JPH08338864A - 磁気センサ - Google Patents

磁気センサ

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JPH08338864A
JPH08338864A JP16933495A JP16933495A JPH08338864A JP H08338864 A JPH08338864 A JP H08338864A JP 16933495 A JP16933495 A JP 16933495A JP 16933495 A JP16933495 A JP 16933495A JP H08338864 A JPH08338864 A JP H08338864A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構造でかつ検知感度が高く、膜,粉末状
の被測定磁性体であっても、被測定磁性体を切り出すこ
となく磁気特性を測定することができる磁気センサを提
供する。 【構成】補償コイルと検知コイルが励磁コイルの両端に
位置し、かつ補償コイルまたは検知コイルが励磁コイル
の内部を軸方向に沿って移動できかつその移動範囲の任
意の位置で固定することができる構造を持っている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、磁性体の磁気特性を測
定するために用いる磁気センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、磁性体の磁気特性(主にB−H特
性)を測定する方式として静磁場方式と交流磁場方式が
ある。静磁場方式は、図5(a)に示すように、直流電
源22から励磁コイル21に直流を流すことにより得ら
れる強力な一対の磁石21aを近接させ、空隙21bに
生じる磁界中に被測定磁性体24を置き、この磁性体2
4を振動させることによって生じる磁束変化を検知コイ
ル23と増幅器25とで検知増幅し、検出信号をとり出
すものである(VSM方式)。この方式の欠点は装置が
大がかりになるため、簡単に交流磁気特性が得られない
ことである。次に、交流磁場方式は、図5(b)に示す
ように、励磁コイル21に交流電源26から交流電流を
流し、それによって生ずる磁界中に被測定磁性体24を
置き、励磁電流の変化によって生ずる磁界強度変化に対
応した磁束密度を検知コイル23と増幅器25とで検知
増幅するものであり、前方式に比べ装置が比較的簡単で
あるが薄膜のように磁化の強さが小さなものを測定する
には特殊な検知コイルを必要としている。
【0003】この交流磁場方式には補償コイル無し方式
と有り方式がある。補償コイル無し方式では図5(b)
に示すコアのような比較的大きな磁性体を測定するため
に用いられ、励磁コイル21を被測定磁性体24に巻き
付けるかまたは検知コイル23も同様に被測定磁性体2
4に巻き付けて磁性材の磁気特性を測定している。この
方式では比較的簡単に磁気特性が測定できるが、一方コ
イルを巻く手間と、被測定磁性体24にある程度大きな
質量を必要とする欠点がある。
【0004】次に、補償コイル有りの方式は図6に示す
ように、励磁コイル21の中に一対の空芯コイルBを有
し、一方は励磁成分を相殺するための補償コイル27と
して、もう一方は被測定磁性体24を入れる検知コイル
23として使用される。この補償コイル有りの方式の欠
点は、空芯コイルBを励磁手段としているため強い磁界
を得ることが難しく、磁性薄膜や、磁気インク等の磁化
が小さなものに対しては測定が困難である。また、被測
定磁性体24を磁場内部に挿入する構成をとっているた
め、紙,プラスチックのカードやシートの如き媒体中に
埋め込まれるか又はその媒体の表面に付けられた磁性体
をその媒体に付着したままで測定することが困難であ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
磁気特性測定器においては、磁化の小さな磁性体の磁気
特性を簡単に測定することは困難である。即ち、交流磁
場方式においては比較的簡単に磁気特性の測定が行なえ
るが、励磁コイル,検知コイルを被測定物に巻く必要が
あるため、膜状のものや粉末状の被測定磁性体の磁気特
性を測定することが出来ないという欠点がある。また、
補償コイルを有する交流磁場方式では、検知コイル内部
に被測定磁性体を挿入する必要があるため、磁気材料サ
ンプルを検知コイル内部に入れうる大きさに切り出す必
要がある。この欠点を防止するために、検知コイルの周
辺に被測定磁性体を近づけて測定することも考えられ
る。しかし、この方式では励磁磁界が弱くなり、しか
も、検知感度も低くなるために、磁性体そのものを検出
する磁気検出器のようなものには使用できるが磁性体の
特性を検出する磁気特性検出器としては実用的ではない
という欠点がある。
【0006】本発明の目的は、簡単な構造でかつ検知感
度が高く、膜,粉末状の被測定磁性体であっても、被測
定磁性体を切り出すことなく磁気特性を測定することが
できる磁気センサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による磁気センサは、補償コイルと検知コイ
ルが励磁コイルの両端に位置し、かつ補償コイルまたは
検知コイルが励磁コイルの内部を軸方向に沿って移動で
きかつその移動範囲の任意の位置で固定することができ
る構造を持っている。
【0008】
【作用】この磁気センサは補償コイルと、検知コイルを
同じ巻き数で、かつ巻き方向が逆であれば励磁コイルに
よって励磁された起電力は被測定磁性体が存在しないと
きに、検知コイルの出力側で殆ど相殺することができ
る。しかも、空芯励磁コイルの磁界分布特性から励磁コ
イル端面付近の磁界は単調変化するため、補償コイルあ
るいは検知コイルをわずかに移動させるだけで励磁磁界
の成分について0に極めて近い完全なバランスをとるこ
とができる。このように完全に近いバランスのとれたこ
のような磁気センサによれば、検知コイルの近傍に置か
れた被測定磁性体によるわずかな磁束密度の変化をも感
度よく検出することができる。
【0009】
【原理】本発明の理解を容易にするために補償コイル付
き磁気センサの原理について図1,図2を参照して説明
する。強磁性体の磁化特性は次のように表わされる。
【数1】 B=μH (1) B:磁束密度、 H:磁界の強さ、 μ:透磁率 ただし、μは一般に線形ではなく磁性材固有の非線形特
性を有している。
【0010】この特性は、磁界の強さを変化させながら
磁束密度を測定することによって得られる。極めて薄い
(厚さ1μm以下)磁性膜や、磁性材が薄く塗布された
磁気テープ,磁気インク等の磁気特性を測定する場合に
は、この場合の磁性材料の磁化が極めて小さいため測定
が困難である。式(1)は次の式(2)のように書き直
すことができる。
【数2】 B=μ0 H+J (2) H:磁界の強さ、 J:磁性体の変化の強さ、 μ0
真空透磁率 ここで、μ0 は極めて小さいので B≒Jとおくことが
できる。
【0011】検知コイル3により検知される電圧eは
【数3】 e=−dφ/dt (3) φ:検知コイルを貫く磁束
【数4】 φ=∫Jdv (4) であるから、微少体積dvをもつ磁性体からの検知電圧
は極めて小さいことがわかる。
【0012】一方、補償コイル7を接続した図1の回路
構成を有する検知コイル3に生じる電圧Ve は次のよう
に表わされる。
【数5】 Ve =Vb −Vd (5) Vb :検知コイルの電圧、 Vd :補償コイルの電圧 被測定磁性体4が無い場合には、Vb =Vd になるよう
に調整しているためVe =0となる。磁性体4が有る場
合には、
【数6】 Ve =Nb ・Sb ・dB/dt (6) Nb :センサコイルの巻数、Sb :センサコイルの断面
積、B:コイル内部の磁束密度
【0013】ここで、式(2)に示すように、B=μ0
Hはキャンセルされて
【数7】 Ve =Nb ・Sb ・dJ/dt (7) となり被測定磁性体4に起因する磁気特性Jが得られ
る。
【0014】
【実施例】次に、補償コイル7を移動可能とした本発明
の構造とその作用について説明する。図1は本発明によ
る磁気センサ回路の構成例であり、図2(a),(b)
はその具体的構造例である。図2(a)は補償コイル7
を有する磁気センサで、プラスチックやベークライト等
の非金属材料の円形コイルボビン10に励磁コイル1を
巻き、補償コイル7と検知コイル3を巻いたボビン10
a,10bを励磁コイル1の円形コイルボビン10の内
側に配置した構造となっている。補償コイル7のコイル
ボビン10aの表面と励磁コイル1のコイルボビン10
の内壁との間にはねじ11が切ってあり、補償コイル7
を回転させることにより、励磁コイル1の内側に沿って
補償コイル7をわずかに移動できるようになっている。
【0015】図2(b)は補償コイル7を移動させるた
めの別の構成例である。ねじ付ボルト12の回転調整に
より、励磁コイル1のコイルボビン10に対する補償コ
イル7のコイルボビン10cの位置を微調整することが
できる。前記(a)の構成と異なり、補償コイル7の移
動に伴いその補償コイル7が回転しない利点がある。こ
れらはいずれもゼロ点調整用のもので励磁コイル1に電
流を流し、検知コイル3,補償コイル7を図1で示され
るような回路により出力電圧を監視して、被測定磁性体
が無い状態で、電圧最小となる位置に調整する。この例
では円形のボビン10a,10b,10cにコイルを巻
いてあるが、横長のものを測定するための長方形ボビン
や左右対象であれば目的にあった形に変形することもで
きる。また、検知コイル3、補償コイル7の代わりに、
特性の揃ったホール素子,磁気抵抗素子などの磁気検知
素子を用いても同様な効果がある。すなわち、空芯コイ
ルAの端面aにある磁性体4の磁気特性を感度良く測定
するには、被測定磁性体4に空芯コイルAによって作ら
れる磁界を効率良く加え、この磁界によって磁化される
被測定磁性体4の磁束密度のみを検知できれば良い。
【0016】空芯コイルAの作る磁界強度Hr は、端面
aからの距離rにより次の式(8)で表わされる。
【数8】 N:巻数、 I:電流、 L:長さ、 a:半径
【0017】この式(8)から端面aの磁界強度は中心
部の約半分であり、離れるにしたがって減少する。空芯
コイルAの外部にある被測定磁性体4は励磁コイル1の
端面aに近いほど強い磁界を与えられる。また、検知コ
イル3もまた端面aに近いほど磁束変化を効率よく検知
できるので、図1,図2に示される構成が最も効率が良
いことがわかる。また、この方式での磁気検知感度を高
めるには、検知コイル3と補償コイル7との起電力バラ
ンスを取る必要がある。上記の式(8)から、励磁コイ
ル1の端面aの磁界の強さは、その面aを離れるにした
がって小さくなるから、補償コイル7を移動可能な構造
とすることで零バランスを簡単にとることができる。
【0018】すなわち、本発明による磁気センサは、図
2に示すように、補償コイル7と検知コイル3が励磁コ
イル1の両端に位置し、かつ補償コイル7または検知コ
イル3が励磁コイル1の内部を軸方向に沿って移動でき
かつその移動範囲の任意の位置で固定することができる
構造を持っている。この磁気センサ7は補償コイルと、
検知コイル3を同じ巻き数で、かつ巻き方向が逆であれ
ば励磁コイル1によって励磁された起電力は被測定磁性
体4が存在しないときに、検知コイル3の出力側で殆ど
相殺することができる。しかも、空芯励磁コイルAの磁
界分布特性から励磁コイル端面付近の磁界は単調変化す
るため、補償コイル7あるいは検知コイル3をわずかに
移動させるだけで励磁磁界の成分について0に極めて近
い完全なバランスをとることができる。完全に近いバラ
ンスのとれたこのような磁気センサによれば、検知コイ
ル3の近傍に置かれた被測定磁性体4によるわずかな磁
束密度の変化をも感度よく検出することができる。
【0019】また、励磁コイル1によって作られる磁界
によって測定時に問題となる励磁ノイズを無視すること
ができ、強い磁界を被測定磁性体4に印加することがで
き、磁化の小さなものでも感度良く測定可能であるとい
う利点がある。
【0020】次に、ゼロ点補償バンドの作用について説
明する。この場合の図3は、本発明の一実施例を示す部
分構造図であり、補償用バンド13を有する磁気センサ
である。図2の構造で零バランスを取っていても、使用
目的により近くに鉄のような磁性体があると、装置に取
付けた状態でバランスが崩れることがある。
【0021】このバランス崩れを簡単に修復する本発明
の構成について検討する。バランスが崩れた状態では、
被測定磁性体4が存在しない状態での検知コイルの出力
e0は、
【数9】Ve0=ΔN・d(μ0 H)/dt (9) ΔN:バランス変化分 であり、励磁磁界強度Hに比例した電圧が検知される。
この電圧は被測定磁性体4に無関係でS/N比を悪くす
る原因となる。
【0022】透磁率μ1 なる補償用磁性バンド13を、
次の関係になるように補償コイル7に追加する。
【数10】 Ve0=ΔN・d(μ0 H)/dt−ΔV・d(μ1 H)/dt (10) ΔV:磁性バンドの磁束変化分 μ1 ,ΔVを適当に選び、励磁空芯コイル1は位置によ
りHが異なることを利用し、Ve0=0になるように磁性
バンド13の位置を調整することでにより零調整をする
ことができる。
【0023】具体的構造について述べると補償用バンド
13を有する磁気センサである。補償用バンド13は強
磁性体でできた板状のバンドである。補償用バンド13
はわずかではあるがゼロバランスを調整することがで
き、しかも簡単に調整できるため、例えばある機器に磁
気センサを取り付けた後、地磁気の影響、機器周辺から
の磁界の影響を取り除くために使用して便利である。本
実施例ではバンド13は溝用筒15上に螺旋状に形成さ
れた移動溝14に沿って移動できる構造となっており、
より簡単に調整することができる。またバンドの太さ、
磁性体の磁化強度(透磁率)を変えることで調整の度合
いを変えることができる。従って、取付位置が可変のゼ
ロ点補償用磁性体バンド3は、さらに簡単に励磁磁界に
対するバランスを取ることができる利点がある。
【0024】さらに、空芯コイルAに空隙16のある強
磁性材(磁性体心棒)17を入れた構造の作用について
説明する。図4は、本発明の一実施例を示す部分構造図
であり、磁性体心棒17入りの磁気センサの例である。
磁性材の特性を測定する場合、Bm (飽和磁束密度)や
r (保持磁束密度)の大きな材料では励磁磁界強度H
を強くする必要がある。空芯コイルAのみでは
【数11】 H=N・I (11) N:巻数、 I:電流 なる関係から、大きな磁界強度HをもたせるにはN及び
Iを大きくする必要がある。N及びIをそのままの大き
さにしてHを大きくするには、透磁率μの大きな強磁性
材を磁界中に置き、強磁性体の端面a’近傍の磁界を利
用することができる。式(1)に示すB=μHから、大
きな透磁率μをもつ材料の内部磁束密度Bは大きくする
ことができる。大きな磁束密度Bを持った材料が空気中
で相接している場合、端面a’の磁界強度Hは端面近傍
においてはBと等しくなり、大きな磁界強度が得られ
る。
【0025】この場合、補償コイルと検知コイルを含む
磁気センサ本体20を連続で貫通する強磁性体の心棒1
7であれば、被測定磁性体4によって変化する検知コイ
ル近傍の磁束密度Bの変化はそのまま補償コイル近傍の
磁束密度Bを変化させることになる。そのため磁性材の
特性が検知できない。この影響をなくするためには心棒
17の中心位置で空隙16を設けると
【数12】 Rm =R0 +R1 +R2 (12) Rm :心棒全体の磁気抵抗、R0 :空隙の磁気抵抗、R
1 =R2 :左右の心棒間の磁気抵抗ただし、
【数13】 R0 >>R1 ,R2 (13) であるから、測定側の磁束密度変化が補償コイル側へ伝
達される量は極めて小さい。
【0026】具体的構造について述べると、励磁コイル
1の空芯部に挿入された磁性体心棒17はその端面にお
いて非常に強い磁界を作り出すことができる。そのため
保持磁界Hc ,飽和磁界Bm が大きな磁性材料の特性を
測定する場合に便利である。但し、補償コイルと検知コ
イルとの間の磁気干渉を充分に無視できるだけの空隙1
6を心棒17の中央部に設けることが望ましい。このよ
うに、励磁コイルの空芯部の中央部に空隙を有する強磁
性体を挿入したものは励磁時間をより効率よく被測定物
に印加することができ、より広範囲の磁化レンジにわた
って特性を測定することができる。以上のように感度の
高い交流磁気特性を簡単に測定できる磁気センサが実現
できれば、既に塗布あるいは挿入されている微少な磁気
材料の磁気特性を検知することができ、しかも、製造工
程にある磁性体を製造工程を中断することなしに随時又
は連続的に測定することができる。また、特殊な磁性材
を用いたセキュリティタグの検知センサとして利用する
ことができる。
【0027】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
る磁気センサは、検出コイルの出力側で励磁磁界成分に
対するバランスをとることが容易であり、また磁性材で
できた励磁コイル上を移動可能なバンドを有した磁気セ
ンサは外部磁界に対するバランスをとることも容易であ
あって、磁気センス感度が極めて高い。また、励磁コイ
ルの空芯部に空隙を有する強磁性体心棒をもたせ場合に
は、被測定磁性体に強い磁界を与えることができ、より
広範囲の測定レンジでの磁性特性を測定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明するための回路図である。
【図2】本発明による磁気センサの構造例を示す縦断面
図である。
【図3】補償用バンドを用いた本発明の実施例を説明す
るための斜視略図である。
【図4】本発明による磁性心棒入り磁気センサの構造例
を示す縦断面略図である。
【図5】従来の静磁場方式(a)及び交流磁場方式
(b)による磁気センサを説明するための接続図であ
る。
【図6】補償コイルを有する従来の磁気センサを示す斜
視略図である。
【符号の説明】
1 励磁コイル 2 直流電源 3 検知コイル 4 被測定磁性体 5 増幅器 6 交流電源 7 補償コイル 8 励磁電源 9 差動増幅器 10,10a,10b,10c コイルボビン 11 ねじ 12 ボルト 13 補償用バンド 14 移動用溝 15 溝用筒 16 空隙 17 磁性心棒 20 磁気センサ本体 21 励磁コイル 21a 磁石 21b 空隙 22 直流電源 23 検知コイル 24 被測定磁性体 25 増幅器 26 交流電源 27 補償コイル

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 検出コイルと補償コイルが空芯の励磁コ
    イルの両端に同心で位置する状態で磁束検出用コイルと
    補償用コイルとが励磁コイルの内側で該励磁コイルと一
    体構造をなしており、前記補償コイルが前記励磁コイル
    の空芯内部を移動してその移動範囲内の任意の位置に固
    定できる構造を備えた磁気センサ。
  2. 【請求項2】 前記励磁コイルの外側近傍に該励磁コイ
    ルと同心関係で任意の位置に取付可能なゼロ点補償用磁
    性体バンドをさらに備えたことを特徴とする請求項1に
    記載の磁気センサ。
  3. 【請求項3】 前記励磁コイルの空芯部に中央位置に空
    隙を有する強磁性体心棒がさらに挿入配置されているこ
    とを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気センサ。
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