JP4287735B2 - フラックスゲート磁力計の計測装置 - Google Patents

Description

本発明はフラックスゲート磁力計の計測装置に関するものである。

フラックスゲート磁力計は、磁気センサーを構成する軟磁性材料製コアの飽和磁束密度の対称性を利用して磁束密度を計測するものとして知られている。この磁気センサーとしては、例えば図５に示すように、リングコア型のものが提案されており、リング形状に形成された軟磁性材料製のコア３を励磁する励磁コイル４と、該コア３に誘起する磁束密度の変化を検出する検出コイル６とを有している。そして、図２に示す計測装置（詳細については実施の形態の説明において述べる）１６の励磁回路７から前記励磁コイル４へ励磁電圧を印加することにより前記コア３を飽和領域まで交番磁界で励磁し、コア３に誘起する磁束密度の変化を前記検出コイル６から検出する。なお、図５において、磁気センサー１は、リングコア３を非磁性材からなる筺体２内に収納した構成としている。

前記コア３に励磁磁界以外の磁界が印加されていない状態では、誘起する磁束密度も対称であり、前記検出コイル６には、励磁波の奇数時高調波しか発生しない。ここで、前記コア３にセンサー外部から磁界が印加されると、励磁磁界に該外部磁界が加算されるため、等価的に該コア３に加わる磁界に偏りが生じて磁束密度の変化が非対称となり、前記検出コイル６に偶数時高調波が発生する。

フラックスゲート磁力計は、この偶数時高調波を検出することにより磁界を計測する。

すなわち、高透磁率を備えた物質は、非直線的磁気特性を有しており、図６（ａ）に示すヒステリシス（履歴曲線：Ｂ−Ｈカーブ）を有するとした場合、前記励磁コイル４に図６（ｂ）に示す１/Ｔとなる周波数でコアが十分に飽和する磁界Ｈ_Ｄで励振させると、コアは±Ｈ_Ｃで飽和し、誘導磁束Ｂは±Ｂ_Ｓとなる。

このコア３に二次コイル（検知コイル）を巻回し、該検知コイルから見た磁束は図６（ｃ）に示すように、±Ｂ_Ｓで飽和値となった波形となる。

そして、検知コイルに誘起される出力信号は、磁束の時間変化（dB_R/dt）であって、図６（ｄ）に示すように、±Ｂ_Ｓでパルスの開閉が行われる。

ここで、図６（ｂ）に示す状態で、外部磁場ΔＨがなければ、図６（ｃ）に示す波形は、Ｂ＝０に対して正負の波形は対称となり、図６（ｄ）における正負側のパルス出力周期が等しくなる。

これに対し、外部磁場ΔＨが存在すると、ΔＨ＋Ｈcosωtによって生じる誘導磁場は、図６（ｂ）で励振する零点がずれるため、図６（ｃ）に示すように、出力パルスの正側から負側までの時間がＴ/２（50％デューティ）でなくなる。

コアを構成する磁気検出材料としてパーマロイが用いられ、コアの形状としては、図５に示すリングコアを用いた磁気センサーにあっては、励磁電力が小さく、大きな出力が得られるという特性を有している。

上記したリングコアを用いた磁気センサーは雑音が小さいため高精度の測定が可能であるが、さらなる高精度の測定を行うには限界があった。

図６（ａ）に示す履歴曲線は理想的なものであり、実際には図７に示すように、磁界Ｈが飽和磁界に達し、これ以降の飽和磁界領域で誘導磁束の変化割合が緩やかになる。そして、この磁界Ｈが飽和磁界に達する点を原点（Ｈ＝０）として判別できることにより、図６（ｂ）に示すようにΔＨを求めることができるのである。

しかし、磁力の測定について更なる高精度化を図ろうとする場合、この履歴曲線に生じる僅かなノイズが大きく影響する。

本発明者はこのようなノイズの発生について検討した結果、以下のことを知見した。

フラックスゲート磁力計は、コアを構成する磁気検出材料に交番磁界を与え、その磁束密度の変化が計測磁界により非対称となる成分を検出することにより磁界を計測するものであるから、飽和領域における飽和磁界に不均一性が存在するとこれが上記した履歴曲線にノイズとして現れるのではないかと推測した。

そして、飽和磁界に不均一性が生じる要因について磁気検出材料中の磁石単位である磁区に着目した。磁気検出材料中の磁区の大きさは一様ではないため、交番磁界により各磁区が飽和して各磁区における磁軸の反転が不均一なため、飽和の仕方にも不均一性が生じる。

つまり、飽和領域では、各磁区の飽和がまちまちで、コアを構成する磁気検出材料の透磁率の変化にムラが生じるが、磁束密度は電流と透磁率の積に比例するため、この透磁率変化のムラが磁束密度の変化に揺らぎを生じさせ、磁力計出力のノイズ発生の要因となると考えられる。

このため、測定精度の高精度化に限界があった。

本願発明の目的は、このような従来の問題に鑑みなされたもので、更なる磁力測定の高精度化を磁気センサーのコアを励磁させる励磁回路の改良によって達成するフラックスゲート磁力計の測定装置を提供しようとするものである。

第１の発明は、請求項１に記載のように、磁気センサーの励磁コイルへ励磁電流を通電することにより該磁気センサーの磁気検出材料に交番磁界を与える励磁回路を有し、前記磁気センサーの検出コイルで検出した計測磁界を反映した磁束の非対称成分により誘起した高調波に基づいて磁界を計測するフラックスゲート磁力計の計測装置において、前記励磁回路は、前記磁気検出材料の磁気飽和領域における前記励磁電流を緩やかに増加変動させる電流変動抑制回路を有することを特徴とする。

第２の発明は、請求項２に記載のように、磁気センサーの励磁コイルへ励磁電流を通電することにより該磁気センサーの磁気検出材料に交番磁界を与える励磁回路を有し、前記磁気センサーの検出コイルで検出した計測磁界を反映した磁束の非対称成分により誘起した高調波に基づいて磁界を計測するフラックスゲート磁力計の計測装置において、前記励磁回路は、前記励磁電流を所定の電流値内に維持して出力すると共に、前記磁気検出材料の磁気飽和領域で増加変動する前記励磁電流が該所定の電流値に達するまでの時間を遅延させる電流変動抑制回路を有することを特徴とする。

第３の発明は、請求項３に記載のように、上記いずれかの発明で、前記電流変動抑制回路は、インダクタであることを特徴とする。

請求項１、２に係る発明によれば、前記励磁電流は前記磁気検出材料の磁気飽和領域で増加変動するが、この増加変動が急激に行われないため、磁気検出材料が完全に磁気飽和した状態で計測が行えるので、磁束密度変化に現れるムラ（揺らぎ）を抑え、磁力計の出力ノイズを低減化でき、計測精度を飛躍的に向上させることができた。

請求項３に係る発明によれば、電流変動抑制回路としてインダクタを用いるという簡単な構成で計測精度を飛躍的に向上させることができる。

図１および図２は本発明の実施の形態を示す。

図２は本発明によるフラックスゲート磁力計の測定装置及びノイズ測定系を示すブロック図、図１はフラックスゲート磁力計の測定装置における励磁回路のブロック図を示し、（ａ）は本発明による実施の形態の励磁回路、（ｂ）は従来の励磁回路を示す。また、磁気センサーとしては図５に示すリングコア型のものを使用している。

図２は、測定装置１６、およびこの測定装置１６にベクトルシグナルアナライザ１１を接続して構成したノイズレベル測定系を示す。

測定装置１６は、磁気センサー１の励磁コイル４に交番信号である励磁信号を印加する励磁回路７、検出コイル６からの検出信号を増幅する増幅器１２と、増幅器１２からの増幅した検出信号が入力される２次高調波増幅回路１８、位相検波器９、ローパスフィルター１３、フィードバック回路１０、励磁回路７と位相検波器９に励磁信号、位相信号を出力する励磁・位相信号発生回路１４、磁力計の電源を各回路などへ供給するＥＭＩフィルター１５などで構成されている。

励磁回路７から図６（ｂ）に示すような励磁信号が励磁コイル４に印加されると、リングコア３は磁界が発生して徐々に磁界が増す。そして、飽和磁界にＨ_Ｄに達すると、図７に示すように、飽和領域における誘導磁束Ｂの上昇角度が緩やかになる。検出コイル６からは前述したように、コア３に発生する磁束Ｂの非対称成分を電気信号として検出し増幅器１２に出力し、増幅器１２で増幅された検出信号は、２次高調波増幅回路８に出力される。

２次高調波増幅回路８では、検出コイル６で検出した計測磁界を反映した磁束の非対称成分により誘起した２次高調波を増幅する。２次高調波増幅回路８で増幅した計測磁界が交流の電気信号として抽出される。

位相検波器９は、２次高調波増幅回路８で増幅された２次高調波である交流電気信号化された計測磁界を検波して直流電気信号に変換するもので、計測磁界が直流の電圧信号に変換される。

そして、位相検波器９からの計測磁界を直流の電気信号に変換した信号がローパスフィルター（ＬＰＦ）１３を介してベクトルシグナルアナライザ１１に出力される。また、位相検波器９からの出力信号はフィードバック回路１０へ出力される。

フィードバック回路１０は、計測磁界を反映する直流電圧信号を電流に変換して検出コイルに６供給する。検出コイル６は、フィードバック回路１０からの電流により、計測磁界を打ち消す方向のフィードバック磁界をコア３に与える。すなわち、検出コイル６と、２次高調波増幅回路８と、位相検波器９と、フィードバック回路１０により、計測磁界は電気信号に変換され、帰還されるフィードバックループが構成される。このフィードバックループは、計測磁界とフィードバック磁界の差を増幅してこれを打ち消すように働くので、フィードバック磁界は計測磁界と等しく、これを作る電流は計測磁界に比例する。この電流を与える２次高調波増幅回路８が出力する直流電圧は、計測磁界と対応しているので、これを磁力計の出力として取り出すことにより、磁界が計測される。

励磁回路７の構成について、従来の回路構成と比較して本実施の形態の構成を説明する。

図１（ｂ）に示す従来の励磁回路は、励磁周波数基準信号を電力増幅器２１で増幅し、直流成分除去コンデンサ２２により電力増幅器２１の出力成分に含まれる直流成分を除去する。そして、電流制限抵抗２３により、励磁電流を電力増幅器２１の出力内に維持し、励磁コイル４に励磁信号として出力する。

これに対し、図１（ａ）に示す本実施の形態の励磁回路７は、図１（ｂ）に示す従来の励磁回路における電流制限抵抗２３の後に、電流変動制御回路５を設け、この電流変動制御回路５からの出力で励磁コイル４を励磁するようにしている。

電流変動制御回路５は、図７に示す飽和領域での励磁電流の上昇を緩やかにし、各磁区が飽和し終えるまで電流の上昇を遅らせる作用を有したもので、本実施の形態ではインダクタにより構成している。

図３は励磁回路７から出力される励磁電流の波形図を示す。図３の波形図は、横軸が時間、縦軸が励磁コイルに流れる励磁電流で、図中Ａの領域では励磁電流の増加に伴ってコア内の磁束密度が上昇し、飽和領域に入ると透磁率の減少に伴いインダクタンスが低下し、インピーダンスが下がるため励磁電流が上昇する。

一方、前述したように、コアを構成する磁気検出材料の磁区の大きさの不均一性により、大きな磁区は磁軸の反転が遅れ、小さな磁区は磁軸の反転が早く、飽和領域では透磁率の変化にムラが生じる。
図３（ｂ）は図２（ｂ）に示す従来構成の励磁回路による励磁電流の波形図で、飽和領域に達してから一定値に達するまでのカーブが急峻（角度θ１）な傾斜で上昇する。

このように、従来の励磁回路の構成では、飽和領域で励磁電流が急激に上昇するので、磁束密度は励磁電流と透磁率の積に比例することから磁束密度の変化に大きなムラが生じる、すなわち磁束密度の変動を冗長させ、出力ノイズを悪化させていると推定される。

これに対し、図３（ａ）は図２（ａ）に示す本実施の形態の励磁回路による励磁電流の波形図で、飽和領域に達してから一定値に達するまでのカーブが緩やか（角度θ２、θ１＞θ２）な傾斜で上昇し、従来構成の励磁回路での励磁と比較して遅れており、結果として各磁区が飽和し終えるまで電流の上昇が遅れることになる（励磁電流の増加変動を抑制する）。このため、磁束密度の変化の揺らぎ（ムラ）を抑制し、フラックスゲート磁力計の出力ノイズを低減し、計測限界を向上させることが可能になった。

図４は、出力ノイズを示す図で、（ａ）は図１（ａ）に示す本実施の形態による励磁回路を用いた場合の周波数対出力ノイズ密度、（ｂ）は図１（ｂ）に示す従来構成の励磁回路を用いた場合の周波数対出力ノイズ密度の関係を示す。この出力ノイズ密度は図２に示すベクトルシグナルアナライザ（アジレント・テクノロジー社製、Agilent Technology 89410A）により測定した。なお、磁力計感度は500pTmVに設定し、磁力計出力の周波数レスポンスは10Hzに設定した。

図４（ｂ）に示す従来構成の励磁回路を用いた場合には、周波数１Hzで出力ノイズ密度（pTrms/rtHz）が２０であったが、本実施の形態の励磁回路を用いた場合には、周波数１Hzで出力ノイズ密度（pTrms/rtHz）が０．３５と驚異的に低減された。

これにより、測定精度が飛躍的に向上し、従来では測定不可能であった範囲での磁力測定が可能となった。

フラックスゲート磁力計の計測装置を構成する励磁回路のブロック図を示し、（ａ）は本発明の実施の形態の回路構成を示し、（ｂ）は従来の回路構成を示す。 フラックスゲート磁力計の計測装置及びノイズ測定系の回路ブロック図。 （ａ）は図１（ａ）の励磁回路を用いた励磁電流の波形図、（ｂ）は図１（ｂ）の従来構成の励磁回路を用いた励磁電流の波形図。 （ａ）は図１（ａ）の励磁回路を用いた計測装置による周波数対出力ノイズ密度の測定結果を示し、（ｂ）は図１（ｂ）の従来構成の励磁回路を用いた計測装置による周波数対出力ノイズ密度の測定結果を示す。 磁気センサーの分解斜視図。 フラックスゲート磁力計の励磁原理を示し、（ａ）は履歴曲線、（ｂ）は励磁信号の波形図、（ｃ）は検知信号の波形図、（ｄ）は出力信号のパルス波形図。 フラックス磁力計における磁気センサーの実際の履歴曲線を示す図。

符号の説明

１ 磁気センサー
２ センサー筺体
３ リングコア
４ 励磁コイル
５ 電流変動制御回路
６ 検知コイル（ピックアップコイル）
７ 励磁回路
８ ２次高調波増幅回路
９ 位相検波回路
１０ フィードバック回路
１１ ベクトルシグナルアナライザ
１２ 増幅器
１３ ＬＰＦ
１４ 励磁・位相信号発生回路
１５ ＥＭＩフィルター
２１ 電力増幅器
２２ 直流成分除去コンデンサ
２３ 電流制限抵抗

Claims (3)

1. 磁気センサーの励磁コイルへ励磁電流を通電することにより該磁気センサーの磁気検出材料に交番磁界を与える励磁回路を有し、前記磁気センサーの検出コイルで検出した計測磁界を反映した磁束の非対称成分により誘起した高調波に基づいて磁界を計測するフラックスゲート磁力計の計測装置において、
   前記励磁回路は、前記磁気検出材料の磁気飽和領域における前記励磁電流を緩やかに増加変動させる電流変動抑制回路を有することを特徴とするフラックスゲート磁力計の計測装置。
2. 磁気センサーの励磁コイルへ励磁電流を通電することにより該磁気センサーの磁気検出材料に交番磁界を与える励磁回路を有し、前記磁気センサーの検出コイルで検出した計測磁界を反映した磁束の非対称成分により誘起した高調波に基づいて磁界を計測するフラックスゲート磁力計の計測装置において、
   前記励磁回路は、前記励磁電流を所定の電流値内に維持して出力すると共に、前記磁気検出材料の磁気飽和領域で増加変動する前記励磁電流が該所定の電流値に達するまでの時間を遅延させる電流変動抑制回路を有することを特徴とするフラックスゲート磁力計の計測装置。
3. 前記電流変動抑制回路は、インダクタであることを特徴とする請求項１または２に記載のフラックスゲート磁力計の計測装置。

Images