JP3126642B2

JP3126642B2 - 磁界センサ

Info

Publication number: JP3126642B2
Application number: JP07291450A
Authority: JP
Inventors: 佳年雄毛利
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 2001-01-22
Anticipated expiration: 2015-11-09
Also published as: US5831432A; EP0773449A3; EP0773449B1; DE69619930D1; EP0773449A2; JPH09133742A; DE69619930T2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁界センサに係
り、特に、産業用ロボットアームの高性能制御に必要な
高密度着磁ロータリエンコーダリング磁石の磁気センサ
ヘッド、磁気探傷用高感度磁気センサヘッド、磁性体の
磁区構造の画像検出用磁気センサヘッド、コンピュータ
高密度磁気記録ディスク用磁気センサヘッド、コンピュ
ータ記憶ディスク回転駆動制御用ロータリエンコーダリ
ング磁石の磁気センサヘッド、自動車着磁磁界検出用磁
気センサ、磁気方位センサ、各種の電流検出用磁気セン
サ等の種々の磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】現代の益々発展する情報化社会の技術の
中枢の一つである、産業用ロボットアームの高性能制御
に必要な高密度着磁ロータリエンコーダリング磁石の磁
気センサヘッド、磁気探傷用高感度磁気センサヘッド、
磁性体の磁区構造の画像検出用磁気センサヘッド、コン
ピュータ高密度磁気記録ディスク用磁気センサヘッド、
コンピュータ記憶ディスク回転駆動制御用ロータリエン
コーダリング磁石の磁気センサヘッド等の種々の磁気セ
ンサヘッドは、いずれも益々微弱になる信号磁界を検出
する必要があり、地磁気をはじめとする信号磁界より大
きな外乱磁界または背景磁界の中で信号磁界のみを検出
することが要求されている。

【０００３】このためには、信号磁界に比較して空間的
に一様に近い外乱磁界を相殺しつつ空間的に勾配をもつ
信号磁界のみを差磁界の形式で検出する磁界センサが必
要になる。

【０００４】更に、これらの分野の磁界センサは高感度
で同時にマイクロ寸法・高速応答であることが必須要件
であり、これに応え得る磁界センサは磁気−インピーダ
ンス素子のみである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ホール
素子や磁気−抵抗（ＭＲ）素子等は感度が不十分であ
り、フラックスゲートセンサは一様磁界に対してのみ高
感度であるが、マイクロ寸法性および応答速度の面で不
十分である。

【０００６】既に、本願発明者によって提案された磁気
−インピーダンス効果（ＭＩ）素子（特開平７−１８１
２３９号公報）は、１ｍｍ長程度のマイクロ寸法の磁気
センサヘッドを使用しても磁界検出分解能が交流磁界に
対して１０^-6エルステッド（Ｏｅ）あり、非常に高感度
を示すと同時に、直流磁界（０Ｈｚ）から数ＭＨｚまで
の磁界を検出する高速応答性を示し、また、センサ回路
全体の消費電力も約４０ｍＷ以下であるので、センサア
レイを構成することが容易であることなど、従来の磁気
センサにない多くの優れた諸特性を有するものである。

【０００７】実際、近年の情報化社会の進展の中で、コ
ンピュータ・情報機器、メカトロニクス、パワーエレク
トロニクス、医用電子、工業計測、環境計測などの諸分
野の新しい磁気計測のターゲットは、高密度磁気ディス
クや高密度着磁ロータリエンコーダリング磁石の表面磁
界検出、ピンホール磁気探傷高速検出など磁界の強さで
ｍＯｅのオーダー、磁界の周波数で数十ｋ〜数百ｋＨｚ
であり、従来のホール素子や磁気−抵抗（ＭＲ）素子な
どは検出感度不足、フラックスゲートセンサは応答速度
不足と長すぎるヘッド長などのため、いずれも適用が困
難である。

【０００８】これらの磁気計測の新しいターゲットに対
しては、磁気−インピーダンス素子のみが対応できるた
め、その実用化が待望されている。

【０００９】一方、この新しい磁気計測ターゲットにお
いては、地磁気（約０．３Ｏｅ）などの一般的な磁界
が、検出対象の信号磁界の大きさよりも大きい場合が多
くなるので、磁界センサとしてはロバストネス（外乱磁
界の影響を受けず、信号磁界のみを検出する能力）を備
えることが必要になってくる。

【００１０】なお、背景雑音を相殺しつつ勾配磁界を検
知するための方法としては、既にＳＱＵＩＤ（超伝導量
子干渉デバイス）のグラジオメータなどで提案されてい
る方法が知られているが、新たな高性能マイクロ磁界セ
ンサである磁気−インピーダンス素子では、まだ提案さ
れていない。

【００１１】本発明は、かかる状況に鑑みて、磁気−イ
ンピーダンス素子を２個用いて、地磁気等の比較的一様
な外乱磁界（背景磁界）を相殺しつつ、磁気記録媒体等
の空間的に極度に局在した信号磁界（勾配磁界）のみを
検出可能な勾配磁界検出（グラジェント）形の磁界セン
サを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、（１）磁性体からなる一対のセンサヘッドと、この一対
のセンサヘッドに巻回されるバイアスコイルと帰還コイ
ルと、この帰還コイルに接続されるスイッチと、このス
イッチのオンオフにより前記一対のセンサヘッドに印加
するバイアス磁界の符号を切り替えることにより、空間
的に一様な磁界又は空間的に勾配をもつ磁界の差の磁界
を検出する検出手段とを設けるようにしたものである。

【００１３】（２）上記（１）記載の磁界センサにおい
て、前記検出手段は自己発振型電子回路で構成されるよ
うにしたものである。

【００１４】（３）上記（１）記載の磁界センサにおい
て、前記センサヘッドは磁気−インピーダンス効果また
は磁気−インダクタンス効果で動作するようにしたもの
である。

【００１５】（４）上記（１）記載の磁界センサにおい
て、前記センサヘッドの磁性体はアモルファスワイヤで
ある。

【００１６】（５）上記（１）記載の磁界センサにおい
て、前記センサヘッドの磁性体は薄膜である。

【００１７】（６）上記（１）記載の磁界センサにおい
て、前記検出手段のバイアス磁界は前記センサヘッドの
磁性体に巻回したコイルに直流電流を通電する方法で印
加されるようにしたものである。

【００１８】このように構成したので、磁気−インピー
ダンス素子を２個用いて地磁気などの比較的一様な外乱
磁界（背景磁界）を相殺しつつ、磁気記録媒体などの空
間的に極度に局在した信号磁界（勾配磁界）のみを検出
する勾配磁界検出（グラジェント）形の磁界センサを得
ることができる。

【００１９】この２個の磁気センサヘッドの構成法とし
ては、１本のヘッド材の３箇所に電極を設置し、各々２
箇所の電極間の部分を２個のヘッドとして使用すること
もできる。

【００２０】さらに、この勾配磁界検出磁気−インピー
ダンスヘッドが高感度の磁気検知動作を行うための磁界
センサ回路として、２個のトランジスタによる自己発振
型電子回路、例えば、マルチバイブレータ高周波発振回
路の振幅変調動作を利用するようにしている。

【００２１】また、勾配磁界検出ヘッドの磁界検知能力
が著しく高感度になるよう自己発振型電子回路、例え
ば、トランジスタ発振回路との組み合わせて実現するよ
うにしている。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。

【００２３】図１は本発明の実施例を示す磁界センサの
全体構成図、図２はその磁界センサのヘッドの構成図、
図３はその磁界センサのバイアスコイルの構成図であ
り、図３（ａ）は一様磁界検出時の回路構成図、図３
（ｂ）は勾配磁界検出時の回路構成図、図４はその磁界
センサの帰還コイルの構成図である。

【００２４】これらの図に示すように、磁界センサは、
磁性体としての１本のアモルファスワイヤ（零磁歪、３
０μｍ径、約３ｍｍ）１に３箇所の半田づけ電極端子２
（２ａ，２ｂ，２ｃ）を設けた一対のセンサヘッドＡ
と、自己発振型電子回路Ｂを備えている。アモルファス
ワイヤは、例えば、ＦｅＣｏＳｉＢの材料を用い、アニ
ール時の張力が２ｋｇ／ｍｍ²付与されて、４７５℃で
１分間加熱後、室温に冷却されて、製造される。

【００２５】図２に示すように、磁性体からなる一対の
センサヘッドＡには、バイアスコイル３（３ａ，３ｂ）
と帰還コイル４（４ａ，４ｂ）が巻回されている。

【００２６】図３（ａ）に示すように、バイアスコイル
３ａ，３ｂは、一様磁界検出時〔図１のスイッチ６１
（ＳＷ１）がＯＮ〕には、直流電源Ｅｂが抵抗Ｒ（１０
０Ω）を介して、バイアスコイル３ａとバイアスコイル
３ｂとが順極性方向となるように直列に接続される。一
方、図３（ｂ）に示すように、勾配磁界検出時〔図１の
スイッチ６１（ＳＷ１）がＯＦＦ〕には、直流電源Ｅｂ
が抵抗Ｒ（１００Ω）を介して、バイアスコイル３ａと
バイアスコイル３ｂとが逆極性方向となるように直列に
接続される。

【００２７】また、図４に示すように、帰還コイル４
ａ，４ｂは帰還抵抗６２（図１参照）を介して順極性方
向になるように、帰還コイル４ａと帰還コイル４ｂとが
配置される。

【００２８】更に、上記自己発振型電子回路Ｂは、マル
チバイブレータ発振回路１０と、差動増幅器３０と、検
波回路４０と、出力段増幅器５０とを具備している。

【００２９】そのマルチバイブレータ発振回路１０は、
抵抗１７（Ｒ：１０Ω）、直流電源１８（Ｅ）、インダ
クタンス１１，１９〔チップ素子（Ｌ_chip）：０．１２
μＨ〕、抵抗１２，２０（Ｒ_b1，Ｒ_b2：２０ｋΩ）、コ
ンデンサ１３，２１（Ｃ_b1，Ｃ_b2：２２０ｐＦ）、トラ
ンジスタ１４，２２（Ｔｒ１，Ｔｒ２：２ＳＣｌ１６
２）、抵抗１５，２３（Ｒ：３０ｋΩ）、抵抗１６，２
４（Ｒ₀：３Ω）からなり、差動増幅器３０に接続され
る。

【００３０】その差動増幅器３０は、抵抗３１、３２
（Ｒ₁，Ｒ₂：５１０Ω）、抵抗３３（Ｒ₄：１ｋ
Ω）、オペアンプ３４（ＯＰ１：ＬＭ６３６１Ｎ）、抵
抗３５（Ｒ₃：１ｋΩ）からなり、検波回路４０に接続
される。

【００３１】この検波回路４０は、ショットキーバリア
ダイオード４１（Ｄ：１ＳＳ９７）と、抵抗４２
（Ｒ₅：３００ｋΩ）と、コンデンサ４３（Ｃ₁：２２
００ｐＦ）とのＲＣ回路からなり、出力段増幅器５０に
接続される。

【００３２】その出力段増幅器５０は、抵抗５１，５
２，５３（Ｒ₆，Ｒ₇，Ｒ₁₂：１０ｋΩ）、可変抵抗５
４（Ｒ₁₃：最大５ｋΩ）、抵抗５５（Ｒ₉：１００ｋ
Ω）、オペアンプ５６（ＯＰ２：ＬＭ３５６Ｎ）、抵抗
５７（Ｒ₈：１００ｋΩ）、抵抗５８（Ｒ₁₀：１ｋ
Ω）、オペアンプ５９（ＯＰ３：ＬＭ３５６Ｎ）、抵抗
６０（Ｒ₁₁：１００ｋΩ）である。また、６１はスイッ
チＳＷ１、６２は帰還抵抗（Ｒｆ：最大３ｋΩ）であ
り、この帰還抵抗６２は直列に接続されたフィードバッ
クコイル４ａ，４ｂを介してアースされている。６３は
出力端子である。

【００３３】マルチバイブレータ発振回路１０は約２０
ＭＨｚで発振し、その発振電圧は、外部印加磁界Ｈｅｘ
によって振幅変調を受け、差動増幅器３０を介して、シ
ョットキーバリアダイオード４１と、抵抗４２とコンデ
ンサ４３とのＲＣ回路を有する検波回路４０で検波され
る。この検波電圧はオペアンプ５６、５９で十分増幅さ
れて出力端子６３に出力電圧Ｅｏｕｔが出力される。

【００３４】このとき、センサヘッドＡの２箇所の部分
のバイアス磁界Ｈｂを、図３（ａ）に示すように、同一
方向に設定すると、出力電圧Ｅｏｕｔは外部印加磁界Ｈ
ｅｘに比例するリニア磁界センサとなる。

【００３５】一方、センサヘッドＡの２箇所の部分のバ
イアス磁界Ｈｂを、図３（ｂ）に示すように、互いに逆
に設定すると、出力電圧ＥｏｕｔはセンサヘッドＡの２
箇所の磁界の差に比例する。

【００３６】前者の場合は、同時に出力電圧Ｅｏｕｔに
比例した電流が、帰還抵抗６２を介してセンサヘッドＡ
の帰還コイル４ａ，４ｂに印加され、磁界の強負帰還回
路となり、磁界検出特性の直線化、応答の高速化などが
著しく改善される。

【００３７】図５は本発明の磁界センサによる外部印加
磁界と出力電圧の特性図（一様磁界検出特性図）であ
り、±１（Ｏｅ：エルステッド）１ｋＨｚの正弦波磁界
の検出特性を示しており、非直線性０．２％ＦＳ（フル
スケール）以下の良好直線性を示している。最少検出磁
界振幅は約１０^-6Ｏｅである。

【００３８】図６は本発明の磁界センサによる周波数特
性図であり、振幅０．０２Ｏｅの正弦波磁界の周波数ｆ
を変化した場合の検出特性（周波数特性）であり、横軸
に周波数（ｋＨｚ）、縦軸にセンサ出力電圧の変化分Δ
Ｅｏｕｔ（ｄＢ）を示している。

【００３９】この図に示すように、負帰還構成により、
１ＭＨｚまでの磁界が±３ｄＢ以内の変化幅で検出され
た。負帰還を施さない場合は２０ｋＨｚまでであった。

【００４０】図７は本発明の磁界センサを差動形で使用
した場合のロボット制御ロータリエンコーダ用リング磁
石の表面検出の実験結果であり、図７（ａ）は直径１９
ｍｍ，１０００磁極（磁極間隔は６０μｍ）の場合であ
り、図７（ｂ）は直径１９ｍｍ，１０００磁極（磁極間
隔は３０μｍ）の場合である。ここで、横軸に磁極Ｎ，
Ｓを縦軸にセンサ出力（ｍＯｅ）を示している。

【００４１】図７から明らかなように、１９ｍｍ径２０
００磁極（磁極間隔３０μｍ）のロボット制御用ロータ
リエンコーダリング磁石の表面磁界の円周方向分布波形
が、安定して検出された。

【００４２】このように差動形ヘッドを使用する場合は
負帰還は施していない。差動形ヘッドを使用したため、
地磁気の影響は全く受けなかった。また、エンコーダ駆
動用マグネットモータのロータ磁界の影響は、差動形ヘ
ッドにより約１／４に減少した。

【００４３】また、上記実施例において、ヘッドとして
はアモルファスワイヤを示したが、これに代えて、アモ
ルファス薄膜を用いることもできる。

【００４４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００４５】特に、各図における回路部品の値は、一例
を示したに過ぎない。

【００４６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。

【００４７】（１）磁気−インピーダンス素子を２個用
いて地磁気などの比較的一様な外乱磁界（背景磁界）を
相殺しつつ、磁気記録媒体などの空間的に極度に局在し
た信号磁界（勾配磁界）のみを検出する勾配磁界検出
（グラジェント）形の磁界センサを得ることができる。

【００４８】（２）さらに、この勾配磁界検出磁気−イ
ンピーダンスヘッドが高感度の磁気検知動作を行うため
の磁界センサ回路として、２個のトランジスタによる自
己発振型電子回路、例えば、マルチバイブレータ高周波
発振回路の振幅変調動作を利用して、高感度で、しかも
安定な動作を行うことができる磁界センサを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す磁界センサの全体構成図
である。

【図２】本発明の実施例を示す磁界センサのヘッドの構
成図である。

【図３】本発明の実施例を示す磁界センサのバイアスコ
イルの構成図である。

【図４】本発明の実施例を示す磁界センサの帰還コイル
の構成図である。

【図５】本発明の磁界センサによる外部印加磁界と出力
電圧の特性図（一様磁界検出特性図）である。

【図６】本発明の磁界センサによる周波数特性図であ
る。

【図７】本発明の磁界センサを差動形で使用した場合の
ロボット制御ロータリエンコーダ用リング磁石の表面検
出の実験結果を示す図である。

【符号の説明】

Ａ一対のセンサヘッドＢ自己発振型電子回路１アモルファスワイヤ２（２ａ，２ｂ，２ｃ）半田づけ電極端子３（３ａ，３ｂ）バイアスコイル４（４ａ，４ｂ）帰還コイル１０マルチバイブレータ発振回路１１，１９インダクタンス１２，１５，１６，１７，２０，２３，２４，３１，３
２，３３，３５，４２，５１，５２，５３，５５，５
７，５８，６０抵抗１３，２１，４３コンデンサ１４，２２トランジスタ１８直流電源３０差動増幅器３４，５６，５９オペアンプ４０検波回路４１ショットキーバリアダイオード５０出力段増幅器５４可変抵抗６１スイッチ（ＳＷ１）６２帰還抵抗６３出力端子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）磁性体からなる一対のセンサヘッド
と、（ｂ）該一対のセンサヘッドに巻回されるバイアスコイ
ルと帰還コイルと、（ｃ）該帰還コイルに接続されるスイッチと、（ｄ）該スイッチのオンオフにより前記一対のセンサヘ
ッドに印加するバイアス磁界の符号を切り替えることに
より、空間的に一様な磁界又は空間的に勾配をもつ磁界
の差の磁界を検出する検出手段とを具備することを特徴
とする磁界センサ。
【請求項２】請求項１記載の磁界センサにおいて、前
記検出手段は自己発振型電子回路で構成されることを特
徴とする磁界センサ。
【請求項３】請求項１記載の磁界センサにおいて、前
記センサヘッドは磁気−インピーダンス効果または磁気
−インダクタンス効果で動作することを特徴とする磁界
センサ。
【請求項４】請求項１記載の磁界センサにおいて、前
記センサヘッドの磁性体はアモルファスワイヤであるこ
とを特徴とする磁界センサ。
【請求項５】請求項１記載の磁界センサにおいて、前
記センサヘッドの磁性体は薄膜であることを特徴とする
磁界センサ。
【請求項６】請求項１記載の磁界センサにおいて、前
記検出手段のバイアス磁界は前記センサヘッドの磁性体
に巻回したコイルに直流電流を通電する方法で印加され
ることを特徴とする磁界センサ。