JPH0224475B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば交通信号システムにおける信
号検出、CRT試験調整ラインにおける磁場計測、
医療関係における磁気シールド効果などを計測す
る磁性細線を磁心とする自励ブリツジ形磁気検出
方法に関する。

従来からあるブリツジ方式の磁気検出方法は、
交流ブリツジを構成する４素子のうち、少なくと
も１素子は、コイル中心部に磁心を配置したイン
ダクタンス素子で構成し、この磁心に印加される
被測定磁界によつてインダクタンス素子のインピ
ーダンスを変化させ、磁気情報をブリツジの不平
衡電圧振巾値の変化として取り出すようにしたも
のである。

この種のブリツジ回路では、駆動電源としての
交流電源には、周波数が一定の定電圧源あるいは
定電流源が用いられる。それ故にインダクタンス
素子のインピーダンス変化によつて駆動電源のデ
ユーテイ比が変化することはないので、被測定磁
界の強さはブリツジ中間点における不平衡電圧の
振幅値より測定することになる。更に被測定磁界
の印加方向を判別するためには、交流電源の周波
数を２倍にした信号を参照信号として、ブリツ
ジ中間点における不平衡電圧より倍周波成分2の
e₂を抽出する位相検波回路部を必要とする。

すなわち、不平衡電圧を、倍周波同調増巾回路
に入力して、倍周波成分を増巾し、その出力を位
相検波するための同期整流部に入力するととも
に、同期整流のための基準参照信号e_rは、交流印
加電圧e_fを逓倍器に入力して得られる倍周波出力
信号e_rを利用することによつて、初めて不平衡電
圧は検波される。

そして、この位相検波出力電圧の符号を識別す
ることによつて、印加方向を知ることになるわけ
である。

ところが、このような回路構成は、特公昭54−
6856に開示されているようにフラツクスゲートマ
グネトメータにおける信号処理回路と全く同じで
あつて、単なるブリツジ回路からだけでは、被測
定磁界の完全計測は不能であり、この方式におけ
る測定回路の簡素化は不可能である。また、この
ようなブリツジ回路では、ブリツジ回路に印加す
る交流電源部と磁気を感応するインダクタンス素
子とを結ぶ伝送、および、ブリツジ回路全体と信
号処理回路部との伝送は、AC−AC伝送（交流伝
送）であるため、伝送路が長くなると減衰がはげ
しくなり、数100mぐらい離すと全く磁気計測は
不能になる。

本発明は、上記欠点を自励可能とした磁性細線
磁心のブリツジ回路を用いて解決した磁気検出方
法を提供するものである。

すなわち本発明は、磁性細線磁心に一次巻線と
二次巻線とを同極性になるように巻装して構成し
た磁気感応部を交流ブリツジ回路の一辺に装入
し、磁性細線磁心に印加した被測定磁界によつて
前記ブリツジ回路の中間点に生ずる不平衡電圧を
前段のオペアンプにて検出し、該オペアンプの出
力電圧である正または負の飽和直流電圧を前記一
次巻線に帰還して磁性細線磁心を自励可能にする
とともに、印加した被測定磁界によつて定まる磁
束密度レベルを基準としてこの基準レベルから前
記磁気感応部が正負最大磁束密度レベルに到達す
るまでの正の励磁時間および負の励磁時間に対応
する正負両極性を有する方形波電圧を前記オペア
ンプの出力側に発生せしめ、該正負方形波電圧を
次段のオペアンプにて両者の励磁時間差から被測
定磁界の強さおよび極性を検出することを特徴と
し、また前段のオペアンプの出力電圧である飽和
直流電圧を一次巻線に、また次段のオペアンプの
出力電圧を二次巻線に各々帰還する自励ブリツジ
形磁気検出方法である。

本発明の第１の特徴は、自励可能とした磁性細
線磁心とオペアンプにより自励ブリツジ回路を構
成し、ブリツジ内のオペアンプの正負飽和直流電
圧を直接、ブリツジ回路に印加して磁界の強さと
極性を知ることができるようにした点である。

第２の特徴は、磁心として、高透磁率、低保磁
力であるアモルフアス磁性細線を使用することに
より小さな消費電力にて高感度磁界測定を可能に
したことである。

第３の特徴は、フラツクスゲート方式やブリツ
ジ方式にみられる交流励磁電圧、倍周波信号など
のパワー・信号の送受方法はAC−AC伝送方式で
あつたが、本発明では減衰の少ないDC−DC方式
（直流伝送方式）に改良することにより、コード
長が数100mに及んでも高感度磁界測定を可能に
したことである。

第４の特徴は、ブリツジ回路及びフラツクスゲ
ートマグネトメータの回路構成における交流励磁
電源、逓倍器、同調増巾器、同期整流部などの主
要基本構成回路を全く必要とせずに、簡素化され
た磁性細線磁心とオペアンプの結合回路によつて
磁界の強さと極性を測定しうるようにしたことで
ある。

以下、図面において詳細に説明する。

第１図は本発明における磁気検出素子の基本構
成を示す。第１図ａは、磁界測定の場合を示し１
はガラス管で、その外側には端子２ａ，２ｂの一
次巻線２と、端子３ａ，３ｂの二次巻線３が巻か
れている。コンデンサ５は磁心より発生する雑音
成分を吸収させるもので、端子２ａ，２ｂの巻線
端子に接続され、端子２ｂ，３ｂは結線されてア
ースＧに落とされている。各巻線２，３の巻線極
性は図示の通り同極性とする。ガラス管１の中心
空間部には、磁性細線磁心４（以下、磁心とい
う）が挿入されている。磁心材料としては、高透
磁率、低保磁力であるアモルフアス磁性材料が最
適であるが、その他、パーマロイなどこれを限定
するものではない。

第１図ｂは、電流測定の場合において磁気検出
素子を直流CT用に構成した時の基本構成を示す。
磁心４は、細線を環状にぐるぐる巻いて構成し、
この環状磁心に巻線２，３が巻装されている。そ
してこの磁心を貫通する電流IexをIexで作る磁界
Ｈより換算して高感度に測定しうるようにしたも
のである。

第２図は、本発明の動作原理を磁心４のＢ−Ｈ
特性を用いて説明するための図である。第２図ａ
は、被測定磁界Hexが零（Hex＝０）の時におけ
る磁心４のＢ−Ｈ特性を示したものである。磁心
４にはヒステリシスが存在するため、励磁の１サ
イクルでは、図示されているように→→→
→の経路をたどることになる。ここで、Hex
＝０の状態の時に、正の直流電圧を一次巻線２に
印加し、正の励磁界によつて磁心４を最大磁束密
度B_nまで励磁させると、図示の通りその磁束密
度変化巾は△B₁₂となる。そして、磁心４の磁束
密度がB_nに達すると同時に直流電圧を零にすれ
ば、磁心４に印加している磁界はなくなるので磁
束密度レベルは点から点のレベルに急速に戻
る。今度は、負の直流電圧を印加して、負の励磁
界によつて磁心４を負の最大磁束密度−B_nまで
励磁させると、その磁束密度変化巾は△B₃₄とな
り、｜△B₁₂｜＝｜△B₃₄｜が成立することにな
る。ところが、第２図ｂに示すごとく、正の被測
定磁界H′ex（＞０）が、磁心４に印加している状
態から、前述の励磁サイクルをくりかえす場合を
考えてみると、まず、正励磁界の印加時における
磁束密度変化巾は△B′₁₂、負励磁界の印加時では
△B′₃₄となり、△B′₁₂と△B₃₄の間には、明らか
に｜△B′₁₂｜＜｜△B′₃₄｜が成立する。いいかえ
れば、励磁用の直流電圧が零状態から、磁心４を
正あるいは負の最大磁束密度レベルにまで励磁す
るに要する正励磁期間t′₊と負励磁期間t′_-の間に、
t′₊＜t′_-の関係式が成立することになる。

次に、第２図ｃに示すごとく、負の被測定磁界
H″ex（＜０）が、磁心４に印加している状態か
ら、前述の励磁サイクルをくり返えすと、正励磁
時に△B″₁₂、負励磁時に△B″₃₄の磁束密度変化が
みられ、正励磁期間t″₊と負励磁期間t″_-の間に、
t″₊＞t″_-が成立することになる。そこで、磁心４
に前述の励磁サイクル時に印加する励磁直流電圧
値が磁心４の最大磁束密度レベルにおいても低下
あるいは変動しないように、第３図の磁気検出回
路に示すごとく一次巻線２と直列に可変抵抗６を
接続し、この可変抵抗によつてインピーダンス調
整をする。そこで、磁心４の磁束レベルが最大磁
束密度レベルあるいはに達すると同時に自動
的に直流電圧Vc，−Vcの極性が切り換えされる
場合を考えると、端子７（または、端子８）にお
ける電圧波形ｅは、正負両極性を有する方形波電
圧波形として観測されることになる。第４図は、
このような仮定のもとに、Hex＝０，H′ex＞０，
H″ex＜０の各場合における端子７における電圧
波形ｅを図示したものである。図からわかるよう
に、両極性方形波の正の半サイクル持続期間t₊，
t′₊，t″₊と、負の半サイクル持続期間t_-，t′_-，t″_-
は、被測定磁界Hex，H′ex，H″exによつて制御
されることがわかる。それ故、ｅを積分し、その
電圧積分値Eo，E′o，E″oの符号と電圧値から被
測定磁界Hexの極性と強さに対応させて換算表示
することにより、磁界測定を可能にすることがで
きることがわかる。

第５図は、本発明の動作原理を自動的に遂行す
るための全体回路図である。機能的には、磁気感
応部１００、表示回路部２００、直流安定化電源
部３００から成立する。

まず、磁気感応部１００のブリツジ回路を構成
する素子として、一辺には可変抵抗６、一次巻線
２とコンデンサ５が存在し、他辺には可変抵抗１
１と可変抵抗１０が存在する。また、ブリツジ各
辺の両端の一端はオペアンプOP₁の出力端子７
に、他端はアースＧに接続されている。２次巻線
は、磁心４に印加する被測定磁界Hexが強い場
合、Hexを打消すに十分大きい励磁界を発生させ
るもので、これは表示回路部２００から出力させ
る励磁電流が端子３ａに入力されることにより実
行される。第５図からわかるように、正帰還にな
るように接続されているこのフイードバツク系
は、強磁場印加中において、磁気感応部の自励動
作を安定化させる作用をする。また被測定磁界に
対する出力電圧の関係を表わす入出力特性の直線
性の改善と、測定範囲の拡大にも寄与するもの
で、実用上非常に有用である。オペアンプOP₁の
各入力端子への入力は、非反転端子Ｐには一次巻
線２の端子２ａが結点Ａを介して入力され、反転
端子Ｎには可変抵抗１０，１１の結点Ｂを介して
入力されている。オペアンプOP₁の動作は、Ｐ，
Ｎ端子間における入力電圧差e_A−e_Bを増巾する増
巾器として動作しているのではなく、入力電圧差
e_A−e_Bが正かあるいは負であるかを識別し、それ
ぞれに対応して正あるいは負の飽和直流電圧を出
力する符号識別器として機能させているのであ
る。コンデンサ５は、磁心４で発生する雑音成分
を吸収させるとともに、急速な磁速変化、たとえ
ばブリツジ印加電圧の正負切換えによつて発生す
る磁束フライバツク現象による影響を抑制するこ
とによつて自励動作を安定化させ、その結果とし
て入出力特性の線形性を改善する作用を有してい
る。

次に、自励動作について説明する。

ここで、理解を容易にするために、可変抵抗
６，１０，１１の抵抗値をR₆，R₁₀，R₁₁とし、
一次巻線２のインピーダンスをZ₂とし、磁心４が
最大磁束密度±B_nに達する直前のインピーダン
スをZ₂m^-とし、±B_nに達した時のインピーダン
スをZ₂mとして、これらの間にはR₆＞Z₂及びR₁₁
＞R₁₀、かつR₆＝R₁₁およびZ₂m^-＞R₁₀＞Z₂mが成
立しているひとつの場合に限定して考えることに
する。仮りに、今の瞬間において、オペアンプ
OP₁の出力端子７の出力電圧が正の飽和直流電圧
＋V_sに切換わつたとすれば、磁心４における磁
束密度レベルは被測定磁界で規定される磁束密度
レベルにまで急速に戻ることになる（の状態）。
そして反転端子Ｎには抵抗１１と１０によつて分
圧された正の電圧e_B（＞０）が入力されることに
なり、非反転端子Ｐには抵抗６とコンデンサ５を
含む一次巻線２のインピーダンスとの分圧によつ
て定まる正の電圧e_A（＞０）が入力される。ここ
で、一次巻線のインピーダンスZ₂は磁心４が磁束
不飽和状態に入つているため、非常に大きく、抵
抗１０との間にはZ₂＞R₁₀が成立するので、オペ
アンプ入力電圧差の符号は正（e_A−e_B＞０）とな
り、オペアンプOP₁の出力電圧はそのまま正の飽
和直流電圧＋V_sを維持する。ところが、磁心４
における磁束密度レベルが次第に上昇し、徐々に
正の最大磁束密度B_nに近づくにつれ、透磁率の
減少にともない、一次巻線２のインピーダンスZ₂
は低下し、磁心４が正の最大磁束密度B_nに達す
る直前でZ₂＝Z₂m^-となり、この時点ではZ₂m^-＞
R₁₀が成立しているが次の瞬間には磁心４は最大
磁束密度B_nに達するので（の状態）、今度はZ₂
＝Z₂m＜R₁₀となる。その結果e_A＜e_Bの関係が成
立しオペアンプOP₁の入力端子間入力電圧差の符
号は正（e_A−e_B＞０）の状態から負（e_A−e_B＜
０）の状態へ変化するため、オペアンプOP₁の出
力端子７には負の飽和直流電圧−V_sが発生する。
そしてこの電圧は、ブリツジの端子７とアースＧ
の間に印加されると同時に、磁心４の磁束密度レ
ベルは再び被測定磁界で規定されるレベルにまで
急速に戻る（の状態）。この負の励磁サイクル
に突入するとZ₂＞R₁₀；e_A＜０；e_B＜０；e_A−e_B
＜０の関係が成立し、磁心４における磁束変化
は、逆方向に向かつて進む。そして時間の経過と
ともに、磁心４の磁束密度レベルが、負の最大磁
束密度−B_nに達すると（の状態）、Z₂＝Z₂m＜
R₁₀，e_A＞e_Bが成立し、オペアンプOP₁の入力電
圧差の符号は正（e_A−e_B＞０）となつて、OP₁の
出力端子７には正の飽和直流電圧＋V_sが出現す
ることになるのである。

以上の回路動作説明より、磁心４が最大磁束密
度＋B_nまたは−B_nに達するごとにオペアンプ
OP₁の飽和直流電圧±V_sが交互に自動的に切り換
えられることが明らかとなつた。

また、磁心４に被測定磁界Hex，H′ex（＞０）、
H″ex（＜０）が印加された状態で前述の動作をさ
せると、オペアンプOP₁の出力端子では第４図に
示されているような方形波電圧波形が観測される
ことも容易に理解できるわけである。ただし、正
確を期すならば、第４図の±V_cを±V_sに置き換
えて読み取れば十分である。

２００は表示回路部で、磁気感応部１００の出
力電圧を積分増巾するオペアンプOP₂と、これに
接続された積分用のコンデンサ１２と、抵抗１
３，１４，１６，１８およびチヨークコイル１
７、指示針１９から構成されている。

オペアンプOP₂の出力端子１５では、被測定磁
界のＮ極あるいはＳ極とその強さにそれぞれ対応
する正あるいは負の直流電圧値が観測される。

チヨークコイル１７は、磁気感応部１００から
の雑音成分が表示回路部に影響を与えないよう
に、それを抑制するために挿入されている。この
チヨークコイル１７を抵抗によつて代行させるこ
とも可能である。３００は直流安定化電源部であ
り、オペアンプOP₁，OP₂を駆動するためのもの
である。磁気感応部１００と表示回路部との伝送
は直流分だけで目的が達成される本発明では、磁
気感応部１００と直流安定化電源部３００との伝
送も直流分であることから、パワーの送受、信号
の送受は完全なDC−DC方式になつている。それ
故、たとえば測定室には直流安定化電源部３００
と表示回路部２００を設置し、数100mはなれた
ところの取り付けられた磁気感応部１００が感応
する磁気変化あるいは異常な地磁気の変動などを
測定室においてモニターすることが可能になるの
である。

第６図は磁気感応部１００の変形回路であつ
て、第５図に示した抵抗１１の代りに２次巻線３
を挿入した場合の実施例を示している。

なお、自励動作は第５図の説明から容易に推察
できるので省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における磁気検出素子の基本構
成を示す説明図、第２図は本発明の動作原理を磁
心のＢ−Ｈ特性を用いて説明する説明図、第３図
は本発明を実施する磁気検出回路の一例を示す図
面、第４図は第３図に於てHex＝０，H′ex＞０，
H″ex＜０の各場合の端子における電圧波形ｅの
図、第５図は磁心を励磁する直流電圧を自動的に
切り換えるようにした磁気感応部、直流安定化電
源部、磁気感応部の出力を積分増巾する表示回路
部から成る全体回路の１例を示す図、第６図は第
５図の磁気感応部の変形回路の１例を示す図、 １……ガラス管、２……一次巻線、３……二次
巻線、４……磁性細線磁心、５……コンデンサ、
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ……端子、Ｇ……アー
ス、１００……磁気感応部、２００……表示回路
部、３００……直流安定化電源部、Ａ，Ｂ……結
点、OP₁，OP₂……オペアンプ、Ｐ……非反転端
子、１７……チヨークコイル、Ｎ……反転端子、
１９……指示計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁性細線磁心に一次巻線と二次巻線とを同極
   性になるように巻装して構成した磁気感応部を交
   流ブリツジ回路の一辺に装入し、磁性細線磁心に
   印加した被測定磁界によつて前記ブリツジ回路の
   中間点に生ずる不平衡電圧を前段のオペアンプに
   て検出し、該オペアンプの出力電圧である正また
   は負の飽和直流電圧を前記一次巻線に帰還して磁
   性細線磁心を自励可能にするとともに、印加した
   被測定磁界によつて定まる磁束密度レベルを基準
   としてこの基準レベルから前記磁気感応部が正負
   最大磁束密度レベルに到達するまでの正の励磁時
   間および負の励磁時間に対応する正負両極性を有
   する方形波電圧を前記オペアンプの出力側に発生
   せしめ、該正負方形波電圧を次段のオペアンプに
   て両者の励磁時間差から被測定磁界の強さおよび
   極性を検出することを特徴とする自励ブリツジ形
   磁気検出方法。 ２ 前段のオペアンプの出力電圧である正または
   負の飽和直流電圧を一次巻線に、また次段のオペ
   アンプの出力電圧を二次巻線に各々帰還する特許
   請求の範囲第１項記載の自励ブリツジ形磁気検出
   方法。