。

この実施例において、前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極をゼロガウスチャンバーの内部に含ませて前記磁場を測定するための平衡状態を測定し、前記平衡状態による磁場の変化を基準に印加される磁場によって前記差の値を出力し、前記平衡状態は前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極から形成された前記差の値をゼロまたは最小値になるように設定した状態である。

この実施例において、前記磁場は前記第１電極と前記第２電極の表面を基準に垂直な方向に印加される。

本発明による磁場測定装置は、磁場の変化によるキャパシタンスを測定する少なくとも一つの磁場センサ、及び前記キャパシタンスを受信し、前記キャパシタンスに基づいて前記磁場を測定する信号処理器を含み、前記少なくとも一つの磁場センサそれぞれは磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、前記第１電極と第２電極に一端が連結され、前記共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器と、前記第１電極と前記電源供給器の間の抵抗値と前記第２電極と前記電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗、及び正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

この実施例において、前記信号処理器は前記差の値を受信し、受信された差の値の利得を補償する利得補償器、前記差の値に対応する磁場の大きさが貯蔵された磁場測定テーブルを貯蔵するメモリ、前記利得が補償された差の値に対応する磁場の強度を前記磁場測定テーブルに基づいて獲得し、前記獲得された磁場の強度を出力する制御器、及び前記出力される磁場の大きさをディスプレーするディスプレー部を含む。

この実施例において、前記制御器は前記可変抵抗の抵抗値を前記差の値をゼロまたは最小になるように制御する抵抗制御信号を出力すると、前記抵抗制御信号と、前記抵抗制御信号に応じて制御される抵抗値のうち一つに基づいて前記磁場を測定する。

この実施例において、前記第１電極と前記共通電極が一つの電気容量センサを形成し、前記第２電極と前記共通電極が他の一つの電気容量センサを形成する。

この実施例において、前記可変抵抗は前記第１電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第１可変抵抗素子、及び前記第２電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第２可変抵抗素子のうち少なくとも一つを含む。

この実施例において、前記第１可変抵抗素子と前記第２可変抵抗素子は抵抗制御信号に応答して前記磁場を測定するために前記差の値をゼロ（０）または最小値に調節する抵抗変化値を出力する。

この実施例において、前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極をゼロガウスチャンバーの内部に含ませて前記磁場を測定するための平衡状態を測定し、前記平衡状態による前記磁場の変化を基準に印加される磁場によって前記差の値を出力するが、前記平衡状態は前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極から形成された前記差の値をゼロまたは最小値になるように設定された状態である。

この実施例において、前記磁場は前記第１電極と前記第２電極の表面を基準に垂直な方向に印加される。

本発明による磁場センサは、磁性物質を少なくとも一部含む第１電極、非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極、前記第１電極と前記共通電極に連結されて測定しようとする周波数帯域の第１電源を供給する第１電源供給器、前記第２電極と前記共通電極に連結されて測定しようとする周波数帯域の第２電源を供給する第２電源供給器、及び正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器を含む。

本発明の磁場センサは、磁場の印加による磁性物質と非磁性物質を含む電極らそれぞれから形成された容量（つまり、キャパシタンス）を利用して磁場を測定することで、広い周波数帯域の範囲内で他の装備または他のセンサを追加することなく直流と交流磁場を全て測定することができる。また、非磁性電極と磁性電極が共に温度、湿度のような同じ外部環境的影響を受けることで、外部環境による変化は２つの電極が同じであるため、非磁性物質を介して形成されたキャパシタンスを基準に磁場を測定することで外部環境的影響による補正を行わなくても磁場を測定することができる。

本発明による磁場測定装置を例示的に示す図である。 図１に示した電極に対して磁場の印加による間隔の変化を例示的に示す図である。 本発明の他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。 本発明のまた他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。 本発明の更に他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。 本発明の他の実施例による磁場測定装置を例示的に示す図である。

本発明を実施するための最善の形態を示す図面は図１である。

以下、本発明による好ましい実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。下記説明では本発明による動作を理解するのに必要な部分のみが説明され、その他の部分の説明は本発明の要旨を不明確にさせないようにするために省略されることを留意すべきである。

本発明は磁場を測定するために磁性物質を含む電極と非磁性物質を含む電極を利用して形成された２つの電気容量（例えば、キャパシタンス）間の差の値を利用して磁場を測定する磁場センサと、このような磁場センサを含む磁場測定装置を提供する。

図１は、本発明による磁場測定装置を例示的に示す図である。

図１を参照すると、磁場測定装置１００は磁場センサ１１０と信号処理器１５０を含む。

磁場センサ１１０は磁場の印加によって発生する電気容量（つまり、キャパシタンス）を出力する。磁場センサ１１０は電極１１１、１１２、１１３、電源供給器１１４、可変抵抗１１５、及び差動増幅器１１６を含む。

電極１１１、１１２、１１３は磁場の印加によるキャパシタンスを形成するために共通電極１１１を基準に第１電極１１２と第２電極１１３が両側に位置する。この際、第１電極１１２は少なくとも一部に磁性物質を含む。このために、第１電極１１２が全て磁性物質で形成されてもよい。また、第１電極１１２が非磁性物質で構成されると、第１電極１１２の一側面または両側面にコーティングなどの形態で磁性物質が結合されてもよい。

これとは異なって、第２電極１１３は少なくとも一部に非磁性物質を含む。このために、第２電極１１３が非磁性物質で形成されるか、非磁性物質が第２電極１１３の一側面または両側面にコーティングなどの形態で非磁性物質が結合される。

ここで、第１電極１１２が磁性物質を含み、第２電極１１３が非磁性物質を含むことを例示的に説明したが、これとは逆に第１電極１１２が少なくとも一部に非磁性物質を含み、第２電極１１３が少なくとも一部に磁性物質を含むように構成されてもよい。

一方、磁場が印加されると、共通電極１１１と第１電極１１２との間にキャパシタンスが形成され、共通電極１１１と第２電極１１３との間にキャパシタンスが形成される。この際、磁場は平板状の電極１１１、１１２、１１３に垂直な方向から印加されてもよく、第１方向１１と第２方向１２のうち少なくとも一つの方向から前記磁場センサ１１０の外部から磁場が印加されてもよい。

電源供給器１１４の一端は第１電極１１２に第１可変抵抗素子１１５１を介して連結され、第２電極１１３に第２可変抵抗素子１１５２を介して連結される。電源供給器１１４の他の一端は共通電極１１１に連結されて電源を供給する。電源供給器１１４は測定しようとする周波数帯域の電源を供給するが、このために、電源供給器１１４は周波数発生器を含むか周波数発生器の機能を有してもよい。

可変抵抗１１５は第１電極１１２と電源供給器１１４との間の抵抗値と第２電極１１３と電源供給器１１４との間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する。このために、可変抵抗１１５は第１可変抵抗素子１１５１と第２可変抵抗素子１１５２のうち少なくとも一つを含む。

第１可変抵抗素子１１５１は一端が第１電極１１２と差動増幅器１１６の接点に連結され、他の一端は電源供給器１１４の端子（例えば、正（＋）の端子）に連結される。

第２可変抵抗素子１１５２は一端が第２電極１１３と差動増幅器１１６の接点に連結され、他の一端は電源供給器１１４の端子（例えば、正（＋）の端子）に連結される。

図１では、可変抵抗素子１１５１、１１５２が第１電極１１２と電源供給器１１４との間（第１電極１１２側）と第２電極１１３と電源供給器１１４との間（第２電極１１３側）のそれぞれに位置することを例示的に説明したが、第１電極１１２側と第２電極１１３側のうち一つにのみ可変抵抗が位置してもよい。

この際、可変抵抗素子１１５１、１１５２を、制御器１５３などを介して出力される抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２を利用して制御してもよく、磁場を測定する前（一例として、初期状態）に差動増幅器１１７を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定してもよい。差動増幅器１１６は第１電極１１２に連結された正（＋）の端子と第２電極１１３に連結された負（−）の端子を含む。これを介して、差動増幅器１１６は共通電極１１１と第１電極１１２によって形成されたキャパシタンスと、差動増幅器１１１と第２電極１１３によって形成されたキャパシタンス間の差の値を出力する。言い換えると、第１電極１１２によって形成されたキャパシタンス（自己容量）と第２電極１１３を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）間の差を差動増幅して出力する。

一方、磁場が印加された状態で差動増幅器１１６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定する場合、可変抵抗１１５の抵抗値を制御する抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２または可変抵抗１１５（または、可変抵抗素子１１５１、１１５２）が有する抵抗値の検出（必要に応じては抵抗値を検出する検出器を含んでもよい）に基づいて磁場を測定してもよい。

信号処理器１５０は磁場センサ１１０を介して受信された信号処理を介して磁場を測定する。信号処理器１５０は利得補償器１５１、メモリ１５２、制御器１５３及びディスプレー機器１５４を含む。

利得補償器１５１は差動増幅器１１６を介して出力された信号を、増幅して利得（ｇａｉｎ）を補償する。利得補償器１５１は利得が補償された信号を制御器１５３に出力する。

メモリ１５２は信号処理器１５０の動作のための動作プログラムまたは信号処理器１５０の動作中に発生するデータを制御器１５３の制御によって貯蔵するか、貯蔵されたデータを制御器１５３に提供する。また、メモリ１５２は磁場センサ１１０を介して出力された信号、つまりキャパシタンスに対応する磁場値が貯蔵された磁場測定テーブルを貯蔵する。

制御器１５３は利得が補償された信号、つまりキャパシタンスに対応する磁場の大きさを獲得する。このために、制御器１５３はメモリ１５２に貯蔵されたデータ、つまり磁場測定テーブルを利用してもよく、メモリ１５２を含む形態で具現してもよい。制御器１５３は受信された信号に基づいて測定された磁場の大きさをディスプレー機器１５４に出力する。また、制御器１５３は磁場が印加される前に差動増幅器１１６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小になるように可変抵抗素子１１５１、１１５２を制御する抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２を出力する。

一方、制御器１５３が可変抵抗素子１１５１、１１５２の抵抗値を利用して磁場を測定する場合、制御器１５３は磁場が印加された後、差動増幅器１１６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小になるように可変抵抗素子１１５１、１１５２を制御する抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２を出力してもよい。次に、制御器は差動増幅器の出力がゼロ（０）または最小になる時点に抵抗制御信号ＲＣＴＬ１１、ＲＣＴＬ１２または可変抵抗１１５（または、可変抵抗素子１１５１、１１５２）が有する抵抗値の検出に基づいて磁場を測定してもよい。

ディスプレー機器１５４は受信された磁場の大きさを、画面を介して出力する。

このように、本発明で提案された磁場センサ１１０は磁性物質と非磁性物質をそれぞれ含む電極１１２，１１３と、電極１１２，１１３の間に位置する共通電極１１１で形成された２つの電気容量センサを形成する。これを介して、磁場センサ１１０はキャパシタンスを形成する２つの電気容量センサが結合された構造を利用するため、磁場センサ１１０は直流磁場だけでなく、一例としてメガヘルツ帯域の高い周波数範囲までの交流磁場を全て測定することができる。

また、２つの電気容量センサのうち磁性物質を含む第１電極１１２によって形成されたキャパシタンスと非磁性物質を含む第２電極１１３によって形成されたキャパシタンスを同時に利用して磁場の大きさを測定する。このように、磁場の測定にキャパシタンスを利用することで、広い周波数帯域の範囲内で他の装備または他のセンサを追加することなく直流と交流磁場を全て測定することができる。

また、磁性電極（一例として、第１電極１１２）と非磁性電極（一例として、第２電極１１３）は温度、湿度のような同じ外部環境的影響を受けるため、外部環境による変化は２つの電極共に同じく適用される。よって、２つの電極を介して形成されたキャパシタンスを利用して磁場の大きさを測定することで、外部環境的影響による補正を行わずに磁場を測定することができる。これを介して、測定された磁場の大きさに対して外部環境的要因による補正を必要としなくなる。

図２は、本発明による磁場の印加による電極の間隔の変化を例示的に示す図である。

図２を参照すると、左側には磁場が印加される際の電極１１１、１１２、１１３が示され、右側には第１方向１１に磁場が印加される際の電極１１１、１１２、１１３が示される。

第１方向１１に磁場が印加されると、磁性物質を含む第１電極１１２は磁場の大きさに比例して共通電極１１１との間隔が左側のｄ１からｄ１’に変化する。この際、電極１１１、１１２間の間隔の変化に応じて電気容量、つまりキャパシタンスの大きさも変化する。これとは異なって、非磁性物質を含む第２電極１１３は共通電極１１１との間隔がｄ２から変化せず、電気容量、つまりキャパシタンスの値も変化しない。非磁性物質は磁場による影響を受けない物質であるため、磁場によって第２電極１１３によるキャパシタンス値が変化しない。よって、２つのキャパシタンス間の差を同時に測定すると、磁場によって変化した電気容量の大きさを測定することができる。

大部分の磁場を測定するセンサは温度、湿度のような周辺環境の変化に敏感に反応するため、このような変化による補正を行うことで正確な磁場の大きさを測定することができる。しかし、本発明で提案した磁場センサ１１０は２つの電気容量センサ（第１電極１１２と共通電極１１１によって形成された第１電気容量センサと第２電極１１３と共通電極１１１によって形成された第２電気容量センサ）が一つのセンサを形成することによって相対的な電気容量を測定（第２電気容量センサは第１電気容量センサと同じ環境的影響を受ける）することで、環境的要因（一例として、温度、湿度など）による変化量による補正手順を必要としない。つまり、２つの電気容量センサ間の間隔変化（環境的要因は２つの電気容量センサ全てに同じく反映される）の差を利用することで、環境的要因による影響に対する別途の補正手順を必要としない。

図３は、本発明の他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。

図３を参照すると、磁場センサ１２０は電極１２１、１２２、１２３、電源供給器１２４、可変抵抗１２５、及び差動増幅器１２６を含む。この際、磁場センサ１２０は図１に示した磁場センサ１１０の代わりに信号処理器１５０に連結される。ここで、磁場センサ１２０の全般的な構造に関する説明は、チャンバー２０の利用を除けば図１の磁場センサ１１０と類似しているため、図１の磁場センサ１１０の説明を参照する。

磁場センサ１２０の電極１２１、１２２、１２３はチャンバー、一例として、ゼロ（０）ガウスチャンバー（Ｚｅｒｏ−Ｇａｕｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ）２０内に位置するようにする。ここで、ゼロガウスチャンバー２０の使用は説明の便宜上のものであって、ゼロガウスチャンバー２０以外の他の形態のチャンバーが、外部環境的要因による影響なしに電極１２１、１２２、１２３の平衡状態（ｎｕｌｌ ｂａｌａｎｃｅ）を測定するために使用されてもよい。

これを介して、ゼロガウスチャンバー２０の内部で電極１２１、１２２、１２３の平衡状態を測定することができる。このために、図１の信号処理器１５０の制御などを介して測定しようとする周波数の電源を印加し、電極１２１、１２２、１１３をゼロガウスチャンバー２０内に位置した状態で電極１２１、１２２、１２３を平衡状態（つまり、ゼロガウスチャンバー２０内の電極１２１、１２２、１２３の出力をゼロに設定（または最小に設定））になるようにする。次に、ゼロガウスチャンバー２０が存在しない状態で、電極１２１、１２２、１２３を介して印加される磁場の大きさを測定する。

また、磁場センサ１２０はゼロガウスチャンバー２０を使用する際、可変抵抗１２５を含む。この際、可変抵抗１２５に含まれた可変抵抗素子１２５１、１２５２は図１のように少なくとも一つを含む。このため、可変抵抗１２５は第１可変抵抗素子１２５１のみを含むか、第２可変抵抗１２５２のみを含むか、または第１可変抵抗素子１２５１及び第２可変抵抗素子１２５２を全て含んでもよい。

次に、必要に応じて制御器１５３から抵抗制御信号または可変抵抗素子のゼロガウスチャンバー２０が存在しない状態、つまりゼロガウスチャンバー２０の外部から可変抵抗素子１２５１、１２５２を使用して出力がゼロまたは最小になるように設定する。

このような、磁場センサ１２０を利用した磁場測定装置は磁場の印加による可変抵抗素子１２５１、１２５２の抵抗値を調節することで出力をゼロまたは最小になるように設定する抵抗制御信号ＲＣＴＬ２１、ＲＣＴＬ２２（制御器１５３などから出力）、または可変抵抗素子１２５１、１２５２の抵抗値から磁場の大きさを測定してもよい。

図４を参照すると、磁場センサ１３０は電極１３１、１３２、１３３、電源供給器１３４、１３５及び差動増幅器１３６を含む。ここでも、磁場センサ１３０は図１の信号処理器１５０に連結されてもよい。

電極１３１、１３２、１３３の全般的な説明は図１で説明された電極１１１、１１２、１１３と類似しているため、図１の説明を参照する。

第１電極１３２は差動増幅器１３６の正（＋）の端子に連結され、第２電極１３３は差動増幅器１３６の負（−）の端子に連結される。また、共通電極１３１は接地端に連結、つまり接地される。

電源供給器１３４、１３５は電極１３１、１３２、１３３に電源を供給し、測定しようとする周波数帯域の電源を供給する。このために、電源供給器１３４、１３５は周波数発生器を含むか周波数発生器の機能を有する。

第１電源供給器１３４の一端が第１電極１３２に連結され、他の一端は共通電極１３１に連結される。

第２電源供給器１３５の一端が第２電極１３３に連結され、他の一端は共通電極１３１に連結される。これを介して、第１電源供給器１３４と第２電源供給器１３５間の接点が共通電極１３１に連結される。

電源供給器１３４、１３５は一つの電源ソースから分岐されて供給される電源であってもよいが、独立的に供給される電源であってもよい。

差動増幅器１３６は第１電極１３２に連結された正（＋）の端子と第２電極１３３に連結された負（−）の端子を含む。これを介して、差動増幅器１３６は共通電極１３１と第１電極１３２によって形成されたキャパシタンスと、共通電極１３１と第２電極１３２によって形成されたキャパシタンス間の差の値を出力する。言い換えると、第１電極１３２を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）と第２電極１３３を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）間の差を差動増幅して出力する。

図４では詳細に説明していないが、磁場センサ１３０は可変抵抗（または可変抵抗素子）と必要に応じて追加的な抵抗（または、抵抗素子）を含む。この際、可変抵抗素子の制御などを介して磁場を測定する前の初期状態設定（差動増幅器１３６の出力をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）に設定）するなどのような動作を行ってもよい。

図５は、本発明の更に他の実施例による磁場センサを例示的に示す図である。

図５を参照すると、磁場センサ１４０は電極１４１、１４２、１４３、電源供給器１４４、可変抵抗１４５及び差動増幅器１４６を含む。ここでも、磁場センサ１４０は図１の信号処理器１５０に連結されてもよい。

電極１４１、１４２、１４３の全般的な説明は図１で説明された電極１１１、１１２、１１３と類似しているため、図１の説明を参照する。

電源供給器１４４の一端は第１電極１４２と連結され、他の一端は第２電極１４３に連結されて電源を供給する。共通電極１４１は、差動増幅器１４６と接続されている。

電源供給器１４４は測定しようとする周波数帯域の電源を供給するが、このために、電源供給器１４４は周波数発生器を含むか周波数発生器の機能を有する。

可変抵抗１４５は第１電極１４２と差動増幅器１４６の間の抵抗値と第２電極１４３と差動増幅器１４６間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する。このために、可変抵抗１４５は第１可変抵抗素子１４５１と第２可変抵抗素子１４５２のうち少なくとも一つを含む。

第１可変抵抗素子１４５１は一端が第１電極１４２に連結され、他の一端は差動増幅器１４６の正（＋）の端子に連結される。

第２可変抵抗素子１４５２は一端が第２電極１４３に連結され、他の一端は差動増幅器１４６の正（＋）の端子と第１可変抵抗素子１４５１との間の接点に連結される。

図４では、可変抵抗素子１４５１、１４５２が第１電極１４２と差動増幅器１４６との間（第１電極１４２側）と第２電極１４３と差動増幅器１４６との間（第２電極１４３側）のそれぞれに位置することを例示的に説明したが、第１電極１４２側と第２電極１４３側のうち一つのみに可変抵抗が位置してもよい。

この際、可変抵抗素子１４５１、１４５２を図１の制御器１５３などを介して出力される抵抗制御信号ＲＣＴＬ３１、ＲＣＴＬ３２を利用して制御してもよく、磁場を測定する前に差動増幅器１４６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定してもよい。

差動増幅器１４６は第１電極１４２、及び第２電極１４３に連結された正（＋）の端子と共通電極１４１に連結された負（−）の端子を含む。これを介して、差動増幅器１４６は共通電極１４１と第１電極１４２によって形成されたキャパシタンスと、共通電極１４１と第２電極１４２によって形成されたキャパシタンス間の差の値を出力する。言い換えると、第１電極１４２を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）と第２電極１４３を介して形成されたキャパシタンス（自己容量）間の差を差動増幅して出力する。

一方、磁場が印加された状態で差動増幅器１４６を介して出力される差の値をゼロ（０）または最小（つまり、０に近接するように）になるように設定する場合、可変抵抗１４５の抵抗値を制御する抵抗制御信号ＲＣＴＬ３１、ＲＣＴＬ３２または可変素子１４５（または、可変抵抗素子１４５１、１４５２）が有する抵抗値の検出（必要に応じては、抵抗値を検出する検出器を含んでもよい）に基づいて磁場を測定してもよい。

図１、図３、図５及び図６では可変抵抗（または、可変抵抗素子）の使用を記載しているが、可変抵抗の代わりに可変コンデンサ（または、可変コンデンサ素子）が使用されてもよい。

図６は、本発明の他の実施例による磁場測定装置を例示的に示す図である。

図６を参照すると、磁場測定装置２００は第１磁場センサ２１０、第ｎ磁場センサ２１ｎ、及び信号処理器２５０を含む。磁場測定装置２００は一つの信号処理器２５０にアレイ状で複数個の磁場センサ２１０、…、２１ｎが配列される。

この際、磁場センサ２１０、…、２１ｎは図１に示した磁場センサ１１０と類似した構造を例示的に示しているが、図３乃至図５に示した構造を有してもよい。

また、信号処理器２５０は磁場センサ２１０、…、２１ｎを介して受信された信号処理を介して磁場を測定する。信号処理器２５０は利得補償器２５１、メモリ２５２、制御器２５３及びディスプレー機器２５４を含む。

ここで、信号処理器の全般的な動作は図１で示した信号処理器１５０と類似しているため、信号処理器１５０の動作を参照する。

但し、ここで利得補償器２５１は磁場センサ２１０、…、２１ｎの信号を受信する。よって、制御器２５３は磁場センサ２１０、…、２１ｎそれぞれに対する磁場の大きさを獲得し、獲得された磁場の大きさをディスプレー機器２５４に出力する。

これを介して、磁場測定装置２００を活用すると、磁場センサ２１０、…、２１ｎを多様な地点に位置させて特定な領域または地域内の磁場の変化を測定してもよい。

一方、本発明で提案された磁場測定装置は平衡状態に至った磁場の変換に基づいて差動増幅器を介して出力されるキャパシタンス（つまり、２つのキャパシタンスの差の値）と抵抗値（または、抵抗制御信号）のうち少なくとも一つから磁場を測定してもよい。

本発明で提案された磁場測定装置は、共通電極を基準に磁性物質と非磁性物質を含む電極で構成された一つのセンサで直流磁場と交流磁場を全て測定することができる。そして、磁場測定装置は交流磁場を測定する場合、メガヘルツ帯域までの広い周波数範囲を測定することができる。これを介して、提案された磁場測定装置は直流磁場だけでなく交流磁場の測定にも活用される。また、提案された磁場測定装置は温度、湿度のような環境的影響に対する補正を必要としない構造を有することで、環境的影響を最小化して磁場を測定することができる。

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で様々な変形が可能であることはもちろんである。よって、本発明の範囲は上述した実施例に限って決められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この発明の特許請求の範囲と均等なものによって決められるべきである。

本発明は磁場測定システムに関するものであって、直流と広い周波数領域の交流磁場を測定することができる磁場センサ及び磁場測定装置を提供することができる。

Claims (15)

1. 磁性物質を少なくとも一部含む第１電極と、
   非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極と、
   前記第１電極と第２電極に一端が連結され、前記共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器と、
   前記第１電極と前記電源供給器の間の抵抗値と前記第２電極と前記電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗と、
   正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器と、を含む磁場センサ。
2. 前記第１電極と共通電極が一つの電気容量センサを形成し、前記第２電極と前記共通電極が他の一つの電気容量センサ形成する請求項１に記載の磁場センサ。
3. 前記可変抵抗は、
   前記第１電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第１可変抵抗素子と、
   前記第２電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第２可変抵抗素子と、のうち少なくとも一つを含む請求項１に記載の磁場センサ。
4. 前記第１可変抵抗素子と前記第２可変抵抗素子は抵抗制御信号に応答して前記差の値をゼロ（０）または最小値に調節する抵抗変化値を出力する請求項３に記載の磁場センサ。
5. 前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極をゼロガウスチェンバーの内部に含ませて磁場を測定するための平衡状態を測定し、前記平衡状態による磁場の変化を基準に印加される磁場によって前記差の値を出力し、
   前記平衡状態は前記第１電極、前記第２電極及び前記共通電極から形成された前記差の値をゼロまたは最小値になるように設定した状態である請求項１に記載の磁場センサ。
6. 前記磁場は前記第１電極と前記第２電極の表面を基準に垂直な方向に印加される請求項１に記載の磁場センサ。
7. 磁場の変化によるキャパシタンスを測定する少なくとも一つの磁場センサと、
   前記キャパシタンスを受信し、前記キャパシタンスに基づいて前記磁場を測定する信号処理器と、を含み、
   前記少なくとも一つの磁場センサそれぞれは、
   磁性物質を少なくとも一部含む第１電極と、
   非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極と、
   前記第１電極と第２電極に一端が連結され、前記共通電極に他の一端が連結されて測定しようとする周波数帯域の電源を供給する電源供給器と、
   前記第１電極と前記電源供給器の間の抵抗値と前記第２電極と前記電源供給器の間の抵抗値のうち少なくとも一つの抵抗値を制御する可変抵抗と、
   正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器と、を含む磁場測定装置。
8. 前記信号処理器は、
   前記差の値を受信し、受信された差の値の利得を補償する利得補償器と、
   前記差の値に対応する磁場の大きさが貯蔵された磁場測定テーブルを貯蔵するメモリと、
   前記利得が補償された差の値に対応する磁場の強度を前記磁場測定テーブルに基づいて獲得し、前記獲得された磁場の強度を出力する制御器と、
   前記出力される磁場の大きさをディスプレーするディスプレー部と、を含む請求項７に記載の磁場測定装置。
9. 前記制御器は、
   前記可変抵抗の抵抗値を前記差の値をゼロまたは最小になるように制御する抵抗制御信号を出力すると、前記抵抗制御信号と、前記抵抗制御信号に応じて制御される抵抗値のうち一つに基づいて前記磁場を測定する請求項８に記載の磁場測定装置。
10. 前記第１電極と前記共通電極が一つの電気容量センサを形成し、前記第２電極と前記共通電極が他の一つの電気容量センサを形成する請求項７に記載の磁場測定装置。
11. 前記可変抵抗は、
    前記第１電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第１可変抵抗素子と、
    前記第２電極と前記電源供給器との間に位置して抵抗値を制御する第２可変抵抗素子と、のうち少なくとも一つを含む請求項７に記載の磁場測定装置。
12. 前記第１可変抵抗素子と前記第２可変抵抗素子は抵抗制御信号に応答して前記磁場の測定のために前記差の値をゼロ（０）または最小値に調節する抵抗変化値を出力する請求項１１に記載の磁場測定装置。
13. 前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極をゼロガウスチェンバーの内部に含ませて前記磁場を測定するための平衡状態を測定し、前記平衡状態による前記磁場の変化を基準に印加される磁場によって前記差の値を出力し、
    前記平衡状態は前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極から形成された前記差の値をゼロまたは最小値になるように設定された状態である請求項７に記載の磁場測定装置。
14. 前記磁場は前記第１電極と前記第２電極の表面を基準に垂直な方向に印加される請求項７に記載の磁場測定装置。
15. 磁性物質を少なくとも一部含む第１電極と、
    非磁性物質を少なくとも一部含む第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、接地端に連結された共通電極と、
    前記第１電極と前記共通電極に連結されて測定しようとする周波数帯域の第１電源を供給する第１電源供給器と、
    前記第２電極と前記共通電極に連結されて測定しようとする周波数帯域の第２電源を供給する第２電源供給器と、
    正の端子を介して前記第１電極に連結され、負の端子を介して前記第２電極に連結されて外部から磁場を印加されることで前記第１電極によって形成された第１キャパシタンスと前記第２電極によって形成された第２キャパシタンス間の差の値を出力する差動増幅器と、を含む磁場センサ。
    

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