JP6398830B2 - 磁気インピーダンスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、高感度の磁気センサとしてアモルファスワイヤ、薄膜等を感磁体とする磁気インピーダンスセンサに関するものである。

従来の磁気インピーダンスセンサは、例えば図１６（特許文献１の図１）に示されるようにアモルファスワイヤＷがロジック回路によって構成されたパルス発生器Ｐの出力によってロジックレベルの「０」および「１」すなわち電圧「０ボルト」と「正または負の所定の電圧」の２値で周期的にパルス通電されている。

すなわち前記パルス発生器Ｐの出力が「０」のときは前記アモルファスワイヤＷに電流は流れず、前記出力が「１」のときには所定の電流がアモルファスワイヤＷに流れる。

たとえば図２（ａ）に示されるように前記ロジックレベルが「１」のときに正の電流が流れる回路の場合においては、右ねじの法則による磁化力が発生して、アモルファスワイヤ１の周回方向の磁化がｕに強制され、前記ロジックレベルが「１」のときに負の電流が流れる回路の場合においては、図２（ｂ）に示されるようにアモルファスワイヤの周回方向の磁化がｖに強制される。

一方ロジックレベルが「０」のときには周回方向に磁化する強制力がなくなり解放されるので、一般的には図２（ｃ）に示されるように周回方向の磁化ｕ、ｖがほぼ等量になると考えられる。

ＷＯ２００５／０１９８５１号公報 ＷＯ２００９／１１９０８１号公報

そしてさらにその次のパルスで再度ｕまたはｖに磁化が強制されてまた解放されるという動作をしており、前記パルス発生器Ｐからの出力のロジックレベル「１」のときには、ｕまたはｖのいずれか一方の周回方向のみに磁化が強制され、その次のロジックレベル「０」のときには磁化の強制力がなくなり解放されて、アモルファスワイヤは元の零磁化の状態へ戻ろうとする。

しかしながら、前記ロジックレベルが「０」の強制力零の状態においては、反転して前記ロジックレベル「１」の状態に戻るべく移行することはあっても、反転しないで磁化零状態を越えて移行することはないとともに、アモルファスワイヤの磁化が元の状態に戻るには何ら強制力がないので、前記アモルファスワイヤの内部のヒステリシスなどのため、部分的には完全には元の磁化零の状態に戻らない場合があり、わずかながら前記強制された方向の磁化状態が残る場合が考えられる。この場合に次のパルス電流を印加したときアモルファスワイヤ内の周回方向磁化が零の状態から始まらないことになり磁気センサとして動作させると、非線形特性が生じる恐れがあるという問題があった。すなわち、非線形性を顕在化させないためには、周回方向の磁化零の状態から磁化を始める必要がある。この非線形特性の程度は、使用するのに適切なワイヤを選択すること（例えば特許文献２参照）によって、ある程度の改善が可能であるが、使用するワイヤに関係なく、非線形特性を改善できる新しい技術の開発が強く望まれていた。

本発明者らは、前記アモルファスワイヤ等の感磁体に対して磁場強さに対応する交流電圧を発生させるための基本的なパルス電流に加え、前記基本パルス電流とは極性が反対の補正パルス電流を前記基本パルス電流と互いに交互に通電することで、前記周回方向の磁化をたとえば「ｕ」の次には「ｖ」、「ｖ」の次には「ｕ」、、、と周回方向の磁化状態が零の解放の状態を跨いで交互に周回方向の磁化を正または負に反転させることにより、前記補正パルス電流により、上記従来における前記ロジックレベル「０」に該当する周回方向磁化状態を必ず磁化零状態を経由または通過させて、極性が反対の方向に磁化された状態にすることにより、前記周回方向の磁化状態が、磁化状態の変動範囲における磁化零状態になることを回避するという本発明の技術的思想に着眼した。そして、さらに研究開発を重ねた結果、磁気センサとしての前記非線形の特性を顕在化させず、線形特性の良好な磁気センサを実現できる本発明に到達した。

以上の検討の結果得られた本発明（請求項１に記載の第１発明）の磁気インピーダンスセンサは、
感磁体にパルス電流を通電することにより、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する交流電圧を発生することによって、前記感磁体の周辺の磁場強さを測定する磁気インピーダンスセンサにおいて、
前記パルス電流として、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する前記交流電圧を発生させるための基本パルス電流と、該基本パルス電流とは極性が反対の線形特性を補正するための補正パルス電流とを交互に前記感磁体に通電するように構成されているものである。

前記第１発明の磁気インピーダンスセンサは、
前記補正パルス電流の絶対値が、前記基本パルス電流の絶対値より小さい０．１％〜１０％の範囲に設定されているものである。

本発明（請求項２に記載の第２発明）の磁気インピーダンスセンサは、
前記第１発明において、
前記感磁体に対して通電される前記基本パルス電流を通電する時間と前記補正パルス電流を通電する時間との間に、電流が流れない期間が設けられているものである。

本発明（請求項３に記載の第３発明）の磁気インピーダンスセンサは、
前記第１発明または前記第２発明において、
前記感磁体の両端の間に生ずる交流電圧に基づいて、磁気信号を検出して磁気信号電圧として出力するように構成されているものである。

本発明（請求項４に記載の第４発明）の磁気インピーダンスセンサは、
前記第１発明または前記第２発明において、
前記感磁体の周囲に巻回された検出コイルの両端の間に生ずる交流電圧に基づいて、磁気信号を検出して磁気信号電圧として出力するように構成されているものである。

上記構成より成る第１発明の磁気インピーダンスセンサは、アモルファスワイヤ、薄膜等の感磁体にパルス電流を通電することにより、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する交流電圧を発生することによって、前記感磁体の周辺の磁場強さを測定する磁気インピーダンスセンサにおいて、前記パルス電流として、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する前記交流電圧を発生させるための基本パルス電流と、該基本パルス電流とは極性が反対の線形特性を補正するための補正パルス電流とを交互に前記感磁体に通電することで零磁化状態を経由または通過させるように構成されているので、磁化状態の変動範囲における正の磁化状態および負の磁化状態に交互に反転されることにより、上記従来における磁化力が零になる状態を回避するため、非線形の特性を顕在化させず、線形特性の良好な磁気センサを実現できるという作用効果を奏する。

上記構成より成る第１発明の磁気インピーダンスセンサは、前記補正パルス電流の絶対値が、前記基本パルス電流の絶対値より、小さい０．１％〜１０％の範囲に設定されている。線形特性を改善するためには、補正パルス電流を基本パルス電流と同じ大きさで流す必要がないため、これにより省エネルギーで線形特性の良好な磁気センサを実現できるという作用効果を奏する。

上記構成より成る第２発明の磁気インピーダンスセンサは、前記第１発明において、前記感磁体に対して通電される前記基本パルス電流と前記補正パルス電流との間に、電流が流れない期間が設けられているので、前記感磁体に通電する平均電流を減少させることにより、省エネルギーのセンサを実現するという作用効果を奏する。

さらに、上記第１または第２発明の技術を利用して、前記感磁体の両端に生ずる交流電圧に基づき磁場を測定する磁気センサ（第３発明）や前記感磁体の周囲に巻回された検出コイル両端に生ずる交流電圧に基づき磁場を測定する磁気センサ（第４発明）を構成でき、これにより線形特性の良好な磁気センサを実現できるという作用効果を奏する。

従来の磁気インピーダンスセンサにおける磁場強さに対応するセンサ出力の関係における非線形性を示す線図である。 感磁体であるアモルファスワイヤに正又は負のパルス電流が印加された時及び電流が印加されていない時の内部の周回方向の磁化の状態を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態の磁気インピーダンスセンサの要部を示すブロック図および第１実施形態におけるアモルファスワイヤに通電されるパルス電流の波形を示す線図である。 本発明の第２実施形態の磁気インピーダンスセンサの要部を示すブロック図および第２実施形態におけるアモルファスワイヤに通電されるパルス電流の波形を示す線図である。 本第２実施形態の磁気インピーダンスセンサにおける印加されている磁場と誤差の関係を示す線図である。 磁気インピーダンスセンサの特性を測定する測定システムを説明するための説明図である。 本発明の第３実施形態の磁気インピーダンスセンサの要部を示すブロック図および第３実施形態におけるアモルファスワイヤに通電されるパルス電流の波形を示す線図である。 本発明の第４実施形態の磁気インピーダンスセンサの要部を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態の磁気インピーダンスセンサの要部を示すブロック図 本発明の第１実施例の磁気インピーダンスセンサの詳細を示す詳細回路図である。 本第１実施例におけるパルス電流、アモルファスワイヤの出力電圧の波形を示す線図である。 本発明の第２実施例の磁気インピーダンスセンサの詳細を示す詳細回路図である。 本第２実施例における２つのパルス出力および検出コイルの検出出力の波形を示す線図である。 本第２実施例の磁気インピーダンスセンサにおける直線性および誤差を示す線図である。 本発明の変形例におけるパルス発振器手段の詳細を示す詳細回路図、およびアモルファスワイヤに通電されるパルス電流および検出出力の波形を示す線図である。 従来の磁気インピーダンスセンサの詳細を示す詳細回路図である。

以下、本発明の最良の実施の形態について、実施形態および実施例に基づき、図面を用いて説明する。

実施形態１

本第１実施形態の磁気インピーダンスセンサは、図３に示されるように感磁体であるアモルファスワイヤ１と、該アモルファスワイヤ１に対して、所定の周期において基本パルス電流と、該パルス電流と極性が反対の補正パルス電流とを交互に反転して出力するパルス発振器手段２と、前記パルス電流による前記アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果で該アモルファスワイヤの周辺の磁場強さに対応して生じる交流電圧を、前記磁気信号に対応する磁気信号電圧に変換して出力する信号処理手段３より成る。

この磁気インピーダンスセンサにおける感磁体であるアモルファスワイヤ１は、高感度性があり、特に感度を高めた仕様とした場合には、磁場の強さが数ｎＴ（Ｔ：テスラの１０の９乗分の１）あるいはそれ以下のレベルの検出ができるので、たとえば火山活動などによる地磁気の微小変動計測への利用の期待が高まっている。

しかしながら前記感磁体であるアモルファスワイヤ１は、その個々の性質によっては、磁気センサとして組み上げたとき図１に示されるように磁場強さに対する出力の関係が非線形になることがあり、測定値に誤差が混入する恐れがあるので、センサの高精度化のためには、良好な線形性を備える必要がある。

また地磁気の変動観測などの用途においては、バッテリーなどの限られた電源容量の下における長時間連続計測が必要になるため、磁気センサの省エネルギー化への期待も高いので、これらの期待を満たす必要がある。

磁気インピーダンスセンサは、一般的に図２（ａ）、（ｂ）に示されるように前記アモルファスワイヤ１に対してパルス電流ｉを通電することにより、アンペアの右ねじの法則によってアモルファスワイヤ１の内部に周回方向の磁化ｕあるいはｖを発生させることにより、磁気インピーダンス効果を発現させ、これによって外部磁場Ｈｅに付勢されたアモルファスワイヤ１の内部の磁化ｗの大きさに対応する交流電圧を前記アモルファスワイヤ１の両端に生じるものであり、この交流電圧を前記信号処理手段により信号処理して、磁気信号電圧として出力する。

上記図３に示した構成より成る第１実施形態の磁気インピーダンスセンサは、アモルファスワイヤ１が所定の周期において基本パルス電流と、前記基本パルス電流と極性が反対の補正パルス電流とを交互に反転して出力するパルス発振器手段２に接続されているので、正の基本パルス電流と負の補正パルス電流が通電される（正および負のパルス電流の振幅が正負対称に限定されない）ことから、前記アモルファスワイヤ１は、正と負に交互に通電されるので、たとえば前記ｕとｖの周回方向に繰り返して反転磁化されるため、このパルス電流による前記アモルファスワイヤ１における前記磁気インピーダンス効果によって生じる交流電圧を、前記信号処理手段３によって磁気信号に対応する電圧に変換し出力するものである。

上述のように本第１実施形態の磁気インピーダンスセンサは、前記アモルファスワイヤ１を前記ｕとｖの周回方向に繰り返して反転磁化することにより、前記基本パルス電流により周回方向の磁化を行う際に零状態を経由または通過させることによって、磁化状態の変動範囲における正の磁化状態および負の磁化状態が交互に反転されることにより、磁化力が零になる状態を回避するため、線形特性を補正することにより、線形特性の良好な磁気センサを実現するという作用効果を奏する。
以上、感磁体としてアモルファスワイヤを用いた磁気インピーダンスセンサについて説明したが、本第１実施形態の効果は、感磁体として薄膜を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。この点は、後述の実施形態および実施例についても全て同様である。

実施形態２

第２実施形態の磁気インピーダンスセンサは、センサの省エネルギー化の観点より、前記補正パルス電流の絶対値を、前記基本パルス電流の絶対値より小さく設定するものである。

すなわち本第２実施形態は、第１実施形態における図３に示される発振器手段２を、図４に示されるようにパルス発振器手段２１に変更するもので、該パルス発振器手段２１は、基本パルス電流と前記基本パルス電流と極性が反対である補正パルス電流とを交互に出力するように構成されている。

これにより前記アモルファスワイヤ１を正と負に交互に通電することによって、前記ｕとｖ方向に繰り返し周回方向に反転磁化することにより、前記基本パルス電流により周回方向の磁化を行う際に磁化零状態を経由または通過させることによって、線形特性を補正するので、線形特性の良好な磁気センサを実現するとともに、基本パルス電流の絶対値に対して、補正パルス電流の絶対値を０．１％以上１００％以下の範囲内になるように前記アモルファスワイヤ１に通電し、信号処理手段３により磁気信号を出力するものである。

図１は、横軸に印加磁界μＴ（マイクロテスラ）をとり、縦軸にセンサ出力電圧ｖ（ボルト）をとった感磁体としてアモルファスワイヤを用いた磁気インピーダンスセンサの特性の一例を示す線図であり、外径１０μｍ、長さ６ｍｍのＦｅＣｏＳｉＢ系合金のアモルファスワイヤを用いて測定した結果を示したものであるが、磁場とセンサ出力電圧との関係が直線関係（真値）からずれが生じ、最大３〜４％の誤差（偏差）が生じている。すなわち、この例では図１から明らかなように印加磁場全域において非線形な特性であり、かつ１０μＴあたりで不連続な変化が見られる。

この特性を理想特性からの偏差、すなわち誤差の大きさで表わすと、横軸に印加磁界（μＴ）をとり、縦軸に誤差（％）をとった図５において、ａで示す誤差曲線のごとくになる。
すなわち図５において、−５０μＴ付近で誤差が最大になり、その値は約３．６％また１０μＴあたりで前記のごとく不連続誤差が顕在する。この非線形特性の原因は、磁気インピーダンスセンサの感磁体であるアモルファスワイヤの個々の物性的な要因によるものであると思われる。

本第２実施形態において、補正パルス電流を通電することによる効果の発現を、前記の最大誤差が１０％ほど減少した点すなわち誤差が約３．３以下になるときに設定すると、これに要する補正パルスの大きさは、本実施例の場合は、基本パルスの約０．１％であった。そして、この場合の結果を図５に示したものがｂで示される誤差曲線である。このとき前記不連続な誤差の部分もａで示される誤差曲線に比べてほぼ等比で減衰していた。この不連続変化部分の誤差の絶対値は最大誤差よりも小さいので特別に問題になることはない。

本第２実施形態において、最大誤差が１０％ほど減少した点をもって、効果の発現とした理由について、以下に述べる。
磁気センサの特性測定は、図６に示されるように測定する磁気インピーダンスセンサが載置される磁場発生用の磁場印加用ソレノイドコイルＧＣとこのコイルに電流を流すための電源装置ＢＴとセンサの出力を読み取る電圧計ＶＭより成る磁気センサ特性測定システムを用いて行われるが、これらの機器の許容誤差は、いずれも１％以下であった。

したがって、上記特性測定システムの場合、最大誤差は、ほぼ３％と推測されるので、この誤差よりも３倍以上大きな変化、すなわち１０％の変化が観測できたら十分に有意義なものであると考えられたからである。

第２実施形態において、基本パルス電流の絶対値に対して補正パルス電流の絶対値を少なくするのは、精度を高めるという効果を得るためであれば、同じ絶対値となる電流値で通電する必要はなく、また小さい電流とした方が、アモルファスワイヤ１に供給する電力を減じて、磁気センサの省エネルギー化をはかることが可能であり、効率的であるからである。

なお補正パルス電流の絶対値を、基本パルス電流の絶対値に対して、０．１％以上１００％以下の範囲内にするのは、下限は線形特性が良好になる効果が出現し始める値であり、上限は正側および負側両方の電圧出力で、同じ感度で磁場測定が可能となり、これ以上に電流値を高めても、省エネ化の点で不利になるためである。

これにより本第２実施形態の磁気インピーダンスセンサは、磁気センサとして良好な線形特性を実現するとともに、アモルファスワイヤに通電する平均電流を減じることにより、省エネルギー化を達成するという作用効果を奏する。

実施形態３

本第３実施形態の磁気インピーダンスセンサは、センサの省エネルギー化の観点より、前記基本パルス電流と前記補正パルス電流との間に、電流が流れない一定期間が設けられているものである。

すなわち本第３実施形態の磁気インピーダンスセンサは、前記第１実施形態における前記図３に示される発振器手段２を、図７に示されるようにパルス発振器手段２２に変更するものであり、該パルス発振器手段２２は正のパルスと負のパルスを交互に出力することにより、アモルファスワイヤ１を前記ｕとｖ方向に繰り返し周回方向に反転磁化するので、前記基本パルス電流により周回磁化を行う際に磁化零状態を経由または通過させることによって、線形特性の良好な磁気検出特性を実現するとともに、前記正のパルスと負のパルスとの間に電流が流れない一定の期間を設けることにより、アモルファスワイヤ１に通電する平均電流を減少させることによって、さらなる省エネルギー効果の高い磁気センサを実現するという作用効果を奏する。

実施形態４

本第４実施形態の磁気インピーダンスセンサは、シンプルな構成により、コストダウンを可能にする観点より、図８に示されるようにアモルファスワイヤ１の両端の交流電圧を直接検出するように構成されている。

すなわち本第４実施形態の磁気インピーダンスセンサは、前記第１ないし第３実施形態の少なくともいずれか一つにおいて、図８に示されるようにパルス発振器手段２のパルス電流の通電により、前記アモルファスワイヤ１の前記磁気インピーダンス効果によって生ずるアモルファスワイヤ１の両端すなわち一方の電極１１ともう一方の電極１２との間に生ずる前記アモルファスワイヤ１の周囲の外部磁場に対応する交流電圧にもとづいて、信号処理手段３により磁気信号を検出するものであり、既に前記第１実施形態ないし第３実施形態で説明した理由により、線形特性が良好な磁気信号電圧の出力を可能にするとともに、省エネルギー型の磁気センサを実現するという作用効果を奏する。

実施形態５

本第５実施形態の磁気インピーダンスセンサは、図９に示されるようにアモルファスワイヤ１の周囲に検出コイルを巻回して、該検出コイルの両端の交流電圧に基づいて、磁気検出を行うように構成されている。

本第５実施形態の磁気インピーダンスセンサは、前記第１ないし第３の実施形態の少なくともいずれか一つにおいて、図９に示されるようにパルス発振器手段２のパルス電流の通電により、アモルファスワイヤ１の周囲に巻回した検出コイル１３の２つの電極１４、１５の間に前記磁気インピーダンス効果により生じる交流電圧に基づいて、信号処理手段３により磁気信号を検出するものであり、既に前記第１実施形態ないし第３実施形態で説明した理由により、線形特性が良好な磁気信号電圧の出力を可能にする省エネルギー型の磁気センサを実現するという作用効果を奏する。

本第１実施例の磁気インピーダンスセンサは、上述の第１実施形態ないし第４実施形態に基づくもので、図１０に示されるように両端よりアモルファスワイヤの周辺の磁場強さに対応する交流電圧を出力するアモルファスワイヤ１と、該アモルファスワイヤに対して通電する基本パルス電流と補正パルス電流との間に電流が流れない一定の期間が設けられたパルス電流を出力するパルス発振器手段２２と、前記アモルファスワイヤ１の両端から出力される交流電圧の振幅に対応する信号に変換する整流回路３１と増幅器ＯＰより成り、前記アモルファスワイヤ１の周辺の磁場強さに対応する磁気信号電圧を出力する信号処理手段３とから成るものである。

図１０に示される前記パルス発振器手段２２は、図１１に示される矩形波出力Ａを出力する矩形波発振回路２２１と、該矩形波発振回路２２１の出力端に接続され、所定パルス幅のパルスＢを出力する第１の微分型パルス発生回路２２２と、前記矩形波発振回路２２１の出力端に接続され、反転された矩形波出力Ｃを出力する位相反転回路２２３と、前記位相反転回路２２３の出力端に接続され、所定パルス幅のパルスＤを出力する第２の微分型パルス発生回路２２４と、前記第１および第２の微分型パルス発生回路２２２および２２４の出力端にそれぞれ接続され、＋Ｖおよび−Ｖの電圧のパルスを出力する第１および第２の電子スイッチＳ１およびＳ２とから成る。

前記矩形波発振回路２２１は、図１０に示されるように直列に接続された第１および第２のロジック素子ＬＩ１およびＬＩ２と、前記第１のロジック素子ＬＩ１の入力端と出力端に両端が接続された抵抗ｒ０と、前記第１のロジック素子ＬＩ１の入力端と前記第２のロジック素子ＬＩ２の出力端に両端が接続されたコンデンサＣ０とから成り、図１１に示される所定のパルス高さおよび幅を有する矩形波出力Ａを出力するように構成されている。

前記第１の微分型パルス発生回路２２２は、前記矩形波発振回路２２１の出力端に一端が接続されたコンデンサＣ１と、該コンデンサＣ１の他端に入力端が接続されたロジック素子ＬＩ３と、前記コンデンサＣ１の他端と電源Ｖｏとに接続された抵抗ｒ１とから成り、前記矩形波出力Ａに対して微分処理が施され、前記矩形波出力Ａのパルス幅より短い図１１に示される所定パルス幅Ｔ１のパルスＢを出力するように構成されている。

前記位相反転回路２２３は、一端が前記矩形波発振回路２２１の出力端に接続された分岐点ＤＰに接続され、前記矩形波出力Ａの位相を反転して、図１１に示される逆位相の矩形波出力Ｃを出力するロジック素子ＬＩ４とから成る。

前記第２の微分型パルス発生回路２２４は、前記位相反転回路２２３の出力端に一端が接続されたコンデンサＣ２と、該コンデンサＣ２の他端に入力端が接続されたロジック素子ＬＩ５と、前記コンデンサＣ２の他端と電源Ｖｏ′とに接続された抵抗ｒ２とから成り、前記逆位相の矩形波出力Ｃは、前記抵抗ｒ２およびコンデンサＣ２によって微分処理が施され、前記矩形波出力Ａのパルス幅より短い図１１に示される所定パルス幅Ｔ２のパルスＤを出力するように構成されている。

前記第１の電子スイッチＳ１は、前記第１の微分型パルス発生回路２２２からのパルスＢのハイレベルと零レベルとに基づきオンオフ制御され、所定のプラス電圧＋Ｖを出力する第１の電源Ｖ１とパルス出力端との接続を制御することにより、図１１に示される正の基本パルス電流として＋Ｖの電圧パルスＥを出力するように構成されている。

前記第２の電子スイッチＳ２は、前記第２の微分型パルス発生回路２２４からのパルスＤのハイレベルと零レベルとに基づきオンオフ制御され、所定のマイナス電圧−Ｖを出力する第２の電源Ｖ２とパルス出力端との接続を制御することにより、図１１に示される負の補正パルス電流として−Ｖの電圧のパルスＥを出力するように構成されている。

前記第１の電源Ｖ１および第２の電源Ｖ２は、それぞれ出力する＋Ｖおよび−Ｖの電圧の絶対値を線形性、消費電力、熱特性その他を考慮して任意に設定することが出来、等しく設定しても良いし、異なるように設定しても良く、図１１には、−Ｖの電圧の絶対値が＋Ｖの電圧の絶対値より小さい場合を一例として示している。

前記パルス発振器手段２２は、上述の詳細構成より成り、出力端が所定のインピーダンスに設定された抵抗器ｒ３を介して前記アモルファスワイヤ１の一端の電極１１に接続され、図１１に示されるように正の基本パルス電流の通電時間と補正パルス電流の通電時間との間に電流が流れない一定の期間が設けられるとともに、前記正の基本パルス電流に対して負の補正パルス電流の絶対値を０．１％以上１００％以下となる所定のパルス電流を出力するものである。

前記アモルファスワイヤ１は、磁場の強さが数ｎＴ（Ｔ：テスラの１０の９乗分の１）あるいはそれ以下のレベルの検出が出来る高感度なＦｅＣｏＳｉＢ系合金よりなる感磁体より成る。

前記信号処理手段３は、２つの入力端子が前記アモルファスワイヤ１の両電極１１および１２にそれぞれ接続され、一端が前記アモルファスワイヤ１の前記一端に接続された前記一方の電極１１に接続された正の信号のみを通過させるダイオードＤＩと前記ダイオードＤＩの他端と前記アモルファスワイヤ１の前記他端に接続された前記他方の電極１２に接続されたコンデンサＣ３と、該コンデンサＣ３と並列に接続された抵抗ｒ４とから成る整流回路３１を備えている。

前記信号処理手段３は、前記整流回路３１の２つの出力端に接続された２つの入力端を備え、所定の増幅度で入力された整流電圧を増幅する増幅器ＯＰを備えている。

上記構成より成る第１実施例の磁気インピーダンスセンサは、前記パルス発振器手段２２において、前記矩形波発振回路２２１が、図１１に示される矩形波出力Ａを出力し、前記第１の微分型パルス発生回路２２２が、抵抗ｒ１およびコンデンサＣ１で決まるパルス幅Ｔ１の図１１に示されるパルスＢを出力する。

前記位相反転回路２２３は、前記矩形波発振回路２２１から前記分岐点ＤＰを介して出力される前記矩形波出力Ａを、反転した逆位相の図１１に示される矩形波出力Ｃを出力する。

前記第２の微分型パルス発生回路２２４は、前記反転された前記矩形波出力Ｃを前記抵抗ｒ２およびコンデンサＣ２で決まるパルス幅Ｔ２の図１１に示されるパルスＤを出力する。

前記第１の電子スイッチＳ１は、入力された図１１に示される微分形のパルスＢが、ロジックレベルで「１」の期間は「オン」となるので、上記＋Ｖの電圧を図１１に示されるパルス出力Ｅとして出力する。また前記第２の電子スイッチＳ２は、入力された図１１に示される微分形のパルスＤが、ロジックレベルで「１」の期間は「オン」となるので、上記−Ｖの電圧を図１１に示されるパルス出力Ｅとして出力する。

すなわち前記第１および第２の微分型パルス発生回路２２２、２２４における微分処理によって、図１１Ｅに示されるように正の基本パルス電流と負の補正パルス電流との間に電流が流れない所定の期間を設けるとともに、前記正の基本パルス電流の絶対値に対して負の補正パルス電流の絶対値を０．１％以上１００％以下となる所定のパルス電流（図１１中Ｅ）（図１１のＥは電流とともに電圧を表す）を前記抵抗器ｒ３を介して前記アモルファスワイヤ１に通電する。

前記パルス発振器手段２２から前記アモルファスワイヤ１に対して上記パルス電流Ｅ（図１１図示）が通電印加されると、前記アモルファスワイヤ１は磁気インピーダンス効果によって、該アモルファスワイヤ１の両端の二つの電極１１および１２の間にアモルファスワイヤ１の周辺の磁場強さに対応する図１１に示される前記パルス電流Ｆに重畳している交流信号Ｖｔの振幅の大きさ（図１１中Ｆ）（図１１のＦは電流とともに電圧を表す）となって現れる。なお、この交流信号Ｖｔのベース電位Ｖｔｏ，Ｖｔｏ´は、印加される正又は負のパルス電流Ｅによって前記アモルファスワイヤ１の両端に現れる電圧である。

この交流信号Ｖｔの振幅の大きさは、前記アモルファスワイヤ１が置かれている外部磁場の強さに対応するもので、この交流信号Ｖｔを前記ダイオードＤＩ、抵抗器ｒ４、コンデンサＣ３からなる整流回路３１において、前記交流信号の振幅に対応するように整流して電圧信号に変換し、該整流回路３１に接続された前記増幅器ＯＰによって増幅することにより、磁気信号電圧として出力するものである。

本第１実施例の磁気インピーダンスセンサは、前記アモルファスワイヤ１に正と負のパルス電流を交互に流して前記ｕとｖ方向に繰り返し周回方向（周方向）に反転磁化するので、前記基本パルス電流により周回方向の磁化を行う際に磁化零状態を経由または通過させることにより、図１１に示される電圧パルスＥの正の電流が作用する上限の磁化状態と電圧パルスＥの負の電流が作用する下限の磁化状態とが交互に反転されるので、その間において消費電流を抑制するためにパルス電流が零の状態に保持される場合においては、例えば負の補正パルス電流が印加され負の下限の磁化状態になった後に、パルス電流が零になり磁化力が零になった場合、ヒステリシスのため、完全には磁化零状態に戻らず、負の磁化状態が一部残るが、その後正の基本パルス電流が印加されると、磁化零状態を通過して、正の上限の磁化状態になるので、このパルス電流の立上り時等に磁気検出を行う際には、悪影響は残らず、その後印加パルス電流が零になった場合には、ヒステリシスのために完全には磁化零状態に戻らず、正の磁化状態が一部残るが、その後負の補正パルス電流が印加されると、磁化零状態を通過して、負の下限の磁化状態になるので、線形特性を補正することによって、良好な線形特性が得られるとともに、あわせてパルス電流が流れない所定の期間を設けることにより、省エネルギー型の磁気センサを実現できるとともに、熱特性を向上させるという作用効果を奏する。
本第１実施例においては、電圧パルスＥが流れない期間が設けられ、磁化状態が零になる期間が設けられているが、磁化零状態を越えて正の電流が印加された後反転して、負の電流が印加されるため、磁化状態の変動範囲における上記上限の磁化状態または下限の磁化状態の間に、パルス電流が零の状態に保持される期間があるが、正および負の磁化状態に反転磁化された後において、パルス電流が零の状態に保持され、ヒステリシス等により磁化がわずかに残ったとしても、次のパルス電流により磁化されるとき、必ず磁化零状態を横切るので、そのパルス電流の立上がり時等に磁気検出した場合には、線形性への悪影響は残らず、良好な線形性が確保されるのである。

以下第１実施例の磁気インピーダンスセンサの測定結果について説明する。
前記補正パルス電流の絶対値を前記基本パルス電流の１％に増加したときの最大誤差は、４０％減少し誤差の大きさは図５のｃの誤差曲線で示されるように、２．１％ほどに減少した。
前記補正パルス電流の絶対値を前記パルス電流の１０％に増加すると、最大誤差は約７５％減少し誤差の大きさは図５のｄの誤差曲線で示されるように、０．９３％になった。なお、この効果の大きさはあくまでも１例であり、実際には、ワイヤの長さ、径等の仕様、熱処理によって変化する特性に伴い変化するものである。

本第２実施例の磁気インピーダンスセンサは、上述した第１実施形態、第３実施形態および第５実施形態に基づくもので、図１２に示されるようにアモルファスワイヤ１の周囲に巻回され、両端より前記アモルファスワイヤ１の周辺の外部磁場強さに相当する交流電圧を出力する検出コイル１３と、前記アモルファスワイヤ１に対して通電する正の基本パルス電流と負の補正パルス電流との間に電流が流れない一定の期間が設けられたパルス電流を通電するとともに、後述する信号処理手段３のスイッチ要素ＳＷの開閉を制御する開閉パルスを出力するパルス発振器手段２３と、前記検出コイル１３から出力される交流電圧の振幅に対応する電圧をホールドするサンプルホールド回路３２とホールドされた電圧を増幅する増幅器ＯＰより成る信号処理手段３とから成るものである。

図１２に示される前記パルス発振器手段２３は、図１３に示されるように矩形波出力Ａを出力する矩形波発振回路２２１と、該矩形波発振回路２２１の出力端に接続され、所定パルス幅のパルスＢを出力する第１の微分型パルス発生回路２２２と、前記矩形波発振回路２２１の出力端に接続され、矩形波出力Ｃを出力する位相反転回路２２３と、該位相反転回路２２３の出力端に接続され、所定パルス幅のパルスＤを出力する第２の微分型パルス発生回路２２４と前記第１および第２の微分型パルス発生回路２２２および２２４の出力端にそれぞれ接続され、＋Ｖおよび−Ｖの電圧を出力する第１および第２の電子スイッチＳ１およびＳ２と、前記第１および第２の微分型パルス発生回路２２２および２２４に接続されたＯＲ回路ＯＲと、該ＯＲ回路ＯＲに接続されたロジック素子ＬＩ６と、該ロジック素子ＬＩ６に接続された第３の微分型回路２２５とから成り、図１０に記載の前記パルス発振回路手段２２に前記ＯＲ回路ＯＲ、前記第３の微分型回路２２５が追加された構成となっている。従って、共通する回路の部分は説明を省略し、前記パルス発振回路手段２３のみに設けられた前記ＯＲ回路ＯＲと前記ロジック素子Ｌｉ６と前記第３の微分型回路２２５については、以下に説明する。

なお、前記第１の電源Ｖ１および第２の電源Ｖ２は、それぞれ出力する＋Ｖおよび−Ｖの電圧の絶対値を線形性、消費電流、熱特性その他を考慮して任意に設定することが出来、等しく設定しても良いし、異なるように設定しても良く、前の実施例である図１１では−Ｖの電圧の絶対値が＋Ｖの電圧の絶対値より小さい場合の例を示したが、本実施例では図１３に示すように、−Ｖの電圧の絶対値と＋Ｖの電圧の絶対値が等しい場合を一例として示している。

前記ＯＲ回路ＯＲは、前記第１および第２の微分型パルス発生回路２２２および２２４の出力端に２つの入力端がそれぞれ接続され、入力される図１１に示される微分形パルスＢおよびＤを時系列的に加算して、図１３に示される時系列的に加算されたパルスＰ０を出力するように構成されている。前記ロジック素子ＬＩ６は、前記ＯＲ回路の出力端に入力端が接続されている。

前記第３の微分型パルス発生回路２２５は、前記ロジック素子ＬＩ６の出力端に一端が接続されたコンデンサＣ５と該コンデンサＣ５の他端に接続されたロジック素子ＬＩ７と前記コンデンサＣ５の他端と電源Ｖ０とに接続された抵抗ｒ５とから成り、時系列的に加算された図１３に示されるパルスＰ０が前記抵抗ｒ５とコンデンサＣ５によって微分処理が施され、後述するアナログスイッチＳＷの開閉用の所定パルス幅Ｔ３のパルスＰ２を出力するように構成されている。

上記構成より成る前記パルス発振器手段２３は、所定のインピーダンスに設定された抵抗器ｒ３を介して、前記アモルファスワイヤ１の一端の電極１１に接続され、図１３（ｃ）に示されるように正の基本パルス電流と負の補正パルス電流との間に電流が流れない一定の期間が設けられたアモルファスワイヤ通電用のパルス電流Ｐ１と図１３（ｂ）に示されるように前記スイッチ要素の開閉制御端子Ｓ１に正の所定幅の開閉用のパルスＰ２を出力するように構成されている。

前記アモルファスワイヤ１は、図１２に示されるように上述した第１実施例と同様にＦｅＣｏＳｉＢ系合金より成る高感度な感磁体より成り、両端が電極１１および電極１２を介して、前記パルス発振器手段２３に接続され、図１３に示されるパルス電流Ｐ１の通電に応じて誘起されるＭＩ効果により前記アモルファスワイヤ１の周囲の外部磁場に対応する振幅を有する交流電圧信号を、前記アモルファスワイヤ１の周囲に巻回された前記検出コイル１３の両端の電極１４、１５より、図１３（ｄ）に示される検出出力である交流信号Ｖｔが出力されるように構成されている。

前記信号処理手段３は、図１２に示されるように両入力端が前記検出コイル１３の前記両端に接続された両電極１４および１５に接続され、入力端が前記検出コイル１３の前記一端に接続された前記電極１４に接続されるとともに、開閉制御端Ｓ１が前記パルス発振器２３の開閉パルスＰ２が出力される出力端に接続されたスイッチ要素を構成するアナログスイッチＳＷと、一端が前記アナログスイッチＳＷの出力端に接続されるとともに他端が前記検出コイル１３の他端に接続された前記電極１５に接続され、所定のタイミングで正および負のパルス電流に伴う交流信号をサンプルホールドするホールドコンデンサＣｈとから成るサンプルホールド回路３２を備えている。

前記信号処理手段３は、前記ホールドコンデンサＣｈによってサンプルホールドされた電圧信号を所定の値に増幅して、前記アモルファスワイヤ１の周辺の外部磁場に対応する磁気信号電圧として出力する増幅器ＯＰを備えている。

上記構成より成る第２実施例の磁気インピーダンスセンサは、図１２に示される前記パルス発振器手段２３において、前記矩形波発振回路２２１が、図１１に示される矩形波出力Ａを出力し、前記第１の微分型パルス発生回路２２２が、抵抗ｒ１およびコンデンサＣ１で決まる前記矩形波出力Ａのパルス幅より短いパルス幅の図１１に示されるパルスＢを出力する。

前記位相反転回路２２３が、前記矩形波発振回路２２１から出力される前記矩形波出力Ａを反転した逆位相の図１１に示される矩形波出力Ｃを出力する。前記第２の微分型パルス発生回路２２４が、前記反転された矩形波出力Ｃを、前記抵抗ｒ２およびコンデンサＣ２で決まる前記反転された矩形波出力Ｃのパルス幅より短いパルス幅の図１１に示されるパルスＤを出力する。

前記第１の電子スイッチＳ１は、図１１に示される微分形のパルスＢが、ロジックレベルで「１」の期間は「オン」となるので、図１３に示される＋Ｖの電圧のパルス出力Ｐ１として出力する。また前記電子スイッチＳ２は、図１１に示される微分形のパルスＤが、ロジックレベルで「１」の期間は「オン」となるので、図１３に示される−Ｖの電圧のパルス出力Ｐ１として出力する。

前記ＯＲ回路ＯＲは、前記第１および第２の微分型パルス発生回路２２２及び２２４から出力される図１１に示される微分形パルスＢおよびＤを時系列的に加算する。前記第３の微分型のパルス発生回路２２５は、前記ロジック素子ＬＩ６を介して入力される時系列的に加算された図１３に示されるパルスＰ０を、前記抵抗ｒ５とコンデンサＣ５によって微分処理され、前記パルスＢおよびＤのパルス幅より短い前記アナログスイッチＳＷの開閉用の所定パルス幅の図１３に示されるパルスＰ２を出力する。

したがって、前記パルス発振器手段２３は、正のパルスと負のパルスとの間に電流が流れない所定の期間を設け、かつ電圧の絶対値が略等しい正と負のパルス電流Ｐ１（図１３（ｃ）図示）を電流調整用抵抗器ｒ３を介して前記アモルファスワイヤ１に印加するとともに、該パルス電流Ｐ１と同期して常に短い所定の時間の正の開閉パルスＰ２（図１３（ｂ）図示）を後述のアナログスイッチＳＷの開閉制御端子Ｓ１に印加する。

前記アモルファスワイヤ１は、前記パルス発振器手段２３のパルス電流Ｐ１の印加による磁気インピーダンス効果を発現し、これにより該アモルファスワイヤ１に巻回した前記検出コイル１３の二つの電極１４および１５の間にアモルファスワイヤ１が置かれている外部磁場に対応する図１３（ｄ）に示す交流信号Ｖｔが現れる。

本実施例では、前記したように一例として正と負のパルスを電圧の絶対値が等しい状態となるように印加していることから、この交流信号Ｖｔは、正のパルスのときでも負のパルスのときでも、略同波形かつ同振幅になるので、本第２実施例では両方の交流信号Ｖｔを前記アナログスイッチＳＷと前記ホールドコンデンサＣｈからなる前記サンプルホールド回路３２により前記アナログスイッチＳＷの開閉制御端子Ｓ１に印加される前記開閉パルスＰ２に従い所定時間の正のタイミングでサンプルホールドする。

前記ホールドコンデンサＣｈによってサンプルホールドされた電圧は、前記増幅器ＯＰにより所定の値に増幅され、前記アモルファスワイヤ１の周辺の外部磁場に対応する磁気信号電圧として出力される。

上記作用を奏する第２実施例の磁気インピーダンスセンサは、正のパルス電流が印加された時と負のパルス電流が印加された時の両方の交流電圧Ｖｔを前記ホールドコンデンサＣｈによってサンプルホールドして出力するので、前記アモルファスワイヤ１の周回方向における磁化ｕとｖに対する磁気インピーダンス効果のわずかな特性の違いを平均化することにより、さらに線形特性を向上するという効果を奏するものである。

また第２実施例の磁気インピーダンスセンサは、前記パルス電流Ｐ１の正および負のパルス電流による前記アモルファスワイヤ１の印加に応じて前記アモルファスワイヤ１に前記ｕとｖ方向に繰り返し反転磁化することによって、前記基本パルス電流により周回方向の磁化を行う際に磁化零状態を経由または通過させることにより、図１３に示されるパルス電流Ｐ１の正の電流が作用する上限の磁化状態とパルス電流Ｐ１の負の電流が作用する下限の磁化状態とが交互に反転されるので、その間において消費電流を抑制するためにパルス電流を零にして磁化の強制力が零の状態に保持されることとなるが、本第１実施例と同様に、パルス電流により磁化零状態を横切った後、パルス電流の立上がり時等に磁気検出を行う場合には、線形性への悪影響は残らず、得られる良好な線形特性とあいまって、さらなる高精度の磁気センサを実現できるという効果を奏する。

さらに第２実施例の磁気インピーダンスセンサは、前記正のパルスと負のパルスとの間に電流が流れない所定の期間が設けられているので、平均消費電流を抑制することにより、省エネルギー効果も実現するとともに、センサの熱特性も向上させるものである。
本第２実施例においても、パルス電流が流れない期間が設けられているが、前期した第１実施例と同様の理由で、線形性への悪影響は残らず、良好な線形性を確保できる。

本第２実施例における線形特性の測定結果を、図１４（ａ）および（ｂ）に示す。

図１４（ａ）は、図６に示される測定装置を利用して、磁気インピーダンスセンサを、均一磁界を発生しているコイル内に配置して、磁界を−１００〜＋１００μＴ印加した時のセンサ出力との関係を、横軸に磁場（μＴ）をとり、縦軸に出力（Ｖ）をとって示したもので、上述の図１に比べて、直線性が良好であることが明確である。

図１４（ｂ）は、非直線性の改善がよく分かるようにするために、横軸に磁場（μＴ）をとり、真値からの偏差（誤差分）を％で縦軸にとって示したもので、図から明らかなように偏差が最大でも０．５％程度となり、図５ａに示す場合と比較すると偏差が７分の１以下に低減するという大きな効果が得られた。

上述の実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
特に上述の実施例は、全て感磁体としてアモルファスワイヤを用いた例について説明したが、薄膜を感磁体として用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

上述の実施例においては、一例として正の基本パルス電流と負の補正パルス電流を用いる例について説明したが、本発明としてはそれに限定されるものでは無く、必要に応じて負の基本パルス電流と正の補正パルス電流を用いる変形例を採用することが可能である。

上述の実施例においては、一例として基本パルス電流と補正パルス電流との間に電流が流れない一定期間を設ける例について説明したが、本発明としてはそれに限定されるものでは無く、図１０および図１２に示された前記パルス発生器手段２２および２３における前記第１および第２の微分型パルス発振器２２２、２２４を取り除いて、前記矩形波発振回路２２１および前記位相反転回路２２３と前記第１および第２の電子スイッチＳ１およびＳ２とを直結して接続することにより、基本パルス電流と補正パルス電流との間に電流が流れない期間が設けられていないパルス電流を前記アモルファスワイヤに印加する変形例を採用することが可能であり、上述の第１および第２実施例に比べて、回路が簡素化されるので、コストダウンが可能であり、前記基本パルス電流によりアモルファスワイヤの周回方向の磁化を行う際に磁化零状態を経由または一瞬にして通過させることによって、磁化零状態に保持される期間が無いため、良好な線形特性が得られるという利点を有する。
本変形例において、前記補正パルス電流の絶対値を前記基本パルス電流の絶対値に対して、０．１％以上とすれば、線形特性の改善効果が得られるため、狙いとする改善効果が得られる範囲内で、補正パルス電流の絶対値を低めの値に調整することにより、平均消費電流および熱特性の抑制を可能にすることができる。

上記変形例においては、基本パルス電流と補正パルス電流との間に電流が流れない期間を設けない一例について説明したが、本発明としてはそれに限定されるものでは無く、図１５（ａ）に示されるように上述した矩形波発生回路２２１における直列に接続された前記第１および第２のロジック素子ＬＩ１およびＬＩ２の電源Ｖｍ１およびＶｍ２の電源電圧をともに＋Ｖｄに設定するとともに、アモルファスワイヤ１の一端１２に＋Ｖｄ／２の電源電圧に設定された電源Ｖｍ３を接続する変形例を採用することが可能であり、前記矩形波発生回路２２１の出力端Ｑの電圧が「＋Ｖｄ」のときには、該Ｑ点から前記アモファスワイヤ１を通しての＋Ｖｄ／２の前記電源Ｖｍ３へ向かって電流が流れ、前記出力端Ｑの電圧が「０」のときには、前記Ｖｄ／２の電源Ｖｍ３から、前記アモルファスワイヤ１を介して前記出力端Ｑに向かって、電流が流れるので、図１５（ｂ）に示されるパルス電流Ｇが前記アモルファスワイヤ１に印加されるものであり、前記変形例に比べて一層回路の簡素化を図り、コストダウンを可能にするとともに、前記基本パルス電流によりアモルファスワイヤの周回方向の磁化を行う際に磁化零状態を経由または一瞬にして通過させることによって、磁化零状態に保持される期間が無いため、良好な線形特性が得られるという利点を有する。

理化学分野の高精度磁気検出、火山活動などによる地磁気その他の微小変動計測、長時間連続磁気計測などの用途に好適である。

１ アモルファスワイヤ
２、２２、２３ パルス発振器手段
３ 信号処理手段
１３ 検出コイル
ＯＰ 増幅器
３１ 整流回路
３２ サンプルホールド回路

Claims (4)

1. 感磁体にパルス電流を通電することにより、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する交流電圧を発生することによって、前記感磁体の周辺の磁場強さを測定する磁気インピーダンスセンサにおいて、
   前記パルス電流として、前記感磁体の周辺の磁場強さに対応する前記交流電圧を発生させるための基本パルス電流と、該基本パルス電流とは極性が反対の線形特性を補正するための補正パルス電流とを交互に前記感磁体に通電するように構成され、
   前記補正パルス電流の絶対値が、前記基本パルス電流の絶対値より小さい０．１％〜１０％の範囲に設定されていることを特徴とする磁気インピーダンスセンサ。
2. 前記請求項１において、
   前記感磁体に対して通電される前記基本パルス電流を通電する時間と前記補正パルス電流を通電する時間との間に、電流が流れない期間が設けられていることを特徴とする磁気インピーダンスセンサ。
3. 前記請求項１または前記請求項２において、
   前記感磁体の両端の間に生ずる交流電圧に基づいて、磁気信号を検出して磁気信号電圧として出力するように構成されている
   ことを特徴とする磁気インピーダンスセンサ。
4. 前記請求項１または前記請求項２において、
   前記感磁体の周囲に巻回された検出コイルの両端の間に生ずる交流電圧に基づいて、磁気信号を検出して磁気信号電圧として出力するように構成されていることを特徴とする磁気インピーダンスセンサ。

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