特許 7245662 直交型フラックスゲートセンサ

(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】2023-03-15

(45)【発行日】2023-03-24

(54)【発明の名称】直交型フラックスゲートセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/04 20060101AFI20230316BHJP

【ＦＩ】

G01R33/04

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019013906

(22)【出願日】2019-01-30

(65)【公開番号】P2020122691

(43)【公開日】2020-08-13

【審査請求日】2021-11-24

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】597010628

【氏名又は名称】協立電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107102

【弁理士】

【氏名又は名称】吉延 彰広

(74)【代理人】

【識別番号】100164242

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 直人

(72)【発明者】

【氏名】笹田 一郎

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 彰利

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２７７５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０２９３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５５－０７７１９１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１６－１６４５３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

細長い強磁性体のコアと、
前記コアに巻かれた検出コイルと、
所定の周期の交流電流に対して該交流電流の振幅以上の大きさの直流バイアス電流を重畳した励磁電流を前記コアの軸方向に流して前記コアを周方向に磁化する励磁部と、を有し、
前記検出コイルに生じる誘起電圧を用いてセンシングを行う直交型フラックスゲートセンサにおいて、
センシング開始の際に、前記直流バイアス電流と同じ極性であって前記励磁電流よりも大きな磁化促進電流を前記コアの軸方向に流して前記コアを周方向に磁化する磁化促進部と、
を備えたことを特徴とする直交型フラックスゲートセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直交型フラックスゲートセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気センサの一つとしてフラックスゲートセンサが知られている。このフラックスゲートセンサでは、励磁電流を用いて強磁性体のコアを励磁し、コアに巻かれた検出コイルに生じる誘起電圧からコアに印加された磁界の強度を求める。こうしたフラックスゲートセンサの一つに特許文献１に記載の直交型フラックスゲートセンサがある。この直交型フラックスゲートセンサでは、周波数ｆの交流成分と、この交流成分の振幅よりも大きなバイアス電流を重畳した励磁電流でコアを励磁し、検出コイルから生じる周波数ｆの成分を用いて求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－２７７５２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

引用文献１に記載の直交型フラックスゲートセンサでは、コアに磁界が印加された場合に、励磁電流の交流成分と同じ周波数の成分が検出コイルの誘起電圧となって出力される。このため、コアに印加された磁界の強度を求めるにあたって、検出コイルの誘起電圧のうち励磁電流の交流成分と同じ周波数の成分を用いることができ、簡単な構成とすることができる。また、バイアス電流を重畳したことによりコアに励磁される磁界の方向が反転しない（励磁が単極性になる）ため、コアに励磁される磁界が反転する構成と比較して、磁化反転によるノイズの発生を抑えることができる。

【0005】

しかし、センシングを行う前のコアの磁性によっては、センシング時において磁化反転によるノイズ（バルクハウゼンノイズ）が発生する場合がある。

【0006】

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、ノイズを低減した直交型フラックスゲートセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するための本発明の直交型フラックスゲートセンサの一実施形態は、
細長い強磁性体のコアと、
前記コアに巻かれた検出コイルと、
所定の周期の交流電流に対して該交流電流の振幅以上の大きさの直流バイアス電流を重畳した励磁電流を前記コアの軸方向に流して前記コアを周方向に磁化する励磁部と、を有し、
前記検出コイルに生じる誘起電圧を用いてセンシングを行う直交型フラックスゲートセンサにおいて、
センシング開始の際に、前記直流バイアス電流と同じ極性であって前記励磁電流よりも大きな磁化促進電流を前記コアの軸方向に流して前記コアを周方向に磁化する磁化促進部と、
を備えたことを特徴とする。

【0008】

上記の直交型フラックスゲートセンサによれば、磁化促進部によってセンシングにかかるコアの磁化を促し、磁区を一方向にそろえることにより、センシング開始時におけるバルクハウゼンノイズを低減させることができる。

【0010】

上記の直交型フラックスゲートセンサによれば、磁化促進電流を用いてコアの磁化を促し、センシング開始時におけるバルクハウゼンノイズを低減させることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明の直交型フラックスゲートセンサの実施形態によれば、ノイズを低減した直交型フラックスゲートセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１の構成を示す概略図である。

【図2】直交型フラックスゲートセンサ１のコア２の状態の変化の一例を示すモデル図である。

【図3】交流電流のみの励磁電流と、これに伴うコア２の軸方向の磁束および検出コイル３の出力電圧の変化の一例を示す図である。

【図4】交流電流をバイアスした励磁電流と、これに伴うコア２の軸方向の磁束および検出コイル３の出力電圧の変化を示す図である。

【図5】コア２の周面の点Ｐにおける磁化Ｊの方向の変化の一例を示すモデル図である。

【図6】消磁状態にある強磁性体を磁化した場合の初磁化曲線を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を用いて本実施形態の直交型フラックスゲートセンサの一例について説明する。

【0014】

図１は、本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１の構成を示す概略図である。

【0015】

本実施形態のフラックスゲートセンサ１は、強磁性体（例えば、スーパーマロイ、アモルファス、等）のコア２と、このコア２に巻かれた検出コイル３と、コア２に直列に接続された交流電源４と直流電源５とを有するものである。コア２は、交流電源４からの周波数ｆＨｚの交流電流に直流電源５からのバイアス電流を重畳した励磁電流によって励磁される。ここで、直流電源５からのバイアス電流の大きさは、交流電源４からの交流電流の振幅よりも大きく設定されている。また、検出コイル３には、外部磁界の印加によって検出コイル３に誘起される電圧のうちｆＨｚの成分を抽出し、外部磁界の大きさに相当する電圧を出力する検波回路６が接続されている。

【0016】

上記コア２は、円筒形のものであるが、細長い形状であれば、例えば薄い板状やワイヤー状のものを用いてもよい。また、直流電源５からのバイアス電流は、プラスの極性のものであるが、極性についてはマイナスであってもよく、励磁電流全体でプラスとマイナスのいずれかの極性となっていればよい。

【0017】

上記直流電源５には、時定数回路７と、電源投入を検出する起動検出回路８が接続されている。起動検出回路８で電源投入が検出されると、時定数回路７から一定時間（例えば１秒間）に亘って直流電源５に信号が出力される。この信号が入力されると、直流電源５では、センシング時の直流バイアス電流よりも大きな直流電流をコア２に供給する。これによって、センシング開始時に、コア２に対して大きな電流（例えば、励磁電流の最大値の２～５倍）を流す構成を採用している。

【0018】

以下の説明では磁束密度Ｂと磁界Ｈおよび磁化Ｊの間のＢ＝μ_０Ｈ＋Ｊの関係を用いる（ここでμ_０は真空の透磁率）。なお磁束は磁束密度を特定の面で面積積分したものである。たとえば、コア内の磁束密度をコアの断面にわたって面積積分するとコアを通過する磁束が求まる。

【0019】

［励磁電流が交流成分のみの場合］
上記直交型フラックスゲートセンサ１の動作原理を説明する前に、バイアス電流を重畳せずに交流電流のみの励磁電流を用いた場合の動作について説明する。図２は、直交型フラックスゲートセンサ１のコア２の状態の変化の一例を示すモデル図である。また図３は、交流電流のみの励磁電流と、これに伴うコア２の軸方向の磁束および検出コイル３の出力電圧の変化の一例を示す図である。なお、以下の説明では、コア２の軸方向に沿って（図１では左から右に向かう方向、図２では下から上に向かう方向）外部磁界が印加されているものとする。

【0020】

コア２への励磁電流Ｉｄが０の場合、コア２は外部磁界によってのみ磁化された状態となる。ここでは、この状態でコア２内部の軸方向の磁束が最大（外部磁界の磁束がコア２に最も引き寄せられた状態）になるものとして説明する。図２（Ａ）は、コア２への励磁電流Ｉｄが０の場合に、外部磁界の磁束がコア２に引き寄せられてコア２の内部を通っていることが破線で示した磁束線によって定性的に示されている。

【0021】

ここから、励磁電流Ｉｄが増加すると、これに伴ってコア２は外部磁界と励磁電流Ｉｄによる磁界によって磁化される。この状態では、励磁電流Ｉｄが増加するほどコア２の磁化の方向は励磁方向である周方向に向けられ、コア２内部の軸方向の磁束が減少する（コア２に引き寄せられる磁束が減少する）。図２に示す矢印（１）は、励磁電流Ｉｄがプラス方向に対して増加することでコア２内部の軸方向の磁束が減少する期間を示している。さらに励磁電流Ｉｄが増加してコア２の磁化の方向が最も周方向に向けられた状態になると、コア２内部の軸方向の磁束が最小になる（外部磁界の磁束がコア２に最も引き寄せられない状態）。図２（Ｂ）には、図２（Ａ）と比較してコア２の軸方向の磁束が少なくなっていることが破線で示した磁束線によって定性的に示されている。

【0022】

続いて励磁電流Ｉｄが減少に転じると、これに伴ってコア２の磁化の方向を周方向に向ける力が弱まり、コア２内部の軸方向の磁束が増加する（コア２に引き寄せられる磁束が増加する）。図２に示す矢印（２）は、励磁電流Ｉｄがプラスから０へ減少することでコア２内部の軸方向の磁束が増加する期間を示している。そして励磁電流Ｉｄが０になると、再びコア２が外部磁界によってのみ磁化された状態になり（図２（Ａ））、コア２内部の軸方向の磁束が最大になる（外部磁界の磁束がコア２に最も引き寄せられた状態）。

【0023】

さらに、励磁電流Ｉｄが減少（マイナス側に増加）すると、これに伴ってコア２は外部磁界と励磁電流Ｉｄによる磁界によって磁化される。この状態では、励磁電流Ｉｄの絶対値が増加するほどコア２の磁化の方向は励磁方向である周方向（励磁電流Ｉｄがプラスの場合とは逆方向）に向けられていき、コア２内部の軸方向の磁束が減少する（コア２に引き寄せられる磁束が減少する）。図２に示す矢印（３）は、励磁電流Ｉｄがマイナス方向に増加することでコア２内部の軸方向の磁束が減少する期間を示している。さらに励磁電流Ｉｄが減少（マイナス側に増加）してコア２の磁化の方向が最も周方向に向けられた状態になると、コア２内部の軸方向の磁束が最小になる（外部磁界の磁束がコア２に最も引き寄せられない状態）。図２（Ｃ）には、図２（Ａ）と比較してコア２の軸方向の磁束が少なくなっていることが破線で示した磁束線によって定性的に示されている。

【0024】

続いて励磁電流Ｉｄがマイナスから０への増加に転じると、これに伴ってコア２の磁化の方向を周方向に向ける力が弱まり、コア２内部の軸方向の磁束が増加する（コア２に引き寄せられる磁束が増加する）。図２に示す矢印（４）は、励磁電流Ｉｄがマイナスから０へ増加することでコア２内部の軸方向の磁束が増加する期間を示している。そして、励磁電流Ｉｄが０になると、再びコア２が外部磁界によってのみ磁化された状態になり（図２（Ａ））、上記説明した変化が繰り返される。

【0025】

図３には、上記図２で説明した励磁電流Ｉｄの一周期の変化に対して、コア２の軸方向の磁束の変化は二周期分になっていることが示されている。また、図３には検出コイル３の出力が示されているが、この周期は、コア２の軸方向の磁束の変化の周期と同じ周期である。すなわち、コア２の軸方向に沿って外部磁界が印加されている場合、検出コイル３から励磁電流Ｉｄの周波数の２倍の周波数の誘起電圧が出力されることになる。

【0026】

［交流成分の振幅よりも大きなバイアス電流を重畳した励磁電流を用いた場合］
次に、上記説明を踏まえ、本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１の動作原理を説明する。図４は、交流電流をバイアスした励磁電流と、これに伴うコア２の軸方向の磁束および検出コイル３の出力電圧の変化を示す図である。

【0027】

上述したように本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、直流電源５からのバイアス電流の大きさが、交流電源４からの交流電流の振幅よりも大きく設定されている。このため図４に示すように、励磁電流の極性が反転せず、コア２の励磁についても一方向のみに磁化される。この過程では磁化の方向が周面において逆方向へ反転することがなく、磁化の反転に付随するバルクハウゼンノイズは発生しない。図４では、励磁電流は常に正で、周期的に平均値からの増減を繰り返す。励磁電流Ｉｄが平均値から増加することでコア２内部の軸方向の磁束が減少する期間（矢印（１）で示す期間）と、励磁電流Ｉｄが平均値から減少することでコア２内部の軸方向の磁束が増加する期間（矢印（２）で示す期間）が繰り返されることが示されている。なお、本実施形態ではバルクハウゼンノイズを抑えるため、図４に示すように励磁電流の最小値が０にならない構成を採用しているが、励磁電流の最小値が０になる構成であってもよい。

【0028】

図３の例では、励磁電流の一周期の間にコア２の周方向の磁化が二回最大になり、これによってコア２の軸方向の磁束が二回最小になる（図３では、期間（１）（２）の間と、期間（３）（４）の間の二回）。しかし、本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、図３の例とは異なり、励磁電流の一周期の間にコア２が一回だけ最大になるサイクルとなるため、コア２の軸方向の磁束も一回だけ最小になる（図４に示す期間（１）から期間（２）になる場合のみ）。これに伴い、励磁電流と検出コイル３の出力の周波数が同じになる。

【0029】

図４には、本実施形態で用いる励磁電流Ｉｄの一周期の変化が示されており、またこの励磁電流に対して、コア２の軸方向の磁束の変化が一周期分になっていることが示されている。また、図４には検出コイル３の出力が示されているが、この周期は、コア２の軸方向の磁束の変化の周期と同じ周期である。すなわち本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、コア２の軸方向に沿って外部磁界が印加されている場合、検出コイル３から励磁電流Ｉｄの周波数と同じ周波数の誘起電圧が出力されることになる。

【0030】

さらに上記の動作について、コア２の周面における磁化の方向の変化を図５を用いて説明する。同図は、コア２の周面の点Ｐにおける磁化Ｊの方向の変化の一例を示すモデル図である。図５に示すように点Ｐでは、外部磁界および励磁電流Ｉｄによって周方向に生じる磁界によって磁化される（図５の点Ｐを始点とする矢印が磁化Ｊを示す）。本実施形態では励磁電流Ｉｄの極性は反転しないため、この励磁電流Ｉｄによって生じる周方向の磁界の向きは反転せずに一方向のままとなる（図５では右方向のまま）。励磁電流Ｉｄによる磁界の強さが変化すると、これに伴って周方向に対する磁化Ｊの角度は増減する。図５では、点Ｐにおいて、周方向の磁界が強くなると磁化Ｊの方向が周方向に傾き（（１）の矢印）、反対に弱くなると磁化Ｊの方向が軸方向に傾く（（２）の矢印）ことが示されている。このとき、磁化Ｊの方向が周方向に傾くほどコア２内部の軸方向の磁束が減少する。この動作によってコア２の軸方向に外部磁界が印加されている場合に、検出コイル３から励磁電流Ｉｄの周波数と同じ周波数の誘起電圧が出力されることになる。なお、本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、コア２を励磁する磁界が反転する構成と比較してコア２の磁化方向が反転しにくいという特徴がある。

【0031】

以上説明したように、本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、コア２に磁界が印加された場合に、励磁電流の交流成分と同じ周波数の成分が検出コイル３の誘起電圧となって出力される。このため、コア２に印加された磁界の強度を求めるにあたって、検出コイル３の誘起電圧のうち励磁電流の交流成分と同じ周波数の成分を用いることができ、簡単な構成とすることができる。また、コア２を励磁する磁界の方向が反転しない（励磁が単極性になる）ため、コア２を励磁する磁界が反転する構成と比較して、磁化反転によるバルクハウゼンノイズの発生を抑えることができる。

【0032】

［センシング開始時にコアに大きな電流を流す構成について］
次に、センシング開始時に、コア２に対して大きな電流を流す構成について説明する。

【0033】

図６には、消磁状態にある強磁性体を磁化した場合の初磁化曲線が示されている。まず、初磁化範囲においては磁化が磁界とともに緩やかに増加する。続いて、不連続磁化範囲においては、磁壁が移動して外部磁界の方向成分をもった磁区が増加する。なお、この変化については非可逆的な変化となる。さらに、回転磁化範囲では、磁区内の磁気モーメントが外部磁界の方向へ回転し、磁化が飽和に至る。

【0034】

本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、コア２を励磁する磁界の方向が反転しない。このため、コア２の磁化を回転磁化範囲にある状態で動作させることができ、バルクハウゼンノイズを抑えることができる。しかし、センシングの開始時においては初期条件によっては磁区が望ましい方向と逆に反転していることがある。また、磁区によっては回転しにくい（より多くの励磁エネルギーを要する）ものもある。このためコア２が回転磁化範囲にある状態で動作するようになるまでに時間がかかり、それまでの間バルクハウゼンノイズが生じることがある。場合によってはいつまでたっても回転磁化範囲へ移行しない磁区が残る。

【0035】

そこで、本実施形態の直交型フラックスゲートセンサ１では、センシングの開始時（センサ起動時）に、コア２に対してセンシングの際に用いる直流バイアス電流よりも大きな直流電流を流す構成を採用している。この構成では、センシング中よりも大きな磁化力によってコア２が磁化されるため、センシング中におけるコア２の磁化を回転磁化範囲にある状態にすることができ、バルクハウゼンノイズの発生を抑えることができる。なお、このセンシング開始時における大きな電流を、その役割から磁化促進電流と称するものとする。

【0036】

上記説明した磁化促進電流については、その大きさや時間について何ら限定されるものではない。ただし、あまり大きな電流を流し続けるとコア２が発熱して問題が生じる可能性もあるため、磁化促進電流の大きさについては励磁電流の最大値（あるいはバイアス電流）に対して２～５倍程度の大きさであることが好ましく、また時間についても１秒程度であることが好ましい。

【0037】

また、コア２に対して磁化促進電流の供給を止める（あるいは磁化促進電流から励磁電流に移行する）際には、電流を緩やかに減少させる（例えば、１秒間で）ようにしてもよい。この場合、コア２の磁化力が急激に変化しないため、コア２の状態が急変するような事態を防止することができる。

【0038】

また、本実施形態では直流電源５を制御してコア２に磁化促進電流を流す構成を採用しているが、この構成に限られるものではなく、センシングの際の励磁電流とは異なる経路でコア２に対して磁化促進電流を供給するようにしてもよい。また、コア２を磁化するにあたっては、コア２に直接電流を流す構成に限られるものではなく、外部からコア２をその周方向に磁化する構成を設けてもよい。すなわち、励磁電流によってコア２を励磁する場合と比較して、より大きな磁化力でコア２を磁化する構成であればよい。

【0039】

［その他］
以下、上記説明した発明の構成について記載する。なお、発明の構成と対応する上記実施形態の構成については括弧書きで記載する。

【0040】

以上の説明では、
細長い強磁性体のコア（例えば、コア２）と、
所定の周期の交流電流に対して該交流電流の振幅以上の大きさのバイアス電流を重畳した励磁電流を、前記コアの軸方向に流して該コアを励磁する励磁部（例えば、交流電源４および直流電源５の組み合わせ）と、
前記コアに巻かれた検出コイル（例えば、検出コイル３）と、
前記励磁部よりも大きな磁化力で前記コアを磁化する磁化促進部（例えば、交流電源４、直流電源５、時定数回路７、起動検出回路８の組み合わせ）と、
を備えたことを特徴とする直交型フラックスゲートセンサ、が記載されている。

【0041】

また、上記記載の直交型フラックスゲートセンサであって、
前記磁化促進部は、
前記バイアス電流と同じ極性であって前記励磁電流よりも大きな磁化促進電流を流して前記コアを磁化するものである（［センシング開始時にコアに大きな電流を流す構成について］の記載参照）、
ことを特徴とする直交型フラックスゲートセンサ、が記載されている。

【符号の説明】

【0042】

１ フラックスゲートセンサ
２ コア
３ 検出コイル
４ 交流電源
５ 直流電源
６ 検波回路
７ 時定数回路
８ 起動検出回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】