説明

磁界センサ

【課題】直交フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させることができ、直交フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを近傍に配置してセンサの小型化を図ると共に、同一又は近傍の地点の直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定する磁界センサを提供する。
【解決手段】磁界センサは、少なくとも平行部分1aを磁性体として形成される第1の磁心1及び第1の磁心に巻回される第1の検出コイル2からなる第1のセンサヘッド3を有し、第1の磁心の平行部分が互いに近接する直交フラックスゲート磁力計と、直交フラックスゲート磁力計10の第1の磁心の中心軸と同軸上に中心軸がある第2の磁心21及び第2の検出コイル22からなる第2のセンサヘッド24を有するサーチコイル磁力計とを備え、直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドが、第2の磁心の集磁効果により磁束密度が増加する領域に配設される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、磁界を検出する磁界センサに関し、特に、直流磁界(静止磁界)から数百kHzの交流磁界までの磁界を高感度に検出することができる磁界センサに関する。
【背景技術】
【0002】
フラックスゲート磁力計(flux-gate magnetometer)は、直流(direct current:dc)磁界を高感度に検出することができるのであるが、キャリアは100kHz程度であり、その遮断周波数(カットオフ周波数)は高々1kHzである。また、フラックスゲート磁力計は、出力波形に含まれる同期検波器のスイッチングサージを抑制するために、高次のローパスフィルタを使用する場合が多く、遮断周波数近傍での位相遅れが大きくなる。
【0003】
一方、サーチコイル磁力計(search-coil magnetometer)は、直流磁界を検出することが不可能であるが、数Hzから数十kHzまでの交流磁界に対して比較的平坦なゲイン(gain:利得)特性を持つようにすることができる。ただし、信号対雑音比(signal-to-noise ratio:SN比)は、測定周波数に逆比例し、低域周波数帯域側で雑音が大きく、高域周波数帯域側で雑音が低い。
【0004】
したがって、直流磁界から低域周波数帯域の交流磁界までをフラックスゲート磁力計で計測し、低域周波数帯域から20kHz程度の高域周波数帯域までの交流磁界をサーチコイル磁力計で計測し、中間周波数帯域の交流磁界に対しては、出力への寄与割合を周波数と共にフラックスゲート磁力計からサーチコイル磁力計に連続的に変化するようにする。これにより、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を備えた磁界センサは、フラックスゲート磁力計からサーチコイル磁力計への動作モードを切り替えることなく、直流磁界から20kHz程度の高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を、高感度かつ高分解能で検出することが可能になる。
【0005】
ここで、負帰還制御で能動磁気シールドを構成する場合には、シールド効果を高めるために、ループゲインが大きいことが必要である。しかしながら、磁界をモニタするセンサが大きな位相遅れを持つと、系が発振しやすくなり、高ゲインで安定的な制御系を作ることができない。
【0006】
この問題を解決する鍵の1つが、高域周波数帯域まで位相遅れの少ない磁界センサを如何に作るかである。
自然な考え方は、検出対象の周波数帯域が異なる2つ以上の磁界センサを、周波数特性の上で継ぎ目なく合成する考え方である。
これと対照的なものに、フラックスゲート磁力計のコア(磁心)をサーチコイル磁力計のコア(磁心)としても用い、直流磁界及び低域周波数帯域の交流磁界はフラックスゲート磁力計で検出し、高域周波数帯域の交流磁界はサーチコイル磁力計で検出するものがある。しかしながら、この磁界センサは、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計の2つの動作モードを共に常時(同時に)動作させるものでは無く、2つの動作モードを時分割で切り替えるものであり、連続的な制御が必要な能動磁気シールドに利用できない。
また、フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを互いに近接して配置し、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させようとすれば、フラックスゲート磁力計のコア(磁心)に与える励磁磁界(変調磁界)が、サーチコイル磁力計への不要な入力(磁界干渉)になるという問題が存在する。
【0007】
例えば、従来の鉄道車両の磁界測定装置は、3個の磁気感応部を互いに直交させた、漏れ磁界のうちの超低周波特性磁界測定用の第1の三軸磁気センサと、3個の磁気感応部を互いに直交させた、漏れ磁界のうちの高周波特性磁界測定用の第2の三軸磁気センサを一体化させて構成した複合磁気センサと、を備える(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
また、従来の広帯域化された磁界補償システムは、磁界測定用装置は第1のセンサと第2のセンサを備える。第1のセンサは、第1の周波数範囲内の磁界に対してアクティブであり、その周波数範囲は第2のセンサがアクティブとなる周波数範囲よりも低い周波数を含む(例えば、特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2005−69829号公報
【特許文献2】特開2008−14944号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
従来の鉄道車両の磁界測定装置は、第1の三軸磁気センサをフラックスゲート型磁気センサで構成し、第2の三軸磁気センサを三軸サーチコイル型磁気センサで構成することが例示されており、第1の三軸磁気センサと第2の三軸磁気センサとを離間して配置している。これは、前述したように、フラックスゲート型磁気センサと三軸サーチコイル型磁気センサとを互いに近接して配置し、フラックスゲート型磁気センサ及び三軸サーチコイル型磁気センサを同時に動作させようとすれば、フラックスゲート型磁気センサの変調磁界により、三軸サーチコイル型磁気センサへの磁界干渉が生じるからである。
しかしながら、第1の三軸磁気センサと第2の三軸磁気センサとを離間して配置するということは、従来の鉄道車両の磁界測定装置を大型化すると共に、同一又は近傍の地点の磁界を測定することができないという課題がある。
【0011】
なお、従来の広帯域化された磁界補償システムは、第1のセンサとしてフラックスゲート・センサの形をとり、第2のセンサとして誘導コイルの形をとることが例示されているが、フラックスゲート・センサが直交フラックスゲート・センサであるかは不明であり、第1のセンサと第2のセンサとの位置関係についても開示及び示唆されていない。
【0012】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させることができ、フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを近傍に配置してセンサの小型化を図ると共に、同一又は近傍の地点の直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定することができる磁界センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
この発明に係る磁界センサにおいては、少なくとも平行部分を磁性体として形成される第1の磁心及び当該第1の磁心に巻回される第1の検出コイルからなる第1のセンサヘッドを有し、第1の磁心の平行部分が互いに近接する直交フラックスゲート磁力計と、直交フラックスゲート磁力計の第1の磁心の中心軸と同軸上に中心軸がある第2の磁心及び当該第2の磁心に巻回される第2の検出コイルからなる第2のセンサヘッドを有するサーチコイル磁力計と、を備え、直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドが、サーチコイル磁力計の第2の磁心の集磁効果により磁束密度が増加する領域に配設されるものである。
【発明の効果】
【0014】
この発明に係る磁界センサにおいては、直交フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させることができ、直交フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを近傍に配置して磁界センサを小型化することができ、同一又は近傍の地点における直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】(a)は第1の実施形態に係る磁界センサの一例を示す概略構成図であり、(b)は図1(a)に示す直交スラックスゲート磁力計の一例を示す回路図である。
【図2】(a)は第1の実施形態に係る磁界センサの複合センサヘッドの一例を示す概略構成図であり、(b)は第1の実施形態に係る複合センサヘッドの支持部の一例を示す平面図であり、第1の実施形態に係る複合センサヘッドの支持部、第2の磁心及び第2の検出コイルの一例を示す平面図である。
【図3】(a)は図1(a)に示すサーチコイル磁力計の一例を示す回路図であり、(b)は図1(a)に示すサーチコイル磁力計の他の例を示す回路図である。
【図4】サーチコイル磁力計の第2の磁心の集磁効果を説明するための説明図である。
【図5】集磁効果を数値計算により示したグラフである。
【図6】(a)はC−R分圧回路からの合成出力における重畳した利得曲線を示す周波数特性図であり、(b)はC−R分圧回路からの合成出力における合成した利得を示す周波数特性図であり、(c)はC−R分圧回路からの合成出力における位相遅延を示す周波数特性図である。
【図7】(a)はサーチコイル磁力計単体のゲインの周波数特性を示す周波数特性図であり、(b)は直交スラックスゲート磁力計単体のゲイン及び位相の周波数特性を示す周波数特性図である。
【図8】(a)は図1(a)に示す磁界センサ及び直交スラックスゲート磁力計単体のゲインの周波数特性を示す周波数特性図であり、(b)は図1(a)に示す磁界センサ及び直交スラックスゲート磁力計単体の位相の周波数特性を示す周波数特性図である。
【図9】図1(a)に示す磁界センサ及び直交スラックスゲート磁力計単体の雑音の周波数依存性を示す周波数特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
(本発明の第1の実施形態)
磁界センサ100は、図1(a)に示すように、大別すると、直交フラックスゲート磁力計10と、サーチコイル磁力計20と、合成部30とから構成される。
まず、直交フラックスゲート磁力計10について説明する。
直交フラックスゲート磁力計10は、図2(a)に示すように、少なくとも平行部分1aを磁性体として形成されるコア(以下、「第1の磁心1」と称す)及び当該第1の磁心1に巻回される検出コイル(以下、「第1の検出コイル2」と称す)からなるセンサヘッド(以下、「第1のセンサヘッド3」と称す)を有し、第1の磁心1の平行部分1aが互いに近接する。
【0017】
なお、本実施形態に係る第1の磁心1は、U字型のコアであり、平行部分1a及び平行部分1aに連続する湾曲部分1bを磁性体としており、平行部分1aを磁性体とし、湾曲部分1bを電線とする場合と比較して、隣り合う平行部分1aの間隔を狭めることができるのであるが、平行部分1aを磁性体とし、湾曲部分1bを電線とした構成であってもよい。また、第1の磁心1は、第1の検出コイル2の巻線を介することなく、隣り合う平行部分1aを直接対向させて、第1の検出コイル2の中心を貫通するように配設されることで、第1の磁心1の各平行部分1aに第1の検出コイル2をそれぞれ巻回される場合と比較して、第1の検出コイル2の巻線の直径の分だけ、隣り合う平行部分1aを互いに近接されることができるので好ましい。
【0018】
また、本実施形態に係る直交フラックスゲート磁力計10は、図1(b)に示すように、第1の磁心1に通電する交流励磁電流Iacに交流励磁電流Iacの振幅より大きな直流電流Idcを重畳することで、第1の検出コイル2の出力が交流励磁周波数f[Hz]と同じ基本波の出力が得られる基本波型直交フラックスゲート磁力計10を用いている。
【0019】
この基本波型直交フラックスゲート磁力計10は、第1のセンサヘッド3として、アモルファス磁性ワイヤをヘアピン状に曲げたU字型の第1の磁心1と、第1の磁心1を包むように配置された中空細径の第1の検出コイル2とからなる。なお、本実施形態に係る基本波型直交フラックスゲート磁力計10は、第1のセンサヘッド3の長さが25mmであり、第1のセンサヘッド3の直径が10mmであり、第1の検出コイル2の外径が3mmであり、第1の検出コイル2の巻数が約800ターンであるが、この寸法及び巻数に限られるものではない。
【0020】
また、基本波型直交フラックスゲート磁力計10は、負帰還型で実現する基本構成として、第1の検出コイル2の端子2aにコンデンサを介して後段に接続され、入力信号を増幅する前置増幅器(preamp:プリアンプ)11と、前置増幅器11の後段に接続され、入力信号に対して交流励磁周波数f[Hz]を同期パルスとして同期整流を行う同期整流器(phase-sensitive detection:PSD)12と、同期整流器12の後段に接続され、高域を除去する低域通過フィルタ(low-pass filter:ローパスフィルタ)13と、反転入力端子(−入力端子、マイナス端子)が低域通過フィルタ13の後段に接続され、出力端子が抵抗を介して第1の検出コイル2の端子2aに接続されるオペアンプ14と、を備える。
【0021】
つぎに、サーチコイル磁力計20について説明する。
サーチコイル磁力計20は、図2(a)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10の第1の磁心1の中心軸と同軸上に中心軸があるコア(以下、「第2の磁心21」と称す)及び当該第2の磁心21に巻回される検出コイル(以下、「第2の検出コイル22」と称す)からなるセンサヘッド(以下、「第2のセンサヘッド24」と称す)を有する。
【0022】
なお、本実施形態に係るサーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24は、第2の磁心21として、幅50mmの磁性テープを外径10mmのプラスティック製のパイプに多数回巻いて円筒状にしたコア(第2の磁心21)を用い、そのコア(第2の磁心21)上に、巻数nを300ターンとする第2の検出コイル22を巻回し、巻数nを14ターンとするフィードバックコイル23をその上に巻回して作製した。
また、磁性テープとしては、Co(コバルト)系のアモルファステープ(例えば、商品名「Metglas2714A」、商品名「VITROVAC 6025 I50」)が挙げられ、重畳した磁性テープ間に絶縁フィルムを挟持することで、渦電流の発生を抑制することができる。
【0023】
なお、本実施形態に係るサーチコイル磁力計20は、実験における原理の検証に重点を置いたために、第2の検出コイル22の巻数は300ターンであり、サーチコイルとしては少ないが、この巻数に限られるものではない。
【0024】
また、サーチコイル磁力計20は、図3(a)に示すように、非反転入力端子(+入力端子、プラス端子)が第2の検出コイル22の端子22aに接続され、入力電圧jωΦに比例する電圧を得るための非反転増幅回路25と、非反転増幅回路25の後段に接続され、平坦なゲイン特性を得るための積分回路26と、を備える。この積分回路26は、数Hz以上で部分的に積分動作し、広い周波数帯域で一定のゲインを実現して、直交フラックスゲート磁力計10のゲイン特性に対して滑らかに接続するゲイン特性を与える。
【0025】
また、サーチコイル磁力計20は、非反転増幅回路25の出力端子が帰還抵抗Rを介してフィードバックコイル23に接続され、第2の検出コイル22を鎖交する磁束の変化が小さくなるように構成し、第2の検出コイル22の自己共振の影響を抑制することができる。また、サーチコイル磁力計20は、低域周波数帯域において、非反転増幅回路25からの出力電圧がωΦと直線関係にあり、f=1/(2πC)が低域遮断周波数を与えることになる。
【0026】
なお、サーチコイル磁力計20は、第2の検出コイル22の自己共振の影響を抑制しないのであれば、図3(b)に示すように、フィードバックコイル23及び帰還抵抗Rを具備しない構成であってもよい。
【0027】
つぎに、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3と、サーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24と、を組み合わせた複合センサヘッド103について説明する。
【0028】
直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3は、第1の磁心1の中心軸がサーチコイル磁力計20における第2の磁心21の中心軸と同軸上にあり、例えば、図4に示すように、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21の集磁効果(磁束収束効果)により磁束密度が増加する領域に配設させる。
【0029】
以下、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を配設させるうえで、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21の集磁効果により磁束密度が増加する領域のうち、好ましい位置について数値計算の結果(図5参照)を用いて説明する。
【0030】
数値計算では、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21と略同一の大きさである磁性体(透磁率μrを10,000と仮定)の円筒(サーチコイル磁力計20の第2の磁心21を模擬したもの)と、長さが25mmで細径である磁性体(透磁率μrを10,000と仮定)の円柱(直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を模擬したもの)と、を中心軸が同軸になるように配置して、両者の中心軸に対して平行に一様な磁界(1G=100μT)を印加する場合を想定した。なお、図4及び図5からは、フラックスゲート磁力計20の第1のセンサヘッド3を模した円柱を通る磁束が円筒にも通ることから円筒の集磁効果があることと、サーチコイル磁力計20で計測される磁束はフラックスゲート磁力計20でも計測される(同一又は近接する地点における計測ができていることの証し)ことと、が理解される。また、フラックスゲート磁力計20の第1のセンサヘッド3及びサーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24を通る磁束線が、低周波であればフラックスゲート磁力計20で計測され、高周波であればサーチコイル磁力計20で計測される。
【0031】
図5は、円筒の端部(開口部)に対する円柱の端部(底面)の距離によって、円柱の中心軸上における磁束密度の分布が変化する様子を示しており、破線のグラフは、比較例として、円筒が存在しない場合における円柱の中心軸上における磁束密度の分布を示している。
【0032】
図5に示すように、円筒の端部に対して円柱の端部を5mm挿入した場合が磁束密度のピークが最も高く、円柱の一部又は全部が円筒の内部に配設される場合において、挿入量5mmを境界にして、円筒の端部に対する円柱の端部の距離が増加又は減少するにつれて磁束密度のピークが低くなることがわかる。また、長さ25mmの円柱が円筒内に完全に内包された場合(挿入量30mm、35mm)には、円筒のシールド効果により、円柱の中心軸上の磁束密度がほぼ0になっており、直交フラックスゲート磁力計10の感度もほぼ0になることがわかる。
【0033】
特に、円筒の端部に対して円柱の端部を5mm挿入した場合は、円筒が存在しない場合(比較例)と比較すると、磁性体の円筒の集磁効果により、約2倍の磁束密度が増加しており、直交フラックスゲート磁力計10の感度もそれに比例して高くなることがわかる。
【0034】
なお、円柱が円筒の外部に配設される場合においては、円柱に対する円筒の集磁効果の影響が少なくなり、円筒の端部に対する円柱の端部の距離が増加するにつれて磁束密度のピークが低くなる。
【0035】
したがって、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を配設させる好ましい位置は、比較例(円筒の集磁効果がない場合)の磁束密度のピークより磁束密度のピークが高くなる、円筒の端部に対する円柱の端部の距離であり、円筒の端部に対して−5mm(離隔距離5mm)から+15mm(挿入量15mm)までの間に円柱の端部を配置することが好ましい。
【0036】
なお、円筒(第2の磁心21)の集磁効果は、円柱(第1のセンサヘッド3(第1の磁心1))の長さに依存するために、換言すると、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を配設させる好ましい位置は、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)の全体の長さに対する、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21の内部に配設される直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)の一部の割合が、0%(=100%×0mm/25mm)以上であり、60%(=100%×15mm/25mm)以下である。
【0037】
また、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を配設させる好ましい位置は、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)の全体の長さに対する、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)の端部とサーチコイル磁力計20の第2の磁心21の端部との間隙(離隔距離)の割合が、0%(=100%×0mm/25mm)以上であり、20%以下(=100%×|−5mm|/25mm)である。この場合のように、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を配設させる位置をサーチコイル磁力計20の第2の磁心21の外部に配設する場合には、第2の磁心21は円筒に限られるものではなく、例えば、円柱であってもよい。
なお、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1)を配設させる好ましい位置は、別の表現をすると、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3の端部とサーチコイル磁力計20の第2の磁心21の端部との間隙が、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド(サーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド)の直径以下である。
【0038】
特に、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の検出コイル2)の感度中心点と、サーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24(第2の検出コイル22)の感度中心点とは、同一又は近傍の地点の磁界を検出するうえで、空間的に近接させることが好ましい。
【0039】
しかしながら、従来の直交フラックスゲート磁力計のセンサヘッドをサーチコイル磁力計のセンサヘッドに近接させる場合には、直交フラックスゲート磁力計の磁心に与える励磁磁界(変調磁界)が、サーチコイル磁力計への磁界干渉になることがある。特に、平行フラックスゲート磁力計の場合は、大きな励磁磁界が発生し、サーチコイル磁力計への磁界干渉が顕著であると考えられる。
【0040】
これに対し、直交フラックスゲート磁力計から発生する励磁磁界は電流路(磁心)が囲む面積に比例するために、本実施形態に係る直交フラックスゲート磁力計10は、第1の磁心1の形状をヘアピン状にすることで、励磁磁界を小さくすることができる。すなわち、本実施形態に係る複合センサヘッド103は、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3をサーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24(第2の検出コイル22)に近接させた場合でも、磁界干渉の問題は起こらない。
【0041】
そこで、本実施形態に係る複合センサヘッド103は、例えば、図2(b)及び図2(c)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3とサーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24とを所定の位置に支持する支持部40を備え、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21の内部に、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3の先端を僅か(約1cm程度)に挿入している。
【0042】
支持部40は、プラスティック製の円柱(全長94.5mm、外径10mm)に対して、第1のセンサヘッド3を挿入するための大径穴41(深さ17mm、内径6mm)と小径穴42(深さ26.5mm、内径3.1mm)とを凹設し、円柱の一端40a(第1のセンサヘッド3の挿入側)から33.5mmの位置と円柱の他端40b(第1のセンサヘッド3の反挿入側)から10mmの位置との間(長さ51mm)にサーチコイル磁力計20の第2の磁心21及び第2の検出コイル22を配置するための直径8mmの小径部43が形成されて構成される。
【0043】
この複合センサヘッド103の構造上の利点は、コンパクトで一体化に適することや、直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3(第1の磁心1、第1の検出コイル2)の中心軸とサーチコイル磁力計20の第2のセンサヘッド24(第2の磁心21、第2の検出コイル22)の中心軸とが共通であることにより同一方向の磁界が計測されることはもちろんであるが、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21が直交フラックスゲート磁力計10の第1のセンサヘッド3に対して集磁効果を持つことである。
【0044】
また、複合センサヘッド103の構造上の利点は、通電(直流電流Idc、直流電流Idcと交流励磁電流Iacとを重畳した電流(Idc+Iac)、交流励磁電流Iac)される第1の磁心1(電流路)が取り囲む面積を極めて小さくすることができる。このため、磁界強度が時間的に変化するダイポール(dipole:双極子)磁界源としての第1の磁心1は、発生する励磁磁界の大きさが小さく、直交フラックスゲート磁力計10からサーチコイル磁力計20への磁界干渉をほぼ無視することができる。
【0045】
なお、本実施形態に係る複合センサヘッド103は、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21の内部に挿入又は第2の磁心21に最も近接させる第1のセンサヘッド3の先端として、第1の磁心1の湾曲部分1b側を設定している。しかしながら、複合センサヘッド103は、第1の磁心1の入力端子1c側を第1のセンサヘッド3の先端として、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21の内部に挿入又は第2の磁心21に最も近接させてもよい。なお、第1の磁心1の入力端子1c側を第1のセンサヘッド3の先端とすることは、第1の磁心1の入力端子1cと交流電源及び/又は直流電源の接続端子とを半田付けをするためのデッドスペースが生じるため、第1の磁心1の湾曲部分1b側を第1のセンサヘッド3の先端とすることが好ましい。
【0046】
つぎに、直交フラックスゲート磁力計10からの出力とサーチコイル磁力計20からの出力との合成について、図1(a)及び図6を用いて説明する。
磁界センサ100の合成部30は、図1(a)に示すように、サーチコイル磁力計20の出力端子に接続されるコンデンサCと、直交フラックスゲート磁力計10の出力端子に接続される抵抗Rと、この抵抗R及びコンデンサCのC−R分圧回路31の出力端子に非反転入力端子が接続され、高インピーダンス入力を低インピーダンス出力に変換するバッファ回路(ボルテージホロワ回路)32と、を備える。
【0047】
ここで、図6(a)に示すように、直流(dc)磁界から低域周波数帯域の交流磁界までの磁界を検出する直交フラックスゲート磁力計10(図6(a)中の「FG」)の出力Vと、高域周波数帯域の交流磁界を検出するサーチコイル磁力計20(図6(a)中の「SCM」)の出力Vとは、入力磁界Bに対して特性曲線の平坦部での感度が同じであるとする。
【0048】
また、直交フラックスゲート磁力計10の出力Vとサーチコイル磁力計20の出力Vとを、C−R分圧回路31により合成すれば、合成した出力Vは、次式(1)となる。
【0049】
(数1)
=(V+V/(jωC))/(R+1/(jωC)) (1)
【0050】
また、図6(a)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10及びサーチコイル磁力計20により検出した周波数帯域のうち両者の特性曲線に2桁程度の重畳部分があり、その特性曲線の重畳部分で感度が同じであるとすると、前式(1)は、次式(2)となる。
【0051】
【数2】

【0052】
なお、式(2)において、各出力V,Vから合成する出力Vへの寄与が等しくなるクロスオーバ周波数(1/(2πC))を含む広い周波数帯域でV=V=Vとしている。
【0053】
例えば、ゲインが等しくなる特性曲線の重畳部分の周波数帯域がちょうど2桁であり、ロールオフの傾斜の大きさが20dB/decである場合に、図6(b)に示すように、合成出力Vはクロスオーバ周波数で10%程度のゲインの落ち込みが発生し、図6(c)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10及びサーチコイル磁力計20の各遮断周波数で3°程度の位相の遅れ又は進みが発生する。なお、この位相の遅れ又は進みは、ゲインが等しくなる特性曲線の重畳部分の周波数帯域が広がれば、さらに減少し、周波数特性が実数(つまり、位相遅れが0)であるような動作が安定的な能動磁気シールドのための磁界センサ100を実現することができる。
【0054】
以上のように、本実施形態に係る磁界センサ100は、直交フラックスゲート磁力計10とサーチコイル磁力計20とを近傍に配置してセンサを小型化し、同一又は近傍の地点の直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定することができるという作用効果を奏する。
【0055】
また、本実施形態に係る磁界センサ100は、サーチコイル磁力計20の第2の磁心21が直交フラックスゲート磁力計10の集磁体として機能するために、高感度に磁界を測定することができるという作用効果を奏する。
【0056】
また、本実施形態に係る磁界センサ100は、第1の磁心1の平行部分1aを互いに近接させて直交フラックスゲート磁力計10からサーチコイル磁力計20への磁界干渉を抑制するため、直交フラックスゲート磁力計10とサーチコイル磁力計20とを近傍に配置した場合であっても、直交フラックスゲート磁力計10とサーチコイル磁力計20との2つの動作モードを常時(同時に)動作することができるという作用効果を奏する。
【0057】
さらに、本実施形態に係る磁界センサ100は、抵抗R及びコンデンサCのC−R分圧回路31による合成法を用いることにより、直交フラックスゲート磁力計10及びサーチコイル磁力計20からの出力の合成を、周波数特性上、継ぎ目のない滑らかな特性として得ることができるという作用効果を奏する。
【0058】
(実験例)
本発明の効果を確認するために、特に、周波数特性に着目して、以下の実験を行った。
実験方法は、コイル定数が既知であるCubic-3(1辺150cmの矩形コイル3つからなる3−コイルシステム)コイルや円形コイルを用いて、本実施形態に係る磁界センサ100に磁界を印加し、NF回路ブロック社製の周波数特性分析器(Frequency Response Analyzer:FRA)を用いて、コイル電流及びマグネトメータ出力を計測した。
【0059】
なお、この実験で注意しなければならないことは、磁界発生コイルの自己共振であり、共振点に接近すると、コイル電流とコイルとが作る磁界に位相差が発生する。特に、10kHzを越えるような周波数では、メートルサイズのコイルに対して、インダクタンスが大きくなるために、十分な注意が必要である。
【0060】
なお、磁界センサ100は、図3(a)に示す回路において、帰還抵抗Rを5kΩとし、抵抗R及びコンデンサCの値を調整することにより、図7(a)に示すように、低域遮断周波数を3kHz近傍に設定している。
また、図7(a)に示す特性曲線における検出感度が平坦なところでは、一定の分解能で磁界が測定できるように見えるが、サーチコイル磁力計20からの誘起電圧(信号)は周波数に比例するために、信号対雑音比(SN比)も周波数に比例する。すなわち、サーチコイル磁力計20からの出力は、低域周波数帯域で雑音が大きくなる。
【0061】
直交フラックスゲート磁力計10の遮断周波数は、図7(b)に示すように、1kHzより僅かに高いところにあるが、この遮断周波数を越えると、位相の遅れが大きくなる。なお、この直交フラックスゲート磁力計10の感度は、0.23V/μTであることが他の実験からわかっている。従って、図1(a)に示す合成を行うためには、感度の低いサーチコイル磁力計20の出力を増幅する必要がある。この調整は、複合センサヘッド103を図2(a)に示すように組み合わせた後に、百Hz〜数百Hz帯で行い、クロスオーバ周波数を100Hzに設定した。
【0062】
図8(a)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10及びサーチコイル磁力計20の複合化により(図8(a)中の「Hybrid」)、直交フラックスゲート磁力計10の感度が高くなることがわかる。これは、図5に示すように、磁性体の円筒(サーチコイル磁力計20の第2の磁心21)の集磁効果によるものである。なお、図8(a)においては、直交フラックスゲート磁力計10単体(図8(a)中の「FG」)による直流磁界の周波数帯域におけるゲインを0dBにしている。
【0063】
また、図8(a)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10及びサーチコイル磁力計20を複合化すると、磁界センサ100のゲイン(図8(a)中の「Hybrid」)は、直交フラックスゲート磁力計10のゲイン(図8(a)中の「FG」)に対して、5dB(1.78倍)程の増加がある。この結果は、図5に示す、最大の増加割合(比較例における磁束密度のピークに対する挿入量5mmの場合における磁束密度のピーク)である2倍程度に符合する。
また、図8(a)に示すように、磁界センサ100のゲイン特性は、周波数の増加に伴い、やや減少しているが、磁界センサ100のゲインは、周波数が10kHzまで増加しても、−3dBの範囲に入っている。
【0064】
さらに、図8(b)に示すように、直交フラックスゲート磁力計10及びサーチコイル磁力計20を複合化により、磁界センサ100(図8(b)中の「Hybrid」)は、直交フラックスゲート磁力計10(図8(b)中の「FG」)に対して、位相の回転が顕著に抑制されることがわかる。
このように、位相の回転が小さい磁界センサ100を用いることは、負帰還で能動磁気シールドを作製する場合に、ループゲインを高くすることができ、ひいては高いシールド効果を実現することが可能になる。
【0065】
以下、参考までに、磁界センサ100の雑音特性について、図9を用いて検討した。
なお、図9に示すように、数Hz以下での急激な雑音の増加は、サンプル点が少なく十分な精度を有しないので、ここでは無視する。
【0066】
直交フラックスゲート磁力計10の雑音特性は、数Hzから10Hzまでの周波数帯域で1/√f的であり、それ以上の周波数帯域で平坦な白色雑音特性を持っている。
一方、サーチコイル磁力計20の雑音特性は、遮断周波数以上の周波数帯域で1/fで変化する(Log−Logプロットでは−1の傾きになる)。この変化は、図9に示すように、図9中の「Hybrid」の100Hz以上の周波数帯域で確認することができる。
【0067】
なお、磁界センサ100は、直交フラックスゲート磁力計10からの出力とサーチコイル磁力計20からの出力とを合成するために、100Hz以下の周波数帯域において、サーチコイル磁力計20の雑音が直交フラックスゲート磁力計10の雑音よりも支配的であれば、雑音スペクトルが平坦になる。
【0068】
これに対し、本実施形態に係る磁界センサ100は、前述したように、サーチコイル磁力計20の第2の検出コイル22の巻数をサーチコイルとしては少ない300ターンにしているため、サーチコイル磁力計20の雑音レベルが高くなり、図9に示すように、100Hz以下の周波数帯域において、雑音スペクトルが平坦になっている。
【0069】
従って、サーチコイル磁力計20の第2の検出コイル22の巻数を現在の巻数の10倍(3000ターン)程度にすれば、磁界センサ100の雑音の特性曲線の平坦部が、直交フラックスゲート磁力計10の雑音特性と同等になると考えられる。但し、第2の検出コイル22の巻数を単に増やすのみでは、自己共振周波数が低下するために、何らかの工夫が必要である。
【符号の説明】
【0070】
1 第1の磁心
1a 平行部分
1b 湾曲部分
1c 入力端子
2 第1の検出コイル
2a 端子
3 第1のセンサヘッド
10 直交フラックスゲート磁力計
11 前置増幅器
12 同期整流器
13 低域通過フィルタ
14 オペアンプ
20 サーチコイル磁力計
21 第2の磁心
22 第2の検出コイル
22a 端子
23 フィードバックコイル
24 第2のセンサヘッド
25 非反転増幅回路
26 積分回路
30 合成部
31 C−R分圧回路
32 バッファ回路
40 支持部
40a 一端
40b 他端
41 大径穴
42 小径穴
43 小径部
100 磁界センサ
103 複合センサヘッド
f 交流励磁周波数

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも平行部分を磁性体として形成される第1の磁心及び当該第1の磁心に巻回される第1の検出コイルからなる第1のセンサヘッドを有し、前記第1の磁心の平行部分が互いに近接する直交フラックスゲート磁力計と、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1の磁心の中心軸と同軸上に中心軸がある第2の磁心及び当該第2の磁心に巻回される第2の検出コイルからなる第2のセンサヘッドを有するサーチコイル磁力計と、
を備え、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドが、前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の集磁効果により磁束密度が増加する領域に配設されることを特徴する磁界センサ。
【請求項2】
前記請求項1に記載の磁界センサにおいて、
前記サーチコイル磁力計の第2の磁心が、円筒状であり、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの一部が、前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の内部に配設されることを特徴とする磁界センサ。
【請求項3】
前記請求項2に記載の磁界センサにおいて、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの全体の長さに対する、前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の内部に配設される前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの一部の割合が、60%以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項4】
前記請求項1に記載の磁界センサにおいて、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドが、前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の外部にあり、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの全体の長さに対する、前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの端部と前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の端部との間隙の割合が、20%以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項5】
前記請求項1に記載の磁界センサにおいて、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドが、前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の外部にあり、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの端部と前記サーチコイル磁力計の第2の磁心の端部との間隙が、前記直交フラックスゲート磁力計の第1のセンサヘッドの直径以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項6】
前記請求項1乃至5のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
前記直交フラックスゲート磁力計の第1の磁心が、前記平行部分に連続する湾曲部分を磁性体とすることを特徴とする磁界センサ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2013−57645(P2013−57645A)
【公開日】平成25年3月28日(2013.3.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−197605(P2011−197605)
【出願日】平成23年9月9日(2011.9.9)
【出願人】(504145342)国立大学法人九州大学 (960)
【Fターム(参考)】