特許 7002112 センサヘッドモジュール及び磁気センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-04

(45)【発行日】2022-01-20

(54)【発明の名称】センサヘッドモジュール及び磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/02 20060101AFI20220113BHJP

【ＦＩ】

G01R33/02 D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2017185416

(22)【出願日】2017-09-26

(65)【公開番号】P2019060717

(43)【公開日】2019-04-18

【審査請求日】2020-09-25

(73)【特許権者】

【識別番号】517205767

【氏名又は名称】笹田磁気計測研究所株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099634

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 安雄

(72)【発明者】

【氏名】笹田 一郎

【審査官】田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１９７４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２１５２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０２９３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－０５７２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１４１２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５７６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２６４６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０２２８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４８－０１４２７５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第０４２９００１８（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０５５５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０６０３４４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電流及びバイアス直流電流からなる励磁電流が入力される磁気コア、及び当該磁気コアに巻回される検出コイルからなるセンサヘッドと、
前記磁気コアに接続され、直流電源により前記励磁電流におけるバイアス直流電流を生成する直流励磁電流生成手段とを備え、
前記直流励磁電流生成手段が、直流電源の正極と磁気コアの一端部とが接続され、直流電源の負極と磁気コアの他端部とが接続され、直流電源の正極と磁気コアの一端部との間に第１コイルを有することを特徴とするセンサヘッドモジュール。

【請求項2】

請求項１に記載のセンサヘッドモジュールにおいて、
直流電源の負極と磁気コアの他端部との間に、第１コイルに磁気結合する第２コイルを有しているセンサヘッドモジュール。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のセンサヘッドモジュールに対して、少なくとも交流電流からなる励磁電流を供給する駆動回路を備え、
当該駆動回路が、前記センサヘッドモジュールに対して、交流電流及びバイアス直流電流からなる励磁電流を供給し、
前記センサヘッドモジュールが、前記励磁電流から交流成分のみを抽出する交流成分抽出手段を備える磁界センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基本波型磁界センサのセンサヘッドモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

基本波型直交フラックスゲートセンサの構成が、例えば特許文献１に開示されている。図２０は、特許文献１に開示されている基本波型直交フラックスゲートセンサの構成を示す図である。図２０において、磁気コアに通電する交流励磁電流Ｉ_ａｃに交流励磁電流Ｉ_ａｃの振幅より大きな直流電流Ｉ_ｄｃを重畳することで、検出コイル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を構成しており、この基本波型直交フラックスゲート磁力計は、センサヘッドとして、アモルファス磁性ワイヤをヘアピン状に曲げたＵ字型の磁気コアと、磁気コアを包むように配置された中空細径の検出コイルとからなる。

【0003】

また、図２０の基本波型直交フラックスゲート磁力計は、負帰還型で実現する基本構成として、検出コイルの端子にコンデンサＣ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）と、プリアンプの後段に接続され、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）と、同期整流器の後段に接続され、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）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の後段に接続され、出力端子が抵抗Ｒｆを介して検出コイルの端子に接続される誤差増幅器とを備える構成となっている。

【0004】

さらに、センサヘッドのコアに磁性薄帯を用いた直交フラックスゲート磁界センサが非特許文献１に開示されている。ここでは、代表的なＣｏ基無磁歪組成のアモルファス磁性薄帯であるＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａ（参考文献：Metgals Technical Bulletin ref：2714A04202011）のａｓ－ｃａｓｔ製品（製造後に磁気特性改質のために熱処理等を施してない製品）をセンサヘッドのコアに用いることで、高感度・低雑音の磁界センサ特性が実現されている。

【0005】

特許文献１及び非特許文献１に示すそれぞれの技術は、例えば図２１に示すように、励磁、検出、出力・増幅等の機能を有する電子回路が駆動・検出回路に標準化されてまとめられ、駆動・検出回路とセンサヘッドとをシールドケーブルで接続する構成が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１３－５７６４５号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】K.Goleman and I.Sasada, “High Sensitive Orthogonal Fluxgate Magnetometer Using a Metglas Ribbon”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.42, NO.10, OCTOBER 2006

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、図２１のような構成とした場合、センサヘッドの特性に応じて、励磁や検出に関するパラメータを調整する必要があり、例えば、特許文献１に示す磁性ワイヤのセンサヘッドと、非特許文献１に示す磁性薄帯のセンサヘッドでは、バイアス直流電流に大きな違いがあり、これらのセンサヘッドを使い分ける又は交換する場合には、それぞれに適応する駆動・検出回路を用意するか、それぞれのセンサヘッドに応じて駆動・検出回路側で個別にパラメータを調整することとなる。

【0009】

それぞれのセンサヘッドに適応する駆動・検出回路を用意するのはあまりにも無駄が多すぎるため、実用的ではない。また、それぞれのセンサヘッドに応じてパラメータを調整する場合には、例えば心磁界計測のような何十チャンネルものセンサを必要とする場合に、それらのチャンネルの中から、励磁や検出の調整が必要な箇所を選択し調整しなければならず、非常に手間が掛かる作業になってしまう。

【0010】

本発明は、センサヘッドに励磁や検出に関するパラメータを調整する機能を付加してモジュール化することで、駆動・検出回路におけるセンサヘッドごとのパラメータ調整をなくして使い勝手を向上させることができるセンサヘッドモジュールを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、交流電流及びバイアス直流電流からなる励磁電流が入力される磁気コア、及び当該磁気コアに巻回される検出コイルからなるセンサヘッドと、前記磁気コアに接続され、直流電源により前記励磁電流におけるバイアス直流電流を生成する直流励磁電流生成手段とを備えるものである。

【0012】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、交流電流及びバイアス直流電流からなる励磁電流が入力される磁気コア、及び当該磁気コアに巻回される検出コイルからなるセンサヘッドと、前記磁気コアに接続され、直流電源により前記励磁電流におけるバイアス直流電流を生成する直流励磁電流生成手段とを備えるため、センサヘッドごとの特性に応じたバイアス直流電流をセンサヘッドモジュールで個々に調整することができ、センサヘッドの交換に掛かる手間を最小限に抑え、作業効率を格段に向上させることができるという効果を奏する。

【0013】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、前記磁気コアに接続され、前記励磁電流における交流電流について位相調整及び／又は増幅して交流励磁電流を生成する交流励磁電流生成手段を備えるものである。

【0014】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、励磁電流における交流電流について位相調整及び／又は増幅して交流励磁電流を生成する交流励磁電流生成手段を備えるため、センサヘッドごとの特性に応じた交流励磁電流のパラメータをセンサヘッドモジュールで個々に調整することができ、センサヘッドの交換に掛かる手間を最小限に抑え、作業効率を格段に向上させることができるという効果を奏する。

【0015】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、前記磁気コアに通電される前記励磁電流の通電方向を切り替える切替手段を備えるものである。

【0016】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、磁気コアに通電される励磁電流の通電方向を切り替える切替手段を備えることで、励磁電流の通電方向に応じて異なるオフセット値を優位な方向に切り替えて使用することができるという効果を奏する。

【0017】

すなわち、磁気コアに通電される励磁電流の通電方向に応じてオフセット値が異なることが発明者により見出されたが、センサヘッドの外観からはその判断をつけることが不可能である。そのため、切替手段により実際に励磁電流の通電方向を切り替えてキャリブレーションすることで、より高性能なセンシングが可能となるように通電方向を設定することが可能となる。

【0018】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、前記切替手段が前記励磁電流の通電方向を切り替えて測定したそれぞれの結果に基づいて、前記切替手段の接続関係を制御する制御手段を備えるものである。

【0019】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、切替手段が励磁電流の通電方向を切り替えて測定したそれぞれの結果に基づいて、当該切替手段の接続関係を制御する制御手段を備えるため、磁気コアに流れる励磁電流の通電方向に応じて異なるオフセット値を優位な方向に自動で切り替えて使用することができ、キャリブレーションの手間を省くことができるという効果を奏する。

【0020】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、前記直流励磁電流生成手段の直流電源を電池とするものである。

【0021】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、直流励磁電流生成手段で生成するバイアス直流電流を電池により行うことで、電源が完全に独立したものとなり、不要なノイズや外乱を抑えて、より高性能なセンシングを実現することができるという効果を奏する。

【0022】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、前記センサヘッドが複数配設され、それぞれのセンサヘッドの磁気コアに対応して前記交流励磁電流生成手段が接続されており、直流励磁電流生成手段が、複数の前記センサヘッドのうちの全て又は一部の磁気コアに対して、直列又は並列に接続されているものである。

【0023】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、センサヘッドが複数配設され、それぞれのセンサヘッドの磁気コアに対応して前記交流励磁電流生成手段が接続されており、直流励磁電流生成手段が、複数の前記センサヘッドのうちの全て又は一部の磁気コアに対して、直列又は並列に接続されているため、例えば心磁界計測のような何十チャンネルものセンサを必要とする場合であっても、直流励磁電流生成手段をセンサの数に応じて用意する必要がなく、少なくとも１つの直流電源があれば複数のセンサヘッドに対してバイアス直流電流を供給することが可能になるという効果を奏する。

【0024】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、直流励磁電流生成手段が、直流電源の正極と磁気コアの一端部とが接続され、直流電源の負極と磁気コアの他端部とが接続され、直流電源の正極と磁気コアの一端部との間に第１コイルを有するものである。

【0025】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、直流励磁電流生成手段が、直流電源の正極と磁気コアの一端部とが接続され、直流電源の負極と磁気コアの他端部とが接続され、直流電源の正極と磁気コアの一端部との間に第１コイルを有するため、直流励磁電流生成手段におけるインピーダンスを大きくして、交流電流の流れ込みによる検出精度の低下を防止することができるという効果を奏する。

【0026】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、直流電源の負極と磁気コアの他端部との間に、第１コイルに磁気結合する第２コイルを有しているものである。

【0027】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、直流電源の負極と磁気コアの他端部との間に、第１コイルに磁気結合する第２コイルを有しているため、第１コイルと第２コイルの磁気結合により大きなインピーダンスを得ることができ、直流励磁電流生成手段への交流電流の流れ込みを防止し、交流電流を磁気コアの部分のみに流れるようにすることができるという効果を奏する。

【0028】

本発明に係るセンサヘッドモジュールは、前記検出コイルの後段に接続されるバッファ回路と、前記検出コイルで検出された信号を測定する場合に、前記バッファ回路を介して前記検出コイルと接続する負帰還回路により帰還する電流を入力する帰還電流入力端子とを備えるものである。

【0029】

このように、本発明に係るセンサヘッドモジュールにおいては、検出コイルの後段に接続されるバッファ回路を備えるため、検出信号に対する耐雑音性、耐外乱性等を高めることができるという効果を奏する。
本発明に係る磁界センサは、前記のいずれかに記載のセンサヘッドモジュールに対して、少なくとも交流電流からなる励磁電流を供給する駆動回路を備えるものである。

【0030】

このように、本発明に係る磁界センサは、前記のいずれかに記載のセンサヘッドモジュールに対して、少なくとも交流電流からなる励磁電流を供給する駆動回路を備えるため、駆動回路から交流電流を供給し、センサヘッドモジュールでバイアス直流電流を供給して、高性能な磁界センサを実現することができるという効果を奏する。

【0031】

本発明に係る磁界センサは、前記駆動回路が、前記センサヘッドモジュールに対して、交流電流及びバイアス直流電流からなる励磁電流を供給し、前記センサヘッドモジュールが、前記励磁電流から交流成分のみを抽出する交流成分抽出手段を備えるものである。

【0032】

このように、本発明に係る磁界センサは、前記駆動回路が、前記センサヘッドモジュールに対して、交流電流及びバイアス直流電流からなる励磁電流を供給し、前記センサヘッドモジュールが、前記励磁電流から交流成分のみを抽出する交流成分抽出手段を備えるため、駆動回路から供給される電流のうち、交流成分のみをセンサヘッドモジュールで抽出し、位相調整することができ、センサヘッドのみを手間を掛けずに交換することが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】第１の実施形態に係る磁界センサの構成を示す機能ブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係る磁界センサの駆動部の回路構成図である。

【図3】第１の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成図である。

【図4】第２の実施形態に係る磁界センサの構成を示す機能ブロック図である。

【図5】第２の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成図である。

【図6】励磁電流の極性に応じたオフセットの差を示し図である。

【図7】第３の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第１の回路構成図である。

【図8】第３の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第２の回路構成図である。

【図9】第４の実施形態に係る磁界センサの駆動部の第１の回路構成図である。

【図10】第４の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第１の回路構成図である。

【図11】第４の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第２の回路構成図である。

【図12】第４の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第３の回路構成図である。

【図13】第４の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第４の回路構成図である。

【図14】第４の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの第５の回路構成図である。

【図15】第４の実施形態に係る磁界センサの駆動部の第２の回路構成図である。

【図16】その他の実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成図である。

【図17】実施例において、バイアス直流電流を変化させた場合の雑音スペクトル密度を測定した結果を示す図である。

【図18】切替部の調整後において、バイアス直流電流の変化に対するオフセットを測定した結果を示す図である。

【図19】比較例と本発明に係る磁界センサにおける周波数変化に対するノイズ特性を示す図である。

【図20】従来知られている基本波型直交フラックスゲートセンサの回路構成を示す図である。

【図21】従来知られている基本波型直交フラックスゲートセンサの装置構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

【0035】

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係るセンサヘッドモジュール及び当該センサヘッドモジュールを用いた磁界センサについて、図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、例えば、図２０に示す基本波型直交フラックスゲートセンサを利用することができ、センサヘッドの部分をモジュール化することで、センサヘッドの交換作業等を格段に効率化するものである。

【0036】

図１は、本実施形態に係る磁界センサの構成を示す機能ブロック図、図２は、本実施形態に係る磁界センサの駆動部の回路構成図、図３は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成図である。図１において、磁界センサ１は、駆動部１０とセンサヘッドモジュール２０とを備える。駆動部１０は、センサヘッド２３に供給される交流電流を少なくとも出力する出力部１１と、センサヘッド２３で測定された磁界を検出する検出部１２とを備える。また、センサヘッドモジュール２０は、磁界を検知するセンサヘッド２３と、センサヘッド２３に対してバイアス直流電流を供給する直流励磁電流生成部２２とを備える。

【0037】

まず、駆動部１０の構成について、図２を用いて詳細に説明する。駆動部１０における出力部１１は、交流電源である発振器１１ａにより交流電流が出力されるが、ここで出力される交流電流はセンサヘッド２３の種類や特性に合わせた位相に予め調整されているとする。また同時に、発振器１１ａは、検出部１２の同期検波回路に対して同期信号を送信する。

【0038】

検出部１２は、図２０における検出回路と同様の構成となっており、センサヘッド２３の磁気コア２３ａに巻回された検出コイル２３ｂの一端側に接続され、プリアンプ、同期整流器、ローパスフィルタ、及び誤差増幅器を有して負帰還回路を構成する。センサヘッド２３からの検出コイルの出力Ｖは、コンデンサＣ、プリアンプ、同期整流器、ローパスフィルタを通じて、出力Ｖに応じた所定電圧となって誤差増幅器に送られる。その後、誤差増幅器への入力が０になるように、帰還抵抗Ｒｆを通して帰還電流ｉｆが検出コイル２３ｂに流れる。このときに帰還抵抗Ｒｆに生じる電圧がセンサ出力Ｖを与える。

【0039】

次に、センサヘッドモジュール２０の構成について、図３を用いて詳細に説明する。センサヘッドモジュール２０は、上述したように、センサヘッド２３と、直流励磁電流生成部２２とを備える。

【0040】

センサヘッド２３は、磁気コア２３ａと、当該磁気コア２３ａの周囲を包むように、その延在方向（Ｚ軸線）回りに巻回される検出コイル２３ｂとからなる。磁気コア２３ａは、例えば、Ｕ字型（又はヘアピン型）やＷ型に形成された磁性ワイヤや磁性薄帯により構成されており、検出コイル２３ｂは、例えば、巻き数を１０００ターン程度とされる。

【0041】

なお、磁気コア２３ａは、Ｕ字型やＷ型以外にＩ字型（棒状）であってもよい。その場合、折り返し部分を導線などの配線で構成するようにしてもよい。また、磁気コア２３ａに用いる材料は、例えば、磁気歪みが小さい、Ｃｏ基無磁歪組成のアモルファス磁性薄帯又はワイヤやパーマロイ薄帯又はワイヤ等を用いるようにしてもよい。

【0042】

直流励磁電流生成部２２は、直流電源としての電池２２ａと、当該電池２２ａの電圧により流れるバイアス直流電流を調整する可変抵抗器２２ｂと、駆動部１０からの交流電流の流れ込みを防止するためのインダクタとしてコイル２２ｃとを備える。コイル２２ｃのインダクタンスは、例えば、１ｍＨ程度以上であればよい。

【0043】

なお、バイアス直流電流ｉｄｃ２について、例えば直径が１２０μｍ程度のコバルト系アモルファス磁性ワイヤコアの場合は４０ｍＡ前後の値、幅１ｍｍで厚さ２０μｍ程度のコバルト系アモルファス磁性薄帯コアの場合は２００ｍＡ前後の値となる。

【0044】

また、図３においては、直流電源として電池２２ａを記載しているが、電池に限る必要はなく、交流電流を直流電流に変換して供給するようにしてもよい。電池を充電式電池とし、交流電源との接続による雑音の増加を防ぐために、センサ稼働時には交流電源との接続を切り離すようにしてもよい。

【0045】

以上のような構成により、センサヘッド２３の特性に応じて調整が必要となるバイアス直流電流の生成部をセンサヘッドモジュール２０に一体的に備える構成とすることで、異なる特性のセンサヘッド２３に交換する場合に、駆動部１０での調整が一切必要なく、センサヘッドモジュール２０のみで調整を行うことが可能となるため、作業者の負担を格段に低減することが可能となる。特に、心磁界計測のような何十チャンネルものセンサを必要とする場合には、効果が絶大となる。また、バイアス直流電流を、交流電源から独立した直流用の電源を用いて通電することで、不必要なノイズを排除することができる。

【0046】

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係るセンサヘッドモジュール及び当該センサヘッドモジュールを用いた磁界センサについて、図４及び図５を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、前記第１の実施形態に係るセンサヘッドモジュールに、さらに交流励磁電流を調整する機能を備えたものである。なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

【0047】

図４は、本実施形態に係る磁界センサの構成を示す機能ブロック図、図５は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成図である。なお、本実施形態において、駆動部１０の回路構成は、前記第１の実施形態における図２の場合と同じであるが、ここで出力される交流電流は、センサヘッド２３の種類や特性に依らず任意の位相で出力される。

【0048】

図４において、前記第１の実施形態における図１の場合と異なるのは、センサヘッドモジュール２０が、駆動部１０の出力部１１から出力された交流電流に対して、位相調整や増幅を行ってセンサヘッド２３に交流励磁電流を供給する交流励磁電流生成部２１備えることである。

【0049】

この交流励磁電流生成部２１は、駆動部１０から発振された交流電流ｉａｃ１の位相をセンサヘッド２３の特性に合わせて位相調整する位相調整回路２１ａと、位相調整された当該交流電流を増幅して交流励磁電流ｉａｃ２を出力する増幅回路２１ｂとを備える。位相調整回路２１ａとしては、例えば、電池駆動に適する±２．５Ｖ程度の低電圧源で動作する演算増幅器（オペアンプ）を使用するようにしてもよい。また、増幅回路２１ｂとしては、電流供給能力が高いオペアンプを用いることができる。

【0050】

なお、交流励磁電流として、例えば１００ｋＨｚ程度の周波数が用いられた場合は、センサヘッド２３の磁気コア２３ａと増幅回路２１ｂとの間に挿入されるコンデンサ２１ｃは、１μＦ以上であればよい。このコンデンサ２１ｃにかかる電圧は高々数百ミリボルト程度であるので、汎用のセラミックスコンデンサで実現することができる。

【0051】

以上のような構成により、センサヘッド２３の特性に応じて調整が必要となる交流励磁電流の生成部をセンサヘッドモジュール２０に一体的に備える構成とすることで、異なる特性のセンサヘッド２３に交換する場合に、駆動部１０での調整が一切必要なく、センサヘッドモジュール２０のみで調整を行うことが可能となるため、作業者の負担を格段に低減することが可能となる。特に、心磁界計測のような何十チャンネルものセンサを必要とする場合には、効果が絶大となる。

【0052】

（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係るセンサヘッドモジュール及び当該センサヘッドモジュールを用いた磁界センサについて、図６ないし図８を用いて説明する。本実施形態に係る磁界センサは、前記第１の実施形態に係るセンサヘッドモジュールを改良したものである、励磁電流（ｉｄｃ＋ｉａｃ）の通電方向を切り替える切替手段を有することで、センサのオフセットを下げて（場合によっては０にすることで）より高性能な磁界センサを実現する。なお、本実施形態において前記各実施形態と重複する説明は省略する。

【0053】

発明者の実験により、磁気コア２３ａの両端部に接続する励磁電流の通電方向、すなわち、磁気コア２３ａの幅方向に対してどちら向きに直流バイアス磁界を印加するかでオフセットが異なることが見出された。このときの実験結果のグラフの一例を図６に示す。図６の実験は、Ｍｅｔａｇｌａｓ２７１４Ａの幅１ｍｍの磁性薄帯を用いたセンサヘッド（長さ４０ｍｍ）を磁気シールド内に設置し、１００ｋＨｚ、実効値２４ｍＡの交流電流で励磁した場合の出力が、バイアス直流電流の大きさでどのように変化するかを調べたものである。図６に示すように、バイアス直流電流の極性に応じてオフセットに大きな違いがあることを確認することができる。

【0054】

なお、中心軸近傍でグラフが抜けているのは、基本波型直交フラックスゲートとなる条件である｜ｉｄｃ｜＞ｉａｃに当てはまらない領域である。

【0055】

図６の実験結果に示すように、バイアス直流電流の極性の違いでオフセット値に大きな差が出る理由としては、磁気コア２３ａの磁気異方性が場所ごとに少なからず分散しており、保磁力も微視的に見れば場所ごとに揺らいでおり、幅方向の一方向に磁化する場合とその反対方向に磁化する場合とで磁気ヒステリシスがあるため全ての磁化は互いに１８０°反転した関係にはならない。つまり、完全な対称性がないためである。したがって、バイアス直流電流の極性によってオフセットの発現が異なるものとなっている。

【0056】

なお、図６に示す実験以外にも、他の条件（例えば、磁気コア２３ａをワイヤにした場合や長さを変えたような場合等）であっても、同様にバイアス直流電流の極性に応じてオフセットの発現が異なることが確認されている。

【0057】

このような実験結果から、本実施形態で用いるセンサヘッド２３のオフセットは、バイアス直流電流の極性により性質が異なることは明確となったが、センサヘッド２３の外観から、よりオフセットが小さくなるような極性を識別することは不可能である。そこで、本実施形態においては、磁気コア２３ａに通電される励磁電流の通電方向を切り替える切替手段を設け、キャリブレーションにおいて、それぞれの通電方向で実際にセンシングした結果に応じてよりオフセットが小さくなるような通電方向を決定する。

【0058】

図７は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュール２０の第１の回路構成図である。図７に示すように、直流励磁電流生成部２２及び交流励磁電流生成部２１と、磁気コア２３ａとの間に切替部２４を備える。切替部２４は、スイッチ２４ａ及びスイッチ２４ｂからなり、それぞれのスイッチ２４ａ及び２４ｂは、双方とも接点（１）に接続するか接点（２）に接続するかが切り替わる構成となっている。接点（１）に接続した場合は、磁気コア２３ａに対して励磁電流ｉｄｃ＋ｉａｃが流れ、接点（２）に接続した場合は、磁気コア２３ａに対して励磁電流－（ｉｄｃ＋ｉａｃ）が流れる。

【0059】

キャリブレーションの際に、スイッチ２４ａ及びスイッチ２４ｂが、それぞれ接点（１）に接続した場合と、接点（２）に接続した場合とでオフセットを測定し、より小さいオフセットとなる接点に接続することで、高性能な磁界センサを実現することが可能となる。

【0060】

図８は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュール２０の第２の回路構成図である。ここでは、図７の回路構成に加えて、切替部２４を制御するための切替制御部２５を備える。切替制御部２５は、キャリブレーションの際に、スイッチ２４ａ及びスイッチ２４ｂが、それぞれ接点（１）に接続した場合と、接点（２）に接続した場合とでオフセットを測定した結果を駆動部１０から取得し、オフセットがより小さくなる方の接点にスイッチ２４ａ及びスイッチ２４ｂが接続するようにスイッチ２４ａ及びスイッチ２４ｂの動作を制御する。こうすることで、キャリブレーションにおける切替部２４の制御を自動で行うことが可能となる、利用者の手間を削減することができる。

【0061】

なお、本実施形態においては、センサヘッドモジュール２０が交流励磁電流生成部２１を備えない構成としてもよい。

【0062】

（本発明の第４の実施形態）
本実施形態に係るセンサヘッドモジュール及び当該センサヘッドモジュールを用いた磁界センサについて、図９ないし図１５を用いて説明する。なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明は省略する。

【0063】

図９は、本実施形態に係る磁界センサの駆動部の第１の回路構成図、図１０は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成を示す第１の図である。図９に示すように、ここでは、駆動部１０において、加算器により直流成分＋交流成分の電流が生成され、この図９の駆動部に適応するセンサヘッドモジュール２０の構成を図１０に示している。すなわち、図９に示すように、直流成分＋交流成分の電流を出力するような駆動部１０を用いた場合には、図１０のセンサヘッドモジュール２０側で交流成分のみを抽出して交流励磁電流とする必要がある。そのため、図１０においては、位相調整回路２１ａの前段の駆動部１０との間に、当該駆動部１０から供給される直流成分＋交流成分の電流のうち、交流成分の電流のみを抽出する交流成分抽出回路２１ｄを備える構成となっている。

【0064】

つまり、図１０に示すようなセンサヘッドモジュールの構成とすることで、駆動部１０が、図９に示すように直流成分＋交流成分の電流が供給される場合であっても、駆動部１０の構造に依存することなく、センサヘッドモジュール２０内だけでセンサヘッド２３の特性に合わせたパラメータの設定を行うことが可能になる。

【0065】

なお、交流成分抽出回路２１ｄは、駆動部１０の構造に応じて選択的に接続できる構成としてもよい。すなわち、駆動部１０が図２に示すように交流成分の電流のみを供給する場合は、図５の回路構成となるように端子を接続し、駆動部１０が図９に示すように直流成分＋交流成分の電流を供給する場合は、図１０の回路構成となるように端子を接続できるように選択的な構造としてもよい。

【0066】

図１１は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成を示す第２の図である。図１１において、交流励磁電流生成部２１の構成は、図５の構成でも図１０の構成でもいずれでもよく、直流励磁電流生成部２２において、コイル２２ｃに磁気結合するようにコイル２２ｄを備える構成となっている。

【0067】

すなわち、電池２２ａの正極側と磁気コア２３ａとの間に直列に接続されているコイル２２ｃにより、交流励磁電流ｉａｃ２の流れ込みを防止するが、さらに、電池２２ａの負極側と磁気コア２３ａとの間にコイル２２ｃに磁気結合するコイル２２ｄを直列に接続して配設することで、より大きなインピーダンスを得ることができ、交流電流の流れ込みをより確実に防止することが可能となる。

【0068】

図１２及び図１３は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成を示す第３、第４の図である。図１２及び図１３に示すセンサヘッドモジュール２０は、図１１に示すセンサヘッドモジュール２０を複数備える構成（センサヘッドモジュール２０－１～２０－ｎ）となっているが、直流励磁電流の電源となる電池２２ａについては、単一となっており、各センサヘッドモジュール２０－１～２０－ｎに共通の接続になっている。図１２の場合は、複数の各センサヘッドモジュール２０－１～２０－ｎに対して、電池２２ａが直列に接続されており、図１３の場合は、複数の各センサヘッドモジュール２０－１～２０－ｎに対して、電池２２ａが並列に接続されている。

【0069】

上述したように、例えば心磁界計測を行う場合には、何十チャンネルものセンサを必要としており、センサヘッドモジュール２０を複数まとめて交換することが生じる。このような場合であっても、図１２又は図１３に示すようなセンサヘッドモジュール２０の構造とすることで、複数のセンサヘッドをまとめて交換することが可能になると共に、励磁用のバイアス直流電流源を一つに共通化することができるため、非常にコンパクトにまとめることができる。

【0070】

なお、図１２及び図１３において、複数のセンサヘッドモジュール２０に対して、単一の電池２２ａを配設する構成としているが、電池２２ａは単一である必要はなく複数であってもよい。すなわち、センサヘッドモジュール２０と電池２２ａとがそれぞれ１対１で対応付けて配設される必要はない。

【0071】

図１４は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成を示す第５の図、図１５は、本実施形態に係る磁界センサの駆動部の第２の回路構成図である。図１４に示すように、ここでは、検出コイル２３ｂの後段にバッファ回路２６を備えている。バッファ回路２６を備えることで出力インピーダンスを下げ、検出コイル２３ｂで検出された信号への耐雑音性、耐外乱性を向上させることが可能となる。すなわち、例えば駆動部１０とセンサヘッドモジュール２０との間のケーブルを長く伸延するような場合（例えば、ケーブル長を１０ｍ程度にする場合）などに効果的である。

【0072】

また、バッファ回路２６を備えることにより、検出部１２から帰還する帰還電流ｉｆを入力するための端子（ｃ２）を備える構成となっている。これは、センサヘッドモジュール２０を図１４のような構成にした場合に、検出部１２からのフィードバック電流のみを直接検出コイル２３ｂに加えるためである。

【0073】

一方、駆動部１０の回路構成においては、図１５に示すように、図１４の回路構成に合わせて端子（ｃ２）を分離する構成となっている。このように、検出部１２からのフィードバック電流のみを直接検出コイル２３ｂに加えることで、高性能な磁界センサ１を実現することが可能になる。

【0074】

なお、本実施形態においては、前記第３の実施形態において説明した切替部２４を備えない構成を一例として説明したが、各回路構成において、切替部２４及び／又は切替制御部２５を備える構成としてもよい。

【0075】

また、本実施形態においては、センサヘッドモジュール２０が交流励磁電流生成部２１を備えない構成としてもよい。

【0076】

（本発明のその他の実施形態）
本実施形態に係るセンサヘッドモジュール及び当該センサヘッドモジュールを用いた磁界センサについて、図１６を用いて説明する。なお、本実施形態において、前記各実施形態と重複する説明は省略する。

【0077】

本実施形態に係る磁界センサは、基本波型直交フラックスゲートセンサを構成する２つのセンサヘッドを用いて局所磁界（勾配磁界）を検知するグラディオメータを用いた勾配磁界センサであり、それぞれのセンサヘッドの製造誤差などによる特性の差をセンサヘッドモジュールで容易に且つ高精度に調整して、極めて微小な異物などの局所磁界を高感度に検知することを可能とするものである。

【0078】

図１６は、本実施形態に係るセンサヘッドモジュールの回路構成図である。ここでは、センサヘッド２３１及び２３２は、各々の磁気コア（磁気コア２３１ａ、２３２ａの延在方向が平行となるように配置されているが、各々の磁気コアの延在方向が同軸となるように配置することもできる。

【0079】

図１６において、検出コイル２３１ｂと、検出コイル２３２ｂとは、直列接続となるように各々の一端が電気配線で結線される。また、検出コイル２３１ｂの他端側が検出部１２に接続されるとともに、検出コイル２３２ｂの他端側がグラウンドに接続される。また、検出コイル２３１ｂと、検出コイル２３２ｂとは、同一方向の磁界に対して生じる誘起電圧（検出電圧Ｖ１、Ｖ２）が互いに打ち消し合うように（互いの極性が逆向きとなるように）接続される。これにより、同一方向の磁界に対しては、それぞれのセンサヘッド２３１及び２３２の検出電圧Ｖ１及びＶ２の合成電圧（センサ出力）として、それぞれのセンサヘッドから出力される検出電圧の差分を取ったもの（Ｖ２－Ｖ１）が現れる。このようにすることで、遠方から到達してくるような一様磁界に関しては、それぞれのセンサヘッド２３１、２３２の両方で同様にピックアップされてセンサ出力には現れない。しかし、局所的な磁界に対しては、一方のセンサヘッド（例えば、センサヘッド２３１）でのみピックアップされるので、センサ出力として観測される。これにより、遠方から来る一様磁界的性質を持つ雑音を除去して局所磁界に関する信号を検出する事ができるようになり、局所磁界の高感度検出が可能になる。

【0080】

調整部２７は、駆動部１０に直列接続され、磁気コア２３１ａに並列接続される調整コイル２７１ａ及び可変抵抗器２７１ｂからなる第１調整部２７１と、磁気コア２３２ａに並列接続される調整コイル２７２ａ及び可変抵抗器２７２ｂからなる第２調整部２７２とを備える。第１調整部２７１及び第２調整部２７２は、それぞれ調整コイル２７１ａ及び２７２ａを有することで、駆動部１０からの交流電流に対するインピーダンスを大きくし、第１調整部２７１及び第２調整部２７２に直流電流のみが流れるように構成している。センサヘッド２３１、２３２のインピーダンスは、アモルファスワイヤの抵抗値に基づくもので、例えば１０Ω程度である。したがって、調整コイル２７１ａ及び２７２ａのインピーダンスは、その１０倍以上、すなわち１００Ω程度以上であることが望ましい。このとき、可変抵抗器２７１ｂ及び２７２ｂの抵抗値の最大値は、１ｋΩ～５０ｋΩ（すなわち、０ｋΩ～１ｋΩないし０ｋΩ～５０ｋΩ程度）とすることが望ましい。

【0081】

上述したように、本実施形態に係る磁界センサにおいては、第１調整部２７１に通電される直流電流と、第２調整部２７２に通電される直流電流とを、可変抵抗器２７１ｂ及び２７２ｂで調整することで、それぞれの磁気コア２３１ａ、２３２ｂに通電される直流電流量を調整し、それぞれのセンサヘッド２３１、２３２の感度調整を行うことができる。つまり、感度が高い方のセンサヘッドについては、センサヘッドモジュール２０側の回路で直流電流を増やして感度を小さく、感度が低い方のセンサヘッドについては、直流電流を減らして感度を大きくするように、可変抵抗器２７１ｂ及び２７２ｂを調整する。

【0082】

このような調整を行うことで、センサヘッド２３１、２３２の感度調整をセンサヘッドモジュール２０内でフレキシブルに行うことが可能となる。

【0083】

なお、本実施形態においては、センサヘッドモジュール２０が交流励磁電流生成部２１を備えない構成としてもよい。

【実施例】

【0084】

本発明に係るセンサヘッドモジュール及び当該センサヘッドモジュールを用いた磁界センサについて、以下の実験を行った。

【0085】

（１）バイアス直流電流の調整
本発明に係るセンサヘッドモジュールを用いた磁界センサを使って、バイアス直流電流を変化させた場合の雑音スペクトル密度を測定した。磁気コア２３ａとしてＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａ、幅１ｍｍの薄帯を用いて、長さ３０ｍｍのセンサヘッド２３を作製し、使用した。交流励磁電流は、周波数１００ｋＨｚで２４ｍＡ（実効値）とした。ここでは、図９に示す駆動部１０、及び図１０に示すセンサヘッドモジュール２０の回路構成とした。

【0086】

図１７は、バイアス直流電流を変化させた場合の雑音スペクトル密度を測定した結果を示す図である。バイアス直流電流ＩｄｃをＩｄｃ＝４０ｍＡ～２００ｍＡ前後まで変化させ、そのうち、Ｉｄｃ＝４０ｍＡ、１３０ｍＡ及び２００ｍＡの場合の結果を示している。図に示すように、Ｉｄｃの大きさに応じて雑音特性に差が生じており、この実験の場合はＩｄｃ＝２００ｍＡにおいて、雑音特性が最も良くなっている。つまり、センサヘッドの特性に応じてＩｄｃを調整することが非常に重要であることがわかる。

【0087】

なお、発明者らの以前の研究により、磁気コア２３ａとして磁性ワイヤを用いた場合は、Ｉｄｃ＝４０ｍＡ前後で雑音特性が良くなることが既に知られている。したがって、例えばセンサヘッド２３に磁性ワイヤを用いたものから磁性薄帯を用いたものに交換するような場合には、本発明のように、センサヘッドモジュール２０においてＩｄｃを調整できることで、駆動部１０側の回路を操作して調整する必要がなくなり、作業者の負担を格段に低減することができる。

【0088】

（２）励磁電流の極性に応じたオフセットの測定
本発明に係るセンサヘッドモジュールを用いた磁界センサを使って、磁気コア２３ａに通電する励磁電流の極性を変えた場合のオフセットの変化を測定した。磁気コア２３ａとしてＭｅｔｇｌａｓ２７１４Ａ、幅１ｍｍの薄帯を用いて、長さ４０ｍｍのセンサヘッド２３を作製し、磁気ジールド内に配置して使用した。交流励磁電流は、周波数１００ｋＨｚで２４ｍＡ（実効値）とした。ここでは、図９に示す駆動部１０、及び図７に示すセンサヘッドモジュール２０の回路構成とした。

【0089】

上記磁界センサを使って、バイアス直流電流を－０．１５Ａ～０．１５Ａまで変化させた場合の出力結果は既に図６に示している。図６に示すように、負極側の電流領域と正極側の電流領域とで出力の挙動が明らかに異なっている。ここで、オフセットがより小さくなる方向に切替部２４を調整し、バイアス直流電流の変化に対するオフセットを測定した結果を図１８に示す。図１８に示すように、バイアス直流電流が２０６ｍＡの場合はオフセットを０になっている。これは極めて好感度な磁界センサの実現性を示している。

【0090】

なお、バイアス直流電流をこれとは逆の極性に接続した場合は、バイアス直流電流－２１１ｍＡの時にオフセットが－２．０３μＴ、バイアス電流が－１２０ｍＡの時にオフセットが－２．３３μＴとなっており、図１８の場合の結果と比較して１０倍以上の差があった。

【0091】

また、このようなオフセットの違いは、励磁電流の極性に応じて出力の特性が変わる磁性ワイヤをセンサヘッドに用いた場合でも生じるものであり、磁性ワイヤをセンサヘッドに用いた場合にも切替部の構成は非常に重要なものとなり得る。

【0092】

（３）センサヘッドのモジュール化による性能向上
本発明に係るセンサヘッドモジュールを用いた磁界センサと用いない場合とで雑音特性にどれくらいの差があるかを測定した。比較対象は、参考文献（Mattia Butta and Ichiro Sasada, “Effect of Terminations in Magnetic Wire on the Noise of Orthogonal Fluxgate Operated in Fundamental Mode”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 48, NO. 4, APRIL 2012）に記載されている磁界センサと、本発明のセンサヘッドモジュールを用いた磁界センサである。参考文献では、励磁電流の制御を全て駆動回路と同じ基板上で行っている。一方、本発明に係るセンサヘッドモジュールを用いた実験は、上記と同じ磁性ワイヤを磁気コアとする長さ３０ｍｍのセンサヘッドを用い、周波数１００ｋＨｚでＩａｃ＝１２ｍＡ、Ｉｄｃ＝４０ｍＡの条件で測定した。

【0093】

図１９は、それぞれの磁界センサにおける周波数変化に対するノイズ特性を示す図である。図１９（Ａ）が参考文献の磁界センサ、図１９（Ｂ）が本発明に係るセンサヘッドモジュールを用いた磁界センサの結果である。図１９に示すように、参考文献の磁界センサに比べて、本発明に係る磁界センサの方がノイズ特性が向上していることがわかる。これは、本発明においては、センサヘッドモジュール２０を駆動部１０から独立させると共に、センサヘッドモジュール２０において、バイアス直流電流を電気的に独立した電池で生成することにより、外乱のない綺麗な直流電流を通電することができているためである。

【0094】

なお、これと同様の結果は、センサヘッドに磁性薄帯を用いた場合でも同様であり、本発明のセンサヘッドモジュールを使用することで性能向上を実現することができる。

【符号の説明】

【0095】

１ 磁界センサ
１０ 駆動部
１１ 出力部
１１ａ 発振器
１２ 検出部
２０ センサヘッドモジュール
２１ 交流励磁電流生成部
２１ａ 位相調整回路
２１ｂ 増幅回路
２１ｃ コンデンサ
２１ｄ 交流成分抽出回路
２２ 直流励磁電流生成部
２２ａ 電池
２２ｂ 可変抵抗
２２ｃ，２２ｄ コイル
２３ センサヘッド
２３ａ 磁気コア
２３ｂ 検出コイル
２４ 切替部
２４ａ，２４ｂ スイッチ
２５ 切替制御部
２６ バッファ回路
２７ 調整部
２３１，２３２ センサヘッド
２３１ａ，２３２ａ 磁気コア
２３１ｂ，２３２ｂ 検出コイル
２７１ 第１調整部
２７２ 第２調整部
２７１ａ，２７２ａ 調整コイル
２７１ｂ，２７２ｂ 可変抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】