JPH011981A - 磁界検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は強磁性体に励磁用の巻線を施した検出素子を
磁束の飽和値をこえて励磁すると、そのインダクタンス
が外部磁界によって変化することを利用して磁界を検出
する装置に関する。

〔従来の技術〕

第７図はこの種の装置の構成図である。保磁力が小さく
最大透磁率が大きいたとえばコバルト系のアモルファス
合金のような強磁性体の薄板あるいは細線を束ねた小片
≠をコアとし、そのコアに巻線を施して１対の検出素子
１と２を形成する〇コアとしてのアモルファス合金の小
片は断面積に対する長さの比の比較的小さい形状とし、
磁化された場合にそれ自身の磁極の作る磁界すなわち反
磁界の影響を受けやすいものにしておく。これらの検出
素子１．２と２個の抵抗Ｒ１とでインピーダンスブリッ
ジ３を構成し、このインピーダンスプリッジ３に高周波
電源４より正極性の周期的な高周波の脈流を与えて検出
素子１と２とを励磁し、検出する磁界のない状態で可変
抵抗Ｒ２によレインピーダンスブリッジ３を平衝させて
おく。検出素子１と２は検出する磁界の向きと励磁電流
による磁界の向きが一方では同方向、他方では反対方向
となるようだ配置する。

アモルファス合金は保磁力が小さいためヒステリシスが
きわめて小さく、シたがってその磁化特性は第８図（ａ
）のように−本の折線によって近似的に示される。この
場合最大透磁率も大きな値をもつため、磁束密度Ｂは飽
和値ＢｓＫ達するまでは本来Ｂ軸に一致した特性を示す
。ところが前に記したように反磁界の影響を受けやすい
形状に作られているので磁束密度Ｂは飽和値Ｂｓに達す
るまでは反磁界の影響により磁界Ｈに対してＢ−をＨ（
μ。：真空透磁率、Ｎ：反磁界係数）で示されるような
勾配＆をもつ直線関係にしたがって増加する。反磁界の
影響は反磁界係数Ｎ・の値が大きい程大きく、それにつ
れて直線の勾配はゆるやかＫなる。磁束密度Ｂは飽和値
Ｂｓに達する磁界Ｈ８よりさらに大きな磁界に対しては
Ｂ＝Ｂｓで与えられる特性を示す〇実線で示した範囲が
励磁電流による磁界の最大値Ｈ１ｆでの特性である◇ 検出素子１と２とく検出する磁界）（ｅｘが加わると、
励磁による磁界と検出する磁界とが同方向の素子での磁
化特性は第８図Φ）の実線９反対方向の素子では第８図
（Ｃ）の実線のようになる。これら（ａ）。

（ｂ）、（ｅ）Ｋ対して、励磁電流Ｉとその励磁電流の
もたらすアモルファス合金中の磁束Φとの関係は第８図
（ｄ）で示される。工ｌは磁界Ｈ１を与える励磁電流で
ある。このような磁束Φと励磁電流■との間の非線形特
性により、Ｌ−Φ／工で与えられる検出素子１と２との
インダクタンスしは検出する磁界に対応して変化し、下
記によって示される。

ただし　　　ｋ＝Φｍ／Ｉ　ｍ １ｍ　＝　−Ｈｓ １”ｔ　−（Ｈａ　−（（ｅｚ　） Ｉｍ２　＝　　　（Ｈｓ　＋Ｈｅｘ　）で、ｎは単位長
当妙の巻線の巻数である。上記より検出素子に検出磁界
上ＨｅＸが加わった場合のインダクタンスの変化△Ｌは であることが導かれる（毛利佳年雄ほか：非晶質ニ 摩磁心マルチバイブレータブリッジにょるマグネトメー
タ、日本応用磁気学会誌、　ＶｏＬ　７．　４２　。

Ｐ１４３〜１４６（１９８３）参照）０すなわち検出素
子ｌと２のインダクタンスＬは検出する磁界Ｈｅｘに比
例した変化を示し、一方ではΔＬ増加し、他方ではへＬ
減少するすしたがって第７図に示すインピーダンスブリ
ッジ３は２ΔＬに相当する不平衡電圧を出力し、その出
力は高周波電源より与えられる高周波が検出する磁界で
変調された波形をもつため、これを増幅器５で増幅し、
高周波成分を低減戸波器６で除去して、検出する磁界な
らびにその方向に対応した出力信号７を得る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第７図に示した検出素子１あるいは２のアモルファス合
金の磁気特性は、実際には折点近傍で曲線的に変化し、
飽和特性が直線となるのは磁界が４Ｈ，ないし５Ｈ８と
なったあたりからである。励磁電流による磁界の最大値
Ｈ１がこの曲線部に相当する値であると、ΔＬがＨｅｘ
に比例しない。したがって少なくとも４Ｈ８〜５Ｈｓ以
上の磁界を与えるような最大電流によって励磁を行わね
ばならない。

検出素子として直径０．１２ｍ長さ４ｍのアモルファス
合金の細線を３本束ねたもの（断面積０．０３−）では
Ｈ８は２０００　Ａ／ｍ程度であるため、励磁する磁界
の最大値としては１０，０００　Ａ／ｍを与えることに
なる。これに対してアモルファス合金には巻線を１００
回程度施してあり、上記の磁界を与えるための励磁電流
の値は最大値でＩＡ近いものが必要である。この励磁電
流の値は実効値としても矩形波で０．５　Ａ　、半波整
流波形の正弦波では０．３５　Ａとなってかなり大きな
ものとなる。

ところが検出素子１と２とは上に記したようにきわめて
小さく、１００回程度の巻線を施すには直径０．１〜０
．２鏑のきわめて細い導線を用いねばならない。したが
って導線の抵抗が大きく、前記のような値の大きい電流
が０．１〜０．２　ｍｍ程度の細線に流れるとジュール
熱の発生が大きく、これによる検出素子の温度上昇によ
りインダクタンスや抵抗値が変化する。この変化の度合
は検出素子１と２とでは必らずしも同一でないので、イ
ンピーダンスブリッジ３の平衡が崩れて測定誤差を与え
るＯ これを避けて巻線の径の太いものを用いると巻線の剛性
のためにアモルファス合金の表面に密着した巻線を施す
ことが困難となり、アモルファス合金と巻線との間に空
隙が生ずる◇このため巻線内の空隙磁束が増大してアモ
ルファス合金の励磁が有効に行われなくなり、所要の磁
束を与えるために励磁の電力を増さねばならず、高周波
電源４の容量を増加させる必要が生じてくる。したがっ
て高周波電源４の構成は高周波発振回路のはかに、さら
に電力増幅用ＩＣあるいは電力用トランジスタを備えて
所要の電流を与えるようにしなければならない。

この発明は上述の問題点を解決して検出素子の巻線の発
熱を低減し、しかも十分な励磁を行い得る磁界検出装置
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は検出素子に与える励磁電流を繰り返し周期に
対するパルス幅の占める割合の小さい、すなわちデユー
ティ比の小さいパルス状の電流とするものである。

〔作　用〕

繰り返し周期に対するパルス幅の占める割合プの小さい
、すなわちデユーティ比の小さいパルス状の電流で励磁
を行うようＫすると、そのパルス波高に相当する電流値
を大きく与えても、その持続時間が短いために、発生し
たジュール熱は次の周期の励磁電流が与えられるまでに
放散されて検出素子中に蓄積されることがほとんどなく
なる〇したがって細い巻線を用いても検出素子の温度変
化をインダクタンスの値に影響を与えない範囲に抑える
ことができる。このため太い巻線を用いる必要がなくな
り、それに伴なう高周波電源の容量増加の問題を避ける
ことができる０この高周波電源の容量は熱的な面からも
容量の小さいものとすることができるようになり、装置
の構成を簡単化できる＠ 〔実施例〕 第１図はこの発明の実施例の構成図である。検出素子１
と２の励磁用の高周波電源１１は小形で安価な１個のア
ナログタイマ用ＩＣを主体としてきわめて簡単に構成さ
れ、繰り返し周期ＴＫ対す１０％以下のパルス幅の狭い
高周波のパルス状の電流を供給する。このパルス状電流
の波高値Ｉｌは第８図に示す磁束密度の飽和点Ｈ，０４
〜５倍の磁界を与える電流値である。高周波電源１１以
外は第７図に示す従来技術のものと同様である。

第２図は最大値１０．０００　Ａｊｍを与える励磁電流
の最大値と実効値とをり、Ｒ，が１０％のパルス波。

正弦波の半波、矩形波の各波形について示したものであ
る０励磁電流の最大値は４００ｍＡと同一であっても、
その実効値は波形によっていちじるしく異なり、Ｄ、Ｒ
，が１０％のパルス波は正弦波の半波の３０チ以下、矩
形波の２０％に実効値を低減できることを示している。

特にジュール熱は環流の自乗に比例するので、励磁電流
波形による発熱の差異はさらに大きくなり、Ｄ、Ｒ，の
値の小さいパルス波による励磁が有効となる。

■のホルマル銅線を１２０回巻いた検出素子について、
矩形波ＣＤ、Ｒ，＝５０チ）とパルス波（Ｄ、Ｒ，＝１
０％）の励磁電流を与えてそれぞれの温度上昇を測定し
た結果を示したものである。励磁の周波数は５０　ｋＨ
ｚと１００　ｋＨｚの２通り与えである。最大値５００
ｙｒ＋Ａの励磁電流に対して、パルス波で励磁した場合
の温度上昇が１０〜２０℃にすぎないのに対し、矩形波
で励磁した場合には６０〜７０℃にも達する温度上昇が
あり、本発明によるパルス波の励磁を行う装置が有利で
あることが示されている。

このように０．１　ｍ径の細線を巻線として用いても温
度上昇を低く抑えることができるので、巻線を太くする
必要がなくアモルファス合金の周囲に密に巻線を施すこ
とができる０このため巻線の作る磁束のうちの空間磁束
分を低減させることができ、既に述べたように高周波電
源１１を小形のＩＣ１個を主体に構成することを可能と
している。

第４図はこの発明の実施例の装置を５０　Ｈｚの交流電
流の作る磁界の検出に適用し、導体に接触することなく
電流測定を行った結果を装置Ｏ出力電圧と測定電流の実
効値との関係で示したグラフである。装置の出力電圧の
測定電流に対する直線性は測定電流の３５Ａ近傍まで良
好である。この３５Ａの電流による磁界は約２０００　
Ａ／ｍで、この発明の装置がこの２０００　Ａ／ｍ近傍
の磁界まできわめて直線性よく測定できることを示して
いる０検出素子１と２とに与える電流の最大値はそれぞ
れ４００７ＦＩＡで、その周波数は１００　ｋ！ｌｚで
ある。

第５図は上記の測定のための検出部の断面図であって、
樹脂製のホルダ２１が測定電流の流れる導体２２を挾ん
で支持する。検出素子１と２とは導体２２を流れる電流
によって生ずる磁界の方向が、これら検出素子１と２と
の長手方向と一致するように導体２２に対して対称かつ
直角に配置されるようにホルダ２１中の保持孔２３と２
４に挿入される。

検出素子１と２とは導線２５によって第１図のインピー
ダンスブリッジ３に接続される。

第６図は同じくこの磁界検出装置を５０　Ｈｚの交流電
流の検出に適用した場合の装置の出力波形と測定電流波
形とを比較したオシロ波形であり、（ａ）は正弦波電流
、（ｂ）は歪んだ波形の電流の波形である。（ａ）、（
ｂ）いずれにおいても装置の出力波形と測定電流の波形
とはきわめてよく一致しており、この発明による装置が
時間的に変動する磁界を良好に検出でき、電流検出装置
にも十分適用できることが示されている。

直流磁界の検出においては、装置の零点の安定性がきわ
めて重要となる。これに対してはこの発明の装置におけ
る検出素子１と２とのパルス波での励磁によって、検出
素子１と２および励磁用の高周波電源１１の発熱が抑え
られるので、零点質　・動が従来装置の値の１／３以下
に低減され、測定精度が向上する。

〔発明の効果〕

この発明によれば検出素子の励磁電流をパルス状とし、
繰り返し周期に対するパルス幅の占める割合の小さいも
のを与えるようにしたので、励磁′１流の実効値が低く
なり、ジュール熱の発生による検出素子や励磁用電源の
温度上昇を低い値て抑えることが可能となる。したがっ
て検出素子についてはその１対の温度条件の差による零
点の変動が低減し、またピーク値の大きな電流で励磁で
きるので測定精度が向上する。さらに検出素子の巻線を
細くできるために密な巻線を施すことができ、効率の良
い励磁が行える。このことと励磁電流の実効値が低減さ
れることから励磁用電源の容量を低減させきわめて簡単
な回路構成を与えることができる。これらのことから磁
気検出装置を小形かつ軽量で扱いやすくかつ測定精度に
すぐれ、かつ安価なものとすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成図、第２図は種々の波
形の励磁電流の実効値の比較衣、第３図は矩形波とパル
ス波の励磁電流による検出素子の温度上昇を比較したグ
ラフ、第４図はこの発明の実施例による交流電流の測定
結果を示すグラフ。 第５図は電流測定のための検出部の断面図、第６図は電
流測定における実施例の出力波形と電流波形との比較を
示すオシロ波形、第７図は従来技術による磁界検出装置
の構成図、第８図は検出素子の磁束密度と磁界との関係
および磁束と励磁電流との関係をそれぞれ示すグラフで
ある。 １．２：検出素子、３：インピーダンスブリッジ、４．
１１：高周波電源。 第１図 第２図 ル腿征電ヨｒＣ，＠大イ直　　（ｍＡ）第３図 埠体電浅（Ａ） 第４図 第５図 −・〉　　時間 一５→　時間 紹　２　図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）保磁力が小さく最大透磁率が大きく、かつ磁束密度
   と磁界との関係に有意な反磁界の影響が認められる形状
   をもつ強磁性体小片に巻線を施した検出素子の一対のそ
   れぞれの巻線に周期的に変化する励磁電流を与えてその
   励磁電流の尖頭値においては前記の強磁性体小片内部の
   磁束が飽和を示す励磁を行い、その励磁による磁界の向
   きと検出する磁界の向きとが一方の検出素子では同方向
   、他方の検出素子では反対方向となるように配置して、
   前記の外部磁界がもたらす各検出素子内部の磁界の差異
   に起因して各検出素子のインダクタンスに生じる差異を
   検出し、その検出を介して前記の外部磁界を検出する装
   置において、前記の励磁電流がパルス状の電流であつて
   、繰り返し周期に対してパルス幅の占める割合が小さい
   ことを特徴とする磁界検出装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、強磁性
   体がコバルト系アモルファス合金であることを特徴とす
   る磁界検出装置。