JP2013057645A - 磁界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】直交フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させることができ、直交フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを近傍に配置してセンサの小型化を図ると共に、同一又は近傍の地点の直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定する磁界センサを提供する。
【解決手段】磁界センサは、少なくとも平行部分１ａを磁性体として形成される第１の磁心１及び第１の磁心に巻回される第１の検出コイル２からなる第１のセンサヘッド３を有し、第１の磁心の平行部分が互いに近接する直交フラックスゲート磁力計と、直交フラックスゲート磁力計１０の第１の磁心の中心軸と同軸上に中心軸がある第２の磁心２１及び第２の検出コイル２２からなる第２のセンサヘッド２４を有するサーチコイル磁力計とを備え、直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドが、第２の磁心の集磁効果により磁束密度が増加する領域に配設される。
【選択図】図２

Description

この発明は、磁界を検出する磁界センサに関し、特に、直流磁界（静止磁界）から数百ｋＨｚの交流磁界までの磁界を高感度に検出することができる磁界センサに関する。

フラックスゲート磁力計（flux-gate magnetometer）は、直流（direct current：ｄｃ）磁界を高感度に検出することができるのであるが、キャリアは１００ｋＨｚ程度であり、その遮断周波数（カットオフ周波数）は高々1ｋＨｚである。また、フラックスゲート磁力計は、出力波形に含まれる同期検波器のスイッチングサージを抑制するために、高次のローパスフィルタを使用する場合が多く、遮断周波数近傍での位相遅れが大きくなる。

一方、サーチコイル磁力計（search-coil magnetometer）は、直流磁界を検出することが不可能であるが、数Ｈｚから数十ｋＨｚまでの交流磁界に対して比較的平坦なゲイン（gain：利得）特性を持つようにすることができる。ただし、信号対雑音比（signal-to-noise ratio：ＳＮ比）は、測定周波数に逆比例し、低域周波数帯域側で雑音が大きく、高域周波数帯域側で雑音が低い。

したがって、直流磁界から低域周波数帯域の交流磁界までをフラックスゲート磁力計で計測し、低域周波数帯域から２０ｋＨｚ程度の高域周波数帯域までの交流磁界をサーチコイル磁力計で計測し、中間周波数帯域の交流磁界に対しては、出力への寄与割合を周波数と共にフラックスゲート磁力計からサーチコイル磁力計に連続的に変化するようにする。これにより、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を備えた磁界センサは、フラックスゲート磁力計からサーチコイル磁力計への動作モードを切り替えることなく、直流磁界から２０ｋＨｚ程度の高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を、高感度かつ高分解能で検出することが可能になる。

ここで、負帰還制御で能動磁気シールドを構成する場合には、シールド効果を高めるために、ループゲインが大きいことが必要である。しかしながら、磁界をモニタするセンサが大きな位相遅れを持つと、系が発振しやすくなり、高ゲインで安定的な制御系を作ることができない。

この問題を解決する鍵の１つが、高域周波数帯域まで位相遅れの少ない磁界センサを如何に作るかである。
自然な考え方は、検出対象の周波数帯域が異なる２つ以上の磁界センサを、周波数特性の上で継ぎ目なく合成する考え方である。
これと対照的なものに、フラックスゲート磁力計のコア（磁心）をサーチコイル磁力計のコア（磁心）としても用い、直流磁界及び低域周波数帯域の交流磁界はフラックスゲート磁力計で検出し、高域周波数帯域の交流磁界はサーチコイル磁力計で検出するものがある。しかしながら、この磁界センサは、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計の２つの動作モードを共に常時（同時に）動作させるものでは無く、２つの動作モードを時分割で切り替えるものであり、連続的な制御が必要な能動磁気シールドに利用できない。
また、フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを互いに近接して配置し、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させようとすれば、フラックスゲート磁力計のコア（磁心）に与える励磁磁界（変調磁界）が、サーチコイル磁力計への不要な入力（磁界干渉）になるという問題が存在する。

例えば、従来の鉄道車両の磁界測定装置は、３個の磁気感応部を互いに直交させた、漏れ磁界のうちの超低周波特性磁界測定用の第１の三軸磁気センサと、３個の磁気感応部を互いに直交させた、漏れ磁界のうちの高周波特性磁界測定用の第２の三軸磁気センサを一体化させて構成した複合磁気センサと、を備える（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の広帯域化された磁界補償システムは、磁界測定用装置は第１のセンサと第２のセンサを備える。第１のセンサは、第１の周波数範囲内の磁界に対してアクティブであり、その周波数範囲は第２のセンサがアクティブとなる周波数範囲よりも低い周波数を含む（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−６９８２９号公報 特開２００８−１４９４４号公報

従来の鉄道車両の磁界測定装置は、第１の三軸磁気センサをフラックスゲート型磁気センサで構成し、第２の三軸磁気センサを三軸サーチコイル型磁気センサで構成することが例示されており、第１の三軸磁気センサと第２の三軸磁気センサとを離間して配置している。これは、前述したように、フラックスゲート型磁気センサと三軸サーチコイル型磁気センサとを互いに近接して配置し、フラックスゲート型磁気センサ及び三軸サーチコイル型磁気センサを同時に動作させようとすれば、フラックスゲート型磁気センサの変調磁界により、三軸サーチコイル型磁気センサへの磁界干渉が生じるからである。
しかしながら、第１の三軸磁気センサと第２の三軸磁気センサとを離間して配置するということは、従来の鉄道車両の磁界測定装置を大型化すると共に、同一又は近傍の地点の磁界を測定することができないという課題がある。

なお、従来の広帯域化された磁界補償システムは、第１のセンサとしてフラックスゲート・センサの形をとり、第２のセンサとして誘導コイルの形をとることが例示されているが、フラックスゲート・センサが直交フラックスゲート・センサであるかは不明であり、第１のセンサと第２のセンサとの位置関係についても開示及び示唆されていない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させることができ、フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを近傍に配置してセンサの小型化を図ると共に、同一又は近傍の地点の直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定することができる磁界センサを提供するものである。

この発明に係る磁界センサにおいては、少なくとも平行部分を磁性体として形成される第１の磁心及び当該第１の磁心に巻回される第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドを有し、第１の磁心の平行部分が互いに近接する直交フラックスゲート磁力計と、直交フラックスゲート磁力計の第１の磁心の中心軸と同軸上に中心軸がある第２の磁心及び当該第２の磁心に巻回される第２の検出コイルからなる第２のセンサヘッドを有するサーチコイル磁力計と、を備え、直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドが、サーチコイル磁力計の第２の磁心の集磁効果により磁束密度が増加する領域に配設されるものである。

この発明に係る磁界センサにおいては、直交フラックスゲート磁力計及びサーチコイル磁力計を同時に動作させることができ、直交フラックスゲート磁力計とサーチコイル磁力計とを近傍に配置して磁界センサを小型化することができ、同一又は近傍の地点における直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定することができる。

（ａ）は第１の実施形態に係る磁界センサの一例を示す概略構成図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す直交スラックスゲート磁力計の一例を示す回路図である。 （ａ）は第１の実施形態に係る磁界センサの複合センサヘッドの一例を示す概略構成図であり、（ｂ）は第１の実施形態に係る複合センサヘッドの支持部の一例を示す平面図であり、第１の実施形態に係る複合センサヘッドの支持部、第２の磁心及び第２の検出コイルの一例を示す平面図である。 （ａ）は図１（ａ）に示すサーチコイル磁力計の一例を示す回路図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示すサーチコイル磁力計の他の例を示す回路図である。 サーチコイル磁力計の第２の磁心の集磁効果を説明するための説明図である。 集磁効果を数値計算により示したグラフである。 （ａ）はＣ−Ｒ分圧回路からの合成出力における重畳した利得曲線を示す周波数特性図であり、（ｂ）はＣ−Ｒ分圧回路からの合成出力における合成した利得を示す周波数特性図であり、（ｃ）はＣ−Ｒ分圧回路からの合成出力における位相遅延を示す周波数特性図である。 （ａ）はサーチコイル磁力計単体のゲインの周波数特性を示す周波数特性図であり、（ｂ）は直交スラックスゲート磁力計単体のゲイン及び位相の周波数特性を示す周波数特性図である。 （ａ）は図１（ａ）に示す磁界センサ及び直交スラックスゲート磁力計単体のゲインの周波数特性を示す周波数特性図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す磁界センサ及び直交スラックスゲート磁力計単体の位相の周波数特性を示す周波数特性図である。 図１（ａ）に示す磁界センサ及び直交スラックスゲート磁力計単体の雑音の周波数依存性を示す周波数特性図である。

（本発明の第１の実施形態）
磁界センサ１００は、図１（ａ）に示すように、大別すると、直交フラックスゲート磁力計１０と、サーチコイル磁力計２０と、合成部３０とから構成される。
まず、直交フラックスゲート磁力計１０について説明する。
直交フラックスゲート磁力計１０は、図２（ａ）に示すように、少なくとも平行部分１ａを磁性体として形成されるコア（以下、「第１の磁心１」と称す）及び当該第１の磁心１に巻回される検出コイル（以下、「第１の検出コイル２」と称す）からなるセンサヘッド（以下、「第１のセンサヘッド３」と称す）を有し、第１の磁心１の平行部分１ａが互いに近接する。

なお、本実施形態に係る第１の磁心１は、Ｕ字型のコアであり、平行部分１ａ及び平行部分１ａに連続する湾曲部分１ｂを磁性体としており、平行部分１ａを磁性体とし、湾曲部分１ｂを電線とする場合と比較して、隣り合う平行部分１ａの間隔を狭めることができるのであるが、平行部分１ａを磁性体とし、湾曲部分１ｂを電線とした構成であってもよい。また、第１の磁心１は、第１の検出コイル２の巻線を介することなく、隣り合う平行部分１ａを直接対向させて、第１の検出コイル２の中心を貫通するように配設されることで、第１の磁心１の各平行部分１ａに第１の検出コイル２をそれぞれ巻回される場合と比較して、第１の検出コイル２の巻線の直径の分だけ、隣り合う平行部分１ａを互いに近接されることができるので好ましい。

また、本実施形態に係る直交フラックスゲート磁力計１０は、図１（ｂ）に示すように、第１の磁心１に通電する交流励磁電流Ｉ_ａｃに交流励磁電流Ｉ_ａｃの振幅より大きな直流電流Ｉ_ｄｃを重畳することで、第１の検出コイル２の出力が交流励磁周波数ｆ［Ｈｚ］と同じ基本波の出力が得られる基本波型直交フラックスゲート磁力計１０を用いている。

この基本波型直交フラックスゲート磁力計１０は、第１のセンサヘッド３として、アモルファス磁性ワイヤをヘアピン状に曲げたＵ字型の第１の磁心１と、第１の磁心１を包むように配置された中空細径の第１の検出コイル２とからなる。なお、本実施形態に係る基本波型直交フラックスゲート磁力計１０は、第１のセンサヘッド３の長さが２５ｍｍであり、第１のセンサヘッド３の直径が１０ｍｍであり、第１の検出コイル２の外径が３ｍｍであり、第１の検出コイル２の巻数が約８００ターンであるが、この寸法及び巻数に限られるものではない。

また、基本波型直交フラックスゲート磁力計１０は、負帰還型で実現する基本構成として、第１の検出コイル２の端子２ａにコンデンサを介して後段に接続され、入力信号を増幅する前置増幅器（preamp：プリアンプ）１１と、前置増幅器１１の後段に接続され、入力信号に対して交流励磁周波数ｆ［Ｈｚ］を同期パルスとして同期整流を行う同期整流器（phase-sensitive detection：ＰＳＤ）１２と、同期整流器１２の後段に接続され、高域を除去する低域通過フィルタ（low-pass filter：ローパスフィルタ）１３と、反転入力端子（−入力端子、マイナス端子）が低域通過フィルタ１３の後段に接続され、出力端子が抵抗を介して第１の検出コイル２の端子２ａに接続されるオペアンプ１４と、を備える。

つぎに、サーチコイル磁力計２０について説明する。
サーチコイル磁力計２０は、図２（ａ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０の第１の磁心１の中心軸と同軸上に中心軸があるコア（以下、「第２の磁心２１」と称す）及び当該第２の磁心２１に巻回される検出コイル（以下、「第２の検出コイル２２」と称す）からなるセンサヘッド（以下、「第２のセンサヘッド２４」と称す）を有する。

なお、本実施形態に係るサーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４は、第２の磁心２１として、幅５０ｍｍの磁性テープを外径１０ｍｍのプラスティック製のパイプに多数回巻いて円筒状にしたコア（第２の磁心２１）を用い、そのコア（第２の磁心２１）上に、巻数n_１を３００ターンとする第２の検出コイル２２を巻回し、巻数n_２を１４ターンとするフィードバックコイル２３をその上に巻回して作製した。
また、磁性テープとしては、Ｃｏ（コバルト）系のアモルファステープ（例えば、商品名「Metglas2714A」、商品名「VITROVAC 6025 I50」）が挙げられ、重畳した磁性テープ間に絶縁フィルムを挟持することで、渦電流の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態に係るサーチコイル磁力計２０は、実験における原理の検証に重点を置いたために、第２の検出コイル２２の巻数は３００ターンであり、サーチコイルとしては少ないが、この巻数に限られるものではない。

また、サーチコイル磁力計２０は、図３（ａ）に示すように、非反転入力端子（＋入力端子、プラス端子）が第２の検出コイル２２の端子２２ａに接続され、入力電圧jωΦに比例する電圧を得るための非反転増幅回路２５と、非反転増幅回路２５の後段に接続され、平坦なゲイン特性を得るための積分回路２６と、を備える。この積分回路２６は、数Ｈｚ以上で部分的に積分動作し、広い周波数帯域で一定のゲインを実現して、直交フラックスゲート磁力計１０のゲイン特性に対して滑らかに接続するゲイン特性を与える。

また、サーチコイル磁力計２０は、非反転増幅回路２５の出力端子が帰還抵抗Ｒ_ｆを介してフィードバックコイル２３に接続され、第２の検出コイル２２を鎖交する磁束の変化が小さくなるように構成し、第２の検出コイル２２の自己共振の影響を抑制することができる。また、サーチコイル磁力計２０は、低域周波数帯域において、非反転増幅回路２５からの出力電圧がωΦと直線関係にあり、ｆ＝１／（２πＣ_ＴＲ_Ｔ）が低域遮断周波数を与えることになる。

なお、サーチコイル磁力計２０は、第２の検出コイル２２の自己共振の影響を抑制しないのであれば、図３（ｂ）に示すように、フィードバックコイル２３及び帰還抵抗Ｒ_ｆを具備しない構成であってもよい。

つぎに、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３と、サーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４と、を組み合わせた複合センサヘッド１０３について説明する。

直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３は、第１の磁心１の中心軸がサーチコイル磁力計２０における第２の磁心２１の中心軸と同軸上にあり、例えば、図４に示すように、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の集磁効果（磁束収束効果）により磁束密度が増加する領域に配設させる。

以下、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を配設させるうえで、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の集磁効果により磁束密度が増加する領域のうち、好ましい位置について数値計算の結果（図５参照）を用いて説明する。

数値計算では、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１と略同一の大きさである磁性体（透磁率μ_rを１０，０００と仮定）の円筒（サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１を模擬したもの）と、長さが２５ｍｍで細径である磁性体（透磁率μ_rを１０，０００と仮定）の円柱（直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を模擬したもの）と、を中心軸が同軸になるように配置して、両者の中心軸に対して平行に一様な磁界（１Ｇ＝１００μＴ）を印加する場合を想定した。なお、図４及び図５からは、フラックスゲート磁力計２０の第１のセンサヘッド３を模した円柱を通る磁束が円筒にも通ることから円筒の集磁効果があることと、サーチコイル磁力計２０で計測される磁束はフラックスゲート磁力計２０でも計測される（同一又は近接する地点における計測ができていることの証し）ことと、が理解される。また、フラックスゲート磁力計２０の第１のセンサヘッド３及びサーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４を通る磁束線が、低周波であればフラックスゲート磁力計２０で計測され、高周波であればサーチコイル磁力計２０で計測される。

図５は、円筒の端部（開口部）に対する円柱の端部（底面）の距離によって、円柱の中心軸上における磁束密度の分布が変化する様子を示しており、破線のグラフは、比較例として、円筒が存在しない場合における円柱の中心軸上における磁束密度の分布を示している。

図５に示すように、円筒の端部に対して円柱の端部を５ｍｍ挿入した場合が磁束密度のピークが最も高く、円柱の一部又は全部が円筒の内部に配設される場合において、挿入量５ｍｍを境界にして、円筒の端部に対する円柱の端部の距離が増加又は減少するにつれて磁束密度のピークが低くなることがわかる。また、長さ２５ｍｍの円柱が円筒内に完全に内包された場合（挿入量３０ｍｍ、３５ｍｍ）には、円筒のシールド効果により、円柱の中心軸上の磁束密度がほぼ０になっており、直交フラックスゲート磁力計１０の感度もほぼ０になることがわかる。

特に、円筒の端部に対して円柱の端部を５ｍｍ挿入した場合は、円筒が存在しない場合（比較例）と比較すると、磁性体の円筒の集磁効果により、約２倍の磁束密度が増加しており、直交フラックスゲート磁力計１０の感度もそれに比例して高くなることがわかる。

なお、円柱が円筒の外部に配設される場合においては、円柱に対する円筒の集磁効果の影響が少なくなり、円筒の端部に対する円柱の端部の距離が増加するにつれて磁束密度のピークが低くなる。

したがって、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を配設させる好ましい位置は、比較例（円筒の集磁効果がない場合）の磁束密度のピークより磁束密度のピークが高くなる、円筒の端部に対する円柱の端部の距離であり、円筒の端部に対して−５ｍｍ（離隔距離５ｍｍ）から＋１５ｍｍ（挿入量１５ｍｍ）までの間に円柱の端部を配置することが好ましい。

なお、円筒（第２の磁心２１）の集磁効果は、円柱（第１のセンサヘッド３（第１の磁心１））の長さに依存するために、換言すると、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を配設させる好ましい位置は、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）の全体の長さに対する、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の内部に配設される直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）の一部の割合が、０％（＝１００％×０ｍｍ／２５ｍｍ）以上であり、６０％（＝１００％×１５ｍｍ／２５ｍｍ）以下である。

また、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を配設させる好ましい位置は、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）の全体の長さに対する、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）の端部とサーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の端部との間隙（離隔距離）の割合が、０％（＝１００％×０ｍｍ／２５ｍｍ）以上であり、２０％以下（＝１００％×｜−５ｍｍ｜／２５ｍｍ）である。この場合のように、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を配設させる位置をサーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の外部に配設する場合には、第２の磁心２１は円筒に限られるものではなく、例えば、円柱であってもよい。
なお、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１）を配設させる好ましい位置は、別の表現をすると、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３の端部とサーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の端部との間隙が、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド（サーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド）の直径以下である。

特に、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の検出コイル２）の感度中心点と、サーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４（第２の検出コイル２２）の感度中心点とは、同一又は近傍の地点の磁界を検出するうえで、空間的に近接させることが好ましい。

しかしながら、従来の直交フラックスゲート磁力計のセンサヘッドをサーチコイル磁力計のセンサヘッドに近接させる場合には、直交フラックスゲート磁力計の磁心に与える励磁磁界（変調磁界）が、サーチコイル磁力計への磁界干渉になることがある。特に、平行フラックスゲート磁力計の場合は、大きな励磁磁界が発生し、サーチコイル磁力計への磁界干渉が顕著であると考えられる。

これに対し、直交フラックスゲート磁力計から発生する励磁磁界は電流路（磁心）が囲む面積に比例するために、本実施形態に係る直交フラックスゲート磁力計１０は、第１の磁心１の形状をヘアピン状にすることで、励磁磁界を小さくすることができる。すなわち、本実施形態に係る複合センサヘッド１０３は、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３をサーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４（第２の検出コイル２２）に近接させた場合でも、磁界干渉の問題は起こらない。

そこで、本実施形態に係る複合センサヘッド１０３は、例えば、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３とサーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４とを所定の位置に支持する支持部４０を備え、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の内部に、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３の先端を僅か（約１ｃｍ程度）に挿入している。

支持部４０は、プラスティック製の円柱（全長９４．５ｍｍ、外径１０ｍｍ）に対して、第１のセンサヘッド３を挿入するための大径穴４１（深さ１７ｍｍ、内径６ｍｍ）と小径穴４２（深さ２６．５ｍｍ、内径３．１ｍｍ）とを凹設し、円柱の一端４０ａ（第１のセンサヘッド３の挿入側）から３３．５ｍｍの位置と円柱の他端４０ｂ（第１のセンサヘッド３の反挿入側）から１０ｍｍの位置との間（長さ５１ｍｍ）にサーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１及び第２の検出コイル２２を配置するための直径８ｍｍの小径部４３が形成されて構成される。

この複合センサヘッド１０３の構造上の利点は、コンパクトで一体化に適することや、直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３（第１の磁心１、第１の検出コイル２）の中心軸とサーチコイル磁力計２０の第２のセンサヘッド２４（第２の磁心２１、第２の検出コイル２２）の中心軸とが共通であることにより同一方向の磁界が計測されることはもちろんであるが、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１が直交フラックスゲート磁力計１０の第１のセンサヘッド３に対して集磁効果を持つことである。

また、複合センサヘッド１０３の構造上の利点は、通電（直流電流Ｉ_ｄｃ、直流電流Ｉ_ｄｃと交流励磁電流Ｉ_ａｃとを重畳した電流（Ｉ_ｄｃ＋Ｉ_ａｃ）、交流励磁電流Ｉ_ａｃ）される第１の磁心１（電流路）が取り囲む面積を極めて小さくすることができる。このため、磁界強度が時間的に変化するダイポール（dipole：双極子）磁界源としての第１の磁心１は、発生する励磁磁界の大きさが小さく、直交フラックスゲート磁力計１０からサーチコイル磁力計２０への磁界干渉をほぼ無視することができる。

なお、本実施形態に係る複合センサヘッド１０３は、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の内部に挿入又は第２の磁心２１に最も近接させる第１のセンサヘッド３の先端として、第１の磁心１の湾曲部分１ｂ側を設定している。しかしながら、複合センサヘッド１０３は、第１の磁心１の入力端子１ｃ側を第１のセンサヘッド３の先端として、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１の内部に挿入又は第２の磁心２１に最も近接させてもよい。なお、第１の磁心１の入力端子１ｃ側を第１のセンサヘッド３の先端とすることは、第１の磁心１の入力端子１ｃと交流電源及び／又は直流電源の接続端子とを半田付けをするためのデッドスペースが生じるため、第１の磁心１の湾曲部分１ｂ側を第１のセンサヘッド３の先端とすることが好ましい。

つぎに、直交フラックスゲート磁力計１０からの出力とサーチコイル磁力計２０からの出力との合成について、図１（ａ）及び図６を用いて説明する。
磁界センサ１００の合成部３０は、図１（ａ）に示すように、サーチコイル磁力計２０の出力端子に接続されるコンデンサＣ_Ｃと、直交フラックスゲート磁力計１０の出力端子に接続される抵抗Ｒ_Ｃと、この抵抗Ｒ_Ｃ及びコンデンサＣ_ＣのＣ−Ｒ分圧回路３１の出力端子に非反転入力端子が接続され、高インピーダンス入力を低インピーダンス出力に変換するバッファ回路（ボルテージホロワ回路）３２と、を備える。

ここで、図６（ａ）に示すように、直流（ｄｃ）磁界から低域周波数帯域の交流磁界までの磁界を検出する直交フラックスゲート磁力計１０（図６（ａ）中の「ＦＧ」）の出力Ｖ_２と、高域周波数帯域の交流磁界を検出するサーチコイル磁力計２０（図６（ａ）中の「ＳＣＭ」）の出力Ｖ_１とは、入力磁界Ｂに対して特性曲線の平坦部での感度が同じであるとする。

また、直交フラックスゲート磁力計１０の出力Ｖ_２とサーチコイル磁力計２０の出力Ｖ_１とを、Ｃ−Ｒ分圧回路３１により合成すれば、合成した出力Ｖ_Ｃは、次式（１）となる。

（数１）
Ｖ_Ｃ＝（Ｖ_１Ｒ_Ｃ＋Ｖ_２／（ｊωＣ_Ｃ））／（Ｒ_Ｃ＋１／（ｊωＣ_Ｃ）） （１）

また、図６（ａ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０及びサーチコイル磁力計２０により検出した周波数帯域のうち両者の特性曲線に２桁程度の重畳部分があり、その特性曲線の重畳部分で感度が同じであるとすると、前式（１）は、次式（２）となる。

なお、式（２）において、各出力Ｖ_１，Ｖ_１から合成する出力Ｖ_Ｃへの寄与が等しくなるクロスオーバ周波数（１／（２πＣ_ＣＲ_Ｃ））を含む広い周波数帯域でV＝V_１＝V_２としている。

例えば、ゲインが等しくなる特性曲線の重畳部分の周波数帯域がちょうど２桁であり、ロールオフの傾斜の大きさが２０ｄＢ／ｄｅｃである場合に、図６（ｂ）に示すように、合成出力Ｖ_Ｃはクロスオーバ周波数で１０％程度のゲインの落ち込みが発生し、図６（ｃ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０及びサーチコイル磁力計２０の各遮断周波数で３°程度の位相の遅れ又は進みが発生する。なお、この位相の遅れ又は進みは、ゲインが等しくなる特性曲線の重畳部分の周波数帯域が広がれば、さらに減少し、周波数特性が実数（つまり、位相遅れが０）であるような動作が安定的な能動磁気シールドのための磁界センサ１００を実現することができる。

以上のように、本実施形態に係る磁界センサ１００は、直交フラックスゲート磁力計１０とサーチコイル磁力計２０とを近傍に配置してセンサを小型化し、同一又は近傍の地点の直流磁界から高域周波数帯域の交流磁界までの磁界を測定することができるという作用効果を奏する。

また、本実施形態に係る磁界センサ１００は、サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１が直交フラックスゲート磁力計１０の集磁体として機能するために、高感度に磁界を測定することができるという作用効果を奏する。

また、本実施形態に係る磁界センサ１００は、第１の磁心１の平行部分１ａを互いに近接させて直交フラックスゲート磁力計１０からサーチコイル磁力計２０への磁界干渉を抑制するため、直交フラックスゲート磁力計１０とサーチコイル磁力計２０とを近傍に配置した場合であっても、直交フラックスゲート磁力計１０とサーチコイル磁力計２０との２つの動作モードを常時（同時に）動作することができるという作用効果を奏する。

さらに、本実施形態に係る磁界センサ１００は、抵抗Ｒ_Ｃ及びコンデンサＣ_ＣのＣ−Ｒ分圧回路３１による合成法を用いることにより、直交フラックスゲート磁力計１０及びサーチコイル磁力計２０からの出力の合成を、周波数特性上、継ぎ目のない滑らかな特性として得ることができるという作用効果を奏する。

（実験例）
本発明の効果を確認するために、特に、周波数特性に着目して、以下の実験を行った。
実験方法は、コイル定数が既知であるCubic-3（１辺１５０ｃｍの矩形コイル３つからなる３−コイルシステム）コイルや円形コイルを用いて、本実施形態に係る磁界センサ１００に磁界を印加し、ＮＦ回路ブロック社製の周波数特性分析器（Frequency Response Analyzer：ＦＲＡ）を用いて、コイル電流及びマグネトメータ出力を計測した。

なお、この実験で注意しなければならないことは、磁界発生コイルの自己共振であり、共振点に接近すると、コイル電流とコイルとが作る磁界に位相差が発生する。特に、１０ｋＨｚを越えるような周波数では、メートルサイズのコイルに対して、インダクタンスが大きくなるために、十分な注意が必要である。

なお、磁界センサ１００は、図３（ａ）に示す回路において、帰還抵抗Ｒ_ｆを５ｋΩとし、抵抗Ｒ_Ｔ及びコンデンサＣ_Ｔの値を調整することにより、図７（ａ）に示すように、低域遮断周波数を３ｋＨｚ近傍に設定している。
また、図７（ａ）に示す特性曲線における検出感度が平坦なところでは、一定の分解能で磁界が測定できるように見えるが、サーチコイル磁力計２０からの誘起電圧（信号）は周波数に比例するために、信号対雑音比（ＳＮ比）も周波数に比例する。すなわち、サーチコイル磁力計２０からの出力は、低域周波数帯域で雑音が大きくなる。

直交フラックスゲート磁力計１０の遮断周波数は、図７（ｂ）に示すように、１ｋＨｚより僅かに高いところにあるが、この遮断周波数を越えると、位相の遅れが大きくなる。なお、この直交フラックスゲート磁力計１０の感度は、０．２３Ｖ／μＴであることが他の実験からわかっている。従って、図１（ａ）に示す合成を行うためには、感度の低いサーチコイル磁力計２０の出力を増幅する必要がある。この調整は、複合センサヘッド１０３を図２（ａ）に示すように組み合わせた後に、百Ｈｚ〜数百Ｈｚ帯で行い、クロスオーバ周波数を１００Ｈｚに設定した。

図８（ａ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０及びサーチコイル磁力計２０の複合化により（図８（ａ）中の「Ｈｙｂｒｉｄ」）、直交フラックスゲート磁力計１０の感度が高くなることがわかる。これは、図５に示すように、磁性体の円筒（サーチコイル磁力計２０の第２の磁心２１）の集磁効果によるものである。なお、図８（ａ）においては、直交フラックスゲート磁力計１０単体（図８（ａ）中の「ＦＧ」）による直流磁界の周波数帯域におけるゲインを０ｄＢにしている。

また、図８（ａ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０及びサーチコイル磁力計２０を複合化すると、磁界センサ１００のゲイン（図８（ａ）中の「Ｈｙｂｒｉｄ」）は、直交フラックスゲート磁力計１０のゲイン（図８（ａ）中の「ＦＧ」）に対して、５ｄＢ（１．７８倍）程の増加がある。この結果は、図５に示す、最大の増加割合（比較例における磁束密度のピークに対する挿入量５ｍｍの場合における磁束密度のピーク）である２倍程度に符合する。
また、図８（ａ）に示すように、磁界センサ１００のゲイン特性は、周波数の増加に伴い、やや減少しているが、磁界センサ１００のゲインは、周波数が１０ｋＨｚまで増加しても、−３ｄＢの範囲に入っている。

さらに、図８（ｂ）に示すように、直交フラックスゲート磁力計１０及びサーチコイル磁力計２０を複合化により、磁界センサ１００（図８（ｂ）中の「Ｈｙｂｒｉｄ」）は、直交フラックスゲート磁力計１０（図８（ｂ）中の「ＦＧ」）に対して、位相の回転が顕著に抑制されることがわかる。
このように、位相の回転が小さい磁界センサ１００を用いることは、負帰還で能動磁気シールドを作製する場合に、ループゲインを高くすることができ、ひいては高いシールド効果を実現することが可能になる。

以下、参考までに、磁界センサ１００の雑音特性について、図９を用いて検討した。
なお、図９に示すように、数Ｈｚ以下での急激な雑音の増加は、サンプル点が少なく十分な精度を有しないので、ここでは無視する。

直交フラックスゲート磁力計１０の雑音特性は、数Ｈｚから１０Ｈｚまでの周波数帯域で１／√ｆ的であり、それ以上の周波数帯域で平坦な白色雑音特性を持っている。
一方、サーチコイル磁力計２０の雑音特性は、遮断周波数以上の周波数帯域で１／ｆで変化する（Ｌｏｇ−Ｌｏｇプロットでは−１の傾きになる）。この変化は、図９に示すように、図９中の「Ｈｙｂｒｉｄ」の１００Ｈｚ以上の周波数帯域で確認することができる。

なお、磁界センサ１００は、直交フラックスゲート磁力計１０からの出力とサーチコイル磁力計２０からの出力とを合成するために、１００Ｈｚ以下の周波数帯域において、サーチコイル磁力計２０の雑音が直交フラックスゲート磁力計１０の雑音よりも支配的であれば、雑音スペクトルが平坦になる。

これに対し、本実施形態に係る磁界センサ１００は、前述したように、サーチコイル磁力計２０の第２の検出コイル２２の巻数をサーチコイルとしては少ない３００ターンにしているため、サーチコイル磁力計２０の雑音レベルが高くなり、図９に示すように、１００Ｈｚ以下の周波数帯域において、雑音スペクトルが平坦になっている。

従って、サーチコイル磁力計２０の第２の検出コイル２２の巻数を現在の巻数の１０倍（３０００ターン）程度にすれば、磁界センサ１００の雑音の特性曲線の平坦部が、直交フラックスゲート磁力計１０の雑音特性と同等になると考えられる。但し、第２の検出コイル２２の巻数を単に増やすのみでは、自己共振周波数が低下するために、何らかの工夫が必要である。

１ 第１の磁心
１ａ 平行部分
１ｂ 湾曲部分
１ｃ 入力端子
２ 第１の検出コイル
２ａ 端子
３ 第１のセンサヘッド
１０ 直交フラックスゲート磁力計
１１ 前置増幅器
１２ 同期整流器
１３ 低域通過フィルタ
１４ オペアンプ
２０ サーチコイル磁力計
２１ 第２の磁心
２２ 第２の検出コイル
２２ａ 端子
２３ フィードバックコイル
２４ 第２のセンサヘッド
２５ 非反転増幅回路
２６ 積分回路
３０ 合成部
３１ Ｃ−Ｒ分圧回路
３２ バッファ回路
４０ 支持部
４０ａ 一端
４０ｂ 他端
４１ 大径穴
４２ 小径穴
４３ 小径部
１００ 磁界センサ
１０３ 複合センサヘッド
ｆ 交流励磁周波数

Claims (6)

1. 少なくとも平行部分を磁性体として形成される第１の磁心及び当該第１の磁心に巻回される第１の検出コイルからなる第１のセンサヘッドを有し、前記第１の磁心の平行部分が互いに近接する直交フラックスゲート磁力計と、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１の磁心の中心軸と同軸上に中心軸がある第２の磁心及び当該第２の磁心に巻回される第２の検出コイルからなる第２のセンサヘッドを有するサーチコイル磁力計と、
   を備え、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドが、前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の集磁効果により磁束密度が増加する領域に配設されることを特徴する磁界センサ。
2. 前記請求項１に記載の磁界センサにおいて、
   前記サーチコイル磁力計の第２の磁心が、円筒状であり、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの一部が、前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の内部に配設されることを特徴とする磁界センサ。
3. 前記請求項２に記載の磁界センサにおいて、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの全体の長さに対する、前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の内部に配設される前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの一部の割合が、６０％以下であることを特徴とする磁界センサ。
4. 前記請求項１に記載の磁界センサにおいて、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドが、前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の外部にあり、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの全体の長さに対する、前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの端部と前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の端部との間隙の割合が、２０％以下であることを特徴とする磁界センサ。
5. 前記請求項１に記載の磁界センサにおいて、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドが、前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の外部にあり、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの端部と前記サーチコイル磁力計の第２の磁心の端部との間隙が、前記直交フラックスゲート磁力計の第１のセンサヘッドの直径以下であることを特徴とする磁界センサ。
6. 前記請求項１乃至５のいずれかに記載の磁界センサにおいて、
   前記直交フラックスゲート磁力計の第１の磁心が、前記平行部分に連続する湾曲部分を磁性体とすることを特徴とする磁界センサ。

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